JP5143931B2 - 三次元形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、精度１０〜１００ナノメートルオーダーの超高精度な三次元形状測定装置に関するものである。特に、本発明は、カメラ又は光ディスク等に使用される非球面レンズのレンズ面と非球面レンズの外径の測定による外径に対するレンズ面の中心ずれの測定、抜き金型の雄型と雌型のクリアランス、微細穴又は歯車等の形状と基準面等の、三次元形状を有する測定物を、１０〜１００ナノメートルオーダーの超高精度で、走査測定できる三次元形状測定装置に関するものである。

非球面レンズは、形状精度一万分の一ミリ、つまり１００ナノメートル以下で作らなければ性能が出ないため、１９８０年頃までは、そのような形状精度が測定できないため、非球面レンズは作れなかった。そこで、非球面レンズ面の形状を１０〜１００ナノメートルの超高精度で、かつ、表面を傷つけないような０．１５〜０．３ｍＮという低測定力でレンズ面を走査測定できる三次元測定機が発明された。この三次元測定機の構成は、例えば特許文献１に記載されているとともに、プローブは特許文献２、３に記載されている。

特許文献１では、ＸＹステージの真直度精度１ミクロンをはるかに凌ぐ１０ナノメートルオーダーの高い平面度の三枚の基準ミラーをＸＹＺ座標軸の基準とし、安定化レーザで測定点の軸上でＸＹＺ座標を測定することによりアッベの誤差を最小にし、１０ナノメートルオーダーの座標軸精度を達成した構成が記載されている。

特許文献２では、測定力０．１５〜０．３ｍＮの低測定力でＺ方向には応答性良く動くが、ＸＹ方向には傾かない高剛性のマイクロエアスライドにスタイラスを取り付けられたプローブが記載されている。これは、非球面レンズ面に沿って応答性良く動き、レンズ面の傾斜角度がゼロ度から７５度まで追随して測定可能である。スタイラスの上方に付けられたミラーに前記安定化レーザを直接当て、反射光からＺ座標を測定するので、非球面レンズ面の１０ナノメートルオーダーの超高精度測定が可能になった。これは、マイクロエアスライドが薄い板ばねにより吊り下げられた構造であった。

特許文献３では、マイクロエアスライドを板ばね支持ではなく、磁気による非接触浮上にしたものである。これら特許文献２、３は、非球面レンズ面を１０ナノメートルオーダーの超高精度測定ができるが、非球面レンズ外径の側面を測定することはできない。

一方、上面も側面も測定できる三次元測定機は、たとえば特許文献４、５に記載されているが、精度１００ナノメートルが必要な非球面レンズを測定できるような超高精度な測定機ではない。

特許文献６、７に記載されているものは、側面を測定できるプローブで、プローブ部に支点を設け、先端にスタイラスが付いたスタイラス軸が、スタイラスへの横からの測定力により、前記支点を中心にＸＹ軸廻りに傾き可能で、前記スタイラス軸上方にはミラーが取り付けられ、このミラーの傾斜角度はレーザーにより検出している。前記支点はＺ方向には動かないため、スタイラス軸の傾斜角度でのみプローブ部に対するスタイラスのＸＹ方向への変位位置が誤差なく決まるので、側面形状を１５０ナノメートルの精度で測定できる。

特許文献８に記載されているものは、レンズ面測定用プローブを取り付ければ非球面レンズ面の形状を１０〜１００ナノメートルの超高精度で測定でき、側面測定用のプローブを取り付ければレンズ外径側面も１５０ナノメートルの精度で測定でき、測定精度は落ちるが上面と側面を両方測定できるプローブをつけることもできるといったものである。

特許文献９に記載されているものは、非球面レンズ面の上下面の形状を同時に１０〜１００ナノメートルの超高精度で測定できる測定機で、上下にあるプローブを小さく簡単にするための半導体レーザーと光検出器と回折格子を一体にしてフォーカス誤差信号を検出できる相対位置測定部が開示されている。

特許文献１０に記載されているものは、側面も測定できるプローブによる走査測定の方法について記載されている。

特許第３０４６６３５号公報 特許第３０００８１９号公報 特許第４２９１８４９号公報 特許第１７９２３３８号公報 特開２００７−２１８７３４号公報 特開２００６−２８４４１０号公報 ＷＯ０７／１３５８５７号公報 特開２００８−２９２２３６号公報 特許第４２６０１８０号公報 特開２００９−２９３９９２号公報

最近はデジカメ又は携帯電話に搭載されたカメラ等の多くの光学製品で小型化と、低コスト化と、高い解像度又は高ズーム比等の著しい性能向上という相反する要望により、使われる非球面レンズは、レンズ面の形状精度達成だけでなく、外径も含めたトータルでの精度向上が課題となっている。

しかしながら、前記従来の各文献の構成では、例えば非球面レンズのレンズ面と側面とを必要な精度、つまり、レンズ面では１０〜１００ナノメートル、側面を１００ナノメートルの精度で測定することはできなかった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、測定物の上面と側面との両方を１０〜１００ナノメートルの超高精度で走査測定できる三次元形状測定装置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、Ｚ方向沿いに配置されるエアスライドと、前記エアスライドの一端に配置された上面スタイラスと、前記エアスライドの他端にそれぞれ配置された第１のミラーとバネ力発生部とを有する第１可動部と、
この第１可動部を前記Ｚ方向に移動させる前記エアスライドのガイド部と、前記バネ力発生部を支えることにより前記第１可動部を吊り支持するバネ力支持部とを少なくとも有する第２可動部と、
前記第２可動部が前記Ｚ方向に移動可能な状態で前記第２可動部を連結支持する支持部と、
前記第２可動部を前記支持部に対してＺ方向に駆動するＺ駆動部と、
前記第１可動部と前記第２可動部との相対位置を測定する相対位置測定部と、
安定化レーザ光源からの安定化レーザ光を前記第１のミラーに向けて照射し、この前記第１のミラーからの反射光から前記上面スタイラスのＺ方向移動量を測定するＺ２座標検出部と、
前記支持部、又は測定物を前記Ｚ方向に垂直なＸ方向及びＹ方向に駆動するＸＹ駆動部と、
前記ＸＹ駆動部による前記支持部又は前記測定物のＸＹ方向移動量を測定してＸ座標とＹ座標とを検出するＸＹ座標検出部と、
前記上面スタイラスが前記第２可動部に配置された位置から前記Ｘ方向又は前記Ｙ方向に離れた位置に前記第２可動部に配置され、一端に側面スタイラスを有し、前記側面スタイラスを前記Ｚ方向に対して傾斜可能に連結機構により前記第２可動部に連結された可動傾斜部と、
前記可動傾斜部の傾斜角度を測定する傾斜角度測定部と、
前記傾斜角度測定部から得られた前記傾斜角度から前記側面スタイラスの前記第２可動部に対するＸ変位とＹ変位とを算出する側面スタイラス変位検出部と、
前記ＸＹ座標検出部で検出された前記Ｘ座標及びＹ座標に、前記側面スタイラス変位検出部で算出された前記側面スタイラスのＸ変位とＹ変位とを加算して、前記側面スタイラスによる前記測定物の測定点のＸ座標及びＹ座標を算出する測定点位置演算手段とを備える三次元形状測定装置を提供する。

本発明の第２態様によれば、前記側面スタイラスによる測定時に、前記第２可動部に対する前記第１可動部の前記Ｚ方向の動きを止める第１可動部動作停止装置と、
前記第１可動部動作停止装置により前記第２可動部に対する前記第１可動部の前記Ｚ方向の動きを止めた状態で前記第１可動部の前記第２可動部に対するＺ方向位置を検出する相対位置測定部とをさらに備える、第１の態様に記載の三次元形状測定装置を提供する。

本発明の第３態様によれば、前記第１可動部動作停止装置は、前記第１可動部を前記Ｚ方向に移動させる前記エアスライドに供給する圧縮空気を真空吸引に切り替える切り替え弁である、第２の態様に記載の三次元形状測定装置を提供する。

本発明の第４態様によれば、前記上面スタイラスが前記測定物の表面を前記ＸＹ方向に走査するとき、前記測定物の表面の高さ変化に沿って前記第１可動部が前記Ｚ方向に動くとき、前記相対位置測定部から得られた前記第１可動部と前記第２可動部との相対位置が一定になるように前記第２可動部を前記Ｚ方向に駆動する信号を発生するフォーカス制御部と、
前記側面スタイラスを前記測定物の表面の前記Ｚ方向に走査するため前記第２可動部を前記Ｚ方向に駆動するための信号を発生するＺ軸移動指示部と、
前記フォーカス制御部からの信号と前記Ｚ軸移動指示部からの信号のいずれかに切換えて前記Ｚ駆動部に伝えるＺ軸信号切換え部とを備える、第１の態様に記載の三次元形状測定装置を提供する。

本発明の第５態様によれば、前記側面スタイラスによる測定時に、前記第２可動部に対する前記第１可動部の前記Ｚ方向の動きを止める第１可動部動作停止装置と、
前記第１可動部動作停止装置により前記第２可動部に対する前記第１可動部の前記Ｚ方向の動きを止めた状態で前記第１可動部の前記第２可動部に対するＺ方向位置を検出する相対位置測定部とをさらに備える、第４の態様に記載の三次元形状測定装置を提供する。

本発明の第６態様によれば、前記第１可動部動作停止装置は、前記第１可動部を前記Ｚ方向に移動させる前記エアスライドに供給する圧縮空気を真空吸引に切り替える切り替え弁である、第５の態様に記載の三次元形状測定装置を提供する。

本発明の第７態様によれば、前記第１可動部動作停止装置は、前記上面スタイラスが前記測定物に接触した状態で、前記フォーカス制御部により、前記第２可動部に対する前記第１可動部の位置が一定位置になるように制御された状態のタイミングで、前記第２可動部に対する前記第１可動部の前記Ｚ方向の動きを止める、第５の態様に記載の三次元形状測定装置を提供する。

本発明の第８態様によれば、前記第１可動部動作停止装置は、前記上面スタイラスが前記測定物に接触した状態で、前記フォーカス制御部により、前記第２可動部に対する前記第１可動部の位置が一定位置になるように制御された状態のタイミングで、前記第２可動部に対する前記第１可動部の前記Ｚ方向の動きを止める、第６の態様に記載の三次元形状測定装置を提供する。

本発明の第９態様によれば、前記上面スタイラスが前記測定物の表面を前記ＸＹ方向に走査するための信号を発生するＸＹ軸移動指示部と、
前記側面スタイラスを前記測定物の表面に沿って前記ＸＹ方向に移動させるように前記ＸＹ駆動部を駆動制御するとともに、前記測定物の表面の前記ＸＹ方向の変化に伴って前記可動傾斜部が傾斜するとき、前記傾斜角度測定部から得られた傾斜角度の絶対値が概略一定になるように前記ＸＹ駆動部を駆動制御するＸＹ制御部と、
前記ＸＹ軸移動指示部からの信号と前記ＸＹ制御部からの信号のいずれかに切換えて前記ＸＹ駆動部に伝えるＸＹ軸信号切換え部とを備える、第１〜８のいずれか１つの態様に記載の三次元形状測定装置を提供する。

本発明の第１０態様によれば、前記傾斜角度測定部は、前記可動傾斜部に取り付けられた第２のミラーと、光源からの光を前記第２のミラーに向けて照射し、前記第２のミラーからの反射光の方向を検出することにより前記傾斜角度を測定する光位置検出器とを備える、第１〜８のいずれか１つの態様に記載の三次元形状測定装置を提供する。

本発明の第１１態様によれば、前記測定物を設置する測定物設置部と、
この測定物設置部と、測定中は相対位置がそれぞれ変わらずに互いにそれぞれのミラー面が互いに直交するよう配置されたＸ基準ミラーとＹ基準ミラーとＺ基準ミラーと、
前記ＸＹ座標検出部を構成し、かつ、発振周波数のずれが一定値以下になるように制御された前記安定化レーザ光源からの前記安定化レーザ光を前記Ｘ基準ミラーと前記Ｙ基準ミラーとに照射し、これらの前記Ｘ基準ミラーと前記Ｙ基準ミラーとからの反射光から前記支持部に対する前記測定物の移動量のＸ座標とＹ座標とをそれぞれ検出するＸ座標検出部とＹ座標検出部と、
前記発振周波数のずれが一定値以下になるように制御された前記安定化レーザ光源からの前記安定化レーザ光を前記Ｚ基準ミラーに照射し、前記Ｚ基準ミラーからの反射光から前記支持部に対する前記測定物の移動量のＺ１座標を検出するＺ１座標検出部と、
前記Ｚ２座標検出部により検出されたＺ２座標と前記Ｚ１座標検出部により検出された前記Ｚ１座標の加算によって前記測定物の表面上の測定点のＺ座標を算出するＺ座標算出部とを備える、第１〜８のいずれか１つの態様に記載の三次元形状測定装置を提供する。

