JP2003083741A - 表面性状測定機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 測定子と被測定物との相対姿勢調整が十分で
なくとも、被測定物の表面性状を高精度に測定可能な表
面性状測定機を提供する。 【解決手段】 被測定物に対する測定子４１の相対姿勢
調整手段と、駆動装置とを備える表面性状測定機におい
て、測定子に作用する状態量を検出する状態量検出手段
５１と、測定子を被測定物に対して接近および離隔する
方向へ微小変位させる微動機構６１と、測定子を被測定
物に対して接近および離隔する方向へかつ微動機構より
も大変位させる粗動機構７１と、測定子の位置を検出す
る位置検出手段８１とを有し、状態量検出手段の出力が
所定値になるように粗動機構および微動機構のうちの少
なくとも一方を作動させ、そのときの位置検出手段の値
から被測定物の表面性状を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定物の粗さ、
うねり、二次元や三次元の輪郭あるいは形状、真円度な
どの表面性状を測定する表面性状測定機に関する。

【０００２】

【背景技術】被測定物の真円度、平面度、平行度などの
幾何偏差を測定する測定機として、表面性状測定機の一
種である真円度測定機が利用されている。従来の真円度
測定機は、図７に示すように、ベース２０１と、このベ
ース２０１の上面一側寄りに配置され被測定物２０２を
回転させる被測定物回転機構２１０と、ベース２０１の
上面他側寄りに配置され被測定物２０２の外表面位置を
検出する位置検出機構２２０とを備えている。

【０００３】被測定物回転機構２１０は、ベース２０１
に図示省略の回転駆動機構を介して回転可能に設けられ
た回転テーブル２１１と、この回転テーブル２１１の上
面に配置され被測定物２０２を載置するＸＹテーブル２
１２とを備えている。回転テーブル２１１には、ＸＹテ
ーブル２１２を回転テーブル２１１の回転中心軸に対し
て直交しかつ互いに直交する方向（ＸおよびＹ方向）へ
移動させる調整つまみ２１３Ａ，２１３Ｂが設けられて
いるとともに、ＸＹテーブル２１２の上面（被測定物載
置面）を傾ける傾斜つまみ（図示省略）が設けられてい
る。なお、回転テーブル２１１の回転角は、図示しない
エンコーダによって検出されている。

【０００４】位置検出機構２２０は、ベース２０１に垂
直（Ｚ軸と平行）に立設された支柱２２１と、この支柱
２２１に昇降可能に設けられたスライダ２２２と、この
スライダ２２２に支柱２２１に対して直交する方向（Ｚ
軸に対して直交する方向）へ摺動可能に設けられた水平
アーム２２３と、この水平アーム２２３に取り付けられ
た測定プローブ２２５とを有している。測定プローブ２
２５は、先端に球状の測定子端２２６を有するプローブ
軸２２７と、このプローブ軸２２７をその軸方向へ変位
可能かつ復帰可能に支持する本体部２２８とを備えてい
る。

【０００５】測定にあたっては、被測定物２０２をＸＹ
テーブル２１２上に載置した後、被測定物２０２の軸心
が回転テーブル２１１の回転中心軸Ｚに一致するよう
に、回転テーブル２１１を回転させながら、調整つまみ
２１３Ａ，２１３Ｂや傾斜つまみを調整する。つまり、
被測定物２０２の軸心を回転テーブル２１１の回転中心
軸Ｚに一致させる芯出し作業と、被測定物２０２の軸心
を回転テーブル２１１の回転中心軸Ｚに対して平行にす
る平行出し作業を行う。

【０００６】その後、水平アーム２２３を前進させてプ
ローブ軸２２７の測定子端２２６を被測定物２０２の外
表面に当接させた後、回転テーブル２１１を回転させ、
このときのプローブ軸２２７の位置（つまり、測定子端
２２６の位置）を図示しない検出器によって検出し、そ
の検出値とエンコーダで検出された回転テーブル２１１
の回転角データとを基に、被測定物２０２の真円度を求
める。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の真円度測定機で
は、測定に際して、被測定物２０２の軸心を回転テーブ
ル２１１の回転中心軸Ｚに一致させる芯出し作業と、被
測定物２０２の軸心を回転テーブル２１１の回転中心軸
Ｚに対して平行にする平行出し作業を行わなければなら
ないから、手間と時間がかかる。とくに、被測定物が長
軸と短軸の比が大きい楕円形状などの測定にあたって
は、測定不能になる場合も多々見られた。

