(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定子と、
この測定子を変位可能に支持するとともに前記測定子の変位を検出するセンサ本体部と、を備え、
前記センサ本体部は、
略平行で近接配置された一方の長手状弾性部材と他方の長手状弾性部材との先端部同士が所定距離を保って連結されているとともに前記一方の長手状弾性部材の基端が自由端であり前記他方の長手状弾性部材の基端が固定端であって前記自由端に長手方向変位成分を含む変位が生じた際に前記自由端と前記固定端とを含む面内で前記自由端の変位量以上に前記先端部が揺動変位するエデンバネ機構を有する変位拡大機構部と、
前記エデンバネ機構の前記先端部の変位量を検出することにより前記測定子の変位量を検出する変位検出手段と、を備え、
前記変位拡大機構部は、３以上のエデンバネ機構を備えるとともに、前記３以上のエデンバネ機構の総ての自由端にて前記測定子を支持し、
前記変位検出手段は、前記測定子が変位した際における総ての前記エデンバネ機構の先端部の変位をそれぞれ検出するとともに各エデンバネ機構の先端部の変位量に基づいて前記測定子の変位量および変位方向を検出する
ことを特徴とする変位センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の変位センサにおいて、
前記３以上のエデンバネ機構は、仮想円の円周に沿って等間隔で配置され、
前記測定子は、前記仮想円の中心を通る軸線上で支持されている
ことを特徴とする変位センサ。
【請求項３】
請求項２に記載の変位センサにおいて、
前記変位拡大機構部は、前記仮想円の中心を挟んで対向する位置に配設されたエデンバネ機構の組みによって構成される並列エデンバネ機構を備え、
前記並列エデンバネ機構が異なる方向で二組以上存在する
ことを特徴とする変位センサ。
【請求項４】
請求項３に記載の変位センサにおいて、
前記変位拡大機構部は、前記並列エデンバネ機構を４組備え、
前記並列エデンバネ機構を構成する２つのエデンバネ機構を結ぶ線は４５度ずつで交差する
ことを特徴とする変位センサ。
【請求項５】
請求項３または請求項４のいずれかに記載の変位センサにおいて、
前記センサ本体部は、前記変位拡大機構部を内部に収納する筐体を備え、
前記変位拡大機構部は、
前記仮想円を囲む環状であって前記筐体に固定された環状の固定部と、
前記仮想円の内側において変位可能に設けられた可動部と、を備え、
前記３以上のエデンバネ機構は、前記自由端を前記仮想円の中心側に向け、前記固定端を前記仮想円の外側に向けた状態で前記仮想円の円周に沿って配設され、かつ、前記自由端が前記可動部に連結されているとともに前記固定端が前記固定部に連結され、
前記測定子は、前記可動部において前記仮想円の中心に該当する位置に固定されている
ことを特徴とする変位センサ。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の変位センサにおいて、
前記測定子は、先端に接触部を有するスタイラスを備え、
前記エデンバネ機構は、その長手方向を基準状態における前記スタイラスの軸方向に対して４５度以内の方向に向けた状態で配設されている
ことを特徴とする変位センサ。
【請求項７】
請求項６に記載の変位センサにおいて、
前記エデンバネ機構は、基準状態における前記スタイラスの軸方向と平行に配設されている
ことを特徴とする変位センサ。
【請求項８】
請求項６に記載の変位センサにおいて、
前記エデンバネ機構は、その長手方向を基準状態における前記スタイラスの軸に対して４５度の角度をなす方向に向けた状態で配設されている
ことを特徴とする変位センサ。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれかに記載の変位センサにおいて、
前記変位検出手段は、前記エデンバネ機構の先端部に設けられ前記先端部とともに変位する可動電極と、
前記可動電極に対向して設けられた固定電極と、を備える
ことを特徴とする変位センサ。
【請求項１０】
請求項１から請求項８のいずれかに記載の変位センサにおいて、
前記変位検出手段は、
前記エデンバネ機構の先端部に光を照射する照明光学系と、
それぞれの前記エデンバネ機構の先端部に設けられ前記照明光学系からの光を反射または屈折させる光学素子と、
前記光学素子から所定距離を離間して配設されて前記光学素子からの光が入射する位置を二次元的に検出する光センサと、を備える
ことを特徴とする変位センサ。
【請求項１１】
請求項１０に記載の変位センサにおいて、
前記照明光学系は、光を発射する一つの光発射手段と、
前記光発射手段からの光束を平行光束にするコリメータレンズと、
前記コリメータレンズの次段に配設され細い光線を通過させる微小径のアパーチャーを前記エデンバネ機構の数に対応した数だけ有するアパーチャープレートと、
前記アパーチャーを通過した各細光線を前記光学素子に向けて反射する切子面を有する多面プリズムと、を備える
ことを特徴とする変位センサ。
【請求項１２】
請求項１０に記載の変位センサにおいて、
前記照明光学系は、光を発射する一つの光発射手段と、
前記光発射手段からの光を集光させて結像させる集光レンズと、
前記集光レンズからの光を各エデンバネ機構の先端部に向けて反射する切子面を有する多面プリズムと、を備え、
前記集光レンズは、前記光センサのセンサ面に光を結像させる
ことを特徴とする変位センサ。
【請求項１３】
請求項１０から請求項１２のいずれかに記載の変位センサにおいて、
前記照明光学系は、その光軸を前記測定子の軸線に略一致させて配設されており、
前記光センサは、前記エデンバネ機構の先端部から前記測定子の軸線方向に沿って所定距離離間した位置に配設されている
ことを特徴とする変位センサ。
【請求項１４】
請求項１から請求項１３のいずれかに記載の変位センサにおいて、
前記測定子は、先端に接触部を有するスタイラスを備え、
前記変位検出手段は、前記接触部の揺動支点を固定する揺動支点固定手段を備えている
ことを特徴とする変位センサ。
【請求項１５】
請求項１４に記載の変位センサにおいて、
前記揺動支点固定手段は、前記スタイラスの軸線上において所定位置に略固定された固定球を備え、
前記測定子は、前記固定球を揺動支点として揺動する
ことを特徴とする変位センサ。
【請求項１６】
請求項１５に記載の変位センサにおいて、
前記３以上のエデンバネ機構は、仮想円の円周に沿って等間隔で配置され、
前記変位拡大機構は、前記仮想円の内側において変位可能に設けられた可動部を備え、かつ、前記エデンバネ機構の前記自由端は前記可動部に連結され、
前記固定球は、前記仮想円の中心において前記測定子の軸線に交差する方向への変位は規制され、かつ、前記測定子の軸線に沿った方向への微小変位は許容される状態で略固定され、
前記測定子は前記可動部において前記仮想円の中心に該当する位置に固定され、
前記可動部は、前記仮想円の中心に該当する位置において前記固定球に当接している
ことを特徴とする変位センサ。
【請求項１７】
請求項１から請求項１６のいずれかに記載の変位センサにおいて、
前記エデンバネ機構の振動を制動する制動手段を備える
ことを特徴とする変位センサ。
【請求項１８】
請求項１７に記載の変位センサにおいて、
前記制動手段は、前記エデンバネ機構の長手方向に交差する方向に向けて前記一方または他方の長手状弾性部材に突設された導電板と、
前記導電板に近接して配置された磁石と、を備える
ことを特徴とする変位センサ。
【請求項１９】
請求項１から請求項１８のいずれかに記載の変位センサと、
前記変位センサを被測定物に対して相対移動させて前記変位センサを前記被測定物表面に当接させる駆動機構と、
前記駆動機構による変位センサと前記被測定物との相対変位量を検出する駆動センサと、
前記変位センサおよび前記駆動センサによる検出値に基づいて前記被測定物の形状を解析する解析手段と、を備える表面性状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変位センサおよび表面性状測定装置に関する。例えば、測定子の変位量および変位方向を検出する変位センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
被測定物表面を走査して被測定物の表面性状や立体的形状を測定する測定装置が知られ、例えば、粗さ測定機、輪郭形状測定機、真円度測定機、三次元測定機などが知られている。
このような測定装置において、接触部が被測定物表面に接触した際における接触部の微小変位に基づいて被測定物表面を検出する変位センサとしてのプローブが使用される（特許文献１）。
図１５に、プローブを利用した形状測定装置（表面性状測定装置）１０の構成を示す。
形状測定装置１０は、プローブ１１と、このプローブ１１を被測定物表面に沿って三次元的に移動させる駆動機構１２と、を備えている。
プローブ１１は、図１６に示されるように、先端に接触部１４を有するスタイラス１３と、スタイラス１３の基端を支持する本体部１５と、を備えている。本体部１５は、スタイラス１３をｘｐ、ｙｐ、ｚｐ方向の一定の範囲内で変位可能に支持するとともにスタイラス１３の変位量を検出する。
このような構成において、接触部１４を基準押込量Δｒで被測定物表面に当接させた状態で、駆動機構１２によってプローブ１１を被測定物表面に沿って倣い移動させる。このとき、駆動機構１２の駆動量からプローブ１１の移動軌跡が得られ、プローブ１１の移動軌跡から被測定物の表面形状が求められる。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３９３０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のプローブ１１では微小な変位を検出する分解能が必ずしも高くはないので、接触部１４が被測定物に当接したことを確実に検出するために押込量Δｒを所定量以上に大きくしなければならない。このように押込量Δｒを大きくすると、被測定物に対する接触圧が大きくなってしまい、被測定物表面に対して大きな接触圧で接触部を押圧すると、被測定物が破損するという問題が生じる。
【０００５】
本発明の目的は、微小変位を高精度に検出する変位センサおよびこの変位センサを備える形状測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の変位センサは、測定子と、この測定子を変位可能に支持するとともに前記測定子の変位を検出するセンサ本体部と、を備え、前記センサ本体部は、略平行で近接配置された一方の長手状弾性部材と他方の長手状弾性部材との先端部同士が所定距離を保って連結されているとともに前記一方の長手状弾性部材の基端が自由端であり前記他方の長手状弾性部材の基端が固定端であって前記自由端に長手方向変位成分を含む変位が生じた際に前記自由端と前記固定端とを含む面内で前記自由端の変位量以上に前記先端部が揺動変位するエデンバネ機構を有する変位拡大機構部と、前記エデンバネ機構の前記先端部の変位量を検出することにより前記測定子の変位量を検出する変位検出手段と、を備え、前記変位拡大機構部は、３以上のエデンバネ機構を備えるとともに、前記３以上のエデンバネ機構の総ての自由端にて前記測定子を支持し、前記変位検出手段は、前記測定子が変位した際における総ての前記エデンバネ機構の先端部の変位をそれぞれ検出するとともに各エデンバネ機構の先端部の変位量に基づいて前記測定子の変位量および変位方向を検出することを特徴とする。
