CN112729066B

CN112729066B - 测定用探测器以及形状测定装置

Info

Publication number: CN112729066B
Application number: CN202011167886.0A
Authority: CN
Inventors: 久保圭司; 井上隆史; 土居正照; 冈崎信; 臼井幸也; 舟桥隆宪
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2019-10-28
Filing date: 2020-10-27
Publication date: 2024-04-12
Anticipated expiration: 2040-10-27
Also published as: US11473904B2; DE102020127912A1; US20210123725A1; JP2021067648A; JP7340761B2; CN112729066A

Abstract

本公开提供一种测定用探测器以及形状测定装置，测定用探测器通过扫描测定物的表面来对测定物表面的三维形状等进行测定，具备：第1可动部，具有触针；第2可动部，能够在Z方向上移动地与第1可动部连结；第3可动部，能够在Z方向上移动地与第2可动部连结；第1位置测定部，测定第1可动部在Z方向上的第1位置；第2位置测定部，测定第2可动部在Z方向上的第2位置；第3位置测定部，测定第3可动部在Z方向上的第3位置，第1相对位置基于第1位置和第2位置来计算，第2相对位置基于第1位置和第3位置来计算，第2可动部相对于第1可动部的Z方向上的第1相对位置和第3可动部相对于第1可动部的Z方向上的第2相对位置被维持为固定。

Description

测定用探测器以及形状测定装置

技术领域

本公开涉及对测定物进行扫描测定的形状测定装置的测定用探测器。

背景技术

随着近年来的光电技术的进步，数字广播从4K向8K的高清化得到发展。其结果是，在数字相机等中或者在使用于智能手机等移动设备的相机中，要求提高画质。关于使用于这些相机等的透镜的表面形状，要求相对于设计形状的误差例如为0.03μm(30nm)以下，向高精度透镜的需求不断提高。

其中，关于对透镜的表面形状进行高精度的测定的形状测定装置，向更高精度的测定的需求也进一步提高。因此，提出了一种利用专利文献1所记载的探测器进行测定的测定方法。

此外，如专利文献2那样，还提出了一种对两个计测部件的信号数据进行加减运算来获得测定位置的方法。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第3000819号公报

