KR100922034B1

KR100922034B1 - 삼차원(三次元) 측정 프로브

Info

Publication number: KR100922034B1
Application number: KR1020070098287A
Authority: KR
Inventors: 게이이치 요시즈미; 게이시 구보; 히로유키 모치즈키; 다카노리 후나바시
Original assignee: 파나소닉 주식회사
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2009-10-19
Also published as: CN101206110A; US7520067B2; US20080148588A1; EP1936321A3; KR20080058159A; EP1936321A2; CN101206110B; TWI334920B; EP1936321B1; JP4291849B2; TW200827663A; JP2008151748A

Abstract

비구면 렌즈 등의 측정물의 형상 등을 더욱 고정밀도로 측정할 수 있고, 쉽사리 파손되지 않으며, 긴 수명, 저비용의 삼차원 측정 프로브를 실현한다. 소(小)-에어 베어링부(7A)에 장착된 자석(29)과 요크(8)와 소-미끄럼 축부(軸部)(6)에 장착된 자성체 핀(20)이 전자기 회로를 구성함으로써, 소-미끄럼 축부(6)의 회전과 축방향의 변위를 방해하는 자력을 발생시킨다. 비접촉의 자력이므로 아래나 옆에서부터도 측정할 수 있는 삼차원 측정 프로브가 된다.

삼차원 측정 프로브, 비구면 렌즈, 스타일러스

Description

삼차원(三次元) 측정 프로브{THREE-DIMENSIONAL MEASUREMENT PROBE}

본 발명은, 주로 비구면 렌즈 등의 측정물의 형상 등을 0.01 미크론(micron) 오더의 초고정밀도로 측정하는 삼차원 측정 프로브로서, 측정 범위가, XYZ 방향(세로, 가로, 높이)이 작은 것에서는 30mm×30mm×20mm, 큰 것에서는 400mm×400mm×90mm인 초고정밀도 삼차원 측정기에 장착되어, 측정면의 경사 각도가 0도에서부터 임의 방향으로 75도의 높은 경사부까지, 연속 주사(走査)에 의해 프로브 축방향의 측정력 0.1∼0.3mN의 낮은 측정력으로 측정물을 거의 손상하는 일 없이 측정할 수 있는 삼차원 측정 프로브에 관한 것이다.

비구면 렌즈는 0.1 미크론 이하의 고정밀도로 만들어야 하는데, 기계적인 가공만으로는 이 정밀도를 낼 수 없다. 그래서, 0.01 미크론 오더의 정밀도의 초고정밀도 삼차원 측정기와, 이것에 부착하는 삼차원 측정 프로브가 발명되었다. 그 내용은, 특허문헌 1, 2 등에 기재되어 있다. 이 측정기에 의해 비구면 렌즈를 측정하고, 그 측정 결과를 비구면 렌즈의 가공에 피드백함으로써, 0.1 미크론 이하의 정밀도로 비구면 렌즈의 금형을 만들 수 있게 되었다.

그러나 최근 디지털 카메라나 대용량 광디스크 등에 사용되는 비구면 렌즈는 박형화, 고화질화, 광각화(廣角化)나 고(高) 줌 배율화 등으로, 점점 필요 정밀도가 높아져 왔다. 그래서, 한층 고정밀도화를 실현할 프로브가 요구되고 있다.

한편, 공장의 현장에서는 작업자가 간단히 빈번하게 사용할 수 있도록 쉽사리 파손되지 않고, 긴 수명을 가진 삼차원 측정 프로브가 요구되고 있다.

종래의 비구면 렌즈의 삼차원 형상 측정 프로브에 대해서 특허문헌 1, 2를 참조해서 간단히 설명한다.

도 10은 특허문헌 1에 기재된 삼차원 측정 프로브를 나타낸다. 측정물 S에 접하는 스타일러스(stylus, 305)에 고정된 소(小)-미끄럼 축부(306)가 소(小)-에어 베어링(307)에 대하여 Z-방향으로 이동 가능하고, 판 스프링(350)에 의해 원자간력(原子間力) 프로브 프레임(303)에 매달려 있다.

소-미끄럼 축부(306)에는 미러(309)를 붙여, 반도체 레이저(334)로부터의 반도체 레이저광을 미러(309)에 집광해서, 미러(309)로 반사시켜, 소-미끄럼 축부(306)의 광 프로브 변위 검출부(302)에 대한 변위가 일정해지도록 광 프로브 변위 검출부(302)와 원자간력 프로브 프레임(303)을 일체로 해서 코일(313)로 구동하고 있다. 반도체 레이저(334)로부터의 반도체 레이저광이 미러(309)의 면 위에 집광되도록 서보를 거는 것을 여기에서는 포커스 서보라고 부른다.

측정점의 Z-좌표 측정에 대해서는, 미러(309)까지의 거리의 변위량을, 발진 주파수 안정화 레이저광(Fz)을 미러(309)에 쏘이고, 미러(309)로부터의 반사광을 간섭시켜서 직접 측정하고 있으므로, 상기 포커스 서보에 오차가 있어도, 약간의 측정력의 변동은 되지만, 측정 오차로는 거의 되지 않는다.

도 11은 특허문헌 2에 기재된 측정용 프로브를 나타낸다. 특허문헌 1과 마찬가지로, 소-미끄럼부(316)가 원기둥형이고, 판 스프링(315)에 의해 지지되며, 미러(319)가 부착되어 있다.

도 5B는 특허문헌 3에 기재된 특허문헌 1∼2의 프로브를 탑재하는데 적합한 초고정밀도 삼차원 측정기의 구성을 나타낸다. XYZ-좌표를 측정하기 위한 발진 주파수 안정화 레이저(127)와 길이 측정 유닛과 Z-슬라이드(111)와 광 프로브 변위 검출부(112)를 탑재한 상 석정반(上石定盤; 106)은, X-스테이지(121)와 Y-스테이지(122)에 의해 XY-방향으로 움직인다. 하 석정반(下石定盤)(123) 위에 X-참조 미러(124), Y-참조 미러(125), 하 석정반(123)에 고정된 문 형태의 가대(架臺; 107)에 고정된 상부 Z-참조 미러(126)가 고정되고, 측정물(101)의 측정점의 축상에서, 발진 주파수 안정화 레이저(127)에 의해 이들의 고평면 미러[X-참조 미러(124), Y-참조 미러(125), 상 Z-참조 미러(126)]까지의 거리의 변화를 측정함으로써, X-스테이지(121), Y-스테이지(122)의 이동 진직도(眞直度)가 1 미크론의 오더라도, 참조 미러(124, 125, 126)의 평면도인 10nm 오더의 좌표축 정밀도를 얻고 있다.

단, 특허문헌 3은 특허문헌 1∼2의 원자간력 프로브라고 명명된 삼차원 측정 프로브가 발명되기 이전에 작성된 것으로, 프로브는 광 프로브(112)만이 기재되어 있다.

도 12와 도 13은 특허문헌 4에 기재된 접촉식 프로브를 나타낸다. 도 14A 및 도 14B는 특허문헌 5에 기재된 정압(靜壓) 베어링 장치 및 변위 측정 장치를 나타낸다.

특허문헌 1: 일본국 특허 제3000819호 공보(제3페이지, 도 1)

특허문헌 2: 일본국 특개2006-78367호 공보(제16페이지, 도 8)

특허문헌 3: 일본국 특허 제3046635호 공보(제6페이지, 도 1)

특허문헌 4: 일본국 특개2003-42742호 공보(제19페이지, 도 1, 도 2)

특허문헌 5: 일본국 특공평07-58161(제6페이지, 도 1)

(1) 독립 형식의 청구항에 기재된 본 발명이 해결하려고 하는 과제를 설명한다.

본 발명의 하나의 형태의 목적은, 비구면 렌즈 등의 측정물의 형상 등을 더욱 고정밀도로 측정할 수 있고, 쉽사리 파손되지 않으며, 긴 수명, 저비용의 삼차원 측정 프로브를 실현할 수 있는 삼차원 측정 프로브를 실현하는 것이다.

초고정밀도로 측정하기 위한 프로브의 요건은, 측정력이 0.1∼0.3mN(10∼30mgf)로 작은 것과, 이것과는 상반되지만, 이 미약한 측정력에 대하여 프로브가 신속히 응답하는 것과, 가로 방향 힘에 대하여 프로브 선단의 스타일러스가 기울지 않는 것이다.

측정력이 크면 측정면을 변형시키므로, 측정 정밀도가 떨어진다. 또한, 측정면에 접하는 스타일러스의 마모가 빨라진다. 프로브의 응답이 느리면 측정면에 추종시키기 위해서는, 주사 속도를 떨어뜨리지 않을 수 없기 때문에, 측정 시간이 길어지고, 그 사이에 온도변화 등에서 기인하는 데이터 드리프트가 일어나서 측정 정 밀도가 악화하고, 능률이 나빠진다. 측정면이 경사져 있으면 스타일러스 선단에 가로 방향의 힘이 가해지지만, 경사 각도가 45도를 넘으면 프로브의 이동 방향보다 가로 방향의 힘 쪽이 커진다. 이것으로써 스타일러스가 기울면, 종래 예에 기재한, 어느 프로브에서도 측정 오차로 된다. 따라서, 스타일러스 선단에 가해진 가로 방향의 힘으로 스타일러스가 기울지 않도록 가능한 높은 강성의 가이드가 필요해진다.

측정력을 F, 가동부 질량을 M, 스타일러스의 응답 가속도를 a라고 하면, 뉴턴 역학에 의해,

(식 1)

F = Ma ···（1)

측정력 F를 가능한 작게 하고, 응답 가속도 a를 가능한 크게 하려고 하면, 가동부 질량, 즉 소-미끄럼 축부의 질량 M을 가능한 작게 하는 수밖에 없다. 또한, 가로 방향의 힘에 대하여 스타일러스가 기울지 않게 하기 위해서는, 이동 방향으로는 마찰 없이 움직이고, 이동 방향에 수직한 방향으로는 매우 높은 강성을 실현할 수 있는 구조가 필요하다.

본 발명자는 수년에 걸쳐 연구 개발한 결과, 원기둥형의 마이크로 에어 슬라이드를 개발하고, 가동부 질량이 0.2그램대가 되는 소-미끄럼 축부를 실현했다.

여기에서, 「마이크로 에어 슬라이드」라는 단어의 의미를 설명해 둔다. 소-미끄럼 축부가 소-에어 베어링 속을 움직이는데, 소-미끄럼 축부와 소-에어 베어링을 합쳐서 「마이크로 에어 슬라이드」라고 부르고 있다. 보통 시판되고 있는 에어 슬라이드는 작은 것이라도 가동부 질량이 100그램은 된다. 이에 비해, 여기에서 말하는 「마이크로 에어 슬라이드」는 가동부 질량이 0.2그램대로 현저히 가볍고 작다.

본 발명의 기술분야인 초고정밀도 삼차원 측정기에 있어서는, Z-방향은, 미소한 측정력으로 움직이는 소-미끄럼 축부의 소-에어 베어링을 포함하는 광 프로브 변위 검출부에 대한 변위가 영(0)이 되도록, 코일에 전류를 흘려서 프로브부 전체를 구동하여, 크게 움직이게 하는 대(大)-에어 슬라이드의 이중 구조로 되어 있다.

측정력을 0.2mN, 소-미끄럼 축부의 질량을 0.2그램이라고 하면 (1)식에 의해 프로브의 응답 가속도는 0.1G가 된다. 여기에서, G는 중력 가속도이다. 이 정도의 응답 가속도가 있으면, 지름 30mm 이상의 매끈한 비구면 렌즈라면, 최고 매초 10mm, 그 이하의 렌즈라도 최고 매초 5mm의 측정 속도로 측정할 수 있다.

마이크로 에어 슬라이드를 원기둥으로 한 이유는, 최소의 질량으로 최대의 강성을 얻을 수 있기 때문이다. 에어 슬라이드는, 가이드부에 2∼4기압의 높은 공기압의 막을 형성함으로써, 높은 강성으로 축을 유지할 수 있다. 원기둥 마이크로 에어 슬라이드의 경우, 지름을 4mm 이하로 작게 해도, 가이드부의 갭을 10 미크론 이하로 좁고 정밀도도 좋게 만들면, 공기 유량이 주입 공기의 공기압을 현저히 내릴 만큼 크지 않으므로, 가이드부에 높은 공기압의 막이 형성되어, 높은 강성을 가지게 할 수 있다.

그러나 에어 슬라이드를 각기둥으로 작게 하면, 각기둥의 각의 부분을 10 미크론 이하의 좁은 갭으로 할 수 없기 때문에, 각의 부분으로 공기가 빠져버리므로, 공기 유량이 커지고, 가이드부의 공기압을 높게 유지할 수 없으므로, 높은 강성을 실현할 수 없다. 각 이외의 부분을 5 미크론 이하로, 더욱 좁은 갭으로 하고, 주입 공기의 공기압을 높이면, 강성이 조금은 오르지만, 원기둥보다 강성이 뒤지고, 가공이 곤란하며, 장시간 사용으로 갭부에의 이물 부착에 의한 고장 가능성 등, 문제가 많아 실용화는 곤란하다.

