DE102020127912A1

DE102020127912A1 - Messsonde

Info

Publication number: DE102020127912A1
Application number: DE102020127912.4A
Authority: DE
Inventors: Keishi Kubo; Takashi Inoue; Masateru Doi; Makoto Okazaki; Yukiya Usui; Takanori Funabashi
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2019-10-28
Filing date: 2020-10-23
Publication date: 2021-04-29
Also published as: JP2021067648A; CN112729066B; JP7340761B2; US20210123725A1; US11473904B2; CN112729066A

Abstract

Eine Messsonde der vorliegenden Offenbarung, die eine Fläche eines Messobjekts abtastet, um eine dreidimensionale Form oder dergleichen der Fläche des Messobjekts zu messen, umfasst einen ersten beweglichen Abschnitt, der einen Taster aufweist, einen zweiten beweglichen Abschnitt, der mit dem ersten beweglichen Abschnitt verbunden ist, um in einer Z-Richtung beweglich zu sein, einen dritten beweglichen Abschnitt, der mit dem zweiten beweglichen Abschnitt verbunden ist, um in der Z-Richtung beweglich zu sein, einen ersten Positionsmesser, der eine erste Position des ersten beweglichen Abschnitts in der Z-Richtung misst, einen zweiten Positionsmesser, der eine zweite Position des zweiten beweglichen Abschnitts in der Z-Richtung misst, und einen dritten Positionsmesser, der eine dritte Position des dritten beweglichen Abschnitts in der Z-Richtung misst. Eine erste relative Position wird basierend auf der ersten Position und der zweiten Position berechnet. Eine zweite relative Position wird basierend auf der ersten Position und der dritten Position berechnet. Die erste relative Position des zweiten beweglichen Abschnitts in Bezug auf den ersten beweglichen Abschnitt in der Z-Richtung und die zweite relative Position des dritten beweglichen Abschnitts in Bezug auf den ersten beweglichen Abschnitt in der Z-Richtung werden konstant gehalten.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Messsonde einer Formmessungsvorrichtung, die ein Messobjekt abtastet und misst.
Beschreibung des Standes der Technik
Mit dem Fortschritt einer optoelektronischen Technik in den letzten Jahren schreitet die hohe Auflösung von Digitalrundfunk von 4K zu 8K fort. Folglich besteht eine Nachfrage nach verbesserter Bildqualität in einer Digitalkamera und dergleichen oder in einer Kamera, die in einer mobilen Vorrichtung, wie beispielsweise einem Smartphone, verwendet wird. Es ist erforderlich, dass eine Flächenform einer Linse, die in den Kameras und dergleichen verwendet wird, einen Fehler von zum Beispiel 0,03 µm (30 nm) oder weniger in Bezug auf eine Konstruktionsform aufweist, und die Nachfrage nach Hochpräzisionslinsen steigt.
Es besteht ein zunehmender Bedarf an hochgenauer Messung einer Formmessungsvorrichtung, die die Flächenform der Linse mit hoher Genauigkeit misst. Daher wird in dem Japanischen Patent Nr. 3000819 ein Messverfahren vorgeschlagen, das eine Sonde verwendet.
Es wird auch ein Verfahren zum Erhalten einer Messposition durch Addieren und Subtrahieren von Signaldaten von zwei Messern vorgeschlagen, wie in der ungeprüften Japanischen Patentveröffentlichung Nr. 61-200419.
KURZDARSTELLUNG
Eine Messsonde gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Offenbarung, die eine Fläche eines Messobjekts abtastet, um eine Form der Fläche des Messobjekts zu messen, umfasst:

einen ersten beweglichen Abschnitt, der einen Taster aufweist,
einen zweiten beweglichen Abschnitt, der mit dem ersten beweglichen Abschnitt verbunden ist und in einer Z-Richtung beweglich ist,
einen dritten beweglichen Abschnitt, der innen mit einem Raum zum Aufnehmen des zweiten beweglichen Abschnitts versehen ist, mit dem zweiten beweglichen Abschnitt verbunden ist und in der Z-Richtung beweglich ist,
einen ersten Positionsmesser, der eine erste Position des ersten beweglichen Abschnitts in der Z-Richtung misst,
einen zweiten Positionsmesser, der eine zweite Position des zweiten beweglichen Abschnitts in der Z-Richtung misst, und
einen dritten Positionsmesser, der eine dritte Position des dritten beweglichen Abschnitts in der Z-Richtung misst.

