KR20140093621A - 3차원 형상 측정 장치용 프로브 - Google Patents

Abstract

본 발명의 과제는 연직면뿐만이 아니라 수평면 측정시의 측정력이 작고 진동도 일어나기 어려운 3차원 형상 측정 장치용 프로브를 제공한다. 3차원 형상 측정 장치용 프로브(1)는, 3차원 형상 측정 장치(201)에 장착되는 장착부(2)와, 장착부(2)에 요동 가능하게 연결된 요동부(3a 내지 3c)와, 요동부(3a 내지 3c)에 대하여 상하 이동 가능하게 보지된 아암 지지부(20)와, 아암 지지부(20)의 하단에 수하하며 스타일러스(21)가 하단에 배치된 아암(22)을 구비한다. 요동부(3a 내지 3c)에 대한 아암 지지부(20)의 상하 이동 기구는, 요동부측 부재(53a 내지 53e), 아암측 부재(54a 내지 54e), 요동부측 부재(53)와 아암측 부재(54)의 대향하는 연직면 사이에 자기적 흡인력에 의해 흡인되며 접촉하는 5개의 자성체로 이루어지는 구(55a 내지 55e)로 이루어진다. 구(55a 내지 55e)가, 요동부측 부재(53a 내지 53e)와, 아암측 부재(54a 내지 54e)의 사이에 접촉하면서 구르는 것에 의해, 아암 지지부(20)가 연직 축 상에서 이동한다. 또한, 요동부측 부재(53a 내지 53e)와 아암측 부재(54a 내지 54e) 사이에 자기적 흡인력이 작용하기 때문에, 아암 지지부(20)의 연직 축 상의 이동에 대하여 복원력이 작용한다.

Description

3차원 형상 측정 장치용 프로브{PROBE FOR THREE DIMENSIONAL SHAPE MEASURING APPARATUS}

본 발명은 3차원의 형상을 고정밀도 또한 저측정력으로 주사 측정하는 3차원 형상 측정 장치용 프로브에 관한 것이다.

측정물의 3차원 형상을 고정밀도 또한 저측정력으로 주사 측정 가능한 종래의 3차원 형상 측정 장치용 프로브(이하, "프로브"라고 함)로서는, 특허문헌 1에 기재된 것이 있다. 도 12 및 도 13은 특허문헌 1에 기재된 프로브의 구성을 도시한다.

도 12에 있어서, 프로브(101)는 장착용 부재(102)에 의해, 3차원 형상 측정 장치(201)에 착탈 가능하게 장착된다. 장착용 부재(102)의 하부에 고정된 탑재대(104b)에 대하여, 요동부(103)가 요동 가능하게 연결되며, 요동부(103)에 대하여 아암 장착부(120)가 상하 탄성체(109)를 거쳐서, 상하 이동 가능하게 보지되어 있다. 3차원 형상 측정기(201)에서는 측정용 레이저 광(211)이 발광하여 아암 장착부(120)의 요동, 상하 방향의 변위를 검출한다. 아암 장착부(120)의 하부에는 하단에 스타일러스(121)를 구비하는 아암(122)이 고정되어 있다. 스타일러스(121)는 측정 대상이 되는 측정물(60)의 피측정면(61a, 61b)에 접촉하여, 그 3차원 형상을 측정한다.

도 13에 의해, 그 상세를 설명한다. 도 13은 도 12에 있어서의 프로브(101)를 A-A면으로 절단했을 때의 사시도이다. 도 13에 있어서, 장착용 부재(102)에 대하여 요동을 실행하는 요동부(103)는 하부 부재(103c), 스페이서(103b), 상부 부재(103a), 연신부(103e), 가동측 보지부(103d)로 구성된다. 2개의 상하 탄성체(109)가 하부 부재(103c), 상부 부재(103a)에 스페이서(103b)를 거쳐서 양단이 고정된다. 요동부(103)에 있어서의 요동 운동의 지점이 되는 지점 부재(104c)는 하부 부재(103c)의 하부 중앙에 수하(垂下)하도록 고정된다. 상부 부재(103a)의 상면에는 연직 상부 방향으로 연장되는 연신부(103e)가 2개소에 마련되어 있다. 또한, 연신부(103e)의 상단에 가동측 보지부(103d)가 마련되어 있다. 가동측 보지부(103d)는 링 형상의 부재이며, 가동측 자석(151)이 4개소에 동일 반경 상에 등간격으로 마련되어 있다.

장착용 부재(102)에는, 고정측 보지 부재(114)가 장착되어 있다. 고정측 보지 부재(114)에, 고정측 자석(152)이 4개소에 동일 반경 상에 등간격으로 마련되어 있다. 가동측 자석(151)과 고정측 자석(152)의 위치 관계는 각각 연직 축 방향인 Z축 방향으로 나란하게 배치된다. 또한, 가동측 자석(151)과 고정측 자석(152)은, 각각의 쌍에 대해서, 서로 흡인력이 작용하는 방향으로 고정된다.

요동부(103)와 장착용 부재(102)는, 연결 기구(104)에 의해 요동 가능하게 연결되어 있다. 연결 기구(104)는 장착용 부재(102)에 고정된 각기둥(角柱)의 탑재대(104b)와, 요동부의 하부 부재(103c)에 장착된 지지 부재(104c)에 의해 구성되어 있다. 탑재대(104b)는, 그 상면에 원추형의 홈(104a)이 형성되어 있으며, 지점 부재(104c)의 선단이 해당 홈(104a)에 삽입된다. 이것에 의해, 요동부(103)와 장착용 부재(102)는, 지점 부재(104c)와 원추형의 홈(104a)과의 접촉 부분을 회전 중심으로 하여, 임의의 수평축 주위에 회전 가능하게 연결된다. 즉, 요동부(103)는 장착용 부재(102)에 대하여 요동 회전 가능하다.

요동부(103)에 양단이 고정된 2개의 상하 탄성체(109)의 중앙부에는, 아암 장착부(120)가 고정된다. 아암 장착부(120)의 상부에는 장착용 부재(102)를 통과한 측정용 레이저 광(211)을 반사하는 미러(123)가 마련되어 있다.

상기의 구성에 의해, 요동부(103)가 지점 부재(104c)의 선단을 중심으로 요동 회전했다고 하여도, 상기 자석의 흡인력에 의해 해당 회전을 되돌리는 방향으로 복원력이 작용한다. 또한, 상하 탄성체(109)에 의해, 아암 장착부(120)는 요동부(103)에 대하여 상하 방향으로 미소 이동 가능해지는 동시에, 상하 이동에 대하여 중립 위치로 되돌아오도록 탄성적인 복원력이 작용한다. 상하 탄성체(109)로서, 2개의 판 스프링을 사용함으로써, 상하 방향만 강성을 약하게, 수평 방향의 강성을 강하게 하여, 고정밀도로 측정할 수 있도록 하고 있다.

다음에, 상기 구성의 프로브(101)에 의한 측정 방법에 대하여 설명한다. 측정물(60)의 연직면인 피측정면(61a)의 형상 측정은, 아암(122)에 장착되어 있는 스타일러스(121)를 피측정면(61a)에 소정의 가압력으로 가압하여 실행된다. 해당 가압력, 즉 측정력은, 스타일러스(121)를 피측정면(61a)에 접촉시킨 상태로 프로브(101)를 측정물(60) 측으로 약간 이동시키는 것에 의해, 요동부(103)의 복원력에 의해 발생한다.

또한, 측정물(60)의 피측정면(61b)과 같은 수평면의 경우, 스타일러스(121)를 피측정면(61b)에 소정의 가압력으로 가압하여 실행된다. 해당 가압력, 즉 측정력은, 스타일러스(121)를 피측정면(61b)에 접촉시킨 상태에서 장착용 부재(102)를 측정물(60) 측의 하부 방향으로 약간 이동시킴으로써, 상하 탄성체(109)의 복원력에 의해 발생시킬 수 있다.

이상과 같이 프로브(101)를 측정물(60)에 일정한 측정력을 가하면서 주사하는 동시에, 측정용 레이저 광(211)에 의해, 미러(123)의 상하 위치, 경사를 검출하는 것에 의해, 프로브(101)에 대한 스타일러스(121)의 중심의 상대 위치를 구할 수 있다. 또한, 3차원 형상 측정 장치(201)에 의해, 프로브(101)의 위치를 구하는 것에 의해, 측정물(60)의 형상을 3차원적으로 측정할 수 있다.

