JP4291849B2 - 三次元測定プローブ - Google Patents
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Description
(数1)
F=Ma ・・・ (1)
測定力Fをできるだけ小さく、応答加速度aをできるだけ大きくしようとすれば、可動部質量、つまり小摺動軸部の質量Mをできるだけ小さくするしかない。また、横向きの力に対してスタイラスが傾かないためには、移動方向には摩擦無く動き、移動方向に垂直な方向には極めて高い剛性を実現できる構造が必要である。
本発明の第1態様によれば、一端に測定物の表面に接するスタイラスを設けるとともに、他端に磁性体ピンを軸方向とは直交する方向沿いに設けた円筒形の小摺動軸部と、
この小摺動軸部と嵌合する円筒形の穴が形成され、この小摺動軸部との隙間に圧縮空気の膜を形成する空気吹き出し部を有する小エアー軸受け部と、
この小エアー軸受け部の端部に配置された磁石と複数のヨークが前記ピンと非接触で配置され、前記磁石から発生した磁束が、前記複数のヨークのうちの一つのヨークを通り、その一つのヨークと前記磁性体ピンの一端との間に形成された一方の隙間部を通って前記磁性体ピンを通り、前記磁性体ピンの他端と前記複数のヨークのうちの別のヨークとの間に形成された他方の隙間部を通り、前記別のヨークを通って、前記磁石に戻る磁気回路を形成することにより、前記円筒形の小摺動軸部の軸方向であるZ方向と、前記Z方向の回りの回転方向への移動を妨げる磁力を発生させる磁力発生手段と、
前記小エアー軸受け部に対する前記小摺動軸部の前記Z方向の変位を検出する変位検出手段と、
前記小エアー軸受け部の前記Z方向への移動を案内するZステージと、
前記測定物、または前記Zステージを前記Z方向とそれぞれ直交しかつ互いに直交するXY方向に移動させるとともに、前記スタイラスが前記測定物の形状に沿って前記Z方向に移動するとき、前記Z方向の変位がほぼ一定になるように前記Zステージを駆動するZステージ駆動装置と、
を備え、
前記ピンと前記ヨークの隙間部付近の形状を、前記Z方向には厚く、前記回転方向には薄くし、かつ、前記ピンより前記ヨークを厚くした、三次元測定プローブを提供する。
この小摺動軸部と嵌合する円筒形の穴が形成され、この小摺動軸部との隙間に圧縮空気の膜を形成する空気吹き出し部を有する小エアー軸受け部と、
この小エアー軸受け部の端部に、第1ヨークを介して一対の磁石を配置し、各磁石に第2ヨークを連結し、これら一対の第2ヨークが前記ピンの両端に対して隙間をそれぞれあけて対向して前記ピンと非接触で配置し、前記一対の磁石の一方の磁石から発生した磁束が、前記一方の磁石に連結された第2ヨークを通り、その第2ヨークと前記磁性体ピンの一端との間に形成された一方の隙間部を通って前記磁性体ピンを通り、前記磁性体ピンの他端と他方の第2ヨークとの間に形成された他方の隙間部を通り、他方の第2ヨークを通り、他方の第2ヨークに連結された他方の磁石から発生する磁束を加えて、前記第1ヨークを通って、前記一方の磁石に戻る磁気回路を形成することにより、前記円筒形の小摺動軸部の軸方向であるZ方向と、前記Z方向の回りの回転方向への移動を妨げる磁力を発生させる磁力発生手段と、
前記小エアー軸受け部に対する前記小摺動軸部の前記Z方向の変位を検出する変位検出手段と、
前記小エアー軸受け部の前記Z方向への移動を案内するZステージと、
前記測定物、または前記Zステージを前記Z方向とそれぞれ直交しかつ互いに直交するXY方向に移動させるとともに、前記スタイラスが前記測定物の形状に沿って前記Z方向に移動するとき、前記Z方向の変位がほぼ一定になるように前記Zステージを駆動するZステージ駆動装置と、
を備え、
前記ピンと前記ヨークの隙間部付近の形状を、前記Z方向には厚く、前記回転方向には薄くし、かつ、前記ピンより前記ヨークを厚くした、三次元測定プローブを提供する。
前記小エアー軸受け部と一体で固定されてレーザ光を発光する半導体レーザと、前記小摺動軸部に配置されかつ前記半導体レーザからの前記レーザ光が照射されて反射させるミラーと、前記半導体レーザからの前記レーザ光を前記ミラーに集光するレンズと、前記ミラーからの反射光を受光する光検出器とを少なくとも含む光プローブ変位検出部により構成し、
前記半導体レーザからの前記レーザ光を、前記ミラーに照射し、前記ミラーからの反射光を前記光検出器で受光し、この光検出器の出力信号から前記Z方向の変位を検出する構成とした第1〜3態様のいずれか1つに記載の三次元測定プローブを提供する。
