三次元形状測定装置用プローブ及び三次元形状測定装置
【課題】鉛直面及び水平面いずれについても小さい測定力による測定を可能とする。
【解決手段】三次元形状測定装置用プローブ１は、取付用部材２、揺動部３、連結機構、アーム取付部１２０、及び板バネ９Ａ，９Ｂ、及び取付用部材２を備える。アーム取付部１２０にはスタイラス１２１が下端に配置されたアーム１２２が垂下して取り付けられている。アーム取付部１２０は板バネ９Ａ，９Ｂを介して揺動部３に保持されている。揺動部３は連結機構によって水平方向に傾動可能に取付用部材２に連結されている。揺動部３の可動側磁石と取付用部材２の固定側磁石との間の磁気的吸引力によりアーム１２２が鉛直方向に延びる中立位置に揺動部３を復元させる復元力が作用する。鉛直面測定時の測定力は可動側磁石との間の固定側磁石の磁気的吸引力により得られる。水平面測定時の測定力は板バネ９Ａ，９Ｂが鉛直方向に撓むことで得られる。
【解決手段】三次元形状測定装置用プローブ１は、取付用部材２、揺動部３、連結機構、アーム取付部１２０、及び板バネ９Ａ，９Ｂ、及び取付用部材２を備える。アーム取付部１２０にはスタイラス１２１が下端に配置されたアーム１２２が垂下して取り付けられている。アーム取付部１２０は板バネ９Ａ，９Ｂを介して揺動部３に保持されている。揺動部３は連結機構によって水平方向に傾動可能に取付用部材２に連結されている。揺動部３の可動側磁石と取付用部材２の固定側磁石との間の磁気的吸引力によりアーム１２２が鉛直方向に延びる中立位置に揺動部３を復元させる復元力が作用する。鉛直面測定時の測定力は可動側磁石との間の固定側磁石の磁気的吸引力により得られる。水平面測定時の測定力は板バネ９Ａ，９Ｂが鉛直方向に撓むことで得られる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元の形状を高精度及び低測定力にて走査測定する三次元形状測定装置用プローブ及びそれを備える三次元形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定物の外側面、内側面、及び穴径等を測定可能な従来の三次元形状測定装置用プローブ（以下、プローブという。）としては、特許文献１に開示されたものがある。図２４及び図２５は、特許文献１に開示されたプローブの構成を示す。
【０００３】
図２４及び図２５のプローブ３０１は、三次元形状測定装置（以下、形状測定装置という。）４０１に取り付けられる取付用部材３０２、揺動部３０３、及び連結機構３０４を有する。揺動部３０３は下端にスタイラス３２１を有するアーム３２２を備える。また、揺動部３０３の中心部には、形状測定装置４０１が発する測定用レーザ光４１１を受けるミラー３２３が固定されている。連結機構３０４によって、固定された部材である取付用部材３０２に対して揺動部３０３が揺動可能に連結されている。連結機構３０４は、取付用部材３０２が備える載置台３４１と、この載置台３４１に形成された円錐溝３４１ａに尖端が嵌入される揺動部３０３側の支点部材３４２とを備える。揺動部３０３は、支点部材３４２の尖端と円錐溝３４１ａとの接触部分を揺動中心として揺動可能である。揺動部３０３が揺動することで、アーム３２２が水平方向（図においてＸ，Ｙ方向）に自在に傾斜可能となっている。
【０００４】
揺動部３０３の上部には、４個の可動側磁石３５１が同一半径上に等間隔に取り付けられている。また、取付用部材３０２には、４個の固定側磁石３５２がそれぞれ可動側磁石３５１の鉛直方向下側に位置して対をなすように取り付けられている。可動側磁石３５１と固定側磁石３５２は、個々の対について互いに吸引力が働く向きに固定される。揺動部３０３が水平方向に傾いた場合、可動側磁石３５１と固定側磁石３５２の距離が遠ざかることになり、磁石の性質により、一対の磁石を互いに近づける方向に復元力が働く。その結果、揺動部３０３全体に対して傾きを戻す方向の復元力が働く。同様に、揺動部３０３が支点部材３４２の尖端を中心として鉛直軸まわりに回転した場合、可動側磁石３５１と固定側磁石３５２間の磁力により、揺動部３０３に対して回転を戻す方向の復元力が働く。これらの磁気的な復元力により、非測定時の揺動部３０３は、アーム３２２の延在方向が鉛直方向に一致する姿勢で保持される。
【０００５】
測定物３６０の被測定面３６１の形状測定は、スタイラス３２１の先端を被測定面３６１に対して微小な押圧力（測定力）で押し付けて行われる。この測定力は以下のようにして生じさせる。スタイラス３２１を被測定面３６１に接触させた状態で取付用部材３０２を測定物３６０側へ僅かに移動させると、揺動部３０３が傾斜する。揺動部３０３が傾斜すると、可動側磁石３５１と固定側磁石３５２の吸引力により、アーム３２２が鉛直方向に延在する初期状態の中立位置へ揺動部３０３を復元させる復元力が生じる。この磁気的な復元力により、スタイラス３２１を被測定面３６１に対して押し付ける測定力が生じる。
【０００６】
一般に、形状測定装置は、スタイラス３２１を測定物３６０の被測定面３６１に接触させ、測定力がほぼ一定となるように制御しつつ、プローブ３０１を測定物３６０の被測定面３６１に沿って相対的に移動させて、被測定面３６１の表面形状を測定、演算する。図２４及び図２５に示すプローブ３０１を備える形状測定装置４０１の場合、プローブ３０１を被測定面３６１に沿って移動させつつ、測定用レーザ光４１１を揺動部３０３に固定されたミラー３２３に照射し、その反射光からミラー３２３の僅かな傾き、すなわちスタイラス３２１の位置変化を測定する。
【０００７】
図２４及び図２５に示すプローブ３０１により、測定物３６０の鉛直方向又は略鉛直方向に延在する面（鉛直面）を高精度で測定できる。しかし、このプローブ３０１が備えるスタイラス３２１を含む揺動部３０３は、水平方向には揺動可能であるが、鉛直方向には可動ではない。前述のように、このプローブ３０１では揺動部３０３を傾けることで測定力を生じさせている。従って、図２４に示す測定物３６０の頂端面のように測定物３６０の水平方向又は略水平方向に延在する面（水平面）に対して、測定力を働かせた状態でスタイラス３２１を接触させることができない。このように、図２４及び図２５に示すプローブ３０１では、測定物３６０の水平面の形状測定は不可能である。
【０００８】
水平面と鉛直面の両方を測定可能なプローブとしては、特許文献２に開示されたものがある。図２６は特許文献２に開示されたプローブの構成を示す。
【０００９】
図２６に示すプローブ４０３は、形状測定装置に取り付けられる取付部４０２、この取付部４０２に外周が固定された２枚の薄板４２３、上端側が２枚の薄板４２３の中央に固定されて下端にスタイラス４２１を備えるアーム４２２、及びアーム４２２の上端面に固定されたミラー４２３を有する。アーム４２２は、薄板４２３が弾性的に撓むことで水平方向の揺動と鉛直方向の移動の両方が可能である。従って、このプローブ４０３では、鉛直面と水平面のいずれに対しても、測定力を働かせた状態でスタイラス４２１を接触させることができる。形状測定装置から照射される測定用レーザ光４１１の反射光からミラー４２３の揺動角度と移動量を測定することで、水平面及び鉛直面のいずれであっても形状測定が可能である。
【００１０】
高精度の形状測定のためには、被測定面に対してスタイラスを押圧する測定力を小さくする必要がある。図２６に示すプローブ４０３の場合、測定力を小さくするためには、薄板４２３の厚みを薄くし、アーム４２２の揺動及び鉛直方向の移動に対する薄板４２３の剛性を小さくする必要がある。しかし、薄板４２３の厚みを薄くして低剛性とすると、鉛直面測定時にスタイラス４２１に作用する測定力の反力の水平成分で薄板４２３が水平方向に変形する。この薄板４２３の水平方向の変形に伴ってアーム４２２の上端面に固定されたミラー４２３も水平方向に変位して測定誤差となる。測定力を小さくするために薄板４２３を薄くする程、薄板４２３の剛性不足に起因する鉛直面測定時のミラー４２３の水平方向の変位も大きくなる。このように図２６のプローブ４０３では、高精度の形状測定のために押圧力を小さくすることと、鉛直面測定時の測定誤差防止とを両立させることができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】国際公開第２００７／１３５８５７号
【特許文献２】特開２００８−２９２２３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、三次元形状測定装置用プローブ及び三次元形状測定装置において、鉛直面及び水平面のいずれについても小さい測定力による測定を可能とすると共に、鉛直面測定時の測定力の反力の水平成分によるプローブ自体の変形を低減し、高精度での測定物の形状測定を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の三次元形状測定装置用プローブは、測定物の被測定面に接触するスタイラスが下端に配置されたアームが垂下して取り付けられ、かつミラーが取り付けられたアーム支持部と、前記アーム支持部が取り付けられ、弾性変形によって前記アーム支持部を鉛直方向に微小移動させ、鉛直方向の剛性よりも水平方向の剛性が大きい弾性部と、前記弾性体を保持する揺動部と、三次元形状測定装置に取り付けられる取付部と、前記揺動部に設けられた支点部と、前記取付部に設けられて前記支点部が載置される載置部とを備え、前記支点部を支点として揺動可能に前記揺動部を前記取付部に連結する連結機構と、前記揺動部に設けられた可動側部材と、前記取付部に設けられて前記可動側部材に対して鉛直方向に間隔を隔てて対向する固定側部材とを備え、前記可動側部材と前記固定側部材は磁気的吸引力を発生するように構成され、当該磁気的吸引力により前記アームが鉛直方向を向くように前記揺動部を付勢する付勢機構とを備える。
【００１４】
スタイラスを備えるアームが取り付けられたアーム支持部は、弾性部を介して揺動部に保持されている。揺動部は連結機構により取付部に連結されている。揺動部は連結機構により揺動可能であり、付勢機構によってアームが鉛直方向を向くように磁気的に付勢されている。測定物の鉛直方向又は略鉛直方向に延在する面（鉛直面）の測定時には、揺動部が揺動することでアーム支持部と共にアームが傾き、付勢機構が生じる磁気的吸引力が揺動部に働くことでスタイラスから被測定面に対して測定力が作用する。一方、測定物の水平方向又は略水平方向に延在する面（水平面）の測定時には、弾性部が弾性変形することでアーム支持部と共にアームが鉛直方向上向きに移動し、弾性部が生じる弾性的な付勢力がアーム支持部に働くことでスタイラスから被測定面に対して測定力が作用する。従って、本発明の三次元形状測定装置用プローブは、鉛直面と水平面の両方の形状測定が可能である。
【００１５】
鉛直面測定時の測定力は、連結部によって取付部に揺動可能に連結された揺動部が付勢機構の磁気的吸引力で付勢されることで生じる。従って、小さい測定力により鉛直面の形状測定が可能である。
【００１６】
水平面測定時の測定力は、弾性部が弾性変形することで生じる弾性的な力がアーム支持部を付勢することで生じる。弾性部の鉛直方向の剛性は下端にスタイラスが配置されたアームとアーム支持部の重量とを支持できる程度あればよい。つまり、弾性部が支持する必要がある重量が軽い。そのため、弾性部の鉛直方向の剛性を小さくして、弾性部の弾性変形によって生じる付勢力を小さくできる。従って、小さい測定力で水平面の形状測定が可能である。
【００１７】
以上のように、本発明の三次元形状測定装置用プローブは、鉛直面及び水平面のいずれについても小さい測定力による高精度の測定が可能である。
【００１８】
弾性部は鉛直方向の剛性よりも水平方向の剛性が大きい。水平方向の剛性を十分大きく設定することで、鉛直面測定時にスタイラスに作用する測定力の反力の水平成分による弾性部の水平方向の変形を低減し、測定物の鉛直面の形状を高精度で測定できる。
【００１９】
例えば、前記弾性部は単一の板バネで構成される。
【００２０】
弾性部を板バネで構成することで、鉛直方向の剛性に対して水平方向の剛性を大きく設定できる。
【００２１】
好ましくは、前記弾性部は上下方向に間隔を隔てて配置された２枚以上の板バネを備える。
【００２２】
弾性部を２枚以上の板バネで構成することで、鉛直方向の剛性に対して水平方向の剛性を十分大きく設定できる。
【００２３】
特に、前記スタイラス、前記支点部、及び前記ミラーは同一軸上に配置され、前記ミラーは前記スタイラス及び前記前記支点部よりも上方に配置され、前記弾性部を構成する前記２枚の板バネは、前記支点部が前記載置部に載置された位置に対して一方が下方に配置されて他方が上方に配置されることが好ましい。
【００２４】
鉛直面測定時にスタイラスに作用する測定力の反力の水平成分によって弾性部を構成する２枚の板バネに水平方向の微小な変形が生じた場合、アーム長さに応じて２枚の板バネの変形によるスタイラスの回転中心の位置は異なる。しかし、支点部を上下に挟むように２枚の板バネを配置することで、２枚の板バネの変形による回転中心が支点部の尖端近傍となる。その結果、測定力の反力の水平成分による２枚の板バネの変形に起因する測定誤差を低減できる。特に、弾性部を構成する２枚の板バネを支点部の尖端をほぼ均等な位置で上下に挟むように配置することが好ましい。
【００２５】
前記板バネは、前記アーム支持部が取り付けられる中心部と、この中心部から放射状に延びて先端が前記揺動部に固定される複数の梁状部とを備える。
【００２６】
この構成により、水平方向の複数の向きの弾性部の剛性を大きくできる。特に、複数の梁状部を等角度間隔で設けることで、水平方向のすべての向きについて弾性部の剛性を大きく設定できる。例えば、平面視で十字形状をなすように４個の梁状部を中心部から放射状に設ける。
【００２７】
あるいは、前記板バネは、前記アーム支持部が取り付けられる中心部と、前記揺動部に固定される外周部と、それぞれ前記中心部と前記外周部を連結する非直線状の連結部とを備える。
【００２８】
この構成により、前記アーム支持部が取り付けられる中心部と、この中心部から揺動部までの経路を長くすることにより、鉛直方向の剛性をより小さく設定できる。
【００２９】
前記板バネに取り付けられ、かつ前記板バネの振動特性に合わせた形状を有する粘弾性体を備えてもよい。
【００３０】
測定面の性状や測定装置自体の振動等の影響により、弾性部の剛性が低いことに起因した振動が発生し、測定誤差を生じる場合がある。粘弾性体を板バネに取り付けることで、測定誤差の原因となる振動を抑制できる。
【００３１】
前記可動側部材と前記固定側部材はいずれも永久磁石で構成され、異極が互いに対向するように配置される。
【００３２】
代案としては、前記可動側部材と前記固定側部材は、一方が永久磁石で構成され、他方が磁性体で構成される。
【００３３】
前記連結機構の前記載置部は上部に円錐溝を備え、前記連結機構の前記支点部は鉛直方向下向きに突出する針状の突起で構成され、前記円錐溝の最深部と前記支点部の尖端との接触部を揺動中心として前記揺動部が前記取付部に揺動可能に連結されている。
【００３４】
前記アーム支持部は中央に横方向に延在する貫通穴が設けられ、前記連結機構の前記載置部は前記貫通穴を貫通して延在する。
【００３５】
前記揺動部は、前記支点部に対して前記スタイラスと反対側に延在する延伸部と、前記延伸部の先端側に設けられて前記可動側部材を保持する可動側保持部とを備え、前記取付部は、筒状の本体と、この本体内に前記可動側保持部に対して前記支点部側に設けられて前記固定側部材を保持する固定側保持部とを備える。
【００３６】
具体的には、前記可動側保持部はリング状に構成され、その下面側に複数の前記可動側部材を互いに間隔をあけて保持し、前記固定側保持部は、個々の前記可動側部材と鉛直方向に対向する位置にそれぞれ配置された複数の前記固定側部材を保持する。
【００３７】
本発明の三次元形状測定装置は、測定用レーザ光を反射するミラーを前記アーム支持部に有する上述の三次元形状測定装置用プローブと、前記測定用レーザ光を発生するレーザ光発生部と、前記測定用レーザ光が前記ミラーで反射された反射光に基づいて測定物の被測定面における測定点の位置情報を求める測定点情報決定部とを備える。
【００３８】
前記測定点情報決定部は、前記揺動部の傾斜角度を前記反射光から検出する傾斜角度検出部と、前記傾斜角度検出部から得られた角度信号を前記取付部に対する前記スタイラスの変位量に変換するスタイラス位置演算部と、前記測定点の前記取付部に対する位置座標値を前記反射光から求める位置座標測定部と、前記位置座標値に前記スタイラスの変位量を加算して前記測定点の位置情報を求める加算部とを備える。
【００３９】
前記傾斜角度検出部は、前記反射光を受光する光検出器を有し、この光検出器は、それぞれ独立して光電変換を行う複数の受光領域に区画された一つの受光面を有する。
【発明の効果】
【００４０】
本発明の三次元形状測定装置用プローブ及び三次元形状測定装置によれば、鉛直面及び水平面のいずれについても小さい測定力による測定が可能であり、かつ測定力の反力の水平成分による弾性部の水平方向の変形を低減できるので、高精度で測定物の形状を測定できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施の形態における三次元形状測定用プローブの斜視図。
【図２】図１における三次元形状測定用プローブの下面図。
【図３】図１における三次元形状測定用プローブをＢ−Ｂ面で切断したときの斜視図。
【図４】図１における三次元形状測定用プローブをＡ−Ａ面で切断したときの斜視図。
【図５】図１における三次元形状測定用プローブの平面図。
【図６】固定側保持部材の構成を示す図。
【図７】図１における三次元形状測定用プローブをＣ面で切断したときの斜視図。
【図８】長方形の板バネを使用したときの三次元形状測定用プローブをＣ面で切断したときの斜視図。
【図９】代案の三次元形状測定用プローブの斜視図。
【図１０】図９の縦断面図。
【図１１】図９における代案の三次元形状測定用プローブをＡ−Ａ面で切断したときの斜視図。
【図１２】図１１における代案の三次元測定用プローブをＢ−Ｂ面で切断したときの斜視図。
【図１３】図１に示すプローブを備えた形状測定装置の一例を示す図。
【図１４】図１３に示す形状測定装置に備わる測定点情報決定部の構成を示す図。
【図１５】図１３に示す測定点情報決定部に備わる傾斜角度検出部の平面図。