일본 특허 공개 제 2010-286475 호 공보

그러나, 보다 고정밀도로 측정하는 경우나, 미소한 스타일러스를 사용하는 경우, 보다 작은 측정력으로 할 필요가 있으며, 상기 종래의 구성에서는, 수평면의 측정시의 측정력을 작게 하려고 하면, 상하 탄성체(109)의 일 예인 판 스프링의 두께를 더욱 얇게 하고, 또한 판 스프링을 크게 할 필요가 있다. 예를 들면, 측정력을 0.5gf 이하로 하는 경우, 판 스프링의 두께를 0.05㎜ 정도, 수평 방향의 길이를 30㎜ 정도로 할 필요가 있다. 이와 같은 두께에서는 수평 방향의 강성이 작아져, 프로브 내의 미러의 경사와 상하 이동을 검지하는 측정기에 있어서는, 수평 방향의 차이가 측정 오차가 되어 버린다. 또한, 판 스프링의 두께를 얇게 하면 강성이 낮아지고, 두께가 얇은 판 스프링을 크게 하면, 가동부의 질량이 증가하기 때문에, 프로브의 고유 진동수가 낮아진다. 고유 진동수가 낮아지면, 측정시에 진동이 일어나기 쉬워져, 측정 데이터에 진동에 의한 측정 오차가 발생한다.

본 발명은 상기 종래의 과제를 해결하는 것으로, 프로브의 상하 미소 이동 기구의 상하 방향(연직 축 방향)의 강성을 작게, 수평 방향의 강성을 높게 함으로써, 보다 작은 측정력으로의 측정을 가능하게 하는 동시에, 프로브의 고유 진동수를 높게 함으로써, 측정시, 비측정시의 진동이 일어나기 어려운 3차원 형상 측정 장치용 프로브를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 3차원 형상 측정 장치용 프로브는, 3차원 형상 측정 장치에 장착되는 장착부와, 상기 장착부에 마련된 탑재대와, 상기 탑재대에 탑재된 지점 부재를 구비하고, 상기 지점 부재를 지점으로 하여 상기 장착부에 요동 가능하게 연결되며, 서로 교차하는 제 1 면과 제 2 면을 갖는 요동부와, 상기 요동부에 마련된 가동측 부재와, 상기 장착부에 마련되며 상기 가동측 부재에 대하여 간격을 두고 대향하는 고정측 부재를 구비하고, 상기 가동측 부재와 상기 고정측 부재는 자기적 흡인력을 발생하도록 구성되며, 당해 자기적 흡인력에 의해 상기 요동부가 일정한 방향을 향하도록 상기 요동부를 부세하는 부세 기구와, 측정물의 피측정면에 접촉하는 스타일러스가 하단에 배치된 아암이 수하하여 장착되며, 상기 제 1 면과 대향하는 제 3 면과, 상기 제 2 면과 대향하는 제 4 면을 갖는 아암 지지부와, 상기 요동부의 상기 제 1 면과 상기 제 2 면에 마련되며, 각각 연직면을 갖는 복수의 요동부측 부재와, 상기 아암 지지부의 상기 제 3 면과 상기 제 4 면에 마련되며, 각각 상기 요동부측 부재 중 어느 하나와 수평 방향으로 간격을 두고 대향하며, 또한 대향하는 상기 요동부측 부재의 상기 연직면과 수평 방향으로 간격을 두고 대향하는 연직면을 갖고, 상기 요동부측 부재와 자기적 흡인력을 발생하도록 구성된 복수의 아암측 부재와, 각각 서로 대향하는 상기 요동부측 부재와 상기 아암측 부재 사이에 배치되며 상기 자기적 흡인력에 의해 상기 연직면에 흡인되어 접촉하는, 자성체로 이루어지는 복수의 구체를 구비한다.

구체적으로는, 1개의 상기 요동부측 부재와, 그것과 대향하는 1개의 상기 아암측 부재와, 이들 상기 요동부측 부재와 상기 아암측 부재 사이에 배치된 1개의 상기 구로 구성된 자력 세트가 5조 있으며, 상기 자력 세트는, 5조 중 임의의 1조가 다른 4조에 의해 구속되는 자유도와 일치하지 않는 방향의 자유도를 구속하는 위치 및 방향으로 배치되어 있다.

본 구성에 의해서, 상기 구는, 상기 요동부측 부재와 상기 아암측 부재 사이에서, 그 연직면 상에서 접촉하면서 구른다. 이것에 의해, 상기 요동부에 대하여, 상기 아암 지지부가 연직 축 상에서 이동 가능하게 된다. 또한, 상기 요동부측 부재와 상기 아암측 부재 사이에 자기적 흡인력이 작용하기 때문에, 상기 아암 지지부가 연직 축 상에서 이동하며, 상기 요동부측 부재와 상기 아암측 부재가 멀어졌을 경우, 가까워지는 방향으로 복원력이 작용한다. 수평면 측정시의 측정력은, 상기 요동부에 대하여 연직 축 방향으로만 이동 가능하게 보지된 상기 아암 지지부가, 연직 축 방향의 중립 위치에서의 자기적 흡인력으로 부세되는 것에 의해 발생한다. 각각의 자력 세트를 구성하는 요동부측 부재, 아암측 부재, 및 구는, 각각 점접촉이지만, 강체끼리의 접촉이기 때문에, 연직 축 방향 이외의 5자유도의 이동, 회전에 대하여 강성을 높일 수 있다. 이것에 의해, 아암 지지부에 마련된 위치 검출 미러의 경사, 연직 축 방향 이동만을 검출하는 것에 의해, 스타일러스의 위치를 고정밀도로 검출할 수 있다. 또한, 자력 세트는, 아암 지지부, 및 아암, 스타일러스, 미러를 보지만 할 수 있는 자기적 흡인력이 있으면 되기 때문에, 예를 들면 직경 1㎜ 정도의 영구 자석과 강구를 사용하면 좋다. 이것에 의해, 가동부의 질량이 작아져, 고유 진동수를 높게 할 수 있어서, 진동이 발생하기 어려워진다. 또한, 자기적 흡인력에 의한 복원력을 작게 할 수 있으며, 측정력을 예를 들면 0.3gf 이하로 작게 할 수 있다.

대안으로서, 상기 요동부측 부재와 상기 아암측 부재는 한쪽이 영구 자석으로 구성되며, 다른쪽이 자성체로 구성되어 있어도 좋다.

상기 요동부측 부재와, 상기 아암측 부재와, 상기 구의 5쌍의 배치는 연직 평면(a) 상에 3쌍, 상기 연직 평면(a)에 교차하는 연직 평면(b) 상에 2쌍이 배치되어 있어도 좋다.

본 발명의 3차원 형상 측정 장치용 프로브에 의하면, 스타일러스와 측정물의 접촉력, 즉 측정력을 작게 할 수 있기 때문에, 고정밀도로 측정할 수 있으며, 또한 미소한 스타일러스에서도 파손하는 일이 없이 측정할 수 있다. 또한, 가동부의 고유 진동수를 낮게 할 수 있기 때문에, 진동이 발생하기 어려워져, 고정밀도의 측정을 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 있어서의 3차원 형상 측정 장치용 프로브의 사시도,
도 2는 도 1에 있어서의 3차원 형상 측정 장치용 프로브를 A-A면에서 절단했을 때의 사시도,
도 3은 도 1에 있어서의 3차원 형상 측정 장치용 프로브를 B-B면에 있어서의 단면도,
도 4는 도 1에 있어서의 주요부를 분해한 사시도,
도 5는 도 4에 있어서의 영구 자석(53a, 54a), 강구(55a)의 위치 관계를 도시하는 도면,
도 6은 도 5의 상하 이동 기구부의 이동 후 상태를 도시하는 도면,
도 7은 도 1에 도시하는 프로브를 구비한 형상 측정 장치의 일 예를 도시하는 도면,
도 8은 도 7에 도시하는 형상 측정 장치에 구비되는 측정점 정보 결정부 및 프로브 광학부의 구성을 도시하는 도면,
도 9는 도 1에 도시하는 프로브로 피측정면의 측정을 실행할 때의 프로브의 경사 각도를 설명하기 위한 도면이며, 측정물을 평면도로 나타낸 도면,
도 10은 도 1에 도시하는 프로브로 피측정면의 측정을 실행할 때의 프로브의 경사 각도를 설명하기 위한 도면이며, 측정물을 측면도로 도시한 도면,
도 11a는 대안의 상하 이동 기구를 도시하는 사시도,
도 11b는 도 11a의 정면도,
도 11c는 도 11a의 평면도,
도 12는 종래의 3차원 형상 측정 장치용 프로브의 일 예의 사시도,
도 13은 도 12의 종래의 3차원 형상 측정 장치용 프로브를 A-A면에서 절단했을 때의 사시도.

이하, 본 발명의 실시형태에 있어서의 3차원 형상 측정 장치용 프로브(이하, "프로브(1)"라고 함)에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.

