JP4557657B2

JP4557657B2 - 接触式プローブおよび形状測定装置

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Publication number: JP4557657B2
Application number: JP2004280827A
Authority: JP
Inventors: 健男丸山; 真人根岸
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Filing date: 2004-09-28
Publication date: 2010-10-06
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Description

本発明は、特にレンズやミラー等の光学素子形状などを精密に測定するための形状測定装置に搭載される接触式プローブおよび形状測定装置に関するものである。

レンズやミラー等の光学素子形状を精密に測定する３次元形状測定装置は、被測定物の形状をトレースするプローブと、そのプローブの座標位置を測定する座標位置測定手段の２つに分けて構成を考えることができる。この時、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移動部材に写しとることである。プローブが被測定面をトレースする時の誤差をトレース誤差と呼ぶ。従来、接触式のプローブを支持する構成として、特許文献１や非特許文献１に開示されているように、エアー軸受を用いて上下に移動可能にプローブシャフトを設け、ばねでプローブの自重を支える構成が知られている。

このような接触式プローブを用いて形状をトレースする場合、前述したようにトレース誤差が生じるため、トレース誤差があってもプローブの押しつけ力の誤差にならないように充分弱いばね、つまりばね定数が充分小さいばねが必要である。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２には磁力を利用してプローブの自重をキャンセルする方法が開示されている。これは、ヨーク、永久磁石およびコイルからなる磁気回路を設けて、ヨークがプローブを挟むように固定し、前記磁気回路の磁力によりプローブの自重をキャンセルするものである。

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６−２６５３４０号公報特開２００３−４２７４２号公報１９９２年度精密工学会春期大会学術講演論文集Ｐ６９７

しかしながら、上記従来の技術においては以下のような未解決の課題があった。

（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。押しつけ力は非常に小さいが、それに対してプローブの自重は大きい。このため、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。そこで、ばね定数を小さくし、トレース誤差があっても押しつけ力の変化が小さくなるようにしなければならない。従来例のように機械的なばねでこれを実現しようとすると、ばねのたわみ長さ、すなわち、ばねの発生力をばね定数で割った長さが非常に長くなってしまう。つまり大きなばねが必要となる。

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とする。さらに、トレース誤差を１０μｍとすると、ばね定数はＫ＝０．０１／１０＝０．００１ｍＮ／μｍとなる。

従って、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。

このように、ばねを用いた従来例では、ばね定数を下げるためにばねを長くしたり大型化したりする必要があり、その結果、プローブ部の全体サイズが大きくなってしまう。このようにプローブ部が大きくなると、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うえに、大型化によって、プローブを走査する測定軸も大きくならざるを得ず、装置コストが高くなる。

また、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）プローブの押しつけ力が変化しやすい。ばねは周囲の温度変化など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。従って、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、前述の例ではばねの受け持つ力はＦ＝９．８×１０＋０．１＝９８．１ｍＮであった。従って、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）このようなばねの代わりに、磁気回路を用いる従来例の場合は、プローブの自重キャンセル部分が大きくなる。すなわち、特許文献２に開示されたように磁力を利用してプローブの自重をキャンセルする方法は、ヨーク、永久磁石およびコイルからなる磁気回路を用いてヨークがプローブを挟むように固定し、ヨークとプローブの間に発生する磁力により自重をキャンセルするものである。従って、プローブの周囲に、ヨーク、永久磁石、コイルからなる磁気回路を設ける必要があり、その磁気回路を流れる磁束を乱すと、プローブとヨークの間に発生する力が変化し、測定誤差につながってしまう。従って、磁束を乱す材料、例えば鉄系の材料でできた部品をプローブの周囲に配置することができない。その結果、プローブの自重キャンセル部分が大きくなってしまう。加えて、コイルによる発熱によるトラブルや、コイルの通電を制御するだけではプローブの押しつけ力を大きく変更することは難しいという未解決の課題もある。

本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、形状測定装置のプローブの自重を箱形状のヨークと永久磁石からなる磁気回路によって補償することでプローブサイズの小型化を図るとともに、測定精度を大幅に向上させることのできる接触式プローブおよび形状測定装置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、３次元的に移動可能な移動部材に、重力の方向に変位自在に保持されたプローブを被測定物に接触させて走査することにより、座標位置を測定する接触式プローブであって、前記プローブは先端球とプローブシャフトとからなり、前記プローブシャフトに固定された永久磁石と、前記永久磁石を囲み、前記永久磁石との間に下に向かって距離が拡大するすきまをもって対向する内面を有する磁性体からなる箱形状のヨークとを備え、前記ヨークが前記移動部材に保持され、前記永久磁石と前記ヨークに流れる磁束によって発生する磁力により、前記プローブにかかる重力をキャンセルする力と、前記ヨークに対する前記プローブの変位に従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。

プローブに取り付けた永久磁石と、それを取り囲む箱形状のヨークからなる磁気回路の磁力によって、プローブの自重をキャンセルする力と、プローブを被測定物に押しつけるためのばね要素としての力を発生させるものであるため、永久磁石やヨークの内面形状、材質等を調整することにより、大きなばねを用いた場合と同等にばね定数を下げることが可能であり、また、永久磁石とヨークによる磁力を利用しているので、ばねやコイルを用いた場合のように温度変化に起因する寸法変化の影響も無く、測定精度を向上させることができる。さらに、磁気回路は箱形状のヨークで囲まれているため、この部分が磁気シールドの役目を兼ねており、周囲に鉄などの磁性体があっても影響されず、磁気回路の必要スペースを縮小できる。

このように、大きなばねを必要としない磁気回路による接触式プローブを、より一層小型化することによって、形状測定装置全体を小型化、かつ簡素化し、製作コストを下げることができる。

また、ヨーク内面を曲率が一定である曲面にすることで、ヨーク内面の加工を旋盤で容易に行うことを可能とし、コスト低減に貢献できる。加えて、ヨークの加工精度も向上するため、プローブの自重補償をより一層安定させ、極めて精密な形状測定が可能となる。

図１の（ａ）に示す接触式プローブであるプローブは、先端に球１を有するプローブチップ２と、これを支持するプローブシャフト４等を有し、図２等に示す形状測定装置の計測軸１５と一体的に移動する移動部材であるハウジング１０に対して重力の方向（Ｚ方向）に移動可能にガイドＧを介して保持される。プローブシャフト４の上端には、ホルダ５により、図１の（ｂ）に示すように箱形状のヨーク７にすきまδをもって嵌挿された永久磁石８が鉄心９を介して固定されている。永久磁石８とヨーク７の間には磁力が働き互いに吸引しあうが、プローブシャフト４は、ガイドＧによって前述の重力の方向（Ｚ方向）に移動可能にガイドされており、すきまδに発生する磁力は永久磁石８とヨーク７の間隔（距離）が小さくなる方向に力を発生するので、永久磁石８に対向するヨーク７の内面が、例えば曲率半径Ｒの円筒状であれば、プローブはガイドＧに沿ってＺ方向に対しても力を受ける。

