JP5154149B2 - 3D measurement probe - Google Patents
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Description
本発明は、測定物の一例として主に非球面レンズの形状等を0.01ミクロンオーダーの超高精度で測定する三次元測定プローブであって、一例として、測定範囲が、小さいものでXYZが30mm×30mm×20mm、大きいものでは400mm×400mm×90mmの超高精度三次元測定機に取り付けられ、測定面の傾斜角度が一例として0度から任意方向に75度といった高傾斜部まで、連続走査により一例としてプローブ軸方向の測定力0.1〜0.3mNといった低測定力でほとんど傷を付けることなく測定できる三次元測定プローブに関するものであって、さらには、前記非球面レンズ等の形状を上下から、あるいは左右から同時に測定する事により、前後の面の傾き偏心等も測定できる三次元測定プローブに関するものである。 The present invention is a three-dimensional measurement probe that mainly measures the shape of an aspherical lens as an example of a measurement object with an ultra-high accuracy of the order of 0.01 micron. As an example, the measurement range is small and XYZ is small. 30mm x 30mm x 20mm, large one is mounted on an ultra-high precision CMM measuring 400mm x 400mm x 90mm, and the scanning angle of the measurement surface is an example of continuous scanning from 0 degree to a high inclination part of 75 degrees in any direction. As an example, the present invention relates to a three-dimensional measurement probe that can be measured with a low measurement force of 0.1 to 0.3 mN in the probe axial direction with almost no damage, and further, the shape of the aspheric lens or the like It relates to a three-dimensional measurement probe that can measure tilt eccentricity of the front and back surfaces by measuring from the top and bottom or from the left and right simultaneously. .
非球面レンズは0.1ミクロン以下の高精度に作らねばならず、加工だけではこの精度を出せない。そこで、0.01ミクロンオーダーの精度の超高精度三次元測定機と、これに付ける三次元測定プローブが発明された。その内容は、特許文献1、2等に記載されている。この測定機により測定し、測定結果を加工にフィードバックすることにより、0.1ミクロン以下の精度で非球面レンズの金型を作ることができるようになった。
An aspherical lens must be made with a high accuracy of 0.1 micron or less, and this accuracy cannot be achieved by processing alone. Therefore, an ultra-high-precision three-dimensional measuring machine with an accuracy of the order of 0.01 micron and a three-dimensional measuring probe attached thereto have been invented. The contents are described in
しかし、最近のデジタルカメラや大容量光ディスク等に使われる非球面レンズは、薄型化、高画質化、広角化や高ズーム倍率化等で、ますます必要精度が高くなってきた。そこで、さらなる高精度化を実現するプローブが求められている。一方、工場の現場では作業者が簡単に頻繁に使えるよう、壊れにくく、長寿命の三次元測定プローブが求められている。 However, aspherical lenses used in recent digital cameras and large-capacity optical discs have become more and more accurate due to thinning, high image quality, wide angle, and high zoom magnification. Therefore, there is a demand for a probe that realizes higher accuracy. On the other hand, there is a need for a three-dimensional measurement probe that is hard to break and has a long life so that workers can easily and frequently use it on the factory floor.
さらに、非球面レンズを、従来は上からしか測定できなかったため、非球面レンズの上面の形状は測定できても、上面と下面、側面との位置関係を容易には測定できなかったので、より高精度なレンズを作ることができなかった。そこで、非球面レンズの下からでも、横からでも超高精度に測定できる三次元測定プローブが求められている。 Furthermore, since the aspherical lens could conventionally only be measured from above, even if the shape of the upper surface of the aspherical lens could be measured, the positional relationship between the upper surface, the lower surface and the side surface could not be easily measured. I could not make a highly accurate lens. Therefore, there is a need for a three-dimensional measurement probe that can measure with high accuracy from the bottom or the side of an aspheric lens.
従来の非球面レンズの三次元形状測定プローブについて、特許文献1、2を参照して簡単に説明する。
A conventional three-dimensional shape measurement probe of an aspheric lens will be briefly described with reference to
図12は特許文献1に記載された三次元測定プローブを示す。測定物Sに接するスタイラス305に固定された小摺動軸部306が小エアー軸受け307に対してZ軸方向に移動可能で、板バネ350によって原子間力プローブ枠303から吊るされている。
FIG. 12 shows a three-dimensional measurement probe described in
小摺動軸部306にはミラー309が貼り付けられ、半導体レーザ334の光をミラー309に集光、反射させ、小摺動軸部306の光プローブ部302に対する変位が一定になるよう光プローブ部302と原子間力プローブ枠303を一体としてコイル313で駆動している。半導体レーザ光334がミラー309の面上に集光されるようにサーボを掛けることを、ここでは、フォーカスサーボと呼ぶ。
A
測定点のZ座標測定については、ミラー309までの距離を直接、発振周波数安定化レーザFzをミラー309に当て、反射光を干渉させて測定しているので、前記フォーカスサーボに誤差があっても、わずかな測定力の変動にはなるが、ほとんど測定誤差とはならない。
Regarding the Z coordinate measurement of the measurement point, since the distance to the
また、図13Aは特許文献2に記載された測定用プローブを示す。特許文献1と同じく、小摺動部316が円筒形で、板バネ315によって支えられ、ミラー319が貼り付けられている。
FIG. 13A shows the measurement probe described in
また、図13Bは特許文献3に記載された、特許文献1〜2のプローブを搭載するのに好適な、超高精度三次元測定機の構成を示す。XYZ座標を測定するための発振周波数安定化レーザ327と測長光学系とZスライド311と光プローブ302を搭載した上石定磐406は、XY軸ステージ321、322によってXY軸方向にそれぞれ動く。下石定盤323上にX参照ミラー324、Y参照ミラー325、下石定盤323に固定された門型架台407に固定された上Z参照ミラー326が固定され、測定物401の測定点の軸上で発振周波数安定化レーザによりこれらの高平面ミラー(X,Y,Z参照ミラー324,325,326)までの距離を測定することにより、XY軸ステージ321、322の移動真直度が1ミクロンのオーダーであっても、参照ミラー324,325,326の平面度である10nmオーダーの座標軸精度を得ている。
FIG. 13B shows the configuration of an ultra-high-precision coordinate measuring machine described in
但し、特許文献3は、特許文献1〜2の原子間力プローブと命名された三次元測定プローブが発明される以前に書かれたもので、プローブは光プローブ312のみがついている。
However,
さらに、図14A〜図14Cは特許文献4に記載された接触式プローブを示す。前記板バネのかわりに、永久磁石72と鉄心75で構成する磁気回路で発せられる磁気により、小摺動軸(プローブシャフト)70を非接触で保持することを可能にしている。すなわち、箱形状のヨーク71は、プローブシャフト70に固定された永久磁石72、鉄心75を囲み、磁気回路を構成するようにしている。
14A to 14C show a contact probe described in
以下に、本発明が解決しようとする課題を述べる。 The problems to be solved by the present invention are described below.
まず、超高精度で測定するためのプローブの要件は、測定力が0.1〜0.3mN(10〜30mgf)と小さいことと、これと相反するが、この微弱な測定力に対してプローブが早く応答することと、横向きの力に対してプローブ先端のスタイラスが傾かないことである。 First of all, the requirement of the probe for measuring with ultra-high accuracy is that the measuring force is as small as 0.1 to 0.3 mN (10 to 30 mgf). Is to respond quickly and the stylus at the tip of the probe does not tilt with respect to the lateral force.
測定力が大きい場合には、測定面を変形させるので測定精度が落ちる。また、測定面に接するスタイラスの磨耗が早くなる。プローブの応答が遅い場合に測定面にスタイラスを追随させるためには、スタイラスの走査速度を落とさざるを得ないため、測定時間が長くなるし、その間に温度変化等に起因するデータドリフトが起こって測定精度が悪化し、能率が悪くなる。測定面が傾斜していれば、スタイラス先端に横向きの力がかかるが、測定面の傾斜角度が45度を越すと、プローブの移動方向より、横向きの力のほうが大きくなる。これでスタイラスが傾けば、従来例に記した、どのプローブでも測定誤差になる。従って、スタイラス先端にかかる横向きの力でスタイラスが傾かないよう、できる限り高い剛性のガイドが必要となる。 When the measurement force is large, the measurement surface is deformed, so that the measurement accuracy is lowered. In addition, wear of the stylus in contact with the measurement surface is accelerated. In order to follow the stylus on the measurement surface when the response of the probe is slow, the scanning speed of the stylus must be reduced, so the measurement time becomes longer, and data drift due to temperature changes during that time occurs. Measurement accuracy deteriorates and efficiency decreases. If the measurement surface is inclined, a lateral force is applied to the tip of the stylus. However, if the inclination angle of the measurement surface exceeds 45 degrees, the lateral force is larger than the moving direction of the probe. If the stylus is tilted, any probe described in the conventional example becomes a measurement error. Therefore, a guide having the highest possible rigidity is required so that the stylus does not tilt due to the lateral force applied to the tip of the stylus.
測定力をF、可動部質量をM、スタイラスの応答加速度をaとすると、ニュートン力学により、
F=Ma ・・・ (1)
測定力Fをできるだけ小さく、応答加速度aをできるだけ大きくしようとすれば、可動部質量、つまり小摺動軸部の質量Mをできるだけ小さくするしかない。また、横向きの力に対してスタイラスが傾かないためには、移動方向には摩擦無く動き、移動方向に垂直な方向には極めて高い剛性を実現できる構造が必要である。
If the measuring force is F, the moving part mass is M, and the response acceleration of the stylus is a, Newtonian mechanics
F = Ma (1)
If the measuring force F is made as small as possible and the response acceleration a is made as large as possible, the mass of the movable part, that is, the mass M of the small sliding shaft part has to be made as small as possible. Further, in order to prevent the stylus from tilting with respect to a lateral force, a structure that can move without friction in the moving direction and that can achieve extremely high rigidity in a direction perpendicular to the moving direction is required.
本発明者は、数年にわたる研究開発の結果、円筒形のマイクロエアスライドを開発し、小摺動軸部の可動部質量0.2グラム台を実現している。 As a result of research and development over several years, the present inventor has developed a cylindrical micro air slide, and has realized a movable part mass of 0.2 g in the small sliding shaft part.
ここで「マイクロエアスライド」の言葉の意味を説明しておく。小摺動軸部が小エアー軸受けの中を動くが、小摺動軸部と小エアー軸受けを合わせて「マイクロエアスライド」と呼んでいる。通常市販されているエアスライドは小さなものでも可動部質量が100グラムはある。これに対し、ここで言うマイクロエアスライドは可動部質量が0.2グラム台と著しく軽く小さい。 Here, the meaning of the word “micro air slide” will be explained. The small sliding shaft moves in the small air bearing. The small sliding shaft and the small air bearing are collectively called “micro air slide”. The air slides that are usually on the market are small, but have a moving part mass of 100 grams. On the other hand, the micro air slide referred to here has a remarkably light and small movable part mass of 0.2 grams.
