JP2021067648A - 測定用プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】測定力の低減と高速応答とが可能な測定用プローブを提供する。【解決手段】本開示の測定用プローブは、測定物の表面を走査することにより、測定物表面の三次元形状等を測定する測定用プローブであって、スタイラスを有する第１可動部と、Ｚ方向に移動可能に第１可動部と連結される第２可動部と、Ｚ方向に移動可能に第２可動部と連結される第３可動部と、第１可動部のＺ方向における第１位置を測定する第１位置測定部と、第２可動部のＺ方向における第２位置を測定する第２位置測定部と、第３可動部のＺ方向における第３位置を測定する第３位置測定部と、を備え、第１相対位置は、第１位置と第２位置とに基づいて算出され、第２相対位置は、第１位置と第３位置とに基づいて算出され、第１可動部に対する第２可動部のＺ方向における第１相対位置と、第１可動部に対する第３可動部のＺ方向における第２相対位置と、が一定になるように維持される。【選択図】図３

Description

本開示は、測定物を走査測定する形状測定装置の測定用プローブに関する。

近年のオプトエレクトロニクス技術の進歩により、ディジタル放送の４Ｋから８Ｋへの高精細化が進展している。この結果、ディジタルカメラ等において、またはスマートフォン等のモバイル機器に使用されるカメラにおいて、画質向上が要請されている。これらのカメラ等に使用されるレンズの表面形状は、設計形状に対しての誤差が、たとえば０．０３μｍ（３０ｎｍ）以下であることが求められ、高精度レンズへの要望が高まりつつある。

その中で、レンズの表面形状について高精度な測定を行う形状測定装置も、より高精度な測定へのニーズが高まっている。そこで、特許文献１に記載のプローブを用いて測定する測定手法が提案されている。

また、特許文献２のように、２つの計測手段の信号データを加減算して測定位置を得る手法も提案されている。

特許第３０００８１９号公報 特開昭６１−２００４１９号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載の測定用プローブは、プローブの測定力の低減と、プローブの高速応答という点において、未だ改善の余地がある。

本開示の測定用プローブは、
測定物の表面を走査することにより、前記測定物の表面の三次元形状等を測定する測定用プローブであって、
スタイラスを有する第１可動部と、
Ｚ方向に移動可能に前記第１可動部と連結される第２可動部と、
内部に前記第２可動部を収容する空間が設けられ、前記Ｚ方向に移動可能に前記第２可動部と連結される第３可動部と、
前記第１可動部の前記Ｚ方向における第１位置を測定する第１位置測定部と、
前記第２可動部の前記Ｚ方向における第２位置を測定する第２位置測定部と、
前記第３可動部の前記Ｚ方向における第３位置を測定する第３位置測定部と、
を備え、
第１相対位置は、前記第１位置と前記第２位置とに基づいて算出され、
第２相対位置は、前記第１位置と前記第３位置とに基づいて算出され、
前記第１可動部に対する前記第２可動部の前記Ｚ方向における前記第１相対位置と、前記第１可動部に対する前記第３可動部の前記Ｚ方向における前記第２相対位置と、が一定に維持される。

本開示によると、測定力の低減と高速応答とが可能な測定用プローブを提供することができる。

本開示の実施の形態１にかかる測定用プローブを備える形状測定装置の全体構成図である。 図１の形状測定装置の概略構成を示すブロック図である。 図１の形状測定装置に搭載される測定用プローブの模式図である。 図１の形状測定装置に搭載される測定用プローブの概略構成を示す図である。 測定用プローブがＺ方向に下降したときの図である。 図４の測定用プローブがＺ方向に上昇したときの図である。 １５ｍｇｆの測定力による測定結果を示すグラフである。 １．７ｍｇｆの測定力による測定結果を示すグラフである。 図７のグラフの横軸の範囲を小さくしたグラフである。 図９のグラフの領域Ｐ１を拡大したグラフである。 図９のグラフの領域Ｐ２を拡大したグラフである。 図８のグラフの横軸の範囲を小さくしたグラフである。 図１２のグラフの領域Ｐ３を拡大した図である。 図１２のグラフの領域Ｐ４を拡大したグラフである。 特許文献１に記載された測定用プローブを示す図である。 特許文献２に記載された測定機を示す図である。

（本開示に至った経緯）
高精度な測定を行う形状測定装置において、高精度測定のニーズが高まっており、特許文献１のように、プローブを用いて測定する測定手法が提案されている。特許文献１では、可動部を０．２ｇという軽量なエアスライダで構成し、マイクロスプリングで支持することにより、測定物への圧力を３０ｍｇｆ以下に抑制することができる。また、特許文献２のように、２つの計測手段の信号データを加減算して測定位置を得る手法も提案されている。

レンズの薄型化およびレンズの光学特性改善のために、表面の軟らかいプラスチック材料が使用されるプラスチックレンズにおいては、プローブの測定力の低減と、プローブの高速応答が求められている。