プローブが前記移動方向に受ける力は、ヨークの内面形状、材質、および永久磁石の形状、材質、そしてヨークと永久磁石の間の隙間寸法などのパラメータによって調節することができる。例えば、強力な磁石を使用すれば強い力を発生させることができる。

またプローブの位置によって、永久磁石との隙間寸法が急激に変化するヨークの内面形状とすれば、プローブの位置によって力を大きく変化させることができる。例えばヨークの内面形状を凸面とすれば最も突き出た位置に向かって磁石が移動するように、力を発生させることができる。このように磁力を利用して、プローブの自重をキャンセルするオフセットの力と、プローブの変位に従って変化するばね要素の力を発生させることができる。

図１の（ｅ）は一従来例による接触式プローブを示すもので、先端に球１０１を有するプローブシャフト１０４は、ばね１０３を介してガイドＧを有するハウジング１１０に支持される。このばね１０３は、非常に弱いばねである必要がある一方で、プローブの自重を支えなければならず、ばね１０３ののびが非常に大きくなるため、プローブ全体が長尺になる。

これに対して本実施の形態によれば、ヨーク７と永久磁石８による磁力を用いるものであるため、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、小型のプローブを実現できる。また、従来例のように温度変化などでばねが変形し、押しつけ力が変化することはないので、押しつけ力の安定性が向上する。

さらに、ヨーク７の周囲に鉄系材料からなる部材を配置しても、ヨーク内部の磁気回路は影響を受けない箱形状のヨークであり、ヨーク内部の磁気回路が外部磁場に対してシールドされるため、プローブの自重キャンセル部分を大幅に小型化することができる。

なお、プローブシャフトのガイドは、転がりガイド、平行板ばね、あるいは空気軸受等任意のものを用いることができる。

また、ヨーク７の内面形状は、前述のように一定の曲率を有する円筒面とすれば、ヨーク内面を旋盤などで簡単に加工することができる。複雑な曲面を用いた場合に比べて、加工が簡単で、加工精度も高いので、プローブの製作コストを下げるとともに、精密な荷重設定が可能となる。

次に、図１の（ａ）、（ｂ）に示す磁気回路の作用について説明する。この磁気回路は、模式的に図１の（ｃ）に示すように表わすことができる。ここで、永久磁石８の定数として残磁束密度Ｂｒ、保持力Ｈｃとし、磁気回路をながれる磁束をΦとする。ヨーク部分の磁気抵抗はＲｙ、鉄心部分の磁気抵抗Ｒｃ、永久磁石８とヨーク７の間の磁気抵抗をＲｇで表す。

また、永久磁石８とヨーク７の間のすきまδは図１の（ｄ）に示すように、Ｘ＝Ａ（ｚ）という関数で表わし、永久磁石８の厚さをｌｍとし、磁束路の断面積をＳとし、空気の透磁率をｕａ、鉄の透磁率をｕｆとすると、磁気抵抗Ｒｙ、Ｒｃ、Ｒｇは、

磁気回路を流れる磁束密度Ｂは、

ｚ方向ずり力（磁力）Ｆは、次の式から計算できる。

これと、式（４）から、

となる。式（６）中のＡを

と表されるＸＺ平面内で（Ｒ+δ、Ｚｕ）を中心とする半径Ｒの円の一部であるとする。

ここで、
Ｌ：４０［ｍｍ］
ｌｍ：１．５［ｍｍ］
ｌｃ：９［ｍｍ］
Ｓ：７．０６８［ｍｍ^-2］
Ｂｒ：１．２［Ｔ］
Ｈｃ：９０００００［Ａ／ｍ］
ｕａ：１．２６ｅ−９［Ｈ／ｍ］
ｕｆ：８．８２ｅ−７［Ｈ／ｍ］
Ｒ：１００［ｍｍ］
δ：２［ｍｍ］
という値を式（６）に代入して、ｚ＝０のまわりで１次までテーラー展開すると、
Ｆ＝０．０６４６７−１１．１４ｚ（ただし、Ｆ［Ｎ］、Ｚ［ｍ］）（８）
となる。

式（８）における第１項は、定数でプローブの自重を支えるオフセットの力を発生させる項である。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。プローブが変位するに従って発生力が変化するので、機械的なばねに相当するばね要素の力である。

また、式（６）から、

である。式（９）から永久磁石８とヨーク７のすきまδが広がる程、ずり力Ｆの値は大きくなることがわかる。

以上説明したように、図１に示す磁気回路は、プローブの自重を支える一定の力によるカウンタバランス作用に加え、ばね要素の作用を兼ねている。なお、式（８）中の第１項の大きさと第２項の傾き（勾配）は、磁気抵抗、保持力、磁束路の断面積などを変えることにより調節できる。

図２の（ａ）は図１の接触式プローブを組み込んだ形状測定装置を示すもので、球１を取り付けるための円錐状の先端を持ったプローブチップ２は、スペーサ３を挟んで、プローブシャフト４の下側にねじ込み固定される。また、ホルダ５上には、ミラー６がミラー固定駒を介して接着固定され、ホルダ５の中空部には、２つの永久磁石８を両端に接着した鉄心９が挿入され、ホルダ５は、プローブシャフト４の上側にねじ込み固定される。

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ガイドである空気軸受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の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、プローブシャフト４に設けられた突起４ａに突き当たるようになっている。これらのストッパー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にはヨーク連結治具１７によりヨーク７が固定してあり、図２の（ａ）はこの部分を下からみたときのヨーク７、永久磁石８等の配置を示す。箱形状のヨーク７は、プローブシャフト４に固定された永久磁石８、鉄心９を囲み、図１の（ｃ）に示す磁気回路を構成する。永久磁石８と対向するヨーク７の内面は、図２の（ｃ）に示すように、プローブ移動方向において一定の曲率半径Ｒを有する曲面である。

前記磁気回路が発生する力は、前述の式（８）に基づき、プローブの自重を支える力を発生するカウンタバランス作用に加え、変位に従って力が変化するばね要素の作用を兼ねている。

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３１を用いて移動可能に走査手段であるＸＹテーブル２８に支持され、ボールネジ３６とサーボモータ２９で駆動される。ＸＹテーブル２８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２９はサーボアンプ３２に接続され、サーボアンプ３２は、制御系切り替え装置３３に接続される。サーボモータ２９の回転軸にはエンコーダ３０が接続してあり、その出力を位置制御補償回路３５に接続する。制御系切り替え装置３３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３３は図示していないコントローラで自動制御され、図３に示すフローチャートに従って後述するように測定動作が行われる。

