JP2013142685A - 形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水平面から垂直面までを高精度に、速い走査速度で計測できる形状測定装置を提供する。
【解決手段】複数の支持機構２７ａ，２７ｂによって、プローブハウジング４より保持されたプローブシャフト２を有し、被測定物Ｗａの表面に対するプローブシャフト２の倣い制御を行いながら、座標位置を測定する形状測定装置において、支持機構のひとつ以上が、一方が自由端となっているばね要素３ｃ，３ｄ，５ｃ，５ｄと、自由端と、前記プローブハウジング４との間を、選択的に連結解放可能な連結機構３ａ，３ｂ，５ａ，５ｂで構成され、連結機構３ａ，３ｂ，５ａ，５ｂの連結および解放を、被測定物表面形状の法線とプローブシャフト２の軸の間の相対角度に応じて切り替える。
【選択図】図１

Description

本発明は、レンズ、ミラー、プリズムなどの光学素子及び光学素子用金型の形状を測定するための形状測定装置に関するものである。

レンズ、ミラー、プリズムなどの高い精度が必要とされる光学素子及びその金型の形状は、一般に接触式のプローブを有する形状測定装置によって測定されている。接触式の形状測定装置とは、ＸＹＺ空間上で移動可能なプローブを被測定物の被測定面に一定力で押し当てながら、ＸＹ方向に走査させ、走査中のプローブ位置を測定することによって、被測定面の形状データをＸＹＺ座標値として得るものである。

従来の光学素子及びその金型は比較的平面に近い形状をしており、最大でも傾斜７０度程度の測定面に対応できれば十分だったので、一般的なプローブ構造は、プローブシャフトの軸をＺ軸方向に一致させて配置し、プローブシャフトを軸方向のみ摺動可能とし、測定物である光学素子及びその金型の光学軸をＺ軸方向に向けて置いて測定していた。

プローブは軸方向のみ摺動可能なので、プローブシャフト上部に反射ミラー等を配置し、プローブハウジングとプローブシャフトの相対的なＺ方向の変位をレーザー測長機や静電容量センサなどで測定し、リニアスケールやレーザー測長機で別途検出したプローブハウジングのＸＹＺ空間上での位置と合算してプローブ先端球の座標値を得ていた。

具体的にはプローブ構造は、以下のようになっていた。プローブシャフトの摺動方向をばね剛性が２０Ｎ／ｍ程度の非常に小さいばねによる支持機構で支持し、押し当て力１ｍＮ程度を実現していた。プローブ走査による傷発生および接触変形による精度悪化を防ぐために、このように小さい押し当て力を実現する必要があった。そして走査による摩擦などでプローブの倒れるのを防ぐ目的で、プローブシャフト半径方向をエアーベアリングなどで固く保持していた。

しかしながら近年、光学素子及びその金型は、工程短縮を目的として垂直な基準面を有するようになり、垂直基準面を基準として光学面の形状を保証する必要性が高まってきた。

また、記録媒体のデータ記録密度向上や、画質向上のために高解像度化を目的としてピックアップレンズなど高ＮＡ化が進み、ほぼ半球とみなせるような急斜面を有するものが増えており、水平面から急斜面の光学面の形状を高精度に保証する必要性が高まってきた。

しかし上述したように、従来の測定機ではプローブが半径方向に固く保持されていたために、急傾斜面においてはプローブの押し付け力が強くなりすぎて傷の発生及び接触変形による精度悪化が生じた。また、垂直面は、プローブが半径方向に摺動しないため測定不可能だった。

この問題をほぼ解決する従来例として、特許文献１に開示された、プローブがある。これは、図５に示すように、Ｚ方向のプローブ軸に垂直なＸ、Ｙ方向の並進力及び回転力を発生させるヨーク３００ａ、３００ｂ、磁性体３００ｃ、３００ｄ及びコイルなどを有している。さらに、Ｚ方向の力を発生するヨーク５００ａ、マグネット５００ｂ、コイル５００ｃを有している。そして、コイルに流す電流を変えて磁界を制御し、プローブに作用する力を変化させることができる。さらには、プローブの位置変化量を計測し、変換倍率を乗じて、プローブに作用する力を決定することで、プローブシャフトがプローブハウジングからばねで支持されているとみなせる状態を作り出すことができる。変換倍率を大きくすれば、ばね剛性は大きくなる。逆に変換倍率を小さくすれば、ばね剛性は小さくなる。

