(57)【要約】      （修正有）【課題】鉛直面だけでなく水平面測定時の測定力が小さく振動も起こりにくい三次元形状測定装置用プローブを提供する。【解決手段】三次元形状測定装置用プローブ１は、三次元形状測定装置に取り付けられる取付部と、取付部に揺動可能に連結された揺動部３ａ〜ｃと、揺動部に対して上下移動可能に保持されたアーム支持部２０と、アーム支持部の下端に垂下しスタイラス２１が下端に配置されたアーム２２とを備える。揺動部に対するアーム支持部の上下移動機構は、揺動側部材、アーム側部材、揺動側部材とアーム側部材の対向する鉛直面間に磁気的吸引力により吸引され接触する５個の磁性体からなる球５５とからなる。球が、揺動部側部材と、アーム側部材の間で接触しながら転がることで、アーム支持部が鉛直軸上で移動する。また、揺動部側部材と、アーム側部材との間に磁気的吸引力が働くために、アーム支持部の鉛直軸上の移動に対して復元力が働く。【選択図】図２
2014137330.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元形状測定装置に取り付けられる取付部と、
前記取付部に設けられた載置台と、前記載置台に載置された支点部材とを有し、前記支点部材を支点として前記取付部に揺動可能に連結され、互いに交差する第１面と第２面とを有する揺動部と、
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揺動部が一定の方向を向くように前記揺動部を付勢する付勢機構と、
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、前記第１面と対向する第３面と、前記第２面と対向する第４面とを有するアーム支持部と、
前記揺動部の前記第１面と前記第２面に設けられ、それぞれ鉛直面を有する複数の揺動部側部材と、
前記アーム支持部の前記第３面と前記第４面に設けられ、それぞれ前記揺動部側部材のいずれかと水平方向に間隔を隔てて対向し、かつ対向する前記揺動部材の前記鉛直面と水平方向に間隔をあけて対向する鉛直面を有し、前記揺動側部材と磁気的吸引力を発生するように構成された複数のアーム側部材と、
それぞれ互いに対向する前記揺動部側部材と前記アーム側部材との間に配置されて前記磁気的吸引力により前記鉛直面に吸引されて接触する、磁性体からなる複数の球体と
を備えることを特徴とする三次元形状測定装置用プローブ。
【請求項２】
１個の前記揺動部側部材と、それと対向する１個の前記アーム側部材と、これらの前記揺動部側部材と前記アーム側部材との間に配置された１個の前記球から構成された磁力セットが５組あり、
前記磁力セットは、５組のうちの任意の１組が他の４組により拘束される自由度と一致しない方向の自由度を拘束する位置および方向に配置されている請求項１に記載の三次元形状測定装置用プローブ。
【請求項３】
前記揺動側部材と前記アーム側部材は、一方が永久磁石で構成され、他方が磁性体で構成される請求項２記載の三次元形状測定装置用プローブ。
【請求項４】
前記揺動側部材と前記アーム側部材は、双方ともに永久磁石で構成され、互いに異極が対向するように配置される請求項２記載の三次元形状測定装置用プローブ。
【請求項５】
前記揺動部側部材と、前記磁力セットの配置は、３組を前記第１面および前記第３面上の一直線上に並ばない位置に配置し、２組を前記第２面および前記第４面上の異なる高さに配置した請求項２から４のいずれか一項に記載の三次元形状測定装置用プローブ。
【請求項６】
前記アーム支持部は、位置検出ミラーを備える請求項１から５のいずれか一項に記載の三次元形状測定装置用プローブ
【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かつ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に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定物の三次元形状を高精度かつ低測定力にて走査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１２、１３は、特許文献１に開示されたプローブの構成を示す。
【０００３】
図１２において、プローブ１０１は取付用部材１０２により、三次元形状測定装置２０１に着脱可能に取り付けられる。取付用部材１０２の下部に固定された載置台１０４ｂに対して、揺動部１０３が揺動可能に連結され、揺動部１０３に対してアーム取付部１２０が上下弾性体１０９を介して、上下移動可能に保持されている。三次元形状測定機２０１からは測定用レーザ光２１１が発せられ、アーム取付部１２０の揺動、上下方向の変位を検出する。アーム取付部１２０の下部には下端にスタイラス１２１を備えるアーム１２２が固定されている。スタイラス１２１は測定対象となる測定物６０の被測定面６１ａ、６１ｂに接触し、その三次元形状を測定する。
【０００４】
図１３により、その詳細を説明する。図１３は図１２におけるプローブ１０１をＡ−Ａ面で切断したときの斜視図である。図１３において、取付用部材１０２に対して揺動を行なう揺動部１０３は、下部材１０３ｃ、スペーサ１０３ｂ、上部材１０３ａ、延伸部１０３ｅ、可動側保持部１０３ｄとから構成される。２枚の上下弾性体１０９が下部材１０３ｃ、上部材１０３ａにスペーサ１０３ｂを介して両端を固定される。揺動部１０３における揺動運動の支点となる支点部材１０４ｃは下部材１０３ｃの下部中央に垂下するように固定される。上部材１０３ａの上面には鉛直上方向に伸びる延伸部１０３ｅが２箇所に設けられている。また、延伸部１０３ｅの上端に可動側保持部１０３ｄが設けられている。可動側保持部１０３ｄは、リング状の部材であり、可動側磁石１５１が４箇所に同一半径上に等間隔に設けられている。
【０００５】
取付用部材１０２には、固定側保持部材１１４が取り付けられている。固定側保持部材１１４に、固定側磁石１５２が４箇所に同一半径上に等間隔に設けられている。可動側磁石１５１と固定側磁石１５２との位置関係は、それぞれ鉛直軸方向であるＺ軸方向に並んで配置される。また、可動側磁石１５１と固定側磁石１５２は、それぞれの対について、互いに吸引力が働く向きに固定される。
【０００６】
揺動部１０３と取付用部材１０２とは、連結機構１０４により揺動可能に連結されている。連結機構１０４は取付用部材１０２に固定された角柱の載置台１０４ｂと、揺動部の下部材１０３ｃに取り付けられた支点部材１０４ｃとにより構成されている。載置台１０４ｂは、その上面に円錐形の溝１０４ａが形成されており、支点部材１０４ｃの先端が当該溝１０４ａに嵌入する。これにより、揺動部１０３と取付用部材１０２とは、支点部材１０４ｃと円錐形の溝１０４ａとの接触部分を回転中心として、任意の水平軸まわりに回転可能に連結される。すなわち、揺動部１０３は取付用部材１０２に対して揺動回転可能である。
