JP6799815B2

JP6799815B2 - 形状測定用プローブ

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Publication number: JP6799815B2
Application number: JP2018097063A
Authority: JP
Inventors: 田中　仁; 仁田中; 隆憲舟橋; 亘佐々木
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
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Priority date: 2018-05-21
Filing date: 2018-05-21
Publication date: 2020-12-16
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Description

本発明は、光学部品又は金型等の被測定面の位置情報を得る３次元形状測定装置の接触式の形状測定用プローブに関する。

光学部品又は金型などの非球面形状になっている表面形状を高精度に測定する方法として、３次元形状測定機の利用が広く知られている。一般に、接触式の測定用プローブを有する３次元形状測定機は、測定用プローブの先端を被測定物に接触させながら被測定物の表面に沿って測定用プローブを移動させ、測定用プローブと基準面との位置関係から被測定物の表面形状を測定するものである。このような測定機の１つとして、レーザ測長器と基準平面ミラーとを利用した３次元形状測定機がある。

ここで、従来の３次元形状測定機について、図１０を用いて説明する。図１０は、従来の３次元形状測定機の概略構成図である。３次元形状測定機１００は、図１０において、被測定物２（例えばレンズなど）を定盤１０１上に載置し、移動体１０３に取り付けられた測定用プローブ１０５の先端を被測定物２の測定面２ａに接触させながら、測定用プローブ１０５の先端を測定面２ａに沿って追従して、被測定物２の表面形状を測定するように構成されている。

測定用プローブ１０５が設けられた移動体１０３には、Ｘ軸ステージ部１０９とＹ軸ステージ部１１０とが設けられており、Ｘ軸方向とＹ軸方向とに移動体１０３を移動できる構成になっている。これにより、移動体１０３は、被測定物２の測定面２ａの表面形状に追従して、移動体１０３をＸ軸方向とＹ軸方向とにそれぞれ走査出来る。

そして、被測定物２が載置されている定盤１０１上には、参照ミラー支持部を介して、Ｘ参照ミラー１０６と、Ｙ参照ミラー１０７と、Ｚ参照ミラー１０８とが配置されている。さらに、移動体１０３にはレーザ測長光学系１０４が設置されており、光干渉法によりＸＹＺそれぞれの参照ミラーを基準として、測定用プローブ１０５の距離を測長することにより、３次元形状測定機は、測定用プローブ１０５のＸＹＺ座標の位置情報を得ることが出来る（例えば、特許文献１参照）。

次に、測定用プローブ１０５の先端を被測定物２の測定面２ａにほぼ一定の力で接触させるようにプローブ位置を制御する、オートフォーカス制御について、機械構成と、オートフォーカス光学系と、制御方法とに分けて、図１１の構成例を参照して説明する。

まず、機械構成について説明する。測定用プローブ１０５は、可動部材１１１が空気軸受１３１に挿入されており、Ｚ座標方向に移動可能な構造になっている。また、可動部材１１１は下端にスタイラス１１２が装着されており、上端に反射面１１３が装着されている。この反射面１１３にレーザ光Ｆｚｏを照射し、反射光から反射面１１３の位置の測定を行う。

可動部材１１１には、Ｚ方向の移動を弾性的に規制する弾性材、具体的には板バネ１１４が取り付けられている。この板バネ１１４は、可動部材１１１の上端に対して図１１の両側に延びるように配置されている。そして、板バネ１１４の両側の下面がガイド部１１５の支持点１３３に接しており、可動部材１１１は、板バネ１１４を介して支持点１３３が支点に吊るされた構成になっている。形状測定時においては、可動部材１１１が板バネ１１４で吊るされた状態で、測定面２ａに対して、可動部材１１１が上下に追従する。このとき、可動部材１１１は空気軸受１３１によりＸＹ方向は規制され、Ｚ方向に自由に動く構成となっている。

次に、オートフォーカス光学系について説明する。半導体レーザ１１７から照射されたレーザ光Ｇ_０は、コリメートレンズ１１８を通過し、偏光ビームスプリッタ１１９と、λ／４波長板１２０とを通過して、ダイクロイックミラー１２１で反射し、集光レンズ１２２によって可動部材１１１の上端の反射面１１３に集光する。

そして、反射面１１３で反射した反射光は、集光レンズ１２２を通過し、ダイクロイックミラー１２１で反射し、偏光ビームスプリッタ―１１９で全反射し、レンズ１２３で集光され、ハーフミラー１２４で２つに分離され、ピンホール１２５ａ、１２５ｂをそれぞれ通過して、光検出器１２６ａ、１２６ｂでそれぞれ受光される。

次に、オートフォーカス制御の制御方法について説明する。２つの光検出器１２６ａ、１２６ｂの検出出力は、誤差信号発生部１２７に入力される。誤差信号発生部１２７からはフォーカス誤差信号が、サーボ回路１２８に出力される。サーボ回路１２８にてリニアモータ１２９が駆動制御され、プローブ本体１１６の位置が、所定の測定力が得られる位置にフォーカシングされる。

