測定用プローブ
【課題】 測定用プローブの個体差を低減し、メンテナンス性を向上させる分離型のプローブ構成を提供する。
【解決手段】 先端に被測定面２ａに接触するスタイラス１２と他端部にレーザ光を反射する反射面１３を形成した可動部材１１と、可動部材を軸の中心部に保持する空気軸受１７と、空気軸受を保持する第１ハウジング部４０と、反射面１３にレーザ光を集光するレンズ２２と、このレンズを保持する第２ハウジング部５０とを備え、第１ハウジング部４０と第２ハウジング部５０をそれぞれ両者を前記レンズ及び前記反射面が前記レーザ光の光軸と一致するように着脱自在に装着可能としているので、レーザ光を集光するレンズ２２を生産時に装着した後は、点検時などにレンズ２２の取り外しを行う必要がない。
【解決手段】 先端に被測定面２ａに接触するスタイラス１２と他端部にレーザ光を反射する反射面１３を形成した可動部材１１と、可動部材を軸の中心部に保持する空気軸受１７と、空気軸受を保持する第１ハウジング部４０と、反射面１３にレーザ光を集光するレンズ２２と、このレンズを保持する第２ハウジング部５０とを備え、第１ハウジング部４０と第２ハウジング部５０をそれぞれ両者を前記レンズ及び前記反射面が前記レーザ光の光軸と一致するように着脱自在に装着可能としているので、レーザ光を集光するレンズ２２を生産時に装着した後は、点検時などにレンズ２２の取り外しを行う必要がない。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学部品や金型などの被測定物の表面に接触して被測定物の自由曲面の表面形状測定、面粗さや段差の形状測定などを高精度に測定する二次元又は三次元の形状測定装置に用いられる測定用プローブに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光学部品や金型などの被測定物の非球面物体の表面形状を高精度に測定する装置として、被測定物の表面に接触するプローブを備えた形状測定装置が広く用いられている。形状測定装置は、被測定物の表面に接触する測定プローブを有し、この測定プローブを被測定物に接触させた状態で、両者がほぼ一定の力になるように測定プローブ高さ位置を制御しつつ、被測定物の表面に沿って相対的に移動させ、測定プローブと基準面の位置関係から被測定物の表面形状を測定するものである。
【０００３】
ここで、従来の３次元形状測定装置について説明する。図５は、３次元形状測定装置の概略構成図である。３次元形状測定装置１００は、図５において、石定盤１上に載置されたレンズ等の被測定物２の測定面２ａに、移動体１０３に取り付けられた測定用プローブ１０５の先端を追従させて、被測定物２の表面形状を測定するように構成されている。被測定物２が搭載されている石定盤１０１には、支持部を介してＸ参照ミラー１０６、Ｙ参照ミラー１０７、Ｚ参照ミラー１０８がそれぞれ配置されている。
【０００４】
測定用プローブ１０５が設けられた移動体１０３には、Ｘステージ１０９およびＹステージ１１０が設けられており、被測定物２の測定面２aの表面形状に追従してＸ軸方向、Ｙ軸方向に移動体１０３と測定用プローブ１０５を移動できる構成となっている。
【０００５】
さらに、移動体１０３にはレーザ測長光学系１０４が設けられており、測定用プローブ１０５の位置情報として、光干渉法によって、Ｘ参照ミラー１０６を基準としてＸ座標、Ｙ参照ミラー１０７を基準としてＹ座標、Ｚ参照ミラー１０８を基準としてＺ座標がそれぞれ測長され、被測定物の表面形状を測定した時の測定用プローブ１０５の位置情報を得ることができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
ここで、測定用プローブ１０５は、測定用プローブ１０５の先端に設けられたスタイラスに加わる力がほぼ一定の力になるようにその位置を制御するため、位置測定機構によってその相対位置が検出され、オートフォーカス制御されている。図６は、三次元形状測定装置におけるプローブの構成を示す模式図である。
【０００７】
測定用プローブ１０５は、スタイラス１１２及び反射部材１１３を備えた可動部材１１１を有しており、可動部材１１１は、Ｚ方向の移動を弾性的に規制する弾性部材、具体的には板ばね１１４によって支えられている。可動部材１１１は板ばね１１４に吊るされた状態で被測定面２ａに追従して上下するように駆動機構が設けられる。
【０００８】
上述の位置測定機構は、可動部材１１１とガイド部１１５の相対位置を、レーザ光を用いて測定する。すなわち、光源１１７からの光をダイクロックミラー１２１により反射させて可動部材１１１に到達させ、可動部材からの反射光をピンホール板１２５ａ，１２５ｂを透過させてセンサ１２６ａ，１２６ｂにより受光する。センサ１２６ａ，１２６ｂの出力は誤差信号発生部１２７に入力され、当該誤差信号発生部１２７からのフォーカス誤差信号がサーボ回路１２８に送信される。駆動機構１２９は、サーボ回路１２８からの信号を受けて、相対位置測定機構から得られた可動部材１１１とガイド部１１５の相対位置がほぼ一定になるように測定用プローブを移動させ、可動部材１１１のガイド部１１５に対するＺ方向の相対位置が所定位置になるように制御する。これにより、被測定面２ａに対して常に一定の測定押圧で測定が行われる。（例えば、特許文献２参照）。
【０００９】
上記の測定用プローブの具体的な構成を図７を用いて説明する。プローブ本体１１６は、箱状のケーシング１３０で形成され、その下部に円筒形のハウジング１３２を有するプローブ先部１０５を脱着可能に装着している。プローブ先部１０５先端部には、空気軸受１３１が装着されており、その上部にリング状の突起部材１３３を設け、その上部に可動部材１１１を吊るした板ばね１１４を載置する。ハウジング１３２の上端部には、内側にレンズ取付け部材１３４が固定される。レンズ取付け部材１３４は、レンズ１２２を挿入した後、レンズ固定部材１３５の外周部に設けられた雄ネジをレンズ取付け部材１３４の内周部に設けた雌ネジに挿入してレンズ１２２をハウジング１３２に一体的に固定する。
【特許文献１】特開平１０−１７０２４３号公報
【特許文献２】特開平６−２６５３４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記図７に示したような従来の測定用プローブでは、スタイラス先端部の接触子の磨耗、板状の弾性部材の変位や破損などによって、測定用プローブを点検や交換する時に、プローブ先部１０５のハウジング１３２をプローブ本体１１６のケーシング１３０から取り外して行う必要があった。このとき、レンズ１２２もハウジング１３２と一体的に構成されているため、プローブ本体１１６から取り外される。よって、スタイラス先端部の接触子の磨耗などに伴う部品の交換や点検後において、レンズとレーザ光の光軸の再調整が必要であり、前記点検や交換時に長時間を要し、たとえば、当該３次元形状測定装置を使用する使用現場での作業は、多大な手間を要するものであった。
【００１１】
本発明は、装置の生産現場だけでなく、使用している現場においても部品の交換を容易にしてサービス性を向上させた測定用プローブを提供することを目的としている。さらに、コンパクトなプローブとするとともに、反射光を強くして、ノイズ成分の少ない強い干渉強度が得られる測定用プローブを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記技術的課題を解決するために、以下の構成の測定用プローブを提供する。
【００１３】
上記目的を達成するために本発明の第１態様によれば、スタイラスを被測定物の表面に沿って相対的に移動させて前記被測定物の形状を測定するときに、光源から発光されたレーザ光を光学系により反射面に導き前記反射面上で反射した反射光を受光するセンサからの出力に基づいて、前記スタイラスが前記被測定物から受ける圧力を調整可能に構成された前記形状測定装置に用いられる前記測定用プローブにおいて、
前記光学系により導かれた前記レーザ光を前記反射面上に集光させるレンズを保持するレンズ保持部材を保持する第１ハウジング部と、
一端にスタイラスを他端に前記反射面を備えた棒状の可動部材をその軸方向に移動可能に保持する軸受を保持し、前記レンズを透過したレーザ光が前記反射面に到達可能な位置に脱着自在に前記第１ハウジング部に対して連結可能に構成された第２ハウジング部と、を備える測定用プローブを提供する。
【００１４】
