CN105180826A - 三维形状测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供三维形状测定装置，其具有气动滑块外框、在气动滑块外框内能沿轴向移动的气动滑块中空轴、两个支承臂、两个驱动部及两个支承部。在气动滑块中空轴设有贯通孔，在贯通孔形成有将上端的聚焦光学***与下端的探测部连结的光路。支承臂从聚焦光学***、探测部及中空轴的合计的重心的位置的高度处，相对于气动滑块中空轴的中心轴对称地向横向的两侧突出。驱动部在各支承臂的气动滑块中空轴附近的位置处相对于气动滑块中空轴的中心轴对称地配置，且将气动滑块中空轴相对于气动滑块外框沿轴向驱动。支承部配置在各支承臂中比驱动部远离气动滑块中空轴的位置，且相对于气动滑块中空轴的中心轴对称地配置，将各支承臂支承为能够沿横向移动。

Description

三维形状测定装置

技术领域

本发明涉及一种以高精度对任意的三维形状的测定物(例如用于智能手机等中的非球面透镜等)进行扫描测定的三维形状测定装置。

背景技术

如图23所示，在非专利文献1中公开了如下的装置，该装置在Z轴方向的带重力补偿的Z轴驱动装置200的Z轴驱动轴220的下端配置有探测部201，对载置于XY工作台202上的测定物203的三维形状进行测定。

在该装置中，Z轴驱动装置200的Z轴驱动轴220构成为由Z轴驱动装置的上部的真空筒204抽真空，从而将Z轴驱动轴220的自重最小化来进行补偿。Z轴驱动轴220在由压电换能器(PZT)205与音圈电动机206组合而成的致动器的驱动下沿着Z轴方向受到驱动。音圈电动机206的线圈207配置在构成真空筒204的箱状的磁轭208的内侧，且在Z轴驱动轴220的与线圈207对置的位置处固定有磁体209。通过真空筒204的开口的非接触密封部210，Z轴驱动轴220被密封为能够沿Z轴方向移动。Z轴驱动轴220的下部由静压气体轴承211支承。

在沿Z轴方向移动的Z轴驱动装置200的中心部具有激光通过用的贯通孔，对从激光干涉仪212到探测部201的上端的反射镜为止的距离进行测定，从而能够对测定物203的三维形状进行测定。

在先技术文献

非专利文献

非专利文献1：H.Shinno，H.Yoshioka，T.Gokan，H.Sawano著“Anewlydevelopedthree-dimensionalprofilescannerwithnanometerspatialresolution”CIRPAnnals-ManufacturingTechnologyVol.59，No.1，(2010)，PP.525-528

在说明本发明的实施方式之前，对现有的三维形状测定装置中的问题点进行说明。在图23示出的三维形状测定装置中，在Z轴驱动装置200中，Z轴驱动轴220由静压气体轴承211非接触地支承。然而，静压气体轴承211的铅垂方向的长度与Z轴驱动轴220的直径大致相同，Z轴驱动轴220整体的铅垂方向的长度比Z轴驱动轴220的直径长。

在具有这样的结构的情况下，在对高倾斜角度(30度～70度)的测定物进行测定时，向探测器前端施加有横向的力时容易产生旋转力矩(参照图24A)。

其结果是，会产生如图24A所示那样的ΔX的测定误差。

因此，在Z轴驱动轴220的旋转刚性变弱那样的现有的装置中，极其难以实现在透镜的生产线中期待的mm/s级的测定。

另外，在Z轴驱动装置200中，当电流流过驱动部的线圈207时，由于该电流而在线圈207中产生发热，引起磁轭208的热膨胀，如图24B所示，非接触密封部210的间隙变宽。当间隙像这样变宽时，空气变得容易进入间隙，从而难以仅通过抽真空来保持Z轴驱动装置200的驱动部，为了使将Z轴驱动轴220向上方抬起的力起作用，在线圈207中流过大量电流。因此，在与Z轴驱动轴220相对的非接触密封部210和静压气体轴承部211处产生Z轴驱动轴220的轴错位(几μm程度的错位)(参照图24B的虚线的状态)，Z轴驱动轴220偏向一侧而引起轴错位，从而Z轴驱动轴220的刚性变弱。于是，其结果是，Z轴驱动轴220的旋转刚性变弱，容易在高倾角(30度～70度)的探测部前端处产生测定误差ΔX。这样，在Z轴驱动轴220的旋转刚性由于热膨胀而变弱的现有的装置中，极其难以实现在透镜的生产线中期待的mm/s级的测定。

发明内容

本发明提供一种能够提高Z轴驱动轴的旋转刚性，并且对热膨胀引起的Z轴驱动轴(气动滑块中空轴)的偏斜(曲がり)进行抑制，从而能够进行高精度的三维形状测定的三维形状测定装置。

本发明的一个方式的三维形状测定装置具有气动滑块外框、气动滑块中空轴、两个支承臂、两个驱动部以及两个支承部。在气动滑块中空轴的上端配置有聚焦光学***，在气动滑块中空轴的下端配置有探测部。在气动滑块中空轴设有贯通孔，在贯通孔形成有将聚焦光学***与探测部连结的光路。另外，气动滑块中空轴具有与气动滑块外框的中心轴一致的中心轴，聚焦光学***和探测部的中心轴配置在气动滑块中空轴的中心轴上。气动滑块中空轴配置为在气动滑块外框内能够沿轴向移动。两个支承臂从聚焦光学***、探测部以及气动滑块中空轴的合计的重心的位置的高度处，相对于气动滑块中空轴的中心轴对称地向气动滑块中空轴的横向的两侧突出。两个驱动部在各支承臂的气动滑块中空轴附近的位置处相对于气动滑块中空轴的中心轴对称地配置。这些驱动部借助两个支承臂将气动滑块中空轴相对于气动滑块外框沿轴向进行驱动。两个支承部在各支承臂中相对于气动滑块中空轴的中心轴对称地配置。这些支承部支承气动滑块中空轴、探测部、聚焦光学***以及两个驱动部的自重。