本発明の技術分野である超高精度三次元測定機においては、Z軸は微小な測定力で動く小摺動軸部の小エアー軸受けを含む光プローブ部に対する変位がゼロになるよう、コイルに電流を流してプローブ部全体を駆動して、大きく動かす大エアスライドの二重構造になっている。 In the ultra-high precision CMM, which is the technical field of the present invention, the Z-axis is used for the coil so that the displacement of the small sliding shaft that moves with a minute measuring force relative to the optical probe including the small air bearing becomes zero. It has a double structure of a large air slide that moves greatly by driving the entire probe part by passing an electric current.
測定力を0.2mN、小摺動軸部の質量を0.2グラムとすると、前記(1)式よりプローブの応答加速度は0.1Gとなる。ここで、Gは重力加速度である。この程度の応答加速度があれば、直径30mm以上の滑らかな非球面レンズであれば、最高毎秒10mm、それ以下のレンズでも最高毎秒5mmの測定速度で測定できる。 Assuming that the measuring force is 0.2 mN and the mass of the small sliding shaft is 0.2 gram, the response acceleration of the probe is 0.1 G from the above equation (1). Here, G is the gravitational acceleration. With this level of response acceleration, a smooth aspherical lens with a diameter of 30 mm or more can be measured at a maximum measurement speed of 10 mm per second, and even a lens of less than that can be measured at a maximum speed of 5 mm per second.
これらの条件をすべて満たさなければ、非球面レンズの形状等を0.01ミクロンオーダーの超高精度で測定する三次元測定用プローブとすることはできない。これを満たすプローブは、従来のものでは特許文献1〜2に記載されたものしか無い。
Unless all of these conditions are satisfied, a three-dimensional measurement probe that measures the shape of the aspherical lens and the like with an ultra-high accuracy of the order of 0.01 microns cannot be obtained. Only conventional probes satisfying this requirement are described in
しかしながら、特許文献1〜2に記載されたプローブには、測定物を上からしか測定できないという課題がある。つまり、図13Aでわかるように、板バネ315は、エアー軸受け部317の上端に埋め込まれた球53の上に載っているだけである。
However, the probes described in
従って、このプローブを横向きにおくと、板バネ315は球53から離れ、バネ性を発揮しないし、上下逆にするとこのマイクロエアスライドは下に落ちてしまう。つまり、上から吊るす構成であるため、測定物を上から下向きにしか測定できない。上からしか測定できなければ、レンズの表裏を上下から、又は左右から測定することができないプローブとなる。これが、特許文献1〜2に記載された従来プローブの第一の課題である。
Accordingly, when this probe is placed sideways, the
板バネをエアー軸受け部に接着すれば横からでも下からでも測定できるとなるが、そうするとスタイラス360に誤操作等で過度な測定力がかかったとき、板バネは壊れてしまう。このため、板バネ315はエアー軸受け部に接着することもできない。
If the leaf spring is bonded to the air bearing portion, measurement can be performed from the side or from the bottom. However, when an excessive measuring force is applied to the
また、板バネ315は厚さ10ミクロンの極めて薄いものなので、長期の使用で変形したりして壊れやすいという課題をも有していた。修理も限られた人しかできないので、測定室で限られた人のみしか使用できない三次元測定プローブという傾向があった。これが特許文献1〜2に記載された従来プローブの第二の課題である。
Further, since the
前記課題を解決する方法として、前記板バネの代わりに、磁気回路を用いて構成し、スタイラスを重力に対し、浮上させるとともに、Z軸方向に弱いバネ定数をもたせることが考えられる。 As a method for solving the above problem, it is conceivable that a magnetic circuit is used instead of the leaf spring, and the stylus is floated against gravity and has a weak spring constant in the Z-axis direction.
また、特許文献4は、図14A〜図14Cに示すように、プローブシャフト70が、空気軸受77によりハウジング76に非接触で保持されている。プローブシャフト70の上部のホルダ74には、永久磁石72と鉄心75を備え、ハウジング76に固定されたヨーク71とからなる磁気回路で、プローブシャフト70を上下方向に保持する構成になっている。
In
このような磁気回路による構成では、スタイラス78を完全非接触で保持するため、精度が良く、また、非常に薄い板バネを使用することが無いので、こわれにくいという利点がある。
Such a magnetic circuit configuration has an advantage that since the
しかしながら、欠点として、非接触でのスタイラス78の保持のため、摩擦がなく外乱によりスタイラス78に振動が発生しやすい。測定時は測定物81とスタイラス78が接触し、その摩擦力により振動はスタイラス78に発生しにくいが、非測定時にスタイラス78が完全非接触状態になり、外乱による振動をスタイラス78が受けやすい。非測定時の振動が問題になるのは、複数の測定物の測定中に、測定物とスタイラス78が非接触になるときがあるので、その非接触時にもZ座標の読み取りを可能にする必要があるためである。文献1,2においては、20μmの振幅の振動がZ座標の読み取りに影響することになる。また、スタイラス78が測定物81に対し、非接触状態から、接触状態に安定して移行するためにも、非接触時の振動を抑える必要がある。特に測定物81が柔らかい材質の場合、スタイラス78の接触時の衝撃により、測定物81に傷がつく場合もある。
However, as a drawback, since the
また、図5は、本発明による振動対策を行なっていない場合の磁気浮上式の三次元測定プローブを用いて、スタイラスが、測定物に対して接触状態から非接触状態に移ったときの、スタイラスの振動の状態を示す。この図5のように20μm以上の振動により、スタイラスのZ位置を測定するレーザ測長が不安定になる場合がある。 FIG. 5 shows a stylus when the stylus is moved from a contact state to a non-contact state with respect to an object to be measured using the magnetically levitated three-dimensional measurement probe when the vibration countermeasure according to the present invention is not taken. The state of vibration is shown. As shown in FIG. 5, the laser measurement for measuring the Z position of the stylus may become unstable due to vibration of 20 μm or more.
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、空気軸受けと磁気回路により構成された三次元測定プローブにおいて、非球面レンズの形状等を0.01ミクロンオーダーの超高精度で測定する事、つまり0.1〜0.3mNの低測定力と剛性縦横比千倍のマイクロエアスライドを使用した三次元測定プローブにおいて、非球面レンズの形状等を上からでも下からでも左右の横からでも測定可能にするとともに、低振動で安定して測定できる三次元測定プローブを提供することを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and in a three-dimensional measurement probe constituted by an air bearing and a magnetic circuit, the shape of an aspheric lens is measured with an ultra-high accuracy on the order of 0.01 microns, In other words, with a three-dimensional measuring probe using a micro air slide with a low measuring force of 0.1 to 0.3 mN and a rigid aspect ratio of 1000 times, the shape of the aspherical lens can be measured from above, from below, from the left and right sides. An object of the present invention is to provide a three-dimensional measurement probe that can be measured stably with low vibration.
前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。 In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
本発明の第1態様によれば、一端に測定物の表面に接するスタイラス、他端に磁性体で作られたピンを設けた小摺動軸部と、
この小摺動軸部と嵌合する穴が形成され、この小摺動軸部との隙間部に圧縮空気の膜を形成する空気噴出し部を有してプローブ枠に組み込まれる小エアー軸受け部と、
この小エアー軸受け部の端部に取り付けられた磁石とヨークが前記ピンと非接触で磁気回路を形成することにより、前記小摺動軸部の軸方向であるZ軸方向への移動を妨げる磁力を発生させる磁力発生手段とを備えて、
前記プローブ枠内の前記磁力発生手段が収納されている空気流制限用空間部を大略閉塞された閉塞空間とする透明板を前記プローブ枠に設けるとともに前記閉塞空間の一部が前記プローブ枠外と連通する小径穴を有する空気流制限部材を設けることにより、前記空気流制限用空間部での空気流れを制限して前記小摺動軸部の振動に対する減衰比を0.007以上にすることを特徴とする三次元測定プローブを提供する。
According to the first aspect of the present invention, a small sliding shaft provided with a stylus that contacts the surface of the object to be measured at one end and a pin made of a magnetic material at the other end;
A small air-bearing portion that is formed in a probe frame having a hole for fitting with the small-sliding shaft portion and having an air ejection portion that forms a film of compressed air in a gap with the small-sliding shaft portion When,
A magnet and a yoke attached to the end of the small air bearing portion form a magnetic circuit in a non-contact manner with the pin, thereby generating a magnetic force that prevents movement of the small sliding shaft portion in the Z-axis direction, which is the axial direction. Magnetic force generating means for generating,
A transparent plate is provided in the probe frame to make the air flow restricting space in which the magnetic force generating means in the probe frame is accommodated substantially closed, and a part of the closed space communicates with the outside of the probe frame. By providing an air flow restricting member having a small-diameter hole, the air flow in the air flow restricting space is restricted so that the damping ratio with respect to vibration of the small sliding shaft is 0.007 or more. A three-dimensional measurement probe is provided.
また、本発明の第2態様によれば、前記小エアー軸受け部に対する前記小摺動軸部のZ軸方向変位を検出する変位検出手段と、
前記小エアー軸受け部をZ軸方向に移動させるZ軸ステージと、
前記測定物、または前記Z軸ステージをXY軸方向に移動させる形状測定時に、前記スタイラスが前記測定物の形状に沿ってZ軸方向に移動することにより発生する前記Z軸方向変位がほぼ一定になるように前記Z軸ステージを駆動するZ軸ステージ駆動装置とをさらに備えた第1態様に記載の三次元測定プローブを提供する。
Further, according to the second aspect of the present invention, a displacement detection means for detecting a displacement in the Z-axis direction of the small sliding shaft portion with respect to the small air bearing portion;
A Z-axis stage for moving the small air bearing in the Z-axis direction;
The displacement in the Z-axis direction generated by the movement of the stylus in the Z-axis direction along the shape of the measurement object during shape measurement for moving the measurement object or the Z-axis stage in the XY-axis direction is substantially constant. The three-dimensional measurement probe according to the first aspect, further comprising a Z-axis stage driving device for driving the Z-axis stage is provided.
本発明の第3態様によれば、前記変位検出手段は、前記小摺動軸部に形成されたミラーと、前記小エアー軸受け部と一体で固定されかつ半導体レーザとレンズと光検出器を少なくとも含んだ光プローブと、この光プローブの前記半導体レーザから発せられたレーザ光を、前記レンズを介して前記透明板を通して前記ミラーに照射し、前記ミラーからの反射光を前記光検出器で受光し、この光検出器の出力信号から前記Z軸方向変位を検出する構成とした第2の態様に記載の三次元測定プローブを提供する。 According to the third aspect of the present invention, the displacement detecting means is fixed integrally with the mirror formed on the small sliding shaft portion, the small air bearing portion, and includes at least a semiconductor laser, a lens, and a photodetector. The included optical probe and laser light emitted from the semiconductor laser of the optical probe are irradiated to the mirror through the transparent plate through the lens, and reflected light from the mirror is received by the photodetector. The three-dimensional measurement probe according to the second aspect is configured to detect the displacement in the Z-axis direction from the output signal of the photodetector.