上記構成において、測定用プローブは、被測定物の形状を測定するために、スタイラスを被測定物表面に接触させた状態で被測定物に対して相対的に移動する。測定用プローブは、被測定物からスタイラスが受ける力を制御するために、レーザ光を用い、一端に反射面を備え軸受けによって保持される可動部材及び反射面にレーザ光を集光させるレンズ保持部材によって保持されるレンズを備える。軸受けは第２ハウジング部に保持されるとともにレンズ保持部材は第１ハウジングに保持される。第１ハウジング部と第２ハウジング部は連結した時に、前記レンズ及び前記反射面が前記レーザ光の光軸と一致するように脱着自在に構成されているため、連結時においては、可動部材の位置測定を行うことができ、また、可動部材を第１ハウジングから分離して点検・交換などの作業をすることができる。
【００１５】
本発明の第２態様によれば、前記第１及び第２ハウジング部は、一方の端部に他方に挿入される挿入部を備え、
前記他方の端部に前記挿入部が嵌め込まれる受け部と、前記挿入部が前記受け部に挿入された状態で前記受け部を締め付けて固定する締め付け部とを備える第１態様の測定用プローブを提供する。
【００１６】
本発明の第３態様によれば、前記第１ハウジング部は、端部にフランジ部を備える筒形状の前記レンズ保持部材を挿入可能な大きさの穴を有する筒状部材で構成され、内壁に前記フランジ部を係止する係止部と、上端に前記光学系を収容する本体ハウジング部と連結する連結部と、を備える第１又は第２態様の測定用プローブを提供する。
【００１７】
上記構成において、第１ハウジング部は、レンズにレーザ光を導く光学系を収納する本体ハウジング部と別体で構成されており、本体ハウジング部の下方に連結することができる。したがって、第１ハウジング部の上側開口からレンズ保持部材を挿入するとともに、レンズ保持部材のフランジ部によって第１ハウジング部に対するレンズ保持部材の位置を決めることができる。
【００１８】
本発明の第４態様によれば、前記第１ハウジング部は、さらに、前記第１ハウジング部の外側に位置する操作部と、前記操作部に連動して前記第１ハウジング部でのレンズ保持部材の光軸方向の位置を変更させるように動く連動部とを備える調整機構を備え、前記操作部を動かして前記レンズの前記光軸方向の位置を調整可能である第１から第３態様のいずれか１つの測定用プローブを提供する。
【００１９】
本発明の第５態様によれば、前記調整機構は、前記第１ハウジング部の壁を貫通して軸中心に回転可能に配置され、前記第１ハウジング部の外側に位置する端部に前記操作部を備えるとともに前記第１ハウジング部の内側に位置する端部にその回転中心から偏心させて設けられた係合部を有する棒状部材で構成された前記連動部と、
前記レンズ保持部材に設けられかつ前記係合部と係合する被係合部とを備える第４態様の測定用プローブを提供する。
【００２０】
上記各構成において、第１ハウジング部に対するレンズ保持部材の位置を変更することができるようなものであれば、調整機構としてどのような機構を用いてもよく、例えば、カムとカムフォロア、ラックピニオンなどの係合により駆動力を伝達させるような機構を利用することができる。
【００２１】
本発明の第６態様によれば、前記係合部は、前記棒状部材の軸方向に延在するピンであり、
前記被係合部は、前記光軸に対して略直交する方向に延在し、前記ピンと略同じ幅を有する長穴で構成されている第１ハウジング部第５態様の測定用プローブを提供する。
【００２２】
本発明の第７態様によれば、第１から第６態様のいずれか１つの測定用プローブを用いた形状測定装置を提供する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、空気軸受を保持する第２ハウジング部と、反射面にレーザ光を集光するレンズを保持する第１ハウジング部とを備え、前記第２ハウジング部と第１ハウジング部を着脱自在に構成しているで、例えば、スタイラスの交換時などにおいてはスタイラスが保持されている第２ハウジング部のみを第１ハウジング部から取り外せばよく、レーザ光を集光するレンズを取り外す必要がない。よって、レーザ光の光軸に対してレンズの位置がずれることがなく、スタイラスの点検、交換などにおいて、従来行っていたレーザ光の光軸の再調整をする必要がなくなる。
【００２４】
また、第１及び第２ハウジング部の一方に設けられた挿入部と、他方に設けられた挿入部が嵌め込まれる受け部とによって両者を連結し、締め付け部によって受け部を締めつけるように構成すれば、両者を簡易に脱着することができる。
【００２５】
また、本発明の第３態様によれば、第１ハウジング部を本体ハウジングと脱着自在に構成しているため、本体ハウジング部の光軸方向下流側から第１ハウジング部を脱着することができる。よって、本体ハウジング部の光学系に影響を及ぼすことなく第１ハウジング部を固定することができる。またレンズを保持するレンズ保持部材を第１ハウジング部に上側から挿入し、フランジ部で係止することにより、第１ハウジング部に対するレンズ保持部材の位置を一律に決めることができ、第１ハウジング部の構成を簡単にすることができるとともにレンズの位置の調整をすることもできる。
【００２６】
また、レンズの位置を外部から調整可能とすれば、焦点距離の小さいレンズを使用した時のレンズやレンズの取付け位置のばらつき及び反射面の位置のばらつき等に対して、レンズ位置を調整することにより常にレーザ光の集光位置を反射面に合わせることができる。従って、焦点距離の小さいレンズを使用して、コンパクトに構成することができるとともに、光をより小さく集光できるので、反射光が強くなりノイズ成分の少ない強い干渉強度が得られる。また、反射面にうねり等があった時に生じる波面収差も起こりにくくなる。
【００２７】
また、レンズ保持部材に設けられた長穴と長穴に嵌入するピンによりレンズ保持部材を移動させるようにすれば、レンズ保持部材の光軸方向の位置調整のための機構を簡単な構成とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の測定用プローブを用いた一実施形態に係る測定用プローブについて、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の測定用プローブを用いた形状測定装置の概略構成を示す斜視図である。
【００２９】
形状測定装置２０は、図５に示した従来の形状測定装置１００と測定用プローブの構成以外はほぼ共通し、保持台１０に載置された被測定物２の測定面２ａに測定プローブ１の先端が接触した状態で、相対的に移動することによって、被測定物２における測定面２ａの形状について３次元測定を行う装置である。
【００３０】
形状測定装置２０は、下部石定盤１０上に固定された被測定物２に対し、測定プローブ１をＸ，Ｙ方向に移動させて、測定用プローブ１と被測定物２の測定面２ａとを相対的に走査するものである。すなわち、石定盤１０上に載置されたレンズ等の被測定物２の測定面２ａに、移動体３に取り付けられた測定用プローブ１の先端を追従させ、被測定物２の表面の各点の位置情報を測定することによって被測定物の形状を測定する。被測定物２が搭載されている石定盤１０には、支持部を介してＸ参照ミラー６、Ｙ参照ミラー７、Ｚ参照ミラー８がそれぞれ配置されている。
【００３１】
測定用プローブ１が設けられた移動体３には、Ｘステージ９ａおよびＹステージ９ｂが設けられており、測定用プローブ１を被測定物２の測定面２aの表面形状に追従してＸ軸方向、Ｙ軸方向に移動体３と移動させる。測定用プローブ１は、Ｚ軸方向への自重分はばね３９ａにより支持されており、また、後述するようにリニアモータ３９によりＺ軸方向へ移動可能に構成される。
【００３２】
さらに、移動体３にはレーザ測長光学系４が設けられており、測定用プローブ１の位置情報として、光干渉法によって、Ｘ参照ミラー６を基準としてＸ座標、Ｙ参照ミラー７を基準としてＹ座標、Ｚ参照ミラー８を基準としてＺ座標がそれぞれ測長されることにより、被測定物の表面形状を測定した時のスタイラスの位置情報を得ることができる
【００３３】
次に測定用プローブ１について説明する。測定用プローブ１は、移動体３に設けられており、プローブ本体１６と、その下部に装着されたプローブ先部１５とを備える。プローブ本体１６は、ケーシング２１の中に、プローブ先部１５に光源２７からのレーザ光Ｇを到達させる光学系と当該レーザ光Ｇの反射光を受光するセンサ３６ａ，３６ｂを収容する。これらは、後述するように測定用プローブ１は、先端に設けられたスタイラス１２に加わる力がほぼ一定の力になるように当該センサ３６ａ，３６ｂの出力に基づいてオートフォーカス制御によりその位置を調整する制御に用いられる。
【００３４】
図２は、本発明の実施の形態にかかる測定用プローブの断面図である。プローブ先部１５は、プローブ本体１６のケーシング２１下部と脱着自在に連結し、プローブ本体１６のケーシング２１に連結する第１ハウジング部５０及び第１ハウジング部５０の下端側へ脱着可能に連結する第２ハウジング部４０を有する。
【００３５】
