JP4933775B2 - 微小表面形状測定プローブ - Google Patents

Description

本発明は、被測定物（対象物）の微小表面形状を測定する技術に関する。

加工機上で被加工物の形状を測定する技術、いわゆる機上計測技術は、高精度加工を行う上で必要不可欠である。この機上計測技術は、被加工物の着脱の際の位置決め誤差を無くすことで加工精度を向上させるばかりでなく、その際の段取りの手間を省いて加工能率の向上と自動化を同時に達成することができる。

被加工物の形状を測定する装置として、測定プローブの先端を被加工物の表面に接触させてその形状を測定する触針式形状測定センサが、従来から知られている（例えば、特許文献１）。
このような表面形状測定に際し、一般的に、接触圧が小さい程、より精度の高い表面形状測定を行うことができる。
国際公開番号ＷＯ００／５２４１９ 「触針式形状測定センサとこれを用いたＮＣ加工装置および形状測定方法」

しかし、従来では、プローブ先端を被測定物に接触させるために、プローブを空気圧などにより付勢移動させて被測定物に接触させるが、この付勢力の調整は５０ｍｇｆ程度までが限界であった。このような空気圧により付勢力を調整する技術は、上記特許文献１に記載されている。
また、空気圧による付勢力の調整方法として、レギュレータの制御分解能を上げたり多段階制御を行ったりする工夫をしても、装置が大型化してしまったり、安定した動作が容易でないなどの問題がある。
従って、接触圧を５０ｍｇｆよりもさらに微小に調整することは困難であった。このことは、微小表面形状測定の精度の限界を定める要因となっていた。

また、正確な表面形状測定を妨げている要因には次のようなものもある。
プローブ先端を被測定物へ接触させたときに、被測定物表面がプローブ先端に対して傾いていると、これによりプローブシャフトが横ずれしてしまう問題があった。また、プローブ先端を球状に形成する場合、この先端球をプローブのシャフト部に取り付ける際に、取付け誤差が生じる問題があった。

本発明の目的は、被測定物表面がプローブに対して傾いている場合に起こるプローブの横ずれの問題を解決できる微小表面形状測定プローブを提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

参考例によると、対象物と接触する接触子と、該接触子を非接触で支持する支持構造体と、支持構造体に固定され前記接触子を対象物へ付勢する付勢装置と、該付勢装置が接触子を対象物に付勢接触させている時に、付勢接触による反力が作用するように前記支持構造体に組み込まれた圧電センサと、該圧電センサの両極板間に交流電圧を印加する電圧供給手段と、圧電センサの極板間のインピーダンスを電圧に変換して検出するインピーダンス検出手段とを有することを特徴とする微小力測定装置が提供される。圧電センサに交流電圧を印加して、その荷重をインピーダンスにより検出するので、安定して１ｍｇｆ程度の精度で微小接触圧を測定できる。

また、参考例によると、被付勢物を非接触で支持する支持構造体と、該支持構造体に固定され前記被付勢物に付勢力を与える付勢装置と、付勢装置が被付勢物に付勢力を与えている時に、その反力が作用するように前記支持構造体に組み込まれた圧電センサと、該圧電センサの両極板間に交流電圧を印加する電圧供給手段と、圧電センサの極板間のインピーダンスを電圧に変換して検出するインピーダンス検出手段とを有することを特徴とする微小力測定装置が提供される。圧電センサに交流電圧を印加して、その荷重をインピーダンスにより検出するので、安定して１ｍｇｆ程度の精度で微小付勢力を測定できる。

好ましくは、前記圧電センサの両極板間に印加される交流電圧の周波数値は、圧電センサの共振周波数近傍である。これにより、初段が高入力抵抗で構成された増幅器を必要とせず、一般的な増幅器により圧電センサの微小荷重を測定できる。

参考例によると、被測定物と接触する接触子を先端に有するプローブシャフトと、プローブシャフトを移動可能に非接触で支持する支持手段が設けられたプローブ本体と、前記プローブシャフトを被測定物に向けて付勢移動させる付勢装置と、該付勢装置がプローブシャフトに与える付勢力に対する反力が作用するように前記プローブ本体に組み込まれた圧電センサと、該圧電センサに作用する荷重を測定する荷重検出部と、該荷重検出部により検出された荷重に基づいて、付勢装置による付勢力を調整する制御部と、該制御部により調整された付勢力で被測定物に接触している接触子の位置を測定する変位量計測装置と、を備えることを特徴とする微小表面形状測定プローブが提供される。圧電センサの荷重に基づいて、付勢力を制御して接触圧を調整するので、１ｍｇｆ程度の精度で微小表面形状測定が実現される。

参考例の好ましい実施形態によると、前記微小表面形状測定プローブは、前記圧電センサの両極板間に交流電圧を印加する電圧供給手段と、圧電センサの極板間のインピーダンスを電圧に変換して検出するインピーダンス検出手段とを備える。圧電センサに交流電圧を印加して、その荷重をインピーダンスにより検出するので、安定して微小荷重を測定できる。

好ましくは、前記圧電センサの両極板間に印加される交流電圧の周波数値は、圧電センサの共振周波数近傍である。

参考例の好ましい実施形態によると、前記接触子は、球状又は針状の先端部とシャフト部とを有し、該先端部とシャフト部が一体的に形成されている。これにより、先端球の取付け誤差の問題が解消される。

また、参考例の好ましい実施形態によると、前記接触子は、球状、円錐形状、角錐形状又はこれらの組み合わせによる形状を有し、硬質被膜（例えば、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）、ＴｉＮ、ＴｉＣなど）でコーティングされている。これにより、接触子の耐磨耗性が高まるとともに、接触子の先端部の磨耗係数の選定および調整が可能となり、被測定物への接触において効果を発揮する。

