KR101180509B1 - 3차원 형상 측정 장치용 프로브 및 3차원 형상 측정 장치 - Google Patents

Abstract

3차원 형상 측정 장치용 프로브(1)는 부착용 부재(2), 요동부(3), 연결기구(4), 암 부착부(120), 판스프링(9A, 9B), 부착용 부재(2)를 구비한다. 암 부착부(120)에는 스타일러스(121)가 하단에 배치된 암(122)이 늘어뜨려져서 부착되어 있다. 암 부착부(120)는 판스프링(9A, 9B)을 통해 요동부(3)에 유지되어 있다. 요동부(3)는 연결기구(4)에 의해 수평 방향으로 요동 가능하게 부착용 부재(2)에 연결되어 있다. 요동부(3)의 가동측 자석(51)과 부착용 부재(2)의 고정측 자석(52)과의 사이의 자기적 흡인력에 의해 암(122)이 연직 방향으로 연장되는 중립 위치에 요동부(3)를 복원시키는 복원력이 작용한다. 연직면 측정시의 측정력은 가동측 자석(51)과의 사이의 고정측 자석(52)의 자기적 흡인력에 의해 얻어진다. 수평면 측정시의 측정력은 판스프링(9A, 9B)이 연직 방향으로 휘는 것에 의해 얻어진다.

Description

3차원 형상 측정 장치용 프로브 및 3차원 형상 측정 장치{PROBE FOR THREE-DIMENSIONAL SHAPE MEASURING APPARATUS AND THREE-DIMENSIONAL SHAPE MEASURING APPARATUS}

본 발명은 3차원의 형상을 고정밀도 및 저측정력으로 주사(走査) 측정하는 3차원 형상 측정 장치용 프로브 및 이를 구비하는 3차원 형상 측정 장치에 관한 것이다.

측정물의 외측면, 내측면 및 구멍 지름 등을 측정할 수 있는 종래의 3차원 형상 측정 장치용 프로브(이하, "프로브"라고 함)로서 특허문헌 1에 개시(開示)된 것이 있다. 도 24 및 도 25는 특허문헌 1에 개시된 프로브의 구성을 나타낸다.

도 24 및 도 25의 프로브(301)는 3차원 형상 측정 장치(이하, "형상 측정 장치"라고 함)(401)에 부착되는 부착용 부재(302), 요동부(搖動部)(303) 및 연결기구(304)를 포함한다. 요동부(303)는 하단(下端)에 스타일러스(321)를 갖는 암(arm)(322)을 구비한다. 또한, 요동부(303)의 중심부에는 형상 측정 장치(401)가 발사하는 측정용 레이저광(411)을 받는 미러(323)가 고정되어 있다. 연결기구(304)에 의해, 고정된 부재인 부착용 부재(302)에 대해 요동부(303)가 요동 가능하게 연결되어 있다. 연결기구(304)는 부착용 부재(302)가 구비한 탑재대(341)와, 이 탑재대(341)에 형성된 원추 홈(341a)에 첨단(尖端)을 끼워 넣는 요동부(303) 측의 지렛목(支點) 부재(342)를 구비한다. 요동부(303)는 지렛목 부재(342)의 첨단과 원추 홈(341a)과의 접촉 부분을 요동 중심으로 해서 요동할 수 있다. 요동부(303)가 용동함으로써, 암(322)이 수평 방향(도면에서 X, Y 방향)으로 자유롭게 경사 가능하게 되어 있다.

요동부(303)의 상부에는 4개의 가동측 자석(351)이 동일 반경 위에 등간격으로 부착되어 있다. 또한, 부착용 부재(302)에는 4개의 고정측 자석(352)이 각각의 가동측 자석(351)의 연직 방향 하측에 위치해서 쌍을 이루도록 부착되어 있다. 가동측 자석(351)과 고정측 자석(352)은 개개의 쌍에 대해 서로 흡인력이 작용하는 방향으로 고정된다. 요동부(303)가 수평 방향으로 경사졌을 경우, 가동측 자석(351)과 고정측 자석(352)의 거리가 멀어지게 되고, 자석의 성질에 의하여 한 쌍의 자석이 서로 접근하는 방향으로 복원력이 작용된다. 그 결과, 요동부(303) 전체에 대해 경사를 되돌리는 방향으로 복원력이 작용된다. 마찬가지로, 요동부(303)가 지렛목 부재(342)의 첨단을 중심으로 연직축 주변을 회전하였을 경우, 가동측 자석(351)과 고정측 자석(352) 간의 자력에 의해, 요동부(303)에 대해 회전을 되돌리는 방향의 복원력이 작용된다. 이러한 자기(磁氣)적인 복원력에 의해, 비측정시의 요동부(303)는 암(322)의 연장 방향이 연직 방향에 일치하는 자세로 유지된다.

측정물(360)의 피측정면(361)의 형상 측정은 스타일러스(321)의 선단을 피측정면(361)에 대해 근소한 누르는 압력(측정력)으로 눌러서 실행된다. 이 측정력은 이하와 같이 해서 생기게 한다. 스타일러스(321)를 피측정면(361)에 접촉시킨 상태로 부착용 부재(302)를 측정물(360) 측으로 약간 이동시키면, 요동부(303)가 경사지게 된다. 요동부(303)가 경사지게 되면, 가동측 자석(351)과 고정측 자석(352)의 흡인력에 의해, 암(322)이 연직 방향으로 연장되는 초기 상태의 중립 위치로 요동부(303)를 복원시키는 복원력이 생긴다. 이 자기적인 복원력에 의해, 스타일러스(321)를 피측정면(361)에 대해 누르는 측정력이 생긴다.

일반적으로, 형상 측정 장치는 스타일러스(321)를 측정물(360)의 피측정면(361)에 접촉시켜서, 측정력이 거의 일정하게 되도록 제어하면서, 프로브(301)를 측정물(360)의 피측정면(361)을 따라 상대적으로 이동시켜서, 피측정면(361)의 표면 형상을 측정 및 연산한다. 도 24 및 도 25에 나타내는 프로브(301)를 구비하는 형상 측정 장치(401)의 경우, 프로브(301)를 피측정면(361)을 따라 이동시키면서 측정용 레이저광(411)을 요동부(303)에 고정된 미러(323)에 조사하고, 그 반사광으로부터 미러(323)의 근소한 경사, 즉, 스타일러스(321)의 위치 변화를 측정한다.

도 24 및 도 25에 나타내는 프로브(301)에 의해, 측정물(360)의 연직 방향 및 대략 연직 방향으로 연장되는 면(연직면)을 고정밀도로 측정할 수 있다. 그러나, 이 프로브(301)가 구비하는 스타일러스(321)를 포함하는 요동부(303)는 수평 방향으로는 요동 가능하지만, 연직 방향으로는 가능하지 않다. 전술한 바와 같이, 이 프로브(301)에서는 요동부(303)를 경사지게 함으로써 측정력이 생기게 하고 있다. 따라서, 도 24에 나타내는 측정물(360)의 정상면과 같이 측정물(360)의 수평 방향 또는 대략 수평 방향으로 연장되는 면(수평면)에 대해, 측정력을 작용시킨 상태로 스타일러스(321)를 접촉시킬 수 없다. 이와 같이, 도 24 및 도 25에 나타내는 프로브(301)에서는 측정물(360)의 수평면의 형상 측정을 불가능하다.

수평면과 연직면의 양쪽을 측정 가능한 프로브로서는 특허문헌 2에 개시된 것이 있다. 도 26은 특허문헌 2에 개시된 프로브의 구성을 나타낸다.

도 26에 나타내는 프로브(403)는 형상 측정 장치에 부착되는 부착부(402), 이 부착부(402)에 외주가 고정된 2개의 박판(423), 상단(上端) 측이 2개의 박판(423)의 중앙에 고정되어 하단에 스타일러스(421)를 구비하는 암(422), 암(422)의 상단면에 고정된 미러(423)를 포함한다. 암(422)은 박판(423)이 탄성적으로 휘는 것으로 수평 방향의 요동과 연직 방향의 이동의 양쪽 모두 가능하다. 따라서, 이 프로브(403)에서는 연직면과 수평면 중 어느 쪽에 대해서도, 측정력을 작용시킨 상태로 스타일러스(421)를 접촉시킬 수 있다. 형상 측정 장치로부터 조사(照射)되는 측정용 레이저광(411)의 반사광에서 미러(423)의 요동 각도와 이동량을 측정함으로써, 수평면 및 연직면 중 어느 쪽이라도 형상 측정이 가능하다.

고정밀도의 형상 측정을 위해서는 피측정면에 대해 스타일러스를 누르는 측정력을 작게 할 필요가 있다. 도 26에 나타내는 프로브(403)의 경우, 측정력을 작게 하기 위해서는 박판(423)의 두께를 얇게 하고, 암(422)의 요동 및 연직 방향의 이동에 대한 박판(423)의 강성을 작게 할 필요가 있다. 그러나, 박판(423)의 두께를 얇게 해서 강성을 낮게 하면, 연직면 측정시에 스타일러스(421)에 작용하는 측정력의 반력(反力)의 수평 성분으로 박판(423)이 수평 방향으로 변형한다. 이 박판(423)의 수평 방향의 변형에 따라 암(422)의 상단면에 고정된 미러(423)도 수평 방향으로 변위해서 측정 오차가 된다. 측정력을 작게 하기 위해 박판(423)을 얇게 하는 만큼, 박판(423)의 강성 부족에 기인하는 연직면 측정시의 미러(423)의 수평 방향으로의 변위도 커진다. 이와 같이, 도 26의 프로브(403)에서는 고정밀도의 형상 측정을 위해 누르는 압력을 작게 하는 것과, 연직면 측정시의 측정 오차를 방지하는 것을 양립시킬 수 없다.

WO 2007-135857 A JP 2008-292236 A

본 발명은 3차원 형상 측정 장치용 프로브 및 3차원 형상 측정 장치에 있어서, 연직면 및 수평면 중 어느 쪽에 대해서도 작은 측정력에 의한 측정을 가능하게 하는 것과 더불어, 연직면 측정시의 측정력의 반력의 수평 성분에 의한 프로브 자체의 변형을 저감하고, 고정밀도에서의 측정물의 형상 측정을 실현하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 3차원 형상 측정 장치용 프로브는, 3차원 형상 측정 장치에 부착되는 부착부와, 측정물의 피측정면에 접촉하는 스타일러스가 하단(下端)에 배치된 암(arm)이 늘어뜨려져서 부착되고, 또한 미러가 부착된 암 지지부와, 상기 암 지지부가 부착되어, 탄성 변형에 의해 상기 암 지지부를 연직 방향으로 미소(微小)하게 이동시키고, 연직 방향의 강성보다도 수평 방향의 강성이 큰 탄성부와, 상기 탄성부를 유지함과 더불어 상기 부착부에 연결 기구를 통해 연결된 요동부로서, 상기 연결기구는 상기 요동부에 설치된 지렛목(支點)부와, 상기 부착부에 설치되어 상기 지렛목부가 탑재되는 탑재부를 구비하고, 상기 지렛목부를 지렛목으로 하여 요동 가능하게 상기 요동부를 상기 부착부에 연결하는 것인, 요동부와, 상기 요동부에 설치된 가동측 부재와, 상기 부착부에 설치되어 상기 가동측 부재에 대해 연직 방향으로 간격을 두고 대향하는 고정측 부재를 구비하고, 상기 가동측 부재와 상기 고정측 부재는 자기적(磁氣的) 흡인력을 발생하도록 구성되며, 이 자기적 흡인력에 의해 상기 암이 연직 방향을 향하도록 상기 요동부를 바이어스(bias) 하는 바이어스 기구를 포함한다.

