JP5221211B2 - 形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、三次元の任意形状の穴の内面や穴径、任意形状の外側面の形状等を高精度かつ低測定力で走査測定する形状測定装置用プローブを備える形状測定装置に関する。

測定物の外側面、内側面、及び穴径等を走査測定可能な従来のプローブとして、特許文献１に開示されたものがある。図８は、特許文献１に記載された従来の三次元形状測定装置用のプローブ８１０の構成を示す。このプローブ８１０は、測定物の鉛直方向又は略鉛直方向に延在する側面を測定するためのプローブであり、水平方向又は略水平方向に延在する面を測定することはできない。プローブ８１０は、板ばね８０５によってＸ方向に揺動可能に支持されたアーム８０３を備える。アーム８０３は下端にスタイラス８０１を有する。また、アーム８０３の上端にはミラー８０２が設けられている。

このプローブ８１０では以下のように測定動作が行われる。被測定面Ｓにスタイラス８０１が接触した状態でプローブ８１０がＹＺ方向に動くと、被測定面ＳのＸ方向への変位に従って、アーム８０３がほぼＸ方向に沿って傾く。一方、半導体レーザ投光部８０６からレーザ光がミラー８０２に照射されており、ミラー８０２からの反射光に基づきアーム８０３の傾きが光位置検出手段８０７で検知される。検知された傾きが一定になるように、プローブ８１０全体をＸ方向に動かし、この際の移動量からプローブ８１０全体のＸ座標測定値を得、さらに得られたＸ座標測定値に光位置検出手段８０７で検出されたスタイラス８０１の変位量を加算することにより、被測定面ＳのＸ方向への変位量を示すＸ座標が測定される。このようにプローブ８１０は、その構造上、測定物の上面は測定できない。

外側面、内側面、及び穴径等を測定可能な他の従来のプローブとして、特許文献２に開示されるものがある。図９は、特許文献２に記載された三次元形状測定装置用のプローブ９０１の構成を示す図である。このプローブ９０１は、測定物の鉛直方向または略鉛直方向の側面形状を測定することができる。

このプローブ９０１は、形状測定装置９０２への取付部材９１０、下端にスタイラス９２１を有するアーム９２２と上部に固定されたミラー９２３とを備える揺動部材９２０、及び揺動部材９２０を取付部材９１０に対して支点部９３１を中心に水平方向の任意方向に揺動可能に連結するコイルバネを含む連結機構９３０を備える。非測定時には揺動部材９２０の中心軸は鉛直方向に保持される。測定時にはスタイラス９２１を被測定面Ｓに押し付ける力を発生させる。形状測定装置９０２から照射されるレーザ光がミラー９２３で反射され、この反射光から揺動部材９２０のＸ，Ｙ軸方向の傾きが検出される。スタイラス９２１の押し込み量（揺動部材９２０の傾き）が一定に保持されるように、形状測定装置９０２によってプローブ９０１全体を被測定面Ｓに対して移動させる。プローブ９０１自体のＸＹＺ位置を検出し、その値にミラー９２３の傾きから換算したスタイラス９２１の変位を加えることにより、スタイラス９２１の位置を検出する。この構成によれば、スタイラス９２１を備える揺動部材９２０はいずれの方向にも傾斜可能であるので、測定物を回転させることなく、測定物の任意方向の側面を測定できる。例えば、測定物を回転させることなく、任意形状の穴内面の表面や穴径測定、外側面の形状測定等を行うことができる。

特許第３０７５９８１号公報 特開２００６−２８４４１０号公報

特許文献１に開示された構成では、スタイラス８０１は水平方向の１方向（図８においてＸ方向）にのみ揺動可能であるので、鉛直軸を中心軸とする円筒面の全周形状を測定するためには円筒面自体を回転させる必要があった。そのため、測定物を回転させる機構が必要となり、回転機構の中心軸の芯ぶれが測定誤差となる課題を有していた。また、測定物を回転させる方法では複雑な断面をもつ被測定面は測定できないという課題も有していた。

特許文献２に開示された構成によれば、前述のように測定物を回転させることなく任意形状の被測定面を測定可能である。しかしながら、特許文献２に開示された構成は、十分に高精度な測定を実現できない。以下、この点について詳述する。

前述のように、特許文献２に開示された構成ではスタイラス９２１の押し込み量が一定に保持されるようにプローブ９０１を動作させ、そのときのプローブ９０１のＸＹＺ方向の三次元座標を検出しながら測定している。スタイラス９２１の押し込み量の変化を算出する手段として、光電変換による光位置検出手段を使用している。光電変換により位置変化量を算出する場合、実際の傾きと光位置検出手段に入射する光量の関係は非線形で、かつ分解能も０．１μmが限界であるため、これ以上の高精度測定をするのは困難である。また、実際に測定部を測定する前に、スタイラス９０１の実際の傾きと光位置検出手段に入る光量との関係の把握（キャリブレーション）が必要であり、キャリブレーションの結果に基づいて光位置検出手段に入る光量から傾き量を推定することになる。このため、プローブ２０１自体のＸＹＺ軸方向に沿った移動量についてはレーザ光の干渉により数ナノメートルの高精度で測定可能であるにもかかわらず、光電変換を使用するスタイラス９２１の傾き量の算出には誤差が不可避的に発生し、サブミクロンオーダでの高精度測定への妨げとなっている。