たとえばＸＹＺ空間上で、ＹＺ方向に平行な端面を測定するときには、Ｚ方向のプローブ軸に垂直なＸ、Ｙ方向の並進力及び回転力を発生させるコイルに対しての変換倍率を大きくし、Ｚ方向の力を発生するコイル５００ｃに対しての変換倍率を小さくする。このようにすれば、プローブシャフトの回転およびＸＹ方向のばね剛性を小さく、Ｚ方向のばね剛性を大きく設定できる。また、ＸＹ方向に平行な端面を測定するときには、Ｚ方向のプローブ軸に垂直なＸ、Ｙ方向の並進力及び回転力を発生させるコイルに対しての変換倍率を小さくし、Ｚ方向の力を発生するコイル５００ｃに対しての変換倍率を大きくする。このようにすれば、プローブシャフトの回転およびＸＹ方向のばね剛性を小さく、Ｚ方向のばね剛性を大きく設定できる。そして、水平面から垂直面までを単一のプローブで測定することが可能であった。

特開２００９−２２９２４６号公報

しかしながら、上記従来例の測定機では、次の理由で測定走査速度を上げられないという問題があった。測定時には、プローブ球と測定面の接触部分において、引っかかりと急激な滑りを繰り返す現象がスティックスリップ現象が現れる。スティックスリップが現れると、プローブ接触点における接平面方向の固有振動数で自励振動を起こす。この振動が計測ノイズとなるのを防ぐため、一般には計測値に低周波通過フィルタを適用する。そして、形状真値だけが、この低周波通過フィルタを通過するように配慮して走査速度を決定する。具体的には、プローブの接平面方向の固有振動数が低い場合は、走査速度を遅くして対応する。

固有振動数は、質量、慣性モーメントに対してばね剛性を大きくするほど高くできる。したがって、従来の測定機においては、プローブ位置変化量に乗ずる変換倍率を大きくすれば、ばね剛性を高くすることができる。しかし、変換倍率を大きくすると、コイルに流れる電流が増えてしまい、プローブハウジング内の発熱でプローブシャフトが熱変形し、計測精度に多大な影響を及ぼすので問題が生じる。つまり、従来例の測定機では、発熱の問題があるために、プローブの接平面方向の固有振動数を高くできず、走査速度を速くすることができなかった。

たとえば、上記従来例によれば、光学面を走査する際に設定するＸ並進、Ｙ並進、Ｘ回転、Ｙ回転方向のばね剛性は２００ｍＮ／ｍｍである。プローブシャフト質量は、プローブシャフト上部に取り付けられたミラーと、全６個の磁性体とプローブシャフト、プローブ球を合わせて１０ｇ程度なので、水平走査時のプローブの接平面方向の固有振動数はわずか２０Ｈｚ程度である。形状真値だけが低周波通過フィルタを通過するには、形状真値がおよそ５Ｈｚ以下に収まる走査速度を選択することになる。仮に、光学面に０．０１ｍｍ周期の形状、すなわち１００振幅／ｍｍの形状があるとして、これを測定するには、０．０５ｍｍ／ｓｅｃ程度と非常に低速走査しなくてはならない。１ｍｍの走査で２０秒もかかってしまう。

そこで本発明は、連結解放可能な連結機構によってプローブハウジングとプローブの間の機械的特性を測定面の傾斜に合わせて変更し、スティックスリップによる振動の影響を受けにくくすることで、水平面から垂直面までを高精度に、速い走査速度で計測できる形状測定装置を提供することを目的とする。

その目的を達成するために、本発明の一側面としての形状計測装置は、複数の支持機構によって、プローブハウジングより保持されたプローブシャフトを有し、被測定物の表面に対する前記プローブシャフトの倣い制御を行いながら、前記被測定物の表面形状を表わす前記プローブシャフトの座標位置を測定する形状測定装置であって、前記支持機構のひとつ以上が、一方が自由端となっているばね要素と、前記自由端と、前記プローブハウジングとの間を、選択的に連結解放可能な連結機構で構成され、前記連結解放可能な連結機構の連結および解放を、被測定物表面形状の法線とプローブシャフトの軸の間の相対角度に応じて切り替えることを特徴とする。