스타일러스를 구비하는 암이 부착된 암 지지부는 탄성부를 통해 요동부에 유지되어 있다. 요동부는 연결기구에 의해 부착부에 연결되어 있다. 요동부는 연결기구에 의해 요동 가능하고, 바이어스 기구에 의해 암이 연직 방향을 향하도록 자기적으로 바이어스 되어 있다. 측정물의 연직 방향 또는 대략 연직 방향으로 연장되는 면(연직면)의 측정시에는 요동부가 요동함으로써 암 지지부와 함께 암이 경사지게 되고, 바이어스 기구가 일으키는 자기적 흡인력이 요동부에 작용함으로써 스타일러스로부터 피측정면에 대해 측정력이 작용한다. 한편, 측정물의 수평 방향 또는 대략 수평 방향으로 연장되는 면(수평면)의 측정시에는 탄성부가 탄성 변형함으로써 암 지지부와 함께 암이 연직 방향으로 위쪽을 향해 이동하고, 탄성부가 일으키는 탄성적인 바이어스력이 암 지지부에 작용함으로써 스타일러스로부터 피측정면에 대해 측정력이 작용한다. 따라서, 본 발명의 3차원 형상 측정 장치용 프로브는 연직면과 수평면의 양쪽의 형상 측정이 가능하다.

연직면 측정시의 측정력은 연결부에 의해 부착부에 요동 가능하게 연결된 요동부가 바이어스 기구의 자기적 흡인력으로 바이어스됨으로써 생긴다. 따라서, 작은 측정력에 의해 연직면의 형상 측정이 가능하다.

수평면 측정시의 측정력은 탄성부가 탄성 변형함으로써 생기는 탄성적인 힘이 암 지지부를 바이어스 함으로써 생긴다. 탄성부의 연직 방향의 강성은 하단에 스타일러스가 배치된 암과 암 지지부의 중량을 지지할 수 있는 정도이면 좋다. 즉, 탄성부가 지지할 필요가 있는 중량이 가볍다. 이 때문에, 탄성부의 연직 방향의 강성을 작게 해서, 탄성부의 탄성 변형에 의해 생기는 바이어스력을 작게 할 수 있다. 따라서, 작은 측정력으로 수평면의 형상 측정이 가능하다.

이상과 같이, 본 발명의 3차원 형상 측정 장치용 프로브는 연직면 및 수평면 중 어느 것에 대해서도 작은 측정력에 의한 고정밀도의 측정이 가능하다.

탄성부는 연직 방향의 강성보다도 수평 방향의 강성이 크다. 수평 방향의 강성을 충분히 크게 설정함으로써, 연직면 측정시에 스타일러스에 작용하는 측정력의 반력의 수평 성분에 의한 탄성부의 수평 방향의 변형을 감소시키고, 측정물의 연직면의 형상을 고정밀도로 측정할 수 있다.

예를 들면, 상기 탄성부는 단일 판스프링으로 구성된다.

탄성부를 판스프링으로 구성함으로써, 연직 방향의 강성에 대해 수평 방향의 강성을 크게 설정할 수 있다.

바람직하게는 상기 탄성부는 상하 방향으로 간격을 두고 배치된 2개 이상의 판스프링을 포함한다.

탄성부를 2개 이상의 판스프링으로 구성함으로써, 연직 방향의 강성에 대해 수평 방향의 강성을 충분히 크게 설정할 수 있다.

특히, 상기 스타일러스, 상기 지렛목부 및 상기 미러는 동일 축 위에 배치되고, 상기 미러는 상기 스타일러스 및 상기 지렛목부보다도 상방에 배치되고, 상기 탄성부를 구성하는 상기 2개의 판스프링은 상기 지렛목부가 상기 탑재부에 탑재된 위치에 대해서, 한쪽은 하방에 배치되고 다른 쪽은 상방에 배치되는 것이 바람직하다.

연직면 측정시에 스타일러스에 작용하는 측정력의 반력의 수평 성분에 의해 탄성부를 구성하는 2개의 판스프링에 수평 방향의 근소한 변형이 생겼을 경우, 암 길이에 따라 2개의 판스프링의 변형에 의한 스타일러스의 회전 중심의 위치는 다르다. 그러나, 지렛목부를 상하로 끼우도록 2개의 판스프링을 배치함으로써, 2개의 판스프링의 변형에 의한 회전 중심이 지렛목부의 첨단 부근이 된다. 그 결과, 측정력의 반력의 수평 성분에 의한 2개의 판스프링의 변형에 기인하는 측정 오차를 감소시킬 수 있다. 특히, 탄성부를 구성하는 2개의 판스프링을, 지렛목부의 첨단을 거의 균등한 위치에서 상하로 끼우도록 배치하는 것이 바람직하다.

상기 판스프링은 상기 암 지지부가 부착되어 있는 중심부와, 이 중심부로부터 방사상으로 연장되며 선단이 상기 요동부에 고정되는 복수의 빔 형상부를 구비한다.

이 구성에 의해, 수평 방향의 복수의 방향의 탄성부의 강성을 크게 할 수 있다. 특히, 복수의 빔 형상부를 같은 각도의 간격으로 설치함으로써, 수평 방향의 모든 방향에 대해서 탄성부의 강성을 크게 설정할 수 있다. 예를 들면, 평면에서 보았을 때 십자 형상을 이루도록, 4개의 빔 형상부를 중심부로부터 방사상으로 설치한다.

혹은, 상기 판스프링은 상기 암 지지부가 부착되는 중심부와, 상기 요동부에 고정되는 외주부와, 각각 상기 중심부와 상기 외주부를 연결하는 비직선 형상의 연결부를 포함한다.

이 구성에 의해, 상기 암 지지부가 부착되는 중심부와, 이 중심부로부터 요동부까지의 경로를 길게 함으로써, 연직 방향의 강성을 더욱 작게 설정할 수 있다.

상기 판스프링에 부착되고, 또한 상기 판스프링의 진동 특성에 맞춘 형상을 갖는 점(粘)탄성체를 포함하여도 좋다.

측정면의 성상(性狀)이나 측정 장치 자체의 진동 등의 영향에 의해, 탄성부의 강성이 낮은 것에 기인한 진동이 발생해서 측정 오차가 생길 경우가 있다. 점탄성체를 판스프링에 부착함으로써, 측정 오차의 원인이 되는 진동을 억제할 수 있다.

상기 가동측 부재와 상기 고정측 부재는 양쪽 모두 영구자석으로 구성되어, 다른 극이 서로 대향하도록 배치된다.

대안으로서는 상기 가동측 부재와 상기 고정측 부재는 한쪽이 영구자석으로 구성되고, 다른 쪽이 자성체로 구성된다.

상기 연결기구의 상기 탑재부는 상부에 원추 홈을 구비하고, 상기 연결기구의 상기 지렛목부는 연직 방향으로 아래쪽을 향해 돌출하는 바늘 형상의 돌기로 구성되고, 상기 원추 홈의 최심부(最深部)와 상기 지렛목부의 첨단과의 접촉부를 요동 중심으로 하여 상기 요동부가 상기 부착부에 요동 가능하게 연결되어 있다.

상기 암 지지부는 중앙에 가로 방향으로 연장되는 관통구멍이 설치되고, 상기 연결기구의 상기 탑재부는 상기 관통구멍을 관통해서 연장된다.

상기 요동부는 상기 지렛목부에 대해 상기 스타일러스와 반대 측으로 연장되는 연신부(延伸部)와, 상기 연신부의 선단 측에 설치되어서 상기 가동측 부재를 유지하는 가동측 유지부를 구비하고, 상기 부착부는 통 형상의 본체와, 이 본체 내에 상기 가동측 유지부에 대해 상기 지렛목부 측에 설치되어서 상기 고정측 부재를 유지하는 고정측 유지부를 구비한다.

구체적으로, 상기 가동측 유지부는 링 형상으로 구성되어, 그 하면 측에 복수의 상기 가동측 부재를 서로 간격을 두고 유지하고, 상기 고정측 유지부는 개개의 상기 가동측 부재와 연직 방향으로 대향하는 위치에 각각 배치된 복수의 상기 고정측 부재를 유지한다.

본 발명의 3차원 형상 측정 장치는 측정용 레이저광을 반사하는 미러를 상기 암 지지부에 갖는 상기한 3차원 형상 측정 장치용 프로브와, 상기 측정용 레이저광을 발생하는 레이저광 발생부와, 상기 측정용 레이저광이 상기 미러로 반사된 반사광에 의거하여 측정물의 피측정면에서의 측정점의 위치 정보를 구하는 측정점 정보 결정부를 포함한다.

상기 측정점 정보 결정부는, 상기 요동부의 경사 각도를 상기 반사광으로부터 검출하는 경사 각도 검출부와, 상기 경사 각도 검출부로부터 얻은 각도 신호를 상기 부착부에 대한 상기 스타일러스의 변위량으로 변환하는 스타일러스 위치 연산부와, 상기 측정점의 상기 부착부에 대한 위치 좌표값을 상기 반사광으로부터 구하는 위치 좌표 측정부와, 상기 위치 좌표값에 상기 스타일러스의 변위량을 가산해서 상기 측정점의 위치 정보를 구하는 가산부를 포함한다.

상기 경사 각도 검출부는 상기 반사광을 수광하는 광검출기를 가지며, 상기 광검출기는 각각 독립해서 광전 변환을 실행하는 복수의 수광 영역으로 구획된 하나의 수광면을 가진다.

본 발명의 3차원 형상 측정 장치용 프로브 및 3차원 형상 측정 장치에 의하면, 연직면 및 수평면 중 어느 쪽에 대해서도 작은 측정력에 의한 측정이 가능하고, 또한 측정력의 반력의 수평 성분에 의한 탄성부의 수평 방향의 변형을 감소시킬 수 있으므로, 고정밀도로 측정물의 형상을 측정할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태에서의 3차원 형상 측정용 프로브의 사시도.
도 2는 도 1에서의 3차원 형상 측정용 프로브의 하면도.
도 3은 도 1에서의 3차원 형상 측정용 프로브를 B-B면에서 절단하였을 때의 사시도.
도 4는 도 1에서의 3차원 형상 측정용 프로브를 A-A면에서 절단하였을 때의 사시도.
도 5는 도 1에서의 3차원 형상 측정용 프로브의 평면도.
도 6은 고정측 유지 부재의 구성을 나타내는 도면.
도 7은 도 1에서의 3차원 형상 측정용 프로브를 C-C면에서 절단하였을 때의 사시도.
도 8은 장방형의 판스프링을 사용하였을 때의 3차원 형상 측정용 프로브를 C면에서 절단하였을 때의 사시도.
도 9는 대안의 3차원 형상 측정용 프로브의 사시도.
도 10은 도 9의 가로 단면도.
도 11은 도 9에서의 대안의 3차원 형상 측정용 프로브를 A-A면에서 절단하였을 때의 사시도.
도 12는 도 11에서의 대안의 3차원 형상 측정용 프로브를 B-B면에서 절단하였을 때의 사시도.
도 13은 도 1에 나타내는 프로브를 구비한 형상 측정 장치의 일례를 나타내는 도면.
도 14는 도 13에 나타내는 형상 측정 장치에 구비되는 측정점 정보 결정부의 구성을 나타내는 도면.
도 15는 도 13에 나타내는 측정점 정보 결정부에 구비되는 경사 각도 측정부의 평면도.
도 16은 상기 경사 각도 측정부에 대해 프로브로부터의 반사광이 조사되는 상태를 설명하기 위한 도.
도 17은 도 1에 나타내는 프로브로 피측정면의 측정을 실행할 때의 프로브의 경사 각도를 설명하기 위한 도면이며, 측정물을 평면도로 나타낸 도면.
도 18은 도 1에 나타내는 프로브로 피측정면의 측정을 실행할 때의 프로브의 경사 각도을 설명하기 위한 도면이며, 측정물을 측면도로 나타낸 도면.
도 19는 도 1에 나타내는 프로브의 판스프링이 1개일 때의 휨에 대한 모식도.
도 20은 도 1에 나타내는 프로브의 판스프링이 2개일 때의 휨에 대한 모식도.
도 21A는 2개의 판스프링이 모두 지렛목 부재의 첨단보다 상방에 위치하는 구성을 나타내는 모식도.
도 21B는 2개의 판스프링이 지렛목 부재의 첨단을 상하 방향으로 끼우도록 위치하는 구성을 나타내는 모식도.
도 22는 도 1에 나타내는 프로브로 측정 가능한 측정물의 일례의 사시도.
도 23은 도 22에 나타내는 측정물의 단면도.
도 24는 종래의 형상 측정 장치용 프로브의 일례의 사시도.
도 25는 도 24의 형상 측정 장치용 프로브를 대칭면에서 절단하였을 때의 사시도.
도 26은 종래의 형상 측정 장치용 프로브의 다른 예의 사시도.

