專利名稱：：三維測定探頭的制作方法
技術領域：
：本發明涉及一種三維測定探頭，其主要以0.01微米級的超高精度來測定非球面透鏡等被測物的形狀等，其中，其安裝在測定范圍對小的物體來說XYZ方向(長、寬、高)是30mmX30mmX20mm、對大的物體來說是400mmX400mmX90mm的超高精度三維測定儀上，測定面的傾斜角度從0度至與任意方向成75度的高傾斜部，能夠通過連續掃描在探頭(probe)軸方向用測定力0.10.3mN這一低測定力幾乎不造成傷痕地來測定被測物。
背景技術：
：非球面透鏡需要制作到O.l微米以下的高精度，只用機械性加工是達不到該精度的。于是，發明了0.01微米級精度的超高精度三維測定儀和安裝于該三維測定儀的三維測定探頭。其內容如專利文獻1、2等所述。利用這種測定儀來測定非球面透鏡，通過將其測定結果反饋給非球面透鏡的加工，就能夠以0.1微米以下的精度來制造非球面透鏡的模具。但是，近年來應用于數碼相機或大容量光盤等的非球面透鏡由于要求薄型化、高畫質、廣角化及高變焦倍數等，其必要精度越發提高。于是，要求實現更進一步高精度化的探頭。另一方面，還要求在工廠的現場，操作者可以簡便又頻繁使用的、牢固的、長壽命的三維測定探頭。下面，參照專利文獻1、2簡單地說明現有的非球面透鏡的三維形狀測定探頭。圖10表示專利文獻1所述的三維測定探頭。固定于與被測物S相接的觸針305上的小滑動軸部306可相對于小空氣軸承307在Z方向移動，由板簧350從原子力探頭框303吊起。在小滑動軸部306上安裝有反射鏡309，使發自半導體激光器334的半導體激光在反射鏡309聚光，被反射鏡309反射，以光探頭變位檢測部302和原子力探頭框303作為一體由線圈313進行驅動，以使小滑動軸部306的相對于光探頭變位檢測部302的變位保持恒定。此處，將以使發自半導體激光器334的半導體激光聚光于反射鏡309的面上的形式開始的伺服稱作聚焦伺服。對于測定點的Z坐標測定，直接測出至反射鏡309的距離的變位量，使振蕩頻率穩定化激光Fz照射在反射鏡309上，使來自反射鏡309的反射光發生干涉來測定的，所以，在上述聚焦伺服上即使有誤差也只造成一點測定力的變動，幾乎不會成為測定誤差。圖11表示專利文獻2所述的測定用探頭。與專利文獻1同樣，小滑動部316為圓筒形，由板簧315支承，安裝有反射鏡319。圖5B表示專利文獻3所述的適合搭載專利文獻12的探頭的超高精度三維測定儀的構成。搭載有用于測定XYZ坐標的振蕩頻率穩定化激光器127、測長單元、Z滑塊111、光探頭變位檢測部112的上石平臺106，利用X載物臺121、Y載物臺122而在XY方向移動。在下石平臺123上固定有X參照反射鏡124、Y參照反射鏡125、上Z參照反射鏡126，其中，上Z參照反射鏡126固定于在下石平臺123上固定的圓形底座107上，在被測物101的測定點的軸上，通過利用振蕩頻率穩定化激光器127測定它們到高平面反射鏡(X參照反射鏡l:24、Y參照反射鏡125、上Z參照反射鏡126)的距離的變化，從而即使X載物臺121、Y載物臺122的移動直線度是1微米級，也能得到參照反射鏡124、125、126的直線度即10nm級的坐標軸精度。但是，專利文獻3由于是在發明出被命名為專利文獻12的原子力探頭的三維測定探頭之前撰寫的，所以探頭只涉及光探頭112。圖12及圖13表示專利文獻4所述的接觸式探頭。圖14A及圖14B表示專利文獻5所述的靜壓軸承裝置及變位測定裝置。專利文獻l:日本特許第3000819號公報(第3頁，圖l)專利文獻2:日本特開2006—78367號公報(第16頁，圖8)專利文獻3:日本特許第3046635號公報(第6頁，圖l)專利文獻4:日本特開2003—42742號公報(第19頁，圖1、圖2)專利文獻5:日本特公平07—58161號公報(第6頁，圖l)(1)敘述獨立形式的技術方案所述的本發明想要解決的課題。本發明的一個方式的目的是實現三維測定探頭，其能夠以更高精度測定非球面透鏡等被測物的形狀，可實現不易損壞且長壽命低成本的三維測定探頭。用于以超高精度測定的探頭的必要條件是，測定力小到0.10.3mN(1030mgf)、與此相反相對于該微小的測定力探頭快速響應、相對于橫向的力探頭前端的觸針不會傾斜。由于若使測定力變大則會使測定面變形，因而導致測定精度下降。另外，與測定面相接的觸針的磨損過快。由于若探頭的響應慢則追隨于測定面，導致不得不使掃描速度降低，所以，測定時間變長，在此期間溫度變化等引起的數據偏差而使測定精度惡化，致使效率變差。若測定面傾斜則對觸針前端施加橫向的力，但若傾斜角度超過45度則相比于探頭的移動方向在橫向的力變大。所以，若觸針傾斜，則會成為現有例所述的不論哪一個探頭都會產生測定誤差。因此，需要剛性盡可能高的引導件，使得在施加在觸針前端的橫向力的作用下觸針不會傾斜。若設測定力為F、可動部質量為M，觸針的響應加速度為a，則根據牛頓力學，(數學式l)F二Ma…(1)若想盡可能地減小測定力F，盡可能地增大響應加速度a，則只能是盡可能地減小可動部質量即小滑動軸部的質量M。另外，為了相對于橫向力不使觸針傾斜，就必須使其在移動方向上無摩擦地移動，就必須是在垂直于移動方向的方向上可實現極高的剛性的構造。本發明者歷經數年的研究開發的結果是，開發了圓筒形的微型氣動滑塊，實現了可動部質量為0.2克的小滑動軸部。此處，預先說明一下"微型氣動滑塊"這一句話的含義。小滑動軸部在小空氣軸承中轉動，將小滑動軸部與小空氣軸承合在一起叫做"微型氣動滑塊"。通常市售的氣動滑塊即使再小可動部質量也有100克。與此相對，這里所說的"微型氣動滑塊"的可動部質量為0.2克明顯地輕巧。在本發明的
技術領域：
即超高精度三維測定儀方面，要使對于以微小的測定力動作的小滑動軸部的相對于包括小空氣軸承的光探頭變位檢測部的變位變為零，就要使電流通過線圈以驅動探頭部整體，使Z方向成為較大動作的大氣動滑塊的雙重構造。若設測定力為0.2mN、小滑動軸部的質量為0.2克，則利用式(1)得到探頭的響應加速度為O.IG。在此，G為重力加速度。若是這種程度的響應加速度，則只要直徑30mm以上的光滑的非球面透鏡，就能夠用最高每秒10mm，即使是此直徑以下的透鏡也能用最高每秒5mm的測定速度來進行測定。將微型氣動滑塊做成圓筒的理由是，可以用最小的質量得到最大的剛性。氣動滑塊通過在引導部形成24大氣壓的高氣壓的膜，可用高的剛性保持軸。在圓筒微型氣動滑塊的情況下，即使直徑小到4mm以下，只要將引導部的間隙高精度地制作成狹小到10微米以下，空氣流量就不會大到使注入空氣的氣壓明顯下降，所以能夠在引導部形成高的氣壓的膜，可以保持高的剛性。但是，若以棱柱使氣動滑塊減小，則由于不能將棱柱的棱角部分做成IO微米以下的狹小間隙，因此，在角部分空氣泄漏而使空氣流量變大，從而不能保持引導部的高氣壓，因而就不能實現高的剛性。若角以外的部分在5微米以下，則形成更窄狹縫，雖然只要提高注入空氣的氣壓，剛性就能稍微提高，但比圓柱剛性差，有加工困難、在長時間使用時因在間隙部附著雜物而引起的故障可能性等問題多，因而實用化困難。微型氣動滑塊的小滑動軸部由彈性部件支承，以測定力0.2mN在Z方向以IO微米左右動作，而在橫向施加相同的力時的偏移必須為10納米以下。即，探頭剛性的縱橫比必須達到千倍。所以，測定面的傾斜角度45度時的測定誤差就是10nm。這是所要求的最低的剛性。