【図１６】前記傾斜角度検出部に対してプローブからの反射光が照射される状態を説明するための図。
【図１７】図１に示すプローブにて被測定面の測定を行うときのプローブの傾斜角度を説明するための図であり、測定物を平面図にて表した図。
【図１８】図１に示すプローブにて被測定面の測定を行うときのプローブの傾斜角度を説明するための図であり、測定物を側面図にて表した図。
【図１９】図１に示すプローブの板バネが1枚の時の撓みの模式図。
【図２０】図１に示すプローブの板バネが２枚の時の撓みの模式図。
【図２１Ａ】２枚の板バネがいずれも支点部材の尖端より上方に位置する構成を示す模式図。
【図２１Ｂ】２枚の板バネが支点部材の尖端を上下方向に挟むように位置する構成を示す模式図。
【図２２】図１に示すプローブにて測定可能な測定物の一例の斜視図。
【図２３】図２２に示す測定物の断面図。
【図２４】従来の形状測定装置用プローブの一例の斜視図。
【図２５】図２４の形状測定装置用プローブを対称面で切断したときの斜視図。
【図２６】従来の形状測定装置用プローブの他の例の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下、本発明の実施の形態における三次元形状測定装置用プローブ（以下、プローブという）と、三次元形状測定装置（以下、形状測定装置という）について、図を参照しながら詳細に説明する。
【００４３】
まず、図１から図８を参照してプローブ１について説明する。図１はプローブ１の外観を示す斜視図である。図２は、図１を鉛直下方向から見た図である。図３は、図１のＢ−Ｂ面でプローブ１を切断したときの斜視図である。図４は、図１のＡ−Ａ面でプローブ１を切断した斜視図である。図５は図１を鉛直上方向から見た図である。図６から図８はプローブ１の一部の詳細を示す図である。
【００４４】
プローブ１は形状測定装置２０１に備わり、測定対象となる測定物６０の被測定面６１ａ，６１ｂに接触する部分を有する。図２４及び図２５に示す従来のプローブ３０１では、アーム３２２がＸ，Ｙ方向を問わずいずれの水平方向にも傾斜可能とする構成を有するが、鉛直上下方向に移動が不可能であるのに対し、本実施形態のプローブ１は、アーム１２２が鉛直上下方向にも移動可能とする構成を有する。
【００４５】
プローブ１は、取付用部材（取付部）２、揺動部３、及び連結機構４を備える。
【００４６】
取付用部材２は、形状測定装置２０１に固定され、又は着脱可能に取り付けられるブロック部材である。取付用部材２は、揺動部３が揺動するのに対し、固定された部材であり、形状測定装置２０１から照射される測定用レーザ光２１１を通過可能とし、当該取付用部材２を貫通するレーザ光用開口１１１を中央部に有する。取付用部材２は図において上部の小径部２ａとその下側の大径部２ｂを備える。レーザ光用開口１１１は小径部２ａと大径部２ｂを貫通するように設けられている。大径部２ｂの最下端は閉鎖板５によって閉鎖されている。閉鎖板５には１個のレーザ用貫通孔５ａと２個の揺動用貫通孔５ｂが形成されている。また、閉鎖板５の下面から下向きに突出する一対の支持軸６が設けられている。支軸部６の下端側には、水平方向に延びる角柱である載置台４１の端部がねじ４３によって固定されている。
【００４７】
揺動部３と取付用部材２は、連結機構４により連結されている。連結機構４は、後述するミラー１２３に照射される測定用レーザ光２１１の光軸２１１ａに対して交差するいずれの方向にも揺動部３を傾斜させて揺動可能となるように、揺動部３を取付用部材２に支持する機構である。なお、本実施形態では、光軸２１１ａは、鉛直方向であるＺ軸方向に一致する。
【００４８】
本実施形態において、連結機構４は、支持軸６と閉鎖板５を介して取付用部材３に固定された載置台４１と、揺動部３が備える支点部材４２とにより構成されている。載置台４１は、その上面に円錐形の溝４１ａが形成されており、鉛直方向下向きに突出する針状の突起で構成された支点部材４２の尖端が当該溝４１ａに嵌入する。両者の嵌入時においては、載置台４１の円錐溝最下点に支点部材４２の尖端位置が接触するように構成される。このような構成とすることによって、揺動部３と取付用部材２とは、支点部材４２と円錐溝４１ａとの接触部分を揺動中心として、揺動可能に連結される。なお、揺動部３は、支点部材４２が載置台４１の溝４１ａに嵌入して連結した場合、アーム１２２が鉛直方向を向くように、重心が支点部材４２の先端を通る鉛直軸に位置するように構成されていることが好ましい。
【００４９】
揺動部３はアーム取付部（アーム支持部）１２０を取り付けた２枚の板バネ（弾性部）９Ａ，９Ｂを保持する。つまり、アーム取付部１２０と揺動部３の間に板バネ９Ａ，９Ｂが介在している。
【００５０】
本実施形態におけるアーム取付部１２０は、下梁部１２０ａ、この下梁部１２０ａの上方に間隔を隔てて配置された上梁部１２０ｂ、下梁部１２０ａと上梁部１２０ｂの両端を連結する一対の縦梁部１２０ｃを備える。アーム取付部１２０の下梁部１２０ａの下面には、測定物６０の被測定面６１ａ、６１ｂに接触するスタイラス１２１を下端に有するアーム１２２が垂下して取り付けられている。また、アーム取付部１２０の上梁部１２０ｂの上面には、取付用部材２を通過した測定用レーザ光２１１を反射するミラー１２３が取り付けられている。スタイラス１２１、支点部材４２の尖端、及びミラー１２３は同一軸（アーム１２２の軸線）上に配置されている。測定用レーザ光２１１は、取付用部材２のレーザ用開口１１１、レーザ用貫通穴５ａと、後述する貫通穴１２ａ，９ｃとを介してミラー１２３に入射し、その反射光は逆の経路をたどる。後に詳述するように、アーム取付部１２０は、被測定面６１ａ，６１ｂの形状に応じたスタイラス１２１の変位に対応して、取付用部材２に対して揺動及び鉛直方向に上下動する部材である。
【００５１】
アーム取付部１２０の中央には、下梁部１２０ａ、上梁部１２０ｂ、及び縦梁部１２０ｃで囲まれた水平方向の貫通穴１２４が形成されている。連結機構４の載置台４１はこの貫通穴１２４を水平方向に貫通して延在している。
【００５２】
なお、本実施形態では、スタイラス１２１は、例えば約０．０３ｍｍ〜約２ｍｍの直径を有する球状体であり、アーム１２２は、一例として、太さが約０．７ｍｍで、アーム取付部１２０の下面からスタイラス１２１の中心までの長さが約１０ｍｍである棒状の部材である。これらの値は、被測定面６１の形状により適宜変更される。
【００５３】
揺動部３は、下部材１１、上部材１２、延伸部１２７、及び可動側保持部１２８を備える。
【００５４】
揺動部３の下部材１１はアーム取付部１２０の貫通穴１２４を貫通し、かつアーム取付部１２０に対して非接触となるように配置されている。また、下部材１１は同様に貫通穴１２４を貫通している載置台４１の上方に間隔を隔てて配置されている。上部材１２は下部材１１の上方に間隔を隔てて配置されており、アーム取付部１２０の上梁部１２０ｂに対して間隔を隔てて上方に位置している。本実施形態における下部材１１と上部材１２は平面視で十字形状である。下部材１１の下面には、尖端が鉛直方向下向きとなる姿勢で支点部材４２が取り付けられている。貫通穴１２４を貫通して延びる載置台４１の円錐溝３４１ａに支点部材４２の尖端が嵌り込んでいる。
【００５５】
揺動部３の下部材１１と上部材１２の間に、それぞれ水平方向に延在する２枚の板バネ９Ａ，９Ｂが保持されている。図１におけるＣ面で切断した斜視図である図７を併せて参照すると、板バネ９Ａ，９Ｂは中心部９ａと、この中心部９ａから平面視で９０度の角度間隔で放射状に延びる４個の梁状部９ｂとを備える。板バネ９Ａ，９Ｂの個々の梁状部９ｂの先端間にはスペーサ１３Ａが介在している。また、下側の板バネ９Ａの梁状部９ｂの先端の下面と揺動部３の下部材１１との間、及び上側の板バネ９Ｂの梁状部９ｂの先端の上面と揺動部３の上部材１２との間にも、それぞれスペーサ１３Ｂが介在している。４本のねじ１４で下部材１１が上部材１２に固定されている。板バネ９Ａ，９Ｂは梁状部９ｂの先端がスペーサ１３Ａ，１３Ｂを介して下部材１１と上部材１２に対してねじ１４で共締めされている。板バネ９Ａ，９Ｂは梁状部９ｂの先端を除いて下部材１１と上部材１２のいずれにも接触せず、かつ板バネ２Ａ，２Ｂどうしも互いに接触しない。つまり、板バネ９Ａ，９Ｂは、梁状部９ｂの先端を除いていわゆるフローティング状態で揺動部３に保持されている。
【００５６】
下側の板バネ９Ａはアーム取付部１２０の貫通穴１２４を貫通するように配置されているが、上側の板バネ９Ｂはアーム取付部１２０の上梁部１２０ｂの上方に位置している。これら板バネ９Ａ，９Ｂの中心部９ａにアーム取付部１２０が固定されている。具体的には、アーム取付部１２０の上梁部１２０ｂは、下面が下側の板バネ９Ａの中心部９ａの上面に固定され、上面が上側の板バネ９Ｂの中心部９ａの下面に固定されている。板バネ９Ａ，９Ｂが弾性的に撓むことで、アーム取付部１２０は揺動部３に対して鉛直方向に微小移動できる。揺動部３の上部材１２と上側の板バネ９Ｂの中心部９ａには、アーム取付部１２０の上枠部１２０ｂに取り付けられたミラー１２３へ測定用レーザ光２１１を入射されるための貫通穴１２ａ，９ｃが形成されている。
【００５７】
板バネ９Ａ，９Ｂは図８に示すように水平方向に延在する長方形状でもよい。また、水平方向に延びる単一の板バネであってもよい。また、直線、曲線を組み合わせ、板バネの中心部９ａから外周の固定部まで経路を長く取った形状であってもよい。さらに、３枚以上の板バネを鉛直方向に互いに間隔を隔てて配置した構成でもよい。さらに、板バネに代えて、水平方向に延びるワイヤを採用してもよい。このように揺動部３とアーム取付部１２０との間に介在させる弾性部（本実施形態では板バネ９Ａ，９Ｂ）は、弾性的に撓むことでアーム支持部を鉛直方向に微小移動させ、かつ鉛直方向の剛性よりも水平方向の剛性が十分大きいものであれば、種々の態様を採用し得る。
【００５８】
上部材１２の上面には鉛直上方向に伸びる一対の延伸部１２７が設けられている。これらの延伸部１２７は閉鎖板５の揺動用貫通穴５ｂを通って取付用部材２内に延びている。揺動用貫通穴５ｂの穴径は延伸部１２７の外径よりも十分大きく設定されており、揺動部３が傾斜しても延伸部１２７が閉鎖板５に接触しないようになっている。
【００５９】
取付用部材２内に位置している延伸部１２７の上端には、本実施形態ではリング状の部材である可動側保持部１２８が設けられている。図５に示すように、可動側保持部１２８には、可動側部材の一例である可動側磁石５１が４箇所に同一半径上に等間隔に設けられている。一方、取付用部材２の大径部２ｂの内部には、固定側部材の一例である固定側磁石５２を取り付ける固定側保持部材１３３が収容されている。図６に示すように、固定側保持部材１３３は、リング状に構成されたリング部１３３１と、リング部１３３１の内周部に設けられた４個の突出部１３３２とを備える。突出部１３３２は、固定側磁石５２を保持するものであり、等間隔にかつ同心円状に設けられる。また、突出部１３３２は可動側保持部１２８に対して鉛直方向下側に位置している。
【００６０】
揺動部３の可動側保持部１２８に保持された個々の可動側磁石５１と取付用部材２の固定側保持部材１３３に保持された個々の固定側磁石５２とは、鉛直方向であるＺ軸方向に間隔を隔てて対向して対をなす位置関係で配置されている。可動側磁石５１と固定側磁石５２は、個々の対について、互いに吸引力が働く向きに固定される。本実施形態においては、全ての磁石５１，５２の上がＮ極、下がＳ極になるように固定されている。なお、隣り合う可動側磁石５１と固定側磁石５２の対の間で、磁石の向きを異ならせるようにしてもよい。例えば、一つの可動側磁石５１と固定側磁石５２の対で上がＮ極、下がＳ極とした場合、それに隣接する可動側磁石５１と固定側磁石５２の対で上がＳ極、下がＮ極としてもよい。
【００６１】
固定側保持部材１３３は水平方向に移動可能に取付用部材２の大径部２ｂ内に収容されている。具体的には、固定側保持部材１３３は、上端面が小径部２ａの下端面に摺接する一方、下端面が閉鎖板５の上面に摺接する。取付用部材２の大径部２ｂには、それぞれＹ方向及びＸ方向に固定側保持部材１３３を付勢する２個の押さえばね１５が収容されている（図３にＹ方向の押さえばね１５のみを示す。）。また、取付用部材２の大径部２ｂには、押さえばね１５と対向する２個のマイクロメータ１６が取り付けられている。これらのマクロメータ１６のスピンドルの先端には固定側保持部材１３３の外周が押さえばね１５によって弾性的に押し付けられている。マイクロメータ１６のスピンドルを進退させることで、取付用部材２の大径部２ｂ内で固定側保持部材１３３の水平方向（Ｘ，Ｙ方向）の位置を微調整できる。
【００６２】
以上のように構成された本実施形態のプローブ１は、以下のように動作する。
【００６３】
揺動部３が備える可動側磁石５１と取付用部材２が備える固定側磁石５２の吸引力により、揺動部３には鉛直方向下向きに磁気的な付勢される。そのため、揺動部３が備える鉛直方向下向きの支点部材４２の尖端は、載置台４１の円錐溝４１ａ中心に接した状態を維持し、取付用部材２に対する揺動部３の位置ずれなどが防止される。
【００６４】
揺動部３が支点部材４２の尖端を中心として水平方向に傾いた場合、可動側磁石５１と固定側磁石５２の距離が遠ざかることになり、磁石の性質により、一対の磁石５１，５２を互いに近づける方向に復元力が働く。その結果、揺動部３全体に対して傾きを戻す方向（アーム１２２が鉛直方向に延在する中立位置となる方向）の磁気的な復元力が働く。同様に、揺動部３が支点部材４２の尖端を中心として鉛直軸まわりに回転した場合、可動側磁石５１と固定側磁石５２の間の磁力により、揺動部３に対して回転を戻す方向の磁気的な復元力が働く。これらの磁気的な復元力により、非測定時の揺動部３はアーム１２２の延在方向が鉛直方向に一致する姿勢で保持される。
【００６５】
水平方向に延びる板バネ９Ａ，９Ｂを介して揺動部３に取り付けられたアーム取付部１２０は、板バネ９Ａ，９Ｂが弾性変形することで、鉛直方向に微小移動可能である。非測定時には、アーム取付部１２０、アーム１２２、及びスタイラス１２１の重量により、板バネ９Ａ，９Ｂは重力方向に撓んだ状態にあり、この撓んだ状態にある板バネ９Ａ，９Ｂから、アーム取付部１２０を介してアーム１２２が鉛直方向下向きに延びている。
【００６６】
測定物の鉛直方向又は略鉛直方向に延在する面（鉛直面：図１の測定物６０の場合、被測定面６１ａ）の形状を測定する際には、スタイラス１２１を被測定面に押し付ける測定力が以下のようにして得られる。スタイラス１２１を被測定面６１ａに接触させた状態で取付用部材２を測定物６０側へ水平方向に僅かに移動させると、支点部材４２の尖端を中心にして揺動部３が傾くことで、アーム１２２が水平方向に傾斜する。揺動部３が傾くと、揺動部３に設けた可動側磁石５１と取付用部材２に設けた固定側磁石５２との間の磁気的吸引力により、アーム１２２が鉛直方向に延在するような初期状態の中立位置へ揺動部３を復元させる復元力を生じる。この磁気的な復元力により、スタイラス１２１は被測定面６１に対して所定の測定力で押圧される。
【００６７】
このように、鉛直面測定時の測定力は、連結機構４によって取付用部材２に揺動可能に連結された揺動部３が可動側及び固定側磁石５１，５２の磁気的吸引力で付勢されることで生じる。従って、本実施形態のプローブ１は、小さい測定力により鉛直面の形状測定が可能である。また、鉛直面測定時の測定力は、可動側磁石５１と固定側磁石５２の磁力及び、両者の間隔により調整することができる。例えば可動側磁石５１と固定側磁石５２の磁力は、０．３ｍＮに設定される。本実施形態においては、スタイラス１２１の先端を０．３ｍＮで押したときに、先端の変位が１０μｍになるように、可動側磁石５１と固定側磁石５２の磁力と距離を設定している。
【００６８】
測定物の水平方向又は略水平方向に延在する面（水平面：図１の測定物６０の場合、被測定面６１ｂ）の形状を測定する際には、スタイラス１２１を被測定面に押し付ける測定力は以下のようにして得られる。前述のように、被測定時にはアーム取付部１２０を取り付けた板バネ９Ａ，９Ｂはアーム取付部１２０の重量により鉛直方向下向きに撓んでいる。スタイラス１２１を被測定面６１ａに接触させた状態で取付用部材２を測定物６０側へ鉛直方向に僅かに移動させると、板バネ９Ａ，９Ｂの撓み量が小さくなる。この板バネ９Ａ，９Ｂの撓み量の変化分に板バネ９Ａ，９Ｂの鉛直方向のバネ定数を乗じた測定力で、スタイラス１２１が被測定面６１ｂに押し付けられる。
【００６９】
このように、水平面測定時の測定力は、板バネ９Ａ，９Ｂが撓むことで生じる弾性的な力がアーム取付部１２０を付勢することで生じる。板バネ９Ａ，９Ｂの鉛直方向の剛性は、板バネ９Ａ，９Ｂが支持するアーム取付部１２０、アーム１２２、及びスタイラス１２１の重量を支持できる程度であればよい。つまり、板バネ９Ａ，９Ｂが支持する必要がある重量が軽い。そのため、板バネ９Ａ，９Ｂの鉛直方向の剛性を小さくして、板バネ９Ａ，９Ｂの弾性変形によって生じる付勢力を小さくできる。従って、本実施形態のプローブ１は、小さい測定力で水平面の形状測定が可能である。
【００７０】
以上のように、本実施形態のプローブ１は、鉛直面及び水平面のいずれについても小さい測定力による高精度の測定が可能である。
【００７１】
水平方向に延在する板バネ９Ａ，９Ｂは、鉛直方向の剛性よりも水平方向の剛性が十分に大きい。従って、鉛直面測定時にスタイラス１２１に作用する測定力の反力の水平成分による板バネ９Ａ，９Ｂの水平方向の変形及びそれに伴うミラー１２３の水平方向の変位を実質的になくすことができる。このように、本実施形態のプローブ１は、測定力の反力の水平成分によるミラー１２３の変位を実質的になくすことで、測定物６０の鉛直面の形状を高精度で測定できる。
【００７２】
図９から図１２はプローブ１の代案を示す。図９は代案のプローブ１の外観を示す斜視図であり、図１０はその縦断面である。図１１は代案のプローブ１の下側部分（図９のＡ−Ａ面よりも下側部分）を示す。図１２は図１１のＢ−Ｂ面で切断した状態を示す。代案のプローブの構造のうち図９から図１２に図示されていない部分は、図１から図７に示すプローブ１と同様である。図９から図１２において図１から図７と同一の要素には同一の符号を付している。図１０及び図１１では、粘弾性体３３０Ａ，３３０Ｂの図示は省略している。
【００７３】
