JP4663378B2 - 形状測定装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、任意形状の穴の内面や穴径の測定、及び任意形状の外側面の形状測定等を高精度及び低測定力にて走査測定する形状測定装置、形状測定装置用プローブ、及び形状測定方法に関する。

外側面、内側面、及び穴径等を測定可能な従来のプローブとして、特許文献１に開示されるものがある。図２１は、上記特許文献１に記載された従来の三次元形状測定用プローブ１０を示す。該プローブ１０は、測定物の、鉛直方向に一致又はほぼ一致する側面を測定するためのプローブであり、該測定物の、水平方向に一致又はほぼ一致するような傾きを有する上面を測定することはできない。

該プローブ１０では以下のように測定動作が行われる。
図２１の（ａ）において、被測定面Ｓに対してプローブ１０がＹＺ方向に動くとき、被測定面ＳにおけるＸ方向への変位に従って、スタイラス１を有するアーム３は、ほぼＸ方向に沿って傾く。一方、半導体レーザ投光部６からレーザ光がアーム３の上面のミラー２に照射されており、ミラー２からの反射光に基づきアーム３の傾きが光位置検出手段７にて検知される。検知された傾きが一定になるように、プローブ１０全体をＸ方向に動かし、該移動量からプローブ１０全体のＸ座標測定値を得、さらに該Ｘ座標測定値に光位置検出手段７にて検出されたスタイラス１の変位量を加算することにより、被測定面ＳのＸ方向への変位量を示すＸ座標が高精度に測定される。
このようにプローブ１０では、その構造上、測定物の上記上面は測定できない。

又、非球面レンズ等の自由曲面形状をナノメートルオーダーの超高精度で測定する従来の装置として、特許文献２に開示される装置がある。図２２は、上記特許文献２に記載された従来の三次元形状測定用プローブ６０を示す。該プローブ６０は、被測定面５１の上記上面を測定可能である。該プローブ６０を用いた測定装置では、以下のように測定が行われる。即ち、スタイラス３７では、被測定面５１のＺ方向における変位に伴いマイクロエアスライド５２がＺ方向に上下移動し、該移動を光プローブ部４５にて検知する。そして、マイクロエアスライド５２の上下動を打ち消すように光プローブ部４５を上下動させる。この光プローブ部４５の移動量を発振周波数安定化レーザで測定することにより、被測定面５１の上面におけるＺ方向の変位量を測定する。

このような構造から明らかなように、プローブ６０では、測定物における、垂直方向に沿う側面は測定することができない。
特許第３０７５９８１号 特許第３０００８１９号

上述したように、上記特許文献１のプローブ１０では、図２１の（ｂ）で明らかなように、スタイラス１を有するアーム３が一方向、即ちここではほぼＸ方向に沿ってのみ傾斜可能で、Ｘ方向に直交するＹ方向には傾斜できない構造である。尚、一方向にのみ傾斜可能とする理由は、測定面の傾きや摩擦力によりスタイラス１がＹ方向側に横ずれすることにより生じる誤差をなくすためである。

従って、プローブ１０では、プローブ１０自体は一方向へのみ傾斜可能でありその他の方向には傾斜できないことから、任意の傾斜方向を向いた面は、測定できないという課題がある。そこで、特許文献１の測定装置では、例えば円筒の、Ｚ方向に沿う面の全周面を測定するときには、円筒の中心軸を中心に、円筒を回転させることで対処していた。しかし、該対処法では、測定物である円筒を回転させる機構が必要となり、測定装置の構成が複雑化してしまう。即ち、測定精度がナノオーダーであることから、測定物の中心軸を中心として回転させること自体が難しく、さらに中心軸の芯ぶれが発生したときには、被測定面の測定誤差となるため、測定データ処理上も困難となる。又、断面が円形である被測定面は、上述のように測定物自体を回転させることで対処可能であるが、断面が円形でない被測定面は、測定できないという問題が残る。
又、上記特許文献２のプローブ６０では、上述のように、測定物における、垂直方向に沿う側面は測定することができないという課題がある。

本発明は、上述したような問題点を解決するためになされたもので、複雑な装置構成を採ることなく側面の傾斜方向を問わずに形状測定可能な形状測定装置、該形状測定装置に備わる形状測定装置用プローブ、及び形状測定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の形状測定装置は、測定物の被測定面に接触するスタイラスと測定用レーザ光を反射するミラーとを有する測定面接触部と、上記測定面接触部を当該形状測定装置に取り付ける取付用部材と、上記測定面接触部を軸方向に固定し、かつ上記取付用部材に対していずれの方向にも傾斜可能に上記測定面接触部を上記取付用部材に支持させる連結機構とを備え、上記連結機構は、連結部材及び支点用部材を有し、上記支点用部材は、上記取付用部材と上記測定面接触部との間に配置され上記測定面接触部が傾斜する支点となる、連結機構とを有する形状測定装置用プローブと、
上記形状測定装置用プローブへ照射され上記測定物の上記被測定面における測定点の位置情報を求めるための測定用レーザ光を発生するレーザ光発生部と、
上記測定用レーザ光が上記ミラーにて反射した反射光に基づき上記測定面接触部の傾斜角度を検出して上記測定点の位置情報を求める測定点情報決定部と、
を備えたことを特徴とする。

又、上記支点用部材は、上記取付用部材及び上記測定面接触部のいずれか一方に固定される固定部と、上記取付用部材及び上記測定面接触部のいずれか他方と点接触する尖端を含み上記測定面接触部が傾斜する支点となる支点部とを有するように構成することもできる。

又、上記連結部材は、複数の弾性体からなり、上記取付用部材及び上記測定面接触部の周囲に沿って互いに等間隔に配置され、上記支点用部材は、三角形状の断面を有するリング状にてなるように構成することもできる。

又、上記連結部材は、上記取付用部材及び上記測定面接触部のいずれか一方が磁性体からなり、いずれか他方に磁石が配置されるように構成することもできる。

上記測定点情報決定部は、上記傾斜角度を検出する傾斜角度検出部と、該傾斜角度検出部から得られた角度信号を上記形状測定装置用プローブに備わる取付用部材に対するスタイラスの変位量に変換するスタイラス位置演算部と、上記測定用レーザ光を用いて、上記測定物に対する上記取付用部材の相対位置座標値を求める位置座標測定部と、上記相対位置座標値に上記スタイラスの変位量を加算して上記測定点の位置情報を求める加算部とを有するように構成することもできる。

ここで、上記取付用部材と上記測定物との相対位置を上記被測定面に沿って２次元又は３次元に移動するステージと、
上記角度信号の大きさをほぼ一定としかつ上記スタイラスを有する揺動部材をいずれの方向にも傾斜させるように上記ステージの動作を制御する制御装置と、をさらに備えるように構成してもよい。

又、上記第２態様において、上記傾斜角度検出部は、上記反射光を受光する光検出器を有し、該光検出器は、それぞれ独立して光電変換を行う複数の受光領域に区画された一つの受光面を有するように構成することもできる。