如果沒有滿足這些所有的條件，就不能制作成以0.01微米級的超高精度測定非球面透鏡的形狀等的三維測定用探頭。滿足這些條件的探頭，就現有的技術而言也只有專利文獻12所述的技術。但是，專利文獻12所述的探頭存在的問題是只能從上方測定被測物。即，在圖10中，板簧350只是安裝在形成于空氣軸承部307的上面的突起部上。在圖11中，板簧315只是安裝在埋入空氣軸承部317上端的球53之上。因此，若將這些探頭放置成橫向，則板簧350、315遠離突起部及球53，不能發揮彈性，若上下顛倒就會使該微型氣動滑塊落下。即，由于是從上方懸吊的結構，所以只能從被測物的上面進行測定。若是只能從被測物的上面來測定，則制造的探頭不能從上下或左右來測定被測物的一實例的透鏡的表背面。這是專利文獻12所述的現有探頭的第一課題。若使板簧接觸于空氣軸承部，則雖然成為不論從被測物的橫向還是從下面都能進行測定，但這樣一來，因誤操作等在觸針5上施加了過度的測定力時，就使板簧受到破壞。因此，板簧350、315也不能接觸于空氣軸承部。若使圓筒形的微型氣動滑塊在測定過程中稍微轉動，則由于觸針前端一般形成偏心而造成測定誤差。但是，不可能與微型氣動滑塊的軸完全一致來安裝觸針前端。在專利文獻12所述的現有探頭中，由于微型氣動滑塊只是在板簧350、315和突起部、球53之間的摩擦力的作用下阻止旋轉，所以其還存在下述課題，即只要有一點沖擊使微型氣動滑塊稍微旋轉，就會產生測定誤差。這是專利文獻12所述的現有探頭的第二課題。另外，由于板簧厚度極薄只有10微米，所以其存在的問題是因長期使用而造成變形或易于損壞。由于也只能是有限的人員修理，所以存在在測定室也只有有限的人員能夠使用三維測定探頭這一傾向。這是專利文獻12所述的現有探頭的第三課題。專利文獻3公開的是適宜搭載本發明的探頭的整體構成，如上所述帶有光探頭。光探頭雖然具有完全不接觸這一優點，但如下所述存在許多的缺點，就高精度的三維測定而言在實用性上幾乎不能使用。就光探頭而言，若被測物的測定面傾斜，則即使從測定面的上方受光，反射光也會按傾斜角度的2倍傾斜反射。例如若使測定面傾斜60度，則反射光射入120度的下方，所以完全不能測定。另外，光探頭因測定面的反射率而使反射光量變化，若反射光量變化，則對于聚焦伺服而言由于偏心(offset)及雜散光引起焦點位置的偏移而造成誤差，若為了測長而想要使其與參照光發生干涉，反射光量明顯變化，則發不出正確的干涉信號而造成測定誤差。再者，還不能測定做了無反射涂層的面。再者，光探頭因測定面的表面粗糙度，具有只能測定研磨面的方式和不能測定研磨面的方式。不能測定研磨面的方式，一般被稱為三角測距，所以不能進行高精度測定。只能測定研磨面的方式，即使以使來自測定面的反射光與參照光發生干涉的方式，配合于測定面的傾斜而挪動航路也只能測定最大30度的傾斜面，而測定路徑上一旦有灰塵及傷痕就不能進行測定，測定非常不容易。如上所述，用專利文獻3所公示的光探頭非常困難，其結果是，產生出來的發明就是專利文獻12，而如上所述，專利文獻12中存在第一第三課題。專利文獻12的探頭可安裝在如圖5B所示的專利文獻3的光探頭112的前端。但是，光探頭112前端的透鏡與專利文獻1的透鏡14不同。再者，解決專利文獻12的所述第一第三課題的就是本發明。專利文獻4如圖12所示，其構成為氣動滑塊62的自重用由磁鐵418、線圈419及磁軛417構成的磁路保持。在該文獻中，沒有記載氣動滑塊62是圓筒形還是棱柱狀。但是，磁路的構成如圖13所示，可動部磁軛(在專利文獻4中記載為透鏡固定塊)415基本呈正方形，由于如果氣動滑塊62為圓柱則磁路向磁阻更小的方向移動，所以造成可動部磁軛415旋轉直到碰貼到固定部磁軛417為止，不能使探頭419工作。由此看來，氣動滑塊62應該是棱柱。若專利文獻4的氣動滑塊是棱柱，則根據上述理由，存在不能制作既輕便剛性又高的探頭這一課題。另外，如果氣動滑塊為圓柱則可動部和固定部的磁軛彼此一起轉動后碰貼在一起，則存在作為探頭不工作這一課題。另外，在專利文獻4中，將Z軸做成Z驅動螺桿47以驅動具有軸承的引導件424。雖然也存在軸承球度等問題，但軸承引導件424若不按壓軸承就不會保持直線度工作，但由于按壓力的緣故，在驅動上需要摩擦力，在驅動方向改變時若驅動位置完全失去重心則造成光探頭變位檢測部傾斜。另外，如專利文獻4的如圖12所示，若用Z驅動螺桿47來驅動Z軸，則施加因螺桿偏心引起的橫向的力，使移動直線度惡化。不能使螺桿的偏心為零。另外，在螺桿上必定要有數微米的螺紋間隙(backlash),若想要消除此間隙而強力擰緊，則變得很硬而不能移動。因此就不能以亞微米精度進行聚焦伺服。專利文獻5中，氣動滑塊為圓柱。如圖14A及圖14B所示，由磁鐵(固定于探頭軸533的磁性體)535及線圈536控制軸方向的移動，而在軸533上刻有槽534(參照圖14B的槽加工)，利用空氣的流動阻止軸533的旋轉。但是，就該構造而言，由于在氣動滑動軸.533上附有長的磁性體535，因而可動部質量變重。磁性體535為鐵，氣動滑塊533由鋁做成，由于鐵的比重是鋁的三倍，所以可動部質量為三倍以上，因而存在不能制作出既輕便剛性又高的探頭這一問題。再者，還存在下述課題，即，為了在軸533上與空氣噴出部密和精度優W、不制作飛邊就必須加工槽534，因而提高了成本。
發明內容本發明是解決上述現有課題的，其目的在于提供一種三維測定探頭，其能夠以0.01微米級的超高精度來測定非球面透鏡等被測物的形狀等，即，使用0.10.3mN的低測定力和剛性縱橫比千倍的微型氣動滑塊，既不產生因觸針前端的轉動引起的誤差，又不易損壞且長壽命，制作也顯著不難。為了實現上述目的，依照本發明的第一方式，本發明提供的三維測定探頭具備圓柱形的小滑動軸部，其一端設有與被測物的表面相接的觸針，同時另一端設有磁性體銷；小空氣軸承部，形成有與所述小滑動軸部嵌合的圓筒形的孔，且具有空氣噴出部，該空氣噴出部在所述小空氣軸承部與所述小滑動軸部的間隙形成壓縮空氣膜；磁力產生裝置，配置于該小空氣軸承部端部的磁鐵和多個磁軛與所述銷在非接觸的狀態下構成磁路，產生阻止所述圓柱形小滑動軸部向軸方向即Z方向的移動和向繞所述Z方向的旋轉方向的移動的磁力；變位檢測裝置，對所述小滑動軸部相對于所述小空氣軸承部在所述z方向上的變位進行檢測；Z載物臺，引導所述小空氣軸承部向所述Z方向的移動；Z載物臺驅動裝置，其使所述被測物或所述Z載物臺向與所述Z方向分別正交且彼此正交的XY方向移動，同時驅動所述Z載物臺以使所述觸針沿著所述被測物的形狀移動的所述z方向的變位大致一定。依照本發明的第二方式，提供一種如第一方式所述的三維測定探頭，其特征在于，所述多個磁軛中的至少一個磁軛為環形的磁軛。依照本發明的第三方式，提供一種如第一第二方式中任一項所述的三維測定探頭，其中，所述銷與所述磁軛的間隙部附近的形狀是，在所述z方向厚、在所述旋轉方向薄的錐形，換言之，所述銷與所述磁軛的間隙部附近的形狀是，在所述Z方向具有一定的厚度，在所述銷的兩端部，沿所述銷的長度方向從中心部側朝向端部側形成為錐形。依照本發明的第四方式，提供一種如第一第三方式中任一項所述的三維測定探頭，其中，所述銷和所述磁軛的間隙部附近的、所述銷和所述磁軛的形狀是所述磁軛比所述銷厚。