形状測定装置用プローブ及び形状測定装置
【課題】水平面に近い形状を有するときにも高精度かつ低測定力で測定が可能なプローブを提供する。
【解決手段】直動部６は鉛直方向にのみ直動可能に取付部２に支持される。揺動部３は、測定物６０の被測定面６１に接触するスタイラス１２１を先端に備えるアーム１１２を有する。連結機構４は、揺動部３側の支持部材４２の尖端を直動部６側の載置台４１に形成された溝４１ａに嵌入することで、揺動部３を直動部６に対して揺動可能に連結する。揺動側磁石５１と非揺動側磁石５２との間の磁気的吸引力により、アーム１１２を鉛直方向に向ける付勢力が揺動部３に作用する。可動側磁石７１と固定側磁石７２との間の磁気力により、直動部３に鉛直方向上向きの付勢力が作用し、直動部３は取付部３に対して鉛直方向に非接触で保持される。
【解決手段】直動部６は鉛直方向にのみ直動可能に取付部２に支持される。揺動部３は、測定物６０の被測定面６１に接触するスタイラス１２１を先端に備えるアーム１１２を有する。連結機構４は、揺動部３側の支持部材４２の尖端を直動部６側の載置台４１に形成された溝４１ａに嵌入することで、揺動部３を直動部６に対して揺動可能に連結する。揺動側磁石５１と非揺動側磁石５２との間の磁気的吸引力により、アーム１１２を鉛直方向に向ける付勢力が揺動部３に作用する。可動側磁石７１と固定側磁石７２との間の磁気力により、直動部３に鉛直方向上向きの付勢力が作用し、直動部３は取付部３に対して鉛直方向に非接触で保持される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高精度、低測定力で任意の三次元形状を測定する形状測定装置用プローブ及び形状測定装置に関するものである。詳細には、本発明は、微細化と高精度化が進む産業界のニーズに応えるため、より高精度、低測定力で任意形状を測定でき、穴の内面や穴径の測定、外側面の形状や外径の測定、非球面レンズの形状や外径に対するレンズ面の傾きや偏心、微細表面形状等をサブミクロン以下の高精度、1mN以下の低測定力で応答性良く、速く、かつ信頼性良く測定できる形状測定装置用プローブ及び三次元形状測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
測定物の外側面、内側面、及び穴径等を、1mN以下の低測定力で走査測定可能な従来の三次元形状測定装置及び形状測定装置用プローブとして、特許文献１に記載のものがある。図８及び図９に、特許文献１に記載された従来の三次元形状測定用プローブを示す。
【０００３】
図８及び図９に示すプローブ１０１は、円筒形の取付部２に固定されている載置台４１の上面に形成された円錐形の溝４１aに嵌入された支点部材４２の尖端を中心として、支点部材４２、支点部材４２が取り付けられている揺動部３、及び揺動部３に取り付けられているスタイラス１２１がＸ、Ｙ方向問わずいずれの方向にも揺動可能になっている。
【０００４】
揺動部３に固定された可動側磁石５１と、取付部材２に取り付けられている固定側保持部材１３３に固定された固定側磁石５２とが、互いに対向して配置されている。可動側磁石５１と固定側磁石５２は、可動側磁石５１と固定側磁石５２の個々の対について互いに吸引力が働く向きに固定されている。この吸引力によって揺動部３は下向きに力を受けるので、支点部材４２の尖端が載置台４１の円錐溝４１ａの中心に押し付けられて接し、それによって揺動部３の位置ずれ等が防止される。また、揺動部３は、可動側磁石５１と固定側磁石５２の間の吸引力によって、先端にスタイラス１２１を備えるアーム１２２が鉛直方向に延在する中立位置となるように付勢されている。
【０００５】
可動側磁石５１と固定側磁石５１のいずれか一方を磁石ではない磁性体に置換させても両者の間に吸引力が作用するので、先端にスタイラス１２１を備えるアーム１２２が鉛直方向に延在する中立位置となるように揺動部３を付勢できる。
【０００６】
測定対象となる測定物６０の被測定面６１の形状測定時には、スタイラス１２１を被測定面６１に所定の押圧力にて押し付ける。すなわち、形状測定時には、スタイラス１２１が測定物６０に微小な測定力を加えた状態で、スタイラス１２１と測定物６０が接する。この測定力の反力がスタイラス１２１に作用するため、揺動部３は、支点部材４２の尖端を中心として傾斜する。
【０００７】
このプローブ１０１を備えた形状測定装置は、スタイラス１２１先端の微小な測定力が一定になるように、つまり揺動部３の傾斜角度が一定になるように制御しつつ、プローブ１０１を被測定面６１に沿って移動させて走査し、レーザ測長器と基準平面ミラーとを利用して検出したプローブ１０１と基準面との位置関係に基づいて、被測定面６１の表面形状を測定、演算する。測定物６０と接触しているスタイラス１２１の位置を検出する方法としては、形状測定装置からの測定用レーザ光２１１を揺動部３の中心部に固定されたミラー１２３で反射させて受光することで揺動部３の鉛直方向の座標情報と傾斜角度を検出し、これらを使用した演算でスタイラス１２１の位置を求める。そのため、この形状測定装置用のプローブ１０１を備えた形状測定装置では、その接線方向と鉛直方向とが０度から最大３０度までの間の交差角度を有する被測定面６１をきわめて高精度に測定することが可能である。
【０００８】
【特許文献１】国際公開２００７／１３５８５７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に開示された構成で測定可能な被測定面６１は、前述のようにこの被測定面６１における接線方向と鉛直方向との交差角度が０度から最大で約３０度までの間の角度を有する面に限定されている。具体的には、例えば水平面、すなわちその面における接線と鉛直方向との交差角度が９０度の面を測定しようとすると、スタイラス１２１の先端に鉛直方向上向きの力が作用するため、揺動部３が支点部材４２の尖端を支点として揺動しない（揺動部３に傾きが生じない）ため、スタイラス１２１の位置を検出できず、形状測定ができない。
【００１０】
従って、本発明の目的は、前記課題を解決することであって、被測定面がほぼ鉛直方向の形状を有するときだけでなく、水平面に近い形状を有するときにも高精度かつ低測定力で測定が可能なプローブを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、前記目的を達成するために、以下のように構成されている。
【００１２】
本発明の第１の態様は、形状測定装置に取り付けられる取付部と、前記取付部に対して鉛直方向にのみ直動可能に支持される直動部と、測定物の被測定面に接触するスタイラスを先端に備えるアームを有する揺動部と、前記揺動部に設けられた支点部と、前記直動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直動部に連結する連結機構と、前記揺動部に固定された揺動側部材と、前記直動部に固定されて前記揺動側部材に対して鉛直方向に間隔を隔てて対向する非揺動側部材とを備え、前記揺動側部材と前記非揺動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に向くように前記揺動部を付勢する第１の付勢機構と、前記直動部に固定された可動側部材と、前記取付部に固定さ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力を発生するように構成され、当該磁気力により前記取付部に対して鉛直方向に非接触で保持されるように前記直動部を鉛直方向上向きに付勢する第２の付勢機構とを備える形状測定装置用プローブを提供する。
【００１３】
被測定面が水平面に近い場合の第１の態様の形状装置測定用プローブの動作ついて説明する。
【００１４】
被測定面に接触したスタイラスが測定物から受ける測定力の反力は、水平方向と鉛直方向上向きに分解できる。
【００１５】
水平方向の力に対しては、揺動部が連結機構によって直動部に対して支点を中心にして揺動する。また、第１の付勢機構の揺動側部材と非揺動側部材との間の磁力によってアームを鉛直方向に向ける付勢力が揺動部に作用し、この付勢力により揺動部には姿勢を保持しようとする復元力が働く。この復元力によって、スタイラスが測定物を押圧する微小な力、すなわち微小な測定力が発生する。
【００１６】
鉛直方向上向きの力に対しては、支点部を備える揺動部に鉛直上向きの力が作用し、この力には支点部を載置部から離そうとする作用がある。しかし、第２の付勢機構の可動側部材と固定側部材の磁気力により直動部が鉛直方向上向きに付勢されている。そして、この付勢力と、直動部の自重と、支点部を介して直動部に作用する揺動部の自重と、揺動部に伝わる反力の鉛直方向成分との釣り合いにより、直動部が鉛直方向上向きに移動する。つまり、これらの力の釣り合いにより載置部が鉛直方向上向きに移動する。その結果、支点部が載置部から離れてしまうのを防止することができる。
【００１７】
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前記揺動部から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材の尖端との接触部を揺動中心として、前記測定面接触部が揺動可能に連結されることが好ましい。
【００１８】
連結機構が円錐溝と尖端で揺動部の支点を構成することにより、支点の位置ずれを防止できる。また、揺動側部材と非揺動部材は、円錐溝に嵌入された尖端が外れない方向、つまり支点部と載置部とを互いに押さえつける方向に力がかかるように設置されているため、重力や磁力の影響によって両者がずれることがない。
【００１９】
前記揺動側部材及び前記非揺動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。
【００２０】
代案としては、前記揺動側部材及び前記非揺動側部材のうちの一方が永久磁石で構成され、他方が磁性体で構成される。
【００２１】
前記可動側部材は前記固定側部材よりも上方に位置し、前記可動側部材及び前記固定側部材は磁気的反発力を生じるように異極が互いに対向して配置される。
【００２２】
代案としては、前記可動側部材は前記固定側部材よりも下方に位置し、前記可動側部材及び前記固定側部材は磁気的吸引力を生じるように同極が互いに対向して配置される。
【００２３】
前記取付部は前記直動部を非接触の空気軸受構造で鉛直方向のみ可動に支持する軸受部を備えることが好ましい。
【００２４】
前記直動部のそれ自体の軸線回りに水平方向の回転に抗する磁気回路を生じる磁気回路部を備えることが好ましい。
【００２５】
前記揺動部は測定用レーザを反射するためのミラーを備える。
【００２６】
本発明の第２の態様は、測定用レーザを反射するためのミラーを備える形状測定装置用プローブと、前記形状測定用プローブが取り付けられた鉛直方向移動部と、前記測定用レーザの前記ミラーにて反射した反射光に基づき前記形状測定装置用プローブの前記鉛直方向移動部に対する鉛直方向の相対的な移動量を検出するフォーカス検出部と、前記測定用レーザの前記ミラーにて反射した反射光に基づき前記形状測定装置用プローブの揺動部の鉛直方向に対する傾斜角度を検出して前記スタイラスの前記被測定面への接触位置であ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形状測定装置を提供する。
【００２７】
支点部は直動部に対して固定された位置にあり、支点位置も鉛直方向にしか移動しないようになっている。揺動部に取り付けられたミラーの反射光によって鉛直方向の位置情報が分かれば支点位置についても容易に情報を得ることができ、測定点情報決定部での演算を高精度に実行することができる。支点の位置、つまり揺動部の回転中心の位置が分からなければ、揺動部の傾斜角度をいかに高精度に求められたとしても、傾斜角度の情報だけではどこを中心に揺動部が回転しているのかわからず、結局は測定点の位置情報を演算する際に誤差が生じてしまうからである。
【００２８】
前記測定点情報決定部は、前記傾斜角度を検出する傾斜角度検出部と、該傾斜角度検出部から得られた角度信号を前記形状測定装置用プローブに備わる取付部に対する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、前記測定用レーザ光を用いて、前記取付部に対する前記測定点の相対位置座標値を求める位置座標演算部と、前記相対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、
を有するように構成することもできる。
【００２９】
また、前記被測定面に沿って２次元又は３次元に移動するステージと、そのステージを、前記フォーカス部から検出される測定面接触部の取付部に対する鉛直方向の相対的な移動量、もしくは前記傾斜角度検出部から検出される傾斜角度から、被測定面に接触した際の垂直反力、すなわち測定力が所定の値になるように制御する制御装置とを更に備えるように構成しても良い。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の形状測定装置用プローブ及び形状測定装置によれば、スタイラスを先端に備えるアームを含む揺動部は、支持部を支点して揺動可能であるのみでなく、連結機構を介して連結された直動部と共に鉛直方向に移動できる。従って、被測定面の傾斜角度の限定を限定することなく、すなわち被測定面がほぼ鉛直方向の形状を有するときだけでなく水平面に近い場合でも、任意形状の測定面を高精度かつ低測定力で測定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明の実施形態である形状測定装置用プローブとこの形状測定装置用プローブを備える形状測定装置について、図面を参照しながら以下に詳しく説明する。なお、各図において、同じ構成部分については同じ符号を付している。また、後述する取付部２、揺動部３、及び直動部６等は、特に言及しない限り、一体構造であっても複数の部材ないし部品から構成されていてもよい。
【００３２】
形状測定装置は、レンズ形状や機構部品の穴や外形等、任意形状をナノメートルオーダの高い精度で測定可能とする装置である。測定対象としては、例えばレンズに関して言えば、レンズ面形状の測定だけでなく、レンズ側面の真円度や、レンズ側面を基準としたレンズ面の傾き、偏心等で表される位置ずれ等を測定することができるだけでなく、他にもきわめて高精度が必要とされるモータの軸受、インクジェットプリンタにおけるノズル、及び自動車エンジンにおける燃料噴射ノズル等における穴形状や、流体軸受に形成され潤滑剤を収容する溝部の形状、さらには、形状測定装置に備わるマイクロエアスライドの内径、円筒度等も測定することができる。また、半導体回路パターンにおけるトレンチ部分も測定対象に含めることができる。