【０００７】
揺動部１０３に両端を固定された２枚の上下弾性体１０９の中央部には、アーム取付部１２０が固定される。アーム取付部１２０の上部には取付用部材１０２を通過した測定用レーザ光２１１を反射するミラー１２３が設けられている。
【０００８】
上記の構成により、揺動部１０３が支点部材１０４ｃの先端を中心として揺動回転したとしても、上記磁石の吸引力により当該回転を戻す方向に復元力が働く。また、上下弾性体１０９により、アーム取付部１２０は揺動部１０３に対して上下方向に微小移動可能となるとともに、上下移動に対して中立位置に戻るように弾性的な復元力が働く。上下弾性体１０９として、２枚の板ばねを使用することにより、上下方向のみ剛性を弱く、水平方向の剛性を強くし、高精度に測定できるようにしている。
【０００９】
次に、上記構成のプローブ１０１による測定方法について述べる。測定物６０の鉛直面である被測定面６１ａの形状測定は、アーム１２２に取り付けられているスタイラス１２１を被測定面６１ａに所定の押圧力にて押しつけて行われる。該押圧力、すなわち測定力は、スタイラス１２１を被測定面６１ａに接触させた状態でプローブ１０１を測定物６０側へ僅かに移動させることで、揺動部１０３の復元力により発生する。
【００１０】
また、測定物６０の被測定面６１ｂのような水平面の場合、スタイラス１２１を被測定面６１ｂに所定の押圧力にて押しつけて行われる。該押圧力、すなわち測定力は、スタイラス１２１を被測定面６１ｂに接触させた状態で取付用部材１０２を測定物６０側の下方向へ僅かに移動させることで、上下弾性体１０９の復元力により発生させることができる。
【００１１】
以上のようにプローブ１０１を測定物６０に一定の測定力を加えながら走査すると同時に、測定用レーザ光２１１により、ミラー１２３の上下位置、傾きを検出することにより、プローブ１０１に対するスタイラス１２１の中心の相対位置を求めることが出来る。また、三次元形状測定装置２０１により、プローブ１０１の位置を求めることにより、測定物６０の形状を三次元的に測定することが出来る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０１０−２８６４７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、より高精度に測定する場合や、微小なスタイラスを使用する場合、より小さい測定力にする必要があり、前記従来の構成では、水平面の測定時の測定力を小さくしようすると、上下弾性体１０９の一例である板ばねの厚みをさらに薄くし、また板ばねを大きくする必要がある。例えば、測定力を０．５ｇｆ以下にする場合、板ばねの厚みを０．０５ｍｍ程度、水平方向の長さが３０ｍｍ程度にする必要がある。このような厚みでは水平方向の剛性が小さくなり、プローブ内のミラーの傾きと上下移動を検知する測定機においては、水平方向のずれが測定誤差となってしまう。また、板ばねの厚みを薄くすると剛性が下がり、厚みの薄い板ばねを大きくすると、可動部の質量が増えるため、プローブの固有振動数が下がる。固有振動数が下がると、測定時に振動が起こりやすくなり、測定データに振動による測定誤差が生じる。
【００１４】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、プローブの上下微小移動機構の上下方向（鉛直軸方向）の剛性を小さく、水平方向の剛性を高くすることにより、より小さい測定力での測定を可能にすると共に、プローブの固有振動数を高くすることにより測定時、非測定時の振動が起こりにくい三次元形状測定装置用プローブを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明の三次元形状測定装置用プローブは、三次元形状測定装置に取り付けられる取付部と、前記取付部に設けられた載置台と、前記載置台に載置された支点部材とを有し、前記支点部材を支点として前記取付部に揺動可能に連結され、互いに交差する第１面と第２面とを有する揺動部と、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揺動部が一定の方向を向くように前記揺動部を付勢する付勢機構と、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、前記第１面と対向する第３面と、前記第２面と対向する第４面とを有するアーム支持部と、前記揺動部の前記第１面と前記第２面に設けられ、それぞれ鉛直面を有する複数の揺動部側部材と、前記アーム支持部の前記第３面と前記第４面に設けられ、それぞれ前記揺動部側部材のいずれかと水平方向に間隔を隔てて対向し、かつ対向する前記揺動部材の前記鉛直面と水平方向に間隔をあけて対向する鉛直面を有し、前記揺動側部材と磁気的吸引力を発生するように構成された複数のアーム側部材と、それぞれ互いに対向する前記揺動部側部材と前記アーム側部材との間に配置されて前記磁気的吸引力により前記鉛直面に吸引されて接触する、磁性体からなる複数の球体とを備える。
【００１６】
具体的には、１個の前記揺動部側部材と、それと対向する１個の前記アーム側部材と、これらの前記揺動部側部材と前記アーム側部材との間に配置された１個の前記球から構成された磁力セットが５組あり、前記磁力セットは、５組のうちの任意の１組が他の４組により拘束される自由度と一致しない方向の自由度を拘束する位置および方向に配置されている。
【００１７】
本構成によって、前記球は、前記揺動部側部材と、前記アーム側部材の間で、その鉛直面上で接触しながら転がる。これにより、前記揺動部に対して、前記アーム支持部が鉛直軸上で移動可能となる。また、前記揺動部側部材と、前記アーム側部材との間に磁気的吸引力が働くために、前記アーム支持部が鉛直軸上で移動し、前記揺動部側部材と前記アーム側部材が離れた場合、近づく方向に復元力が働く。水平面測定時の測定力は、前記揺動部に対して鉛直軸方向にのみ移動可能に保持された前記アーム支持部が、鉛直軸方向の中立位置への磁気的吸引力で付勢されることで生じる。個々の磁力セットを構成する揺動側部材、アーム側部材、および球は、それぞれ点接触であるが、剛体どうしの接触であるため、鉛直軸方向の以外の５自由度の移動、回転に対して剛性を上げることができる。これにより、アーム支持部に設けられた位置検出ミラーの傾き、鉛直軸方向移動のみを、検出することにより、スタイラスの位置を高精度に検出できる。また、磁力セットは、アーム支持部および、アーム、スタイラス、ミラーを保持できるだけの磁気的吸引力があればいいため、例えば直径１ｍｍ程度の永久磁石と鋼球を使用すれば良い。これにより、可動部の質量が小さくなり、固有振動数を高くすることが出来、振動が発生しにくくなる。また、磁気的吸引力による復元力を小さくすることが出来、測定力を例えば０．３ｇｆ以下と小さくすることが出来る。