２枚の板バネ３０９Ａ，３０９Ｂは多数の打ち抜きが形成された薄厚の円板状である。具体的には、個々の板バネ３０９Ａ，３０９Ｂは、概ね円板状の中心部３０９ａ、この中心部３０９ａの周囲を間隔をあけて取り囲む円環帯状の外周部３０９ｂ、及び中心部３０９ａと外周部３０９ｂを連結する連結部３０９ｃにより連結されている。図９から図１２における連結部３０９ｃは、中心部３０９ａと外周部３０９ｂとの間に配置された円環帯状部３０９ｄ、円環帯状部３０９ｄと中心部３０９ａと接続する架橋部３０９ｅ、及び円環帯状部３０９ｄと外周部３０９ｂとを接続する架橋部３０９ｆを備える。架橋部３０９ｅの対が平面視で９０度間隔で配置されている。また、架橋部３０９ｆも平面視で９０度間隔で配置されている。従って、図９から図１２における連結部３０９ｃは、平面視で概ね十字形状と円形状を組み合わせた形状を有する。ただし、連結部３０９ｃの具体的な構成は図９から図１２のものに限定されず、中心部３０９ａと外周部３０９ｂとを、非直線状とすることで経路長を長く設定した複数の経路で連結するものであればよい。
【００７４】
図９から図１２のプローブ１が備えるアーム取付部３２０は、下側板部３２０ａ、この下側板部３２０ａの上方に間隔を隔てて配置された上側板部３２０ｂ、下側板部３２０ａと上側板部３２０ｂの両端を連結する一対の縦ロッド３２０ｃを備える。下側板部３２０ａ、上側板部３２０ｂ、及び縦ロッド３２０ｃは、図１から図７のプローブ１のアーム取付部１２０における下梁部１２０ａ、上梁部１２０ｂ、及び縦梁部１２０ｃにそれぞれ相当する。下側板部３２０ａの下面には、スタイラス１２１を下端に有するアーム１２２が垂下して取り付けられている。上側板部３２０ｂの上面にはミラー１２３が取り付けられている。スタイラス１２１、支点部材４２の尖端、及びミラー１２３は同一軸（アーム１２２の軸線）上に配置されている。
【００７５】
互いに平行に配置された板バネ３０９Ａ，３０９Ｂがアーム取付部３２０と揺動部３の間に介在する点では、図９から図１２のプローブ１は図１から図７と同様である。しかし、図９から図１２のプローブ１は、揺動部３が備える支点部材４２に対する２枚の板バネの上下方向の配置が図１から図７のプローブ１とは異なる。具体的には、図１から図７のプローブ１では、２枚の板バネ９Ａ，９Ｂはいずれも揺動部３が備える支点部材４２に対して上方に位置している。これに対し、図９から図１２のプローブ１では、一方の板バネ３０９Ａは支点部材４２よりも下方に位置し、他方の板バネ３０９Ｂは支点部材４２よりも上方に位置している。
【００７６】
アーム取付部３２０の上側板部３２０ｂの上面に板バネ３０９Ｂの中心部３０９ａが固定されている。一方、アーム取付部３２０の下側板部３２０ａの下面に板バネ３０９Ａの中心部３０９ａが固定されている。この例では、板バネ３０９Ａ，３０９Ｂは円環帯状のバネ押さえ３２５Ａ，３２５Ｂをねじ３２６で固定することでアーム取付部３２０に固定されている。ただし、必要な取付強度が確保できる限り、板バネ３０９Ａ，３０９Ｂをアーム取付部３２０へ固定する態様は特に限定されない。上側の板バネ３０９Ｂは揺動部３の下部材１１に固定され、下側の板バネ３０９Ａは上側の板バネ３０９Ｂに固定されている。具体的には、平面視でアーム１２２を挟んで対向する２箇所において、上側の板バネ３０９Ｂの外周部３０９ｂの下面と下部材１１の上面との間に短円筒状のスペーサ３１３Ａが介在し、下部材１１の下面と下側の板バネ３０９Ａの上面との間に長円筒状のスペーサ３１３Ｂが介在している。そして、２枚の板バネ３０９Ａ，３０９Ｂ、下部材１１、及び２個のスペーサ３１３Ａ，３１３Ｂが、ねじ３２７によって共締めされている。また、平面視でアーム１２２を挟んで対向する別の２箇所では、上側の板バネ３０９Ｂの下面と下側の板バネ３０９Ａの上面との間に長円筒状のスペーサ３１３Ｃが介在している。スペーサ３１３Ｃはスペーサ３１３Ａ，３１３Ｂの長さと下部材１１の厚みの和に相当する長さを有する。そして、２枚の板バネ３０９Ａ，３０９Ｂとスペーサ３１３Ｃはねじ３２８によって共締めされている。
【００７７】
図９から図１２に示す代案のプローブ１には以下の特徴がある。まず、板バネ３０９Ａの中心部３０９ａが下側板部３２０ａに固定され、板バネ３０９Ｂの中心部３０９ａが上側板部３２０ｂに固定されている。かかる板バネ３０９Ａ，３０９Ｂのアーム取付部１２に対する取付構造により、プローブ１全体としての水平方向の剛性を大きくでき、より高精度の測定が可能となる。また、個々の板バネ３０９Ａ，３０９Ｂの中心部３０９ａと外周部３０９ｂを連結する連結部３０９ｃを非直線状とすることで、板バネ３０９Ａ，３０９Ｂの中心部３０９ａから揺動部３までの経路を長く設定でき、その結果板バネ３０９Ａ，３０９Ｂの剛性をより小さく設定できる。さらに、２枚の板バネ３０９Ａ，３０９Ｂを支点部材４２を上下に挟むように配置したことで、測定力の反力の水平成分による２枚の板バネの変形に起因する測定誤差を低減できる。この点については後に詳述する
【００７８】
図９から図１２に示す代案のプローブ１では、板バネ３０９Ａ，３０９Ｂに粘弾性体３３０Ｂ，３３０Ａを取り付けている（特に図９参照）。粘弾性体３３０Ａ，３３０Ｂは、各種ゴム、スポンジ、制振材等の振動減衰性を有する材料からなる。この代案では、粘弾性体３３０Ａ，３３０Ｂは、板バネ３０９Ａ，３０９Ｂと同様の形状を有する板状であり、両面テープによって板バネ３０８Ａ，３０９Ｂの片側の面に固定されている。接着等の他の固定方法も採用できる。また、板バネ３０８Ａ，３０９Ｂに適切な材料をコーティングすることにより粘弾性体３３０Ａ，３３０Ｂを形成してもよい。図９を参照すると、粘弾性体３３０Ａは、下側の板バネ３０９Ａの下面にねじ４３等との他の要素との干渉を生じない領域全体に配置されている。一方、粘弾性体３３０Ｂは、上側の板バネ３０９Ｂの上面に他の要素との干渉を生じない領域全体に配置されている。板バネ３０９Ａ，３０９Ｂの鉛直方向の剛性を小さくしたことにより、装置自体の振動の伝播や測定物の面性状の影響による振動が板バネ３０９Ａ，３０９Ｂに発生するおそれがある。この板バネ３０９Ａ，３０９Ｂの振動にスタイラス１２１に意図しない変位が生じ、測定精度の低下の原因となる。しかし、板バネ３０９Ａ，３０９Ｂに粘弾性体３３０Ａ，３３０Ｂを固定しておくことで、板バネ３０９Ａ，３０９Ｂの振動を吸収して速やかに減衰させ、振動に起因するスタイラス１２１の意図しない変位を防止し、測定精度を向上できる。粘弾性体の固定位置は図９に限定されず、板バネの振動特性に応じた適切な位置に取り付けれは、振動吸収の効果が得られる。
【００７９】
次に、本実施形態のプローブ１を備えた形状測定装置について説明する。
【００８０】
一般に、形状測定装置は、プローブを測定物６０に接触させ、スタイラスを被測定面６１a、６１ｂに押し付ける測定力がほぼ一定になるように前記プローブの移動を制御しつつ、被測定面６１a、６１ｂに沿って移動させて、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に基づき、被測定面６１ａ，６１ｂの表面形状を測定、演算するものである。
【００８１】
このような形状測定装置の一例として、図１３に示すように、測定物６０を定盤上に固定して、プローブをＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の全方向に移動させるタイプがある。
【００８２】
図１３に示す形状測定装置２０１は、石定盤２９２上に設置されＸ軸及びＹ軸方向に可動なＸ−ステージ２９５１及びＹ−ステージ２９５２を有するステージ２９５を備える。このステージ２９５に、Ｚ−テーブル２９３、Ｈｅ−Ｎｅレーザ（レーザ光発生部）２１０、及び測定点情報決定部２２０を載置している。よって、ステージ２９５は、Ｚ−テーブル２９３、Ｈｅ−Ｎｅレーザ２１０、及び測定点情報決定部２２０をＸ軸及びＹ軸方向に移動させることができる。
【００８３】
測定点情報決定部２２０について、図１３及び図１４を参照して詳しく説明する。図１４に示すように、測定点情報決定部２２０は、測定面６１ａ、６１ｂの位置情報を得るための光学系２２１と、ミラー位置傾き検出部２２６と、スタイラス位置演算部２２３と、位置座標測定部２２４と、加算部２２５とを有する。これらのうち、ミラー位置傾き検出部２２６と光学系２２１の一部を構成するダイクロイックミラー２２１１ａは、プローブ１とともに、Ｚ−テーブル２９３の可動側に取り付けられる。これらのミラー位置傾き検出部２２６、スタイラス位置演算部２２３、位置座標測定部２２４、及び加算部２２５は、前述したレーザ測長器に相当する部分であり、光学系２２１に接続され実際に位置情報を求めるための構成部分である。
【００８４】
Ｈｅ−Ｎｅレーザ２１０が発生した測定用レーザ光２１１は、測定物６０の測定面６１ａ，６１ｂ（図１参照）の３次元座標位置を求めるため、光学系２２１にて４つに分光される。第１光学系２２１ａは、ステージ２９５のＸ軸方向及びＹ軸方向における移動量、つまり被測定面６１ａ，６１ｂのＸ軸方向及びＹ軸方向における座標値を検出するため、図示を省略しているがＸ軸方向に直交する鏡面からなる基準面を有するＸ軸基準板、及びＹ軸方向に直交する鏡面にてなる基準面を有するＹ軸基準板を有する。また、さらに、第１光学系２２１ａには、Ｚ軸方向に直交する鏡面からなるＺ基準板２２９も設けられている。各基準板の基準面は、平坦度が０．０１ミクロンオーダーに構成されている。
【００８５】
被測定面６１ａ，６１ｂの形状測定方法では、例えば特開平１０−１７０２４３号公報に記載されるように、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の各基準面にレーザ光を照射し、照射するレーザ光と各基準面で反射されたレーザ光との干渉信号を計数することで、反射されたレーザ光の位相の変化を検出する公知のレーザ測長方法を用いる。より具体的には、このレーザ測長方法では、例えば特開平４−１５０３号公報に開示されるように、各基準面へ照射されるレーザ光をプリズム等の分岐部材にて参照光と測定光とに分け、かつ参照光と測定光との位相を９０度ずらす。そして測定光を基準面へ照射し反射させ、戻って来た反射光と参照光の位相のずれによる干渉光を電気的に検出して、得られた干渉縞信号から作成するリサージュ図形に基づき基準点と前記基準面との距離が測定される。
【００８６】
位置座標測定部２２４は、このような測長方法を実行する部分であり、被測定面６１ａ，６１ｂにおける測定点のＸ座標値、Ｙ座標値、及びＺ座標値の測長を行う検出部２２４ａ〜２２４ｃを有する。本実施形態では、図１３に示すように、石定盤２９２上に載置された測定物６０に対してステージ２９５が移動することから、上述の測定点におけるＸ座標値、Ｙ座標値、及びＺ座標値は、Ｚ−テーブル２９３に取り付けられているプローブ１の取付用部材２の絶対位置座標値と換言することができる。
【００８７】
本実施形態では、検出部２２４ｃは、プローブ１のスタイラス１２１のＺ座標値の測長を行う部分であり、スタイラス位置測定器として機能する。以下、この点について詳述する。図１４に示すように、Ｚ−テーブル２９３の下端に取り付けられているプローブ１のアーム取付部１２０に取り付けられているミラー１２３の中心点へ、測定用レーザ光２１１の一部がフォーカスレンズ１７を介して照射される。照射されたレーザ光２１１は、ミラー１２３にて反射し、該反射光２１１ｂは、光分離部２２１１に備わるダイクロイックミラー２２１１ａにて反射されること無く、透過し、ハーフミラー２２１１ｂで反射し、検出部２２４ｃに照射され、スタイラス１２１のＺ座標値の測長を行うことができる。
【００８８】
位置検出部２２４ａ〜２２４ｃの検出結果に基づく位置座標測定部２２４の演算結果（本実施形態では取付用部材２のＸ軸及びＹ軸座標値とスタイラス１２１のＺ軸座標値）と、ミラー位置傾き検出部２２６の検出結果に基づくスタイラス位置演算部２２３の演算結果を加算部２２５で加算することで被測定面６１の形状が演算される。ミラー位置傾き検出部２２６は、揺動部３の傾斜に伴うスタイラス１２１の変位（Ｘ軸及びＹ軸方向）とアーム取付部１２０の鉛直方向の変位に伴うスタイラス１２１の変位（Ｚ軸方向）を検出する。
【００８９】
以下、ミラー位置傾き検出部２２６及びスタイラス位置演算部２２３について説明する。ミラー位置傾き検出部２２６は、ミラー１２３へ照射する半導体レーザ２２７、傾斜角度検出部２２２、上下位置検出部２２８を備える。Ｈｅ−Ｎｅレーザ２１０と異なる波長の半導体レーザ（レーザ光発生部）２２７のレーザ光２２９は、ダイクロイックミラー２２１１ａを介してミラー１２３へ照射される。レーザ光２２９のミラー１２３による反射された反射光２２９ｂは、ダイクロイックミラー２２１１ａで反射された後、傾斜角度算出部２２２と上下位置検出部２２８に入射する。
【００９０】
傾斜角度検出部２２２は、反射光２２９ｂを受光し電気信号に変換する傾き検出受光面２２２１を有する光検出器にて構成され、傾き検出受光面２２２１は、それぞれ独立して光電変換を行う複数の受光領域に区画されている。本実施形態では図１５に示すように、傾き検出受光面２２２１を格子状、つまり十字状に４つの受光領域２２２ａ〜２２２ｄに区画している。なお、受光領域の数、及び形状は、図示の形態に限定されるものではなく、測定精度等との関係に基づいて適宜設定することができる。
【００９１】
非測定時には、プローブ１のアーム１２２は鉛直方向に沿って配置されている。よって非測定時には、反射光２２９ｂは、鉛直方向に沿ってミラー１２３へ照射される半導体レーザ光２２７のレーザ光２２９の光軸に平行に進み、ダイクロイックミラー２２１１ａにて反射して傾斜角度検出部２２２の傾き検出受光面２２２１の中央部へ照射される。この場合の傾き検出受光面２２２１における反射光２２６ｂの照射領域を、図１６に点線にて示し非測定時照射領域２２２２とする。
【００９２】
一方、プローブ１の説明で述べたように、鉛直面である被測定面６１ａの測定は、ほぼ一定の測定力にてスタイラス１２１を被測定面６１ａへ押圧して行われることから、上述したようにプローブ１の揺動部３は、取付用部材２に対して傾斜する。揺動部３が傾斜していると、反射光２２９ｂは、レーザ光２２９の光軸と交差してミラー２２１１ａへ進み、傾斜角度検出部２２２の傾き検出受光面２２２１では中央部から外れた基準照射領域２２２３へ照射される。また、上述したように測定時において、揺動部３は、支点部材４２の尖端を支点として、特定方向に限定されることなくいずれの方向にも揺動可能である。よって、測定対象となるような例えばナノオーダーでの微細な凹凸が被測定面６１ａに全く存在しないとすると、基準照射領域２２２３は、図１６に示すように、傾き検出受光面２２２１の中心点２２２１ａを中心とした一定半径にてなる円の円周２２２４に沿って位置することになる。
【００９３】
傾き検出受光面２２２１への反射光２２９ｂの照射に応じて傾斜角度検出部２２２は、電気信号を生成するが、傾き検出受光面２２２１が４つの受光領域２２２ａ〜２２２ｄに区画されていることから、反射光２２９ｂの照射場所から揺動部３の傾斜角度を検出することができる。即ち、受光領域２２２ａを「Ａ」、受光領域２２２ｂを「Ｂ」、受光領域２２２ｃを「Ｃ」、受光領域２２２ｄを「Ｄ」とすると、各受光領域２２２ａ〜２２２ｄから得られる電気信号について、（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）を行うことでＸ軸方向における揺動部３の傾斜角度を求めることができ、（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ）を行うことでＹ軸方向における傾斜角度を求めることができる。このように傾斜角度検出部２２２は、各受光領域２２２ａ〜２２２ｄから得られる電気信号について、（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）、及び（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ）を行い、これらを角度信号として、前記スタイラス位置演算部２２３へ送出する。
【００９４】
スタイラス位置演算部２２３は、前記角度信号をプローブ１に備わるスタイラス１２１の変位量に変換する。
【００９５】
一方、実際には、被測定面６１ａには前記微細凹凸が存在することから、図１６に変位照射領域２２２５として示すように、前記微細凹凸に対応して、円周２２２４から外れた位置に反射光２２９ｂが照射される。そして、上述した基準照射領域２２２３の場合と同様に、変位照射領域２２２５への反射光２２９ｂの照射により、傾斜角度検出部２２２は角度信号を送出し、スタイラス位置演算部２２３は、スタイラス１２１における前記微細凹凸に対応した変位量を求める。従って、基準照射領域２２２３に対応する、スタイラス１２１の基準変位量と、変位照射領域２２２５に対応する凹凸変位量との差を求めることで、前記微細凹凸の大きさを求めることができる。
【００９６】
なお、この測定方法の前提として、支点部材４２の尖端を支点として、揺動部３がいずれの方向にも首振りして傾斜可能な構成において、前記基準変位量を一定若しくはほぼ一定とする必要がある。すなわち、揺動部３がいずれの方向にも揺動することから、傾き検出受光面２２２１における反射光２２９ｂの照射領域は、測定時には、例えば前記円周２２２４に沿って移動することになる。このような状況において、反射光２２９ｂが基本的に常に基準照射領域２２２３に照射される、つまりいずれの方向に揺動部３が揺動した場合でも揺動部３の傾斜角度αが一定若しくはほぼ一定である必要がある。従って、測定時には、制御装置２８０にてステージ２９５の駆動部２９４を制御して、図１７及び図１８に示すように、スタイラス１２１の走査方向１２１ａに垂直な方向１２ｌｂに対する揺動部３の傾きβが一定になるようにステージ２９５の移動量及び移動方向を制御し走査方向１２１ａを修正する必要がある。
【００９７】
