(57)【要約】      （修正有）【課題】微小な慣性力（微小な力）に反応する軽量な動吸振器を備え、例えば１００ｎｍ以下のプローブシャフトの振動を効果的に低減することが可能なプローブおよび形状測定装置を提供する。【解決手段】プローブシャフト１１と動吸振器を備えたプローブ１０であって、動吸振器は、同じ磁極同士を互いに対向して構成された一対の磁石１０１ａ、１０１ｂが、それぞれの磁石１０１ａ、１０１ｂの磁極の方向がプローブシャフト１１の長手方向に沿うようにプローブシャフト１１の外周に設けられた磁石ユニット１０１と、プローブシャフト１１に一端が支持されたばね部材１０３と、磁石ユニット１０１の外周にばね部材１０３を介して長手方向に沿うようにプローブシャフト１１に対して移動可能に配置され、長手方向における磁石ユニット１０１の長さよりも短い全長の非磁性材料からなる補助質量体１０２、を備えている。【選択図】図１
2017040626.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブシャフトと、
前記プローブシャフトに設けられた接触部と、
前記プローブシャフトに設けられた動吸振器と、
を備えたプローブであって、
前記動吸振器は、
同じ磁極同士を互いに対向して構成された一対の磁石が、それぞれの前記磁石の磁極の方向がプローブシャフトの長手方向に沿うように前記プローブシャフトの外周に設けられた磁石ユニットと、
前記プローブシャフトに一端が支持されたばね要素と、
前記磁石ユニットの外周に前記ばね要素を介して前記長手方向に沿うように前記プローブシャフトに対して移動可能に配置され、前記長手方向における前記磁石ユニットの長さよりも短い長さの導体かつ非磁性材料からなる筒状の補助質量体、
を備えていることを特徴とするプローブ。
【請求項２】
前記補助質量体は、プローブシャフトの中心軸に対する前記長手方向における中央部の内径とくらべて端部の内径の方が小さく構成されていることを特徴とする請求項１に記載のプローブ。
【請求項３】
前記一対の磁石の間にヨークが配されていることを特徴とする請求項１または２のいずれか一項に記載のプローブ。
【請求項４】
前記ヨークは筒状であることを特徴とする請求項３に記載のプローブ。
【請求項５】
前記一対の磁石は、プローブシャフトの中心軸に対して、互いに対面している方の磁極面側の端部の外径が、他方の端部の外径よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のプローブ。
【請求項６】
前記一対の磁石は、互いに対面している方の磁極面側の端部の外径が、前記筒状のヨークの外径よりも大きいことを特徴とする請求項４に記載のプローブ。
【請求項７】
前記補助質量体は前記ばね要素に対してスペーサー部材を介して連結されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のプローブ。
【請求項８】
前記スペーサー部材はプラスチック材から構成されていることを特徴とする請求項７に記載のプローブ。
【請求項９】
前記補助質量体の長さは、前記磁石ユニットの長さの３分の２以下であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のプローブ。
【請求項１０】
前記補助質量体の長さは、前記互いに対向して構成された一対の磁石の間隔より大きいことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載のプローブ。
【請求項１１】
三次元的に移動可能なプローブ支持手段と、
前記プローブ支持手段に支持された請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のプローブと、
前記プローブの位置を計測する計測手段を有し、
前記プローブを被測定物に対して接触させつつ走査するとともに、前記プローブの位置を計測することで被測定物の形状を測定す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、光学素子や光学素子を製造するための成形用金型の表面形状を高精度に測定するためのプローブに関する。特に、動吸振器型のプローブおよび動吸振器型のプローブを備えた形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学製品の高機能化に伴って、光学製品に組み込まれるレンズやミラーと言った光学素子は、ますます高精度化している。高精度な光学素子を製造するために、その表面形状を高精度に測定することが求められている。また、光学素子を直接測定する手法に加えて、低コストに大量に製造する方法として成形加工用の成形用金型を高精度に測定する手法も挙げられる。この場合も同じく高い精度で形状測定することが求められている。光学素子や成形用金型を測定するために、プローブを備えたプローブ式形状測定装置が普及している。プローブ式形状測定装置は、プローブシャフトの先端を被測定面に接触させて走査し、プローブシャフトの後端の位置情報を時系列に取得することで被測定面の表面形状を測定する装置である。プローブシャフトの形状は直線状のものやＬ字状のものがよく使われている。プローブシャフトは先端のたわみなどの原因で、走査中にプローブシャフトの長手方向に微小な振動が生じる。プローブシャフトの振動は測定誤差の要因になるので、形状測定精度をより一層高精度にするためには、プローブシャフトの振動を低減することが有効である。