本発明は、上記技術的課題を解決し、任意形状の被測定面を、被測定物を回転させることなく高精度で測定可能な形状測定装置を提供することを課題とする。

本発明の形状測定装置は、測定物の被測定面に接触するスタイラスと、形状測定装置が備える同一の集光レンズを通って集光される少なくとも３本の測定用レーザ光が照射されるミラーとを有する測定面接触部と、前記測定面接触部を前記形状測定装置に取り付ける取付部材と、前記取付部材に固定された載置台と、前記測定面接触部又は前記載置台に固定された支点部材とを備え、前記測定面接触部を前記支点部材の先端を支点として揺動可能に前記載置台に支持させる連結機構とを備える形状測定用プローブと、前記測定用レーザ光を発生及び分岐するレーザ光発生分岐部と、前記レーザ光発生分岐部で生成された前記測定用レーザのうち少なくとも３本を前記同一の集光レンズを通過させて、前記測定面接触部の前記ミラーに集光させるレーザ光集光部と、前記ミラーで反射された前記測定用レーザ光により検出した前記ミラーの位置変位に基づいて、前記形状測定装置用プローブ自体の鉛直軸方向の変位と前記測定面接触部の傾斜角度とを算出する測定点情報決定部と、前記測定点情報決定部で算出される前記測定面接触部の傾斜角度が一定に保持されるように前記形状測定装置用プローブを移動させて、測定物の被測定面の形状を測定する制御部とを備える。

同一の集光レンズを通って集光される少なくとも３本の測定用レーザ光が照射される個々のミラーは、照射される測定用レーザ光のレーザ光軸に対してミラー面が垂直となる姿勢で取り付けられることが好ましい。

また、同一の集光レンズを通って集光される少なくとも３本の測定用レーザ光が照射される個々のミラーは、互いに別体であってもよいし、１個の部材から構成される一体構造であってもよい。

連結機構の具体的態様としては、前記支点部材は上端側が測定面接触部に固定されて下向きに突出する針状の突起であり、前記載置台の上面に形成された上向き開口の円錐溝に前記支点部材の先端を陥入し、前記円錐溝の最深部と前記支点部材の尖端との接触部を揺動中心とする構成を採用できる。代案としては、前記支点部材は下端側が前記載置台に固定されて上向きに突出する針状の突起であり、前記測定面接触部に形成された下向き開口の円錐溝に前記支点部材の先端を陥入する構成がある。

前記少なくとも３本の測長用レーザ光は、光軸が互いに干渉しない位置関係で同一の集光レンズを通過して集光され、個々の測定用レーザ光の集光点付近に形状測定装置用プローブの測定面接触部が有するミラーが配置される。また、測定面接触部のミラーは照射される測定用レーザ光の光軸に対してミラー面が垂直になるように配置される。これらの構成により、ミラーで反射された集光レンズを再度通過する測定用レーザ光（反射光）は、入射光と略平行な光となるので、干渉法による測長が可能となる。

測定用レーザ光、集光レンズ、及びミラーに関する具体的態様の一例としては、前記レーザ光集光部で集光される少なくとも３本の前記測定用レーザ光は、鉛直軸方向の第１の測定用レーザ光と、前記第１の測定用レーザ光に対して第１の水平軸方向に傾いた第２の測定用レーザ光と、前記第１の測定用レーザ光に対して前記第１の水平軸方向と交差する第２の水平軸方向に傾いた第３の測定用レーザ光とを含む。また、前記ミラーは、前記集光レンズによる前記第１の測定用レーザの集光位置に配置され、かつミラー面が前記第１の測定用レーザの光軸に対して垂直である第１のミラーと、前記集光レンズによる前記第２の測定用レーザの集光位置に配置され、かつミラー面が前記第２の測定用レーザの光軸に対して垂直である第２のミラーと、前記集光レンズによる前記第３の測定用レーザの集光位置に配置され、かつミラー面が前記第３の測定用レーザの光軸に対して垂直である第３のミラーとを含む。

さらに具体的には、鉛直軸（Ｚ軸）に対して平行である第１の測定用レーザ光に対して、第２の測定用レーザ光をＸ軸方向（第１の水平軸方向）に０度から３０度の範囲で傾きを持たせてＹ軸方向（第２の水平軸方向）にシフト位置で集光レンズに入射させ、かつ集光された第２の測定用レーザ光をＸ軸に平行とする。また、鉛直軸（Ｚ軸）に対して平行である第１の測定用レーザ光に対して、第３の測定用レーザ光をＹ軸方向（第１の水平軸方向）に０度から３０度の範囲で傾きを持たせてＸ軸方向（第２の水平軸方向）にシフト位置で集光レンズに入射させ、かつ集光された第３の測定用レーザ光をＹ軸に平行とする。

測定点位置情報決定部は、前記形状測定装置用プローブのミラー面に照射する少なくとも３本以上の測定用レーザ光で測長されるそれぞれの照射位置における相対位置情報と、予めわかっている前記プローブのミラー面に照射する測定用レーザ光と揺動部材の支点を中心としてプローブの照射位置が回転運動する軌跡によって作成される円の接線方向とでなす角度と、予めわかっている前記プローブの揺動部材の支点位置から上記測定点までの距離と、から上記測定点の位置情報を求める。

具体的には、前記測定点情報決定部は、前記第１の測定用ミラーが反射する前記第１の測定用レーザ光から前記形状測定装置用プローブ自体の鉛直方向の位置座標を測定する第１の位置座標測定部と、前記第２の測定用ミラーが反射する前記第２の測定用レーザ光により測定した前記第２の測定用ミラーの変位に基づいて、前記測定面接触部の前記第１の水平軸方向の傾斜角度を算出する第１の傾斜角度検出部と、前記第３の測定用ミラーが反射する前記第３の測定用レーザ光により測定した前記第３の測定用ミラーの変位に基づいて、前記測定面接触部の前記第２の水平軸方向の傾斜角度を算出する第２の傾斜角度検出部とを備える。

さらに具体的には、前記測定点情報決定部は、前記第１及び第２の傾斜角度検出部が算出した前記測定面接触部の前記第１及び第２の水平軸方向の傾斜角度から、前記スタイラスの前記取付部材に対する相対位置を求めるスタイラス位置情報算出部と、前記測定用レーザ光を用いて前記形状測定装置用プローブ自体の前記第１及び第２の水平軸方向の位置座標値を求める第２及び第３の位置座標測定部と、前記第１から第３の位置座標測定部が求めた前記形状測定装置用プローブ自体の前記位置座標値と、前記スタイラス位置情報検出部が求めた前記取付部材に対する前記スタイラスの相対位置から測定点の位置情報を求める加算部とを備える。