마이크로 에어 슬라이드의 소-미끄럼 축부는, 스프링성 부재로 지지되고 있어, 측정력 0.2mN에서 Z-방향으로 10 미크론 정도 움직이지만, 가로 방향으로 같은 힘이 가해졌을 때의 변위는, 10 나노미터 이하로 할 필요가 있다. 즉, 프로브 강성의 종횡비 1000배가 필요하다는 것이다. 이로써, 측정면의 경사 각도 45도일 때의 측정 오차가 10nm라는 것이 된다. 이것이, 요구되는 최저 강성이다.

이들 조건을 모두 만족하지 않으면 비구면 렌즈의 형상 등을 0.01 미크론 오더의 초고정밀도로 측정하는 삼차원 측정용 프로브라고는 할 수 없다. 이것을 만족하는 프로브는 종래의 것으로는 특허문헌 1∼2에 기재된 것밖에 없다.

그러나, 특허문헌 1∼2에 기재된 프로브로는, 측정물을 위에서밖에 측정할 수 없다는 과제가 있다. 즉, 도 10에서, 판 스프링(350)은 에어 베어링부(307)의 상면에 형성된 돌기부에 놓여 있을 뿐이다. 도 11에서는, 판 스프링(315)은, 에어 베어링부(317)의 상단에 박혀 있는 구(球; 53) 위에 놓여 있을 뿐이다.

따라서, 이들 프로브를 가로 방향으로 두면, 판 스프링(350 이나 315)은 돌기부나 구(53)로부터 벗어나서, 스프링 성질을 발휘하지 않고, 상하를 반대로 하면 이 마이크로 에어 슬라이드는 아래로 떨어져 버린다. 즉, 위에서 매다는 구성이므 로, 측정물의 위에서밖에 측정을 할 수 없다. 측정물의 위에서밖에 측정할 수 없으면, 측정물의 일례인 렌즈의 표리를 상하에서, 또는 좌우에서는 측정할 수 없는 프로브가 된다. 이것이 특허문헌 1∼2에 기재된 종래 프로브의 제1의 과제다.

판 스프링을 에어 베어링부에 접착하면, 측정물의 옆이나 아래에서도 측정할 수 있게 되지만, 그렇게 하면, 스타일러스(5)에 오조작 등으로 과도한 측정력이 가해졌을 때, 판 스프링은 파손되어 버린다. 이 때문에, 판 스프링(350이나 315)은 에어 베어링부에 접착할 수도 없다.

원기둥형의 마이크로 에어 슬라이드가 측정 중에 조금이라도 회전하면, 스타일러스 선단이 일반적으로는 편심(偏心)되어 있으므로, 측정 오차가 된다. 그러나 스타일러스 선단을 마이크로 에어 슬라이드의 축과 완전히 일치해서 부착하는 것은 불가능하다.

특허문헌 1∼2에 기재된 종래 프로브에서는, 마이크로 에어 슬라이드는 판 스프링(350이나 315)과 돌기부나 구(53)와의 마찰력만으로 회전을 정지할 수 있으므로, 무엇인가의 충격으로 조금이라도 마이크로 에어 슬라이드가 회전하면, 측정 오차가 발생한다는 문제도 있었다. 이것이 특허문헌 1∼2에 기재된 종래 프로브의 제2의 과제다.

또한, 판 스프링은 두께 10 미크론의 지극히 얇은 것이므로, 장기간의 사용으로 변형하거나 해서 파손되기 쉽다는 문제도 있었다. 수리도 한정된 사람밖에 할 수 없으므로, 측정실에서 한정된 사람밖에 사용할 수 없는 삼차원 측정 프로브라는 경향이 있었다. 이것이 특허문헌 1∼2에 기재된 종래 프로브의 제3의 과제다.

특허문헌 3은 본 발명의 프로브를 탑재하는데 적합한 전체 구성을 나타내고 있는데, 상기한 바와 같이 광 프로브가 기재되어 있다. 광 프로브는 완전 비접촉이라는 이점이 있지만, 아래와 같이 많은 단점이 있어서, 고정밀도한 삼차원 측정에서는 실용적으로는 거의 사용할 수 없다.

광 프로브에서는, 측정물의 측정면이 경사져 있으면, 측정면 위에서 광을 쏘여도, 반사광은 경사 각도의 2배만 기울어 반사되어 온다. 예를 들면, 측정면이 60도 경사져 있으면, 반사광은 120도 아래 방향으로 진행되므로, 전혀 측정 불능이다.

또한, 광 프로브는 측정면의 반사율에 따라 반사광량이 바뀐다. 반사광량이 바뀌면, 포커스 서보에서는 오프셋이나 미광(迷光)에 의한 초점위치의 변위에 의해 오차가 되고, 길이 측정(測長)을 위해서 참조광(參照光)과 간섭시키려고 해도, 반사광량이 현저하게 바뀌면, 올바른 간섭신호가 나오지 않고 측정 오차가 된다. 또한, 무반사 코팅한 면은 측정할 수 없다.

또한, 광 프로브는 측정면의 면 거칠기에 따라, 연마면밖에 측정할 수 없는 방식과 연마면은 측정할 수 없는 방식이 있다. 연마면을 측정할 수 없는 방식은 일반적으로 삼각 측거(三角測距)라고 불리는 것으로, 고정밀도 측정을 할 수 없다. 연마면밖에 측정할 수 없는 방식은, 측정면으로부터의 반사광을 참조광과 간섭시키는 방식으로 측정면의 경사에 맞춰서 항로를 비켜 놓을 수 있어도 최대 30도의 경사면밖에 측정할 수 없고, 측정 경로에 먼지나 상처가 있으면 측정할 수 없게 되어, 측정이 극히 힘들다.

이상과 같이 특허문헌 3에 나타내는 광 프로브로 대단히 고생한 결과, 만들어 낸 발명이 특허문헌 1∼2이나, 상기한 바와 같이 특허문헌 1∼2에는 제1∼제3의 과제가 있다. 특허문헌 1∼2의 프로브는 도 5B에 나온 특허문헌 3의 광 프로브(112)의 앞 부분에 장착할 수 있다. 단, 광 프로브(112)의 선단의 렌즈는 특허문헌 1의 렌즈(14)와는 다르다. 또한 특허문헌 1∼2의 상기 제1∼제3의 과제를 해결하는 것이 본 발명이다.

특허문헌 4는 도 12에 나타낸 바와 같이 에어 슬라이드(62)의 자중분(自重分)을 자석(418)과 코일(419)과 요크(417)로 이루어지는 자기회로(磁氣回路)에서 유지하는 구성으로 되어 있다. 이 문헌에는 에어 슬라이드(62)가 원기둥인지 각기둥인지에 대한 기재가 없다. 그러나 자기회로의 구성은, 도 13에 나타낸 바와 같이 가동부 요크[특허문헌 4에서는 미러 고정구(固定駒)라고 기재되어 있다](415)가 거의 정방형으로 되어 있어, 만약 에어 슬라이드(62)가 원기둥이라면 자기회로는 보다 자기저항이 작아지는 방향으로 움직이므로, 가동부 요크(415)가 고정부 요크(417)에 부착할 때까지 회전해버려, 프로브(419)로서의 동작을 하지 않게 된다. 따라서, 에어 슬라이드(62)는 각기둥일 것이다.

특허문헌 4의 에어 슬라이드가 각기둥이면, 상기한 이유에 의해 가볍고, 강성도 높은 프로브를 만들 수 없다는 과제를 가지고 있었다. 또한, 만약 에어 슬라이드가 원기둥이라면 가동부와 고정부의 요크끼리 회전 후 부착하므로, 프로브로서 동작하지 않는다는 문제가 있었다.

또한, 특허문헌 4에서는 Z축을 Z구동 나사(47)로 베어링을 가지는 가이 드(424)를 구동하고 있다. 베어링 진구도(眞球度) 등의 문제도 있지만, 베어링 가이드(424)는 베어링을 꽉 누르지 않으면 진직도(眞直度)를 유지하여 동작하지 않는데, 누르는 힘 때문에 구동에 마찰력이 필요해지고, 구동 방향이 바뀌었을 때, 구동 위치가 완전히 중심이 아니면, 광 프로브 변위 검출부가 기운다.

또한 특허문헌 4에 있는 도 12에 나타낸 바와 같이, Z-구동 나사(47)로 Z축을 구동하면, 나사의 편심(偏心)으로 기인하는 가로 방향의 힘이 걸리고, 이동 진직도(眞直度)를 악화시킨다. 나사의 편심을 영으로는 할 수 없다.

또한, 나사에는 반드시 수 미크론의 백래쉬(backlash)가 필요한데, 이것을 없애려고 강하게 조이면 단단해서 움직이지 않게 된다. 따라서, 서브 미크론 정밀도로 포커스 서보를 걸 수 없다.

특허문헌 5는 에어 슬라이드가 원기둥으로 되어 있다. 도 14A 및 도 14B에 나타낸 바와 같이, 자석[프로브 축(533)에 고정된 자성체](535)과 코일(536)에 의해 축방향의 이동을 제어하고 있지만, 축(533)에 홈(534)을 내어(도 14B의 홈 가공을 참조), 공기의 흐름으로 축(533)의 회전을 멈추고 있다. 그러나 이 구조에서는, 에어 슬라이드 축(533)에 긴 자성체(535)가 붙으므로 가동부 질량이 무거워진다. 자성체(535)가 철이고, 에어 슬라이드(533)가 알루미늄이라면, 철은 알루미늄의 3배의 비중이므로, 가동부 질량은 3배 이상이 되기 때문에, 가볍고, 강성도 높은 프로브를 만들 수 없다는 문제가 있었다. 또한 축(533)으로 공기 분출부에 맞춰서 정밀도가 양호하며, 버(burr)를 만들지 않고 홈(534)을 가공해야만 하므로, 비용이 높아진다는 문제가 있었다.

본 발명은, 상기 종래의 과제를 해결하는 것으로, 비구면 렌즈 등의 측정물의 형상 등을 0.01 미크론 오더의 초고정밀도로 측정하는 것, 즉 0.1∼0.3mN의 저측정력과 강성 종횡비 1000배의 마이크로 에어 슬라이드를 사용하여, 스타일러스 선단의 회전에 의한 오차도 없으며, 쉽사리 파손되지 않고, 긴 수명에 제작도 현저히 곤란하지 않은 삼차원 측정 프로브를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 삼차원 측정 프로브는,

본 발명의 제1형태에 따르면, 일단(一端)에 측정물의 표면에 접하는 스타일러스를 설치함과 아울러, 타단(他端)에 자성체 핀을 설치한 원기둥형의 소(小)-미끄럼 축부와,

이 소-미끄럼 축부와 끼워 맞추어지는 원기둥형의 구멍이 형성되어, 이 소-미끄럼 축부와의 간극에 압축 공기의 막을 형성하는 공기 취출부(吹出部)를 가지는 소-에어 베어링부와,

이 소-에어 베어링부의 단부에 배치된 자석과 복수의 요크가 상기 핀과 비접촉으로 자기회로를 구성하고, 상기 원기둥형의 소-미끄럼 축부의 축방향인 Z-방향과, 상기 Z-방향의 주위의 회전방향으로의 이동을 방해하는 자력(磁力)을 발생시키는 자력 발생 수단과,

상기 소-에어 베어링부에 대한 상기 소-미끄럼 축부의 상기 Z-방향의 변위를 검출하는 변위 검출 수단과,

상기 소-에어 베어링부의 상기 Z-방향으로의 이동을 안내하는 Z-스테이지와,

상기 측정물, 또는 상기 Z-스테이지를 상기 Z-방향과 각각 직교하고, 또한 서로 직교하는 XY-방향으로 이동시킴과 아울러, 상기 스타일러스가 상기 측정물의 형상에 따라 이동하는 상기 Z-방향의 변위가 거의 일정해지도록 상기 Z-스테이지를 구동하는 Z-스테이지 구동장치를 구비하는 삼차원 측정 프로브를 제공한다.

본 발명의 제2형태에 따르면, 상기 복수의 요크 중 적어도 하나의 요크는 링 형의 요크인 것을 특징으로 하는 제1형태에 기재한 삼차원 측정 프로브를 제공한다.

본 발명의 제3형태에 따르면, 상기 핀과 상기 요크의 간극부 부근의 형상을 상기 Z-방향으로는 두껍고, 상기 회전방향으로는 얇은 테이퍼 상으로 했다. 바꿔 말하면, 상기 핀과 상기 요크의 간극부 부근의 형상을, 상기 Z-방향으로는 일정한 두께를 가지고, 상기 핀의 양단부에 있어서, 상기 핀의 긴쪽 방향으로는 중심부측에서 단부측을 향함에 따라서 테이퍼 상으로 형성한 제1∼2형태 중 어느 하나에 기재한 삼차원 측정 프로브를 제공한다.