【０００３】
プローブシャフトの振動を低減する技術として、特許文献１には、サブμｍオーダーの測定精度を達成するために、プローブシャフトとプローブシャフトを支持しているハウジングとの間に磁気式のダンパ要素を取り付ける方法が開示されている。ハウジングは、プローブシャフトを走査するためにプローブステージに取り付けられている。このように構成にすれば、プローブシャフトの挙動はプローブステージの挙動に連動するようになる。そして、この磁気式のダンパ要素が機能を発揮しうる範囲内の正確さで、プローブステージが正確に動作していれば、プローブシャフトの振動を適切に低減することができる。
【０００４】
しかしながら、プローブステージの挙動が正確でない場合、プローブシャフトの振動を低減する効果は薄れてしまう。つまり、プローブステージの動作性能が、プローブシャフトの振動低減の限界を決めてしまうことになる。通常、プローブステージは、プローブシャフトに比べて非常に重く、サブμｍ以上の振動や動作遅れが生じやすい。よって、特許文献１の方法では、形状測定精度をより一層高精度にすることが難しい。
【０００５】
プローブステージの挙動の影響を抑え、プローブシャフトの振動を低減するため、特許文献２には、プローブシャフトの内部にばね要素と摩擦材や粘性流体を使ったダンパ要素、重錘からなる動吸振器を組み込む方法が開示されている。特許文献２は、同じくサブμｍオーダーの測定精度を達成することを目的とし、一例として、重錘（動吸振器の補助質量体）の質量を３ｇとする実施例が記載されている。
【０００６】
形状測定精度の高精度化のために、プローブシャフトの振動を１００ｎｍ以下に低減することが求められるようになってきた。一般的に、プローブシャフトの振動を低減するためには、プローブシャフトを軽量にすることが有効である。
【０００７】
また、動吸振器の設計事例としては、制振対象であり、主質量体であるプローブシャフトと、動吸振器の補助質量体との質量比は０．０５から０．３０の間に設定されることが多い。これは、質量比が小さいと、動吸振器の減衰特性が低くなるためである。また、質量比が大きいと、ダンパ要素に求められるダンパ定数（ダンパ要素の減衰係数）が大きく、大型のダンパ要素が必要になるためである。プローブシャフトを軽量にしようとすると、それに合わせて補助質量体も軽量にしなければならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−１３４３３２
【特許文献２】特開２００４−６１４６２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献１記載の技術では軽量化以前に、上述のように振動の低減能力にそもそも限界があった。
【００１０】
また、特許文献２に開示されているばね要素と摩擦材や粘性流体を使ったダンパ要素、重錘からなる動吸振器を組み込んだプローブシャフトに注目し、軽量化をはかろうとすると次のような問題が生じる。
【００１１】
プローブシャフトを軽量にすると、それに合わせて補助質量体も軽量にする必要があり、補助質量体にかかる慣性力が小さくなる。
【００１２】
摩擦材を使ったダンパ要素は静止摩擦が大きいので、補助質量体にかかる慣性力が小さいと、補助質量体が摩擦材にくっついたままで動かない（微小な力に対する不感帯の存在）。
【００１３】
また、同じく特許文献２に記載の粘性流体を使ったダンパ要素は、プローブシャフトと補助質量体との中間材として粘性流体を封入されているが、粘性流体の質量は大きい。そのため、補助質量体にかかる慣性力が小さいと、補助質量体が質量体として働かなくなり、動かなくなってしまう。
【００１４】
このように、摩擦材や粘性流体を使ったダンパ要素を採用した場合、微小な力に反応しづらいという問題が生じていた。
【００１５】
そこで、本発明は、微小な慣性力（微小な力）に反応する軽量な動吸振器型のプローブを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、
プローブシャフトと、
前記プローブシャフトに設けられた接触部と、
前記プローブシャフトに設けられた動吸振器と、
を備えたプローブであって、
前記動吸振器は、
同じ磁極同士を互いに対向して構成された一対の磁石が、それぞれの前記磁石の磁極の方向がプローブシャフトの長手方向に沿うように前記プローブシャフトの外周に設けられた磁石ユニットと、
前記プローブシャフトに一端が支持されたばね要素と、
前記磁石ユニットの外周に前記ばね要素を介して前記長手方向に沿うように前記プローブシャフトに対して移動可能に配置され、前記長手方向における前記磁石ユニットの長さよりも短い長さの導体かつ非磁性材料からなる筒状の補助質量体、
を備えていることを特徴とするプローブを提供する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のプローブにかかる動吸振器を構成する磁気的なダンパ要素は、非接触に振動を減衰するので、大きな静止摩擦を生じない。また、大きな質量の中間材を必要としない。そのため、微小な慣性力が作用する場合でも減衰力を得やすくなる。
【００１８】
さらに、本発明によれば、磁石の同じ極を対向配置して磁束を集中して強い磁場を形成するとともに、その周辺に導体かつ非磁性体からなる筒状の補助質量体を配置しているので、減衰力の高い軽量な動吸振器を実現できる。
