JP2009002734A

JP2009002734A - 三次元測定プローブ

Info

Publication number: JP2009002734A
Application number: JP2007162476A
Authority: JP
Inventors: Takanori Funahashi; 隆憲舟橋; Keiichi Yoshizumi; 恵一吉住
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2007-06-20
Filing date: 2007-06-20
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2027-06-20
Also published as: JP5154149B2

Abstract

【課題】磁気浮上式プローブでは、空気軸受けで保持されたスタイラス部が、完全非接触で、保持されているため、スタイラスが非測定物と接触していないときに、振動しやすく、スタイラス部の上下位置を検出するレーザ計測が出来なくなる場合があるので、低振動で安定して測定できる三次元測定プローブを提供する。
【解決手段】三次元測定プローブの磁気発生手段を、透明板で密閉構造とするとともに、その一部に小径穴を設け、空気流れのダンパ効果により、振動低減を行なう。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、測定物の一例として主に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プローブであって、一例として、測定範囲が、小さいものでＸＹＺが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一例として０度から任意方向に７５度といった高傾斜部まで、連続走査により一例としてプローブ軸方向の測定力０．１〜０．３ｍＮといった低測定力で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って、さらには、前記非球面レンズ等の形状を上下から、あるいは左右から同時に測定する事により、前後の面の傾き偏心等も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、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。この測定機により測定し、測定結果を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。

さらに、非球面レンズを、従来は上からしか測定できなかったため、非球面レンズの上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。そこで、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１２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軸方向に移動可能で、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の光をミラー３０９に集光、反射させ、小摺動軸部３０６の光プローブ部３０２に対する変位が一定になるよう光プローブ部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。半導体レーザ光３３４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までの距離を直接、発振周波数安定化レーザＦｚをミラー３０９に当て、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。

また、図１３Ａ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。

また、図１３Ｂ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３２７と測長光学系とＺスライド３１１と光プローブ３０２を搭載した上石定磐４０６は、ＸＹ軸ステージ３２１、３２２によってＸＹ軸方向にそれぞれ動く。下石定盤３２３上にＸ参照ミラー３２４、Ｙ参照ミラー３２５、下石定盤３２３に固定された門型架台４０７に固定された上Ｚ参照ミラー３２６が固定され、測定物４０１の測定点の軸上で発振周波数安定化レーザによりこれらの高平面ミラー（Ｘ，Ｙ，Ｚ参照ミラー３２４，３２５，３２６）までの距離を測定することにより、ＸＹ軸ステージ３２１、３２２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３２４，３２５，３２６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３１２のみがついている。

さらに、図１４Ａ〜図１４Ｃは特許文献４に記載された接触式プローブを示す。前記板バネのかわりに、永久磁石７２と鉄心７５で構成する磁気回路で発せられる磁気により、小摺動軸（プローブシャフト）７０を非接触で保持することを可能にしている。すなわち、箱形状のヨーク７１は、プローブシャフト７０に固定された永久磁石７２、鉄心７５を囲み、磁気回路を構成するようにしている。

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２００６−９８０６０号公報（第２３頁、図２）

以下に、本発明が解決しようとする課題を述べる。

まず、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。

測定力が大きい場合には、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場合に測定面にスタイラスを追随させるためには、スタイラスの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、測定面の傾斜角度が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、
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、小摺動軸部の可動部質量０．２グラム台を実現している。

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軸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、前記（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。

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１３Ａでわかるように、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、このプローブを横向きにおくと、板バネ３１５は球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、上から吊るす構成であるため、測定物を上から下向きにしか測定できない。上からしか測定できなければ、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３６０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３１５はエアー軸受け部に接着することもできない。

また、板バネ３１５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二の課題である。

前記課題を解決する方法として、前記板バネの代わりに、磁気回路を用いて構成し、スタイラスを重力に対し、浮上させるとともに、Ｚ軸方向に弱いバネ定数をもたせることが考えられる。

また、特許文献４は、図１４Ａ〜図１４Ｃに示すように、プローブシャフト７０が、空気軸受７７によりハウジング７６に非接触で保持されている。プローブシャフト７０の上部のホルダ７４には、永久磁石７２と鉄心７５を備え、ハウジング７６に固定されたヨーク７１とからなる磁気回路で、プローブシャフト７０を上下方向に保持する構成になっている。

このような磁気回路による構成では、スタイラス７８を完全非接触で保持するため、精度が良く、また、非常に薄い板バネを使用することが無いので、こわれにくいという利点がある。

