WO2021220595A1

WO2021220595A1 - 測定装置

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Publication number: WO2021220595A1
Application number: PCT/JP2021/006600
Authority: WO
Inventors: 秀樹森井; 拓也井上
Original assignee: 株式会社東京精密
Priority date: 2020-04-30
Filing date: 2021-02-22
Publication date: 2021-11-04
Also published as: JP7203312B2; DE112021002520T5; CN115461593B; US11859969B2; JPWO2021220595A1; CN115461593A; US20230052870A1

Abstract

環境温度が測定結果に及ぼす影響を抑制することができる測定装置を提供する。測定装置（１０、１０－１、１０－２）は、被測定物の表面の測定を行うための触針（１２）が設けられており、被測定物の表面の形状に応じて揺動中心の回りに揺動可能に取り付けられた触針部（１４）と、触針部の揺動による変位を測定するためのスケールと、スケールの目盛りを読み取るためのスケールヘッド（２６）と、触針部が取り付けられ、触針部と一体的に揺動中心の回りに揺動可能に取り付けられたアーム部（１６）であって、スケールが取り付けられたアーム部とを備え、触針部、アーム部及びスケールの熱膨張係数をそれぞれ、α、β及びγとした場合に、（α＋γ）－１／２α≦β≦（α＋γ）＋１／２αの条件を満たす。

Description

測定装置

　本発明は測定装置に係り、特に被測定物の表面の形状、粗さ又は輪郭等を測定するための測定装置に関する。

　被測定物の表面の形状、粗さ又は輪郭等を測定するための測定装置が知られている。例えば、特許文献１には、測定アームの先端に突設されたスタイラスを被測定物の測定対象面に当接させて走査し、スタイラスの微小上下動を検出することにより、被測定物の測定対象面の表面性状を測定する表面性状測定装置が開示されている。特許文献１に記載の表面性状測定装置では、測定アームが回転軸を支点として上下方向に揺動（円弧運動）可能に支持されている。そして、測定アームが揺動する方向に沿うスケール目盛りを有するスケールを用いて、測定アームの揺動による回転角を検出するようになっている。

特開２０２０－００３４３６号公報

　上記のような測定装置では、環境温度が変化すると、測定アームの長さが熱膨張により変化してしまう。そのため、スタイラスの変位の測定結果が環境温度に起因して変動してしまうという問題があった。

　本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、環境温度が測定結果に及ぼす影響を抑制することができる測定装置を提供することを目的とする。

　上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る測定装置は、被測定物の表面の測定を行うための触針が設けられており、被測定物の表面の形状に応じて揺動中心の回りに揺動可能に取り付けられた触針部と、触針部の揺動による変位を測定するためのスケールと、スケールの目盛りを読み取るためのスケールヘッドと、触針部が取り付けられ、触針部と一体的に揺動中心の回りに揺動可能に取り付けられたアーム部であって、スケールが取り付けられたアーム部とを備え、触針部、アーム部及びスケールの熱膨張係数をそれぞれα、β及びγとした場合に、（α＋γ）－１／２α≦β≦（α＋γ）＋１／２αの条件を満たす。

　本発明の第２の態様に係る測定装置は、第１の態様において、触針部、アーム部及びスケールの熱膨張係数が、β＝α＋γの条件を満たす。

　本発明の第３の態様に係る測定装置は、第１又は第２の態様において、スケールは、アーム部の揺動方向に沿って円弧状に形成された円弧スケールである。

　本発明の第４の態様に係る測定装置は、第１から第３の態様のいずれかにおいて、触針部、アーム部及びスケールのうちの少なくとも１つが、熱膨張係数が異なる複数の部材により形成されており、上記の条件を満たすように、上記の複数の部材の材料及び長さが調整されている。

