JP2003042742A

JP2003042742A - 接触式プローブ

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Publication number: JP2003042742A
Application number: JP2001234401A
Authority: JP
Inventors: Masato Negishi; 真人根岸
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2001-08-02
Filing date: 2001-08-02
Publication date: 2003-02-13
Anticipated expiration: 2021-08-02
Also published as: JP4557466B2

Abstract

(57)【要約】【課題】自由曲面光学素子等の形状測定に用いる接触
式プローブにおいて、自重を補償して接触力を小さくし
て小型化を図るとともに測定精度を向上させ、さらに、
先端球の交換を簡便に行うことができる接触式プローブ
を提供する。【解決手段】永久磁石およびコイルとともに磁気回路
を構成するヨーク１７を、プローブのミラー固定駒５を
挟むように配置して測定軸１５に固定し、磁気回路の発
生する磁力によってプローブの自重をキャンセルする一
定の力とプローブの変位にしたがって変化するばね要素
としての力を発生させ、ばねを必要とすることなく小型
で測定精度の良好なプローブを構成する。ノズル２１か
ら圧縮空気をプローブに吹き付けることにより、プロー
ブを突き当て固定できる構成とする。また、先端球１を
真空吸着できる構成として、球の交換を簡便にし、先端
球の摩耗の問題を軽減し、測定信頼性および測定精度を
向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レンズやミラー等
の光学素子などの表面形状を精密に測定する際に用いる
接触式プローブに関する。

【０００２】

【従来の技術】レンズやミラー等の光学素子などの表面
形状を精密に測定する３次元測定装置は、被測定物の形
状をトレースするプローブと、そのプローブの位置を測
定する座標測定手段の２つに分けて構成を考えることが
できる。このとき、プローブにとって重要なことは、被
測定物の表面位置を座標測定可能な部材にうつしとるこ
とである。プローブが被測定物表面に対してトレースす
る時の誤差をトレース誤差と呼ぶ。従来、このプローブ
の構成として、１９９２年度精密工学会春期大会学術講
演論文集ｐ６９７〜６９８や特開平６−２６５３４０号
公報等に、エアー軸受けを用いて上下に移動可能にプロ
ーブシャフトを設け、プローブシャフトの自重をばねで
支える構成が提案されている。

【０００３】この種のプローブを用いて形状をトレース
する場合、前述したトレース誤差が生じる。トレース誤
差があってもプローブの押しつけ力誤差にならないよう
に十分弱いばねすなわちばね定数が十分に小さいばねを
用いる必要がある。なぜなら、トレース誤差にばね定数
を掛けた量が押しつけ力の誤差になるからである。

【０００４】また、別の従来例として、特開平１１−１
３２７５７号公報に開示されているように、スタイラス
本体と先端部分と別体とし、先端部分をスタイラス本体
にネジ止めすることによって、先端部分の交換を容易に
できるように工夫した例がある。

【０００５】なお、プローブは、しばしば、スタイラ
ス、触針子、フィーラーと呼ばれることがあるが、本明
細書ではプローブに統一する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た従来技術においては次の問題点があった。

【０００７】（１）押しつけ力を小さくするために、ば
ねのサイズが大きくなる。ばねが発生する力は、プロー
ブの自重に押しつけ力を加えた力である。この押しつけ
力は非常に小さいが、自重のほうはそうはいかない。し
たがって、ばねが発生する力は比較的大きくなる。

【０００８】しかし、前述したようにトレース誤差の影
響を小さくする必要があるので、ばね定数は小さくしな
ければならなかった。したがって、ばねのたわみ量、す
なわち、ばねの発生力をばね定数で割った量が非常に大
きくなってしまう。

【０００９】例えば、プローブの質量を１０ｇ、押しつ
け力を０．１ｍＮとすると、ばねが発生する力は、重力
加速度を９．８ｍ／ｓ² として、Ｆ＝９．８×１０＋
０．１＝９８．１ｍＮとなる。また、許容できる押しつ
け力誤差を１０％、すなわち、０．１×１０／１００＝
０．０１ｍＮとし、さらに、トレース誤差を１０μｍと
すると、ばね定数Ｋは、Ｋ＝０．０１／１０＝０．００
１ｍＮ／μｍとなる。

【００１０】したがって、ばねのたわみは、Ｆ／Ｋ＝９
８．１ｍｍとなり、約１００ｍｍのたわみが必要であ
る。このときのばねのサイズは、力をかけていない状態
でのばねの長さもこれに加えるのでもっとずっと大きく
なるはずである。

【００１１】したがって、従来例のようにばねを配置す
ると、ばね定数を下げるためにばねを長くしたりサイズ
を大きくしたりする必要があり、プローブのサイズが大
きくなってしまう。サイズが大きくなると、環境温度を
均一に保つことが難しく、形状測定精度が悪化するほ
か、大型化によって、プローブを走査する測定軸の大き
さも大きくならざるを得ず、装置コストが高くなる。

【００１２】さらに、押しつけ力を下げようとすると、
さらに弱いばねが必要となるため、プローブのばねの部
分が非常に大きくなり、従来の方法では実質的に実現不
可能になってしまう。

【００１３】（２）プローブ押しつけ力が変化しやす
い。ばねは周囲の温度変化等の影響により伸びたり縮ん
だりすることが考えられる。従来例においては、ばねが
発生する力はプローブの自重を含んでいるので大きかっ
た。したがって、ばねの伸び縮みでばねの発生力が変化
すると、プローブ押しつけ力への影響も大きい。

【００１４】例えば、前述した例ではばねの受け持つ力
はＦ＝９．８×１０＋０．１＝９８．１ｍＮであった。
したがって、わずか０．１％の変化でも０．０９８１ｍ
Ｎの変化となり、プローブ押しつけ力０．１ｍＮに対し
て非常に大きな誤差になってしまう。このため、精密な
形状測定が難しい。

【００１５】（３）プローブ先端に取り付ける球の交換
が難しい。接触式プローブを用いた測定では、どんなに
押しつけ力を低くしても、被測定物とプローブとの相互
作用により、先端に取り付ける球が損傷を受けることは
本質的に避けられない。そこで先端の球を交換する必要
があるが、従来例のように、先端球と一体になっている
プローブの構造では、先端球だけの交換は不可能であ
る。したがって、先端球と一体になっている先端部分を
そっくり交換する必要があるため、効率が悪い。交換に
手間がかかるだけではなく、球を取り付けた先端部分を
多数用意しておく必要もあるからである。こうした手間
は測定コストの上昇につながり、光学素子の生産から見
て、非経済的である。

【００１６】（４）押しつけ力の微調整が難しい。プロ
ーブ先端の交換等によってプローブの自重が変化するこ
とが考えられるが、プローブの自重が変わると接触力も
変わる。従来例では、ばねの位置を調節することができ
ないため、この押しつけ力の誤差を微調整することが難
しい。

【００１７】押しつけ力の誤差は、被測定物やプローブ
の変形量を変化させるため、高精度な形状測定ができな
い。

【００１８】（５）接触判定が難しい。従来例のプロー
ブを用いて形状を測定する場合、先ずプローブを被測定
物に接近させ、接触したら止まるという動作が必ず必要
である。この時、プローブを支持している部材を動かす
必要があるので、当然プローブ自身も動く。プローブが
動くとその時の振動でプローブに外乱振動が加わる。と
ころが、従来例のように非常に弱いばねで支えられてい
るプローブはわずかな外乱振動でも、その影響を受けて
大きく揺れてしまう。

【００１９】大きく揺れているプローブが被測定物に接
触したかどうかを検出することは難しい。プローブの変
位が揺れによって生じているのか、接触によって生じて
いるのか判断するのに時間がかかるからである。

【００２０】前述した数値例では、プローブの質量Ｍ＝
１０ｇ、ばね定数Ｋ＝０．００１ｍＮ／μｍであったの
で、プローブ部分の固有振動数は、ｓｑｒｔ（Ｋ／Ｍ）
／２π ＝１．６Ｈｚと非常に低い。この揺れを判定す
るには、最低でも１周期分の時間が必要なことから、１
／１．６＝０．６秒ごとにしか判定できない。したがっ
て、非常にゆっくりと接近させなければ接触判定ができ
ない。

【００２１】この時間は測定に要する時間を引き延ばし
てしまう。これは測定コストの上昇につながり、光学素
子の生産から見て、非経済的である。

【００２２】そこで、本発明は、上記従来技術の有する
未解決な課題に鑑みてなされたものであって、自由曲面
光学素子等の形状測定に用いる接触式プローブにおい
て、自重を補償して接触力を小さくして小型化を図ると
ともに測定精度を向上させることができ、さらに、先端
球の交換を簡便に行うことができる接触式プローブを提
供することを目的とするものである。

【００２３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の接触式プローブは、３次元的に移動可能な
移動部材の先端に一方向に移動可能に設けられたプロー
ブであって、その先端部を被測定物に接触させて走査す
ることにより、その時の座標位置を測定して被測定物の
形状を測定する形状測定用の接触式プローブにおいて、
ヨーク、永久磁石およびコイルからなる磁気回路を、該
ヨークがプローブを挟むように移動部材に固定し、磁気
回路の発生する磁力が、プローブにかかる重力をキャン
セルする一定の力とプローブの変位にしたがって変化す
るばね要素としての力を発生させることを特徴とする。

【００２４】また、本発明の接触式プローブは、３次元
的に移動可能な移動部材の先端に一方向に移動可能に設
けられたプローブであって、その先端部を被測定物に接
触させて走査することにより、その時の座標位置を測定
して被測定物の形状を測定する形状測定用の接触式プロ
ーブにおいて、移動部材に支点を取り付けた天秤または
プーリーを配設し、該天秤またはプーリーの一端部にプ
ローブを吊下げ、他端部にバランス重りを接続し、プロ
ーブにかかる重力の一部をバランス重りでキャンセルす
るとともに、残りの力の一部をうけるばね要素を移動部
材に固定して有することを特徴とする。

【００２５】本発明の接触式プローブにおいては、プロ
ーブおよび／またはバランス重りは空気軸受けを介して
移動部材に支持されていることが好ましい。

【００２６】本発明の接触式プローブにおいては、移動
部材に支点を取り付けたてこの一端部にプローブまたは
バランス重りに接続したばねを固定し、該てこの他端部
にてこの変位を調節可能な調節機構を取り付け、該調節
機構によりプローブの接触力を微調整可能とすることが
好ましい。

