JP4093828B2 - 測定用プローブ及び光学式測定装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定面の位置情報を得るための測定用プローブに関する。
【0002】
【従来の技術】
光学式測定装置は、被測定面に対して測定光を照射し、被測定面で反射された測定光を受光することにより、測定光に含まれる被測定面の変位や形状に関する情報を得る。測定光を被測定面に直接的に照射すると、被測定面の反射特性や傾斜の影響により、高精度の測定が困難である。そのため、従来、被測定面に追随する機能と測定光を反射する機能とを備える種々の測定用プローブが提案されている。
【0003】
例えば、特開2000−283747号公報には、2枚の平行な板ばねを備える測定用プローブが記載されている。板ばねは基端が光学測定装置の本体側に固定され、先端に被測定面に接触する接触子が取り付けられている。また、接触子の背面には測定光を反射する反射面が設けられている。接触子は板ばねにより被測定面に弾性的に付勢され、被測定面の凹凸や形状変化に追随して変位する。反射特性が良好な反射面により
測定光が反射されるので、被測定面の反射特性の影響を受けない。また、反射面の角度は変化しないので、測定光は常にほぼ同一方向に反射される。
【0004】
また、特開平6−265340号公報に記載の測定用プローブは、鉛直方向に移動可能なエアスライドを備えている。エアスライドの下端に接触子が取り付けられ、上端が反射面を構成している。エアスライドの重量はばねにより支持される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これら従来の測定用プローブには以下の問題がある。
第1に、特開平6−265340号公報に記載のものは、測定時に重量支持用のばねとその保持部との間に機械的摩擦がある。この機械的摩擦により接触子の被測定面に対する追随性が損なわれると共にヒステリシスが生じ、測定精度が低下する。また、測定中に接触子に作用する力に予期しない急激な変化があると、ばねが損傷するおそがある。
【0006】
第2に、測定光が反射面に常に垂直に照射するように測定用プローブを製造することは困難である。また、測定用プローブを交換した際に、反射面を測定光に対して垂直に照射させることは困難である。
【0007】
第3に、前記エアスライドとその重量を支持するばねを使用する測定用プローブは、水平配置することができない。
【0008】
第4に、従来の測定用プローブは、被測定面に対して接触子を微少距離だけ移動させる機構を備えていない。そのため、測定開始時には被測定物のエッジに接触子を乗り上げさせることにより被測定面上に接触子を配置させる必要がある。そのため、被測定面が損傷したり、測定方向と垂直方向の力が作用することにより測定用プローブのばねや接触子が破損することがある。
【0009】
本発明は、前記従来の測定用プローブにおける問題を解決するためになされたものである。具体的には、本発明は、被測定面に対する追随性を向上すると共にヒステリシスを低減して測定用プローブの測定精度を向上すること、測定用プローブの製造及び交換を容易にすること、及び水平配置を可能とすることを課題としている。また、本発明は、被測定物や接触子に損傷を与えることなく被測定物を交換することができる測定用プローブを提供することを課題としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】
従って、第1の発明は、先端に被測定面に当接される接触子を備え、基端に測定光を反射する反射面が一体に形成された可動部材と、前記可動部材が挿通される挿通孔が設けられ、この挿通孔の孔壁と前記接触子の周面との間に隙間が形成され、この隙間が前記可動部材をその軸線方向に移動可能に支持する空気軸受を構成する固定部材と、前記可動部材の基端側に取り付けられた円環状の磁性体と、前記磁性体を取り囲み、前記可動部材の軸線方向の磁力を発生させる磁力発生部とを備え、前記磁性体は、前記磁性体の軸線が前記可動部材の軸線に対して傾斜するように前記可動部材に取り付けられ、前記磁力発生部は、前記磁力発生部の軸線が前記可動部材の軸線に対して傾斜するように固定され、前記磁性体の軸線の前記可動部材に対する傾斜と前記磁力発生部の軸線の前記可動部材に対する傾斜とが同じ傾斜である、測定用プローブを提供する。
【0011】