依照本發明的第五方式，提供一種如第一第三方式中任一項所述的三維測定探頭，其中，所述變位檢測裝置由光探頭變位檢測部構成，所述光探頭變位檢測部至少包含與所述小空氣軸承部一體固定且發出激光的半導體激光器、配置于所述小滑動軸部且被照射了來自所述半導體激光器的所述激光后使其反射的反射鏡、使來自所述半導體激光器的所述激光聚光于所述反射鏡的透鏡、和接收來自所述反射鏡的反射光的光檢測器，所述變位檢測裝置構成為，來自所述半導體激光器的所述激光照射到所述反射鏡，用所述光檢測器來接受來自所述反射鏡的反射光，根據該光檢測器的輸出信號檢測所述z方向的變位。依照本發明的第六方式，提供一種如第五方式所述的三維測定探頭，其中，還具備，發出震蕩頻率穩定化激光的振蕩頻率穩定化激光器、和使由所述振蕩頻率穩定化激光器發出的所述振蕩頻率穩定化激光照射到所述變位檢測裝置的所述反射鏡，利用由所述反射鏡反射后的反射光測定所述反射鏡的Z坐標的Z坐標測定裝置。依照本發明的第七方式，提供一種如第一第六方式中任一項所述的三維測定探頭，其中，設置有非磁性體的止動器，該止動器在下述情況下用于阻止所述小滑動軸部的過度的移動，所述情況是在所述小滑動軸部的所述Z方向、或在以所述Z方向為軸的旋轉方向上施加有一個力，且該力超過7用于阻止所述小滑動軸部相對于所述小空氣軸承部的向所述z方向和向以所述Z方向為軸的所述旋轉方向的移動的磁力的情況。依照本發明的第八方式，提供一種如第一第七方式中任一項所述的三維測定探頭，其中，所述z載物臺由空氣軸承構成。依照本發明的第九方式，提供一種如第一第八方式中任一項所述的三維測定探頭，其中，所述z載物臺驅動裝置由與所述z載物臺連接的線圈、和給所述線圈通電流而沿所述z方向驅動所述z載物臺的磁路構成。依照本發明的第十方式，提供一種如第一第九方式中任一項所述的三維測定探頭，其中，所述z載物臺的謝動部被產生基本等于其重量的張力的由巻成渦旋狀的薄板構成的恒定負荷彈簧支承。如上所述，根據本發明的三維測定探頭，通過小的可動部質量的磁性體銷、和安裝于小空氣軸承部的磁鐵、和磁軛構成磁路，能夠在非接觸狀態下限制旋轉和軸方向的移動，能夠解決下述問題，即，用最小的可動質量部得到最大的橫向剛性的圓筒形氣動滑塊的缺點即因旋轉引起的誤差發生，和由于迄今只用薄片彈簧懸吊而只能從被測物之上進行測定這一問題，以及薄片彈簧在長期使用中易損壞這一問題。因此，能夠實現更高的精度且長期使用也不易損壞的三維測定探頭。再者，由于組裝及安裝也變得容易，所以若使用本探頭，則從現有的只是局限于測定室的人才使用的測定儀，變為安置于工廠現場就能夠輕松地進行測定的測定儀。，，另外，由于沒有必要用彈簧懸吊，所以不僅能從上方還能從下方或從左右測定被測物的形狀，使得在非球面透鏡的測定中能夠超高精度地測定表背面的傾斜及偏心。與此相對，在現有技術中，由于只能從非球面透鏡之上進行測定，所以即使能夠測定面的形狀，也因為不能很容易地測定上面和下面、與側面的位置關系，因而就不能制作更高精度的透鏡。但是，依照本發明，能夠提供一種三維測定探頭，其不論從非球面透鏡的下面還是橫向，都能超高精度地測定。由此，能夠使達到薄型化和高畫質的照相機或達到大存儲容量化的光盤等透鏡的性能、品質及生產成品率提高。本發明的上述和其他的目的及特征，將通過與附圖的最佳實施方式相關聯的下述敘述而變得明晰。在這些附圖中，圖1A是本發明實施方式的三維測定探頭的關鍵部位放大圖lB是本發明上述實施方式的三te測定探頭的關鍵部位放大圖；圖2A是在本發明上述實施方式的三維測定探頭的關鍵部位上帶有原子力探頭框的圖2B是表示本發明上述實施方式的三維測定探頭的關鍵部位，即環形的磁軛和磁性體銷之間的關系的立體圖2C是表示本發明上述實施方式的三維測定探頭的關鍵部位，即與環形的磁軛不同的另一個磁軛的前端和磁性體銷的前端之間的關系的仰視圖2D是表示本發明上述實施方式的三維測定探頭的關鍵部位，即與環形的磁軛不同的另一個磁軛的前端和磁性體銷的前端之間的關系的側視圖3A是本發明上述實施方式的鳥含有三維測定探頭的上側的光探頭變位檢測部的簡要構成說明圖3B是本發明上述實施方式的包含有三維測定探頭的下側的光探頭變位檢測部的簡要構成說明圖4是本發明上述實施方式的三維測定探頭的Z方向的構成圖5A是能夠安裝本發明上述實施方式的三維測定探頭的超高精度三維測定儀的構成圖5B是專利文獻3所述的超高精度三維測定儀的構成圖6A是表示本發明上述實施方式的三維測定探頭的測定路徑的說明圖6B是表示本發明上述實施方式的三維測定探頭的測定路徑的說明圖6C是表示本發明上述實施方式的三維測定探頭的測定路徑的說明圖7是關于本發明上述實施方式的三維測定探頭的測定力的說明圖8是因測定力產生觸針旋轉誤差的說明圖9是沒有產生因測定力造成的觸針旋轉誤差時的說明圖10是專利文獻1所述的現有的三維測定探頭的構成圖11是專利文獻2所述的現有的三維測定探頭的構成圖12是專利文獻4所述的現有的接觸式探頭的構成圖13是專利文獻4所述的現有的接觸式探頭的關鍵部位說明圖14A是專利文獻5所述的現有靜壓軸承裝置及變位測定裝置的構成圖14B是專利文獻5所述的現有靜壓軸承裝置及變位測定裝置的構成圖。具體實施例方式在繼續本發明的敘述之前，對于附圖中相同的部件標注相同的符號。下面，根據附圖詳細說明本發明的實施方式。(實施方式)圖1A及圖1B表示可安裝本發明的實施方式的三維測定探頭2A的、超高精度三維測定儀的三維測定探頭2A的關鍵部位結構。圖1A及圖1B是相同的探頭2A，圖1A表示從上方測定被測物1的表面S時的探頭2A的配置，圖1B表示從下方測定被測物1的表面S時的探頭2A的配置。雖然未圖示，但不論從橫向還是斜向相對于被測物1都能配置該探頭2A。圖3A是包含上述實施方式的三維測定探頭的上側的光探頭變位檢測部的簡要構成說明圖，圖3B是將圖3A上下倒置時的圖，是包含上述實施方式的三維測定探頭的下側的光探頭變位檢測部的簡要構成說明圖。在從下方測定被測物1的表面S的情況下，被測物保持部件98的構成例如為，做成環狀來保持被測物l的周圍，能夠從下側測定被測物l周圍以外的背面，同時，將如圖3B所示的探頭2A配置于被測物1的下方，若下側的光探頭變位檢測部獨立于上側的光探頭變位檢測部而能夠移動來配置，則能夠從被測物1的上下同時測定表背兩面。本實施方式的三維測定探頭2A如下構成，具備圓筒形的小滑動軸部6、小空氣軸承部7A、磁力產生裝置95、作為變位檢測裝置的一例發揮功能的光探頭變位檢測部2、作為Z載物臺的一例發揮功能的大氣動滑塊(本說明書中是指比微型氣動滑塊大的大型構造，可將大氣動滑塊稱作"第一氣動滑塊"，將微型氣動滑塊稱作比第一氣動滑塊小的"第二氣動滑塊)(由Z方向大氣動滑塊引導件35和大氣動滑塊可動部11構成的大氣動滑塊)89、以及作為Z載物臺驅動裝置的一例發揮功能的Z方向驅動裝置43。即，探頭2A具備在與圓筒彬的微型氣動滑塊的觸針5—體固定的小滑動軸部6上安裝的小的可動部質量的磁性體銷20;與在小空氣軸承部7A的端部安裝的磁鐵(微型氣動滑塊用磁鐵)29a、29b和多個磁軛(微型氣動滑塊用磁軛)8a、8b—l、8b—2非接觸地構成微型氣動滑塊用磁路MC，以非接觸的方式產生阻止軸方向的轉動和旋轉(向上述圓筒形的小滑動軸部的軸方向即Z方向的移動、和向繞上述Z方向的轉動方向的移動)的磁力的磁力產生裝置95;以及使Z方向整體移動以使微型氣動滑塊的變位大致一定的Z方向驅動裝置43，由此，不論從被測物1的下方還是從橫向都能進行測定。在此，再一次說明"微型氣動滑塊"這一詞語的含義。