JP2008203191A - 接触式形状測定器用プローブヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】プローブ軸及びプローブ枠の精密加工に要する加工コストを軽減することができること、微小な測定力を精密に調整しつつ、高精度の測定を実現することのできる、接触式形状測定器用プローブヘッドを提供すること。
【解決手段】測定用触針３が取り付けられるプローブ軸１と、このプローブ軸１を進退自在に支持するプローブ枠２とを備えた接触式形状測定器用プローブヘッドにおいて、プローブ枠２には、プローブ軸１をプローブ枠２との間で隙間を設けて支持する支持用空気静圧パッド４ａ、４ｂと、支持用空気静圧パッド４ａ、４ｂ以外にプローブ枠２に設けられ、空気の粘性抵抗により発生する圧力差を利用して、プローブ軸１に測定力を発生させる測定力発生用空気静圧パッド５ａ、５ｂとが設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は精密な接触式形状測定器、及び超精密加工機の機上形状測定器の測定センサーに使用されるプローブへッドに関する。

測定機用プローブヘッドのプローブ軸は、通常ボールベアリングや空気静圧パッドにより、軸方向に移動可能に支持されている。このためこのままでは測定力がほとんど発生しないため、自重（重力）・バネ・空気圧・磁力等でワークに向けて測定力を発生させ、また測定力を調整しているが、例えば、自重と板バネで測定力を発生させている場合、プローブ軸の位置により測定力が変化してしまうという問題がある。
この問題を解決するために、特許文献１では、２段階の変位部材（板バネ）を使用して、ワークの大小に応じて所定の測定圧になるように設定できる構造が開示されている。
また、特許文献２では、プローブ軸の位置を常に一定にする事により測定力の変化を少なくして測定する方法が開示されている。

一方、空気圧で測定力を発生させる技術として、特許文献３では、エアピストン形状そのものを利用して測定力を調整する技術が開示されている。
また、特許文献４ではプローブ軸に階段状またはクランク状の段差を形成し、その段差に空気圧をかける事により測定力を発生させる方法が開示されている。この方法も測定力の発生方法としては原理的には上記のエアピストン方式と変らない。
さらに、磁力で測定力を調整する技術としては、特許文献５、特許文献６があり、前者ではプローブ軸（移動側）とプローブ枠（固定側）の間に磁気回路を形成して磁力を発生させており、後者ではプローブ軸とプローブ枠にそれぞれ磁石を配置する事により磁力を発生させて、軸方向への推進力を得ている。またこの磁力を調整する事により測定力を調整しようとしている。

特開平１０−２５３３０８号公報 特開平６−２６５３４０号公報 特開平１０−１５３６２３号公報 国際公開第ＷＯ００／５２４１９パンフレット 特開２００３−４２７４２号公報 特開２００５−１３４３３２号公報

近年、例えば非球面レンズ及びその金型に要求される精度は年々高くなってきており、その形状測定においても超精密な形状測定が要求されて来ている。
これらの非球面レンズはそのレンズ側面最大角度が近年ますます高角度化して来ており、直近では６５°と言う高角度が必要となってきており、そのレンズを作製するための金型の最大側面角度は７０〜７５°に達する。
このような高角度な側面最大角度のワークを測定する場合、非接触式のレーザーで測定すると、レーザーのスポットが高角度な傾斜面に斜めにあたるため、どうしても大きな誤差を発生させてしまう。

一方、接触式の測定器の場合にも、測定ワークへ触針を押付ける測定力の傾斜分力（触針に直角な方向）や、触針をワークに沿って動かす時の摩擦力により触針を横方向へ押す力が発生してプローブ軸が傾き、測定誤差を発生させると言う問題がある。
従って、このような超精密な形状測定を接触式で実施する場合には、測定力が重要な要素となり、ワークの材質や形状により精密に調整する事が重要となってくる。
例えば、前記のような高角度な傾斜面を持つワークの測定においては、傾斜分力を減らすために、測定力を小さく調整する必要があり、またその軸受けのモーメント剛性を高くしておく必要がある。
また、ワークが柔らかい材質の場合には高い測定力ではワークが変形したり、傷が入ったりする問題が発生してしまい、精密な測定が出来ない。
さらに、加工機上で機上測定する場合には測定ワークの表面を完全に洗浄出来ない場合が多く、その表面状態により測定力を選んで測定する必要も出てくる。

