JP2005214727A

JP2005214727A - 測定用プローブおよびこれを用いた形状測定機

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Publication number: JP2005214727A
Application number: JP2004020113A
Authority: JP
Inventors: Kazuhide Yamazaki; 和秀山崎
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2004-01-28
Filing date: 2004-01-28
Publication date: 2005-08-11

Abstract

【課題】軸受けに対する可動部の変位に関係なく接触圧がほぼ一定である測定用プローブを提供する。
【解決手段】測定用プローブ１００は、空気静圧軸受け１０１と、この空気静圧軸受け１０１によりＺ方向に摩擦抵抗なく移動可能なスライド軸１０２と、スライド軸１０２の下端部に取り付けられたスタイラス１０３と、スライド軸１０２の上端部に取り付けられたリニアスケール１０４およびミラー１０５と、空気より軽いヘリウムガス１０８が充填されたボール１０７と、スライド軸１０２とボール１０７を連結する板１０６と、リニアスケール１０４のＺ方向の変位を検出する検出ヘッド１０９と、空気静圧軸受け１０１と検出ヘッド１０９を保持するベース１１０とから構成されている。スタイラス１０３は、その先端に被測定面１１２と接触する先端球を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、被測定面の形状を測定するための測定用プローブと、その測定用プローブを走査して被測定面の形状を測定する形状測定機とに関する。

非球面レンズあるいは非球面金型などの非球面の形状を測定するための測定用プローブと、この測定用プローブを用いた形状測定機が知られている。

例えば、特開平６−２６５３４０号公報は、このような測定用プローブのひとつを開示している。図７は、特開平６−２６５３４０号公報に開示されている測定用プローブを示している。図７に示されるように、測定用プローブ１は、Ｚ（上下）方向に移動可能な光プローブ２と、光プローブ２の先端に取り付けられた空気静圧軸受け３とを備えている。空気静圧軸受け３は、ほとんど摩擦抵抗なくＺ方向に移動可能なスライド軸４を備えている。スライド軸４の下端にはスタイラス５が、スライド軸４の上端にはミラー６が取り付けられている。スライド軸４とスタイラス５とミラー６とからなる可動部の重量は、バネ７によって支えられている。

光プローブ２の光源８からは、レーザ光が射出される。射出されたレーザー光は、光プローブ内部に設けられた対物レンズ９によってミラー６上に集光される。ミラー６で反射したレーザー光は、二つの光検出器１０で受光される。この二つの光検出器１０の出力は、誤差信号発生部１１によりフォーカス誤差信号となる。サーボ回路１２は、このフォーカス誤差信号がゼロとなるように、光プローブ２をＺ方向に移動させる、いわゆるフォーカスサーボを行なう。なお、光プローブ２の移動は、リニアモーター１３を制御することで行う。

この測定用プローブ１で被測定面１５の形状を測定するときは、被測定面１５に沿ってスタイラス５がＺ方向に変位する。空気静圧軸受け３に対してスタイラス５が相対的にＺ方向に変位すると、フォーカスサーボが働いてリニアモーター１３により光プローブ２が上下に移動する。このように、スタイラス５と被測定面１５の接触圧（バネ７のたわみ量）を一定に保ちながら、スタイラス５を被測定面１５に追従させる。そして、測定用プローブ１と被測定面１５を相対的にＺ方向と直交するＸ方向またはＹ方向に走査させる。このとき、ミラー６のＺ方向の変位をレーザー測長器の測定光１４で測定することによって、被測定面１５の形状測定を行なう。
特開平６−２６５３４０号公報

図７に示される測定用プローブでは、可動部が、スライド軸４とスタイラス５とミラー６とからなる。そして、可動部の重量を、バネ７によって支持している。このため、空気静圧軸受け３に対してスタイラス５が上下すると、バネ７のたわみ量が変化し、接触圧が変化してしまう。

また、Ｚ方向に対して被測定面１５の法線の傾き角度が大きい場合、図７に示される測定用プローブでは、スタイラス５にはＺ方向と直交する方向に力が加わる。従って、バネ７のたわみ量が変化し接触圧が大きくなってしまうと、空気静圧軸受け３に対するスライド軸４の倒れや、スタイラス５にたわみが発生する。この倒れやたわみは、測定誤差となってしまう。