連結解放可能な連結機構によって、プローブハウジングとプローブの間の機械的特性を、測定面の傾斜に合わせて変更し、スティックスリップによる振動の影響を受けにくくすることで、水平面から垂直面までを高精度に、速い走査速度で計測できる、形状測定装置を提供できる。

本発明の第１実施形態の形状測定装置を示す模式図である。 凸レンズの光学面の測定動作を示すフローチャートである。 図２に対応した凸レンズの光学面の走査軌跡図である。 実施例２によるプローブを示す模式図である。 従来の形状測定装置を示した図である。

以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

〔第1実施形態〕
図１に示すように、実施例１による形状測定装置は、プローブ球１とプローブシャフト２からなるプローブと、一方をプローブハウジングに固定され、もう一方をプローブシャフトに固定された、Ｘ並進、Ｙ並進、Ｚ併進、Ｘ回転、Ｙ回転の方向のばね剛性が非常に小さい支持機構としてのばね２７ａ、２７ｂを備える。

さらに、真空チャック３ａ、３ｂと、一方が自由端となっているばねとしての、板ばね３ｃ、３ｄを有する。また、真空チャック５ａ、５ｂと、一方が自由端となっているばねとしての、板ばね５ｃ、５ｄを有する。

真空チャックは、プローブハウジング４に支持される。板ばねは、一方をプローブシャフトに支持されている。電磁弁ユニット２５と配管接続しており、さらにその先が真空供給源に接続している。そして、吸着のＯＮ、ＯＦＦの組み合わせによって、プローブ先端における軸方向のばね剛性の大小を切り替えできる。

真空チャック３ａ、３ｂによって板ばね３ｃ、３ｄを吸着し、真空チャック５ａ、５ｂでは、板ばね５ｂ、５ｄを吸着していない解放状態とすれば、この状態は、プローブの軸方向のばね剛性が小さく、プローブ先端のプローブシャフト半径方向のばね剛性が大きい、水平面の測定に適した状態となる。また、真空チャック３ａ、３ｂによって板ばね３ｃ、３ｄを吸着していない解放状態とし、真空チャック５ａ、５ｂでは、板ばね５ｂ、５ｄを吸着したならば、この状態は、プローブの軸方向のばね剛性が大きく、プローブ先端のプローブシャフト半径方向のばね剛性が小さい、垂直面の測定に適した状態となる。これらの詳細は、プローブ詳細構造として後述する。

プローブシャフト２は、プローブハウジング４に対して自由に摺動可能に配置され、その先端には、Ｚミラー１０と、非常に真球度の高い精密球であるプローブ球１が固設されている。プローブハウジング４は、プローブベース１２と支柱１４を介してＺ軸テーブル１５に設置されており、プローブベース１２には、Ｘ１干渉計１３とＸ２干渉計１１が配置されており、それぞれ干渉計とＸ基準ミラー２０と間の距離を測定する。また、プローブベース１２上には、Ｙ１干渉計（不図示）、Ｙ２干渉計（不図示）が設置されており、Ｙ基準ミラー（不図示）との間の距離を測定する。Ｚ軸テーブル１５上には、Ｚ干渉計１６が設置されており、これにより、Ｚ基準ミラー２１との間の距離を測定する。

Ｚ軸テーブル１５は、Ｚ軸ステージ１７、Ｙ軸ステージ１８、Ｘ軸ステージ１９に接続されており、これらのステージにより、３次元的に移動可能である。Ｚ軸テーブル１５の移動量は、上述したＸ１干渉計１３、Ｘ２干渉計１１、Ｙ１干渉計、Ｙ２干渉計、Ｚ干渉計１６を用いて、Ｘ基準ミラー２０とＹ基準ミラー、Ｚ基準ミラー２１を基準にして、測定する。また、上記のステージはベース２３上に配置され、ベース２３上には、上記のステージのほかに、Ｘ基準ミラー２０、Ｚ基準ミラー２１を保持している基準ミラー保持部材２２が固定されている。また、被測定物Ｗが取り外し可能なように固定されている。