本発明の形状測定装置が備える形状測定装置用プローブは、スタイラスを有する測定面接触部を支点部材の先端を支点として揺動可能に取付部材側の載置台に支持させる連結機構を備える。よって、スタイラスが接触する被測定面を有する測定物を回転させることなく、被測定面の形状測定を行うことができ、例えば、任意形状の穴内面の表面や穴径測定、外側面の形状測定等を実行できる。また、同一の集光レンズで少なくとも３本の測定用レーザ光を被測定面接触部が備えるミラーに集光する構成であるので、限定された空間内で複雑な構成の光学系を構成する必要がなく、形状測定装置用プローブ自体を含む鉛直軸方向に移動する部分の質量を軽量化できる。この軽量化により、応答性を低下させることなくスタイラスの被測定面に対する接触力を低減できる。

また、かかる形状測定装置用プローブを備える本発明の形状測定装置は、少なくとも３本の測定用レーザを同一の集光ミラーで集光して形状測定装置用プローブが備える揺動可能な測定面接触部のミラーに照射し、反射された測定用レーザ光により検出したミラーの位置変位に基づいて、すなわち測定用レーザ光を使用した測長によって、スタイラスを有する測定面接触部の傾斜角度を算出する。従って、スタイラスの押し込み量の変化量を高精度に算出して測定誤差を低減でき、それによって高精度での形状測定を実現できる。

以上のように、本発明により、任意形状の被測定面を、測定物を回転させることなく、高精度かつ低測定力での走査測定を実現できる。

本発明の実施形態である形状測定装置用プローブ及びそれを備える形状測定装置について、図を参照しながら以下に詳しく説明する。なお、各図において、同じ構成部分については同じ符号を付している。また、以下の説明において、Ｚ軸が鉛直方向であり、Ｘ軸及びＹ軸が互いに直交する水平方向である三次元直交座標を導入する。

本実施形態の形状測定装置は、穴や外形、任意形状の側面形状をナノメートルオーダの高い精度で測定可能とする装置である。測定対象としては、例えば、きわめて高精度が必要とされるモータの軸受、インクジェットプリンタにおけるノズル、及び自動車エンジンにおける燃料噴射ノズル等における穴形状であり、また、流体軸受に形成され潤滑剤を収容する溝部の形状、さらには、形状測定装置に備わるマイクロエアスライドの内径、円筒度等である。また、半導体回路パターンにおけるトレンチ部分も測定対象に含めることができる。

また、本実施形態の形状測定装置用プローブを備えた形状測定装置にて測定可能な被測定面は、被測定面における接線方向と鉛直方向との交差角度が０度から最大で約３０度までの面（測定物の鉛直方向又は略鉛直方向に延在する側面）である。

まず、図１から図３を参照して、形状測定装置用プローブ１（以下、単にプローブという）について説明する。図１はプローブ１の斜視図、図２はプローブ１をＹＺ断面で切断したときの斜視図、図３はプローブ１の揺動部材３をＸＺ平面で切断したときの断面図である。

プローブ１は、測定対象となる測定物２の被測定面２ａに接触する揺動部材（被測定面接触部）３、揺動部材３を形状測定装置６に取り付けるための取付部材４、揺動部材３を取付部材４に対して任意の水平方向に揺動可能に連結するための連結機構５を備える。

図１及び図２を参照すると、取付部材４は、その上部が形状測定装置６に固定され、又は着脱可能に取り付けられる概ね円筒形のブロック部材であり、揺動部材３が揺動するのに対し固定された部分である。取付部材４には、形状測定装置６から下向きに照射される測定用レーザ光（以下、単にレーザ光という。）２２ａ，２２ｂ，２２ｃを通過可能とするために、上端と下端の間を貫通するレーザ光用開口４ａが形成されている。

図１から図３を参照すると、揺動部材３は、取付部材４に対してその内部に収納されるような位置関係を有する。本実施形態における揺動部材３は、概ね縦置きの姿勢の円筒状である本体部３ａを備える。本体部３ａの下端面には先端にアーム７が下向きに立設されている。アーム７の先端にはスタイラス８が設けられている。このスタイラス８が測定物２の被測定面２ａに接触する。前述のように揺動部材３は連結機構５によって取付部材４に対して任意の水平方向に揺動可能に連結されているので、被測定面２ａの形状に応じたスタイラス８の変位に対応して取付部材２に対して揺動する。一方、本体部３ａの上面部には３枚のミラー２１ａ，２１ｂ，２１ｃが平面視で互いに異なる位置に取り付けられている。これらのミラー２１ａ〜２１ｃに関しては、後に詳述する。

図１及び図２を参照すると、本実施形態における連結機構５は、取付部材４に固定された角柱状の載置台１１と、揺動部材３に取り付けられた円錐状ないし針状の支点部材１２とにより構成されている。

揺動部材３の本体部３ａには水平方向（Ｘ軸方向）に貫通する貫通穴３ｂが形成されており、載置台１１はこの貫通穴３ｂを水平方向に貫通して配置されている。載置台１１の両端がネジ止めの金具１３，１４によって取付部材４に固定されている。

