JP2005098936A - 形状測定機 - Google Patents

Abstract

【課題】プローブの傾きの回転中心の位置ずれやプローブの横ずれに起因する形状測定誤差が生じない形状測定機を提供する。
【解決手段】形状測定機１０１は、測定機のフレーム１２０と、被測定物１１３の形状に沿って走査されるプローブ１０２と、プローブ１０２と一体に構成された先端球１０３と、プローブ１０２を支持する静圧空気軸受１０４と、静圧空気軸受１０４をＺ軸方向に駆動するＺステージ１０７と、Ｚステージ１０７をＸ軸方向に駆動するＸステージ１１０と、フレーム１２０に固定されたＺ基準ミラー１０９と、フレーム１２０に固定されたＸ基準ミラー１１２と、プローブ１０２のＺ軸方向の位置を測長するＺレーザ測長器１０８と、プローブ１０２のＸ軸方向の位置を測長するＸレーザ測長器１１１とを有し、Ｘレーザ測長器１１１のプリズム部１１１ｂはＸ軸に平行な線と交わるように配置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光学部品や金型等の被測定物の形状を高精度に測定する形状測定機に関する。

形状測定機は、光学部品や金型等の被測定物の形状を、高精度に測定する装置である。この形状測定機は、一般に、接触式または非接触式のプローブを被測定物の形状に沿って走査して、被測定物の形状を測定するものである。そのような形状測定機は、例えば特開平９−３１１０２４号公報や特開平１０−１９５０４号公報等に開示されている。また、形状測定機に用いられるプローブは、例えば特開平５−６０５４２号公報等に開示されている。図７は、そのような形状測定機の基本構成を概略的に示している。

図７において、形状測定機７０１は、プローブ７０２、先端球７０３、静圧空気軸受７０４、板ばね７１４、板ばね保持部７１５、Ｚステージ７０７、Ｚレーザ測長器７０８、マイクロリニアスケール７０５、Ｘステージ７１０及びＸレーザ測長器７１１を備えている。

ここで、プローブ７０２は、被測定物７１３に沿って走査される。先端球７０３は、プローブ７０２と一体に構成され、被測定物７１３に接触する。静圧空気軸受７０４は、プローブ７０２をＺ軸方向に移動可能に支持する。板ばね７１４は、プローブ７０２をＺ軸方向に弾性支持する。板ばね保持部７１５は、板ばね７１４を静圧空気軸受７０４に固定する。Ｚステージ７０７は、静圧空気軸受７０４をＺ軸方向に駆動する。Ｚレーザ測長器７０８は、Ｚ基準ミラー７０９に対するＺステージの位置を測長する。マイクロリニアスケール７０５は、プローブ７０２の静圧空気軸受７０４に対する変位を検出する。ここで、マイクロリニアスケール７０５は、プローブ７０２に固定されたスケール部７０５ａと、Ｚステージ７０７に固定された読み取り部７０５ｂからなる。Ｘステージ７１０は、Ｚステージ７０７をＸ軸方向に駆動する。Ｘレーザ測長器７１１は、Ｘ基準ミラー７１２に対するＸステージの位置を測長する。

次に、形状測定機７０１の動作を説明する。

先端球７０３と被測定物７１３が接触した状態で、Ｘステージ７１０を駆動する。Ｘステージ７１０の移動により、Ｚステージ７０７と静圧空気軸受７０４とプローブ７０２が一体にＸ軸方向に移動する。プローブ７０２のＸ軸方向の移動に伴って、被測定物７１３の形状に応じて、プローブ７０２が静圧空気軸受７０４に対してＺ軸方向に変位する。これに伴い、マイクロリニアスケール７０５のスケール部７０５ａが、読み取り部７０５ｂに対して変位する。そこで、この変位、すなわち、静圧空気軸受７０４に対するプローブ７０２の変位を、読み取り部７０５ｂが測長する。なお、プローブ７０２の変位に応じて、板ばね７１４が弾性変形によってたわむ。

Ｚステージ７０７の制御部（図示せず）は、プローブ７０２の静圧空気軸受７０４に対する位置（すなわち、板ばね７１４のたわみ）が常に一定になるように、マイクロリニアスケール７０５の測長値に応じてＺステージ７０７を駆動する。このようにプローブ７０２の静圧空気軸受７０４に対する位置を常に一定にしながら、Ｚレーザ測長器７０８とＸレーザ測長器７１１でＺ軸方向とＸ軸方向のプローブ７０２の移動量を測長することにより、被測定物７１３の形状を測定することができる。

ここで、プローブ７０２が被測定物７１３の傾斜面を走査する場合を考える。この場合、このような形状測定機においては、面の傾き角度に応じてプローブ７０２がＸ軸方向の力を受ける。その結果、主に静圧空気軸受７０４の軸受剛性の不足により、プローブ７０２に傾きが生じる。そのため、プローブ７０２の傾きに伴って先端球７０３が変位することにより、形状測定誤差が生じる。

特開２０００−３０４５２９号公報は、このような形状測定誤差を考慮した形状測定機を開示している。図８は、その形状測定機の基本構成を概略的に示している。

図８において、形状測定機７０１Ａは、プローブ７０２に固定されたミラー７２５と、ミラー７２５の傾き角を測定するオートコリメータ７２６を有する。オートコリメータ７２６はＺステージ７０７に固定されている。他の構成は図７と同じである。