Eine erste relative Position wird basierend auf der ersten Position und der zweiten Position berechnet.
Eine zweite relative Position wird basierend auf der ersten Position und der dritten Position berechnet.
Die erste relative Position des zweiten beweglichen Abschnitts in Bezug auf den ersten beweglichen Abschnitt in der Z-Richtung und die zweite relative Position des dritten beweglichen Abschnitts in Bezug auf den ersten beweglichen Abschnitt in der Z-Richtung werden konstant gehalten.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm einer Gesamtausgestaltung einer Formmessvorrichtung, die eine Messsonde gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung umfasst.
2 ist ein Blockdiagramm, das eine schematische Ausgestaltung der Formmessvorrichtung in 1 zeigt.
3 ist ein schematisches Diagramm der auf der Formmessvorrichtung in 1 montierten Messsonde.
4 ist ein Diagramm, das eine schematische Ausgestaltung der auf der Formmessvorrichtung in 1 montierten Messsonde zeigt.
5 ist ein Diagramm, wenn die Messsonde sich in einer Z-Richtung abwärts bewegt.
6 ist ein Diagramm, wenn die Messsonde in 4 sich in der Z-Richtung aufwärts bewegt.
7 ist ein Graph, der ein Messergebnis mit einer Messkraft von 15 mgf zeigt.
8 ist ein Graph, der ein Messergebnis mit einer Messkraft von 1,7 mgf zeigt.
9 ist ein Graph, in dem ein Bereich einer horizontalen Achse des Graphen in 7 verkleinert ist.
10 ist ein Graph, in dem die Region P1 des Graphen in 9 vergrößert ist.
11 ist ein Graph, in dem die Region P2 des Graphen in 9 vergrößert ist.
12 ist ein Graph, in dem ein Bereich der horizontalen Achse des Graphen in 8 verkleinert ist.
13 ist ein Graph, in dem die Region P3 des Graphen in 12 vergrößert ist.
14 ist ein Graph, in dem die Region P4 des Graphen in 12 vergrößert ist.
15 ist ein Diagramm, das eine Messsonde zeigt, die in dem Japanischen Patent Nr. 3000819 beschrieben wird.
16 ist ein Diagramm, das eine Messmaschine zeigt, die in der ungeprüften Japanischen Patentveröffentlichung Nr. 61-200419 beschrieben wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Messsonden, die in dem Japanischen Patent Nr. 3000819 und der ungeprüften Japanischen Patentveröffentlichung Nr. 61-200419 beschrieben sind, weisen immer noch Raum für Verbesserungen hinsichtlich der Verminderung der Messkraft der Sonde und einer Hochgeschwindigkeitsreaktion der Sonde auf. Die Messkraft ist die Kraft, die auf ein während der Messung durch die Messsonde zu messendes Objekt angewandt wird.
(Allgemeiner Stand der Technik der vorliegenden Offenbarung)
Es besteht ein zunehmender Bedarf an hochgenauer Messung in einer Formmessvorrichtung, die die hochgenaue Messung durchführt, und es wird ein Messverfahren, das eine Sonde verwendet, vorgeschlagen wie in dem Japanischen Patent Nr. 3000819 . In dem Japanisches Patent Nr. 3000819 ist ein beweglicher Abschnitt aus einem leichtgewichtigen Luftschieber ausgestaltet, der 0,2 g wiegt und durch eine Mikrofeder getragen wird und so kann ein Druck auf das Messobjekt auf 30 mgf oder niedriger unterdrückt werden. Es wird auch ein Verfahren zum Erhalten einer Messposition durch Addieren und Subtrahieren von Signaldaten von zwei Messern vorgeschlagen, wie in der ungeprüften Japanischen Patentveröffentlichung Nr. 61-200419.
Zum Verringern einer Dicke einer Linse und Verbessern optischer Eigenschaften der Linse erfordert eine Kunststofflinse, die ein Kunststoffmaterial verwendet, das eine weiche Fläche aufweist, die verringerte Messkraft der Sonde und die Hochgeschwindigkeitsreaktion der Sonde.
15 ist ein Diagramm, das eine Messsonde zeigt, die in dem Japanischen Patent Nr. 3000819 beschrieben wird. Wie in 15 gezeigt, ist die Messsonde 100, die in dem Japanischen Patent Nr. 3000819 beschrieben ist, aus der Mikrofeder 101, dem Taster 102, dem Fokusdetektionsgrößenlaser 103, der Sondeneinheit 104, dem frequenzstabilisierten He-Ne-Laser 105, der Z-Achsen-Stufe 106 und dem Mikroluftschieber 110 ausgestaltet. Das Gewicht des Tasters 102 und des Mikroluftschiebers 110 wird von der Mikrofeder 101 getragen. Die Messsonde 100 misst einen Verlagerungsbetrag der Mikrofeder 101 als einen Belastungsbetrag der Mikrofeder 101 während der Abtastung in einer XY-Richtung durch ein optisches Halbleiter-Lasersystem. Die Formmessung wird durch das Abtasten in der XY-Richtung in einem Zustand durchgeführt, in dem der Verlagerungsbetrag rückgekoppelt wird, um eine Form einer Messfläche des Messobjekts 109 durch konstante Messkraft zu messen. Wie vorhergehend beschrieben, wird die Formmessung durch das Abtasten in der XY-Richtung in einem Zustand durchgeführt, in dem der Belastungsbetrag der Mikrofeder 101 konstant rückgekoppelt wird. Daher ist es möglich, eine konstante Messkraft aufrecht zu erhalten.
Wie in 15 gezeigt, kann bei der Messung des Messobjekts 109 eine geneigte Messfläche gemessen werden. Zum Beispiel weist eine Linsenfläche einer Kamera, wie beispielsweise eines Smartphones, eine um etwa 75° geneigte Messfläche auf. Sogar in einem solchen Fall ist es erforderlich, die Messkraft der Messsonde 100 festzustellen und einen Verformungsbetrag (Durchfederungsbetrag) der Mikrofeder 101 konstant zu halten. Wenn die Messsonde 100 in der XY-Richtung auf der geneigten Messfläche abgetastet wird, ist es erforderlich, die Z-Achsen-Stufe 106 aufgrund der Neigung der Messfläche in einer Z-Richtung zu bewegen. Wie in 15 gezeigt, ist es, wenn die Messfläche um 75° um eine Y-Achse geneigt ist, um die Messkraft konstant zu halten, erforderlich, die Z-Achsen-Stufe 106 mit einer Geschwindigkeit von tan75° (≈ 3,73) Mal eine Bewegungsgeschwindigkeit in einer X-Richtung in der Z-Richtung zu bewegen.
Da das Gewicht der Z-Achsen-Stufe 106 zum Beispiel etwa 2 kg beträgt, kann eine Bewegungsgeschwindigkeit in der Z-Richtung begrenzt sein. Daher tritt ein Problem auf, dass die Z-Achsen-Stufe nicht mit einer gewünschten Geschwindigkeit in Bezug auf eine geneigte Seitenfläche bewegt werden kann. Es besteht ein Problem, dass es schwierig ist, das Abtasten und die Messung in der XY-Richtung durchzuführen und dabei die Messkraft auf einem konstant niedrigen Wert zu halten, um einer Änderung in winzigen Unebenheiten auf der Messfläche des Messobjekts 109 zu folgen.
Es besteht ein Problem, dass die Rückkopplung mit der niedrigen Messkraft durch das Gewicht der Z-Achsen-Stufe 106 von etwa 2 kg nicht durchgeführt werden kann. Ferner besteht ein Problem, dass der Belastungsbetrag der Mikrofeder 101 aufgrund des Einflusses einer Luftschwankung eines Lasers nicht niedrig eingestellt werden kann und es somit schwierig ist, die Messung mit der geringen Messkraft durchzuführen.
16 ist ein Diagramm, das eine in der ungeprüften Japanischen Patentveröffentlichung Nr. 61-200419 beschriebene Messmaschine zeigt. Wie in 16 gezeigt, umfasst die in der ungeprüften Japanischen Patentveröffentlichung Nr. 61-200419 beschriebene Messmaschine 120 die Messsonde 121, das Sondentragelement 122, den Bewegungsmechanismus 123, den ersten Messer 124 und den zweiten Messer 125. Der erste Messer 124 misst einen Bewegungsbetrag durch den Bewegungsmechanismus 123 und der zweite Messer 125 misst einen Verlagerungsbetrag der Sonde in Bezug auf das Sondentragelement 122 und weist eine höhere Auflösung auf als der erste Messer 124. In einer arithmetischen Verarbeitungsvorrichtung (nicht gezeigt) werden Ausgangssignaldaten des ersten Messers 124 und des zweiten Messers 125 addiert und subtrahiert, ein relativer Bewegungsverlagerungsbetrag zwischen der Messsonde 121 und einem Messpunkt des Messobjekts oder Koordinaten eines zu messenden Punktes werden erhalten und somit ist Hochgeschwindigkeitsmessung möglich.
Mit dem Verfahren zum Erhalten der Messposition durch Addieren und Subtrahieren der Signaldaten der zwei Messer wie in der ungeprüften Japanischen Patentveröffentlichung Nr. 61-200419 besteht indes ein Problem, dass es schwierig ist, über die gesamte Länge eines Messhubs eine gleichförmige Genauigkeit zu erhalten. Da die Ausgangssignale des ersten Messers 124 und des zweiten Messers 125 addiert und subtrahiert werden, um die Position zu erhalten, besteht ein Problem, dass in einem Messergebnis ein Fehler auftreten kann.
Daher haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung eine Messsonde zum Lösen der Probleme untersucht und haben die folgende Ausgestaltung ersonnen.
Eine Messsonde gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Offenbarung, die eine Fläche eines Messobjekts abtastet, um eine dreidimensionale Form oder dergleichen der Fläche des Messobjekts zu messen, umfasst:

einen ersten beweglichen Abschnitt, der einen Taster aufweist,
einen zweiten beweglichen Abschnitt, der mit dem ersten beweglichen Abschnitt verbunden ist, um in einer Z-Richtung beweglich zu sein,
einen dritten beweglichen Abschnitt, der innen mit einem Raum zum Aufnehmen des zweiten beweglichen Abschnitts versehen ist und mit dem zweiten beweglichen Abschnitt verbunden ist und in der Z-Richtung beweglich ist,
einen ersten Positionsmesser, der eine erste Position des ersten beweglichen Abschnitts in der Z-Richtung misst,
einen zweiten Positionsmesser, der eine zweite Position des zweiten beweglichen Abschnitts in der Z-Richtung misst, und
einen dritten Positionsmesser, der eine dritte Position des dritten beweglichen Abschnitts in der Z-Richtung misst.

Eine erste relative Position wird basierend auf der ersten Position und der zweiten Position berechnet.
Eine zweite relative Position wird basierend auf der ersten Position und der dritten Position berechnet.
Die erste relative Position des zweiten beweglichen Abschnitts in Bezug auf den ersten beweglichen Abschnitt in der Z-Richtung und die zweite relative Position des dritten beweglichen Abschnitts in Bezug auf den ersten beweglichen Abschnitt in der Z-Richtung werden konstant gehalten.
Mit einer solchen Ausgestaltung sind eine Verringerung der Messkraft der Sonde und eine Hochgeschwindigkeitsreaktion der Sonde möglich.
Die Messsonde kann ferner umfassen:

eine erste Feder, die den ersten beweglichen Abschnitt und den zweiten beweglichen Abschnitt verbindet, und
eine zweite Feder, die den zweiten beweglichen Abschnitt und den dritten beweglichen Abschnitt verbindet.