【００１８】
代案として、前記揺動部側部材と前記アーム側部材は、一方が永久磁石で構成され、他方が磁性体で構成されていてもよい。
【００１９】
前記揺動部側部材と、前記アーム側部材と、前記球の５対の配置は、鉛直平面a上に３対、前記鉛直平面aに交差する鉛直平面b上に２対を配置されていてもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の三次元形状測定装置用プローブによれば、スタイラスと測定物の接触力、すなわち測定力を小さくできるため、高精度に測定でき、また微小なスタイラスでも破損することなく、測定することが出来る。また、可動部の固有振動数を低く出来るため、振動が発生しにくくなり、高精度な測定ができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】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の斜視図。
【図２】図１における三次元形状測定装置用プローブをＡ−Ａ面で切断したときの斜視図。
【図３】図１における三次元形状測定装置用プローブをＢ−Ｂ面における断面図。
【図４】図１における主要部を分解した斜視図。
【図５】図４における永久磁石５３ａ、５４ａ、鋼球５５ａの位置関係を示す図。
【図６】図５の上下移動機構部の移動後の状態を示す図。
【図７】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８】図７に示す形状測定装置に備わる測定点情報決定部およびプローブ光学部の構成を示す図。
【図９】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１０】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１１ａ】代案の上下移動機構を示す斜視図。
【図１１ｂ】図１１ａの正面図。
【図１１ｃ】図１１ａの平面図。
【図１２】従来の三次元形状測定装置用プローブの一例の斜視図。
【図１３】図１２の従来の三次元形状測定装置用プローブをＡ−Ａ面で切断したときの斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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１という）について、図面を参照しながら説明する。
【００２３】
まず、図１から図４を参照してプローブ１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１におけるプローブ１の外観を示す斜視図である。図２は、図１の一部をＡ−Ａ面（ＸＺ平面）でプローブ１を切断した斜視図である。図３は、図１のＢ−Ｂ面（ＹＺ平面）における断面図である。図４は、図１における可動部分のみを分解した斜視図である。
【００２４】
図１において、プローブ１は全体として両端開口の筒状である取付部２により、三次元形状測定装置２０１に着脱可能に取り付けられる。取付部２の下部には閉鎖部材５の上端側が固定して取り付けられている。閉鎖部材５の下端側には載置台４１が固定して取り付けられている。載置台４１に対して、下端にスタイラス２１を備えるアーム２２が揺動、上下移動可能に取り付けられている。形状測定機２０１からは測定用レーザ光１１１が発せられ、アーム２２とスタイラス２１の揺動と上下方向の変位を検出する。プローブ１はスタイラス２１を測定対象となる測定物６０の被測定面６１ａ、６１ｂに接触させながら、その三次元形状を測定する。
【００２５】
以下、プローブ１の構造の詳細を図２、図３、図４を参照しながら説明する。
【００２６】
図２において、プローブ１は、取付部２およびそれに固定された部材と、下部材３ａ、可動側保持部３ｃを含む揺動部３およびそれに固定された部材と、アーム支持部２０およびそれに固定された部材とを備える。揺動部は取付部２に対して揺動運動を行い、アーム支持部２０は揺動部に対して上下運動を行なう。以下にその構成を示す。
【００２７】
取付部２は、上部に三次元形状測定装置２０１に取り付けられるように円筒部を形成し、その中央部には測定用レーザ光１１１が通過し、揺動部の可動側保持部３ｃと接触しないように、空洞部１１を有する。取付部２の下部には概ねリング形状の固定側保持部材３３が固定して取り付けられている。固定側保持部材３３には、固定側磁石５２が４個保持されている。固定側磁石５２は、プローブ１の中心軸を中心とする円周上に、９０度間隔に配置されている。また取付部２の下部の開口部には、閉鎖部材５が固定されている。閉鎖部材５の下部には、揺動部３の下部材３ａが接触しないように揺動用貫通穴５ａが開いている。閉鎖部材５には水平方向に延びる角柱である載置台４１が固定され、載置台４１のプローブ１の中心軸上に円錐溝４１ａが形成されている。
【００２８】
揺動部３の可動側保持部材３ｃは、上部にリング形状が形成され、可動側部材の一例である４個の可動側磁石５１が、固定側磁石５２と同様にプローブ１の中心軸を中心とする円周上に、９０度間隔に保持されている。可動側磁石５１と固定側磁石５２は対をなしている。つまり、個々の可動側磁石５１は対応する固定側磁石５２とプローブ１の中心軸の方向（上下方向ないし鉛直方向）に互いに対向している。下部材３ａは、図３に示す延伸部３ｂを介して、可動側保持部材３ｃに固定されている。下部材３ａには、揺動部側部材として、永久磁石５３ａ〜ｅ（永久磁石５３ａ、５３ｂは図４を参照のこと）が埋め込まれている。また、下部材３ａの一部にはプローブ中心軸上に、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が固定されている。
【００２９】
アーム支持部２０は、その下面にスタイラス２１を下端に有するアーム２２が垂下して取り付けられている。また、アーム支持部２０の上面にはアーム支持部の上下移動位置、傾きを検出する測定用レーザ光１１１を反射するための位置検出ミラー２３が固定されている。また、図４に最も明瞭に示すように、アーム支持部２０には、アーム側部材として永久磁石５４ａ〜ｅが埋め込まれている。アーム支持部２０は中央に水平方向に延在する貫通穴２４が設けられている。連結機構を構成する載置台４１、支点部材４２、および支点部材４２を固定する揺動部３の下部材３ａの一部は、貫通穴２４の中に隙間を保ちながら位置する。つまり、載置台４１は貫通穴２４を貫通して延在する。揺動部３の下部材３ａの支点部材４２を固定する部分は、角柱の形状であり、支点部材４２をその下部に固定する。また、支点部材４２の上方で貫通穴２４を貫通して延在する。
