JP6294111B2 - 表面形状計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、表面形状計測装置に関する。

表面形状測定する技術は、例えば、特許文献１、特許文献２が公知である。
特許文献１の表面形状計測装置は、移動体と、測定物の被検面に接触する触針と、前記触針を移動体に対して支持する荷重制御機構と、前記荷重制御機構に含まれる弾性体と、移動体の変位を検出する変位検出手段を有する。また、前記表面形状計測装置は、前記変位検出手段の前記弾性体及び前記移動体の変位の検出に応じて前記荷重制御機構を制御する制御装置を有する。前記制御装置は、前記移動体の移動により前記被検面に前記触針を接触させつつ設定荷重まで荷重を印加して前記移動体の変位量と前記弾性体の変位量との差が前記設定荷重に相当する変位量と等しくなるように移動体の位置を制御するようにしている。特許文献１では、上記のように構成することにより、被検面の形状変化への追従性が向上する利点がある。

特許文献２の表面形状計測装置は、被測定物表面を測定子が走査する際に前記測定子に作用する作用力を検出する作用力センサと、作用力センサが検出した作用力に基づいて前記測定子の変位情報を算出する変位情報算出回路を有する。また、特許文献２の表面形状計測装置は、前記変位情報算出回路により得られた前記測定子の前記変位情報に基づいて前記作用力が一定となるように前記測定子を変位させる駆動機構を駆動制御するようにしている。特許文献２では上記のように構成することにより、測定データのばらつき幅を小さくして測定速度を向上できる利点がある。

特許第２９６６２１４号 特許第４１６７０３１号

ところが、特許文献１では、移動体の位置制御（すなわち、触針の位置制御）と、触針の力制御を共に行う必要があり、制御が難しくなる問題がある。また、特許文献２では、測定子の力制御が必要となる問題がある。

本発明の目的は、測定物の被検面の形状検出を行う変位センサの力制御が必要でなく、簡単な構成により測定物の被検面を測定することができる表面形状計測装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、本発明の表面形状計測装置は、測定物の被検面に点接触する３つの脚を有するホルダと、測定時の走査方向において離間する２つの前記脚間に位置するように前記ホルダに設けられるとともに、前記被検面の形状を計測する変位センサと、前記ホルダに対し有弾性の連結部材を介して連結される剛体部材とを有し、前記連結部材は、前記ホルダと前記測定物とが前記走査方向に相対移動する間、前記剛体部材に連結状態で前記ホルダを引きずるとともに前記剛体部材からの振動を吸収するものである。

また、前記連結部材を板バネで形成してもよい。
また、前記連結部材をコイルバネで形成してもよい。
また、前記脚は前記測定物に点接触する部位が曲面を有することが好ましい。

また、前記ホルダ及び脚が、低熱膨張材質からなることが好ましい。
また、上記表面形状計測装置を曲面形状計測装置としてもよい。

本発明によれば、測定物の被検面の形状検出を行う変位センサの力制御が必要でなく、簡単な構成により測定物の被検面を測定することができる。

一実施形態の表面形状計測装置の側面図。 ホルダの底面図。 表面形状計測装置により複数回測定した測定値の平均値からのばらつきを示す特性図。 他の実施形態の表面形状計測装置の側面図。

（第１実施形態）
以下、本発明を具体化した一実施形態の表面形状計測装置を図１〜図３を参照して説明する。

図１に示すように、表面形状計測装置１０は、ホルダ２０と、ホルダ２０の下面に設けられた３つの脚３０、４０、５０と、ホルダ２０に取付けられた変位センサ６０を有する。ホルダ２０は、熱膨張が極めて低い低熱膨張材質にて形成されている。低熱膨張材質のものとしては、例えば、低熱膨張金属、低熱膨張ガラス、低熱膨張セラミックス等を挙げることができる。なお、前記低熱膨張材質の代わりに、常温付近では熱膨張がないゼロ熱膨張ガラスとしてもよい。また、低熱膨張ガラス、ゼロ熱膨張ガラスとしては、レンズガラスを挙げることができる。低熱膨張金属は、例えば、インバー、スーパーインバー、或いは、コバール等を挙げることができる。本実施形態では、ホルダ２０はスーパーインバーにて構成されている。

図２に示すように脚３０、４０、５０は、三角形の頂点にそれぞれ位置するように配置されている。前記三角形は、正三角形、二等辺三角形に限ることなく、ホルダ２０を測定物１００の被検面１００ａに対して載置した場合、安定できる適宜の形状であればよい。

