(57)【要約】【課題】プローブの構成に関係なく、先端にかかる負荷を高感度に検出することができる形状測定センサを提供する。【解決手段】被検物の表面形状を測定するための形状測定センサは、自身の軸方向に摺動可能に支持され、軸方法に摺動することにより被検物の表面形状に追従するプローブ１１と、プローブに向かって流体を供給しつつ、プローブを軸方向に摺動可能に支持する静圧軸受１２と、流体の動態の変化を監視することにより、プローブの先端部にかかる負荷を検出する加速度センサ１６とを備えることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検物の表面形状を測定するための形状測定センサであって、
自身の軸方向に摺動可能に支持され、前記軸方法に摺動することにより前記被検物の表面形状に追従するプローブと、
前記プローブに向かって流体を供給しつつ、前記プローブを前記軸方向に摺動可能に支持する軸受部と、
前記流体の動態の変化を監視することにより、前記プローブの先端部にかかる負荷を検出する負荷検出部と、
を備えることを特徴とする形状測定センサ。
【請求項２】
前記負荷検出部は、前記流体の動態の変化に伴う前記プローブの固有振動数の変化を監視する加速度センサであることを特徴とする請求項１に記載の形状測定センサ。
【請求項３】
前記加速度センサの検出方向の少なくとも１つは、前記プローブの走査方向と平行に設定されていることを特徴とする請求項２に記載の形状測定センサ。
【請求項４】
前記負荷検出部は、前記流体の動態の変化に伴う音圧の変化を監視する音響センサであることを特徴とする請求項１に記載の形状測定センサ。
【請求項５】
前記負荷検出部は、前記流体の動態の変化に伴う風量または風圧の変化を監視する機構であることを特徴とする請求項１に記載の形状測定センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接触式表面形状測定に用いる形状測定センサ、より詳しくは、被検物の表面に接触するプローブにかかる負荷を好適に検知することができる形状測定センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レンズや金型等の光学関連素子の表面形状測定を行う装置として、プローブ（触針子）を光学関連素子等の被検物の面上に接触させて追従させる接触走査式の測定方法を採用した接触式形状測定センサ（以下、単に「形状測定センサ」と称することがある。）が用いられている。
【０００３】
形状測定センサを用いた表面形状測定においては、プローブの先端が被検物の表面上をスムーズに走査されると、良好に測定を行うことができ、好ましい。
しかしながら、実際には、プローブの先端と被検物の表面との間には摩擦が生じるため、プローブの先端には摩擦力による負荷がかかる。この負荷が大きくなりすぎると、プローブに対して、軸線と交差する方向に過剰な力がかかり、測定精度が低下するほか、プローブを傷めたり破損したりする原因にもなる。
【０００４】
この問題に対処するため、特許文献１に記載の表面形状測定機では、被検物に接触しないプローブの基端を鏡面とし、当該鏡面の位置変化をレーザ干渉計で測定することにより、負荷がかかることによるプローブのぶれを検出しようとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−６４６７０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の表面形状測定機における検出機構では、プローブの剛性が高い等の場合、先端側に比べて基端の鏡面は変位しにくく、先端に相当大きな負荷がかからなければレーザ干渉計によりぶれを検出することができない。したがって、プローブの先端に微小なぶれや傾きを生じさせる程度の負荷を検出することが困難であるという問題がある。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、プローブの構成に関係なく、先端にかかる負荷を高感度に検出することができる形状測定センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、被検物の表面形状を測定するための形状測定センサであって、自身の軸方向に摺動可能に支持され、前記軸方法に摺動することにより前記被検物の表面形状に追従するプローブと、前記プローブに向かって流体を供給しつつ、前記プローブを前記軸方向に摺動可能に支持する軸受部と、前記流体の動態の変化を監視することにより、前記プローブの先端部にかかる負荷を検出する負荷検出部とを備えることを特徴とする。
