CN101322005B - 形状测定装置用探头及形状测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种形状测定装置以及设置在该形状测定装置上的形状测定装置用探头，该形状测定装置能够在不采用复杂的装置结构的情况下，不论侧面的倾斜方向如何都可进行形状测定。在形状测定装置用探头中，连接安装用部件(2)和摆动部件(3)的连接机构(4)具有设置在摆动部件(3)上的支点部件(42)和设置在安装用部件(2)上的载置台(41)，且将摆动部件(3)连接成相对于安装用部件(2)可向任意方向倾斜。安装用部件(2)和摆动部件(3)被构成为：设置在摆动部件(3)上的可动侧部件(51)和设置在安装用部件(2)上的固定侧部件(52)彼此在非接触状态下发生磁性吸引力，该磁性吸引力以摆动部件(3)的探杆向铅直方向的方式进行施力。根据该结构，能够测定与Z方向大致平行、向X、Y方向的任意方向倾斜的侧面形状。

Description

形状测定装置用探头及形状测定装置

技术领域

本发明涉及形状测定装置用探头及形状测定装置，其以高精度及低测定力对三维的任意形状的孔的内表面或孔径、以及任意形状的外侧面的形状等进行扫描测定。

背景技术

作为可测定测定物的外侧面、内侧面、以及孔径等的现有探头，被公开于专利第3075981号公报(专利文献1)中。图18A、图18B是刊载于专利文献1上的现有的三维形状测定装置用探头310的结构示意图。该探头310是用于对测定物的沿铅直方向或大致铅直方向延伸的面进行测定的探头，不能测定在水平方向或近似水平方向上延伸的面。

该探头310进行以下的测定动作。在图18A中，当探头310相对于被测定面S在YZ方向上移动时，随着被测定面S的向X方向的位移，具有触针301的探杆303沿大致X方向倾斜。另一方面，激光自半导体激光器的投光部306照射在探杆303的上面的反射镜302上，基于来自反射镜302的反射光，用光位置检测装置307检测探杆303的倾斜度。使探头310整体向X方向移动，以使所检测的倾斜度固定，根据该移动量得到探头310整体的X座标测定值，进而通过将由光位置检测装置307检测的触针301的位移量与该X座标测定值进行加法运算，高精度地测定表示被测定面S向X方向的位移量的X座标。该探头310在其结构方面，不能测定测定物在Y方向上的位置。

鉴于此问题，申请人提出了关于能够测定孔形状、测定物的侧面形状且能够在水平任意方向倾斜的探头的申请(日本专利2005-105915号)。

图19是所述申请记载的形状测定探头的结构示意图。

在图19中，形状测定装置用探头351装备在形状测定装置371上，设有触针361的测定面接触部件360以支点部363为中心，可向水平方向的任意方向摆动地连接在安装用部件362上。连接部件364由螺旋弹簧构成，在不进行测定时，将测定面接触部件360的中心轴保持在铅直方向，在测定时，产生将触针361压在测定物上的力。如图20所示，通过倾斜角度检测部366检测固定在测定面接触部件360上部的反射镜365的X、Y轴周围的倾斜度。由形状测定装置371以触针压入量为固定的方式使探头351整体相对于测定面动作，同时检测探头351的X Y Z位置，通过将其值加上从所述反射镜365的倾斜度换算的触针在水平方向上的位移，高精度地检测触针位置。利用该结构，不旋转测定物就能够对测定物任意方向的侧面进行测定。

发明内容

但是，在专利文献1所公开的结构中，触针301只能在水平方向的一个方向上摆动，为了测定以铅直轴为中心轴的圆筒面的整个圆周形状，需要使圆筒面旋转。因此，需要有使测定物旋转的机构，存在旋转机构中心轴的径向跳动会成为测定误差的课题。另外，使测定物旋转的方法还存在不能测定具有复杂截面形状的被测定面的课题。

另外，在日本专利2005-105915号的结构中，触针361可在水平任意方向上倾斜，但是，由于需要减小连接部件即螺旋弹簧的弹力，因此，存在测定面接触部件360相对于安装用部件362的支点在水平方向上移动而产生移动误差的情况。针对该情况，也可以设置水平移动方向传感器来修正该移动误差，但其结构将会复杂化。另外，由于使用了螺旋弹簧，所以需要比提升测定面接触部件的重量的力稍大的力，也就是说，需要产生对工件的按压力，例如30mgf那样大的力，且其调整困难。

本发明是鉴于上述问题而开发的，其目的在于提供一种形状测定装置用探头及形状测定装置，其触针可在水平任意方向摆动，在不进行测定时，触针保持在中立位置；在测定时，能对测定物产生微小测定压，同时触针摆动的支点位置不易偏移且结构简单、易调整。

本发明为实现上述目的，构成如下。

根据本发明的第一方面，提供一种形状测定装置用探头，具备：

测定面接触部，其具有探杆、和配置在所述探杆顶端并与测定物的被测定向接触的触针；

安装用部件，其将所述测定面接触部安装在形状测定装置上；

连接机构，其具备设置在所述测定面接触部的支点部件、和固定在所述安装用部件上并载置所述支点部件的载置台，该连接机构以所述支点部件为支点连接所述测定面接触部和安装用部件，并确保所述测定面接触部和所述安装用部件可摆动；以及

施力机构，其具有设置于所述测定面接触部的可动侧部件和设置于所述安装用部件的固定侧部件，所述可动侧部件和固定侧部件彼此在铅直方向上相对配置，并在非接触状态下产生磁性吸引力，利用该磁性吸引力对所述测定面接触部施力，使所述探杆向铅直方向。