測定力の発生方式としては、前記のように自重・バネ・空気圧・磁力等による方式がこれまで開示されているが、板バネによる測定力発生方式では、前記のようにプローブ軸の位置により測定力が変化するという問題がある。
また、これを解決するために、特許文献１や、特許文献２のような対策を取った場合であっても、測定力を一定に保つ事は出来るが、測定力を任意に変更する事が出来ないと言う問題がある上、測定触針等を交換した場合に、その交換品の重量やバネ力に違いがあった場合、測定力を調整する事が非常に大変になると言う問題がある。さらに、この方法では測定プローブヘッドが非常に大型化してしまう問題も発生する。

特許文献３で開示されている空気圧方式の場合、もともと平面状の測定ワークを想定しているため、プローブ軸の横方向の軸受け構造が無い。このため横方向の剛性が非常に低いため、連続的に横方向に測定する事や傾斜面の測定ができないと言う問題がある。
また、特許文献４で開示されている空気圧方式の場合、図４に示すように、空気静圧パッド１１４ａ、１１４ｂによりプローブ軸１１２を支持しつつ、プローブ軸１１２に階段状やクランク形状の段差１１１ａ、１１１ｂを形成することにより、微小な測定力を発生させる事を可能にしているが、この特許文献４に開示されているプローブ軸１１２の断面中心線は一直線上とはならない。

しかし、プローブ軸１１２のこの階段状やクランク形状の段差１１１ａ、１１１ｂの表面は、空気静圧パッド１１４ａ、１１４ｂの対向面として使用されるため、精密な平行・平坦面（又は円筒・真円度面）が必要とされ、このような段差１１１ａ、１１１ｂを有する部品を精密に加工するには非常にコストがかかるという問題がある。
また、この階段状やクランク形状の段差１１１ａ、１１１ｂを有するプローブ軸１１２に対向するプローブ枠１１５に配置される空気静圧パッド１１４ａ、１１４ｂの面も、段差１１１ａ、１１１ｂの形状に合わせて精密な段差寸法で加工する必要があり、精密加工の要求される空気静圧パッド１１４ａ、１１４ｂの面をこのような精密段差寸法で加工するためには、さらにコストがかかってしまうという問題がある。

また、これらの空気静圧パッド１１４ａ、１１４ｂの面の平行・平坦度（又は円筒・真円度）が悪いと、空気静圧軸受け隙間を小さくする事ができず、軸受けの剛性を高くできないと言う問題も発生してしまう。特に、セラミックスで構成されるプローブヘッドの場合、上記のような階段・クランク形状の精密加工は加工が難しいと言う問題がある。
さらに、クランク形状の段差１１１ａ、１１１ｂを有するプローブ軸１１２のため、軸を容易に抜くことができず、メンテナンスが非常に困難になり、逆に、メンテナンス性を上げるために、空気静圧軸受け隙間をクランク形状の段差１１１ａ、１１１ｂに対して十分に大きくした場合、軸受け隙間が大きくなり過ぎて、軸受け剛性が極端に低くなってしまうという問題が発生する。

また、特許文献５、特許文献６で開示されている磁力方式の場合、プローブヘッド内に磁気回路を作製したり、磁石を多く配置する必要があり、測定プローブが大きくなる問題があり、特に機上測定器の場合には大きな問題となる。
さらに、プローブ軸に磁石を設置する後者の発明では、磁石によりプローブ軸が重くなり測定の形状追随性が悪くなると言う問題もある。また、この方法では周囲のわずかな発生磁場による影響も受けるため、非常に小さな測定力を調整する事は難しいという問題がある。

また、超精密な形状測定を実施しようとする場合、プローブヘッドを構成する材質も問題となってくる。従来の測定器用プローブヘッドは金属材料で構成されており、一般にはステンレス材料が使用され、軽量化の必要な部分では一部アルミニウムまたはアルミニウム合金が使用されている。
ステンレス材料の室温における熱膨張係数は１７×１０^−６／Ｋと大きく、アルミニウム合金にいたっては２３×１０^−６／Ｋとさらに大きな値となってしまう。
このため、測定中のわずかな温度変化により熱膨張して、測定位置の誤差を発生させると共に、プローブ軸やプローブ枠が寸法変化し、測定力も変化してしまうと言う問題が発生してしまう。

