TWI334920B - Three-dimensional measurement probe - Google Patents

Description

九、發明說明： 【發明所屬技術領域3 發明領域 本發明主要有關於以0.01微米序列之超高精度測定非 球面透鏡等測定物之形狀等之三維測定探針，且有關於測 定範圍在XYZ方向（長、寬、高）較小時安裝於 30mmx30mmx20mm之超高精度三維測定機，較大時則安裝 於400mmx400mmx90mm之超高精度三維測定機，且測定面 之傾斜角度為從0度朝任意方向至75度之高傾斜部，並可藉 由連續掃描在幾乎不傷到測定物之情況下測定之三維測定 探針。

L先前身支冬時"J 發明背景 非球面透鏡一定要以0.1微米以下之尚精度作成，只是 機械性加工是作不出這種精度的。因此，發明出0.01微米 序列之精度之超高精度三維測定機與附在該三維測定機之 三維測定探針。其内容記載於專利文獻1、2等。藉由該測 定機測定非球面透鏡，且將其測定結果反饋於非球面透鏡 之加工’藉此可以0.1微米以下之精度作出非球面透鏡之模 具。但’最近的數位相機或大容量光碟等所使用之非球面 透鏡在薄型化、高晝質化、廣角度或高變焦倍率等之所需 精度愈來愈高。因此，會要求實現進一步之高精度之探針。 另一方面，會要求可使操作者在工廠現場簡單且可頻繁地 使用且不容易壞、壽命長之三維測定探針。 1334920 三維形狀測定探針係參照專利文 習知之非球面透鏡之 獻1、2簡單地說明。 第1〇圖係顯示專利文獻1所記载之三維測定探針f 於與測定物s相接之記錄針3G5之小滑動㈣襄可二 小空氣軸承307朝z方向移動，且藉由板彈簧⑽懸掛子 力探針框303。 、 丁 在小滑動軸部3〇6貼上鏡子3〇9,使來自半導體雷射说 φ 之半導體雷射光聚光於鏡子309，且由鏡子309反射，藉由 線圈313 —體地驅動光探針位移檢測部3〇2與原子力探^框 10 303’使小滑動部306相對於光探針位移檢測部3()2之位移固 定。在此將啟動伺服使來自半導體雷射334之半導體雷射光 聚光於鏡子309面上之動作稱做聚焦伺服。 關於測定點之z座標測定則直接使振動穩頻雷射光Fz 照在鏡子309上，使其與來自鏡子3〇9的反射光干擾，以測 15疋到鏡子309之距離的位移量，因此，即便在前述聚焦伺服 鲁 有誤差，也只是些微測定力的變動’幾乎不會造成測定誤差。 第Π圖係顯示專利文獻2所記載之測定用探針。與專利 文獻1相同’小滑動部316為圓筒形，且由板彈簧315支撐， 並貼上鏡子319。 20 第5B圖係顯示專利文獻3所記載之適合搭載專利文獻 1〜2之探針之超高精度三維測定機之構造。搭載有用以測定 XYZ座標之振動穩頻雷射127與測定長度單元與Z滑件111 與光探針位移檢測部112之上石定盤106藉由X機台121、Y 機台122朝XY方向移動。下石定盤123上固定有X參考面鏡 6 1334920 124、Y參考面鏡125、固定於固定在下石定盤丨23之門型架 台1〇7之上Ζ參考面鏡126，在測定物丨〇1之測定點的轴上藉 - 由振動穩頻雷射127測定至該等高平面鏡(X參考面鏡124、Υ . 參考面鏡125、上Ζ參考面鏡126)的距離之變化，藉此，即 5使X機台12卜Υ機台122之移動真直度為丨微米序列，亦可 得到參考面鏡124、125、126之平面度之l〇nm序列之座標轴 精度。 φ 但，專利文獻3在發明出專利文獻1〜2中命名為原子力 探針之三維測定探針之前寫出來的，故探針僅附上光探針 1〇 112而已。 第12圖與第13圖係顯示專利文獻4所記載之接觸式探 針。第14A圖及第14B圖係顯示專利文獻5所記載之靜壓輪 承裝置及位移測定裝置。 【專利文獻1】特許第3000819號（第3頁、第1圖） 15 【專利文獻2】特開第2006-78367號（第16頁、第8圖） • 【專利文獻3】特許第3046635號（第6頁、第1圖） 【專利文獻4】特開第2003-42742號（第19頁、第1圖、 第2圖） - 【專利文獻5】特公平第07-58161號（第ό頁、第1圖） 20 (1)敘述以獨立項所記載之本發明欲解決之問題。 本發明第1態樣之目的為可實現可更高精度地測定非 球面透鏡等測定物之形狀等且不易損壞、壽命長、低成本 之三維測定探針。 探針要以超高精度測定之要件為測定力如 7 1334920 0·1〜0.3mN(10~30mgf)—般小、與此相反但探針相對於該微 弱的測定力可快速地應答、探針前端之記錄針相對於橫向 的力量不會傾斜。 一旦測定力大則會讓測定面變形，因此測定精度會下 5 降。又，與測定面相接之記錄針的耗損會變快。若探針之 應答慢，則為了要追隨測定面，就不得不使掃描速度變慢， 因此，測定時間會變長’且其間因溫度變化等所造成之資 料漂移會使測定精度低劣，能率也會變差。測定面一旦傾 斜，就會有橫向的力量施加於記錄針前端，一旦傾斜角度 10 超過45度，橫向的力量就會比探針之移動方向大。因此， 只要記錄針傾斜，就會如習知例所記載音，無論何種探針 皆會變成測定誤差。因此，需要盡量高剛性之引導構件， 使記錄針不要因記錄針前端之橫向的力量而傾斜。 將測定力設為F ’且將可動部質量設為Μ，並將記錄針 15 之應答加速度設為a’藉由牛頓力學， (數1) F = Ma··· (1) 若要盡可能讓測定力F小，且盡玎能讓應答加速度& 大，則一定要盡可能使可動部質量，即小滑動轴部之質量 20 Μ*。又，為了使記錄針相對於橫向的力量不要傾斜，需 要在移動方向無摩擦地移動且在與移動方向垂直之方向可 實現極高剛性之構造。 本發明人經過多年研究開發的結果，開發出圓筒形之 微小空氣滑件，且實現了可動部質量到達〇2公克之小滑動 8 轴部。 於此’先說明「微小办盔况从 ， ^ 二瑕^件」這個名詞的意思。小 在小空氣轴承中移動，將小滑動軸部與小空氣軸 起來稱#微小空氣滑件」。普通市售的空氣滑件再小 2動部質量都有刚公克。相對於此，此處所說的「微小 氣/月件」之可動部質量只有〇2公克，很明顯又輕又小。