【００３３】
まず、形状測定装置用プローブについて説明する。図１及び図２は、本発明の実施形態にかかる形状測定装置に用いられる形状測定用プローブの斜視図である。図１及び図２に示す形状測定装置用プローブ（以下、単にプローブという）１０１は、取付部２、揺動部３、連結機構４、及び直動部６を備える。揺動部３（測定面接触部）は、測定対象となる測定物６０の被測定面６１に接触する部分としてのスタイライス１２１を下端に有するアーム１２２を備える。本実施形態のプローブ１０１は、揺動部３（アーム１２２）を任意の水平方向、すなわちＸ、Ｙ方向を問わずにいずれの方向にも傾斜可能とする構成に加え、揺動部３（アーム１２２）を鉛直方向にのみ並進移動可能とする構成を有することが特徴である。具体的には、取付部２に対して鉛直方向にのみ並進移動可能に直動部６が保持されており、この可動部材６に対して連結機構４によって揺動部３が任意の水平方向に傾斜可能に連結されている。
【００３４】
取付部２は形状測定装置２０１に固定又は着脱可能に取り付けられる。本実施形態における取付部２はブロック部材である。揺動部３が揺動し、かつ直動部６が鉛直方向に可動であるのに対し、取付部２は固定された部材である。取付部２は、中央部に形状測定装置２０１から照射される測定用レーザ光２１１を通過可能とするための貫通するレーザ用開口１３７ａ，１３７ｂ，１３１ａを中央部に有し、全体として円筒形である。取付部２は、両端開口の円筒形の本体１３１と、この本体１３１の上端側に固定された同様に両端開口の円筒状の取付部材１３７とを備える。
【００３５】
取付部２の取付部材１３７は、形状測定装置２０１に対して固定され、又は形状測定装置２０１に対して嵌め込みによって着脱可能に取り付けられる。取付部材１３７の上端と下端に前述のレーザ用開口１３７ａ，１３７ｂが形成されている。
【００３６】
取付部２の本体１３１は、上端の中央部にレーザ用開口１３１ａが形成され、下端に揺動部３の揺動を許容する空間を形成するための揺動開口１３１ｂが形成されている。
【００３７】
取付部２の本体１３１の内部には、揺動部３の上端側（後述する載置台４１を含む部分）、連結機構４、及び直動部６の上端側が収納される。一方、取付部２の本体１３１の下端の揺動開口１３１ｂからは、揺動部３の下端側（後述する中間部３ｅと下側部３ｄを含む。）、及び直動部６の下端側（後述する磁石保持部６ｂを含む。）が下向きに突出している。
【００３８】
本体１３１の下端の揺動開口１３１ｂの内壁には、水平方向に延びる細幅梁状の支持部１３１ｃの両端が連結されている。支持部１３１ｃの長手方向の中央には、直動部６を鉛直方向に可動に支持する軸受部１６が設けられている。また、支持部１３１ｃの長手方向の両端の上面側には、一対の固定側磁石７２が取り付けられている。これらの固定側磁石７２は、直動部６が備える可動側磁石７１（後に詳述する）と鉛直方向に間隔を隔てて対向している。
【００３９】
連結機構４は、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可能に、揺動部３を直動部６に支持する機構である。なお、本実施形態では、測定用レーザ光２１１の光軸２１１ａは、鉛直方向であるＺ軸方向に一致する。
【００４０】
本実施形態において、連結機構４は、直動部６の上端に固定された載置台（載置部）４１と、揺動部３に取り付けられた支点部材（支点部）４２とにより構成されている。載置台４１の上面には円錐形の溝４１ａが形成されており、この溝４１ａに針状の突起である支点部材４２の尖端が嵌入している。載置台４１と支点部材４２は、支点部材４２の尖端が円錐形の溝４１ａの最下点に接触するように構成されている。この構成により、揺動部３は、支点部材４２の尖端と円錐形の溝４１ａの最深部との接触部分を揺動中心ないし支点として、水平方向のいずれの方向（Ｘ方向のＹ方向のいずれの方向）にも揺動可能に載置台４１（直動部６）に対して連結される。
【００４１】
揺動部３は、測定物６０の被測定面６１に接触するスタイラス１２１と、取付部２を通過した測定用レーザ光２１１を反射するミラー１２３を有し、被測定面６１の形状に応じたスタイラス１２１の変位に対応して直動部６に対して揺動する。揺動部３は、取付部２の本体１３１内に収容された上側部３ａと、この上側部３ａの両端から下向きに延びる一対の連結部３ｂ，３ｃと、取付部２の下方に位置する連結部３ｂ，３ｅの下端が両端に連結された下側部３ｄとを備え、全体として矩形枠状を呈する。また、揺動部３は取付部２の下方であって下側部３ｄよりも上方に中間部３ｅを備える。この中間取付部３ｅも両端が連結部３ｂ，３ｃに連結されている。
【００４２】
揺動部３の上側部３ａの下面（揺動部３の内側上壁）には、針状の支点部材４２が下向きに突出する姿勢で設けられている。この支点部材４２は、前述のように連結機構４の一部を構成する。上側部３ａは同様に連結機構４の一部を構成する直動部６の載置台４１よりも上方に間隔を隔てて配置されており、支点部材４２は載置台４１の溝４１ａに嵌入されている。一方、上側部３ａの中心部の上面には前述した測定用レーザ光２１１を反射するためのミラー１２３が固定されている。
【００４３】
揺動部３の下側部３ｄに棒状部材であるアーム１２２の上端側が固定されており、下向きに延びるアーム１２２の下端にスタイラス１２１が設けられている。本実施形態では、スタイラス１２１は、例えば約０．３mm〜約２mmの直径を有する球状体であり、アーム１２２は、一例として直径が０．７mmで、アーム１２２の下側部３ｄへの固定箇所からスタイラス１２１の中心まで長さは約１０mm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。なお、揺動部３は、支点部材４２を溝４１ａに嵌入して載置台４１に連結したときに、アーム１２２が鉛直方向を向くように、揺動部３の重心が支点部材４２の尖端の鉛直方向下側に位置するように構成されていることが好ましい。
【００４４】
揺動部３の中間部３ｅには、複数個（本実施形態では４個）の揺動側磁石５１が保持されている。これらの揺動側磁石５１は等角度間隔で同心円状に配置されている。揺動側磁石５１は、直動部６が備える非揺動側磁石５２と上下方向に対向している。また、中間部３ｅの中央部には上下方向に関する貫通穴３ｆが形成されており、この貫通穴３ｆに直動部６が挿通されている。揺動部３の揺動を許容するために、貫通穴３ｆの穴径は直動部６の外径よりも十分大きく設定されている。
【００４５】
揺動部３の具体的な構成は、支点により載置台４１に揺動可能に配置される構成である限り、本実施形態のものに限定されない。
【００４６】
直動部６は、上下方向に延びる真直な棒状又は筒状である本体６ａと、取付部２の本体１３１内に位置する本体６ａの上端側に固定された載置台４１と、取付部２の本体１３１の下方外側に位置する下端側に固定された磁石保持部６ｂとを備える。
【００４７】
直動部６の本体６ａは、鉛直方向にのみ直動可能となるように、取付部２に備えられている軸受部１６に支持されている。図示は省略しているが、軸受部１６には空気流入穴と空気排出穴が設けられている。空気流入穴から供給されて空気排出穴から排出される空気によって、直動部６の本体６ａは軸受部１６に対して非接触の空気軸受構造で支持されている。この空気軸受構造により、直動部６の横方向（水平方向）の傾斜は防止されるが、鉛直方向へは直動部６がスムーズに昇降する。
【００４８】
直動部６の本体６ａの上端に固定された載置台４１は、Ｘ軸方向に延伸された直方体形状になっており、上面の中心に支点部材４２の尖端が嵌入される溝４１ａが形成されている。また、本実施形態では、Ｘ軸方向に延伸された載置台４１の両端付近に、一対の可動側磁石７１が固定されている。これら載置台４１に固定された可動側磁石７１は、前述した取付部２の支持部１３１ｃ（載置台４１よりも下側に位置する。）に固定された固定側磁石７２に対して鉛直方向であるＺ軸方向に間隔を隔てて対向している。
【００４９】
本実施形態では、直動部６（載置台４１）の可動側磁石７１と、取付部３（支持部１３１ｃ）の固定側磁石７２は、互いに反発力が作用する向きに固定されている。つまり、可動側磁石７１と固定側磁石７２は、同極が対向する姿勢で固定されている。可動側磁石７１と固定側磁石７２との間に作用する反発力により、直動部６に対して鉛直方向上向きの付勢力が作用する。この磁石７１，７２の反発力による直動部６に対する付勢力と、直動部６の自重及び連結機構４を介して直動部６に作用する力（いずれも鉛直方向下向き）との釣り合いにより、直動部６が上下方向に移動する。
【００５０】
直動部６に対して鉛直方向上向きの付勢力が作用する限り、直動部６の可動側磁石７１と取付部３の固定側磁石７２の上下配置や、磁石７１，７２間に作用する磁力（反発力か吸引力か）は、本実施形態のものに限定されない。例えば、本実施形態とは上下配置を入れ替えて、直動部６の可動側磁石７１を取付部材３の固定側磁石７２の下側に配置し、かつ磁石７１，７２間に吸引力を作用させ、それによって直動部６に鉛直方向上向きの付勢力を作用させてもよい。また、反発力と吸引力の両方の力によって、直動部６に鉛直上向きの付勢力が作用するように、直動部６の可動側磁石７１と取付部３の固定側磁石７２を配置してもよい。
【００５１】
直動部６の本体６ａの下端側に固定された磁石保持部６ｂには、複数個（本実施形態では４個）の非揺動側磁石５２が固定されている。これらの非揺動側磁石５２は等角度間隔で同心円状に配置されている。
【００５２】
図３を参照すると、直動部６の磁石保持部６ｂは揺動部３の中間部３ｅよりも下側に位置している。また、磁石保持部６ｂに固定された４個の非揺動側磁石５２と、揺動部３の中間部３ｅに固定された前述の４個の揺動側磁石５１とは、それぞれが鉛直方向であるＺ軸方向に間隔を隔てて対向している。
【００５３】
また、揺動側磁石５１と非揺動側磁石５２は、個々の揺動側磁石５１と非揺動側磁石５２の対の間で互いに吸引力が働く向きに固定されている。つまり、非揺動側磁石５１と揺動側磁石５２は異極が対向する姿勢で固定されている。揺動側磁石５１と非揺動側磁石５２との間に作用する吸引力により、揺動側磁石５１を保持する揺動部３には鉛直方向であるＺ軸方向下向きの付勢力が作用する一方、非揺動側磁石５１を保持する直動部６には鉛直方向であるＺ軸方向上向きの付勢力が作用する。従って、揺動側磁石５１と非揺動側磁石５２間の吸引力により、揺動部３に取り付けられている支点部材４２と、直動部６に取り付けられている載置台４２（支点部材４２の下方に配置されている）との間には、互いに押さえ付ける方向に力が作用する。そのため、揺動部３に取り付けられた支点部材４２に鉛直方向上向きの力が作用しても、支点部材４２の尖端は載置台４２に形成された溝４１ａから外れることなく嵌入された状態を維持する。これにより、重力や磁力の影響による支点部材４２のずれが防止される。
【００５４】
図３を参照すると、本実施形態では、揺動側磁石５１及び非揺動側磁石５２それぞれについて、隣り合う磁石の極性の向きが反対になるように配置されている。まず、揺動側磁石５１については、下側がＮ極（上側がＳ極）の姿勢のものと、下側がＳ（上側がＮ極）の姿勢のものとを交互に配置している。また、非揺動側磁石５２についても、下側がＮ極（上側がＳ極）の姿勢のものと、下側がＳ（上側がＮ極）の姿勢のものとを交互に配置している。そして、前述のように揺動側磁石５１と非揺動側磁石５２との間に吸引力が作用するように、下側がＮ極の姿勢の揺動側磁石５１と上側がＳ極の姿勢の非揺動側磁石５２とを対向させ、下側がＳ極の姿勢の揺動側磁石５１と上側がＮ極の姿勢の非揺動側磁石５２とを対向させている。揺動部３が支点である支持部材４２の尖端を中心として水平方向に回転しようとすると、互いに反発力が作用する揺動側磁石５１と非揺動側磁石５２どうしが対向することになり、この反発力と回転開始前に対向していた揺動側磁石５１と非揺動側磁石５２の間に作用する吸引力は、支点部材４２の回転に対する抗力ないしは復元力として機能する。このように、揺動側磁石５１及び非揺動側磁石５２のそれぞれについて、磁極の関係を交互に配置することにより、揺動部３が支軸部材４２の尖端を中心として水平方向に回転するのを防止できる。ただし、揺動側磁石５１及び非揺動側磁石５２のいずれについても、極性の向きをすべて同じにする配置を採用すること可能である。
【００５５】
直動部６は取付部２に対して、鉛直方向については可動側磁石７１と固定側磁石７２の反発力によって非接触で保持されており、水平方向については軸受部１６が構成する空気軸受によって非接触で保持されている。そして、前述のようにレーザ光２１１を反射するミラー１２３とスタイラス１２１を備えるアーム１２２とを含む揺動部３は、連結機構４によって直動部６に対して揺動可能に連結されている。つまり、測定物６０の被測定面６１を走査する部分である直動部６、連結機構４、及び揺動部３は、取付部２に対して非接触の状態で保持されている。このように測定物６０の被測定面６１を走査する部分が取付部２に対して非接触であるため、形状測定装置で発生した振動等に対する影響を受けにくく、極めて高精度での測定が可能となる。
【００５６】
本実施形態のプローブ１０１は、取付部２内に磁気回路部１３６を備えている。磁気回路部１３６は、２つの磁石２９a、２９ｂと、２つの磁石をつなげる磁性体リング９５、２つのヨーク８a、８ｂ及び、可動側磁性体２０を備える。
【００５７】
取付部２の本体１３１の内周壁に磁性体リング９５が固定されている。磁石２９ａ，２９ｂは薄板状で上端が磁性体リング９５に固定され鉛直方向下向きに延びている。個々の磁石２９ａ，２９ｂの下端側にヨーク８ａ，８ｂが固定されている。磁石２９ａ，２９ｂとヨーク８ａ，８ｂは、Ｚ軸方向から視ると測定用レーザ光２１１の光軸２１１ａ（取付部２の中心軸と一致する。）に対して対称に配置されている。可動側磁性体２０は水平方向に延びる細長い棒状であり、直動部６に取り付けられた載置台４１の上面に固定されている。可動側磁性体２０の両端は、それぞれ磁石２９ａ，２９ｂに対して隙間を隔てて水平方向に対向している。可動側磁性体２０の長さ方向中央部には厚み方向の貫通する穴２０ａが形成されている。この穴２０ａを通って支持部材４２が載置台４１の溝４１ａに嵌入されている。穴２０ａの穴径は支持部材４２の外径よりも十分大きく設定されているので、揺動部３の揺動により支点部材４２が傾いても可動側磁性体２０と干渉しない。本実施形態にける磁気回路部１３６（可動側磁性体２０）をＺ軸方向から視ると、Ｘ軸方向に延伸している載置台４１に対して交差する方向に延びており、載置台４１と磁気回路部１３６はＺ軸方向から視ると十字形を構成するように配置されている。
【００５８】
