JP2008151748A - 三次元測定プローブ - Google Patents

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Abstract

【課題】非球面レンズなどの測定物の形状等をより高精度に測定でき、壊れにくく長寿命、低コストの三次元測定プローブを実現する。
【解決手段】小エアー軸受け部７Ａに取り付けられた磁石２９とヨーク８と小摺動軸部６に取り付けられた磁性体ピン２０とが磁気回路を形成することにより、小摺動軸部６の回転と軸方向の変位を妨げる磁力を発生させる。非接触の磁力なので下からでも横からでも測定できる三次元測定プローブとなる。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、主に非球面レンズなどの測定物の形状等を０．０１ミクロンオーダーの超高精度で測定する三次元測定プローブであって、測定範囲が、ＸＹＺ方向（縦、横、高さ）が小さいものでは３０ｍｍ×３０ｍｍ×２０ｍｍ、大きいものでは４００ｍｍ×４００ｍｍ×９０ｍｍの超高精度三次元測定機に取り付けられ、測定面の傾斜角度が０度から任意方向に７５度といった高傾斜部まで、連続走査によりプローブ軸方向の測定力０．１〜０．３ｍＮといった低測定力で測定物をほとんど傷を付けることなく測定できる三次元測定プローブに関するものである。
非球面レンズは０．１ミクロン以下の高精度に作らねばならず、機械的な加工だけではこの精度を出せない。そこで、０．０１ミクロンオーダーの精度の超高精度三次元測定機と、これに付ける三次元測定プローブが発明された。その内容は、特許文献１、２等に記載されている。この測定機により非球面レンズを測定し、その測定結果を非球面レンズの加工にフィードバックすることにより、０．１ミクロン以下の精度で非球面レンズの金型を作ることができるようになった。
しかし、最近のデジタルカメラや大容量光ディスク等に使われる非球面レンズは薄型化、高画質化、広角化や高ズーム倍率化等で、ますます必要精度が高くなってきた。そこで、さらなる高精度化を実現するプローブが求められている。一方、工場の現場では作業者が簡単に頻繁に使えるよう、壊れにくく、長寿命の三次元測定プローブが求められている。
従来の非球面レンズの三次元形状測定プローブについて特許文献１、２を参照して簡単に説明する。
図１０は特許文献１に記載された三次元測定プローブを示す。測定物Ｓに接するスタイラス３０５に固定された小摺動軸部３０６が小エアー軸受け３０７に対してＺ方向に移動可能で、板バネ３５０によって原子間力プローブ枠３０３から吊るされている。
小摺動軸部３０６にはミラー３０９が貼り付けられ、半導体レーザ３３４からの半導体レーザ光をミラー３０９に集光させて、ミラー３０９で反射させ、小摺動軸部３０６の光プローブ変位検出部３０２に対する変位が一定になるように、光プローブ変位検出部３０２と原子間力プローブ枠３０３を一体としてコイル３１３で駆動している。半導体レーザ３３４からの半導体レーザ光がミラー３０９の面上に集光されるようにサーボを掛けることをここではフォーカスサーボと呼ぶ。
測定点のＺ座標測定については、ミラー３０９までの距離の変位量を直接、発振周波数安定化レーザ光Ｆｚをミラー３０９に当て、ミラー３０９からの反射光を干渉させて測定しているので、前記フォーカスサーボに誤差があっても、わずかな測定力の変動にはなるが、ほとんど測定誤差とはならない。
図１１は特許文献２に記載された測定用プローブを示す。特許文献１と同じく、小摺動部３１６が円筒形で、板バネ３１５によって支えられ、ミラー３１９が貼り付けられている。
図５Ｂは特許文献３に記載された、特許文献１〜２のプローブを搭載するのに好適な、超高精度三次元測定機の構成を示す。ＸＹＺ座標を測定するための発振周波数安定化レーザ１２７と測長ユニットとＺスライド１１１と光プローブ変位検出部１１２を搭載した上石定盤１０６は、Ｘステージ１２１、Ｙステージ１２２によってＸＹ方向に動く。下石定盤１２３上にＸ参照ミラー１２４、Ｙ参照ミラー１２５、下石定盤１２３に固定された門型架台１０７に固定された上Ｚ参照ミラー１２６が固定され、測定物１０１の測定点の軸上で、発振周波数安定化レーザ１２７によりこれらの高平面ミラー（Ｘ参照ミラー１２４、Ｙ参照ミラー１２５、上Ｚ参照ミラー１２６）までの距離の変化を測定することにより、Ｘステージ１２１、Ｙステージ１２２の移動真直度が１ミクロンのオーダーであっても、参照ミラー１２４，１２５，１２６の平面度である１０ｎｍオーダーの座標軸精度を得ている。
但し、特許文献３は、特許文献１〜２の原子間力プローブと命名された三次元測定プローブが発明される以前に書かれたもので、プローブは光プローブ１１２のみがついている。
図１２と図１３は特許文献４に記載された接触式プローブを示す。図１４Ａ及び図１４Ｂは特許文献５に記載された静圧軸受け装置及び変位測定装置を示す。
特許第３０００８１９号公報（第３頁、図１） 特開２００６−７８３６７号公報（第１６頁、図８） 特許第３０４６６３５号公報（第６頁、図１） 特開２００３−４２７４２号公報（第１９頁、図１、図２） 特公平０７−５８１６１（第６頁、図１）
（１） 独立形式の請求項に記載された本発明が解決しようとする課題を述べる。
本発明の１つの態様の目的は、非球面レンズなどの測定物の形状等をより高精度に測定でき、壊れにくく長寿命、低コストの三次元測定プローブを実現することができる三次元測定プローブを実現することである。
超高精度で測定するためのプローブの要件は、測定力が０．１〜０．３ｍＮ（１０〜３０ｍｇｆ）と小さいことと、これと相反するが、この微弱な測定力に対してプローブが早く応答することと、横向きの力に対してプローブ先端のスタイラスが傾かないことである。
測定力が大きいと測定面を変形させるので、測定精度が落ちる。また、測定面に接するスタイラスの磨耗が早くなる。プローブの応答が遅いと測定面に追随させるためには、走査速度を落とさざるを得ないため、測定時間が長くなるし、その間に温度変化等に起因するデータドリフトが起こって測定精度が悪化し、能率が悪くなる。測定面が傾斜していればスタイラス先端に横向きの力がかかるが、傾斜角度が４５度を越すとプローブの移動方向より横向きの力のほうが大きくなる。これでスタイラスが傾けば、従来例に記した、どのプローブでも測定誤差になる。従って、スタイラス先端にかかる横向きの力でスタイラスが傾かないよう、できる限り高い剛性のガイドが必要となる。
測定力をＦ、可動部質量をＭ、スタイラスの応答加速度をａとすると、ニュートン力学により、
（数１）
Ｆ＝Ｍａ ・・・ （１）

測定力Ｆをできるだけ小さく、応答加速度ａをできるだけ大きくしようとすれば、可動部質量、つまり小摺動軸部の質量Ｍをできるだけ小さくするしかない。また、横向きの力に対してスタイラスが傾かないためには、移動方向には摩擦無く動き、移動方向に垂直な方向には極めて高い剛性を実現できる構造が必要である。
本発明者は数年にわたる研究開発の結果、円筒形のマイクロエアスライドを開発し、可動部質量が０．２グラム台となる小摺動軸部を実現した。
ここで、「マイクロエアスライド」の言葉の意味を説明しておく。小摺動軸部が小エアー軸受けの中を動くが、小摺動軸部と小エアー軸受けを合わせて「マイクロエアスライド」と呼んでいる。通常市販されているエアスライドは小さなものでも可動部質量が１００グラムはある。これに対し、ここで言う「マイクロエアスライド」は可動部質量が０．２グラム台と著しく軽く小さい。
本発明の技術分野である超高精度三次元測定機においては、Ｚ方向は、微小な測定力で動く小摺動軸部の小エアー軸受けを含む光プローブ変位検出部に対する変位がゼロになるよう、コイルに電流を流してプローブ部全体を駆動して、大きく動かす大エアスライドの二重構造になっている。
測定力を０．２ｍＮ、小摺動軸部の質量を０．２グラムとすると（１）式よりプローブの応答加速度は０．１Ｇとなる。ここで、Ｇは重力加速度である。この程度の応答加速度があれば、直径３０ｍｍ以上の滑らかな非球面レンズであれば、最高毎秒１０ｍｍ、それ以下のレンズでも最高毎秒５ｍｍの測定速度で測定できる。
マイクロエアスライドを円筒にした理由は、最小の質量で最大の剛性が得られるからである。エアスライドは、ガイド部に２〜４気圧の高い空気圧の膜を形成することにより、高い剛性で軸を保持することができる。円筒マイクロエアスライドの場合、直径４ｍｍ以下と小さくしても、ガイド部のギャップを１０ミクロン以下と狭く精度良く作れば、エアー流量が注入エアーの空気圧を顕著に下げるほど大きくないので、ガイド部に高い空気圧の膜が形成され、高い剛性を持たせることができる。