在本發明之技術領域之超高精度三維測定機中，為了 使以微小測定力移動之小滑動軸部相對於具有小空氣軸承 之光探針位移檢測部在Ζ方向之位移為零，而成為電流流過 1〇線圈以驅動探針部整體，以使大空氣滑件大幅度地移動之 雙重構造。 將測定力設為0.2mN ’且將小滑動軸部之質量設為0.2 公克’藉由式子（1)，探針之應答加速度會變成0.1G。於此， G為重力加速度。只要有這種程度的重力加速度，且只要是 直徑30mm以上之平滑的非球面透鏡，則可以最快每秒 10mm之測定速度來測定’且即使條件在其下之透鏡亦可以 最快每秒5mm之測定速度來測定。 將微小空氣滑件設為圓筒形的理由是要以最小的質量 得到最大的剛性之故。空氣滑件藉由在引導部形成2〜4氣壓 20 之高空氣壓的膜，可以高剛性來保持軸。以圓筒微小空氣 滑件來說，即使直徑小到4mm以下’只要高精度地將引導 部之間隙做成窄到10微米以下’空氣流量就可如明顯降低 注入空氣之空氣壓一般不會很多’因此’可在引導部形成 高空氣壓的膜，且使其具有高剛性。 9 1334920 但，若以角柱將空氣滑件變小，則會因為角柱的角的 ' 部份無法變成10微米以下之窄小間隙，因此角的部份的空 • 氣會跑掉，如此空氣流量會變大，而無法高度保持引導部 之空氣壓，因而無法實現高剛性。若將角以外的部份設為s 5 微米以下，進而成為更窄之間隙，且提高注入空氣之空氣 壓，則剛性多少會提高一些，但相較於圓柱，剛性較為低 劣，且加工困難，且在長時間使用下因異物附著於間隙部 而有故障的可能性等很多問題，且實用性困難。 微小空氣滑件之小滑動軸部由彈簧性構件支持，且測 10疋力為〇.2mN，並朝Z方向移動1〇微米左右，但同樣的力量 施加於橫向時之偏移必須在1〇奈米以下。即，需要探針剛 性之縱橫比的-千倍之意。因此，測定面之傾斜角度為45 度時之測定誤差為l〇nm。此為所求之最低剛性。 若無法滿足前述所有條件，則無法成為以〇〇1微米序 15列之超高精度敎非球面透鏡之形狀等之三義定用探 • ^滿足此之探針在習知技術中只有專利文獻卜2所記載的 東西。 —物二 所記載之探針有只能從上面測定測 20 題。即，第_中，板彈簧35q只載置 == 上面之突起部。第u圖中板_ 於埋進空氣轴承部317上端的球53上面。 與突二::::探::向橫向，則板彈_”^ •心滑當上靡時， 田於疋從上面懸掛之構造， 10 故只能從測定物上方測定…旦只能從測定物上方測定， 則會成為無法從上下或左右測定測定物之其中—例之透鏡 的表裏兩面之探針。此為專利文獻U所記載之習知探針的 第一個問題。 右將板彈簧接著於空氣軸承部，則從測定物的旁邊或 下面白可/収’但如此__來，當因錯誤操作而將過度的測 定力施加於記錄針5時，板彈簧會壞掉。因此，也無法將板 彈簧350或315接著於空氣軸承部。 圓筒形之微小空氣滑件只要在測定中補微旋轉，記錄 針前端—般都會偏心因此會成為測定誤差。❻，要安裝 成使記錄針前端完全與微小空氣滑件_-致是不可能的。 在專利文獻卜2所記載之習知探針中，還有因為微小空 氣滑件僅因與板彈簧35G或315和突起部或球Μ之磨擦力就 會停止旋轉，因此，若_何衝擊使微小空氣滑件務為旋 則會產生収誤差的問題。此為專散獻丨〜2所記載之 習知探針的第二個問題。 板彈赛疋厚度為1〇微米之極薄的彈菁，因此還有 ^ ra下會變形或壞掉的問題。由於不是人人都能修 二此’三維測定探針有只有測定室中特定的人才會使 ° °此為專利文獻K2所記载之習知探針的第三個問題。 ，伯Γί獻3揭不出適合搭載本發明之探針之整體構 押如下所⑴所述為光探針。紐針有完全不制的優點， 用性上幾乎無法使用。料一度之三維測定中就實 1334920 光探針當測定物之測定面傾斜時，即使從測定面上有 光射出來’反射光也只會傾斜傾斜角度的2倍且反射過來。 例如，當測定面傾斜60度時，反射光會朝120度之下方方向 前進，而完全不能測定。 5 又，當光探針因測定面之折射率而使反射光量改變 時，在聚焦伺服中會因偏位或迷光所造成之焦點位置之偏 移而成為誤差，且即使為測定長度使之與參考面光互相干 擾，反射光量也會明顯改變，如此將無法發出正確的干擾 訊號，而成為測定誤差。再者，無法測定無反射塗裝後的面。 10 再者’光探針依測定面的粗糙度，有只能測定研磨面 之方式與無法測定研磨面之方式。無法測定研磨面之方式 一般稱作三角測距，且無法高精度測定。只能測定研磨面 之方式即使用使來自測定面之反射光與參考面光互相干擾 的方式，配合測定面之傾斜使航路偏移，最大也只能測定 15 30度的傾斜面’且只要測定路徑有灰塵或刮痕則無法測 定，因此測定極為困難。 在因如上所述專利文獻3所示之光探針極為辛苦的結 果之下，產生了專利文獻1〜2之發明，但如前所述，專利文 獻1〜2有第一〜第三問題。專利文獻1〜2之探針可安裝於第 20 5B圖所示之專利文獻3之光探針112前端。但，光探針112 前端之透鏡與專利文獻1之透鏡14不同。再者，要解決專利 文獻1〜2之前述第--第三問題的是本發明》 專利文獻4如第12圖所示成為以磁鐵418與線圈419與 軛417所構成之磁路來保持空氣滑件62本身的重量之構 12 造。該文獻中並未記載空氣滑件62是圓柱還是角柱。但， 磁路之構造如第13圖所示，可動部輛（專利文獻4中記 鏡子固定片）415為大致正方形，若空氣滑件62是圓桎則 磁路會朝磁阻更小的方向移動，因此可動部軛415會旋轉直 至與固定部軛417接合為止，而不會進行作為探針的動作。 因此’空氣滑件62應該是角柱。 若專利文獻4之空氣滑件為角柱，則基於前述理由會有 無法做出輕且剛性也高之探針的問題。又，若空氣滑件為 圓柱，則可動部與固定部同樣是軛的兩個構件在旋轉後會 接合，因此會有不能作為探針來動作的問題。 又，專利文獻4中用z驅動螺絲47來驅動具有軸承之引 導構件424以驅動Z轴。轴承也有真球度等的問題，但轴承 引導構件424—定要推軸承才能確保真球度來動作可是， 因為推力會導致驅動時需要摩擦力，且驅動方向會改變， 此時’若驅動位置;完全處於重心’則光探針位移檢測部 就會傾斜。 又’如專利文獻4中之第12圖所示’若以z驅動螺絲们 驅動Z軸’則會因螺絲之偏心而產生橫向的力量，且使移動 真直度低劣。而無法使螺絲之偏心為零。 又，螺絲一定需要數微米的背隙，若沒有這個而轉緊， 則會變得很緊而動不了。因此，無法以次微米精度啟動聚 焦伺服。 專利文獻5將空氣滑件設為圓柱。如第14A圖及第14B 圖所示，藉由磁鐵（固定於探針軸533之磁性體)535與線圈 1334920 536來控制軸方向之義，且伟533刻—㈣參 14B圖之溝加工)’藉由空氣之流動來停止獅之旋轅 但’在該構造中，由於空氣滑件軸533附有長的磁性體。 因此可動部質量會變重。若雜體功為鐵，且空氣， 533為紹，由於鐵的比重為銘的三倍，故可動部質量會細 三倍以上’因此，會有無法做出輕且剛性也高的:針:成 題。再者，還有-定要配合空氣如部高精度地在轴 沒有鑿紋地加工溝534而使成本變高的問題。 本發明係以提供解決前述習知問題，且以〇〇1微米序 列之超高精度収非球面透鏡等Μ物之形料，即'，、使 用〇. 1〜0.3mN之低測定力與剛性縱橫比一千倍之微小* $ 滑件，且亦無記錄針前端之旋轉所造成之 :虱 士 个易才貝壞、 哥命長、製作明顯不難之三維測定探針為目的。 15 【發明内容3 發明概要 為達成前述目的，本發明之三維測定探針係提供下述 二維败探針，減本發㈣丨態樣，該三_定探針包含： 圓筒形小滑動㈣，於其巾—端财與測定物表匕面3相 接之s己錄針，同時在另一端設有磁性體銷； 20 小空氣轴承部，形成有與前述小滑動輪部嵌人 形的孔，且具有仏在與前削、滑動㈣之 ％ 空氣的膜之^氣喷出部； 取関 磁力產生機構，係配置於前述小空氣轴承部端部之磁 鐵及多數_與前述销非接财式構成磁路，以產生阻礙 14 1334920 前述圓筒形小滑動軸部朝軸方向之 方向之旋轉方向移動的磁力者； 冑與朝繞前述z 位移檢測機構，係用以檢測前 述小空氣轴承部在前述2方向之位移；_袖部相對於前 5動^,㈣_小空氣軸承部朝前述z方向移 z機台驅動裝置，係使前述測定物 與前述2方向垂直且互相垂直之X 叫心機台朝分別 前述Z機台，使前述記錄針沿 1移動’同時，驅動 ίο述z方向的位移大致固定。 …、、物的形陝移動之前 :據:發明第2態樣’係提供 疋探針，其中前述多數輕中至少—輕 己載之二維測 根據本發明第3態樣，係提供第^ 所記载之三維測定探針 ，中-態樣 15近的形狀係在前述z方向且固^^銷與前述辆之間隙部附 處，沿著前述销之長向自中：旱二’且在前述銷之兩端部 根據本發明第4態樣，^部形成錐形者。 所記載之三維測定探針，其中< 第1〜3態樣之其中一態樣 近之前述銷與前述耗的形狀為Γ與前述輛之間隙部附 2〇根據本發明第5態樣，係:::較前. 所記載之三維測定探針，二1〜3祕之其中-態樣 針位移檢測部構 則述位移檢測機構係由光探 半導體雷I 斜位移檢測部至少包含. 午導體雷射，係與前述小h 夕… 出雷射光者； 4乳軸承部一體地固定且發 15 1334920 鏡子’係配置於前述小滑動轴部，且使由前述半導體 雷射照射之前述雷射光反射； 透鏡’係使來自前述半導體雷射之前述雷射光聚光於 前述鏡子；及

5 光檢測器’係接收來自前述鏡子的反射光’ 又’來自前述半導體雷射之前述雷射光照射於前述鏡 子，且由前述光檢測器接收來自前述鏡子的反射光，並從 該光檢測器之輸出訊號檢測前述z方向之位移。 根據本發明第6態樣，係提供第5態樣所記載之三維測 10定探針，更包含： “ 搌動穩頻雷射 15