磁気回路部１３６は一方の磁石２９ａからヨーク８ａ、可動側磁性体２０、ヨーク８ｂ、磁石２９ｂ、及び磁性体リング９５を経て磁石２９ａに戻る磁気回路を形成する。この磁気回路により、直動部６と揺動部３（連結機構４により直動部６に連結されている）とが、一緒になって水平方向に回転（いわゆる供回り）するのを防ぐことができる。詳細には、直動部６と揺動部３が水平方向に回転しようとすると、磁気回路部１３６で形成された磁気回路が可動側磁性体２０をもとの回転位置に戻すように作用し、それによって供回りが防止される。なお、可動側磁性体２０は、磁気回路を形成できるように磁性体で構成し、可動側磁性体２０が取り付く載置台４１は、磁気の影響を受けないように非磁性体で構成することが好ましい。磁気回路１３６を設けない構成も可能である。
【００５９】
本実施形態におけるプローブ１０１は、以下のように動作する。
【００６０】
まず、図４のうちの非測定時、すなわちスタイラス１２１が測定物６０に接していない状態について説明する。揺動側磁石５１と非揺動側磁石５２の吸引力により、揺動部３には鉛直方向下向きの付勢力が作用する。この付勢力により支点部材４２の尖端は載置台４１の溝４１ａの中心である最深部に接した状態を維持し、揺動部３の可動部６に対する位置ずれ等が防止される。また、揺動側磁石５１と非揺動側磁石５２の吸引力により、アーム１２２が鉛直方向に延在する中立位置に維持しようとする復元力が揺動部３に作用する。具体的には、揺動部３は揺動してその中心軸が傾いた場合、揺動側磁石５１と非揺動側磁石５２の距離が遠ざかることになり、磁石の性質により、一対の磁石を互いに近づける方向に復元力が働き、その結果、揺動部３全体も傾きを戻す方向に復元力が働く。さらに、前述のように揺動側磁石５１及び非揺動側磁石５２それぞれについて、隣り合う磁石の極性の向きが反対になるように配置されているので、揺動部３が支点（支点部材４２の尖端）を中心として水平方向に回転した場合も、回転を戻す方向に復元力が働く。これらにより、非測定時、すなわちスタイラス１２１が測定物６０に接していない状態の揺動部３は、アーム１２２の延在方向が鉛直方向に一致するように付勢及び姿勢保持される。
【００６１】
一方、非測定時の直動部６の鉛直方向の位置は、可動側磁石７１と固定側磁石７２の反発力による鉛直方向上向きの力と、直動部６の自重と連結機構４を介して作用する揺動部３の自重との和である鉛直方向下向きの力とが釣り合う位置で保持される。
【００６２】
次に、図４のうちの測定時について説明する。後に詳述するように、測定物６０の被測定面６１の形状測定は、揺動部３に取り付けられているスタイラス１２１を被測定面６１に所定の押圧力にて押し付けて行われる。この押圧力は、スタイラス１２１を被測定面６１に接触させた状態から、取付部２を測定物６０側へわずかに移動させることで得られ、スタイラス１２１には被測定面６１から押圧力に対応する反力（抗力）が作用する。この反力の水平方向成分により、揺動部３が支点（支持部材４１の尖端）を中心として傾斜する。また、反力の鉛直方向成分は、揺動部３に対して鉛直上向きに作用する。この反力の鉛直方向成分（鉛直方向上向き）の分だけ、スタイラス１２１が測定物６１に対して非接触である釣り合い状態での位置から、揺動部３と共に直動部６が取付部３に対して、可動側磁石７１と固定側磁石７２の反発力が弱まる方向、つまり鉛直方向上向き（Ｚ軸方向上向き）に変位する。要するに、スタイラス１２１に作用する反力の鉛直方向成分により、揺動部３と共に直動部６が測定物６１に対して鉛直方向上向きに変位する。そして、直動部６と揺動部３の鉛直方向の位置は、直動部６の自重、揺動部３の自重、スタイラス１２１を介して揺動部３に作用する反力（鉛直方向成分）、及び可動側磁石７１と固定側磁石７２の反発力が釣り合う位置に移動する。そのため、支点部材４２の尖端は溝４２ａの中心に押し付けられた状態を維持し、支点部材４２の載置台４１に対する位置にずれは生じない。このようにスタイラス１２１に被測定面６１から作用する反力の鉛直成分によっても支点部材４２の載置台４１に対する位置ずれは生じないので、被測定面６１がほぼ鉛直方向の形状を有するときだけでなく、水平面に近い形状を有するときにも、スタイラス１２１で走査する被測定面６１の形状を高精度で追従して、揺動部３が傾斜や鉛直方向上向きの移動を行う。
【００６３】
本実施形態におけるプローブ１０１では、スタイラス１２１に作用する鉛直方向及び水平方向の力に対する変位量がほぼ同一になるように構成されている。具体的には、スタイラス１２１に鉛直方向及び水平方向のいずれに０．３ｍＮ（≒３０ｍｇｆ）の力が作用した場合でも、スタイライ１２１には約１０μｍの変位量が発生する。ただし、プローブ１０１が鉛直方向と水平方向に略同一の剛性を有していなくてもよい。
【００６４】
次に、本実施形態のプローブ１０１を備える形状測定装置について説明する。
【００６５】
一般に、プローブを使用する形状測定装置は、プローブを測定物に接触させ、接触力がほぼ一定になるようにプローブの移動を制御することでプローブを測定物の被測定面に沿って移動させ、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、被測定面の表面形状を測定、演算するものである。
【００６６】
このような形状測定装置としては、主として例えば約４００ｍｍ角の大きさを有する比較的大型の測定物の測定用であり、図５に示すように、測定物６０を石定盤２９２上に固定する一方、プローブをＸＹ−ステージ２９５によりＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させ、Ｚ−ステージ２９３によってＺ軸方向に移動させるタイプ、すなわちプローブ１０１をＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の全方向に移動させるタイプの形状測定装置２９０がある。また、主として例えば約２００ｍｍ角以下の大きさを有する中型及び小型の測定物の測定用であり、図６に示すように、測定物６０を載置したステージ２９１をＸ軸及びＹ軸方向に移動させる一方、プローブ１０１のみをＺ−ステージ２９３によりＺ軸方向に移動させるタイプの形状測定装置がある。図５及び図６において同一の要素には同一の符号を付している。本実施形態の測定装置用プローブ１０１は、図５及び図６のいずれのタイプの形状測定装置にも適用可能である。
【００６７】
以下、図６の形状測定装置２９０に本実施形態のプローブ１０１を適用する場合について説明する。
【００６８】
図６に示す形状測定装置２９０は、石定盤２９２上に設置されたステージ２９１を備える。このステージ２９１は、平面状で互いに直交するＸ軸及びＹ軸方向に可動であるＸ−ステージ２９１１及びＹ−ステージ２９１２を有する。測定物６０はステージ２９１上に載置され、プローブ１０１に対してＸ軸方向及びＹ軸方向に相対的に移動する。プローブ１０１をＺ軸方向に可動とするＺ−テーブル２９３が、石定盤２９２に立設された支柱２９２１に対してＺ軸方向に可動に取り付けられている。Ｘ−ステージ２９１１、Ｙ−ステージ２９１２、及びＺ−テーブル２９３は駆動部２８１により駆動され、駆動部２８１は制御装置２８０によって制御される。
【００６９】
また、形状測定装置２９０は、レーザ光発光部２１０を備える。このレーザ光発生部２１０は、被測定面６１上のスタイラス１２１が接触している点（測定点６１ａ）の位置情報を求めるための測定用レーザ光２１１（例えば発振周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザ光）を発生する。
【００７０】
さらに、形状測定装置２９０は測定点情報決定部２２０を備える。図７を参照すると、測定点情報決定部２２０は、レーザ光発生部２１０にて発生したレーザ光２１１を用いて被測定面６１における測定点６１ａの位置情報を得るための光学系２２１、並びにＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の各基準面からのレーザ光と測定点６１ａからのレーザ光（揺動部３のミラー１２３で反射されたレーザ光）との干渉に基づき測長を行う公知のレーザ測長部２８２を備える。レーザ測長部２８２は、傾斜角度検出部２２２、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を有する。レーザ測長部２８２は光学系２２１に光電的に結合され、実際に測定点６１ａの位置情報を求める機能を有する。
【００７１】
レーザ光発生部２１０にて発生した測定用レーザ光２１１は、被測定面６１の測定点６１ａの３次元座標位置を求めるため、光学系２２１にてＸ、Ｙ、Ｚ座標用の３つにレーザ光に分光される。測定用レーザ光２１１を分光した３つのレーザ光のうちの１つは、プローブ１０１と共にＸ軸方向に移動するミラーと石定盤２９２に固定されたＸ軸基準面（いずれも図示せず）とに照射され、これらの反射光は位置座標測定部２２４のＸ軸座標測定部２２４ａに導光される。また、測定用レーザ光２１１を分光した３つのレーザ光のうちの他の１つは、プローブ１０１と共にＹ軸方向に移動するミラーと石定盤２９２に固定されたＹ軸基準面（いずれも図示せず）とに照射され、これらの反射光は位置座標測定部２２４のＹ軸座標測定部２２４ｂに導光される。さらに、測定用レーザ光２１１を分光した３つのレーザ光のうちの残りの１つは、集光レンズ２８３を介して揺動部３のミラー１２３に照射される共に、石定盤２９２に固定されたＺ軸基準面（図示せず）に照射され、これらの反射光は位置座標測定部２２４のＺ軸座標測定部２２４ｃに導光される。
【００７２】
位置座標測定部２２４のＸ軸座標測定部２２４ａとＹ座標測定部２２４ｂは、プローブ１０１と共に位置及び姿勢が変化するミラー１２３からの反射光と、Ｘ座標基準面やＹ座標基準面からの反射光との干渉信号から、プローブ１０１のＸ座標とＹ座標を算出する。また、位置座標測定部２２４のＺ軸座標測定部２２４ｃは、揺動部３のミラー１２３からの反射光とＺ座標基準面からの反射光との干渉信号から、プローブ１０１のＺ座標を算出する。つまり、位置座標測定部２２４は、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸基準面を基準として、プローブ１０１の移動量を測長している。この種のレーザ光の干渉を利用した測長の原理及びそのための具体的な構成は公知であり、例えば特開平１−１７０２４３号公報や特開平１０−１７０２４３号公報に記載されている。
【００７３】
傾斜角度検出部２２２は、測定物６０の被測定面６１にスタイライ１２１が接触することによって揺動部３が傾いた量を、揺動部３に取り付けられたミラー１２３にレーザ光を照射することで検出する。傾斜角度検出部２２２は、プローブ１０１が取り付けられたＺ−テーブル２９３に固定されており、Ｚテーブル２９３と共に鉛直方向（Ｚ軸方向）に移動する。本実施形態では、傾斜角度検出用のレーザ光として、レーザ発生部２１０から発振された測定用レーザ光２１１とは別に、傾斜角度検出用レーザ光発振部２２２ａから発振された傾斜角度検出用レーザ光２２２ｃを使用している。揺動部材３のミラー１２３で反射されて戻ってきた傾斜角度検出用レーザ光２２２ｃを受光部２２２ｂで受光し、それによって揺動部材３の傾斜角度を検出している。
【００７４】
前述のように、位置座標測定部２２４で測定されるＸ、Ｙ、及びＺ座標は、それぞれの軸に設置されたミラーを基準に、各軸の移動量を測長したものである。特に、Ｚ軸の測長の場合、プローブ１０１の揺動部３に設置されたミラー１２３のＺ軸方向の位置変化を測長している。しかし、実際にはスタイラス１２１が測定物６０の被測定面６１と接している箇所とミラー１２３との相対的な位置関係は固定されていない。すなわちミラー１２３が取り付けられた揺動部材３は支持部材４２の尖端（支点）を中心にして傾く機構になっている。従って、位置座標測定部２２４で測定されるＸ、Ｙ、及びＺ座標を揺動部材３が傾いた量を補正する必要がある。この補正をするのがスタイラス位置座標演算部２２３である。スタイラス位置座標演算部２２３では、上述の傾斜角度検出部２２２で検出された傾きから、スタイラス１２１の先端位置を補正する量（ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ）を決定する。
【００７５】
揺動部３の支点部材４２は直動部６の載置台４１に対して固定された位置にあり、支点位置（支点部材４２の尖端）も鉛直方向にしか移動しない。従って、ミラー１２３の反射光によって鉛直方向の位置情報が得られれば、支点位置についても容易に情報を得ることができ、スタイラス位置座標演算部２２３での演算を高精度で実行することができる。仮に、支点の位置、つまり揺動部３の回転中心の位置が分からなければ、揺動部３の傾斜角度をいかに高精度に求められたとしても、傾斜角度の情報だけではどこを中心に揺動部３が回転しているのかわからず、結局はスタイライの位置情報を演算する際に誤差が生じてしまうからである。
【００７６】
加算部２２５では、位置座標測定部２２４で測長されたＸ、Ｙ、Ｚの各座標値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に、スタイラス位置演算部２２３にて計算されたスタイラス１２１の先端位置の補正値（ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ）を加算する演算を実行し、測定点６１ａの３次元座標位置（Ｘ＋ΔＸ，Ｙ＋ΔＹ，Ｚ＋ΔＺ）を算出する。
【００７７】
プローブ１０１を備える形状測定装置２９０は、Ｚ軸方向（鉛直方向）について２つの可動部分、すなわちプローブ１０１全体をＺ軸方向に可動するＺ−テーブル２９３と、プローブ１０１内で可動する直動部６を有する構成となっている。これらのＺ軸方向の２つの移動量のうち、ミラー１２３を取り付けた揺動部３が直動部６と共にプローブ１０１全体やＺテーブル２９３に対して鉛直方向（Ｚ軸方向）に相対的に移動した量を検出する構成として、フォーカス検出部２２６が設けられている。前述の傾斜角度検出部２２２と同様に、フォーカス検出部２２６はプローブ１０１が取り付けられたＺ−テーブル２９３に固定されており、Ｚテーブル２９３と共に鉛直方向（Ｚ軸方向）に移動する。
【００７８】
