CN103940366A - 三维形状测定装置用探测器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维形状测定装置用探测器，在测定铅垂面和水平面时测定力均小，难以引起振动。三维形状测定装置用探测器具备：安装于三维形状测定装置的安装部；可摆动地与安装部连结的摆动部；被保持为可相对于摆动部上下移动的臂支承部；向臂支承部的下端下垂且在下端配置有触针的臂。臂支承部相对于摆动部的上下移动机构包括：摆动侧构件、臂侧构件、在磁吸引力的作用下被吸引在摆动侧构件与臂侧构件的对置的铅垂面间而进行接触的5个由磁性体构成的球。球在摆动部侧构件和臂侧构件之间一边接触一边滚动，由此臂支承部在铅垂轴上进行移动。另外，为了在摆动部侧构件与臂侧构件之间作用磁吸引力，相对于臂支承部的铅垂轴上的移动而作用复原力。

Description

三维形状测定装置用探测器

技术领域

本发明涉及以高精度且低测定力来对三维形状进行扫描测定的三维形状测定装置用探测器。

背景技术

作为能够以高精度且低测定力来对测定物的三维形状进行扫描测定的现有的三维形状测定装置用探测器(以下，称作探测器。)，具有专利文献1所公开的结构。图12、13示出专利文献1所公开的探测器的结构。

在图12中，探测器101借助安装用构件102而可装卸地安装于三维形状测定装置201。摆动部103可摆动地连结于在安装用构件102的下部固定的载置台104b，臂安装部120借助上下弹性体109而可上下移动地保持于摆动部103。从三维形状测定机201发出测定用激光211，从而对臂安装部120的摆动、上下方向的位移进行检测。在臂安装部120的下部固定有在下端具备触针121的臂122。触针121与成为测定对象的测定物60的被测定面61a、61b接触，对其三维形状进行测定。

根据图13对其详情进行说明。图13是以A-A面将图12中的探测器101剖切后的立体图。在图13中，相对于安装用构件102而进行摆动的摆动部103由下构件103c、隔离物103b、上构件103a、延伸部103e、可动侧保持部103d构成。两个上下弹性体109隔着隔离物103b而在下构件103c、上构件103a处固定两端。摆动部103中的成为摆动运动的支点的支点构件104c以向下构件103c的下部中央垂下的方式固定。向铅垂上方向延伸的延伸部103e在上构件103a的上表面设有2处。另外，在延伸部103e的上端设有可动侧保持部103d。可动侧保持部103d为环状的构件，可动侧磁铁151在同一半径上等间隔地设有4处。

在安装用构件102安装有固定侧保持构件114。在固定侧保持构件114上，固定侧磁铁152在同一半径上等间隔地设有4处。可动侧磁铁151与固定侧磁铁152之间的位置关系为分别在铅垂轴向即Z轴方向上排列地配置。另外，可动侧磁铁151与固定侧磁铁152的各自的对在相互作用吸引力的方向上固定。

摆动部103与安装用构件102借助连结机构104而可摆动地连结。连结机构104由固定于安装用构件102的棱柱的载置台104b、和安装于摆动部的下构件103c的支点构件104c构成。载置台104b在其上表面形成有圆锥形的槽104a，支点构件104c的前端嵌入该槽104a。由此，摆动部103与安装用构件102以支点构件104c与圆锥形的槽104a之间的接触部分为旋转中心，可绕任意的水平轴旋转地连结。即，摆动部103能够相对于安装用构件102摆动旋转。

臂安装部120固定于在摆动部103固定两端的两个上下弹性体109的中央部。在臂安装部120的上部设有对通过安装用构件102后的测定用激光211进行反射的反射镜123。

根据上述的结构，即使摆动部103以支点构件104c的前端为中心而摆动旋转，在上述磁铁的吸引力的作用下，向恢复该旋转的方向作用复原力。另外，利用上下弹性体109，臂安装部120相对于摆动部103能够在上下方向上微小移动，并且相对于上下移动以返回到中立位置的方式作用弹性的复原力。作为上下弹性体109，通过使用两个板簧，能够仅削弱上下方向的刚性，增强水平方向的刚性，从而以高精度进行测定。

接着，对上述结构的探测器101进行测定的测定方法进行说明。测定物60的铅垂面即被测定面61a的形状测定通过将安装于臂122的触针121以规定的按压力按压于被测定面61a来进行。在使触针121与被测定面61a接触的状态下使探测器101向测定物60侧稍微移动，由此由摆动部103的复原力来产生上述按压力即测定力。

另外，在测定物60的被测定面61b那样的水平面的情况下，通过将触针121以规定的按压力按压于被测定面61b来进行测定。在使触针121与被测定面61b接触的状态下使安装用构件102向测定物60侧的下方向稍微移动，由此能够由上下弹性体109的复原力产生上述按压力即测定力。

如以上那样，在将探测器101一边向测定物60施加恒定的测定力一边进行扫描的同时，利用测定用激光211来对反射镜123的上下位置、倾斜进行检测，由此能够求出触针121的中心相对于探测器101的相对位置。另外，利用三维形状测定装置201来求出探测器101的位置，由此能够对测定物60的形状进行三维地测定。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-286475号公报

发明概要

发明要解决的课题

然而，在更高精度地进行测定的情况或使用微小的触针的情况下，需要更小的测定力，在所述现有的结构中，当意欲减小水平面的测定时的测定力时，需要进一步减薄作为上下弹性体109的一例的板簧的厚度，并且增大板簧。例如，在将测定力设为0.5gf以下的情况下，需要将板簧的厚度设为0.05mm左右，将水平方向的长度设为30mm左右。在该厚度下，水平方向的刚性变小，在对探测器内的反射镜的倾斜与上下移动进行检测的测定机中，水平方向的偏移成为测定误差。另外，当减薄板簧的厚度时，刚性降低，当增大厚度薄的板簧时，可动部的质量增大，因此探测器的固有振动频率降低。当固有振动频率降低时，在测定时变得容易引起振动，从而测定数据产生因振动而导致的测定误差。

