CN110514136A - 形状测定用探头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种形状测定用探头，形状测定用探头具有可动构件、触针、空气轴承、第1磁铁、第2磁铁、第1支承部、第2支承部以及弹性件。第1磁铁和第2磁铁相对于可动构件的轴中心大致对称地固定在空气轴承的上端部。第1支承部通过磁力与第1磁铁连结。第2支承部通过磁力与第2磁铁连结。弹性件为板状，粘接固定于可动构件的上端部，并且载置在第1支承部和第2支承部上。

Description

形状测定用探头
技术领域
本公开涉及获得光学部件或者模具等的被测定面的位置信息的三维形状测定装置的接触式的形状测定用探头。
背景技术
作为高精度地测定光学部件或者模具等的成为非球面形状的表面形状的方法，广泛已知有三维形状测定机。一般而言，具有接触式的测定用探头的三维形状测定机，一边使测定用探头的前端与物体接触一边使测定用探头沿着物体的表面移动，根据测定用探头与基准面的位置关系来测定物体的表面形状。作为这样的测定机之一，有利用了激光测长器和基准平面镜的三维形状测定机。
在此，使用图10，对现有的三维形状测定机进行说明。图10是现有的三维形状测定机的概略结构图。在图10中，将物体2(例如透镜等)载置在平台101上。而且，三维形状测定机100构成为：一边使安装于移动体103的测定用探头105的前端与物体2的测定面2a接触，一边使测定用探头105的前端沿着测定面2a追随，从而对物体2的表面形状进行测定。
在设置了测定用探头105的移动体103上设置有X轴载物台部109和Y轴载物台部110，成为能够使移动体103在X轴方向和Y轴方向移动的结构。由此，移动体103能够追随物体2的测定面2a的表面形状，分别在X轴方向和Y轴方向上扫描移动体103。
而且，在载置有物体2的平台101上，通过参照镜支承部配置有X参照镜106、Y参照镜107、Z参照镜108。进而，在移动体103上设置有激光测长光学***104。通过光干涉法，以XYZ各自的参照镜为基准，对测定用探头105的距离进行测长，由此三维形状测定机能够获得测定用探头105的XYZ坐标的位置信息(例如，参照专利文献1)。
接下来，关于自动聚焦控制分为机械结构、自动聚焦光学***和控制方法，参照图11的结构例进行说明。通过自动聚焦控制来控制探头位置，使得测定用探头105的前端以大致恒定的力与物体2的测定面2a接触。
首先，对机械结构进行说明。测定用探头105成为可动构件111***空气轴承131且能够在Z坐标方向上移动的构造。此外，可动构件111在下端安装有触针112，在上端安装有反射面113。对该反射面113照射激光Fzo，根据反射光进行反射面113的位置的测定。
在可动构件111上安装有弹性地限制Z方向的移动的弹性件，具体而言安装有板簧114。该板簧114配置为相对于可动构件111的上端向图11的两侧延伸。而且，板簧114的两侧的下表面与引导部115的支承点133接触，可动构件111成为经由板簧114而以支承点133为支点被悬吊的结构。在形状测定时，在可动构件111被板簧114悬吊的状态下，可动构件111相对于测定面2a而上下地进行追随。此时，可动构件111的XY方向被空气轴承131限制，成为在Z方向上自由移动的结构。
接下来，对自动聚焦光学***进行说明。从半导体激光器117照射的激光G0通过准直透镜118，并通过偏振分束器119和λ/4波长板120。然后，激光G0被分色镜121反射，通过聚光透镜122聚光于可动构件111的上端的反射面113。
然后，在反射面113反射的反射光通过聚光透镜122，被分色镜121反射，被偏振分束器119全反射，被透镜123聚光。然后，光被半透半反镜124分离为两束，分别通过孔眼125a以及孔眼125b，由光检测器126a以及光检测器126b分别受光。
接下来，对自动聚焦控制的控制方法进行说明。两个光检测器126a以及光检测器126b的检测输出被输入到误差信号产生部127。聚焦误差信号从误差信号产生部127输出到伺服电路128。由伺服电路128驱动控制线性马达129，将探头主体116的位置对焦到能够得到规定的测定力的位置。