ここで、上記測定用レーザ光は、発信周波数安定化レーザ光であり、上記反射光を２つに分離し分離した一方の光を上記光検出器へ照射し、他方の光を、上記ミラーに照射される測定用レーザ光の光軸に沿ったＺ方向における上記スタイラスの位置を測定し上記位置座標測定部に備わる傾斜角度検出部へ照射する光分離部をさらに備えるように構成してもよい。

又、上記第２態様において、上記被測定面は、上記ミラーに照射される測定用レーザ光の光軸に平行となる０度から最大３０度までの間の角度にて交差する接線を有する面であるように構成することもできる。

又、上記第２態様において、上記形状測定装置用プローブの取付用部材が着脱可能なプローブ取替部をさらに備えるように構成することもできる。

又、上記光軸に対して３０度を超え最大９０度までの間の角度にて交差する接線を有する第２被測定面を測定可能な第２プローブを、上記形状測定装置用プローブに代えて上記プローブ取替部に取り付けたときに作動し、上記第２被測定面に対する上記第２プローブの接触圧をほぼ一定に保持するためのサーボ部をさらに備えるように構成することもできる。

又、本発明の第３態様の形状測定方法は、スタイラスを測定物の被測定面に押圧するとともに、上記スタイラスを上記被測定面に沿って鉛直軸を中心として円状にのみ移動させ、測定用レーザ光により上記スタイラスの傾斜角度を検出して上記被測定面の測定点の位置情報を求めて上記被測定面の形状測定を行うことを特徴とする。

又、上記第３態様において、上記形状測定は、上記スタイラスに対する上記測定点との相対位置座標値を求め、上記測定点における形状により生じる上記スタイラスの上記傾斜角度に基づいて変位量を求め、上記変位量と上記相対位置座標値とより上記測定点の位置情報を求めるようにすることもできる。

又、本発明は、以下のように構成しても良い。
即ち、形状測定装置用プローブとして、
形状測定装置に取り付け可能な取付用部材と、
測定物の被測定面に接触するスタイラスを立設しかつ上記取付用部材を通過した測定用レーザ光を反射するミラーを設け、上記被測定面の形状に応じた上記スタイラスの変位に対応して上記取付用部材に対して揺動する揺動部材と、
上記ミラーに照射される上記測定用レーザ光の光軸に対して交差するいずれの方向にも上記揺動部材を傾斜させて揺動可能にして上記揺動部材を上記取付用部材に支持する連結機構と、
を備えたことを特徴とする。

上記形状測定装置用プローブにおいて、上記連結機構は、連結部材と、支点用部材とを有し、上記連結部材は、上記取付用部材に対向して上記揺動部材をつり下げる部材であり、上記スタイラスを上記被測定面に押圧する押圧力を生じさせる力であって上記揺動部材が傾斜しておらず上記光軸に直交する初期状態へ上記揺動部材を復元させる復元力を有する部材であり、
上記支点用部材は、上記取付用部材と上記揺動部材とに挟まれて配置され上記連結部材の上記復元力により上記取付用部材及び上記揺動部材に接触し、上記光軸に対して上記揺動部材が傾斜したとき上記揺動部材の揺動の支点となる部材であるように構成してもよい。

又、上記形状測定装置用プローブにおいて、上記取付用部材及び上記揺動部材は、互いに対向し上記支点用部材を挟持する上記取付用部材に備わる固定側面と上記揺動部材に備わり上記ミラーを取り付ける揺動側面とを有し、
上記支点用部材は、上記固定側面及び上記揺動側面のいずれか一方の面に固定される固定部と、上記揺動部材が傾斜したとき上記固定側面及び上記揺動側面のいずれか他方の面と点接触する尖端を含み上記揺動部材の揺動の支点となる支点部とを有するように構成してもよい。

又、上記形状測定装置用プローブにおいて、上記支点部と接触する上記他方面は、上記光軸を常に上記ミラーの定点に位置させる位置ずれ防止部を有するように構成してもよい。

又、上記形状測定装置用プローブにおいて、上記位置ずれ防止部は、上記光軸を中心とした円錐形状の斜面を有し上記他方面に形成された凹部形状にてなるように構成することもできる。

又、上記形状測定装置用プローブにおいて、上記連結部材は、複数のコイルバネにてなり、上記取付用部材及び上記揺動部材の周囲に沿って互いに等間隔に配置され、上記支点用部材は、三角形状の断面を有するリング状にてなりその中央部に上記ミラーを位置して配置されるように構成することもできる。

上記形状測定装置用プローブ、第２態様の形状測定装置、及び第３態様の形状測定方法によれば、上記プローブでは、連結機構にて測定面接触部を取付用部材に支持させたことにより、スタイラスを設けた測定面接触部は、いずれの方向にも傾斜可能である。よって、スタイラスが接触する被測定面を有する測定物を回転させることなく、被測定面の形状測定を行うことができ、例えば、任意形状の穴内面の表面や穴径測定、外側面の形状測定等を高精度、低測定力で走査測定可能である。

上記連結機構は、いずれの方向にも測定面接触部を傾斜させて揺動可能にして取付用部材に支持するという機能を果たす限り、その構成形態を問うものではなく、例えばエアーシリンダ等のアクチュエータを備え該アクチュエータの動作をコンピュータ制御するような構成を採ることもできる。又、例えばアクチュエータ等を備えた構成とすることで、測定面接触部の取り付け姿勢は、初期状態で鉛直方向に吊り下げられた姿勢に限定されず、任意の方向における取り付けが可能となる。尚、上記連結機構を連結部材と、支点部を有する支点用部材とで構成することにより、簡易かつ小型の構成でさらに容易に連結機構を構成することができる。連結部材として例えばコイルバネを使用し、支点用部材として例えば三角形状の断面を有するリング状とするのが、簡易かつ容易な構成の一つである。

又、位置ずれ防止部を有することで、取付用部材に対して揺動する測定面接触部に相当する揺動部材の位置がずれたときでも、自動的に揺動部材を正規の位置に戻すことが可能となる。又、位置ずれ防止部は、測定用レーザ光の光軸を常にミラーの定点に位置させるという機能を果たす限り、その形態を問うものではないが、上記光軸を中心とした円錐形状の斜面を有する凹部の形態を採るのが簡易かつ容易に構成可能であり好ましい。

又、上記形状測定装置では、形状測定装置用プローブと、ステージと、該ステージの動作制御を行う制御装置とを備えることで、プローブの揺動部材をいずれの方向にも傾斜させるように制御装置にてステージを駆動させることができる。よって、平面上で互いに直交するＸ，Ｙ方向へ、その移動量及び移動方向を制御してステージを移動させることで、測定物を回転させることなく、被測定面の形状測定を行うことができる。

形状測定装置用プローブにて測定可能な被測定面は、測定用レーザ光の光軸に平行となる０度から最大３０度までの間の角度にて交差する接線を有する面であるが、形状測定装置に、さらにプローブ取替部と、サーボ部とを備えることで、形状測定装置用プローブに代えて第２プローブを取り付けることが可能となる。この第２プローブを、測定用レーザ光の光軸に対して３０度から最大９０度までの間の角度にて交差する接線を有する面を測定可能なプローブとすることで、測定物における垂直面から水平面までいずれの方向に傾斜する面について、形状測定することが可能となる。

