TW200823428A - Three-dimensional nano touch trigger probe - Google Patents

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200823428 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 • 本發明係有關於一種奈米級三次元接觸式量測探 • 頭，安裝於奈米級二次元I測儀上，尤指一種可運用於精 密之工業發展，以有效地量測待測物之三維外型，藉以確 定產品精度的量測設備。 Φ 【先前技術】 按，三次元量測儀的發端，始於1960年代，經過幾 十年的演變改良，目前其關鍵技術大多已經發展成熟，其 中傳統的三次元量測儀是採用觸發式探頭（Touch Trigga Probe)，無論在任何位置及方向，只要其探棒偏離原來的 中心位置至某一程度時，立即會產生一個檢測信號。其内 部構造為中間有一彈簧，作為調整固定探針之板塊鬆緊和 探棒之靈敏度，每隔120度有一組由一支圓銷或二個圓球 Φ ,组成之串聯電路’當探棒前端的圓球觸及工件時，任何_ 、组圓鎖和圓球間’其接觸點有間隙時即形成斷電，此時即 發生觸發信號(Triggering signal)，使處理器計數其三轴之 位置再送給電腦。對於微小工件的量測，傳統的三次元量 測儀有著精度不足’與接觸力過大而導致工件表面產生塑 性變形的疑慮。 近年來，隨著微型工具機陸續被開發完成後，一些經 由此類設備加工而成的微三維工件，如微模且 6 200823428 (micro-mold)、微光柵(micro-grating)、微透鏡(micro-!ens)、 微孔洞（micro-hole)、微結構(micro-structure)…等，迫切地 需要一具有奈米級的三維量測儀器作為加工精度的檢測 設備。由於針對微小工件量測時，量測探頭的性能將為量 測精度的主要關鍵，因此有些新發明的量測探頭被提出， 用以替代常見的電控觸發與三角形結構的傳統三次元探 頭’不但改良了以在採頭的缺點’且靈敏度、重複性皆大 幅提升’例如美國專利編號U.S. Pat. No. 6,886,265揭露利 用特殊的平行撓性鉸鏈來製作探頭結構，所完成的探頭結 構屏除了旋轉的運動自由度，設計出只具有三軸方向位移 的楝頭結構，並搭配三個電感式感測器作為三軸位移的量 測，由於該探頭結構的設計目標在於屏除三個旋轉的運動 自由度’而使探頭結構設計相當複雜，加上感測器必須置 於三軸向的位移運練上，使整體的體積相纽大，所需 成本昂貴。按美國專利編號u.s. Pat. N〇 6,941，671揭露一 ^欠元接觸式量測探頭，其懸吊裝置每隔12()度有一組由 :支圓銷與兩侧球組成之串聯電路，當探棒觸及工件 ^ =何-組圓銷和圓球間，其接觸點有間隙時即形成斷 ^且^㈣生觸發信號此—接觸式量測探頭結構 行圓’使制發㈣驗雜移量於平 仃口劫方向，會有較大的位移量，進而造成量測上的誤差。 7 200823428 【發明内容】 爰此，本發明有鑑於習知接觸式量測探頭之構造複 _ 雜、製造成本過高、感測器數量繁多、接觸力過大、因機 構間耦合運動與任意方向非等剛性而造成精度不足…等， m 在使用上具有諸多缺點，因此本發明提供一種奈米級三次 元接觸式量測探頭，其係在於基座上分別固定有光學式位 移量測裝置、光學式二維角度量測裝置及懸吊機構，該光 學式位移量測裝置與光學式二維角度量測裝置係設有位移 量測探頭與角度量測探頭，而該懸吊機構則設有八根微細 樑與十字型結構，該懸吊裝置中央設有探棒且懸吊機構上 係設有反射鏡；當探棒前端圓球碰觸到待測物表面時，則 懸吊裝置會根據碰觸的方向產生彈性變形，可由光學式位 移量測裝置及光學式二維角度量測裝置，利用位移量測探 頭與角度量測探頭之光源可以聚焦與聚束投射至懸吊機構 的兩片反射鏡上，並偵測反射鏡上之反射光做光束聚焦訊 _ 號處理與光束聚焦能量位置訊號處理，藉以判斷懸吊機構 之變形量，當變形量達到觸發門檻時將產生一觸發訊號， 以作為擷取三軸定位平台各軸向位移量的依據，進而得到 待測物輪廓的三維座標值。 