【０００８】本発明の目的は、測定子と被測定物の相対
姿勢調整を粗調整のみで微細測定でき、さらに例えば真
円度測定において、長軸と短軸の比が大きい楕円形状な
どの測定範囲の大きい被測定物でも微細測定可能な表面
性状測定機を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の表面性状測定機は、次の構成を採用してい
る。請求項１に記載の表面性状測定機は、被測定物に関
与する測定子と、前記被測定物と前記測定子との相対姿
勢を調整する姿勢調整装置と、前記被測定物と前記測定
子とを相対変位させる駆動装置とを備える表面性状測定
機において、前記測定子が前記被測定物と関与した際に
変化する状態量を検出する状態量検出手段と、前記測定
子を被測定物に対して接近および離隔する方向へ微小変
位させる微動機構と、この微動機構とともに前記測定子
を被測定物に対して接近および離隔する方向へかつ前記
微動機構よりも大変位させる粗動機構と、前記測定子の
位置を検出する位置検出手段とを有し、前記状態量検出
手段の出力が所定値になるように前記微動機構および粗
動機構のうちの少なくとも一方を作動させ、そのときの
前記位置検出手段の値から被測定物の表面性状を測定す
ることを特徴とする。

【００１０】この構成によれば、測定にあたって、被測
定物に測定子を関与させ、この状態において、テーブル
と測定子とを相対変位させる。この相対変位時におい
て、被測定物と測定子との位置関係に応じて、測定子に
関与する状態量が変動するから、そのときの状態量が状
態量検出手段によって検出される。すると、状態量検出
手段の出力が所定値になるように、微動機構および粗動
機構のうちの少なくとも一方が作動される。そして、そ
のときの位置検出手段の値が求められ、その測定結果か
ら被測定物の表面性状が測定される。たとえば、状態量
変動が小さい領域では、微動機構のみが作動され、状態
量変動が大きい領域では、粗動機構のみ、あるいは、微
動機構および粗動機構がともに作動されるから、測定子
と被測定物との相対姿勢を粗調整するだけで、広い測定
範囲に渡って高分解能で微細測定できる。

【００１１】請求項２に記載の表面性状測定機は、請求
項１に記載の表面性状測定機において、前記状態量検出
手段として、前記測定子の先端と被測定物の表面とのギ
ャップを検出する検出器を用いたことを特徴とする。

【００１２】この構成によれば、例えば、真円度測定機
による真円度測定にあたって、テーブルに被測定物を載
置した後、被測定物に検出器の測定子を接近させ、この
状態において、テーブルと測定子とを相対回転させる。
この相対回転時において、被測定物の外表面形状によっ
て被測定物と測定子とのギャップが変動するから、その
ときのギャップが検出器によって検出される。すると、
検出器の出力が所定値になるように、微動機構および粗
動機構のうちの少なくとも一方が作動される。そして、
そのときの位置検出手段の値が求められ、その測定結果
から被測定物の真円度や形状などが測定される。たとえ
ば、ギャップ変動が小さい領域では、微動機構のみが作
動され、ギャップ変動が大きい領域では、粗動機構の
み、あるいは、微動機構および粗動機構がともに作動さ
れるから、芯出しおよび平行出し作業を精密に行わなく
ても測定でき、しかも、長軸と短軸の比が大きい楕円形
状などの被測定物でも測定できる。

【００１３】請求項３に記載の表面性状測定機は、請求
項１に記載の表面性状測定機において、前記状態量検出
手段として、原子間力顕微鏡方式における探針と表面間
で働く力を、その先に付けたカンチレバーのたわみ、あ
るいは、共鳴振動数のずれから読み取る方式を利用した
検出器を用いたことを特徴とする。この構成によれば、
状態量検出手段に、原子間力顕微鏡方式における探針と
表面間で働く力を、その先に付けたカンチレバーのたわ
み、あるいは、共鳴振動数のずれから読み取る方式を利
用した検出器を用いているから、測定子に作用する状態
量を高精度に検出できる。

【００１４】請求項４に記載の表面性状測定機は、請求
項２に記載の表面性状測定機において、前記検出器とし
て、前記測定子の先端と被測定物の表面とのギャップを
非接触で検出する非接触式検出器を用いたことを特徴と
する。ここで、非接触式検出器としては、測定子の先端
と被測定物の表面とのギャップを光を用いて検出するギ
ャップセンサ、静電容量を用いて検出するギャップセン
サ、電磁効果を利用して検出するギャップセンサ、流体
を用いて検出するエアマイクロメータ等を用いることが
考えられる。この構成によれば、測定子の先端と被測定
物の表面とのギャップを非接触で検出する非接触式検出
器を用いたので、被測定物の変形や傷などの損傷を防ぐ
ことができる。

【００１５】請求項５に記載の表面性状測定機は、請求
項１ないし請求項４のいずれかに記載の表面性状測定機
において、前記位置検出手段として、マイケルソン型レ
ーザ干渉計またはヘテロダイン型レーザ干渉計を用いた
ことを特徴とする。この構成によれば、波長の等しい光
同士は干渉するという性質を利用して、分岐されたレー
ザ光を再び干渉させることで位置測定を行うので、光の
波長よりも小さい単位で精度良く測定子の移動量を測定
することができる。