이하, 본 발명의 실시형태에 있어서의 3차원 형상 측정 장치용 프로브(이하, "프로브"라고 함)와, 3차원 형상 측정 장치(이하, "형상 측정 장치"라고 함)에 대해서, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.

우선, 도 1에서 도 8을 참조해서 프로브(1)에 대해 설명한다. 도 1은 프로브(1)의 외관을 나타내는 사시도이다. 도 2는 도 1을 연직 하방으로부터 본 도면이다. 도 3은 도 1의 B-B면에서 프로브(1)를 절단하였을 때의 사시도이다. 도 4는 도 1의 A-A면에서 프로브(1)를 절단한 사시도이다. 도 5는 도 1을 연직 하방으로부터 본 도면이다. 도 6에서 도 8은 프로브(1)의 일부에 대한 상세를 나타내는 도면이다.

프로브(1)는 형상 측정 장치(201)에 구비되고, 측정 대상이 되는 측정물(60)의 피측정면(61a, 61b)에 접촉하는 부분을 가진다. 도 24 및 도 25에 나타내는 종래의 프로브(301)에서는 암(322)이 X, Y 방향에 불문하고 어느 수평 방향으로도 경사 가능하게 하는 구성을 갖지만, 연직 상하 방향으로 이동이 불가능한 것에 대하여, 본 실시형태의 프로브(1)는 암(122)이 연직 상하 방향으로도 이동 가능하게 하는 구성을 가진다.

프로브(1)는 부착용 부재(부착부)(2), 요동부(3) 및 연결기구(4)를 구비한다.

부착용 부재(2)는 형상 측정 장치(201)에 고정되거나, 또는 탈착 가능하게 부착되는 블록 부재이다. 부착용 부재(2)는 요동 부재(3)가 요동하는 것에 대해, 고정된 부재이며, 형상 측정 장치(201)로부터 조사되는 측정용 레이저광(211)을 통과 가능하게 함으로, 이 부착용 부재(2)를 관통하는 레이저광 개구(111)를 중앙부에 가진다. 부착용 부재(2)는 도 2에서 상부의 소경부(2a)와 그 하측의 대경부(2b)를 구비한다. 레이저광용 개구(111)는 소경부(2a)와 대경부(2b)를 관통하도록 설치되어 있다. 대경부(2b)의 최하단은 폐쇄판(5)에 의해 패쇄되어 있다. 패쇄판(5)에는 1개의 레이저용 관통구멍(5a)과 2개의 요동용 관통구멍(5b)이 형성되어 있다. 또한, 패쇄판(5)의 하면으로부터 아래쪽을 향해 돌출하는 한 쌍의 지지축(6)이 설치되어 있다. 지지부(6)의 하단 측에는 수평 방향으로 연장되는 각주(角柱)인 탑재대(41)가 나사(43)에 의해 고정되어 있다.

요동부(3)와 부착용 부재(2)는 연결기구(4)에 의해 연결되어 있다. 연결기구(4)는 후술하는 미러(123)에 조사되는 측정용 레이저광(211)의 광축(211a)에 대해 교차하는 어느 방향으로나 요동부(3)를 경사시켜 요동할 수 있도록, 요동부(3)를 부착용 부재(2)에 지지하는 기구이다. 또한, 본 실시형태에서 광축(211a)은 연직 방향인 Z축 방향에 일치한다.

본 실시형태에서, 연결기구(4)는 지지축(6)과 패쇄판(5)을 통해 부착용 부재(3)에 고정된 탑재대(41)와, 요동부(3)가 구비하는 지렛목 부재(42)에 의해 구성되어 있다. 탑재대(41)는 그 상면에 원추형의 홈(41a)이 형성되어 있으며, 연직 방향 아래쪽을 향해 돌출하는 바늘 형상의 돌기로 구성된 지렛목 부재(42)의 첨단이 이 홈(41a)에 끼워 넣어진다. 양자를 끼워 넣을 때에는 탑재대(41)의 원추 홈 최하점에 지렛목 부재(42)의 첨단 위치가 접촉하도록 구성된다. 이러한 구성으로 함으로써, 요동부(3)와 부착용 부재(2)는 지렛목 부재(42)와 원추 홈(41a)과의 접촉 부분을 요동 중심으로 해서, 요동 가능하게 연결된다. 또한, 요동부(3)는 지렛목 부재(42)가 탑재대(41)의 홈(41a)에 끼워 넣어져 연결되었을 경우, 암(122)이 연직 방향을 향하도록, 중심이 지렛목 부재(42)의 선단을 통과하는 연직축에 위치하도록 구성되는 것이 바람직하다.

요동부(3)는 암 부착부(암 지지부)(120)를 부착한 2개의 판스프링(탄성부)(9a, 9b)을 유지한다. 즉, 암 부착부(120)와 요동부(3) 사이에 판스프링(9A, 9B)이 개재되어 있다.

본 실시형태에서의 암 부착부(120)는 하(下)-빔부(120a), 이 하-빔부(120a)의 상방에 간격을 두고 배치된 상(上)-빔부(120b), 하-빔부(120a)와 상-빔부(120b)의 양단을 연결하는 한 쌍의 세로-빔부(120c)를 구비한다. 암 부착부(120)의 하-빔부(120a)의 하면에는 측정물(60)의 피측정면(61a, 61b)에 접촉하는 스타일러스(121)를 하단에 갖는 암(122)이 늘어뜨려져서 부착되어 있다. 또한, 암 부착부(120)의 상-빔부(120b)의 상면에는 부착용 부재(2)를 통과한 측정용 레이저광(211)을 반사하는 미러(123)가 부착되어 있다. 스타일러스(121), 지렛목 부재(42)의 첨단 및 미러(123)는 동일 축[암(122)의 축선] 위에 배치되어 있다. 측정용 레이저광(211)은 부착용 부재(2)의 레이저용 개구(111), 레이저용 관통구멍(5a)과, 후술하는 관통구멍(12a, 9c)을 통해서 미러(123)에 입사되고, 그 반사광은 반대의 경로를 따라간다. 뒤에 상술하는 바와 같이, 암 부착부(120)는 피측정면(61a, 61b)의 형상에 따른 스타일러스(121)의 변위에 대응해서, 부착용 부재(2)에 대해 요동 및 연직 방향으로 상하로 움직이는 부재이다.

암 부착부(120)의 중앙에는 하-빔부(120a), 상-빔부(120b) 및 세로-빔부(120c)로 둘러싸인 수평 방향의 관통구멍(124)이 형성되어 있다. 연결기구(4)의 탑재대(41)는 이 관통구멍(124)을 수평 방향으로 관통해서 연장되어 있다.

또한, 본 실시형태에서 스타일러스(121)는, 예를 들면, 약 0.03mm ～ 약 2mm의 직경을 갖는 구(球) 형상체이며, 암(122)은 일례로서, 굵기가 약 0.7mm이며, 암 부착부(120)의 하면으로부터 스타일러스(121)의 중심까지의 길이가 약 10mm인 막대 형상의 부재이다. 이들의 값은 피측정면(61)의 형상에 의해 적절하게 변경된다.

요동부(3)는 하(下)-부재(11), 상(上)-부재(12), 연신부(127) 및 가동측 유지부(128)를 구비한다.

요동부(3)의 하-부재(11)는 암 부착부(120)의 관통구멍(124)을 관통하고, 또한 암 부착부(120)에 대해 비접촉이 되도록 배치되어 있다. 또한 하-부재(11)는 마찬가지로 관통구멍(124)을 관통하고 있는 탑재대(41)의 상방에 간격을 두고 배치되어 있다. 상-부재(12)는 하-부재(11)의 상방에 간격을 두고 배치되어 있으며, 암 부착부(120)의 상-빔부(120b)에 대해 간격을 두고 상방에 위치하고 있다. 본 실시형태에서의 하-부재(11)와 상-부재(12)는 평면에서 보았을 때 십자 형상이다. 하-부재(11)의 하면에는 첨단이 연직 방향 아래쪽을 향하는 자세로 지렛목 부재(42)가 부착되어 있다. 관통구멍(124)을 관통해서 연장된 탑재대(41)의 원추 홈(341a)에 지렛목 부재(42)의 첨단이 끼워져 있다.

요동부(3)의 하-부재(11)와 상-부재(12) 사이에, 각각 수평 방향으로 연장되는 2개의 판스프링(9A, 9B)이 유지되어 있다. 도 1에서의 C면에서 절단한 사시도인 도 7을 함께 참조하면, 판스프링(9A, 9B)은 중심부(9a)와, 이 중심부(9a)로부터 평면에서 보았을 때 90도의 각도 간격으로 방사상으로 연장된 4개의 빔 형상부(9b)를 구비한다. 판스프링(9A, 9B)의 개개의 빔 형상부(9b)의 선단 간에는 스페이서(13A)가 개재되어 있다. 또한, 하측의 판스프링(9A)의 빔 형상부(9b)의 선단의 하면과 요동부(3)의 하-부재(11)와의 사이와, 상측의 판스프링(9B)의 빔 형상부(9b)의 선단의 상면과 요동부(3)의 상-부재(12)와의 사이에도, 각각 스페이서(13B)가 개재되어 있다. 4개의 나사(14)로 하-부재(11)가 상-부재(12)에 고정되어 있다. 판스프링(9A, 9B)은 빔 형상부(9b)의 선단이 스페이서(13A, 13B)를 통해 하-부재(11)와 상-부재(12)에 대해 나사(14)로 함께 죄어져 있다. 판스프링(9A, 9B)은 빔 형상부(9b)의 선단을 제외하고 하-부재(11)와 상-부재(12) 중 어느 쪽에도 접촉하지 않고, 또한 판스프링(2A, 2B)끼리도 서로 접촉하지 않는다. 즉, 판스프링(9A, 9B)은 빔 형상부(9b)의 선단을 제외하고, 소위, 플로팅 상태로 요동부(3)에 유지되어 있다.

하측의 판스프링(9A)은 암 부착부(120)의 관통구멍(124)을 관통하도록 배치되어 있지만, 상측의 판스프링(9B)은 암 부착부(120)의 상-빔부(120b) 상방에 위치하고 있다. 이들의 판스프링(9A, 9B)의 중심부(9a)에 암 부착부(120)가 고정되어 있다. 구체적으로는 암 부착부(120)의 상-빔부(120b)는 하면이 하측의 판스프링(9A)의 중심부(9a) 상면에 고정되고, 상면이 상측의 판스프링(9B)의 중심부(9a) 하면에 고정되어 있다. 판스프링(9A, 9B)이 탄성적으로 휘게 됨으로써, 암 부착부(120)는 요동부(3)에 대해 연직 방향으로 약간 이동할 수 있다. 요동부(3)의 상-부재(12)와 상측의 판스프링(9B)의 중심부(9a)에는, 암 부착부(120)의 상(上)-프레임부(120b)에 부착된 미러(123)에 측정용 레이저광(211)을 입사시키기 위한 관통구멍(12a, 9c)이 형성되어 있다.

