(57)【要約】【課題】高精度な加工、組立精度を必要とすることなく、倣いプローブの直線案内機構の真直度や、取り付け誤差などに起因する測定精度の低下を回避できる表面性状測定装置を提供。【解決手段】Ｘ，Ｙ，Ｚ軸駆動機構３，４，７と、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸変位検出器４２，４３，４４と、倣いプローブ８と、真直度補正データ記憶部３３と、補正演算処理部３４とを備える。倣いプローブは、センサ部１２と、センサ部をＺ軸方向へ変位させる駆動用アクチュエータと、センサ部の変位量を検出するセンサ部変位検出器１９を含む。補正データ記憶部は、駆動用アクチュエータの移動範囲を複数の区間に分割し、この各分割区間において各軸方向のずれ量を補正データとして記憶する。補正演算処理部は、センサ部変位検出器の検出値がいずれの分割区間に属するかを判断し、該当する分割区間の補正データを用いて補正値を算出し、これを各軸変位検出器の検出値に加算する。【選択図】図４
2008216122.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物を載置するテーブルと可動部材とを、水平面内の互いに直交するＸおよびＹ軸方向へ相対変位させるＸ軸駆動機構およびＹ軸駆動機構と、前記テーブルと前記可動部材とのＸおよびＹ軸方向への相対変位量を検出するＸ軸変位検出手段およびＹ軸変位検出手段と、前記可動部材を前記ＸおよびＹ軸方向に対して直交するＺ軸方向へ変位させるＺ軸駆動機構と、前記可動部材のＺ軸方向への変位量を検出するＺ軸変位検出手段と、前記可動部材に設けられた倣いプローブと、補正データテーブルと、制御装置とを備え、
前記倣いプローブは、前記可動部材に取り付けられた筐体と、この筐体に設けられ被測定物の表面に接触される測定子を有するセンサ部と、このセンサ部を前記Ｚ軸方向へ変位させるＺ軸微動機構と、前記筐体に対する前記センサ部の変位量を検出するセンサ部変位検出手段とを含んで構成され、
前記補正データテーブルは、前記倣いプローブのＺ軸微動機構のＺ軸方向の移動範囲を複数の区間に分割し、この各分割区間において各軸方向のずれ量を補正データとして記憶し、  
前記制御装置は、前記センサ部変位検出手段からの検出値が前記補正データテーブルに記憶されたいずれの分割区間に属するかを判断し、該当する分割区間の補正データを用いて前記Ｚ軸微動機構による前記各軸方向の補正値を算出する補正値算出手段と、この補正値算出手段によって得られた補正値を前記各軸変位検出手段の検出値に加算して前記測定子の座標値を算出する座標値算出手段とを含む、ことを特徴とする表面性状測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の表面性状測定装置において、
前記制御装置の補正値算出手段は、前記センサ部変位検出手段からの検出値が前記補正データテーブルに記憶されたいずれの分割区間に属するかを判断し、該当する分割区間の補正データを直線補間して前記Ｚ軸微動機構による前記各軸方向の補正値を算出することを特徴とする表面性状測定装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の表面性状測定装置において、
前記倣いプローブは、前記筐体に設けられたベースと、このベースに設けられ先端に接触針を有する測定子と、この測定子を振動させる加振素子と、前記測定子の振動状態を検出し検出信号として出力する検出素子とを含んで構成されていることを特徴とする表面性状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面性状測定装置に関する。詳しくは、倣いプローブを用いて被測定物の形状や表面粗さなどの表面性状を測定する表面性状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