しかし、エアスライドを角柱で小さくすると、角柱の角の部分が１０ミクロン以下の狭ギャップにすることができない為、角の部分で空気が抜けてしまうので、エアー流量が大きくなり、ガイド部の空気圧を高く保てないので、高い剛性を実現できない。角以外の部分を５ミクロン以下と、さらに狭ギャップにし、注入エアーの空気圧を上げれば少しは剛性が上がるが、円柱より剛性が劣るし、加工が困難、長時間使用でギャップ部への異物付着による故障可能性等、問題が多く、実用化は困難である。
マイクロエアスライドの小摺動軸部は、バネ性部材で支持されており、測定力０．２ｍＮでＺ方向に１０ミクロン程度動くが、横方向に同じ力がかかったときのずれは、１０ナノメートル以下にする必要がある。つまり、プローブ剛性の縦横比千倍が必要ということである。これで、測定面の傾斜角度４５度のときの測定誤差が１０ｎｍということになる。これが、要求される最低の剛性である。
これらの条件をすべて満たさなければ非球面レンズの形状等を０．０１ミクロンオーダーの超高精度で測定する三次元測定用プローブとすることはできない。これを満たすプローブは、従来のものでは特許文献１〜２に記載されたものしか無い。
しかしながら、特許文献１〜２に記載されたプローブには、測定物を上からしか測定できないという課題がある。つまり、図１０では、板バネ３５０はエアー軸受け部３０７の上面に形成された突起部に載っているだけである。図１１では、板バネ３１５は、エアー軸受け部３１７の上端に埋め込まれた球５３の上に載っているだけである。
従って、これらのプローブを横向きにおくと、板バネ３５０や３１５は突起部や球５３から離れ、バネ性を発揮しないし、上下逆にするとこのマイクロエアスライドは下に落ちてしまう。つまり、上から吊るす構成なので、測定物の上からしか測定できない。測定物の上からしか測定できなければ、測定物の一例であるレンズの表裏を上下から、又は左右から測定することができないプローブとなる。これが特許文献１〜２に記載された従来プローブの第一の課題である。
板バネをエアー軸受け部に接着すれば、測定物の横からでも下からでも測定できるとなるが、そうすると、スタイラス５に誤操作等で過度な測定力がかかったとき、板バネは壊れてしまう。このため、板バネ３５０や３１５はエアー軸受け部に接着することもできない。
円筒形のマイクロエアスライドが測定中に少しでも回転すれば、スタイラス先端が一般的には偏心しているので、測定誤差になる。しかし、スタイラス先端を完全にマイクロエアスライドの軸と一致して取り付けることは不可能である。
特許文献１〜２に記載された従来プローブでは、マイクロエアスライドは板バネ３５０や３１５と突起部や球５３との摩擦力のみで回転を止められているので、何かの衝撃で少しでもマイクロエアスライドが回転すれば、測定誤差が発生するという課題をも有していた。これが特許文献１〜２に記載された従来プローブの第二の課題である。
また、板バネは厚さ１０ミクロンの極めて薄いものなので、長期の使用で変形したりして壊れやすいという課題をも有していた。修理も限られた人しかできないので、測定室で限られた人のみしか使用できない三次元測定プローブという傾向があった。これが特許文献１〜２に記載された従来プローブの第三の課題である。
特許文献３は本発明のプローブを搭載するのに好適な全体構成を開示しているが、前述のように光プローブがついている。光プローブは完全非接触という利点があるが、下記のように多くの短所があって、高精度な三次元測定では実用的にはほとんど使えない。
光プローブでは、測定物の測定面が傾斜していると、測定面の上から光を当てても、反射光は傾斜角度の２倍だけ傾いて反射してくる。たとえば測定面が６０度傾斜していれば、反射光は１２０度の下方向に進むので、全く測定不能である。
また、光プローブは測定面の反射率により反射光量が変わる、反射光量が変わると、フォーカスサーボではオフセットや迷光による焦点位置のずれで誤差となるし、測長のために参照光と干渉させようとしても、反射光量が著しく変わると、正しい干渉信号が出ず測定誤差となる。さらに、無反射コートした面は測定できない。
さらに、光プローブは、測定面の面粗さによって、研磨面しか測定できない方式と研磨面は測定できない方式がある。研磨面を測定できない方式は、一般的に三角測距と呼ばれるもので、高精度測定ができない。研磨面しか測定できない方式は、測定面からの反射光を参照光と干渉させる方式で測定面の傾斜に合わせて航路をずらせても最大で３０度の傾斜面しか測定できないし、測定経路にホコリや傷があれば測定できなくなり、きわめて測定が大変である。
以上のように特許文献３に示す光プローブで大変苦労した結果、生み出された発明が特許文献１〜２であるが、前記したように特許文献１〜２には第一〜第三の課題がある。特許文献１〜２のプローブは図５Ｂに示す特許文献３の光プローブ１１２の先に取り付けることができる。ただし、光プローブ１１２の先端のレンズは特許文献１のレンズ１４とは異なる。さらに特許文献１〜２の前記第一〜第三の課題を解決するものが、本発明である。
特許文献４は図１２に示すようにエアスライド６２の自重分を磁石４１８とコイル４１９とヨーク４１７からなる磁気回路で保持する構成になっている。この文献にはエアスライド６２が円柱なのか角柱なのかという記載が無い。しかし、磁気回路の構成は、図１３に示すように可動部ヨーク（特許文献４ではミラー固定駒と記載されている）４１５がほぼ正方形になっており、もしエアスライド６２が円柱なら磁気回路はより磁気抵抗が小さくなる方向に動くので、可動部ヨーク４１５が固定部ヨーク４１７にくっつくまで回転してしまい、プローブ４１９としての動作をしなくなる。従って、エアスライド６２は角柱であるはずである。
特許文献４のエアスライドが角柱であれば、前記の理由により、軽くて、剛性も高いプローブを作ることができないという課題を有していた。また、もしエアスライドが円柱なら可動部と固定部のヨーク同士が回転後くっつくので、プローブとして動作しないという課題を有していた。
また、特許文献４ではＺ軸をＺ駆動ネジ４７でベアリングを有するガイド４２４を駆動している。ベアリング真球度等の問題もあるが、ベアリングガイド４２４はベアリングを押し付けなければ真直度を保って動作しないが、押し付け力の為、駆動に摩擦力が必要となり、駆動方向が変わったとき、駆動位置が完全に重心で無ければ、光プローブ変位検出部が傾く。
また特許文献４にある図１２に示すように、Ｚ駆動ネジ４７でＺ軸を駆動すると、ネジの偏心に起因する横方向の力がかかり、移動真直度を悪化させる。ネジの偏心をゼロにはできない。
また、ネジには必ず数ミクロンのバックラッシュが必要で、これを無くそうと強く締めると硬くて動かなくなる。したがって、サブミクロン精度でフォーカスサーボを掛けることができない。
特許文献５はエアスライドが円柱になっている。図１４Ａ及び図１４Ｂに示すように、磁石（プローブ軸５３３に固定された磁性体）５３５とコイル５３６によって軸方向の移動を制御しているが、軸５３３に溝５３４を切り（図１４Ｂの溝加工を参照）、空気の流れで軸５３３の回転を止めている。しかし、この構造では、エアスライド軸５３３に長い磁性体５３５が付くので可動部質量が重くなる。磁性体５３５が鉄、エアスライド５３３がアルミニウムなら、鉄はアルミの三倍の比重なので、可動部質量は三倍以上となるので、軽くて、剛性も高いプローブを作ることができないという課題を有していた。さらに軸５３３に空気噴出し部に合わせて精度良く、バリを作らず溝５３４を加工せねばならず、コスト高になるという課題があった。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、非球面レンズなどの測定物の形状等を０．０１ミクロンオーダーの超高精度で測定する事、つまり０．１〜０．３ｍＮの低測定力と剛性縦横比千倍のマイクロエアスライドを使用し、スタイラス先端の回転による誤差も無くし、壊れにくく長寿命、製作も著しく困難ではない三次元測定プローブを提供することを目的とする。
前記目的を達成するために、本発明の三次元測定プローブは、
本発明の第１態様によれば、一端に測定物の表面に接するスタイラスを設けるとともに、他端に磁性体ピンを設けた円筒形の小摺動軸部と、
この小摺動軸部と嵌合する円筒形の穴が形成され、この小摺動軸部との隙間に圧縮空気の膜を形成する空気吹き出し部を有する小エアー軸受け部と、
この小エアー軸受け部の端部に配置された磁石と複数のヨークが前記ピンと非接触で磁気回路を形成することにより、前記円筒形の小摺動軸部の軸方向であるＺ方向と、前記Ｚ方向の回りの回転方向への移動を妨げる磁力を発生させる磁力発生手段と、