プローブ７０２が傾くと、オートコリメータ７２６がミラー７２５の傾き角（すなわち、プローブの傾き角）を測定する。図９に示すように、オートコリメータ７２６が測定した傾き角をθ、静圧空気軸受７０４の中心Ｃから先端球７０３の中心までの距離をｄとすると、先端球の変位量△ｘは△ｘ＝ｄｔａｎθで推定される。この推定値を用いて補正することにより、高精度な形状測定結果が得られる。
特開平９−３１１０２４号公報 特開平１０−１９５０４号公報 特開平５−６０５４２号公報 特開２０００−３０４５２９号公報

この形状測定機の課題を図１０と図１１を用いて以下に説明する。

図１０に示すように、プローブと静圧空気軸受の加工誤差等により、静圧空気軸受の中心Ｃと実際のプローブの傾きの回転中心Ｃ１が一致しない可能性がある。さらに、プローブの傾きの回転中心は、環境による変動や経時変化などで、常に一定の位置ではない可能性がある。このような場合、上述の計算式で推定した△ｘは実際の変位量△ｘ１と異なるため、形状測定誤差が生じる。

また、図１１に示すように、プローブが傾かずに（θ＝０）横ずれが生じる可能性がある。この場合、上述の計算式で推定した△ｘは０となり、実際の変位量△ｘ２と異なるため、形状測定誤差が生じる。

本発明は、この様な実状を考慮して成されたものであり、その目的は、プローブの傾きの回転中心の位置ずれやプローブの横ずれに起因する形状測定誤差が生じない形状測定機を提供することである。

本発明は、以下の各項に列記する形状測定機を含んでいる。

１． 本発明の形状測定機は、プローブと、該プローブを第一の方向に移動させる第一の移動機構と、前記第一の方向と所定の角度をもつ方向に移動させる第二の移動機構と、前記プローブの前記第一の方向への移動量を測長する第一の測長器と、前記プローブの前記第二の方向への移動量を測長する第二の測長器とを備えた形状測定機であって、前記プローブの先端部近傍に設けられた保持部材をさらに有し、該保持部材は前記第二の測長器の構成部材を保持し、前記構成部材は所定の基準軸と交わるように配置されていることを特徴とする。

この形状測定機は、第一実施形態と第二実施形態が対応する。

所定の角度は、望ましくは９０度であるが、９０度に限定されるものではなく、１８０度の整数倍を除く一定の角度でありさえすればよい。所定の角度が９０度の場合は、所定の基準軸は第一の方向に直交し、プローブによる被測定物の測定位置を含む平面上に存在する。所定の角度が９０度以外の場合は、所定の基準軸は、第二の方向に平行でプローブによる被測定物の測定位置を通過する直線Ａと、直線Ａとも第一の方向とも直交しプローブによる被測定物の測定位置を通る直線Ｂの二直線で構成される面上に存在する。

この形状測定機においては、第二の測長器は、プローブによる被測定物の測定位置を含む平面における、プローブの移動量を測長する。つまり、プローブが傾いたり、横ずれが生じたりした場合でも、その傾きや横ずれを含めたプローブの移動量を測長する。これにより、高精度な形状測定に適する。

２． 本発明の別の形状測定機は、第１項の形状測定機において、前記所定の基準軸は、前記第二の方向に平行で前記プローブによる被測定物の測定位置を通過する延長線であることを特徴とする。

この形状測定機は、第一実施形態と第二実施形態が対応する。

この形状測定機においては、第二の測長器の測長軸が被測定物の測定位置と一致するため、プローブの、第一の移動機構の移動軸を中心とする回転運動によって生じる測定誤差を軽減できる。これにより、より高精度な形状測定に適する。

３． 本発明の別の形状測定機は、第１項または第２項の形状測定機において、前記第二の測長器は干渉計であり、該干渉計は、光源と、基準面と、前記光源と前記基準面との間の光路上に配置された光偏向素子とを含み、該光偏向素子は前記構成部材であり、前記基準面は前記光偏向素子を挟んで前記プローブ先端と反対側に配置され、前記干渉計の測長軸すなわち前記光偏向素子と前記基準面との間の光軸が前記所定の基準軸と略一致することを特徴とする。

この形状測定機は、第一実施形態と第二実施形態が対応する。

この形状測定機においては、第二の測長器が光源と基準面と光偏向素子を含む干渉計で構成され、それらのうち光偏向素子だけがプローブに保持される。これにより、光源や基準面等の比較的重量の重い部材をプローブが保持する必要がないため、比較的プローブに横ずれや傾きが生じにくい。これにより、高精度な形状測定に適する。

４． 本発明の別の形状測定機は、第１項の形状測定機において、前記第二の測長器はリニアスケールであり、該リニアスケールは読み取り部とスケール部を有し、該スケール部は前記構成部材であり、前記読み取り部は前記スケール部を挟んで前記プローブ先端と反対側に配置され、前記リニアスケールの測長軸が前記所定の基準軸と略一致することを特徴とする。

この形状測定機は、第二実施形態の変形例が対応する。

この形状測定機においては、第二の測長器が読み取り部とスケール部からなるリニアスケールで構成される。これにより、より安価に形状測定機を構成できる。また、リニアスケールを用いることによって、レーザ測長器を用いる場合に比較して、比較的空気のゆらぎや振動等の環境変動に強い形状測定が可能になる。これにより、比較的安価で、環境変動に強い、高精度な形状測定に適する。