본 발명의 제4형태에 따르면, 상기 핀과 상기 요크의 간극부 부근에서의 상기 핀과 상기 요크의 형상을, 상기 핀보다 상기 요크를 두껍게 한 제1∼3 중 어느 하나의 형태에 기재한 삼차원 측정 프로브를 제공한다.

본 발명의 제5형태에 따르면, 상기 변위 검출 수단은,

상기 소-에어 베어링부와 일체로 고정되어서 레이저광을 발광하는 반도체 레이저와, 상기 소-미끄럼 축부에 배치되고, 또한 상기 반도체 레이저로부터의 상기 레이저광이 조사되어서 반사시키는 미러와, 상기 반도체 레이저로부터의 상기 레이 저광을 상기 미러에 집광하는 렌즈와, 상기 미러로부터의 반사광을 수광(受光)하는 광검출기를 적어도 포함하는 광 프로브 변위 검출부에 의해 구성되고,

상기 반도체 레이저로부터의 상기 레이저광을, 상기 미러에 조사하고, 상기 미러로부터의 반사광을 상기 광검출기에서 수광하고, 이 광검출기의 출력 신호로부터 상기 Z-방향의 변위를 검출하는 구성으로 한 제1∼3형태 중 어느 하나에 기재한 삼차원 측정 프로브를 제공한다.

본 발명의 제6형태에 따르면, 발진 주파수 안정화 레이저광을 발광하는 발진 주파수 안정화 레이저와,

상기 발진 주파수 안정화 레이저로부터 발광된 상기 발진 주파수 안정화 레이저광을 상기 변위 검출 수단의 상기 미러에 조사하고, 상기 미러에서 반사한 반사광으로부터 상기 미러의 Z-좌표를 측정하는 Z-좌표 측정 수단을 더 구비하는 제5형태에 기재한 삼차원 측정 프로브를 제공한다.

본 발명의 제7형태에 따르면, 상기 소-에어 베어링부에 대한 상기 소-미끄럼 축부의 상기 Z-방향과 상기 Z-방향을 축으로 한 회전방향으로의 이동을 방해하는 자력을 초과한 힘이 상기 소-미끄럼 축부의 상기 Z-방향, 또는 상기 Z-방향을 축으로 한 상기 회전방향에 가해졌을 때의 상기 소-미끄럼 축부의 과도한 이동을 막기 위한 비자성체(非磁性體)의 스토퍼(stopper)를 설치한 제1∼6형태 중 어느 하나에 기재한 삼차원 측정 프로브를 제공한다.

본 발명의 제8형태에 따르면, 상기 Z-스테이지는 에어 베어링으로 구성된 제1∼7형태 중 어느 하나에 기재한 삼차원 측정 프로브를 제공한다.

본 발명의 제9형태에 따르면, 상기 Z-스테이지 구동장치는, 상기 Z-스테이지에 연결된 코일과, 상기 코일에 전류를 흘려서 상기 Z-스테이지를 상기 Z-방향으로 구동하는 자기회로로 구성된 제1∼8형태 중 어느 하나에 기재한 삼차원 측정 프로브를 제공한다.

본 발명의 제10형태에 따르면, 상기 Z-스테이지의 가동부를, 그 중량에 거의 같은 장력을 발생하는 나선상으로 감긴 박판으로 이루어지는 정하중(定荷重) 스프링으로 지지된 제1∼9형태 중 어느 하나에 기재한 삼차원 측정 프로브를 제공한다.

이상과 같이, 본 발명의 삼차원 측정 프로브에 따르면, 작은 가동부 질량의 자성체 핀, 소-에어 베어링부에 장착된 자석과 요크로 자기회로를 구성함으로써, 회전과 축 방향의 이동을 비접촉으로 제한할 수 있고, 최소의 가동부 질량으로 최대의 가로 방향 강성을 얻을 수 있는 원기둥형의 에어 슬라이드의 결점이던 회전에 의한 오차발생과, 종래 박판 스프링으로 매다는 수밖에 없었기 때문에, 측정물의 위에서밖에 측정할 수 없다는 문제와, 박판 스프링이 장기간의 사용으로 쉽사리 파손된다는 문제를 해결할 수 있다.

따라서, 더욱 고정밀도로, 장기 사용에도 쉽사리 파손되지 않는 삼차원 측정 프로브를 실현할 수 있다. 또한, 조립이나 취급도 용이해지므로, 본 프로브를 사용하면, 종래와 같이 측정실에서 한정된 사람만이 사용하는 측정기로부터, 공장 현장에 두고, 쉽사리 측정할 수 있는 측정기가 된다.

또한, 스프링으로 매달 필요가 없어졌기 때문에, 측정물의 형상을 위에서뿐 만 아니라, 아래 혹은 좌우에서도 측정하는 것이 가능해지고, 비구면 렌즈의 측정에 있어서는 표리면의 경사나 편심을 초고정밀도로 측정할 수 있게 된다. 이에 비해, 종래에는 비구면 렌즈를, 비구면 렌즈의 위에서밖에 측정할 수 없었기 때문에, 면의 형상은 측정할 수 있어도, 윗면과 아랫면, 측면과의 위치 관계를 용이하게는 측정할 수 없었으므로, 더욱 고정밀도한 렌즈를 만들 수 없었다. 그러나 본 발명에 따르면, 비구면 렌즈의 아래나, 옆에서도 초고정밀도로 측정할 수 있는 삼차원 측정 프로브를 제공할 수 있다.

이로써, 박형화와 고화질화가 진행되는 카메라나 기록의 대용량화가 진행되는 광디스크 등의 렌즈의 성능과 품질과 생산성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 기술을 계속하기 전에, 첨부 도면에 있어서 같은 부품에 대해서는 같은 참조부호를 기재하고 있다.

이하에, 본 발명에 관한 실시의 형태를 도면에 근거해서 상세히 설명한다.

(실시 형태)

도 1a 및 도 1b는, 본 발명의 실시 형태에 있어서의 삼차원 측정 프로브(2A)가 장착 가능한 초고정밀도 삼차원 측정기의 삼차원 측정 프로브(2A)의 주요부 구성을 나타낸다. 도 1a 및 도 1b는 같은 프로브(2A)이지만, 도 1a는 위에서 측정물(1)의 표면(S)을 측정할 때, 도 1b는 아래에서 측정물(1)의 표면(S)을 측정할 때의 프로브(2A)의 배치를 각각 나타내고 있다. 도시하지는 않지만, 옆이나 경사로부터도 이 프로브(2A)는 측정물(1)에 대하여 배치 가능하다. 도 3a는 상기 실시 형 태에 있어서의 삼차원 측정 프로브의 위쪽의 광 프로브 변위 검출부를 포함한 개략 구성 설명도이며, 도 3b는 도 3a의 상하를 거꾸로 한 도면이며, 상기 실시 형태에 있어서의 삼차원 측정 프로브의 아래쪽의 광 프로브 변위 검출부를 포함한 개략 구성 설명도이다.

아래로부터 측정물(1)의 표면(S)을 측정할 경우에는, 측정물 유지 부재(98)를 예를 들면 링형으로 구성해서 측정물(1)의 주위를 유지하고, 측정물(1)의 주위 이외의 뒷면은 아래쪽에서 측정 가능하게 구성함과 아울러, 도 3b에 나타낸 프로브(2A)를 측정물(1)의 아래쪽으로 배치하고, 위쪽의 광 프로브 변위 검출부와는 독립해서 아래쪽의 광 프로브 변위 검출부가 이동 가능해지도록 배치하면, 측정물(1)의 상하로부터 동시에 표리 양면을 측정할 수 있다.

본 실시 형태에 의한 삼차원 측정 프로브(2A)는 원기둥형의 소-미끄럼 축부(6)와, 소-에어 베어링부(7A)와, 자력 발생 수단(95)과, 변위 검출 수단의 일례로서 기능하는 광 프로브 변위 검출부(2)와, Z-스테이지의 일례로서 기능하는 대-에어 슬라이드(이 명세서에서는, 마이크로 에어 슬라이드보다 대형의 구조인 것을 가리키고, 대(大)-에어 슬라이드를 「제1에어 슬라이드」라고 하고, 마이크로 에어 슬라이드를 제1에어 슬라이드보다 소형의 「제2에어 슬라이드」라고 칭할 수 있다.)[Z-방향 대-에어 슬라이드 가이드(35)와 대-에어 슬라이드 가동부(11)로 구성되는 대-에어 슬라이드](89)와, Z-스테이지 구동수단의 일례로서 기능하는 Z-방향 구동장치(43)를 구비하도록 구성되어 있다. 즉, 프로브(2A)는 원기둥형의 마이크로 에어 슬라이드의 스타일러스(5)와 일체(一體) 고정된 소-미끄럼 축부(6)에 장착된 작은 가동부 질량의 자성체 핀(20)과, 소-에어 베어링부(7A)의 단부에 장착된 자석(마이크로 에어 슬라이드용 자석)(29a, 29b)과 복수의 요크(마이크로 에어 슬라이드용 요크)(8a, 8b-1, 8b-2)와 비접촉으로 마이크로 에어 슬라이드용 자기회로(MC)를 구성하고, 축방향의 이동과 회전(상기 원기둥형의 소-미끄럼 축부의 축방향인 Z-방향으로의 이동과, 상기 Z-방향의 주변의 회전방향으로의 이동)을 방해하는 자력을 비접촉으로 발생시키는 자력 발생 수단(95)과, 마이크로 에어 슬라이드의 변위가 거의 일정해지도록 Z-방향 전체를 움직이는 Z-방향 구동장치(43)를 구비함으로써, 측정물(1)의 아래나 옆에서도 측정할 수 있는 것이다.

여기에서, 「마이크로 에어 슬라이드」의 단어의 의미를 다시 설명해 둔다. 소-미끄럼 축부(6)가 소-에어 베어링(7) 안에서 이동하는데, 소-미끄럼 축부(6)와 소-에어 베어링(7)을 합쳐서 「마이크로 에어 슬라이드」라고 부르고 있다. 보통 시판되고 있는 에어 슬라이드는 작은 것이라도 가동부 질량이 100그램은 된다. 이에 비해, 본 실시 형태에서 말하는 「마이크로 에어 슬라이드」는 가동부 질량이 예를 들면 0.2그램대로 현저하게 가볍고 작은 것이다.

본 실시 형태의 초고정밀도 삼차원 측정기에 있어서는, 뒤에 설명하는 바와 같이, Z-방향은 미소한 측정력으로 움직이는 소-미끄럼 축부(6)의 소-에어 베어링(7)을 포함하는 광 프로브 변위 검출부(2)에 대한 변위가 영이 되도록, 코일(13)에 전류를 흘려서 광 프로브 변위 검출부(2) 전체를 구동하여, 크게 움직이게 하는 대-에어 슬라이드의 이중 구조로 되어 있다. 또한 이 광 프로브 변위 검출부(2)는 상기 소-에어 베어링부(7A)에 대한 상기 소-미끄럼 축부(7)의 상기 Z-방향의 변위 를 검출하는 것이다.

측정력을 0.2mN, 소-미끄럼 축부(6)의 질량을 0.2그램으로 하면, 상기한 (1)식에 의해 프로브(2A)의 응답 가속도는 0.1G가 된다. 여기에서, G는 중력 가속도이다. 이 정도의 응답 가속도가 있으면, 측정물(1)의 일례로서의 지름 30mm 이상의 매끈한 비구면 렌즈이면, 최고 매초 10mm, 그 이하의 렌즈라도 최고 매초 5mm의 측정 속도로 측정할 수 있다.

마이크로 에어 슬라이드를 원기둥으로 한 이유는 최소의 질량으로 최대의 강성을 얻을 수 있기 때문이다. 에어 슬라이드는 가이드부에 2∼4기압의 높은 공기압의 막을 형성함으로써, 높은 강성으로 축을 보유할 수 있다. 원기둥 마이크로 에어 슬라이드의 경우, 지름 4mm 이하로 작게 해도, 가이드부의 갭을 10 미크론 이하로 좁고 정밀도도 좋게 만들면, 공기 유량이 주입 공기의 공기압을 현저하게 내릴 만큼 크지 않으므로, 가이드부에 높은 공기압의 막이 형성되어, 높은 강성을 갖게 할 수 있다.