前記脚３０、４０、５０は、測定物１００の被検面１００ａに対して点接触する形状が好ましい。点接触する形状としては、曲面を有するものが好ましく、球面を有する球形状（円球、半円球状等を含む）であれば、さらに好ましい。また、前記脚３０、４０、５０は、円錐または角錐であってもよい。円錐または角錐の場合は、それらの頂点が、被検面１００ａに点接触するようにホルダ２０の下面に対して円錐または角錐の底面を固定すればよい。本実施形態では、脚３０、４０、５０は、球面を有する半球状に形成されている。

また、前記脚３０、４０、５０は、低熱膨張ガラス、低熱膨張セラミックスまたは低熱膨張金属等の熱膨張が極めて低い低熱膨張材質から形成されていることが好ましい。なお、低熱膨張材質の代わりに、常温付近では熱膨張がないゼロ熱膨張ガラスとしてもよい。低熱膨張ガラス、ゼロ熱膨張ガラスとしては、レンズガラスを挙げることができる。

脚３０、４０、５０が前述した低熱膨張材質から形成されているとともに、前記ホルダ２０が低熱膨張金属により形成されていることにより、測定時の環境温度による熱膨張に起因した測定誤差をなくすることができる。

図１、図２に示されているＸ軸方向は、表面形状計測装置の走査方向と同一方向である。また、走査方向はホルダ２０を後述する連結部材８０を介して剛体部材７０により引きずられる引きずり方向でもある。なお、ＸＹＺの直交座標は、右手系である。そして、脚３０、４０は、ホルダ２０の走査方向において離間するように配置されている。また、変位センサ６０は、被検面１００ａに対する脚３０、４０の点接触間を結ぶ直線上において、脚３０、４０間に位置するように配置されている。本実施形態では、変位センサ６０は、脚３０、４０の点接触する部位の離間距離２Ｌの半分の位置に位置するように配置されている。変位センサ６０は、接触式変位センサ、または非接触式変位センサのいずれであってもよい。接触式変位センサは、例えば電気マイクロメータで構成されたものがある。また、非接触式変位センサでは例えばレーザ式の変位センサ、静電容量型センサがある。これらの変位センサにより、測定物１００の被検面１００ａの形状の高さを検出することが可能である。本実施形態では、非接触式変位センサであるレーザ式の変位センサからなる。

図１に示すように前記ホルダ２０は、引きずり方向側に位置する剛体部材７０に対して有弾性の連結部材８０を介して連結されている。前記連結部材８０は、ホルダ２０を重力方向に支持しないように剛体部材７０に対して連結されている。

図１に示す剛体部材７０は、測定物１００が載せられるテーブル２００に対して相対移動可能な関係にあればよい。
例えば、テーブル２００をＸＹテーブルにした場合、剛体部材７０は、前記ＸＹテーブルを移動自在に支持する図示しないベースと一体に固定されたものでよい。また、テーブル２００を固定テーブルにした場合、Ｘ軸方向に往復動自在に設けられた図示しないガントリーと、前記ガントリーに対してＹ軸方向に往復動自在に設けられた図示しない移動部材に対して前記剛体部材７０が装着されていてもよい。

上記のように剛体部材７０とテーブル２００との相対移動の関係により、テーブル２００に載せられた測定物１００の被検面１００ａの形状測定が可能である。
前記連結部材８０は例えば板バネからなる。連結部材８０は、剛体部材７０とテーブル２００とが走査方向において相対移動した際、前記ホルダ２０を引きずるとともに、前記剛体部材７０からの振動を吸収するものである。

本実施形態の表面形状計測装置１０は、測定物１００の被検面１００ａが曲面である形状を測定する曲面形状計測装置としている。
（実施形態の作用）
上記のように構成された表面形状計測装置１０を逐次３点法で測定物１００の被検面１００ａを測定する場合について説明する。

まず、変位センサ６０による出力値Ｓ（ｘ）について説明する。
剛体部材７０と、測定物１００を載せたテーブル２００とを走査方向に相対移動させた場合、測定物１００の被検面１００ａに対する脚３０、４０の点接触のＸ座標は、それぞれ（ｘ−Ｌ）と（ｘ＋Ｌ）となる。この脚３０、４０の点接触を結ぶ直線は、両点接触のＺ軸方向の高さの差により決定される。ここで直線上の点ｘは、変位センサ６０のＸ軸上における位置を示している。前記直線が予め設定された基準水平面に含まれる場合は、変位センサ６０が位置するＺ軸方向における原点位置となる。

そして、測定時において前記基準水平面に対する前記直線の傾斜があって、点ｘにおける変位センサ６０の原点の移動がある場合、変位センサ６０の出力値Ｓ（ｘ）と、測定物１００の被検面１００ａの断面形状ｆ（ｘ）とは、式（１）の関係である。
Ｓ（ｘ）＝ｆ（ｘ）−｛ｆ（ｘ−Ｌ）＋ｆ（ｘ＋Ｌ）｝／２ ＋ａ ……（１）
上記式（１）は、逐次３点法を実行した場合において、３つの変位センサから取得した走査における運動誤差を除去して断面形状に関する量だけを示すときの差動出力と同じことを意味している。なお、逐次３点法で計測を行う場合、変位センサ６０が脚３０、４０の点接触する部位の離間距離２Ｌの半分を移動する毎の出力値を採用すればよい。