　本発明の第５の態様に係る測定装置は、被測定物の表面の測定を行うための触針が設けられており、被測定物の表面の形状に応じて揺動中心の回りに揺動可能に取り付けられた触針部と、触針部の揺動による変位を測定するためのスケールと、スケールの目盛りを読み取るためのスケールヘッドと、触針部が取り付けられ、触針部と一体的に揺動中心の回りに揺動可能に取り付けられたアーム部であって、スケールが取り付けられたアーム部と、環境温度を測定するための温度センサと、触針部、アーム部及びスケールの熱膨張係数をそれぞれα、β及びγとし、触針部の先端部の変位の測定値をｘ_Ｆ、測定値ｘ_Ｆの測定時の環境温度の変化量をΔＴとした場合に、下記の式により、触針部の先端部の実際の変位ｘ_Ｔを算出する制御部とを備える。

　ｘ_Ｔ＝ｃｘ_Ｆ
　ｃ＝（１＋αΔＴ）／｛１＋（β－γ）ΔＴ｝

　本発明によれば、環境温度が測定結果に及ぼす影響を抑制することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る測定装置を示す図である。図２は、アーム部とスケールの熱膨張係数が等しい場合を示す図である。図３は、アーム部とスケールの熱膨張係数が異なる場合の熱膨張の影響を説明するための図である。図４は、変形例２に係る測定装置を示す図である。図５は、本発明の第２の実施形態に係る測定装置を示す図である。図６は、本発明の第３の実施形態に係る測定装置を示す図である。

　以下、添付図面に従って本発明に係る測定装置の実施の形態について説明する。

　［第１の実施形態］
　（測定装置）
　まず、本発明の第１の実施形態に係る測定装置の構成について、図１を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る測定装置を示す図である。以下の説明では、ＸＹ平面を水平面とし、Ｚ方向を垂直方向（鉛直方向）とする３次元直交座標系を用いる。

　測定装置１０は、被測定物Ｗの表面の形状、粗さ又は輪郭等を測定するための装置である。測定装置１０は、コラム（不図示）に取り付けられ、コラムに設けられたアクチュエータ（不図示）により、コラムに対してＸＹＺ方向に移動可能となっている。測定装置１０が取り付けられるコラムは、被測定物Ｗが載置されるテーブル（不図示）に固定されている。

　図１に示すように、測定装置１０は、触針部１４、アーム部１６、揺動軸２０、スケール２２、揺動軸固定部２４及びスケールヘッド２６を備える。なお、測定装置１０の外装（筐体等）については図示を省略する。

　触針部１４は、アーム部１６に対して略一直線状になるように固定されており、触針部１４及びアーム部１６は、揺動軸固定部２４に固定された揺動軸２０の回りに一体的に揺動可能に取り付けられている。揺動軸２０は、ＸＹ平面に略平行となるように測定装置１０のコラムに対する取付角度が調整されている。以下、触針部１４及びアーム部１６を揺動部１８という。なお、揺動部１８の構成は図１に示した略一直線状の例に限定されるものではなく、例えば、触針部１４又はアーム部１６がＬ字状の折れ曲がり部を有し、触針部１４とがアーム部１６が略平行になるように取り付けられていてもよい。

　触針部１４の先端には、触針１２が設けられている。触針１２は、図中下方（－Ｚ方向）に伸びている。テーブルに載置された被測定物Ｗの表面に触針１２を所定の圧力で接触させると、接触位置における被測定物Ｗの表面の高さ及び凹凸に応じて揺動部１８が揺動軸２０の回りに揺動する。なお、触針部１４の構成は図１に示した例に限定されるものではない。例えば、触針部１４の図中上下方向に触針が設けられたＴ字スタイラス、又は図中下方への触針の突き出し量が図１に示した例よりも長いＬ字スタイラスであってもよい。

　アーム部１６の基端部側のスケール取付位置１６Ｂには、スケール２２が取り付けられており、スケール２２は、揺動部１８の揺動に応じて変位する。アーム部１６は、揺動軸２０の揺動中心２０Ｃとスケールヘッド２６とをつなぐ（揺動軸２０の揺動中心２０Ｃとスケールヘッド２６との間の距離を規定する）部材である。