【００１９】
よって、微小な慣性力に反応する動吸振器を搭載した軽量な動吸振器型のプローブを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第一実施例に係わるプローブの構成図である。
【図２】本発明のプローブの補助質量体の形状（軸方向の長さ）と減衰力の関係を計算した図である。
【図３】本発明の形状測定装置の構成図である。
【図４】本発明のプローブの減衰係数を計算した図である。
【図５】本発明のプローブの効果を実験で示した図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係わるプローブの構成図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係わるプローブの動吸振器の構成図である。
【図８】本発明の第４実施形態に係わるプローブの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に図１〜５を用いて本発明の構成を具体的に説明する。なお、本発明の主旨を逸脱しない限り、個別の構成は利用者が目的に応じて適宜変更してもよく、本願発明は以下の構成に限るものではない。以下説明する動吸振器は、ダイナミックダンパや質量ダンパ（マスダンパ）と呼ばれることもあるが動吸振器で統一した。プローブは、スタイラスや触針子、フィーラーと呼ばれることもあるがプローブで統一した。
【００２２】
本発明にかかるプローブは、プローブシャフトと、プローブシャフトに設けられた接触部と、プローブシャフトに設けられた動吸振器と、を備えたプローブである。動吸振器は、以下の要素を備えている。まず、同じ磁極同士を互いに対向して構成された一対の磁石であり、その磁石の磁極の方向がプローブシャフトの長手方向に沿うようにプローブシャフトの外周に設けられた磁石ユニットである。さらに、プローブシャフトに一端が支持されたばね要素を備えている。さらに、磁石ユニットの外周にばね要素を介して長手方向に沿うようにプローブシャフトに対して移動可能に配置され、長手方向における磁石ユニットの長さよりも短い長さの導体かつ非磁性材料からなる筒状の補助質量体を備えている。これらを備えていることを特徴とするプローブである。
【００２３】
動吸振器には磁気式のダンパ要素を備えているため、摩擦材や粘性流体を使用したダンパ要素と異なり、微小な慣性力に対しても敏感にダンピング機能を発揮することができる。さらに、磁石の同じ極を対向配置して磁束を集中して強い磁場を形成するとともに、その周辺に適切な全長の補助質量体を配置しているので、減衰力の高い優れた動吸振器を備えた軽量でコンパクトなプローブを提供できる。
【００２４】
かかるプローブは、主質量体であるプローブシャフトの振動を低減するための構成として、特に動吸振器の構成にさまざまな形態がありえるものであり、以下図面を用いて詳細に説明する。
【００２５】
〔第１実施形態〕
図１の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明のプローブの構成図である。
【００２６】
図１（ａ）を参照すると、プローブ１０は、プローブシャフト１１、プローブシャフト１１の先端には接触部であるスタイラス１２、後端に設けられたターゲットミラー１３が備わっている。
【００２７】
プローブは、接触部であるスタイラス１２を被測定物における被測定面に接触させ、後端のターゲットミラー１３の位置情報を取得するように使われる。このプローブは、後述する形状測定装置のプローブステージ３０に、ハウジング１５を介して取り付けられる。
【００２８】
プローブシャフトが重いと振動しやすくなる。プローブシャフトの振動は、測定誤差の要因になるので、プローブシャフトは、十分に軽量であることが求められる。
【００２９】
プローブシャフトの材料として、チタン、アルミニウム、ステンレス鋼、繊維強化プラスチックなどの比剛性の高い材料を採用すると良い。スタイラス１２の被測定面に接触する先端部は、ダイヤモンドやルビー等でできており、球面に加工されている。ターゲットミラー１３の表面は、測長器のレーザー光を反射するために鏡面に仕上げられている。
【００３０】
プローブシャフトは、２枚の板ばね１４ａ、１４ｂを介してハウジング１５に取り付けられている。この２枚の板ばねは、プローブシャフトの長手方向である軸方向Ａに動きやすく、軸方向Ａに直交する方向や倒れる方向には動きにくい軸受機構として働く。また、板ばねに替えて軸受機構として、空気軸受や転がり軸受など他の機構を採用しても良い。
【００３１】
プローブシャフト１１の外周には、動吸振器を構成する磁石ユニット１０１、プローブシャフトに対して一端が支持されたばね部材１０３、ばね部材によって移動可能に支持された非磁性材料からなる補助質量体１０２が設けられている。図１（ａ）に示したように補助質量体１０２は、ひとつのばね部材による片側支持でもよいし、あるいは図１（ｂ）に示したようにふたつのばね部材よる両側支持でもよい。
【００３２】
補助質量体は、磁石ユニットの外周にばね要素を介して長手方向に沿うように、プローブシャフトに対して移動可能に配置され、かつ長手方向における磁石ユニットの長さよりも短い長さの非磁性材料から構成されている。
【００３３】
このような前提を踏まえ、以下個別の要素について詳しく説明する。
【００３４】