Mit einer solchen Ausgestaltung kann hochgenaue Messung in der Z-Richtung durchgeführt werden.
Die Masse des zweiten beweglichen Abschnitts kann 1/100 oder weniger der Masse des dritten beweglichen Abschnitts sein.
Mit einer solchen Ausgestaltung ist es möglich, die Messung durchzuführen und dabei die Messkraft der Sonde gering zu halten.
Der erste Positionsmesser, der zweite Positionsmesser und der dritte Positionsmesser können in einem Raum bereitgestellt sein, der innerhalb der Messsonde definiert ist.
Mit einer solchen Ausgestaltung ist es möglich, den Einfluss einer Veränderung aufgrund einer Luftschwankung zu vermindern. Der Zusammenbau der Messsonde ist einfach und somit ist es möglich, die Messsonde zu geringen Kosten herzustellen.
Der erste Positionsmesser kann eine erste Lichtquelle umfassen.
Der zweite Positionsmesser kann eine zweite Lichtquelle umfassen.
Der dritte Positionsmesser kann eine dritte Lichtquelle umfassen.
Jede von der ersten Lichtquelle, der zweiten Lichtquelle und der dritten Lichtquelle können derart angeordnet sein, dass ein Strahl parallel zur Z-Richtung emittiert wird.
Mit einer solchen Ausgestaltung werden eine Umgebungstemperatur und ein Umgebungsdruck in der Nähe des Strahles von jeder Lichtquelle im Wesentlichen gleich gehalten. Daher ist es möglich, den Einfluss der Luftschwankung zu vermindern und die Messkraft mit hoher Genauigkeit und hoher Stabilität zu regeln.
Die Messsonde kann die erste relative Position und die zweite relative Position auf vorbestimmte, im Voraus gespeicherte Positionen zurücksetzen.
Mit einer solchen Ausgestaltung ist es möglich, die Messsonde mit einem verminderten Messfehler bereitzustellen.
Eine Formmessvorrichtung gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Offenbarung umfasst:

die Messsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 6.