しかしながら、欠点として、非接触でのスタイラス７８の保持のため、摩擦がなく外乱によりスタイラス７８に振動が発生しやすい。測定時は測定物８１とスタイラス７８が接触し、その摩擦力により振動はスタイラス７８に発生しにくいが、非測定時にスタイラス７８が完全非接触状態になり、外乱による振動をスタイラス７８が受けやすい。非測定時の振動が問題になるのは、複数の測定物の測定中に、測定物とスタイラス７８が非接触になるときがあるので、その非接触時にもＺ座標の読み取りを可能にする必要があるためである。文献１，２においては、２０μｍの振幅の振動がＺ座標の読み取りに影響することになる。また、スタイラス７８が測定物８１に対し、非接触状態から、接触状態に安定して移行するためにも、非接触時の振動を抑える必要がある。特に測定物８１が柔らかい材質の場合、スタイラス７８の接触時の衝撃により、測定物８１に傷がつく場合もある。

また、図５は、本発明による振動対策を行なっていない場合の磁気浮上式の三次元測定プローブを用いて、スタイラスが、測定物に対して接触状態から非接触状態に移ったときの、スタイラスの振動の状態を示す。この図５のように２０μｍ以上の振動により、スタイラスのＺ位置を測定するレーザ測長が不安定になる場合がある。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、空気軸受けと磁気回路により構成された三次元測定プローブにおいて、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た三次元測定プローブにおいて、非球面レンズの形状等を上からでも下からでも左右の横からでも測定可能にするとともに、低振動で安定して測定できる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、本発明は以下のように構成する。

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、他端に磁性体で作られたピンを設けた小摺動軸部と、
この小摺動軸部と嵌合する穴が形成され、この小摺動軸部との隙間部に圧縮空気の膜を形成する空気噴出し部を有してプローブ枠に組み込まれる小エアー軸受け部と、
この小エアー軸受け部の端部に取り付けられた磁石と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、前記小摺動軸部の軸方向であるＺ軸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を備えて、
前記プローブ枠内の前記磁力発生手段が収納されている空気流制限用空間部を大略閉塞された閉塞空間とする透明板を前記プローブ枠に設けるとともに前記閉塞空間の一部が前記プローブ枠外と連通する小径穴を有する空気流制限部材を設けることにより、前記空気流制限用空間部での空気流れを制限して前記小摺動軸部の振動に対する減衰比を０．００７以上にすることを特徴とする三次元測定プローブを提供する。

また、本発明の第２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Ｚ軸方向変位を検出する変位検出手段と、
前記小エアー軸受け部をＺ軸方向に移動させるＺ軸ステージと、
前記測定物、または前記Ｚ軸ステージをＸＹ軸方向に移動させる形状測定時に、前記スタイラスが前記測定物の形状に沿ってＺ軸方向に移動することにより発生する前記Ｚ軸方向変位がほぼ一定になるように前記Ｚ軸ステージを駆動するＺ軸ステージ駆動装置とをさらに備えた第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、前記変位検出手段は、前記小摺動軸部に形成されたミラーと、前記小エアー軸受け部と一体で固定されかつ半導体レーザとレンズと光検出器を少なくとも含んだ光プローブと、この光プローブの前記半導体レーザから発せられたレーザ光を、前記レンズを介して前記透明板を通して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軸方向変位を検出する構成とした第２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４態様によれば、発振周波数安定化レーザ光を発する発振周波数安定化レーザと、
前記発振周波数安定化レーザから発せられた前記発振周波数安定化レーザ光を前記透明板を通して前記ミラーに照射し、前記ミラーからの反射光から前記ミラーのＺ座標を測定する手段とをさらに備えた第３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Ｚ軸ステージはエアー軸受けで構成された第１〜４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６態様によれば、前記Ｚ軸ステージ駆動手段はコイルと磁気回路で構成された第１〜５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７態様によれば、前記Ｚ軸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１〜６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８態様によれば、前記空気流制限部材は、前記閉塞空間である空気流制限用空間部の一部が前記プローブ枠外と連通する連通路の開口を閉じるキャップであり、かつ、前記小摺動軸部の振動に対する減衰比を０．００７以上にするとともに、前記空気流制限用空間部の圧力を４００Ｐａ以下にするために、前記キャップに形成する小径穴の直径を０．０５ｍｍ以上、０．６ｍｍ未満とし、その個数を１個以上６０個以下とすることを特徴とする第１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９態様によれば、前記空気流制限部材は、前記閉塞空間である空気流制限用空間部の一部が前記プローブ枠外と連通する連通路の開口を閉じるキャップであり、かつ、前記小摺動軸部の振動に対する減衰比を０．００７以上にするとともに、前記空気流制限用空間部の圧力を４００Ｐａ以下にするために、前記小径穴の代わりに、多孔質材を用いて空気の流れを制限するように構成されていることを特徴とする第１の態様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、軸方向の移動を非接触で制限することができる三次元測定プローブにおいて、前記磁力発生手段が構成されている部分の空気流制限用空間部での空気の流れを、空気流制限部材で制限することにより、小摺動軸部の振動時にエネルギー損失が生じ、小摺動軸部の振動を減衰させることができて、小摺動軸部の振動を抑えることができる。よって、測定物に対して非接触時の小摺動軸部の振動を抑えることができて、安定した測定が可能になる。