フォーカス検出部２２６は、フォーカス検出用レーザ光発振部２２６aと、フォーカス検出用レーザ光発振部２２６ａから発振された後に揺動部３に取り付けられたミラー１２３で反射されて戻ってくるフォーカス用レーザ光２２６ｃを受光するフォーカス信号検出部２２６ｂとからなる。フォーカス検出用レーザ光発振部２２６ａとフォーカス信号検出部２２６ｂは、同一位置に配置されている。例えば、フォーカス検出用レーザ光発振部２２６ａとしての半導体レーザと、フォーカス信号検出部２２６ｂとしての受光素子との一体化素子により、フォーカス検出部２２６を構成できる。この場合、一体化素子の受光素子上の集光位置のずれに基づいて、プローブ１０１全体やＺテーブル２９３に対するミラー１２３を取り付けた揺動部３と直動部６の移動量を検出する。つまり、フォーカス検出部２２６により、プローブ１０１全体やＺテーブル２９３に対するミラー１２３を取り付けた揺動部材３と直動部６のＺ軸方向の相対的な位置関係が把握できる。言い換えれば、フォーカス検出部２２６により、揺動部材３と直動部６のプローブ１０１全体やＺテーブル２９３に対する鉛直方向上向きの移動量が得られる。
【００７９】
フォーカス検出部２２６によって検出される揺動部材３と直動部６のプローブ１０１全体やＺテーブル２９３に対する鉛直方向の相対的な位置関係（揺動部材３と直動部６のプローブ１０１全体やＺテーブル２９３に対する鉛直方向上向きの移動量）は、主として２つの用途で使用される。第１に、検出された鉛直方向の相対的な位置関係は、制御部２８０によるフォーカス制御（フォーカス検出部２２６及び傾斜角度検出部２２２からミラー１２３までの距離の制御）に使用される。第２に、検出された鉛直方向の相対的な位置関係から、スタイラス１２１に被測定面６１から作用する反力の鉛直方向成分が分かる。以下、この点について説明する。スタイラス１２１を測定物６０の被測定面６１に対して所定の押圧力で押し付けると、スタイライ１２１には被測定面６１からの反力が作用する。そして、この反力の鉛直成分に対応する移動量だけ、揺動部材３と直動部６がプローブ１０１全体やＺテーブル２９３に対して鉛直上向きに移動する。このようにスタイラス１２１に作用する反力の鉛直方向成分と、揺動部材３と直動部６のプローブ１０１全体やＺテーブル２９３に対する鉛直方向上向きの移動量は直接的な相関関係を有する。従って、フォーカス検出部２２６が検出する揺動部材３と直動部６のプローブ１０１全体やＺテーブル２９３に対する鉛直方向上向きの移動量から、スタイラス１２１に作用している反力の鉛直方向成分を計算できる。また、フォーカス検出部２２６が検出する揺動部材３と直動部６のプローブ１０１全体やＺテーブル２９３に対する鉛直方向上向きの移動量を制御することで、スタイラス１２１に被測定面６１から作用する反力の鉛直方向成分を制御できる。
【００８０】
ミラー１２３には、合計３本のレーザ光、すなわち測定用レーザ光２１１、傾斜角度検出用レーザ光２２２ｃ、及びフォーカス用レーザ光２２６ｃが照射される。そのため、３本のレーザの波長や偏光方向を変えることや、レーザ光分岐部２２７が備えるレーザ光の合流や分岐のためのミラー、プリズム等の光学素子の組合せにより、３本のレーザ光間で互いに干渉が生じないように構成されている。
【００８１】
制御装置２８０は、測定物６０の被測定面６１をスタイラス１２１で走査するとき、プローブ１０１のＸ、Ｙ、及びＺ軸方向の動きを制御する。この制御の方法としては、（１）フォーカス検出部２２６で検出される揺動部材３と直動部６の上下方向の相対移動量で制御する方法、（２）傾斜角度検出部２２２で検出される揺動部３の傾斜角度で制御する方法、並びに（３）フォーカス検出部２２６で検出される揺動部３と直動部６の鉛直方向の相対移動量と傾斜角度検出部２２２で検出される揺動部３の傾斜角度の両方を用いて制御する方法の３種類のモードが存在する。
【００８２】
（１）フォーカス検出部２２６で検出される揺動部材３と直動部６の上下方向の相対移動量で制御する方法について説明する。この場合、フォーカス検出部２２６によってプローブ１０１が取り付けられたＺ−テーブル２９３に対して揺動部３と直動部６が相対的に移動した量を検出し、その量を一定にすることにより、スタイラス１２１を被測定面に押し込むＺ軸方向の力、すなわち測定力が一定になるようにＺ軸方向の動作（Ｚ−テーブル２９３の昇降）を制御しながら測定する。このとき、Ｘ及びＹ軸方向の走査は、予め設定された走査パス等に基づいて走査する。Ｘ及びＹ軸方向の走査による測定物６０のＺ軸方向の変化に追従してＺ−テーブ２９３を昇降させれば、被測定面６１に沿ってＺ軸方向の測定力を一定に維持した測定ができる。このとき、傾斜角度検出部２２２で検出されるスタイラス１２２の傾斜角度をスタイラス位置演算部２２３で使用するため、正確に測定点６１ａの位置座標情報を得ることができる。ただし、測定物６０の被測定面６１が鉛直方向に平行な面の場合には、スタイラス１２１に対して鉛直方向に力が加わらず、Ｚ−テーブル２９３に対する揺動部３と直動部６の鉛直方向の相対的な移動量を検出することができない。そのため、この制御方法は、レンズ面の形状測定等、スタイライ１２１で被測定面６１を上方向から測定することが可能な場合に有効である。
【００８３】
（２）傾斜角度検出部２２２で検出される揺動部３の傾斜角度で制御する方法について説明する。この場合、傾斜角度検出部２２２で検出される揺動部３の傾斜角度を一定にすることで、スタイラス１２２を被測定面６１へ押し込む力、すなわち測定力が一定になるようにＸ及びＹ軸方向の動作（Ｘ−ステージ２９１１及びＹ−ステージ２９１２の水平移動）を制御しながら測定する。このとき、Ｚ軸方向の走査パスを固定するか、もしくは予め設定された走査パス等に基づいて走査する一方、Ｘ及びＹ軸方向については被測定面６１の変化に対して倣い走査することにより、例えば円筒面等の測定物６０の形状測定が可能となる。このとき、フォーカス誤差信号は、Ｚ軸方向の位置制御用に使用する。傾斜角度検出部２２２で検出される傾斜角度は、Ｘ及びＹ軸方向の動作の制御にするだけでなく、スタイラス位置演算部２２３で使用するため、正確に測定点６１ａの位置座標情報を得ることができる。
【００８４】
（３）フォーカス検出部２２６で検出される揺動部３と直動部６の鉛直方向の相対移動量と傾斜角度検出部２２２で検出される揺動部３の傾斜角度の両方を用いて制御する方法について説明する。この場合、スタイラス１２２に被測定面６１から作用する反力が一定となるように、Ｘ及びＹ軸方向には予め設定された走査パスでスタイラス１２２を走査しつつ、Ｚ軸方向の動作（Ｚ−テーブル２９３の昇降）を制御する。以下に示すように、スタイラス１２２に被測定面６１から作用する反力は逐次計算できる。被測定面６１に押し付けられることによりスタイラス１２２に作用する測定力の反力Ｆは、水平方向の分力Ｆｘと、鉛直方向の分力Ｆｚに分解される。つまり、以下の式（１）の関係が成り立っている。
【００８５】
【数１】
【００８６】
揺動部３の傾斜は水平方向の分力Ｆｘによって生じ、直動部６の鉛直方向の移動は鉛直方向の分力Ｆｚによって生じる。また、揺動部３の傾き量は傾斜角度検出部２２２で検出でき、直動部６の移動量はフォーカス検出部２２６で検出できる。従って、傾斜角度検出部２２２で検出される揺動部３の傾斜角度と、フォーカス検出部２２６で検出直動部６の移動量から分力Ｆｘ，Ｆｚを計算できる。反力Ｆは分力Ｆｘ，Ｆｚは前述の式（１）で計算できる。
【００８７】
また、水平方向の分力Ｆｘと鉛直方向の分力Ｆｚからスタイラス１２１が被測定面６１に接触している箇所（被測定点６１ａ）の傾斜角度を検出できる。この被測定面６１の傾斜角度に応じて制御方法を切り換える等の制御も可能である。
【００８８】
本実施形態のプローブ１０１では、ミラー１２３を取り付けた揺動部３は、支持部材４２の尖端を支点して揺動可能であるのみでなく、連結機構４を介して連結された直動部６と共に鉛直方向に移動できる。従って、このプローブ１０１を備える形状測定装置２９０では、被測定面６１がほぼ鉛直方向の形状を有するときだけでなく、水平面に近い形状を有するときにも、高精度かつ低測定力での測定が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明は、任意形状の面性状の測定、例えばレンズ等の側面の真円度、レンズ側面を基準としたレンズ面の傾き、偏心等で表される位置ずれ等を測定、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形状測定等を高精度及び低測定力にて走査測定する形状測定装置、形状測定装置に備わるプローブに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の実施の形態１における形状測定用プローブの斜視図で、ＸＺ平面で断面したときの斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１における形状測定用プローブの斜視図で、ＹＺ平面で断面したときの斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態１における形状測定用プローブの磁石の配置に関する説明図である。
【図４】本発明の実施の形態１における形状測定用プローブが測定物に接しているときと接していないときとでの差を表す図である。
【図５】図１に示すプローブを備えた形状測定装置の一例を表す図である。
【図６】図１に示すプローブを備えた形状測定装置の他の例を表す図である。
【図７】図６に示す形状測定装置に備わる測定点情報決定部、フォーカス検出部の構成を表す図である。
【図８】従来の特許文献１に開示された従来の形状測定装置に備わるプローブの図である。
【図９】従来の特許文献１に開示された従来の形状測定装置に備わるプローブの図である。
【符号の説明】
【００９１】
１０１ 形状測定装置用プローブ
２ 取付部
３ 揺動部
３ａ 上側部
３ｂ，３ｃ 連結部
３ｄ 下側部
３ｅ 中間部
４ 連結機構
６ 直動部
６ａ 本体
６ｂ 磁石保持部
８ａ，８ｂ ヨーク
１６ 軸受部
２０ 可動側磁性体
２０ａ 穴
２９ａ，２９ｂ 磁石
４１ 載置台
４１ａ 溝
４２ 支点部材
５１ 揺動側磁石
５２ 固定側磁石
６０ 測定物
６１ 被測定面
７１ 可動側磁石
７２ 固定側磁石
９５ 磁性体リング
１２１ スタイラス
１２２ アーム
１２３ ミラー
１３１ 本体
１３１ａ レーザ用開口
１３１ｂ 揺動用開口
１３１ｃ 支持部
１３６ 磁気回路部
１３７ 取付部材
１３７ａ，１３７ｂ レーザ用開口
２０１ 形状測定装置
２１０ レーザ光発光部
２１１ 測定用レーザ光
２２０ 測定点情報決定部
２２１ 光学系
２２２ 傾斜角度検出部
２２２ａ 傾斜角度検出用レーザ光発振部
２２２ｂ 受光部
２２２ｃ 傾斜角度検出用レーザ光
２２３ スタイラス位置演算部
２２４ 位置座標測定部
２２４ａ Ｘ座標測定部
２２４ｂ Ｙ座標測定部
２２４ｃ Ｚ座標測定部
２２５ 加算部
２２６ フォーカス検出部
２２６ａ フォーカス検出用レーザ光発振部
２２６ｂ フォーカス信号検出部
２２６ｃ フォーカス用レーザ光
２８２ レーザ測長部
２８３ 集光レンズ
２９０ 形状測定装置
２９１ ステージ
２９２ 石定盤
２９２ ＸＹ−ステージ
２９３ Ｚ−ステージ
２９１１ Ｘ−ステージ
２９１２ Ｙ−ステージ
２９２１ 支柱
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高精度、低測定力で任意の三次元形状を測定する形状測定装置用プローブ及び形状測定装置に関するものである。詳細には、本発明は、微細化と高精度化が進む産業界のニーズに応えるため、より高精度、低測定力で任意形状を測定でき、穴の内面や穴径の測定、外側面の形状や外径の測定、非球面レンズの形状や外径に対するレンズ面の傾きや偏心、微細表面形状等をサブミクロン以下の高精度、1mN以下の低測定力で応答性良く、速く、かつ信頼性良く測定できる形状測定装置用プローブ及び三次元形状測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
測定物の外側面、内側面、及び穴径等を、1mN以下の低測定力で走査測定可能な従来の三次元形状測定装置及び形状測定装置用プローブとして、特許文献１に記載のものがある。図８及び図９に、特許文献１に記載された従来の三次元形状測定用プローブを示す。
【０００３】
図８及び図９に示すプローブ１０１は、円筒形の取付部２に固定されている載置台４１の上面に形成された円錐形の溝４１aに嵌入された支点部材４２の尖端を中心として、支点部材４２、支点部材４２が取り付けられている揺動部３、及び揺動部３に取り付けられているスタイラス１２１がＸ、Ｙ方向問わずいずれの方向にも揺動可能になっている。
【０００４】
揺動部３に固定された可動側磁石５１と、取付部材２に取り付けられている固定側保持部材１３３に固定された固定側磁石５２とが、互いに対向して配置されている。可動側磁石５１と固定側磁石５２は、可動側磁石５１と固定側磁石５２の個々の対について互いに吸引力が働く向きに固定されている。この吸引力によって揺動部３は下向きに力を受けるので、支点部材４２の尖端が載置台４１の円錐溝４１ａの中心に押し付けられて接し、それによって揺動部３の位置ずれ等が防止される。また、揺動部３は、可動側磁石５１と固定側磁石５２の間の吸引力によって、先端にスタイラス１２１を備えるアーム１２２が鉛直方向に延在する中立位置となるように付勢されている。
【０００５】
可動側磁石５１と固定側磁石５１のいずれか一方を磁石ではない磁性体に置換させても両者の間に吸引力が作用するので、先端にスタイラス１２１を備えるアーム１２２が鉛直方向に延在する中立位置となるように揺動部３を付勢できる。
【０００６】
測定対象となる測定物６０の被測定面６１の形状測定時には、スタイラス１２１を被測定面６１に所定の押圧力にて押し付ける。すなわち、形状測定時には、スタイラス１２１が測定物６０に微小な測定力を加えた状態で、スタイラス１２１と測定物６０が接する。この測定力の反力がスタイラス１２１に作用するため、揺動部３は、支点部材４２の尖端を中心として傾斜する。
【０００７】
このプローブ１０１を備えた形状測定装置は、スタイラス１２１先端の微小な測定力が一定になるように、つまり揺動部３の傾斜角度が一定になるように制御しつつ、プローブ１０１を被測定面６１に沿って移動させて走査し、レーザ測長器と基準平面ミラーとを利用して検出したプローブ１０１と基準面との位置関係に基づいて、被測定面６１の表面形状を測定、演算する。測定物６０と接触しているスタイラス１２１の位置を検出する方法としては、形状測定装置からの測定用レーザ光２１１を揺動部３の中心部に固定されたミラー１２３で反射させて受光することで揺動部３の鉛直方向の座標情報と傾斜角度を検出し、これらを使用した演算でスタイラス１２１の位置を求める。そのため、この形状測定装置用のプローブ１０１を備えた形状測定装置では、その接線方向と鉛直方向とが０度から最大３０度までの間の交差角度を有する被測定面６１をきわめて高精度に測定することが可能である。
【０００８】