上述のようにしてスタイラス位置演算部２２３にて、被測定面６１ａの測定点の前記微細凹凸の大きさを求めると同時に、上述したように前記位置座標測定部２２４にて、測定面６１ａの測定点におけるＸ座標値、Ｙ座標値、及びＺ座標値が求められている。よって、加算部２２５は、位置座標測定部２２４にて求まる、測定面６１ａの測定点におけるＸ座標値、Ｙ座標値、及びＺ座標値と、スタイラス位置演算部２２３にて求まるスタイラス１２１の変位とを加算して、測定面６１ａ上の測定点における測定Ｘ座標値、測定Ｙ座標値、及び測定Ｚ座標値を求める。すなわち、位置座標測定部２２４にて求まる測定点６１ａにおけるＸ座標値、Ｙ座標値、及びＺ座標値をＸｌ，Ｙｌ，Ｚ１とし、スタイラス位置演算部２２３にて求まる測定点におけるスタイラス１２１の変位のＸ座標値を（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）、及びＹ座標値を（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ）とすると、加算部２２５にて求まる前記測定Ｘ座標値、測定Ｙ座標値、及び測定Ｚ座標値は、Ｘｌ＋｛（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）｝、Ｙｌ＋｛（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ）｝、Ｚ１ となる。
【００９８】
スタイラス１２１は図示のように球状であることから、前記測定Ｘ座標値、測定Ｙ座標値、及び測定Ｚ座標値は、スタイラス１２１の中心座標である。従って、測定点６１ａの真の座標値は、プローブ１の走査方向に垂直な方向に、スタイラス１２１の半径値だけずらした値となる。
【００９９】
ミラー位置傾き検出部２２６が備える上下位置検出部２２８は、ミラー１２３からの反射光２２９ｂから、取付用部材２に対するミラー１２３の上下方向の変位を検出する。検出方法は、特開２００８−２９２２３６に示されるようなホログラムを用いた方法等、公知の技術で可能である。
【０１００】
以上のように構成される形状測定装置２０１における動作、すなわち、測定物６０の被測定面６１ａ，６１ｂに対する形状測定方法について、以下に説明する。この形状測定方法は、制御装置２８０の動作制御にて実行される。
【０１０１】
まず、鉛直面である被測定面６１ａを測定する場合について説明する。上述したように、スタイラス１２１を被測定面６１ａに接触させ、さらに例えば約０．３ｍＮ（＝３０ｍｇｆ）の測定力にてスタイラス１２１が被測定面６１ａを押圧するように、測定物６０に対して、三次元形状測定用プローブ１を取り付けたＺ−テーブル２９３を有するステージ２９５を相対的に配置する。これにて、ミラー位置傾き検出部２２６の傾き検出受光面２２２１には、反射光２２６ｂが基準照射領域２２２３に照射され、上述したように、スタイラス位置演算部２２３及び位置座標測定部２２４を介して、加算部２２５により、被測定面６１ａの測定点における基準となるＸ座標値、Ｙ座標値、及びＺ座標値が求められる。
【０１０２】
例えば、測定物６０が円筒形で、その外周面を一周測定する場合を例に採ると、上述のように、図１７及び図１８に示す垂直方向１２１ｂに対する揺動部３の傾きβが一定若しくはほぼ一定に維持されるように、すなわち、いずれの方向にも揺動部３を傾斜させ、かつ鉛直方向に対する揺動部３の傾きαが一定若しくはほぼ一定に維持されるように、制御装置２８０にてステージ２９５の駆動部２９４を制御して、Ｘ軸方向及びＹ軸方向へのステージ２９５の移動量及び移動方向を制御する。なお、本実施例ではスタイラス１２１先端の変位が１０μｍを保つような角度に調整することにより、測定力を０．３ｍNに保つ
ことができる。
【０１０３】
このようにして被測定面６１ａの全周について、揺動部３がいわゆる首振り運動や味噌すり運動するようにして、被測定面６１ａの測定を行う。これにより、反射光２２６ｂは、傾斜角度検出部２２２の傾き検出受光面２２２１における各受光領域２２２ａ〜２２２ｄを、例えば前記円周２２２４に沿うようにして一周する。このとき、被測定面６１ａの前記凹凸に対応して反射光２１１ｂの照射領域は、基準照射領域２２２３から変位照射領域２２２５へ移動する。
【０１０４】
このような測定動作に基づき、上述したように、スタイラス位置演算部２２３及び位置座標測定部２２４を介して、加算部２２５により、被測定面６１ａの測定点における、前記凹凸も含めて、前記測定Ｘ座標値、測定Ｙ座標値、及び測定Ｚ座標値が求められる。
【０１０５】
次に、水平面である被測定面６１ｂを測定する場合について説明する。この場合、スタイラス１２１を被測定面６１ｂに押し付ける測定力は、鉛直方向下向きに発生させる必要がある。また、高精度に測定するためには、鉛直方向下向きの測定力を一定にする必要がある。制御装置２８０にて駆動部２９４を駆動してステージ２９５を水平方向に移動させると共に、ミラー位置傾き検出部２２６の上下位置検出部２２８の検出結果に基づいてミラー１２３の鉛直方向の変位量が一定となるようにＺ−テーブル２９３を動作させる。例えば、非測定時の板バネ９Ａ，９Ｂの撓みが１００μmのとき、測定時には９０μmの撓みになるように、制御を行うことにより、測定力を５ｍＮに保つことができる。また、被測定面６１ｂの微小な変位に追従してスタイラス１２１も上下移動するため、スタイラス１２１と一体となって移動するミラー１２３のＺ座標の測長部として機能する検出部２２４ｃの検出値により、測定物の微小変位も測定できることになる。
【０１０６】
また、完全な水平面から傾斜が大きくなった場合、例えば４５度程度の傾斜の測定時には、鉛直下方向に押圧力を発生させた場合には、スタイラス１２１のアーム１２２に傾きが発生するが、傾斜角度検出部２２２でアームの傾きを検出しているので、その傾き量をスタイラス変位に換算して補正を加えることにより、高精度な測定が可能となる。
【０１０７】
ただし、以上のような方法で測定した場合、アーム取付部１２０と揺動部３の間に介在する弾性部（本実施形態では板バネ９Ａ，９Ｂ）のねじれや水平方向変位は検出できず、測定誤差となる。弾性部の水平方向の剛性が小さいと、弾性部のねじれや水平方向の変位が生じやすい。図１９に示すように、弾性部９を１枚の板バネ９で構成できる。しかし、この構成では、スタイラス１２１に作用する測定力の反力の水平の水平成分により板バネ９にねじれが生じやすく、このねじれはアーム取付部１２０の水平方向の変位や、揺動中心のずれとなる。これに対して、本実施の形態では、２枚の板バネ９Ａ，９Ｂで弾性部を構成しているので、鉛直方向の剛性に対して水平方向の剛性が十分大きく、弾性部のねじれや水平方向の変位が低減されている。換言すれば、図２０に概念的に示すように、アーム取付部１２０は可能な限り鉛直方向にのみ変位して水平方向には変位しない構成としている。３枚以上の板バネを鉛直方向に互いに間隔を隔てて配置した構成とすれば、水平方向の剛性をさらに高めて、弾性部のねじれや水平方向の変位を低減できる。なお、図８を参照して説明したように、板バネ９Ａ，９Ｂを長方形状としてもよいが、この場合には長方形の短辺方向の剛性が小さくなるので、本実施形態の板バネ９Ａ，９Ｂのように中心部９ａから複数の梁状部９ｂが放射状に延びる構成（十字形状）がより好ましい。
【０１０８】
前述した図９から図１２に示す代案のように非直線状の連結部３０９ｃで連結することで板バネ３０９Ａ，３０Ｂの中心部９ａから外周部９ｂまでの経路長を長く設定することにより水平方向の剛性を確保しつ鉛直方向の剛性を小さくすることで測定力の低減が可能である。板バネの剛性を小さくしたことにより、装置自体の振動の伝播や測定物の面性状の影響による振動が発生する場合があるが、板バネの振動特性に応じた適切な位置に粘弾性体を取り付けると、振動の吸収に対して効果的である。
【０１０９】
鉛直面測定時にスタイラス１２１に作用する測定力の反力の水平成分によって弾性部を構成する２枚の板バネに水平方向の微小な変形が生じた場合、アーム１２２の長さに応じて２枚の板バネの変形によるスタイラス１２１の回転中心の位置は異なる。しかし、前述した図９から図１２の代案のように、支点部材４２を上下に挟むように２枚の板バネ３０Ａ，３０９Ｂを配置することで、測定力の反力の水平成分による２枚の板バネ３０９Ａ，３０９Ｂの変形に起因する測定誤差を低減できる。特に、図１０において符号Ｌで示すように、２枚の板バネ３０９Ａ，３０９Ｂを支点部材４２の尖端をほぼ均等な位置で上下に挟むように配置することで、スタイラス１２１に作用する測定力の反力の水平成分による２枚の板バネ３０９Ａ，３０９Ｂの変形に起因する測定誤差をより効果的に低減できる。
【０１１０】
図２１Ａのように２枚の板バネ３０９Ａ，３０９Ｂがいずれも支点部材４２のよりも上方にあり両者の間隔が狭い場合（図１から図８に相当）でも、図２２Ａのように２枚の板バネ３０９Ａ，３０９Ｂがいずれも支点部材４２の上方にあり両者の間隔が広い場合（図９から図１２に相当）でも、測定力の反力の垂直成分（垂直力Ｆｖ）に対する２枚の板バネ３０９Ａ，３０９Ｂの抗力よりも、測定力の水平成分（水平力Ｆｈ）に対する２枚の板バネ３０９Ａ，３０９Ｂの抗力は大きい。しかし、図２１Ａのように板バネ３０９Ａ，３０９Ｂ間の間隔が狭い場合、水平力Ｆｈに対する抗力は垂直力Ｆｖに対する抗力よりも十分に大きくわけではなく、水平力Ｆｈにより板バネ３０９Ａ，３０９Ｂにねじれが生じやすい。これに対して、図２１Ｂのように板バネ３０９Ａ，３０９Ｂ間の間隔が広いと、水平力Ｆｈに対する抗力は垂直力Ｆｖに対する抗力よりも十分に大きくなり、板バネ３０９Ａ，３０９Ｂにねじれが生じにくい。また、この場合、水平力Ｆｈによる２枚の板バネ３０９Ａ，３０８Ｂのたわみに起因するスタイラス１２１の回転中心が支点部材４２の尖端近傍となるため、板バネ３０９Ａ，３０９Ｂのたわみが測定精度に及ぼす影響が小さい。以上の理由より、２枚の板バネ３０９Ａ，３０９Ｂを支点部材４２を上下に挟むように配置することで、測定誤差をより効果的に低減できる。
【０１１１】
以上のように、前記構成の三次元形状測定装置用プローブ１によれば、水平な任意の方向に傾斜可能な揺動部３を、磁石による磁力を用い非接触で中立位置に保持するとともに、スタイラス１２１が測定物６０を押圧する力、すなわち測定力を微小に発生させるため、不慮の衝撃による破損もしづらい。かつ可動側磁石５１、固定側磁石５２の吸引力により、連結機構４における円錐溝４１ａと尖端で構成された支点部材４２を押えつける構造のため、支点の位置ずれが少ない。これにより、本プローブ１はスタイラス１２１の軸は鉛直方向に限定されず、傾いた状態での使用も可能になる。また、電磁石のように電流を流すことが無いので、構成が簡単になり、電気熱による影響もない。
【０１１２】
また、本実施形態にかかる形状測定装置２０１によれば、三次元形状測定用プローブ１において、スタイラス１２１を有する揺動部３は、いわゆる首振り運動や味噌すり運動をすることができる。従って、測定物６０の例えば内周面の測定を行う場合、測定物６０を回転させることなく、プローブ１をＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させることで、前記内周面の測定を行うことができる。よって、測定装置において複雑な構成を採ることなく、測定物６０の側面の傾斜方向を問わずに形状測定が可能となる。また、測定物６０を回転させる必要がないことから、測定物６０の中心軸の芯ぶれが発生するというような問題も生じず、被測定面の測定誤差の低減を図ることもできる。よって、例えばレンズの外径や穴径等が測定可能であり、また、例えば図２２及び図２３に示す流体軸受けのような測定物６０に形成され潤滑剤を収容する溝部５５の形状を測定することも可能となる。さらに、同時に水平面の測定も可能になるため、穴の水平面に対する直角度も高精度に測定可能となる。よって、形状測定装置２０１は、精密及び微細化に向かう産業の発展に幅広く貢献できる。
【０１１３】
本発明は前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。以下、他の態様について例示する。
【０１１４】
揺動部３の構成は、支点により載置台４１に揺動可能に配置される構成であれば、上述の構成に限定するものではない。例えば、前記実施形態では、支点部材は、突起状に設けられた部材であり、当該突起の先端が円錐形の溝に陥入するように構成されているが、載置台に上向きに突起状の部材が設けられ、揺動部材に設けられた円錐溝を支点部材としてもよい。
【０１１５】
前記実施形態では、可動側磁石５１と固定側磁石５２による吸引力を用いたが、固定側、可動側のどちらか一方が磁石ではなく、磁性体としても同じ効果が得られる。
【０１１６】
前記実施形態では、板バネ９Ａ，９Ｂの端部（梁状部９ｂの先端）を揺動部３に固定し、中心部９ａにアーム取付部１２０を固定したが、逆に板バネの端部にアーム取付部１２０に固定し、中心部を揺動部３に固定してもよい。
【０１１７】
前記実施形態においてアーム１２２の傾き検出として、非接触変位センサを設けてもよい。センサの種類としては静電容量型のものが考えられる。これにより、揺動部３の支点を中心としたＸＹ２方向の傾きを検出できる。
【０１１８】
前記実施形態の形状測定装置２０１では、測定物６０を石定盤２９２上に固定し、三次元形状測定用プローブ１をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動させたが、逆に、三次元形状測定用プローブ１を固定して測定物６０を移動させてもよい。要するに、測定物６０とプローブ１とを相対的に移動させればよい。
【産業上の利用可能性】
【０１１９】
本発明は、鉛直面の測定時だけでなく、水平面の測定時にも、小さい押圧力で測定でき、また、プローブ内のミラーの水平方向の変位を低減することにより、高精度に測定物の形状を測定できる。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鉛直面の形状測定だけでなく、水平面の形状測定を高精度及び低測定力にて走査測定する形状測定装置の形状測定用プローブに適用できる。
【符号の説明】
【０１２０】
１ 三次元形状測定装置用プローブ
２ 取付用部材
２ａ 小径部
２ｂ 大径部
３ 揺動部
４ 連結機構
５ 閉鎖板
５ａ レーザ用貫通穴
５ｂ 揺動用貫通穴
６ 支持軸
９，９Ａ，９Ｂ 板バネ
９ａ 中心部
９ｂ 梁状部
９ｃ 貫通穴
１１ 下部材
１２ 上部材
１２ａ 貫通穴
１３Ａ，１３Ｂ スペーサ
１４ ねじ
１５ 押さえばね
１６ マイクロメータ
１７ フォーカスレンズ
４１ 載置台
４１ａ 円錐
４２ 支点部材
４３ ねじ
５１ 可動側磁石
５２ 固定側磁石
６０ 測定物
１２０ アーム取付部
１２０ａ 下梁部
１２０ｂ 上梁部
１２０ｃ 縦梁部
１２１ スタイラス
１２２ アーム
１２３ ミラー
１２８ 可動側保持部
１３３ 固定側保持部材
２０１ 三次元形状測定装置
２１１ Ｈｅ−Ｎｅレーザ
２２０ 測定点情報決定部
２２２ 傾斜角度検出部
２２３ スタイラス位置演算部
２２４ 位置座標測定部
２２５ 加算部
２２６ ミラー位置傾き検出部
２２７ 半導体レーザ
２２８ 上下位置検出部
２２９ レーザ光
３０９Ａ，３０９Ｂ 板バネ
３０９ａ 中心部
３０９ｂ 外周部
３０９ｃ 連結部
３０９ｄ 円環帯状部
３０９ｅ，３０９ｆ 架橋部
３１３Ａ，３１３Ｂ，３１３Ｃ スペーサ
３２０ アーム取付部
３２０ａ 下側板部
３２０ｂ 上側板部
３２０ｃ 縦ロッド
３２５Ａ，３２５Ｂ バネ押さえ
３２６，３２７，３２８ ねじ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元の形状を高精度及び低測定力にて走査測定する三次元形状測定装置用プローブ及びそれを備える三次元形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定物の外側面、内側面、及び穴径等を測定可能な従来の三次元形状測定装置用プローブ（以下、プローブという。）としては、特許文献１に開示されたものがある。図２４及び図２５は、特許文献１に開示されたプローブの構成を示す。
【０００３】
図２４及び図２５のプローブ３０１は、三次元形状測定装置（以下、形状測定装置という。）４０１に取り付けられる取付用部材３０２、揺動部３０３、及び連結機構３０４を有する。揺動部３０３は下端にスタイラス３２１を有するアーム３２２を備える。また、揺動部３０３の中心部には、形状測定装置４０１が発する測定用レーザ光４１１を受けるミラー３２３が固定されている。連結機構３０４によって、固定された部材である取付用部材３０２に対して揺動部３０３が揺動可能に連結されている。連結機構３０４は、取付用部材３０２が備える載置台３４１と、この載置台３４１に形成された円錐溝３４１ａに尖端が嵌入される揺動部３０３側の支点部材３４２とを備える。揺動部３０３は、支点部材３４２の尖端と円錐溝３４１ａとの接触部分を揺動中心として揺動可能である。揺動部３０３が揺動することで、アーム３２２が水平方向（図においてＸ，Ｙ方向）に自在に傾斜可能となっている。
【０００４】
揺動部３０３の上部には、４個の可動側磁石３５１が同一半径上に等間隔に取り付けられている。また、取付用部材３０２には、４個の固定側磁石３５２がそれぞれ可動側磁石３５１の鉛直方向下側に位置して対をなすように取り付けられている。可動側磁石３５１と固定側磁石３５２は、個々の対について互いに吸引力が働く向きに固定される。揺動部３０３が水平方向に傾いた場合、可動側磁石３５１と固定側磁石３５２の距離が遠ざかることになり、磁石の性質により、一対の磁石を互いに近づける方向に復元力が働く。その結果、揺動部３０３全体に対して傾きを戻す方向の復元力が働く。同様に、揺動部３０３が支点部材３４２の尖端を中心として鉛直軸まわりに回転した場合、可動側磁石３５１と固定側磁石３５２間の磁力により、揺動部３０３に対して回転を戻す方向の復元力が働く。これらの磁気的な復元力により、非測定時の揺動部３０３は、アーム３２２の延在方向が鉛直方向に一致する姿勢で保持される。
【０００５】
測定物３６０の被測定面３６１の形状測定は、スタイラス３２１の先端を被測定面３６１に対して微小な押圧力（測定力）で押し付けて行われる。この測定力は以下のようにして生じさせる。スタイラス３２１を被測定面３６１に接触させた状態で取付用部材３０２を測定物３６０側へ僅かに移動させると、揺動部３０３が傾斜する。揺動部３０３が傾斜すると、可動側磁石３５１と固定側磁石３５２の吸引力により、アーム３２２が鉛直方向に延在する初期状態の中立位置へ揺動部３０３を復元させる復元力が生じる。この磁気的な復元力により、スタイラス３２１を被測定面３６１に対して押し付ける測定力が生じる。
【０００６】