また、干渉計２７は、測定軸１５に固定され、その上方に基準ミラー２６を配置し、基準ミラー２６はフレーム２５に固定される。この構成により、干渉計２７はミラー６とミラー２６の間の距離を測定することができる。フレーム２５の下方部分には被測定物２４を載置する載置台が設けられる。

検出手段であるポジションセンサ２３は、センサーアンプ１４に接続され、プローブシャフト４とハウジング１０の相対位置を電気信号に変換する。センサーアンプ１４は針圧制御補償回路３４に接続され、さらに制御系切り替え装置３３に接続されている。この制御系切り替え装置３３が針圧制御系に接続されているときは、センサーアンプ１４の出力が一定になるように、サーボモータ２９を制御する。

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３のフローチャートを用いて説明する。

まず、制御系切替え装置３３を位置制御系に設定する。すなわち、測定軸１５の位置が一定になるように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２４から離れる方向に測定軸１５を退避させる（ステップＳ１）。

そして、最初の測定点の上に来るようにＸＹテーブル２８を移動させ（ステップＳ２）、測定軸１５を下げて、プローブと被測定物２４を接触させ、ポジションセンサ２３が所定の位置になるまで測定軸１５を下降させる（ステップＳ３）。

ここで、プローブ先端の球１が、被測定物２４に接触して反力を受けると、プローブシャフト４が押し上げられる。プローブシャフト４が押し上げられると、前述の式（８）中のｚがプラス側に増える。すると、磁気回路の発生力が弱まるので、プローブ先端の球１が被測定物２４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。従って、ポジションセンサアンプ１４の出力は、プローブ押しつけ力を表している。

プローブ先端の球１と被測定物２４の接触は、プローブの変位測定信号、すなわち、センサーアンプ１４の信号をモニタしていれば判別できる。

そして、制御系切り替えスイッチ３３を針圧制御系に切り替えて、ポジションセンサ２３の値が一定になるように制御する（ステップＳ４）。そのまま、被測定物２４の測定領域をＸＹ軸を用いて走査（トレース）し、同時に測定軸１５の位置を図示しない座標位置測定手段で測定する（ステップＳ５）。また、プローブの上下方向については、ミラー６と参照ミラー２６の間の距離を測定する干渉計２７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３３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Ｓ６）、測定を終了する。

本実施例によれば、プローブ先端の球１、プローブチップ２、スペーサ３、プローブシャフト４、ホルダ５、ミラー６等にかかる重力を磁気回路が発生する磁力でキャンセルするため、従来例のようにサイズの大きいばねを用いる必要がない。その結果、小型のプローブが実現可能である。

磁束漏れに関しても、永久磁石が強磁性体で構成された箱形状のヨークによって囲まれているため、従来のように磁気回路の近辺に鉄系材料の部品を配置できないという制約がない。従って、プローブの自重キャンセル部分を大幅に縮小することが可能になり、プローブの小型化により一層貢献できる。

さらに、温度変化等の環境変化に対して発生力が変化するばねや発熱するコイル等を使用していないため、プローブの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、ヨークの永久磁石と対向する内面の断面形状が、プローブ移動方向において曲率が一定の円形状であるため、ヨークの設計・製作が簡易であり、従って、製作コストを下げることができる。

図４に示すように、本実施例は、テーパー状の開口３７ａを有する箱形状のヨーク３７を用いて、ヨーク３７と永久磁石８からなる磁気回路によるプローブの押しつけ力の大きさを、開口３７ａのテーパー部のテーパー方向にヨーク３７を移動させることで調節するためのヨーク駆動手段を設けたものである。この構成により、例えばプローブの球１の交換等によってプローブ重量が変化しても、磁気回路の発生力を自在に調節してプローブ押しつけ力を一定に保つことができる。

図４の（ａ）において、図１の（ａ）と同様に、球１を取り付けるための円錐状の先端を持ったプローブチップ２は、スペーサ３を挟んで、プローブシャフト４の下側にねじ込み固定される。また、ホルダ５上には、ミラー６がミラー固定駒を介して接着固定され、ホルダ５の中空部には、２つの永久磁石８を両端に接着した鉄心９が挿入され、ホルダ５はプローブシャフト４の上側にねじ込み固定される。

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、プローブシャフト４に設けられた突起４ａに突き当たるようになっている。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。

ヨーク３７は、プローブシャフト４と直交する方向に、すなわち前後方向（Ｙ方向）に、ガイド２１を用いて移動可能なように第２のハウジング１６に対して支持され、ヨーク移動手段であるピニオンラック機構４０とサーボモータ３８により移動される。ヨーク３７を駆動するサーボモータ３８はサーボモータジグ３９に支持され、サーボアンプ４１に接続される。サーボモータ３８の回転軸にはエンコーダ３８ａが接続してあり、その出力を位置制御補償回路４２に接続する。

図４の（ｂ）はヨーク３７と永久磁石８等の配置を上方からみた図である。箱形状のヨーク３７は、Ｘ方向の開口幅αがＹ方向に変化するテーパー形状の開口３７ａを有し、プローブシャフト４に固定された永久磁石８、鉄心９とともに磁気回路を構成する。永久磁石８と対向するヨーク３７の内面にはプローブ移動方向において一定の曲率が設けられている。

このように構成される磁気回路が発生する力は、前述した式（８）に基づいて説明したように、プローブの自重を支えるオフセットの力を発生するカウンタバランス作用に加え、変位に従って力が変化するばね要素の作用を兼ねている。

また、前述したように、サーボモータ３８を駆動して、ヨーク３７をプローブ移動方向であるＺ方向と直交するＹ方向に変位させることにより、永久磁石８とヨーク３７の間のすきまが変化し、プローブ自重を支える力を変化させることができる。あらかじめ、ヨーク３７のプローブ移動方向と直交するＹ方向の変位とプローブ自重を支える力の関係を把握しておくことにより、測定時の押しつけ力を任意の値に調節することができる。また、先端チップ、先端球の交換によりプローブ自重が変化した時の押しつけ力の補正を行うことができる。

測定軸１５は、プローブシャフト４に沿った方向に、すなわち上下方向（Ｚ方向）に、ガイド３１を用いて移動可能にＸＹテーブル２８に対して支持され、ボールネジ３６とサーボモータ２９で駆動される。ＸＹテーブル２８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２９はサーボアンプ３２に接続され、サーボアンプ３２は、制御系切り替え装置３３に接続される。サーボモータ２９の回転軸にはエンコーダ３０が接続してあり、その出力を位置制御補償回路３５に接続する。制御系切り替え装置３３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３３は図示していないコントローラで自動制御され、図５に示すフローチャートに従って後述するように測定動作が行われる。

