JP2014074648A

JP2014074648A - 接触式形状測定装置および方法

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Publication number: JP2014074648A
Application number: JP2012222144A
Authority: JP
Inventors: Akinori Miyata; 明徳宮田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2012-10-04
Filing date: 2012-10-04
Publication date: 2014-04-24

Abstract

【課題】被測定面の形状に起因して、プローブが被測定面から離れる方向あるいは近づく方句に慣性力が働くことによる接触力の変動やプローブの浮きを低減し、高精度な測定を行う接触式形状測定装置および方法を提供する。
【解決手段】プローブとプローブを支持するステージとを備え、第一の方向にステージを送りながら、プローブに対して第一の方向と異なる第二の方向に所定の接触力を加えることで、プローブを被測定面に倣い走査させて、被測定面の表面形状を測定する接触式形状測定装置において、第一の方向の送り量に応じて、第二の方向の被測定面の勾配変化量を導出する勾配変化量導出手段と、勾配変化量と同じ向きの補正力を算出する補正力演算手段とを備え、所定の接触力に補正力を加えて測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子や光学素子を製造するための成形用金型の形状を高精度に測定する接触式形状測定装置および方法に関する。

撮像カメラをはじめレーザビームプリンタ、複写機など各種光学装置の高機能化に伴い、これら光学装置に組み込まれる光学素子の形状は複雑化している。このような状況において、小さい曲率半径の表面形状、２面の境界付近の表面形状、小径の側面形状といった複雑な形状の測定ニーズが増している。複雑な形状を有する光学素子、あるいは光学素子を製造するための成形用金型の形状を測定するために、プローブを倣い走査して形状を測定する接触式形状測定装置が使用されている。

光学素子や成形用金型を被測定物として、被測定面の形状を測定する接触式形状測定装置の従来技術の一例として、特許文献１に開示された形状測定装置が挙げられる。プローブの一端を被測定面に接触させて、反対の一端の３次元位置を測定する。プローブとステージの間にはバネ機構が設けられており、つりあい位置からステージを押し込むことで接触力を得る。ステージをＸＹ方向に駆動させると、プローブはＸＹ方向に移動しながら被測定面のＺ方向の形状に倣う。ステージは、所定の接触力に対応した押し込み量を保つようにＺ方向に追従制御される。プローブを被測定面の全面に走査させることで、測定データを得る。続いて、測定データを解析して形状情報を求める。求めた形状情報は、光学素子の性能評価、あるいは成形用金型の修正加工量の計算などに用いられる。

ここで、プローブを精度良く被測定面に倣い走査させるために、プローブと被測定面との接触力を小さくすると良いことが知られている。接触力を小さくする手段として、特許文献２に開示された接触式プローブが挙げられる。この接触式プローブには、ヨーク、永久磁石およびコイルからなる磁気回路が組み込まれている。磁気回路が発生する磁気力によって、プローブにかかる重力をキャンセルする一定の力とプローブの変位にしたがって変化するバネ要素としての力を働かせる。磁気力を利用するため、接触力を小さくすることができ、高精度な測定が可能になる。

特開平１０−１９５０４号公報特開２００３−０４２７４２号公報

図８は、従来技術の課題を説明する図である。図８（ａ）は、小さい曲率半径の表面形状を測定する際の課題を説明する図である。このような表面形状を有する測定物として、マイクロレンズアレイ等が挙げられる。