また、本体部３ａの内側上壁、すなわち、貫通穴３ｂの上側穴壁面に支点部材１２が取り付けられている。支点部材１２は基部１２ａが貫通穴３ｂの上側穴壁面に固定され、尖った先端１２ｂが鉛直方向下向きに突出する姿勢を有する。載置台１１の上面には円錐形の溝穴１５が形成されており、支点部材１２の先端１２ｂはこの溝穴１５に陥入している。支点部材４２及び溝穴１５の寸法、形状、及び配置は、支点部材４２の先端１２ｂが溝穴１５に陥入された際に、溝穴１５の底部（最下点）に支点部材１２の先端１２ｂが接触するように構成されている。揺動部材３の自重は支点部材１２の先端１２ｂと溝穴１５の接触によって載置台１１によって支承される。また、貫通穴３ｂの穴寸法は載置台１１の断面寸法よりも十分大きく設定されている。このような構成とすることによって、揺動部材３は取付部材４に対して支点部材１２の先端１２ｂと溝穴１５の接触部分を揺動中心として揺動可能、具体的には鉛直方向（Ｚ軸方向）に直交する任意方向に揺動可能である。一方、前述のように揺動部材３の貫通穴３ｂを取付部材４側の載置台１１が貫通しているので、揺動部材３の取付部材４からの脱落は確実に防止される。本実施形態では、揺動部材３は、支点部材１２が載置台１１の溝穴１５に陥入された際に、アーム７が鉛直方向（Ｚ軸方向）を向くように、重心が支点部材１２の先端１２ｂの鉛直方向下側に位置するように構成している。

本実施形態のプローブ１の連結機構５は、スタイラス８を有する揺動部材３を支点部材１２の先端１２ｂと載置台１１の溝穴１５との接触点を支点として、任意の水平方向に揺動可能とするので、スタイラス８が接触する被測定面２ａを有する測定物２を回転させることなく、被測定面２ａの形状測定を行うことができる。例えば、任意形状の穴内面の表面や穴径測定、外側面の形状測定等を実行できる。また、支点部材１２の先端１２ｂと載置台１１の溝穴１５との接触点を支点とする構成としたことにより、揺動部材３の揺動の支点に位置ずれが起こりにくい。支点の位置が変化しないことにより、後に詳述するミラー２１ａ〜２１ｃの相対位置変化量による測定点での傾きの変化量の計算が可能となる。

次に、ミラー２１ａ〜２１ｃについて詳細に説明する。本実施形態では、３枚のミラー２１ａ〜２１ｃは互いに別体の平面ミラーである。これら３枚のミラー２１ａ〜２１ｃには、３本のレーザ光２２ａ，２２ｂ，２２ｃのうちの１本がそれぞれ照射される。これらのレーザ光２２ａ〜２２ｃはミラー２１ａ〜２１ｃよりも手前で形状測定装置６が備える同一の集光レンズ２３を光軸が互いに干渉しない位置関係で通過し、集光レンズ２３を通過後のレーザ光２２ａ〜２２ｃも光軸が互いに干渉しない位置関係を維持する。個々のレーザ光２２ａ〜２２ｃの集光位置に個々のミラー２１ａ〜２１ｃが配置されている。

詳細には、レーザ光（第１の測定用レーザ光）２２ａは、Ｚ軸（鉛直軸）に対して平行な光軸を有する。また、第２レーザ光（第２の測定用レーザ光）２２ｂは、レーザ光２２ａに対してＸ軸方向（第１の水平軸方向）に傾きを持たせてＹ軸方向（第２の水平軸方向）にシフトした位置で集光レンズ２３に入射している。集光レンズ２３を通過したレーザ光２２ｂは、レーザ光２２ａに対してＸ軸方向に傾き、かつＸ軸に平行である。さらに、レーザ光（第３の測定用レーザ光）２２ｃは、レーザ光２２ａに対してＹ軸方向に傾きを持たせてＸ軸方向にシフトした位置で集光レンズ２３に入射している。集光レンズ２３を通過してレーザ光２２ｃは、第１レーザ光２２ａに対してＹ軸方向に傾き、かつＹ軸に平行である。レーザ光２２ｂ，２２ｃの第１レーザ光２２ａに対する傾きは、例えば０度を上回り３０度を上回らない範囲に設定される。レーザ光２２ａの集光位置にミラー２１ａが配置され、レーザ光２２ｂの集光位置にミラー２１ｂが配置され、レーザ光２２ｃの集光位置にミラー２１ｃが配置されている。

レーザ光２２ａが入射するミラー２１ａは揺動部材３の本体部３ａの上面の中央部分に配置されている。また、レーザ光２２ｂ，２２ｃがそれぞれ入射するミラー２１ｂ，２１ｃは、揺動部材３の本体部３ａの上面のミラー２１ａに対してＸ軸方向及びＹ軸方向にシフトした位置に配置されている。個々のミラー２１ａ〜２１ｃのミラー面は、揺動部材３に傾きがないとき、すなわちスタイラス８が被測定面２ａに対して非接触であるときに、入射するレーザ光２２ａ〜２２ｃの光軸に対して垂直となるように設定されている。そのため、個々のミラー２１ａ〜２１ｃで反射されて集光レンズ２３を再度通過するレーザ光２２ａ〜２２ｂ（反射光）は、入射光と略平行な光となり、後述する干渉法による測長が可能となる。

前述のようにミラー２１ａに入射するレーザ光２２ａは光軸がＺ軸方向に一致している。従って、本実施形態における連結機構５は、ミラー２１ａに照射されるレーザ光２２ａの光軸に対して直交するあらゆる方向に揺動部材３を揺動可能に取付部材４に支持している。また、本実施形態における揺動部材３は、揺動部材３に傾きがないとき、すなわちスタイラス８が被測定面２ａに対して非接触であるときに、支点部材１２の先端１２ｂ（揺動の支点）と、スタイラス８とがレーザ光２２ａの光軸上に位置するように構成している。

後に詳述するように、ミラー２１ａに入射して反射されるレーザ光２２ａはプローブ１自体のＺ軸座標の測定に利用される。また、ミラー２１ｂに入射して反射されるレーザ光２２ｂは揺動部材３のＸ軸方向の傾斜角度の測定に利用される。さらに、ミラー２１ｃに入射して反射されるレーザ光２２ｃは揺動部材３のＹ軸方向の傾斜角度の測定に利用される。