【００１６】請求項６に記載の表面性状測定機は、請求
項１ないし請求項５のいずれかに記載の表面性状測定機
において、前記微動機構は圧電素子または磁歪素子を含
み、かつこの微動機構の圧電素子または磁歪素子の微動
により発生する反力を打ち消す機構を備えたことを特徴
とする。この構成によれば、微動機構には圧電素子また
は磁歪素子が含まれているので、圧電素子または磁歪素
子にそれぞれ電圧または磁界を加えれば、その大きさに
応じて圧電素子または磁歪素子が変位するから、測定子
を被測定物に対して接近および離隔する方向へ迅速かつ
微小に変位させることができる。また、微動機構が作動
されたときの圧電素子または磁歪素子の微動により発生
する反力を打ち消す機構が設けられているので、測定子
に作用する測定力または測定子の先端と被測定物とのギ
ャップが変化し、圧電素子または磁歪素子が微動して
も、粗動機構に加わる応力が打ち消されるから、外乱と
して作用しない。その結果、測定子の動作を微動機構お
よび粗動機構で正確に制御することができ、これによ
り、測定子に作用する測定力または測定子の先端と被測
定物とのギャップなどの状態量の制御を正確に行うこと
ができる。そのため、測定子が被測定物に当接し測定力
がかかる場合でも、測定子に作用する測定力の制御を正
確に行えるから、測定子および被測定物の損傷を低減で
きる。

【００１７】請求項７に記載の表面性状測定機は、請求
項１ないし請求項６のいずれかに記載の表面性状測定機
において、前記駆動装置が被測定物を回転駆動させる被
測定物回転機構とされ、前記表面性状測定機が前記被測
定物の真円度または形状を測定する真円度測定機である
ことを特徴とする。この構成によれば、真円度測定機に
よる真円度の測定にあたって、被測定物を被測定物回転
機構、たとえば、回転テーブル上に載置したのち、通常
は測定範囲過大（いわゆるレンジオーバ）に留意しなが
ら精密に行う必要のある芯出し（回転テーブルの回転中
心に対する被測定物の中心のズレを修正する）および平
行出し（回転テーブルの回転中心軸に対する被測定物の
中心軸線の傾きを修正する）作業を必ずしも精密に行わ
なくても測定できるので、測定段取りが短縮できて測定
能率が向上する上、芯出し装置や平行出し装置などの姿
勢調整装置は簡単な構成のもので済むので原価低減にも
効果がある。また、長軸と短軸の比が大きく、広い測定
範囲を必要とするピストンなどの楕円形状などの被測定
物でも高精度で測定することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を図面に基づいて説明する。 [第１実施形態]図１は、第１実施形態に係る真円度測定
機を示す図である。本真円度測定機は、ベース１と、こ
のベース１の上面一側寄りに配置され被測定物２を回転
駆動させる駆動装置としての被測定物回転機構１０と、
ベース１の上面他側寄りに配置され被測定物２の外表面
位置を検出する位置検出機構２０とを備えている。

【００１９】被測定物回転機構１０は、ベース１に図示
省略の回転駆動機構を介して回転可能に設けられた回転
テーブル１１と、この回転テーブル１１の上面に配置さ
れ被測定物２を載置するＸＹテーブル１２とを備えてい
る。回転テーブル１１には、ＸＹテーブル１２を回転テ
ーブル１１の回転中心軸Ｚに対して直交しかつ互いに直
交する方向（ＸおよびＹ方向）へ移動させる調整つまみ
１３Ａ，１３Ｂがぞれぞれ設けられているとともに、Ｘ
Ｙテーブル１２の上面（被測定物載置面）を傾ける傾斜
つまみ（図示省略）が設けられている。ここで、ＸＹテ
ーブル１２、調整つまみ１３Ａ，１３Ｂ、傾斜つまみに
よって姿勢調整装置が構成されている。なお、回転テー
ブル１１の回転角は、図示しないエンコーダによって検
出されている。

【００２０】位置検出機構２０は、ベース１に垂直（Ｚ
軸と平行）に立設された支柱２１と、この支柱２１に昇
降可能に設けられたスライダ２２と、このスライダ２２
に支柱２１に対して直交する方向（Ｚ軸に対して直交す
る方向）へ摺動可能に設けられた水平アーム２３と、こ
の水平アーム２３の先端側にプローブホルダ２４を介し
て取り付けられた接触式測定プローブ２５とを備えてい
る。

【００２１】図２は接触式測定プローブ２５の断面図で
ある。接触式測定プローブ２５は、前記プローブホルダ
２４に保持される筒状の本体ケース３１と、被測定物２
に当接する測定子４１と、測定子４１が被測定物２に当
接しているときの測定力を検出する測定力検出手段５１
と、測定子４１を被測定物２に対して接近および離隔す
る方向へ微小変位させる微動機構６１と、この微動機構
６１とともに測定子４１を被測定物２に対して接近およ
び離隔する方向へかつ微動機構６１よりも大変位させる
粗動機構７１と、測定子４１の外表面位置を検出するた
めの位置検出手段８１とを備えている。