在该结构中，在对气动滑块中空轴进行上下驱动时，不会向气动滑块中空轴施加旋转力矩。另外，不会向气动滑块中空轴的光学***施加偏斜力。因此，能够提高Z轴驱动轴(气动滑块中空轴)的旋转刚性，并且对热膨胀引起的Z轴驱动轴的偏斜进行抑制，从而能够进行高精度的三维形状测定。

附图说明

图1是示出本发明的实施方式所涉及的三维形状测定装置的整体结构的简图。

图2是示出图1所示的三维形状测定装置的Z轴工作台部的结构的立体图。

图3是示出图2所示的Z轴工作台部的结构的纵剖视图。

图4是示出在从图2所示的Z轴工作台部中除去气动滑块外框的状态下光学***的简要结构的纵剖视图。

图5是示出在图1所示的三维形状测定装置的气动滑块中空轴的上端部分配置的光学***的简要结构的放大说明图。

图6是示出在图1所示的三维形状测定装置的气动滑块中空轴的下端部分配置的光学***的简要结构的放大说明图。

图7是示出从图2所示的Z轴工作台部中除去气动滑块外框的一部分的状态下的简要结构的纵剖视图。

图8A是图2所示的Z轴工作台部的简要俯视图。

图8B是图8A的VIII部分的放大俯视图。

图8C是本发明的实施方式的变形例所涉及的Z轴工作台部的简要俯视图。

图9是图8C所示的Z轴工作台部的放大俯视图。

图10是图8C所示的Z轴工作台部的一方的支承部附近的放大立体图。

图11是图8C所示的Z轴工作台部的一方的支承部附近的放大主视图。

图12A是示出在图1所示的三维形状测定装置的气动滑块中空轴没有产生偏斜时的倾斜光学***的状态的说明图。

图12B是示出在图1所示的三维形状测定装置的气动滑块中空轴产生偏斜时的倾斜光学***的状态的说明图。

图13A是示出在实际的测定例中作为测定对象的基准球的说明图。

图13B是示出在实际的测定例中，使用现有的三维形状测定装置的探测部，对图13A所示的半径为5.55mm的基准球直至±70度倾斜以1.2mm/sec的扫描速度进行X轴往复扫描测定时的测定数据与设计式之差的图表。

图13C是示出在实际的测定例中，使用本发明的实施方式所涉及的三维形状测定装置的探测部，对图13A所示的半径为5.55mm的基准球直至±70度倾斜以1.2mm/sec的扫描速度进行X轴往复扫描测定时的测定数据与设计式之差的图表。

图14A是示出在实际的测定例中作为测定对象的基准球的说明图。

图14B是示出在实际的测定例中，使用现有的三维形状测定装置的探测部，对图14A所示的半径为5.55mm的基准球直至±70度倾斜以1.2mm/sec的扫描速度进行Y轴往复扫描测定时的测定数据与设计式之差的图表。

图14C是示出在实际的测定例中，使用本发明的实施方式所涉及的三维形状测定装置的探测部，对图14A所示的半径为5.55mm的基准球直至±70度倾斜以1.2mm/sec的扫描速度进行Y轴往复扫描测定时的测定数据与设计式之差的图表。

图15是本发明的实施方式的变形例所涉及的Z轴工作台部的一方的支承部附近的放大立体图。

图16是图15的Z轴工作台部的一方的支承部附近的放大主视图。

图17是本发明的实施方式的另一变形例所涉及的Z轴工作台部的一方的支承部附近的放大立体图。

图18是图17的Z轴工作台部的一方的支承部附近的放大主视图。

图19是示出本发明的实施方式的又一变形例所涉及的Z轴工作台部的结构的立体图。

图20是图19的Z轴工作台部的主视图。

图21A是本发明的实施方式的又一变形例所涉及的Z轴工作台部的纵剖视图。

图21B是图21A的Z轴工作台部的一方的支承部附近的放大纵剖视图。

图21C是本发明的实施方式的又一变形例所涉及的Z轴工作台部的一方的支承部附近的放大纵剖视图。

图22是本发明的实施方式的又一变形例所涉及的Z轴工作台部的纵剖视图。

图23是非专利文献1所涉及的现有装置的主视图。

图24A是非专利文献1所涉及的现有装置的纵剖视放大图。

图24B是在非专利文献1所涉及的现有装置中热膨胀时的纵剖视放大图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式所涉及的三维形状测定装置100进行详细地说明。图1示出三维形状测定装置100的整体结构。

三维形状测定装置100具备XY工作台102、Z轴工作台部101以及控制部90。XY工作台102在平台110上配置成能够沿XY轴方向移动，XY工作台102用于载置保持测定物103，使得测定物103能够沿XY轴方向移动。Z轴工作台部101由平台110支承为能够沿Z轴方向即上下方向(铅垂方向)移动，且将与测定物103的测定面进行接触的探测部3支承于下端，使得探测部3能够上下移动。控制部90与聚焦光学***4、XY工作台102、Z轴工作台部101以及He-Ne激光器64等连接，控制部90通过进行各构件的动作控制来控制三维形状测定动作。在图1中，105表示X轴方向镜，106表示Y轴方向镜，104表示X轴测长用激光。一边通过XY工作台102使测定物103沿X轴方向和Y轴方向移动，一边使探测部3与测定物103接触，利用与Z轴工作台部101连结的光学***检测探测部3的移动，从而对测定物103的三维形状进行测定。