　スケール２２は、アーム部１６の揺動方向に沿って円弧状に形成された円弧スケール（角度スケール）であり、スケール２２の円弧方向に沿ってスケール２２の回転角度（図２のスケールヘッド検出角度φに相当）を示すスケール目盛りが形成されている。スケール２２は、揺動部１８が水平な場合に（以下、基準位置という。）、スケール２２のスケール目盛りの中心（ゼロ点）スケールヘッド２６によって読み取られるスケールヘッド読み取り点（読み取り位置）に一致するように取り付けられている。

　スケールヘッド２６は、揺動部１８の揺動に応じてスケール２２の変位を読み取る装置である。スケールヘッド２６の種類は特に限定されないが、スケールヘッド２６としては、例えば、スケール目盛りを読み取るための光電センサ又は撮像素子を備える非接触式のセンサを用いることができる。

　本実施形態では、触針部１４、アーム部１６及びスケール２２の熱膨張係数（線熱膨張係数）をそれぞれα、β及びγとした場合に、β＝α＋γの条件を満たすように各部材の材料が選定されている（詳細後述）。

　測定装置１０には、制御装置５０が接続されており、スケールヘッド２６によって読み取られたスケール２２の変位は、制御装置５０に出力される。制御装置５０は、コラムに設けられたアクチュエータを制御して、被測定物Ｗと測定装置１０の触針１２とを相対移動させながら、被測定物Ｗの表面の位置ごとの変位の検出信号を取得する。これにより、被測定物Ｗの表面の形状、粗さ又は輪郭等を測定することができる。

　図１に示すように、制御装置５０は、制御部５２、入力部５４及び表示部５６を備える。制御装置５０としては、例えば、パーソナルコンピュータ又はワークステーション等を用いることができる。

　制御部５２は、制御装置５０の各部を制御するためのＣＰＵ（Central Processing Unit）、制御装置５０等のための制御プログラムが格納されるメモリ（例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）等）及び各種のデータが格納されるストレージ（例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等）を備える。制御部５２は、入力部５４からの操作入力に応じて、制御装置５０の各部を制御するための制御信号を出力し、かつ、測定装置１０を制御するための制御信号及び測定装置１０を移動させるためのアクチュエータ等を制御するための制御信号等を出力する。

　入力部５４は、操作者からの操作入力を受け付けるための装置であり、例えば、キーボード、マウス、タッチパネル等を備える。

　表示部５６は、画像を表示するための装置であり、例えば、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）である。表示部５６には、例えば、制御装置５０、測定装置１０及びアクチュエータ等の操作のためのＧＵＩ（Graphical User Interface）及び被測定物Ｗの表面の形状、粗さ又は輪郭等の測定結果等が表示される。

　（環境温度が測定結果に及ぼす影響）
　（アーム部１６とスケール２２の熱膨張係数が等しい場合（β＝γ））
　次に、環境温度が測定結果に及ぼす影響を抑制するための構成について説明する。まず、アーム部１６とスケール２２の熱膨張係数が等しい場合（β＝γ）、すなわち、本実施形態の条件β＝α＋γを満たさない例について、図２を参照して説明する。

　図２は、アーム部１６とスケール２２の熱膨張係数が等しい場合（β＝γ）を示す図である。図２では、測定装置１０の各部の動作を簡略化して示している。

　図２（ａ）は、揺動部１８の軸ＡＸが水平な状態（基準位置θ＝０）を示しており、図２（ｂ）及び図２（ｃ）は、揺動部１８が基準位置から角度θ傾いた状態を示している。そして、図２（ｃ）は、図２（ｂ）においてアーム部１６及び揺動部１８が熱膨張した状態を示している。

　環境温度Ｔが基準温度Ｔ_０の場合の触針部１４の先端部１４Ｅ（被測定物Ｗの表面に接触する触針１２の先端位置に対応する位置）から揺動部１８の揺動中心２０Ｃまでの距離ＬをＬ_０、揺動部１８の揺動中心２０Ｃからアーム部１６のスケール取付位置１６Ｂまでの距離ＭをＭ_０とする。