【特許文献１】国際公開２００７／１３５８５７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に開示された構成で測定可能な被測定面６１は、前述のようにこの被測定面６１における接線方向と鉛直方向との交差角度が０度から最大で約３０度までの間の角度を有する面に限定されている。具体的には、例えば水平面、すなわちその面における接線と鉛直方向との交差角度が９０度の面を測定しようとすると、スタイラス１２１の先端に鉛直方向上向きの力が作用するため、揺動部３が支点部材４２の尖端を支点として揺動しない（揺動部３に傾きが生じない）ため、スタイラス１２１の位置を検出できず、形状測定ができない。
【００１０】
従って、本発明の目的は、前記課題を解決することであって、被測定面がほぼ鉛直方向の形状を有するときだけでなく、水平面に近い形状を有するときにも高精度かつ低測定力で測定が可能なプローブを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、前記目的を達成するために、以下のように構成されている。
【００１２】
本発明の第１の態様は、形状測定装置に取り付けられる取付部と、前記取付部に対して鉛直方向にのみ直動可能に支持される直動部と、測定物の被測定面に接触するスタイラスを先端に備えるアームを有する揺動部と、前記揺動部に設けられた支点部と、前記直動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直動部に連結する連結機構と、前記揺動部に固定された揺動側部材と、前記直動部に固定されて前記揺動側部材に対して鉛直方向に間隔を隔てて対向する非揺動側部材とを備え、前記揺動側部材と前記非揺動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に向くように前記揺動部を付勢する第１の付勢機構と、前記直動部に固定された可動側部材と、前記取付部に固定さ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力を発生するように構成され、当該磁気力により前記取付部に対して鉛直方向に非接触で保持されるように前記直動部を鉛直方向上向きに付勢する第２の付勢機構とを備える形状測定装置用プローブを提供する。
【００１３】
被測定面が水平面に近い場合の第１の態様の形状装置測定用プローブの動作ついて説明する。
【００１４】
被測定面に接触したスタイラスが測定物から受ける測定力の反力は、水平方向と鉛直方向上向きに分解できる。
【００１５】
水平方向の力に対しては、揺動部が連結機構によって直動部に対して支点を中心にして揺動する。また、第１の付勢機構の揺動側部材と非揺動側部材との間の磁力によってアームを鉛直方向に向ける付勢力が揺動部に作用し、この付勢力により揺動部には姿勢を保持しようとする復元力が働く。この復元力によって、スタイラスが測定物を押圧する微小な力、すなわち微小な測定力が発生する。
【００１６】
鉛直方向上向きの力に対しては、支点部を備える揺動部に鉛直上向きの力が作用し、この力には支点部を載置部から離そうとする作用がある。しかし、第２の付勢機構の可動側部材と固定側部材の磁気力により直動部が鉛直方向上向きに付勢されている。そして、この付勢力と、直動部の自重と、支点部を介して直動部に作用する揺動部の自重と、揺動部に伝わる反力の鉛直方向成分との釣り合いにより、直動部が鉛直方向上向きに移動する。つまり、これらの力の釣り合いにより載置部が鉛直方向上向きに移動する。その結果、支点部が載置部から離れてしまうのを防止することができる。
【００１７】
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前記揺動部から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材の尖端との接触部を揺動中心として、前記測定面接触部が揺動可能に連結されることが好ましい。
【００１８】
連結機構が円錐溝と尖端で揺動部の支点を構成することにより、支点の位置ずれを防止できる。また、揺動側部材と非揺動部材は、円錐溝に嵌入された尖端が外れない方向、つまり支点部と載置部とを互いに押さえつける方向に力がかかるように設置されているため、重力や磁力の影響によって両者がずれることがない。
【００１９】
前記揺動側部材及び前記非揺動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。
【００２０】
代案としては、前記揺動側部材及び前記非揺動側部材のうちの一方が永久磁石で構成され、他方が磁性体で構成される。
【００２１】
前記可動側部材は前記固定側部材よりも上方に位置し、前記可動側部材及び前記固定側部材は磁気的反発力を生じるように異極が互いに対向して配置される。
【００２２】
代案としては、前記可動側部材は前記固定側部材よりも下方に位置し、前記可動側部材及び前記固定側部材は磁気的吸引力を生じるように同極が互いに対向して配置される。
【００２３】
前記取付部は前記直動部を非接触の空気軸受構造で鉛直方向のみ可動に支持する軸受部を備えることが好ましい。
【００２４】
前記直動部のそれ自体の軸線回りに水平方向の回転に抗する磁気回路を生じる磁気回路部を備えることが好ましい。
【００２５】
前記揺動部は測定用レーザを反射するためのミラーを備える。
【００２６】
本発明の第２の態様は、測定用レーザを反射するためのミラーを備える形状測定装置用プローブと、前記形状測定用プローブが取り付けられた鉛直方向移動部と、前記測定用レーザの前記ミラーにて反射した反射光に基づき前記形状測定装置用プローブの前記鉛直方向移動部に対する鉛直方向の相対的な移動量を検出するフォーカス検出部と、前記測定用レーザの前記ミラーにて反射した反射光に基づき前記形状測定装置用プローブの揺動部の鉛直方向に対する傾斜角度を検出して前記スタイラスの前記被測定面への接触位置であ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形状測定装置を提供する。
【００２７】
支点部は直動部に対して固定された位置にあり、支点位置も鉛直方向にしか移動しないようになっている。揺動部に取り付けられたミラーの反射光によって鉛直方向の位置情報が分かれば支点位置についても容易に情報を得ることができ、測定点情報決定部での演算を高精度に実行することができる。支点の位置、つまり揺動部の回転中心の位置が分からなければ、揺動部の傾斜角度をいかに高精度に求められたとしても、傾斜角度の情報だけではどこを中心に揺動部が回転しているのかわからず、結局は測定点の位置情報を演算する際に誤差が生じてしまうからである。
【００２８】
前記測定点情報決定部は、前記傾斜角度を検出する傾斜角度検出部と、該傾斜角度検出部から得られた角度信号を前記形状測定装置用プローブに備わる取付部に対する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、前記測定用レーザ光を用いて、前記取付部に対する前記測定点の相対位置座標値を求める位置座標演算部と、前記相対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、
を有するように構成することもできる。
【００２９】
また、前記被測定面に沿って２次元又は３次元に移動するステージと、そのステージを、前記フォーカス部から検出される測定面接触部の取付部に対する鉛直方向の相対的な移動量、もしくは前記傾斜角度検出部から検出される傾斜角度から、被測定面に接触した際の垂直反力、すなわち測定力が所定の値になるように制御する制御装置とを更に備えるように構成しても良い。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の形状測定装置用プローブ及び形状測定装置によれば、スタイラスを先端に備えるアームを含む揺動部は、支持部を支点して揺動可能であるのみでなく、連結機構を介して連結された直動部と共に鉛直方向に移動できる。従って、被測定面の傾斜角度の限定を限定することなく、すなわち被測定面がほぼ鉛直方向の形状を有するときだけでなく水平面に近い場合でも、任意形状の測定面を高精度かつ低測定力で測定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明の実施形態である形状測定装置用プローブとこの形状測定装置用プローブを備える形状測定装置について、図面を参照しながら以下に詳しく説明する。なお、各図において、同じ構成部分については同じ符号を付している。また、後述する取付部２、揺動部３、及び直動部６等は、特に言及しない限り、一体構造であっても複数の部材ないし部品から構成されていてもよい。
【００３２】
形状測定装置は、レンズ形状や機構部品の穴や外形等、任意形状をナノメートルオーダの高い精度で測定可能とする装置である。測定対象としては、例えばレンズに関して言えば、レンズ面形状の測定だけでなく、レンズ側面の真円度や、レンズ側面を基準としたレンズ面の傾き、偏心等で表される位置ずれ等を測定することができるだけでなく、他にもきわめて高精度が必要とされるモータの軸受、インクジェットプリンタにおけるノズル、及び自動車エンジンにおける燃料噴射ノズル等における穴形状や、流体軸受に形成され潤滑剤を収容する溝部の形状、さらには、形状測定装置に備わるマイクロエアスライドの内径、円筒度等も測定することができる。また、半導体回路パターンにおけるトレンチ部分も測定対象に含めることができる。
【００３３】
まず、形状測定装置用プローブについて説明する。図１及び図２は、本発明の実施形態にかかる形状測定装置に用いられる形状測定用プローブの斜視図である。図１及び図２に示す形状測定装置用プローブ（以下、単にプローブという）１０１は、取付部２、揺動部３、連結機構４、及び直動部６を備える。揺動部３（測定面接触部）は、測定対象となる測定物６０の被測定面６１に接触する部分としてのスタイライス１２１を下端に有するアーム１２２を備える。本実施形態のプローブ１０１は、揺動部３（アーム１２２）を任意の水平方向、すなわちＸ、Ｙ方向を問わずにいずれの方向にも傾斜可能とする構成に加え、揺動部３（アーム１２２）を鉛直方向にのみ並進移動可能とする構成を有することが特徴である。具体的には、取付部２に対して鉛直方向にのみ並進移動可能に直動部６が保持されており、この可動部材６に対して連結機構４によって揺動部３が任意の水平方向に傾斜可能に連結されている。
【００３４】
取付部２は形状測定装置２０１に固定又は着脱可能に取り付けられる。本実施形態における取付部２はブロック部材である。揺動部３が揺動し、かつ直動部６が鉛直方向に可動であるのに対し、取付部２は固定された部材である。取付部２は、中央部に形状測定装置２０１から照射される測定用レーザ光２１１を通過可能とするための貫通するレーザ用開口１３７ａ，１３７ｂ，１３１ａを中央部に有し、全体として円筒形である。取付部２は、両端開口の円筒形の本体１３１と、この本体１３１の上端側に固定された同様に両端開口の円筒状の取付部材１３７とを備える。
【００３５】
取付部２の取付部材１３７は、形状測定装置２０１に対して固定され、又は形状測定装置２０１に対して嵌め込みによって着脱可能に取り付けられる。取付部材１３７の上端と下端に前述のレーザ用開口１３７ａ，１３７ｂが形成されている。
【００３６】
取付部２の本体１３１は、上端の中央部にレーザ用開口１３１ａが形成され、下端に揺動部３の揺動を許容する空間を形成するための揺動開口１３１ｂが形成されている。
【００３７】
取付部２の本体１３１の内部には、揺動部３の上端側（後述する載置台４１を含む部分）、連結機構４、及び直動部６の上端側が収納される。一方、取付部２の本体１３１の下端の揺動開口１３１ｂからは、揺動部３の下端側（後述する中間部３ｅと下側部３ｄを含む。）、及び直動部６の下端側（後述する磁石保持部６ｂを含む。）が下向きに突出している。
【００３８】
本体１３１の下端の揺動開口１３１ｂの内壁には、水平方向に延びる細幅梁状の支持部１３１ｃの両端が連結されている。支持部１３１ｃの長手方向の中央には、直動部６を鉛直方向に可動に支持する軸受部１６が設けられている。また、支持部１３１ｃの長手方向の両端の上面側には、一対の固定側磁石７２が取り付けられている。これらの固定側磁石７２は、直動部６が備える可動側磁石７１（後に詳述する）と鉛直方向に間隔を隔てて対向している。
【００３９】
連結機構４は、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可能に、揺動部３を直動部６に支持する機構である。なお、本実施形態では、測定用レーザ光２１１の光軸２１１ａは、鉛直方向であるＺ軸方向に一致する。
【００４０】
本実施形態において、連結機構４は、直動部６の上端に固定された載置台（載置部）４１と、揺動部３に取り付けられた支点部材（支点部）４２とにより構成されている。載置台４１の上面には円錐形の溝４１ａが形成されており、この溝４１ａに針状の突起である支点部材４２の尖端が嵌入している。載置台４１と支点部材４２は、支点部材４２の尖端が円錐形の溝４１ａの最下点に接触するように構成されている。この構成により、揺動部３は、支点部材４２の尖端と円錐形の溝４１ａの最深部との接触部分を揺動中心ないし支点として、水平方向のいずれの方向（Ｘ方向のＹ方向のいずれの方向）にも揺動可能に載置台４１（直動部６）に対して連結される。
【００４１】
揺動部３は、測定物６０の被測定面６１に接触するスタイラス１２１と、取付部２を通過した測定用レーザ光２１１を反射するミラー１２３を有し、被測定面６１の形状に応じたスタイラス１２１の変位に対応して直動部６に対して揺動する。揺動部３は、取付部２の本体１３１内に収容された上側部３ａと、この上側部３ａの両端から下向きに延びる一対の連結部３ｂ，３ｃと、取付部２の下方に位置する連結部３ｂ，３ｅの下端が両端に連結された下側部３ｄとを備え、全体として矩形枠状を呈する。また、揺動部３は取付部２の下方であって下側部３ｄよりも上方に中間部３ｅを備える。この中間取付部３ｅも両端が連結部３ｂ，３ｃに連結されている。
【００４２】
揺動部３の上側部３ａの下面（揺動部３の内側上壁）には、針状の支点部材４２が下向きに突出する姿勢で設けられている。この支点部材４２は、前述のように連結機構４の一部を構成する。上側部３ａは同様に連結機構４の一部を構成する直動部６の載置台４１よりも上方に間隔を隔てて配置されており、支点部材４２は載置台４１の溝４１ａに嵌入されている。一方、上側部３ａの中心部の上面には前述した測定用レーザ光２１１を反射するためのミラー１２３が固定されている。
【００４３】