从而，三维形状测定装置100通过使测定面沿XY方向移动的XY作台102和使探测部3沿Z方向移动的Z轴工作台部101来使测定物103的测定面和探测部3的相对位置沿XYZ方向移动。

如图2～图9所示，Z轴工作台部101构成为具备气动滑块外框1、气动滑块中空轴2、两个支承臂5、两个驱动部7、两个支承部8、探测部3、以及聚焦光学***4等。

聚焦光学***4是至少具有He-Ne激光器64的光学***，配置于气动滑块中空轴2。如图4～图6所示，聚焦光学***4大体上由He-Ne激光器64、聚焦元件50、准直透镜51、分色镜52、准直透镜53、以及镜(mirror)54构成。聚焦元件50、准直透镜51以及分色镜52配置在气动滑块中空轴2的上端。准直透镜53和镜54配置在气动滑块中空轴2的下端。在探测部3的由微滑块55支承的触针(stylus)56的上端固定镜54。

并且，倾斜光学***10以一并设在聚焦光学***4的光路的空间内的方式配置于气动滑块中空轴2。倾斜光学***10包括倾斜光学***用半导体激光器57、准直透镜58、镜(mirror)59、偏振光束分光器60、1/4波长板61、镜54、倾斜信号调整用镜62、以及倾斜光学***用受光元件63。在探测部3的镜筒中设置的微滑块55倾斜的情况下，从倾斜光学***用半导体激光器57出来的光由微滑块55的上表面的镜54反射，由此倾斜光学***用受光元件63中受光的位置发生变化。检测该变化来进行倾斜补正。

这样，由于将聚焦光学***4和倾斜光学***10配置于气动滑块中空轴2，因而在气动滑块中空轴2产生了偏斜的情况下，光学***中会产生误差。然而，在本实施方式的Z轴工作台部101中，使气动滑块中空轴2不易产生偏斜，从而能够更高精度地进行三维测定。以下，基于图3～图11对其结构进行详细地说明。

气动滑块外框1是沿上下方向纵长的矩形框体形状的构件，在其内部将气动滑块中空轴2支承为能够沿上下方向(Z轴方向)移动。气动滑块外框1固定在三维形状测定装置100的平台110等上。

气动滑块外框1由在上侧配置的四方框形状的上部支承部1a与在下侧配置的四方框形状的下部支承部1b一体连结而成的一体结构构成。在上部支承部1a与下部支承部1b之间，在横向上以供两个支承臂5能够上下移动的方式设有间隙1c。上部支承部1a和下部支承部1b分别由以相对于气动滑块中空轴2能够上下移动、且不能进行与上下方向正交的横向的移动的方式对气动滑块中空轴2非接触地进行支承的空气轴承部来构成。此处，两处的上部支承部1a的上下方向的尺寸的中心与下部支承部1b的上下方向的尺寸的中心之间的距离优选相对于气动滑块中空轴2的宽度为2倍以上。若像这样构成，则能够通过上部支承部1a和下部支承部1b对气动滑块中空轴2进行更稳定地支承，不会对气动滑块中空轴2施加旋转力矩，从而能够抑制探测部前端的旋转运动，且抑制气动滑块中空轴2的歪斜所引起的测定误差的产生。

气动滑块中空轴2是作为Z轴工作台部101的Z轴驱动轴发挥功能，且沿上下方向纵长的长方体筒形状的构件，在上端配置有聚焦光学***4，在下端配置有探测部3。在气动滑块中空轴2的中心部具有贯通孔6，且在贯通孔6内形成有将聚焦光学***4与探测部3的上端的反射镜13连结的光路。作为一例，气动滑块中空轴2由陶瓷等隔热材料构成。若像这样由隔热材料构成，则即使后述的线圈21的热量欲经由支承臂5传达，也会由隔热材料阻隔，而使热量不会传递至气动滑块中空轴2，从而能够防止气动滑块中空轴2的因热量引起的弯曲。

另外，聚焦光学***4和探测部3的中心轴分别配置在气动滑块中空轴2的中心轴上。因此，即便在气动滑块中空轴2上下移动时，旋转力矩影响到包括聚焦光学***4和探测部3在内的光学***的情况也变少，从而能够抑制探测部前端的旋转运动，且能够大幅地抑制因气动滑块中空轴2的歪斜所引起的测定误差的产生。

两个支承臂5的基端分别固定在气动滑块中空轴2上的、聚焦光学***4、探测部3以及气动滑块中空轴2这三个构件的合计的重心的位置的高度处。两个支承臂5从气动滑块中空轴2上的重心的位置的高度沿气动滑块中空轴2的横向以朝着相对于气动滑块中空轴2的中心轴CL对称地正交的方向向两侧突出的方式固定。一对支承臂5相对于气动滑块中空轴2的中心轴CL成为对称形状。各支承臂5只要由金属等刚体构成即可，作为一例，各支承臂5由陶瓷等隔热材料构成。若像这样由隔热材料构成，则即使后述的线圈21的热量向支承臂5传递，也会由隔热材料阻隔，从而能够防止支承臂5的因热量引起的弯曲，并且也能够防止向气动滑块中空轴2的热传递。