また、干渉計２７は、測定軸１５に固定され、その上方に基準ミラー２６を配置し、基準ミラー２６はフレーム２５に固定する。この構成により、干渉計２７はミラー６とミラー２６の間の距離を測定することができる。フレーム２５の下方部分には被測定物２４を載置する載置台が設けられる。

ポジションセンサ２３は、センサーアンプ１４に接続され、プローブシャフト４とハウジング１０の相対位置を電気信号に変換する。センサーアンプ１４は針圧制御補償回路３４に接続され、さらに制御系切り替え装置３３に接続されている。この制御系切り替え装置３３が針圧制御系に接続されているときは、センサーアンプ１４の出力が一定になるように、サーボモータを制御する。

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５のフローチャートを用いて説明する。

最初にプローブを下端に固定する（ステップＳ１０１）。すなわち、ヨーク３７を永久磁石８とヨーク３７のすきまが広がるＹ方向へ移動させることにより、永久磁石８とヨーク３７の間に作用する磁力が弱まり、プローブを下降させることができる。このようにして、プローブシャフト４の突起４ａを上側ストッパー１０ａに当接させ、プローブを下端に固定する。

プローブを下端に固定したら、ポジションセンサ２３の値ｚ１を読み取り図示しない記憶装置により記憶する（ステップＳ１０２）。

そして、あらかじめ設定したプローブ質量測定位置へヨーク３７を移動し（ステップＳ１０３）、プローブがバランスする時のポジションセンサ２３の値ｚ２を読み取り、ｚ２とｚ１の差ｚ３（＝ｚ２−ｚ１）を図示しない記憶装置により記憶する（ステップＳ１０４）。ｚ３はストッパー１０ａからのプローブの浮き上がり量である。

次に、プローブ質量の測定を行う（ステップＳ１０５）。すなわち、あらかじめプローブ質量が基準質量ｍである場合のプローブ浮き上がり量ｚｄを事前に把握しておけば、ｚｄとｚ３の差にプローブ移動方向におけるバネ係数をかけることにより、プローブ先端の球１の交換などにより変化した質量ｍ１を計算することができる。

例えば、バネ係数が、３０〔ｍＮ／ｍｍ〕で、基準質量ｍが８０ｍＮの時の浮き上がり量ｚｄが、１〔ｍｍ〕であるとする。このとき、測定した浮き上がり量ｚ３が例えば０．９５ｍｍであれば、変化した質量ｍ１は、ｍ１＝（ｚｄ−ｚ３）×３０＝１．５ｍＮとなる。すなわち、１．５ｍＮだけプローブが基準質量ｍより重くなっていることがわかる。

計算したｍ１が許容値Δｍを超えていなければ、正常に球交換が行われたものとみなし、測定動作を継続する。もし、ｍ１がΔｍを超えていれば、球交換がうまくいかなかったものとして測定を終了する。

以上でプローブの準備が完了し、形状測定の工程に入る。まず、制御系切替え装置３３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に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２４から離れる方向に測定軸１５を退避させる（ステップＳ１０６）。次に、ステップＳ１０１と同様な方法でプローブを下端に固定する（ステップＳ１０７）。そして、最初の測定点の上に来るようにＸＹ軸２８を移動させ、測定軸１５を下げて、プローブと被測定物２４を接触させ、ポジションセンサ２３が所定の位置になるまで測定軸１５を下降させる（ステップＳ１０９）。

ここで、先端の球１が、被測定物２４に接触して反力を受けると、プローブシャフト４が押し上げられる。プローブシャフト４が押し上げられると、前述の式（８）中のｚがプラス側に増える。すると、磁気回路の発生力が弱まるので、プローブ先端の球１が被測定物２４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。従って、ポジションセンサアンプ１４の出力は、プローブの押しつけ力を表している。

プローブ先端の球１と被測定物２４の接触は、プローブの変位測定信号、すなわち、センサーアンプ１４の信号をモニタしていれば判別できる。プローブはプローブシャフト４の突起４ａとハウジング１０の突起状の上側ストッパー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。従って、センサーアンプ１４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、押しつけ力が設定値になるようにヨーク３７を移動する（ステップＳ１１０）。前述したようにヨーク３７をプローブ移動方向と直交するＹ方向に動かすと、永久磁石８とヨーク３７のすきまが変化し、前述した式（８）のプローブの自重を支える力が変化する。あらかじめ、基準質量ｍのプローブにおいて、ヨーク３７の位置ｙと押しつけ力ｆの関係をｙ＝Ｇ（ｆ）として把握しておき、それに従って押しつけ力の設定値に対応したヨーク３７の位置を決定し、ヨーク３７を移動する。しかし、プローブ先端の球１などを取り替えるとプローブ質量がずれてしまうため、ステップＳ１０５で求めたプローブ質量のズレ量ｍ１を利用してこれを補正する。すなわち、それまでの押しつけ力の設定値がｆ０であった場合には、設定値をｆ０−ｍ１と補正して、ヨーク位置ｙを求めれば、プローブ質量のズレ量をキャンセルして正確に押しつけ力を設定することができる。例えば、ｆ０が１００ｍｇで、ｍ１が４０ｍｇである場合には、押しつけ力を１００−４０＝６０ｍｇと補正して、ヨーク位置ｙを求めれば、球交換などによるプローブ質量のズレ量を補正できる。

そして、制御系切り替えスイッチ３３を針圧制御系に切り替えて、ポジションセンサ２３の値が一定になるように制御する（ステップＳ１１１）。そのまま、被測定物２４の測定領域をＸＹ軸を用いて走査（トレース）し、同時に測定軸１５の位置を図示しない座標位置測定手段で測定する（ステップＳ１１２）。また、プローブの上下方向については、ミラー６と参照ミラー２６の間の距離を測定する干渉計２７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３３を再び位置制御系に切り替え、測定軸を安全位置に退避させ（ステップＳ１１３）、測定を終了する。

以上説明してきたように、本実施例によれば、プローブ先端の球１、プローブチップ２、スペーサ３、プローブシャフト４、ホルダ５、ミラー６等にかかる重力を、磁気回路が発生する磁力でキャンセルする。従来例のようにサイズの大きいばねを用いる必要がないため、小型のプローブが実現可能である。

さらに、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、プローブの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、磁気回路を構成するヨークを移動することにより、プローブチップや球の交換などにより生じたプローブ質量の変化を補正することが可能となり、押しつけ力の精度が向上し、その結果、形状測定精度が向上する。

加えて、ヨーク移動手段によってヨークを移動させることで、プローブを上側ストッパーに当接して原点出しを行う工程や、ポジションセンサによってプローブの重量と磁気回路の磁力がバランスする位置を測定する工程を設けることが可能となり、プローブ質量やプローブ位置を高精度で管理し、形状測定精度をより一層大幅に向上できる。