最后，对利用空气轴承144支承可动构件141的方法进行说明。图11中的支承点133在可动构件111的Z方向的上下移动中是唯一的物理接触点。因此，支承点133处的摩擦阻力成为可动构件111的微细的上下移动中的大的负荷要因。
因此，如图12所示，对于可动构件141的支承而提出了使用两个钢球150的结构。根据这样的结构，使支承点133与弹性件149的接触成为点接触，能够将可动构件141的上下移动中的弹性件149与钢球150的摩擦力抑制得较小。其结果是，能够减少相对于可动构件141的上下移动的摩擦阻力。作为钢球150的固定方法，例如有对空气轴承实施V槽140，将钢球150设置于V槽140，利用粘合剂等进行固定的方法等(例如，参照专利文献2)。通过将支承点133设为钢球150，还具有在板状的弹性件上不会产生扭转等优点。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平6-265340号公报
专利文献2：日本特开2006-78367号公报
发明内容
形状测定用探头具有可动构件、触针、空气轴承、第1磁铁、第2磁铁、第1支承部、第2支承部以及弹性件。
可动构件为棒状，在上端具有反射激光的反射面。
触针设置在可动构件的下端，与物体接触。
空气轴承具有轴孔，使可动构件贯通轴孔且能够沿第1方向移动地进行支承。
第1磁铁和第2磁铁相对于可动构件的轴中心大致对称地固定在空气轴承的上端部。
第1支承部为磁性体且为球形状，能够在第1磁铁上移动地通过磁力与第1磁铁连结。
第2支承部为磁性体且为球形状，能够在第2磁铁上移动地通过磁力与第2磁铁连结。
弹性件为板状，粘接固定在可动构件的上端部，并且载置在第1支承部和第2支承部上。
附图说明
图1A是表示使用了实施方式1中的测定用探头的三维形状测定装置的结构的立体图。
图1B是使用了实施方式1中的测定用探头的自动聚焦光学***的概略图。
图2A是本发明的实施方式1中的测定用探头的剖视图。
图2B是测定用探头的钢球附近的放大说明图。
图3A是现有方式中的可动构件向下方开始移动之前的可动构件、弹性件和钢球的概略图。
图3B是表示在图3A中的弹性件与钢球之间产生的静止摩擦力的图。
图4A是现有方式中的可动构件向下方开始移动起的可动构件、弹性件和钢球的概略图。
图4B是表示在图4A中的弹性件与钢球之间产生的静止摩擦力的图。
图5A是现有方式中的可动构件向上方开始移动之前的可动构件、弹性件和钢球的概略图。
图5B是表示在图5A中的弹性件与钢球之间产生的静止摩擦力的图。
图6A是现有方式中的可动构件向上方开始移动起的可动构件、弹性件和钢球的概略图。
图6B是表示在图6A中的弹性件与钢球之间产生的静止摩擦力的图。
图7A是实施方式1中的可动构件向下方移动时的弹性件和钢球的动作的概略图。
图7B是实施方式1中的可动构件向上方移动时的弹性件和钢球的动作的概略图。
图8是实施方式2中的测定用探头的剖视图。
图9是实施方式3中的测定用探头的剖视图。
图10是表示使用了现有的测定用探头的三维形状测定机的结构的立体图。
图11是现有的自动聚焦光学***的概略图。
图12是现有的测定用探头的剖视图。
符号说明
1：平台，2：物体，2a：测定面，3：移动体，4：激光测长光学***，5：测定用探头，6：X参照镜，7：Y参照镜，8：Z参照镜，9：X轴载物台部，10：Y轴载物台部，11：Z轴载物台部，12：He-Ne激光器，13：三维形状测定装置，21：可动构件，22：触针，23：反射面，24：空气轴承，24a：轴孔，24b：凹部，24b1：第1凹部，24b2：第2凹部，25：空气轴承主体，26：壳体，27：空气接头，28：槽，29：弹性件，30：钢球，30a：第1支承部，30b：第2支承部，31：磁铁，31a：第1磁铁，31b：第2磁铁，40：控制部，41：自动聚焦光学***，42：压缩机，60：磁性体，60a：第1磁性体，60b：第2磁性体，70：非磁性体，70a：第1非磁性体，70b：第2非磁性体