本発明の第4態様によれば、発振周波数安定化レーザ光を発する発振周波数安定化レーザと、
前記発振周波数安定化レーザから発せられた前記発振周波数安定化レーザ光を前記透明板を通して前記ミラーに照射し、前記ミラーからの反射光から前記ミラーのZ座標を測定する手段とをさらに備えた第3の態様に記載の三次元測定プローブを提供する。
According to the fourth aspect of the present invention, an oscillation frequency stabilized laser that emits oscillation frequency stabilized laser light;
And means for irradiating the mirror with the oscillation frequency stabilized laser beam emitted from the oscillation frequency stabilized laser through the transparent plate, and measuring the Z coordinate of the mirror from the reflected light from the mirror. A three-dimensional measurement probe according to the third aspect is provided.
本発明の第5態様によれば、前記Z軸ステージはエアー軸受けで構成された第1〜4のいずれか1つの態様に記載の三次元測定プローブを提供する。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the three-dimensional measurement probe according to any one of the first to fourth aspects, wherein the Z-axis stage is configured by an air bearing.
本発明の第6態様によれば、前記Z軸ステージ駆動手段はコイルと磁気回路で構成された第1〜5のいずれか1つの態様に記載の三次元測定プローブを提供する。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided the three-dimensional measurement probe according to any one of the first to fifth aspects, wherein the Z-axis stage driving means is composed of a coil and a magnetic circuit.
本発明の第7態様によれば、前記Z軸ステージの可動部を、その重量にほぼ等しい張力を発生する渦巻き状に巻かれた薄板よりなる定荷重バネで支持された第1〜6のいずれか1つの態様に記載の三次元測定プローブを提供する。 According to the seventh aspect of the present invention, any one of the first to sixth embodiments wherein the movable part of the Z-axis stage is supported by a constant load spring comprising a spirally wound thin plate that generates a tension substantially equal to its weight. A three-dimensional measurement probe according to any one of the aspects is provided.
本発明の第8態様によれば、前記空気流制限部材は、前記閉塞空間である空気流制限用空間部の一部が前記プローブ枠外と連通する連通路の開口を閉じるキャップであり、かつ、前記小摺動軸部の振動に対する減衰比を0.007以上にするとともに、前記空気流制限用空間部の圧力を400Pa以下にするために、前記キャップに形成する小径穴の直径を0.05mm以上、0.6mm未満とし、その個数を1個以上60個以下とすることを特徴とする第1の態様に記載の三次元測定プローブを提供する。 According to an eighth aspect of the present invention, the air flow restricting member is a cap that closes an opening of a communication path in which a part of the air flow restricting space portion that is the closed space communicates with the outside of the probe frame, and The diameter of the small-diameter hole formed in the cap is 0.05 mm in order to make the damping ratio with respect to the vibration of the small sliding shaft part 0.007 or more and to make the pressure of the air flow restricting space part 400 Pa or less. The three-dimensional measurement probe according to the first aspect is provided as described above, wherein the number is less than 0.6 mm and the number thereof is 1 or more and 60 or less.
本発明の第9態様によれば、前記空気流制限部材は、前記閉塞空間である空気流制限用空間部の一部が前記プローブ枠外と連通する連通路の開口を閉じるキャップであり、かつ、前記小摺動軸部の振動に対する減衰比を0.007以上にするとともに、前記空気流制限用空間部の圧力を400Pa以下にするために、前記小径穴の代わりに、多孔質材を用いて空気の流れを制限するように構成されていることを特徴とする第1の態様に記載の三次元測定プローブを提供する。 According to a ninth aspect of the present invention, the air flow restricting member is a cap that closes an opening of a communication path in which a part of the air flow restricting space portion that is the closed space communicates with the outside of the probe frame, and In order to make the damping ratio with respect to vibration of the small sliding shaft part 0.007 or more and to make the pressure of the air flow restriction space part 400 Pa or less, a porous material is used instead of the small diameter hole. A three-dimensional measurement probe according to the first aspect is provided, which is configured to restrict the flow of air.
以上のように、本発明によれば、小さな可動部質量の磁性体ピンと、小エアー軸受け部に取り付けられた磁石とヨークで磁気回路を形成させることにより、軸方向の移動を非接触で制限することができる三次元測定プローブにおいて、前記磁力発生手段が構成されている部分の空気流制限用空間部での空気の流れを、空気流制限部材で制限することにより、小摺動軸部の振動時にエネルギー損失が生じ、小摺動軸部の振動を減衰させることができて、小摺動軸部の振動を抑えることができる。よって、測定物に対して非接触時の小摺動軸部の振動を抑えることができて、安定した測定が可能になる。 As described above, according to the present invention, the movement in the axial direction is restricted in a non-contact manner by forming a magnetic circuit with a magnetic pin having a small movable part mass, a magnet attached to a small air bearing part, and a yoke. In the three-dimensional measurement probe that can perform the vibration of the small sliding shaft portion by restricting the air flow in the air flow restricting space portion of the portion where the magnetic force generating means is configured by the air flow restricting member. Energy loss sometimes occurs, and the vibration of the small sliding shaft can be attenuated, and the vibration of the small sliding shaft can be suppressed. Therefore, it is possible to suppress the vibration of the small sliding shaft portion when not in contact with the measurement object, thereby enabling stable measurement.
この結果、前記三次元測定プローブを一対用意して測定物の一例としての非球面レンズの表裏面に配置して非球面レンズの表裏面を同時に測定することによって、表裏面の傾き偏心を超高精度に安定して測定することができるようになる。また、前記三次元測定プローブでは、前記小摺動軸部の軸方向であるZ軸方向への移動を妨げる磁力を前記磁力発生手段で発生させるようにしているので、板バネを使用する必要がなく、より高精度で、長期使用にも壊れにくい三次元測定プローブが実現することができる。さらに、組み立てや取り扱いも容易になるので、本プローブを使用すれば、従来のように測定室で限られた人のみが使用する測定機から、工場現場に置いて、気軽に測定できる測定機となる。 As a result, a pair of the three-dimensional measurement probes are prepared and arranged on the front and back surfaces of an aspherical lens as an example of a measurement object, and the front and back surfaces of the aspherical lens are simultaneously measured. It becomes possible to measure stably with high accuracy. In the three-dimensional measurement probe, since the magnetic force that prevents movement in the Z-axis direction, which is the axial direction of the small sliding shaft portion, is generated by the magnetic force generating means, it is necessary to use a leaf spring. In addition, it is possible to realize a three-dimensional measurement probe with higher accuracy and less fragile even for long-term use. In addition, assembling and handling are easy, so if you use this probe, you can place it on a factory site from a measuring instrument that is used only by a limited number of people in the measurement room. Become.
これにより、薄型化と高画質化が進むカメラや大記録容量化が進む光ディスクなどのレンズの性能と品質と生産歩留まりを向上させることができる。 As a result, it is possible to improve the performance, quality, and production yield of lenses such as cameras that are becoming thinner and higher in image quality, and optical disks that are becoming larger in recording capacity.
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施の形態)
図1A及び図1Bは、本発明の実施の形態における三次元測定プローブ2Aの断面図を示す。図1A及び図1Bは同じプローブ2Aであるが、図1Aは、上から測定物1の表面Sを測定するとき、図1Bは下から測定物1の表面Sを測定するときのプローブ2Aの配置をそれぞれ示している。測定物1の上下の表面Sを同時に測定するときには、図1Aのプローブ2Aと図1Bのプローブ2Aとを同時的に測定物1の上下の表面Sに接触させればよい。図示しないが、横(例えば左右両側)からでも斜めからでもこのプローブ2Aは測定物1に対して配置可能である。図2Aは、本発明の前記実施形態における図1Aの三次元測定プローブ2Aが装着可能な、超高精度三次元測定機の上側の光プローブ部を含めた構成説明図である。図2Bは、本発明の前記実施形態における図1Bの三次元測定プローブ2Aが装着可能な、超高精度三次元測定機の下側の光プローブ部(上側の光プローブ部と同一構造。)を含めた構成説明図である。図3は、前記実施形態における三次元測定プローブの光プローブ変位検出部2を含めた概略構成説明図である。
(Embodiment)
1A and 1B are sectional views of a three-
下から測定物1の表面Sを測定する場合には、図4の測定物保持部材98を例えばリング状に構成して測定物1の周囲を保持し、測定物1の周囲以外の裏面は下側から測定可能に構成するとともに、図1Bに示すプローブ2Aを測定物1の下方に配置して、上側のプローブ2Aとは独立して下側のプローブ2Aが移動可能となるように配置すれば、測定物1の上下から同時的に表裏両面を測定することができる。
When the surface S of the
本実施形態にかかる三次元測定プローブ2Aは、スタイラス5に連結された円筒形の小摺動軸部6と、小エアー軸受け部7と、磁力発生手段95とを少なくとも備えるとともに、さらに、プローブ2Aが装着可能でかつ変位検出手段の一例として機能する光プローブ変位検出部2と、Z軸ステージの一例として機能する大エアースライド(Z軸方向大エアースライドガイド35と大エアースライド可動部11とより構成される大エアースライド)89と、Z軸ステージ駆動手段の一例として機能するZ軸方向駆動装置43とを備えるように構成されている。すなわち、プローブ2Aは、円筒形のマイクロエアスライドのスタイラス5と一体固定された小摺動軸部6に取り付けられた小さな可動部の質量の磁性体ピン20と、磁性体ピン20の上に固定されたミラー(Zミラー)9と、プローブ枠3に取付リング3rを介して取り付けられた磁石29a,29bとヨーク8a,8b−1,8b−2で磁気回路を形成させ、回転と軸方向の移動を妨げる磁力を非接触で発生させ、マイクロエアスライドの変位が一定になるようZ軸方向全体を動かすZ軸方向駆動装置43を備えることにより、測定物1の下からでも横からでも測定できるものである。
The three-
ここで「マイクロエアスライド」の言葉の意味を説明しておく。小摺動軸部6が小エアー軸受け部7の中を動くが、小摺動軸部6と小エアー軸受け部7を合わせて「マイクロエアスライド」と呼んでいる。通常市販されているエアスライドは小さなものでも可動部質量が100グラムはある。これに対し、ここで言うマイクロエアスライドは可動部質量が0.2グラム台と著しく軽く小さい。
Here, the meaning of the word “micro air slide” will be explained. Although the small sliding
本発明の技術分野である超高精度三次元測定機においては、Z軸は微小な測定力で動く小摺動軸部6の小エアー軸受け部7を含む光プローブ部2に対する変位がゼロになるよう、コイル13に電流を流してプローブ部全体を駆動して、大きく動かす大エアスライド89の二重構造になっている。
In the ultra-high-precision coordinate measuring machine that is the technical field of the present invention, the displacement of the small sliding
測定力を0.2mN、小摺動軸部の質量を0.2グラムとすると、前記(1)式よりプローブ2Aの応答加速度は0.1Gとなる。ここで、Gは重力加速度である。この程度の応答加速度があれば、直径30mm以上の滑らかな非球面レンズであれば、最高毎秒10mm、それ以下のレンズでも最高毎秒5mmの測定速度で測定できる。
Assuming that the measuring force is 0.2 mN and the mass of the small sliding shaft is 0.2 gram, the response acceleration of the
マイクロエアスライドを円筒にした理由は、最小の質量で最大の剛性が得られるからである。エアスライドは、ガイド部に2〜4気圧の高い空気圧の膜を形成することにより、高い剛性で軸を保持することができる。円筒マイクロエアスライドの場合、直径4mm以下と小さくしても、ガイド部のギャップを10ミクロン以下と狭く精度良く作れば、エアー流量が注入エアーの空気圧を顕著に下げるほど大きくないので、ガイド部に高い空気圧の膜が形成され、高い剛性を持たせることができる。 The reason why the micro air slide is cylindrical is that the maximum rigidity can be obtained with the minimum mass. An air slide can hold | maintain an axis | shaft with high rigidity by forming the film | membrane of a high air pressure of 2-4 atmospheres in a guide part. In the case of cylindrical micro air slides, even if the diameter is made as small as 4 mm or less, if the gap of the guide part is made narrow and accurate with a precision of 10 microns or less, the air flow rate will not be so large as to significantly reduce the air pressure of the injected air. A high-pneumatic membrane is formed and can have high rigidity.
