JP4093828B2 - 測定用プローブ及び光学式測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定面の位置情報を得るための測定用プローブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学式測定装置は、被測定面に対して測定光を照射し、被測定面で反射された測定光を受光することにより、測定光に含まれる被測定面の変位や形状に関する情報を得る。測定光を被測定面に直接的に照射すると、被測定面の反射特性や傾斜の影響により、高精度の測定が困難である。そのため、従来、被測定面に追随する機能と測定光を反射する機能とを備える種々の測定用プローブが提案されている。
【０００３】
例えば、特開２０００−２８３７４７号公報には、２枚の平行な板ばねを備える測定用プローブが記載されている。板ばねは基端が光学測定装置の本体側に固定され、先端に被測定面に接触する接触子が取り付けられている。また、接触子の背面には測定光を反射する反射面が設けられている。接触子は板ばねにより被測定面に弾性的に付勢され、被測定面の凹凸や形状変化に追随して変位する。反射特性が良好な反射面により
測定光が反射されるので、被測定面の反射特性の影響を受けない。また、反射面の角度は変化しないので、測定光は常にほぼ同一方向に反射される。
【０００４】
また、特開平６−２６５３４０号公報に記載の測定用プローブは、鉛直方向に移動可能なエアスライドを備えている。エアスライドの下端に接触子が取り付けられ、上端が反射面を構成している。エアスライドの重量はばねにより支持される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これら従来の測定用プローブには以下の問題がある。
第１に、特開平６−２６５３４０号公報に記載のものは、測定時に重量支持用のばねとその保持部との間に機械的摩擦がある。この機械的摩擦により接触子の被測定面に対する追随性が損なわれると共にヒステリシスが生じ、測定精度が低下する。また、測定中に接触子に作用する力に予期しない急激な変化があると、ばねが損傷するおそがある。
【０００６】
第２に、測定光が反射面に常に垂直に照射するように測定用プローブを製造することは困難である。また、測定用プローブを交換した際に、反射面を測定光に対して垂直に照射させることは困難である。
【０００７】
第３に、前記エアスライドとその重量を支持するばねを使用する測定用プローブは、水平配置することができない。
【０００８】
第４に、従来の測定用プローブは、被測定面に対して接触子を微少距離だけ移動させる機構を備えていない。そのため、測定開始時には被測定物のエッジに接触子を乗り上げさせることにより被測定面上に接触子を配置させる必要がある。そのため、被測定面が損傷したり、測定方向と垂直方向の力が作用することにより測定用プローブのばねや接触子が破損することがある。
【０００９】
本発明は、前記従来の測定用プローブにおける問題を解決するためになされたものである。具体的には、本発明は、被測定面に対する追随性を向上すると共にヒステリシスを低減して測定用プローブの測定精度を向上すること、測定用プローブの製造及び交換を容易にすること、及び水平配置を可能とすることを課題としている。また、本発明は、被測定物や接触子に損傷を与えることなく被測定物を交換することができる測定用プローブを提供することを課題としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
従って、第１の発明は、先端に被測定面に当接される接触子を備え、基端に測定光を反射する反射面が一体に形成された可動部材と、前記可動部材が挿通される挿通孔が設けられ、この挿通孔の孔壁と前記接触子の周面との間に隙間が形成され、この隙間が前記可動部材をその軸線方向に移動可能に支持する空気軸受を構成する固定部材と、前記可動部材の基端側に取り付けられた円環状の磁性体と、前記磁性体を取り囲み、前記可動部材の軸線方向の磁力を発生させる磁力発生部とを備え、前記磁性体は、前記磁性体の軸線が前記可動部材の軸線に対して傾斜するように前記可動部材に取り付けられ、前記磁力発生部は、前記磁力発生部の軸線が前記可動部材の軸線に対して傾斜するように固定され、前記磁性体の軸線の前記可動部材に対する傾斜と前記磁力発生部の軸線の前記可動部材に対する傾斜とが同じ傾斜である、測定用プローブを提供する。
【００１１】