最後に、図１２を用いて、可動部材１４１を空気軸受１４４で支持する方法について説明する。図１１における支持点１３３においては、可動部材１１１のＺ方向の上下移動において、唯一の物理的接触点である。そのため、支持点１３３での摩擦抵抗が、可動部材１１１の微細な上下移動における大きな負荷要因となる。

そこで、図１２に示すように、可動部材１４１の支持に、２つの鋼球１５０を用いることが提案されている。このような構成によれば、支持点１３３と弾性材１４９との接触を点接触にし、可動部材１４１の上下移動における弾性材１４９と鋼球１５０との摩擦力を小さく抑え、可動部材１４１の上下移動に対する摩擦抵抗を低減する方法などが取られてきた。鋼球１５０の固定方法としては、例えば、空気軸受にＶ溝１４０を施し、鋼球１５０をＶ溝１４０に設置し、接着剤などで固定する方法などがある（例えば、特許文献２を参照）。支持点１３３を鋼球にすることにより、板状の弾性材に捻り等が発生しない利点もある。

特開平６−２６５３４０号公報特開２００６−７８３６７号公報

しかしながら、前記従来の構成では、可動部材１１１に取り付けられた板バネ１１４が球１５０により点で支持されていることで摩擦抵抗が低減出来ているが、可動部材１１１が上下に数ナノメートルから数マイクロメートルの上下移動を行う際に、板バネ１１４と支持点１３３との間に摩擦抵抗が発生し、これが可動部材１１１の上下移動の負荷となり、一定の力で接触するための制御における不安定要素となる。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、可動部材が上下移動する際の微細な摩擦抵抗を低減し、可動部材の上下移動をより滑らかにさせることで、測定用プローブの先端が測定面に対して、一定の力で接触する、形状測定用プローブを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の１つの態様によれば、下端に設けられて被測定物の被測定面に接触するスタイラスと、
レーザ光を反射する反射面を上端に備えた棒状の可動部材と、
前記可動部材を軸孔に貫通挿入して軸方向に移動可能に支持する空気軸受とを備える形状測定用プローブであって、
前記空気軸受の上端部に前記可動部材の軸中心に対して略対称位置に固定された２つの磁石と、
前記２つの磁石上で移動可能に磁力で連結した２つの球形状でかつ磁性体の支持部と、
前記可動部材の上端部に固着しかつ前記２つの球形状の支持部まで延伸して前記支持部上に載置される板状の弾性材とを備える、測定用プローブを提供する。

以上のように、本発明の前記態様によれば、２つの球形状でかつ磁性体の支持部が、２つの磁石上で移動可能に磁力で連結され、可動部材の上端部に固着された板状の弾性材が、２つの球形状の支持部上に載置されて吊り支持されている。このように構成することにより、測定用プローブの先端を被測定物の測定面に接触させて測定する３次元形状測定装置において、測定用プローブの先端が測定面に与える力を従来よりも一定に維持することが出来る。さらに、力が一定に保たれるため、測定用プローブの先端が、より小さな力で測定面に接触することが可能になる。

本発明の実施の形態における測定用プローブを用いた３次元形状測定装置の構成を示す斜視図オートフォーカス光学系の概略図本発明の実施の形態１における測定用プローブの断面図測定用プローブの鋼球付近の拡大説明図従来方式における可動部材が下方向へ移動し出すまでの可動部材と弾性材と鋼球の概略図図３Ａにおける弾性材と鋼球の間に生じる静止摩擦力を示す図従来方式における可動部材が下方向へ移動し出してからの可動部材と弾性材と鋼球の概略図図４Ａにおける弾性材と鋼球の間に生じる静止摩擦力を示す図従来方式における可動部材が上方向へ移動し出すまでの可動部材と弾性材と鋼球の概略図図３Ａにおける弾性材と鋼球の間に生じる静止摩擦力を示す図従来方式における可動部材が上方向へ移動し出してからの可動部材と弾性材と鋼球の概略図図４Ａにおける弾性材と鋼球の間に生じる静止摩擦力を示す図本発明の実施の形態１における可動部材が下方向へ動く時の弾性材と鋼球の動作の概略図本発明の実施の形態１における可動部材が上方向へ動く時の弾性材と鋼球の動作の概略図本発明の実施の形態２における測定用プローブの断面図本発明の実施の形態３における測定用プローブの断面図従来の測定用プローブを用いた３次元形状測定機の構成を示す斜視図従来のオートフォーカス光学系の概略図従来の測定用プローブの断面図

以下、図面を参照して本発明における実施を詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１Ａは、本発明の実施の形態１にかかる測定用プローブを用いた３次元形状測定装置の概略構成を示す斜視図である。

本発明の実施の形態１にかかる測定用プローブ５を用いた３次元形状測定装置１３は、図１０に示した従来の３次元形状測定機と大部分の構成は類似しているが、２つの球形状の支持部付近の構成が大きく異なっている。

