(57)【要約】【課題】接触式のプローブの接触荷重の変動を低減し、高速かつ高精度な３次元計測を可能にする。【解決手段】図示しないワークに接触させるプローブ１は、板バネ２ａ、２ｂを介してステージ７に支持され、リニアモータ（１０、１１）によって上下動する。まず、位置設定器１７の指令値に従ってステージ７を移動させ、プローブ１をワークに接触させた後は、板バネ２ａ、２ｂの変位によってプローブ１の接触荷重を検出する変位センサ５と荷重設定器１８を含むプローブ荷重制御系に切換えて接触荷重を制御しながらプローブ１を走査する。走査開始直後には接触荷重に誤差が発生するため、予め設計値を用いた演算あるいはダミー走査によって求めた荷重補正信号を荷重補正器２２に蓄えておき、必要に応じてプローブ荷重制御系の出力に加える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブを搭載して移動するステージによって前記プローブを被検面に接触させ、前記被検面への接触荷重を制御しながら前記プローブを走査し、前記プローブの座標位置を計測する形状測定装置のプローブ制御装置であって、前記ステージの位置を検出する位置検出器と、前記位置検出器によって検出した位置信号に基づいて前記ステージを移動させるステージ位置制御系と、前記ステージ位置制御系への指令値として、移動する前記ステージの目標位置を設定する位置設定器と、前記プローブの前記被検面に対する接触荷重を検出する検出手段と、前記検出手段の検出値に基づいて前記ステージを移動させ、前記接触荷重を制御するためのプローブ荷重制御系と、前記プローブを前記被検面に接触させながら走査する際に発生する前記接触荷重の誤差を補正する荷重補正信号を発生するための荷重補正器と、前記プローブ荷重制御系の出力に前記荷重補正信号を加算して前記ステージ位置制御系へ指令値として与えるための加算手段と、を有することを特徴とするプローブ制御装置。
【請求項２】
被検面の設計形状値に基づいて、前記被検面上をプローブで走査した際に生じる前記プローブの移動量を予め計算し、その計算値に基づいて荷重補正信号を生成し、荷重補正器に蓄えることを特徴とする請求項１記載のプローブ制御装置。
【請求項３】
プローブの接触荷重の誤差を検出する荷重誤差検出器を備えており、プローブ荷重制御系によってステージを制御した状態でダミー走査し、走査中の前記接触荷重を前記荷重誤差検出器によって検出し、その検出値から荷重補正信号を生成して荷重補正器に蓄えることを特徴とする請求項１記載のプローブ制御装置。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか１項記載のプローブ制御装置と、前記プローブ制御装置によってプローブの接触荷重を制御しながら前記プローブを被検面に沿って走査させる走査手段と、前記プローブの３次元座標位置を計測する計測手段とを備えていることを特徴とする形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接触式のプローブを用いてワークの表面形状を計測する形状測定装置のプローブ制御装置および形状測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に接触式のプローブを用いてワークの３次元形状を測定する形状測定装置においては、プローブをワークに接触させ、接触状態を保ちながら被検面であるワーク表面に沿って走査させて、計測を行っている。
【０００３】
図７は一従来例によるプローブ接触式の形状測定装置を示す。これは、プローブ１０１が板バネ１０２ａ、１０２ｂによって支持され、プローブ１０１に取り付けられたミラー１０３と干渉計１０４によって所定の計測基準からのＺ方向位置を検出する。変位センサ１０５は、プローブ１０１のガイドである板バネ１０２ａ、１０２ｂの支持点に対するプローブ１０１の変位を検出する。検出した変位は板バネ１０２ａ、１０２ｂの歪み量を表わしており、板バネ１０２ａ、１０２ｂの歪みによって発生するプローブ１０１の接触荷重に相当する。
【０００４】
プローブ１０１は、保持部材１０６を介してステージ１０７に保持されている。ステージ１０７は軸受１０８ａ、１０８ｂによってステージガイド１０９より支持され、可動子１１０と固定子１１１で構成されるリニアモータによってＺ方向に移動する。ステージ１０７の移動量はスケール１１２、検出ヘッド１１３によるリニアエンコーダによって検出される。