第1の発明の測定用プローブでは、可動部材は先端に接触子を備え、基端に反射面が一体に形成されている。また、この可動部材は、固定部材との隙間が構成する空気軸受により支持され、磁力発生部が発生する磁力により軸線方向の力が作用する。すなわち、可動部材は非接触で支持され、かつ非接触で接触子に測定圧が付与される。従って、被測定面に対して接離する可動部材に機械的摩擦が作用せず、接触子の被測定面に対する追随性が良好でヒステリシスが低減され、高い測定精度が得られる。また、測定中に接触子に作用する力に予期しない急激な変化があっても、損傷のおそれがない。
【0012】
可動部材は空気軸受により非接触で保持されているので、可動部材の前進及び後退する向きは、その軸線に対して実質的に平行である。さらに、反射面は可動部材に一体に形成されているので、反射面は測定光に対して正対した姿勢を維持したままで移動する。
【0013】
先端に接触子を備える可動部材の基端に反射面が形成されているので、製造時に発生する反射面の組立てに伴う誤差をなくすことができ、反射面を測定光に対して正対するように容易に設定することができる。さらに、可動部材は空気軸受により非接触で支持されるので、可動部材を交換した際にも反射面を測定光に対して確実に正対させることができる。これらの点で、可動部材の製造及び交換が容易である。
前記磁性体は、前記可動部材の軸線に対して傾斜するように前記可動部材に取り付けられ、前記磁力発生部は、前記可動部材の軸線に対して向きが傾斜した磁場を発生する。そのため、可動部材のそれ自体の軸線回りに回転位置が固定される。従って、可動部材は軸線回りに回転せず、被測定面上での接触子の先端の位置が変化することがなく、接触子の先端が可動部材の軸線に対して多少ずれていても高精度での測定が可能である。
【0014】
具体的には、前記磁力発生部は1個の永久磁石を備える。可動部材に取り付けられた磁性体には常時磁力が作用するので、測定用プローブは鉛直配置と水平配置の両方が可能である。
【0015】
磁気回路を形成するためのヨークを磁力発生部に設け、可動部材に取り付けられた磁性体に作用する磁力を強めることが好ましい。
【0016】
第2の発明は、少なくとも測定光を発生する光発生部と、先端に被測定面に当接される接触子を備え、基端に測定光を反射する反射面が一体に形成された可動部材と、前記可動部材が挿通される挿通孔が設けられ、この挿通孔の孔壁と前記接触子の周面との間に隙間が形成され、この隙間が前記可動部材をその軸線方向に移動可能に支持する空気軸受を構成する固定部材と、前記可動部材の基端側に取り付けられた円環状の磁性体と、前記磁性体を取り囲み、前記可動部材の軸線方向の磁力を発生させる磁力発生部とを備え、前記磁性体は、前記可動部材の軸線に対して傾斜するように前記可動部材に取り付けられ、前記磁力発生部は、前記可動部材の軸線に対して傾斜するように固定され、前記磁性体の軸線の前記可動部材に対する傾斜と前記磁力発生部の軸線の前記可動部材に対する傾斜とが同じ傾斜である、測定用プローブと、少なくとも前記測定用プローブにより反射された測定光を受光する受光部と、少なくとも前記受光部により受光された測定光に基づいて前記被測定面の位置情報を得る演算部とを備える、光学式測定装置を提供する。
【0017】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
【0018】
(第1実施形態)
図1から図3は本発明の第1実施形態に係る測定用プローブ10を示し、図4及び図5はこの測定用プローブ10を備える光学式測定装置の一例である厚み変動測定装置1を示している。
【0019】
図4に示すように、厚み変動測定装置1は、架台2上に、ウェハ保持ステージ3とセンサ移動ステージ4とを備えている。ウェハ保持ステージ3は、ダイレクトドライブモータ5と、このダイレクトドライブモータ5によってXY軸面内で回転駆動され、内周にウェハ6を保持する環状のスピンドル7とからなる。センサ移動ステージ4は、モータ8によって回転するボールねじ9によりガイドに沿ってX軸方向に移動可能であり、ウェハ6の両側に光学式変位計11,11を備えている。
【0020】
図5は、ウェハ6の両側の光学式変位計11,11のうち一方の構造を示している。他方の光学式変位計11も同様の構造を備えている。
【0021】
光学式変位計11は、測定用プローブ10、光発生部12、測定光学系13、受光部14、及び演算部15を備えている。光発生部12は周波数安定化He−Neレーザを出力するレーザ出力装置からなり、参照光L0と測定光L1とが混合された出力光L0+L1を測定光学系13に供給する。
【0022】