【００２７】本発明の接触式プローブにおいては、磁石
とヨークからなる磁気回路を移動部材に固定して設け、
磁気回路の発生する磁力をバランス重りまたはプローブ
にかけることが好ましい。

【００２８】本発明の接触式プローブにおいては、ヨー
ク、永久磁石およびコイルからなる磁気回路を移動部材
に固定して設け、該磁気回路の発生する磁力をプローブ
またはバランス重りにかけるようにし、コイルに通電す
る電流を変化させることにより該磁気回路により生じる
力を変化させて、プローブの接触力を微調整可能とする
ことが好ましい。

【００２９】本発明の接触式プローブにおいては、プロ
ーブの軸内に真空路を設け、プローブ先端に球を真空吸
着することが好ましく、さらに、前記真空路に真空度計
を接続し、該真空度計により球の吸着状態を判定するこ
とができるように構成することが好ましい。

【００３０】本発明の接触式プローブにおいては、プロ
ーブの可動範囲内に力センサーを設け、プローブによる
形状測定に先立って、プローブを力センサーに当接さ
せ、該力センサーの値が所定の値になるように押しつけ
力を調節することが好ましい。

【００３１】本発明の接触式プローブにおいては、プロ
ーブまたはバランス重りの移動を規制するストッパーを
移動部材に固定して設け、プローブまたはバランス重り
に対する空気の吹き付けあるいは空気の吸引によりプロ
ーブまたはバランス重りを移動しうるように構成し、プ
ローブを最初に被測定物に接触させるときに、プローブ
またはバランス重りを空気の吹き付けあるいは吸引によ
りストッパーに突き当てることが好ましい。

【００３２】

【作用】本発明の接触式プローブによれば、ヨーク、永
久磁石およびコイルからなる磁気回路をプローブに設
け、磁気回路の発生する磁力が、プローブの重力方向の
力をキャンセルする一定の力とプローブの変位にしたが
って変化するばね要素の力とを発生することによって、
従来のようにサイズの大きい弱いばねを設ける必要がな
くなり、プローブを小型化することができる。さらに、
機械的なばねを用いないので、環境温度の変化などでば
ねが変形して押しつけ力が変化するという心配が無く、
測定精度を向上することができる。また、コイルに通電
する電流を変化させることにより磁力が変化するので、
押しつけ力の精密な調整が可能となり、プローブ先端球
の交換等によってプローブの自重が変化しても、調整し
なおすことにより、その影響を軽減し、測定精度を上げ
ることができる。さらに、遠隔操作での調節が可能とな
り、作業が容易になるため効率的な測定装置の運用が可
能となる。

【００３３】また、本発明の他の接触式プローブによれ
ば、移動部材に支点を固定した天秤またはプーリーの一
端部にプローブを吊下げそして他端部にバランス重りを
接続することにより、プローブにかかる重力のほとんど
をバランス重りによりキャンセルすることができ、残り
の力の一部をうけるばね要素をプローブまたはバランス
重りに接続することで、ばねが受け持つ力を非常に小さ
くすることができ、弱いばねを採用しても、ばねが長く
伸びプローブ全体のサイズが大きくなるという問題を回
避することができる。また、温度変化等によってばねが
変形しても、もともとばねの受け持つ発生力が小さいの
で、プローブ押しつけ力誤差への影響も少なく、測定精
度が向上できる。

【００３４】さらに、プローブまたはバランス重りに接
続したばねを調節機構を有するてこに取り付けることに
より、調節機構によってばねの長さを調節でき、これに
よって、プローブの接触力の精密な調整が可能となり、
また、プローブ先端球の交換等によってプローブの自重
が変化しても、調整しなおすことで、その影響を軽減す
ることができるため、測定精度を上げることができる。

【００３５】また、ヨークと永久磁石からなる磁気回路
をばねに代えて用いることにより、プローブの自重を支
えるための力を永久磁石による磁力を利用して発生させ
ることができ、バランス重りの質量を軽くすることがで
き、その慣性が小さくすることで、被測定物の微少な凹
凸に対する追従性能が向上して測定精度の向上につなが
る。さらに、磁気回路はばね要素の作用も有しているの
で、ばねを必要とせず、小型化が可能となる。

【００３６】また、ヨーク、永久磁石およびコイルから
なる磁気回路を用いることにより、ヨークと永久磁石か
らなる磁気回路を用いる場合の作用効果に加えて、コイ
ルに通電する電流を変化させることにより、磁気回路の
発生する力を微調整することができ、プローブの接触力
の精密な調整が可能となり、プローブ先端球の交換等に
よってプローブの自重が変化しても、調整しなおすこと
により、その影響を軽減することができるため、測定精
度を上げることができる。

【００３７】また、プローブやバランス重りを空気軸受
けを介して支持することにより、プローブやバランス重
りの摩擦のない動きが可能となり、プローブの押しつけ
力の誤差をなくして、高精度なプローブ押しつけ力を実
現することができ、測定精度を向上させることができ
る。

【００３８】さらに、プローブの軸内に真空路を設け、
プローブ先端に球を真空吸着する構成とすることによ
り、プローブ先端球の交換を簡便に行うことができ、し
かも、先端球だけの交換ですむため、交換部分が少なく
非常に短時間で交換することができ、測定コストを下げ
ることができる。さらに、先端球の交換が容易となるこ
とで、全測定に対して新しい球を使用することも可能と
なり、先端球の摩耗の問題を軽減し、測定信頼性および
測定精度を向上させることできる。

【００３９】また、プローブ軸内の真空路に真空度計を
接続することにより、真空度計でプローブ先端球の有無
をチェックできるため、プローブ先端球を吸着しない状
態で形状測定する危険を回避することができ、さらに、
真空度をチェックすることにより、先端球の吸着状態の
良否判定が可能となり、先端球の吸着状態が悪ければ測
定を中断することが可能となり、測定信頼性を向上させ
ることができる。

【００４０】また、力センサーをプローブの可動領域内
に設けることにより、この力センサーを用いて、測定の
直前にプローブ押しつけ力を自動的に校正することがで
き、作業能率が向上し、測定コストを軽減することがで
きる。さらに、周囲の温度変化等の影響により、押しつ
け力が微妙に変化したとしても、その影響を排除するこ
とができるため、高精度な測定が可能となる。

【００４１】プローブまたはバランス重りの移動を規制
するストッパーを移動部材に設けるとともに、プローブ
またはバランス重りに対する空気の吹き付けあるいは空
気の吸引によりプローブまたはバランス重りを移動しう
るように構成することにより、測定前において、プロー
ブをストッパーに突き当てることによって移動部材に固
定することができるため、プローブの振動が抑えられ、
プローブを被測定物に接触させるときの接触判定を容易
にしかも短時間で行うことができるため、測定時間が短
縮でき測定コストの低減を可能にする。

【００４２】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
いて説明する。

【００４３】（第１の実施形態）図１は、本発明の第１
の実施形態の接触式プローブを組み込んだ形状測定装置
を一部破断して示す構成図であり、図２の（ａ）は、プ
ローブと、ヨーク、永久磁石およびコイルとの関係を示
す概略図であり、同図（ｂ）はヨークに磁気抵抗調節ネ
ジおよびギャップ調節ネジを配設した概略図であり、図
３は、本発明の第１の実施形態の接触式プローブを説明
するための図であって、（ａ）は本実施形態の接触式プ
ローブの模式図であり、（ｂ）はその磁気回路を示し、
（ｃ）は従来の接触式プローブを説明するための模式図
である。

【００４４】先ず、本発明の第１の実施形態における接
触式プローブについて、図３を参照して説明する。

【００４５】図３の（ｃ）は従来の接触式プローブを模
式的に示す図であり、３次元的に移動可能な測定軸等の
移動部材１０３の先端部に一方向に移動可能にプローブ
１０２を配設し、プローブ１０２は、その先端に球１０
１を有し、ばね１０４によって移動部材１０３に吊下げ
られている。このばね１０４は、前述したように、非常
に弱いばねとする必要がある一方プローブ１０２の自重
を支えなければならないので、ばね１０４の伸びが非常
に大きくなるため、プローブ１０２全体のサイズも大き
くなり、問題であった。

【００４６】これに対し、本実施形態における接触式プ
ローブにおいては、図３の（ａ）に示すように、プロー
ブ１０２に強磁性体からなる部材１０５を取り付けると
ともに、ヨーク１０６、永久磁石１０７およびコイル１
０８からなる磁気回路をプローブ１０２に設ける。ヨー
ク１０６とプローブ１０２（強磁性部材１０５）の間に
働く磁力は、後述するように、プローブ１０２の重力方
向の力をキャンセルする一定の力と、プローブ１０２の
変位にしたがって変化するばね要素の力とがある。

【００４７】図３の（ａ）における磁気回路の作用につ
いて説明すると、この磁気回路は、模式的に図３の
（ｂ）のように描くことができる。永久磁石１０７を簡
単なモデルとして起磁力Ｍと内部抵抗Ｒ₀ で表すことに
し、永久磁石１０７から発生する磁束をΦとする。ま
た、プローブ１０２（強磁性部材１０５）とヨーク１０
６の間のギャップをδとし、ギャップδの磁気抵抗をＲ
₁ とする。コイル１０８部分のモデルは、起磁力を
Ｍ’、発生する磁束をΦ’、ヨーク等の内部抵抗をＲ
₀ ’とする。

【００４８】図３の（ａ）に示すように、ヨーク１０６
とプローブ１０２（強磁性部材１０５）の重なり部分を
ｚ、紙面に垂直な方向である厚さをｂ、隙間（ギャッ
プ）をδ、透磁率をμとすると、ギャップ部分の磁気抵
抗は、

【数１】ｚ方向のずり力（磁力）Ｆは次の式から計算できる。

【数２】これではわかりにくいので、ｚ＝０のまわりで１次まで
テーラー展開すると、

【数３】

【００４９】式（３）における第１項は、定数でプロー
ブ１０２の自重を支える力を発生させる項である。項の
中にコイル１０８の起磁力Ｍ’があるので、これを調節
することにより、この力を微調節できることがわかる。
また、第２項は、プローブ１０２の移動量ｚを含み、ｚ
が大きくなればなるほど力が減少することを示してい
る。プローブ１０２が変位するにしたがって発生力がか
わるので、機械的なばねに相当する。