，100：三维形状测定机，101：平台，103：移动体，104：激光测长光学***，105：测定用探头，106：X参照镜，107：Y参照镜，108：Z参照镜，109：X轴载物台部，110：Y轴载物台部，111：可动构件，112：触针，113：反射面，114：板簧，115：引导部，116：探头主体，117：半导体激光器，118：准直透镜，119：偏振分束器，120：λ/4波长板，121：分色镜，122：聚光透镜，123：透镜，124：半透半反镜，125a：孔眼，125b：孔眼，126a：光检测器，126b：光检测器，127：误差信号产生部，128：伺服电路，129：线性马达，133：支承点，140：V槽，141：可动构件，144：空气轴承，149：弹性件，150：钢球，416：探头主体，417：半导体激光器，418：准直透镜，419：偏振分束器，420：λ/4波长板，421：分色镜，422：聚光透镜，423：透镜，424：半透半反镜，425a：孔眼，425b：孔眼，426a：光检测器，426b：光检测器，427：误差信号产生部，428：伺服电路，429：线性马达，C：轴中心，Fz：激光，G：激光。
具体实施方式
在现有的结构中，安装于可动构件111的板簧114被钢球150以点来支承，因此能够减少摩擦阻力。但是，当可动构件111上下地进行几纳米至几微米的上下移动时，在板簧114与支承点133之间产生摩擦阻力。这成为可动构件111的上下移动的负荷，成为用于使触针的前端与物体以恒定的力接触的控制中的不稳定要素。
以下，参照附图，对本公开中的实施方式进行详细地说明。
(实施方式1)
图1A是表示使用了实施方式1所涉及的测定用探头的三维形状测定装置的概略结构的立体图。
与图10所示的现有的三维形状测定机比较，使用了实施方式1所涉及的测定用探头5的三维形状测定装置13的两个球形状的支承部附近的结构大不相同。
以下，记载测定时的测定用探头5的动作的概略。在使测定用探头5的前端与载置于平台1的物体2的测定面2a接触的状态下，测定用探头5能够在XY轴方向上相对移动。随着测定用探头5向XY轴方向的移动，测定用探头5的前端一边沿着物体2的测定面2a大致恒定地保持接触力一边进行追随来测定物体2的测定面2a的形状。
三维形状测定装置13使安装于移动体3的测定用探头5的前端追随固定于平台1的物体2的测定面2a，通过测定物体2的各点的位置信息来测定物体2的形状。作为位置信息的测定方法，在平台1上经由参照镜支承部分别配置X参照镜6、Y参照镜7以及Z参照镜8，通过基于以各个参照镜作为基准面的光干涉法的激光测长光学***4，从而获得XYZ的坐标位置。
在设置有测定用探头5的移动体3设置有X轴载物台部9和Y轴载物台部10，使测定用探头5追随物体2的测定面2a的表面形状，使移动体3分别在X轴方向和Y轴方向上移动。
而且，Z轴载物台部11能够沿Z轴方向即上下方向(铅垂方向)移动地被支承于平台1，在下端支承与物体2的测定面2a接触的测定用探头5，使测定用探头5能够上下移动。
控制部40与自动聚焦光学***41、X轴载物台部9、Y轴载物台部10、Z轴载物台部11、He-Ne激光器12等连接，通过进行各自的动作控制来控制三维形状测定动作。
在此，关于按照使测定用探头5的前端以大致恒定的力与物体2的测定面2a接触的方式控制探头位置的自动聚焦控制，分为机械结构、自动聚焦光学***41、控制方法，参照图1B的结构例进行说明。
首先，对机械结构进行说明。测定用探头5成为可动构件21贯通***空气轴承24且能够在Z坐标方向上移动的结构。此外，可动构件21在下端安装有触针22，在上端安装有反射面23。向该反射面23照射激光Fz，根据该反射面23的反射光进行反射面23的位置的测定。
在可动构件21安装有弹性地限制Z方向的移动的弹性件29、具体而言安装有板簧。该弹性件29配置为相对于可动构件21的上端向图1B的两侧延伸，如下所述，成为相对于空气轴承24被悬吊支承的结构。
在形状测定时，在可动构件21被弹性件29相对于空气轴承24悬吊的状态下，可动构件21相对于测定面2a而上下地进行追随。此时，可动构件21成为被空气轴承24限制在XY方向上的移动而在Z方向上自由移动的结构。