本發明實施例確實具有下列之優點： 1.本發明係利用光學式位移量測裝置與光學式二維角度 量測裝置，其光學聚焦量測方式具有極高位移解析度與 200823428 極高角度量測解析度，且不易受到環境因素影響〔例 如·谷電雜訊(triboelectric noise)、電磁干擾、濕度、 溫度變化···等〕之光學量測特性，藉以記錄出懸吊機構 與基座間的相對運動，進而產生觸發訊號，完成待測物 三維輪廓外形的量測。 2·本發明之懸吊機構採用十字型結構搭配八根微細樑的 口又口十方式’此對稱式結構(SymnletriCal strUCture)的設計 方式’可達成固定運動自由度的功能，使運動自由度僅 剩下兩個旋轉的運動自由度與一個位移的運動自由 度，如此，除減少結構間耦合運動所造成的誤差，以提 焉板頭的精度外，更能減少感測器的使用數目，使整體 的成本降低。 3·本U可針對選擇―特定量測接觸力來設計微細標的 長度與截面積形狀，換算出剛性的勁度值(s碰脇，再 以感測裝置記錄出懸吊裝置的變形量，進而求出待測物 的二維座標值’因此可針對特定量測接觸力來完成一低 接觸力的量測探頭。 4.本發明之懸吊機構，因僅剩下兩個旋轉的運動自由度與 一個位移的運動自由度，於搭配適當的探棒長度，可使 位移方向的減值與輯方向的減值相同，使量測探 頭結構具㈣方向_性’進而使探頭觸發時的預行程 位移量相同，達到奈米級的量測精度。 綜合以上所述優點，本創作之奈米級三次元接觸式量 9 200823428

測探頭，對精声n 2西+、& A 、 又血要求的5曰，實為一具實用性之創作。 為使責審查委M對梢作裝置之内容及仙做更深 /層的瞭解’錄針對本創作中之圖示及符號對照列示如 後’並於實施例之詳述中配合ϋ示說明。 【實施方式】 百先，請參閱第一、二、三圖，本發明之接觸式量測 馨 探頭，包括有： 基座（1)，其係設有第一固定面（11)，而相距於第一固 定面（11)適當之距離處，則設有第二固定面（12)，該第二固 定面（12)上則設有螺孔（13a〜13句。 光學式位移量測裝置(2)，其係固定於基座（1)之第一固 定面（11)上，該光學式位移量測裝置(2)係設有一位移量測 探頭(21)，如第四圖所示，該位移量測探頭（21)之内部係分 _ 別設有二極體雷射(22)、分光鏡(23)、準直鏡(24)、物鏡(25) 及四象限光感測器（27)〔 four-quadrant photo detector〕〇 光學式二維角度量測裝置(3)，其係固定於基座（1)之第 二固定面（12)上，該光學式二維角度量測裝置(3)係設有一 角度量測探頭（31)，如第八圖所示，該角度量測探頭（31) 之内部係分別設有二極體雷射（32)、分光鏡(33)、準直鏡 (34)、及四象限光感測器（35)〔 four-quadrant photo detector〕〇 懸吊裝置（4)，其係固定於基座（1)之第二固定面（12) 200823428 上該懸吊裝置（4)係設有十字型結構⑼與八根微細樑 (術她），該十字型結構⑷)與微細樑(44a〜44h)為一體成 •型之結構/將十字型結構(43)與微細樑(44a〜44h)固定於基 •座⑴之第—111定面（12)上，並以螺絲(46a〜46d)穿過墊片 (47a 47d)且固於基座⑴第二固定面（12)之螺孔（I%〜削) 