판스프링(9A, 9B)은, 도 8에 나타낸 바와 같이, 수평 방향으로 연장되는 직사각형 형상이어도 좋다. 또한, 수평 방향으로 연장되는 단일 판스프링이어도 좋다. 또한, 직선, 곡선을 조합해서, 판스프링의 중심부(9a)로부터 외주의 고정부까지 경로를 길게 잡은 형상이어도 좋다. 또한, 3개 이상의 판스프링을 연직 방향으로 서로 간격을 두고 배치한 구성이어도 좋다. 또한, 판스프링을 대신하여, 수평 방향으로 연장되는 와이어를 채용하여도 좋다. 이와 같이, 요동부(3)와 암 부착부(120)와의 사이에 개재시키는 탄성부(본 실시형태에서는 판스프링(9A, 9B))는 탄성적으로 휘는 것에 의해 암 지지부를 연직 방향으로 약간 이동시키고, 또한 연직 방향의 강성보다도 수평 방향의 강성이 충분히 큰 것이라면, 여러 가지 형태를 채용할 수 있다.

상-부재(12)의 상면에는 연직 상방으로 연장되는 한 쌍의 연신부(127)가 설치되어 있다. 이들의 연신부(127)는 폐쇄판(5)의 요동용 관통구멍(5b)을 통해 부착용 부재(2) 내에 연장되어 있다. 요동용 관통구멍(5b)의 구멍 지름은 연신부(127)의 외경보다도 충분히 크게 설정되어 있으며, 요동부(3)가 경사져도 연신부(127)가 폐쇄판(5)에 접촉하지 않도록 되어 있다.

부착용 부재(2) 내에 위치하고 있는 연신부(127)의 상단에는, 본 실시형태에서는 링 형상의 부재인 가동측 유지부(128)가 설치되어 있다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 가동측 유지부(128)에는 가동측 부재의 일례인 가동측 자석(51)이 4곳에 동일 반경 상에 등간격으로 설치되어 있다. 한편, 부착용 부재(2)의 대경부(2)의 내부에는 고정측 부재의 일례인 고정측 자석(52)을 부착하는 고정측 유지부재(133)가 수용되어 있다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 고정측 유지부재(133)는 링 형상으로 구성된 링부(1331)와, 링부(1331)의 내주부에 설치된 4개의 돌출부(1332)를 구비한다. 돌출부(1332)는 고정측 자석(52)을 유지하는 것으로, 등간격 및 동심원 형상으로 설치된다. 또한, 돌출부(1332)는 가동측 유지부(128)에 대해 연직 방향 하측에 위치하고 있다.

요동부(3)의 가동측 유지부(128)에 유지된 개개의 가동측 자석(51)과 부착용 부재(2)의 고정측 유지부재(133)에 유지된 개개의 고정측 자석(52)은 연직 방향인 Z축 방향으로 간격을 두고 대향해서 쌍을 이루는 위치 관계로 배치되어 있다. 가동측 자석(51)과 고정측 자석(52)은 개개의 쌍에 대하여, 서로 흡인력이 작용하는 방향에 고정된다. 본 실시형태에서는 모든 자석(51, 52)의 위쪽이 N극, 아래쪽이 S극이 되도록 고정되어 있다. 또한, 이웃하는 가동측 자석(51) 및 고정측 자석(52)의 쌍의 사이에서, 자석의 방향을 다르게 하도록 하여도 좋다. 예를 들면, 하나의 가동측 자석(51) 및 고정측 자석(52)의 쌍으로서 위쪽을 N극, 아래쪽을 S극으로 한 경우, 그것에 인접하는 가동측 자석(51) 및 고정측 자석(52)의 쌍으로서 위쪽을 S극, 아래쪽을 N극으로 하여도 좋다.

고정측 유지부재(133)는 수평 방향으로 이동 가능하게 부착용 부재(2)의 대경부(2b) 내에 수용되어 있다. 구체적으로는 고정측 유지부재(133)는 상단면이 소경부(2a)의 하단면에 미끄럼 접속하는 한편, 하단면이 폐쇄판(5)의 상면에 미끄럼 접속한다. 부착용 부재(2)의 대경부(2b)에는 각각 Y축 방향 및 X축 방향으로 고정측 유지부재(133)를 바이어스 하는 2개의 누름 스프링(15)이 수용되어 있다(도 3에 Y 방향의 누름 스프링(15)만을 나타낸다). 또한, 부착용 부재(2)의 대경부(2b)에는 누름 스프링(15)과 대향하는 2개의 마이크로미터(16)가 부착되어 있다. 이들의 마이크로미터(16)의 스핀들의 선단에는 고정측 유지부재(133)의 외주가 누름 스프링(15)에 의해 탄성적으로 눌러져 있다. 마이크로미터(16)의 스핀들을 진퇴시킴으로써, 부착용 부재(2)의 대경부(2b) 내에서 고정측 유지부재(133)의 수평 방향(X, Y 방향)의 위치를 미세 조정할 수 있다.

이상과 같이 구성된 본 실시형태의 프로브(1)는 이하와 같이 동작한다.

요동부(3)가 구비하는 가동측 자석(51)과 부착용 부재(2)가 구비하는 고정측 자석(52)의 흡인력에 의해, 요동부(3)에는 연직 방향 아래쪽을 향해 자기적인 바이어스가 이루어진다. 그 때문에, 요동부(3)가 구비하는 연직 방향 아래쪽을 향한 지렛목 부재(42)의 첨단은 탑재대(41)의 원추 홈(41a)을 중심으로 접한 상태를 유지하고, 부착용 부재(2)에 대해 요동부(3)의 위치가 어긋나는 것 등이 방지된다.

요동부(3)가 지렛목 부재(42)의 첨단을 중심으로 수평 방향으로 경사진 경우, 가동측 자석(51)과 고정측 자석(52)의 거리가 멀어지게 되고, 자석의 성질에 의해, 한 쌍의 자석(51, 52)을 서로 가깝게 하는 방향으로 복원력이 작용한다. 그 결과, 요동부(3) 전체에 대해 경사를 되돌리는 방향(암(122)이 연직 방향으로 연장되는 중립 위치가 되는 방향)의 자기적인 복원력이 작용한다. 마찬가지로, 요동부(3)가 지렛목 부재(42)의 첨단을 중심으로 연직축 주변을 회전하였을 경우, 가동측 자석(51)과 고정측 자석(52) 사이의 자력에 의해, 요동부(3)에 대해 회전을 되돌리는 방향의 자기적인 복원력이 작용한다. 이들의 자기적인 복원력에 의해, 비측정시의 요동부(3)는 암(122)의 연장 방향이 연직 방향과 일치하는 자세로 유지된다.

수평 방향으로 연장되는 판스프링(9A, 9B)을 통해 요동부(3)에 부착된 암 부착부(120)는 판스프링(9A, 9B)이 탄성 변형함으로써, 연직 방향으로 약간 이동 가능하다. 비측정시에는 암 부착부(120), 암(122) 및 스타일러스(121)의 중량에 의해, 판스프링(9A, 9B)은 중력 방향으로 휜 상태로 있으며, 이 휜 상태로 있는 판스프링(9A, 9B)으로부터, 암 부착부(120)를 통해 암(122)이 연직 방향 아래쪽을 향해 연장되어 있다.

측정물의 연직 방향 및 대략 연직 방향에 연장되는 면(연직면: 도 1의 측정물(60)의 경우, 피측정면(61a))의 형상을 측정할 때에는 스타일러스(121)를 피측정면에 누르는 측정력이 아래와 같이 하여 얻어진다. 스타일러스(121)를 피측정면(61a)에 접촉시킨 상태로 부착용 부재(2)를 측정물(60) 측으로 수평 방향으로 약간 이동시키면, 지렛목 부재(42)의 첨단을 중심으로 해서 요동부(3)가 기울어짐으로써, 암(122)이 수평 방향으로 경사지게 된다. 요동부(3)가 경사지게 되면, 요동부3)에 설치된 가동측 자석(51)과 부착용 부재(2)에 설치된 고정측 자석(52)과의 사이의 자기적 흡인력에 의해, 암(122)이 연직 방향으로 연장되는 것과 같은 초기 상태의 중립 위치에 요동부(3)를 복원시키는 복원력이 생긴다. 이 자기적인 복원력에 의해, 스타일러스(121)는 피측정면(61)에 대해 소정의 측정력으로 눌러지게 된다.

이와 같이, 연직면 측정시의 측정력은 연결기구(4)에 의해 부착용 부재(2)에 요동 가능하게 연결된 요동부(3)가 가동측 및 고정측 자석(51, 52)의 자기적 흡인력으로 바이어스 됨으로써 생긴다. 따라서, 본 실시형태의 프로브(1)는 작은 측정력에 의해 연직면의 형상 측정이 가능하다. 또한, 연직면 측정시의 측정력은 가동측 자석(51)과 고정측 자석(52)의 자력 및 양자의 간격에 의해 조정할 수 있다. 예를 들면, 가동측 자석(51)과 고정측 자석(52)의 자력은 0.3mN으로 설정된다. 본 실시형태에서는 스타일러스(121)의 선단을 0.3mN으로 눌렀을 때에, 선단의 변위가 10μm가 되도록, 가동측 자석(51)과 고정측 자석(52)의 자력과 거리를 설정하고 있다.

측정물의 수평 방향 또는 대략 수평 방향으로 연장되는 면(수평면: 도 1의 측정물(60)의 경우, 피측정면(61b))의 형상을 측정할 때에는 스타일러스(121)를 피측정면에 누르는 측정력은 아래와 같이 해서 얻어진다. 전술한 바와 같이, 피측정시에는 암 부착부(120)를 부착한 판스프링(9A, 9B)은 암 부착부(120)의 중량에 의해 연직 방향 아래쪽을 향해 휘어져 있다. 스타일러스(121)를 피측정면(61a)에 접촉시킨 상태로 부착용 부재(2)를 측정물(60) 측에 연직 방향으로 약간 이동시키면, 판스프링(9A, 9B)의 휘는 양이 작아진다. 이 판스프링(9A, 9B)의 휘는 양의 변화분에 판스프링(9A, 9B)의 연직 방향의 스프링 정수를 곱한 측정력으로, 스타일러스(121)가 피측정면(61b)에 눌러진다.

이와 같이, 수평면 측정시의 측정력은 판스프링(9A, 9B)이 휘는 것에 의해 생기는 탄성적인 힘이 암 부착부(120)를 바이어스 함으로써 생긴다. 판스프링(9A, 9B)의 연직 방향의 강성은 판스프링(9A, 9B)이 지지하는 암 부착부(120), 암(122) 및 스타일러스(121)의 중량을 지지할 수 있는 정도이라면 좋다. 즉, 판스프링(9A, 9B)이 지지할 필요가 있는 중량이 가볍다. 그 때문에, 판스프링(9A, 9B)의 연직 방향의 강성을 작게 해서, 판스프링(9A, 9B)의 탄성 변형에 의해 생기는 바이어스력을 작게 할 수 있다. 따라서, 본 실시형태의 프로브(1)는 작은 측정력으로 수평면의 형상 측정이 가능하다.

이상과 같이, 본 실시형태의 프로브(1)는 연직면 및 수평면 중 어느 쪽에 대해서도 작은 측정력에 의해 고정밀도의 측정이 가능하다.

수평 방향으로 연장되는 판스프링(9A, 9B)은 연직 방향의 강성보다도 수평 방향의 강성이 충분히 크다. 따라서, 연직면 측정시에 스타일러스(121)에 작용하는 측정력의 반력의 수평 성분에 의한 판스프링(9A, 9B)의 수평 방향의 변형 및 그에 따른 미러(123)의 수평 방향의 변위를 실질적으로 없앨 수 있다. 이와 같이, 본 실시형태의 프로브(1)는 측정력의 반력의 수평 성분에 의한 미러(123)의 변위를 실질적으로 없앰으로써, 측정물(60)의 연직면의 형상을 고정밀도로 측정할 수 있다.