このような測定誤差の発生を抑えるためには、接触圧が大きくならないように、つまりバネ７のたわみ量が常に一定となるように制御を行なえばよい。しかし、バネ７のたわみ量を一定に保つためには、スタイラス５の上下方向の変位に対して光プローブ２を素早く正確に追従させることが要求される。そのためには、サーボ回路１２やリニアモーター１３などからなる制御系の応答周波数を高くしなくてはならないが、容易ではない。

本発明は、このような実情に着目して成されたものであり、その目的は、接触圧がほぼ一定である測定用プローブおよびこの測定用プローブを用いた形状測定機を提供することである。

本発明は、ひとつには、測定用プローブであり、軸受けで支持され、軸受けの軸方向には自由に移動可能なスライド部材と、スライド部材に取り付けられ、被測定面に所定の接触圧で接触する接触部材と、スライド部材に取り付けられ、スライド部材の軸方向の変位を測定するための測長部材と、浮力を発生させる浮力発生部材と、浮力発生部材とスライド部材とをつなぐ連結部材とを備えている。接触部材の所定の接触圧Ｆは、浮力発生部材により発生する浮力Ｆｂと、スライド部材と接触部材と測長部材と連結部材と浮力発生部材との重量により生じる力Ｆｇとの差により発生する。

本発明は、ひとつには、形状測定機であり、上記の測定用プローブと、被測定面を回転させるとともに、回転角度を出力する回転ステージと、回転ステージの回転軸を含む平面内で測定用プローブを旋回させるとともに、旋回角度を出力する旋回ステージとを備えている。

本発明によれば、軸受けに対する可動部の変位に関係なく接触圧がほぼ一定である測定用プローブおよびこの測定用プローブを用いた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における測定用プローブの構成を概略的に示す部分断面図である。

図１に示されるように、本実施形態の測定用プローブ１００は、空気静圧軸受け１０１と、スライド軸１０２と、スタイラス１０３と、リニアスケール１０４およびミラー１０５と、ボール１０７と、板１０６と、検出ヘッド１０９と、ベース１１０とから構成されている。

ここで、スライド軸１０２はスライド部材である。このスライド軸１０２は、空気静圧軸受け１０１によって、鉛直方向であるＺ方向に摩擦抵抗なく移動可能となっている。また、スタイラス１０３は接触部材である。このスタイラス１０３はスライド軸１０２の下端部に取り付けられ、その先端に被測定面１１２と接触する先端球を有している。リニアスケール１０４およびミラー１０５は測長部材である。このリニアスケール１０４およびミラー１０５は、スライド軸１０２の上端部に取り付けられている。また、ボール１０７は浮力発生部材である。このボール１０７には、空気より軽い気体としてヘリウムガス１０８が充填されている。板１０６は連結部材であって、スライド軸１０２とボール１０７を連結している。検出ヘッド１０９は、リニアスケール１０４のＺ方向の変位を検出する。

ベース１１０は、空気静圧軸受け１０１と検出ヘッド１０９を保持している。このベース１１０は、Ｚ方向に移動可能なＺステージ（不図示）によって支持されている。測定用プローブ１００は、Ｚ方向と直交するＸＹ方向に移動可能なＸステージとＹステージ（いずれも不図示）によって支持されている。

ここで、スライド軸１０２と、スタイラス１０３と、リニアスケール１０４およびミラー１０５と、板１０６と、ボール１０７は一体となっており、可動部を構成している。

本実施形態の測定用プローブ１００により、被測定物１１１の被測定面１１２の形状を測定する場合について説明する。測定を行うために、Ｚステージを駆動して、被測定面１１２にスタイラス１０３の先端球を接触させる。このとき、被測定面１１２とスタイラス１０３の間の接触圧Ｆは、可動部の重量（Ｆｇ）とボール１０７内部のヘリウムガス１０８により発生する浮力（Ｆｂ）の差により発生する。

