JP2006078367A - 測定用プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】 空気軸受から流れ出る空気による影響を少なくして、安定した測定のできる測定用プローブを提供する。
【解決手段】 空気軸受３１の中央部に軸に吹き付けた空気の溜り部４７と、この空気の溜り部から空気を排出する排出口４８と、この空気の溜り部の両側に軸への空気の吹出口４５および吹出口４６を形成しているので、可動部材１１と空気軸受の隙間から被測定物２やレーザ光Ｆｚを反射する反射面１３のある空間に流れ出る空気の量が少なくなり、計測に与える影響を少なくすることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光学部品や金型等の被測定面の位置情報を得る形状測定装置の接触式のプローブに関する。

光学部品や金型などの非球面物体の表面形状を高精度に測定する方法として、３次元形状測定機の利用が広く知られている。一般に接触式の測定用プローブを有する３次元形状測定機は、測定用プローブの先端を被測定物に接触させ、両者がほぼ一定の力になるようにプローブ位置を制御し、被測定物の表面に沿って移動させ、測定用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。このような測定機のひとつとして、レーザ測長器と基準平面ミラーを利用した３次元形状測定機がある。

ここで、従来の３次元形状測定機について、図９を用いて説明する。図９は、従来の３次元形状測定機の概略構成図である。図９において、石定盤１上に設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５ａ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。詳細には、被測定物２が搭載されている石定盤１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が配置されている。

プローブ５が設けられた移動体３には、Ｘステージ９およびＹステージ１０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３とプローブ５を走査できる構成となっている。

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、光干渉法によりＸ参照ミラー６を基準とした測定用プローブ５ａのＸ座標、Ｙ参照ミラー７を基準とした測定用プローブ５ａのＹ座標、Ｚ参照ミラー８を基準とした測定用プローブ５ａの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位置情報を得ることができる（例えば、特許文献１参照）。

次に、プローブに加わる力がほぼ一定の力になるようにプローブ位置を制御するオートフォーカス制御する構成例を図１０を参照して説明する。

測定用プローブ５ａは、ガイド部１５にて空気軸受３１を介してＺ座標方向に移動可能に支持された可動部材１１と、この可動部材１１の−Ｚ方向端部に付けられたスタイラス１２と、この可動部材１１のＺ座標を測定する。このために、可動部材１１の他端を反射面１３とし、この反射面１３にレーザ光Ｆｚを照射し、反射光から反射面１３の位置を測定するように構成されている。

可動部材１１とスタイラス１２及び反射面１３は、Ｚ方向の移動を弾性的に規制する弾性材、具体的には板ばね１４によって支えられ、可動部材１１とスタイラス１２は板ばね１４に吊るされた状態で被測定面２ａに追従して上下する。また、可動部材１１は空気軸受３１によりＸＹ方向には動きにくく、Ｚ方向には自由に動く構成となっている。

さらに、可動部材１１とガイド部１５の相対位置を測定し、この測定結果に基づいて可動部材１１とガイド部１５の相対位置がほぼ一定になるように、ガイド部１５をＺ方向に駆動する手段が設けられている。この構成により可動部材１１のガイド部１５に対するＺ方向の相対位置が所定位置に規制されることで、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。

上記の各構成は、ガイド部１５が連結されかつＺ方向に移動可能なプローブ本体１６に配設されている。その構成を説明すると、半導体レーザ１７から発したレーザ光Ｇが、コリメートレンズ１８、偏光ビームスプリッタ１９、λ／４波長板２０を通過した後、ダイクロックミラー２１で反射し、集光レンズ２２によって可動部材１１の反射面１３上に集光する。

集光レンズ２２に戻ったレーザ光Ｇの反射光は、ダイクロックミラー２１及び偏光ビームスプリッタ１９で全反射し、レンズ２３で集光されるとともにハーフミラー２４で２つに分離され、それぞれピンホール２５ａ、２５ｂを通過して２つの光検出器２６ａ、２６ｂで受光される。

２つの光検出器２６ａ、２６ｂによる検出出力は誤差信号発生部２７に入力される。誤差信号発生部２７からはフォーカス誤差信号がサーボ回路２８に出力され、サーボ回路２８にてリニアモータ２９が駆動制御され、プローブ本体１６の位置が所定の測定力が得られる位置にフォーカシングされる。なお、プローブ本体１６を含むＺ移動部の自重分は、ばね３０により支持される（例えば、特許文献２参照）。

上記の具体的な実施例を図１１で説明する。プローブ本体１６を箱状のケーシングで形成し、プローブ本体１６の下部に円筒のハウジング３２で形成したプローブ先部５を装着している。ハウジング３２の先端部に空気軸受３１を装着し、その上部にリング状の突起部材３３を設け、その上部に可動部材１１を吊るした板ばね１４を載置していた。ハウジング３２の上端部にはレンズ取付け部材３４を固着し、レンズ２２を挿入した後レンズ固定部材３５の外周部に設けた雄ネジを、レンズ取付け部材３４の内周部に設けた雌ネジに挿入して固定していた。