図１５は、特許文献１に記載された測定用プローブを示す図である。図１５に示すように、特許文献１に記載の測定用プローブ１００は、マイクロスプリング１０１、スタイラス１０２、フォーカス検出量レーザ１０３、プローブユニット１０４、周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザ１０５、Ｚ軸ステージ１０６、マイクロエアスライダ１１０により構成されている。スタイラス１０２とマイクロエアスライダ１１０との重量が、マイクロスプリング１０１により支持されている。測定用プローブ１００は、ＸＹ方向への走査時に、マイクロスプリング１０１のひずみ量としてマイクロスプリング１０１の変位量を半導体レーザ光学系により計測する。この変位量をフィードバックした状態でＸＹ方向に走査して形状を測定することにより、一定の測定力により測定物１０９の測定面の形状を測定する。このように、マイクロスプリング１０１のひずみ量を一定にフィードバックした状態で、ＸＹ方向に走査して形状を測定することにより、一定の測定力に保つことができる。

また、図１５に示すように、測定物１０９の測定においては、傾いた測定面を測定する場合がある。たとえば、スマートフォン等のカメラのレンズ表面は、およそ７５°傾いた測定面を有している。このような場合においても、測定用プローブ１００の測定力を検出し、マイクロスプリング１０１の変形量を一定に保つことが求められる。傾いた測定面において、測定用プローブ１００をＸＹ方向に走査すると、測定面の傾斜によりＺ方向へＺ軸ステージ１０６を移動させることが求められる。図１５に示すように、測定面がＹ軸まわりに７５°傾いていると、測定力を一定に保つために、Ｚ方向において、Ｘ方向への移動速度のｔａｎ７５°（≒３．７３）倍の速度で移動することが求められる。

Ｚ軸ステージ１０６の重量は、たとえば、およそ２ｋｇであるため、Ｚ方向への移動速度が制限されることがあり、傾いた側面に対して所望の速度でＺ軸ステージを移動させることができないという問題が生じる。また、測定物１０９の測定面における微細な凹凸の変化に追随するように、測定力を一定の低い値に保ったままＸＹ方向に走査して測定することが難しいという課題がある。

また、約２ｋｇのＺ軸ステージ１０６の重量により、低い測定力でのフィードバックを行うことができないという課題がある。さらに、レーザの空気揺らぎの影響により、マイクロスプリング１０１のひずみ量を低く設定することができず、低い測定力で測定を行うことが難しいという課題がある。

図１６は、特許文献２に記載された測定機を示す図である。図１６に示すように、特許文献２に記載の測定機１２０は、測定用プローブ１２１と、プローブ支持部材１２２と、移動機構１２３と、第１計測手段１２４と、第２計測手段１２５とを備える。第１計測手段１２４は、移動機構１２３による移動量を計測し、第２計測手段１２５は、プローブ支持部材１２２に対するプローブの変位量を計測し、かつ、第１計測手段１２４よりも高分解能を有する。図示されていない演算処理装置において、第１計測手段１２４および第２計測手段１２５の出力信号データを加減算し、測定用プローブ１２１と測定物の測定箇所との相対移動変位量または被測定箇所の座標を求めることにより、高速な測定を可能にしている。

しかし、特許文献２のように、２つの計測手段の信号データを加減算して測定位置を得る手法では、測定ストローク全長にわたって均一な精度とすることが困難であるという課題がある。また、第１計測手段１２４および第２計測手段１２５の出力信号を加減算して位置を求めるため、測定結果に誤差が生じることがあるという課題がある。

そこで、本発明者らは、これらの課題を解決するための測定用プローブを検討し、以下の構成を考案した。

本開示の一態様に係る測定用プローブは、
測定物の表面を走査することにより、前記測定物の表面の三次元形状等を測定する測定用プローブであって、
スタイラスを有する第１可動部と、
Ｚ方向に移動可能に前記第１可動部と連結される第２可動部と、
内部に前記第２可動部を収容する空間が設けられ、前記Ｚ方向に移動可能に前記第２可動部と連結される第３可動部と、
前記第１可動部の前記Ｚ方向における第１位置を測定する第１位置測定部と、
前記第２可動部の前記Ｚ方向における第２位置を測定する第２位置測定部と、
前記第３可動部の前記Ｚ方向における第３位置を測定する第３位置測定部と、
を備え、
第１相対位置は、前記第１位置と前記第２位置とに基づいて算出され、
第２相対位置は、前記第１位置と前記第３位置とに基づいて算出され、
前記第１可動部に対する前記第２可動部の前記Ｚ方向における前記第１相対位置と、前記第１可動部に対する前記第３可動部の前記Ｚ方向における前記第２相対位置と、が一定に維持される。

このような構成により、プローブの測定力の低減と、プローブの高速応答とが可能になる。

さらに、
前記第１可動部と前記第２可動部とを連結する第１スプリングと、
前記第２可動部と前記第３可動部とを連結する第２スプリングと、
を備えていてもよい。

このような構成により、Ｚ方向において高精度な測定が可能になる。

前記第２可動部の質量が前記第３可動部の質量の１／１００以下であってもよい。

このような構成により、プローブの測定力を低く保ったまま測定することができる。

前記第１位置測定部、前記第２位置測定部、および前記第３位置測定部が、前記測定用プローブの内部に画定される空間に設けられていてもよい。

このような構成により、空気揺らぎによる変動の影響を低減することができる。また、測定用プローブの組立が容易になり、低コストで製造することができる。

前記第１位置測定部は、第１光源を含み、
前記第２位置測定部は、第２光源を含み、
前記第３位置測定部は、第３光源を含み、
前記第１光源、前記第２光源、および前記第３光源はそれぞれ、前記Ｚ方向に平行に光が発射されるよう配置されてもよい。

このような構成により、各光源からの光の近傍の気温、気圧がほぼ同一に維持されるため、空気揺らぎの影響を低減させることができ、高精度かつ高安定に測定力を制御することができる。