우선, 도 1 내지 도 4를 참조하여 프로브(1)에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 프로브(1)의 외관을 도시하는 사시도이다. 도 2는 도 1의 일부를 A-A면(XZ 평면)에서 프로브(1)를 절단한 사시도이다. 도 3은 도 1의 B-B면(YZ 평면)에 있어서의 단면도이다. 도 4는 도 1에 있어서의 가동 부분만을 분해한 사시도이다.

도 1에 있어서, 프로브(1)는 전체적으로 양단 개구의 통형상인 장착부(2)에 의해, 3차원 형상 측정 장치(201)에 착탈 가능하게 장착된다. 장착부(2)의 하부에는 폐쇄 부재(5)의 상단측이 고정되어 장착되어 있다. 폐쇄 부재(5)의 하단측에는 탑재대(41)가 고정되어 장착되어 있다. 탑재대(41)에 대하여, 하단에 스타일러스(21)를 구비하는 아암(22)이 요동, 상하 이동 가능하게 장착되어 있다. 형상 측정기(201)에서는 측정용 레이저 광(111)이 발광되어, 아암(22)과 스타일러스(21)의 요동과 상하 방향의 변위를 검출한다. 프로브(1)는 스타일러스(21)를 측정 대상이 되는 측정물(60)의 피측정면(61a, 61b)에 접촉시키면서, 그 3차원 형상을 측정한다.

이하, 프로브(1)의 구조의 상세를 도 2, 도 3 및 도 4를 참조하면서 설명한다.

도 2에 있어서, 프로브(1)는 장착부(2) 및 그것에 고정된 부재와, 하부 부재(3a), 가동측 보지부(3c)를 포함하는 요동부(3) 및 그것에 고정된 부재와, 아암 지지부(20) 및 그것에 고정된 부재를 구비한다. 요동부는 장착부(2)에 대하여 요동 운동을 실행하고, 아암 지지부(20)는 요동부에 대하여 상하 운동을 실행한다. 이하에 그 구성을 도시한다.

장착부(2)는, 상부에 3차원 형상 측정 장치(201)에 장착되도록 원통부를 형성하고, 그 중앙부에는 측정용 레이저 광(111)이 통과하고, 요동부의 가동측 보지부(3c)와 접촉하지 않도록, 공동부(11)를 갖는다. 장착부(2)의 하부에는 대체로 링 형상의 고정측 보지 부재(33)가 고정하여 장착되어 있다. 고정측 보지 부재(33)에는, 고정측 자석(52)이 4개 보지되어 있다. 고정측 자석(52)은, 프로브(1)의 중심 축을 중심으로 하는 원주 상에, 90도 간격으로 배치되어 있다. 또한, 장착부(2)의 하부의 개구부에는, 폐쇄 부재(5)가 고정되어 있다. 폐쇄 부재(5)의 하부에는, 요동부(3)의 하부 부재(3a)가 접촉하지 않도록 요동용 관통 구멍(5a)이 열려 있다. 폐쇄 부재(5)에는 수평 방향으로 연장되는 각기둥인 탑재대(41)가 고정되며, 탑재대(41)의 프로브(1)의 중심 축 상에 원추 홈(41a)이 형성되어 있다.

요동부(3)의 가동측 보지 부재(3c)는, 상부에 링 형상이 형성되며, 가동측 부재의 일 예인 4개의 가동측 자석(51)이, 고정측 자석(52)과 마찬가지로 프로브(1)의 중심 축을 중심으로 하는 원주 상에, 90도 간격으로 보지되어 있다. 가동측 자석(51)과 고정측 자석(52)은 쌍을 이루고 있다. 즉, 각각의 가동측 자석(51)은 대응하는 고정측 자석(52)과 프로브(1)의 중심 축의 방향(상하 방향 내지 연직 방향)으로 서로 대향하고 있다. 하부 부재(3a)는 도 3에 도시하는 연신부(3b)를 거쳐서 가동측 보지 부재(3c)에 고정되어 있다. 하부 부재(3a)에는, 요동부측 부재로서, 영구 자석(53a 내지 53e)(영구 자석(53a, 53b)은 도 4를 참조)이 매립되어 있다. 또한, 하부 부재(3a)의 일부에는 프로브 중심 축 상에, 연직 방향 하부 방향으로 돌출하는 바늘 형상의 돌기로 구성된 지점 부재(42)가 고정되어 있다.

아암 지지부(20)는, 그 하면에 스타일러스(21)를 하단에 갖는 아암(22)이 수하하여 장착되어 있다. 또한, 아암 지지부(20)의 상면에는 아암 지지부의 상하 이동 위치, 경사를 검출하는 측정용 레이저 광(111)을 반사하기 위한 위치 검출 미러(23)가 고정되어 있다. 또한, 도 4에 가장 명료하게 도시하는 바와 같이, 아암 지지부(20)에는, 아암측 부재로서 영구 자석(54a 내지 54e)이 매립되어 있다. 아암 지지부(20)는 중앙에 수평 방향으로 연장하는 관통 구멍(24)이 마련되어 있다. 연결 기구를 구성하는 탑재대(41), 지점 부재(42), 및 지점 부재(42)를 고정하는 요동부(3)의 하부 부재(3a)의 일부는, 관통 구멍(24) 내에 간극을 유지하면서 위치한다. 즉, 탑재대(41)는 관통 구멍(24)을 관통하여 연장한다. 요동부(3)의 하부 부재(3a)의 지점 부재(42)를 고정하는 부분은 각기둥의 형상이며, 지점 부재(42)를 그 하부에 고정한다. 또한, 지점 부재(42)의 상방에서 관통 구멍(24)을 관통하여 연장한다.

하부 부재(3a)에 매립된 영구 자석(53a 내지 53e)과 아암 지지부(20)에 매립된 영구 자석(54a 내지 54e)의 사이에는 강구(55a 내지 55e)(강구(55b, 55d, 55e)는 도 4에 도시함)가 접촉하며 보지되어 있다.

도 3에 있어서, 전술한 바와 같이 요동부(3)의 가동측 보지부(3c)는, 요동부의 연신부(3b)를 거쳐서, 요동부(3)의 하부 부재(3a)와 고정되어 있다. 또한, 탑재대(41)는, 폐쇄 부재(5)의 하부에 그 양단이 나사 고정되어 있다. 탑재대(41)의 원추홈(41a)의 최하점에 지점 부재(42)의 선단 위치가 접촉하도록 구성된다. 이와 같은 구성으로 하는 것에 의해서, 요동부의 하부 부재(3a)와 장착부(2)는, 지점 부재(42)와 원추홈(41a)과의 접촉 부분을 요동 중심으로 하여, 요동 가능하게 연결된다. 또한, 요동부(3)의 하부 부재(3a)는 지점 부재(42)가 탑재대(41)의 원추홈(41a)에 끼워서 연결한 경우, 아암(22)이 연직 방향을 향하도록, 중심이 지점 부재(42)의 선단을 통과하는 연직 축에 위치하도록 구성되어 있는 것이 바람직하다.

4개의 가동측 자석(51)과 4개의 고정측 자석(52)은 각각, 동축 상에 일정한 거리를 가지고 배치되어 있다. 또한, 각각의 쌍에 대하여, 서로 흡인력이 작용하는 방향으로 배치된다. 본 실시형태에 있어서는, 모든 가동측 자석(51) 및 고정측 자석(52) 위가 N극, 아래가 S극이 되도록 배치되어 있다.

도 4는 도 1에 있어서의 프로브(1)의 장착부(2), 고정측 보지 부재(33), 고정측 자석(52), 폐쇄 부재(5), 탑재대(41)로 이루어지는 고정부(3차원 형상 측정 장치(201)에 고정된 부분) 이외의 가동부의 분해 사시도이다.

도 4에 있어서 요동부의 하부 부재(3a)는 지점 부재(42)를 고정하는 각기둥 부분과, 아암 지지부(20)를 보지하는 부분을 구비한다. 아암 지지부(20)를 보지하는 부분은 아암 지지부(20)를 내측에 둘러싸는 형상으로 이루어지며, 도 4에 도시하는 YZ 평면에 평행인 연직면(49)과, XZ 평면에 평행인 연직면(50)을 구비한다. 연직면(제 1 면)(49)과 연직면(제 2 면)(50)은, 평면에서 보아, 즉 Z축 방향에서 보았을 때에, 서로 직교한다. 이들 연직면(49, 50)에, 요동부측 부재로서, 합계 5개의 원기둥형(圓柱形)의 영구 자석(53a 내지 53e)이 매립되어 있다. 그 중 3개의 영구 자석(53a 내지 53c)은, 그 한쪽(片方)의 평면이 연직면(49)과 동일면이 되도록, 매립되어 고정되어 있다. 나머지 2개의 영구 자석(53d, 53e)은, 그 한쪽의 평면이 연직면(50)과 동일면이 되도록, 매립되어 고정되어 있다. 연직면(50)은, 연직면(49)에 직교하는 면이다. 5개의 영구 자석(53)은 원통 축 방향으로 극성을 가진다.