小滑動軸部6在小空氣軸承7中移動，將小滑動軸部6與小空氣軸承7合在一起叫做"微型氣動滑塊"。一般市場銷售的氣動滑i央即便很小，可動部質量也會達到100克。與此相對，在本實施方式所iA的"微型氣動滑塊"的可動部質量例如每臺只有0.2克，很明顯輕且小。在本實施方式的超高精度三維測定儀中，如后述，在Z方向，要使對于以微小的測定力動作的小滑動軸部6的相對于包括小空氣軸承7的光探頭變位檢測部2的變位變為零，就要使電流通過線圈13以驅動光探頭變位檢測部2整體，使Z方向成為較大動作的大氣動滑塊的雙重構造。需要說明的是，該光探頭變位檢測部2，是檢測上述小滑動軸部7相對于上述小空氣軸承部7A的在上述Z方向上的變位的部件。若設測定力為0.2mN、小滑動軸;都6的質量為0.2克，則根據上述式(1)得出探頭2A的響應加速度為O.IG。在此，G為重力加速度。若是這種程度的響應加速度，則只要是作為被測物1的一例的直徑30mm以上的光滑的非球面透鏡，就能夠用最高每秒10mm，即使是此直徑以下的透鏡也能用最高每秒5mm的測定速度來進行測定。將微型氣動滑塊做成圓筒形的理由是，用最小的質量得到最大的剛性。氣動滑塊通過在引導部形成24大氣壓的高氣壓的膜，可在高的剛性下保持軸。在圓筒微型氣動滑塊的情況下，由于即使直徑小到4mm以下，只要將引導部的間隙高精度地制作成狹小到10微米以下，則空氣流量就不會大到使注入空氣的氣壓明顯下降，所以能夠在引導部形成高的氣壓的膜，進而可以保持高的剛性。微型氣動滑塊的小滑動軸部6由彈性部件支承，在測定力0.2mN下在Z方向上以10微米左右動作，而在橫向施加相同的力時的偏移必須設為IO納米以下。g口，探頭剛性的縱橫比達到l千倍以上。這樣，測定面的傾斜角度45度時的測定誤差就成了10nm。這是所要求的最低的剛性。關于該結構將在后面述及。連結固定在觸針5的基端側的小滑動軸部6被加工成亞微米等級的高精度的圓筒狀，其中，所述觸針5在前端帶有與被測物1的測定表面S相接的觸針前端球5a。小滑動軸部6嵌合于小空氣軸承7，小空氣軸承7與小滑動軸部6具有10微米以下的間隙，且小空氣軸承7具有以該形式加工成高精度的圓筒形的孔7g，小滑動軸部6在該小空氣軸承7的孔7g中，在壓縮空氣的膜的作用下，可以無摩擦地向Z方向(小滑動軸部6的軸方向)和以Z方向為軸的旋轉方向滑動。如圖1A圖2A所示，小空氣軸承7由于在周方向每隔規定間隔具有凹部18b，同時緊貼原子力探頭框3安裝有在軸方向的上下具有環狀凹部18c、18a的小空氣軸承外壁19，所以，能夠分別形成空氣儲藏部18。艮口，小空氣軸承7的小空氣軸承外壁19，由觸針側(前端側)的凸緣部19a、中間部19b及基端側的凸緣部19c構成，在前端側的凸緣部19a和中間部19b之間形成前端側的環狀凹部18a，在基端側的凸緣部19c和中間部19b之間形成基端側的環狀凹部18c，利用在中間部19b的外周面形成的規定間隔的凹部18b、前端側的環狀凹部,18a、基端側的環狀凹部18c來形成空氣儲藏部18。與未圖示的壓縮機柑連接并從該壓縮機經由圖3A及圖3B所示的管道(tube)48被送進來的壓縮空氣，分別進入空氣儲藏部18，從作為空氣噴出部的一例發揮功能的空氣噴出口4的微小孔被送入到小滑動軸部6和小空氣軸承7的孔7g的嵌合的間隙內，而形成上述的壓縮空氣的膜，經過上述間隙，從在小空氣軸承外壁19的中間部19b徑向貫通且按規定間隔形成的空氣排出口IO及所述凸緣部19a和19c的上下(前端側和基端側)排出空氣。需要說明的是，由于小空氣軸承7和原子力探頭框3被密合固定，因此，將這些小空氣軸承7和原子力探頭框3—并稱作小空氣軸承部(小空氣軸承單元)7A。由于小滑動軸部6和小空氣軸承7嵌合的間隙非常窄只有510微米，所以，從按大致等間隔地配置于周方向及軸方向的多個空氣噴出口4的微小孔向小空氣軸承7的外周側面供給兩個大氣壓以上的壓縮空氣，在上述間隙形成具有壓縮空氣的壓力梯度的'膜，直到壓縮空氣從空氣排出口10、上述凸緣部19a和19c的上下(前端側和基端側)漏掉為止。在由被測物1的傾斜的測定面S的測定力對觸針5施加橫向力時，若要使該壓縮空氣的膜厚變化，即例如若使膜厚變薄則由于空氣難以流動，所以氣壓增高，相反地，若使膜厚變厚則由于空氣易于流動而使氣壓降低，所以力施加在空氣膜厚不變的方向。這就是產生空氣軸承的剛性的原理。另一方面，在小滑動軸部6的另一端(觸針5相反側的端部)，沿著垂直于小滑動軸部6的軸方向的方向安裝的細長的磁性體銷20，由分別安裝于原子力探頭框3的一對磁軛8b—l、8b-2;和將這些磁軛8b—l、8b一2固定于各自的觸針側的端面且彼此對置配置的一對磁鐵29a、29b;以及環狀磁軛8a，構成下面說明的磁路MC。g卩，通過用分別安裝于小空氣軸承7的端部的、一對磁鐵29a、29b和環狀磁軛8a及一對磁軛8b—l、8b—2在與上述磁性體銷20非接觸的方式下構成磁路MC，從而構成磁力產生裝置95，其產生的磁力阻止向上述圓筒形的小滑動軸部6的軸方向即Z方向、和繞該Z方向的旋轉方向的移動。依照這種結構，從一方的磁鐵29a產生的磁力線穿過一個磁軛8b—l，形成在該一個磁軛8b—1和磁性體銷20的一端之間的另一方間隙部G1，再穿過磁性體銷20，穿過形成在磁性體銷20的另一端和另一方的磁軛8b—2之間的另一方的間隙部G2，再穿過另一方的磁軛8b—2，加上從另一方磁鐵29b產生的磁力線，穿過環狀的磁軛8a，返回到一方的磁鐵29a。在磁性體銷20和磁軛8b—l、8b—2的間隙部Gl、G2的附近，磁性體銷20和各磁軛8b—l、8b—2形成為軸方向厚、旋轉方向薄的錐形(如圖2B圖2D所示，在軸向上具有一定厚度，且在徑向上，在磁性體銷20的兩端部，具有隨著從中心側朝向周圍端部側而傾斜、寬度逐漸減少的傾斜面(形成為錐狀))，通過形成這樣的形狀，強抑制旋轉方向的變位，弱抑制軸方向的變位。另外，如圖2B圖2D所示，將上述磁性體銷20和上述磁軛8b—l、8b—2的各間隙部Gl、G2附近的、上述磁性體銷20和上述磁軛8b—1、8b—2的形狀，做成為上述磁軛8b—l、8b—2比上述磁性體銷20厚。將磁性體銷20的長度軸方向沿上下方向配置，且如圖2B圖2C所示，通過做成銷厚0.5mm、磁軛厚lmm、旋轉方向前端寬0.2mm、間隙0.5mm，小滑動軸部6利用自重成為以100微米級、在軸方向錯開、與磁力平衡的狀態。在將磁性體銷20'的長度軸方向沿著與上下方向垂直的橫向配置時，由于小滑動軸部6的'自重不作用在橫向上，所以在磁力線最佳通過的位置達到平衡。在圖3A及圖3B中，光探頭變位檢測部(光探頭變位檢測單元)2的構成為，至少包含與上述小空氣軸承部7A—體固定且發出激光的半導體激光器34、配置于上述小滑動軸部6且來自上述半導體激光器34的上述激光照射后使其反射的反射鏡9、使來自上述半導體激光器34的上述激光聚光于上述反射鏡9的透鏡14、接收來自上述反射鏡14的反射光的光檢測器41。而且，利用這樣的構成，做成下述的結構，即，使來自上述半導體激光器34的上述激光照射在上述反射鏡9，再由上述光檢測器41接收來自上述反射鏡9的反射光，由光探頭變位檢測部2根據該光檢測器41的輸出信號檢測上述Z方向的變位。具體而言，來自安裝于光探頭變位檢測部(光探頭變位檢測單元)2的波長780nm的半導體激光器34的半導體激光Fu穿過透鏡32、偏光棱鏡37及波阻片33后由分色鏡15進行全反射，進入透鏡14的整個孔徑，通過透鏡14，被聚光并照射在固定于磁性體銷20上的反射鏡(Z反射鏡)9上。