複数の集光レンズをプローブ上部に配置するようにした場合、複雑な構成となる上、上下に移動する部分の質量が重くなってしまうため、測定時のＺ軸方向移動の応答性が悪化してしまう。しかし、３本のレーザ光２２ａ〜２２ｃのうち１本は、鉛直方向であるＺ軸方向に一致するように配置し、残りの２本は、Ｚ軸方向に対して０〜３０度の角度を持って集光レンズ２３に入射するように配置しているため、単一の集光レンズ２３ですべてのレーザ光２２ａ〜２２ｃの集光が可能である。集光レンズ２３を複数個ではなく１個のみとしたことにより、限定された空間内で複雑な構成の光学系を構成する必要がなく、プローブ１自体を含む鉛直軸方向に移動する部分の質量を軽量化できる。この軽量化により、応答性を低下させることなくスタイラスの被測定面に対する接触力を低減できる。以下、接触力と応答性に関して詳述する。

接触力とは、測定時に測定物にスタイラスを押し付ける力のことであり、強くなると測定物に傷がつきやすくなってしまう。接触力と質量と応答性（加速度）には以下の式（１）の関係がある。

式（１）において、Ｆは接触力、ｍは質量、ａは加速度である。この関係から明らかなように、質量が大きいままで接触力を低下させると加速度が低下し、応答性が悪化する。しかし、本実施形態では前述のようにＺ軸方向に移動する移動体の質量を軽量化できるので、接触力を弱めても応答性は低下しない。

ミラーの枚数及び位置関係は本実施形態のものに限定されず、適宜設定可能である。例えば、本実施形態では、ミラー２１ａ〜２１ｃは互いに別体の平面ミラーであるが、平面ミラーではなくミラー面が球面状に加工されたミラーであってもよい。また、単一の部材に複数のミラー面を形成し、これらのミラー面がそれぞれレーザ光を反射する構成も採用できる。レーザ光の照射位置のうちの１つが必ずしもプローブの中央部になる必要は無く、プローブの外周部に沿って等配になる位置に配置してもよいし、その他設計上の都合により自由に配置してもよい。

次に、本実施形態のプローブ１を備える形状測定装置６について説明する。

一般に、本実施形態のプローブ１のようなプローブを備える形状測定装置は、プローブを被測定面に接触させ、被測定面に対する接触力がほぼ一定になるようにプローブの移動を制御しつつ、プローブを測定物の被測定面に沿って移動させる。そして、レーザ測長器と基準平面ミラーとを利用して、プローブと基準面との位置関係から被測定の表面形状を測定、演算する。

このような形状測定装置は、図５に示すような主として例えば約２００ｍｍ角以下の大きさを有する中型及び小型の測定物の測定用と、図６に示すような主として例えば約４００ｍｍ角の大きさを有する比較的大型の測定物の測定用に大別される。

図５に示す中型及び小型の測定物の測定用の形状測定装置６は、測定物２をＸ軸及びＹ軸方向に移動させ、一方、プローブ１はＺ軸方向にのみ移動させる。具体的には、この形状測定装置６は、石定盤３２に設置されたステージ３１を備え、このステージ３１上に測定物２が載置される。ステージ３１は、平面上で互いに直交する方向に移動するＸ−ステージ３１ａとＹ−ステージ３１ｂを備える。石定盤３２に立設された支柱３３にＺ軸方向に可動なＺ−テーブル３４が設置されており、このＺ−テーブル３４の下端にプローブ１が取り付けられる。また、石定盤３２上にはレーザ光発生部４１と測定点情報決定部４２が載置されている。ステージ３１は駆動部４３により駆動され、駆動部４３は制御装置４４によって制御される。

図６に示す比較的大型の測定物用の形状測定装置６は、測定物２を石定盤３２上に固定して、プローブ１をＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の全方向に移動させる。具体的には、この形状測定装置６は、石定盤３２上に設置されたステージ３１（Ｘ−ステージ３１ａとＹ−ステージ３１ｂ）を備え、このステージ３１上に、下端にプローブ１が取り付けられたＺ−ステージ３４、レーザ光発生部４１、及び測定点情報決定部４２が搭載されている。測定物２は石定盤３２上に固定される。図６において、符号４５はＺ軸方向の基準面である。

本実施形態のプローブ１は図５及び図６のいずれのタイプの形状測定装置６にも適用可能である。以下、形状測定装置６について詳細に説明するが、図５及び図６のいずれのタイプの形状測定装置６であるかについては特に言及しない。

制御装置４４は、測定点情報決定部４２からフィードバックされる情報（後述する揺動部材３の傾きθＸ，θＹ及び被測定面２ａの測定点の３次元位置座標Ｘ，Ｙ，Ｚ）に基づいて、プローブ１の揺動部材３を特定方向のみ傾斜させず、いずれの方向にも傾斜させ、かつ傾斜角度が一定に保持されるように駆動部４３によるステージ３１の移動方向及び移動量を制御する。

レーザ光発生部４１は、被測定面２ａ上の測定点の位置情報を求めるためのレーザ光２２を発生する。レーザ光２２は例えば発振周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザ光であるが、所望の光学的特性が得られる限り、レーザ光の種類は特に限定されない。

測定点情報決定部４２は被測定面２ａにおける測定点の３次元位置情報を得るものであり、光学系５０とレーザ測長部６１とを備える。光学系５０はレーザ光発生部４１で発生したレーザ光２２を分岐させる機能と、分岐させた複数のレーザ光２２ａ〜２２ｅをそれぞれ所定個所に照射し、反射光を導光する機能とを有する。レーザ測長部６１は、光学系５０に対して光電的に結合され、レーザ光の干渉を利用した測長により被測定面２ａにおける測定点の位置座標を決定する機能を有する。

光学系５０は、被測定面２ａの測定点の３次元位置座標を求めるため、レーザ光発生部４１が発生したレーザ光２２を５つに分光する。そのため、光学系５０は、合計５つの光学系、すなわち２つの第１光学系５１ａ，５１ｂと、３つの第２光学系５２ａ，５２ｂ，５２ｃとを有する。２つの第１光学系５１ａ，５１ｂは、それぞれプローブ１のＸ座標測定用とＹ座標測定用の光学系である。３つの第２光学系５２ａ〜５２ｃのうち、第２光学系５２ａはプローブ１のＺ座標測定用である。また、第２光学系５２ｂは、揺動部材３のＸ軸方向の傾斜角度測定用の光学系である。さらに、第２光学系５２ｃは、揺動部材３のＹ軸方向の傾斜角度測定用の光学系である。