第１の発明の測定用プローブでは、可動部材は先端に接触子を備え、基端に反射面が一体に形成されている。また、この可動部材は、固定部材との隙間が構成する空気軸受により支持され、磁力発生部が発生する磁力により軸線方向の力が作用する。すなわち、可動部材は非接触で支持され、かつ非接触で接触子に測定圧が付与される。従って、被測定面に対して接離する可動部材に機械的摩擦が作用せず、接触子の被測定面に対する追随性が良好でヒステリシスが低減され、高い測定精度が得られる。また、測定中に接触子に作用する力に予期しない急激な変化があっても、損傷のおそれがない。
【００１２】
可動部材は空気軸受により非接触で保持されているので、可動部材の前進及び後退する向きは、その軸線に対して実質的に平行である。さらに、反射面は可動部材に一体に形成されているので、反射面は測定光に対して正対した姿勢を維持したままで移動する。
【００１３】
先端に接触子を備える可動部材の基端に反射面が形成されているので、製造時に発生する反射面の組立てに伴う誤差をなくすことができ、反射面を測定光に対して正対するように容易に設定することができる。さらに、可動部材は空気軸受により非接触で支持されるので、可動部材を交換した際にも反射面を測定光に対して確実に正対させることができる。これらの点で、可動部材の製造及び交換が容易である。
前記磁性体は、前記可動部材の軸線に対して傾斜するように前記可動部材に取り付けられ、前記磁力発生部は、前記可動部材の軸線に対して向きが傾斜した磁場を発生する。そのため、可動部材のそれ自体の軸線回りに回転位置が固定される。従って、可動部材は軸線回りに回転せず、被測定面上での接触子の先端の位置が変化することがなく、接触子の先端が可動部材の軸線に対して多少ずれていても高精度での測定が可能である。
【００１４】
具体的には、前記磁力発生部は１個の永久磁石を備える。可動部材に取り付けられた磁性体には常時磁力が作用するので、測定用プローブは鉛直配置と水平配置の両方が可能である。
【００１５】
磁気回路を形成するためのヨークを磁力発生部に設け、可動部材に取り付けられた磁性体に作用する磁力を強めることが好ましい。
【００１６】
第２の発明は、少なくとも測定光を発生する光発生部と、先端に被測定面に当接される接触子を備え、基端に測定光を反射する反射面が一体に形成された可動部材と、前記可動部材が挿通される挿通孔が設けられ、この挿通孔の孔壁と前記接触子の周面との間に隙間が形成され、この隙間が前記可動部材をその軸線方向に移動可能に支持する空気軸受を構成する固定部材と、前記可動部材の基端側に取り付けられた円環状の磁性体と、前記磁性体を取り囲み、前記可動部材の軸線方向の磁力を発生させる磁力発生部とを備え、前記磁性体は、前記可動部材の軸線に対して傾斜するように前記可動部材に取り付けられ、前記磁力発生部は、前記可動部材の軸線に対して傾斜するように固定され、前記磁性体の軸線の前記可動部材に対する傾斜と前記磁力発生部の軸線の前記可動部材に対する傾斜とが同じ傾斜である、測定用プローブと、少なくとも前記測定用プローブにより反射された測定光を受光する受光部と、少なくとも前記受光部により受光された測定光に基づいて前記被測定面の位置情報を得る演算部とを備える、光学式測定装置を提供する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
（第１実施形態）
図１から図３は本発明の第１実施形態に係る測定用プローブ１０を示し、図４及び図５はこの測定用プローブ１０を備える光学式測定装置の一例である厚み変動測定装置１を示している。
【００１９】
図４に示すように、厚み変動測定装置１は、架台２上に、ウェハ保持ステージ３とセンサ移動ステージ４とを備えている。ウェハ保持ステージ３は、ダイレクトドライブモータ５と、このダイレクトドライブモータ５によってＸＹ軸面内で回転駆動され、内周にウェハ６を保持する環状のスピンドル７とからなる。センサ移動ステージ４は、モータ８によって回転するボールねじ９によりガイドに沿ってＸ軸方向に移動可能であり、ウェハ６の両側に光学式変位計１１，１１を備えている。
【００２０】
図５は、ウェハ６の両側の光学式変位計１１，１１のうち一方の構造を示している。他方の光学式変位計１１も同様の構造を備えている。
【００２１】
光学式変位計１１は、測定用プローブ１０、光発生部１２、測定光学系１３、受光部１４、及び演算部１５を備えている。光発生部１２は周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザを出力するレーザ出力装置からなり、参照光Ｌ０と測定光Ｌ１とが混合された出力光Ｌ０＋Ｌ１を測定光学系１３に供給する。
【００２２】