接下来，对自动聚焦光学***41进行说明。从半导体激光器417照射的激光G通过准直透镜418，并通过偏振分束器419和λ/4波长板420。然后，激光G被分色镜421反射，通过聚光透镜422聚光于可动构件21的上端的反射面23。
然后，在反射面23反射的反射光通过聚光透镜422，被分色镜421反射，被偏振分束器419全反射，被透镜423聚光。然后，光被半透半反镜424分离为两束，分别通过孔眼425a以及孔眼425b，由光检测器426a以及光检测器426b分别受光。
接下来，对自动聚焦控制的控制方法进行说明。两个光检测器426a以及光检测器426b的检测输出被输入到误差信号产生部427。聚焦误差信号从误差信号产生部427输出到伺服电路428。由伺服电路428驱动控制线性马达429，将探头主体416的位置对焦到能够得到规定的测定力的位置。
图2A是实施方式1中的测定用探头5的前端的放大剖视图。
测定用探头5至少具备：触针22；棒状的可动构件21；空气轴承24；两个磁铁31(第1磁铁31a和第2磁铁31b)；两个球形状的支承部(第1支承部30a和第2支承部30b)，换言之为弹性件支承部；以及板状的弹性件29。
触针22设置于测定用探头5的下端，与物体2的测定面2a接触。
可动构件21在上端具备反射来自激光测长光学***4的激光Fz的反射面23。
空气轴承24将可动构件21***并使其只能沿轴向(第1方向)即Z方向移动地进行支承。
两个磁铁31在空气轴承24的上端部固定于相对于可动构件21的轴中心C大致对称的位置。
两个球形状的弹性件支承部的例子为金属球，更具体而言为钢球30。两个钢球30载置于两个磁铁31的平面即上端面上，并且能够移动地通过磁力进行连结。
弹性件29粘接固定在可动构件21的上端部，并且延伸至两个球形状的钢球30而被载置支承。换言之，弹性件29粘接固定在可动构件21的上端部，并且载置在两个钢球30(第1支承部30a和第2支承部30b)上。
位于测定用探头5内的可动构件21如上所述，在下端安装有与物体2的测定面2a接触的触针22。此外，在可动构件21的上端安装有反射面23。为了利用光干涉法进行测长，从激光测长光学***4对反射面23照射激光Fz。此外，可动构件21以***空气轴承24的轴孔24a的状态被保持，只能在其轴向上移动。空气轴承24在将作为轴的可动构件21***轴孔24a的状态下进行支承。而且，空气轴承24具备：筒形状的空气轴承主体25，设置有用于向***轴孔24a的可动构件21引导并喷吹空气的空气通路；以及外壁，安装或结合于其他部件。在本实施方式中，空气轴承24的外壁由测定用探头5的壳体26形成。
壳体26是设置于测定用探头5的前端的筒状的容器，在前端保持空气轴承24。在壳体26上设置有用于向空气轴承主体25送入空气的空气接头27，从压缩机42等吹入压缩空气。在空气轴承主体25的表面形成有槽28，由壳体26的内侧壁和槽28的内壁面划定的槽28内的空间形成为用于使空气流动的路径。
根据该结构，在测定中的XY移动时，可动构件21在空气轴承24内相对于XY方向的移动被限制，只能在Z方向上移动。
板状的弹性件29与反射面23分开地在可动构件21的轴中心C附近被固定在可动构件21的上端。弹性件29配置为与可动构件21成为直角方向。作为弹性件29的具体例子是板簧。当可动构件21贯通空气轴承主体25的轴孔24a时，弹性件29的两端部以与位于空气轴承主体25的上表面的两个钢球30上接触的方式载置。即，可动构件21经由弹性件29支承于两端的两个钢球30，成为在空气轴承24的内部被悬吊的状态。
接下来，对安装于测定用探头5的前端的触针22一边与测定面2a接触一边在XY方向上相对移动时的测定用探头5的Z方向的动作进行说明。