Mit einer solchen Ausgestaltung ist es möglich, die Formmessvorrichtung bereitzustellen, die die Messkraft vermindert und die Hochgeschwindigkeitsreaktion ausführt.
In der Folge wird ein Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben.
Erstes Ausführungsbeispiel
Gesamtausgestaltung der Formmessvorrichtung
1 ist ein Diagramm einer Gesamtausgestaltung einer Formmessvorrichtung, die eine Messsonde gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung umfasst. 2 ist ein Blockdiagramm, das eine schematische Ausgestaltung der Formmessvorrichtung in 1 zeigt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gibt eine X-Richtung eine Breitenrichtung an, eine Y-Richtung gibt eine Tiefenrichtung an und eine Z-Richtung gibt eine Höhenrichtung an.
Wie in den 1 und 2 gezeigt, umfasst die Formmessvorrichtung 90 die Messsonde 1, die Z-Achsen-Stufe 2, die XY-Stufe 3, den frequenzstabilisierten Ne-Ne-Laser 4, den X-Achsen-Referenzspiegel 5, den Y-Achsen-Referenzspiegel 6, den Z-Achsen-Referenzspiegel 7, die obere Steinflächenplatte 8 und die untere Steinflächenplatte 91, den X-Achsen-Laseremitter 10, den Y-Achsen-Laseremitter 11, den arithmetischen Prozessor 94 und die Steuereinrichtung 95. Die Formmessvorrichtung 90 wird verwendet, um eine Flächenform des Messobjekts 9 zu messen.
Die XY-Stufe 3 ist auf der unteren Steinflächenplatte 91 angeordnet, die das Messobjekt 9 hält, um in einer XY-Achsenrichtung beweglich zu sein. Die obere Steinflächenplatte 8 ist auf der XY-Stufe 3 angeordnet und der frequenzstabilisierte He-Ne-Laser 4 zum Messen einer Position von XYZ-Koordinaten des Messobjekts 9 ist auf der oberen Steinflächenplatte 8 angeordnet.
Die Messsonde 1 ist an der oberen Steinflächenplatte 8 durch die Z-Achsen-Stufe 2 angebracht. Die XY-Stufe 3 ist aus der motorbetriebenen Y-Achsen-Stufe 3Y, die unter der XY-Stufe 3 angeordnet ist, und der motorbetriebenen X-Achsen-Stufe 3X ausgestaltet, die über der XY-Stufe 3 angeordnet ist. Der frequenzstabilisierte He-Ne-Laserstrahl 96 wird durch den frequenzstabilisierten He-Ne-Laser 4 emittiert und der emittierte frequenzstabilisierte He-Ne-Laserstrahl 96 durchquert das optische System 92, das auf der oberen Steinflächenplatte 8 angeordnet ist, wird in Laserstrahlen in drei Richtungen der X-, Y- und Z-Achsen geteilt. Dann werden die Laserstrahlen durch den X-Achsen-Referenzspiegel 5, den Y-Achsen-Referenzspiegel 6 beziehungsweise den Z-Achsen-Referenzspiegel 7 mit hoher Ebenheit in der Größenordnung von einem Nanometer reflektiert.
Mit einer solchen Ausgestaltung können mit der X-Koordinaten-Detektionsvorrichtung 93X, der Y-Koordinaten-Detektionsvorrichtung 93Y und der Z-Koordinaten-Detektionsvorrichtung 93Z, die eine Z-Richtungsposition der Messsonde 1 detektiert, die XYZ-Koordinaten einer Fläche des Messobjekts 9 mit ultrahoher Genauigkeit in der Größenordnung von einem Nanometer gemessen werden. Der arithmetische Prozessor 94 ist mit der X-Koordinaten-Detektionsvorrichtung 93X, der Y-Koordinaten-Detektionsvorrichtung 93Y und der Z-Koordinaten-Detektionsvorrichtung 93Z verbunden. Die Form kann durch arithmetische Verarbeitung von Messdaten, die von der X-Koordinaten-Detektionsvorrichtung 93X, der Y-Koordinaten-Detektionsvorrichtung 93Y und der Z-Koordinaten-Detektionsvorrichtung 93Z eingegeben werden, durch den arithmetischen Prozessor 94 gemessen werden, um dreidimensionale Koordinatendaten der Fläche des Messobjekts 9 zu erhalten. Der Betrieb der Einheiten, das heißt der Messsonde, 1, der Z-Achsen-Stufe 2, der XY-Stufe 3, des frequenzstabilisierten He-Ne-Lasers 4, des X-Achsen-Laseremitters 10, des Y-Achsen-Laseremitters 11, der X-Koordinaten-Detektionsvorrichtung 93X, der Y-Koordinaten-Detektionsvorrichtung 93Y, der Z-Koordinaten-Detektionsvorrichtung 93Z, des arithmetischen Prozessors 94 und dergleichen werden durch die Steuereinrichtung 95 gesteuert und die Formmessvorrichtung 90 führt automatisch einen Messvorgang durch.
Die Formmessvorrichtung 90 tastet die Messsonde 1 in der XY-Richtung auf der Fläche des Messobjekts 9, wie beispielsweise einer Linse, ab, um eine XYZ-Koordinatendatenfolge der Fläche des Messobjekts 9 zu erhalten. Die Steuereinrichtung 95 verarbeitet arithmetisch die Folge der Z-Koordinatendaten an einer XY-Koordinatenposition der Messsonde 1, um die Form des Messobjekts 9 zu messen. Das heißt, die Formmessvorrichtung 90 tastet die Messsonde 1 in der XY-Richtung ab, um die XYZ-Koordinaten zu erfassen, um die dreidimensionale Form des Messobjekts 9 zu messen.
Die Formmessvorrichtung 90 kann ausgestaltet sein, um die Messsonde 1 in der XY-Richtung zu fixieren und nur in der Z-Richtung zu bewegen und das Messobjekt 9 in der XY-Richtung zu bewegen, um die Form des Messobjekts 9 zu messen.
Die Positionen des X-Achsen-Laseremitters 10 und des Y-Achsen-Laseremitters 11 in Bezug auf die Messsonde 1 sind in der Formmessvorrichtung 90 statisch. Spezifisch sind die Abstände des X-Achsen-Laseremitters 10 und des Y-Achsen-Laseremitters 11 in Bezug auf die Messsonde 1 konstant und ändern sich nicht, sogar wenn die Messsonde 1 sich durch die XY-Stufe 3 in der XY-Richtung bewegt. Mit einer solchen Ausgestaltung, in der der X-Achsen-Laser-Emitter und der Y-Achsen-Laser-Emitter 11 den konstanten Abstand in Bezug auf die Messsonde 1 aufrecht erhalten, kann ein Abstand von der Mitte der Messsonde 1 zu dem X-Achsen-Referenzspiegel 5 und dem Y-Achsen-Referenzspiegel 6 durch die Laserstrahlen, die in der X-Richtung und der Y-Richtung emittiert werden, mit hoher Genauigkeit gemessen werden.
Gesamtausgestaltung der Messsonde
Eine Ausgestaltung der Messsonde 1 der vorliegenden Offenbarung ist unter Bezugnahme auf die 3 und 4 gezeigt. 3 ist ein schematisches Diagramm der an der Formmessvorrichtung in 1 montierten Messsonde. 4 ist ein Diagramm, das eine schematische Ausgestaltung der auf der Formmessvorrichtung in 1 montierten Messsonde zeigt.
Wie in den 3 und 4 gezeigt, umfasst eine Messsonde 1 den ersten beweglichen Abschnitt 12, den zweiten beweglichen Abschnitt 13, den dritten beweglichen Abschnitt 14, den ersten Positionsmesser 15, den zweiten Positionsmesser 16, den dritten Positionsmesser 17, eine erstes Antriebsteil (VCM) 37 und ein zweites Antriebsteil (Linearmotor) 18. Der erste bewegliche Abschnitt 12 und der zweite bewegliche Abschnitt 13 sind durch die erste Feder 22 verbunden und der zweite bewegliche Abschnitt 13 und der dritte bewegliche Abschnitt 14 sind durch die zweite Feder 34 verbunden. Wenn Koordinaten des Messobjekts 9 in der Z-Richtung gemessen werden, bewegen sich der erste bewegliche Abschnitt 12 und der leichtgewichtige zweite bewegliche Abschnitt 13 mit einem kleinen Hub (zum Beispiel 50 bis 100 µm) in der Z-Richtung und der dritte bewegliche Abschnitt 14, der schwerer ist als der zweite bewegliche Abschnitt 13, bewegt sich mit einem großen Hub (zum Beispiel 40 bis 80 mm) in der Z-Richtung. Der leichtgewichtige zweite bewegliche Abschnitt 13 und der schwere dritte bewegliche Abschnitt 14 werden kombiniert, wie vorhergehend beschrieben, und so ist es möglich, die Messsonde 1 mit hoher Geschwindigkeit in der Z-Richtung zu bewegen und dabei eine geringe Messkraft auf dem Messobjekt 9 aufrecht zu erhalten.
Erster beweglicher Abschnitt
Wie in 4 gezeigt, weist der erste bewegliche Abschnitt 12 den Luftschieber 19, den Taster 20, der an einem Ende des Luftschiebers 19 angeordnet ist, und den ersten Spiegel 21 auf, der an dem anderen Ende des Luftschiebers 19 angeordnet ist. Der Luftschieber 19 des ersten beweglichen Abschnitts 12 wird in den Luftlagerabschnitt 23 des dritten beweglichen Abschnitts 14 eingeführt und ist in der Z-Richtung beweglich. Der Taster 20, der ein Messkopf in der Messsonde 1 ist, ist in der Z-Richtung beweglich und wird durch den Luftschieber 19 getragen, der in der XY-Richtung Steifigkeit aufweist. Ein Eigengewicht eines beweglichen Abschnitts des Luftschiebers 19 wird durch die streifenförmige erste Feder 22 getragen. Die erste Feder 22, verbindet den ersten beweglichen Abschnitt 12 und den zweiten beweglichen Abschnitt 13 beweglich. Der Luftschieber 19 hält die Steifigkeit in der XY-Richtung mit einem Luftspalt von 3 bis 15 µm aufrecht und wird in den Lagerabschnitt 23 des dritten beweglichen Abschnitts 14 eingeführt.
Ferner ist die Messsonde 1 mit einem optischen Detektionssystem LT versehen, das eine winzige Neigung in der XY-Richtung detektiert. Das optische Detektionssystem LT weist die Lichtquelle LS auf und reflektiert den Laserstrahl 43 von der Lichtquelle LS auf dem Spiegel 46. Wenn der Taster 20 aufgrund von Reibkraft auf der Fläche des Messobjekts 9 Kraft in der XY-Richtung empfängt, kann das optische Detektionssystem LT eine Neigung des Tasters 20 um die X-Richtung (Neigung in der B-Richtung in 1) und eine Neigung des Tasters 20 um die Y-Richtung (Neigung in der A-Richtung in den 1 und 4) detektieren.
Zweiter beweglicher Abschnitt
