CN101206110B - 三维测定探头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种三维测定探头，能够更高精度地测定非球面透镜等被测物的形状等，实现难以损坏且长寿命、低成本的三维测定探头。安装于小空气轴承部(6)的磁铁(29)和磁轭(8)和安装于小滑动轴部(6)的磁性体销(20)构成磁路，由此产生小滑动轴部(6)的旋转和妨碍轴方向的变位的磁力。由于为非接触的磁力，从而构成无论是自下还是自横向都能够进行测定的三维测定探头。

Description

三维测定探头
技术领域
本发明涉及一种三维测定探头，其主要以0.01微米级的超高精度来测定非球面透镜等被测物的形状等，其中，其安装在测定范围对小的物体来说XYZ方向(长、宽、高)是30mm×30mm×20mm、对大的物体来说是400mm×400mm×90mm的超高精度三维测定仪上，测定面的倾斜角度从0度至与任意方向成75度的高倾斜部，能够通过连续扫描在探头(probe)轴方向用测定力0.1～0.3mN这一低测定力几乎不造成伤痕地来测定被测物。
背景技术
非球面透镜需要制作到0.1微米以下的高精度，只用机械性加工是达不到该精度的。于是，发明了0.01微米级精度的超高精度三维测定仪和安装于该三维测定仪的三维测定探头。其内容如专利文献1、2等所述。利用这种测定仪来测定非球面透镜，通过将其测定结果反馈给非球面透镜的加工，就能够以0.1微米以下的精度来制造非球面透镜的模具。
但是，近年来应用于数码相机或大容量光盘等的非球面透镜由于要求薄型化、高画质、广角化及高变焦倍数等，其必要精度越发提高。于是，要求实现更进一步高精度化的探头。另一方面，还要求在工厂的现场，操作者可以简便又频繁使用的、牢固的、长寿命的三维测定探头。
下面，参照专利文献1、2简单地说明现有的非球面透镜的三维形状测定探头。
图10表示专利文献1所述的三维测定探头。固定于与被测物S相接的触针305上的小滑动轴部306可相对于小空气轴承307在Z方向移动，由板簧350从原子力探头框303吊起。
在小滑动轴部306上安装有反射镜309，使发自半导体激光器334的半导体激光在反射镜309聚光，被反射镜309反射，以光探头变位检测部302和原子力探头框303作为一体由线圈313进行驱动，以使小滑动轴部306的相对于光探头变位检测部302的变位保持恒定。此处，将以使发自半导体激光器334的半导体激光聚光于反射镜309的面上的形式开始的伺服称作聚焦伺服。
对于测定点的Z坐标测定，直接测出至反射镜309的距离的变位量，使振荡频率稳定化激光Fz照射在反射镜309上，使来自反射镜309的反射光发生干涉来测定的，所以，在上述聚焦伺服上即使有误差也只造成一点测定力的变动，几乎不会成为测定误差。
图11表示专利文献2所述的测定用探头。与专利文献1同样，小滑动部316为圆筒形，由板簧315支承，安装有反射镜319。
图5B表示专利文献3所述的适合搭载专利文献1～2的探头的超高精度三维测定仪的构成。搭载有用于测定XYZ坐标的振荡频率稳定化激光器127、测长单元、Z滑块111、光探头变位检测部112的上石平台106，利用X载物台121、Y载物台122而在XY方向移动。在下石平台123上固定有X参照反射镜124、Y参照反射镜125、上Z参照反射镜126，其中，上Z参照反射镜126固定于在下石平台123上固定的圆形底座107上，在被测物101的测定点的轴上，通过利用振荡频率稳定化激光器127测定它们到高平面反射镜(X参照反射镜124、Y参照反射镜125、上Z参照反射镜126)的距离的变化，从而即使X载物台121、Y载物台122的移动直线度是1微米级，也能得到参照反射镜124、125、126的直线度即10nm级的坐标轴精度。
但是，专利文献3由于是在发明出被命名为专利文献1～2的原子力探头的三维测定探头之前撰写的，所以探头只涉及光探头112。
图12及图13表示专利文献4所述的接触式探头。图14A及图14B表示专利文献5所述的静压轴承装置及变位测定装置。
专利文献1：日本特许第3000819号公报(第3页，图1)
专利文献2：日本特开2006-78367号公报(第16页，图8)
专利文献3：日本特许第3046635号公报(第6页，图1)
专利文献4：日本特开2003-42742号公报(第19页，图1、图2)
专利文献5：日本特公平07-58161号公报(第6页，图1)
(1)叙述独立形式的技术方案所述的本发明想要解决的课题。
本发明的一个方式的目的是实现三维测定探头，其能够以更高精度测定非球面透镜等被测物的形状，可实现不易损坏且长寿命低成本的三维测定探头。
用于以超高精度测定的探头的必要条件是，测定力小到0.1～0.3mN(10～30mgf)、与此相反相对于该微小的测定力探头快速响应、相对于横向的力探头前端的触针不会倾斜。
由于若使测定力变大则会使测定面变形，因而导致测定精度下降。另外，与测定面相接的触针的磨损过快。由于若探头的响应慢则追随于测定面，导致不得不使扫描速度降低，所以，测定时间变长，在此期间温度变化等引起的数据偏差而使测定精度恶化，致使效率变差。若测定面倾斜则对触针前端施加横向的力，但若倾斜角度超过45度则相比于探头的移动方向在横向的力变大。所以，若触针倾斜，则会成为现有例所述的不论哪一个探头都会产生测定误差。因此，需要刚性尽可能高的引导件，使得在施加在触针前端的横向力的作用下触针不会倾斜。
若设测定力为F、可动部质量为M，触针的响应加速度为a，则根据牛顿力学，
(数学式1)
F＝Ma  …(1)
若想尽可能地减小测定力F，尽可能地增大响应加速度a，则只能是尽可能地减小可动部质量即小滑动轴部的质量M。另外，为了相对于横向力不使触针倾斜，就必须使其在移动方向上无摩擦地移动，就必须是在垂直于移动方向的方向上可实现极高的刚性的构造。
本发明者历经数年的研究开发的结果是，开发了圆筒形的微型气动滑块，实现了可动部质量为0.2克的小滑动轴部。
此处，预先说明一下“微型气动滑块”这一句话的含义。小滑动轴部在小空气轴承中转动，将小滑动轴部与小空气轴承合在一起叫做“微型气动滑块”。通常市售的气动滑块即使再小可动部质量也有100克。与此相对，这里所说的“微型气动滑块”的可动部质量为0.2克明显地轻巧。
在本发明的技术领域即超高精度三维测定仪方面，要使对于以微小的测定力动作的小滑动轴部的相对于包括小空气轴承的光探头变位检测部的变位变为零，就要使电流通过线圈以驱动探头部整体，使Z方向成为较大动作的大气动滑块的双重构造。
若设测定力为0.2mN、小滑动轴部的质量为0.2克，则利用式(1)得到探头的响应加速度为0.1G。在此，G为重力加速度。若是这种程度的响应加速度，则只要直径30mm以上的光滑的非球面透镜，就能够用最高每秒10mm，即使是此直径以下的透镜也能用最高每秒5mm的测定速度来进行测定。
将微型气动滑块做成圆筒的理由是，可以用最小的质量得到最大的刚性。气动滑块通过在引导部形成2～4大气压的高气压的膜，可用高的刚性保持轴。在圆筒微型气动滑块的情况下，即使直径小到4mm以下，只要将引导部的间隙高精度地制作成狭小到10微米以下，空气流量就不会大到使注入空气的气压明显下降，所以能够在引导部形成高的气压的膜，可以保持高的刚性。