本発明の実施形態である形状測定装置、該形状測定装置に備わる形状測定装置用プローブ、及び上記形状測定装置にて実行される形状測定方法について、図を参照しながら以下に詳しく説明する。尚、各図において、同じ構成部分については同じ符号を付している。

又、上記形状測定装置は、従来、精度良く測定できなかった穴や外形、任意形状の側面形状をナノメートルオーダーの高い精度で、さらに低測定力で短時間で測定可能とする装置である。測定対象としては、例えば、極めて高精度が必要とされるモータの軸受け、インクジェットプリンタにおけるノズル、及び自動車エンジンにおける燃料噴射ノズル等における穴形状であり、又、流体軸受けに形成され潤滑剤を収容する溝部の形状、さらには、形状測定装置に備わるマイクロエアスライドの内径、円筒度等である。又、半導体回路パターンにおけるトレンチ部分も測定対象に含めることができる。
又、上記形状測定装置用プローブを備えた形状測定装置にて測定可能な被測定面は、該被測定面における接線方向と垂直方向との交差角度θにて０度から最大で約３０度までの間の角度にてなる面である。

まず、上記形状測定装置用プローブについて説明する。
図１に示す形状測定装置用プローブ１０１は、上記形状測定装置２０１に備わり測定対象となる測定物５０の被測定面５１に接触する部分を有する物で、図２１を参照して説明した従来のプローブ１０ではアーム３がＸ方向に沿う一方向にのみ傾斜可能であるのに対し、当該プローブ１０１では、Ｘ，Ｙ方向を問わずいずれの方向にもアーム１２２を傾斜可能とする構成を有する。このようなプローブ１０１は、取付用部材１１０と、測定面接触部としての機能を果たす一例に相当する揺動部材１２０と、連結機構１３０とを備える。

取付用部材１１０は、形状測定装置２０１に固定され、又は着脱可能に取り付けられるブロック部材であり、揺動部材１２０が揺動するのに対し不動の部分であり、形状測定装置２０１から照射される測定用レーザ光２１１を通過可能とし、当該取付用部材１１０を貫通するレーザ光用開口１１１を中央部に有する。

揺動部材１２０は、測定物５０の被測定面５１に接触するスタイラス１２１を立設し、かつ取付用部材１１０を通過した測定用レーザ光２１１を反射するミラー１２３を設け、被測定面５１の形状に応じたスタイラス１２１の変位に対応して取付用部材１１０に対して揺動する部材である。このような揺動部材１２０では、本実施形態では円板状にてなるベース板１２４における揺動側面１２４ａの中央部に上記ミラー１２３が取り付けられ、揺動側面１２４ａの対向面１２４ｂには、先端にスタイラス１２１を設けたアーム１２２を立設するためのアーム固定部１２５が重りを兼ねて設けられている。
尚、本実施形態では、スタイラス１２１は、例えば約０．３ｍｍ〜約２ｍｍの直径を有する球状体であり、アーム１２２は、太さが一例として約０．７ｍｍで、アーム固定部１２５からスタイラス１２１の中心まで一例として約１０ｍｍの長さＬにてなる棒状体である。これらの値は、被測定面５１の形状により適宜変更される。又、揺動部材１２０の形状も上述の円板状に限定するものではない。

連結機構１３０は、ミラー１２３に照射される上記測定用レーザ光２１１の光軸２１１ａに対して交差するいずれの方向にも揺動部材１２０を傾斜させて揺動可能にして揺動部材１２０を取付用部材１１０に支持する機構である。このような機能を有する限り、連結機構１３０の形態は限定されないが、本実施形態では、連結部材１３１と支点用部材１３２とを有して構成している。尚、本実施形態では、上記光軸２１１ａは、鉛直方向であるＺ軸方向に一致する。

連結部材１３１は、取付用部材１１０に対向して揺動部材１２０を、部材を用いて若しくは用いずに、例えば吊り下げるような形態にて支持する部材であり、上記スタイラス１２１を被測定面５１に押圧する押圧力を生じさせる力であって揺動部材１２０が傾斜しておらず上記光軸２１１ａに直交する初期状態の中立位置へ揺動部材１２０を復元させる復元力を生じさせる部材である。このような連結部材１３１の一例としては、伸縮可能で弾力性のある材料にてなる懸吊部材であり、例えばコイルバネ１３１１を使用することができる。コイルバネ１３１１を使用した場合、測定力等との関係で、一実施例として、バネ定数は４０μＮ／ｍｍ、測定力は０．２ｍＮ、揺動部材１２０の質量は６０ｍｇとすることができる。コイルバネ１３１１の一端が取付用部材１１０に、他端が揺動部材１２０に取り付けられる。又、複数のコイルバネ１３１１が使用され、各コイルバネ１３１１の他端部分は、揺動部材１２０の周縁部分に等間隔にて取り付けられる。本実施形態では、図２に示すように、３本のコイルバネ１３１１を使用するが、４本以上設けても良い。又、各コイルバネ１３１１における上記復元力は、同一である。尚、図１では、コイルバネ１３１１は、取付用部材１１０の上面１１０ａと、揺動部材１２０の対向面１２４ｂとを連結するように取り付けているが、連結箇所は、これに限定されるものではなく、例えば、揺動部材１２０の上記揺動側面１２４ａと、該揺動側面１２４ａに対向する取付用部材１１０の固定側面１１０ｂとを連結するように取り付けることもできる。

又、連結部材１３１は、上述したコイルバネ１３１１のような、伸縮可能で弾力性のある材料にてなる部材に限定されない。上述したような復元力を生じさせる部材であればよく、他の例として、図１９及び図２０に示すように、磁性体１３１２及び磁石１３１３から構成し、取付用部材１１０と揺動部材１２０とを引き合わすように構成することもできる。図１９では、取付用部材１１０を磁性体１３１２にて形成し、揺動部材１２０のベース板１２４の外周縁部分を磁石１３１３にて形成した構成例を示している。又、図２０はその逆の場合を示し、取付用部材１１０における上記ベース板１２４への対向部分の一部を磁石１２１３にて形成し、ベース板１２４を磁性体１３１２にて形成した構成例を示している。このように、磁性体１３１２及び磁石１３１３にて連結部材１３１を構成することで、コイルバネ１３１１にて構成する場合に比べて簡易に構成することができる。