Der zweite bewegliche Abschnitt 13 ist mit dem ersten beweglichen Abschnitt 12 verbunden, um in der Z-Richtung beweglich zu sein und ist in dem Raum 24 des dritten beweglichen Abschnitts 14 untergebracht, was in der Folge beschrieben wird. Der zweite bewegliche Abschnitt 13 weist den zweiten Spiegel 25 auf und ist durch die zweite Feder 34, die den zweiten beweglichen Abschnitt 13 und den dritten beweglichen Abschnitt 14 verbindet, im Raum 24 des dritten beweglichen Abschnitts 14 beweglich mit dem dritten beweglichen Abschnitt 14 verbunden. Der zweite bewegliche Abschnitt 13 weist den hohlen becherförmigen Becherschieber 40 auf und der Becherschieber 40 ist ausgestaltet, um in der Z-Richtung beweglich zu sein. Der Becherschieber 40 hält die Steifigkeit in der XY-Richtung mit einem Luftspalt von 3 bis 15 µm aufrecht und wird in den Lagerabschnitt 41 des dritten beweglichen Abschnitts 14 eingeführt. Das heißt, ein Eigengewicht des zweiten beweglichen Abschnitts 13 wird von der zweiten Feder 34 getragen, um in der Z-Richtung beweglich zu sein. Die erste Feder 22 wird von Tragkugeln 42 getragen, die an einem Boden des Becherschiebers 40 des zweiten beweglichen Abschnitts 13 bereitgestellt sind. Daher trägt der zweite bewegliche Abschnitt 13 den ersten beweglichen Abschnitt 12 durch die erste Feder 22 und die Tragkugeln 42. Das Eigengewicht des zweiten beweglichen Abschnitts 13 weist ein leichtes Gewicht von etwa 5 g auf und kann sich mit hoher Geschwindigkeit in der Z-Richtung bewegen. Wie unten beschrieben, kann die Masse des dritten beweglichen Abschnitts 14 etwa 2 kg betragen und die Masse des zweiten beweglichen Abschnitts 13 kann 1/100 oder weniger der Masse des dritten beweglichen Abschnitts 14 betragen. Die Masse des zweiten beweglichen Abschnitts 13 ist vorzugsweise 1/200 oder weniger der Masse des dritten beweglichen Abschnitts 14. Die Masse des zweiten beweglichen Abschnitts 13 ist mehr zu bevorzugen 1/400 oder weniger der Masse des dritten beweglichen Abschnitts 14.
Die Koordinaten des ersten beweglichen Abschnitts 12 in der Z-Richtung können durch Fokussieren des Laserstrahls 27 von der ersten Lichtquelle 26 des ersten Positionsmessers 15 auf den ersten Spiegel 21 durch die Linse 33, die in dem dritten beweglichen Abschnitt 14 bereitgestellt ist, und Messen des fokussierten Strahls mit einem Interferometer erhalten werden.
Der Laserstrahl 27 von der ersten Lichtquelle 26 des ersten Positionsmessers 15, der eine Z-Position des Luftschiebers 19 misst, und der Laserstrahl 43 von dem optischen Detektionssystem LT, der die Neigung des Tasters 20 durch Abtasten in der XY-Richtung detektiert, durchqueren einen hohlen Abschnitt des zweiten beweglichen Abschnitts 13.
Die zylindrische Spule 36 ist auf dem äußeren Umfang des zweiten beweglichen Abschnitts 13 bereitgestellt und die Spule 36 wird mit dem Magneten 35 kombiniert, der auf dem inneren Umfang des dritten beweglichen Abschnitts 14 bereitgestellt ist, um einen Schwingspulenmotor (Voice Coil Motor - VCM) 37 zu bilden, der Schub mit einer einfachen Struktur erzeugt. Der zweite bewegliche Abschnitt 13 kann durch den VCM 37 in der Z-Richtung angetrieben werden. Der VCM 37 bewegt den zweiten beweglichen Abschnitt 13 in der Z-Richtung mit hoher Geschwindigkeit auf- und abwärts, aber das Eigengewicht des zweiten beweglichen Abschnitts 13 wird von der zweiten Feder 34 getragen. Daher kann der zweite bewegliche Abschnitt 13 mit niedrigem Stromverbrauch angetrieben werden. Daher ist es möglich, Wärmeerzeugung, die bei der Präzisionsmessung ein Problem darstellt, zu unterdrücken.
Der zweite bewegliche Abschnitt 13 fällt nicht aufgrund keiner äußeren Kraft, die durch die Messung angewandt wird. Daher können die Steifigkeit in Bezug auf die Neigung des zweiten beweglichen Abschnitts 13 um die X-Richtung (Neigung in der B-Richtung in 1) und die Neigung des zweiten beweglichen Abschnitts 13 um die Y-Richtung (Neigung in der A-Richtung in den 1 und 2) niedrig sein. Die Genauigkeit der mechanischen Bewegung außer in der Z-Richtung ist irrelevant. Eine Herstellungstoleranz des Luftspalts des Becherschiebers 40 beträgt etwa 20 µm und die Genauigkeit eines Luftlagers ist gering und die Kostensenkung ist einfach.
Die Koordinaten des zweiten beweglichen Abschnitts 13 in der Z-Richtung können durch Fokussieren des Laserstrahls 29 von der zweiten Lichtquelle 28 des zweiten Positionsmessers 16 auf den zweiten Spiegel 25 durch die Linse 32, die in dem dritten beweglichen Abschnitt 14 bereitgestellt ist, und Messen des fokussierten Strahls mit dem Interferometer erhalten werden.
Dritter beweglicher Abschnitt
Der dritte bewegliche Abschnitt 14 ist mit dem Raum 24 zum Aufnehmen des zweiten beweglichen Abschnitts 13 in dem dritten beweglichen Abschnitt 14 versehen und ist mit dem zweiten beweglichen Abschnitt 13 verbunden, um in der Z-Richtung beweglich zu sein. Der dritte bewegliche Abschnitt 14 weist die Form eines Rohres mit Boden mit dem Raum 24 auf, der in dem dritten beweglichen Abschnitt 14 gebildet ist. Der Luftlagerabschnitt 23, der den Luftschieber 19 des ersten beweglichen Abschnitts 12 hält, um in der Z-Richtung beweglich zu sein, ist an einem unteren Abschnitt des dritten beweglichen Abschnitts 14 bereitgestellt. Die zweite Feder 34 ist an einem inneren Boden des dritten beweglichen Abschnitts 14 angeordnet, das heißt auf einer Seite, wo der zweite bewegliche Abschnitt 13 auf dem Boden angeordnet ist. Die zweite Feder 34 trägt das Eigengewicht des leichtgewichtigen zweiten beweglichen Abschnitts 13, der in dem Raum 24 im Inneren des dritten beweglichen Abschnitts 14 aufwärts in der Z-Richtung untergebracht ist. Das heißt, der zweite bewegliche Abschnitt 13 und der dritte bewegliche Abschnitt 14 sind beweglich durch die zweite Feder 34 verbunden. Die Koordinaten des dritten beweglichen Abschnitts 14 in der Z-Richtung können durch Fokussieren des Laserstrahls 31 von der dritten Lichtquelle 30 des dritten Positionsmessers 17 auf dem dritten Spiegel 47 und Messen des fokussierten Strahls mit einem Interferometer erhalten werden. Der dritte bewegliche Abschnitt 14 wird durch den Linearmotor 18 in der Z-Richtung angetrieben. Der Linearmotor 18 ist aus dem Magnet 38 und der Spule 39 ausgestaltet. Das Eigengewicht des dritten beweglichen Abschnitts 14 beträgt etwa 2 kg und die Geradheit ist ausgestaltet, um durch eine Keramikstufe (nicht gezeigt) 10 nm oder weniger zu sein.
Erster Positionsmesser
Der erste Positionsmesser 15 misst die erste Position L1 (siehe 3) des ersten beweglichen Abschnitts 12 in der Z-Richtung. Der erste Positionsmesser 15 weist die erste Lichtquelle 26 auf und reflektiert den Laserstrahl 27 von der ersten Lichtquelle 26 auf den ersten Spiegel 21, um die erste Position L1 des ersten beweglichen Abschnitts 12 in der Z-Richtung zu messen. Das heißt, die erste Position L1 ist eine Position des ersten Spiegels 21 in der Z-Richtung. Wie in 4 gezeigt, emittiert der erste Positionsmesser 15 den Laserstrahl 27 von der ersten Lichtquelle 26 zum ersten Spiegel 21 durch die Linse 33, die am dritten beweglichen Abschnitt 14 fixiert ist, um die Position des Spiegels 21 in der Z-Richtung zu messen und die erste Position L1 zu bestimmen. Die Informationen über die gemessene erste Position L1 werden als Formmessungsdaten des Messobjekts 9 verwendet. Der erste Positionsmesser 15 ist mit dem optischen Halbleiter-Lasersystem versehen. Das optische Halbleiter-Lasersystem emittiert einen Strahl eines Halbleiterlasers, der eine Wellenlänge aufweist, die sich von einer Wellenlänge des frequenzstabilisierten He-Ne-Lasers 4 unterscheidet, unter Verwendung eines dichroitischen Spiegels (nicht gezeigt) zum ersten Spiegel 21, um eine absolute Anfangshöhe des ersten Spiegels 21 zu messen.
Zweiter Positionsmesser
Der zweite Positionsmesser 16 misst die zweite Position L2 des zweiten beweglichen Abschnitts 13 in der Z-Richtung. Der zweite Positionsmesser 16 reflektiert den Laserstrahl 29 der zweiten Lichtquelle 28 auf dem zweiten Spiegel 25 durch die Linse 32, die in dem dritten beweglichen Abschnitt 14 bereitgestellt ist, um die zweite Position L2 des beweglichen Abschnitts 13 in der Z-Richtung mit dem Interferometer (nicht gezeigt) zu messen. Das heißt, die zweite Position L2 ist eine Position des zweiten Spiegels 25 in der Z-Richtung.
Dritter Positionsmesser
Der dritte Positionsmesser 17 misst die dritte Position L3 des dritten beweglichen Abschnitts 14 in der Z-Richtung. Der dritte Positionsmesser 17 reflektiert den Laserstrahl 31 von der dritten Lichtquelle 30 auf dem dritten Spiegel 47, der in dem dritten beweglichen Abschnitt 14 bereitgestellt ist, um die dritte Position L3 des dritten beweglichen Abschnitts 14 in der Z-Richtung mit dem Interferometer (nicht gezeigt) zu messen. Das heißt, die dritte Position L3 ist eine Position des dritten Spiegels 47 in der Z-Richtung.
Wie in 3 gezeigt, ist die erste relative Position R1 eine relative Position des zweiten beweglichen Abschnitts 13 in der Z-Richtung in Bezug auf den ersten beweglichen Abschnitt 12 und die zweite relative Position R2 ist eine relative Position des dritten beweglichen Abschnitts 14 in der Z-Richtung in Bezug auf den ersten beweglichen Abschnitt 12. Die erste relative Position und die zweite relative Position werden basierend auf der ersten Position L1, der zweiten Position L2 und der dritten Position L3 berechnet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Berechnung der ersten relativen Position R1 und der zweiten relativen Position R2 durch den arithmetischen Prozessor 94 durchgeführt.
Antriebsteil