【００５０】つまり、図３の（ａ）の磁気回路は、プロ
ーブ１０２の自重を支えるカウンタバランスの質量と同
じ作用に加え、ばね要素の作用をかねている。また、磁
気抵抗Ｒ₀ などは磁石１０７やヨーク１０６の材質や形
状を変えることにより調節することができる。

【００５１】以上のように、プローブ１０２にこれらの
磁力を作用させることによって、従来例のようにサイズ
の大きい弱いばねを使わなくてすみ、小型のプローブが
実現できる。また、従来例のように環境温度の変化等で
ばねが変形し、押しつけ力が変化することもないので、
押しつけ力の安定性が向上する。

【００５２】また、コイル１０８に通電する電流を変化
させることにより、磁力が変化するので、押しつけ力の
精密な調整が可能となる。プローブ先端の球１０１の交
換等によってプローブの自重が変化しても、調整しなお
すことにより、その影響を軽減し、測定精度を上げるこ
とができる。さらに、電流を制御するだけで押しつけ力
を調節できるので、遠隔操作で調節することが可能とな
り、作業が容易になるため効率的な測定装置の運用が可
能となる。

【００５３】なお、プローブ１０２の支持方法として、
図３の（ａ）の模式図では転がりガイドを用いている
が、平行板ばねで支持してもいいし、空気軸受けで支持
することもできる。

【００５４】次に、以上のように構成される本実施形態
の接触式プローブを組み込んだ形状測定装置について、
図１および図２を用いて説明する。

【００５５】図１において、球１を取り付けるための円
錐状の先端をもち、中心に小さな穴を貫通させたプロー
ブチップ２を、スペーサ３を挟んで、中心に小さな穴を
設けたプローブシャフト４の下側にねじ込み固定する。
ミラー６を強磁性材料で製作したミラー固定駒５に接着
固定し、このミラー固定駒５をプローブシャフト４の上
側にねじ込み固定する。プローブシャフト４の中央部に
は小さな穴に連通する真空配管７が固定されており、真
空配管７は真空度計９に接続され、さらにエアーバルブ
８を介して、図示しない真空源に接続されている。この
とき、エアーバルブ８は、真空配管７を、真空源に接続
するか、大気に解放するかを選択できるものを用いる。

【００５６】このように、プローブ内に真空路を設け、
プローブチップ２の円錐状の先端部に球１を真空吸着で
きるように構成することにより、真空路の圧力を大気圧
にすれば球１は簡単に取り外すことができ、先端の球１
の交換が簡単である。従来のように先端球を取り付けた
部品を製作し組立てる必要がないので交換に要する費用
や交換に要する時間を軽減することができる。また、こ
の構成により、先端の球１を頻繁に交換することが経済
的に考えても可能となる。例えば、先端球に鋼球を使用
する場合、球の値段は１〜３円程度であり、その効果は
大きい。しかも、従来例のようにプローブ先端部分を固
定する操作、例えばねじ締め等が必要ないために、交換
に要する時間も格段に短縮できる。これらの結果、常に
新しい球に交換して測定することが交換コスト、測定時
間などを考慮しても十分可能となり、常に新しい球で測
定することにより、問題点のところで指摘した先端球の
損傷が生じても、その影響範囲をその測定のみ、つまり
最小限に抑えることができる。したがって、測定の信頼
性が向上する。

【００５７】また、プローブチップ２の先端に球１を真
空吸着したときに、ゴミを挟んだりすることがあり、そ
の場合には測定誤差が非常に大きくなるため、測定信頼
性が悪化する。しかし、先端球１がゴミを挟んでいると
隙間があるために、空気が漏れ、真空度が悪化する。そ
こで、真空路に配設した真空度計９で真空度を監視する
ことにより、先端球の吸着状態の良否判定が可能とな
る。もし先端球の吸着状態が悪ければ測定を中断する工
程を設けることにより、測定信頼性を向上することがで
きる。

【００５８】プローブシャフト４は、薄い空気膜を介し
て非接触に支持する手段いわゆる空気軸受け１１を介し
て、ハウジング１０に対して上下方向に移動可能に支持
されており、ハウジング１０には、空気軸受け１１に圧
縮空気を導くための圧縮空気穴１２が穿設してある。こ
れらの圧縮空気穴１２は、ドリルで片面からあけ必要に
応じて穴の表面部分をネジ止めや接着材等で塞ぐなどす
れば、ハウジング１０内部を自由に引き回すことができ
る。この圧縮空気穴１２は圧縮空気配管１３に接続さ
れ、さらに図示しない圧縮空気源に接続されている。こ
の構成により、プローブシャフト４は上下方向に摩擦な
しに自由に移動することができる。

【００５９】ハウジング１０にはその下面部に突起状の
下側ストッパー１０ｂが設けられており、スペーサ３と
衝突することによってプローブシャフト４の上方向への
過剰な動きを規制する。下方向への過剰な動きに対して
も同様に、突起状の上側ストッパー１０ａがハウジング
１０の上面部に設けられており、プローブのミラー固定
駒５に突き当たるようになっている。これらストッパー
１０ａ、１０ｂには衝撃を和らげるために、例えば薄い
ゴムシート等のダンパーを接着固定しておく。ハウジン
グ１０は、測定軸１５に固定された第２のハウジング１
６に固定され支持されている。

【００６０】第２のハウジング１６には磁気回路を構成
するヨーク１７が固定してあり、この部分を上からみた
図を図２の（ａ）に示し、ヨーク１７には、永久磁石１
８とコイル１９が取り付けられており、プローブの磁気
回路を構成し、コイル１９は配線を介して電流源２０に
接続されている。なお、ヨーク１７と強磁性材で製作し
たミラー固定駒５との隙間（ギャップ）をδ、重なり部
分の上下方向の長さをｚとする。上からみたヨーク１７
とミラー固定駒５の重なり部分をｂとする。

【００６１】このように構成される図１および図２の
（ａ）に図示するプローブの磁気回路が発生する力は、
前述した式（３）に基づいて説明するように、プローブ
の自重を支える一定の力を発生する作用に加え、変位に
したがって力が変化するばね要素の作用をかねている。

【００６２】また、プローブの磁気回路に関して、図２
の（ｂ）に示すように、ヨーク１７に磁気抵抗を調節す
るための磁気抵抗調節ネジ１７ａを設け、また、ヨーク
１７とミラー固定駒５とのギャップδを調節するためギ
ャップ調節ネジ１７ｂを設けることもできる。

【００６３】磁気抵抗調節ネジ１７ａを出し入れする
と、磁束がそこを通るときの磁気抵抗が増減し、式
（３）における磁気抵抗Ｒ₀ 、Ｒ₀'を調節できるように
なるため、磁気回路の発生する一定の力と、ばね要素に
相当する力を調節することが可能となる。また、ギャッ
プ調節ネジ１７ｂを出し入れすることでギャップδを調
節することができ、ギャップδを変化させることによ
り、磁気回路の発生する磁力が変化する。この構成によ
れば、磁気回路が発生する２種類の力、すなわち一定の
力と変位に比例する力の割合を調節することができるの
で、部品の製作精度を緩和することができる。

【００６４】また、第２のハウジング１６には、プロー
ブを押し下げる方向にエアーを吹き付けるノズル２１が
設けられており、ノズル２１に接続された配管２２は、
エアーバルブ２３を介して図示しない圧縮空気源に接続
されている。このエアーバルブ２３は図示していないコ
ントローラで自動制御され、図４に示すフローチャート
にしたがって測定動作が行われる。図４については後述
する。

【００６５】測定軸１５は、プローブシャフト４と同じ
方向に、すなわち上下方向（Ｚ方向）に、ガイド２４を
用いて移動可能にＸＹテーブル２６に対して支持され、
ボールネジ２５とサーボモータ２７で駆動される。ＸＹ
テーブル２６は、図示しない定盤に対してＸおよびＹ方
向に移動可能にガイドされ、サーボモータ（不図示）で
位置決めされる。測定軸１５を駆動するサーボモータ２
７はサーボアンプ２９に接続され、サーボアンプ２９
は、制御系切り替え装置３１に接続される。サーボモー
タ２７の回転軸にはエンコーダ３３が接続してあり、そ
の出力を位置制御補償回路３０に接続する。制御系切り
替え装置３１が位置制御系に接続している時は、測定軸
１５の位置を制御することができる。この制御系切り替
え装置３１は図示していないコントローラで自動制御さ
れ、図４に示すフローチャートにしたがって測定動作が
行われる。

【００６６】また、干渉計３４および４分の１波長板３
５は、測定軸１５に固定され、その上方にミラー３６を
配置し、ミラー３６はフレーム３７に固定する。この構
成により、干渉計３４はミラー６とミラー３４の間の距
離を測定することができる。フレーム３７の下方部分に
は被測定物の載置台（不図示）が設けられ、この載置台
に被測定物３８が固定される。

【００６７】プローブのＺ方向の位置調整は、プローブ
シャフト４に固定した凸球面ミラー４６に対向する位置
に配置されたポジションセンサー４７によりプローブシ
ャフト４のＺ方向の位置を測定し、調整を行う。すなわ
ち、図示しない光源から光ファイバー４２に光を入射
し、光ファイバー固定駒４３から光束を出射させる。こ
の光ファイバー固定駒４３は、固定部材４４で第２のハ
ウジング１６に固定される。レンズ４５を固定部材４４
に固定して設け、光束を集光させる。集光した光はプロ
ーブシャフト４に固定された凸球面ミラー４６で反射
し、ポジションセンサー２７上で焦点を結ぶ。ここで、
凸球面ミラー４６の球面の中心を、プローブシャフト４
のセンター軸上に配置する。ポジションセンサー４７
は、測定軸１５に固定された微動テーブル４８の上に固
定されており、Ｚ方向に位置を調整して固定できる。

【００６８】ポジションセンサー４７は、センサーアン
プ４９に接続され、光点位置を電気信号に変換する。セ
ンサーアンプ４９は針圧制御補償回路３２に接続され、
さらに制御系切り替え装置３１に接続されている。この
制御系切り替え装置３１が針圧制御系に接続されている
ときは、センサーアンプ４９の出力が一定になるよう
に、サーボモータを制御する。