プローブ１が、凸面状の形状を有する被測定面ｗ１上をＸ方向に一定速度ｖ_Ｘで走査しているとする。ｐ１の位置における被測定面ｗ１の勾配をｇ_ｐ１＝Δｚ_ｐ１／Δｘとする。記号Δを用いて、ａの微小量をΔａと表記する。微小区間Δｘ走査後のｐ２の位置における被測定面ｗ１の勾配をｇ_ｐ２＝Δｚ_ｐ２／Δｘとする。プローブ１が被測定面ｗ１上を倣い走査している場合、ｐ１の位置におけるプローブ１の速度はｖ_ｐ１＝ｖ_Ｘｇ_ｐ１である。同じくｐ２の位置におけるプローブ１の速度はｖ_ｐ２＝ｖ_Ｘｇ_ｐ２である。この時、被測定面ｗ１が凸面状であるならば、プローブ１は被測定面ｗ１に近づく方向に加速していることになる。ｐ１からｐ２への被測定面ｗ１の勾配変化量をｈ_ｐ１２＝（ｇ_ｐ２−ｇ_ｐ１）／Δｘ＝（（Δｚ_ｐ２−Δｚ_ｐ１）／Δｘ）／Δｘ＝Δ^２ｚ_ｐ１２／Δｘ^２と定義すると、プローブ１の加速度は、
ａ_ｐ１２＝ｖ_Ｘ ^２ｈ_ｐ１２
と表すことができる。プローブ１が被測定面ｗ１に近づく方向の加速度は、通常、接触力ｆｃによって生じる。言い換えると、接触力ｆｃがゼロである場合、被測定面ｗ１に近づく方向の加速度が生じない。そのため、プローブ１は被測定面ｗ１から遠ざかる方向に離れてしまう。このように、被測定面ｗ１から見て、プローブ１が離れようとする力のことを、一般的に慣性力と言う。上記における慣性力ｆｉは、加速度ａ_ｐ１２にプローブ１の質量ｍを乗じた値として計算される。
ｆｉ＝ｍａ_ｐ１２＝ｍｖ_Ｘ ^２ｈ_ｐ１２
慣性力ｆｉが働くため、プローブ１が実際に被測定面ｗ１に加えている力は、所定の接触力ｆｃより小さくなっている。ここで、慣性力ｆｉが働くことで変動する実際の接触力を実接触力ｆｒと定義する。

一般的な接触式形状測定装置において、プローブは、所定の接触力で被測定面に接触している。この際、プローブは被測定面から抗力を受ける。プローブ長手方句に直交する面に対して被測定面が傾斜している場合、プローブ長手方向に直交する方向に抗力の分力が加わる。この分力によってプローブに倒れが生じる。プローブの一端を被測定面に接触させて、反対の一端の３次元位置を測定する場合、プローブの倒れは測定誤差の要因になる。通常、プローブの倒れを含んだ状態でプローブの形状校正値を取得し、この形状校正値を用いて測定データの校正を行う。そのため、校正が正しくできていれば、プローブの倒れによる測定精度への影響は小さい。しかしながら、接触力が変動すると、形状校正値に含まれるプローブの倒れ量と実際のプローブの倒れ量と間に差が生じてしまう。これにより、プローブの倒れによる測定精度への影響が無視できなくなる。すなわち、前述した実接触力ｆｒの変動は、プローブ１の倒れ量の変動となるため、測定誤差の要因になる。

また、慣性力ｆｉが所定の接触力ｆｃを超えると、実接触力ｆｒはゼロになる。これは、プローブ１が浮いてしまい、被測定面ｗ１に倣わなくなることを示している。プローブ１が浮いてしまうと、被測定面ｗ１の形状をプローブに写し取ることができなくなるため、明らかに測定誤差の要因になる。

さらに、被測定面ｗ１の勾配変化量ｈ_ｐ１２が大きいと、慣性力ｆｉが大きくなる。つまり、被測定面ｗ１の曲率半径が小さいほど、プローブの倒れ量の変動が大きくなり、測定誤差が大きくなる。

走査速度ｖ_Ｘを大きくすると、慣性力ｆｉが大きくなる。つまり、プローブを高速に走査するほど、プローブの倒れ量の変動が大きくなり、測定誤差が大きくなる。

接触力ｆｃが小さいと、実接触力ｆｒがゼロになる閾値が下がる。つまり、接触力を小さくするほど、プローブが浮きやすくなり、測定誤差が大きくなる。

ここまでに、凸面状の形状について説明を行ったが、凹面状の形状の場合も同様である。凹面状の形状の場合は、慣性力ｆｉによって、実接触力ｆｒが大きくなる。接触力ｆｒが大きくなるとプローブの倒れ量が変動する。また、被測定面からの抗力が大きくなることで、プローブが跳ね上げられ、浮いてしまうこともある。このように、プローブの倒れ量の変動や、プローブの浮きが発生して測定誤差の要因になる。