도 4에 도시하는 아암 지지부(20)는, 요동부의 하부 부재(3a)의 내측에 보지되는 동시에, 연직면(56, 57)이 형성되어 있다. 연직면(제 3 면)(56)은 YZ 평면에 평행인 면이고, 연직면(제 4 면)(57)은 XZ 평면에 연직인 면이며, 연직면(56, 57)은 평면에서 보아 서로 직교하고 있다. 또한, 연직면(56, 57)은 각각, 요동부의 하부 부재(3a)에 형성된 연직면(49, 50)에 수평 방향으로 간격을 두고 평행하게 대향한다. 상세하게는, 연직면(56)은 하부 부재(3a)의 연직면(49)에 대하여 X축 방향으로 대향하고, 연직면(57)은 하부 부재(3a)의 연직면(50)에 대하여 Y축 방향으로 대향하고 있다. 아암 지지부(20)의 연직면(56, 57)에는, 아암측 부재로서 합계 5개의 원주형의 영구 자석(54a 내지 54e)이, 매립되어 고정되어 있다. 그 중 3개의 영구 자석(54a 내지 54c)은 그 한쪽의 평면이, 연직면(56)과 동일면이 되도록 매립되어 고정되어 있다. 나머지 2개의 영구 자석(54d, 54e)은 그 한쪽의 평면이, 연직면(57)과 동일면이 되도록 매립되어 고정되어 있다. 이것에 의해, 요동부의 하부 부재(3a)에 매립된 영구 자석(53a 내지 53e)과, 아암 지지부(20)에 매립된 영구 자석(54a 내지 54e)은 각각 수평 방향으로 간격을 두고 대향하는 위치가 된다. 5개의 영구 자석(54a 내지 54e)은 원주 축 방향에 극성을 가지고, 그 방향은 대향하는 영구 자석(53a 내지 53e)과 동일 방향, 또한 동축이다. 즉, 영구 자석(54a 내지 54e)과 영구 자석(53a 내지 53e)은 강구(55a 내지 55e)를 사이에 두고 다른 극이 서로 대향하고 있다(도 5 참조). 또한, 각각의 영구 자석(53a 내지 53e, 54a 내지 54e)의 대향하는 면은, 서로 평행, 또한 연직인 면이다.

도 4에 도시하는 영구 자석(53a 내지 53e, 54a 내지 54e)의 대향하는 연직면 사이에는, 자성체인 구로서 5개의 강구(55a 내지 55e)가 자기에 의해 흡인된 상태로 개재되어 있다. 각각 영구 자석(53a 내지 53e, 54a 내지 54e)의 대향하는 연직면 사이에는, 강구(55a 내지 55e)로 구성되는 5조의 조합(자력 세트) 중 1조를 구성하는 영구 자석(53a, 54a), 강구(55a)를 도 5에 도시한다. 강구(55a)는 2개의 영구 자석과 점접촉하면서, 접촉면인 연직면 상에서 구를 수 있다. 이것에 의해, 요동부의 하부 부재(3a)에 대하여, 아암 지지부(20)가 연직면 상에서 이동 가능해진다. 도 4에 있어서 하부 부재(3a)의 연직면(49)과 아암 지지부(20)의 연직면(56)에 마련된 3조의 영구 자석(53a 내지 53c, 54a 내지 54c)과 강구(55a 내지 55c)에 의해, 아암 지지부(20)는, 요동부의 하부 부재(3a)에 대하여 연직면(49)과 평행으로만 이동 가능해진다. 단, 3조의 영구 자석, 구의 배치가 연직면 상에서 하나의 직선 상에 배치되었을 경우는, 그 직선 주위의 회전의 구속을 할 수 없기 때문에, 3쌍의 배치는 일직선 상에 나열하지 않는 것이 필요하다. 본 실시형태에서는, 영구 자석(53a, 54a)과 강구(55a)로 이루어지는 조(제 1 조)와 영구 자석(53b, 54b)과 강구(55b)로 이루어지는 조(제 2 조)는, Y축 방향으로 연장되는 일직선 상에 배치되어 있지만, 나머지 1조(제 3 조)를 구성하는 영구 자석(53c, 54c)과 강구(55c)는, 이러한 Y축 방향의 직선에 대하여 Z축 방향으로 벗어난 위치(도면에 있어서 하방)이며, 또한 제 1 조 및 제 2 조 중 어느 하나에 대해서도 Y축 방향으로 벗어난 위치에 배치되어 있다. 한편, 연직면(50, 57)에 마련된 2쌍의 영구 자석(53d, 53e, 54d, 54e)과 강구(55d, 55e)에 의해, 아암 지지부(20)는, 요동부의 하부 부재(3a)에 대하여 연직면(49)과 평행으로만 이동 가능해진다. 연직면(49)과 연직면(50)은 직교한 면이기 때문에, 요동부의 하부 부재(3a)에 대하여, 아암 지지부(20)는 연직 축 방향으로만 이동 가능해진다. 본 실시형태에서는, 연직면(49, 50)은 평면에서 보아 직교하고 있지만, 반드시 직교하고 있을 필요는 없다. 연직면(49, 50)은 평면에서 보아 일정한 각도를 가지고 교차하는 면이면, 마찬가지로 아암 지지부(20)는 연직 축 방향으로만 이동 가능해진다. 또한, 영구 자석(53a, 54a) 중 한쪽을 자성체로 치환하여도 좋다.

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

도 2에 도시하는 요동부(3)의 하부 부재(3a), 가동측 보지부(3c)는, 장착부(2)에 대해, 지점 부재(42)의 선단을 중심으로 하여, 측정용 레이저 광(111)에 대해 교차하는 어느 방향으로도 요동 가능하다. 또한, 본 실시형태에서는, 측정용 레이저 광의 광축은 연직 방향인 Z축 방향에 일치한다. 요동부(3)가 지점 부재(42)의 선단을 중심으로 하여 수평 방향으로 경사졌을 경우, 가동측 자석(51)과 고정측 자석(52)의 거리가 멀어지게 되어, 자석의 성질에 의해, 한쌍의 자석(51, 52)이 서로 근접하는 방향으로 복원력이 작용한다. 그 결과, 요동부(3) 전체에 대하여 경사를 되돌리는 방향(아암(22)이 연직 방향으로 연장되는 중립 위치가 되는 방향)의 자기적인 복원력이 작용한다. 마찬가지로, 요동부가 지점 부재(42)의 첨단을 중심으로 하여 연직 축 주위를 회전했을 경우, 가동측 자석(51)과 고정측 자석(52)의 사이의 자력에 의해, 요동부(3)에 대하여 회전을 되돌리는 방향(요동부(3)의 연직 축 회전의 자세를 되돌리는 방향)의 자기적인 복원력이 작용한다. 이들 자기적인 복원력에 의해, 비측정시의 요동부는 아암(22)의 연장 방향이 연직 방향에 일치하는 자세로 보지된다.

전술한 바와 같이, 도 2에 도시하는 요동부(3)의 하부 부재(3a)에 대하여, 아암 지지부(20), 아암(22), 및 스타일러스(21)는 연직 축 상으로 이동 가능하다. 요동부측 부재인 영구 자석(53a 내지 53e)과, 아암측 부재인 영구 자석(54a 내지 54e) 사이에 자기적 흡인력이 작용하기 때문에, 아암 지지부(20)가 연직 축 상에서 이동하며, 영구 자석(53a 내지 53e)과 영구 자석(54a 내지 54e)이 연직 축 방향으로 이격된 경우, 영구 자석(53a 내지 53e)과 영구 자석(54a 내지 54e)이 서로 가까워지는 방향으로 복원력이 작용한다. 도 6에 영구 자석(53a, 54a)과 강구(55a)로 구성하는 조에 대하여, 그 형태를 도시한다. 도 6은 아암 지지부(20)가 요동부에 대하여, 연직 하부 방향에 ΔZ만큼 이동한 상태이다. 이 때, 구(55a)는 영구 자석(53a, 54a)의 선단면을 구르면서, ΔZ의 2분의 1의 거리만큼 연직 하부 방향으로 이동한다. 이 상태에서는, 영구 자석(53a)의 자기 축과 영구 자석(54a)의 자기 축이 ΔZ만큼 어긋나 있기 때문에, 자석의 성질에 의해, 자기 축이 일치하는 방향, 즉 아암 지지부(20)를 연직 상부 방향으로 이동시키는 방향으로 복원력(F)이 작용한다. 또한, 강구(55a)의 이동은 구름 접촉이기 때문에, 마찰력은 매우 작으며, 아암 지지부(20)는 하부 부재(3a)에 대하여 근소한 힘으로 이동할 수 있다.