【００６９】また、プローブの可動範囲内にプローブ押
しつけ力を測定するための力センサー３９を設置する。

【００７０】次に、以上のように構成された形状測定装
置を用いて行う測定動作を図４のフローチャートを用い
て説明する。

【００７１】先ず、測定前にプローブの準備を行う。最
初にプローブを下端に固定する（ステップＳ０１）。す
なわち、エアーバルブ２３を開いて圧縮空気をノズル２
１から吹き出させてプローブを下方へ移動させる。する
と、ミラー固定駒５が上側ストッパー１０ａに当接し、
プローブは下端に固定される。

【００７２】次に、先端の球１を次のようにセットする
（ステップＳ０２）。エアーバルブ５５を開き、プロー
ブチップ２内部の穴の圧力を下げた状態で、先端の球１
をプローブチップ２に真空吸着する。球１が真空吸着さ
れると配管内部の圧力が下がるので、真空度計９の測定
値が真空に近づく。したがって、この真空度計９の測定
値を監視することによって、プローブ先端球の有無を検
出することができる（ステップＳ０３）。もしも圧力が
異常ならば、なんらかの故障なので処理を中断する（ス
テップＳ２０）。圧力が正常なら次の処理（ステップＳ
０４以降）に進む。

【００７３】制御系切り替え装置３１を位置制御系に設
定し、すなわち、測定軸１５の位置が一定になるような
フィードバック制御系を選択し、そして、安全位置、す
なわち、プローブが最も被測定物３８から離れる方向に
測定軸１５を退避させる（ステップＳ０４）。次に、力
センサー３９の上にプローブがくるようにＸＹテーブル
２６を移動させ（ステップＳ０５）、そして、測定軸１
５を下げて、プローブを力センサー３９に接触させる
（ステップＳ０６）。

【００７４】ここで、先端の球１が、被測定物や力セン
サー等に接触して反力を受けると、プローブシャフト４
が押し上げられ、その変位を光りてこの原理を使用した
変位計で読みとることができる。この変位計部分の動作
を次に説明する。

【００７５】光ファイバー固定駒４３から出射した光束
は次第に広がりながらレンズ４５に入射し、そして、集
光しながら、プローブシャフト４に固定された凸球面ミ
ラー４６で反射し、ポジションセンサー４７の上で焦点
を結ぶ。その焦点の位置がポジションセンサー４７の中
心位置にくるように、あらかじめ、微動テーブル４８を
調整し固定しておく。プローブシャフト４が移動する
と、前に説明したとおり、凸球面ミラー４６に入射する
光束と反射する光束の中間方向に垂直な方向、すなわ
ち、図１に矢印Ａで示す方向の移動量が拡大されて、ポ
ジションセンサー４７上の焦点位置が移動する。プロー
ブシャフト４は上下方向だけに移動可能に支持されてい
るので、矢印Ａで示す方向はほぼプローブシャフト４の
移動方向と考えられる。このプローブ移動方向と変位測
定方向の角度差をθとすると、プローブ移動量のｃｏｓ
θを測定することになる。その位置変化をセンサーアン
プ４９で電気信号に変える。

【００７６】プローブシャフト４が押し上げられると、
ヨーク１７とミラー固定駒５との重なる長さｚがプラス
側に増える。すると、前述した式（３）より磁気回路の
発生する力が弱まるので、プローブの先端球１が被測定
物等を押しつける力がその分だけ次第に増える。これは
ばね要素がそこにあるのと同じ作用である。したがっ
て、センサーアンプ４９の出力は、プローブの押しつけ
力を表している。なお、このセンサーアンプ４９の出力
は、凸球面ミラー４６の中心まわりの傾斜には影響され
ない。これは凸球面ミラー４６の球面の中心がプローブ
シャフト４のセンター軸に一致しているからである。

【００７７】プローブの先端球が被測定物等に接触した
かしないかは、プローブの変位測定信号、すなわち、セ
ンサーアンプ４９の信号をモニタしていれば判別でき
る。プローブはミラー固定駒５とハウジング１０の突起
状のストッパー１０ａが接触しているので、測定軸１５
が動き外乱振動があってもプローブは動かない。したが
って、センサーアンプ４９の信号が外乱振動によって揺
れることがなく、接触の判定を容易に行うことができ
る。すなわち、あらかじめ定めた信号レベルに達するか
どうかを監視していればよいため、非常に高速で、例え
ば１ｍｓで接触の有無が判定できる。

【００７８】次に、エアーバルブ２３を閉め、ノズル２
１から圧縮空気を吹き付けるのを止め、プローブの動き
を自由にする（ステップＳ０７）。変位センサーの値が
あらかじめ定められた値、例えば０ボルトになるまで測
定軸１５を移動させる。そして、制御系切り替え装置３
１を針圧制御系に切り替える（ステップＳ０８）。すな
わち、測定軸１５をセンサーアンプ４９の出力が一定に
なるように制御する。

【００７９】次いで、力センサー３９を用いてプローブ
の押しつけ力を測定する（ステップＳ０９）。この時の
押しつけ力の値が所定の値かどうかを判断する（ステッ
プＳ１０）。この時、押しつけ力の良否の判定は例えば
設定値の±１０％と設定する。もし、この値に入ってい
なければ異常なのでプローブ押しつけ力を調節する（ス
テップＳ２１）。押しつけ力はコイル１９に流す電流を
変化させれば調節できる。そこで、力センサー３９で測
定したプローブ押しつけ力が所定の値になるように電流
源２０の電流を調節する。

【００８０】プローブ押しつけ力の判定（ステップＳ１
０）が良好だった場合には、制御系切り替え装置３１を
再び位置制御系に切り替え、測定軸１５を安全位置に退
避させ（ステップＳ１１）、再びエアーバルブ２３を開
いてプローブを下端に固定する（ステップＳ１２）。

【００８１】以上で、プローブの準備が完了し、次に被
測定物の形状測定の工程に入る。

【００８２】先ず、最初の測定位置にＸＹテーブル２６
を移動する（ステップＳ１３）。そして、先ほどと同じ
手順で、測定軸１５を下げて、プローブの先端球１を被
測定物２１に接触させる（ステップＳ１４）。

【００８３】次に、エアーバルブ２３を閉め、ノズル２
１から圧縮空気を吹き付けるのを止め、プローブの動き
を自由にする（ステップＳ１５）。

【００８４】そして、制御系切り替え装置３１を針圧制
御系に切り替え（ステップＳ１６）、被測定物の測定領
域をＸＹテーブル２６を用いて走査（トレース）し、同
時に、測定軸の位置を図示しない座標測定装置で測定す
る（ステップＳ１７）。また、プローブの上下方向につ
いては、参照ミラー６と参照ミラー３６の間の距離を測
定する干渉計３４で直接測定する。

【００８５】全測定領域を走査したら、制御系切り替え
装置３１を再び位置制御系に切り替え、測定軸を安全位
置に退避し（ステップＳ１８）、再びエアーバルブ２３
を開いてプローブを下端に固定する（ステップＳ１
９）。

【００８６】以上説明してきたように、本実施形態によ
れば、先端球１、プローブチップ２、スペーサ３、プロ
ーブシャフト４、ミラー固定駒５、ミラー６、配管７等
にかかる重力を図２に示す磁気回路が発生する磁力でキ
ャンセルする。したがって、従来例のように弱くしかも
サイズの大きいばねを用いる必要がない。このため小型
のプローブが実現可能である。

【００８７】また、温度変化等の環境変化に対して発生
力が変化するばねを使用していないため、プローブ押し
つけ力の精度が向上し、その結果測定精度が向上する。

【００８８】また、プローブ先端球の着脱および交換が
容易であり、プローブ先端球を頻繁に交換することが可
能となる。その結果、傷付いた先端球で形状測定する危
険を軽減することが可能となり、測定信頼性が向上す
る。

【００８９】また、測定軸１５の制御を本実施形態では
サーボモータとボールネジで構成しているが、例えばリ
ニアモータ等の他の駆動手段を用いることもできる。

【００９０】本実施形態ではプローブの準備として、押
しつけ力の調整を図４のフローチャートを用いて説明し
たが、毎回の測定でこの調整が必要とは限らない。つま
り、押しつけ力の調整を省略することも考えられる。

【００９１】（第２の実施形態）図５は、本発明の第２
の実施形態の接触式プローブを組み込んだ形状測定装置
を一部破断して示す構成図であり、図６の（ａ）ないし
（ｃ）は、それぞれ、本発明の第２の実施形態の接触式
プローブを説明するための模式図である。なお、本実施
形態において、前述した第１の実施形態における要素や
部材と同様な要素や部材には同一符号を付して説明す
る。

【００９２】本実施形態における接触式プローブは、天
秤とバランス重りを用いてプローブの自重を補償するも
のであり、先ず、図６の（ａ）を参照して説明する。

【００９３】図６の（ａ）において、３次元的に移動可
能な測定軸等の移動部材１０３に支点１１０の回りを揺
動自在な天秤１１１を配設し、天秤１１１の一端につり
糸１１２を介してプローブ１０２を接続し、天秤１１１
の他端につり糸１１３を介してバランス重り１１４を吊
り下げ、バランス重り１１４に弱い微調整用のばね１１
５の一端を接続し、このばね１１５の他端を移動部材１
０３に形成した支点の回りを回転自在なてこ１１６に接
続する。てこ１１６の他端部には調節用のネジ１１７を
設けてある。

【００９４】このように、天秤１１１を介してバランス
重り１１４を設けることにより、バランス重り１１４が
プローブ１０２にかかる重力のほとんどを受けるので、
ばね１１５が受け持つ力は従来例（例、図３の（ｃ）参
照）に対して非常に少なくなる。したがって、弱いばね
を採用しても、ばねが長く伸びてプローブ全体のサイズ
が大きくなるという問題を回避することができる。さら
に、ばね１１５の一端を調節ネジ１１７を配置したてこ
１１６に接続することにより、調節ネジ１１７を調節す
ることでばね１１５の長さを調節することができ、ばね
１１５の長さを変化させることができるために精密なば
ね力の調節が可能となり、これによってプローブ１０２
の接触力の精密な調整ができる。また、プローブ１０２
の球１０１の交換等によってプローブ１０２の自重が変
化しても、調節ネジ１１７により調整しなおすことによ
り、その影響を軽減することができるため、測定精度を
上げることができる。