内又十字型結構（43)中央之螺孔（48)則固定有一探棒 ⑽，於十字型結構(43)表面固定有反射鏡⑽〜制，藉以 •使光予式位移里測裝置(2)之聚焦光源可以投射至十字型結 構(43)表面之反射鏡(45c)上，光學式二維角度量測裝置⑺ =角度量_頭·可投射雷射光束經由反射鏡(4坤至十 字型結構(43)表面之反射鏡⑽)上，當探棒前端圓球⑼ 碰=到待測物表面時，該懸吊裝置(4)將會產生位移或是角 度變化1，以光學式位移量測裝置(2)與光學式二維角度量 測裝置(3)，偵測反射鏡(45c)與反射鏡(夠上之反射光，分 別做光束聚焦峨處理與光束聚焦能量位置訊號處理。 ⑩…，明之實施使料，如第三圖所示，該懸吊裝置⑷ 係=定於基座⑴之上，而光學式位移量測裝置⑺固定在懸 吊:置(4)上方的基座⑴上，光學式二維角度量测裝置⑶ 口定在懸吊裝置(4)右方的基座⑴上，光學式位移量測裝置 ⑺之位移量測探頭(21)可投射雷射聚焦光束錢定於十字 型1構(43)上方的反射鏡(45c)表面上，反射鏡(45c)之反射 光^射於光學式位移量測裝置⑺之四象限光感測器⑼， 光學式二維角度量測裝置(3)之角度量測探頭⑼可投射雷 200823428 射光束經反射鏡(45a)至固定於十字型結構(43)上方的反射 鏡(45b)表面上，反射鏡(45b)之反射光投射於光學角度量測 , 裝置(3)之四象限光感測器（35)，當探棒前端圓球(41)碰觸到 待測物時，將使十字型結構（43)受制於八根微細樑 (44a〜44h)，其十字型結構(43)將會產生微小的位移或是角 度的變化量，此微小的位移變化量，是經由四象限光感測 器（27)量測到的聚焦誤差訊號〔即四象限之 鲁 （ι+π)-(π+ιν)〕，經聚焦誤差處理電路後求得；而微小的 角度變化量，則是由四象限光感測器（3 5)量測到的光束聚焦 能量位置訊號〔即四象限之（Π +ΠΙ )·( I +JY) = θγ和 (I + π)-( ιπ+ιν)=θχ〕，將訊號經處理電路後，即可求得。 其中位移量測探頭（21)之投射光束係由二極體雷射 (22)射向分光鏡(23)〔如第四圖所示〕，雷射光束在通過分 光鏡(23)後，經過一準直鏡(24)成平行光束，經由物鏡(25) 聚焦在反射鏡上(26) ’而反射光束則循原路徑經物鏡(25) φ 在經準直鏡(24)與分光鏡(23)後而投射至四象限光感測器 (27)上。 心一 本發明於光學式位移量測裝置（2)的光學聚焦之原理 上，係利用聚焦量測方法中之像散法，所謂像散法是指成 像時橫向與縱向的成像位置不同，因此造成像點的失真， 利用此-像散特性做為量測的依據，所以當反射鏡⑽表 面的位置在⑯鏡(25)的聚焦平面上，反射光經由準直鏡(24) 與分光鏡⑼會在四象限光感測器⑼上形成—個圓形區 12 200823428 域；若反射鏡(26)表面位於物鏡(25)的非聚焦區域，則經準 直鏡(24)與分光鏡(23)的反射光在四象限光感測器（27)上 形成的形狀則為橢圓形。 菖反射鏡(26)位於如第四圖A所示的非聚焦位置時， 經分準直鏡(24)與光鏡(23)後的反射光在四象限光感測器 (27)會形成鉛直橢圓型光點；四象限光感測器（27)訊號經由

自製的聚焦誤差處理電路處理後為正電壓輸出；當反射鏡 (26)位於第四圖b所示的聚焦位置時，反射光在四象限光 感’則為（27)上形成正圓形光點，四象限光感測器（27)訊號經 聚焦誤差處理電路後為零電壓輸出;#反射鏡(26)位於第 四圖C的非聚焦位置時，反射光在四象限光感測器⑼上 形成水平橢圓光點，四象限域測器（27)訊號經聚焦誤差 為虎處理電路的處理後為貞電壓輸出；因此第四圖中八、 B與C之區域分別對應第五圖之A、w三個訊號處理 :形’此二個訊號處理圖形的電壓輸出構成第六圖之聚焦 决差曲線〔橫軸為聚焦位置，縱軸為聚焦誤差電壓訊號〕， s ^ S曲線中的線性區域可作為位移量測之用。 