　図２（ｂ）に示すように、環境温度Ｔが基準温度Ｔ_０の場合（熱膨張がない場合）に、揺動部１８が基準位置から角度θ傾いて触針部１４、アーム部１６及びスケール２２がそれぞれ符号１４Ｒ、１６Ｒ及び２２Ｒの位置まで移動すると、スケールヘッド検出角度φは、アーム部１６の基準位置からの回転角度θと等しい。この場合、触針部１４の先端部１４Ｅの変位ｘ_１は、下記の式（１）により表される。

　ｘ_１＝Ｌ_０・ｓｉｎθ＝Ｌ_０・ｓｉｎφ　・・・（１）
　熱膨張を考慮せずに式（１）を一般化すると、触針部１４の先端部１４Ｅの変位ｘ_Ｆの計算式は、下記の式（２）により表される。

　ｘ_Ｆ＝Ｌ_０・ｓｉｎφ　・・・（２）
　図２（ｃ）に示すように、環境温度ＴがＴ＝Ｔ_０＋ΔＴに変化すると、触針部１４、アーム部１６及びスケール２２は、熱膨張によりそれぞれ符号１４ＲＥ、１６ＲＥ及び２２ＲＥに示すようになる。この場合、先端部１４Ｅから揺動部１８の揺動中心２０Ｃまでの距離Ｌは、下記の式（３）のように変化する。

　Ｌ＝Ｌ_０（１＋αΔＴ）　・・・（３）
　このとき、触針部１４の先端部１４Ｅの実際の変位ｘ_Ｔは、下記の式（４）により表される。

　ｘ_Ｔ＝Ｌ・ｓｉｎθ＝Ｌ_０・ｓｉｎθ（１＋αΔＴ）　・・・（４）
　式（２）及び式（４）から、環境温度ＴがＴ＝Ｔ_０＋ΔＴに変化したことによる触針部１４の先端部１４Ｅの変位の真の値ｘ_Ｔと計算値ｘ_Ｆとの誤差ｘ_ｅｒｒは、下記の式（５）により表される。

　ｘ_ｅｒｒ＝ｘ_Ｔ－ｘ_Ｆ
　ｘ_ｅｒｒ＝Ｌ_０・αΔＴ・ｓｉｎθ　・・・（５）
　（アーム部１６とスケール２２の熱膨張係数が異なる場合（β≠γ））
　次に、アーム部１６とスケール２２の熱膨張係数が異なる場合（β≠γ）の熱膨張の影響について、図３を参照して説明する。図３は、アーム部１６とスケール２２の熱膨張係数が異なる場合（β≠γ）の熱膨張の影響を説明するための図である。

　図３に示すように、アーム部１６の熱膨張係数βとスケール２２の熱膨張係数γが異なっており（β≠γ）、かつ、スケール２２がアーム部１６の基端部に取り付けられている。このため、スケール２２の角度の基準となる角度基準中心２２Ｃは、揺動中心２０Ｃからずれる。つまり、φ≠θとなる。

　熱膨張を考慮すると、揺動部１８の揺動中心２０Ｃからアーム部１６のスケール取付位置１６Ｂまでの距離（≒アーム部１６の長さ）Ｍは、下記の式（６）により表される。

　Ｍ＝Ｍ_０（１＋βΔＴ）　・・・（６）
　一方、スケール２２の位置は、スケール２２の取付位置を基準にスケール２２の熱膨張係数γで膨張する。よって、アーム部１６のスケール取付位置１６Ｂから角度基準中心２２Ｃ間での距離Ｒは、下記の式（７）により表される。

