三維形狀測定裝置用探測器及三維形狀測定裝置的製作方法

2023-05-11 18:15:36 1

專利名稱：三維形狀測定裝置用探測器及三維形狀測定裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及以高精度及低測定力掃描測定三維形狀的三維形狀測定裝置用探測 器及具備該探測器的三維形狀測定裝置。
背景技術：
作為能夠測定測定物的外側面、內側面及孔徑等的現有的三維形狀測定裝置用探 測器(以下，稱為探測器。)，有專利文獻1所公開的探測器。圖24及圖25示出專利文獻 1所公開的探測器的結構。圖24及圖25的探測器301具備安裝在三維形狀測定裝置(以下，稱為形狀測定 裝置。)401上的安裝用部件302、擺動部303及連結機構304。擺動部303具備臂322，該 臂322在下端具有觸針321。而且，擺動部303的中心部上固定有反光鏡323，該反光鏡323 接受形狀測定裝置401發出的測定用雷射411。通過連結機構304，將擺動部303連結成能 夠相對於固定的部件即安裝用部件302擺動。連結機構304具備安裝用部件302所具備 的載置臺341 ；在該載置臺341上形成的圓錐槽341a內嵌入尖端的擺動部303側的支點部 件342。擺動部303能夠以支點部件342的尖端與圓錐槽341a的接觸部分為擺動中心擺 動。由於擺動部303的擺動，臂322在水平方向(圖中X、Y方向)上能夠傾斜自如。在擺動部303的上部，四個可動側磁鐵351等間隔地安裝在同一半徑上。而且，四 個固定側磁鐵352分別位於可動側磁鐵351的鉛垂方向下側而成對安裝在安裝用部件302 上。可動側磁鐵351和固定側磁鐵352固定在相互吸引力對各個對起作用的方向上。擺動 部303向水平方向傾斜時，可動側磁鐵351與固定側磁鐵352的距離變遠，由於磁鐵的性 質，復位力在使一對磁鐵相互接近的方向上起作用。其結果，返回傾斜方向的復位力對擺動 部303整體起作用。同樣地，擺動部303以支點部件342的尖端為中心而繞鉛垂軸旋轉時， 在可動側磁鐵351與固定側磁鐵352之間的磁力的作用下，回復旋轉的方向的復位力對擺 動部303起作用。在所述磁復位力的作用下，非測定時的擺動部303被保持成臂322的延 伸方向與鉛垂方向一致的姿態。測定物360的被測定面361的形狀測定是相對於被測定面361以微小的按壓力 (測定力)按壓觸針321的前端而進行的。該測定力如下所述產生。以使觸針321與被測 定面361接觸的狀態使安裝用部件302向測定物360側稍微移動時，擺動部303傾斜。擺動 部303傾斜時，在可動側磁鐵351與固定側磁鐵352的吸引力的作用下，產生使擺動部303 向臂322沿鉛垂方向延伸的初始狀態的中立位置復位的復位力。在該磁復位力的作用下， 產生相對於被測定面361按壓觸針321的測定力。通常，形狀測定裝置使觸針321與測定物360的被測定面361接觸，一邊控制使測 定力大致恆定，一邊使探測器301沿測定物360的被測定面361進行相對移動，從而測定、 運算被測定面361的表面形狀。具備圖24及圖25所示的探測器301的形狀測定裝置401 的情況下，一邊使探測器301沿被測定面361移動，一邊將測定用雷射411向固定在擺動部 303上的反光鏡323照射，根據其反射光，測定反光鏡323的略微的傾斜即觸針321的位置變化。通過圖24及圖25所示的探測器301，能夠高精度地測定測定物360的沿鉛垂方 向或大致鉛垂方向延伸的面(鉛垂面)。然而，包含該探測器301所具備的觸針321在內 的擺動部303雖然在水平方向上能夠擺動，但是在鉛垂方向上不可動。如上所述，在該探測 器301中，通過使擺動部303傾斜而產生測定力。因此，如圖24所示的測定物360的頂端 面那樣，在使測定力起作用的狀態下，無法使觸針321接觸測定物360的沿水平方向或大致 水平方向延伸的面(水平面)。如此，在圖24及圖25所示的探測器301中，無法進行測定 物360的水平面的形狀測定。作為能夠測定水平面和鉛垂面這兩者的探測器，有專利文獻2所公開的探測器。 圖26示出專利文獻2所公開的探測器的結構。圖26所示的探測器403具有安裝在形狀測定裝置上的安裝部402 ；外周固定在 該安裝部402上的兩張薄板423 ；上端側固定在兩張薄板423的中央且下端具備觸針421 的臂422 ；固定在臂422的上端面上的反光鏡423。臂422在薄板423產生彈性彎曲的作用 下能夠進行水平方向的擺動和鉛垂方向的移動這兩者。因此，在該探測器403中，無論是相 對於鉛垂面還是水平面，都能夠在使測定力起作用的狀態下使觸針421與它們接觸。根據 從形狀測定裝置照射的測定用雷射411的反射光，測定反光鏡423的擺動角度和移動量，由 此，無論是水平面還是鉛垂面，都能夠進行形狀測定。為了進行高精度的形狀測定，需要減小相對於被測定面按壓觸針的測定力。圖26 所示的探測器403的情況下，為了減小測定力，需要使薄板423的厚度變薄而減小與臂422 的擺動及鉛垂方向的移動相對的薄板423的剛性。然而，若使薄板423的厚度變薄而降低 剛性，則鉛垂面測定時作用於觸針421的測定力的反作用力的水平分量使薄板423沿水平 方向變形。伴隨該薄板423的水平方向的變形，臂422的上端面上固定的反光鏡423也沿 水平方向位移而產生測定誤差。為了縮小測定力而使薄板423變得越薄，薄板423的剛性 不足引起的鉛垂面測定時的反光鏡423的水平方向的位移就越大。如此，在圖26的探測器 403中，為了進行高精度的形狀測定，無法兼顧縮小按壓力和防止鉛垂面測定時的測定誤差 這兩者。專利文獻1 國際公開第2007/135857號專利文獻2 日本特開2008-292236號公報

發明內容
本發明的目的在於，在三維形狀測定裝置用探測器及三維形狀測定裝置中，對於 鉛垂面及水平面都能夠以小測定力進行測定，並且減少鉛垂面測定時的測定力的反作用力 的水平分量引起的探測器自身的變形，實現高精度的測定物的形狀測定。本發明的三維形狀測定裝置用探測器具備臂支承部，其將在下端配置有與測定 物的被測定面接觸的觸針的臂安裝成垂下，並且安裝有反光鏡；彈性部，其安裝所述臂支承 部，在彈性變形的作用下使所述臂支承部沿鉛垂方向進行微小移動，且水平方向的剛性比 鉛垂方向的剛性大；擺動部，其保持所述彈性體；安裝部，其安裝在三維形狀測定裝置上； 連結機構，其具備設置在所述擺動部上的支點部和設置在所述安裝部上而載置所述支點部 的載置部，將所述擺動部連結在所述安裝部上，使所述擺動部能夠以所述支點部為支點擺動；施力機構，其具備設置在所述擺動部上的可動側部件和設置在所述安裝部上而相對於 所述可動側部件在鉛垂方向上隔開間隔相對向的固定側部件，所述可動側部件和所述固定 側部件產生磁吸引力，通過該磁吸引力對所述擺動部施力以使所述臂朝向鉛垂方向。安裝有具備觸針的臂的臂支承部隔著彈性部保持在擺動部上。擺動部通過連結機 構與安裝部連結。擺動部在連結機構的作用下能夠擺動，被施力機構施加磁性力以使臂朝 向鉛垂方向。測定測定物的在鉛垂方向或大致鉛垂方向上延伸的面(鉛垂面)時，由於擺 動部擺動，而臂與臂支承部一起傾斜，由於施力機構產生的磁吸引力作用於擺動部，因此測 定力從觸針對被測定面產生作用。另一方面，測定測定物的在水平方向或大致水平方向上 延伸的面(水平面)時，由於彈性部發生彈性變形而臂與臂支承部一起沿鉛垂方向向上移 動，由於彈性部產生的彈性的作用力作用於臂支承部，因此測定力從觸針對被測定面產生 作用。