この結果、前記三次元測定プローブを一対用意して測定物の一例としての非球面レンズの表裏面に配置して非球面レンズの表裏面を同時に測定することによって、表裏面の傾き偏心を超高精度に安定して測定することができるようになる。また、前記三次元測定プローブでは、前記小摺動軸部の軸方向であるＺ軸方向への移動を妨げる磁力を前記磁力発生手段で発生させるようにしているので、板バネを使用する必要がなく、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が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。

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。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態）
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の実施の形態における三次元測定プローブ２Ａの断面図を示す。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。測定物１の上下の表面Ｓを同時に測定するときには、図１Ａのプローブ２Ａと図１Ｂのプローブ２Ａとを同時的に測定物１の上下の表面Ｓに接触させればよい。図示しないが、横（例えば左右両側）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２Ａは、本発明の前記実施形態における図１Ａの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上側の光プローブ部を含めた構成説明図である。図２Ｂは、本発明の前記実施形態における図１Ｂの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下側の光プローブ部（上側の光プローブ部と同一構造。）を含めた構成説明図である。図３は、前記実施形態における三次元測定プローブの光プローブ変位検出部２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、図４の測定物保持部材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１Ｂに示すプローブ２Ａを測定物１の下方に配置して、上側のプローブ２Ａとは独立して下側のプローブ２Ａ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、スタイラス５に連結された円筒形の小摺動軸部６と、小エアー軸受け部７と、磁力発生手段９５とを少なくとも備えるとともに、さらに、プローブ２Ａが装着可能でかつ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軸ステージの一例として機能する大エアースライド（Ｚ軸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軸ステージ駆動手段の一例として機能するＺ軸方向駆動装置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、磁性体ピン２０の上に固定されたミラー（Ｚミラー）９と、プローブ枠３に取付リング３ｒを介して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軸方向全体を動かすＺ軸方向駆動装置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」の言葉の意味を説明しておく。小摺動軸部６が小エアー軸受け部７の中を動くが、小摺動軸部６と小エアー軸受け部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、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軸は微小な測定力で動く小摺動軸部６の小エアー軸受け部７を含む光プローブ部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８９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、前記（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、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。

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の表面に接するスタイラス先端球６１が付いたスタイラス５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おり、これと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軸方向（小摺動軸部６の軸方向）には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、周方向に所定間隔毎に軸方向に延びた凹部を有するとともに前記凹部と連通しかつ軸方向の上下端部に配置された環状凹部を有する小エアー軸受け外壁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を形成することができる。空気溜め部１８には、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２Ａ及び図２Ｂに示すチューブ４８で送り込まれた圧縮空気は、空気溜め部１８に入り、小エアー軸受け７に形成されかつ空気噴出し部として機能する空気噴出し口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圧縮空気の膜を形成し、この隙間を通って小摺動軸部６の中間部に対向するように径方向に貫通して所定間隔毎に小エアー軸受け７に形成された空気噴出し部として機能する空気排出口１０と小摺動軸部６の上下端部（先端部と基端部）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噴出し口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と前記小摺動軸部６の上下端部（先端部と基端部）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、図１Ａでは上端部、図１Ｂでは下端部）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に取付リング３ｒを介して取り付けられた、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、取付リング３ｒには、予め、小エアー軸受け７の他端（スタイラス５とは反対側の端部、図１Ａでは上端部、図１Ｂでは下端部）に近い側から遠い側ら向けて、一対のヨーク８ｂ−１，８ｂ−２と一対の磁石２９ａ，２９ｂとリング状ヨーク８ａとが固定されている。このように内側に一対のヨーク８ｂ−１，８ｂ−２と一対の磁石２９ａ，２９ｂとリング状ヨーク８ａとが固定された取付リング３ｒを、原子間力プローブ枠３の小エアー軸受け７の他端（スタイラス５とは反対側の端部、図１Ａでは上端部、図１Ｂでは下端部）側に備えられた凹部３ｇに取り付けている。この結果、一対のヨーク８ｂ−１，８ｂ−２が、小エアー軸受け７の端部に取り付けられた磁性体ピン２０に隙間部Ｇ１，Ｇ２をあけて対向するように位置することになる。また、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軸方向と、そのＺ軸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２Ｃ〜図２Ｅ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２Ｃ〜図２Ｅ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２Ｃ〜図２Ｅ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。よって、磁性体ピン２０の長手軸方向が上下方向に沿うように置いたときは、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横に置いたときは、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２Ａ及び図２Ｂで光プローブ部（光プローブ変位検出ユニット）２のプローブケーシング２ａ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Ｆ_Ｌ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での反射光は、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、レンズ３８を通過したのち、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。スタイラスへ５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軸方向沿いに進退駆動するためのＺ軸ステージ駆動装置の一例として機能するＺ軸方向駆動装置４３によって、大エアースライド８９の可動部（大エアースライド可動部）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軸方向沿いに進退駆動する。

