JPH0560542A - 触針プローブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 被測定物の形状を高精度に測定することがで
きる触針プローブを得ること。 【構成】 一端に真球を固定した触針子を１軸方向にの
み移動可能となるようにハウジングに設け、該触針子の
変位を変位センサーで検出することにより該被測定物面
の形状を測定する触針プローブにおいて該触針子の他端
の該１軸方向と直交方向の変位を該ハウジングを基準に
測定する変位測定手段を設け、該変位測定手段からの信
号を利用して該真球の位置ずれ量を求めたこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は触針プローブに関し、特
に触針子の一端に固設した真球又は針を被測定物面に接
触させて被測定物面の凹凸形状を測定する際の該触針子
の軸方向と直交方向の変位に基づく測定誤差を補正し高
精度な測定を可能とした触針プローブに良好に適用可能
である。

【０００２】

【従来の技術】従来より被測定物面の凹凸形状を高精度
に測定することができる装置として触針プローブが多用
されている。

【０００３】図２は従来の触針プローブの要部断面図で
ある。同図において１は球（真球）であり高精度に加工
されており、触針子（直動スライダー）２の一端に固定
されている。真球１は被測定物に一定の力で押しつけら
れ、被測定物の形状、凹凸に応じて上下している。

【０００４】触針子２は断面が正方形の角柱であり、角
柱の４つの側面はそれぞれ狭い（例えば５μｍ）隙間１
２をはさんで、触針子２の姿勢を一定に保ったまま触針
子２の１軸方向の運動のみを許す様に構成された案内機
構である触針子のガイドを有したハウジング３に挿入さ
れている。ハウジング３には隙間１２に向けてあけられ
た複数個のノズル５とそれらのノズル５とを結ぶ配管系
４が掘ってある。

【０００５】この構成において配管系４に圧縮空気供給
源（不図示）から圧縮空気を供給することにより、圧縮
空気がノズル５を介して隙間１２に流れ、これよりハウ
ジング３と触針子２を非接触に支持している。即ち静圧
空気軸受を構成している。この機構により、触針子２は
被測定物面の凹凸に従って図中、矢印の如く上下方向に
動く。又、６は磁石で両端に透磁性の高い（例えば軟鉄
等）材料で作られたヨーク７及び９が取り付けられ、磁
気回路を構成している。この磁気回路の磁束と交差する
様にコイル８が配置されている。この構成でコイル８に
電流を流す事により、上下方向に力を発生させている。
この上下方向の力は連結部材１１を介して触針子２に結
合されており、真球１の被測定物面への押しつけ力を調
節できる様な構成になっている。

【０００６】又、ハウジング３には非接触式の変位セン
サー、例えば差動トランスを応用したものや、静電容量
を利用したものが取りつけられており、これにより触針
子２の１軸方向の変位を測定している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の触
針プローブでは真球１と被測定物間に働く摩擦力、押し
つけ力の力の作用方向が必ずしも触針子２の軸方向（図
２では上下方向）とは一致していない。従ってそれらの
軸方向と直交する横方向の力によって次の様な問題点が
あった。

【０００８】（イ）触針子２が先端に横荷重をうけるた
め変形し、曲がってしまう。触針子２が曲がると真球１
と被測定物の接触点が変化する。このことによる影響は
特に触針子２の軸に対して傾斜している被測定面の形状
を測定している場合に誤差となってくる。例えば４５度
傾斜した被測定面を測定している時、触針子２が横荷重
によって横方向（１軸方向と直交方向）に１μｍ曲がっ
たとすると被測定面の傾きに沿って接触点が移動し、結
局真球１と触針子２は上下方向にも１μｍ（１×ｔａｎ
４５°）変位することになる。これが測定誤差となって
くる。サブミクロンオーダーの測定精度を狙う形状測定
装置の場合、この誤差量は大きく、特に問題となってく
る。