５． 本発明の別の形状測定機は、第１項〜第４項の形状測定機において、前記プローブが接触式プローブであることを特徴とする。

この形状測定機は、第一実施形態と第二実施形態が対応する。

接触式プローブの場合、被測定物の傾斜のある面を走査する場合に、面の傾き角度に応じてプローブが第一の方向に直交する方向の力を受けて、プローブの傾きや横ずれが比較的生じやすい。しかしながら、この形状測定機においては、このような原因によりプローブの傾きや横ずれが比較的大きくなる場合でも、高精度な形状測定が可能となる。

６． 本発明の別の形状測定機は、第５項の形状測定機において、前記第一の移動機構が静圧空気軸受方式であることを特徴とする。

この形状測定機は、第一実施形態と第二実施形態が対応する。

接触式プローブの場合、被測定物の傾斜のある面を走査する場合に、面の傾き角度に応じてプローブが第一の方向に直交する方向の力を受ける。また、静圧空気軸受の場合、軸と軸受のクリアランスや空気圧等により軸受剛性が決定する。空気静圧軸受が第一の方向に直交する力を受けると、軸受剛性によって決定するプローブの傾きや横ずれが生じる。これにより、特に静圧空気軸受の場合、静圧空気軸受の軸受剛性に起因するプローブの傾きや横ずれが生じやすい。しかしながら、この形状測定機においては、このような原因によりプローブの傾きや横ずれが比較的大きくなる場合でも、高精度な形状測定が可能である。

７． 本発明の別の形状測定機は、第６項の形状測定機において、前記プローブと前記第一の移動機構が自重傾斜方式であることを特徴とする。

この形状測定機は、第二実施形態が対応する。

自重傾斜方式とは、第一の移動機構の移動軸を重力方向に直交する方向から微小角αだけ傾斜させ、第一の移動機構で移動する部材（プローブ、保持部材、第二の測長器の構成部材）の自重の傾斜成分だけが被測定物との接触圧（すなわち、接触圧ｆ＝自重ｍ×ｓｉｎα）になる方式である。

自重傾斜方式の場合、形状測定中のプローブのストローク（すなわち、プローブの静圧空気軸受に対する移動量）が長くなるので、プローブと静圧空気軸受の運動誤差によって、形状測定中に生じるプローブの傾きや横ずれも大きくなる。しかしながら、この形状測定機においては、このような原因によりプローブの傾きや横ずれが比較的大きくなる場合でも、高精度な形状測定が可能である。

本発明によれば、プローブの傾きの回転中心の位置ずれやプローブの横ずれに起因する形状測定誤差が生じない形状測定機が提供される。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

第一実施形態
図１は、本発明の第一実施形態の形状測定機の基本構成を概略的に示している。

［構成］
図１に示されるように、本実施形態の形状測定機１０１は、測定機のフレーム１２０、プローブ１０２、先端球１０３、静圧空気軸受１０４、板ばね１１４、板ばね保持部１１５、Ｚステージ１０７、Ｘステージ１１０、マイクロリニアスケール１０５、Ｚ基準ミラー１０９、Ｘ基準ミラー１１２、Ｚレーザ測長器１０８及びＸレーザ測長器１１１を備える。

ここで、プローブ１０２は、被測定物１１３の形状に沿って走査される。先端球１０３は、プローブ１０２と一体に構成され被測定物１１３に接触する。静圧空気軸受１０４は、プローブ１０２をＺ軸方向に移動可能に支持する。板ばね１１４は、プローブ１０２をＺ軸方向に弾性支持する。板ばね保持部１１５は、板ばね１１４を静圧空気軸受１０４に固定する。Ｚステージ１０７は、静圧空気軸受１０４をＺ軸方向に駆動する。Ｘステージ１１０は、Ｚステージ１０７をＺ軸に略直交するＸ軸方向に駆動する。マイクロリニアスケール１０５は、プローブ１０２の静圧空気軸受１０４に対するＺ軸方向の変位を測長する。Ｚ基準ミラー１０９及びＸ基準ミラー１１２は、フレーム１２０に固定されている。Ｚレーザ測長器１０８は、プローブ１０２のＺ軸方向の位置を測長する。Ｘレーザ測長器１１１は、プローブ１０２のＸ軸方向の位置を測長する。

マイクロリニアスケール１０５は、プローブ１０２に固定されたスケール部１０５ａと、Ｚステージ１０７に固定された読み取り部１０５ｂとからなる。Ｚレーザ測長器１０８は、フレーム１２０に固定された測長部１０８ａと、プローブ１０２に固定されたプリズム部１０８ｂとからなる。Ｘレーザ測長器１１１は、フレーム１２０に固定された測長部１１１ａと、プローブ１０２に固定部材１１６を介して固定されたプリズム部１１１ｂとからなる。

Ｚレーザ測長器１０８とＸレーザ測長器１１１は、例えば図２に示されるシングルパスの干渉計で構成される。

図２において、レーザ測長器１５０は、基準ミラー１５１が測長軸１５０ｃに沿って移動する量を測長する。

レーザ測長器１５０は、測長部１５０ａとプリズム部１５０ｂとからなる。

測長部１５０ａは、レーザ光源１５２、レシーバ１５３及び偏光板１５４とを有している。レーザ光源１５２は、偏光方向が互いに直交するＰ偏光とＳ偏光とからなる光束を射出する。レシーバ１５３は、基準ミラー１５１とプリズム部１５０ｂからの戻り光束を受光する。偏光板１５４は、一方向の直線偏光のみを透過する。

