JP3524377B2 - 形状測定装置および形状測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プローブの一端を
被測定物面に接触させプローブの変位に基づき被測定物
面の凹凸形状を精密に測定する形状測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】３次元測定装置は、被測定物の形状をト
レースするプローブと、そのプローブの位置を測定する
座標測定手段の２つに分けて、構成を考えることができ
る。この時、プローブにとって重要なことは、被測定物
の表面位置を座標測定可能な部材にうつしとることであ
る。プローブが被測定物表面に対してトレースする時の
誤差をトレース誤差と呼ぶ。特公平４−５２４０２号公
報には、このような３次元測定装置を開示している。こ
の例ではプローブをフィーラーと呼んでいるが、プロー
ブと同様である。フィーラーピンを被測定物に押しつけ
ながら測定軸を３次元的に走査し、その時の位置を干渉
計で測定する構成である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】フィーラーの押しつけ
力は、板ばねが変形したときの反力と等しいが、前記従
来例では板ばねの変形を一定に保てる保証がないので、
フィーラーの押しつけ力も変動してしまう。フィーラー
と被測定物間の剛性は有限なので、この押しつけ力の変
動はフィーラーのトレース誤差となり、測定精度を悪化
させていた。

【０００４】また、形状を測定するとき、フィーラーは
軸方向に移動してしまう。この移動にともなって、フィ
ーラーの位置姿勢が変化するが、これは形状測定誤差と
なり、高精度な測定を阻害していた。

【０００５】また、フィーラーは、その位置や姿勢の誤
差が形状測定誤差になる重要な部材であるので、通常は
熱膨張係数の小さい材料で製作されるべきであるが、現
実には、温度変化をゼロにすることはできず、若干の熱
膨張がフィーラーに発生してしまう。しかし従来例で示
した構造だと、板ばねの部分がフィーラーと垂直な横方
向にも熱膨張するので、測定精度を悪化させる原因とな
っていた。

【０００６】また、フィーラーは被測定物から受ける反
力により、軸方向に変位するとともに軸方向に対して傾
斜してしまう。従来例の板ばねの場合、この傾斜する大
きさは反力が一定だとしても、板ばねの横方向の剛性が
方向によって異なるため、その反力を受ける方向によっ
て、傾斜する角度が異なってしまい、測定精度を悪化さ
せていた。

【０００７】また、フィーラーの反力を一定にするため
にはフィーラーの軸方向の変位を検出する必要がある
が、フィーラーの軸方向の変位を同じ軸方向から検出し
た場合、フィーラーが最初に被測定物に接触したときに
想定される大きな変形が起こった際に、フィーラーの軸
方向変位を検出するセンサがフィーラーと接触してしま
い壊れてしまう可能性がある。

【０００８】また、フィーラーの押しつけ力は、板ばね
が変形したときの反力と等しいため、押しつけ力を下げ
るためにはバネ定数を下げる必要がある。ばね定数を下
げるためには、板ばねの厚さを薄くするか、長さを長く
するしかない、しかし従来例のようにバネを配置する
と、ばね定数を下げるために板ばねを長くすると、プロ
ーブのサイズが大きくなってしまう。サイズが大きくな
ると、温度を均一に保つことが難しく、形状測定精度が
悪化するほか、大型化によって、プローブを走査する測
定軸の大きさも大きくならざるを得ず、装置コストが高
くなっていた。

【０００９】つまり、前記従来技術では次のような欠点
があった。 （１）フィーラーの押しつけ力を正確に保つことができ
ない。 （２）フィーラーの移動誤差が測定誤差になる。 （３）フィーラーピンが温度変化によって横方向にずれ
る。 （４）被測定物の傾斜の方向によって、プローブの姿勢
が変化する。 （５）フィーラーの軸方向に取付けられたセンサが壊れ
てしまう。 （６）押しつけ力を小さくするために、板ばねのサイズ
が大きくなる。

【００１０】そこで、本発明の目的は、上記の解決すべ
き課題を克服し、高精度な測定を行うことができる形状
測定装置を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すべく本
発明の形状測定装置は、基準部材に対して３次元方向に
移動可能なスライダと、該スライダまたは該スライダと
一体である部材に対して所定方向に移動可能に支持され
たプローブと、該基準部材と該プローブとの該所定方向
における距離を検出する第１検出手段とを有し、該プロ
ーブの一端を被測定物に接触させ、該第１検出手段の検
出結果に基づき該被測定物の形状を測定する形状測定装
置において、該プローブには球面の中心が該プローブの
移動軸上に位置している凸球面ミラーが取付けられてお
り、該スライダまたは該スライダと一体である部材に対
する該プローブの該所定方向における相対変位を検出す
る第２検出手段とを有し、該第２検出手段は、光束を出
射する光束出射手段と、光を集光する光学系と、該集光
する位置を検出するセンサとを有し、該センサは前記凸
球面ミラーに反射された該集光する光の集光位置に配置
され、該センサが検出した集光位置により、該所定方向
と交差する方向から前記プローブの前記所定方向におけ
る該相対変位を非接触で検出することを特徴とする。