【００２２】本体ケース３１は、中心に貫通孔３２Ａを
有する環状の仕切板３２と、この仕切板３２を中間に挟
んだ一対の筒部３３，３４と、筒部３４の後端開口を塞
ぐ蓋板３５とから構成されている。仕切板３２には、本
体ケース３１内において、その長手方向へ延びる筒体３
６が突設されている。筒体３６は、途中に磁石３６Ａを
有し、かつ、先端径大部分が磁性体３６Ｂによって構成
されている。筒部３３，３４には、本体ケース３１の内
部に空気を噴出する静圧空気軸受を構成する空気噴出孔
３７が周面に複数形成されている。筒部３３は、長手方
向中間部が磁性体３３Ｂで形成され、かつ、その磁性体
３３Ｂと仕切板３２との間に磁石３３Ａを有する。蓋板
３５の中心部分には係止突起３８Ａを有するキャップ３
８が螺合されている。

【００２３】測定子４１は、プローブ軸４２と、このプ
ローブ軸４２の先端に設けられた球状の測定子端４３と
を有している。測定力検出手段５１は、プローブ軸４２
の一端側（測定子端４３側）に設けられた圧電素子５２
によって構成されている。

【００２４】微動機構６１は、前記粗動機構７１の先端
に支持された支持部材６２と、この支持部材６２に枠部
材６３を介して支持部材６２と平行に支持されたダイア
フラム６４，６５と、一方のダイアフラム６４と支持部
材６２との間にプローブ軸４２の軸方向に積層された積
層式圧電素子６６と、他方のダイアフラム６５と支持部
材６２との間にプローブ軸４２の軸方向に積層された積
層式圧電素子６７とから構成されている。ここに、積層
式圧電素子６７によって、積層式圧電素子６６の微動に
より発生する反力を打ち消す反力打ち消し機構が構成さ
れている。なお、ダイアフラム６４には、前記プローブ
軸４２の基端が取り付けられている。

【００２５】粗動機構７１は、前記本体ケース３１内に
移動可能に収納された可動体７２と、この可動体７２を
一方向（図２中右方向）へ付勢する付勢手段としてのば
ね７９と、このばね７９に抗して可動体７２を他方向
（図２中左方向）へ移動させる駆動源７６とを備えてい
る。可動体７２は、前記本体ケース３１の各筒部３３，
３４内に移動可能に収納配置された可動部７３，７４
と、前記仕切板３２の貫通孔３２Ａに挿通され前記可動
部７３，７４を互いに連結する連結軸７５とから構成さ
れている。可動部７３には、端面に凹部７３Ａが形成さ
れ、その凹部７３Ａ内に前記微動機構６１の支持部材６
２が取り付けられている。可動部７４には、外端面に凹
部７４Ａが形成され、その凹部７４Ａの内底面に係止突
起７４Ｂが設けられている。ばね７９は、一端が前記キ
ャップ３８の係止突起３８Ａに、他端が前記可動部７４
の係止突起７４Ｂにそれぞれ係止されている。駆動源７
６は、前記本体ケース３１と筒体３６との間に磁界を形
成する磁界形成手段７７と、この磁界形成手段７７によ
って形成された磁界中に配置されかつ前記可動部７３に
固定された可動コイル７８とから構成されている。磁界
形成手段７７は、前記磁石３３Ａ，３６Ａと、磁性体３
３Ｂ，３６Ｂとを含んで構成されている。

【００２６】位置検出手段８１は、プローブ軸４２に連
結部材８２を介してプローブ軸４２と平行に固定された
位置検出スケール部８３と、前記本体ケース３１に保持
部材８４を介して固定され前記位置検出スケール部８３
の位置情報を読み取る位置検出部８５とから構成されて
いる。

【００２７】図３は、接触式測定プローブ２５の制御回
路を示す図である。測定子４１が被測定物２に接触する
と、測定子４１に力が加わり、プローブ軸４２に設けら
れた圧電素子５２が押圧される。このとき、圧電素子５
２で発生する電圧の変化が、検出回路１０１で測定され
たのち、制御回路１０２に送られる。ここに、圧電素子
５２（測定力検出手段５１）と検出回路１０１とにより
状態量検出手段が構成されている。すると、制御回路１
０２により、駆動アンプ１０３を介して、測定子４１に
働く測定力が所定の測定力になるように、微動機構６１
の圧電素子６６が微動変位される。また、制御回路１０
２からの信号により、調整回路１０４および駆動アンプ
１０５を介して、反力打ち消し機構の圧電素子６７が微
動変位される。つまり、調整回路１０４を用いて、位相
や振幅などが調整され、圧電素子６６と同期して圧電素
子６７が微動変位される。