測定光学系１３では、出力光Ｌ０＋Ｌ１が収束レンズ１３ａで絞り込まれた後、分岐混合部となる偏光ビームスプリッタ１３ｂに供給される。収束レンズ１３ａは、出力光Ｌ０＋Ｌ１を絞り込むことで、測定光Ｌ１をウェハ６の表面６ａに当接する測定用プローブ１０の反射面２７に正確に収束させる。偏光ビームスプリッタ１３ｂでは、測定光Ｌ１はそのまま直進するが参照光Ｌ０は直交方向に反射し、両者が分岐される。この分岐は測定光Ｌ１と参照光Ｌ０の偏光方向の違いによる。
【００２３】
測定光Ｌ１はλ／４波長板１３ｃを通過した後、ウェハ６の表面６ａに向かう。測定光Ｌ１は測定用プローブ１０の反射面２７で反射されて再びビームスプリッタ１３ｂへと戻される。一方、偏光ビームスプリッタ１３ｂを出た参照光Ｌ０はλ／４波長板１３ｄを通過した後、参照ミラー１３ｅで反射されて再び偏光ビームスプリッタ１３ｂに戻る。偏光ビームスプリッタ１３ｂから参照ミラー１３ｅまでの距離は、偏光ビームスプリッタ１３ｂから測定用プローブ１０までの距離と同じに設定されている。
【００２４】
参照光Ｌ０は偏光ビームスプリッタ３４を直進し、測定光Ｌ１は偏光ビームスプリッタ３４で反射されて参照光Ｌ０と同方向に進む。その結果、偏光ビームスプリッタ３４からは、参照光Ｌ０と測定光Ｌ１の混合光Ｌ０＋Ｌ１が出力される。測定光Ｌ１の行程が測定用プローブ１０の反射面２７までの距離によって変化するのに対して参照光Ｌ０の行程は一定であるので、両方の光の行程差あるいは位相差が生じている。
【００２５】
偏光ビームスプリッタ３４から出力された混合光Ｌ０＋Ｌ１は、複数のミラー１３ｆ、コリメートレンズ１３ｇ、及びフォーカスレンズ１３ｈを経て受光部１４に入射する。受光部１４は光信号を電気信号に変換する。演算部１５は、参照光Ｌ０と測定光Ｌ１の波長や位相を電気的に分析し、そのデータを演算処理することでウェハ６の表面６ａの位置又はその変化を数値情報として得る。
【００２６】
ウェハ６の表面６ａに沿って場所を変えて、上記のような測定を行うことで、ウェハ６の表面位置の変動すなわち変位が求められる。ウェハ６の両面に配置された光学式変位計１１，１１でウェハ６の表面変位をそれぞれ測定する。ウェハ６の両面の表面変位を合計したものが、ウェハ６の厚み変動を表す。なお、厚み変動の測定ではウェハ６の厚みそのものを測定する必要はなく、面方向における厚みの違いやバラツキを厚み変動として測定すればよい。左右の光学式変位計１１、１１の間隔が分かっていれば、両方の光学式変位計１１、１１に対するウェハ６の位置情報からウェハ６の厚みを知ることができる。
【００２７】
図１及び図５に示すように、測定用プローブ１０は、光学式変位計１１の
測定光Ｌ１の照射方向で被測定面であるウェハ６の表面６ａに近接した位置に取り付けられる。本実施形態では、測定用プローブ１０は水平配置されている。
【００２８】
図１及び図３（Ａ）に示すように、測定用プローブ１０は、光学式変位計１１の本体１１ａに固定されたハウジング２０を備えている。このハウジング２０内に、可動部材２１、固定部材２２、強磁性体２３、及び磁力発生部２４が収容されている。
【００２９】
可動部材２１は先端がテーパ状の金属製の円柱体である。可動部材２１の先端にはウェハ６の表面６ａに当接される接触子２５が取り付けられている。一方、可動部材２１の基端には測定光Ｌ１を反射するための反射面２７が形成されている。本実施形態における可動部材２１は直径１ｍｍ、長さ８ｍｍである。
【００３０】
接触子２５はダイヤモンド製でありその先端は円錐状である。接触子２５の先端は、直径が１０μｍ程度であり、ウェハ６の表面６ａに実質的に点接触で当接する。接触子２５は、被測定面の細かな凹凸形状を追随でき、被測定面に対して実質的に点接触できるものであればよい。具体的には、接触子２５の先端は角錐状又は針状であってもよい。また、接触子２５の材質は、ダイヤモンドに限定されないが、被測定面に押圧されたときに変形しにくい硬質で剛性の高いものが好ましい。
【００３１】
反射面２７は可動部材２１の端面に一体に形成された金属製の鏡面である。反射面２７は高い反射率を有し、測定光Ｌ１を効率良く反射する。反射面２７はガラス材料からなる鏡面であってもよい。また、反射面２７は可動部材２１の端面自体を研磨して鏡面としたものでもよい。さらに、反射特性を向上させるために、反射面２７に樹脂等のコーティングを施してもよい。
【００３２】
本実施形態では、測定光Ｌ１の入射方向と、可動部材２１の軸線２８の方向が一致している。接触子２５はその先端が可動部材２１の軸線２８と一致するように可動部材２１に取り付けられており、測定光Ｌ１の入射方向を延長した先に配置されている。反射面２７は測定光Ｌ１の入射方向に対して正対するように設けられている。
【００３３】