前記第１相対位置と前記第２相対位置とが、予め記憶された所定の位置にリセットされてもよい。

このような構成により、測定誤差を低減した測定用プローブを提供することができる。

本開示の一態様にかかる形状測定装置は、
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の測定用プローブを備える。

このような構成により、測定力を低減し、高速応答を実現した形状測定装置を提供することができる。

以下、実施の形態を図面に基づいて説明する。

（実施の形態１）
［形状測定装置の全体構成］
図１は、本開示の実施の形態１にかかる測定用プローブを備える形状測定装置の全体構成図である。図２は、図１の形状測定装置の概略構成を示すブロック図である。なお、本実施の形態において、Ｘ方向は幅方向、Ｙ方向は奥行方向、Ｚ方向は高さ方向を示す。

図１および図２に示すように、形状測定装置９０は、測定用プローブ１と、Ｚ軸ステージ２と、ＸＹステージ３と、周波数安定化Ｎｅ−Ｎｅレーザ４と、Ｘ軸基準ミラー５と、Ｙ軸基準ミラー６と、Ｚ軸基準ミラー７と、上部石定盤８および下部石定盤９１と、Ｘ軸レーザ出射部１０と、Ｙ軸レーザ出射部１１と、演算処理部９４と、制御部９５とを備える。形状測定装置９０は、測定物９の表面形状を測定するのに使用される。

測定物９を保持する下部石定盤９１に、ＸＹ軸方向に移動可能に、ＸＹステージ３が配置されている。また、ＸＹステージ３上には、上部石定盤８が配置され、上部石定盤８の上に測定物９のＸＹＺ座標位置を測定するための周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザ４が配置されている。

測定用プローブ１は、Ｚ軸ステージ２を介して上部石定盤８に取り付けられている。ＸＹステージ３は、ＸＹステージ３の下側に配置されてモータ駆動のＹ軸ステージ３Ｙと、ＸＹステージ３の上側に配置されてモータ駆動のＸ軸ステージ３Ｘとで構成されている。周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザ４により周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザ光９６が出射され、出射された周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザ光９６が、上部石定盤８に配置された光学系９２を介して、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の３方向のレーザ光に分岐されたのち、ナノメートルオーダーの高い平面度を持つ、Ｘ軸基準ミラー５と、Ｙ軸基準ミラー６と、Ｚ軸基準ミラー７とにそれぞれ反射させる。

このように構成することにより、Ｘ座標検出装置９３Ｘと、Ｙ座標検出装置９３Ｙと、測定用プローブ１のＺ方向位置を検出するＺ座標検出装置９３Ｚとにより、ナノメートルオーダーの超高精度で、測定物９の表面のＸＹＺ座標を測定できる。Ｘ座標検出装置９３ＸとＹ座標検出装置９３ＹとＺ座標検出装置９３Ｚとには、演算処理部９４が接続されて、座標検出装置９３ＸとＹ座標検出装置９３ＹとＺ座標検出装置９３Ｚとから入力された測定データを演算処理部９４で演算処理して、測定物９の表面の三次元座標データを得て、形状測定を行うことができる。これらのユニット、すなわち、測定用プローブ１と、Ｚ軸ステージ２と、ＸＹステージ３と、周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザ４と、Ｘ軸レーザ出射部１０と、Ｙ軸レーザ出射部１１とＸ座標検出装置９３Ｘと、Ｙ座標検出装置９３Ｙと、Ｚ座標検出装置９３Ｚと、演算処理部９４となどは、制御部９５により動作制御され、自動的に形状測定装置９０での計測動作を行うように構成されている。

形状測定装置９０は、たとえばレンズ等の測定物９の表面において、測定用プローブ１をＸＹ方向に走査することにより、測定物９の表面のＸＹＺ座標データ列を求める。制御部９５により、測定用プローブ１のＸＹ座標位置におけるＺ座標データの列が演算処理されて、測定物９の形状測定を行う。すなわち、形状測定装置９０は、ＸＹ方向に測定用プローブ１を走査してＸＹＺ座標を取得し、測定物９の３次元形状を測定する。

なお、形状測定装置９０は、測定用プローブ１をＸＹ方向において固定してＺ方向にのみ移動し、測定物９をＸＹ方向に移動させて測定物９の形状を測定するよう構成されていてもよい。

また、形状測定装置９０において、測定用プローブ１に対するＸ軸レーザ出射部１０およびＹ軸レーザ出射部１１の位置は静的である。具体的には、ＸＹステージ３によって測定用プローブ１がＸＹ方向に移動しても、測定用プローブ１に対するＸ軸レーザ出射部１０およびＹ軸レーザ出射部１１の距離は、一定で変化しないよう構成されている。測定用プローブ１に対するＸ軸レーザ出射部およびＹ軸レーザ出射部１１が一定の距離を保つよう構成することによって、Ｘ方向およびＹ方向に出射されたレーザ光により、測定用プローブ１の中心からＸ軸基準ミラー５およびＹ軸基準ミラー６までの距離を高精度に測定することが可能である。

［測定用プローブの全体構成］
図３および図４を参照して、本開示の測定用プローブ１の構成を示す。図３は、図１の形状測定装置に搭載される測定用プローブの模式図である。図４は、図１の形状測定装置に搭載される測定用プローブの概略構成を示す図である。