【０００７】
このような構成において、測定子がエデンバネ機構の自由端にて支持されているので、測定子が変位すると、エデンバネ機構の自由端に変位が生じる。
すると、エデンバネ機構の自由端の変位により、エデンバネ機構の先端部が自由端の変位よりも大きく変位する。このとき、エデンバネ機構が３以上設けられているところ、各エデンバネ機構の先端部は、測定子の変位方向および変位量に応じてそれぞれが異なる変位を示す。
すなわち、エデンバネ機構は、自由端と固定端とを含む面内において先端部が揺動変位するところ、各エデンバネ機構には前記面内に感応方向を有している。そして、測定子の変位は各エデンバネ機構の感応方向に分解され、各エデンバネ機構では、それぞれの感応方向の成分に応じてその先端部に変位が生じる。各エデンバネ機構の先端部の変位は、変位検出手段にて検出される。各エデンバネ機構の先端部の変位は、測定子の変位を各エデンバネ機構の感応方向に分解した成分に対応しているので、逆に、総てのエデンバネ機構の先端部の変位を合成した値に基づいて測定子の変位方向および変位量が求められる。
【０００８】
このような構成によれば、エデンバネ機構により測定子の変位を大きな変位に拡大でき、測定子の変位を拡大したエデンバネ機構の先端部の変位を検出することにより、測定子の変位を検出する分解能を向上させることができる。例えば、エデンバネ機構により測定子の変位を数十倍に拡大することができるので、検出分解能を飛躍的に向上させることができる。
そして、エデンバネ機構によって測定子の変位を拡大するので、例えば、測定子を被測定物表面に当接させて被測定物表面を検出する場合でも、測定子が微小に変位する程度の弱い接触圧でよく、被測定物表面を破損することがない。
【０００９】
また、変位拡大機構部は、エデンバネ機構を３つ以上備えているので、３以上のエデンバネ機構により測定子の変位を３以上の感応方向で捉えることができる。よって、測定子の３次元的な変位方向および変位量を特定することができる。
ここで、測定子の変位を拡大するための変位拡大機構部はエデンバネ機構を３以上備えるが、エデンバネ機構は２つの長手状の弾性部材を近接させた簡素な構成であり、例えば、歯車輪列等の複雑な機構ではなく構成部品が小さくかつ極めて少ないので、変位拡大機構部は極めて小型化が可能である。
例えば、エデンバネ機構を構成する弾性部材の長さを数１０ｍｍ程度、弾性部材同士の間隔を０．１ｍｍから０．５ｍｍ程度にすれば変位拡大機構部は極めて小さくなり、従来の変位センサに比べて高分解能でありながらも非常に小型化することができるという画期的な効果を奏する。
【００１０】
なお、エデンバネ機構を構成するにあたっては、二つの長手状弾性部材の先端同士を直接貼り合わせて構成してもよく、先端同士の間に連結部材を挟持してもよく、さらには、一枚の薄板を折曲して一方と他方の長手状弾性部材としてエデンバネ機構を構成してもよい。また、長手状弾性部材は、板状でもよく線状でもよい。
【００１１】
本発明では、前記３以上のエデンバネ機構は、仮想円の円周に沿って等間隔で配置され、前記測定子は、前記仮想円の中心を通る軸線上で支持されていることが好ましい。
【００１２】
このような構成によれば、３以上のエデンバネ機構が測定子を中心として等距離に配設され、かつ、等間隔であるので、３以上のエデンバネ機構に異方性がない。その結果、測定子の変位を検出するにあたって検出方向による誤差がなく、検出精度を向上させることができる。
【００１３】
本発明では、前記変位拡大機構部は、前記仮想円の中心を挟んで対向する位置に配設されたエデンバネ機構の組みによって構成される並列エデンバネ機構を備え、前記並列エデンバネ機構が異なる方向で二組以上存在することが好ましい。
【００１４】
このような構成において、一の面内に２つのエデンバネ機構が並列エデンバネ機構として配設されているので、この面内の変位成分を二倍の情報量で検出することができる。また、測定子を中心として対向しているので、並列エデンバネ機構を構成する２つのエデンバネ機構では測定子の変位に対して異なる感応を示す。そのため、並列エデンバネ機構の２つのエデンバネ機構を含む面内における測定子の変位および変位方向を並列エデンバネ機構の各エデンバネ機構の各先端部の変位から一義的に求めることができる。そして、この並列エデンバネ機構を異なる方向で二組有することにより、測定子の３次元的な変位を捉えることができる。
【００１５】
なお、並列エデンバネ機構を二組設ける場合には、各組みのエデンバネ機構を結ぶ線が互いに直交するように直交配置とすることが好ましい。
このような構成によれば、４つのエデンバネ機構が９０度間隔で配設されることになるので、４つのエデンバネ機構に異方性がない。そして、測定子の変位を直交する方向の各成分に分解するので、変位検出手段による検出値から測定子の変位量および変位方向を簡便に求めることができる。
【００１６】
本発明では、前記変位拡大機構部は、前記並列エデンバネ機構を４組備え、前記並列エデンバネ機構を構成する２つのエデンバネ機構を結ぶ線は４５度ずつで交差することが好ましい。
【００１７】
このような構成において、並列エデンバネ機構が二組あれば十分に測定子の変位量と変位方向を求めることが可能となるところ、その倍である４組の並列エデンバネ機構を備えることによって、測定子の変位量および変位方向を二重にチェックすることができる。そして、８つのエデンバネ機構が４５度の等間隔で配設されるので、各エデンバネ機構に異方性がない。そのため、測定子の変位を検出するにあたって検出方向による誤差が生じることがなく、検出精度を向上させることができる。
【００１８】
本発明では、前記センサ本体部は、前記変位拡大機構部を内部に収納する筐体を備え、前記変位拡大機構部は、前記仮想円を囲む環状であって前記筐体に固定された環状の固定部と、前記仮想円の内側において変位可能に設けられた可動部と、を備え、前記３以上のエデンバネ機構は、前記自由端を前記仮想円の中心側に向け、前記固定端を前記仮想円の外側に向けた状態で前記仮想円の円周に沿って配設され、かつ、前記自由端が前記可動部に連結されているとともに前記固定端が前記固定部に連結され、前記測定子は、前記可動部において前記仮想円の中心に該当する位置に固定されていることが好ましい。
【００１９】
このような構成において、筐体に固定された環状（リング状）の固定部に各エデンバネ機構の一の基端を連結し、変位可能に設けられた可動部にエデンバネ機構の他の基端を連結することで、エデンバネ機構の一の基端を固定端とし、他の基端を自由端とすることができる。そして、エデンバネ機構を配設する仮想円の内側に配設された可動部に測定子を取り付けることにより、測定子を中心とした円形にエデンバネ機構を配設することができる。測定子が変位すると、測定子とともに可動部が変位する。すると、この可動部に連結された各エデンバネ機構の自由端が変位する。この自由端の変位により各エデンバネ機構の先端部が大きく変位する。さらに、各エデンバネ機構の先端部の変位を変位検出手段で検出することによって、測定子の変位および変位方向を求めることができる。
【００２０】
なお、仮想円の外側に固定部を配置するとともに仮想円の内側に可動部を配置して、エデンバネ機構の固定端を仮想円の外側に向け、自由端を仮想円の内側に向ける構成のみならず、逆でもよい。つまり、仮想円の内側に固定部を配置するとともに仮想円の外側にリング状の可動部を配置して、エデンバネ機構の固定端を内側の固定部に固定し、自由端を外側の可動部に連結してもよい。そして、測定子の軸線が仮想円の中心を通るように、例えば、リング状の可動部に取り付けられた梁を介して測定子を支持してもよい。可動部の半径が大きい方が、測定子の変位に対する可動部の揺動変位も大きくなるので、エデンバネ機構の自由端がそれだけ大きく変位し、結果として、エデンバネ機構の先端部の変位も大きくなり、検出感度が向上する。
【００２１】
本発明では、前記測定子は、先端に接触部を有するスタイラスを備え、前記エデンバネ機構は、その長手方向を基準状態における前記スタイラスの軸方向に対して４５度以内の方向に向けた状態で配設されていることが好ましい。
【００２２】
このような構成によれば、エデンバネ機構の長手方向がスタイラスの軸線方向から４５度以内であるので、変位センサをスタイラスの軸方向に沿った縦長に構成できる。
ここで、スタイラスの軸線に方向に沿う方向をＺ方向とし、スタイラスの軸線方向に直交する面をＸＹ平面とする。
エデンバネ機構がスタイラス軸線に平行である場合、接触部のＺ方向変位に対する感度が接触部のＸ方向（Ｙ方向）変位の感度に比べて大きく、また、Ｚ方向変位に対する感度とＸ方向（Ｙ方向）変位に対する感度とは仮想円の半径ｒに比例する。そのため、変位センサを小型化する場合、エデンバネ機構を配設する仮想円の半径ｒが小さくなるので、接触部のＸ方向（Ｙ方向）変位に対する感度が小さくなることになる。
ここで、エデンバネ機構のスタイラスの軸線方向に対する角を４５度に向けて大きくすることによって接触部のＸ方向（Ｙ方向）変位に対する感度を大きくすることができる。よって、エデンバネ機構とスタイラス軸線とのなす角を４５度以内で適宜設定することで、接触部のＺ方向変位に対する感度とＸ方向（Ｙ方向）変位に対する感度とを最適に選択することができる。
【００２３】
なお、エデンバネ機構とスタイラス軸線とのなす角が４５度を超えると、Ｘ方向（Ｙ方向）変位に対する感度は鈍くなっていくが、エデンバネ機構をスタイラス軸線に対して４５度以上に配設することも妨げられるものではなく、エデンバネ機構を配設する角度を自由に選択することで変位センサの設計の自由度が向上する。
【００２４】
ここで、基準状態のスタイラスに軸線方向とは、接触部の変位がゼロである状態におけるスタイラスの軸線方向を意味する。
【００２５】
本発明では、前記エデンバネ機構は、基準状態における前記スタイラスの軸方向と平行に配設されていることが好ましい。
【００２６】
このような構成によれば、エデンバネ機構がスタイラス軸方向に対して平行に配設されているので、変位センサをスタイラス軸線にそった縦長に構成できる。
【００２７】
本発明では、前記エデンバネ機構は、その長手方向を基準状態における前記スタイラスの軸に対して４５度の角度をなす方向に向けた状態で配設されていることが好ましい。
【００２８】
このような構成において、エデンバネ機構をスタイラス軸線方向に対して４５度に配設するので、エデンバネ機構をスタイラス軸方向に平行に配設する場合にくらべて、接触部のＸ方向（Ｙ方向）変位に対する感度が向上する。
このような構成によれば、エデンバネ機構を配設する仮想円の半径ｒを小さくしたままで接触部のＸ方向（Ｙ方向）変位に対する感度を向上させることができるので、Ｘ方向（Ｙ方向）変位への感度が高い小型の変位センサとすることができる。
【００２９】
本発明では、前記変位検出手段は、前記エデンバネ機構の先端部に設けられ前記先端部とともに変位する可動電極と、前記可動電極に対向して設けられた固定電極と、を備えることが好ましい。
【００３０】
