(57)【要約】 【課題】被測定物表面に対する負荷が小さい接触プローブを提供する。【解決手段】被測定物表面に当接する接触部３１２を先端に有する測定子３１０と、測定子３１０の変位を検出する検出センサと、測定子３１０の軸方向とは略直交して配置された弾性体のプレートであって測定子３１０の基端側を支持する支持プレート４２０と、測定子３１０を変位させるスタイラス変位手段４４０と、を備える。スタイラス変位手段４４０は、支持プレート４２０に応力を付与してそれぞれの点における支持プレート４２０の弾性変形量を変化させるアクチュエータ４４１〜４４３を備えている。【選択図】図３
2007205998.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物表面に当接する接触部を先端に有する測定子と、
前記測定子の変位を検出する検出センサと、
前記測定子の軸方向とは略直交して配置された弾性体のプレートであって前記測定子の基端側を支持する支持プレートと、
前記測定子を変位させる測定子変位手段と、を備え、
前記測定子変位手段は、
直線上にない３点以上において前記支持プレートに応力を付与してそれぞれの点における前記支持プレートの弾性変形量を変化させる応力付与手段を備える
ことを特徴とする接触プローブ。
【請求項２】
請求項１に記載の接触プローブにおいて、
前記支持プレートは、前記測定子の軸線が通る点を中心点とする円形であり、
前記応力付与手段は、前記支持プレートの中心点を中心とする仮想円上において等間隔に配備されている
ことを特徴とする接触プローブ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の接触プローブと、
前記接触プローブを被測定物に対して相対的に移動させて前記接触プローブを前記被測定物表面に対して当接または離間させる駆動機構と、
前記駆動機構の駆動量を検出する駆動センサと、
前記駆動機構および前記測定子変位手段を駆動制御する動作制御部と、
前記検出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表面の形状を解析する解析手段と、を具備し、
前記動作制御部は、
前記被測定物表面に当接した前記接触部が前記被測定物表面から受ける測定圧によって生じる前記接触部の変位が予め設定された基準押込量に達したときに前記被測定物表面と前記接触部との接触を検知する接触検知部と、
前記接触検知部にて前記接触部と前記被測定物表面との接触が検知された際に前記測定子変位手段を駆動させて前記接触部と前記被測定物表面との接触圧が減少する方向に前記測定子を変位させるプローブ駆動制御部と、を備える
ことを特徴とする形状測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の形状測定装置において、
前記プローブ駆動制御部は、
前記検出センサにて検出された接触部の変位に基づいて接触点における被測定物表面の法線方向を算出する法線ベクトル算出部と、
前記法線ベクトル算出部にて算出された法線ベクトルの向きに前記接触部を変位させるために必要な各応力付与手段の駆動量を算出する分配量算出部と、
前記分配量算出部にて算出された各応力付与手段の駆動量に応じて各応力付与手段を駆動させる応力付与駆動部と、を備える
ことを特徴とする形状測定装置。
【請求項５】
請求項１または請求項２に記載の接触プローブと、
前記接触プローブを被測定物表面に沿って相対移動させる駆動機構と、
前記駆動機構の駆動量を検出する駆動センサと、
前記駆動機構および前記測定子変位手段を駆動制御する動作制御部と、
前記検出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表面の形状を解析する解析手段と、を具備し、
前記動作制御部は、
前記測定子変位手段を駆動させて前記接触部を前記被測定物表面の法線方向に振動させるプローブ加振制御部を備える
ことを特徴とする形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接触プローブおよび形状測定装置に関する。例えば、接触プローブにより被測定物の形状を測定する形状測定装置に関する。
【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。そして、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接触プローブが使用される（特許文献１）。
【０００３】
図２１に、接触プローブを利用した三次元測定機１０の構成を示す。
三次元測定機１０は、接触プローブ１１と、この接触プローブ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。接触プローブ１１は、図２２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の基端を支持するセンサ本体部１５と、を備えている。センサ本体部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。
【０００４】
このような接触プローブによって被測定物表面を検出するにあたってはタッチ測定が例として挙げられる。
タッチ測定では、まず、駆動機構１２によって接触プローブ１１を移動させ、接触部１４を被測定物表面の測定ポイントに当接させる。そして、接触部１４を被測定物に押し込む方向に接触プローブ１１を移動させていき、接触部１４の変位として所定の押込量（基準押込量）が検出されたところで接触部１４と被測定物表面との接触を検出する。接触部１４と被測定物表面との接触を検出したところで、接触部１４の座標をサンプリングして、被測定物表面の測定を実行する。接触部１４の座標をサンプリングした後、タッチバック動作により接触プローブ１１を被測定物から離間させ、あらためて接触部１４を次の測定ポイントに当接させる。このようなタッチ測定を繰り返し実行して、被測定物表面を測定する。
【０００５】
【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】
【０００６】
しかしながら、接触部１４を被測定物表面に所定量押し込んだときに接触部１４と被測定物表面との接触を検出するところ、駆動機構の慣性のためにオーバートラベルが生じ、所定量以上に接触部１４を被測定物表面に押し込んでしまうことになる。
このようにオーバートラベルが生じて所定量以上に接触部１４を被測定物表面に押し込み過ぎると、スタイラス１３に大きな負荷がかかることはもちろん、被測定物表面を損傷させるという問題が生じる。
【０００７】
さらに、測定精度を向上させるためには接触部１４を微小にすることが必要であるが、接触部１４を小さくすると単位面積あたりの圧力が大きくなってしまうので、被測定物表面の損傷が激しくなるという問題が生じる。
そのため、接触式の測定において、高精度の測定を行うとともに被測定物表面への負荷を小さくすることが困難であった。
【０００８】
本発明の目的は、被測定物表面に対する負荷が小さい接触プローブおよび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】
【０００９】
本発明の接触プローブは、被測定物表面に当接する接触部を先端に有する測定子と、前記測定子の変位を検出する検出センサと、前記測定子の軸方向とは略直交して配置された弾性体のプレートであって前記測定子の基端側を支持する支持プレートと、前記測定子を変位させる測定子変位手段と、を備え、前記測定子変位手段は、直線上にない３点以上において前記支持プレートに応力を付与してそれぞれの点における前記支持プレートの弾性変形量を変化させる応力付与手段を備えることを特徴とする。
【００１０】
このような構成において、測定子の接触部が被測定物表面に当接すると、被測定物表面から接触部に対して力が作用する。すると、測定子は弾性体である支持プレートにて支持されているので、被測定物表面から受ける力に応じた量だけ変位する。このとき、支持プレートは弾性体のプレートであって、測定子の軸方向とは略直交して配置された状態で測定子を支持しているので、支持プレートが上下動または任意の方向に傾斜することにより測定子の３次元的変位が許容される。被測定物表面との接触による測定子の変位は検出センサにて検出される。そして、例えば、測定子の変位が予め設定された所定量（基準押込量）に達したときに接触部と被測定物表面との接触が検知される。また、支持プレートに配備された応力付与手段が駆動すると、それぞれの点において支持プレートに応力が付与されて支持プレートがそれぞれの点で弾性変形される。