因此，本發明的三維形狀測定裝置用探測器能夠進行鉛垂面和水平面這雙方的形狀 測定。鉛垂面測定時的測定力是在連結部的作用下與安裝部連結成能夠擺動的擺動部 被施力機構施加磁吸引力而產生的。因此，能夠通過小測定力進行鉛垂面的形狀測定。水平面測定時的測定力是彈性部發生彈性變形所產生的彈性力對臂支承部施力 而產生的。彈性部的鉛垂方向的剛性只要能夠支承下端配置有觸針的臂和臂支承部的重量 的程度即可。即，彈性部所必需支承的重量輕。因此，能夠減小彈性部的鉛垂方向的剛性， 減小由彈性部的彈性變形產生的作用力。因此，能夠以小測定力進行水平面的形狀測定。如上所述，本發明的三維形狀測定裝置用探測器對鉛垂面及水平面都能夠以小測 定力進行高精度的測定。彈性部的水平方向的剛性比鉛垂方向的剛性大。通過將水平方向的剛性設定為充 分大，能夠減少鉛垂面測定時作用於觸針的測定力的反作用力的水平分量引起的彈性部的 水平方向的變形，從而高精度地測定測定物的鉛垂面的形狀。例如，所述彈性部由單一的板簧構成。通過使彈性部由板簧構成，能夠將水平方向的剛性設定為大於鉛垂方向的剛性。優選，所述彈性部具備上下方向隔開間隔配置的兩個以上的板簧。通過使彈性部由兩個以上的板簧構成，能夠將水平方向的剛性設定為大於鉛垂方 向的剛性。特別優選，所述觸針、所述支點部及所述反光鏡配置在同一軸上，所述反光鏡配置 在比所述觸針及所述支點部靠上方，相對於所述支點部載置在所述載置部上的位置，構成 所述彈性部的所述兩個板簧的一個配置在下方而另一個配置在上方。鉛垂面測定時，由於作用於觸針的測定力的反作用力的水平分量，而構成彈性部 的兩個板簧產生水平方向的微小變形的情況下，與臂長相對應，兩個板簧的變形產生的觸 針的旋轉中心的位置不同。然而，通過以上下隔著支點部的方式配置兩個板簧，而使兩個板 簧的變形產生的旋轉中心成為支點部的尖端附近。其結果，能夠減少測定力的反作用力的 水平分量產生的兩個板簧的變形所引起的測定誤差。特別優選，以在大致均等的位置上下 隔著支點部的尖端的方式配置構成彈性部的兩個板簧。所述板簧具備安裝所述臂支承部的中心部；從該中心部呈放射狀延伸而前端固 定在所述擺動部上的多個梁狀部。
通過該結構，能夠增大水平方向的多個方向的彈性部的剛性。尤其是，通過等角度 間隔地設置多個梁狀部，能夠在水平方向的全部方向上將彈性部的剛性設定為大。例如，以 俯視為十字形狀的方式將四個梁狀部從中心部呈放射狀設置。或者，所述板簧具備安裝所述臂支承部的中心部；固定在所述擺動部上的外周 部；分別連結所述中心部與所述外周部的非直線狀的連結部。通過該結構，通過安裝所述臂支承部的中心部和增長從該中心部到擺動部的路 徑，能夠更加減小鉛垂方向的剛性。也可以具備粘彈性體，該粘彈性體安裝在所述板簧上且具有與所述板簧的振動特 性相吻合的形狀。由於測定面的特性或測定裝置自身的振動等影響，會發生由彈性部的低剛性引起 的振動，從而存在產生測定誤差的情況。通過將粘彈性體安裝在板簧上，能夠抑制成為測定 誤差的原因的振動。所述可動側部件與所述固定側部件都由永久磁鐵構成，以異極相互相對向的方式配置。作為代替方案，所述可動側部件和所述固定側部件的一方由永久磁鐵構成，另一 方由磁性體構成。所述連結機構的所述載置部在上部具備圓錐槽，所述連結機構的所述支點部由向 鉛垂方向下方突出的針狀的突起構成，以所述圓錐槽的最深部與所述支點部的尖端的接觸 部為擺動中心，將所述擺動部在所述安裝部上連結成能夠擺動。所述臂支承部的中央設有橫向延伸的貫通孔，所述連結機構的所述載置部貫通所 述貫通孔而延伸。所述擺動部具備相對於所述支點部向所述觸針的相反側延伸的延伸部；設置在 所述延伸部的前端側而保持所述可動側部件的可動側保持部，所述安裝部具備筒狀的主 體；在該主體內相對於所述可動側保持部設置在所述支點部側而保持所述固定側部件的固 定側保持部。具體來說，所述可動側保持部構成為環狀，其下表面側相互隔開間隔保持多個所 述可動側部件，所述固定側保持部保持分別配置在與各個所述可動側部件在鉛垂方向上相 對向的位置上的多個所述固定側部件。本發明的三維形狀測定裝置具備在所述臂支承部上具有反射測定用雷射的反光 鏡的上述三維形狀測定裝置用探測器；雷射產生部，其產生所述測定用雷射；測定點信息 決定部，其基於通過所述反光鏡反射所述測定用雷射而成的反射光，求出測定物的被測定 面的測定點的位置信息。所述測定點信息決定部具備傾斜角度檢測部，其根據所述反射光，檢測所述擺動 部的傾斜角度；觸針位置運算部，其將由所述傾斜角度檢測部得到的角度信號變換為所述 觸針相對於所述安裝部的位移量；位置坐標測定部，其根據所述反射光，求出所述測定點相 對於所述安裝部的位置坐標值；加算部，其在所述位置坐標值中加上所述觸針的位移量，求 出所述測定點的位置信息。所述傾斜角度檢測部具有接受(受光t 3 )所述反射光的光檢測器，該光檢測器 具有一個受光面，該受光面劃分成多個分別獨立地進行光電變換的受光區域。
發明效果根據本發明的三維形狀測定裝置用探測器及三維形狀測定裝置，對鉛垂面及水平 面都能夠以小測定力進行測定，且能夠減少測定力的反作用力的水平分量引起的彈性部的 水平方向的變形，因此能夠以高精度測定測定物的形狀。


圖1是本發明的實施方式的三維形狀測定用探測器的立體圖。圖2是圖1的三維形狀測定用探測器的仰視圖。圖3是以B-B面剖開圖1的三維形狀測定用探測器時的立體圖。圖4是以A-A面剖開圖1的三維形狀測定用探測器時的立體圖。圖5是圖1的三維形狀測定用探測器的俯視圖。圖6是示出固定側保持部件的結構的圖。圖7是以C面剖開圖1的三維形狀測定用探測器時的立體圖。圖8是對使用長方形的板簧時的三維形狀測定用探測器以C面剖開時的立體圖。圖9是代替方案的三維形狀測定用探測器的立體圖。圖10是圖9的縱向剖面圖。圖11是以A-A面剖開圖9的代替方案的三維形狀測定用探測器時的立體圖。圖12是以B-B面剖開圖11的代替方案的三維測定用探測器時的立體圖。圖13是示出具備圖1所示的探測器的形狀測定裝置的一例的圖。圖14是示出圖13所示的形狀測定裝置所具備的測定點信息決定部的結構的圖。圖15是圖13所示的測定點信息決定部所具備的傾斜角度檢測部的俯視圖。圖16是用於說明對所述傾斜角度檢測部照射來自探測器的反射光的狀態的圖。圖17是用於說明以圖1所示的探測器進行被測定面的測定時的探測器的傾斜角 度的圖，是以俯視圖表示測定物的圖。圖18是用於說明以圖1所示的探測器進行被測定面的測定時的探測器的傾斜角 度的圖，是以側視圖表示測定物的圖。圖19是圖1所示的探測器的板簧為一個時的彎曲的示意圖。圖20是圖1所示的探測器的板簧為兩個時的彎曲的示意圖。圖21A是示出兩個板簧都位於比支點部件的尖端靠上方的結構的示意圖。圖21B是示出兩個板簧以隔著支點部件的尖端的方式位於上下方向的結構的示 意圖。圖22是以圖1所示的探測器能夠測定的測定物的一例的立體圖。圖23是圖22所示的測定物的剖面圖。圖24是現有的形狀測定裝置用探測器的一例的立體圖。圖25是以對稱面剖開圖24的形狀測定裝置用探測器時的立體圖。圖26是現有的形狀測定裝置用探測器的另一例的立體圖。符號說明1三維形狀測定裝置用探測器2安裝用部件
2a小徑部2b大徑部3擺動部4連結機構5密閉板5a雷射用貫通孔5b擺動用貫通孔6支承軸9、9A、9B 板簧9a中心部9b梁狀部9c貫通孔11下部件12上部件12a貫通孔13A、13B 間隔件14 螺釘15按壓彈簧16測微計17聚焦透鏡41載置臺41a 圓錐42支點部件43 螺釘51可動側磁鐵52固定側磁鐵60測定物120臂安裝部120a 下梁部120b 上梁部120c 縱梁部121角蟲針122 臂123反光鏡128可動側保持部133固定側保持部件201三維形狀測定裝置211He_Ne 雷射220測定點信息決定部