【００２８】制御電圧監視回路１０６は、制御回路１０
２から微動機構６１の圧電素子６６への電圧が所定電圧
内であるか否かを監視する。制御電圧監視回路１０６か
らの信号は、位置補正パルス発生回路１０７に入力さ
れ、そこで移動させたい変位量に応じた数のパルスが発
生され、そのパルスが第１方向判別回路１０８を経て、
ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ１０９の＋端子に入力されてい
る。ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ１０９の−端子には、位置
検出手段８１で得られたデータが変位カウンタ１１０お
よび第２方向判別回路１１１を介して、入力されてい
る。ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ１０９は、＋端子に入力さ
れるパルス数と、−端子に入力されるパルス数との差が
０になるまで、駆動アンプ１１２を介して粗動機構７１
の駆動源７６を駆動させる。

【００２９】次に、本実施形態の作用を説明する。ま
ず、ＸＹテーブル１２の中心を目安に被測定物２を載置
したのち測定を開始すると、スライダ２２が上下方向へ
移動され、また、水平アーム２３が水平方向へ移動され
る。やがて、測定子４１の先端に設けられた測定子端４
３が被測定物２の外表面に当接され、測定子４１に作用
する測定力が所定値になると停止される。ここで、回転
テーブル１１を回転させると、被測定物２の外周形状に
関わらず、測定力が一定になるように、微動機構６１お
よび粗動機構７１の少なくとも一方が作動される。

【００３０】たとえば、測定力変動が小さい領域では、
微動機構６１のみが作動される。また、制御電圧監視回
路１０６の所定電圧を超えるような形状の被測定物２、
あるいは、芯出し作業を行っていないような場合、つま
り、測定力変動が大きい領域では、粗動機構７１が作動
される。このときの測定子４１の位置が位置検出手段８
１によって検出され、その検出値とエンコーダで検出さ
れた回転テーブル１１の回転角データとを基に、被測定
物２の真円度が求められる。

【００３１】第１実施形態によれば、以下の効果が期待
できる。 （１）測定にあたって、被測定物２をＸＹテーブル１２
に載置した後、被測定物２に測定子４１を接触させ、こ
の状態において、回転テーブル１１と測定子４１とを相
対回転させる。この相対回転時において、被測定物２と
測定子４１との位置関係に応じて、測定子４１に作用す
る測定力が変動するから、そのときの測定力が測定力検
出手段５１によって検出される。すると、測定力検出手
段５１の出力が所定値になるように、微動機構６１また
は粗動機構７１が作動され、そのときの位置検出手段８
１の値が求められ、その測定結果から被測定物２の真円
度または形状が測定される。このとき、測定力変動が小
さい領域では、微動機構６１が作動され、測定力変動が
大きい領域では、粗動機構７１（具体的には、微動機構
６１および粗動機構７１）が作動されるから、簡単な芯
出しおよび平行出し作業のみで測定でき、しかも、長軸
と短軸の比が大きい楕円形状等の被測定物２でも測定で
きる。

【００３２】（２）測定力検出手段５１の出力を低い所
定値に設定しておけば、測定子４１および被測定物２の
変形や傷などの損傷を低減することができる。 （３）微動機構６１を圧電素子６６を含んで構成したの
で、その圧電素子６６に電圧を加えるだけで、その大き
さに応じて圧電素子６６が変位するから、簡易な構成で
微動機構６１を構成することができる。

【００３３】（４）微動機構６１に、圧電素子６６とは
別に圧電素子６７を設け、この圧電素子６７によって、
圧電素子６６の微動により発生する反力を打ち消すよう
に調整回路１０４で調整することで、測定子４１に作用
する測定力が変化し圧電素子６６が微動しても粗動機構
７１に外乱として作用することがないため、測定子４１
の動作を微動機構６１および粗動機構７１で正確に制御
することができる。これにより、測定子４１に作用する
測定力の制御を正確に行うことができるので、測定子４
１および被測定物２への損傷を低減できるとともに測定
精度を高めることもできる。 （５）微動機構６１と粗動機構７１の連携動作によっ
て、測定子４１による測定は広範囲高精度測定が可能に
なるので、測定範囲過大（いわゆるレンジオーバ）に留
意する必要がないことから、被測定物２と測定子４１の
相対姿勢は必ずしも精密に行う必要がなくなり、その結
果、測定段取りが短縮できて測定能率が向上する上、芯
出し装置や平行出し装置などの姿勢調整装置は簡単な構
成のもので済むので原価低減にも効果がある。

【００３４】[第２実施形態］図４は、第２実施形態に
係る真円度測定機を示す図である。第２実施形態では、
第１実施形態に対して、位置検出手段８１が異なる。つ
まり、第１実施形態では、プローブ軸４２に連結部材８
２を介して固定された位置検出スケール部８３と、位置
検出部８５とからなる位置検出手段８１を用いたが、第
２実施形態では、マイケルソン干渉計１２１が設けられ
ている。なお、ばね７９が可動体７２の可動部７４と仕
切板３２との間に設けられている点についても、第１実
施形態とは異なる。

