(57)【要約】【課題】  プローブの伸び、及び周辺空気の温度、湿度の影響を抑えた高精度な形状測定を行うことのできる形状測定用の接触式プローブおよび形状測定装置を提供する。【解決手段】  プローブシャフト２と先端球１６を備えた接触式プローブ１において、  前記プローブシャフト２内の測長光路の少なくとも一部に透明体を設けることにより、少なくともこの部分だけ空気に暴露された光路を減らすことができる。その結果、外気の屈折率変化による測定誤差を抑え、精度を向上させることができる。【選択図】  図１
2012181021.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
その内部に測長光路が形成されるプローブシャフトと先端球を備えた接触式プローブにおいて、
前記プローブシャフトの測長光路の少なくとも一部に設けられ、光が透過可能な透明体で構成された透過部と、
前記先端球と前記透過部の間に設けられ、前記測長光路を案内された光を反射する反射部と、
を有する接触式プローブ。
【請求項２】
前記透明体がコランダム、石英、ダイヤモンド、光学ガラス、低熱膨張ガラスのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の接触式プローブ。
【請求項３】
上記の透明体の一部が、前記光を集光または入射した光束を縮小させる光学特性を有していることを特徴とする請求項１及び２に記載の接触式プローブ。
【請求項４】
レンズ、フレネルレンズ、グレーテッドインデックス、回折格子のいずれかを前記透明体の端面に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の接触式プローブ。
【請求項５】
接触式プローブを被測定物に接触させつつ、前記被測定物の表面を走査させると共に前記接触式プローブの位置を光学的に測定することで、前記被測定物の形状を測定する形状測定装置において、
三次元方向に移動可能なプローブ支持手段と、
前記プローブ支持手段に対して弾性支持された接触式プローブと、
前記接触式プローブの位置および姿勢を測定する測定手段と、
を有し、
前記接触式プローブは、その内部に前記測定のための測長光路が形成されるプローブシャフトと先端球を備え、前記プローブシャフトの測定光路の一部に設けられ、光が透過可能な透明体で構成された透過部、前記先端球と前記透過部の間に設けられ、前記測長光路を案内された光を反射する反射部、を有する接触式プローブであることを特徴とする形状測定装置。
【請求項６】
前記形状測定装置は、さらに、
平面ミラーもしくは球面からなる反射部の定められた平面に対する回転角度または位置を測定するプローブ撓み測定手段と、
透明部の端面の定められた平面に対する回転角度を測定する回転角度測定手段と、
を備えることを特徴とする請求項５に記載の形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レンズやミラーなど光学素子、及び光学素子を製作するための型の表面形状などを測定する接触式プローブを有する形状測定装置に関する。
また、そのプローブの変位を光を用いる変位センサで検出して被測定物面の形状を測定する接触式プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
レンズやミラーもしくは金型の表面など三次元的な構造を有する被測定物の形状や特定部位の座標を測定する形状測定方法として、プローブと呼ばれるシャフト状の触針を用いる形状測定方法がある。この測定方法はプローブを被測定物の表面に所定の接触力で押圧しながら被測定物の表面に倣って移動させ、定められた原点からのプローブの位置やプローブの姿勢を計測することで、その計測値に基づき被測定物の形状を測定するものである。形状測定中のプローブ自体の測長方向への変形（例えば、ＸＹ平面内にプローブを走査しつつ、プローブのＺ軸座標の変位に基づいて形状計測する場合はＺ軸方向への変形）はそのまま測定誤差に現れる。したがって、形状測定中のプローブの変形をいかに考慮に入れて形状計測を行うかが重要な技術課題となっていた。