【０００９】（ロ）触針子２を支える静圧空気軸受の剛
性が有限なので、先端にかかる横荷重によって触針子２
が傾く。従って先ほどと同じ理由で測定誤差を生じると
いう問題がある。

【００１０】本発明は触針子２の真球の取り付け位置
（一端）と反対側の位置（他端）に横方向（１軸方向と
直交方向）の変位を測定する変位センサーを設けること
により、触針子２が横荷重を受けて真球が横方向にずれ
た場合であっても、そのずれ量を計測し、補正すること
により被測定面の形状を高精度に測定することができる
触針プローブの提供を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の触針プローブ
は、触針子を１軸方向に移動可能となるようにした直動
ガイドを介してハウジングに設け、該触針子の一端を被
測定物面に接触させ、該触針子と該被測定物面とを該１
軸方向とは異なる方向へ相対移動させ、該触針子の１軸
方向の変位を該ハウジングに設けた変位センサーで検出
することにより該被測定物面の形状を測定する触針プロ
ーブにおいて、該触針子の他端の該１軸方向と異なる方
向の変位を該ハウジングを基準に測定する変位測定手段
を設け、該変位測定手段からの信号を利用して該被測定
物面に接触する該一端の位置ずれ量を求めた結果によっ
て形状測定の補正を行ったことを特徴としている。

【００１２】この他、本発明の触針プローブとしては触
針子を１軸方向に移動可能となるようにした直動ガイド
を介してハウジングに設け、該触針子の一端を被測定物
面に接触させ該触針子と該被測定物面とを該１軸方向と
は異なる方向へ相対移動させ、該触針子の１軸方向の変
位を該ハウジングに設けた変位センサーで検出し、該変
位センサーからの値が予め設定した値となるように該ハ
ウジングを該１軸方向に移動させることにより該被測定
物面の形状を測定する触針プローブにおいて、該触針子
の他端に参照ミラーを固設し、該参照ミラーに対向させ
て該１軸方向と直交方向の距離情報を測定する為の光干
渉計を該ハウジング内に設けると共に該光干渉計に対向
させて該ハウジング外に外部基準ミラーを設け、該光干
渉計から該参照ミラーまでの距離と該光干渉計から該外
部基準ミラーまでの距離との差を測定し、該測定結果を
利用して該被測定物面に接触する該一端の位置ずれ量を
求めた結果によって前記形状測定の補正を行ったことを
特徴としている。

【００１３】

【実施例】図１は本実施例の触針プローブ１０１の実施
例１の要部概略図である。

【００１４】同図において１は真球であり、触針子２の
一端に結合されている。触針子２は断面が正方形の角柱
より成り、その４つの面は微少な隙間１２を介して多孔
質材１３に対向している。多孔質材１３はハウジング３
の内周部に固定されており、触針子２と対向する面と反
対側には圧縮空気を導くための溝４が形成されている。
そしてチューブ１４によって圧縮空気が送り込まれる様
になっている。

【００１５】触針子２の真球１を設けた一端と反対側の
上部（他端）には触針子２の上下方向（１軸方向）２ａ
の変位を測定する非接触の変位センサー（例えば静電容
量変化を検出するもの等）１０と１軸方向と直交する横
方向の変位を測定するための非接触の変位センサー１７
とが各々ハウジング３の一部に固定配置している。

【００１６】本実施例において、チューブ１４を通じて
圧縮空気供給源（不図示）から圧縮空気を多孔質材１３
を介して隙間１２に吹き出すことにより、静圧空気軸受
を形成し、これにより触針子２を上下方向（２ａ）のみ
自由に移動できる様、ガイドしている。このとき、真球
１が被測定面１８から受ける力として、被測定面１８の
法線方向に作用する押しつけ力Ｆ１と接線方向に作用す
る摩擦力Ｆ２とがある。触針子２はこれらの力の合力を
受けることになる。その上下方向すなわち触針子２の軸
方向２ａの力により触針子２の上下方向変位は変位セン
サー１０で測定する。そして横方向の力によって図３に
示す様に真球１の横ずれｘ１に対して横方向の変位セン
サー１７の位置では変位ｘ２が生ずる。