【００１１】
ここで、支持プレートに対する応力は直線上にない３点以上に付与されるので、これら３点によって支持プレートの傾斜角が一義的に決定される。そして、測定子は支持プレートに支持されているところ、支持プレートの傾斜角とともに測定子が変位するので、支持プレートの傾斜角が応力付与手段からの応力調整で決定されることにより測定子の変位が一義に決定される。
【００１２】
このような構成によれば、被測定物表面に当接した際の押圧力によって測定子が変位することの他に、測定子変位手段の駆動によっても測定子は変位可能である。
例えば、タッチ測定では、接触部を所定量まで押し込んだところで接触を検知し、接触検知の後、すぐにタッチバックするが、接触プローブと被測定物を相対移動させる駆動機構には慣性が働くために、すぐにタッチバック動作を実行できずに、接触プローブを基準量以上に被測定物表面に押し込みすぎてしまう恐れがある。
【００１３】
この点、本発明においては、測定子変位手段を備えているので、接触プローブと被測定物とを相対移動させる駆動機構の動作に関係なく、測定子変位手段により測定子を被測定物表面から離間させる向きに変位させることができる。すると、被測定物表面に接触部を過剰に押し込むことがないので、測定の対象となる被測定物の表面を損傷することがない。
特に、測定精度を向上させるために接触部を微小する場合には単位面積あたりの接触圧が大きくなるので被測定物表面を損傷する危険が高くなるが、本発明によれば、所定量以上に接触部を被測定物表面に押し込むことがないので、微小な接触部によって高精度に測定し、かつ、被測定物表面の損傷を防止することができる。
【００１４】
また、この接触プローブを倣い測定に使用する場合でも倣い測定の際に問題となる摩擦を軽減することができる。
例えば、接触部を被測定物表面に沿って倣い移動させる際に、所定の周期で押込量を減少させるように測定子変位手段を駆動させて接触部を変位させる。倣い測定において押込量を一定にして倣い測定をすると、接触部と被測定物表面との摩擦によって測定子に歪みが溜まることになるが、測定子変位手段によって測定子を微小に変位させて押込量を小さくすることにより押込圧を減少させることができる。すると、測定子にたまる歪みエネルギーを周期的に開放することができる。
【００１５】
このように、本発明によれば、測定子を測定子変位手段によって変位させることができるので、接触部と被測定物表面との押込圧を所望のタイミングで減少させて被測定物表面あるいは測定子の損傷を防止することができる。
【００１６】
また、測定子変位手段を構成する応力付与手段は、支持プレートの３点以上において応力を付与するので、支持プレートを任意の傾斜にすることができ、測定子を任意の方向へ変位させることができる。したがって、接触部が被測定物表面に接触する方向性に関係なく、接触部を被測定物表面から離間する方向に変位させることができる。
【００１７】
なお、応力付与手段としては、トップ部が出没したりあるいは全体が伸縮するなどにより、支持プレートに押圧力を付与する構成とすることが例として挙げられる。
このような構成としては圧電素子を積層した圧電アクチュエータの他、磁歪アクチュエータ、静電アクチュエータ、超音波アクチュエータなどが例として挙げられる。
あるいは応力付与手段としては、支持プレートの表裏面に伸縮量が制御可能な板材（あるいは薄膜）を貼設したバイモルフ型の構成であってもよい。
【００１８】
以上に挙げた構成あれば、応答が速いので、所望のタイミングで測定子を被測定物表面から離間させるなどの動作を実行することができる。
例えば、接触プローブを被測定物に対して相対移動させる駆動機構では慣性の影響を受けるので急停止することは難しいが、応力付与手段の応答が速いことにより接触部が規定量以上に押し込まれる前に被測定物表面から接触部を離間させることができる。
したがって、被測定物表面および測定子が損傷することを確実に防止することができる。
【００１９】
本発明では、前記支持プレートは、前記測定子の軸線が通る点を中心点とする円形であり、前記応力付与手段は、前記支持プレートの中心点を中心とする仮想円上において等間隔に配備されていることが好ましい。
【００２０】
このような構成において、測定子の軸線が支持プレートの中心を通過しており、さらに、支持プレートは円形である。したがって、この支持プレートにて測定子を支持することにより異方性がなく、任意の方向で測定子を変位させた場合でも同一の応力に対する測定子の変位量を同じにすることができる。
また、応力付与手段は、支持プレートの中心点を中心とする仮想円上に等間隔に配置されているので、測定子を異方性なく任意の方向に変位させることができる。
【００２１】
なお、検出センサは、光源と、光を受光して光電変換により受光量に応じた受光信号を出力する光センサと、前記光源から発射された光の前記光センサへの入射位置を前記測定子の変位に応じてシフトさせる光シフト手段と、を備えていることが好ましい。
光シフト手段は、支持プレートに貼設され支持プレートとともに一体となって傾斜する反射ミラーにて構成することができる。
【００２２】
ここで、測定子のわずかな変位に対して光センサ上の光入射位置が大きく変化することが好ましく、例えば、測定子の軸線から支持プレートの可変部までの距離を短くすること、反射ミラー（光シフト手段）から光センサまでの距離を長くすること、さらには、光源から反射ミラー（光シフト手段）への光入射角を大きくすることが好ましい。
【００２３】
測定子の軸線から支持プレートの可変部までの距離が小さければ、測定子の変位に対する支持プレートの角度変化が大きくなるので、測定子の微小変位を高感度に検出することができる。
また、反射ミラーから光センサまでの距離が長ければ、光てこのレバー比が大きくなるので、測定子の微小変位を高感度に検出できる。
【００２４】
本発明の形状測定装置は、前記接触プローブと、前記接触プローブを被測定物に対して相対的に移動させて前記接触プローブを前記被測定物表面に対して当接または離間させる駆動機構と、前記駆動機構の駆動量を検出する駆動センサと、前記駆動機構および前記測定子変位手段を駆動制御する動作制御部と、前記検出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表面の形状を解析する解析手段と、を具備し、前記動作制御部は、前記被測定物表面に当接した前記接触部が前記被測定物表面から受ける測定圧によって生じる前記接触部の変位が予め設定された基準押込量に達したときに前記被測定物表面と前記接触部との接触を検知する接触検知部と、前記接触検知部にて前記接触部と前記被測定物表面との接触が検知された際に前記測定子変位手段を駆動させて前記接触部と前記被測定物表面との接触圧が減少する方向に前記測定子を変位させるプローブ駆動制御部と、を備えることを特徴とする。
【００２５】
このような構成において、駆動機構により接触プローブが被測定物に対して相対移動され、接触部が被測定物表面に当接する。そして、接触部が被測定物表面に押し込まれていき、接触部の変位が予め設定された基準押込量に達したとき、接触部が被測定物表面に当接したことが接触検知部によって検出される。
このように接触検知部によって接触部と被測定物表面との接触が検知されたときの駆動センサおよび検出センサの検出値がサンプリングされることにより被測定物表面の座標値が取得される。接触検知部にて接触部と被測定物表面との接触が検知されたところで次の測定ポイントに移るために駆動機構により接触プローブが被測定物表面からタッチバックされる。
【００２６】
ただし、駆動機構の動作については、駆動機構自体の重量および接触プローブの重量のために慣性が働くので急激に動作方向を変えることはできず、接触プローブを被測定物表面に向けて引き続き移動させてしまうことになる。
ここで、接触検知部にて接触が検知されたところで、プローブ駆動制御部により測定子変位手段が駆動される。すると、測定子変位手段により接触部と被測定物表面との接触圧が減少する方向に向けて測定子が変位する。そして、駆動機構によるタッチバックの後、接触プローブが次の測定ポイントへ移動される。
【００２７】
このような構成によれば、接触部と被測定物表面との接触が検知されたところで測定子変位手段によって被測定物表面から退避させる方向に向けて測定子が変位される。したがって、駆動機構が慣性の影響を受ける場合でも、接触部は被測定物表面に基準押込量以上に押し込まれることがない。よって、被測定物表面に接触部が過剰に押し込まれず、被測定物表面および測定子の損傷が防止される。