測定用プローブ１は、図３および図４に示すように、第１可動部１２と、第２可動部１３と、第３可動部１４と、第１位置測定部１５と、第２位置測定部１６と、第３位置測定部１７と、第１駆動部（ＶＣＭ）３７と、第２駆動部（リニアモータ）１８とを備える。第１可動部１２と第２可動部１３とが第１スプリング２２により連結され、第２可動部１３と第３可動部１４とが第２スプリング３４により連結されている。測定物９のＺ方向の座標を測定する際に、第１可動部１２と軽量な第２可動部１３とが小さいストローク（たとえば、５０〜１００μｍ）でＺ方向に移動し、第２可動部１３に比較して重量がある第３可動部１４が大きいストローク（たとえば、４０〜８０ｍｍ）でＺ方向に移動する。このように、軽量な第２可動部１３と重量がある第３可動部１４とを組み合わせることにより、測定物９への低測定力を維持しつつ、Ｚ方向へ測定用プローブ１を高速に移動させることができる。

＜第１可動部＞
第１可動部１２は、図４に示すように、エアスライダ１９と、エアスライダ１９の一端に配置されたスタイラス２０と、エアスライダ１９の他端に配置された第１ミラー２１とを有する。第１可動部１２のエアスライダ１９は、第３可動部１４のエア軸受部２３に挿入され、Ｚ方向に移動可能である。測定用プローブ１における測定子であるスタイラス２０は、Ｚ方向に移動可能であり、ＸＹ方向に剛性を持つエアスライダ１９により支持されている。エアスライダ１９の可動部分は、短冊状の第１スプリング２２により自重を支持されている。第１スプリング２２は、第１可動部１２と第２可動部１３とを移動可能に連結している。エアスライダ１９は、３〜１５μｍのエアギャップによりＸＹ方向の剛性を維持し、第３可動部１４のエア軸受部２３に挿入されている。

また、測定用プローブ１には、ＸＹ方向の微小な傾きを検出する検出光学系ＬＴが設けられている。検出光学系ＬＴは、光源ＬＳを有し、光源ＬＳからのレーザ光４３をミラー４６に反射させる。検出光学系ＬＴは、スタイラス２０が測定物９の表面における摩擦力によりＸＹ方向に力を受けたとき、スタイラス２０のＸ方向を軸とした傾き（図１のＢ方向の傾き）とＹ方向を軸とした傾き（図１および図４のＡ方向の傾き）を検出することができる。

＜第２可動部＞
第２可動部１３は、Ｚ方向に移動可能に第１可動部１２と連結され、後述する第３可動部１４の空間２４に収容されている。第２可動部１３は、第２ミラー２５を有し、第３可動部１４の空間２４において、第２可動部１３と第３可動部１４とを連結する第２スプリング３４により第３可動部１４と移動可能に連結されている。第２可動部１３は、中空のカップ状のカップスライダ４０を有し、カップスライダ４０がＺ方向に移動可能に構成されている。カップスライダ４０は、３〜１５μｍのエアギャップによりＸＹ方向の剛性を維持し、第３可動部１４のエア軸受部４１に挿入されている。すなわち、第２可動部１３は、第２スプリング３４により、Ｚ方向に移動可能にその自重を支持されている。また、第２可動部１３のカップスライダ４０の底に設けられた支持球４２により第１スプリング２２が支持されている。したがって、第２可動部１３は、第１可動部１２を第１スプリング２２および支持球４２により支持している。第２可動部１３は、自重が約５ｇと軽量であり、Ｚ方向に高速に移動可能である。後述するように第３可動部１４の質量は約２ｋｇであり、第２可動部１３の質量は、第３可動部１４の質量の１／１００以下であるとよい。好ましくは、第２可動部１３の質量は、第３可動部１４の質量の１／２００以下であるとよい。さらに好ましくは、第２可動部１３の質量は、第３可動部１４の質量の１／４００以下であるとよい。

第１可動部１２のＺ方向の座標は、第１位置測定部１５の第１光源２６からのレーザ光２７を第３可動部１４に設けられたレンズ３３により第１ミラー２１に集光し、干渉計により測定することで求めることができる。

エアスライダ１９のＺ位置を測定する第１位置測定部１５の第１光源２６からのレーザ光２７と、スタイラス２０のＸＹ方向への走査による傾きを検出する検出光学系ＬＴからのレーザ光４３とが、第２可動部１３の中空部分を通過する。

第２可動部１３の外周に円筒状のコイル３６が設けられており、コイル３６が第３可動部１４の内周に設けられたマグネット３５と組み合わさることにより、簡素な構造で推力を発生するボイスコイルモータ（ＶＣＭ）３７が構成される。ＶＣＭ３７により、第２可動部１３をＺ方向に駆動することができる。ＶＣＭ３７により、第２可動部１３がＺ方向の上下に高速移動されるが、第２可動部１３の自重は第２スプリング３４にて支持されているため、低消費電力で駆動させることができる。このため、精密測定の際に問題となる熱の発生を抑制することができる。

第２可動部１３は、測定による外力が加わらないため、倒れが発生しない。そのため、第２可動部１３のＸ方向を軸とした傾き（図１のＢ方向の傾き）とＹ方向を軸とした傾き（図１および図２のＡ方向の傾き）に対する剛性は低くてもよい。また、Ｚ方向以外のメカ移動精度は不問である。カップスライダ４０のエアギャップの製造公差は約２０μｍであり、エア軸受としての精度は緩く、低コスト化も容易である。