驱动部7在各支承臂5的气动滑块中空轴2附近的位置处相对于气动滑块中空轴2的中心轴CL对称地配置，且能够借助两个支承臂5将气动滑块中空轴2相对于气动滑块外框1沿轴向驱动。一对驱动部7相对于气动滑块中空轴2的中心轴CL成为对称形状。此处，各驱动部7由致动器构成。作为一例，致动器由线性电动机20构成。

线性电动机20包括四方框状的线圈21、长方体棒状的中央磁轭22、长方体棒状的外侧磁轭23、以及长方体棒状的磁体24，且在控制部90的控制下受到驱动控制。在各支承臂5的气动滑块中空轴2附近的位置处配置有形成为四方框状的线圈21，且在线圈21的轴向的中央部连结支承臂5。长方体棒状的中央磁轭22沿上下方向固定在气动滑块外框1上。长方体的外侧磁轭23在中央磁轭22的前后隔开能够供线圈21自如地上下移动的间隙间隔而沿上下方向固定在气动滑块外框1上。线圈21嵌合在中央磁轭22的外侧，且能够沿上下方向自如地移动。向线圈21施加规定的驱动电流，使得气动滑块中空轴2相对于固定侧的中央磁轭22沿上下方向移动。需要说明的是，线圈21处的驱动力产生部25为配置有外侧磁轭23的前后部。这样，本实施方式中使用的线性电动机20为各线性电动机20的线圈21由支承臂5支承、且将磁体24固定在气动滑块外框1上的可动线圈方式。因而，能够使比较重的磁体为固定侧且使比较轻的线圈为可动侧，从而整体上能够减轻线性电动机20的可动部分的重量，也能够抑制旋转力矩。

成为如下结构：两个线性电动机20的两个驱动轴(线圈21的中心轴)之间的中心轴与通过气动滑块中空轴2的重心的中心轴一致(两中心轴之间没有偏置)，因而在控制部90的作用下由两个线性电动机20同步地对气动滑块中空轴2进行上下驱动，从而对气动滑块中空轴2的重心位置的部分进行驱动。因此，在气动滑块中空轴2上不易产生旋转力矩。

两个支承部8以对从两个驱动部7进一步沿横向延伸的两个支承臂5的前端部分进行支承的方式相对配置。即，各支承部8在各支承臂5的驱动部7附近且远离气动滑块中空轴2的位置处相对于气动滑块中空轴2的中心轴CL对称地配置。具体而言，在图8A、图8B、以及图9等中俯视观察时，各支承部8的中心轴(例如杆27a的中心轴)、各驱动部7的中心轴(例如线圈21的中心轴)、以及气动滑块中空轴2的中心轴(换言之，气动滑块外框1的中心轴)配置在一直线上。另外，各支承部8的中心轴(例如杆27a的中心轴)、各驱动部7的中心轴(例如线圈21的中心轴)、以及气动滑块中空轴2的中心轴(换言之，气动滑块外框1的中心轴)相互平行地配置。因而，若从气动滑块中空轴2观察，则成为在各支承臂5中，在驱动部7的外侧配置有支承部8的结构。两个支承部8支承气动滑块中空轴2、探测部3、聚焦光学***4以及两个驱动部7的自重且将气动滑块中空轴2、探测部3、聚焦光学***4以及两个驱动部7支承为能够沿横向移动。

各支承部8是滑动支承部，其对于两个支承臂5允许在与上下方向(Z轴方向)正交的面内的移动以及相对于上下方向(Z轴方向)的倾斜。换言之，各支承部8通过将两个支承臂5支承为在与上下方向(Z轴方向)正交的正交二轴(X轴方向和Y轴方向)上分别能够移动且能够倾动，从而缓和由于热量等的影响而向气动滑块中空轴2作用的变形力。换言之，成为两个支承臂5从气动滑块中空轴2向两侧突出且在各支承臂5的中间位置配置有驱动部7的十字型的结构，并且两个支承臂5的两个支承部8成为滑动结构，能够横向滑动。因此，不向支承臂5施加横向的力，使气动滑块中空轴2偏斜的力不会经由支承臂5而对气动滑块中空轴2起作用。因而，气动滑块中空轴2能够仅沿上下方向移动，不会绕气动滑块中空轴2的重心而施加旋转力矩，从而能够抑制探测部前端的旋转运动。

具体而言，各支承部8构成为具备以使各支承臂5能够上下移动的方式对各支承臂5进行支承的作为支承用致动器的一例的气缸27、气垫28、以及球面轴承部29。气缸27的缸体27c固定在三维形状测定装置100的平台110等上。在气缸27的杆27a的上端经由球面轴承部29而连结固定有气垫28。球面轴承部29包括在上表面具有半球面凹部的基座29a、和在半球面凹部内自如地转动的球29b。基座29a固定在杆27a的上端。气垫28的下表面与球29b连结。因而，气垫28相对于杆27a的上端，由球面轴承部29支承为向绕Z轴的360度的方向倾动自如。气垫28的上表面配置为与支承臂5前端的倒L字状的支承承受部5a的平坦面的下表面5b对置。