このような構成において、測定子の変位に対応してエデンバネ機構の先端部が変位すると、先端部に設けられている可動電極とこの可動電極に対向する固定電極との距離が変化するので、各電極の電位が変化する。
よって、各電極の電位を検出することにより、エデンバネ機構の先端部の変位を検出することができる。
エデンバネ機構の先端部の変位を検出するにあたって、各エデンバネ機構の先端部に対向して固定電極を設けるだけでよいので、変位検出手段は構成部品が少なく非常に小型化される。その結果、非常に小型の変位センサとすることができる。
【００３１】
ここで、エデンバネ機構が金属薄板で構成されている場合には、この金属薄板を可動電極としてそのまま使用すればよい。さらに、固定電極としては、板状の電極の他、蒸着によって形成する金属薄膜等であってもよい。そして、固定電極として２枚の固定電極を設け、この２枚の固定電極をエデンバネ機構の先端部を間にして互いに反対側に配設してもよい。
【００３２】
本発明では、前記変位検出手段は、前記エデンバネ機構の先端部に光を照射する照明光学系と、それぞれの前記エデンバネ機構の先端部に設けられ前記照明光学系からの光を反射または屈折させる光学素子と、前記光学素子から所定距離を離間して配設されて前記光学素子からの光が入射する位置を二次元的に検出する光センサと、を備えることが好ましい。
【００３３】
このような構成において、照明光学系からエデンバネ機構の先端部に向けて光が発射される。すると、この光はエデンバネ機構の先端部に設けられた光学素子によって反射または屈折される。ここで、エデンバネ機構の先端部が変位すると、先端部とともに光学素子も変位するので、光の反射もしくは屈折方向が変化する。そして、光学素子からの光は光センサにて検出される。このとき、光センサは、光の入射位置を検出し、光の入射位置の変化によりエデンバネ機構の先端部の変位を検出する。
【００３４】
このような構成によれば、エデンバネ機構の先端部の変位を「光てこ」によって拡大して検出することができる。すなわち、エデンバネ機構の先端部が角度φだけ揺動変位すると、先端部に設けられた光学素子による光の反射または屈折方向は先端部の変位角度φの２倍である２φ変化する。そして、光学素子と光センサとの距離を所定長さにすることにより、光センサへの光の入射位置が大きく変化する。このように、測定子の変位がエデンバネ機構によって先端部の大きな変位に拡大されることに加えて、さらに、先端部の変位が「光てこ」によって拡大されるので、検出分解能が画期的に向上される。
【００３５】
ここで、前記光学素子と光センサとはできる限り離間している方がよい。例えば、エデンバネ機構の長さを短くしても光学素子から光センサまでの距離を長くとる構成とした方がよく、光学素子から光センサまでの距離をエデンバネ機構の長さよりも長くすることが一例として挙げられる。
エデンバネ機構の長さを長くすることによってエデンバネ機構の先端部の変位量が大きくなるのはもちろんであるが、光学素子における光の反射方向または屈折方向は先端部の角度変位の２倍で変化するので、エデンバネ機構を長くするよりも光学素子から光センサまでの距離を長くした方が、光センサ上での光の入射位置が大きく変化するからである。
【００３６】
本発明では、前記照明光学系は、光を発射する一つの光発射手段と、前記光発射手段からの光束を平行光束にするコリメータレンズと、前記コリメータレンズの次段に配設され細い光線を通過させる微小径のアパーチャーを前記エデンバネ機構の数に対応した数だけ有するアパーチャープレートと、前記アパーチャーを通過した各細光線を前記光学素子に向けて反射する切子面を有する多面プリズムと、を備えることが好ましい。
【００３７】
このような構成において、一の光発射手段から発射された光は、コリメータレンズによって平行光束となってアパーチャープレートに入射する。そして、アパーチャープレートに入射した光のうち微小径のアパーチャーを通過した細光線が多面プリズムに入射する。多面プリズムによって反射された細光線はエデンバネ機構の先端部に設けられた光学素子によって反射または屈折されて光センサによって受光される。
【００３８】
このような構成によれば、光発射手段が一つであるので、例えば、エデンバネ機構の数だけ光源を設けることに比べて、部品点数を少なくすることができる。
また、光センサでは、光の入射位置の変化を検出する必要があるところ、光センサに入射する光はスポット状に入射して光センサによって入射点が検出されなければならないが、この点、本発明では微小径のアパーチャーで光を絞ることにより細光線として光センサに入射させるので、光センサにより光の入射位置の変化を検出することができる。
【００３９】
本発明では、前記照明光学系は、光を発射する一つの光発射手段と、前記光発射手段からの光を集光させて結像させる集光レンズと、前記集光レンズからの光を各エデンバネ機構の先端部に向けて反射する切子面を有する多面プリズムと、を備え、前記集光レンズは、前記光センサのセンサ面に光を結像させることが好ましい。
【００４０】
このような構成において、一の光発射手段から発射された光は、集光レンズを通って多面プリズムに入射する。そして、多面プリズムによって各エデンバネ機構の先端部に向けて反射された光はエデンバネ機構の先端部に設けられた光学素子によって反射または屈折され、光センサによって受光される。
【００４１】
このような構成によれば、光発射手段が一つであるので、例えばエデンバネ機構の数だけ光源を設けることに比べて、部品点数を少なくすることができる。
また、光センサでは、光の入射位置の変化を検出する必要があるところ、光センサに入射する光はスポット状に入射して光センサによって入射点が検出されなければならないが、この点、光発射手段からの光が集光レンズによって光センサのセンサ面にて結像するので、光センサによって光の入射位置の変化を検出することができる。
また、光発射手段からの光を集光レンズによって結像させることによって光を光センサにスポット状に入射させるので、例えば、光束をアパーチャーで絞って細光線とする場合に比べて光量損失を少なくすることができる。
【００４２】
本発明では、前記照明光学系は、その光軸を前記測定子の軸線に略一致させて配設されており、前記光センサは、前記エデンバネ機構の先端部から前記測定子の軸線方向に沿って所定距離離間した位置に配設されていることが好ましい。
【００４３】
このような構成において、照明光学系の光軸が測定子の軸方向に一致させるように、例えば、照明光学系の構成部品を測定子の軸線に沿って配設し、さらに、光センサをエデンバネ機構の先端部から測定子の軸線方向に配設するので、変位センサを測定子の軸方向に沿った縦長に構成できる。
【００４４】
なお、３以上のエデンバネ機構を仮想円の円周上に円形に配設する場合には、前記照明光学系を円形に配設されたエデンバネ機構の内側に配設することが好ましい。
このような構成によれば、エデンバネ機構によって囲まれた空間を有効に利用し、変位センサを小型化することができる。
【００４５】
本発明では、前記測定子は、先端に接触部を有するスタイラスを備え、前記変位検出手段は、前記接触部の揺動支点を固定する揺動支点固定手段を備えていることが好ましい。
【００４６】
このような構成において、測定子の揺動支点が揺動支点固定手段にて固定される。ここで、測定子の揺動支点を構造的に固定しない場合、測定子がエデンバネ機構の自由端にて支持されているので、エデンバネ機構を構成する弾性部材の強度によって測定子の揺動支点が決まることになる。
しかしながら、揺動支点が分からなければ、エデンバネ機構の先端部の変位に基づいて接触部の変位量を算出することができない。
この点、本発明では、測定子の揺動支点を構造的に固定するので、エデンバネ機構の先端部の変位から接触部の変位を算出することができる。
また、エデンバネ機構の強度によって接触部の揺動支点が異なってくる場合、エデンバネ機構の先端部の変位から接触部の変位量を算出する式を揺動支点の位置に応じて製品ごとにから作成しなければならないが、莫大な数の製品を製造することを考えれば、組みあがった製品の一つ一つを検査して揺動支点を求めることは不可能である。
この点、本実施形態では、揺動支点を固定しているので、総ての製品で同じ算出式およびパラメータを用いることができるので簡便である。
【００４７】
本発明では、前記揺動支点固定手段は、前記スタイラスの軸線上において所定位置に略固定された固定球を備え、前記測定子は、前記固定球を揺動支点として揺動することが好ましい。
【００４８】
このような構成によれば、固定球を支点として測定子が揺動する。
このとき、支点を球体としているので、測定子の揺動方向は、例えば一の面内に制限されることはなく、測定子は全方向に自由に揺動変位できる。
【００４９】
本発明では、前記３以上のエデンバネ機構は、仮想円の円周に沿って等間隔で配置され、前記変位拡大機構は、前記仮想円の内側において変位可能に設けられた可動部を備え、かつ、前記エデンバネ機構の前記自由端は前記可動部に連結され、前記固定球は、前記仮想円の中心において前記測定子の軸線に交差する方向への変位は規制され、かつ、前記測定子の軸線に沿った方向への微小変位は許容される状態で略固定され、前記測定子は前記可動部において前記仮想円の中心に該当する位置に固定され、前記可動部は、前記仮想円の中心に該当する位置において前記固定球に当接していることが好ましい。
【００５０】
このような構成において、測定子が測定子の軸方向に直交する方向（Ｘ方向またはＹ方向）に変位した場合、測定子ととともに可動部が変位する。このとき、可動部は固定球に当接しているので、可動部はこの固定球を支点とした揺動を行う。そして、この可動部の揺動によって可動部に連結されたエデンバネ機構の自由端が変位するので、エデンバネ機構の先端部が大きく変位する。このエデンバネ機構の先端部の変位が変位検出手段にて検出される。また、測定子が測定子の軸線方向（Ｚ方向）に変位すると、測定子ととともに可動部が測定子の軸方向に変位する。このとき、測定子の軸線方向での固定球の変位は許容される。そして、可動部の変位とともにエデンバネ機構の自由端が変位するので、エデンバネ機構の先端部が大きく変位する。
【００５１】
このような構成によれば、可動部は固定球に当接して揺動の支点を固定されるので、測定子がＸ方向（またはＹ方向）に変位すれば可動部は固定球を支点として揺動する。このとき、可動部の中心がＺ方向に変位することがない。その一方、測定子がＺ方向に変位した場合には、可動部がＺ方向に変位する。
例えば、測定子の揺動支点を固定しない場合、測定子を支持するエデンバネ機構の強度によって測定子の軸線上のどこかの点に揺動支点が決まるが、可動部と揺動支点との位置が一致していなければ、揺動支点を支点とする測定子の揺動により可動部（の中心）がＺ方向に変位することになる。
このように接触部の揺動によって可動部（の中心）がＺ方向に変位すると、
エデンバネ機構の先端部の変位から測定子の変位を算出するのに複雑な計算が必要となる。
この点、本発明では、接触部がＸ方向（またはＹ方向）に変位する限りは可動部の中心がＺ方向に変位することがなく、測定子がＺ方向に変位したときにのみ可動部（の中心）がＺ方向に変位する。すなわち、測定子のＺ方向への変位とＸ方向への変位が明確に分けられる。
【００５２】