磁石ユニット１０１は、２つの筒状の永久磁石１０１ａ、１０１ｂを同じ磁極が対向するように配置されている。図１（ｃ）は磁石ユニットを拡大して描いたものである。図１（ｃ）に描かれているように一対の磁石に加え、内ヨーク１０１ｃを磁石同士の間に配置して構成するとなお良い。このように一対の磁石をその磁極面が対向するように配置すると、２つの永久磁石の磁場が互いに反発しあうことで、内ヨーク１０１ｃの外周に強い磁場を形成することができる。このような構成により、小さい磁石ユニットであっても高い磁束密度を得ることができる。なお、永久磁石として、ネオジム磁石やフェライト磁石などが挙げられる。特に、ネオジム磁石は、高い磁束密度が得られるので好ましい。
【００３５】
また、永久磁石１０１ａ、１０１ｂの対向した磁極面は互いに平行な面から構成されるのみならず、プローブシャフトの径方向であってプローブシャフトから離れるに従って徐々に末広がりとなるようなテーパーあるいは段差をつけて構成してもよい。このように構成すると、磁場が外周に出やすくなるので、プローブシャフトの周囲に高い磁束密度の磁場を形成することができる。なお、内ヨークの内径を永久磁石の内径より大きくしても磁気式のダンパ要素の性能を極端に低下させることはないので、内ヨークの内径を永久磁石の内径よりも少し大きくしておくと、プローブシャフトに取り付ける際のガタを生じ難くすることができる。
【００３６】
磁石ユニット１０１の外周に、筒状の導体からなる非磁性材料からなる補助質量体１０２を配置する。導体の材料として、銅やアルミニウムなどの電気抵抗率が小さく強磁性体ではない非磁性材料を採用する。非磁性材料の目安として、１．３×１０−６Ｈ／ｍ以下であれば問題なく使用できる。このような条件を満たす導体かつ非磁性の材料としては、他に、マグネシウム、黄銅、亜鉛、銀、金、ベリリウムなどが挙げられる。
【００３７】
補助質量体１０２は軸方向Ａの長さが磁石ユニット１０１より短い筒状の構成である。
【００３８】
磁石ユニット１０１の内ヨーク１０１ｃと補助質量体１０２との隙間が、およそ一定に保たれる構成にするとよい。
【００３９】
磁石ユニット１０１によって生じる磁場の磁束密度は、内ヨーク１０１ｃに近いほど高い。そのため、磁石ユニット１０１と補助質量体１０２との隙間はできるだけ狭くするほうが好ましい。磁石ユニットの外周、および補助質量体の内周は、筒状の形状、特に円筒形状を採用すれば、機械加工で精度良く製作することができる。そのため、例えば、０．１ｍｍといった狭い隙間にすることも可能である。
【００４０】
すなわち補助質量体が筒状であることによって高い精度でコンパクトなプローブを構成することができる。なお、筒状の形状は、円筒に限らず、多角形であっても良い。
【００４１】
補助質量体１０２自体が磁石ユニット１０１によって生じる磁束密度の高い領域内に存在するように軸方向Ａの長さと径方向の厚みを以下のように決定する。図２は本発明のプローブの補助質量体の軸方向の長さと減衰力の関係を計算した図である。
【００４２】
図２の三つの曲線は、それぞれ渦電流により発生する力の減衰係数を示したものである。
Ｃ１−３の条件：磁石ユニットは２つのネオジム磁石から構成されており、内ヨークを介して同じ磁極が対向するように接着されている。この内ヨークの高さ０．６ｍｍ、磁石の高さ２．２ｍｍとし、さらに、内径Φ５．０ｍｍの導体を外周に配置し、その質量が０．３ｇで固定するとした。
Ｃ１−２の条件：補助質量体の質量がＣ１−３の半分
Ｃ１−１の条件：Ｃ１−３の１０分の１質量
【００４３】
内ヨークを含めて、プローブシャフトに沿った方向の磁石ユニットの長さは、５．０ｍｍ（＝２．２ｍｍ×２＋０．６ｍｍ）である。この５．０ｍｍを基準として長さＡとしてグラフ中に記載した。また曲長さＣ１−１、Ｃ１−２、Ｃ１−３と番号を重ねるにつれて補助質量体の重さが重い場合を示していることになる。
【００４４】
長さＡは磁石ユニットの長さに対応している。このグラフによると補助質量体の質量が同じならば軸方向の長さが、磁石ユニットの長さにあたる長さＡよりも短いほうが高い減衰係数を得られることがわかる。減衰係数の変化にも特徴があり、長さＡから長さＢまで、徐々に補助質量体の長さを短くする方向でグラフを参照する。すなわち、減衰係数は磁石ユニットの長さの約３分の２までは緩やかな増加だが、長さＢを境に急激に減衰係数が増加し、長さＣで最も高い減衰係数となる。さらに、補助質量体が軽くなるほど補助質量体の軸方向の長さが短いほうが最も高い減衰係数を得られることになる。最も強い減衰係数（極値）を得られる軸方向長さは長さＣ’、Ｃ’’のように補助質量体の重量が軽いほど原点（長さゼロ）の側にシフトしている。
【００４５】
このことからわかるように、プローブシャフトに沿った方向の補助質量体の長さは、補助質量体の重さが同じならば磁石ユニットの長さより短い場合により高いダンパ定数を備えた磁気式のダンパ要素を備えた動吸振器を構成することができる。より好ましくは、プローブシャフトに沿った方向の補助質量体の長さは磁石ユニットの長さの３分の２以下である。図２によって明らかなように、素材として単位体積あたりの重さが軽い材質の部材を用いて補助質量体を形成する場合、同じ長さであれば質量が小さいほど減衰係数が低いことがわかる。ただし、磁石ユニットの長さに対して、より短い（好ましくは磁石ユニットの長さの３分の２以下）である場合に、高い減衰係数が得られることが分かる。他方、補助質量体の長さは内ヨーク１０１ｃのＺ方向の長さ（あるいは対向配置された磁石と磁石の間隔の大きさ）より長い方がより望ましい。