但是，若以棱柱使气动滑块减小，则由于不能将棱柱的棱角部分做成10微米以下的狭小间隙，因此，在角部分空气泄漏而使空气流量变大，从而不能保持引导部的高气压，因而就不能实现高的刚性。若角以外的部分在5微米以下，则形成更窄狭缝，虽然只要提高注入空气的气压，刚性就能稍微提高，但比圆柱刚性差，有加工困难、在长时间使用时因在间隙部附着杂物而引起的故障可能性等问题多，因而实用化困难。
微型气动滑块的小滑动轴部由弹性部件支承，以测定力0.2mN在Z方向以10微米左右动作，而在横向施加相同的力时的偏移必须为10纳米以下。即，探头刚性的纵横比必须达到千倍。所以，测定面的倾斜角度45度时的测定误差就是10nm。这是所要求的最低的刚性。
如果没有满足这些所有的条件，就不能制作成以0.01微米级的超高精度测定非球面透镜的形状等的三维测定用探头。满足这些条件的探头，就现有的技术而言也只有专利文献1～2所述的技术。
但是，专利文献1～2所述的探头存在的问题是只能从上方测定被测物。即，在图10中，板簧350只是安装在形成于空气轴承部307的上面的突起部上。在图11中，板簧315只是安装在埋入空气轴承部317上端的球53之上。
因此，若将这些探头放置成横向，则板簧350、315远离突起部及球53，不能发挥弹性，若上下颠倒就会使该微型气动滑块落下。即，由于是从上方悬吊的结构，所以只能从被测物的上面进行测定。若是只能从被测物的上面来测定，则制造的探头不能从上下或左右来测定被测物的一实例的透镜的表背面。这是专利文献1～2所述的现有探头的第一课题。
若使板簧接触于空气轴承部，则虽然成为不论从被测物的横向还是从下面都能进行测定，但这样一来，因误操作等在触针5上施加了过度的测定力时，就使板簧受到破坏。因此，板簧350、315也不能接触于空气轴承部。
若使圆筒形的微型气动滑块在测定过程中稍微转动，则由于触针前端一般形成偏心而造成测定误差。但是，不可能与微型气动滑块的轴完全一致来安装触针前端。
在专利文献1～2所述的现有探头中，由于微型气动滑块只是在板簧350、315和突起部、球53之间的摩擦力的作用下阻止旋转，所以其还存在下述课题，即只要有一点冲击使微型气动滑块稍微旋转，就会产生测定误差。这是专利文献1～2所述的现有探头的第二课题。
另外，由于板簧厚度极薄只有10微米，所以其存在的问题是因长期使用而造成变形或易于损坏。由于也只能是有限的人员修理，所以存在在测定室也只有有限的人员能够使用三维测定探头这一倾向。这是专利文献1～2所述的现有探头的第三课题。
专利文献3公开的是适宜搭载本发明的探头的整体构成，如上所述带有光探头。光探头虽然具有完全不接触这一优点，但如下所述存在许多的缺点，就高精度的三维测定而言在实用性上几乎不能使用。
就光探头而言，若被测物的测定面倾斜，则即使从测定面的上方受光，反射光也会按倾斜角度的2倍倾斜反射。例如若使测定面倾斜60度，则反射光射入120度的下方，所以完全不能测定。
另外，光探头因测定面的反射率而使反射光量变化，若反射光量变化，则对于聚焦伺服而言由于偏心(offset)及杂散光引起焦点位置的偏移而造成误差，若为了测长而想要使其与参照光发生干涉，反射光量明显变化，则发不出正确的干涉信号而造成测定误差。再者，还不能测定做了无反射涂层的面。
再者，光探头因测定面的表面粗糙度，具有只能测定研磨面的方式和不能测定研磨面的方式。不能测定研磨面的方式，一般被称为三角测距，所以不能进行高精度测定。只能测定研磨面的方式，即使以使来自测定面的反射光与参照光发生干涉的方式，配合于测定面的倾斜而挪动航路也只能测定最大30度的倾斜面，而测定路径上一旦有灰尘及伤痕就不能进行测定，测定非常不容易。
如上所述，用专利文献3所公示的光探头非常困难，其结果是，产生出来的发明就是专利文献1～2，而如上所述，专利文献1～2中存在第一～第三课题。专利文献1～2的探头可安装在如图5B所示的专利文献3的光探头112的前端。但是，光探头112前端的透镜与专利文献1的透镜14不同。再者，解决专利文献1～2的所述第一～第三课题的就是本发明。
专利文献4如图12所示，其构成为气动滑块62的自重用由磁铁418、线圈419及磁轭417构成的磁路保持。在该文献中，没有记载气动滑块62是圆筒形还是棱柱状。但是，磁路的构成如图13所示，可动部磁轭(在专利文献4中记载为透镜固定块)415基本呈正方形，由于如果气动滑块62为圆柱则磁路向磁阻更小的方向移动，所以造成可动部磁轭415旋转直到碰贴到固定部磁轭417为止，不能使探头419工作。由此看来，气动滑块62应该是棱柱。
若专利文献4的气动滑块是棱柱，则根据上述理由，存在不能制作既轻便刚性又高的探头这一课题。另外，如果气动滑块为圆柱则可动部和固定部的磁轭彼此一起转动后碰贴在一起，则存在作为探头不工作这一课题。
另外，在专利文献4中，将Z轴做成Z驱动螺杆47以驱动具有轴承的引导件424。虽然也存在轴承球度等问题，但轴承引导件424若不按压轴承就不会保持直线度工作，但由于按压力的缘故，在驱动上需要摩擦力，在驱动方向改变时若驱动位置完全失去重心则造成光探头变位检测部倾斜。
另外，如专利文献4的如图12所示，若用Z驱动螺杆47来驱动Z轴，则施加因螺杆偏心引起的横向的力，使移动直线度恶化。不能使螺杆的偏心为零。
另外，在螺杆上必定要有数微米的螺纹间隙(backlash)，若想要消除此间隙而强力拧紧，则变得很硬而不能移动。因此就不能以亚微米精度进行聚焦伺服。
专利文献5中，气动滑块为圆柱。如图14A及图14B所示，由磁铁(固定于探头轴533的磁性体)535及线圈536控制轴方向的移动，而在轴533上刻有槽534(参照图14B的槽加工)，利用空气的流动阻止轴533的旋转。但是，就该构造而言，由于在气动滑动轴533上附有长的磁性体535，因而可动部质量变重。磁性体535为铁，气动滑块533由铝做成，由于铁的比重是铝的三倍，所以可动部质量为三倍以上，因而存在不能制作出既轻便刚性又高的探头这一问题。再者，还存在下述课题，即，为了在轴533上与空气喷出部密和精度优良、不制作飞边就必须加工槽534，因而提高了成本。
发明内容
本发明是解决上述现有课题的，其目的在于提供一种三维测定探头，其能够以0.01微米级的超高精度来测定非球面透镜等被测物的形状等，即，使用0.1～0.3mN的低测定力和刚性纵横比千倍的微型气动滑块，既不产生因触针前端的转动引起的误差，又不易损坏且长寿命，制作也显著不难。
为了实现上述目的，依照本发明的第一方式，本发明提供的三维测定探头具备：
圆柱形的小滑动轴部，其一端设有与被测物的表面相接的触针，同时另一端设有磁性体销；
小空气轴承部，形成有与所述小滑动轴部嵌合的圆筒形的孔，且具有空气喷出部，该空气喷出部在所述小空气轴承部与所述小滑动轴部的间隙形成压缩空气膜；
磁力产生装置，配置于该小空气轴承部端部的磁铁和多个磁轭与所述销在非接触的状态下构成磁路，产生阻止所述圆柱形小滑动轴部向轴方向即Z方向的移动和向绕所述Z方向的旋转方向的移动的磁力；
变位检测装置，对所述小滑动轴部相对于所述小空气轴承部在所述Z方向上的变位进行检测；
Z载物台，引导所述小空气轴承部向所述Z方向的移动；
Z载物台驱动装置，其使所述被测物或所述Z载物台向与所述Z方向分别正交且彼此正交的XY方向移动，同时驱动所述Z载物台以使所述触针沿着所述被测物的形状移动的所述Z方向的变位大致一定。
依照本发明的第二方式，提供一种如第一方式所述的三维测定探头，其特征在于，所述多个磁轭中的至少一个磁轭为环形的磁轭。