上述のように反射面２７は先端に接触子２５を備える可動部材２１の基端に一体に形成されているので、製造時に発生する反射面の組立てに伴う誤差をなくすことができる。従って、反射面２７を測定光Ｌ１に対して正対するように設定することが容易であり、可動部材２１の製造が容易である。
【００３４】
図１及び図３（Ａ）に示すように、固定部材２２は円筒状でありハウジング２０に固定されている。固定部材２２には軸方向に貫通する断面円形の挿通孔２２ａが設けられている。この挿通孔２２ａに可動部材２１が挿通されている。挿通孔２２ａの孔壁と可動部材２１の周面との間には隙間２９が形成されている。本実施形態では、隙間２９の寸法は１０μｍである。また、固定部材２２には、孔壁で開口する複数の吸気口２２ｂ及び複数の排気口２２ｃが形成されている。空気供給源３０から吸気口２２ｂを介して所定圧力の空気が隙間２９に供給されると共に、排気口２２ｃを介して隙間２９から空気が排出される。この空気流により隙間２９は可動部材２１を支持する空気軸受３１として機能する。空気軸受３１は可動部材２１を固定部材２２に対して非接触の状態で支持し、可動部材２１はその軸線２８の方向には移動可能であるが、その他の方向には移動しない。このように可動部材２１は空気軸受３１により非接触で支持されるので、可動部材２１を交換した際にも反射面２７を測定光に対して確実に正対させることができ、可動部材２１の交換が容易である。
【００３５】
図３（Ｂ）に示すように、可動部材２１及び固定部材２２の挿通孔２２ａの断面形状は多角形状であってもよい。この場合、可動部材２１がそれ自体の軸線２８回りに回転するのを防止することができる。従って、可動部材２１が軸線２８回りに回転することによりウェハ６の表面６ａでの接触子２５の先端の位置が変化することがなく、接触子２５の先端が軸線２８に対して多少ずれていても高精度の測定が可能である。
【００３６】
図１及び図２に示すように、強磁性体２３は円環状であり可動部材２１の基端側に固定されている。本実施形態では、強磁性体２３は鉄製である。強磁性体２３の材質は特に限定されず、周辺からの磁力により力を発生するものであればよい。強磁性体２３は可動部材２１の軸線に対して傾斜するように配置されている。すなわち、可動部材２１の軸線２８に対して強磁性体２３の軸線２８’が傾斜している。
【００３７】
磁力発生部２４はハウジング２０に固定されており、可動部材２１の軸線２８の方向に配置された２個のコイル３２Ａ，３２Ｂを備えている。コイル３２Ａ，３２Ｂは可動部材２１に固定された強磁性体２３の周囲を取り囲んでいる。強磁性体２３と同様にコイル３２Ａ，３２Ｂは可動部材２１の軸線２８に対して傾斜するように配置されている。各コイル３２Ａ，３２Ｂには、マイクロコンピュータ３４からＤ／Ａコンバータ３５及びアンプ３６を介して電流が供給される。コイル３２Ａ，３２Ｂに通電すると強磁性体２３に可動部材２１の軸線２８の方向の磁力が作用する。コイル３２Ａ，３２Ｂは可動部材２１の軸線２８に対して傾斜しているので、これらが発生する磁界も可動部材２１の軸線２８に対して傾斜している。コイル３２Ａ，３２Ｂは、磁気回路を構成するためのヨーク３８内に収容されているので、コイル３２Ａ，３２Ｂの発生する磁力が効率良く強磁性体２３に作用する。
【００３８】
上述のように強磁性体２３及びコイル３２Ａ，３２Ｂは可動部材２１の軸線２８に対して傾斜している。従って、コイル３２Ａ，３２Ｂに電流を供給すると、強磁性体２３に作用する磁力によって、可動部材２１のそれ自体の軸線２８回りの回転角度位置が固定される。従って、可動部材２１は軸線２８回りに回転せず、ウェハ６の表面６ａでの接触子２５の先端の位置が変化することがなく、接触子２５の先端が軸線２８に対して多少ずれていても高精度の測定が可能である。
【００３９】
図６に示すように、可動部材２１の基端側にある一方のコイル３２Ａに供給する電流量の増加させると共に可動部材２１の先端側にある他方のコイル３２Ｂに供給する電流量を減少させると、ヨーク３８内で発生する磁力と磁力勾配が最大となる位置が可動部材２１の基端側に移動し、これに伴って可動部材２１はその基端側へ後退する。これとは逆に、先端側のコイル３２Ｂに供給する電流量を増加させると共に基端側のコイル３２Ａに供給する電流量を減少させると、ヨーク３８内で発生する磁力と磁力勾配が最大となる位置が可動部材２１の先端側に移動し、これに伴って可動部材２１は先端側へ前進する。従って、マイクロコンピュータ３４でコイル３２Ａ，３２Ｂに供給する電流を調整することにより、可動部材２１の位置及びウェハ６の表面に対する接触子２５の測定圧を制御することができる。
【００４０】