发明内容

本发明用于解决上述现有的课题，其目的在于提供一种三维形状测定装置用探测器，其通过减小探测器的上下微小移动机构的上下方向(铅垂轴向)的刚性并提高水平方向的刚性，能够实现以更小的测定力的测定，并且通过提高探测器的固有振动频率，不容易引起测定时、非测定时的振动。

解决方案

为了实现上述目的，本发明的三维形状测定装置用探测器具备：安装部，其安装于三维形状测定装置；摆动部，其具有设于所述安装部的载置台和载置于所述载置台的支点构件，以所述支点构件为支点而可摆动地与所述安装部连结，且具有相互交叉的第一面与第二面；施力机构，其具备设于所述摆动部的可动侧构件、和设于所述安装部且隔开间隔地与所述可动侧构件对置的固定侧构件，所述可动侧构件与所述固定侧构件以产生磁吸引力的方式构成，利用该磁吸引力以使所述摆动部朝向恒定的方向的方式对所述摆动部施力；臂支承部，其具有与所述第一面对置的第三面、与所述第二面对置的第四面，且在下端配置有与测定物的被测定面接触的触针的臂以下垂的方式安装于该壁支承部；多个摆动部侧构件，其设于所述摆动部的所述第一面与所述第二面，且分别具有铅垂面；多个臂侧构件，其设于所述臂支承部的所述第三面和所述第四面，分别与所述摆动部侧构件中的任一个在水平方向上隔开间隔地对置，并且具有与对置的所述摆动构件的所述铅垂面在水平方向上隔开间隔地对置的铅垂面，使得与所述摆动侧构件产生磁吸引力；多个球体，其由磁性体构成，分别配置于相互对置的所述摆动部侧构件与所述臂侧构件之间，且在所述磁吸引力的作用下被所述铅垂面吸引而与之接触。

具体地说，由一个所述摆动部侧构件、与其对置的一个所述臂侧构件、配置在上述的所述摆动部侧构件与所述臂侧构件之间的一个所述球构成的磁力组有5组，在所述磁力组中，5组中的任意1组配置在对与被其他4组约束的自由度不一致的方向的自由度进行约束的位置及方向上。

根据本结构，所述球在所述摆动部侧构件与所述臂侧构件之间在其铅垂面上一边接触一边滚动。由此，所述臂支承部相对于所述摆动部能够在铅垂轴上移动。另外，为了在所述摆动部侧构件与所述臂侧构件之间作用磁吸引力，所述臂支承部在铅垂轴上移动，在所述摆动部侧构件与所述臂侧构件分离的情况下，在靠近的方向上作用复原力。相对于所述摆动部而仅能够在铅垂轴向上移动地保持的所述臂支承部被向铅垂轴向的中立位置作用的磁吸引力施力，由此产生水平面测定时的测定力。构成各个磁力组的摆动侧构件、臂侧构件及球分别为点接触，但由于是刚体彼此的接触，因此能够相对于铅垂轴向的以外的5个自由度的移动、旋转而提高刚性。由此，通过仅对设于臂支承部的位置检测反射镜的倾斜、铅垂轴向移动进行检测，能够高精度地检测触针的位置。另外，磁力组只要具有尽可能地保持臂支承部及臂、触针、反射镜的磁吸引力即可，因此使用例如直径为1mm左右的永久磁铁与钢球即可。由此，可动部的质量变小，能够提高固有振动频率，从而难以产生振动。另外，能够减小基于磁吸引力的复原力，从而能够将测定力减小为例如0.3gf以下。

作为代替方案，所述摆动部侧构件与所述臂侧构件也可以是，一方由永久磁铁构成，另一方由磁性体构成。

所述摆动部侧构件、所述臂侧构件、所述球的5对的配置也可以是，在铅垂平面a上配置3对，在与所述铅垂平面a交叉的铅垂平面b上配置2对。

发明效果

根据本发明的三维形状测定装置用探测器，由于能够减小触针与测定物的接触力即测定力，因此能够高精度地进行测定，并且即便是微小的触针也可以在不破损的情况下进行测定。另外，由于能够降低可动部的固有振动频率，因此难以产生振动，从而能够实现高精度的测定。

附图说明

图1是本发明的实施方式中的三维形状测定装置用探测器的立体图。

图2是以A-A面将图1中的三维形状测定装置用探测器剖切时的立体图。

图3是图1中的三维形状测定装置用探测器的B-B面中的剖视图。

图4是将图1中的主要部分分解的立体图。

图5是表示图4中的永久磁铁53a和54a、钢球55a的位置关系的图。

图6是表示图5的上下移动机构部的移动后的状态的图。

图7是表示具备图1所示的探测器的形状测定装置的一例的图。

图8是表示图7所示的形状测定装置所具备的测定点信息决定部及探测器光学部的结构的图。

图9是用于说明由图1所示的探测器来进行被测定面的测定时的探测器的倾斜角度的图，是以俯视图来表示测定物的图。

图10是用于说明由图1所示的探测器来进行被测定面的测定时的探测器的倾斜角度的图，是以侧视图来表示测定物的图。

图11a是表示代替方案的上下移动机构的立体图。

图11b是图11a的主视图。

图11c是图11a的俯视图。

图12是现有的三维形状测定装置用探测器的一例的立体图。

图13是以A-A面将图12的现有的三维形状测定装置用探测器剖切后的立体图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式中的三维形状测定装置用探测器(以下称作探测器1)进行说明。

首先，参照图1～图4对探测器1进行说明。图1是表示本发明的实施方式1中的探测器1的外观的立体图。图2是将图1的一部分以A-A面(XZ平面)剖切探测器1而示出的立体图。图3是图1的B-B面(YZ平面)的剖视图。图4是仅分解了图1中的可动部分的立体图。