前記小エアー軸受け部に対する前記小摺動軸部の前記Ｚ方向の変位を検出する変位検出手段と、
前記小エアー軸受け部の前記Ｚ方向への移動を案内するＺステージと、
前記測定物、または前記Ｚステージを前記Ｚ方向とそれぞれ直交しかつ互いに直交するＸＹ方向に移動させるとともに、前記スタイラスが前記測定物の形状に沿って前記Ｚ方向に移動するとき、前記Ｚ方向の変位がほぼ一定になるように前記Ｚステージを駆動するＺステージ駆動装置と、
を備える三次元測定プローブを提供する。
本発明の第２態様によれば、前記複数のヨークのうちの少なくとも１つのヨークはリング状のヨークであることを特徴とする第１態様に記載の三次元測定プローブを提供する。
本発明の第３態様によれば、前記ピンと前記ヨークの隙間部付近の形状を、前記Ｚ方向には厚く、前記回転方向には薄いテーパ状とした第１〜２態様のいずれか１つに記載の三次元測定プローブを提供する。
本発明の第４態様によれば、前記ピンと前記ヨークの隙間部付近の形状を、前記ピンより前記ヨークを厚くした第１〜３のいずれか１つの態様に記載の三次元測定プローブを提供する。
本発明の第５態様によれば、前記変位検出手段は、
前記小エアー軸受け部と一体で固定されてレーザ光を発光する半導体レーザと、前記小摺動軸部に配置されかつ前記半導体レーザからの前記レーザ光が照射されて反射させるミラーと、前記半導体レーザからの前記レーザ光を前記ミラーに集光するレンズと、前記ミラーからの反射光を受光する光検出器とを少なくとも含む光プローブ変位検出部により構成し、
前記半導体レーザからの前記レーザ光を、前記ミラーに照射し、前記ミラーからの反射光を前記光検出器で受光し、この光検出器の出力信号から前記Ｚ方向の変位を検出する構成とした第１〜３態様のいずれか１つに記載の三次元測定プローブを提供する。
本発明の第６態様によれば、発振周波数安定化レーザ光を前記変位検出手段の前記ミラーに照射し、前記ミラーで反射した反射光から前記ミラーのＺ座標を測定するＺ座標測定手段をさらに備える第５態様に記載の三次元測定プローブを提供する。
本発明の第７態様によれば、前記小エアー軸受け部に対する前記小摺動軸部の前記Ｚ方向と前記Ｚ方向を軸とした回転方向への移動を妨げる磁力を超えた力が、前記小摺動軸部の前記Ｚ方向、又は前記Ｚ方向を軸とした前記回転方向にかかったときの前記小摺動軸部の過度の移動を止めるための非磁性体のストッパーを設けた第１〜６態様のいずれか１つに記載の三次元測定プローブを提供する。
本発明の第８態様によれば、前記Ｚステージはエアー軸受けで構成された第１〜７態様のいずれか１つに記載の三次元測定プローブを提供する。
本発明の第９態様によれば、前記Ｚステージ駆動装置は、前記Ｚステージに連結されたコイルと、前記コイルに電流を流して前記Ｚステージを前記Ｚ方向に駆動する磁気回路で構成された第１〜８態様のいずれか１つに記載の三次元測定プローブを提供する。
本発明の第１０態様によれば、前記Ｚステージの可動部を、その重量にほぼ等しい張力を発生する渦巻き状に巻かれた薄板よりなる定荷重バネで支持された第１〜９態様のいずれか１つに記載の三次元測定プローブを提供する。
以上のように、本発明の三次元測定プローブによれば、小さな可動部質量の磁性体ピンと、小エアー軸受け部に取り付けられた磁石とヨークで磁気回路を形成させることにより、回転と軸方向の移動を非接触で制限することができ、最小の可動部質量で最大の横方向剛性が得られる円筒形のエアースライドの欠点であった回転による誤差発生と、従来薄板バネで吊るすしかなかったため、測定物の上からしか測定できないという問題と、薄板ばねが長期使用で壊れやすいという問題を解決することができる。
従って、より高精度で、長期使用にも壊れにくい三次元測定プローブを実現することができる。さらに、組み立てや取り扱いも容易になるので、本プローブを使用すれば、従来のように測定室で限られた人のみが使用する測定機から、工場現場に置いて、気軽に測定できる測定機となる。
また、バネで吊るす必要が無くなったため、測定物の形状を上からだけでなく、下からでも、あるいは左右からでも測定することが可能となり、非球面レンズの測定に於いては表裏面の傾きや偏心を超高精度に測定することができるようになる。これに対して、従来では、非球面レンズを、非球面レンズの上からしか測定できなかったため、面の形状は測定できても、上面と下面、側面との位置関係を容易には測定できなかったので、より高精度なレンズを作ることができなかった。しかし、本発明によれば、非球面レンズの下からでも、横からでも超高精度に測定できる三次元測定プローブを提供することができる。
これにより、薄型化と高画質化が進むカメラや大記録容量化が進む光ディスクなどのレンズの性能と品質と生産歩留まりを向上させることができる。
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（実施形態）
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の実施形態における三次元測定プローブ２Ａが装着可能な、超高精度三次元測定機の三次元測定プローブ２Ａの要部構成を示す。図１Ａ及び図１Ｂは同じプローブ２Ａであるが、図１Ａは、上から測定物１の表面Ｓを測定するとき、図１Ｂは下から測定物１の表面Ｓを測定するときのプローブ２Ａの配置をそれぞれ示している。図示しないが、横からでも斜めからでもこのプローブ２Ａは測定物１に対して配置可能である。図３Ａは、前記実施形態における三次元測定プローブの上側の光プローブ変位検出部を含めた概略構成説明図であり、図３Ｂは、図３Ａを上下逆さまにした図であって、前記実施形態における三次元測定プローブの下側の光プローブ変位検出部を含めた概略構成説明図である。
下から測定物１の表面Ｓを測定する場合には、測定物保持部材９８を例えばリング状に構成して測定物１の周囲を保持し、測定物１の周囲以外の裏面は下側から測定可能に構成するとともに、図３Ｂに示すプローブ２Ａを測定物１の下方に配置して、上側の光プローブ変位検出部とは独立して下側の光プローブ変位検出部が移動可能となるように配置すれば、測定物１の上下から同時的に表裏両面を測定することができる。
本実施形態にかかる三次元測定プローブ２Ａは、円筒形の小摺動軸部６と、小エアー軸受け部７Ａと、磁力発生手段９５と、変位検出手段の一例として機能する光プローブ変位検出部２と、Ｚステージの一例として機能する大エアースライド（Ｚ方向大エアースライドガイド３５と大エアースライド可動部１１とより構成される大エアースライド）８９と、Ｚステージ駆動手段の一例として機能するＺ方向駆動装置４３とを備えるように構成されている。すなわち、プローブ２Ａは、円筒形のマイクロエアスライドのスタイラス５と一体固定された小摺動軸部６に取り付けられた小さな可動部の質量の磁性体ピン２０と、小エアー軸受け部７Ａに取り付けられた磁石２９ａ，２９ｂとヨーク８ａ，８ｂ−１，８ｂ−２で磁気回路を形成させ、回転と軸方向の移動を妨げる磁力を非接触で発生させ、マイクロエアスライドの変位が一定になるようＺ方向全体を動かすＺ方向駆動装置４３を備えることにより、測定物１の下からでも横からでも測定できるものである。
ここで、「マイクロエアスライド」の言葉の意味を再度説明しておく。小摺動軸部６が小エアー軸受け７の中で移動するが、小摺動軸部６と小エアー軸受け７を合わせて「マイクロエアスライド」と呼んでいる。通常市販されているエアスライドは小さなものでも可動部質量が１００グラムはある。これに対し、本実施形態で言う「マイクロエアスライド」は可動部質量が例えば０．２グラム台と著しく軽く小さいものである。
本実施形態の超高精度三次元測定機においては、後述するように、Ｚ方向は、微小な測定力で動く小摺動軸部６の小エアー軸受け７を含む光プローブ変位検出部２に対する変位がゼロになるよう、コイル１３に電流を流して光プローブ変位検出部２全体を駆動して、大きく動かす大エアスライドの二重構造になっている。
測定力を０．２ｍＮ、小摺動軸部６の質量を０．２グラムとすると、前記した（１）式よりプローブ２Ａの応答加速度は０．１Ｇとなる。ここで、Ｇは重力加速度である。この程度の応答加速度があれば、測定物１の一例としての直径３０ｍｍ以上の滑らかな非球面レンズであれば、最高毎秒１０ｍｍ、それ以下のレンズでも最高毎秒５ｍｍの測定速度で測定することができる。
マイクロエアスライドを円筒にした理由は、最小の質量で最大の剛性が得られるからである。エアスライドは、ガイド部に２〜４気圧の高い空気圧の膜を形成することにより、高い剛性で軸を保持することができる。円筒マイクロエアスライドの場合、直径４ｍｍ以下と小さくしても、ガイド部のギャップを１０ミクロン以下と狭く精度良く作れば、エアー流量が注入エアーの空気圧を顕著に下げるほど大きくないので、ガイド部に高い空気圧の膜が形成され、高い剛性を持たせることができる。