なお、固定球に対して可動部がずれないように、可動部に円錐状の穴を形成して、この穴に固定球を滑動可能に嵌設することが好ましい。
【００５３】
本発明では、前記エデンバネ機構の振動を制動する制動手段を備えることが好ましい。
【００５４】
このような構成において、エデンバネ機構は長手状弾性部材にて構成されているところ、測定子が変位した際や、外部から与えられる振動などによってエデンバネ機構が微細に振動するおそれもある。この点、本発明では、制動手段によってエデンバネ機構の振動を抑えることができるので、エデンバネ機構の振動に起因する検出誤差を排除して検出精度を向上させることができる。
【００５５】
本発明では、前記制動手段は、前記エデンバネ機構の長手方向に交差する方向に向けて前記一方または他方の長手状弾性部材に突設された導電板と、前記導電板に近接して配置された磁石と、を備えることが好ましい。
【００５６】
このような構成において、エデンバネ機構がたわむとエデンバネ機構とともに導電板が変位する。このとき、導電板は磁石に近接して配置されているので、導電板の移動により導電板に渦電流が発生する。そして、この渦電流と磁石の磁束とにより、導電板の移動方向とは反対向きの制動力が導電板に作用する。この制動力により導電板の変動が抑制されるので、エデンバネ機構に制動力が作用する。制動手段としては導電板と磁石だけであるので、簡易な構成であり、エデンバネ機構の制動機能を備えつつも変位センサを非常に小型化することができる。
【００５７】
本発明の表面性状測定装置は、前記変位センサと、前記変位センサを被測定物に対して相対移動させて前記変位センサを前記被測定物表面に当接させる駆動機構と、前記駆動機構による変位センサと前記被測定物との相対変位量を検出する駆動センサと、前記変位センサおよび前記駆動センサによる検出値に基づいて前記被測定物の形状を解析する解析手段と、を備えることを特徴とする。
【００５８】
このような構成において、変位センサの測定子を被測定物表面に対して接触させて、被測定物表面を検出することができる。また、例えば、変位センサの測定子を所定押込量だけ被測定物表面に対して押し込んだ状態で駆動機構により変位センサを被測定物表面に沿って倣い移動させて、変位センサの軌道から被測定物の表面形状を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５９】
以下、本発明の実施の形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
（第１実施形態）
本発明の変位センサに係る第１実施形態について説明する。
図１は、第１実施形態を上下方向で切断した横断面図である。
図２は、図１中のII-II線において水平に切断した縦断面図である。
図３は、変位拡大機構部４００の構成を示す斜視図である。
【００６０】
ここで、説明の都合上、図１中の上下方向をＺ方向とし、図１中の左右方向をＸ方向とする。
【００６１】
この変位センサ１００は、被測定物表面に当接した際に接触圧によって変位する測定子１１０と、この測定子１１０を変位可能に支持するとともに測定子１１０の変位を検出するセンサ本体部２００と、を備える。
【００６２】
測定子１１０は、スタイラス１２０と、このスタイラス１２０の先端に設けられた接触部１３０と、を備える。スタイラス１２０の基端がセンサ本体部２００に取り付けられ、測定子１１０はセンサ本体部２００から垂下する状態に支持されている。
【００６３】
センサ本体部２００は、下端面が開口し内部に収納空間２１１を有する円筒形のハウジング部２１０と、自由端３１１の微小変位を先端部３４０の大変位に拡大するエデンバネ機構４１１〜４４８を有し測定子１１０の変位をエデンバネ機構４１１〜４４８の先端部３４０の大きな変位に拡大する変位拡大機構部４００と、エデンバネ機構３００の先端部３４０の変位量を検出することで測定子１１０の変位を検出する変位検出手段６００と、エデンバネ機構の振動を制動する制動手段７００と、を備える。
【００６４】
ハウジング部２１０は、内部の収納空間２１１に変位拡大機構部４００、変位検出手段６００および制動手段７００を収納する。ハウジング部２１０の上端には天板２１２が設けられており、この天板２１２には所定の信号線を引き出す信号引出孔２１３が穿設されている。
【００６５】
変位拡大機構部４００は、図２または図３に示される仮想円Ｃの円周上に等間隔に配設された８つのエデンバネ機構４１１〜４４８と、エデンバネ機構の固定端３２１が連結される環状の固定部４５０と、エデンバネ機構の自由端３１１が連結される可動部４６０と、を備える。
【００６６】
エデンバネ機構４１１〜４４８について説明する。
エデンバネ機構４１１〜４４８は、長手状の板バネ（長手状弾性部材）である第１板バネ３１０と第２板バネ３２０とを備える。
第１板バネ３１０と第２板バネ３２０とは互いに平行であって極めて近接して配置されている。第１および第２板バネ３１０、３２０の長さｂは１０ｍｍ程度であり（図７参照）、第１板バネ３１０と第２板バネ３２０との間隔ａは例えば０．１ｍｍから０．４ｍｍ程度である。なお、エデンバネ機構は一枚の金属板で形成されており、一枚の金属板の途中を折り曲げて第１板バネ３１０と第２板バネ３２０とし、折曲部を２段階で折り曲げて直角の角を２つ形成することで第１板バネ３１０と第２板バネ３２０との間に所定のギャップａが保たれている。
【００６７】
変位拡大機構部４００において、図３に示されるように、８つのエデンバネ機構４１１〜４４８は所定半径ｒの仮想円Ｃの円周上に等間隔に配設されている。図２に示されるように、仮想円Ｃは、ＸＹ平面上の円であり、その中心を測定子１１０のスタイラス軸線上に有している。図３に示されるように、エデンバネ機構４１１〜４４８は、第１板バネ３１０を仮想円Ｃの内側に向け、第２板バネ３２０を仮想円Ｃの外側に向けて配設されている。
【００６８】
また、エデンバネ機構は、基端側をハウジング部２１０の開口端側（下端面側）とし、先端３４０側を天板２１２側として配設されている。すなわち、エデンバネ機構４１１〜４４８は、図１中において先端部３４０を上側にし、基端側を下側にして、Ｚ方向に平行に配設されており、エデンバネ機構４１１〜４４８の長手方向はスタイラス１２０の軸線方向に平行である。
【００６９】
ここで、８つのエデンバネ機構４１１〜４４８は、仮想円Ｃの円周上に等間隔で配設されているところ、仮想円Ｃの中心を点対称の中心とした点対称組となる二つによって並列エデンバネ機構４１０〜４４０が構成される。すなわち、変位拡大機構部４００は、４組の並列エデンバネ機構４１０〜４４０を備える（図２参照）。そして、各組４１０〜４４０の２つのエデンバネ機構を結ぶ線は４５度で交差する。
【００７０】
ここで、図２において、紙面上下方向をＹ方向とし、紙面左右方向をＸ方向とする。
【００７１】
＋Ｘ方向に配設されたエデンバネ機構を第１エデンバネ機構４１１とし、そこから反時計回りに順番に、第２エデンバネ機構４２２、第３エデンバネ機構４３３、第４エデンバネ機構４４４、第５エデンバネ機構４１５、第６エデンバネ機構４２６、第７エデンバネ機構４３７、第８エデンバネ機構４４８、とする。
【００７２】
そして、Ｘ方向に配設された二つのエデンバネ機構である第１エデンバネ機構４１１と第５エデンバネ機構４１５とによって構成される並列エデンバネ機構を第１並列エデンバネ機構４１０と称する。
＋４５度方向に配設された二つのエデンバネ機構である第２エデンバネ機構４２２と第６エデンバネ機構４２６とによって構成される並列エデンバネ機構を第２並列エデンバネ機構４２０と称する。
Ｙ方向に配設された二つのエデンバネ機構である第３エデンバネ機構４３３と第７エデンバネ機構４３７とによって構成される並列エデンバネ機構を第３並列エデンバネ機構４３０と称する。
−４５度方向に配設された二つのエデンバネ機構である第４エデンバネ機構４４４と第８エデンバネ機構４４８とによって構成される並列エデンバネ機構を第４並列エデンバネ機構４４０と称する。
【００７３】
固定部４５０は、リング状部材であって、リング径は、エデンバネ機構４１１〜４４８を配設する仮想円Ｃの径ｒよりもわずかに大きい。固定部４５０は、ハウジング部２１０の開口した下端側において、下端側開口端縁２１４に取付固定されている。そして、各エデンバネ機構４１１〜４４８の第２板バネ３２０の基端が固定部４５０に取付固定されている。ここに、第２板バネ３２０の基端が固定端３２１となる。
【００７４】
可動部４６０は、エデンバネ機構４１１〜４４８を配設する仮想円Ｃの径よりもわずかに小さく、環状の固定部４５０のリング内に配設されている。そして、各エデンバネ機構４１１〜４４８の第１板バネ３１０の基端が可動部４６０に取付固定されている。ここに、第１板バネ３１０の基端が自由端３１１となる。そして、スタイラス１２０の基端部が、可動部４６０において仮想円Ｃの中心に該当する位置に設けられている。
【００７５】
変位検出手段６００は、８つのエデンバネ機構４１１〜４４８に対応して８つのコンデンサ部６１１〜６４８と、コンデンサ部６１１〜６４８からの検出信号を信号処理する信号処理部６５０と、を備えている。
コンデンサ部６１１〜６４８は、エデンバネ機構４１１〜４４８の先端部３４０である可動電極と、エデンバネ機構４１１〜４４８の先端部３４０を間にして互いに反対側に配設された二枚で一組の固定電極組５２０と、を備えた三極コンデンサである。
【００７６】
固定電極組５２０は、円形に配設されたエデンバネ機構４１１〜４４８に対し、円の外側に配設された外側固定電極５２１と、円の内側に配設された内側固定電極５２２と、を備える。
外側固定電極５２１はハウジング部２１０の内壁面に取付固定されている。
また、天板２１２から筒状の内筒部２１５が垂下するように付設され、内側固定電極５２２はこの内筒部２１５の外側面に取付固定されている。
エデンバネ機構４１１〜４４８からはアース線５１１が引き出され、エデンバネ機構４１１〜４４８の電位は０となっている。また、外側固定電極５２１および内側固定電極５２２からはそれぞれ信号引出線５２３が引き出されている。
【００７７】
ここで、第１エデンバネ機構４１１に対応するコンデンサ部を第１コンデンサ部６１１とし、第２エデンバネ機構４２２に対応するコンデンサ部を第２コンデンサ部６２２とし、第３エデンバネ機構４３３に対応するコンデンサ部を第３コンデンサ部６３３とし、第４エデンバネ機構４４４に対応するコンデンサ部を第４コンデンサ部６４４とし、第５エデンバネ機構４１５に対応するコンデンサ部を第５コンデンサ部６１５とし、第６エデンバネ機構４２６に対応するコンデンサ部を第６コンデンサ部６２６とし、第７エデンバネ機構４３７に対応するコンデンサ部を第７コンデンサ部６３７とし、第８エデンバネ機構４４８に対応するコンデンサ部を第８コンデンサ部６４８とする。
【００７８】
また、第１並列エデンバネ機構４１０に対応して第１コンデンサ部６１１と第５コンデンサ部６１５の組みを第１コンデンサ組合せ６１０と称し、以下同様に、第２並列エデンバネ機構４２０に対応して第２コンデンサ部６２２と第６コンデンサ部６２６の組みを第２コンデンサ組合せ６２０と称し、第３並列エデンバネ機構４３０に対応して第３コンデンサ部６３３と第７コンデンサ部６３７の組みを第３コンデンサ組合せ６３０と称し、第４並列エデンバネ機構４４０に対応して、第４コンデンサ部６４４と第８コンデンサ部６４８の組みを第４コンデンサ組合せ６４０と称する。