本発明の第１２態様によれば、前記第２可動部が前記Ｚ方向に移動するガイド部がエアスライドで構成されて、前記第２可動部が前記支持部に対して第２可動部駆動装置で駆動されるよう構成される、第１〜８のいずれか１つの態様に記載の三次元形状測定装置を提供する。

本発明の第１３態様によれば、前記ＸＹ駆動部は、Ｘ軸リニアモーターとＹ軸リニアモーターとにより、前記第２可動部又は前記測定物を前記ＸＹ方向に駆動するように構成される、第１〜８のいずれか１つの態様に記載の三次元形状測定装置を提供する。

本発明の第１４態様によれば、前記Ｚ１座標検出部は、前記上面スタイラスの中心からＺ方向に延ばした直線上で前記測定物の移動量のＺ１座標を検出し、
前記ＸＹ座標検出部は、前記上面スタイラスの中心の前記Ｚ方向の可動範囲の中心付近から前記Ｘ方向に延ばした直線上で前記Ｘ座標を検出し、前記上面スタイラスの中心の前記Ｚ方向の可動範囲の中心付近から前記Ｙ方向に延ばした直線上で前記Ｙ座標を検出する、第１１の態様に記載の三次元形状測定装置を提供する。

本発明の第１５態様によれば、前記支持部に対する前記第２可動部の移動量をＺ２座標として検出するＺ２座標検出部をさらに備える、第１〜８のいずれか１つの態様に記載の三次元形状測定装置を提供する。

本発明の第１６態様によれば、前記側面スタイラスの位置が前記上面スタイラスの位置からＸ方向に離れているとき、前記側面スタイラスのＺ方向の可動範囲の中心付近からＹ軸方向に延ばした直線上でＹ座標を測定する側面Ｙ座標検出部を備え、
前記側面スタイラスの位置が前記上面スタイラスの位置からＹ方向に離れているとき、前記側面スタイラスのＺ方向の可動範囲の中心付近からＸ軸方向に延ばした直線上でＸ座標を測定する側面Ｘ座標検出部を備える、第１〜８のいずれか１つの態様に記載の三次元形状測定装置を提供する。

本発明の第１７態様によれば、前記測定物として球を置くとき、前記上面スタイラスでこの球の表面の複数点を測定したのち、この測定点の点列からこの球の第１中心座標（ｘｃ，ｙｃ，ｚｃ）を算出する第１演算部と、
前記側面スタイラスでこの球の表面の複数点を測定し、この球の測定データから求めたこの球の第２中心座標（ｘｄ，ｙｄ，ｚｄ）を算出する第２演算部と、
これらの第１及び第２中心座標の差を求めるとともに、どちらか一方の測定データに加算する第３演算部とを備えて、
前記第３演算部で、前記第１及び第２中心座標の差を前記どちらか一方の測定データに加算することにより、前記２つのスタイラスによる測定データを被測定面に対する同一座標系における測定データとする、第１〜８のいずれか１つの態様に記載の三次元形状測定装置を提供する。

本発明の三次元形状測定装置によれば、上面スタイラスと側面スタイラスとを備えているため、測定物の上面と側面との両方を測定精度１０〜１００ナノメートルで走査測定できる。より具体的には、測定物の一例として、非球面レンズのレンズ面と非球面レンズの外形の側面を１０〜１００ナノメートルの精度で測定することができるようになる。これにより、従来はできなかった非球面レンズの外径に対するレンズ面の光軸の傾き又は偏心を１００ナノメートル台の超高精度で測定することができるようになる。

また、測定物の別の例として、カメラ又は光ディスク等に使用される非球面レンズの外径に対する光軸のずれを正しく測定できるので、光軸ずれの無いレンズを作ることができ、より高画質、大容量、軽量の非球面レンズ使用製品を、歩留まり良く作ることができるようになる。また、測定物のさらに別の例として、抜き金型の上面と側面のクリアランス、微細穴又は歯車等の形状と基準面等も、短時間で走査測定できる。

本発明の第１実施形態にかかる三次元形状測定装置における第２可動部の拡大図 本発明の第１実施形態における機械的な構成の正面図 本発明の第１実施形態における機械的な構成の右側面図 本発明の第１実施形態における制御構成図 本発明の第１実施形態における制御構成図 本発明の第１実施形態における動作を説明するための図 本発明の第１実施形態における動作のフローチャート 本発明の第１実施形態における光路構成を示す平面図 本発明の第１実施形態における光路構成を示す正面図 本発明の第１実施形態における測定点位置演算部の構成を示す図 本発明の第２実施形態における光路構成を示す平面図 本発明の第２実施形態における光路構成を示す正面図 本発明の第３実施形態における上面プローブのエアスライダに圧縮空気を供給した状態を示す正面図 本発明の第３実施形態における上面プローブのエアスライダの配管を真空配管に切り替えた状態を示す正面図 本発明の第３実施形態における第１可動部のＺ方向の動きを止めて、上面プローブと側面プローブの相対位置を算出する手順を示す図 本発明の第３実施形態における第１可動部のＺ方向の動きを止めるタイミングを示す図 本発明の第３実施形態における相対位置測定部の信号を示す図 本発明の第３実施形態における第１可動部のＺ方向の動きを止めて、上面プローブと側面プローブの相対位置を算出した後、上面スタイラスと側面スタイラスにより、測定物の測定の手順を示す図 本発明の第１実施形態におけるＹ座標検出部の内部構造を示すブロック図 本発明の第１実施形態におけるＸ座標検出部の内部構造を示すブロック図

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。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態にかかる三次元形状測定装置における第１可動部１と可動傾斜部２ｉを含む第２可動部２を拡大した正面図である。図２は、本発明の第１実施形態における形状測定装置の正面図、図３は、本発明の第１実施形態における形状測定装置の右側面図である。図４は、本発明の第１実施形態における形状測定装置の上面スタイラス１ａで測定物７の上面７ａを測定するときの制御構成の一例を示す説明図である。図５は、本発明の第１実施形態における形状測定装置の側面スタイラス２ｉａで測定物７の側面７ｂを測定するときの制御構成の一例を示す説明図である。

図１において、１の第１可動部は、上面スタイラス１ａと、第１のミラー１ｂと、Ｚ方向沿いに配置されてＸＹ方向には振れない程度の剛性を有するエアスライド１ｃと、バネ力発生部の一例として機能する可動ヨーク１ｄとで構成されている。エアスライド１ｃの一端（図１では下端）に上面スタイラス１ａを有するとともに、エアスライド１ｃの他端（図１では上端）に可動ヨーク１ｄを介して第１のミラー１ｂを有している。エアスライド１ｃが、ガイド部の一例として機能するエア軸受け２ａに沿ってＺ方向に可動である。

可動ヨーク１ｄは、ピン状で、第１可動部１のエアスライド１ｃの他端である上部に取り付けられている。可動ヨーク１ｄを支えるバネ力支持部の一例として機能しかつ第２可動部２に付けられた磁石２ｂと固定ヨーク２ｃとで形成される磁気回路２ｈによる引力で、図１において、可動ヨーク１ｄは非接触の状態で左右にひきつけられ、第１可動部１の回転と、第１可動部１の重力による落下を防ぐ、バネ力発生部の一例として機能する。この可動ヨーク１ｄと磁気回路２ｈとにより、第１可動部１が第２可動部２に対し、釣り合い位置で浮いている。可動ヨーク１ｄは、上面スタイラス１ａの下端にＺ方向に測定力が作用すれば、この測定力に比例して釣り合い位置からずれるようになっている。

なお、バネ力発生部の一例としては、前記磁気回路ではなく、板ばねにすることも可能である。

この第１可動部１の釣り合い位置からのずれ量は、第１可動部１の上端に貼り付けられた第１のミラー１ｂの変位を相対位置測定部２ｄにより検出する。同時に、第１可動部１のＺ座標は、支持部４に固定された安定化レーザ光源５からの出力光を２枚のハーフミラー（非図示）で分離したＺ２座標測定用安定化レーザ光６がダイクロイックミラー２ｄｃを全透過し、第１のミラー１ｂにレンズ２ｄｅにより集光し、この第１のミラー１ｂからの反射光から第１可動部１のＺ座標は、ナノメートルオーダーの超高精度で測定できる。

支持部４は、石定盤１０上に固定された石門柱１１に固定されている。

第２可動部２は、大略、上面プローブ１０２と側面プローブ１０１とを下端部にそれぞれＺ方向に昇降可能に支持して、支持部４に対してＺ方向に昇降可能に支持されている。第２可動部２は、Ｚ方向沿いに配置されたエア軸受け２ａと、リング状の磁石２ｂと、リング状の固定ヨーク２ｃと、相対位置測定部２ｄと、第２可動部２の本体２ｚの下端の一端部にＺ方向沿いに固定された上面プローブ枠２ｅと、第２可動部２の本体２ｚの下端の他端部に上面プローブ枠２ｅと並んでＺ方向沿いに固定された側面プローブ枠２ｆと、横柱２ｇと、可動傾斜部２ｉと、傾斜角度測定部２ｊと、固定側磁石２ｋと、Ｚ駆動部２ｍと、大エアスライド２ｎと等で構成され、支持部４に固定された大エア軸受け４ａに沿って大エアスライド２ｎがＺ方向にスライド可能である。

第２可動部２のＺ方向の可動範囲は本三次元形状測定装置のＺ方向の測定範囲をカバーし、ＸＹ駆動装置８のＸＹ方向の可動範囲は本三次元形状測定装置のＸＹ方向の測定範囲をカバーする。

第２可動部２の重量は、上端が支持部４に支持された定荷重ばね３によって支持部４から吊り下げられて支えられている。

第２可動部２は、両側部に配置された合計２個のコイルからなるＺ駆動部２ｍによって、支持部４に対してＺ方向に駆動される。

相対位置測定部２ｄは、第２可動部２に固定され、第２可動部２に対する第１可動部１の相対位置を測定して出力する手段であって、半導体レーザフォーカス検出器２ｄａと、回折格子２ｄｂと、ダイクロイックミラー２ｄｃと、レンズ２ｄｄと、レンズ２ｄｅとで構成されている。半導体レーザフォーカス検出器２ｄａは、半導体レーザ光を出射する半導体レーザと、半導体レーザ光を受光して検出する光検出器とがアレイ状に配置されたものである。半導体レーザフォーカス検出器２ｄａからの半導体レーザ光が、回折格子２ｄｂとレンズ２ｄｄとを透過し、ダイクロイックミラー２ｄｃで反射されて、レンズ２ｄｅで第１可動部１にある第１のミラー１ｂ上に集光する。第１のミラー１ｂからの反射光が、再び、レンズ２ｄｅを透過してダイクロイックミラー２ｄｃを反射し、レンズ２ｄｄを透過し、回折格子２ｄｂで分離し、半導体レーザフォーカス検出器２ｄａによって第１のミラー１ｂのＺ方向の焦点ずれを検出する。また、この相対位置測定部２ｄは、静電容量センサーで代用することもできる。

可動傾斜部２ｉは、側面スタイラス２ｉａと、連結機構１０４の支点部材２ｉｂと、第２のミラー２ｉｃと、可動側磁石２ｉｄとにより構成されている。可動傾斜部２ｉは、連結機構１０４の支点部材２ｉｂの尖った下端を中心として、側面プローブ枠２ｆに連結固定された四角形断面形状の横柱２ｇの上面で任意方向に傾斜可能で、可動側磁石２ｉｄが固定側磁石２ｋに対して引力が働くため、第２のスタイラス２ｉａの傾きを妨げるばね力を発生する。

側面プローブ１０１では、Ｘ，Ｙ方向に側面スタイラス２ｉａを傾斜可能とする構成を有する。このような側面プローブ１０１は、側面プローブ枠２ｆと、側面スタイラス２ｉａを下端に有する可動傾斜部２ｉと、連結機構１０４とを備える。

側面プローブ枠２ｆは、第２可動部２に固定され、又は着脱可能に取り付けられるブロック部材である。側面プローブ枠２ｆは、可動傾斜部２ｉが揺動するのに対し、固定された部材であり、第２可動部２に固定された光源２ｊａからの光を通過可能とするため、当該側面プローブ枠２ｆを貫通するレーザ光用開口２ｆｐを中央部に有する。