ウェハ６を厚み変動測定装置１に取り付ける際には、コイル３２Ａに供給する電流量をコイル３２Ｂに供給する電流量よりも大きく設定し、可動部材２１を後退させておく。可動部材２１が後退位置にあれば、ウェハ６を接触子２５と接触させることなく厚み変動測定装置１に取り付けることができる。よって、本実施形態の測定用プローブ１０では、ウェハ６の表面や測定用プローブ１１自体を損傷させることなく、厚み変動測定装置１に対するウェハ６の取り付けを行うことができる。
【００４１】
ウェハ６の取り付け完了後、コイル３２Ａに供給する電流量を減少させる一方、コイル３２Ｂに供給する電流量を増加させ、可動部材２１をウェハ６に向けて前進させ、接触子２５をウェハ６の表面６ａに当接させる。コイル３２Ａ，３２Ｂに供給する電流比により、接触子２５に付与する測定圧を制御することができる。例えば、接触子２５の測定圧は３００ｍｇｆに設定される。
【００４２】
次に、ダイレクトドライブモータ５によりウェハ６を回転させつつ、センサ移動ステージ４により光学式変位計１１を移動させ、測定用プローブ１０の接触子２５でウェハ６の表面６ａを走査する。また、測定用プローブ１０に対して測定光Ｌ１を照射する。走査中、ウェハ６の表面６の変位に応じて接触子２５が表面６ａに対して接離する方向に移動する。可動部材２１は空気軸受３１により非接触で支持され、かつ磁力発生部２４により接触子２５に対して非接触で測定圧が付与される。従って、ウェハ６の表面６ａに対して接離する可動部材２１に機械的摩擦が作用せず、接触子２５の表面６ａに対する追随性が良好でヒステリシスが低減され、高い測定精度が得られる。また、測定中に接触子に作用する力に予期しない急激な変化があっても、損傷のおそれがない。
【００４３】
可動部材２１は空気軸受３１により非接触で保持されているので、可動部材２１の前進及び後退する向きは、その軸線２８に対して実質的に平行である。さらに、反射面２７は可動部材２１に一体に形成されているので、反射面２７は測定光Ｌ１に対して正対した姿勢を維持したままでウェハ６の表面６ａに対して接離方向に移動する。その結果、ウェハ６の表面変位にかかわらず、反射面２７は常に測定光Ｌ１をその入射方向と同方向に反射させることができ、反射面２７で反射された測定光Ｌ１は確実に測定光学系１３を介して受光部１４に入射する。この反射された測定光Ｌ１の傾きやずれを防止する機能はオートフォーカスレンズ１３ｈと共通する機能であるが、本実施形態の測定用プローブ１０とオートフォーカスレンズ１３ｈとを併用することにより、より確実に測定光Ｌ１の傾きやずれを防止することができる。
【００４４】
測定光Ｌ１はウェハ６の表面６ａで反射されるのではなく、高い反射率を有する反射面２７で反射される。従って、ウェハ６の表面６ａが反射率の低い材料であったり、位置によって反射率が異なる場合でも、常に一定の反射率で反射されるので正確で安定した変位測定を行うことができる。
【００４５】
測定完了後は、コイル３２Ｂに供給する電流量を減少させる一方、コイル３２Ａに供給する電流量を増加させ、可動部材２１をウェハ６から後退させる。接触子２５がウェハ６の表面６ａから完全に離れた状態で測定済みのウェハ６を取り外すことにより、ウェハ６の表面や測定用プローブ１１自体を損傷を防止することができる。
【００４６】
可動部材２１は空気軸受３１により非接触で支持されるので、可動部材２１を交換した際にも反射面２７を測定光Ｌ１に対して確実に正対させることができる。この点で、可動部材２１の交換が容易である。
【００４７】
（第２実施形態）
図７に示す本発明の第２実施形態に係る測定用プローブ１０では、磁力発生部２４は可動部材２１の基端側に配置されたコイル３２Ｃと、可動部材２１の先端側に配置された永久磁石４０とを備えている。１個のコイル３２Ｃに対して供給する電流を調整することにより、可動部材２１の位置及び被測定面に対する接触子２５の測定圧を制御することができる。従って、磁力発生部２４における発熱を抑制し、測定用プローブ１０の温度ひずみを低減することができる。また、強磁性体２３には永久磁石４０の発生する磁力が常時作用するので、測定用プローブ１０の鉛直配置が可能である。第２実施形態のその他の構成及び作用は前記第１実施形態と同様であるので、同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００４８】
（第３実施形態）