マイクロエアスライドの小摺動軸部６は、バネ性部材で支持されており、測定力０．２ｍＮでＺ方向に１０ミクロン程度動くが、横方向に同じ力がかかったときのずれは、１０ナノメートル以下にする必要がある。つまり、プローブ剛性の縦横比千倍が必要ということである。これで、測定面の傾斜角度４５度のときの測定誤差が１０ｎｍということになる。これが、要求される最低の剛性である。この構造については後述する。
測定物１の測定表面Ｓに接するスタイラス先端球６１が先端に付いているスタイラス５の基端側に連結固定された小摺動軸部６は、サブミクロンレベルの高精度な円筒状に加工されている。この小摺動軸部６と１０ミクロン以下の隙間で嵌合する形で高精度に加工された円筒の穴７ｇを有する小エアー軸受け７の穴７ｇの中を、小摺動軸部６が、圧縮空気の膜によりＺ方向（小摺動軸部６の軸方向）とＺ方向を軸とした回転方向に摩擦無く摺動可能である。
小エアー軸受け７は、図１Ａ〜図２Ａに示すように、周方向に凹部１８ｂを所定間隔毎に有するとともに軸方向の上下に環状凹部１８ｃ，１８ａを有する小エアー軸受け外壁１９が原子間力プローブ枠３に密着して組み込まれるので、空気溜め部１８をそれぞれ形成することができる。すなわち、小エアー軸受け７の小エアー軸受け外壁１９は、スタイラス側（先端側）のフランジ部１９ａと、中間部１９ｂと、基端側のフランジ部１９ｃとより構成し、先端側のフランジ部１９ａと中間部１９ｂとの間には先端側の環状凹部１８ａを形成し、基端側のフランジ部１９ｃと中間部１９ｂとの間には基端側の環状凹部１８ｃを形成し、中間部１９ｂの外周面に形成された所定間隔の凹部１８ｂと先端側の環状凹部１８ａと基端側の環状凹部１８ｃとにより空気溜め部１８を形成している。図示しないコンプレッサーに接続されてそのコンプレッサーから図３Ａ及び図３Ｂに示すチューブ４８を経て送り込まれた圧縮空気は、空気溜め部１８にそれぞれ入り、空気吹き出し部として機能する空気吹き出し口４の微小な穴から小摺動軸部６と小エアー軸受け７の穴７ｇとの嵌合の隙間に送り込まれて前記圧縮空気の膜を形成し、前記隙間を通って小エアー軸受け外壁１９の中間部１９ｂに径方向に貫通して所定間隔毎に形成された空気排出口１０と前記フランジ部１９ａと１９ｃの上下（先端側と基端側）とから空気が排出される。なお、小エアー軸受け７と原子間力プローブ枠３は密着固定されているので、これらを合わせて、小エアー軸受け部（小エアー軸受けユニット）７Ａと呼んでいる。
小摺動軸部６と小エアー軸受け７との嵌合の隙間は５〜１０ミクロンときわめて狭いので、小エアー軸受け７の外周側面に大略等間隔に周方向及び軸方向に配置された多数の空気吹き出し口４の微小な穴から２気圧以上の圧縮空気が供給され、空気排出口10と前記フランジ部１９ａと１９ｃの上下（先端側と基端側）とから圧縮空気が抜けるまでに前記隙間には圧縮空気の圧力勾配を有する膜が形成される。
測定物１の傾斜した測定面Ｓの測定力によりスタイラス５に横方向の力がかかったとき、この圧縮空気の膜厚が変化しようとすると、すなわち例えば膜厚が薄くなると空気が流れにくいので、空気圧は高くなり、逆に膜厚が厚くなると空気が流れやすいので、空気圧が低くなるので、空気膜厚が変わらない方向に力がかかる。これが空気軸受けの剛性を生む原理である。
一方、小摺動軸部６の他端（スタイラス５とは反対側の端部）に、小摺動軸部６の軸方向とは直交する方向沿いに取り付けられた細長い磁性体ピン２０は、原子間力プローブ枠３にそれぞれ取り付けられた、一対のヨーク８ｂ−１，８ｂ−２と、それらのヨーク８ｂ−１，８ｂ−２がそれぞれのスタイラス側の端面に固定されかつ互いに対向配置された一対の磁石２９ａ，２９ｂと、リング状ヨーク８ａとによって、以下に説明するような磁気回路を形成している。すなわち、小エアー軸受け７の端部にそれぞれ取り付けられた、一対の磁石２９ａ，２９ｂとリング状ヨーク８ａと一対のヨーク８ｂ−１，８ｂ−２とが前記磁性体ピン２０と非接触で磁気回路を形成することにより、前記円筒形の小摺動軸部６の軸方向であるＺ方向と、そのＺ方向回りの回転方向への移動を妨げる磁力を発生させる磁力発生手段９５を構成している。このように構成すれば、一方の磁石２９ａから発生した磁束は、一方のヨーク８ｂ−１、その一方のヨーク８ｂ−１と磁性体ピン２０の一端との間に形成された一方の隙間部Ｇ１を通って磁性体ピン２０を通り、磁性体ピン２０の他端と他方のヨーク８ｂ−２との間に形成された他方の隙間部Ｇ２を通って、他方のヨーク８ｂ−２を通り、他方の磁石２９ｂから発生する磁束を加えて、リング状のヨーク８ａを通って、また一方の磁石２９ａに戻る。
磁性体ピン２０とヨーク８ｂ−１，８ｂ−２との隙間部Ｇ１，Ｇ２の近くでは、磁性体ピン２０とそれぞれのヨーク８ｂ−１，８ｂ−２とは軸方向に厚く回転方向に薄いテーパ状になって（図２Ｂ〜図２Ｄに示すように、軸方向には一定の厚みでかつ径方向には中心側から周囲に向かうに従い傾斜して幅が徐々に減少する傾斜面を有して）おり、このような形状にすることにより、回転方向の変位は強く抑制され、軸方向の変位は弱く抑制される。また、図２Ｂ〜図２Ｄに示すように、前記磁性体ピン２０と前記ヨーク８ｂ−１，８ｂ−２のそれぞれの隙間部Ｇ１，Ｇ２付近の形状を、前記磁性体ピン２０より前記ヨーク８ｂ−１，８ｂ−２を厚くしている。磁性体ピン２０の長手軸方向が上下方向に沿うように置き、かつ図２Ｂ〜図２Ｃに示したように、ピン厚０．５ｍｍ、ヨーク厚１ｍｍ、回転方向先端幅０．２ｍｍ、ギャップ０．５ｍｍにすることにより、小摺動軸部６は自重により１００ミクロン位、軸方向にずれ、磁力と釣り合っている状態となる。磁性体ピン２０の長手軸方向を上下方向と直交する横方向に沿うように置いたときは、横方向には小摺動軸部６の自重が作用しないので、磁束が一番良く通る位置で釣り合っている。
図３Ａ及び図３Ｂで、光プローブ変位検出部（光プローブ変位検出ユニット）２に取り付けられた波長７８０ｎｍの半導体レーザ３４からの半導体レーザ光ＦＬが、レンズ３２及び偏光プリズム３７及び波長板３３を通過してダイクロイックミラー１５で全反射し、レンズ１４の開口一杯に入り、レンズ１４により、磁性体ピン２０の上に固定されたミラー（Ｚミラー）９上に絞られて照射される。そして、ミラー９からの反射光は、ダイクロイックミラー１５及び偏光プリズム３７でそれぞれ全反射されて、ハーフミラー３９で２つに分岐されて、二つの焦点前後に置かれたピンホール４０をそれぞれ通過して二つの光検出器４１に入る。スタイラス５への測定力により小摺動軸部６が軸方向に動くと、ミラー９からの反射光の焦点位置が変化するので、二つの光検出器４１からの出力はフォーカス誤差信号検出部４２でフォーカス誤差信号となり、このフォーカス誤差信号に基づいて、光プローブ変位検出部２をＺ方向沿いに進退駆動するためのＺステージ駆動装置の一例として機能するＺ方向駆動装置４３によって、大エアースライド８９の可動部１１の両側の左右のコイル１３に電流を同時に流して、フォーカス誤差信号がゼロになるように光プローブ変位検出部２をＺ方向沿いに進退駆動する。
より具体的には、図４のように、それぞれのコイル１３には、上石定盤１０６側にブラケット８６などによりそれぞれ固定された大ヨーク１２と大磁石２８で形成された磁気回路の隙間部Ｇ３を貫通して電流が流れるので、Ｚ方向に電磁力がかかる。左右一対のコイル１３は、大エアースライドガイド３５によってＺ方向に案内されながら、光プローブ変位検出部２の全体をＺ方向に極めて真直度良く動かす大エアースライド可動部１１と連結されて一体となっている。
大エアースライド可動部１１の移動真直度は、超高精度三次元測定機の測定精度に直結する。その理由を説明する。本実施形態の光プローブ２Ａを搭載した超高精度三次元測定機の全体構成の一例を図５Ａに示す。