【００９５】また、温度変化等によってばね１１５が変
形しても、もともとばね１１５の受け持つ発生力が小さ
いので、プローブ押しつけ力誤差への影響も少ない。プ
ローブ押しつけ力の誤差が小さくなるので、測定精度が
向上できる。

【００９６】また、図６の（ｂ）には、同図（ａ）に図
示する接触式プローブにおいて調節ネジ１１７による調
節機能を省略した接触式プローブの模式図を示す。すな
わち、バランス重り１１４の下に接続した微調整用のば
ね１１５の他端を移動部材１０３に接続するものであ
る。このような構造においても、天秤１１１を介するバ
ランス重り１１４がプローブ１０２にかかる重力のほと
んどを受けるので、ばね１１５が受け持つ力は従来例に
対して非常に少なくなり、弱いばねを採用しても、ばね
が長く伸びてプローブ全体のサイズが大きくなるという
問題を回避することができ、温度変化等によってばね１
１５が変形しても、もともとばね１１５の受け持つ発生
力が小さいので、プローブ押しつけ力誤差への影響も少
ない。プローブ押しつけ力の誤差が小さくなるので、測
定精度が向上できる。

【００９７】また、図６の（ｃ）に示すように、天秤１
１１に代えてプーリー１１８を用いることもできる。す
なわち、移動部材１０３に支点１１０の回りを回動自在
なプーリー１１８を配設し、このプーリー１１８の回り
に掛けられたつり糸１１９の一端にプローブ１０２を接
続して他端にバランス重り１１４を接続し、そして、バ
ランス重り１１４の下に微調整用のばね１１５の一端を
接続し、このばね１１５の他端を移動部材１０３に接続
する。このような構成としても、図６の（ｂ）に示す接
触式プローブと同様の作用効果を奏することができる。

【００９８】なお、微調整用のばね１１５は、図６の
（ａ）ないし（ｃ）においては、バランス重り１１４に
接続しているが、プローブ１０２側に接続しても同じこ
とである。また、プローブ１０２の支持方法は、図６の
（ａ）ないし（ｃ）においては転がりガイドを用いてい
るが、平行板ばねで支持してもいいし、空気軸受けで支
持することもできる。

【００９９】次に、図６の（ａ）に示すように構成され
た本実施形態の接触式プローブを組み込んだ形状測定装
置について、図５を用いて説明する。

【０１００】図５において、球１を取り付けるための円
錐状の先端をもち、中心に小さな穴を貫通させたプロー
ブチップ２を、スペーサ３を挟んで、中心に小さな穴を
設けたプローブシャフト４の下側にねじ込み固定する。
中心に穴を有するミラー６をミラー固定駒５に接着固定
し、このミラー固定駒５をプローブシャフト４の上側に
ねじ込み固定する。プローブシャフト４の中央部には小
さな穴に連通する真空配管７が固定されており、真空配
管７は真空度計９に接続され、さらにエアーバルブ８を
介して、図示しない真空源に接続されている。このと
き、エアーバルブ８は、真空配管７を、真空源に接続す
るか、大気に解放するかを選択できるものを用いる。こ
れにより、プローブチップ２の円錐状の先端部に球１を
真空吸着することができ、先端球の交換が簡単となる。
さらに、真空度計９で真空度を監視することにより、先
端球の吸着状態の良否判定が可能となり、測定信頼性を
向上することができる。

【０１０１】プローブシャフト４は、薄い空気膜を介し
て非接触に支持する手段いわゆる空気軸受け１１を介し
て、ハウジング１０に対して上下方向に移動可能に支持
され、ハウジング１０には、空気軸受け１１に圧縮空気
を導くための圧縮空気穴１２が穿設してある。これらの
圧縮空気穴１２は、ドリルで片面からあけ必要に応じて
穴の表面部分をネジ止めや接着材等で塞ぐなどすれば、
ハウジング１０内部を自由に引き回すことができる。こ
の圧縮空気穴１２は圧縮空気配管１３に接続され、さら
に図示しない圧縮空気源に接続されている。この構成に
より、プローブシャフト４は上下方向に摩擦なしに自由
に移動することができる。

【０１０２】また、ハウジング１０にはその下面部に突
起状の下側ストッパー１０ｂが設けられており、スペー
サ３と衝突することによってプローブシャフト４の上方
向への過剰な動きを規制する。下方向への過剰な動きに
対しても同様に、突起状の上側ストッパー１０ａがハウ
ジング１０の上面部に設けられており、プローブのミラ
ー固定駒５に突き当たるようになっている。これらスト
ッパーには衝撃を和らげるために、例えば薄いゴムシー
ト等のダンパーを接着固定しておく。ハウジング１０
は、測定軸１５に固定された第２のハウジング１６に固
定され支持されている。

【０１０３】第２のハウジング１６には、固定したピン
５０の回りを揺動自在な天秤５１が配設されており、天
秤５１の一端にはつり糸５２を介してミラー固定駒５が
吊下げられ、天秤５１の他の一端にはつり糸５３を介し
てバランス重り５４が接続されている。このバランス重
り５４は、薄い空気膜を介して非接触に支持する手段い
わゆる空気軸受け５５を介して、第２のハウジング１６
に対して上下方向に移動可能に支持され、バランス重り
５４は上下方向に摩擦なしに自由に移動することができ
る。バランス重り５４の質量はプローブシャフト側の質
量よりも少なくしておく。第２のハウジング１６には空
気軸受け５５に圧縮空気を導くための圧縮空気穴５６が
穿設され、この圧縮空気穴５６は圧縮空気配管５７に接
続され、さらに図示しない圧縮空気源に接続されてい
る。

【０１０４】また、第２のハウジング１６には、バラン
ス重り５４を上方に吹き上げる方向にノズル２１が設け
られており、ノズル２１には配管２２が接続され、配管
２２はエアーバルブ２３を介して図示しない圧縮空気源
に接続されている。このエアーバルブ２３は図示してい
ないコントローラで自動制御される。

【０１０５】バランス重り５４の下方には弱い微調整用
のばね５８の一端が接続されており、このばね５８の他
端は、調節用のネジ６０を備えたてこ５９に接続されて
いる。このてこ５９は、図５に示すように第２のハウジ
ング１６の一部をヒンジとして一体で構成することがで
きる。この場合、ヒンジの位置が支点となるためばね調
節用のネジ６０を調節することにより、ネジ６０の動き
を縮小してばねの長さを変化させることができるため精
密なばね力の調節が可能となる。

【０１０６】また、測定軸１５は、プローブシャフト４
と同じ方向、すなわち上下方向（Ｚ方向）にガイド２４
を用いて移動可能にＸＹテーブル２６に対して支持さ
れ、ボールネジ２５とサーボモータ２７で駆動される。
ＸＹテーブル２６は、図示しない定盤に対してＸおよび
Ｙ方向に移動可能にガイドされ、サーボモータ（不図
示）で位置決めされる。測定軸１５を駆動するサーボモ
ータ２７はサーボアンプ２９に接続され、サーボアンプ
２９は、制御系切り替え装置３１に接続される。サーボ
モータ１５の回転軸にはエンコーダ３３が接続してあ
り、その出力を位置制御補償回路３０に接続する。制御
系切り替え装置３１が、位置制御系に接続している時
は、測定軸１５の位置を制御することができる。この制
御系切り替え装置３１は図示していないコントローラで
自動制御される。

【０１０７】また、干渉計３４および４分の１波長板３
５は、測定軸１５に固定され、その上方にミラー３６を
設け、ミラー３６はフレーム３７に固定する。このよう
に構成することにより、干渉計３４はミラー６とミラー
３４の間の距離を測定することができる。フレーム３７
の下方部分には被測定物の載置台（不図示）が設けら
れ、この載置台に被測定物３８が固定される。

【０１０８】プローブシャフト４のＺ方向の位置調整
は、プローブシャフト４に固定した凸球面ミラー４６に
対向する位置に配置されたポジションセンサー４７によ
りプローブシャフト４のＺ方向の位置を測定し、調整を
行う。すなわち、図示しない光源から光ファイバー４２
に光を入射し、光ファイバー固定駒４３から光束を出射
させる。この光ファイバー固定駒４３は、固定部材４４
で第２のハウジング１６に固定される。レンズ４５を固
定部材４４に固定して設け、光束を集光させる。集光し
た光はプローブシャフト４に固定された凸球面ミラー４
６で反射し、ポジションセンサー２７上で焦点を結ぶ。
ここで、凸球面ミラー４６の球面の中心を、プローブシ
ャフト４のセンター軸上に配置する。ポジションセンサ
ー４７は、測定軸１５に固定された微動テーブル４８の
上に固定されており、Ｚ方向に位置を調整して固定でき
る。

【０１０９】ポジションセンサー４７は、センサーアン
プ４９に接続され、光点位置を電気信号に変換する。セ
ンサーアンプ４９は針圧制御補償回路３２に接続され、
さらに制御系切り替え装置３１に接続されている。この
制御系切り替え装置３１が針圧制御系に接続されている
時は、センサーアンプ４９の出力が一定になるように、
サーボモータを制御する。

【０１１０】また、プローブの可動範囲内にプローブ押
しつけ力を測定する力センサー３９を設置する。

【０１１１】次に、以上のように構成された形状測定装
置を用いて行う測定動作を前述した図４のフローチャー
トを参照して説明する。

【０１１２】先ず、測定前にプローブの準備を行う。最
初にプローブを下端に固定する（ステップＳ０１）。す
なわち、エアーバルブ２３を開いて圧縮空気をノズル２
１から吹き出させ、バランス重り５４を上方に持ち上げ
る。すると天秤５１が傾き、プローブは下方へ移動し、
やがてミラー固定駒５が上側ストッパー１０ａに当接
し、プローブは下端に固定される。

【０１１３】次に、先端の球１を次のようにセットする
（ステップＳ０２）。エアーバルブ５５を開き、プロー
ブチップ２内部の穴の圧力を下げた状態で、先端の球１
をプローブチップ２に真空吸着する。プローブが真空吸
着されると配管内部の圧力が下がるので、真空度計９の
測定値が真空に近づく。従ってこの真空度計９の測定値
を監視することによって、プローブ先端球の有無を検出
することができる（ステップＳ０３）。もしも圧力が異
常ならば、なんらかの故障なので処理を中断する（ステ
ップＳ２０）。圧力が正常ならば、次の処理（ステップ
Ｓ０４以降）に進む。