이상과 같이, 요동부에 대해서 아암 지지부(20)는 연직 축 방향으로만 이동 가능하며, 자기적 흡인력에 의해 연직 축 방향으로 복원력을 가진다.

도 2에 의해, 그 동작을 설명한다. 측정물의 연직 방향 또는 대략 연직 방향으로 연장하는 면(연직면 : 도 2의 측정물(60)의 경우, 피측정면(61a))의 형상을 측정할 때에는, 스타일러스(21)를 피측정면에 가압하는 측정력이 이하와 같이 하여 얻어진다. 스타일러스(21)를 피측정면(61a)에 접촉시킨 상태로 장착부(2)를 측정물(60) 측에 수평 방향으로 약간 이동시키면, 지점 부재(42)의 선단을 중심으로 하여 요동부(3)의 하부 부재(3a)와 가동측 부재(3c)가 경사지는 것에 의해, 아암(22)이 수평 방향으로 경사진다. 요동부(3)가 경사지면, 요동부(3)의 가동측 부재(3c)에 마련한 가동측 자석(51)과 장착부(2)에 마련한 고정측 자석(52) 사이의 자기적 흡인력에 의해, 아암(22)이 연직 방향으로 연장하는 초기 상태의 중립 위치에 요동부(3a 내지 3c)를 복원시키는 복원력을 발생시킨다. 이러한 자기적인 복원력에 의해, 스타일러스(21)는 피측정면(61a)에 대하여 소정의 측정력으로 가압된다.

이와 같이, 연직면 측정시의 측정력은, 연결 기구에 의해서 장착부(2)에 요동 가능하게 연결된 요동부(3a 내지 3c)가 가동측 및 고정측 자석(51, 52)의 자기적 흡인력으로 부세되는 것에 의해 발생한다. 연직면 측정시의 측정력은, 가동측 자석(51)과 고정측 자석(52)의 자력, 및 양자 간격에 의해 조정할 수 있다. 예를 들면 본 실시형태에 있어서는, 스타일러스(21)의 선단을 0.3mN으로 가압했을 때에, 스타일러스의 수평 방향 변위가 10㎛가 되도록, 가동측 자석(51)으로 고정측 자석(52)의 자력과 거리를 설정하고 있다. 이와 같이, 본 실시형태의 프로브(1)는, 작은 측정력에 의해 연직면의 형상 측정이 가능하다.

측정물의 수평 방향 또는 대략 수평 방향으로 연장하는 면(수평면 : 도 1의 측정물(60)의 경우, 피측정면(61b))의 형상을 측정할 때에는, 스타일러스(21)를 피측정면에 가압하는 측정력은 이하의 같이 하여 얻어진다. 비측정시에는 아암 지지부(20)는, 그 중량(중력)에 의해 연직 방향 하부 방향으로 이동하며, 하나의 조를 구성하는 영구 자석(53a, 54a)과 구(55a)의 위치 관계는 도 6과 같이 이루어진다. 그러나, 이동량(ΔZ)의 증가에 따라서, 자기적인 복원력(F)도 증가한다. 그 때문에, 어느 일정한 위치에서, 복원력(F)과, 중력이 균형을 잡는다. 스타일러스(21)를 피측정면(61b)에 접촉시킨 상태에서 장착부(2)를 측정물(60) 측에 연직 하부 방향으로 약간 이동시키면, ΔZ가 작아져, 복원력(F)의 쪽이, 아암 지지부(20)에 가해지는 중력보다 약해진다. 그 차분이 측정력이 되어, 스타일러스(21)가 피측정면(61b)에 가압된다.

이와 같이, 수평면 측정시의 측정력은, 2개의 영구 자석 사이의 자기 축의 어긋남으로 발생하는 탄성적인 힘이 아암 지지부(20)를 부세하는 것에 의해 발생한다. 아암 지지부(20)의 연직 방향의 강성은, 아암 지지부(20) 자체와, 아암(22) 및 스타일러스(21)의 중량을 지지할 수 있는 정도이면 좋다. 즉, 영구 자석(53, 54)이 지지할 필요가 있는 중량이 가볍다. 그 때문에, 영구 자석(53, 54)의 자력을 약하게 하여, 자기 축의 차이에 의한 탄성적인 부세력을 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 하나에 대해서도 작은 측정력에 의한 고정밀도의 측정이 가능하다.

도 4에 도시하는 아암 지지부(20)의 연직 축 방향 이외의 움직임을 구속하는 자석(53, 54)과 구(55)의 조합은 각각 강체이기 때문에, 연직 축 방향 이외의 이동 방향 및 회전에 대하여 강성을 충분히 높게 할 수 있다. 연직면 측정시에 스타일러스(21)에 작용하는 측정력의 반력에 의한 아암 지지부(20)의 수평 방향의 편차, 및 거기에 따르는 위치 검출 미러(23)의 수평 방향의 변위, 연직 축 주위의 회전은, 후술하는 형상 측정 장치(201)의 측정용 레이저 광(111)에서는 검출할 수 없기 때문에, 측정 오차가 된다. 그러나, 본 실시형태의 프로브(1)는, 아암 지지부(20)의 수평 방향 이동 및 회전에 대한 강성이 높으므로, 측정력의 반력에 의한 위치 검출 미러(23)의 수평 방향의 변위, 연직 축 주위의 회전을 작게 할 수 있어서, 측정물(60)의 연직인 피측정면(61b)의 형상을 고정밀도로 측정할 수 있다.

다음에, 본 실시형태의 프로브(1)를 구비한 형상 측정 장치에 대해 도 7 및 도 8을 이용하여 설명한다.

일반적으로, 형상 측정 장치(201)는, 프로브(1)를 측정물(60)에 접촉시켜, 스타일러스(21)를 피측정면(61a, 61b)에 가압하는 측정력이 거의 일정하게 되도록 프로브(1)의 이동을 제어하면서, 피측정면(61a, 61b)을 따라서 이동시켜서 측정을 실행한다. 레이저 측장기에 의해, 프로브(1)의 3차원 공간에 있어서의 위치를 검출하여, 프로브(1)에 대한 스타일러스(21)의 변위를 그 프로브(1)의 위치 좌표에 가산함으로써, 피측정면(61a, 61b)의 표면 형상 데이터가 얻어진다.

이와 같은 형상 측정 장치의 일 예로서, 전술한 특허문헌 1(일본 특허 공개 제 2010-286475 호 공보)에 개시된 것은, 도 7과 같이 측정물(60)을 정반 상에 고정하여, 프로브를 X축, Y축, 및 Z축의 전체 방향으로 이동시키는 타입이다. 이외에, 측정물(60)을 X축, Y축으로 이동시켜, 프로브를 Z축으로 이동시키는 타입도 있다.

도 7에 도시하는 형상 측정 장치(201)는, 석정반(292) 상에 설치되며 X축 및 Y축 방향으로 가동인 X-스테이지(2951) 및 Y-스테이지(2952)를 갖는 스테이지(295)를 구비한다. 이 스테이지(295)에, Z-테이블(293), He-Ne 레이저(레이저 광 발생부)(210), 측정점 정보 결정부(220), 및 프로브 광학부(231)를 탑재하고 있다. 따라서, 스테이지(295)는 Z-테이블(293), He-Ne 레이저(210), 측정점 정보 결정부(220), 및 프로브 광학부(231)를 X축 및 Y축 방향으로 이동시킬 수 있다.

측정점 정보 결정부(220) 및 프로브 광학부(231)에 대해, 도 7 및 도 8을 참조하여 상세하게 설명한다. 도 8에 도시하는 바와 같이, 측정점 정보 결정부(220)는, 피측정면(61a, 61b)의 위치 정보를 얻기 위한 광학계(221)와, 위치 좌표 측정부(224)와, 가산부(225)를 갖는다. 프로브 광학부(231)는, 미러 위치 경사 검출부(226)와, 스타일러스 위치 연산부(223)와, 다이크로익 미러(2211a)와, 포커스 렌즈(17)를 갖는다. 프로브 광학부(231)는, 프로브(1)와 함께, Z-테이블(293)의 가동측에 장착된다. 미러 위치 경사 검출부(226), 스타일러스 위치 연산부(223), 위치 좌표 측정부(224), 및 가산부(225)는 광학계(221)에 접속되며, 측정시의 스타일러스의 위치 정보를 구하기 위한 구성 부분이다.