本実施形態では、被測定面１１２が鉛直方向の上向きであるので、接触圧Ｆ＝Ｆｇ−Ｆｂ（ただしＦｇ＞Ｆｂ）となるように設定されている。つまり、被測定面１１２がなければ、スライド軸１０２は下方向に移動する。このように設定することによって、スタイラス１０３の先端球は常に被測定面１１２に接触する。ここで、重量Ｆｇは、スライド軸１０２のＺ方向の位置によらず一定である。また、浮力Ｆｂも、スライド軸１０２のＺ方向の位置によらず一定である。従って、空気静圧軸受け１０１に対してスライド軸１０２がＺ方向に変位しても、接触圧Ｆは変化しない。

前述のように、Ｚ方向に対して被測定面１１２の法線の傾き角度が大きい場合、空気静圧軸受け１０１に対するスライド軸１０２の倒れや、スタイラス１０３のたわみにより、測定誤差が発生する。そこで、本実施形態では、このような場合であっても、測定誤差が無視できる程度に小さくなるように、この接触圧Ｆの値を設定している。

なお、本実施形態では、ボール１０７を弾性体（風船）で構成している。よって、具体的な接触圧Ｆの調整方法としては、ヘリウムガス１０８の充填量を調整して、ボール１０７の体積を変えることにより浮力Ｆｂを調整する。あるいは、予め浮力を可動部の重量よりも大きく設定しておき、可動部に重量調整部材（例えば、おもり）を加え、重量Ｆｇを変えることにより接触圧Ｆを調整してもよい。

測定は、被測定面１１２に接触したスタイラス１０３を、ＸステージとＹステージとにより、被測定面１１２に対して走査させる。このとき、被測定面１１２の高さの変化に沿って、スタイラス１０３がＺ方向に移動する。これに伴って、スライド軸１０２に取り付けたリニアスケール１０４もＺ方向に移動する。このリニアスケール１０４の変位は、ベース１１０に取り付けた検出ヘッド１０９で検出される。検出ヘッド１０９は、空気静圧軸受け１０１に対して、スライド軸１０２が所定の移動可能範囲（ストローク）内にあるかどうかを検出する。

空気静圧軸受け１０１に対して、スライド軸１０２が移動可能範囲を超えて下降したとする。この場合、板１０６が空気静圧軸受け１０１に当たってしまい、測定ができなくなってしまう。また、スライド軸１０２があまり上昇してしまうと、空気静圧軸受け１０１が被測定面１１２に衝突する恐れがある。

このような不具合を避けるためには、測定中のスライド軸１０２の位置が、移動可能範囲内になるようにしなくてはならない。そこで、本実施形態では、検出ヘッド１０９の出力を用いてＺステージを駆動し、測定用プローブ１００をＺ方向に移動させている。なお、このＺステージの駆動は、スライド軸１０２が移動可能範囲から外れないように制御するものである。よって、スライド軸１０２の位置が移動可能範囲内であれば、スライド軸１０２の変位に対して、測定用プローブ１００を追従させる必要はない。

以上のようにして、測定用プローブ１００のスタイラス１０３が、被測定面１１２上を一定の接触圧で走査していく。そして、走査に合わせて、ミラー１０５のＺ方向の変位を、レーザー測長器の測定光１１３により測定する。また、走査に合わせて、レーザー測長器（不図示）により、測定用プローブ１００のＸ方向とＹ方向の変位を測定する。これにより、被測定面１１２の形状が測定できる。

本実施形態によれば、空気静圧軸受け１０１に対してスライド軸１０２がＺ方向に変位しても、接触圧Ｆはほぼ一定である。従って、空気静圧軸受け１０１に対するスライド軸１０２の倒れや、スタイラス１０３のたわみにより発生する測定誤差は無視できるほど小さい。よって、高精度な測定が可能となる。また、スタイラス１０３のＺ方向の変位に対して、測定用プローブ１００を正確に追従させる必要がない。そのため、制御系の応答を高速にしなくてもよい。従って、Ｚステージの制御が、非常に容易となる。

また、被測定面の形状によっては、被測定面１１２のＺ方向の測定範囲が、スライド軸１０２の移動可能範囲よりも十分に小さい場合がある。このような場合には、リニアスケール１０４および検出ヘッド１０９を省略することも可能である。この時、被測定面１１２の測定中は、Ｚステージの位置制御は不要である。