도 9에서 도 12는 프로브(1)의 대안을 나타낸다. 도 9의 대안의 프로브(1)의 외관을 나타내는 사시도이고, 도 10은 그 가로 단면도이다. 도 11은 대안의 프로브(1)의 하측 부분(도 9의 A-A면보다도 하측 부분)을 나타낸다. 도 12는 도 11의 B-B면으로 절단한 상태를 나타낸다. 대안의 프로브 구조 중 도 9에서 도 12에 도시되지 않은 부분은 도 1에서 도 7에 나타내는 프로브(1)와 같다. 도 9 내지 도 12에서 도 1 내지 도 7과 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙인다. 도 10 및 도 11에서는 점(粘)탄성체(330A, 330B)의 도시는 생략하고 있다.

2개의 판스프링(309A, 309B)은 다수의 블랭킹(blanking)이 형성된 얇은 두께의 원판 형상이다. 구체적으로는 개개의 판스프링(309A, 309B)은 대략 원판 형상의 중심부(309a), 이 중심부(309a)의 주위를 간격을 두고 둘러싸는 원환대(圓環帶) 형상의 외주부(309b), 중심부(309a)와 외주부(309b)를 연결하는 연결부(309c)에 의해 연결되어 있다. 도 9 내지 도 12에서의 연결부(309c)는 중심부(309a)와 외주부(309b)의 사이에 배치된 원환대 형상부(309d), 원환대 형상부(309d)와 중심부(309a)를 접속하는 가교부(309e), 원환대 형상부(309d)와 외주부(309d)를 접속하는 가교부(309f)를 구비한다. 가교부(309e)의 쌍이 평면에서 보았을 때 90도 간격으로 배치되어 있다. 또한, 가교부(309f)도 평면에서 보았을 때 90도 간격으로 배치되어 있다. 따라서, 도 9 내지 도 12에서의 연결부(309c)는 평면에서 보았을 때 대략 십자 형상과 원판 형상을 조합한 형상을 가진다. 다만, 연결부(309c)의 구체적인 구성은 도 9 내지 도 12의 것에 한정되지 않고, 중심부(309a)와 외주부(309b)를 비직선 형상으로 함으로써 경로 길이를 길게 설정한 복수의 경로로 연결하는 것이라면 좋다.

도 9 내지 도 12의 프로브(1)가 구비하는 암 부착부(320)는 하측 판부(320a), 이 하측 판부(320a)의 상방에 간격을 두고 배치된 상측 판부(320b), 하측 판부(320a)와 상측 판부(320b)의 양단을 연결하는 한 쌍의 세로 로드(320c)를 구비한다. 하측 판부(320a), 상측 판부(320b) 및 세로 로드(320c)는 도 1에서 도 7의 프로브(1)의 암 부착부(120)에서의 하-빔부(120a), 상-빔부(120b) 및 세로-빔부(120c)에 각각 상응한다. 하측 판부(320a)의 하면에는 스타일러스(121)를 하단에 갖는 암(122)이 늘어뜨려져서 부착되어 있다. 상측 판부(320b)의 상면에는 미러(123)가 부착되어 있다. 스타일러스(121), 지렛목 부재(42)의 첨단 및 미러(123)는 동일 축(암(122)의 축선) 위에 배치되어 있다.

서로 평행하게 배치된 판스프링(309A, 309B)이 암 부착부(320)와 요동부(3) 사이에 개재하는 점에서는 도 9 내지 도 12의 프로브(1)는 도 1 내지 도 7과 마찬가지다. 그러나, 도 9 내지 도 12의 프로브(1)는 요동부(3)가 구비하는 지렛목 부재(42)에 대한 2개의 판스프링의 상하 방향의 배치가 도 1 내지 도 7의 프로브(1)와는 다르다. 구체적으로는 도 1 내지 도 7의 프로브(1)에서는 2개의 판스프링(9A, 9B)은 모두 요동부(3)가 구비하는 지렛목 부재(42)에 대해 상방에 위치하고 있다. 이에 반해, 도 9 내지 도 12의 프로브(1)에서는 한쪽의 판스프링(309A)은 지렛목 부재(42)보다도 하방에 위치하고, 다른 쪽의 판스프링(309B)은 지렛목 부재(42)보다도 상방에 위치하고 있다.

암 부착부(320)의 상측 판부(320b)의 상면에 판스프링(309b)의 중심부(309a)가 고정되어 있다. 한편, 암 부착부(320)의 하측 판부(320a)의 하면에 판스프링(309A)의 중심부(309a)가 고정되어 있다. 이 예에서는 판스프링(309A, 309B)은 원환대 형상의 스프링 누름 부재(325A, 325B)를 나사(326)로 고정함으로써 암 부착부(320)에 고정되어 있다. 다만, 필요한 부착 강도가 확보할 수 있는 한, 판스프링(309A, 309B)을 암 부착부(320)에 고정하는 형태는 특별히 한정되지 않는다. 상측의 판스프링(309B)은 요동부(3)의 하-부재(11)에 고정되고, 하측의 판스프링(309A)은 상측의 판스프링(309B)에 고정되어 있다. 구체적으로는 평면에서 보았을 때 암(122)을 사이에 두고 대향하는 2곳에서, 상측의 판스프링(309B)의 외주부(309b)의 하면과 하-부재(11)의 상면과의 사이에 짧은 원통 형상의 스페이서(313A)가 개재하고, 하-부재(11)의 하면과 하측의 판스프링(309A)의 상면과의 사이에 긴 원통 형상의 스페이서(313B)가 개재하고 있다. 그리고, 2개의 판스프링(309A, 309B), 하-부재(11) 및 2개의 스페이서(313A, 313B)가 나사(327)에 의해 함께 죄어져 있다. 또한, 평면에서 보았을 때 암(122)을 사이에 두고 대향하는 다른 2곳에서는 상측의 판스프링(309B)의 하면과 하측의 판스프링(309A)의 상면과의 사이에 긴 원통 형상의 스페이서(313C)가 개재하고 있다. 스페이서(313C)는 스페이서(313A, 313B)의 길이와 하-부재(11)의 두께의 합에 상당하는 길이를 가진다. 그리고, 2개의 판스프링(309A, 309B)과 스페이서(313C)는 나사(328)에 의해 함께 죄어져 있다.

도 9 내지 도 12에 나타내는 대안의 프로브(1)에는 다음과 같은 특징이 있다. 우선, 판스프링(309A)의 중심부(309a)가 하측 판부(320a)에 고정되고, 판스프링(309B)의 중심부(309a)가 상측 판부(320b)에 고정되어 있다. 이러한 판스프링(309A, 309B)의 암 부착부(12)에 대한 부착 구조에 의해, 프로브(1) 전체로서의 수평 방향의 강성을 크게 할 수 있으며, 더욱 고정밀도의 측정이 가능해진다. 또한, 개개의 판스프링(309A, 309B)의 중심부(309a)와 외주부(309b)를 연결하는 연결부(309c)를 비직선 형상으로 함으로써, 판스프링(309A, 309B)의 중심부(309a)로부터 요동부(3)까지의 경로를 길게 설정할 수 있으며, 그 결과 판스프링(309A, 309B)의 강성을 더욱 작게 설정할 수 있다. 또한, 2개의 판스프링(309A, 309B)을 지렛목 부재(42)를 상하에 끼우도록 배치함으로써, 측정력의 반력의 수평 성분에 의한 2개의 판스프링의 변형에 기인하는 측정 오차를 감소시킬 수 있다. 이 점에 대해서는 뒤에서 상세하게 말한다.

도 9 내지 도 12에 나타내는 대안의 프로브(1)에서는 판스프링(309A, 309B)에 점탄성체(330B, 330A)를 부착하고 있다(특히, 도 9 참조). 점탄성체(330A, 330B)는 각종 고무, 스펀지, 진동 제어재 등의 진동 감쇠성을 갖는 재료로 이루어진다. 이 대안에서는 점탄성체(330A, 330B)는 판스프링(309A, 309B)과 동등한 형상을 갖는 판 형상이며, 양면 테이프에 의해 판스프링(308A, 308B)의 한쪽 면에 고정되어 있다. 접착 등의 다른 고정 방법도 채용할 수 있다. 또한, 판스프링(308A, 308B)에 적절한 재료를 코팅함으로써 점탄성체(330A, 330B)를 형성하여도 좋다. 도 9를 참조하면, 점탄성체(330A)는 하측의 판스프링(309A)의 하면에 나사(43) 등과의 다른 요소와의 간섭이 생기게 하지 않는 영역 전체에 배치되어 있다. 한편, 점탄성체(330B)는 상측의 판스프링(309B)의 상면에 다른 요소와의 간섭이 생기게 하지 않는 영역 전체에 배치되어 있다. 판스프링(309A, 309B)의 연직 방향의 강성을 작게 함으로써, 장치 자체의 진동의 전파나 측정물의 면 성상(性狀)의 영향에 의한 진동이 판스프링(309A, 309B)에 발생할 우려가 있다. 이 판스프링(309A, 309B)의 진동에 스타일러스(121)에 의도하지 않는 변위가 생겨서 측정 정밀도의 저하의 원인이 된다. 그러나, 판스프링(309A, 309B)에 점탄성체(330A, 330B)를 고정해 둠으로써, 판스프링(309A, 309B)의 진동을 흡수해서 신속히 감쇠시키고, 진동에 기인하는 스타일러스(121)의 의도하지 않는 변위를 방지하고, 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다. 점탄성체의 고정 위치는 도 9에 한정되지 않으며, 판스프링의 진동 특성에 따른 적절한 위치에 부착하면, 진동 흡수의 효과를 얻을 수 있다.

다음으로, 본 실시형태의 프로브(1)를 구비한 형상 측정 장치에 대해 설명한다.

일반적으로, 형상 측정 장치는 프로브를 측정물(60)에 접촉시키고, 스타일러스를 피측정면(61a, 61b)에 누르는 측정력이 거의 일정하게 되도록 상기 프로브의 이동을 제어하면서, 피측정면(61a, 61b)을 따라 이동시키고, 레이저 측장기(測長器)와 기준 평면 미러를 이용해서 프로브와 기준면과의 위치 관계에 의거하여, 피측정면(61a, 61b)의 표면 형상을 측정, 연산하는 것이다.

이와 같은 형상 측정 장치의 일례로서, 도 13에 나타내는 바와 같이, 측정물(60)을 정반(定盤) 위에 고정하고, 프로브를 X축, Y축 및 Z축의 모든 방향으로 이동시키는 타입이 있다.

도 13에 나타내는 형상 측정 장치(201)는 석정반(292) 위에 설치된 X축 및 Y축 방향으로 움직일 수 있는 X-스테이지(2951) 및 Y-스테이지(2952)를 갖는 스테이지(295)를 구비한다. 이 스테이지(295)에 Z-테이블(293), He-Ne 레이저(레이저광 발생부)(210) 및 측정점 정보 결정부(220)를 탑재하고 있다. 따라서, 스테이지(295)는 Z-테이블(293), He-Ne 레이저(210) 및 측정점 정보 결정부(220)를 X축 및 Y축 방향으로 이동시킬 수 있다.

측정점 정보 결정부(220)에 대하여, 도 13 및 도 14를 참조해서 상세하게 설명한다. 도 14에 나타내는 바와 같이, 측정점 정보 결정부(220)는 측정면(61a, 61b)의 위치 정보를 얻기 위한 광학계(221)와, 미러 위치 경사 검출부(226)와, 스타일러스 위치 연산부(223)와, 위치 좌표 측정부(224)와, 연산부(225)를 가진다. 이들 중, 미러 위치 경사 검출부(226)와 광학계(221)의 일부를 구성하는 다이크로익 미러(2211a)는 프로브(1)와 함께, Z-테이블(293)의 가동측에 부착되어 있다. 이러한 미러 위치 경사 검출부(226), 스타일러스 위치 연산부(223), 위치 좌표 측정부(224) 및 가산부(225)는 전술한 레이저 측장기에 상당하는 부분이며, 광학계(221)에 접속되어 실제로 위치 정보를 구하기 위한 구성 부분이다.