在上述结构中，所述可动侧部件和所述固定侧部件，也可以一方由永久磁铁构成，另一方由磁性体构成。

另外，所述可动侧部件和所述固定侧部件，也可以双方都由永久磁铁构成，彼此以异极相对的方式配置。

另外，也可以被构成为：所述支点部件由针状突起构成，所述载置台具有可嵌入所述支点部件的顶端的圆锥槽，以所述圆锥槽的最深部和所述支点部件的顶端的接触部为摆动中心来连接所述测定面接触部和所述安装用部件，并确保所述测定面接触部和所述安装用部件可摆动。

所述测定面接触部具有主体部，该主体部在中央设置有横向延伸的贯通孔，在所述主体部的外侧下壁固定有所述探杆，并且所述支点部件自所述主体部的贯通孔内的内侧上壁垂下，所述载置台贯穿所述贯通孔而延伸。

也可以被构成为：所述测定面接触部具备：相对于所述支点部件向触针的相反侧延伸的延伸部、设置在所述延伸部的顶端并保持所述可动侧部件的可动侧保持部，

所述安装用部件在筒状主体部的内侧面上具备固定侧保持部，该固定侧保持部相对于所述可动侧保持部被设置在所述支点部件的同侧，并保持所述固定侧部件。

也可以被构成为：所述可动侧保持部被构成为环状，在其下面侧保持有间隔开的多个可动侧部件，

所述固定侧保持部在与各可动侧部件沿铅直方向相对的位置处，与各可动侧部件对应地保持多个固定侧部件。

也可以被构成为：所述安装用部件在筒状主体部的内侧面具有限制部件，该限制部件通过与所述测定面接触部接触来限制所述测定面接触部的摆动幅度。

根据本发明的第二方面，提供一种形状测定装置，其具备：

第一方面的形状测定装置用探头，其具有将测定用激光反射到所述形状测定装置用探头的测定面接触部的反射镜；

激光发生部，其用于产生向所述形状测定装置用探头照射、并求出测定物的被测定面中的测定点的位置信息的测定用激光；

测定点信息确定部，其基于由装设在所述形状测定装置用探头上的反射镜反射的反射光，检测所述形状测定装置用探头的测定面接触部的倾斜角度，并求出所述测定点的位置信息。

在本发明的第二方面中，也可以被构成为：所述测定点信息确定部具有：倾斜角度检测部，其检测所述倾斜角度；触针位置运算部，其将从该倾斜角度检测部得到的角度信号转换成触针相对于设置在所述形状测定装置用探头上的安装用部件的位移量；位置座标测定部，其利用所述测定用激光求出所述测定点相对于所述安装用部件的相对位置座标值；加法运算部，其将所述触针位移量与所述相对位置座标值进行加法运算，求出所述测定点的位置信息。

在此，也可以被构成为：还具备使所述安装用部件和所述测定物的相对位置沿着所述被测定面进行二维或三维移动的载物台；和

将上述角度信号的大小设为大致固定且以使设有所述触针的测定面接触部件在任一方向都可倾斜的方式控制所述载物台的动作的控制装置。

另外，在所述发明的第二方面中，也可以被构成为：所述倾斜角度检测部具有接受所述反射光的光检测器，该光检测器具有一个受光面，该受光面被划分成多个分别独立地进行光电转换的受光区域。

在此，也可以被构成为：所述测定用激光为振动频率稳定的激光，还具备光分离部，所述光分离部将所述反射光分为两束，且将分离出的一束光射向所述光检测器；将另一束光射向设置在所述位置座标测定部的倾斜角度检测部，从而测定沿照射在所述反射镜上的测定用激光的光轴的Z方向上的所述触针的位置。

根据本发明的第三方面，提供一种形状测定装置，其具备：本发明第一方面的形状测定装置用探头；多个位置检测传感器，其被设置在所述安装用部件的圆筒状主体部的内侧面上，检测和所述测定面接触部的距离；测定点信息确定部，其根据来自所述多个位置检测传感器的输出，检测所述形状测定装置用探头的测定面接触部的倾斜角度，并求出所述测定点的位置信息。

另外，也可以被构成为：所述位置检测传感器设置在相对于所述安装用部件的主体部的中心位置成90。角度的两处。

根据本发明的第一方面提供的形状测定装置用探头以及第二、第三方面提供的形状测定装置，测定面接触部和安装用部件通过连接机构被可摆动地连接起来，再有，在非接触状态下，能够利用磁铁的磁力以探杆成为铅直方向的方式对在水平任意方向可倾斜的测定面接触部进行施力并保持其姿势。据此，由于产生触针按压测定物的力即微小测定力，因此，像螺旋弹簧那种因接触力而产生的微小的力的误差小、由考虑不到的冲击所造成的破损的问题也减少。因此，触针的轴不局限于铅直方向，也可在倾斜状态下使用，例如，可以高精度、低测力对任意形状的孔的内表面及孔径、外侧面的形状等进行扫描测定。

再有，由于安装用部件和测定面接触部通过其结构为支点部件被放置于载置台上的连接机构连接，所以不会因重力等因素使两者脱落。

另外，只要使固定侧部件和可动侧部件其中至少一方由永久磁铁构成，就能够发挥吸引力，由于不像电磁铁那样通过电流，所以结构简单，也不受电热影响。

另外，作为连接机构，通过设计成由圆锥槽和顶端构成的支点，能够防止支点位置偏移。另外，如果在将可动侧部件保持在延伸部的顶端的同时，相对于可动侧部件，将固定侧部件保持在支点侧，则通过磁铁的吸引力按压由连接机构中的圆锥槽和顶端构成的支点。因此，不易引起支点的位置偏移。

另外，只要将棒状载置台贯通保持在设于测定面接触部的主体部的贯通孔内，就能够可靠地防止测定面接触部和安装用部件的脱落。

彼此空开间隔分别设置多个且分别成对的固定侧部件和可动侧部件在铅直方向上相对，由此，即使对于以支点部件的顶点为中心的旋转方向上的位置偏移，也能施力使其退回到中立位置并且能够保持姿势。