【００３０】
下部材３ａに埋め込まれた永久磁石５３ａ〜ｅとアーム支持部２０に埋め込まれた永久磁石５４ａ〜ｅの間には鋼球５５ａ〜ｅ（鋼球５５ｂ、５５ｄ、５５ｅは図４に図示する）が接触して保持されている。
【００３１】
図３において、前述したように揺動部３の可動側保持部３ｃは、揺動部の延伸部３ｂを介して、揺動部３の下部材３ａと固定されている。また、載置台４１は、閉鎖部材５の下部にその両端がネジ止めされている。載置台４１の円錐溝４１ａの最下点に支点部材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、揺動部の下部材３ａと取付部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の下部材３ａは、支点部材４２が載置台４１の円錐溝４１ａに嵌入して連結した場合、アーム２２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。
【００３２】
４個の可動側磁石５１と４個の固定側磁石５２はそれぞれ、同軸上に一定の距離をもって配置されている。また、個々の対について、互いに吸引力が働く向きに配置される。本実施形態においては、全ての可動側磁石５１および固定側磁石５２の上がＮ極、下がＳ極になるように配置されている。
【００３３】
図４は、図１におけるプローブ１の取付部２、固定側保持部材３３、固定側磁石５２、閉鎖部材５、載置台４１からなる固定部（三次元形状測定装置２０１に固定された部分）以外の可動部の分解斜視図である。
【００３４】
図４において揺動部の下部材３ａは、支点部材４２を固定する角柱部分と、アーム支持部２０を保持する部分とを備える。アーム支持部２０を保持する部分はアーム支持部２０を内側に囲む形状からなり、図４に示すＹＺ平面に平行な鉛直面４９と、ＸＺ平面に平行な鉛直面５０とを備える。鉛直面（第１面）４９と鉛直面（第２面）５０は、平面視で、すなわちＺ軸方向から見たときに、互いに直交する。これらの鉛直面４９，５０に、揺動部側部材として、合計５個の円柱形の永久磁石５３a〜ｅが埋め込まれている。そのうち３個の永久磁石５３ａ〜ｃは、その片方の平面が鉛直面４９と同一面になるように、埋め込まれて固定されている。残りの２個の永久磁石５３ｄ、５３ｅは、その片方の平面が鉛直面５０と同一面になるように、埋め込まれ固定されている。鉛直面５０は、鉛直面４９に直交する面である。５個の永久磁石５３は円筒軸方向に極性を持つ。
【００３５】
図４に示すアーム支持部２０は、揺動部の下部材３ａの内側に保持されるとともに、鉛直面５６，５７が形成されている。鉛直面（第３面）５６はＹＺ平面に平行な面で、鉛直面（第４面）５７はＸＺ平面に鉛直な面であり、鉛直面５６，５７は平面視で互いに直交している。また、鉛直面５６，５７はそれぞれ、揺動部の下部材３ａに形成された鉛直面４９，５０に水平方向に間隔を隔てて平行に対向する。詳細には、鉛直面５６は下部材３ａの鉛直面４９に対してＸ軸方向に対向し、鉛直面５７は下部材３ａの鉛直面５０に対してＹ軸方向に対向している。アーム支持部２０の鉛直面５６，５７には、アーム側部材として合計５個の円柱形の永久磁石５４ａ〜ｅが、埋め込まれて固定されている。そのうち３個の永久磁石５４ａ〜ｃはその片方の平面が、鉛直面５６と同一面になるように埋め込まれて固定されている。残りの２個の永久磁石５４ｄ、５４ｅはその片方の平面が、鉛直面５７と同一面になるように埋め込まれて固定されている。これにより、揺動部の下部材３ａに埋め込まれた永久磁石５３ａ〜ｅと、アーム支持部２０に埋め込まれた永久磁石５４ａ〜ｅは、それぞれに水平方向に間隔を隔てて対向する位置となる。５個の永久磁石５４ａ〜ｅは円柱軸方向に極性を持ち、その方向は対向する永久磁石５３ａ〜ｅと同一方向、かつ同軸である。つまり、永久磁石５４ａ〜ｅと永久磁石５３ａ〜ｅは鋼球５５ａ〜ｅを挟んで異極が対向している（図５参照）。また、それぞれの永久磁石５３ａ〜ｅ、５４ａ〜ｅの対向する面は、互いに平行、かつ鉛直な面である。
【００３６】
図４に示す永久磁石５３ａ〜ｅ、５４ａ〜ｅの対向する鉛直面間には、磁性体である球として５個の鋼球５５ａ〜ｅが磁気により吸引された状態で、挟まれている。それぞれ永久磁石５３ａ〜ｅ、５４ａ〜ｅの対向する鉛直面間には、鋼球５５ａ〜ｅから構成される５組の組み合わせ（磁力セット）のうちの１組を構成する永久磁石５３ａ，５４ａ、鋼球５５ａを図５に示す。鋼球５５ａは２つの永久磁石と点接触しながら、接触面である鉛直面上で転がることが出来る。これにより、揺動部の下部材３ａに対して、アーム支持部２０が鉛直面上で移動可能となる。図４において下部材３ａの鉛直面４９とアーム支持部２０の鉛直面５６とに設けられた３組の永久磁石５３ａ〜ｃ，５４ａ〜ｃと鋼球５５ａ〜ｃにより、アーム支持部２０は、揺動部の下部材３ａに対して鉛直面４９と平行にのみ移動可能となる。ただし、３組の永久磁石、球の配置が鉛直面上で一つの直線上に配置された場合は、その直線まわりの回転の拘束ができないため、３対の配置は一直線上に並ばないことが必要である。本実施形態では、永久磁石５３ａ，５４ａと鋼球５５ａからなる組（第１の組）と永久磁石５３ｂ，５４ｂと鋼球５５ｂからなる組（第２の組）は、Ｙ軸方向に延びる一直線上に配置されているが、残りの１組（第３の組）を構成する永久磁石５３ｃ，５４ｃと鋼球５５ｃは、このＹ軸方向の直線に対してＺ軸方向に外れた位置（図において下方）であり、かつ第１の組および第２の組のいずれに対してもＹ軸方向に外れた位置に配置されている。一方、鉛直面５０，５７に設けられた２対の永久磁石５３ｄ〜ｅ，５４ｄ〜ｅと鋼球５５ｄ〜ｅにより、アーム支持部２０は、揺動部の下部材３ａに対して鉛直面４９と平行にのみ移動可能となる。鉛直面４９と鉛直面５０は直交した面であるため、揺動部の下部材３ａに対して、アーム支持部２０は鉛直軸方向にのみ移動可能となる。本実施形態では、鉛直面４９，５０は平面視で直交しているが、必ずしも直交している必要はない。鉛直面４９，５０は平面視で一定の角度をもって交差する面であれば、同様にアーム支持部２０は鉛直軸方向にのみ移動可能となる。また、永久磁石５３ａ，５４ａのいずれか一方を磁性体で置き換えてもよい。
【００３７】
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。
【００３８】