上記と同様な形状測定装置で、先端に被測定面に接触するスタイラスを設け他端部にレーザ光を反射する反射面を形成された可動部材と、この可動部材を軸の中心部に保持する空気軸受とを有する。この軸受として、特許文献３では、多孔質材で形成された空気軸受や、バネでスタイラスを装着した可動部材を保持する構成が開示されている。また、特許文献４では、上下の２ケ所に複数の吹出口を有する空気軸受や、スタイラスを装着した可動部材を引張りコイルバネで支持している構成が開示されている。また、特許文献５では、可動部材５の側面に光の反射板を設け、反射光を検出して測定圧を一定に保つ構成が開示されている。
特開平１０−１７０２４３号公報 特開平６−２６５３４０号公報 特開平９−９６５１８号公報 特開平１１−１６６８２３号公報 特開平１１−３０４４６３号公報

上記に示した従来の方法では、空気軸受に送風した空気が、可動部材と空気軸受の隙間から被測定物や、レーザ光を反射する反射面のある空間に流れ込み、被測定物のある空間に流れた時には、被測定物に当たって反射した空気が再度スタイラス部に当たって測定誤差が生じる。また、反射面のある空間に流れた時には、レーザ光に揺らぎが生じ測定が不安定となる欠点があった。本発明はこの欠点を無くした測定用プローブを提供することを目的としている。

また、プローブを移動させて被測定面を測定するとき、スタイラス先端部と被測定物との摩擦抵抗により生じるスタイラスの横方向の変位を少なくし、可動部材の傾きにより生じる測定誤差を少なくできる測定用プローブを提供することを目的としている。

また、可動部材を弾性材で支持する方式のもので小さい測定力で測定するには薄い板状の弾性材が必要であるが、この様な薄い板状の弾性材でも捻りなどを発生させずに、可動部材を円滑に軸の中心部に移動できるようにして、生産性がよく品質の安定した測定用プローブを提供することを目的としている。

また、レーザ光を反射する反射面が弾性材の上部に戴置している場合には、弾性材が変位すると反射面の角度が変位し、反射光が入射光と同じ軸に戻らないと言う測定器としては致命的な欠点が生じるので、被測定物の設置や取り外しの時に、被測定物がスタイラスに当たって板状の弾性材が変位や破損を防ぐことができる測定用プローブを提供することも目的としている。

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。

本発明の第１態様にかかる測定用プローブは、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形状測定装置に用いられ、一端に前記被測定面に接触する前記スタイラスが設けられレーザ光を反射する反射面とを備える棒状の可動部材を軸孔に挿入し軸方向に移動可能に保持する空気軸受本体を備える空気軸受をケーシングの先端部分に固定したものである。前記空気軸受は、前記可動部材と前記空気軸受本体との当接面の軸方向中間部に設けられ、前記可動部材へ吹き付けられた空気が溜まる凹状の空気溜め部と、前記空気溜め部から空気を前記ケーシングの外へ排出する空気排出用貫通穴と、前記空気溜め部の軸方向両側に可動部材への空気の吹出口とを備える。

本発明の第２態様にかかる測定用プローブは、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形状測定装置に用いられ、一端に前記被測定面に接触する前記スタイラスが設けられレーザ光を反射する反射面とを備える棒状の可動部材を軸孔に挿入し軸方向に移動可能に保持する空気軸受本体を備える空気軸受をケーシングの先端部分に固定したものである。前記空気軸受は、空気軸受本体の外周面に外周面の両端近傍に全周にわたって延在する周溝と、前記２つの周溝に連通し軸方向に延在する複数の縦溝と、を備え前記ケーシングの外側から供給される空気が吹き込まれる空気吹き込み溝と、前記空気吹き込み溝の軸方向に異なる位置に設けられた前記可動部材への空気の吹出口と、前記空気軸受本体と前記可動部材との当接面に設けられ、前記空気軸受本体の空気の吹出口の中間位置に全周にわたって形成され、前記吹き込み口から前記可動部材へ吹き付けられた空気が溜まる凹状の空気溜め部と、前記空気溜め部に前記外周面にまで貫通し前記吹出口の中間位置に設けられ前記空気溜め部内の空気を前記ケーシング外に排出する空気排出用貫通穴と、を備える。

上記構成において、空気軸受は、可動部材をその軸孔に挿入した状態で保持する空気軸受本体を備え、その軸方向に異なる位置に吹出口を備える。吹出口は、軸孔に保持されている可動部材に空気を吹き付けるためのものであり、可動部材に吹き付けられた空気は、空気溜め部に溜められる。空気溜め部は、可動部材と空気軸受本体との当接面の吹出口の中間位置に設けられる。空気溜め部は、凹状に形成された空間であり、可動部材に形成してもよいし、空気軸受本体の内周面に形成してもよい。空気溜め部には、空気を外部に排出する空気排出用貫通穴が形成されており、空気を外部に排出することによって、空気軸受本体の軸孔を通って外部に排出される空気の量を少なくする。