【０００５】
ステージ１０７に搭載されたプローブ１０１はステージ１０７を移動させることで、図８に示すようにワークＷ0 と接触する位置に到達する。そのための制御は、リニアエンコーダで検出したステージ１０７の位置と位置設定器１１７が設定する指令位置とを比較器１１８にて比較して、比較結果の位置偏差に応じたリニアモータへの電流指令を出力する位置制御補償器１１９を備えたステージ位置制御系を用いて、位置設定器１１７が設定する指令位置を変更することでステージ１０７を移動させる。
【０００６】
プローブ１０１がワークＷ0 と接触し所定の接触荷重になった後は、プローブ１０１の荷重を一定に保持するようにステージ１０７を制御する。そのための制御系は、変位センサ１０５で検出したプローブ１０１の接触荷重に相当する変位と、荷重設定器１２０が設定する目標荷重に相当する変位とを比較器１２１にて比較し、比較結果の荷重偏差相当の変位偏差に応じたリニアモータへの電流指令を出力する荷重制御補償器１２２を備えたプローブ荷重制御系である。
【０００７】
このように、プローブ１０１の制御系は、プローブ１０１をワークに接触させるまでのステージ移動を制御するステージ位置制御系と、プローブの接触荷重を維持するためのステージ制御を行うプローブ荷重制御系との２つの制御系を備え、動作に応じて切換える構成となっている。その切換の判定はモード制御器１２４で行い、切換器１２３により電流増幅器１１６への指令値を切換えている（特許文献１等参照）。
【特許文献１】特開２００３−９７９３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記従来例による制御系を用いてプローブを制御しワーク表面を走査した場合、図８に示すような荷重誤差が発生する。すなわち、図８の（ａ）に示すＰ１位置においてプローブ１０１をワークＷ0 に接触させ、矢印方向にＰ２位置を経てＰ３位置まで、同図の（ｃ）に示す一定速度で走査させると、（ｂ）に示すように、走査を開始する加速領域であるＰ１位置近傍、および走査を停止する減速領域であるＰ３位置近傍において荷重誤差が大きくなってしまう。
【０００９】
図９は、このように荷重誤差が生じた場合のプローブ１０１の状態を示す。プローブ１０１の荷重誤差が発生するということは、図９の（ａ）に示すように板バネ１０２ａ、１０２ｂがＺａ２だけ歪んでいる状態から、図９の（ｂ）に示すような板バネ１０２ａ、１０２ｂがＺｂ２だけ歪んだ状態になったということを意味している。つまりプローブ１０１が板バネ１０２ａ、１０２ｂによるガイドの支持点に対して上下移動したことを示しているが、一般にガイドによって支持されたものが移動した場合の動きをナノメートルオーダもしくはサブナノメートルオーダといった高精度に観察すると、図９の（ｂ）に示すような理想的な移動はできず、実際には、同図の（ｃ）に示すように、プローブ１０１がＺ方向に移動するだけではなくＸ方向への変位が生じるような姿勢変化を起こしている。
【００１０】
この姿勢変化によってプローブ１０１とワークＷ0 の接触点では、図９の（ｃ）に示すような２方向の誤差δ1 、δ2 が発生することになる。つまり、ナノメートルやサブナノメートルといった高精度でワーク形状を計測するには、プローブ１０１の荷重誤差をなくす必要が生じる。
【００１１】
このため従来は、ナノメートルオーダ等の高精度な形状計測を行う場合は、走査速度を下げて計測していた。その結果、計測時間が長くなるという未解決の課題があった。
【００１２】
本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、プローブ走査中のプローブ接触荷重の変動を効果的に低減し、高速かつ高精度で被検面の３次元形状を計測することを可能にするプローブ制御装置および形状測定装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明のプローブ制御装置は、プローブを搭載して移動するステージによって前記プローブを被検面に接触させ、前記被検面への接触荷重を制御しながら前記プローブを走査し、前記プローブの座標位置を計測する形状測定装置のプローブ制御装置であって、前記ステージの位置を検出する位置検出器と、前記位置検出器によって検出した位置信号に基づいて前記ステージを移動させるステージ位置制御系と、前記ステージ位置制御系への指令値として、移動する前記ステージの目標位置を設定する位置設定器と、前記プローブの前記被検面に対する接触荷重を検出する検出手段と、前記検出手段の検出値に基づいて前記ステージを移動させ、前記接触荷重を制御するためのプローブ荷重制御系と、前記プローブを前記被検面に接触させながら走査する際に発生する前記接触荷重の誤差を補正する荷重補正信号を発生するための荷重補正器と、前記プローブ荷重制御系の出力に前記荷重補正信号を加算して前記ステージ位置制御系へ指令値として与えるための加算手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