図２に示す揺動部３の下部材３ａ、可動側保持部３ｃは、取付部２に対して、支点部材４２の尖端を中心として、測定用レーザ光１１１に対して交差するいずれの方向にも揺動可能である。なお、本実施形態では、測定用レーザ光の光軸は、鉛直方向であるＺ軸方向に一致する。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２２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（搖動部材３の鉛直軸回りの姿勢を戻す方向）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、非測定時の揺動部はアーム２２の延在方向が鉛直方向に一致する姿勢で保持される。
【００３９】
前述したように、図２に示す揺動部３の下部材３ａに対して、アーム支持部２０、アーム２２、およびスタイラス２１は、鉛直軸上に移動可能である。揺動部側部材である永久磁石５３ａ〜ｅと、アーム側部材である永久磁石５４ａ〜ｅとの間に磁気的吸引力が働くために、アーム支持部２０が鉛直軸上で移動し、永久磁石５３ａ〜ｅと永久磁石５４ａ〜ｅが鉛直軸方向に離れた場合、永久磁石５３ａ〜ｅと永久磁石５４ａ〜ｅが互いに近づく方向に復元力が働く。図６に永久磁石５３ａ，５４ａと鋼球５５ａで構成する組について、その様子を示す。図６はアーム支持部２０が揺動部に対して、鉛直下方向にΔＺだけ移動した状態である。この時、球５５ａは永久磁石５３ａ，５４ａの先端面上を転がりながら、ΔＺの２分の１の距離だけ鉛直下方向に移動する。この状態では、永久磁石５３ａの磁気軸と永久磁石５４ａの磁気軸がΔＺだけずれているため、磁石の性質により、磁気軸が一致する方向、つまりアーム支持部２０を鉛直上向きに移動させる方向に復元力Ｆが働く。また、鋼球５５ａの移動は転がり接触であるため、摩擦力は非常に小さく、アーム支持部２０は下部材３ａに対してわずかな力で移動することが出来る。
【００４０】
以上のように、揺動部に対してとアーム支持部２０は、鉛直軸方向にのみ移動可能であり、磁気的吸引力により鉛直軸方向に復元力をもつ。
【００４１】
図２により、その動作を説明する。測定物の鉛直方向又は略鉛直方向に延在する面（鉛直面：図２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２１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２１を被測定面６１ａに接触させた状態で取付部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の下部材３ａと可動側部材３ｃが傾くことで、アーム２２が水平方向に傾斜する。揺動部３が傾くと、揺動部３の可動側部材３ｃに設けた可動側磁石５１と取付部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２２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３ａ〜ｃ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２１は被測定面６１ａに対して所定の測定力で押圧される。
【００４２】
このように、鉛直面測定時の測定力は、連結機構によって取付部２に揺動可能に連結された揺動部３ａ〜ｃが可動側および固定側磁石５１，５２の磁気的吸引力で付勢されることで生じる。鉛直面測定時の測定力は、可動側磁石５１と固定側磁石５２の磁力および、両者の間隔により調整することができる。例えば本実施形態においては、スタイラス２１の先端を０．３ｍＮで押したときに、スタイラスの水平方向変位が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。このように、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。
【００４３】
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２１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。非測定時にはアーム支持部２０は、その重量（重力）により鉛直方向下向きに移動し、一つの組を構成する永久磁石５３ａ，５４ａと球５５ａの位置関係は図６のようになる。しかし、移動量ΔＺの増加に伴って、磁気的な復元力Ｆも増加する。そのため、ある一定の位置で、復元力Ｆと、重力がつり合う。スタイラス２１を被測定面６１ｂに接触させた状態で取付部２を測定物６０側へ鉛直下方向に僅かに移動させると、ΔＺが小さくなり、復元力Ｆの方が、アーム支持部２０に加わる重力よりも弱くなる。その差分が測定力となり、スタイラス２１が被測定面６１ｂに押し付けられる。
【００４４】
このように、水平面測定時の測定力は、２つの永久磁石間の磁気軸のずれで生じる弾性的な力がアーム支持部２０を付勢することで生じる。アーム支持部２０の鉛直方向の剛性は、アーム支持部２０自体と、アーム２２およびスタイラス２１の重量を支持できる程度であればよい。つまり、永久磁石５３，５４が支持する必要がある重量が軽い。そのため、永久磁石５３，５４の磁力を弱くして、磁気軸のずれによる弾性的な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。
【００４５】
以上のように、本実施形態のプローブ１は、鉛直面およ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。
【００４６】
図４に示すアーム支持部２０の鉛直軸方向以外の動きを拘束する磁石５３，５４と球５５の組合せは、それぞれ剛体であるため、鉛直軸方向以外の移動方向および回転に対して剛性を十分高くすることができる。鉛直面測定時にスタイラス２１に作用する測定力の反力によるアーム支持部２０の水平方向のずれ、およびそれに伴う位置検出ミラー２３の水平方向の変位、鉛直軸まわりの回転は、後述する形状測定装置２０１の測定用レーザ光１１１では検出できないため、測定誤差となる。しかし、本実施形態のプローブ１は、アーム支持部２０の水平方向移動及び回転に対する剛性が高いので、測定力の反力による位置検出ミラー２３の水平方向の変位、鉛直軸まわりの回転を小さくすることができ、測定物６０の鉛直な被測定面６１ｂの形状を高精度で測定できる。
【００４７】
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図７および図８を用いて説明する。
【００４８】