測定時の動作の概略としては、定盤１に載置された被測定物２の測定面２ａに測定用プローブ５の先端を接触させた状態で、測定用プローブ５をＸＹ軸方向に相対的に移動可能としている。測定用プローブ５のＸＹ軸方向への移動に併せて、測定用プローブ５の先端が、被測定物２の測定面２ａに沿って接触力をほぼ一定に保ちながら追従することで、被測定物２の測定面２ａの形状を測定する装置である。

３次元形状測定装置１３は、定盤１に固定された被測定物２の測定面２ａに対し、移動体３に取り付けられた測定用プローブ５の先端を追従させ、被測定物２の各点の位置情報を測定することによって、被測定物２の形状を測定する。位置情報の測定方法としては、定盤１上に、参照ミラー支持部を介して、Ｘ参照ミラー６と、Ｙ参照ミラー７と、Ｚ参照ミラー８とをそれぞれ配置し、それぞれの参照ミラー６，７，８を基準面とした光干渉法によるレーザ測長光学系４により、ＸＹＺの座標位置を得る。

測定用プローブ５が設けられた移動体３には、Ｘ軸ステージ部９とＹ軸ステージ部１０とが設けられており、測定用プローブ５を被測定物２の測定面２ａの表面形状に追従してＸ軸方向とＹ軸方向とに移動体３をそれぞれ移動させる。

そして、Ｚ軸ステージ部１１は、定盤１にＺ軸方向、すなわち上下方向（鉛直方向）に移動可能に支持され、被測定物２の測定面２ａに接触させる測定用プローブ５を下端に支持して、測定用プローブ５を上下移動可能としている。

制御部４０は、オートフォーカス光学系４１と、Ｘ軸ステージ部９と、Ｙ軸ステージ部１０と、Ｚ軸ステージ部１１と、Ｈｅ−Ｎｅレーザ１２となどに接続されて、それぞれの動作制御を行うことで、３次元形状測定動作を制御している。

ここで、測定用プローブ５の先端を被測定物２の測定面２ａにほぼ一定の力で接触させるようにプローブ位置を制御する、オートフォーカス制御について、機械構成と、オートフォーカス光学系４１と、制御方法とに分けて、図１Ｂの構成例を参照して説明する。

まず、機械構成について説明する。測定用プローブ５は、可動部材２１が空気軸受２４に貫通挿入されており、Ｚ座標方向に移動可能な構造になっている。また、可動部材２１は下端にスタイラス２２が装着されており、上端に反射面２３が装着されている。この反射面２３に、レーザ光Ｆｚを照射し、その反射面２３での反射光から、反射面２３の位置の測定を行う。

可動部材２１には、Ｚ方向の移動を弾性的に規制する弾性材、具体的には板バネ２９が取り付けられている。この板バネ２９は、可動部材２１の上端に対して図１Ｂの両側に延びるように配置され、後述するように、空気軸受２４に対して吊り支持される構成になっている。

形状測定時においては、可動部材２１が板バネ２９で空気軸受２４に対して吊るされた状態で、測定面２ａに対して、可動部材２１が上下に追従する。このとき、可動部材２１は空気軸受２４によりＸＹ方向は規制され、Ｚ方向に自由に動く構成となっている。

次に、オートフォーカス光学系４１について説明する。半導体レーザ４１７から照射されたレーザ光Ｇは、コリメートレンズ４１８を通過し、偏光ビームスプリッタ４１９と、λ／４波長板４２０とを通過して、ダイクロイックミラー４２１で反射し、集光レンズ４２２によって可動部材２１の上端の反射面２３に集光する。

そして、反射面２３で反射した反射光は、集光レンズ４２２を通過し、ダイクロイックミラー４２１で反射し、偏光ビームスプリッタ―４１９で全反射し、レンズ４２３で集光され、ハーフミラー４２４で２つに分離され、ピンホール４２５ａ、４２５ｂをそれぞれ通過して、光検出器４２６ａ、４２６ｂでそれぞれ受光される。

次に、オートフォーカス制御の制御方法について説明する。２つの光検出器４２６ａ、４２６ｂの検出出力は、誤差信号発生部４２７に入力される。誤差信号発生部４２７からはフォーカス誤差信号が、サーボ回路４２８に出力される。サーボ回路４２８にてリニアモータ４２９が駆動制御され、プローブ本体４１６の位置が、所定の測定力が得られる位置にフォーカシングされる。

図２Ａは、本発明の実施の形態１における測定用プローブ５の先端の拡大断面図である。

測定用プローブ５は、少なくとも、スタイラス２２と、棒状の可動部材２１と、空気軸受２４と、２つの磁石３１と、２つの球形状の支持部、言い換えれば、弾性材支持部３０と、板状の弾性材２９とを備えている。