プリズム部１５０ｂは、偏光ビームスプリッタ１５５、λ／４板１５６、平面ミラー１５８、λ／４板１５７及び直角反射プリズム１５９を備える。偏光ビームスプリッタ１５５は、Ｐ偏光を透過しＳ偏光を反射する。λ／４板１５６は、偏光ビームスプリッタ１５５と基準ミラー１５１の間に位置する。平面ミラー１５８は、偏光ビームスプリッタ１５５を透過した光束を反射する。λ／４板１５７は、偏光ビームスプリッタ１５５と平面ミラー１５８の間に位置する。直角反射プリズム１５９は、偏光ビームスプリッタ１５５からの光束を測長部１５０ａへ戻す。

レーザ光源１５２からの光束は、Ｐ偏光が偏光ビームスプリッタ１５５を透過し、Ｓ偏光が偏光ビームスプリッタ１５５で反射する。偏光ビームスプリッタ１５５で反射した光束は測定光束となり、偏光ビームスプリッタ１５５を透過した光束は参照光束となる。

測定光束は、λ／４板１５６を透過して円偏光となり、基準ミラー１５１で反射する。基準ミラー１５１で反射した円偏光は、再度、λ／４板１５６を透過してＰ偏光となり、今度は偏光ビームスプリッタ１５５を透過する。

参照光束は、λ／４板１５７を透過して円偏光となり、平面ミラー１５８で反射され、再度、λ／４板１５７を透過してＳ偏光となる。そして、この参照光束は、今度は偏光ビームスプリッタ１５５で反射され、測定光束と重なり合う。

重なり合った測定光束と参照光束は、直角反射プリズム１５９で反射され、一方向の直線偏光成分だけが偏光板１５４を透過して、干渉が生じる。干渉した測定光束と参照光束は、レシーバ１５３で受光される。レシーバ１５３では、測定光束と参照光束の位相差の変動が、干渉信号により検出される。

レシーバ１５３で受光された干渉信号は、図示しない演算部に入力されて測長値に換算され、測長値を出力する。ここで、参照光束の光路長は常に一定である。測定光束の光路長は、基準ミラー１５１の変位に伴って変化する。これにより、レーザ測長器１５０は、測長軸１５０ｃ上の基準ミラー１５１の移動量を測長する。

Ｚレーザ測長器１０８とＸレーザ測長器１１１は、図２に示されるシングルパスの干渉計に限定されるものではない。すなわち、基準ミラーの移動量を測長できさえすれば、どのような構成であってもよく、例えばダブルパスの干渉計であってもよい。

プローブ１０２と静圧空気軸受１０４は、例えば、移動軸に直交する断面形状が四角形をしている。これは、プローブ１０２の移動軸を中心として、プローブ１０２が回転することを規制するためである。しかし、断面形状は、四角形に限定されるものではなく、三角形であってもよい。プローブ１０２と静圧空気軸受１０４の断面の形態は、円形の断面に回転規制部材を付加した形態などでもよい。すなわち、プローブ１０２の回転を規制できさえすれば、どのような形態であってもよい。

固定部材１１６は、プローブ１０２の先端近傍に設けられており、Ｘレーザ測長器１１１のプリズム部１１１ｂを保持している。プリズム部１１１ｂは、先端球１０３の中心付近を通りＸ軸に平行な線と交わるように配置されている。これにより、Ｘレーザ測長器１１１は、測長軸１１１ｃの延長線が先端球１０３の中心付近を通るように構成されている。

Ｚレーザ測長器１０８は、測長軸１０８ｃの延長線が先端球１０３の中心付近を通るように構成されている。

Ｚステージ１０７とＸステージ１１０は、駆動手段と、駆動手段の制御手段とから構成されている。駆動手段は、例えば、静圧空気軸受やリニアガイドなどからなるガイドと、ボールねじとステッピングモータやリニアモータなどからなる。

被測定物１１３は、例えば、球面レンズ、非球面レンズ、自由曲面などの光学部品や、その金型などが適している。

［作用］
次に、この形状測定機１０１の作用について説明する。

被測定物１１３をフレーム１２０に固定し、Ｚステージ１０７を駆動して、先端球１０３を被測定物１１３に接触させる。Ｘステージ１１０を駆動すると、Ｚステージ１０７と静圧空気軸受１０４とプローブ１０２が一体にＸ軸方向に移動する。プローブ１０２のＸ軸方向の移動に伴って、被測定物１１３の形状に応じて、プローブ１０２が静圧空気軸受１０４に対してＺ軸方向に移動する。これに伴い、マイクロリニアスケール１０５のスケール部１０５ａが、読み取り部１０５ｂに対して変位する。そして、読み取り部１０５ｂが変位を測長する。Ｚステージ１０７の制御部（図示せず）は、マイクロリニアスケール１０５の測長値に応じて、Ｚステージ１０７を駆動する。具体的には、プローブ１０２の静圧空気軸受１０４に対する位置（すなわち、板ばね１１４のたわみ）が常に一定になるように、Ｚステージ１０７を駆動する。この動作を行いながら、被測定物１１３の形状に沿ってプローブ１０２を走査する。