参考例によると、被測定物との接触圧により弾性変位する接触子を先端に有するプローブシャフトと、プローブシャフトを移動可能に非接触で支持する支持手段が設けられたプローブ本体と、前記プローブシャフトを被測定物に向けて付勢移動させる付勢装置と、接触子が被測定物に接触している時に、前記プローブシャフトの位置及び接触子のプローブシャフトに対する弾性変位量を測定する変位量計測装置と、プローブシャフトの位置、プローブシャフトに対する接触子の弾性変位量及び接触子のばね定数とから接触圧を算出する微小力検出装置と、該微小力検出装置が算出した接触圧に基づいて、付勢装置の付勢力を制御する制御部と、を備えることを特徴とする微小表面形状測定プローブが提供される。接触子の弾性変位に基づいて接触圧を調整できるので、高精度な微小表面形状測定が実現される。

参考例の好ましい実施形態によると、前記接触子の裏面には反射面が形成されており、前記プローブシャフトの中心部は軸方向に中空になっているか若しくは透明な材質で形成されており、前記変位量計測装置は、前記中空部若しくは透明材質部を通して前記反射面に向けてレーザ光を放射端面から放射し、該放射端面及び反射面からの反射光に基づいて接触子の位置を計測するレーザー変位計を有する。

本発明によると、その中心に関して対称に配置され対象物と接触する複数のカンチレバーから構成される接触子を備え、各カンチレバーは、径方向中心部に位置し対象物に接触する自由端と、径方向外側付近に固定された固定端と、自由端と固定端を連結し自由端と対象物との接触圧により弾性変形する弾性連結部とを有することを特徴とする微小表面形状測定プローブが提供される。
本発明の好ましい実施形態によると、微小表面形状測定プローブは、対象物と接触する接触子を先端に有するプローブシャフトと、プローブシャフトを移動可能に非接触で支持する支持手段が設けられたプローブ本体と、前記プローブシャフトを対象物に向けて付勢移動させる付勢装置と、対象物と接触している接触子の位置を測定する変位量計測装置と、を備える。
この構成により、接触子が対象物（被測定物）に対して傾いている場合であっても、プローブシャフトの横ずれ方向の接触反力が複数のカンチレバーによって相殺されるので、横ずれの問題を解消できる。これにより、被測定物が接触子に対して大きく傾斜している場合でも、安定かつ高精度な計測が可能となる。

本発明の好ましい実施形態によると、前記各カンチレバーの自由端の裏面には反射面が形成されており、前記変位量計測装置は、各カンチレバーの前記反射面に向けてレーザ光を放射端面から放射し、該放射端面及び前記反射面からの反射光に基づいて各カンチレバーの自由端の変位量を計測するレーザー変位計を有する。

参考例の好ましい実施形態によると、上記微小表面形状測定プローブは、接触子を通して対象物との接触点へレーザ光を照射し、接触点で反射されたレーザ光を検出することで、接触子と対象物との接触を感知する接触感知装置を、さらに備える。これにより、接触子と被測定物との接触に基づいて、付勢力を調節することができ、接触による接触子及び対象物の表面の破損を防止できる。

参考例の好ましい実施形態によると、上記微小表面形状測定プローブは接触子を通して対象物との接触点へ照射するレーザ光と、接触点で反射され接触子を通って戻ってくるレーザ光との位相差に基づいて、接触子と対象物との接触圧を感知する接触感知装置を、さらに備える。これにより、照射レーザ光と反射レーザ光との位相差から感知した接触圧に基づいて、付勢力を調節することができ、接触による接触子及び対象物の表面の破損を防止できる。

さらに、参考例によると、被測定物に接触する接触子と、該接触子を被測定物に向けて付勢移動させる付勢装置と、前記被測定物に接触している接触子の位置を測定する変位量計測装置と、被測定物を固定する揺動テーブルと、該揺動テーブルを２方向に揺動させて接触子と被測定物表面のなす角を調整する揺動手段と、前記変位量計測装置による測定値と揺動手段による揺動角とから接触点の位置を算出する演算部と、を有することを微小表面形状測定プローブが提供される。これにより、被測定物を揺動することで、接触子を被測定物に対して垂直に接触させることができる。従って、接触子の横ずれの問題を解消できる。

また、参考例によると、圧電センサに作用する静的微小荷重を測定する微小力測定装置であって、荷重が作用する圧電センサと、該圧電センサの共振周波数近傍の周波数値で交流電圧を圧電センサの両極板間に、印加する電圧供給手段と、圧電センサの極板間のインピーダンスを電圧に変換して検出するインピーダンス検出手段とを有することを特徴とする微小力測定装置が提供される。これにより、安定して圧電センサに作用する微小荷重を１ｍｇｆ程度の精度で測定でき、初段が高入力抵抗で構成された増幅器を必要とせず、一般的な増幅器により圧電センサの微小荷重を測定できる。

さらに、参考例によると、接触子を非接触で支持しながら対象物へ向けて付勢力を与え、該付勢力の反力が作用するように配置した圧電センサの両極板間に交流電圧を印加し、前記付勢力により接触子を対象物に接触させ、圧電センサの極板間のインピーダンスを電圧に変換して前記接触子と対象物との接触圧を検出することを特徴とする微小力検出方法が提供される。

参考例と本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

参考例と本発明の実施形態による微小表面形状測定プローブを以下の順に説明する。
１．微小表面形状測定プローブの概要
２．微小表面形状測定プローブの各部の説明
３．圧電セラミックスの適用
４．圧電セラミックスの使用方法
５．接触子の構成
６．被測定物揺動装置
７．磁力を用いた付勢装置

１．微小表面形状測定プローブの概要
図１は、参考例の実施形態による微小表面形状測定プローブ１０の全体構成図である。この図１に示すように、微小表面形状測定プローブ１０は、先端部に接触子２を有するプローブシャフト４と、プローブシャフト４を移動可能に支持するための支持構造体であるプローブ本体と、被測定物１へ向けてプローブシャフト４に付勢力を与えプローブシャフト４を付勢移動させる付勢装置（例えば、気体供給手段２５、２６）と、接触子２と被測定物１との微小接触圧を検出する微小力測定装置（例えば、圧電セラミックス８ａ）と、微小力測定装置により検出された接触圧に基づいて付勢装置の付勢力を制御する制御部９と、被測定物１に接触している接触子２の位置を測定する変位量計測装置（例えば、レーザ干渉を利用したレーザー変位計１６）とを備える。なお、図１はプローブシャフト４を鉛直方向に配置した場合を示しているが、これに限定されず、プローブシャフト４を水平方向又は斜め方向に配置してもよい。