在气垫28的表面上形成有多个空气喷出孔28a。从第一空气供给源41向气垫28的空气吸入口28b以始终固定的压力供给空气，从多个空气喷出孔28a朝向支承承受部5a的下表面5b喷出空气，在气垫28与支承承受部5a的下表面5b之间构成微小间隔的气隙部30。即，各支承部8与各支承臂5的前端的支承承受部5a的平坦的下表面5b对置，且通过从气垫28的空气喷出孔28a喷射的空气的压力，在各支承臂5的前端的支承承受部5a的平坦的下表面5b与气垫28之间隔开微小的间隙(气隙部30)，由此各支承部8将各支承臂5支承为横向移动自如。若像这样构成，则气隙部30的水平方向的滑动阻力极少，在各支承部8中，在与各支承臂5之间几乎不产生水平方向的力。在气垫28与球面轴承部29的基座29a之间，球面轴承部29的球29b能够转动支承，成为在气垫28产生了倾斜时能够吸收其倾斜的结构。需要说明的是，第一空气供给源41也可以不设置两个而共用一个。

另外，在气缸27的杆27a的下端固定有作为活塞的一例发挥功能的空气轴承27b。空气轴承27b在气缸27的缸体27c内沿杆27a的轴向滑动。在控制阀43的控制下将空气从第二空气供给源42向该空气轴承27b与缸体27c之间的内部空间27d供给，驱动一对气缸27，使各杆27a上下移动，从而对一对支承臂5以维持在规定的高度的方式进行支承。因而，一对气缸27在杆27a的整个冲程范围内以固定力支承一对支承臂5。杆27a是能够自气缸27的缸体27c沿上下方向移动的结构，气缸27的缸体27c与杆27a之间由气隙27e支承。因此，在缸体27c与杆27a之间，上下方向以及绕轴的旋转方向的滑动阻力变得极小。第二空气供给源42以及控制阀43的动作也受到控制部90的动作控制。第二空气供给源42也可以不设置两个而共用一个。

这样，各支承部8相对于各支承臂5配置在最外侧。反之，假设各驱动部7在比各支承部8靠外侧处配置于各支承臂5，则有时会在左右的各驱动部7、例如左右的线性电动机20中存在推力差。在这种情况下，若从气动滑块中空轴2到左右的线性电动机20的中心轴为止的距离长，则偏斜力矩变大。因此，左右的线性电动机20的配置位置尽可能地接近气动滑块中空轴2为好。另外，支承部8也是接近气动滑块中空轴2为好。这样的配置也有助于提高气动滑块中空轴2的旋转刚性。

根据上述结构，在控制部90的控制下，由两个支承部8的气缸27将Z轴工作台部101移动至使具有探测部3的Z轴工作台部101接近在XY工作台102上载置保持的测定物103的初始位置之后，由两个支承部8借助两个支承臂5来支承气动滑块中空轴2。接下来，由控制部90驱动控制两个驱动部7的线性电动机20，使得探测部3接触测定物103的测定面并以规定的扫描速度进行扫描，从而进行测定物103的三维形状测定。

图12A以及图12B在本实施方式所涉及的三维形状测定装置100和非专利文献1所涉及的装置中，对气动滑块中空轴2有无产生偏斜所引起的、倾斜光学***10中的误差的产生的有无来进行说明。

图12A是仅抽取了本实施方式所涉及的三维形状测定装置100的气动滑块中空轴2的图。在该图中，在对气动滑块中空轴2进行上下驱动时，不向气动滑块中空轴2施加旋转力矩，并且不向气动滑块中空轴2的光学***施加偏斜力，因而不会产生气动滑块中空轴2的偏斜，也不会产生倾斜光学***10中的误差。

另一方面，图12B是作为比较例示出将非专利文献1所涉及的装置的Z轴驱动轴220替换为气动滑块中空轴的情况的图。该图中示出了在对气动滑块中空轴进行上下驱动时，向气动滑块中空轴施加旋转力矩，并且向气动滑块中空轴的光学***施加偏斜力，因而气动滑块中空轴自身产生右凸的偏斜，在倾斜光学***10的倾斜光学***用受光元件63中，与图12A相比产生了误差dx。

这样，在本实施方式所涉及的三维形状测定装置100中，采用在对气动滑块中空轴2进行上下驱动时，不会向气动滑块中空轴2施加旋转力矩并且不会向气动滑块中空轴2的光学***施加偏斜力的结构。若不采用该结构，则倾斜光学***中会产生误差，从而不能进行高精度的测定。

作为实际的测定例，分别在图13B、图13C中示出分别使用了现有的三维形状测定装置(专利第3000819号所涉及的三维形状测定装置)的探测部与本实施方式所涉及的三维形状测定装置100的探测部3的情况。即，图13B和图13C的图表分别示出对图13A所示的半径为5.55mm(R5.55mm)的基准球直至±70度倾斜以1.2mm/sec的扫描速度进行X轴往复扫描测定时的测定数据与设计式之差(即，三维形状测定装置100的测定精度)。各图表的纵轴表示测定数据与设计式之间的差值，横轴表示X轴方向的位置。如图13B和图13C所示，在60度倾斜时，在现有的三维形状测定装置中存在59nm的误差的偏差，而本实施方式所涉及的三维形状测定装置100缩小至41nm的误差的偏差。另外，在70度倾斜时，在现有的三维形状测定装置中存在182nm的误差的偏差，而本实施方式所涉及的三维形状测定装置100缩小至87nm的误差的偏差。需要说明的是，作为现有的三维形状测定装置的结构，触针的下端成为具有各种曲率半径的球面形状。而且，触针以10～100mgf这样的弱测定力在被测定物上进行扫描，沿着被测定物的形状上下移动。当触针上下移动时，聚焦伺服机构起作用而使光探测器整体上下移动，因而是物镜的焦点始终对在反射镜上这样的装置。