支点用部材１３２は、取付用部材１１０と揺動部材１２０とに挟まれて配置されコイルバネ１３１１の上記復元力により取付用部材１１０及び揺動部材１２０に接触し、上記光軸２１１ａに対して揺動部材１２０が傾斜したとき揺動部材１２０の揺動の支点となる部材である。本実施形態では、支点用部材１３２は、図３に示すように三角形状の断面を有するリング状の部材であり、取付用部材１１０の固定側面１１０ｂ及び揺動部材１２０の揺動側面１２４ａのいずれか一方の面に固定される固定部１３２１と、揺動部材１２０が傾斜したとき固定側面１１０ｂ及び揺動側面１２４ａのいずれか他方の面と点接触する尖端１３２２ａを含み揺動部材１２０の揺動の支点となる支点部１３２２とを有する。又、支点用部材１３２の高さＨは、支点用部材１３２の全周にわたり一定である。

本実施形態では、揺動部材１２０の揺動側面１２４ａに支点用部材１３２の固定部１３２１を固定し、尖端１３２２ａが取付用部材１１０の固定側面１１０ｂに接触するように配置している。又、支点用部材１３２は、その中心点と、ミラー１２３の中心点１２３ａとを一致させて、揺動部材１２０の揺動側面１２４ａに固定される。
又、本実施形態では、尖端１３２２ａを含み支点部１３２２は、一周連続して形成されているが、揺動部材１２０がいずれの方向にも自由に傾斜可能という機能を満足する限り、上記連続形成に限定されず、支点部１３２２は、複数の尖端１３２２ａの集合から形成されてもよい。

又、本実施形態では、支点用部材１３２の支点部１３２２が接触する取付用部材１１０の固定側面１１０ｂには、揺動部材１２０が水平方向に位置ずれするのを防止するための位置ずれ防止部１１２が形成されている。位置ずれ防止部１１２は、本実施形態では、固定側面１１０ｂに形成された凹部形状にてなり、上記レーザ光用開口１１１が形成された平坦面１１２ａと、凹部の側壁に相当し上記光軸２１１ａを中心とした円錐形状の斜面１１２ｂにて形成され、支点用部材１３２の尖端１３２２ａは、平坦面１１２ａに対向して配置される。よって、斜面１１２ｂが障壁となることから、位置ずれ防止部１１２は、上記光軸２１１ａを常にミラー１２３の定点、例えば中心点１２３ａに位置させるように機能し、支点用部材１３２が水平方向にずれるのを防止できる。又、平坦面１１２ａにおける支点用部材１３２の位置ずれ量を最小にするには、平坦面１１２ａと斜面１１２ｂとの境界部に支点用部材１３２の尖端１３２２ａが位置するよう構成するとよい。又、揺動部材１２０の自由な揺動を妨げないように、図示するように、支点用部材１３２において尖端１３２２ａを形成する支点用部材１３２の斜面の傾斜角度に比べて、斜面１１２ｂの傾斜角度をより緩やかにする。尚、位置ずれ防止部１１２の形成は、任意であり、形成しなくても良い。

位置ずれ防止部１１２を形成しない場合、たとえ揺動部材１２０、つまりスタイラス１２１が水平方向にずれることになるが、後述の傾斜角度検出部２２２にてそのずれ量も測定可能な構成とすることで、横ずれしたスタイラス１２１の先端位置を検知できる。よって、該先端位置をＸＹ座標を測定するスケールに加算することにより、測定誤差にならないようにすることができる。このような傾斜角度検出部２２２としては、後述するように、例えば、受光面を田の字形に四分割した光検出器を用いることで、スタイラス１２１の任意角度が測定可能となる。

上述のように構成される、本実施形態におけるプローブ１０１は、以下のように動作する。
即ち、取付用部材１１０からコイルバネ１３１１にて吊り下げられている揺動部材１２０は、コイルバネ１３１１の復元力により取付用部材１１０側へ引っ張られている。よって、揺動部材１２０の揺動側面１２４ａに固定部１３２１を配した支点用部材１３２は、取付用部材１１０の固定側面１１０ｂとの間に挟まれ、支点用部材１３２の尖端１３２２ａが固定側面１１０ｂに接触している。上述のように各コイルバネ１３１１における復元力は、同一であることから、取付用部材１１０に対して揺動部材１２０が傾斜していない状態、つまり上記初期状態に揺動部材１２０があるとき、支点用部材１３２の全周において尖端１３２２ａが取付用部材１１０の固定側面１１０ｂに接触している。又、このとき、本実施形態では、揺動部材１２０に備わるアーム１２２は、鉛直方向に沿って位置する。

一方、後述するように測定物５０の被測定面５１の形状測定は、揺動部材１２０に取り付けられているスタイラス１２１を被測定面５１に所定の押圧力にて押しつけて行われる。該押圧力は、スタイラス１２１を被測定面５１に接触させた状態で取付用部材１１０を測定物５０側へ僅かに移動させることで、図４に示すように揺動部材１２０は傾斜する。該傾斜により、揺動部材１２０にはコイルバネ１３１１の復元力が作用し、その結果、スタイラス１２１は被測定面５１に所定の押圧力つまり測定力にて押圧されることになる。揺動部材１２０が傾斜するとき、支点用部材１３２の全周の内の一点にて尖端１３２２ａが取付用部材１１０の固定側面１１０ｂと接触し、該尖端１３２２ａが支点となり揺動部材１２０の傾斜を可能とする。よって、支点となる部分以外の尖端１３２２ａは、取付用部材１１０の固定側面１１０ｂとは接触していない。又、スタイラス１２１に作用する力の向きに従い、支点となる位置は、各コイルバネ１３１１の復元力により、支点用部材１３２の全周上を自在に移動可能である。よって、スタイラス１２１及びアーム１２２は、固定側面１１０ｂに接触している尖端１３２２ａを支点として、ジョイスティックのように首振り運動可能であり、つまり３６０度のいずれの方向にも揺動及び回動可能である。又、このような揺動部材１２０の揺動に起因して、上記光軸２１１ａがミラー１２３上の定点から水平方向にずれるように揺動部材１２０が位置ずれしたときでも、本実施形態では上記位置ずれ防止部１１２を形成していることから、自動的に、上記光軸２１１ａがミラー１２３上の定点に戻るように揺動部材１２０の位置修正が行われる。

尚、支点用部材１３２は、図示するような形状に限定されるものではなく、上記固定部１３２１と上記尖端１３２２ａを有する上記支点部１３２２とを備えた形状で、取付用部材１１０に対して揺動部材１２０を揺動自在とする部材であればよい。例えば図５に示すように、支点部１３２２が半円状の断面を有するものでもよい。

プローブ１０１は、図示するように、又、上述したような構成を採るが、該構成に限定するものではない。例えば、図６に示すように、支点用部材１３２の向きを上下反転させ、取付用部材１１０の固定側面１１０ｂに支点用部材１３２の固定部１３２１を配置し、支点用部材１３２の尖端１３２２ａを揺動部材１２０の揺動側面１２４ａに接触させるようにしてもよい。又、例えば図６に示すように、コイルバネ１３１１より外側に、支点用部材１３２を配置することもできる。又、例えば図６に示すように、位置ずれ防止部１１２を形成しなくてもよい。