図８（ｂ）は、２面の境界付近の表面形状を測定する際の課題を説明する図である。このような表面形状を有する測定物として、プリズムやグレーティング等が挙げられる。

プローブ１が、２面が山型になるように境界を有する被測定面ｗ２上をＸ方向に一定速度ｖ_Ｘで走査しているとする。この場合も、２面の境界付近において微小区間ΔＸの間に被測定面ｗ２の形状が急峻に変わっている。そのため、被測定面ｗ２から見て、プローブ１が離れようとする慣性力ｆｉが働く。すなわち、プローブの倒れ量の変動や、プローブの浮きが発生して測定誤差の要因になる。

図８（ｃ）は、小径の側面形状を測定する際の課題を説明する図である。このような表面形状を有する測定物として、カメラレンズやピックアップレンズ等が挙げられる。
プローブ１が円筒状の被測定面ｗｂ上を一定の接線速度ｖ_ｔで走査しているとする。円筒の曲率半径Ｒとすると、角速度ω＝Δθ／Δｔは、接線速度ｖ_ｔを曲率半径Ｒで割って、ω＝ｖ_ｔ／Ｒと表される。この時、プローブ１は、中心方向にａ_ｐ１２＝Ｒω^２だけ加速している。言い換えると、被測定面ｗｂから見て、プローブ１が離れようとする慣性力が働いている。すなわち、プローブの倒れ量の変動や、プローブの浮きが発生して測定誤差の要因になる。

上記で示したように、被測定面から見て、プローブが被測定面から離れる方向あるいは近づく方句に慣性力が働き、接触力が変動するという問題が生じている。特に接触力が小さい場合、プローブが浮いてしまうという問題が生じている。そこで、本発明は、被測定面の形状に起因するプローブ慣性力による接触力の変動やプローブの浮きを低減し、高精度な測定を行う接触式形状測定装置および方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本出願に係る発明は、プローブとプローブを支持するステージとを備え、第一の方向にステージを送りながら、プローブに対して第一の方向と異なる第二の方向に所定の接触力を加えることで、プローブを被測定面に倣い走査させて、被測定面の表面形状を測定する接触式形状測定装置において、第一の方向の送り量に応じて、第二の方向の被測定面の勾配変化量を導出する勾配変化量導出手段と、勾配変化量と同じ向きの補正力を算出する補正力演算手段とを備え、所定の接触力に補正力を加えて測定することを特徴とする。

また、ステージにプローブを支持し、第一の方向にステージを送りながら、プローブに対して第一の方向と異なる第二の方向に所定の接触力を加えることで、プローブを被測定面に倣い走査させて、被測定面の表面形状を測定する接触式形状測定方法において、第一の方向の送り量に応じて、第二の方向の被測定面の勾配変化量を導出し、勾配変化量と同じ向きに補正力を算出し、所定の接触力に補正力を加えて測定することを特徴とする。

本発明の形状測定装置および方法によれば、ステージの送り量に応じて、被測定面の勾配変化量を導出し、勾配変化量と同じ向きの補正力を加えることで、被測定面の形状に起因するプローブ慣性力を打ち消して、プローブが被測定面に実際に加える接触力の変動を低減することができる。よって、高精度な測定を行うことができる。

さらに、勾配変化量に係数を乗じて補正力を算出することで、プローブが被測定面に実際に加える接触力の変動をより適切に低減できる効果がある。

さらに、第一の方向を直交座標系のＸＹ平面上とし、第二の方向をＺ方向とすると、装置構成が比較的簡単でありながら、光学素子の表面形状を測定するのに好適な構成となる。

さらに、第一の方向を被測定面の接面上とし、第二の方向を被測定面の法線方向とすると、プローブが被測定面の法線方向に倣うため、精度良く測定するのに好適な構成となる。

本発明の第一実施例に係わる接触式形状測定装置の構成を説明する図である。本発明の第一実施例に係わる補正力を算出する方法を説明するフローチャートである。本発明の第一実施例に係わる補正力の向きを説明する図である。本発明の第二実施例に係わる接触式形状測定装置の構成を説明する図である。小さい曲率半径の表面形状の測定におけるプローブ軌跡をコンピュータ演算した結果を表す図である。２面の境界付近の表面形状の測定におけるプローブ軌跡をコンピュータ演算した結果を表す図である。本発明の第三実施例に係わる接触式形状測定装置の構成を説明する図である。従来技術の課題を説明する図である。