側面プローブ枠２ｆは円筒形をしており、その内部に可動傾斜部２ｉが収納されるような位置関係を有する。可動傾斜部２ｉと側面プローブ枠２ｆとは、連結機構１０４により連結されている。連結機構１０４は、ミラー２ｉｃに照射される光源２ｊａからの光の光軸に対して交差するいずれの方向にも、可動傾斜部２ｉを傾斜させて揺動可能にして可動傾斜部２ｉを側面プローブ枠２ｆに支持する機構である。

第１実施形態において、連結機構１０４は、側面プローブ枠２ｆに固定された角柱の横柱（載置台）２ｇと、可動傾斜部２ｉに取り付けられた支点部材２ｉｂとにより構成されている。横柱２ｇは、その上面に円錐形の溝が形成されており、支点部材２ｉｂの尖端が当該円錐形の溝に嵌入する。両者の嵌入時においては、横柱２ｇの円錐溝最下点に支点部材２ｉｂの尖端位置が接触するように構成される。このような構成とすることによって、可動傾斜部２ｉと側面プローブ枠２ｆとは、当該支点部材２ｉｂと横柱２ｇの円錐溝との接触部分を揺動中心として、揺動可能に連結される。なお、可動傾斜部２ｉは、支点部材２ｉｂが横柱２ｇの溝に嵌入して連結した場合、側面スタイラス２ｉａが鉛直方向を向くように、重心が支点部材２ｉｂの先端の鉛直方向下側に位置するように構成されていることが好ましい。

可動傾斜部２ｉは、測定物７の側面の被測定面７ｂに接触する側面スタイラス２ｉａと、側面プローブ枠２ｆを通過した光源２ｊａからの光を反射するミラー２ｉｃとを有し、被測定面７ｂの形状に応じた側面スタイラス２ｉａの変位に対応して側面プローブ枠２ｆに対して揺動する部材である。ミラー２ｉｃは、可動傾斜部２ｉの中心部に固定され、光源２ｊａからの光を受ける。

可動傾斜部２ｉは、第１実施形態では、中央に紙面貫通方向に貫通して設けられた貫通穴２ｉｐを備える本体部２ｉｔを備え、本体部２ｉｔの外側下壁、すなわち、四角筒形状の本体部２ｉｔの下面から、先端に側面スタイラス２ｉａを設けたアーム２ｉｆが垂下されている。又、本体部２ｉｔの上面には、前記ミラー２ｉｃが取り付けられている。

また、本体部２ｉｔの内側上壁すなわち、貫通穴２ｉｐの上面には、針状の支点部材２ｉｂが設けられている。連結機構１０４の横柱２ｇは、本体部２ｉｔの貫通穴２ｉｐを貫通して配置される。したがって、可動傾斜部２ｉと側面プローブ枠２ｆとが脱落することが確実に防止される。

なお、第１実施形態では、側面スタイラス２ｉａは、例えば約０．３ｍｍ〜約２ｍｍの直径を有する球状体であり、アーム２ｉｆは、一例として、太さが約０．７ｍｍで、アーム２ｉｆが固定される本体部下面から側面スタイラス２ｉａの中心まで約１０ｍｍの長さＬである棒状の部材である。これらの値は、測定物７の形状により適宜変更される。また、可動傾斜部２ｉの構成も、支点により横柱２ｇに揺動可能に配置される構成であれば、上述の構成に限定するものではない。

側面スタイラス２ｉａにＸＹ方向から測定力が作用すれば、その測定力に比例して可動傾斜部２ｉが傾斜する。可動傾斜部２に配置された傾斜角度測定部２ｊは、可動傾斜部２に固定された光源２ｊａからの光を、可動傾斜部２に固定されたレンズ２ｊｂで集光し、可動傾斜部２の可動傾斜部２ｉの本体部２ｉｔの上面に貼り付けられた第２のミラー２ｉｃに照射する。第２のミラー２ｉｃからの反射光を、可動傾斜部２に固定された光位置検出器である２次元ＰＳＤ２ｊｃに照射して、光位置（第２のミラー２ｉｃからの反射光の方向）を測定することにより、可動傾斜部２ｉの傾斜角度を検出することができる。

図２及び図３で示すように、測定物７は、石定盤１０上に支持された測定物設置部１８の上に設置されている。また、Ｘ基準ミラー１２と、Ｙ基準ミラー１３と、Ｚ基準ミラー１９とが、同じく測定物設置部１８に、それぞれ互いに直交するように配置されて固定され、ＸＹ駆動部８によって、Ｚ方向と直交するＸＹ方向に移動する。

ＸＹ駆動部８は、Ｘ軸ガイド８ａとＹ軸ガイド８ｂとを備え、Ｘ軸ガイド８ａでの案内によりＸ軸駆動部の一例としてのＸ軸リニアモータ８ｃでＸ方向に測定物設置部１８を石定盤１０に対して移動させるとともに、Ｙ軸ガイド８ｂでの案内によりＹ軸駆動部の一例としてのＹ軸リニアモータ８ｄでＹ方向に測定物設置部１８を石定盤１０に対して移動させる。

安定化レーザ光源５は、世界長さ標準にトレーサブルな高精度な波長の安定化レーザ光を発する、すなわち、発振周波数のずれが一定値以下になるように制御された安定化レーザ光を出射して、Ｘ基準ミラー１２とＹ基準ミラー１３とＺ基準ミラー１９とに照射するものである。このレーザ光は、Ｚ２座標測定用安定化レーザ光６と、Ｚ１座標測定用安定化レーザ光１６と、Ｘ座標測定用安定化レーザ光１４と、Ｙ座標測定用安定化レーザ光１５との四つに、複数のハーフミラー（非図示）によって分離される。

上面スタイラス１ａと側面スタイラス２ｉａの高さ、つまり、Ｚ方向の位置は、第２可動部２のＺ方向の移動範囲に比べると、高低差はあまり無く、ほぼ同じ高さである。これら上面スタイラス１ａと側面スタイラス２ｉａのＺ移動範囲の中央付近の高さに、前記Ｘ座標測定用安定化レーザ光１４と、Ｙ座標測定用安定化レーザ光１５とを設定する。これは、ＸＹ駆動部８がピッチングにより傾いても、測定点の高さ付近でＸＹ座標を測定すれば測定誤差が発生しにくいためである。

Ｚ２座標測定用安定化レーザ光６は、図１の第１可動部１の第１のミラー１ｂに集光して第１のミラー１ｂで反射し、第１のミラー１ｂからの反射光が、座標検出部１７のＺ２座標検出部１７ｄに入って、第１のミラー１ｂのＺ座標の変位であるＺ２をＺ２座標検出部１７ｄで検出する。第１のミラー１ｂは、上面スタイラス１ａと一体の第１可動部１の一部であり、上面スタイラス１ａは測定物７の被測定面７ａに接するので、測定物７の測定点のＺ座標の変位Ｚ２をＺ２座標検出部１７ｄで測定していることになる。

ＸＹ駆動部８は、機械的に、いかに高精度に作りこんでも移動精度には限界があり、Ｘ軸及びＹ軸共に１０ナノメートルの真直精度で動かすことはできない。理由は、Ｘ軸のみ等の一軸のみ駆動ならば１０ナノメートルオーダーの真直精度を出せないことは無いが、ＸＹ二軸となると、重量分布が変化することと、被測定物７の重量が変わるとさらに移動真直度が変わるためである。そのために、１０ナノメートルの平面度を出せるミラーをＸＹＺ基準ミラーとして配置し、これらのＸＹＺ基準ミラーのミラー面をＸＹＺ座標軸とする構成とすることにより、ＸＹ駆動部８の移動精度を超える測定精度を達成できる。

たとえば、測定物７をＸＹだけでなく、Ｚ方向まで動かせば、測定物設置部１８にＸＹ基準ミラーが付いているのでＺ移動真直度も補正されることになるが、測定物７を含めた上下駆動にすると、重くなるので、サーボ応答性が悪くなるので、この方法は採らない。また、前述のようにＺ方向の一軸だけであって、第２可動部２の重量もほぼ一定なので、Ｚ方向については、第２可動部２の移動真直精度を高く出来る。

第２可動部２の移動真直精度を良くするとともに応答速度も良くしなければならない。そこで、２個のコイルで構成されるＺ駆動部２ｍを備えるとともに、支持部４に２個配置された磁気回路４ｂに対してＺ駆動部２ｍを配置し、第２可動部２を重心駆動するようにし、大エアスライド２ｎが大エア軸受け４ａに沿って動く構成としている。

大エアスライド２ｎと大エア軸受け４ａは剛性が高く回転トルクがかかっても傾きにくいようにしているが、微細な傾きも測定誤差の要因になるので、重心駆動は必要である。重心駆動の意味は、Ｚ駆動部２ｍを、第２可動部２の重心からほぼ等距離の左右の位置にそれぞれ取り付けたことにより、駆動力が第２可動部２の重心付近にかかるようにし、第２可動部２に回転トルクを掛けないようにすることにより、第２可動部２が傾かずに上下させることができる。

一対のコイルで構成されたＺ駆動部２ｍと、支持部４に前記コイルのＺ駆動部２ｍに対応する位置に取り付けられた一対の磁気回路４ｂとによって、左右に一対のリニアモータを構成している。一対のリニアモータは、第２可動部２の重心付近に駆動力を発生するので、第２可動部２に回転力を発生させない。この一対のリニアモータは、支持部４に対して第２可動部２をＺ方向に移動させるための第２可動部駆動装置の一例として機能する。ここで、「大」と付けたのは、エアスライド１ｃ、エア軸受け２ａと区別するためであり、先のエアスライド１ｃ及びエア軸受け２ａをそれぞれ「第１」のエアスライド１ｃ及び「第１」のエア軸受け２ａとすれば、これらの大エアスライド２ｎ及び大エア軸受け４ａをそれぞれ「第２」のエアスライド２ｎ及び「第２」のエア軸受け４ａとしてもよい。

定荷重ばね３は、第２可動部２のほぼ重心から、第２可動部２の重量に釣り合う張力で、支持部４に対して第２可動部２を吊り上げている。

Ｚ基準ミラー１９は、ＸＹ駆動部８の測定物設置部１８の直下に配置され、Ｚ１座標測定用安定化レーザ光１６によって、測定物設置部１８のＺ方向へのずれ量Ｚ１をＺ１座標検出部１７ｃで測定する。このとき、Ｚ１座標検出部１７ｃは、上面スタイラス１ａの中心からＺ方向に延ばした直線上で測定物７の移動量のＺ１座標を検出する。なお、各軸の座標は、同じ原理で測定している。一例として、その測定原理は、公知のレーザ測長であり、例えば、Ｚ１座標については、Ｚ１座標測定用安定化レーザ光１６を参照光と測定光とに分離し、参照光は、固定ミラー（不図示）に当てて反射させ、測定光はＺ基準ミラー１９に当てて反射させ、これらの光を、Ｚ１座標検出部１７ｃで２つの光検出器（不図示）上で干渉させ、光干渉による明暗の変化から石定盤１０に対するＺ基準ミラー１９のわずかな上下動であるＺ１座標を測定する。他の軸の座標も同様に測定する。

静止座標系における上面スタイラス１ａの位置のＺ座標はＺ２であるが、測定物７がＺ１だけＺ方向にもずれるのであるから、測定物７を基準とした座標系での上面スタイラス１ａの位置のＺ座標の測定値Ｓｚは、Ｚ１＋Ｚ２になる。よって、このＺ座標の測定値Ｓｚを、Ｚ１座標検出部１７ｃで検出されたＺ１の情報と、Ｚ２座標検出部１７ｄで検出されたＺ２の情報とに基づいて、座標検出部１７内のＺ座標算出部１７ｅにより算出する。具体的には、Ｚ１座標検出部１７ｃで検出されたＺ１座標と、Ｚ２座標検出部１７ｄで検出されたＺ２座標との加算によって、測定物７の表面上の測定点のＺ座標をＺ座標算出部１７ｅで算出する。