また、軽量化のためにアルミニウム合金を使用した場合、そのヤング率は約９０ＧＰａと非常に小さいため、測定力や摩擦力によるプローブ軸の変形も無視できないものとなり、測定誤差を発生させてしまうという問題がある。
さらに、熱膨張対策としてインバー合金やスーパーインバー合金を使用する事ができるが、これらの合金の剛性は１００〜１４０ＧＰａと小さく、また密度も８〜９×１０^３ｋｇ／ｍ^３と非常に重くなってしまう。
また、これらの合金は非常に錆びやすいので、メッキ等のコーティングをする必要があり、空気静圧部品用の精密加工を実施することが難しくなってしまうという問題もある。

本発明の目的は、前述した課題に鑑み案出されたものであり、プローブ軸及びプローブ枠の精密加工に要する加工コストを軽減することができること、微小な測定力を精密に調整しつつ、高精度の測定を実現することのできる、接触式形状測定器用プローブヘッドを提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、以下の構成を要旨とする。
（１） 測定用触針が取り付けられるプローブ軸と、このプローブ軸を進退自在に支持するプローブ枠とを備えた接触式形状測定器用プローブヘッドであって、前記プローブ枠には、前記プローブ軸を前記プローブ枠との間で隙間を設けて支持する支持用空気静圧パッドと、前記支持用空気静圧パッド以外に前記プローブ枠に設けられ、空気の粘性抵抗により発生する圧力差を利用して、前記プローブ軸に測定力を発生させる測定力発生用空気静圧パッドとが設けられていることを特徴とする接触式形状測定器用プローブヘッド。
（２） 移動側の前記プローブ軸に階段形状やクランク形状の段差がなく、該プローブ軸の断面中心線が一直線形状であり、また固定側のプローブ枠の軸方向に配置された複数の空気静圧パッドが同一面にあることを特徴とする（１）記載の接触式形状測定器用プローブヘッド。

（３） 前記プローブ軸に対して、その軸方向に直交して溝が形成されており、その溝深さが０．２μｍ〜３０μｍであることを特徴とする（１）又は（２）記載の接触式形状測定器用プローブヘッド。
（４） 前記プローブ枠に埋設された測定力発生用空気静圧パッドが、前記プローブ軸に形成された溝に対向して設置されており、その溝部の底面と測定力発生用空気静圧パッド面との距離が３０μｍ以下であることを特徴とする（３）記載の接触式形状測定器用プローブヘッド。

（５） 前記支持用空気静圧パッドの空気静圧軸受け隙間が１０μｍ以下であることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の接触式形状測定器用プローブヘッド。
（６） 前記支持用空気静圧パッド及び測定力発生用空気静圧パッドがプローブ枠と一体構造であることを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載の接触式形状測定器用プローブヘッド。

（７） 当該プローブヘッドを構成する材質が、室温での熱膨張係数が３×１０^−６／Ｋ以下のセラミックスであることを特徴とする（１）乃至（６）のいずれかに記載の接触式形状測定器用プローブヘッド。
（８） 前記セラミックスが、サイアロン、窒化珪素、炭化珪素、窒化アルミニウム、コーディエライト、ＬＡＳ（リチウム・アルミナム・シリケート）、ムライトの１種又は数種を６５体積％以上含む焼結体であることを特徴とする（７）記載の接触式形状測定器用プローブヘッド。
（９） 前記セラミックスの密度が、４×１０^３ｋｇ／ｍ^３以下であることを特徴とする（７）又は（８）に記載の接触式形状測定器用プローブヘッド。

本明細書中でプローブ軸とは、測定ワークに接触する触針が取付けられている移動側の軸を総称する。
また、プローブ枠とはプローブ軸の周囲にあり、プローブ軸を支持する軸受けや、プローブ軸を駆動する機構を含んだ、固定側の構造体を総称する。
さらに、明細書中の熱膨張係数は全て室温での熱膨張係数を表しており、具体的には２０〜２５℃間の平均熱膨張係数を表すものとする。

前述した本発明は、次のように作用・効果を生じるものである。
本発明によれば、接触式形状測定器用プローブへッドの測定力（押付け力）は、測定力発生用空気静圧パッド隙間における空気粘性抵抗による圧力差により発生する。
このため、プローブ軸をストレートな形状とし、またプローブ枠に配置される空気静圧パッド面(支持用及び測定力発生用)を同一面とすることができる。
従ってプローブ軸及びプローブ枠を精密に仕上げる加工コストを大幅に削減することができる。