마이크로 에어 슬라이드의 소-미끄럼 축부(6)는 스프링성 부재로 지지되고 있어, 측정력 0.2mN에서 Z-방향으로 10 미크론정도 움직이지만, 가로 방향으로 같은 힘이 가해졌을 때의 변위는 10 나노미터 이하로 할 필요가 있다. 즉, 프로브 강성의 종횡비 1000배가 필요하다는 것이다. 이로써, 측정면의 경사 각도 45도일 때의 측정 오차가 10nm라는 것이 된다. 이것이, 요구되는 최저의 강성이다. 이 구조에 대해서는 후술한다.

측정물(1)의 측정 표면(S)에 접하는 스타일러스 선단구(5a)가 선단에 부착해 있는 스타일러스(5)의 기단(基端)측에 연결 고정된 소-미끄럼 축부(6)는 서브 미크론 레벨의 고정밀도한 원기둥 형상으로 가공되어 있다. 이 소-미끄럼 축부(6)와 10 미크론 이하의 간극에서 소-미끄럼 축부(6)가 끼워 맞춰지는 형태로 고정밀도로 가공된 원기둥형의 구멍(7g)을 가지는 소-에어 베어링(7)의 구멍(7g) 안을 소-미끄럼 축부(6)가 압축 공기의 막에 의해 Z-방향[소-미끄럼 축부(6)의 축방향]과 Z-방향을 축으로 한 회전방향에 마찰 없이 미끄러질 수 있다.

소-에어 베어링(7)은 도 1a∼도 2b에 나타낸 바와 같이, 둘레방향으로 오목부(18b)를 소정의 간격마다 가짐과 아울러 축방향의 상하에 환상(環狀) 오목부(18c, 18a)를 가지는 소-에어 베어링 외벽(19)이 원자간력 프로브 프레임(3)에 밀착해서 조립되므로, 공기 저장부(18)를 각각 형성할 수 있다. 즉, 소-에어 베어링(7)의 소-에어 베어링 외벽(19)은, 스타일러스측(선단측)의 플랜지부(19a)와 중간부(19b)와 기단측의 플랜지부(19c)로 구성하고, 선단측의 플랜지부(19a)와 중간부(19b) 사이에는 선단측의 환상 오목부(18a)를 형성하고, 기단측의 플랜지부(19c)와 중간부(19b) 사이에는 기단측의 환상 오목부(18c)를 형성하고, 중간부(19b)의 외주면에 형성된 소정 간격의 오목부(18b)와 선단측의 환상 오목부(18a)와 기단측의 환상 오목부(18c)에 의해 공기 저장부(18)를 형성하고 있다. 도시하지 않은 컴프레서(compressor)에 접속되어서 그 컴프레서로부터 도 3a 및 도 3b에 나타낸 튜브(48)를 통해 이송된 압축 공기는 공기 저장부(18)에 각각 들어가 공기 취출부의 일례로서 기능하는 공기 취출구(4)의 미소한 구멍으로부터 소-미끄럼 축부(6)와 소-에어 베어링(7)의 구멍(7g)과의 끼워 맞춤 간극으로 이송되어 상기 압축 공기의 막을 형성하고, 상기 간극을 통해 소-에어 베어링 외벽(19)의 중간부(19b)에 지름 방향으로 관통해서 소정의 간격마다 형성된 공기 배출구(10)와 상기 플랜지부(19a와 19c)의 상하(선단측과 기단측)로부터 공기가 배출된다. 또한, 소-에어 베어링(7)과 원자간력 프로브 프레임(3)은 밀착 고정되어 있으므로, 이들 소-에어 베어링(7)과 원자간력 프로브 프레임(3)을 합쳐서 소-에어 베어링부(소-에어 베어링 유닛)(7A)라고 부르고 있다.

소-미끄럼 축부(6)와 소-에어 베어링(7)의 끼워 맞춤 간극은 5∼10 미크론으로 극히 좁으므로, 소-에어 베어링(7)의 외주측면에 대략 같은 간격으로 둘레방향 및 축방향에 배치된 다수의 공기 취출구(4)의 미소한 구멍으로부터 2기압 이상의 압축 공기가 공급되어, 공기 배출구(10)와 상기 플랜지부(19a와 19c)의 상하(선단측과 기단측)로부터 압축 공기가 빠질 때까지 상기 간극에는 압축 공기의 압력 구배(句配)를 가지는 막이 형성된다.

측정물(1)의 경사진 측정면(S)의 측정력에 의해 스타일러스(5)에 가로 방향의 힘이 가해졌을 때, 이 압축 공기의 막 두께가 변화하려고 하면, 즉 예를 들면 막 두께가 얇아지면 공기가 흐르기 어려우므로, 공기압은 높아지고, 반대로 막 두께가 두꺼워지면 공기가 흐르기 쉬우므로, 공기압이 낮아지기 때문에 공기막 두께가 변하지 않는 방향으로 힘이 미친다. 이것이 에어 베어링의 강성을 만들어내는 원리다.

한편, 소-미끄럼 축부(6)의 타단[스타일러스(5)와는 반대쪽의 단부]에, 소-미끄럼 축부(6)의 축방향과는 직교하는 방향을 따라 장착된 가늘고 긴 자성체 핀(20)은 원자간력 프로브 프레임(3)에 각각 장착된 한 쌍의 요크(8b-1, 8b-2)와 그 요크(8b-1, 8b-2)가 각각의 스타일러스측의 단면에 고정되고 또한 서로 대향 배치된 한 쌍의 자석(29a, 29b)과, 링형 요크(8a)에 의해, 이하에 설명하는 바와 같은 자기회로(MC)를 구성하고 있다. 즉, 소-에어 베어링(7)의 단부에 각각 장착된 한 쌍의 자석(29a, 29b)과 링형 요크(8a)와 한 쌍의 요크(8b-1, 8b-2)가 상기 자성체 핀(20)과 비접촉으로 자기회로(MC)를 구성함으로써, 상기 원기둥형의 소-미끄럼 축부(6)의 축방향인 Z-방향과, 그 Z-방향 주변의 회전방향으로의 이동을 방해하는 자력을 발생시키는 자력 발생 수단(95)을 구성하고 있다. 이와 같이 구성하면, 한쪽의 자석(29a)에서 발생한 자속(磁束)은, 한쪽의 요크(8b-1), 그 한쪽의 요크(8b-1)와 자성체 핀(20)의 일단의 사이에 형성된 한쪽의 간극부(G1)를 통해 자성체 핀(20)을 지나고, 자성체 핀(20)의 타단과 다른 쪽의 요크(8b-2)의 사이에 형성된 다른 쪽의 간극부(G2)를 통해, 다른 쪽의 요크(8b-2)를 지나고, 다른 쪽의 자석(29b)으로부터 발생하는 자속을 더해서, 링형의 요크(8a)를 통해, 다시 한쪽의 자석(29a)으로 되돌아온다.

자성체 핀(20)과 요크(8b-1, 8b-2)의 간극부(G1, G2)의 가까이에서는, 자성체 핀(20)과 각각의 요크(8b-1, 8b-2)는 축방향으로 두껍고, 회전방향으로 얇은 테이퍼 상으로 되어[도 2b∼도 2d에 나타낸 바와 같이, 축방향으로는 일정한 두께로, 또한 지름 방향으로는, 자성체 핀(20)의 양단부에 있어서, 중심측에서 주위 단부측을 향함에 따라서 경사져 폭이 서서히 감소하는 경사면을 가지고(테이퍼 상으로 형성되어)] 있어, 이러한 형상으로 함으로써, 회전방향의 변위는 강하게 억제되고, 축방향의 변위는 약하게 억제된다. 또한, 도 2b∼도 2d에 나타낸 바와 같이, 상기 자성체 핀(20)과 상기 요크(8b-1, 8b-2)의 각각의 간극부(G1, G2) 부근에서의, 상기 핀(20)과 상기 요크(8b-1, 8b-2)의 형상을 상기 자성체 핀(20)보다 상기 요크(8b-1, 8b-2)를 두껍게 하고 있다. 자성체 핀(20)의 긴쪽 축방향이 상하 방향에 따르도록 두고, 또한 도 2b∼도 2c에 나타낸 바와 같이, 핀 두께 0.5mm, 요크 두께 1mm, 회전방향 선단폭 0.2mm, 갭 0.5mm로 함으로써, 소-미끄럼 축부(6)는 자중(自重)에 의해 100 미크론정도 축방향에서 어긋나, 자력과 균형을 이루고 있는 상태가 된다. 자성체 핀(20)의 긴쪽 축방향을 상하 방향과 직교하는 가로 방향에 따르도록 두었을 때는, 가로 방향에는 소-미끄럼 축부(6)의 자중이 작용하지 않으므로, 자속이 가장 잘 통하는 위치에서 균형을 이루고 있다.

도 3a 및 도 3b에서, 광 프로브 변위 검출부(광 프로브 변위 검출 유닛)(2)는 상기 소-에어 베어링부(7A)와 일체로 고정되어서 레이저광을 발광하는 반도체 레이저(34)와 상기 소-미끄럼 축부(6)에 배치되어 상기 반도체 레이저(34)로부터의 상기 레이저광이 조사되어서 이를 반사시키는 미러(9)와 상기 반도체 레이저(34)로부터의 상기 레이저광을 상기 미러(9)에 집광하는 렌즈(14)와 상기 미러(14)로부터의 반사광을 수광하는 광검출기(41)를 적어도 포함하도록 구성하고 있다. 그리고 이러한 구성에 의해, 상기 반도체 레이저(34)로부터의 상기 레이저광을 상기 미러(9)에 조사하고, 상기 미러(9)로부터의 반사광을 상기 광검출기(41)에서 수광하고, 이 광검출기(41)의 출력 신호로부터 상기 Z-방향의 변위를 광 프로브 변위 검출부(2)로 검출하는 구성으로 하고 있다. 더욱 구체적으로는, 광 프로브 변위 검출 부(광 프로브 변위 검출 유닛)(2)에 장착된 파장 780nm의 반도체 레이저(34)로부터의 반도체 레이저광(F_L)이 렌즈(32) 및 편광 프리즘(37) 및 파장판(33)을 통과해서 다이크로익미러(dichroic mirror)(15)에서 전반사하여, 렌즈(14)의 개구(開口) 가득하게 들어가고, 렌즈(14)에 의해, 자성체 핀(20) 위에 고정된 미러(Z-미러)(9) 위로 모여서 조사된다. 그리고 미러(9)로부터의 반사광은 다이크로익 미러(15) 및 편광 프리즘(37)으로 각각 전반사되어서, 하프 미러(39)에서 두 개로 분기(分岐)되어서, 두 개의 초점 전후에 놓인 핀 홀(40)을 각각 통과해서 두 개의 광검출기(41)에 들어간다. 스타일러스(5)에 대한 측정력에 의해 소-미끄럼 축부(6)가 축방향으로 움직이면, 미러(9)로부터의 반사광의 초점위치가 변화되므로, 두 개의 광검출기(41)로부터의 출력은 포커스 오차신호 검출부(42)에서 포커스 오차신호가 되고, 이 포커스 오차신호에 근거하여, 광 프로브 변위 검출부(2)를 Z-방향을 따라서 진퇴 구동하기 위한 Z-스테이지 구동장치의 일례로서 기능하는 Z-방향 구동장치(43)에 의해, 대-에어 슬라이드(89)의 가동부(11)의 양측의 좌우의 코일(13)에 전류를 동시에 흘려서, 포커스 오차신호가 영이 되도록 광 프로브 변위 검출부(2)를 Z-방향을 따라서 진퇴 구동한다. 이때, 대-에어 슬라이드(89)는 상기 소-에어 베어링부(7A)의 상기 Z-방향으로의 이동을 안내한다. 또한, 상기 측정물(1) 또는 상기 대-에어 슬라이드(89)를 상기 Z-방향과 각각 직교하고 또한 서로 직교하는 XY-방향으로 이동시킴과 아울러, 상기 스타일러스(5)가 상기 측정물(1)의 형상에 따라 상기 Z-방향으로 이동할 때, 상기 Z-방향의 변위가 거의 일정해지도록 상기 대-에어 슬 라이드(89)를 구동한다.

더욱 구체적으로는, 도 4와 같이 각각의 코일(13)에는, 상 석정반(106)측에 브래킷(bracket)(86) 등에 의해 각각 고정된 대(大)-요크(Z-스테이지 구동용 요크)(12)와 대(大)-자석(Z-스테이지 구동용 자석)(28)으로 형성된 Z-스테이지 구동용 자기회로(GMC)의 간극부(G3)를 관통해서 전류가 흐르므로, Z-방향에 전자력(電磁力)이 가해진다. 좌우 한 쌍의 코일(13)은 대-에어 슬라이드 가이드(35)에 의해 Z-방향으로 안내되면서, 광 프로브 변위 검출부(2)의 전체를 Z-방향으로 극히 진직도가 양호하게 움직이는 대-에어 슬라이드 가동부(11)와 연결되어서 일체가 되고 있다.