被測定物Ｗは、光学面Ｗａおよび垂直基準面Ｗｂを有している。

プローブハウジング４には、Ｘ１変位計６ａとＸ２変位計６ｂが固定されており、それぞれの変位計は、プローブハウジング４とプローブシャフト２の間のＸ方向の相対的な変位を測定している。２つのＸ方向の変位を測定する変位計を設けたことで、プローブシャフト２の変位及び姿勢（並進変位及び回転変位）を測定することができる。

また、不図示ではあるが、プローブハウジング４とプローブシャフト２の間のＹ方向の相対的な変位を測定する測定手段であるＹ１変位計、Ｙ２変位計もプローブハウジング４に固定されている。さらに、プローブハウジング４とプローブシャフト２の間のＺ方向の相対的な変位を測定するＺ変位計７もプローブハウジング４に固設されている。

次に、装置の信号の流れについて説明する。

まず、装置の最上位コントローラとして、メインコントローラ（不図示）がある。メインコントローラから指令を受ける下位コントローラとして、計測コントローラ２４とステージコントローラ２６の２つのコントローラがある。

計測コントローラ２４は、メインコントローラからの指示に基づき、Ｘ１干渉計１３、Ｘ２干渉計１１、Ｙ１干渉計、Ｙ２干渉計、Ｚ干渉計１６、Ｘ１変位計６ａ、Ｘ２変位計６ｂ、Ｙ１変位計、Ｙ２変位計、Ｚ変位計７の変位データを同時にラッチする。そして、取得した変位データ（出力）をメインコントローラへ伝達する。

ステージコントローラ２６は、メインコントローラからの指示に基づき、Ｘ軸ステージ１９、Ｙ軸ステージ１８、Ｚ軸ステージ１７の制御を行う。それぞれのステージの位置制御を行うほか、Ｚ変位計７の値を一定にするＺ軸ステージ制御を行ったり、Ｘ１変位計６ａ、Ｘ２変位計６ｂの値を一定にするＸ軸ステージ制御、Ｙ１変位計、Ｙ２変位計の値を一定にするＹ軸ステージ制御を行う。

電磁弁ユニット２５は、メインコントローラからの指示に基づき、複数の真空チャックに対する吸引ＯＮ、ＯＦＦを切り替える。

水平面の測定に適した状態、垂直面の測定に適した状態への連結機構切り替えは、メインコントローラに測定面の法線とＺ軸との間の角度閾値を設定し、測定中の角度がこれを越えたことを自動判別して行う。切り替え角度の閾値は、精度と生産性のバランスが最良な角度に設定する。精度を優先した場合は、４５°が最適となる。

また、測定中の測定面の法線とＺ軸との間の角度は、測定面が設計形状をなし、想定どおりの配置で測定装置に置かれているとすれば計算できる、プローブのＸＹ座標に対応した設計上の角度を使用する。

次に、例として以上のように構成された形状測定装置を用いて、凸レンズの光学面Ｗａの測定動作を図２のフローチャートと図３の走査軌跡図を用いて説明する。測定はレンズ頂点より開始し、端で２回折り返して頂点に戻る稜線の断面形状の測定である。測定精度を優先し、切り替え角度の閾値を４５°としている。

（ステップＳ０１）Ｘ軸ステージ１９、Ｙ軸ステージ１８、Ｚ軸ステージ１７を移動し、光学面Ｗａ頂点１０１の真上近傍へプローブ球１を移動する。

（ステップＳ０２）連結解放可能な支持機構の連結を切り替えて、プローブ先端のプローブシャフト半径方向の剛性を高くする。すなわち、真空チャック３ａ、３ｂで、板ばね３ｂ、３ｄを吸着し連結する。真空チャック５ａ、５ｂでは、板ばね５ｂ、５ｄを吸着していない解放状態とする。

（ステップＳ０３）接触判定モードでＺ軸ステージ１７を移動し、プローブ球１を凸レンズの光学面Ｗａの頂点１０１に接触させる。プローブ球の接触は、Ｘ１変位計６ａ、Ｘ２変位計６ｂ、Ｙ１変位計、Ｙ２変位計、Ｚ変位形７を観察することで検知できる。