同様に、ＸＹ駆動部８のＸ方向及びＹ方向の移動真直度のずれも補正して、測定物７を基準とした座標系での上面スタイラス１ａによる測定点のＸＹ座標（Ｐｘ，Ｐｙ）を測定するために、測定物設置部１８にＸ基準ミラー１２とＹ基準ミラー１３とを設置し、Ｘ座標測定用安定化レーザ光１４をＸ基準ミラー１２に照射し、Ｘ基準ミラー１２からの反射光を座標検出部１７のＸ座標検出部１７ａに入れて、Ｘ座標検出部１７ａでＸ座標Ｐｘを測定する。また、Ｙ座標測定用安定化レーザ光１５をＹ基準ミラー１３に照射し、Ｙ基準ミラー１３からの反射光を座標検出部１７のＹ座標検出部１７ｂに入れて、Ｙ座標検出部１７ｂでＹ座標Ｐｙを測定する。

このように、座標検出部１７は、Ｘ座標検出部１７ａと、Ｙ座標検出部１７ｂと、Ｚ１座標検出部１７ｃと、Ｚ２座標検出部１７ｄとを備えて構成している。Ｘ座標検出部１７ａとＹ座標検出部１７ｂは、ＸＹ駆動部８による支持部４又は測定物７のＸＹ方向移動量を測定して、Ｘ座標とＹ座標とを検出する（言い換えれば、Ｘ基準ミラー１２とＹ基準ミラー１３とからの反射光から、支持部４に対する測定物７の移動量のＸ座標とＹ座標とを検出する）。Ｘ座標検出部１７ａは、上面スタイラス１ａの中心のＺ方向の可動範囲の中心付近からＸ方向に延ばした直線上でＸ座標を検出する。Ｙ座標検出部１７ｂは、上面スタイラス１ａの中心のＺ方向の可動範囲の中心付近からＹ方向に延ばした直線上でＹ座標を検出する。Ｘ座標検出部１７ａとＹ座標検出部１７ｂは、一例として別々に構成されているが、１つのＸＹ座標検出部で構成するようにしてもよい。Ｚ１座標検出部１７ｃは、Ｚ基準ミラー１９からの反射光から、支持部４に対する測定物７の移動量のＺ１座標を検出する。Ｚ２座標検出部１７ｄは、第１のミラー１ｂからの反射光からＺ座標の変位であるＺ２座標を検出する。

なお、測定物７と３枚のＸＹＺ基準ミラー１２，１３，１９を測定物設置部１８でＸＹ方向に移動させる代わりに、測定物７と３枚のＸＹＺ基準ミラー１２，１３，１９を固定し、プローブ部（第２可動部２）を含めた支持部４をＸＹ方向に移動させても良い。

上面スタイラス１ａで測定物７の上面の測定面７ａを測定するときは、図４に示すように、サーボ情報記憶部３８からの上面測定を示す信号により、ＸＹ軸信号切換え部２７がＸＹ軸移動指示部３５とＸ軸駆動制御部４０とＹ軸駆動制御部４１とをつなぐので、走査情報記憶部３９からＸＹ軸移動指示部３５を介してＸ軸駆動制御部４０とＹ軸駆動制御部４１とにそれぞれ入力されたＸＹ軸の移動量と移動速度とを示す信号により、ＸＹ駆動部８のＸ軸リニアモータ８ｃとＹ軸リニアモータ８ｄとをそれぞれ駆動制御して、ＸＹ方向に相対的に移動しながら、上面スタイラス１ａで測定物７の上面の測定面７ａを測定する。上面スタイラス１ａで測定物７の上面の測定面７ａを測定するとき、例えば、図示しない入力装置から、測定物７の上面の測定面７ａを測定する旨の指令が制御部２８に入力されることにより、制御部２８が測定物７の上面の測定面７ａを測定することを判別して、サーボ情報記憶部３８からの上面測定を示す信号を出力する。ＸＹ軸移動指示部３５は、上面スタイラス１ａが測定物７の表面（上面）をＸＹ方向に走査するための信号を発生するものである。また、ＸＹ軸信号切換え部２７は、ＸＹ軸移動指示部３５からの信号と後述するＸＹ制御部３４からの信号のいずれかに切換えて、その信号をＸＹ駆動部８に伝えるものである。

また、サーボ情報記憶部３８からの上面測定を示す信号により、Ｚ軸信号切換え部３２がフォーカス制御部２９とＺ軸駆動制御部４２とをつなぐので、相対位置測定部２ｄから出力される第１可動部１の第２可動部２に対する相対位置の情報に基づき、第１可動部１の第２可動部２に対する相対位置が一定になるように、Ｚ軸駆動制御部４２によりＺ駆動部２ｍを駆動制御する。

フォーカス制御部２９は、上面スタイラス１ａが測定物７の表面（上面）をＸＹ方向に走査するとき、測定物７の表面の高さの変化に沿って第１可動部１がＺ方向に動くとき、相対位置測定部３３から得られた第１可動部１と第２可動部２との相対位置が一定になるように第２可動部２をＺ方向に駆動する信号を発生するものである。また、Ｚ軸信号切換え部３２は、フォーカス制御部２９からの信号とＺ軸移動指示部３６からの信号のいずれかに切換えて、その信号をＺ駆動部２ｍに伝えるものである。

また、測定点位置演算部３０で得られる、測定点と接する上面スタイラス１ａの曲率中心のＸＹＺ座標は、Ｘ座標検出部１７ａで得られたＸ座標Ｐｘと、Ｙ座標検出部１７ｂで得られたＹ座標Ｐｙと、Ｚ座標算出部１７ｅで得られたＺ座標Ｓｚとになる。側面スタイラス変位検出部３３から得られた側面スタイラス２ｉａのＸ変位（Ｘ方向の変位）とＹ変位（Ｙ方向の変位）Ｄｘ，Ｄｙは、サーボ情報記憶部３８から測定点位置演算部３０に入力された上面測定を示す信号により、加算しない。この測定点位置演算部３０は、ＸＹ座標検出部１７ａ，１７ｂで検出されたＸ座標及びＹ座標に、側面スタイラス変位検出部３３で算出された側面スタイラス２ｉａのＸ変位とＹ変位とを加算して、側面スタイラス２ｉａによる測定点のＸ座標及びＹ座標を算出するものである。

一方、側面スタイラス２ｉａで測定物７の側面７ｂを測定するときは、図５に示すように、サーボ情報記憶部３８からの側面測定を示す信号により、ＸＹ軸信号切換え部２７が、ＸＹ制御部３４とＸ軸駆動制御部４０とＹ軸駆動制御部４１とをつなぐ。側面スタイラス２ｉａで測定物７の側面７ｂを測定するとき、例えば、図示しない入力装置から、測定物７の側面７ｂを測定する旨の指令が制御部２８に入力されることにより、制御部２８が測定物７の側面７ｂを測定することを判別して、サーボ情報記憶部３８からの側面測定を示す信号を出力する。よって、ＸＹ制御部３４からの指示に基づき、Ｘ軸駆動制御部４０とＹ軸駆動制御部４１とを介して、ＸＹ駆動部８を駆動制御する。ＸＹ制御部３４は、側面スタイラス２ｉａを測定物７の表面に沿ってＸＹ方向に移動させるようにＸＹ駆動部８を駆動制御するとともに、測定物７の表面のＸＹ方向の変化に伴って可動傾斜部２ｉが傾斜するとき、傾斜角度測定部２ｊから得られた傾斜角度の絶対値が概略一定になるようにＸＹ駆動部８を駆動制御するものである。

また、サーボ情報記憶部３８からの側面測定を示す信号により、Ｚ軸信号切換え部３２がＺ軸移動指示部３６とＺ軸駆動制御部４２とをつなぐ。Ｚ軸移動指示部３６は、側面スタイラス２ｉａを測定物７の表面（上面）のＺ方向に走査するため第２可動部２をＺ方向に駆動するための信号を発生するものである。よって、Ｚ軸移動指示部３６からの指示に基づき、Ｚ軸駆動制御部４２は、Ｚ駆動部２ｍを駆動制御する。

ＸＹ制御部３４は、測定物７の側面７ｂに沿って側面スタイラス変位の絶対値が一定値Ｃになるように、Ｘ軸駆動制御部４０とＹ軸駆動制御部４１を介して、ＸＹ駆動部８を駆動制御して、ＸＹ方向に相対的に移動しながら、側面スタイラス２ｉａで測定物７の側面７ｂを測定する。

図６Ａは、測定物７の基準の座標系で、Ｚ方向から見た図である。従って、測定物７が動かず、プローブ部（第２可動部２）がＸＹ方向に移動する図になっている。側面スタイラス２ｉａの測定開始前の位置Ｓ０から、測定中の位置をＳ１，Ｓ２，・・，Ｓ，・・と記載されている。また、側面スタイラス２ｉａが第２可動部２に対して変位していないときの第２可動部２の位置を側面プローブ位置Ｐとし、測定開始前の位置Ｐ０から、測定中の位置をＰ１，・・，Ｐ，・・と記載されている。

側面スタイラス２ｉａの変位は、位置Ｐから位置Ｓに結んだベクトルＤとなり、そのＸ成分（Ｘ方向の変位）とＹ成分（Ｙ方向の変位）（Ｄｘ，Ｄｙ）から、（１）式で、ＸＹ駆動部８の移動速度の移動ベクトルＭのＸ成分ＭｘとＹ成分ＭｙをそれぞれＸＹ制御部３４で算出し、ＸＹ制御部３４で算出した移動ベクトルＭのＸ成分ＭｘとＹ成分Ｍｙを基に、Ｘ軸駆動制御部４０とＹ軸駆動制御部４１とで制御しつつ、ＸＹ軸を同時にＸＹ駆動部８で駆動する。

ここで、Ｖは速度を決める係数、ａはサーボゲインを決める係数、θは側面スタイラス２ｉａが測定物７の表面を走査したときの摩擦力による側面スタイラス２ｉａの傾斜角度の変化角度を示す。θは、側面スタイラスと測定物７の表面との動摩擦係数μから、以下の（２）式で表される。

すなわち、μ＝「摩擦力」÷「面に直角な方向への押し付け力」＝｜Ｆ｜÷｜Ｎ｜＝ｔａｎθより、

動摩擦係数μは、ＸＹ制御部３４において、動摩擦係数記憶部３７から指定される。なお、Ｆは側面スタイラス２ｉａに作用する摩擦力であり、Ｎは面に直角な方向への側面スタイラス２ｉａの押し付け力である。

図６Ｂで側面スタイラス２ｉａによる測定動作を説明する。

まず、ステップＳ６０１において、測定物７から少し離れた位置Ｓ０に側面スタイラス２ｉａを持ってきて、測定物７に向かってアプローチさせる（図６Ａの矢印（ｉ）参照）。すなわち、具体的には、測定者が、側面スタイラス２ｉａを、測定物７から少し離れた位置Ｓ０に持って来るとともに、測定者が、測定物７を、測定物７の図面又は測定物７の取付ジグに基づいて測定物設置部１８に置く。その後、測定者が、ＸＹＺ方向のそれぞれの移動距離をＸＹ軸移動指示部３５とＺ軸移動指示部３６とにそれぞれ入力して移動させるか、又は、測定者が矢印キー（例えば、左右矢印キーの操作はＸ方向の一定速度移動情報を意味し、上下矢印キーの操作はＹ方向の一定速度移動情報を意味する。）を操作するとともに、ダイヤルを回転操作してＺ方向移動情報を入力することにより、ＸＹ軸移動指示部３５とＺ軸移動指示部３６とにおいて、概略位置まで測定物７と側面スタイラス２ｉａとを互いに近づけて、互いに近い位置で止める。

次いで、ステップＳ６０２において、側面スタイラス２ｉａは、測定物７の表面位置Ｓ１で測定物７に接触し、止まるが、側面プローブ１０１の側面スタイラス２ｉａは、前記したＸＹ制御部３４での制御により、スタイラス変位ベクトルの絶対値が一定値Ｃになる位置Ｐ１で止まる（図６Ａの矢印（ｉ）参照）。具体的には、測定物７を側面スタイラス２ｉａにアプローチさせるのは、制御部２８からの入力信号をトリガーにし、測定面に概略垂直な方向に測定物７を一定速度で側面スタイラス２ｉａに向かって動かし、側面スタイラス変位検出部３３により検出したスタイラス変位ベクトルの大きさをモニターし、スタイラス変位ベクトル（の絶対値）の大きさが一定値Ｃになれば停止させるように、制御部２８からＸＹ軸移動指示部３５に指示するとともに、ＸＹ軸信号切換え部２７によりＸＹ制御部３４からの信号に切り替えるようにすればよい。