대-에어 슬라이드 가동부(11)의 이동 진직도는 초고정밀도 삼차원 측정기의 측정 정밀도에 직결한다. 그 이유를 설명한다. 본 실시 형태의 광 프로브(2A)를 탑재한 초고정밀도 삼차원 측정기의 전체 구성의 일례를 도 5a에 나타낸다.

도 5a에 있어서, XYZ-좌표를 측정하기 위한 XYZ-좌표 측정용 레이저광 발생장치의 일례로서의 발진 주파수 안정화 레이저(27)와 길이 측정 유닛[X-방향용 리시버(105), Y-방향용 리시버(104), Z₁-방향용 리시버(103), Z₂-방향용 리시버(102)]과 대-에어 슬라이드 가동부(11)와 광 프로브 변위 검출부(2)를 상 석정반(96)에 탑재하고 있다. 그리고 이 상 석정반(96)은 광 프로브 변위 검출부(2)를 XY-방향으로 이동시키는 XY-방향 이동장치의 일례로서 기능하는 XY-스테이지(90), 즉, X-스테이지(21)와 Y-스테이지(22)에 의해 XY-방향으로 움직인다. 하 석정반(23) 위에는 측정물(1)을 탑재 유지하는 측정물 유지 부재(98)와 X-참조 미러(X방향 참조 미러, 이하 간단히 「X-참조 미러」라고 칭한다.)(24), Y-참조 미러(Y방향 참조 미러, 이하 간단히 「Y-참조 미러」라고 칭한다.)(25), 하 석정반(23)에 고정된 문 형태의 가대(97)에 고정된 상 Z-참조 미러(Z-방향 참조 미러, 이하 간단히 「Z-참조 미러」라고 칭한다.)(26)가 각각 고정되어 있다. 이러한 구성에 있어서, 발진 주파수 안정화 레이저(27)의 광으로, 측정물 유지 부재(98)에 유지된 측정물(1)의 측정점의 축상에서 XYZ-방향의 3장의 고평면도의 참조 미러(24, 25, 26)까지의 거리의 변위량을 길이 측정 유닛에 의해 측정함으로써, XY-스테이지(90)[X-스테이지(21), Y-스테이지(22)]의 이동 진직도가 1 미크론의 오더라도, 참조 미러(24, 25, 26)의 평면도인 10nm 오더의 좌표축 정밀도를 얻고 있지만, Z-스테이지 일례로서의 에어 슬라이드(89)의 이동 진직도만은 이들 참조 미러(24, 25, 26)로 보정할 수 있는 구조로 하지 않고 있다.

이유는 특허문헌 3에는 Z-스테이지에까지 X-참조 미러와 Y-참조 미러의 2장의 참조 미러를 장착하여, Z-스테이지의 이동 진직도도 보정하는 구조도 개시되어 있지만, 고평면도를 내려고 하면 참조 미러는 무거워지고, 이동의 피칭(경사)까지 보정하려고 하면 각 두 점을 측정하지 않으면 안 되어, 구조가 대단히 복잡해진다.

여기에서, XY-스테이지(90)는 X-스테이지(21)와 Y-스테이지(22)로 구성되어서, 스테이지가 2단이 겹쳐져 있어, 스테이지 이동에 의한 중심이동으로 0.01 미크론 오더의 진직도 달성이 불가능에 가깝지만, Z-스테이지의 일례로서의 에어 슬라이드(89)는 한 축뿐으로, 중심의 이동은 없으므로, 구조의 연구에 의해, 10nm오더 의 이동 진직도를 어떻게든 실현할 수 있다. 구조의 연구라 함은, 대-에어 슬라이드(89)의 Z-방향 대-에어 슬라이드 가이드(35)의 가이드부의 평면도와 대-에어 슬라이드(89)의 가로 방향의 강성을 높이고, 이동시에 가로 방향으로 힘이 가해지지 않는 Z-방향의 지지 방법 및 구조와 구동 방법 및 구조를 생각하는 것이다.

도 4에 나타낸 바와 같이, Z-스테이지의 일례로서의 에어 슬라이드(89)에서의 Z-방향 가동부[대-에어 슬라이드 가동부(11)]의 중심 부근을, 스프링재의 박판을 나선상으로 감아서 대향시키고, 대-에어 슬라이드 가동부(11)의 중량[대-에어 슬라이드 가동부(11)에 작용하는 중력의 크기]에 거의 같은 장력을 발생하는 정하중 스프링(17)으로 Z-방향 가동부의 중량분을 유지함으로써, 스프링 상수를 가능한 작게 하여, 가벼운 힘으로 상하로 움직일 수 있다. 코일(13)도 광 프로브 변위 검출부(2)의 좌우 대칭으로 배치하고, 좌우의 코일(13)에 의한 구동력의 합력(合力)이 광 프로브 변위 검출부(2)의 중심 부근에 가해지도록 함으로써, 구동력에 의한 이동 진직도 악화를 막을 수 있다.

도 5a는 특허문헌 3에 기재된 초고정밀도 삼차원 측정기의 구성과 같은 구성을 가진 초고정밀도 삼차원 측정기의 구성의 도면이다. 도 5b의 삼차원 측정기의 광 프로브 변위 검출부(112) 및 프로브(112A)에 원자간력 프로브 프레임(3) 등을 가지는 본 실시 형태의 광 프로브 변위 검출부(2) 및 프로브(2A)를 끼워 넣으면, 도 5a의 본 발명의 본 실시 형태의 초고정밀도 삼차원 측정기의 설명도라고 할 수 있다. 즉, 일례로서 도 1a∼도 4에 나타내는 삼차원 측정 프로브(2A)를 도 5b의 삼차원 측정기의 프로브(112A)로 치환하면, 도 5a에 나타낸 바와 같이 본 발명의 본 실시 형태의 초고정밀도 삼차원 측정기의 Z-방향의 구성이라고 할 수 있다.

본 실시 형태의 상기 측정기는 초고정밀도 삼차원 측정 동작을 제어하는 제어부(88)를 구비하고 있다. 제어부(88)는 XY-스테이지(90) 즉 X-스테이지(21)의 도시하지 않는 구동장치와 Y-스테이지(22)의 도시하지 않는 구동장치와, He-Ne 발진 주파수 안정화 레이저(27)와 X-방향용 리시버(105)와 Y-방향용 리시버(104)와 Z₁-방향용 리시버(103)와 Z₂-방향용 리시버(102)와 Z-좌표 연산장치 일례로서의 연산부(87)와 포커스 서보 기구(機構)를 가지는 Z-방향 구동장치(43)와 반도체 레이저(34)와 광검출기(41) 등에 접속되어서, 각각의 동작 제어를 실행함으로써, 상기 초고정밀도 삼차원 측정 동작을 제어하도록 하고 있다.

도 5a에서 발진 주파수 안정화 레이저(발진 주파수 안정화 HeNe 레이저)(27)는 진공 중의 파장이 세계 길이 표준인 요오드 안정화 HeNe 레이저와의 비트 주파수 측정에 의해 발진 주파수를 교정한 안정화 레이저이다. 요오드 안정화 HeNe 레이저는 발진 주파수가 473612214.8MHz로 오차는 ±1×10^-9(3σ)이다(JIS 핸드북에서). 그러나 요오드 흡수 셀을 추가한 대규모인 장치 때문에, 측정기에는 탑재할 수 없다. 또한, 산업상 필요한 가공 정밀도/치수는 고정밀도라도 10^-4∼10^-5이다. 즉, 예를 들면 지름 10mm의 축은 1∼0.1 미크론의 지름 정밀도가 통상의 고정밀도가공이며, 측정 한계인 것이다. 본 발명의 본 실시 형태에 관한 비구면 렌즈 측정에 있어서, 필요한 오차는 ±1×10^- ⁶정도이므로, 이것을 XYZ-좌표 측정 오차의 목표 로 하고 있다. 또한, 공중에서의 파장은 온도변동 1℃, 혹은 3％의 기압변화로 10^-6 바뀐다. 상기 측정기는 대기 중에서 사용한다. 따라서, 요오드 안정화 HeNe 레이저를 상기 측정기에 탑재할 정도의 필요성은 없다.

그래서 요오드 흡수 셀을 사용하지 않고, 발진 파장인 네온의 스펙트럼 선으로 발진 주파수를 안정화시킨, 발진 주파수가 473612.12GHz±0.3GHz, 오차가 ±5×10^-8(3σ)의 콤팩트한 발진 주파수 안정화 HeNe 레이저(27)를 상기 측정기에 탑재했다. 요오드 안정화 레이저와 발진 주파수의 비교 측정을 하고 있으므로, 이 파장은 세계 길이 표준으로 거슬러간다. 이 레이저광(Fz)으로 XYZ-좌표를 측정하고 있다.

이 발진 주파수 안정화 레이저(27)로부터 발광한 레이저광(Fz)을, 예를 들면 X-방향과, X-방향과 직교하는 Y-방향과, X-방향 및 Y-방향과 각각 직교하는 Z₁-방향과, X-방향 및 Y-방향과 각각 직교하는 Z₂-방향으로 분기하고, 또한, 각각의 방향으로 분기된 레이저광(Fz)을 측정광과 참조광으로 분기하고, 각각의 측정광을 각각 고평면도의 X-참조 미러(24), Y-참조 미러(25), Z-참조 미러(26), Z-미러(9)에 쏘아서, 각각의 반사광과 참조광을 길이 측정 유닛 즉 X-방향용 리시버(105), Y-방향용 리시버(104), Z₁-방향용 리시버(103), Z₂-방향용 리시버(102)에 각각 입사시키고, 간섭시킴으로써 XYZ-좌표를 X-참조 미러(24), Y-참조 미러(25), Z-참조 미러(26)의 평면도의 정밀도로 측정할 수 있게 하고 있다. 여기에서, Y-방향은 X-방향과 직교하는 방향이다. Z₁-방향과 Z₂-방향은 각각, X-방향 및 Y-방향과 각각 직교 하는 Z-방향을 따른다.

발진 주파수 안정화 레이저(27)로부터 발광한 4개의 레이저광(Fz)은 아래와 같이 사용된다. 또한 발진 주파수 안정화 레이저(27)로부터 발광한 4개의 레이저광(Fz)을 형성하기 위해서는, 레이저 광원을 4개 배치해도 좋고, 또는 1개 또는 4개 이하의 레이저 광원을 배치하여, 레이저 광원으로부터의 레이저광을 상기한 바와 같이 분기해서 합계 4개의 레이저광(Fz)을 형성하도록 해도 좋다.

발진 주파수 안정화 레이저(27)로부터 발광한 첫 번째 레이저광(Fz)은 X-참조 미러(24)의 반사면[측정물(1)과는 반대쪽 면]에 조사하고, X-참조 미러(24)의 반사면에서 반사된 반사광을 광학계를 거쳐서, X-좌표 측정 장치의 일례로서의 X-좌표 측정 유닛(X-좌표용 레이저 길이 측정 유닛 즉 X-방향용 리시버)(105)으로 수광하고, 수광된 레이저광에 근거해 X-방향용 리시버(105)에 의해 광 프로브 변위 검출부(2)의 X-좌표를 측정한다. 여기에서, X-참조 미러(24)는 완전한 평면으로 간주되므로, X-참조 미러(24)의 X-좌표를 측정하는 것은 상 석정반(96)에 고정된 광학계와 X-참조 미러(24)의 반사면 사이의 거리의 변위량을 측정하는 것을 의미한다.

마찬가지로 발진 주파수 안정화 레이저(27)로부터 발광한 두 번째 레이저광(Fz)은 Y-참조 미러(25)에 조사하고, Y-참조 미러(25)에서 반사된 반사광을 Y-좌표 측정 장치의 일례로서의 Y-좌표 측정 유닛(Y-좌표용 레이저 길이 측정 유닛 즉 Y-방향용 리시버)(104)으로 수광하고, 수광된 레이저광에 근거해 Y-방향용 리시버(104)에 의해 광 프로브 변위 검출부(2)의 Y-좌표를 측정한다. Y-참조 미러(25) 는 완전한 평면으로 간주되므로, Y-좌표를 측정하는 것은, 상 석정반(96)에 고정된 미러(도시하지 않음)와 Y-참조 미러(25)의 반사면과의 거리의 변위량을 측정하는 것을 의미한다.

한편, 발진 주파수 안정화 레이저(27)로부터 발광한 세 번째 레이저광(Fz)은 Z-미러(9)에 조사되어, Z-미러(9)에서 반사된 반사광을 Z₂-좌표 측정 장치(Z-좌표 측정 수단)의 일례로서의 Z₂-좌표 측정 유닛(Z₂-좌표용 레이저 길이 측정 유닛 즉 Z₂-방향용 리시버)(102)으로 수광하고, 수광된 레이저광에 근거해 Z-미러(9)의 Z₂-좌표를 Z₂-방향용 리시버(102)에 의해 측정한다. Z₂-좌표를 측정하는 것은 세 번째 레이저광(Fz)을 Z-미러(9)에 입사시키기 때문에 반사시키는 상 석정반(96)에 고정된 반사 미러(도시하지 않음)의 반사면으로부터 Z-미러(9)의 반사면까지의 거리의 변위량을 측정하는 것을 의미한다.