測定光学系13では、出力光L0+L1が収束レンズ13aで絞り込まれた後、分岐混合部となる偏光ビームスプリッタ13bに供給される。収束レンズ13aは、出力光L0+L1を絞り込むことで、測定光L1をウェハ6の表面6aに当接する測定用プローブ10の反射面27に正確に収束させる。偏光ビームスプリッタ13bでは、測定光L1はそのまま直進するが参照光L0は直交方向に反射し、両者が分岐される。この分岐は測定光L1と参照光L0の偏光方向の違いによる。
【0023】
測定光L1はλ/4波長板13cを通過した後、ウェハ6の表面6aに向かう。測定光L1は測定用プローブ10の反射面27で反射されて再びビームスプリッタ13bへと戻される。一方、偏光ビームスプリッタ13bを出た参照光L0はλ/4波長板13dを通過した後、参照ミラー13eで反射されて再び偏光ビームスプリッタ13bに戻る。偏光ビームスプリッタ13bから参照ミラー13eまでの距離は、偏光ビームスプリッタ13bから測定用プローブ10までの距離と同じに設定されている。
【0024】
参照光L0は偏光ビームスプリッタ34を直進し、測定光L1は偏光ビームスプリッタ34で反射されて参照光L0と同方向に進む。その結果、偏光ビームスプリッタ34からは、参照光L0と測定光L1の混合光L0+L1が出力される。測定光L1の行程が測定用プローブ10の反射面27までの距離によって変化するのに対して参照光L0の行程は一定であるので、両方の光の行程差あるいは位相差が生じている。
【0025】
偏光ビームスプリッタ34から出力された混合光L0+L1は、複数のミラー13f、コリメートレンズ13g、及びフォーカスレンズ13hを経て受光部14に入射する。受光部14は光信号を電気信号に変換する。演算部15は、参照光L0と測定光L1の波長や位相を電気的に分析し、そのデータを演算処理することでウェハ6の表面6aの位置又はその変化を数値情報として得る。
【0026】
ウェハ6の表面6aに沿って場所を変えて、上記のような測定を行うことで、ウェハ6の表面位置の変動すなわち変位が求められる。ウェハ6の両面に配置された光学式変位計11,11でウェハ6の表面変位をそれぞれ測定する。ウェハ6の両面の表面変位を合計したものが、ウェハ6の厚み変動を表す。なお、厚み変動の測定ではウェハ6の厚みそのものを測定する必要はなく、面方向における厚みの違いやバラツキを厚み変動として測定すればよい。左右の光学式変位計11、11の間隔が分かっていれば、両方の光学式変位計11、11に対するウェハ6の位置情報からウェハ6の厚みを知ることができる。
【0027】
図1及び図5に示すように、測定用プローブ10は、光学式変位計11の
測定光L1の照射方向で被測定面であるウェハ6の表面6aに近接した位置に取り付けられる。本実施形態では、測定用プローブ10は水平配置されている。
【0028】
図1及び図3(A)に示すように、測定用プローブ10は、光学式変位計11の本体11aに固定されたハウジング20を備えている。このハウジング20内に、可動部材21、固定部材22、強磁性体23、及び磁力発生部24が収容されている。
【0029】
可動部材21は先端がテーパ状の金属製の円柱体である。可動部材21の先端にはウェハ6の表面6aに当接される接触子25が取り付けられている。一方、可動部材21の基端には測定光L1を反射するための反射面27が形成されている。本実施形態における可動部材21は直径1mm、長さ8mmである。
【0030】
接触子25はダイヤモンド製でありその先端は円錐状である。接触子25の先端は、直径が10μm程度であり、ウェハ6の表面6aに実質的に点接触で当接する。接触子25は、被測定面の細かな凹凸形状を追随でき、被測定面に対して実質的に点接触できるものであればよい。具体的には、接触子25の先端は角錐状又は針状であってもよい。また、接触子25の材質は、ダイヤモンドに限定されないが、被測定面に押圧されたときに変形しにくい硬質で剛性の高いものが好ましい。
【0031】
反射面27は可動部材21の端面に一体に形成された金属製の鏡面である。反射面27は高い反射率を有し、測定光L1を効率良く反射する。反射面27はガラス材料からなる鏡面であってもよい。また、反射面27は可動部材21の端面自体を研磨して鏡面としたものでもよい。さらに、反射特性を向上させるために、反射面27に樹脂等のコーティングを施してもよい。
【0032】
本実施形態では、測定光L1の入射方向と、可動部材21の軸線28の方向が一致している。接触子25はその先端が可動部材21の軸線28と一致するように可動部材21に取り付けられており、測定光L1の入射方向を延長した先に配置されている。反射面27は測定光L1の入射方向に対して正対するように設けられている。
【0033】