【０００３】
従来、このような形状測定方法に用いられるプローブとして、特許文献１に開示されているようなプローブが知られている。特許文献１に記載のプローブは、中空のプローブシャフトの一端に先端球が設けられ、このプローブシャフトにおける空孔の底部にミラーを設けてある。被測定物の形状測定する際には、このミラーによってプローブの空孔内に導かれたレーザ光を反射し、この反射光と参照光とを重畳して干渉縞を得ることにより、定められた原点からのプローブの位置をレーザ測長する。このプロ―ブの位置に基づいて被測定物の形状を測定するものである。
【０００４】
プローブシャフトは空気軸受けに対して移動可能に支持されていて、特定の方向に移動可能である。特許文献１の方式では、レーザ光による測長軸の延長線上に被測定物と接触する先端球が配置されているため、測定値にアッベ誤差が生じない利点を有している。また、ミラーと先端球とが近接しているため、温度変化、外力等によりプローブシャフトが測長方向に変形した場合であっても、その変形量が測定誤差になりにくいという特徴を持っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１６７６２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示された方法は、プローブの測長方向の変形によって生じる測定誤差低減に有力な手段であるが、実際には中空であるプローブ中の光路において、気圧、湿度の変動に伴う屈折率変化に伴う光路長の変化の影響を受けてしまう。このため、特許文献１に開示された方法では、プローブ中の光路における屈折率変動によって生じる測定誤差を、低減させることは困難だった。この屈折率の変動による光路長の変化は、高い測定精度を要求されるほど測定誤差として顕著に表れるようになる。
【０００７】
本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、形状測定においてプローブの変形及びプローブ中の光路の屈折率変動に起因した測定誤差の低減を可能にする、接触式プローブ、及びそれを備えた形状測定装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本出願に係る発明は、その内部に測長光路が形成されるプローブシャフトと先端球を備えた接触式プローブにおいて、
前記プローブシャフト内の測長光路の少なくとも一部に設けられ、光が透過可能な透明体で構成された透過部と、
前記先端球と前記透過部の間に設けられ、前記測長光路を案内された光を反射する反射部と、
を有する接触式プローブ
である。
【０００９】
また上記のプローブを備えた形状測定装置である。
上記構成において被測定物の形状を走査測定する際、測長光が上記のプローブの透明体区間を透過するため、前記の透明体の光路中では外気の屈折率変化に伴う光路長の変化による測定誤差を低減させることができる。
【発明の効果】
【００１０】
以上に説明するように、本出願にかかる発明によれば、プローブシャフト内の測長光路の少なくとも一部が光を透過する透明体で構成されていることにより、外気の気温、湿度の変動に伴う屈折率変動の影響を低減し、測定誤差を低減することができる。また、プローブシャフト全体を透明体で構成した場合には、プローブシャフトが中実となるため、中空である場合よりも撓み剛性を高くする上で有利であるためプローブシャフトの曲がり、に起因する測定誤差も小さくすることができる。
【００１１】
このことにより、撓み変形によるプローブシャフトの測長方向とは垂直な方向の測定誤差を低減させることができる。更に、中空体よりも製作が容易であるため、より難加工であっても高剛性、低熱膨張な素材を選択することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態のプローブの構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における装置の構成図である。