발진 주파수 안정화 레이저(27)로부터 발광한 네 번째 레이저광(Fz)은 상 석정반(96)에 고정된 미러에서 반사한 뒤 Z-참조 미러(26)의 아랫면인 반사면에서 반사된 반사광을 Z₁-좌표 측정 장치의 일례로서의 Z₁-좌표 측정 유닛(Z₁-좌표용 레이저 길이 측정 유닛 즉 Z₁-방향용 리시버)(103)으로 수광하고, 수광된 레이저광에 근거해 Z₁-방향용 리시버(103)에 의해 광 프로브 변위 검출부(2)의 Z₁-좌표를 측정한다. Z₁-좌표를 측정하는 것은 네 번째 레이저광(Fz)을 Z-참조 미러(26)의 반사면에 입사시키도록 반사시키기 때문에 상 석정반(96)에 고정된 미러의 반사면으로부터 Z-참조 미러(26)의 반사면까지의 거리의 변위량을 측정하는 것을 의미한다.

즉, Z-좌표에 대해서는 도 3a 및 도 3b의 레이저광(Fz)이 발진 주파수 안정화 레이저(27)로부터의 세 번째와 네 번째 레이저광(Fz)으로 아래와 같이 측정해서 구한다. 도 5a의 상 석정반(96) 위에 있는 길이 측정 유닛의 광학계로부터 다이크로익 미러(15)를 전투과하고, 렌즈(14)에 의해 모아져서 미러(9)에서 반사한 레이저광(Fz)에 의해 Z₂-좌표를 Z₂-방향용 리시버(102)에 의해 측정한다. XY-스테이지(90)의 이동 진직도는 1 미크론의 오더이지만, 상 석정반(96) 위에 있는 길이 측정 유닛의 광학계로부터 10 나노미터 오더의 평면도의 Z-참조 미러(26)에 레이저광(Fz)을 쏘아서, 그 Z-참조 미러(26)의 반사광으로부터 Z₁-좌표를 Z₁-방향용 리시버(103)에 의해 측정한다. 그리고 상기(Z₁-좌표 + Z₂-좌표)를 연산부(87)에서 연산해서 Z-좌표로 함으로써, Z-참조 미러(26)의 정밀도로 Z-좌표를 측정할 수 있다.

측정물(1)의 삼차원 형상의 측정 개시 전에는 측정물(1)의 상하의 스타일러스(5)는 측정물(1)의 측정면(S)으로부터 멀어지고 있으므로, 상기한 포커스 서보는 걸리지 않는다. 광 프로브 변위 검출부(2)에는 도시하지 않았지만 Z-방향의 위치 검출기가 장착되어 있어, 이 위치 검출기로부터의 위치 신호가 측정기의 조작부에 부착되어 작업자에 의해 돌려지는 수동 구동용 다이얼(91)에 의해 변화시킬 수 있는 위치 지령값이 되도록, 제어부(88)에 의한 제어 하에서, Z-방향 구동장치(43)로 광 프로브 변위 검출부(2)를 Z-방향으로 이동시키고 있다[바꿔 말하면, 작업자가 수동구동용 다이얼(91)을 돌림으로써 발생한 입력 정보에 근거하여, Z-방향 구동장 치(43)가 구동되어서, 광 프로브 변위 검출부(2)의 선단이 측정물(1)의 측정면(S)에 5mm 이하로 근접하는 위치까지 이동시킬 수 있다]. 이것을 「위치 서보」라고 부른다.

이 위치 서보가 걸려 있을 때는 스타일러스(5)에 측정력이 가해지지 않으므로, 미러(9)가 포커스 위치로부터 10 미크론정도, 벗어난 위치에 있도록 렌즈(14)를 프로브 케이싱(2a)에 대하여 미리 Z-방향으로 위치조정 해둔다.

측정 개시시는 측정물(1)을 스타일러스(5)의 바로 아래 수 밀리의 위치에 두고, 측정기의 조작부에 있는 포커스 시작 버튼을 작업자가 누름으로써 상기 수동구동용 다이얼(91)에 근거한 수동 구동을 해제해서 자동 제어로 전환한다. 그렇게 하면, 광 프로브 변위 검출부(2)는 Z-방향 구동장치(43)에 의해 측정면(S)의 방향으로 천천히 측정면(S)에 근접하도록 이동한다. 스타일러스(5)가 측정물(1)의 측정면(S)을 검지하면[스타일러스(5)가 측정물(1)의 측정면(S)에 접촉하면], 스타일러스(5)의 측정력에 의해 미러(9)가 반도체 레이저광(F_L)의 초점방향으로 움직이므로, 미러(9)가 반도체 레이저광(F_L)의 초점방향으로 움직인 것을 포커스 오차신호의 변화에 의해 포커스 오차신호 검출부(42)에서 검출하면[바꿔 말하면, 미러(9)가 초점위치 부근에 도착하면], 위치 서보에서 포커스 서보로 바뀌고, 미러(9)가 포커스 위치에 이른다. 즉, 포커스 오차신호가 영이 될 때까지, Z-방향 구동장치(43)로 광 프로브 변위 검출부(2)를 이동시킨다. 이것이 포커스 서보가 걸린 상태다.

반도체 레이저광(F_L)은 포커스 오차신호를 감도 좋게 검출하기 위해서, 도 3a 및 도 3b에 나타낸 바와 같이 렌즈(14)의 개구 가득하게 입사시키지만, Z-좌표 측정용의 HeNe 안정화 레이저광(Fz)은 렌즈(14)의 개구보다 가는 광속지름으로 입사되므로, 초점 심도(深度)가 깊고, 10 미크론정도, 초점 변위 위치에 Z-미러(9)가 있어도 반사광으로부터 충분히 Z-좌표를 측정할 수 있다.

이어서, 측정력의 설정과 그 이유를 설명한다. 도 7에 나타내는 스타일러스(5)의 축방향에 작용하는 측정력을 F라고 한다. 측정력 F에 의해 미러(9)가 포커스 위치에 오기 때문에, 측정력 F는 측정면(S)의 경사에 관계없이 일정해진다. 측정력 F는 도 3a 및 도 3b의 렌즈(14)를 상하(上下)로 움직임으로써 설정할 수 있다.

측정면(S)에 수직한 방향에 작용하는 측정력은 F/cosθ가 된다. θ는 측정면(S)의 경사 각도이다. 도 7에 나타낸 바와 같이 스타일러스에는 (F/cosθ)sinθ의 가로 방향 측정력이 가해진다. 가로 방향 측정력은 θ가 60도일 때는 F의 1.7배, θ가 75도일 때는 F의 3.7배나 된다.

가로 방향 측정력에 의해 스타일러스(5)가 옆으로 기울면 측정 오차가 된다. 이것을 가능한 작게 하기 위해서는, 측정력을 가능한 작게 하는 편이 좋다. 측정력이 작은 만큼 스타일러스(5)의 경사가 작으므로 측정 오차는 작아진다.

또한, 측정력이 작은 쪽이 스타일러스(5)의 마모가 적으므로, 스타일러스(5)가 오래간다.

또한, 선단 반지름 2 미크론이 튀어나온 스타일러스로 수지 등의 부드러운 면을 측정할 때는 측정면(S)을 손상하거나, 측정면 변형에 의한 측정 오차를 발생 한다. 이것도 측정력이 작을수록 좋다. 경험상, 흠이나 오차가 그다지 신경쓰이지 않는 측정력은 0.2mN 이하이다. 또한 선단 반지름 0.5mm의 스타일러스로 측정할 때는 부드러운 면이라도 상처가 난 예는 전무하다.

반대로, 선단 반지름 0.5mm의 스타일러스로 측정할 때, 측정력이 작으면 표면의 먼지를 측정해버린다. 측정력이 크면 먼지를 측정하지 않고 밀어 헤친다. 이 점에서는 측정력이 큰 쪽이 측정하기 쉽다.

선단 반지름이 작은 프로브는 먼지를 측정하기 어렵지만, 선단을 진구도(眞球度)가 양호하게 만드는 것이 어렵다. 선단의 진구도가 나쁘면 측정 정밀도가 나빠진다. 이것에 대해서는 진구를 미리 측정하여, 데이터로부터 보정할 수 있지만 번거롭다.

가동부 질량이 같다면 측정력이 클수록 응답이 빠르므로, 빨리 측정할 수 있다.

이상의 사실로부터 현상의 기술 레벨을 전제로 하면 최적의 측정력이 존재한다. 그것이 0.1mN∼0.3mN이다. 그래서, 측정력은 중심값 0.2mN로 설정하고, 렌즈(14)의 위치의 조정으로 0.1mN∼0.3mN의 범위에서 조절 가능하게 했다.

소-미끄럼 축부(6)는 자중으로 100 미크론 정도 내린 위치에서 0.2mN의 측정력으로 소-에어 베어링(7)에 대하여, 10 미크론 정도 이동하도록 설계한다. 또한 프로브(2A)를 가로 방향으로 둘 수도 있으며, 이 경우에는 자중에 의한 이동은 없지만, 0.2mN의 측정력으로 균형 위치로부터 10 미크론 정도 이동하도록 설계한다.

측정력 0.2mN로 소-미끄럼 축부(6)가 10 미크론 정도 이동한 위치에서 포커 스 서보를 거는 이유를 설명한다.

스타일러스(5)를 포함하는 소-미끄럼 축부(6)의 질량 약 0.2g에 대하여 측정력 0.2mN은 0.02그램 무게이므로, 소-미끄럼 축부(6)의 중량의 10분의 1의 힘으로 10 미크론만 이동한 위치에서 포커스 서보가 걸리게 된다.

포커스 서보에 오차가 있어도, 같은 미러(9)까지의 거리의 변위량을 발진 주파수 안정화 HeNe 레이저광(Fz)으로 간섭에 의해 측정하고 있으므로, 측정 오차로는 되지 않으며, 측정력의 변동이 되는 것뿐이다.

도 3a 및 도 3b에 나타낸 바와 같이, 반도체 레이저광(F_L)은 포커스 감도가 양호하도록 렌즈(14)의 개구 가득히 들어가 있으므로, 개구수(NA)가 0.4정도, 렌즈(14)와 미러(9)의 거리의 변위량의 변동이 1 미크론 이하로 포커스 서보를 걸 수 있다. 즉, 상기 측정물(1) 또는 대-에어 슬라이드(89)를 상기 Z-방향과 각각 직교하고, 또한 서로 직교하는 XY-방향으로 XY-스테이지(90)에 의해 이동시킴으로써 상기 스타일러스(5)가 상기 측정물(1)의 형상에 따라 상기 Z-방향으로 이동할 때, 상기 Z-방향의 변위가 거의 일정해지도록 포커스 서보를 걸어서 상기 대-에어 슬라이드(89)를 Z-방향 구동장치(43)에 의해 구동한다. 이때의 측정력의 변동은 0.02mN 이하이다.

발진 주파수 안정화 HeNe 레이저광(Fz)은 초점 심도가 깊어지도록, 1∼2mm의 광속 지름의 반도체 레이저광(F_L)을 그대로 렌즈(14)에 넣고 있다. 그렇게 하면, 초점심도는 20 미크론 정도가 되고, 스타일러스(5)가 측정물(1)의 측정면(S)에 접해 있지 않을 때에 미러(9)의 위치가 10 미크론 어긋나지만, 문제없이 레이저 길이 측정이 가능해진다.

스타일러스(5)가 측정면(S)에 접하고 있지 않을 때라도 Z-좌표를 측정할 수 없으면 연속 주사에 의해 측정할 수 없는 복수의 측정물(1)을 측정할 때, Z-좌표가 보존되지 않으므로, 대단히 불편하다. 예를 들면 측정력 0.2mN로 소-미끄럼 축부(6)가 20 미크론 이동하도록 자력을 약한 탄성계수로 설계하면, 스타일러스(5)가 측정면(S)을 떠날 때에 미러(9)의 위치가 20 미크론 어긋나고, 길이 측정용 HeNe 레이저광(Fz)의 초점 심도를 벗어나서, 길이 측정이 불안정해진다.

또한, 예를 들면 측정력 0.2mN에서 소-미끄럼 축부(6)가 5 미크론 이동하도록 자력을 강한 탄성계수로 설정하면, 마찬가지로 렌즈(1)와 미러(9)의 거리의 변위량의 변동이 1 미크론 이하로 포커스 서보를 걸어도 측정력의 변동이 커지고, 측정력이 0.1mN가 되도록 렌즈(9)의 위치를 조정하면 소-미끄럼 축부(6)가 2.5 미크론밖에 이동하지 않는 상태가 되어, 서보가 불안정해진다.