【００１２】

【００１３】

【００１４】さらに、前記光束出射手段が出射した光束
と、前記凸球面ミラーに反射された光とを含む平面が、
前記所定方向を含むように第２検出手段を配置すると良
く、また、前記光束出射手段が出射した光束と、前記凸
球面ミラーに反射された光とを含む平面が、前記所定方
向と交差するように配置しても良い。

【００１５】また、前記第２検出手段を前記平面内に２
つ配置しても良く、また、前記第２検出手段を前記所定
方向に対して平行な方向に２つ配置しても良い。

【００１６】また、前記プローブの前記所定方向におけ
る相対変位がほぼ一定となるように、前記スライダの移
動量を制御することが望ましい。

【００１７】また、前記第２検出手段は、前記プローブ
の前記所定方向における相対変位を検出すると共に、該
プローブの該所定方向と直交する方向における相対変位
を検出可能であることが好ましい。

【００１８】また、前記センサは、前記光束出射手段が
出射した光束と、前記凸球面ミラーに反射された光とを
含む平面と直交し、前記所定方向と平行な平面における
前記集光位置を検出すると好ましい。

【００１９】また、前記支持手段は、少なくとも３回対
称性を有する板ばねであることを特徴とする。

【００２０】また、前記板ばねは、実質的にばね長さを
長くするように、前記プローブと連結する部位と、前記
スライダまたはスライダと一体である部材と連結する部
位が、ともに該板ばねの外径よりも内側に配置され、折
り畳んだ形状をしていることが好ましい。

【００２１】

【００２２】

【００２３】

【００２４】

【００２５】

【発明の実施の形態】＜実施形態１＞１図に本発明の第
１の実施形態における形状測定装置の概略図を示す。

【００２６】同図において、球１はプローブチップ２に
接着固定される。スペーサ３と板ばね４をはさみ、プロ
ーブシャフト５の下側にネジこみ、固定する。ミラーＡ
６をミラー固定駒７に接着固定する。このミラー固定駒
にはネジ部とともに、穴が設けられており、この穴に棒
を差し込むことによって、ねじを締めることができる。
これは、ミラー部分をつかんでネジを締める方法に比べ
て、ミラーにかかる負担を軽減できる。ミラー固定駒７
はスペーサ８と板ばね４をはさみ、プローブシャフト５
の上側にネジで固定する。板ばね４はネジ９とスペーサ
ー１０を挟んでハウジング１１に固定する。

【００２７】ハウジング１１は測定軸１２に固定されて
いる。測定軸１２はプローブ軸と同じ方向、すなわち上
下方向（Ｚ方向）にガイド１３で移動可能に、ＸＹテー
ブル１６に対して支持され、ボールネジ１４とサーボモ
ータ１５で駆動される。測定軸１２は、ＸＹＺ方向に対
して移動するスライダの機能を有し、フレーム２０に対
して３軸方向に移動可能である。

【００２８】サーボモータ１５はサーボアンプ２９に接
続され、サーボアンプ２９は、制御系切り替え装置３１
に接続される。サーボモータ１５の回転軸にはエンコー
ダ３３が接続してあり、その出力を位置制御補償回路３
０に接続する。先ほど説明した制御系切り替え装置３１
が、位置制御系に接続している時は、測定軸１２の位置
を制御することができる。

【００２９】この制御系切り替え装置は、不図示のコン
トローラで自動制御され、後述する測定動作が行われ
る。

【００３０】ＸＹテーブル１６は図示しない定盤に対し
てＸ、Ｙ方向に移動可能にガイドされ、サーボモータ１
５で位置決めされる。干渉計１７および４分の１波長板
１８を測定軸１２に固定し、その上方にミラーＢ１９を
設け、ミラーＢはフレーム２０に固定する。このよう
に、構成すると、干渉計１７（第１検出手段）はミラー
Ａ６、とミラーＢ１９の間の距離を測定することができ
る。