【００４６】
すなわち、補助質量体の長さは、互いに対向して構成された一対の磁石の間隔より大きいことにより、補助質量体が強い磁場を適正に受け、高い減衰係数を確保できる。
【００４７】
補助質量体１０２の磁石ユニット１０１と摺動する部分は、プローブシャフトに沿った方向への動きをできるだけ妨げないように、低摩擦な特性を有するようにする。そのためには、接触部の幅を狭くしたり、切れ目を入れたりして、補助質量体との接触面積をできるだけ小さくすると良い。
【００４８】
摩擦力Ｆは垂直抗力と摩擦係数の積によって大きさが決まる。したがって、摩擦係数の小さい材料を貼り合わせるか、表面にコーティングすると良い。補助質量体１０２だけでなく、磁石ユニット１０１も摩擦係数の小さい材料を貼り合わせるか、表面にコーティングするとなお良い。摩擦係数の小さい材料として、フッ素樹脂などのプラスチック材が挙げられる。摩擦係数の小さい表面コーティングとして、テフロン（登録商標）コーティング、無電解ニッケルメッキ等が挙げられる。
【００４９】
また、磁石ユニット１０１と補助質量体１０２との垂直抗力を小さく保つと良い。そのために、補助質量体１０２には、鉄等の強磁性体を取り付けないようにする。こうすることで、補助質量体１０２は磁石ユニット１０１に強く吸引されない。つまり、磁石ユニット１０１と補助質量体１０２との間に大きな垂直抗力が生じない。垂直抗力を小さく保つことで、低摩擦な特性となる。
【００５０】
なお、同様の理由で、後述するばね部材１０３は、軸方向Ａに沿った力を加えるが、軸方向Ａに直交する方向や倒れる方向への力は小さい構成としている。
【００５１】
以上のように、接触面積や摩擦係数、垂直抗力を小さくすることで、低摩擦な特性を有するようにできる。低摩擦な磁石ユニットに沿って補助質量体が動くので、軽量な補助質量体であっても、静止摩擦によって動かなくなることを防ぐことができる。
【００５２】
次に、プローブシャフト１１と補助質量体１０２とを、軸方向Ａに両側より支持するばね部材１０３を備える。プローブシャフト１１には、ばね押さえ１０４が取り付いており、ばね部材１０３は、ばね押さえ１０４を介してプローブシャフト１１を支持している。
【００５３】
ばね部材１０３は、弾性体の復元力を利用したものであれば、様々な形であっても良い。特に、線状の弾性体をらせん状に形作ったコイルばねは、長尺のプローブシャフトに沿って配置できるため好ましい。コイルばねのコイル直径を、補助質量体の径とおよそ等しくし、圧縮した状態で使えば簡易な構成で組み立てることができる。
【００５４】
なお、コイルばねの座屈を防ぐために、コイルばねの内側または外側に、不図示のばねガイドを備えても良い。
【００５５】
コイルばねの他に、板ばねやねじりばね等でも構成することができる。
【００５６】
バネ部材は、磁力の影響がない非磁性であることが望ましい。材料として、非磁性ステンレス鋼、リン青銅、ベリリウム銅、チタン等がよく使われる。
【００５７】
上記のように構成すれば、磁石ユニット１０１と、導体であって非磁性材料からなる補助質量体１０２の位置が変動すると、相対速度に応じた渦電流が流れて抗力が生じる。すなわち、動吸振器における磁気式のダンパ要素として機能する。
【００５８】
磁気式のダンパ要素は非接触で力が生じるので、プローブシャフトと補助質量体とのナノメートルオーダーの微小な変動であっても、それに応じた力を生じさせることができる。
【００５９】
また、筒状の磁石の外周に、筒状の導体を配置する構成しているので、渦電流が導体の円周をスムーズに流れ、高効率な磁気式のダンパ要素にすることができる。
【００６０】
他方、ばね部材１０３によって、プローブシャフト１１と補助質量体１０２の相対変位に応じた力が生じる。すなわち、動吸振器のばねとして機能する。
【００６１】
弾性体の復元力を利用したばねであるので、プローブシャフト１１と補助質量体１０２とのナノメートルオーダーの微小な変動であっても、それに応じた力を生じさせることができる。
【００６２】
プローブシャフト１１、スタイラス１２、ターゲットミラー１３、磁石ユニット１０１、ばね押さえ１０４は一体に動き、動吸振器の主質量体として機能する。補助質量体１０２は、動吸振器の補助質量体として機能する。
【００６３】
このように、本発明のプローブは、主質量体であるプローブシャフトに対して補助質量体が磁気式のダンパ要素とばね要素を有する動吸振器を備えていて、かつ補助質量体の長さが磁気式ダンパ要素における磁石ユニットの長さより短く構成されている。
【００６４】
本発明によれば、磁気式のダンパ要素として必要な導体が小さくなる。そのため、導体を兼ねる補助質量体を軽量にできるため、動吸振器の性能を損なわずに（すなわち質量比０．０５〜０．３０を保ったまま）、主質量体を軽くすることができる。
【００６５】
さらに、磁気式のダンパ要素は、非接触に振動を減衰するので、大きな静止摩擦を生じない。また、大きな質量の中間材を必要としない。そのため、軽量な補助質量体であっても、微小な慣性力に反応しやすくなる。よって、微小な慣性力に敏感に反応する軽量なプローブを実現できる。
【００６６】
図３は、本発明の形状測定装置の概略の構成図である。
【００６７】