以下、本発明を実施するための各形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の第一実施例に係わる接触式形状測定装置の構成を説明する図である。

ステージ６に支持されているプローブ１は、被測定物２の被測定面ｗを倣い走査する。プローブ１はリニアガイド３を介して、ハウジング４に支持されている。これにより、ハウジング４に対して１軸方向に移動することができる。つまり、リニアガイド３は、移動方向には摩擦抵抗や粘性抵抗を小さくして動き易く、移動方向に直交する方向には剛性を高くして動き難い構造としている。このような特性を得る手段として、空気軸受等が挙げられる。プローブ１とハウジング４の間には、バネ機構５が設けられている。また、ハウジング４はステージ６の被測定物２に対向した下面６ａの先端部に取り付けられている。被測定物２は、台座１４上に載置されている。

ハウジング４が取り付けられているステージ６の先端部には、貫通孔６ｂが設けられている。プローブ１の軸方向の端部１ｄに取り付けられたミラー１ｍの３次元位置データを測定する（後述）。３次元位置の測定データは、信号線２０及び信号線２１を介して測定データ演算手段１３に送られる。また、測定された３次元位置の測定データは、信号線２０及び信号線２２を介してＺ駆動制御手段１２にも送信される。

プローブ１は、プローブシャフト１ａ、プローブシャフト１ａの軸方向の一端に取り付けられたプローブチップ１ｂ、プローブチップ１ｂの先端に配置された球１ｃを備えている。プローブシャフト１ａは、ハウジング４の壁から内方に延在するフランジ部４ａの先端に配置されたリニアガイド３により軸方向に移動可能に支持されている。フランジ部４ａは、ハウジング４の軸方向に所定間隔で２箇所に設けられている。

図３及び図７に示すように、プローブチップ１ｂの先端に配置された球１ｃは、プローブシャフト１ａに挿着され、外部に延伸自在のプローブロッド１ｄの先端に固定されている。従って、球１ｃは、プローブロッド１ｄの伸張に応じてプローブチップ１ｂの先端から突出する。

バネ機構５は、リニアガイド３の移動軸に沿った方向に対して、プローブ１とステージ６との相対位置に従った力を発生するバネ要素として働く。ここで、リニアガイド３の移動軸は重力方向（Ｚ方向）とする。バネ機構５としては、材料剛性を利用した板バネや磁気力を利用した磁気バネが挙げられる。また、リニアガイド３とバネ機構５を別体の構成としたが、一体構成として２つの機能を得ることもできる。例えば、プローブ１の上下に板バネを２枚並列に取り付ける構成が挙げられる。

プローブ１とステージ６とのＺ方向の相対位置に関して、特にプローブ１にかかる重力とバネ機構５によって発生する力がつりあう状態の位置を、中立位置と定義する。プローブ１が被測定面ｗに接している状態で、ステージ６が中立位置から押し込まれると、押し込まれた量に従った力がプローブ１に加わる。このようにして、プローブ１に加わる力を接触力とする。静的な状態であれば、プローブ１に加わる接触力と同じ力が被測定面ｗのＺ方向にも加わる。また、ステージ６を中立位置から押し込む量を押し込み量とする。

プローブ１の軸方向の他の端部１ｄにはミラー１ｍが取り付けられており、レーザ測長等を利用してプローブ１の３次元位置を測定することができる。ステージ６の貫通孔６ｂより更に先端に位置する端部の上面６ｃにはミラー６ｍが取り付けられており、同様にステージ６の３次元位置を測定することができる。ミラー６ｍによって得られた３次元位置の測定データは、信号線２３及び信号線２２を介してＺ駆動制御手段１２に送られる。また、プローブ１とステージ６の３次元位置の測定データから、両者のＺ方向の相対位置を得ることができる。