【００３１】フレーム２０（基準部材）には、ミラーＢ
１９のほかに被測定物２１が固定されている。

【００３２】図示しない光源から光ファイバー２２（光
束射出手段）に光を入射し、光ファイバー固定駒２３か
ら光束を出射させる。この光ファイバー固定駒は、固定
部材２４でハウジング１１に固定される。レンズ２５
（光学系）をハウジング１１に固定して設け、光束を集
光させる。集光した光はシャフト５に固定された凸球面
ミラー２６で反射し、ポジションセンサ２７上で焦点を
結ぶ。ここで、凸球面ミラー２６の球面の中心を、プロ
ーブシャフトのセンター軸上に配置する。

【００３３】図２に上述の凸面球面ミラーを用いた変位
測定手段（第２検出手段）の原理を示す。

【００３４】点光源Ｆを設け、Ｆから出射した光はレン
ズＬによって集光され、球面ミラーＭで反射されてＳで
焦点を結ぶ。この時、入反射角度を２θとし、その半分
のθ方向をＸ’軸とし、このＸ’軸方向と直角な方向を
Ｙ’軸方向とし、Ｘ’とＹ’に垂直な、すなわち紙面に
対して垂直な方向をＺ’軸方向とする。

【００３５】同図において、 ａ）球面ミラーＭがＹ’方向に変位すると、その変位が
拡大されて焦点Ｓの位置の変位となるので、Ｓの位置を
光点位置検出手段、例えばＰＩＮフォトダイオードなど
のポジションセンサで測定することができる。 ｂ）同様に球面ミラーＭがＺ’方向に変位すると、その
変位が拡大されて焦点Ｓの位置の変位となるので、Ｓの
位置を光点位置検出手段、例えばＰＩＮフォトダイオー
ドなどのポジションセンサで測定することができる。 ｃ）Ｓの位置を２方向の測定が可能な光点位置検出手段
とすることにより、上記ａ）およびｂ）を同時に測定で
きる。すなわち、Ｙ’とＺ’の２方向を同時に測定でき
る。

【００３６】以下に、球面ミラーＭの変位が拡大されて
焦点Ｓの変位になることを示す。図３は光学系の模式図
である。点光源Ｆからでた光束は距離、Ｌ１離れたレン
ズＬによってＬ２離れた位置Ｅに点像を作る。レンズの
焦点距離をｆとすると、近軸公式より次の関係がなりた
っている。

【００３７】１／ｆ＝（１／Ｌ１）＋（１／Ｌ２）

【００３８】点光源の像Ｅは球面ミラーによって、Ｓに
写像される。図２は、説明のため、球面ミラーＭで反射
する光束をＭの右側に描いている。球面ミラーＭの半径
をＲとすると、次の関係がある。

【００３９】２／Ｒ＝（１／Ｌ３）−（１／Ｌ４）この
倍率はＬ４／Ｌ３である。従って、球面ミラーがＹ’方
向にδ変位したとすると、Ｓは次の量だけ変位する。

【００４０】（１−（Ｌ４／Ｌ３））δ

【００４１】これが、この光学系によって変位が拡大さ
れる倍率を表している。例えばＲを４ｍｍ，Ｌ３を２．
０５ｍｍとすると式２よりＬ４は８２ｍｍとなり、上式
より球面ミラーの変位は３９倍に拡大される。この光点
の変位を測定することによって、高い精度で変位を測定
することができる。

【００４２】また、図２において、球面はその中心Ｏを
中心に回転しても同じ形状なので、この測定方法は、球
面の傾斜角度に影響されない特徴がある。例えば球面の
中心をプローブシャフトの中心軸上に配置しておけば、
プローブシャフトの傾斜角度に影響されない変位測定が
可能である。しかし、形状としては球面に限るものでは
なく、例えば円筒面や曲面または傾斜面をもつ反射ミラ
ーでも、プローブシャフトの中心軸方向の変位の測定が
可能である。

【００４３】焦点Ｓを測定する光点検出手段であるポジ
ションセンサ２７は、微動テーブル２８の上に固定され
ており、Ｚ方向に位置を調整できる。微動テーブルは測
定軸１２に固定されている。

【００４４】ポジションセンサ２７は、センサアンプ３
４に接続され、光点位置を電気信号に変換する。センサ
アンプは針圧制御補償回路３２に接続され、さらに制御
系切り替え装置３１に接続されている。この制御系切り
替え装置３１が針圧制御系に接続されている時は、セン
サアンプ３４の出力が一定になるように、サーボモータ
を制御する。