レーザ測長部６１は、プローブ１のＸ座標を測定するＸ座標測定部６２、プローブ１のＹ座標を測定するＹ座標測定部６３、プローブ１のＺ座標を測定するＺ座標測定部６４、プローブ１の揺動部材３が備えるミラー２１ｂのＸ軸方向の傾斜角度を検出する第１傾斜角度検出部６５ａ、プローブ１の揺動部材３が備えるミラー２１ｃのＹ軸方向の傾斜角度を検出する第２傾斜角度検出部６５ｂ、第１及び第２傾斜角度検出部６５ａ，６５ｂからの入力を使用してスタイラス８の取付部材４に対する相対的なＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の位置座標を検出するスタイラス位置演算部６７、及び加算部６８を備える。

Ｘ座標測定用の第１光学系５１ａは、レーザ光２２ｄをプローブ１と共にＸ軸方向に移動するミラーと石定盤３２に固定されたＸ軸基準面（いずれも図示せず）とに照射して反射させ、これらで反射されたレーザ光２２ｄをレーザ測長部６１のＸ座標測定部６２に導光する。Ｘ座標測定部６２は、反射光間の干渉信号からプローブ１のＸ座標（Ｘｐ）を算出する。同様に、Ｙ座標測定用の第１光学系５１ｂは、レーザ光２２ｅをプローブ１と共にＹ軸方向に移動するミラーと石定盤３２に固定されたＹ軸基準面（いずれも図示せず）とに照射して反射させ、これらで反射されたレーザ光２２ｅをレーザ測長部６１のＹ座標測定部６３に導光する。Ｙ座標測定部６３は、反射光間の干渉信号からプローブ１のＹ座標（Ｙｐ）を算出する。この種のレーザ光の干渉を利用した測長の原理及びそのための具体的な構成は公知であり、例えば特開平１−１７０２４３号公報、特開平１０−１７０２４３号公報に記載されている。

第２光学系５２ａ〜５２ｃは、３本のレーザ光２２ａ〜２２ｃを同一の集光レンズ２３を介してプローブ１の揺動部材３に取り付けられたミラー２１ａ〜２１ｃに照射する。

Ｚ軸測定用の第２光学系５２ａは、第１レーザ光２２ａを集光レンズ２３を介して揺動部材３のミラー２１ａに照射して反射させ、ミラー２１ａで反射された第１レーザ光２２ａをＺ座標測定部６４に導光する。Ｚ座標測定部６４は、Ｚ軸基準面４５（図６にのみ図示する。）で反射された第１レーザ光２２ａとミラー２１ａで反射された第１レーザ光２２ａの干渉信号から、プローブ１のＺ軸座標（Ｚｐ）を算出する。前述のように、レーザ光の干渉を利用した測長の原理及びそのための具体的な構成は公知である。

揺動部材３のＸ軸方向の傾斜角度測定用の第２光学系５２ｂは、レーザ光２２ｂを集光レンズ２３を介して揺動部材３のミラー２１ｂに照射して反射させ、ミラー２１ｂで反射されたレーザ光２２ｂを第１傾斜角度検出部６５ａに導光する。第１傾斜角度検出部６５ａは、ミラー２１ｂへ入射するレーザ光２２ｂとミラー２１ｂで反射されたレーザ光２２ｂの干渉を利用して測長を実施し、その結果を利用して揺動部材３のＸ軸方向の傾斜角度θＸを検出する。

揺動部材３のＹ軸方向の傾斜角度測定用の第２光学系５２ｃは、レーザ光２２ｃを集光レンズ２３を介して揺動部材３のミラー２１ｃに照射して反射させ、ミラー２１ｃで反射されたレーザ光２２ｃを第２傾斜角度検出部６５ｂに導光する。第２傾斜角度検出部６５ｂは、ミラー２１ｃに対するレーザ光２２ｃの入射光と反射光の干渉を利用して測長を実施し、その結果を利用して揺動部材３のＹ軸方向の傾斜角度θＹを検出する。

次に、図４を参照して、第１傾斜角度検出部６５ａにおける揺動部材３のＸ軸方向の傾斜角度θＸの検出原理を説明する。第２傾斜角度検出部６５ｂも同様の原理で揺動部材３のＹ軸方向の傾斜角度を検出する。

図４はプローブ１の揺動部材３及びその近傍をＸＺ面で２次元的に図示している。
まず、揺動部材３の揺動の支点Ａ（支点部材１２の先端１２ｂ）から測定点までの距離Ｌについては、設計段階で予め決定しておくことができる（距離Ｌは既知）。また、プローブ１のミラー２１ｂのミラー面に照射するレーザ光２２ｂと、揺動部材３の支点Ａを中心としてプローブ１の照射位置Ｐが回転した円形の軌跡（回転軌跡Ｔ）の接線（回転軌跡接線ＴＬ）とでなす角度αについても、設計段階で予め決定しておくことができる（角度αは既知）。プローブ１の回転軌跡Ｔを作成するときの照射位置Ｐは、プローブ１が被測定物２に接していない状態、すなわちミラー２１ｂが傾斜していない初期位置Ｂにあるときの照射位置である（以下、照射位置Ｐを初期照射位置と呼ぶ）。回転軌跡Ｔの半径Ｒも、設計段階で予め決定しておくことができる（半径Ｒは既知）。