マイクロエアスライドの小摺動軸部6は、バネ性部材で支持されており、測定力0.2mNでZ方向に10ミクロン程度動くが、横方向に同じ力がかかったときのずれは、10ナノメートル以下にする必要がある。つまり、プローブ剛性の縦横比千倍が必要ということである。これで、測定面の傾斜角度45度のときの測定誤差が10nmということになる。これが、要求される最低の剛性である。この構造については後述する。
The small sliding
測定物1の表面に接するスタイラス先端球61が付いたスタイラス5に連結固定された小摺動軸部6は、サブミクロンレベルの高精度な円筒状に加工されており、これと10ミクロン以下の隙間で嵌合する形で高精度に加工された穴7gを有する小エアー軸受け7の穴7gの中を、小摺動軸部6が、圧縮空気の膜により、Z軸方向(小摺動軸部6の軸方向)には回転方向に摩擦無く摺動可能である。
The small sliding
小エアー軸受け7は、周方向に所定間隔毎に軸方向に延びた凹部を有するとともに前記凹部と連通しかつ軸方向の上下端部に配置された環状凹部を有する小エアー軸受け外壁が原子間力プローブ枠3に密着して組み込まれるので、空気溜め部18を形成することができる。空気溜め部18には、図示しないコンプレッサーに接続されてそのコンプレッサーから図2A及び図2Bに示すチューブ48で送り込まれた圧縮空気は、空気溜め部18に入り、小エアー軸受け7に形成されかつ空気噴出し部として機能する空気噴出し口4の微小な穴から小摺動軸部6と小エアー軸受け7の穴7gとの嵌合の隙間に送り込まれて圧縮空気の膜を形成し、この隙間を通って小摺動軸部6の中間部に対向するように径方向に貫通して所定間隔毎に小エアー軸受け7に形成された空気噴出し部として機能する空気排出口10と小摺動軸部6の上下端部(先端部と基端部)とから空気が排出される。なお、小エアー軸受け7と原子間力プローブ枠3は密着固定されているので、これらを合わせて、小エアー軸受け部(小エアー軸受けユニット)7Aと呼んでいる。
The
小摺動軸部6と小エアー軸受け7との嵌合の隙間は5〜10ミクロンときわめて狭いので、小エアー軸受け7の外周側面に大略等間隔に周方向及び軸方向に配置された多数の空気噴出し口4の微小な穴から2気圧以上の圧縮空気が供給され、空気排出口10と前記小摺動軸部6の上下端部(先端部と基端部)とから圧縮空気が抜けるまでに前記隙間には圧縮空気の圧力勾配を有する膜が形成される。
Since the clearance between the small sliding
測定物1の傾斜した測定面Sの測定力によりスタイラス5に横方向の力がかかったとき、この圧縮空気の膜厚が変化しようとすると、すなわち例えば膜厚が薄くなると空気が流れにくいので、空気圧は高くなり、逆に膜厚が厚くなると空気が流れやすいので、空気圧が低くなるので、空気膜厚が変わらない方向に力がかかる。これが空気軸受けの剛性を生む原理である。
When a lateral force is applied to the
一方、小摺動軸部6の他端(スタイラス5とは反対側の端部、図1Aでは上端部、図1Bでは下端部)に、小摺動軸部6の軸方向とは直交する方向沿いに取り付けられた細長い磁性体ピン20は、原子間力プローブ枠3に取付リング3rを介して取り付けられた、一対のヨーク8b−1,8b−2と、それらのヨーク8b−1,8b−2がそれぞれのスタイラス側の端面に固定されかつ互いに対向配置された一対の磁石29a,29bと、リング状ヨーク8aとによって、以下に説明するような磁気回路を形成している。すなわち、取付リング3rには、予め、小エアー軸受け7の他端(スタイラス5とは反対側の端部、図1Aでは上端部、図1Bでは下端部)に近い側から遠い側ら向けて、一対のヨーク8b−1,8b−2と一対の磁石29a,29bとリング状ヨーク8aとが固定されている。このように内側に一対のヨーク8b−1,8b−2と一対の磁石29a,29bとリング状ヨーク8aとが固定された取付リング3rを、原子間力プローブ枠3の小エアー軸受け7の他端(スタイラス5とは反対側の端部、図1Aでは上端部、図1Bでは下端部)側に備えられた凹部3gに取り付けている。この結果、一対のヨーク8b−1,8b−2が、小エアー軸受け7の端部に取り付けられた磁性体ピン20に隙間部G1,G2をあけて対向するように位置することになる。また、一対の磁石29a,29bとリング状ヨーク8aと一対のヨーク8b−1,8b−2とが前記磁性体ピン20と非接触で磁気回路を形成することにより、前記円筒形の小摺動軸部6の軸方向であるZ軸方向と、そのZ軸方向回りの回転方向への移動を妨げる磁力を発生させる磁力発生手段95を構成している。このように構成すれば、一方の磁石29aから発生した磁束は、一方のヨーク8b−1、その一方のヨーク8b−1と磁性体ピン20の一端との間に形成された一方の隙間部G1を通って磁性体ピン20を通り、磁性体ピン20の他端と他方のヨーク8b−2との間に形成された他方の隙間部G2を通って、他方のヨーク8b−2を通り、他方の磁石29bから発生する磁束を加えて、リング状のヨーク8aを通って、また一方の磁石29aに戻る。
On the other hand, the other end of the small sliding shaft 6 (the end opposite to the
磁性体ピン20とヨーク8b−1,8b−2との隙間部G1,G2の近くでは、磁性体ピン20とそれぞれのヨーク8b−1,8b−2とは軸方向に厚く回転方向に薄いテーパ状になって(図2C〜図2Eに示すように、軸方向には一定の厚みでかつ径方向には中心側から周囲に向かうに従い傾斜して幅が徐々に減少する傾斜面を有して)おり、このような形状にすることにより、回転方向の変位は強く抑制され、軸方向の変位は弱く抑制される。また、図2C〜図2Eに示すように、前記磁性体ピン20と前記ヨーク8b−1,8b−2のそれぞれの隙間部G1,G2付近の形状を、前記磁性体ピン20より前記ヨーク8b−1,8b−2を厚くしている。磁性体ピン20の長手軸方向が上下方向に沿うように置き、かつ図2C〜図2Eに示したように、ピン厚0.5mm、ヨーク厚1mm、回転方向先端幅0.2mm、ギャップ0.5mmにすることにより、小摺動軸部6は自重により100ミクロン位、軸方向にずれ、磁力と釣り合っている状態となる。よって、磁性体ピン20の長手軸方向が上下方向に沿うように置いたときは、小摺動軸部6は自重により100ミクロン位、軸方向にずれ、磁力と釣り合っている状態となる。磁性体ピン20の長手軸方向を上下方向と直交する横方向に沿うように横に置いたときは、横方向には小摺動軸部6の自重が作用しないので、磁束が一番良く通る位置で釣り合っている。
Near the gaps G1, G2 between the
図2A及び図2Bで光プローブ部(光プローブ変位検出ユニット)2のプローブケーシング2aに取り付けられた波長780nmの半導体レーザ34からの半導体レーザ光FLが、レンズ32及び偏光プリズム37及び波長板33を通過してダイクロイックミラー15で全反射し、レンズ14の開口一杯に入り、レンズ14により、磁性体ピン20の上に固定されたミラー(Zミラー)9上に絞られて照射される。そして、ミラー9での反射光は、ダイクロイックミラー15及び偏光プリズム37でそれぞれ全反射されて、レンズ38を通過したのち、ハーフミラー39で2つに分岐されて、二つの焦点前後に置かれたピンホール40をそれぞれ通過して二つの光検出器41に入る。スタイラスへ5の測定力により小摺動軸部6が軸方向に動くと、ミラー9からの反射光の焦点位置が変化するので、二つの光検出器41からの出力はフォーカス誤差信号検出部42でフォーカス誤差信号となり、このフォーカス誤差信号に基づいて、光プローブ変位検出部2をZ軸方向沿いに進退駆動するためのZ軸ステージ駆動装置の一例として機能するZ軸方向駆動装置43によって、大エアースライド89の可動部(大エアースライド可動部)11の両側の左右のコイル13に電流を同時に流して、フォーカス誤差信号がゼロになるように光プローブ変位検出部2をZ軸方向沿いに進退駆動する。
Optical probe unit in FIGS. 2A and 2B the semiconductor laser beam F L from (the optical probe displacement detecting unit) 2 of the probe casing 2a wavelength 780nm which is attached to the
より具体的には、図3のように、それぞれのコイル13には、上石定盤106側にブラケット86などによりそれぞれ固定された大ヨーク12と大磁石28で形成された磁気回路の隙間部G3を貫通して電流が流れるので、Z軸方向に電磁力がかかる。左右一対のコイル13は、大エアースライドガイド35によってZ軸方向に案内されながら、光プローブ変位検出部2の全体をZ軸方向に極めて真直度良く動かす大エアースライド可動部11と連結されて一体となっている。
More specifically, as shown in FIG. 3, each
大エアースライド可動部11の移動真直度は、超高精度三次元測定機の測定精度に直結する。その理由を説明する。本実施形態の光プローブ5を搭載した超高精度三次元測定機の全体構成の一例を図4に示す。
The straightness of movement of the large air slide
図4においてXYZ座標を測定するためのXYZ座標測定用レーザ光発生装置の一例としての発振周波数安定化レーザ27と、測長ユニット(X軸方向用レシーバー105、Y軸方向用レシーバー104、Z1軸方向用レシーバー103、Z2軸方向用レシーバー102)と、大エアースライド可動部11と、光プローブ変位検出部2とを上石定盤106に搭載している。そして、この上石定盤106は、光プローブ変位検出部2をXY軸方向に移動させるXY軸方向移動装置として機能するXY軸ステージ90、すなわち、X軸ステージ21とY軸ステージ22とによってXY軸方向に動く。下石定盤23上には、測定物1を載置保持する測定物保持部材98と、X参照ミラー(X軸方向参照ミラー、以下単に「X参照ミラー」と称する。)24、Y参照ミラー(Y軸方向参照ミラー、以下単に「Y参照ミラー」と称する。)25、下石定盤23に固定された門型架台107に固定された上Z参照ミラー(Z軸方向参照ミラー、以下単に「Z参照ミラー」と称する。)26とがそれぞれ固定されている。このような構成において、発振周波数安定化レーザ27の光で、測定物保持部材98に保持された測定物1の表面Sの測定点の軸上でXYZ三枚の高平面度の参照ミラー24,25,26までの距離の変位量を測長ユニットにより測定することにより、XY軸ステージ90(X軸ステージ21,Y軸ステージ22)の移動真直度が1ミクロンのオーダーであっても、参照ミラー24,25,26の平面度である10nmオーダーの座標軸精度を得ているが、Z軸ステージの一例としてのエアースライド89の移動真直度だけはこれらの参照ミラー24,25,26で補正できる構造にしていない。このため、Z軸ステージの移動真直度が座標軸精度となっている。
In FIG. 4, an oscillation
図3に示すように、Z軸ステージの一例としてのエアースライド89でのZ軸方向可動部(大エアースライド可動部11)の重心付近を、バネ材の薄板を巻いて対向させた定荷重バネ17でZ軸方向可動部の重量分を支えることにより、バネ定数をできるだけ小さくし、軽い力で上下に動かすことができる。コイル13も光プローブ変位検出部2の左右に対称に配置し、左右のコイル13による駆動力の合力が光プローブ変位検出部2の重心付近にかかるようにすることによって、駆動力による移動真直度悪化を防ぐことができる。
As shown in FIG. 3, a constant load spring in which the vicinity of the center of gravity of a Z-axis direction movable portion (large air slide movable portion 11) in an
図4は、特許文献3に記載された超高精度三次元測定機の構成と同様な構成を有する超高精度三次元測定機の構成の図である。この超高精度三次元測定機の光プローブ2Aの下に原子間力プローブ枠3を差し込めば、本発明の本実施形態のプローブ2Aを使用することができる超高精度三次元測定機とすることができる。つまり、一例として、図1〜図3に示す三次元測定プローブ2Aを図4の本発明の本実施形態の超高精度三次元測定機のZ軸の構成とすることができる。
FIG. 4 is a diagram of a configuration of an ultra-high accuracy CMM having a configuration similar to that of the ultra-high accuracy CMM described in
本実施形態の前記測定機は、超高精度三次元測定動作を制御する制御部88を備えている。制御部88は、XY軸ステージ90すなわちX軸ステージ21の図示しない駆動装置とY軸ステージ22の図示しない駆動装置と、He−Ne発振周波数安定化レーザ27と、X軸方向用レシーバー105と、Y軸方向用レシーバー104と、Z1軸方向用レシーバー103と、Z2軸方向用レシーバー102と、Z座標演算装置の一例としての演算部87と、フォーカスサーボ機構を有するZ軸方向駆動装置43と、半導体レーザ34と、光検出器41となどに接続されて、それぞれの動作制御を行なうことにより、前記超高精度三次元測定動作を制御するようにしている。