【００４５】次に板ばね４の実施形態の形状例を図４お
よび図５に示す。

【００４６】図に示す通り、中央にプローブシャフト５
に固定するために使用する穴４ａが設けられ、その周囲
にハウジング１１に固定するための穴４ｂが空いてい
る。板ばね４の形状は、シャフトに固定するために使用
する穴４ａを中心に１２０度回転しても同一形状となる
３回対称性を有している。ここで、ｎ回対称性とは、２
π／ｎだけ回転させたものが、もとの形状や配置と一致
している性質をいう。

【００４７】また、板ばねの外周４ｃの外径より内側に
シャフト固定穴４ａとハウジング固定穴４ｂを配置し、
シャフト固定穴４ａとハウジング固定穴４ｂは板ばねの
外周４ｃを介して連結するようにしている。そのため、
シャフト固定穴４ａとハウジング固定穴４ｂを直線的に
連結する場合よりも、実質的な板ばね長さが長くなって
おり、結果として固定部材であるハウジングと可動部材
であるプローブとの間の板ばね長さを実質的に長くなっ
ている。

【００４８】軸対称な板ばね構造を採用することで、プ
ローブの周囲の温度が変化し、板ばねが熱膨張により形
状が変化しても、従来例のようにプローブ軸に垂直な横
方向に変位することがなく、温度変化の変形も軸対称と
考えられるため、測定に及ぼす影響を軽減させることが
できる。

【００４９】また、３回対称な板ばね構造によって、ば
ね定数に方向性を持たせないようにしている。しかし、
３回対称に限るものではなく、少なくとも３回以上の対
称なばねであれば、剛性に方向性を持たせずに済む。こ
こでは、その中で最少の３回対称を採用している。

【００５０】さらに、板ばねの長さを長く、しかもサイ
ズを小さくするために、板ばねを内側に折り畳んだ形状
とする。固定部材と可動部材の間を連結する平行板ばね
の構造を、一方の連結位置を中央の一点とし、もう一方
の連結位置を板ばね外周よりも内側に配置する。２つの
連結位置間の距離を短くすることができるので、装置サ
イズを小さくできる。また、板ばねの実質的な長さも長
くできるので、ばね定数を下げることができ、結果とし
てプローブの押し付け力を小さくすることができる。

【００５１】以上の構成において、球１が被測定物に接
触し、反力を受けると、その大きさに従って２枚の板ば
ね４が変形する。その変形に従ってプローブシャフト５
の位置がハウジング１１に対して変化する。従って、プ
ローブシャフトの動きはプローブが被測定物を押しつけ
る押しつけ力を表している。

【００５２】光ファイバー固定駒２３から出射した光束
は次第に広がりながらレンズ２５に入射、集光しなが
ら、プローブシャフト５に固定された球面ミラー２６に
反射し、ポジションセンサ２７の上で焦点を結ぶ。その
焦点の位置がポジションセンサの中心位置にくるよう
に、あらかじめ、微動テーブル２８を調整しておく。プ
ローブシャフト５が移動すると、前に説明したとおり、
球面ミラーに入射する光束と反射する光束の中間方向に
垂直な方向、すなわち、図１の矢印方向３５の移動量が
拡大されて、ポジションセンサ上の焦点位置が移動す
る。プローブシャフトは垂直方向に平行板ばねでガイド
されているので、方向３５は、ほぼ、プローブシャフト
の移動方向と考えられる。プローブ移動方向と、変位測
定方向の角度差はθなので、プローブ移動量のｃｏｓ
（θ）を測定することになる。その位置変化をセンサア
ンプ３４で電気信号に変える。板ばねの変位は、それに
バネ定数をかければプローブ押しつけ力になるので、結
局、センサアンプ３４の出力は、プローブの押しつけ力
を表している。また、このセンサアンプの出力は、球２
６の中心まわりの傾斜には影響されないことは、発明の
効果の節で述べたとおりである。球２６の中心はプロー
ブシャフトのセンター軸に一致しているので、プローブ
の傾斜角度に影響されない変位測定が可能である。

【００５３】測定動作を図６のフローチャートを用いて
説明する。

【００５４】（１００）制御系切り替え装置３１を位置
制御系に設定する。すなわち、測定軸の位置が一定にな
るようなフィードバック制御系を選択する。そして、安
全位置、すなわち、プローブが最も被測定物から離れる
方向に測定軸１１を退避させる。

【００５５】（１０１）最初の測定位置にＸ、Ｙテーブ
ルを移動する。

【００５６】（１０２）測定軸を下げて、プローブが被
測定物に接触させる。プローブが被測定物に接触したか
しないかは、プローブの変位測定信号、すなわち、セン
サアンプ３４の信号をモニタしていれば判別できる。