ここで、プローブ１の揺動部材３がＸ軸方向に傾斜角度θＸだけ傾いたことにより、ミラー２１ｂが初期位置Ｂから傾斜位置Ｂ’に変化した場合を考える。ミラー２１ｂが傾いたことにより、初期照射位置Ｐは回転軌跡Ｔ上を位置Ｐ’まで移動し、レーザ２１ｂの照射位置は初期照射位置Ｐから位置Ｑに移動する。第２傾斜角度検出部６５ｂによる測長値の変化量は、初期照射位置Ｐと位置Ｑとの間の距離δＺ０で表される。ここで初期照射位置Ｐと位置Ｐ’の間の距離δＺ１は以下の式（２）で表れる。

また、角度θＸについて以下の式（３）の関係がある。

また傾斜角度θが十分小さいことから近似を用いると、式（２），（３）より以下の式（４）の関係が得られる。

前述のように角度αと半径Ｒは既知であり、距離δＺ０はレーザ測長による実測値であるので、式（４）の関係からプローブ１の揺動部材３のＸ軸方向の傾斜角度θＸを算出できる。ミラー２１ｂのＹ軸方向の傾斜角度θＹについても同様の関係が成り立つので、式（４）と同様の計算を行うことにより、プローブ１の揺動部材３のＹ軸方向の傾斜角度θＹを算出できる。

スタイラス位置演算部６７は、第１傾斜角度検出部６５ａから入力される傾斜角度θＸと第２傾斜角度検出部６５ｂから入力される傾斜角度θＸとを使用して、スタイラス８の取付部材４（プローブ１自体）に対する相対的なＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の位置座標である、補正値ΔＸ，ΔＹ，ΔＺを算出する。言い換えれば、スタイラス位置演算部６７は傾斜角度θＸ，θＹをスタイラス８の押し込み量の変化量に変換する。具体的には、スタイラス位置演算部６７は、傾斜角度θＸ，θＹと距離Ｌ（前述のように既知である。）から、以下の式（５）により補正値ΔＸ，ΔＹ，ΔＺを算出する。

式（５）の第３式右辺の傾斜角度θは、傾斜角度θＸ，θＹのいずれであってもよい。

以下、傾斜角度θＸと補正値ΔＸについて具体的な数値を挙げてさらに詳細に説明する。まず、プローブ１の揺動部材３の支点Ａから測定点までの距離Ｌ＝１０ｍｍ、初期照射位置Ｐの回転軌跡Ｔの半径Ｒ＝７ｍｍ、レーザ光２２ｂと初期照射位置Ｐにおける回転軌跡Ｔの接線がなす角度α＝３０度とする。また、スタイラス８の先端の変位を約１０μｍに保持しつつ測定とする。さらに、レーザ光２２ｂは発信周波数安定化レーザであるＨｅ−Ｎｅレーザ光とする。Ｈｅ−Ｎｅレーザ光を使用したレーザ測長により少なくとも３ｎｍの分解能が得られることが知られている。

Ｈｅ−Ｎｅレーザの最小分解能を３ｎｍとし、この最小分解能を測定点での分解能に換算するために、レーザ測長により測定される初期照射位置Ｐと位置Ｑとの間の距離δＺ０をこの最小分解能に対応する３ｎｍとする。この条件下では、δＺ０＝３ｎｍ、α＝３０度、Ｒ＝７ｍｍである。これらを式（４）に代入すると、以下の式（６）に示すように傾斜角度θＸは２．８３５×１０^−５度となる。

さらに、θＸ＝２．８３５×１０^−５と前述のＬ＝１０を式（５）の第１式に代入すると、以下の式（７）に示すように補正量ΔＸが得られる。

補正量ΔＸは４．９４９ｎｍとなる。つまり、本実施形態のプローブ１と形状測定装置６は数ナノメートルレベルの高分解能でスタイラス８の傾きを補正可能である。

再度図７を参照すると、加算部６８はＸ座標測定部６２、Ｙ座標測定部６３、及びＺ座標測定部６４からそれぞれ入力されるプローブ１の座標Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐに、スタイラス位置演算部６７から入力される補正値ΔＸ，ΔＹ，ΔＺを加算して、スタイラス８の位置座標、すなわち被測定面２ａにおける測定点の位置座標（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）を算出する。具体的には、加算部６８は以下の式（６）に基づいて測定点の位置座標（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）を算出する。

前述のようにレーザ測長により得られた傾斜角度θＸ，θＹを換算することで高精度の補正値ΔＸ，ΔＹ，ΔＺが得られ、それらを使用して測定点の位置座標Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓを求めるので、高精度で被測定面２ａの測定点の位置座標が得られる。

本実施形態のプローブ１及びそれを備える形状測定装置６は、主として以下に列挙する特徴を有する。

スタイラス８を有する揺動部材３は支点部材１２の先端１２ｂを支点としてあらゆる方向に揺動可能であるので、スタイラス８が接触する被測定面２ａを有する測定物２を回転させることなく、被測定面２ａの形状測定を行うことができる。

同一の集光レンズ２３で３本のレーザ光２２ａ〜２２ｃをプローブ１が備える揺動部材３のミラー２１ａ〜２１ｃに集光する構成であるので、限定された空間内で複雑な構成の光学系を構成する必要がなく、プローブ１自体を含む鉛直軸方向に移動する部分の質量を軽量化できる。この軽量化により、応答性を低下させることなくスタイラス８の被測定面２ａに対する接触力を低減できる。

ミラー２１ｂ，２１ｃの位置変位をレーザ測長によって検出することでプローブ１の傾斜角度θＸ，θＹを高精度で検出でき、この高精度の傾斜角度θＸ，θＹをスタイラス８のプローブ１に対する相対的な位置座標である補正値ΔＸ，ΔＹ，ΔＺに換算することにより、スタイラス８の位置（被測定面２ａの測定点）の座標Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓを高精度で測定できる。

以上の特徴を有する本実施形態のプローブ１及び形状測定装置６により、任意形状の被測定面２ａを、測定物２を回転させることなく、高精度かつ低測定力での走査測定を実現できる。

本発明は、任意形状の穴の内面や穴径の測定、及び任意形状の外側面の形状測定等を高精度及び低測定力にて走査測定する形状測定装置、該形状測定装置に備わるプローブに適用可能である。