The measuring machine according to the present embodiment includes a
4で、発振周波数安定化レーザ(発振周波数安定化HeNeレーザ)27は、真空中の波長が世界長さ標準であるヨー素安定化HeNeレーザとのビート周波数測定により発振周波数を校正された安定化レーザである。ヨー素安定化HeNeレーザは発振周波数が473612214.8MHzで、不確かさは±1×10−9(3σ)である(JISハンドブックより)。しかし、ヨー素吸収セルを追加した大がかりな装置の為、測定機には搭載できない。また、産業上必要な加工精度/寸法は高精度であっても10−4〜10−5である。つまり、例えば直径10mmの軸は1〜0.1ミクロンの直径精度が通常の高精度加工であり、測定限界ということである。本発明の本実施形態に係わる非球面レンズ測定において、必要な不確かさは±1×10−6程度であるので、これをXYZ座標測定の不確かさの目標としている。また、空中での波長は温度変動1℃、あるいは、3%の気圧変化で10−6変わる。前記測定機は、大気中で使用する。従って、ヨー素安定化HeNeレーザを前記測定機に搭載するほどの必要性は無い。 4, the oscillation frequency stabilization laser (oscillation frequency stabilization HeNe laser) 27 is a stabilization whose oscillation frequency is calibrated by measuring the beat frequency with an iodine stabilized HeNe laser whose wavelength in vacuum is the world length standard. It is a laser. The iodine stabilized HeNe laser has an oscillation frequency of 473612214.8 MHz and an uncertainty of ± 1 × 10 −9 (3σ) (from the JIS handbook). However, this is a large-scale device with an iodine absorption cell and cannot be installed in a measuring machine. Further, the processing accuracy / dimensions required in the industry are 10 −4 to 10 −5 even if high accuracy. That is, for example, an axis having a diameter of 10 mm is a high precision machining with a diameter accuracy of 1 to 0.1 microns, which is a measurement limit. In the measurement of the aspherical lens according to the present embodiment of the present invention, the required uncertainty is about ± 1 × 10 −6 , and this is the target of the uncertainty of the XYZ coordinate measurement. Further, the wavelength in the air changes by 10 −6 with a temperature variation of 1 ° C. or a 3% atmospheric pressure change. The measuring machine is used in the atmosphere. Therefore, there is no need to mount an iodine stabilized HeNe laser on the measuring device.
そこで、ヨー素吸収セルを使わず、発振波長であるネオンのスペクトル線で発振周波数を安定化させた、発振周波数が473612.12GHz±0.3GHz、不確かさが±5×10−8(3σ)のコンパクトな発振周波数安定化HeNeレーザ27を前記測定機に搭載した。ヨー素安定化レーザと発振周波数の比較測定をしているので、この波長は世界長さ標準に対してトレーサブルである。このレーザ光FzでXYZ座標を測定している。
Therefore, without using an iodine absorption cell, the oscillation frequency is stabilized by the neon spectrum line which is the oscillation wavelength, the oscillation frequency is 473612.112 GHz ± 0.3 GHz, and the uncertainty is ± 5 × 10 −8 (3σ). The compact oscillation frequency stabilized
この発振周波数安定化レーザ27から発光したレーザ光Fzを、例えばX軸方向と、X軸方向と直交するY軸方向と、X軸方向及びY軸方向とそれぞれ直交するZ1軸方向と、X軸方向及びY軸方向とそれぞれ直交するZ2軸方向とに分岐し、さらに、それぞれの方向に分岐されたレーザ光Fzを測定光と参照光に分岐し、それぞれの測定光をそれぞれ高平面度のX参照ミラー24、Y参照ミラー25、Z参照ミラー26、Zミラー9に当て、それぞれの反射光と参照光を測長ユニットすなわちX軸方向用レシーバー105、Y軸方向用レシーバー104、Z1軸方向用レシーバー103、Z2軸方向用レシーバー102に入射させ、干渉させることによってXYZ座標をX参照ミラー24、Y参照ミラー25、Z参照ミラー26の平面度の精度で測定することができるようにしている。ここで、Y軸方向はX軸方向と直交する方向である。Z1軸方向とZ2軸方向とは、それぞれ、X軸方向及びY軸方向とそれぞれ直交するZ軸方向沿いである。なお、Z1軸方向は、図4におけるZ参照ミラー26に向かってレーザ光Fzが進む方向で、Z2軸方向は、図4におけるスタイラス5の上部に設けられたミラー(図1AのZミラー9)に向かってレーザ光Fzが進む方向である。
The laser beam Fz emitted from the oscillation
発振周波数安定化レーザ27から発光した4つのレーザ光Fzは、以下のように使用される。なお、発振周波数安定化レーザ27から発光した4つのレーザ光Fzを形成するためには、レーザ光源を4個配置してもよいし、又は、1つ又は4個以下のレーザ光源を配置して、レーザ光源からのレーザ光を前記したように分岐して合計4つのレーザ光Fzを形成するようにしてもよい。
The four laser beams Fz emitted from the oscillation
発振周波数安定化レーザ27から発光した一つ目のレーザ光Fzは、X参照ミラー24の反射面(測定物1とは反対側の面)に照射し、X参照ミラー24の反射面で反射された反射光を光学系を経て、X座標測定装置の一例としてのX座標測定ユニット(X座標用レーザ測長ユニットすなわちX軸方向用レシーバー)105で受光して、受光されたレーザ光に基づきX軸方向用レシーバー105により光プローブ変位検出部2のX座標を測定する。ここで、X参照ミラー24は完全な平面と見なされるので、X参照ミラー24のX座標を測定することは、上石上盤106に固定された光学系とX参照ミラー24の反射面との間の距離の変位量を測定することを意味する。
The first laser beam Fz emitted from the oscillation
同じく、発振周波数安定化レーザ27から発光した2つ目のレーザ光Fzは、Y参照ミラー25に照射し、Y参照ミラー25で反射された反射光を、Y座標測定装置の一例としてのY座標測定ユニット(Y座標用レーザ測長ユニットすなわちY軸方向用レシーバー)104で受光して、受光されたレーザ光に基づきY軸方向用レシーバー104により光プローブ変位検出部2のY座標を測定する。Y参照ミラー25は完全な平面と見なされるので、Y座標を測定することは、上石上盤106に固定されたミラー(示せず)とY参照ミラー25の反射面との距離の変位量を測定することを意味する。
Similarly, the second laser light Fz emitted from the oscillation
一方、発振周波数安定化レーザ27から発光した3つ目のレーザ光Fzは、Zミラー9に照射され、Zミラー9で反射された反射光を、Z2座標測定装置(Z座標測定手段)の一例としてのZ2座標測定ユニット(Z2座標用レーザ測長ユニットすなわちZ2軸方向用レシーバー)102で受光して、受光されたレーザ光に基づきZミラー9のZ2座標をZ2軸方向用レシーバー102により測定する。Z2座標を測定することは、3つ目のレーザ光FzをZミラー9へ入射させるために反射させる上石上盤106に固定された反射ミラー(示せず)の反射面からZミラー9の反射面までの距離の変位量を測定することを意味する。
On the other hand, the third laser beam Fz emitted from the oscillation
発振周波数安定化レーザ27から発光した4つ目のレーザ光Fzは、上石上盤106に固定されたミラーで反射したのちZ参照ミラー26の下面である反射面で反射された反射光を、Z1座標測定装置の一例としてのZ1座標測定ユニット(Z1座標用レーザ測長ユニットすなわちZ1軸方向用レシーバー)103で受光して、受光されたレーザ光に基づきZ1軸方向用レシーバー103により光プローブ変位検出部2のZ1座標を測定する。Z1座標を測定することは、4つ目のレーザ光FzをZ参照ミラー26の反射面に入射させるように反射させるために上石定盤106に固定されたミラーの反射面からZ参照ミラー26の反射面までの距離の変位量を測定することを意味する。
The fourth laser beam Fz emitted from the oscillation
すなわち、Z座標については、2Aのレーザ光Fzが発振周波数安定化レーザ27からの3つ目と4つ目のレーザ光Fzで以下のように測定して求める。4の上石定盤106上にある測長ユニットの光学系からダイクロイックミラー15を全透過し、レンズ14により絞られてZミラー9で反射したレーザ光FzによりZ2座標をZ2軸方向用レシーバー102により測定する。XY軸ステージ90の移動真直度は、1ミクロンのオーダーであるが、上石定盤106上にある測長ユニットの光学系から10ナノメートルオーダーの平面度のZ参照ミラー26にレーザ光Fzを当て、そのZ参照ミラー26の反射光からZ1座標をZ1軸方向用レシーバー103により測定する。そして、前記(Z1座標+Z2座標)を演算部87で演算してZ座標とすることにより、Z参照ミラー26の精度でZ座標を測定することができる。
That is, the Z coordinate is obtained by measuring the 2A laser beam Fz with the third and fourth laser beams Fz from the oscillation
測定物1の三次元形状の測定開始前は、測定物1の上下のスタイラス5は測定物1の測定面Sから離れているので、前述のフォーカスサーボは掛けられない。光プローブ変位検出部2には、示しないがZ軸方向の位置検出器が取り付けられており、この位置検出器からの位置信号が測定機の操作部に取り付けられかつ作業者により廻される手動駆動用ダイヤル(示せず)により変化させられる位置指令値になるよう、制御部88による制御の下で、Z軸方向駆動装置43で光プローブ変位検出部2をZ軸方向に移動させている(言い換えれば、作業者が手動駆動用ダイヤルを廻すことにより生じた入力情報に基づき、Z軸方向駆動装置43が駆動されて、光プローブ変位検出部2の先端が測定物1の測定面Sに5mm以下に近づく位置まで移動させられる)。これを「位置サーボ」と呼ぶ。
Before the measurement of the three-dimensional shape of the
この位置サーボがかかっているときは、スタイラス5に測定力がかかっていないので、Zミラー9がフォーカス位置から10ミクロン程度、離れた位置にあるように、レンズ14をプローブケーシング2aに対してあらかじめZ軸方向に調整しておく。
When this position servo is applied, since no measuring force is applied to the