より具体的には、図３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軸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軸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軸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５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４に示す。

図４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軸方向用レシーバー１０５、Ｙ軸方向用レシーバー１０４、Ｚ_１軸方向用レシーバー１０３、Ｚ_２軸方向用レシーバー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１０６に搭載している。そして、この上石定盤１０６は、光プローブ変位検出部２をＸＹ軸方向に移動させるＸＹ軸方向移動装置として機能するＸＹ軸ステージ９０、すなわち、Ｘ軸ステージ２１とＹ軸ステージ２２とによってＸＹ軸方向に動く。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軸方向参照ミラー、以下単に「Ｘ参照ミラー」と称する。）２４、Ｙ参照ミラー（Ｙ軸方向参照ミラー、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１０７に固定された上Ｚ参照ミラー（Ｚ軸方向参照ミラー、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の表面Ｓの測定点の軸上でＸＹＺ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軸ステージ９０（Ｘ軸ステージ２１，Ｙ軸ステージ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軸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。このため、Ｚ軸ステージの移動真直度が座標軸精度となっている。

図３に示すように、Ｚ軸ステージの一例としてのエアースライド８９でのＺ軸方向可動部（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軸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４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。この超高精度三次元測定機の光プローブ２Ａの下に原子間力プローブ枠３を差し込めば、本発明の本実施形態のプローブ２Ａを使用することができる超高精度三次元測定機とすることができる。つまり、一例として、図１〜図３に示す三次元測定プローブ２Ａを図４の本発明の本実施形態の超高精度三次元測定機のＺ軸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軸ステージ９０すなわちＸ軸ステージ２１の図示しない駆動装置とＹ軸ステージ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軸方向用レシーバー１０５と、Ｙ軸方向用レシーバー１０４と、Ｚ_１軸方向用レシーバー１０３と、Ｚ_２軸方向用レシーバー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軸方向駆動装置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。

４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軸方向と、Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向と、Ｘ軸方向及びＹ軸方向とそれぞれ直交するＺ_１軸方向と、Ｘ軸方向及びＹ軸方向とそれぞれ直交するＺ_２軸方向とに分岐し、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軸方向用レシーバー１０５、Ｙ軸方向用レシーバー１０４、Ｚ_１軸方向用レシーバー１０３、Ｚ_２軸方向用レシーバー１０２に入射させ、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軸方向はＸ軸方向と直交する方向である。Ｚ_１軸方向とＺ_２軸方向とは、それぞれ、Ｘ軸方向及びＹ軸方向とそれぞれ直交するＺ軸方向沿いである。なお、Ｚ_１軸方向は、図４におけるＺ参照ミラー２６に向かってレーザ光Ｆｚが進む方向で、Ｚ_２軸方向は、図４におけるスタイラス５の上部に設けられたミラー（図１ＡのＺミラー９）に向かってレーザ光Ｆｚが進む方向である。

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軸方向用レシーバー）１０５で受光して、受光されたレーザ光に基づきＸ軸方向用レシーバー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１０６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軸方向用レシーバー）１０４で受光して、受光されたレーザ光に基づきＹ軸方向用レシーバー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１０６に固定されたミラー（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、Ｚ_２座標測定装置（Ｚ座標測定手段）の一例としてのＺ_２座標測定ユニット（Ｚ_２座標用レーザ測長ユニットすなわちＺ_２軸方向用レシーバー）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Ｚ_２座標をＺ_２軸方向用レシーバー１０２により測定する。Ｚ_２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１０６に固定された反射ミラー（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１０６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、Ｚ_１座標測定装置の一例としてのＺ_１座標測定ユニット（Ｚ_１座標用レーザ測長ユニットすなわちＺ_１軸方向用レシーバー）１０３で受光して、受光されたレーザ光に基づきＺ_１軸方向用レシーバー１０３により光プローブ変位検出部２のＺ_１座標を測定する。Ｚ_１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１０６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、２Ａ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。４の上石定盤１０６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Ｚミラー９で反射したレーザ光ＦｚによりＺ_２座標をＺ_２軸方向用レシーバー１０２により測定する。ＸＹ軸ステージ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１０６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Ｚ_１座標をＺ_１軸方向用レシーバー１０３により測定する。そして、前記（Ｚ_１座標＋Ｚ_２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、示しないがＺ軸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（示せず）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軸方向駆動装置４３で光プローブ変位検出部２をＺ軸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を廻すことにより生じた入力情報に基づき、Ｚ軸方向駆動装置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、Ｚ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軸方向に調整しておく。