微小表面形状測定プローブ１０の動作について簡単に説明する。

付勢装置が例えば鉛直方向にプローブシャフト４を被測定物１へ付勢して、これによりプローブシャフト４先端の接触子２を被測定物１へ接触させる。特に、参考例の実施形態によると、後述するように、微小力測定装置により付勢力及び接触圧を１ｍｇｆ程度の精度で調整することができる。

引き続いて、接触子２と被測定物１との接触が維持されている状態で、変位測定装置により接触子２の変位量が測定される。変位量計測装置は、反射鏡１２、導光手段（例えば、光ファイバ）１４及びレーザー変位計１６からなる。
この変位量のデータと後述するスライダ装置２０の垂直方向であるＺスケールの座標値との演算処理により、被測定点の位置が測定される。つまり、接触子２の変位量は、プローブシャフト４のストロークの制約により測定範囲に限界があることから、スライダ装置２０の垂直方向（Ｚ軸方向）の協調動作による変位量との演算処理により、被測定点の絶対位置の測定が行われることになる。

反射鏡１２はプローブシャフト４後端の拡径部１７に軸線と垂直に設けられた平面鏡である。導光手段１４は、反射鏡１２から所定間隔を隔てて対峙する放射端面１４ａを有する。導光手段１４は可塑性を有し、かつ十分な長さを有し、その反対側端面がレーザー変位計１６に光コネクタ等を介して接続されている。

レーザー変位計１６は、例えば半導体レーザ、受光素子、光ファイバカプラ等を備え、導光手段１４を通してレーザ光を反射鏡１２に向けて放射し、反射鏡１２と放射端面１４ａからの反射光から反射鏡１２の位置を測定するようになっている。
この構成により、レーザー変位計１６を用いて反射鏡１２、即ち、プローブシャフト４の位置を高精度で測定できる。

微小表面形状測定プローブ１０は、図２に示すように、スライダ装置２０にＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向に移動可能に取り付けられる。スライダ装置２０は、図２のように流体（空気等の気体もしくは油等の液体）を媒体として用いた静圧スライド方式で微小表面形状測定プローブ１０を移動させる。スライダ装置２０のＸスケール、Ｙスケール、Ｚスケールにより微小表面形状測定プローブ１０のＸ座標値、Ｙ座標値、Ｚ座標値を得ることができる。これにより、接触子２を被測定物表面全体に沿って走査させて表面形状データを得る。
図２に示すスライダ装置２０の構成例では、接触子２が縦に配置されているが、接触子２が横に配置された構成を取ることができるのは言うまでもない。
また、同一のスライダ装置２０に、研削加工具、切削加工具、研磨加工具および放電／電解加工具を取り付けることができ、同一のスライダ装置２０により研削加工、切削加工、研磨加工および放電／電解加工を行うことができる。

２．微小表面形状測定プローブの各部の説明
微小表面形状測定プローブの各部の構成及び動作についてより詳細に説明する。
プローブシャフト４は、その先端部に設けられ被測定物１に接触させる接触子２と、後端部に設けられ径方向に拡大した拡径部１７とを有し、プローブ本体の中空部１８に配置される。中空部１８はプローブ本体の中心付近にその軸方向に形成されている。図１に示すように、プローブシャフト４がプローブ本体の中空部１８に配置されると、プローブシャフト４とプローブ本体との間には断面環状の支持空間１９と付勢空間２２、２３が形成される。プローブシャフト４および中空部１８は、プローブシャフト４が自由に回転しない形状とすることが好ましいが、これらの形状を回転対称として所定の角度で固定して使用すれば、さらに効果的である。

支持空間１９には、気体供給手段２４（例えば、空気源、レギュレータ、電空レギュレータ、プローブ本体に設けられた流路２４ａからなる）により加圧気体（圧縮空気など）がプローブシャフト４の周りから一定流量で供給され、これにより、プローブシャフト４は中空部１８内でプローブ本体と非接触に支持される。

一方、付勢空間２２，２３にも、気体供給手段２５，２６により加圧気体が供給される。この気体供給手段２５，２６は、それぞれ例えば、空気源、レギュレータ、電空レギュレータ、プローブ本体に設けられた流路２５ａ，２６ａからなり、図１に示すように、プローブシャフト４には、付勢空間２２，２３内に位置するように段差３が形成されている。一方の付勢空間２２に加圧気体が供給されると、この加圧気体により段差３に圧力がかけられ、プローブシャフト４は下方に付勢される。他方の付勢空間２３に加圧気体が供給されると、この加圧気体により段差３に圧力がかけられ、プローブシャフト４は上方に付勢される。このように、各付勢空間２２，２３に供給する加圧気体の流量を調節することにより、上方又は下方に付勢する力を調節してプローブシャフト４を上下方向に移動させる。なお、付勢空間２３にプローブシャフト４の自重に相当する加圧気体流量を余分に供給して、プローブシャフト４の自重の影響を相殺するようになっている。なお、気体供給手段２４，２６及び流路２４ａ，２６ａは、プローブシャフト、接触子の支持手段を構成する。しかし、他の適切なもので支持手段を構成してもよい。

これにより、プローブシャフト４に与える付勢力を５０ｍｇｆ程度に設定することができる。しかし、さらに微小な付勢力、即ち接触圧を得るためは、５０ｍｇｆよりもさらに微小な付勢力、接触圧の調整を行うことが必要となる。このため、参考例の実施形態によると、圧電セラミックス８ａを用いて微小力測定装置を構成することで、１ｍｇｆ程度の精度で付勢力及び接触圧を検出することができる。これにより、従来よりもさらに微小な付勢力で接触子２を被測定物１に接触させながらＺ軸を協調制御し、さらにＸ−Ｙ平面内を被測定物１の表面に沿って走査することで、高精度の表面形状測定が実現される。