【０１１４】制御系切り替え装置３１を位置制御系に設
定し、すなわち、測定軸１５の位置が一定になるような
フィードバック制御系を選択し、そして、安全位置、す
なわち、プローブが最も被測定物３８から離れる方向に
測定軸１５を退避させる（ステップＳ０４）。次に、力
センサー３９の上にプローブがくるようにＸＹテーブル
２６を移動させ（ステップＳ０５）、そして、測定軸１
５を下げて、プローブを力センサー３９に接触させる
（ステップＳ０６）。

【０１１５】ここで、先端の球１が、被測定物や力セン
サー等に接触して、反力を受けると、プローブシャフト
４が押し上げられ、その変位を光りてこの原理を使用し
た変位計で読みとることができる。この変位計部分の動
作を次に説明する。

【０１１６】光ファイバー固定駒４３から出射した光束
は次第に広がりながらレンズ４５に入射し、そして、集
光しながら、プローブシャフト４に固定された球面ミラ
ー４６に反射し、ポジションセンサー４７の上で焦点を
結ぶ。その焦点の位置がポジションセンサー４７の中心
位置にくるように、あらかじめ、微動テーブル４８を調
整し固定しておく。プローブシャフト４が移動すると、
前に説明したとおり、凸球面ミラー４６に入射する光束
と反射する光束の中間方向に垂直な方向、すなわち、図
６に矢印Ａで示す方向の移動量が拡大されて、ポジショ
ンセンサー４７上の焦点位置が移動する。プローブシャ
フト４は上下方向だけに移動可能に支持されているの
で、矢印Ａで示す方向は、ほぼ、プローブシャフト４の
移動方向と考えられる。このプローブ移動方向と変位測
定方向の角度差をθとすると、プローブ移動量のｃｏｓ
θを測定することになる。その位置変化をセンサーアン
プ４９で電気信号に変える。

【０１１７】プローブシャフト４が押し上げられると、
天秤５１が傾き、ばね５８が縮む。その変化長さにばね
５８のばね定数をかけた力が反力として発生する。その
力が球１と被測定物等との間の押しつけ力になる。すな
わち、押しつけ力とプローブシャフトの移動量が比例す
る。したがって、センサーアンプ４９の出力は、プロー
ブの押しつけ力を表している。なお、このセンサーアン
プ４９の出力は、凸球面ミラー４６の中心まわりの傾斜
には影響されない。これは凸球面ミラー４６の球面の中
心がプローブシャフト４のセンター軸に一致しているか
らである。

【０１１８】プローブが被測定物に接触したかしないか
は、プローブの変位測定信号、すなわち、センサーアン
プ４９の信号をモニタしていれば判別できる。プローブ
はミラー固定駒５とハウジング１０のストッパー１０ａ
が接触しているので、測定軸１５が動き外乱振動があっ
てもプローブは動かない。したがって、センサーアンプ
４９の信号が外乱振動によって揺れることがなく、接触
の判定を容易に行うことができる。すなわち、あらかじ
め定めた信号レベルに達するかどうかを監視していれば
よいため、非常に高速で、例えば１ｍｓで接触の有無が
判定できる。

【０１１９】次に、エアーバルブ２３を閉め、ノズル２
１から圧縮空気を吹き上げるのを止め、プローブの動き
を自由にする（ステップＳ０７）。変位センサーの値が
あらかじめ定められた値、例えば０ボルトになるまで測
定軸１５を移動させる。そして、制御系切り替え装置３
１を針圧制御系に切り替える（ステップＳ０８）。すな
わち、測定軸１５をセンサーアンプ４９の出力が一定に
なるように制御する。

【０１２０】次いで、力センサー３９を用いてプローブ
の押しつけ力を測定する（ステップＳ０９）。この時の
押しつけ力の値が所定の値かどうかを判断する（ステッ
プＳ１０）。この時、押しつけ力の良否の判定は例えば
設定値の±１０％と設定する。もし、この値に入ってい
なければ異常なのでプローブ押しつけ力を調節する（ス
テップＳ２１）。プローブ押しつけ力を所定の値にする
ためには、調節ネジ６０を回す。すると、てこ５９の傾
斜角度が変化し、弱いばね５８の下端の位置が変化す
る。一方プローブは力センサー３９に接触しているので
位置の変化がない。したがって、バランス重り５４の位
置も変化しないので、結局、弱いばね５８の長さが変化
する。そして、ばねの発生する力が変化し、その結果プ
ローブの押しつけ力が変化する。こうしてプローブ押し
つけ力が所定の値になるまで調節ネジ６０の回転角度を
調節する。

【０１２１】プローブ押しつけ力の判定（ステップＳ１
０）が良好だった場合には、制御系切り替え装置３１を
再び位置制御系に切り替え、測定軸を安全位置に退避し
（ステップＳ１１）、再びエアーバルブ２３を開いてプ
ローブを固定する（ステップＳ１２）。

【０１２２】以上で、プローブの準備が完了し、次に被
測定物の形状測定の工程に入る。

【０１２３】先ず、最初の測定位置にＸＹテーブル２６
を移動する（ステップＳ１３）。そして、先ほどと同じ
手順で、測定軸１５を下げて、プローブの先端球１を被
測定物２１に接触させる（ステップＳ１４）。

【０１２４】次に、エアーバルブ２３を閉め、ノズル２
１から圧縮空気を吹き上げるのを止め、プローブの動き
を自由にする（ステップＳ１５）。

【０１２５】そして、制御系切り替え装置３１を針圧制
御系に切り替え（ステップＳ１６）、被測定物の測定領
域をＸＹテーブル２６を用いて走査（トレース）し、同
時に、測定軸の位置を図示しない座標測定装置で測定す
る（ステップＳ１７）。また、プローブの上下方向につ
いては、参照ミラー６と参照ミラー３６の間の距離を測
定する干渉計３４で直接測定する。

【０１２６】全測定領域を走査したら、制御系切り替え
装置３１を再び位置制御系に切り替え、測定軸を安全位
置に退避し（ステップＳ１８）、再びエアーバルブ２３
を開いてプローブを固定する（ステップＳ１９）。

【０１２７】以上説明してきたように、本実施形態によ
れば、先端球１、プローブチップ２、スペーサ３、プロ
ーブシャフト４、ミラー固定駒５、ミラー６、配管７、
つり糸５２、５３等にかかる重力の一部をバランス重り
５４が受け持つため、ばね５８で発生させる力が従来例
にくらべて非常に少なくすることが可能である。したが
って、弱いばねを採用しても、ばねの伸びが大きくなる
ことはなく、図５に示すように比較的小型に構成でき
る。

【０１２８】また、ばねが発生する力がもともと少ない
ので、温度変化などの環境変化に対してばねの発生力が
多少変化してもその影響も小さい。したがって、プロー
ブ接触力の精度が向上し、その結果測定精度が向上す
る。

【０１２９】また、プローブ先端球の着脱および交換が
容易であり、プローブ先端球を頻繁に交換することが可
能となる。その結果、傷付いた先端球で形状測定する危
険を軽減することが可能となり、測定信頼性が向上す
る。

【０１３０】また、測定軸１５の制御を本実施形態では
サーボモータとボールネジで構成しているが、例えばリ
ニアモータ等の他の駆動手段を用いることもできる。

【０１３１】本実施例ではプローブの準備として、押し
つけ力の調整をフローチャートを用いて説明したが、毎
回の測定で、この調整が必要とは限らない。つまり、押
しつけ力の調整を省略することも考えられる。

【０１３２】また、本実施形態では弱いばね５８をバラ
ンス重り５４の下に配置しているが、反対に上に引っ張
り上げる構成でも同じことである。

【０１３３】（第３の実施形態）図７は、本発明の第３
の実施形態の接触式プローブを組み込んだ形状測定装置
を一部破断して示す構成図であり、図８は、本発明の第
３の実施形態の接触式プローブを説明するための図であ
って、（ａ）は本実施形態の接触式プローブの模式図で
あり、（ｂ）はその磁気回路を示す。

【０１３４】本実施形態は、前述した第２の実施形態に
対し、バランス重り側に磁力を利用した力発生機構を設
けた点と、プローブを固定するために、圧縮空気を吹き
出すのではなく、空気の吸引を利用する点を特徴として
おり、その他の部分は第２の実施形態と同様であるの
で、それらの詳細な説明は省略する。なお、本実施形態
においても、前述した第１および第２の実施形態におけ
る要素や部材と同様な要素や部材には同一符号を付して
説明する。

【０１３５】先ず、本実施形態における接触式プローブ
について、図８を参照して説明する。図８の（ａ）にお
いて、３次元的に移動可能な測定軸等の移動部材１０３
に支点１１０の回りを揺動自在な天秤１１１を配設し、
天秤１１１の一端につり糸１１２を介して球１０１を先
端に有するプローブ１０２を接続し、天秤１１１の他端
につり糸１１３を介してバランス重り１１４を吊り下
げ、このバランス重り１１４を挟むように一対のヨーク
１２１、１２２を配置し、一対のヨーク１２１、１２２
間に永久磁石１２３を取り付けて磁気回路を構成し、こ
れらを移動部材１０３に固定する。また、バランス重り
１１４側に流れる磁束の強さを調節するために、永久磁
石１２３の下方側に調節ネジ１２４を設け、永久磁石１
２３の発生する磁束を迂回させる。バランス重り１１４
側とヨーク１２１、１２２の重なっている領域が異なっ
ていると、いわゆる磁力のずり力が働き、バランス重り
１１４はヨーク１２１、１２２の中央部部分に引き込ま
れる。この力があるので、バランス重り１１４の質量を
小さくすることができる。

【０１３６】図８の（ａ）の磁気回路の作用について説
明すると、この磁気回路は、模式的に図８の（ｂ）のよ
うに描くことができる。永久磁石１２３を簡単なモデル
として起磁力Ｍと内部抵抗Ｒ₀ で表すことにし、永久磁
石１２３から発生する磁束をΦとする。また、バランス
重り１１４側の磁気抵抗をＲ₁ とし、調節ネジ１２４ ₁
側の磁気抵抗をＲ₂ とする。また、バランス重り１１４
側の重なり部分をｚ、厚さをｂ、隙間をδとし、透磁率
をμとすると、磁気抵抗は、

