JPH0933237A - 測定プローブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】被測定面の多面的な評価に適した測定デ−タを
効率的に検出する。 【構成】本測定プローブは、異なる測定原理を採用した
２つの検出部、すなわち非点収差法を採用した光学式検
出部１００と、静電容量型変位計と同様な構成の静電容
量型検出部２００とを兼備する。静電容量型検出部２０
０のセンサ面２０１には、２つの静電容量検出用の電極
部２０２ａ,２０２ｂが同心円状に形成され、その中心
を通るように、適当な径を有する穴２０１ａが空けられ
ている。そして、測定時に、光学式検出部１００の測定
光は、この穴２０１ａを通過することにより、静電容量
型検出部２００の測定範囲Ｃに含まれる、被測定物Ａの
表面の領域Ｄを照明する。従って、本測定プローブを使
用すれば、一回の走査で、光学式検出部１００により被
測定物Ａの表面粗さが測定されると共に、静電容量型検
出部２００により被測定物Ａの表面に生じたうねり等の
形状が測定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被測定物の表面形状及
び表面粗さの測定に適した測定プローブに関する。

【０００２】

【従来の技術】被測定物の表面形状や表面粗さを測定す
るための測定器の測定プローブは、その方式によって、
接触式のものと非接触式のものとに大別される。詳細に
は、前者が、ルビー等の材料で形成された測定子を被測
定物の表面に接触させることによって被測定物の表面の
位置を検出するものであるのに対して、後者は、被測定
物の表面には全く接触せずに被測定物の表面の位置を検
出するというものである。ここでいう測定器とは、測定
プローブを被測定物に対して相対的に移動させる装置の
ことである。

【０００３】さて、測定を行う際には、両測定プローブ
の内から、測定条件に応じて予めより好ましい方の測定
プローブを選択して、これを備える測定器が使用される
のが一般的である。例えば、機械要素の性能を評価する
検査等に使用される測定器としては、接触式測定プロー
ブよりも非接触式測定プローブを備えたものが選択され
ることが多い。その主な理由として、こうした検査に接
触式測定プローブを備えた測定器を使用すると、測定子
との接触により被測定物である機械要素の表面に傷等の
欠陥が生じて、製品としての検査段階において、機械要
素自体が不良品となる可能性があるということや、測定
プローブの動特性に基づく制約を受けるために測定精度
の向上に限界があること等が挙げられる。

【０００４】なお、こうした非接触式測定プローブの内
の、頻繁に使用されるものの例としては、被測定物の表
面で反射した測定光の強度等を検出することにより被測
定物の表面の位置を測定する光学式測定プローブや、被
測定物の表面と電極との間の静電容量の変化を検出する
ことにより被測定物の表面の位置を測定する静電容量型
変位計等が挙げられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】さて、非接触式測定プ
ローブには、採用される測定原理によって、好ましい測
定範囲があるので、より効率的な測定を行うには測定の
目的に応じた非接触式測定プローブを使用することが望
ましい。例えば、被測定物の表面粗さの測定を行う場合
等のように、高分解能な測定が要求される場合(特に、
横方向への分解能が高度に要求される場合)には、被測
定物の表面の微細な領域の測定に適した、非点収差法を
採用した非接触式測定プローブ等の使用が好ましく、被
測定物の表面形状を大まかに測定する場合等には、比較
的広い範囲の領域の測定に対応することができる静電容
量型変位計の使用が好ましい。

【０００６】ところで、こうした非接触式測定プローブ
は、通常、測定器の構成に組み込まれているため、非接
触式測定プローブの交換については融通が効かない場合
が多い。従って、機械要素の性能を評価する検査等にお
いて多面的な評価項目が与えられる場合には、各評価項
目に対応する測定に適した非接触式プローブを採用した
測定器を各々準備する必要がある。