【図３】本発明の第２の実施形態のプローブの構成図である。
【図４】本発明の第２の実施形態における装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。
【００１４】
＜第１の実施形態＞
図１（ａ）は本発明の特徴をもっとも良く表す図面であり、第１の実施形態を示す構成図である。同図において１はプローブであり、プローブ支持ベース１８に対し懸架された板バネ１７によって支持されている。また、プローブ１は空気軸受け１９によって支持されている。図１（ａ）にて示された構成はプローブ支持ベース１８と空気軸受け１９とは一体に形成されている例であり、プローブ支持ベース１８に穿たれた白線で描かれた空孔に不図示の送風手段より空気を送ることで空気圧によってプローブ１を支持する。もちろんプローブ支持ベース１８とプローブ１を支持する軸受け（ここでは空気軸受け１９）とはそれぞれ個別に設けても良い。
【００１５】
プローブ１は、例えばサファイアのような高剛性で光を透過する透明体のプローブシャフト２、と先端球１６からなる。なお、プローブシャフト２の内部にはプローブ１の変位を測定するためのレーザ光が通過する測長光路が形成される。プローブシャフト２の先端には先端球１６を強固に支持するため超硬合金製の触針子３を設けてもよい。先端球１６は例えばルビーなどからなる。透明体からなる透明部がプローブシャフト内の測長光路の少なくとも一部に設けられていればよく、また触針子３とプローブシャフトとを一体に形成するなど、必要に応じてプローブの構成を選択して良い。
【００１６】
先端球１６と透過部の間で且つ透過部の一部には、プローブ１の変位を測定するためのターゲットとなる反射部として、第１平面ミラー８が構成されている。透明部は、外部から照射された光を第１の平面ミラー８に案内する構成となっていればよい。
【００１７】
第１平面ミラー８は、第１レーザ光Ｇの波長の光を反射する誘電体多層膜を設けること、もしくは透明体の一部を鏡面に加工して構成されている。本実施例ではこの第１レーザ光Ｇは第１平面ミラー８及びプローブ１の変位を求める干渉計に案内され、波長が６３２．８ｎｍの波長安定化レーザを用いている。
【００１８】
一方で、プローブシャフト２の触針子３と対向する端部には、その焦点が第１平面ミラー８面上となるように、集光する凸面Ｍが形成されている。本実施例では、プローブシャフト２の全体を透明体で構成しているため、透明体の端部に曲率を持たせることにより凸面Ｍを形成している。
【００１９】
これにより、後述するが、プローブ１の先端部をより細くすることが可能で、測定自由度を向上させることができる。プローブ１にはマグネット２０が備えられており、プローブ支持ベース１８に備えたコイル２１から可変の力を加えられる様になっている。もちろん、プローブシャフト２の透明体の端部に凸面形状を設けずにプローブシャフト２とは別にミラー８に焦点を結ぶように集光用レンズ（不図示）を設ける構成をとっても良い。また、プローブシャフト２を従来のように中空とし、測長光路をなす中空の少なくとも一部に透明体を配置し、その透明体とは別体でプローブシャフト２の端部に集光用レンズを取り付けても良い。図１（ｂ）及び図１（ｃ）はプローブシャフトと先端球からなるプローブの他の構成例について、説明のためプローブのみを図示している。
【００２０】
もちろんミラー８へレーザ光を案内するにあたり、プローブ１の先端部にレーザ光を集光する必要が無い場合は、図１（ｂ）に示すように、プローブ１における透明部の他端部（図中の上端）は平面状にしてもよい。
【００２１】
また、プローブシャフト２と同じ形状、同じ材質で作られた、参照用ロッドをプローブシャフト２に近い場所に設けても良い。これにより、プローブシャフト２が外気温の変動に伴って熱膨張した場合に、変形した参照用ロッドを測定しておくことで、プローブシャフト２の変形を補償することが可能となる。
【００２２】