【００２８】
なお、接触部と被測定物表面との接触圧が減少する方向に測定子を変位させるにあたって、接触部が被測定物表面から離間するまで接触部を被測定物表面から離間させてもよく、あるいは、接触部が被測定物表面から離間しない範囲内で接触圧が減少する方向に変位させてもよい。
【００２９】
また、例えば、Ｖ溝内の一面を測定している場合に接触部を被測定物表面から退避動作させると、Ｖ溝の他面に接触部が当接してしまい、所定の退避動作が不能となる事態も想定される。このように退避動作中に異常が検出される場合には測定動作を停止することが望ましい。これにより、接触プローブの破損や測定不能に陥ることを回避することができる。
【００３０】
本発明では、前記プローブ駆動制御部は、前記検出センサにて検出された接触部の変位に基づいて接触点における被測定物表面の法線方向を算出する法線ベクトル算出部と、前記法線ベクトル算出部にて算出された法線ベクトルの向きに前記接触部を変位させるために必要な各応力付与手段の駆動量を算出する分配量算出部と、前記分配量算出部にて算出された各応力付与手段の駆動量に応じて各応力付与手段を駆動させる応力付与駆動部と、を備えることが好ましい。
【００３１】
このような構成において、接触部が被測定物表面に接触したことが検知された際にプローブ駆動制御部によって接触部と被測定物表面との接触圧が減少する方向へ測定子が変位されるところ、まず、法線ベクトル算出部によって接触点における被測定物表面の法線ベクトルが算出される。
ここで、接触部が被測定物表面に押し込まれて被測定物表面に押圧力を加えるところ、被測定物表面からの反力によって接触部は変位される。したがって、接触部の変位が（Δｘ、Δｙ、Δｚ）である場合、接触点における被測定物表面の法線方向のベクトルは（Δｘ、Δｙ、Δｚ）である。
【００３２】
次に、この法線ベクトルの方向に接触部を変位させるために必要な各応力付与手段の駆動量が分配量算出部により算出される。そして、算出された各応力付与手段の駆動量に応じて応力付与駆動部から各応力付与手段に制御電圧等の制御信号が出力され、各応力付与手段が駆動される。すると、各応力付与手段の駆動によって支持プレートの各点の弾性変形量が変化されて支持プレートの傾斜角が変化する。支持プレートの傾斜角とともに測定子が変位して、接触部が被測定物表面の法線方向へ変位する。
【００３３】
本発明の形状測定装置は、前記接触プローブと、前記接触プローブを被測定物表面に沿って相対移動させる駆動機構と、前記駆動機構の駆動量を検出する駆動センサと、前記駆動機構および前記測定子変位手段を駆動制御する動作制御部と、前記検出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表面の形状を解析する解析手段と、を具備し、前記動作制御部は、前記測定子変位手段を駆動させて前記接触部を前記被測定物表面の法線方向に振動させるプローブ加振制御部を備えることを特徴とする。
【００３４】
このような構成において、接触プローブが駆動機構によって被測定物表面に沿って移動されることにより倣い測定が実行される。
この倣い測定にあたって、まず、プローブ加振制御部からの制御信号によって測定子変位手段が駆動され測定子が加振される。このとき、接触部の振動方向は被測定物表面の法線方向である。例えば、測定動作に先立って被測定物の輪郭データが予め設定入力されており、この輪郭データと倣い測定の測定経路とに基づいて各測定ポイントにおける被測定物表面の法線方向が予め算出され、この算出された法線方向に接触部が加振される。接触部が被測定物表面の法線方向に加振された状態で駆動機構により接触プローブが被測定物表面に沿って倣い移動される。すると、接触部が振動しているので、接触部が被測定物表面をタッピングしながら倣い移動する。接触部の振動を含めて接触部の変位は検出センサにて検出されているところ、接触部の振動の振幅が所定のレベルに抑えられたときに接触部と被測定物表面との接触を検知することが例として挙げられる。接触部の変位を検出センサで検出するとともに駆動機構の駆動量が駆動センサにて検出されることにより、測定データが得られる。この測定データに基づいて解析手段により被測定物の表面形状の解析が実行される。
【００３５】
このような構成によれば、倣い測定にあたって接触部が被測定物表面をタッピングするので、接触部と被測定物表面との接触時間が短くなり、接触部と被測定物表面との摩擦を極めて小さくすることができる。
従来は、接触部を被測定物表面に所定量押し込んだ状態で倣い測定を行っていたために、接触部と被測定物表面との間に働く摩擦力が測定子および被測定物表面を損傷するとう問題が生じていた。
この点、本発明によれば、接触部と被測定物表面との摩擦が小さくなるので、測定によって被測定物表面が損傷することがない。
【００３６】
また、測定子は支持プレートにより三次元的に任意の方向に変位可能に支持されているので、測定子変位手段の駆動によって接触部を三次元的に任意の方向に振動させることができる。したがって、どの方向から被測定物表面に接触する場合でも接触部を被測定物表面の法線方向に振動させながら倣い測定を行うことができる。また、このように倣い測定をタッピングによって実行するにあたり、測定子変位手段にて接触部を振動させるので、接触プローブを移動させる駆動機構の動作は従来の倣い測定と同様でよい。従って、倣い測定の動作指令としては従来と変わることがなく、非常に簡便である。
【００３７】
なお、接触部を振動させる振動周波数については、接触プローブのあらゆる固有周波数を避けることが好ましい。接触プローブには各方向によってそれぞれ固有周波数が存在し、例えば、縦方向には測定子の振動の固有周波数が存在する。
接触部を三次元的に任意の方向で振動させる際に測定子の固有周波数を用いてしまうと、測定子が固有周波数で共鳴して、縦方向の振動も生じてしまうことになる。そのため、任意の方向に接触部を振動させて被測定物表面を正確にタッピングすることができなくなる。そこで、あらゆる方向の固有周波数を避けることにより、意図した方向にのみ接触部を振動させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
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）
本発明の形状測定装置に係る第１実施形態について図１〜図１５を参照して説明する。
第１実施形態として、接触プローブ３００を用いた形状測定装置としての測定システム１００を図１に示す。
図２は、測定システム１００のブロック図である。
【００３９】
測定システム１００は、接触プローブ３００を移動させる三次元測定機２００と、手動操作するジョイスティック１１１を有する操作部１１０と、三次元測定機２００の動作を制御するモーションコントローラ（動作制御部）５００と、モーションコントローラ５００を介して三次元測定機２００を動作させるとともに三次元測定機２００によって取得した測定データを処理して被測定物Ｗの寸法や形状などを求めるホストコンピュータ６００と、測定条件等を入力する入力手段１２０と、測定結果を出力する出力手段１３０と、を備えている。
【００４０】
三次元測定機２００は、接触プローブ３００と、定盤２１０と、定盤２１０に立設されて接触プローブ３００を三次元的に移動させる駆動機構２２０と、駆動機構２２０の駆動量を検出する駆動センサ２３０と、を備えている。
【００４１】
接触プローブ３００の構成について説明する。
図３は、接触プローブ３００の構成を示す斜視図である。
図４は、接触プローブ３００を垂直方向に切断した横断面図である。
なお、以下の説明のために図４の紙面上下方向にｚ軸をとり、紙面左右方向にｘ軸をとり、紙面垂直方向にｙ軸をとる。
【００４２】
接触プローブ３００は、被測定物表面Ｓに当接した際に接触圧によって変位する測定子３１０と、この測定子３１０を変位可能に支持するとともに測定子３１０の変位を検出するセンサ本体部４００と、を備える。
【００４３】
測定子３１０は、スタイラス３１１と、このスタイラス３１１の先端に設けられた接触部３１２と、を備える。
スタイラス３１１の基端がセンサ本体部４００に取り付けられ、測定子３１０はセンサ本体部４００から垂下する状態に支持されている。
なお、測定子３１０に変位がない基準状態においてスタイラス３１１の軸線に沿った方向を中心線方向Ａと称する。