在下端安装有触针22的可动构件21将来自激光测长光学***4的激光Fz照射在安装于上端的反射面23。构成为根据该激光Fz的反射光来测定反射面23的位置。而且，与激光Fz不同，来自自动聚焦光学***41的激光G照射到反射面23。根据激光G的反射光，检测测定用探头5内的反射面23的相对位置，通过自动聚焦控制，在Z轴方向上控制Z轴载物台部11，使得反射面23在测定用探头5内的Z轴方向的位置上相对恒定。而且，测定用探头5内的反射面23在Z轴方向的位置上，相对恒定的位置被设定在触针22的前端与测定面2a接触且弹性件29被两个钢球30支承而成为悬吊的状态的位置。
由此，安装于测定用探头5的触针22能够以大致恒定的微小的力维持与测定面2a接触的位置关系。在此，微小的力例如是几mgf至几十mgf。
这样，一边进行将测定用探头5内的反射面23的位置保持为恒定的自动聚焦控制，一边通过X轴载物台部9以及Y轴载物台部10，使包含测定用探头5的Z轴载物台部11相对于物体2的测定面2a在XY方向上相对移动。在这样的情况下，即使可动构件21根据测定面2a的形状的凹凸的变化而上下地变动，也能够通过Z轴载物台部11追随上下的变动，从而在XY方向上的移动中，测定用探头5能够以恒定的力持续与物体2的测定面2a接触。
然而，如图12所示的现有方法那样，当支承可动构件141的钢球150被固定时，弹性件149与可动构件141的上下移动相应地上下挠曲时，弹性件149与钢球150的接触点的位置会偏移。因此，在弹性件149与钢球150之间会产生微小的摩擦力。而且，该摩擦力成为相对于可动构件141的上下移动的摩擦阻力。以下，对此进行详细说明。
在图3A中示出在可动构件141从静止时至即将向下方移动之前的可动构件141、弹性件149和钢球150。在图3B中示出可动构件141静止时的弹性件149与钢球150的接触点周边的放大图。
参照图3B，对在可动构件141从静止的状态向下方开始移动之前的弹性件149与钢球150之间产生的摩擦力进行说明。在将弹性件149相对于水平方向的倾斜角度设为θ时，由于弹性件149在铅垂方向上对钢球150施加F1的力，因此作为F1的力的分力的一部分，钢球150对弹性件149施加的阻力为F1COSθ。在此，弹性件149与钢球150之间为静止摩擦，因此若将静止摩擦系数设为μ，则在弹性件149与钢球150之间产生的摩擦力为μF1COSθ。
接下来，在图4A中示出可动构件141向下方开始移动时的可动构件141、弹性件149和钢球150。在图4B中示出可动构件141开始移动时的弹性件149与钢球150的接触点周边的放大图。
参照图4B，对可动构件141向下方开始移动时的弹性件149与钢球150之间产生的摩擦力进行说明。与静止时相同，由于F1的力从弹性件149沿铅垂方向作用于钢球150，因此钢球150对弹性件149施加的阻力为F1COSθ。在此，由于可动构件141向下方开始移动且在弹性件149与钢球150之间产生的摩擦力是动摩擦，因此若将动摩擦系数设为μ’，则摩擦力为μ’F1COSθ。
接下来，在图5A中示出在可动构件141从静止时至即将向上方开始移动之前的可动构件141、弹性件149和钢球150。在图5B中示出可动构件141静止时的弹性件149与钢球150的接触点周边的放大图。
参照图5B，对在可动构件141从静止的状态向上方开始移动之前的弹性件149与钢球150之间产生的摩擦力进行说明。F2的力从弹性件149沿铅垂方向作用于钢球150，因此钢球150对弹性件149施加的阻力为F2COSθ。在此，由于在弹性件149与钢球150之间产生的摩擦力为静止摩擦，因此若将静止摩擦系数设为μ，则在弹性件149与钢球150之间产生的摩擦力为μF2COSθ。
接下来，在图6A中示出可动构件141向上方开始移动时的可动构件141、弹性件149和钢球150，在图6B中示出可动构件141开始移动时的弹性件149与钢球150的接触点周边的放大图。