He-Ne 레이저(210)가 발생한 측정용 레이저 광(111)은, 측정물(60)의 피측정면(61a, 61b)의 3차원 좌표 위치를 구하기 위해, 광학계(221)에서 4개로 분광된다. 광학계(221)는, 스테이지(295)(도 7 참조)의 X축 방향 및 Y축 방향에 있어서의 이동량, 즉 피측정면(61a, 61b)의 X축 방향 및 Y축 방향에 있어서의 좌표값을 검출하기 위해, 도시를 생략하고 있지만 X축 방향에 직교하는 경면(鏡面)으로 이루어지는 기준면을 갖는 X축 기준판, 및 Y축 방향에 직교하는 경면으로 이루어지는 기준면을 갖는 Y축 기준판을 갖는다. 또한, 광학계(221)에는, 추가로 Z축 방향에 직교하는 경면으로 이루어지는 Z 기준판(230)(도 7 참조)도 마련되어 있다. 각 기준판의 기준면은 평탄도가 0.01미크론 정도로 구성되어 있다.

피측정면(61a, 61b)의 형상 측정 방법에서는, 예를 들면 일본 특허 공개 제 1998-170243 호 공보에 기재되는 바와 같이, X축, Y축, 및 Z축의 각 기준면에 레이저 광을 조사하고, 조사하는 레이저 광과 각 기준면에서 반사된 레이저 광과의 간섭 신호를 계수함으로써, 반사된 레이저 광의 위상의 변화를 검출하는 공지의 레이저 측장 방법을 이용한다. 보다 구체적으로는, 이러한 레이저 측장 방법에서는, 예를 들면 일본 특허 공개 제 1992-1503 호 공보에 개시되는 바와 같이, 각 기준면에 조사되는 레이저 광을 프리즘 등의 분기 부재로 참조광과 측정광으로 나누고, 또한 참조광과 측정광의 위상을 90도 어긋나게 한다. 그리고, 측정광을 기준면에 조사하여 반사시켜, 되돌아온 반사광과 참조광의 위상의 편차에 의한 간섭광을 전기적으로 검출하고, 얻어진 간섭 무늬 신호로부터 작성하는 리사쥬 도형에 근거하여 기준점과 상기 기준면과의 거리가 측정된다.

위치 좌표 측정부(224)는, 이와 같은 측장 방법을 실행하는 부분이며, 피측정면(61a, 61b)에 있어서의 측정점의 X좌표값, Y좌표값, 및 Z좌표값의 측장을 실행하는 검출부(224a 내지 224c)를 갖는다. 본 실시형태에서는, 도 7에 도시하는 바와 같이, 석정반(292) 상에 탑재된 측정물(60)에 대하여 스테이지(295)가 이동하므로, 상술의 측정점에 있어서의 X 좌표값, Y 좌표값, 및 Z 좌표값은, Z-테이블(293)에 장착되어 있는 프로브(1)의 장착부(2)의 절대 위치 좌표값이라 환언할 수 있다.

본 실시형태에서는, 검출부(224c)는, 프로브(1)에 있어서의 스타일러스(21)의 Z좌표값의 측장을 실행하는 부분이며, 스타일러스 위치 측정기로서 기능한다. 이하, 이러한 점에 대해 상술한다. 도 8에 도시하는 바와 같이, Z-테이블(293)의 하단에 장착되어 있는 프로브(1)의 아암 지지부(20)에 장착되어 있는 위치 검출 미러(23)의 중심점에, 측정용 레이저 광(111)의 일부가 포커스 렌즈(17)를 거쳐서 조사된다. 조사된 측정용 레이저 광(111)은 위치 검출 미러(23)에서 반사하며, 해당 반사광(211b)은 광분리부인 다이크로익 미러(2211a)에서 반사되는 일이 없이, 투과하고, 하프 미러(2211b)에서 반사하며, 검출부(224c)에 조사되어 스타일러스(21)의 Z 좌표값의 측장을 실행할 수 있다.

위치 검출부(224a 내지 224c)의 검출 결과에 근거하는 위치 좌표 측정부(224)의 연산 결과(본 실시형태에서는 장착부(2)의 X축 및 Y축 좌표값과 스타일러스(21)의 Z축 좌표값)와, 미러 위치 경사 검출부(226)의 검출 결과에 근거하는 스타일러스 위치 연산부(223)의 연산 결과를 가산부(225)에서 가산함으로써 피측정면(61)의 형상이 연산된다. 미러 위치 경사 검출부(226)는, 요동부(3a 내지 3c)의 경사에 따른 스타일러스(21)의 변위(X축 및 Y축 방향)와, 아암 지지부(20)의 연직 방향의 변위에 따른 스타일러스(21)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 위치 검출 미러(23)에 조사하는 반도체 레이저(227), 경사 각도 검출부(222), 상하 위치 검출부(228)를 구비한다. He-Ne 레이저(210)와 상이한 파장의 반도체 레이저(레이저 광 발생부)(227)의 레이저 광(229)은 다이크로익 미러(2211a)를 거쳐서 위치 검출 미러(23)로 조사된다. 레이저 광(229)의 위치 검출 미러(23)에 의해 반사된 반사광(229b)은, 다이크로익 미러(2211a)에서 반사된 후, 경사 각도 산출부(222)와 상하 위치 검출부(228)에 입사한다.

경사 각도 검출부(222)는 반사광(229b)을 수광하여 전기 신호로 변환하는 경사 검출 수광면을 갖는 광 검출기로 구성되며, 경사 검출 수광면에 있어서의 반사광(229b)의 위치에 따라서, 수광면의 2차원 좌표값에 대응하는 전기 신호를 상기 스타일러스 위치 연산부(223)로 송출한다. 상기 2차원 좌표값은 스타일러스(21)를 보지하는 아암(22)의 경사 각도에 대응한다. 스타일러스 위치 연산부(223)는, 경사 각도 검출부(222)로부터 입력된 각도 신호를 프로브(1)에 구비되는 스타일러스(21)의 변위량으로 변환한다.

스타일러스(21)는 도시와 같이 구형상이므로, 상기 측정 X 좌표값, 측정 Y 좌표값, 및 측정 Z 좌표값은 스타일러스(21)의 중심 좌표이다. 따라서, 피측정면(61a) 상의 측정점의 진짜 좌표값은, 프로브(1)의 주사 방향에 수직인 방향으로, 스타일러스(21)의 반경값만큼/ 어긋나게 한 값이 된다.

미러 위치 경사 검출부(226)가 구비하는 상하 위치 검출부(228)는, 위치 검출 미러(23)로부터의 반사광(229b)으로부터, 장착부(2)에 대한 위치 검출 미러(23)의 상하 방향의 변위를 검출한다. 검출 방법은 일본 특허 공개 제 2008-292236 호에 나타나는 홀로그램을 이용한 방법 등 공지의 기술로 가능하다.

이상과 같이 구성되는 형상 측정 장치(201)에 있어서의 동작, 즉, 측정물(60)의 피측정면(61a, 61b)에 대한 형상 측정 방법에 대하여 이하에 설명한다. 이러한 형상 측정 방법은 도 7에 도시하는 제어 장치(280)의 동작 제어에서 실행된다.

우선, 연직면인 피측정면(61a)을 측정하는 경우에 대해 도 7 및 도 8을 이용하여 설명한다. 상술한 바와 같이, 도 8에 도시하는 스타일러스(21)를 피측정면(61a)에 접촉시켜, 예를 들면 약 0.3mN(=30mgf)의 측정력으로 스타일러스(21)가 피측정면(61a)을 가압하도록, 측정물(60)에 대하여, 프로브(1)를 장착한 Z-테이블(293)을 갖는 스테이지(295)를 상대적으로 배치한다.

예를 들면, 측정물(60)의 피측정면(61a)이 원통 내주면에서, 그 형상 측정을 실행하는 경우를 예를 들어, 도 9 및 도 10에 의해 설명한다. 도 9와 같이, 스타일러스(21)가 피측정면(61a)을 따라서 접촉하면서 측정을 실행한다. 이 때, 프로브(1)는 화살표(121a)의 방향을 따라서 전진한다. 이 때, 프로브(1)는 화살표(121b) 방향으로 이동시키는 것에 의해, 도 10에 도시하는 연직 방향에 대한 스타일러스 아암(22)의 경사(β)를 일정 혹은 거의 일정하게 유지하면서 전진한다. 즉, 어느 방향에도 스타일러스 아암(22)을 경사시켜, 또한 연직 방향에 대한 경사(β)가 일정 혹은 거의 일정하게 유지되도록, 도 7에 도시하는 제어 장치(280)로 스테이지(295)의 구동부(294)를 제어하고, X축 방향 및 Y축 방향으로의 스테이지(295)의 이동량 및 이동 방향을 제어한다. 또한, 본 실시형태에서는 스타일러스 아암(22) 선단의 변위가 10㎛를 유지하는 각도로 조정함으로써, 측정력을 0.3mN으로 유지할 수 있다.