【００５７】（１０３）制御系切り替え装置３１を針圧
制御系に設定する。すなわち、測定軸を、センサアンプ
３４の出力が一定になるように制御する。センサアンプ
３４の出力はプローブの押しつけ力に対応しているの
で、この制御により、プローブ押しつけ力を一定にする
ことができる。

【００５８】（１０４）被測定物の測定領域をＸＹテー
ブル１６を用いて走査し、同時に、測定軸の位置を図示
しない、座標測定装置で測定する。また、プローブの上
下方向については、参照ミラーＡと参照ミラーＢの間の
距離を測定する、干渉計１７で直接測定する。

【００５９】（１０５）全測定領域を走査したら、制御
系切り替え装置３１を再び位置制御系に切り替え、測定
軸を安全位置に退避する。

【００６０】本実施形態によれば、プローブのＺ方向の
変位を非接触で精密に測定することができるため、プロ
ーブの板ばねの変位の誤差要因を極力減らすことができ
る。そのため、プローブの変位を一定に保つことによっ
て、プローブの押しつけ力を一定に保つことができる。

【００６１】さらに、凸球面ミラーを用いた変位検出手
段により、プローブの傾斜角の変動を受けずにプローブ
のＺ方向の変位を非接触で検出することができる。

【００６２】また、非接触でプローブの変化を測定して
いるため、また、Ｚ方向の変位をＺ方向と交差する方向
から（例えばＸＹ方向）から検出可能であるため、プロ
ーブが最初に被測定物に接触したときに想定される大き
な変形が起こっても、変位検出手段が壊されずに済む。

【００６３】また本実施形態によれば、板ばねが対称で
あるので、測定領域の温度が変化した場合、その熱変形
も対称である。従って、横方向に熱変形することはな
い。縦方向の変形は、縦方向の位置を干渉計１７で測定
しているので、縦方向の位置の測定誤差にはならない。
板ばねの形状を３回対称とし、取り付け位置を内側にす
ることによって、サイズを小さくすることができる。対
称なので、周囲の温度が変化しても、その変形も対称で
あり、プローブの位置が変化することはない。

【００６４】また本実施形態では、測定軸１２の制御を
サーボモータとボールネジで構成しているが、これが他
の駆動手段、例えばリニアモータとしても、同様であ
る。

【００６５】また、ポジションセンサ２７を２方向が測
定可能なものとすれば、プローブの上下方向だけではな
く、横方向の変位も測定できる。この横方向の変位を位
置測定結果から差し引くことにより、位置測定精度を向
上させることができる。具体的には図６で説明したフロ
ーチャートの中の（１０４）で測定した座標位置から、
プローブ位置の測定結果を差し引くことで行われる。

【００６６】＜実施形態２＞図７に本発明の第２実施形
態における形状測定装置に用いられる変位検出手段の断
面図を示す。

【００６７】第１の実施形態では、球面ミラーに入射・
反射する光束を含む面の中に、プローブの軸があった。
これに対して、本実施形態ではプローブの軸が、球面ミ
ラーに入射・反射する光束を含む面に垂直な方向をむい
ている点が異なる。

【００６８】変位を測定する部分以外は前述の実施形態
と同じなので、説明を省略する。

【００６９】同図において、図示しない光源から光ファ
イバー２２に光を入射し、光ファイバー固定駒２３から
光束を出射させる。レンズ２５をハウジング１１に固定
して設け、光束を集光させる。集光した光はシャフト５
に固定された凸球面ミラー２６で反射し、ポジションセ
ンサ２７上で焦点を結ぶ。ポジションセンサ２７は微動
テーブル２８の上に固定されており、Ｚ’方向に位置を
調整できる。微動テーブルは測定軸１２に固定されてい
る。

【００７０】以上の構成において、プローブシャフト５
の位置がハウジング１１に対して軸方向に移動すると、
先に説明したように、その変位が拡大されてポジション
センサ２７上の光点位置の変化となる。その方向は紙面
に対して垂直方向である。光学系の模式図は前述の図３
と同じである。

【００７１】前述の第１実施形態の場合にはプローブ移
動方向と、変位測定方向がθ傾いていたのでプローブ移
動量のｃｏｓ（θ）倍の移動量を測定していた。しか
し、本実施形態では、プローブ移動方向をそのまま測定
できるので、感度が高い。従って、より精密に板ばねの
変位を測定することができる。