20 你發微勤穩頻雷射光；及 Z座標測定機構，係使自前述振動穩頻雷射發出之前述 振動2頻雷射光照射於前述位移檢測機構之前述鏡子，且 從由則述鏡子反射的反射光測定前述鏡子的z座標。 所=據本發明第7態樣’係提供第1，樣之其中-態樣 小滑動糊定㈣’其中設㈣㈣止超過阻礙前述 述細部相對於前述小空氣軸承部朝前述z方向與以前 β為軸之旋轉方向移動之磁力的 /月動輪部 4 里作用於則逃小 〜則返Ζ方向為軸之前述旋轉方向 ^滑動轴部過度的移動之非磁性體之擋止體。 所記載之本發明第8態樣，係提供第卜7態樣之其中-態樣 根據I維測定探針，其中前述z機台Μ氣軸承構成。 所記2發明第9態樣’係提供第1〜8態樣之其中一態樣 三維測定探針’其中前述Ζ機台_裝置由與前述 16 1334920 z機台相連結之線圈及使電流流過前述線圈以朝前述z方向 驅動前述Z機台之磁路構成。 根據本發明第10態樣，係提供第1〜9態樣之其中一態樣 所記載之三維測定探針，其中前述Z機台之可動部由用以產 5 生與其重量大致相等之張力且捲成螺旋狀之薄板所構成之 定負荷彈簧來支持。 發明之效果 如上所述，根據本發明之三維測定探針，以小的可動 部質量之磁性體銷與安裝於小空氣軸承部之磁鐵與扼構成 10 磁路，藉此，可以非接觸之方式來限制旋轉與軸方向之移 動，且可解決以最小的可動部質量得到最大的橫向剛性之 圓筒型空氣滑件之缺點，即旋轉所造成之誤差、過去因只 能用薄板彈簣懸掛而只能從測定物上方測定等問題，與薄 板彈簧因長期使用而容易損壞等問題。 15 因此，可實現更高精度且長期使用也不會壞的三維測 定探針。再者，由於組裝或處理也很容易，故只要使用本 探針，即可從過去只有測定室裡特定的人才會使用之測定 機變成放在工廠裡且可簡單地測定之測定機。 又，由於不必用彈簧懸掛，故不只從上面，亦可從下 20 面或左右來測定測定物之形狀，且在非球面透鏡之測定 中，可超高精度地測定表裏兩面之傾斜或偏心。相對於此， 過去由於只能從非球面透鏡上方測定非球面透鏡，故即使 可測定面的形狀，也不容易測定與上面、下面、側面之位 置關係，因此無法做出更高精度之透鏡。但，根據本發明， 17 1334920 可提供可從非球面透鏡下方或旁邊超高精度地測定之三維 測定探針。 藉此，可提高漸趨薄型化與高晝質化的相機或漸趨記 錄大容量化之光碟等之透鏡的性能與品質與生產產量。 5 圖式簡單說明 本發明之前述與其他目的與特徵從與所附圖式之較佳 實施形態相關之下列敘述可清楚明白，該等圖式係： 第1A圖係本發明實施形態之三維測定探針之主要部份 放大圖。 10 第1B圖係本發明之前述實施形態之三維測定探針之主 要部份放大圖。 第2A圖係在本發明之前述實施形態之三維測定探針之 主要部份放上原子力探針框。 第2B圖係顯示本發明之前述實施形態之三維測定探針 15 之主要部份中，環狀輛與磁性體銷的關係之透視圖。 第2 C圖係顯示本發明之前述實施形態之三維測定探針 之主要部份中，與環狀軛不同之另一軛之前端與磁性體銷 之前端的關係之底面圖。 第2D圖係顯示本發明之前述實施形態之三維測定探針 20 之主要部份中，與環狀輕不同之另一軛之前端與磁性體銷 之前端的關係之側視圖。 第3A圖係包含本發明之前述實施形態之三維測定探針 上側之光探針位移檢測部之概略構造說明圖。 第3 B圖係包含本發明之前述實施形態之三維測定探針 18

15

20 下匈之光探針位移檢測部之概略構造說明圖。 苐4圖係本發明之前述實施形態之三維測定探針之z方 向之構造圖。 第5 A圖係可安裝本發明之前述實施形態之二維測定探 針之超高精度三維測定機之構造圖。 第5B圖係專利文獻3所記載之超高精度三維測定機之 構造圖。 第6A圖係顯示本發明之前述實施形態之三維測定探針 之測定路徑之說明圖。 第6B圖係顯示本發明之前述實施形態之三維測定探針 之测定路徑之說明圖。 第6 C圖係顯示本發明之前述實施形態之三維測定探針 之測定路徑之說明圖。 第7圖係有關於本發明之前述實施形態之三維測 針之測定力之說明圖。 第8圖係因〜力產生記錄針旋轉誤差之說明圖。 第9圖係未產生因測定 之說明圖。 *力所造成之記錄針旋轉誤差時 造圖 造圖 第11圖係專利文獻2所記裁 之習知 二維测定探針之構 第12圖係專利文獻斗 第13圖係專利文獻 ^载之^接觸歧針之構造圖。 5己裁之習知接觸式探針之主要 19 1334920 部份說明圖。 第14A圖係專利文獻5所記載之習知靜壓軸承裝置及位 移測定裝置之構造圖。 第14B圖係專利文獻5所記載之習知靜壓軸承裝置及位 5 移測定裝置之構造圖。 【實施方式3 較佳實施例之詳細說明 在繼續本發明之敘述前，所附圖式中同—零件附上相 同參照符號。 以下根據圖式詳細地說明本發明之實施形