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（示せず）を作業者が押すことにより前記手動駆動用ダイヤル（示せず）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軸方向駆動装置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に触れると）、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Ｆ_Ｌの焦点方向に動くので、ミラー９が半導体レーザ光Ｆ_Ｌ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で検出し（言い換えれば、ミラー９が焦点位置付近に着き）、次いで、位置サーボからフォーカスサーボに切り替わり、Ｚ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軸方向駆動装置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Ｆ_Ｌは、フォーカス誤差信号を感度良く検出するため、２Ａ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２Ｆ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３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２Ｆに示すようにスタイラス５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２Ａ及び図２Ｂに示すように、半導体レーザ光Ｆ_Ｌ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軸方向とそれぞれ直交しかつ互いに直交するＸＹ軸方向にＸＹ軸ステージ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軸方向に移動するとき、前記Ｚ軸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軸方向駆動装置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Ｆ_Ｌ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。

また、この実施の形態においてはＺ軸方向可動部（大エアースライド可動部）１１を定荷重バネ１７で支持している。Ｚ軸を横方向にすれば定荷重バネは不要となる。

以上のように構成された三次元測定プローブにおいて、Ｚミラー９と一体となった小摺動軸部６は完全非接触で構成されているため、測定を行っていないとき、すなわちスタイラス５と被測定物１とが接触していないときには、非常に振動しやすい状態になる。図２のレンズ１４を通ったレーザー光が、Ｚミラー９に当たり、その反射光で、Ｚ_２軸の測長をしているが、ミラー９が大きく振動すると、レーザー読み取りに影響することになる。ミラー９で許容される振動は、一例として、光学系の設計にもよるが約２０μｍである。以下に非測定時の振動を低減する構造について説明する。

図１のように、原子間力プローブ枠３と、原子間力プローブ枠３の中間部まで差し込まれた小摺動軸部６及び小エアー軸受け部７の上部と、磁石２９ａ，２９ｂと、ヨーク８ａ，８ｂ−１，８ｂ−２と、磁性体ピン２０とを大略閉塞された閉塞空間内に収納するように、透明板６６を原子間力プローブ枠３の一部にすなわちリング状のヨーク８ａの上端面に固定する。大略閉塞された閉塞空間にするために使用する部材を透明板６６にする理由は、小摺動軸部６のＺ位置を測定するレーザ２７，３４が透明板６６を透過して小摺動軸部６の上部のＺミラー９に当たるようにするためである。

透明板６６に必要な機能としては、レーザ光を、まっすぐ、透過することであり、厚さについては、屈折の影響を無くすため、及び、透過率を上げるために、薄くする必要がある。この実施形態では、一例として、厚さ０．５ｍｍの透明板６６を使用している。透明板６６の直径はレーザ光の直径（一例として５ｍｍ）以上であればよいが、一例として、プローブの密閉を行うために、レーザ光の直径よりもより大きな径としている。透明板６６の材質は、透過率の高いものであれば、通常のガラスで問題はない。透明板６６としては、レーザ光をまっすぐ透過させるため、ガラス面の平坦度が必要になる（例えば、λ／４程度）。

また、ヨーク８ｂ−１，８ｂ−２と磁性体ピン２０との対向部分より下方に、小摺動軸部６の上端部の周囲と小エアー軸受け部７の上端面と原子間力プローブ枠３との間に、前記プローブ枠内の前記磁力発生手段９５が収納されている空気流制限用空間部２００を形成するとともに、この空気流制限用空間部２００に連通する連通路２０１の開口部（原子間力プローブ枠３の一部）に、小径穴６４が開いた、空気流制限部材の一例としてのキャップ６５を固定している。これにより、小摺動軸部６の上部の空気流制限用空間部２００での空気流れが制限される。小摺動軸部６が振動するとき、その上部の空気流制限用空間部２００内に空気の流れを生じるが、空気流制限用空間部２００が大略閉塞された閉塞空間とすることにより、その流れが制限されることになり、エネルギー損失が生じ、小摺動軸部６の振動を減衰させる効果を生じる。

図９Ａは、本発明の前記実施形態にかかる三次元測定プローブをモデル化したものの図であり、図９Ｂは、それをバネ、ダンパ、質量で表したものである。また、図１０は、特許文献１で紹介されている空気ダンパのモデル図である。このモデルにより、空気流制限用空間部２００でのキャップ６５の小径穴６４による空気ダンパの減衰係数をｃとし、空気バネ定数を