【００４４】
センサ本体部４００は、下端面が開口し内部に収納空間４１１を有する円筒形のハウジング部４１０と、ハウジング部４１０の下端側において測定子３１０の基端側を支持する支持プレート４２０と、測定子３１０の変位を検出する変位検出手段（検出センサ）４３０と、支持プレート４２０を変形させることによりスタイラス３１１を変位させるスタイラス変位手段（測定子変位手段）４４０と、を備える。
【００４５】
ハウジング部４１０は、内部の収納空間４１１に支持プレート４２０と、変位検出手段４３０と、スタイラス変位手段４４０と、を備えている。
ハウジング部４１０の下端側には、開口を閉塞して内部への塵埃等の侵入を防止する可撓性のシート材４１２が配設されている。そして、このシート材４１２を挿通する状態で測定子３１０が配設されている。
【００４６】
支持プレート４２０は、円形状の金属プレートであり、周端部がハウジング部４１０に固定されている。そして、支持プレート４２０の中心において補強板４２１を介して支持プレート４２０の下面側に測定子３１０が取付固定されている。
ここで、図５は、支持プレート４２０の上面図である。
支持プレート４２０は、３本の切込み線４２２を有し、３本の切込み線４２２は支持プレート４２０の中心Ｃ１を点対称の中心として対称に設けられている。各切込み線４２２は、円弧部４２３と、直線部４２４と、を有し、略くの字状に曲がっている。そして、３本の切込み線４２２が支持プレート４２０の中心Ｃ１を取り巻いて配置され、一の切込み線４２２の円弧部４２３の内側に他の切込み線４２２の直線部４２４が位置する。切込み線４２２の部分において支持プレート４２０が上下変位可能となり、測定子３１０がこの支持プレート４２０の中心に取り付けられることにより測定子３１０が揺動可能に支持される。
【００４７】
変位検出手段４３０は、測定子３１０の変位に応じて変位する反射ミラー（光シフト手段）４３１と、反射ミラー４３１に向けて光を照射する照明光学系４３２と、反射ミラー４３１からの反射光を受光する光センサ４３３と、を備える。
反射ミラー４３１、照明光学系４３２および光センサ４３３は、中心線Ａに沿って配列されている。
【００４８】
反射ミラー４３１は、支持プレート４２０の上面側において支持プレート４２０の略中心に配設されている。測定子３１０が変位した際には支持プレート４２０の中心が測定子３１０とともに変位するので、反射ミラー４３１も測定子３１０の変位に応じて変位し、反射面の位置および角度が変化する。
【００４９】
照明光学系４３２は、光を発射する２つの光源４３２Ａ、４３２Ｂを備えている。２つの光源４３２Ａ、４３２Ｂは、光センサ４３３を間にしてｘ方向に離間して配設されている。光源４３２Ａ、４３２Ｂは、光を反射ミラー４３１に向けて発射し、かつ、測定子３１０の変位が無い基準状態において反射ミラー４３１で反射された光が光センサ４３３の中心に入射するように姿勢が調整される。
【００５０】
図４中では、光源４３２Ａ、４３２Ｂは、反射ミラー４３１に対して入射角θで光を入射させる。光源４３２Ａ、４３２Ｂとしては、例えば、ＬＥＤを利用することができる。また、２つの光源４３２Ａ、４３２Ｂは、互いに異なる周波数で振幅変調された変調光を発射する。
図３および図４中において、例えば、−ｘ側に配設された光源４３２Ａから周波数ｆａで振幅変調された変調光Ｓａが発射され、＋ｘ側に配設された光源４３２Ｂから周波数ｆｂで振幅変調された変調光Ｓｂが発射される。（ただし、ｆａ≠ｆｂ）
【００５１】
光センサ４３３は、反射ミラー４３１からの光を受光して光電変換により受光信号を出力する。
図６は、光センサ４３３を受光面側から見た図である。
光センサ４３３は、ｘ軸とｙ軸とに沿った分割線によって４分割されており、第１から第４受光部４３４〜４３７を備える。ここで、（＋ｙ、−ｘ）の位置に配置される受光部を第１受光部４３４とし、（＋ｙ、＋ｘ）の位置に配置される第２受光部４３５とし、（−ｙ、＋ｘ）の位置に配置される受光部を第３受光部４３６とし、（−ｙ、−ｘ）の位置に配置される受光部を第４受光部４３７とする。
【００５２】
スタイラス変位手段４４０は、支持プレート４２０の下面側において、支持プレート４２０とハウジング部４１０の下端縁との間に配設された三つのアクチュエータ（応力付与手段）４４１〜４４３を備える。
アクチュエータ４４１〜４４３は、多数の圧電素子の薄板を積層して構成されており、電圧の印加によって高さが変わる。支持プレート４２０には３本の切込み線４２２が設けられ、一の切込み線４２２の円弧部４２３と他の切込み線４２２の直線部４２４との間で支持プレート４２０が変形するところ、各アクチュエータ４４１〜４４３は、円弧部４２３と直線部４２４とにて挟まれた狭領域の下面側に配設されている。支持プレート４２０の上面側から透視した図５を参照してアクチュエータの配設位置を説明すると、三つのアクチュエータ４４１〜４４３は、透視図（図５）において、支持プレート４２０の中心点Ｃ１を中心とする円の円周上に６０度間隔で配設されている。
【００５３】
ここで、＋Ｘ軸から計った角度で表すと、６０度位置と、−６０度位置と、−１８０度位置にそれぞれアクチュエータ４４１〜４４３が配設されている。
なお、６０度位置のアクチュエータを第１アクチュエータ４４１、−６０度位置のアクチュエータを第２アクチュエータ４４２、−１８０度位置のアクチュエータを第３アクチュエータ４４３と称する。
アクチュエータ４４１〜４４３に電圧が印加された際にはアクチュエータ４４１〜４４３のトップ部が前記狭領域を押し上げて支持プレート４２０を変形させる。すると、支持プレート４２０にて支持された測定子３１０の角度が変化する。アクチュエータ４４１〜４４３は三つ設けられているので、それぞれのアクチュエータ４４１〜４４３に印加する電圧を制御することにより、支持プレート４２０の面の角度を任意の角度に変化させることができる。すなわち、３つのアクチュエータ４４１〜４４３によってスタイラス３１１の角度を任意の角度に変化させることができる。
【００５４】
駆動機構２２０は、定盤２１０の両側端から定盤２１０に略垂直方向であるＺｍ方向に高さを有するとともに定盤２１０の側端に沿ったＹｍ軸方向へスライド可能に設けられた二本のビーム支持体２２１と、ビーム支持体２２１の上端に支持されてＸｍ方向に長さを有するビーム２２２と、ビーム２２２にＸｍ方向にスライド可能に設けられＺｍ軸方向にガイドを有するコラム２２３と、コラム２２３内をＺｍ軸方向にスライド可能に設けられ下端にて接触プローブ３００を保持するスピンドル２２４と、を備えて構成されている。
【００５５】
ここで、駆動機構２２０のＸｍ軸方向、Ｙｍ軸方向、Ｚｍ軸方向によりマシン座標系が規定されている。
【００５６】
駆動センサ２３０は、詳細には図示しないが、ビーム支持体２２１のＹｍ方向への移動を検出するＹｍ軸センサと、コラム２２３のＸｍ方向への移動を検出するＸｍ軸センサと、スピンドル２２４のＺ方向への移動を検出するＺｍ軸センサと、を備えている。
駆動センサ２３０による検出結果はモーションコントローラ５００を経由してホストコンピュータ６００に出力される。
【００５７】
操作部１１０は、操作盤に揺動可能に設けられ接触プローブ３００の移動を手動で操作する手動操作部材としてのジョイスティック１１１を備えている。
なお、特に図示しないが、操作部１１０は、ジョイスティック１１１の傾き角などジョイスティック１１１の操作を検出する検出部を備え、検出部からの信号はモーションコントローラ５００に出力される。
【００５８】
モーションコントローラ５００は、ホストコンピュータ６００および操作部からの指令に応じて駆動機構２２０を駆動制御する駆動制御部５１０と、駆動センサ２３０から出力されるパルス信号をカウントして駆動機構２２０の駆動量を計測する駆動カウンタ５２０と、接触プローブ３００からの信号を処理して接触部３１２の変位量を算出するプローブ信号処理部５３０と、接触部３１２を被測定物表面Ｓの法線方向に変位させるプローブ駆動制御部５４０と、接触部３１２と被測定物表面Ｓとの接触を検知する接触検知部５５０と、を備える。
【００５９】
駆動制御部５１０は、ホストコンピュータ６００および操作部からの指令に基づいて駆動機構２２０に制御信号を出力し、駆動機構２２０を駆動させて接触部３１２を測定ポイントに当接させる。
駆動カウンタ５２０は、詳細に図示しないが、Ｙｍ軸センサからの出力を計数するＹｍ軸カウンタと、Ｘｍ軸センサからの出力を計数するＸｍ軸カウンタと、Ｚｍ軸センサからの出力を計数するＺｍ軸カウンタと、を備える。