【０００７】このことは、第一に、検査に要する設備費
用が増大する原因となり、第二に、検査時の作業効率が
低減する原因となり、第三に、測定デ−タに基づいて行
われる評価の信頼性が低下する原因となる。なお、第
二、第三の記載の原因となる理由は以下の通りである。
こうした場合には、各評価項目毎に、各評価項目に対応
して準備された測定器に対する測定物の位置決めを行わ
なければならず、こうした位置決めが熟練を要する面倒
な作業であるということが上記第二の作業の効率化を阻
む原因である。また、こうした各測定器に対する被測定
物の位置決め精度や、測定環境の経時変化によって各測
定器での測定毎に各々生じる測定誤差等が、各測定器で
得られた測定デ−タ間の整合性の良し悪しを左右すると
いうことは、上記第三の測定デ−タに基づいて行われる
評価の信頼性が低下する原因となる。

【０００８】そこで、本発明は、被測定物の表面の多面
的な評価に適した測定デ−タを効率的に検出する測定プ
ローブを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題達成のために、
本発明は、被測定物の表面の位置を測定する測定プロー
ブであって、前記被測定物の表面に測定光を照射すると
共に、前記被測定物の表面で反射した測定光に応じて前
記被測定物の表面の位置を検出する光学式検出部と、２
つの電極部が形成されたセンサ面を有し、前記２つの電
極部と前記被測定物の表面との間の静電容量に応じて前
記被測定物の表面の位置を検出する静電容量型検出部と
を備え、前記静電容量型検出部のセンサ面には、前記２
つの電極部の中心部を貫通する貫通穴が形成され、前記
光学式検出部と前記静電容量型検出部は、前記被測定物
の表面に照射される測定光と前記被測定物の表面で反射
した測定光が前記静電容量型検出部のセンサ面の貫通穴
を通過するように配置されていることを特徴とする測定
プローブを提供する。

【００１０】

【作用】本発明に係る測定プローブによれば、前記静電
容量型は、前記２つの電極部と前記被測定物の表面との
間の静電容量に応じて前記被測定物の表面の位置を検出
し、前記光学式検出部は、前記被測定物の表面で反射し
た測定光に応じて前記被測定物の表面の位置を検出す
る。このとき、前記被測定物の表面に照射される測定光
と、前記被測定物の表面で反射した測定光は、それぞ
れ、前記静電容量型検出部のセンサ面の貫通穴を通過す
る。

【００１１】このように、本測定プローブは、被測定物
の表面粗さの測定に適した測定原理を採用した光学式検
出部と、被測定物の表面形状の測定に適した測定原理を
採用した静電容量型検出部とを兼備しているため、これ
を取り付けた測定器によれば、被測定物の表面粗さの測
定と表面形状の測定とを、一回の走査で同時に行うこと
ができる。また、従来各測定で得られる測定デ−タを対
応付けるために行なう必要があった被測定物の位置決め
が必要ない。従って、従来のように、こうした位置決め
作業が原因で生じる誤差が各測定デ−タ毎に変動的に含
まれるということがない。

【００１２】従って、本測定プローブを取り付けた測定
器を機械要素等の検査等に使用すれば、測定に要する時
間の短縮と測定作業の軽減、すなわち検査作業の効率化
を図ることができる。また、測定結果を評価する段階
で、全く同一の測定環境条件の下で得られた、整合のと
れた測定デ−タを参照することができるので、検査にお
ける評価の信頼性が向上する。

【００１３】すなわち、本測定プローブによれば、被測
定物の表面の多面的な評価に適した測定デ−タを効率的
に検出することができる。

【００１４】

【実施例】以下、添付の図面を参照しながら、本発明に
係る実施例について説明する。

【００１５】まず、本実施例に係る測定プローブの基本
的な構成について、図１を参照しながら説明する。な
お、本測定プローブは、被測定物に対して測定プローブ
を相対的に移動させる装置（以下、測定器という）に取
り付けて使用するものである。