プローブをワークの被検面に接触させるためにステージを移動させる接触モードで用いるステージ位置制御系と、被検面に対するプローブの接触荷重を制御する荷重制御モードのためのプローブ荷重制御系とを切換え自在であるプローブ制御装置に、ワークの設計値を用いた演算やダミー走査によって得た荷重補正信号をプローブ走査に同期して発生させる荷重補正器を設ける。荷重補正信号を、プローブ走査に同期してプローブ荷重制御系の出力に加算することで、走査速度を落とさずに荷重誤差を低減する。このようにして、高速かつ高精度に被検面の３次元形状を計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１に示すように、形状測定装置のプローブ１を制御するプローブ制御装置は、プローブ１を移動させるステージ７の位置をリニアエンコーダ（１２、１３）によって検出しフィードバック制御するステージ位置制御系と、ステージ７の目標位置を設定する位置設定器１７と、プローブ１の接触荷重に相当する変位を検出手段である変位センサ５によって検出し荷重設定器１８の出力側にフィードバック制御するプローブ荷重制御系と、プローブ走査時の荷重誤差を補正する荷重補正器２２と、位置設定器１７とプローブ荷重制御系と荷重補正器２２の出力を選択する切換器２１、２３とを備えている。プローブ１を接触させるまでの接触モードでは、前記ステージ位置制御系の指令値として位置設定器１７の出力を選択し、接触後はステージ位置制御系への指令値としてプローブ荷重制御系の出力を選択し、例えば走査開始直後は、プローブ荷重制御系の出力に荷重補正器２２の荷重補正信号を加算する。
【００１６】
荷重補正器２２から出力させる荷重補正信号は、ワークの設計形状を基に走査時に発生するプローブの変位からステージ７の目標位置データとして生成する。あるいは荷重誤差検出器を設け、計測走査する前にダミー走査を行い、そのときの接触荷重とステージ位置制御系への位置指令を荷重誤差検出器で検出し、検出した２つの信号よりステージ７の目標位置データを生成してもよい。
【実施例】
【００１７】
図１は一実施例による形状測定装置を示す。プローブ１が板バネ２ａ、２ｂによって支持され、プローブ１に取り付けられたミラー３と干渉計４によって、後述する計測基準からのＺ方向位置を検出する。変位センサ５はプローブ１のガイドである板バネ２ａ、２ｂの支持点に対するプローブ１の変位を検出する。検出した変位は板バネ２ａ、２ｂの歪み量を表わしており、板バネ２ａ、２ｂの歪みによって発生するプローブ１の接触荷重に相当する。
【００１８】
プローブ１は、保持部材６を介してステージ７に保持されている。ステージ７は軸受８ａ、８ｂを介してステージガイド９より支持され、可動子１０と固定子１１で構成されるリニアモータによってＺ方向に移動する。ステージ７の移動量はスケール１２、検出ヘッド１３によるリニアエンコーダによって検出される。
【００１９】
ステージ７に搭載されたプローブ１は、リニアモータによってステージ７を移動させることで、図２に示すワークＷ1 と接触する位置に到達する。
【００２０】
リニアモータに供給される電流は、電流増幅器１４を介して位置制御補償器１５の出力によって制御される。リニアエンコーダによって検出されるステージ７の位置ｚと位置指令Ｚｒとを比較する比較器１６が設けられ、この比較器１６によって得られる位置偏差をステージ位置制御系の入力とし、その位置偏差に応じた操作量となる電流指令を位置制御補償器１５が出力する。
【００２１】