倣いプローブを用いて被測定物の形状や表面粗さなどの表面性状を測定する表面性状測定装置として、粗さ測定機、輪郭測定機、三次元倣い測定機などが知られている。
例えば、三次元倣い測定機では、上下方向（Ｚ軸方向）へ移動可能なＺ軸スライダに、測定子がＺ軸方向へ微小変位可能な倣いプローブを取り付け、この倣いプローブの測定子を被測定物に接触させ、このときの押し込み量（測定子のＺ軸方向の押し込み量）が一定になるようにＺ軸スライダを上下方向へ移動させながら、倣い測定を行う。
【０００３】
従来、倣い測定機に取り付けられる倣いプローブは、例えば、特許文献１に記載の表面形状測定用トレーサなどのように、測定子のＺ軸方向への変位が微小で、かつ、押し込み量も一定であるため、測定子をＺ軸方向へ移動させる直線案内機構の真直度や、倣いプローブの取り付け誤差、つまり、測定子の移動方向とＺ軸との傾き誤差が、測定精度に大きな影響を与えることは少ない。
最近では、低測定力で高速な測定を実現するために、倣いプローブ自体の測定範囲を広くし、かつ、測定力をアクティブに制御して低測定力で高速な倣い測定を、倣いプローブ自体で行うシステムも提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開昭６４−５３１０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の倣い測定において、測定範囲を広くした倣いプローブを用いると、測定子をＺ軸方向へ移動させる直線案内機構の真直度や、倣いプローブの取り付け誤差、つまり、測定子の移動方向とＺ軸との傾き誤差が、測定精度に大きな影響を与える。
例えば、図８に示すように、直線案内機構の真直度や、倣いプローブの取り付け誤差などによっては、倣いプローブ８の測定子８ＡがＺ軸方向へΔｚ変位したとき、Ｘ軸およびＹ軸方向に対してずれ（Δｘ，Δｙ）が生じる。すると、Ｘ軸およびＹ軸における変位を検出している検出値と、測定子８Ａの測定点とが異なってしまうため、測定誤差が生じる。
【０００６】
そこで、この測定誤差の発生を少なくするために、直線案内機構の真直度を高精度に組立、加工したり、あるいは、倣いプローブの取り付け精度を高精度に組み付けることが要求される。しかし、このような高精度な加工、組立には、限界があるうえ、作業者に対する負担も大きい。
【０００７】
本発明の目的は、高精度な加工、組立精度を必要とすることなく、倣いプローブの直線案内機構の真直度や、倣いプローブの取り付け誤差などに起因する測定精度の低下を回避できる表面性状測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の表面性状測定装置は、被測定物を載置するテーブルと可動部材とを、水平面内の互いに直交するＸおよびＹ軸方向へ相対変位させるＸ軸駆動機構およびＹ軸駆動機構と、前記テーブルと前記可動部材とのＸおよびＹ軸方向への相対変位量を検出するＸ軸変位検出手段およびＹ軸変位検出手段と、前記可動部材を前記ＸおよびＹ軸方向に対して直交するＺ軸方向へ変位させるＺ軸駆動機構と、前記可動部材のＺ軸方向への変位量を検出するＺ軸変位検出手段と、前記可動部材に設けられた倣いプローブと、補正データテーブルと、制御装置とを備え、前記倣いプローブは、前記可動部材に取り付けられた筐体と、この筐体に設けられ被測定物の表面に接触される測定子を有するセンサ部と、このセンサ部を前記Ｚ軸方向へ変位させるＺ軸微動機構と、前記筐体に対する前記センサ部の変位量を検出するセンサ部変位検出手段とを含んで構成され、前記補正データテーブルは、前記倣いプローブのＺ軸微動機構のＺ軸方向の移動範囲を複数の区間に分割し、この各分割区間において各軸方向のずれ量を補正データとして記憶し、前記制御装置は、前記センサ部変位検出手段からの検出値が前記補正データテーブルに記憶されたいずれの分割区間に属するかを判断し、該当する分割区間の補正データを用いて前記Ｚ軸微動機構による前記各軸方向の補正値を算出する補正値算出手段と、この補正値算出手段によって得られた補正値を前記各軸変位検出手段の検出値に加算して前記測定子の座標値を算出する座標値算出手段とを含む、ことを特徴とする。