プローブシャフト２がサファイアのような第１レーザ光Ｇの波長の光が透過する透明円柱であるため、この透明区間に第１レーザ光Ｇを通すことで、この区間分だけ空気に暴露された光路を減らすことができる。この区間は、第１平面ミラー８の変位を求める干渉計の測長光路に相当し、該光路上の空気の揺らぎに伴う屈折率変動の影響を低減させるため、プローブ１による形状測定誤差を低減させることになる。プローブシャフト２における透明部が石英やダイヤモンド、光学ガラス、低熱膨張ガラスで作られていても良い。
【００２３】
また、プローブシャフト２の全体を透明体で構成する場合には、中空でなく中実であることにより、より撓み剛性を向上させることができる。このことにより、走査の際、被測定物４からの反力によってプローブシャフト２に生じる変形を低減させることができる。このことは、プローブ１の測定方向である移動方向、もしくはその垂直の方向の変形に伴う、誤差成分を減少させる効果を持つ。また、この撓み剛性を向上させる目的には、プローブシャフト２が例えばサファイアのようなコランダム、或いはダイヤモンドのような、二酸化珪素を主成分とする石英や光学ガラスよりも高剛性の材質を用いることも有効な手段である。
【００２４】
プローブシャフト２の上端部が、図１（ａ）もしくは（ｃ）に示されるように集光特性のある凸面Ｍまたは光学素子を有する構成であれば、第１レーザ光Ｇの光路を阻害することなく、プローブシャフト２を段付或いはテーパー等を用いた先細り形状にすることが可能となる。つまりプローブの透明体からなる透明部の端部が光を集光または入射した光束を縮小させる光学特性を有していればよい。
【００２５】
このことは、深い溝や平面と立直した壁面の隅部などプローブシャフトの進入が困難な形状を有する被測定物４を測定する際、プローブ１と被測定物４との衝突や干渉を防ぐ上で有利である。このような構成を有することでプローブ１により高い測定自由度を持たせることができる。また、プローブシャフト２が光学面を形成するには加工が困難な部材によって形成されている場合等には、第１レーザ光Ｇを集光させるために、プローブシャフト２上にレンズなどの集光素子を設置しても良い。更に、集光特性を発揮させる目的で、フレネルレンズ、グレーテッドインデックス、回折格子等が配置されても良い。
【００２６】
なおプローブシャフト２の透明部の端部に集光特性を持たせた場合には、図１（ｃ）に示すように、先端球１６の表面に第１レーザ光Ｇを直接入射させ、先端球１６の表面を球面ミラーとして反射させるように構成しても良い。この構成では、先端球１６がミラーの役割を兼ねて、透過部に対して設けられていることになる。
【００２７】
この場合には先端球１６の材質は、真球度と干渉計で用いることのできる反射特性の得られる表面粗さとが両立できる加工性を有するものが良い。
【００２８】
以上のように、本実施例におけるプローブシャフトと先端球を備えた接触式プローブは、プローブシャフト内の測長光路の一部に設けられ、光が透過可能な透明体で構成された透過部と、先端球と透過部の間で且つその透過部に設けられ、透過部を案内された光を反射する反射部、を有する点に特徴がある。
【００２９】
図２は第１実施形態における装置の構成図である。マグネット２０、コイル２１は省略されて描かれている。同図において、床２３に形状測定装置が設置される。まず、床２３上に除振台２４を設け、その上に計測ベース２６を設ける。除振台により、床２３から計測ベースへ伝わる振動を減衰させることができ、測定誤差を低減させることができる。なお、この計測ベースは被測定物４と、位置の基準となる３つの基準ミラーとの相対位置を固定するものであり、本測定装置は、基準ミラーに対する被測定物４の表面の点の位置を測定するものである。
【００３０】
計測ベース２６は箱状の構造物であり、これに被測定物４を固定し、水平方向の位置基準であるＸ基準ミラー２７、及び図示しないＹ基準ミラー２８と鉛直方向の位置基準であるＺ基準ミラー２９を備えている。これらの計測ベース及び基準ミラーは、測定の基準となるものであるので、線膨張係数の小さな材料、例えば低熱膨張セラミック、或いは低熱膨張鋳鉄や低熱膨張ガラスなどの材料を用いて製作する。これらの基準ミラーは前述の干渉計でプローブ位置を測定するときの位置基準となるものである。
【００３１】