Ｘレーザ測長器１１１の測長部１１１ａからは、光束が射出される。この光束は、Ｘステージ１１０に固定された直角反射プリズム１１９で反射し、プリズム部１１１ｂに入射する。プリズム部１１１ｂに入射した光束は、プリズム部１１１ｂの内部で参照光束と測定光束に分かれる。プリズム部１１１ｂから射出した測定光束は、Ｘ基準ミラー１１２で反射し、再度、プリズム部１１１ｂに入射する。プリズム部１１１ｂの内部で参照光束と測定光束が重ね合わされて、プリズム部１１１ｂから射出する。プリズム部１１１ｂから射出した光束は、直角反射プリズム１１９で反射して、測長部１１１ａに入射する。

測長部１１１ａと直角反射プリズム１１９との間の光路長は、Ｘステージ１１０の移動に伴って変化する。ただし、この間は測定光束と参照光束の共通の光路であるので、光路長の変化はＸレーザ測長器１１１では検出されない。直角反射プリズム１１９とプリズム部１１１ｂとの間の光路長はＺステージ１０７の移動とプローブ１０２の静圧空気軸受１０４に対する変位に伴って変化するが、測定光束と参照光束の共通の光路であるので、光路長の変化はＸレーザ測長器１１１では検出されない。プリズム部１１１ｂとＸ基準ミラー１１２との間の光路長は、Ｘステージ１１０の移動とプローブ１０２の静圧空気軸受１０４に対する傾きや横ずれに伴って変化する。ここで、この間は測定光束だけの光路であるので、光路長の変化がＸレーザ測長器１１１で検出される。さらに、プリズム部１１１ｂはプローブ１０２に固定されており、かつ測長軸１１１ｃの延長線が先端球１０３の中心付近を通るように構成されている。このように、Ｘレーザ測長器１１１は、実質的に、Ｘ基準ミラー１１２に対する先端球１０３の中心のＸ軸方向の移動量を測長する。

Ｚレーザ測長器１０８の測長部１０８ａから射出した光束は、Ｘステージ１１０に固定された直角反射プリズム１１７で反射する。続いて、この光束は、プローブ１０２に固定された直角反射プリズム１１８で反射し、プリズム部１０８ｂに入射する。プリズム部１０８ｂに入射した光束は、プリズム部１０８ｂの内部で参照光束と測定光束に分かれる。プリズム部１０８ｂから射出した測定光束は、Ｚ基準ミラー１０９で反射し、再度、プリズム部１０８ｂに入射する。プリズム部１０８ｂの内部で参照光束と測定光束が重ね合わされて、プリズム部１０８ｂから射出する。プリズム部１０８ｂから射出した光束は、直角反射プリズム１１８で反射し、直角反射プリズム１１７で反射して、測長部１０８ａに入射する。

測長部１０８ａと直角反射プリズム１１７間の光路長はＸステージ１１０の移動に伴って変化する。ただし、この間は測定光束と参照光束の共通の光路であるので、光路長の変化はＺレーザ測長器１０８では検出されない。直角反射プリズム１１７と直角反射プリズム１１８間の光路長は、Ｚステージ１０７の移動とプローブ１０２の静圧空気軸受１０４に対する変位に伴って変化する。ただし、この間は測定光束と参照光束の共通の光路であるので、光路長の変化はＺレーザ測長器１０８では検出されない。直角反射プリズム１１８とプリズム部１０８ｂ間の光路長は常に一定である。プリズム部１０８ｂとＺ基準ミラー１０９間の光路長は、Ｚステージ１０７の移動とプローブ１０２の静圧空気軸受１０４に対する変位に伴って変化する。そして、この間は測定光束だけの光路であるので、光路長の変化がＺレーザ測長器１０８で検出される。さらに、プリズム部１０８ｂはプローブ１０２に固定されており、かつ測長軸１０８ｃの延長線が先端球１０３の中心付近を通るように構成されている。このように、Ｚレーザ測長器１０８は、実質的に、Ｚ基準ミラー１０９に対する先端球１０３の中心のＺ軸方向の移動量を測長する。

測定では、プローブ１０２を、被測定物１１３の形状に沿って走査しながら、Ｚレーザ測長器１０８とＸレーザ測長器１１１で、先端球１０３の中心の移動量を測長する。測長して得たデータ（Ｚレーザ測長器１０８とＸレーザ測長器１１１の測長値）を、パーソナルコンピュータ（図示せず）に取り込む。このとき、各測長データ１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ…から、軌跡１３０が求まる。この軌跡１３０は、先端球１０３が移動した時の、その中心位置の軌跡になる。この軌跡１３０と被測定物１１３の形状の関係は、図１２に示すようになる。

図１２では省略しているが、実際には、各測長データ１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ…は、十分に細かいサンプリング間隔で取り込まれている。そこで、各測長データ１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ…を用いて、パーソナルコンピュータで、接触角度を求める演算を行う。このようにすることで、各測長データ１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ…の位置における、先端球１０３と被測定物１１３の接触角度を求めることができる。そして、測長データと接触角度と先端球１０３の半径から、被測定物１１３の形状を演算する。

この場合、測長データは、先端球１０３の中心の位置の軌跡を示している。そして、測長データと先端球１０３の半径から、被測定物１１３の形状を演算する。よって、実質的に、プローブ１０２による被測定物１１３の測定位置は、先端球１１３の中心の位置となる。