　Ｒ＝Ｍ_０（１＋γΔＴ）　・・・（７）
　揺動中心２０Ｃと角度基準中心２２Ｃとの間の距離をΔＭとすると、式（６）及び式（７）から下記の式（８）が得られる。

　ΔＭ＝Ｍ－Ｒ
　ΔＭ＝Ｍ_０（β－γ）ΔＴ　・・・（８）
　図３に示すように、角度ρを定義すると、角度θ、φ及びρは、φ＝θ＋ρの関係を満たす。Ｍ_１＝Ｍ－ΔＭｃｏｓθであるので、下記の式（９）が得られる。

　ｔａｎρ＝ΔＭ・ｓｉｎθ／Ｍ_１
　ｔａｎρ＝ΔＭ・ｓｉｎθ／（Ｍ－ΔＭ・ｃｏｓθ）　・・・（９）
　ρ及びθが微小角の近似を用いると、下記の式（１０）が得られる。

　ρ≒ΔＭ・ｓｉｎθ／Ｍ_０＝（β－γ）ΔＴ　・・・（１０）
　式（１０）を用いて、触針部１４の先端部１４Ｅの変位ｘ_Ｆの計算式（２）を変形すると、下記のようになる。

　ｘ_Ｆ＝Ｌ_０・ｓｉｎφ
　ｘ_Ｆ＝Ｌ_０・ｓｉｎ（θ＋ρ）
　ｘ_Ｆ＝Ｌ_０（ｓｉｎθｃｏｓρ＋ｃｏｓθｓｉｎρ）
　ρが微小角の近似を用いると、下記の式（１１）が得られる。

　ｘ_Ｆ≒Ｌ_０（ｓｉｎθ＋ρ・ｃｏｓθ）
　ｘ_Ｆ≒Ｌ_０・ｓｉｎθ｛１＋（β－γ）ΔＴ・ｃｏｓθ｝　・・・（１１）
　一方、実際の変位ｘ_Ｔは式（４）により求められるため、誤差ｘ_ｅｒｒは、下記の式（１２）により表される。

　ｘ_ｅｒｒ＝ｘ_Ｔ－ｘ_Ｆ
　ｘ_ｅｒｒ＝Ｌ_０・ｓｉｎθ（１＋αΔＴ）－Ｌ_０・ｓｉｎθ｛１＋（β－γ）ΔＴ・ｃｏｓθ｝
　ｘ_ｅｒｒ＝Ｌ_０ΔＴ・ｓｉｎθ｛α－（β－γ）ｃｏｓθ｝　・・・（１２）
　ここで、β＝α＋γの条件を満たすとすると、下記の式（１３）が得られる。

　ｘ_ｅｒｒ＝Ｌ_０ΔＴα・ｓｉｎθ｛１－ｃｏｓθ｝　・・・（１３）
　したがって、本実施形態の条件β＝α＋γを満たさない場合（式（５））の誤差ｘ_ｅｒｒは、ｘ_ｅｒｒ＝Ｌ_０・αΔＴ・ｓｉｎθ（β＝γの場合）であるのに対して、上記の条件を満たす場合のｘ_ｅｒｒは、ｘ_ｅｒｒ＝Ｌ_０ΔＴα・ｓｉｎθ｛１－ｃｏｓθ｝となる。

　一般に、測定装置１０における検出範囲は、θ＝０°近傍である。このとき、（１－ｃｏｓθ）≪１である。したがって、β＝α＋γの条件を満たすように各部材の材料を選定することにより、触針部１４の先端部１４Ｅの変位の真の値ｘ_Ｔと計算値ｘ_Ｆとの誤差ｘ_ｅｒｒを格段に小さくすることができる。これにより、環境温度Ｔが測定装置１０の測定結果に及ぼす影響を抑制することができる。

　（実施例）
　触針部１４の材料として、カーボンファイバー（ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastics）、スケール２２の材料として鉄、アーム部１６の材料としてガラスを用いた場合、熱膨張係数α、β及びγは、α＝３．６×１０^－６、γ＝８．５×１０^－６、β＝１２．１×１０^－６となる。上記の材料の組み合わせによれば、β＝α＋γの条件を満たすことができる。