一般に、形状測定装置２０１は、プローブ１を測定物６０に接触させ、スタイラス２１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プローブ１の移動を制御しつつ、被測定面６１a，６１ｂに沿って移動させて測定を行なう。レーザ測長器により、プローブ１の三次元空間における位置を検出し、プローブ１に対するスタイラス２１の変位をそのプローブ１の位置座標に加算することで、被測定面６１ａ，６１ｂの表面形状データが得られる。
【００４９】
このような形状測定装置の一例として、前述した特許文献１（特開２０１０−２８６４７５号公報）に開示されたものは、図７のように測定物６０を定盤上に固定して、プローブをＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸の全方向に移動させるタイプである。この他、測定物６０をＸ軸、Ｙ軸に移動させ、プローブをＺ軸に移動させるタイプもある。
【００５０】
図７に示す形状測定装置２０１は、石定盤２９２上に設置されＸ軸およびＹ軸方向に可動なＸ−ステージ２９５１および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、測定点情報決定部２２０、およびプローブ光学部２３１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、測定点情報決定部２２０、およびプローブ光学部２３１をＸ軸およびＹ軸方向に移動させることができる。
【００５１】
測定点情報決定部２２０およびプローブ光学部２３１について、図７および図８を参照して詳しく説明する。図８に示すように、測定点情報決定部２２０は、被測定面６１ａ，６１ｂの位置情報を得るための光学系２２１と、位置座標測定部２２４と、加算部２２５とを有する。プローブ光学部２３１は、ミラー位置傾き検出部２２６と、スタイラス位置演算部２２３と、ダイクロイックミラー２２１１ａと、フォーカスレンズ１７とを有する。プローブ光学部２３１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。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、および加算部２２５は、光学系２２１に接続され、測定時のスタイラスの位置情報を求めるための構成部分である。
【００５２】
Ｈｅ−Ｎｅレーザ２１０が発生した測定用レーザ光１１１は、測定物６０の被測定面６１ａ，６１ｂの三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。光学系２２１は、ステージ２９５（図７参照）のＸ軸方向およびＹ軸方向における移動量、つまり被測定面６１ａ，６１ｂのＸ軸方向および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、および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、光学系２２１には、Ｚ軸方向に直交する鏡面からなるＺ基準板２３０（図７参照）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。
【００５３】
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、および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。
【００５４】
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、および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７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、および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の取付部２の絶対位置座標値と換言することができる。
【００５５】
本実施形態では、検出部２２４ｃは、プローブ１におけるスタイラス２１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８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のアーム支持部２０に取り付けられている位置検出ミラー２３の中心点へ、測定用レーザ光１１１の一部がフォーカスレンズ１７を介して照射される。照射された測定用レーザ光１１１は、位置検出ミラー２３にて反射し、該反射光２１１ｂは、光分離部であ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２１のＺ座標値の測長を行うことができる。
【００５６】
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部２のＸ軸およびＹ軸座標値とスタイラス２１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３ａ〜ｃの傾斜に伴うスタイラス２１の変位（Ｘ軸およびＹ軸方向）とアーム支持部２０の鉛直方向の変位に伴うスタイラス２１の変位（Ｚ軸方向）を検出する。
【００５７】
以下、ミラー位置傾き検出部２２６およ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、位置検出ミラー２３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を介して位置検出ミラー２３へ照射される。レーザ光２２９の位置検出ミラー２３により反射された反射光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。
【００５８】
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を有する光検出器にて構成され、傾き検出受光面における反射光２２９ｂの位置に応じて、受光面の２次元座標値に対応する電気信号を、前記スタイラス位置演算部２２３へ送出する。前記２次元座標値は、スタイラス２１を保持するアーム２２の傾き角度に対応する。スタイラス位置演算部２２３は、傾斜角度検出部２２２から入力された角度信号をプローブ１に備わるスタイラス２１の変位量に変換する。
【００５９】
スタイラス２１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、および測定Ｚ座標値は、スタイラス２１の中心座標である。従って、被測定面６１ａ上の測定点の真の座標値は、プローブ１の走査方向に垂直な方向に、スタイラス２１の半径値だけずらした値となる。