【０００９】
このような構成によれば、Ｘ軸駆動機構、Ｙ軸駆動機構を駆動させて、テーブルと可動部材とをＸおよびＹ軸方向へ相対変位させるとともに、Ｚ軸駆動機構を駆動させて、倣いプローブをＺ軸方向へ変位させながら、倣いプローブの測定子を被測定物の表面に接触させる。倣いプローブの測定子の押し込み量が一定になるように、Ｚ軸微動機構を駆動させながら、Ｘ軸駆動機構およびＹ軸駆動機構を駆動させて、テーブルと可動部材とをＸ軸方向およびＹ軸方向へ相対移動させる。
この相対移動において、例えば、一定時間毎に、Ｘ軸変位検出手段、Ｙ軸変位検出手段、Ｚ軸変位検出手段およびセンサ部変位検出手段からの検出値を取り込んで、測定子が接触している被測定物の測定点座標値を求めれば、測定力一定状態で被測定物表面の形状や粗さなどを倣い測定することができる。
【００１０】
本発明では、この倣い測定において、倣いプローブの測定子の測定力が一定になるように、Ｚ軸微動機構を駆動させながら、倣い測定を行う。その際、予め、倣いプローブのＺ軸微動機構のＺ軸方向の移動範囲が複数の区間に分割され、この各分割区間において各軸方向のずれ量が補正データとして補正データテーブルに記憶されている。
倣い測定時において、センサ部変位検出手段からの検出値が、補正データテーブルに記憶されたいずれの分割区間に属するかが判断され、該当する分割区間の補正データを用いて、Ｚ軸微動機構による倣いプローブの各軸方向の補正値（変位量）が算出される。こののち、得られた補正値が各軸変位検出手段（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸変位検出手段）の検出値に加算され、測定子の座標値、つまり、測定子が接触している被測定物の測定点が算出される。
従って、Ｚ軸微動機構を駆動させながら、倣い測定を行う際に問題となる、倣いプローブの直線案内機構の真直度や、倣いプローブの取り付け誤差などに起因する測定精度の低下を回避できる。このことは、測定誤差の発生を少なくするために、直線案内機構の真直度を高精度に組立、加工したり、あるいは、倣いプローブの取り付け精度を高精度に組み付けたりする必要もないので、組立や加工作業、あるいは、作業者への負担を軽減できる。
【００１１】
本発明の表面性状測定装置において、前記制御装置の補正値算出手段は、前記センサ部変位検出手段からの検出値が前記補正データテーブルに記憶されたいずれの分割区間に属するかを判断し、該当する分割区間の補正データを直線補間して前記Ｚ軸微動機構による前記各軸方向の補正値を算出することが好ましい。
このような構成によれば、各分割区間の補正データを直線補間してＺ軸微動機構による各軸方向の補正値を算出するので、補正データ数が少なくて済み、Ｚ軸微動機構による各軸方向の補正値（変位量）を簡単な手法で算出できる。
【００１２】
本発明の表面性状測定装置において、前記倣いプローブは、前記筐体に設けられたベースと、このベースに設けられ先端に接触針を有する測定子と、この測定子を振動させる加振素子と、前記測定子の振動状態を検出し検出信号として出力する検出素子とを含んで構成されていることが好ましい。
このような構成によれば、加振要素によって測定子を振動させ、この状態において、測定子を被測定物の表面に接触させる。測定子が被測定物の表面に接触すると、測定子の振動が拘束されるため、検出素子からの検出信号が減衰される。従って、検出素子からの検出信号の減衰量が常に一定になるように、Ｚ軸微動機構を制御しなら倣い測定を行うことにより、高精度な倣い測定を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