【００７２】また、第１実施形態の場合と同じく、ポジ
ションセンサ２７を２方向が測定可能なものとすれば、
プローブの上下方向だけではなく、横方向の変位も測定
できる。この横方向の変位を球の位置測定結果から差し
引くことにより、球の位置測定精度を向上させることが
できる。

【００７３】＜実施形態３＞図８に本発明の第３実施形
態における形状測定装置に用いられる変位検出手段を示
す。

【００７４】本実施形態では、第２実施形態で示した変
位検出手段を２セット用意し、一方の変位検出手段の入
・反射する光束を含む平面と他方の変位検出手段の光束
を含む平面が一致するように配置し、互いに直交するよ
うに設ける。変位を測定する部分以外は第１実施形態と
同じなので、説明を省略する。

【００７５】図示しない光源から光ファイバー２２ａに
光を入射し、光ファイバー固定駒２３ａから光束を出射
させる。レンズ２５ａをハウジング１１に固定して設
け、光束を集光させる。集光した光はシャフト５に固定
された凸球面ミラー２６ａで反射し、ポジションセンサ
２７ａ上で焦点を結ぶ。２方向が測定可能なポジション
センサ２７ａは２段の微動テーブル２８ａの上に固定さ
れており、紙面に垂直なＺ方向と上下方向に位置を調整
できる。微動テーブルは測定軸１２に固定されている。
このとき、図のように、入反射角の半分の方向をＹ’軸
とするとこれと直角な方向にも、第２の位置測定系を設
ける。図示しない光源から光ファイバー２２ｂに光を入
射し、光ファイバー固定駒２３ｂから光束を出射させ
る。レンズ２５ｂをハウジング１１に固定して設け、光
束を集光させる。集光した光はシャフト５に固定された
凸球面ミラー２６ｂで反射し、ポジションセンサ２７ｂ
上で焦点を結ぶ。２方向が測定可能なポジションセンサ
２７ｂは２段の微動テーブル２８ｂの上に固定されてお
り、紙面に垂直なＺ方向と左右方向に位置を調整でき
る。微動テーブルは測定軸１２に固定されている。この
とき、図のように、入反射角の半分の方向をＸ’軸とす
る。また、Ｘ’，Ｙ’軸に垂直、すなわち、紙面に垂直
な方向をＺ軸とする。

【００７６】ポジションセンサ２７ａ，２７ｂをセンサ
アンプ３４ａ，３４ｂに接続し、プローブ横方向の位置
信号３８，３９を出力し、Ｚ方向の信号は平均値計算回
路３６に導き、プローブ上下位置信号３７を得る。

【００７７】以上の構成において、まず、光点位置がほ
ぼ、ポジションセンサの中心になるように、微動テーブ
ル２８ａ，２８ｂの位置を調整しておく。プローブが被
測定物をトレースするため、被測定物に接触すると、プ
ローブシャフト５の位置がハウジング１１に対して変化
する。その方向は紙面に対して垂直方向である。光学系
の模式図は図３と同じである。プローブシャフトの移動
量が拡大され、２つのポジションセンサ２７ａ，２７ｂ
の光点位置が変化する。この時、プローブのＺ方向の移
動に伴って、２つのポジションセンサのＺ方向の信号が
変化し、それらの平均値を平均値計算回路３６で計算
し、プローブ上下信号３７を得る。このようにすると、
Ｚ’方向の位置信号を平均して出力するため、偶然誤差
が軽減されており、高精度な変位測定が可能である。ま
た、プローブが横方向に移動すると、同様に２つのポジ
ションセンサのそれぞれＸ’，Ｙ’方向の信号が変化
し、横方向の移動量が測定できる。従って、プローブの
正確な位置がわかり、測定精度が向上する。

【００７８】＜実施形態４＞図９に本発明の第４実施形
態における形状測定装置の概略図を示す。

【００７９】第２実施形態で示した変位検出手段を２セ
ットを、上下位置をずらしてプローブの軸方向と平行に
設ける。変位を測定する部分以外は第１実施形態と同じ
なので、説明を省略する。