プローブ支持ベース１８に設けられたＺ距離測定用小型ミラー３７と第１平面ミラー８との変位をＺｐ、Ｚ距離測定用小型ミラー３７とＺ基準ミラー２９との変位をＺ１とする。このＺｐとＺ１の値を用い、
Ｚ＝Ｚｐ＋Ｚ１
とすることで、プローブ１のＺ基準ミラー２９に対するＺ方向の変位Ｚを求めることができる。二つのＸ距離測定用小型ミラー４２ａ、４２ｂの間の距離をＬ１、Ｘ距離測定用小型ミラー４２ｂから先端球１６までの距離をＬ２とする。Ｘ方向及びＹ方向については、これらＬ１、Ｌ２とＸ基準ミラー２７とＸ距離測定用小型ミラー４２との変位Ｘ１及びＸ２を用いて、
Ｘ＝Ｘ１＋（Ｘ２−Ｘ１）＊（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ１
と基準ミラー２７に対するＸ方向のプローブの先端球１６の位置あるいはプローブ１の姿勢を求めることができる。Ｙ方向についても同様である。
【００３２】
プローブを移動させるスライドについて説明する。架台２５上に設けられた走査軸ベース３０を固定子として、図中のＸ方向に相対的に移動可能なＸ軸スライド３１と、Ｘ軸モータ３２とが走査軸ベース３０に設けられている。更に、Ｘ軸スライド３１に対してＹ方向に相対的に移動可能なＹ軸スライド３３とＹ軸モータ３４とがＸ軸スライド３１に設けられている。同様にＹ軸スライド３３に対してＺ方向に相対的に移動可能なＺ軸スライド３５とＺ軸モータ３６とがＹ軸スライド３３に設けられている。
【００３３】
このような構成をとることで、Ｚ軸スライド１４はＸＹＺ方向の三次元方向に移動可能となる。Ｚ軸スライド３５には、プローブ支持ベース１８が固定されている。プローブ支持ベース１８に固定された板バネ１７によって空気軸受け１９に備えられたプローブシャフト２は弾性支持されている。また板バネ１７は、１枚或いは複数枚の薄い金属製の板によって構成されている。これによりプローブ１は、プローブ支持ベース１８に対しＺ軸方向に移動可能に支持される。
【００３４】
プローブを走査する場合はＸＹ平面上に、例えばラスター軌道のような走査軌道を上位コントローラ４０から与え、Ｘ軸スライド３１及びＹ軸スライド３３を移動させる。このときのＸ軸及びＹ軸の動きは、位置制御器３８によってモータを駆動し、スライドを所望の位置へ動かす位置制御となっている。一方でＺ軸スライド３５に関しては、Ｚｐによって求めることができる接触力Ｆを一定に制御する接触力制御による動作によってのみ動かされることとなる。
【００３５】
Ｚ軸について、被測定物４に対するプローブ１の接触力の制御を行いながら、ＸＹ軸の位置制御によってプローブ１を移動させることによって、プローブ１が被測定物４上を倣う走査が可能となる。この状態で、干渉計によって得られたＸＹＺの位置基準に対するプローブ位置の変位Ｘ、Ｙ、Ｚを記録することで被測定物４の形状を測定することができる。
【００３６】
＜第２の実施形態＞
図３は本願の第２の実施形態を示す構成図である。プローブは、プローブ１のうちで軸受けにて支持されて変位が制限されたプローブの上端部に対して、被測定物４に当接するプローブの下端部は、外力を受けると比較的撓みやすい。
【００３７】
そこで、透明体からなる透明部を有するプローブシャフト２の上端には、同シャフトの上端部の回転角度を測定するためのターゲットとなる第３平面ミラー２２が構成されている。本実施例ではプローブの上端部に対する下端部の回転角度もしくは外力によるプローブの下端部の撓みを測定するためにもターゲットとして第１平面ミラー８を用いている。第３平面ミラー２２は、プローブシャフト２の上端面に第２レーザ光Ｈの波長の光を選択的に反射する誘電体多層膜を施すことで構成されている。プローブシャフト２の上端が、第３平面ミラー２２を設けているため、第２の実施形態では、プローブシャフト２の上端に集光光学系が構成されていない。
【００３８】