次に、ステップＳ６０３において、ＸＹ制御部３４により、Ｘ軸駆動制御部４０とＹ軸駆動制御部４１を介して、ＸＹ駆動部８を駆動制御して、側面スタイラス２ｉａを、位置Ｐ１からＸＹ面内でベクトルＤ１に直角な方向（Ｍ１方向）に、ほぼ距離Ｃだけ、最初の位置Ｐまで移動する（図６Ａの矢印（ｉｉ）参照）。

次からは、ＸＹ制御部３４により、Ｘ軸駆動制御部４０とＹ軸駆動制御部４１を介して、ＸＹ駆動部８を駆動制御して、（１）式の通り、側面スタイラス２ｉａを移動させる。（１）式の第１項は、スタイラス変位ベクトルＤをθ＋９０度回転させた方向で測定面に平行な方向になる。（１）式の第２項は、スタイラス変位ベクトルの絶対値が一定値より増減すると、これを戻し、一定の測定力で測定できるように、側面スタイラス２ｉａを移動制御している。すなわち、ステップＳ６０４において、ＸＹ制御部３４により、Ｘ軸駆動制御部４０とＹ軸駆動制御部４１を介して、ＸＹ駆動部８を駆動制御して、側面スタイラス２ｉａを、スタイラス変位ベクトルＤから（２）式だけ回転した方向に９０度加えた方向に、ａ（｜Ｄ｜−Ｃ）Ｎを加えたＭ方向に移動する（図６Ａの矢印（ｖ）参照）。

この移動動作を、側面スタイラス２ｉａが指定位置に移動するまで繰り返す。すなわち、ステップＳ６０５において、ＸＹ制御部３４により、側面スタイラス２ｉａのＰ位置が指定位置に来れば、側面スタイラス２ｉａの移動動作を停止する。

次いで、ステップＳ６０６において、移動動作を停止したときの側面スタイラス２ｉａのスタイラス変位ベクトルＤの方向にＤより大きな距離をＸＹ軸移動指示部３５を介してＸ軸駆動制御部４０とＹ軸駆動制御部４１とで動かし、サーボオフとする。すなわち、制御部２８からの入力信号をトリガーにし、ＸＹ軸移動指示部３５で動くように切り替えて、スタイラス変位ベクトルＤの方向にＤより大きな距離だけ測定物７を移動させる。

以上で、側面スタイラス２ｉａによる測定動作を終了する。

図５に示すように、側面スタイラス変位検出部３３から得られたスタイラス変位ベクトルのＸＹ成分（Ｄｘ，Ｄｙ）から、ＸＹ制御部３４によって（１）式の演算を行い、移動ベクトルＭｘ，Ｍｙにより、Ｘ軸駆動制御部４０とＹ軸駆動制御部４１とを介してＸＹ駆動部８を動かすことにより、測定物７の測定面７ｂの傾斜角度に変化があっても、スタイラス変位ベクトルの大きさに変化が生じないように走査でき、より正確に、測定面７ｂに平行な方向に側面スタイラス２ｉａを動かすことができる。

側面スタイラス２ｉａによる測定では、Ｚ軸方向は、走査情報記憶部３９からの信号により、測定したい経路をＺ軸方向にも移動させて測定することができる。サーボ情報記憶部３８によってＺ軸移動指示部３６とＺ軸駆動部４２とを繋げ、走査情報記憶部３９からのＺ軸の移動速度と距離等の走査情報に従って、測定したい経路をＺ軸方向にも移動させて測定することができる。測定物７の側面、例えば円柱や角柱の側面、穴の側面、球の赤道に近い位置を、側面プローブ２ｉａでＺ方向に走査して測定することもできる。

具体的には、まずは、測定物７の側面に前記したようにアプローチして、スタイラス変位ベクトルの絶対値が一定値Ｃになる位置で止める。

次に、図５の構成で、走査情報記憶部３９に記憶されたＺ軸方向の移動距離と移動速度とをＺ軸移動指示部３６に指示する。この指示に従って、第２可動部２をＺ軸方向に動かせば、側面スタイラス２ｉａは測定物７の側面に沿ってＺ軸方向に動く。このとき、測定物７の側面の形状に沿って側面スタイラス２ｉａがＸＹ方向にずれるので、このずれを側面スタイラス変位検出部３３で検出することにより、測定物７の側面をＺ方向に走査したときの側面形状を測定できる。

このとき、側面スタイラス変位ベクトルの大きさが一定値Ｃになるように、測定物７をＸＹ方向にも動かすようにサーボを掛けて測定することも、サーボを掛けずに測定することもできる。

また、測定点位置演算部３０で得られる測定点のＸＹＺ座標は、Ｘ座標検出部１７ａで得られたＸ座標Ｐｘと、Ｙ座標検出部１７ｂで得られたＹ座標Ｐｙと、Ｚ座標算出部１７ｅで得られたＺ座標Ｓｚとに、側面スタイラス変位検出部３３から得られた側面スタイラス２ｉａの変位Ｄｘ，Ｄｙを、サーボ情報記憶部３８からの側面測定を示す信号により、測定点位置演算部３０で加算する。

従って、測定点位置演算部３０で得られる、測定点に接する側面スタイラス２ｉａの曲率半径の中心のＸＹＺ座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、（３）式となる。

このように上面スタイラス１ａのＺ座標であるＳｚを側面測定のＺ座標とできるので、側面スタイラス２ｉａのＺ座標を測る必要が無いため、側面スタイラス２ｉａの変位Ｄｘ，Ｄｙを誤差無く測ることができ、側面測定におけるｘｙ座標の測定精度を上げることができる。

さらに、測定物設置部１８上に前記測定物７として真球度の良い球を置くか、又は、図７Ａ及び図７Ｂのように、測定物設置部１８上の測定物７と離れた位置に、基準球２１を設置する。

次いで、上面スタイラス１ａでこの真球度の良い球又は基準球２１（以下、単に、「測定球」と称する。）の表面の複数点を測定する。

次いで、これらの複数の測定点の点列から、この測定球の第１中心座標（ｘｃ，ｙｃ，ｚｃ）を測定点位置演算部３０（より詳しくは、図７Ｃの測定点位置演算部３０の第１演算部３０ａ）で算出する。

次いで、側面スタイラス２ｉａでこの測定球の表面の複数点を測定する。

次いで、側面スタイラス２ｉａで測定したこれらの複数の測定球の測定データから、この測定球の第２中心座標（ｘｄ，ｙｄ，ｚｄ）を測定点位置演算部３０（より詳しくは、図７Ｃの測定点位置演算部３０の第２演算部３０ｂ）で算出する。

次いで、これらの２つの第１及び第２中心座標（ｘｃ，ｙｃ，ｚｃ）と（ｘｄ，ｙｄ，ｚｄ）との差を測定点位置演算部３０（より詳しくは、図７Ｃの測定点位置演算部３０の第３演算部３０ｃ）で求めるとともに、求められた２つの中心座標の差を、上面スタイラス１ａによる測定データ、又は、側面スタイラス２ｉａによる測定データのいずれか一方に（一例としては、ここでは、側面スタイラス２ｉａによる測定データに）測定点位置演算部３０（より詳しくは、図７Ｃの測定点位置演算部３０の第３演算部３０ｃ）で加算する。

このようにすれば、前記２つのスタイラス１ａ，２ｉａによる測定データを、前記被測定面７ａに対する同一座標系における測定データとすることができる。つまり、測定点位置演算部３０で、測定点に接する側面スタイラス２ｉａの曲率半径の中心のＸＹＺ座標の（３）式を、（４）式のように置き換える。

また、図７Ａ及び図７Ｂは、本発明の前記実施形態にかかるＸＹＺ座標の測定に使用されるレーザの光路を示す。ＸＹＺ座標とも、上面スタイラス１ａの軸上で座標測定している。すなわち、Ｘ座標検出部１７ａにより、上面スタイラス１ａの中心のＺ方向の可動範囲の中心付近からＸ方向に延ばした直線上でＸ座標を検出する。Ｙ座標検出部１７ｂにより、上面スタイラス１ａの中心のＺ方向の可動範囲の中心付近からＹ方向に延ばした直線上でＹ座標を検出する。Ｚ１座標検出部１７ｃにより、上面スタイラス１ａの中心からＺ方向に延ばした直線上で測定物７の移動量のＺ１座標を検出する。

なお、支持部４に対する第２可動部２の移動量を、Ｚ２座標として、図３に示す、Ｚ２座標検出部の一例として機能するリニアスケール２０で検出することもできる。リニアスケール２０は、Ｚ軸移動指示部３６からの指示通りＺ駆動部２ｍを駆動させるために設置されているものであり、Ｚ駆動部２ｍによる第２可動部２のＺ方向の移動量を精度良く検出するものである。

前記第１実施形態によれば、Ｚ方向に移動できる第２可動部２に、第２可動部２に対しＺ方向に可動なエアスライド１ｃと、上面スタイラス１ａと、反射光からＺ座標と第２可動部２に対する変位を測定するための第１のミラー１ｂとを備える第１可動部１を配置するとともに、さらに、第２可動部２に、第２可動部２に対して、ＸＹ方向にのみ変位可能な側面スタイラス２ｉａを取り付けた可動傾斜部２ｉと傾斜角度測定部２ｊとを、第１可動部１に並べて配置している。このように構成すれば、上面スタイラス１ａで測定物７の上面を走査測定し、側面スタイラス２ｉａで測定物７の側面７ｂを走査測定することにより、上面も側面も、両方とも、１０〜１００ナノメートルの超高精度で走査測定することができる。

すなわち、上面スタイラス１ａは、ＸＹ方向には振れない程度の高い剛性のエアスライド１ｃによりＸＹ方向には振れないので、振動及び誤差なく、測定物７の上面を走査測定でき、第１のミラー１ｂとレンズ２ｄｅとによりＺ座標も精度良く測定できる。また、側面スタイラス２ｉａは、ＸＹ方向にのみ変位可能でＺ方向には振れないので、振動及び誤差なく、測定物７の側面７ｂを走査測定できる。側面スタイラス２ｉａによるＺ座標測定は、前記第１のミラー１ｂのＺ座標測定値を利用できるので、誤差要因となるＺ座標測定は不要となり、より高精度に側面スタイラスのＸＹ変位を測定できる傾斜角度測定部２ｊを備えることができる。

つまり、上面スタイラス１ａは、変位も変位測定もＺ軸のみに限定するとともに、側面スタイラス２ｉａは、変位も変位測定もＸＹ軸のみに限定することにより、測定物７の上面も側面も、振動及び誤差を無くし、１０〜１００ナノメートルの超高精度で連続走査測定することができ、両プローブ１０２，１０１の相対位置が変わらないので、測定データは一つのデータとして扱うことができる。

（第２実施形態）
図８Ａ及び図８Ｂは、本発明の第２実施形態のＸＹＺ座標の測定に使用されるレーザの光路を示す。

図８Ａ及び図８Ｂでは、図７Ａ及び図７Ｂと比較すればわかるように、Ｙ基準ミラー１３の代わりに、Ｙ基準ミラー１３より長い長Ｙ基準ミラー２２を取り付け、側面Ｙ座標測定用安定化レーザ光２３を追加している。これは、図７Ａ及び図７Ｂの構造では、ＸＹ駆動部８が全く傾かずに移動すればよいが、ヨーイングにより傾けばＹ座標測定データに誤差が生じるため、Ｙ座標を側面スタイラス２ｉａの軸上で測定するようにしたものである。なお、Ｙ基準ミラー１３に対し、長Ｙ基準ミラー２２は、上面スタイラス１ａと側面スタイラス２ｉａの距離だけ長くする必要がある。また、Ｘ，Ｙ，Ｚ１，Ｚ２の４つに安定化レーザ光を複数のハーフミラーで分離することは既に説明しているが、前記いずれかの安定化レーザ光を、さらにハーフミラーで分離すれば、側面Ｙ座標測定用安定化レーザ光２３を追加形成することができる。このような構成とは別に、側面Ｙ座標測定用安定化レーザ光２３用に、２本目の安定化レーザーを組み込むことも可能である。