可以从下面参照附图对优选的实施方式所作的记述中明白本发明的上述内容、其他目的以及特征。

附图说明

图1是本发明第一实施方式的形状测定装置所使用的形状测定装置用探头的立体图。

图2是用对称面剖切图1的形状测定装置用探头时的立体图。

图3是用Y Z平面剖切图1的形状测定装置用探头的摆动部件时的剖面图。

图4是用Y Z平面剖切图1的形状测定装置用探头的安装用部件时的剖面图。

图5是固定侧保持部件的结构图。

图6是图1的形状测定装置用探头的组装分解立体图。

图7是具备图1所示的探头的形状测定装置的一例的示意图。

图8是具备图1所示的探头的形状测定装置的另一例的示意图。

图9是设置在图7所示的形状测定装置上的测定点信息确定部的结构示意图。

图10是设置在图9所示的测定点信息确定部的倾斜角度检测部的俯视图。

图11是用于说明对所述倾斜角度检测部照射来自探头的反射光的状态的图。

图12是用于说明用图1所示的探头进行被测定面的测定时的探头倾斜角度的图，即用俯视图表示测定物的图。

图13是用于说明用图1所示的探头进行被测定面的测定时的探头倾斜角度的图，即用侧视图表示测定物的图。

图14是可用图1所示的探头进行测定的测定物的一例的立体图。

图15是图14所示的测定物的剖面图。

图16是用对称面剖切本发明第二实施方式的形状测定装置所使用的形状测定装置用探头时的立体图。

图17是设置在具有图16所示的探头的形状测定装置上的测定点信息确定部的结构图。

图18 A是设置在公开于专利文献1中的现有形状测定装置的探头的侧视图。

图18 B是设置在公开于专利文献1的现有形状测定装置的探头的主视图。

图19是现有其他形状测定装置的结构示意图。

图20是图19的形状测定装置的摆动部件的倾斜状态的示意图。

具体实施方式

在继续本发明的记述之前，在附图中对相同部件标以相同的参照符号。下面，参照附图对作为本发明第一实施方式的形状测定装置、设置在该形状测定装置上的形状测定装置用探头、及所述形状测定装置进行详细说明。

所述形状测定装置能够在短时间内用纳米级的高精度以及低测力对现有不能精度良好地测定的孔及外形、任意形状的侧面形状进行测定。作为测定对象，例如，需要极高精度的电动机的轴承、喷墨打印机中的喷嘴、以及汽车发动机中的燃料喷嘴等中的孔形状，还有，形成于流体轴承、存贮润滑剂的槽部形状、再有，设置在形状测定装置中的微型压缩空气输送器的内径、圆筒度等。另外，半导体电路图案中的开槽部分也可包含在测定对象中。

另外，用具有所述形状测定装置用探头的形状测定装置可测定的被测定面，为该被测定面的切线方向和铅直方向的交差角θ具有从0到最大约30度之间的角度的面。

首先，对所述形状测定装置用探头进行说明。图1是本发明第一实施方式的形状测定装置所使用的形状测定装置用探头的立体图。图1所示的形状测定装置用探头101设置在所述形状测定装置201上，具备与作为测定对象的测定物60的被测定面61接触的部分。相对于在专利文献1中公开的现有探头310的探杆303只能在沿X方向的一个方向倾斜的情况，在本探头101中，具备使探杆122可沿不论X、Y方向的任一方向倾斜的结构。这样的探头101具备安装用部件2、相当于作为测定面接触部来发挥功能的一例的摆动部件3、以及连接机构4。

安装用部件2为固定或可装卸地安装在形状测定装置201上的块部件。安装用部件2相对摆动部件3摆动而言是固定部件，为了能够通过自形状测定装置201照射的测定用激光211，在中心设有贯通该安装用部件2的激光用开口111。

图2为用对称面剖切图1的形状测定装置用探头时的立体图。安装用部件2做成圆筒形，具有在其内部收纳摆动部件3的位置关系。摆动部件3和安装用部件2由所述连接机构4进行连接。连接机构4是使摆动部件3在相对于照射在反射镜123上的所述测定用激光211的光轴211a交叉的任一方向上倾斜、且可摆动，并将摆动部件3支持在安装用部件2上的机构。另外，在本实施方式中，所述光轴211a与铅直方向即Z轴方向一致。

在本实施方式中，连接机构4由固定在安装用部件2上的棱柱体载置台41、和安装在摆动部件3上的支点部件42构成。载置台41在其上表面形成有圆锥形的槽41a，支点部件42的顶端嵌入该槽41a内。在两者嵌入时，支点部件42的顶端位置与载置台41的圆锥槽最低点接触。通过该结构，摆动部件3和安装用部件2以该支点部件42和圆锥槽41a的接触部分为摆动中心可摆动地连接。另外，当支点部件42嵌入式连接于载置台41的槽41a中时，摆动部件3的优选结构为：重心位于支点部件42的顶端的铅直方向下侧，使探杆122朝向铅直方向。

图3为用Y Z平面剖切图1的形状测定装置用探头的摆动部件时的剖面图。摆动部件3具有与测定物60的被测定面61接触的触针121和反射通过了安装用部件2的测定用激光211的反射镜123，且根据与被测定面61的形状对应的触针121的位移而相对于安装用部件2摆动。反射镜123固定在摆动部3的中心部位，接受从形状测定装置101发射的测定用激光211。

在本实施方式中，摆动部件3具有主体部125，该主体部125在中央具备贯通图示X轴方向而设置的贯通孔124，在顶端设有触针121的探杆122自主体部125的外侧下壁、即本体部125的下表面125a垂下。再有，在主体部的上表面安装有所述反射镜123。