計測された駆動機構２２０の駆動量は、ホストコンピュータ６００に出力される。
【００６０】
プローブ信号処理部５３０について説明する。
図７は、プローブ信号処理部５３０の構成を示す図である。
プローブ信号処理部５３０は、各受光部４３４〜４３７から出力される受光信号から変調光Ｓａ、Ｓｂの信号をそれぞれ分離して取り出すバンドパスフィルタ部５３１と、変調光であるＳａ、Ｓｂから元の信号であるｆａ、ｆｂを復元する復調回路部５３２と、復調回路部５３２で復調された信号に基づいて接触部３１２の変位を算出する演算処理部５３３と、を備えている。
【００６１】
４つの受光部４３４〜４３７に応じて、バンドパスフィルタ部５３１は４つ設けられ、各バンドパスフィルタ部５３１は、中心周波数がｆａであるバンドパスフィルタ５３１Ａと、中心周波数がｆｂであるバンドパスフィルタ５３１Ｂと、の二つのバンドパスフィルタを備えている。
同様に、４つのバンドパスフィルタ部５３１に応じて、復調回路部５３２は４つ設けられ、各復調回路部５３２は、変調光Ｓａから元の信号ｆａを復調する復調回路５３２Ａと、変調光Ｓｂから元の信号ｆｂを復調する復調回路５３２Ｂと、を備えている。
復調回路としては、例えば、ピークホールド回路や平滑化回路などが例として挙げられる。
【００６２】
これら４つの復調回路部５３２により、ｆａとｆｂとの組み合わせで構成される信号組が４組得られる。演算処理部５３３は、４つの信号組に基づいて接触部３１２の変位を算出する。すなわち、演算処理部５３３は、４つの信号組から光センサ４３３上における２つの光束のそれぞれのシフト量を求めたうえで、２つの光束の変位量から接触部３１２の変位量を算出する。
【００６３】
プローブ駆動制御部５４０は、プローブ信号処理部５３０にて算出された接触部３１２の変位に基づいて接触点における被測定物表面Ｓの法線方向を算出する法線ベクトル算出部５４１と、法線ベクトル算出部５４１にて算出された法線ベクトルの向きに接触部３１２を変位させるための各アクチュエータ４４１〜４４３の駆動量を算出する分配量算出部５４２と、アクチュエータ４４１〜４４３を駆動させて被測定物表面Ｓの法線方向へ接触部３１２を変位させるアクチュエータ駆動部（応力付与駆動部）５４３と、を備える。
【００６４】
法線ベクトル算出部５４１は、接触部３１２と被測定物表面Ｓとが接触した際に接触部３１２の変位に基づいて被測定物表面Ｓの法線方向を算出する。
駆動機構２２０によって接触プローブ３００が移動して接触部３１２が被測定物表面Ｓの測定ポイントに当接するところ、駆動機構２２０によって所定の押込量まで接触プローブ３００の移動が継続される。接触部３１２が被測定物表面Ｓに当接した状態から接触プローブ３００をさらに被測定物表面Ｓに押し込んでいくと、接触部３１２が接触プローブ３００のセンサ本体部４００に対して変位することになる。このときの接触部３１２の変位量はプローブ信号処理部５３０によって算出される。
ここで、接触部３１２が被測定物表面Ｓに押し込まれて被測定物表面Ｓに押圧力を加えるところ、被測定物表面Ｓからの反力によって接触部３１２は変位される。
したがって、接触部３１２の変位が（Δｘ、Δｙ、Δｚ）である場合、接触点における被測定物表面Ｓの法線方向はベクトル（Δｘ、Δｙ、Δｚ）であり、法線ベクトルＮは次の式で表される。
【００６５】
【数１】
2007205998.tif 000003
【００６６】
法線ベクトル算出部５４１にて算出された法線ベクトルＮは分配量算出部５４２に出力される。
【００６７】
分配量算出部５４２は、法線ベクトルＮの方向に接触部３１２を変位させるのに必要な三つのアクチュエータ４４１〜４４３の駆動量をそれぞれ算出する。
三つのアクチュエータ４４１〜４４３は支持プレート４２０の下面に配設されており、それぞれのアクチュエータ４４１〜４４３が支持プレート４２０の狭領域を所定量だけ押し上げることにより支持プレート４２０の傾斜が所定角度に変化する。
支持プレート４２０の傾斜角度が変化するとスタイラス３１１の角度が変化するので、接触部３１２が所定の方向に変位することになる。すなわち、分配量算出部５４２は、法線ベクトルＮの方向に接触部３１２が変位したときの支持プレート４２０の傾斜角度を算出したのち、算出された傾斜角度まで支持プレート４２０を傾斜させるのに必要な各アクチュエータ４４１〜４４３の駆動量をそれぞれ算出する。算出された各アクチュエータ４４１〜４４３の駆動量はアクチュエータ駆動部５４３に出力される。
【００６８】
アクチュエータ駆動部５４３は、３つのアクチュエータ４４１〜４４３それぞれに制御電圧を印加してアクチュエータ４４１〜４４３を駆動する。
このとき、アクチュエータ駆動部５４３は、分配量算出部５４２にて算出された各駆動量に応じてそれぞれのアクチュエータ４４１〜４４３に所定電圧を印加する。
【００６９】
接触検知部５５０は、プローブ信号処理部５３０から出力される接触部３１２の変位データをモニタし、接触部３１２の変位データが基準押込量に達したときに、接触部３１２と被測定物表面Ｓとの接触を検知する。接触検知部５５０は、接触部３１２と被測定物表面Ｓとの接触を検知したところで接触検知信号を生成し、この接触検知信号をプローブ駆動制御部５４０およびホストコンピュータ６００に出力する。
【００７０】
ホストコンピュータ６００は、入力手段１２０によって設定入力される測定条件等を記憶するメモリ（記憶装置）６１０と、駆動カウンタ５２０およびプローブ信号処理部５３０からのデータをサンプリングするデータサンプリング部６２０と、設定された測定ポイントに接触プローブ３００を移動させる移動方向および移動速度を指令する移動ベクトル指令部６３０と、被測定物Ｗの形状を解析する形状解析部６４０と、演算装置および記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ）を有し所定プログラムの実行やデータ処理等を行う中央処理部（ＣＰＵ）６５０と、メモリ６１０、移動ベクトル指令部６３０、データサンプリング部６２０、形状解析部６４０および中央処理部６５０を接続するバス６６０と、を備えている。
【００７１】
メモリ６１０は、入力手段１２０から設定入力される測定条件等を記憶し、被測定物Ｗの設計データなどによる輪郭データや、接触部３１２を被測定物Ｗに対して押し込む量Δｒ（基準押込量）や、測定ポイントなどを記憶する。
【００７２】
データサンプリング部６２０は、駆動カウンタ５２０にてカウントされる駆動機構２２０の駆動量およびプローブ信号処理部５３０にて算出された接触部３１２の変位量をサンプリングする。データサンプリング部６２０は、接触部３１２の変位が所定押込量になったときに、駆動カウンタ５２０のカウント値およびプローブ信号処理部５３０による接触部３１２の変位をサンプリングする。すなわち、接触検知信号が生成されたことを合図として、駆動機構２２０の駆動量および接触部３１２の変位量をサンプリングする。
【００７３】
移動ベクトル指令部６３０は、メモリ６１０に設定された輪郭データおよび測定ポイントに基づいて接触部３１２を測定ポイントに当接させる方向へ接触プローブ３００を移動させるベクトル指令を生成する。
生成されたベクトル指令は、駆動制御部５１０に出力される。
また、移動ベクトル指令部６３０は、データサンプリングからの接触検知信号を受けて、次の測定ポイントに接触プローブ３００を移動させる。
このとき、移動ベクトル指令部６３０は、接触部３１２を被測定物表面Ｓから離間させるタッチバック動作のベクトル指令を生成して接触部３１２を被測定物表面Ｓからタッチバックさせた後、続いて、接触プローブ３００を次の測定ポイントに移動させるベクトル指令を生成する。
【００７４】
形状解析部６４０は、データサンプリング部６２０にてサンプリングされたデータに基づいて被測定物表面Ｓの形状を解析する。
接触部３１２を所定の基準押込量だけ押し込んだ状態でデータをサンプリングしているところ、押込量および接触部３１２の半径分を被測定物表面Ｓの法線方向に補正することにより被測定物表面Ｓの位置が算出される。
【００７５】
次に、第１実施形態の動作について説明する。
まず、接触プローブ３００の測定子３１０が変位する際の動作について図８〜図１３を参照して説明する。
【００７６】
図８は、接触部３１２が＋Ｚ方向に変位した状態を示す図である。
接触部３１２に−Ｚ方向から＋Ｚ方向に向けて応力が作用すると、測定子３１０が＋Ｚ方向に押し上げられる。すると、支持プレート４２０の切込みにおいて支持プレート４２０が上下変位し、測定子３１０の＋Ｚ方向への変位を許容する。あるいは、３つのアクチュエータ４４１〜４４３が総て等量だけ支持部の狭領域を押し上げると、支持プレート４２０の中央部が＋Ｚ方向に変位して、支持プレート４２０の中央部とともに測定子３１０が＋Ｚ方向に変位する。