1U (實施形態） 第1A圖及第iB圖係顯示可安裝本發明實施形態之二 維測定探針2A之超高精度三維測定機之三維測定探針2a 之主要部份構造。第1A圖及第1B圖同樣是探針2A，但第ia 15圖與第⑴圖分別顯示從上方測定測定物1表面S時與從下方 測定測定物1表面S時之探針2八之配置。雖未圖示，但無論 從旁邊或斜向皆可將該探針2A配置於測定物丨。第3八圖（ 包含前述實施形態之三維測定探針上側之光探針位移檢^ 部之概略構造說明圖，第3B圖係將第3__的圖，且勺 2° W移檢測: 下方測定測定物1表面s時’若將測定物保持構件 98歹，成為環狀來保持測定物i周圍，且测定物 外的裏面構成為可從下方測定，同時，將第3B圖所示= 20 1334920 針2A配置於測定物 置成可與上敗光探：狀歧針鄉檢測部配 5 6 丨㈣妓針2A包相筒料滑動轴部 磁力產生機構％、以位移檢測機構之 :中-例而發揮功能之光探針位移檢測部機 = 大_件_卜指= 10 -'並_、二：:== 空氣滑件」。X由技向大空氣滑件料構件 第 :πη所構成之大空氣滑―動機二 ^中一例而發揮功能之2方向越動裝置43。即，探針 15 下述磁力產生機構95及Ζ方向驅動裝置43，藉此，益論從 測定物1下方或旁邊皆可測定，該磁力產生機構95係:非接 觸方式與安裝於與圓筒形微小空氣滑件之記錄針5 一體地 固定之小滑動轴部6之小的可動部的質量之磁性體銷2〇、安 裝於小空氣轴承部7Α端部之磁鐵（微小空氣滑件用磁 鐵)29a、29b、多數軛(微小空氣滑件用姉&、心、8卜2 20 構成微小空氣滑件用磁路MC’藉此以非接觸方式產生可阻 礙轴方向之移動與旋轉（前述圓筒形小滑動轴部朝轴方向 之Z方向的移動與朝繞前述Z方向之旋轉方向的糊之磁 力’又，前述Z方向驅動裝置43係在微小空氣滑件之位移大 致固定之情形下使Z方向整體移動。 於此，先再次說明「微小空氣滑件」這個名詞的意思。 21 ha動軸部6在小空氣軸承7中移動，將小滑動軸部6與小空 氣軸承7合起來稱作「微小空氣滑件」。普通市售的空氣滑 件再小其可動部質量都有100公克。相對於此，本實施形態 - 所說的「微小空氣滑件」之可動部質量只有0.2公克，很明 5 顯又輕又小。 本實施形態之超高精度三維測定機中，如後所述，為 了使以微小測定力移動之小滑動㈣6相對於具有小空氣 # 轴承7之光探針位移檢測部2在Z方向之位移為零，而成為電 流流過線圈13以驅動光探針位移檢測部2整體’以使大空氣 1〇滑件大幅度地移動之雙重構造。另，該光探針位移檢測部2 係用以檢測前述小滑動㈣7相對於前述小空氣軸承部7A 之前述Z方向之位移。 將测定力設為0.2mN，且將小滑動轴部6之質量設為〇.2 公克，藉由刚述式子（1) ’探針2A之應答加速度會變成 15 〇.1G。於此，G為重力加迷度。只要有這種程度的應答加速 泰度，且只要疋作為測定物丨之其中一例之直徑3〇mm以上之 平滑的非球面透鏡’則可以最快每秒1〇111111之測定速度來測 定’且即使條件在其下之透鏡亦可以最快每秒5min之測定 速度來測定。 20 將微小空氣滑件設為圓筒形的理由是要以最小的質量 _ 得到最大的剛性之故。空氣滑件藉由在引導部形成2〜4氣壓 之高空氣壓的膜，可以高剛性來保持轴。以圓筒微小空氣 滑件來說，即使直徑小到4mni以下，只要高精度地將引導 部之間隙做成窄到10微米以下，空氣流量就可如明顯降低 22 1334920 注入空氣之空氣壓一般不會报多，因此 高空氣_膜，且使其具有高剛性。 丨導爾 定力==滑件之小滑動輪部6由彈簧性構件支持，且測 ’並朝Z方向移動職米左右，但同樣的力量 施加於橫向時之偏移必須在 敁夕诜社L 不木以下。即，需要探針剛 产時之、=Γ千倍之意。因此，測定面之傾斜角度為45 ί後述 1Gnm。此為所求之最低剛性。該構造則 10 15 與前端有欲與測定物1之測定表面S相接之記錄針尖端 球5a之鱗針5的基側輕固定之切動㈣6加工成次 微米階之高精度_筒狀M、滑練部6可藉由壓縮空氣的 膜，朝Z方向（小滑動軸部6之軸方向）與以妨向為轴之旋轉 方向’無雜地在具有倾切動料6有職米以下之間 隙，以小滑動軸部6孩人之形態，高精度地加卫而成之圓 筒形孔7g之小空氣軸承7的孔7§中滑動。 20 小空氣轴承7如第1A圖〜第2A圖所示，由於在圓周方向 每隔固定間隔即具有凹部l8b同時在軸方向上下具有環狀 凹部18c、l8a之小空氣軸承外壁19緊密接合且組入原子力 探針框3，因此可分別形成空氣積存部18。即，小空氣軸承 7之小空氣軸承外壁19由記錄針側（前端侧）之凸緣與中 間部19b與基端侧之凸緣19e所構成，且前端侧之凸緣阶與 中間部19b之間形成有前端側之環狀凹部18a，且基端側之 凸緣19c與中間部^匕之間形成有基端側之環狀凹部i8c，藉 由形成於中間部191^外周面之預定間隔的凹部18b與前端側 23 1334920 之環狀凹部18a與基端側之環狀凹部18c形成空氣積存部 18。與未圖示之空氣壓縮機相連接且從該空氣壓縮機經過 第3 A圖及第3B圖所示之管子48送進來的壓縮空氣會分別 進入空氣積存部18，且從以空氣喷出部之其中一例發揮功 5 能之空氣喷出口 4的微小孔洞送進小滑動軸部6與小空氣軸 承7的孔7g嵌合的間隙，而形成前述壓縮空氣的膜，並透過 前述間隙，朝直徑方向貫通小空氣軸承外壁19之中間部 19b，且從每隔預定間隔形成之空氣排出口 10與前述凸緣部 19a與19c上下(；前端側與基端側)排出空氣。另，由於小空氣 10 軸承7與原子力探針框3緊密接合固定，故將該等小空氣軸 承7與原子力探針框3合起來稱做小空氣軸承部（小空氣軸 承單元)7A。 由於小滑動軸部6與小空氣軸承7嵌合之間隙只有5〜10 微米非常得小，故在從於小空氣軸承7之外周側面以大致等 15 間隔配置於圓周方向及軸方向之多數空氣喷出口 4微小的 孔供給2氣壓以上之壓縮空氣，且壓縮空氣從空氣排出口 10 與前述凸緣部19a與19c上下（前端側與基端側)排出之前，會 在前述間隙形成具壓縮空氣之壓力梯度的膜。 當因測定物1傾斜之測定面S的測定力而在記錄針5產 20 生橫向的力量時，若該壓縮空氣的膜厚改變，即，例如膜 厚變薄，則空氣會不易流動，因此空氣壓會變高，相反地， 若膜厚變厚，則空氣會容易流動，故空氣壓會變低，因此， 在空氣膜厚未改變之方向會產生力量。此為產生空氣轴承 之剛性的原理。 24 1334920 另一方面’在小滑動㈣6之另-端(記錄針5相反側之 • ⑽部），沿著與小滑動轴部6之財向垂直之方向安裝之細 • 長磁性體鎖2〇藉由分別安裝於原子力探針框3之一對輊 • 8b·卜81>2、該等軛叫、8b_2料於各自之記錄針側端面 5且互相相向配置之-對磁鐵29a、29b、環狀概崎成以下 所說明之祕MO即，分财裝則、錢軸和端部之一 對磁鐵29a、2%與環狀輛8樓一對祕_卜㈣和前述磁性 • 冑伽以非接觸方式構成磁路MC，藉此構成用以產生可阻 礙前述圓筒形小滑動軸部6朝軸方向之z方向與繞該z方向 1〇之旋轉方向移動的磁力之磁力產生機構95 ^如此一來，產 生自其中一磁鐵29a之磁束會通過其中一軛扑]、形成於該 其中一軛8 b -1與磁性體銷2 〇之其中一端之間之其中一間隙 ，且通過磁性體銷2〇，並通過形成於磁性體銷之另 —端與另一軛8b-2之間之另一間隙部G2，且通過另一軛 15 8b~2，並加上產生自另一磁鐵29b之磁束，且通過環狀軛 ® 8a’再返回其中-磁鐵29a。 在磁性體銷20與軛8b-l、8b-2之間隙部Gl、G2附近， 磁性體銷20與各自的軛8b·卜8b-2變成軸方向厚且旋轉方向 • 薄之錐形(如第2B圖〜第2D圖所示，在軸方向為固定厚度， . 20 且在直徑方向於磁性體銷2〇之兩端部具有隨著從中心朝周 圍端部傾斜且寬度逐漸變小之傾斜面（形成為錐狀)），藉由 該形狀’可強力抑制旋轉方向之位移，且稍為抑制軸方向 之位移。又，如第2B圖〜第2D圖所示，前述磁性體銷20與 則述軛8b-l、扑-2各自之間隙部Gl、G2附近之前述銷20與 25 1334920 前述軛8b-l、8b-2的形狀係使前述軛8b_i、8b_2比前述磁性 體銷20厚。磁性體銷20之長向軸方向沿著上下方向地配 ‘ 置，且如第2B圖〜第2C圖所示，設為銷厚度0.5mm、麵厚度 lmm、旋轉方向前端寬度〇.2mm、間隙〇.5mm，藉此，小滑 5動軸部6會因本身的重量而朝軸方向偏移100微米左右，且 成為與磁力相抵銷之狀態。當將磁性體銷20之長向軸方向 沿著與上下方向垂直之橫向配置時，由於小滑動軸部6本身 Φ 的重量不會作用於橫向，故會在磁束通過的最佳位置抵銷。 第3A圖及第3B圖中，光探針位移檢測部（光探針位移檢 10測單元)2至少包含與前述小空氣軸承部7八一體地固定且發 出雷射光之半導體雷射34 ;配置於前述小滑動軸部6 ,且使 由前述半導體雷射34照射之前述雷射光反射之鏡子9;將來 自前述半導體雷射34之前述雷射光聚光於前述鏡子9之透 鏡14，及接收來自前述鏡子9之反射光之光檢測器41。然 15後，藉由上述構造，使來自前述半導體雷射34之前述雷射 • 光照射於前述鏡子9,且由前述光檢測器41接收來自前述鏡 子9的反射光，並由光探針位移檢測部2從該光檢測器41之 輸出訊號來檢測前述Z方向之位移。更具體而言，來自安裝 • 於光探針位移檢測部（光探針位移檢測單元)2之波長780nm 20之半導體雷射34的半導體雷射光FL會透過透鏡32及偏光棱 鏡37及波長板33 ’且以分光鏡15全反射，且整個進入透鏡 14的開口 ’並藉由透鏡14聚集於固定於磁性體銷2〇上之鏡 子(Z鏡)9來照射。來自鏡子9的反射光分別以分光鏡15及偏 光棱鏡37全反射’且以半透半反鏡39分歧為二，並分別通 26 1334920 過置於兩焦點前後之針孔40，然後進入兩個光檢測器41。 當小滑動軸部6因記錄針5之測定力而在軸方向移動時，來 * 自鏡子9的反射光之焦點位置會改變，因此，來自兩個光檢 ^ 測器41之輸出會在聚焦誤差訊號檢測部42變成聚焦誤差訊 5 號’根據該聚焦誤差訊號，藉由作為用以使光探針位移檢 測部2沿著Z方向進退驅動之Z機台驅動裝置之其中_例發 揮功能之Z方向驅動裝置43,使電流同時流入大空氣滑件89 Φ 之可動部11兩側之左右的線圈13，使光探針位移檢測部2沿 著Z方向進退驅動，使聚焦誤差訊號為零。此時，大空氣滑 1〇 件89引導前述小空氣軸承部7A朝前述Z方向移動。又，去 使前述測定物1或前述大空氣滑件89朝分別與前述z方向垂 直且互相垂直之XY方向移動，同時前述記錄針5沿著前述 測定物1的形狀朝前述Z方向移動時’在前述z方向之位移大 致固定之情形下驅動前述大空氣滑件89。 15 更具體而言，如第4圖所示，電流貫通於藉由托架86 # 等分別固定於上石定盤106之大輛(z機台驅動用軛）12與大 磁鐵(Z機台驅動用磁鐵)28所形成之Z機台驅動用磁路GMC 之間隙部G3流入各線圈13，因此電磁力會作用於z方向。 « 左右一對之線圈13一面藉由大空氣滑件引導構件35朝乙方 .2〇向引導，一面與使光探針位移檢測部2整體朝Z方向真直度 極佳地移動之大空氣滑件可動部1丨連結成為一體。 大空氣滑件可動部11之移動真直度與超高精度三維測 疋機之測定精度有關。說明其理由。第5八圖顯示搭載有本 實施形態之光探針2A之超高精度三維測定機之整體構造之 27 其中一例。 第5A圖Φ，胳 將用以測定XYZ座標之XYZ座標測定用雷 • #光產生裝置之其中-例之振動穩頻雷射27、測定長度單 ' tc(X方向用接收器1()5、γ方向用接收器刪、&方向用接收 5器 Z2方向用接收器102)、大空氣滑件可動部11、光探 針位移檢測。(5 2搭载於上石定盤96。然後，該上石定盤96藉 由用以使光探針位移檢測部2朝χγ方向移動之对方向移 φ 動裝置之其令—例之ΧΥ機台90，即X機台21與Υ機台22朝 Υ方向移動。在下石定盤23上分麵定有用以載置保持測 10定物1之測定物保持構件98、X參考面鏡(X方向參考面鏡， 以下僅稱作「χ參考面鏡」。）24、Υ參考面鏡(Υ方向參考面 鏡’以下僅稱作「γ參考面鏡」025、固定於㈣在下石定 盤23之Η型架台97之上Ζ參考面鏡(2方向參考面鏡，以下僅 稱作4參考面鏡」。）26。在該構造中，以振動穩頻雷肪 Μ的光藉由測定長度單元測定保持於測定物保持構件％之測 • ㈣1之測定點的抽上至辦方向之三面高平面度參考面 鏡24、25、26之距離的位移量，則即使乂丫機台9〇(χ機台η、 Υ機台22)之移動真直度為〗微米序列，亦可得到參考面鏡 • 24、25、26之平面度之10⑽序列之座標軸精度，但只有乙 • 機台之其中-例之空氣滑件89之移動真直度不是可藉由該 等參考面鏡24、25、26修正之構造。 理由是專利文獻3中也揭示出ζ機台也有安裝χ參考面 鏡與Υ參考面鏡兩面參考面鏡，且亦修正2機台之移動真直 度之構造，但若欲提高平面度，則參考面鏡就會變重:'且 28 2也欲修正移動之縱搖(傾斜），則1要測定各2點，構造 會非常複雜。 . 士於此，XY機台90由X機台2咖機台22構成’機台變 .5 ^兩段重疊，因機台移動所造成之重心移動，要達成〇·〇1 微未序列之真直度是幾乎不可能，但由於城台之其中一例 之空氣滑件89只有一軸且沒有重心之移動，故藉由在構造 上下功夫多少可實現1〇nm序列之移動真直度。所謂在構造 • 丨下功夫是指提高大空氣滑件89之Z方向大空氣滑件引導 構件35之引導部的平面度與大空氣滑件的橫向之剛性，且 !〇去思考移動時不會在橫向產生力量之2方向的支持方法及 構造與驅動方法及構造。 15 20 如第4圖所示，藉由彈簧材料薄板捲成螺旋狀且相向並 產生與大空氣滑件可動部11的重量（大空氣滑件可動部U 作用時之重力的大小）大致相等之張力的定負荷彈筹⑽ 支持Z方向可動部的重量部份，可儘可能減少彈黃常數，且 以輕的力量使z機台之其中—例之线滑件89之2方向可動 部（大空氣滑件可動部H)之重心附近上下移動。線圈13也對 稱地配置於光探針位移檢測部2左右，且左⑽ 動力的合力會作用於光探針位移檢測部2之重心附近，藉此 可防止驅動力所造成之移動真直度低劣。 θ 第5A圖係與專利文獻3所記載之超高精度三維測 之構造具有相同構造之超高精度三維測定機之構造圖— 將具有原子力探針框3等之本實施形態之光探針位移檢: 部2及探針2插入第沾圖之三維狀機之光探針位移檢測部 29 1334920