一般に、形状測定装置は、スタイラス３２１を測定物３６０の被測定面３６１に接触させ、測定力がほぼ一定となるように制御しつつ、プローブ３０１を測定物３６０の被測定面３６１に沿って相対的に移動させて、被測定面３６１の表面形状を測定、演算する。図２４及び図２５に示すプローブ３０１を備える形状測定装置４０１の場合、プローブ３０１を被測定面３６１に沿って移動させつつ、測定用レーザ光４１１を揺動部３０３に固定されたミラー３２３に照射し、その反射光からミラー３２３の僅かな傾き、すなわちスタイラス３２１の位置変化を測定する。
【０００７】
図２４及び図２５に示すプローブ３０１により、測定物３６０の鉛直方向又は略鉛直方向に延在する面（鉛直面）を高精度で測定できる。しかし、このプローブ３０１が備えるスタイラス３２１を含む揺動部３０３は、水平方向には揺動可能であるが、鉛直方向には可動ではない。前述のように、このプローブ３０１では揺動部３０３を傾けることで測定力を生じさせている。従って、図２４に示す測定物３６０の頂端面のように測定物３６０の水平方向又は略水平方向に延在する面（水平面）に対して、測定力を働かせた状態でスタイラス３２１を接触させることができない。このように、図２４及び図２５に示すプローブ３０１では、測定物３６０の水平面の形状測定は不可能である。
【０００８】
水平面と鉛直面の両方を測定可能なプローブとしては、特許文献２に開示されたものがある。図２６は特許文献２に開示されたプローブの構成を示す。
【０００９】
図２６に示すプローブ４０３は、形状測定装置に取り付けられる取付部４０２、この取付部４０２に外周が固定された２枚の薄板４２３、上端側が２枚の薄板４２３の中央に固定されて下端にスタイラス４２１を備えるアーム４２２、及びアーム４２２の上端面に固定されたミラー４２３を有する。アーム４２２は、薄板４２３が弾性的に撓むことで水平方向の揺動と鉛直方向の移動の両方が可能である。従って、このプローブ４０３では、鉛直面と水平面のいずれに対しても、測定力を働かせた状態でスタイラス４２１を接触させることができる。形状測定装置から照射される測定用レーザ光４１１の反射光からミラー４２３の揺動角度と移動量を測定することで、水平面及び鉛直面のいずれであっても形状測定が可能である。
【００１０】
高精度の形状測定のためには、被測定面に対してスタイラスを押圧する測定力を小さくする必要がある。図２６に示すプローブ４０３の場合、測定力を小さくするためには、薄板４２３の厚みを薄くし、アーム４２２の揺動及び鉛直方向の移動に対する薄板４２３の剛性を小さくする必要がある。しかし、薄板４２３の厚みを薄くして低剛性とすると、鉛直面測定時にスタイラス４２１に作用する測定力の反力の水平成分で薄板４２３が水平方向に変形する。この薄板４２３の水平方向の変形に伴ってアーム４２２の上端面に固定されたミラー４２３も水平方向に変位して測定誤差となる。測定力を小さくするために薄板４２３を薄くする程、薄板４２３の剛性不足に起因する鉛直面測定時のミラー４２３の水平方向の変位も大きくなる。このように図２６のプローブ４０３では、高精度の形状測定のために押圧力を小さくすることと、鉛直面測定時の測定誤差防止とを両立させることができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】国際公開第２００７／１３５８５７号
【特許文献２】特開２００８−２９２２３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、三次元形状測定装置用プローブ及び三次元形状測定装置において、鉛直面及び水平面のいずれについても小さい測定力による測定を可能とすると共に、鉛直面測定時の測定力の反力の水平成分によるプローブ自体の変形を低減し、高精度での測定物の形状測定を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の三次元形状測定装置用プローブは、測定物の被測定面に接触するスタイラスが下端に配置されたアームが垂下して取り付けられ、かつミラーが取り付けられたアーム支持部と、前記アーム支持部が取り付けられ、弾性変形によって前記アーム支持部を鉛直方向に微小移動させ、鉛直方向の剛性よりも水平方向の剛性が大きい弾性部と、前記弾性体を保持する揺動部と、三次元形状測定装置に取り付けられる取付部と、前記揺動部に設けられた支点部と、前記取付部に設けられて前記支点部が載置される載置部とを備え、前記支点部を支点として揺動可能に前記揺動部を前記取付部に連結する連結機構と、前記揺動部に設けられた可動側部材と、前記取付部に設けられて前記可動側部材に対して鉛直方向に間隔を隔てて対向する固定側部材とを備え、前記可動側部材と前記固定側部材は磁気的吸引力を発生するように構成され、当該磁気的吸引力により前記アームが鉛直方向を向くように前記揺動部を付勢する付勢機構とを備える。
【００１４】
スタイラスを備えるアームが取り付けられたアーム支持部は、弾性部を介して揺動部に保持されている。揺動部は連結機構により取付部に連結されている。揺動部は連結機構により揺動可能であり、付勢機構によってアームが鉛直方向を向くように磁気的に付勢されている。測定物の鉛直方向又は略鉛直方向に延在する面（鉛直面）の測定時には、揺動部が揺動することでアーム支持部と共にアームが傾き、付勢機構が生じる磁気的吸引力が揺動部に働くことでスタイラスから被測定面に対して測定力が作用する。一方、測定物の水平方向又は略水平方向に延在する面（水平面）の測定時には、弾性部が弾性変形することでアーム支持部と共にアームが鉛直方向上向きに移動し、弾性部が生じる弾性的な付勢力がアーム支持部に働くことでスタイラスから被測定面に対して測定力が作用する。従って、本発明の三次元形状測定装置用プローブは、鉛直面と水平面の両方の形状測定が可能である。
【００１５】
鉛直面測定時の測定力は、連結部によって取付部に揺動可能に連結された揺動部が付勢機構の磁気的吸引力で付勢されることで生じる。従って、小さい測定力により鉛直面の形状測定が可能である。
【００１６】
水平面測定時の測定力は、弾性部が弾性変形することで生じる弾性的な力がアーム支持部を付勢することで生じる。弾性部の鉛直方向の剛性は下端にスタイラスが配置されたアームとアーム支持部の重量とを支持できる程度あればよい。つまり、弾性部が支持する必要がある重量が軽い。そのため、弾性部の鉛直方向の剛性を小さくして、弾性部の弾性変形によって生じる付勢力を小さくできる。従って、小さい測定力で水平面の形状測定が可能である。
【００１７】
以上のように、本発明の三次元形状測定装置用プローブは、鉛直面及び水平面のいずれについても小さい測定力による高精度の測定が可能である。
【００１８】
弾性部は鉛直方向の剛性よりも水平方向の剛性が大きい。水平方向の剛性を十分大きく設定することで、鉛直面測定時にスタイラスに作用する測定力の反力の水平成分による弾性部の水平方向の変形を低減し、測定物の鉛直面の形状を高精度で測定できる。
【００１９】
例えば、前記弾性部は単一の板バネで構成される。
【００２０】
弾性部を板バネで構成することで、鉛直方向の剛性に対して水平方向の剛性を大きく設定できる。
【００２１】
好ましくは、前記弾性部は上下方向に間隔を隔てて配置された２枚以上の板バネを備える。
【００２２】
弾性部を２枚以上の板バネで構成することで、鉛直方向の剛性に対して水平方向の剛性を十分大きく設定できる。
【００２３】
特に、前記スタイラス、前記支点部、及び前記ミラーは同一軸上に配置され、前記ミラーは前記スタイラス及び前記前記支点部よりも上方に配置され、前記弾性部を構成する前記２枚の板バネは、前記支点部が前記載置部に載置された位置に対して一方が下方に配置されて他方が上方に配置されることが好ましい。
【００２４】
鉛直面測定時にスタイラスに作用する測定力の反力の水平成分によって弾性部を構成する２枚の板バネに水平方向の微小な変形が生じた場合、アーム長さに応じて２枚の板バネの変形によるスタイラスの回転中心の位置は異なる。しかし、支点部を上下に挟むように２枚の板バネを配置することで、２枚の板バネの変形による回転中心が支点部の尖端近傍となる。その結果、測定力の反力の水平成分による２枚の板バネの変形に起因する測定誤差を低減できる。特に、弾性部を構成する２枚の板バネを支点部の尖端をほぼ均等な位置で上下に挟むように配置することが好ましい。
【００２５】
前記板バネは、前記アーム支持部が取り付けられる中心部と、この中心部から放射状に延びて先端が前記揺動部に固定される複数の梁状部とを備える。
【００２６】
この構成により、水平方向の複数の向きの弾性部の剛性を大きくできる。特に、複数の梁状部を等角度間隔で設けることで、水平方向のすべての向きについて弾性部の剛性を大きく設定できる。例えば、平面視で十字形状をなすように４個の梁状部を中心部から放射状に設ける。
【００２７】
あるいは、前記板バネは、前記アーム支持部が取り付けられる中心部と、前記揺動部に固定される外周部と、それぞれ前記中心部と前記外周部を連結する非直線状の連結部とを備える。
【００２８】
この構成により、前記アーム支持部が取り付けられる中心部と、この中心部から揺動部までの経路を長くすることにより、鉛直方向の剛性をより小さく設定できる。
【００２９】
前記板バネに取り付けられ、かつ前記板バネの振動特性に合わせた形状を有する粘弾性体を備えてもよい。
【００３０】
測定面の性状や測定装置自体の振動等の影響により、弾性部の剛性が低いことに起因した振動が発生し、測定誤差を生じる場合がある。粘弾性体を板バネに取り付けることで、測定誤差の原因となる振動を抑制できる。
【００３１】
前記可動側部材と前記固定側部材はいずれも永久磁石で構成され、異極が互いに対向するように配置される。
【００３２】
代案としては、前記可動側部材と前記固定側部材は、一方が永久磁石で構成され、他方が磁性体で構成される。
【００３３】
前記連結機構の前記載置部は上部に円錐溝を備え、前記連結機構の前記支点部は鉛直方向下向きに突出する針状の突起で構成され、前記円錐溝の最深部と前記支点部の尖端との接触部を揺動中心として前記揺動部が前記取付部に揺動可能に連結されている。
【００３４】
前記アーム支持部は中央に横方向に延在する貫通穴が設けられ、前記連結機構の前記載置部は前記貫通穴を貫通して延在する。
【００３５】
前記揺動部は、前記支点部に対して前記スタイラスと反対側に延在する延伸部と、前記延伸部の先端側に設けられて前記可動側部材を保持する可動側保持部とを備え、前記取付部は、筒状の本体と、この本体内に前記可動側保持部に対して前記支点部側に設けられて前記固定側部材を保持する固定側保持部とを備える。
【００３６】
具体的には、前記可動側保持部はリング状に構成され、その下面側に複数の前記可動側部材を互いに間隔をあけて保持し、前記固定側保持部は、個々の前記可動側部材と鉛直方向に対向する位置にそれぞれ配置された複数の前記固定側部材を保持する。
【００３７】
本発明の三次元形状測定装置は、測定用レーザ光を反射するミラーを前記アーム支持部に有する上述の三次元形状測定装置用プローブと、前記測定用レーザ光を発生するレーザ光発生部と、前記測定用レーザ光が前記ミラーで反射された反射光に基づいて測定物の被測定面における測定点の位置情報を求める測定点情報決定部とを備える。
【００３８】
前記測定点情報決定部は、前記揺動部の傾斜角度を前記反射光から検出する傾斜角度検出部と、前記傾斜角度検出部から得られた角度信号を前記取付部に対する前記スタイラスの変位量に変換するスタイラス位置演算部と、前記測定点の前記取付部に対する位置座標値を前記反射光から求める位置座標測定部と、前記位置座標値に前記スタイラスの変位量を加算して前記測定点の位置情報を求める加算部とを備える。
【００３９】
前記傾斜角度検出部は、前記反射光を受光する光検出器を有し、この光検出器は、それぞれ独立して光電変換を行う複数の受光領域に区画された一つの受光面を有する。
【発明の効果】
【００４０】
本発明の三次元形状測定装置用プローブ及び三次元形状測定装置によれば、鉛直面及び水平面のいずれについても小さい測定力による測定が可能であり、かつ測定力の反力の水平成分による弾性部の水平方向の変形を低減できるので、高精度で測定物の形状を測定できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施の形態における三次元形状測定用プローブの斜視図。
【図２】図１における三次元形状測定用プローブの下面図。
【図３】図１における三次元形状測定用プローブをＢ−Ｂ面で切断したときの斜視図。
【図４】図１における三次元形状測定用プローブをＡ−Ａ面で切断したときの斜視図。
【図５】図１における三次元形状測定用プローブの平面図。
【図６】固定側保持部材の構成を示す図。
【図７】図１における三次元形状測定用プローブをＣ面で切断したときの斜視図。
【図８】長方形の板バネを使用したときの三次元形状測定用プローブをＣ面で切断したときの斜視図。
【図９】代案の三次元形状測定用プローブの斜視図。
【図１０】図９の縦断面図。
【図１１】図９における代案の三次元形状測定用プローブをＡ−Ａ面で切断したときの斜視図。
【図１２】図１１における代案の三次元測定用プローブをＢ−Ｂ面で切断したときの斜視図。
【図１３】図１に示すプローブを備えた形状測定装置の一例を示す図。
【図１４】図１３に示す形状測定装置に備わる測定点情報決定部の構成を示す図。
【図１５】図１３に示す測定点情報決定部に備わる傾斜角度検出部の平面図。
【図１６】前記傾斜角度検出部に対してプローブからの反射光が照射される状態を説明するための図。
【図１７】図１に示すプローブにて被測定面の測定を行うときのプローブの傾斜角度を説明するための図であり、測定物を平面図にて表した図。
【図１８】図１に示すプローブにて被測定面の測定を行うときのプローブの傾斜角度を説明するための図であり、測定物を側面図にて表した図。
【図１９】図１に示すプローブの板バネが1枚の時の撓みの模式図。
【図２０】図１に示すプローブの板バネが２枚の時の撓みの模式図。
【図２１Ａ】２枚の板バネがいずれも支点部材の尖端より上方に位置する構成を示す模式図。
【図２１Ｂ】２枚の板バネが支点部材の尖端を上下方向に挟むように位置する構成を示す模式図。
【図２２】図１に示すプローブにて測定可能な測定物の一例の斜視図。
【図２３】図２２に示す測定物の断面図。
【図２４】従来の形状測定装置用プローブの一例の斜視図。
【図２５】図２４の形状測定装置用プローブを対称面で切断したときの斜視図。
【図２６】従来の形状測定装置用プローブの他の例の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下、本発明の実施の形態における三次元形状測定装置用プローブ（以下、プローブという）と、三次元形状測定装置（以下、形状測定装置という）について、図を参照しながら詳細に説明する。
【００４３】
まず、図１から図８を参照してプローブ１について説明する。図１はプローブ１の外観を示す斜視図である。図２は、図１を鉛直下方向から見た図である。図３は、図１のＢ−Ｂ面でプローブ１を切断したときの斜視図である。図４は、図１のＡ−Ａ面でプローブ１を切断した斜視図である。図５は図１を鉛直上方向から見た図である。図６から図８はプローブ１の一部の詳細を示す図である。
【００４４】
プローブ１は形状測定装置２０１に備わり、測定対象となる測定物６０の被測定面６１ａ，６１ｂに接触する部分を有する。図２４及び図２５に示す従来のプローブ３０１では、アーム３２２がＸ，Ｙ方向を問わずいずれの水平方向にも傾斜可能とする構成を有するが、鉛直上下方向に移動が不可能であるのに対し、本実施形態のプローブ１は、アーム１２２が鉛直上下方向にも移動可能とする構成を有する。
【００４５】
プローブ１は、取付用部材（取付部）２、揺動部３、及び連結機構４を備える。
【００４６】
取付用部材２は、形状測定装置２０１に固定され、又は着脱可能に取り付けられるブロック部材である。取付用部材２は、揺動部３が揺動するのに対し、固定された部材であり、形状測定装置２０１から照射される測定用レーザ光２１１を通過可能とし、当該取付用部材２を貫通するレーザ光用開口１１１を中央部に有する。取付用部材２は図において上部の小径部２ａとその下側の大径部２ｂを備える。レーザ光用開口１１１は小径部２ａと大径部２ｂを貫通するように設けられている。大径部２ｂの最下端は閉鎖板５によって閉鎖されている。閉鎖板５には１個のレーザ用貫通孔５ａと２個の揺動用貫通孔５ｂが形成されている。また、閉鎖板５の下面から下向きに突出する一対の支持軸６が設けられている。支軸部６の下端側には、水平方向に延びる角柱である載置台４１の端部がねじ４３によって固定されている。
【００４７】
揺動部３と取付用部材２は、連結機構４により連結されている。連結機構４は、後述するミラー１２３に照射される測定用レーザ光２１１の光軸２１１ａに対して交差するいずれの方向にも揺動部３を傾斜させて揺動可能となるように、揺動部３を取付用部材２に支持する機構である。なお、本実施形態では、光軸２１１ａは、鉛直方向であるＺ軸方向に一致する。
【００４８】
本実施形態において、連結機構４は、支持軸６と閉鎖板５を介して取付用部材３に固定された載置台４１と、揺動部３が備える支点部材４２とにより構成されている。載置台４１は、その上面に円錐形の溝４１ａが形成されており、鉛直方向下向きに突出する針状の突起で構成された支点部材４２の尖端が当該溝４１ａに嵌入する。両者の嵌入時においては、載置台４１の円錐溝最下点に支点部材４２の尖端位置が接触するように構成される。このような構成とすることによって、揺動部３と取付用部材２とは、支点部材４２と円錐溝４１ａとの接触部分を揺動中心として、揺動可能に連結される。なお、揺動部３は、支点部材４２が載置台４１の溝４１ａに嵌入して連結した場合、アーム１２２が鉛直方向を向くように、重心が支点部材４２の先端を通る鉛直軸に位置するように構成されていることが好ましい。
【００４９】
揺動部３はアーム取付部（アーム支持部）１２０を取り付けた２枚の板バネ（弾性部）９Ａ，９Ｂを保持する。つまり、アーム取付部１２０と揺動部３の間に板バネ９Ａ，９Ｂが介在している。
【００５０】