上述のように反射面27は先端に接触子25を備える可動部材21の基端に一体に形成されているので、製造時に発生する反射面の組立てに伴う誤差をなくすことができる。従って、反射面27を測定光L1に対して正対するように設定することが容易であり、可動部材21の製造が容易である。
【0034】
図1及び図3(A)に示すように、固定部材22は円筒状でありハウジング20に固定されている。固定部材22には軸方向に貫通する断面円形の挿通孔22aが設けられている。この挿通孔22aに可動部材21が挿通されている。挿通孔22aの孔壁と可動部材21の周面との間には隙間29が形成されている。本実施形態では、隙間29の寸法は10μmである。また、固定部材22には、孔壁で開口する複数の吸気口22b及び複数の排気口22cが形成されている。空気供給源30から吸気口22bを介して所定圧力の空気が隙間29に供給されると共に、排気口22cを介して隙間29から空気が排出される。この空気流により隙間29は可動部材21を支持する空気軸受31として機能する。空気軸受31は可動部材21を固定部材22に対して非接触の状態で支持し、可動部材21はその軸線28の方向には移動可能であるが、その他の方向には移動しない。このように可動部材21は空気軸受31により非接触で支持されるので、可動部材21を交換した際にも反射面27を測定光に対して確実に正対させることができ、可動部材21の交換が容易である。
【0035】
図3(B)に示すように、可動部材21及び固定部材22の挿通孔22aの断面形状は多角形状であってもよい。この場合、可動部材21がそれ自体の軸線28回りに回転するのを防止することができる。従って、可動部材21が軸線28回りに回転することによりウェハ6の表面6aでの接触子25の先端の位置が変化することがなく、接触子25の先端が軸線28に対して多少ずれていても高精度の測定が可能である。
【0036】
図1及び図2に示すように、強磁性体23は円環状であり可動部材21の基端側に固定されている。本実施形態では、強磁性体23は鉄製である。強磁性体23の材質は特に限定されず、周辺からの磁力により力を発生するものであればよい。強磁性体23は可動部材21の軸線に対して傾斜するように配置されている。すなわち、可動部材21の軸線28に対して強磁性体23の軸線28’が傾斜している。
【0037】
磁力発生部24はハウジング20に固定されており、可動部材21の軸線28の方向に配置された2個のコイル32A,32Bを備えている。コイル32A,32Bは可動部材21に固定された強磁性体23の周囲を取り囲んでいる。強磁性体23と同様にコイル32A,32Bは可動部材21の軸線28に対して傾斜するように配置されている。各コイル32A,32Bには、マイクロコンピュータ34からD/Aコンバータ35及びアンプ36を介して電流が供給される。コイル32A,32Bに通電すると強磁性体23に可動部材21の軸線28の方向の磁力が作用する。コイル32A,32Bは可動部材21の軸線28に対して傾斜しているので、これらが発生する磁界も可動部材21の軸線28に対して傾斜している。コイル32A,32Bは、磁気回路を構成するためのヨーク38内に収容されているので、コイル32A,32Bの発生する磁力が効率良く強磁性体23に作用する。
【0038】
上述のように強磁性体23及びコイル32A,32Bは可動部材21の軸線28に対して傾斜している。従って、コイル32A,32Bに電流を供給すると、強磁性体23に作用する磁力によって、可動部材21のそれ自体の軸線28回りの回転角度位置が固定される。従って、可動部材21は軸線28回りに回転せず、ウェハ6の表面6aでの接触子25の先端の位置が変化することがなく、接触子25の先端が軸線28に対して多少ずれていても高精度の測定が可能である。
【0039】
図6に示すように、可動部材21の基端側にある一方のコイル32Aに供給する電流量の増加させると共に可動部材21の先端側にある他方のコイル32Bに供給する電流量を減少させると、ヨーク38内で発生する磁力と磁力勾配が最大となる位置が可動部材21の基端側に移動し、これに伴って可動部材21はその基端側へ後退する。これとは逆に、先端側のコイル32Bに供給する電流量を増加させると共に基端側のコイル32Aに供給する電流量を減少させると、ヨーク38内で発生する磁力と磁力勾配が最大となる位置が可動部材21の先端側に移動し、これに伴って可動部材21は先端側へ前進する。従って、マイクロコンピュータ34でコイル32A,32Bに供給する電流を調整することにより、可動部材21の位置及びウェハ6の表面に対する接触子25の測定圧を制御することができる。
【0040】