第２可動部１３のＺ方向の座標は、第２位置測定部１６の第２光源２８からのレーザ光２９を、第３可動部１４に設けられたレンズ３２により第２ミラー２５に集光した光を干渉計により測定することにより求められる。

＜第３可動部＞
第３可動部１４は、内部に第２可動部１３を収容する空間２４が設けられ、Ｚ方向に移動可能に第２可動部１３と連結される。第３可動部１４は、内部に空間２４が形成された有底の筒状である。第３可動部１４の底部には、第１可動部１２のエアスライダ１９をＺ方向に移動可能に保持するエア軸受部２３が設けられている。第３可動部１４の内底、すなわち底の第２可動部１３が配置される側には、第２スプリング３４が配置されている。第２スプリング３４は、第３可動部１４の内部の空間２４に収容された軽量な第２可動部１３の自重をＺ方向の上方に支持している。すなわち、第２可動部１３と第３可動部１４とは、第２スプリング３４により移動可能に連結されている。第３可動部１４のＺ方向の座標は、第３位置測定部１７の第３光源３０からのレーザ光３１を、第３ミラー４７に集光した光を干渉計により測定することにより求められる。第３可動部１４は、リニアモータ１８によりＺ方向に駆動される。リニアモータ１８は、マグネット３８とコイル３９により構成されている。また、第３可動部１４の自重は約２ｋｇであり、図示されていないセラミックステージにより真直度が１０ｎｍ以下となるよう構成されている。

＜第１位置測定部＞
第１位置測定部１５は、第１可動部１２のＺ方向における第１位置Ｌ１（図３参照）を測定する。第１位置測定部１５は、第１光源２６を有し、第１光源２６からのレーザ光２７を第１ミラー２１に反射させることにより第１可動部１２のＺ方向における第１位置Ｌ１を測定する。すなわち、第１位置Ｌ１は、第１ミラー２１のＺ方向の位置である。第１位置測定部１５は、図４に示すように、第１光源２６からのレーザ光２７を、第３可動部１４に固定されたレンズ３３を通して第１ミラー２１に照射することにより、第１ミラー２１のＺ方向の位置を測定し、第１位置Ｌ１を決定する。測定された第１位置Ｌ１の情報は、測定物９の形状測定データとして使用される。また、第１位置測定部１５には、半導体レーザ光学系が設けられている。半導体レーザ光学系は、図示されていないダイクロックミラーにより周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザ４とは波長の異なる半導体レーザの光を第１ミラー２１に照射することにより、第１ミラー２１の初期絶対高さを測定する。

＜第２位置測定部＞
第２位置測定部１６は、第２可動部１３のＺ方向における第２位置Ｌ２を測定する。第２位置測定部１６は、第２光源２８のレーザ光２９が、第３可動部１４に設けられたレンズ３２を通して第２ミラー２５に反射されることにより、図示されていない干渉計において第２可動部１３のＺ方向における第２位置Ｌ２を測定する。すなわち、第２位置Ｌ２は、第２ミラー２５のＺ方向の位置である。

＜第３位置測定部＞
第３位置測定部１７は、第３可動部１４のＺ方向における第３位置Ｌ３を測定する。第３位置測定部１７は、第３光源３０からのレーザ光３１を第３可動部１４に設けられた第３ミラー４７に反射させることにより、図示されていない干渉計において第３可動部１４のＺ方向における第３位置Ｌ３を測定する。すなわち、第３位置Ｌ３は、第３ミラー４７のＺ方向の位置である。

図３に示すように、第１相対位置Ｒ１は第１可動部１２に対する第２可動部１３のＺ方向の相対位置であり、第２相対位置Ｒ２は第１可動部１２に対する第３可動部１４のＺ方向の相対位置である。第１位置Ｌ１、第２位置Ｌ２、および第３位置Ｌ３に基づいて、第１相対位置および第２相対位置が算出される。本実施の形態では、第１相対位置Ｒ１および第２相対位置Ｒ２の算出は、演算処理部９４により実行される。

＜駆動部＞
測定用プローブ１は、第３可動部１４をＺ方向に駆動する第２駆動部１８と、第２可動部１３をＺ方向に駆動する第１駆動部３７とを有する。なお、第１駆動部３７は前述のＶＣＭ３７に相当し、第２駆動部１８は前述のリニアモータ１８に相当する。ＶＣＭ３７が第２可動部１３をＺ方向に駆動し、リニアモータ１８が第３可動部１４をＺ方向に駆動する。すなわち、第１駆動部３７は第２可動部１３をＺ方向に駆動し、第２駆動部１８は第３可動部１４をＺ方向に駆動する。

第１駆動部３７および第２駆動部１８は、第１相対位置Ｒ１と第２相対位置Ｒ２とが一定になるように制御される。本実施の形態では、制御部９５が、第１相対位置Ｒ１と第２相対位置Ｒ２とが一定になるよう、リニアモータ１８およびＶＣＭ３７を制御する。

［測定力の制御］
測定用プローブ１から測定物９に加わる測定力は、スタイラス２０が測定物９に接触したときの、スタイラス２０を支持する第１スプリング２２のたわみ量に基づいて制御する。低い測定力を安定して実現するために、第１スプリング２２に加わる力、および第２スプリング３４に加わる力の両方を制御する。第１スプリング２２および第２スプリング３４に加わる力を検出するには、第１スプリング２２および第２スプリング３４の変形量をナノメートルオーダーの高精度かつ高安定に測定する。