第１ハウジング部５０には、レーザ光Ｆｚを反射面１３に集光するレンズ２２が保持されている。また、第２ハウジング部４０には、先端に被測定面２ａに接触するスタイラス１２と他端部にレーザ光を反射する反射面１３を形成した可動部材１１を保持する空気軸受１７が装着されている。
【００３６】
プローブ先部１５の具体的構成について説明する。最初に第２ハウジング部４０について説明する。図３は、図２の測定用プローブの第２ハウジング部の分解斜視図である。第２ハウジング部４０は、第１ハウジング５０に挿入される薄肉部４０ａを上端に備えまた軸受固定用の細径部４０ｂを下端に備えた円筒形状のハウジング本体４９を備える。ハウジング本体４９の薄肉部４０ａは、第１ハウジング部５０のハウジング本体６５の下端に設けられた受け部５０ａ（図４参照）に嵌入して、第２ハウジング部４０を第１ハウジング部の下側に連結する。
【００３７】
軸受固定用細径部４０ｂは、空気軸受１７を嵌入した状態で保持する。空気軸受１７は、図３に示すように、その軸受本体４２に空気を誘導する通路４１を備え、この通路４１に小さな孔を開けて軸としての可動部材１１に送風して軸受けを形成している。軸受本体４２の上面側４４には、後述するように可動部材１１が挿入されたときその弾性部材１４と接触する位置決め部（図示なし）で位置決めされた２個の鋼球４５が載置される。また、空気軸受１７の外壁は、第２のハウジング部のハウジング本体４９で形成し、空気軸受１７の通路４１に空気を送る空気継ぎ手４６と空気を外部に放出する排出口４７がハウジング本体４９に設けられている。空気軸受１７は、軸受本体４２に可動部材１１を挿入した状態では、可動部材１１をＺ軸方向にのみ移動可能で、Ｘ軸方向及びＹ軸方向へは移動させることなく保持する。
【００３８】
可動部材１１の先端（図３において下端）には、可動部材のネジ穴１１ａと雄ネジ１２ａで螺合したスタイラス１２が固定されている。スタイラス１２は、被測定面２ａに接触する部材であり、スタイラス１２の先端部にはルビーやダイヤモンドの接触子４３が固着されている。また、可動部材の他端（図３において上端）には、板バネで構成された弾性部材１４が設けられている。また、弾性部材１４の表面には、部分的にレーザ光を反射する反射面１３が設けられている。スタイラス１２及び反射面１３を備える可動部材１１は、可動部材１１の他端部に固着された弾性部材１４によって吊るされた状態で支えられる。
【００３９】
弾性部材１４は、軸受け本体上面４４に位置決めされた２個の鋼球４５の上に載置され点接触で支持される。スタイラス１２の先端に設けられた接触子４３が被測定物２の表面２ａに接触し、被測定物２から上向きの力を受けると、その力に応じて可動部材１１がＺ軸方向上側に移動し、その結果、板バネの表面に設けられた反射面１３のＺ軸方向位置が変化する。反射面１３の位置は後述するように、レーザによるオートフォーカス制御により、測定プローブ１全体のＺ軸方向への移動によって一定位置に維持され、スタイラスが被測定物２の表面から受ける力が一定になるように調整されるようになっている。
【００４０】
次に、第１ハウジング部５０について説明する。図４は図２の測定用プローブの第１ハウジング部の分解斜視図である。第１ハウジング部５０は、レーザを集光するための集光レンズ２２を固定するレンズ取付部材５１、プローブ本体１６のケーシング２１と連結するプローブ取付部材５３、プローブ取付部材５３と連結し、レンズ取付部材５１を固定するハウジング本体６５とを備える。
【００４１】
レンズ取付部材５１は、上端にフランジ部５１ａが設けられた円筒状部材であり、その外壁の中間部分に軸方向に直交する方向に延在する長穴６２が設けられている。長穴６２は、レンズ取付部材５１の軸方向の幅が短い長穴であり、その幅は後述するピン６０の幅と略同じに形成されている。レンズ取り付け部材は、通し穴の下部にネジ５１ｂに形成されており、レンズ２２を通し穴の下部から挿入した後、外周に当該ネジ５１ｂと螺合するようにネジ切り５２ａされたレンズ固定部材５２をネジ止めして固定する。すなわち、レンズ取付部材５１の下部には雌ネジを、レンズ固定部材５２には雄ネジを形成し、レンズ固定部材５２を回転して固定する。
【００４２】
プローブ取付部材５３は、筒状に構成され、プローブ取付部材５３の外壁上部には、プローブ本体１６のケーシング２１と螺合するためのネジ５３ａが設けられている。筒の開口は、その上部がレンズ取付部材５１のフランジ部５１ａの外径寸法よりも小径に構成される一方、その下部がレンズ取付部材５１のフランジ部５１ａの外径寸法よりも大径に構成される。プローブ取付部材の内周壁にはネジ５３ｂが設けられており、ハウジング本体６５の上部に設けられたネジ５０ｂと螺合する。
【００４３】
ハウジング本体６５は、上部にプローブ取付部材５３と連結するためのネジ５０ｂが設けられ、下部に第２ハウジング部の挿入部４０ａが挿入される受け部５０ａ及び当該受け部５０ａを締め付ける締め付け部５５が設けられた筒状部材である。締め付け部５５は、ハウジング本体６５の壁に軸方向に直交して設けられた切込５４及び当該切込５４により形成された締め付け片５５ａ及び締め付け片５５ａの両端部に設けられた２つの固定用小片５５ｂから構成される。固定用小片５５ｂは、それぞれ対応する位置に雌ネジが設けられており、固定用ツマミ５６を当該雌ネジに廻し込んでいくことにより、２つの固定用小片５５ｂが近接して、締め付け片５５ａが締め付けられる。第２ハウジング部４０に設けた挿入部４０ａ及び第１のハウジング５０に設けた受け部５０ａは面接触で連結されるので、第１及び第２ハウジング部がレンズと反射面とが平行になるように連結される。よって、着脱時に光軸のズレが起りにくくなる。
【００４４】
第１ハウジング部５０は、レンズ２２を固定したレンズ取付部材５１を、ハウジング本体６５に挿入した状態で、プローブ取付部材５３とハウジング本体６５とをネジ止めして組み立てられる。プローブ取付部材５３とハウジング本体６５は、両者を完全にネジ止めした時に、図２に示すように、レンズ取付部材５１のフランジ５１ａ上面とプローブ取付部材５３の間に隙間Ｌが形成されるように構成される。レンズ取付部材５１は、この隙間Ｌの幅でＺ軸方向へ移動可能であり、この隙間の幅が後述するレンズ２２の調整範囲となる。
【００４５】
レンズ取付部材５１の位置調整は、ハウジング本体６５に設けられた位置調整ツマミ５９を操作することにより行う。位置調整ツマミ５９は、ハウジング本体の外壁を貫通して設けられたネジ状の部材であり、その先端部に位置調整ツマミ５９の回転軸に対して偏心して形成されたピン６０を備える。ピン６０は、長穴６２に挿入されてレンズ取付部材５１と係合する。操作者が位置調整ツマミ５９を回転させると偏心して設けられているピン６０が上下に移動し、係合するレンズ取付部材５１は、ピンの上下動に応じてレンズ２２とともにＺ軸方向へ移動する。位置調整ツマミ５９を操作してレンズ２２の位置を所望の位置に調整した後、ビス６３でレンズ取付部材５１を固定する。
【００４６】
本実施形態にかかるプローブを組み立てるには、まず、第２ハウジング部４０と第１ハウジング部５０とを連結する。上述のように第１ハウジング部５０のハウジング本体６５の受け部５０ａには、締め付け片５５ａと固定用小片部５５ｂとが形成されており、第２ハウジングの挿入部４０ａを第１ハウジング部５０に挿入して固定用ツマミ５６を廻して締め付け片５５ａを締めることによって、第１のハウジング５０と第２のハウジング４０とがしっかりと固定する。第２ハウジング部４０と第１ハウジング部５０の接触面、すなわち、第２ハウジング部４０では接触面５７，第１ハウジング部５０では接触面５８はともに面形状であり、両者を面接触で固定するため、両者の相対位置が一定になる。
【００４７】
次に、第２ハウジング部４０と第１ハウジング部５０が連結したプローブ先端部１５を、プローブ本体１６の下部にネジ止めする。すなわち、プローブ取付部材５３のネジ部５３ａをケーシング２１に設けられたネジ穴に螺合させてプローブ先部１５をプローブ本体１６に取り付ける。
【００４８】
プローブ本体１６は、ケーシング２１中に可動部材１１または反射部材１３とレンズ２２の相対位置を測定する光学部材を備え、相対位置測定で得られたデータから可動部材１１または反射部材１３とレンズ２２の相対位置がほぼ一定になるようにオートフォーカス制御に用いる。これにより、被測定面２ａに対して常に一定の測定押圧で測定が行われる。
【００４９】
プローブ本体は、相対位置を測定する光学部材として、半導体レーザ２７、コリメートレンズ２８、偏光ビームスプリッタ２９、λ／４波長板３０、ダイクロックミラー３１、レンズ３３、ハーフミラー３４、ピンホール板３５ａ、３５ｂ、光検出器３６ａ、３６ｂを備える。
【００５０】