＜全体構成の説明（図１および図２参照）＞
図１は、本実施形態に係る表面性状測定装置を示す正面図、図２は、同表面性状測定装置の側面図である。
本実施形態に係る表面性状測定装置は、ベース１と、被測定物を載置するテーブルとしてのＸＹステージ２と、このＸＹステージ２を水平面内の互いに直交するＸおよびＹ軸方向へ変位させるＸ軸駆動機構３およびＹ軸駆動機構４と、ベース１の上面に跨って設けられた門形フレーム５と、この門形フレーム５のクロスレール５Ａに設けられた可動部材としてのＺ軸スライダ６と、このＺ軸スライダ６をＸおよびＹ軸方向に対して直交するＺ軸方向へ変位させるＺ軸駆動機構７と、Ｚ軸スライダ６に取り付けられた倣いプローブ８とを含んで構成されている。
【００１４】
Ｘ軸駆動機構３およびＹ軸駆動機構４は、例えば、ボールねじ軸と、このボールねじ軸に螺合されたナット部材とを有する送りねじ機構によって構成されている。
Ｚ軸駆動機構７も、Ｘ軸駆動機構３やＹ軸駆動機構４と同様に、例えば、ボールねじ軸と、このボールねじ軸に螺合されたナット部材とを有する送りねじ機構によって構成されている。
【００１５】
＜倣いプローブの説明（図３参照）＞
倣いプローブ８は、Ｚ軸スライダ６に取り付けられた筐体１１と、この筐体１１に設けられたセンサ部１２と、このセンサ部１２をＺ軸方向へ変位させるＺ軸微動機構としての駆動用アクチュエータ１７と、この駆動用アクチュエータ１７によるセンサ部１２の変位量（つまり、筐体１１に対するセンサ部１２の変位量）を検出するセンサ部変位検出手段としてのセンサ部変位検出器１８（スケールと検出ヘッドからなる）とを含んで構成されている。
【００１６】
センサ部１２は、金属製のベース１３と、このベース１３に設けられ被測定物の表面に接触される測定子としてのスタイラス１４と、このスタイラス１４を振動（軸方向へ振動）させる加振素子１５と、スタイラス１４の振動状態を検出し検出信号として出力する検出素子１６とから構成されている。スタイラス１４の先端には、ダイヤモンドチップやルビーなどで構成された接触部としての触針１４Ａが接着固定されている。加振素子１５および検出素子１６は、１枚の圧電素子によって構成され、ベース１３にそれぞれ１枚ずつ接着固定されている。
【００１７】
いま、センサ部１２の加振素子１５に対して、特定の周波数と振幅をもつ入力信号を与えると、検出素子１６では、特定の周波数と振幅の出力信号が得られる。
スタイラス１４が被測定物と非接触状態にあるとき、スタイラス１４の共振周波数で一定の振幅をもつ入力信号を加振素子１５に加えると、スタイラス１４が共振し、検出素子１６に振幅Ｐoの出力信号が得られる。スタイラス１４が被測定物に接触すると、出力信号の振幅がＰoからＰxに減衰する。
従って、センサ部１２を被測定物に接触させる際、減衰率（Ｐx／Ｐo）が常に一定となるように、駆動用アクチュエータ１７でセンサ部１２と被測定物との距離を制御すれば、測定力一定状態で被測定物の形状や粗さを測定することができる。
【００１８】
＜制御システムの説明（図４参照）＞
本制御システムは、制御装置３１と、倣いプローブ８と、駆動・変位検出装置４１と、表示部５１と、入力部６１とを含んで構成されている。
駆動・変位検出装置４１は、Ｘ軸駆動機構３、Ｙ軸駆動機構４およびＺ軸駆動機構７のほかに、ＸＹステージ２のＸおよびＹ軸方向への変位量を検出するＸ軸変位検出器４２およびＹ軸変位検出器４３、Ｚ軸スライダ６のＺ軸方向への変位量を検出するＺ軸変位検出器４４を備えている。
【００１９】
制御装置３１は、倣いプローブ８のセンサ部１２およびセンサ部変位検出器１８からの出力信号を入力として駆動用アクチュエータ１７を駆動する倣い制御部３２と、真直度補正データ記憶部３３と、計数及び補正演算処理部３４と、この計数及び補正演算処理部３４からの出力に基づいて各軸駆動機構３，４，７を制御する制御処理部３５と、計数及び補正演算処理部３４からの出力を表示部５１に表示する測定データ処理部３６とを含んで構成されている。