また、プローブ軸及びプローブ枠をより精密に仕上加工できるため、支持用空気静圧パッドの軸受け隙間を小さくして、高い軸受け剛性を達成することができる。
この結果、微小な測定力を精密に調整しつつ、高剛性なプローブヘッドが実現でき、測定精度を大幅に改善することができる。特に、側面最大角度が高角度のワークにおいても高精度な測定を実現することができる。
また、プローブ軸をストレートな形状とするため、プローブ軸の着脱が容易になり、メンテナンス性が大幅に向上する。
さらに、このように部品形状を単純にすることにより、低熱膨張のセラミックスを部品材質として使用することが容易となり、温度変化による部品の寸法変化を非常に小さくする事ができる。この結果、温度変化による測定誤差も大幅に低減することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
前述した特許文献４に開示されている方法では、図４に示されるように、プローブ軸１１２に階段状やクランク形状の段差を加工しなくてはならなず、図３（Ｂ）、（Ｃ）に示されるように、プローブ軸の軸中心線２０ｂ、２０ｃが長さ方向位置で異なってしまう。
しかし、本発明によれば、図１に示されるように、測定力発生用空気静圧パッド５ａ、５ｂにおけるプローブ軸１との隙間において、空気の粘性抵抗により発生する圧力差２１によって測定力９ａ、９ｂが発生する。
従ってプローブ軸１の支持用空気静圧パッド４ａ、４ｂにより支持される部分は同一平面（又は同一円筒面）とすることができるため、形状が単純化する。また、図３（Ａ）に示されるようにプローブ軸１の軸中心線２０ａを一直線とすることができるため、プローブ軸１の形状も単純化する。

また、プローブ枠２に埋設される支持用及び測定力発生用空気静圧パッド４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂも同一平面上（又は同一円筒面上）に配置することができる。
このため、精度面が同一平面（又は同一円筒面）となるため、この部分の平行・平坦度（円筒・真円度）加工が容易となり、同じ精度を出すための加工コストを大幅に削減することができる。
また、これらの精度面をより高精度に仕上げ加工することが可能になるため、支持用空気静圧パッド４ａ、４ｂの軸受け隙間をより小さくすることができる。

空気静圧軸受けにおいては一般に軸受け隙間を小さくすることにより、その軸受け剛性を高くすることができるので、本発明によれば、プローブヘッド１０の軸受け剛性を高くすることが可能になる。
軸受け剛性が高くなると、ワークの傾斜面測定時に発生するプローブ軸１を傾けようとするモーメント力に対してプローブ軸１の傾きを小さくする事ができ、測定精度は大きく改善される。
また、プローブ軸１には、溝６はあるが、ストレート形状のため、プローブ軸１をプローブ枠２から容易に抜いたり、差し込んだりすることができる。
このため、プローブ軸１の清掃や交換等のメンテナンスが非常に容易に実施できるという利点がある。

従来、空気圧を測定力発生源として使用する場合、圧力室を設けて圧力室の一方の壁を移動側、その対向する壁を固定側とすることで推進力を発生させる（図４参照）。これはエアピストンの原理を利用している。
これに対して、本実施形態では図１及び図２に示されるように、断面が角又は丸の真直ぐなプローブ軸１に微小深さの溝６を加工して、この溝６に対向するプローブ枠２に測定力発生用空気静圧パッド５ａ、５ｂを配置する。
従って、この溝６を圧力室と考えると、圧力室の両端面の壁は共に移動側のプローブ軸１となっており、従来のエアピストンの原理ではプローブ軸１に推進力は発生しない。

しかし本実施形態では、この溝部分６に対向して配置された測定力発生用空気静圧パッド５ａ、５ｂの１つの端面側を大気開放孔８ａ、８ｂにより大気開放し、他端は大気開放しない。
このようにすることで、測定力発生用空気静圧パッド５ａ、５ｂの隙間面には空気の粘性抵抗により圧力分布が発生し、図５に示されるように、測定力発生用空気静圧パッド５ａ、５ｂの面の大気開放側とその反対側との間には圧力差ΔＰ２１が発生する。
通常のエアピストン方式の場合、圧力室の圧力はパスカルの原理により場所により変化しないが、本実施形態では圧力室に相当する測定力発生用空気静圧パッド５ａ、５ｂの隙間面では大きな圧力分布が発生しており、エアピストン方式の場合とはその原理が大きく異なる。