【０００９】
前記負荷検出部は、前記流体の動態の変化に伴う前記プローブの固有振動数の変化を監視する加速度センサであってもよい。
また、前記加速度センサの検出方向の少なくとも１つは、前記プローブの走査方向と平行に設定されてもよい。
【００１０】
前記負荷検出部は、前記流体の動態の変化に伴う音圧の変化を監視する音響センサであってもよいし、前記流体の動態の変化に伴う風量または風圧の変化を監視する機構であってもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の形状測定センサによれば、プローブの構成に関係なく、先端にかかる負荷を高感度に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態の形状測定センサの概略構成を示す図である。
【図２】同形状測定センサのプローブおよび静圧軸受を一部断面で示す図である。
【図３】同プローブに負荷がかかった状態を示す図である。
【図４】同形状測定センサを用いた実験の概要を示す図である。
【図５】同実験における加速度センサの検出値を示すグラフである。
【図６】同実験における静電容量センサの検出値を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の一実施形態について、図１から図６を参照して説明する。なお、特に説明のない限り、「前方」および「後方」とは、それぞれ図１に示すＺ軸の負方向及び正方向を指すものとする。
【００１４】
図１は、本実施形態の形状測定センサ１の一例を示す図である。形状測定センサ１は、被検物の表面形状を測定するものであり、プローブ１１が取り付けられた触針子部１０と、被検物１００が支持される被検物保持部２０と、触針子部１０を移動させるためのＹ軸駆動機構３０と、被検物保持部２０を移動させるためのＸ軸駆動機構４０と、形状測定センサ１全体の動作制御及び取得された表面形状データの処理を行うパソコン５０とを備えている。
【００１５】
触針子部１０は、自身の軸方法に摺動することにより前記被検物の表面形状に追従するプローブ１１と、プローブ１１が挿通される静圧軸受（軸受部）１２と、プローブ１１の傾斜角を調整する傾斜角調整部１３とを備えている。
プローブ１１は、被検物１００に接触する先端部１１Ａと、先端側に先端部１１Ａが取り付けられた略円柱状の軸部１１Ｂとを有する公知の構成のものを適宜選択して採用可能であり、静圧軸受１２内を滑らかに摺動可能に静圧軸受１２に挿通されている。静圧軸受１２は、挿通されたプローブ１１の先端部１１Ａが被検物１００の配置された前方に向くようにベース平板１４上に固定される。軸部１１Ｂのうち、先端部１１Ａが取り付けられていない後端側には、プローブ１１の変位量を検出するための変位計１５が取り付けられている。
【００１６】
図２は、プローブ１１および静圧軸受１２の構造を説明する図であり、プローブ１１を形状測定センサ１の上方（図１に示すＹ軸正側）から見た状態かつ一部断面で示している。静圧軸受１２は、外形が略直方体状であり、径方向の断面が円形の貫通孔１２Ａを有する。プローブ１１の軸部１１Ｂは、貫通孔１２Ａに挿通されている。貫通孔１２Ａの内面と、軸部１１Ｂの外周面との間には、貫通孔１２Ａの径方向両側において、数マイクロメートル（μｍ）程度のクリアランスが確保されている。
【００１７】
また、静圧軸受１２には、エア供給ライン１２Ｂが接続されており、図示しない供給源から空気等の気体（流体）が供給される。供給された気体は、静圧軸受内に形成された図示しない管路を通って貫通孔１２Ａの内面に形成された図示しない多数の送気穴から貫通孔１２Ａと軸部１１Ｂとの間の空間に気流として供給される。この気流により、プローブ１１と静圧軸受１２との間に生じる摩擦力が低減され、プローブ１１が静圧軸受１２の貫通孔１２Ａ内を滑らかに摺動可能に支持される。