（ステップＳ０４）Ｚ軸ステージ１７の制御系を、走査時の測定面Ｗａへの押し付け力が一定になる針圧制御に切り替える。

（ステップＳ０５）針圧制御で被測定物表面にプローブを倣わせながら、Ｘ軸ステージ１９、Ｙ軸ステージ１８、Ｚ軸ステージ１７により走査し、接触点座標を測定する。

測定点が、測定面の法線とＺ軸との間の角度が予め指定した閾値４５°（１０２）を通過するまで継続する。

（ステップＳ０６）角度の閾値１０２を超えたら、Ｘ軸ステージ１９、Ｙ軸ステージ１８、Ｚ軸ステージ１７の制御系を位置制御に切り替え、支持機構の変更のためにプローブ球を測定点から微小距離ほど離す。

（ステップＳ０７）連結解放可能な支持機構を解放する。すなわち、ステップ０２で連結した真空チャック３ａ、３ｂによる板ばね３ｃ、３ｄの吸着やめる。

（ステップＳ０８）連結解放可能な支持機構の連結を切り替えて、プローブの軸方向の剛性を高くする。すなわち、真空チャック５ａ、５ｂで、板ばね５ｃ、５ｄを吸着し連結する。

（ステップＳ０９）接触判定モードで再びプローブ球１を光学面Ｗａに接触させる。プローブ球の接触は、Ｘ１変位計６ａ、Ｘ２変位計６ｂ、Ｙ１変位計、Ｙ２変位計、Ｚ変位形７を観察することで、検知できる。

（ステップＳ１０）Ｘ軸ステージ１９及びＹ軸ステージ１８の制御系を針圧制御に切り替える。

（ステップＳ１１）針圧制御で光学面Ｗａにプローブを倣わせながら、Ｘ軸ステージ１９、Ｙ軸ステージ１８、Ｚ軸ステージ１７により走査し、接触点座標を測定する。

測定端１０３に到達したら走査方向を折り返す。

（ステップＳ１２）測定点が、測定面の法線とＺ軸との間の角度が予め指定した閾値４５°を通過したら、Ｘ軸ステージ１９、Ｙ軸ステージ１８、Ｚ軸ステージ１７の制御系を位置制御に切り替え、支持機構の変更のためにプローブ球を光学面Ｗａから微小距離ほど離す。

（ステップＳ１３）連結解放可能な支持機構を解放する。すなわち、ステップ０８で連結した真空チャック５ａ、５ｂによる板ばね５ｃ、５ｄの吸着やめる。

以降は、ステップ０２に戻る。頂点１０１を通過して再度測定端１０３で折り返した後、頂点に戻ると、次の走査完了の割り込み終了動作へ移行する。

（ステップＳ１４）Ｘ軸ステージ１９、Ｙ軸ステージ１８、Ｚ軸ステージ１７を位置制御系とし、プローブ球１を測定点から安全位置に退避する。

（ステップＳ１５）連結解放可能な支持機構を解放して終了する。

また、光学面全域を測定する場合など、復回数の多い測定では、最初に水平面に適した連結状態で測定可能な領域をすべて測定し、後に垂直面に適した連結状態に切り替えてから、残りの領域を測定する手順を行うことで、切り替え動作のむだ時間を最小にできる。

次に、座標測定の算出方法について説明する。

まず、プローブハウジング４と基準ミラー保持部材２２の相対位置は、Ｘ１干渉計１３、Ｘ２干渉計１１、Ｚ干渉計１６、Ｙ１干渉計、Ｙ２干渉計により測定される。また、プローブハウジング４とプローブシャフト２の相対位置は、Ｘ１変位計６ａ、Ｘ２変位計６ｂ、Ｙ１変位計、Ｙ２変位計、Ｚ変位計７により測定される。Ｘ１干渉計１３、Ｘ２干渉計１１、Ｚ干渉計１６、Ｙ１干渉計、Ｙ２干渉計の出力を、それぞれ、ｍｘ１、ｍｘ２、ｍｙ１、ｍｙ２、ｍｚとする。また、Ｘ１変位計６ａ、Ｘ２変位計６ｂ、Ｙ１変位計、Ｙ２変位計、Ｚ変位計７の出力をそれぞれ、ｐｘ１、ｐｘ２、ｐｙ１、ｐｙ２、ｐｚとする。

Ｘ軸ステージ１９、Ｙ軸ステージ１８のＸ方向以外、Ｙ方向以外の他方向への傾き誤差を考慮したプローブ球１中心とＸ基準ミラー２０、Ｙ基準ミラー、Ｚ基準ミラー２１との相対位置は、下記のＭで表現される。Ｘ１干渉計１３、Ｘ２干渉計１１、プローブ球１の中心位置との間隔、及び、Ｙ１干渉計、Ｙ２干渉計、プローブ球１の中心位置との間隔、をそれぞれ、ｌ１、ｌ２とすると、