そして、測定子３１０とともに支持プレート４２０の中心が＋Ｚ方向に変位することにより、反射ミラー４３１が＋Ｚ方向に変位する。
【００７７】
各光源４３２Ａ、Ｂから発射される光Ｓａ、Ｓｂは、反射ミラー４３１に入射した後、反射ミラー４３１により反射されるところ、反射ミラー４３１の＋Ｚ方向への変位によって反射位置が＋Ｚ方向に変位する。すると、反射ミラー４３１にて反射された光は、測定子３１０が基準位置に位置するときよりも、光源４３２Ａからの光Ｓａは−Ｘ側にシフトし、光源４３２Ｂからの光Ｓｂは＋Ｘ側にシフトする。このとき、光センサ４３３にて受光される光束を図９に示す。
【００７８】
次に、接触部３１２がＸ方向に変位する場合について図１０、図１１を参照して説明する。
図１０は、接触部３１２が＋Ｘ方向に変位（揺動）した状態を示す図である。
接触部３１２に−Ｘ方向から＋Ｘ方向に向けて応力が作用すると、測定子３１０が＋Ｘ方向に揺動する。このとき、支持プレート４２０の切込みにおいて支持プレート４２０が＋Ｘ方向では上方へ変位し、−Ｘ方向では下方に変位して支持プレート４２０が弾性変形することにより測定子３１０のＸ方向への変位が許容される。あるいは、第１アクチュエータ４４１および第２アクチュエータ４４２が駆動して支持プレート４２０を押し上げると、支持プレート４２０の中央部のうち＋Ｘ側が上方に変位して支持プレート４２０の中央が傾斜し、測定子３１０が＋Ｘ方向に変位する。そして、支持プレート４２０の弾性変形に伴って反射ミラー４３１が傾斜して反射面が−Ｘ方向側へ傾斜する。
【００７９】
光源４３２Ａ、Ｂから発射される光は、反射ミラー４３１に入射した後、反射ミラー４３１にて反射されているところ、反射ミラー４３１の−Ｘ方向への傾斜によって光の反射方向がーＸ方向に変位する。すると、反射ミラー４３１からの反射光は、測定子３１０が基準位置に位置するときよりも光センサ４３３上で−Ｘ側へシフトする（図１１参照）。
【００８０】
次に、接触部３１２がＹ方向に変位する場合について図１２、図１３を参照して説明する。
図１２は、接触部３１２が＋Ｙ方向に変位した状態を示す図である。
接触部３１２に−Ｙ方向から＋Ｙ方向に向けて応力が作用すると、測定子３１０が＋Ｙ方向に揺動する。このとき、支持プレート４２０の切込みにおいて支持プレート４２０が＋Ｙ方向では上方へ変位し、−Ｙ方向では下方に変位して支持プレート４２０が弾性変形することにより測定子３１０の＋Ｙ方向への変位が許容される。あるいは、主として第１アクチュエータ４４１が駆動して支持プレート４２０を押し上げることにより、支持プレート４２０の＋Ｙ側が上方へ変位して支持プレート４２０の中央が傾斜し、測定子３１０が＋Ｙ方向へ変位する。そして、支持プレート４２０の弾性変形に伴って反射ミラー４３１が傾斜して反射面が−Ｙ方向側へ傾斜する。
【００８１】
光源４３２Ａ、Ｂから発射される光は、反射ミラー４３１に入射した後、反射ミラー４３１にて反射されているところ、反射ミラー４３１の−Ｙ方向への傾斜によって光の反射方向がーＹ方向に変位する。すると、反射ミラー４３１からの反射光は、測定子３１０が基準位置に位置するときよりも光センサ４３３上で−Ｙ側へシフトする（図１３参照）。
【００８２】
次に、接触部３１２に任意の方向から応力が作用した場合、あるいは、第１から第３アクチュエータ４４１〜４４３がそれぞれ所定量駆動して、接触部３１２が３次元的に任意の方向へ変位した場合ついて考察する。
接触部３１２が３次元的に変位する際の支持プレート４２０の弾性変形にともなって反射ミラー４３１が上下動および傾斜する。すると、光源４３２Ａ、Ｂから発射される光Ｓａ、Ｓｂが反射ミラー４３１にて反射され、光センサ４３３上における光Ｓａ、Ｓｂの入射点がそれぞれ変位する。このとき、光Ｓａの変位（ΔＸａ、ΔＹａ）、光Ｓｂの変位（ΔＸｂ、ΔＹｂ）について次の式が成り立つ。
【００８３】
ここで、光センサ４３３上における光Ｓａのシフト量を（ΔＸａ、ΔＹａ）、光Ｓｂのシフト量を（ΔＸｂ、ΔＹｂ）とする。また、光源４３２Ａ、４３２Ｂから反射ミラー４３１への光の入射角をθとする。基準状態（接触部３１２の変位が無い状態）においてスタイラス３１１から反射ミラー上の光反射位置までの距離をＬａ、光センサ４３３から反射ミラー４３１までの垂直距離をＬとする。
反射ミラー４３１のＺ方向への変位をｄｚとする。そして、反射ミラー４３１（あるいは接触部３１２）のｘ軸回りの回転角をθｘ、反射ミラー４３１（あるいは接触部３１２）のｙ軸回りの回転角をθｙとする。
【００８４】
【数２】
2007205998.tif 000004
【００８５】
【数３】
2007205998.tif 000005
【００８６】
【数４】
2007205998.tif 000006
【００８７】
【数５】
2007205998.tif 000007
【００８８】
また、スタイラス３１１の長さをＬｓとするとき、接触部３１２の座標（ｘ、ｙ、ｚ）と反射ミラー４３１の姿勢および位置（θｙ、θｘ、ｄｚ）との間には次の関係が成り立つ。
【００８９】
【数６】
2007205998.tif 000008
【００９０】
【数７】
2007205998.tif 000009
【００９１】
【数８】
2007205998.tif 000010
【００９２】
以上の式をまとめると次のようになる。
【００９３】
【数９】
2007205998.tif 000011
【００９４】
【数１０】
2007205998.tif 000012
【００９５】
【数１１】
2007205998.tif 000013
【００９６】
【数１２】
2007205998.tif 000014
【００９７】
以上の（式９）から（式１２）の連立方程式により、接触部３１２の変位量（ｘ、ｙ、ｚ）が求められる。
【００９８】
また、接触部３１２の変位を（ｘ、ｙ、ｚ）とするときの反射ミラー４３１の上下変位量および傾斜角については幾何学的に算出できる。
そして、反射ミラー４３１を所定量だけ上下動および傾斜させるのに必要な各アクチュエータ４４１〜４４３の駆動量は幾何学的に算出できるので、接触部３１２を（ｘ、ｙ、ｚ）だけ変位させるのに必要な各アクチュエータ４４１〜４４３の駆動量を算出することができる。
【００９９】
次に、図１４のフローチャートおよび図１５の動作例を参照して、第１実施形態により被測定物をタッチ測定する動作について説明する。
まず、被測定物をタッチ測定するにあたり、ＳＴ１００において、測定条件を入力する。例えばキーボード等の入力手段１２０によって測定条件を入力し、入力された条件はメモリ６１０に記憶される。測定条件としては、被測定物の形状データや、接触を検知するための基準押込量、および、測定ポイントなどが例として挙げられる。
【０１００】
次に、ＳＴ１１０において、移動ベクトル指令部６３０により移動ベクトル指令の生成が行われ、生成された移動ベクトル指令は、駆動制御部５１０に出力される。移動ベクトル指令部６３０は、メモリ６１０に設定された被測定物の形状データおよび測定ポイントに基づいて接触プローブ３００を測定ポイントに移動させる移動ベクトルを生成する。
【０１０１】
移動ベクトル指令を受けて、ＳＴ１２０において、駆動制御部５１０により駆動機構２２０の駆動制御が行われ、駆動機構２２０により接触プローブ３００が移動される（図１５（Ａ）参照）。
移動ベクトル指令に基づいた駆動機構２２０の駆動により、接触プローブ３００が測定ポイントに移動して、接触部３１２が測定ポイントに当接される（図１５（Ｂ）参照）。そして、接触部３１２が測定ポイントに押し込まれていく（図１５（Ｃ）参照）。
【０１０２】
ＳＴ１２０において接触部３１２が測定ポイントに押し込まれるとき、接触部３１２が被測定物表面Ｓからの反力によって、図８、図１０および図１２にて説明したように、接触部３１２が変位する。このとき、図８から図１３を参照して説明したように、センサ部からの受光信号がプローブ信号処理部５３０にて処理されることにより、接触部３１２の変位が算出される。
算出された接触部３１２の変位は、接触検知部５５０に出力される。
【０１０３】
接触検知部５５０において、接触部３１２の変位をモニタし、メモリ６１０に設定された基準押し込み量と接触部３１２の変位量とが対比される。そして、接触部３１２の変位量が基準押込量に達したところで、ＳＴ１３０において、接触部３１２と被測定物表面Ｓとの接触が検知される。接触部３１２と被測定物表面Ｓとの接触を検知したところで接触検知部５５０は、接触検知信号を生成する。