本実施形態におけるアーム取付部１２０は、下梁部１２０ａ、この下梁部１２０ａの上方に間隔を隔てて配置された上梁部１２０ｂ、下梁部１２０ａと上梁部１２０ｂの両端を連結する一対の縦梁部１２０ｃを備える。アーム取付部１２０の下梁部１２０ａの下面には、測定物６０の被測定面６１ａ、６１ｂに接触するスタイラス１２１を下端に有するアーム１２２が垂下して取り付けられている。また、アーム取付部１２０の上梁部１２０ｂの上面には、取付用部材２を通過した測定用レーザ光２１１を反射するミラー１２３が取り付けられている。スタイラス１２１、支点部材４２の尖端、及びミラー１２３は同一軸（アーム１２２の軸線）上に配置されている。測定用レーザ光２１１は、取付用部材２のレーザ用開口１１１、レーザ用貫通穴５ａと、後述する貫通穴１２ａ，９ｃとを介してミラー１２３に入射し、その反射光は逆の経路をたどる。後に詳述するように、アーム取付部１２０は、被測定面６１ａ，６１ｂの形状に応じたスタイラス１２１の変位に対応して、取付用部材２に対して揺動及び鉛直方向に上下動する部材である。
【００５１】
アーム取付部１２０の中央には、下梁部１２０ａ、上梁部１２０ｂ、及び縦梁部１２０ｃで囲まれた水平方向の貫通穴１２４が形成されている。連結機構４の載置台４１はこの貫通穴１２４を水平方向に貫通して延在している。
【００５２】
なお、本実施形態では、スタイラス１２１は、例えば約０．０３ｍｍ〜約２ｍｍの直径を有する球状体であり、アーム１２２は、一例として、太さが約０．７ｍｍで、アーム取付部１２０の下面からスタイラス１２１の中心までの長さが約１０ｍｍである棒状の部材である。これらの値は、被測定面６１の形状により適宜変更される。
【００５３】
揺動部３は、下部材１１、上部材１２、延伸部１２７、及び可動側保持部１２８を備える。
【００５４】
揺動部３の下部材１１はアーム取付部１２０の貫通穴１２４を貫通し、かつアーム取付部１２０に対して非接触となるように配置されている。また、下部材１１は同様に貫通穴１２４を貫通している載置台４１の上方に間隔を隔てて配置されている。上部材１２は下部材１１の上方に間隔を隔てて配置されており、アーム取付部１２０の上梁部１２０ｂに対して間隔を隔てて上方に位置している。本実施形態における下部材１１と上部材１２は平面視で十字形状である。下部材１１の下面には、尖端が鉛直方向下向きとなる姿勢で支点部材４２が取り付けられている。貫通穴１２４を貫通して延びる載置台４１の円錐溝３４１ａに支点部材４２の尖端が嵌り込んでいる。
【００５５】
揺動部３の下部材１１と上部材１２の間に、それぞれ水平方向に延在する２枚の板バネ９Ａ，９Ｂが保持されている。図１におけるＣ面で切断した斜視図である図７を併せて参照すると、板バネ９Ａ，９Ｂは中心部９ａと、この中心部９ａから平面視で９０度の角度間隔で放射状に延びる４個の梁状部９ｂとを備える。板バネ９Ａ，９Ｂの個々の梁状部９ｂの先端間にはスペーサ１３Ａが介在している。また、下側の板バネ９Ａの梁状部９ｂの先端の下面と揺動部３の下部材１１との間、及び上側の板バネ９Ｂの梁状部９ｂの先端の上面と揺動部３の上部材１２との間にも、それぞれスペーサ１３Ｂが介在している。４本のねじ１４で下部材１１が上部材１２に固定されている。板バネ９Ａ，９Ｂは梁状部９ｂの先端がスペーサ１３Ａ，１３Ｂを介して下部材１１と上部材１２に対してねじ１４で共締めされている。板バネ９Ａ，９Ｂは梁状部９ｂの先端を除いて下部材１１と上部材１２のいずれにも接触せず、かつ板バネ２Ａ，２Ｂどうしも互いに接触しない。つまり、板バネ９Ａ，９Ｂは、梁状部９ｂの先端を除いていわゆるフローティング状態で揺動部３に保持されている。
【００５６】
下側の板バネ９Ａはアーム取付部１２０の貫通穴１２４を貫通するように配置されているが、上側の板バネ９Ｂはアーム取付部１２０の上梁部１２０ｂの上方に位置している。これら板バネ９Ａ，９Ｂの中心部９ａにアーム取付部１２０が固定されている。具体的には、アーム取付部１２０の上梁部１２０ｂは、下面が下側の板バネ９Ａの中心部９ａの上面に固定され、上面が上側の板バネ９Ｂの中心部９ａの下面に固定されている。板バネ９Ａ，９Ｂが弾性的に撓むことで、アーム取付部１２０は揺動部３に対して鉛直方向に微小移動できる。揺動部３の上部材１２と上側の板バネ９Ｂの中心部９ａには、アーム取付部１２０の上枠部１２０ｂに取り付けられたミラー１２３へ測定用レーザ光２１１を入射されるための貫通穴１２ａ，９ｃが形成されている。
【００５７】
板バネ９Ａ，９Ｂは図８に示すように水平方向に延在する長方形状でもよい。また、水平方向に延びる単一の板バネであってもよい。また、直線、曲線を組み合わせ、板バネの中心部９ａから外周の固定部まで経路を長く取った形状であってもよい。さらに、３枚以上の板バネを鉛直方向に互いに間隔を隔てて配置した構成でもよい。さらに、板バネに代えて、水平方向に延びるワイヤを採用してもよい。このように揺動部３とアーム取付部１２０との間に介在させる弾性部（本実施形態では板バネ９Ａ，９Ｂ）は、弾性的に撓むことでアーム支持部を鉛直方向に微小移動させ、かつ鉛直方向の剛性よりも水平方向の剛性が十分大きいものであれば、種々の態様を採用し得る。
【００５８】
上部材１２の上面には鉛直上方向に伸びる一対の延伸部１２７が設けられている。これらの延伸部１２７は閉鎖板５の揺動用貫通穴５ｂを通って取付用部材２内に延びている。揺動用貫通穴５ｂの穴径は延伸部１２７の外径よりも十分大きく設定されており、揺動部３が傾斜しても延伸部１２７が閉鎖板５に接触しないようになっている。
【００５９】
取付用部材２内に位置している延伸部１２７の上端には、本実施形態ではリング状の部材である可動側保持部１２８が設けられている。図５に示すように、可動側保持部１２８には、可動側部材の一例である可動側磁石５１が４箇所に同一半径上に等間隔に設けられている。一方、取付用部材２の大径部２ｂの内部には、固定側部材の一例である固定側磁石５２を取り付ける固定側保持部材１３３が収容されている。図６に示すように、固定側保持部材１３３は、リング状に構成されたリング部１３３１と、リング部１３３１の内周部に設けられた４個の突出部１３３２とを備える。突出部１３３２は、固定側磁石５２を保持するものであり、等間隔にかつ同心円状に設けられる。また、突出部１３３２は可動側保持部１２８に対して鉛直方向下側に位置している。
【００６０】
揺動部３の可動側保持部１２８に保持された個々の可動側磁石５１と取付用部材２の固定側保持部材１３３に保持された個々の固定側磁石５２とは、鉛直方向であるＺ軸方向に間隔を隔てて対向して対をなす位置関係で配置されている。可動側磁石５１と固定側磁石５２は、個々の対について、互いに吸引力が働く向きに固定される。本実施形態においては、全ての磁石５１，５２の上がＮ極、下がＳ極になるように固定されている。なお、隣り合う可動側磁石５１と固定側磁石５２の対の間で、磁石の向きを異ならせるようにしてもよい。例えば、一つの可動側磁石５１と固定側磁石５２の対で上がＮ極、下がＳ極とした場合、それに隣接する可動側磁石５１と固定側磁石５２の対で上がＳ極、下がＮ極としてもよい。
【００６１】
固定側保持部材１３３は水平方向に移動可能に取付用部材２の大径部２ｂ内に収容されている。具体的には、固定側保持部材１３３は、上端面が小径部２ａの下端面に摺接する一方、下端面が閉鎖板５の上面に摺接する。取付用部材２の大径部２ｂには、それぞれＹ方向及びＸ方向に固定側保持部材１３３を付勢する２個の押さえばね１５が収容されている（図３にＹ方向の押さえばね１５のみを示す。）。また、取付用部材２の大径部２ｂには、押さえばね１５と対向する２個のマイクロメータ１６が取り付けられている。これらのマクロメータ１６のスピンドルの先端には固定側保持部材１３３の外周が押さえばね１５によって弾性的に押し付けられている。マイクロメータ１６のスピンドルを進退させることで、取付用部材２の大径部２ｂ内で固定側保持部材１３３の水平方向（Ｘ，Ｙ方向）の位置を微調整できる。
【００６２】
以上のように構成された本実施形態のプローブ１は、以下のように動作する。
【００６３】
揺動部３が備える可動側磁石５１と取付用部材２が備える固定側磁石５２の吸引力により、揺動部３には鉛直方向下向きに磁気的な付勢される。そのため、揺動部３が備える鉛直方向下向きの支点部材４２の尖端は、載置台４１の円錐溝４１ａ中心に接した状態を維持し、取付用部材２に対する揺動部３の位置ずれなどが防止される。
【００６４】
揺動部３が支点部材４２の尖端を中心として水平方向に傾いた場合、可動側磁石５１と固定側磁石５２の距離が遠ざかることになり、磁石の性質により、一対の磁石５１，５２を互いに近づける方向に復元力が働く。その結果、揺動部３全体に対して傾きを戻す方向（アーム１２２が鉛直方向に延在する中立位置となる方向）の磁気的な復元力が働く。同様に、揺動部３が支点部材４２の尖端を中心として鉛直軸まわりに回転した場合、可動側磁石５１と固定側磁石５２の間の磁力により、揺動部３に対して回転を戻す方向の磁気的な復元力が働く。これらの磁気的な復元力により、非測定時の揺動部３はアーム１２２の延在方向が鉛直方向に一致する姿勢で保持される。
【００６５】
水平方向に延びる板バネ９Ａ，９Ｂを介して揺動部３に取り付けられたアーム取付部１２０は、板バネ９Ａ，９Ｂが弾性変形することで、鉛直方向に微小移動可能である。非測定時には、アーム取付部１２０、アーム１２２、及びスタイラス１２１の重量により、板バネ９Ａ，９Ｂは重力方向に撓んだ状態にあり、この撓んだ状態にある板バネ９Ａ，９Ｂから、アーム取付部１２０を介してアーム１２２が鉛直方向下向きに延びている。
【００６６】
測定物の鉛直方向又は略鉛直方向に延在する面（鉛直面：図１の測定物６０の場合、被測定面６１ａ）の形状を測定する際には、スタイラス１２１を被測定面に押し付ける測定力が以下のようにして得られる。スタイラス１２１を被測定面６１ａに接触させた状態で取付用部材２を測定物６０側へ水平方向に僅かに移動させると、支点部材４２の尖端を中心にして揺動部３が傾くことで、アーム１２２が水平方向に傾斜する。揺動部３が傾くと、揺動部３に設けた可動側磁石５１と取付用部材２に設けた固定側磁石５２との間の磁気的吸引力により、アーム１２２が鉛直方向に延在するような初期状態の中立位置へ揺動部３を復元させる復元力を生じる。この磁気的な復元力により、スタイラス１２１は被測定面６１に対して所定の測定力で押圧される。
【００６７】
このように、鉛直面測定時の測定力は、連結機構４によって取付用部材２に揺動可能に連結された揺動部３が可動側及び固定側磁石５１，５２の磁気的吸引力で付勢されることで生じる。従って、本実施形態のプローブ１は、小さい測定力により鉛直面の形状測定が可能である。また、鉛直面測定時の測定力は、可動側磁石５１と固定側磁石５２の磁力及び、両者の間隔により調整することができる。例えば可動側磁石５１と固定側磁石５２の磁力は、０．３ｍＮに設定される。本実施形態においては、スタイラス１２１の先端を０．３ｍＮで押したときに、先端の変位が１０μｍになるように、可動側磁石５１と固定側磁石５２の磁力と距離を設定している。
【００６８】
測定物の水平方向又は略水平方向に延在する面（水平面：図１の測定物６０の場合、被測定面６１ｂ）の形状を測定する際には、スタイラス１２１を被測定面に押し付ける測定力は以下のようにして得られる。前述のように、被測定時にはアーム取付部１２０を取り付けた板バネ９Ａ，９Ｂはアーム取付部１２０の重量により鉛直方向下向きに撓んでいる。スタイラス１２１を被測定面６１ａに接触させた状態で取付用部材２を測定物６０側へ鉛直方向に僅かに移動させると、板バネ９Ａ，９Ｂの撓み量が小さくなる。この板バネ９Ａ，９Ｂの撓み量の変化分に板バネ９Ａ，９Ｂの鉛直方向のバネ定数を乗じた測定力で、スタイラス１２１が被測定面６１ｂに押し付けられる。
【００６９】
このように、水平面測定時の測定力は、板バネ９Ａ，９Ｂが撓むことで生じる弾性的な力がアーム取付部１２０を付勢することで生じる。板バネ９Ａ，９Ｂの鉛直方向の剛性は、板バネ９Ａ，９Ｂが支持するアーム取付部１２０、アーム１２２、及びスタイラス１２１の重量を支持できる程度であればよい。つまり、板バネ９Ａ，９Ｂが支持する必要がある重量が軽い。そのため、板バネ９Ａ，９Ｂの鉛直方向の剛性を小さくして、板バネ９Ａ，９Ｂの弾性変形によって生じる付勢力を小さくできる。従って、本実施形態のプローブ１は、小さい測定力で水平面の形状測定が可能である。
【００７０】
以上のように、本実施形態のプローブ１は、鉛直面及び水平面のいずれについても小さい測定力による高精度の測定が可能である。
【００７１】
水平方向に延在する板バネ９Ａ，９Ｂは、鉛直方向の剛性よりも水平方向の剛性が十分に大きい。従って、鉛直面測定時にスタイラス１２１に作用する測定力の反力の水平成分による板バネ９Ａ，９Ｂの水平方向の変形及びそれに伴うミラー１２３の水平方向の変位を実質的になくすことができる。このように、本実施形態のプローブ１は、測定力の反力の水平成分によるミラー１２３の変位を実質的になくすことで、測定物６０の鉛直面の形状を高精度で測定できる。
【００７２】
図９から図１２はプローブ１の代案を示す。図９は代案のプローブ１の外観を示す斜視図であり、図１０はその縦断面である。図１１は代案のプローブ１の下側部分（図９のＡ−Ａ面よりも下側部分）を示す。図１２は図１１のＢ−Ｂ面で切断した状態を示す。代案のプローブの構造のうち図９から図１２に図示されていない部分は、図１から図７に示すプローブ１と同様である。図９から図１２において図１から図７と同一の要素には同一の符号を付している。図１０及び図１１では、粘弾性体３３０Ａ，３３０Ｂの図示は省略している。
【００７３】
２枚の板バネ３０９Ａ，３０９Ｂは多数の打ち抜きが形成された薄厚の円板状である。具体的には、個々の板バネ３０９Ａ，３０９Ｂは、概ね円板状の中心部３０９ａ、この中心部３０９ａの周囲を間隔をあけて取り囲む円環帯状の外周部３０９ｂ、及び中心部３０９ａと外周部３０９ｂを連結する連結部３０９ｃにより連結されている。図９から図１２における連結部３０９ｃは、中心部３０９ａと外周部３０９ｂとの間に配置された円環帯状部３０９ｄ、円環帯状部３０９ｄと中心部３０９ａと接続する架橋部３０９ｅ、及び円環帯状部３０９ｄと外周部３０９ｂとを接続する架橋部３０９ｆを備える。架橋部３０９ｅの対が平面視で９０度間隔で配置されている。また、架橋部３０９ｆも平面視で９０度間隔で配置されている。従って、図９から図１２における連結部３０９ｃは、平面視で概ね十字形状と円形状を組み合わせた形状を有する。ただし、連結部３０９ｃの具体的な構成は図９から図１２のものに限定されず、中心部３０９ａと外周部３０９ｂとを、非直線状とすることで経路長を長く設定した複数の経路で連結するものであればよい。
【００７４】
図９から図１２のプローブ１が備えるアーム取付部３２０は、下側板部３２０ａ、この下側板部３２０ａの上方に間隔を隔てて配置された上側板部３２０ｂ、下側板部３２０ａと上側板部３２０ｂの両端を連結する一対の縦ロッド３２０ｃを備える。下側板部３２０ａ、上側板部３２０ｂ、及び縦ロッド３２０ｃは、図１から図７のプローブ１のアーム取付部１２０における下梁部１２０ａ、上梁部１２０ｂ、及び縦梁部１２０ｃにそれぞれ相当する。下側板部３２０ａの下面には、スタイラス１２１を下端に有するアーム１２２が垂下して取り付けられている。上側板部３２０ｂの上面にはミラー１２３が取り付けられている。スタイラス１２１、支点部材４２の尖端、及びミラー１２３は同一軸（アーム１２２の軸線）上に配置されている。
【００７５】
互いに平行に配置された板バネ３０９Ａ，３０９Ｂがアーム取付部３２０と揺動部３の間に介在する点では、図９から図１２のプローブ１は図１から図７と同様である。しかし、図９から図１２のプローブ１は、揺動部３が備える支点部材４２に対する２枚の板バネの上下方向の配置が図１から図７のプローブ１とは異なる。具体的には、図１から図７のプローブ１では、２枚の板バネ９Ａ，９Ｂはいずれも揺動部３が備える支点部材４２に対して上方に位置している。これに対し、図９から図１２のプローブ１では、一方の板バネ３０９Ａは支点部材４２よりも下方に位置し、他方の板バネ３０９Ｂは支点部材４２よりも上方に位置している。
【００７６】
アーム取付部３２０の上側板部３２０ｂの上面に板バネ３０９Ｂの中心部３０９ａが固定されている。一方、アーム取付部３２０の下側板部３２０ａの下面に板バネ３０９Ａの中心部３０９ａが固定されている。この例では、板バネ３０９Ａ，３０９Ｂは円環帯状のバネ押さえ３２５Ａ，３２５Ｂをねじ３２６で固定することでアーム取付部３２０に固定されている。ただし、必要な取付強度が確保できる限り、板バネ３０９Ａ，３０９Ｂをアーム取付部３２０へ固定する態様は特に限定されない。上側の板バネ３０９Ｂは揺動部３の下部材１１に固定され、下側の板バネ３０９Ａは上側の板バネ３０９Ｂに固定されている。具体的には、平面視でアーム１２２を挟んで対向する２箇所において、上側の板バネ３０９Ｂの外周部３０９ｂの下面と下部材１１の上面との間に短円筒状のスペーサ３１３Ａが介在し、下部材１１の下面と下側の板バネ３０９Ａの上面との間に長円筒状のスペーサ３１３Ｂが介在している。そして、２枚の板バネ３０９Ａ，３０９Ｂ、下部材１１、及び２個のスペーサ３１３Ａ，３１３Ｂが、ねじ３２７によって共締めされている。また、平面視でアーム１２２を挟んで対向する別の２箇所では、上側の板バネ３０９Ｂの下面と下側の板バネ３０９Ａの上面との間に長円筒状のスペーサ３１３Ｃが介在している。スペーサ３１３Ｃはスペーサ３１３Ａ，３１３Ｂの長さと下部材１１の厚みの和に相当する長さを有する。そして、２枚の板バネ３０９Ａ，３０９Ｂとスペーサ３１３Ｃはねじ３２８によって共締めされている。
【００７７】
図９から図１２に示す代案のプローブ１には以下の特徴がある。まず、板バネ３０９Ａの中心部３０９ａが下側板部３２０ａに固定され、板バネ３０９Ｂの中心部３０９ａが上側板部３２０ｂに固定されている。かかる板バネ３０９Ａ，３０９Ｂのアーム取付部１２に対する取付構造により、プローブ１全体としての水平方向の剛性を大きくでき、より高精度の測定が可能となる。また、個々の板バネ３０９Ａ，３０９Ｂの中心部３０９ａと外周部３０９ｂを連結する連結部３０９ｃを非直線状とすることで、板バネ３０９Ａ，３０９Ｂの中心部３０９ａから揺動部３までの経路を長く設定でき、その結果板バネ３０９Ａ，３０９Ｂの剛性をより小さく設定できる。さらに、２枚の板バネ３０９Ａ，３０９Ｂを支点部材４２を上下に挟むように配置したことで、測定力の反力の水平成分による２枚の板バネの変形に起因する測定誤差を低減できる。この点については後に詳述する
【００７８】