【数４】また、調節ネジ１２４側のギャップをｈ、断面積をＳと
すると

【数５】また、ＭとΦには、図８の（ｂ）より次の関係が成り立
つ。

【数６】ｚ方向のずり力はＦは、

【数７】これではわかりにくいので、ｚ＝０のまわりで１次まで
テーラー展開すると、

【数８】

【０１３７】式（８）における第１項は、定数でプロー
ブの自重を支える力を発生させる項である。項の中に調
節ネジ１２４とヨーク１２２の間の隙間ｈがあるので、
調節ネジ１２４を突き出したり引っ込めたりして隙間ｈ
を変えることにより、この力を調節できることがわか
る。また、第２項は、プローブの移動量ｚを含み、ｚが
大きくなればなるほど、力が減少することを示してい
る。変位するにしたがって発生力が変化するので、機械
的なばねに相当する。つまり、図８の（ａ）の磁気回路
は、プローブの自重を支えるカウンタバランスの質量と
同じ作用に加え、ばね要素の作用をかねている。また、
磁気抵抗Ｒ₀ は、磁石１２３やヨーク１２１、１２２の
材質や形状を変えることにより調節することができる。

【０１３８】以上のように、本実施形態においては、プ
ローブの自重を支えるための力を永久磁石による磁力を
利用して発生させるので、バランス重りの質量を軽くす
ることができる。プローブの可動部分の質量が軽くなる
と、その慣性が小さくなるので、被測定物の微少な凹凸
に対する追従速度が向上する。被測定物への追従精度が
あがるということは、測定精度の向上につながる。

【０１３９】次に、以上のように構成される本実施形態
の接触式プローブを組み込んだ形状測定装置について、
図７を用いて説明する。

【０１４０】図７において、第２のハウジング１６に
は、バランス重り５４を上方に吸引するように構成され
たノズル２１ａが設けられており、ノズル２１ａには配
管２２ａが接続され、配管２２ａはエアーバルブ２３ａ
を介して図示しない真空源に接続されている。

【０１４１】磁石６３を挟んで形成された一対のヨーク
６２、６２は、その上方部分がバランス重り５４を間隔
をもって挟むように第２のハウジング１６に固定され、
また、下方部分には、バランス重り５４側に流れる磁束
の強さを調節するための調節ネジ６４が設けられてい
る。したがって、磁石６３から発生した磁束は、その一
部がバランス重り５４側へ、残りが調節ネジ６４側に流
れる。そこで、調節ネジ６４を回転させて、調節ネジ６
４とヨーク６２の間の隙間を調節することにより、バラ
ンス重り５４側に流れる磁束の量を調節することができ
る。本実施形態において、磁石６３の発生する力は、前
述した式（８）に基づいて説明するように、定数部分
と、プローブの変位に比例する部分があり、定数部分は
プローブの自重をキャンセルするように作用し、プロー
ブの変位に比例する部分はばね要素として作用する。

【０１４２】以上のように構成される形状測定装置にお
いて、その測定動作は前述した図４のフローチャートで
説明した方法と同じであるので、説明を省略する。ただ
し、プローブを固定する方法は、エアーバルブ２３ａを
開き、ノズル２１ａから空気を吸引することによってバ
ランス重り５４を引っ張り上げ、ストッパーにプローブ
を押し当てる。また、針圧を調節する方法は、調節ネジ
６４を調節することによって行う。

【０１４３】本実施形態では、前述した第２の実施形態
に対してさらに次の効果がある。

【０１４４】（１）磁力を利用してプローブ自重を支え
ているのでバランス重りを軽くすることができる。した
がって、プローブの慣性が小さくなり、プローブの被測
定物表面に対する応答性、追従性が向上できる。（２）磁気回路はばね要素をかねているので、ばねを設
ける必要がなくなり、小型化が可能となる。

【０１４５】また、第２の実施形態で説明したてことば
ねを用いた押しつけ力の調節機構と、本実施形態で説明
した磁力を利用した押しつけ力の調節機構とを両方もつ
実施形態も考えられるが、作用効果は同じである。この
場合、ばねと磁石の両方の機構が必要になるが、それぞ
れの受け持つ発生力の範囲を選ぶ時の自由度が高くな
る。たとえば、プローブ自重を主に磁石が受け持ち、残
りの押しつけ力に関する精密な力をばねが受け持つなど
の実施形態が考えられる。つまり、粗い調節を磁石が受
け持ち、精密な調節をばねが受け持つといった具合であ
る。

【０１４６】（第４の実施形態）図９は、本発明の第４
の実施形態の接触式プローブを組み込んだ形状測定装置
を一部破断して示す構成図であり、図１０は、本発明の
第４の実施形態の接触式プローブを説明するための模式
図である。

【０１４７】本実施形態は、前述した第３の実施形態に
対し、バランス重り側に永久磁石とコイルを利用した力
発生機構を設けた点を特徴としており、その他の部分は
第３の実施形態と同様であり、それらの詳細な説明は省
略する。なお、本実施形態においても、前述した第１な
いし第３の実施形態における要素や部材と同様な要素や
部材には同一符号を付して説明する。

【０１４８】先ず、本実施形態における接触式プローブ
について、図１０を参照して説明する。３次元的に移動
可能な測定軸等の移動部材１０３に支点１１０の回りを
揺動自在な天秤１１１を配設し、天秤１１１の一端につ
り糸１１２を介して球１０１を先端に有するプローブ１
０２を接続し、天秤１１１の他端につり糸１１３を介し
てバランス重り１１４を吊り下げ、このバランス重り１
１４を挟むようにヨーク１２５を配置し、ヨーク１２
５、永久磁石１２６およびコイル１２７からなる磁気回
路を構成する。この磁気回路は、図３の（ｂ）のように
描くことができる。このような磁気回路は、第１の実施
形態において説明したところであり、詳細は省略し、結
論だけ引用すると、本実施形態における磁気回路におい
てもプローブの自重を支えるカウンタバランスの質量と
同じ作用に加え、ばね要素の作用をかねている。すなわ
ち、コイル１２７に通電する電流を変化させることによ
り、磁気回路の発生力が変化するので、接触力の精密な
調整が可能となる。プローブ先端の交換になどによって
プローブの自重が変化しても、調整しなおすことによ
り、その影響を軽減することができるため、測定精度を
上げることができる。前述した第３の実施形態に対し、
構成がやや複雑になるが、電流を制御すればよいので遠
隔操作が可能となり、作業が容易になるため効率的な測
定装置の運用が可能となる。

【０１４９】次に、以上のように構成される本実施形態
の接触式プローブを組み込んだ形状測定装置について、
図９を用いて説明する。

【０１５０】図９において、ヨーク６５と磁石６６およ
びコイル６７からなる磁気回路は第２のハウジング１６
に固定され、ヨーク６５の上方部分でバランス重り５４
を挟むように配置する。コイル６７は電流源６８に接続
する。磁石６６とコイル６７で発生した磁力が、バラン
ス重り５４に作用する力は、前述した式（３）に基づい
て説明するように、磁気回路の発生する力は、定数部分
と、プローブの変位に比例する部分があり、定数部分は
プローブの自重をキャンセルするように作用し、プロー
ブの変位に比例する部分はばね要素として作用する。

【０１５１】以上のように構成される形状測定装置にお
いて、その測定動作は前述した図４のフローチャートで
説明した方法と同じであるので、説明を省略する。ただ
し、プローブ押しつけ力の調節は電流源６８を調節し、
コイル６７で発生する磁力を加減すればよいので、第３
の実施形態で説明した方法に比べて簡単である。

【０１５２】本実施形態においては、前述した第３の実
施形態に加え次のメリットがある。

【０１５３】（１）プローブ押しつけ力の調整を自動化
することができる。コイルへの電流を制御するだけでプ
ローブ押しつけ力が変化するので、自動的にプローブ押
しつけ力を調節することが可能となる。したがって、測
定の準備時間を短縮することができ、測定コストを下げ
ることができる。（２）プローブ押しつけ力の調節精度が向上できる。コ
イルへの電流は精密に制御できるため、ばねや磁力の調
節ネジなど機械の動きを伴う方法に対して精度が高い。
押しつけ力の設定精度が上がるため、測定精度を向上す
ることができる。

【０１５４】

【発明の効果】以上説明するように、本発明によれば、
ヨーク、永久磁石およびコイルからなる磁気回路をプロ
ーブに設け、磁気回路の発生する磁力が、プローブの自
重をキャンセルする一定の力とプローブの変位によって
変化するばね要素の力を発生することによって、従来例
のようにサイズの大きい弱いばねを設ける必要がなくな
り、プローブを小型化することができる。さらに、機械
的なばねを用いないので、環境温度の変化などでばねが
変形して押しつけ力が変化する心配が無く、測定精度を
向上させることができる。また、コイルに通電する電流
を変化させることにより、磁力が変化するので、押しつ
け力の精密な調整が可能となり、プローブ先端球の交換
になどによってプローブの自重が変化しても、調整しな
おすことにより、その影響を軽減し、測定精度を上げる
ことができる。さらに、遠隔操作での調節が可能とな
り、作業が容易になるため効率的な測定装置の運用が可
能となる。

【０１５５】また、本発明の他の接触式プローブによれ
ば、移動部材に支点を固定した天秤またはプーリーの一
端部にプローブを吊下げそして他端部にバランス重りを
接続することにより、プローブにかかる重力のほとんど
をバランス重りによりキャンセルすることができ、残り
の力の一部をうけるばね要素をプローブまたはバランス
重りに接続することで、ばねが受け持つ力を非常に小さ
くすることができ、弱いばねを採用しても、ばねが長く
伸び、プローブ全体のサイズが大きくなる問題を回避す
ることができる。また、温度変化などによってばねが変
形しても、もともとばねの受け持つ発生力が小さいの
で、プローブ押しつけ力誤差への影響も少なく、測定精
度が向上できる。

【０１５６】さらに、プローブまたはバランス重りに接
続したばねを調節機構を有するてこに取り付けることに
より、調節機構によってばねの長さを調節でき、これに
よってプローブの接触力の精密な調整が可能となり、ま
た、プローブ先端球の交換等によってプローブの自重が
変化しても、調整しなおすことでその影響を軽減するこ
とができるため、測定精度を上げることができる。