【００２０】
真直度補正データ記憶部３３には、倣いプローブ８の駆動用アクチュエータ１７のＺ軸方向の移動範囲を複数の区間に分割し、この各分割区間において各軸方向のずれ量が補正データとして記憶されている。つまり、図５に示す真直度補正データテーブルが記憶されている。  
計数及び補正演算処理部３４は、センサ部変位検出器１８からの検出値が真直度補正データ記憶部３３に記憶されたいずれの分割区間に属するかを判断し、該当する分割区間の補正データを用いて駆動用アクチュエータ１７によるセンサ部１２の各軸方向の補正値（変位量）を算出する補正値算出手段と、この補正値算出手段によって得られた補正値を各軸変位検出器、つまり、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸変位検出器４２，４３，４４の検出値に加算して、スタイラス１４の座標値を算出する座標値算出手段とを含んで構成されている。
【００２１】
＜真直度補正データの説明（図５および図６参照）＞
図５は、真直度補正データテーブルを示している。この真直度補正データテーブルは、次の手順で取得され、真直度補正データ記憶部３３に記憶される。
図６に示すように、倣いプローブ８の駆動用アクチュエータ１７を駆動させ、センサ部１２をＺ軸方向へ変位させる。センサ部１２がＺ軸方向へ測定間隔ｄづつ変位した各測定ポイント（Ｐ０〜ＰＮ、ただしＮ：測定ポイント数）において、真直度を測定するため、予め設置したＺ軸駆動機構７と平行な基準面（図示せず）との距離を測定し、Ｘ軸およびＹ軸方向の座標値（ＰＮｘ，ＰＮｙ）を取得する。全ての測定ポイントにおいて、各軸の座標値を読み取ったのち、これらの座標値から、各分割区間（Ｚ＞ｄ、ｄ≦Ｚ＜２ｄ、２ｄ≦Ｚ＜３ｄ……（Ｎ-１）・ｄ≦Ｚ）において、各線分の方程式の表（図５）を作成する。
なお、図５において、
Ｐｘ，Ｐｙ，Ｐｚ：点Ｐの座標、
Ｌｘ，Ｌｙ，Ｌｚ：方向余弦、
Ｚ              ：原点からの距離
を示す。
【００２２】
＜倣い測定の説明（図７参照）＞
倣い測定にあたっては、Ｘ軸駆動機構３およびＹ軸駆動機構４を駆動させて、ＸＹステージ２をＸ軸方向およびＹ軸方向へ変位させるとともに、Ｚ軸駆動機構７を駆動させて、倣いプローブ８をＺ軸方向へ変位させながら、倣いプローブ８のスタイラス１４を被測定物の表面に接触させる。
倣いプローブ８の検出素子１６からの出力信号が一定の減衰率になるように、駆動用アクチュエータ１７を駆動させながら、Ｘ軸駆動機構３およびＹ軸駆動機構４を駆動させて、ＸＹステージ２をＸ軸方向およびＹ軸方向へ移動させる。
【００２３】
この測定時において、一定時間毎に、図７に示すフローチャートの処理を実行する。
ＳＴ１（ステップ１）において、センサ部変位検出器１８からの検出値Ｚを読み込む。
ＳＴ２において、読み取ったセンサ部変位検出器１８からの検出値Ｚが真直度補正データテール（図５）のどの分割区間に属するかを調べる。
ＳＴ３において、該当分割区間の補正データを用いて、駆動用アクチュエータ１７によるセンサ部１２の補正値（変位量）を求める。つまり、補正値（Δｘ，Δｙ，Δｚ）を次の式から求める。
Δｘ＝Ｐｘ＋Ｌｘ×（Ｚ−Ｐｚ）
Δｙ＝Ｐｙ＋Ｌｙ×（Ｚ−Ｐｚ）
Δｚ＝Ｐｚ＋Ｌｚ×（Ｚ−Ｐｚ）＝Ｚ
ＳＴ４において、補正値（Δｘ，Δｙ，Δｚ）をＸ，Ｙ，Ｚ軸変位検出器４２，４３，４４の検出値（ＮＸ，ＮＹ，ＮＺ）に加算して、スタイラス１４の座標値（ＮＸ’， ＮＹ’， ＮＺ’）を算出する。すなわち、
ＮＸ’＝ＮＸ＋Δｘ
ＮＹ’＝ＮＹ＋Δｙ
ＮＺ’＝ＮＺ＋Δｚ
から求める。
これにより、倣いプローブ８の駆動用アクチュエータ１７（直線案内機構）の真直度や、倣いプローブ８の取り付け誤差などに起因する測定精度の低下を回避できるから、高精度な倣い測定を実現できる。