在图1中，探测器1借助作为整体呈两端开口的筒状的安装部2而可装卸地安装于三维形状测定装置201。在安装部2的下部固定并安装有闭锁构件5的上端侧。在闭锁构件5的下端侧固定并安装有载置台41。在下端具备触针21的臂22可摆动、上下移动地安装于载置台41。从形状测定机201发出测定用激光111，从而对臂22和触针21的摆动与上下方向的位移进行检测。探测器1一边使触针21与成为测定对象的测定物60的被测定面61a、61b接触，一边对其三维形状进行测定。

以下，参照图2、图3、图4对探测器1的构造的详情进行说明。

在图2中，探测器1具备：安装部2及固定于该安装部2的构件；包括下构件3a、可动侧保持部3c在内的摆动部3及固定于该摆动部3的构件；臂支承部20及固定于该臂支承部20的构件。摆动部相对于安装部2进行摆动运动，臂支承部20相对于摆动部进行上下运动。以下示出该结构。

安装部2在上部以安装于三维形状测定装置201的方式形成圆筒部，在其中央部以供测定用激光111通过，且不与摆动部的可动侧保持部3c接触的方式具有空洞部11。在安装部2的下部固定并安装有大致环状的固定侧保持构件33。在固定侧保持构件33保持有四个固定侧磁铁52。固定侧磁铁52在以探测器1的中心轴为中心的圆周上隔开90度间隔地配置。另外，在安装部2的下部的开口部固定有闭锁构件5。在闭锁构件5的下部，以不与摆动部3的下构件3a接触的方式开设有摆动用贯通孔5a。在闭锁构件5固定有沿着水平方向延伸的棱柱的载置台41，在载置台41的探测器1的中心轴上形成有圆锥槽41a。

摆动部3的可动侧保持构件3c在上部形成为环状，作为可动侧构件的一例的四个可动侧磁铁51与固定侧磁铁52相同地，在以探测器1的中心轴为中心的圆周上被隔开90度间隔地保持。可动侧磁铁51与固定侧磁铁52成对。换句话说，各个可动侧磁铁51与对应的固定侧磁铁52在探测器1的中心轴的方向(上下方向或铅垂方向)上相互对置。下构件3a借助图3所示的延伸部3b而固定于可动侧保持构件3c。在下构件3a，作为摆动部侧构件而埋入有永久磁铁53a～e(永久磁铁53a、53b参照图4)。另外，在下构件3a的一部分固定有由在探测器中心轴上沿铅垂方向向下突出的针状突起构成的支点构件42。

在下端具有触针21的臂22以下垂的方式安装在臂支承部20的下表面。另外，在臂支承部20的上表面固定有位置检测反射镜23，该位置检测反射镜23用于对检测臂支承部的上下移动位置、倾斜的测定用激光111进行反射。另外，如图4最为清楚地示出那样，在臂支承部20作为臂侧构件而埋入有永久磁铁54a～e。臂支承部20在中央设有沿着水平方向延伸的贯通孔24。构成连结机构的载置台41、支点构件42、及对支点构件42进行固定的摆动部3的下构件3a的一部分保持间隙地位于贯通孔24之中。换句话说，载置台41贯通贯通孔24而延伸。摆动部3的下构件3a的对支点构件42进行固定的部分为棱柱形状，将支点构件42固定于其下部。另外，在支点构件42的上方贯通贯通孔24而延伸。

在埋入下构件3a的永久磁铁53a～e与埋入臂支承部20的永久磁铁54a～e之间接触并保持有钢球55a～e(钢球55b、55d、55e在图4中图示)。

在图3中，如上所述，摆动部3的可动侧保持部3c借助摆动部的延伸部3b而固定于摆动部3的下构件3a。另外，载置台41的两端螺纹固定在闭锁构件5的下部。支点构件42的尖端位置与载置台41的圆锥槽41a的最下点接触。通过形成为上述的结构，摆动部的下构件3a和安装部2以支点构件42与圆锥槽41a的接触部分为摆动中心而可摆动地连结。需要说明的是，在支点构件42嵌入载置台41的圆锥槽41a而连结的情况下，摆动部3的下构件3a优选构成为使臂22朝向铅垂方向且重心位于通过支点构件42的前端的铅垂轴。

四个可动侧磁铁51与四个固定侧磁铁52分别隔开恒定距离地配置在同轴上。另外，各个对配置在相互作用吸引力的方向上。在本实施方式中，全部的可动侧磁铁51及固定侧磁铁52以上面形成为N极、下面形成为S极的方式配置。

图4是由图1中的探测器1的安装部2、固定侧保持构件33、固定侧磁铁52、闭锁构件5、载置台41构成的固定部(固定于三维形状测定装置201的部分)以外的可动部的分解立体图。

在图4中，摆动部的下构件3a具备对支点构件42进行固定的棱柱部分和对臂支承部20进行保持的部分。对臂支承部20进行保持的部分由在内侧包围臂支承部20的形状构成，具备平行于图4所示的YZ平面的铅垂面49和平行于XZ平面的铅垂面50。铅垂面(第一面)49与铅垂面(第二面)50在俯视观察下即从Z轴方向观察时相互正交。在上述的铅垂面49、50，作为摆动部侧构件而埋入有合计5个圆柱形的永久磁铁53a～e。其中，三个永久磁铁53a～c以其一个平面与铅垂面49成为同一面的方式埋入并固定。剩余的2个永久磁铁53d、53e以其一个平面与铅垂面50成为同一面的方式埋入并固定。铅垂面50是与铅垂面49正交的面。5个永久磁铁53在圆筒轴向上具有极性。