理本it月用於光學式二維角度量測裝置（3)的光學量測原 ^雷^^直相法，㈣雷轉直㈣法是指 . 、f準四象限光感測器（35)時，則四個光 感測器所產生的輸出電壓 们九 器將呈現不同的輸出電^相^當光束偏位則四個感測 t值’這種不相同的輸出電壓值就 13 200823428 可用來量測懸吊裝置(4)的角度偏擺情形，所以當懸吊裝置 (4)無角度偏擺時，經由準直鏡(34)與分光鏡(33)的反射光 . 會在四象限光感測器（35)中心位置形成一個圓形區域，當 懸吊裝置(4)有角度偏擺時，則經由準直鏡(34)與分光鏡(33) 的反射光會在四象限光感測器（35)非中心位置形成一個圓 形區域。 以ΘΧ軸向角度變化為例，當反射鏡(45b)於如第八圖 _ +ΘΧ角度偏擺時，經準直鏡(34)與分光鏡(33)的反射光會聚 焦在四象限光感測器（35)形成如第九圖d的光點位置，四 象限光感測器（35)訊號經由自製的光束聚焦能量處理電路 處理後為正電壓輸出，當反射鏡(45b)位於第八圖無ΘΧ角

度偏擺時，反射光在四象限光感測器(35)會形成如第九圖E 的光點位置，四象限光感測器（35)訊號經光束聚焦能量處 理電路後為零電壓輸出，當反射鏡(45b)於如第八圖_θχ角

度偏擺時，反射光在四象限光感測器（35)會形成如第九圖F • 的光點位置，四象限光感測器（35)訊號經光束聚焦能量訊 號處理電路的處理後為負電壓輸出，因此第十圖所示曲線 為角度偏擺與四象限光感測器（35)訊號輸出關係〔橫軸為 為量測表面偏轉角度變化，縱軸為光束聚焦能量訊號輸 出〕’其中第十圖D、E與F分別對應第九圖中]3、£與1? 二個訊號處理圖形，而第十圖曲線中的線性區域可作為角 度量測之用。 < 口此本毛明乃利用此光學式位移量測裝置（2)與光學 200823428 式二維角度量難置(3)之特性，將其剌於 壯 (4)之位移與角度運動量，將光學式位移量剛裝置^衣置 量測探頭(21)與懸吊裝置⑷上方反射鏡(4… 恰好切人s曲線的線性區域内，而光學式二 ，之角度量測探頭⑼與反射鏡陶呈45=^二 ，測曲線的線性區域内，當懸吊裝置(4)移動時，产隹 决差的輪出電壓與光束聚焦能量的輸出電壓可二 吊裝置_位移與肖度變化量。 了仔到懸 ^、而懸吊裝置(4)之設計原理，係如第十二圖所示，採對 稱式的結構設計，使懸吊裝置(4)具有抑制三自由度的特 性，而懸吊裝置(4)所剩餘的一個位移運動自由度與兩個角 度運動自由度的運動量，可由光學式位移量測裝置(2)與光 學式二維角度量測裝置(3)量得。為使懸吊裝置(4)具有抑制 二自由度的特性，懸吊裝置(4)是採用十字型結構(43)搭配

所設計八根微細樑(44a〜44h)的長、寬、厚度與探棒(42)， 利用微細樑(44a〜44h)於各軸向上剛性的差異，進而產生一 固定自由度的效果，此種對稱式結構設計方式，不僅可使 整體於組裝上的誤差降低，避免不對稱設計所造成的系統 誤差’更由於結構設計簡單，使得製造加工容易，降低生 產成本。 由於接觸式量測探頭，在進行待測物量測時探棒前端 圓球(41)碰觸到待測物表面會造成待測物表面產生塑性變 形的疑慮’亦即所使用的接觸式量測探頭與物體表面間的 15 200823428 接觸力必須小於lmN，且由於接觸式量測探頭，於量測完 成後必須進行探棒前端圓球(41)的半徑補正與量測時探棒 . 前端圓球(41)位移量的補償，因此懸吊裝置(4)必須具有任 . 意方向等剛性的特性，使探棒前端圓球(41)受到相同作用 力而造成觸發時，會產生相同的預行程移動量。 