JP2006284410A - 形状測定装置用プローブ、形状測定装置及び方法 - Google Patents
形状測定装置用プローブ、形状測定装置及び方法 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】 取付用部材110に対してスタイラス121を有する揺動部材120を任意方向に傾斜可能にして取付用部材110に連結する連結機構130を設け、上記揺動部材の傾斜角度の大きさがほぼ一定になるよう制御しながら、被測定面51を走査する。この構成により、Z方向にはほぼ平行で、XY方向の任意方向に傾斜した側面形状を測定することができる。
【選択図】図1
Description
図21の(a)において、被測定面Sに対してプローブ10がYZ方向に動くとき、被測定面SにおけるX方向への変位に従って、スタイラス1を有するアーム3は、ほぼX方向に沿って傾く。一方、半導体レーザ投光部6からレーザ光がアーム3の上面のミラー2に照射されており、ミラー2からの反射光に基づきアーム3の傾きが光位置検出手段7にて検知される。検知された傾きが一定になるように、プローブ10全体をX方向に動かし、該移動量からプローブ10全体のX座標測定値を得、さらに該X座標測定値に光位置検出手段7にて検出されたスタイラス1の変位量を加算することにより、被測定面SのX方向への変位量を示すX座標が高精度に測定される。
このようにプローブ10では、その構造上、測定物の上記上面は測定できない。
又、上記特許文献2のプローブ60では、上述のように、測定物における、垂直方向に沿う側面は測定することができないという課題がある。
即ち、本発明の第1態様の形状測定装置用プローブは、測定物の被測定面に接触するスタイラスと測定用レーザ光を反射するミラーとを有する測定面接触部と、
上記測定面接触部を形状測定装置に取り付ける取付用部材と、
上記測定面接触部が上記取付用部材に対していずれの方向にも傾斜可能に上記測定面接触部を上記取付用部材に支持させる連結機構と、
を備えたことを特徴とする。
上記形状測定装置用プローブへ照射され測定物の被測定面における測定点の位置情報を求めるための測定用レーザ光を発生するレーザ光発生部と、
上記形状測定装置用プローブに備わるミラーにて反射した反射光に基づき上記形状測定装置用プローブの測定面接触部の傾斜角度を検出して上記測定点の位置情報を求める測定点情報決定部と、
を備えたことを特徴とする。
上記角度信号の大きさをほぼ一定としかつ上記スタイラスを有する揺動部材をいずれの方向にも傾斜させるように上記ステージの動作を制御する制御装置と、をさらに備えるように構成してもよい。
即ち、形状測定装置用プローブとして、
形状測定装置に取り付け可能な取付用部材と、
測定物の被測定面に接触するスタイラスを立設しかつ上記取付用部材を通過した測定用レーザ光を反射するミラーを設け、上記被測定面の形状に応じた上記スタイラスの変位に対応して上記取付用部材に対して揺動する揺動部材と、
上記ミラーに照射される上記測定用レーザ光の光軸に対して交差するいずれの方向にも上記揺動部材を傾斜させて揺動可能にして上記揺動部材を上記取付用部材に支持する連結機構と、
を備えたことを特徴とする。
上記支点用部材は、上記取付用部材と上記揺動部材とに挟まれて配置され上記連結部材の上記復元力により上記取付用部材及び上記揺動部材に接触し、上記光軸に対して上記揺動部材が傾斜したとき上記揺動部材の揺動の支点となる部材であるように構成してもよい。
上記支点用部材は、上記固定側面及び上記揺動側面のいずれか一方の面に固定される固定部と、上記揺動部材が傾斜したとき上記固定側面及び上記揺動側面のいずれか他方の面と点接触する尖端を含み上記揺動部材の揺動の支点となる支点部とを有するように構成してもよい。
又、上記形状測定装置用プローブを備えた形状測定装置にて測定可能な被測定面は、該被測定面における接線方向と垂直方向との交差角度θにて0度から最大で約30度までの間の角度にてなる面である。
図1に示す形状測定装置用プローブ101は、上記形状測定装置201に備わり測定対象となる測定物50の被測定面51に接触する部分を有する物で、図21を参照して説明した従来のプローブ10ではアーム3がX方向に沿う一方向にのみ傾斜可能であるのに対し、当該プローブ101では、X,Y方向を問わずいずれの方向にもアーム122を傾斜可能とする構成を有する。このようなプローブ101は、取付用部材110と、測定面接触部としての機能を果たす一例に相当する揺動部材120と、連結機構130とを備える。
尚、本実施形態では、スタイラス121は、例えば約0.3mm〜約2mmの直径を有する球状体であり、アーム122は、太さが一例として約0.7mmで、アーム固定部125からスタイラス121の中心まで一例として約10mmの長さLにてなる棒状体である。これらの値は、被測定面51の形状により適宜変更される。又、揺動部材120の形状も上述の円板状に限定するものではない。