スタイラス２２は、測定用プローブ５の下端に設けられて、被測定物２の被測定面２ａに接触する。

可動部材２１は、レーザ測長光学系４からのレーザ光Ｆｚを反射する反射面２３を測定用プローブ５の上端に備えている。

空気軸受２４は、可動部材２１を挿入して軸方向すなわちＺ方向にのみ移動可能に支持している。

２つの磁石３１は、空気軸受２４の上端部に可動部材２１の軸中心Ｃに対して略対称位置に固定されている。

２つの球形状の弾性材支持部３０の例はそれぞれ金属球であり、より具体的には鋼球である。２つの鋼球３０は、２つの磁石３１の平面である上端面上に載置されて、移動可能に磁力で連結している。

弾性材２９は、可動部材２１の上端部に固着しかつ２つの球形状の鋼球３０まで延伸して載置支持されている。

測定用プローブ５内にある可動部材２１は、前記したように、下端に、被測定物２の測定面２ａと接触するスタイラス２２を装着し、上端には、反射面２３を装着する。この反射面２３に対して、光干渉法による測長を行うため、レーザ測長光学系４からレーザ光Ｆｚが照射される。また、可動部材２１は、空気軸受２４の軸孔２４ａに挿入された状態で保持されており、その軸方向のみに移動可能である。空気軸受２４は、軸としての可動部材２１を軸孔２４ａに挿入した状態で支持し、軸孔２４ａに挿入された可動部材２１に空気を誘導し吹き付けるための空気通路を設けた筒形状の空気軸受本体２５と、他部品に装着したり結合する外壁とを備えている。本実施形態では、空気軸受２４の外壁は、測定用プローブ５のハウジング２６で形成されている。

ハウジング２６は、測定用プローブ５の先端に設けられた筒状の容器であり、先端に空気軸受２４を保持する。ハウジング２６には、空気軸受本体２５に空気を送り込むための空気継手２７が設けられており、コンプレッサ４２などから圧縮空気が吹き込まれる。空気軸受本体２５は、その表面に溝２８が形成されており、ハウジング２６の内側壁と溝２８の内壁面とで画定された溝２８内の空間が、空気を流すための経路として形成される。

この構成により、測定におけるＸＹ移動時に可動部材２１は、空気軸受２４内でＸＹ方向に対しては規制され、Ｚ方向のみ移動可能になっている。

可動部材２１の上端には、反射面２３とは別に、板状の弾性材２９が可動部材２１の軸中心Ｃ付近で固定されている。この弾性材２９は、可動部材２１と直角方向になるように配置されている。弾性材２９の具体例としては板バネである。可動部材２１が空気軸受本体２５の軸孔２４ａに貫通したとき、弾性材２９の両端部が、空気軸受本体２５の上面に位置する２つの鋼球３０上に接触するように載置される。すなわち、可動部材２１は、弾性材２９を介して両端の２つの鋼球３０に支持され、空気軸受２４の内部で吊るされた状態になっている。

測定用プローブ５の先端に装着したスタイラス２２が、測定面２ａに接触しながらＸＹ方向に相対移動するときの測定用プローブ５のＺ方向の動作について説明する。

スタイラス２２を下端に装着した可動部材２１は、上端に装着した反射面２３にレーザ測長光学系４からのレーザ光Ｆｚが照射される。このレーザ光Ｆｚの反射光から、反射面２３の位置を測定するように構成されている。そして、レーザ光Ｆｚとは別に、オートフォーカス光学系４１からのレーザ光Ｇが反射面２３に照射される。このレーザ光Ｇの反射光から、測定用プローブ５内での反射面２３の相対的な位置を検出し、オートフォーカス制御により反射面２３が、測定用プローブ５内におけるＺ軸方向の位置において、相対的に一定になるようにＺ軸ステージ部１１がＺ軸方向に制御される。そして、測定用プローブ５内における反射面２３が、Ｚ軸方向の位置において、相対的に一定になる位置が、スタイラス２２の先端が測定面２ａに接触し、かつ弾性材２９が２つの鋼球３０に支持されて吊るされた状態になる位置に設定されている。

これにより、測定用プローブ５に装着されたスタイラス２２が、ほぼ一定の微小な力で測定面２ａに接触する位置関係を維持することが出来る。ここで、微小な力とは、例えば数ｍｇｆから数十ｍｇｆである。

このようにして、測定用プローブ５内における反射面２３の位置を一定に保つオートフォーカス制御を行いながら、測定用プローブ５を含むＺ軸ステージ部１１は、Ｘ軸ステージ部９及びＹ軸ステージ部１０によって、被測定物２の測定面２ａに対してＸＹ方向に相対移動する。このような場合に、測定面２ａの形状の凹凸の変化に沿って可動部材２１が上下に変動しても、Ｚ軸ステージ部１１が上下の変動に追従することで、ＸＹ方向に移動中でも、測定用プローブ５が被測定物２の測定面２ａに一定の力で接触し続けることができる。