专利文献2：日本特开昭61-200419号公报

发明内容

本公开的一方式涉及的测定用探测器，通过扫描测定物的表面来对所述测定物的表面的三维形状等进行测定，

所述测定用探测器具备：

第1可动部，具有触针；

第2可动部，以能够在Z方向上移动的方式与所述第1可动部连结；

第3可动部，在内部设置有容纳所述第2可动部的空间，以能够在所述Z方向上移动的方式与所述第2可动部连结；

第1位置测定部，对所述第1可动部在所述Z方向上的第1位置进行测定；

第2位置测定部，对所述第2可动部在所述Z方向上的第2位置进行测定；和

第3位置测定部，对所述第3可动部在所述Z方向上的第3位置进行测定，

第1相对位置基于所述第1位置和所述第2位置来计算，

第2相对位置基于所述第1位置和所述第3位置来计算，

所述第2可动部相对于所述第1可动部的所述Z方向上的所述第1相对位置和所述第3可动部相对于所述第1可动部的所述Z方向上的所述第2相对位置被维持为固定。

附图说明

图1是具备本公开的实施方式1涉及的测定用探测器的形状测定装置的整体结构图。

图2是示出图1的形状测定装置的概略结构的框图。

图3是搭载于图1的形状测定装置的测定用探测器的示意图。

图4是示出搭载于图1的形状测定装置的测定用探测器的概略结构的图。

图5是测定用探测器在Z方向上下降时的图。

图6是图4的测定用探测器在Z方向上上升时的图。

图7是示出基于15mgf的测定力的测定结果的曲线图。

图8是示出基于1.7mgf的测定力的测定结果的曲线图。

图9是将图7的曲线图的横轴的范围缩小了的曲线图。

图10是将图9的曲线图的区域P1放大了的曲线图。

图11是将图9的曲线图的区域P2放大了的曲线图。

图12是将图8的曲线图的横轴的范围缩小了的曲线图。

图13是将图12的曲线图的区域P3放大了的图。

图14是将图12的曲线图的区域P4放大了的曲线图。

图15是示出专利文献1所记载的测定用探测器的图。

图16是示出专利文献2所记载的测定设备的图。

符号说明

1 测定用探测器；

9 测定物；

12 第1可动部；

13 第2可动部；

14 第3可动部；

15 第1位置测定部；

16 第2位置测定部；

17 第3位置测定部；

18 线性马达；

19 空气滑块；

20 触针；

21 第1反射镜；

22 第1弹簧；

23 空气轴承部；

24 空间；

25 第2反射镜；

26 第1光源；

27 激光；

28 第2光源；

29 激光；

30 第3光源；

31 激光；

34 第2弹簧；

37 VCM；

L1 第1位置；

L2 第2位置；

L3 第3位置；

R1 第1相对位置；

R2 第2相对位置。

具体实施方式

专利文献1以及专利文献2所记载的测定用探测器在探测器的测定力的降低和探测器的高速响应这些方面仍有改善的余地。另外，所谓测定力，是指在测定时通过测定用探测器施加于测定对象物的力。

(完成本公开的经过)

在进行高精度的测定的形状测定装置中，高精度测定的需求提高，如专利文献1那样提出了一种利用探测器进行测定的测定方法。在专利文献1中，通过由0.2g这样的轻量的空气滑块来构成可动部，由微型弹簧进行支承，由此能够将向测定物的压力抑制在30mgf以下。此外，如专利文献2那样，还提出了一种对两个计测部件的信号数据进行加减运算来获得测定位置的方法。

为了透镜的薄型化以及透镜的光学特性改善，在使用表面柔软的塑料材料的塑料透镜中，要求探测器的测定力的降低和探测器的高速响应。

图15是示出专利文献1所记载的测定用探测器的图。如图15所示，专利文献1所记载的测定用探测器100包括微型弹簧101、触针102、焦点检测量激光器103、探测器单元104、频率稳定化He-Ne激光器105、Z轴平台106和微型空气滑块110。触针102和微型空气滑块110的重量被微型弹簧101支承。测定用探测器100在向XY方向的扫描时，通过半导体激光光学系统来计测微型弹簧101的位移量作为微型弹簧101的形变量。在反馈了该位移量的状态下，在XY方向上进行扫描来测定形状，由此通过固定的测定力对测定物109的测定面的形状进行测定。这样，在固定地反馈了微型弹簧101的形变量的状态下，在XY方向上进行扫描来测定形状，由此能够确保为固定的测定力。

此外，如图15所示，在测定物109的测定中，有时会测定发生倾斜的测定面。例如，智能手机等的相机的透镜表面具有大致倾斜75°的测定面。即便在这种情况下，也要求对测定用探测器100的测定力进行检测并将微型弹簧101的变形量(弯曲量)确保为固定。在发生倾斜的测定面中，若使测定用探测器100在XY方向上进行扫描，则由于测定面的倾斜而要求使Z轴平台106向Z方向移动。如图15所示，若测定面绕着Y轴倾斜75°，则为了将测定力确保为固定，要求在Z方向上以向X方向的移动速度的tan75°(≈3.73)倍的速度进行移动。

Z轴平台106的重量例如为大致2kg，因此有时向Z方向的移动速度会被限制，产生相对于发生倾斜的侧面无法使Z轴平台以希望的速度进行移动这样的问题。此外，具有如下课题，即，难以在将测定力确保为固定的低值的同时在XY方向上进行扫描来测定，以使得追随测定物109的测定面中的微细凹凸的变化。

此外，具有如下课题，即，由于约2kg的Z轴平台106的重量，无法进行低的测定力下的反馈。进而，还具有如下课题，即，由于激光的空气波动的影响，无法将微型弹簧101的形变量设定得较低，难以通过低的测定力来进行测定。

图16是示出专利文献2所记载的测定设备的图。如图16所示，专利文献2所记载的测定设备120具备测定用探测器121、探测器支承构件122、移动机构123、第1计测部件124和第2计测部件125。第1计测部件124计测基于移动机构123的移动量，第2计测部件125计测探测器相对于探测器支承构件122的位移量，并且具有比第1计测部件124高的分辨率。在未图示的运算处理装置中，通过对第1计测部件124以及第2计测部件125的输出信号数据进行加减运算，求出测定用探测器121和测定物的测定部位的相对移动位移量或者被测定部位的坐标，由此能够进行高速的测定。

但是，在如专利文献2那样对两个计测部件的信号数据进行加减运算来获得测定位置的方法中，具有如下课题，即，难以在测定行程的整个长度内设为均匀的精度。此外，具有如下课题，即，由于对第1计测部件124以及第2计测部件125的输出信号进行加减运算来求出位置，因此有时测定结果会产生误差。