為證明所發明的懸吊裝置（4)可以屏除兩個位移運動 自由度與一個旋轉運動自由度，同時兼具任意方向等剛 鲁 〖生，如弟十二圖的懸吊裝置(4)所示，以表一至表四的參數 與作用力F為丨mN，採用有限元素八;^8¥8軟體進行分析與 模擬’於分析與模擬過程中，理論上必須分析探棒前端圓 球(41)受φ，〇〜18〇。、θ=〇。〜36〇。任一方向作用力下，懸吊 裝置(4)的運動行為，然而由於懸吊裝置⑷是採用對稱式結 構"又计，因此實際上，只要分析探棒前端圓球（41)受 屮Θ 9〇、Θ-0°〜90°範圍内之任一方向作用力下，懸吊裝 置⑷的運動行為’即可完全描述出探棒前端圓球(41)受 _ φ-O〜180。、㈣。〜36〇。任一方向作用力下，懸吊裝置⑷的 運動行為。表五與表六即為分析後的結果，其中Ax、Ay、 AZ為十字形結構中心點A點的x轴、y軸與z軸的位移變化 畺、如為十字形結構繞X軸、y軸與z軸的角度變化 里 By、Bz為板棒前端圓球(41)的乂轴、y轴與z幸由的 位移變化量，B為探棒前端圓球(41)延著作用力方向的位移 殳化畺由結果得知，Ax、Ay與θζ沒有運動，且於任一方 向作用力為1斑^下，探頭的任一方向位移量Β皆等於 200823428 6·96μπι，因此證明了本發明的懸吊裝置(4)確實只有三個運 動自由度，且任意方向等剛性。如此，除減少結構間耦合 . 運動所造成的誤差，以提高接觸式量測探頭的精度外，更 能減少感測器的使用數目，使整體的成本降低。 表一：微細樑之模擬參數（工具鋼，SK-2) 彈性模數 材料密度 浦松比 長*寬*厚 203 (GPa) 7860 (kg/m3、 0.3 9*1* 0.04 (mm) 表二:十字形結構之模擬參數（铭合金，6061-Τ6) 彈性模數 材料密度 浦松比 寬*厚 A點至微 細樑的距 離 73 (GPa) 2700 {kg/m3) 0.31 2*2 (mm) 12 (mm) 表三：探棒之模擬參數（碳化鎢，WC2) 彈性模數 材料密度 浦松比 直徑 (第一段， 第二段) 長度 (第一段， 第二段） 345 (GPa) 19300 (kg/m3) 0.28 1,0.2 (mm) 25 7.6 (mm) 表四··探棒前端圓球之模擬參數（紅寶石，Α/2〇3) 彈性模數 材料密度 浦松比 圓球半徑 375 (GPa) 3890 (kg/m3、 0.22 0.15 (mm) 17 200823428 表五：有限元素分析結果（φ90。，θ = 0°〜90。) A點4 L位移（nm) 十字形結構之 角度（furad) 探棒前端圓球之位移 (μιη) Θ Αχ Ay Αζ θχ 0y θζ Βχ By Bz B 0° -2371 -0.003 0.682 0.2 695.9 0 6.957 ,0.000 0.009 6.957 15° -2.290 -0.614 0-573 180.0 6723 0 6.720 L800 0.007 6.957 30° -2.053 -1·184 0.426 347.8 602.8 0 6.025 3.478 0.005 6.957 45° -L677 -1.673 0.249 492·0 492.2 0 4.919 4.919 0.002 6.956 60。 4.186 -2.048 0.055 602.6 348.1 0 3.478 6.024 -0.001 6.956 75° -0.614 -2.283 -0.142 672.2 1803 0 1.801 6.719 -0.003 6.956 90° 0.000 -2363 -0.330 695.9 0.2 0 0.000 6.956 -0.006 6.956 表六：有限元素分析結果（φ = 〇。〜90。