図５Ａにおいて、ＸＹＺ座標を測定するためのＸＹＺ座標測定用レーザ光発生装置の一例としての発振周波数安定化レーザ２７と、測長ユニット（Ｘ方向用レシーバー１０５、Ｙ方向用レシーバー１０４、Ｚ１方向用レシーバー１０３、Ｚ２方向用レシーバー１０２）と、大エアースライド可動部１１と、光プローブ変位検出部２とを上石定盤９６に搭載している。そして、この上石定盤９６は、光プローブ変位検出部２をＸＹ方向に移動させるＸＹ方向移動装置として機能するＸＹステージ９０、すなわち、Ｘステージ２１とＹステージ２２とによってＸＹ方向に動く。下石定盤２３上には、測定物１を載置保持する測定物保持部材９８と、Ｘ参照ミラー（Ｘ方向参照ミラー、以下単に「Ｘ参照ミラー」と称する。）２４、Ｙ参照ミラー（Ｙ方向参照ミラー、以下単に「Ｙ参照ミラー」と称する。）２５、下石定盤２３に固定された門型架台９７に固定された上Ｚ参照ミラー（Ｚ方向参照ミラー、以下単に「Ｚ参照ミラー」と称する。）２６とがそれぞれ固定されている。このような構成において、発振周波数安定化レーザ２７の光で、測定物保持部材９８に保持された測定物１の測定点の軸上でＸＹＺ方向の三枚の高平面度の参照ミラー２４，２５，２６までの距離の変位量を測長ユニットにより測定することにより、ＸＹステージ９０（Ｘステージ２１，Ｙステージ２２）の移動真直度が１ミクロンのオーダーであっても、参照ミラー２４，２５，２６の平面度である１０ｎｍオーダーの座標軸精度を得ているが、Ｚステージの一例としてのエアースライド８９の移動真直度だけはこれらの参照ミラー２４，２５，２６で補正できる構造にしていない。
理由は、特許文献３には、ＺステージにまでＸ参照ミラーとＹ参照ミラーの２枚の参照ミラーを取り付け、Ｚステージの移動真直度をも補正する構造も開示されているが、高平面度を出そうとしたら参照ミラーは重くなるし、移動のピッチング（傾き）まで補正しようとしたら各２点を測定しなければならず、構造が大変複雑になる。
ここで、ＸＹステージ９０はＸステージ２１とＹステージ２２とより構成されて、ステージが２段重ねになっており、ステージ移動による重心移動で０．０１ミクロンオーダーの真直度達成が不可能に近いが、Ｚステージの一例としてのエアースライド８９は一軸のみで重心の移動は無いので、構造の工夫により、１０ｎｍオーダーの移動真直度をなんとか実現できる。構造の工夫とは、大エアースライド８９のＺ方向大エアースライドガイド３５のガイド部の平面度と大エアースライド８９の横方向の剛性を高め、移動時に横方向に力がかからないＺ方向の支持方法及び構造と駆動方法及び構造を考えることである。
図４に示すように、Ｚステージの一例としてのエアースライド８９でのＺ方向可動部（大エアースライド可動部１１）の重心付近を、バネ材の薄板を巻いて対向させた定荷重バネ１７でＺ方向可動部の重量分を支えることにより、バネ定数をできるだけ小さくし、軽い力で上下に動かすことができる。コイル１３も光プローブ変位検出部２の左右に対称に配置し、左右のコイル１３による駆動力の合力が光プローブ変位検出部２の重心付近にかかるようにすることによって、駆動力による移動真直度悪化を防ぐことができる。
図５Ａは、特許文献３に記載された超高精度三次元測定機の構成と同様な構成を有する超高精度三次元測定機の構成の図である。図５Ｂの三次元測定機の光プローブ変位検出部１１２Ａ及びプローブ１１２に、原子間力プローブ枠３などを有する本実施形態の光プローブ変位検出部２及びプローブ２を差し込めば、図５Ａの本発明の本実施形態の超高精度三次元測定機の説明図とすることができる。つまり、一例として、図１Ａ〜図４に示す三次元測定プローブ２Ａを図５Ｂの三次元測定機のプローブ１１２Ａに置き換えれば、図５Ａに示すように本発明の本実施形態の超高精度三次元測定機のＺ方向の構成とすることができる。
本実施形態の前記測定機は、超高精度三次元測定動作を制御する制御部８８を備えている。制御部８８は、ＸＹステージ９０すなわちＸステージ２１の図示しない駆動装置とＹステージ２２の図示しない駆動装置と、Ｈｅ−Ｎｅ発振周波数安定化レーザ２７と、Ｘ方向用レシーバー１０５と、Ｙ方向用レシーバー１０４と、Ｚ１方向用レシーバー１０３と、Ｚ２方向用レシーバー１０２と、Ｚ座標演算装置の一例としての演算部８７と、フォーカスサーボ機構を有するＺ方向駆動装置４３と、半導体レーザ３４と、光検出器４１となどに接続されて、それぞれの動作制御を行なうことにより、前記超高精度三次元測定動作を制御するようにしている。
図５Ａで、発振周波数安定化レーザ（発振周波数安定化ＨｅＮｅレーザ）２７は、真空中の波長が世界長さ標準であるヨー素安定化ＨｅＮｅレーザとのビート周波数測定により発振周波数を校正された安定化レーザである。ヨー素安定化ＨｅＮｅレーザは発振周波数が４７３６１２２１４．８ＭＨｚで、不確かさは±１×１０−９（３σ）である（ＪＩＳハンドブックより）。しかし、ヨー素吸収セルを追加した大がかりな装置の為、測定機には搭載できない。また、産業上必要な加工精度／寸法は高精度であっても１０−４〜１０−５である。つまり、例えば直径１０ｍｍの軸は１〜０．１ミクロンの直径精度が通常の高精度加工であり、測定限界ということである。本発明の本実施形態に係わる非球面レンズ測定において、必要な不確かさは±１×１０−６程度であるので、これをＸＹＺ座標測定の不確かさの目標としている。また、空中での波長は温度変動１℃、あるいは、３％の気圧変化で１０−６変わる。前記測定機は、大気中で使用する。従って、ヨー素安定化ＨｅＮｅレーザを前記測定機に搭載するほどの必要性は無い。
そこで、ヨー素吸収セルを使わず、発振波長であるネオンのスペクトル線で発振周波数を安定化させた、発振周波数が４７３６１２．１２ＧＨｚ±０．３ＧＨｚ、不確かさが±５×１０−８（３σ）のコンパクトな発振周波数安定化ＨｅＮｅレーザ２７を前記測定機に搭載した。ヨー素安定化レーザと発振周波数の比較測定をしているので、この波長は世界長さ標準に対してトレーサブルである。このレーザ光ＦｚでＸＹＺ座標を測定している。
この発振周波数安定化レーザ２７から発光したレーザ光Ｆｚを、例えばＸ方向と、Ｘ方向と直交するＹ方向と、Ｘ方向及びＹ方向とそれぞれ直交するＺ１方向と、Ｘ方向及びＹ方向とそれぞれ直交するＺ２方向とに分岐し、さらに、それぞれの方向に分岐されたレーザ光Ｆｚを測定光と参照光に分岐し、それぞれの測定光をそれぞれ高平面度のＸ参照ミラー２４、Ｙ参照ミラー２５、Ｚ参照ミラー２６、Ｚミラー９に当て、それぞれの反射光と参照光を測長ユニットすなわちＸ方向用レシーバー１０５、Ｙ方向用レシーバー１０４、Ｚ１方向用レシーバー１０３、Ｚ２方向用レシーバー１０２にそれぞれ入射させ、干渉させることによってＸＹＺ座標をＸ参照ミラー２４、Ｙ参照ミラー２５、Ｚ参照ミラー２６の平面度の精度で測定することができるようにしている。ここで、Ｙ方向はＸ方向と直交する方向である。Ｚ１方向とＺ２方向とは、それぞれ、Ｘ方向及びＹ方向とそれぞれ直交するＺ方向沿いである。
発振周波数安定化レーザ２７から発光した４つのレーザ光Ｆｚは、以下のように使用される。なお、発振周波数安定化レーザ２７から発光した４つのレーザ光Ｆｚを形成するためには、レーザ光源を４個配置してもよいし、又は、１つ又は４個以下のレーザ光源を配置して、レーザ光源からのレーザ光を前記したように分岐して合計４つのレーザ光Ｆｚを形成するようにしてもよい。
発振周波数安定化レーザ２７から発光した一つ目のレーザ光Ｆｚは、Ｘ参照ミラー２４の反射面（測定物１とは反対側の面）に照射し、Ｘ参照ミラー２４の反射面で反射された反射光を光学系を経て、Ｘ座標測定装置の一例としてのＸ座標測定ユニット（Ｘ座標用レーザ測長ユニットすなわちＸ方向用レシーバー）１０５で受光して、受光されたレーザ光に基づきＸ方向用レシーバー１０５により光プローブ変位検出部２のＸ座標を測定する。ここで、Ｘ参照ミラー２４は完全な平面と見なされるので、Ｘ参照ミラー２４のＸ座標を測定することは、上石上盤９６に固定された光学系とＸ参照ミラー２４の反射面との間の距離の変位量を測定することを意味する。
同じく、発振周波数安定化レーザ２７から発光した２つ目のレーザ光Ｆｚは、Ｙ参照ミラー２５に照射し、Ｙ参照ミラー２５で反射された反射光を、Ｙ座標測定装置の一例としてのＹ座標測定ユニット（Ｙ座標用レーザ測長ユニットすなわちＹ方向用レシーバー）１０４で受光して、受光されたレーザ光に基づきＹ方向用レシーバー１０４により光プローブ変位検出部２のＹ座標を測定する。Ｙ参照ミラー２５は完全な平面と見なされるので、Ｙ座標を測定することは、上石上盤９６に固定されたミラー（図示せず）とＹ参照ミラー２５の反射面との距離の変位量を測定することを意味する。
一方、発振周波数安定化レーザ２７から発光した３つ目のレーザ光Ｆｚは、Ｚミラー９に照射され、Ｚミラー９で反射された反射光を、Ｚ２座標測定装置（Ｚ座標測定手段）の一例としてのＺ２座標測定ユニット（Ｚ２座標用レーザ測長ユニットすなわちＺ２方向用レシーバー）１０２で受光して、受光されたレーザ光に基づきＺミラー９のＺ２座標をＺ２方向用レシーバー１０２により測定する。Ｚ２座標を測定することは、３つ目のレーザ光ＦｚをＺミラー９へ入射させるために反射させる上石上盤９６に固定された反射ミラー（図示せず）の反射面からＺミラー９の反射面までの距離の変位量を測定することを意味する。