半導体レーザ２７はレーザ光Ｇを発光する。半導体レーザ２７から発光されたレーザ光Ｇが、コリメートレンズ２８、偏光ビームスプリッタ２９、λ／４波長板３０をそれぞれ通過した後、ダイクロックミラー３１で反射し、プローブ先部に到達する。プローブ先部では、レーザ光がレンズ２２によって可動部材１１の反射面１３上に集光する。
【００５１】
反射面１３により反射されたレーザ光Ｇはレンズ２２に戻り、ダイクロックミラー３１及び偏光ビームスプリッタ２９で全反射し、レンズ３３で集光されるとともにハーフミラー３４で２つに分離され、それぞれピンホール板３５ａ、３５ｂを通過して２つの光検出器３６ａ、３６ｂで受光される。
【００５２】
２つの光検出器３６ａ、３６ｂによる検出出力は誤差信号発生部３７に入力される。誤差信号発生部３７からはフォーカス誤差信号がサーボ回路３８に出力され、サーボ回路３８にてリニアモータ３９が駆動制御されて、フォーカス誤差信号がゼロになるような位置にフォーカシングされる。プローブ本体１６が上記フォーカシングされた位置にあるときは、スタイラスは所定の測定力で被測定物に当接する。
【００５３】
上記のように、本実施形態にかかる測定用プローブによれば、可動部材１１を保持する空気軸受１７と、レンズ２２とをそれぞれ別のハウジング部４０，５０によりを保持するとともに、両ハウジング４０，５０を着脱自在に装着可能としているので、レーザ光を集光するレンズ２２を工場での生産時に装着してしまえば、その後、使用時に取り外しを行う必要が無くなる。従って、スタイラス１２の接触子４３が磨耗した時や弾性部材１４が破損した時には、第２ハウジング部４０を第１ハウジング部５０から取外して簡単に交換や点検を行うことができ、サービス性が良くなる。すなわち、レンズ２２をプローブ本体から取外す必要がないため、例えば接触子４３が磨耗した時のスタイラスの交換などの作業において、従来行っていたレンズ２２とレーザ光の光軸の調整をする必要がない。
【００５４】
また、第１ハウジング部５０と第２ハウジング部４０を連結する際に、一方のハウジング部の端部を他方に挿入される挿入部４０ａを備え、他方のハウジング部の端部に前記挿入部４０ａが嵌め込まれる受け部５０ａ及び前記挿入部４０ａが挿入された状態で、前記受部５０ａを締め付けて固定する締め付け部材とを備えているので、着脱時に他の部分に悪影響を与えることがなくなる。すなわち、第２ハウジング部４０と第１ハウジング部５０とを螺合するように構成すると、第２ハウジング部４０と第１ハウジング部５０の着脱時に、プローブ本体１６のケーシング２１とプローブ取付部材５３とのネジ止め部や、第１ハウジング部５０の本体６５とプローブ取付部材５３とはネジ止め部が緩むおそれがあり、プローブ先部１５とプローブ本体１６とが緩んで光軸がずれて測定が不安定にある可能性がある。上記実施態様においては、このような問題を防止することができる。
【００５５】
また、レンズ２２の位置を外部から調整可能としているので、焦点距離の小さいレンズを使用した場合のレンズ２２やレンズ２２の取付け位置のバラツキ及び反射面１３の位置のバラツキ等に対して、レンズ位置を調整することにより常にレーザ光Ｆｚの集光位置を反射面１３に合わせることができる。したがって、焦点距離の小さいレンズを使用して、コンパクトに構成することができるとともに、光をより小さく集光することができる。よって、反射光が強くなりノイズ成分の少ない強い干渉強度が得られると共に、反射面にうねり等があった時に生じる波面収差も起こりにくくなる。すなわち、焦点距離が大きく焦点深度の大きい焦点距離が長いレンズを使用する必要がないため、プローブが大きくなるという問題を解消することができる。
【００５６】
また、第２ハウジング部４０と第１ハウジング部５０の接触面、すなわち、第２ハウジング部４０では接触面５７、第１ハウジング部５０では接触面５８はともに面形状として、面接触で装着可能としているので、レンズと反射面とが平行に装着し易くなり、着脱時に起り易い光軸のズレが起りにくくなるとともに作業性がよくなる。
【００５７】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施可能である。たとえば、プローブ本体のハウジング、第１及び第２ハウジング部４０，５０をそれぞれ連結するための構造は、上記実施形態に限定されるものではない。たとえば、第２ハウジング部４０に第１ハウジング部５０を嵌め込むように構成してもよいし、ネジ機構により両者を連結するように構成してもよい。
【００５８】
また、第１及び第２ハウジング部４０，５０が脱着可能に分離されていることが必要であるが、プローブ本体のハウジングと第１ハウジング部とは必ずしも別部材で構成されている必要はなく、両者が一体的に構成されていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明の測定用プローブは、光学部品や金型等の非球面物体の表面形状を測定する三次元形状測定装置だけでなく、半導体製造用のウエハや磁気記憶ディスクなどの薄板材の平坦度や厚み等を測定する形状測定装置等の測定用プローブに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施の形態における測定用プローブを用いた形状測定装置の構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態における測定用プローブの断面図である。
【図３】図２の測定用プローブの本発明の第２ハウジング部の分解斜視図である。
【図４】図２の測定用プローブの本発明の第１ハウジング部の分解斜視図である。
【図５】従来の三次元形状測定装置の全体概略斜視図である。
【図６】従来の三次元形状測定装置における位置測定機構の構成図である。
【図７】従来の三次元形状測定装置のプローブの一例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００６１】
１ 測定用プローブ
２ 被測定物
２ａ 被測定面
１１ 可動部材
１２ スタイラス
１３ 反射面
１５ プローブ先部
１６ プローブ本体
２２ レンズ
３１ 空気軸受
４０ 第２ハウジング部
５０ 第１ハウジング部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学部品や金型などの被測定物の表面に接触して被測定物の自由曲面の表面形状測定、面粗さや段差の形状測定などを高精度に測定する二次元又は三次元の形状測定装置に用いられる測定用プローブに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光学部品や金型などの被測定物の非球面物体の表面形状を高精度に測定する装置として、被測定物の表面に接触するプローブを備えた形状測定装置が広く用いられている。形状測定装置は、被測定物の表面に接触する測定プローブを有し、この測定プローブを被測定物に接触させた状態で、両者がほぼ一定の力になるように測定プローブ高さ位置を制御しつつ、被測定物の表面に沿って相対的に移動させ、測定プローブと基準面の位置関係から被測定物の表面形状を測定するものである。
【０００３】
ここで、従来の３次元形状測定装置について説明する。図５は、３次元形状測定装置の概略構成図である。３次元形状測定装置１００は、図５において、石定盤１上に載置されたレンズ等の被測定物２の測定面２ａに、移動体１０３に取り付けられた測定用プローブ１０５の先端を追従させて、被測定物２の表面形状を測定するように構成されている。被測定物２が搭載されている石定盤１０１には、支持部を介してＸ参照ミラー１０６、Ｙ参照ミラー１０７、Ｚ参照ミラー１０８がそれぞれ配置されている。
【０００４】
測定用プローブ１０５が設けられた移動体１０３には、Ｘステージ１０９およびＹステージ１１０が設けられており、被測定物２の測定面２aの表面形状に追従してＸ軸方向、Ｙ軸方向に移動体１０３と測定用プローブ１０５を移動できる構成となっている。
【０００５】
さらに、移動体１０３にはレーザ測長光学系１０４が設けられており、測定用プローブ１０５の位置情報として、光干渉法によって、Ｘ参照ミラー１０６を基準としてＸ座標、Ｙ参照ミラー１０７を基準としてＹ座標、Ｚ参照ミラー１０８を基準としてＺ座標がそれぞれ測長され、被測定物の表面形状を測定した時の測定用プローブ１０５の位置情報を得ることができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
ここで、測定用プローブ１０５は、測定用プローブ１０５の先端に設けられたスタイラスに加わる力がほぼ一定の力になるようにその位置を制御するため、位置測定機構によってその相対位置が検出され、オートフォーカス制御されている。図６は、三次元形状測定装置におけるプローブの構成を示す模式図である。
【０００７】