本発明の第３態様は、前記縦溝は、前記空気軸受けの外周面に対して略均等角度になるように設けられている第２態様の測定用プローブを提供する。

本発明の第４態様は、前記空気軸受は、前記可動部材の前記スタイラスが設けられている側の軸受内圧力が前記反射面が設けられている側の軸受内圧力よりも高くなるように構成されている第１から第３態様のいずれかの測定用プローブを提供する。

上記構成において、可動部材の前記スタイラスが設けられている側の軸受内圧力が前記反射面が設けられている側の軸受内圧力よりも高くなるように構成するには、例えば、可動部材と空気軸受本体の内表面との間の隙間を、スタイラスが設けられている側を反射面が設けられている側よりも狭く構成するか、反射面が設けられている側を自制絞りにし、スタイラスが設けられている側をオリフィス絞りに構成する。

本発明の第５態様は、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形状測定装置に用いられ、一端に前記被測定面に接触する前記スタイラスが設けられレーザ光を反射する反射面とを備える棒状の可動部材を軸孔に挿入し軸方向に移動可能に保持する空気軸受本体を備える空気軸受をケーシングの先端部分に固定した測定用プローブであって、前記空気軸受の上端面に前記可動部材の軸中心に対して略対称位置に固定された２つ支持部と、前記可動部材の他端側に固着しかつ前記２つの支持部上にまで延伸する板状の弾性材とを備え、前記可動部材を空気軸受の軸孔に貫通して前記弾性体の両端を前記球上に載置する構成とした第１から第４態様のいずれか１つの測定用プローブを提供する。

本発明の第６態様は、前記空気軸受けは、その上端面に凹部を可動部材の軸中心に対して略対称位置に備え、前記支持部は、球体で構成され、前記凹部に嵌入されて保持される第５態様の測定用プローブを提供する。

本発明の第７態様は、前記可動部材は、少なくとも１端を軸受の端面上にまで延伸した延伸部材をその他端部に備え、前記空気軸受は、その上端面に前記延伸部材を係合し前記可動部材が軸中心に回転することを規制する規制部材を備える第５又は第６態様の測定用プローブを提供する。

本発明の第８態様は、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形状測定装置に用いられ、一端に前記被測定面に接触する前記スタイラスが設けられレーザ光を反射する反射面とを備える棒状の可動部材を軸孔に挿入し軸方向に移動可能に保持する空気軸受本体を備える空気軸受をケーシングの先端部分に固定した測定用プローブであって、前記可動部材は、前記スタイラスが設けられている側に前記空気軸受の軸孔の内径寸法よりも大きな鍔部を備える第１から７態様のいずれかの測定用プローブを提供する。

本発明の第９態様は、前記鍔部は、スタイラスに設けられ、楕円形状である第９態様の測定用プローブを提供する。

本発明の第１０態様は、前記空気軸受本体は、前記空気の吹き出し口から空気溜め部までの軸方向寸法Ｌ１が、前記空気の吹き出し口から空気軸受本体上端までの軸方向寸法Ｌ２よりも短くなるように構成されていることを特徴とする、第２態様の測定用プローブを提供する。

本発明の第１１態様は、第１から第１０態様のいずれか１つの測定用プローブを有する形状測定装置を提供する。

本発明によれば、空気軸受の中央部からも空気を排出できるので、可動部材と空気軸受本体部の隙間から流出する空気量が少なくなり、被測定物側の空間に流れた時に、被測定物に当たって反射した空気が再度スタイラスに当たって生じる測定誤差や、反射面のある空間に流れた時に、レーザ光に揺らぎが生じて測定が不安定となる欠点を取り除くことができる。

また、本発明の第３態様によれば、空気軸受けの外周面に対して均等角度になるように縦溝が設けられているため、空気軸受に保持されている可動部材の外周に均等に空気が吹き付けられ、空気軸受けと可動部材との間の軸方向への動きをスムーズにすることができる。

また、本発明の第４態様によれば、空気軸受の軸方向の両端部に空気の吹出口を設けるとともに先端側の軸受内圧力を反射面側の軸受内圧力よりも強くしているので、測定時のスタイラス先端と被測定面とに働く摩擦抵抗によるスタイラス及び可動部材の横方向の回転モーメントの中心位置がスタイラス側に移動し、回転モーメントの中心位置からスタイラス先端部までの距離が短くなるので、測定時の摩擦抵抗によるスタイラス及び可動部材の横方向の変位は少なくなり、測定精度が向上する。