因此，本申请的发明人们对用于解决这些课题的测定用探测器进行研究，设计了以下的结构。

所述测定用探测器具备：

第1可动部，具有触针；

第1相对位置基于所述第1位置和所述第2位置来计算，

第2相对位置基于所述第1位置和所述第3位置来计算，

根据这样的结构，能够实现探测器的测定力的降低和探测器的高速响应。

也可以是，还具备：

第1弹簧，将所述第1可动部和所述第2可动部连结；和

第2弹簧，将所述第2可动部和所述第3可动部连结。

根据这样的结构，能够在Z方向上进行高精度的测定。

所述第2可动部的质量也可以为所述第3可动部的质量的1/100以下。

根据这样的结构，能够在将探测器的测定力确保为较低的同时进行测定。

所述第1位置测定部、所述第2位置测定部以及所述第3位置测定部也可以设置于在所述测定用探测器的内部划分出的空间。

根据这样的结构，能够降低空气波动所引起的变动的影响。此外，测定用探测器的组装变得容易，能够以低成本来制造。

也可以是，所述第1位置测定部包含第1光源，

所述第2位置测定部包含第2光源，

所述第3位置测定部包含第3光源，

所述第1光源、所述第2光源以及所述第3光源分别被配置为与所述Z方向平行地发射光。

根据这样的结构，来自各光源的光的附近的气温、气压被维持为大致相同，因此能够降低空气波动的影响，能够高精度且高稳定地控制测定力。

所述第1相对位置和所述第2相对位置也可以重置为预先存储的给定位置。

根据这样的结构，能够提供一种降低了测定误差的测定用探测器。

本公开的一方式涉及的形状测定装置具备技术方案1至6中任一者记载的测定用探测器。

根据这样的结构，能够提供一种降低测定力且实现了高速响应的形状测定装置。

以下，基于附图来说明实施方式。

(实施方式1)

[形状测定装置的整体结构]

图1是具备本公开的实施方式1涉及的测定用探测器的形状测定装置的整体结构图。图2是示出图1的形状测定装置的概略结构的框图。另外，在本实施方式中，X方向表示宽度方向，Y方向表示进深方向，Z方向表示高度方向。

如图1以及图2所示，形状测定装置90具备测定用探测器1、Z轴平台2、XY平台3、频率稳定化He-Ne激光器4、X轴基准反射镜5、Y轴基准反射镜6、Z轴基准反射镜7、上部石板8以及下部石板91、X轴激光射出部10、Y轴激光射出部11、运算处理部94和控制部95。形状测定装置90被用于对测定物9的表面形状进行测定。

在保持测定物9的下部石板91，以能够在XY轴方向上移动的方式配置有XY平台3。此外，在XY平台3上配置有上部石板8，在上部石板8之上配置有用于对测定物9的XYZ坐标位置进行测定的频率稳定化He-Ne激光器4。

测定用探测器1经由Z轴平台2而安装于上部石板8。XY平台3包括：马达驱动的Y轴平台3Y，配置在XY平台3的下侧；和马达驱动的X轴平台3X，配置在XY平台3的上侧。通过频率稳定化He-Ne激光器4而射出频率稳定化He-Ne激光96，所射出的频率稳定化He-Ne激光96经由配置于上部石板8的光学系统92分岔为X、Y、Z轴的3个方向的激光之后，使具有纳米级的高的平面度的X轴基准反射镜5、Y轴基准反射镜6和Z轴基准反射镜7分别反射。

通过这样构成，从而能够由X坐标检测装置93X、Y坐标检测装置93Y和对测定用探测器1的Z方向位置进行检测的Z坐标检测装置93Z以纳米级的超高精度对测定物9的表面的XYZ坐标进行测定。在X坐标检测装置93X、Y坐标检测装置93Y和Z坐标检测装置93Z连接有运算处理部94，能够由运算处理部94对从X坐标检测装置93X、Y坐标检测装置93Y和Z坐标检测装置93Z输入的测定数据进行运算处理，获得测定物9的表面的三维坐标数据来进行形状测定。这些单元，即，测定用探测器1、Z轴平台2、XY平台3、频率稳定化He-Ne激光器4、X轴激光射出部10、Y轴激光射出部11、X坐标检测装置93X、Y坐标检测装置93Y、Z坐标检测装置93Z和运算处理部94等通过控制部95而被进行动作控制，构成为自动地进行形状测定装置90中的计测动作。