112A及探針112，則可作為第5八圖之本發明之本實施形態 之超尚精度三維測定機之說明圖。即，例如，若將第1A圖〜 第4圖所示之三維測定探針2 A換成第5 B圖之三維測定機之 探針112A ’則如第5八圖所示可作為本發明之本實施形態之 超南精度三維測定機之Z方向之構造。 本實施形態之前述測定機具有用以控制超高精度三維 測定動作之控制部88。控制部88與XY機台90，即X機台21 之未圖示之驅動裝置與Y機台22之未圖示之驅動裝置、He —Ne振動穩頰雷射27、X方向用接收器105、Y方向用接收 器104、Zl方向用接收器103、Z2方向用接收器102、Z座標 演算裝置之其中一例之演算部87、具有聚焦伺服機構之Z 方向驅動裝置43、半導體雷射34、光檢測器41等相連接， 以進行各自之動作控制，藉此控制前述超高精度三維測定 動作。 第5A圖中，振動穩頻雷射(振動穩頻HeNe雷射)27為藉 • 由與真空中之波長為世界長度標準之碘穩定HeNe雷射之 振動頻率測定來校正振動頻率之穩定雷射。碘穩定HeNe雷 射之振動頻率為473612214.8MHz，不確定程度為 * ±1χ1(Γ9(3σ)(自JIS手冊）。但，因為是追加碘吸收細胞後規

20 模很大的裝置，因此無法搭載於測定機。又，即使產業上 所需之加工精度/尺寸為高精度，也只是10_4〜1(Τ5。即，例 如直徑10mm的軸，1〜0.1微米的直徑精度為普通的高精度 加工，且為測定限度。在本發明之本實施形態之非球面透 鏡測定中，由於所需不確定度為土 1 xlO·6左右，故以此為XYZ 30 1334920 座標測定之不確定度的目標。又’空中的波長因溫度變動 l°c或3%的氣壓變化會變化10·6。前述測定機在大氣中使 用。因此，幾乎無須將碘穩定HeNe雷射搭載於前述測定機。 因此，將不使用碘吸收細胞而以振動波長之氖的光譜 5 線使振動頻率穩定之振動頻率為473612.12〇出±0.3〇出， 且不確定度為士5x10 8(3σ)之小型振動穩頻HeNe雷射27搭載 於前述測定機。由於進行碘穩定雷射與振動頻率的比較測 定，故該波長相對於世界長度標準是可追循的。以該雷射 光Fz測定XYZ座標。

10 使自該振動穩頻雷射27發出之雷射光Fz分歧為例如X 方向、與X方向垂直之Y方向、分別與X方向及γ方向垂直 之4方向、分別與X方向及γ方向垂直之z2方向，再使朝各 方向分歧之雷射光Fz分歧為測定光與參考面光，且使各測 疋光刀別照在南平面度之X參考面鏡24、γ參考面鏡μ、z 15參考面鏡26、2鏡9，並使各反射光與參考面光分別射入測 定長度單元，即X方向用接收器105、γ方向用接收器1〇4、 方向用接收器103、Z2方向用接收器1〇2，且互相干擾， 藉此，可以X參考面鏡24、Y參考面鏡μ、2參考面鏡以之 2平面度之精度測定Χγζ座標。於此，所謂y方向與x方向垂 20直之方向之Z|方向與Z 2方向分別為沿著分別與又方向及γ 方向垂直之Z方向。 自振動穩頻雷射27發出之4道雷射光&如下所述地使 用。另，要形成自振動穩頻雷射27發出之4道雷射光&可配 置4個雷射光源，或者，亦可配置⑷個以下之雷射光源， 31 1334920 且如前所述使來自雷射光源之雷射光分歧而形成合計4道 " 雷射光Fz。 自振動穩頻雷射27發出之第一道雷射光Fz照射於X參 , 考面鏡24的反射面（測定物1之相反側的面），且由X參考面 5 鏡24之反射面反射的反射光會經過光學系，並由X座標測定 裝置之其中一例之X座標測定單元(X座標用雷射測定長度 單元，即X方向用接收器）105受光，且根據所接收的雷射光 φ 藉由X方向用接收器10 5來測定光探針位移檢測部2之X座 標。於此’由於X參考面鏡24被視為完全是·一個平面，故測 10定X參考面鏡24的X座標即意味著測定固定於上石定盤96 之光學系與X參考面鏡24之反射面之間的距離之位移量。 同樣地，自振動穩頻雷射27發出之第二道雷射光ρζ照 射於Y參考面鏡25，且由Y座標測定裝置之其中一例之γ座 標測定單元(Y座標用雷射測定長度單元，即γ方向用接收 15器）104接收由Y參考面鏡25反射的反射光，且根據所接收的 • 雷射光藉由γ方向用接收器10 4來測定光探針位移檢測部2 之γ座標。由於Y參考面鏡25被視為完全是一個平面，故測 定Y座標即意味著測定固定於上石定盤96之鏡子（未圖示） * 與Y參考面鏡25之反射面之間的距離之位移量。 . 20 另一方面’自振動穩頻雷射27發出之第三道雷射光Fz 照射於Z鏡9 ’且由Z2座標測定裝置(Z座標測定機構)之其中 一例之Z2座標測定單元(Z2座標用雷射測定長度單元，即z2 方向用接收器）102接收由Z鏡9反射的反射光，並根據所接 收的雷射光藉由Z2方向用接收器102來測定鏡部9的Z2座 32 1334920 標。測定&座標即意味著測定使第三道雷射光Fz反射以射 入Z鏡9之固定於上石定盤96之反射鏡（未圖示）之反射面與 Z鏡9之反射面的距離之位移量。 自振動穩頻雷射27發出之第四道雷射光Fz*z1座標測 5定裝置之其中一例之z 1座標測定單元(Z丨座標用雷射測定長 度單元’即Ζι方向用接收器）1〇3接收在以固定於上石定盤 96之鏡子反射後由Z參考面鏡26下面之反射面反射之反射 光，且根據所接收的雷射光藉由乙1方向用接收器1〇3來測定 光探針位移檢測部2之2!座標。測定Z!座標即意味著測定使 10第四道雷射光Fz反射以射入Z參考面鏡26之反射面之固定 於上石定盤96之鏡子之反射面與Z參考面鏡26之反射面的 距離之位移量。 即，關於Z座標’第3A圖及第3B圖之雷射光Fz以來自 振動穩頻雷射27之第三與第四道雷射光以如下所述地測定 15並求出。藉由從第5A圖之上石定盤96上之測定長度單元之 光學系全透過分光鏡15且聚集於透鏡14並由鏡子9反射之 雷射光Fz利用Z2方向用接收器102來測定Z2座標。XY機台 之移動真直度為1微米序列，從上石定盤96上之測定長度單 70之光學系將雷射光Fz照在10奈米序列之平面度之Z參考 20面鏡26 ’且從該2參考面鏡26之反射光藉由Zi方向用接收器 103來測定Zl座標。然後，用演算部87演算前述(Ζ,座標+ &座標）且視為z座標，藉此可以z參考面鏡26之精度來測定 Z座標。 在測定物1之三維形狀之測定開始前，由於測定物1上 33 1334920