［効果］
本実施形態によれば、Ｘレーザ測長器１１１のプリズム部１１１ｂがプローブ１０２に固定されており、かつＸレーザ測長器１１１の測長軸１１１ｃの延長線が先端球１０３の中心付近を通るように構成されている。これにより、プローブ１０２が静圧空気軸受１０４に対して傾いたり、横ずれが生じたりした場合でも、先端球１０３の中心（すなわち、プローブ１０２による被測定物１１３の測定位置）の移動量を測長できるので、より高精度な形状測定が行える。

さらに、プローブ１０２に傾きや横ずれが生じてもよいため、プローブ１０２と静圧空気軸受１０４は運動精度が低くてもよい。これにより、測定機のコストを低減できる。

また、例えば、Ｚステージ１０７とＸステージ１１０の移動に伴って真直度誤差やピッチング、ヨーイング等の運動誤差が生じたとする。このような場合ても、この構成であれば、Ｚステージ１０７とＸステージ１１０の運動誤差を含めた先端球１０３の中心の移動量を測長できる。これにより、高精度な形状測定が行える。

Ｚレーザ測長器１０８も同様に、プリズム部１０８ｂがプローブ１０２に固定されており、かつ測長軸１０８ｃの延長線が先端球１０３の中心付近を通るように構成されているため、Ｚ基準ミラー１０９に対する先端球１０３の中心の移動量を測長する。これにより、同様に、Ｚステージ１０７とＸステージ１１０の運動誤差を含めた先端球１０３の中心の移動量を測長できるので、高精度な形状測定が行える。

Ｘレーザ測長器１１１は１つの測長器で、Ｘステージ１１０の移動量とプローブ１０２の傾きや横ずれを合わせて測長するため、プローブ１０２の傾きを測定する手段や、プローブ１０２の傾きに起因する誤差のソフトウエアによる補正が不要である。これにより、簡易な構成での高精度な形状測定が行える。

直角反射プリズム１１７，１１８，１１９により、Ｚレーザ測長器１０８とＸレーザ測長器１１１の光路を偏向しているため、Ｚステージ１０７とＸステージ１１０の長ストローク化が比較的容易である。これにより、比較的大きい被測定物の高精度な形状測定が行える。

［変形例］
本実施形態の各構成は、当然、種々の変形や変更が施されてもよい。

Ｘレーザ測長器１１１の測長部１１１ａとプリズム部１１１ｂを、両方ともプローブ１０２に固定してもよく、その場合も同様の効果が得られる。

同様に、Ｚレーザ測長器１０８の測長部１０８ａとプリズム部１０８ｂを、両方ともプローブ１０２に固定してもよく、その場合も同様の効果が得られる。

Ｘレーザ測長器１１１の測長軸１１１ｃは、先端球１０３の中心を通らなくとも、Ｚ軸に直交し先端球１０３の中心を通る平面上を通ればよい。この場合、次のような誤差が増えるものの、上述の実施形態とほぼ同様の効果が得られる。ここでの誤差は、プローブ１０２の移動軸を中心として、プローブ１０２が静圧空気軸受１０４に対して回転することで生じる形状測定誤差である。

静圧空気軸受１０４は、プローブ１０２をＺ軸方向に、移動可能に保持できればよい。よって、例えば、磁気軸受、すべり軸受等の各種ガイドに置き換えられてもよい。

マイクロリニアスケール１０５は、プローブ１０２の静圧空気軸受１０４に対する変位を検出できればよい。よって、レーザ測長器等の光学式変位センサや静電容量センサ等の各種変位計に置き換えられてもよい。

プローブ１０２が静圧空気軸受１０４に対して傾いた場合、Ｚレーザ測長器１０８の測長軸１０８ｃとＸレーザ測長器１１１の測長軸１１１ｃは、理想的なＺ軸とＸ軸に対して傾きが生じる。これにより、測長軸が理想的な軸からずれることになる。そのため、ｃｏｓエラー（理想的な軸と測長軸が角度をもつことにより生じる測長誤差）等に起因する測定誤差が生じる。

そこで、Ｚステージ１０７にオートコリメータ（図示せず）を固定し、プローブに平面ミラー（図示せず）を固定する。そして、オートコリメータでプローブの傾きを測定し、その傾きの測定値から、理想的な軸からのずれを演算し、形状測定値を補正する。このような構成とすれば、さらに高精度な形状測定が行える。

本実施形態では、二軸の直動ステージと二軸の測長器によって、二次元の形状測定を行う場合について述べたが、このような構成に限定されない。例えば、被測定物を回転させる回転ステージと角度検出器、もしくは、もう一軸の直動ステージと測長器を付加することによって、容易に三次元の形状測定に拡張可能である。

また、本実施形態では、プローブ１０２をＺ軸とＸ軸の直交する二軸の方向に移動可能な構成であるが、プローブ１０２が移動可能な二軸は必ずしも直交している必要はない。例えば、二軸が９０度以外の角度で交わっている構成においても、同様の効果が得られる。

第二実施形態
図３は、本発明の第二実施形態の形状測定機の基本構成を概略的に示している。図３において、図１に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材である。

［構成］
図３に示されるように、本実施形態の形状測定機１０１Ａは、測定機のフレーム１２０、プローブ１０２、先端球１０３、静圧空気軸受１０４、Ｘステージ１１０、Ｚリニアスケール１２１及びＸレーザ測長器１１１を備えている。