He-Ne 레이저(21O)가 발생한 측정용 레이저광(211)은 측정물(60)의 측정면(61a, 61b)(도 1 참조)의 3차원 좌표 위치를 구하기 위해, 광학계(221)에서 4개로 분광된다. 제1광학계(221a)는 스테이지(295)의 X축 방향 및 Y축 방향에서의 이동량, 즉, 피측정면(61a, 61b)의 X축 방향 및 Y축 방향에서의 좌표값을 검출하기 위해, 도시를 생략하고 있지만, X축 방향에 직교하는 경면(鏡面)으로 이루어지는 기준면을 갖는 X축 기준판, Y축 방향에 직교하는 경면으로 이루어지는 기준면을 갖는 Y축 기준판을 가진다. 또한, 제1광학계(211a)에는 Z축 방향에 직교하는 경면으로 이루어지는 Z 기준판(229)도 설치되어 있다. 각 기준판의 기준면은 평탄도가 0.01 미크론 오더로 구성되어 있다.

피측정면(61a, 61b)의 형상 측정 방법에서는 예를 들면, 일본국 특허공개 평10-170243호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, X축, Y축, Z축의 각 기준면에 레이저광을 조사하고, 조사하는 레이저광과 각 기준면에서 반사된 레이저광과의 간섭 신호를 계수함으로써, 반사된 레이저광의 위상의 변화를 검출하는 공지의 레이저 측장 방법을 사용한다. 더욱 구체적으로는 이 레이저 측장 방법에서는 예를 들면, 일본국 특허공개 평4-1503호 공보에 개시되어 있는 바와 같이, 각 기준면에 조사되는 레이저광을 프리즘 등의 분기 부재로 참조광과 측정광에 나누고, 또한 참조광과 측정광과의 위상을 90도 어긋나게 한다. 그리고, 측정광을 기준면에 조사해서 반사시켜서, 돌아온 반사광과 측정광의 위상의 어긋남에 의한 간섭광을 전기적으로 검출하고, 얻어진 간섭 무늬(干涉縞) 신호로부터 작성하는 리사쥬 도형(Lissajous Figure)에 의거하여 기준점과 상기 기준면과의 거리가 측정된다.

위치 좌표 측정부(224)는 이러한 측장 방법을 실행하는 부분이고, 피측정면(61a, 61b)에서의 측정점의 X 좌표값, Y 좌표값, 및 Z 좌표값의 측장을 실행하는 검출부(224a～224c)를 가진다. 본 실시형태에서는 도 13에 나타내는 바와 같이, 석정반(292) 위에 탑재된 측정물(60)에 대해 스테이지(295)가 이동하기 때문에, 상술의 측정점에 있어서의 X 좌표값, Y 좌표값, Z 좌표값은 Z-테이블(293)에 부착되어 있는 프로브(1)의 부착용 부재(2)의 절대 위치 좌표값이라고 바꾸어 말할 수 있다.

본 실시형태에서는 검출부(224c)는 프로브(1)의 스타일러스(121)의 Z 좌표값의 측장을 실행하는 부분이고, 스타일러스 위치 측정기로서 기능한다. 이하, 이 점에 대해서 상세하게 설명한다. 도 14에 나타내는 바와 같이, Z-테이블(293)의 하단에 부착되어 있는 프로브(1)의 암 부착부(120)에 부착되어 있는 미러(123)의 중심점으로, 측정용 레이저광(211)의 일부가 포커스 렌즈(17)를 통해 조사된다. 조사된 레이저광(211)은 미러(123)에서 반사되고, 이 반사광(211b)은 광분리부(2211)에 구비되는 다이크로익 미러(2211a)에서 반사되지 않고 투과해서, 하프 미러(2211b)에서 반사하고, 검출부(224c)에 조사되어, 스타일러스(121)의 Z 좌표값의 측장을 실행할 수 있다.

위치 검출부(224a～224c)의 검출 결과에 의거하는 위치 좌표 측정부(224)의 연산 결과(본 실시형태에서는 부착용 부재(2)의 X축 및 Y축 좌표값과 스타일러스(121)의 Z축 좌표값)와, 미러 위치 경사 검출부(226)의 검출 결과에 의거하는 스타일러스 위치 연산부(223)의 연산 결과를 가산부(225)로 가산함으로써 피측정면(61)의 형상이 연산된다. 미러 위치 경사 검출부(226)는 요동부(3)의 경사에 따른 스타일러스(121)의 변위(X축 및 Y축 방향)와 암 부착부(120)의 연직 방향의 변위에 따른 스타일러스(121)의 변위(Z축 방향)를 검출한다.

이하, 미러 위치 경사 검출부(226) 및 스타일러스 위치 연산부(223)에 대해 설명한다. 미러 위치 경사 검출부(226)는 미러(123)에 조사하는 반도체 레이저(227), 경사 각도 검출부(222), 상하 위치 검출부(228)를 구비한다. He-Ne 레이저(210)와 다른 파장의 반도체 레이저(레이저광 발생부)(227)의 레이저광(229)은 다이크로익 미러(2211a)를 통해 미러(123)에 조사된다. 레이저광(229)의 미러(123)에 의한 반사된 반사광(229b)은 다이크로익 미러(2211a)에서 반사된 후, 경사 각도 검출부(222)와 상하 위치 검출부(228)에 입사한다.

경사 각도 검출부(222)는 반사광(229b)을 수광하여 전기 신호로 변환하는 경사 검출 수광면(2221)을 갖는 광검출기로 구성되고, 경사 검출 수광면(2221)은 각각 독립해서 광전(光電) 변환을 하는 복수의 수광 영역으로 구획되어 있다. 본 실시형태에서는 도 15에 나타내는 바와 같이, 경사 검출 수광면(2221)을 격자 모양, 즉 십자 모양으로 4개의 수광 영역(222a～222d)으로 구획하고 있다. 또한, 수광 영역의 수 및 형상은 도시한 형태에 한정되는 것이 아니라, 측정 정밀도 등과의 관계에 따라 적절하게 설정할 수 있다.

비측정시에는 프로브(1)의 암(122)은 연직 방향을 따라 배치되어 있다. 따라서, 비측정시에는 반사광(229b)은 연직 방향을 따라 미러(123)에 조사되는 반도체 레이저광(227)의 레이저광(229)의 광축에 평행하게 전진하고, 다이크로익 미러(2211a)에서 반사해서 경사 각도 검출부(222)의 경사 검출 수광면(2221)의 중앙부에 조사된다. 이 경우의 경사 검출 수광면(2221)에서의 반사광(226b)의 조사 영역을 도 16에 점선으로 나타내고 비측정시 조사 영역(2222)으로 한다.

한편, 프로브(1)의 설명에서 말한 바와 같이, 연직면인 피측정면(61a)의 측정은 거의 일정한 측정력으로 스타일러스(121)를 피측정면(61a)으로 눌러서 실행되기 때문에, 상술한 바와 같이, 프로브(1)의 요동부(3)는 부착용 부재(2)에 대해 경사지게 된다. 요동부(3)가 경사져 있으면, 반사광(229b)은 레이저광(229)의 광축과 교차해서 미러(2211a)로 전진하고, 경사 각도 검출부(222)의 경사 검출 수광면(2221)에서는 중앙부로부터 벗어난 기준 조사 영역(2223)에 조사된다. 또한, 상술한 바와 같이 측정시에, 요동부(3)는 지렛목 부재(42)의 첨단을 지렛목으로 해서, 특정 방향에 한정되지 않고 어느 방향으로도 요동 가능하다. 따라서, 측정 대상으로 되는 것과 같이, 예를 들면, 나노(nano) 오더에서의 미세한 요철이 피측정면(61a)에 전혀 존재하지 않다고 하면, 기준 조사 영역(2223)은 도 16에 나타내는 바와 같이, 경사 검출 수광면(2221)의 중심점(2221a)을 중심으로 하여 일정 반경을 갖는 원의 원주(2224)를 따라 위치하게 된다.

경사 검출 수광면(2221)으로의 반사광(229b)의 조사에 따라 경사 각도 검출부(222)는 전기 신호를 생성하지만, 경사 검출 수광면(2221)이 4개의 수광 영역(222a～222d)으로 구획되어 있기 때문에, 반사광(229b)의 조사 장소로부터 요동부(3)의 경사 각도를 검출할 수 있다. 즉, 수광 영역 222a를 "A", 수광 영역 222b를 "B", 수광 영역 222c를 "C", 수광 영역 222d를 "D"로 하면, 각 수광 영역(222a～222d)으로부터 얻어지는 전기 신호에 대해, (A＋B)－(C＋D)를 실행함으로써 X축 방향에서의 요동부(3)의 경사 각도를 구할 수 있으며, (A＋D)－(B＋C)를 실행함으로써 Y축 방향에서의 경사 각도를 구할 수 있다. 이와 같이, 경사 각도 검출부(222)는 각 수광 영역(222a～222d)으로부터 얻어지는 전기 신호에 대해, (A＋B)－(C＋D) 및 (A＋D)－(B＋C)를 실행하고, 이들을 각도 신호로 하여, 상기 스타일러스 위치 연산부(223)로 송출한다.

스타일러스 위치 연산부(223)는 상기 각도 신호를 프로브(1)에 구비되는 스타일러스(121)의 변위량으로 변환한다.

한편, 실제로는 피측정면(61a)에는 상기 미세 요철이 존재하기 때문에, 도 16에 변위 조사 영역(2225)으로서 나타내는 바와 같이, 상기 미세 요철에 대응해서, 원주(2224)로부터 벗어난 위치에 반사광(229b)이 조사된다. 그리고, 상술한 기준 조사 영역(2223)의 경우와 마찬가지로, 변위 조사 영역(2225)으로의 반사광(229b)의 조사에 의해, 경사 각도 검출부(222)는 각도 신호를 송출하고, 스타일러스 위치 연산부(223)는 스타일러스(121)에서의 상기 미세 요철에 대응한 변위량을 구한다. 따라서, 기준 조사 영역(2223)에 대응하는 스타일러스(121)의 기준 변위량과, 변위 조사 영역(2225)에 대응하는 요철 변위량과의 차이를 구함으로써, 상기 미세 요철의 크기를 구할 수 있다.

또한, 이 측정 방법의 전제로서, 지렛목 부재(42)의 첨단을 지렛목으로 하여, 요동부(3)가 어느 방향에서도 좌우로 움직여서 경사 가능한 구성에서, 상기 기준 변위량을 일정 혹은 거의 일정하게 할 필요가 있다. 즉, 요동부(3)가 어느 방향에서도 요동하기 때문에, 경사 검출 수광면(2221)에서의 반사광(229b)의 조사 영역은 측정시에는 예를 들면, 상기 원주(2224)를 따라 이동하게 된다. 이와 같은 상황에서, 반사광(229b)이 기본적으로 항상 기준 조사 영역(2223)에 조사된다. 즉, 어느 방향에서 요동부(3)가 요동하였을 경우에도 요동부(3)의 경사 각도(

)가 일정 혹은 거의 일정할 필요가 있다. 따라서, 측정시에는 제어 장치(280)로 스테이지(295)의 구동부(294)를 제어해서, 도 17 및 도 18에 나타내는 바와 같이, 스타일러스(121)의 주사 방향(121a)에 수직한 방향(121b)에 대한 요동부(3)의 경사(β)가 일정하게 되도록 스테이지(295)의 이동량 및 이동 방향을 제어하고 주사 방향(121a)을 수정할 필요가 있다.