とすると、前記減衰係数と空気バネ定数が、それぞれ、下記の式（１）及び（２）のように求められる。

ただし、上式（１）及び（２）で各変数は以下のように求められる。

：空気の比熱比（＝１．４）

：角振動数

：振動数

：ピストン面積

：シリンダ下面からピストン底面までの高さ

：大気圧

：大気の密度

：図１０のモデルのピストンとシリンダ間の隙間とシリンダ下面のオリフィスのそれぞれの流量係数

：図１０のモデルの隙間とオリフィスのそれぞれの面積

：図１０のモデルのピストンの振動振幅
ここで、流量係数

は、図１０のモデルの隙間、オリフィスをそれぞれ通過する空気の流量を決める流量係数で、実験、流体シミュレーションにより、求めることができるが、ここでは、管路抵抗の式により、計算した。
以上により、求められた減衰係数ｃ、バネ定数

から、図９Ｂのモデルによる、運動方程式は下記のようになる。（振動のダンピング技術（社団法人日本機械学会編）Ｐ.１５４表５．５参照）

ただし、

：小摺動軸部６の質量（３００ｍｇ）

：小摺動軸部６をＺ軸方向に保持する磁力発生手段９５での磁気回路の復元力によるバネ定数（２０．９Ｎ／ｍ）
図７は、前記（５）、（６）式をルンゲクッタギル法により、シミュレーションを行なった結果である。キャップ６５の小径穴６４の直径を変えたときの振動を比較した。三次元測定プローブ２Ａに、４２Ｈｚ（固有振動数）、１［ｇａｌ］の振動を加えたときの小摺動軸部６のＺ軸方向変位を縦軸、時間を横軸としている。この図７でわかるように、小径穴６４の直径を０．５０ｍｍから、０．３０ｍｍ、０．２０ｍｍ、０．１７ｍｍと小さくすると、減衰効果が大きく、振動が小さくなることがわかる。

Ｚ軸方向の測長を安定的に行なうためには、２０μｍ以下の振動にする必要があるが、この図７でわかるように、小径穴６４の穴径が０．３ｍｍ以上になると、振動がその値を超えることがわかる。

図８は、本モデルの減衰比と上記加振時の振動振幅の関係を、流体シミュレーションにより求めたもので、これによると、振動を２０μｍ以下にするには、減衰比ζを０．００７以上にする必要があることがわかる。
ここでは、小摺動軸部６の質量

、磁気回路のバネ定数

により、前記振動の振幅と、減衰係数の関係は変わるので、減衰比

を用いて、

に依存せず、振動に対する減衰性能を以下のように規定している。

ただし、実際の設備で使用するときに余裕をみる場合には、０．０１以上の減衰比とするのがより好ましい。

なお、減衰を大きくしすぎると、測定力Ｆが大きくなりすぎる可能性がある。前述した測定力Ｆの式では、Ｆ＝ｍａとして、測定力Ｆを０．２ｍＮ以下にすると説明しているが、厳密にはＦ＝ｍａ＋ｃｖ＋ｋｘで表される。ここで、ｍ：質量マトリクス、ｃ：減衰マトリクス、ｋ：剛性マトリクス、ａ：加速度ベクトル、ｖ：速度ベクトル、ｘ：変位ベクトルである。よって、この式より、一例として、０．１Ｇの正弦波がスタイラス加速度として加わったときに測定力Ｆを０．２ｍＮ以下にするには、減衰比ζを０．５１以下にする必要がある。

前記のように、小径穴６４の直径を小さくすると、減衰性能は向上するが、あまり、小さくし過ぎると、小エア軸受７の空気を供給する空気噴出し口４からの空気の逃げ場がなくなり、小摺動軸部６の上部の空気流制限用空間部２００での空気圧が高まる。本実施形態の１つの実施例の場合、その圧力が４００Ｐａを超えると、磁気回路の保持力を超えてしまい、小摺動軸６は保持できなくなる。前記実施例の条件を以下に例示する。小径穴６４の直径は０．１７ｍｍで１２個開けている。連通路２０１の直径は３ｍｍとなっている。連通路２０１は、空気流制限用空間部２００と一体となり、ここで重要なのは、この一体となった空間の体積である。図１０のｄ_ｃとｈ_ｐ寸法の中の部分が、この一体となった空間に相当する。一例として、この一体となった空間の体積は４．５×１０^−７ｍ^３となっている。また、原子間力プローブ枠３の大きさは直径３０ｍｍ程度である。小摺動軸６のサイズは直径４ｍｍである。このような構成で、図１１の「圧力差がＮＧ」と書かれた部分の条件では、圧力が４００Ｐａを超えてしまうことになる。