【００６０】
ミラー位置傾き検出部２２６が備える上下位置検出部２２８は、位置検出ミラー２３からの反射光２２９ｂから、取付部２に対する位置検出ミラー２３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。
【００６１】
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、図７に示す制御装置２８０の動作制御にて実行される。
【００６２】
まず、鉛直面である被測定面６１ａを測定する場合について図７および図８を用いて説明する。上述したように、図８に示すスタイラス２１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２１が被測定面６１ａを押圧するように、測定物６０に対して、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。
【００６３】
例えば、測定物６０の被測定面６１ａが円筒内周面で、その形状測定を行なう場合を例にとり、図９および図１０により説明する。図９のように、スタイラス２１が被測定面６１ａに沿って接触しながら測定を行なう。このとき、プローブ１は矢印１２１ａの方向に沿って進む。このとき、プローブ１をわずかに矢印１２１ｂの方向に移動させることにより、図１０に示す鉛直方向に対するスタイラスアーム２２の傾きβを一定若しくはほぼ一定に維持しながら進む。すなわち、いずれの方向にもスタイラスアーム２２を傾斜させ、かつ鉛直方向に対する傾きβが一定若しくはほぼ一定に維持されるように、図７に示す制御装置２８０にてステージ２９５の駆動部２９４を制御して、Ｘ軸方向およびＹ軸方向へのステージ２９５の移動量および移動方向を制御する。なお、本実施形態ではスタイラスアーム２２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。
【００６４】
このような測定動作に基づき、前述したように、図８に示すスタイラス位置演算部２２３および位置座標測定部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、前記測定Ｘ座標値、測定Ｙ座標値、および測定Ｚ座標値が求められる。
【００６５】
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２１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（図７参照）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位置検出ミラー２３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、非測定時のアーム支持部２０が揺動部３ａ〜ｃに対して、重力により１００μm鉛直下方向に移動するとき、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３ｍＮ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２１も上下移動するため、スタイラス２１と一体となって移動する位置検出ミラー２３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。
【００６６】
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２１のアーム２２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。しかしながら、この測定方法において、ミラー２３のZ軸回りの回転、Ｘ，Ｙ軸方向への平行移動のずれは検出できないため、測定誤差となる。前述したように本発明のプローブ１は、永久磁石５３ａ〜ｅ，５４ａ〜ｅと球５５ａ〜ｅからなる上下機構部において、Ｚ軸回り、Ｘ、Ｙ軸方向への剛性を高くすることができるため、そのようは誤差を低減することができる。アーム支持部２０の傾き、上下位置を検出するために、アーム支持部に位置検出ミラーを備えているが、静電容量センサの距離センサを複数個用いて、アーム支持部の複数位置変位を求めることにより検出することも可能である。
【００６７】
なお、プローブ１は磁力により、揺動部３ａ〜ｃを一定方向に保持し、また、アーム支持部２０を一定位置に保持することができるため、スタイラス２１が固定されたアーム２２の軸は鉛直方向に限らず、傾いた状態での使用も可能である。
【００６８】
本実施形態では、２つの平面に５対の磁石を配置したが、代案として、図１１ａ、図１１ｂ、図１１ｃのように平行な鉛直曲面と、それに交差する鉛直平面に５対の磁石と鋼球を配置しても、同様の効果を得ることができる。なお、図１１ａは、揺動部の下部材３ａ、アーム支持部２０、および、磁石５３ａ〜ｅ、５４ａ〜ｅ、球５５ａ〜ｅからなる上下移動機構の配置を示す斜視図で、図１１ｂはその正面図、図１１ｃはその平面図である。図１１ｃの平面図において、揺動部３の下部材３ａに曲面４９ａが形成されている。曲面４９ａは、円筒内面でその円筒軸は鉛直方向と一致する。これに対向する曲面５６ａが、アーム支持部２０に形成されている。曲面５６ａは、曲面４９ａと同心円筒をなす面である。すなわち、曲面４９ａと曲面５６ａは、互いに一定の距離を持った鉛直面である。これらの曲面４９ａ，５６ａに沿って永久磁石５３ａ〜ｃ，５４ａ〜ｃが配置され、その間に鋼球５５ａ〜ｃが磁力により保持されている。永久磁石５３ｄ〜ｅ，５４ｄ〜ｅは搖動部材３の下部材３ａに形成された鉛直面５０ａとアーム支持部２０に形成された鉛直面５７ａに保持されている。鉛直面５０ａ，５７ａは、前述の鉛直面５０、５７（図４）と同様に、たがいに平行な鉛直平面である。このような構成において、永久磁石５３ａ〜ｃ，５４ａ〜ｃと球５５ａ〜ｃの３対の永久磁石と球の組み合わせにより、アーム支持部２０は、揺動部の下部材３ａに対して、曲面４９ａと曲面５６ａが一定の距離を保ちながらＺ軸方向に移動可能である。しかしながら、これだけではＺ軸回りの回転、Ｘ軸回りの回転に対しても移動可能である。このため、永久磁石５３ｄ〜ｅ，５４ｄ〜ｅと球５５ｄ〜ｅの２対の永久磁石と球の組み合わせを追加し、その回転を拘束することが出来る。これ以外にも永久磁石と球の５対の配置は、鉛直軸以外の自由度を拘束できるものであれば、同様の効果を得ることが出来る。
【００６９】