ウェハ6を厚み変動測定装置1に取り付ける際には、コイル32Aに供給する電流量をコイル32Bに供給する電流量よりも大きく設定し、可動部材21を後退させておく。可動部材21が後退位置にあれば、ウェハ6を接触子25と接触させることなく厚み変動測定装置1に取り付けることができる。よって、本実施形態の測定用プローブ10では、ウェハ6の表面や測定用プローブ11自体を損傷させることなく、厚み変動測定装置1に対するウェハ6の取り付けを行うことができる。
【0041】
ウェハ6の取り付け完了後、コイル32Aに供給する電流量を減少させる一方、コイル32Bに供給する電流量を増加させ、可動部材21をウェハ6に向けて前進させ、接触子25をウェハ6の表面6aに当接させる。コイル32A,32Bに供給する電流比により、接触子25に付与する測定圧を制御することができる。例えば、接触子25の測定圧は300mgfに設定される。
【0042】
次に、ダイレクトドライブモータ5によりウェハ6を回転させつつ、センサ移動ステージ4により光学式変位計11を移動させ、測定用プローブ10の接触子25でウェハ6の表面6aを走査する。また、測定用プローブ10に対して測定光L1を照射する。走査中、ウェハ6の表面6の変位に応じて接触子25が表面6aに対して接離する方向に移動する。可動部材21は空気軸受31により非接触で支持され、かつ磁力発生部24により接触子25に対して非接触で測定圧が付与される。従って、ウェハ6の表面6aに対して接離する可動部材21に機械的摩擦が作用せず、接触子25の表面6aに対する追随性が良好でヒステリシスが低減され、高い測定精度が得られる。また、測定中に接触子に作用する力に予期しない急激な変化があっても、損傷のおそれがない。
【0043】
可動部材21は空気軸受31により非接触で保持されているので、可動部材21の前進及び後退する向きは、その軸線28に対して実質的に平行である。さらに、反射面27は可動部材21に一体に形成されているので、反射面27は測定光L1に対して正対した姿勢を維持したままでウェハ6の表面6aに対して接離方向に移動する。その結果、ウェハ6の表面変位にかかわらず、反射面27は常に測定光L1をその入射方向と同方向に反射させることができ、反射面27で反射された測定光L1は確実に測定光学系13を介して受光部14に入射する。この反射された測定光L1の傾きやずれを防止する機能はオートフォーカスレンズ13hと共通する機能であるが、本実施形態の測定用プローブ10とオートフォーカスレンズ13hとを併用することにより、より確実に測定光L1の傾きやずれを防止することができる。
【0044】
測定光L1はウェハ6の表面6aで反射されるのではなく、高い反射率を有する反射面27で反射される。従って、ウェハ6の表面6aが反射率の低い材料であったり、位置によって反射率が異なる場合でも、常に一定の反射率で反射されるので正確で安定した変位測定を行うことができる。
【0045】
測定完了後は、コイル32Bに供給する電流量を減少させる一方、コイル32Aに供給する電流量を増加させ、可動部材21をウェハ6から後退させる。接触子25がウェハ6の表面6aから完全に離れた状態で測定済みのウェハ6を取り外すことにより、ウェハ6の表面や測定用プローブ11自体を損傷を防止することができる。
【0046】
可動部材21は空気軸受31により非接触で支持されるので、可動部材21を交換した際にも反射面27を測定光L1に対して確実に正対させることができる。この点で、可動部材21の交換が容易である。
【0047】
(第2実施形態)
図7に示す本発明の第2実施形態に係る測定用プローブ10では、磁力発生部24は可動部材21の基端側に配置されたコイル32Cと、可動部材21の先端側に配置された永久磁石40とを備えている。1個のコイル32Cに対して供給する電流を調整することにより、可動部材21の位置及び被測定面に対する接触子25の測定圧を制御することができる。従って、磁力発生部24における発熱を抑制し、測定用プローブ10の温度ひずみを低減することができる。また、強磁性体23には永久磁石40の発生する磁力が常時作用するので、測定用プローブ10の鉛直配置が可能である。第2実施形態のその他の構成及び作用は前記第1実施形態と同様であるので、同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【0048】
(第3実施形態)