図９から図１２に示す代案のプローブ１では、板バネ３０９Ａ，３０９Ｂに粘弾性体３３０Ｂ，３３０Ａを取り付けている（特に図９参照）。粘弾性体３３０Ａ，３３０Ｂは、各種ゴム、スポンジ、制振材等の振動減衰性を有する材料からなる。この代案では、粘弾性体３３０Ａ，３３０Ｂは、板バネ３０９Ａ，３０９Ｂと同様の形状を有する板状であり、両面テープによって板バネ３０８Ａ，３０９Ｂの片側の面に固定されている。接着等の他の固定方法も採用できる。また、板バネ３０８Ａ，３０９Ｂに適切な材料をコーティングすることにより粘弾性体３３０Ａ，３３０Ｂを形成してもよい。図９を参照すると、粘弾性体３３０Ａは、下側の板バネ３０９Ａの下面にねじ４３等との他の要素との干渉を生じない領域全体に配置されている。一方、粘弾性体３３０Ｂは、上側の板バネ３０９Ｂの上面に他の要素との干渉を生じない領域全体に配置されている。板バネ３０９Ａ，３０９Ｂの鉛直方向の剛性を小さくしたことにより、装置自体の振動の伝播や測定物の面性状の影響による振動が板バネ３０９Ａ，３０９Ｂに発生するおそれがある。この板バネ３０９Ａ，３０９Ｂの振動にスタイラス１２１に意図しない変位が生じ、測定精度の低下の原因となる。しかし、板バネ３０９Ａ，３０９Ｂに粘弾性体３３０Ａ，３３０Ｂを固定しておくことで、板バネ３０９Ａ，３０９Ｂの振動を吸収して速やかに減衰させ、振動に起因するスタイラス１２１の意図しない変位を防止し、測定精度を向上できる。粘弾性体の固定位置は図９に限定されず、板バネの振動特性に応じた適切な位置に取り付けれは、振動吸収の効果が得られる。
【００７９】
次に、本実施形態のプローブ１を備えた形状測定装置について説明する。
【００８０】
一般に、形状測定装置は、プローブを測定物６０に接触させ、スタイラスを被測定面６１a、６１ｂに押し付ける測定力がほぼ一定になるように前記プローブの移動を制御しつつ、被測定面６１a、６１ｂに沿って移動させて、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に基づき、被測定面６１ａ，６１ｂの表面形状を測定、演算するものである。
【００８１】
このような形状測定装置の一例として、図１３に示すように、測定物６０を定盤上に固定して、プローブをＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の全方向に移動させるタイプがある。
【００８２】
図１３に示す形状測定装置２０１は、石定盤２９２上に設置されＸ軸及びＹ軸方向に可動なＸ−ステージ２９５１及びＹ−ステージ２９５２を有するステージ２９５を備える。このステージ２９５に、Ｚ−テーブル２９３、Ｈｅ−Ｎｅレーザ（レーザ光発生部）２１０、及び測定点情報決定部２２０を載置している。よって、ステージ２９５は、Ｚ−テーブル２９３、Ｈｅ−Ｎｅレーザ２１０、及び測定点情報決定部２２０をＸ軸及びＹ軸方向に移動させることができる。
【００８３】
測定点情報決定部２２０について、図１３及び図１４を参照して詳しく説明する。図１４に示すように、測定点情報決定部２２０は、測定面６１ａ、６１ｂの位置情報を得るための光学系２２１と、ミラー位置傾き検出部２２６と、スタイラス位置演算部２２３と、位置座標測定部２２４と、加算部２２５とを有する。これらのうち、ミラー位置傾き検出部２２６と光学系２２１の一部を構成するダイクロイックミラー２２１１ａは、プローブ１とともに、Ｚ−テーブル２９３の可動側に取り付けられる。これらのミラー位置傾き検出部２２６、スタイラス位置演算部２２３、位置座標測定部２２４、及び加算部２２５は、前述したレーザ測長器に相当する部分であり、光学系２２１に接続され実際に位置情報を求めるための構成部分である。
【００８４】
Ｈｅ−Ｎｅレーザ２１０が発生した測定用レーザ光２１１は、測定物６０の測定面６１ａ，６１ｂ（図１参照）の３次元座標位置を求めるため、光学系２２１にて４つに分光される。第１光学系２２１ａは、ステージ２９５のＸ軸方向及びＹ軸方向における移動量、つまり被測定面６１ａ，６１ｂのＸ軸方向及びＹ軸方向における座標値を検出するため、図示を省略しているがＸ軸方向に直交する鏡面からなる基準面を有するＸ軸基準板、及びＹ軸方向に直交する鏡面にてなる基準面を有するＹ軸基準板を有する。また、さらに、第１光学系２２１ａには、Ｚ軸方向に直交する鏡面からなるＺ基準板２２９も設けられている。各基準板の基準面は、平坦度が０．０１ミクロンオーダーに構成されている。
【００８５】
被測定面６１ａ，６１ｂの形状測定方法では、例えば特開平１０−１７０２４３号公報に記載されるように、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の各基準面にレーザ光を照射し、照射するレーザ光と各基準面で反射されたレーザ光との干渉信号を計数することで、反射されたレーザ光の位相の変化を検出する公知のレーザ測長方法を用いる。より具体的には、このレーザ測長方法では、例えば特開平４−１５０３号公報に開示されるように、各基準面へ照射されるレーザ光をプリズム等の分岐部材にて参照光と測定光とに分け、かつ参照光と測定光との位相を９０度ずらす。そして測定光を基準面へ照射し反射させ、戻って来た反射光と参照光の位相のずれによる干渉光を電気的に検出して、得られた干渉縞信号から作成するリサージュ図形に基づき基準点と前記基準面との距離が測定される。
【００８６】
位置座標測定部２２４は、このような測長方法を実行する部分であり、被測定面６１ａ，６１ｂにおける測定点のＸ座標値、Ｙ座標値、及びＺ座標値の測長を行う検出部２２４ａ〜２２４ｃを有する。本実施形態では、図１３に示すように、石定盤２９２上に載置された測定物６０に対してステージ２９５が移動することから、上述の測定点におけるＸ座標値、Ｙ座標値、及びＺ座標値は、Ｚ−テーブル２９３に取り付けられているプローブ１の取付用部材２の絶対位置座標値と換言することができる。
【００８７】
本実施形態では、検出部２２４ｃは、プローブ１のスタイラス１２１のＺ座標値の測長を行う部分であり、スタイラス位置測定器として機能する。以下、この点について詳述する。図１４に示すように、Ｚ−テーブル２９３の下端に取り付けられているプローブ１のアーム取付部１２０に取り付けられているミラー１２３の中心点へ、測定用レーザ光２１１の一部がフォーカスレンズ１７を介して照射される。照射されたレーザ光２１１は、ミラー１２３にて反射し、該反射光２１１ｂは、光分離部２２１１に備わるダイクロイックミラー２２１１ａにて反射されること無く、透過し、ハーフミラー２２１１ｂで反射し、検出部２２４ｃに照射され、スタイラス１２１のＺ座標値の測長を行うことができる。
【００８８】
位置検出部２２４ａ〜２２４ｃの検出結果に基づく位置座標測定部２２４の演算結果（本実施形態では取付用部材２のＸ軸及びＹ軸座標値とスタイラス１２１のＺ軸座標値）と、ミラー位置傾き検出部２２６の検出結果に基づくスタイラス位置演算部２２３の演算結果を加算部２２５で加算することで被測定面６１の形状が演算される。ミラー位置傾き検出部２２６は、揺動部３の傾斜に伴うスタイラス１２１の変位（Ｘ軸及びＹ軸方向）とアーム取付部１２０の鉛直方向の変位に伴うスタイラス１２１の変位（Ｚ軸方向）を検出する。
【００８９】
以下、ミラー位置傾き検出部２２６及びスタイラス位置演算部２２３について説明する。ミラー位置傾き検出部２２６は、ミラー１２３へ照射する半導体レーザ２２７、傾斜角度検出部２２２、上下位置検出部２２８を備える。Ｈｅ−Ｎｅレーザ２１０と異なる波長の半導体レーザ（レーザ光発生部）２２７のレーザ光２２９は、ダイクロイックミラー２２１１ａを介してミラー１２３へ照射される。レーザ光２２９のミラー１２３による反射された反射光２２９ｂは、ダイクロイックミラー２２１１ａで反射された後、傾斜角度算出部２２２と上下位置検出部２２８に入射する。
【００９０】
傾斜角度検出部２２２は、反射光２２９ｂを受光し電気信号に変換する傾き検出受光面２２２１を有する光検出器にて構成され、傾き検出受光面２２２１は、それぞれ独立して光電変換を行う複数の受光領域に区画されている。本実施形態では図１５に示すように、傾き検出受光面２２２１を格子状、つまり十字状に４つの受光領域２２２ａ〜２２２ｄに区画している。なお、受光領域の数、及び形状は、図示の形態に限定されるものではなく、測定精度等との関係に基づいて適宜設定することができる。
【００９１】
非測定時には、プローブ１のアーム１２２は鉛直方向に沿って配置されている。よって非測定時には、反射光２２９ｂは、鉛直方向に沿ってミラー１２３へ照射される半導体レーザ光２２７のレーザ光２２９の光軸に平行に進み、ダイクロイックミラー２２１１ａにて反射して傾斜角度検出部２２２の傾き検出受光面２２２１の中央部へ照射される。この場合の傾き検出受光面２２２１における反射光２２６ｂの照射領域を、図１６に点線にて示し非測定時照射領域２２２２とする。
【００９２】
一方、プローブ１の説明で述べたように、鉛直面である被測定面６１ａの測定は、ほぼ一定の測定力にてスタイラス１２１を被測定面６１ａへ押圧して行われることから、上述したようにプローブ１の揺動部３は、取付用部材２に対して傾斜する。揺動部３が傾斜していると、反射光２２９ｂは、レーザ光２２９の光軸と交差してミラー２２１１ａへ進み、傾斜角度検出部２２２の傾き検出受光面２２２１では中央部から外れた基準照射領域２２２３へ照射される。また、上述したように測定時において、揺動部３は、支点部材４２の尖端を支点として、特定方向に限定されることなくいずれの方向にも揺動可能である。よって、測定対象となるような例えばナノオーダーでの微細な凹凸が被測定面６１ａに全く存在しないとすると、基準照射領域２２２３は、図１６に示すように、傾き検出受光面２２２１の中心点２２２１ａを中心とした一定半径にてなる円の円周２２２４に沿って位置することになる。
【００９３】
傾き検出受光面２２２１への反射光２２９ｂの照射に応じて傾斜角度検出部２２２は、電気信号を生成するが、傾き検出受光面２２２１が４つの受光領域２２２ａ〜２２２ｄに区画されていることから、反射光２２９ｂの照射場所から揺動部３の傾斜角度を検出することができる。即ち、受光領域２２２ａを「Ａ」、受光領域２２２ｂを「Ｂ」、受光領域２２２ｃを「Ｃ」、受光領域２２２ｄを「Ｄ」とすると、各受光領域２２２ａ〜２２２ｄから得られる電気信号について、（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）を行うことでＸ軸方向における揺動部３の傾斜角度を求めることができ、（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ）を行うことでＹ軸方向における傾斜角度を求めることができる。このように傾斜角度検出部２２２は、各受光領域２２２ａ〜２２２ｄから得られる電気信号について、（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）、及び（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ）を行い、これらを角度信号として、前記スタイラス位置演算部２２３へ送出する。
【００９４】
スタイラス位置演算部２２３は、前記角度信号をプローブ１に備わるスタイラス１２１の変位量に変換する。
【００９５】
一方、実際には、被測定面６１ａには前記微細凹凸が存在することから、図１６に変位照射領域２２２５として示すように、前記微細凹凸に対応して、円周２２２４から外れた位置に反射光２２９ｂが照射される。そして、上述した基準照射領域２２２３の場合と同様に、変位照射領域２２２５への反射光２２９ｂの照射により、傾斜角度検出部２２２は角度信号を送出し、スタイラス位置演算部２２３は、スタイラス１２１における前記微細凹凸に対応した変位量を求める。従って、基準照射領域２２２３に対応する、スタイラス１２１の基準変位量と、変位照射領域２２２５に対応する凹凸変位量との差を求めることで、前記微細凹凸の大きさを求めることができる。
【００９６】
なお、この測定方法の前提として、支点部材４２の尖端を支点として、揺動部３がいずれの方向にも首振りして傾斜可能な構成において、前記基準変位量を一定若しくはほぼ一定とする必要がある。すなわち、揺動部３がいずれの方向にも揺動することから、傾き検出受光面２２２１における反射光２２９ｂの照射領域は、測定時には、例えば前記円周２２２４に沿って移動することになる。このような状況において、反射光２２９ｂが基本的に常に基準照射領域２２２３に照射される、つまりいずれの方向に揺動部３が揺動した場合でも揺動部３の傾斜角度αが一定若しくはほぼ一定である必要がある。従って、測定時には、制御装置２８０にてステージ２９５の駆動部２９４を制御して、図１７及び図１８に示すように、スタイラス１２１の走査方向１２１ａに垂直な方向１２ｌｂに対する揺動部３の傾きβが一定になるようにステージ２９５の移動量及び移動方向を制御し走査方向１２１ａを修正する必要がある。
【００９７】
上述のようにしてスタイラス位置演算部２２３にて、被測定面６１ａの測定点の前記微細凹凸の大きさを求めると同時に、上述したように前記位置座標測定部２２４にて、測定面６１ａの測定点におけるＸ座標値、Ｙ座標値、及びＺ座標値が求められている。よって、加算部２２５は、位置座標測定部２２４にて求まる、測定面６１ａの測定点におけるＸ座標値、Ｙ座標値、及びＺ座標値と、スタイラス位置演算部２２３にて求まるスタイラス１２１の変位とを加算して、測定面６１ａ上の測定点における測定Ｘ座標値、測定Ｙ座標値、及び測定Ｚ座標値を求める。すなわち、位置座標測定部２２４にて求まる測定点６１ａにおけるＸ座標値、Ｙ座標値、及びＺ座標値をＸｌ，Ｙｌ，Ｚ１とし、スタイラス位置演算部２２３にて求まる測定点におけるスタイラス１２１の変位のＸ座標値を（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）、及びＹ座標値を（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ）とすると、加算部２２５にて求まる前記測定Ｘ座標値、測定Ｙ座標値、及び測定Ｚ座標値は、Ｘｌ＋｛（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）｝、Ｙｌ＋｛（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ）｝、Ｚ１ となる。
【００９８】
スタイラス１２１は図示のように球状であることから、前記測定Ｘ座標値、測定Ｙ座標値、及び測定Ｚ座標値は、スタイラス１２１の中心座標である。従って、測定点６１ａの真の座標値は、プローブ１の走査方向に垂直な方向に、スタイラス１２１の半径値だけずらした値となる。
【００９９】
ミラー位置傾き検出部２２６が備える上下位置検出部２２８は、ミラー１２３からの反射光２２９ｂから、取付用部材２に対するミラー１２３の上下方向の変位を検出する。検出方法は、特開２００８−２９２２３６に示されるようなホログラムを用いた方法等、公知の技術で可能である。
【０１００】
以上のように構成される形状測定装置２０１における動作、すなわち、測定物６０の被測定面６１ａ，６１ｂに対する形状測定方法について、以下に説明する。この形状測定方法は、制御装置２８０の動作制御にて実行される。
【０１０１】
まず、鉛直面である被測定面６１ａを測定する場合について説明する。上述したように、スタイラス１２１を被測定面６１ａに接触させ、さらに例えば約０．３ｍＮ（＝３０ｍｇｆ）の測定力にてスタイラス１２１が被測定面６１ａを押圧するように、測定物６０に対して、三次元形状測定用プローブ１を取り付けたＺ−テーブル２９３を有するステージ２９５を相対的に配置する。これにて、ミラー位置傾き検出部２２６の傾き検出受光面２２２１には、反射光２２６ｂが基準照射領域２２２３に照射され、上述したように、スタイラス位置演算部２２３及び位置座標測定部２２４を介して、加算部２２５により、被測定面６１ａの測定点における基準となるＸ座標値、Ｙ座標値、及びＺ座標値が求められる。
【０１０２】
例えば、測定物６０が円筒形で、その外周面を一周測定する場合を例に採ると、上述のように、図１７及び図１８に示す垂直方向１２１ｂに対する揺動部３の傾きβが一定若しくはほぼ一定に維持されるように、すなわち、いずれの方向にも揺動部３を傾斜させ、かつ鉛直方向に対する揺動部３の傾きαが一定若しくはほぼ一定に維持されるように、制御装置２８０にてステージ２９５の駆動部２９４を制御して、Ｘ軸方向及びＹ軸方向へのステージ２９５の移動量及び移動方向を制御する。なお、本実施例ではスタイラス１２１先端の変位が１０μｍを保つような角度に調整することにより、測定力を０．３ｍNに保つ
ことができる。
【０１０３】
このようにして被測定面６１ａの全周について、揺動部３がいわゆる首振り運動や味噌すり運動するようにして、被測定面６１ａの測定を行う。これにより、反射光２２６ｂは、傾斜角度検出部２２２の傾き検出受光面２２２１における各受光領域２２２ａ〜２２２ｄを、例えば前記円周２２２４に沿うようにして一周する。このとき、被測定面６１ａの前記凹凸に対応して反射光２１１ｂの照射領域は、基準照射領域２２２３から変位照射領域２２２５へ移動する。
【０１０４】
このような測定動作に基づき、上述したように、スタイラス位置演算部２２３及び位置座標測定部２２４を介して、加算部２２５により、被測定面６１ａの測定点における、前記凹凸も含めて、前記測定Ｘ座標値、測定Ｙ座標値、及び測定Ｚ座標値が求められる。
【０１０５】
次に、水平面である被測定面６１ｂを測定する場合について説明する。この場合、スタイラス１２１を被測定面６１ｂに押し付ける測定力は、鉛直方向下向きに発生させる必要がある。また、高精度に測定するためには、鉛直方向下向きの測定力を一定にする必要がある。制御装置２８０にて駆動部２９４を駆動してステージ２９５を水平方向に移動させると共に、ミラー位置傾き検出部２２６の上下位置検出部２２８の検出結果に基づいてミラー１２３の鉛直方向の変位量が一定となるようにＺ−テーブル２９３を動作させる。例えば、非測定時の板バネ９Ａ，９Ｂの撓みが１００μmのとき、測定時には９０μmの撓みになるように、制御を行うことにより、測定力を５ｍＮに保つことができる。また、被測定面６１ｂの微小な変位に追従してスタイラス１２１も上下移動するため、スタイラス１２１と一体となって移動するミラー１２３のＺ座標の測長部として機能する検出部２２４ｃの検出値により、測定物の微小変位も測定できることになる。
【０１０６】