図４、図１１ａ（代案）に示すアーム支持部２０は拘束が無い場合、揺動部３に対して、Ｘ，Ｙ，Ｚの３方向の移動に関する３自由度と、Ｘ軸回り、Ｙ軸回り、Ｚ軸回りの回転に関する３自由度の合計６自由度で、移動と回転が可能であるが、５組の永久磁石と鋼球により、６自由度のうち、５自由度を拘束し、残りのＺ方向の１自由度のみを移動可能に配置することができる。従って、磁石と鋼球の組は、必ず５組は必要であり、逆に６組以上あると、少なくとも１組の磁石と球において、磁石と球が接触せずに浮いてしまい、正確に鉛直軸方向の移動を行なえなくなる。
【００７０】
それぞれ磁石と鋼球からなる５組のうち１組が拘束する自由度の方向が、他の４対が拘束する自由度の方向と重なると、拘束が足らなくなり、Ｚ軸方向以外の自由度に移動、または回転可能になってしまう。例えば、図４において、永久磁石５３ａ〜ｄ，５４ａ〜ｄ、球５５ａ〜ｄの４組によって、アーム支持部２０はＹＺ面上での拘束（すなわちＸ軸移動、Ｙ軸まわり回転、Ｚ軸まわり回転に対する拘束）と、Ｙ軸移動に対する拘束の４方向の拘束が行なわれる。残りの１組の拘束は永久磁石５３ｅ，５４ｅと鋼球５５ｅによって、Ｘ軸まわりの回転を拘束する必要がある。そのために永久磁石５３ｄ，５４ｄと鋼球５５ｄの下方に、永久磁石５３ｅ、５４ｅと鋼球５５ｅを配置している。しかしながら、永久磁石５３ｅ、５４ｅと鋼球５５ｅを永久磁石５３ｄ、５４ｄ、球５５ｄと同じ高さに配置すると、永久磁石５３ｅ、５４ｅ、球５５ｅはＹ軸方向の拘束、あるいはＺ軸まわりの回転を拘束することになり、他の４対により拘束される自由度の方向と一致する。この場合はＸ軸まわりの回転の拘束ができず、スタイラス２１にＹ方向の測定力が加わった場合に、Ｘ軸まわりに回転を生じ、測定誤差となってしまう。すなわち、５対のうちの任意の１対は、他の４対により拘束される自由度と一致しない方向の自由度を拘束する位置、方向に配置を行なう必要がある。
なお、本実施形態では、スタイラス２１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２２は、一例として、太さが約０．７ｍｍで、アーム支持部２０の下面からスタイラス２１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６１ａ、６１ｂの形状により適宜変更される。
【００７１】
以上のように、本発明の三次元形状測定装置用プローブ１を従来の三次元形状測定装置２０１に取り付けることにより、スタイラス２１と測定物６０の接触力、すなわち測定力を小さくできるため、高精度に測定でき、また微小なスタイラス２１でも破損することなく、測定することができる。また、アーム支持部２０の移動を拘束し、復元力を持たせる磁石と鋼球の組み合わせは、それぞれ点接触であるが、剛体どうしの接触であるため、鉛直軸方向の以外の５自由度の移動、回転に対して剛性を上げることができる。これにより、アーム支持部２０に設けられた位置検出ミラー２３の傾き、鉛直軸方向移動のみを、検出することにより、スタイラス２１の位置を高精度に検出できる。磁石と鋼球の組み合わせは一例として直径１ｍｍ程度の小さなものを使用することにより、可動部の質量が小さくなり、固有振動数を低くすることが出来る。これにより、振動が発生しにくくなり、高精度な測定ができる。
【００７２】
また、プローブ１に不慮の衝撃が加わり、揺動部３に対してアーム支持部２０が大きくずれても、磁石間に挟まれた球はどちらかの磁石に吸着しているので、落ちることはなく、すぐに復帰して使用することができる。
【００７３】
本プローブ１において、復元力等に磁力を利用しているが、永久磁石により構成しているので、電磁石のように電流を流すことが無い。これにより構成が簡単になり、電気熱による温度上昇が無く、安定して測定が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
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、およ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および低測定力にて走査測定する三次元形状測定装置の三次元形状測定用プローブに適用できる。
【符号の説明】
【００７５】
１  三次元形状測定装置用プローブ
２  取付部
３  揺動部
３ａ  下部材
３ｂ  延伸部
３ｃ  可動側保持部
５    閉鎖部材
５ａ  揺動用貫通穴
１１  空洞部
１７  フォーカスレンズ
２０  アーム支持部
２１  スタイラス
２２  アーム
２３  位置検出ミラー
２４  貫通穴
３３  固定側保持部材
４１  載置台
４１ａ  円錐溝
４２  支点部材
４９  鉛直面
５０  鉛直面
５１  可動側磁石
５２  固定側磁石
５３ａ  永久磁石
５３ｂ  永久磁石
５３ｃ  永久磁石
５３ｄ  永久磁石
５３ｅ  永久磁石
５４ａ  永久磁石
５４ｂ  永久磁石
５４ｃ  永久磁石
５４ｄ  永久磁石
５４ｅ  永久磁石
５５ａ  鋼球
５５ｂ  鋼球
５５ｃ  鋼球
５５ｄ  鋼球
５５ｅ  鋼球
５６  鉛直面
５７  鉛直面
６０  測定物
１０１  三次元形状測定用プローブ
１０３  揺動部
１０４  連結部
１０９  上下弾性体部
１１１  測定用レーザ光
１１４  固定側保持部材
１２０  アーム取付部
１２１  スタイラス
１２２  アーム
１２３  ミラー
１４１  載置台
１４２  支点部材
２０１  三次元形状測定装置
２１０  Ｈｅ−Ｎｅレーザ
２２０  測定点情報決定部
２２１  光学系
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
２３０  Ｚ基準板
２３１  プローブ光学系
２９２  石定盤
２９３  Ｚ−テーブル
２９５  ステージ
２９５１  Ｘ−ステージ
２９５２  Ｙ−ステージ
【図１】
2014137330.tif 000003
【図２】
2014137330.tif 000004
【図３】
2014137330.tif 000005
【図４】
2014137330.tif 000006
【図５】
2014137330.tif 000007
【図６】
2014137330.tif 000008
【図７】
2014137330.tif 000009
【図８】
2014137330.tif 000010
【図９】
2014137330.tif 000011
【図１０】
2014137330.tif 000012
【図１１ａ】
2014137330.tif 000013
【図１１ｂ】
2014137330.tif 000014
【図１１ｃ】
2014137330.tif 000015
【図１２】
2014137330.tif 000016
【図１３】
2014137330.tif 000017