図8に示す本発明の第2実施形態に係る測定用プローブ10は、図9に示す三次元形状測定装置51で使用される。三次元形状測定装置51は、下部定石盤52上にXテーブル53及びYテーブル54を介して配置された保持台55を備えている。被測定物であるレンズ57は下部定石盤52上に配置される。保持台55にはZ軸移動部58が取り付けられており、このZ軸移動部58に図8の測定用プローブ10が取り付けられている。測定用プローブ10は鉛直配置されており、可動部材21の姿勢は鉛直方向下向きである。光発生部59で発生したレーザ光はレンズ等により構成された光学系60により下部定石盤52上のX参照ミラー61及びY参照ミラー62と、保持台55に固定されたZ参照ミラー63に測長光として照射される。また、前記レーザ光は測定光として測定用プローブ10の反射面27に照射される。
【0049】
測定用プローブ10の磁力発生部24は1個の永久磁石40のみを備えており、この永久磁石40から強磁性体23に作用する磁力によって、可動部材21、接触子25、及び強磁性体23の自重が支持されている。
【0050】
測定時にレンズ57の表面57aに対して接離する可動部材21に機械的摩擦が作用せず、接触子25の表面6aに対する追随性が良好でヒステリシスが低減され、高い測定精度が得られる。また、測定中に接触子25に作用する力に予期しない急激な変化があっても、損傷のおそれがない。さらに、この測定用プローブ10は、可動部材21に対する重力による下向きの付勢力がなくとも、接触子25を被測定面に付勢して測定圧を得ることができる。従って、前記特開平6−265340号公報に記載されたエアスライドの重量をばねにより支持する測定用プローブとは異なり、水平配置が可能である。第3実施形態のその他の構成及び作用は前記第1実施形態と同様であるので、同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【0051】
図10は第3実施形態の変形例に係る測定用プローブ10を示している。この測定用プローブ10では、円環状の強磁性体23の軸線が可動部材21の軸線28と同方向であり、強磁性体23は可動部材21に対して傾斜していない。また、これと対応して磁力発生部24の永久磁石40も可動部材21の軸線28に対して傾斜しないように配置されている。換言すれば、可動部材21は強磁性体23及び永久磁石40に対して直交する方向に延びている。かかる構成とする場合には、可動部材21がその軸線28回りに回転するのを防止するために、図3(B)に示すように可動部材21及び固定部材22の挿通孔22aの断面形状を多角形とすることが好ましい。なお、図11及び図12に示すように、第1実施形態及び第2実施形態の測定用プローブ10で強磁性体23及び磁力発生部24を可動部材21に対して傾斜しないように設けてもよい。
【0052】
(第4実施形態)
図13に示す本発明の第4実施形態に係る測定用プローブ10では、磁力発生部24は可動部材21の軸線28方向に移動可能にハウジング20に対して取り付けられている。また、磁力発生部24にはピエゾ素子からなる円筒状のアクチュエータ64の一端が固定されている。アクチュエータ64の他端はハウジング20に固定されている。アクチュエータ64はマイクロコンピュータ34から供給される駆動信号に基づいて可動部材21の軸線28の方向に微少な振動を発生する。測定中にこのアクチュエータ64を駆動させると、被測定面と接触子25との間に作用するファンデルワールス力を打ち消すことができる。従って、被接触面の面方向に接触子25を走査する場合のスティックスリップ等の力を低減し、より高精度の測定が可能となる。第4実施形態のその他の構成及び作用は前記第3実施形態と同様であるので、同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【0053】
図14に示すように、第1実施形態の測定用プローブ10に振動発生用のアクチュエータ64を設けても良い。同様に、第2実施形態から第3実施形態の測定用プローブ10に振動発生用のアクチュエータ64を設けてもよい。アクチュエータ64はピエゾ素子に限定されず、磁力発生部24を可動部材21の軸線28の方向に微少に振動せるものであればよい。
【0054】
(第5実施形態)
図15は本発明の第5実施形態に係る測定用プローブ10を示している。
この測定用プローブ10は、基端及び先端が互いに連結された同一形状の一対の板ばね70,70からなる弾性支持腕71を備えている。板ばね70,70は基端側の幅が先端側の幅よりも広い台形状であり、中央に切り抜き部70aが設けられている。これらの板ばね70,70はいわゆる平行リンク機構を構成している。
【0055】