形状测定装置90例如在透镜等测定物9的表面中，通过使测定用探测器1在XY方向上进行扫描，由此求出测定物9的表面的XYZ坐标数据串。通过控制部95来运算处理测定用探测器1的XY坐标位置处的Z坐标数据的串，进行测定物9的形状测定。即，形状测定装置90使测定用探测器1在XY方向上进行扫描来获取XYZ坐标，对测定物9的三维形状进行测定。

另外，形状测定装置90也可以构成为使测定用探测器1在XY方向上固定而仅在Z方向上移动，使测定物9在XY方向上移动来对测定物9的形状进行测定。

此外，在形状测定装置90中，X轴激光射出部10以及Y轴激光射出部11相对于测定用探测器1的位置是静止的。具体地，构成为即便通过XY平台3而使测定用探测器1在XY方向上移动，X轴激光射出部10以及Y轴激光射出部11相对于测定用探测器1的距离也是固定的，不变化。通过构成为X轴激光射出部以及Y轴激光射出部11相对于测定用探测器1确保固定的距离，由此能够通过在X方向以及Y方向上射出的激光来高精度地测定从测定用探测器1的中心到X轴基准反射镜5以及Y轴基准反射镜6的距离。

[测定用探测器的整体结构]

参照图3以及图4而示出本公开的测定用探测器1的结构。图3是搭载于图1的形状测定装置的测定用探测器的示意图。图4是示出搭载于图1的形状测定装置的测定用探测器的概略结构的图。

如图3以及图4所示，测定用探测器1具备第1可动部12、第2可动部13、第3可动部14、第1位置测定部15、第2位置测定部16、第3位置测定部17、第1驱动部(VCM)37和第2驱动部(线性马达)18。第1可动部12和第2可动部13通过第1弹簧22而连结，第2可动部13和第3可动部14通过第2弹簧34而连结。在对测定物9的Z方向的坐标进行测定时，第1可动部12和轻量的第2可动部13以小的行程(例如，50～100μm)在Z方向上移动，与第2可动部13比较具有重量的第3可动部14以大的行程(例如，40～80mm)在Z方向上移动。这样，通过组合轻量的第2可动部13和具有重量的第3可动部14，由此能够在维持向测定物9的低测定力的同时使测定用探测器1向Z方向高速地移动。

<第1可动部>

如图4所示，第1可动部12具有：空气滑块19；触针20，配置在空气滑块19的一端；和第1反射镜21，配置在空气滑块19的另一端。第1可动部12的空气滑块19插入到第3可动部14的空气轴承部23，能够在Z方向上移动。测定用探测器1中的作为测定器的触针20能够在Z方向上移动，被在XY方向上具有刚性的空气滑块19支承。空气滑块19的可动部分通过长条状的第1弹簧22来支承自重。第1弹簧22将第1可动部12和第2可动部13连结为能够移动。空气滑块19通过3～15μm的空气间隙来维持XY方向的刚性，插入到第3可动部14的空气轴承部23。

此外，在测定用探测器1中，设置有对XY方向的微小的倾斜进行检测的检测光学系统LT。检测光学系统LT具有光源LS，使反射镜46反射来自光源LS的激光43。检测光学系统LT当触针20由于测定物9的表面上的摩擦力而在XY方向上受到力时，能够检测以触针20的X方向为轴的倾斜(图1的B方向的倾斜)和以Y方向为轴的倾斜(图1以及图4的A方向的倾斜)。

<第2可动部>

第2可动部13以能够在Z方向上移动的方式与第1可动部12连结，容纳在后述的第3可动部14的空间24。第2可动部13具有第2反射镜25，在第3可动部14的空间24，通过将第2可动部13和第3可动部14连结的第2弹簧34而与第3可动部14连结为能够移动。第2可动部13具有中空的杯状的杯型滑块40，杯型滑块40构成为能够在Z方向上移动。杯型滑块40通过3～15μm的空气间隙来维持XY方向的刚性，插入到第3可动部14的空气轴承部41。即，第2可动部13通过第2弹簧34而以能够在Z方向上移动的方式支承其自重。此外，通过设置在第2可动部13的杯型滑块40的底部的支承球42来支承第1弹簧22。因此，第2可动部13通过第1弹簧22以及支承球42来支承第1可动部12。第2可动部13自重为约5g这样的轻量，能够在Z方向上高速地移动。如后述那样，第3可动部14的质量为约2kg，第2可动部13的质量为第3可动部14的质量的1/100以下为宜。优选的是，第2可动部13的质量为第3可动部14的质量的1/200以下。更优选的是，第2可动部13的质量为第3可动部14的质量的1/400以下。