图4所示的臂支承部20被保持于摆动部的下构件3a的内侧，并且形成有铅垂面56、57。铅垂面(第三面)56是平行于YZ平面的面，铅垂面(第四面)57是垂直于XZ平面的面，铅垂面56、57在俯视观察中相互正交。另外，铅垂面56、57各自在水平方向上隔开间隔地与形成于摆动部的下构件3a的铅垂面49、50平行地对置。详细地说，铅垂面56在X轴方向上与下构件3a的铅垂面49对置，铅垂面57在Y轴方向上与下构件3a的铅垂面50对置。在臂支承部20的铅垂面56、57，作为臂侧构件而埋入并固定有合计5个圆柱形的永久磁铁54a～e。其中，三个永久磁铁54a～c以其一个平面与铅垂面56成为同一面的方式埋入并固定。剩余的2个永久磁铁54d、54e以其一个平面与铅垂面57成为同一面的方式埋入并固定。由此，埋入摆动部的下构件3a的永久磁铁53a～e和埋入臂支承部20的永久磁铁54a～e分别处于在水平方向上隔开间隔地对置的位置。5个永久磁铁54a～e在圆柱轴向上具有极性，其方向与对置的永久磁铁53a～e为同一方向，并且同轴。换句话说，永久磁铁54a～e与永久磁铁53a～e将钢球55a～e夹在中间而使异极对置(参照图5)。另外，各自的永久磁铁53a～e、54a～e的对置的面相互平行且是铅垂的面。

在图4所示的永久磁铁53a～e、54a～e的对置的铅垂面间，作为磁性体即球，5个钢球55a～e以被磁吸引的状态而被夹持。分别在永久磁铁53a～e、54a～e的对置的铅垂面间，图5示出构成由钢球55a～e构成的5组组合(磁力组)中的1组的永久磁铁53a和54a、钢球55a。钢球55a与2个永久磁铁点接触，并且能够在接触面即铅垂面上滚动。由此，臂支承部20能够相对于摆动部的下构件3a在铅垂面上移动。在图4中，利用在下构件3a的铅垂面49和臂支承部20的铅垂面56设置的3组永久磁铁53a～c、54a～c与钢球55a～c，臂支承部20相对于摆动部的下构件3a而仅能够与铅垂面49平行地移动。但是，3组永久磁铁、球的配置为在铅垂面上配置于一条直线上的情况下，由于无法实现绕该直线的旋转的约束，因此需要3对配置不在一直线上排列。在本实施方式中，由永久磁铁53a、54a与钢球55a构成的组(第一组)和由永久磁铁53b、54b与钢球55b构成的组(第二组)配置在沿着Y轴方向延伸的一直线上，但构成剩余的1组(第三组)的永久磁铁53c、54c与钢球55c处于相对于该Y轴方向的直线而在Z轴方向上偏离的位置(在附图下方)，并且相对于第一组及第二组都配置在在Y轴方向上偏离的位置。另一方面，利用在铅垂面50、57设置的2对永久磁铁53d～e、54d～e与钢球55d～e，臂支承部20相对于摆动部的下构件3a而仅能够与铅垂面49平行地移动。由于铅垂面49与铅垂面50是正交的面，因此臂支承部20相对于摆动部的下构件3a而仅能够沿着铅垂轴向移动。在本实施方式中，铅垂面49、50在俯视观察下正交，但不一定非要正交。只要铅垂面49、50是在俯视观察下以一定角度交叉的面，臂支承部20就同样地仅能够沿着铅垂轴向移动。另外，也可以由磁性体置换永久磁铁53a、54a的任一方。

如以上那样构成的本实施方式的探测器1以如下方式进行动作。

图2所示的摆动部3的下构件3a、可动侧保持部3c相对于安装部2而能够以支点构件42的尖端为中心在与测定用激光111交叉的任一方向上摆动。需要说明的是，在本实施方式中，测定用激光的光轴与铅垂方向即Z轴方向一致。在摆动部3以支点构件42的尖端为中心而向水平方向倾斜的情况下，可动侧磁铁51与固定侧磁铁52的距离变远，根据磁铁的性质，在使一对磁铁51、52相互靠近的方向上作用复原力。其结果是，对摆动部3整体作用恢复倾斜的方向(成为臂22沿着铅垂方向延伸的中立位置的方向)的磁性复原力。同样地，在摆动部以支点构件42的尖端为中心而绕铅垂轴旋转的情况下，利用可动侧磁铁51与固定侧磁铁52之间的磁力，对摆动部3作用恢复旋转的方向(恢复摇动构件3的绕铅垂轴的姿势的方向)的磁性复原力。利用上述的磁性复原力，非测定时的摆动部以臂22的延伸方向与铅垂方向一致的姿势被保持。

如上所述，臂支承部20、臂22、及触针21能够相对于图2所示的摆动部3的下构件3a在铅垂轴上移动。由于在作为摆动部侧构件的永久磁铁53a～e和作为臂侧构件的永久磁铁54a～e之间作用磁吸引力，臂支承部20在铅垂轴上移动，在永久磁铁53a～e与永久磁铁54a～e在铅垂轴向上分离的情况下，在永久磁铁53a～e与永久磁铁54a～e相互靠近的方向上作用复原力。图6示出由永久磁铁53a、54a与钢球55a构成的组的样子。图6是臂支承部20相对于摆动部而向铅垂下方向移动ΔZ的状态。此时，球55a在永久磁铁53a、54a的前端面上滚动，并且向铅垂下方向移动ΔZ的二分之一的距离。在该状态下，由于永久磁铁53a的磁轴与永久磁铁54a的磁轴偏离ΔZ，因此，根据磁铁的性质，在磁轴一致的方向、换句话说在使臂支承部20朝铅垂上方向移动的方向上作用复原力F。另外，钢球55a的移动为滚动接触，因此摩擦力非常小，臂支承部20能够相对于下构件3a而以微小的力移动。