本発明の実施形態に係る形状測定装置用プローブを示す斜視図。 本発明の実施形態に係る形状測定装置用プローブをＹＺ断面で切断した部分断面斜視図。 揺動部材の一部断面正面図。 測定点の位置情報決定方法を説明するための模式図。 本発明の実施形態に係る形状測定装置用プローブを備える形状測定装置の一例を示す模式図。 本発明の実施形態に係る形状測定装置用プローブを備える形状測定装置の他の一例を示す模式図。 形状測定装置の測定点情報決定部の構成を示す模式図。 従来の形状測定装置用プローブの一例を示し、（ａ）は一部断面正面図、（ｂ）は（ａ）のVIII-VIII線での断面図。 従来の形状測定装置用プローブの他の一例を示す一部断面正面図。

符号の説明

１ 形状測定装置用プローブ
２ 測定物
２ａ 被接触面
３ 揺動部材
３ａ 本体部
３ｂ 貫通穴
４ 取付部材
４ａ レーザ光用開口
５ 連結機構
６ 形状測定装置
７ アーム
８ スタイラス
１１ 載置台
１２ 支点部材
１２ａ 基部
１２ｂ 先端
１３，１４ 金具
１５ 溝穴
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ ミラー
２２，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ 測定用レーザ光
２３ 集光レンズ
３１ ステージ
３１ａ Ｘ−ステージ
３１ｂ Ｙ−ステージ
３２ 石定盤
３３ 支柱
３４ Ｚ−テーブル
４１ レーザ光発生部
４２ 測定点情報決定部
４３ 駆動部
４４ 制御装置
４５ 基準面
５０ 光学系
５１ａ，５１ｂ 第１光学系
５２ａ，５２ｂ，５２ｃ 第２光学系
６１ レーザ測長部
６２ Ｘ座標測定部
６３ Ｙ座標測定部
６４ Ｚ座標測定部
６５ａ 第１傾斜角度検出部
６５ｂ 第２傾斜角度検出部
６６
６７ スタイラス位置演算部
６８ 加算部

Claims (4)

1. 測定物の被測定面に接触するスタイラスと、形状測定装置が備える同一の集光レンズを通って集光される少なくとも３本の測定用レーザ光が照射されるミラーとを有する測定面接触部と、
   前記測定面接触部を前記形状測定装置に取り付ける取付部材と、
   前記取付部材に固定された載置台と、前記測定面接触部又は前記載置台に固定された支点部材とを備え、前記測定面接触部を前記支点部材の先端を支点として揺動可能に前記載置台に支持させる連結機構と
   を備える、形状測定装置用プローブと、
   前記測定用レーザ光を発生及び分岐するレーザ光発生分岐部と、
   前記レーザ光発生分岐部で生成された前記測定用レーザのうち少なくとも３本を前記同一の集光レンズを通過させて、前記測定面接触部の前記ミラーに集光させるレーザ光集光部と、
   前記ミラーで反射された前記測定用レーザ光により検出した前記ミラーの位置変位に基づいて、前記形状測定装置用プローブ自体の鉛直軸方向の変位と前記測定面接触部の傾斜角度とを算出する測定点情報決定部と、
   前記測定点情報決定部で算出される前記測定面接触部の傾斜角度が一定に保持されるように前記形状測定装置用プローブを移動させて、測定物の被測定面の形状を測定する制御部と
   を備える、形状測定装置。
2. 前記レーザ光集光部で集光される少なくとも３本の前記測定用レーザ光は、鉛直軸方向の第１の測定用レーザ光と、前記第１の測定用レーザ光に対して第１の水平軸方向に傾いた第２の測定用レーザ光と、前記第１の測定用レーザ光に対して前記第１の水平軸方向と交差する第２の水平軸方向に傾いた第３の測定用レーザ光とを含み、
   前記ミラーは、前記集光レンズによる前記第１の測定用レーザの集光位置に配置され、かつミラー面が前記第１の測定用レーザの光軸に対して垂直である第１のミラーと、前記集光レンズによる前記第２の測定用レーザの集光位置に配置され、かつミラー面が前記第２の測定用レーザの光軸に対して垂直である第２のミラーと、前記集光レンズによる前記第３の測定用レーザの集光位置に配置され、かつミラー面が前記第３の測定用レーザの光軸に対して垂直である第３のミラーとを含む、
   請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記測定点情報決定部は、
   前記第１の測定用ミラーが反射する前記第１の測定用レーザ光から前記形状測定装置用プローブ自体の鉛直方向の位置座標を測定する第１の位置座標測定部と、
   前記第２の測定用ミラーが反射する前記第２の測定用レーザ光により測定した前記第２の測定用ミラーの変位に基づいて、前記測定面接触部の前記第１の水平軸方向の傾斜角度を算出する第１の傾斜角度検出部と、
   前記第３の測定用ミラーが反射する前記第３の測定用レーザ光により測定した前記第３の測定用ミラーの変位に基づいて、前記測定面接触部の前記第２の水平軸方向の傾斜角度を算出する第２の傾斜角度検出部と
   を備える
   請求項２に記載の形状測定装置。
4. 前記測定点情報決定部は、
   前記第１及び第２の傾斜角度検出部が算出した前記測定面接触部の前記第１及び第２の水平軸方向の傾斜角度から、前記スタイラスの前記取付部材に対する相対位置を求めるスタイラス位置情報算出部と、
   前記測定用レーザ光を用いて前記形状測定装置用プローブ自体の前記第１及び第２の水平軸方向の位置座標値を求める第２及び第３の位置座標測定部と、
   前記第１から第３の位置座標測定部が求めた前記形状測定装置用プローブ自体の前記位置座標値と、前記スタイラス位置情報検出部が求めた前記取付部材に対する前記スタイラスの相対位置から測定点の位置情報を求める加算部と
   を備える、請求項３に記載の形状測定装置。

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