第１スプリング２２の変形量は、第１位置測定部１５による第１ミラー２１のＺ方向の座標（第１位置Ｌ１）と、第２位置測定部１６による第２ミラー２５のＺ方向の座標（第２位置Ｌ２）とを測定し、その差分（第１相対位置Ｒ１）を算出することにより測定する。また、第２スプリング３４の変形量は、第１位置測定部１５による第１ミラー２１のＺ方向の座標（第１位置Ｌ１）と、第３位置測定部１７により第３ミラー４７のＺ方向の座標（第３位置Ｌ３）とを測定し、その差分（第２相対位置Ｒ２）を算出することにより測定する。第１位置測定部１５、第２位置測定部１６、および第３位置測定部１７によるレーザ測長は、高い線形性を備え、微小計測に有効である。なお、具体的な測定力の算出のために、予め第１スプリング２２のバネ定数ＫＡ（Ｎ／ｍ）および第２スプリング３４のバネ定数ＫＢ（Ｎ／ｍ）を測定しておくとよい。

第１スプリング２２および第２スプリング３４の変形量の測定は、まず、測定用プローブ１を上部に移動し、スタイラス２０が測定物９の測定面に非接触の状態で、第１光源２６、第２光源２８、および第３光源３０のレーザ測長値を同時に取得する。このとき、測定用プローブ１には振動等が加わらないようにするとよい。スタイラス２０が測定物９の測定面に接触していないときの第１光源２６のレーザ測長値をＺ２Ｚ、第２光源２８のレーザ測長値をＺ４Ｚ、第３光源３０のレーザ測長値をＺ５Ｚとする。また、スタイラス２０が測定物９に接触しているとき、すなわち測定中の第１光源２６のレーザ測長値をＺ２、第２光源２８のレーザ測長値をＺ４、第３光源３０のレーザ測長値をＺ５とする。これらの値を図示されていないメモリに記憶する。

測定物９に加わる測定力ＭＦは、数１の式で表される。

（数１）
ＭＦ＝ＫＡ×｛（Ｚ２−Ｚ４）−（Ｚ２Ｚ−Ｚ４Ｚ）｝

第１スプリング２２のたわみ量を高精度かつ高安定に測定することにより、測定力を正確に算出することができる。第１スプリング２２のたわみ量を高精度かつ高安定に測定するには、レーザ測長の動作中に測定用プローブ１にはドリフト等がなく安定しているとよい。しかし、レーザ測長では、近傍の気温および気圧が不均一であると、屈折率の変化が発生し、測定位置の誤差が生じることがある。

測定物９が、たとえば、スマートフォン等のカメラに使用されるような、厚さが０．２ｍｍ以下のプラスチックレンズである場合、測定物９を変形させずに測定するには、測定力が２ｍｇｆ以下であるとよい。２ｍｇｆ以下の測定力になるよう制御するには、たとえば、バネ定数ＫＡが２０Ｎ／ｍのスプリングを第１スプリング２２に採用し、第１スプリング２２のたわみ量をおよそ１μｍにコントロールするとよい。そのために、たわみ量の１／１０の０．１μｍ以下の精度と安定性で、第１スプリング２２の位置を安定的に計測するとよい。

なお、レーザ測長の場合、計測誤差は、気温では−１ｐｐｍ／℃（＝−１ｅ^−６／℃）であり、１℃の温度変化はレーザ光２７およびレーザ光２９の光路高さ差が４０ｍｍの部材で、０．０４μｍの計測誤差に相当する。また、計測誤差は、気圧では０．２７ｐｐｍ／ｈＰａであり、形状測定装置９０の設置されている環境では、たとえば、部屋の扉の開閉で１０〜２０Ｐａ（０．１〜０．２ｈＰａ）の気圧変化が生じ、レーザ光２７およびレーザ光２９の光路高さ差が４０ｍｍの部材で、０．０１５〜０．０３μｍの計測誤差に相当する。

第１光源２６、第２光源２８、および第３光源３０のレーザ測長時の光の通る経路が近接していると、気温および気圧の変化によるＺ方向の位置の測定精度の低下を避けることができる。そこで、第１位置測定部１５、第２位置測定部１６、および第３位置測定部１７が、測定用プローブ１の内部に画定される空間に設けられる。ここで、測定用プローブ１の内部に画定される空間とは、後述する図５および図６において、信号処理部４４と、リニアモータ１８と、第３可動部１４とで確定される閉じられた空間４５である。第１光源２６、第２光源２８、および第３光源３０はそれぞれ、Ｚ方向に平行に、レーザ光２７、２９、３１が発射されるよう配置される。このような光源の配置により、測定用プローブ１がＺ方向に移動しても、それぞれのレーザ光２７、２９、３１の近傍の気温、気圧はほぼ同一に維持される。したがって、それぞれ光源２６、２８、３０のレーザ測長値の微小な差により制御する場合でも、高精度かつ高安定にスタイラス２０による測定力をコントロールすることができる。

上述したように、第１光源２６、第２光源２８、および第３光源３０を近傍した位置に配置し、それぞれの光源２６、２８、３０からのレーザ光２７、２９、３１の光軸が平行になるように第１位置測定部１５、第２位置測定部１６、および第３位置測定部１７が配置されるとよい。