222傾斜角度檢測部
223觸針位置運算部
224位置坐標測定部
225加算部
226反光鏡位置傾斜檢測部
227半導體雷射
228上下位置檢測部
229雷射
309A、309B 板簧
309a中心部
309b外周部
309c連結部
309d圓環帶狀部
309e、309f架橋部
313A、313B、313C 間隔件
320臂安裝部
320a下側板部
320b上側板部
320c縱杆
325A、325B彈簧按壓件
326、327、328 螺釘
具體實施例方式以下，參照附圖，詳細說明本發明的實施方式的三維形狀測定裝置用探測器(以 下，稱為探測器)和三維形狀測定裝置(以下，稱為形狀測定裝置)。首先，參照圖1至圖8，說明探測器1。圖1是示出探測器1的外觀的立體圖。圖 2是從鉛垂下方觀察圖1的圖。圖3是圖1的以B-B面剖開探測器1時的立體圖。圖4是 圖1的以A-A面剖開探測器1的立體圖。圖5是從鉛垂上方觀察圖1的圖。圖6至圖8是 示出探測器1的局部的詳細情況的圖。形狀測定裝置201具備探測器1，該探測器1具有與成為測定對象的測定物60的 被測定面61a、61b接觸的部分。在圖24及圖25所示的現有的探測器301中，臂322具有 在X、Y方向的任何水平方向上都能夠傾斜的結構，但是在鉛垂上下方向上無法移動，與此 相對，本實施方式的探測器1具有臂122在鉛垂上下方向上也能夠移動的結構。探測器1具備安裝用部件(安裝部)2、擺動部3及連結機構4。安裝用部件2是固定在形狀測定裝置201上，而且安裝成能夠裝卸的塊部件。相 對於擺動部3的擺動，安裝用部件2是固定的部件，能夠使從形狀測定裝置201照射的測定 用雷射211通過，且在中央部具有貫通該安裝用部件2的雷射用開口 111。安裝用部件2在 圖中具備上部的小徑部2a和其下側的大徑部2b。雷射用開口 111以貫通小徑部2a和大徑 部2b的方式設置。大徑部2b的最下端由密閉板5密閉。密閉板5上形成有一個雷射用貫通孔5a和兩個擺動用貫通孔5b。而且，設有從密閉板5的下表面向下突出的一對支承軸 6。支軸部6的下端側通過螺釘43固定有在水平方向上延伸的稜柱即載置臺41的端部。擺動部3與安裝用部件2由連結機構4連結。連結機構4是在與照射到下述反光 鏡123上的測定用雷射211的光軸211a交叉的任何方向上都能夠使擺動部3傾斜擺動的 方式將擺動部3支承在安裝用部件2上的機構。此外，在本實施方式中，光軸211a與鉛垂 方向即Z軸方向一致。在本實施方式中，連結機構4包括隔著支承軸6和密閉板5固定在安裝用部件3 上的載置臺41 ；擺動部3所具備的支點部件42。載置臺41的上表面上形成有圓錐形的槽 41a，由向鉛垂方向下方突出的針狀的突起構成的支點部件42的尖端嵌入到該槽41a內。在 進行兩者的嵌入時，支點部件42的尖端位置與載置臺41的圓錐槽最下點接觸。通過此種 結構，擺動部3與安裝用部件2被連結成以支點部件42與圓錐槽41a的接觸部分為擺動中 心能夠擺動。此外，擺動部3優選構成為，在支點部件42嵌入到載置臺41的槽41a而進行 連結時，使重心位於通過支點部件42的前端的鉛垂軸上，以使臂122朝向鉛垂方向。擺動部3對安裝有臂安裝部(臂支承部)120的兩個板簧(彈性部)9A、9B進行保 持。即，在臂安裝部120與擺動部3之間夾設有板簧9A、9B。本實施方式中的臂安裝部120具備下梁部120a ；隔開間隔配置在該下梁部120a 的上方的上梁部120b ；將下梁部120a與上梁部120b的兩端連結的一對縱梁部120c。臂 122安裝在臂安裝部120的下梁部120a的下表面上而垂下，該臂122在下端具有與測定物 60的被測定面61a、61b接觸的觸針121。而且，反光鏡123安裝在臂安裝部120的上梁部 120b的上表面上，該反光鏡123對通過了安裝用部件2的測定用雷射211進行反射。觸針 121、支點部件42的尖端及反光鏡123配置在同一軸(臂122的軸線)上。測定用雷射211 經由安裝用部件2的雷射用開口 111、雷射用貫通孔5a、和下述貫通孔12a、9c而向反光鏡 123入射，該反射光探索相反的路徑。如下所述，臂安裝部120是對應於與被測定面61a，61b 的形狀相應的觸針121的位移，而相對於安裝用部件2進行擺動及沿鉛垂方向上下移動的 部件。臂安裝部120的中央形成有由下梁部120a、上梁部120b及縱梁部120c圍成的水 平方向的貫通孔124。連結機構4的載置臺41沿水平方向貫通該貫通孔124而延伸。此外，在本實施方式中，觸針121是具有例如約0. 03mm 約2mm的直徑的球狀體， 作為一例，臂122是粗約0. 7mm、從臂安裝部120的下表面到觸針121的中心的長度約IOmm 的棒狀的部件。所述值根據被測定面61的形狀適當變更。擺動部3具備下部件11、上部件12、延伸部127及可動側保持部128。擺動部3的下部件11貫通臂安裝部120的貫通孔124，且配置為相對於臂安裝部 120為非接觸。而且，下部件11同樣地隔開間隔配置在貫通貫通孔124的載置臺41的上 方。上部件12隔開間隔配置在下部件11的上方，並相對於臂安裝部120的上梁部120b隔 開間隔配置在上方。本實施方式的下部件11和上部件12俯視呈十字形狀。下部件11的 下表面上以尖端朝向鉛垂方向下方的姿態安裝有支點部件42。支點部件42的尖端嵌入到 貫通貫通孔124而延伸的載置臺41的圓錐槽341a內。擺動部3的下部件11與上部件12之間保持有分別沿水平方向延伸的兩個板簧 9A、9B。參照圖1的以C面剖開的立體圖即圖7時，板簧9A、9B具備中心部9a和俯視時從該中心部9a以90度的角度間隔呈放射狀延伸的四個梁狀部％。板簧9A、9B的各個梁狀部 9b的前端之間夾設有間隔件13A。而且，下側的板簧9A的梁狀部9b的前端的下表面與擺動 部3的下部件11之間，及上側的板簧9B的梁狀部9b的前端的上表面與擺動部3的上部件 12之間也分別夾設有間隔件13B。通過四根螺釘14將下部件11固定在上部件12上。板 簧9A、9B的梁狀部9b的前端隔著間隔件13A、13B相對於下部件11和上部件12由螺釘14 一起緊固。板簧9A、9B除梁狀部9b的前端之外都不與下部件11和上部件12接觸，且板簧 2A、2B彼此也互相不接觸。S卩，板簧9A、9B除梁狀部9b的前端之外以所謂漂浮的狀態由擺 動部3保持。下側的板簧9A配置成貫通臂安裝部120的貫通孔124，上側的板簧9B位於臂安 裝部120的上梁部120b的上方。所述板簧9A、9B的中心部9a上固定有臂安裝部120。具 體來說，臂安裝部120的上梁部120b的下表面固定在下側的板簧9A的中心部9a的上表面 上，上表面固定在上側的板簧9B的中心部9a的下表面上。通過使板簧9A、9B產生彈性彎 曲，臂安裝部120能夠相對於擺動部3沿鉛垂方向進行微小移動。擺動部3的上部件12和 上側的板簧9B的中心部9a上形成有貫通孔12a、9c，所述貫通孔12a、9c用於使測定用雷射 211向安裝在臂安裝部120的上框部120b上的反光鏡123入射。如圖8所示，板簧9A、9B也可以是沿水平方向延伸的長方形狀。而且，也可以是沿 水平方向延伸的單一的板簧。而且，也可以是組合直線、曲線而從板簧的中心部9a到外周 的固定部的路徑長的形狀。