关于第1可动部12的Z方向的坐标，通过设置于第3可动部14的透镜33将来自第1位置测定部15的第1光源26的激光27聚集到第1反射镜21，并由干涉仪测定而能够求出。

来自对空气滑块19的Z位置进行测定的第1位置测定部15的第1光源26的激光27和来自对触针20向XY方向的扫描所引起的倾斜进行检测的检测光学系统LT的激光43，通过第2可动部13的中空部分。

在第2可动部13的外周设置有圆筒状的线圈36，通过线圈36与设置在第3可动部14的内周的磁铁35进行组合，从而以简单的构造来构成产生推力的音圈马达(VCM)37。通过VCM37而能够在Z方向上驱动第2可动部13。虽然通过VCM37而第2可动部13可在Z方向的上下高速移动，但由于第2可动部13的自重被第2弹簧34支承，因此能够以低消耗电力来驱动。因而，能够抑制在精密测定时成为问题的热的产生。

第2可动部13不会受到测定所引起的外力，因此不会产生倾倒。因而，第2可动部13相对于以X方向为轴的倾斜(图1的B方向的倾斜)和以Y方向为轴的倾斜(图1以及图2的A方向的倾斜)的刚性可以较低。此外，无需关心Z方向以外的机械移动精度。杯型滑块40的空气间隙的制造公差为约20μm，作为空气轴承的精度较松，低成本化也容易。

关于第2可动部13的Z方向的坐标，由干涉仪测定通过设置于第3可动部14的透镜32将来自第2位置测定部16的第2光源28的激光29聚集到第2反射镜25之后的光，由此能够求出。

<第3可动部>

第3可动部14在内部设置有容纳第2可动部13的空间24，以能够在Z方向上移动的方式与第2可动部13连结。第3可动部14是在内部形成有空间24的有底筒状。在第3可动部14的底部，设置有将第1可动部12的空气滑块19保持为能够在Z方向上移动的空气轴承部23。在第3可动部14的内底，即底部的配置第2可动部13的一侧，配置有第2弹簧34。第2弹簧34在Z方向上向上方对第3可动部14的内部的空间24中容纳的轻量的第2可动部13的自重进行支承。即，第2可动部13和第3可动部14通过第2弹簧34被连结为能够移动。关于第3可动部14的Z方向的坐标，由干涉仪测定将来自第3位置测定部17的第3光源30的激光31聚集到第3反射镜47之后的光而可求出。第3可动部14通过线性马达18而在Z方向上驱动。线性马达18包括磁铁38和线圈39。此外，第3可动部14的自重为约2kg，通过未图示的陶瓷平台而构成为直线度在10nm以下。

<第1位置测定部>

第1位置测定部15对第1可动部12在Z方向上的第1位置L1(参照图3)进行测定。第1位置测定部15具有第1光源26，通过使第1反射镜21反射来自第1光源26的激光27，由此对第1可动部12在Z方向上的第1位置L1进行测定。即，第1位置L1是第1反射镜21的Z方向的位置。如图4所示，第1位置测定部15使来自第1光源26的激光27通过固定于第3可动部14的透镜33而照射到第1反射镜21，由此对第1反射镜21的Z方向的位置进行测定，决定第1位置L1。所测定的第1位置L1的信息作为测定物9的形状测定数据使用。此外，在第1位置测定部15设置有半导体激光光学系统。半导体激光光学系统通过未图示的分色镜将波长与频率稳定化He-Ne激光器4不同的半导体激光器的光照射到第1反射镜21，由此测定第1反射镜21的初始绝对高度。

<第2位置测定部>

第2位置测定部16对第2可动部13在Z方向上的第2位置L2进行测定。第2位置测定部16使第2光源28的激光29通过设置于第3可动部14的透镜32而被第2反射镜25反射，由此在未图示的干涉仪中对第2可动部13在Z方向上的第2位置L2进行测定。即，第2位置L2是第2反射镜25的Z方向的位置。

<第3位置测定部>

第3位置测定部17对第3可动部14在Z方向上的第3位置L3进行测定。第3位置测定部17通过使设置于第3可动部14的第3反射镜47反射来自第3光源30的激光31，由此在未图示的干涉仪中对第3可动部14在Z方向上的第3位置L3进行测定。即，第3位置L3是第3反射镜47的Z方向的位置。

如图3所示，第1相对位置R1是第2可动部13相对于第1可动部12的Z方向的相对位置，第2相对位置R2是第3可动部14相对于第1可动部12的Z方向的相对位置。第1位置L1、第2位置L2以及第3位置L3基于第1相对位置以及第2相对位置来计算。在本实施方式中，第1相对位置R1以及第2相对位置R2的计算由运算处理部94执行。