弾性支持腕71の基端は光学式測定装置の本体側に固定される。一方、弾性支持腕71の先端には、被測定面に当接される接触子25と、この接触子25の背面側に設けられた反射面27とを備える可動部72が設けられている。また、弾性支持腕71の先端には磁性体74が取り付けられている。この磁性体74と対向してコイル75が設けられており、測定光L1はコイル75の中空部を介して反射面27に照射される。
【0056】
本実施形態の測定用プローブ10では、弾性支持腕71が板ばね70,70が平行な状態を維持したまま撓むことにより、接触子25に対して被測定面に対する接触圧が付与される。
【0057】
被測定物を光学式測定装置に取り付ける際には、コイル75に電流を供給する。コイル75に磁性体74が吸引されるので、弾性支持腕71が弾性的に撓み接触子25が後退する。この状態で接触子25と接触させることなく被測定物を光学測定装置に取り付けることができる。被測定物の取り付け後に、コイルに対する電流の供給を停止すると、弾性支持腕71がもとの形状に戻り、接触子25が前進して被測定面と当接する。同様に、被測定物を光学式測定装置から取り外す際にも、コイル75で磁性体74を吸引することにより接触子25を後退させ、接触子25と接触させることなく被測定物を取り外すことができる。従って、第5実施形態の測定用プローブでは、被測定面や測定用プローブ自体を損傷させることなく、光学式測定装置に対する被測定物の取り付け及び取り外しを行うことができる。
【0058】
本発明は前記実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、被測定面の形状や測定条件に応じて被測定面に接離する方向の位置を調節できるように、測定用プローブを光学式測定装置本体に取り付けてもよい。
【0059】
また、第1実施形態から第4実施形態において、強磁性体を多角形状とし、これに対応して磁力発生部を中空の多角形状としてもよい。
【0060】
さらに、厚み変動測定装置と三次元形状測定装置を例に本発明を説明したが、被測定面で反射された測定光を受光して被測定面の位置情報を得る光学式測定装置であれば、本発明の測定用プローブを使用することができ、光学式測定装置の内部構造、利用用途等は限定されない。また、光学式測定装置の測定原理も限定されず、前述の測定光と参照光との位相差あるいは行程差を利用するものの他、いわゆる三角測量の原理を利用するものや、測定光と参照光との干渉作用を利用するものであってもよい。
【0061】
さらにまた、本発明の測定用プローブにより測定される被測定面の材質は、特に限定されず、金属、ガラス、セラミック、樹脂等の任意の材料からなるものでよい。また、被測定面の一部が異なる材料からなるものであってもよい。さらに、被測定面は実質的に平坦面であるものの他、曲面であるもの、溝や孔等の凹凸があるものであってもよい。
【0062】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、第1の発明の測定用プローブでは、可動部材は先端に接触子を備え、基端に反射面が一体に形成されている。また、この可動部材は、固定部材との隙間が構成する空気軸受により支持され、磁力発生部が発生する磁力により軸線方向の力が作用する。従って、被測定面に対して接離する可動部材には機械的摩擦が作用せず、接触子の被測定面に対する追随性が良好でヒステリシスが低減され、高い測定精度が得られる。また、測定中に接触子に作用する力に予期しない急激な変化があっても、損傷のおそれがない。
【0063】
可動部材は空気軸受により非接触で保持されているので、可動部材の前進及び後退する向きは、その軸線に対して実質的に平行である。さらに、反射面は可動部材に一体に形成されているので、反射面は測定光に対して正対した姿勢を維持したままで移動する。
【0064】
先端に接触子を備える可動部材の基端に反射面が形成されているので、製造時に発生する反射面の組立てに伴う誤差をなくすことができ、反射面を測定光に対して正対するように容易に設定することができる。さらに、可動部材は空気軸受により非接触で支持されるので、可動部材を交換した際にも反射面を測定光に対して確実に正対させることができる。これらの点で、可動部材の製造及び交換が容易である。
前記磁性体は、前記可動部材の軸線に対して傾斜するように前記可動部材に取り付けられ、前記磁力発生部は、前記可動部材の軸線に対して向きが傾斜した磁場を発生する。そのため、可動部材のそれ自体の軸線回りに回転位置が固定される。従って、可動部材は軸線回りに回転せず、被測定面上での接触子の先端の位置が変化することがなく、接触子の先端が可動部材の軸線に対して多少ずれていても高精度での測定が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1実施形態に係る測定用プローブを示す断面図である。