次に、上述したように構成される形状測定装置用プローブ１０１を備えた形状測定装置について、以下に説明する。
上記形状測定装置は、一般的に、プローブを被測定物に接触させ、該接触力がほぼ一定になるように上記プローブの移動を制御しつつ、上記プローブを測定物５０の被測定面５１に沿って移動させて、レーザ測長器と基準平面ミラーとを利用して、上記プローブと基準面との位置関係に基づき、被測定面５１の表面形状を測定、演算するものである。このような形状測定装置として、主として例えば約４００ｍｍ角の大きさを有する比較的大型の測定物の測定用であり図７に示すように、測定物５０を定盤上に固定して、プローブをＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の全方向に移動させるタイプと、主として例えば約２００ｍｍ角以下の大きさを有する中型及び小型の測定物の測定用であり図８に示すように、測定物５０を載置したステージをＸ軸及びＹ軸方向に移動させ、一方、プローブのみをＺ軸方向に移動させるタイプとが存在する。上述した形状測定装置用プローブ１０１は、いずれのタイプの測定装置にも適用可能である。

図８に示す形状測定装置２９０は、上述の中、小型の測定物用の測定装置に相当する。該形状測定装置２９０において、２９１はステージであり、該ステージ２９１は、石定盤２９２上に設置され、平面上で互いに直交するＸ軸及びＹ軸方向に可動であるＸ−ステージ２９１１及びＹ−ステージ２９１２を有し、さらに測定物５０を載置する。２９３はプローブ１０１をＺ軸方向に可動とするＺ−テーブルであり、石定盤２９２に立設された支柱２９２１にＺ方向に可動として取り付けられている。又、２１０は、被測定面５１の測定点５１ａの位置情報を求めるための測定用のレーザ光２１１としての発振周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザ光を発生するレーザ光発生部である。２２０は、レーザ光発生部２１０にて発生したレーザ光２１１を用いて被測定面５１における測定点５１ａの位置情報を得るための光学系、並びにＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の各基準面からのレーザ光と上記測定点５１ａからのレーザ光との干渉に基づき測長を行う公知のレーザ測長部を有する測定点情報決定部である。該測定点情報決定部２２０については追って詳しく説明する。又、２９４は、ステージ２９１を駆動するための駆動部であり、２８０は制御装置である。該制御装置２８０は、被測定面５１を走査するとき、プローブ１０１における揺動部材１２０を特定方向にのみ傾斜させず、いずれの方向にも揺動させるように、駆動部２９４を制御しステージ２９１の移動方向及び移動量を制御する。

図７に示す形状測定装置２０１は、上述の大型測定物用の測定装置に相当する構成を有する。尚、上述の形状測定装置２９０と同一又は同様の機能を果たす構成部分については、同じ符号を付し、ここでの説明を省略する。２９５は、石定盤２９２上に設置されＸ軸及びＹ軸方向に可動なＸ−ステージ２９５１及びＹ−ステージ２９５２を有するステージであり、Ｚ−テーブル２９３、レーザ光発生部２１０、及び測定点情報決定部２２０を載置している。よって、ステージ２９５は、Ｚ−テーブル２９３、レーザ光発生部２１０、及び測定点情報決定部２２０をＸ軸及びＹ軸方向に移動可能である。又、２２９は、Ｚ軸方向における基準面を有する基準ミラーである。尚、本実施形態では、上述した形状測定装置用プローブ１０１を当該形状測定装置２０１に取り付けていることから、以下の説明では、当該形状測定装置２０１を例に採る。しかしながら、形状測定装置２９０においてもプローブ１０１を用いた被測定面５１の測定動作については形状測定装置２０１の場合と変わるところはない。

上記測定点情報決定部２２０について、図９から図１１を参照して詳しく説明する。
測定点情報決定部２２０には、測定点５１ａの位置情報を得るための光学系２２１と、傾斜角度検出部２２２と、スタイラス位置演算部２２３と、位置座標測定部２２４と、加算部２２５とを有する。これらの傾斜角度検出部２２２、スタイラス位置演算部２２３、位置座標測定部２２４、及び加算部２２５は、上記レーザ測長部に相当する部分であり、光学系２２１に接続され実際に上記位置情報を求めるための構成部分である。

レーザ光発生部２１０にて発生した測定用レーザ光２１１は、被測定面５１の測定点５１ａの３次元座標位置を求めるため、光学系２２１にて４つに分光される。よって光学系２２１は、Ｘ、Ｙ、Ｚの座標用の第１光学系２２１ａと、揺動部材の傾斜角度用の第２光学系２２１ｂとの計４つの光学系を有する。第１光学系２２１ａには、ステージ２９５のＸ軸方向及びＹ軸方向における移動量、つまり測定面５１のＸ軸方向及びＹ軸方向における移動量を検出するため、図示を省略しているがＸ軸方向に直交し鏡面にてなる基準面を有するＸ軸基準板、及びＹ軸方向に直交し鏡面にてなる基準面を有するＹ軸基準板を有する。又、さらに、ステージ２９５の移動時に当該ステージ２９５に生じるＺ軸方向におけるステージ２９５の、いわゆるうねり成分を検出するためのＺ基準板も設けられている。各基準板の基準面は、平坦度が０．０１ミクロンオーダーにてなる。

測定面５１の形状測定方法は、例えば特開平１０−１７０２４３号公報に記載されるように、上記各基準面に反射した反射レーザ光の位相の変化を、上記各基準面へ照射するレーザ光と、上記反射レーザ光との干渉信号を計数することで検出するという、公知のレーザ測長方法を用いる。該レーザ測長方法では、例えば特開平４−１５０３号公報に開示されるように、上記基準面へ照射されるレーザ光をプリズム等の分岐部材にて参照光と測定光とに分け、かつ上記参照光と測定光との位相を９０度ずらす。そして測定光を上記基準面へ照射し反射させ、戻って来た反射光と上記参照光とにおける上記位相のずれによる干渉光を電気的に検出して、得られた干渉縞信号から作成するリサージュ図形に基づき基準点と上記基準面との距離が測定される。

上記位置座標測定部２２４は、このような測長方法を実行する部分であり、被測定面５１における測定点５１ａにおけるＸ座標値、Ｙ座標値、及びＺ座標値の測長を行う検出部２２４ａ〜２２４ｃを有する。本実施形態では図７に示すように、石定盤２９２上に載置された測定物５０に対してステージ２９５が移動することから、上述の、測定点５１ａにおけるＸ座標値、Ｙ座標値、及びＺ座標値は、Ｚ−テーブル２９３に取り付けられているプローブ１０１における取付用部材１１０に対する測定点５１ａの相対位置座標値と換言することができる。尚、検出部２２４ｃは、形状測定装置用プローブ１０１のスタイラス１２１のＺ座標値の測長を行う部分であることから、スタイラス位置測定器として機能する一例に相当する。これらの検出部２２４ａ〜２２４ｃからの検出結果と、以下に説明する上記揺動部材１２０の傾斜角度から求まる検出結果とに基づき被測定面５１の形状が位置座標測定部２２４及び加算部２２５にて演算される。