依照本发明的第三方式，提供一种如第一～第二方式中任一项所述的三维测定探头，其中，所述销与所述磁轭的间隙部附近的形状是，在所述Z方向厚、在所述旋转方向薄的锥形，换言之，所述销与所述磁轭的间隙部附近的形状是，在所述Z方向具有一定的厚度，在所述销的两端部，沿所述销的长度方向从中心部侧朝向端部侧形成为锥形。
依照本发明的第四方式，提供一种如第一～第三方式中任一项所述的三维测定探头，其中，所述销和所述磁轭的间隙部附近的、所述销和所述磁轭的形状是所述磁轭比所述销厚。
依照本发明的第五方式，提供一种如第一～第三方式中任一项所述的三维测定探头，其中，所述变位检测装置由光探头变位检测部构成，所述光探头变位检测部至少包含：与所述小空气轴承部一体固定且发出激光的半导体激光器、配置于所述小滑动轴部且被照射了来自所述半导体激光器的所述激光后使其反射的反射镜、使来自所述半导体激光器的所述激光聚光于所述反射镜的透镜、和接收来自所述反射镜的反射光的光检测器，
所述变位检测装置构成为，来自所述半导体激光器的所述激光照射到所述反射镜，用所述光检测器来接受来自所述反射镜的反射光，根据该光检测器的输出信号检测所述Z方向的变位。
依照本发明的第六方式，提供一种如第五方式所述的三维测定探头，其中，还具备，
发出振荡频率稳定化激光的振荡频率稳定化激光器、和
使由所述振荡频率稳定化激光器发出的所述振荡频率稳定化激光照射到所述变位检测装置的所述反射镜，利用由所述反射镜反射后的反射光测定所述反射镜的Z坐标的Z坐标测定装置。
依照本发明的第七方式，提供一种如第一～第六方式中任一项所述的三维测定探头，其中，设置有非磁性体的止动器，该止动器在下述情况下用于阻止所述小滑动轴部的过度的移动，所述情况是：在所述小滑动轴部的所述Z方向、或在以所述Z方向为轴的旋转方向上施加有一个力，且该力超过了用于阻止所述小滑动轴部相对于所述小空气轴承部的向所述Z方向和向以所述Z方向为轴的所述旋转方向的移动的磁力的情况。
依照本发明的第八方式，提供一种如第一～第七方式中任一项所述的三维测定探头，其中，所述Z载物台由空气轴承构成。
依照本发明的第九方式，提供一种如第一～第八方式中任一项所述的三维测定探头，其中，所述Z载物台驱动装置由与所述Z载物台连接的线圈、和给所述线圈通电流而沿所述Z方向驱动所述Z载物台的磁路构成。
依照本发明的第十方式，提供一种如第一～第九方式中任一项所述的三维测定探头，其中，所述Z载物台具有支承变位检测装置的可动部，该可动部以能够在所述Z方向上移动的方式被产生基本等于其重量的张力且由卷成涡旋状的薄板构成的恒定负荷弹簧支承。
如上所述，根据本发明的三维测定探头，通过小的可动部质量的磁性体销、和安装于小空气轴承部的磁铁、和磁轭构成磁路，能够在非接触状态下限制旋转和轴方向的移动，能够解决下述问题，即，用最小的可动质量部得到最大的横向刚性的圆筒形气动滑块的缺点即因旋转引起的误差发生，和由于迄今只用薄片弹簧悬吊而只能从被测物之上进行测定这一问题，以及薄片弹簧在长期使用中易损坏这一问题。
因此，能够实现更高的精度且长期使用也不易损坏的三维测定探头。再者，由于组装及安装也变得容易，所以若使用本探头，则从现有的只是局限于测定室的人才使用的测定仪，变为安置于工厂现场就能够轻松地进行测定的测定仪。
另外，由于没有必要用弹簧悬吊，所以不仅能从上方还能从下方或从左右测定被测物的形状，使得在非球面透镜的测定中能够超高精度地测定表背面的倾斜及偏心。与此相对，在现有技术中，由于只能从非球面透镜之上进行测定，所以即使能够测定面的形状，也因为不能很容易地测定上面和下面、与侧面的位置关系，因而就不能制作更高精度的透镜。但是，依照本发明，能够提供一种三维测定探头，其不论从非球面透镜的下面还是横向，都能超高精度地测定。
由此，能够使达到薄型化和高画质的照相机或达到大存储容量化的光盘等透镜的性能、品质及生产成品率提高。
附图说明
本发明的上述和其他的目的及特征，将通过与附图的最佳实施方式相关联的下述叙述而变得明晰。在这些附图中，
图1A是本发明实施方式的三维测定探头的关键部位放大图；
图1B是本发明上述实施方式的三维测定探头的关键部位放大图；
图2A是在本发明上述实施方式的三维测定探头的关键部位上带有原子力探头框的图；
图2B是表示本发明上述实施方式的三维测定探头的关键部位，即环形的磁轭和磁性体销之间的关系的立体图；
图2C是表示本发明上述实施方式的三维测定探头的关键部位，即与环形的磁轭不同的另一个磁轭的前端和磁性体销的前端之间的关系的仰视图；
图2D是表示本发明上述实施方式的三维测定探头的关键部位，即与环形的磁轭不同的另一个磁轭的前端和磁性体销的前端之间的关系的侧视图；
图3A是本发明上述实施方式的包含有三维测定探头的上侧的光探头变位检测部的简要构成说明图；
图3B是本发明上述实施方式的包含有三维测定探头的下侧的光探头变位检测部的简要构成说明图；
图4是本发明上述实施方式的三维测定探头的Z方向的构成图；
图5A是能够安装本发明上述实施方式的三维测定探头的超高精度三维测定仪的构成图；
图5B是专利文献3所述的超高精度三维测定仪的构成图；
图6A是表示本发明上述实施方式的三维测定探头的测定路径的说明图；
图6B是表示本发明上述实施方式的三维测定探头的测定路径的说明图；
图6C是表示本发明上述实施方式的三维测定探头的测定路径的说明图；
图7是关于本发明上述实施方式的三维测定探头的测定力的说明图；
图8是因测定力产生触针旋转误差的说明图；
图9是没有产生因测定力造成的触针旋转误差时的说明图；
图10是专利文献1所述的现有的三维测定探头的构成图；
图11是专利文献2所述的现有的三维测定探头的构成图；
图12是专利文献4所述的现有的接触式探头的构成图；
图13是专利文献4所述的现有的接触式探头的关键部位说明图；
图14A是专利文献5所述的现有静压轴承装置及变位测定装置的构成图；
图14B是专利文献5所述的现有静压轴承装置及变位测定装置的构成图。
具体实施方式
在继续本发明的叙述之前，对于附图中相同的部件标注相同的符号。
下面，根据附图详细说明本发明的实施方式。
(实施方式)
图1A及图1B表示可安装本发明的实施方式的三维测定探头2A的、超高精度三维测定仪的三维测定探头2A的关键部位结构。图1A及图1B是相同的探头2A，图1A表示从上方测定被测物1的表面S时的探头2A的配置，图1B表示从下方测定被测物1的表面S时的探头2A的配置。虽然未图示，但不论从横向还是斜向相对于被测物1都能配置该探头2A。图3A是包含上述实施方式的三维测定探头的上侧的光探头变位检测部的简要构成说明图，图3B是将图3A上下倒置时的图，是包含上述实施方式的三维测定探头的下侧的光探头变位检测部的简要构成说明图。
在从下方测定被测物1的表面S的情况下，被测物保持部件98的构成例如为，做成环状来保持被测物1的周围，能够从下侧测定被测物1周围以外的背面，同时，将如图3B所示的探头2A配置于被测物1的下方，若下侧的光探头变位检测部独立于上侧的光探头变位检测部而能够移动来配置，则能够从被测物1的上下同时测定表背两面。