プローブ１０の先端部を、被測定物２０の被測定面２０ａに接触させる。被測定物は、ワークステージ２１に搭載されている。ワークステージは、不図示の除振台等に載せて、床面からの振動を低減する構成を採用するとなお良い。
【００６８】
プローブのハウジング部分を、プローブステージ３０に取り付ける。プローブステージは、Ｚ方向に駆動する。ここでは、プローブシャフトの軸方向Ａと、プローブステージのＺ方向をおよそ等しくなるように取り付ける。プローブステージ３０は、走査ステージ３１に取り付いており、走査ステージ３１の動きに応じてＸＹ方向の２軸、もしくはどちらか１軸に駆動する。このように本発明の形状測定装置は、プローブステージ３０および走査ステージ３１からなる三次元的に移動可能なプローブ支持手段が構成されており、このプローブ支持手段に前述したプローブが備えられている。
【００６９】
プローブシャフトの後端のＺ方向の位置情報と、プローブステージのＺ方向の位置情報、あるいはプローブステージに対するプローブのＺ方向の位置情報は、レーザー測長器Ｌなどの計測手段で測定され、測定データは演算器３２に取り込まれる。図３には一例としてプローブステージに対するプローブのＺ方向の位置情報を計測するレーザー測長器Ｌが図示されている。
【００７０】
演算器は、プローブシャフトの挙動に基づいて、被測定面の形状を表した測定データを計算し、不図示の記憶器に記憶する。記憶器は、装置に備え付けられていても良いし、コンピュータネットワークでつながった外部にあっても良い。演算器に関してはいずれの構成をとるにせよ、形状測定装置としてプローブを被測定物に対して接触させつつ走査するとともに、プローブの位置を計測することで被測定物の形状を測定することができる構成となっている。
【００７１】
形状測定装置はさまざまな計測器の構成がありえるが、図３に示された形状測定装置の概略図に対応して以下に一例を挙げる。
【００７２】
例えば、プローブの先端部の位置情報Ｒ＝（Ｘ，Ｙ，Ｚ）とし、形状測定装置に定められた原点に対するプローブステージに定められた基準位置のｘ方向、ｙ方向、ｚ方向、それぞれのプローブステージ位置情報をＲｓ＝（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓ）、とする。またプローブステージのｘ方向とｙ方向に関し、そのプローブステージの基準位置に合致するようにプローブを設置したとし、プローブシャフトの全長をαとする。
【００７３】
このような構成をとるとプローブステージに対するプローブの位置情報はＲｐ＝（０，０，Ｚｐ）、プローブの固有の長さ情報はＲα＝（０，０，α）となり、Ｒ＝Ｒｓ＋Ｒｐ＋Ｒαと表現できる。
【００７４】
具体的には以下のような関係式によって表わされる。
【００７５】
【数１】
2017040626.tif 000003
【００７６】
Ｒαは配置したプローブに固有の既知の情報であるから予め演算機３２にデータをストックしてあるか、オフセット量として予め演算しておけばよいため、形状計測を実行する際はのこりのＲｓおよびＲｐを計測し、演算機３２に計測データを取り込むとよい。図３における演算機３２へ入力される２つの矢印はこの２つのデータを示している。
【００７７】
したがってプローブを被測定物２０に対して走査するとともに、ＲｓおよびＲｐのデータを取得することで、被測定物２０における被測定面２０ａの形状データを取得することができる。
【００７８】
また、必要に応じて、測定データをモニタに表示したり、紙に印字したりする出力機能を備えている。
【００７９】
さらに、演算器は、プローブシャフトのＺ方向の位置情報と、プローブステージのＺ方向の位置情報との偏差を計算し、偏差が一定になるように、プローブステージに駆動信号を送る。プローブステージは、駆動信号に基づいてＺ方向に駆動する駆動信号を出力する。
【００８０】
偏差が一定になれば、プローブの板ばね１４ａ、１４ｂのたわみ量が一定になり、一定の測定力がプローブシャフトに加わる。
【００８１】
実際の形状測定装置においては、プローブステージは、プローブに比べて非常に重く、動作性能が劣るため、比較的大きな振動や、プローブシャフトの挙動に対する遅れが生じることがある。
【００８２】
本発明は、前述した従来の技術のようにプローブシャフトとハウジングとの間にダンパを取り付ける構成ではないので、プローブステージの挙動がプローブ与える影響を抑えることができる。
【００８３】
このような構成をとることにより、予期せぬ比較的大きな振動がプローブに発生しても、即座に動吸振器が振動を吸収する。プローブの振動が即座に小さくなるため、高精度な測定を行うことができる。
【００８４】
上記は、プローブシャフト１１の形状として、棒状の形状について説明した。この他に、２つの棒状のシャフトを直角に接続して、Ｌ字状の形状とすることもできる。この場合は、後端側のシャフトに回転軸受機構を備え、回転軸受機構を中心に回転するように構成する。前述のプローブステージ位置情報Ｒｓ、プローブの位置情報Ｒｐやプローブの固有の長さ情報Ｒαに関しても適当なオフセットが生じるのみで同様の構成を採用できる。
【００８５】
回転量に応じた力が発生するようにばね機構を備える。後端の回転角から、プローブシャフト先端の揺動を推定し、被測定面の形状を表した測定データを作成する。
【００８６】
動吸振器を被測定面に接触する先端側のシャフトに備えれば、棒状のプローブシャフトと同様に働き、振動を低減することができる。
【００８７】
上記にて例示された動吸振器が持つべき特性を以下に順を追って詳しく説明する。