【００８０】図示しない光源から光ファイバー２２ａに
光を入射し、光ファイバー固定駒２３ａから光束を出射
させる。レンズ２５ａをハウジング１１に固定して設
け、光束を集光させる。集光した光はシャフト５に固定
された凸球面ミラー２６ａで反射し、ポジションセンサ
２７ａ上で焦点を結ぶ。２方向が測定可能なポジション
センサ２７ａは２段の微動テーブル２８ａの上に固定さ
れており、紙面に垂直な方向と上下方向に位置を調整で
きる。微動テーブルは測定軸１２に固定されている。こ
のとき、図のように、紙面の右方向をＸ軸とする。第２
の位置測定系についても、同様に、図示しない光源から
光ファイバー２２ｂに光を入射し、光ファイバー固定駒
２３ｂから光束を出射させる。レンズ２５ｂをハウジン
グ１１に固定して設け、光束を集光させる。集光した光
はシャフト５に固定された凸球面ミラー２６ｂで反射
し、ポジションセンサ２７ｂ上で焦点を結ぶ。２方向が
測定可能なポジションセンサ２７ｂは２段の微動テーブ
ル２８ｂの上に固定されており、紙面に垂直な方向と上
下方向に位置を調整できる。微動テーブルは測定軸１２
に固定されている。

【００８１】ポジションセンサ２７ａ，２７ｂをセンサ
アンプ３４ａ，３４ｂに接続し、プローブ横方向の位置
信号３９ａおよび３９ｂを得る。Ｚ方向の信号は平均値
計算回路３６に導き、プローブ上下位置信号３７を得
る。

【００８２】以上の構成において、まず、光点位置がほ
ぼ、ポジションセンサの中心になるように、微動テーブ
ル２８ａ，２８ｂの位置を調整しておく。プローブが被
測定物をトレースするため、被測定物に接触すると、プ
ローブシャフト５の位置がハウジング１１に対して変化
する。その方向は紙面に対して垂直方向である。光学系
の模式図は図３と同じである。プローブシャフトの移動
量が拡大され、２つのポジションセンサ２７ａ，２７ｂ
の光点位置が変化する。この時、プローブのＺ方向の移
動に伴って、２つのポジションセンサのＺ方向の信号が
変化し、それらの平均値を平均値計算回路３６で計算
し、プローブ上下信号３７を得る。このようにすると、
Ｚ方向の位置信号を平均して出力するため、誤差が軽減
されており、高精度な変位測定が可能である。また、プ
ローブがＹ方向に移動すると、同様に２つのポジション
センサの信号、３９ａ，３９ｂが変化する。これは、プ
ローブシャフト５のＹ方向の平行移動と、Ｙ方向の傾斜
を表している。従って、プローブの正確な位置、姿勢が
わかり、これを補正することによって、測定精度が向上
する。具体的には図６で説明したフローチャートの中の
（１０４）で測定した座標位置から、プローブ位置の測
定結果を差し引くことによって行われる。

【００８３】

【発明の効果】本発明の請求項１記載の形状測定装置に
よれば、プローブとスライダ（もしくはスライダと一体
である部材）との所定方向における相対変位を、所定方
向と直交する方向から検出することができる。このた
め、プローブが被測定物に接触したときに想定される大
きな変形が起こっても、相対変位を計測するための第２
検出手段を壊さずに済む。

【００８４】また、請求項１記載の形状測定装置によれ
ば、所定方向と交差する方向から、プローブの所定方向
の相対変位を非接触で測定することができる。

【００８５】また、請求項１記載の形状測定装置によれ
ば、凸球面ミラーを利用することで、プローブの傾斜角
度に影響されずに変位測定が可能となる。

【００８６】また、請求項１記載の形状測定装置によれ
ば、非接触でプローブの相対変位を検出することができ
る。

【００８７】また、請求項３記載の形状測定装置によれ
ば、プローブの相対変位を感度良く測定することができ
る。

【００８８】また、請求項４または５記載の形状測定装
置によれば、プローブの所定方向の変位を平均値計測定
できるため、より高精度な変位測定が可能である。

【００８９】また、請求項６記載の形状測定装置によれ
ば、プローブの所定方向の相対変位をほぼ一定になるよ
うに制御するため、プローブの押しつけ力を正確に保つ
ことができる。

【００９０】また、請求項７記載の形状測定装置によれ
ば、プローブの所定方向の相対変位だけでなく、プロー
ブの該所定方向と直交する方向の相対変位を検出するこ
とができ、プローブの移動誤差を補正して測定できるた
め、測定精度が向上する。

【００９１】本発明の請求項９記載の形状測定装置によ
れば、プローブをスライダ（もしくはスライダと一体で
ある部材）から少なくとも３回対称の板ばねで支持し
た。３回対称の板ばねを用いることで、剛性に方向性を
持たせずに済むほか、温度変化による熱変形が対称とな
り、横方向のプローブの位置ずれを軽減することができ
る。