接触検知信号は、プローブ駆動制御部５４０および移動ベクトル指令部６３０に出力される。
【０１０４】
接触検知信号を受けて、ＳＴ１４０において、データサンプリング部６２０は駆動カウンタ５２０にてカウントされる駆動機構２２０の駆動量と、プローブ信号処理部５３０にて算出された接触部３１２の変位量と、をサンプリングする。
データサンプリング部６２０にてサンプリングされたデータは、形状解析部６４０に送られる。
【０１０５】
また、データサンプリング部６２０にて生成された接触検知信号は、プローブ駆動制御部５４０に送られる。接触検知信号を受けて、プローブ駆動制御部５４０により接触部３１２の退避動作（ＳＴ１５０〜ＳＴ１８０）が実行される。
まず、ＳＴ１５０において、法線ベクトル算出部５４１により、接触点における被測定物表面Ｓの法線ベクトルが算出される。
法線ベクトルは式（１）によって算出される。
算出された法線ベクトルＮは、分配量算出部５４２に出力される。
【０１０６】
ＳＴ１６０において、算出された法線ベクトルＮに基づいて分配量算出部５４２により三つのアクチュエータ４４１〜４４３のそれぞれの駆動量が算出される。
すなわち、接触部３１２を法線ベクトルＮの方向へ移動させるために必要な各アクチュエータ４４１〜４４３の駆動量が算出される。算出された各アクチュエータ４４１〜４４３の駆動量は、アクチュエータ駆動部５４３に出力される。
【０１０７】
ＳＴ１７０において、アクチュエータ駆動部５４３は、分配量算出部５４２にて算出された各駆動量に応じてそれぞれのアクチュエータ４４１〜４４３に所定電圧を印加する。すると、ＳＴ１８０において、接触部３１２の退避動作が行われる（図１５（Ｄ）参照）。すなわち、アクチュエータ駆動部５４３により各アクチュエータ４４１〜４４３に制御電圧が印加されると、各アクチュエータ４４１〜４４３が所定量駆動され、支持プレート４２０の傾斜が所定角度に変化する。
支持プレート４２０の傾斜とともにスタイラス３１１の角度が変化し、接触部３１２が法線ベクトルＮの方向に変位する。
【０１０８】
また、接触検知信号を受けて、ＳＴ１８０においてタッチバック動作が実行される。すなわち、接触検知信号が移動ベクトル指令部６３０に出力されるところ、接触検知信号を受けて移動ベクトル指令部６３０によりタッチバック動作のベクトル指令が生成される。そして、このタッチバック動作のベクトル指令に基づいて駆動制御部５１０により駆動機構２２０が駆動制御されて接触プローブ３００が接触点から離間する方向へ移動される（図１５（Ｅ）参照）。
【０１０９】
タッチバック動作が終了したところで、ＳＴ２００において、メモリ６１０に設定されたすべての測定ポイントが測定されているか判断される。総ての測定ポイントの測定が終了している場合（ＳＴ２００：ＹＥＳ）、サンプリングされたデータに基づいて形状解析部６４０により被測定物の形状解析が行われる。
また、ＳＴ２００において、総ての測定ポイントが測定されていない場合（ＳＴ２００：ＮＯ）、次の測定ポイントへの移動が開始される（ＳＴ２２０）。
そして、総ての測定ポイントについて測定が終了するまでＳＴ１１０〜ＳＴ２００が繰り返し実行される。
【０１１０】
このような第１実施形態によれば次の効果を奏することができる。
（１）スタイラス変位手段４４０を備えているので、被測定物表面Ｓに当接した際の押圧力によって測定子３１０が変位することの他に、アクチュエータ４４１〜４４３の駆動によっても測定子３１０を変位させることができる。したがって、接触プローブ３００と被測定物とを相対移動させる駆動機構２２０の動作に関係なく、スタイラス変位手段４４０により測定子３１０を被測定物表面Ｓから離間させる向きに変位させることができる。よって、被測定物表面Ｓに接触部３１２を過剰に押し込むことがないので、測定の対象となる被測定物の表面を損傷することがない。
【０１１１】
（２）アクチュエータ４４１〜４４３は、支持プレート４２０の３点において応力を付与するので、支持プレート４２０を任意の傾斜にすることができ、測定子３１０を任意の方向へ変位させることができる。したがって、接触部３１２が被測定物表面Ｓに接触する方向性に関係なく、接触部３１２を被測定物表面Ｓに対して離間する方向に変位させることができる。
【０１１２】
（３）アクチュエータ４４１〜４４３は応答が速いので、所望のタイミングで測定子３１０を被測定物表面Ｓから離間させることができる。駆動機構２２０では慣性の影響を受けるので急停止することは難しいのに対し、アクチュエータ４４１〜４４３の応答が速いことにより接触部３１２が規定量以上に押し込まれる前に被測定物表面Ｓから接触部３１２を離間させることができる。したがって、被測定物表面Ｓおよび測定子３１０が損傷することを確実に防止することができる。
【０１１３】
（４）測定子３１０の軸線が支持プレート４２０の中心を通過しており、さらに、支持プレート４２０は円形であるので、この支持プレート４２０にて測定子３１０を支持することにより測定子３１０に異方性を与えることがなく、任意の方向から測定子３１０を変位させた場合でも同一の応力に対する測定子３１０の変位量を同じにすることができる。また、アクチュエータ４４１〜４４３は、支持プレート４２０の中心点を中心とする仮想円上に等間隔に配置されているので、測定子３１０を異方性なく任意の方向に変位させることができる。
【０１１４】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図１６、図１７を参照して説明する。
第２実施形態の基本的構成は第１実施形態と同じであるが、第２実施形態においては倣い測定を行う点に違いがある。
図１６は、第２実施形態の構成を示すブロック図である。
図１６において、モーションコントローラ５００は、プローブ加振制御部５６０を備え、ホストコンピュータ６００は倣いベクトル指令部６７０を備えている。
【０１１５】
プローブ加振制御部５６０は、接触プローブ３００の各アクチュエータ４４１〜４４３に制御電圧を印加してアクチュエータ４４１〜４４３を駆動させ、接触部３１２を振動させる。
このとき、接触部３１２は被測定物表面Ｓを倣い測定するところ、接触部３１２の振動方向は倣い測定の際に接触部３１２が被測定物表面Ｓに接触する接触点における被測定物表面Ｓの法線方向である。
ここで、接触検知部５５０は、所定の基準押込量だけ接触部３１２が押し込まれたときに接触部３１２と被測定物表面Ｓとの接触を検知するところ、プローブ加振制御部５６０による接触部３１２の振動の振幅は、基準押込量よりも大きい。
接触部３１２の振動周波数については、接触プローブ３００を構成するあらゆる固有周波数を避けた振動周波数とする。
また、被測定物表面Ｓの法線方向は、メモリ６１０に設定入力された被測定物の輪郭データに基づいて形状解析部６４０によって算出され、プローブ加振制御部５６０に出力される。
【０１１６】
倣いベクトル指令部６７０は、メモリ６１０に設定入力された被測定物の輪郭データおよび倣い測定の測定経路に基づいて接触プローブ３００を被測定物表面Ｓに沿って倣い移動させる倣いベクトルを生成する。生成された倣いベクトルは駆動制御部５１０に出力される。
【０１１７】
このような構成を備える第２実施形態によって被測定物表面Ｓを倣い測定する動作について図１７を参照して説明する。
図１７は、接触プローブ３００によって被測定物表面Ｓを倣い測定する様子を示す図である。
図１７に示されるように、接触プローブ３００が被測定物表面Ｓに沿って移動されていく。
なお、接触プローブ３００を被測定物表面Ｓに沿って倣い移動させる倣いベクトルは倣いベクトル指令部６７０から駆動制御部５１０に出力され、倣いベクトル指令に基づいて駆動機構２２０が駆動制御される。
接触プローブ３００が被測定物表面Ｓを倣い移動する際に、プローブ加振制御部５６０からの制御信号によって各アクチュエータ４４１〜４４３が駆動され測定子３１０が加振される。測定子３１０が加振されるところ、接触部３１２の振動方向は被測定物表面Ｓの法線方向である。すなわち、例えば、図１７中の（Ｂ）においては、被測定物表面Ｓの法線方向がスタイラス３１１の軸方向であるので、測定子３１０はスタイラス３１１の軸方向に加振される。これに対して、例えば、図１７中の（Ｃ）においては、被測定物表面Ｓが傾斜しており、被測定物表面Ｓの法線方向がスタイラス３１１に交差する方向であるが、被測定物表面Ｓの法線方向に接触部３１２が加振される。