上記第２光学系２２１ｂは、上記測定用レーザ光２１１の内、形状測定装置用プローブ１０１の揺動部材１２０に取り付けられているミラー１２３からの反射光を傾斜角度検出部２２２へ導く光分離部２２１１を有する。

上記傾斜角度検出部２２２及び上記スタイラス位置演算部２２３について説明する。
図９に示すように、Ｚ−テーブル２９３の下端に取り付けられている形状測定装置用プローブ１０１に備わる揺動部材１２０に取り付けられているミラー１２３の中心点１２３ａへ、測定用レーザ光２１１の一部がフォーカスレンズを介して照射される。照射されたレーザ光２１１は、ミラー１２３にて反射し、該反射光２１１ｂは、光分離部２２１１に備わるミラー２２１１ａにて傾斜角度検出部２２２へ照射される。傾斜角度検出部２２２は、反射光２１１ｂを受光し電気信号に変換する受光面２２２１を有する光検出器にて構成され、受光面２２２１は、それぞれ独立して光電変換を行う複数の受光領域に区画されている。本実施形態では図１０に示すように、受光面２２２１を田の字状、つまり十字状に４つの受光領域２２２ａ〜２２２ｄに区画している。尚、受光領域の数、及び形状は、図示の形態に限定されるものではなく、測定精度等との関係に基づいて適宜設定することができる。

被測定面５１の非測定時には、プローブ１０１のアーム１２２は鉛直方向に沿って配置されている。よって非測定時には、上記反射光２１１ｂは、鉛直方向に沿ってミラー１２３へ照射される測定用レーザ光２１１の光軸２１１ａに平行に進み、ミラー２２１１ａにて反射して傾斜角度検出部２２２の受光面２２２１の中央部へ照射される。この場合の受光面２２２１における反射光２１１ｂの照射領域を、図１１に点線にて示し非測定時照射領域２２２２とする。

一方、形状測定装置用プローブ１０１の説明で述べたように、被測定面５１の測定は、ほぼ一定の測定力にてスタイラス１２１を被測定面５１へ押圧して行われることから、図４に示すようにプローブ１０１の揺動部材１２０は、取付用部材１１０に対して傾斜する。よって、図４に示すように、反射光２１１ｂは、光軸２１１ａと交差してミラー２２１１ａへ進み、傾斜角度検出部２２２の受光面２２２１では中央部から外れた基準照射領域２２２３へ照射される。又、上述したように測定時において、揺動部材１２０は、リング状の支点用部材１３２の尖端１３２２ａを支点として、特定方向に限定されることなくいずれの方向にも揺動可能である。よって、測定対象となるような例えばナノオーダーでの微細な凹凸が被測定面５１に全く存在しないとすると、基準照射領域２２２３は、図１１に示すように、受光面２２２１の中心点２２２１ａを中心とした一定半径にてなる円の円周２２２４に沿って位置することになる。

受光面２２２１への反射光２１１ｂの照射に応じて傾斜角度検出部２２２は、電気信号を生成するが、受光面２２２１が４つの受光領域２２２ａ〜２２２ｄに区画されていることから、反射光２１１ｂの照射場所から揺動部材１２０の傾斜角度を検出することができる。即ち、受光領域２２２ａを「Ａ」、受光領域２２２ｂを「Ｂ」、受光領域２２２ｃを「Ｃ」、受光領域２２２ｄを「Ｄ」とすると、各受光領域２２２ａ〜２２２ｄから得られる電気信号について、（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）を行うことでＸ軸方向における揺動部材１２０の傾斜角度を求めることができ、（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ）を行うことでＹ軸方向における傾斜角度を求めることができる。このように傾斜角度検出部２２２は、各受光領域２２２ａ〜２２２ｄから得られる電気信号について、（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）、及び（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ）を行い、これらを角度信号として、上記スタイラス位置演算部２２３へ送出する。

スタイラス位置演算部２２３は、上記角度信号をプローブ１０１に備わるスタイラス１２１の変位量に変換する。

一方、実際には、被測定面５１には上記微細凹凸が存在することから、図１１に変位照射領域２２２５として示すように、上記微細凹凸に対応して、円周２２２４から外れた位置に反射光２１１ｂが照射される。そして、上述した基準照射領域２２２３の場合と同様に、変位照射領域２２２５への反射光２１１ｂの照射により、傾斜角度検出部２２２は角度信号を送出し、スタイラス位置演算部２２３は、スタイラス１２１における上記微細凹凸に対応した変位量を求める。
したがって、基準照射領域２２２３に対応する、スタイラス１２１の基準変位量と、変位照射領域２２２５に対応する凹凸変位量との差を求めることで、上記微細凹凸の大きさを求めることができる。

尚、この測定方法の前提として、リング状の支点用部材１３２の尖端１３２２ａを支点として、揺動部材１２０がいずれの方向にも首振りして傾斜可能な構成において、上記基準変位量を一定若しくはほぼ一定とする必要がある。即ち、揺動部材１２０がいずれの方向にも揺動することから、受光面２２２１における反射光２１１ｂの照射領域は、測定時には、例えば上記円周２２２４に沿って移動することになる。このような状況において、反射光２１１ｂが基本的に常に基準照射領域２２２３に照射される、つまりいずれの方向に揺動部材１２０が揺動した場合でも揺動部材１２０の傾斜角度αが一定若しくはほぼ一定である必要がある。したがって、測定時には、制御装置２８０にてステージ２９５の駆動部２９４を制御して、図１２及び図１３に示すように、スタイラス１２１の走査方向１２１ａに垂直な方向１２１ｂに対する揺動部材１２０の傾きβが一定になるようにステージ２９５の移動量及び移動方向を制御し走査方向１２１ａを修正する必要がある。

上述のようにしてスタイラス位置演算部２２３にて、被測定面５１の測定点５１ａの上記微細凹凸の大きさを求めると同時に、上述したように上記位置座標測定部２２４にて、測定点５１ａにおけるＸ座標値、Ｙ座標値、及びＺ座標値が求められている。
よって、加算部２２５は、位置座標測定部２２４にて求まる、測定点５１ａにおけるＸ座標値、Ｙ座標値、及びＺ座標値と、スタイラス位置演算部２２３にて求まる測定点５１ａの上記微細凹凸の大きさとを加算して、上記微細凹凸量を加味した測定点５１ａにおける測定Ｘ座標値、測定Ｙ座標値、及び測定Ｚ座標値を求める。

即ち、位置座標測定部２２４にて求まる測定点５１ａにおけるＸ座標値、Ｙ座標値、及びＺ座標値をＸ１，Ｙ１，Ｚ１とし、スタイラス位置演算部２２３にて求まる測定点５１ａにおける上記微細凹凸の大きさのＸ座標値を（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）、及びＹ座標値を（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ）とすると、加算部２２５にて求まる上記測定Ｘ座標値、測定Ｙ座標値、及び測定Ｚ座標値は、Ｘ１＋Ｅ｛（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）｝、Ｙ１＋Ｆ｛（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ）｝、Ｚ１ となる。ここで、Ｅ及びＦは、補正係数である。