【００７９】
各エデンバネ機構４１１〜４４８からのアース線５１１および各コンデンサ部６１１〜６４８からの信号引出線５２３は信号処理部６５０に接続されている。
【００８０】
エデンバネ機構の先端部が変位した際に各コンデンサ部で検出される信号は、次のようになる。
ここで、第ｎコンデンサ部による検出信号をＳｎ（ｎは１から８）とし、外側固定電極５２１の信号をＰｎ１、内側固定電極５２２の信号をＰｎ２、エデンバネ機構の電位をＧとする。
【００８１】
【数１】
0004833634.tif 000002
【００８２】
そして、各コンデンサ組合せ６１０〜６４０による検出信号Ｈは次の式で表される。
ここで、第１コンデンサ組合せ６１０による検出信号をＨ１、第２コンデンサ組合せ６２０による検出信号をＨ２、第３コンデンサ組合せ６３０による検出信号をＨ３、第４コンデンサ組合せ６４０による検出信号をＨ４、とする。
【００８３】
【数２】
0004833634.tif 000003
【００８４】
なお、具体的に接触部１３０が所定方向に変位した場合に各コンデンサ部６１１〜６４８から出力される信号については、動作説明の際に説明する。
【００８５】
制動手段７００は、第１板バネ３１０の途中に突設された導電板７１０と、この導電板７１０を間にして互いに反対側に配設された二枚の磁石と、を備える。
導電板７１０は、第１板バネ３１０から中心線Ｉに向けて突設されている。
なお、中心線Ｉとは、基準状態のスタイラス１２０の軸線方向に一致する線であって、仮想円Ｃの中心を通る。第１磁石７２０は内筒部２１５の下端に取付固定され、第２磁石７３０は、第１磁石７２０との間に介在配置された薄板状の連結部材７４０によって固定されている。
【００８６】
このような構成を備える第１実施形態の動作について説明する。
まず、接触部１３０が被測定物表面に当接して変位した場合に、接触部１３０の変位が変位拡大機構部４００のエデンバネ機構によって拡大される作用について説明する。
【００８７】
図４から図８は、エデンバネ機構４１１〜４４８によって接触部１３０の変位が拡大される仕組みを説明するための図である。
図４、図５、図６は、第１並列エデンバネ機構４１０を抜き出し、接触部１３０が変位する方向によって生じる第１並列エデンバネ機構４１０の変形の異なるパターンを示す図である。
そして、図４中の紙面の上下方向をＺ方向とし、紙面の左右方向をＸ方向とし、紙面に垂直な方向をＹ方向とする。
【００８８】
図４は、接触部１３０が上方（＋Ｚ方向）に変位した場合の第１並列エデンバネ機構４１０の変化を示す図である。
図５は、接触部１３０が下方（−Ｚ方向）に変位した場合の第１並列エデンバネ機構４１０の変化を示す図である。
図６は、接触部１３０が横方向（＋Ｘ方向）に変位した場合の第１並列エデンバネ機構４１０の変化を示す図である。
【００８９】
第１並列エデンバネ機構４１０において、第１並列エデンバネ機構４１０を構成する２つのエデンバネ機構を含む面内において接触部１３０が変位した場合、この接触部１３０の変位に応じて各エデンバネ機構４１１、４１５の先端部３４０が変位する。図４において、第１並列エデンバネ機構４１０の固定端３２１は固定部４５０に固定され、自由端３１１は可動部４６０に連結されて、この可動部４６０にて測定子１１０が支持されている。
【００９０】
そして、接触部１３０が上方（＋Ｚ方向）に変位した場合、測定子１１０とともに可動部４６０が上方（＋Ｚ方向）に変位するので、第１および第５エデンバネ機構４１１、４１５の自由端３１１が上方（＋Ｚ方向）に変位する。すると、第１エデンバネ機構４１１の先端部３４０と第５エデンバネ機構４１５の先端部３４０とが互いに離間するように横方向（Ｘ方向）に変位する。すなわち、第１エデンバネ機構４１１の先端部３４０が＋Ｘ方向に変位し、第５エデンバネ機構４１５の先端部３４０が−Ｘ方向に変位する。
【００９１】
図５において、接触部１３０が下方（−Ｚ方向）に変位した場合、測定子１１０とともに可動部４６０が下方（−Ｚ方向）に変位するので、第１および第５エデンバネ機構４１１、４１５の自由端３１１が下方（−Ｚ方向）に変位する。すると、第１エデンバネ機構４１１の先端部３４０と第５エデンバネ機構４１５の先端部３４０とが互いに近接する方向へ横方向（Ｘ方向）に変位する。すなわち、第１エデンバネ機構４１１の先端部３４０が−Ｘ方向に変位し、第５エデンバネ機構４１５の先端部３４０が＋Ｘ方向に変位する。
【００９２】
図６において、接触部１３０が、＋Ｘ方向に変位した場合について説明する。
接触部１３０が＋Ｘ方向に変位した場合、スタイラス１２０が揺動する。このとき、スタイラス１２０は可動部４６０を介して第１および第５エデンバネ機構４１１、４１５の自由端３１１によって支持されているところ、接触部１３０の揺動の支点は、エデンバネ機構４１１、４１５の強度によって決定される。
図６中では、中心線Ｉ上において可動部４６０とエデンバネ機構４１１、４１５の先端部３４０との間に揺動支点８１１が存在するとして図示している。
接触部１３０の横方向変位によってスタイラス１２０が揺動するので、可動部４６０も揺動変位する。
このとき、接触部１３０が＋Ｘ方向に変位するので、可動部４６０の＋Ｘ方向側の端が上方に変位し、−Ｘ方向の端が下方に変位する。すると、第１エデンバネ機構４１１の自由端３１１が上方（＋Ｚ方向）に変位して、第１エデンバネ機構４１１の先端部３４０は＋Ｘ方向に変位する。また、第２エデンバネ機構４２２の自由端３１１は下方（−Ｚ方向）に変位して、第２エデンバネ機構４２２の先端部３４０は＋Ｘ方向に変位する。すなわち、接触部１３０が横方向（Ｘ方向）に変位した場合には、並列エデンバネ機構４１０の２つの先端部３４０はともに接触部１３０と同じ方向へ変位する。
【００９３】
ここで、図７にエデンバネ機構の先端部３４０が変位した状態の拡大図を示す。
自由端３１１が上方（＋Ｚ方向）に変位すると、この自由端３１１を上方に変位させる応力が第１板バネ３１０の先端から第２板バネ３２０の先端に伝達される。第２板バネ３２０はその基端部が固定端３２１として固定されているので、先端部３４０は固定端３２１を支点として揺動変位し、結果としてエデンバネ機構の先端部３４０は横方向（＋Ｘ方向）に変位する。このときの先端部３４０の揺動角度φは、自由端３１１の変位をΔｚとし、第１板バネ３１０と第２板バネ３２０との間隔をａとすると、「φ＝Δｚ／ａ」で表される。
【００９４】
さらに、図７のエデンバネ機構に対比して片持ち梁４９０を図８に示す。
図８において、片持ち梁４９０の板バネ４９１の先端４９２をΔｘだけ変位させた場合、板バネ４９１の長さをｂとすると、先端部３４０の揺動角度φ´は、「φ´＝３Δｘ／２ｂ」で表される。
【００９５】
例えば、自由端３１１の変位量Δｚおよび片持ち梁４９０の先端４９２の変位Δｘを０．００１ｍｍとし、板バネ３１０、３２０、４９１の長さｂを１０ｍｍとし、第１板バネ３１０と第２板バネ３２０との間隔ａを０．１ｍｍとすれば、エデンバネ機構４１１の先端部３４０の揺動角φは、片持ち梁４９０の先端４９２の揺動角φ´の６７倍にもなる。すなわち、エデンバネ機構４１１によって、自由端３１１の微小変位が先端部３４０の大きな揺動変位として拡大される。
【００９６】
次に、第１実施形態の変位センサ１００において、接触部１３０が被測定物表面に当接して変位した際に、この接触部１３０の変位を変位検出手段６００で検出する動作について説明する。
【００９７】
接触部１３０が被測定物表面に当接して変位すると、エデンバネ機構４１１〜４４８の先端部３４０が変位する。このエデンバネ機構４１１〜４４８の先端部３４０の変位は、図４から図６に示した通りである。エデンバネ機構４１１〜４４８の先端部３４０はコンデンサ部６１１〜６４８の可動電極となっているところ、この可動電極の変位はエデンバネ機構４１１〜４４８の先端部３４０を間に挟む２枚の固定電極５２１、５２２によって検出される。
【００９８】
まず、接触部１３０が、Ｚ方向にΔＺだけ変位し、ＸＹ平面内においてθ方向にΔＲだけ変位した場合（図２参照）について、変位検出手段６００にて検出される信号について説明する。
【００９９】
接触部１３０のΔＺ変位に対応して変位検出手段６００にて検出される検出信号Ｅｚは、次の式で表される。
【０１００】
Ｅｚ＝{（Ｓ１＋Ｓ５）＋（Ｓ２＋Ｓ６）＋（Ｓ３＋Ｓ７）＋（Ｓ４＋Ｓ８）}／４＝（Ｈ１＋Ｈ２＋Ｈ３＋Ｈ４）／４
【０１０１】
次に、接触部１３０のΔＲ変位に対する第１から第４コンデンサ組合せ６１０〜６４０における検出信号Ｈ１〜Ｈ４について説明する。
【０１０２】
まず、第１コンデンサ組合せ６１０による検出信号Ｈ１について説明する。
接触部１３０がθ方向にΔＲだけ変位した場合、接触部１３０の変位のＸ方向成分はΔＸ（＝ΔＲｃｏｓθ）である。
接触部１３０のＸ方向への変位ΔＸにより、Ｘ方向に配設されている第１並列エデンバネ機構４１０の第１エデンバネ機構４１１と第５エデンバネ機構４１５との各先端部３４０がΔＸに応じて変位する。
第１エデンバネ機構４１１と第５エデンバネ機構４１５の変位は、第１コンデンサ組合せ６１０の第１コンデンサ部６１１と第５コンデンサ部６１５によってそれぞれ検出される。
ここで、ΔＸ＝ΔＲｃｏｓθであるので、第１コンデンサ部６１１と第５コンデンサ部６１５とからの検出信号はそれぞれＳ１＝ＫΔＲｃｏｓθ、および、Ｓ５＝−ＫΔＲｃｏｓθとなる。
【０１０３】
なお、Ｋは所定ゲインであり、このゲインＫは、接触部１３０から揺動支点８１１までの長さＬと仮想円Ｃの半径ｒと（図１参照）に対し次の関係を有する。なお、ａは所定の係数である。
【０１０４】
Ｋ＝ａ×ｒ／Ｌ
【０１０５】
そして、第１コンデンサ組合せ６１０の検出信号Ｈ１は、Ｓ１とＳ５との差分で表される。
【０１０６】
Ｈ１＝Ｓ１−Ｓ５
＝２ＫΔＲｃｏｓθ
【０１０７】
第２コンデンサ組合せ６２０による検出信号Ｈ２について説明する。
接触部１３０がθ方向にΔＲだけ変位した場合、接触部１３０の変位の４５度成分はΔＶ（＝ΔＲｃｏｓ（π／４−θ））である。
接触部１３０の４５度方向への変位ΔＶにより、この４５度方向に配設されている第２並列エデンバネ機構４２０の第２エデンバネ機構４２２と第６エデンバネ機構４２６の各先端部３４０がΔＶに応じて変位する。第２エデンバネ機構４２２と第６エデンバネ機構４２６の変位は、第２コンデンサ組合せ６２０の第２コンデンサ部６２２と第６コンデンサ部６２６とによってそれぞれ検出される。
ここで、ΔＶ＝ΔＲｃｏｓ（π／４−θ）であるので、第２コンデンサ部６２２と第６コンデンサ部６２６とからの検出信号はそれぞれＳ２＝ＫΔＲｃｏｓ（π／４−θ）、および、Ｓ６＝−ＫΔＲｃｏｓ（π／４−θ）となる。そして、第２コンデンサ組合せ６２０の検出信号Ｈ２は、Ｓ２とＳ６との差分で表される。
【０１０８】
Ｈ２＝Ｓ２−Ｓ６
＝２ＫΔＲｃｏｓ（π／４−θ）
【０１０９】
第３コンデンサ組合せ６３０による検出信号Ｈ３について説明する。