本实施方式的三维测定探头2A如下构成，具备：圆筒形的小滑动轴部6、小空气轴承部7A、磁力产生装置95、作为变位检测装置的一例发挥功能的光探头变位检测部2、作为Z载物台的一例发挥功能的大气动滑块(本说明书中是指比微型气动滑块大的大型构造，可将大气动滑块称作“第一气动滑块”，将微型气动滑块称作比第一气动滑块小的“第二气动滑块)(由Z方向大气动滑块引导件35和大气动滑块可动部11构成的大气动滑块)89、以及作为Z载物台驱动装置的一例发挥功能的Z方向驱动装置43。即，探头2A具备：在与圆筒形的微型气动滑块的触针5一体固定的小滑动轴部6上安装的小的可动部质量的磁性体销20；与在小空气轴承部7A的端部安装的磁铁(微型气动滑块用磁铁)29a、29b和多个磁轭(微型气动滑块用磁轭)8a、8b-1、8b-2非接触地构成微型气动滑块用磁路MC，以非接触的方式产生阻止轴方向的转动和旋转(向上述圆筒形的小滑动轴部的轴方向即Z方向的移动、和向绕上述Z方向的转动方向的移动)的磁力的磁力产生装置95；以及使Z方向整体移动以使微型气动滑块的变位大致一定的Z方向驱动装置43，由此，不论从被测物1的下方还是从横向都能进行测定。
在此，再一次说明“微型气动滑块”这一词语的含义。小滑动轴部6在小空气轴承7中移动，将小滑动轴部6与小空气轴承7合在一起叫做“微型气动滑块”。一般市场销售的气动滑块即便很小，可动部质量也会达到100克。与此相对，在本实施方式所说的“微型气动滑块”的可动部质量例如每台只有0.2克，很明显轻且小。
在本实施方式的超高精度三维测定仪中，如后述，在Z方向，要使对于以微小的测定力动作的小滑动轴部6的相对于包括小空气轴承7的光探头变位检测部2的变位变为零，就要使电流通过线圈13以驱动光探头变位检测部2整体，使Z方向成为较大动作的大气动滑块的双重构造。需要说明的是，该光探头变位检测部2，是检测上述小滑动轴部7相对于上述小空气轴承部7A的在上述Z方向上的变位的部件。
若设测定力为0.2mN、小滑动轴部6的质量为0.2克，则根据上述式(1)得出探头2A的响应加速度为0.1G。在此，G为重力加速度。若是这种程度的响应加速度，则只要是作为被测物1的一例的直径30mm以上的光滑的非球面透镜，就能够用最高每秒10mm，即使是此直径以下的透镜也能用最高每秒5mm的测定速度来进行测定。
将微型气动滑块做成圆筒形的理由是，用最小的质量得到最大的刚性。气动滑块通过在引导部形成2～4大气压的高气压的膜，可在高的刚性下保持轴。在圆筒微型气动滑块的情况下，由于即使直径小到4mm以下，只要将引导部的间隙高精度地制作成狭小到10微米以下，则空气流量就不会大到使注入空气的气压明显下降，所以能够在引导部形成高的气压的膜，进而可以保持高的刚性。
微型气动滑块的小滑动轴部6由弹性部件支承，在测定力0.2mN下在Z方向上以10微米左右动作，而在横向施加相同的力时的偏移必须设为10纳米以下。即，探头刚性的纵横比达到1千倍以上。这样，测定面的倾斜角度45度时的测定误差就成了10nm。这是所要求的最低的刚性。关于该结构将在后面述及。
连结固定在触针5的基端侧的小滑动轴部6被加工成亚微米等级的高精度的圆筒状，其中，所述触针5在前端带有与被测物1的测定表面S相接的触针前端球5a。小滑动轴部6嵌合于小空气轴承7，小空气轴承7与小滑动轴部6具有10微米以下的间隙，且小空气轴承7具有以该形式加工成高精度的圆筒形的孔7g，小滑动轴部6在该小空气轴承7的孔7g中，在压缩空气的膜的作用下，可以无摩擦地向Z方向(小滑动轴部6的轴方向)和以Z方向为轴的旋转方向滑动。
如图1A～图2A所示，小空气轴承7由于在周方向每隔规定间隔具有凹部18b，同时紧贴原子力探头框3安装有在轴方向的上下具有环状凹部18c、18a的小空气轴承外壁19，所以，能够分别形成空气储藏部18。即，小空气轴承7的小空气轴承外壁19，由触针侧(前端侧)的凸缘部19a、中间部19b及基端侧的凸缘部19c构成，在前端侧的凸缘部19a和中间部19b之间形成前端侧的环状凹部18a，在基端侧的凸缘部19c和中间部19b之间形成基端侧的环状凹部18c，利用在中间部19b的外周面形成的规定间隔的凹部18b、前端侧的环状凹部18a、基端侧的环状凹部18c来形成空气储藏部18。与未图示的压缩机相连接并从该压缩机经由图3A及图3B所示的管道(tube)48被送进来的压缩空气，分别进入空气储藏部18，从作为空气喷出部的一例发挥功能的空气喷出口4的微小孔被送入到小滑动轴部6和小空气轴承7的孔7g的嵌合的间隙内，而形成上述的压缩空气的膜，经过上述间隙，从在小空气轴承外壁19的中间部19b径向贯通且按规定间隔形成的空气排出口10及所述凸缘部19a和19c的上下(前端侧和基端侧)排出空气。需要说明的是，由于小空气轴承7和原子力探头框3被密合固定，因此，将这些小空气轴承7和原子力探头框3一并称作小空气轴承部(小空气轴承单元)7A。
由于小滑动轴部6和小空气轴承7嵌合的间隙非常窄只有5～10微米，所以，从按大致等间隔地配置于周方向及轴方向的多个空气喷出口4的微小孔向小空气轴承7的外周侧面供给两个大气压以上的压缩空气，在上述间隙形成具有压缩空气的压力梯度的膜，直到压缩空气从空气排出口10、上述凸缘部19a和19c的上下(前端侧和基端侧)漏掉为止。
在由被测物1的倾斜的测定面S的测定力对触针5施加横向力时，若要使该压缩空气的膜厚变化，即例如若使膜厚变薄则由于空气难以流动，所以气压增高，相反地，若使膜厚变厚则由于空气易于流动而使气压降低，所以力施加在空气膜厚不变的方向。这就是产生空气轴承的刚性的原理。
另一方面，在小滑动轴部6的另一端(触针5相反侧的端部)，沿着垂直于小滑动轴部6的轴方向的方向安装的细长的磁性体销20，由分别安装于原子力探头框3的一对磁轭8b-1、8b-2；和将这些磁轭8b-1、8b-2固定于各自的触针侧的端面且彼此对置配置的一对磁铁29a、29b；以及环状磁轭8a，构成下面说明的磁路MC。即，通过用分别安装于小空气轴承7的端部的、一对磁铁29a、29b和环状磁轭8a及一对磁轭8b-1、8b-2在与上述磁性体销20非接触的方式下构成磁路MC，从而构成磁力产生装置95，其产生的磁力阻止向上述圆筒形的小滑动轴部6的轴方向即Z方向、和绕该Z方向的旋转方向的移动。依照这种结构，从一方的磁铁29a产生的磁力线穿过一个磁轭8b-1，形成在该一个磁轭8b-1和磁性体销20的一端之间的另一方间隙部G1，再穿过磁性体销20，穿过形成在磁性体销20的另一端和另一方的磁轭8b-2之间的另一方的间隙部G2，再穿过另一方的磁轭8b-2，加上从另一方磁铁29b产生的磁力线，穿过环状的磁轭8a，返回到一方的磁铁29a。
在磁性体销20和磁轭8b-1、8b-2的间隙部G1、G2的附近，磁性体销20和各磁轭8b-1、8b-2形成为轴方向厚、旋转方向薄的锥形(如图2B～图2D所示，在轴向上具有一定厚度，且在径向上，在磁性体销20的两端部，具有随着从中心侧朝向周围端部侧而倾斜、宽度逐渐减少的倾斜面(形成为锥状))，通过形成这样的形状，强抑制旋转方向的变位，弱抑制轴方向的变位。另外，如图2B～图2D所示，将上述磁性体销20和上述磁轭8b-1、8b-2的各间隙部G1、G2附近的、上述磁性体销20和上述磁轭8b-1、8b-2的形状，做成为上述磁轭8b-1、8b-2比上述磁性体销20厚。将磁性体销20的长度轴方向沿上下方向配置，且如图2B～图2C所示，通过做成销厚0.5mm、磁轭厚1mm、旋转方向前端宽0.2mm、间隙0.5mm，小滑动轴部6利用自重成为以100微米级、在轴方向错开、与磁力平衡的状态。在将磁性体销20的长度轴方向沿着与上下方向垂直的横向配置时，由于小滑动轴部6的自重不作用在横向上，所以在磁力线最佳通过的位置达到平衡。