進而，也可以將三個以上板簧沿鉛垂方向相互隔開間隔配置。此 外，也可以取代板簧而採用沿水平方向延伸的金屬絲。如此，只要夾設在擺動部3與臂安裝 部120之間的彈性部(本實施方式中的板簧9A、9B)通過產生彈性彎曲而使臂支承部沿鉛 垂方向進行微小移動，且水平方向的剛性比鉛垂方向的剛性充分大即可，可以採用各種形 態。上部件12的上表面上設有沿鉛垂方向向上延伸的一對延伸部127。所述延伸部 127通過密閉板5的擺動用貫通孔5b而延伸到安裝用部件2內。擺動用貫通孔5b的孔徑 設定為比延伸部127的外徑充分大，即使擺動部3傾斜，延伸部127也不與密閉板5接觸。位於安裝用部件2內的延伸部127的上端設有本實施方式中的環狀的部件即可動 側保持部128。如圖5所示，在可動側保持部128上，可動側部件的一例即可動側磁鐵51在 同一半徑上等間隔地設置在四處。另一方面，安裝用部件2的大徑部2b的內部收容有固定 側保持部件133，該固定側保持部件133安裝固定側部件的一例即固定側磁鐵52。如圖6 所示，固定側保持部件133具備環狀構成的環部1331和設置在環部1331的內周部的四個 突出部1332。突出部1332保持固定側磁鐵52，等間隔且同心圓狀設置。而且，突出部1332 相對於可動側保持部128位於鉛垂方向下側。由擺動部3的可動側保持部128保持的各個可動側磁鐵51和由安裝用部件2的 固定側保持部件133保持的各個固定側磁鐵52在鉛垂方向即Z軸方向上隔開間隔相對向 而以成對的位置關係配置。可動側磁鐵51與固定側磁鐵52固定在使各對的吸引力相互作 用的方向上。在本實施方式中，全部的磁鐵51、52固定成上為N極、下為S極。此外，相鄰 的可動側磁鐵51與固定側磁鐵52的對之間，也可以使磁鐵的方向不同。例如，也可以是一 個可動側磁鐵51和固定側磁鐵52的一對中上為N極、下為S極，而與其相鄰的可動側磁鐵 51和固定側磁鐵52的一對中上為S極、下為N極。
固定側保持部件133收容在沿水平方向能夠移動的安裝用部件2的大徑部2b內。 具體來說，固定側保持部件133的上端面與小徑部2a的下端面進行滑動接觸，而下端面與 密閉板5的上表面進行滑動接觸。安裝用部件2的大徑部2b上收容有分別在Y方向及X 方向上對固定側保持部件133施力的兩個按壓彈簧15(圖3中僅示出Y方向的按壓彈簧 15。)。而且，安裝用部件2的大徑部2b上安裝有與按壓彈簧15相對向的兩個測微計16。 固定側保持部件133的外周被按壓彈簧15彈性地按壓在所述測微計16的主軸的前端。通 過使測微計16的主軸進退，能夠在安裝用部件2的大徑部2b內對固定側保持部件133的 水平方向(X、Y方向)的位置進行微調。如上所述構成的本實施方式的探測器1如下所述進行動作。利用擺動部3具備的可動側磁鐵51與安裝用部件2具備的固定側磁鐵52的吸引 力，對擺動部3向鉛垂方向下方施加磁性力。因此，擺動部3具備的鉛垂方向下方的支點部 件42的尖端維持為與載置臺41的圓錐槽41a中心相接的狀態，從而防止擺動部3相對於 安裝用部件2的錯位等。擺動部3以支點部件42的尖端為中心向水平方向傾斜時，可動側磁鐵51與固定 側磁鐵52的距離變遠，由於磁鐵的性質，復位力沿使一對磁鐵51、52相互接近的方向起作 用。其結果，返回傾斜的方向(使臂122成為在鉛垂方向上延伸的中立位置的方向)的磁 復位力對擺動部3整體起作用。同樣地，擺動部3以支點部件42的尖端為中心繞鉛垂軸旋 轉時，在可動側磁鐵51與固定側磁鐵52之間的磁力的作用下，回復旋轉的方向的磁復位力 對擺動部3起作用。在所述磁復位力的作用下，非測定時的擺動部3保持為使臂122的延 伸方向與鉛垂方向一致的姿態。隔著在水平方向上延伸的板簧9A、9B安裝在擺動部3上的臂安裝部120由於板簧 9A、9B發生彈性變形而沿鉛垂方向能夠進行微小移動。在非測定時，由於臂安裝部120、臂 122及觸針121的重量，板簧9A、9B在重力方向上成為彎曲狀態，臂122從處於該彎曲狀態 的板簧9A、9B經由臂安裝部120向鉛垂方向下方延伸。測定測定物的在鉛垂方向或大致鉛垂方向上延伸的面(鉛垂面圖1的測定物60 的被測定面61a)的形狀時，向被測定面按壓觸針121的測定力如下所述得到。在使觸針 121與被測定面61a接觸的狀態下使安裝用部件2向測定物60側沿水平方向略微移動時， 由於擺動部3以支點部件42的尖端為中心傾斜，因而臂122向水平方向傾斜。擺動部3傾 斜時，在擺動部3上設置的可動側磁鐵51與安裝用部件2上設置的固定側磁鐵52之間的 磁吸引力的作用下，產生使擺動部3向臂122沿鉛垂方向延伸的初始狀態的中立位置復位 的復位力。在該磁復位力的作用下，觸針121被以規定的測定力相對於被測定面61按壓。如此，鉛垂面測定時的測定力通過以可動側及固定側磁鐵51、52的磁吸引力對利 用連結機構4在安裝用部件2上連結成能夠擺動的擺動部3施力而產生。因此，本實施方 式的探測器1能夠以小測定力進行鉛垂面的形狀測定。而且，鉛垂面測定時的測定力能夠 通過可動側磁鐵51與固定側磁鐵52的磁力及兩者的間隔進行調整。例如可動側磁鐵51 與固定側磁鐵52的磁力設為0. 3mN。在本實施方式中，以利用0. 3mN按壓觸針121的前端 時使前端的位移為10 μ m的方式，設定可動側磁鐵51與固定側磁鐵52的磁力和距離。測定測定物的在水平方向或大致水平方向上延伸的面(水平面圖1的測定物60 的被測定面61b)的形狀時，將觸針121按壓到被測定面上的測定力如下所述得到。如上所述，被測定時安裝有臂安裝部120的板簧9A、9B由於臂安裝部120的重量而向鉛垂方向下 方彎曲。在使觸針121與被測定面61a接觸的狀態下使安裝用部件2向測定物60側在鉛 垂方向上略微移動時，板簧9A、9B的彎曲量變小。以在該板簧9A、9B的彎曲量的變化量上 乘以板簧9A、9B的鉛垂方向的彈簧係數的測定力將觸針121按壓到被測定面61b上。如此，水平面測定時的測定力通過利用板簧9A、9B彎曲產生的彈性力對臂安裝部 120施力而產生。板簧9A、9B的鉛垂方向的剛性為能夠支承板簧9A、9B所支承的臂安裝部 120、臂122及觸針121的重量的程度即可。即，板簧9A、9B所必需支承的重量輕。因此，減 小板簧9A、9B的鉛垂方向的剛性，而能夠減小板簧9A、9B的彈性變形產生的作用力。因此， 本實施方式的探測器1能夠以小測定力進行水平面的形狀測定。如上所述，本實施方式的探測器1對於鉛垂面及水平面都能夠以小測定力進行高 精度的測定。在水平方向上延伸的板簧9A、9B的水平方向的剛性比鉛垂方向的剛性充分大。因 此，在鉛垂面測定時能夠實質性地消除作用在觸針121上的測定力的反作用力的水平分量 引起的板簧9A、9B的水平方向的變形及伴隨該變形的反光鏡123的水平方向的位移。如此， 本實施方式的探測器1通過實質性地消除測定力的反作用力的水平分量引起的反光鏡123 的位移而能夠高精度地測定測定物60的鉛垂面的形狀。圖9至圖12表示探測器1的代替方案。圖9是示出代替方案的探測器1的外觀 的立體圖，圖10是其縱向截面。圖11示出代替方案的探測器1的下側部分(比圖9的A-A 面靠下側部分)。圖12示出圖11的以B-B面剖開的狀態。代替方案的探測器的結構中圖 9至圖12未圖示的部分與圖1至圖7所示的探測器1相同。在圖9至圖12中，對與圖1至 圖7相同的要素附加同一符號。在圖10及圖11中，粘彈性體330A、330B未圖示。兩個板簧309A、309B為形成有多個衝孔的薄厚的圓板狀。