在主体部125的内侧上壁、即贯通孔124的上表面124a设有针状的支点部件42。连接机构4的载置台41贯穿主体部125的贯通孔124而配置。从而，能够可靠地防止摆动部件3和安装用部件2的脱落。

并且，在本实施方式中，例如，触针121为直径约0.3mm～约2mm的球状体；探杆122，作为一例，为直径为约0.7mm，从固定有探杆的主体部下表面125到触针121的中心的长度L约为10mm的杆状部件。这些值可根据被测定面61的形状适当变更。另外，摆动部件3的结构只要是通过支点可摆动地配置在载置台41上的结构即可，不局限于上述的结构。

另外，在主体部125的上表面125b的边缘部的四个部位设有沿Z轴方向延伸的延伸部127。相邻的延伸部127以其间空出间隙127a的方式进行配置，后面所述的固定侧部件52的突出部1332配置在该间隙127a中(参照图5)。

另外，在延伸部127的顶端设有可动侧保持部128。可动侧保持部128为环状部件，自延伸部127起向XY轴方向突出。在可动侧保持部128的四个部位设置有作为可动侧部件之一例的可动侧磁铁51，该可动侧磁铁51以相同半径等间隔设置。可动侧磁铁51设置在与相邻的延伸部127之间的间隙127a相对应的位置处。

图4是用Y Z平面剖切图1的形状测定装置用探头的安装用部件时的剖面图。安装用部件2具备：圆筒形的主体部131和安装有作为固定侧部件之一例的固定侧磁铁52的固定侧保持部件133。主体部131如上所述，其中央为激光用开口111。另外，主体部的下端部为载置台安装部132。该载置台安装部132用于将载置台41固定在安装用部件上，具体结构将在后面记述。

如图5所示，固定侧保持部件133具备构成为环状的圆环部1331和设置于四处的突出部1332。突出部1332是保持固定侧磁铁52的部件，等间隔且同心圆状设置。固定侧保持部件133通过固定螺栓134固定在主体部131上。当向安装用部件2安装固定侧保持部件133时，在摆动部件3的延伸部127坐落的方向固定在相邻的突出部1332之间的间隔136中。由此，摆动部件3的保持在可动侧保持部128上的可动侧磁铁51和固定侧磁铁52的位置关系成为分别并列配置在铅直方向即Z轴方向上。

另外，每一对可动侧磁铁51和固定侧磁铁52，固定在相互作用吸引力的方向上。在本实施方式中，所有磁铁51、52以其上为N极、其下为S极的方式固定着。通过该配置，即使摆动部件3以支点为中心旋转、摆动，也可以通过两磁铁的吸引力将该旋转修正到复原方向。另外，在相邻的可动侧磁铁51和固定侧磁铁52中，也可以使磁铁的朝向不同。

图6是图1所示的形状测定装置用探头的组装分解立体图。另外，在图6中，因为只是用于理解装配构造，所以省略了多个某些部件等局部的记述。如上所述，摆动部件3和安装用部件2通过连接机构4的载置台41贯穿摆动部件的主体部125的贯通孔124而连接。

另外，载置台41安装在安装用部件2的载置台安装部132上。载置台安装部132具备用于陷入载置台41的切口137，将和摆动部件3连接的载置台41放置在切口137中。

为防止载置台41向X轴方向位置偏离，通过第一固定部件139进行固定。第一固定部件139为板状部件，通过拧入设置在载置台安装部132的固定孔138的安装螺栓140来进行固定。

再有，为防止载置台向Y轴方向位置偏离，将其固定在第二固定部件142上。第二固定部件142为板簧状部件，通过拧入设置在载置台安装部132的固定孔141中的安装螺栓143来进行固定。

如上所述构成的本实施方式的探头101进行以下的动作。根据上述结构，由于可动侧磁铁51和固定侧磁铁52的吸引力的作用，摆动部件3受到向下方向的力，支点部件42的顶端接触于载置台41的圆锥槽41a中心以防止位置偏移等。另外，可摆动地连接在安装用部件2上的摆动部件3在可动侧磁铁51和固定侧磁铁52的吸引力的作用下，被施于使探杆成为延铅直方向延伸的中立位置的力。摆动部件3可摆动，但是，当摆动部件3的中心轴倾斜时，所述可动侧磁铁51和固定侧磁铁52的距离变大，根据磁铁的性质，复原力作用在使一对磁铁向彼此靠近的方向上。因此，复原力作用在使摆动部件3整体向倾斜复原的方向上。同样，当摆动部以支点为中心旋转时，复原力也会作用在使旋转复原的方向上。由此，在没有进行测定时，摆动部件3以使探杆的延伸方向与铅直方向一致的方式被施力以及保持姿势。

另一方面，如后述，测定物60的被测定面61的形状测定是通过将安装在摆动部件3上的触针121以规定按压力按压在被测定面61上来进行。利用该按压力，在使触针121与被测定面61接触的状态下，使安装用部件2向测定物60一侧稍移动，由此，摆动部件3倾斜。利用该倾斜，磁铁的吸引力作用于摆动部件3上。即，利用可动侧磁铁51和固定侧磁铁52的吸引力，产生将所述触针121按压在被测定面61上的按压力，且产生不使摆动部件3倾斜的、使摆动部件3向摆动部件3的探杆处于沿铅直方向延伸的初始状态的中立位置复原的复原力。其结果是，触针121以规定的按压力也就是测定力被按压在被测定面61上。即，当进行测定时，触针121的顶端以向测定物施加微小的测定力的状态接触于测定物上。另外，作为一实施方式，测定力可设定为0.3mN。测定力可根据可动侧磁铁51和固定侧磁铁52的磁力以及两者的间隔进行调整。