상술한 바와 같이 해서, 스타일러스 위치 연산부(223)에서, 피측정면(61a)의 측정점의 상기 미세 요철의 크기를 구하는 것과 동시에, 상술한 바와 같이 상기 위치 좌표 측정부(224)에서, 측정면(61a)의 측정점에서의 X 좌표값, Y 좌표값, Z 좌표값을 구하고 있다. 따라서, 가산부(225)는 위치 좌표 측정부(224)에서 구해지는 측정면(61a)의 측정점에서의 X 좌표값, Y 좌표값, Z 좌표값과, 스타일러스 위치 연산부(223)에서 구해지는 스타일러스(121)의 변위를 가산해서, 측정면(61a) 상의 측정점에서의 측정 X 좌표값, 측정 Y 좌표값, 및 측정 Z 좌표값을 구한다. 즉, 위치 좌표 측정부(224)에서 구해지는 측정점(61a)에서의 X 좌표값, Y 좌표값, Z 좌표값을 X1, Y1, Z1로 하여, 스타일러스 위치 연산부(223)에서 구해지는 측정점에서의 스타일러스(121)의 변위의 X 좌표값을 (A＋B)－(C＋D)로, Y 좌표값을 (A＋D)－(B＋C)로 하면, 가산부(225)에서 구해지는 상기 측정 X 좌표값, 측정 Y 좌표값, 측정 Z 좌표값은 X1＋{(A＋B)－(C＋D)}, Y1＋{(A＋D)－(B＋C)}, Z1이 된다.

스타일러스(121)는 도시한 바와 같이, 구(球) 형상이기 때문에, 상기 측정 X 좌표값, 측정 Y 좌표값, 측정 Z 좌표값은 스타일러스(121)의 중심 좌표이다. 따라서, 측정점(61a)의 진짜 좌표값은 프로브(1)의 주사 방향에 수직한 방향으로, 스타일러스(121)의 반경값만큼 어긋나게 한 값이 된다.

미러 위치 경사 검출부(226)가 구비하는 상하 위치 검출부(228)는 미러(123)로부터의 반사광(229b)으로부터, 부착용 부재(2)에 대한 미러(123)의 상하 방향의 변위를 검출한다. 검출 방법은 일본국 특허공개 2008-292236호에 나타내는 것과 같은 홀로그램을 사용한 방법과 같은 공지의 기술로 가능하다.

이상과 같이 구성되는 형상 측정 장치(201)에서의 동작, 즉, 측정물(60)의 피측정면(61a, 61b)에 대한 형상 측정 방법에 대해, 이하에 설명한다. 이 형상 측정 방법은 제어 장치(280)의 동작 제어로 실행된다.

우선, 연직면인 피측정면(61a)을 측정할 경우에 대해 설명한다. 상술한 바와 같이, 스타일러스(121)를 피측정면(61a)에 접촉시키고, 또한 예를 들면, 약 0.3mN(＝30mgf)의 측정력으로 스타일러스(121)가 피측정면(61a)을 누르도록, 측정물(60)에 대해, 3차원 형상 측정 장치용 프로브(1)를 부착한 Z-테이블(293)을 갖는 스테이지(295)를 상대적으로 배치한다. 이것으로, 미러 위치 경사 검출부(226)의 경사 검출 수광면(2221)에는 반사광(226b)이 기준 조사 영역(2223)에 조사되고, 상술한 바와 같이, 스타일러스 위치 연산부(223) 및 위치 좌표 측정부(224)를 통해서, 가산부(225)에 의해 피측정면(61a)의 측정점에서의 기준이 되는 X 좌표값, Y 좌표값, Z 좌표값이 구해진다.

예를 들면, 측정물(60)이 원통 형상이고, 그 외주면을 일주(一周) 측정할 경우를 예로 들면, 도 17 및 도 18에 나타내는 수직 방향(121b)에 대한 요동부(3)의 경사(β)가 일정 혹은 거의 일정하게 유지되도록, 즉, 어느 방향에서도 요동부(3)를 경사지게 하고, 또한 연직 방향에 대한 요동부(3)의 경사(

)가 일정 혹은 거의 일정하게 유지되도록, 제어 장치(280)로 스테이지(295)의 구동부(294)를 제어해서, X축 방향 및 Y축 방향으로의 스테이지(295)의 이동량 및 이동 방향을 제어한다. 또한, 본 실시예에서는 스타일러스(121) 선단의 변위가 10μm을 유지하는 것 같은 각도로 조정함으로써, 측정력을 0.3mN으로 유지할 수 있다.

이와 같이 해서 피측정면(61a)의 전체 둘레에 대해, 요동부(3)가 소위, 목을 흔드는 운동이나 된장을 짓이기는 운동을 하도록 해서, 피측정면(61a)의 측정을 한다. 이것에 의해, 반사광(226b)은 경사 각도 검출부(222)의 경사 검출 수광면(2221)에서의 각 수광 영역(222a～222d)을, 예를 들면, 상기 원주(2224)를 따르도록 해서 일주(一周)한다. 이 때, 피측정면(61a)의 상기 요철에 대응해서 반사광(221b)의 조사 영역은 기준 조사 영역(2223)에서 변위 조사 영역(2225)으로 이동한다.

이와 같은 측정 동작에 의거하여, 상술한 바와 같이, 스타일러스 위치 연산부(223) 및 위치 좌표 측정부(224)를 통해, 가산부(225)에 의하여 피측정면(61a)의 측정점에서의 상기 요철도 구하고, 상기 측정 X 좌표값, 측정 Y 좌표값, 측정 Z 좌표값이 구해진다.

다음으로, 수평면인 피측정면(61b)을 측정할 경우에 대해 설명한다. 이 경우, 스타일러스(121)를 피측정면(61b)에 누르는 측정력은 연직 방향 아래쪽을 향해 발생시킬 필요가 있다. 또한, 고정밀도로 측정하기 위해서는 연직 방향 아래쪽을 향한 측정력을 일정하게 할 필요가 있다. 제어 장치(280)로 구동부(294)를 구동시켜 스테이지(295)를 수평 방향으로 이동시키는 것과 동시에, 미러 위치 경사 검출부(226)의 상하 위치 검출부(228)의 검출 결과에 의거하여 미러(123)의 연직 방향의 변위량이 일정하게 되도록 Z-테이블(293)을 동작시킨다. 예를 들면, 비측정시의 판스프링(9A, 9B)의 휨이 100μm일 때, 측정시에는 90μm의 휨이 되도록 제어를 함으로써, 측정력을 5mN으로 유지할 수 있다. 또한, 피측정면(61b)의 미소한 변위에 추종해서 스타일러스(121)도 상하 이동하기 때문에, 스타일러스(121)와 일체가 되어 이동하는 미러(123)의 Z 좌표의 측장부로서 기능하는 검출부(224c)의 검출값에 의해, 측정물의 미소 변위도 측정할 수 있게 된다.

또한, 완전한 수평면으로부터 경사가 크게 되었을 경우, 예를 들면, 45도 정도의 경사의 측정시에는 연직 방향에 누름 압력을 발생시켰을 경우, 스타일러스(121)의 암(122)에 경사가 발생하지만, 경사 각도 검출부(222)에서 암의 경사를 검출하고 있으므로, 그 경사량을 스타일러스 변위로 환산해서 보정을 가함으로써, 고정밀도인 측정이 가능해진다.

다만, 이상과 같은 방법으로 측정하였을 경우, 암 부착부(120)와 요동부(3) 사이에 개재하는 탄성부(본 실시형태에서는 판스프링(9A, 9B))의 비틀어짐이나 수평 방향 변위는 검출할 수 없으며, 측정 오차가 된다. 탄성부의 수평 방향의 강성이 작으면, 탄성부의 비틀어짐이나 수평 방향의 변위가 생기기 쉽다. 도 19에 나타내는 바와 같이, 탄성부(9)를 1개의 판스프링(9)으로 구성할 수 있다. 그러나, 이 구성으로서는 스타일러스(121)에 작용하는 측정력의 반력의 수평의 수평 성분에 의해 판스프링(9)에 비틀어짐이 생기기 쉽고, 이 비틀어짐은 암 부착부(120)의 수평 방향의 변위나, 요동 중심의 어긋남이 된다. 이것에 대하여, 본 실시형태에서는 2개의 판스프링(9A, 9B)으로 탄성부를 구성하고 있으므로, 연직 방향의 강성에 대해 수평 방향의 강성이 충분히 크고, 탄성부의 비틀어짐이나 수평 방향의 변위가 감소되어 있다. 바꾸어 말하면, 도 20에 개념적으로 나타내는 바와 같이, 암 부착부(120)는 가능한 한 연직 방향으로만 변위하고 수평 방향으로는 변위하지 않는 구성으로 하고 있다. 3개 이상의 판스프링을 연직 방향으로 서로 간격을 두고 배치한 구성으로 하면, 수평 방향의 강성을 더 높여서, 탄성부의 비틀어짐이나 수평 방향의 변위를 감소시킬 수 있다. 또한, 도 8을 참조해서 설명한 바와 같이, 판스프링(9A, 9B)을 직사각형 형상으로 하여도 좋지만, 이 경우에는 직사각형의 짧은 변의 방향의 강성이 작아지므로, 본 실시형태의 판스프링(9A, 9B)과 같이 중심부(9a)로부터 복수의 빔 형상부(9b)가 방사상으로 연장되는 구성(십자형상)이 더 바람직하다.

전술한 도 9 내지 도 12에 나타내는 대안과 같이, 비직선 형상의 연결부(309c)로 연결함으로써 판스프링(309A, 309B)의 중심부(9a)에서 외주부(9b)까지의 경로 길이를 길게 설정하는 것에 의해 수평 방향의 강성을 확보하면서 연직 방향의 강성을 작게 하는 것에 의해 측정력을 감소시킬 수 있다. 판스프링의 강성을 작게 하는 것에 의해, 장치 자체의 진동의 전파나 측정물의 면 성상의 영향에 의한 진동이 발생할 경우가 있지만, 판스프링의 진동 특성에 따른 적절한 위치에 점탄성체를 부착하면, 진동의 흡수에 대해 효과적이다.

연직면 측정시에 스타일러스(121)에 작용하는 측정력의 반력의 수평 성분에 의해 탄성부를 구성하는 2개의 판스프링에 수평 방향의 미소한 변형이 생겼을 경우, 암(122)의 길이에 따른 2개의 판스프링의 변형에 의한 스타일러스(121)의 회전 중심의 위치는 다르다. 그러나, 전술한 도 9에서 도 12의 대안과 같이, 지렛목 부재(42)를 상하로 끼우도록 2개의 판스프링(309A, 309B)을 배치함으로써, 측정력의 반력의 수평 성분에 의한 2개의 판스프링(309A, 309B)의 변형에 기인하는 측정 오차를 저감할 수 있다. 특히, 도 10에서 부호 L로 나타내는 바와 같이, 2개의 판스프링(309A, 309B)을 지렛목 부재(42)의 첨단을 거의 균등한 위치로 상하에 끼우도록 배치함으로써, 스타일러스(121)에 작용하는 측정력의 반력의 수평 성분에 의한 2개의 판스프링(309A, 309B)의 변형에 기인하는 측정 오차를 더욱 효과적으로 감소시킬 수 있다.