測定開始時は測定物1をスタイラス5の真下数ミリの位置に置き、測定機の操作部にあるフォーカススタートボタン(示せず)を作業者が押すことにより前記手動駆動用ダイヤル(示せず)に基づく手動駆動を解除して自動制御に切り替える。すると、光プローブ変位検出部2は、Z軸方向駆動装置43により測定面Sの方向にゆっくりと測定面Sに近づくように移動する。スタイラス5が測定面Sを検知すると(スタイラス5が測定物1の測定面Sに触れると)、スタイラス5の測定力によりミラー9が半導体レーザ光FLの焦点方向に動くので、ミラー9が半導体レーザ光FLの焦点方向に動いたことをフォーカス誤差信号の変化によりフォーカス誤差信号検出部42で検出し(言い換えれば、ミラー9が焦点位置付近に着き)、次いで、位置サーボからフォーカスサーボに切り替わり、Zミラー9がフォーカス位置に来る。すなわち、フォーカス誤差信号がゼロになるまで、Z軸方向駆動装置43で光プローブ変位検出部2を移動させる。これがフォーカスサーボがかかった状態である。
At the start of measurement, the measuring
半導体レーザ光FLは、フォーカス誤差信号を感度良く検出するため、2Aに示すようにレンズ14の開口一杯に入射させるが、Z座標測定用のHeNe安定化レーザ光Fzはレンズ14の開口より細い光束径で入射させるので、焦点深度が深く、10ミクロン程度、焦点ずれ位置にZミラー9があっても反射光から十分にZ座標を測定できる。
The semiconductor laser beam F L is to sensitively detect a focus error signal, but to be incident on the opening one
次に、測定力の設定とその理由を述べる。図2Fに示すスタイラス5の軸方向に働く測定力をFとする。測定力Fによりミラー9がフォーカス位置にくるので、測定力Fは測定面Sの傾きに係わらず一定になる。測定力Fは図3のレンズ14を上下させることにより設定できる。
Next, the setting of the measurement force and the reason will be described. A measuring force acting in the axial direction of the
測定面Sに垂直な方向に働く測定力はF/cosθとなる。θは測定面Sの傾斜角度である。図2Fに示すようにスタイラス5には(F/cosθ)sinθの横方向測定力がかかる。横方向測定力はθが60度のときはFの1.7倍、θが75度のときはFの3.7倍にもなる。
The measurement force acting in the direction perpendicular to the measurement surface S is F / cos θ. θ is the inclination angle of the measurement surface S. As shown in FIG. 2F, the
横方向測定力によりスタイラス5が横に傾くと測定誤差になる。これをできるだけ小さくするには、測定力をできるだけ小さくした方が良い。測定力が小さいほどスタイラス5の傾きが小さいので測定誤差は小さくなる。
If the
また、測定力が小さいほうがスタイラス5の磨耗が少ないので、スタイラス5が長持ちする。
Further, since the
さらに、先端半径2ミクロンの尖ったスタイラスで樹脂等の柔らかい面を測定するときは測定面Sを傷つけたり、測定面変形による測定誤差を生ずる。これも測定力が小さいほど良い。経験上、傷や誤差があまり気にならない測定力は0.2mN以下である。なお、先端半径0.5mmのスタイラスで測定するときはやわらかい面でも傷が付いた例は皆無である。 Further, when a soft surface such as resin is measured with a sharp stylus having a tip radius of 2 microns, the measurement surface S is damaged or a measurement error due to deformation of the measurement surface occurs. The smaller the measurement force, the better. Based on experience, the measuring force that does not bother scratches and errors is 0.2 mN or less. In addition, when measuring with a stylus having a tip radius of 0.5 mm, there is no example of scratching even on a soft surface.
逆に、先端半径0.5mmのスタイラスで測定するとき、測定力が小さいと表面のホコリを測定してしまう。測定力が大きいとホコリを測定せず掻き分ける。この点では測定力が大きいほうが測定しやすい。 Conversely, when measuring with a stylus having a tip radius of 0.5 mm, the surface dust is measured if the measuring force is small. If the measuring force is large, it will be scraped without measuring dust. In this respect, measurement is easier when the measuring force is larger.
先端半径の小さいプローブはホコリを測定しにくいが、先端を真球度良く作る事が難しい。先端の真球度が悪いと測定精度が悪くなる。これについては真球をあらかじめ測定し、データから補正することができるが手間がかかる。 A probe with a small tip radius is difficult to measure dust, but it is difficult to make a tip with good sphericity. If the sphericity of the tip is poor, the measurement accuracy will deteriorate. For this, a true sphere can be measured in advance and corrected from the data, but this takes time.
可動部質量が同じなら測定力が大きいほど応答が速いので、早く測定できる。 If the mass of the movable part is the same, the larger the measuring force, the faster the response, so the measurement can be performed quickly.
以上の事から、現状の技術レベルを前提とすると最適な測定力が存在する。それが、0.1mN〜0.3mNである。そこで、測定力は中心値0.2mNと設定し、レンズ14の位置の調整で0.1mN〜0.3mNの範囲で調節可能とした。
In view of the above, there is an optimum measuring power given the current technical level. That is 0.1 mN to 0.3 mN. Therefore, the measuring force is set to a center value of 0.2 mN, and the adjustment of the position of the
小摺動軸部6は自重で100ミクロン程度下がった位置から0.2mNの測定力で小エアー軸受け7に対し、10ミクロン程度移動するように設計する。なお、プローブ2Aを横向きにおくこともでき、そのときは、自重による移動は無いが、0.2mNの測定力でつりあい位置から10ミクロン程度移動するように設計する。
The small sliding
測定力0.2mNで小摺動軸部6が10ミクロン程度移動した位置でフォーカスサーボを掛ける理由を述べる。
The reason why the focus servo is applied at a position where the small sliding
スタイラス5を含む小摺動軸部6の質量約0.2gに対し測定力0.2mNは0.02グラム重なので、小摺動軸部6の重量の十分の一の力で10ミクロンだけ移動した位置でフォーカスサーボがかかることになる。
The measuring force of 0.2 mN is 0.02 gram weight for the mass of the small sliding
フォーカスサーボに誤差があっても、同じミラー9までの距離の変位量を発振周波数安定化HeNeレーザ光Fzで干渉により測定しているので、測定誤差にはならず、測定力の変動となるだけである。
Even if there is an error in the focus servo, the displacement of the distance to the
図2A及び図2Bに示すように、半導体レーザ光FLは、フォーカス感度が良いようにレンズ14の開口一杯に入れているので、開口数(NA)が0.4程度、レンズ14とミラー9の距離の変位量の変動が1ミクロン以下でフォーカスサーボを掛けることができる。すなわち、前記測定物1、または大エアースライド89を前記Z軸方向とそれぞれ直交しかつ互いに直交するXY軸方向にXY軸ステージ90により移動させるとともに、前記スタイラス5が前記測定物1の形状に沿って前記Z軸方向に移動するとき、前記Z軸方向の変位がほぼ一定になるようにフォーカスサーボを掛けて前記大エアースライド89をZ軸方向駆動装置43により駆動する。このときの測定力の変動は0.02mN以下である。
As shown in FIGS. 2A and 2B, since the semiconductor laser light FL is filled in the
発振周波数安定化HeNeレーザ光Fzは焦点深度が深くなるよう、1〜2mmの光束径の半導体レーザ光FLをそのままレンズ14に入れている。そうすると、焦点深度は20ミクロン程度となり、スタイラス5が測定物1の測定面Sに接していないときにミラー9の位置が10ミクロンずれるが、問題無くレーザ測長可能となる。
Oscillation frequency stabilizing HeNe laser beam Fz is such that the depth of focus, has put the semiconductor laser beam F L of the light flux diameter of 1~2mm
スタイラス5が測定面Sに接していないときでもZ座標を測定できないと連続走査により測定できない複数の測定物1を測定するとき、Z座標が保存されないので、大変不便である。例えば測定力0.2mNで小摺動軸部6が20ミクロン移動するように磁力を弱い弾性係数に設計すると、スタイラス5が測定面Sを離れるときにミラー9の位置が20ミクロンずれ、測長用HeNeレーザ光Fzの焦点深度をはずれ、測長が不安定となる。
Even when the
また、例えば測定力0.2mNで小摺動軸部6が5ミクロン移動するよう磁力を強い弾性係数に設定すると、同じようにレンズ1とミラー9の距離の変位量の変動が1ミクロン以下でフォーカスサーボを掛けても測定力の変動が大きくなるし、測定力が0.1mNになるようにレンズ9の位置を調整すると小摺動軸部6が2.5ミクロンしか移動しない状態となり、サーボが不安定になる。
For example, if the magnetic force is set to a strong elastic coefficient so that the small sliding
以上が0.2mNの測定力で小摺動軸部6が10ミクロン程度移動するように設計した理由である。
The above is the reason why the small sliding
また、この実施の形態においてはZ軸方向可動部(大エアースライド可動部)11を定荷重バネ17で支持している。Z軸を横方向にすれば定荷重バネは不要となる。
In this embodiment, the Z-axis direction movable portion (large air slide movable portion) 11 is supported by a
以上のように構成された三次元測定プローブにおいて、Zミラー9と一体となった小摺動軸部6は完全非接触で構成されているため、測定を行っていないとき、すなわちスタイラス5と被測定物1とが接触していないときには、非常に振動しやすい状態になる。図2のレンズ14を通ったレーザー光が、Zミラー9に当たり、その反射光で、Z2軸の測長をしているが、ミラー9が大きく振動すると、レーザー読み取りに影響することになる。ミラー9で許容される振動は、一例として、光学系の設計にもよるが約20μmである。以下に非測定時の振動を低減する構造について説明する。