如以上那样，臂支承部20相对于摆动部而仅能够在铅垂轴向上移动，利用磁吸引力而在铅垂轴向上具有复原力。

根据图2，对其动作进行说明。当对测定物的沿着铅垂方向或大致铅垂方向延伸的面(铅垂面：图2的测定物60的情况下为被测定面61a)的形状进行测定时，将触针21按压于被测定面的测定力以如下方式获得。当在使触针21与被测定面61a接触的状态下使安装部2向测定物60侧在水平方向上稍微移动时，以支点构件42的尖端为中心而使摆动部3的下构件3a与可动侧构件3c倾斜，由此臂22向水平方向倾斜。当摆动部3倾斜时，利用设于摆动部3的可动侧构件3c的可动侧磁铁51和设于安装部2的固定侧磁铁52之间的磁吸引力，产生使摆动部3a～c向臂22沿着铅垂方向延伸那样的初始状态的中立位置复原的复原力。利用该磁性复原力，触针21以规定的测定力按压于被测定面61a。

如此，借助连结机构而可摆动地与安装部2连结的摆动部3a～c被可动侧及固定侧磁铁51、52的磁吸引力施力，由此产生铅垂面测定时的测定力。铅垂面测定时的测定力能够通过可动侧磁铁51与固定侧磁铁52的磁力及两者的间隔来进行调整。例如，在本实施方式中，当以0.3mN按压触针21的前端时，设定可动侧磁铁51与固定侧磁铁52的磁力和距离，以使得触针的水平方向位移成为10μm。如此，本实施方式的探测器1能够利用较小的测定力来实现铅垂面的形状测定。

当对测定物的沿着水平方向或大致水平方向延伸的面(水平面：图1的测定物60的情况下为被测定面61b)的形状进行测定时，将触针21按压于被测定面的测定力以如下方式获得。在非测定时，臂支承部20在其重量(重力)的作用下沿铅垂方向向下移动，构成一个组的永久磁铁53a、54a与球55a的位置关系如图6那样。然而，伴随着移动量ΔZ的增加，磁性复原力F也增加。因此，在某一位置，复原力F与重力平衡。当在使触针21与被测定面61b接触的状态下使安装部2向测定物60侧向铅垂下方向稍微移动时，ΔZ变小，复原力F比施加于臂支承部20的重力变弱。其差分成为测定力，触针21被按压于被测定面61b。

如此，由两个永久磁铁间的磁轴的偏离而产生的弹性力对臂支承部20进行施力，由此产生水平面测定时的测定力。臂支承部20的铅垂方向的刚性只要是能够支持臂支承部20本身、臂22及触针21的重量的程度即可。换句话说，需要永久磁铁53、54支承的重量较轻。因此，能够通过减弱永久磁铁53、54的磁力来减小因磁轴的偏离而导致的弹性作用力。因此，本实施方式的探测器1能够以较小的测定力来实现水平面的形状测定。

如以上那样，本实施方式的探测器1对于铅垂面及水平面的任一个都能实现基于较小的测定力的高精度的测定。

图4所示的约束臂支承部20的铅垂轴向以外的动作的磁铁53、54与球55的组合各自为刚体，因此能够相对于铅垂轴向以外的移动方向及旋转而充分地提高刚性。在铅垂面测定时因作用于触针21的测定力的反作用力而导致的臂支承部20的水平方向的偏离、及伴随于此的位置检测反射镜23的水平方向的位移、绕铅垂轴的旋转无法被后述的形状测定装置201的测定用激光111检测，因此成为测定误差。然而，本实施方式的探测器1相对于臂支承部20的水平方向移动及旋转的刚性高，因此能够减小因测定力的反作用力而导致的位置检测反射镜23的水平方向的位移、绕铅垂轴的旋转，从而能够以高精度来对测定物60的铅垂的被测定面61b的形状进行测定。

接着，使用图7及图8对具备本实施方式的探测器1的形状测定装置进行说明。

一般来讲，形状测定装置201在控制探测器1的移动的同时沿着被测定面61a、61b移动而进行测定，以使得探测器1与测定物60接触，使将触针21按压于被测定面61a、61b的测定力成为大致恒定。利用激光测长器来检测探测器1在三维空间中的位置，通过将触针21相对于探测器1的位移加上该探测器1的位置坐标，由此获得被测定面61a、61b的表面形状数据。

作为上述的形状测定装置的一例，所述专利文献1(日本特开2010-286475号公报)所公开的形状测定装置为如下类型：如图7所示，将测定物60固定于平台上，并使探测器沿着X轴、Y轴、及Z轴的全方向移动。除此以外，还具有使测定物60沿着X轴、Y轴移动而使探测器沿着Z轴移动的类型。

图7所示的形状测定装置201具备工作台295，该工作台295设于石面板292上且具有在X轴及Y轴方向上可动的X-工作台2951及Y-工作台2952。在该工作台295载置Z-工作台293、He-Ne激光器(激光产生部)210、测定点信息决定部220、及探测器光学部231。因而，工作台295能够使Z-工作台293、He-Ne激光器210、测定点信息决定部220、及探测器光学部231沿着X轴及Y轴方向移动。

参照图7及图8对测定点信息决定部220及探测器光学部231进行详细地说明。如图8所示，测定点信息决定部220具有用于获得被测定面61a、61b的位置信息的光学系统221、位置坐标测定部224以及加法部225。探测器光学部231具有：反射镜位置倾斜检测部226；触针位置计算部223；分色镜2211a；聚焦透镜17。探测器光学部231与探测器1一并安装于Z-工作台293的可动侧。反射镜位置倾斜检测部226、触针位置计算部223、位置坐标测定部224、及加法部225与光学系统221连接，是用于求出测定时的触针的位置信息的构成部分。

He-Ne激光器210产生的测定用激光111为了求出测定物60的被测定面61a、61b的三维坐标位置而被光学系统221分光为四束。光学系统221为了对工作台295(参照图7)的X轴方向及Y轴方向上的移动量、换句话说被测定面61a、61b的X轴方向及Y轴方向上的坐标值进行检测，虽省略图示但具备X轴基准板及Y轴基准板，该X轴基准板具有由与X轴方向正交的镜面构成的基准面，该Y轴基准板具有由与Y轴方向正交的镜面构成的基准面。另外，还在光学系统221设有由与Z轴方向正交的镜面构成的Z基准板230(参照图7)。各基准板的基准面的平坦度构成为0.01微米数量级。