図５は、測定用プローブ１がＺ方向に下降したときの図である。図６は、測定用プローブ１がＺ方向に上昇したときの図である。図５に示すように、第１光源２６は、測定物９の測定位置のＺ方向の位置を測定するため、エアスライダ１９のＺ方向の中心位置の延長線上に設けられ、第１光源２６からのレーザ光２７は、第３可動部１４に固定されたレンズ３３を通り第１ミラー２１に到達する。

また、第２光源２８は、第２可動部１３のＺ方向の位置を測定するため、レーザ光２９の中心が、第１光源２６からのレーザ光２７の光軸に対してＸ＋方向に位置するよう設けられ、レンズ３２を通り第２ミラー２５に到達する。

また、第３光源３０は、第３可動部１４のＺ方向の位置を測定するため、レーザ光３１の中心が、第１光源２６からのレーザ光２７の光軸に対してＸ−方向に位置するよう設けられる。

このように、信号処理部４４と測定用プローブ１との間の空間４５にそれぞれの光源２６、２８、３０からのレーザ光２７、２９、３１の光路が設けられると、それぞれのレーザ光２７、２９、３１の近傍の気温および気圧等の条件が同一となる。そのため、それぞれのレーザ光２７、２９、３１によるレーザ測長値は、外乱によるＺ方向の位置測定の揺らぎが同じ変化となり、測定物９に加わる測定力を検出するための、数１の式のＺ２−Ｚ４および数２の式のＺ４−Ｚ５の値は、揺らぎの影響を受けない。

上述したように、本実施の形態において、空間４５において、それぞれの光源２６、２８、３０からのレーザ光２７、２９、３１のレーザ測長の気温および気圧等の条件がほぼ同一になるようにする。その結果、スタイラス２０を支持する第１スプリング２２の位置を高速かつ高精度に測定することができる。

また、位置測定の揺らぎの時間変化により発生するドリフトを避けるため、測定物９の測定が終了し、次の測定を開始する直前に、測定物９にスタイラス２０の先端が接触していない状態とする。この状態で、制御部９５は、第１相対位置Ｒ１と第２相対位置Ｒ２とを予め記憶された所定の値に設定する。このとき、制御部９５は、測定力を一定にして局所的な気温および気圧の変動で変動したそれぞれの光源２６、２８、３０のレーザ測長値をリセットするリセット処理を行う。すなわち、測定物の測定を開始する前に、制御部９５は、第１相対位置Ｒ１の値および第２相対位置Ｒ２の値を、予め記憶された所定の値に戻すリセット処理を行う。

図６に示すように、測定用プローブ１がＺ方向に３０ｍｍ〜１２０ｍｍ程度のストロークで上昇して測定物９の測定を行う。図５および図６に示すように、信号処理部４４と測定用プローブ１との間には、測定用プローブ１がＺ方向に移動するための空間４５が設けられている。それぞれのレーザ光２７、２９、３１が同一の空間４５に向けて照射され、空間４５内では気温および気圧等はほぼ同一である。このため、レーザ光２７、２９、３１において、空気揺らぎの影響を最小にすることができ、測定用プローブ１がＺ方向に移動しても、測定力を一定に制御することができる。

数１の式により算出される測定力ＭＦが一定となるように、第２可動部１３をＺ方向に高速移動させる。このとき、第２可動部１３だけでなく、リニアモータ１８のコイル３９にフィードバックすることで第３可動部１４を移動させる。このように、測定用プローブ１をＺ方向に移動させ、同時に、周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザ４をＺ軸基準ミラー７に照射することにより、測定物９の測定面のＺ方向の変位を測定する。この状態で、ＸＹ方向に測定用プローブ１全体を走査し、測定物９の形状を測定する。このようにして、低い測定力を維持しつつ、より信頼性の高い形状測定を行うことができる。

測定用プローブ１をＸＹ方向に走査することにより、測定用プローブ１に傾きが発生した場合、予め記憶されたスタイラス２０の回転中心位置からの距離と角度との乗算を求める。このようにして、測定物９の測定面が傾斜している場合にも、測定用プローブ１の先端のＸＹ位置を補正し、測定値として用いることで、高精度な測定を行うことができる。また、低い測定力を維持することができるので、エアスライダ１９で支持しているスタイラス２０の倒れを防止し、高精度な測定を行うことができる。

［測定例］
図７〜図１４を参照して、本開示の測定用プローブ１を用いて測定したサンプルデータ例を示す。図７は、１５ｍｇｆの測定力による測定結果を示すグラフである。図８は、１．７ｍｇｆの測定力による測定結果を示すグラフである。図９は、図７のグラフの横軸の範囲を小さくしたグラフである。図１０は、図９のグラフの領域Ｐ１を拡大したグラフである。図１１は、図９のグラフの領域Ｐ２を拡大したグラフである。図１２は、図８のグラフの横軸の範囲を小さくしたグラフである。図１３は、図１２のグラフの領域Ｐ３を拡大した図である。図１４は、図１２のグラフの領域Ｐ４を拡大したグラフである。図７〜図１４において、縦軸Ｚｄは、設計形状とＺ方向との差を示し、横軸はＸ座標を示す。また、測定物としてＲ５．５５ｍｍの球を使用し、Ｘ方向に６０°まで測定を実施した。測定条件は、速度１ｍｍ／ｓ、ピッチ０．００１ｍｍである。