在图3A及图3B中，光探头变位检测部(光探头变位检测单元)2的构成为，至少包含：与上述小空气轴承部7A一体固定且发出激光的半导体激光器34、配置于上述小滑动轴部6且来自上述半导体激光器34的上述激光照射后使其反射的反射镜9、使来自上述半导体激光器34的上述激光聚光于上述反射镜9的透镜14、接收来自上述反射镜14的反射光的光检测器41。而且，利用这样的构成，做成下述的结构，即，使来自上述半导体激光器34的上述激光照射在上述反射镜9，再由上述光检测器41接收来自上述反射镜9的反射光，由光探头变位检测部2根据该光检测器41的输出信号检测上述Z方向的变位。具体而言，来自安装于光探头变位检测部(光探头变位检测单元)2的波长780nm的半导体激光器34的半导体激光FL，穿过透镜32、偏光棱镜37及波阻片33后由分色镜15进行全反射，进入透镜14的整个孔径，通过透镜14，被聚光并照射在固定于磁性体销20上的反射镜(Z反射镜)9上。而且，来自反射镜9的反射光分别被分色镜15及偏光棱镜37全反射，被半透明反射镜(half mirror)39分成两支，分别通过置于两个焦点前后的销孔(pin hole)40后进入两个光检测器41。由于若在对触针5的测定力的作用下使小滑动轴部6在轴方向移动，则来自反射镜9的反射光的焦点位置发生变化，所以来自两个光检测器41的输出在聚焦误差信号检测部42成为聚焦误差信号，基于该聚焦误差信号，由作为用于沿Z方向进退驱动光探头变位检测部2的Z载物台驱动装置的一例发挥作用的Z方向驱动装置43，同时在大气动滑块89的可动部11两侧的左右线圈13中通电流，沿Z方向进退驱动光探头变位检测部2以使聚焦误差信号成为零。此时，大气动滑块89引导上述小空气轴承部7A向上述Z方向移动。另外，使上述被测物1或者上述大气动滑块89向与上述Z方向分别垂直且彼此垂直的XY方向移动，同时，使上述触针5沿着上述被测物1的形状向上述Z方向移动，此时驱动上述大气动滑块89，以使上述Z方向的变位大致一定。
更具体地说，如图4所示，由于各线圈13贯通于Z载物台驱动用磁路GMC的间隙部G3，Z载物台驱动用磁路GMC由分别被托架86等固定于上石平台106侧的大磁轭(Z载物台驱动用磁轭)12和大磁铁(Z载物台驱动用磁铁)28形成，在各线圈13流通的电流，所以，在Z方向施加电磁力。左右一对线圈13在Z方向上被大气动滑块引导件35引导，同时，使光探头变位检测部2的整体与在Z方向以极高直线度移动的大气动滑块可动部11连接并形成一体。
大气动滑块可动部11的移动直线度直接关系到超高精度三维测定仪的测定精度。下面说明其理由。图5A表示搭载了本实施方式的光探头2A的超高精度三维测定仪的整体结构的一实例。
在图5A中，上石平台96上搭载有：作为用于测定XYZ坐标的XYZ坐标测定用激光发生装置的一例的振荡频率稳定化激光器27、测长单元(X方向用接收器105、Y方向用接收器104、Z1方向用接收器103、Z2方向用接收器102)、大气动滑块可动部11、光探头变位检测部2。而且，该上石平台96，利用作为使光探头变位检测部2在XY方向移动的XY方向移动装置的一例发挥作用的XY载物台90，即利用X载物台21和Y载物台22使光探头变位检测部2在XY方向移动。在下石平台23上，分别固定有：装载保持被测物1的被测物保持部件98、X参照反射镜(X方向参照反射镜，下文简单地称作“X参照反射镜”)24、Y参照反射镜(Y方向参照反射镜，下文简单地称作“Y参照反射镜”)25、固定于下石平台23的龙门支架97上的上Z参照反射镜(Z方向参照反射镜，下文简单地称作“Z参照反射镜”)26。在这样的构成中，通过利用振荡频率稳定化激光器27的光，由测长单元测定在保持于被测物保持部件98上的被测物1的测定点的轴上至XYZ方向的三面高平面度的参照反射镜24、25、26的距离的变位量，XY载物台90(X载物台21、Y载物台22)的移动直线度即使达到1微米级，也能得到参照反射镜24、25、26的平面度达10nm级的坐标轴精度，但没有形成能够用这些参照反射镜24、25、26只修正作为Z载物台一例的气动滑块89的移动直线度的构造。
其理由是，在专利文献3中，至Z载物台安装有X参照反射镜和Y参照反射镜两个参照反射镜，虽然也公开了修正Z载物台的移动直线度的构造，但是想要得出高平面度，参照反射镜就会变得笨重，或者要修正移动的前后颠簸(倾斜)就必须测定各两点，而使构造变得很复杂。
在此，XY载物台90由X载物台21和Y载物台22构成，载物台变成两段重叠，虽然用载物台移动的重心移动几乎不可能达成0.01微米级的直线度，但由于作为Z载物台一例的气动滑块89只是一轴重心不移动，所以利用构造的窍门能够想办法实现10nm级的移动直线度。所谓构造的窍门就是提高大气动滑块89的Z方向大气动滑块引导件35的引导部的平面度和大气动滑块89的横向的刚性，考虑移动时不在横向施加力的Z方向的支承方法及构造和驱动方法及构造。
如图4所示，作为Z载物台一实例的在气动滑块89的Z方向可动部(大气动滑块可动部11)的重心附近，通过恒定负荷弹簧17支承Z方向可动部的重量，恒定负荷弹簧17将弹簧部件的薄板卷成涡旋状使其对置且产生基本等于大气动滑块可动部11的重量(作用于大气动滑块可动部11的重力的大小)的张力，就能够使弹性系数尽可能小且以轻的力就可以上下移动。线圈13也对称配置于光探头变位检测部2的左右，通过使左右线圈13产生的驱动力的合力作用于光探头变位检测部2的重心附近，能够防止因驱动力造成的移动直线度恶化。
图5A是具有与专利文献3所述的超高精度三维测定仪相同的构成的的超高精度三维测定仪的构成图。若在图5B的三维测定仪的光探头变位检测部112A及探头112上***具有原子力探头框3等的本实施方式的光探头变位检测部2及探头2，则可成为图5A的本发明的本实施方式的超高精度三维测定仪的说明图。即，作为一实例，若将图1A～图4所示的三维测定探头2A替换为图5B的三维测定仪的探头112A，则如图5A所示，可做成本发明的本实施方式的超高精度三维测定仪的Z方向的构成。
本实施方式的上述测定仪具备有控制超高精度三维测定动作的控制部88。控制部88连接着：XY载物台90即X载物台21的未图示的驱动装置及Y载物台22的未图示的驱动装置、He-Ne振荡频率稳定化激光器27、X方向用接收器105、Y方向用接收器104、Z1方向用接收器103、Z2方向用接收器102、作为Z坐标运算装置一实例的运算部87、具有聚焦伺服机构的Z方向驱动装置43、半导体激光器34、光检测器41等，通过执行对它们的动作控制，来控制上述超高精度三维测定动作。
在图5A中，振荡频率稳定化激光器(振荡频率稳定化HeNe激光器)27，是通过与其真空中的波长为世界长度标准的碘稳定化HeNe激光器的拍频测定来校正振荡频率的稳定化激光器。碘稳定化HeNe激光器振荡频率为473612214.8MHz，误差范围(不確かさ)为±1×10-9(3σ)(据JIS手册)。但是，由于追加碘吸收元件的大规模的装置，故其不能搭载于测定仪。另外，产业上需要的加工精度/尺寸在高精度也只有10-4～10-5。即，例如直径10mm的轴1～0.1微米的直径精度就是一般的高精度加工，属于测定限界。在本发明的本实施方式的非球面透镜测定中，由于必要的误差范围是±1×10-6左右，所以这就成了XYZ坐标测定的误差范围的目标。另外，温度变动1℃或者3％的气压变化，空气中的波长变化10-6。上述测定仪在大气中使用。因此，没有必要将碘稳定化HeNe激光器安装在上述测定仪上。
因此，将不使用碘吸收单元、用振荡波长即氖的光谱线使振荡频率稳定的振荡频率473612.12GHz±0.3GHz、误差范围±5×10-8(3σ)的小型振荡频率稳定化HeNe激光器27安装于上述测定仪。由于进行碘稳定化激光器和振荡频率的比较测定，所以该波长相对于世界长度标准是可追踪的(traceable)。用该激光FZ测定XYZ坐标。