而且，來自反射鏡9的反射光分別被分色鏡15及偏光棱鏡37全反射，被半透明反射鏡(halfmirror)39分成兩支，分別通過置于兩個焦點前后的銷孔(pinhole)40后進入兩個光檢測器41。由于若在對觸針5的測定力的作用下使小滑動軸部6在軸方向移動，則來自反射鏡9的反射光的焦點位置發生變化，所以來自兩個光檢測器41的輸出在聚焦誤差信號檢測部42成為聚焦誤差信號，基于該聚焦誤差信號，由作為用于沿Z方向進退驅動光探頭變位檢測部2的Z載物臺驅動裝置的一例發揮作用的Z方向驅動裝置43，同時在大氣動滑塊89的可動部11兩側的左右線圈13中通電流，沿Z方向進退驅動光探頭變位檢測部2以使聚焦誤差信號成為零。此時，大氣動滑塊89引導上述小空氣軸承部7A向上述Z方向移動。另外，使上述被測物1或者上述大氣動滑塊89向與上述Z方向分別垂直且彼此垂直的XY方向移動，同時，使上述觸針5沿著上述被測物1的形狀向上述Z方向移動，此時驅動上述大氣動滑塊89，以使上述Z方向的變位大致一定。更具體地說，如圖4所示，由于各線圈13貫通于Z載物臺驅動用磁路GMC的間隙部G3，Z載物臺驅動用磁路GMC由分別被托架86等固定于上石平臺106側的大磁軛(Z載物臺驅動用磁軛)12和大磁鐵(Z載物臺驅動用磁鐵)28形成，在各線圈13流通的電流，所以，在Z方向施加電磁力。左右一對線圈13在Z方向上被大氣動滑塊引導件35引導，同時，使光探頭變位檢測部2的整體與在Z方向以極高直線度移動的大氣動滑塊可動部11連接并形成一體。大氣動滑塊可動部11的移動直線度直接關系到超高精度三維測定儀的測定精度。下面說明其理由。圖5A表示搭載了本實施方式的光探頭2A的超高精度三維測定儀的整體結構的一實例。在圖5A中，上石平臺96上搭載有作為用于測定XYZ坐標的XYZ坐標測定用激光發生裝置的一例的振蕩頻率穩定化激光器27、測長單元(X方向用接收器105、Y方向用接收器104、Zi方向用接收器103、&方向用接收器102)、大氣動滑塊可動部11、光探頭變位檢測部2。而且，該上石平臺96，利用作為使光探頭變位檢i部2在XY方向移動的XY方向移動裝置的一例發揮作用的XY載物臺90，即利用X載物臺21和Y載物臺22使光探頭變位檢測部2在XY方向移動。在下石平臺23上，分別固定有裝載保持被測物1的被測物保持部件98、X參照反射鏡(X方向參照反射鏡，下文簡單地稱作"X參照反射鏡")24、Y參照反射鏡(Y方向參照反射鏡，下文簡單地稱作"Y參照反射鏡")25、固定于下石平臺23的龍門支架97上的上Z參照反射鏡(Z方向參照反射鏡，下文簡單地稱作"Z參照反射鏡")26。在這樣的構成中，通過利用振蕩頻率穩定化激光器27的光，由測長單元測定在保持于被測物保持部件98上的被測物1的測定點的軸上至XYZ方向的三面高平面度的參照反射鏡24、25、26的距離的變位量，XY載物臺90(X載物臺2KY載物臺22)的移動直線度即使達到l微米級，也能得到參照反射鏡24、25、26的平面度達10nm級的坐標軸精度，但沒有形成能夠用這些參照反射鏡24、25、26只修正作為Z載物臺一例的氣動滑塊89的移動直線度的構造。其理由是，在專利文獻3中，至Z載物臺安裝有X參照反射鏡和Y參照反射鏡兩個參照反射鏡，雖然也公開了修正Z載物臺的移動直線度的構造，但是想要得出高平面度，參照反射鏡就會變得笨重，或者要修正移動的前后顛簸(傾斜)就必須測定各兩點，而使構造變得很復雜。在此，XY載物臺90由X載物臺21和Y載物臺22構成，載物臺變成兩段重疊，雖然用載物臺移動的重心f動幾乎不可能達成0.01微米級的直線度，但由于作為Z載物臺一例的氣動滑塊89只是一軸重心不移動，所以利用構造的竅門能夠想辦法實現10nm級的移動直線度。所謂構造的窮門就是提高大氣動滑塊89的Z方向大氣動滑塊引導件35的引導部的平面度和大氣動滑塊89的橫向的剛性，考慮移動時不在橫向施加力的Z方向的支承方法及構造和驅動方法及構造。如圖4所示，作為Z載物臺一實例的在氣動滑塊89的Z方向可動部(大氣動滑塊可動部ll)的重心附近，通過恒定負荷彈簧17支承Z方向可動部的重量，恒定負荷彈簧17將彈簧部件的薄板巻成渦旋狀使其對置且產生基本等于大氣動滑塊可動部11的重量(作用于大氣動滑塊可動部11的重力的大小)的張力，就能夠使彈性系數盡可能小且以輕的力就可以上下移動。線圈13也對稱配置于光探頭變位檢測部2的左右，通過使左右線圈13產生的驅動力的合力作用于光探頭變位檢測部2的重心附近，能夠防止因驅動力造成的移動直線度惡化。圖5A是具有與專利文獻3所述的超高精度三維測定儀相同的構成的的超高精度三維測定儀的構成圖。若在圖5B的三維測定儀的光探頭變位檢測部112A及探頭112上插入具有原子力探頭框3等的本實施方式的光探頭變位檢測部2及探頭2，則可成為圖5A的本發明的本實施方式的超高精度三維測定儀的說明圖。即，作為一實例，若將圖1A圖4所示的三維測定探頭2A替換為圖5B的三維測定儀的探頭112A，則如圖5A所示，可做成本發明的本實施方式的超高精度三維測定儀的Z方向的構成。本實施方式的上述測定儀具備有控制超高精度三維測定動作的控制部88。控制部88連接著XY載物臺90即X載物臺21的未圖示的驅動裝置及Y載物臺22的未圖示的驅動裝置、He—Ne振蕩頻率穩定化激光器27、X方向用接收器105、Y方向用接收器104、Z,方向用接收器103、Z2方向用接收器102、作為Z坐標運算裝置一實例的運算部87、具有聚焦伺服機構的Z方向驅動裝置43、半導體激光器34、光檢測器41等，通過執行對它們的動作控制，來控制上述超高精度三維測定動作。在圖5A中，振蕩頻率穩定化激光器(振蕩頻率穩定化HeNe激光器)27，是通過與其真空中的波長為世界長度標準的碘穩定化HeNe激光器的拍頻測定來校正振蕩頻率的穩定化激光器。碘穩定化HeNe激光器振蕩頻率為473612214.8MHz，誤差范圍(不確力、$)為±1Xl(T9(3o)(據JIS手冊)。但是，由于追加碘吸收元件的大規模的裝置，故其不能搭載于測定儀。另外，產業上需要的加工精度/尺寸在高精度也只有10—410—5。艮P，例如直徑10mm的軸10.1微米的直徑精度就是一般的高精度加工，屬于測定限界。在本發明的本實施方式的非球面透鏡測定中，由于必要的誤差范圍是±1X10—6左右，所以這就成了XYZ坐標測定的誤差范圍的目標。另外，溫度變動rC或者3。/。的氣壓變化，空氣中的波長變化10—6。上述測定儀在大氣中使用。因此，沒有必要將碘穩定化HeNe激光器安裝在上述測定儀上。因此，將不使用碘吸收單元、用振蕩波長即氖的光譜線使振蕩頻率穩定的震蕩頻率473612.12GHz土0.3GHz、誤差范圍士5X10—8(3。)的小型振蕩頻率穩定化HeNe激光器27安裝于上述測定儀。由于進行碘穩定化激光器和振蕩頻率的比較測定，所以該波長相對于世界長度標準是可追蹤的(traceable)。用該激光Fz測定XYZ坐標。將從該振蕩頻率穩定化激光器27發出的激光Fz例如分為X方向、垂直于X方向的Y方向、分別垂直于X方向及Y方向的Z,方向、分別垂直于X方向及Y方向的Z2方向，進一步將分為各個方向的激光Fz分為測定光和參照光，將各個測定光分別照射于高平面度的X參照反射鏡24、Y參照反射鏡25、Z反射鏡9，使各個反射光和參照光分別射入測長單元即分別射入X方向用接收器105、Y方向用接收器104、Z，方向用接收器103、Z2方向用接收器102，通過發生干涉就能夠用X參照反射鏡24、Y參照反射鏡25、Z參照反射鏡26的平面度的精度來測定XYZ坐標。