下之記錄針5與測定物丨之測定面S分開，故無法啟動前述聚 焦伺服。在光探針位移檢測部2安裝有未圖示之z方向位置 檢測器，來自該位置檢測器之位置信號會成為由安裝於測 定機之操作部且由操作員轉動之手動驅動用標度盤91來改 5變之位置和令值，在控制部88控制之下，藉由Z方向驅動裝 置43使光探針位移檢測部2朝z方向移動(換言之，根據操作 員轉動手動驅動用標度盤91所產生之輪入資訊，來驅動z 方向驅動裝置43,使光探針位移檢測邹2前端移動至離測定 物1之測定面S5mm以下之位置）。將此稱作「位置伺服」。 10 當該位置伺服啟動時，測定力不會作用於記錄針5,因 此，先相對於探針套管2a朝Z方向調整透鏡μ的位置，使鏡 子9位於離聚焦位置1〇微米左右的位置。 開始測定時，將測定物〗置於記錄針5正下方數毫米的 位置，由操作員按下位於測定機之操作部之聚焦啟動按 15鈕，藉此解除根據前述手動驅動用標度盤91之手動驅動， 而切換成自動控制。如此一來，光探針位移檢測部2會藉由 Z方向驅動裝置43慢慢朝測定面S的方向移動而接近測定面 S。當記錄針5檢測測定物丨之測定面S時(記錄針5碰到測定 物1之測定面S時），因記錄針5之測定力，鏡子9會朝半導體 20雷射光Fl之焦點方向移動’因此會藉由聚焦誤差訊號的變 化由聚焦誤差訊號檢測部42檢測出鏡子9朝半導體雷射光 FL之焦點方向移動之情形（換言之，當鏡子9抵達焦點位置 附近時），會從位置伺服切換成聚焦伺服，且鏡子9會到達 聚焦位置。即，藉由Z方向驅動裝置43使光探針位移檢測部 34 1334920 2移動直至聚焦誤差訊號變成零為止。此為啟動聚焦伺服之 狀態。 半導體雷射光FL為了高感度地檢測聚焦誤差訊號，如 第3A圖及第3B圖所示整個射入透鏡14的開口，而Z座標測 5 定用HeNe穩定雷射光F/則由於以較透鏡14之開口細的光束 直徑射入，故即使聚焦深度較深，且在10微米左右之焦點 偏移位置有Z鏡9，亦可從反射光充分地測定Z座標。 接著，敘述測定力之設定及其理由。將作用於第7圖所 示之記錄針5軸方向之測定力設為F。因測定力F鏡子9會來 10 到聚焦位置，因此測定力F與測定面S之傾斜無關會固定。 測定力F可藉由使第3A圖及第3B圖之透鏡14上下移動來設定。 作用於與測定面S垂直之方向之測定力為F/COS0。0 為測定面S之傾斜角度。如第7圖所示，於記錄針有（F/cos 0)sin0之橫向測定力。橫向測定力在0為60度時為F的1.7 15 倍，在0為75度時為F的3.7倍。 因橫向測定力，記錄針5 —但朝旁邊傾斜則會變成測定 誤差。要儘可能使之變小，宜儘可能使測定力變小。測定 力愈小，記錄針5之傾斜也會愈小，如此測定誤差會變小。 又，測定力小記錄針5的磨損會比較少，因此記錄針5 20 可以用久一點。 再者，當以尖端半徑2微米之尖尖的記錄針測定樹脂等 柔軟面時，會傷到測定面S，或者會因測定面變形而產生測 定誤差。此也是測定力愈小愈好。以經驗來講，刮痕或誤 差在不太會去在意的程度之測定力是在0.2mN以下。另，以 35 1334920 尖端半徑0.5mm之記錄針測定時還弄傷柔軟面的例子是完 ‘ 全沒有。 相反地，當以尖端半徑0 5mm之記錄針測定時，測定 - 力小時會測疋出表面的灰塵。測定力大時則不會測出灰塵 5而會把它撥開。這一點則是測定力大的較容易測定。 尖端半徑小的探針不易測出灰塵，但要真球度良好地 製作尖端並不容易。尖端之真球度愈差，測定精度就會愈 φ 差。關於這個可先測定真球再從資料來修正，但很費功夫。 若可動部質量一樣，則測定力愈大應答會愈快，而可 10 快速測定。 從上述可知，若以目前的技術水準為前提，有最佳的 測定力。即，O.lmN〜〇.3mN。因此，測定力設定為中心值 0.2mN，且藉由調整透鏡14之位置，可在〇.lmN〜〇.3mN之範 圍内作調整。 15 小滑動軸部6設計成以本身的重量從100微米左右之下 # 方位置以〇.2mN之測定力相對於小空氣軸承7移動10微米左 右。另，亦可先使探針2A朝向橫向，此時，不會有因本身 的重1所產生的移動，但會以〇.2mNi測定力從抵銷位置移 動10微米左右。 鏖 20 敘述以測定力0.2mN在小滑動軸部6移動了 10微米左右 ' 之位置起動聚焦伺服的理由。 由於相對於包含記錄針之小滑動軸部的質量〇2g，測 定力0.2mN為0.02公克重，故變成以小滑動轴部重量的十分 之一的力量在僅移動10微米之位置啟動聚焦伺服。 36 即使聚焦飼服有誤差，由於同樣以振動穩細eNe雷射 光Fz藉由顿來敎魏例轉的位移量，故不會變成 測定誤差，只會變成測定力之變動而已。 如第3A圖及第3B圖所示，由於半導體雷射光&在聚焦 感度良好之情況下整個射人透賴的開口，故可在開口數 (NA)為0.4左右且透鏡14與鏡子9之距離的位移量之變動在 m米以下來啟動聚焦伺服。即’當藉由χγ機台9〇使前述 測定物1或大空氣滑件89朝分別與前述Ζ方向垂直且互相垂 直之ΧΥ方向移動’同時前述記錄針5沿著前勒技糾之形 狀朝前述ζ方向移動時’會啟動聚焦他，以藉由ζ方向驅 動裝置43驅動前述大空氣滑件89,使前述2方向之位移大致 固定。此時之測定力之變動在0.02mN以下。 使1〜2mm之光束直徑之半導體雷射組直接進入透鏡 14 ’以使鋪觸脑㉙射紙之聚錄度變深。如此一 來聚…、冰度會變成2〇微米左右，當記錄針5未接觸至測定 物1之測定面S時，鏡子9的位置會偏移1G微米姉可沒有 問題地進行雷射測定長度。 即使記錄針5未接觸至測定面S時，也會因為在測定若 無法測定z座標則無法藉由連續掃瞄來測定之多數測定物1 時無法保存Z座標’而非常不方便。例如，若將磁力設計成 弱的彈性係數’使小滑動軸部6以測定力02mN移動20微 米’則在记錄針5離開測定面S時，鏡子9的位置會偏移20 微米，且使測定長度用HeNe雷射光Fz之焦點深度有偏差， 且測定長度會變得不穩定。 又例如，若將磁力設定成強的彈性係數，使小滑動 轴P6以測疋力02mN移動5微米，則同樣地即使透鏡1與鏡 子占之距離的位移1之變動在1微米以下且啟動聚焦饲服， 測定力之變動也會變大，且若簡透鏡9之位置使測定力變 成〇.lmN，則小滑動軸部6會成為只移動2.5微米之狀態，且 伺服會不穩定。 以上為設計成小㉟動軸部6以〇.2mN之測定力移動10微 米左右的理由。 6接著’針對阻礙朝以小滑動轴部6之2方向（小滑動軸部 6之軸方向)為中心之旋轉方向的移動的力量所需的扭矩來 =明1由於記錄針5的—部份之記錄針纽球㈣目對於微小 ▲ ’月件之袖中心係在組裝公差範圍中偏心地安裝，故若 己錄針次端球5a以小滑動軸部6的軸為中心旋轉，則測定值 會改變，且變成測定誤差。 因此，阻礙旋轉的力量愈大愈好，所以，若使磁性體 銷 20@ 4* ，則小滑動軸部6的質量會變大。基於前述理由， π動轴部6的質量愈小愈好，故磁性體銷20的重量希 為所需最小限度。在本發明之本實施形態中，藉由第 Α圖及第16圖之構造，例如實現厚度〇.5mm、質量16毫克 之超輕量磁性體銷20。藉此實現Tm = 274mN . mm/rad之旋 6的磁力。即，扭矩為Tm=〇_27mN . mm，且僅旋轉 Imrad。 接著，檢討以第1A圖及第1B圖之構造，在實際之測定 中，最多會發生多少記錄針5之旋轉所產生之測定誤差。 38 5 6A圖〜第6C圖係顯示以記錄針5測定測定物丨之其中 ―例之透鏡之表面S時之掃描方法。分別將如第从圖所示在 透鏡1表面s以記錄針5測定通過透鏡心的線的動作命名 為軸上測疋」，且將第紐圖所示之透鏡i表面§之全面掃晦 =動作命名為「面上測定」，並將如第6c圖所示以同心圓狀 ^指透鏡1表面S命名為「_測定」。—方面物不是旋 A對稱的東西’再者’在本發明之本實施形態中也不限於 _對稱之透鏡’但可進行作用於記錄針5之旋轉扭矩的解析。 10 作用於記錄針5之旋轉扭矩藉由記錄針5對透鏡！表面S 2定力而產生。如第7圆所示，當轴方向測定力F作用於 ^:之記錄針尖端球5_，會在與敎面S垂直之方向作 °^之敎力’且在橫向作用⑽〇s0)Sin0之測定力。 15 面s之高看:7圖之記錄針尖端球5a接於測定 圖之截面剖面圖。因此2更容易理解’省略第8圖及第9 第8圖的圓的半徑為rs_ I於記錄針尖端球&之半徑η 測定面叫亍之方向偏移時件之财心在與 圖顯示該狀態。如第9圖所_ 最大的測定誤差。第8 20 於離測定崎粒位40^ ’ #财以滑狀軸中心位 矩會作用於記錄針5，卜2圓周峡中，最大之旋轉杻 線位置移動，測定值也幾伞針尖端球化即使在第9圖之虛 誤差。 乎不會改變。即，不會變成測定 在前述軸上測定中， 動，因此，第8圖的紙張上 記錄針5僅朝第8圖之左右方向移 下方向沒有摩擦，故旋轉扭矩為 39 1334920 (數2) 軸上測定旋轉扭矩T=偏心量χ橫向測定力…（2)。 當圓周測定時與在前述面上測定中朝未傾斜之方向掃 描測定記錄針尖端球5a的邊緣時，除了測定力外會加上摩 5 擦力，因此， (數3) 圓周測定旋轉扭矩T =偏心量χ橫向測定力+ rsin θ x 測定力χ摩擦係數…(3)。 阻止旋轉之磁力如前所述以Tm之扭矩僅旋轉lmrad， 10 因此，旋轉角為T/Tm(mrad)，且欲求之橫向測定誤差E為旋 轉角X偏心量，因此， (數4) E=偏心量xT/Tm…(4) 將偏心量設為0.1mm、F = 0.3mN、橫向測定力為（F/cos 15 0 )sin 0、r= 0.5mm、測定力為F/cos 0、摩擦係數為0.5、 如前所述，Tm= 0.27mN . mm/mrad、0為65度與75度兩種 來計算出橫向測定誤差。 整合計算結果，如表1所示。 【表1】 20 60度 75度 軸上測定 0.02微米 0.04微米 圓周測定 0.07微米 0.14微米 傾斜角度60度為止之軸上測定為一般測定，此時之誤 40 差若在G.G2微米以下則為可超高精度地測定之水準。又， 右將測疋力設為〇2mN ’則最大測定誤差會減為它的2/3 倍’右將記錄針5之偏心抑制在0.05mm以下’則最大誤差 會再變成"'半’因此，此時即使是75度的圓周測定，也可 在&向誤差〇_〇5微米以内’且成為可超高精度測定之水準。 在52錄針尖端球5a附有真球度佳之直徑1mm的紅寶石 、或⑴4加工成半徑2微米之球面的鑽石等。例如，在透鏡 1之測疋時使用直徑lmm的紅寶石球另一方面，在測定測 疋物1的表面細微加工成如光柵一般的東西時則使用鑽 石，因此，記錄針5是需要替換的。 替锋記錄針5係與專利文獻2相同，如第11圖所示，將 形成於s己錄針5之螺絲360栓進加工於小滑動軸部6之螺帽 359，藉此可安裝成可轉鬆之狀態，且可替換。拴緊、轉鬆 螺絲時在將記錄針5壓向小滑動軸部6後必須旋轉。 第1A圖及第1B圖與第2A圖中，在小滑動軸部6基端侧 之端面（配置有磁性體銷2〇之端面）貼上非磁性體之擋止體 〇 §將記錄針5壓向小滑動軸部6時，擋止體3〇會抵接於 固义於原子力探針框3之環狀抵接部36，當轉動記錄針5之 螺絲（參照第11圖之螺帽360)時，擋止體3〇會抵接於固定於 月動轴部6基端側端面之旋轉擋止銷3丨以阻止小滑動轴 °P6旋轉。換言之，藉由非磁性體之擋止體3〇來阻止超過阻 礙别述小滑動軸部6相對於前述小空氣轴承部7A朝前述z 方向與以前述Z方向為軸之旋轉方向移動之磁力的力量作 用於前述小滑動轴部6之前述2方向或以前述z方向為轴之 前述旋轉方向時前述小滑動轴部6過度的移動。因此，僅記 錄針5可相對於小滑動轴部6旋轉，且使形成於記錄針5之螺 絲360相對於加工於小滑動軸部6之螺帽359旋轉以從磁螺 ’、'糸359鬆開。另一方面，當將其他記錄針5安裝於小滑動軸 部6時，在將記錄針5壓向小滑動軸部6使擋止體3〇抵接於旋 轉擋止銷31以阻止小滑動軸部6旋轉之狀態下，藉由將形成 於記錄針5之螺絲360轉入加工於小滑動轴部6之螺帽359， 可將螺絲360栓進螺帽359。另，在平常測定時，擋止體3〇 與抵接部36、擋止體30與旋轉擋止銷31分別離很遠，且互 相不會接觸，因此對測定不會有任何的阻礙。 另，在本實施形態中使用環狀軏8&。這樣雖然比較好， 但也不是非得環狀不可，例如環狀但少掉其中一邊也可以 使用。 又，在本實施形態中，將前述磁性體銷2〇與前述軛 8b-l、8b-2之間隙部附近的形狀設為前述軸方向後旋轉方向 薄之錐形。這樣雖舰較好，但也不是非得錐形不可，圓 錐形或角錐形亦可使用。 又’在本實施形態中，以半導體雷射光Fz檢測出前述 小滑動軸部6相對於前述光探針位移檢測部22方向之位移 量。其他料料勤錢帛料感湘或發光二極 體的光之三角測距法來檢測位移。 又’在本實施形態中’將振動穩頻雷射光&照射於鏡 子9 ’且從反射光収前述鏡子9似座標。這樣雖然比較 好，但並秘賊，例如⑩標村贼如雜標度來測定。 又，在本實施形態中，使用旋轉擋止擋止體30與旋轉 田止銷31來阻止記錄針5相對於小滑動轴部6之旋轉。此 :將圯錄針5栓進小滑動軸部ό，但並不限於此，亦可在 5 ς針5或小滑動轴部6的孔洞裝上彈簧，且進行插入固 或者，亦可一體加工小滑動軸部6與記錄針5，此時則 不需要旋轉擋止擋止體與旋轉檔止銷。 又，在本實施形態中，Ζ機台由ζ方向大空氣滑件引導 牛35與大空氣滑件可動部11所構成之大空氣滑件89 ,即 1〇空氣軸承構成。然而，並不限於此，雖然性能會降低，但 亦可由滾動引導構件或油壓軸承等構成。 又，在本實施形態中，Ζ機台驅動機構，即2方向驅動 裝置43由與前述大空氣滑件89相連結之線圈13及使電流流 過前述線圈加朝前述2方_動前述大^氣科89之2機 台驅動用磁路GMC構成。雖然這樣比較好，但並不限於此， 15亦可利用轉動滾珠螺桿的方式。 又’在本實施形態中，由定負荷彈簧來支持大空氣滑 件的之大空氣滑件可動部11(ζ方向可動部），但並不限於 此’只要使Ζ方向變成橫向，則不需要定負荷彈菁。 另’藉由適當地組合前述各實施形態中任何實施形 20態’可發揮各自所具有的效果。 本發明之三維測定探針由於從測定物下方或從旁邊皆 可以〇·01微米序列之超高精度來測定，因此藉由同時測定 前後兩面可超高精度地測定非球面透鏡之傾斜與偏心。 又’具有不易損壞且壽命長且在操作現場可簡單而頻繁地 43 仙等效果，且可實現不測定則不能做之非球面透鏡之進 —步的高精度化與提高生產產量，且有助於提高小型高晝 質化之數位相機、附電影、照相功能的手機、大容量化之 光碟等非球面透鏡内藏商品之性能與降低成本。再者，也 可廣泛地適用於醫療器材、汽車的齒輪、奈米科技或微米 機器之研究開發用途。 、 A另，藉由適當地組合前述各實施形態中任何實施形 態，可發揮各自所具有的效果。 、本發明-面參照所附圖式一面與較佳實施形態相關而 充刀地°己載’ 4旦热習該項技術之人會明白各種變形或修 該等變形或修正只要不超出所附申請專利範圍所限制 之本發明範圍，應解讀成包含於其中。 【阐式簡單說明】 第1A圖係本發明實施形態之三維測定探針之主要部份 放大圖。 第1B圖係本發明之前述實施形態之三維測定探針之主 要部份放大圖。 第2A圖係在本發明之前述實施形態之三維測定探針之 主要部份放上原子力探針框。 第，圖係顯示本發明之前述實施形態之三維測定探針 要。P伤中’環狀軛與磁性體銷的關係之透視圖。 之第:C圖係顯示本發明之前述實施形態之三維測定探針 要晶中’與環狀輛不同之另一就之前端與磁性體銷 之前端的關係之底面圖。 j33492° * 5 第2D圖係顯示本發明之前述實施形態之三維測定探針 之彡要部份中，與環狀軛不同之另一軛之前端與磁性體銷 之前端的關係之侧視圖。 第3 A圖係包含本發明之前述實施形態之三維測定探針 上徊之光探針位移檢測部之概略構造說明圖。 第3B圖係包含本發明之前述實施形態之三維測定探針 下树之光探針位移檢測部之概略構造說明圖。 • 第4圖係本發明之前述實施形態之三維測定探針之z方 向之構造圖。 10 第5A圖係可安裝本發明之前述實施形態之三維測定探 針之超高精度三維測定機之構造圖。 第5B圖係專利文獻3所記載之超高精度三維測定機之 構造圖。 15 第6A圖係顯示本發明之前述實施形態之三維測定探針 之測定路徑之說明圖。 參 第6 B圖係顯示本發明之前述實施形態之三維測定探針 之測定路徑之說明圖。 第叱圖係顯示本發明之前述實施形態之三維測定探針 之測定路徑之說明圖。 m 20 第7圖係有關於本發明之<+ 货乃之剐述實施形態之三維測定探 針之測定力之說明圖。 第8圖係因測定力產生記錄針旋轉誤差之說明圖。 第9圖係未產生因測定力所造成之記錄針旋轉誤差時 之説明圖。 45 1334920 第10圖係專利文獻1所記載之習知三維測定探針之構 造圖。 第11圖係專利文獻2所記載之習知三維測定探針之構 造圖。 5 第12圖係專利文獻4所記載之習知接觸式探針之構造圖。 第13圖係專利文獻4所記載之習知接觸式探針之主要 部份說明圖。 第14A圖係專利文獻5所記載之習知靜壓軸承裝置及位 移測定裝置之構造圖。 10 第14B圖係專利文獻5所記載之習知靜壓軸承裝置及位 移測定裝置之構造圖。 【主要元件符號說明】 1...測定物 7A...小空氣轴承部 2...光探針位移檢測部 8a、81>1、81>2".輥 2a...探針套管 9…鏡子 2A...三維測定探針 10...空氣·#出口 3...原子力探針框 11...大空氣滑件可動部 4...空氣喷出口 12…大扼 5…記錄針 13…線圈 5a…記錄針尖端球 14…透鏡 6...小滑動軸部 15···分光鏡 7...小空氣軸承 17...定負荷彈簧 7g...孔、圓筒形孔 18...空氣積存部 46 1334920