又、本実施形態では、尖端1322aを含み支点部1322は、一周連続して形成されているが、揺動部材120がいずれの方向にも自由に傾斜可能という機能を満足する限り、上記連続形成に限定されず、支点部1322は、複数の尖端1322aの集合から形成されてもよい。
即ち、取付用部材110からコイルバネ1311にて吊り下げられている揺動部材120は、コイルバネ1311の復元力により取付用部材110側へ引っ張られている。よって、揺動部材120の揺動側面124aに固定部1321を配した支点用部材132は、取付用部材110の固定側面110bとの間に挟まれ、支点用部材132の尖端1322aが固定側面110bに接触している。上述のように各コイルバネ1311における復元力は、同一であることから、取付用部材110に対して揺動部材120が傾斜していない状態、つまり上記初期状態に揺動部材120があるとき、支点用部材132の全周において尖端1322aが取付用部材110の固定側面110bに接触している。又、このとき、本実施形態では、揺動部材120に備わるアーム122は、鉛直方向に沿って位置する。
上記形状測定装置は、一般的に、プローブを被測定物に接触させ、該接触力がほぼ一定になるように上記プローブの移動を制御しつつ、上記プローブを測定物50の被測定面51に沿って移動させて、レーザ測長器と基準平面ミラーとを利用して、上記プローブと基準面との位置関係に基づき、被測定面51の表面形状を測定、演算するものである。このような形状測定装置として、主として例えば約400mm角の大きさを有する比較的大型の測定物の測定用であり図7に示すように、測定物50を定盤上に固定して、プローブをX軸、Y軸、及びZ軸の全方向に移動させるタイプと、主として例えば約200mm角以下の大きさを有する中型及び小型の測定物の測定用であり図8に示すように、測定物50を載置したステージをX軸及びY軸方向に移動させ、一方、プローブのみをZ軸方向に移動させるタイプとが存在する。上述した形状測定装置用プローブ101は、いずれのタイプの測定装置にも適用可能である。
測定点情報決定部220には、測定点51aの位置情報を得るための光学系221と、傾斜角度検出部222と、スタイラス位置演算部223と、位置座標測定部224と、加算部225とを有する。これらの傾斜角度検出部222、スタイラス位置演算部223、位置座標測定部224、及び加算部225は、上記レーザ測長部に相当する部分であり、光学系221に接続され実際に上記位置情報を求めるための構成部分である。
図9に示すように、Z−テーブル293の下端に取り付けられている形状測定装置用プローブ101に備わる揺動部材120に取り付けられているミラー123の中心点123aへ、測定用レーザ光211の一部がフォーカスレンズを介して照射される。照射されたレーザ光211は、ミラー123にて反射し、該反射光211bは、光分離部2211に備わるミラー2211aにて傾斜角度検出部222へ照射される。傾斜角度検出部222は、反射光211bを受光し電気信号に変換する受光面2221を有する光検出器にて構成され、受光面2221は、それぞれ独立して光電変換を行う複数の受光領域に区画されている。本実施形態では図10に示すように、受光面2221を田の字状、つまり十字状に4つの受光領域222a〜222dに区画している。尚、受光領域の数、及び形状は、図示の形態に限定されるものではなく、測定精度等との関係に基づいて適宜設定することができる。
したがって、基準照射領域2223に対応する、スタイラス121の基準変位量と、変位照射領域2225に対応する凹凸変位量との差を求めることで、上記微細凹凸の大きさを求めることができる。
よって、加算部225は、位置座標測定部224にて求まる、測定点51aにおけるX座標値、Y座標値、及びZ座標値と、スタイラス位置演算部223にて求まる測定点51aの上記微細凹凸の大きさとを加算して、上記微細凹凸量を加味した測定点51aにおける測定X座標値、測定Y座標値、及び測定Z座標値を求める。
このような測定動作に基づき、上述したように、スタイラス位置演算部223及び位置座標測定部224を介して、加算部225により、被測定面51の測定点51aにおける、上記凹凸も含めて、上記測定X座標値、測定Y座標値、及び測定Z座標値が求められる。
上述の形状測定装置201と形状測定装置202との相違点は、(1)Z−テーブル293におけるプローブ取り付け部分について、図17に示すように、プローブ101と、図22に示した特許文献2に記載される従来の三次元形状測定用プローブ60との両方が着脱可能なプローブ取替部2931を設けた点、及び(2)上記プローブ60をZ−テーブル293に装着したときに機能する部分であり当該プローブ60の被測定面51に対する接触圧をほぼ一定に保持するためのサーボ部230を設けた点である。尚、プローブ60は、第2プローブとして機能する一例である。
