JP4669566B2

JP4669566B2 - 接触式プローブ

Info

Publication number: JP4669566B2
Application number: JP2010035996A
Authority: JP
Inventors: 真人根岸
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2010-02-22
Filing date: 2010-02-22
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2021-08-02
Also published as: JP2010151831A

Description

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。

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。

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。

また、別の従来例として、特許文献１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。

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。

特開平１１−１３２７５７号公報

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。

（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。

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。

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／ｓ^２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＝０．００１ｍＮ／μｍとなる。

したがって、ばねのたわみは、Ｆ／Ｋ＝９８．１ｍｍ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。

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。

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。

（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。

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０．０９８１ｍＮ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。

（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。

（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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

上記目的を達成するため、本発明の接触式プローブは、プローブの先端部を被測定物に接触させて走査するとともに前記プローブの座標位置を測定することで被測定物の形状を測定する接触式プローブにおいて、３次元的に移動可能な移動部材と、前記移動部材に対して重力の方向に移動可能に設けられたプローブと、前記移動部材に支点を取り付けた天秤またはプーリーと、前記移動部材に固定され、ヨーク、永久磁石、通電可能なコイルまたは前記ヨークとの隙間が可変の調節ネジ、からなる磁気回路と、を有し、前記天秤またはプーリーの一端部にプローブを吊下げ、他端部には、強磁性体からなるバランス重りを連結し、前記磁気回路は、前記永久磁石と、前記コイルまたは前記調節ネジとが前記ヨークを介して、前記バランス重りに対して並列に配されていて、かつ前記バランスおもりは該磁気回路のヨークによって空隙をもって挟まれている、ことを特徴とする。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明の第１の参考例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。（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。本発明の第１の参考例の接触式プローブを説明するための図であって、（ａ）は本参考例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。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。本発明の第２の参考例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。（ａ）ないし（ｃ）は、それぞれ、本発明の第２の参考例の接触式プローブを説明するための模式図である。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。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す。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。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。

本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（第１の参考例）
図１は、本発明の第１の参考例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の参考例の接触式プローブを説明するための図であって、（ａ）は本参考例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。

先ず、本発明の第１の参考例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。

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１０１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。

これに対し、本参考例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１０８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。

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Ｒ_０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１０６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。

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、

ｚ方向のずり力（磁力）Ｆは次の式から計算できる。

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、

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。

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Ｒ_０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。

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。

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。

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。

次に、以上のように構成される本参考例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。

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。

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。

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。

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。

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１６に固定され支持されている。

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１８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。

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。

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。

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Ｒ_０、Ｒ_０’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。

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。

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。

また、干渉計３４および４分の１波長板３５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。

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。

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。

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。

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。

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２１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。

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Ｓ０４以降）に進む。

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１５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）。

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。

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ｃｏｓθ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。

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。

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。

次に、エアーバルブ２３を閉め、ノズル２１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３１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。

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。

プローブ押しつけ力の判定（ステップＳ１０）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）。

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。

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）。

次に、エアーバルブ２３を閉め、ノズル２１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）。

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。

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Ｓ１９）。

以上説明してきたように、本参考例によれば、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。

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。

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。

また、測定軸１５の制御を本参考例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。

本参考例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。

（第２の参考例）
図５は、本発明の第２の参考例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の参考例の接触式プローブを説明するための模式図である。なお、本参考例において、前述した第１の参考例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。

本参考例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。

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１１５の一端を接続し、このばね１１５の他端を移動部材１０３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。

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。

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。

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。

また、図６の（ｃ）に示すように、天秤１１１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。

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。

次に、図６の（ａ）に示すように構成された本参考例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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

また、干渉計３４および４分の１波長板３５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。

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。

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。

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。

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。

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２１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。

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。

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。

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ｃｏｓθ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。

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。

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。

次に、エアーバルブ２３を閉め、ノズル２１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３１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。

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。

プローブ押しつけ力の判定（ステップＳ１０）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）。

次に、エアーバルブ２３を閉め、ノズル２１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）。

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）。

以上説明してきたように、本参考例によれば、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。

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。

本参考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。

また、本参考例では弱いばね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。

（第１の実施形態）
図７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８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す。

本実施形態は、前述した第２の参考例に対し、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１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の参考例および第２の参考例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。

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１２３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。

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Ｒ_０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Ｒ_１とし、調節ネジ１２４_１側の磁気抵抗をＲ_２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、

また、調節ネジ１２４側のギャップをｈ、断面積をＳとすると

また、ＭとΦには、図８の（ｂ）より次の関係が成り立つ。

ｚ方向のずり力はＦは、

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Ｒ_０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。

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。

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。

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。

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６４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。

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。

本実施形態では、前述した第１の実施形態に対してさらに次の効果がある。
（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。

また、第２の参考例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。

（第２の実施形態）
図９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１０は、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。

本実施形態は、前述した第１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１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２の参考例または第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。

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を挟むようにヨーク１２５を配置し、ヨーク１２５、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の参考例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２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。

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。

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。

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１の実施形態で説明した方法に比べて簡単である。

本実施形態においては、前述した第１の実施形態に加え次のメリットがある。
（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。

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

プローブの先端部を被測定物に接触させて走査するとともに前記プローブの座標位置を測定することで被測定物の形状を測定する接触式プローブにおいて、
３次元的に移動可能な移動部材と、
前記移動部材に対して重力の方向に移動可能に設けられたプローブと、
前記移動部材に支点を取り付けた天秤またはプーリーと、
前記移動部材に固定され、ヨーク、永久磁石、通電可能なコイルまたは前記ヨークとの隙間が可変の調節ネジ、からなる磁気回路と、を有し、
前記天秤またはプーリーの一端部にプローブを吊下げ、他端部には、強磁性体からなるバランス重りを連結し、前記磁気回路は、前記永久磁石と、前記コイルまたは前記調節ネジとが前記ヨークを介して、前記バランス重りに対して並列に配されていて、かつ前記バランスおもりは該磁気回路のヨークによって空隙をもって挟まれている、ことを特徴とする接触式プローブ。
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１に記載の接触式プローブ。
前記プローブの可動範囲内にさらに力センサーを設け、前記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前記コイルの電流を変化する、または前記調節ネジを回転することで、押しつけ力を調節することを特徴とする請求項１または２に記載の接触式プローブ。