18a、18c...環狀凹部 18b···凹部 19.. .小空氣軸承外壁 19a…凸緣 19b...中間部 19c...凸緣 20…磁性體銷 21 ...X機台 22.. .Y機台 23.. .下石定盤 24.. .X參考面鏡 25.. .Y參考面鏡 26…上Z參考面鏡 27.. .振動穩頻雷射、He-Ne振動 穩頻雷射 28…大磁鐵 29a、29b".磁鐵 30.. .撞止體 31.. .旋轉擋止銷 32…透鏡 33.. .波長板 34…半導體雷射 35.. .Z方向大空氣滑件引導構件 36…環狀抵接部 37".偏光棱鏡 39.. .半透半反鏡 40".針孔 41…光檢測器 42.. .聚焦誤差tfL號檢測部 43.. . Z方向驅動裝置 47.. .Z驅動螺絲 48.. .管子 53.. .球 62…空氣滑件 86··.托架 87.. .演算部 88.. .控制部 89…大空氣滑件 90.. .XY機台 91.. .手動驅動用標度盤 95···磁力產生機構 96…上^定盤 47 1334920 97.. .門型架台 98…測定物保持構件 101.. .測定物 102.. . Z2方向用接收器 103.. .Z1方向用接收器 104.. .Y方向用接收器 105.. .X方向用接收器 106.. .上石定盤 107.. .門型架台 111…Z滑件 112.. .光探針位移檢測部 112A...光探針位移檢測部 121…X機台 122…Y機台 123.. .下石定盤 124.. .X參考面鏡 125.. . Y參考面鏡 126.. . Z參考面鏡 127.. .振動穩頻雷射 302…光探針位移檢測部 303.·.原子力探針框 305…記錄針 306.. .小滑動軸部 307…小空氣軸承 309.. .鏡子 313.. .線圈 315.. .板彈簧 316.. .小滑動部 317…空氣軸承部 319···鏡子 334.. .半導體雷射 350.. .板彈簧 359.. .螺帽 360…螺絲 415.. .可動部輥 417··.軛 418…磁鐵 419…線圈 424…引導構件 533."探針軸 534.. .溝 535··.磁鎖1 48 1334920