In the three-dimensional measurement probe configured as described above, the small sliding
図1のように、原子間力プローブ枠3と、原子間力プローブ枠3の中間部まで差し込まれた小摺動軸部6及び小エアー軸受け部7の上部と、磁石29a,29bと、ヨーク8a,8b−1,8b−2と、磁性体ピン20とを大略閉塞された閉塞空間内に収納するように、透明板66を原子間力プローブ枠3の一部にすなわちリング状のヨーク8aの上端面に固定する。大略閉塞された閉塞空間にするために使用する部材を透明板66にする理由は、小摺動軸部6のZ位置を測定するレーザ27,34が透明板66を透過して小摺動軸部6の上部のZミラー9に当たるようにするためである。
As shown in FIG. 1, the atomic
透明板66に必要な機能としては、レーザ光を、まっすぐ、透過することであり、厚さについては、屈折の影響を無くすため、及び、透過率を上げるために、薄くする必要がある。この実施形態では、一例として、厚さ0.5mmの透明板66を使用している。透明板66の直径はレーザ光の直径(一例として5mm)以上であればよいが、一例として、プローブの密閉を行うために、レーザ光の直径よりもより大きな径としている。透明板66の材質は、透過率の高いものであれば、通常のガラスで問題はない。透明板66としては、レーザ光をまっすぐ透過させるため、ガラス面の平坦度が必要になる(例えば、λ/4程度)。
The function necessary for the
また、ヨーク8b−1,8b−2と磁性体ピン20との対向部分より下方に、小摺動軸部6の上端部の周囲と小エアー軸受け部7の上端面と原子間力プローブ枠3との間に、前記プローブ枠内の前記磁力発生手段95が収納されている空気流制限用空間部200を形成するとともに、この空気流制限用空間部200に連通する連通路201の開口部(原子間力プローブ枠3の一部)に、小径穴64が開いた、空気流制限部材の一例としてのキャップ65を固定している。これにより、小摺動軸部6の上部の空気流制限用空間部200での空気流れが制限される。小摺動軸部6が振動するとき、その上部の空気流制限用空間部200内に空気の流れを生じるが、空気流制限用空間部200が大略閉塞された閉塞空間とすることにより、その流れが制限されることになり、エネルギー損失が生じ、小摺動軸部6の振動を減衰させる効果を生じる。
Further, below the facing portion between the
図9Aは、本発明の前記実施形態にかかる三次元測定プローブをモデル化したものの図であり、図9Bは、それをバネ、ダンパ、質量で表したものである。また、図10は、特許文献1で紹介されている空気ダンパのモデル図である。このモデルにより、空気流制限用空間部200でのキャップ65の小径穴64による空気ダンパの減衰係数をcとし、空気バネ定数を
FIG. 9A is a diagram of a model of the three-dimensional measurement probe according to the embodiment of the present invention, and FIG. 9B is a diagram showing it by a spring, a damper, and a mass. FIG. 10 is a model diagram of an air damper introduced in
とすると、前記減衰係数と空気バネ定数が、それぞれ、下記の式(1)及び(2)のように求められる。
Then, the damping coefficient and the air spring constant are obtained as in the following formulas (1) and (2), respectively.
ただし、上式(1)及び(2)で各変数は以下のように求められる。
However, each variable is calculated | required as follows by the said Formula (1) and (2).
:空気の比熱比(=1.4)
: Specific heat ratio of air (= 1.4)
:角振動数
: Angular frequency
:振動数
:Frequency
:ピストン面積
: Piston area
:シリンダ下面からピストン底面までの高さ
: Height from cylinder bottom to piston bottom
:大気圧
:Atmospheric pressure
:大気の密度
: Air density
:図10のモデルのピストンとシリンダ間の隙間とシリンダ下面のオリフィスのそれぞれの流量係数
: Flow rate coefficients of the gap between the piston and cylinder and the orifice on the bottom of the cylinder in the model of FIG.
:図10のモデルの隙間とオリフィスのそれぞれの面積
: Each area of the gap and orifice of the model in FIG.
:図10のモデルのピストンの振動振幅
ここで、流量係数
: Vibration amplitude of the piston in the model of FIG.
は、図10のモデルの隙間、オリフィスをそれぞれ通過する空気の流量を決める流量係数で、実験、流体シミュレーションにより、求めることができるが、ここでは、管路抵抗の式により、計算した。
以上により、求められた減衰係数c、バネ定数
Is a flow coefficient that determines the flow rate of air passing through the gap and the orifice of the model in FIG. 10 and can be obtained by experiment and fluid simulation, but here it is calculated by the equation of the pipe resistance.
From the above, the obtained damping coefficient c and spring constant
から、図9Bのモデルによる、運動方程式は下記のようになる。(振動のダンピング技術(社団法人 日本機械学会編)P.154 表5.5参照)
Therefore, the equation of motion according to the model of FIG. 9B is as follows. (See Table 5.5 on page 154 for vibration damping technology (edited by the Japan Society of Mechanical Engineers))
ただし、
However,
:小摺動軸部6の質量(300mg)
: Mass of small sliding shaft portion 6 (300 mg)
:小摺動軸部6をZ軸方向に保持する磁力発生手段95での磁気回路の復元力によるバネ定数 (20.9N/m)
図7は、前記(5)、(6)式をルンゲクッタギル法により、シミュレーションを行なった結果である。キャップ65の小径穴64の直径を変えたときの振動を比較した。三次元測定プローブ2Aに、42Hz(固有振動数)、1[gal]の振動を加えたときの小摺動軸部6のZ軸方向変位を縦軸、時間を横軸としている。この図7でわかるように、小径穴64の直径を0.50mmから、0.30mm、0.20mm、0.17mmと小さくすると、減衰効果が大きく、振動が小さくなることがわかる。
: Spring constant (20.9 N / m) due to the restoring force of the magnetic circuit in the magnetic force generating means 95 that holds the small sliding
FIG. 7 shows the result of simulation of the above equations (5) and (6) by the Runge-Kuttagill method. The vibration when the diameter of the
Z軸方向の測長を安定的に行なうためには、20μm以下の振動にする必要があるが、この図7でわかるように、小径穴64の穴径が0.3mm以上になると、振動がその値を超えることがわかる。
In order to stably measure the length in the Z-axis direction, the vibration must be 20 μm or less. However, as can be seen in FIG. 7, when the hole diameter of the small-
図8は、本モデルの減衰比と上記加振時の振動振幅の関係を、流体シミュレーションにより求めたもので、これによると、振動を20μm以下にするには、減衰比ζを0.007以上にする必要があることがわかる。
ここでは、小摺動軸部6の質量
FIG. 8 shows the relationship between the damping ratio of this model and the vibration amplitude at the time of the above-mentioned excitation by fluid simulation. According to this, in order to reduce the vibration to 20 μm or less, the damping ratio ζ is 0.007 or more. You can see that
Here, the mass of the small sliding
、磁気回路のバネ定数
, Spring constant of magnetic circuit
により、前記振動の振幅と、減衰係数の関係は変わるので、減衰比
Since the relationship between the amplitude of the vibration and the damping coefficient changes, the damping ratio
を用いて、
Using,
に依存せず、振動に対する減衰性能を以下のように規定している。
The damping performance against vibration is specified as follows.
ただし、実際の設備で使用するときに余裕をみる場合には、0.01以上の減衰比とするのがより好ましい。
However, it is more preferable to set the attenuation ratio to 0.01 or more in order to allow a margin when used in actual equipment.
なお、減衰を大きくしすぎると、測定力Fが大きくなりすぎる可能性がある。前述した測定力Fの式では、F=maとして、測定力Fを0.2mN以下にすると説明しているが、厳密にはF=ma+cv+kxで表される。ここで、m:質量マトリクス、c:減衰マトリクス、k:剛性マトリクス、a:加速度ベクトル、v:速度ベクトル、x:変位ベクトルである。よって、この式より、一例として、0.1Gの正弦波がスタイラス加速度として加わったときに測定力Fを0.2mN以下にするには、減衰比ζを0.51以下にする必要がある。 Note that if the attenuation is excessively increased, the measuring force F may be excessively increased. In the above-described formula of the measuring force F, it is described that F = ma and the measuring force F is 0.2 mN or less, but strictly speaking, it is expressed as F = ma + cv + kx. Here, m: mass matrix, c: damping matrix, k: stiffness matrix, a: acceleration vector, v: velocity vector, x: displacement vector. Therefore, from this equation, as an example, in order to make the measuring force F 0.2 mN or less when a 0.1 G sine wave is applied as stylus acceleration, the damping ratio ζ needs to be 0.51 or less.