【００９２】また、請求項１０記載の形状測定装置によ
れば、板ばねの実質的なばね長さを長くすることができ
るため、装置の小型化を図ることができる。

【００９３】

【００９４】

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態の形状測定装置の概略図

【図２】第１実施形態の凸球面ミラーを用いた変位測定
手段の概略図

【図３】第１実施形態の凸球面ミラーを用いた変位測定
手段の説明図

【図４】第１実施形態の３回対称板ばねの第１例

【図５】第１実施形態の３回対称板ばねの第２例

【図６】第１実施形態の測定動作のフローチャート

【図７】第２実施形態の凸球面ミラーを用いた変位測定
手段の概略図

【図８】第３実施形態の凸球面ミラーを用いた変位測定
手段の概略図

【図９】第４実施形態の形状測定装置の概略図

【符号の説明】

１ 球 ２ プローブチップ ３ スペーサ ４ 板ばね ５ プローブシャフト ６ ミラーＡ ７ ミラー固定駒 ８ スペーサ ９ ネジ １０ スペーサ １１ ハウジング １２ 測定軸 １３ ガイド １４ ボールネジ １５ サーボモータ １６ ＸＹテーブル １７ 干渉計 １８ ４分の１波長板 １９ ミラーＢ ２０ フレーム ２１ 被測定物 ２２ 光ファイバー ２３ 光ファイバー固定駒 ２４ 固定部材 ２５ レンズ ２６ 凸球面ミラー ２７ ポジションセンサ ２８ 微動テーブル ２９ サーボアンプ ３０ 位置制御補償回路 ３１ 制御系切り替え装置 ３２ 針圧制御補償回路 ３３ エンコーダ ３４ センサアンプ

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基準部材に対して３次元方向に移動可能
   なスライダと、該スライダまたは該スライダと一体であ
   る部材に対して所定方向に移動可能に支持されたプロー
   ブと、該基準部材と該プローブとの該所定方向における
   距離を検出する第１検出手段とを有し、該プローブの一
   端を被測定物に接触させ、該第１検出手段の検出結果に
   基づき該被測定物の形状を測定する形状測定装置におい
   て、該プローブには球面の中心が該プローブの移動軸上に位
   置している凸球面ミラーが取付けられており、 該スライダまたは該スライダと一体である部材に対する
   該プローブの該所定方向における相対変位を検出する第
   ２検出手段とを有し、 前記第２検出手段は、光束を出射する光束出射手段と、
   光を集光する光学系と、該集光する位置を検出するセン
   サとを有し、該センサは前記凸球面ミラーに反射された
   該集光する光の集光位置に配置され、該センサが検出し
   た集光位置により、該所定方向と交差する方向から前記
   プローブの前記所定方向における相対変位を非接触で検
   出することを特徴とする形状測定装置。
2. 【請求項２】 前記光束出射手段が出射した光束と、前
   記ミラーに反射された光とを含む平面が、前記所定方向
   を含むように第２検出手段を配置することを特徴とする
   請求項１記載の形状測定装置。
3. 【請求項３】 前記光束出射手段が出射した光束と、前
   記ミラーに反射された光とを含む平面が、前記所定方向
   と交差するように第２検出手段を配置することを特徴と
   する請求項１記載の形状測定装置。
4. 【請求項４】 前記第２検出手段を前記平面内に２つ配
   置することを特徴とする請求項２または３記載の形状測
   定装置。
5. 【請求項５】 前記第２検出手段を前記所定方向に対し
   て平行な方向に２つ配置することを特徴とする請求項２
   または３記載の形状測定装置。
6. 【請求項６】 前記プローブの前記所定方向における相
   対変位がほぼ一定となるように、前記スライダの移動量
   を制御することを特徴とする請求項１乃至５いずれか記
   載の形状測定装置。
7. 【請求項７】 前記第２検出手段は、前記プローブの前
   記所定方向における相対変位を検出すると共に、該プロ
   ーブの該所定方向と直交する方向における相対変位を検
   出することが可能であることを特徴とする請求項１乃至
   ６いずれか記載の形状測定装置。
8. 【請求項８】 前記センサは、２次元方向の前記集光位
   置を検出することを特徴とする請求項７記載の形状測定
   装置。
9. 【請求項９】 支持手段は、少なくとも３回対称性を有
   する板ばねであることを特徴とする請求項１記載の形状
   測定装置。
10. 【請求項１０】 前記板ばねは、実質的にばね長さを長
    くするように、前記プローブと連結する部位と、前記ス
    ライダまたはスライダと一体である部材と連結する部位
    が、ともに該板ばねの外径よりも内側に配置され、折り
    畳んだ形状をしていることを特徴とする請求項９記載の
    形状測定装置。