将从该振荡频率稳定化激光器27发出的激光FZ例如分为X方向、垂直于X方向的Y方向、分别垂直于X方向及Y方向的Z1方向、分别垂直于X方向及Y方向的Z2方向，进一步将分为各个方向的激光FZ分为测定光和参照光，将各个测定光分别照射于高平面度的X参照反射镜24、Y参照反射镜25、Z反射镜9，使各个反射光和参照光分别射入测长单元即分别射入X方向用接收器105、Y方向用接收器104、Z1方向用接收器103、Z2方向用接收器102，通过发生干涉就能够用X参照反射镜24、Y参照反射镜25、Z参照反射镜26的平面度的精度来测定XYZ坐标。此处，Y方向是垂直于X方向的方向。所谓的Z1和Z2方向是分别沿着各自垂直于X方向及Y方向的Z方向。
从振荡频率稳定化激光器27发出的四支激光Fz如下使用。需要说明的是，为了形成从振荡频率稳定化激光器27发出的四支激光Fz，既可以配置四个激光光源，或者也可以配置一个或四个以下的激光光源，使发自激光光源的激光以上述形式分离而形成合计四支激光Fz。
从振荡频率稳定化激光器27发出的第一支激光Fz照射于X参照反射镜24的反射面(被测物1的相反侧的面)，使被X参照反射镜24的反射面反射后的反射光经由光学***后，由作为X坐标测定装置一实例的X坐标测定单元(X坐标用激光测长单元即X方向用接收器)105受光，根据受光的激光由X方向用接收器105来测定光探头变位检测部2的X坐标。此处，由于X参照反射镜24被看作完全的平面，所以测定X参照反射镜24的X坐标，就意味着测定出了固定于上石平台96的光学***和X参照反射镜24的反射面之间的距离的变位量。
同理，振荡频率稳定化激光器27发出的第二支激光Fz，照射于Y参照反射镜25，使被Y参照反射镜25的反射面反射后的反射光由作为Y坐标测定装置一实例的Y坐标测定单元(Y坐标用激光测长单元即Y方向用接收器)104受光，根据受光的激光由Y方向用接收器104来测定光探头变位检测部2的Y坐标。由于Y参照反射镜25被看作完全的平面，所以测定Y坐标，就意味着测定出了固定于上石平台96的反视镜(未图示)和Y参照反射镜25的反射面之间的距离的变位量。
另一方面，振荡频率稳定化激光器27发出的第三支激光Fz照射于Z反射镜9，使被Z反射镜9反射后的反射光由作为Z2坐标测定装置(Z坐标测定装置)一实例的Z2坐标测定单元(Z2坐标用激光测长单元即Z2方向用接收器)102受光，利用受光的激光由Z2方向用接收器102来测定Z反射镜9的Z2坐标。测定Z2坐标意味着是测定从为使第三支激光Fz射入Z反射镜9而使其反射的固定于上石平台96的反射镜(未图示)的反射面到Z反射镜9的反射面的距离的变位量。
振荡频率稳定化激光器27发出的第四支激光Fz，由固定于上石平台96的反射镜反射后，被Z参照反射镜26的下面即反射面反射，由作为Z1坐标测定装置一实例的Z1坐标测定单元(Z1坐标用激光测长单元即Z1方向用接收器)103接收反射光，由Z1方向用接收器103根据受光的激光来测定光探头变位检测部2的Z1坐标。测定Z1坐标，就意味着测定出了从为了使第四支激光Fz以入射到Z参照反射镜26的反射面的形式发生反射而固定于上石平台96的反射镜的反射面到Z参照反射镜26的反射面的距离的变位量。
即，就Z坐标而言，图3A及图3B的激光Fz是从振荡频率稳定化激光器27发出的第三束和第四束激光Fz如下这样测定求出Z坐标。从位于图5A的上石平台96上的测长单元的光学***全透过分色镜15，根据经透镜14聚光后由反射镜9进行反射的激光Fz，由Z2方向用接收器102来测定Z2坐标。XYZ载物台90的移动直线度为1微米级，而从位于上石平台96上的测长单元的光学***向10纳米级的平面度的Z参照反射镜26照射激光Fz，根据该Z参照反射镜26的反射光由Z1方向用接收器103来测定Z1坐标。而且，由于由运算部87进行运算以上述(Z1坐标+Z2坐标)作为Z坐标，所以能够以Z参照反射镜26的精度来测定Z坐标。
被测物1的三维形状的测定开始前，由于被测物1上下的触针5离开被测物1的测定面S，所以不进行上述的聚焦伺服。在光探头变位检测部2上安装有未图示的Z方向的位置检测器，在控制部88的控制下，由Z方向驱动装置43使光探头变位检测部2在Z方向移动，以使来自该位置检测器的位置信号成为由安装在测定仪上且通过操作者拨动手动驱动用刻度盘91使其变化的位置指令值(换言之，就是通过由操作者拨动手动驱动用刻度盘91而产生输入信息，基于该输入信息驱动Z方向驱动装置43，使光探头变位检测部2的前端移动到距被测物1的测定面S为5mm以下的位置)。将此称为“位置伺服”。
在进行这种位置伺服时，由于在触针5上不施加测定力，所以相对于探头外壳2a预先在Z方向对透镜14进行位置调整，以使反射镜9位于距离聚焦位置10微米左右的位置。
测定开始时，将被测物1放置于触针5的正下方数毫米的位置，通过操作者按压位于测定仪的操作部的聚焦启动按钮，解除基于上述手动驱动用刻度盘91的手动驱动而切换到自动控制。于是，光探头变位检测部2由Z方向驱动装置43驱动着在测定面S方向慢慢地移动接近测定面S。由于若触针5检测到被测物1的测定面S(若触针5接触到被测物1的测定面S)，则由触针5的测定力使反射镜9向半导体激光FL的焦点方向移动，所以若根据聚焦误差信号的变化用聚焦误差信号检测部42来检测反射镜9向半导体激光FL的焦点方向的移动(换言之，若反射镜9到达焦点位置附近)，则从位置伺服切换到聚焦伺服，使反射镜9回到聚焦位置。即，利用Z方向驱动装置43移动光探头变位检测部2，直至聚焦信号变为零。这是进行聚焦伺服的状态。
由于半导体激光FL灵敏度优良地检测聚焦误差信号，所以，如图3A及图3B所示，虽然入射到透镜14的整个孔径，但由于Z坐标测定用的HeNe稳定化激光Fz以比透镜14的孔径更细的光束直径入射，所以焦点深度深达10微米左右，即使在焦点偏离位置有Z反射镜9也能够从反射光准确地测定Z坐标。
下面，叙述测定力的设定及其理由。设在如图7所示的触针5的轴方向作用的测定力为F。由于利用测定力F使反射镜9回到聚焦位置，所以测定力F与测定面S的倾斜无关是恒定的。测定力F可通过使图3A及图3B的透镜14上下来设定。
设在垂直于测定面S的方向作用的测定力为F/cosθ。θ为测定面D的倾斜角度。如图7所示，在触针上作用有(F/cosθ)sinθ的横向测定力。横向测定力在θ为60度时是F的1.7倍，在θ为75度时竟达F的3.7倍。
若横向测定力使触针5在横向倾斜则造成测定误差。为了使其尽可能地变小，优选尽可能减小测定力。由于测定力越小触针5的倾斜就越小，因而使测定误差变小。
另外，由于若测定力小，触针5的磨损也少，因而使触针5经久耐用。
再者，在用前端半径2微米的尖触针测定树脂等柔软的面时，或者划伤测定面、或者产生因测定面变性引起的测定误差。由此也优选测定力小。根据经验，不用太担心划痕及误差的测定力是0.2mN以下。需要说明的是，在用前端半径0.5mm的触针进行测定时，即便是柔软的面，也没有带伤的先例。
相反，在用前端半径0.5mm的触针进行测定时，若测定力小，则就变成测定表面的尘埃。若测定力大，则推开尘埃而不测定。就这一点而言测定力大则易于测定。
前端半径小的探头不易测定尘埃，但难以球度良好地制作前端。若前端的球度差，则测定精度低。对此，可预先测定球度，根据数据来修正，但费时间。