本実施形態では、前記の圧力差ΔＰ２１が溝６の一方の溝段差ΔＨに作用して軸に推進力を発生させる。
この時のプローブ軸１の幅をＷ（図５における紙面直交方向のプローブ軸１の幅）、支持用空気静圧パッドの隙間をΔＧとすると、発生する推進力ΔＦは下記のように表記される。
ΔＦ＝Ｗ×（ΔＨ＋ｋ×ΔＧ）×ΔＰ（ｋ≦１：係数）・・・（１）
（１）式の第１項は溝側面の段差による寄与を表しており、第２項は溝底面のせん断応力による寄与を表している。

さらに、図１のように測定力発生用空気静圧パッド５ｂを、測定力発生用空気静圧パッド５ａの反対面に設置して、大気開放孔８ｂを大気開放孔８ａとは逆方向に配置することで、軸を前進させる力９ａと軸を後退させる力９ｂをそれぞれ発生させることができる。
このように前進方向と後退方向の２つ以上の測定力発生用空気静圧パッド５ａ、５ｂを配置することにより、プローブ軸１の微小測定力をより精密にコントロールすることができる。
このように本実施形態は、空気の粘性抵抗により測定力発生用空気静圧パッド５ａ、５ｂとプローブ軸１との間の隙間面に発生する圧力分布を利用して、測定力を発生させることにより精密な測定力コントロールをする事が最も大きな特徴となっている。

以下に本実施形態の構成要素について、詳細に説明する。
測定力発生用空気静圧パッド５ａ、５ｂとしては、多孔体絞り、オリフィス絞り、自成絞り、複合絞り（自成絞り＋表面絞り）が適用できる。
また、測定力発生用空気静圧パッド５ａ、５ｂに対向する、プローブ軸１の溝部６の深さは０．２〜３０μｍであることが好ましい。３０μｍ以上の場合、空気の粘性抵抗が非常に小さくなり、測定力発生用空気静圧パッド５ａ、５ｂの隙間での圧力差がほとんど発生しなくなってしまう。一方、０．２μｍ以下の場合、発生する推進力が小さくなってしまうと共に、加工自体が非常に難しくなってしまう。
支持用空気静圧パッド４ａ、４ｂとしても多孔体絞り、オリフィス絞り、自成絞り、複合絞り（自成絞り＋表面絞り）が適用できる。

測定器用のプローブヘッド１０は、その空間的制約から小型化することが好ましく、また、その形状追従性からプローブ軸１も小さく、軽くすることが好ましい。
このため、支持用空気静圧パッド面４ａ、４ｂは、非常に小さな面積となる。この小さな面積でより高い軸受け剛性を発生させるためには、複合絞り（自成絞り＋表面絞り）又は多孔体絞りが有効である。
また、測定時のプローブ軸１の傾きを小さくするために、軸受けのモーメント剛性を高くする必要があり、このため支持用空気静圧パッド４ａ、４ｂは、プローブ枠２の前部と後部の２箇所に分けて設置することが好ましい。

本実施形態では、支持用及び測定力発生用空気静圧パッド４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂの面は、同一平面上（又は同一円筒面上）に配置できることから、部材の平行・平坦度（又は円筒・真円度）を非常に精密に加工する事が可能になる。
このため、空気静圧パッド４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂの軸受け隙間を小さく組み立てることが可能になる。
また、前記のように軸受け剛性を高めるには、支持用空気静圧パッド４ａ、４ｂにおける軸受け隙間をより小さくすることが有効であるので、その隙間は１０μｍ以下がであることが好ましく、特に２〜６μｍであることが好ましい。２μｍ以下では、高精度に仕上げても、経年的な変化やゴミ等の影響で使用中に軸受けの接触事故が発生する可能性が大きくなってしまうので好ましくない。

測定力としては、高角度な傾斜面の測定に対応するためにも低い測定力が好ましいが、低すぎると、触針が跳ねてしまい高精度な測定ができなくなる。
従って、測定力としては、９．８×１０^−５Ｎ〜９．８×１０^−４Ｎが好ましく、特に１．９６×１０^−４Ｎ〜４．９×１０^−４Ｎが好ましい。
当然、測定ワークや環境によりこの測定力範囲で、容易に調整できることが好ましく、本実施形態によれば、９．８×１０^−４Ｎ以下の微小測定力においても、供給エアー圧７ａ、７ｂの調整により容易に測定力を調整することができる。