接触部１３０がθ方向にΔＲだけ変位した場合、この接触部１３０の変位のＹ方向成分はΔＹ（＝ΔＲｓｉｎθ）である。接触部１３０のＹ方向への変位ΔＹにより、Ｙ方向に配設されている第３並列エデンバネ機構４３０の第３エデンバネ機構４３３と第７エデンバネ機構４３７の各先端部３４０がΔＹに応じて変位する。第３エデンバネ機構４３３と第７エデンバネ機構４３７の変位は、第３コンデンサ組合せ６３０の第３コンデンサ部６３３と第７コンデンサ部６３７とによってそれぞれ検出される。ここで、ΔＹ＝ΔＲｓｉｎθであるので、第３コンデンサ部６３３と第７コンデンサ部６３７とからの検出信号はそれぞれＳ３＝ＫΔＲｓｉｎθ、および、Ｓ７＝−ＫΔＲｓｉｎθとなる。そして、第３コンデンサ組合せ６３０の検出信号Ｈ３は、Ｓ３とＳ７との差分で表される。
【０１１０】
Ｈ３＝Ｓ３−Ｓ７
＝２ＫΔＲｓｉｎθ
【０１１１】
第４コンデンサ組合せ６４０による検出信号Ｈ４について説明する。
接触部１３０がθ方向にΔＲだけ変位した場合、この接触部１３０の変位の−４５度方向成分はΔＷ（＝ΔＲｓｉｎ（π／４−θ））である。
接触部１３０の−４５度方向への変位ΔＷにより、この−４５度方向に配設されている第４並列エデンバネ機構４４０の第４エデンバネ機構４４４と第８エデンバネ機構４４８の各先端部３４０がΔＷに応じて変位する。第４エデンバネ機構４４４と第８エデンバネ機構４４８の変位は、第４コンデンサ組合せ６４０の第４コンデンサ部６４４と第８コンデンサ部６４８とによってそれぞれ検出される。
ここで、ΔＷ＝ΔＲｓｉｎ（π／４−θ）であるので、第４コンデンサ部６４４と第８コンデンサ部６４８とからの検出信号はそれぞれＳ４＝ＫΔＲｓｉｎ（π／４−θ）、および、Ｓ８＝−ＫΔＲｓｉｎ（π／４−θ）となる。
そして、第４コンデンサ組合せ６４０の検出信号Ｈ４は、Ｓ４とＳ８との差分で表される。
【０１１２】
Ｈ４＝Ｓ４−Ｓ８
＝２ＫΔＲｓｉｎ（π／４−θ）
【０１１３】
このように各コンデンサ組合せ６１０〜６４０にて検出される検出信号Ｈ１からＨ４により、接触部の変位方向θは、次の二通りの式で求められる。
【０１１４】
ｔａｎθ＝Ｈ３／Ｈ１
【０１１５】
ｔａｎ（π／４−θ）＝Ｈ４／Ｈ２
【０１１６】
また、変位量ΔＲは、次の二通りの式で求められる。
【０１１７】
ΔＲ２＝（Ｈ１２＋Ｈ３２）／４Ｋ２
【０１１８】
ΔＲ２＝（Ｈ２２＋Ｈ４２）／４Ｋ２
【０１１９】
次に、制動手段７００によってエデンバネ機構４１１〜４４８の微振動を制動する動作について説明する。
【０１２０】
エデンバネ機構４１１〜４４８は長手状の板バネ３１０、３２０であるので、接触部１３０の変位に応じてエデンバネ機構４１１〜４４８の先端部３４０が揺動変位した際に、エデンバネ機構４１１〜４４８の先端部３４０に微振動が生じる恐れもあるところ、制動手段７００によってエデンバネ機構４１１〜４４８の振動が制動される。すなわち、エデンバネ機構４１１〜４４８の先端部３４０が変位する際にエデンバネ機構４１１〜４４８の板バネ３１０、３２０が撓むように変形すると、導電板７１０が変位する。すると、導電板７１０は二枚の磁石７２０、７３０に挟まれているので、導電板７１０の移動により導電板７１０に渦電流が発生する。そして、この渦電流と磁石７２０、７３０の磁束とにより、導電板７１０の移動方向とは反対向きの制動力が導電板７１０に作用する。
この制動力により導電板７１０の変動が抑制されるので、エデンバネ機構４１１〜４４８の微振動が抑制される。
【０１２１】
このような構成を備える第１実施形態によれば、次の効果を奏することができる。
（１）エデンバネ機構４１１〜４４８により接触部１３０の変位を大きな変位に拡大でき、この拡大されたエデンバネ機構４１１〜４４８の先端部３４０の変位を検出することにより、接触部１３０の変位を検出する分解能を向上させることができる。例えば、エデンバネ機構４１１〜４４８により測定子１１０の変位を数十倍にすることができるので、検出分解能を飛躍的に向上させることができる。
【０１２２】
（２）エデンバネ機構４１１〜４４８によって接触部１３０の変位を拡大するので、接触部１３０を被測定物表面に当接させて被測定物表面を検出する場合でも、接触部１３０が微小に変位する程度の弱い接触圧で接触部１３０を被測定物表面に当接させればよく、被測定物表面を破損することがない。
【０１２３】
（３）変位拡大機構部４００はエデンバネ機構４１１〜４４８を８つ備えるが、エデンバネ機構４１１〜４４８は２枚の板バネ３１０、３２０を近接配置した簡素な構成であり、構成部品が小さくかつ極めて少ないので、変位拡大機構部４００は極めて小型化が可能である。その結果、従来の変位センサに比べて高分解能でありながらも非常に小型化することができるという画期的な効果を奏する。
【０１２４】
（４）８つのエデンバネ機構４１１〜４４８は、仮想円Ｃの円周上において等間隔に配設されているので、８つのエデンバネ機構４１１〜４４８には異方性がなく、接触部１３０の変位に対して８つのエデンバネ機構４１１〜４４８は同じ感度で反応する。よって、接触部１３０の変位を検出するにあたって検出方向による誤差がなく、検出精度を向上させることができる。
【０１２５】
（５）変位拡大機構部４００は、並列エデンバネ機構４１０〜４４０を４組備えているところ、一の面内に２つのエデンバネ機構４１１〜４４８が並列エデンバネ機構４１０〜４４０として配設されているので、この面内の変位成分を二倍の情報量で検出することができる。また、測定子１１０を中心として対向しているので、並列エデンバネ機構４１０〜４４０を構成する２つのエデンバネ機構では測定子１１０の変位に対して異なる感応を示す。そのため、並列エデンバネ機構４１０〜４４０の２つのエデンバネ機構を含む面内における測定子１１０の変位および変位方向を並列エデンバネ機構４１０〜４４０の各エデンバネ機構の各先端部３４０の変位から一義的に求めることができる。さらに、並列エデンバネ機構４１０〜４４０が二組あれば十分に測定子１１０の変位量と変位方向を求めることが可能となるところ、その倍である４組の並列エデンバネ機構４１０〜４４０を備えることによって、測定子１１０の変位量および変位方向を二重にチェックすることができる。
【０１２６】
（６）エデンバネ機構４１１〜４４８がスタイラス軸方向に対して平行に配設されているので、変位センサ１００をスタイラス軸線にそった縦長に構成することができる。
【０１２７】
（７）エデンバネ機構４１１〜４４８の先端部３４０の変位を検出するにあたって、変位検出手段６００は、エデンバネ機構４１１〜４４８の先端部３４０をそのまま可動電極とし、各エデンバネ機構４１１〜４４８の先端部３４０を間にして互いに反対側に２枚の固定電極５１０、５２０を備えるだけであるので、変位検出手段６００は構成部品が少なく非常に小型化される。その結果、非常に小型の変位センサ１００とすることができる。
【０１２８】
（８）制動手段７００によってエデンバネ機構４１１〜４４８の振動を抑えることができるので、エデンバネ機構４１１〜４４８の振動に起因する検出誤差を排除して検出精度を向上させることができる。
そして、制動手段７００としては導電板７１０と磁石７２０、７３０だけであるので、簡易な構成であり、エデンバネ機構４１１〜４４８の制動機能を備えつつも変位センサ１００を非常に小型化することができる。
【０１２９】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図９、図１０を参照して説明する。
第２実施形態の基本的構成は、第１実施形態に同様であるが、変位検出手段６００の構成に特徴を有する。すなわち、第２実施形態においては、エデンバネ機構４１１〜４４８の先端部３４０の変位を光電検出する点に特徴を有する。
図９は、第２実施形態を上下方向で切断した横断面図である。
図１０は、図９中のX-X線において水平に切断した縦断面図である。
【０１３０】
図９において、変位検出手段６００は、光をエデンバネ機構４１１〜４４８の先端部３４０に向けて照射する照明光学系６６０と、エデンバネ機構４４１〜４４８の先端部３４０に設けられ照明光学系６６０からの光を反射する光学素子としての直角プリズム６７０と、直角プリズム６７０によって反射された光を検出する光センサ６８０と、を備える。
【０１３１】
照明光学系６６０は、光を発射する光発射部（光発射手段）６６１と、光発射部６６１からの光を平行光束にするコリメータレンズ６６２と、コリメータレンズ６６２からの平行光束のうち８本の細い細光線を通過させる８つアパーチャー６６４を有するアパーチャープレート６６３と、アパーチャー６６４を通過した各細光線を各エデンバネ機構の先端部３４０に向けて反射するポリゴンプリズム（多面プリズム）６６５と、を備える。照明光学系６６０は、センサ本体部２００内において、その光軸を中心線Ｉに略一致させて設けられている。
【０１３２】
光発射部６６１は、ハウジング部２１０の天板２１２において中心線Ｉ上の位置に配設された光ファイバ６６９からの光を中心線Ｉに沿って発射する。
ここで、天板２１２から筒状の内筒部２１５が垂下するように付設され、コリメータレンズ６６２、アパーチャープレート６６３およびポリゴンプリズム６６５は、この内筒部２１５内に取付固定されている。
アパーチャープレート６６３は、８つの細孔であるアパーチャー６６４を有する。アパーチャー６６４は、８つのエデンバネ機構４１１〜４４８の配設位置に対応して、４５度ずつの等間隔に形成されている。
【０１３３】
ポリゴンプリズム６６５は、８つのエデンバネ機構４１１〜４４８に対応して８つの切子面６６６を有し、各切子面６６６は、アパーチャープレート６６３のアパーチャー６６４を通過して進行してきた細光線を直角方向に反射する。そして、内筒部２１５の下端側の側面において、ポリゴンプリズム６６５からの光を直角プリズム６７０に入射させる光通過孔２１６が穿設されている。切子面６６６で反射された光は、内筒部２１５の側面に穿設された光通過孔２１６を通過して直角プリズム６７０に入射する。
【０１３４】
直角プリズム６７０は、ポリゴンプリズム６６５から光通過孔２１６を通過してきた細光線を天板側に向けて反射する。なお、直角プリズム６７０は、エデンバネ機構４１１〜４４８の先端部３４０に配設されているところ、エデンバネ機構４１１〜４４８の先端部３４０が変位すると直角プリズム６７０の姿勢が変化するので、この直角プリズム６７０による光の反射方向が変化する。
【０１３５】
光センサ６８０は、光の入射位置を検出する二次元光センサ６８０であり、天板２１２において各エデンバネ機構４１１〜４４８に対応して８つ設けられている。そして、光センサ６８０は、直角プリズム６７０から反射されてきた光の位置を検出する。
【０１３６】
なお、光センサ６８０と直角プリズム６７０との距離ｈを長くとるために、エデンバネ機構４１１〜４４８の長さは第１実施形態に比べて短くなっている。図９では、直角プリズム６７０から光センサ６８０までの距離はエデンバネ機構４１１〜４４８の長さよりもわずかに長い。
【０１３７】
このような第２実施形態において、エデンバネ機構４１１〜４４８の先端部３４０の変位を検出する動作について説明する。
【０１３８】
光発射部６６１から発射された光は、コリメータレンズ６６２によって平行光束となり、アパーチャープレート６６３に入射する。すると、アパーチャープレート６６３の各アパーチャー６６４を通過した８本の細光線がポリゴンプリズム６６５に入射する。ポリゴンプリズム６６５に入射した光は、各切子面６６６によって直角方向に反射され、内筒部２１５の光通過孔２１６を通過して、直角プリズム６７０に入射する。直角プリズム６７０に入射した光は二次元光センサ６８０に向けて反射されて、二次元光センサ６８０により受光される。