【００１６】さて、本測定プローブは、互いに異なる測
定原理を採用した２つの検出部、すなわち、測定原理と
して非点収差法を採用した光学式検出部１００と、静電
容量型変位計と同様な測定原理を採用した静電容量型検
出部２００とを兼備する。前者は、被測定物Ａの表面粗
さの測定にするためのものであり、後者は、被測定物Ａ
の所定の範囲に渡るおおまかな表面形状(例えば、被測
定物Ａの表面に周期的に表れるうねり等)を測定するた
めのものである。これは、主に、両者の横方向への分解
能に起因するものであるが、前者が、被測定物Ａの表面
の微小領域を測定範囲とする、ミクロンオーダーの横方
向への分解能の測定を行うものであるのに対し、後者
は、静電容量型変位計と同様な電気系の切替操作により
測定範囲を柔軟に変更することが可能なものであるた
め、本実施例では、うねり等の表面形状を適当な横方向
への分解能で測定できるように、これに適した面積を有
する領域を測定範囲とするように予め設定してある。

【００１７】さて、これら光学式検出部１００と静電容
量型検出部２００に採用された周知の測定原理について
の詳しい説明を省略し、ここでは、本測定プローブの特
徴である、両検出部１００,２００を構成する主要な部
品の位置関係を中心に説明することとする。

【００１８】さて、光学式検出部１００及び静電容量型
検出部２００は、互いに、被測定物Ａの表面の同じ位置
Ｂを含む領域を測定範囲とするような位置関係に配置さ
れる。

【００１９】そのために、静電容量型検出部２００のセ
ンサ面２０１には、２つの静電容量検出用の電極部２０
２ａ,２０２ｂが同心円状に形成され、その中心を通る
ように、適当な径を有する穴２０１ａが空けられてい
る。なお、本実施例では、センサ面２０１をガラス等の
絶縁体で形成し、その表面にアルミニウム等の導体を蒸
着させることにより、２つの電極部２０２ａ,２０２ｂ
を形成している。

【００２０】そして、光学式検出部１００の測定光は、
センサ面２０１に空けられた穴２０１ａを通過すること
により、静電容量型検出部２００の測定範囲Ｃに含まれ
る、被測定物Ａの表面の領域Ｄを照明する。

【００２１】すなわち、図２の情報処理装置３００にお
いては、静電容量型検出部２００の備える２つの電極部
２０２ａ,２０２ｂと被測定物Ａの表面（測定範囲Ｃ）
との間の静電容量が算出され、更に、この静電容量に基
づいて、本測定プローブに対する、被測定物Ａの表面
（測定範囲Ｃ）の相対的な変位量が算出される。

【００２２】一方、光学式検出部１００では、Ｈｅ-Ｎ
ｅレーザ発振器１０１から照射された測定光が、集光レ
ンズ１０２を介してピンホール１０３を通過し、λ／４
板１０４により所定の位相差を与えられた後、静電容量
型検出部２００のセンサ面２０１に空けられた穴２０１
ａを通過すると共に、対物レンズ１０５により、被測定
面Ａの表面（測定範囲Ｄ）に集光する。なお、この状
態、すなわち光学式検出部１００の測定光が被測定物Ａ
の表面Ｂで合焦した状態において、静電容量型検出部２
００のセンサ面２０１は、被測定物Ａの表面との間隔
が、測定に適した、約１ｍｍ程度の距離となるように配
置されていることが望ましい。さて、被測定面Ａの表面
（測定範囲Ｄ）で反射した測定光は、再度、静電容量型
検出部２００のセンサ面２０１に空けられた穴２０１ａ
を通過した後、偏光ビームスプリッタ１０６を介してビ
ームスプリッタ１０７に入射して、２光束に分割され
る。この２光束に分割された各測定光は、各々、それぞ
れのシリンドリカルレンズ１０８ａ,１０８ｂを介し
て、それぞれの４分割フォトダイオード１０９ａ,１０
９ｂへと入射する。そして、図２の情報処理装置４００
において、それぞれの４分割フォトダイオード１０９
ａ,１０９ｂからの出力信号の差分が算出され、この差
分に基づいて、本測定プローブに対する、被測定物Ａの
表面（測定範囲Ｄ）の相対的な変位量が算出される。な
お、同時に、この情報処理装置４００は、Ｈｅ-Ｎｅレ
ーザ発振器１０１のレーザ光の発振を制御する。