プローブヘッド１０を構成する部材の材質は、室温での熱膨張係数が３×１０^−６／Ｋ以下のセラミックスであることが好ましく、特に１．５×１０^−６／Ｋであることが好ましい。
前述のように従来使用されているステンレス合金やアルミニウム合金で５０ｍｍ長さのプローブ軸１を構成した場合、部材の温度が０．１℃変化すると、その長さは、ステンレス合金で８５ｎｍ、アルミニウム合金で１１０ｎｍ変化してしまい、１０ｎｍオーダーの精度を必要とする超精密測定器においては、無視できない大きな誤差となってしまう。
一方、室温の熱膨張係数１．３×１０^−６／Ｋのサイアロンセラミックスを使用すれば、上記の寸法変化は７ｎｍとなり熱膨張による誤差は無視できる範囲となる。

ここで、使用されるセラミックスとしては、サイアロン、窒化珪素、炭化珪素、窒化アルミニウム、コーディエライト、ＬＡＳ（リチウム・アルミナム・シリケート）、ムライトの１種又は数種を６５体積％以上含む焼結体である低熱膨張のセラミックスが好ましい。
また、使用時の測定力による軸のたわみを考慮すると、剛性の高いセラミックスがより好ましく、この場合、サイアロン、窒化珪素、炭化珪素の焼結体が好ましい。

また、熱膨張の影響を極力排除したい場合には、熱膨張係数０．１×１０^−６／Ｋ以下、ヤング率１００〜１５０ＧＰａのコーディエライト質やＬＡＳ（リチウム・アルミナム・シリケート）質の超低熱膨張緻密質焼結体を適用することができる。
その他の使用できるセラミックスとしては、ＭＭＣ（Metal Matrix Composites）のように、金属アルミニウムや金属シリコン等を３０体積％程度含む、ＳｉＣ＋Ａｌ、ＳｉＣ＋Ｓｉ、ＳｉＣ＋Ｓｉ＋Ａｌ、ＡｌＮ＋Ａｌ、ＡｌＮ＋Ａｌ＋Ｍｇの複合焼結体を使用することもできる。
例えば、骨材が炭化珪素で金属シリコンを３０体積％含むＭＭＣ（ＳｉＣ＋Ｓｉ）の場合、その熱膨張係数は２．４×１０^−６／Ｋ以下で、ヤング率は３５０ＧＰａである。

前述したように、プローブ軸１が重たいとワーク形状への追従性が悪くなり、形状を正確に測定できないという問題があるため、プローブ軸１に使用される部材の材質としては、密度の小さなものが有効であり、その密度は４×１０^３ｋｇ／ｍ^３以下あることが望ましい。
セラミックスの緻密質焼結体の密度はそれぞれ、サイアロン・窒化珪素で３．２×１０^３ｋｇ／ｍ^３、炭化珪素で３．１５×１０^３ｋｇ／ｍ^３、窒化アルミニウムで３．２×１０^３ｋｇ／ｍ^３、コーディエライトで２．５×１０^３ｋｇ／ｍ^３、ＬＡＳ（リチウム・アルミナム・シリケート）で２．４×１０^３ｋｇ／ｍ^３、ムライトで３．１×１０^３ｋｇ／ｍ^３、炭化珪素を骨材として金属シリコンを３０体積％含むＭＭＣ（ＳｉＣ＋Ｓｉ）で２．９×１０^３ｋｇ／ｍ^３と非常に低く、プローブ軸１の材質として良好に使用することができる。

本実施形態では、そのプローブ軸１及びプローブ枠２を非常に単純な形状とすることができるため、上記のような種々のセラミックスをプローブヘッド１０の材質として容易に使用することができる。
実際の形状測定においては、プローブ軸１の位置の検出が必要であり、精密な位置検出をする必要がある。
このような精密な位置検出方法としては、プローブ軸１にミラーを取付けてレーザー干渉変位計で測定する方法、リニアエンコーダーを用いる方法、静電容量センサーを使用する方法等が使用できる。

前述した本実施形態の実施例を以下に説明する。
プローブ軸１は、角断面形状、丸断面形状のどちらでも使用できるが、前進方向９ａと後退方向９ｂの両方の推進力を得るためには、角断面形状の方が好ましい（図１参照）。
角断面形状の場合は、角断面の頂点方向と辺方向で軸受けのモーメント剛性が若干異なる問題があるが、丸断面形状の場合は全方向で軸受けのモーメント剛性がほぼ同じになるという利点があるので、図２のような前進方向９ａのみの推進力を得る構造の場合には、丸断面形状も有効である。