【００１７】ここで、変位ｘ１と変位ｘ２との間には微
少な範囲で比例関係が成り立つ。そしてこのときの比例
定数ａをａ＝ｘ１／ｘ２としてあらかじめＦＥＭ計算や
実験によって求めておく。これにによってｘ２の測定値
から変位ｘ１を計算し求めている。

【００１８】図４は本発明の触針プローブ１０１を用い
て構成した形状測定装置の一実施例の要部斜視図であ
る。

【００１９】ベース２２の上に被測定物１８とｙ方向に
移動し、位置決め可能に設けられた門型のｙ軸スライド
２１を有し、ｙ軸スライド２１の軸に嵌入し、ｘ方向に
移動し、位置決め可能に設けられたｘ軸スライド２０を
有し、ｘ軸スライド２０の穴部を介してｚ方向に移動し
位置決め可能に設けられたｚ軸スライド１９を有し、そ
の先端に本発明に係る図１で示した触針プローブ１０１
を取り付けている。

【００２０】図５はこの構成において被測定物１８の形
状測定を行うフローチャートである。本実施例ではこの
ような構成で形状測定を行うことにより先端の真球１の
横位置ずれが発生してもその量を補正した真球１の位置
を求め、これにより被測定物１８の形状を高精度に求め
ることができるようにしている。

【００２１】図６は本実施例の実施例２の要部斜視図で
ある。本実施例では触針子２は断面が正方形の角柱部分
を有し、そのそれぞれの４つの面は隙間１２を介してハ
ウジング３に固定した多孔質材１３に対向している。ハ
ウジング３に固定されている多孔質材１３の背面は圧縮
空気を導く溝４がハウジング３に設けてあり、チューブ
１４を通じて圧縮空気供給源（不図示）から圧縮空気が
供給される。この圧縮空気は多孔質材１３を介して隙間
１２に吹き出し、静圧空気軸受を構成する。

【００２２】又、触針子２の上部には非接触に対向しハ
ウジング３に固定された上下方向の変位を測定する非接
触の変位センサー１０が、又横方向で直交する２方向に
変位センサー１７ａ，１７ｂを設けている。又真球１は
円筒状のホルダー１５に接着剤にて固定されている。ホ
ルダー１５の内側の円筒面にかん合する様に触針子２の
下部は円筒状になっており、ホルダー１５を差し込んだ
後、セットビス１６で固定される構造となっている。

【００２３】上記構成において実施例１と同様に横方向
の力が触針子２の先端、即ち真球１に加わると触針子２
は傾くが、上部の変位は２方向の変位を測定する変位セ
ンサー１７ａ，１７ｂで測定している。これにより２方
向の横方向の位置ずれ誤差を検出、補正している。

【００２４】図７は本発明の実施例３の要部断面図であ
る。本実施例では触針子２は断面が正方形の角柱部分を
有し、そのそれぞれの４つの面は隙間１２を介してハウ
ジング３に固定した多孔質材１３に対向している。ハウ
ジング３に固定されている多孔質材１３の背面は圧縮空
気を導く溝４がハウジング３に設けてあり、チューブ１
４を通じて圧縮空気供給源（不図示）から圧縮空気が供
給される。この圧縮空気は多孔質材１３を介して隙間１
２に吹き出し、静圧空気軸受を構成する。

【００２５】又、触針子２の上部に直方体形状の参照ミ
ラー２３が取り付けてあり、ハウジング３に固定された
光ヘテロダイン干渉を利用した干渉測長計２４ａ及び２
５ｂとの間の距離が測定できるようになっている。

【００２６】図８は本実施例の２周波光ヘテロダイン干
渉測長計の光学系の要部概略図である。

【００２７】同図において、入力光３０は紙面に対して
水平方向に偏光面をもつ周波数ｆ１の水平偏光成分（ｆ
１成分）と、紙面に対して直角方向に偏光面をもつ周波
数ｆ２の垂直偏光成分（ｆ２成分）の２つの光を有して
いる。