具體來說，各個板簧 309A、309B通過大致圓板狀的中心部309a、隔開間隔包圍該中心部309a的周圍的圓環帶狀 的外周部309b及連結中心部309a與外周部309b的連結部309c連結而成。圖9至圖12 中的連結部309c具備配置在中心部309a與外周部309b之間的圓環帶狀部309d ；連結圓 環帶狀部309d與中心部309a的架橋部309e ；連結圓環帶狀部309d與外周部309b的架橋 部309f。成對的架橋部309e以俯視90度間隔配置。而且，架橋部309f也以俯視90度間 隔配置。因此，圖9至圖12中的連結部309c俯視大致具有將十字形狀與圓形組合起來的 形狀。其中，連結部309c的具體的結構並不局限於圖9至圖12，只要通過形成為非直線狀 而較長設定路徑長度的多個路徑來連結中心部309a與外周部309b即可。具備圖9至圖12的探測器1的臂安裝部320具備下側板部320a ；隔開間隔配置 在該下側板部320a的上方的上側板部320b ；連結下側板部320a與上側板部320b的兩端 的一對縱杆320c。下側板部320a、上側板部320b及縱杆320c分別相當於圖1至圖7的探 測器1的臂安裝部120中的下梁部120a、上梁部120b及縱梁部120c。在下側板部320a的 下表面上以垂下的方式安裝有臂122，該臂122在下端具有觸針121。上側板部320b的上 表面上安裝有反光鏡123。觸針121、支點部件42的尖端及反光鏡123配置在同一軸(臂 122的軸線)上。在將相互平行配置的板簧309A、309B夾設在臂安裝部320與擺動部3之間這一方 面，圖9至圖12的探測器1與圖1至圖7相同。然而，圖9至圖12的探測器1的兩個板簧相對於擺動部3所具備的支點部件42的上下方向的配置與圖1至圖7的探測器1不同。具 體來說，在圖1至圖7的探測器1中，兩個板簧9A、9B相對於擺動部3所具備的支點部件42 都位於上方。相對於此，在圖9至圖12的探測器1中，一個板簧309A位於比支點部件42 靠下方，另一個板簧309B位於比支點部件42靠上方。臂安裝部320的上側板部320b的上表面上固定有板簧309B的中心部309a。另 一方面，臂安裝部320的下側板部320a的下表面上固定有板簧309A的中心部309a。在該 例中，板簧309A、309B通過利用螺釘326固定圓環帶狀的彈簧按壓件325A、325B而固定在 臂安裝部320上。但是，只要能夠確保必需的安裝強度即可，將板簧309A、309B向臂安裝部 320固定的形態並未特別限定。上側的板簧309B固定在擺動部3的下部件11上，下側的 板簧309A固定在上側的板簧309B上。具體來說，在俯視時隔著臂122相對向的兩個部位 上，上側的板簧309B的外周部309b的下表面與下部件11的上表面之間夾設有短圓筒狀的 間隔件313A，下部件11的下表面與下側的板簧309A的上表面之間夾設有長圓筒狀的間隔 件313B。並且，兩個板簧309A、309B、下部件11及兩個間隔件313A、313B通過螺釘327 — 起緊固。而且，在俯視時隔著臂122相對向的其它兩個部位上，在上側的板簧309B的下表 面與下側的板簧309A的上表面之間夾設有長圓筒狀的間隔件313C。間隔件313C的長度相 當於間隔件313A、313B的長度與下部件11的厚度的和。並且，兩個板簧309A、309B和間隔 件313C通過螺釘328 —起緊固。圖9至圖12所示的代替方案的探測器1具有以下的特徵。首先，板簧309A的中 心部309a固定在下側板部320a上，板簧309B的中心部309a固定在上側板部320b上。通 過所述板簧309A、309B相對於臂安裝部12的安裝結構，能夠增大作為探測器1整體的水平 方向的剛性，能夠進行更高精度的測定。而且，通過 將連結各個板簧309A、309B的中心部 309a與外周部309b的連結部309c形成為非直線狀，能夠較長設定從板簧309A、309B的中 心部309a到擺動部3的路徑，其結果是能夠更小地設定板簧309A、309B的剛性。進而，通 過以上下隔著支點部件42的方式配置兩個板簧309A、309B，能夠減少測定力的反作用力的 水平分量產生的兩個板簧的變形所引起的測定誤差。關於該點在下面進行詳細敘述。在圖9至圖12所示的代替方案的探測器1中，在板簧309A、309B上安裝粘彈性 體330B、330A特別參照圖9)。粘彈性體330A、330B由各種橡膠、海綿、減振材料等具有振 動減衰性的材料構成。在該代替方案中，粘彈性體330A、330B為具有與板簧309A、309B相 同形狀的板狀，通過雙面膠帶固定在板簧308A、309B的單側面上。也可以採用粘結等的其 它固定方法。而且，也可以通過對板簧308A、309B塗敷適當的材料來形成粘彈性體330A、 330B。參照圖9，粘彈性體330A在下側的板簧309A的下表面上整體配置在與螺釘43等其 它要素不產生幹涉的區域。另一方面，粘彈性體330B在上側的板簧309B的上表面上整體 配置在與其它要素不產生幹涉的區域。由於減小板簧309A、309B的鉛垂方向的剛性，有板 簧309A、309B產生由裝置自身的振動的傳播或測定物的面特性的影響引起的振動的擔心。 該板簧309A、309B的振動是觸針121產生意料外的位移而測定精度的下降的原因。然而， 通過事先在板簧309A、309B上固定粘彈性體330A、330B，能夠吸收板簧309A、309B的振動而 迅速減衰，能夠防止振動引起的觸針121的意外的位移，提高測定精度。粘彈性體的固定位 置並不局限於圖9，安裝在與板簧的振動特性相吻合的適當的位置能得到振動吸收的效果。接下來，說明具備本實施方式的探測器1的形狀測定裝置。
通常，形狀測定裝置是如下的裝置使探測器與測定物60接觸，以使向被測定面 61a、61b按壓觸針的測定力大致恆定的方式，一邊控制所述探測器移動，一邊使其沿被測定 面61a、61b移動，利用雷射測長器和基準平面反光鏡，基於探測器與基準面的位置關係，測 定、運算被測定面61a、61b的表面形狀。作為此種形狀測定裝置的一例，如圖13所示，是將測定物60固定在平臺上而使探 測器沿X軸、Y軸及Z軸整個方向移動的類型。圖13所示的形狀測定裝置201具備臺295，該臺295設置在石平臺292上且具 有在X軸及Y軸方向上可動的X-臺2951及Y-臺2952。該臺295上載置Z-工作檯293、 He-Ne雷射(雷射產生部)210及測定點信息決定部220。由此，臺295能夠使Z-工作檯 293、He-Ne雷射210及測定點信息決定部220在X軸及Y軸方向上移動。關於測定點信息決定部220，參照圖13及圖14進行詳細說明。如圖14所示，測定 點信息決定部220具有用於獲得測定面61a、61b的位置信息的光學系統221 ；反光鏡位置 傾斜檢測部226 ；觸針位置運算部223 ；位置坐標測定部224 ；加算部225。其中，構成反光 鏡位置傾斜檢測部226和光學系統221的一部分的二向色鏡2211a與探測器1 一起安裝在 Z-工作檯293的可動側。所述反光鏡位置傾斜檢測部226、觸針位置運算部223、位置坐標 測定部224及加算部225是相當於所述雷射測長器的部分，是與光學系統221連接並用於 求出實際位置信息的構成部分。產生He-Ne雷射210的測定用雷射211為了求出測定物60的測定面61a、61b (參 照圖1)的三維坐標位置，而由光學系統221分光為四個。