なお、上記式（１）中のａは、逐次３点法における変位センサ間のゼロ点誤差に相当するものである。このゼロ点誤差ａは、既知である直線形状に沿って脚３０、４０、５０を当接させて引きずり移動させた際に取得した変位センサ６０の値に基づいて校正を行うことができる。

次に、表面形状計測装置１０を使用して、実物の測定物１００の被検面１００ａの表面形状を測定した場合の、連結部材８０による効果の確認を行った結果を図３に示す。
変位センサ６０は下記のものを使用した。

ＳＩ−Ｆ０１：株式会社ＫＥＹＥＮＣＥ製
測定範囲 ：０.０５〜１.１ｍｍ
スポット径 ：φ２０μｍ
分解能 ：０.００１μｍ
上記の変位センサ６０をホルダ２０に装着して、走査速度２０ｍｍ／ｓで走査を行うとともに、サンプル間隔を１ｍｍ当たり１点とし、測定物１００の被検面１００ａの同一箇所を２０回計測した。測定物１００の被検面１００ａは、凸形状の鏡面を有するものであるが、表面形状は未知のものである。

なお、ホルダ２０は、連結部材８０を介して平面研削盤の上部構造物の剛体を剛体部材７０として使用し、前記平面研削盤の可動テーブルをテーブル２００として使用した。
図３は、測定物１００上において、幅２００ｍｍの距離を前述した２０回計測したときの測定値の平均値からのばらつきを示している。図３において、横軸が走査距離で単位はｍｍである。また、縦軸は、計測した測定値の平均値からの偏差で単位はマイクロメートルである。

図３において、４０ｍｍ付近の形状が劣化している場所を除いて、標準偏差が０.５ｎｍを実現している。これは、テーブル２００と剛体部材７０とを相対移動した場合に、連結部材８０を介してホルダ２０が引きずり移動するが、剛体部材７０からの振動が連結部材８０により吸収された結果によるものと思われる。

本実施形態では、下記の特徴を有する。
（１） 本実施形態の表面形状計測装置１０は、測定物１００の被検面１００ａに点接触する３つの脚３０，４０、５０を有するホルダ２０を有する。前記ホルダ２０には、測定時の走査方向において離間する２つの脚３０、４０間に位置するように被検面１００ａの形状を計測する変位センサ６０を備える。また、ホルダ２０に対し有弾性の連結部材８０を介して連結される剛体部材７０を有する。また、連結部材８０は、ホルダ２０と測定物１００とが走査方向に相対移動する間、剛体部材７０に連結状態でホルダを引きずるとともに剛体部材７０からの振動を吸収するようにした。

この結果、本実施形態によれば、測定物の被検面の形状検出を行う変位センサの力制御が必要でなく、簡単な構成により測定物の被検面を測定することができる。また、本実施形態では、ホルダ２０を引きずるだけであるため、ホルダをガイドするガイド部材は必要でない。

（２）本実施形態の表面形状計測装置１０の連結部材８０を板バネとした。この結果、本実施形態によれば、剛体部材７０からの振動を連結部材８０により吸収して、精度の高い計測を行うことができる。

（３）本実施形態の表面形状計測装置１０の脚３０、４０、５０は、測定物１００に点接触する部位に曲面を有するようにした。この結果、本実施形態によれば、測定時に脚３０、４０、５０が測定物１００の被検面１００ａに対して曲面で点接触するため、被検面１００ａに対して傷つきを抑制できる。

（４）本実施形態の表面形状計測装置１０のホルダ２０及び脚３０、４０、５０が、低熱膨張材質からなる。この結果、測定時の環境温度によるホルダ２０及び脚３０、４０、５０の熱膨張に起因した測定誤差をなくすることができる。

（５）本実施形態の表面形状計測装置１０を、曲面形状計測装置とした。この結果、本実施形態では、測定物１００の被検面１００ａが曲面の形状を測定する際に、上記（１）の効果を奏することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態の表面形状計測装置１０を図４を参照して説明する。なお、第１実施形態の表面形状計測装置１０と同一または相当する構成については、同一符号を付してその詳細説明を省略し、異なる構成について説明する。