【００２８】入力光３０が偏光ビームスプリッタ２５に
入射すると、ｆ１成分は直進し、ｆ２成分は反射され
る。直進するｆ１成分はコーナーキューブ２６ａによっ
て反射され、再び偏光ビームスプリッタ２５を通り出力
光３１となる。又ｆ２成分は４分の１波長板２７を通過
し、円偏光の光となりミラー２３によって反射される。
そして、もとの光路をもどり、再び４分の１波長板２７
を通過し、直線偏光の光にもどるが、偏光方向は９０度
回転し、紙面に水平となっている。

【００２９】従って、偏光ビームスプリッタ２５に入射
した時にはこれを通過し、コーナーキューブ２６ｂで反
射し、再び４分の１波長板２７を通り円偏光の光とな
り、ミラー２３によって反射される。そして、もとの光
路をもどり、４分の１波長板２７を通過すると再び偏光
方向が９０度回転し、紙面に垂直な偏光方向をもつ直線
偏光の光となる。

【００３０】従って偏光ビームスプリッタ２５で反射さ
れ、出力光３１となる。入力光のｆ１成分とｆ２成分を
混合して得られるビート信号と出力光のｆ１成分とｆ２
成分を混合して得られるビート信号の位相を比較するこ
とにより、ｆ１成分とｆ２成分の光路差を知ることがで
きる。

【００３１】この様に本実施例では変位センサーとして
干渉測長計を用いることにより、大きな変位を離れた位
置から計測する事ができ、これにより触針子２の上下方
向及び、横方向の動きが大きい場合でも良好に対処でき
るようにしている。

【００３２】図９は本発明の実施例４の要部断面図であ
る。本実施例では触針子２は断面が正方形の角柱部分を
有し、そのそれぞれの４つの面は隙間１２を介してハウ
ジング３に固定した多孔質材１３に対向している。

【００３３】ハウジング３に固定されている多孔質材１
３の背面は圧縮空気を導く溝４がハウジング３に設けて
あり、チューブ１４を通じて圧縮空気供給源（不図示）
から圧縮空気が供給される。この圧縮空気は多孔質材１
３を介して隙間１２に吹き出し、静圧空気軸受を構成す
る。又触針子２の上部に直方体形状の参照ミラー２３が
取り付けてあり、ハウジング３に固定された干渉測長計
２４ａとの間の距離が測定できるようになっている。

【００３４】ここで、横方向の測長光軸から静圧空気軸
受中心までの距離ｄと、静圧空気軸受中心から真球先端
までの距離ｄをほぼ同じ長さに設定することにより、図
３に示した様な横方向の変位が生じた時の変位ｘ１と変
位ｘ２とがほぼ一致する様にしている。又横方向には参
照ミラー２３と対向して４分の１波長板２７が設けら
れ、４分の１波長板２７は直角プリズム２８に接着さ
れ、直角プリズム２８の上方には偏光ビームスプリッタ
２５が配置されている。この偏光ビームスプリッタ２５
はハウジング３に固定され、左側の側面にはコーナーキ
ューブ２６が配置され、右側の側面には４分の１波長板
２７が配置され、更にその右方にはベース２９ａに固定
された参照ミラー２９が配置されている。又ベース２９
ａ上には被測定物（不図示）１８が固定されている。

【００３５】上記構成にて干渉測長計２４ｂは距離Ｌ１
−Ｌ２の長さを出力する。従ってこの干渉測長計２４ｂ
の出力値は触針プローブ１０１全体の横方向変位に触針
子２の傾き誤差ｘ２を差し引いたものとなるので自動的
に補正された真球１の横方向の位置を表すことになる。
つまり、この干渉計の出力する測定値は触針子２の姿勢
変動と、ハウジング３自身の横方向の変動とを同時に補
正した真球１の横方向の位置を外部参照ミラー２９を基
準に測ったものとなる。