ステージ６には、Ｚ駆動手段７とＸＹ駆動手段８が取り付けられている。Ｚ駆動手段７は、ステージ６をＺ軸並進方向に駆動することができる。ＸＹ駆動手段８は、ステージ６をＸＹ軸並進方向に駆動することができる。ここで、ステージ６を駆動するための駆動手段の駆動軸は、並進方向や回転方向、あるいはそれらの組み合わせ等適宜変更しても良い。ＸＹ駆動手段８は、ベース部材１５上に載置されている。

ＸＹ駆動手段８を駆動して、ステージ６を直交座標系のＸＹ平面上（第一の方向）に移動させると、プローブ１はＸＹ方向に移動しながら被測定面ｗのＺ方向の形状に倣う。この時、同時にＺ駆動手段７も後述する方法で駆動する。

勾配変化量導出手段１０は、予め保管しておいた被測定面ｗの勾配変化量ｈの情報を導出し、補正力演算手段１１に送る。補正力演算手段１１は、勾配変化量ｈの情報に基づいて補正力ｆａを算出する。その後、補正力ｆａの情報をＺ駆動制御手段１２に送る。プローブ１とステージ６のＺ方向（第二の方向）の相対位置の情報も同じくＺ駆動制御手段１２に送られる。

Ｚ駆動制御手段１２には、予め所定の接触力ｆｃを発生させるために必要な押し込み量Ａが保存されている。さらに、補正力ｆａを発生させるために必要なステージ６の押し込み量Ｂを求める。押し込み量Ａと押し込み量Ｂを合計した量が目標とする押し込み量となる。Ｚ駆動制御手段１２は、現在の押し込み量と、目標とする押し込み量との差が小さくなるようなステージ６のＺ方向の駆動量を求める。現在の押し込み量は、プローブ１とステージ６のＺ方向の相対位置より求めることができる。求めた駆動量の情報をＺ駆動手段７に送る。Ｚ駆動手段７は、駆動量の情報に基づいてステージ６をＺ方向に駆動する。ステージ６が目標とする押し込み量になっていれば、プローブ１に所定の接触力ｆｃと補正力ｆａとを合計した力が加わる。

プローブ１の３次元位置の測定データは、測定データ演算手段１３にも送られる。被測定面ｗの全面を走査して測定データを取得した後、測定データ演算手段１３は、必要に応じて測定データを解析し、形状情報として出力する。形状情報は、光学素子の性能評価、あるいは成形用金型の修正加工量の計算などに用いられる。

続けて、補正力ｆａを算出する方法を、図２のフローチャートを参考に説明する。

Ｓ１０１で演算を開始する。Ｓ１０２で補正力ｆａを加える離散時間Δｔを定める。Ｓ１０３でステージ送り方向に、ステージ送り座標点列｛ｓ｝を定める。｛｝は点列データであることを表す。ステージをＸＹ方向に送る場合、｛ｓ｝＝｛（Ｘ、Ｙ）｝である。Ｓ１０４でステージ送り座標点列｛ｓ｝に対応したステージ送り速度点列｛ｖ｝＝｛（ｖＸ、ｖＹ）｝を定める。ステージ送り座標点列｛ｓ｝とステージ送り速度点列｛ｖ｝に基づいて、ＸＹ駆動手段８を駆動する。これにより、ステージ６をＸＹ方向に指定の走査軌跡で動かすことができる。プローブ１のＸＹ方向の動きも、ステージ６のＸＹ方向の動きに従って決まる。

次に、Ｓ１０５で、被測定面の勾配変化量ｈを表す勾配変化量点列｛ｈ｝＝｛Δ^２Ｚ／Δｓ^２｝を定める。ここで、｛Δｓ｝は、｛Δｓ｝＝｛ｖ｝Δｔである。Ｓ１０６で補正力点列｛ｆａ｝＝α｛ｖ^２ｈ｝＝α｛ｖ^２（Δ^２Ｚ／Δｓ^２）｝を演算し、算出する。αは補正力係数である。補正力係数αをプローブ１の質量ｍと等しく設定すると、補正力ｆａは、慣性力ｆｉと等しくなる。実際には、質量ｍの測定誤差や測定ノイズ等を考慮して決める。補正力点列｛ｆａ｝をステージ送り座標点列｛ｓ｝と対応させて予め算出しておけば、ステージ６がステージ送り座標点列｛ｓ｝上のある座標を通過するタイミングで、対応する補正力ｆａをプローブ１に加えることができる。ここで、離散時間Δｔを一律として説明しているが、勾配変化量ｈが急峻な場所では細かく設定し、勾配変化量ｈが緩やかな場所では粗く設定するように、場所に応じて可変としても良い。Ｓ１０７で演算を終了する。