【０１３９】
ここで、エデンバネ機構４１１〜４４８の先端部３４０が基準位置から角度φだけ揺動変位した場合、直角プリズム６７０による光の反射方向は先端部３４０の角度変化φの２倍である２φの変化をする。そして、直角プリズム６７０から光センサ６８０までの距離をｈとすると、光の反射方向が２φ変化することにより、光センサ６８０上において光の入射位置は２φｈの変化になる。例えば、エデンバネ機構４１１〜４４８の先端部３４０の変位がΔｘ＝０．０１μｍであり、エデンバネ機構４１１〜４４８の第１板バネ３１０と第２板バネ３２０との間隔ａを０．２ｍｍ、直角プリズム６７０と光センサ６８０との距離ｈを５０ｍｍとすると、光センサ６８０上における光入射位置の変化量は、次のように求められる。
【０１４０】
φ≒Ｘ／ａ＝０．５×１０−４
２φｈ＝５μｍ
【０１４１】
すなわち、エデンバネ機構４１１〜４４８の先端部３４０における変位（０．０１μｍ）が光センサ６８０上において５００倍に拡大される。
【０１４２】
このような第２実施形態によれば、上記の効果（１）〜（６）（８）に加えて、次の効果を奏することができる。
（９）変位検出手段６００において、エデンバネ機構４１１〜４４８の先端部３４０の変位を光電検出する構成としたので、エデンバネ機構４１１〜４４８の先端部３４０の変位を「光てこ」によって拡大して検出することができる。
すなわち、エデンバネ機構４１１〜４４８の先端部３４０が角度φだけ揺動変位すると、先端部３４０に設けられた直角プリズム６７０による光の反射方向は先端部３４０の変位角度φの２倍である２φ変化するので、直角プリズム６７０と光センサ６８０との距離ｈにより光センサ６８０への光の入射位置が２φｈという大きな変化を示す。よって、接触部１３０の変位がエデンバネ機構４１１〜４４８によって先端部３４０の大きな変位に拡大することに加えて、さらに、先端部３４０の変位を「光てこ」によって拡大するので、検出分解能を画期的に向上させることができる。
【０１４３】
（１０）照明光学系６６０において、光源である光発射部６６１が一つであるので、例えばエデンバネ機構４１１〜４４８の数だけ光源を設けることに比べて、部品点数を少なくすることができる。
【０１４４】
（１１）光センサ６８０では、光の入射位置の変化を検出する必要があるところ、光センサ６８０に入射する光はスポット状に入射して光センサ６８０によって入射点が検出されなければならないが、この点、本第２実施形態では微小径のアパーチャー６６４で光を絞ることにより細光線として光センサ６８０に入射させるので、光センサ６８０により光の入射位置の変化を検出することができる。
【０１４５】
（１２）照明光学系６６０の光軸がスタイラス１２０の軸方向に一致するように、例えば、光発射部６６１、コリメータレンズ６６２、ポリゴンプリズム６６５をスタイラス１２０の軸線に沿って配設し、さらに、光センサ６８０をエデンバネ機構４１１〜４４８の先端部３４０からスタイラス１２０の軸線方向に沿って離間した位置に配設するので、変位センサ１００をスタイラス１２０の軸方向に沿った縦長に構成できる。
【０１４６】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図１１を参照して説明する。
第３実施形態の基本的構成は、第１実施形態に同様であるが、接触部１３０の揺動支点８１１を構造的に固定する点に特徴を有する。
図１１において、変位センサ１００は、接触部１３０の揺動支点８１１を固定する揺動支点固定手段８００を備え、揺動支点固定手段８００は、接触部１３０の揺動支点８１１となる固定球８１０と、この固定球８１０の位置を固定する固定球位置決め手段８２０と、を備えている。
【０１４７】
固定球８１０は、仮想円Ｃの中心において位置がほぼ固定された球体である。
固定球位置決め手段８２０は、天板２１２から垂下する状態に設けられた内筒部２１５と、下端面に固定球８１０が埋設された円筒ブロック８２２と、円筒ブロック８２２を支持する二枚の円形薄板バネ８２３、８２４と、を備えている。
【０１４８】
内筒部２１５は、天板２１２から可動部４６０に近接する位置までの長さを有する。
円筒ブロック８２２は、内筒部２１５の内側に配設されており、下端面に固定球８１０が埋設されて固定されている。
円形薄板バネ８２３、８２４は二枚設けられている。
第１円形薄板バネ８２３は、内筒部２１５の下端面に設けられ、円筒ブロック８２２の下端面と連結されている。
第２円形薄板バネ８２４は、内筒部２１５の内側において内筒部２１５の上面と略同程度の高さに配設され、円筒ブロック８２２の上端面と連結されている。この２枚の円形薄板バネ８２３、８２４により、円筒ブロック８２２は中心線Ｉに交差する方向への変位は規制され、中心線Ｉに沿った方向へは円形薄板バネ８２３、８２４のたわみによって許容される。
【０１４９】
また、可動部４６０の上面において仮想円Ｃの中心に円錐形の小穴４６１が形成されており、固定球８１０が滑らかに滑動可能に嵌設されている。
【０１５０】
このような構成において、接触部１３０がＸＹ平面内で変位した場合、スタイラス１２０が固定球８１０を揺動支点８１１として揺動する。このとき、可動部４６０も固定球８１０を支点８１１として揺動し、可動部４６０の端部が上下することでエデンバネ機構４１１〜４４８の自由端３１１が変位される。自由端３１１の変位がエデンバネ機構４１１〜４４８の先端部３４０の変位に拡大され、先端部３４０の変位が変位検出手段６００にて検出される。
【０１５１】
また、接触部１３０がＺ方向に変位した場合には、測定子１１０とともに可動部４６０がＺ方向に変位する。この可動部４６０の変位によりエデンバネ機構４１１〜４４８の自由端３１１が変位して、エデンバネ機構４１１〜４４８の先端部３４０の変位に拡大され、このエデンバネ機構の先端部３４０の変位が変位検出手段６００にて検出される。このとき、円筒ブロック８２２は円形薄板バネ８２３、８２４によって支持されているので、円形薄板バネ８２３、８２４のたわみによって円筒ブロック８２２とともに固定球８１０もＺ方向に変位する。
【０１５２】
このような第３実施形態によれば、上記の効果（１）〜（８）に加えて、次の効果を奏する。
（１３）揺動支点固定手段８００を備えているので、接触部１３０の揺動支点を構造的に固定することができる。このように接触部１３０の揺動支点を構造的に固定するので、エデンバネ機構の先端部３４０の変位から接触部１３０の変位を簡便に算出することができる。
【０１５３】
（１４）揺動支点を構造的に固定しない場合には、エデンバネ機構４１１〜４４８の強度によって接触部１３０の揺動支点が異なってくることになるので、エデンバネ機構４１１〜４４８の先端部３４０の変位から接触部１３０の変位量を算出する式を揺動支点の位置に応じて製品ごとにから作成しなければならないが、本第３実施形態では、揺動支点８１１を固定しているので、総ての製品で同じ算出式およびパラメータを用いることができ、簡便である。よって、一つ一つの製品について揺動支点の位置を試験によって求める必要がなく、製造の手間を省力化し、製造効率を向上させることができる。
【０１５４】
（１５）揺動支点８１１としての固定球８１０が設けられているので、この固定球８１０を支点８１１として接触部１３０が揺動することができる。このとき、支点８１１を球体としているので、接触部１３０の揺動方向は、例えば一の面内に制限されることはなく、接触部１３０は全方向に自由に揺動変位できる。例えば、接触部１３０を被測定物表面に当接させて被測定物表面を検出する場合でも、全方位から接触部１３０を被測定物表面にアプローチさせることができる。
【０１５５】
（１６）可動部４６０に小穴４６１が設けられ、この小穴４６１に固定球８１０が嵌設されているので、固定球８１０に対して可動部４６０がずれず、その結果、接触部１３０が確実に固定球８１０を揺動支点８１１として揺動する。
【０１５６】
（１７）可動部４６０は固定球８１０に当接して揺動の支点を固定されるので、接触部１３０がＸ方向（またはＹ方向）に変位すれば可動部４６０は固定球８１０を支点として揺動し、可動部４６０の中心がＺ方向に変位することがない。一方、接触部１３０がＺ方向に変位した場合には、可動部４６０がＺ方向に変位する。このように、接触部１３０がＸ方向（またはＹ方向）に変位する限りは可動部４６０の中心がＺ方向に変位することがなく、測定子１１０がＺ方向に変位したときにのみ可動部４６０（の中心）がＺ方向に変位する。すなわち、接触部１３０のＺ方向への変位とＸ方向への変位が明確に分けられる。
【０１５７】
（変形例１）
本発明の変形例１について図１２を参照して説明する。
変形例１の基本的構成は、第３実施形態と同様であるが、変位検出手段６００の構成に特徴を有し、すなわち、第２実施形態において説明したようにエデンバネ機構の先端部３４０の変位を光電検出する変位検出手段６００を備える点に特徴を有する。
【０１５８】
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について図１３を参照して説明する。
第４実施形態の基本的構成は、第２実施形態に同様であるが、エデンバネ機構４１１〜４４８が、その長手方向を中心線Ｉに対して４５度の角度をなす方向に向けた状態で配設されている点に特徴を有する。
【０１５９】
図１３において、ハウジング部２１０の下端側には、固定円筒２１７が取付固定されている。
固定円筒２１７は、中心を貫通する貫通孔２１８を有し、この貫通孔２１８の上方側開口は円錐型の広口部２１９になっている。そして、固定円筒２１７の広口部２１９において、可動部４６０が配設されている。
エデンバネ機構４１１〜４４８の固定端３２１は固定円筒２１７の側面に取付固定され、自由端３１１は、可動部４６０に連結されている。
測定子１１０は、接触部１３０が外部に位置する状態で固定円筒２１７の貫通孔２１８内に挿入され、スタイラス１２０の基端が可動部４６０に取付けられている。
【０１６０】
変位検出手段６００の構成は、基本的に第２実施形態にて説明した構成に同様であるが、次の点が異なっている。すなわち、照明光学系６６０は、コリメータレンズ６６２に代えて集光レンズ６６７を有し、アパーチャープレート６６３に代えて円形遮蔽板６６８を有する。円形遮蔽板６６８は光発射部６６１と集光レンズ６６７との間において、光束の中央部を遮蔽するように配設されている。
また、エデンバネ機構４１１〜４４８の先端部３４０には、直角プリズム６７０に代えて平面ミラー６７１が設けられている。
【０１６１】
光発射部６６１からの光は、集光レンズ６６７に照射され、この集光レンズ６６７によって焦点位置にて結像する。ここで、集光レンズ６６７の焦点位置は光センサ６８０の表面である。すなわち、光発射部６６１からの光は集光レンズ６６７を通過してポリゴンプリズム６６５に入射する。ポリゴンプリズム６６５に入射した光は、ポリゴンプリズム６６５の各切子面６６６にて反射されて各エデンバネ機構４１１〜４４８の先端部３４０に設けられた平面ミラー６７１に入射する。そして、平面ミラー６７１により反射された光が光センサ６８０に入射し、各光センサ６８０の表面において結像する。
【０１６２】