在本实施方式中，当以0.3mN的测定力按压触针121的顶端时，以使顶端的位移达到10μm的方式选定磁铁强度、磁铁间的距离等。对顶端施加固定测定力的方法如后述。

其次，对具有如上所述结构的形状测定装置用探头101的形状测定装置进行说明。

所述形状测定装置通常使探头接触被测定物，一方面控制所述探头的移动使该接触力大体固定，一方面使所述探头沿测定物60的被测定面61移动，利用激光测长器和基准平面反射镜，基于所述探头和基准面的位置关系，测定、运算被测定面61的表面形状。

作为该形状测定装置，存在以下两种类型：主要用于测定例如具备边长约400mm的比较大的测定物，如图7所示，将测定物60固定在平台上，使探头在X轴、Y轴、及Z轴上全方位移动的类型；和主要用于测定例如具备边长约200mm以下的中型及小型测定物，如图8所示，使载置有测定物60的载物台在X轴及Y轴方向上移动，另一方面，只使探头在Z轴方向移动的类型。所述形状测定装置用探头101可适用于任一类型的测定装置。

图8所示的形状测定装置290相当于上述中、小型的测定物用测定装置。在该形状测定装置290中，291为载物台，该载物台291设置于石制平台292上，且具有在平面上可沿互相垂直的X轴及Y轴方向移动的X-载物台2911及Y-载物台2912，以放置测定物60。293为可使探头101在Z轴方向上移动的Z-工作台，沿Z方向可移动地安装在立设于石制平台292上的支柱2921上。另外，210为发生作为测定用激光211的振动频率稳定化的He-Ne激光的激光发生部，该测定用激光211用于求出被测定面61的测定点61a的位置信息。220为测定点信息确定部，具有用于用激光发生部210发生的激光211求出被测定面61的测定点61a的位置信息的光学***、以及根据来自X轴、Y轴、Z轴方向的各基准面的激光和来自所述测定点61a的激光的干扰来进行测长的公知的激光测长部。关于该测定点信息确定部220随后将进行详细说明。另外，294为用于驱动载物台291的驱动部，280为控制装置。当扫描被测定面61时，该控制装置280控制驱动部294以控制载物台291的移动方向和移动量，以使探头101的摆动部件3不只向特定方向倾斜，而是向任一方向都能摆动。

图7所示的形状测定装置201具有相当于上述大型测定物用测定装置的结构。另外，对于与上述的形状测定装置290完成同一或同样功能的结构部分标以相同符号且省略了在此的说明。295为设置在石制平台292上、且具有可在X轴及Y轴方向移动的X-载物台2951及Y-载物台2952的载物台，载置有Z-工作台293、激光发生部210以及测定点信息确定部220。因此，载物台295能够使Z-工作台293、激光发生部210以及测定点信息决定部220在X轴及Y轴方向上移动。另外，229为具有Z轴方向的基准面的基准反射镜。而且，在本实施方式中，由于将上述形状测定装置用探头101安装在形状测定装置201上，因此，在以下的说明中，以该形状测定装置201为例。但是，即使在形状测定装置290中，使用了探头101的被测定面61的测定动作与在形状测定装置201的情况没有变化。

关于上述测定点信息确定部220，参照图9～图11进行详细说明。测定点信息确定部220具有：用于获得测定点61a的位置信息的光学***221；倾斜角度检测部222；触针位置运算部223；位置座标测定部224；加法运算部225。这些倾斜角度检测部222、触针位置运算部223、位置座标测定部224、加法运算部225为相当于所述激光测长部的部分，是与光学***221连接、实际上用于求出上述位置信息的结构部分。

由激光发生部210发生的测定用激光211通过光学***221被分为四束光，用于求出被测定面61的测定点61a的三维座标位置。因此，光学***221具有X、Y、Z的座标用的第一光学***221a和、摆动部件的倾斜角度用的第二光学***221b共计四个光学***。为了检测载物台295在X轴方向及Y轴方向的移动量、即被测定面61在X轴方向及Y轴方向的移动量，第一光学***221a具有省略了图示的与X轴方向正交且具有以镜面为基准面的X轴基准板、以及与Y轴方向正交且具有以镜面为基准面的Y轴基准板。另外，还设有用于检测当载物台295移动时在该载物台295产生的Z轴方向上的载物台295的所谓弯曲成分的Z基准板。各基准板的基准面构成为平面度为0.01微米级。

被测定面61的形状测定方法采用如日本特开平10-170243号公报所述的公知的激光测长方法，即，通过计算向所述各基准面照射的激光和所述反射激光的干涉信号来检测被所述各基准面反射的反射激光的相位变化。在该激光测长方法中，如日本特开平4-1503号公报所记载的那样，将向所述基准面照射的激光用棱镜等分光部件分为参照光和测定光，且使所述参照光和测定光的相位错开90度。并且，向所述基准面照射测定光并将其反射，电检测返回来的反射光和所述参照光因所述相位偏移而产生的干涉光，基于由获得的干涉条纹信号作成的利萨如图形来测定基准点和所述基准面之间的距离。

所述位置座标测定部224为实行该测长方法的部分，具有进行被测定面61之测定点61a的X座标值、Y座标值、以及Z座标值的测长的检测部224a～224c。本实施方式中如图7所示，由于载物台295相对于放置在石制平台292上的测定物60移动，所以，换言之，上述测定点61a的X座标值、Y座标值、以及Z座标值可以为：测定点61a相对于安装在Z-工作台293上的探头101中的安装用部件2的相对位置座标值。并且，由于检测部224c是进行形状测定装置用探头101的触针121的Z座标值的测长的部分，因此，相当于作为触针位置测定器发挥功能的一例。根据来自这些检测部224a～224c的检测结果和以下说明的所述摆动部件3的倾斜角度而求得的检测结果，由位置座标测定部224及加法运算部225运算被测定面61的形状。