本発明の第５態様によれば、板状の弾性材を二個の支持部により、それぞれ点で支持することとなるので摩擦抵抗が小さくなり、可動部材を円滑に軸の中心部に移動して保持することができる。また、支持部を球とすれば、加工精度が良くなるため、可動部材から球と弾性材の接触部までの距離を一定に保つことができる。さらに、板状の弾性材を二個の球により、それぞれ点で支持することとなるので、２個の球上で板状の弾性材に働く抗力の方向が常に同じ方向となるため、板状の弾性材に捻り等が発生しない。これらにより、常に一定の小さい測定力で測定が可能となる。また、点で支持しているので弾性材の端部切断面のバリに対する管理をする必要がなく、かつ、球としているので生産性が良くて精度が高く均一で安定した品質を得ることができ、プローブ間のバラツキを少なくできる。

本発明の第７態様によれば、延伸部材を規制部材で位置を規制する構成としているので、端部に雄ネジが設けられているスタイラスを可動部材に螺合させる場合でも、板状の弾性体に無理な力が掛からず損傷することがない。従って、板状の弾性体を必要なだけ薄くすることができるので、被測定物に対し小さな測定力で測定が可能となる。

本発明の第８態様によれば、可動部材のスタイラス側に軸受の内径よりも大きな鍔部を設けているので、スタイラスをつけた状態で逆さまに持っても可動部材が落ちることが無く、板状の弾性体を損傷することがない。またスタイラスが何かに衝突したときにも可動部材の動きが規制されるので、板状の弾性体を損傷することがない。また、空気軸受の隙間から漏れる空気を遮蔽し、略直角方向に案内するため、被測定物に当たって反射しスタイラスに当たる空気を大幅に少なくすることができる。

以下、本発明の各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。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態にかかる測定用プローブの先端部分の拡大断面図であり、図２は図１のII−II断面矢視図であり、図３は図１の測定用プローブの先端部分の分解斜視図である。

測定用プローブ５は、形状測定装置に用いられるものである。形状測定装置は、測定用プローブの構成以外は図９に示した従来の形状測定装置１００とほぼ共通し、保持台１に載置された被測定物２の測定面２ａに測定用プローブ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。

可動部材１１は、一端に被測定面２ａに接触するスタイラス１２を装着し、他端部にはレーザ光Ｆｚを反射する反射面１３を装着する。可動部材は、空気軸受３１の軸孔に挿入された状態で保持されており、その軸方向にのみ移動可能である。

空気軸受３１は、軸としての可動部材１１を軸孔に挿入した状態で支持し、軸孔に挿入された可動部材１１に空気を誘導し吹き付けるための空気通路を設けた筒形状の空気軸受本体４１、他部品に装着したり結合する外壁とを備えている。本実施形態では、空気軸受３１の外壁は、測定用プローブのハウジング４０で形成されている。

ハウジング４０は、測定用プローブの先端に設けられた筒状の容器であり、先端に空気軸受本体を保持する。ハウジング４０には、空気軸受け本体に空気を送り込むための空気継ぎ手４２が設けられており、図示しないコンプレッサなどから圧縮空気が吹き込まれる。

図２，図３Ａ，図３Ｂに示すように、空気軸受本体４１は、その表面に溝が形成されており、ハウジング４０の内側壁と溝とで画定された空間が空気を流すための経路として形成される。空気軸受本体４１の表面に設けられた溝は、外周面の両端近傍に全周にわたって延在する周溝４３と、２つの周溝４３との間を連通させる軸方向に延在する縦溝４４とを備える。周溝４３には、可動部材１１に空気を吹き込む吹出口４５及び吹出口４６が空気軸受本体の軸方向のことなる位置にそれぞれ設けられている。吹出口４５及び吹出口４６は、空気軸受本体４１の周面に略均等角度になるように４組設けられている。

吹出口４５および吹出口４６からそれぞれ可動部材１１に空気を吹き付けることにより、可動部材１１を軸の中心部に保持する。吹出口４５および吹出口４６の数は可動部材１１に対して対称位置あればその数は問わないが、あまりに多くすると加工上の問題がある。

空気軸受本体４１の内周面の中央部分には、可動部材１１に吹き付けられた空気を溜める空気溜め部４７が全周にわたって設けられており、空気溜め部４７に設けられた４つの排出口４８から空気軸受本体４１の外部に放出される。

なお、空気軸受３１の外壁となるハウジング４０と空気軸受本体４１との接触部６４は空気漏れの無いように密閉されている。本実施形態では、可動部材１１と空気軸受本体４１の隙間４９は１０μｍ（マイクロメートル）程度、排出口４８はミリメートル単位の大きさで構成されているので、排出口４８の総面積は隙間４９の面積に比して比較にならないほど大きい。また、空気溜め部４７の切り込み深さＤ１はミリメートル単位或はそれに近い深さに加工でき、隙間４９と比較すると比較にならないほど大きくできるので、空気溜め部４７から外部へは空気抵抗はほぼ無くなる。また、空気溜め部４７は環状に設けているので隙間４９での空気の流れに乱れが生じない。