図１１は、小径穴６４の直径（穴径）、小径穴６４の長さ（穴深さ）、個数（穴個数）を変えたときの、減衰係数、小摺動軸部６の上部の空気流制限用空間部２００の圧力を表にしたものである。これによると、例えば、小径穴６４の直径を０．１ｍｍ、小径穴６４の長さを０．５ｍｍ、小径穴６４の個数を３０個にしたときは、圧力が４５５Ｐａとなり、プローブとして使用できなくなる。図１１により、加工コストも含め、最適な穴の直径、長さ、個数を決定することができる。図１１で判定の欄において、ＮＧと記載している欄以外は、使用可能な条件を意味する。

図１１より、前記キャップ６５に形成する小径穴６４の直径を０．０５ｍｍ以上、０．６ｍｍ未満とするのが好ましい。小径穴の直径を０．０５ｍｍ未満とすると、プローブ２Ａの密閉部の圧力が上がってしまい、磁気での保持ができなくなってしまうためである。そのため、小径穴６４の直径を小さくする分、小径穴６４の数を増やす必要がある。一例として、図１１のように、６０個の小径穴６４を備えればよい。０．０５ｍｍ以下の小径穴６４を６０個を越えて開けるのは現実的でないため、一例として、その個数を６０個以下としている。

小径穴６４の個数の最低限は１個である。図１１では、小径穴６４の直径が０．５ｍｍの場合に１個でも、減衰係数を所定の値にすることができるためである。

なお、図１１には、小径穴６４の直径が０．６ｍｍの場合でかつ１個だけ開けた場合、減衰係数が所定の値にならないことが示されている。よって、小径穴６４の直径が０．６ｍｍ以上であると減衰係数が所定の値にならないため、小径穴６４の直径は０．６ｍｍ未満とすることが好ましい。

図１１でわかるように、より小径の穴を多数あける方が、減衰係数を大きくし、圧力差を小さくできることがわかるが、加工コストの面では不利になる。これを解決する方法として、空気流制限部材の別の例として、小径穴６４を有するキャップ６５の代わりに、小径穴の別の具体例として多数の微細孔を有する多孔質材料で構成されたキャップを用いることも可能である。

以上のように、本実施形態によれば、小さな可動部質量の磁性体ピン２０と、小エアー軸受け部７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ることにより、軸方向の移動を非接触で制限することができる三次元測定プローブ２Ａにおいて、前記磁力発生手段９５が構成されている部分の空気流制限用空間部２００での空気の流れを、空気流制限部材の一例としての、小径穴６４を有するキャップ６５で制限することにより、小摺動軸部６の振動時にエネルギー損失が生じ、小摺動軸部６の振動を減衰させることができて、小摺動軸部６の振動を抑えることができる。よって、測定物１に対して非接触時の小摺動軸部６の振動を抑えることができて、安定した測定が可能になる。

この結果、前記三次元測定プローブ２Ａを一対用意して測定物１の一例としての非球面レンズの表裏面に配置して非球面レンズの表裏面を同時に測定することによって、表裏面の傾き偏心を超高精度に安定して測定することができるようになる。また、前記三次元測定プローブ２Ａでは、前記小摺動軸部６の軸方向であるＺ軸方向への移動を妨げる磁力を前記磁力発生手段９５で発生させるようにしているので、板バネを使用する必要がなく、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２Ａ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２Ａ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。

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、下からでも横からでも測定物の測定面の形状を０．０１ミクロンのオーダーの超高精度で測定できるので、測定物の前後面（例えば上下面）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、プローブ自体が壊れにくく長寿命となり、測定現場で簡単に頻繁にプローブを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このプローブを使用することによって実現することができて、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このプローブの適用可能性がある。

本発明の実施の形態における三次元測定プローブの断面図本発明の実施の形態における三次元測定プローブの断面図本発明の実施の形態における三次元測定プローブの上側の光プローブ部を含めた構成説明図本発明の実施の形態における三次元測定プローブの下側の光プローブ部を含めた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要部であって、リング状のヨークと磁性体ピン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測定力に関する説明図本発明の実施の形態における三次元測定プローブのＺ軸の構成図特許文献３に記載された、本発明の三次元測定プローブを取り付けることのできる超高精度三次元測定機の構成図本発明の三次元測定プローブにおいて、振動対策をしない場合の振動を表すグラフ本発明の三次元測定プローブの振動を表すグラフ本発明の三次元測定プローブにおいて、小径穴の直径を変えたときの振動の比較を表すグラフ本発明の三次元測定プローブにおいて、小径穴の直径と減衰係数の関係を表すグラフ本発明の三次元測定プローブを簡単に説明するためのモデル図本発明の三次元測定プローブを簡単に説明するためのモデル図動圧空気ダンパのモデル図本発明の三次元測定プローブにおける小径穴の違いによる減衰性能、圧力差の違いをまとめた表を示す図特許文献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ヨークと永久磁石を下から見た底面図図１４ＢのＣ−Ｃ線断面図