此處，Y方向是垂直于X方向的方向。所謂的Z,和Z2方向是分別沿著各自垂直于X方向及Y方向的Z方向。從振蕩頻率穩定化激光器27發出的四支激光Fz如下使用。需要說明的是，為了形成從振蕩頻率穩定化激光器27發出的四支激光Fz，既可以配置四個激光光源，或者也可以配置一個或四個以下的激光光源，使發自激光光源的激光以上述形式分離而形成合計四支激光Fz。從振蕩頻率穩定化激光器27發出的第一支激光Fz照射于X參照反射鏡24的反射面(被測物1的相反側的面)，使被X參照反射鏡24的反射面反射后的反射光經由光學系統后，由作為X坐標測定裝置一實例的X坐標測定單元(X坐標用激光測長單元即X方向用接收器)105受光，根據受光的激光由X方向用接收器105來測定光探頭變位檢測部2的X坐標。此處，由于X參照反射鏡24被看怍完全的平面，所以測定X參照反射鏡24的X坐標，就意味著測定出了固定于上石平臺96的光學系統和X參照反射鏡24的反射面之間的距離的變位量。同理，振蕩頻率穩定化激光器27發出的第二支激光Fz，照射于Y參照反射鏡25，使被Y參照反射鏡25的反射面反射后的反射光由作為Y坐標測定裝置一實例的Y坐標測定單元(Y坐標用激光測長單元即Y方向用接收器)104受光，根據受光的激光由Y方向用接收器104來測定光探頭變位檢測部2的Y坐標。由于Y參照反射鏡25被看作完全的平面，所以測定Y坐標，就意味著測定出了固庫于上石平臺96的反視鏡(未圖示)和Y參照反射鏡25的反射面之間的距離的變位量。另一方面，振蕩頻率穩定化激光器27發出的第三支激光Fz照射于Z反射鏡9，使被Z反射鏡9反射后的反射光由作為Z2坐標測定裝置(Z坐標測定裝置)一實例的Z2坐標測定單元(Z2坐標用激光測長單元即Z2方向用接收器)102受光，禾I」用受光的激光由Z2方向用接收器102來測定Z反射鏡9的Z2坐標。測定Z2坐標意味著是測定從為使第三支激光Fz射入Z反射鏡9而使其反射的固定于上石平臺96的反射鏡(未圖示)的反射面到Z反射鏡9的反射面的距離的變位量。振蕩頻率穩定化激光器27發出的第四支激光Fz，由固定于上石平臺96的反射鏡反射后，被Z參照反射鏡26的下面即反射面反射，由作為Z,坐標測定裝置一實例的Z,坐標測定單元(Z,坐標用激光測長單元即Z,方向用接收器)103接收反射光，由Z,^向用接收器103根據受光的激光來測定光探頭變位檢測部2的Z,坐標。測定Z,坐標，就意味著測定出了從為了使第四支激光Fz以入射到Z參照反射鏡26的反射面的形式發生反射而固定于上石平臺96的反射鏡的反射面到Z參照反射鏡26的反射面的距離的變位量。艮卩，就Z坐標而言，圖3A及圖3B的激光Fz是從振蕩頻率穩定化激光器27發出的第三束和第四束激光Fz如下這樣測定求出Z坐標。從位于圖5A的上石平臺96上的測長單元的光學系統全透過分色鏡15，根據經透鏡14聚光后由反射鏡9進行反射的激光Fz，由Z2方向用接收器102來測定Z2坐標。XYZ載物臺90的移動直線度為1微米級，而從位于上石平臺96上的測長單元的光學系統向10納米級的平面度的Z參照反射鏡26照射激光Fz，根據該Z參照反射鏡26的反射光由Z,方向用接收器103來測定Z,坐標。而且，由于由運算部87進行運算以上述(Z,坐標+Z2坐標)作為Z坐標，所以能夠以Z參照反射鏡26的精度來測定Z坐標。被測物1的三維形狀的測定開始前，由于被測物1上下的觸針5離開被測物1的測定面S，所以不進行上述的聚焦伺服。在光探頭變位檢測部2上安裝有未圖示的Z方向的位置檢測器，在控制部88的控制下，.由Z方向驅動裝置43使光探頭變位檢測部2在Z方向移動，以使來自該位置檢測器的位置信號成為由安裝在測定^上且通過操作者撥動手動驅動用刻度盤91使其變化的位置指令值(換W之，就是通過由操作者撥動手動驅動用刻度盤91而產生輸入信息，基于該輸入信息驅動Z方向驅動裝置43，使光探頭變位檢測部2的前端移動到距被測物1的測定面S為5mm以下的位置)。將此稱為"位置伺服"。在進行這種位置伺服時，由于在觸針5上不施加測定力，所以相對于探頭外殼2a預先在Z方向對透鏡14進行位置調整，以使反射鏡9位于距離聚焦位置10微米左右的位置。測定開始時，將被測物1放置于觸針5的正下方數毫米的位置，通過操作者按壓位于測定儀的操作部的聚焦啟動按鈕，解除基于上述手動驅動用刻度盤91的手動驅動而切換到自動控制。于是，光探頭變位檢測部2由Z方向驅動裝置43驅動著在測定面S方向慢慢地移動接近測定面S。由于若觸針5檢測到被測物1的測定面S(若觸針5接觸到被測物1的測定面S)，則由觸針5的測定力使反^f鏡9向半導體激光Fr^的焦點方向移動，所以若根據聚焦誤差信號的變化用聚焦誤差信號檢測部42來檢測反射鏡9向半導體激光Fl的焦點方向的移幼(換言之，若反射鏡9到達焦點位置附近)，則從位置伺服切換到聚焦伺服，使反射鏡9回到聚焦位置。即，利用Z方向驅動裝置43移動光探頭變位檢測部2，直至聚焦信號變為零。這是進行聚焦伺服的狀態。由于半導體激光F!^靈敏度優良地檢測聚焦誤差信號，所以，如圖3A及圖3B所示，雖然入射到透鏡14的整個孔徑，但由于Z坐標測定用的HeNe穩定化激光Fz以比透鏡14的孔徑更細的光束直徑入射，所以焦點深度深達10微米左右，即使在焦點偏離位置有Z反射鏡9也能夠從反射光準確地測定Z坐標。下面，敘述測定力的設定及其理《齒。設在如圖7所示的觸針5的軸方向作用的測定力為F。由于利用測定力F使反射鏡9回到聚焦位置，所以測定力F與測定面S的傾斜無關是恒定的。測定力F可通過使圖3A及圖3B的透鏡14上下來設定。設在垂直于測定面S的方向作用的測定力為F/cose。9為測定面D的傾斜角度。如圖7所示，在觸針上作用有(F/cos6)sin6的橫向測定力。橫向測定力在6為60度時是F的1.7倍，在6為75度時竟達F的3.7倍。若橫向測定力使觸針5在橫向傾斜則造成測定誤差。為了使其盡可能地變小，優選盡可能減小測定力。由手測定力越小觸針5的傾斜就越小，因而使測定誤差變小。另外，由于若測定力小，觸針5的磨損也少，因而使觸針5經久耐用。再者，在用前端半徑2微米的尖觸針測定樹脂等柔軟的面時，或者劃傷測定面、或者產生因測定面變性引起的測定誤差。由此也優選測定力小。根據經驗，不用太擔心劃痕及誤差的測定力是0.2mN以下。需要說明的是，在用前端半徑0.5mm的觸針進行測定時，即便是柔軟的面，也沒有帶傷的先例。相反，在用前端半徑0.5mm的觸針進行測定時，若測定力小，則就變成測定表面的塵埃。若測定力大，則推開塵埃而不測定。就這一點而言測定力大則易于測定。前端半徑小的探頭不易測定塵埃，但難以球度良好地制作前端。若前端的球度差，則測定精度低。對此，可預先測定球度，根據數據來修正，但費時間。若可動部質量相同，則由于測定力越大響應越快，所以可快速測定。基于以上事實，若以現有技術水平為前提，則存在最佳的測定力。其為0.1mN0.3mN。于是，測定力設定為中心值0.2mN，通過透鏡14的位置調整能夠在0.1mN0.3mN的范圍調整。小滑動軸部6設計成，因自重從下降100微米左右的位置，在0.2mN的測定力的作用下相對于小空氣軸承7移動IO微米左右。再者，也可以將探頭2A置于橫向，此時，沒有因自重而引起的移動，但在0.2mN的測定力的作用下，從均衡位置移動io微米左右。