為了檢測臺295的X軸方向及Y 軸方向上的移動量即被測定面61a、61b的X軸方向及Y軸方向的坐標值，雖然未圖示，但是 第一光學系統221a具有具有由與X軸方向正交的鏡面構成的基準面的X軸基準板；具有 與Y軸方向正交的鏡面所形成的基準面的Y軸基準板。而且，第一光學系統221a上還設有 由與Z軸方向正交的鏡面構成的Z基準板229。各基準板的基準面的平坦度為0. 01精密 級。在被測定面61a、61b的形狀測定方法中，例如日本特開平10-170243號公報所述， 使用如下公知的雷射測長方法對X軸、Y軸及Z軸的各基準面照射雷射，通過計數照射的 雷射與由各基準面反射的雷射的幹涉信號，來檢測反射的雷射的相位的變化。更具體來說， 在該雷射測長方法中，例如日本特開平4-1503號公報所公開那樣，利用稜鏡等分光部件將 對各基準面照射的雷射分為參照光和測定光，並且使參照光與測定光的相位錯開90度。然 後將測定光向基準面照射而使其反射，對返回的反射光與參照光的相位的偏差產生的幹涉 光進行電檢測，根據得到的幹涉條紋信號，作成利薩如圖形，由此測定基準點與所述基準面 的距離。位置坐標測定部224是執行此種測長方法的部分，具有進行被測定面61a、61b中 的測定點的X坐標值、Y坐標值及Z坐標值的測長的檢測部224a 224c。在本實施方式 中，如圖13所示，使臺295相對於石平臺292上載置的測定物60移動，能夠將上述測定點 的X坐標值、Y坐標值及Z坐標值變換成Z-工作檯293上安裝的探測器1的安裝用部件2 的絕對位置坐標值。在本實施方式中，檢測部224c是進行探測器1的觸針121的Z坐標值的測長的部 分，作為觸針位置測定器起作用。以下，關於該點進行詳細敘述。如圖14所示，將測定用雷射211的一部分隔著聚焦透鏡17向Z-工作檯293的下端安裝的探測器1的臂安裝部120 上安裝的反光鏡123的中心點照射。照射的雷射211由反光鏡123反射，該反射光211b不 是由光分離部2211所具備的二向色鏡2211a反射而是透過該二向色鏡2211a，由半透半反 鏡2211b反射，向檢測部224c照射，從而能夠進行觸針121的Z坐標值的測長。將基於位置檢測部224a 224c的檢測結果的位置坐標測定部224的運算結果 (本實施方式中的安裝用部件2的X軸及Y軸坐標值和觸針121的Z軸坐標值)和基於反 光鏡位置傾斜檢測部226的檢測結果的觸針位置運算部223的運算結果通過加算部225相 加來計算被測定面61的形狀。反光鏡位置傾斜檢測部226檢測與擺動部3的傾斜相伴的 觸針121的位移(X軸及Y軸方向)和與臂安裝部120的鉛垂方向的位移相伴的觸針121 的位移(Z軸方向)。以下，說明反光鏡位置傾斜檢測部226及觸針位置運算部223。反光鏡位置傾斜檢 測部226具備向反光鏡123照射的半導體雷射227、傾斜角度檢測部222、上下位置檢測部 228。與He-Ne雷射210不同的波長的半導體雷射(雷射產生部)227的雷射229隔著二向 色鏡2211a向反光鏡123照射。雷射229的由反光鏡123反射的反射光229b在由二向色 鏡2211a反射後，向傾斜角度算出部222和上下位置檢測部228入射。傾斜角度檢測部222由光檢測器構成，該光檢測器具有接受反射光229b並將其變 換成電信號的傾斜檢測受光面2221，傾斜檢測受光面2221被劃分成分別獨立地進行光電 變換的多個受光區域。在本實施方式中，如圖15所示，將傾斜檢測受光面2221呈格子狀即 十字狀地劃分成四個受光區域222a 222d。此外，受光區域的個數及形狀並不局限於圖示 的方式，能夠基於與測定精度等的關係而適當設定。非測定時，探測器1的臂122沿鉛垂方向配置。由此，在非測定時，反射光229b與 沿鉛垂方向向反光鏡123照射的半導體雷射227的雷射229的光軸平行前進，由二向色鏡 2211a反射而向傾斜角度檢測部222的傾斜檢測受光面2221的中央部照射。此時的傾斜檢 測受光面2221的反射光226b的照射區域由圖16中虛線所示，為非測定時照射區域2222。另一方面，如探測器1的說明所述，由於鉛垂面即被測定面61a的測定通過以大致 恆定的測定力將觸針121向被測定面61a按壓而進行，因此，如上所述，探測器1的擺動部 3相對於安裝用部件2傾斜。擺動部3傾斜時，反射光229b與雷射229的光軸交叉而向反 光鏡2211a前進，並在傾斜角度檢測部222的傾斜檢測受光面2221中向偏離中央部的基準 照射區域2223照射。而且，如上所述測定時，擺動部3以支點部件42的尖端為支點，並未 限定於特定方向而在任何方向上都能夠擺動。由此，當成為測定對象的例如納米級的微細 的凹凸在被測定面61a上完全不存在時，如圖16所示，基準照射區域2223位於以傾斜檢測 受光面2221的中心點2221a為中心的恆定半徑的圓的圓周2224上。與反射光229b向傾斜檢測受光面2221的照射相對應地，傾斜角度檢測部222產 生電信號，但是由於傾斜檢測受光面2221被劃分成四個受光區域222a 222d，因此根據反 射光229b的照射部位，能夠檢測擺動部3的傾斜角度。即，受光區域222a為「A」，受光區 域222b為「B」，受光區域222c為「C」，受光區域222d為「D」時，關於從各受光區域222a 222d得到的電信號，通過進行(A+B)-(C+D)能夠求出X軸方向上的擺動部3的傾斜角度，通 過進行(A+D)-(B+C)能夠求出Y軸方向上的傾斜角度。如此，傾斜角度檢測部222關於從 各受光區域222a 222d得到的電信號，進行(A+B)-(C+D)及(A+D)-(B+C)，並將所述計算結果作為角度信號向所述觸針位置運算部223送出。觸針位置運算部223將所述角度信號變換為探測器1所具備的觸針121的位移量。另一方面，實際上，由於被測定面61a上存在所述微細凹凸，如圖16中位移照射區 域2225所示，與所述微細凹凸相對應地，對偏離圓周2224的位置照射反射光229b。然後， 與上述基準照射區域2223的情況相同地，通過將反射光229b向位移照射區域2225照射， 傾斜角度檢測部222送出角度信號，觸針位置運算部223求出觸針121的對應於所述微細 凹凸的位移量。因此，通過求出與基準照射區域2223相對應的觸針121的基準位移量和與 位移照射區域2225相對應的凹凸位移量的差，能夠求出所述微細凹凸的尺寸。此外，作為該測定方法的前提，以支點部件42的尖端為支點，擺動部3在任何方向 上都能夠搖頭而傾斜，其中，需要使所述基準位移量恆定或大致恆定。即，由於擺動部3在 任何方向上都能夠擺動，因此傾斜檢測受光面2221中的反射光229b的照射區域在測定時 沿例如所述圓周2224移動。在這種狀況下，反射光229b基本上一直對基準照射區域2223 照射，即在擺動部3向任何方向擺動的情況下，都需要使擺動部3的傾斜角度α恆定或大 致恆定。因此，測定時，由控制裝置280控制臺295的驅動部294，如圖17及圖18所示，需 要使擺動部3相對於與觸針121的掃描方向121a垂直的方向121b的傾斜β為恆定的方 式，控制臺295的移動量及移動方向而修正掃描方向121a。如上所述，利用觸針位置運算部223求出被測定面61a的測定點的所述微細凹凸 的尺寸，同時，如上所述，利用所述位置坐標測定部224求出測定面61a的測定點的X坐標 值、Y坐標值及Z坐標值。由此，加算部225對由位置坐標測定部224求出的測定面61a的 測定點的X坐標值、Y坐標值及Z坐標值和由觸針位置運算部223求出的觸針121的位移 相加，求出測定面61a上的測定點的測定X坐標值、測定Y坐標值及測定Z坐標值。