さらに又、スタイラス１２１は図示のように球状であることから、上記測定Ｘ座標値、測定Ｙ座標値、及び測定Ｚ座標値は、スタイラス１２１の中心座標である。したがって、測定点５１ａの真の座標値は、プローブ１０１の走査方向に垂直な方向に、スタイラス１２１の半径値だけずらした値となる。

以上のように構成される形状測定装置２０１における動作、即ち、測定物５０の被測定面５１に対する形状測定方法について、以下に説明する。尚、形状測定装置用プローブ１０１の説明で述べたように、プローブ１０１を取り付けた形状測定装置２０１にて測定可能な被測定面５１は、被測定面５１ａにおける接線方向と垂直方向との、図１に示す交差角度θにて、０度から最大で約３０度までの間の角度にてなる被測定面である。又、当該形状測定方法は、制御装置２８０の動作制御にて実行される。

上述したように、スタイラス１２１を被測定面５１に接触させ、さらに例えば約０．２ｍＮ（＝２０ｍｇｆ）の測定力にてスタイラス１２１が被測定面５１を押圧するように、測定物５０に対して、プローブ１０１を取り付けたＺ−テーブル２９３を有するステージ２９５を相対的に配置する。これにて、傾斜角度検出部２２２の受光面２２２１には、反射光２１１ｂが基準照射領域２２２３に照射され、上述したように、スタイラス位置演算部２２３及び位置座標測定部２２４を介して、加算部２２５により、被測定面５１の測定点５１ａにおける基準となるＸ座標値、Ｙ座標値、及びＺ座標値が求められる。

例えば、測定物５０が円筒形で、その外周面を一周測定する場合を例に採ると、上述のように、図１２及び図１３に示す垂直方向１２１ｂに対する揺動部材１２０の傾きβが一定若しくはほぼ一定に維持されるように、換言すると、いずれの方向にも揺動部材１２０を傾斜させ、かつ鉛直方向に対する揺動部材１２０の傾きαが一定若しくはほぼ一定に維持されるように、制御装置２８０にてステージ２９５の駆動部２９４を制御して、Ｘ軸方向及びＹ軸方向へのステージ２９５の移動量及び移動方向を制御する。

このようにして被測定面５１の全周について、揺動部材１２０がいわゆる首振り運動や味噌すり運動するようにして、被測定面５１の測定を行う。これにより、反射光２１１ｂは、傾斜角度検出部２２２の受光面２２２１における各受光領域２２２ａ〜２２２ｄを、例えば上記円周２２２４に沿うようにして一周する。このとき、被測定面５１の上記凹凸に対応して反射光２１１ｂの照射領域は、基準照射領域２２２３から変位照射領域２２２５へ移動する。
このような測定動作に基づき、上述したように、スタイラス位置演算部２２３及び位置座標測定部２２４を介して、加算部２２５により、被測定面５１の測定点５１ａにおける、上記凹凸も含めて、上記測定Ｘ座標値、測定Ｙ座標値、及び測定Ｚ座標値が求められる。

このように、形状測定装置２０１によれば、プローブ１０１において、スタイラス１２１を有する揺動部材１２０は、いわゆる首振り運動や味噌すり運動をすることができる。したがって、測定物５０の例えば内周面の測定を行う場合、測定物５０を回転させることなく、プローブ１０１をＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させることで、上記内周面の測定を行うことができる。よって、測定装置において複雑な構成を採ることなく、測定物５０の側面の傾斜方向を問わずに形状測定が可能となる。又、測定物５０を回転させる必要がないことから、測定物５０の中心軸の芯ぶれが発生するというような問題も生じず、被測定面の測定誤差の低減を図ることもできる。よって、例えばレンズの外径や穴径等が測定可能であり、又、例えば図１４及び図１５に示す流体軸受けのような測定物５０に形成され潤滑剤を収容する溝部５５の形状を測定することも可能となる。よって、形状測定装置２０１は、精密及び微細化に向かう産業の発展に幅広く貢献できる。

尚、形状測定装置２０１では、測定物５０を石定盤２９２上に固定し、プローブ１０１をＸ、Ｙ，Ｚ軸方向に移動させたが、逆に、プローブ１０１を固定して測定物５０を移動させてもよい。要するに、測定物５０とプローブ１０１とを相対的に移動させればよい。

上述した形状測定装置２０１は、プローブ１０１用の測定装置、つまり測定可能な被測定面５１が図１に示す交差角度θにて、０度から最大で約３０度までの間の角度にてなる被測定面を測定可能とする測定装置である。しかしながら、以下に説明するようにプローブの付け換えを可能とした、図１６に示すような形状測定装置２０２を構成することもできる。

形状測定装置２０２の構成は、次に説明する相違点を除き、上述した形状測定装置２０１の構成に同じである。又、形状測定装置２０２の構成を形状測定装置２９０に対して施すことも可能である。
上述の形状測定装置２０１と形状測定装置２０２との相違点は、（１）Ｚ−テーブル２９３におけるプローブ取り付け部分について、図１７に示すように、プローブ１０１と、図２２に示した特許文献２に記載される従来の三次元形状測定用プローブ６０との両方が着脱可能なプローブ取替部２９３１を設けた点、及び（２）上記プローブ６０をＺ−テーブル２９３に装着したときに機能する部分であり当該プローブ６０の被測定面５１に対する接触圧をほぼ一定に保持するためのサーボ部２３０を設けた点である。尚、プローブ６０は、第２プローブとして機能する一例である。

プローブ取替部２９３１は、プローブ１０１及びプローブ６０と嵌合可能な係合部２９３１ａを有し、該係合部２９３１ａとプローブ１０１及びプローブ６０との固定、非固定とを行う着脱機構２９３１ｂを有する。

プローブ取替部２９３１にプローブ６０を取り付けた場合、図１６に示すように、プローブ６０は、ばね４６で自重分が吊り合うように吊り下げられており、リニアモータ４４によりＺ方向に駆動される。スタイラス３７はマイクロエアスライド５２に取り付けられ、板ばね５０でぶら下がっている。尚、Ｚテーブル２９３をＺ軸方向に可動させるための駆動源がリニアモータ４４に相当する。

サーボ部２３０について説明する。測定用レーザ光２１１がマイクロエアスライド５２の上面に取り付けられたミラー５３を照射する。尚、ダイクロイックミラー３５は、サーボ部２３０にて発する半導体レーザ光は全反射し、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光である測定用レーザ光２１１は全透過する。ミラー５３の位置は、測定物５０がないときには、レーザ光２１１の焦点位置よりわずかに下にあり、測定するときは被測定面５１からの微弱な測定力によりマイクロエアスライド５２がわずかに上に動き、ミラー面が合焦点位置になるようにフォーカスサーボがかかり、プローブ部全体をリニアモータ４４でＺ方向に駆動する。このように、サーボ部２３０は、測定時において、スタイラス３７の被測定面５１に対する測定力を一定又はほぼ一定に維持するように、動作する。