図1A及び図1Bは、本発明の実施形態における三次元測定プローブ2Aが装着可能な、超高精度三次元測定機の三次元測定プローブ2Aの要部構成を示す。図1A及び図1Bは同じプローブ2Aであるが、図1Aは、上から測定物1の表面Sを測定するとき、図1Bは下から測定物1の表面Sを測定するときのプローブ2Aの配置をそれぞれ示している。図示しないが、横からでも斜めからでもこのプローブ2Aは測定物1に対して配置可能である。図3Aは、前記実施形態における三次元測定プローブの上側の光プローブ変位検出部を含めた概略構成説明図であり、図3Bは、図3Aを上下逆さまにした図であって、前記実施形態における三次元測定プローブの下側の光プローブ変位検出部を含めた概略構成説明図である。
(数2)
軸上測定回転トルク T=偏心量×横方向測定力 ・・・ (2)
となる。円周測定時と前記面上測定でスタイラス先端球61の縁を傾斜していない方向に走査測定するときには、測定力に加えて摩擦力がかかるので、
(数3)
円周測定回転トルク T=偏心量×横方向測定力+rsinθ×測定力×摩擦係数 ・・・ (3)
となる。
(数4)
E=偏心量×T/Tm ・・・ (4)
偏心量を0.1mm、F=0.3mN、横方向測定力は(F/cosθ)sinθ、r=0.5mm、測定力はF/cosθ、摩擦係数を0.5、前述のように、Tm=0.27mN・mm/mrad、θを60度と75度の2通りで横方向測定誤差を計算した。
2 光プローブ変位検出部
2A 光プローブ
3 原子間力プローブ枠
4 空気吹出口
5 スタイラス
6 小摺動軸部
7 小エアー軸受け
7A 小エアー軸受け部
8a 第1ヨーク
8b−1,8b−2 第2ヨーク
9 Zミラー
10 空気排出口
11 大エアースライダー可動部
12 大ヨーク
13 コイル
14 レンズ
15 ダイクロイックミラー
16 ミラー
17 定荷重ばね
18 空気溜め部
18a 先端側の環状凹部
18b 凹部
18c 基端側の環状凹部
19 小エアー軸受け外壁
19a 先端側のフランジ部
19b 中間部
19c 基端側のフランジ部
20 磁性体ピン
21 Xステージ
22 Yステージ
23 下石定盤
24 X参照ミラー
25 Y参照ミラー
26 Z参照ミラー
27 He−Ne発振周波数安定化レーザ
28 大磁石
29a,29b 磁石
30 ストッパー
31 回転止めピン
32 レンズ
33 波長板
34 半導体レーザ
35 大エアースライドガイド
36 当て部
37 偏光プリズム
38 レンズ
39 ハーフミラー
40 ピンホール
41 光検出器
42 フォーカス誤差信号検出部
43 Z方向駆動装置
47 Z駆動ネジ
48 エアーチューブ
53 バネ受け球
59 メネジ
60 ネジ
61 スタイラス先端球
62 エアースライド
63 Z座標測定ユニット
86 ブラケット
87 演算部
88 制御部
89 大エアースライド
90 XYステージ
96 上石定盤
97 門型架台(Z参照ミラー保持部)
102 Z2方向用レシーバー
103 Z1方向用レシーバー
104 Y方向用レシーバー
105 X方向用レシーバー
Claims (9)
- 一端に測定物の表面に接するスタイラスを設けるとともに、他端に磁性体ピンを軸方向とは直交する方向沿いに設けた円筒形の小摺動軸部と、
この小摺動軸部と嵌合する円筒形の穴が形成され、この小摺動軸部との隙間に圧縮空気の膜を形成する空気吹き出し部を有する小エアー軸受け部と、
この小エアー軸受け部の端部に配置された磁石と複数のヨークが前記ピンと非接触で配置され、前記磁石から発生した磁束が、前記複数のヨークのうちの一つのヨークを通り、その一つのヨークと前記磁性体ピンの一端との間に形成された一方の隙間部を通って前記磁性体ピンを通り、前記磁性体ピンの他端と前記複数のヨークのうちの別のヨークとの間に形成された他方の隙間部を通り、前記別のヨークを通って、前記磁石に戻る磁気回路を形成することにより、前記円筒形の小摺動軸部の軸方向であるZ方向と、前記Z方向の回りの回転方向への移動を妨げる磁力を発生させる磁力発生手段と、
前記小エアー軸受け部に対する前記小摺動軸部の前記Z方向の変位を検出する変位検出手段と、
前記小エアー軸受け部の前記Z方向への移動を案内するZステージと、