従って、吹出口４５および吹出口４６から外部までの空気抵抗は可動部材１１と空気軸受本体４１の隙間４９の長さで決まる。図１に示すように、吹出口４５から空気溜め部４７までの距離Ｌ１を吹出口４５からレーザ光の反射面１３のある空間５０まで（すなわち、空気軸受本体の上端まで）の距離Ｌ２よりも短くすれば、空間５０に漏れる空気は吹出口４５からでた空気量の半分以下になり、レーザ光の揺らぎを殆んど無くすることができる。

また、被測定物側の吹出口４６も同様に、可動部材１１と空気軸受本体４１の隙間４９から被測定物２側に漏れる空気量を少なくなるため、被測定面２ａに当たって反射した空気がスタイラス１２に当たってスタイラス１２を持ち上げる力を無視できる程度に小さくできる。なお、スタイラス１２が被測定面２ａと接触する測定圧は、０．３ｍＮ（ミリニュートン）程度で極めて小さく、空気軸受３１の隙間４９から流れ出る空気の反射でも無視できない状態となっている。

なおこの状態は、凸レンズのように上に凸の被測定物を計測している場合は、空気がスタイラスから離れる方向に分散するので、隙間４９から被測定物２側に漏れる空気でスタイラス１２を持ち上げることは少ない。しかし、図１に示すように凹レンズのように、下に凸の形状の被測定物を計測している場合は、被測定面２ａに当たって反射した空気がスタイラス１２に当たり易く、空気溜め部４７とこれに結合された排出口４８を設けることにより、スタイラス１２にあたる空気を少なくし、スタイラスのがたつき及びスタイラスが上方に持ち上げられることによる測定誤差の発生を少なくすることができる。

図３Ｂに示すように、空気軸受本体４１の上端面５２には、可動部材１１の軸中心から略対称位置に凹部６３が設けられており、当該２つの凹部６３にそれぞれ鋼球５３が固定されている。可動部材１１の上端部には、図１に示すように当該２つの鋼球５３上にまで延伸した板状の弾性材１４が固着される。可動部材１１を空気軸受本体４１の軸孔に貫通したとき、弾性材１４の両端部が空気軸受本体４１の上面に位置する２つの鋼球５３上に接触するように載置される。

上記のように構成することで、板状の弾性材１４を点で支持することになるので摩擦抵抗が小さくなり、可動部材１１を円滑に軸の中心部に移動して保持することができ、また、２つの球上で板状の弾性材に働く抗力の方向が常に同じ方向となるため、板状の弾性材に捻り等が発生しない。また、可動部材を支持する支持部を球形としているので、支持部の加工精度が良くなり、可動部材１１の軸の中心点から球５３と弾性材１４の接触部までの距離を一定に保つことができる。これらにより、常に一定の小さい測定力で測定が可能となる。なお、従来のように空気軸受本体４１の上面の支持部をリング状の突起のごとく構成した場合は、可動部材に設けられた弾性材と突起部とは線で接触することとなり、突起の線上でその高さに高低が生じ、両側の突起上での板状の弾性材に働く抗力の方向が異なる方向となるため、板状の弾性材に捻りが生じ弾性材１４の弾性力が不安定となりやすい。また、支持部を針状の突起で構成すると、先端部の形状や寸法のバラツキにより、可動部材の軸の中心点から弾性材と突起部との接触部までの距離にバラツキが生じ、弾性材１４の弾性力にバラツキが生じるおそれがある。

また、リング状の突起のごとく、弾性材と突起部と線で接触するものにあっては、弾性材の端部切断面のバリがリング状の突起に引っ掛かり、スムーズな動きができない場合が生じる。弾性材は極めて薄いので端部切断面のバリを取ることができないため、従前は、バリ方向を管理して対応していたが、弾性材を２つの鋼球５３上に載置することにより、この様な管理をする必要が無くなる。また、球としているので生産性が良く加工することができるので、均一で安定した品質を得ることができ、プローブ間のバラツキを少なくできる。

図４は、本発明の第１実施形態の変形例にかかる測定用プローブの先端部の拡大断面図である。図１に示した第１実施形態においては、Ｌ１とＬ２とが略同じ長さとしているので空間４９から漏れる量は空気溜め部がない時の約半分になるが、さらに少なくしたいときには、図４に示すように、空気溜め部４７ａに傾斜部５１を設けＬ１をＬ２よりも小さくすればよい。このように構成することにより、空間４９からレーザ光の反射面のある空間５０や、被測定物２側に漏れる空気の量を少なくすることができる。