도 21A와 같이 2개의 판스프링(309A, 309B)이 모두 지렛목 부재(42)보다도 상방에 있고 양자의 간격이 좁은 경우(도 1에서 도 8에 상당)라도, 도 22A와 같이 2개의 판스프링(309A, 309B)이 모두 지렛목 부재(42)의 상방에 있고 양자의 간격이 넓은 경우(도 9에서 도 12에 상당)라도, 측정력의 반력의 수직 성분(수직력 Fv)에 대한 2개의 판스프링(309A, 309B)의 항력보다도 측정력의 수평 성분(수평력 Fh)에 대한 2개의 판스프링(309A, 309B)의 항력이 크다. 그러나, 도 21A와 같이 판스프링(309A, 309B) 간의 간격이 좁은 경우, 수평력(Fh)에 대한 항력은 수직력(Fv)에 대한 항력보다도 충분히 큰 것은 아니고, 수평력(Fh)에 의해 판스프링(309A, 309B)에 비틀어짐이 생기기 쉽다. 이것에 대하여, 도 21B와 같이 판스프링(309A, 309B) 간의 간격이 넓으면, 수평력(Fh)에 대한 항력은 수직력(Fv)에 대한 항력보다도 충분히 크게 되고, 판스프링(309A, 309B)에 비틀어짐이 생기기 어렵다. 또한, 이 경우, 수평력(Fh)에 의한 2개의 판스프링(309A, 309B)의 휨에 기인하는 스타일러스(121)의 회전 중심이 지렛목 부재(42)의 첨단 근방이 되기 때문에, 판스프링(309A, 309B)의 휨이 측정 정밀도에 미치는 영향이 작다. 이상의 이유로부터, 2개의 판스프링(309A, 309B)을 지렛목 부재(42)를 상하에 끼우도록 배치함으로써, 측정 오차를 더욱 효과적으로 감소시킬 수 있다.

이상과 같이, 상기 구성의 3차원 형상 측정 장치용 프로브(1)에 의하면, 수평인 임의의 방향으로 경사 가능한 요동부(3)를 자석에 의한 자력을 이용해서 비접촉으로 중립 위치에 유지하는 것과 더불어, 스타일러스(121)가 측정물(60)을 누르는 힘, 즉, 측정력을 미세하게 발생시키기 때문에, 불의의 충격에 의한 파손이 발생하는 것도 어렵다. 또한, 가동측 자석(51), 고정측 자석(52)의 흡인력에 의해, 연결기구(4)에서의 원추 홈(41a)과 첨단으로 구성된 지렛목 부재(42)를 누르는 구조 때문에, 지렛목의 위치 어긋남이 적다. 이것에 의하여, 본 프로브(1)는 스타일러스(121)의 축이 연직 방향에 한정되지 않고, 경사진 상태에서의 사용도 가능해진다. 또한, 전자석과 같이 전류가 흐르지 않으므로, 구성이 간단해지고, 전기 열에 의한 영향도 없다.

또한, 본 실시형태에 따른 형상 측정 장치(201)에 의하면, 3차원 형상 측정용 프로브(1)에서, 스타일러스(121)를 갖는 요동부(3)는 소위, 목을 흔드는 운동이나 된장을 짓이기는 운동을 할 수 있다. 따라서, 측정물(60)의 예를 들면, 내주면의 측정을 할 경우, 측정물(60)을 회전시키지 않고, 프로브(1)를 X축 방향 및 Y축 방향으로 이동시킴으로써, 상기 내주면의 측정을 실행할 수 있다. 따라서, 측정 장치에서 복잡한 구성을 채용하지 않고, 측정물(60)의 측면의 경사 방향을 묻지 않고서 형상 측정이 가능해진다. 또한, 측정물(60)을 회전시킬 필요가 없기 때문에, 측정물(60)의 중심축의 심(芯)에 흔들림이 발생한다는 문제도 생기지 않고, 피측정면의 측정 오차의 감소를 도모할 수도 있다. 따라서, 예를 들면, 렌즈의 외경이나 구멍 지름 등을 측정할 수 있고, 또한 예를 들면, 도 22 및 도 23에 나타내는 유체 베어링과 같은 측정물(60)에 형성되어 윤활제를 수용하는 홈부(55)의 형상을 측정할 수도 있다. 또한, 동시에 수평면의 측정도 가능해지기 때문에, 구멍의 수평면에 대한 직각도(直角度)도 고정밀도로 측정할 수 있다. 따라서, 형상 측정 장치(201)는 정밀 및 미세화를 추구하는 산업의 발전에 폭넓게 공헌할 수 있다.

본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것이 아니라, 그 외의 여러 가지 형태로 실시 가능하다. 이하, 다른 형태에 대하여 예시한다.

요동부(3)의 구성은 지렛목에 의해 탑재대(41)에 요동 가능하게 배치되는 구성이라면, 상술한 구성에 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, 상기 실시형태에서는 지렛목 부재는 돌기 형상으로 설치된 부재이며, 이 돌기의 선단이 원추 형상의 홈에 함입하도록 구성되어 있지만, 탑재대에 위쪽을 향해 돌기 형상의 부재가 설치되어, 요동 부재에 설치된 원추 홈을 지렛목 부재로 하여도 좋다.

상기 실시형태에서는 가동측 자석(51)과 고정측 자석(52)에 의한 흡인력을 사용하였지만, 고정측, 가동측의 어느 한쪽이 자석이 아니라, 자성체로 하여도 동일한 효과가 얻어진다.

상기 실시형태에서는 판스프링(9A, 9B)의 단부(빔 형상부(9b)의 선단)를 요동부(3)에 고정하고, 중심부(9a)에 암 부착부(120)를 고정하였지만, 반대로 판스프링의 단부에 암 부착부(120)를 고정하고, 중심부를 요동부(3)에 고정하여도 좋다.

상기 실시형태에서 암(122)의 경사 검출로서, 비접촉 변위 센서를 설치하여도 좋다. 센서의 종류로서는 정전 용량형 것을 고려할 수 있다. 이것에 의하여, 요동부(3)의 지렛목을 중심으로 한 XY 2방향의 경사를 검출할 수 있다.

상기 실시형태의 형상 측정 장치(201)에서는 측정물(60)을 석정반(292) 위에 고정하고, 3차원 형상 측정용 프로브(1)를 X, Y, Z축 방향으로 이동시켰지만, 반대로, 3차원 형상 측정용 프로브(1)를 고정하고 측정물(60)을 이동시켜도 좋다. 요컨대, 측정물(60)과 프로브(1)를 상대적으로 이동시키면 좋다.

본 발명은 연직면의 측정시뿐만 아니라, 수평면의 측정시에도, 작은 누르는 압력으로 측정할 수 있고, 또한 프로브 내의 미러의 수평 방향의 변위를 감소시킴으로써, 고정밀도로 측정물의 형상을 측정할 수 있다. 임의 형상의 구멍의 내면이나 구멍 지름의 측정, 임의 형상의 바깥쪽면의 연직면의 형상 측정뿐만 아니라, 수평면의 형상 측정을 고정밀도 및 저측정력으로 주사 측정하는 형상 측정 장치의 형상 측정 장치용 프로브에 적용할 수 있다.

1: 3차원 형상 측정용 프로브
2: 부착용 부재
2a: 소경부
2b: 대경부
3: 요동부
4: 연결기구
5: 폐쇄판
5a: 레이저용 관통구멍
5b: 요동용 관통구멍
6: 지지축
9, 9A, 9B: 판스프링
9a: 중심부
9b: 빔 형상부
9c: 관통구멍
11: 하-부재
12: 상-부재
12a: 관통구멍
13A, 13B: 스페이서
14: 나사
15: 누름 스프링
16: 마이크로 미터
17: 포커스 렌즈
41: 탑재대
41a: 원추
42: 지렛목 부재
43: 나사
51: 가동측 자석
52: 고정측 자석
60: 측정물
120: 암 부착부
120a: 상-빔부
120b: 하-빔부
120c: 세로-빔부
121: 스타일러스
122: 암
123: 미러
128: 가동측 유지부
133: 고정측 유지부
201: 3차원 형상 측정 장치
211: He-Ne 레이저
220: 측정점 정보 결정부
222: 경사 각도 측정부
223: 스타일러스 위치 연산부
224: 위치 좌표 측정부
225: 가산부
226: 미러 위치 경사 검출부
227: 반도체 레이저
228: 상하 위치 검출부
229: 레이저광
309A, 309B: 판스프링
309a: 중심부
309b: 외주부
309c: 연결부
309d: 원환대 형상부
309e, 309f: 가교부
313A, 313B, 313C: 스페이서
320: 암 부착부
320a: 하측 판부
320b: 상측 판부
320c: 세로 로드
325A, 325B: 스프링 누름 부재
326, 327, 328: 나사

Claims (10)

1. 3차원 형상 측정 장치에 부착되는 부착부와,
   측정물의 피측정면에 접촉하는 스타일러스가 하단(下端)에 배치된 암(arm)이 늘어뜨려져서 부착되고, 또한 미러가 부착된 암 지지부와,
   상기 암 지지부가 부착되어, 탄성 변형에 의해 상기 암 지지부를 연직 방향으로 미소(微小)하게 이동시키고, 연직 방향의 강성보다도 수평 방향의 강성이 큰 탄성부와,
   상기 탄성부를 유지함과 더불어 상기 부착부에 연결 기구를 통해 연결된 요동부로서, 상기 연결기구는 상기 요동부에 설치된 지렛목(支點)부와, 상기 부착부에 설치되어 상기 지렛목부가 탑재되는 탑재부를 구비하고, 상기 지렛목부를 지렛목으로 하여 요동 가능하게 상기 요동부를 상기 부착부에 연결하는 것인, 요동부와,
   상기 요동부에 설치된 가동측 부재와, 상기 부착부에 설치되어 상기 가동측 부재에 대해 연직 방향으로 간격을 두고 대향하는 고정측 부재를 구비하고, 상기 가동측 부재와 상기 고정측 부재는 자기적(磁氣的) 흡인력을 발생하도록 구성되며, 이 자기적 흡인력에 의해 상기 암이 연직 방향을 향하도록 상기 요동부를 바이어스(bias) 하는 바이어스 기구를 포함하는
   3차원 형상 측정 장치용 프로브.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 탄성부는 단일 판스프링으로 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정 장치용 프로브.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 탄성부는 상하 방향으로 간격을 두고 배치된 2개 이상의 판스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정 장치용 프로브.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 스타일러스, 상기 지렛목부, 상기 미러는 동일 축 위에 배치되고,
   상기 미러는 상기 스타일러스 및 상기 지렛목부보다도 상방에 배치되고,
   상기 탄성부를 구성하는 상기 2개의 판스프링은 상기 지렛목부가 상기 탑재부에 탑재된 위치에 대해서, 한쪽은 하방에 배치되고 다른 쪽은 상방에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정 장치용 프로브.
5. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
   상기 판스프링은 상기 암 지지부가 부착되는 중심부와, 이 중심부로부터 방사상으로 연장되며 상기 요동부에 고정되는 복수의 빔 형상부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정 장치용 프로브.
6. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
   상기 판스프링은 상기 암 지지부가 부착되는 중심부와, 상기 요동부에 고정되는 외주부와, 각각 상기 중심부와 상기 외주부를 연결하는 비직선 형상의 복수의 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정 장치용 프로브.
7. 청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 판스프링에 부착되고, 또한 상기 판스프링의 진동 특성에 맞춘 형상을 갖는 점(粘)탄성체를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정 장치용 프로브.
8. 청구항 1에 기재된 3차원 형상 측정 장치용 프로브와,
   측정용 레이저광을 발생하는 레이저광 발생부와,
   상기 측정용 레이저광이 상기 미러에서 발사된 반사광에 의거하여 측정물의 피측정면에서의 측정점의 위치 정보를 구하는 측정점 정보 결정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정 장치.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 측정점 정보 결정부는,
   상기 요동부의 경사 각도를 상기 반사광으로부터 검출하는 경사 각도 검출부와,
   상기 경사 각도 검출부로부터 얻은 각도 신호를 상기 부착부에 대한 상기 스타일러스의 변위량으로 변환하는 스타일러스 위치 연산부와,
   상기 측정점의 상기 부착부에 대한 위치 좌표값을 상기 반사광으로부터 구하는 위치 좌표 측정부와,
   상기 위치 좌표값에 상기 스타일러스의 변위량을 가산해서 상기 측정점의 위치 정보를 구하는 가산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정 장치.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 경사 각도 검출부는 상기 반사광을 수광하는 광검출기를 가지며, 상기 광검출기는 각각 독립해서 광전(光電) 변환을 실행하는 복수의 수광 영역으로 구획된 하나의 수광면을 갖는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정 장치.

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