第１実施形態の表面形状計測装置１０は、連結部材８０を板バネにより構成したが、本実施形態の連結部材１８０は、コイルバネにより構成されているところが異なっている。また、第１実施形態では、図１に示すようにホルダ２０は、引きずり方向側に位置する剛体部材７０に対して有弾性の連結部材８０を介して連結した。これに対して、本実施形態では、図４に示すように、ホルダ２０の上方に剛体部材７０を配置するとともに、前記剛体部材７０と連結部材１８０とを連結したところが異なっている。

このように表面形状計測装置１０を構成しても、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
なお、本発明の実施形態は前記実施形態に限定されるものではなく、下記のように変更しても良い。

・前記実施形態では、脚３０、４０、５０を低熱膨張ガラスまたは低熱膨張金属から形成した。しかし、測定物１００の被検面１００ａの測定環境温度が一定温度にコントロールされている環境下であれば、脚３０、４０、５０の材質は、低熱膨張ガラスまたは低熱膨張金属に限定する必要はない。この場合は、測定環境温度が一定であるため、脚３０、４０、５０が熱膨張の悪影響を受けることなく、測定物１００の被検面１００ａの表面形状を測定できる。

・前記実施形態では、変位センサ６０を、脚３０、４０の点接触間を結ぶ直線上において、脚３０、４０間に位置するように配置するとともに、脚３０、４０から等距離となるように配置したが、この位置に限定するものではない。例えば、脚３０、４０の点接触間を結ぶ直線上において、脚３０、４０のいずれか一方が他方よりも近位となるように変位センサ６０を配置してもよい。この場合は、前記式（１）において、脚３０と変位センサ６０間の距離と、脚４０と変位センサ６０の距離の比率に応じて、変位センサ６０の出力値Ｓ（ｘ）を算出すればよい。この場合においても、被検面１００ａが曲面である場合においても、断面形状の計測が可能である。

・前記実施形態では、表面形状計測装置１０を曲面形状計測装置としたが、測定物１００の被検面１００ａが平面を計測することも可能である。この場合には、表面形状計測装置１０は、平面形状計測装置になる。

平面形状計測装置にする場合、脚３０と脚５０とを走査方向とは直交する線（以下、第１直線という）上に並べるとともに、脚４０を前記第１直線とは直交する線（以下、第２直線という）上に配置してもよい。そして、第２直線上において、第２直線と第１直線の交点・脚４０間に、変位センサ６０を配置してもよい。

・第１実施形態の連結部材８０を板バネの代わりにコイルバネとしてもよい。また、第２実施形態の連結部材１８０をコイルバネの代わりに板バネとしてもよい。また、連結部材８０、１８０は、板バネ、またはコイルバネに限定するものではなくこれら以外の他の弾性部材であってもよい。

・第１実施形態では、被検面１００ａに対する脚３０、４０の点接触間を結ぶ直線上において、変位センサ６０を脚３０、４０間に位置するように配置した。この代わりに、被検面１００ａに対する脚３０、４０の点接触間を結ぶ円弧線上において、変位センサ６０を脚３０、４０間に位置するように配置してもよい。なお、前記円弧線は、予め曲率半径が設定されたものである。また、変位センサ６０の前記円弧線上の位置は、脚３０、４０間において適宜の位置でよく、例えば、脚３０、４０間の円弧線上の離間距離の１／２となる位置に配置すればよい。

このようにすると、脚３０、変位センサ６０、及び脚４０が、前記円弧線上における被検面上の同じ点上に順に移動して、変位センサ６０が前記同じ点を計測していくことにより、逐次３点法による被検面の断面形状の計測が可能となる。

１０…表面形状計測装置、２０…ホルダ、３０，４０，５０…脚、
６０…変位センサ、７０…剛体部材、８０…連結部材、
１００…測定物、１００ａ…被検面、２００…テーブル。

Claims (6)

1. 測定物の被検面に点接触する３つの脚を有するホルダと、
   測定時の走査方向において離間する２つの前記脚間に位置するように前記ホルダに設けられるとともに、前記被検面の形状を計測する変位センサと、
   前記ホルダに対し有弾性の連結部材を介して連結される剛体部材とを有し、
   前記連結部材は、前記ホルダと前記測定物とが前記走査方向に相対移動する間、前記剛体部材に連結状態で前記ホルダを前記被検面に３つの脚を当接させて引きずるとともに前記剛体部材からの振動を吸収する表面形状計測装置。
2. 前記連結部材は板バネからなる請求項１に記載の表面形状計測装置。
3. 前記連結部材はコイルバネである請求項１に記載の表面形状計測装置。
4. 前記脚は、前記測定物に点接触する部位が曲面を有する請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項に記載の表面形状計測装置。
5. 前記ホルダ及び脚が、低熱膨張材質からなる請求項１乃至請求項４のうちいずれか１項に記載の表面形状計測装置。
6. 請求項１乃至請求項５うちいずれか１項に記載の表面形状計測装置が曲面形状計測装置である表面形状計測装置。