이상이 0.2mN의 측정력으로 소-미끄럼 축부(6)가 10 미크론정도 이동하도록 설계한 이유다.

이어서, 소-미끄럼 축부(6)의 Z-방향[소-미끄럼 축부(6)의 축방향]을 중심으로 한 회전방향으로의 이동을 방해하는 힘의 필요 토크(torque)에 대해서 설명한다. 스타일러스(5)의 일부인 스타일러스 선단구(5a)가 마이크로 에어 슬라이드의 축 중심에 대하여, 조립 공차의 범위에서 편심해서 부착해 있으므로, 스타일러스 선단구(5a)가 소-미끄럼 축부(6)의 축을 중심으로 회전하면 측정값이 바뀌어, 측정 오차가 된다.

따라서, 회전을 방해하는 힘은 강할수록 좋지만, 그 때문에 자성체 핀(20)을 크게 하면, 소-미끄럼 축부(6)의 질량이 커져 버린다. 상기의 이유로 소-미끄럼 축부(6)의 질량은 작을수록 좋으므로, 자성체 핀(20)의 중량은 필요 최소한으로 하고 싶다. 본 발명의 본 실시 형태에 있어서는, 도 1a 및 도 1b의 구성으로 함으로써, 일례로서, 자성체 핀(20)은 두께 0.5mm, 질량 16 밀리그램으로 초경량을 실현했다. 이로써, 회전방향의 자력은 Tm=274mN·mm/rad를 실현했다. 즉, 토크 Tm=0.27mN·mm에서 1mrad만큼 회전한다.

이어서, 도 1a 및 도 1b의 구성으로 실제의 측정에 있어서 최대, 어느 만큼의 스타일러스(5)의 회전에 의한 측정 오차가 발생할 수 있을지를 검토했다.

도 6a∼도 6c는 측정물(1)의 일례로서의 렌즈의 표면(S)을 스타일러스(5)로 측정할 때의 주사 방법을 도시하고 있다. 도 6a와 같이 렌즈(1)의 표면(S)에 있어서 렌즈(1)의 중심을 지나는 라인을 스타일러스(5)로 측정하는 것을 「축상(軸上) 측정」, 도 6b와 같은 렌즈(1)의 표면(S)의 전면 주사를 「면상 측정」, 도 6c와 같이 렌즈(1)의 표면(S)을 동심원 형상으로 주사하는 것을 「원주(圓周) 측정」이라고 각각 명명하고 있다. 렌즈(1)는 회전 대칭이 아닌 것도 있고, 본 발명의 본 실시 형태에서는 회전 대칭인 렌즈로 한정하고 있을 리도 없지만, 스타일러스(5)에 관한 회전 토크의 해석은 이것으로 할 수 있다.

스타일러스(5)에 관한 회전 토크는 스타일러스(5)의 렌즈(1)의 표면(S)에 대한 측정력에 의해 발생한다. 도 7과 같이 반지름 r인 스타일러스 선단구(5a)에 축 방향 측정력 F가 가해지고 있다고 하면, 측정면(S)에 수직한 방향으로 F/cosθ, 가로 방향으로는 (F/cosθ)sinθ의 측정력이 가해진다.

도 8은 도 7의 스타일러스 선단구(5a)가 측정면(S)에 접한 높이에서의 단면을 위에서 본 도면이다. 또한 이해하기 쉽게 하기 위해서, 도 8 및 도 9에서의 단면 해칭(hatching)은 생략하고 있다. 따라서, 스타일러스 선단구(5a)의 반지름 r에 대하여, 도 8의 원의 반지름은 rsinθ가 된다. 측정면(S)에 평행한 방향에 마이크로 에어 슬라이드의 축 중심이 어긋나고 있을 때, 최대의 측정 오차가 발생한다. 도 8은 그 상태를 나타낸다. 도 9와 같이 마이크로 에어 슬라이드의 축 중심이 측정점에서 가장 먼 위치에 있을 때, 원주 측정으로는 스타일러스(5)에 최대의 회전 토크가 작용하지만, 도 9의 파선(破線)위치에 스타일러스 선단구(5a)가 이동해도 측정 값은 거의 변하지 않는다. 즉, 측정 오차로는 되지 않는다.

상기한 축상 측정에서는, 도 8의 좌우 방향으로만 스타일러스(5)가 움직이므로, 도 8의 지면의 상하 방향의 마찰은 없기 때문에 회전 토크는

(식 2)

축상 측정 회전 토크 T = 편심량 × 가로 방향 측정력 ···(2)

이 된다. 원주 측정시와 상기 면상 측정으로 스타일러스 선단구(5a)의 가장자리를 경사져 있지 않은 방향으로 주사 측정할 때에는, 측정력에 더해서 마찰력이 가해지므로,

(식 3)

원주 측정 회전 토크 T = 편심량 × 가로 방향 측정력 + rsinθ× 측정력 × 마찰계수···(3)

이 된다.

회전을 정지하는 자력은 상기한 바와 같이, Tm의 토크로 1mrad만큼 회전하므로, 회전각은 T/Tm(mrad), 구하고 싶은 가로 방향 측정 오차 E는 회전각×편심량이므로

(식 4）

E = 편심량 × T/Tm ···（4)

편심량을 0.1mm, F=0.3mN, 가로 방향 측정력은 (F/cosθ)sinθ, r=0.5mm, 측정력은 F/cosθ, 마찰계수를 0.5, 상기한 바와 같이, Tm=0.27mN·mm/mrad, θ을 60도와 75도의 두 각도로 가로 방향 측정 오차를 계산했다.

계산 결과를 정리하면, 표 1과 같아졌다.

	60도	75도
축상 측정	0.02 미크론	0.04 미크론
원주 측정	0.07 미크론	0.14 미크론

경사 각도 60도까지의 축상 측정이 일반적인 측정이며, 그때의 오차는 0.02 미크론 이하로 초고정밀도 측정 가능한 레벨이 된다. 또한, 측정력을 0.2mN로 하면 최대 측정 오차는 이 2/3배로 줄고, 스타일러스(5)의 편심을 0.05mm 이하로 억제하면, 최대 오차는 다시 반이 되므로, 그때는, 75도의 원주 측정으로도, 가로 방향의 오차 0.05 미크론 이내로 초고정밀도 측정이 가능한 레벨이 된다.

스타일러스 선단구(5a)에는 진구도가 좋은 지름 1mm의 루비 구(球)나, 선단이 2 미크론의 반지름의 구면으로 가공된 다이아몬드 등이 부착되어 있다. 예를 들면, 렌즈(1)의 측정에는 지름 1mm의 루비 구를 사용하는 한편, 측정물(1)의 표면이 회절격자와 같이 미세 가공된 것을 측정할 때는 다이아몬드를 사용한다는 것과 같이, 스타일러스(5)는 교환이 필요하다.

스타일러스(5)의 교환은 특허문헌 2와 마찬가지로, 도 11과 같이 스타일러스(5)에 형성된 나사(360)를 소-미끄럼 축부(6)에 가공된 암나사(359)에 조여 넣음으로써, 탈착 가능하게 부착할 수 있고, 교환이 가능하다. 나사를 조이고, 풀 때에는 스타일러스(5)를 소-미끄럼 축부(6)에 꽉 누른 후, 회전시킬 필요가 있다.

도 1a 및 도 1b와 도 2a에서는, 소-미끄럼 축부(6)의 기단측의 단면[자성체 핀(20)이 배치되어 있는 쪽의 단면]에는 비자성체의 스토퍼(30)가 부착되어 있어, 스타일러스(5)를 소-미끄럼 축부(6)에 꽉 눌렀을 때에는 스토퍼(30)가 원자간력 프로브 프레임(3)에 고정된 환상의 맞닿음부(36)에 닿고, 스타일러스(5)의 나사[도 11의 암나사(360) 참조]를 돌릴 때는, 스토퍼(30)가 소-미끄럼 축부(6)의 기단측의 단면에 고정된 회전 정지 핀(31)에 닿아서 소-미끄럼 축부(6)의 회전을 정지한다. 바꿔 말하면, 상기 소-에어 베어링부(7A)에 대한 상기 소-미끄럼 축부(6)의 상기 Z-방향과 상기 Z-방향을 축으로 한 회전방향으로의 이동을 방해하는 자력을 초과한 힘이, 상기 소-미끄럼 축부(6)의 상기 Z-방향, 또는 상기 Z-방향을 축으로 한 상기 회전방향에 가해졌을 때의 상기 소-미끄럼 축부(6)의 과도한 이동을 비자성체의 스토퍼(30)에 의해 멈추도록 하고 있다. 이 때문에, 스타일러스(5)만이 소-미끄럼 축부(6)에 대하여 회전 가능해지고, 스타일러스(5)에 형성된 나사(360)를, 소-미끄럼 축부(6)에 가공된 암나사(359)에 대하여 회전시켜서 암나사(359)로부터 탈착할 수 있다. 한편, 다른 스타일러스(5)를 소-미끄럼 축부(6)에 장착할 때에는, 스타일러스(5)를 소-미끄럼 축부(6)에 꽉 눌러서 스토퍼(30)를 회전 정지 핀(31)에 닿게 해서 소-미끄럼 축부(6)의 회전을 정지한 상태에서, 스타일러스(5)에 형성된 나사(360)를 소-미끄럼 축부(6)에 가공된 암나사(359)에 넣어서 회전시킴으로써, 나사(360)를 암나사(359)에 조여 넣을 수 있다.

또한 보통 측정시에는, 스토퍼(30)와 맞닿음부(36), 스토퍼(30)와 회전 정지 핀(31)은 각각 충분히 떨어져 있어, 서로 접촉할 일은 없기 때문에, 측정에는 조금도 지장 없다.

또한 이 실시 형태에 있어서는, 링형 요크(8a)를 사용하고 있다. 링형이 우수하기는 하지만, 반드시 링형이 아니면 안 되는 것은 아니고, 예를 들면 링의 한쪽이 이지러져 있어도 사용할 수 없는 것은 아니다.

또한, 이 실시 형태에 있어서는, 상기 자성체 핀(20)과 상기 요크(8b-1, 8b-2)의 간극부 부근의 형상을, 상기 축방향으로는 두껍고, 회전방향으로는 얇은 테이퍼 상으로 했다. 이 편이 우수하기는 하지만, 반드시 테이퍼 상이 아니면 안 되는 것은 아니고, 원뿔상이나 각뿔상으로도 사용할 수 없는 것은 아니다.

또한, 이 실시 형태에 있어서는, 반도체 레이저광(Fz)으로 상기 소-미끄럼 축부(6)의 Z-방향의 상기 광 프로브 변위 검출부(2)에 대한 변위량을 검출하고 있다. 다른 방법으로서는, 예를 들면, 정전(靜電) 용량 센서나 발광 다이오드의 광을 사용한 삼각 측거법으로 변위를 검출해도 좋다.

또한, 이 실시 형태에 있어서는, 발진 주파수 안정화 레이저광(Fz)을 미러(9)에 조사, 반사광으로 상기 미러(9)의 Z-좌표를 측정하는 것으로 했다. 이 편이 우수하기는 하지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면, Z-좌표를 리니어 스케일로 측정하는 구성으로 하는 것도 가능하다.

또한, 이 실시 형태에 있어서는, 회전 정지 스토퍼(30)와 회전 정지 핀(31)을 사용해서 스타일러스(5)의 소-미끄럼 축부(6)에 대한 회전 정지를 실행하도록 하고 있다. 이 경우, 스타일러스(5)를 소-미끄럼 축부(6)에 끼워넣고 있지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, 스타일러스(5)나 소-미끄럼 축부(6)의 구멍에 스프링을 부착하여, 꽂아 넣어 고정하는 것이나, 소-미끄럼 축부(6)와 스타일러스(5)를 일체(一體) 가공하는 것도 가능하며, 이 경우에는 회전 스토퍼와 회전 정지 핀이 필요 없다.

또한, 이 실시 형태에 있어서는, Z-스테이지는 Z-방향 대-에어 슬라이드 가이드(35)와 대-에어 슬라이드 가동부(11)로 구성되는 대-에어 슬라이드(89) 즉 에어 베어링으로 구성되어 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 성능은 떨어지지만, 롤러 가이드나 오일 베어링 등으로 구성하는 것도 가능하다.

또한, 이 실시 형태에 있어서는, Z-스테이지 구동 수단, 즉, Z-방향 구동장치(43)는 상기 대-에어 슬라이드(89)에 연결된 코일(13)과 상기 코일(13)에 전류를 흘려서 상기 대-에어 슬라이드(89)를 상기 Z-방향으로 구동하는 Z-스테이지 구동용 자기회로(GMC)로 구성되어 있다. 이 편이 우수하기는 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 볼나사 이송으로 하는 것도 가능하다.