揺動部３の下側部３ｄに棒状部材であるアーム１２２の上端側が固定されており、下向きに延びるアーム１２２の下端にスタイラス１２１が設けられている。本実施形態では、スタイラス１２１は、例えば約０．３mm〜約２mmの直径を有する球状体であり、アーム１２２は、一例として直径が０．７mmで、アーム１２２の下側部３ｄへの固定箇所からスタイラス１２１の中心まで長さは約１０mm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。なお、揺動部３は、支点部材４２を溝４１ａに嵌入して載置台４１に連結したときに、アーム１２２が鉛直方向を向くように、揺動部３の重心が支点部材４２の尖端の鉛直方向下側に位置するように構成されていることが好ましい。
【００４４】
揺動部３の中間部３ｅには、複数個（本実施形態では４個）の揺動側磁石５１が保持されている。これらの揺動側磁石５１は等角度間隔で同心円状に配置されている。揺動側磁石５１は、直動部６が備える非揺動側磁石５２と上下方向に対向している。また、中間部３ｅの中央部には上下方向に関する貫通穴３ｆが形成されており、この貫通穴３ｆに直動部６が挿通されている。揺動部３の揺動を許容するために、貫通穴３ｆの穴径は直動部６の外径よりも十分大きく設定されている。
【００４５】
揺動部３の具体的な構成は、支点により載置台４１に揺動可能に配置される構成である限り、本実施形態のものに限定されない。
【００４６】
直動部６は、上下方向に延びる真直な棒状又は筒状である本体６ａと、取付部２の本体１３１内に位置する本体６ａの上端側に固定された載置台４１と、取付部２の本体１３１の下方外側に位置する下端側に固定された磁石保持部６ｂとを備える。
【００４７】
直動部６の本体６ａは、鉛直方向にのみ直動可能となるように、取付部２に備えられている軸受部１６に支持されている。図示は省略しているが、軸受部１６には空気流入穴と空気排出穴が設けられている。空気流入穴から供給されて空気排出穴から排出される空気によって、直動部６の本体６ａは軸受部１６に対して非接触の空気軸受構造で支持されている。この空気軸受構造により、直動部６の横方向（水平方向）の傾斜は防止されるが、鉛直方向へは直動部６がスムーズに昇降する。
【００４８】
直動部６の本体６ａの上端に固定された載置台４１は、Ｘ軸方向に延伸された直方体形状になっており、上面の中心に支点部材４２の尖端が嵌入される溝４１ａが形成されている。また、本実施形態では、Ｘ軸方向に延伸された載置台４１の両端付近に、一対の可動側磁石７１が固定されている。これら載置台４１に固定された可動側磁石７１は、前述した取付部２の支持部１３１ｃ（載置台４１よりも下側に位置する。）に固定された固定側磁石７２に対して鉛直方向であるＺ軸方向に間隔を隔てて対向している。
【００４９】
本実施形態では、直動部６（載置台４１）の可動側磁石７１と、取付部３（支持部１３１ｃ）の固定側磁石７２は、互いに反発力が作用する向きに固定されている。つまり、可動側磁石７１と固定側磁石７２は、同極が対向する姿勢で固定されている。可動側磁石７１と固定側磁石７２との間に作用する反発力により、直動部６に対して鉛直方向上向きの付勢力が作用する。この磁石７１，７２の反発力による直動部６に対する付勢力と、直動部６の自重及び連結機構４を介して直動部６に作用する力（いずれも鉛直方向下向き）との釣り合いにより、直動部６が上下方向に移動する。
【００５０】
直動部６に対して鉛直方向上向きの付勢力が作用する限り、直動部６の可動側磁石７１と取付部３の固定側磁石７２の上下配置や、磁石７１，７２間に作用する磁力（反発力か吸引力か）は、本実施形態のものに限定されない。例えば、本実施形態とは上下配置を入れ替えて、直動部６の可動側磁石７１を取付部材３の固定側磁石７２の下側に配置し、かつ磁石７１，７２間に吸引力を作用させ、それによって直動部６に鉛直方向上向きの付勢力を作用させてもよい。また、反発力と吸引力の両方の力によって、直動部６に鉛直上向きの付勢力が作用するように、直動部６の可動側磁石７１と取付部３の固定側磁石７２を配置してもよい。
【００５１】
直動部６の本体６ａの下端側に固定された磁石保持部６ｂには、複数個（本実施形態では４個）の非揺動側磁石５２が固定されている。これらの非揺動側磁石５２は等角度間隔で同心円状に配置されている。
【００５２】
図３を参照すると、直動部６の磁石保持部６ｂは揺動部３の中間部３ｅよりも下側に位置している。また、磁石保持部６ｂに固定された４個の非揺動側磁石５２と、揺動部３の中間部３ｅに固定された前述の４個の揺動側磁石５１とは、それぞれが鉛直方向であるＺ軸方向に間隔を隔てて対向している。
【００５３】
また、揺動側磁石５１と非揺動側磁石５２は、個々の揺動側磁石５１と非揺動側磁石５２の対の間で互いに吸引力が働く向きに固定されている。つまり、非揺動側磁石５１と揺動側磁石５２は異極が対向する姿勢で固定されている。揺動側磁石５１と非揺動側磁石５２との間に作用する吸引力により、揺動側磁石５１を保持する揺動部３には鉛直方向であるＺ軸方向下向きの付勢力が作用する一方、非揺動側磁石５１を保持する直動部６には鉛直方向であるＺ軸方向上向きの付勢力が作用する。従って、揺動側磁石５１と非揺動側磁石５２間の吸引力により、揺動部３に取り付けられている支点部材４２と、直動部６に取り付けられている載置台４２（支点部材４２の下方に配置されている）との間には、互いに押さえ付ける方向に力が作用する。そのため、揺動部３に取り付けられた支点部材４２に鉛直方向上向きの力が作用しても、支点部材４２の尖端は載置台４２に形成された溝４１ａから外れることなく嵌入された状態を維持する。これにより、重力や磁力の影響による支点部材４２のずれが防止される。
【００５４】
図３を参照すると、本実施形態では、揺動側磁石５１及び非揺動側磁石５２それぞれについて、隣り合う磁石の極性の向きが反対になるように配置されている。まず、揺動側磁石５１については、下側がＮ極（上側がＳ極）の姿勢のものと、下側がＳ（上側がＮ極）の姿勢のものとを交互に配置している。また、非揺動側磁石５２についても、下側がＮ極（上側がＳ極）の姿勢のものと、下側がＳ（上側がＮ極）の姿勢のものとを交互に配置している。そして、前述のように揺動側磁石５１と非揺動側磁石５２との間に吸引力が作用するように、下側がＮ極の姿勢の揺動側磁石５１と上側がＳ極の姿勢の非揺動側磁石５２とを対向させ、下側がＳ極の姿勢の揺動側磁石５１と上側がＮ極の姿勢の非揺動側磁石５２とを対向させている。揺動部３が支点である支持部材４２の尖端を中心として水平方向に回転しようとすると、互いに反発力が作用する揺動側磁石５１と非揺動側磁石５２どうしが対向することになり、この反発力と回転開始前に対向していた揺動側磁石５１と非揺動側磁石５２の間に作用する吸引力は、支点部材４２の回転に対する抗力ないしは復元力として機能する。このように、揺動側磁石５１及び非揺動側磁石５２のそれぞれについて、磁極の関係を交互に配置することにより、揺動部３が支軸部材４２の尖端を中心として水平方向に回転するのを防止できる。ただし、揺動側磁石５１及び非揺動側磁石５２のいずれについても、極性の向きをすべて同じにする配置を採用すること可能である。
【００５５】
直動部６は取付部２に対して、鉛直方向については可動側磁石７１と固定側磁石７２の反発力によって非接触で保持されており、水平方向については軸受部１６が構成する空気軸受によって非接触で保持されている。そして、前述のようにレーザ光２１１を反射するミラー１２３とスタイラス１２１を備えるアーム１２２とを含む揺動部３は、連結機構４によって直動部６に対して揺動可能に連結されている。つまり、測定物６０の被測定面６１を走査する部分である直動部６、連結機構４、及び揺動部３は、取付部２に対して非接触の状態で保持されている。このように測定物６０の被測定面６１を走査する部分が取付部２に対して非接触であるため、形状測定装置で発生した振動等に対する影響を受けにくく、極めて高精度での測定が可能となる。
【００５６】
本実施形態のプローブ１０１は、取付部２内に磁気回路部１３６を備えている。磁気回路部１３６は、２つの磁石２９a、２９ｂと、２つの磁石をつなげる磁性体リング９５、２つのヨーク８a、８ｂ及び、可動側磁性体２０を備える。
【００５７】
取付部２の本体１３１の内周壁に磁性体リング９５が固定されている。磁石２９ａ，２９ｂは薄板状で上端が磁性体リング９５に固定され鉛直方向下向きに延びている。個々の磁石２９ａ，２９ｂの下端側にヨーク８ａ，８ｂが固定されている。磁石２９ａ，２９ｂとヨーク８ａ，８ｂは、Ｚ軸方向から視ると測定用レーザ光２１１の光軸２１１ａ（取付部２の中心軸と一致する。）に対して対称に配置されている。可動側磁性体２０は水平方向に延びる細長い棒状であり、直動部６に取り付けられた載置台４１の上面に固定されている。可動側磁性体２０の両端は、それぞれ磁石２９ａ，２９ｂに対して隙間を隔てて水平方向に対向している。可動側磁性体２０の長さ方向中央部には厚み方向の貫通する穴２０ａが形成されている。この穴２０ａを通って支持部材４２が載置台４１の溝４１ａに嵌入されている。穴２０ａの穴径は支持部材４２の外径よりも十分大きく設定されているので、揺動部３の揺動により支点部材４２が傾いても可動側磁性体２０と干渉しない。本実施形態にける磁気回路部１３６（可動側磁性体２０）をＺ軸方向から視ると、Ｘ軸方向に延伸している載置台４１に対して交差する方向に延びており、載置台４１と磁気回路部１３６はＺ軸方向から視ると十字形を構成するように配置されている。
【００５８】
磁気回路部１３６は一方の磁石２９ａからヨーク８ａ、可動側磁性体２０、ヨーク８ｂ、磁石２９ｂ、及び磁性体リング９５を経て磁石２９ａに戻る磁気回路を形成する。この磁気回路により、直動部６と揺動部３（連結機構４により直動部６に連結されている）とが、一緒になって水平方向に回転（いわゆる供回り）するのを防ぐことができる。詳細には、直動部６と揺動部３が水平方向に回転しようとすると、磁気回路部１３６で形成された磁気回路が可動側磁性体２０をもとの回転位置に戻すように作用し、それによって供回りが防止される。なお、可動側磁性体２０は、磁気回路を形成できるように磁性体で構成し、可動側磁性体２０が取り付く載置台４１は、磁気の影響を受けないように非磁性体で構成することが好ましい。磁気回路１３６を設けない構成も可能である。
【００５９】
本実施形態におけるプローブ１０１は、以下のように動作する。
【００６０】
まず、図４のうちの非測定時、すなわちスタイラス１２１が測定物６０に接していない状態について説明する。揺動側磁石５１と非揺動側磁石５２の吸引力により、揺動部３には鉛直方向下向きの付勢力が作用する。この付勢力により支点部材４２の尖端は載置台４１の溝４１ａの中心である最深部に接した状態を維持し、揺動部３の可動部６に対する位置ずれ等が防止される。また、揺動側磁石５１と非揺動側磁石５２の吸引力により、アーム１２２が鉛直方向に延在する中立位置に維持しようとする復元力が揺動部３に作用する。具体的には、揺動部３は揺動してその中心軸が傾いた場合、揺動側磁石５１と非揺動側磁石５２の距離が遠ざかることになり、磁石の性質により、一対の磁石を互いに近づける方向に復元力が働き、その結果、揺動部３全体も傾きを戻す方向に復元力が働く。さらに、前述のように揺動側磁石５１及び非揺動側磁石５２それぞれについて、隣り合う磁石の極性の向きが反対になるように配置されているので、揺動部３が支点（支点部材４２の尖端）を中心として水平方向に回転した場合も、回転を戻す方向に復元力が働く。これらにより、非測定時、すなわちスタイラス１２１が測定物６０に接していない状態の揺動部３は、アーム１２２の延在方向が鉛直方向に一致するように付勢及び姿勢保持される。
【００６１】
一方、非測定時の直動部６の鉛直方向の位置は、可動側磁石７１と固定側磁石７２の反発力による鉛直方向上向きの力と、直動部６の自重と連結機構４を介して作用する揺動部３の自重との和である鉛直方向下向きの力とが釣り合う位置で保持される。
【００６２】
次に、図４のうちの測定時について説明する。後に詳述するように、測定物６０の被測定面６１の形状測定は、揺動部３に取り付けられているスタイラス１２１を被測定面６１に所定の押圧力にて押し付けて行われる。この押圧力は、スタイラス１２１を被測定面６１に接触させた状態から、取付部２を測定物６０側へわずかに移動させることで得られ、スタイラス１２１には被測定面６１から押圧力に対応する反力（抗力）が作用する。この反力の水平方向成分により、揺動部３が支点（支持部材４１の尖端）を中心として傾斜する。また、反力の鉛直方向成分は、揺動部３に対して鉛直上向きに作用する。この反力の鉛直方向成分（鉛直方向上向き）の分だけ、スタイラス１２１が測定物６１に対して非接触である釣り合い状態での位置から、揺動部３と共に直動部６が取付部３に対して、可動側磁石７１と固定側磁石７２の反発力が弱まる方向、つまり鉛直方向上向き（Ｚ軸方向上向き）に変位する。要するに、スタイラス１２１に作用する反力の鉛直方向成分により、揺動部３と共に直動部６が測定物６１に対して鉛直方向上向きに変位する。そして、直動部６と揺動部３の鉛直方向の位置は、直動部６の自重、揺動部３の自重、スタイラス１２１を介して揺動部３に作用する反力（鉛直方向成分）、及び可動側磁石７１と固定側磁石７２の反発力が釣り合う位置に移動する。そのため、支点部材４２の尖端は溝４２ａの中心に押し付けられた状態を維持し、支点部材４２の載置台４１に対する位置にずれは生じない。このようにスタイラス１２１に被測定面６１から作用する反力の鉛直成分によっても支点部材４２の載置台４１に対する位置ずれは生じないので、被測定面６１がほぼ鉛直方向の形状を有するときだけでなく、水平面に近い形状を有するときにも、スタイラス１２１で走査する被測定面６１の形状を高精度で追従して、揺動部３が傾斜や鉛直方向上向きの移動を行う。
【００６３】
本実施形態におけるプローブ１０１では、スタイラス１２１に作用する鉛直方向及び水平方向の力に対する変位量がほぼ同一になるように構成されている。具体的には、スタイラス１２１に鉛直方向及び水平方向のいずれに０．３ｍＮ（≒３０ｍｇｆ）の力が作用した場合でも、スタイライ１２１には約１０μｍの変位量が発生する。ただし、プローブ１０１が鉛直方向と水平方向に略同一の剛性を有していなくてもよい。
【００６４】
次に、本実施形態のプローブ１０１を備える形状測定装置について説明する。
【００６５】
一般に、プローブを使用する形状測定装置は、プローブを測定物に接触させ、接触力がほぼ一定になるようにプローブの移動を制御することでプローブを測定物の被測定面に沿って移動させ、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、被測定面の表面形状を測定、演算するものである。
【００６６】