図８に示す本発明の第２実施形態に係る測定用プローブ１０は、図９に示す三次元形状測定装置５１で使用される。三次元形状測定装置５１は、下部定石盤５２上にＸテーブル５３及びＹテーブル５４を介して配置された保持台５５を備えている。被測定物であるレンズ５７は下部定石盤５２上に配置される。保持台５５にはＺ軸移動部５８が取り付けられており、このＺ軸移動部５８に図８の測定用プローブ１０が取り付けられている。測定用プローブ１０は鉛直配置されており、可動部材２１の姿勢は鉛直方向下向きである。光発生部５９で発生したレーザ光はレンズ等により構成された光学系６０により下部定石盤５２上のＸ参照ミラー６１及びＹ参照ミラー６２と、保持台５５に固定されたＺ参照ミラー６３に測長光として照射される。また、前記レーザ光は測定光として測定用プローブ１０の反射面２７に照射される。
【００４９】
測定用プローブ１０の磁力発生部２４は１個の永久磁石４０のみを備えており、この永久磁石４０から強磁性体２３に作用する磁力によって、可動部材２１、接触子２５、及び強磁性体２３の自重が支持されている。
【００５０】
測定時にレンズ５７の表面５７ａに対して接離する可動部材２１に機械的摩擦が作用せず、接触子２５の表面６ａに対する追随性が良好でヒステリシスが低減され、高い測定精度が得られる。また、測定中に接触子２５に作用する力に予期しない急激な変化があっても、損傷のおそれがない。さらに、この測定用プローブ１０は、可動部材２１に対する重力による下向きの付勢力がなくとも、接触子２５を被測定面に付勢して測定圧を得ることができる。従って、前記特開平６−２６５３４０号公報に記載されたエアスライドの重量をばねにより支持する測定用プローブとは異なり、水平配置が可能である。第３実施形態のその他の構成及び作用は前記第１実施形態と同様であるので、同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００５１】
図１０は第３実施形態の変形例に係る測定用プローブ１０を示している。この測定用プローブ１０では、円環状の強磁性体２３の軸線が可動部材２１の軸線２８と同方向であり、強磁性体２３は可動部材２１に対して傾斜していない。また、これと対応して磁力発生部２４の永久磁石４０も可動部材２１の軸線２８に対して傾斜しないように配置されている。換言すれば、可動部材２１は強磁性体２３及び永久磁石４０に対して直交する方向に延びている。かかる構成とする場合には、可動部材２１がその軸線２８回りに回転するのを防止するために、図３（Ｂ）に示すように可動部材２１及び固定部材２２の挿通孔２２ａの断面形状を多角形とすることが好ましい。なお、図１１及び図１２に示すように、第１実施形態及び第２実施形態の測定用プローブ１０で強磁性体２３及び磁力発生部２４を可動部材２１に対して傾斜しないように設けてもよい。
【００５２】
（第４実施形態）
図１３に示す本発明の第４実施形態に係る測定用プローブ１０では、磁力発生部２４は可動部材２１の軸線２８方向に移動可能にハウジング２０に対して取り付けられている。また、磁力発生部２４にはピエゾ素子からなる円筒状のアクチュエータ６４の一端が固定されている。アクチュエータ６４の他端はハウジング２０に固定されている。アクチュエータ６４はマイクロコンピュータ３４から供給される駆動信号に基づいて可動部材２１の軸線２８の方向に微少な振動を発生する。測定中にこのアクチュエータ６４を駆動させると、被測定面と接触子２５との間に作用するファンデルワールス力を打ち消すことができる。従って、被接触面の面方向に接触子２５を走査する場合のスティックスリップ等の力を低減し、より高精度の測定が可能となる。第４実施形態のその他の構成及び作用は前記第３実施形態と同様であるので、同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００５３】
図１４に示すように、第１実施形態の測定用プローブ１０に振動発生用のアクチュエータ６４を設けても良い。同様に、第２実施形態から第３実施形態の測定用プローブ１０に振動発生用のアクチュエータ６４を設けてもよい。アクチュエータ６４はピエゾ素子に限定されず、磁力発生部２４を可動部材２１の軸線２８の方向に微少に振動せるものであればよい。
【００５４】
（第５実施形態）
図１５は本発明の第５実施形態に係る測定用プローブ１０を示している。
この測定用プローブ１０は、基端及び先端が互いに連結された同一形状の一対の板ばね７０，７０からなる弾性支持腕７１を備えている。板ばね７０，７０は基端側の幅が先端側の幅よりも広い台形状であり、中央に切り抜き部７０ａが設けられている。これらの板ばね７０，７０はいわゆる平行リンク機構を構成している。
【００５５】
弾性支持腕７１の基端は光学式測定装置の本体側に固定される。一方、弾性支持腕７１の先端には、被測定面に当接される接触子２５と、この接触子２５の背面側に設けられた反射面２７とを備える可動部７２が設けられている。また、弾性支持腕７１の先端には磁性体７４が取り付けられている。この磁性体７４と対向してコイル７５が設けられており、測定光Ｌ１はコイル７５の中空部を介して反射面２７に照射される。