Die Messsonde 1 weist das zweite Antriebsteil 18, das den dritten beweglichen Abschnitt 14 in der Z-Richtung antreibt, und das erste Antriebsteil 37 auf, das den zweiten beweglichen Abschnitt 13 in der Z-Richtung antreibt. Das erste Antriebsteil 37 entspricht dem vorhergehend beschriebenen VCM 37 und das zweite Antriebsteil 18 entspricht dem vorhergehend beschriebenen Linearmotor 18. Der VCM 37 treibt den zweiten beweglichen Abschnitt 13 in der Z-Richtung an und der Linearmotor 18 treibt den dritten beweglichen Abschnitt 14 in der Z-Richtung an. Das heißt, das erste Antriebsteil 37 treibt den zweiten beweglichen Abschnitt 13 in der Z-Richtung an und das zweiten Antriebsteil 18 treibt den dritten beweglichen Abschnitt 14 in der Z-Richtung an.
Das erste Antriebsteil 37 und das zweite Antriebsteil 18 werden derart gesteuert, dass die erste relative Position R1 und die zweite relative Position R2 konstant sind. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel steuert die Steuereinrichtung 95 den Linearmotor 18 und den VCM 37 derart, dass die erste relative Position R1 und die zweite relative Position R2 konstant sind.
Steuerung der Messkraft
Die von der Messsonde 1 auf das Messobjekt 9 angewandte Messkraft wird basierend auf dem Verformungsbetrag der ersten Feder 22 geregelt, die den Taster 20 trägt, wenn der Taster 20 das Messobjekt 9 berührt. Um die niedrige Messkraft stabil auszuführen, ist es zu bevorzugen, die Messkraft basierend auf sowohl der auf die erste Feder 22 angewandten Kraft als auch der auf die zweite Feder 34 angewandten Kraft zu regeln. Zum Detektieren der auf die erste Feder 22 und die zweite Feder 34 angewandten Kraft werden die Verformungsbeträge der ersten Feder 22 und der zweiten Feder 34 mit hoher Genauigkeit in der Größenordnung von einem Nanometer und hoher Stabilität gemessen.
Die Koordinaten (erste Position L1) des ersten Spiegels 21 in der Z-Richtung durch den ersten Positionsmesser 15 und die Koordinaten (zweite Position L2) des zweiten Spiegels 25 in der Z-Richtung durch den zweiten Positionsmesser 16 werden gemessen und eine Differenz zwischen den Positionen (erste relative Position R1) wird berechnet, um den Verformungsbetrag der ersten Feder 22 zu messen. Die Koordinaten (erste Position L1) des ersten Spiegels 21 in der Z-Richtung durch den ersten Positionsmesser 15 und die Koordinaten (dritte Position L3) des dritten Spiegels 47 in der Z-Richtung durch den dritten Positionsmesser 17 werden gemessen und eine Differenz zwischen den Positionen (zweite relative Position R2) wird berechnet, um den Verformungsbetrag der zweiten Feder 34 zu messen. Die Laserlängenmessung durch den ersten Positionsmesser 15, den zweiten Positionsmesser 16 und den dritten Positionsmesser 17 weist eine hohe Linearität auf und ist wirksam für winzige Messungen. Zur spezifischen Berechnung der Messkraft können eine Federkonstante KA (N/m) der ersten Feder 22 und eine Federkonstante KB (N/m) der zweiten Feder 34 im Voraus gemessen werden.
Zum Messen der Verformungsbeträge der ersten Feder 22 und der zweiten Feder 34 wird zuerst die erste Messsonde 1 aufwärts bewegt und die Laserlängenmesswerte der ersten Lichtquelle 26, der zweiten Lichtquelle 28 und der dritten Lichtquelle 30 werden gleichzeitig in einem Zustand erfasst, in dem der Taster 20 nicht in Berührung mit der Messfläche des Messobjekts 9 ist. Zu diesem Zeitpunkt kann es sein, dass keine Schwingung oder dergleichen auf die Messsonde 1 angewandt werden. Wenn der Taster 20 nicht mit der Messfläche des Messobjekts 9 in Berührung ist, ist der Laserlängenmesswert der ersten Lichtquelle 26 Z2Z, ist der Laserlängenmesswert der zweiten Lichtquelle 28 Z4Z und ist der Laserlängenmesswert der dritten Lichtquelle 30 Z5Z. Wenn der Taster 20 während der Messung mit dem Messobjekt 9 in Berührung ist, ist der Laserlängenmesswert der ersten Lichtquelle 26 Z2, ist der Laserlängenmesswert der zweiten Lichtquelle 28 Z4 und ist der Laserlängenmesswert der dritten Lichtquelle 30 Z5. Die Werte werden in einem Speicher gespeichert, der nicht gezeigt ist.
Die Messkraft MF, die auf das Messobjekt 9 angewandt wird, ist durch eine Gleichung mit der Formel 1 dargestellt.
$MF=KA \times {(Z2 - Z4) - (Z2Z - Z4Z)}$
Der Verformungsbetrag der ersten Feder 22 wird mit hoher Genauigkeit und hoher Stabilität gemessen und somit kann die Messkraft genau berechnet werden. Zur Messung des Verformungsbetrags der ersten Feder 22 mit hoher Genauigkeit und hoher Stabilität kann die Messsonde 1 während eines Betriebs der Laserlängenmessung stabil ohne Drift oder dergleichen sein. Bei der Laserlängenmessung kann indes ein Brechungsindex sich ändern und es kann ein Fehler in einer Messposition auftreten, wenn eine Umgebungstemperatur und ein Umgebungsdruck nicht einheitlich sind.
In einem Fall, in dem das Messobjekt 9 eine Kunststofflinse ist, die eine Dicke von 0,2 mm oder weniger aufweist, die für eine Kamera, wie beispielsweise eines Smartphones, verwendet wird, kann die Messkraft 2 mgf oder weniger betragen, um das Messobjekt 9 ohne Verformung zu messen. Zur Regelung der Messkraft auf 2 mgf oder weniger kann zum Beispiel eine Feder mit einer Federkonstante KA von 20 N/m als die erste Feder 22 eingesetzt werden und der Verformungsbetrag der ersten Feder 22 kann geregelt werden, um etwa 1 µm zu betragen. Daher kann eine Position der ersten Feder 22 stabil mit einer Genauigkeit und Stabilität von 0,1 µm oder weniger gemessen werden, was 1/10 des Verformungsbetrags entspricht.
Im Fall der Laserlängenmessung beträgt der Messfehler bei Umgebungstemperatur -1 ppm/°C (= -1e^-6/°C) und eine Temperaturänderung von 1 °C entspricht dem Messfehler von 0,04 µm in einem Element, in dem eine Differenz bei der optischen Weghöhe zwischen dem Laserstrahl 27 und dem Laserstrahl 29 40 mm beträgt. Der Messfehler beträgt bei Umgebungsdruck 0,27 ppm/hPa. In einer Umgebung, in der die Formmessvorrichtung 90 eingerichtet ist, kann zum Beispiel das Öffnen oder Schließen einer Tür eines Raumes eine Änderung des Umgebungsdrucks von 10 bis 20 Pa (0,1 bis 0,2 hPa) verursachen. Die Änderung entspricht dem Messfehler von 0,015 bis 0,03 µm in dem Element, in dem die Differenz in der optischen Weghöhe zwischen dem Laserstrahl 27 und dem Laserstrahl 29 40 mm beträgt.
Wenn die Strahlenwege der ersten Lichtquelle 26, der zweiten Lichtquelle 28 und der dritten Lichtquelle 30 während der Laserlängenmessung nahe beieinander liegen, ist es möglich, eine Verminderung der Messgenauigkeit der Position in der Z-Richtung aufgrund von Änderungen bei der Umgebungstemperatur und dem Umgebungsdruck zu vermeiden. Daher sind der erste Positionsmesser 15, der zweite Positionsmesser 16 und der dritte Positionsmesser 17 in einem Raum bereitgestellt, der innerhalb der Messsonde 1 definiert ist. Der innerhalb der Messsonde 1 definierte Raum ist der geschlossene Raum 45, der durch einen Signalprozessor 44, Linearmotor 18 und den dritten beweglichen Abschnitt 14 in den 5 und 6 definiert wird, die in der Folge beschrieben werden. Die erste Lichtquelle 26, die zweite Lichtquelle 28 und die dritte Lichtquelle 30 sind angeordnet, um die Laserstrahlen 27, 29 beziehungsweise 31 parallel zur Z-Richtung zu emittieren. Mit einer solchen Lichtquellenanordnung werden die Umgebungstemperatur und der Umgebungsdruck, in der Nähe solcher Laserstrahlen 27, 29 und 31 im Wesentlichen gleich gehalten, obwohl sich die Messsonde 1 in der Z-Richtung bewegt. Daher ist es möglich, die Messkraft durch den Taster 20 sogar in einem Fall, in dem die Regelung durch eine winzige Differenz zwischen den Laserlängenmesswerten der entsprechenden Lichtquellen 26, 28 und 30 durchgeführt wird, mit hoher Genauigkeit und hoher Stabilität zu regeln.
Wie vorhergehend beschrieben, können der erste Positionsmesser 15, der zweite Positionsmesser 16 und der dritte Positionsmesser 17 derart angeordnet sein, dass die erste Lichtquelle 26, die zweite Lichtquelle 28 und die dritte Lichtquelle 30 an nahe beieinanderliegenden Positionen angeordnet sind und die optischen Achsen der Laserstrahlen 27, 29 und 31 von entsprechenden Lichtquellen 26, 28 und 30 parallel sind.
5 ist ein Diagramm, wenn die Messsonde 1 sich in der Z-Richtung abwärts bewegt. 6 ist ein Diagramm, wenn die Messsonde 1 sich in der Z-Richtung aufwärts bewegt. Wie in 5 gezeigt, ist die erste Lichtquelle 26 auf einer Verlängerungslinie einer mittigen Position des Luftschiebers 19 in der Z-Richtung bereitgestellt, um eine Messposition des Messobjekts 9 in der Z-Richtung zu messen. Der Laserstrahl 27 von der ersten Lichtquelle 26 durchquert die Linse 33, die an dem dritten beweglichen Abschnitt 14 fixiert ist, und erreicht den ersten Spiegel 21.
Die zweite Lichtquelle 28 ist derart bereitgestellt, dass eine Mitte des Laserstrahls 29 sich in einer X+-Richtung in Bezug auf die optische Achse des Laserstrahls 27 von der ersten Lichtquelle 26 befindet, um eine Position des zweiten beweglichen Abschnitts 13 in der Z-Richtung zu messen. Der Laserstrahl 29 von der zweiten Lichtquelle 28 durchquert die Linse 32 und erreicht den zweiten Spiegel 25.
Die dritte Lichtquelle 30 ist derart bereitgestellt, dass eine Mitte des Laserstrahls 31 sich in einer X-Richtung in Bezug auf die optische Achse des Laserstrahls 27 von der ersten Lichtquelle 26 befindet, um eine Position des dritten beweglichen Abschnitts 14 in der Z-Richtung zu messen.