在被测定面61a、61b的形状测定方法中，例如日本特开平10-170243号公报所记载的那样使用公知的激光测长方法，向X轴、Y轴、及Z轴的各基准面照射激光，对照射的激光与由各基准面反射的激光之间的干涉信号进行计数，由此对反射后的激光的相位的变化进行检测。更具体地说，在该激光测长方法中，例如日本特开平4-1503号公报所公开的那样，将向各基准面照射的激光由棱镜等分支构件分为参照光与测定光，并且参照光与测定光之间的相位错开90度。而且，使测定光向基准面照射而反射，对因返回来的反射光与参照光的相位的偏差而产生的干涉光进行电检测，基于由获得的干涉条纹信号作成的利萨如图形来测定基准点与所述基准面之间的距离。

位置坐标测定部224为执行上述测长方法的部分，具有进行被测定面61a、61b中的测定点的X坐标值、Y坐标值、及Z坐标值的测长的检测部224a～224c。在本实施方式中，如图7所示，由于工作台295相对于在石面板292上载置的测定物60移动，因此上述的测定点中的X坐标值、Y坐标值、及Z坐标值能够换算为安装于Z-工作台293的探测器1的安装部2的绝对位置坐标值。

在本实施方式中，检测部224c为进行探测器1中的触针21的Z坐标值的测长的部分，作为触针位置测定器而发挥功能。以下，对该点进行详述。如图8所示，测定用激光111的一部分经由聚焦透镜17而向在安装于Z-工作台293的下端的探测器1的臂支承部20安装的位置检测反射镜23的中心点照射。照射后的测定用激光111被位置检测反射镜23反射，该反射光211b不被作为光分离部的分色镜2211a反射而透过，并由半透明反射镜2211b反射，进而向检测部224c照射，从而能够进行触针21的Z坐标值的测长。

通过利用加法部225对基于位置检测部224a～224c的检测结果的位置坐标测定部224的计算结果(在本实施方式中安装部2的X轴及Y轴坐标值与触针21的Z轴坐标值)、和基于反射镜位置倾斜检测部226的检测结果的触针位置计算部223的计算结果进行加法运算，从而计算被测定面61的形状。反射镜位置倾斜检测部226对伴随着摆动部3a～c的倾斜的触针21的位移(X轴及Y轴方向)与伴随着臂支承部20的铅垂方向的位移的触针21的位移(Z轴方向)进行检测。

以下，对反射镜位置倾斜检测部226及触针位置计算部223进行说明。反射镜位置倾斜检测部226具备向位置检测反射镜23照射的半导体激光器227、倾斜角度检测部222、上下位置检测部228。与He-Ne激光器210波长不同的半导体激光器(激光产生部)227的激光229经由分色镜2211a而向位置检测反射镜23照射。由激光229的位置检测反射镜23反射的反射光229b在被分色镜2211a反射之后，射入倾斜角度计算部222与上下位置检测部228。

倾斜角度检测部222由具有对反射光229b进行受光并将其转换为电信号的倾斜检测受光面的光检测器构成，根据倾斜检测受光面中的反射光229b的位置，将与受光面的二维坐标值对应的电信号向所述触针位置计算部223送出。所述二维坐标值与对触针21进行保持的臂22的倾斜角度对应。触针位置计算部223将从倾斜角度检测部222输入的角度信号转换为探测器1所具备的触针21的位移量。

触针21如图示那样为球状，因此所述测定X坐标值、测定Y坐标值、及测定Z坐标值为触针21的中心坐标。因此，被测定面61a上的测定点的真实的坐标值为在与探测器1的扫描方向垂直的方向上偏移触针21的半径值后的值。

反射镜位置倾斜检测部226具备的上下位置检测部228根据来自位置检测反射镜23的反射光229b来对位置检测反射镜23相对于安装部2的上下方向的位移进行检测。检测方法能够通过使用日本特开2008-292236所示那样的全息图的方法等公知的技术来实现。

以下，对如以上那样构成的形状测定装置201中的动作、即对测定物60的被测定面61a、61b的形状测定方法进行说明。该形状测定方法通过图7所示的控制装置280的动作控制而被执行。

首先，使用图7及图8对测定铅垂面即被测定面61a的情况进行说明。如上述那样，相对于测定物60而相对地配置具有安装了探测器1的Z-工作台293的工作台295，使图8所示的触针21与被测定面61a接触，进而使触针21例如以约0.3mN(=30mgf)的测定力按压被测定面61a。

例如，以测定物60的被测定面61a为圆筒内周面并进行其形状测定的情况为例，根据图9及图10进行说明。如图9所示，触针21一边沿着被测定面61a与之接触一边进行测定。此时，探测器1沿着箭头121a的方向行进。此时，通过使探测器1稍微朝箭头121b的方向移动，能一边恒定或大致恒定地维持触针臂22相对于图10所示的铅垂方向的倾斜β一边行进。即，以使触针臂22向任意的方向倾斜，并且将相对于铅垂方向的倾斜β维持为恒定或大致恒定的方式，由图7所示的控制装置280来控制工作台295的驱动部294，并对工作台295向X轴方向及Y轴方向的移动量及移动方向进行控制。需要说明的是，在本实施方式中，通过调整为使触针臂22前端的位移保持10μm那样的角度，能够将测定力保持为0.3mN。

基于上述的测定动作，如上所述，借助图8所示的触针位置计算部223及位置坐标测定部224，利用加法部225来求出被测定面61a的测定点中的所述测定X坐标值、测定Y坐标值、及测定Z坐标值。