このような形状測定装置としては、主として例えば約４００ｍｍ角の大きさを有する比較的大型の測定物の測定用であり、図５に示すように、測定物６０を石定盤２９２上に固定する一方、プローブをＸＹ−ステージ２９５によりＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させ、Ｚ−ステージ２９３によってＺ軸方向に移動させるタイプ、すなわちプローブ１０１をＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の全方向に移動させるタイプの形状測定装置２９０がある。また、主として例えば約２００ｍｍ角以下の大きさを有する中型及び小型の測定物の測定用であり、図６に示すように、測定物６０を載置したステージ２９１をＸ軸及びＹ軸方向に移動させる一方、プローブ１０１のみをＺ−ステージ２９３によりＺ軸方向に移動させるタイプの形状測定装置がある。図５及び図６において同一の要素には同一の符号を付している。本実施形態の測定装置用プローブ１０１は、図５及び図６のいずれのタイプの形状測定装置にも適用可能である。
【００６７】
以下、図６の形状測定装置２９０に本実施形態のプローブ１０１を適用する場合について説明する。
【００６８】
図６に示す形状測定装置２９０は、石定盤２９２上に設置されたステージ２９１を備える。このステージ２９１は、平面状で互いに直交するＸ軸及びＹ軸方向に可動であるＸ−ステージ２９１１及びＹ−ステージ２９１２を有する。測定物６０はステージ２９１上に載置され、プローブ１０１に対してＸ軸方向及びＹ軸方向に相対的に移動する。プローブ１０１をＺ軸方向に可動とするＺ−テーブル２９３が、石定盤２９２に立設された支柱２９２１に対してＺ軸方向に可動に取り付けられている。Ｘ−ステージ２９１１、Ｙ−ステージ２９１２、及びＺ−テーブル２９３は駆動部２８１により駆動され、駆動部２８１は制御装置２８０によって制御される。
【００６９】
また、形状測定装置２９０は、レーザ光発光部２１０を備える。このレーザ光発生部２１０は、被測定面６１上のスタイラス１２１が接触している点（測定点６１ａ）の位置情報を求めるための測定用レーザ光２１１（例えば発振周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザ光）を発生する。
【００７０】
さらに、形状測定装置２９０は測定点情報決定部２２０を備える。図７を参照すると、測定点情報決定部２２０は、レーザ光発生部２１０にて発生したレーザ光２１１を用いて被測定面６１における測定点６１ａの位置情報を得るための光学系２２１、並びにＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の各基準面からのレーザ光と測定点６１ａからのレーザ光（揺動部３のミラー１２３で反射されたレーザ光）との干渉に基づき測長を行う公知のレーザ測長部２８２を備える。レーザ測長部２８２は、傾斜角度検出部２２２、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を有する。レーザ測長部２８２は光学系２２１に光電的に結合され、実際に測定点６１ａの位置情報を求める機能を有する。
【００７１】
レーザ光発生部２１０にて発生した測定用レーザ光２１１は、被測定面６１の測定点６１ａの３次元座標位置を求めるため、光学系２２１にてＸ、Ｙ、Ｚ座標用の３つにレーザ光に分光される。測定用レーザ光２１１を分光した３つのレーザ光のうちの１つは、プローブ１０１と共にＸ軸方向に移動するミラーと石定盤２９２に固定されたＸ軸基準面（いずれも図示せず）とに照射され、これらの反射光は位置座標測定部２２４のＸ軸座標測定部２２４ａに導光される。また、測定用レーザ光２１１を分光した３つのレーザ光のうちの他の１つは、プローブ１０１と共にＹ軸方向に移動するミラーと石定盤２９２に固定されたＹ軸基準面（いずれも図示せず）とに照射され、これらの反射光は位置座標測定部２２４のＹ軸座標測定部２２４ｂに導光される。さらに、測定用レーザ光２１１を分光した３つのレーザ光のうちの残りの１つは、集光レンズ２８３を介して揺動部３のミラー１２３に照射される共に、石定盤２９２に固定されたＺ軸基準面（図示せず）に照射され、これらの反射光は位置座標測定部２２４のＺ軸座標測定部２２４ｃに導光される。
【００７２】
位置座標測定部２２４のＸ軸座標測定部２２４ａとＹ座標測定部２２４ｂは、プローブ１０１と共に位置及び姿勢が変化するミラー１２３からの反射光と、Ｘ座標基準面やＹ座標基準面からの反射光との干渉信号から、プローブ１０１のＸ座標とＹ座標を算出する。また、位置座標測定部２２４のＺ軸座標測定部２２４ｃは、揺動部３のミラー１２３からの反射光とＺ座標基準面からの反射光との干渉信号から、プローブ１０１のＺ座標を算出する。つまり、位置座標測定部２２４は、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸基準面を基準として、プローブ１０１の移動量を測長している。この種のレーザ光の干渉を利用した測長の原理及びそのための具体的な構成は公知であり、例えば特開平１−１７０２４３号公報や特開平１０−１７０２４３号公報に記載されている。
【００７３】
傾斜角度検出部２２２は、測定物６０の被測定面６１にスタイライ１２１が接触することによって揺動部３が傾いた量を、揺動部３に取り付けられたミラー１２３にレーザ光を照射することで検出する。傾斜角度検出部２２２は、プローブ１０１が取り付けられたＺ−テーブル２９３に固定されており、Ｚテーブル２９３と共に鉛直方向（Ｚ軸方向）に移動する。本実施形態では、傾斜角度検出用のレーザ光として、レーザ発生部２１０から発振された測定用レーザ光２１１とは別に、傾斜角度検出用レーザ光発振部２２２ａから発振された傾斜角度検出用レーザ光２２２ｃを使用している。揺動部材３のミラー１２３で反射されて戻ってきた傾斜角度検出用レーザ光２２２ｃを受光部２２２ｂで受光し、それによって揺動部材３の傾斜角度を検出している。
【００７４】
前述のように、位置座標測定部２２４で測定されるＸ、Ｙ、及びＺ座標は、それぞれの軸に設置されたミラーを基準に、各軸の移動量を測長したものである。特に、Ｚ軸の測長の場合、プローブ１０１の揺動部３に設置されたミラー１２３のＺ軸方向の位置変化を測長している。しかし、実際にはスタイラス１２１が測定物６０の被測定面６１と接している箇所とミラー１２３との相対的な位置関係は固定されていない。すなわちミラー１２３が取り付けられた揺動部材３は支持部材４２の尖端（支点）を中心にして傾く機構になっている。従って、位置座標測定部２２４で測定されるＸ、Ｙ、及びＺ座標を揺動部材３が傾いた量を補正する必要がある。この補正をするのがスタイラス位置座標演算部２２３である。スタイラス位置座標演算部２２３では、上述の傾斜角度検出部２２２で検出された傾きから、スタイラス１２１の先端位置を補正する量（ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ）を決定する。
【００７５】
揺動部３の支点部材４２は直動部６の載置台４１に対して固定された位置にあり、支点位置（支点部材４２の尖端）も鉛直方向にしか移動しない。従って、ミラー１２３の反射光によって鉛直方向の位置情報が得られれば、支点位置についても容易に情報を得ることができ、スタイラス位置座標演算部２２３での演算を高精度で実行することができる。仮に、支点の位置、つまり揺動部３の回転中心の位置が分からなければ、揺動部３の傾斜角度をいかに高精度に求められたとしても、傾斜角度の情報だけではどこを中心に揺動部３が回転しているのかわからず、結局はスタイライの位置情報を演算する際に誤差が生じてしまうからである。
【００７６】
加算部２２５では、位置座標測定部２２４で測長されたＸ、Ｙ、Ｚの各座標値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に、スタイラス位置演算部２２３にて計算されたスタイラス１２１の先端位置の補正値（ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ）を加算する演算を実行し、測定点６１ａの３次元座標位置（Ｘ＋ΔＸ，Ｙ＋ΔＹ，Ｚ＋ΔＺ）を算出する。
【００７７】
プローブ１０１を備える形状測定装置２９０は、Ｚ軸方向（鉛直方向）について２つの可動部分、すなわちプローブ１０１全体をＺ軸方向に可動するＺ−テーブル２９３と、プローブ１０１内で可動する直動部６を有する構成となっている。これらのＺ軸方向の２つの移動量のうち、ミラー１２３を取り付けた揺動部３が直動部６と共にプローブ１０１全体やＺテーブル２９３に対して鉛直方向（Ｚ軸方向）に相対的に移動した量を検出する構成として、フォーカス検出部２２６が設けられている。前述の傾斜角度検出部２２２と同様に、フォーカス検出部２２６はプローブ１０１が取り付けられたＺ−テーブル２９３に固定されており、Ｚテーブル２９３と共に鉛直方向（Ｚ軸方向）に移動する。
【００７８】
フォーカス検出部２２６は、フォーカス検出用レーザ光発振部２２６aと、フォーカス検出用レーザ光発振部２２６ａから発振された後に揺動部３に取り付けられたミラー１２３で反射されて戻ってくるフォーカス用レーザ光２２６ｃを受光するフォーカス信号検出部２２６ｂとからなる。フォーカス検出用レーザ光発振部２２６ａとフォーカス信号検出部２２６ｂは、同一位置に配置されている。例えば、フォーカス検出用レーザ光発振部２２６ａとしての半導体レーザと、フォーカス信号検出部２２６ｂとしての受光素子との一体化素子により、フォーカス検出部２２６を構成できる。この場合、一体化素子の受光素子上の集光位置のずれに基づいて、プローブ１０１全体やＺテーブル２９３に対するミラー１２３を取り付けた揺動部３と直動部６の移動量を検出する。つまり、フォーカス検出部２２６により、プローブ１０１全体やＺテーブル２９３に対するミラー１２３を取り付けた揺動部材３と直動部６のＺ軸方向の相対的な位置関係が把握できる。言い換えれば、フォーカス検出部２２６により、揺動部材３と直動部６のプローブ１０１全体やＺテーブル２９３に対する鉛直方向上向きの移動量が得られる。
【００７９】
フォーカス検出部２２６によって検出される揺動部材３と直動部６のプローブ１０１全体やＺテーブル２９３に対する鉛直方向の相対的な位置関係（揺動部材３と直動部６のプローブ１０１全体やＺテーブル２９３に対する鉛直方向上向きの移動量）は、主として２つの用途で使用される。第１に、検出された鉛直方向の相対的な位置関係は、制御部２８０によるフォーカス制御（フォーカス検出部２２６及び傾斜角度検出部２２２からミラー１２３までの距離の制御）に使用される。第２に、検出された鉛直方向の相対的な位置関係から、スタイラス１２１に被測定面６１から作用する反力の鉛直方向成分が分かる。以下、この点について説明する。スタイラス１２１を測定物６０の被測定面６１に対して所定の押圧力で押し付けると、スタイライ１２１には被測定面６１からの反力が作用する。そして、この反力の鉛直成分に対応する移動量だけ、揺動部材３と直動部６がプローブ１０１全体やＺテーブル２９３に対して鉛直上向きに移動する。このようにスタイラス１２１に作用する反力の鉛直方向成分と、揺動部材３と直動部６のプローブ１０１全体やＺテーブル２９３に対する鉛直方向上向きの移動量は直接的な相関関係を有する。従って、フォーカス検出部２２６が検出する揺動部材３と直動部６のプローブ１０１全体やＺテーブル２９３に対する鉛直方向上向きの移動量から、スタイラス１２１に作用している反力の鉛直方向成分を計算できる。また、フォーカス検出部２２６が検出する揺動部材３と直動部６のプローブ１０１全体やＺテーブル２９３に対する鉛直方向上向きの移動量を制御することで、スタイラス１２１に被測定面６１から作用する反力の鉛直方向成分を制御できる。
【００８０】
ミラー１２３には、合計３本のレーザ光、すなわち測定用レーザ光２１１、傾斜角度検出用レーザ光２２２ｃ、及びフォーカス用レーザ光２２６ｃが照射される。そのため、３本のレーザの波長や偏光方向を変えることや、レーザ光分岐部２２７が備えるレーザ光の合流や分岐のためのミラー、プリズム等の光学素子の組合せにより、３本のレーザ光間で互いに干渉が生じないように構成されている。
【００８１】
制御装置２８０は、測定物６０の被測定面６１をスタイラス１２１で走査するとき、プローブ１０１のＸ、Ｙ、及びＺ軸方向の動きを制御する。この制御の方法としては、（１）フォーカス検出部２２６で検出される揺動部材３と直動部６の上下方向の相対移動量で制御する方法、（２）傾斜角度検出部２２２で検出される揺動部３の傾斜角度で制御する方法、並びに（３）フォーカス検出部２２６で検出される揺動部３と直動部６の鉛直方向の相対移動量と傾斜角度検出部２２２で検出される揺動部３の傾斜角度の両方を用いて制御する方法の３種類のモードが存在する。
【００８２】
（１）フォーカス検出部２２６で検出される揺動部材３と直動部６の上下方向の相対移動量で制御する方法について説明する。この場合、フォーカス検出部２２６によってプローブ１０１が取り付けられたＺ−テーブル２９３に対して揺動部３と直動部６が相対的に移動した量を検出し、その量を一定にすることにより、スタイラス１２１を被測定面に押し込むＺ軸方向の力、すなわち測定力が一定になるようにＺ軸方向の動作（Ｚ−テーブル２９３の昇降）を制御しながら測定する。このとき、Ｘ及びＹ軸方向の走査は、予め設定された走査パス等に基づいて走査する。Ｘ及びＹ軸方向の走査による測定物６０のＺ軸方向の変化に追従してＺ−テーブ２９３を昇降させれば、被測定面６１に沿ってＺ軸方向の測定力を一定に維持した測定ができる。このとき、傾斜角度検出部２２２で検出されるスタイラス１２２の傾斜角度をスタイラス位置演算部２２３で使用するため、正確に測定点６１ａの位置座標情報を得ることができる。ただし、測定物６０の被測定面６１が鉛直方向に平行な面の場合には、スタイラス１２１に対して鉛直方向に力が加わらず、Ｚ−テーブル２９３に対する揺動部３と直動部６の鉛直方向の相対的な移動量を検出することができない。そのため、この制御方法は、レンズ面の形状測定等、スタイライ１２１で被測定面６１を上方向から測定することが可能な場合に有効である。
【００８３】
（２）傾斜角度検出部２２２で検出される揺動部３の傾斜角度で制御する方法について説明する。この場合、傾斜角度検出部２２２で検出される揺動部３の傾斜角度を一定にすることで、スタイラス１２２を被測定面６１へ押し込む力、すなわち測定力が一定になるようにＸ及びＹ軸方向の動作（Ｘ−ステージ２９１１及びＹ−ステージ２９１２の水平移動）を制御しながら測定する。このとき、Ｚ軸方向の走査パスを固定するか、もしくは予め設定された走査パス等に基づいて走査する一方、Ｘ及びＹ軸方向については被測定面６１の変化に対して倣い走査することにより、例えば円筒面等の測定物６０の形状測定が可能となる。このとき、フォーカス誤差信号は、Ｚ軸方向の位置制御用に使用する。傾斜角度検出部２２２で検出される傾斜角度は、Ｘ及びＹ軸方向の動作の制御にするだけでなく、スタイラス位置演算部２２３で使用するため、正確に測定点６１ａの位置座標情報を得ることができる。