Wenn die optischen Wege der Laserstrahlen 27, 29 und 31 von den entsprechenden Lichtquellen 26, 28 und 30 in dem Raum 45 zwischen dem Signalprozessor 44 und der Messsonde 1 bereitgestellt sind, wie vorhergehend beschrieben, sind Bedingungen, wie beispielsweise die Umgebungstemperatur und der Umgebungsdruck, in der Nähe der entsprechenden Laserstrahlen 27, 29 und 31 gleich. Daher weisen die Laserlängenmesswerte der jeweiligen Laserstrahlen 27, 29 und 31 die gleiche Änderung bei der Schwankung der Positionsmessung in der Z-Richtung aufgrund der Störung auf. Ein Wert von Z2 - Z4 in der Gleichung mit der Formel 1 zum Detektieren der auf das Messobjekt 9 angewandten Messkraft wird nicht durch die Schwankung beeinträchtigt.
Wie vorhergehend beschrieben, sind in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Bedingungen, wie beispielsweise die Umgebungstemperatur und der Umgebungsdruck, für die Laserlängenmessung der Laserstrahlen 27, 29 und 31 von den entsprechenden Lichtquellen 26, 28 und 30 im Raum 45 im Wesentlichen gleich. Folglich ist es möglich, die Position der ersten Feder 22, die den Taster 20 trägt, mit hoher Geschwindigkeit und mit hoher Genauigkeit zu messen.
Um eine Drift aufgrund einer zeitlichen Änderung der Schwankung der Positionsmessung zu vermeiden, wird ein Zustand eingestellt, in dem eine Spitze des Tasters 20 das Objekt 9 unmittelbar vor dem Ende der Messung des Messobjekts 9 und dem Beginn der nächsten Messung nicht berührt. In diesem Zustand stellt die Steuereinrichtung 95 die erste relative Position R1 und die zweite relative Position R2 auf vorbestimmte Werte ein, die im Voraus gespeichert werden. Zu diesem Zeitpunkt führt die Steuereinrichtung 95 eine Rücksetzungsverarbeitung zum Zurücksetzen der Laserlängenmesswerte der entsprechenden Lichtquellen 26, 28 und 30 durch, die sich durch lokale Veränderungen der Umgebungstemperatur und des Umgebungsdrucks ändern, während die Messkraft konstant gehalten wird. Das heißt, bevor die Messung des Messobjekts begonnen wird, führt die Steuereinrichtung 95 die Rücksetzungsverarbeitung zur Rückkehr der Werte der ersten relativen Position R1 und der zweiten relativen Position R2 zu den vorbestimmten, im Voraus gespeicherten Werten durch.
Wie in 6 gezeigt, bewegt die Messsonde 1 sich mit einem Hub von etwa 30 mm bis 120 mm in der Z-Richtung aufwärts, um das Messobjekt 9 zu messen. Wie in den 5 und 6 gezeigt, wird der Raum 45 zur Bewegung der Messsonde 1 in der Z-Richtung zwischen dem Signalprozessor 44 und der Messsonde 1 bereitgestellt. Die entsprechenden Laserstrahlen 27, 29 und 31 werden hin zu demselben Raum 45 emittiert und die Umgebungstemperatur, der Umgebungsdruck und dergleichen sind in dem Raum 45 im Wesentlichen gleich. Daher ist es möglich, den Einfluss einer Luftschwankung in den Laserstrahlen 27, 29 und 31 zu minimieren und die Messkraft konstant zu regeln, obwohl die Messsonde 1 sich in der Z-Richtung bewegt.
Der zweite bewegliche Abschnitt 13 wird mit hoher Geschwindigkeit in der Z-Richtung bewegt, derart dass die Messkraft MF, die durch die Gleichung mit der Formel 1 berechnet wird, konstant wird. Zu diesem Zeitpunkt wird die Rückkopplung zur Spule 39 des Linearmotors 18 zusätzlich zum zweiten beweglichen Abschnitt 13 durchgeführt, um den dritten beweglichen Abschnitt 14 zu bewegen. Wie vorhergehend beschrieben, wird die Messsonde 1 in der Z-Richtung bewegt und der frequenzstabilisierte He-Ne-Laser 4 wird zum Z-Achsen-Referenzspiegel 7 emittiert, um die Verlagerung der Messfläche des Messobjekts 9 in der Z-Richtung zu messen. In diesem Zustand wird die gesamte Messsonde 1 in der XY-Richtung abgetastet, um die Form des Messobjekts 9 zu messen. Auf diese Weise ist es möglich, eine zuverlässigere Formmessung durchzuführen und dabei die Messkraft niedrig zu halten.
In einem Fall, in dem die Messsonde 1 mit dem Abtasten der Messsonde 1 in der XY-Richtung geneigt ist, wird eine Multiplikation eines Abstands und eines Winkels von einer Drehmittelpunktposition des Tasters 20 erhalten, die im Voraus gespeichert wird. Auf diese Weise wird eine XY-Position der Spitze der Messsonde 1 korrigiert und die korrigierte Position wird sogar in einem Fall als der Messwert verwendet, in dem die Messfläche des Messobjekts 9 geneigt ist. Daher ist es möglich, eine hochgenaue Messung durchzuführen. Da die niedrige Messkraft beibehalten werden kann, ist es möglich, zu verhindern, dass der Taster 20, der von dem Schieber 19 getragen wird, fällt, und die hochgenaue Messung durchzuführen.
Messbeispiel
Beispiele für Abtastdaten, die unter Verwendung der Messsonde 1 der vorliegenden Offenbarung gemessen werden, werden unter Bezugnahme auf die 7 bis 14 gezeigt. 7 ist ein Graph, der ein Messergebnis mit einer Messkraft von 15 mgf zeigt. 8 ist ein Graph, der ein Messergebnis mit einer Messkraft von 1,7 mgf zeigt. 9 ist ein Graph, in dem ein Bereich einer horizontalen Achse des Graphen in 7 verkleinert ist. 10 ist ein Graph, in dem die Region P1 des Graphen in 9 vergrößert ist. 11 ist ein Graph, in dem die Region P2 des Graphen in 9 vergrößert ist. 12 ist ein Graph, in dem ein Bereich der horizontalen Achse des Graphen in 8 verkleinert ist. 13 ist ein Graph, in dem die Region P3 des Graphen in 12 vergrößert ist. 14 ist ein Graph, in dem die Region P4 des Graphen in 12 vergrößert ist. In den 7 bis 14 gibt eine vertikale Achse Zd eine Differenz zwischen einer Konstruktionsform und der Z-Richtung an und die horizontale Achse gibt eine X-Koordinate an. Eine R 5,55 mm Sphäre wird als das Messobjekt verwendet und die Messung wird bis zu 60° in der X-Richtung durchgeführt. Die Messbedingungen sind eine Geschwindigkeit von 1 mm/s ein Pitch von 0,001 mm.
Wie in den 7 und 8 gezeigt, ist ersichtlich, dass eine Neigung des Tasters 20 aufgrund der Messkraft durch Vermindern der Messkraft von 15 mgf auf 1,7 mfg gering wird und eine Krümmung der Linse mit einem korrekten Wert gemessen wird.
Wie in den 9 bis 14 gezeigt, ist ersichtlich, dass die vertiefungsartige Unebenheit, die auf der Messfläche des Messobjekts 9 bleibt, durch Vermindern der Messkraft von 15 mfg auf 1,7 mgf in einer Form gemessen werden kann, die sich an eine tatsächliche Form anpasst. Beim Vergleich der 10 und 11, in denen die Regionen P1 und P2 in 9 vergrößert sind, mit den 13 und 14, in denen die Regionen P3 und P4 in 12 vergrößert sind, werden die konvexen Formen 80 in den 13 und 14 als größere Formen gemessen als in den 10 und 11. Das heißt, es ist möglich, die Messung durchzuführen, die sich an die tatsächliche Form anpasst, wenn die Messkraft niedriger ist.
Effekt
Mit der Messsonde 1 der vorliegenden Offenbarung werden der erste bewegliche Abschnitt 12, der zweite bewegliche Abschnitt 13, der dritte bewegliche Abschnitt 14, der erste Positionsmesser 15, der zweite Positionsmesser 16, der dritte Positionsmesser 17, das erste Antriebsteil 37 und das zweite Antriebsteil 18 bereitgestellt und die Verminderung der Messkraft der Sonde und die Hochgeschwindigkeitsreaktion der Sonde sind möglich.
Der erste bewegliche Abschnitt 12 und der zweite bewegliche Abschnitt 13 sind durch die erste Feder 22 verbunden und somit ist die Hochgeschwindigkeitsreaktion der Messsonde 1 möglich, während die Messkraft auf einem niedrigen Wert gehalten wird.
Da der erste Positionsmesser 15, der zweite Positionsmesser 16 und der dritte Positionsmesser 17 parallel bereitgestellt werden, ist die Anpassung der optischen Achse zum Zeitpunkt des Zusammenbaus einfach. Da es möglich ist, den Einfluss der Luftschwankung in den Laserstrahlen 27, 29 und 31 gleich zu machen, ist es möglich, die Messung mit niedriger Messkraft und hoher Genauigkeit durchzuführen, ohne die Regelung der Messkraft zu beeinträchtigen.
Es ist möglich, die Messung mit hoher Genauigkeit in der Größenordnung von einem Nanometer durchzuführen und dabei den Einfluss der Störung aufgrund der Luftschwankung sogar in einem Fall zu unterdrücken, in dem das Messobjekt 9 zum Beispiel eine in hohem Maße geneigte Fläche von 75° aufweist.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, die Messsonde bereitzustellen, in der die Verminderung der Messkraft und die Hochgeschwindigkeitsreaktion möglich sind.
In der Messsonde der vorliegenden Offenbarung trägt der leichtgewichtige becherförmige zweite bewegliche Abschnitt, der sich in der Z-Richtung bewegt, die Feder, die den Taster trägt. Es ist möglich, die Messung mit hoher Geschwindigkeit in der Z-Richtung mit konstanter Messkraft gemäß der gemessenen unebenen Form der Fläche durchzuführen. Der zweite bewegliche Abschnitt, der sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt, erfordert außer in der Z-Richtung keine Haltungsgenauigkeit. Da die Lichtquellen für die Positionsmessung in der Z-Richtung am gleichen Ort eingerichtet sind, ist die Anpassung beim Zusammenbauen einfach. Die optische Achse des Strahls von der Lichtquelle befindet sich im selben Raum. Daher ist es möglich, die Messung mit hoher Geschwindigkeit und mit geringer Messkraft durchzuführen, ohne dass diese durch die Luftschwankung der Laserlängenmessung beeinträchtigt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 3000819 [0003, 0008, 0009, 0010, 0012]