発振周波数安定化レーザ２７から発光した４つ目のレーザ光Ｆｚは、上石上盤９６に固定されたミラーで反射したのちＺ参照ミラー２６の下面である反射面で反射された反射光を、Ｚ１座標測定装置の一例としてのＺ１座標測定ユニット（Ｚ１座標用レーザ測長ユニットすなわちＺ１方向用レシーバー）１０３で受光して、受光されたレーザ光に基づきＺ１方向用レシーバー１０３により光プローブ変位検出部２のＺ１座標を測定する。Ｚ１座標を測定することは、４つ目のレーザ光ＦｚをＺ参照ミラー２６の反射面に入射させるように反射させるために上石定盤９６に固定されたミラーの反射面からＺ参照ミラー２６の反射面までの距離の変位量を測定することを意味する。
すなわち、Ｚ座標については、図３Ａ及び図３Ｂのレーザ光Ｆｚが発振周波数安定化レーザ２７からの３つ目と４つ目のレーザ光Ｆｚで以下のように測定して求める。図５Ａの上石定盤９６上にある測長ユニットの光学系からダイクロイックミラー１５を全透過し、レンズ１４により絞られてミラー９で反射したレーザ光ＦｚによりＺ２座標をＺ２方向用レシーバー１０２により測定する。ＸＹステージ９０の移動真直度は、１ミクロンのオーダーであるが、上石定盤９６上にある測長ユニットの光学系から１０ナノメートルオーダーの平面度のＺ参照ミラー２６にレーザ光Ｆｚを当て、そのＺ参照ミラー２６の反射光からＺ１座標をＺ１方向用レシーバー１０３により測定する。そして、前記（Ｚ１座標＋Ｚ２座標）を演算部８７で演算してＺ座標とすることにより、Ｚ参照ミラー２６の精度でＺ座標を測定することができる。
測定物１の三次元形状の測定開始前は、測定物１の上下のスタイラス５は測定物１の測定面Ｓから離れているので、前述のフォーカスサーボは掛けられない。光プローブ変位検出部２には、図示しないがＺ方向の位置検出器が取り付けられており、この位置検出器からの位置信号が測定機の操作部に取り付けられかつ作業者により廻される手動駆動用ダイヤル９１により変化させられる位置指令値になるよう、制御部８８による制御の下で、Ｚ方向駆動装置４３で光プローブ変位検出部２をＺ方向に移動させている（言い換えれば、作業者が手動駆動用ダイヤル９１を廻すことにより生じた入力情報に基づき、Ｚ方向駆動装置４３が駆動されて、光プローブ変位検出部２の先端が測定物１の測定面Ｓに５ｍｍ以下に近づく位置まで移動させられる）。これを「位置サーボ」と呼ぶ。
この位置サーボがかかっているときは、スタイラス５に測定力がかかっていないので、ミラー９がフォーカス位置から１０ミクロン程度、離れた位置にあるように、レンズ１４をプローブケーシング２ａに対してあらかじめＺ方向に位置調整しておく。
測定開始時は測定物１をスタイラス５の真下数ミリの位置に置き、測定機の操作部にあるフォーカススタートボタンを作業者が押すことにより前記手動駆動用ダイヤル９１に基づく手動駆動を解除して自動制御に切り替える。すると、光プローブ変位検出部２は、Ｚ方向駆動装置４３により測定面Ｓの方向にゆっくりと測定面Ｓに近づくように移動する。スタイラス５が測定物１の測定面Ｓを検知すると（スタイラス５が測定物１の測定面Ｓに触れたら）、スタイラス５の測定力によりミラー９が半導体レーザ光ＦＬの焦点方向に動くので、ミラー９が半導体レーザ光ＦＬの焦点方向に動いたことをフォーカス誤差信号の変化によりフォーカス誤差信号検出部４２で検出すると（言い換えれば、ミラー９が焦点位置付近に着いたら）、位置サーボからフォーカスサーボに切り替わり、ミラー９がフォーカス位置に来る。すなわち、フォーカス誤差信号がゼロになるまで、Ｚ方向駆動装置４３で光プローブ変位検出部２を移動させる。これがフォーカスサーボがかかった状態である。
半導体レーザ光ＦＬは、フォーカス誤差信号を感度良く検出するため、図３Ａ及び図３Ｂに示すようにレンズ１４の開口一杯に入射させるが、Ｚ座標測定用のＨｅＮｅ安定化レーザ光Ｆｚはレンズ１４の開口より細い光束径で入射させるので、焦点深度が深く、１０ミクロン程度、焦点ずれ位置にＺミラー９があっても反射光から十分にＺ座標を測定できる。
次に、測定力の設定とその理由を述べる。図７に示すスタイラス５の軸方向に働く測定力をＦとする。測定力Ｆによりミラー９がフォーカス位置にくるので、測定力Ｆは測定面Ｓの傾きに係わらず一定になる。測定力Ｆは図３Ａ及び図３Ｂのレンズ１４を上下させることにより設定できる。
測定面Ｓに垂直な方向に働く測定力はＦ／ｃｏｓθとなる。θは測定面Ｓの傾斜角度である。図７に示すようにスタイラスには（Ｆ／ｃｏｓθ）ｓｉｎθの横方向測定力がかかる。横方向測定力はθが６０度のときはＦの１．７倍、θが７５度のときはＦの３．７倍にもなる。
横方向測定力によりスタイラス５が横に傾くと測定誤差になる。これをできるだけ小さくするには、測定力をできるだけ小さくした方が良い。測定力が小さいほどスタイラス５の傾きが小さいので測定誤差は小さくなる。
また、測定力が小さいほうがスタイラス５の磨耗が少ないので、スタイラス５が長持ちする。
さらに、先端半径２ミクロンの尖ったスタイラスで樹脂等の柔らかい面を測定するときは測定面Ｓを傷つけたり、測定面変形による測定誤差を生ずる。これも測定力が小さいほど良い。経験上、傷や誤差があまり気にならない測定力は０．２ｍＮ以下である。なお、先端半径０．５ｍｍのスタイラスで測定するときはやわらかい面でも傷が付いた例は皆無である。
逆に、先端半径０．５ｍｍのスタイラスで測定するとき、測定力が小さいと表面のホコリを測定してしまう。測定力が大きいとホコリを測定せず掻き分ける。この点では測定力が大きいほうが測定しやすい。
先端半径の小さいプローブはホコリを測定しにくいが、先端を真球度良く作る事が難しい。先端の真球度が悪いと測定精度が悪くなる。これについては真球をあらかじめ測定し、データから補正することができるが手間がかかる。
可動部質量が同じなら測定力が大きいほど応答が速いので、早く測定できる。
以上の事から、現状の技術レベルを前提とすると最適な測定力が存在する。それが、０．１ｍＮ〜０．３ｍＮである。そこで、測定力は中心値０．２ｍＮと設定し、レンズ１４の位置の調整で０．１ｍＮ〜０．３ｍＮの範囲で調節可能とした。
小摺動軸部６は自重で１００ミクロン程度下がった位置から０．２ｍＮの測定力で小エアー軸受け７に対し、１０ミクロン程度移動するように設計する。なお、プローブ２Ａを横向きにおくこともでき、そのときは、自重による移動は無いが、０．２ｍＮの測定力でつりあい位置から１０ミクロン程度移動するように設計する。
測定力０．２ｍＮで小摺動軸部６が１０ミクロン程度移動した位置でフォーカスサーボを掛ける理由を述べる。
スタイラス５を含む小摺動軸部６の質量約０．２ｇに対し測定力０．２ｍＮは０．０２グラム重なので、小摺動軸部６の重量の十分の一の力で１０ミクロンだけ移動した位置でフォーカスサーボがかかることになる。
フォーカスサーボに誤差があっても、同じミラー９までの距離の変位量を発振周波数安定化ＨｅＮｅレーザ光Ｆｚで干渉により測定しているので、測定誤差にはならず、測定力の変動となるだけである。
図３Ａ及び図３Ｂに示すように、半導体レーザ光ＦＬ、はフォーカス感度が良いようにレンズ１４の開口一杯に入れているので、開口数（ＮＡ）が０．４程度、レンズ１４とミラー９の距離の変位量の変動が１ミクロン以下でフォーカスサーボを掛けることができる。すなわち、前記測定物１、または大エアースライド８９を前記Ｚ方向とそれぞれ直交しかつ互いに直交するＸＹ方向にＸＹステージ９０により移動させるとともに、前記スタイラス５が前記測定物１の形状に沿って前記Ｚ方向に移動するとき、前記Ｚ方向の変位がほぼ一定になるようにフォーカスサーボを掛けて前記大エアースライド８９をＺ方向駆動装置４３により駆動する。このときの測定力の変動は０．０２ｍＮ以下である。
発振周波数安定化ＨｅＮｅレーザ光Ｆｚは焦点深度が深くなるよう、１〜２ｍｍの光束径の半導体レーザ光ＦＬをそのままレンズ１４に入れている。そうすると、焦点深度は２０ミクロン程度となり、スタイラス５が測定物１の測定面Ｓに接していないときにミラー９の位置が１０ミクロンずれるが、問題無くレーザ測長可能となる。
スタイラス５が測定面Ｓに接していないときでもＺ座標を測定できないと連続走査により測定できない複数の測定物１を測定するとき、Ｚ座標が保存されないので、大変不便である。例えば測定力０．２ｍＮで小摺動軸部６が２０ミクロン移動するように磁力を弱い弾性係数に設計すると、スタイラス５が測定面Ｓを離れるときにミラー９の位置が２０ミクロンずれ、測長用ＨｅＮｅレーザ光Ｆｚの焦点深度をはずれ、測長が不安定となる。
また、例えば測定力０．２ｍＮで小摺動軸部６が５ミクロン移動するよう磁力を強い弾性係数に設定すると、同じようにレンズ１とミラー９の距離の変位量の変動が１ミクロン以下でフォーカスサーボを掛けても測定力の変動が大きくなるし、測定力が０．１ｍＮになるようにレンズ９の位置を調整すると小摺動軸部６が２．５ミクロンしか移動しない状態となり、サーボが不安定になる。