【００２４】
＜実施形態の効果＞
本実施形態によれば、予め、倣いプローブの駆動用アクチュエータ１７のＺ軸方向の移動範囲を複数の区間に分割し、この各分割区間において駆動用アクチュエータ１７によるセンサ部１２の各軸方向のずれ量を補正データとして補正データテーブルに記憶しておき、倣い測定時において、センサ部変位検出器１８からの検出値が、補正データテーブルに記憶されたいずれの分割区間に属するかを判断し、該当する分割区間の補正データを用いて、駆動用アクチュエータ１７によるセンサ部１２の各軸方向の補正値を算出したのち、この補正値をＸ，Ｙ，Ｚ軸変位検出手段４２，４３，４４の検出値に加算して、スタイラス１４の座標値を算出するようにしたから、倣いプローブの直線案内機構の真直度や、倣いプローブの取り付け誤差などに起因する測定精度の低下を回避できる。
このことは、測定誤差の発生を少なくするために、直線案内機構の真直度を高精度に組立、加工したり、あるいは、倣いプローブの取り付け精度を高精度に組み付けたりする必要もないので、加工や組立作業、あるいは、作業者の負担を軽減できる。
【００２５】
＜変形例＞
本発明は、前述の実施形態に限定されるものでなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれる。
前記実施形態では、ＸＹステージ２をＸ軸方向およびＹ軸方向へ移動可能に構成したが、ＸＹステージ２と可動部材であるＺ軸スライダ６とを、水平面内の互いに直交するＸおよびＹ軸方向へ相対変位可能に構成してもよい。例えば、ステージ２をＹ軸方向へ変位可能に構成するとともに、Ｚ軸スライダ６をＸ軸およびＺ軸方向へ移動可能に構成するようにしてもよい。
【００２６】
前記実施形態では、振動式の倣いプローブ８を用いたが、これに限られない。例えば、スタイラス１４が被測定物に接触したときに発生するスタイラスの変位を検出する構造、あるいは、スタイラス１４が被測定物に接触したときに発生するスタイラス１４の撓みを検出するなどの構造であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、被測定物の表面粗さを測定する表面粗さ測定機、形状測定機、三次元倣い測定機などに適用可能である。とくに、微細形状の測定に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る表面性状測定装置の一実施形態を示す正面図。
【図２】同上実施形態の側面図。
【図３】同上実施形態の倣いプローブを示す図。
【図４】同上実施形態の測定システムを示す図。
【図５】同上実施形態の真直度補正データを示す図。
【図６】同上実施形態において、真直度補正データの取得手順を示す図。
【図７】同上実施形態において、倣い測定時のフローチャート。
【図８】倣いプローブのＺ軸方向の誤差を示す図。
【符号の説明】
【００２９】
２…ＸＹステージ（テーブル）、
３…Ｘ軸駆動機構、
４…Ｙ軸駆動機構、
６…Ｚ軸スライダ（可動部材）、
７…Ｚ軸駆動機構、
８…倣いプローブ、
１１…筐体、
１２…センサ部、
１３…ベース、
１４…スタイラス（測定子）、
１５…加振要素、
１６…検出要素、
１７…駆動用アクチュエータ（Ｚ軸微動機構）、
１８…センサ部変位検出器（センサ部変位検出手段）、
３１…制御装置、
３３…真直度補正データ記憶部（補正データテーブル）、
３４…計数及び補正演算処理部（補正値算出手段、座標値算出手段）
４２…Ｘ軸変位検出器（Ｘ軸変位検出手段）、
４３…Ｙ軸変位検出器（Ｙ軸変位検出手段）、
４４…Ｚ軸変位検出器（Ｚ軸変位検出手段）。
【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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