【００１８】
静圧軸受１２には、プローブ１１の先端部１１Ａにかかる負荷を検出するための加速度センサ（負荷検出部）１６が取り付けられている。加速度センサ１６は、公知のものを、感度等を考慮して適宜選択して用いることができる。加速度センサ１６は、検出する加速度の方向（検出方向）が貫通孔１２Ａの軸線と交差する方向となるように設置されるのが好ましく、検出方向が当該軸線と直交する方向かつプローブ１１の走査方向と平行となるように設置されるのがさらに好ましい。形状測定センサ１では、走査方向は図１に示すＸ軸に平行な方向であるため、加速度センサ１６は、静圧軸受１２のＸ軸方向両端の側面のいずれかに取り付けられる。
【００１９】
傾斜角調整部１３は、前方の支点１３Ａと、図１に示すＹ軸方向に伸縮可能な伸縮部１３Ｂとを備えており、プローブ１１の傾斜角を変化させてプローブ１１を前方に摺動させ、被検物１００の表面に接触させる。伸縮部１３Ｂとしては、例えば圧電アクチュエータやねじと角度調整部材とからなる機構等を採用することができる。
【００２０】
被検物保持部２０は、基台２上に取り付けられたベース２１と、ベース２１に取り付けられた揺動部２２とを備えている。被検物１００は、揺動部２２に固定されてプローブ１１に対向配置される。揺動部２２は、ベース２１に対して揺動可能であり、揺動部２２とベース２１との位置関係を変化させることによって、後述するように、揺動部２２に取り付けられた被検物１００とプローブ１１とがなす角度を変化させることができる。
なお、本実施形態では、測定される表面が球面状の被検物を示しているが、測定される表面の形状には特に制限はない。
【００２１】
Ｙ軸駆動機構３０は、触針子部１０と基台２との間に設けられており、Ｙ軸方向に移動することによって、傾斜角調整部１３が設定したプローブ１１の傾斜角を保持したまま、触針子部１０を上下に移動させることができる。Ｙ軸駆動機構３０の後方には、Ｙ軸駆動機構の移動量を検出するための変位計３１が設けられている。
【００２２】
Ｘ軸駆動機構４０は、被検物保持部２０のベース２１と基台２との間に設けられており、Ｘ軸方向に移動することによって、被検物保持部２０全体をＸ軸方向に移動させることができる。Ｘ軸駆動機構４０の前方には、被検物保持部２０のＸ軸方向の変位を検出する変位計４１が設けられる。
【００２３】
パソコン５０は、使用者の入力や指示等を受け付ける入力部５１と各種情報を表示する表示部５２とを備えている。パソコン５０は、傾斜角調整部１３、揺動部２２、Ｙ軸駆動機構３０、及びＸ軸駆動機構４０に接続されており、これらの機構の動作を制御可能である。また、パソコン５０は、各変位計１５、３１、および４１とも接続されており、これらの検出値を受信して被検物１００の複数の部分表面形状データに再構成するとともに、各部分表面形状データをつなぎ合わせて被検物１００全体の表面形状データを取得する処理を行う。
さらに、図示を省略するが、パソコン５０はエア供給ライン１２Ｂおよび加速度センサ１６とも接続されている。静圧軸受１２への気体供給はパソコン５０によって制御され、加速度センサ１６の検出値は随時パソコン５０に送られる。
【００２４】
上記の構成を備えた形状測定センサ１の使用時の動作について、以下に説明する。
まず使用者は、被検物１００を、形状測定を行う面が触針子部１０に対向するように、被検物保持部２０の揺動部２２に支持固定する。次に、使用者は静圧軸受１２へ気体を供給しつつ、入力部５１を介して傾斜角調整部１３を操作して、ベース平板１４の後部を上方に移動させる。すると、ベース平板１４は支点１３Ａを支点として傾斜し、静圧軸受１２で保持されたプローブ１１は、自身の重力によって、静圧軸受１２内を滑らかに摺動する。摺動によってプローブ１１の先端は前方に向かって移動し、被検物１００の表面に接触して停止する。
【００２５】
この状態で、パソコン５０によってＸ軸駆動機構４０とＹ軸駆動機構３０とを駆動し、被検物１００とプローブ１１とを相対移動させることにより、被検物１００の表面をプローブ１１によって走査させる。プローブ１１の走査方向はＸ軸に平行な方向であり、Ｙ軸駆動機構３０により先端部１１Ａの高さを変化させながら被検物１００の表面全体が走査される。各変位計１５、３１及び４１の検出値はパソコン５０に入力される。プローブ１１の走査中、静圧軸受１２の貫通孔１２Ａ内に供給される気体の動態は、常時加速度センサ１６によって監視される。