下面敘述在用0.2mN的測定力使小滑動軸部6移動10微米左右的位置進行聚焦伺服的理由。相對于含有觸針5的小滑動軸部6的質量約0.2g，由于測定力0.2mN是0.02克重，所以用小滑動軸部6的重量的十分之一的力在只移動10微米的位置就進行聚焦伺服。即使聚焦伺服有誤差，由于用振蕩頻率穩定化HeNe激光Fz通過干涉來測定到同一個反射鏡9的距離的變位量，所以，也不會有測定誤差而只有測定力的變動。如圖3A及圖3B所示，由于半導體激光Fl聚焦靈敏度良好地進入透鏡14的整個孔，所以孔數(NA)為0.4左右、透鏡14和反射鏡9的距離變位量的變動在1微米以下就能夠開始聚焦伺服。即，利用XY載物臺90使上述被測物1或者大氣動滑塊89在分別垂直于上述Z方向且彼此正交的XY方向移動，同時，在使上述觸針5沿著上述被測物1的形狀在上述Z方向移動時，進行聚焦伺服并利用Z方向驅動裝置43驅動上述大氣動滑塊89，以使上述Z方向的變位大致一定。此時的測定力的變動在0.02mN以下。振蕩頻率穩定化HeNe激光Fz要使焦點深度變深，就要使12mm光束徑的半導體激光FL原樣進入透鏡14。這樣，焦點深度達到20微米左右，觸針5不接觸被測物1的測定面S時，反射鏡9的位置偏移10微米，但激光測長將毫無問題。在觸針5不接觸測定面S時也不能測定Z坐標，在對不能利用連續掃描進行測定的多個被測物1進行測定時，由于不保存Z坐標因而非常不便。若例如以用0.2mN測定力使小滑動軸部6移動20微米的形式將磁力設計成小的彈性系數，則觸針5離開測定面S時透鏡9的位置偏移20微米，致使測長用HeNe激光Fz的焦點深度不準而造成測長不穩定。另外，若例如以用0.2mN測定力使小滑動軸部6移動5微米的形式將磁力設計成大的彈性系數，則詞樣透鏡:l和反射鏡9的距離的變位量的變動在l微米以下，即使進行聚焦伺服也會使測定力的變動增大，若調整透鏡9的位置以使測定力為O.lmN，則成為小滑動軸部6只移動2.5微米的狀態，造成伺服不穩定。以上就是用0.2mN的測定力使小滑動軸部6移動10微米左右來進行設計的理由。下面，說明妨礙向以小滑動軸部6的Z方向(小滑動軸部6的軸方向)為中心的旋轉方向的移動的力所需的轉矩。觸針5的一部分即觸針前端球5a相對于微型氣動滑塊的軸中心，由于在組裝公差的范圍伴隨有偏心，所以觸針前端球5a若以小滑動軸部6的軸為中心旋轉則測定值發生變化，造成測定誤差。因此，阻止旋轉的力越大越好，但是，為此如果增大磁性體銷20，則造成小滑動軸部6的質量增加。根據上述理由，由于小滑動軸部6的質量越小越好，所以想使磁性體銷20的質量達到必要的最小限度。在本發明的本實施方式中，通過做成圖1A及圖1B的結構，作為一實例實現了磁性體銷20厚0.5mm、質量16毫克這，超輕質量。由此，旋轉方向的磁力實現了Tm=274mN'mm/rad。艮P，用轉矩Tm=0.27mN'mm只旋轉lmrad。下面，就以圖1A及圖1B的結構在實際的測定中最大、究竟因觸針5的旋轉而產生多少測定誤差進行探討。圖6A圖6C表示用觸針5測定作為被測物1一實例的透鏡的表面S時的掃描方法。如圖6A所示，將在透鏡1的表面S用觸針5測定穿過透鏡1的中心的線路命名為"軸上測定"，將圖6B所示的透鏡1的表面S的全面掃描命名為"面上測定"，將圖6所示的同心圓狀地掃描透鏡1的表面S命名為"圓周測定"。透鏡1有時也不是旋轉對稱，就本發明的本實施方式而言雖然也并不是局限于旋轉對稱的透鏡，但以此可以進行施加于觸針5的轉矩的解析。作用于觸針5的轉矩是由觸針5相對于透鏡1的表面S的測定力產生的。如圖7所示，若軸向測定力F作用'于半徑r的觸針前端球5a，則在垂直于測定面S的方向施加有F/cose的測定力、在橫向施加有(F/cos6)sin6的測定力。圖8是從上看到的圖7的觸針前端球5a接觸到測定面S的高度的剖面的圖。而為了便于理解，省略了圖8及圖9上的剖面線。因此，相對于觸針前端球5a的半徑r，圖8的圓的半徑為rsine。在平行于測定面S的方向微型氣動滑塊的軸中心錯開時，產生最大的測定誤差。圖8表示其狀態。如圖9所示，微型氣動滑塊的軸中心位于距測定點最遠的位置時，就圓周測定而言雖然最大的轉矩作用在觸針5上，但即使觸針前端球5a移動到圖9的虛線位置，測定值也幾乎不變。即不產生測定誤差。在上述的軸上測定中，由于觸針5只向圖8的左右方向移動，所以由于沒有圖8的紙面上下方向的摩擦，于是轉矩就成了V(數學式2)軸上測定轉矩TH扁心量X橫向測定力…(2)圓周測定時及利用上述面上測定在使觸針前端球5a的外緣不傾斜的方向進行掃描測定時，由于除了測定力還作用有摩擦力，所以就成了(數學式3)圓周測定轉矩TH扁心量X橫向測定力+rsin9X測定力X摩擦系數…(3)阻止旋轉的磁力，如上所述由于用Tm的轉矩只能轉動lmrad，所以轉動角為T/Tm(mrad)，想求出的橫向測定誤差E為轉動角X偏心量，所以(數學式4)EH扁心量XT/Tm…(4)設偏心量O.lmm、F=0.3mN、橫向測定力(F/cose)sine、r=0.5mm、測定力F/cos8、摩擦系數0.5，如上所述，Tm=0.27mNmm/mrad、設6為60度和75度這兩組數據計算了橫向測定誤差。歸納計算結果形成了表l。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage28</column></row><table>傾斜角達到60度的軸上測定是一般的測定，此時的誤差可達到0.02微米以下的可以實現超高精度測定的水平。另夕卜，若將測定力設為0.2mN則最大測定誤差減少為此值的2/3倍，若將觸針5的偏心控制在0.05mm以下，則最大誤差還減少一半，所以此時即使是75度的圓周測定，橫向的誤差也可達到0.05微米以下，可實現超高精度測定的水平。在觸針前端球5a上附加有球度優良的直徑lmm的紅寶石球或前端被加工成2微米半徑的球面的金剛石等。例如透鏡1的測定使用直徑lmm的紅寶石球，另一方面，在對如衍射光柵那樣將被測物1的表面進行微細加工后的表面進行測定時，使用金剛石，這樣有必要更換觸針5。觸針5的更換與專利文獻2—樣，如圖11所示，通過將形成于觸針5的螺桿360擰入在小滑動軸部6上加It;出的內螺紋359，就能夠可裝卸地安裝，使更換成為可能。在螺合固定、取出時，將觸針5壓入小滑動軸部6之后，有必要使其轉動。在圖1A及圖1B和圖2A中，在小滑動軸部6的基端側的端面(配置有磁性體銷20的一側的端面)上粘貼有非磁性體的止動器30，在將觸針5壓入小滑動軸部6時，止動器30與固定于原子力探頭框3的環狀的護墊部36接觸，在擰觸針5(參照圖11的內螺紋360)使其轉動時，止動器30與固定于小滑動軸部6的基端側的端面上的旋轉止動銷31接觸以阻止小滑動軸部6的轉動。換言之，就是超過了對上述小滑動軸部6相對上述小空氣軸承部7A向上述Z方向和以上述Z方向為軸的旋轉方向的旋轉進行阻止的磁力的力，施加在上述小滑動軸部6的上述Z方向、或者以上述Z方向為軸的上述旋轉方向上時的上述小滑動軸部6的過度移動，被非磁性體止動器30阻止。因此，只有觸針5能夠相對于小滑動軸部6旋轉，使形成于觸針5的螺桿360相對于在小滑動軸6上加工的內螺紋359旋轉，就能夠從內螺紋359取出。