ここで、プローブ１０２は、被測定物１１３の形状に沿って走査される。先端球１０３は、プローブ１０２と一体に構成され被測定物１１３に接触する。静圧空気軸受１０４は、プローブ１０２のＺ軸方向のガイドである。Ｘステージ１１０は、静圧空気軸受１０４をＸ軸方向に駆動する。Ｚリニアスケール１２１は、プローブ１０２のＸステージ１１０に対するＺ軸方向の変位を測長する。Ｘレーザ測長器１１１は、プローブ１０２のＸ軸方向の位置を測長する。

Ｚリニアスケール１２１は、スケール部１２１ａと読み取り部１２１ｂとからなる。ここで、スケール部１２１ａはプローブ１０２に固定され、読み取り部１２１ｂはＸステージ１１０に固定されている。Ｘレーザ測長器１１１は、測長部１１１ａとプリズム部１１１ｂとからなる。ここで、測長部１１１ａは、フレーム１２０に固定されている。また、プリズム部１１１ｂは、固定部材１１６を介してプローブ１０２に固定されている。

Ｘレーザ測長器１１１のプリズム部１１１ｂは、プローブ１０２の先端近傍に設けられている。このプリズム部１１１ｂは固定部材１１６に保持され、先端球１０３の中心付近を通りＸ軸に平行な線と交わるように配置されている。Ｘレーザ測長器１１１は、測長軸１１１ｃの延長線が、先端球１０３の中心付近を通るように構成されている。

Ｚリニアスケール１２１は、測長軸の延長線が先端球１０３の中心付近を通るように構成されている。

プローブ１０２と静圧空気軸受１０４は、第一実施形態と同様に、プローブ１０２の移動軸を中心とするプローブ１０２の回転を規制する構成となっている。

プローブ１０２と静圧空気軸受１０４は、特願２００１−２７１５００号公報に記載されているような自重傾斜方式である。

具体的には、図４に示されるように、プローブ１０２の移動軸が重力に直交する方向に対して微小角αだけ傾斜しており、プローブ１０２の自重の傾斜成分だけが被測定物１１３との接触圧（すなわち、接触圧ｆ＝自重ｍ×ｓｉｎα）になる構成である。

本実施形態では、総重量ｍ’＝プローブ１０２の自重ｍ＋固定部材１１６の重量＋プリズム部１１１ｂの重量＋スケール部１２１ａの重量であるので、接触圧ｆ＝総重量ｍ’×ｓｉｎαとなる。これを加味して、所望の接触圧となる微小角αとする。

［作用］
次に、この形状測定機１０１Ａの作用について説明する。

被測定物１１３をフレーム１２０に固定し、先端球１０３を被測定物１１３に接触させる。Ｘステージ１１０を駆動すると、被測定物１１３の形状に沿って、プローブ１０２がＺ軸方向に移動する。この動作により、被測定物１１３の形状に沿ってプローブ１０２を走査する。

Ｘレーザ測長器１１１は、第一実施形態と同様に、実質的に、Ｘ基準ミラー１１２に対する先端球１０３の中心のＸ軸方向の移動量を測長する。

Ｚリニアスケール１２１は、プローブ１０２に固定されたスケール部１２１ａの移動量を、Ｘステージ１１０に固定された読み取り部１２１ｂが検出する。これにより、Ｚリニアスケール１２１は、実質的に、Ｘステージ１１０に対する先端球１０３の中心のＺ軸方向の移動量を測長する。

測定では、プローブ１０２で被測定物１１３を走査しながら、Ｚリニアスケール１２１とＸレーザ測長器１１１で先端球１０３の中心の移動量を測長する。これにより、被測定物１１３の形状を測定できる。

［効果］
本実施形態によれば、第一実施形態の効果に加えて、以下の効果を有している。

本実施形態の形状測定機では、第一実施形態と異なり、プローブ１０２の静圧空気軸受１０４に対する位置を一定にするようにＺステージを制御する動作を行う必要がない。これにより、Ｚステージや板ばねやマイクロリニアスケール等が不要になり、より簡易な構成で形状測定機を構成できる。

しかし、第一実施形態よりも形状測定中のプローブ１０２のストローク（すなわち、プローブ１０２の静圧空気軸受１０４に対する移動量）が長くなる。そのため、プローブ１０２と静圧空気軸受１０４で構成される移動機構の運動誤差によって、形状測定中に生じるプローブ１０２の傾きや横ずれも大きくなる。

本実施形態によれば、第一実施形態と同様に、先端球１０３の中心の移動量を測長するので、プローブ１０２の傾きや横ずれが大きくなっても形状測定値への影響は少ない。これにより、簡易な構成での高精度な形状測定が行える。

また、プローブ１０２の傾きや横ずれが比較的大きくてもよいので、プローブ１０２と静圧空気軸受１０４の運動精度が低くてもよい。これにより、測定機のコストを低減できる。

［変形例］
本実施形態の各構成は、当然、種々の変形や変更が施されてもよい。

図５は、第二実施形態の変形例の形状測定機の正面図であり、図６は、第二実施形態の変形例の形状測定機の側面図である。

図５と図６に示されるように、本変形例の形状測定機１０１Ｂは、形状測定機１０１ＡのＸレーザ測長器１１１と直角プリズム１１７とＸ基準ミラー１１２に代えて、プローブ１０２のＸ軸方向の位置を測長するＸリニアスケール１２２を備えている。Ｘリニアスケール１２２は、スケール部１２２ａと読み取り部１２２ｂとからなる。スケール部１２２ａは、固定部材１１６を介して、プローブ１０２に固定されている。また、読み取り部１２２ｂは、フレーム１２０に固定されている。