同样，在图14B和图14C的图表中示出分别使用现有的三维形状测定装置的探测部与本实施方式所涉及的三维形状测定装置100的探测部3，对图14A所示的半径为5.55mm的基准球直至±70度倾斜以1.2mm/sec的扫描速度进行Y轴往复扫描测定时的测定数据与设计式之差(即，测定装置的测定精度)。各图表的纵轴表示测定数据与设计式之间的差值，横轴表示Y轴方向的位置。如图14B和图14C所示，在60度倾斜时，在现有的三维形状测定装置中存在57nm的误差的偏差，而本实施方式所涉及的三维形状测定装置100缩小至25nm的误差的偏差。另外，在70度倾斜时，在现有的三维形状测定装置中存在155nm的误差的偏差，而本实施方式所涉及的三维形状测定装置100缩小至56nm的误差的偏差。

由这些结果可知，在以1.2mm/sec的扫描速度进行扫描测定时，在现有的装置中存在100nm级的测定精度的偏差，而在本实施方式所涉及的三维形状测定装置100中，偏差减小至10nm级的测定精度。

需要说明的是，这些测定例中的现有的三维形状测定装置的探测部与本实施方式所涉及的三维形状测定装置100的探测部3各自的测定力为30mgf。

根据上述本实施方式能够产生如下效果。

首先，推测在现有例所述的非专利文献1所涉及的装置中，例如，在作为测定物203的一例的透镜所要求的高倾斜角(30度～70度)范围内，不能快速地移动探测部201。因此，在非专利文献1的图11中，最大倾斜角度是18度，却以0.02mm/s的缓慢的速度使探测部201进行扫描测定。认为这是由于，若以比0.02mm/s的速度快的速度移动探测部201，则隔膜230发生变形，探测部201的前端倾斜，从而成为ΔX1的测定误差。另外，在这种情况下，也容易产生振动噪声。若更快地移动探测部201，则会出现探测部前端或隔膜230破损的危险性。在探测部201损伤时，冲击力也强烈地作用于测定物203，会产生测定物203破损的危险性。由于这样的理由，在非专利文献1所涉及的装置中，极其难以实现在透镜的生产线中期待的mm/s级的扫描测定。

另外，在非专利文献1所涉及的装置中，由真空筒204构成的非接触密封部210和静压气体轴承211是将两个不同体的构件串行配置的结构。静压气体轴承211具有在最适间隙下具有最大的刚性的特征。然而，若相对于非接触密封部210和静压气体轴承211而存在Z轴驱动轴220的轴错位(几μm程度)，则Z轴驱动轴220偏向一侧，Z轴驱动轴220的刚性变弱，其结果是，Z轴驱动轴220的旋转刚性变弱，变得容易在高倾角(30度～70度)的探测部前端处产生测定误差。因此，与前述同样，推定在图11中以0.02mm/s的缓慢速度进行扫描测定。若以比上述快的速度进行测定，则静压气体轴承211处的Z轴驱动轴220的旋转振动变得激烈，从而导致测定时的振动噪声变大、或者探测部周边破损。由于这样的理由，在非专利文献1所涉及的装置中，极其难以实现在透镜的生产线中期待的mm/s级的扫描测定。

另外，除了mm/s级的测定要求，在例如用于智能手机等的非球面透镜中，产生了直至高倾斜角70度为止达到100nm以下的形状精度的要求。作为满足这样的扫描速度以及测定精度的要求的装置，可以使用本发明的本实施方式所涉及的三维形状测定装置100。即，本实施方式所涉及的三维形状测定装置100通过以下那样的结构，由此在对气动滑块中空轴2进行上下驱动时，不向气动滑块中空轴2施加旋转力矩，并且不向气动滑块中空轴2的光学***施加偏斜力，因而例如直至高倾斜角70度为止能够以0.3mN以下的低测定力且以mm/sec级的速度进行扫描测定，并且能够以10nm级的测定精度以及测定重现性进行测定。

根据本实施方式，为了在对气动滑块中空轴2进行上下驱动时，不向气动滑块中空轴2施加旋转力矩并且不向气动滑块中空轴2的光学***施加偏斜力，而采用以下的结构。通过该采用，能够提高Z轴驱动轴(气动滑块中空轴2)的旋转刚性，并且对热膨胀所引起的Z轴驱动轴(气动滑块中空轴2)的偏斜进行抑制。

构成为气动滑块中空轴2的中心轴与气动滑块外框1的中心轴一致地配置的结构(换言之，构成为两个中心轴之间在XY面内不存在偏置的结构)。

构成为如下结构：两个线性电动机20的两个驱动轴(线圈21的中心轴)之间的中心轴与通过气动滑块中空轴2的重心的中心轴一致(两中心轴之间没有偏置)，因而在控制部90的作用下由两个线性电动机20同步地对气动滑块中空轴2进行上下驱动，从而对气动滑块中空轴2的重心位置的部分进行驱动。

构成为聚焦光学***4和探测部3的中心轴配置在气动滑块中空轴2的中心轴上的结构。

构成为各支承部8的中心轴(例如杆27a的中心轴)、各驱动部7的中心轴(例如线圈21的中心轴)、以及气动滑块中空轴2的中心轴(换言之，气动滑块外框的中心轴)相互平行地配置的结构。

构成为如下结构：两个支承臂5沿横向配置在聚焦光学***4、探测部3以及气动滑块中空轴2的合计的重心的高度处，在各支承臂5的中间部配置有线性电动机20的线圈21来作为驱动部7的示例，在该线圈21的更外侧配置有支承部8。