図６は、実施例３による形状測定装置を示すもので、図２の装置と同様にヨーク７と永久磁石８等による磁気回路を有し、プローブ移動方向と平行するＺ方向にヨーク７を移動して、磁気回路の発生力を調整するヨーク駆動手段を設ける。

図６の（ａ）、（ｃ）に示すように、ヨーク７は、プローブシャフト４に沿った上下方向（Ｚ方向）に移動するヨーク移動ガイド５１とこれを移動自在に支持する支持部材５２を介して第２のハウジング１６に支持されたヨーク駆動手段であるヨーク移動体５５に保持され、サーボモータ５３によるボールねじ５６によって駆動される。ヨーク７を上下動するサーボモータ５３はサーボアンプ４１に接続され、サーボモータ５３の回転軸にはエンコーダ５４が接続してあり、その出力を位置制御補償回路４２に接続する。

図６の（ｂ）は、ヨーク７と永久磁石８の配置を上からみた平面図である。ヨーク７は箱形状であり、プローブシャフト４に固定された永久磁石８、鉄心９とともに磁気回路を構成する。永久磁石８と対向するヨーク７の内面形状はプローブ移動方向において一定の曲率を有する曲面である。

このように構成された磁気回路が発生する力は、前述の式（８）に基づいて説明したように、プローブの自重を支えるオフセットの力を発生するカウンタバランス作用に加え、変位に従って力が変化するばね要素の作用を兼ねている。

また、前述したようにプローブの移動方向と平行するＺ方向のヨーク７の変位により、永久磁石８とヨーク７の間のすきまが変化し、プローブ自重を支える力が変化する。あらかじめ、測定位置でのヨーク７のプローブ移動方向と平行する方向の変位とプローブ自重を支える力の関係を把握しておくことにより、測定時の押しつけ力を可変にすることができる。また、先端チップ、先端球の交換によりプローブ自重が変化した時の押しつけ力の補正を行うことができる。

測定軸１５は、プローブシャフト４に沿った方向に、すなわち上下方向（Ｚ方向）に、ガイド３１を用いて移動可能にＸＹテーブル２８に対して支持され、ボールネジ３６とサーボモータ２９で駆動される。ＸＹテーブル２８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２９はサーボアンプ３２に接続され、サーボアンプ３２は、制御系切り替え装置３３に接続される。サーボモータ２９の回転軸にはエンコーダ３０が接続してあり、その出力を位置制御補償回路３５に接続する。制御系切り替え装置３３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３３は図示していないコントローラで自動制御され、図７に示すフローチャートに従って後述するように測定動作が行われる。

また、干渉計２７は、測定軸１５に固定され、その上方に基準ミラー２６を配置し、基準ミラー２６はフレーム２５に固定する。この構成により、干渉計２７はミラー６とミラー２６の間の距離を測定することができる。フレーム２５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２４が固定される。

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７のフローチャートを用いて説明する。

最初にプローブを下端に固定する（ステップＳ１０１ａ）。すなわち、ヨーク７を永久磁石８とヨーク７のすきまが狭くなるＺ方向へ移動することにより、永久磁石８とヨーク７の間に作用する磁力が弱まり、プローブを下降させることができる。このようにして、プローブシャフト４の突起４ａを上側ストッパー１０ａに当接させ、プローブを下端に固定する。

そして、あらかじめ設定したプローブ質量測定位置へヨーク７を移動し（ステップＳ１０３ａ）、プローブがバランスする時のポジションセンサ２３の値ｚ２を読み取り、ｚ２とｚ１の差ｚ３（＝ｚ２−ｚ１）を図示しない記憶装置により記憶する（ステップＳ１０４）。ｚ３はストッパー１０ａからのプローブの浮き上がり量である。

以上でプローブの準備が完了し、形状測定の工程に入る。まず、制御系切替え装置３３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に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２４から離れる方向に測定軸１５を退避させる（ステップＳ１０６）。次に、ステップＳ１０１ａと同様な方法でプローブを下端に固定する（ステップＳ１０７ａ）。そして、最初の測定点の上に来るようにＸＹ軸２８を移動させ、測定軸１５を下げて、プローブと被測定物２４を接触させ、ポジションセンサ２３が所定の位置になるまで測定軸を下降させる（ステップＳ１０９）。

次に、押しつけ力が設定値になるようにヨーク７を移動する（ステップＳ１１０ａ）。前述したようにヨーク７をプローブ移動方向に動かすと、永久磁石８とヨーク７のすきまが変化し、前述した式（８）のプローブの自重を支える一定の力が変化する。あらかじめ、基準質量ｍのプローブにおいて、ヨーク７の位置ｙと押しつけ力ｆの関係をｙ＝Ｇ（ｆ）として把握しておき、それに従って押しつけ力の設定値に対応したヨーク７の位置を決定し、ヨーク７を移動する。しかし、プローブ先端の球１などを取り替えるとプローブ質量がずれてしまう。ステップＳ１０５で求めたプローブ質量のズレ量ｍ１を利用してこれを補正する。すなわち、押しつけ力の設定値がｆ０であった場合には、設定値をｆ０−ｍ１と補正して、ヨーク位置ｙを求めれば、プローブ質量のズレ量をキャンセルして正確に押しつけ力を設定することができる。例えば、ｆ０が１００ｍｇで、ｍ１が４０ｍｇだった場合には、押しつけ力を１００−４０＝６０ｍｇと補正して、ヨーク位置ｙを求めれば、球交換などによるプローブ質量のズレ量を補正できる。

そして、制御系切り替えスイッチ３３を針圧制御系に切り替えて、ポジションセンサ２３の値が一定になるように制御する（ステップＳ１１１）。そのまま、被測定物２４の測定領域をＸＹ軸を用いて走査（トレース）し、同時に測定軸１５の位置を図示しない座標測定装置で測定する（ステップＳ１１２）。また、プローブの上下方向については、ミラー６と参照ミラー２６の間の距離を測定する干渉計２７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３３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Ｓ１１３）、測定を終了する。

その他の点は実施例２と同様であるから、説明は省略する。

本実施例は、図８に示すように、ヨーク７と永久磁石８等による磁気回路の磁力に抗してプローブを下降させ、プローブシャフト４の突起４ａを上側ストッパー１０ａに当接させるための電流制御装置７１と永久磁石７２とコイル７３から構成されるプローブ駆動手段を備えており、プローブの変位履歴をリセットして、ヨーク７と永久磁石８による磁気回路の発生力のヒステリシスを除去することができるように構成されている。これによって、プローブの押しつけ力を安定させ、より一層精密な形状測定を行うことができる。