測定用プローブ１０５は、スタイラス１１２及び反射部材１１３を備えた可動部材１１１を有しており、可動部材１１１は、Ｚ方向の移動を弾性的に規制する弾性部材、具体的には板ばね１１４によって支えられている。可動部材１１１は板ばね１１４に吊るされた状態で被測定面２ａに追従して上下するように駆動機構が設けられる。
【０００８】
上述の位置測定機構は、可動部材１１１とガイド部１１５の相対位置を、レーザ光を用いて測定する。すなわち、光源１１７からの光をダイクロックミラー１２１により反射させて可動部材１１１に到達させ、可動部材からの反射光をピンホール板１２５ａ，１２５ｂを透過させてセンサ１２６ａ，１２６ｂにより受光する。センサ１２６ａ，１２６ｂの出力は誤差信号発生部１２７に入力され、当該誤差信号発生部１２７からのフォーカス誤差信号がサーボ回路１２８に送信される。駆動機構１２９は、サーボ回路１２８からの信号を受けて、相対位置測定機構から得られた可動部材１１１とガイド部１１５の相対位置がほぼ一定になるように測定用プローブを移動させ、可動部材１１１のガイド部１１５に対するＺ方向の相対位置が所定位置になるように制御する。これにより、被測定面２ａに対して常に一定の測定押圧で測定が行われる。（例えば、特許文献２参照）。
【０００９】
上記の測定用プローブの具体的な構成を図７を用いて説明する。プローブ本体１１６は、箱状のケーシング１３０で形成され、その下部に円筒形のハウジング１３２を有するプローブ先部１０５を脱着可能に装着している。プローブ先部１０５先端部には、空気軸受１３１が装着されており、その上部にリング状の突起部材１３３を設け、その上部に可動部材１１１を吊るした板ばね１１４を載置する。ハウジング１３２の上端部には、内側にレンズ取付け部材１３４が固定される。レンズ取付け部材１３４は、レンズ１２２を挿入した後、レンズ固定部材１３５の外周部に設けられた雄ネジをレンズ取付け部材１３４の内周部に設けた雌ネジに挿入してレンズ１２２をハウジング１３２に一体的に固定する。
【特許文献１】特開平１０−１７０２４３号公報
【特許文献２】特開平６−２６５３４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記図７に示したような従来の測定用プローブでは、スタイラス先端部の接触子の磨耗、板状の弾性部材の変位や破損などによって、測定用プローブを点検や交換する時に、プローブ先部１０５のハウジング１３２をプローブ本体１１６のケーシング１３０から取り外して行う必要があった。このとき、レンズ１２２もハウジング１３２と一体的に構成されているため、プローブ本体１１６から取り外される。よって、スタイラス先端部の接触子の磨耗などに伴う部品の交換や点検後において、レンズとレーザ光の光軸の再調整が必要であり、前記点検や交換時に長時間を要し、たとえば、当該３次元形状測定装置を使用する使用現場での作業は、多大な手間を要するものであった。
【００１１】
本発明は、装置の生産現場だけでなく、使用している現場においても部品の交換を容易にしてサービス性を向上させた測定用プローブを提供することを目的としている。さらに、コンパクトなプローブとするとともに、反射光を強くして、ノイズ成分の少ない強い干渉強度が得られる測定用プローブを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記技術的課題を解決するために、以下の構成の測定用プローブを提供する。
【００１３】
上記目的を達成するために本発明の第１態様によれば、スタイラスを被測定物の表面に沿って相対的に移動させて前記被測定物の形状を測定するときに、光源から発光されたレーザ光を光学系により反射面に導き前記反射面上で反射した反射光を受光するセンサからの出力に基づいて、前記スタイラスが前記被測定物から受ける圧力を調整可能に構成された前記形状測定装置に用いられる前記測定用プローブにおいて、
前記光学系により導かれた前記レーザ光を前記反射面上に集光させるレンズを保持するレンズ保持部材を保持する第１ハウジング部と、
一端にスタイラスを他端に前記反射面を備えた棒状の可動部材をその軸方向に移動可能に保持する軸受を保持し、前記レンズを透過したレーザ光が前記反射面に到達可能な位置に脱着自在に前記第１ハウジング部に対して連結可能に構成された第２ハウジング部と、を備える測定用プローブを提供する。
【００１４】
上記構成において、測定用プローブは、被測定物の形状を測定するために、スタイラスを被測定物表面に接触させた状態で被測定物に対して相対的に移動する。測定用プローブは、被測定物からスタイラスが受ける力を制御するために、レーザ光を用い、一端に反射面を備え軸受けによって保持される可動部材及び反射面にレーザ光を集光させるレンズ保持部材によって保持されるレンズを備える。軸受けは第２ハウジング部に保持されるとともにレンズ保持部材は第１ハウジングに保持される。第１ハウジング部と第２ハウジング部は連結した時に、前記レンズ及び前記反射面が前記レーザ光の光軸と一致するように脱着自在に構成されているため、連結時においては、可動部材の位置測定を行うことができ、また、可動部材を第１ハウジングから分離して点検・交換などの作業をすることができる。
【００１５】
本発明の第２態様によれば、前記第１及び第２ハウジング部は、一方の端部に他方に挿入される挿入部を備え、
前記他方の端部に前記挿入部が嵌め込まれる受け部と、前記挿入部が前記受け部に挿入された状態で前記受け部を締め付けて固定する締め付け部とを備える第１態様の測定用プローブを提供する。
【００１６】
本発明の第３態様によれば、前記第１ハウジング部は、端部にフランジ部を備える筒形状の前記レンズ保持部材を挿入可能な大きさの穴を有する筒状部材で構成され、内壁に前記フランジ部を係止する係止部と、上端に前記光学系を収容する本体ハウジング部と連結する連結部と、を備える第１又は第２態様の測定用プローブを提供する。
【００１７】
上記構成において、第１ハウジング部は、レンズにレーザ光を導く光学系を収納する本体ハウジング部と別体で構成されており、本体ハウジング部の下方に連結することができる。したがって、第１ハウジング部の上側開口からレンズ保持部材を挿入するとともに、レンズ保持部材のフランジ部によって第１ハウジング部に対するレンズ保持部材の位置を決めることができる。
【００１８】
本発明の第４態様によれば、前記第１ハウジング部は、さらに、前記第１ハウジング部の外側に位置する操作部と、前記操作部に連動して前記第１ハウジング部でのレンズ保持部材の光軸方向の位置を変更させるように動く連動部とを備える調整機構を備え、前記操作部を動かして前記レンズの前記光軸方向の位置を調整可能である第１から第３態様のいずれか１つの測定用プローブを提供する。
【００１９】
本発明の第５態様によれば、前記調整機構は、前記第１ハウジング部の壁を貫通して軸中心に回転可能に配置され、前記第１ハウジング部の外側に位置する端部に前記操作部を備えるとともに前記第１ハウジング部の内側に位置する端部にその回転中心から偏心させて設けられた係合部を有する棒状部材で構成された前記連動部と、
前記レンズ保持部材に設けられかつ前記係合部と係合する被係合部とを備える第４態様の測定用プローブを提供する。
【００２０】
上記各構成において、第１ハウジング部に対するレンズ保持部材の位置を変更することができるようなものであれば、調整機構としてどのような機構を用いてもよく、例えば、カムとカムフォロア、ラックピニオンなどの係合により駆動力を伝達させるような機構を利用することができる。
【００２１】
本発明の第６態様によれば、前記係合部は、前記棒状部材の軸方向に延在するピンであり、
前記被係合部は、前記光軸に対して略直交する方向に延在し、前記ピンと略同じ幅を有する長穴で構成されている第１ハウジング部第５態様の測定用プローブを提供する。
【００２２】
本発明の第７態様によれば、第１から第６態様のいずれか１つの測定用プローブを用いた形状測定装置を提供する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、空気軸受を保持する第２ハウジング部と、反射面にレーザ光を集光するレンズを保持する第１ハウジング部とを備え、前記第２ハウジング部と第１ハウジング部を着脱自在に構成しているで、例えば、スタイラスの交換時などにおいてはスタイラスが保持されている第２ハウジング部のみを第１ハウジング部から取り外せばよく、レーザ光を集光するレンズを取り外す必要がない。よって、レーザ光の光軸に対してレンズの位置がずれることがなく、スタイラスの点検、交換などにおいて、従来行っていたレーザ光の光軸の再調整をする必要がなくなる。
【００２４】