プローブハウジング４とプローブ球１中心の相対位置Ｐは、プローブシャフト２の傾きを考慮すると、Ｘ１変位計６ａ、Ｘ２変位計６ｂ、プローブ球１の中心位置との間隔、及び、Ｙ１変位計、Ｙ２変位計、プローブ球１の中心位置との間隔を、ｍ１、ｍ２とすると、

と表現されるので、Ｘ基準ミラー２０、Ｙ基準ミラー、Ｚ基準ミラー２１とプローブ球１中心との相対位置を測定座標Ｇは、以下のように表現される。

次に、プローブの詳細詳細構造を説明する。

ばね２７ａ、２７ｂは、一方をプローブハウジングに固定され、もう一方をプローブシャフトに固定された円環ばねである。ばねとプローブシャフトの接合部の変位に対して、ばね２７ａ、２７ｂのばね剛性は共に以下のようになっている。

Ｘ並進、Ｙ並進、Ｚ並進 １０Ｎ／ｍ
Ｘ回転、Ｙ回転 １０×１０＾−５ Ｎ＊ｍ／ｒａｄ
また、ばね２７ａとプローブ球１の間を１５ｍｍ程度、ばね２８ａとプローブ球１との間を２５ｍｍ程度離して配置している。

連結解放可能な支持機構がすべて解放状態の場合は、これらのばね２７ａ、２７ｂのみによってプローブシャフト２は非常に弱いばね剛性でプローブハウジング４に支持された状態となる。

次に真空チャック３ａ、３ｂと、一方が自由端となっているばね要素としての、板ばね３ｃ、３ｄについて述べる。真空チャック３ａ、３ｂは、それぞれが３個の開口穴を有する。プローブハウジング４に一方を固定されている。開口穴はプローブシャフト２の軸から等距離で、プローブ軸まわりに１２０°等間隔で配置されている。

板ばね３ｃ、３ｄは、それぞれが３個の薄い板ばねを有する。プローブシャフト２に一方を固定されている。各板ばねは、厚さ１０ｕｍ、長さ５ｍｍ、幅２ｍｍのＳＵＳ材で、広い面をプローブ軸方向（Ｚ方向）に向け、長手をプローブシャフト半径方向に向けてプローブ軸まわりに１２０°等間隔で放射状に配置されている。ばねとプローブシャフトの接合部の変位に対して、板ばね３ｃ、３ｄのばね剛性は共に以下のようになっている。

Ｘ並進、Ｙ並進 １５×１０＾５ Ｎ／ｍ
Ｚ並進 １８ Ｎ／ｍ
Ｘ回転、Ｙ回転 １０×１０＾−６ Ｎ＊ｍ／ｒａｄ
Ｚ並進に対して、Ｘ並進、Ｙ並進のばね剛性が５桁も大きい。形状測定でのプローブ球２と測定面Ｗの間のわずか１ｍＮ程度の接触力であるため、板ばねに加わる力が非常に小さく、座屈しないことが理由である。

そして、プローブ球１から１０ｍｍ程度の距離に板ばね３ｃを、プローブ球１から３０ｍｍ程度の距離に板ばね３ｄを配置することで、連結時にはプローブのＸ方向、Ｙ方向およびＸ回転、Ｙ回転方向、すなわちプローブ先端におけるプローブシャフト半径方向に非常に大きいばね剛性を発生させることが可能となる。

次に真空チャック５ａ、５ｂと、一方が自由端となっているばね要素としての、板ばね５ｃ、５ｄについて述べる。真空チャック５ａ、５ｂは、それぞれが３個の開口穴を有する。プローブハウジング４に一方を固定されている。開口穴はプローブシャフト２の軸から等距離で、開口穴を内側に向けてプローブ軸まわりに１２０°等間隔で配置されている。