【００８４】
（３）フォーカス検出部２２６で検出される揺動部３と直動部６の鉛直方向の相対移動量と傾斜角度検出部２２２で検出される揺動部３の傾斜角度の両方を用いて制御する方法について説明する。この場合、スタイラス１２２に被測定面６１から作用する反力が一定となるように、Ｘ及びＹ軸方向には予め設定された走査パスでスタイラス１２２を走査しつつ、Ｚ軸方向の動作（Ｚ−テーブル２９３の昇降）を制御する。以下に示すように、スタイラス１２２に被測定面６１から作用する反力は逐次計算できる。被測定面６１に押し付けられることによりスタイラス１２２に作用する測定力の反力Ｆは、水平方向の分力Ｆｘと、鉛直方向の分力Ｆｚに分解される。つまり、以下の式（１）の関係が成り立っている。
【００８５】
【数１】
【００８６】
揺動部３の傾斜は水平方向の分力Ｆｘによって生じ、直動部６の鉛直方向の移動は鉛直方向の分力Ｆｚによって生じる。また、揺動部３の傾き量は傾斜角度検出部２２２で検出でき、直動部６の移動量はフォーカス検出部２２６で検出できる。従って、傾斜角度検出部２２２で検出される揺動部３の傾斜角度と、フォーカス検出部２２６で検出直動部６の移動量から分力Ｆｘ，Ｆｚを計算できる。反力Ｆは分力Ｆｘ，Ｆｚは前述の式（１）で計算できる。
【００８７】
また、水平方向の分力Ｆｘと鉛直方向の分力Ｆｚからスタイラス１２１が被測定面６１に接触している箇所（被測定点６１ａ）の傾斜角度を検出できる。この被測定面６１の傾斜角度に応じて制御方法を切り換える等の制御も可能である。
【００８８】
本実施形態のプローブ１０１では、ミラー１２３を取り付けた揺動部３は、支持部材４２の尖端を支点して揺動可能であるのみでなく、連結機構４を介して連結された直動部６と共に鉛直方向に移動できる。従って、このプローブ１０１を備える形状測定装置２９０では、被測定面６１がほぼ鉛直方向の形状を有するときだけでなく、水平面に近い形状を有するときにも、高精度かつ低測定力での測定が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明は、任意形状の面性状の測定、例えばレンズ等の側面の真円度、レンズ側面を基準としたレンズ面の傾き、偏心等で表される位置ずれ等を測定、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形状測定等を高精度及び低測定力にて走査測定する形状測定装置、形状測定装置に備わるプローブに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の実施の形態１における形状測定用プローブの斜視図で、ＸＺ平面で断面したときの斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１における形状測定用プローブの斜視図で、ＹＺ平面で断面したときの斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態１における形状測定用プローブの磁石の配置に関する説明図である。
【図４】本発明の実施の形態１における形状測定用プローブが測定物に接しているときと接していないときとでの差を表す図である。
【図５】図１に示すプローブを備えた形状測定装置の一例を表す図である。
【図６】図１に示すプローブを備えた形状測定装置の他の例を表す図である。
【図７】図６に示す形状測定装置に備わる測定点情報決定部、フォーカス検出部の構成を表す図である。
【図８】従来の特許文献１に開示された従来の形状測定装置に備わるプローブの図である。
【図９】従来の特許文献１に開示された従来の形状測定装置に備わるプローブの図である。
【符号の説明】
【００９１】
１０１ 形状測定装置用プローブ
２ 取付部
３ 揺動部
３ａ 上側部
３ｂ，３ｃ 連結部
３ｄ 下側部
３ｅ 中間部
４ 連結機構
６ 直動部
６ａ 本体
６ｂ 磁石保持部
８ａ，８ｂ ヨーク
１６ 軸受部
２０ 可動側磁性体
２０ａ 穴
２９ａ，２９ｂ 磁石
４１ 載置台
４１ａ 溝
４２ 支点部材
５１ 揺動側磁石
５２ 固定側磁石
６０ 測定物
６１ 被測定面
７１ 可動側磁石
７２ 固定側磁石
９５ 磁性体リング
１２１ スタイラス
１２２ アーム
１２３ ミラー
１３１ 本体
１３１ａ レーザ用開口
１３１ｂ 揺動用開口
１３１ｃ 支持部
１３６ 磁気回路部
１３７ 取付部材
１３７ａ，１３７ｂ レーザ用開口
２０１ 形状測定装置
２１０ レーザ光発光部
２１１ 測定用レーザ光
２２０ 測定点情報決定部
２２１ 光学系
２２２ 傾斜角度検出部
２２２ａ 傾斜角度検出用レーザ光発振部
２２２ｂ 受光部
２２２ｃ 傾斜角度検出用レーザ光
２２３ スタイラス位置演算部
２２４ 位置座標測定部
２２４ａ Ｘ座標測定部
２２４ｂ Ｙ座標測定部
２２４ｃ Ｚ座標測定部
２２５ 加算部
２２６ フォーカス検出部
２２６ａ フォーカス検出用レーザ光発振部
２２６ｂ フォーカス信号検出部
２２６ｃ フォーカス用レーザ光
２８２ レーザ測長部
２８３ 集光レンズ
２９０ 形状測定装置
２９１ ステージ
２９２ 石定盤
２９２ ＸＹ−ステージ
２９３ Ｚ−ステージ
２９１１ Ｘ−ステージ
２９１２ Ｙ−ステージ
２９２１ 支柱
【特許請求の範囲】
【請求項１】
形状測定装置に取り付けられる取付部と、
前記取付部に対して鉛直方向にのみ直動可能に支持される直動部と、
測定物の被測定面に接触するスタイラスを先端に備えるアームを有する揺動部と、
前記揺動部に設けられた支点部と、前記直動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直動部に連結する連結機構と、
前記揺動部に固定された揺動側部材と、前記直動部に固定されて前記揺動側部材に対して鉛直方向に間隔を隔てて対向する非揺動側部材とを備え、前記揺動側部材と前記非揺動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に向くように前記揺動部を付勢する第１の付勢機構と、
前記直動部に固定された可動側部材と、前記取付部に固定さ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力を発生するように構成され、当該磁気力により前記取付部に対して鉛直方向に非接触で保持されるように前記直動部を鉛直方向上向きに付勢する第２の付勢機構と
を備える形状測定装置用プローブ。
【請求項２】
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前記揺動部から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材の尖端との接触部を揺動中心として、前記測定面接触部が揺動可能に連結される、請求項１に記載の形状測定装置用プローブ。
【請求項３】
前記揺動側部材及び前記非揺動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ている、請求項１又は請求項２に記載の形状測定装置用プローブ。
【請求項４】
前記揺動側部材及び前記非揺動側部材のうちの一方が永久磁石で構成され、他方が磁性体で構成されている、請求項１又は請求項２に記載の形状測定装置用プローブ。
【請求項５】
前記可動側部材は前記固定側部材よりも上方に位置し、前記可動側部材及び前記固定側部材は磁気的反発力を生じるように異極が互いに対向して配置されている、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の形状測定装置用プローブ。
【請求項６】
前記可動側部材は前記固定側部材よりも下方に位置し、前記可動側部材及び前記固定側部材は磁気的吸引力を生じるように同極が互いに対向して配置されている、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の形状測定装置用プローブ。
【請求項７】
前記取付部は前記直動部を非接触の空気軸受構造で鉛直方向のみ可動に支持する軸受部を備える、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の形状測定装置用プローブ。
【請求項８】
前記直動部のそれ自体の軸線回りに水平方向の回転に抗する磁気回路を生じる磁気回路部を備える、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の形状測定装置用プローブ。
【請求項９】
前記揺動部は測定用レーザを反射するためのミラーを備える、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の形状測定装置用プローブ。
【請求項１０】
請求項９に記載の形状測定装置用プローブと、
前記形状測定用プローブが取り付けられた鉛直方向移動部と、
前記測定用レーザの前記ミラーにて反射した反射光に基づき前記形状測定装置用プローブの前記鉛直方向移動部に対する鉛直方向の相対的な移動量を検出するフォーカス検出部と、
前記測定用レーザの前記ミラーにて反射した反射光に基づき前記形状測定装置用プローブの揺動部の鉛直方向に対する傾斜角度を検出して前記スタイラスの前記被測定面への接触位置である測定点の位置情報を求める測定点情報決定部と
を備える形状測定装置。
【請求項１】
形状測定装置に取り付けられる取付部と、
前記取付部に対して鉛直方向にのみ直動可能に支持される直動部と、
測定物の被測定面に接触するスタイラスを先端に備えるアームを有する揺動部と、
前記揺動部に設けられた支点部と、前記直動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直動部に連結する連結機構と、
前記揺動部に固定された揺動側部材と、前記直動部に固定されて前記揺動側部材に対して鉛直方向に間隔を隔てて対向する非揺動側部材とを備え、前記揺動側部材と前記非揺動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に向くように前記揺動部を付勢する第１の付勢機構と、
前記直動部に固定された可動側部材と、前記取付部に固定さ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力を発生するように構成され、当該磁気力により前記取付部に対して鉛直方向に非接触で保持されるように前記直動部を鉛直方向上向きに付勢する第２の付勢機構と
を備える形状測定装置用プローブ。
【請求項２】
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前記揺動部から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材の尖端との接触部を揺動中心として、前記測定面接触部が揺動可能に連結される、請求項１に記載の形状測定装置用プローブ。
【請求項３】
前記揺動側部材及び前記非揺動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ている、請求項１又は請求項２に記載の形状測定装置用プローブ。
【請求項４】
前記揺動側部材及び前記非揺動側部材のうちの一方が永久磁石で構成され、他方が磁性体で構成されている、請求項１又は請求項２に記載の形状測定装置用プローブ。
【請求項５】
前記可動側部材は前記固定側部材よりも上方に位置し、前記可動側部材及び前記固定側部材は磁気的反発力を生じるように異極が互いに対向して配置されている、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の形状測定装置用プローブ。
【請求項６】
前記可動側部材は前記固定側部材よりも下方に位置し、前記可動側部材及び前記固定側部材は磁気的吸引力を生じるように同極が互いに対向して配置されている、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の形状測定装置用プローブ。
【請求項７】
前記取付部は前記直動部を非接触の空気軸受構造で鉛直方向のみ可動に支持する軸受部を備える、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の形状測定装置用プローブ。
【請求項８】
前記直動部のそれ自体の軸線回りに水平方向の回転に抗する磁気回路を生じる磁気回路部を備える、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の形状測定装置用プローブ。
【請求項９】
前記揺動部は測定用レーザを反射するためのミラーを備える、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の形状測定装置用プローブ。
【請求項１０】
請求項９に記載の形状測定装置用プローブと、
前記形状測定用プローブが取り付けられた鉛直方向移動部と、
前記測定用レーザの前記ミラーにて反射した反射光に基づき前記形状測定装置用プローブの前記鉛直方向移動部に対する鉛直方向の相対的な移動量を検出するフォーカス検出部と、
前記測定用レーザの前記ミラーにて反射した反射光に基づき前記形状測定装置用プローブの揺動部の鉛直方向に対する傾斜角度を検出して前記スタイラスの前記被測定面への接触位置であ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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−２１０５６７（Ｐ２０１０−２１０５６７Ａ）
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５９４７０（Ｐ２００９−５９４７０）
【出願日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【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９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【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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