【図2】 可動部材と磁気発生部とを示す部分斜視図である。
【図3】 (A)及び(B)は図1のIII−III線での断面図である。
【図4】 本発明の第1実施形態に係る測定用プローブを備える厚み変動測定装置を示す斜視図である。
【図5】 図4の厚み変動測定装置における参照光と測定光の光路を示す図である。
【図6】 可動部材の位置とコイルに供給される電流の関係を示す線図である。
【図7】 本発明の第2実施形態に係る測定用プローブを示す断面図である。
【図8】 本発明の第3実施形態の変形例に係る測定用プローブを示す断面図である。
【図9】 本発明の第3実施形態に係る測定用プローブを備える三次元形状測定装置を示す斜視図である。
【図10】 本発明の第3実施形態の変形例に係る測定用プローブを示す断面図である。
【図11】 本発明の第1実施形態の変形例に係る測定用プローブを示す断面図である。
【図12】 本発明の第2実施形態の変形例に係る測定用プローブを示す断面図である。
【図13】 本発明の第4実施形態に係る測定用プローブを示す断面図である。
【図14】 本発明の第1実施形態の変形例に係る測定用プローブを示す断面図である。
【図15】 本発明の第5実施形態に係る測定用プローブを示す斜視図である。
【符号の説明】
1 厚み変動測定装置
11 光学式変位計
11a 本体
20 ハウジング
21 可動部材
22 固定部材
22a 挿通孔
22b 吸気口
22c 排気口
23 強磁性体
24 磁力発生部
25 接触子
27 反射面
28,28’ 軸線
29 隙間
30 空気供給源
31 空気軸受
32A,32B,32C コイル
34 マイクロコンピュータ
35 D/Aコンバータ
36 アンプ
38 ヨーク
40 永久磁石
51 三次元形状測定装置
52 下部定石盤
53 Xテーブル
54 Yテーブル
55 保持台
57 レンズ
57a 表面
58 Z軸移動部
59 光発生部
60 光学系
61 X参照ミラー
62 Y参照ミラー
63 Z参照ミラー
64 アクチュエータ
70 板ばね
70a 切り抜き部
71 弾性支持腕
72 可動部
74 磁性体
75 コイル
Claims (4)
- 先端に被測定面に当接される接触子を備え、基端に測定光を反射する反射面が一体に形成された可動部材と、
前記可動部材が挿通される挿通孔が設けられ、この挿通孔の孔壁と前記接触子の周面との間に隙間が形成され、この隙間が前記可動部材をその軸線方向に移動可能に支持する空気軸受を構成する固定部材と、
前記可動部材の基端側に取り付けられた円環状の磁性体と、
前記磁性体を取り囲み、前記可動部材の軸線方向の磁力を発生させる磁力発生部と
を備え、
前記磁性体は、前記磁性体の軸線が前記可動部材の軸線に対して傾斜するように前記可動部材に取り付けられ、
前記磁力発生部は、前記磁力発生部の軸線が前記可動部材の軸線に対して傾斜するように固定され、前記磁性体の軸線の前記可動部材に対する傾斜と前記磁力発生部の軸線の前記可動部材に対する傾斜とが同じ傾斜である、測定用プローブ。 - 前記磁力発生部は、1個の永久磁石を備える、請求項1に記載の測定用プローブ。
- 前記磁力発生部は、磁気回路を形成するためのヨークを備える、請求項1に記載の測定用プローブ。
- 少なくとも測定光を発生する光発生部と、
先端に被測定面に当接される接触子を備え、基端に測定光を反射する反射面が一体に形成された可動部材と、前記可動部材が挿通される挿通孔が設けられ、この挿通孔の孔壁と前記接触子の周面との間に隙間が形成され、この隙間が前記可動部材をその軸線方向に移動可能に支持する空気軸受を構成する固定部材と、前記可動部材の基端側に取り付けられた円環状の磁性体と、前記磁性体を取り囲み、前記可動部材の軸線方向の磁力を発生させる磁力発生部とを備え、前記磁性体は、前記可動部材の軸線に対して傾斜するように前記可動部材に取り付けられ、前記磁力発生部は、前記可動部材の軸線に対して傾斜するように固定され、前記磁性体の軸線の前記可動部材に対する傾斜と前記磁力発生部の軸線の前記可動部材に対する傾斜とが同じ傾斜である、測定用プローブと、
少なくとも前記測定用プローブにより反射された測定光を受光する受光部と、
少なくとも前記受光部により受光された測定光に基づいて前記被測定面の位置情報を得る演算部と
を備える、光学式測定装置。
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