S卩，由 位置坐標測定部224求出的測定點61a的X坐標值、Y坐標值及Z坐標值為XI、Yl、Zl，由 觸針位置運算部223求出的測定點的觸針121的位移的X坐標值為(A+B)-(C+D)及Y坐標 值為(A+D)-(B+C)時，由加算部225求出的所述測定X坐標值、測定Y坐標值及測定Z坐標 值為 Xl+ {(A+B) - (C+D)}、Yl+ {(A+D) - (B+C)}、Zl。如圖所示，觸針121為球狀，因此所述測定X坐標值、測定Y坐標值及測定Z坐標 值是觸針121的中心坐標。因此，測定點61a的真實的坐標值是在與探測器1的掃描方向 垂直的方向上偏移了觸針121的半徑值的值。反光鏡位置傾斜檢測部226所具備的上下位置檢測部228根據來自反光鏡123的 反射光229b，檢測反光鏡123相對於安裝用部件2的上下方向的位移。檢測方法能夠以使 用日本特開2008-292236所公開的全息圖的方法等公知的技術進行。關於如上所述構成的形狀測定裝置201的動作，即，相對於測定物60的被測定面 61a、61b的形狀測定方法，如下所述進行說明。該形狀測定方法由控制裝置280的動作控制 來執行。首先，說明測定鉛垂面即被測定面61a的情況。如上所述，使觸針121與被測定面 61a接觸，並進一步以例如約0. 3mN( = 30mgf)的測定力使觸針121按壓被測定面61a的方 式，相對於測定物60，對具有安裝了三維形狀測定用探測器1的Z-工作檯293的臺295進行 相對配置。由此，在反光鏡位置傾斜檢測部226的傾斜檢測受光面2221上，將反射光226b向基準照射區域2223照射，如上所述，利用觸針位置運算部223及位置坐標測定部224，通 過加算部225，求出被測定面61a的測定點的基準的X坐標值、Y坐標值及Z坐標值。例如，以測定物60為圓筒形並對其外周面進行一周測定的情況為例時，如上所 述，以將圖17及圖18所示的擺動部3相對於垂直方向121b的傾斜β維持為恆定或大致 恆定的方式，即，以使擺動部3在任何方向上都可以傾斜並將擺動部3相對於鉛垂方向的傾 斜α維持為恆定或大致恆定的方式，利用控制裝置280控制臺295的驅動部294，從而控制 臺295向X軸方向及Y軸方向的移動量及移動方向。此外，在本實施例中，通過調整成使觸 針121前端的位移保持為10 μ m的角度，能夠將測定力保持為0. 3mN。如此，關於被測定面61a的整周，以使擺動部3進行所謂搖頭運動或旋進運動的方 式，進行被測定面61a的測定。由此，反射光226b使傾斜角度檢測部222的傾斜檢測受光 面2221中的各受光區域222a 222d沿例如所述圓周2224而形成一周。此時，與被測定 面61a的所述凹凸相對應地，反射光211b的照射區域從基準照射區域2223向位移照射區 域2225移動。基於此種測定動作，如上所述，利用觸針位置運算部223及位置坐標測定部224， 通過加算部225，求出被測定面61a的測定點的包含所述凹凸在內的所述測定X坐標值、測 定Y坐標值及測定Z坐標值。接下來，說明測定水平面即被測定面61b的情況。這種情況下，將觸針121向被測 定面61b按壓的測定力需要沿鉛垂方向向下產生。而且，為了高精度地進行測定，需要使沿 鉛垂方向向下的測定力恆定。利用控制裝置280驅動驅動部294而使臺295沿水平方向移 動，並且，基於反光鏡位置傾斜檢測部226的上下位置檢測部228的檢測結果，以使反光鏡 123的鉛垂方向的位移量為恆定的方式使Z-工作檯293動作。例如，非測定時的板簧9A、 9B的彎曲為100 μ m時，在測定時控制為90 μ m的彎曲，由此，能夠將測定力保持為5mN。而 且，隨著被測定面61b的微小的位移，觸針121也進行上下移動，因此利用作為與觸針121 一體移動的反光鏡123的Z坐標的測長部起作用的檢測部224c的檢測值，能夠測定測定物 的微小位移。另外，測定距水平面的傾斜變大的情況例如45度左右的傾斜時，沿鉛垂下方產生 按壓力的情況下，雖然觸針121的臂122產生傾斜，但是由於能夠通過傾斜角度檢測部222 檢測出臂的傾斜，因此通過將該傾斜量換算成觸針位移並加以修正，能夠進行高精度地測定。但是，通過以上的方法進行測定時，臂安裝部120與擺動部3之間夾設的彈性部 (本實施方式中的板簧9A、9B)的扭力或水平方向位移無法檢測，從而形成測定誤差。彈性 部的水平方向的剛性小時，彈性部的扭力或水平方向的位移容易產生。如圖19所示，能夠 由一個板簧9構成彈性部9。然而，在該結構中，由於作用於觸針121的測定力的反作用力 的水平的水平分量，而板簧9上容易產生扭力，該扭力成為臂安裝部120的水平方向的位移 或擺動中心的偏差。相對於此，在本實施方式中，由於由兩個板簧9A、9B構成彈性部，因此 水平方向的剛性比鉛垂方向的剛性充分大，從而減少彈性部的扭力或水平方向的位移。換 言之，如圖20示意性所示，臂安裝部120構成為儘可能僅在鉛垂方向上位移而在水平方向 上不位移。若形成為將三個以上的板簧在鉛垂方向上相互隔開間隔配置的結構，則能夠進 一步提高水平方向的剛性，減少彈性部的扭力或水平方向的位移。此外，參照圖8進行說明，可以將板簧9A、9B形成為長方形狀，但是這時長方形的短邊方向的剛性變小，因此如本 實施方式的板簧9A、9B所示，更優選使多個梁狀部9b為從中心部9a呈放射狀延伸的結構 (十字形狀)。如所述圖9至圖12所示的代替方案那樣，通過利用非直線狀的連結部309c進行 連結而較長地設定從板簧309A、30B的中心部9a到外周部9b的路徑長，由此能夠確保水平 方向的剛性並減小鉛垂方向的剛性，從而能夠減少測定力。通過減小板簧的剛性，雖然產生 裝置自身的振動的傳播或測定物的面特性的影響引起的振動，但是在與板簧的振動特性相 吻合的適當的位置上安裝粘彈性體，能夠有效地吸收振動。鉛垂面測定時，由於作用於觸針121的測定力的反作用力的水平分量，而在構成 彈性部的兩個板簧上產生水平方向的微小變形時，與臂122的長度相對應地，兩個板簧的 變形引起的觸針121的旋轉中心的位置不同。然而，如所述圖9至圖12的代替方案那樣，以 隔著支點部件42的方式上下配置兩個板簧309A、309B，由此能夠減少測定力的反作用力的 水平分量產生的兩個板簧309A、309B的變形所引起的測定誤差。尤其是，在圖10中如符號 L所示，通過以在大致均等的位置隔著支點部件42的尖端的方式上下配置兩個板簧309A、 309B，能夠更有效地減少作用於觸針121的測定力的反作用力的水平分量產生的兩個板簧 309A.309B的變形所引起的測定誤差。無論是如圖21A所示在兩個板簧309A、309B都位於比支點部件42靠上方且兩者 的間隔窄的情況下(相當於圖1至圖8)，還是如圖22A所示在兩個板簧309A、309B都位於 支點部件42的上方且兩者的間隔寬的情況下(相當於圖9至圖12)，兩個板簧309A、309B 相對於測定力的水平分量(水平力Fh)的阻力都大於兩個板簧309A、309B相對於測定力的 反作用力的垂直成分(垂直力Fv)的阻力。然而，如圖21A所示，在板簧309A、309B之間的 間隔窄時，相對於水平力Fh的阻力並未充分大於相對於垂直力Fv的阻力，從而由於水平力 Fh而在板簧309A、309B上容易產生扭力。相對於此，如圖21B所示，板簧309A、309B之間的 間隔寬時，相對於水平力Fh的阻力充分大於相對於垂直力Fv的阻力，在板簧309A、309B上 難以產生扭力。