図３は、本発明の第一実施例に係わる補正力の向きを説明する図である。図３（ａ）は、凸面状の被測定面である場合の補正力ｆａの向きを表している。被測定面ｗがＺ方向の下側にあるため、所定の接触力ｆｃは下向きに加えられる。また、被測定面ｗが凸面状であれば、勾配変化量ｈは下向きになる。勾配変化量ｈが下向きである場合、慣性力ｆｉは、勾配変化量ｈの反対方向の上向きに働く。ここで、補正力ｆａは、前述したように慣性力ｆｉが働くことによる実接触力ｆｒの変動を低減することが目的である。そのため、補正力ｆａを、慣性力ｆｉの反対方向の下向きに加える。

図３（ｂ）は、凹面状の被測定面である場合の補正力ｆａの向きを表している。凹面状の被測定面であれば、勾配変化量ｈは上向きになる。勾配変化量ｈが上向きである場合、慣性力ｆｉは、勾配変化量ｈの反対方向の下向きに働く。そのため、補正力ｆａを上向きに加える。

上記で示したように補正力ｆａはいずれも勾配変化量ｈと同じ向きになる。勾配変化量ｈと同じ向きの補正力ｆａを加えれば、補正力ｆａと慣性力ｆｉとが互いに打ち消し合い、実接触力ｆｒの変動を低減できる。実接触力ｆｒの変動を低減できれば、プローブの倒れ量の変動や、プローブの浮きの発生を抑えることができる。すなわち、高精度な測定を行うことができる。

図４は、本発明の第二実施例に係わる接触式形状測定装置の構成を説明する図である。第二実施例では、第一実施例に対して補正力発生手段９が追加されている。従って、第一実施例と同じ部分の説明は省略している。補正力発生手段９は、ヨーク、永久磁石、コイル（それぞれ不図示）からなる磁気回路で構成されている。そして、補正力演算手段１１から受け取った補正力の情報に基づいて、コイルに流れる電流を制御する。これにより、プローブ１に補正力を加える。このような構成にすれば、第一実施例のようにステージ６の押し込み量を制御することで補正力を加える構成に比べて、高速に補正力を制御することができる。

図５は、小さい曲率半径の表面形状の測定におけるプローブ軌跡をコンピュータ演算した結果を表す図である。ステージをＸ方向に送った場合のプローブ軌跡（ＸＺ方向）を表している。横軸がＸ方向、縦軸がＺ方向である。プローブ軌跡１０１は本発明の装置を用いた場合である。プローブ軌跡１０２は従来の装置を用いた場合である。被測定面は、曲率半径１ｍｍの凸球面とする。プローブ質量を１０ｇとする。ステージを図５の左側（傾斜角度が緩やかな側）から右側（傾斜角度が急な側）に傾斜を下る方向に送っている。ステージ送り速度を２ｍｍ／ｓとする。横軸は傾斜面が４５°付近から９０°付近を表している。２つのプローブ軌跡を比較すると、図５の右側において、両者の差が大きくなっている。これは、プローブ軌跡１０１が被測定面を倣い走査しているのに対して、プローブ軌跡１０２が被測定面から離れ、浮いている状態を示している。