以上が０．２ｍＮの測定力で小摺動軸部６が１０ミクロン程度移動するように設計した理由である。
次に、小摺動軸部６のＺ方向（小摺動軸部６の軸方向）を中心とした回転方向への移動を妨げる力の必要トルクについて説明する。スタイラス先端球６１がマイクロエアスライドの軸中心に対し、組み立て公差の範囲で偏心して付いているので、スタイラス先端球６１が小摺動軸部６の軸を中心に回転すれば測定値が変わり、測定誤差になる。
従って、回転を妨げる力は強いほど良いが、そのために磁性体ピン２０を大きくすれば、小摺動軸部６の質量が大きくなってしまう。前記の理由から小摺動軸部６の質量は小さいほど良いので、磁性体ピン２０の重量は必要最小限にしたい。本発明の本実施形態においては、図１Ａ及び図１Ｂの構成にすることにより、一例として、磁性体ピン２０は厚さ０．５ｍｍ、質量１６ミリグラムと超軽量を実現した。これにより、回転方向の磁力はＴｍ＝２７４ｍＮ・ｍｍ／ｒａｄ を実現した。つまり、トルクＴｍ＝０．２７ｍＮ・ｍｍで１ｍｒａｄ だけ回転する。
次に、図１Ａ及び図１Ｂの構成で、実際の測定において、最大、どれだけのスタイラス５の回転による測定誤差が発生し得るかを検討した。
図６Ａ〜図６Ｃは、測定物１の一例としてのレンズの表面Ｓをスタイラス５で測定するときの走査方法を図示している。図６Ａのようにレンズ１の表面Ｓにおいてレンズ１の中心を通るラインをスタイラス５で測定する事を「軸上測定」、図６Ｂのようなレンズ１の表面Ｓの全面走査を「面上測定」、図６Ｃのようにレンズ１の表面Ｓを同心円状に走査することを「円周測定」とそれぞれ名づけている。レンズ１は回転対称でないものもあるし、本発明の本実施形態では回転対称なレンズに限っているわけでもないが、スタイラス５にかかる回転トルクの解析は、これでできる。
スタイラス５にかかる回転トルクは、スタイラス５のレンズ１の表面Ｓに対する測定力により発生する。図７のように、半径ｒのスタイラス先端球６１に軸方向測定力Ｆがかかっているとすると、測定面Ｓに垂直な方向にＦ／ｃｏｓθ、 横方向には（Ｆ／ｃｏｓθ）ｓｉｎθの測定力がかかる。
図８は、図７のスタイラス先端球６１が測定面Ｓに接した高さにおける断面を上から見た図である。なお、理解しやすくするため、図８及び図９での断面ハッチングは省略している。従って、スタイラス先端球６１の半径ｒに対し、図８の円の半径はｒｓｉｎθとなる。測定面Ｓに平行な方向にマイクロエアスライドの軸中心がずれているとき、最大の測定誤差が発生する。図８はその状態を示す。図９のようにマイクロエアスライドの軸中心が測定点から最も遠い位置にあるとき、円周測定ではスタイラス５に最大の回転トルクが働くが、図９の破線位置にスタイラス先端球６１が移動しても測定値はほとんど変わらない。つまり、測定誤差にはならない。
前記した軸上測定では、図８の左右方向へのみスタイラス５が動くので、図８の紙面の上下方向の摩擦は無いので回転トルクは
（数２）
軸上測定回転トルク Ｔ＝偏心量×横方向測定力 ・・・ （２）

となる。円周測定時と前記面上測定でスタイラス先端球６１の縁を傾斜していない方向に走査測定するときには、測定力に加えて摩擦力がかかるので、
（数３）
円周測定回転トルク Ｔ＝偏心量×横方向測定力＋ｒｓｉｎθ×測定力×摩擦係数 ・・・ （３）

となる。
回転を止める磁力は、前述のように、Ｔｍのトルクで１ｍｒａｄだけ回転するので、回転角はＴ／Ｔｍ（ｍｒａｄ）、求めたい横方向測定誤差Ｅは回転角×偏心量なので
（数４）
Ｅ＝偏心量×Ｔ／Ｔｍ ・・・ （４）

偏心量を０．１ｍｍ、Ｆ＝０．３ｍＮ、横方向測定力は（Ｆ／ｃｏｓθ）ｓｉｎθ、ｒ＝０．５ｍｍ、測定力はＦ／ｃｏｓθ、摩擦係数を０．５、前述のように、Ｔｍ＝０．２７ｍＮ・ｍｍ／ｍｒａｄ、θを６０度と７５度の２通りで横方向測定誤差を計算した。
計算結果をまとめると、表１のようになった。
Figure 2008151748
傾斜角度６０度までの軸上測定が一般的な測定であり、そのときの誤差は０．０２ミクロン以下と超高精度測定可能なレベルとなる。また、測定力を０．２ｍＮにすると最大測定誤差はこの２／３倍に減り、スタイラス５の偏心を０．０５ｍｍ以下に抑え込めば、最大誤差はさらに半分になるので、そのときは、７５度の円周測定でも、横方向の誤差０．０５ミクロン以内と、超高精度測定が可能なレベルとなる。
スタイラス先端球６１には、真球度の良い直径１ｍｍのルビー球や、先端が２ミクロンの半径の球面に加工されたダイヤ等が付けられている。例えば、レンズ１の測定には直径１ｍｍのルビー球を使用する一方、測定物１の表面が回折格子のように微細加工されたものを測定するときはダイヤを使用するといったように、スタイラス５は交換が必要である。
スタイラス５の交換は、特許文献２と同様に、図１１のように、スタイラス５に形成されたネジ３６０を小摺動軸６に加工されたメネジ３５９に締め入れることにより、取外し可能に取付けることができて、交換が可能である。ネジ締め、取り外し時には、スタイラス５を小摺動軸部６に押し付けた後、回転させる必要がある。
図１Ａ及び図１Ｂと図２Ａでは、小摺動軸部６の基端側の端面（磁性体ピン２０が配置されている側の端面）には非磁性体のストッパー３０が貼り付けてあり、スタイラス５を小摺動軸部６に押し付けたときには、ストッパー３０が原子間力プローブ枠３に固定された環状の当て部３６に当たり、スタイラス５のねじ（図１１のメネジ３６０参照）を回すときは、ストッパー３０が、小摺動軸部６の基端側の端面に固定された回転止めピン３１に当たって小摺動軸部６の回転を止める。言い換えれば、前記小エアー軸受け部７Ａに対する前記小摺動軸部６の前記Ｚ方向と前記Ｚ方向を軸とした回転方向への移動を妨げる磁力を超えた力が、前記小摺動軸部６の前記Ｚ方向、又は前記Ｚ方向を軸とした前記回転方向にかかったときの前記小摺動軸部６の過度の移動を非磁性体のストッパー３０により止めるようにしている。このため、スタイラス５のみが小摺動軸部６に対して回転可能となり、スタイラス５に形成されたネジ３６０を、小摺動軸６に加工されたメネジ３５９に対して回転させてメネジ３５９から取り外すことができる。一方、別のスタイラス５を小摺動軸６に取り付けるときには、スタイラス５を小摺動軸部６に押し付けてストッパー３０を回転止めピン３１に当てて小摺動軸部６の回転を止めた状態で、スタイラス５に形成されたネジ３６０を、小摺動軸６に加工されたメネジ３５９に入れて回転させることにより、ネジ３６０をメネジ３５９にねじ込むことができる。なお、通常測定時には、ストッパー３０と当て部３６、ストッパー３０と回転止めピン３１とはそれぞれ十分に離れており、互いに接触することはないため、測定に何ら支障はない。
なお、この実施形態においては、リング状ヨーク８ａを使っている。この方が優れてはいるが、必ずしもリング状でなくてはならないわけではなく、たとえばリングの片方が欠けていても使えないわけではない。
また、この実施形態においては、前記磁性体ピン２０と前記ヨーク８ｂ−１，８ｂ−２の隙間部付近の形状を、前記軸方向には厚く、回転方向には薄いテーパ状とした。この方が優れてはいるが、必ずしもテーパ状でなくてはならないわけではなく、円錐状や角錐状でも使えないわけではない。
また、この実施形態においては、半導体レーザ光Ｆｚで前記小摺動軸部６のＺ方向の前記光プローブ変位検出部２に対する変位量を検出している。他の方法としては、たとえば、静電容量センサーや発光ダイオードの光を使用した三角測距法で変位を検出しても良い。
また、この実施形態においては、発振周波数安定化レーザ光Ｆｚをミラー９に照射、反射光から前記ミラー９のＺ座標を測定するとした。この方が優れてはいるが、これに限定されるものではなく、たとえば、Ｚ座標はリニアスケールで測定する構成にすることも可能である。
また、この実施形態においては、回転止めストッパー３０と回転止めピン３１を使用してスタイラス５の小摺動軸部６に対する回転止めを行うようにしている。この場合、スタイラス５を小摺動軸部６にねじ込んでいるが、これに限定されるものではなく、スタイラス５か小摺動軸部６の穴にばねを付け、差し込み固定にする事や、小摺動軸部６とスタイラス５を一体加工する事も可能で、その場合は回転止めと回転止めピンが不要である。
また、この実施形態においては、Ｚステージは、Ｚ方向大エアースライドガイド３５と大エアースライド可動部１１とより構成される大エアースライド８９すなわちエアー軸受けで構成されている。しかしながら、これに限定されるものではなく、性能が落ちるが、ローラーガイドやオイル軸受け等で構成することも可能である。