図１のプローブ軸１は、８×８ｍｍ角断面の角柱形状で、プローブ枠２は全長５０ｍｍ、支持用空気静圧パッド４ａ、４ｂは、プローブ枠２の前部４ｂと後部４ａに分割して設置されている。
支持用空気静圧パッド４ａ、４ｂは、面積が７×１５ｍｍで、軸の上下２箇所×前後２箇所と、軸の左右２箇所×前後２箇所で総計８箇所に設置されている。
プローブ軸１はこれらの８箇所の空気静圧パッド４ａ、４ｂにより支持されるため、軸の前後方向に抵抗なく自由に動かすことができる。

また、図には表示していないが、プローブ軸１は中空構造として軽量化を計っている。
支持用空気静圧パッド４ａ、４ｂの軸受け隙間は全て３μｍとし、複合絞り構造の空気静圧パッドを適用している。
組立て後の支持用空気静圧パッド４ａ、４ｂには、配管を通じて同一圧力のエアー１１が供給され、そのパッドによる全体の並進方向剛性はプローブ軸１と直交するピッチ及びヨー方向で、エアー圧０．５ＭＰａの場合に、共に９Ｎ／μｍである。
このプローブ軸１は、プローブ枠２の先端から１０ｍｍ先で触針３の先端がワークと接触する構造であるため、上記の並進剛性から計算されるプローブ軸１のモーメント剛性は、２．６×１０^３Ｎｍ／radとなり、触針３の先端にプローブ軸１と直角に９．８×１０^−４Ｎの大きな力が発生した場合にも、触針３の先端は計算上僅か０．５ｎｍしか傾かないことになる。

さて、測定力発生用空気静圧パッド５ａ、５ｂは、プローブ枠２の中心の上面及び下面に、それぞれ前進用の測定力発生用空気静圧パッド５ａと後退用の測定力発生用空気静圧パッド５ｂを図１のように対向して配置されている。
配置された空気静圧パッド５ａ、５ｂは、７×４．５ｍｍの面積の複合絞り方式で、同一性能のパッドとした。
前進用の測定力発生用空気静圧パッド５ａの後部側（触針３より遠い方向）に大気開放孔８ａを形成し、また後退用の測定力発生用空気静圧パッド５ｂの前部側（触針３に近い方向）に大気開放孔８ｂを形成した。

これらの測定力発生用空気静圧パッド５ａ、５ｂの対向するプローブ軸１の上下面に微小深さの溝６を加工した。この溝深さは今回上下面とも６μｍとしている。
従って、測定力発生用空気静圧パッド５ａ、５ｂの面と溝６の底面との隙間は支持用空気静圧パッド４ａ、４ｂの隙間３μｍと溝深さ６μｍの和、すなわち９μｍとなっている。
また、この溝６の長さは、プローブ軸１のストローク範囲でプローブ軸１が前後に動いた際にも、測定力発生用空気静圧パッド５ａ、５ｂが溝６内に対向している必要があるので、溝長さはパッド長さにストロークを足した長さよりも大きく設定する必要があり、今回はパッド長さ４．５ｍｍでプローブ軸１のストロークを±１ｍｍとしたので、溝長さは８ｍｍとしている。

この測定力発生用空気静圧パッド５ａには、支持用空気静圧パッド４ａ、４ｂとは別配管で精密圧力制御のできるエアー７ａ、７ｂを供給する必要がある。
また、前進用エアー７ａと後退用エアー７ｂも別々の圧力制御が必要となるので、計３系統のエアーを供給した。
この測定力発生用空気静圧パッド５ａにより、空気圧を０〜１５０ｋＰａの範囲で精密制御することにより、測定力（押付け力）９ａとして、０〜２．９４×１０^−３Ｎ程度まで変化させることができた。

この時の供給エアー圧７ａと測定力９ａは、図６に示されるグラフのような関係となった。
図６から分かるように、測定力９ａと供給エアー圧７ａは良い直線性が確認された。また、４．９×１０^−４Ｎ以下の低い測定力でも精密に制御できる事が確認された。
なお、プローブ軸１とプローブ枠２は全てサイアロン材質にて作製した。使用したサイアロンの室温熱膨張係数は１．２８×１０^−６／Ｋ、ヤング率は２８０ＧＰａ、嵩密度は３．２１×１０^３ｋｇ／ｍ^３であった。

このようにして作製したプローブヘッド１０に分解能０．０７ｎｍのホログラム式レーザーリニアエンコーダーを取付け、測定力を１．９６×１０^−４Ｎに調整し、標準球の側面角度６５°までの範囲で形状測定を実施した。
その結果、±５０ｎｍＰ−Ｖ未満の非常に良い形状精度が確認された。なお、上記の実施例では、プローブ軸の測定面に対する傾斜角を、測定面の回転対称軸に対して４５°にして計測しているが、このことは一例であり、０°でも、その他の角度でも構わない。