しかしながら、図１２に示す従来方法のように、可動部材１４１を支持する鋼球１５０が固定されているとき、弾性材１４９が、可動部材１４１の上下移動に合わせて上下にたわむ際に、弾性材１４９と鋼球１５０との接触点の位置がずれてしまうことになる。そのため、弾性材１４９と鋼球１５０とに微小な摩擦力が発生する。そして、この摩擦力が、可動部材１４１の上下移動に対する摩擦抵抗となる。これについて、以下、詳しく説明する。

可動部材１４１が静止時から下方向へ移動し始める直前までの可動部材１４１と弾性材１４９と鋼球１５０とを図３Ａに示す。可動部材１４１が静止時の弾性材１４９と鋼球１５０の接触点周辺の拡大図を、図３Ｂに示す。

図３Ｂに、可動部材１４１が静止している状態から下方向へ移動し始めるまでの弾性材１４９と鋼球１５０との間で生じる摩擦力について説明する。弾性材１４９の水平方向に対する傾斜角度をθとするとき、弾性材１４９が鋼球１５０に鉛直方向にＦ_１の力を与えるので、Ｆ_１の力の分力の一部として鋼球１５０が弾性材１４９に与える抗力はＦ_１ＣＯＳθとなる。ここで、弾性材１４９と鋼球１５０との間は静止摩擦であるので、静止摩擦係数をμとすると、弾性材１４９と鋼球１５０との間で生じる摩擦力はμＦ_１ＣＯＳθである。

次に、可動部材１４１が下方向に移動し始めた時の可動部材１４１と弾性材１４９と鋼球１５０とを図４Ａに示す。可動部材１４１が移動し始めた時の弾性材１４９と鋼球１５０との接触点周辺の拡大図を、図４Ｂに示す。

図４Ｂに、可動部材１４１が下方向へ移動し始めたときの弾性材１４９と鋼球１５０の間で生じる摩擦力について説明する。静止時と同様に、弾性材１４９が鋼球１５０に鉛直方向にＦ_１の力が働くので、鋼球１５０が弾性材１４９に与える抗力はＦ_１ＣＯＳθとなるが、可動部材１４１が下方向へ移動し始めているとともに、弾性材１４９と鋼球１５０との間で生じる摩擦力は動摩擦であるので、動摩擦係数をμ’とすると、摩擦力はμ’Ｆ_１ＣＯＳθである。

次に、可動部材１４１が静止時から上方向へ移動し始める直前までの可動部材１４１と弾性材１４９と鋼球１５０を図５Ａに示す。可動部材１４１が静止時の弾性材１４９と鋼球１５０の接触点周辺の拡大図を、図５Ｂに示す。

図５Ｂに、可動部材１４１が静止している状態から上方向へ移動し始めるまでの弾性材１４９と鋼球１５０との間で生じる摩擦力について説明する。弾性材１４９が鋼球１５０に鉛直方向にＦ_２の力が働くので、鋼球１５０が弾性材１４９に与える抗力はＦ_２ＣＯＳθとなる。ここで、弾性材１４９と鋼球１５０との間で生じる摩擦力は静止摩擦であるので、静止摩擦係数をμとすると、弾性材１４９と鋼球１５０との間で生じる摩擦力はμＦ_２ＣＯＳθである。

次に、可動部材１４１が上方向に移動し始めた時の可動部材１４１と弾性材１４９と鋼球１５０を図６Ａに示し、可動部材１４１が移動し始めた時の弾性材１４９と鋼球１５０との接触点周辺の拡大図を図６Ｂに示す。

図６Ｂに、可動部材１４１が上方向へ移動し始めたときの弾性材１４９と鋼球１５０との間で生じる摩擦力について説明する。静止時と同様に、弾性材１４９が鋼球１５０に鉛直方向にＦ_２の力が働くので、鋼球１５０が弾性材１４９に与える抗力はＦ_２ＣＯＳθとなる。ここで、可動部材１４１が上方向へ移動し始めているとともに、弾性材１４９と鋼球１５０との間で生じる摩擦力は動摩擦であるので、動摩擦係数をμ’とすると、弾性材１４９と鋼球１５０との間で生じる摩擦力はμ’Ｆ_２ＣＯＳθである。すなわち、オートフォーカス制御において、可動部材１４１が一定の位置を保つ際には、可動部材１４１が上下移動を繰り返すことになるが、可動部材１４１の上下の移動方向が切り替わる度に、可動部材１４１には静止摩擦力μＦ_１ＣＯＳθもしくはμＦ_２ＣＯＳθから動摩擦力μ’Ｆ_１ＣＯＳθもしくはμ’Ｆ_２ＣＯＳθへと非線形の変化をする抵抗が生じる。また、可動部材１４１が上下方向に動く場合においての弾性材１４９が鋼球１５０に与える力Ｆ_１と力Ｆ_２とは、力Ｆ_１のほうが力Ｆ_２よりも大きくなる。そのため、可動部材１４１の上移動時と下移動時とでは、摩擦力の大きさが異なることになる。