接着，对测定水平面即被测定面61b的情况进行说明。在该情况下，需要在铅垂方向向下产生将触针21按压于被测定面61b的测定力。另外，为了高精度地进行测定，需要使铅垂方向向下的测定力恒定。利用控制装置280来对驱动部294驱动而使工作台295(参照图7)沿着水平方向移动，并且基于反射镜位置倾斜检测部226的上下位置检测部228的检测结果，以使位置检测反射镜23的铅垂方向的位移量恒定的方式来使Z-工作台293动作。例如，当非测定时的臂支承部20相对于摆动部3a～c而在重力的作用下向铅垂下方向移动100μm时，以在测定时成为90μm的挠曲的方式进行控制，由此能够将测定力保持为3mN。另外，由于随着被测定面61b的微小的位移而使触针21也上下移动，因此根据作为与触针21形成为一体而移动的位置检测反射镜23的Z坐标的测长部而发挥功能的检测部224c的检测值，还能够对测定物的微小位移进行测定。

另外，在从理想水平面倾斜变大的情况下，在测定例如45度左右的倾斜时，在铅垂下方向产生按压力的情况下，在触针21的臂22产生倾斜，但由于利用倾斜角度检测部222对臂的倾斜进行检测，因此通过将该倾斜量换算为触针位移而加以修正，从而能够实现高精度的测定。然而，在该测定方法中，由于无法检测反射镜23的绕Z轴的旋转及向X、Y轴方向的平行移动的偏移，因此成为测定误差。如上所述，本发明的探测器1能够在由永久磁铁53a～e、54a～e与球55a～e构成的上下机构部中提高绕Z轴的刚性以及向X、Y轴方向的刚性，因此能够减小误差。为了对臂支承部20的倾斜、上下位置进行检测而在臂支承部具备位置检测反射镜，但也可以使用多个静电电容传感器的距离传感器，通过求出臂支承部的多个位置位移来进行检测。

需要说明的是，探测器1能够利用磁力来将摆动部3a～c保持为恒定方向，并且将臂支承部20保持于恒定位置，因此固定有触针21的臂22的轴并不局限于铅垂方向，也可以在倾斜的状态下使用。

在本实施方式中，在2个平面配置5对磁铁，作为代替方案，如图11a、图11b、图11c那样在平行的铅垂曲面和与其交叉的铅垂平面配置5对磁铁与钢球，也能够获得同样的效果。需要说明的是，图11a是表示摆动部的下构件3a、臂支承部20、及由磁铁53a～e和54a～e、球55a～e构成的上下移动机构的配置的立体图，图11b是其主视图，图11c是其俯视图。在图11c的俯视图中，在摆动部3的下构件3a形成有曲面49a。曲面49a在圆筒内表面其圆筒轴与铅垂方向一致。与其对置的曲面56a形成于臂支承部20。曲面56a为与曲面49a成为同心圆筒的面。即，曲面49a与曲面56a是相互具有恒定的距离的铅垂面。沿着上述曲面49a、56a配置永久磁铁53a～c、54a～c，利用磁力在其之间保持有钢球55a～c。永久磁铁53d～e、54d～e被保持于在摇动构件3的下构件3a形成的铅垂面50a和在臂支承部20形成的铅垂面57a。铅垂面50a、57a与所述的铅垂面50，57(图4)相同地，是相互平行的铅垂平面。在上述结构中，利用永久磁铁53a～c、54a～c与球55a～c这3对永久磁铁与球的组合，臂支承部20相对于摆动部的下构件3a而一边使曲面49a与曲面56a保持恒定的距离一边能够在Z轴方向上移动。然而，即便这样也能够相对于绕Z轴的旋转、绕X轴的旋转进行移动。因此，追加永久磁铁53d～e、54d～e与球55d～e这2对永久磁铁与球的组合，从而能够约束其旋转。除此以外，永久磁铁与球的5对配置只要能够约束铅垂轴以外的自由度，就能够获得同样的效果。

在图4、图11a(代替方案)所示的臂支承部20无约束的情况下，相对于摆动部3，能够以与X、Y、Z的3个方向的移动相关的3个自由度、和与绕X轴、绕Y轴、绕Z轴的旋转相关的3个自由度共计6个自由度进行移动和旋转，但可以配置为利用5组永久磁铁与钢球来约束6个自由度中的5个自由度，仅能够在剩余的Z方向的1个自由度上移动。因此，磁铁与钢球的组必须为5组，若是6组以上，则至少在1组磁铁与球中磁铁与球不接触而悬浮，从而无法准确地进行铅垂轴向的移动。

当分别由磁铁与钢球构成的5组中的1组约束的自由度的方向与其他4对约束的自由度的方向重合时，约束变得不够，从而能够在Z轴方向以外的自由度上移动或旋转。例如，在图4中，利用永久磁铁53a～d和54a～d、球55a～d这4组，对臂支承部20进行在YZ面上的约束(即对X轴移动、绕Y轴旋转、绕Z轴旋转的约束)和对Y轴移动的约束这4个方向的约束。剩余的1组的约束需要利用永久磁铁53e、54e与钢球55e来约束绕X轴的旋转。为此，在永久磁铁53d、54d与钢球55d的下方配置永久磁铁53e、54e与钢球55e。然而，当将永久磁铁53e和54e与钢球55e配置在与永久磁铁53d和54d、球55d相同的高度时，永久磁铁53e和54e、球55e变成Y轴方向的约束、或约束绕Z轴的旋转，与被其他4对约束的自由度的方向一致。在该情况下，无法实现绕X轴的旋转的约束，而在向触针21施加Y方向的测定力的情况下，产生绕X轴的旋转，从而成为测定误差。即，5对中的任意的1对需要配置在对与被其他4对约束的自由度不一致方向的自由度进行约束的位置、方向上。

需要说明的是，在本实施方式中，触针21为具有例如约0.03mm～约2mm的直径的球状体，臂22作为一例为粗细约0.7mm、从臂支承部20的下表面到触针21的中心的长度约10mm的棒状构件。上述值根据被测定面61a、61b的形状而被适当地变更。