板ばね５ｃ、５ｄは、それぞれが３個の薄い板ばねを有する。それぞれがプローブシャフト２のほぼ中央に一方を固定されている。各板ばねは、厚さ１０ｕｍ、長さ５ｍｍ、幅２ｍｍのＳＵＳ材で、広い面をプローブシャフトに対向させ、長手を軸方向（Ｚ方向）に向けてプローブ軸まわり添うようにして、１２０°等間隔に配置されている。板ばね５ｃ、５ｄは、プローブシャフトとの接点において、それぞれが次のようなばね剛性となっている。

Ｘ並進、Ｙ並進 １２ Ｎ／ｍ
Ｚ並進 ２３×１０＾５ Ｎ／ｍ
Ｘ回転、Ｙ回転 １０×１０＾−６ Ｎ＊ｍ／ｒａｄ
ここでもＸ並進、Ｙ並進に対して、Ｚ併進のばね剛性が５桁も大きいのは、板ばねに加わる力が非常に小さく、座屈しないことが理由である。この構成によって、連結時にはＺ方向、すなわちプローブの軸方向に非常に大きいばね剛性を発生させることが可能となる。

プローブ球２、プローブシャフト４およびＺミラー１０を合わせても重量は３ｇ程度で、慣性モーメントは非常に小さいので、上述のばね剛性の大きいばね剛性であれば、非常に高い固有振動数を得ることできる。

また、真空チャック３ａ、３ｂ、５ａ、５ｂと対になる板ばね３ｃ、３ｄ、５ｃ、５ｄは、互いに１００ｕｍ程度の隙間を空けて配置することで、吸着を行っていない解放状態での形状測定中に接触しないようになっている。

また、真空チャック３ａの開口をＺ軸の上方向に向け、真空チャック３ｂの開口をＺ軸の下方向に向ける。真空チャック５ａ、５ｂの開口は、プローブ内側を向ける。

これによって、吸着すなわち連結による力が打ち消し合うため、連結解放でのプローブシャフトの移動を数ｕｍに抑えることができる。

また、先に述べたように、形状測定で板ばねに加わる力は非常に小さい。真空チャック３ａ、３ｂ、５ａ、５ｂの吸着穴はφ1ｍｍ程度とし、ゲージ圧で5ｋＰａ程度で吸着すれば、真空チャックと板ばねとの間に十分な摩擦力を生じさせて保持することができる。

以上のような構成で、プローブの機械特性と測定面との接触点における接平面方向の固有振動数を次の１）２）のように設定できる。

１）真空チャック３ａ、３ｂによって板ばね３ｃ、３ｄを吸着し、真空チャック５ａ、５ｂでは、板ばね５ｂ、５ｄを吸着していない解放状態。

プローブの軸方向のばね剛性 ５６ Ｎ／ｍ
プローブ先端におけるプローブシャフト半径方向のばね剛性 ６０×１０＾４ Ｎ／ｍ
プローブ先端におけるプローブシャフト半径方向の固有振動数 １１００ Ｈｚ
この状態で、測定面の法線とＺ軸との間の角度０°の水平面を測定する場合では、測定面との接触点における接平面方向の固有振動数は１１００Ｈｚとなる。そして、角度４５°の傾斜面を測定する場合、接平面方向の固有振動数は７８０Ｈｚとなる。

２）真空チャック３ａ、３ｂによって板ばね３ｃ、３ｄを吸着していない解放状態とし、真空チャック５ａ、５ｂでは、板ばね５ｂ、５ｄを吸着した状態。

プローブの軸方向のばね剛性 ４６×１０＾5 Ｎ／ｍ
プローブ先端におけるプローブシャフト半径方向のばね剛性 ９．０ Ｎ／ｍ
プローブ先端におけるプローブシャフト軸方向の固有振動数 ６４００ Ｈｚ
この状態で、測定面の法線とＺ軸との間の角度９０°の垂直面を測定する場合では、測定面との接触点における接平面方向の固有振動数は６４００Ｈｚとなる。そして、角度４５°の傾斜面を測定する場合、接平面方向の固有振動数は４５００Ｈｚとなる。

すなわち、本発明の形態において、測定面との接触点における接平面方向の固有振動数は、７８０Ｈｚを超える。そして、低周波通過フィルタの適用を考えて、測定真値の周波数がおよそ２００Ｈｚ程度に収まる走査速度を選択すると、従来の測定装置の４０倍の走査速度での走査が可能となる。仮に、光学面に０．０１ｍｍ周期の形状、すなわち１００振幅／ｍｍの形状があるとして、これを測定するには、２．０ｍｍ／ｓｅｃとなる。１ｍｍの走査で０．５秒しか必要としない。