　（変形例１）
　なお、本実施形態では、触針部１４、アーム部１６及びスケール２２の熱膨張係数α、β及びγが、β＝α＋γの条件を満たすようにしたが、本発明はこれに限定されない。

　式（１２）を変形すると、下記の式（１４）が得られる。

　ｘ_ｅｒｒ＝Ｌ_０ΔＴα・ｓｉｎθ｛１－｛（β－γ）／α｝ｃｏｓθ｝　・・・（１４）
　式（５）と式（１４）とを比較すると、式（１４）における誤差ｘ_ｅｒｒは、式（５）に｛１－｛（β－γ）／α｝ｃｏｓθ｝を乗算した値となる。

　実用上、環境温度Ｔの変化に起因する誤差ｘ_ｅｒｒを１／２以下にすることができれば、環境温度Ｔの変化に対して有意に耐性があるとすることができる。

　実用上有用な熱膨張係数の条件は、下記の式（１５ａ）により表される。

　｜１－｛（β－γ）／α｝ｃｏｓθ｜≦１／２　・・・（１５ａ）
　ここで、測定装置１０における検出範囲は、θ＝０°近傍であることから、ｃｏｓθ≒１と近似すると、下記の式（１５ｂ）が得られる。

　｜１－（β－γ）／α｜≦１／２　・・・（１５ｂ）
　式（１５ｂ）をβについて解くと、下記の式（１６）が得られる。

　（α＋γ）－１／２α≦β≦（α＋γ）＋１／２α　・・・（１６）
　したがって、アーム部１６の熱膨張係数βは、（α＋γ）を基準として±１／２αの範囲にあれば、実用上、環境温度Ｔの変化に対して有意に耐性があるとすることができる。

　（変形例２）
　なお、本実施形態では、触針部１４、スケール２２及び揺動軸固定部２４をそれぞれ単一の材料からなるものとしたが、それぞれ複数の材料を組み合わせることにより、熱膨張係数α、γ及びβを調整することも可能である。

　図４は、変形例２に係る測定装置を示す図である。図４に示す測定装置１０－１において、触針部１４は、熱膨張係数が異なる３つの材料からなる部材１４Ａ、１４Ｂ及び１４Ｃをつなぎ合わせることにより形成されている。部材１４Ａ、１４Ｂ及び１４Ｃの熱膨張係数をそれぞれα_１、α_２及びα_３、長さをｌ_１、ｌ_２及びｌ_３とすると、触針部１４全体の熱膨張係数αは、下記の式（１７）により表される。

　α＝（α_１ｌ_１＋α_２ｌ_２＋α_３ｌ_３）／（ｌ_１＋ｌ_２＋ｌ_３）　・・・（１７）
　一般に、熱膨張係数は材料に固有の値であり、これを任意の値に調整することは困難である。そこで、複数の材料を組み合わせて、各材料の長さを調整することにより、触針部１４、スケール２２及び揺動軸固定部２４の熱膨張係数を任意の値に調整することが可能になる。これにより、β＝α＋γの条件を満たす測定装置の作成が容易になる。

　［第２の実施形態］
　図５は、本発明の第２の実施形態に係る測定装置を示す図である。以下の説明において、上記の実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

　本実施形態に係る測定装置１０－２は、触針部１４に代えて、測定装置１０－２に対して着脱可能な交換式触針３０を備えている。

　交換式触針３０は、触針１２が設けられる第１部材３０Ａと、第２部材３０Ｂとを備える。第２部材３０Ｂの基端部は、触針取付基部１６Ａに取り付け（例えば、係合、嵌合等）可能な形状となっている。本実施形態では、交換式触針３０と触針取付基部１６Ａとを合わせて触針部３２とし、触針部３２とアーム部１６とを合わせて揺動部３４とする。