所述第二光学***221b具有光分离部2211，该光分离部2211将所述测定用激光211中的、来自安装在形状测定装置用探头101的摆动部件3上的反射镜123的反射光导向倾斜角度检测部222。

对所述倾斜角度检测部222及所述触针位置运算部223进行说明。如图9所示，测定用激光211的一部分通过聚焦透镜向安装在摆动部件3上的反射镜123的中心点123a照射，所述摆动部件3装设在安装于Z-工作台293的下端的形状测定装置用探头101中。照射过来的激光211由反射镜123进行反射，该反射光211b通过装设在光分离部2211上的反射镜2211a向倾斜角度检测部222照射。倾斜角度检测部222由光检测器构成，该光检测器具有接受反射光211b并将其转换为电信号的受光面2221，受光面2221被划分成分别独立进行光电转换的多个受光区域。本实施方式中如图10所示，将受光面2221以格子状、即十字状划分成四个受光区域222a～222d。另外，受光区域的数量及形状不局限于图示的方式，可根据与测定精度等的关系进行适当设定。

在没有测定被测定面61时，探头101的探杆122沿铅直方向配置。因此，在不进行测定时，所述反射光211b与沿铅直方向向反射镜123照射的测定用激光211的光轴211a平行射进；由反射镜2211a反射并向倾斜角度检测部222的受光面2221的中央部照射。在图11中用虚线标出这时的受光面2221中的反射光211b的照射区域以作为非测定时照射区域2222。

另一方面，如在形状测定装置用探头101的说明中所述的，被测定面61的测定通过将触针121以大体固定的测定力向被测定面61按压来进行，所以，如上所述，探头101的摆动部件3相对于安装用部件2倾斜。因此，反射光211b和光轴211a交叉射进反射镜2211a，并利用倾斜角度检测部222的受光面2221向离开中央部的基准照射区域2223照射。另外，如上所述，在所述测定时，摆动部件3以支点部件42的顶端为支点，可在不局限于特定方向的任一方向摆动。因此，如果在被测定面61上完全不存在成为测定对象的例如纳米级的微小凹凸，则如图11所示，基准照射区域2223的位置沿着以受光面2221的中心点2221a为圆心以固定半径形成的圆周2224。

倾斜角度检测部222根据射向受光面2221的反射光211b而生成电信号，但是，由于受光面2221被划分成四个受光区域222a～222d，所以，能够根据反射光211b的照射场所检测摆动部件3的倾斜角度。即，如果设受光区域222a为“A”、受光区域222b为“B”、受光区域222c为“C”、受光区域222d为“D”，则对于自各受光区域222a～222d获得的电信号，通过进行(A+B)-(C+D)计算能够求出摆动部件3在X轴方向上的倾斜角度；进行(A+D)-(B+C)计算能够求出摆动部件3在y轴方向上的倾斜角度。这样，倾斜角度检测部222对自各受光区域222a～222d获得的电信号进行(A+B)-(C+D)及(A+D)-(B+C)计算，将它们作为角度信号，输入所述触针位置运算部223。

触针位置运算部223将上述角度信号变换为设置于探头101的触针121的位移量。

另一方面，实际上，由于在被测定面61上存在所述微小凹凸，所以如图11所示，作为位移照射区域2225，反射光211b对应所述微小凹凸照射在偏离圆周2224的位置上。而且，和上述基准照射区域2223的情况同样，通过向位移照射区域2225照射反射光211b，倾斜角度检测部222输出角度信号，触针位置运算部223求出触针121对应所述微小凹凸的位移量。从而，通过求出触针121对应基准照射区域2223的基准位移量和对应位移照射区域2225的凹凸位移量之差，就能够求出所述微小凹凸的大小。

另外，作为该测定方法的前提，是以支点部件42的顶端为支点，在摆动部件3向任一方向都可摆动倾斜的结构中，需要将所述基准位移量设定为固定或基本固定。即，由于摆动部件3向任一方向都可摆动，所以，受光面2221中的反射光211b的照射区域在测定时沿着例如所述圆周2224移动。在该状况下，反射光211b基本上一直照射在基准照射区域2223，也就是说，当摆动部件3向任一方向摆动时，也需要使摆动部件3的倾斜角度a为固定或大体固定。从而在测定时，用控制装置280控制载物台295的驱动部294，如图12及13所示，为了使摆动部件3相对于与触针121的扫描方向121a垂直的方向121b的倾斜角β为固定，需要控制载物台295的移动量及移动方向来修正扫描方向121a。

在如上所述由触针位置运算部223求出被测定面61的测定点61a的所述微小凹凸的大小的同时，如上所述，由所述位置座标测定部224求出测定点61a的X座标值、Y座标值以及Z座标值。因此，加法运算部225将由位置座标测定部224求得的测定点61a的X座标值、Y座标值以及Z座标值和由触针位置运算部223求得的测定点61a的所述微小凹凸的大小进行加法运算，从而求出考虑到所述微小凹凸量的测定点61a的测定X座标值、测定Y座标值、以及测定Z座标值。

即，如果将由位置座标测定部224求得的测定点61a的X座标值、Y座标值以及Z座标值设为X1、Y1、Z1；将由触针位置运算部223求得的测定点61a的所述微小凹凸的大小的X座标值设为(A+B)-(C+D)、将Y座标值设为(A+D)-(B+C)，则由加法运算部225求得的所述测定X座标值、测定Y座标值、以及测定Z座标值成为：X1+E{(A+B)-(C+D)}、Y1+F{(A+D)-(B+C)}、Z1。这里，E和F为修正系数。

另外，由于触针121为如图所示的球状，因此，所述测定X座标值、测定Y座标值、以及测定Z座标值为触针121的中心座标。因此，测定点61a的实际座标值为在与探头101扫描方向相垂直的方向上错开触针121半径值的值。