このように側面Ｙ座標測定用安定化レーザ光２３を追加するのは、上面スタイラス１ａと側面スタイラス２ｉａとが同じＸ軸線上に並んでいるからである。これに対して、上面スタイラス１ａと側面スタイラス２ｉａとを同じＹ軸線上に並べた場合は、側面スタイラス２ｉａを通るＸ軸線上にＸ座標測定用安定化レーザ光を追加すればよい。すなわち、図１４に示すように、前記側面スタイラス２ｉａの位置が前記上面スタイラス１ａの位置からＸ方向にのみ離れているときには、前記側面スタイラス２ｉａのＺ方向の可動範囲の中心付近からＹ軸方向に延ばした直線上でＹ座標を測定する上面Ｙ座標検出部１７ｂ−１と、側面Ｙ座標検出部１７ｂ−２と、上面Ｙ座標検出部１７ｂ−１と側面Ｙ座標検出部１７ｂ−２との切替部１７ｂ−３とをＹ座標検出部１７ｂに備えるようにする。そして、上面Ｙ座標検出部１７ｂ−１と側面Ｙ座標検出部１７ｂ−２とを切替部１７ｂ−３で選択的に切替えて使用する。また、図１５に示すように、前記側面スタイラス２ｉａの位置が前記上面スタイラス１ａの位置からＹ方向のみに離れているときには、前記側面スタイラス２ｉａのＺ方向の可動範囲の中心付近からＸ軸方向に延ばした直線上でＸ座標を測定する上面Ｘ座標検出部１７ａ−１と、側面Ｘ座標検出部１７ａ−２と、上面Ｘ座標検出部１７ａ−１と側面Ｘ座標検出部１７ａ−２との切替部１７ａ−３とをＸ座標検出部１７ａに備えるようにする。上面Ｘ座標検出部１７ａ−１と側面Ｘ座標検出部１７ａ−２とを切替部１７ａ−３で選択的に切替えて使用する。ただし、Ｙ座標検出部１７ｂとＸ座標検出部１７ａとのいずれか一方のみが、図１４のＹ座標検出部１７ｂ、又は、図１５のＸ座標検出部１７ａの構成とすればよく、図１４のＹ座標検出部１７ｂの構成と図１５のＸ座標検出部１７ａの構成とを同時に採用しなくてもよい。

もし、上面スタイラス１ａと側面スタイラス２ｉａとをＸＹ方向共に異なる位置に並べた場合は、側面スタイラス２ｉａを通るＸ軸上にＸ座標測定用安定化レーザ光を追加するとともに、側面スタイラス２ｉａを通るＹ軸上にＹ座標測定用安定化レーザ光を追加すればよい。ただし、Ｙ座標をＹ座標測定用安定化レーザ光１５と２３の２箇所で測定するだけで測定物設置部１８のヨーイングによるわずかな傾きγ（ガンマ；Ｚ軸廻りの回転角）を測定できる。従って、上面スタイラス１ａと側面スタイラス２ｉａとをＸＹ方向共に異なる位置に並べた場合でも、Ｙ座標だけ２箇所で測定すれば、上面スタイラス１ａを通るＸ座標方向でＸ座標をＸ座標測定用安定化レーザ光１４で測定し、側面スタイラス２ｉａの上面スタイラス１ａとのＹ方向の距離をＬとすると、γ×ＬだけＸ座標測定データを補正することができるので、上述の側面スタイラス２ｉａを通るＸ軸上にＸ座標測定用安定化レーザ光を必ずしも追加する必要は無い。

前記実施形態にかかる三次元形状測定装置は、前記したように、測定物７の上面と側面との両方を１０〜１００ナノメートルの超高精度で走査測定できるものである。

（第３実施形態）
第１実施形態で、説明したように、側面スタイラス２ｉａによる測定時に、Ｚ２位置として上面スタイラス１ａのＺ座標を利用しているが、上面スタイラス１ａ、及び、エアスライド１ｃはＺ軸方向には剛性が弱く、第２可動部２の動作時の加速度等により、例えば２００ナノメートル程度の振動が発生することがある（図９Ａ）。

このような場合、以下のような、制御部２８の制御の下に、エアスライド１ｃのＺ軸方向の動きを止める、第１可動部動作停止装置の一例として機能するエアスライド振動停止装置８２を新たに設けて、エアスライド１ｃの振動を防止することができる。例えば、エアスライド振動停止装置８２として、図４、図５、及び、図９Ａに示すように、エア軸受け２ａに圧縮空気を供給する配管８３に切り替え弁４３を設け、切り替え弁４３に、圧縮空気供給装置８０に接続された圧縮空気供給管４４と真空装置８１に接続された真空配管４５とを接続する。これにより、切り替え弁４３で、エア軸受け２ａに連通する配管８３を、圧縮空気供給管４４と真空配管４５とのいずれかに切り替えることができるようにする。

そこで、制御部２８の制御の下に、エアスライド１ｃのＺ軸方向の動きを止める場合には、圧縮空気供給装置８０の供給停止動作により、圧縮空気供給装置８０からエア軸受け２ａに供給する圧縮空気を停止したり、又は、切り替え弁４３の切り替え動作により、エア軸受け２ａに連通する配管を、圧縮空気供給管４４から真空配管４５に切り替えることにより、エア軸受け２ａでエアスライド１ｃの側面の一部を吸引することにより、図９Ｂのようにエアスライド１ｃの側面の一部が空気軸受け２ａに接触し、エアスライド１ｃの振動を止めることができる。このように振動を停止させた状態で側面スタイラス２ｉａにより測定を行えばよい。その後、上面スタイラス１ａを使用するときには、切り替え弁４３の切り替え動作により、エア軸受け２ａに連通する配管を、真空配管４５から圧縮空気供給管４４に切り替えて、エア軸受け２ａに圧縮空気を供給すればよい。他のエアスライド１ｃのＺ軸方向の動きを止める手段としては、図示しないが、他の駆動手段を設け、エアスライド１ｃを摩擦力により、固定することも考えられる。なお、切替弁４３ではなく、圧縮空気供給装置８０を停止させてエアスライド１ｃのＺ軸方向の動きを止める場合には、圧縮空気供給装置８０が第１可動部動作停止装置の一例として機能することになる。

制御部２８の制御の下に、前記のエアスライド１ｃの動きを止めるエアスライド振動停止装置８２によりエアスライド１ｃの振動を停止させた状態で、側面スタイラス２ｉａにより測定を行えば、振動が無い状態で正確に、Ｚ座標を検出できる。側面スタイラス２ｉａだけを使う測定、例えば、円柱又は円柱穴の測定では、エアスライド１ｃが空気軸受け２ａに接触あるいは固定される相対的なＺ高さは、任意の位置で良い。よって、一度、相対的なＺ高さを固定してしまえば、その位置を原点として測定すればよい。

一方、円錐形状又はレンズ形状等、上面スタイラス１ａと側面スタイラス２ｉａとの両方で、測定する必要のある測定物７に対しては、それぞれ、スタイラス１ａ，２ｉａ間の相対位置を正確に把握する必要がある。そのため、エアスライド１ｃがエア軸受け２ａに対して接触、あるいは、固定される相対高さ（Ｚ位置）を正確に検出し、上面スタイラス１ａと側面スタイラス２ｉａとの相対位置を把握する必要がある。

以下に、その相対位置を演算し、両スタイラス１ａ，２ｉａの測定座標系を一致させる手順を説明する。

図１０及び図１３に、手順の概略図を示す。

まず、第１実施形態で述べたように、測定物設置部１８上に前記測定物７として又は測定物７の代わりに真球度の良い球を置くか、又は、図７Ａ及び図７Ｂのように、測定物設置部１８上の測定物７と離れた位置に、基準球２１を設置する。

図１０により、上面スタイラス１ａと側面スタイラス２ｉａとの中心位置差を求める方法について述べる。

まず、上面スタイラス１ａでこの真球度の良い球又は基準球２１（以下、単に、「測定球」と称する。）の表面の複数点を測定する（ステップＳ１００１）。

次いで、これらの複数の測定点の点列から、この測定球２１の第１中心座標（ｘｃ，ｙｃ，ｚｃ）を測定点位置演算部３０（より詳しくは、図７Ｃの測定点位置演算部３０の第１演算部３０ａ）で算出する（ステップＳ１００２）。

次いで、上面スタイラス１ａでの測定終了後、図１１のように、上面スタイラス１ａが測定球２１に接して第１可動部１の第２可動部２に対する相対位置が一定になるように制御された状態で、制御部２８の制御の下に、エアスライド振動停止装置８２の切り替え弁４３の切り替え動作により、エア軸受け２ａに連通する配管８３を、圧縮空気供給管４４から真空配管４５に切り替えて、エア軸受け２ａでエアスライド１ｃの側面の一部を吸引する（ステップＳ１００３）。真空配管４５の吸引力により、エアスライド１ｃの側面の一部が空気軸受け２ａに接触して固定される。すなわち、制御部２８の制御の下に、エアスライド振動停止装置８２の切り替え弁４３の切り替え動作により、上面スタイラス１ａが測定物７に接触した状態で、フォーカス制御部２９により、第２可動部２に対する第１可動部１の位置が一定位置になるように制御された状態のタイミングで、第２可動部２に対する第１可動部１のＺ方向の動きを止める。

次に、この状態で、第２可動部２のＺ軸駆動制御部４２の制御をフォーカス制御部２９から、Ｚ軸移動指示部３６に切り替え、Ｚ軸移動指示部３６での制御の下に第２可動部２を上昇させる（ステップＳ１００４）。

次いで、相対位置測定部２ｄにより、第２可動部２に対する第１可動部１の相対位置を測定して、その相対位置の値Ｚｆを相対位置測定部２ｄの内部記憶部２ｄｓに記憶する（ステップＳ１００５）。この位置で相対位置Ｚｆを記憶する理由を以下に説明する。

ステップＳ１００３で、真空吸引により、エアスライド１ｃをエア軸受け２ａに固定する際、必ずしも、毎回同じ位置で固定されることはなく、わずかにずれた状態で、固定される。このずれが、上面スタイラス１ａと側面スタイラス２ｉａとでの測定における座標系誤差になるので、このずれを正確に検出する必要がある。このため、第２可動部２に対する第１可動部１の相対位置を測定する相対位置測定部２ｄを用いて、このずれを検出する。また、この検出をするタイミングとして、フォーカスをかけた状態で、固定し、上昇した後になっているのは、以下の理由による。

相対位置測定部２ｄは、半導体レーザーフォーカス検出器２ｄａを用いているが、その検出信号の例を図１２に示す。図１２において、横軸は第１可動部１の第２可動部２に対する変位を示し、縦軸はフォーカス検出器の電圧を示す。上面スタイラス１ａが測定物７に接していないときは、図１２中のフォーカスＯＦＦ時の高さの位置にあり、上面スタイラス１ａが測定物７に接し、第１可動部１の第２可動部２に対する相対位置が一定になるように制御された状態は、検出信号の電圧が０Ｖの状態、すなわちフォーカス高さの位置にある。半導体レーザーフォーカス検出器２ｄａの電圧は、この高さを中心として、高さの変化が大きくなるにつれて、非線形性が大きくなり、半導体レーザーフォーカス検出器２ｄａによる相対変位検出精度が悪くなる。そのため、フォーカス高さの位置で、第２可動部２に対する第１可動部の１（上面スタイラス１ａ）の相対位置を検出することが望ましい。このため、ステップＳ１００５のように、第１可動部１の第２可動部２に対する相対位置が一定になるように制御された状態の位置、すなわちフォーカス高さの位置の近辺で、半導体レーザーフォーカス検出器２ｄａの電圧を測定し、上面スタイラス１ａの固定された位置（相対位置）Ｚｆを求めることにより、第２可動部２に対する第１可動部の１（上面スタイラス１ａ）の相対位置を精度良く求めることができる。

次いで、側面スタイラス２ｉａでこの測定球２１の表面の複数点を測定する（ステップＳ１００６）。

次いで、側面スタイラス２ｉａで測定したこれらの複数の測定点の測定データから、この測定球２１の第２中心座標（ｘｄ，ｙｄ，ｚｄ）を測定点位置演算部３０（より詳しくは、図７Ｃの測定点位置演算部３０の第２演算部３０ｂ）で算出する（ステップＳ１００７）。

最後に、これらの２つの第１及び第２中心座標（ｘｃ，ｙｃ，ｚｃ）と（ｘｄ，ｙｄ，ｚｄ）との差、つまり、上面スタイラス１ａと側面スタイラス２ｉａとの中心位置差（ｘｒ，ｙｒ，ｚｒ）を、測定点位置演算部３０（より詳しくは、図７Ｃの測定点位置演算部３０の第３演算部３０ｃ）で求める（ステップＳ１００８）。