永久磁石８やヨーク７には、その磁気的特性においてヒステリシスが存在するので、磁力をバネ要素として使用する場合にも変位と発生力の間にヒステリシスが存在する。すなわち、プローブ変位が同じでも、それまでのプローブの変位履歴により発生力が異なる。このように発生力が変化すると、プローブは、ばね要素で懸架される構造なのでプローブが待機している位置が変わってしまう。その場合でも測定時の押しつけ力をいつも一定にしようとすると、ばね定数は一定なので測定時のプローブ位置が変わる。測定時のプローブ位置変化は、プローブの３次元的な位置姿勢も変化することを意味しているので測定誤差につながる。しかもプローブの変位履歴という不確定なものによってそれが変わるため、毎回変化する測定誤差を生じる。また逆に、測定時のプローブ位置をいつも一定にしようとすると、ばね定数は一定なので測定時の押しつけ力が変わる。測定時の押しつけ力の変化は、被測定物２４やプローブの変形量が変化することを意味しているので測定誤差につながる。しかもプローブ変位履歴という不確定なものによってそれが変わるため、毎回変化する測定誤差を生じる。そこで、ヨーク７と永久磁石８の磁気回路が発生する力のヒステリシスを除去するため、ローレンツ力を発生させる永久磁石７２とコイル７３から構成される磁気手段を設ける。

図８の（ａ）において、図２の（ａ）と同様に球１を取り付けるための円錐状の先端を持ったプローブチップ２を、スペーサ３を挟んで、プローブシャフト４の下側にねじ込み固定する。また、ホルダ５上には、ミラー６がミラー固定駒を介して接着固定され、ホルダ５の中空部には、２つの永久磁石８を両端に接着した鉄心９が挿入され、ホルダ５はプローブシャフト４の上側にねじ込み固定される。

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の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、プローブシャフト４には永久磁石７２が、ハウジング１０にはコイル７３が配設されている。コイル７３は、電流制御装置７１に接続されており、コイル７３に通電することによりプローブシャフト４をＺ方向に駆動するローレンツ力を発生できる。

ヨーク７は、第２のハウジング１６に対してヨーク連結治具１７を介して固定されている。図８の（ｂ）は、ヨーク７と永久磁石８の配置を下からみたものである。ヨーク７は箱形状であり、プローブシャフト４に固定された永久磁石８、鉄心９とともに磁気回路を構成する。永久磁石８と対向するヨーク７の内面にはプローブ移動方向において一定の曲率が設けられている。

このように構成される磁気回路の発生力は、前述した式（８）に基づいて説明したように、プローブの自重を支える一定のオフセットの力を発生するカウンタバランス作用に加え、変位に従って力が変化するばね要素の作用を兼ねている。

測定軸１５は、プローブシャフト４に沿って上下方向（Ｚ方向）に、ガイド３１を用いて移動可能にＸＹテーブル２８に対して支持され、ボールネジ３６とサーボモータ２９で駆動される。ＸＹテーブル２８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２９はサーボアンプ３２に接続され、サーボアンプ３２は、制御系切り替え装置３３に接続される。サーボモータ２９の回転軸にはエンコーダ３０が接続してあり、その出力を位置制御補償回路３５に接続する。制御系切り替え装置３３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３３は図示していないコントローラで自動制御され、図９に示すフローチャートに従って後述する測定動作が行われる。

また、干渉計２７は、測定軸１５に固定され、その上方に基準ミラー２６を配置し、基準ミラー２６はフレーム２５に固定する。この構成により、干渉計２７はミラー６と基準ミラー２６の間の距離を測定することができる。フレーム２５の下方部分には被測定物２４を載置する載置台が設けられる。

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９のフローチャートを用いて説明する。

最初にプローブ駆動手段によってプローブを下端に固定する（ステップＳ２０１）。すなわち、電流制御装置７１により、コイル７３に通電し、プローブへＺの負方向の力をかける。これによって、プローブシャフト４は、下方へ移動しプローブシャフト４の突起４ａ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、制御系切り替え装置３３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に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２４から離れる方向に測定軸１５を退避させる（ステップＳ２０２）。

そして、最初の測定点の上に来るようにＸＹ軸２８を移動させ（ステップＳ２０３）、測定軸１５を下げて、プローブと被測定物２４を接触させ、ポジションセンサ２３が所定の位置になるまで測定軸１５を下降させる（ステップＳ２０４）。

ここで、先端の球１が、被測定物２４に接触して反力を受けると、プローブシャフト４が押し上げられる。プローブシャフト４が押し上げられると、前述の式（８）中のｚがプラス側に増える。すると、磁気回路の発生する力が弱まるので、プローブ先端の球１が被測定物２４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。従って、ポジションセンサアンプ１４の出力は、プローブの押しつけ力を表している。

次に、プローブをフリーにする（ステップＳ２０５）。すなわち、電流制御装置７１によりコイル７３への通電をやめ、プローブの動きを自由にする。

そして、制御系切り替え装置３３を針圧制御系に切り替えて、ポジションセンサ２３の値が一定になるように制御する（ステップＳ２０６）。そのまま、被測定物２４の測定領域をＸＹ軸を用いて走査（トレース）し、同時に測定軸１５の位置を図示しない座標位置測定手段で測定する（ステップＳ２０７）。また、プローブの上下方向については、ミラー６と参照ミラー２６の間の距離を測定する干渉計２７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３３を再び位置制御系に切り替え、測定軸１５を安全位置に退避し（ステップＳ２０８）、測定を終了する。

以上説明してきたように、本実施例によれば、プローブ先端の球１、プローブチップ２、スペーサ３、プローブシャフト４、ホルダ５、ミラー６等にかかる重力をヨーク７と永久磁石８による磁気回路が発生する磁力でキャンセルする。従って、従来例のように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。

さらに、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、プローブの押しつけ力の精度が向上し、その結果、形状測定精度が向上する。

また、プローブを被測定物２４に接触させる前に、コイル７３に通電することにより、プローブシャフト４を下方へさげる力が働き、突起４ａをストッパー１０ａに当接させることができる。これにより、プローブの変位の履歴がリセットされるため、ヨーク７、永久磁石８、鉄心９から構成される磁気回路が発生する力のヒステリシスがなくなり、プローブの押しつけ力の精度が向上する。その結果、形状測定精度が向上する。