また、完全な水平面から傾斜が大きくなった場合、例えば４５度程度の傾斜の測定時には、鉛直下方向に押圧力を発生させた場合には、スタイラス１２１のアーム１２２に傾きが発生するが、傾斜角度検出部２２２でアームの傾きを検出しているので、その傾き量をスタイラス変位に換算して補正を加えることにより、高精度な測定が可能となる。
【０１０７】
ただし、以上のような方法で測定した場合、アーム取付部１２０と揺動部３の間に介在する弾性部（本実施形態では板バネ９Ａ，９Ｂ）のねじれや水平方向変位は検出できず、測定誤差となる。弾性部の水平方向の剛性が小さいと、弾性部のねじれや水平方向の変位が生じやすい。図１９に示すように、弾性部９を１枚の板バネ９で構成できる。しかし、この構成では、スタイラス１２１に作用する測定力の反力の水平の水平成分により板バネ９にねじれが生じやすく、このねじれはアーム取付部１２０の水平方向の変位や、揺動中心のずれとなる。これに対して、本実施の形態では、２枚の板バネ９Ａ，９Ｂで弾性部を構成しているので、鉛直方向の剛性に対して水平方向の剛性が十分大きく、弾性部のねじれや水平方向の変位が低減されている。換言すれば、図２０に概念的に示すように、アーム取付部１２０は可能な限り鉛直方向にのみ変位して水平方向には変位しない構成としている。３枚以上の板バネを鉛直方向に互いに間隔を隔てて配置した構成とすれば、水平方向の剛性をさらに高めて、弾性部のねじれや水平方向の変位を低減できる。なお、図８を参照して説明したように、板バネ９Ａ，９Ｂを長方形状としてもよいが、この場合には長方形の短辺方向の剛性が小さくなるので、本実施形態の板バネ９Ａ，９Ｂのように中心部９ａから複数の梁状部９ｂが放射状に延びる構成（十字形状）がより好ましい。
【０１０８】
前述した図９から図１２に示す代案のように非直線状の連結部３０９ｃで連結することで板バネ３０９Ａ，３０Ｂの中心部９ａから外周部９ｂまでの経路長を長く設定することにより水平方向の剛性を確保しつ鉛直方向の剛性を小さくすることで測定力の低減が可能である。板バネの剛性を小さくしたことにより、装置自体の振動の伝播や測定物の面性状の影響による振動が発生する場合があるが、板バネの振動特性に応じた適切な位置に粘弾性体を取り付けると、振動の吸収に対して効果的である。
【０１０９】
鉛直面測定時にスタイラス１２１に作用する測定力の反力の水平成分によって弾性部を構成する２枚の板バネに水平方向の微小な変形が生じた場合、アーム１２２の長さに応じて２枚の板バネの変形によるスタイラス１２１の回転中心の位置は異なる。しかし、前述した図９から図１２の代案のように、支点部材４２を上下に挟むように２枚の板バネ３０Ａ，３０９Ｂを配置することで、測定力の反力の水平成分による２枚の板バネ３０９Ａ，３０９Ｂの変形に起因する測定誤差を低減できる。特に、図１０において符号Ｌで示すように、２枚の板バネ３０９Ａ，３０９Ｂを支点部材４２の尖端をほぼ均等な位置で上下に挟むように配置することで、スタイラス１２１に作用する測定力の反力の水平成分による２枚の板バネ３０９Ａ，３０９Ｂの変形に起因する測定誤差をより効果的に低減できる。
【０１１０】
図２１Ａのように２枚の板バネ３０９Ａ，３０９Ｂがいずれも支点部材４２のよりも上方にあり両者の間隔が狭い場合（図１から図８に相当）でも、図２２Ａのように２枚の板バネ３０９Ａ，３０９Ｂがいずれも支点部材４２の上方にあり両者の間隔が広い場合（図９から図１２に相当）でも、測定力の反力の垂直成分（垂直力Ｆｖ）に対する２枚の板バネ３０９Ａ，３０９Ｂの抗力よりも、測定力の水平成分（水平力Ｆｈ）に対する２枚の板バネ３０９Ａ，３０９Ｂの抗力は大きい。しかし、図２１Ａのように板バネ３０９Ａ，３０９Ｂ間の間隔が狭い場合、水平力Ｆｈに対する抗力は垂直力Ｆｖに対する抗力よりも十分に大きくわけではなく、水平力Ｆｈにより板バネ３０９Ａ，３０９Ｂにねじれが生じやすい。これに対して、図２１Ｂのように板バネ３０９Ａ，３０９Ｂ間の間隔が広いと、水平力Ｆｈに対する抗力は垂直力Ｆｖに対する抗力よりも十分に大きくなり、板バネ３０９Ａ，３０９Ｂにねじれが生じにくい。また、この場合、水平力Ｆｈによる２枚の板バネ３０９Ａ，３０８Ｂのたわみに起因するスタイラス１２１の回転中心が支点部材４２の尖端近傍となるため、板バネ３０９Ａ，３０９Ｂのたわみが測定精度に及ぼす影響が小さい。以上の理由より、２枚の板バネ３０９Ａ，３０９Ｂを支点部材４２を上下に挟むように配置することで、測定誤差をより効果的に低減できる。
【０１１１】
以上のように、前記構成の三次元形状測定装置用プローブ１によれば、水平な任意の方向に傾斜可能な揺動部３を、磁石による磁力を用い非接触で中立位置に保持するとともに、スタイラス１２１が測定物６０を押圧する力、すなわち測定力を微小に発生させるため、不慮の衝撃による破損もしづらい。かつ可動側磁石５１、固定側磁石５２の吸引力により、連結機構４における円錐溝４１ａと尖端で構成された支点部材４２を押えつける構造のため、支点の位置ずれが少ない。これにより、本プローブ１はスタイラス１２１の軸は鉛直方向に限定されず、傾いた状態での使用も可能になる。また、電磁石のように電流を流すことが無いので、構成が簡単になり、電気熱による影響もない。
【０１１２】
また、本実施形態にかかる形状測定装置２０１によれば、三次元形状測定用プローブ１において、スタイラス１２１を有する揺動部３は、いわゆる首振り運動や味噌すり運動をすることができる。従って、測定物６０の例えば内周面の測定を行う場合、測定物６０を回転させることなく、プローブ１をＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させることで、前記内周面の測定を行うことができる。よって、測定装置において複雑な構成を採ることなく、測定物６０の側面の傾斜方向を問わずに形状測定が可能となる。また、測定物６０を回転させる必要がないことから、測定物６０の中心軸の芯ぶれが発生するというような問題も生じず、被測定面の測定誤差の低減を図ることもできる。よって、例えばレンズの外径や穴径等が測定可能であり、また、例えば図２２及び図２３に示す流体軸受けのような測定物６０に形成され潤滑剤を収容する溝部５５の形状を測定することも可能となる。さらに、同時に水平面の測定も可能になるため、穴の水平面に対する直角度も高精度に測定可能となる。よって、形状測定装置２０１は、精密及び微細化に向かう産業の発展に幅広く貢献できる。
【０１１３】
本発明は前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。以下、他の態様について例示する。
【０１１４】
揺動部３の構成は、支点により載置台４１に揺動可能に配置される構成であれば、上述の構成に限定するものではない。例えば、前記実施形態では、支点部材は、突起状に設けられた部材であり、当該突起の先端が円錐形の溝に陥入するように構成されているが、載置台に上向きに突起状の部材が設けられ、揺動部材に設けられた円錐溝を支点部材としてもよい。
【０１１５】
前記実施形態では、可動側磁石５１と固定側磁石５２による吸引力を用いたが、固定側、可動側のどちらか一方が磁石ではなく、磁性体としても同じ効果が得られる。
【０１１６】
前記実施形態では、板バネ９Ａ，９Ｂの端部（梁状部９ｂの先端）を揺動部３に固定し、中心部９ａにアーム取付部１２０を固定したが、逆に板バネの端部にアーム取付部１２０に固定し、中心部を揺動部３に固定してもよい。
【０１１７】
前記実施形態においてアーム１２２の傾き検出として、非接触変位センサを設けてもよい。センサの種類としては静電容量型のものが考えられる。これにより、揺動部３の支点を中心としたＸＹ２方向の傾きを検出できる。
【０１１８】
前記実施形態の形状測定装置２０１では、測定物６０を石定盤２９２上に固定し、三次元形状測定用プローブ１をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動させたが、逆に、三次元形状測定用プローブ１を固定して測定物６０を移動させてもよい。要するに、測定物６０とプローブ１とを相対的に移動させればよい。
【産業上の利用可能性】
【０１１９】
本発明は、鉛直面の測定時だけでなく、水平面の測定時にも、小さい押圧力で測定でき、また、プローブ内のミラーの水平方向の変位を低減することにより、高精度に測定物の形状を測定できる。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鉛直面の形状測定だけでなく、水平面の形状測定を高精度及び低測定力にて走査測定する形状測定装置の形状測定用プローブに適用できる。
【符号の説明】
【０１２０】
１ 三次元形状測定装置用プローブ
２ 取付用部材
２ａ 小径部
２ｂ 大径部
３ 揺動部
４ 連結機構
５ 閉鎖板
５ａ レーザ用貫通穴
５ｂ 揺動用貫通穴
６ 支持軸
９，９Ａ，９Ｂ 板バネ
９ａ 中心部
９ｂ 梁状部
９ｃ 貫通穴
１１ 下部材
１２ 上部材
１２ａ 貫通穴
１３Ａ，１３Ｂ スペーサ
１４ ねじ
１５ 押さえばね
１６ マイクロメータ
１７ フォーカスレンズ
４１ 載置台
４１ａ 円錐
４２ 支点部材
４３ ねじ
５１ 可動側磁石
５２ 固定側磁石
６０ 測定物
１２０ アーム取付部
１２０ａ 下梁部
１２０ｂ 上梁部
１２０ｃ 縦梁部
１２１ スタイラス
１２２ アーム
１２３ ミラー
１２８ 可動側保持部
１３３ 固定側保持部材
２０１ 三次元形状測定装置
２１１ Ｈｅ−Ｎｅレーザ
２２０ 測定点情報決定部
２２２ 傾斜角度検出部
２２３ スタイラス位置演算部
２２４ 位置座標測定部
２２５ 加算部
２２６ ミラー位置傾き検出部
２２７ 半導体レーザ
２２８ 上下位置検出部
２２９ レーザ光
３０９Ａ，３０９Ｂ 板バネ
３０９ａ 中心部
３０９ｂ 外周部
３０９ｃ 連結部
３０９ｄ 円環帯状部
３０９ｅ，３０９ｆ 架橋部
３１３Ａ，３１３Ｂ，３１３Ｃ スペーサ
３２０ アーム取付部
３２０ａ 下側板部
３２０ｂ 上側板部
３２０ｃ 縦ロッド
３２５Ａ，３２５Ｂ バネ押さえ
３２６，３２７，３２８ ねじ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定物の被測定面に接触するスタイラスが下端に配置されたアームが垂下して取り付けられ、かつミラーが取り付けられたアーム支持部と、
前記アーム支持部が取り付けられ、弾性変形によって前記アーム支持部を鉛直方向に微小移動させ、鉛直方向の剛性よりも水平方向の剛性が大きい弾性部と、
前記弾性体を保持する揺動部と、
三次元形状測定装置に取り付けられる取付部と、
前記揺動部に設けられた支点部と、前記取付部に設けられて前記支点部が載置される載置部とを備え、前記支点部を支点として揺動可能に前記揺動部を前記取付部に連結する連結機構と、
前記揺動部に設けられた可動側部材と、前記取付部に設けられて前記可動側部材に対して鉛直方向に間隔を隔てて対向する固定側部材とを備え、前記可動側部材と前記固定側部材は磁気的吸引力を発生するように構成され、当該磁気的吸引力により前記アームが鉛直方向を向くように前記揺動部を付勢する付勢機構と
を備える、三次元形状測定装置用プローブ。
【請求項２】
前記弾性部は単一の板バネで構成される、請求項１に記載の三次元形状測定装置用プローブ。
【請求項３】
前記弾性部は上下方向に間隔を隔てて配置された２枚以上の板バネを備える、請求項１に記載の三次元形状測定装置用プローブ。
【請求項４】
前記スタイラス、前記支点部、及び前記ミラーは同一軸上に配置され、
前記ミラーは前記スタイラス及び前記前記支点部よりも上方に配置され、
前記弾性部を構成する前記２枚の板バネは、前記支点部が前記載置部に載置された位置に対して一方が下方に配置されて他方が上方に配置されている、請求項３に記載の三次元形状測定装置用プローブ。
【請求項５】
前記板バネは、前記アーム支持部が取り付けられる中心部と、この中心部から放射状に延びて先端が前記揺動部に固定される複数の梁状部とを備える、請求項２から請求項３のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置用プローブ。
【請求項６】
前記板バネは、前記アーム支持部が取り付けられる中心部と、前記揺動部に固定される外周部と、それぞれ前記中心部と前記外周部を連結する非直線状の複数の連結部とを備える、請求項２から請求項３のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置用プローブ。
【請求項７】
前記板バネに取り付けられ、かつ前記板バネの振動特性に合わせた形状を有する粘弾性体を備える、請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置用プローブ。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置用プローブと、
測定用レーザ光を発生するレーザ光発生部と、
前記測定用レーザ光が前記ミラーで反射された反射光に基づいて測定物の被測定面における測定点の位置情報を求める測定点情報決定部と
を備える、三次元形状測定装置。
【請求項９】
前記測定点情報決定部は、
前記揺動部の傾斜角度を前記反射光から検出する傾斜角度検出部と、
前記傾斜角度検出部から得られた角度信号を前記取付部に対する前記スタイラスの変位量に変換するスタイラス位置演算部と、
前記測定点の前記取付部に対する位置座標値を前記反射光から求める位置座標測定部と、
前記位置座標値に前記スタイラスの変位量を加算して前記測定点の位置情報を求める加算部と
を備える、請求項８に記載の三次元形状測定装置。
【請求項１０】
前記傾斜角度検出部は、前記反射光を受光する光検出器を有し、この光検出器は、それぞれ独立して光電変換を行う複数の受光領域に区画された一つの受光面を有する、請求項９に記載の三次元形状測定装置。
【請求項１】
測定物の被測定面に接触するスタイラスが下端に配置されたアームが垂下して取り付けられ、かつミラーが取り付けられたアーム支持部と、
前記アーム支持部が取り付けられ、弾性変形によって前記アーム支持部を鉛直方向に微小移動させ、鉛直方向の剛性よりも水平方向の剛性が大きい弾性部と、
前記弾性体を保持する揺動部と、
三次元形状測定装置に取り付けられる取付部と、
前記揺動部に設けられた支点部と、前記取付部に設けられて前記支点部が載置される載置部とを備え、前記支点部を支点として揺動可能に前記揺動部を前記取付部に連結する連結機構と、
前記揺動部に設けられた可動側部材と、前記取付部に設けられて前記可動側部材に対して鉛直方向に間隔を隔てて対向する固定側部材とを備え、前記可動側部材と前記固定側部材は磁気的吸引力を発生するように構成され、当該磁気的吸引力により前記アームが鉛直方向を向くように前記揺動部を付勢する付勢機構と
を備える、三次元形状測定装置用プローブ。
【請求項２】
前記弾性部は単一の板バネで構成される、請求項１に記載の三次元形状測定装置用プローブ。
【請求項３】
前記弾性部は上下方向に間隔を隔てて配置された２枚以上の板バネを備える、請求項１に記載の三次元形状測定装置用プローブ。
【請求項４】
前記スタイラス、前記支点部、及び前記ミラーは同一軸上に配置され、
前記ミラーは前記スタイラス及び前記前記支点部よりも上方に配置され、
前記弾性部を構成する前記２枚の板バネは、前記支点部が前記載置部に載置された位置に対して一方が下方に配置されて他方が上方に配置されている、請求項３に記載の三次元形状測定装置用プローブ。
【請求項５】
前記板バネは、前記アーム支持部が取り付けられる中心部と、この中心部から放射状に延びて先端が前記揺動部に固定される複数の梁状部とを備える、請求項２から請求項３のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置用プローブ。
【請求項６】
前記板バネは、前記アーム支持部が取り付けられる中心部と、前記揺動部に固定される外周部と、それぞれ前記中心部と前記外周部を連結する非直線状の複数の連結部とを備える、請求項２から請求項３のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置用プローブ。
【請求項７】
前記板バネに取り付けられ、かつ前記板バネの振動特性に合わせた形状を有する粘弾性体を備える、請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置用プローブ。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置用プローブと、
測定用レーザ光を発生するレーザ光発生部と、
前記測定用レーザ光が前記ミラーで反射された反射光に基づいて測定物の被測定面における測定点の位置情報を求める測定点情報決定部と
を備える、三次元形状測定装置。
【請求項９】
前記測定点情報決定部は、
前記揺動部の傾斜角度を前記反射光から検出する傾斜角度検出部と、
前記傾斜角度検出部から得られた角度信号を前記取付部に対する前記スタイラスの変位量に変換するスタイラス位置演算部と、
前記測定点の前記取付部に対する位置座標値を前記反射光から求める位置座標測定部と、
前記位置座標値に前記スタイラスの変位量を加算して前記測定点の位置情報を求める加算部と
を備える、請求項８に記載の三次元形状測定装置。
【請求項１０】
前記傾斜角度検出部は、前記反射光を受光する光検出器を有し、この光検出器は、それぞれ独立して光電変換を行う複数の受光領域に区画された一つの受光面を有する、請求項９に記載の三次元形状測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１Ａ】
【図２１Ｂ】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１Ａ】
【図２１Ｂ】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【公開番号】特開２０１０−２８６４７５（Ｐ２０１０−２８６４７５Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９８８６５（Ｐ２０１０−９８８６５）
【出願日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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