【００２６】
被検物１００とプローブ１１とを相対移動させて走査する際に、被検物１００とプローブ１１の先端部１１Ａとの間に過剰な摩擦力が生じると、図３に示すように、先端部１１Ａの走査移動が当該摩擦力によって妨げられ、静圧軸受１２内でプローブ１１が傾く。当初の傾きはわずかである（図３は、変化をわかりやすくするために誇張して示している。）が、この状態を放置すると、プローブ１１の傾きが徐々に大きくなって先端部１１Ａに過度の負荷がかかった異常状態となり、先端部１１Ａや被検物１００の表面を傷めたりする原因となる。
【００２７】
形状測定センサ１では、プローブ１１が傾くと、その傾き量が微小であっても、静圧軸受１２の内面と軸部１１Ｂの外周面との間隙の形状が変化し、これに伴って、図３に矢印で示すように、エア供給ライン１２Ｂから間隙に供給される気体の気流の動態が変化する。気流の動態が変化すると、プローブ１１および静圧軸受１２の固有振動数が変化し、当該変化が加速度センサ１６によって検出される。固有振動数の変化量が所定の閾値以上となると、使用者に注意を喚起するメッセージや画像等の情報が、パソコン５０の表示部５２に表示される。
使用者は、表示部５２の表示により、先端部１１Ａに過剰な負荷がかかっていることを認識し、必要に応じてプローブ１１の走査を一時停止したり、プローブ１１を、例えば鋭利な先端を有し、被検物との間に摩擦を生じにくいダイヤモンドスタイラス等に交換したりする等の措置を講じる。
【００２８】
本実施形態の形状測定センサ１によれば、被検物１００の表面とプローブ１１の先端部１１Ａとの摩擦に起因するプローブ１１の傾きを、加速度センサ１６が静圧軸受１２の貫通孔１２Ａ内に供給される気体の気流の動態変化を監視することにより検知する。
上述のように、軸部１１Ｂと貫通孔１２Ａとの間には、数μｍ程度のクリアランスしかないため、プローブ１１がわずかに傾いただけでも、気流の動態は大きく変化する。
したがって、プローブの基端の変位量を監視するのに比べて、プローブの傾きに伴う先端部の負荷の検出感度を著しく向上することができる。そして、使用者が当該負荷を認識して必要な対応を早めに取ることで、プローブや被検物表面を傷める事態を好適に防止することができるとともに、高精度に形状測定が行える環境を好適に保持することができる。
【００２９】
プローブ１１の傾きは、被検物１００とプローブ１１とを相対移動させる際に発生する過剰な摩擦力によるもので、走査方向に大きく作用する。
したがって、加速度センサ１６の検出方向は、貫通孔１２Ａの軸線に交差する方向とされるのが好ましく、プローブ１１の走査方向に平行な方向とされるのがさらに好ましい。このようにすることで、負荷の検出感度をさらに向上させることができる。また、３次元加速度センサを用いれば、３軸のいずれか１つが上述の条件を満たすことになるため、厳密に設置方向を考慮する必要なく配置して感度良い検出を行うことができる。
【００３０】
以上、本実施形態の形状測定センサ１について説明したが、形状測定センサ１の検出感度を検討するために、従来の検出機構と比較する実験を行ったので、その結果を以下に示す。
【００３１】
図４は、上記実験の概要について説明するための図である。加速度センサ１６を備える形状測定センサ１において、プローブ１１の軸部１１Ｂの基端に、変位量を監視するための静電容量センサ６０を取り付けた。静電容量センサ６０は、図４に示す符号６０Ａのように、プローブ１１の軸方向の変位を検出する配置と、符号６０Ｂのように、プローブ１１の軸線に略直交する方向の変位を検出する配置との２種類で検討を行った。
【００３２】
先端部１１Ａのうち、所定の箇所Ｐ１に、モータおよび打撃部材（いずれも不図示）を用いて、約１秒周期で５回の振動を加え、加速度センサ１６および静電容量センサ６０でプローブ１１の固有振動数を監視した。
【００３３】