【００５６】
本実施形態の測定用プローブ１０では、弾性支持腕７１が板ばね７０，７０が平行な状態を維持したまま撓むことにより、接触子２５に対して被測定面に対する接触圧が付与される。
【００５７】
被測定物を光学式測定装置に取り付ける際には、コイル７５に電流を供給する。コイル７５に磁性体７４が吸引されるので、弾性支持腕７１が弾性的に撓み接触子２５が後退する。この状態で接触子２５と接触させることなく被測定物を光学測定装置に取り付けることができる。被測定物の取り付け後に、コイルに対する電流の供給を停止すると、弾性支持腕７１がもとの形状に戻り、接触子２５が前進して被測定面と当接する。同様に、被測定物を光学式測定装置から取り外す際にも、コイル７５で磁性体７４を吸引することにより接触子２５を後退させ、接触子２５と接触させることなく被測定物を取り外すことができる。従って、第５実施形態の測定用プローブでは、被測定面や測定用プローブ自体を損傷させることなく、光学式測定装置に対する被測定物の取り付け及び取り外しを行うことができる。
【００５８】
本発明は前記実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、被測定面の形状や測定条件に応じて被測定面に接離する方向の位置を調節できるように、測定用プローブを光学式測定装置本体に取り付けてもよい。
【００５９】
また、第１実施形態から第４実施形態において、強磁性体を多角形状とし、これに対応して磁力発生部を中空の多角形状としてもよい。
【００６０】
さらに、厚み変動測定装置と三次元形状測定装置を例に本発明を説明したが、被測定面で反射された測定光を受光して被測定面の位置情報を得る光学式測定装置であれば、本発明の測定用プローブを使用することができ、光学式測定装置の内部構造、利用用途等は限定されない。また、光学式測定装置の測定原理も限定されず、前述の測定光と参照光との位相差あるいは行程差を利用するものの他、いわゆる三角測量の原理を利用するものや、測定光と参照光との干渉作用を利用するものであってもよい。
【００６１】
さらにまた、本発明の測定用プローブにより測定される被測定面の材質は、特に限定されず、金属、ガラス、セラミック、樹脂等の任意の材料からなるものでよい。また、被測定面の一部が異なる材料からなるものであってもよい。さらに、被測定面は実質的に平坦面であるものの他、曲面であるもの、溝や孔等の凹凸があるものであってもよい。
【００６２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、第１の発明の測定用プローブでは、可動部材は先端に接触子を備え、基端に反射面が一体に形成されている。また、この可動部材は、固定部材との隙間が構成する空気軸受により支持され、磁力発生部が発生する磁力により軸線方向の力が作用する。従って、被測定面に対して接離する可動部材には機械的摩擦が作用せず、接触子の被測定面に対する追随性が良好でヒステリシスが低減され、高い測定精度が得られる。また、測定中に接触子に作用する力に予期しない急激な変化があっても、損傷のおそれがない。
【００６３】
可動部材は空気軸受により非接触で保持されているので、可動部材の前進及び後退する向きは、その軸線に対して実質的に平行である。さらに、反射面は可動部材に一体に形成されているので、反射面は測定光に対して正対した姿勢を維持したままで移動する。
【００６４】
先端に接触子を備える可動部材の基端に反射面が形成されているので、製造時に発生する反射面の組立てに伴う誤差をなくすことができ、反射面を測定光に対して正対するように容易に設定することができる。さらに、可動部材は空気軸受により非接触で支持されるので、可動部材を交換した際にも反射面を測定光に対して確実に正対させることができる。これらの点で、可動部材の製造及び交換が容易である。
前記磁性体は、前記可動部材の軸線に対して傾斜するように前記可動部材に取り付けられ、前記磁力発生部は、前記可動部材の軸線に対して向きが傾斜した磁場を発生する。そのため、可動部材のそれ自体の軸線回りに回転位置が固定される。従って、可動部材は軸線回りに回転せず、被測定面上での接触子の先端の位置が変化することがなく、接触子の先端が可動部材の軸線に対して多少ずれていても高精度での測定が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態に係る測定用プローブを示す断面図である。
【図２】 可動部材と磁気発生部とを示す部分斜視図である。