また、第１及び第２ハウジング部の一方に設けられた挿入部と、他方に設けられた挿入部が嵌め込まれる受け部とによって両者を連結し、締め付け部によって受け部を締めつけるように構成すれば、両者を簡易に脱着することができる。
【００２５】
また、本発明の第３態様によれば、第１ハウジング部を本体ハウジングと脱着自在に構成しているため、本体ハウジング部の光軸方向下流側から第１ハウジング部を脱着することができる。よって、本体ハウジング部の光学系に影響を及ぼすことなく第１ハウジング部を固定することができる。またレンズを保持するレンズ保持部材を第１ハウジング部に上側から挿入し、フランジ部で係止することにより、第１ハウジング部に対するレンズ保持部材の位置を一律に決めることができ、第１ハウジング部の構成を簡単にすることができるとともにレンズの位置の調整をすることもできる。
【００２６】
また、レンズの位置を外部から調整可能とすれば、焦点距離の小さいレンズを使用した時のレンズやレンズの取付け位置のばらつき及び反射面の位置のばらつき等に対して、レンズ位置を調整することにより常にレーザ光の集光位置を反射面に合わせることができる。従って、焦点距離の小さいレンズを使用して、コンパクトに構成することができるとともに、光をより小さく集光できるので、反射光が強くなりノイズ成分の少ない強い干渉強度が得られる。また、反射面にうねり等があった時に生じる波面収差も起こりにくくなる。
【００２７】
また、レンズ保持部材に設けられた長穴と長穴に嵌入するピンによりレンズ保持部材を移動させるようにすれば、レンズ保持部材の光軸方向の位置調整のための機構を簡単な構成とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の測定用プローブを用いた一実施形態に係る測定用プローブについて、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の測定用プローブを用いた形状測定装置の概略構成を示す斜視図である。
【００２９】
形状測定装置２０は、図５に示した従来の形状測定装置１００と測定用プローブの構成以外はほぼ共通し、保持台１０に載置された被測定物２の測定面２ａに測定プローブ１の先端が接触した状態で、相対的に移動することによって、被測定物２における測定面２ａの形状について３次元測定を行う装置である。
【００３０】
形状測定装置２０は、下部石定盤１０上に固定された被測定物２に対し、測定プローブ１をＸ，Ｙ方向に移動させて、測定用プローブ１と被測定物２の測定面２ａとを相対的に走査するものである。すなわち、石定盤１０上に載置されたレンズ等の被測定物２の測定面２ａに、移動体３に取り付けられた測定用プローブ１の先端を追従させ、被測定物２の表面の各点の位置情報を測定することによって被測定物の形状を測定する。被測定物２が搭載されている石定盤１０には、支持部を介してＸ参照ミラー６、Ｙ参照ミラー７、Ｚ参照ミラー８がそれぞれ配置されている。
【００３１】
測定用プローブ１が設けられた移動体３には、Ｘステージ９ａおよびＹステージ９ｂが設けられており、測定用プローブ１を被測定物２の測定面２aの表面形状に追従してＸ軸方向、Ｙ軸方向に移動体３と移動させる。測定用プローブ１は、Ｚ軸方向への自重分はばね３９ａにより支持されており、また、後述するようにリニアモータ３９によりＺ軸方向へ移動可能に構成される。
【００３２】
さらに、移動体３にはレーザ測長光学系４が設けられており、測定用プローブ１の位置情報として、光干渉法によって、Ｘ参照ミラー６を基準としてＸ座標、Ｙ参照ミラー７を基準としてＹ座標、Ｚ参照ミラー８を基準としてＺ座標がそれぞれ測長されることにより、被測定物の表面形状を測定した時のスタイラスの位置情報を得ることができる
【００３３】
次に測定用プローブ１について説明する。測定用プローブ１は、移動体３に設けられており、プローブ本体１６と、その下部に装着されたプローブ先部１５とを備える。プローブ本体１６は、ケーシング２１の中に、プローブ先部１５に光源２７からのレーザ光Ｇを到達させる光学系と当該レーザ光Ｇの反射光を受光するセンサ３６ａ，３６ｂを収容する。これらは、後述するように測定用プローブ１は、先端に設けられたスタイラス１２に加わる力がほぼ一定の力になるように当該センサ３６ａ，３６ｂの出力に基づいてオートフォーカス制御によりその位置を調整する制御に用いられる。
【００３４】
図２は、本発明の実施の形態にかかる測定用プローブの断面図である。プローブ先部１５は、プローブ本体１６のケーシング２１下部と脱着自在に連結し、プローブ本体１６のケーシング２１に連結する第１ハウジング部５０及び第１ハウジング部５０の下端側へ脱着可能に連結する第２ハウジング部４０を有する。
【００３５】
第１ハウジング部５０には、レーザ光Ｆｚを反射面１３に集光するレンズ２２が保持されている。また、第２ハウジング部４０には、先端に被測定面２ａに接触するスタイラス１２と他端部にレーザ光を反射する反射面１３を形成した可動部材１１を保持する空気軸受１７が装着されている。
【００３６】
プローブ先部１５の具体的構成について説明する。最初に第２ハウジング部４０について説明する。図３は、図２の測定用プローブの第２ハウジング部の分解斜視図である。第２ハウジング部４０は、第１ハウジング５０に挿入される薄肉部４０ａを上端に備えまた軸受固定用の細径部４０ｂを下端に備えた円筒形状のハウジング本体４９を備える。ハウジング本体４９の薄肉部４０ａは、第１ハウジング部５０のハウジング本体６５の下端に設けられた受け部５０ａ（図４参照）に嵌入して、第２ハウジング部４０を第１ハウジング部の下側に連結する。
【００３７】
軸受固定用細径部４０ｂは、空気軸受１７を嵌入した状態で保持する。空気軸受１７は、図３に示すように、その軸受本体４２に空気を誘導する通路４１を備え、この通路４１に小さな孔を開けて軸としての可動部材１１に送風して軸受けを形成している。軸受本体４２の上面側４４には、後述するように可動部材１１が挿入されたときその弾性部材１４と接触する位置決め部（図示なし）で位置決めされた２個の鋼球４５が載置される。また、空気軸受１７の外壁は、第２のハウジング部のハウジング本体４９で形成し、空気軸受１７の通路４１に空気を送る空気継ぎ手４６と空気を外部に放出する排出口４７がハウジング本体４９に設けられている。空気軸受１７は、軸受本体４２に可動部材１１を挿入した状態では、可動部材１１をＺ軸方向にのみ移動可能で、Ｘ軸方向及びＹ軸方向へは移動させることなく保持する。
【００３８】
可動部材１１の先端（図３において下端）には、可動部材のネジ穴１１ａと雄ネジ１２ａで螺合したスタイラス１２が固定されている。スタイラス１２は、被測定面２ａに接触する部材であり、スタイラス１２の先端部にはルビーやダイヤモンドの接触子４３が固着されている。また、可動部材の他端（図３において上端）には、板バネで構成された弾性部材１４が設けられている。また、弾性部材１４の表面には、部分的にレーザ光を反射する反射面１３が設けられている。スタイラス１２及び反射面１３を備える可動部材１１は、可動部材１１の他端部に固着された弾性部材１４によって吊るされた状態で支えられる。
【００３９】
弾性部材１４は、軸受け本体上面４４に位置決めされた２個の鋼球４５の上に載置され点接触で支持される。スタイラス１２の先端に設けられた接触子４３が被測定物２の表面２ａに接触し、被測定物２から上向きの力を受けると、その力に応じて可動部材１１がＺ軸方向上側に移動し、その結果、板バネの表面に設けられた反射面１３のＺ軸方向位置が変化する。反射面１３の位置は後述するように、レーザによるオートフォーカス制御により、測定プローブ１全体のＺ軸方向への移動によって一定位置に維持され、スタイラスが被測定物２の表面から受ける力が一定になるように調整されるようになっている。
【００４０】
次に、第１ハウジング部５０について説明する。図４は図２の測定用プローブの第１ハウジング部の分解斜視図である。第１ハウジング部５０は、レーザを集光するための集光レンズ２２を固定するレンズ取付部材５１、プローブ本体１６のケーシング２１と連結するプローブ取付部材５３、プローブ取付部材５３と連結し、レンズ取付部材５１を固定するハウジング本体６５とを備える。
【００４１】
レンズ取付部材５１は、上端にフランジ部５１ａが設けられた円筒状部材であり、その外壁の中間部分に軸方向に直交する方向に延在する長穴６２が設けられている。長穴６２は、レンズ取付部材５１の軸方向の幅が短い長穴であり、その幅は後述するピン６０の幅と略同じに形成されている。レンズ取り付け部材は、通し穴の下部にネジ５１ｂに形成されており、レンズ２２を通し穴の下部から挿入した後、外周に当該ネジ５１ｂと螺合するようにネジ切り５２ａされたレンズ固定部材５２をネジ止めして固定する。すなわち、レンズ取付部材５１の下部には雌ネジを、レンズ固定部材５２には雄ネジを形成し、レンズ固定部材５２を回転して固定する。