【００３６】この様に横方向を測定する干渉計を設ける
ことにより、触針プローブ１０１のハウジング３の変動
も同時に補正することができる。言い替えると触針プロ
ーブ１０１を上下方向に運動させる機構（Ｚ軸スライド
１９）の横方向の精度が測定精度に影響しないので、よ
り高い測定精度を達成することができる。

【００３７】尚、触針プローブ１０１を上下方向に運動
させる機構の精度は多少低下させても良い為、装置全体
を簡素化することができる。

【００３８】図１０は本発明の実施例５の要部断面図で
ある。同図において真球１は一体型１軸移動部材３２に
接着されている。一体型１軸移動部材３２は例えば熱膨
張係数の小さい金属で作られた板状の部材をワイヤー放
電加工方法を用い、領域３４ａ，３４ｂ，３４ｃの部分
を切り抜いて製作している。ここで、全部で８カ所ある
Ａ部の拡大図を図１１に示す。

【００３９】図１１において部分３２は狭いくびれ部分
３５を残し、領域３３の切りかき部を有する。この様な
構造において真球１の取り付く部分は図１０中の矢印１
ａ方向に運動する事ができる。この様な機構によりヒン
ジ機構を構成している。

【００４０】又、この運動を検出するため上部に上下方
向を測定する非接触の変位センサー１０を一体型１軸移
動部材３２に固定して設け、姿勢変動を検出するため側
面に横方向を測定する非接触の変位センサー１７を一体
型１軸移動部材３２に固定して設けている。

【００４１】上記構成において実施例１と同様に横方向
の力が触針子２の先端、即ち真球１に加わると触針子２
は傾くが、上部の変位を変移センサー１７で測定してい
るため、横方向の位置ずれ誤差を検出、補正することが
できる。

【００４２】この様にヒンジ機構を用いた一体型の触針
プローブ構造とすることにより、製作が容易になり、先
ほどの多孔質材を用いる静圧空気軸受構成と比べ、大幅
なコストダウンが期待できる。

【００４３】尚、この様なヒンジ機構を用いた１軸ガイ
ドは前述した実施例１、２、３、４で示した静圧空気軸
受を用いた１軸ガイドの替わりに用いることもできる。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば前述のごとく、触針子２
の真球の取り付け位置（一端）と反対側の位置（他端）
に横方向（１軸方向と直交方向）の変位を測定する変位
センサーを設けることにより、触針子２が横荷重を受け
て真球が横方向にずれた場合であっても、そのずれ量を
計測し、補正することにより被測定面の形状を高精度に
測定することができる触針プローブを達成することがで
きる。

【００４５】特に本発明によれば、 （ａ）摩擦力等による未知の横方向の力が働く状況下に
あっても触針子の変形、姿勢を補正することができるた
め、測定精度を向上させることができる。又横方向の力
を許すということは被測定物の走査の速度の向上につな
がり、測定時間の短縮に役立つ。

【００４６】又、実施例４で示した様に、外部に設けた
参照ミラーを基準に測定する干渉計を設けることによ
り、触針子の姿勢誤差だけではなく触針プローブ自身の
横方向変動を同時に測定、補正することができるので、
形状測定精度をさらに向上させることができる。

【００４７】（ｂ）触針子の変形、姿勢の変動があって
も補正することができるため、触針子は細く、軽量な構
造が可能となり、触針子のガイドも剛性が高い必要が無
くなるためスペースに合わせた簡便な機構ですむ。

【００４８】又、実施例５で示した一体型のヒンジ構造
とすることにより更に小型計量な構成が実現することが
できる。

【００４９】（ｃ）本発明による横方向センサーの出力
値は真球にかかる横方向の力に対応しているので、横方
向センサーの出力値から、真球にかかる摩擦力の精密測
定が可能である。