図５に、加速度センサ１６の検出結果を示す。グラフ中、符号Ｓ１で示した波形は、プローブ１１に外力が加わっていない状態において気流によって発生しているホワイトノイズである。グラフ上部に示す矢印が所定の箇所Ｐ１に振動を加えたタイミングであり、加速度センサ１６の検出値がホワイトノイズの値の２倍以上と大きく変化していることがわかる。
【００３４】
図６に、静電容量センサ６０の検出結果を示す。グラフ中符号Ｓ２で示した波形は、静電容量センサ６０におけるホワイトノイズである。静電容量センサ６０では、１回目の振動に対して検出値が鋭く変化しなかったが、他のタイミングでは、各検出値がピークとして観察されている。
【００３５】
図５と図６とでは縦軸のスケールが異なることからもわかるように、両者の検出値を直接比較しても感度の比較をすることはできない。そこで、２つのグラフの値についてそれぞれ標準偏差を求めると、加速度センサ１６では約０．５１３６、静電容量センサ６０では約０．００３７５であり、衝撃実測値（衝撃を加えたときの各センサの実測値の絶対値）と標準偏差との比（感度）は、それぞれ９．７３５（＝５／０.５１３６）および５．３３(＝０．０２／０．００３７５)であった。すなわち、プローブ基端の変位量を監視するのに比べて、静圧軸受１２内部の気流の動態変化を加速度センサで監視する方法は、９．７３５／５．３３＝約１．８３倍の感度を有することが示された。
なお、静電容量センサ６０については６０Ａの配置と６０Ｂの配置とで検出値のグラフ波形にほとんど変化はなく、算出された感度も同様であった。
【００３６】
プローブに過度の負荷がかかった異常状態を、例えばパソコン５０等に自動判別させて表示部５２に警告情報を表示したり、プローブの走査を自動停止させたりするように本発明の形状測定センサを構成する場合、誤作動を確実に防ぐためには、負荷検出部の検出値における標準偏差の５倍程度の値を閾値とするのが好ましい。このような設定をした場合、加速度センサ１６程度の感度があれば問題なく上記異常状態を検出することができるが、静電容量センサ６０程度の感度であると、異常状態が検出されない場合が生じうる。これを防ぐためには閾値を下げればよいが、閾値を下げるとその分誤検出が増えることになり、好ましくない。このように、本発明の形状測定センサでは、軸受部における流体の動態を監視する負荷検出部を備えることにより、自動判別にも充分耐えうる感度でプローブの先端部にかかる負荷および異常状態の発生を検出することができる。
【００３７】
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上述した実施形態においては、加速度センサの検出値が所定の閾値以上となったときに表示部に情報が表示される例や、プローブの走査が自動停止される例を説明したが、これに代えて、加速度センサの検出値を常時表示部に表示することにより、使用者がプローブの異常状態を認識、判断できるように構成してもよい。
【００３８】
また、負荷検出部の機構は、上述の加速度センサには限られず、他の機構により軸受部における流体の動態を監視するものでもよい。例えば、加速度センサに代えて、静圧軸受の貫通孔の端部における風圧や風量を監視する風圧計や風量計等の機構や、貫通孔内に供給される気体によって発生する音圧を監視する音響センサ等の機構が用いられてもよい。
【００３９】
さらに、プローブを支持する軸受部は、上述の静圧軸受に限られず、例えば、リニアガイドを用いたものであってもよい。この場合も、プローブとレールとの間に存在する間隙等における流体の動態変化を監視することにより、プローブ先端部にかかる負荷を高感度で検出することができる。
【００４０】
加えて、上述した各構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜組み合わせることが可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１  形状測定センサ
１１  プローブ
１１Ａ  先端部
１２  静圧軸受（軸受部）
１６  加速度センサ（負荷検出部）
１００  被検物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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