プローブ取替部２９３１にプローブ６０を取り付けた場合、従来技術にて説明したように、プローブ６０では、図１に示す交差角度θにて０度から最大で約３０度までの間の角度にてなる被測定面５１の測定は行えない。一方、上記交差角度θにて約３０度から最大で約９０度までの間の角度にてなる被測定面５１の測定が可能である。よって、プローブ６０を用いることで、例えば非球面レンズのレンズ面等の測定が可能である。

したがって、形状測定装置２０２によれば、プローブ１０１とプローブ６０との付け替えが可能であることから、図１８に示すように、上記交差角度θにて０度から最大で約３０度までの間の角度にてなる第１被測定面５６ａの測定を行うときには、プローブ取替部２９３１にプローブ１０１を取り付けて形状測定を行い、上記交差角度θにて約３０度から最大で約９０度までの間の角度にてなる第２被測定面５６ｂの測定を行うときには、プローブ取替部２９３１にプローブ６０を取り付けて形状測定を行うことができる。このように、形状測定装置２０２によれば、被測定面５１の向きに関係なく測定が可能となり、全ての測定物５０について形状測定可能となる。

本発明は、任意形状の穴の内面や穴径の測定、及び任意形状の外側面の形状測定等を高精度及び低測定力にて走査測定する形状測定装置、該形状測定装置に備わるプローブ、及び形状測定方法に適用可能である。

本発明の実施形態における形状測定装置用プローブの構造を示す図である。 図１に示す揺動部材部分の平面図である。 図１に示す支点用部材の平面図及び断面図である。 図１に示すプローブにおける揺動部材の傾斜状態を示す図である。 図１に示す支点用部材の一変形例における断面図である。 図１に示すプローブの一変形例を示す図である。 図１に示すプローブを備えた形状測定装置の一例を示す図である。 図１に示すプローブを備えた形状測定装置の他の例を示す図である。 図７に示す形状測定装置に備わる測定点情報決定部の構成を示す図である。 図９に示す測定点情報決定部に備わる傾斜角度検出部の平面図である。 上記傾斜角度検出部に対してプローブからの反射光が照射される状態を説明するための図である。 図１に示すプローブにて被測定面の測定を行うときのプローブの傾斜角度を説明するための図であり、測定物を平面図にて表した図である。 図１に示すプローブにて被測定面の測定を行うときのプローブの傾斜角度を説明するための図であり、測定物を側面図にて表した図である。 図１に示すプローブにて測定可能な測定物の一例の斜視図である。 図１４に示す測定物の断面図である。 図７に示す形状測定装置の変形例を示す図であり、サーボ部の構成を示す図である。 図１６に示す形状測定装置に備わるプローブ取替部を示す斜視図である。 図１６に示す形状測定装置にて測定可能な測定物の範囲を説明するための図である。 図１に示すプローブにおける連結部材の変形例を示す図である。 図１に示すプローブにおける連結部材の別の変形例を示す図である。 従来の形状測定装置に備わるプローブを示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。 従来の形状測定装置に備わる他のプローブを示す図である。

符号の説明

５０…測定物、５１…被測定面、５１ａ…測定点、
５６ｂ…第２被測定面、６０…プローブ、
１０１…プローブ、１１０…取付用部材、１１０ｂ…固定側面、
１１２…位置ずれ防止部、１２０…揺動部材、１２１…スタイラス、
１２３…ミラー、１２４ａ…揺動側面、１３０…連結機構、１３１…連結部材、
１３２…支点用部材、
２０１，２０２…形状測定装置、２１０…レーザ光発生部、
２１１…測定用レーザ光、２１１ａ…光軸、２１１ｂ…反射光、
２２０…測定点情報決定部、２２２…傾斜角度検出部、
２２２ａ〜２２２ｄ…受光領域、２２３…スタイラス位置演算部、
２２４…位置座標測定部、２２５…加算部、２３０…サーボ部、
２８０…制御装置、２９１、２９５…ステージ、
１３１１…コイルバネ、１３１２…磁性体、１３１３…磁石、
１３２１…固定部、１３２２…支点部、１３２２ａ…尖端、
２２１１…光分離部、２２２１…受光面、２９３１…プローブ取替部。

Claims (8)

1. 測定物の被測定面に接触するスタイラスと測定用レーザ光を反射するミラーとを有する測定面接触部と、上記測定面接触部を当該形状測定装置に取り付ける取付用部材と、上記測定面接触部を軸方向に固定し、かつ上記取付用部材に対していずれの方向にも傾斜可能に上記測定面接触部を上記取付用部材に支持させる連結機構とを備え、上記連結機構は、連結部材及び支点用部材を有し、上記支点用部材は、上記取付用部材と上記測定面接触部との間に配置され上記測定面接触部が傾斜する支点となる、形状測定装置用プローブと、
   上記形状測定装置用プローブへ照射され上記測定物の上記被測定面における測定点の位置情報を求めるための測定用レーザ光を発生するレーザ光発生部と、
   上記測定用レーザ光が上記ミラーにて反射した反射光に基づき上記測定面接触部の傾斜角度を検出して上記測定点の位置情報を求める測定点情報決定部と、
   を備えたことを特徴とする形状測定装置。
2. 上記支点用部材は、上記取付用部材及び上記測定面接触部のいずれか一方に固定される固定部と、上記取付用部材及び上記測定面接触部のいずれか他方と点接触する尖端を含み上記測定面接触部が傾斜する支点となる支点部とを有する、請求項１記載の形状測定装置。
3. 上記連結部材は、複数の弾性体からなり、上記取付用部材及び上記測定面接触部の周囲に沿って互いに等間隔に配置され、上記支点用部材は、三角形状の断面を有するリング状にてなる、請求項１又は２に記載の形状測定装置。
4. 上記連結部材は、上記取付用部材及び上記測定面接触部のいずれか一方が磁性体からなり、いずれか他方に磁石が配置されている、請求項１から３のいずれかに記載の形状測定装置。
5. 上記測定点情報決定部は、上記傾斜角度を検出する傾斜角度検出部と、該傾斜角度検出部から得られた角度信号を上記形状測定装置用プローブに備わる取付用部材に対するスタイラスの変位量に変換するスタイラス位置演算部と、上記測定用レーザ光を用いて、上記測定物に対する上記取付用部材の相対位置座標値を求める位置座標測定部と、上記相対位置座標値に上記スタイラスの変位量を加算して上記測定点の位置情報を求める加算部とを有する、請求項１から４のいずれかに記載の形状測定装置。
6. 上記傾斜角度検出部は、上記反射光を受光する光検出器を有し、該光検出器は、それぞれ独立して光電変換を行う複数の受光領域に区画された一つの受光面を有する、請求項５記載の形状測定装置。
7. 上記被測定面は、上記ミラーに照射される測定用レーザ光の光軸に平行となる０度から最大３０度までの間の角度にて交差する接線を有する面である、請求項１から６のいずれかに記載の形状測定装置。
8. 上記形状測定装置用プローブの取付用部材が着脱可能なプローブ取替部をさらに備えた
   請求項１から７のいずれかに記載の形状測定装置。

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