【図３】 （Ａ）及び（Ｂ）は図１のIII−III線での断面図である。
【図４】 本発明の第１実施形態に係る測定用プローブを備える厚み変動測定装置を示す斜視図である。
【図５】 図４の厚み変動測定装置における参照光と測定光の光路を示す図である。
【図６】 可動部材の位置とコイルに供給される電流の関係を示す線図である。
【図７】 本発明の第２実施形態に係る測定用プローブを示す断面図である。
【図８】 本発明の第３実施形態の変形例に係る測定用プローブを示す断面図である。
【図９】 本発明の第３実施形態に係る測定用プローブを備える三次元形状測定装置を示す斜視図である。
【図１０】 本発明の第３実施形態の変形例に係る測定用プローブを示す断面図である。
【図１１】 本発明の第１実施形態の変形例に係る測定用プローブを示す断面図である。
【図１２】 本発明の第２実施形態の変形例に係る測定用プローブを示す断面図である。
【図１３】 本発明の第４実施形態に係る測定用プローブを示す断面図である。
【図１４】 本発明の第１実施形態の変形例に係る測定用プローブを示す断面図である。
【図１５】 本発明の第５実施形態に係る測定用プローブを示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 厚み変動測定装置
１１ 光学式変位計
１１ａ 本体
２０ ハウジング
２１ 可動部材
２２ 固定部材
２２ａ 挿通孔
２２ｂ 吸気口
２２ｃ 排気口
２３ 強磁性体
２４ 磁力発生部
２５ 接触子
２７ 反射面
２８，２８’ 軸線
２９ 隙間
３０ 空気供給源
３１ 空気軸受
３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ コイル
３４ マイクロコンピュータ
３５ Ｄ／Ａコンバータ
３６ アンプ
３８ ヨーク
４０ 永久磁石
５１ 三次元形状測定装置
５２ 下部定石盤
５３ Ｘテーブル
５４ Ｙテーブル
５５ 保持台
５７ レンズ
５７ａ 表面
５８ Ｚ軸移動部
５９ 光発生部
６０ 光学系
６１ Ｘ参照ミラー
６２ Ｙ参照ミラー
６３ Ｚ参照ミラー
６４ アクチュエータ
７０ 板ばね
７０ａ 切り抜き部
７１ 弾性支持腕
７２ 可動部
７４ 磁性体
７５ コイル

Claims (4)

1. 先端に被測定面に当接される接触子を備え、基端に測定光を反射する反射面が一体に形成された可動部材と、
   前記可動部材が挿通される挿通孔が設けられ、この挿通孔の孔壁と前記接触子の周面との間に隙間が形成され、この隙間が前記可動部材をその軸線方向に移動可能に支持する空気軸受を構成する固定部材と、
   前記可動部材の基端側に取り付けられた円環状の磁性体と、
   前記磁性体を取り囲み、前記可動部材の軸線方向の磁力を発生させる磁力発生部と
   を備え、
   前記磁性体は、前記磁性体の軸線が前記可動部材の軸線に対して傾斜するように前記可動部材に取り付けられ、
   前記磁力発生部は、前記磁力発生部の軸線が前記可動部材の軸線に対して傾斜するように固定され、前記磁性体の軸線の前記可動部材に対する傾斜と前記磁力発生部の軸線の前記可動部材に対する傾斜とが同じ傾斜である、測定用プローブ。
2. 前記磁力発生部は、１個の永久磁石を備える、請求項１に記載の測定用プローブ。
3. 前記磁力発生部は、磁気回路を形成するためのヨークを備える、請求項１に記載の測定用プローブ。
4. 少なくとも測定光を発生する光発生部と、
   先端に被測定面に当接される接触子を備え、基端に測定光を反射する反射面が一体に形成された可動部材と、前記可動部材が挿通される挿通孔が設けられ、この挿通孔の孔壁と前記接触子の周面との間に隙間が形成され、この隙間が前記可動部材をその軸線方向に移動可能に支持する空気軸受を構成する固定部材と、前記可動部材の基端側に取り付けられた円環状の磁性体と、前記磁性体を取り囲み、前記可動部材の軸線方向の磁力を発生させる磁力発生部とを備え、前記磁性体は、前記可動部材の軸線に対して傾斜するように前記可動部材に取り付けられ、前記磁力発生部は、前記可動部材の軸線に対して傾斜するように固定され、前記磁性体の軸線の前記可動部材に対する傾斜と前記磁力発生部の軸線の前記可動部材に対する傾斜とが同じ傾斜である、測定用プローブと、
   少なくとも前記測定用プローブにより反射された測定光を受光する受光部と、
   少なくとも前記受光部により受光された測定光に基づいて前記被測定面の位置情報を得る演算部と
   を備える、光学式測定装置。

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