また、図５に示すさらなる変形例では、可動部材１１側に空気溜め部４７ｂを設けていている。この場合、吹出口４５の近くまで加工でき、吹出口４５から空気溜め部４７までの距離Ｌ１を極めて小さくできるので空間５０に漏れる空気は殆んど無くすることができる。なお、空気溜め部を空気軸受本体４１と可動部材１１の両方に設けられた凹部によって形成してもよい。

上記構成によれば、空気軸受３１は、軸としての可動部材１１と、他部品に装着あるいは結合するハウジング４０と、空気を任意の場所に誘導する空気軸受本体４１とで構成されており、前記空気軸受３１の外壁はハウジング４０で形成されているので、空気の誘導部を簡単に加工することができ生産性が良く経済的である。

また、図６を用いてさらに別の変形例を説明する。図６は、図１の断面図に本発明の空気分布を記載した図である。図１の空気軸受３１と相違している点は、スタイラス１２を装着した先端側の吹出口４６からの軸受内圧力が、反射面１３を固着した上側の吹出口４５からの軸受内圧力よりも強くなるように形成したことである。先端側の軸受内圧力を反射面側の軸受内圧力より強くするために、可動部材１１と空気軸受本体４１の隙間４９を上端部側隙間４９ｘよりも先端側を狭くするように構成するようにした。図６において、吹出口４５と吹出口４６の近傍に矢印で記載しているのは、可動部材１１の一断面で可動部材１１に加わる軸受内圧力の分布を示している。なお、可動部材１１の空気溜め部４７ｃに面した部分では、空気溜め部４７ｃに排出口４８が繋がれているので可動部材１１に加わる軸受内圧力はきわめて小さくなる。

また、スタイラス１２を装着した先端側の吹出口４６からの軸受内圧力が、反射面１３を固着した上側の吹出口４５からの軸受内圧力よりも強くなるようにするための別の構成としては、上端部側を自制絞りにし、先端側をオリフィス絞りに構成するようにしてもよい。

ここで、吹出口４５から空気軸受本体４１の端部までの距離と、吹出口４６から空気軸受本体４１の端部までの距離を共にＬ２とした状態で、吹出口４５および吹出口４６からの軸受内圧力が同じの場合について考える。図６に示すように、可動部材１１の軸方向にプローブ５を移動させて測定している時に、スタイラス１２の先端に摩擦抵抗による抗力Ｆが加わった時のスタイラス１２及び可動部材１１の横方向の回転モーメントの中心位置は、軸受部の長さＬ３の中心位置である点イである。ところが、先端側の吹出口４６からの軸受内圧力を反射面側の吹出口４５からの軸受内圧力よりも強くすると、前記の回転モーメントの中心位置はスタイラス１２側の点ロに移動する。従って、回転モーメントの中心位置からスタイラスの先端部までの距離はＬ４からＬ５に短くなる。この時の摩擦抵抗による抗力Ｆによるスタイラス１２の先端部の横方向の変位（図示せず）は、この距離Ｌ４およびＬ５に比例するので、スタイラス１２の先端部の横方向の変位は少なくなり、測定精度が向上する。

このように、スタイラス１２を装着した先端側の吹出口４６からの軸受内圧力を、反射面１３が固着された側の吹出口４５からの軸受内圧力よりも強くすることにより、スタイラス１２の先端部の変位を少なくし測定精度を向上させることは、空気軸受の中央部に空気溜め部のないものでも同じ効果を得ることができる。

また、図１から図６までの説明では、可動部材１１を垂直方向に装着している例で記述してきたが、上記の空気軸受構造を可動部材１１が水平方向に装着している空気軸受に使用しても上記と同じ効果を得ることができる。また、可動部材１１を断面円形として記載したが、断面四角形の可動部材であっても前述の効果と同じ効果を得ることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について、図７と図８を用いて説明する。第２実施形態の測定用プローブは、第１実施形態の測定用プローブと大略同じ構成であるため、相違点を中心に説明する。図７は、可動部材１１と空気軸受３１部の部分断面図であり、図８は同部分の分解斜視図である。

空気軸受本体４１の上端面５２には、第１実施形態と同様に、可動部材１１の軸中心から略対称位置に２つの鋼球５３を固定している。本実施形態では、図８に示すように、２つの鋼球５３上の両側にピン等の位置規制部材５４を固着し、板状の弾性材１４の位置規制をしている。従って、板状の弾性材１４は確実に２つの鋼球５３上に載置できる。

位置規制部材５４の高さＨは、可動部材１１が動くことができる距離Ｌ６（図７参照）よりも高くして、弾性材１４が２ケの突起物である球５３上以外の場所に移動しないようにしている。