位置指令Ｚｒはステージ７の動作モードに応じて切換えられる。ステージ動作モードには、プローブ１を図２に示すワークＷ1 の表面（被検面）に接触させるためにステージ７を移動させる接触モードと、接触したプローブ１の荷重を一定に制御する荷重制御モードがある。接触モードの位置指令Ｚｒは、リニアエンコーダによる検出位置が接触位置になるように位置設定器１７によって設定される指令値である。荷重制御モードではプローブ１の接触荷重が所定の荷重になるように位置指令Ｚｒを出力する。そのためのプローブ荷重制御系は、荷重を設定する荷重設定器１８の設定値とプローブ１に発生している接触荷重を変位センサ５によって検出した信号とを比較する比較器１９と、その比較器１９によって計算された荷重偏差を入力とし、荷重偏差量に応じて位置指令Ｚｒを出力する荷重制御補償器２０が設けられている。
【００２２】
さらに、荷重制御モードによってプローブ１が所定の接触荷重になった後、プローブ１を走査する際には荷重偏差を補正する荷重補正信号を、加算手段を構成する切換器２３および比較器１６により、ステージ７の位置指令Ｚｒに加算する荷重補正器２２が設けられている。また、ステージ動作モードを切換えるために切換器２１、２３を制御するモード切換制御器２４が設けられている。
【００２３】
図２に示すように、ワークＷ1 を保持する保持台と一体であるフレーム２５にはＺ方向の測定基準である基準ミラー２６が取り付けられ、プローブ１に取り付けられたミラー３と干渉計４を用いて基準ミラー２６に対するプローブ１のＺ方向の座標位置を計測する。
【００２４】
ステージ７を下げてプローブ１をワークＷ1 に接触させ、接触位置からさらにステージ７を下げると板バネ２ａ、２ｂが歪み、プローブ１にはワークＷ1 に押しつける荷重が発生する。この荷重を、ステージ７に対するプローブ１の変位を検出する変位センサ５を用いて測定する。変位センサ５で検出した変位は、板バネ２ａ、２ｂの歪み量に相当し、検出した変位がプローブ１の接触荷重に相当することになる。この接触荷重が所定の値になるようにステージ７のＺ方向の移動を制御する。このようにプローブ１の接触荷重を制御した状態でステージ７を図示しない走査手段によってＸ−Ｙ方向に走査するとプローブ１に発生する接触荷重が一定になるように、ワークＷ1 の形状に倣ってステージ７がＺ方向に上下する。この時の、ステージ７のＺ方向の基準ミラー２６からの位置を計測手段である干渉計４によって計測する。Ｚ方向と同じようにフレーム２５にＸ−Ｙ方向を計測するための基準ミラーを設け、ステージ７の固定部材６上にＸ−Ｙ方向の位置を計測する計測手段である干渉計を配置することで、プローブ１が接触しているワークＷ1 のＸ−Ｙ−Ｚ位置が計測でき、これらの計測点（３次元座標位置）をつなぐことでワークＷ1 の３次元形状を求めることができる。以下に計測工程全体を詳しく説明する。
【００２５】
ステージ７は、まず、プローブ１をワークＷ1 に接触させるための接触モードで動作する。
【００２６】
接触モードではリニアエンコーダによって検出されたステージ位置とモード切換制御器２４によって選択された位置設定器１７が設定した指令値である目標位置が比較器１６によって比較され、位置偏差が計算される。位置偏差は位置制御補償器１５に入力され位置偏差に応じた電流指令が出力され、電流増幅器１４によってリニアモータに電流が流され、ステージ７が位置制御される。すなわち、位置設定器１７による目標位置を、プローブ１がワークＷ1 と接触する位置に設定することで、接触位置にステージ７を移動させる。プローブ１の接触状態は、変位センサ５で検出した検出信号よりプローブ１の荷重状態をモード切換制御器２４が判定し、プローブ１が所定の接触荷重になったら荷重制御モードに切換える。
【００２７】
荷重制御モードは、接触モードによってプローブ１がワークＷ1 に対して所定の接触荷重を発生する位置にステージ７が達した後、その荷重状態を荷重設定器１８により目標荷重として設定する。設定された目標荷重は、比較器１９で変位センサ５による荷重信号と比較され荷重偏差が計算される。荷重偏差は荷重制御補償器２０に入力され、荷重偏差に応じたステージ位置指令が出力される。この位置指令Ｚｒは、切換器２１によってステージ位置制御系に入力され、ステージ位置制御系は接触モードと同じ動作によってリニアモータに電流を流し、ステージ７をＺ方向に上下することで、プローブ１の接触荷重を一定に維持する。
【００２８】
荷重制御モードの状態でプローブ１をＸ−Ｙ方向に走査することでワークＷ1 の形状を計測する。この走査をするときに、走査開始に同期して荷重補正器２２からの荷重補正信号をプローブ荷重制御系の位置指令に加算することによって、プローブの荷重を制御し荷重誤差の低減を図っている。