本発明の実施の形態に係る前進及び後退推進可能なプローブヘッドの構造を表す断面図。 本発明の実施の形態に係る前進方向のみ推進可能なのプローブヘッドの構造を表す断面図。 従来技術に係るプローブ軸と前記実施形態におけるプローブ軸の構造を対比するための側面図。 従来技術に係るプローブヘッドの構造を表す断面図。 前記実施形態における測定力発生用空気静圧パッド隙間の圧力分布図。 測定力発生用空気静圧パッドへの供給エアー圧と、発生する測定力（押付け力）の関係を表すグラフ。

符号の説明

１…プローブ軸、２…プローブ枠、３…測定用触針、４ａ…支持用空気静圧パッド（後部）、４ｂ…支持用空気静圧パッド（前部）、５ａ…測定力発生用空気静圧パッド（前進用）、５ｂ…測定力発生用空気静圧パッド（後退用）、６…溝、７ａ…測定力発生用空気静圧パッドへの供給エアー（前進用）、７ｂ…測定力発生用空気静圧パッドへの供給エアー（後退用）、８ａ…大気開放孔（前進用）、８ｂ…大気開放孔（後退用）、９ａ…測定力（前進方向）、９ｂ…測定力（後退方向）、１０…プローブヘッド、１１…支持用空気静圧パッドへの供給エアー、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ…プローブ軸の断面中心線、２１…測定力発生用空気静圧パッドの隙間に発生する圧力差、１１１ａ、１１１ｂ…従来技術のプローブ軸のクランク形状段差、１１２…従来技術のプローブ軸、１１４ａ…従来技術の支持用空気静圧パッド（前部）、１１４ｂ…従来技術の支持用空気静圧パッド（後部）、１１５…従来技術のプローブ枠、１２１…従来技術のレーザー干渉変位計用反射ミラー

Claims (9)

1. 測定用触針が取り付けられるプローブ軸と、このプローブ軸を進退自在に支持するプローブ枠とを備えた接触式形状測定器用プローブヘッドであって、
   前記プローブ枠には、
   前記プローブ軸を前記プローブ枠との間で隙間を設けて支持する支持用空気静圧パッドと、
   前記支持用空気静圧パッド以外に前記プローブ枠に設けられ、空気の粘性抵抗により発生する圧力差を利用して、前記プローブ軸に測定力を発生させる測定力発生用空気静圧パッドとが設けられていることを特徴とする接触式形状測定器用プローブヘッド。
2. 移動側の前記プローブ軸に階段形状やクランク形状の段差がなく、該プローブ軸の断面中心線が一直線形状であり、固定側のプローブ枠の軸方向に配置された複数の空気静圧パッドが同一面にあることを特徴とする請求項１記載の接触式形状測定器用プローブヘッド。
3. 前記プローブ軸に対して、その軸方向に直交して溝が形成されており、その溝深さが０．２μｍ〜３０μｍであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の接触式形状測定器用プローブヘッド。
4. 前記プローブ枠に埋設された測定力発生用空気静圧パッドが、前記プローブ軸に形成された溝に対向して設置されており、その溝部の底面と測定力発生用空気静圧パッド面との距離が３０μｍ以下であることを特徴とする請求項３記載の接触式形状測定器用プローブヘッド。
5. 前記支持用空気静圧パッドの空気静圧軸受け隙間が１０μm以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の接触式形状測定器用プローブヘッド。
6. 前記支持用空気静圧パッド及び測定力発生用空気静圧パッドが前記プローブ枠と一体構造であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の接触式形状測定器用プローブヘッド。
7. 当該プローブヘッドを構成する材質が、室温での熱膨張係数が３×１０^−６／Ｋ以下のセラミックスであることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の接触式形状測定器用プローブヘッド。
8. 前記セラミックスが、サイアロン、窒化珪素、炭化珪素、窒化アルミニウム、コーディエライト、ＬＡＳ（リチウム・アルミナム・シリケート）、ムライトの１種又は数種を６５体積％以上含む焼結体であることを特徴とする請求項７記載の接触式形状測定器用プローブヘッド。
9. 前記セラミックスの密度が、４×１０^３ｋｇ／ｍ^３以下であることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の接触式形状測定器用プローブヘッド。

Images