또한, 이 실시 형태에 있어서는, 대-에어 슬라이드(89)의 대-에어 슬라이드 가동부(11)(Z-방향 가동부)를 정하중 스프링으로 지지하고 있지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, Z-방향을 가로 방향으로 하면 정하중 스프링은 불필요해진다.

또한 상기 여러 가지 실시 형태 중 임의의 실시 형태를 적절히 조합함으로써, 각각이 가지는 효과를 발휘하도록 할 수 있다.

본 발명의 삼차원 측정 프로브는, 측정물의 아래나 옆에서도 0.01 미크론의 오더의 초고정밀도로 측정할 수 있으므로, 전후 면을 동시에 측정함으로써 비구면 렌즈의 기울기 편심을 초고정밀도로 측정할 수 있다. 또한, 쉽사리 파손되지 않으며 수명이 길어지며, 현장에서 간단히 빈번하게 사용할 수 있는 등의 효과를 가지고, 측정할 수 없으면 만들 수 없는 비구면 렌즈의 새로운 고정밀도화와 생산성 향상을 실현하고, 소형 고화질화하는 디지털 카메라, 무비 카메라, 카메라 부착 휴대전화, 대용량화하는 광디스크 등의 비구면 렌즈 내장 상품의 성능 향상과 비용 절감에 공헌할 수 있다. 또한, 의료기기, 자동차의 기어, 나노 테크놀러지나 마이크로 머신의 연구 개발 용도에도 폭넓은 적용 가능성이 있다.

본 발명은 첨부 도면을 참조하면서 바람직한 실시 형태에 관해 충분히 기재되어 있지만, 이 기술이 숙련된 사람들에게는 다양한 변형이나 수정은 명백하다. 그러한 변형이나 수정은, 첨부한 청구의 범위에 의한 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않는 한, 그 안에 포함된다고 해석되어야 한다.

본 발명의 이들과 다른 목적과 특징은, 첨부된 도면에 관한 바람직한 실시 형태에 관련된 다음 기술로부터 명백해진다. 이 도면에 있어서는,

도 1a는 본 발명의 실시 형태에 있어서의 삼차원 측정 프로브의 주요부 확대도이며,

도 1b는 본 발명의 상기 실시 형태에 있어서의 삼차원 측정 프로브의 주요부 확대도이며,

도 2a는 본 발명의 상기 실시 형태에 있어서의 삼차원 측정 프로브의 주요부에 원자간력 프로브 프레임을 부착한 도면이며,

도 2b는 본 발명의 상기 실시 형태에 있어서의 삼차원 측정 프로브의 주요부로서, 링형의 요크와 자성체 핀의 관계를 나타내는 사시도이며,

도 2c는 본 발명의 상기 실시 형태에 있어서의 삼차원 측정 프로브의 주요부로서, 링형의 요크와는 상이한 다른 방면의 요크의 선단과 자성체 핀의 선단과의 관계를 나타내는 저면도이며,

도 2d는 본 발명의 상기 실시 형태에 있어서의 삼차원 측정 프로브의 주요부로서, 링형의 요크와는 상이한 다른 방면의 요크의 선단과 자성체 핀의 선단과의 관계를 나타내는 측면도이며,

도 3a는 본 발명의 상기 실시 형태에 있어서의 삼차원 측정 프로브의 위쪽의 광 프로브 변위 검출부를 포함한 개략 구성 설명도이며,

도 3b는 본 발명의 상기 실시 형태에 있어서의 삼차원 측정 프로브의 아래쪽 의 광 프로브 변위 검출부를 포함한 개략 구성 설명도이며,

도 4는 본 발명의 상기 실시 형태에 있어서의 삼차원 측정 프로브의 Z-방향의 구성도이며,

도 5a는 본 발명의 상기 실시 형태에 있어서의 삼차원 측정 프로브를 장착할 수 있는 초고정밀도 삼차원 측정기의 구성도이며,

도 5b는 특허문헌 3에 기재된 초고정밀도 삼차원 측정기의 구성도이며,

도 6a는 본 발명의 상기 실시 형태에 있어서의 삼차원 측정 프로브의 측정 경로를 나타내는 설명도이며,

도 6b는 본 발명의 상기 실시 형태에 있어서의 삼차원 측정 프로브의 측정 경로를 나타내는 설명도이며,

도 6c는 본 발명의 상기 실시 형태에 있어서의 삼차원 측정 프로브의 측정 경로를 나타내는 설명도이며,

도 7는 본 발명의 상기 실시 형태에 있어서의 삼차원 측정 프로브의 측정력에 관한 설명도이며,

도 8는 측정력에 의해 스타일러스 회전 오차발생의 설명도이며,

도 9는 측정력에 의한 스타일러스 회전 오차가 발생하지 않을 때의 설명도이며,

도 10은 특허문헌 1에 기재된 종래의 삼차원 측정 프로브의 구성도이며,

도 11은 특허문헌 2에 기재된 종래의 삼차원 측정 프로브의 구성도이며,

도 12는 특허문헌 4에 기재된 종래의 접촉식 프로브의 구성도이며,

도 13은 특허문헌 4에 기재된 종래의 접촉식 프로브의 주요부 설명도이며,

도 14a는 특허문헌 5에 기재된 종래의 정압 베어링 장치 및 변위 측정 장치의 구성도이며,

도 14b는 특허문헌 5에 기재된 종래의 정압 베어링 장치 및 변위 측정 장치의 구성도이다.

Claims

일단(一端)에 측정물의 표면에 접하는 스타일러스를 설치함과 더불어, 타단(他端)에 자성체 핀을 축방향과는 직교하는 방향을 따라 설치한 원기둥형의 소-미끄럼 축부와,

상기 소-미끄럼 축부와 끼워 맞춰지는 원기둥형의 구멍이 형성되어, 상기 소-미끄럼 축부와의 간극에 압축 공기의 막을 형성하는 공기 취출부를 가지는 소-에어 베어링부와,

상기 소-에어 베어링부의 단부에 배치된 자석과 복수의 요크가 상기 핀과 비접촉으로 배치되어, 상기 자석으로부터 발생한 자속이, 상기 복수의 요크 중 하나의 요크를 통하고, 상기 하나의 요크와 상기 자성체 핀의 일단(一端)과의 사이에 형성된 한쪽의 간극부를 통해 상기 자성체 핀을 통하고, 상기 자성체 핀의 타단(他端)과 상기 복수의 요크 중 별개의 요크와의 사이에 형성된 다른 쪽의 간극부를 통하고, 상기 별개의 요크를 통해, 상기 자석에 복귀하는 자기 회로를 형성함으로써, 상기 원기둥형의 소-미끄럼 축부의 축방향인 Z-방향으로의 이동과 상기 Z-방향의 주위의 회전방향으로의 이동을 방해하는 자력을 발생시키는 자력 발생 수단과,

상기 소-에어 베어링부에 대한 상기 소-미끄럼 축부의 상기 Z-방향의 변위를 검출하는 변위 검출 수단과,

상기 소-에어 베어링부의 상기 Z-방향으로의 이동을 안내하는 Z-스테이지와,

상기 측정물, 또는 상기 Z-스테이지를 상기 Z-방향과 각각 직교하고, 또한 서로 직교하는 XY-방향으로 이동시킴과 더불어, 상기 스타일러스가 상기 측정물의 형상에 따라 상기 Z-방향으로 이동할 때, 상기 Z-방향의 변위가 일정해지도록 상기 Z-스테이지를 구동하는 Z-스테이지 구동장치를 구비하고,

상기 핀과 상기 요크의 간극부 부근의 형상을, 상기 Z-방향으로는 두껍고 상기 회전 방향으로는 얇게 하고, 상기 핀보다 상기 요크를 두껍게 한,

삼차원 측정 프로브.
제1항에 있어서,

상기 자석이, 상기 하나의 요크에 연결된 하나의 자석과, 상기 별개의 요크에 연결된 별개의 자석으로 구성되고, 상기 하나의 자석과 상기 별개의 자석을 상기 복수의 요크 중 링형의 요크에 연결하고 있는,

삼차원 측정 프로브.
일단(一端)에 측정물의 표면에 접하는 스타일러스를 설치함과 더불어, 타단(他端)에 자성체 핀을 축방향과는 직교하는 방향을 따라 설치한 원기둥형의 소-미끄럼 축부와,

상기 소-미끄럼 축부와 끼워 맞춰지는 원기둥형의 구멍이 형성되어, 상기 소-미끄럼 축부와의 간극에 압축 공기의 막을 형성하는 공기 취출부를 가지는 소-에어 베어링부와,

상기 소-에어 베어링부의 단부에, 제1요크를 통해서 한 쌍의 자석을 배치하고, 각각의 자석에 제2요크를 연결하고, 이들 한 쌍의 제2요크가 상기 핀의 양단에 대해 각각 간극을 두고 대향하여 상기 핀과 비접촉으로 배치되고, 상기 한 쌍의 자석의 한쪽의 자석으로부터 발생한 자속이, 상기 한쪽의 자석에 연결된 제2요크를 통하고, 상기 제2요크와 상기 자성체 핀의 일단과의 사이에 형성된 한쪽의 간극부를 통해 상기 자성체 핀을 통하고, 상기 자성체 핀의 타단과 다른 쪽의 제2요크와의 사이에 형성된 다른 쪽의 간극부를 통하고, 다른 쪽의 제2요크를 통하고, 다른 쪽의 제2요크에 연결된 다른 쪽의 자석으로부터 발생된 자속을 더하여, 상기 제1요크를 통해서, 상기 한쪽의 자석에 복귀하는 자기 회로를 형성함으로써, 상기 원기둥형의 소-미끄럼 축부의 축방향인 Z-방향과, 상기 Z-방향의 주위의 회전방향으로의 이동을 방해하는 자력을 발생시키는 자력 발생 수단과,

상기 소-에어 베어링부에 대한 상기 소-미끄럼 축부의 상기 Z-방향의 변위를 검출하는 변위 검출 수단과,

상기 소-에어 베어링부의 상기 Z-방향으로의 이동을 안내하는 Z-스테이지와,

상기 측정물, 또는 상기 Z-스테이지를 상기 Z-방향과 각각 직교하고, 또한 서로 직교하는 XY-방향으로 이동시킴과 더불어, 상기 스타일러스가 상기 측정물의 형상에 따라 상기 Z-방향으로 이동할 때, 상기 Z-방향의 변위가 일정해지도록 상기 Z-스테이지를 구동하는 Z-스테이지 구동장치를 구비하고,

상기 핀과 상기 요크의 간극부 부근의 형상을, 상기 Z-방향으로는 두껍고 상기 회전 방향으로는 얇게 하고, 상기 핀보다 상기 요크를 두껍게 한,

삼차원 측정 프로브.
삭제
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 변위 검출 수단은,

상기 소-에어 베어링부와 일체로 고정되어서 레이저광을 발광하는 반도체 레이저와, 상기 소-미끄럼 축부에 배치되고 상기 반도체 레이저로부터의 상기 레이저광이 조사되어서 반사시키는 미러와, 상기 반도체 레이저로부터의 상기 레이저광을 상기 미러에 집광하는 렌즈와, 상기 미러로부터의 반사광을 수광하는 광검출기를 적어도 포함하는 광 프로브 변위 검출부에 의해 구성되고,

상기 반도체 레이저로부터의 상기 레이저광을 상기 미러에 조사하고, 상기 미러로부터의 반사광을 상기 광검출기에서 수광하고, 상기 광검출기의 출력 신호로부터 상기 Z-방향의 변위를 검출하는 구성으로 한,

삼차원 측정 프로브.
제5항에 있어서,

발진 주파수 안정화 레이저광을 상기 변위 검출 수단의 상기 미러에 조사하고, 상기 미러에서 반사한 반사광으로부터 상기 미러의 Z-좌표를 측정하는 Z-좌표 측정 수단을 더 구비하는,

삼차원 측정 프로브.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 소-에어 베어링부에 대한 상기 소-미끄럼 축부의 상기 Z-방향과 상기 Z-방향을 축으로 한 회전방향으로의 이동을 방해하는 자력을 초과한 힘이, 상기 소-미끄럼 축부의 상기 Z-방향, 또는 상기 Z-방향을 축으로 한 상기 회전방향에 가해졌을 때의 상기 소-미끄럼 축부의 과도한 이동을 멈추기 위한 비자성체의 스토퍼를 설치한,

삼차원 측정 프로브.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 Z-스테이지는 에어 베어링으로 구성된,

삼차원 측정 프로브.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 Z-스테이지 구동장치는, 상기 Z-스테이지에 연결된 코일과, 상기 코일에 전류를 흘려서 상기 Z-스테이지를 상기 Z-방향으로 구동하는 자기회로로 구성된,

삼차원 측정 프로브.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 Z-스테이지의 가동부를, 그 중량과 동일한 장력을 발생하는 나선상으로 감긴 박판으로 이루어지는 정하중 스프링으로 지지하는,

삼차원 측정 프로브.