이와 같은 측정 동작에 근거하여, 전술한 바와 같이, 도 8에 도시하는 스타일러스 위치 연산부(223) 및 위치 좌표 측정부(224)를 거쳐서, 가산부(225)에 의해, 피측정면(61a)의 측정점에 있어서의, 상기 측정 X 좌표값, 측정 Y 좌표값, 및 측정 Z 좌표값이 구해진다.

다음에, 수평면인 피측정면(61b)을 측정하는 경우에 대해 설명한다. 이 경우, 스타일러스(21)를 피측정면(61b)에 가압하는 측정력은 연직 방향 하부 방향에 발생시킬 필요가 있다. 또한, 고정밀도로 측정하기 위해서는, 연직 방향 하부 방향의 측정력을 일정하게 할 필요가 있다. 제어 장치(280)로 구동부(294)를 구동하여 스테이지(295)(도 7 참조)를 수평 방향으로 이동시키는 동시에, 미러 위치 경사 검출부(226)의 상하 위치 검출부(228)의 검출 결과에 근거하여 위치 검출 미러(23)의 연직 방향의 변위량이 일정하게 되도록 Z-테이블(293)을 동작시킨다. 예를 들면, 비측정시의 아암 지지부(20)가 요동부(3a 내지 3c)에 대하여, 중력에 의해 100㎛ 연직 하부 방향으로 이동할 때, 측정시에는 90㎛의 휨이 되도록, 제어를 실행하는 것에 의해, 측정력을 3mN으로 유지할 수 있다. 또한, 피측정면(61b)의 미소한 변위에 추종하여 스타일러스(21)도 상하 이동하기 때문에, 스타일러스(21)와 일체가 되어 이동하는 위치 검출 미러(23)의 Z 좌표의 측장부로서 기능하는 검출부(224c)의 검출값에 의해, 측정물의 미소 변위도 측정할 수 있게 된다.

또한, 완전한 수평면으로부터 경사가 커졌을 경우, 예를 들면 45도 정도의 경사의 측정시에는, 연직 하부 방향으로 가압력을 발생시켰을 경우에는, 스타일러스(21)의 아암(22)에 경사가 발생하지만, 경사 각도 검출부(222)에서 아암의 경사를 검출하고 있으므로, 그 경사량을 스타일러스 변위로 환산하여 보정을 가하는 것에 의해, 고정밀도의 측정이 가능해진다. 그렇지만, 이러한 측정 방법에 있어서, 미러(23)의 Z축 주위의 회전, X, Y축 방향으로의 평행 이동의 편차는 검출할 수 없기 때문에, 측정 오차가 된다. 전술한 바와 같이 본 발명의 프로브(1)는, 영구 자석(53a 내지 53e, 54a 내지 54e)과 구(55a 내지 55e)로 이루어지는 상하 기구부에 있어서, Z축 주위, X, Y축 방향으로의 강성을 높게 할 수 있기 때문에, 그와 같은 오차를 저감할 수 있다. 아암 지지부(20)의 경사, 상하 위치를 검출하기 위해서, 아암 지지부에 위치 검출 미러를 구비하고 있지만, 정전 용량 센서의 거리 센서를 복수 개 이용하여, 아암 지지부의 복수 위치 변위를 구하는 것에 의해 검출하는 것도 가능하다.

또한, 프로브(1)는 자력에 의해, 요동부(3a 내지 3c)를 일정 방향으로 보지하고, 또한 아암 지지부(20)를 일정 위치에 보지할 수 있기 때문에, 스타일러스(21)가 고정된 아암(22)의 축은 연직 방향에 한정하지 않으며, 경사진 상태에서의 사용도 가능하다.

본 실시형태에서는, 2개의 평면에 5쌍의 자석을 배치했지만, 대안으로서, 도 11a, 도 11b 및 도 11c와 같이 평행 연직 곡면과 그것에 교차하는 연직 평면에 5쌍의 자석과 강구를 배치하여도, 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 도 11a는 요동부의 하부 부재(3a), 아암 지지부(20), 및, 자석(53a 내지 53e, 54a 내지 54e), 구(55a 내지 55e)로 이루어지는 상하 이동 기구의 배치를 도시하는 사시도이며, 도 11b는 그 정면도이며, 도 11c는 그 평면도이다. 도 11c의 평면도에 있어서, 요동부(3)의 하부 부재(3a)에 곡면(49a)이 형성되어 있다. 곡면(49a)은 원통 내면이며, 그 원통 축은 연직 방향과 일치한다. 이것에 대향하는 곡면(56a)이 아암 지지부(20)에 형성되어 있다. 곡면(56a)은 곡면(49a)과 동심 원통을 이루는 면이다. 즉, 곡면(49a)과 곡면(56a)은 서로 일정한 거리를 가진 연직면이다. 이들 곡면(49a, 56a)을 따라서 영구 자석(53a 내지 53c, 54a 내지 54c)이 배치되며, 그 사이에 강구(55a 내지 55c)가 자력에 의해 보지되어 있다. 영구 자석(53d, 53e, 54d, 54e)은 요동부(3)의 하부 부재(3a)에 형성된 연직면(50a)과 아암 지지부(20)에 형성된 연직면(57a)에 보지되어 있다. 연직면(50a, 57a)은, 전술의 연직면(50, 57)(도 4)과 마찬가지로, 서로 평행인 연직 평면이다. 이와 같은 구성에 있어서, 영구 자석(53a 내지 53c, 54a 내지 54c)과 구(55a 내지 55c)의 3쌍의 영구 자석과 구의 조합에 의해, 아암 지지부(20)는, 요동부의 하부 부재(3a)에 대하여, 곡면(49a)과 곡면(56a)이 일정한 거리를 유지하면서 Z축 방향으로 이동 가능하다. 그렇지만, 이것만으로는 Z축 주위의 회전, X축 주위의 회전에 대해서도 이동 가능하다. 이 때문에, 영구 자석(53d, 53e, 54d, 54e)과 구(55d, 55e)의 2쌍의 영구 자석과 구의 조합을 추가하여, 그 회전을 구속할 수 있다. 이외에도 영구 자석과 구의 5쌍의 배치는 연직 축 이외의 자유도를 구속할 수 있는 것이면, 동일한 효과를 얻을 수 있다.

도 4 및 도 11a(대안)에 도시하는 아암 지지부(20)는 구속이 없는 경우, 요동부(3)에 대하여, X, Y, Z의 3방향의 이동에 관한 3자유도와, X축 주위, Y축 주위, Z축 회전의 회전에 관한 3자유도의 합계 6자유도이며, 이동과 회전이 가능하지만, 5조의 영구 자석과 강구에 의해, 6자유도 중 5자유도를 구속하고, 나머지의 Z축 방향의 1자유도만을 이동 가능하게 배치할 수 있다. 따라서, 자석과 강구의 조는 반드시 5조는 필요하며, 반대로 6조 이상 있으면, 적어도 1조의 자석과 구에 있어서, 자석과 구가 접촉하지 않고 부상해 버려, 정확하게 연직 축 방향의 이동을 실행할 수 없게 된다.

각각 자석과 강구로 이루어지는 5조 중 1조가 구속하는 자유도의 방향이, 다른 4쌍이 구속하는 자유도의 방향과 중첩되면, 구속이 부족하게 되어, Z축 방향 이외의 자유도로 이동, 또한 회전 가능하게 되어 버린다. 예를 들면, 도 4에 있어서, 영구 자석(53a 내지 53d, 54a 내지 54d), 구(55a 내지 55d)의 4조에 의해서, 아암 지지부(20)는 YZ면 상에서의 구속(즉, X축 이동, Y축 주위 회전, Z축 주위 회전에 대한 구속)과, Y축 이동에 대한 구속의 4방향의 구속이 실행된다. 나머지의 1조의 구속은 영구 자석(53e, 54e)과 강구(55e)에 의해서, X축 주위의 회전을 구속할 필요가 있다. 그 때문에 영구 자석(53d, 54d)과 강구(55d)의 하방에, 영구 자석(53e, 54e)과 강구(55e)를 배치하고 있다. 그렇지만, 영구 자석(53e, 54e)과 강구(55e)를 영구 자석(53d, 54d), 구(55d)와 동일한 높이로 배치하면, 영구 자석(53e, 54e), 구(55e)는 Y축 방향의 구속, 혹은 Z축 주위의 회전을 구속하게 되어, 다른 4쌍에 의해 구속되는 자유도의 방향과 일치한다. 이 경우는 X축 주위의 회전의 구속을 할 수 없으며, 스타일러스(21)에 Y축 방향의 측정력이 가해졌을 경우에, X축 주위에 회전을 일으켜 측정 오차가 되어 버린다. 즉, 5쌍 중 임의의 한쌍은, 다른 4쌍에 의해 구속되는 자유도와 일치하지 않는 방향의 자유도를 구속하는 위치, 방향에 배치를 실행할 필요가 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 스타일러스(21)는 예를 들면 약 0.03㎜ 내지 약 2㎜의 직경을 갖는 구 형상체이며, 아암(22)은, 일 예로서 굵기가 약 0.7㎜이며, 아암 지지부(20)의 하면으로부터 스타일러스(21)의 중심까지의 길이가 약 10㎜인 봉 형상의 부재이다. 이들 값은 피측정면(61a, 61b)의 형상에 의해 적절히 변경된다.