<驱动部>

测定用探测器1具有：第2驱动部18，在Z方向上驱动第3可动部14；和第1驱动部37，在Z方向上驱动第2可动部13。另外，第1驱动部37相当于前述的VCM37，第2驱动部18相当于前述的线性马达18。VCM37在Z方向上驱动第2可动部13，线性马达18在Z方向上驱动第3可动部14。即，第1驱动部37在Z方向上驱动第2可动部13，第2驱动部18在Z方向上驱动第3可动部14。

第1驱动部37以及第2驱动部18被控制为使第1相对位置R1和第2相对位置R2固定。在本实施方式中，控制部95控制线性马达18以及VCM37，使得第1相对位置R1和第2相对位置R2固定。

[测定力的控制]

从测定用探测器1向测定物9施加的测定力基于触针20接触测定物9时的支承触针20的第1弹簧22的变形量来控制。为了稳定地实现低的测定力，优选基于施加于第1弹簧22的力以及施加于第2弹簧34的力这两者来控制测定力。为了检测施加于第1弹簧22以及第2弹簧34的力，以纳米级的高精度且高稳定地测定第1弹簧22以及第2弹簧34的变形量。

关于第1弹簧22的变形量，由第1位置测定部15测定第1反射镜21的Z方向的坐标(第1位置L1)，由第2位置测定部16测定第2反射镜25的Z方向的坐标(第2位置L2)，通过计算其差分(第1相对位置R1)来测定。此外，关于第2弹簧34的变形量，由第1位置测定部15测定第1反射镜21的Z方向的坐标(第1位置L1)，由第3位置测定部17测定第3反射镜47的Z方向的坐标(第3位置L3)，通过计算其差分(第2相对位置R2)来测定。由第1位置测定部15、第2位置测定部16以及第3位置测定部17进行的激光长度测量具有高的线性度，对于微小计测是有效的。另外，在具体的测定力的计算中，也可以预先测定第1弹簧22的弹簧常量KA(N/m)以及第2弹簧34的弹簧常量KB(N/m)。

在第1弹簧22以及第2弹簧34的变形量的测定中，首先，将测定用探测器1移动到上部，在触针20不接触测定物9的测定面的状态下，同时获取第1光源26、第2光源28以及第3光源30的激光长度测量值。此时，使得振动等不施加于测定用探测器1为宜。将触针20不接触测定物9的测定面时的第1光源26的激光长度测量值设为Z2Z，将第2光源28的激光长度测量值设为Z4Z，将第3光源30的激光长度测量值设为Z5Z。此外，将触针20接触测定物9时即测定中的第1光源26的激光长度测量值设为Z2，将第2光源28的激光长度测量值设为Z4，将第3光源30的激光长度测量值设为Z5。将这些值存储至未图示的存储器。

施加于测定物9的测定力MF由数学式1的式子表示。

(数学式1)

MF＝KA×{(Z2-Z4)-(Z2Z-Z4Z)}

通过高精度且高稳定地测定第1弹簧22的变形量，由此能够准确地计算测定力。为了高精度且高稳定地测定第1弹簧22的变形量，在激光长度测量的动作中测定用探测器1没有漂移等而稳定为宜。但是，在激光长度测量中，若附近的气温以及气压不均匀，则会产生折射率的变化，有时产生测定位置的误差。

在测定物9例如是如使用于智能手机等的相机那样的厚度为0.2mm以下的塑料透镜的情况下，为了不使测定物9变形地进行测定，测定力为2mgf以下为宜。为了控制为2mgf以下的测定力，例如，对于第1弹簧22而采用弹簧常量KA为20N/m的弹簧，将第1弹簧22的变形量控制为大致1μm为宜。为此，在变形量的1/10的0.1μm以下的精度和稳定性下，稳定地计测第1弹簧22的位置为宜。

另外，在激光长度测量的情况下，计测误差在气温时为-1ppm/℃(＝-1e^-6/℃)，1℃的温度变化在激光27以及激光29的光路高度差为40mm的构件中相当于0.04μm的计测误差。此外，计测误差在气压时为0.27ppm/hPa，在设置有形状测定装置90的环境中，例如，在房间的门的开闭中产生10～20Pa(0.1～0.2hPa)的气压变化，在激光27以及激光29的光路高度差为40mm的构件中，相当于0.015～0.03μm的计测误差。