Ｘリニアスケール１２２は、その測長軸が、先端球１０３の中心付近を通りＺ軸に直交する平面上に位置するように構成されている。これにより、プローブ１０２のＺ軸方向の移動量が比較的小さい範囲内においては、Ｘリニアスケール１２２は、おおよそ先端球の中心のＸ軸方向の移動量を測長する。

測定では、プローブ１０２で被測定物１１３を走査しながら、Ｚリニアスケール１２１とＸリニアスケール１２２で、先端球１０３の中心の移動量を測長する。これにより、被測定物１１３の形状を測定できる。

この構成によれば、Ｘリニアスケール１２２の測長軸が先端球１０３の中心を通らないことにより、プローブ１０２の移動軸を中心とするプローブ１０２の静圧空気軸受１０４に対する回転が生じた際の形状測定誤差が増えるものの、プローブ１０２の傾きや横ずれを含めた先端球１０３の中心の移動量が測長できるのは同様なので、高精度な形状測定が行える。

これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態とその変形例を述べたが、本発明は、これらの実施形態やその変形例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。

本発明の第一実施形態の形状測定機の基本構成を概略的に示している。 図１に示されたＺレーザ測長器とＸレーザ測長器に適用可能なシングルパスの干渉計の構成を示している。 本発明の第二実施形態の形状測定機の基本構成を概略的に示している。 自重傾斜方式のプローブと静圧空気軸受の構成を示している。 第二実施形態の変形例の形状測定機の正面図である。 第二実施形態の変形例の形状測定機の側面図である。 従来例の形状測定機の基本構成を概略的に示している。 特開２０００−３０４５２９号公報に開示されている形状測定機の基本構成を概略的に示している。 図８の形状測定機においてプローブが傾いた状態を示している。 図８の形状測定機においてプローブが傾いた際に静圧空気軸受の中心とプローブの傾きの回転中心とが一致していない状態を示している。 図８の形状測定機においてプローブが傾いた際に横ずれが生じた状態を示している。 図１に示された形状測定機による測定におけるプローブの軌跡と被測定物の形状の関係を示している。

符号の説明

１０１…形状測定機、１０１Ａ…形状測定機、１０１Ｂ…形状測定機、１０２…プローブ、１０３…先端球、１０４…静圧空気軸受、１０５…マイクロリニアスケール、１０５ａ…スケール部、１０５ｂ…読み取り部、１０７…Ｚステージ、１０８…Ｚレーザ測長器、１０８ａ…測長部、１０８ｂ…プリズム部、１０８ｃ…測長軸、１０９…Ｚ基準ミラー、１１０…Ｘステージ、１１１…Ｘレーザ測長器、１１１ａ…測長部、１１１ｂ…プリズム部、１１１ｃ…測長軸、１１２…Ｘ基準ミラー、１１４…板ばね、１１５…保持部、１１６…固定部材、１１７…直角反射プリズム、１１８…直角反射プリズム、１１９…直角反射プリズム、１２０…フレーム、１２１…Ｚリニアスケール、１２１ａ…スケール部、１２１ｂ…読み取り部、１２２…Ｘリニアスケール、１２２ａ…スケール部、１２２ｂ…読み取り部、１５０…レーザ測長器、１５０ａ…測長部、１５０ｂ…プリズム部、１５０ｃ…測長軸、１５１…基準ミラー、１５２…レーザ光源、１５３…レシーバ、１５４…偏光板、１５５…偏光ビームスプリッタ、１５６…λ／４板、１５７…λ／４板、１５８…平面ミラー、１５９…直角反射プリズム。

Claims (7)

1. プローブと、
   該プローブを第一の方向に移動させる第一の移動機構と、
   前記第一の方向と所定の角度をもつ方向に移動させる第二の移動機構と、
   前記プローブの前記第一の方向への移動量を測長する第一の測長器と、
   前記プローブの前記第二の方向への移動量を測長する第二の測長器とを備えた形状測定機であって、
   前記プローブの先端部近傍に設けられた保持部材をさらに有し、該保持部材は前記第二の測長器の構成部材を保持し、前記構成部材は所定の基準軸と交わるように配置されていることを特徴とする形状測定機。
2. 前記所定の基準軸は、前記第二の方向に平行で前記プローブによる被測定物の測定位置を通過する延長線であることを特徴とする請求項１記載の形状測定機。
3. 前記第二の測長器は干渉計であり、該干渉計は、光源と、基準面と、前記光源と前記基準面との間の光路上に配置された光偏向素子とを含み、該光偏向素子は前記構成部材であり、前記基準面は前記光偏向素子を挟んで前記プローブ先端と反対側に配置され、前記干渉計の測長軸すなわち前記光偏向素子と前記基準面との間の光軸が前記所定の基準軸と略一致することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の形状測定機。
4. 前記第二の測長器はリニアスケールであり、該リニアスケールは読み取り部とスケール部を有し、該スケール部は前記構成部材であり、前記読み取り部は前記スケール部を挟んで前記プローブ先端と反対側に配置され、前記リニアスケールの測長軸が前記所定の基準軸と略一致することを特徴とする請求項１に記載の形状測定機。
5. 前記プローブが接触式プローブであることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかひとつに記載の形状測定機。
6. 前記第一の移動機構が静圧空気軸受方式であることを特徴とする請求項５記載の形状測定機。
7. 前記プローブと前記第一の移動機構が自重傾斜方式であることを特徴とする請求項６記載の形状測定機

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