，θ = 0。) A點之位移（nm) 十字形結構之 角度（prad) 探棒前端圓球之位移 (μιη) φ Αχ Ay Αζ θχ 0y θζ Βχ Ry Bz B 0° 0.024 -0.012 6953.6 0.4 03 0 -0.003 0.004 6.954 6.954 15° -0.590 -0.012 6716.8 0.3 179.8 0 1.797 0.004 6.719 6.955 30° -Π65 -0.012 60223 0.2 351.0 0 3.476 0.004 6.027 6.957 45° -1.660 -0.010 4917.4 0.2 491.9 0 4.917 0.003 4.923 6.958 60° -2.041 •0.008 3477.4 0.1 602.5 0 6.023 0.002 3.485 6.958 75° -2284 -0.006 1800.4 0.1 672.2 0 6.719 0.001 1.808 6.958 90° -2371 -0.003 0.682 0.2 695.9 0 6.957 0.000 0.009 6.957 而本發明實施例中之十字型結構（43)與八根微細樑 (44)於設計後經精密線放電一體加工形成，且在十字型結 構(43)上方黏置反射鏡(45b)與反射鏡(45c)於中央的螺孔 (48)則固定有一探棒(42)，再將微細樑（44a〜44h)用墊片 (47a〜47d)與螺絲（46a〜46d)固定在基座⑴第二固定面（12) 之螺孔（13a〜13d)内，將光學式位移量測裝置（2)之位移量測 探頭（21)與反射鏡(45c)表面的距離恰好切入在s曲線的線 18 200823428 ，區域中點位置，如第六圖之B位置，將光學式二維角度 量測裝置(3)之角度量測探頭(31)與反射鏡(45a)表面恰好 -切入在第十圖的線性區域E位置，當懸吊裝置(4)的探棒前 -端圓球(41)碰觸到待測物表面，將會使十字型結構(43)產生 位移或是角度變化量，藉由四象限光感測器⑼與四象限 光感測器（35)偵測聚焦誤差的輸出電壓與光束聚焦能量位 置的輸出電壓，可得到懸吊裝置(4)的變形量，進而計算出 φ待測物的外形與所需補償的半徑大小與預行程位移量。 於位移量測探頭(21)之S曲線的實際量測，係先將一 反射鏡固定，再利用精密線性馬達當做驅動軸推動位移量 =木頭(21) ’首先將精密線性馬達的平台移至離反射鏡適 當位置，而後每次移動1μπι’到達定位時，觸發a/d資料 顧取卡，抓取位移量測探頭(21)的輸出訊號〔聚焦誤差訊 號〕與平台位移值，如此，可以得到平台位置與量測探頭 (21)輸出之聚焦誤差電壓訊號的對應關係，此關係便是$ =線〔如第七圖所示’板軸為位移’而縱軸為聚焦誤差電 壓訊號輸出〕，由圖中可以清楚地看出s曲線中間的線性 區域部分具極佳的直線特性。 —於角度量測探頭(31)之角度的實際量測，係先將角度 ^測探頭卯固定於距反射鏡適當的位置’再將反射鏡每 次偏轉S1定的角度後，觸發A/D f料擷取卡，抓取量測探 頭的輪出電壓訊號與反射面偏轉的角度，如此，可以得到 反射面角度與角度量測探頭叫輸出電麼訊號的對應關 19 200823428 係，如第十一圖（a)與(b)分別為x軸與γ軸量測結果，由 圖中可以清楚地看出曲線中間約有7〇〇μΓΜ的線性區段。 經上述結果顯示，光學式位移量測裝置（2)之s曲線中 的線性區域可作為位移量測之用，光學式二維角度量測裝 置(3)之X轴與γ軸線性區段可作為角度量測之用，本發 明利用此線性段來作為懸吊裝置(4)之位移與角度量測，而 進一步得到探棒前端圓球(41)所受接觸力大小、方向與位