下面，对如上构成的形状测定装置201的动作、即对测定物60的被测定面61的形状测定方法进行说明。另外，如在形状测定装置用探头101的说明中所述，可使用安装有探头101的形状测定装置201来测定的被测定面61是由在被测定面61a的切线方向和铅直方向的交角e中从0度到最大约30度之间的角度所成的被测定面。另外，该形状测定方法通过控制装置280的动作控制来实行。

如上所述，面向测定物60相对配置具有安装有探头101的Z-工作台293的载物台295，以使触针121接触被测定面61，更进一步讲，以使触针121以例如约0.3mN(＝30mgf)的测定力按压被测定面61。由此，在倾斜角度检测部222的受光面2221中，反射光211b照射在基准照射区域2223上，如上所述，通过触针位置运算部223和位置坐标测定部224并由加法运算部225求出作为被测定面61的测定点61a的基准的X座标值、Y座标值、以及Z座标值，

例如，以测定物60为圆筒形、对其外周面进行全周测定的情况为例，如上所述，用控制装置280控制载物台295的驱动部294，且控制载物台295沿X轴方向及Y轴方向的移动量及移动方向，以使摆动部件3相对于图12及图13所示的铅直方向121b的倾斜角度β维持固定或基本固定，即，使摆动部件3向任一方向倾斜，且将摆动部件3相对于铅直方向的倾斜角a维持固定或基本固定。在本实施方式中，通过调整为使触针121顶端位移保持10μm的角度，能够将测定力保持在30mgf。

这样对于被测定面61的全周，摆动部件3作所谓摇头运动及磨酱运动，进行被测定面61的测定。由此，反射光211b沿例如所述圆周2224对倾斜角度检测部222的受光面222中的各受光区域222a～222d进行全周照射。此时，对应被测定面61的所述凹凸，反射光211b的照射区域从基准照射区域2223向位移照射区域2225移动。

根据该测定动作，如上所述，通过触针位置运算部2223及位置座标测定部224再由加法运算部求出被测定面61测定点61a上的也包含所述凹凸、所述测定X座标值、测定Y座标值、以及测定Z座标值、。

如上所述，根据上述结构的形状测定装置用探头101，使可在水平任意方向倾斜的摆动部件3，利用磁铁的磁力在非接触时保持在中立位置，同时，由于触针121对测定物60产生微弱的按压力即测定力，因此比由螺旋弹簧那种接触力产生的微弱力的误差小，意外的冲击也不易造成损坏。并且，由于其构造为依靠可动侧磁铁9和固定侧磁铁11的相互吸引力按压由连接机构4的圆锥槽41a和顶端构成的支点部件42，因而支点的位置偏移小。由此，本探头101不局限于触针121的轴在铅直方向，也可以在倾斜状态下使用。另外，由于不像电磁铁那样有电流流过，所以结构简单，也没有电热的影响。

另外，在本实施方式中利用了可动侧磁铁9和固定侧磁铁11的相互吸引力，但不管固定侧和可动侧哪一方，不用磁铁而用磁性体也可获得相同效果。

另外，根据本实施方式中的形状测定装置201，在探头101中，具有触针121的摆动部件3可作所谓摇头运动及磨酱式运动。因此，在进行测定物60的例如内周面的测定时，不使测定物60旋转，而使探头101沿X轴方向及Y轴方向移动，就可进行所述内周面的测定。因此，测定装置不采用复杂结构，不论测定物60的侧面倾斜方向如何都可进行形状测定。另外，由于不需要使测定物60旋转，因此，在不产生诸如测定物60的中心轴的径向跳动等问题的情况下，也能够实现被测定面的测定误差的降低。因此，可测定例如透镜的外径及孔径等，另外，也可测定如图14及图15所示的形成在流体轴承类的测定物60中并收容润滑剂的槽部55的形状。因此，能够使形状测定装置201在向精密及微小化产业发展中具有广阔的前景。

再有，在形状测定装置201中，将测定物60固定在石制平台292上，使探头101在X、Y、Z轴方向上移动，但是，也可以反过来固定探头101而使测定物60移动。关键的是只要使测定物60和探头101相对移动就可以。

以下，就本发明第二实施方式的形状测定装置使用的形状测定装置用探头进行说明。本实施方式的形状测定装置用探头101的大部分结构和第一实施方式的形状测定装置用探头101相同，因此，主要说明其结构的不同点。

图16是用对称面剖切本发明第二实施方式的形状测定装置用探头时的立体图。在图16中，作为摆动部件3的倾斜检测，设有非接触位移传感器151、152。作为传感器的类型，可以考虑静电容量型。非接触位移传感器151、152设置在安装用部件2的主体部131上，测定和摆动部件3的可动侧保持部128之间的距离。可动侧保持部128位于离开支点部件的位置，相对摆动部件3的倾斜的位移量大，且能够更高精度地测定非接触位移传感器151、152和可动侧保持部128之间的距离。

非接触位移传感器151、152被设置成相对于摆动部件3的中心相互成90°角，因此，能够分别检测以摆动部件3的支点为中心的X方向及Y方向的倾斜。

另外，摆动部件3的倾斜量为可动侧保持部128的侧面与非接触位移传感器151、152的顶端接触的范围。因此，非接触位移传感器151、152也可作为限制摆动部件3的摆动幅度的限制部件发挥功能。

图17是表示设置于具备图16所示的探头的形状测定装置上的测定点信息确定部的结构图。本实施方式的形状测定装置的大部分结构和图9所示的测定点信息确定部相同，但是，倾斜角度检测部的结构不同。

本实施方式的倾斜角度检测部作为形状测定装置用探头的结构具备非接触位移传感器151、152，用该传感器151、152非光学检测摆动部件3的倾斜度。即，非接触位移传感器151、152作为图9中的倾斜角度检测部222发挥功能。即，由于不是像第一实施方式中的倾斜角度检测部那样，光学测定摆动部件3的倾斜角度，因此，不需要用于引导反射光的反射镜2211a。