【００８８】
まず、動吸振器の同調周波数を定める。プローブで被測定面を走査すると、プローブシャフトのたわみ等が原因になり、特定の周波数が主因となって振動する。この主因となる周波数を共振周波数と呼ぶ。共振周波数は、被測定面の傾斜角に応じて変わる。プローブの構成によって差異はあるが、被測定面の傾斜角が７０度付近で約１８０Ｈｚの共振周波数である場合には、動吸振器の同調周波数を１８０Ｈｚに定める。
【００８９】
例えば仮にプローブの可動部の質量を３ｇだとすると、補助質量体の質量／主質量体の質量の比を０．１２と仮決めする。この場合、主質量体が２．７ｇ、補助質量体が０．３ｇになる。
【００９０】
動吸振器のばね定数、ダンパ定数を所望の値に仮決めする。
【００９１】
プローブは、プローブシャフトと被測定面２０ａとの間に摩擦が生じるため、元々の減衰特性を有している。元々の減衰特性は、被測定物の材料や面粗さ等によって変わるが、実験によって同定することができる。続いて、ばね部材を設計する。ばね部材としてコイルばねを使う場合、ばね線の材料、ばね線の線径、コイル径、巻数を変えて、所望のばね定数に調整する。
【００９２】
磁気ダンパを設計する。磁気ダンパの設計は、有限要素法で、磁石ユニット、導体、外ヨークの形や配置を変えて、所望のダンパ定数に調整する。
【００９３】
例えば、プローブシャフトの外径がΦ２．６ｍｍの場合を考える。磁石ユニットは、内ヨークを介して２つのネオジム磁石を同じ磁極が対向するように接着する。有限要素法で計算すると、磁束密度が導体の中央付近で約０．７Ｔとなった。
【００９４】
この時例えば、磁石ユニットの質量は０．３ｇ、補助質量体（導体）の質量は０．３ｇと軽量な磁気ダンパを構成できる。プローブシャフトは、中空にすることでさらに軽量にできる。
【００９５】
プローブシャフトの内部に磁気ダンパを組み込む方法では、プローブシャフトの剛性と磁気ダンパの減衰特性とがトレードオフの関係になる。本発明の構成により、一例として可動部の質量が３ｇで、磁気ダンパを使った動吸振器型のプローブを実現することができた。
【００９６】
図４は、本発明のプローブの減衰係数を計算した図である。
【００９７】
前述したようにプローブシャフトの主因の振動の共振周波数は、被測定面の傾斜角に応じて変わる。そこで、共振周波数を変えて、それぞれの共振周波数におけるプローブシャフトの挙動をシミュレーションで計算した。そして、プローブシャフトの挙動から、減衰係数を計算した。減衰係数は、速度に比例した抵抗力の係数を表し、単位はＮｓ／ｍである。減衰係数が高いほど、減衰特性が良好であることを示している。横軸に共振周波数、縦軸に減衰係数として、計算した値を結んだ減衰係数曲長さＣ２をプロットする。
【００９８】
動吸振器の同調周波数を１８０Ｈｚとしているので、１８０Ｈｚ付近で最大の減衰係数０．７９Ｎｓ／ｍが得られた。１８０Ｈｚは、７０度付近の共振周波数であるので、７０度付近を走査する際の振動を低減しやすいことを示している。１８０Ｈｚよりも周波数を高くすると、減衰係数は低下するが、６００Ｈｚ付近で減衰係数０．１７Ｎｓ／ｍが得られた。これは、１０度付近を走査する際にも振動を低減する効果があることを示している。
【００９９】
また、被測定面２０ａの測定最小横幅を０．１ｍｍと仮定する。プローブを１ｍｍ／ｓで走査すると、０．１ｍｍを走査するのに０．１ｓかかる。０．１ｓは、１０Ｈｚに相当する。図４によると、１００Ｈｚ以下の減衰係数は０．０３Ｎｓ／ｍ以下である。これは、１００Ｈｚ以下の振動を低減する特性が小さいことを示している。つまり、１０Ｈｚ以下の被測定面の形状にはよく追従することを示している。
【０１００】
このように、被測定面の形状に追従するために低い周波数の振動には反応せずに、測定誤差となる高い周波数の振動のみを減衰するのは、動吸振器の大きな特徴である。
【０１０１】
一方で、プローブシャフトとハウジングとの間にダンパを取り付けるような従来の構成は、低い周波数の振動も減衰してしまうので、被測定面の形状への追従性を損ねてしまうという問題を内包している。
【０１０２】
以上より、本発明のプローブが備える動吸振器の特性は、好ましい特性であると言える。
【０１０３】
図５は、本発明のプローブの効果を示した実験結果のグラフである。
【０１０４】
図５（ａ）は、動吸振器を取り付けていないプローブの振動波形Ｖａを示している。図５（ｂ）は、本発明の構成による動吸振器型のプローブの振動波形Ｖｂを示している。どちらも、プローブをばね部材に取り付けてインパルス加振した際の減衰振動の振動波形をプロットした。共振周波数はおよそ２００Ｈｚとしている。
【０１０５】
図５（ａ）によると、元々の減衰特性の作用で、時刻０ｓから徐々に減衰しているが、振動が収束するまでに長い時間がかかることが分かる。この場合の減衰係数は０．０３Ｎｓ／ｍである。
【０１０６】
一方で、図５（ｂ）によると、インパルス加振（時刻０ｍｓ）の後、急峻に減衰し、時刻１４ｍｓで振幅が元の振幅の１０％となった。この場合の減衰係数は、０．６９Ｎｓ／ｍとなった。
【０１０７】
このように、本発明の構成による動吸振器型のプローブは、動吸振器を取り付けていないプローブに比べて、減衰係数が約２０倍高かった。また、振幅１０ｎｍ以下まで急速に減衰していることから、微小な慣性力（微小な力）にも反応することが示された。
【０１０８】
以下、さらなる実施形態を挙げる。同様の構成に関しては、同じ部番をふり、説明を省略し、構成の異なる点を中心に説明する。