また、この実施形態においては、Ｚステージ駆動手段は、Ｚ方向駆動装置４３すなわちコイル１３と磁気回路で構成されている。この方が優れてはいるが、これに限定されるものではなく、ボールねじ送りにすることも可能である。
また、この実施形態においては、大エアースライド８９の大エアースライド可動部１１（Ｚ方向可動部）を定荷重バネで支持しているが、これに限定されるものではなく、Ｚ方向を横方向にすれば定荷重バネは不要となる。
なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
本発明の三次元測定プローブは、測定物の下からでも横からでも０．０１ミクロンのオーダーの超高精度で測定できるので、前後面を同時に測定する事により非球面レンズの傾き偏心を超高精度に測定できる。また、壊れにくく長寿命となり、現場で簡単に頻繁に使用できるといった効果を有し、測定できなければ作れない非球面レンズのさらなる高精度化と生産歩留り向上を実現し、小型高画質化するデジタルカメラ、ムービー、カメラ付携帯電話、大容量化する光ディスク等の非球面レンズ内蔵商品の性能向上とコストダウンに貢献できる。さらに、幅広く、医療機器、自動車の歯車、ナノテクやマイクロマシンの研究開発用途にも適用可能性がある。
本発明の実施形態における三次元測定プローブの要部拡大図 本発明の前記実施形態における三次元測定プローブの要部拡大図 本発明の前記実施形態における三次元測定プローブの要部に原子間力プローブ枠を付けた図 本発明の前記実施形態における三次元測定プローブの要部であって、リング状のヨークと磁性体ピン２０との関係を示す斜視図 本発明の前記実施形態における三次元測定プローブの要部であって、リング状のヨークとは異なる他方のヨークの先端と磁性体ピン２０の先端との関係を示す底面図 本発明の前記実施形態における三次元測定プローブの要部であって、リング状のヨークとは異なる他方のヨークの先端と磁性体ピン２０の先端との関係を示す側面図 本発明の前記実施形態における三次元測定プローブの上側の光プローブ変位検出部を含めた概略構成説明図 本発明の前記実施形態における三次元測定プローブの下側の光プローブ変位検出部を含めた概略構成説明図 本発明の前記実施形態における三次元測定プローブのＺ方向の構成図 本発明の前記実施形態における三次元測定プローブを取り付けることができる超高精度三次元測定機の構成図 特許文献３に記載された超高精度三次元測定機の構成図 本発明の前記実施形態における三次元測定プローブの測定経路を示す説明図 本発明の前記実施形態における三次元測定プローブの測定経路を示す説明図 本発明の前記実施形態における三次元測定プローブの測定経路を示す説明図 本発明の前記実施形態における三次元測定プローブの測定力に関する説明図 測定力によりスタイラス回転誤差発生の説明図 測定力によるスタイラス回転誤差が発生しないときの説明図 特許文献１に記載された従来の三次元測定プローブの構成図 特許文献２に記載された従来の三次元測定プローブの構成図 特許文献４に記載された従来の接触式プローブの構成図 特許文献４に記載された従来の接触式プローブの要部説明図 特許文献５に記載された従来の静圧軸受け装置及び変位測定装置の構成図 特許文献５に記載された従来の静圧軸受け装置及び変位測定装置の構成図
符号の説明
１ 被測定物
２ 光プローブ変位検出部
２Ａ 光プローブ
３ 原子間力プローブ枠
４ 空気吹出口
５ スタイラス
６ 小摺動軸部
７ 小エアー軸受け
７Ａ 小エアー軸受け部
８ａ，８ｂ−１，８ｂ−２ ヨーク
９ Ｚミラー
１０ 空気排出口
１１ 大エアースライダー可動部
１２ 大ヨーク
１３ コイル
１４ レンズ
１５ ダイクロイックミラー
１６ ミラー
１７ 定荷重ばね
１８ 空気溜め部
１８ａ 先端側の環状凹部
１８ｂ 凹部
１８ｃ 基端側の環状凹部
１９ 小エアー軸受け外壁
１９ａ 先端側のフランジ部
１９ｂ 中間部
１９ｃ 基端側のフランジ部
２０ 磁性体ピン
２１ Ｘステージ
２２ Ｙステージ
２３ 下石定盤
２４ Ｘ参照ミラー
２５ Ｙ参照ミラー
２６ Ｚ参照ミラー
２７ Ｈｅ−Ｎｅ発振周波数安定化レーザ
２８ 大磁石
２９ａ，２９ｂ 磁石
３０ ストッパー
３１ 回転止めピン
３２ レンズ
３３ 波長板
３４ 半導体レーザ
３５ 大エアースライドガイド
３６ 当て部
３７ 偏光プリズム
３８ レンズ
３９ ハーフミラー
４０ ピンホール
４１ 光検出器
４２ フォーカス誤差信号検出部
４３ Ｚ方向駆動装置
４７ Ｚ駆動ネジ
４８ エアーチューブ
５３ バネ受け球
５９ メネジ
６０ ネジ
６１ スタイラス先端球
６２ エアースライド
６３ Ｚ座標測定ユニット
８６ ブラケット
８７ 演算部
８８ 制御部
８９ 大エアースライド
９０ ＸＹステージ
９６ 上石定盤
９７ 門型架台（Ｚ参照ミラー保持部）
１０２ Ｚ２方向用レシーバー
１０３ Ｚ１方向用レシーバー
１０４ Ｙ方向用レシーバー
１０５ Ｘ方向用レシーバー

Claims (10)

  1. 一端に測定物の表面に接するスタイラスを設けるとともに、他端に磁性体ピンを設けた円筒形の小摺動軸部と、
    この小摺動軸部と嵌合する円筒形の穴が形成され、この小摺動軸部との隙間に圧縮空気の膜を形成する空気吹き出し部を有する小エアー軸受け部と、
    この小エアー軸受け部の端部に配置された磁石と複数のヨークが前記ピンと非接触で磁気回路を形成することにより、前記円筒形の小摺動軸部の軸方向であるＺ方向と、前記Ｚ方向の回りの回転方向への移動を妨げる磁力を発生させる磁力発生手段と、
    前記小エアー軸受け部に対する前記小摺動軸部の前記Ｚ方向の変位を検出する変位検出手段と、
    前記小エアー軸受け部の前記Ｚ方向への移動を案内するＺステージと、
    前記測定物、または前記Ｚステージを前記Ｚ方向とそれぞれ直交しかつ互いに直交するＸＹ方向に移動させるとともに、前記スタイラスが前記測定物の形状に沿って前記Ｚ方向に移動するとき、前記Ｚ方向の変位がほぼ一定になるように前記Ｚステージを駆動するＺステージ駆動装置と、
    を備える三次元測定プローブ。
  2. 前記複数のヨークのうちの少なくとも１つのヨークはリング状のヨークであることを特徴とする請求項１に記載の三次元測定プローブ。
  3. 前記ピンと前記ヨークの隙間部付近の形状を、前記Ｚ方向には厚く、前記回転方向には薄いテーパ状とした請求項１〜２のいずれか１つに記載の三次元測定プローブ。
  4. 前記ピンと前記ヨークの隙間部付近の形状を、前記ピンより前記ヨークを厚くした請求項１〜３のいずれか１つに記載の三次元測定プローブ。
  5. 前記変位検出手段は、
    前記小エアー軸受け部と一体で固定されてレーザ光を発光する半導体レーザと、前記小摺動軸部に配置されかつ前記半導体レーザからの前記レーザ光が照射されて反射させるミラーと、前記半導体レーザからの前記レーザ光を前記ミラーに集光するレンズと、前記ミラーからの反射光を受光する光検出器とを少なくとも含む光プローブ変位検出部により構成し、
    前記半導体レーザからの前記レーザ光を、前記ミラーに照射し、前記ミラーからの反射光を前記光検出器で受光し、この光検出器の出力信号から前記Ｚ方向の変位を検出する構成とした請求項１〜４のいずれか１つに記載の三次元測定プローブ。
  6. 発振周波数安定化レーザ光を前記変位検出手段の前記ミラーに照射し、前記ミラーで反射した反射光から前記ミラーのＺ座標を測定するＺ座標測定手段をさらに備える請求項５に記載の三次元測定プローブ。
  7. 前記小エアー軸受け部に対する前記小摺動軸部の前記Ｚ方向と前記Ｚ方向を軸とした回転方向への移動を妨げる磁力を超えた力が、前記小摺動軸部の前記Ｚ方向、又は前記Ｚ方向を軸とした前記回転方向にかかったときの前記小摺動軸部の過度の移動を止めるための非磁性体のストッパーを設けた請求項１〜６のいずれか１つに記載の三次元測定プローブ。
  8. 前記Ｚステージはエアー軸受けで構成された請求項１〜７のいずれか１つに記載の三次元測定プローブ。
  9. 前記Ｚステージ駆動装置は、前記Ｚステージに連結されたコイルと、前記コイルに電流を流して前記Ｚステージを前記Ｚ方向に駆動する磁気回路で構成された請求項１〜８のいずれか１つに記載の三次元測定プローブ。
  10. 前記Ｚステージの可動部を、その重量にほぼ等しい張力を発生する渦巻き状に巻かれた薄板よりなる定荷重バネで支持された請求項１〜９のいずれか１つに記載の三次元測定プローブ。
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