第１レーザ光源５から出射した第１レーザ光Ｇは、ダイクロイックミラー１１を透過したのちにハーフミラー６を通過した後、第１平面ミラー８で反射され、干渉計による測長に用いられる。第１ハーフミラー６にて戻り光の一部は第１光位置検出素子１５に向かって反射される。集光レンズ１３にてＰＳＤ素子等からなる第１光位置検出素子１５上に集光されることで第１平面ミラー８、即ちプローブシャフト２の下端部の撓みを測定する。つまり、第１光位置検出素子１５を受光部とする光学系をプローブ撓み測定手段として、プローブ１の下端に備えた平面ミラーの回転角度もしくは先端球１６を球面ミラーとする反射部の位置を測定することでプローブの撓みが測定できる。
【００３９】
更に、第２レーザ光源１０から出射した第２レーザ光Ｈは、第２ハーフミラー１４、コリメートレンズ７を経てダイクロイックミラー１１にてプローブ１に向かって反射し、ハーフミラー６を通過して後に、第１レーザ光Ｇと同軸にプローブ１の上端部に入射する。
【００４０】
第３平面ミラー２２は６３２．８ｎｍを中心波長とする狭帯域透過特性を持たせており、ここで第１レーザ光Ｇは透過され、第２レーザ光Ｈは反射される。第２レーザ光Ｈの戻り光は、ダイクロイックミラー１１で反射し、ＰＳＤ素子等からなる第２光位置検出素子１２に入射する。これにより第３平面ミラー２２の撓み状態、即ちプローブシャフト２の上端の回転角度を求めることができる。図３中では第１の光位置検出素子１５が検出する光点の位置は、ある平面（例えばＸＹ平面）に対する第１平面ミラー８の回転角度を反映した位置となっている。同じく第２の光位置検出素子１６は、図３中  第３平面ミラー２２のある平面に対する回転角度を反映している。つまり第二光位置検出素子１２を受光部とする光学系をプローブの端部の回転角度測定手段として、定められた平面に対する第３平面ミラー２２の回転角度を測定することができる。
【００４１】
したがって、各光位置検出素子にて検出された光点の位置に基づきプローブの撓みを検出し、検出された撓み量に基づいて被測定物の測定データを補正することで、より高精度な形状測定を行うことができる。
【００４２】
図４に第２の実施形態での形状測定装置の構成図を示す。図２とはプローブ支持ベース１８の中身にオートコリメータ光学系９が含まれていること以外は同一である。但し図中では、第２レーザ光源１０、コリメートレンズ７、第２ハーフミラー１４、集光レンズ１３等は煩雑を避けるため省略されて描かれている。もちろん必要な測定精度に応じて上記の光学系における光学素子は取捨選択してよい。
【００４３】
以上のように、第３平面ミラー２２と第１平面ミラー８の傾きを測定することにより、プローブシャフト２に生じ得る撓み量を算出することが可能となる。この撓み量を算出することで、撓み量を考慮しない場合よりも、正確に被測定物４と先端球１６との接触点を測定点とすることができる。このことはプローブ１による測定誤差を更に低減させることに有効である。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は外気の変動が大きな環境下での被測定物の形状測定をするにあたり、高精度の測定することが可能になり、産業上利用可能であることはもとより、技術上の効果も大きい。
【符号の説明】
【００４５】
１  プローブ
２  プローブシャフト
３  触針子
４  被測定物
５  第１レーザ光源
６  第１ハーフミラー
８  第１平面ミラー
９  オートコリメータ光学系
１０  第２レーザ光源
１１  ダイクロイックミラー
１２  第２光位置検出素子
１４  第２ハーフミラー
１５  第１光位置検出素子
１６  先端球
１７  板バネ
１８  プローブ支持ベース
１９  空気軸受け
２２  第３平面ミラー
２６  計測ベース
２７  Ｘ基準ミラー
２９  Ｚ基準ミラー
３０  走査軸ベース
３１  Ｘ軸スライド
３２  Ｘ軸モータ
３３  Ｙ軸スライド
３４  Ｙ軸モータ
３５  Ｚ軸スライド
３６  Ｚ軸モータ
３７  Ｚ距離測定用小型ミラー
４２  Ｘ距離測定用小型ミラー
【図１】
2012181021.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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