【００５０】（ｄ）実施例４で示した様に、外部に設け
た参照ミラーを基準に触針子の姿勢誤差と、触針プロー
ブ自身の横方向変動を同時に測定、補正することができ
るので、触針プローブを上下に運動させるＺ軸スライド
の精度を下げてもよく、装置を簡素化することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例１の要部概略図

【図２】 従来の触針プローブの要部概略図

【図３】 本発明の触針プローブの測定原理の説明図

【図４】 本発明の触針プローブを用いた形状測定装
置の要部斜視図

【図５】 本発明における形状測定のフローチャート
図

【図６】 本発明の実施例２の要部概略図

【図７】 本発明の実施例３の要部概略図

【図８】 図７の干渉測長計の原理説明図

【図９】 本発明の実施例４の要部概略図

【図１０】 本発明の実施例５の要部概略図

【図１１】 図１０の一部分の拡大説明図

【符号の説明】

１０１ 触針プローブ １ 真球（マスターボール） ２ 触針子 ３ ハウジング ４ 圧縮空気供給口 ５ ノズル ６ 磁石 ７ ヨーク ８ コイル ９ ヨーク １０ 非接触式変位センサー １１ コイル保持部材 １２ 軸受隙間 １３ 多孔質材 １４ チューブ １５ 真球保持部材（ホルダー） １６ セットビス １７ 非接触式変位センサー １８ 被測定物面 １９ ｚ軸スライド ２０ ｘ軸スライド ２１ ｙ軸スライド ２２ ベース ２３ 参照ミラー ２４ 干渉計 ２５ 偏光ビームスプリッタ ２６ コーナーキューブ ２７ ４分の１波長板 ２８ 直角プリズム ２９ 固定参照ミラー ３０ 入力光 ３１ 出力光 ３２ 一体型１軸移動部材 ３３ 切りかき部 ３４ 切り抜き部分 ３５ くびれ部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 触針子を１軸方向に移動可能となるよう
   にした直動ガイドを介してハウジングに設け、該触針子
   の一端を被測定物面に接触させ、該触針子と該被測定物
   面とを該１軸方向とは異なる方向へ相対移動させ、該触
   針子の１軸方向の変位を該ハウジングに設けた変位セン
   サーで検出することにより該被測定物面の形状を測定す
   る触針プローブにおいて、該触針子の他端の該１軸方向
   と異なる方向の変位を該ハウジングを基準に測定する変
   位測定手段を設け、該変位測定手段からの信号を利用し
   て該被測定物面に接触する該一端の位置ずれ量を求めた
   結果によって形状測定の補正を行ったことを特徴とする
   触針プローブ。
2. 【請求項２】 前記変位測定手段は前記触針子の他端の
   前記１軸方向と直交する２方向の変位を測定しているこ
   とを特徴とする請求項１の触針プローブ。
3. 【請求項３】前記変位測定手段は光干渉を利用している
   ことを特徴とする請求項１の触針プローブ。
4. 【請求項４】 触針子を１軸方向に移動可能となるよう
   にした直動ガイドを介してハウジングに設け、該触針子
   の一端を被測定物面に接触させ該触針子と該被測定物面
   とを該１軸方向とは異なる方向へ相対移動させ、該触針
   子の１軸方向の変位を該ハウジングに設けた変位センサ
   ーで検出し、該変位センサーからの値が予め設定した値
   となるように該ハウジングを該１軸方向に移動させるこ
   とにより該被測定物面の形状を測定する触針プローブに
   おいて、該触針子の他端に参照ミラーを固設し、該参照
   ミラーに対向させて該１軸方向と直交方向の距離情報を
   測定する為の光干渉計を該ハウジング内に設けると共に
   該光干渉計に対向させて該ハウジング外に外部基準ミラ
   ーを設け、該光干渉計から該参照ミラーまでの距離と該
   光干渉計から該外部基準ミラーまでの距離との差を測定
   し、該測定結果を利用して該被測定物面に接触する該一
   端の位置ずれ量を求めた結果によって前記形状測定の補
   正を行ったことを特徴とする触針プローブ。