［変形例］
図２は、第一実施形態の変形例における測定用プローブの構成を概略的に示す部分断面図である。図２において、図１に示された部材と同一の参照符号で示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。

第一実施形態では、空気よりも軽い気体を用いて浮力を得ている。これに対して、本変形例は、液体を用いて浮力を得る例である。

図２に示されるように、本変形例の測定用プローブ１２０は、第一実施形態の板１０６とボール１０７に代えて、容器１２４と、液体１２５と、ボール１２３と、板１２１と細い棒１２２とを備えている。

ここで、容器１２４はベース１１０に固定されている。また、この容器１２４は液体１２５で満たされている。この液体には、ボール１２３が沈められている。また、板１２１と細い棒１２２は、スライド軸１０２とボール１２３を連結している。なお、他の構成は第一実施形態と同様であり、その説明は省略する。

液体１２５の液面の高さ（液量）は、スライド軸１０２が移動可能範囲内で上昇しても、ボール１２３が液体１２５から出ないように設定しておく。

本変形例では、浮力Ｆｂは、ボール１２３の体積と、棒１２２の液体１２５に沈んでいる部分の体積とにより決まる。従って、スライド軸１０２が上下すると、棒１２２の液体１２５に沈んでいる部分の体積が変わるので、厳密には浮力は変化する。しかし、棒１２２を細い部材とすることにより、スライド軸１０２がＺ方向に移動しても浮力をほぼ一定にすることが可能となる。

本変形例のように、液体を用いて浮力を得るようにすると、気体を用いて浮力を得る場合よりも、ボールの内部と外部（液体）の密度の差を大きくすることができる。従って、同じ体積でも大きな浮力を得ることができので、浮力発生部材を小さくすることが可能となる。その結果、測定用プローブの小型化が可能となる。

［第二実施形態］
図３は、本発明の第二実施形態における測定用プローブの構成を概略的に示す部分断面図である。

図３に示されるように、本実施形態の測定用プローブ２００は、第一実施形態の測定用プローブ１００を上下反転させた構成となっている。なお、図１で示した各構成要素を示す参照符号の百の位の数字を、図３では２に代えて（例えば図１の空気静圧軸受け１０１を図３では空気静圧軸受け２０１として）示している。

本実施形態では、被測定物２１１の被測定面２１２が鉛直方向の下向きであるので、接触圧Ｆ＝Ｆｂ−Ｆｇ（ただしＦｂ＞Ｆｇ）となるように設定されている。つまり、被測定面２１２がなければ、スライド軸２０２は上方向に移動する。このように設定することによって、スタイラス１０３の先端球は常に被測定面２１２に接触する。

測定用プローブ２００を用いた被測定面２１２の測定については、第一実施形態と同様であるので、その説明は省略する。

本実施形態によれば、被測定面２１２が鉛直方向の下向きの場合に形状測定が可能である。

また、第一実施形態の測定用プローブ１００と本実施形態の測定用プローブ２００を組み合わせることによって、被測定物の表面と裏面の形状を同時に測定することも可能である。

［第三実施形態］
図４は、本発明の第三実施形態における測定用プローブの構成を概略的に示す部分断面図である。図４において、図１に示された部材と同一の参照符号で示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。図４では、リニアスケール１０４と検出ヘッド１０９の図示は省略している。

図４に示されるように、本実施形態の測定用プローブ１５０は、第一実施形態の測定用プローブ１００のボール１０７と板１０６に代えて、ヘリウムガス１５８が充填された浮き輪１５７と、浮き輪１５７とスライド軸１０２を連結する円形板１５６とを備えている。他の構成は第一実施形態の測定用プローブ１００と同様である。