移量。 對於本發明之奈米級三次元接觸式量測探頭（a)的整 體實驗架設’如第十三圖所示，其中使用SI〇s公司所生 產之雷射干涉儀(b)[型號：SP_2_ TR]量測精密步進馬達 (d)與雷射干涉儀(b)之間的距離，實驗中，整體量測以個人 電腦(c)為中心，將精密步進馬達(d)的平台移至適當位置， 而後往前移動，由個人電腦(c)同步擷取雷射干涉儀卬)所量 測到的精密步進馬達⑷位移值、鮮式位移量㈣= 的輸出電壓與絲式二維角度量測裝置(3)的輪出電芦，、 行Sfl號的分析。 I 進 奈米級三次元接觸式量測探頭(a)的性能量剛，重 參考數據之-為單方向重複性大小，λ誤差的因素包含的 發門檻的選取、探棒(42)與懸吊裝置(4)受作用力影^觸 ^的彈性變形、探棒前端圓球(41)與待測物的接觸變2產 量測時馬達的移動速度、環境溫度、振動的影響與=測二 私中所產生的隨機誤差，實驗架設如第十三 ' ^

Mr/T不，將精 20 200823428

達(d)的平台移至適當位置，而後往前移動3哗， r=t學式位移量測裳置(2)與光學式二維角度量測 ti! Vi、剧出心虎胃角度偏擺量達到觸發門權(Trigger =h?時，觸發A/D ’同時擷取雷射干涉細量測的位 光學式位移量雌置(2)與光學式二維角度量測裝置 ()的輸出電壓，並謂此輯過程重複9次’計算預行程 =位移量’综合多次紀錄_發位移量，經計算後可知此 ^測探頭的單方向重複㈣m標準差σ為22 95麵：在常 癌分佈中95%的觀難，落在距平均數兩個標準差的範圍 内，此範圍即為量測探頭的不確定度，故奈米級三次元接 觸式量測探頭⑻的不確定度為91 8nm(±2(j，c〇nfidence Level 95%) 〇 奈米級三次元接觸式量測探頭⑻於任何角度 (φ=0°〜90° ’ θ=0°〜360°)下的性能量測，其實驗架設如第十 三圖所示，使用水平方向精密旋轉平台卜），採每15度取一 點’共重複9次量測，紀錄下各角度觸發時探棒前端圓球(41) 的移動距離，如第十四圖（a)所示，圖中實線為預行程位移 $的平均值，兩條虛線則為士2σ，因此奈米級三次元接觸 式量測探頭⑻其預行程變化量為95.1nm (最大值為 553.5nm，最小值為458.4m，553.5nm - 458.4m = 95.1 nm)。 垂直方向的性能量測，則使用垂直方向精密旋轉平台（f)由 0度至90度，採每10度取一點，共重複9次量測，紀錄下各 角度觸發時的移動距離，如第十四圖（b)所示，實細線為預 21 200823428 行程位移量的平均值，兩條虛線則為士2σ。 奈米級三次元接觸式量測探頭（a)的雜訊來源除了與 、 電路設計中所採用的電子元件與OP放大器（OP amplifiers) ， 有密切關係外，二極體雷射受環境溫度變化而造成光電流 訊號的變動為一主要的訊號雜訊來源，本發明除選擇超低 雜訊電子元件與OP放大器作為系統的電路設計外，更設計 一自動光功率控制（Aut〇inatic power Control)電路控制雷 ^ 射輸出的穩定性。 綜合以上所述，本發明採用光學聚焦量測與光學準直 量測具有極高位移解析度與極高角度量測解析度，且不易 受到環境因素影響的光學量測特性，提高奈米級三次元接 觸式量測探頭（a)整體的量測精度。於懸吊裝置(4)上採用十 字型結構(43)與八根微細樑(44)的設計，改進了先前技術製 作上的困難度與降低成本，達成僅有三自由度運動的懸吊 裝置(4)，除減少結構間耦合運動所造成的誤差，更能減少 _ 感測器的使用數目，並且可針對選擇一特定量測接觸力來 設計微細樑(44)的長度與截面積形狀，同時，於適當選擇 探棒(42)長度後，使懸吊裝置(4)具任意方向等剛性，使接 觸式量測探頭達奈米.等級。本發明確具有新穎性與實用 性，探頭結構與量測方法具獨特性，應符專利申請要件， 爰於法提出申請。 22 200823428 【圖式簡單說明】 第一圖：係為本發明之立體分解圖。 . 第二圖：係為本發明之立體組合圖。 第三圖：係為本發明之侧視圖。 第四圖：係為本發明光學式位移量測裝置之構造示意圖。 第五圖：係為本發明四象限光感測器之訊號處理示意圖。 第六圖：係為本發明s曲線之示意圖。 第七圖：係為本發明s曲線實驗數據圖。 ® 第八圖：係為本發明光學式二維角度量測裝置之構造示意 圖。 第九圖：係為本發明四象限光感測器之訊號處理示意圖。 第十圖：係為本發明光束聚焦能量曲線之示意圖。 第十一圖：係為本發明光束聚焦能量曲線之實驗數據圖。 第十二圖：係為本發明懸吊裝置自由體圖。 第十三圖：係為本發明實驗架設示意圖。 • 第十四圖：係為本發明奈米級接觸式量測探頭之預行程變 化量實驗數據圖。 【主要元件符號說明】 (1) 基座 （11)第一固定面 (12)第二固定面 （13a〜13d) 螺孔 (2) 光學式位移量測裝置（21)位移量測探頭 (22)二極體雷射 （23)分光鏡 23 200823428

準直鏡 （25)物鏡 四象限光感測器 光學式二維角度量测裝置 角度量測探頭 （32) (24) (26) (3) (31) (33)分光鏡 (35)四象限光感測器 (41)探棒前端圓球 (43)十字型結構 (45a)反射鏡 (45c)反射鏡 (47a〜47d)墊片 (a)接觸式量測探頭 (c)個人電腦 (e)水平方向精密旋轉平台 二極體雷射 (34)準直鏡 (4) 懸吊裝置 (42) 探棒 (44a〜44h)微細標 (45b)反射鏡 (46a〜46d)螺絲 (48)螺孔 (b)雷射干涉儀 (d)精密步進馬達 (f)垂直方向精密旋轉平台 24

Claims (1)

1. 200823428 十、申請專利範圍： 1. 一種奈米級三次元接觸式量測探頭，包括有： - 基座； . 光學式位移量測裝置與光學式二維角度量測裝 置’其係固定於基座上，該光學式位移量測裝置與 光+式一、、隹角度昼測裝置係設有位移量測探頭與角 度量測探頭； 'η • 懸吊裝置’ S係固定於基座上，該懸吊裳置設 有十子型結構與八根微細樑為一體成型之結構，該 懸吊裝置中纽有探棒，上方設有反射鏡，此懸吊 裝置因八根微細樑受束缚的關係，造成懸吊裴置只 具有三自由度運動之特性，可藉由光感測器偵測反 射後的光束，以判斷探棒前端圓球的位移量與所受 之作用力。 一 2. 如申請專利制第丨項所述之奈米級三次元接觸式 鲁畺測探頭，其中該位移量測探頭之内部係分別設有 二極體雷射、分光鏡、準直鏡、物鏡、反射鏡及四 象限光感測器，藉由二極體雷射發射光束射向分光 鏡，运射光束在穿透分光鏡與準直鏡後，此雷射光 束經過物鏡，聚焦在反射鏡上，而反射光束則循原 路徑經物鏡、準直鏡、分光鏡後而投射至四象限光 感測器上。 3·如申請專利範圍第1項所述之奈米級三次元接觸式 25 200823428 量測探頭，其中該角度量測探頭之内部係分別設有 二極體雷射、分光鏡、準直鏡及四象限光感測器， . 藉由二極體雷射發射光束射向分光鏡，雷射光束在 ~ 經過分光鏡與準直鏡後，此雷射光束投射至反射鏡 上，而反射光束則循原路徑經準直鏡、分光鏡後而 投射至四象限光感測器上。 4. 如申請專利範圍第1項所述之奈米級三次元接觸式 I 量測探頭，其中該基座上係設有第二固定面，以供 懸吊裝置固定於其上，該懸吊裝置的設計上採用八 根微細樑與十字型結構，具有抑制兩個位移自由度 與一個旋轉自由度的功能。 5. 如申請專利範圍第1項所述之奈米級三次元接觸式 量測探頭，適當選擇懸吊裝置中的探棒長度，可使 位移方向的勁度值與旋轉方向的勁度值相同，使量 測探頭結構具任意方向等剛性。 • 6.如申請專利範圍第1項所述之奈米級三次元接觸式 量測探頭，可針對選擇一特定量測接觸力來設計微 細樑的長度與截面積形狀。 26