３．圧電セラミックスの適用
参考例の実施形態によると、微小力測定装置は、図１に示すようにプローブ本体の後方部において軸方向と垂直に差し挟まれた圧電セラミックス８ａと、この圧電セラミックス８ａに作用している荷重を検出する荷重検出部８ｂとを有する。なお、図１の例では、圧電セラミックス８ａはレーザ光通過のための貫通孔が断面中心部に形成されてプローブ本体に組み込まれているが、これに限定されず、後述する圧電センサの機能を実現できれば、特に貫通孔を有する必要はない。また、本実施形態では、圧電センサとして圧電セラミックス８ａを用いているが、他の適切な圧電センサを用いてもよい。

プローブシャフト４が気体供給手段２５，２６によりプローブ本体に非接触で静止させられている状態では、圧電セラミックス８ａには、圧電セラミックス８ａより下方に位置するプローブ本体の部分の重量と、気体供給手段２５，２６がプローブシャフト４を浮遊静止させることで加圧気体がプローブ本体に作用している力（図３の矢印が示す力の合計）とが作用する。

この状態から、付勢空間２２，２３に供給する加圧気体流量を調節してプローブシャフト４を下方に移動させると、図３の矢印の力の合計（即ち、プローブシャフト４からプローブ本体への反作用力）が上向きに増加し、圧電セラミックス８ａに作用する荷重も圧電セラミックス８ａを圧縮する方向に増加する。

プローブシャフト４を移動させて接触子２が被測定物１に接触すると、プローブシャフト４は被測定物１との接触による反力を受けるが、付勢力を変化させない限り図３の矢印の力の合計（プローブシャフト４からプローブ本体への反作用力）は変化しない。ただし、空気抵抗などを無視した場合である。

この圧電セラミックス８ａの荷重と付勢力との関係を利用して、接触子２と被測定物１との接触圧を微小に調整することができる。即ち、気体供給手段２５，２６によりプローブシャフト４が浮上静止させられている時に圧電セラミックス８ａに作用する荷重と、気体供給手段２５，２６によりプローブシャフト４が下方に付勢されている時に圧電セラミックス８ａに作用している荷重との差が、下方付勢力、即ち接触子２と被測定物１との接触圧に相当する。

従って、制御部９が、荷重検出部８ｂからの荷重検出値に基づいて、Ｚ軸との協調制御を加えつつ、付勢装置の付勢力を制御することができる。
圧電セラミックス８ａによる荷重測定は、従来の５０ｍｇｆ程度よりもさらに微小な１ｍｇｆ程度の精度で行うことができる。よって、圧電セラミックス８ａをプローブ本体に組み込むことで、１ｍｇｆ程度の精度で接触圧の調整を行うことができる。

４．圧電セラミックスの使用方法
次に、参考例の実施形態において圧電セラックスをどのように使用するかを説明する。
まず、圧電セラミックスの特性について簡単に説明する。
図４は、圧電セラミックスによる荷重測定の原理を示す図である。図４が示すように、荷重Ｆが圧電セラミックスに作用すると、極性の異なった電荷＋ｑ、−ｑがそれぞれの電極表面に発生する。発生する電荷の量は作用した荷重Ｆの大きさに比例し、極性は荷重の方向により定められる。圧電定数をｄとすると、荷重Ｆと電荷ｑの関係式は〔数１〕のようになる。

荷重Ｆによって、素子の厚さｔはΔｔだけ変化する。変位Δｔと電荷の関係は〔数２〕のようになる。

ここで、Ａは素子の面積、ｔは素子の厚さ、Ｙはヤング率であり、Ｙ＝Ｆｔ／ＡΔｔである。

電極間に発生する電圧ＶはＶ＝ｑ／Ｃであり、Ｃは極間容量でありＣ＝εＡ／ｔである。出力電圧をＶ_Ｏで表すと〔数３〕となる。

ここで、ｇは素子定数であり、ｐは素子に加える力である。

圧電セラミックス自体は、荷重や力の計測には理想的な特性を示すが、圧電セラミックス自体の絶縁抵抗が非常に大きいので、圧電セラミックスの電極間に発生する電圧を正確に測定するためには、同程度に入力抵抗が大きい増幅器を用いる必要がある。この種の増幅器として、従来から微小電流用の電荷増幅器が用いられている。この増幅器は、入力段に使用する半導体を何にするかで決定される。一般的な演算増幅器の入力段はバイポーラトランジスタ回路となっており、入力抵抗が小さいので使用できない。使用できる電荷増幅回路のうち最も多く使用されているのはＪ−ＦＥＴ，ＭＯＳ−ＦＥＴである。

図５は、ＦＥＴ入力の電荷増幅回路を示しており、図５の回路は原理的には演算増幅器である。
入力電圧をｅ_ｉとし出力電圧をｅ_０とする。また、フィードバック容量Ｃ_Ｆに蓄えらる電荷をｑ_Ｆとし、圧電セラミックスの内部容量Ｃ_０とケーブルの分布容量Ｃ_Ｃに蓄えられる電荷をｑ_０とする。フィードバック抵抗Ｒ_Ｆが非常に大きいものとすれば、圧電セラミックスから発生する電荷は、すべて入力容量（Ｃ_０＋Ｃ_Ｃ）とフィードバック容量Ｃ_Ｆに蓄えられることになる。

の関係から

となる。増加率ＡがＡ≫１ならば

となる。即ち、入力電圧ｅ_ｉが常にゼロになり、圧電セラミックスからの電荷（ｑ_０＋ｑ_Ｆ）はフィードバック容量に蓄えられる電荷ｑ_Ｆに等しいとみなすことができる。

従って、出力電圧ｅ_０は発生する電荷ｑに比例する。図５のフィードバック抵抗Ｒ_Ｆは、微小電流がフィードバック容量Ｃ_Ｆに流れてＣ_Ｆ端子間に直流電圧が発生して、これに伴い増幅器の動作点が除々に移動し、最後に増幅器の出力が飽和することがあるのでこれを除くように働く。一方、増幅器はこのＲ_ＦとＣ_Ｆの時定数により、遮断周波数ｆ_Ｃが支配される。遮断周波数は〔数７〕のようになる。