参照图6B，对可动构件141向上方开始移动时的弹性件149与钢球150之间产生的摩擦力进行说明。与静止时相同，由于F2的力从弹性件149沿铅垂方向作用于钢球150，因此钢球150对弹性件149施加的阻力为F2COSθ。在此，由于可动构件141向上方开始移动且在弹性件149与钢球150之间产生的摩擦力是动摩擦，因此若将动摩擦系数设为μ’，则在弹性件149与钢球150之间产生的摩擦力为μ’F2COSθ。即，在自动聚焦控制中，在可动构件141保持恒定的位置时，可动构件141反复进行上下移动，但每当可动构件141的上下的移动方向切换时，在可动构件141上会产生从静止摩擦力μF1COSθ或μF2COSθ向动摩擦力μ’F1COSθ或μ’F2COSθ进行非线性变化的阻力。此外，在可动构件141在上下方向上移动的情况下的弹性件149对钢球150施加的力F1和力F2，力F1比力F2大。因此，在可动构件141的上移动时和下移动时，摩擦力的大小不同。
这样，相对于可动构件141的上下移动会产生摩擦阻力，并且该摩擦阻力非线性地变化，而且在上下方向上摩擦力的大小相互不同，因此基于自动聚焦控制的可动构件141对物体2的测定面2a的形状的追随性会变差。
因此，在本实施方式中，对于弹性件29相对于可动构件21的上下运动的挠曲，使得分别不会产生弹性件29与两个钢球30之间的偏移。即，使两个钢球30相对于空气轴承24的支承构造不是单纯的基于V槽的固定构造，而是设为能够允许相对于空气轴承24移动的支承构造。
具体而言，构成为各个钢球30与弹性件29的挠曲相应地能够从可动构件21的轴中心C沿放射方向前后移动。
接下来，以下详细地说明各个钢球30能够从可动构件21的轴中心方向沿放射方向前后移动的结构。即，如图2A所示，在空气轴承24且在相对于轴中心C大致对称的位置，例如隔开180度间隔固定两个磁铁31。而且，在这两个磁铁31的上端面上分别设置钢球30，利用磁铁31的磁力使空气轴承24与钢球30能够移动地连结。作为磁铁31相对于空气轴承24的固定方法，例如有使用粘合剂等进行固定的方法等。具体而言，在空气轴承24，相对于轴中心C隔开180度间隔形成两个凹部24b(第1凹部24b1和第2凹部2462)。利用粘合剂将磁铁31固定在各个凹部24b内。在此，磁铁31至少在上端面具有平面，例如为圆柱状。接下来，在各个磁铁31的上端面载置钢球30，利用磁铁31的磁力而能够移动地保持钢球30。最后，在各个钢球30上载置弹性件29。如图2B所示，关于凹部24b的深度D3中的除了磁铁31的厚度以外的剩余的尺寸D2，作为一个例子，设为能够在凹部24b内收纳磁铁31且能够收纳接近钢球30的下半部分的程度的尺寸。这样，能够将磁铁31和钢球30稳定地保持于空气轴承24。
另外，相对于轴中心C大致对称的位置并不限于隔开180度间隔的两个位置，例如也可以是隔开120度间隔的三个位置。
在此，凹部24b具有防止钢球30滚动而从磁铁31脱落的功能。为了实现该功能，关于钢球30的直径，需要使得即便测定时钢球30在磁铁31上微小滚动而移动，钢球30也不会与凹部24b的开口边缘接触。作为具体的一例，在钢球30的直径为1mm时，钢球30滚动的距离最大为几十μm。此外，认为磁铁31以及凹部24b的加工误差最大为100μm左右。假设在磁铁31的直径被加工小了100μm而凹部24b的直径被加工大了100μm的情况下，磁铁31的中心相对于凹部24b的中心会偏移100μm。因此，即使测定中钢球30在磁铁31上滚动几十μm，钢球30也不会与凹部24b的开口边缘接触，因此如图2B所示，关于凹部24b的直径，需要使凹部24b的开口边缘与钢球30之间的间隙距离D1为(100μm)+(几十μm)＝(一百几十μm)左右。
此外，如上所述，钢球30在磁铁31上滚动而不会从磁铁31上脱落即可。因此，作为凹部24b的深度D3中的除了磁铁31的厚度以外的剩余的尺寸D2的具体例子，优选为钢球30的直径的1/2以上且2/3以下。
在图7A以及图7B中示出在利用磁铁31连结钢球30和空气轴承24时，可动构件21上下移动时的弹性件29和钢球30的情况。
如图7A所示，在可动构件21沿着测定面2a的形状向-Z方向(即，下方)移动的情况下，弹性件29向下方凸出地挠曲，与此相应地，各个钢球30也在对应的磁铁31的上端面上向可动构件21的轴中心C的方向滚动(图7A(b))。而且，当可动构件21向-Z方向移动时，Z轴载物台部11向-Z方向移动，并且反射面23和自动聚焦光学***41的距离被控制，以便返回到所决定的位置。即，在可动构件21返回到所决定的位置时，由于弹性件29的挠曲也复原，因此与此相应地各个钢球30在对应的磁铁31的上端面上滚动，并向与可动构件21的轴中心C相反的方向返回。