Claims

Messsonde, die eine Fläche eines Messobjekts abtastet, um eine Form der Fläche des Messobjekts zu messen, die umfasst: einen ersten beweglichen Abschnitt, der einen Taster aufweist; einen zweiten beweglichen Abschnitt, der mit dem ersten beweglichen Abschnitt verbunden ist und in einer Z-Richtung beweglich ist; einen dritten beweglichen Abschnitt, der innen mit einem Raum zum Aufnehmen des zweiten beweglichen Abschnitts versehen ist, mit dem zweiten beweglichen Abschnitt verbunden ist und in der Z-Richtung beweglich ist; einen ersten Positionsmesser, der eine erste Position des ersten beweglichen Abschnitts in der Z-Richtung misst; einen zweiten Positionsmesser, der eine zweite Position des zweiten beweglichen Abschnitts in der Z-Richtung misst; und einen dritten Positionsmesser, der eine dritte Position des dritten beweglichen Abschnitts in der Z-Richtung misst, wobei eine erste relative Position basierend auf der ersten Position und der zweiten Position berechnet wird, eine zweite relative Position basierend auf der ersten Position und der dritten Position berechnet wird, und (i) die erste relative Position des zweiten beweglichen Abschnitts in Bezug auf den ersten beweglichen Abschnitt in der Z-Richtung und (ii) die zweite relative Position des dritten beweglichen Abschnitts in Bezug auf den ersten beweglichen Abschnitt in der Z-Richtung konstant gehalten werden.
Messsonde nach Anspruch 1, die ferner umfasst: eine erste Feder, die den ersten beweglichen Abschnitt und den zweiten beweglichen Abschnitt verbindet; und eine zweite Feder, die den zweiten beweglichen Abschnitt und den dritten beweglichen Abschnitt verbindet.
Messsonde nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Masse des zweiten beweglichen Abschnitts 1/100 oder weniger der Masse des dritten beweglichen Abschnitts ist.
Messsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste Positionsmesser, der zweite Positionsmesser und der dritte Positionsmesser in einem Raum bereitgestellt sind, der innerhalb der Messsonde definiert ist.
Messsonde nach Anspruch 4, wobei der erste Positionsmesser eine erste Lichtquelle umfasst, der zweite Positionsmesser eine zweite Lichtquelle umfasst, der dritte Positionsmesser eine dritte Lichtquelle umfasst, und jede von der ersten Lichtquelle, der zweiten Lichtquelle und der dritten Lichtquelle derart angeordnet ist, dass ein Strahl parallel zur Z-Richtung emittiert wird.
Messsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Messsonde die erste relative Position und die zweite relative Position auf vorbestimmte, im Voraus gespeicherte Positionen zurücksetzt.
Formmessvorrichtung, die umfasst: die Messsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 6.