次に、前記、両スタイラス１ａ，２ｉａ間の中心位置差（ｘｒ，ｙｒ，ｚｒ）の算出後、実際の測定物７の測定時の手順について、図１３により説明する。

まず、上面スタイラス１ａにより、測定物７の測定を行う（ステップＳ１３０１）。

次いで、側面スタイラス２ｉａによる測定物７の測定に移る前に、上面スタイラス１ａでの測定終了後、上面スタイラス１ａが測定物７に接し、第１可動部１の第２可動部２に対する相対位置が一定になるように制御された状態（フォーカス状態）で、エア軸受け２ａに連通する配管８３を、圧縮空気供給管４４から真空配管４５に切り替える（ステップＳ１３０２）。

真空配管４５の吸引力により、エアスライド１ｃの側面の一部が空気軸受け２ａに接触して、固定される。この状態で、第２可動部２のＺ軸駆動制御部４２の制御をフォーカス制御部２９から、Ｚ軸移動指示部３６に切り替え、第２可動部２を上昇させる（ステップＳ１３０３）。

次いで、相対位置測定部２ｄにより、第２可動部２に対する第１可動部１の相対位置を測定して、その相対位置の値Ｚｍを相対位置測定部２ｄの内部記憶部２ｄｓに記憶する（ステップＳ１３０４）。このタイミングで相対位置Ｚｍを記憶する理由は、ステップＳ１００５で相対位置Ｚｆを記憶することを説明したことと同様である。

次いで、側面スタイラス２ｉａで測定物７の表面を測定する（ステップＳ１３０５）。前記測定結果の評価時は、上面スタイラス１ａと側面スタイラス２ｉａとの相対位置（ｘｒ，ｙｒ，ｚｒ）［すなわち、ステップＳ１００８で算出された上面スタイラス１ａと側面スタイラス２ｉａとの中心位置差（ｘｒ，ｙｒ，ｚｒ）］を、上面スタイラス１ａによる測定データ、又は、側面スタイラス２ｉａによる測定データのいずれか一方の測定データ（一例としては、ここでは、側面スタイラス２ｉａによる測定データ）（ｘ，ｙ，ｚ）に測定点位置演算部３０（より詳しくは、図７Ｃの測定点位置演算部３０の第３演算部３０ｃ）に加算する（ステップＳ１３０６）。

次いで、側面スタイラス２ｉａで測定したデータのＺ座標に、中心位置差Ｚｒを加算した値に、上面スタイラス１ａの固定時のずれ値として、Ｚｍ−Ｚｆを加算する（ステップＳ１３０７）。ただし、Ｚ座標に、Ｚｍ−Ｚｆを加算した値に、中心位置差Ｚｒを加算してもよい。

このようにすれば、前記２つのスタイラス１ａ，２ｉａによる測定データを、前記測定物７の被測定面７ａに対する同一座標系における測定データとすることができる。つまり、測定点位置演算部３０で、測定点に接する側面スタイラス２ｉａの曲率半径の中心のＸＹＺ座標の（３）式を、（５）式のように置き換える。

なお、中心位置差（ｘｒ，ｙｒ，ｚｒ）の算出は、図１０による方法以外にも考えられ、例えば、球以外に角錐又は円錐形状等、上面スタイラス１ａと側面スタイラス２ｉａとの両方で測定できる面があれば、可能である。また、基準の物体を測定せずに、別の測定冶具等を用いても、中心位置差の測定は可能である。

また、図１３において、相対位置測定部２ｄの検出の線形性が十分ある場合には、ステップＳ１３０２は上面フォーカス状態ではなく、上面プローブ１０２（第２可動部２）の上昇の状態で行なっても良く、その場合には、上面スタイラス１ａによる測定物測定（ステップＳ１３０１）は、側面スタイラス２ｉａでの測定（ステップＳ１３０５）の後に行なって良い。また、本実施形態では、側面スタイラス２ｉａの測定データを、上面スタイラス１ａの座標に変換したが、（５）式の符号を変え、上面スタイラス１ａの測定データを、側面スタイラス２ｉａの座標に変換してもよい。

前記第３実施形態によれば、図１０及び図１３に示す手順で、２つのプローブ１０２，１０１間の相対位置の算出及び測定を行うことにより、側面測定時の上面スタイラス１ａの振動発生時にも、Ｚ２座標測定を高精度に行うことができ、上面スタイラス１ａ及び側面スタイラス２ｉａでの測定座標系を高精度に一致させることができる。

これに対して、前記背景技術で記載された文献には、具体的には、以下のような課題があった。

特許文献１〜３に記載された測定機は、側面を測定することができない。すなわち、レンズ面は測定できても、側面を含めたレンズ全体の形状が測定できないという課題があった。

特許文献４〜５に記載された測定機は、測定精度がミクロンオーダーであって、測定力も大きく、一般機械部品の形状測定には十分のものであるが、例えば非球面レンズを１０〜１００ナノメートルの超高精度で測定することは困難である。理由を以下に述べる。

特許文献４では、ＸＹＺの三つの移動台によって測定面に沿ってＸＹＺに駆動できるプローブ部に対し、測定面に接するスタイラスがさらにＸＹＺの三つのエアスライドを介して取り付けられ、スタイラスが受ける測定面からの測定力によりこの三つのエアスライドを動かし、前記三つの移動台にそれぞれ付けられた測定目盛りにより検出されたＸＹＺ座標に、前記三つのエアスライドにそれぞれ付けられた測定目盛りにより検出されたＸＹＺ座標を加算して、測定面のＸＹＺ座標を算出するものである。

これは、測定力によって三つのエアスライドを動かさねばならず、必然的に測定力が大きくなり、測定面を変形させるので、ナノメートルオーダーの超高精度測定は難しい。Ｘ方向変位に対しては、ＸとＺのエアスライドの質量を、Ｙ方向の変位に対してはＸＹＺ全エアスライドの質量を動かさねばならないので、測定力に方向性を持ってしまい、誤差の原因になる。

特許文献５では測定力を軽減するため、前記三つのエアスライドをなくし、プローブ部に対し、スタイラスがＺ方向への平行移動とともに、ＸＹ方向への傾斜も可能なように、一枚の切り欠き付き板ばねで取り付けたものである。スタイラス上方にミラーを形成し、光でスタイラスのＺ方向への変位とＸＹ方向への傾きを検知するものである。ところが、Ｚ方向への移動と傾きができるばねは、その傾き中心の位置が動かないようには設計できない。つまり、傾き中心もわずかにＸＹ方向へ動いてしまうが、これを検出できないため、測定誤差が発生する。

特許文献６、７に記載されているプローブは、側面のみ測定できる。プローブ部に設けられた支点を中心にスタイラスがＸＹ方向に傾斜する構造になっている。スタイラス上面に張られたミラーにレンズによってＨｅ−Ｎｅ安定化レーザ光を絞って照射する。この反射光からレーザ測長によりＺ座標を測定する。同時に半導体レーザ光も同じレンズによって前記ミラーに照射し、反射光の光束径の変化からスタイラスのＺ変位を検出し、前記ミラー傾きによる反射光の方向ずれからスタイラスのＸＹ方向への傾きを検出している。

つまり、特許文献６、７においては、前記レンズはＨｅ−Ｎｅ安定化レーザ光を絞って前記ミラーからの反射光からＺ座標を測定するため、無くてはならないものとなっている。このレンズが無ければミラーがごくわずかに傾いただけでＺ座標を測定できなくなるからである。

しかし、このレンズが入っている為、反射光の方向がずれても反射光の位置ずれはこのレンズの焦点距離分しかずれないので傾き検出感度が上げられないので、スタイラスの傾きを感度良く検出できないという課題があった。

また、このレンズの焦点距離を長くすれば傾きの検出感度は上がるが、Ｚ座標測定用Ｈｅ−Ｎｅ安定化レーザ光の反射光の位置ずれも大きくなり、Ｚ座標測定が難しくなるというジレンマがあった。

特許文献８に書かれている上面と側面を両方測定できるプローブは特許文献５と同じように、バネでスタイラスがＸＹＺ方向に動ける構造になっており、スタイラス軸が傾斜するときの支点が固定されないため、傾斜角度を検出するだけではスタイラス位置を完全には算出できないため、測定誤差が発生する。

また、特許文献８では、スタイラス上面に張られたミラーにレンズによって光を絞って照射し、反射光の光束径の変化からスタイラスのＺ変位を検出し、ミラー傾きによる反射光の方向ずれからスタイラスのＸＹ方向への傾きを検出しているが、このレンズが入っている為、反射光の方向がずれても反射光の位置ずれはこのレンズの焦点距離分しかずれないので傾き検出感度が上げられないので、スタイラスの傾きを精度良く検出できない。また、このレンズを入れなければ、半導体レーザによるＺ変位検出ができないし、Ｈｅ−Ｎｅ安定化レーザ光によるＺ座標測定もできない。このレンズの焦点距離を長くすればＺ変位の検出感度が下がるし、Ｈｅ−Ｎｅ安定化レーザ光によるＺ座標測定も難しくなるというジレンマがあった。

さらに特許文献８に、特許文献２に記されたプローブでレンズ面を測定してから、特許文献７に記されたプローブに交換して側面を測定することができると記されているが、プローブ交換には手間がかかり、また、交換による位置ずれが発生するという課題もあった。

レンズ面も側面も１つのプローブで、測定精度１０〜１００ナノメートルで測定できるというのは理想であるが、前記のようにスタイラス位置を誤差なく検出することが難しいという課題のほかに、測定面を走査測定するとき、振動が起こりやすいという課題がある。

測定面に沿ってスタイラスを一定の測定力で押し込んだまま、測定面に平行にプローブ部を動かすと、スタイラスと測定面との間で発生する動摩擦力がスタイラスのプローブ部に対する中央位置への復元力が釣り合って、なめらかに滑ってくれれば良いが、最初は静止摩擦によりプローブ部が動いてもスタイラスがある測定点で動かず、静止摩擦力をスタイラスの復元力が上回った位置でスタイラスが測定面上を滑って戻りすぎ、またスタイラスが次の測定点で静止するといった、スティックスリップと呼ばれる現象が発生することがある。この現象は測定面粗さが大きく、スタイラスが尖っているとき、面のくぼみにスタイラスが入るので起こりやすい。

なお、タッチ測定は測定面に一点ずつスタイラスを当てては離して、順次測定していく方法であるが、これは前記スティックスリップは無いが、走査測定に比べ測定時間が多くかかり、測定点数も少ししか取れないという課題がある。

特許文献９に記載されている測定機は非球面レンズの上下面を同時に測定でき、上下レンズ面の相対的な傾き、偏心を測定できる。しかし、レンズの外径に対する傾き、偏心は測定できないという課題がある。

特許文献１０に記載されているのは側面を走査測定するための制御方法に関するものであるが、レンズ面も側面も測定精度１０〜１００ナノメートルで測定したいという課題を解決できるものではない。

これに対して、前記実施形態にかかる三次元形状測定装置は、前記従来の課題をほぼ解決するものであり、測定物の上面と側面との両方を１０〜１００ナノメートルの超高精度で走査測定できるものである。

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。

本発明の三次元形状測定装置は、上面スタイラスと側面スタイラスを新しい方法で組み合わせることにより、上面も側面も１０〜１００ナノメートルという従来出来なかった超高精度で走査測定できるので、非球面レンズの形状測定に加え、レンズ面の外形に対する傾き又は偏心、抜き金型の側面のクリアランスと上面に対する直角度、微細穴又は歯車等の基準面を基準とした形状等を短時間で細かく大量の測定データを取得できるので、カメラ又は精密部品のより小型高性能化又は製造歩留まり向上が期待できる。