図６は、２面の境界付近の表面形状の測定におけるプローブ軌跡をコンピュータ演算した結果を表す図である。ステージをＸ方向に送った場合のプローブ軌跡（ＸＺ方向）を表している。横軸がＸ方向、縦軸がＺ方向である。プローブ軌跡２０１は本発明の装置を用いた場合である。プローブ軌跡２０２は従来の装置を用いた場合である。被測定面は、両開角１５０°の山型の形状を有する面である。対称に設置されているならば、１５°の上り傾斜面と１５°の下り傾斜面の境界を有する面とも言える。プローブ質量を１０ｇとする。ステージを図６の左側（上り傾斜面側）から右側（下り傾斜面側）に送っている。ステージ送り速度を２ｍｍ／ｓとする。２つのプローブ軌跡を比較すると、山型の頂点を境界に、両者の差が大きくなっている。これは、プローブ軌跡２０１が被測定面を倣い走査しているのに対して、プローブ軌跡２０２は被測定面から離れ、浮いている状態を示している。

上記２つの結果から、勾配変化量と同じ向きに補正力を加えることにより、慣性力を打ち消すことができ、被測定面に実際に加わる接触力の変動やプローブの浮きを抑えることができることがわかる。よって、高精度な測定を行うことができる。

図７は、本発明の第三実施例に係わる接触式形状測定装置の構成を説明する図である。第三実施例では、Ｚ方向に駆動するリニアガイド３の代わりに、Ｘ軸回りとＹ軸回りに回転する回転ガイド３ｂが取り付けられている。また、Ｚ駆動手段１２の代わりに、ＸＹ駆動制御手段１２ｂが取り付けられている。ＸＹ駆動制御手段１２ｂからの駆動量の情報は、ＸＹ駆動手段８に送られる。これにより、被測定物２の円筒状の側面ｗｂを測定しやすくしている。

本実施例では、プローブ１は、プローブチップ１ｂから延伸するプローブロッド１ｄの先端に取り付けた球１ｃが、被測定物２の円筒状の側面ｗｂに接触することで表面形状を測定している。

具体的な駆動方法は、ステージ６を側面の接面上に送りながら、側面の法線方向に接触力を加える。または、ステージ６をＸＺ平面（もしくはＹＺ平面）に送りながら、Ｙ方向（もしくはＸ方向）に接触力を加える。このような構成によれば、被測定物２の円筒状の側面のように垂直な面においても、所定の接触力に慣性力に応じた補正力を加えることで、測定面に実際に加わる接触力の変動やプローブの浮きを抑えることができる。

１プローブ
２被測定物
６ステージ
９補正力発生手段
１０勾配変化量導出手段
１１補正力演算手段
１２Ｚ駆動制御手段
１２ｂＸＹ駆動制御手段
１３測定データ演算手段
ｆａ補正力
ｆｃ所定の接触力
ｆｉ慣性力
ｆｒ実接触力
ｈ勾配変化量
ｗ、ｗｂ被測定面
１０１、２０１本発明によるプローブ軌跡
１０２、２０２従来技術によるプローブ軌跡

Claims

プローブとプローブを支持するステージとを備え、第一の方向にステージを送りながら、プローブに対して第一の方向と異なる第二の方向に所定の接触力を加えることで、プローブを被測定面に倣い走査させて、被測定面の表面形状を測定する接触式形状測定装置において、第一の方向の送り量に応じて、第二の方向の被測定面の勾配変化量を導出する勾配変化量導出手段と、勾配変化量と同じ向きの補正力を算出する補正力演算手段とを備え、所定の接触力に補正力を加えて測定することを特徴とする接触式形状測定装置。
勾配変化量に係数を乗じて補正力を算出することを特徴とする請求項１に記載の接触式形状測定装置。
第一の方向は直交座標系のＸＹ平面上の方向であり、第二の方向はＺ方向であることを特徴とする請求項１に記載の接触式形状測定装置。
第一の方向は被測定面の接面上の方向であり、第二の方向は被測定面の法線方向であることを特徴とする請求項１に記載の接触式形状測定装置。
ステージにプローブを支持し、第一の方向にステージを送りながら、プローブに対して第一の方向と異なる第二の方向に所定の接触力を加えることで、プローブを被測定面に倣い走査させて、被測定面の表面形状を測定する接触式形状測定方法において、第一の方向の送り量に応じて、第二の方向の被測定面の勾配変化量を導出し、勾配変化量と同じ向きに補正力を算出し、所定の接触力に補正力を加えて測定することを特徴とする接触式形状測定方法。