なお、上記では板ばねの寸法や配置、ばね剛性を例として示したが、必ずしも上記と同じ必要はない。単一または複数のばね要素が複合したばね、ヒンジ機構や、円環ばね、コイルスプリングなどでもよい。また固定された支持機構、連結解放可能な支持機構の個数も上記と同じ必要はない。ばねの自由端が、自由端とみなせる程度の非常に弱いばねで予めハウジングとつながっていてもよい。ばねの自由端がハウジング側でなく、プローブシャフト側でもよい。

また、連結機構切り替えの自動判別に用いる角度の閾値は、上述した測定面設計値とプローブのＸＹ座標から求める方法ではなく、直前および測定の瞬間の形状計測値から、測定面の傾斜をリアルタイムに算出して取得する方法でもよい。この方法であれば、設計値が不要なため、形状不明な測定面でも測定が可能である。

〔第２実施形態〕
板ばねを連結する手段が、実施例１と異なる実施例２のプローブを図４に示す。実施例１の真空チャック３ａ、３ｂの代わりにピエゾと変倍機構で構成されたクランプ３０ａ、３０ｂを備えている。また、実施例１の真空チャック５ａ、５ｂの代わりにピエゾと変倍機構で構成されたクランプ５０ａ、５０ｂを備えている。また、５０ａ、５０ｂでのクランプを容易にするために、板ばね５０ａ、５０ｂには耳部を備えている。

１ プローブ球
２ プローブシャフト
３ａ、３ｂ 真空チャック
３ｃ、３ｄ 板ばね
４ プローブハウジング
５ａ、５ｂ 真空チャック
５ｃ、５ｄ 板ばね
６ Ｘ変位計
６ａ Ｘ１変位計
６ｂ Ｘ２変位計
７ Ｚ変位計
１０ Ｚミラー
１１ Ｘ２干渉計
１２ プローブベース
１３ Ｘ１干渉計
１４ 支柱
１５ Ｚ軸テーブル
１６ Ｚ干渉計
１７ Ｚ軸ステージ
１８ Ｙ軸ステージ
１９ Ｘ軸ステージ
２０ Ｘ基準ミラー
２１ Ｚ基準ミラー
２２ 基準ミラー保持部材
２３ ベース
２４ 計測コントローラ
２５ 電磁弁ユニット
２６ ステージコントローラ

Claims (5)

1. 複数の支持機構によって、プローブハウジングより保持されたプローブシャフトを有し、被測定物の表面に対する前記プローブシャフトの倣い制御を行いながら、前記被測定物の表面形状を表わす前記プローブシャフトの座標位置を測定する形状測定装置において
   前記支持機構のひとつ以上が、
   一方が自由端となっているばね要素と、
   前記自由端と、前記プローブハウジングとの間を、選択的に連結解放可能な連結機構
   で構成され、
   前記連結解放可能な連結機構の連結および解放を、被測定物表面形状の法線とプローブシャフトの軸の間の相対角度に応じて切り替えることを特徴とする形状測定装置。
2. 請求項１の支持機構のすくなくともひとつは
   プローブの先端におけるプローブシャフトの軸方向のばね剛性が、プローブの先端におけるプローブシャフトの半径方向のばね剛性に対して小さいばね要素であり、
   すくなくともひとつは
   プローブの先端におけるプローブシャフトの軸方向のばね剛性が、プローブの先端におけるプローブシャフトの半径方向のばね剛性に対して大きいばね要素で
   構成されていることを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
3. 前記一方が自由端となっているばね要素は板ばねであり、
   前記選択的に連結解放可能な連結機構は真空チャックであって、
   真空チャックによる吸着および非吸着によって、連結機構の連結解放を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の形状計測装置。
4. 前記一方が自由端となっているばね要素は板ばねであり、
   前記選択的に連結解放可能な連結機構は、拡大機構とピエゾ素子で構成されたクランプであって、
   クランプによる鋏み解放によって、連結機構の連結解放を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の形状計測装置。
5. 前記連結解放可能な連結機構の連結および解放を行う際は、被測定物の表面からプローブを一時的に離すことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の形状測定装置。