通过具有以上的结构，能够产生上述的作用效果。

另外，若分别构成为以下的结构作为一例，则能够进一步提高上述的作用效果。

优选在俯视观察时，各支承部8的中心轴(例如杆27a的中心轴)、各驱动部7的中心轴(例如线圈21的中心轴)、以及气动滑块中空轴2的中心轴(换言之，气动滑块外框的中心轴)配置在一直线上。若像这样构成，则在对气动滑块中空轴2进行上下驱动时，旋转力矩更加不易作用于气动滑块中空轴2。因此，也能够使偏斜力更加不易作用于气动滑块中空轴2的光学***。其结果是，能够进一步抑制驱动时的Z轴驱动轴(气动滑块中空轴2)的偏斜。

若构成为通过气动滑块中空轴2自身(或气动滑块中空轴2自身以及支承臂5自身)的隔热材料而与线性电动机20的线圈21的发热体隔断，则不会产生气动滑块中空轴2的热膨胀，从而能够抑制热膨胀对气动滑块中空轴2的光学***所带来的恶劣影响。

若构成为气动滑块中空轴2等的重心位置经由两个支承臂5而由两个支承部8的气垫28支承为能够横向移动，则在对气动滑块中空轴2进行上下驱动时，即便横向的力作用于气动滑块中空轴2，气动滑块中空轴2也能够通过两个支承部8的气垫28而沿横向移动。其结果是，旋转力矩变得不易作用于气动滑块中空轴2，另外，也能够使偏斜力不易作用于气动滑块中空轴2的光学***。

若各线性电动机20为线圈21由支承臂5支承且将磁体24固定在气动滑块外框1上的可动线圈方式，则能够使比较重的磁体为固定侧，比较轻的线圈为可动侧，从而能够整体上减轻线性电动机20的可动部分的重量。其结果是，在对气动滑块中空轴2进行上下驱动时，即便横向的力作用于气动滑块中空轴2，气动滑块中空轴2也能够通过两个支承部8的气垫28而沿横向移动。其结果是，旋转力矩变得难以作用于气动滑块中空轴2，另外，也能够使偏斜力不易作用于气动滑块中空轴2的光学***。

需要说明的是，本发明不限于上述的实施方式，也能够以其他各种方式实施。

例如，也可以代替支承部8而采用以下的结构。

如图15以及图16所示，也可以由半球支承部31直接接触并支承各支承臂5的支承承受部5a的下表面5b。具体而言，在杆27a的上端经由基座32而配置有半球支承部31，且半球支承部31的顶部与支承承受部5a的下表面5b点接触，各支承臂5被支承为相对于半球支承部31的顶部向前后转动自如且能够沿横向移动。

根据该变形例的结构，其结构比之前的实施方式的支承部8还要简单。

另外，如图17以及图18所示，也可以由浮动接头33来支承各支承臂5的支承承受部5a的下表面5b。具体而言，浮动接头33从上到下依次包括上轴承34、上板部36、球状的中轴承38、下板部37以及下轴承35。上轴承34在与上板部36之间将多个滚珠39转动自如地配置为环状，上轴承34的上表面与各支承臂5的支承承受部5a的下表面5b接触。下轴承35在与下板部37之间将多个滚珠40转动自如地配置为环状，且下轴承35的下表面固定在杆27a的上端。中轴承38的上部转动自如地收纳在上板部36的下表面的半球面凹部内，且中轴承38的下部转动自如地收纳在下板部37的上表面的半球面凹部内。因而，上轴承34和下轴承35分别为向X轴方向以及Y轴方向移动自如，且滑动阻力少的结构。在夹着中轴承38的上板部36与下板部37的平行度产生了倾斜的情况下，由于中轴承38分别相对于上板部36及下板部37自如地旋转移动，因而滑动阻力少。

根据该变形例的结构，与之前的实施方式的支承部8相比能够使部件的成本较低。

另外，如图19以及图20所示，也可以利用气缸上拉支承方式对各支承臂5的支承承受部5a的下表面5b进行支承。具体而言，在支承部8的结构中，也可以采用由配置在比各支承臂5靠上侧的气缸27对各支承臂5从上侧向上方以提拉动作进行支承的结构。具体而言，与支承部8同样，在各支承臂5的支承承受部5a的下表面5b之下配置有气垫28和球面轴承部29。与支承部8的不同之处在于，球面轴承部29的基座29a不是固定在杆27a的上端，而是固定在板状的连结构件45的一端。在该连结构件45的另一端固定有上下颠倒地配置的气缸27的杆27a的下端。与之前的支承部8同样，从第一空气供给源41向气垫28的空气吸入口28b以始终固定压力供给空气，从多个空气喷出孔28a朝向支承承受部5a的下表面5b喷出空气，在气垫28与支承承受部5a的下表面5b之间构成微小间隔的气隙部30。气垫28和球面轴承部29与之前的支承部8的情况同样地发挥功能，且具有同样的作用效果。在该变形例中，在控制阀43的控制下将空气从第二空气供给源42向该空气轴承27b与缸体27c之间的内部空间27g(比空气轴承27b靠下侧的内部空间)(参照图22)供给，驱动一对气缸27，使各杆27a上下移动，从而经由连结构件45来对一对支承臂5以维持在规定的高度的方式进行支承。

根据该变形例的结构，在发挥与之前的实施方式的支承部8同样的作用效果的基础上，在一对支承臂5的下方没有配置一对气缸27，从而开放出大的空间46(参照图22)，不存在成为测定物的障碍的构件，测定物的搬入搬出以及测定物的移动等的自由度变大。另外，如图22所示，能够增长气缸27的杆27a，也能够增大气缸27带来的上下方向的移动量。