本実施形態では、浮き輪１５７と円形板１５６は、空気静圧軸受け１０１の軸方向（Ｚ方向）を中心として回転対称な形状となるように配置されている。

測定用プローブ１５０を用いた被測定面１１２の測定については、第一実施形態と同様であるので、その説明は省略する。

本実施形態では、可動部が、スライド軸１０２（スライド部材）と、スタイラス１０３（接触部材）と、ミラー１０５（測長部材）と、円形板１５６（連結部材）と、浮き輪１５７（浮力発生部材）とから構成されている。この可動部は、空気静圧軸受け１０１の軸方向を中心として回転対称な形状をしている。従って、可動部の重量Ｆｇと、浮き輪１５７の内部のヘリウムガス１５８により発生する浮力Ｆｂは、共にスライド軸１０２の軸上で働く。このため、空気静圧軸受け１０１の軸方向と直交する方向には力が働かないので、より高精度な測定が可能となる。

なお、本実施形態では、軸方向を中心とする回転対称な形状として、浮き輪１５７と円形板１５６を用いて説明したが、可動部の重力Ｆｇと浮力Ｆｂが軸上に作用すれば同様の効果が得られる。例えば、浮力発生部材を第一実施形態で示したボール１０７と同様な複数のボールで構成し、それらを、空気静圧軸受け１０１の軸方向を回転中心とする回転方向に等間隔で配置してもよい。言い換えれば、浮力発生部材を構成する複数のボールを、空気静圧軸受け１０１の軸方向を回転中心とする円周上に等間隔で配置してもよい。また、連結部材の形状も円形に限らず、複数の腕が放射状に等間隔で延びているような形状の板でもよい。あるいは、連結部材は、放射状に等間隔で延びている複数の棒で構成されてもよい。

また、第二実施形態の測定用プローブ２００を本実施形態と同様の構成とすれば、被測定面が下向きの場合にも同様の作用効果が得られる。

［第四実施形態］
図５は、本発明の第四実施形態における測定用プローブを用いた形状測定機の構成を概略的に示す図である。

図５に示されるように、本実施形態の形状測定機は、測定用プローブ３００と、Ｒステージ３１８と、旋回ステージ３１６と、回転部３１４を有する回転ステージ３１３と、Ｚステージ３１５とから構成されている。ここで、Ｒステージ３１８は、この測定用プローブ３００を保持しＲ方向に移動する。また、旋回ステージ３１６は、Ｒステージ３１８を旋回させる。Ｚステージ３１５は、回転部３１４上で被測定物３１１を保持し、被測定物３１１をＺ方向に移動可能としている。

測定用プローブ３００は、第一実施形態の測定用プローブ１００または第一実施形態の変形例の測定用プローブ１２０、第二実施形態の測定用プローブ２００、第三実施形態の測定用プローブ１５０と同様の構成である。よって、その詳細な説明は省略するが、測定用プローブ３００は、空気静圧軸受け３０１とスライド軸３０２とスタイラス３０３とベース３１０などから構成される。

本実施形態においては、鉛直方向をＺ方向、このＺ方向と直交する水平方向をＸ方向、Ｘ方向とＺ方向にそれぞれ直交する水平方向をＹ方向とする。また、Ｚ方向を中心とする回転方向をθ方向とし、Ｙ方向を中心とする回転方向をφ方向とし、ＸＺ平面内でＺ方向とのなす角度がφである方向をＲ方向とする。

旋回ステージ３１６は、旋回中心３１７を中心としてφ方向に旋回する。そして、Ｒステージ３１８は、Ｒ方向に測定用プローブ３００を移動させる。また、回転ステージ３１３の回転部３１４は、θ方向に回転する。旋回ステージ３１６と回転ステージ３１３は、共に空気静圧軸受けであり、高精度に回転する。また、旋回ステージ３１６と回転ステージ３１３には、それぞれロータリーエンコーダー（不図示）が設けられている。よって、旋回角度φと回転角度θが、ロータリーエンコーダーから出力される。

一方、Ｒステージ３１８上には、測定用プローブ３００が保持されている。よって、この測定用プローブ３００のスライド軸３０２は、Ｒ方向に移動する。このスライド軸３０２のＲ方向の位置は、スライド軸３０２に取り付けられたミラー（不図示）と測長器（不図示）によって測定される。なお、このミラーは、第一実施形態または第二実施形態のミラー１０５に対応する。