56b…第2被測定面、60…プローブ、
101…プローブ、110…取付用部材、110b…固定側面、
112…位置ずれ防止部、120…揺動部材、121…スタイラス、
123…ミラー、124a…揺動側面、130…連結機構、131…連結部材、
132…支点用部材、
201,202…形状測定装置、210…レーザ光発生部、
211…測定用レーザ光、211a…光軸、211b…反射光、
220…測定点情報決定部、222…傾斜角度検出部、
222a〜222d…受光領域、223…スタイラス位置演算部、
224…位置座標測定部、225…加算部、230…サーボ部、
280…制御装置、291、295…ステージ、
1311…コイルバネ、1312…磁性体、1313…磁石、
1321…固定部、1322…支点部、1322a…尖端、
2211…光分離部、2221…受光面、2931…プローブ取替部。
Claims (12)
- 測定物の被測定面に接触するスタイラスと測定用レーザ光を反射するミラーとを有する測定面接触部と、
上記測定面接触部を形状測定装置に取り付ける取付用部材と、
上記測定面接触部が上記取付用部材に対していずれの方向にも傾斜可能に上記測定面接触部を上記取付用部材に支持させる連結機構と、
を備えたことを特徴とする形状測定装置用プローブ。 - 上記連結機構は、連結部材と支点用部材とを有し、上記支点用部材は、上記取付用部材と上記測定面接触部との間に配置され上記測定面接触部が傾斜する支点となる、請求項1記載の形状測定装置用プローブ。
- 上記支点用部材は、上記取付用部材及び上記測定面接触部のいずれか一方に固定される固定部と、上記取付用部材及び上記測定面接触部のいずれか他方と点接触する尖端を含み上記測定面接触部が傾斜する支点となる支点部とを有する、請求項2記載の形状測定装置用プローブ。
- 上記連結部材は、複数の弾性体からなり、上記取付用部材及び上記測定面接触部の周囲に沿って互いに等間隔に配置され、上記支点用部材は、三角形状の断面を有するリング状にてなる、請求項2又は3に記載の形状測定装置用プローブ。
- 上記連結部材は、上記取付用部材及び上記測定面接触部のいずれか一方が磁性体からなり、いずれか他方に磁石が配置されている、請求項2又は3に記載の形状測定装置用プローブ。
- 請求項1から5のいずれかに記載の形状測定装置用プローブと、
上記形状測定装置用プローブへ照射され測定物の被測定面における測定点の位置情報を求めるための測定用レーザ光を発生するレーザ光発生部と、
上記形状測定装置用プローブに備わるミラーにて反射した反射光に基づき上記形状測定装置用プローブの測定面接触部の傾斜角度を検出して上記測定点の位置情報を求める測定点情報決定部と、
を備えたことを特徴とする形状測定装置。 - 上記測定点情報決定部は、上記傾斜角度を検出する傾斜角度検出部と、該傾斜角度検出部から得られた角度信号を上記形状測定装置用プローブに備わる取付用部材に対するスタイラスの変位量に変換するスタイラス位置演算部と、上記測定用レーザ光を用いて、上記取付用部材に対する上記測定点の相対位置座標値を求める位置座標測定部と、上記相対位置座標値に上記スタイラスの変位量を加算して上記測定点の位置情報を求める加算部とを有する、請求項6記載の形状測定装置。
- 上記傾斜角度検出部は、上記反射光を受光する光検出器を有し、該光検出器は、それぞれ独立して光電変換を行う複数の受光領域に区画された一つの受光面を有する、請求項7記載の形状測定装置。
- 上記被測定面は、上記ミラーに照射される測定用レーザ光の光軸に平行となる0度から最大30度までの間の角度にて交差する接線を有する面である、請求項6から8のいずれかに記載の形状測定装置。
- 上記形状測定装置用プローブの取付用部材が着脱可能なプローブ取替部をさらに備えた請求項6から9のいずれかに記載の形状測定装置。
- スタイラスを測定物の被測定面に押圧するとともに、上記スタイラスを上記被測定面に沿って鉛直軸を中心として円状に移動させ、測定用レーザ光により上記スタイラスの傾斜角度を検出して上記被測定面の測定点の位置情報を求めて上記被測定面の形状測定を行うことを特徴とする形状測定方法。
- 上記形状測定は、上記スタイラスに対する上記測定点との相対位置座標値を求め、上記測定点における形状により生じる上記スタイラスの上記傾斜角度に基づいて変位量を求め、上記変位量と上記相対位置座標値とより上記測定点の位置情報を求める、請求項11記載の形状測定方法。
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