【００４２】
プローブ取付部材５３は、筒状に構成され、プローブ取付部材５３の外壁上部には、プローブ本体１６のケーシング２１と螺合するためのネジ５３ａが設けられている。筒の開口は、その上部がレンズ取付部材５１のフランジ部５１ａの外径寸法よりも小径に構成される一方、その下部がレンズ取付部材５１のフランジ部５１ａの外径寸法よりも大径に構成される。プローブ取付部材の内周壁にはネジ５３ｂが設けられており、ハウジング本体６５の上部に設けられたネジ５０ｂと螺合する。
【００４３】
ハウジング本体６５は、上部にプローブ取付部材５３と連結するためのネジ５０ｂが設けられ、下部に第２ハウジング部の挿入部４０ａが挿入される受け部５０ａ及び当該受け部５０ａを締め付ける締め付け部５５が設けられた筒状部材である。締め付け部５５は、ハウジング本体６５の壁に軸方向に直交して設けられた切込５４及び当該切込５４により形成された締め付け片５５ａ及び締め付け片５５ａの両端部に設けられた２つの固定用小片５５ｂから構成される。固定用小片５５ｂは、それぞれ対応する位置に雌ネジが設けられており、固定用ツマミ５６を当該雌ネジに廻し込んでいくことにより、２つの固定用小片５５ｂが近接して、締め付け片５５ａが締め付けられる。第２ハウジング部４０に設けた挿入部４０ａ及び第１のハウジング５０に設けた受け部５０ａは面接触で連結されるので、第１及び第２ハウジング部がレンズと反射面とが平行になるように連結される。よって、着脱時に光軸のズレが起りにくくなる。
【００４４】
第１ハウジング部５０は、レンズ２２を固定したレンズ取付部材５１を、ハウジング本体６５に挿入した状態で、プローブ取付部材５３とハウジング本体６５とをネジ止めして組み立てられる。プローブ取付部材５３とハウジング本体６５は、両者を完全にネジ止めした時に、図２に示すように、レンズ取付部材５１のフランジ５１ａ上面とプローブ取付部材５３の間に隙間Ｌが形成されるように構成される。レンズ取付部材５１は、この隙間Ｌの幅でＺ軸方向へ移動可能であり、この隙間の幅が後述するレンズ２２の調整範囲となる。
【００４５】
レンズ取付部材５１の位置調整は、ハウジング本体６５に設けられた位置調整ツマミ５９を操作することにより行う。位置調整ツマミ５９は、ハウジング本体の外壁を貫通して設けられたネジ状の部材であり、その先端部に位置調整ツマミ５９の回転軸に対して偏心して形成されたピン６０を備える。ピン６０は、長穴６２に挿入されてレンズ取付部材５１と係合する。操作者が位置調整ツマミ５９を回転させると偏心して設けられているピン６０が上下に移動し、係合するレンズ取付部材５１は、ピンの上下動に応じてレンズ２２とともにＺ軸方向へ移動する。位置調整ツマミ５９を操作してレンズ２２の位置を所望の位置に調整した後、ビス６３でレンズ取付部材５１を固定する。
【００４６】
本実施形態にかかるプローブを組み立てるには、まず、第２ハウジング部４０と第１ハウジング部５０とを連結する。上述のように第１ハウジング部５０のハウジング本体６５の受け部５０ａには、締め付け片５５ａと固定用小片部５５ｂとが形成されており、第２ハウジングの挿入部４０ａを第１ハウジング部５０に挿入して固定用ツマミ５６を廻して締め付け片５５ａを締めることによって、第１のハウジング５０と第２のハウジング４０とがしっかりと固定する。第２ハウジング部４０と第１ハウジング部５０の接触面、すなわち、第２ハウジング部４０では接触面５７，第１ハウジング部５０では接触面５８はともに面形状であり、両者を面接触で固定するため、両者の相対位置が一定になる。
【００４７】
次に、第２ハウジング部４０と第１ハウジング部５０が連結したプローブ先端部１５を、プローブ本体１６の下部にネジ止めする。すなわち、プローブ取付部材５３のネジ部５３ａをケーシング２１に設けられたネジ穴に螺合させてプローブ先部１５をプローブ本体１６に取り付ける。
【００４８】
プローブ本体１６は、ケーシング２１中に可動部材１１または反射部材１３とレンズ２２の相対位置を測定する光学部材を備え、相対位置測定で得られたデータから可動部材１１または反射部材１３とレンズ２２の相対位置がほぼ一定になるようにオートフォーカス制御に用いる。これにより、被測定面２ａに対して常に一定の測定押圧で測定が行われる。
【００４９】
プローブ本体は、相対位置を測定する光学部材として、半導体レーザ２７、コリメートレンズ２８、偏光ビームスプリッタ２９、λ／４波長板３０、ダイクロックミラー３１、レンズ３３、ハーフミラー３４、ピンホール板３５ａ、３５ｂ、光検出器３６ａ、３６ｂを備える。
【００５０】
半導体レーザ２７はレーザ光Ｇを発光する。半導体レーザ２７から発光されたレーザ光Ｇが、コリメートレンズ２８、偏光ビームスプリッタ２９、λ／４波長板３０をそれぞれ通過した後、ダイクロックミラー３１で反射し、プローブ先部に到達する。プローブ先部では、レーザ光がレンズ２２によって可動部材１１の反射面１３上に集光する。
【００５１】
反射面１３により反射されたレーザ光Ｇはレンズ２２に戻り、ダイクロックミラー３１及び偏光ビームスプリッタ２９で全反射し、レンズ３３で集光されるとともにハーフミラー３４で２つに分離され、それぞれピンホール板３５ａ、３５ｂを通過して２つの光検出器３６ａ、３６ｂで受光される。
【００５２】
２つの光検出器３６ａ、３６ｂによる検出出力は誤差信号発生部３７に入力される。誤差信号発生部３７からはフォーカス誤差信号がサーボ回路３８に出力され、サーボ回路３８にてリニアモータ３９が駆動制御されて、フォーカス誤差信号がゼロになるような位置にフォーカシングされる。プローブ本体１６が上記フォーカシングされた位置にあるときは、スタイラスは所定の測定力で被測定物に当接する。
【００５３】
上記のように、本実施形態にかかる測定用プローブによれば、可動部材１１を保持する空気軸受１７と、レンズ２２とをそれぞれ別のハウジング部４０，５０によりを保持するとともに、両ハウジング４０，５０を着脱自在に装着可能としているので、レーザ光を集光するレンズ２２を工場での生産時に装着してしまえば、その後、使用時に取り外しを行う必要が無くなる。従って、スタイラス１２の接触子４３が磨耗した時や弾性部材１４が破損した時には、第２ハウジング部４０を第１ハウジング部５０から取外して簡単に交換や点検を行うことができ、サービス性が良くなる。すなわち、レンズ２２をプローブ本体から取外す必要がないため、例えば接触子４３が磨耗した時のスタイラスの交換などの作業において、従来行っていたレンズ２２とレーザ光の光軸の調整をする必要がない。
【００５４】
また、第１ハウジング部５０と第２ハウジング部４０を連結する際に、一方のハウジング部の端部を他方に挿入される挿入部４０ａを備え、他方のハウジング部の端部に前記挿入部４０ａが嵌め込まれる受け部５０ａ及び前記挿入部４０ａが挿入された状態で、前記受部５０ａを締め付けて固定する締め付け部材とを備えているので、着脱時に他の部分に悪影響を与えることがなくなる。すなわち、第２ハウジング部４０と第１ハウジング部５０とを螺合するように構成すると、第２ハウジング部４０と第１ハウジング部５０の着脱時に、プローブ本体１６のケーシング２１とプローブ取付部材５３とのネジ止め部や、第１ハウジング部５０の本体６５とプローブ取付部材５３とはネジ止め部が緩むおそれがあり、プローブ先部１５とプローブ本体１６とが緩んで光軸がずれて測定が不安定にある可能性がある。上記実施態様においては、このような問題を防止することができる。
【００５５】
また、レンズ２２の位置を外部から調整可能としているので、焦点距離の小さいレンズを使用した場合のレンズ２２やレンズ２２の取付け位置のバラツキ及び反射面１３の位置のバラツキ等に対して、レンズ位置を調整することにより常にレーザ光Ｆｚの集光位置を反射面１３に合わせることができる。したがって、焦点距離の小さいレンズを使用して、コンパクトに構成することができるとともに、光をより小さく集光することができる。よって、反射光が強くなりノイズ成分の少ない強い干渉強度が得られると共に、反射面にうねり等があった時に生じる波面収差も起こりにくくなる。すなわち、焦点距離が大きく焦点深度の大きい焦点距離が長いレンズを使用する必要がないため、プローブが大きくなるという問題を解消することができる。
【００５６】
また、第２ハウジング部４０と第１ハウジング部５０の接触面、すなわち、第２ハウジング部４０では接触面５７、第１ハウジング部５０では接触面５８はともに面形状として、面接触で装着可能としているので、レンズと反射面とが平行に装着し易くなり、着脱時に起り易い光軸のズレが起りにくくなるとともに作業性がよくなる。