本実施形態の形状測定機において、被測定面の形状を測定する手順を以下に説明する。なお、被測定物の被測定面は、回転対称な形状である。

まず、旋回ステージ３１６を旋回させ、旋回角度φ＝０とする。これにより、測定用プローブ３００の空気静圧軸受け３０１の軸が、Ｚ方向を向くようにする。この状態で、Ｚステージ３１５上に、力センサー（圧力センサー）を載せる。そして、Ｒステージ３１８を用いて測定用プローブ３００を下降させ、スタイラス３０３を力センサーに接触させる。この力センサーの出力を見ながら、測定用プローブ３００の可動部の重量Ｆｇまたは浮力Ｆｂを調整し、接触圧が所望の設定値Ｆ₀となるように設定する。接触圧の設定が終了したら、測定用プローブ３００をいったん上昇（退避）させて、力センサーを取り除く。

この接触圧の設定は測定時に毎回行なう必要はなく、定期的（例えば一日に一度）に、または測定機の校正時に行なえばよい。

次に、Ｚステージ３１５上に、被測定物を載せる。本実施形態では、被測定物は、回転対称な面形状を持つ非球面レンズ３１１である。ここでは、非球面レンズ３１１の非球面３１２が上を向くように、非球面レンズ３１１をセッティングする。そして、Ｚステージ３１５により、非球面レンズ３１１をＺ方向に移動させる。

この時、被測定面である非球面３１２の近軸曲率中心（設計値）が、旋回ステージ３１６の旋回中心３１７とほぼ一致するように、非球面レンズ３１１をＺ方向に移動するのが好ましい。この点について、簡単に説明する。

非球面３１２は、Ｚ方向を中心とする回転対称な形状となっている。よって、図６に示されるように、非球面３１２は、半径ｒ₀の球面３２０を基準として、この球面３２０からＲ方向に非球面量△ｒを持つ形状であると考えることができる。この基準となる球面３２０の中心３２１が、近軸曲率中心である。そこで、非球面３１２の近軸曲率中心３２１と、旋回ステージ３１６の旋回中心３１７をほぼ一致させるようにする。このようにすると、スライド軸３０２のＲ方向の移動量△Ｒは、非球面量△ｒとほぼ同じ量となり、移動量が少なくてすむ場合が多い。

次に、Ｒステージ３１８により測定用プローブ３００を下降させ、スタイラス３０３を非球面３１２に接触させる。このとき、接触圧は設定値Ｆ₀である。

そして、回転部３１４により被測定面３１２をθ方向に回転させながら、旋回ステージ３１６により測定用プローブ３００をφ方向に旋回させる。ただし、φ≧９０°となると、接触圧は旋回中心３１７の方向には働かなくなるので、一９０°＜φ＜９０°となるようにする。このときの回転部３１４の回転角度（θ）と、旋回ステージ３１６の旋回角度（φ）と、スライド軸３０２のＲ方向の変位（△Ｒ）を測定し、非球面３１２の測定データ（θ，φ，△Ｒ）を点列データとして取得する。

ここで、測定用プローブ３００が旋回ステージ３１６により角度φだけ傾けられると、接触圧Ｆ’＝（Ｆｇ−Ｆｂ）ｃｏｓφとなる。角度φは、一９０°＜φ＜９０°であるから、Ｆ₀≧Ｆ’＞０である。従って、非球面３１２の測定時に測定用プローブ３００が角度φだけ傾いても、接触圧は設定値Ｆ₀よりも大きくなることはない。しかも、常に、非球面３１２に接触する方向に接触圧が加わる。

非球面３１２の測定範囲をカバーするまで旋回ステージ３１６が旋回したら、測定を終了する。取得した測定データ（θ，φ，△Ｒ）に基づいて、非球面３１２の形状が求められる。

本実施形態によれば、旋回角度φ＝０の状態、すなわち空気静圧軸受け３０１が鉛直方向を向いた状態で、接触圧が所望の設定値Ｆ₀となるように調整を行なっている。よって、測定用プローブ３００が旋回角度φだけ傾いても、接触圧はＦ₀よりも大きくなることはない。また、測定用プローブ３００をφ方向に旋回させている。そのため、測定用プローブをＸ方向やＹ方向に走査する形状測定機に比べて、スタイラス３０３と被測定面３１２の法線のなす角が小さい。従って、被測定面３１２の全面を高精度に測定することが可能である。