【０１５７】また、ヨークと永久磁石からなる磁気回路
をばねに代えて用いることにより、プローブの自重を支
えるための力を永久磁石による磁力を利用して発生させ
ることができ、バランス重りの質量を軽くすることがで
き、その慣性が小さくすることで、被測定物の微少な凹
凸に対する追従性能が向上して測定精度の向上につなが
る。さらに、磁気回路はばね要素の作用も有しているの
で、ばねを必要とせず、小型化が可能となる。

【０１５８】また、ヨーク、永久磁石およびコイルから
なる磁気回路を用いることにより、ヨークと永久磁石か
らなる磁気回路を用いる場合に奏することができる作用
効果に加えて、コイルに通電する電流を変化させること
により、磁気回路の発生する力を微調整することがで
き、プローブの接触力の精密な調整が可能となり、プロ
ーブ先端球の交換等によってプローブの自重が変化して
も、調整しなおすことにより、その影響を軽減すること
ができるため、測定精度を上げることができる。さら
に、遠隔操作が可能となり、作業能率を向上させること
ができ、測定コストを軽減することが可能となる。

【０１５９】さらに、本発明の接触式プローブによれ
ば、プローブやバランス重りを空気軸受けを介して支持
することにより、プローブやバランス重りの摩擦のない
動きが可能となり、プローブの押しつけ力の誤差をなく
して、高精度なプローブ押しつけ力を実現することがで
き、測定精度を向上させることができる。

【０１６０】また、プローブの軸内に真空路を設け、プ
ローブ先端に球を真空吸着する構成とすることにより、
プローブ先端球の交換を簡便に行うことができ、しか
も、先端球だけの交換ですむため、交換部分が少なく非
常に短時間で交換することができ、測定コストを下げる
ことができる。さらに、先端球の交換が容易となること
で、全測定に対して新しい球を使用することも可能とな
り、先端球の摩耗の問題を軽減し、測定信頼性および測
定精度を向上させることできる。

【０１６１】さらに、プローブ軸内の真空路に真空度計
を接続することにより、真空度計でプローブ先端球の有
無をチェックできるため、プローブ先端球を吸着しない
状態で形状測定する危険を回避することができ、真空度
のチェックにより、先端球の吸着状態の良否判定が可能
となり、先端球の吸着状態が悪ければ測定を中断するこ
とが可能となり、測定の失敗率を軽減でき、測定信頼性
を向上させることができる。

【０１６２】また、力センサーをプローブの可動領域内
に設けることにより、この力センサーを用いて、測定の
直前にプローブ押しつけ力を自動的に校正することがで
き、作業能率が向上し、測定コストを軽減することがで
きる。さらに、周囲の温度変化等の影響により、押しつ
け力が微妙に変化したとしても、その影響を排除するこ
とができるため、高精度な測定が可能となる。また、人
為的な要因によるプローブ押しつけ力調整ミスの確立を
ゼロにすることができ、測定の信頼性を向上することが
できる。

【０１６３】プローブまたはバランス重りの移動を規制
するストッパーを移動部材に設けるとともに、プローブ
またはバランス重りに対する空気の吹き付けあるいは空
気の吸引によりプローブまたはバランス重りを移動しう
るように構成することにより、測定前において、プロー
ブをストッパーに突き当てることによって移動部材に固
定することができるため、プローブの振動が抑えられ、
プローブを被測定物に接触させるときの接触判定を容易
にしかも短時間で行うことができるため、測定時間が短
縮でき測定コストの低減を可能にする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の接触式プローブを組
み込んだ形状測定装置を一部破断して示す構成図であ
る。

【図２】（ａ）はプローブと、ヨーク、永久磁石および
コイルとの関係を示す概略図であり、（ｂ）はヨークに
磁気抵抗調節ネジおよびギャップ調節ネジを配設した概
略図である。

【図３】本発明の第１の実施形態の接触式プローブを説
明するための図であって、（ａ）は本実施形態の接触式
プローブの模式図であり、（ｂ）はその磁気回路を示
し、（ｃ）は従来の接触式プローブを説明するための模
式図である。

【図４】本発明の形状測定装置の測定動作を説明するフ
ローチャートである。

【図５】本発明の第２の実施形態の接触式プローブを組
み込んだ形状測定装置を一部破断して示す構成図であ
る。

【図６】（ａ）ないし（ｃ）は、それぞれ、本発明の第
２の実施形態の接触式プローブを説明するための模式図
である。

【図７】本発明の第３の実施形態の接触式プローブを組
み込んだ形状測定装置を一部破断して示す構成図であ
る。

【図８】本発明の第３の実施形態の接触式プローブを説
明するための図であって、（ａ）は本実施形態の接触式
プローブの模式図であり、（ｂ）はその磁気回路を示
す。

【図９】本発明の第４の実施形態の接触式プローブを組
み込んだ形状測定装置を一部破断して示す構成図であ
る。

【図１０】本発明の第４の実施形態の接触式プローブを
説明するための模式図である。

【符号の説明】

１球２プローブチップ３スペーサ４プローブシャフト５ミラー固定駒６ミラー７真空配管８エアーバルブ９真空度計１０ハウジング１０ａ、１０ｂストッパー１１空気軸受け１２圧縮空気穴１３圧縮配管１５測定軸１６第２のハウジング１７ヨーク１７ａ磁気抵抗調節ネジ１７ｂギャップ調節ネジ１８永久磁石１９コイル２０電流源２１、２１ａノズル２２、２２ａ配管２３、２３ａエアーバルブ２４ガイド２５ボールネジ２６ＸＹテーブル２７サーボモータ２９サーボアンプ３０位置制御補償回路３１制御系切り替え装置３２針圧制御補償回路３３エンコーダ３４干渉計３５４分の１波長板３６ミラー３７フレーム３８被測定物３９力センサ４２光ファイバー４３光ファイバー固定駒４４固定部材４５レンズ４６凸球面ミラー４７ポジションセンサー４８微動テーブル４９センサーアンプ５０ピン５１天秤５２、５３つり糸５４バランス重り５５空気軸受け５６圧縮空気穴５７圧縮配管５８ばね５９てこ６０調節ネジ６２ヨーク６３磁石６４調節ネジ６５ヨーク６６磁石６７コイル６８電流源１０１球１０２プローブ１０３移動部材１０４ばね１０５強磁性部材１０６ヨーク１０７永久磁石１０８コイル１１０支点１１１天秤１１２、１１３つり糸１１４バランス重り１１５ばね１１６てこ１１７調節ネジ１１８プーリー１１９つり糸１２１、１２２ヨーク１２３永久磁石１２４調節ネジ１２５ヨーク１２６永久磁石１２７コイル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】３次元的に移動可能な移動部材の先端に
一方向に移動可能に設けられたプローブであって、その
先端部を被測定物に接触させて走査することにより、そ
の時の座標位置を測定して被測定物の形状を測定する形
状測定用の接触式プローブにおいて、ヨーク、永久磁石およびコイルからなる磁気回路を、該
ヨークがプローブを挟むように移動部材に固定し、磁気
回路の発生する磁力が、プローブにかかる重力をキャン
セルする一定の力とプローブの変位にしたがって変化す
るばね要素としての力を発生させることを特徴とする接
触式プローブ。
【請求項２】プローブは空気軸受けを介して移動部材
に支持されていることを特徴とする請求項１記載の接触
式プローブ
【請求項３】３次元的に移動可能な移動部材の先端に
一方向に移動可能に設けられたプローブであって、その
先端部を被測定物に接触させて走査することにより、そ
の時の座標位置を測定して被測定物の形状を測定する形
状測定用の接触式プローブにおいて、移動部材に支点を取り付けた天秤またはプーリーを配設
し、該天秤またはプーリーの一端部にプローブを吊下
げ、他端部にバランス重りを接続し、プローブにかかる
重力の一部をバランス重りでキャンセルするとともに、
残りの力の一部をうけるばね要素を移動部材に固定して
有することを特徴とする接触式プローブ。
【請求項４】プローブおよび／またはバランス重りは
空気軸受けを介して移動部材に支持されていることを特
徴とする請求項３記載の接触式プローブ。
【請求項５】移動部材に支点を取り付けたてこの一端
部にプローブまたはバランス重りに接続したばねを固定
し、該てこの他端部にてこの変位を調節可能な調節機構
を取り付け、該調節機構によりプローブの接触力を微調
整可能とすることを特徴とする請求項３または４記載の
接触式プローブ。
【請求項６】磁石とヨークからなる磁気回路を移動部
材に固定して設け、磁気回路の発生する磁力をバランス
重りまたはプローブにかけることを特徴とする請求項３
または４記載の接触式プローブ。
【請求項７】ヨーク、永久磁石およびコイルからなる
磁気回路を移動部材に固定して設け、該磁気回路の発生
する磁力をプローブまたはバランス重りにかけるように
し、コイルに通電する電流を変化させることにより該磁
気回路により生じる力を変化させて、プローブの接触力
を微調整可能とすることを特徴とする請求項３または４
記載の接触式プローブ。
【請求項８】プローブの軸内に真空路を設け、プロー
ブ先端に球を真空吸着することを特徴とする請求項１な
いし７のいずれか１項に記載の接触式プローブ。
【請求項９】前記真空路に真空度計を接続し、該真空
度計により球の吸着状態を判定することができるように
構成することを特徴とする請求項８記載の接触式プロー
ブ。
【請求項１０】プローブの可動範囲内に力センサーを
設け、プローブによる形状測定に先立って、プローブを
力センサーに当接させ、該力センサーの値が所定の値に
なるように押しつけ力を調節することを特徴とする請求
項１ないし９のいずれか１項に記載の接触式プローブ。
【請求項１１】プローブまたはバランス重りの移動を
規制するストッパーを移動部材に固定して設け、プロー
ブまたはバランス重りに対する空気の吹き付けあるいは
空気の吸引によりプローブまたはバランス重りを移動し
うるように構成し、プローブを最初に被測定物に接触さ
せるときに、プローブまたはバランス重りを空気の吹き
付けあるいは吸引によりストッパーに突き当てることを
特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の
接触式プローブ。