１ 第１可動部
１ａ 上面スタイラス
１ｂ 第１のミラー
１ｃ エアスライド
１ｄ バネ力発生部（可動ヨーク）
２ 第２可動部
２ａ エア軸受け
２ｂ 磁石
２ｃ バネ力支持部（固定ヨーク）
２ｄ 相対位置測定部
２ｄａ 半導体レーザフォーカス検出器
２ｄｂ 回折格子
２ｄｃ ダイクロイックミラー
２ｄｄ レンズ
２ｄｅ レンズ
２ｅ 上面プローブ枠
２ｆ 側面プローブ枠
２ｇ 横柱
２ｈ 磁気回路
２ｉ 可動傾斜部
２ｉａ 側面スタイラス
２ｉｂ 支点部材
２ｉｃ 第２のミラー
２ｉｄ 可動側磁石
２ｊ 傾斜角度測定部
２ｊａ 光源
２ｊｂ レンズ
２ｊｃ 光位置検出器
２ｋ 固定側磁石
２ｍ Ｚ駆動部
２ｎ 大エアスライド
２ｚ 第２可動部の本体
３ 定荷重ばね
４ 支持部
４ａ 大エア軸受け
４ｂ 磁気回路
５ 安定化レーザ光源
６ Ｚ２座標測定用安定化レーザ光
７ 測定物
７ａ 表面（上面）
７ｂ 側面
８ ＸＹ駆動部
８ａ Ｘ軸ガイド
８ｂ Ｙ軸ガイド
８ｃ Ｘ軸リニアモータ
８ｄ Ｙ軸リニアモータ
９ エアチューブ
１０ 石定盤
１１ 石門柱
１２ Ｘ基準ミラー
１３ Ｙ基準ミラー
１４ Ｘ座標測定用安定化レーザ光
１５ Ｙ座標測定用安定化レーザ光
１６ Ｚ１座標測定用安定化レーザ光
１７ 座標検出部
１７ａ Ｘ座標検出部
１７ｂ Ｙ座標検出部
１７ｃ Ｚ１座標検出部
１７ｄ Ｚ２座標検出部
１７ｅ Ｚ座標算出部
１８ 測定物設置部
１９ Ｚ基準ミラー
２０ リニアスケール
２１ 基準球
２２ 長Ｙ基準ミラー
２３ 側面Ｙ座標測定用安定化レーザ光
２７ ＸＹ軸信号切換え部
２８ 制御部
２９ フォーカス制御部
３０ 測定点位置演算部
３１ 誤差演算出力部
３２ Ｚ軸信号切換え部
３３ 側面スタイラス変位検出部
３３ａ Ｘ成分検出部
３３ｂ Ｙ成分検出部
３４ ＸＹ制御部
３５ ＸＹ軸移動指示部
３６ Ｚ軸移動指示部
３７ 動摩擦係数記憶部
３８ サーボ情報記憶部
３９ 走査情報記憶部
４０ Ｘ軸駆動制御部
４１ Ｙ軸駆動制御部
４２ Ｚ軸駆動制御部
４３ 切り替え弁
４４ 圧縮空気供給管
４５ 真空配管
８０ 圧縮空気供給装置
８１ 真空装置
８２ エアスライド振動停止装置
８３ 配管１０１ 側面プローブ
１０２ 上面プローブ
１０４ 連結機構

Claims (17)

1. Ｚ方向沿いに配置されるエアスライドと、前記エアスライドの一端に配置された上面スタイラスと、前記エアスライドの他端にそれぞれ配置された第１のミラーとバネ力発生部とを有する第１可動部と、
   この第１可動部を前記Ｚ方向に移動させる前記エアスライドのガイド部と、前記バネ力発生部を支えることにより前記第１可動部を吊り支持するバネ力支持部とを少なくとも有する第２可動部と、
   前記第２可動部が前記Ｚ方向に移動可能な状態で前記第２可動部を連結支持する支持部と、
   前記第２可動部を前記支持部に対して前記Ｚ方向に駆動するＺ駆動部と、
   前記第１可動部と前記第２可動部との相対位置を測定する相対位置測定部と、
   安定化レーザ光源からの安定化レーザ光を前記第１のミラーに向けて照射し、この前記第１のミラーからの反射光から前記上面スタイラスのＺ方向移動量を測定するＺ２座標検出部と、
   前記支持部、又は測定物を前記Ｚ方向に垂直なＸ方向及びＹ方向に駆動するＸＹ駆動部と、
   前記ＸＹ駆動部による前記支持部又は前記測定物のＸＹ方向移動量を測定してＸ座標とＹ座標とを検出するＸＹ座標検出部と、
   前記上面スタイラスが前記第２可動部に配置された位置から前記Ｘ方向又は前記Ｙ方向に離れた位置に前記第２可動部に配置され、一端に側面スタイラスを有し、前記側面スタイラスを前記Ｚ方向に対して傾斜可能に連結機構により前記第２可動部に連結された可動傾斜部と、
   前記可動傾斜部の傾斜角度を測定する傾斜角度測定部と、
   前記傾斜角度測定部から得られた前記傾斜角度から前記側面スタイラスの前記第２可動部に対するＸ変位とＹ変位とを算出する側面スタイラス変位検出部と、
   前記ＸＹ座標検出部で検出された前記Ｘ座標及びＹ座標に、前記側面スタイラス変位検出部で算出された前記側面スタイラスのＸ変位とＹ変位とを加算して、前記側面スタイラスによる前記測定物の測定点のＸ座標及びＹ座標を算出する測定点位置演算手段とを備える三次元形状測定装置。
2. 前記側面スタイラスによる測定時に、前記第２可動部に対する前記第１可動部の前記Ｚ方向の動きを止める第１可動部動作停止装置と、
   前記第１可動部動作停止装置により前記第２可動部に対する前記第１可動部の前記Ｚ方向の動きを止めた状態で前記第１可動部の前記第２可動部に対するＺ方向位置を検出する相対位置測定部とをさらに備える、請求項１に記載の三次元形状測定装置。
3. 前記第１可動部動作停止装置は、前記第１可動部を前記Ｚ方向に移動させる前記エアスライドに供給する圧縮空気を真空吸引に切り替える切り替え弁である、請求項２に記載の三次元形状測定装置。
4. 前記上面スタイラスが前記測定物の表面を前記ＸＹ方向に走査するとき、前記測定物の表面の高さ変化に沿って前記第１可動部が前記Ｚ方向に動くとき、前記相対位置測定部から得られた前記第１可動部と前記第２可動部との相対位置が一定になるように前記第２可動部を前記Ｚ方向に駆動する信号を発生するフォーカス制御部と、
   前記側面スタイラスを前記測定物の表面の前記Ｚ方向に走査するため前記第２可動部を前記Ｚ方向に駆動するための信号を発生するＺ軸移動指示部と、
   前記フォーカス制御部からの信号と前記Ｚ軸移動指示部からの信号のいずれかに切換えて前記Ｚ駆動部に伝えるＺ軸信号切換え部とを備える、請求項１に記載の三次元形状測定装置。
5. 前記側面スタイラスによる測定時に、前記第２可動部に対する前記第１可動部の前記Ｚ方向の動きを止める第１可動部動作停止装置と、
   前記第１可動部動作停止装置により前記第２可動部に対する前記第１可動部の前記Ｚ方向の動きを止めた状態で前記第１可動部の前記第２可動部に対するＺ方向位置を検出する相対位置測定部とをさらに備える、請求項４に記載の三次元形状測定装置。
6. 前記第１可動部動作停止装置は、前記第１可動部を前記Ｚ方向に移動させる前記エアスライドに供給する圧縮空気を真空吸引に切り替える切り替え弁である、請求項５に記載の三次元形状測定装置。
7. 前記第１可動部動作停止装置は、前記上面スタイラスが前記測定物に接触した状態で、前記フォーカス制御部により、前記第２可動部に対する前記第１可動部の位置が一定位置になるように制御された状態のタイミングで、前記第２可動部に対する前記第１可動部の前記Ｚ方向の動きを止める、請求項５に記載の三次元形状測定装置。
8. 前記第１可動部動作停止装置は、前記上面スタイラスが前記測定物に接触した状態で、前記フォーカス制御部により、前記第２可動部に対する前記第１可動部の位置が一定位置になるように制御された状態のタイミングで、前記第２可動部に対する前記第１可動部の前記Ｚ方向の動きを止める、請求項６に記載の三次元形状測定装置。
9. 前記上面スタイラスが前記測定物の表面を前記ＸＹ方向に走査するための信号を発生するＸＹ軸移動指示部と、
   前記側面スタイラスを前記測定物の表面に沿って前記ＸＹ方向に移動させるように前記ＸＹ駆動部を駆動制御するとともに、前記測定物の表面の前記ＸＹ方向の変化に伴って前記可動傾斜部が傾斜するとき、前記傾斜角度測定部から得られた傾斜角度の絶対値が概略一定になるように前記ＸＹ駆動部を駆動制御するＸＹ制御部と、
   前記ＸＹ軸移動指示部からの信号と前記ＸＹ制御部からの信号のいずれかに切換えて前記ＸＹ駆動部に伝えるＸＹ軸信号切換え部とを備える、請求項１〜８のいずれか１つに記載の三次元形状測定装置。
10. 前記傾斜角度測定部は、前記可動傾斜部に取り付けられた第２のミラーと、光源からの光を前記第２のミラーに向けて照射し、前記第２のミラーからの反射光の方向を検出することにより前記傾斜角度を測定する光位置検出器とを備える、請求項１〜８のいずれか１つに記載の三次元形状測定装置。
11. 前記測定物を設置する測定物設置部と、
    この測定物設置部と、測定中は相対位置がそれぞれ変わらずに互いにそれぞれのミラー面が互いに直交するよう配置されたＸ基準ミラーとＹ基準ミラーとＺ基準ミラーと、
    前記ＸＹ座標検出部を構成し、かつ、発振周波数のずれが一定値以下になるように制御された前記安定化レーザ光源からの前記安定化レーザ光を前記Ｘ基準ミラーと前記Ｙ基準ミラーとに照射し、これらの前記Ｘ基準ミラーと前記Ｙ基準ミラーとからの反射光から前記支持部に対する前記測定物の移動量のＸ座標とＹ座標とをそれぞれ検出するＸ座標検出部とＹ座標検出部と、
    前記発振周波数のずれが一定値以下になるように制御された前記安定化レーザ光源からの前記安定化レーザ光を前記Ｚ基準ミラーに照射し、前記Ｚ基準ミラーからの反射光から前記支持部に対する前記測定物の移動量のＺ１座標を検出するＺ１座標検出部と、
    前記Ｚ２座標検出部により検出されたＺ２座標と前記Ｚ１座標検出部により検出された前記Ｚ１座標の加算によって前記測定物の表面上の測定点のＺ座標を算出するＺ座標算出部とを備える、
    請求項１〜８のいずれか１つに記載の三次元形状測定装置。
12. 前記第２可動部が前記Ｚ方向に移動するガイド部がエアスライドで構成されて、前記第２可動部が前記支持部に対して第２可動部駆動装置で駆動されるよう構成される、請求項１〜８のいずれか１つに記載の三次元形状測定装置。
13. 前記ＸＹ駆動部は、Ｘ軸リニアモーターとＹ軸リニアモーターとにより、前記第２可動部又は前記測定物を前記ＸＹ方向に駆動するように構成される、請求項１〜８のいずれか１つに記載の三次元形状測定装置。
14. 前記Ｚ１座標検出部は、前記上面スタイラスの中心からＺ方向に延ばした直線上で前記測定物の移動量のＺ１座標を検出し、
    前記ＸＹ座標検出部は、前記上面スタイラスの中心の前記Ｚ方向の可動範囲の中心付近から前記Ｘ方向に延ばした直線上で前記Ｘ座標を検出し、前記上面スタイラスの中心の前記Ｚ方向の可動範囲の中心付近から前記Ｙ方向に延ばした直線上で前記Ｙ座標を検出する、請求項１１に記載の三次元形状測定装置。
15. 前記支持部に対する前記第２可動部の移動量をＺ２座標として検出するＺ２座標検出部をさらに備える、請求項１〜８のいずれか１つに記載の三次元形状測定装置。
16. 前記側面スタイラスの位置が前記上面スタイラスの位置からＸ方向に離れているとき、前記側面スタイラスのＺ方向の可動範囲の中心付近からＹ軸方向に延ばした直線上でＹ座標を測定する側面Ｙ座標検出部を備え、
    前記側面スタイラスの位置が前記上面スタイラスの位置からＹ方向に離れているとき、前記側面スタイラスのＺ方向の可動範囲の中心付近からＸ軸方向に延ばした直線上でＸ座標を測定する側面Ｘ座標検出部を備える、請求項１〜８のいずれか１つに記載の三次元形状測定装置。
17. 前記測定物として球を置くとき、前記上面スタイラスでこの球の表面の複数点を測定したのち、この測定点の点列からこの球の第１中心座標（ｘｃ，ｙｃ，ｚｃ）を算出する第１演算部と、
    前記側面スタイラスでこの球の表面の複数点を測定し、この球の測定データから求めたこの球の第２中心座標（ｘｄ，ｙｄ，ｚｄ）を算出する第２演算部と、
    これらの第１及び第２中心座標の差を求めるとともに、どちらか一方の測定データに加算する第３演算部とを備えて、
    前記第３演算部で、前記第１及び第２中心座標の差を前記どちらか一方の測定データに加算することにより、前記２つのスタイラスによる測定データを被測定面に対する同一座標系における測定データとする、請求項１〜８のいずれか１つに記載の三次元形状測定装置。

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