【００５７】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施可能である。たとえば、プローブ本体のハウジング、第１及び第２ハウジング部４０，５０をそれぞれ連結するための構造は、上記実施形態に限定されるものではない。たとえば、第２ハウジング部４０に第１ハウジング部５０を嵌め込むように構成してもよいし、ネジ機構により両者を連結するように構成してもよい。
【００５８】
また、第１及び第２ハウジング部４０，５０が脱着可能に分離されていることが必要であるが、プローブ本体のハウジングと第１ハウジング部とは必ずしも別部材で構成されている必要はなく、両者が一体的に構成されていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明の測定用プローブは、光学部品や金型等の非球面物体の表面形状を測定する三次元形状測定装置だけでなく、半導体製造用のウエハや磁気記憶ディスクなどの薄板材の平坦度や厚み等を測定する形状測定装置等の測定用プローブに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施の形態における測定用プローブを用いた形状測定装置の構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態における測定用プローブの断面図である。
【図３】図２の測定用プローブの本発明の第２ハウジング部の分解斜視図である。
【図４】図２の測定用プローブの本発明の第１ハウジング部の分解斜視図である。
【図５】従来の三次元形状測定装置の全体概略斜視図である。
【図６】従来の三次元形状測定装置における位置測定機構の構成図である。
【図７】従来の三次元形状測定装置のプローブの一例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００６１】
１ 測定用プローブ
２ 被測定物
２ａ 被測定面
１１ 可動部材
１２ スタイラス
１３ 反射面
１５ プローブ先部
１６ プローブ本体
２２ レンズ
３１ 空気軸受
４０ 第２ハウジング部
５０ 第１ハウジング部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スタイラスを被測定物の表面に沿って相対的に移動させて前記被測定物の形状を測定するときに、光源から発光されたレーザ光を光学系により反射面に導き前記反射面上で反射した反射光を受光するセンサからの出力に基づいて、前記スタイラスが前記被測定物から受ける圧力を調整可能に構成された形状測定装置に用いられる前記測定用プローブにおいて、
前記光学系により導かれた前記レーザ光を前記反射面上に集光させるレンズを保持するレンズ保持部材を保持する第１ハウジング部と、
一端にスタイラスを他端に前記反射面を備えた棒状の可動部材をその軸方向に移動可能に保持する軸受を保持し、前記レンズ及び前記反射面が前記レーザ光の光軸と一致するように脱着自在に前記第１ハウジング部に対して連結可能に構成された第２ハウジング部と、を備えることを特徴とする、測定用プローブ。
【請求項２】
前記第１及び第２ハウジング部は、一方の端部に他方に挿入される挿入部を備え、
前記他方の端部に前記挿入部が嵌め込まれる受け部と、前記挿入部が前記受け部に挿入された状態で前記受け部を締め付けて固定する締め付け部とを備えることを特徴とする、請求項１に記載の測定用プローブ。
【請求項３】
前記第１ハウジング部は、端部にフランジ部を備える筒形状の前記レンズ保持部材を挿入可能な大きさの穴を有する筒状部材で構成され、内壁に前記フランジ部を係止する係止部と、上端に前記光学系を収容する本体ハウジング部と連結する連結部と、を備えることを特徴とする、請求項１又は２記載の測定用プローブ。
【請求項４】
前記第１ハウジング部は、さらに、前記第１ハウジング部の外側に位置する操作部と、前記操作部に連動して前記第１ハウジング部でのレンズ保持部材の光軸方向の位置を変更させるように動く連動部とを備える調整機構を備え、前記操作部を動かして前記レンズの前記光軸方向の位置を調整可能であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１つに記載の測定用プローブ。
【請求項５】
前記調整機構は、
前記第１ハウジング部の壁を貫通して軸中心に回転可能に配置され、前記第１ハウジング部の外側に位置する端部に前記操作部を備えるとともに前記第１ハウジング部の内側に位置する端部にその回転中心から偏心させて設けられた係合部を有する棒状部材で構成された前記連動部と、
前記レンズ保持部材に設けられかつ前記係合部と係合する被係合部とを備えることを特徴とする、請求項４に記載の測定用プローブ。
【請求項６】
前記係合部は、前記棒状部材の軸方向に延在するピンであり、
前記被係合部は、前記光軸に対して略直交する方向に延在し、前記ピンと略同じ幅を有する長穴で構成されていることを特徴とする、請求項５記載の測定用プローブ。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１つの測定用プローブを用いた形状測定装置。
【請求項１】
スタイラスを被測定物の表面に沿って相対的に移動させて前記被測定物の形状を測定するときに、光源から発光されたレーザ光を光学系により反射面に導き前記反射面上で反射した反射光を受光するセンサからの出力に基づいて、前記スタイラスが前記被測定物から受ける圧力を調整可能に構成された形状測定装置に用いられる前記測定用プローブにおいて、
前記光学系により導かれた前記レーザ光を前記反射面上に集光させるレンズを保持するレンズ保持部材を保持する第１ハウジング部と、
一端にスタイラスを他端に前記反射面を備えた棒状の可動部材をその軸方向に移動可能に保持する軸受を保持し、前記レンズ及び前記反射面が前記レーザ光の光軸と一致するように脱着自在に前記第１ハウジング部に対して連結可能に構成された第２ハウジング部と、を備えることを特徴とする、測定用プローブ。
【請求項２】
前記第１及び第２ハウジング部は、一方の端部に他方に挿入される挿入部を備え、
前記他方の端部に前記挿入部が嵌め込まれる受け部と、前記挿入部が前記受け部に挿入された状態で前記受け部を締め付けて固定する締め付け部とを備えることを特徴とする、請求項１に記載の測定用プローブ。
【請求項３】
前記第１ハウジング部は、端部にフランジ部を備える筒形状の前記レンズ保持部材を挿入可能な大きさの穴を有する筒状部材で構成され、内壁に前記フランジ部を係止する係止部と、上端に前記光学系を収容する本体ハウジング部と連結する連結部と、を備えることを特徴とする、請求項１又は２記載の測定用プローブ。
【請求項４】
前記第１ハウジング部は、さらに、前記第１ハウジング部の外側に位置する操作部と、前記操作部に連動して前記第１ハウジング部でのレンズ保持部材の光軸方向の位置を変更させるように動く連動部とを備える調整機構を備え、前記操作部を動かして前記レンズの前記光軸方向の位置を調整可能であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１つに記載の測定用プローブ。
【請求項５】
前記調整機構は、
前記第１ハウジング部の壁を貫通して軸中心に回転可能に配置され、前記第１ハウジング部の外側に位置する端部に前記操作部を備えるとともに前記第１ハウジング部の内側に位置する端部にその回転中心から偏心させて設けられた係合部を有する棒状部材で構成された前記連動部と、
前記レンズ保持部材に設けられかつ前記係合部と係合する被係合部とを備えることを特徴とする、請求項４に記載の測定用プローブ。
【請求項６】
前記係合部は、前記棒状部材の軸方向に延在するピンであり、
前記被係合部は、前記光軸に対して略直交する方向に延在し、前記ピンと略同じ幅を有する長穴で構成されていることを特徴とする、請求項５記載の測定用プローブ。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１つの測定用プローブを用いた形状測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−３２５３（Ｐ２００６−３２５３Ａ）
【公開日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−１８０７０１（Ｐ２００４−１８０７０１）
【出願日】平成１６年６月１８日（２００４．６．１８）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年６月１８日（２００４．６．１８）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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