【００３５】マイケルソン干渉計１２１は、波長安定化
レーザ発生源１２２と、このレーザ発生源１２２から出
射されたレーザ光を２波に分岐しその透過光を可動体７
２の中心および圧電素子６７，６６の中心に導くための
ビームスプリッタ１２３と、このビームスプリッタ１２
３で反射されたレーザ光を反対方向へ反射させるコーナ
キューブプリズム１２４と、前記圧電素子６６の中心部
（ダイアフラム６４）に設けられ前記ビームスプリッタ
１２３を透過したレーザ光を反対方向へ反射させるコー
ナキューブプリズム１２５と、各コーナキューブプリズ
ム１２４，１２５で反射されたレーザ光が干渉される光
路中に挿入された偏光板１２６と、この偏光板１２６を
通過したレーザ光を受光するフォトダイオード１２７と
から構成されている。

【００３６】従って、第２実施形態によれば、（１）〜
（５）に加え、次の作用効果が期待できる。 （６）ビームスプリッタ１２３で２波に分岐されたレー
ザ光のうち、透過光を測定子４１とともに移動するコー
ナキューブプリズム１２５に照射しかつ反射させ、この
反射したレーザ光と、ビームスプリッタ１２３およびコ
ーナキューブプリズム１２４で反射したレーザ光とを干
渉させ、その干渉縞の光量をフォトダイオード１２７で
測定するようにしたの、測定子４１の移動量を、第１実
施形態よりも、高精度に測定することができる。

【００３７】［第３実施形態］図５は、第３実施形態に
係る真円度測定機を示す図である。第３実施形態では、
第１実施形態に対して、測定子と状態量検出手段とが異
なる。つまり、第１実施形態では、測定子４１が被測定
物２に当接しているときの測定力を状態量検出手段で検
出する接触形検出器を用いたが、第３実施形態では静電
容量式の非接触式検出器１５１が状態量検出手段として
が用いられ、測定子４１としては、非接触式検出器１５
１の先端部が用いられる。

【００３８】図５は、この非接触式検出器１５１の断面
構造であり、図６はその分解斜視図である。非接触式検
出器１５１は、センサ電極１５２とこれを取り囲むリン
グ状の基準電極１５３とから構成されている。センサ電
極１５２は、基端部１６１と先端部１６２を有し、これ
らの間には円錐状に形成された部材であるコラム１６３
を介在させている。基端部１６１および先端部１６２は
共に導体であり、コラム１６３は誘電体である。基準電
極１５３も同様に、基端部１６１と同一面位置の基端部
１６４と、先端部１６２と同一面位置の先端部１６５を
有し、これらの間には中空円錐状に形成されたホーン１
６６を介在させている。基端部１６４および先端部１６
５は共に導体であり、ホーン１６６は誘電体である。コ
ラム１６３及びホーン１６６の先端部１６２、１６５の
先端にはスパッタにより形成された金属膜が蒸着されて
いる。

【００３９】センサ電極１５２の基端部１６１と基準電
極１５３の基端部１６４とは適当な絶縁体１６７により
電気的に絶縁されて同心的に保持されている。図６に示
すように、基端部１６１、１６４での外径がＤ１に対
し、先端部１６２、１６５での外径はより小さく、Ｄ２
（＜Ｄ１）となっている。基準電極１５３の基端部１６
４の後方には、これと連続的に筒状体１６８が形成され
ており、その筒状体１６８の内部に例えば、トランジス
タＱと、トランスＴの一次巻線とキャパシタＣからなる
ＬＣ発信回路による高周波発信源１５４が配置されてい
る。トランスＴの二次側出力は、整流ダイオードＤによ
り半波整流されて、センサ電極１５２の基端部１６１に
供給される。

【００４０】センサ電極１５２の基端部１６１に高周波
駆動信号が供給されると、容量結合により先端部１６２
に高周波駆動信号が与えられ、非接触式検出器１５１と
被測定物２の計測面との間の距離（ギャップ）ｘに応じ
て高周波電流が変化し、先端部１６２の端子電圧が変化
する。この時距離ｘの関数となる高周波電流の変化は、
トランスＴと基準電極１５３の基端部１６４との間に接
続された抵抗Ｒの端子電圧として検出することができ
る。

【００４１】この端子電圧は検出回路１０１で測定され
る。本実施形態においては、非接触式検出器１５１と検
出回路１０１によって状態量検出手段が構成され、ギャ
ップｘを状態量として扱う。検出回路１０１の出力は制
御回路１０２に送られる。すると、制御回路１０２によ
り駆動アンプ１０３を介して非接触式検出器１５１と被
測定物２とのギャップｘが所定の距離となるように、微
動機構６１の圧電素子６６が微動変位される。このよう
にして、非接触式検出器１５１と被測定物２とのギャッ
プｘが所定値となるように制御される。この第３実施形
態における、その他の構成、作用は第１実施形態と同一
であるので、説明を省略する。