【０１１８】
このように接触部３１２が加振された状態で被測定物表面Ｓを倣い走査するとき、接触部３１２と被測定物表面Ｓとの接触によって接触部３１２の振動が所定量以上おさえられたところで接触部３１２と被測定物表面Ｓとの接触が接触検知部５５０にて検知される。そして、接触検知部５５０において接触部３１２と被測定物表面Ｓとの接触が検知されたところで駆動カウンタ５２０およびプローブ信号処理部５３０で算出された駆動機構２２０の駆動量および接触部３１２の変位がサンプリングされる。このデータのサンプリングはデータサンプリング部６２０により行われる。予め設定された倣い測定の経路がすべて測定されると、サンプリングされたデータが形状解析部６４０に送られ、形状解析部６４０により被測定物表面Ｓの形状解析が行われる。
【０１１９】
このような構成を備える第２実施形態によれば、次の効果を奏することができる。
（５）倣い測定にあたって接触部３１２が被測定物表面Ｓをタッピングするので、接触部３１２と被測定物表面Ｓとの接触時間が短くなり、接触部３１２と被測定物表面Ｓとの摩擦を極めて小さくすることができる。そして、接触部３１２と被測定物表面Ｓとの摩擦が小さくなるので、測定によって被測定物表面Ｓが損傷することがない。
【０１２０】
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。
例えば、上記第１実施形態においてスタイラス変位手段４４０は、支持プレート４２０とハウジング部４１０の下端縁との間に配設された三つのアクチュエータ４４１〜４４３である場合を例にして説明したが、例えば、図１８および図１９に示されるように、支持プレート４２０の表裏面に伸縮量が異なる板材（あるいは薄膜）を貼設したバイモルフ型の構成であってもよい。このようなバイモルフ型のアクチュエータ４４１〜４４３は、支持プレート４２０の表裏に膜状の素子４４４を蒸着することによって形成することができる。そして、図１９に示されるように、表裏の膜素子４４４にぞれぞれ電圧を印加することにより表裏からの応力によって支持プレート４２０を弾性変形させることができる。
【０１２１】
第１実施形態においては、タッチ測定において接触部３１２と被測定物表面Ｓとの接触が検知された際にスタイラス変位手段４４０によって接触部３１２を被測定物表面Ｓから離間させる方向へ移動させる場合について説明したが、このときスタイラス変位手段４４０による接触部３１２の変位量については１μｍ以下といった微小量でもよく、接触部３１２が被測定物表面Ｓから完全に離間するほどに接触部３１２を変位させなくてもよい。
例えば、図２０に示すように、図２０（Ａ）の状態で接触部３１２と被測定物表面Ｓとの接触を検知した後、図２０（Ｂ）にて接触部３１２を被測定物表面Ｓから退避動作させるとき、接触部３１２が被測定物表面Ｓから離間するほど大きく接触部３１２を退避させずに、図２０（Ｃ）に示されるように接触部３１２と被測定物表面Ｓとの接触が保たれる範囲内で接触部３１２を退避動作させてもよい。この場合でも、接触部３１２と被測定物表面Ｓとの接触圧は減少するので、測定子３１０および被測定物表面Ｓの損傷を防止することができる。
【０１２２】
また、上記第２実施形態において、接触部３１２の振動振幅は、基準押込量よりも大きいとしたが、接触部３１２の振動振幅は基準押込量よりも小さくてもよい。
このように基準押込量よりも小さい振幅で接触部３１２を振動させると、接触部３１２は被測定物表面Ｓから離間することなく接触を保つことになるが、接触圧は周期的に減少するので、測定子３１０および被測定物表面Ｓへの負荷を軽減することができる。
【０１２３】
上記第１実施形態において、スタイラス変位手段４４０を構成するアクチュエータ４４１〜４４３を用いて接触部３１２を被測定物表面Ｓから退避させるとしたが、さらにアクチュエータ４４１〜４４３をアクティブバンパーとして用いてもよい。測定子３１０は板バネである支持プレート４２０によって支持されているところ、支持プレート４２０および測定子３１０の重量と弾性定数によって決定される固有振動数で測定子３１０は振動することになる。
ここで、測定子３１０が固有振動数で振動しているときに、アクチュエータ４４１〜４４３を駆動させて測定子３１０の振動を相殺させるようにすれば、測定子３１０の振動が抑制されて光センサ上の受光位置が安定する。その結果、測定子変位の検出精度が向上する。測定子３１０の振動を相殺するにあたっては、支持プレート４２０および測定子３１０の固有振動数であって測定子３１０の振動からわずかに位相をずらしたタイミングでアクチュエータ４４１〜４４３を駆動させることが例として挙げられる。
【産業上の利用可能性】
【０１２４】
本発明は、接触プローブおよび形状測定装置に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１２５】
【図１】第１実施形態において、接触プローブを用いた形状測定装置としての測定システムを示す図。
【図２】第１実施形態において、測定システムの構成を示すブロック図。
【図３】第１実施形態において、接触プローブの構成を示す斜視図。
【図４】第１実施形態において、接触プローブを垂直方向に切断した横断面図。
【図５】第１実施形態において、支持プレートの上面図。
【図６】第１実施形態において、光センサを受光面側から見た図。
【図７】第１実施形態において、プローブ信号処理部の構成を示す図。
【図８】第１実施形態において、接触部が＋Ｚ方向に変位した状態を示す図。
【図９】接触部が＋Ｚ方向に変位した際に光センサにて受光される光束を示す図。
【図１０】接触部が＋Ｘ方向に変位（揺動）した状態を示す図。
【図１１】接触部が＋Ｘ方向に変位した際に光センサにて受光される光束を示す図。
【図１２】接触部が＋Ｙ方向に変位した状態を示す図。
【図１３】接触部が＋Ｙ方向に変位した際に光センサにて受光される光束を示す図。
【図１４】第１実施形態において、測定動作の手順を示すフローチャート。
【図１５】第１実施形態において、測定動作の様子を示す図。
【図１６】第２実施形態の構成を示すブロック図。
【図１７】第２実施形態において、接触プローブによって被測定物表面を倣い測定する様子を示す図。
【図１８】スタイラス変位手段の変形例を示す図。
【図１９】スタイラス変位手段の変形例を示す図。
【図２０】接触部を退避動作させる際の変形例を示す図。
【図２１】接触プローブを利用した三次元測定機の構成を示す図。
【図２２】接触プローブの構成を示す図。
【符号の説明】
【０１２６】
１０…三次元測定機、１１…接触プローブ、１２…駆動機構、１３…スタイラス、１４…接触部、１５…センサ本体部、１００…測定システム、１１０…操作部、１１１…ジョイスティック、１２０…入力手段、１３０…出力手段、２００…三次元測定機、２１０…定盤、２２０…駆動機構、２２１…ビーム支持体、２２２…ビーム、２２３…コラム、２２４…スピンドル、２３０…駆動センサ、３００…接触プローブ、３１０…測定子、３１１…スタイラス、３１２…接触部、４００…センサ本体部、４１０…ハウジング部、４１１…収納空間、４１２…シート材、４２０…支持プレート、４２１…補強板、４２２…切込み線、４２３…円弧部、４２４…直線部
４３０…変位検出手段、４３１…反射ミラー、４３２Ａ…光源、４３２Ｂ…光源、４３２…照明光学系、４３３…光センサ、４３４…第１受光部、４３５…第２受光部、４３６…第３受光部、４３７…第４受光部、４４０…スタイラス変位手段、４４１…第１アクチュエータ、４４２…第２アクチュエータ、４４３…第３アクチュエータ、４４４…素子、５００…モーションコントローラ、５１０…駆動制御部、５２０…駆動カウンタ、５３０…プローブ信号処理部、５３１Ａ…バンドパスフィルタ、５３１Ｂ…バンドパスフィルタ、５３１…バンドパスフィルタ部、５３２Ａ…復調回路、５３２Ｂ…復調回路、５３２…復調回路部、５３３     演算処理部、５４０…プローブ駆動制御部、５４１…法線ベクトル算出部、５４２…分配量算出部、５４３…アクチュエータ駆動部、５５０…接触検知部、５６０…プローブ加振制御部、６００…ホストコンピュータ、６１０…メモリ、６２０…データサンプリング部、６３０…移動ベクトル指令部、６４０…形状解析部、６５０…中央処理部、６６０…バス、６７０…倣いベクトル指令部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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