図１０はプローブ変位と磁気回路の発生力の関係を説明するための模式図である。横軸は、プローブとハウジング１０の相対変位であり、縦軸は磁気回路の発生力である。磁気回路は前述したようにバネ要素として作用するので、プローブとハウジング１０の相対変位が変化すると発生力が変化する。ここで、理想的なバネ要素であれば、変位量が最初Ｚ₁で発生力がＰ₀とする時、一旦変位がＺ₂に変化した後、再びＺ₁になったときの発生力は最初と同じくＰ₀となるが、磁気回路が発生する力は永久磁石８の磁気的特性により変位と発生力の間にヒステリシスが存在するため、変位をＺ₀に戻しても発生力はＰ₀とならない。すなわち、Ｚ₁→Ｚ₂→Ｚ₁→Ｚ₀→Ｚ₁という変位履歴の場合の発生力は、Ｐ₀→Ｐ₁→Ｐ₂→Ｐ₃→Ｐ₄と変化する。プローブは磁気回路のバネ要素によりハウジング１０に支持される構造であるので、常に振動などを生じていることを考えると変位履歴は不確定なものであり、発生力は、変位履歴という不確定なものにより左右されるため、押しつけ力を精度良く設定できないという問題があった。

そこで、ハウジング１０に、プローブ移動方向における移動範囲を制限するストッパー１０ａ、１０ｂを設け、また、ハウジング１０に固定してコイル７３、プローブシャフト４に固定して永久磁石７２を設け、コイル７３に流す電流を制御する電流制御装置７１を備える。コイル７３に電流を流すことにより、プローブシャフト４がストッパー１０ａに当接し、変位履歴をキャンセルする。すなわち、図１０において、Ｐ₅、Ｐ₆、Ｐ₀をスタート地点とし、プローブの変位をＺ₂にした後に、プローブ変位をＺ₁に戻せば発生力は必ずＰ₃になる。

このように、一旦プローブをストッパー１０ａに当接させることにより磁気回路が有するヒステリシスをなくし押しつけ力を精度良く設定できる。

図１１は実施例５による形状測定装置を示すもので、ヨーク７と永久磁石８等による磁気回路の磁力に抗してプローブを下降させ、プローブシャフト４の突起４ａを上側ストッパー１０ａに当接するためのノズル８１、エアーバルブ８２、配管８３から構成されるプローブ駆動手段によってプローブの変位履歴をリセットする。プローブをストッパー１０ａに固定する工程を持たせることで発生力のヒステリシスを除去し、押しつけ力を安定させて、精密な形状測定が行うことができる。

図１１の（ａ）において、図２の（ａ）と同様に、球１を取り付けるための円錐状の先端を持ったプローブチップ２を、スペーサ３を挟んで、プローブシャフト４の下側にねじ込み固定する。また、ホルダ５上にはミラー６がミラー固定駒を介して接着固定され、ホルダ５の中空部には、２つの永久磁石８を両端に接着した鉄心９が挿入され、ホルダ５はプローブシャフト４の上側にねじ込み固定される。

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、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８１が設けられており、ノズル８１に接続された配管８３はエアーバルブ８２を通して図示しない圧縮空気源に接続されている。従って、エアーバルブ８２を開くことにより、圧縮空気をノズル８１から吹き出して、プローブを下方に移動させ、ストッパー１０ａとプローブシャフト４の突起４ａを当接させることができる。

ヨーク７は、第２のハウジング１６に対してヨーク連結治具１７を介して固定されている。図１１の（ｂ）は、ヨーク７と永久磁石８の配置を下からみた平面図である。ヨーク７は箱形状であり、プローブシャフト４に固定された永久磁石８、鉄心９とともに磁気回路を構成する。永久磁石８と対向するヨーク７の内面にはプローブ移動方向において一定の曲率が設けられている。

このように構成される磁気回路が発生する力は、前述した式（８）に基づいて説明したように、プローブの自重を支える一定のオフセットの力を発生するカウンタバランス作用に加え、変位に従って力が変化するばね要素の作用を兼ねている。

測定軸１５は、プローブシャフト４に沿って上下方向（Ｚ方向）に、ガイド３１を用いて移動可能にＸＹテーブル２８に対して支持され、ボールネジ３６とサーボモータ２９で駆動される。ＸＹテーブル２８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２９はサーボアンプ３２に接続され、サーボアンプ３２は、制御系切り替え装置３３に接続される。サーボモータ２９の回転軸にはエンコーダ３０が接続してあり、その出力を位置制御補償回路３５に接続する。制御系切り替え装置３３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３３は図示していないコントローラで自動制御され、図１２に示すフローチャートに従って後述する測定動作が行われる。

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１２のフローチャートを用いて説明する。

最初にプローブを下端に固定する（ステップＳ２０１ａ）。すなわち、エアーバルブ８２を開いて、ノズル８１から圧縮空気を吹き出し、プローブを下方に移動させ、ストッパー１０ａとプローブシャフト４の突起４ａを当接させる。

そして、最初の測定点の上に来るようにＸＹ軸２８を移動させ（ステップＳ２０３）、測定軸１５を下げて、プローブとワークを接触させ、ポジションセンサ２３が所定の位置になるまで測定軸をさげる（ステップＳ２０４）。

ここで、プローブ先端の球１が、被測定物２４に接触して反力を受けると、プローブシャフト４が押し上げられる。プローブシャフト４が押し上げられると、前述の式（８）中のｚがプラス側に増える。すると、磁気回路の発生する力が弱まるので、プローブ先端の球１が被測定物２４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。従って、ポジションセンサアンプ１４の出力は、プローブの押しつけ力を表している。

プローブ先端の球１と被測定物２４の接触は、プローブの変位測定信号、すなわち、センサーアンプ１４の信号をモニタしていれば判別できる。プローブはプローブシャフト４の突起４ａ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。従って、センサーアンプ１４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、プローブをフリーにする（ステップＳ２０５ａ）。すなわち、エアーバルブ８２を閉じてノズル８１への圧縮空気の供給を止め、プローブの動きを自由にする。

そして、制御系切り替え装置３３を針圧制御系に切り替えて、ポジションセンサ２３の値が一定になるように制御する（ステップＳ２０６）。そのまま、被測定物２４の測定領域をＸＹ軸を用いて走査（トレース）し、同時に測定軸の位置を図示しない座標位置測定手段で測定する（ステップＳ２０７）。また、プローブの上下方向については、ミラー６と参照ミラー２６の間の距離を測定する干渉計２７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３３を再び位置制御系に切り替え、測定軸１５を安全位置に退避し（ステップＳ２０８）、測定を終了する。

以上説明してきたように、本実施例によれば、プローブ先端の球１、プローブチップ２、スペーサ３、プローブシャフト４、ホルダ５、ミラー６等にかかる重力を磁気回路が発生する磁力でキャンセルする。従って、従来例のように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、プローブを被測定物２４に接触させる前に、エアーバルブ８２を開いてノズル８１から圧縮空気を吹き出させることにより、プローブシャフト４を下げる力が働き、突起４ａをストッパー１０ａに当接させることができる。これにより、プローブの変位の履歴がリセットされるため、ヨーク７、永久磁石８、鉄心９から構成される磁気回路が発生する力のヒステリシスがなくなり、押しつけ力の精度が向上する。その結果、形状測定精度が向上する。