而且，這種情況下，水平力Fh產生的兩個板簧309A、309B的彎曲所引起的 觸針121的旋轉中心在支點部件42的尖端附近，因此板簧309A、309B的彎曲對測定精度的 影響小。根據以上的理由，通過以隔著支點部件42的方式上下配置兩個板簧309A、309B，能 夠更有效地減少測定誤差。如上所述，根據所述構成的三維形狀測定裝置用探測器1，由於使用磁鐵產生的磁 力非接觸地將在水平的任意方向上能夠傾斜的擺動部3保持在中立位置，並且使觸針121 按壓測定物60的力即測定力微小地發生，因此，難以產生意外的衝擊引起的破損。並且在 可動側磁鐵51、固定側磁鐵52的吸引力的作用下，成為按壓連結機構4的圓錐槽41a和由 尖端構成的支點部件42的結構，因此支點的錯位少。由此，本探測器1的觸針121的軸並 不局限於鉛垂方向，也能夠在傾斜的狀態下使用。而且，由於像電磁鐵那樣不流動電流，因 此結構簡單，也沒有電熱影響。另外，根據本實施方式的形狀測定裝置201，在三維形狀測定用探測器1中，具有 觸針121的擺動部3能夠進行所謂搖頭運動或旋進運動。因此，進行測定物60的例如內周 面的測定時，不使測定物60旋轉，而使探測器1沿X軸方向及Y軸方向移動，就能夠進行所 述內周面的測定。由此，在測定裝置中，不採用複雜結構，在測定物60的側面的任何傾斜方向上都能夠進行形狀測定。而且，不必使測定物60旋轉，因此不會產生測定物60的中心軸 的偏心的問題，能夠實現被測定面的測定誤差的減少。由此，能夠測定例如透鏡的外徑或孔 徑等，而且，例如圖22及圖23所示的形成在流體軸承那樣的測定物60上並收容潤滑劑的 槽部55的形狀也能夠測定。此外，同時也能夠進行水平面的測定，因此也能夠高精度地測 定孔的相對於水平面的直角度。由此，形狀測定裝置201在面向精密及微細化的產業的發 展中能夠作出較大的貢獻。本發明並不局限於所述實施方式，而能夠以其它各種方式實施。以下，關於其它的 方式，進行例示。擺動部3的結構只要是通過支點在載置臺41上配置成能夠擺動的結構即可，並不 局限於上述的結構。例如，在所述實施方式中，支點部件是設置成突起狀的部件且該突起的 前端陷入圓錐形的槽內，但也可以在載置臺上設置朝上方的突起狀的部件，並將設置在擺 動部件上的圓錐槽作為支點部件。在所述實施方式中，使用可動側磁鐵51與固定側磁鐵52形成的吸引力，但是即使 固定側、可動側中任一方不是磁鐵而作為磁性體的情況下，也能得到相同的效果。在所述實施方式中，將板簧9A、9B的端部(梁狀部9b的前端)固定在擺動部3 上，在中心部9a上固定有臂安裝部120，但是也可以相反地，在板簧的端部上固定臂安裝部 120，而將中心部固定在擺動部3上。在所述實施方式中，也可以設置非接觸位移傳感器作為臂122的傾斜檢測。作為 傳感器的種類，考慮靜電容量型的部件。由此，能夠檢測到以擺動部3的支點為中心的XY 兩方向的傾斜。在所述實施方式的形狀測定裝置201中，將測定物60固定在石平臺292上，使三 維形狀測定用探測器1在Χ、γ、ζ軸方向上移動，但是也可以相反地，固定三維形狀測定用探 測器1而使測定物60移動。總之，使測定物60與探測器1進行相對移動即可。產業上的可利用性本發明不僅在鉛垂面的測定時而且在水平面的測定時，都能夠以小按壓力進行測 定，而且，通過減少探測器內的反光鏡的水平方向的位移，能夠高精度地測定測定物的形 狀。不僅能夠適用於任意形狀的孔的內面或孔徑的測定、及任意形狀的外側面的鉛垂面的 形狀測定，而且能夠適用於以高精度及低測定力對水平面的形狀測定進行掃描測定的形狀 測定裝置的形狀測定用探測器。
權利要求
一種三維形狀測定裝置用探測器，具備臂支承部，其將在下端配置有與測定物的被測定面接觸的觸針的臂安裝成垂下，並且安裝有反光鏡；彈性部，其安裝所述臂支承部，在彈性變形的作用下使所述臂支承部沿鉛垂方向進行微小移動，且水平方向的剛性比鉛垂方向的剛性大；擺動部，其保持所述彈性體；安裝部，其安裝在三維形狀測定裝置上；連結機構，其具備設置在所述擺動部上的支點部和設置在所述安裝部上而載置所述支點部的載置部，將所述擺動部連結在所述安裝部上，使所述擺動部能夠以所述支點部為支點擺動；施力機構，其具備設置在所述擺動部上的可動側部件和設置在所述安裝部上而相對於所述可動側部件在鉛垂方向上隔開間隔相對向的固定側部件，所述可動側部件和所述固定側部件產生磁吸引力，通過該磁吸引力對所述擺動部施力以使所述臂朝向鉛垂方向。
2.根據權利要求1所述的三維形狀測定裝置用探測器，其中， 所述彈性部由單一的板簧構成。
3.根據權利要求1所述的三維形狀測定裝置用探測器，其中， 所述彈性部具備上下方向隔開間隔配置的兩個以上的板簧。
4.根據權利要求3所述的三維形狀測定裝置用探測器，其中， 所述觸針、所述支點部及所述反光鏡配置在同一軸上，所述反光鏡配置在比所述觸針及所述支點部靠上方，相對於所述支點部載置在所述載置部上的位置，構成所述彈性部的所述兩個板簧的一 個配置在下方而另一個配置在上方。
5.根據權利要求2或3所述的三維形狀測定裝置用探測器，其中，所述板簧具備安裝所述臂支承部的中心部；從該中心部呈放射狀延伸而前端固定在 所述擺動部上的多個梁狀部。
6.根據權利要求2或3所述的三維形狀測定裝置用探測器，其中，所述板簧具備安裝所述臂支承部的中心部；固定在所述擺動部上的外周部；分別連 結所述中心部與所述外周部的非直線狀的多個連結部。
7.根據權利要求2 4中任一項所述的三維形狀測定裝置用探測器，其中，具備粘彈性體，該粘彈性體安裝在所述板簧上且具有與所述板簧的振動特性相吻合的 形狀。
8.—種三維形狀測定裝置，具備權利要求1所述的三維形狀測定裝置用探測器； 雷射產生部，其產生測定用雷射；測定點信息決定部，其基於通過所述反光鏡反射所述測定用雷射而成的反射光，求出 測定物的被測定面的測定點的位置信息。
9.根據權利要求8所述的三維形狀測定裝置，其中， 所述測定點信息決定部具備傾斜角度檢測部，其根據所述反射光，檢測所述擺動部的傾斜角度；觸針位置運算部，其將由所述傾斜角度檢測部得到的角度信號變換為所述觸針相對於 所述安裝部的位移量；位置坐標測定部，其根據所述反射光，求出所述測定點相對於所述安裝部的位置坐標值；加算部，其在所述位置坐標值中加上所述觸針的位移量，求出所述測定點的位置信息。
10.根據權利要求9所述的三維形狀測定裝置，其中，所述傾斜角度檢測部具有接受所述反射光的光檢測器，該光檢測器具有一個受光面， 該受光面劃分成多個分別獨立地進行光電變換的受光區域。
全文摘要
三維形狀測定裝置用探測器(1)具備安裝用部件(2)、擺動部(3)、連結機構(4)、臂安裝部(120)、板簧(9A、9B)。在下端配置有觸針(121)的臂(122)在臂安裝部(120)上安裝成垂下。臂安裝部(120)隔著板簧(9A、9B)保持在擺動部(3)上。擺動部(3)通過連結機構(4)連結在安裝用部件(2)上，且在水平方向上能夠偏斜。由於擺動部(3)的可動側磁鐵(51)與安裝用部件(2)的固定側磁鐵(52)之間的磁吸引力，使擺動部(3)復位到臂(122)沿鉛垂方向延伸的中立位置的復位力起作用。鉛垂面測定時的測定力通過固定側磁鐵(52)與可動側磁鐵(51)之間的磁吸引力得到。水平面測定時的測定力通過使板簧(9A、9B)在鉛垂方向上彎曲得到。
文檔編號G01B21/20GK101886922SQ201010176718
公開日2010年11月17日 申請日期2010年5月13日 優先權日2009年5月15日
發明者八日市屋元男, 舟橋隆憲, 荒木貴久 申請人:松下電器產業株式會社