しかし、圧電セラミックスを用いる場合も、発生電荷量は大きいが静的な力の測定やごく緩やかな変動の力や圧力の測定は困難である。これは、圧電セラミックスの接続ケーブルの容量や、増幅器入力回路の絶縁抵抗が低いことの影響と、その他、漏洩の原因として温度や湿度などの周囲の環境に支配される。

例えば、絶縁抵抗をＲ_ｉｎとすると、増幅器出力は〔数８〕となり、

〔数８〕から圧電セラミックスにステップ状の力が加わると、力の大きさに応じたステップ出力電圧ｅ_０が出力された後、時定数τで指数関数的に出力電圧ｅ_０が降下する。なお、小さな力を測定する場合には、増幅器の感度を高くする必要上、増幅器のフィードバック容量Ｃ_Ｆの値を小さく選ぶ。その結果、出力電圧ｅ_０の電圧降下も速くなり、静的な力の校正が困難になる。即ち、圧電効果を利用した荷重などの測定は、高感度で、しかも、高応答で実現できるなどの特徴を持つが、一定荷重を素子に加えて長い時間放置すると、出力電圧ｅ_０は降下してやがて感度が得られなくなる。言い換えると、脈動する荷重しか測定できない。

そこで、参考例の実施形態では、次の方法で圧電セラミックスを使用する。
図６は、圧電セラミックスの共振特性を求める回路である。図６において、圧電セラミックスは拘束がなく自由に変形できる状態にして発振器から一定電圧を圧電セラミックスの両極板間に供給する。圧電セラミックスのインピーダンスより十分大きい抵抗Ｒを直列接続し、圧電セラミックス両端の電圧を測定する。

図７は、発振器の正弦波周波数を１０Ｈｚから１００ｋＨｚまで掃引し（横軸）、圧電セラミックスのインピーダンス変化をパワーレベル値（縦軸）で示したグラフである。共振周波数は約５２．６ｋＨｚ付近であり、反共振周波数が約５５．０ｋＨｚ付近に現れている。

この特性は、圧電セラミックスが機械的共振点に近づくと弾性的ひずみが増え、それが圧電的にはねかえって圧電体の分極が増え、その結果、電気容量が増加する。共振点では電気容量の増大がピークに達し、圧電セラミックスのインピーダンスは最小値を表すことになる。このように、共振周波数の近傍で圧電セラミックスのインピーダンスが十分に低くなり、圧電セラミックスの両端間の電圧を増幅する増幅器は、初段が高入力抵抗で構成された電荷増幅器を必要とせず、一般的な増幅器で十分である。

さらに、次の実験を行った。
圧電セラミックスの電極面の一方を金属板に接着固定し、圧電セラミックスの電極面の他方を自由端面とし、この自由端面に０．９８Ｎの荷重を載せて両電極間に周波数を掃引しながら定電流を印加した。この時の、圧電セラミックスの両電極間の電圧を測定した結果、図８に示す変化を得た。次に、圧電セラミックスの自由端面に９．８Ｎの荷重を載せて同様の実験を行った。この結果も図８に示されている。

図８に示すように、荷重が加わると共振点が周波数の高い方に推移して、周波数変化が現れた。インピーダンス変化が急峻な５１．５ｋＨｚ付近で固定した周波数の一定電圧又は一定電流を圧電セラミックスの両電極間に供給すると、荷重の大きさに応じて共振特性が変化し、これに対応して圧電セラミックスの両電極間のインピーダンスも変化する。荷重センサを用いて、この時のインピーダンスを電圧変換してセンサ出力とする。従って、センサ信号は交流増幅器で処理でき、感度の温度特性は圧電セラミックスの温度特性だけに依存する。

従って、図１に示すように支持構造体であるプローブ本体２１に差し挟まれた圧電セラミックス８ａの両極板間に固定周波数の一定電圧を印加して、圧電セラミックス８ａの極板間のインピーダンスを測定することで、安定した荷重測定を行うことができる。好ましくは、圧電センサの両極板間に圧電セラミックス８ａの共振周波数近傍で固定した周波数の一定電圧を印加しながら、圧電セラミックス８ａの極板間のインピーダンスを測定する。これにより、初段が高入力抵抗の増幅器を使用する必要がなくなり、一般的な増幅器で圧電セラミックス８ａの荷重測定を行える。

従って、圧電セラミックス８ａのインピーダンス変化を交流増幅器で処理でき、上述のように１ｍｇｆ程度の優れた感度で接触子２と被測定物１との接触圧を測定することができる。なお、圧電セラミックス間に交流電圧を印加する電圧供給手段と、圧電セラミックスのインピーダンスを電圧に変換して検出するインピーダンス検出手段は、荷重測定部を構成する。また、電圧供給手段とインピーダンス検出手段は、公知の適切な手段を用いることができる。

５．接触子の構成
接触子２は円錐形状又は角錐形状の微小触針で形成することができ、その先端は尖鋭状又は球状にすることが好ましい。また、微小触針は電解によりドレッシングされた導電性砥石により研削加工すること、又は、ダイヤモンドツールにより超精密切削加工することが好ましい。また、参考例によるプローブを加工機上での計測に使用する場合には、同一加工機上で加工することで、高精度な加工が実現される。これらにより、高精度な加工面を得ることができる。特に、接触子２を軸芯を中心に回転させながら加工することで、接触子２の形状精度（誤差）は回転軸対称性を有するため、測定データの接触子２の接触位置の依存性を低減させ、当該接触子２を用いた測定を高精度化できるとともに、また予め接触子２の形状精度を他の測定手段により得ておくことにより、当該接触子２を用いた測定の精度を予測することができる。

特に、接触子２の先端を球状にする場合には、先端球を加工成形し、その後先端球を接触子２に取り付けると、形成された先端球ごとの真球度ばらつきだけでなく先端球の取付誤差も生じるという問題がある。このため、参考例の実施形態によると、図９に示すように先端球２ａを接触子２のシャフト部２ｂと一体的に加工成形する。従って、先端球のみを独立して加工成形するのではなく、接触子２のシャフト部２ｂと一体的に先端部を球状に成形するので、取付誤差を無くし上記問題を低減することができる。なお、図９において符号３２は、プローブシャフト４に取り付けるための雄ネジ部を示す。もちろん、ネジを使用せず、テーパや非軸対称形状を付与することによる機械的締結や、磁力による締結も特段言うまでもなく可能である。