　第１部材３０Ａ及び第２部材３０Ｂの熱膨張係数をそれぞれα_１及びα_２、長さをｌ_１及びｌ_２とし、触針取付基部１６Ａの熱膨張係数α_３、長さ（図中左端部から揺動軸２０の揺動中心２０Ｃとの間の長さ）をｌ_３とする。この場合、変形例２と同様に考えると、交換式触針３０と触針取付基部１６Ａからなる触針部３２全体の熱膨張係数αは、下記の式（１８）により表される。

　α＝（α_１ｌ_１＋α_２ｌ_２＋α_３ｌ_３）／（ｌ_１＋ｌ_２＋ｌ_３）　・・・（１８）
　したがって、満たすべき条件をβ＝α＋γとすると、下記の式（１９）の条件を満たすようにすればよい。

　（α_１ｌ_１＋α_２ｌ_２＋α_３ｌ_３）／（ｌ_１＋ｌ_２＋ｌ_３）＝β－γ　・・・（１９）
　本実施形態によれば、変形例２と同様に、交換式触針３０を構成する部材の組み合わせ及びその長さにより熱膨張係数αを任意の値に調整することが可能になる。また、本実施形態によれば、交換式触針３０のみにより熱膨張係数αを調整することができるので、既存の測定装置（γ及びβが調整されていない測定装置）においても、環境温度Ｔが測定結果に及ぼす影響を抑制することができる。なお、本実施形態において、変形例１と同様にβにマージンをつけてもよい。

　なお、本実施形態では、触針取付基部１６Ａの形状を、式（１９）の条件を満たす交換式触針３０のみが取り付け可能な形状（例えば、直径、嵌合穴の形状等）にすることが好ましい。これにより、環境温度Ｔが測定結果に及ぼす影響を抑制するのに適さない交換式触針が測定装置に取り付けられることを防止することができる。

　［第３の実施形態］
　上記の実施形態では、環境温度の変化が測定結果に及ぼす影響を抑制するために、触針部１４の熱膨張係数α、アーム部１６の熱膨張係数β及びスケール２２の熱膨張係数γの満たすべき条件を求めたが、環境温度Ｔの温度変化量ΔＴを測定し、温度変化量ΔＴを用いて測定結果を補正することも可能である。

　図６は、本発明の第３の実施形態に係る測定装置を示す図である。以下の説明において、上記の実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

　本実施形態に係る測定装置１０－３は、温度センサ６０を備えている。温度センサ６０は、測定装置１０－３を用いて測定が行われる環境の環境温度（気温）を測定するためのものであり、例えば、測定装置１０－３の筐体の表面に設けられる。

　なお、温度センサ６０としては、触針部１４及びアーム部１６の少なくとも一方の温度（例えば、表面温度）を環境温度として測定するための接触式又は非接触式の温度センサ（例えば、放射温度計又はサーミスタ等）を用いることも可能である。

　本実施形態では、制御部５２は、触針部１４の先端部１４Ｅの変位ｘ_Ｆの測定時に、温度センサ６０から環境温度Ｔの測定値を取得して、変位ｘ_Ｆと環境温度Ｔとを関連付けてストレージに格納する。そして、制御部５２は、変位ｘ_Ｆ（測定値）と環境温度Ｔの温度変化量ΔＴに基づいて、触針部１４の先端部１４Ｅの実際の変位ｘ_Ｔを算出する。具体的には、下記の式（２０）に示す補正係数ｃを用いて、変位ｘ_Ｆ（測定値）から触針部１４の先端部１４Ｅの実際の変位ｘ_Ｔを算出する。

　ｃｘ_Ｆ＝ｘ_Ｔ　・・・（２０）
　既述のように、熱膨張を考慮した場合の触針部１４の先端部１４Ｅの変位ｘ_Ｆは、式（１１）により求められる。

　ｘ_Ｆ≒Ｌ_０・ｓｉｎθ｛１＋（β－γ）ΔＴ・ｃｏｓθ｝　・・・（１１）
　一方、触針部１４の先端部１４Ｅの実際の変位ｘ_Ｔは、式（４）により求められる。

　ｘ_Ｔ＝Ｌ・ｓｉｎθ＝Ｌ_０・ｓｉｎθ（１＋αΔＴ）　・・・（４）
　式（１１）及び式（４）を式（２０）に代入して、θを微小角とする近似（ｃｏｓθ≒１）を用いると、下記の式（２１）が得られる。