另一方面，在將其他的觸針5安裝在小滑動軸6時，在將觸針5壓入小滑動軸部6使止動器30接觸于旋轉止動銷31而阻止了小滑動軸部6的轉動的狀態下，通過將形成于觸針5的螺桿360裝入在小滑動軸6加工出的內螺紋359后使其旋轉，就能夠將螺桿360旋入內螺紋359。需要說明的是，在一般測定時，止動器30和護墊部36、止動器30和旋轉止動銷31彼此充分地離開，由于彼此不相接觸，所以對測定無任何障礙。需要說明的是，在本實施方式中，使用了環狀磁軛8a。雖然該方法優選，但未必就是非環狀不可，例如，即使環狀的一方有缺口也不是不能使用。另外，在本實施方式中，將上述磁性體銷20和上述磁軛8b—l、8b一2之間的間隙部附近的形狀，做成了在上述軸向厚、在旋轉方向薄的錐形。該方法雖然優選，但未必就是非錐形不可，即使圓錐狀或棱錐狀也不是不能使用。另外，在本實施方式中，用半導體激光Fz檢測上述小滑動軸部,在Z方向相對于上述光探頭變位檢測部2的變位量。作為另外的方法，例如也可以通過使用了靜電電容傳感器或發光二極管的光的三角測距法來檢測變位。另外，在本實施方式中，是使振蕩頻率穩定化激光Fz照射反射鏡9，根據反射光來測定上述反射鏡9的Z坐標。雖然該方法優選但也并非局限于此，例如也能夠做成用線性尺(linearscale)來測定Z坐標的結構。另外，在本實施方式中，使用轉動止動器30和旋轉止動銷31以進行觸針5相對于小滑動軸部6的旋轉止動。該情況下，雖然將觸針5旋入小滑動軸部6，但并非僅限于此，也能夠在小滑動軸部6的孔安裝彈簧將觸針5插入固定，或將小滑動軸部6和觸針5進行一體加工，這種情況下不需要旋轉止動和旋轉止動銷。另外，在本實施方式中，Z載物臺由Z方向大氣動滑塊引導件35和大氣動滑塊可動部11構成的大氣動滑塊89即用空氣軸承構成。但是，并非僅局限于此，雖然性能較低但還是能夠用滾子導軌或潤滑油軸承(oilbearing)等構成。另外，在本實施方式中，Z載物臺驅動裝置即Z方向驅動裝置43由與上述大氣動滑塊89連接的線圈13、給上述線圈13通電流在上述Z方向驅動上述大氣動滑89的Z載物臺驅動用磁路GMC構成。雖然該方法優選，但也并非僅局限于此，也能夠做成滾珠絲杠進給。另外，在本實施方式中，用恒定負荷彈簧支承大氣動滑塊89的大氣動滑塊可動部ll(Z方向可動部)，'但并非僅局限于此，若使Z方向成為橫向則不需要恒定負荷彈簧。需要說明的是，通過將上述各實施方式中的任意實施方式進行適當組合，能夠起到各自具有的效果。'本發明的三維測定探頭，由于不論是從被測物的下面還是從橫向都能夠用0.01微米級的超高精度進行測定，因而通過同時測定前后面能夠超高精度測定非球面透鏡的傾斜偏心。另外，還具有不易損壞壽命長、可在現場簡單而頻繁地使用這些效果，對于必須能夠測定才能制造的非球面透鏡更是實現了高精度化和生產成品率提高，能夠對實行小型高畫質的數碼相機、電影、帶攝像頭手機、大容量化的光盤等非球面透鏡內置商品的性能提高及成本降低有貢獻。再者，還能夠廣泛應用于醫療器械、汽車的齒輪、納米技術及微型機械的研究開發用途。另外，通過將上述各實施方式中的任意實施方式進行適當組合，能夠起到各自具有的效果本發明在參照附圖的同時結合最佳實施方式作了充分描述，對于熟悉該技術的人員來說各種變形及修正是很明白的。應該理解成，各種變形及修正只要不脫離附加的權利要求的范圍限定的本發明的范圍，都包含于本發明。權利要求1、一種三維測定探頭，其具備圓柱形的小滑動軸部(6)，其一端設有與被測物(1)的表面(S)相接的觸針(5)，同時另一端設有磁性體銷(20)；小空氣軸承部(7A)，形成有與所述小滑動軸部嵌合的圓筒形的孔(7g)，且具有空氣噴出部(4)，該空氣噴出部(4)在所述小空氣軸承部(7A)與所述小滑動軸部的間隙形成壓縮空氣膜；磁力產生裝置(95)，配置于該小空氣軸承部端部的磁鐵(29a、29b)和多個磁軛(8a、8b-1、8b-2)與所述銷在非接觸的狀態下構成磁路(MC)，產生阻止所述圓柱形小滑動軸部向軸方向即Z方向的移動和向繞所述Z方向的旋轉方向的移動的磁力；變位檢測裝置(2)，對所述小滑動軸部相對于所述小空氣軸承部在所述Z方向上的變位進行檢測；Z載物臺(89)，引導所述小空氣軸承部向所述Z方向的移動；Z載物臺驅動裝置(43)，其使所述被測物或所述Z載物臺向與所述Z方向分別正交且彼此正交的XY方向移動，同時驅動所述Z載物臺以使所述觸針沿著所述被測物的形狀移動的所述Z方向的變位大致一定。2、如權利要求1所述的三維測定探頭，其中，所述多個磁軛中的至少一個磁軛為環形的磁軛(8a)。3、如權利要求2所述的三維測定探頭，其中，所述銷與所述磁軛的間隙部(Gl、G2)附近的形狀是在所述Z方向具有一定的厚度，在所述銷的兩端部，沿所述銷的長度方向從中心部側朝向端部側形成為錐形。4、如權利要求3所述的三維測定探頭，其中，所述銷和所述磁軛的間隙部(Gl、G2)附近的、所述銷和所述磁軛的形狀是所述磁軛比所述銷厚。5、如權利要求l所述的三維測定探頭，其中，所述變位檢測裝置由光探頭變位檢測部構成，所述光探頭變位檢測部至少包含與所述小空氣軸承部一體固定且發出激光的半導體激光器(34)、配置于所述小滑動軸部且被照射了來自所述半導體激光器的所述激光后使其反射的反射鏡(9)、使來自所述半導體激光器的所述激光聚光于所述反射鏡的透鏡(14)、和接收來自所述反射鏡的反射光的光檢測器(41)，所述變位檢測裝置構成為，來自所述半導體激光器的所述激光照射到所述反射鏡，用所述光檢測器來接受來自所述反射鏡的反射光，根據該光檢測器的輸出信號檢測所述z方向的變位。6、如權利要求5所述的三維測定探頭，其中，還具備，發出震蕩頻率穩定化激光(Fz)的振蕩頻率穩定化激光器(27)、和使由所述振蕩頻率穩定化激光器發出的所述振蕩頻率穩定化激光照射到所述變位檢測裝置的所述反射鏡，利用由所述反射鏡反射后的反射光測定所述反射鏡的Z坐標的Z坐標測定裝置(102)。7、如權利要求1所述的三維測定探頭，其中，設置有非磁性體的止動器(30)，該止動器(30)在下述情況下用于阻止所述小滑動軸部的過度的移動，'所述情況是在所述小滑動軸部的所述Z方向、或在以所述Z方向為軸的旋轉方向上施加力，且該力超過了用于阻止所述小滑動軸部相對于所述小空氣軸承部的向所述Z方向和向以所述Z方向為軸的所述旋轉方向的移動的磁力的情況。8、如權利要求1所述的三維測定探頭，其中，所述Z載物臺由空氣軸承構成。9、如權利要求1所述的蘭維測定探頭，其中，所述Z載物臺驅動裝置由與所述Z載物臺連接的線圈(13)、和給所述線圈通電流而沿所述Z方向驅動所述Z載物臺的磁路(GMC)構成。10、如權利要求1所述的三維測定探頭，其中，所述Z載物臺的可動部(11)被產生基本等于其重量的張力的由巻成渦旋狀的薄板構成的恒定負荷彈簧(17)支承。全文摘要本發明提供一種三維測定探頭，能夠更高精度地測定非球面透鏡等被測物的形狀等，實現難以損壞且長壽命、低成本的三維測定探頭。安裝于小空氣軸承部(6)的磁鐵(29)和磁軛(8)和安裝于小滑動軸部(6)的磁性體銷(20)構成磁路，由此產生小滑動軸部(6)的旋轉和妨礙軸方向的變位的磁力。由于為非接觸的磁力，從而構成無論是自下還是自橫向都能夠進行測定的三維測定探頭。文檔編號G01B11/24GK101206110SQ20071016241公開日2008年6月25日申請日期2007年9月29日優先權日2006年12月20日發明者久保圭司,吉住惠一,望月博之,舟橋隆憲申請人:松下電器產業株式會社