図７および図８に示すように、測定力を１５ｍｇｆから１．７ｍｆｇに下げることにより、スタイラス２０の測定力による傾きが小さくなり、レンズの曲率が正しい値で計測されていることがわかる。

また、図９ないし図１４に示すように、測定力を１５ｍｆｇから１．７ｍｇｆに下げることにより、測定物９の測定面に残っていたディンプル状の凹凸を、実形状に即した形状で測定することができていることがわかる。図９の領域Ｐ１および領域Ｐ２を拡大した図１０および図１１と、図１２の領域Ｐ３および領域Ｐ４を拡大した図１３および図１４とを比較すると、図１３および図１４の方が、凸形状が大きな形状として測定されている。すなわち、測定力が低い方が、実形状に即した測定をすることができる。

［効果］
本開示の測定用プローブ１によると、第１可動部１２、第２可動部１３、第３可動部１４、第１位置測定部１５、第２位置測定部１６、第３位置測定部１７、第１駆動部３７、および第２駆動部１８を備え、プローブの測定力の低減と、プローブの高速応答とが可能になる。

また、第１可動部１２と第２可動部１３とを第１スプリング２２により連結することにより、測定力を低い値に維持しつつ、測定用プローブ１の高速応答が可能になる。

さらに、第１位置測定部１５、第２位置測定部１６、および第３位置測定部１７が平行に設けられていることにより、組立時の光軸調整が容易である。また、レーザ光２７、２９、３１に対する空気揺らぎの影響を同一にすることが可能であるため、測定力の制御に影響を与えることなく、低い測定力かつ高精度な測定が可能である。

また、測定物９が、たとえば７５°の高傾斜面を有する場合にも、ナノメートルオーダーの高精度に、かつ空気揺らぎによる外乱からの影響を抑制して測定することができる。

本開示の測定用プローブは、Ｚ方向に移動する軽量なカップ状の第２可動部により、スタイラスを支持する第１スプリングを支持する。測定した表面の凹凸形状に応じ、Ｚ方向に高速に一定の測定力で測定することができる。また、高速で移動させる第２可動部は、Ｚ方向以外の姿勢精度が求められない。Ｚ方向の位置測定のための光源が同一部位に設置されているため、組立調整が容易である。光源からの光の光軸が、同じ空間に位置するため、レーザ測長の空気揺らぎの影響を受けずに、高速、かつ低い測定力で測定を行うことができる。

１ 測定用プローブ
９ 測定物
１２ 第１可動部
１３ 第２可動部
１４ 第３可動部
１５ 第１位置測定部
１６ 第２位置測定部
１７ 第３位置測定部
１８ リニアモータ
１９ エアスライダ
２０ スタイラス
２１ 第１ミラー
２２ 第１スプリング
２３ エア軸受部
２４ 空間
２５ 第２ミラー
２６ 第１光源
２７ レーザ光
２８ 第２光源
２９ レーザ光
３０ 第３光源
３１ レーザ光
３４ 第２スプリング
３７ ＶＣＭ
Ｌ１ 第１位置
Ｌ２ 第２位置
Ｌ３ 第３位置
Ｒ１ 第１相対位置
Ｒ２ 第２相対位置

Claims (7)

1. 測定物の表面を走査することにより、前記測定物の表面の三次元形状等を測定する測定用プローブであって、
   スタイラスを有する第１可動部と、
   Ｚ方向に移動可能に前記第１可動部と連結される第２可動部と、
   内部に前記第２可動部を収容する空間が設けられ、前記Ｚ方向に移動可能に前記第２可動部と連結される第３可動部と、
   前記第１可動部の前記Ｚ方向における第１位置を測定する第１位置測定部と、
   前記第２可動部の前記Ｚ方向における第２位置を測定する第２位置測定部と、
   前記第３可動部の前記Ｚ方向における第３位置を測定する第３位置測定部と、
   を備え、
   第１相対位置は、前記第１位置と前記第２位置とに基づいて算出され、
   第２相対位置は、前記第１位置と前記第３位置とに基づいて算出され、
   前記第１可動部に対する前記第２可動部の前記Ｚ方向における前記第１相対位置と、前記第１可動部に対する前記第３可動部の前記Ｚ方向における前記第２相対位置と、が一定に維持される、
   測定用プローブ。
2. さらに、
   前記第１可動部と前記第２可動部とを連結する第１スプリングと、
   前記第２可動部と前記第３可動部とを連結する第２スプリングと、
   を備える、
   請求項１に記載の測定用プローブ。
3. 前記第２可動部の質量が前記第３可動部の質量の１／１００以下である、
   請求項１または２に記載の測定用プローブ。
4. 前記第１位置測定部、前記第２位置測定部、および前記第３位置測定部が、前記測定用プローブの内部に画定される空間に設けられている、
   請求項１ないし３のいずれか１項に記載の測定用プローブ。
5. 前記第１位置測定部は、第１光源を含み、
   前記第２位置測定部は、第２光源を含み、
   前記第３位置測定部は、第３光源を含み、
   前記第１光源、前記第２光源、および前記第３光源はそれぞれ、前記Ｚ方向に平行に光が発射されるよう配置される、
   請求項４に記載の測定用プローブ。
6. 前記測定用プローブは、前記第１相対位置と前記第２相対位置とを、予め記憶された所定の位置にリセットされる、
   請求項１ないし５のいずれか１項に記載の測定用プローブ。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の測定用プローブを備える、
   形状測定装置。

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