如以上说明，本实施方式的形状测定装置在具有所述第一实施方式的形状测定装置的效果的基础上，由于不是光学检测摆动部件3的倾斜角度，所以，能够进一步简化光学***的结构。

另外，本发明不局限于上述实施方式，也可用其他各种方式实施。例如在上述实施方式中，支点部件为突起状设置的部件，该突起的顶端陷入圆锥形的槽内，但也可以在载置台上向上设置突起状部件，将设置在摆动部件上的圆锥槽当作支点部件。

本发明可适用于以高精度及低测定力对任意形状的孔的内表面及孔径、以及对任意形状的外侧面的形状等进行扫描测定的形状测定装置、以及设置于该形状测定装置上的探头。

另外，通过将所述各种实施方式中的任意实施方式适当组合，可使具备的各种效果奏效。本发明对优选的实施方式参照附图进行了充分说明，但是，作为熟悉该技术的人来说，显然可以进行各种变形及修正。该变形及修正只要不脱离权利要求的范围所确定的本发明的范围，就认为理应包含在其中。

Claims (12)

1.一种形状测定装置用探头，具备：

测定面接触部，其具有探杆和配置在所述探杆顶端并与测定物的被测定面接触的触针；

安装用部件，其将所述测定面接触部安装在形状测定装置上；

连接机构，其具备设置在所述测定面接触部的支点部件和固定在所述安装用部件上并载置所述支点部件的载置台，该连接机构以所述支点部件为支点连接所述测定面接触部和安装用部件，并确保所述测定面接触部和所述安装用部件可摆动；以及

施力机构，其具有设置于所述测定面接触部的可动侧部件和设置于所述安装用部件的固定侧部件，所述可动侧部件和固定侧部件彼此在铅直方向上相对配置，并在非接触状态下产生磁性吸引力，利用该磁性吸引力对所述测定面接触部施力，使所述探杆向铅直方向。

2.如权利要求1所述的形状测定装置用探头，其中，所述可动侧部件和所述固定侧部件，一方由永久磁铁构成，另一方由磁性体构成。

3.如权利要求1所述的形状测定装置用探头，其中，所述可动侧部件和所述固定侧部件，双方都由永久磁铁构成，彼此以异极相对的方式配置。

4.如权利要求1所述的形状测定装置用探头，其中，所述支点部件由针状突起构成，所述载置台具有使所述支点部件的顶端可嵌入的圆锥槽，以所述圆锥槽的最深部和所述支点部件的顶端的接触部为摆动中心来连接所述测定面接触部和所述安装用部件，并确保所述测定面接触部和所述安装用部件可摆动。

5.如权利要求1所述的形状测定装置用探头，其中，所述测定面接触部具有主体部，该主体部在中央设置有横向延伸的贯通孔，在所述主体部的外侧下壁固定有所述探杆，并且所述支点部件自所述主体部的贯通孔内的内侧上壁垂下，

所述载置台贯穿所述贯通孔而延伸。

6.如权利要求1所述的形状测定装置用探头，其中，所述测定面接触部具备：相对于所述支点部件向触针的相反侧延伸的延伸部和设置在所述延伸部的顶端并保持所述可动侧部件的可动侧保持部，

所述安装用部件具有圆筒状主体部和固定侧保持部，所述固定侧保持部在所述圆筒状主体部的内侧面相对于所述可动侧保持部被设置在所述支点部件的同侧，并保持所述固定侧部件。

7.如权利要求6所述的形状测定装置用探头，其中，所述可动侧保持部被构成为环状，在其下面侧保持有间隔开的多个可动侧部件，

所述固定侧保持部在与各可动侧部件沿铅直方向相对的位置处，与各可动侧部件对应地保持多个固定侧部件。

8.如权利要求6所述的形状测定装置用探头，其中，所述安装用部件在所述圆筒状主体部的内侧面具有限制部件，该限制部件通过与所述测定面接触部接触来限制所述测定面接触部的摆动幅度。

9.一种形状测定装置，具备：

权利要求1～8中任一项所述的形状测定装置用探头，其具有将测定用激光反射到所述形状测定装置用探头的测定面接触部的反射镜；

激光发生部，其用于产生向所述形状测定装置用探头照射并求出测定物的被测定面中的测定点的位置信息的测定用激光；

测定点信息确定部，其基于由装设在所述形状测定装置用探头上的反射镜反射的反射光，检测所述形状测定装置用探头的测定面接触部的倾斜角度，并求出所述测定点的位置信息。

10.如权利要求9所述的形状测定装置，其中，所述测定点信息确定部具有：

倾斜角度检测部，其检测所述倾斜角度；

触针位置运算部，其将从该倾斜角度检测部得到的角度信号转换成触针相对于设置在所述形状测定装置用探头上的安装用部件的位移量；

位置座标测定部，其利用所述测定用激光求出所述测定点相对于所述安装用部件的相对位置座标值；

加法运算部，其将所述触针位移量与所述相对位置座标值进行加法运算，求出所述测定点的位置信息。

11.如权利要求10所述的形状测定装置，其中，所述倾斜角度检测部具有接受所述反射光的光检测器，该光检测器具有一个受光面，该受光面被划分成多个分别独立地进行光电转换的受光区域。

12.一种形状测定装置，具备：

权利要求6～8中任一项所述的形状测定装置用探头；

多个位置检测传感器，其被设置在所述安装用部件的所述圆筒状主体部的内侧面上，检测和所述测定面接触部的距离；

测定点信息确定部，其根据来自所述多个位置检测传感器的输出，检测所述形状测定装置用探头的测定面接触部的倾斜角度，并求出所述测定点的位置信息。

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