若可动部质量相同，则由于测定力越大响应越快，所以可快速测定。
基于以上事实，若以现有技术水平为前提，则存在最佳的测定力。其为0.1mN～0.3mN。于是，测定力设定为中心值0.2mN，通过透镜14的位置调整能够在0.1mN～0.3mN的范围调整。
小滑动轴部6设计成，因自重从下降100微米左右的位置，在0.2mN的测定力的作用下相对于小空气轴承7移动10微米左右。再者，也可以将探头2A置于横向，此时，没有因自重而引起的移动，但在0.2mN的测定力的作用下，从均衡位置移动10微米左右。
下面叙述在用0.2mN的测定力使小滑动轴部6移动10微米左右的位置进行聚焦伺服的理由。
相对于含有触针5的小滑动轴部6的质量约0.2g，由于测定力0.2mN是0.02克重，所以用小滑动轴部6的重量的十分之一的力在只移动10微米的位置就进行聚焦伺服。
即使聚焦伺服有误差，由于用振荡频率稳定化HeNe激光Fz通过干涉来测定到同一个反射镜9的距离的变位量，所以，也不会有测定误差而只有测定力的变动。
如图3A及图3B所示，由于半导体激光FL聚焦灵敏度良好地进入透镜14的整个孔，所以孔数(NA)为0.4左右、透镜14和反射镜9的距离变位量的变动在1微米以下就能够开始聚焦伺服。即，利用XY载物台90使上述被测物1或者大气动滑块89在分别垂直于上述Z方向且彼此正交的XY方向移动，同时，在使上述触针5沿着上述被测物1的形状在上述Z方向移动时，进行聚焦伺服并利用Z方向驱动装置43驱动上述大气动滑块89，以使上述Z方向的变位大致一定。此时的测定力的变动在0.02mN以下。
振荡频率稳定化HeNe激光Fz要使焦点深度变深，就要使1～2mm光束径的半导体激光FL原样进入透镜14。这样，焦点深度达到20微米左右，触针5不接触被测物1的测定面S时，反射镜9的位置偏移10微米，但激光测长将毫无问题。
在触针5不接触测定面S时也不能测定Z坐标，在对不能利用连续扫描进行测定的多个被测物1进行测定时，由于不保存Z坐标因而非常不便。若例如以用0.2mN测定力使小滑动轴部6移动20微米的形式将磁力设计成小的弹性系数，则触针5离开测定面S时透镜9的位置偏移20微米，致使测长用HeNe激光FZ的焦点深度不准而造成测长不稳定。
另外，若例如以用0.2mN测定力使小滑动轴部6移动5微米的形式将磁力设计成大的弹性系数，则同样透镜1和反射镜9的距离的变位量的变动在1微米以下，即使进行聚焦伺服也会使测定力的变动增大，若调整透镜9的位置以使测定力为0.1mN，则成为小滑动轴部6只移动2.5微米的状态，造成伺服不稳定。
以上就是用0.2mN的测定力使小滑动轴部6移动10微米左右来进行设计的理由。
下面，说明妨碍向以小滑动轴部6的Z方向(小滑动轴部6的轴方向)为中心的旋转方向的移动的力所需的转矩。触针5的一部分即触针前端球5a相对于微型气动滑块的轴中心，由于在组装公差的范围伴随有偏心，所以触针前端球5a若以小滑动轴部6的轴为中心旋转则测定值发生变化，造成测定误差。
因此，阻止旋转的力越大越好，但是，为此如果增大磁性体销20，则造成小滑动轴部6的质量增加。根据上述理由，由于小滑动轴部6的质量越小越好，所以想使磁性体销20的质量达到必要的最小限度。在本发明的本实施方式中，通过做成图1A及图1B的结构，作为一实例实现了磁性体销20厚0.5mm、质量16毫克这一超轻质量。由此，旋转方向的磁力实现了Tm＝274mN·mm/rad。即，用转矩Tm＝0.27mN·mm只旋转1mrad。
下面，就以图1A及图1B的结构在实际的测定中最大、究竟因触针5的旋转而产生多少测定误差进行探讨。
图6A～图6C表示用触针5测定作为被测物1一实例的透镜的表面S时的扫描方法。如图6A所示，将在透镜1的表面S用触针5测定穿过透镜1的中心的线路命名为“轴上测定”，将图6B所示的透镜1的表面S的全面扫描命名为“面上测定”，将图6所示的同心圆状地扫描透镜1的表面S命名为“圆周测定”。透镜1有时也不是旋转对称，就本发明的本实施方式而言虽然也并不是局限于旋转对称的透镜，但以此可以进行施加于触针5的转矩的解析。
作用于触针5的转矩是由触针5相对于透镜1的表面S的测定力产生的。如图7所示，若轴向测定力F作用于半径r的触针前端球5a，则在垂直于测定面S的方向施加有F/cosθ的测定力、在横向施加有(F/cosθ)sinθ的测定力。
图8是从上看到的图7的触针前端球5a接触到测定面S的高度的剖面的图。而为了便于理解，省略了图8及图9上的剖面线。因此，相对于触针前端球5a的半径r，图8的圆的半径为rsinθ。在平行于测定面S的方向微型气动滑块的轴中心错开时，产生最大的测定误差。图8表示其状态。如图9所示，微型气动滑块的轴中心位于距测定点最远的位置时，就圆周测定而言虽然最大的转矩作用在触针5上，但即使触针前端球5a移动到图9的虚线位置，测定值也几乎不变。即不产生测定误差。
在上述的轴上测定中，由于触针5只向图8的左右方向移动，所以由于没有图8的纸面上下方向的摩擦，于是转矩就成了
(数学式2)
轴上测定转矩T＝偏心量×横向测定力   …(2)
圆周测定时及利用上述面上测定在使触针前端球5a的外缘不倾斜的方向进行扫描测定时，由于除了测定力还作用有摩擦力，所以就成了
(数学式3)
圆周测定转矩  T＝偏心量×横向测定力+rsinθ×测定力×摩擦系数  …(3)
阻止旋转的磁力，如上所述由于用Tm的转矩只能转动1mrad，所以转动角为T/Tm(mrad)，想求出的横向测定误差E为转动角×偏心量，所以
(数学式4)
E＝偏心量×T/Tm    …(4)
设偏心量0.1mm、F＝0.3mN、横向测定力(F/cosθ)sinθ、r＝0.5mm、测定力F/cos θ、摩擦系数0.5，如上所述，Tm＝0.27mN·mm/mrad、设θ为60度和75度这两组数据计算了横向测定误差。
归纳计算结果形成了表1。
表1
  60度   75度
  轴上测定   0.02微米   0.04微米
  60度   75度
  圆周测定   0.07微米   0.14微米
倾斜角达到60度的轴上测定是一般的测定，此时的误差可达到0.02微米以下的可以实现超高精度测定的水平。另外，若将测定力设为0.2mN则最大测定误差减少为此值的2/3倍，若将触针5的偏心控制在0.05mm以下，则最大误差还减少一半，所以此时即使是75度的圆周测定，横向的误差也可达到0.05微米以下，可实现超高精度测定的水平。
在触针前端球5a上附加有球度优良的直径1mm的红宝石球或前端被加工成2微米半径的球面的金刚石等。例如透镜1的测定使用直径1mm的红宝石球，另一方面，在对如衍射光栅那样将被测物1的表面进行微细加工后的表面进行测定时，使用金刚石，这样有必要更换触针5。
触针5的更换与专利文献2一样，如图11所示，通过将形成于触针5的螺杆360拧入在小滑动轴部6上加工出的内螺纹359，就能够可装卸地安装，使更换成为可能。在螺合固定、取出时，将触针5压入小滑动轴部6之后，有必要使其转动。