このように、可動部材１４１の上下移動に対して、摩擦抵抗が生じ、かつその摩擦抵抗が非線形に変化する、また上下方向で互いに摩擦力の大きさが異なるために、オートフォーカス制御による可動部材１４１の被測定物２の測定面２ａの形状に対する追従性が悪化してしまう。

そこで、本実施の形態では、可動部材２１の上下運動に対する弾性材２９のたわみに対して、弾性材２９と２つの鋼球３０との間のずれがそれぞれ生じないように、２つの鋼球３０の空気軸受２４に対する支持構造を、単なるＶ溝による固定構造ではなく、空気軸受２４に対して移動を許容しうる支持構造としている。

具体的には、弾性材２９のたわみに合わせて、各鋼球３０が可動部材２１の軸中心Ｃから放射方向に前後移動できる構成としている。

このような可動部材２１の軸中心方向から放射方向に各鋼球３０が前後移動できる構成を以下に詳しく説明する。すなわち、図２Ａに示すように、空気軸受２４に、軸中心Ｃに対して略対称位置に、例えば１８０度間隔をあけて、２つの磁石３１を固定している。そして、それらの２つの磁石３１の上端面上に鋼球３０をそれぞれ設置し、各磁石３１の磁力により、空気軸受２４と各鋼球３０とを移動可能に連結させる。空気軸受２４に対する各磁石３１の固定方法としては、たとえば接着剤などを用いて、固定する方法などがある。具体的には、空気軸受２４に、軸中心Ｃに対して１８０度間隔をあけて２つの凹部２４ｂを形成する。各凹部２４ｂ内に、少なくとも上端面に平面を有する、例えば円柱状の磁石３１を接着剤で固定する。次いで、各磁石３１の上端面に鋼球３０を載置して、鋼球３０を磁石３１の磁力で移動可能に保持する。最後に、各鋼球３０の上に弾性材２９を載置する。図２Ｂに示すように、各凹部２４ｂの深さＤ_３のうちの磁石３１の厚さを除いた残りの寸法Ｄ_２は、一例として、各凹部２４ｂ内に磁石３１を収納しかつ鋼球３０の下半分近くまで収納できる程度の寸法とする。このようにすれば、空気軸受２４に磁石３１と鋼球３０とを安定して保持することができる。

なお、軸中心Ｃに対して略対称位置とは、１８０度間隔をあけた２つの位置に限らず、１２０度間隔をあけた３つの位置としてもよい。

ここで、凹部２４ｂは、鋼球３０が転がって磁石３１から外れることを防止する機能がある。この機能を達成するために、鋼球３０の直径については、測定時に鋼球３０が磁石３１上を微小に転がって移動しても、鋼球３０が凹部２４ｂの開口縁に接触しないことが必要である。具体的な一例としては、鋼球３０が直径１ｍｍのとき、鋼球３０が転がる距離は最大でも数十μｍである。また、磁石３１及び凹部２４ｂの加工誤差は最大で１００μｍ程度はあると考えられ、仮に磁石３１の直径が１００μｍだけ小さく、凹部２４ｂの直径が１００μｍだけ大きく加工されている場合、凹部２４ｂの中心に対して磁石３１の中心が１００μｍだけずれることになる。そのため、測定中に鋼球３０が磁石３１上を数十μｍ転がっても、鋼球３０が凹部２４ｂの開口縁に接触しないためには、図２Ｂに示すように、凹部２４ｂの直径は凹部２４ｂの開口縁と鋼球３０との隙間距離Ｄ_１が、（１００μｍ）＋（数十μｍ）＝（百数十μｍ）程度である必要がある。

また、凹部２４ｂの深さＤ_３のうちの磁石３１の厚さを除いた残りの寸法Ｄ_２の具体的な例としては、前述したように、鋼球３０が磁石３１上を転がって磁石３１上から外れなければよいので、鋼球３０の直径の２／３〜１／２以下であることが好ましい。

鋼球３０と空気軸受２４とを磁石３１で連結した際に、可動部材２１が上下移動するときの弾性材２９と各鋼球３０との様子を図７Ａ及び図７Ｂに示す。

図７Ａでは、測定面２ａの形状に沿って可動部材２１が−Ｚ方向（すなわち、下方向）に移動した場合は、弾性材２９が下方向に凸にたわみ、それに合わせて、各鋼球３０自体も各磁石３１の上端面上を可動部材２１の軸中心Ｃの方向へ転がる。そして、可動部材２１が−Ｚ方向に移動すると、Ｚ軸ステージ部１１が−Ｚ方向に移動し、反射面２３とオートフォーカス光学系４１との距離が決められた位置に戻るように制御される。つまり、可動部材２１が決められた位置に戻る際に、弾性材２９のたわみも元に戻るので、それに合わせて、各鋼球３０が各磁石３１の上端面上を転がって、可動部材２１の軸中心Ｃと反対方向に戻る。