前記のように、小径穴64の直径を小さくすると、減衰性能は向上するが、あまり、小さくし過ぎると、小エア軸受7の空気を供給する空気噴出し口4からの空気の逃げ場がなくなり、小摺動軸部6の上部の空気流制限用空間部200での空気圧が高まる。本実施形態の1つの実施例の場合、その圧力が400Paを超えると、磁気回路の保持力を超えてしまい、小摺動軸6は保持できなくなる。前記実施例の条件を以下に例示する。小径穴64の直径は0.17mmで12個開けている。連通路201の直径は3mmとなっている。連通路201は、空気流制限用空間部200と一体となり、ここで重要なのは、この一体となった空間の体積である。図10のdcとhp寸法の中の部分が、この一体となった空間に相当する。一例として、この一体となった空間の体積は4.5×10−7m3となっている。また、原子間力プローブ枠3の大きさは直径30mm程度である。小摺動軸6のサイズは直径4mmである。このような構成で、図11の「圧力差がNG」と書かれた部分の条件では、圧力が400Paを超えてしまうことになる。
As described above, when the diameter of the small-
図11は、小径穴64の直径(穴径)、小径穴64の長さ(穴深さ)、個数(穴個数)を変えたときの、減衰係数、小摺動軸部6の上部の空気流制限用空間部200の圧力を表にしたものである。これによると、例えば、小径穴64の直径を0.1mm、小径穴64の長さを0.5mm、小径穴64の個数を30個にしたときは、圧力が455Paとなり、プローブとして使用できなくなる。図11により、加工コストも含め、最適な穴の直径、長さ、個数を決定することができる。図11で判定の欄において、NGと記載している欄以外は、使用可能な条件を意味する。
FIG. 11 shows the damping coefficient when the diameter (hole diameter) of the small-
図11より、前記キャップ65に形成する小径穴64の直径を0.05mm以上、0.6mm未満とするのが好ましい。小径穴の直径を0.05mm未満とすると、プローブ2Aの密閉部の圧力が上がってしまい、磁気での保持ができなくなってしまうためである。そのため、小径穴64の直径を小さくする分、小径穴64の数を増やす必要がある。一例として、図11のように、60個の小径穴64を備えればよい。0.05mm以下の小径穴64を60個を越えて開けるのは現実的でないため、一例として、その個数を60個以下としている。
From FIG. 11, it is preferable that the diameter of the small-
小径穴64の個数の最低限は1個である。図11では、小径穴64の直径が0.5mmの場合に1個でも、減衰係数を所定の値にすることができるためである。
The minimum number of small diameter holes 64 is one. This is because, in FIG. 11, even when the diameter of the
なお、図11には、小径穴64の直径が0.6mmの場合でかつ1個だけ開けた場合、減衰係数が所定の値にならないことが示されている。よって、小径穴64の直径が0.6mm以上であると減衰係数が所定の値にならないため、小径穴64の直径は0.6mm未満とすることが好ましい。
FIG. 11 shows that the attenuation coefficient does not become a predetermined value when the diameter of the small-
図11でわかるように、より小径の穴を多数あける方が、減衰係数を大きくし、圧力差を小さくできることがわかるが、加工コストの面では不利になる。これを解決する方法として、空気流制限部材の別の例として、小径穴64を有するキャップ65の代わりに、小径穴の別の具体例として多数の微細孔を有する多孔質材料で構成されたキャップを用いることも可能である。
As can be seen from FIG. 11, it can be seen that making more holes with smaller diameters can increase the damping coefficient and reduce the pressure difference, but this is disadvantageous in terms of processing cost. As a method for solving this, as another example of the air flow restricting member, instead of the
以上のように、本実施形態によれば、小さな可動部質量の磁性体ピン20と、小エアー軸受け部7に取り付けられた磁石29a,29bとヨーク8a,8b−1,8b−2で磁気回路を形成させることにより、軸方向の移動を非接触で制限することができる三次元測定プローブ2Aにおいて、前記磁力発生手段95が構成されている部分の空気流制限用空間部200での空気の流れを、空気流制限部材の一例としての、小径穴64を有するキャップ65で制限することにより、小摺動軸部6の振動時にエネルギー損失が生じ、小摺動軸部6の振動を減衰させることができて、小摺動軸部6の振動を抑えることができる。よって、測定物1に対して非接触時の小摺動軸部6の振動を抑えることができて、安定した測定が可能になる。
As described above, according to the present embodiment, the
この結果、前記三次元測定プローブ2Aを一対用意して測定物1の一例としての非球面レンズの表裏面に配置して非球面レンズの表裏面を同時に測定することによって、表裏面の傾き偏心を超高精度に安定して測定することができるようになる。また、前記三次元測定プローブ2Aでは、前記小摺動軸部6の軸方向であるZ軸方向への移動を妨げる磁力を前記磁力発生手段95で発生させるようにしているので、板バネを使用する必要がなく、より高精度で、長期使用にも壊れにくい三次元測定プローブ2Aを実現することができる。さらに、組み立てや取り扱いも容易になるので、本プローブ2Aを使用すれば、従来のように測定室で限られた人のみが使用する測定機から、工場現場に置いて、気軽に測定できる測定機となる。
As a result, a pair of the three-dimensional measurement probes 2A are prepared and arranged on the front and back surfaces of an aspheric lens as an example of the
これにより、薄型化と高画質化が進むカメラや大記録容量化が進む光ディスクなどのレンズの性能と品質と生産歩留まりを向上させることができる。 As a result, it is possible to improve the performance, quality, and production yield of lenses such as cameras that are becoming thinner and higher in image quality, and optical disks that are becoming larger in recording capacity.
なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。 It is to be noted that, by appropriately combining any of the various embodiments, the effects possessed by them can be produced.
本発明の三次元測定プローブは、下からでも横からでも測定物の測定面の形状を0.01ミクロンのオーダーの超高精度で測定できるので、測定物の前後面(例えば上下面)を同時に測定する事により非球面レンズの傾き偏心を超高精度に測定できる。また、プローブ自体が壊れにくく長寿命となり、測定現場で簡単に頻繁にプローブを使用できるといった効果を有し、測定できなければ作れない非球面レンズのさらなる高精度化と生産歩留り向上をこのプローブを使用することによって実現することができて、小型高画質化するデジタルカメラ、ムービー、カメラ付携帯電話、大容量化する光ディスク等の非球面レンズ内蔵商品の性能向上とコストダウンに貢献できる。さらに、幅広く、医療機器、自動車の歯車、ナノテクやマイクロマシンの研究開発用途にもこのプローブの適用可能性がある。 The three-dimensional measurement probe of the present invention can measure the shape of the measurement surface of the measurement object from below or from the side with an ultra-high accuracy of the order of 0.01 microns, so that the front and rear surfaces (for example, the upper and lower surfaces) of the measurement object can be measured simultaneously. By measuring, the tilt eccentricity of the aspherical lens can be measured with extremely high accuracy. In addition, the probe itself is hard to break and has a long life, and it has the effect of being able to use the probe easily and frequently at the measurement site. This probe further improves the accuracy and production yield of aspherical lenses that cannot be made without measurement. It can be realized by use, and can contribute to performance improvement and cost reduction of products with built-in aspherical lenses, such as digital cameras, movies, mobile phones with cameras, and optical disks with increased capacity. In addition, the probe has a wide range of applications in research and development of medical equipment, automobile gears, nanotechnology and micromachines.
1 被測定物
2 光プローブ変位検出部
2A 光プローブ
3 原子間力プローブ枠
4 空気噴出し口
5 スタイラス
6 小摺動軸部
7 小エアー軸受け
8a リング状ヨーク
8b−1,8b−2 ヨーク
9 Zミラー
10 空気排出口
11 大エアースライダー可動部
12 大ヨーク
13 コイル
14 レンズ
15 ダイクロイックミラー
17 定荷重ばね
18 空気溜め部
20 磁性体ピン
21 X軸ステージ
22 Y軸ステージ
23 下石定盤
24 X参照ミラー
25 Y参照ミラー
26 Z参照ミラー
27 He−Ne発振周波数安定化レーザ
28 大磁石
29a,29b 磁石
32 レンズ
33 波長板
34 半導体レーザ
35 大エアースライドガイド
38 レンズ
39 ハーフミラー
40 ピンホール
41 光検出器
42 フォーカス誤差信号検出部
43 Z軸駆動装置
48 エアーチューブ
50 板バネ
53 バネ受け球
61 スタイラス先端球
64 小径穴
65 キャップ
66 透明板
95 磁力発生手段
102 Z2レシーバー
103 Z1レシーバー
104 Yレシーバー
105 Xレシーバー
106 上石定盤
200 空気流制限用空間部
201 連通路
DESCRIPTION OF
Claims (9)
この小摺動軸部と嵌合する穴が形成され、この小摺動軸部との隙間部に圧縮空気の膜を形成する空気噴出し部を有してプローブ枠に組み込まれる小エアー軸受け部と、
この小エアー軸受け部の端部に取り付けられた磁石とヨークが前記ピンと非接触で磁気回路を形成することにより、前記小摺動軸部の軸方向であるZ軸方向への移動を妨げる磁力を発生させる磁力発生手段とを備えて、
前記プローブ枠内の前記磁力発生手段が収納されている空気流制限用空間部を大略閉塞された閉塞空間とする透明板を前記プローブ枠に設けるとともに前記閉塞空間の一部が前記プローブ枠外と連通する小径穴を有する空気流制限部材を設けることにより、前記空気流制限用空間部での空気流れを制限して前記小摺動軸部の振動に対する減衰比を0.007以上にすることを特徴とする三次元測定プローブ。 A small sliding shaft with a stylus in contact with the surface of the object to be measured at one end and a pin made of a magnetic material at the other end;
A small air-bearing portion that is formed in a probe frame having a hole for fitting with the small-sliding shaft portion and having an air ejection portion that forms a film of compressed air in a gap with the small-sliding shaft portion When,
A magnet and a yoke attached to the end of the small air bearing portion form a magnetic circuit in a non-contact manner with the pin, thereby generating a magnetic force that prevents movement of the small sliding shaft portion in the Z-axis direction, which is the axial direction. Magnetic force generating means for generating,
A transparent plate is provided in the probe frame to make the air flow restricting space in which the magnetic force generating means in the probe frame is accommodated substantially closed, and a part of the closed space communicates with the outside of the probe frame. By providing an air flow restricting member having a small-diameter hole, the air flow in the air flow restricting space is restricted so that the damping ratio with respect to vibration of the small sliding shaft is 0.007 or more. A three-dimensional measurement probe.
前記小エアー軸受け部をZ軸方向に移動させるZ軸ステージと、
前記測定物、または前記Z軸ステージをXY軸方向に移動させる形状測定時に、前記スタイラスが前記測定物の形状に沿ってZ軸方向に移動することにより発生する前記Z軸方向変位がほぼ一定になるように前記Z軸ステージを駆動するZ軸ステージ駆動装置とをさらに備えた請求項1に記載の三次元測定プローブ。 A displacement detecting means for detecting a displacement in the Z-axis direction of the small sliding shaft portion with respect to the small air bearing portion;
A Z-axis stage for moving the small air bearing in the Z-axis direction;
The displacement in the Z-axis direction generated by the movement of the stylus in the Z-axis direction along the shape of the measurement object during shape measurement for moving the measurement object or the Z-axis stage in the XY-axis direction is substantially constant. The three-dimensional measurement probe according to claim 1, further comprising: a Z-axis stage driving device that drives the Z-axis stage.
前記発振周波数安定化レーザから発せられた前記発振周波数安定化レーザ光を前記透明板を通して前記ミラーに照射し、前記ミラーからの反射光から前記ミラーのZ座標を測定する手段とをさらに備えた請求項3に記載の三次元測定プローブ。 An oscillation frequency stabilized laser that emits an oscillation frequency stabilized laser beam;
Means for irradiating the mirror with the oscillation frequency stabilized laser beam emitted from the oscillation frequency stabilized laser through the transparent plate, and measuring the Z coordinate of the mirror from the reflected light from the mirror. Item 4. The three-dimensional measurement probe according to item 3.
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