接下来，如图7B所示，在可动构件21向+Z方向(即上方)移动的情况下，弹性件29向上方挠曲，与此相应地，各个钢球30也在对应的磁铁31的上端面上向可动构件21的轴中心C的方向的相反的一侧滚动(图7B(b))。而且，当可动构件21向+Z方向移动时，由于反射面23与自动聚焦光学***41的距离变短，因此Z轴载物台部11向+Z方向移动，并且反射面23和自动聚焦光学***41的距离被控制，以便再次返回到所决定的位置。即，在可动构件21返回到所决定的位置时，由于弹性件29的挠曲也复原，因此与此相应地各个钢球30在对应的磁铁31的上端面上滚动，并向可动构件21的轴中心方向返回。
对于伴随可动构件21的上下移动的、弹性件29的挠曲，在现有技术中，在支承弹性件149的钢球150与弹性件149之间会产生摩擦阻力。但是，根据本实施方式，通过各个钢球30与弹性件29的挠曲相应地在各个磁铁31的上端面上滚动，从而能够减轻摩擦阻力。其结果是，自动聚焦控制的追随性提高，测定时的物体2的测定面2a与触针22的接触力变得恒定。
即，两个钢球30分别通过磁力在两个磁铁31上可移动地被连结，粘接固定于可动构件21的上端部的板状的弹性件29载置于两个钢球30上并被悬吊支承。因此，在弹性件29随着可动构件21的上下移动而挠曲时，通过消除弹性件29与钢球30的接触面上的偏移，减少摩擦阻力，作为可动构件21的位置控制的自动聚焦控制的追随性变好。根据这样的结构，在使测定用探头5的前端与物体2的测定面2a接触来进行测定的三维形状测定装置13中，与以往相比，能够将测定用探头5的前端施加于测定面2a的力维持为恒定。进而，由于力保持为恒定，因此测定用探头5的前端能够以更小的力与测定面2a接触。
进而，如上所述，自动聚焦控制的追随性提高，与现有方法相比，接触力更恒定，因此即使将接触力自身设定得更小，也能够进行自动聚焦控制的追随。
此外，磁铁31的磁力具有中心附近最强且磁力随着朝向外侧而变弱的性质。因此，在稳定时，钢球30被保持在磁铁31的中心。因此，在取下测定用探头5的情况下，或者，即使在对测定用探头5本身施加冲击的情况下，钢球30也能够复原到磁铁31的上端面上的规定的位置。
(第2实施方式)
接下来，使用图8对本公开的第2实施方式进行说明。第2实施方式的测定用探头5是与第1实施方式的测定用探头5大致相同的结构，因此以不同点为中心进行说明。
与第1实施方式相同，在距可动构件21的轴中心C大致对称的位置，两个钢球30配置于空气轴承24，在钢球30的下部，磁铁31被固定于空气轴承24。然而，与第1实施方式不同，第2实施方式在钢球30与磁铁31之间配置有与钢球30的接触面的面精度高(例如表面粗糙度Ra为6.3以上)的磁性体60(例如SUS等)。即，在第1支承部30a与第1磁铁31a之间配置第1磁性体60a。而且，在第2支承部30b与第2磁铁31b之间配置第2磁性体60b。磁铁31具有材质上易碎的性质，难以通过研磨加工等提高面精度。因此，通过将容易进行研磨加工的SUS等磁性体60***磁铁31与钢球30之间，能够在保持磁力的基础上使钢球30的滚动良好。此外，根据该方法，钢球30不会直接在磁铁31上滚动，因此也能够获得防止磁铁31磨损的效果。
(第3实施方式)
接下来，使用图9对本公开的第3实施方式进行说明。
第3实施方式的测定用探头5是与第1实施方式的测定用探头5大致相同的结构，因此以不同点为中心进行说明。