在该变形例中，也可以不使用连结构件45，而将各支承臂5的支承承受部5a的端部与各支承部8的致动器直接连结。例如，如图21A～图21C所示，在支承承受部5a的端部形成贯通孔5e，并且在气垫28上也形成贯通孔28e。使在下端具有卡止部47a或48a的轴构件47或线材48贯通这些贯通孔5e、28e内。轴构件47或线材48的上端与致动器的驱动轴、例如气缸27的杆27a连结。因而，也可以通过致动器的驱动，而由轴构件47或线材48使气垫28进行上下移动，并经由气垫28对各支承臂5的支承承受部5a的端部进行支承。作为致动器，除了气缸之外，可以使用液压缸、配重、线性电动机、音圈电动机等。

另外，在各支承臂5中，各支承部8配置在比驱动部7更远离气动滑块中空轴2的位置处，但并不限于此。例如，也可以使支承部8与驱动部7的位置关系相反，从而在各支承臂5中，将各驱动部7配置在比各支承部8更远离气动滑块中空轴2的位置。另外，也可以代替这些配置，如图8C所示，在各支承臂5中将各支承部8和各驱动部7配置在距气动滑块中空轴2相同距离的位置。

需要说明的是，通过对上述各种实施方式或变形例中的任意的实施方式或变形例进行适当组合，从而能够发挥各自具有的效果。

如以上那样，本发明所涉及的三维形状测定装置能够对横向的力以及热膨胀引起的Z轴驱动轴(气动滑块中空轴)的偏斜进行抑制，从而能够进行高精度的三维形状测定，能够用于以高精度及低测定力对任意的三维形状的测定物(例如用于智能手机等的非球面透镜等)进行扫描测定等。

Claims (9)

1.一种三维形状测定装置，其特征在于，具备：

气动滑块外框；

气动滑块中空轴，所述气动滑块中空轴在上端配置有聚焦光学***，在下端配置有探测部，所述气动滑块中空轴具有贯通孔，在所述贯通孔形成有将所述聚焦光学***与所述探测部连结的光路，且所述气动滑块中空轴具有与所述气动滑块外框的中心轴一致的中心轴，所述聚焦光学***和所述探测部的中心轴配置在所述气动滑块中空轴的中心轴上，且所述气动滑块中空轴配置为在所述气动滑块外框内能够沿轴向移动；

两个支承臂，所述两个支承臂从所述聚焦光学***、所述探测部以及所述气动滑块中空轴的合计的重心的位置的高度处，相对于所述气动滑块中空轴的中心轴对称地向所述气动滑块中空轴的横向的两侧突出；

两个驱动部，所述两个驱动部在各所述支承臂的所述气动滑块中空轴附近的位置处相对于所述气动滑块中空轴的所述中心轴对称地配置，且借助所述两个支承臂将所述气动滑块中空轴相对于所述气动滑块外框沿所述轴向进行驱动；以及

两个支承部，所述两个支承部在各所述支承臂中相对于所述气动滑块中空轴的所述中心轴对称地配置，且支承所述气动滑块中空轴、所述探测部、所述聚焦光学***以及所述两个驱动部的自重。

2.根据权利要求1所述的三维形状测定装置，其中，

在各所述支承臂中，各所述支承部配置在比各所述驱动部远离所述气动滑块中空轴的位置。

3.根据权利要求1所述的三维形状测定装置，其中，

所述气动滑块中空轴由隔热材料构成。

4.根据权利要求1所述的三维形状测定装置，其中，

所述支承部具有：

支承用致动器，其以使所述支承臂能够上下移动的方式对所述支承臂进行支承；以及

气垫，其与所述支承用致动器的杆的前端连结，且与所述支承臂的下表面对置配置，借助从空气喷出口朝向所述支承臂的下表面喷出的空气而将所述支承臂非接触地支承为能够沿横向移动，

在俯视观察时，各支承部的所述杆的所述中心轴、各驱动部的所述中心轴、以及所述气动滑块中空轴的所述中心轴配置在一直线上。

5.根据权利要求1所述的三维形状测定装置，其中，

各所述驱动部为可动线圈方式，包括：

线性电动机用线圈，其设置在所述支承臂上，且能够与所述支承臂以及所述气动滑块中空轴一体地沿所述气动滑块中空轴的所述轴向移动；以及

线性电动机用磁体，其固定在所述气动滑块外框上，且由所述线性电动机用线圈包围，

所述气动滑块外框的中心轴、所述线性电动机用线圈的中心轴、以及所述线性电动机用磁体的中心轴平行，且两个所述线性电动机用线圈的中心轴间的中心轴与通过所述气动滑块中空轴的重心的中心轴一致，并且

各支承部的中心轴、各驱动部的中心轴以及所述气动滑块中空轴的所述中心轴相互平行地配置。

6.根据权利要求1所述的三维形状测定装置，其中，

在所述气动滑块外框设有空气轴承部，所述空气轴承部在夹着所述聚焦光学***、所述探测部以及所述气动滑块中空轴的合计的重心的位置的上下的位置处，将所述气动滑块中空轴以非接触状态支承为能够相对于所述气动滑块外框沿上下方向进行移动。

7.根据权利要求1所述的三维形状测定装置，其中，

所述支承臂由隔热材料构成。

8.根据权利要求1所述的三维形状测定装置，其中，

所述聚焦光学***由至少具有He-Ne激光器的光学***构成。

9.根据权利要求1所述的三维形状测定装置，其中，

所述聚焦光学***构成为在其光路的空间内一并设有倾斜光学***。