【００４２】従って、第３実施形態によれば、（３）、
（４）、（５）に加え、次の作用効果が期待できる。 （７）測定にあたって、被測定物２をＸＹテーブル１２
に載置した後、被測定物２の近傍に非接触式検出器１５
１を位置決めし、この状態において、回転テーブル１１
と非接触式検出器１５１を相対回転させる。この相対回
転時において、被測定物２と非接触式検出器１５１との
位置関係に応じて、両者間のギャップが変動するから、
そのギャップの変動が検出回路１０１によって検出され
る。すると、ギャップが所定値となるように、微動機構
６１または粗動機構７１が作動され、その時の位置検出
手段８１の値が求められ、その測定結果から被測定物２
の真円度または形状が測定される。このとき、ギャップ
変動が小さい領域では、微動機構６１が作動され、ギャ
ップ変動が大きい領域では、粗動機構７１（具体的に
は、微動機構６１および粗動機構７１）が作動されるか
ら、芯出しおよび平行出し作業を精密に行わなくとも測
定でき、しかも、長軸と短軸の比が大きい楕円形状等の
被測定物２でも測定できる。

【００４３】（８）非接触で測定できるので、被測定物
２に対して、測定力による変形を防止できるので高精度
な測定が可能になるほか、傷などの損傷を与えることが
ない。 （９）ギャップｘを所定値に保つために静電容量式セン
サをギャップ検出器として用いたので、通常、ギャップ
ｘの一定の変化範囲を測定したときに生じるコサイン誤
差やスケーリング誤差の影響を排除でき、ギャップ検出
を高精度に行うことができる。

【００４４】なお、本発明は、上記各実施形態で説明し
た真円度測定機に限定されるものでなく、次のような変
形例も含む。たとえば、微動機構６１としては、上記実
施形態の圧電素子６６に限らず、磁歪素子でもよい。ま
た、粗動機構７１としては、上記実施形態の構成に限ら
ず、超音波モータ、摩擦駆動モータなどの他の駆動機構
を利用してもよい。また、状態量検出手段として、圧電
素子５２や非接触式検出器１５１を用いたが、原子間力
顕微鏡方式における探針と表面間で働く力を、その先に
付けたカンチレバーのたわみ、あるいは、共鳴振動数の
ずれから読み取る方式を利用した検出器を用いてもよ
い。このようにすれば、測定子に作用する状態量を高精
度に検出できる。また、可動体７２の往復運動のガイド
として、静圧空気軸受機構を用いたが、リニアボールガ
イドなどの他のガイドを利用してもよい。

【００４５】また、第２実施形態では、測定子４１の位
置を検出する位置検出手段８１として、マイケルソン型
レーザ干渉計の機構を用いたが、周波数の僅かに異なる
２つの光を干渉させ、うなりを発生させることで情報を
取り出すヘテロダイン型レーザ干渉計などの他の検出手
段を用いてもよい。また、第３実施形態では、ギャップ
ｘの状態量を検出する状態量検出手段として静電容量式
の非接触式検出器１５１を用いたが、これに代えてレー
ザビームを被測定物表面へ照射してその反射光を受光し
三角測量の原理でギャップを検出する検出器を用いても
よい。また、光ファイバギャップセンサ、電磁ギャップ
センサ、空気マイクロメータを用いてギャップを検出し
てもよい。さらに、被測定物と測定子間に流れるトンネ
ル電流を検出して被測定物と測定子間のギャップを検出
する検出器を用いてもよい。このようにすれば、より高
精度な測定が可能となる。

【００４６】また、上記各実施形態では、テーブル回転
式の真円度測定機を示したが、被測定物２を載置するテ
ーブルの中心軸Ｚを中心に検出器が回転する検出器回転
式の真円度測定機でもよい。

【００４７】また、一般的には微動機構６１は小形に構
成できるので、狭測定範囲、高分解能、高応答速度のも
のを用いるのが好ましく、これらに比較して粗動機構７
１は大型化するので、広測定範囲、低分解能、低応答速
度のものを用いるのが好ましい。さらに、本実施形態で
は位置検出手段８１はプローブ軸４２の変位を測定する
構成のみを示したが、微動機構６１における微動量と、
粗動機構７１における粗動量を個別に検出して両者を加
算してプローブ軸の変位としてもよい。また、上記各実
施形態では、微動機構６１における反力打ち消し機構
（積層式圧電素子６７）のみを示したが、この反力打ち
消し機構を粗動機構７１に設けてもよいし、両者に設け
てもよい。