また、図８に示すように、可動部材１１の弾性材１４に対して略垂直方向に延在し、空気軸受本体４１の上端面５２上にまで延伸した延伸部材５７を備える。一方、軸受の上端面にはピン等の位置規制部材５８を装着している。この延伸部材５７は樹脂で成形することにより軽くて強いものができるので、スタイラス１２を回転させても、板状の弾性材１４に損傷を与えることはない。なお、延伸部材５７の位置規制部材５８も弾性材１４の位置規制部材５４と同様に、高さＨは可動部材１１が動くことができる距離Ｌ６よりも高くしている。また、端部に雄ネジ６０のあるスタイラス１２を雌ネジのある可動部材１１にネジ止めする時のように、大きな回転力が可動部材に加わった場合には、弾性材１４の位置規制部材５４だけでは弾性材１４が簡単に破損するおそれがあるが、延伸部材５７の位置規制部材５８は充分な強度を持たせて構成することができるので、弾性材１４が破損することを防止することができる。

なお、弾性材１４が位置規制部材５４内での移動可能範囲を、延伸部材５７が位置規制部材５８内での移動可能範囲よりも小さくしているのは、可動部材１１が回転すると弾性材１４が位置規制部材５４に先に当たるが弾性限界内にしているので破損することはなく、弾性材１４の弾力で弾性材１４および延伸部材５７を位置規制部材の中央に復元させるためである。

この様に、スタイラス１２を雄ネジ止めする時の様に、大きな回転力が可動部材１１に加わっても、位置規制部材５８を設けているので、板状の弾性材１４に損傷を与えることは無い。従って、弾性材が変位することによる反射面の角度の変位で反射光が入射光と同じ軸に戻らないという測定器としての致命的な欠点をなくすることができる。

なお上記は空気軸受本体４１の上端面５２に位置規制部材を設けて位置規制をしている例を説明しているが、空気軸受本体４１の下端面５６で可動部材１１の回転防止の位置規制をしても、同じ効果を得ることができる。

なお、上記記載の図面では、可動部材１１を全て断面円形の筒状部材で、筒状部材の内壁に雌ネジ５９を形成し、スタイラス１２には前記雌ネジ５９に挿入する雄ネジ６０を形成していてネジ止めする構成で記載してきたが、円形の代わりに三角や四角の角形のものであっても、更に内部をくり抜いていないものであっても棒状であれば良い。なお、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６１を固着している。

また、図７，図８に示すように、スタイラス１２には、軸受の内径Ｄ２よりも大きな長さＤ３を有する鍔部５５が設けられている。このよう構成された鍔部により、スタイラス１２を装着した状態で逆さまに持っても可動部材１１が落ちることが無く、板状の弾性材１４を損傷することが無くなる。また、可動部材１１の動ける範囲は、鍔部５５と空気軸受本体４１の下端面５６との距離Ｌ６（図７参照）以内に規制されるので、スタイラス１１が被測定物２等に衝突した時にも板状の弾性材１４を損傷することが無くなる。従って、弾性材が変位することによる反射面の角度の変位で反射光が入射光と同じ軸に戻らないという測定器としての致命的な欠点をなくすることができる。

また、鍔部５５は可動部材１１と空気軸受本体４１の隙間４９から漏れる空気の方向を遮蔽することができるので、被測定物２に当たって反射する空気をきわめて少なくし、スタイラス１１が持ち上げられることによる測定誤差を小さくすることができる。さらに、図８に示すように鍔部５５を楕円形状等にすることにより、スタイラス１２を着脱する時に用いる回転用のノブとしても使用することができる。また、鍔部は、スタイラス１２と一体的に構成されている必要はなく、可動部材１１とスタイラス１２の間に、軸受の内径Ｄ２よりも大きなワッシャのような部材を挿入して、鍔部とすることもできる。

また、図７及び図８の説明では、可動部材１１を垂直方向に装着している例で記述してきたが、上記の空気軸受構造を可動部材１１が水平方向に装着している空気軸受に使用しても上記と同じ効果を得ることができる。

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。なお、第２実施形態でそれぞれ示した、スタイラス１２に軸受の内径Ｄ２よりも大きな長さＤ３を有する鍔部５５を設けた構成及び、弾性材１４の両端を２つの鋼球５３上に載置し、位置規制部５４を備えた構成は、同じ測定用プローブにおいてそれぞれ設けられている必要はない。

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。

本発明の第一の実施の形態における可動部材と空気軸受部の部分断面図である。 図１のＡ−Ｂ断面矢視図である。 図１の可動部材と空気軸受部の分解斜視図である。 図１の空気軸受本体の部分断面斜視図である。 図１の変形例にかかる測定用プローブを示す図である。 図１の他の変形例にかかる測定用プローブを示す図である。 図１のさらに他の変形例にかかる測定用プローブの部分断面図である。 本発明の第２実施形態にかかる測定用プローブの部分断面図である。 本発明の第２の実施の形態における分解斜視図である。 従来の三次元形状測定装置の全体概略斜視図である。 従来の三次元形状測定装置におけるオートフォーカス制御部の構成図である。 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