如以上那样，通过将本发明的三维形状测定装置用探测器1安装于现有的三维形状测定装置201，由于能够减小触针21与测定物60的接触力即测定力，因此能够高精度地测定，另外，即便是微小的触针21也可以在不破损的情况下进行测定。另外，约束臂支承部20的移动且具有复原力的磁铁与钢球的组合各自为点接触，但由于是刚体彼此的接触，因此能够相对于铅垂轴向的以外的5个自由度的移动、旋转而提高刚性。由此，通过仅对设于臂支承部20的位置检测反射镜23的倾斜、铅垂轴向移动进行检测，便能够高精度地检测触针21的位置。磁铁与钢球的组合作为一例而使用直径为1mm左右的较小的构件，可动部的质量变小，从而能够降低固有振动频率。由此，难以产生振动，能够实现高精度的测定。

另外，即便向探测器1施加意外的冲击而使臂支承部20相对于摆动部3有较大偏移，也会由于夹在磁铁间的球被任一磁铁吸附而不会掉落，从而能够立即复原而进行使用。

在本探测器1中，复原力等利用磁力，由于由永久磁铁构成，因此不会如电磁铁那样流通电流。由此结构变得简单，不会因电力热导致温度上升，从而能够实现稳定的测定。

工业实用性

本发明无论是在铅垂面的测定时、还是在水平面的测定时，都能够以较小的按压力进行测定，另外，通过减少探测器内的反射镜的水平方向的位移，能够高精度地对测定物的形状进行测定。能够应用于如下的三维形状测定装置的三维形状测定用探测器：不仅能够进行任意形状的孔的内表面、孔径的测定及任意形状的外侧面的铅垂面的形状测定，还能够以高精度及低测定力对水平面的形状测定进行扫描测定。

附图标记说明如下：

1  三维形状测定装置用探测器

2  安装部

3  摆动部

3a  下构件

3b  延伸部

3c  可动侧保持部

5  闭锁构件

5a  摆动用贯通孔

11  空洞部

17  聚焦透镜

20  臂支承部

21  触针

22  臂

23  位置检测反射镜

24  贯通孔

33  固定侧保持构件

41  载置台

41a  圆锥槽

42  支点构件

49  铅垂面

50  铅垂面

51  可动侧磁铁

52  固定侧磁铁

53a  永久磁铁

53b  永久磁铁

53c  永久磁铁

53d  永久磁铁

53e  永久磁铁

54a  永久磁铁

54b  永久磁铁

54c  永久磁铁

54d  永久磁铁

54e  永久磁铁

55a  钢球

55b  钢球

55c  钢球

55d  钢球

55e  钢球

56  铅垂面

57  铅垂面

60  测定物

101  三维形状测定用探测器

103  摆动部

104  连结部

109  上下弹性体部

111  测定用激光

114  固定侧保持构件

120  臂安装部

121  触针

122  臂

123  反射镜

141  载置台

142  支点构件

201  三维形状测定装置

210  He-Ne激光器

220  测定点信息决定部

221  光学系统

222  倾斜角度检测部

223  触针位置计算部

224  位置坐标测定部

225  加法部

226  反射镜位置倾斜检测部

227  半导体激光器

228  上下位置检测部

229  激光

230  Z基准板

231  探测器光学系统

292  石面板

293  Z-工作台

295  工作台

2951  X-工作台

2952  Y-工作台

Claims (6)

1.一种三维形状测定装置用探测器，其特征在于，具备：

安装部，其安装于三维形状测定装置；

摆动部，其具有设于所述安装部的载置台和载置于所述载置台的支点构件，以所述支点构件为支点而可摆动地与所述安装部连结，且具有相互交叉的第一面与第二面；

施力机构，其具备设于所述摆动部的可动侧构件、和设于所述安装部且隔开间隔地与所述可动侧构件对置的固定侧构件，所述可动侧构件与所述固定侧构件以产生磁吸引力的方式构成，利用该磁吸引力以使所述摆动部朝向恒定的方向的方式对所述摆动部施力；

臂支承部，其具有与所述第一面对置的第三面、与所述第二面对置的第四面，且在下端配置有与测定物的被测定面接触的触针的臂以下垂的方式安装于该壁支承部；

多个摆动部侧构件，其设于所述摆动部的所述第一面与所述第二面，且分别具有铅垂面；

多个臂侧构件，其设于所述臂支承部的所述第三面和所述第四面，分别与所述摆动部侧构件中的任一个在水平方向上隔开间隔地对置，并且具有与对置的所述摆动构件的所述铅垂面在水平方向上隔开间隔地对置的铅垂面，使得与所述摆动侧构件产生磁吸引力；

多个球体，其由磁性体构成，分别配置于相互对置的所述摆动部侧构件与所述臂侧构件之间，且在所述磁吸引力的作用下被所述铅垂面吸引而与之接触。

2.根据权利要求1所述的三维形状测定装置用探测器，其中，

由一个所述摆动部侧构件、与其对置的一个所述臂侧构件、配置在上述的所述摆动部侧构件与所述臂侧构件之间的一个所述球构成的磁力组有5组，

在所述磁力组中，5组中的任意1组配置在对与被其他4组约束的自由度不一致的方向的自由度进行约束的位置及方向上。

3.根据权利要求2所述的三维形状测定装置用探测器，其中，

所述摆动侧构件与所述臂侧构件中的一方由永久磁铁构成，另一方由磁性体构成。

4.根据权利要求2所述的三维形状测定装置用探测器，其中，

所述摆动侧构件与所述臂侧构件双方均由永久磁铁构成，并配置成异极相互对置。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的三维形状测定装置用探测器，其中，

所述摆动部侧构件与所述磁力组如下配置：将3组配置于不在所述第一面及所述第三面上的一条直线上排列的位置，将2组配置于所述第二面及所述第四面上的不同高度。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的三维形状测定装置用探测器，其中，

所述臂支承部具备位置检测反射镜。