若第1光源26、第2光源28以及第3光源30的激光长度测量时的光通过的路径接近，则能够避免气温以及气压的变化所引起的Z方向的位置的测定精度的下降。因此，第1位置测定部15、第2位置测定部16以及第3位置测定部17设置于在测定用探测器1的内部划分出的空间。在此，所谓在测定用探测器1的内部划分出的空间，是指在后述的图5以及图6中由信号处理部44、线性马达18和第3可动部14划分出的封闭的空间45。第1光源26、第2光源28以及第3光源30分别被配置为与Z方向平行地发射激光27、29、31。通过这样的光源的配置，即便测定用探测器1在Z方向上移动，各个激光27、29、31的附近的气温、气压也被维持为大致相同。因此，即便在分别通过光源26、28、30的激光长度测量值的微小差来控制的情况下，也能够高精度且高稳定地控制触针20的测定力。

如上所述，将第1光源26、第2光源28以及第3光源30配置在靠近的位置，并且第1位置测定部15、第2位置测定部16以及第3位置测定部17被配置为来自各自的光源26、28、30的激光27、29、31的光轴平行为宜。

图5是测定用探测器1在Z方向上下降时的图。图6是测定用探测器1在Z方向上上升时的图。如图5所示，为了对测定物9的测定位置的Z方向的位置进行测定，第1光源26设置在空气滑块19的Z方向的中心位置的延长线上，来自第1光源26的激光27通过固定于第3可动部14的透镜33而到达第1反射镜21。

此外，为了对第2可动部13的Z方向的位置进行测定，第2光源28被设置为激光29的中心相对于来自第1光源26的激光27的光轴而位于X+方向，来自第2光源28的激光29通过透镜32而到达第2反射镜25。

此外，为了对第3可动部14的Z方向的位置进行测定，第3光源30被设置为激光31的中心相对于来自第1光源26的激光27的光轴而位于X-方向。

这样，若在信号处理部44与测定用探测器1之间的空间45设置来自各个光源26、28、30的激光27、29、31的光路，则各个激光27、29、31的附近的气温以及气压等的条件变得相同。因而，基于各个激光27、29、31的激光长度测量值成为干扰所引起的Z方向的位置测定的波动相同的变化，用于检测施加于测定物9的测定力的数学式1的式子的Z2-Z4以及数学式2的式子的Z4-Z5的值不会受到波动的影响。

如上所述，在本实施方式中，在空间45中，来自各个光源26、28、30的激光27、29、31的激光长度测量的气温以及气压等的条件变得大致相同。其结果是，能够高速且高精度地测定支承触针20的第1弹簧22的位置。

此外，为了避免由于位置测定的波动的时间变化而产生的漂移，在测定物9的测定结束而即将开始下一次的测定之前，设为触针20的前端不接触测定物9的状态。在该状态下，控制部95将第1相对位置R1和第2相对位置R2设定为预先存储的给定值。此时，控制部95使测定力为固定，进行将因局部的气温以及气压的变动而变动的各个光源26、28、30的激光长度测量值重置的重置处理。即，在开始测定物的测定之前，控制部95进行将第1相对位置R1的值以及第2相对位置R2的值恢复为预先存储的给定值的重置处理。

如图6所示，测定用探测器1在Z方向上以30mm～120mm程度的行程上升来进行测定物9的测定。如图5以及图6所示，在信号处理部44与测定用探测器1之间，设置有测定用探测器1在Z方向上移动用的空间45。各个激光27、29、31朝向同一空间45照射，在空间45内气温以及气压等大致相同。因而，在激光27、29、31中，能够使空气波动的影响为最小，即便测定用探测器1在Z方向上移动，也能够将测定力控制为固定。

使第2可动部13在Z方向上高速移动，使得通过数学式1的式子计算的测定力MF固定。此时，不仅是第2可动部13，还通过反馈给线性马达18的线圈39而使第3可动部14移动。这样，使测定用探测器1在Z方向上移动，同时将频率稳定化He-Ne激光器4照射到Z轴基准反射镜7，由此对测定物9的测定面的Z方向的位移进行测定。在该状态下，使测定用探测器1整体在XY方向上进行扫描，对测定物9的形状进行测定。如此一来，能够在维持低的测定力的同时进行可靠性更高的形状测定。

通过使测定用探测器1在XY方向上进行扫描，由此在测定用探测器1产生了倾斜的情况下，求出预先存储的触针20距旋转中心位置的距离和角度的乘积。如此一来，即便在测定物9的测定面发生倾斜的情况下，通过对测定用探测器1的前端的XY位置进行修正，用作测定值，由此也能够进行高精度的测定。此外，由于能够维持低的测定力，因此能够防止由空气滑块19支承的触针20的倾倒，进行高精度的测定。