第４実施形態において、４５度に設けられたエデンバネ機構４１１〜４４８の先端部３４０の変位について説明する。
接触部１３０がＸ方向にΔＸ変位した場合、エデンバネ機構４１１〜４４８の先端部３４０の揺動角度φｘは次の式で表される。
ここで、ａはエデンバネ機構４１１〜４４８の第１板バネ３１０と第２板バネ３２０との間隔であり、ｌは可動部４６０から揺動支点８１１までの距離であり、ｒは仮想円Ｃの半径である。
【０１６３】
【数３】
0004833634.tif 000004
【０１６４】
ここで、第１実施形態のごとくエデンバネ機構が中心線に平行に配設されているとして、接触部１３０がＸ方向にΔＸ変位した場合、エデンバネ機構４１１〜４４８の先端部３４０の揺動角度φｘは次の式で表される。ここで、Ｌは接触部１３０から揺動支点８１１までの距離である。
【０１６５】
【数４】
0004833634.tif 000005
【０１６６】
ここで、（式１）と（式２）とで両辺の比をとると次のようになる。
【０１６７】
【数５】
0004833634.tif 000006
【０１６８】
すなわち、エデンバネ機構４１１〜４４８を４５度に配設することによって、第１実施形態のごとくエデンバネ機構４１１〜４４８を中心線Ｉに平行に配設する場合に比べ、接触部１３０のＸ方向変位に対する先端部３４０の揺動角度φｘが（式３）の右辺の値だけ変化することになる。
そして、可動部４６０から揺動支点８１１までの距離ｌを仮想円Ｃの半径ｒよりも大きくすることによって（式３）の右辺を１よりも大きくすれば、エデンバネ機構の先端部３４０の揺動角度φｘが（式３）の右辺の値だけ大きくなる。
【０１６９】
このような構成を備える第４実施形態によれば、上記の効果（１）〜（６）（８）〜（１２）に加えて、次の効果を奏する。
（１８）エデンバネ機構４１１〜４４８をスタイラス軸線方向に対して４５度に配設するので、エデンバネ機構４１１〜４４８をスタイラス軸方向に平行に配設する場合にくらべて、接触部１３０のＸ方向（Ｙ方向）変位に対する感度が向上する。そして、エデンバネ機構４１１〜４４８を４５度に配設することによってエデンバネ機構４１１〜４４８を配設する仮想円Ｃの半径ｒを小さくしたままで接触部１３０のＸ方向（Ｙ方向）変位に対する感度を向上させることができるので、Ｘ方向（Ｙ方向）変位への感度が高い小型の変位センサ１００とすることができる。
【０１７０】
（１９）光センサ６８０では、光の入射位置の変化を検出する必要があるところ、光センサ６８０に入射する光はスポット状に入射して光センサ６８０によって入射点が検出されなければならないが、この点、光発射部６６１からの光が集光レンズ６６７によって光センサ６８０のセンサ面にて結像するので、光センサ６８０によって光の入射位置の変化を検出することができる。また、光発射部６６１からの光を集光レンズ６６７によって結像させることによって光を光センサ６８０にスポット状に入射させるので、例えば、光束をアパーチャー６６４で絞って細光線とする場合に比べて光量損失を少なくすることができる。
【０１７１】
ここで、例えば、接触部１３０がｚ方向へ変位した際のエデンバネ機構の先端部３４０の変位量と接触部１３０がｘ方向へ変位した際のエデンバネ機構の先端部３４０の変位量とが「１：１」になるようにする場合には、次のようにすればよい。
接触部１３０がＺ方向へΔＺ変位したときのエデンバネ機構の先端部３４０の揺動角度φｚは、次の式で表される。
【０１７２】
【数６】
0004833634.tif 000007
【０１７３】
この（式４）を（式１）と比較して、両辺の比を１にするためには、次の式が満たされればよい。
【０１７４】
ｃｏｓ（π／４）＝{ｌｓｉｎ（π／４）＋ｒｃｏｓ（π／４）}／Ｌ
【０１７５】
すなわち、Ｌ＝ｌｔａｎ（π／４）＋ｒであるので、Ｌ＝ｒ＋ｌとすればよい。
【０１７６】
また、接触部１３０がｚ方向へ変位した際のエデンバネ機構の先端部３４０の変位量と接触部１３０がｘ方向へ変位した際のエデンバネ機構の先端部３４０の変位量とが「ｋ：１」になるようにする場合（ただし、ｋ＞１）、ｔａｎφｚ：ｔａｎφｘ＝ｋ：１であるので、Ｌ＝ｋ（ｒ＋ｌ）とすればよい。
【０１７７】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されず、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
上記実施形態では、変位拡大機構部が８つのエデンバネ機構を備える場合を例にして説明したが、エデンバネ機構３００が３つであってもよい。例えば、図１４に示されるように仮想円Ｃの円周上に等間隔（１２０度間隔）で３つのエデンバネ機構を配設してもよい。あるいは、エデンバネ機構を４つとする場合には、９０度間隔で配置してもよい。
【０１７８】
エデンバネ機構は、一枚の板バネの途中を折り曲げて第１板バネ３１０と第２板バネ３２０とし、折曲部を２段階で折り曲げて直角の折曲を２つ形成することで第１板バネ３１０と第２板バネ３２０とする場合を例にして説明したが、例えば、２枚の板バネを用いて第１板バネ３１０と第２板バネ３２０との先端部の間に薄板状の連結部材を介して連結してもよい。
【０１７９】
エデンバネ機構は、中心線Ｉに平行でもよく、中心線に対して４５度の角度でもよく、中心線Ｉに対して４５度以内の角度であればよい。
【０１８０】
第１実施形態において変位検出手段の固定電極は、金属板で構成されてもよく、あるいは例えば金属薄膜をハウジング部および内筒部に蒸着することによって形成してもよい。
【０１８１】
仮想円Ｃの内側に自由端３１１、仮想円Ｃの外側に固定端３２１として、外側を固定部材、内側を可動部４６０としたが、逆でもいい。つまり、固定部４５０を内側にし、可動部４６０をリング状にして外側に配し、固定端３２１を固定部４５０に固定し、自由端３１１を外側の可動部４６０に連結してもよい。可動部４６０の半径が大きい方が、接触部１３０の変位に対する可動部４６０の端部の揺動変位も大きくなるので、自由端３１１がそれだけ大きく変位し、結果として、エデンバネ機構の先端部３４０の変位も大きくなり、検出感度が向上する。
【０１８２】
第２実施形態および第４実施形態において、ポリゴンプリズムからの光センサに向けて反射する光学素子として直角プリズムおよび反射ミラーを例にして説明したが、光学素子としては、照明光学系からの光を反射するのみならず屈折させるプリズムであってもよい。また、光発射部が一つではなく、複数設けられていてもよく、例えばエデンバネ機構の数だけ設けられていてもよい。
【０１８３】
上記実施形態において、被測定物の形状を測定する形状測定機を例にして説明したが、本発明の変位センサは、被測定物表面の粗さ、うねり等を測定する表面性状測定装置にも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１８４】
本発明は、変位センサとしてのプローブに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１８５】
【図１】第１実施形態を上下方向で切断した横断面図である。
【図２】図１中のII-II線において水平に切断した縦断面図である。
【図３】変位拡大機構部の構成を示す斜視図である。
【図４】接触部が上方（＋Ｚ方向）に変位した場合の第１並列エデンバネ機構４１０の変化を示す図。
【図５】接触部が下方（−Ｚ方向）に変位した場合の第１並列エデンバネ機構４１０の変化を示す図。
【図６】接触部が横方向（＋Ｘ方向）に変位した場合の第１並列エデンバネ機構４１０の変化を示す図。
【図７】エデンバネ機構の先端部が変位した状態の拡大図。
【図８】エデンバネ機構に対比して片持ち梁を示す図。
【図９】第２実施形態を上下方向で切断した横断面図。
【図１０】図９中のX-X線において水平に切断した縦断面図。
【図１１】第３実施形態の構成を示す図。
【図１２】変形例１の構成を示す図。
【図１３】第４実施形態の構成を示す図。
【図１４】エデンバネ機構を３つ備える場合の例を示す図。
【図１５】背景技術の説明において、プローブを利用した形状測定装置の構成を示す図。
【図１６】背景技術の説明において、プローブを示す図。
【符号の説明】
【０１８６】
１０…形状測定装置、１１…プローブ、１２…駆動機構、１３…スタイラス、１４…接触部、１５…本体部、１００…変位センサ、１１０…測定子、１２０…スタイラス、１３０…接触部、２００…センサ本体部、２１０…ハウジング部、２１１…収納空間、２１２…天板、２１３…信号引出孔、２１４…下端側開口端縁、２１５…内筒部、２１６…光通過孔、２１７…固定円筒、２１８…貫通孔、２１９…広口部、３００…エデンバネ機構、３１０…第１板バネ、３１１…自由端、
３２０…第２板バネ、３２１…固定端、３４０…先端部、４００…変位拡大機構部、４１０…第１並列エデンバネ機構、４１１…第１エデンバネ機構、４１５…第５エデンバネ機構、４２０…第２並列エデンバネ機構、４２２…第２エデンバネ機構、４２６…第６エデンバネ機構、４３０…第３並列エデンバネ機構、４３３…第３エデンバネ機構、４３７…第７エデンバネ機構、４４０…第４並列エデンバネ機構、４４４…第４エデンバネ機構、４４８…第８エデンバネ機構、４５０…固定部、４６０…可動部、４６１…小穴、４９０…片持ち梁、４９１…板バネ、４９２…先端、５１０…固定電極、５１１…アース線、５２０…固定電極組、５２１…外側固定電極、５２２…内側固定電極、５２３…信号引出線、６００…変位検出手段、６１１…第１コンデンサ部、６１５…第５コンデンサ部、６２２…第２コンデンサ部、６２６…第６コンデンサ部、６３３…第３コンデンサ部、６３７…第７コンデンサ部、６４４…第４コンデンサ部、６４８…第８コンデンサ部、６５０…信号処理部、６６０…照明光学系、６６１…光発射部、６６２…コリメータレンズ、６６３…アパーチャープレート、６６４…アパーチャー、６６５…ポリゴンプリズム、６６６…切子面、６６７…集光レンズ、６６８…円形遮蔽板、６６９…光ファイバ、６７０…直角プリズム、６７１…平面ミラー、６８０…光センサ、７００…制動手段、７１０…導電板、７２０…第１磁石、７３０…第２磁石、７４０…連結部材、８００…揺動支点固定手段、８１０…固定球、８１１…揺動支点、８２０…固定球位置決め手段、８２２…円筒ブロック、８２３…第１円形薄板バネ、８２４…第２円形薄板バネ。
【図１】
0004833634.tif 000008
【図２】
0004833634.tif 000009
【図３】
0004833634.tif 000010
【図４】
0004833634.tif 000011
【図５】
0004833634.tif 000012
【図６】
0004833634.tif 000013
【図７】
0004833634.tif 000014
【図８】
0004833634.tif 000015
【図９】
0004833634.tif 000016
【図１０】
0004833634.tif 000017
【図１１】
0004833634.tif 000018
【図１２】
0004833634.tif 000019
【図１３】
0004833634.tif 000020
【図１４】
0004833634.tif 000021
【図１５】
0004833634.tif 000022
【図１６】
0004833634.tif 000023