また、好ましくは、接触子２は、硬質薄厚被膜（例えば、ＤＬＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣなど）でコーティングすることが好ましい。これにより接触子２の耐摩耗性が高まるとともに、接触子２の先端部の磨耗係数の選定および調整が可能となり、被測定物１への接触において効果を発揮する。

次に接触子２の具体的な構成例について説明する。

〔構成例１〕
接触子２と被測定物１との接触圧をより高い精度で制御するために、接触子２を接触圧により弾性変位させ、この弾性変位量と接触子２のばね定数とから接触圧を算出して、この算出された接触圧に基づいて、制御部９が付勢装置を制御して付勢力を調整することができる。これにより、従来よりもさらに微小に接触圧を調整することができる。

このための構成例を図１０に示す。図１０に示すように、ゴムや（中空）弾性樹脂による弾性体２ｃを間に差し挟んで接触子２をプローブシャフト４に結合させる。さらに、プローブシャフト４の軸方向後方に向いた反射面２ｄを接触子２の裏面に形成する。

この接触子２の構成に伴って、プローブシャフト４の中心部の軸方向には中空部４ａが形成される。代わりに、プローブシャフト４の中心部の軸方向をガラスなどの透明な材質で形成してもよい。このプローブシャフト４の中空部４ａ又は透明材質部を通して上述のレーザー変位計１６と同様のレーザー変位計によりレーザ光を放射端面から反射面２ｄに向けて放射し、放射端面及び反射面２ｄからの反射光から反射面２ｄの位置を測定する。
また、プローブ先端部（即ち、接触子２）をサファイヤやルビーや硬質ガラスなどの透明かつ硬質な媒体とし、反射面２ｄを使用せず、図１１のように、レーザをそのまま先端部に向けて内部から導光しプローブ先端部２における被測定物１との接触点で反射させ、反射レーザ光を検出することで、被測定物１とプローブ先端部２との接触検出を行うこともできる。圧電素子による付勢力の測定と制御以前に、プローブと被測定物１との接触による衝撃や接触圧を低減するために、光を利用した接触検出ができることは先端部２および被測定物１の表面損傷を防ぐために効果的である。このように、接触子２を通して被測定物１との接触点へレーザ光を照射し、接触点で反射されたレーザ光を検出することで、接触子２と被測定物１との接触を感知する接触感知装置は、レーザー変位計１６により構成することができる。なお、図１１のように、接触点以外に照射されたレーザ光は接触子の外部に放射される。
さらに、この場合に、透明媒質により製作した上記プローブ先端部２へかかる接触圧力により、図１２の破線で示すようにプローブ先端部２が変形し、プローブ内に応力が発生しプローブ先端部２の屈折率が変化する。このプローブ先端部２の変形及びプローブ先端部２の屈折率変化が相乗された形で光路変化が生じる。このような光路変化を接触感知装置（例えば、レーザー変位計１６）により検出することで、付勢力の検出、制御を行うことも可能である。この光路変化は、入射レーザ光と、接触点で反射された反射レーザ光（図１２の破線で示す）との位相差をレーザー変位計１６ｄにより測定することで、検出できる。検出された光路変化から接触圧を検出できる。なお、位相差と接触圧の関係は、本明細書で説明した付勢装置や微小力測定装置や他の適切な測定装置を使用して予め求めておき、求めた関係を用いて接触圧を検出できる。
このように、接触感知装置によって接触又は接触圧が感知されたら、制御部９が付勢装置の付勢力を増加させないようにしたり、減少させたりする制御を行うことで、プローブ先端部２及び被測定物１の表面損傷を防ぐことができる。

このように得た反射面２ｄの位置と、レーザー変位計１６により得たプローブシャフト４の拡径部１７の位置とから弾性変位量を求めることができる。この弾性変位量と弾性体のばね定数とから接触圧を算出できる。

この構成例１の場合には、圧電セラミックス８ａに代わって、反射面２ｄ、レーザー変位計、及びレーザー変位計の検出値と弾性体２ｃのバネ定数から接触圧を算出する演算部は微小力測定装置を構成する。

〔構成例２〕
また、接触子２が被測定物１に接触した時に、被測定物１の表面が接触子２に対して傾斜している場合には、横ずれが起こる問題があった。この問題を低減するため、本発明の実施形態によると、図１３に示すように、接触子２は横ずれを防止するように弾性変形する構成を有する。図１３（Ａ）は、横ずれ防止用接触子２の側面図であり、図１３（Ｂ）は図１３（Ａ）のＡ−Ａ線矢視図である。図１３の例では、接触子２中心に関して対称に配置され、被測定物１にほぼ同一位置で接触する４つの弾性変位するカンチレバーから接触子２が構成される。カンチレバーの一端である自由端３１ａは針状に形成されプローブシャフト４の径方向中心部に位置して被測定物１に接触する。カンチレバーの他端である固定端３１ｂは、プローブシャフト４の径方向外側付近に固定される。自由端３１ａと固定端３１ｂは接触圧により矢印ａの方向に弾性変位する弾性結合部３１ｃにより結合される。この構成により、接触子２が接触子２に対して傾斜している被測定物表面に接触しても、接触圧に応じて４つのカンチレバーが独立して弾性変位し、図１３（Ａ）の矢印ｂが示す横方向の反力を、互いに対称位置にあるカンチレバーにより相殺することができる。これにより、プローブシャフト４の横ずれを防止することができる。