[测定例]

参照图7～图14，示出利用本公开的测定用探测器1而测定的取样数据例。图7是示出基于15mgf的测定力的测定结果的曲线图。图8是示出基于1.7mgf的测定力的测定结果的曲线图。图9是将图7的曲线图的横轴的范围缩小了的曲线图。图10是将图9的曲线图的区域P1放大了的曲线图。图11是将图9的曲线图的区域P2放大了的曲线图。图12是将图8的曲线图的横轴的范围缩小了的曲线图。图13是将图12的曲线图的区域P3放大了的图。图14是将图12的曲线图的区域P4放大了的曲线图。在图7～图14中，纵轴Zd表示设计形状和Z方向之差，横轴表示X坐标。此外，作为测定物而使用R5.55mm的球，在X方向上直到60°为止实施了测定。测定条件是：速度为1mm/s，间距为0.001mm。

如图7以及图8所示可知，通过将测定力从15mgf下降到1.7mfg，由此触针20的测定力所引起的倾斜变小，以正确的值计测了透镜的曲率。

此外，如图9至图14所示可知，通过将测定力从15mfg下降到1.7mgf，由此能够以使残留于测定物9的测定面的波纹状的凹凸符合实际形状的形状来测定。若比较将图9的区域P1以及区域P2放大了的图10以及图11和将图12的区域P3以及区域P4放大了的图13以及图14，则在图13以及图14的情况下，测定为凸形状80大的形状。即，在测定力低的情况下，能够进行符合实际形状的测定。

[效果]

根据本公开的测定用探测器1，具备第1可动部12、第2可动部13、第3可动部14、第1位置测定部15、第2位置测定部16、第3位置测定部17、第1驱动部37以及第2驱动部18，能够实现探测器的测定力的降低和探测器的高速响应。

此外，通过由第1弹簧22连结第1可动部12和第2可动部13，从而能够在将测定力维持为低的值的同时实现测定用探测器1的高速响应。

进而，第1位置测定部15、第2位置测定部16以及第3位置测定部17被平行地设置，由此组装时的光轴调整容易。此外，由于能够使对于激光27、29、31的空气波动的影响相同，因此能够在不给测定力的控制带来影响的情况下实现低的测定力且高精度的测定。

此外，在测定物9例如具有75°的高倾斜面的情况下，也能够以纳米级的高精度且抑制来自空气波动所引起的干扰的影响地进行测定。

根据本公开，能够提供一种能实现测定力的降低和高速响应的测定用探测器。

产业上的可利用性

本公开的测定用探测器通过在Z方向上移动的轻量的杯状的第2可动部来对支承触针的第1弹簧进行支承。能够根据所测定的表面的凹凸形状而在Z方向上高速地以固定的测定力进行测定。此外，以高速移动的第2可动部不被要求Z方向以外的姿势精度。用于Z方向的位置测定的光源设置在同一部位，因此组装调整容易。来自光源的光的光轴位于相同的空间，因此能够在不受激光长度测量的空气波动的影响的情况下高速且以低的测定力进行测定。

Claims

1.一种测定用探测器，通过扫描测定物的表面来对所述测定物的表面的三维形状进行测定，

所述测定用探测器具备：

第1可动部，具有触针；

第1相对位置基于所述第1位置和所述第2位置来计算，

第2相对位置基于所述第1位置和所述第3位置来计算，

2.根据权利要求1所述的测定用探测器，其中，还具备：

第1弹簧，将所述第1可动部和所述第2可动部连结；和

第2弹簧，将所述第2可动部和所述第3可动部连结。

3.根据权利要求1或2所述的测定用探测器，其中，

所述第2可动部的质量为所述第3可动部的质量的1/100以下。

4.根据权利要求1或2所述的测定用探测器，其中，

所述第1位置测定部、所述第2位置测定部以及所述第3位置测定部设置于在所述测定用探测器的内部划分出的空间。

5.根据权利要求4所述的测定用探测器，其中，

所述第1位置测定部包含第1光源，

所述第2位置测定部包含第2光源，

所述第3位置测定部包含第3光源，

6.根据权利要求1或2所述的测定用探测器，其中，

所述测定用探测器将所述第1相对位置和所述第2相对位置重置为预先存储的给定位置。

7.一种形状测定装置，具备权利要求1至6中任一项所述的测定用探测器。