【０１０９】
〔第２実施形態〕
以下に本発明の第２実施形態の詳細について図６を用いて説明する。
【０１１０】
図６は、本発明の第２実施例に係わるプローブの磁石ユニットと補助質量体の構成図である。
【０１１１】
図６（ａ）は、第１実施例に係わるプローブとは磁石ユニットの形状が異なる。
【０１１２】
プローブシャフトの長手方向の中心軸に対して、永久磁石２０１ａ、２０１ｂの内ヨーク側の端部の外径を、内ヨーク２０１ｃの外径よりも少し大きくする構成である。補助質量体１０２の内径が永久磁石２０１ａ、２０１ｂの外径に沿って摺動することで、磁石ユニットと補助質量体との接触面積を小さくできる。さらに、内ヨーク２０１ｃと補助質量体１０２との隙間が、およそ一定に保たれる構成になっている。つまり一対の磁石は、プローブシャフトの中心軸に対して、互いに対面している方の磁極面側の端部の外径が、他方の端部の外径よりも大きな構成をとっている。
【０１１３】
加えて一対の磁石は、互いに対面している方の磁極面側の端部の外径が、前記筒状のヨークの外径よりも大きくとってもよい。
【０１１４】
図６（ｂ）は、第１実施例に係わるプローブとは補助質量体の形状が異なる。
【０１１５】
プローブシャフトの長手方向の中心軸に対する筒状の補助質量体２０２の端部の内径が、筒の中央部の内径よりも少し小さく、磁石ユニット１０１の外径よりも少し大きい形状である。筒状の補助質量体におけるプローブシャフトの中心軸に沿った方向の端部に着目すると内側に突出しているように補助質量体の形状が構成されている。補助質量体２０２の端部の内径が永久磁石１０１ａ、１０１ｂの外径に沿って摺動することで、磁石ユニットと補助質量体との接触面積を小さくできる。さらに、内ヨーク１０１ｃと補助質量体２０２との隙間が、およそ一定に保たれる構成になっている。
【０１１６】
このような構成をとることにより、磁石ユニットと補助質量体との接触面積を小さくすることが可能となる。
【０１１７】
〔第３実施形態〕
以下に本発明の第３実施形態の詳細について図７を用いて説明する。
【０１１８】
図７は、本発明の第３実施例に係わるプローブの動吸振器の構成図である。
【０１１９】
第１実施例に係わるプローブとは、ばね押さえの外径とコイルばねのコイル内径が異なり、スペーサー部材が追加されている。
【０１２０】
補助質量体３０２とコイルばね３０３の間にスペーサー３０５を挟む構成としている。スペーサー３０５は磁力の影響がない非磁性であることが望ましい。材料として、プラスチック材などの軽量な材料を採用することで、補助質量体に比べ質量が非常に小さくなるため、質量比の計算時には無視できるレベルに抑えることができる。そして、コイルばねのコイル内径をプローブシャフトよりも大きくし、補助質量体よりも小さくする。つまり補助質量体は前記ばね要素に対してスペーサー部材を介して連結されている。
【０１２１】
このように構成すると、補助質量体３０２の径とおよそ同じにしたコイルばねに比べて、コイル内径を小さくできるので、さらに軽量にできる。また、プローブシャフト自体をばねガイドとして機能させることもできるので、追加のばねガイドを省くことで、さらに軽量にできる。
【０１２２】
よって、動吸振器型のプローブを、軽量に構成できる。
【０１２３】
したがって、軽量な動吸振器型のプローブを実現できる。
【０１２４】
〔第４実施形態〕
以下に本発明の第４実施形態の詳細について図８を用いて説明する。
【０１２５】
図８は、本発明の第４実施形態に係わるプローブの構成図である。
【０１２６】
第１実施例に係わるプローブとは、補助質量体の形状が異なる。
【０１２７】
前述したように、磁石ユニット１０１によって生じる磁場の磁束密度の高い空間に導体が多く存在したほうが、強い力を得ることができる。
【０１２８】
本発明では、内ヨーク１０１ｃを中心に放射状に磁束密度が分布している。そのため、磁束密度の高い部分に導体が重なる形状、すなわち、磁束密度の低い円筒端部の外周を磁束密度の高い円筒中心部の外周に配置することで、より強い力を得ることができるようになる。
【０１２９】
よって、磁気式のダンパ要素として必要な導体がさらに小さくなる。そのため、導体を兼ねる補助質量体をさらに軽量にできるため、主質量体を軽くすることができる。
【０１３０】
したがって、軽量な動吸振器型のプローブを実現できる。
【符号の説明】
【０１３１】
１０  プローブ
１１  プローブシャフト
１２  スタイラス
１３  ターゲットミラー
１４ａ、１４ｂ  板ばね
１５  ハウジング
１０１  磁石ユニット
１０１ａ、１０１ｂ  永久磁石
１０１ｃ  内ヨーク
１０２  補助質量体
１０３  ばね部材
１０４  ばね押さえ
２０  被測定物
２０ａ  被測定面
２１  ワークステージ
３０  プローブステージ
３１  走査ステージ
３２  演算器
３０５  スペーサー
３０３  コイルばね
【図１】
2017040626.tif 000004
【図２】
2017040626.tif 000005
【図３】
2017040626.tif 000006
【図４】
2017040626.tif 000007
【図５】
2017040626.tif 000008
【図６】
2017040626.tif 000009
【図７】
2017040626.tif 000010
【図８】
2017040626.tif 000011