在图1A及图1B和图2A中，在小滑动轴部6的基端侧的端面(配置有磁性体销20的一侧的端面)上粘贴有非磁性体的止动器30，在将触针5压入小滑动轴部6时，止动器30与固定于原子力探头框3的环状的护垫部36接触，在拧触针5(参照图11的内螺纹360)使其转动时，止动器30与固定于小滑动轴部6的基端侧的端面上的旋转止动销31接触以阻止小滑动轴部6的转动。换言之，就是超过了对上述小滑动轴部6相对上述小空气轴承部7A向上述Z方向和以上述Z方向为轴的旋转方向的旋转进行阻止的磁力的力，施加在上述小滑动轴部6的上述Z方向、或者以上述Z方向为轴的上述旋转方向上时的上述小滑动轴部6的过度移动，被非磁性体止动器30阻止。因此，只有触针5能够相对于小滑动轴部6旋转，使形成于触针5的螺杆360相对于在小滑动轴6上加工的内螺纹359旋转，就能够从内螺纹359取出。另一方面，在将其他的触针5安装在小滑动轴6时，在将触针5压入小滑动轴部6使止动器30接触于旋转止动销31而阻止了小滑动轴部6的转动的状态下，通过将形成于触针5的螺杆360装入在小滑动轴6加工出的内螺纹359后使其旋转，就能够将螺杆360旋入内螺纹359。需要说明的是，在一般测定时，止动器30和护垫部36、止动器30和旋转止动销31彼此充分地离开，由于彼此不相接触，所以对测定无任何障碍。
需要说明的是，在本实施方式中，使用了环状磁轭8a。虽然该方法优选，但未必就是非环状不可，例如，即使环状的一方有缺口也不是不能使用。
另外，在本实施方式中，将上述磁性体销20和上述磁轭8b-1、8b-2之间的间隙部附近的形状，做成了在上述轴向厚、在旋转方向薄的锥形。该方法虽然优选，但未必就是非锥形不可，即使圆锥状或棱锥状也不是不能使用。
另外，在本实施方式中，用半导体激光Fz检测上述小滑动轴部6在Z方向相对于上述光探头变位检测部2的变位量。作为另外的方法，例如也可以通过使用了静电电容传感器或发光二极管的光的三角测距法来检测变位。
另外，在本实施方式中，是使振荡频率稳定化激光Fz照射反射镜9，根据反射光来测定上述反射镜9的Z坐标。虽然该方法优选但也并非局限于此，例如也能够做成用线性尺(linear scale)来测定Z坐标的结构。
另外，在本实施方式中，使用转动止动器30和旋转止动销31以进行触针5相对于小滑动轴部6的旋转止动。该情况下，虽然将触针5旋入小滑动轴部6，但并非仅限于此，也能够在小滑动轴部6的孔安装弹簧将触针5***固定，或将小滑动轴部6和触针5进行一体加工，这种情况下不需要旋转止动和旋转止动销。
另外，在本实施方式中，Z载物台由Z方向大气动滑块引导件35和大气动滑块可动部11构成的大气动滑块89即用空气轴承构成。但是，并非仅局限于此，虽然性能较低但还是能够用滚子导轨或润滑油轴承(oilbearing)等构成。
另外，在本实施方式中，Z载物台驱动装置即Z方向驱动装置43由与上述大气动滑块89连接的线圈13、给上述线圈13通电流在上述Z方向驱动上述大气动滑89的Z载物台驱动用磁路GMC构成。虽然该方法优选，但也并非仅局限于此，也能够做成滚珠丝杠进给。
另外，在本实施方式中，用恒定负荷弹簧支承大气动滑块89的大气动滑块可动部11(Z方向可动部)，但并非仅局限于此，若使Z方向成为横向则不需要恒定负荷弹簧。
需要说明的是，通过将上述各实施方式中的任意实施方式进行适当组合，能够起到各自具有的效果。
本发明的三维测定探头，由于不论是从被测物的下面还是从横向都能够用0.01微米级的超高精度进行测定，因而通过同时测定前后面能够超高精度测定非球面透镜的倾斜偏心。另外，还具有不易损坏寿命长、可在现场简单而频繁地使用这些效果，对于必须能够测定才能制造的非球面透镜更是实现了高精度化和生产成品率提高，能够对实行小型高画质的数码相机、电影、带摄像头手机、大容量化的光盘等非球面透镜内置商品的性能提高及成本降低有贡献。再者，还能够广泛应用于医疗器械、汽车的齿轮、纳米技术及微型机械的研究开发用途。
另外，通过将上述各实施方式中的任意实施方式进行适当组合，能够起到各自具有的效果
本发明在参照附图的同时结合最佳实施方式作了充分描述，对于熟悉该技术的人员来说各种变形及修正是很明白的。应该理解成，各种变形及修正只要不脱离附加的权利要求的范围限定的本发明的范围，都包含于本发明。

Claims (10)

1.一种三维测定探头，其具备：
圆柱形的小滑动轴部(6)，其一端设有与被测物(1)的表面(S)相接的触针(5)，同时另一端设有磁性体销(20)；
小空气轴承部(7A)，形成有与所述小滑动轴部嵌合的圆筒形的孔(7g)，且具有空气喷出部(4)，该空气喷出部(4)在所述小空气轴承部(7A)与所述小滑动轴部的间隙形成压缩空气膜；
磁力产生装置(95)，配置于该小空气轴承部端部的磁铁(29a、29b)和多个磁轭(8a、8b-1、8b-2)与所述销在非接触的状态下构成磁路(MC)，产生阻止所述圆柱形小滑动轴部向轴方向即Z方向的移动和向绕所述Z方向的旋转方向的移动的磁力；
变位检测装置(2)，对所述小滑动轴部相对于所述小空气轴承部在所述Z方向上的变位进行检测；
Z载物台(89)，引导所述小空气轴承部向所述Z方向的移动；
Z载物台驱动装置(43)，其使所述被测物或所述Z载物台向与所述Z方向分别正交且彼此正交的XY方向移动，同时驱动所述Z载物台以使所述触针沿着所述被测物的形状移动的所述Z方向的变位大致一定。
2.如权利要求1所述的三维测定探头，其中，
所述多个磁轭中的至少一个磁轭为环形的磁轭(8a)。
3.如权利要求2所述的三维测定探头，其中，
所述销与所述磁轭的间隙部(G1、G2)附近的形状是：在所述Z方向具有一定的厚度，在所述销的两端部，沿所述销的长度方向从中心部侧朝向端部侧形成为锥形。
4.如权利要求3所述的三维测定探头，其中，
所述销和所述磁轭的间隙部(G1、G2)附近的、所述销和所述磁轭的形状是所述磁轭比所述销厚。
5.如权利要求1所述的三维测定探头，其中，
所述变位检测装置由光探头变位检测部构成，所述光探头变位检测部至少包含：与所述小空气轴承部一体固定且发出激光的半导体激光器(34)、配置于所述小滑动轴部且被照射了来自所述半导体激光器的所述激光后使其反射的反射镜(9)、使来自所述半导体激光器的所述激光聚光于所述反射镜的透镜(14)、和接收来自所述反射镜的反射光的光检测器(41)，
所述变位检测装置构成为，来自所述半导体激光器的所述激光照射到所述反射镜，用所述光检测器来接受来自所述反射镜的反射光，根据该光检测器的输出信号检测所述Z方向的变位。
6.如权利要求5所述的三维测定探头，其中，还具备，
发出振荡频率稳定化激光(Fz)的振荡频率稳定化激光器(27)、和
使由所述振荡频率稳定化激光器发出的所述振荡频率稳定化激光照射到所述变位检测装置的所述反射镜，利用由所述反射镜反射后的反射光测定所述反射镜的Z坐标的Z坐标测定装置(102)。
7.如权利要求1所述的三维测定探头，其中，
设置有非磁性体的止动器(30)，该止动器(30)在下述情况下用于阻止所述小滑动轴部的过度的移动，
所述情况是：在所述小滑动轴部的所述Z方向、或在以所述Z方向为轴的旋转方向上施加力，且该力超过了用于阻止所述小滑动轴部相对于所述小空气轴承部的向所述Z方向和向以所述Z方向为轴的所述旋转方向的移动的磁力的情况。
8.如权利要求1所述的三维测定探头，其中，
所述Z载物台由空气轴承构成。
9.如权利要求1所述的三维测定探头，其中，
所述Z载物台驱动装置由与所述Z载物台连接的线圈(13)、和给所述线圈通电流而沿所述Z方向驱动所述Z载物台的磁路(GMC)构成。
10.如权利要求1所述的三维测定探头，其中，
所述Z载物台具有支承所述变位检测装置(2)的可动部(11)，所述可动部(11)以能够在所述Z方向上移动的方式被产生基本等于其重量的张力且由卷成涡旋状的薄板构成的恒定负荷弹簧(17)支承。
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