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空気噴出し口
５スタイラス
６小摺動軸部
７小エアー軸受け
８ａリング状ヨーク
８ｂ−１，８ｂ−２ヨーク
９Ｚ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
１７定荷重ばね
１８空気溜め部
２０磁性体ピン
２１Ｘ軸ステージ
２２Ｙ軸ステージ
２３下石定盤
２４Ｘ参照ミラー
２５Ｙ参照ミラー
２６Ｚ参照ミラー
２７Ｈｅ−Ｎｅ発振周波数安定化レーザ
２８大磁石
２９ａ，２９ｂ磁石
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
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
４３Ｚ軸駆動装置
４８エアーチューブ
５０板バネ
５３バネ受け球
６１スタイラス先端球
６４小径穴
６５キャップ
６６透明板
９５磁力発生手段
１０２Ｚ_２レシーバー
１０３Ｚ_１レシーバー
１０４Ｙレシーバー
１０５Ｘレシーバー
１０６上石定盤
２００空気流制限用空間部
２０１連通路

Claims

一端に測定物の表面に接するスタイラス、他端に磁性体で作られたピンを設けた小摺動軸部と、
この小摺動軸部と嵌合する穴が形成され、この小摺動軸部との隙間部に圧縮空気の膜を形成する空気噴出し部を有してプローブ枠に組み込まれる小エアー軸受け部と、
この小エアー軸受け部の端部に取り付けられた磁石と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、前記小摺動軸部の軸方向であるＺ軸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を備えて、
前記プローブ枠内の前記磁力発生手段が収納されている空気流制限用空間部を大略閉塞された閉塞空間とする透明板を前記プローブ枠に設けるとともに前記閉塞空間の一部が前記プローブ枠外と連通する小径穴を有する空気流制限部材を設けることにより、前記空気流制限用空間部での空気流れを制限して前記小摺動軸部の振動に対する減衰比を０．００７以上にすることを特徴とする三次元測定プローブ。
前記小エアー軸受け部に対する前記小摺動軸部のＺ軸方向変位を検出する変位検出手段と、
前記小エアー軸受け部をＺ軸方向に移動させるＺ軸ステージと、
前記測定物、または前記Ｚ軸ステージをＸＹ軸方向に移動させる形状測定時に、前記スタイラスが前記測定物の形状に沿ってＺ軸方向に移動することにより発生する前記Ｚ軸方向変位がほぼ一定になるように前記Ｚ軸ステージを駆動するＺ軸ステージ駆動装置とをさらに備えた請求項１に記載の三次元測定プローブ。
前記変位検出手段は、前記小摺動軸部に形成されたミラーと、前記小エアー軸受け部と一体で固定されかつ半導体レーザとレンズと光検出器を少なくとも含んだ光プローブと、この光プローブの前記半導体レーザから発せられたレーザ光を、前記レンズを介して前記透明板を通して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軸方向変位を検出する構成とした請求項２に記載の三次元測定プローブ。
発振周波数安定化レーザ光を発する発振周波数安定化レーザと、
前記発振周波数安定化レーザから発せられた前記発振周波数安定化レーザ光を前記透明板を通して前記ミラーに照射し、前記ミラーからの反射光から前記ミラーのＺ座標を測定する手段とをさらに備えた請求項３に記載の三次元測定プローブ。
前記Ｚ軸ステージはエアー軸受けで構成された請求項１〜４のいずれか１つに記載の三次元測定プローブ。
前記Ｚ軸ステージ駆動手段はコイルと磁気回路で構成された請求項１〜５のいずれか１つに記載の三次元測定プローブ。
前記Ｚ軸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１〜６のいずれか１つに記載の三次元測定プローブ。
前記空気流制限部材は、前記閉塞空間である空気流制限用空間部の一部が前記プローブ枠外と連通する連通路の開口を閉じるキャップであり、かつ、前記小摺動軸部の振動に対する減衰比を０．００７以上にするとともに、前記空気流制限用空間部の圧力を４００Ｐａ以下にするために、前記キャップに形成する小径穴の直径を０．０５ｍｍ以上、０．６ｍｍ未満とし、その個数を１個以上６０個以下とす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。
前記空気流制限部材は、前記閉塞空間である空気流制限用空間部の一部が前記プローブ枠外と連通する連通路の開口を閉じるキャップであり、かつ、前記小摺動軸部の振動に対する減衰比を０．００７以上にするとともに、前記空気流制限用空間部の圧力を４００Ｐａ以下にするために、前記小径穴の代わりに、多孔質材を用いて空気の流れを制限するように構成されてい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。