【００２９】
すなわち、荷重補正器２２からの荷重補正信号は、走査時に発生する荷重誤差を減少させるためにステージ７を走査に合わせて先回りして動かす役割を果たす。この荷重補正信号を生成する方法としては以下の２つの方法がある。
【００３０】
第１の方法は、ワークＷ1 の設計形状を用いて走査時のステージ７の位置を設計値より計算し、そのデータから荷重補正信号を生成し荷重補正器２２に保存しておく。そして走査時に切換器２３によってステージ７の位置指令に加算する方法である。例えば図３に示す形状のワークを計測する場合、Ｙ方向にＹ１だけ走査するとＺ方向にはＺ１だけプローブ１を上昇させなければならないことが判明している。そこで、Ｙ方向の走査と同期してステージ７がＺ方向に上昇するような荷重補正信号を作成して、ステージ７の位置指令に加算することで荷重誤差を減少させる。この方法によって走査すると、図４の（ａ）に示すような荷重補正信号がない場合の走査中の荷重誤差が、同図の（ｂ）に示すように低減される。
【００３１】
実際のワークと設計値との間には多少の誤差が含まれていても、この方法の場合、設計形状と実際のワーク形状によるプローブの移動方向が反転しないかぎり荷重誤差を減少させることができる。
【００３２】
第２の方法は、図５に示す制御系を用いるものである。これは、図１の制御系に荷重誤差検出器２７を新たに加えた構成である。この制御系を用いて図６に示すフローの動作を行うことで、荷重補正信号を作り出す。
【００３３】
最初にステップＳ１でステージ（Ｚステージ）７を移動させ、ステップＳ２で通常のようにプローブ１をワークに接触させる。その後、接触荷重を設定してステージＳ３でプローブ荷重制御に切換える。ステップＳ４でプローブ荷重制御に切換えたらステップＳ５でプローブ１をダミー走査して、その時に発生する荷重誤差と位置指令とを荷重誤差検出器２７で検出する。この検出した２つの信号よりステップＳ６で荷重補正信号を作りだす。そしてステップＳ７でプローブ１を元の接触位置に戻してステップＳ８で計測走査を行う。この計測走査のときには、荷重補正信号をステージ７の位置指令に加算する。
【００３４】
なお、荷重補正信号を生成するダミー走査は走査領域のうちで加速する距離だけ移動すればよい。その理由は、走査時に発生する荷重誤差は図８の（ｂ）に示したように走査開始の加速時と走査停止の減速時に大きく発生するものであり、減速時は有効領域外にて減速すれば荷重誤差の影響は計測結果に反映されないが、加速時には発生した荷重誤差が有効領域内に影響を及ぼすので、荷重誤差補正が必要になるからである。このようにダミー走査の走査距離が短いと、ダミー走査する時間は少なくて済み、計測走査の高速化とともにトータルの計測時間を大幅に短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】一実施例による形状測定装置を示す模式図である。
【図２】図１の装置の基準ミラーを説明する図である。
【図３】プローブ荷重補正制御を説明する図である。
【図４】プローブ荷重補正制御の効果を示すグラフである。
【図５】一変形例による形状測定装置を示す模式図である。
【図６】図５の装置による形状測定方法を示すフローチャートである。
【図７】一従来例を示す模式図である。
【図８】プローブの荷重誤差を説明する図である。
【図９】プローブの荷重誤差が測定値に及ぼす影響を説明する図である。
【符号の説明】
【００３６】
１    プローブ
２ａ、２ｂ    板バネ
３    ミラー
４    干渉計
５    変位センサ
６    保持部材
７    ステージ
８ａ、８ｂ    軸受
９    ステージガイド
１０    リニアモータの可動子
１１    リニアモータの固定子
１２    リニアエンコーダのスケール
１３    リニアエンコーダの検出ヘッド
１４    電流増幅器
１５    位置制御補償器
１６、１９    比較器
１７    位置設定器
１８    荷重設定器
２０    荷重制御補償器
２１、２３    切換器
２２    荷重補正器
２４    モード切換制御器
２５    フレーム
２６    基準ミラー
２７    荷重誤差検出器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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