また、スタイラス３０３のＲ方向の変位に対して、測定用プローブ３００を正確に追従させる必要がない。よって、制御系の応答を高速にする必要がない。従って、Ｒステージ３１８の制御が非常に容易となる。なお、被測定面３１２のＲ方向の測定範囲（△ｒ）が、スライド軸３０２の移動可能範囲よりも十分に小さい場合がある。このような場合には、Ｒステージ３１８の制御は不要である。

本実施形態の測定では、Ｚステージ３１５により非球面３１２の近軸曲率中心３２１と旋回ステージ３１６の旋回中心３１７をほぼ一致させている。しかし、必ずしも近軸曲率中心３２１と旋回中心３１７を一致させる必要はない。すなわち、近軸曲率中心３２１と旋回中心３１７がＺ方向に大きく異なっていても、測定は可能である。この場合、Ｒ方向の測定範囲が、スライド軸３０２の移動可能範囲とＲステージ３１８の移動可能範囲を合計した範囲内であれば、測定は可能である。また、被測定面の形状によっては、近軸曲率中心と旋回中心を一致させないほうが、スライド軸３０２のＲ方向の移動量が少なくてすむ場合もある。よって、被測定面の形状に応じて、適宜Ｚステージ３１５を調整すればよい。

また、被測定面は凸面として説明したが、当然のことながら被測定面が凹面であっても測定は可能である。さらに、被測定面が鉛直方向の下向きの場合には、第二実施形態で示した測定用プローブ２００を用いることによって、同様の測定が可能である。また、回転ステージ３１３の回転軸の方向は鉛直方向には限らず、測定用プローブ３００で被測定面全面の測定が可能であれば、Ｘ方向またはＹ方向に傾けて設置してもよい。

これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態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。

本発明は、ひとつには、測定用プローブに向けられており、以下の各項に記す測定用プローブを含んでいる。

１．本発明の測定用プローブは、軸受けで支持され、軸受けの軸方向には自由に移動可能なスライド部材と、スライド部材に取り付けられ、被測定面に所定の接触圧で接触する接触部材と、スライド部材に取り付けられ、スライド部材の軸方向の変位を測定するための測長部材と、浮力を発生させる浮力発生部材と、浮力発生部材とスライド部材とをつなぐ連結部材とを備えている。接触部材の所定の接触圧Ｆは、浮力発生部材により発生する浮力Ｆｂと、スライド部材と接触部材と測長部材と連結部材と浮力発生部材との重量により生じる力Ｆｇとの差により発生する。

この測定用プローブは、第一実施形態と第二実施形態と第三実施形態に対応している。

この測定用プローブにおいては、軸受けに対してスライド部材が相対的に軸方向に移動しても接触圧はほぼ一定である。このため、高精度な測定が可能であり、また軸受けの軸方向の位置制御が容易である。

２．本発明の別の測定用プローブは、第１項の測定用プローブにおいて、浮力発生部材がＦｇよりも小さい浮力を発生させる。

この測定用プローブは、第一実施形態に対応している。

この測定用プローブは、被測定面が鉛直方向の上向きである場合に有効である。

３．本発明の別の測定用プローブは、第１項の測定用プローブにおいて、浮力発生部材がＦｇよりも大きい浮力を発生させる。

この測定用プローブは、第二実施形態に対応している。

この測定用プローブは、被測定面が鉛直方向の下向きである場合に有効である。

４．本発明の別の測定用プローブは、第１項〜第３項の測定用プローブにおいて、浮力発生部材と連結部材とが軸受けの軸方向を中心として回転対称な形状をしている。

この測定用プローブは、第三実施形態に対応している。

この測定用プローブにおいては、浮力発生部材により発生する浮力が軸受けの軸上に作用し、軸受けの軸方向と直交する方向には力が働かない。これにより、さらに高精度な測定が可能となる。