【００４８】さらに、上記各実施形態では、姿勢調整装
置として真円度測定機における芯出し装置と平行出し装
置のみを示したが、これに限らず、主に三次元測定機に
おいて用いられるタッチ信号プローブの姿勢を制御して
プローブ軸を任意方向へ向けることができる、いわゆる
プローブヘッドであってもよい。また、主に表面粗さ測
定装置において被測定物の傾斜を調整するレベリングテ
ーブルを用いてもよい。さらに、駆動装置のスライダに
測定プローブ２５を取り付ける際に姿勢を微調整可能に
固定するねじ装置であってもよく、あるいは被測定物の
姿勢を楔を挿抜して調整する被測定物取付装置であって
もよく、その姿勢調整精度は必ずしも高精度である必要
はない。要は、姿勢調整精度に係らず被測定物と測定子
の相対姿勢を調整できるものであればよい。

【００４９】また、上記各実施形態では、状態量として
測定力あるいはギャップを一定に保つ真円度測定機を示
したが、これに限らず、表面粗さ測定装置、輪郭形状測
定装置、三次元測定装置などの表面性状測定機において
本発明を実施してもよい。

【００５０】

【発明の効果】本発明の表面性状測定機によれば、高範
囲を高精度で被測定物の表面性状を測定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる表面性状測定機の第１実施形態
を示す図である。

【図２】同上実施形態にかかる接触式測定プローブの断
面図である。

【図３】同上実施形態にかかる接触式測定プローブの制
御回路図である。

【図４】本発明にかかる表面性状測定機の第２実施形態
を示す図である。

【図５】本発明にかかる表面性状測定機の第３実施形態
を示す図である。

【図６】同上実施形態にかかる検出器要部の斜視図であ
る。

【図７】従来の真円度測定機を示す図である。

【符号の説明】

２ 被測定物 １１ 回転テーブル １２ ＸＹテーブル ４１ 測定子 ５２ 圧電素子（測定力検出手段、状態量検出手段） ６１ 微動機構 ６６ 積層式圧電素子 ６７ 積層式圧電素子（反力打ち消し機構） ７１ 粗動機構 ８１ 位置検出手段 １０１ 検出回路（状態量検出手段） １２１ マイケルソン干渉計 １５１ 非接触式検出器（状態量検出手段））

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F069 AA06 AA56 GG01 GG04 GG06 GG07 GG59 HH09 HH11 HH30 JJ04 JJ11 LL02 MM23 MM34 MM38

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物に関与する測定子と、前記被測
   定物と前記測定子との相対姿勢を調整する姿勢調整装置
   と、前記被測定物と前記測定子とを相対変位させる駆動
   装置とを備える表面性状測定機において、 前記測定子が前記被測定物と関与した際に変化する状態
   量を検出する状態量検出手段と、前記測定子を被測定物
   に対して接近および離隔する方向へ微小変位させる微動
   機構と、この微動機構とともに前記測定子を被測定物に
   対して接近および離隔する方向へかつ前記微動機構より
   も大変位させる粗動機構と、前記測定子の位置を検出す
   る位置検出手段とを有し、前記状態量検出手段の出力が
   所定値になるように前記微動機構および粗動機構のうち
   の少なくとも一方を作動させ、そのときの前記位置検出
   手段の値から被測定物の表面性状を測定することを特徴
   とする表面性状測定機。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の表面性状測定機におい
   て、 前記状態量検出手段として、前記測定子の先端と被測定
   物の表面とのギャップを検出する検出器を用いたことを
   特徴とする表面性状測定機。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の表面性状測定機におい
   て、 前記状態量検出手段として、原子間力顕微鏡方式におけ
   る探針と表面間で働く力を、その先に付けたカンチレバ
   ーのたわみ、あるいは、共鳴振動数のずれから読み取る
   方式を利用した検出器を用いたことを特徴とする表面性
   状測定機。
4. 【請求項４】 請求項２に記載の表面性状測定機におい
   て、 前記検出器として、前記測定子の先端と被測定物の表面
   とのギャップを非接触で検出する非接触式検出器を用い
   たことを特徴とする表面性状測定機。
5. 【請求項５】 請求項１ないし請求項４のいずれかに記
   載の表面性状測定機において、 前記位置検出手段として、マイケルソン型レーザ干渉計
   またはヘテロダイン型レーザ干渉計を用いたことを特徴
   とする表面性状測定機。
6. 【請求項６】 請求項１ないし請求項５のいずれかに記
   載の表面性状測定機において、 前記微動機構は圧電素子または磁歪素子を含み、かつ、
   この微動機構の圧電素子または磁歪素子の微動により発
   生する反力を打ち消す機構を備えていることを特徴とす
   る表面性状測定機。
7. 【請求項７】 請求項１ないし請求項６のいずれかに記
   載の表面性状測定機において、 前記駆動装置が被測定物を回転駆動させる被測定物回転
   機構とされ、前記表面性状測定機が前記被測定物の真円
   度または形状を測定する真円度測定機であることを特徴
   とする表面性状測定機。