이상과 같이, 본 발명의 3차원 형상 측정 장치용 프로브(1)를 종래의 3차원 형상 측정 장치(201)에 장착되는 것에 의해, 스타일러스(21)와 측정물(60)의 접촉력, 즉 측정력을 작게 할 수 있기 때문에, 고정밀도로 측정할 수 있으며, 또한 미소한 스타일러스(21)에서도 파손하는 일이 없이, 측정할 수 있다. 또한, 아암 지지부(20)의 이동을 구속하여, 복원력을 갖게 하는 자석과 강구의 조합은 각각 점접촉이지만, 강체끼리의 접촉이기 때문에, 연직 축 방향 이외의 5자유도의 이동, 회전에 대하여 강성을 높일 수 있다. 이것에 의해, 아암 지지부(20)에 마련된 위치 검출 미러(23)의 경사, 연직 축 방향 이동만을 검출하는 것에 의해, 스타일러스(21)의 위치를 고정밀도로 검출할 수 있다. 자석과 강구의 조합은 일 예로서 직경 1㎜ 정도의 작은 것을 사용하는 것에 의해, 가동부의 질량이 작아져, 고유 진동수를 낮게 할 수 있다. 이것에 의해, 진동이 발생하기 어려워져, 고정밀도의 측정을 할 수 있다.

또한, 프로브(1)에 뜻밖의 충격이 가해지고, 요동부(3)에 대하여 아암 지지부(20)가 크게 어긋나도, 자석 사이에 개재된 구는 어느 하나의 자석에 흡착하고 있으므로, 떨어지는 일은 없으며, 바로 복귀하여 사용할 수 있다.

본 프로브(1)에 있어서, 복원력 등에 자력을 이용하고 있지만, 영구 자석에 의해 구성하고 있으므로, 전자석과 같이 전류를 흘리는 일이 없다. 이것에 의해 구성이 간단하게 되어, 전기 열에 의한 온도 상승이 없으며, 안정되게 측정이 가능하다.

본 발명은 연직면의 측정시뿐만이 아니라, 수평면의 측정시에도, 작은 가압력으로 측정할 수 있으며, 또한 프로브 내의 미러의 수평 방향의 변위를 저감하는 것에 의해, 고정밀도로 측정물의 형상을 측정할 수 있다. 임의 형상의 구멍의 내면이나 구멍경의 측정, 및 임의 형상의 외측면의 연직면의 형상 측정뿐만이 아니라, 수평면의 형상 측정을 고정밀도 및 저측정력으로 주사 측정하는 3차원 형상 측정 장치의 3차원 형상 측정용 프로브에 적용할 수 있다.

1 : 3차원 형상 측정 장치용 프로브 2 : 장착부
3 : 요동부 3a : 하부 부재
3b : 연신부 3c : 가동측 보지부
5 : 폐쇄 부재 5a : 요동용 관통 구멍
11 : 공동부 17 : 포커스 렌즈
20 : 아암 지지부 21 : 스타일러스
22 : 아암 23 : 위치 검출 미러
24 : 관통 구멍 33 : 고정측 보지 부재
41 : 탑재대 41a : 원추 홈
42 : 지점 부재 49, 50 : 연직면
51 : 가동측 자석 52 : 고정측 자석
53a 내지 53e : 영구 자석 54a 내지 54e : 영구 자석
55a 내지 55e : 강구 56, 57 : 연직면
60 : 측정물 101 : 3차원 형상 측정용 프로브
103 : 요동부 104 : 연결부
109 : 상하 탄성체부 111 : 측정용 레이저 광
114 : 고정측 보지 부재 120 : 아암 장착부
121 : 스타일러스 122 : 아암
123 : 미러 141 : 탑재대
142 : 지점 부재 201 : 3차원 형상 측정 장치
210 : He-Ne 레이저 220 : 측정점 정보 결정부
221 : 광학계 222 : 경사 각도 검출부
223 : 스타일러스 위치 연산부 224 : 위치 좌표 측정부
225 : 가산부 226 : 미러 위치 경사 검출부
227 : 반도체 레이저 228 : 상하 위치 검출부
229 : 레이저 광 230 : Z 기준판
231 : 프로브 광학계 292 : 석정반
293 : Z-테이블 295 : 스테이지
2951 : X-스테이지 2952 : Y-스테이지

Claims (6)

1. 3차원 형상 측정 장치에 장착되는 장착부와,
   상기 장착부에 마련된 탑재대와, 상기 탑재대에 탑재된 지점 부재를 구비하고, 상기 지점 부재를 지점으로 하여 상기 장착부에 요동 가능하게 연결되며, 서로 교차하는 제 1 면과 제 2 면을 갖는 요동부와,
   상기 요동부에 마련된 가동측 부재와, 상기 장착부에 마련되며 상기 가동측 부재에 대하여 간격을 두고 대향하는 고정측 부재를 구비하고, 상기 가동측 부재와 상기 고정측 부재는 자기적 흡인력을 발생하도록 구성되며, 상기 자기적 흡인력에 의해 상기 요동부가 일정한 방향을 향하도록 상기 요동부를 부세하는 부세 기구와,
   측정물의 피측정면에 접촉하는 스타일러스가 하단에 배치된 아암이 수하(垂下)하여 장착되며, 상기 제 1 면과 대향하는 제 3 면과, 상기 제 2 면과 대향하는 제 4 면을 갖는 아암 지지부와,
   상기 요동부의 상기 제 1 면과 상기 제 2 면에 마련되며 각각 연직면을 갖는 복수의 요동부측 부재와,
   상기 아암 지지부의 상기 제 3 면과 상기 제 4 면에 마련되며, 각각 상기 요동부측 부재 중 어느 하나와 수평 방향으로 간격을 두고 대향하며, 또한 대향하는 상기 요동부측 부재의 상기 연직면과 수평 방향으로 간격을 두고 대향하는 연직면을 갖고, 상기 요동부측 부재와 자기적 흡인력을 발생하도록 구성된 복수의 아암측 부재와,
   각각 서로 대향하는 상기 요동부측 부재와 상기 아암측 부재 사이에 배치되며 상기 자기적 흡인력에 의해 상기 연직면에 흡인되어 접촉하는, 자성체로 이루어지는 복수의 구체를 구비하는 것을 특징으로 하는
   3차원 형상 측정 장치용 프로브.
2. 제 1 항에 있어서,
   1개의 상기 요동부측 부재와, 그것과 대향하는 1개의 상기 아암측 부재와, 이들 상기 요동부측 부재와 상기 아암측 부재 사이에 배치된 1개의 상기 구로 구성된 자력 세트가 5조 있으며,
   상기 자력 세트는, 5조 중 임의의 1조가 다른 4조에 의해 구속되는 자유도와 일치하지 않는 방향의 자유도를 구속하는 위치 및 방향에 배치되어 있는
   3차원 형상 측정 장치용 프로브.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 요동부측 부재와 상기 아암측 부재는, 한쪽이 영구 자석으로 구성되며, 다른쪽이 자성체로 구성되는
   3차원 형상 측정 장치용 프로브.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 요동부측 부재와 상기 아암측 부재는, 양쪽 모두 영구 자석으로 구성되며 다른 극이 서로 대향하도록 배치되는
   3차원 형상 측정 장치용 프로브.
5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 요동부측 부재와, 상기 자력 세트의 배치는, 3조를 상기 제 1 면 및 상기 제 3 면 상의 일직선 상에 나열되지 않는 위치에 배치하고, 2조를 상기 제 2 면 및 상기 제 4 면 상의 다른 높이로 배치한
   3차원 형상 측정 장치용 프로브.
6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 아암 지지부는 위치 검출 미러를 구비하는
   3차원 형상 측정 장치용 프로브.

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