一実施の形態を示すもので、（ａ）は、プローブ、ヨーク、永久磁石の関係を示す概略図、（ｂ）はヨークと永久磁石のみを示す平面図、（ｃ）はヨークと永久磁石、鉄心からなる磁気回路を説明する図、（ｄ）はヨークと永久磁石の位置関係を示す部分断面図、（ｅ）は一従来例による接触式プローブを説明する図である。実施例１による形状測定装置を示すもので、（ａ）は、その主要部を示す模式断面図、（ｂ）はヨークと永久磁石を下からみた平面図、（ｃ）は（ｂ）のＣ−Ｃ線に沿ってとった断面図である。実施例１による形状測定工程を示すフローチャートである。実施例２による形状測定装置を示すもので、（ａ）は、その主要部を示す模式断面図、（ｂ）はヨークと永久磁石の配置を示す平面図、（ｃ）は（ｂ）のＣ−Ｃ線に沿ってとった断面図である。実施例２による形状測定工程を示すフローチャートである。実施例３による形状測定装置を示すもので、（ａ）は、その主要部を示す模式断面図、（ｂ）はヨークと永久磁石の配置を示す平面図、（ｃ）は（ｂ）のＣ−Ｃ線に沿ってとった断面図である。実施例３による形状測定工程を示すフローチャートである。実施例４による形状測定装置を示すもので、（ａ）は、その主要部を示す模式断面図、（ｂ）はヨークと永久磁石の配置を示す平面図、（ｃ）は（ｂ）のＣ−Ｃ線に沿ってとった断面図である。実施例４による形状測定工程を示すフローチャートである。ヨークと永久磁石による磁気回路のヒステリシスを説明するグラフである。実施例５による形状測定装置を示すもので、（ａ）は、その主要部を示す模式断面図、（ｂ）はヨークと永久磁石の配置を示す平面図、（ｃ）は（ｂ）のＣ−Ｃ線に沿ってとった断面図である。実施例５による形状測定工程を示すフローチャートである。

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
４ａ突起
５ホルダ
６ミラー
７、３７ヨーク
８、７２永久磁石
９鉄心
１０、１６ハウジング
１０ａ、１０ｂストッパー
１１空気軸受
１２圧縮空気穴
１３圧縮配管
１４ポジションセンサアンプ
１５測定軸
２１、５１ヨーク移動ガイド
２２ヨークガイド連結部材
２３ポジションセンサ
２４被測定物
２５フレーム
２６基準ミラー
２７干渉計
２８ＸＹ軸
２９モータ
３０エンコーダ
３１ガイド
３２モータアンプ
３３制御系切替え装置
３４針圧制御補償回路
３５位置制御補償回路
３６、５６ボールネジ
３８、５３サーボモータ
３９サーボモータジグ
４０ピニオンラック機構
４１サーボアンプ
４２位置制御補償回路
５４エンコーダ
５５ヨーク移動体
７１電流制御装置
７３コイル
８１ノズル
８２エアーバルブ
８３配管

Claims

３次元的に移動可能な移動部材に、重力の方向に変位自在に保持されたプローブを被測定物に接触させて走査することにより、座標位置を測定する接触式プローブであって、
前記プローブは先端球とプローブシャフトとからなり、
前記プローブシャフトに固定された永久磁石と、
前記永久磁石を囲み、前記永久磁石との間に下に向かって距離が拡大するすきまをもって対向する内面を有する磁性体からなる箱形状のヨークとを備え、
前記ヨークが前記移動部材に保持され、前記永久磁石と前記ヨークに流れる磁束によって発生する磁力により、前記プローブにかかる重力をキャンセルする力と、前記ヨークに対する前記プローブの変位に従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。
３次元的に移動可能な移動部材に、重力の方向に変位自在に保持されたプローブを被測定物に接触させて走査することにより、座標位置を測定する接触式プローブであって、
前記プローブは先端球とプローブシャフトとからなり、
前記プローブシャフトに固定された永久磁石と、
前記永久磁石を囲み、前記永久磁石との間に下に向かって距離が拡大し、かつ前記重力の方向に対して垂直方向に距離が変化するすきまをもって対向する内面を有する磁性体からなる箱形状のヨークと、前記ヨークを前記プローブに対して前記重力の方向に対して垂直な方向に移動させるヨーク駆動手段とを備え、
前記ヨーク駆動手段を介して前記ヨークが前記移動部材に保持され、前記永久磁石と前記ヨークに流れる磁束によって発生する磁力により、前記プローブにかかる重力をキャンセルする力と、前記ヨークに対する前記プローブの変位に従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。
３次元的に移動可能な移動部材に、重力の方向に変位自在に保持されたプローブを被測定物に接触させて走査することにより、座標位置を測定する接触式プローブであって、
前記プローブは先端球とプローブシャフトとからなり、
前記プローブシャフトに固定された永久磁石と、
前記永久磁石を囲み、前記永久磁石との間に下に向かって距離が拡大するすきまをもって対向する内面を有する磁性体からなる箱形状のヨークと、
前記ヨークを前記プローブに対して前記重力の方向に移動させるヨーク駆動手段とを備え、
前記ヨーク駆動手段を介して前記ヨークが前記移動部材に保持され、前記永久磁石と前記ヨークに流れる磁束によって発生する磁力により、前記プローブにかかる重力をキャンセルする力と、前記ヨークに対する前記プローブの変位に従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。
箱形状のヨークが、重力の方向に一定の曲率で湾曲する曲面状の内面を有することを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載の接触式プローブ。
プローブと移動部材との相対位置を検出する検出手段が設けられており、前記検出手段の出力に基づいて前記プローブの質量を計算することを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項記載の接触式プローブ。
移動部材がプローブの重力の方向の移動を制限するストッパーを有し、前記プローブを前記重力の方向に移動させて前記ストッパーに当接するためのプローブ駆動手段が設けられていることを特徴とする請求項１ないし５いずれか１項記載の接触式プローブ。
プローブ駆動手段が、プローブにローレンツ力を発生させる磁気手段を有することを特徴とする請求項６記載の接触式プローブ。
プローブ駆動手段が、エアーの吹き付けまたは吸引によってプローブを移動させるように構成されていることを特徴とする請求項６記載の接触式プローブ。
請求項１ないし８いずれか１項記載の接触式プローブと、前記接触式プローブを被測定物上で走査するための走査手段と、前記プローブの３次元座標位置を測定する座標位置測定手段とを備えたことを特徴とする形状測定装置。