５．本発明の別の測定用プローブは、第１項〜第３項の測定用プローブにおいて、浮力発生部材と連結部材は、それぞれ複数の部材からなり、軸受けの軸方向を回転中心とする回転方向に等間隔で配置されている。

この測定用プローブは、第三実施形態に対応している。

本発明は、ひとつには、形状測定機に向けられており、以下に記す形状測定機を含んでいる。

６．本発明の形状測定機は、第１項〜第５項の測定用プローブと、被測定面を回転させるとともに、回転角度を出力する回転ステージと、回転ステージの回転軸を含む平面内で測定用プローブを旋回させるとともに、旋回角度を出力する旋回ステージとを備えている。

この形状測定機は、第四実施形態に対応している。

この形状測定機においては、測定用プローブを旋回させても接触圧は、所定の接触圧よりも大きくなることがない。従って、高精度な測定が可能であり、また軸受けの軸方向の位置制御が容易である。

本発明の第一実施形態における測定用プローブの構成を概略的に示す部分断面図である。第一実施形態の変形例における測定用プローブの構成を概略的に示す部分断面図である。本発明の第二実施形態における測定用プローブの構成を概略的に示す部分断面図である。本発明の第三実施形態における測定用プローブの構成を概略的に示す部分断面図である。本発明の第四実施形態における測定用プローブを用いた形状測定機の構成を概略的に示している。Ｚ方向を中心とする回転対称な非球面を半径ｒ₀の球面とともに示している。特開平６−２６５３４０号公報に開示されている測定用プローブを示している。

符号の説明

１００…測定用プローブ、１０１…空気静圧軸受け、１０２…スライド軸、１０３…スタイラス、１０４…リニアスケール、１０５…ミラー、１０６…板、１０７…ボール、１０８…ヘリウムガス、１０９…検出ヘッド、１１０…ベース、１１１…被測定物、１１２…被測定面、１１３…測定光、１２０…測定用プローブ、１２１…板、１２２…棒、１２３…ボール、１２４…容器、１２５…液体、１５０…測定用プローブ、１５６…円形板、１５７…浮き輪、１５８…ヘリウムガス、２００…測定用プローブ、２０１…空気静圧軸受け、２０２…スライド軸、２１１…被測定物、２１２…被測定面、３００…測定用プローブ、３０１…空気静圧軸受け、３０２…スライド軸、３０３…スタイラス、３１０…ベース、３１１…非球面レンズ、３１２…非球面、３１３…回転ステージ、３１４…回転部、３１５…Ｚステージ、３１６…旋回ステージ、３１７…旋回中心、３１８…Ｒステージ、３２０…球面、３２１…近軸曲率中心。

Claims

軸受けで支持され、軸受けの軸方向には自由に移動可能なスライド部材と、
スライド部材に取り付けられ、被測定面に所定の接触圧で接触する接触部材と、
スライド部材に取り付けられ、スライド部材の軸方向の変位を測定するための測長部材と、
浮力を発生させる浮力発生部材と、
浮力発生部材とスライド部材とをつなぐ連結部材とを備えており、
接触部材の所定の接触圧Ｆは、浮力発生部材により発生する浮力Ｆｂと、スライド部材と接触部材と測長部材と連結部材と浮力発生部材との重量により生じる力Ｆｇとの差により発生する、測定用プローブ。
浮力発生部材は、Ｆｇよりも小さい浮力を発生させる、請求項１に記載の測定用プローブ。
浮力発生部材は、Ｆｇよりも大きい浮力を発生させる、請求項１に記載の測定用プローブ。
浮力発生部材および連結部材は、軸受けの軸方向を中心として回転対称な形状をしている、請求項１ないし請求項３のいずれかひとつに記載の測定用プローブ。
浮力発生部材および連結部材は、軸受けの軸方向を回転中心とする回転方向に等間隔で配置されている、請求項１ないし請求項３のいずれかひとつに記載の測定用プローブ。
請求項１ないし請求項５のいずれかひとつに記載の測定用プローブと、
被測定面を回転させるとともに、回転角度を出力する回転ステージと、
回転ステージの回転軸を含む平面内で測定用プローブを旋回させるとともに、旋回角度を出力する旋回ステージとを備えている、形状測定機。