与第1实施方式相同，在距可动构件21的轴中心C大致对称的位置，两个钢球30配置于空气轴承24，在钢球30的下部，磁铁31被固定于空气轴承24。然而，与第1实施方式不同，第3实施方式具有在钢球30与磁铁31之间配置非磁性体70，通过非磁性体70调整磁铁31的磁力的机构。即，在第1支承部30a与第1磁铁31a之间配置第1非磁性体70a。而且，在第2支承部30b与第2磁铁31b之间配置第2非磁性体70b。如第1实施方式所述，成为各个钢球30与弹性件29的挠曲相应地相对于可动构件21的轴中心C沿放射方向前后滚动的结构。在此，在钢球30离开磁铁31中心时所产生的基于磁力的复原力相对于作用于弹性件29和钢球30的静止摩擦力强的情况下，钢球30不能滚动，与弹性件29的挠曲相应地在弹性件29与钢球30之间会产生摩擦阻力。进而，即使在钢球30在磁铁31上滚动的情况下，若磁铁的复原力强，则也存在对基于自动聚焦控制的可动构件21的上下移动控制成为阻力的情况。因此，需要调整磁铁31的磁力，但磁铁自身的磁力的微小调整是困难的。因此，在磁铁31与钢球30之间配置非磁性体70，通过调整该非磁性体70的厚度或者材质，能够进行磁铁31的磁力的微调整，从而能够得到对自动聚焦控制而言最佳的磁力。而且，通过提高非磁性体70与钢球30的接触面的面精度，从而能够获得与第2实施方式所示的效果类似的效果。
另外，通过适当组合上述各种实施方式中的任意的实施方式例，从而能够起到各自具有的效果。此外，能够进行实施方式彼此的组合，并且能够进行实施方式中的特征彼此的组合。
如上所述，本公开用于解决现有的课题，减少可动构件上下移动时的微细的摩擦阻力，使可动构件的上下移动更加顺畅。由此，能够提供测定用探头的前端以恒定的力与测定面接触的形状测定用探头。
换言之，根据本公开的方式，两个为球形状且为磁性体的支承部通过磁力在两个磁铁上可移动地被连结，粘接固定于可动构件的上端部的板状的弹性件载置在两个球形状的支承部上并被悬吊支承。根据这样的结构，在使测定用探头的前端与物体的测定面接触来进行测定的三维形状测定装置中，与以往相比，能够将测定用探头的前端施加于测定面的力维持为恒定。进而，由于力保持为恒定，因此测定用探头的前端能够以更小的力与测定面接触。
本公开的上述方式所涉及的测定用探头不仅适用于测定光学部件或者模具等非球面物体的表面形状的三维形状测定装置，还可以适用于测定半导体制造用的晶片或者磁存储盘等薄板材的平坦度或者厚度等的形状测定装置等的测定用探头。

Claims (5)

1.一种形状测定用探头，具备：
棒状的可动构件，在上端具有反射激光的反射面；
触针，设置在所述可动构件的下端，与物体接触；
空气轴承，具有轴孔，使所述可动构件贯通所述轴孔且能够沿第1方向移动地进行支承；
第1磁铁和第2磁铁，相对于所述可动构件的轴中心大致对称地固定在所述空气轴承的上端部；
第1支承部，能够在所述第1磁铁上移动地通过磁力与所述第1磁铁连结，该第1支承部为球形状且为磁性体；
第2支承部，能够在所述第2磁铁上移动地通过磁力与所述第2磁铁连结，该第2支承部为球形状且为磁性体；以及
板状的弹性件，粘接固定于所述可动构件的上端部，并且载置于所述第1支承部与所述第2支承部上。
2.根据权利要求1所述的形状测定用探头，其中，
在所述第1磁铁与所述第1支承部之间配置第1磁性体，通过所述第1磁铁的磁力经由所述第1磁性体而在所述第1支承部支承所述弹性件，
在所述第2磁铁与所述第2支承部之间配置第2磁性体，通过所述第2磁铁的磁力经由所述第2磁性体而在所述第2支承部支承所述弹性件。
3.根据权利要求1所述的形状测定用探头，其中，
在所述第1磁铁与第1支承部之间配置第1非磁性体，通过所述第1磁铁的磁力经由所述第1非磁性体而在所述第1支承部支承所述弹性件，
在所述第2磁铁与第2支承部之间配置第2非磁性体，通过所述第2磁铁的磁力经由所述第2非磁性体而在所述第2支承部支承所述弹性件。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的形状测定用探头，其中，
所述第1磁铁以及所述第2磁铁的上端面为平面，所述第1支承部以及所述第2支承部为钢球。
5.根据权利要求1所述的形状测定用探头，其中，
所述空气轴承具有第1凹部和第2凹部，
所述第1支承部的至少一部分和所述第1磁铁配置在所述第1凹部，
所述第2支承部的至少一部分和所述第2磁铁配置在所述第2凹部。
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