　ｃ＝ｘ_Ｔ／ｘ_Ｆ
　　＝（１＋αΔＴ）／｛１＋（β－γ）ΔＴ・ｃｏｓθ｝
　　≒（１＋αΔＴ）／｛１＋（β－γ）ΔＴ｝　・・・（２１）
　すなわち、θを微小角とする近似を用いると、補正係数ｃは、触針部１４の熱膨張係数α、アーム部１６の熱膨張係数β及びスケール２２の熱膨張係数γと、環境温度Ｔの温度変化量ΔＴにより求められる。

　式（２１）により表される補正係数ｃを式（２０）に代入して、触針部１４の先端部１４Ｅの変位ｘ_Ｆ（測定値）を補正することにより、先端部１４Ｅの実際の変位ｘ_Ｔを算出することが可能になる。これにより、環境温度の変化が測定結果に及ぼす影響を抑制することができる。

　１０、１０－１、１０－２、１０－３…測定装置、１２…触針、１４…触針部、１６…アーム部、１８…揺動部、２０…揺動軸、２２…スケール、２４…揺動軸固定部、２６…スケールヘッド、２６Ｐ…スケールヘッド読み取り点、３０…交換式触針、３２…触針部、３４…揺動部、５０…制御装置、５２…制御部、５４…入力部、５６…表示部、６０…温度センサ

Claims

　被測定物の表面の測定を行うための触針が設けられており、前記被測定物の表面の形状に応じて揺動中心の回りに揺動可能に取り付けられた触針部と、
　前記触針部の揺動による変位を測定するためのスケールと、
　前記スケールの目盛りを読み取るためのスケールヘッドと、
　前記触針部が取り付けられ、前記触針部と一体的に前記揺動中心の回りに揺動可能に取り付けられたアーム部であって、前記スケールが取り付けられたアーム部とを備え、
　前記触針部、前記アーム部及び前記スケールの熱膨張係数をそれぞれα、β及びγとした場合に、
　（α＋γ）－１／２α≦β≦（α＋γ）＋１／２α
　の条件を満たす、測定装置。
　前記触針部、前記アーム部及び前記スケールの熱膨張係数が、β＝α＋γの条件を満たす、請求項１記載の測定装置。
　前記スケールは、前記アーム部の揺動方向に沿って円弧状に形成された円弧スケールである、請求項１又は２記載の測定装置。
　前記触針部、前記アーム部及び前記スケールのうちの少なくとも１つが、熱膨張係数が異なる複数の部材により形成されており、前記条件を満たすように、前記複数の部材の材料及び長さが調整されている、請求項１から３のいずれか１項記載の測定装置。
　被測定物の表面の測定を行うための触針が設けられており、前記被測定物の表面の形状に応じて揺動中心の回りに揺動可能に取り付けられた触針部と、
　前記触針部の揺動による変位を測定するためのスケールと、
　前記スケールの目盛りを読み取るためのスケールヘッドと、
　前記触針部が取り付けられ、前記触針部と一体的に前記揺動中心の回りに揺動可能に取り付けられたアーム部であって、前記スケールが取り付けられたアーム部と、
　環境温度を測定するための温度センサと、
　前記触針部、前記アーム部及び前記スケールの熱膨張係数をそれぞれα、β及びγとし、前記触針部の先端部の変位の測定値をｘ_Ｆ、前記測定値ｘ_Ｆの測定時の前記環境温度の変化量をΔＴとした場合に、下記の式により、前記触針部の先端部の実際の変位ｘ_Ｔを算出する制御部と、
　を備える測定装置。
　ｘ_Ｔ＝ｃｘ_Ｆ
　ｃ＝（１＋αΔＴ）／｛１＋（β－γ）ΔＴ｝