次に、図７Ｂのように、可動部材２１が＋Ｚ方向（すなわち上方向）に移動した場合は、弾性材２９が上方向にたわみ、それに合わせて、各鋼球３０自体も各磁石３１の上端面上を可動部材２１の軸中心Ｃの方向と反対側へ転がる。そして、可動部材２１が＋Ｚ方向に移動すると、反射面２３とオートフォーカス光学系４１との距離が短くなるので、Ｚ軸ステージ部１１が＋Ｚ方向に移動し、反射面２３とオートフォーカス光学系４１との距離が再び決められた位置に戻るように制御される。つまり、可動部材２１が決められた位置に戻る際に、弾性材２９のたわみも元に戻るので、それに合わせて、各鋼球３０が各磁石３１の上端面上を転がって、可動部材２１の軸中心方向に戻る。

このように、可動部材２１の上下移動に伴う、弾性材２９のたわみに対して、従来技術では弾性材１４９を支持する鋼球１５０と弾性材１４９との間に摩擦抵抗を生じさせていたが、本実施の形態により、弾性材２９のたわみに合わせて各鋼球３０が各磁石３１の上端面上を転がることで、摩擦抵抗を軽減することが出来、オートフォーカス制御の追従性が向上し、測定時の被測定物２の測定面２ａとスタイラス２２との接触力が一定になる。

すなわち、２つの鋼球３０が、２つの磁石３１上で移動可能に磁力で連結され、可動部材２１の上端部に固着された板状の弾性材２９が、２つの鋼球３０上に載置されて吊り支持されている。よって、可動部材２１の上下移動に併せて弾性材２９がたわむ際に、弾性材２９と鋼球３０の接触面でのずれを無くし、摩擦抵抗を低減することで、可動部材２１の位置制御であるオートフォーカス制御の追従性が良くなる。このように構成することにより、測定用プローブ５の先端を被測定物２の測定面２ａに接触させて測定する３次元形状測定装置１３において、測定用プローブ５の先端が測定面２ａに与える力を従来よりも一定に維持することが出来る。さらに、力が一定に保たれるため、測定用プローブ５の先端が、より小さな力で測定面２ａに接触することが可能になる。

さらに、前記したように、オートフォーカス制御の追従性が向上して、従来方法に比べて、接触力がより一定になるため、接触力自身をさらに小さく設定しても、オートフォーカス制御の追従が可能になる。

また、各磁石３１の磁力は中心付近が最も強く、外側に向かうに従い磁力が弱まる性質を持つ。このため、定常時において、各鋼球３０は各磁石３１の中心に保持される。このため、測定用プローブ５が取り外された場合、又は、測定用プローブ５自体に衝撃が加えられた場合においても、各鋼球３０は各磁石３１の上端面上の所定の位置に復元することが出来る。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について、図８を用いて説明する。第２実施形態の測定用プローブ５は、第２実施形態の測定用プローブ５と大略同じ構成であるため、相違点を中心に説明する。

第１実施形態と同様に、可動部材２１の軸中心Ｃから略対称位置に２つの鋼球３０を空気軸受２４に配しており、各鋼球３０の下部には各磁石３１が空気軸受２４に固定されている。しかしながら、第１実施形態と異なり、第２実施形態は、各鋼球３０と各磁石３１との間に、鋼球３０との接触面の面精度が高い（例えばＲａ６．３以上の表面粗さ）、磁性体６０（例えばＳＵＳなど）を配置する。各磁石３１は材質的に脆い性質を持っており、研磨加工などにより面精度を高めることが困難である。そのため、研磨加工のしやすいＳＵＳなどの磁性体６０を、磁石３１と鋼球３０との間に挿入することで、磁力を保ったうえで、鋼球３０の転がりを良くすることが出来る。また、この方法により、直接、各磁石３１の上を各鋼球３０が転がることが無くなるため、各磁石３１の摩耗を防ぐ効果も得られる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について、図９を用いて説明する。