２ 被測定物
２ａ 被測定面
５ プローブ
１１ 可動部材
１２ スタイラス
１３ 反射面
３１ 空気軸受
４５、４６ 吹出口
４７ 空気溜め部
４８ 排出口

Claims (11)

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形状測定装置に用いられ、一端に前記被測定面に接触する前記スタイラスが設けられレーザ光を反射する反射面を備える棒状の可動部材を軸孔に挿入し軸方向に移動可能に保持する空気軸受本体を備える空気軸受をケーシングの先端部分に固定した測定用プローブであって、
   前記空気軸受は、
   前記可動部材と前記空気軸受本体との当接面の軸方向中間部に設けられ、前記可動部材へ吹き付けられた空気が溜まる凹状の空気溜め部と、
   前記空気溜め部から空気を前記ケーシングの外へ排出する空気排出用貫通穴と、
   前記空気溜め部の軸方向両側に可動部材への空気の吹出口とを備えることを特徴とする、測定用プローブ。
2. 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形状測定装置に用いられ、一端に前記被測定面に接触する前記スタイラスが設けられレーザ光を反射する反射面とを備える棒状の可動部材を軸孔に挿入し軸方向に移動可能に保持する空気軸受本体を備える空気軸受をケーシングの先端部分に固定した測定用プローブであって、
   前記空気軸受は、
   空気軸受本体の外周面に外周面の両端近傍に全周にわたって延在する周溝と、前記２つの周溝に連通し軸方向に延在する複数の縦溝と、を備え前記ケーシングの外側から供給される空気が吹き込まれる空気吹き込み溝と、
   前記空気吹き込み溝の軸方向に異なる位置に設けられた前記可動部材への空気の吹出口と、
   前記空気軸受本体と前記可動部材との当接面に設けられ、前記空気軸受本体の空気の吹出口の中間位置に全周にわたって形成され、前記吹き込み口から前記可動部材へ吹き付けられた空気が溜まる凹状の空気溜め部と、
   前記空気溜め部に前記外周面にまで貫通し前記吹出口の中間位置に設けられ前記空気溜め部内の空気を前記ケーシング外に排出する空気排出用貫通穴と、を備えることを特徴とする、測定用プローブ。
3. 前記縦溝は、前記空気軸受けの外周面に対して略均等角度になるように設けられていることを特徴とする、請求項２に記載の測定用プローブ。
4. 前記空気軸受は、前記可動部材の前記スタイラスが設けられている側の軸受内圧力が前記反射面が設けられている側の軸受内圧力よりも高くなるように構成されてい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。
5. 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形状測定装置に用いられ、一端に前記被測定面に接触する前記スタイラスが設けられレーザ光を反射する反射面とを備える棒状の可動部材を軸孔に挿入し軸方向に移動可能に保持する空気軸受本体を備える空気軸受をケーシングの先端部分に固定した測定用プローブであって、
   前記空気軸受の上端面に前記可動部材の軸中心に対して略対称位置に固定された２つ支持部と、
   前記可動部材の他端側に固着しかつ前記２つの支持部上にまで延伸する板状の弾性材とを備え、
   前記可動部材を空気軸受の軸孔に貫通して前記弾性体の両端を前記球上に載置する構成とした請求項１から４のいずれか１つに記載の測定用プローブ。
6. 前記空気軸受けは、その上端面に凹部を可動部材の軸中心に対して略対称位置に備え、
   前記支持部は、球体で構成され、前記凹部に嵌入されて保持されることを特徴とする、請求項５に記載の測定用プローブ。
7. 前記可動部材は、少なくとも１端を軸受の端面上にまで延伸した延伸部材をその他端部に備え、
   前記空気軸受は、その上端面に前記延伸部材を係合し前記可動部材が軸中心に回転することを規制する規制部材を備えることを特徴とする、請求項５又は６に記載の測定用プローブ。
8. 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形状測定装置に用いられ、一端に前記被測定面に接触する前記スタイラスが設けられレーザ光を反射する反射面とを備える棒状の可動部材を軸孔に挿入し軸方向に移動可能に保持する空気軸受本体を備える空気軸受をケーシングの先端部分に固定した測定用プローブであって、
   前記可動部材は、前記スタイラスが設けられている側に前記空気軸受の軸孔の内径寸法よりも大きな鍔部を備えることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１つに記載の測定用プローブ。
9. 前記鍔部は、スタイラスに設けられ、楕円形状であることを特徴とする、請求項９に記載の測定用プローブ。
10. 前記空気軸受本体は、前記空気の吹き出し口から空気溜め部までの軸方向寸法Ｌ１が、前記空気の吹き出し口から空気軸受本体上端までの軸方向寸法Ｌ２よりも短くなるように構成されていることを特徴とする、請求項２に記載の測定用プローブ。
11. 請求項１から１０のいずれか１つに記載の測定用プローブを有することを特徴とする、形状測定装置。

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