この接触子２の構成に伴って、図１３（Ａ）に示すように４つのカンチレバーそれぞれの自由端３１ａの裏面に反射面３１ｄを形成する。さらに、４つの反射面３１ｄに対応して、プローブシャフト４の中心部には軸方向にそれぞれ４つの中空部４ａが形成される。４つの中空部４ａの代わりにプローブシャフト４の中心部の軸方向を４箇所ガラスなどの透明な材質で形成してもよい。このプローブシャフト４の中空部４ａ又は透明材質部を通して上述のレーザー変位計１６と同様のレーザー変位計によりレーザ光を各放射端面から各反射面３１ｄに向けて放射し、放射端面と反射面３１ｄからの反射光から各反射面３１ｄの位置を測定する。なお、上記４つ中空部４ａの代わりに、４つのレーザ光が互いに干渉しない程度の寸法で単一の中空部若しくは透明材質部を形成してもよい。

６．被測定物揺動装置
上述では、接触子２を弾性変位するようにしてプローブシャフト４の横ずれを防止するようにしたが、被測定物表面が接触子２に対して傾いている場合に、被測定物１を傾けて接触子２が被測定物表面に垂直に接触するようにしてもよい。図１４は、被測定物１を傾ける被測定物揺動装置３５の構成が示されている。図１４（Ａ）は被測定物揺動装置３５の側面図であり、図１４（Ｂ）は図１４（Ａ）のＡ−Ａ線矢視図であり、図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）は揺動動作を示す図である。なお、各図において簡単のため、適宜部材を省略して図示してある。この被測定物揺動装置３５は、被測定物１が固定される揺動テーブル３６と、揺動テーブル３６を回転可能に球面で受けるテーブル支持部材３７と、揺動テーブル３６の裏面に設けられ揺動テーブル３６をそれぞれＸ軸とＹ軸の周りにそれぞれ回転駆動させる回転モータ３８，３９とを有する。回転モータ３８，３９は、例えばステッピングモータやサーボモータであってよい。

図１４（Ａ）、図１５（Ａ）に示すように、回転モータ３８の上部には、揺動テーブル３６の裏面に係合する係合部材４６を有する。図１５（Ａ）に示すように、この係合部材４６の下端部は回転モータ３８の上面に固定され上端部４６ａは揺動テーブル３６の裏面に係合する。係合部材４６の上端部４６ａはＸ軸と同心の円柱状に形成されており、揺動テーブル３６の裏面に形成された円柱状の溝に係合することで揺動テーブル３６に連結される。この係合部材４６の円柱状上端部４６ａと溝の結合により、揺動テーブル３６は回転モータ３８に対してＸ軸の周りに回転可能になっている。

図１４（Ａ）、図１４（Ｂ）に示すように、回転モータ３８の出力軸４２には歯車４３が一体的にとりつけられており、この歯車４３は揺動テーブル３６のＸ軸と同軸である揺動軸４４ａに一体的に取り付けられた歯車４４ｂに係合する。回転モータ３８の回転により歯車４３，４４ｂを介して揺動テーブル３６と一体の揺動軸４４ａが回転駆動させられ、これにより揺動テーブル３６がＸ軸の周りに揺動させられる。この時、図１５（Ａ）に示すように、回転モータ３８は揺動装置３５とは分離したフレーム等に固定されたガイド部材４５により、Ｙ軸方向に関して固定されている。即ち、回転モータに固定された被ガイド部材３８ａがガイド部材４５によりＹ軸方向に関して固定されている。従って、回転モータ３８により揺動テーブル３６をＸ軸の周りに回転させることができる。しかし、他方の回転モータ３９の回転駆動により、回転モータ３８はＹ軸と垂直な方向には移動可能にガイド部材４５及び被ガイド部材３８ａが構成される。従って、ガイド部材４５は、他方の回転モータ３９の回転駆動の妨げにはならない。なお、回転モータ３８を停止させるためのパルスが回転モータ３８に入力されている場合には、回転モータ３８の出力軸４２は停止させられているので、揺動テーブル３６は所定の傾斜角度で停止状態に維持させられる。

他方の回転モータ３９も同じ構成であり、揺動テーブル３６をＹ軸の周りに揺動させる。

このように回転モータ３８，３９で揺動テーブル３６をＸ軸とＹ軸の周りに回転させるが、揺動テーブル３６の中心は、支持部材３７により一定の高さでＸ軸及びＹ軸の周りに回転可能に支持されているので、不動である（図１５（Ｂ）参照）。

この揺動装置３５により、揺動テーブル３６に設置された被測定物１をＸ軸及びＹ軸の周りに回転させて接触子２が被測定物１の表面に垂直に接するように、被測定物１を傾けることができる。

なお、揺動テーブル３６は回転駆動されても揺動テーブル３６の中心は不動であるが、揺動テーブル３６上に固定された被測定物１の表面位置は被測定物１の厚みのため、多少の位置ずれが起こってしまう。この位置ずれは、被測定物１の測定対象点の高さとＸ軸及びＹ軸の回転角に基づいて、接触子２及び／又は揺動装置３５の位置調整を行うようにすることができる。また、その他の誤差が生じる場合には予め見積もっておき、これに基づいて調整する。

このように被測定物揺動装置３５により、被測定物１を揺動させ被測定物表面が接触子２に対して垂直なるようにしてから、接触子２により形状測定を行う。この測定データと揺動データ（Ｘ軸，Ｙ軸の周りの回転角）に基づいて、逆算を行うことにより被測定物１の表面形状を得ることができる。なお、回転モータ３８、３９は、被測定物を揺動させる揺動手段を構成するが、他の適切なもので揺動手段を構成してもよい。
また、急峻な傾斜変化を有する被測定物の測定の場合には、ある箇所（範囲）からある箇所（範囲）までを、ある角度制御により測定し、また別の箇所（範囲）から別の箇所（範囲）までを、別の角度制御により測定し、それぞれのデータをコンピュータを用いた演算機能によりスティッチング（貼り合わせ）することが望ましい。このようにして、大面積で急峻な表面形状を有する被測定物の測定を高精度かつ効果的に行うことができる。
測定および演算処理により得られたデータは、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の絶対座標値を意味するセット（マトリックス）とともに、もし予め被測定物１の設計データが与えられていた場合には、実形状と設計形状の誤差（δＸ、δＹ、δＺ）というマトリックスとしても格納することができる。また、これらのデータは、ＣＡＤソフトウェアで読み込める形式のデータとして保存することもできる。これらの機能を利用すれば、得られたデータを用いて、再度、被測定物１の追加工に必要な工具の数値制御（ＮＣ）プログラムに変換することで、被測定物１の追加工による一層の高精度化を図ることができる。なお、同一の被測定物揺動装置３５上で被測定物１の測定と加工を行ってもよい。