前記測定物、または前記Zステージを前記Z方向とそれぞれ直交しかつ互いに直交するXY方向に移動させるとともに、前記スタイラスが前記測定物の形状に沿って前記Z方向に移動するとき、前記Z方向の変位がほぼ一定になるように前記Zステージを駆動するZステージ駆動装置と、
を備え、
前記ピンと前記ヨークの隙間部付近の形状を、前記Z方向には厚く、前記回転方向には薄くし、かつ、前記ピンより前記ヨークを厚くした、三次元測定プローブ。 - 前記磁石が、前記一つのヨークに連結される一つの磁石と、前記別のヨークに連結される別の磁石とで構成し、前記一つの磁石と前記別の磁石とを前記複数のヨークのうちのリング状のヨークで連結されていることを特徴とする請求項1に記載の三次元測定プローブ。
- 一端に測定物の表面に接するスタイラスを設けるとともに、他端に磁性体ピンを軸方向とは直交する方向沿いに設けた円筒形の小摺動軸部と、
この小摺動軸部と嵌合する円筒形の穴が形成され、この小摺動軸部との隙間に圧縮空気の膜を形成する空気吹き出し部を有する小エアー軸受け部と、
この小エアー軸受け部の端部に、第1ヨークを介して一対の磁石を配置し、各磁石に第2ヨークを連結し、これら一対の第2ヨークが前記ピンの両端に対して隙間をそれぞれあけて対向して前記ピンと非接触で配置し、前記一対の磁石の一方の磁石から発生した磁束が、前記一方の磁石に連結された第2ヨークを通り、その第2ヨークと前記磁性体ピンの一端との間に形成された一方の隙間部を通って前記磁性体ピンを通り、前記磁性体ピンの他端と他方の第2ヨークとの間に形成された他方の隙間部を通り、他方の第2ヨークを通り、他方の第2ヨークに連結された他方の磁石から発生する磁束を加えて、前記第1ヨークを通って、前記一方の磁石に戻る磁気回路を形成することにより、前記円筒形の小摺動軸部の軸方向であるZ方向と、前記Z方向の回りの回転方向への移動を妨げる磁力を発生させる磁力発生手段と、
前記小エアー軸受け部に対する前記小摺動軸部の前記Z方向の変位を検出する変位検出手段と、
前記小エアー軸受け部の前記Z方向への移動を案内するZステージと、
前記測定物、または前記Zステージを前記Z方向とそれぞれ直交しかつ互いに直交するXY方向に移動させるとともに、前記スタイラスが前記測定物の形状に沿って前記Z方向に移動するとき、前記Z方向の変位がほぼ一定になるように前記Zステージを駆動するZステージ駆動装置と、
を備え、
前記ピンと前記ヨークの隙間部付近の形状を、前記Z方向には厚く、前記回転方向には薄くし、かつ、前記ピンより前記ヨークを厚くした、三次元測定プローブ。 - 前記変位検出手段は、
前記小エアー軸受け部と一体で固定されてレーザ光を発光する半導体レーザと、前記小摺動軸部に配置されかつ前記半導体レーザからの前記レーザ光が照射されて反射させるミラーと、前記半導体レーザからの前記レーザ光を前記ミラーに集光するレンズと、前記ミラーからの反射光を受光する光検出器とを少なくとも含む光プローブ変位検出部により構成し、
前記半導体レーザからの前記レーザ光を、前記ミラーに照射し、前記ミラーからの反射光を前記光検出器で受光し、この光検出器の出力信号から前記Z方向の変位を検出する構成とした請求項1〜3のいずれか1つに記載の三次元測定プローブ。 - 発振周波数安定化レーザ光を前記変位検出手段の前記ミラーに照射し、前記ミラーで反射した反射光から前記ミラーのZ座標を測定するZ座標測定手段をさらに備える請求項4に記載の三次元測定プローブ。
- 前記小エアー軸受け部に対する前記小摺動軸部の前記Z方向と前記Z方向を軸とした回転方向への移動を妨げる磁力を超えた力が、前記小摺動軸部の前記Z方向、又は前記Z方向を軸とした前記回転方向にかかったときの前記小摺動軸部の過度の移動を止めるための非磁性体のストッパーを設けた請求項1〜5のいずれか1つに記載の三次元測定プローブ。
- 前記Zステージはエアー軸受けで構成された請求項1〜6のいずれか1つに記載の三次元測定プローブ。
- 前記Zステージ駆動装置は、前記Zステージに連結されたコイルと、前記コイルに電流を流して前記Zステージを前記Z方向に駆動する磁気回路で構成された請求項1〜7のいずれか1つに記載の三次元測定プローブ。
- 前記Zステージの可動部を、その重量にほぼ等しい張力を発生する渦巻き状に巻かれた薄板よりなる定荷重バネで支持された請求項1〜8のいずれか1つに記載の三次元測定プローブ。
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