536.. .線圈 FL...半導體雷射光 5.. .表面 S···測定物 MC...微小空氣滑件用磁路 Fz...振動穩頻雷射光 G1、G2、G3...間隙部 49

Claims (1)

1334920 十、申請專利範圍： 1. 一種三維測定探針，包含： 圓筒形小滑動軸部，於其中一端設有與測定物表面 相接之記錄針，同時在另一端設有磁性體銷； 5 小空氣軸承部，形成有與前述小滑動轴部欲合之圓 筒形的孔，且具有用以在與前述小滑動軸部之間隙形成 壓縮空氣的膜之空氣喷出部； 磁力產生機構，係配置於前述小空氣軸承部端部之 磁鐵及多數軛以與前述銷非接觸方式構成磁路，以產生 10 阻礙前述圓筒形小滑動軸部朝軸方向之Z方向移動與朝 繞前述Z方向之旋轉方向移動的磁力者； 位移檢測機構，係用以檢測前述小滑動軸部相對於 前述小空氣轴承部在前述Z方向之位移者； Z機台，係用以引導前述小空氣軸承部朝前述Z方向 15 移動者；及 Z機台驅動裝置，係使前述測定物或前述Z機台朝分 別與前述Z方向垂直且互相垂直之XY方向移動，同時， 驅動前述Z機台，使前述記錄針沿著前述測定物的形狀 移動之前述Z方向的位移大致固定。 20 2.如申請專利範圍第1項之三維測定探針，其中前述多數 扼中至少一扼為環狀輛。 3.如申請專利範圍第2項之三維測定探針，其中前述銷與 前述軛之間隙部附近的形狀係在前述Z方向具固定厚 度，且在前述銷之兩端部處，沿著前述銷之長向自中心 50 部朝端部形成錐 4.如申請專利範圍 前述軛之間隙部 軛較前述銷厚。 形者。 第3項之三維測定探針，其中前述銷與 附近之前述銷與前述軛的形狀為前述 5.如申請專利範圍第1 且該光探針位移 檢測機構―其中前述位移 檢測部至少包含： _J、空氣軸承部一體地固定且 半導體雷射，係與前述， 發出雷射光者； 10 鏡子，係配置於&、+., 罝於别述小滑動軸部，且使由前述半導 體雷射照射之前述雷射光反射者； 透鏡係使來自前述半導體雷射之前述雷射光聚光 於前述鏡子者；及 光檢測器，係接收來自前述鏡子的反射光者， 15 X，該光探針位移檢測部構成為將來自冑述半導體 • 雷射之前述雷射光照射於前述鏡子，且以前述光檢測器 接收來自前述鏡子的反射光，並從該光檢測器之輸出訊 號檢測前述Z方向之位移。 . 6.如申請專利範圍第5項之三維測定探針，更包含： 20 振動穩頻雷射’係可發出振動穩頻雷射光者；及 Z座標測定機構，係使自前述振動穩頻雷射發出之 前述振動穩頻雷射光照射於前述位移檢測機構之前述 鏡子，且從由前述鏡子反射的反射光測定前述鏡子的Z 座標者。 51 1334920 7.如申請專利範圍第1項之三維測定探針，其中設有用以 ' 非磁性體之擋止體，且該非磁性體之擋止體係用以在超 f 過阻礙前述小滑動轴部相對於前述小空氣軸承部朝前 述Z方向與以前述Z方向為軸之旋轉方向移動之磁力的 5 力量作用於前述小滑動軸部之前述Z方向、或以前述Z 方向為軸之前述旋轉方向時，阻止前述小滑動軸部過度 的移動者。 ^ 8.如申請專利範圍第1項之三維測定探針，其中前述Z機台 由空氣軸承構成。 10 9.如申請專利範圍第1項之三維測定探針，其中前述Z機台 驅動裝置由與前述Z機台相連結之線圈、及使電流流過 前述線圈以朝前述Z方向驅動前述Z機台之磁路構成。 10 ·如申請專利範圍第1項之三維測定探針，其中前述Z機台 之可動部係由用以產生與其重量大致相等之張力且捲 15 成螺旋狀之薄板所構成之定負荷彈簧來支持。 52