７．磁力を用いた付勢装置
また、上述では、加圧気体を用いる付勢装置について説明したが、本発明はこれに限定されず他の装置を用いてもよい。

例えば、図１６に示すように付勢装置は磁力を用いてもよい。図１６（Ａ）は、磁力を用いた付製装置を組み込んだプローブ本体２１の側断面図であり、図１６（Ｂ）は図１６（Ａ）のＡ−Ａ線矢視図である。図１６に示すように、プローブシャフト４をプローブ本体２１から非接触で支持するために、プローブシャフト４において非磁性板６１の間を複数の永久磁石で構成し、プローブ本体２１の中空部１８の表面には例えば複数のＮ極５２を図１６（Ａ）のように適当な間隔で配置する。これにより、プローブシャフト４の複数の永久磁石と中空部１８表面のＮ極５２との間に働く磁力によりプローブシャフト４をプローブ本体２１から非接触状態に保つことができる。

また、プローブシャフト４を鉛直方向に付勢移動させるために、プローブシャフト４の後端側と先端側の拡径部１７にそれぞれ上下軸方向外部にＮ極５３が露出するように永久磁石を配置し、これらのＮ極５３に対向する位置に付勢コイル５４をプローブ本体２１に配置する。この構成により、先端側の付勢コイル５４に流れる電流と後端側の付勢コイル５４に流れる電流とを別個に制御して互い対向するＮ極５３と付勢コイル５４との間で鉛直方向に磁力を作用させることにより、プローブシャフト４を鉛直方向に支持移動させる。また、プローブシャフト４の自重の影響は付勢コイル５４の電流調整により相殺する。その他の構成は上述の実施形態と同様である。図１６の例では、Ｎ極５３及び付勢コイル５４が付勢装置を構成する。
また、ここで図示したＮ極、Ｓ極を逆に配置しても同様の動作機能を得ることができることは言うまでもない。
さらに、磁力の代わりに静電気力を用いる、つまり上述した２つの磁極に相当する部分を＋，−に帯電させることで同様の動作機能を得ることができるとともに、一部を磁力、一部を静電気力に置き換え、組み合わせることも可能である。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。

参考例の実施形態による微小表面形状測定プローブの側断面図である。 図１の微小表面形状測定プローブを水平２方向に移動させるスライダ装置の構成を示す斜視図である。 図１の微小表面形状測定プローブの付勢空間においてプローブ本体に作用する圧力を示す拡大図である。 圧電セラミックスに作用する荷重測定の原理を示す図である。 ＦＥＴ入力の電荷増幅回路を示す図である。 圧電セラミックスの共振特性を測定するための回路図である。 図６の回路において、発振器の正弦波周波数を１０Ｈｚから１００ｋＨｚまで掃引した場合の圧電セラミックスのインピーダンス変化をパワーレベル値で示したグラフである。 一定電圧を印加した圧電セラミックスに異なる荷重を作用させた場合の周波数に対する圧電セラミックスのインピーダンス（パワーレベル値）変化を示すグラフである。 先端球とシャフト部が一体的に形成されている接触子を示す図である。 接触圧により弾性変位する接触子の構成例を示す図である。 接触子と被測定物との接触点で反射されたレーザ光を利用して接触を感知する構成を示す図である。 接触点へ照射するレーザ光と、接触点で反射され接触子を通って戻ってくるレーザ光との位相差に基づいて、接触子と対象物との接触圧を感知する構成を示す図である。 複数のカンチレバーから構成される接触子の構成例を示す図である。 被測定物を揺動させる被測定物揺動装置の構成例を示す図である。 被測定物を揺動させる被測定物揺動装置の構成例を示す図である。 磁力を用いた付勢装置の構成例を示す図である。

符号の説明

１ 被測定物
２ 接触子
２ａ 先端球
２ｂ シャフト部
３ 段差
４ プローブシャフト
８ａ 圧電セラミックス
８ｂ 荷重検出部
９ 制御部
１０ 微小表面形状測定プローブ
１２ 反射鏡
１４ 導光手段
１４ａ 放射端面
１６ レーザー変位計
１７ 拡径部
１８ 中空部
１９ 支持空間
２０ スライダ装置
２１ プローブ本体
２２、２３ 付勢空間
２４、２５、２６ 気体供給手段
３１ａ 自由端
３１ｂ 固定端
３１ｃ 弾性結合部
３１ｄ 反射面
３５ 被測定物揺動装置
３６ 揺動テーブル
３７ 支持部材
３８，３９ 回転モータ
４２ 出力軸
４３、４４ｂ 歯車
４５ ガイド部材
４６ 係合部材
５２、５３ 永久磁石（Ｎ極）
５４ 付勢コイル
６１ 非磁性板

Claims (1)

1. その中心に関して対称に配置され対象物と接触する複数のカンチレバーから構成される接触子を備え、
   各カンチレバーは、径方向中心部に位置し対象物に接触する自由端と、径方向外側付近に固定された固定端と、径方向に延びて自由端と固定端を連結し自由端と対象物との接触圧により弾性変形する弾性連結部とを有し、
   対象物と接触する接触子を先端に有するプローブシャフトと、
   プローブシャフトを移動可能に非接触で支持する支持手段が設けられたプローブ本体と、
   前記プローブシャフトを対象物に向けて付勢移動させることにより、複数のカンチレバーの自由端を対象物に接触させる付勢装置と、
   対象物と接触している接触子の位置を測定する変位量計測装置と、を備え、
   前記各カンチレバーの自由端の裏面には反射面が形成されており、
   前記変位量計測装置は、各カンチレバーの前記反射面に向けてレーザ光を放射端面から同時に放射し、該放射端面及び前記反射面からの反射光に基づいて各カンチレバーの自由端の変位量を計測するレーザー変位計を有する、ことを特徴とする微小表面形状測定プローブ。
   
   

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