【００２３】このように、本測定プローブは、被測定物
Ａの表面粗さの測定に適した測定原理を採用した検出部
と、被測定物Ａの表面形状の測定に適した測定原理を採
用した検出部とを兼備しているため、これを取り付けた
測定器によれば、従来であれば各測定に適した測定原理
を採用した測定プローブを取り付けた２台の測定器で別
々に測定する必要があった、被測定物Ａの表面粗さと表
面形状とを、一回の走査で同時に測定することができ
る。また、従来であれば、各測定により得られる測定デ
−タを対応付けるために必要であった、被測定物Ａの位
置決めを行う必要がなくなる。従って、本測定プローブ
を取り付けた測定器を機械要素等の検査等に使用すれ
ば、第一に、測定に要する時間の短縮と測定作業の軽
減、すなわち検査作業の効率化を図ることができ、第二
に、同一の測定環境条件の下で得られた、整合のとれた
測定デ−タを参照することができるので、検査における
評価結果の信頼性が向上する。

【００２４】なお、本実施例では、各検出部の測定原理
として、それぞれ、非点収差法と、静電容量型変位計と
同様な測定原理を採用したが、必ずしも、これらの測定
原理を採用する必要はない。例えば、表面粗さ測定用の
検出部の測定原理として、被測定物Ａの表面粗さの測定
に適しているとされている他の測定原理、例えば臨界角
法、ダブルナイフエッジ法、光ヘテロダイン干渉法、非
点収差法等を採用しても構わない。また、表面形状測定
用の検出部の測定原理として、空気マイクロメータと同
様な測定原理や、渦電流式変位センサと同様な測定原理
等を採用した検出部を使用しても構わない。ただし、い
ずれの測定原理を採用した場合であっても、表面粗さ測
定用の検出部の測定範囲が、表面形状測定用の検出部の
測定範囲に含まれるような位置に、両者を配置する必要
がある。

【００２５】

【発明の効果】本発明に係る測定プローブによれば、被
測定物の表面の多面的な評価に適した測定デ−タを効率
的に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る測定プローブの基本構成
図である。

【図２】図１の測定プローブを使用した測定系の構成を
説明するための図である。

【符号の説明】

１００…光学式検出部、２００…静電容量型検出部、２
０１…静電容量型検出部のセンサ面、２０２ａ,２０２
ｂ…静電容量検出用の電極部、２０１ａ…穴、１０１…
Ｈｅ-Ｎｅレーザ発振器、１０２…集光レンズ、１０３
…ピンホール、１０４…λ／４板、１０５…対物レン
ズ、１０６…偏光ビームスプリッタ、１０７…ビームス
プリッタ、１０８ａ,１０８ｂ…シリンドリカルレン
ズ、１０９ａ,１０９ｂ…４分割フォトダイオード、３
００…情報処理装置、４００…情報処理装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定物の表面の位置を測定する測定プロ
   ーブであって、 前記被測定物の表面に測定光を照射すると共に、前記被
   測定物の表面で反射した測定光に応じて前記被測定物の
   表面の位置を検出する光学式検出部と、 ２つの電極部が形成されたセンサ面を有し、前記２つの
   電極部と前記被測定物の表面との間の静電容量に応じて
   前記被測定物の表面の位置を検出する静電容量型検出部
   とを備え、 前記静電容量型検出部のセンサ面には、前記２つの電極
   部の中心部を貫通する貫通穴が形成され、 前記光学式検出部と前記静電容量型検出部は、前記被測
   定物の表面に照射される測定光と前記被測定物の表面で
   反射した測定光が前記静電容量型検出部のセンサ面の貫
   通穴を通過するように配置されていることを特徴とする
   測定プローブ。