第３実施形態の測定用プローブ５は、第１実施形態の測定用プローブ５と大略同じ構成であるため、相違点を中心に説明する。

第１実施形態と同様に、可動部材２１の軸中心Ｃから略対称位置に２つの鋼球３０を空気軸受２４に配しており、各鋼球３０の下部には各磁石３１が空気軸受２４に固定されている。しかしながら、第１実施形態と異なり、第３実施形態は、各鋼球３０と各磁石３１との間に、非磁性体７０を配置し、非磁性体７０で各磁石３１の磁力を調整する機構を有している。第１実施形態で述べた通り、弾性材２９のたわみに合わせて各鋼球３０が可動部材２１の軸中心Ｃに対して前後放射方向に転がる構成になっているが、弾性材２９と各鋼球３０とに作用する静止摩擦力に対して、各鋼球３０が各磁石３１中心から離れる時に発生する磁力による復元力のほうが強い場合、各鋼球３０は転がることが出来ず、弾性材２９のたわみに合わせて、弾性材２９と各鋼球３０との間に摩擦抵抗が生じてしまう。さらに、各鋼球３０が各磁石３１上で転がる場合でも、磁石の復元力が強いと、オートフォーカス制御による可動部材２１の上下移動制御に対して抵抗になる場合もある。そのため、磁石３１の磁力を調整する必要があるが、磁石自身の磁力の微小な調整は、困難である。そこで、磁石３１と鋼球３０との間に非磁性体７０を配置し、この非磁性体７０の厚み又は材質を調整することで、磁石３１の磁力の微調整が可能となり、オートフォーカス制御に対して最適な磁力を得られる。そして、非磁性体７０の鋼球３０との接触面の面精度を高めることで、第２実施形態に示した効果と同様の効果が合わせて得られる。

なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例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。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。

本発明の前記態様にかかる測定用プローブは、光学部品又は金型等の非球面物体の表面形状を測定する三次元形状測定装置だけでなく、半導体製造用のウエハ又は磁気記憶ディスクなどの薄板材の平坦度又は厚み等を測定する形状測定装置等の測定用プローブに適用できる。

１定盤
２被測定物
２ａ測定面
３移動体
４レーザ測長光学系
５測定用プローブ
６Ｘ参照ミラー
７Ｙ参照ミラー
８Ｚ参照ミラー
９Ｘ軸ステージ部
１０Ｙ軸ステージ部
１１Ｚ軸ステージ部
１２Ｈｅ−Ｎｅレーザ
１３３次元形状測定装置
２１可動部材
２２スタイラス
２３反射面
２４空気軸受
２４ａ空気軸受の軸孔
２４ｂ空気軸受の凹部
２５空気軸受本体
２６ハウジング
２７空気継手
２８溝
２９弾性材
３０鋼球
３１磁石
４０制御部
４１オートフォーカス光学系
４２コンプレッサ
６０磁性体
７０非磁性体
１００３次元形状測定機
１０１定盤
１０３移動体
１０４レーザ測長光学系
１０５測定用プローブ
１０６Ｘ参照ミラー
１０７Ｙ参照ミラー
１０８Ｚ参照ミラー
１０９Ｘ軸ステージ部
１１０Ｙ軸ステージ部
１１１可動部材
１１２スタイラス
１１３反射面
１１４板バネ
１１５ガイド部
１１６プローブ本体
１１７半導体レーザ
１１８コリメートレンズ
１１９偏光ビームスプリッタ
１２０ λ／４波長板
１２１ダイクロイックミラー
１２２集光レンズ
１２３レンズ
１２４ハーフミラー
１２５ａピンホール
１２５ｂピンホール
１２６ａ光検出器
１２６ｂ光検出器
１２７誤差信号発生部
１２８サーボ回路
１２９リニアモータ
１３３支持点
１４０Ｖ溝
１４１可動部材
１４２スタイラス
１４３反射面
１４４空気軸受
１４５空気軸受本体
１４６ハウジング
１４７空気継手
１４８溝
１４９弾性材
１５０鋼球
４１６プローブ本体
４１７半導体レーザ
４１８コリメートレンズ
４１９偏光ビームスプリッタ
４２０ λ／４波長板
４２１ダイクロイックミラー
４２２集光レンズ
４２３レンズ
４２４ハーフミラー
４２５ａピンホール
４２５ｂピンホール
４２６ａ光検出器
４２６ｂ光検出器
４２７誤差信号発生部
４２８サーボ回路
４２９リニアモータ
Ｃ軸中心
Ｆｚレーザ光
Ｇレーザ光

Claims

下端に設けられて被測定物の被測定面に接触するスタイラスと、
レーザ光を反射する反射面を上端に備えた棒状の可動部材と、
前記可動部材を軸孔に貫通挿入して軸方向に移動可能に支持する空気軸受とを備える形状測定用プローブであって、
前記空気軸受の上端部に前記可動部材の軸中心に対して略対称位置に固定された２つの磁石と、
前記２つの磁石上で移動可能に磁力で連結した２つの球形状でかつ磁性体の支持部と、
前記可動部材の上端部に固着しかつ前記２つの球形状の支持部まで延伸して前記支持部上に載置される板状の弾性材とを備える、
形状測定用プローブ。
前記磁石と前記球形状の支持部との間に磁性体が配置されて、前記磁石の磁力で、前記磁性体を介して前記弾性材を前記支持部に支持する、請求項１に記載の形状測定用プローブ。
前記磁石と前記球形状の支持部との間に非磁性体が配置されて、前記磁石の磁力で、前記非磁性体を介して前記弾性材を前記支持部に支持する、請求項１に記載の形状測定用プローブ。
前記磁石の上端面は平面であり、前記２つの球形状の支持部はそれぞれ鋼球である、請求項１〜３のいずれか１つに記載の形状測定用プローブ。