(57)【要約】【目的】自動的に形状測定用の接触プローブ先端球を交換することによって、温度変化の非常に少ない雰囲気中で三次元形状測定を高精度に実行することができる三次元形状測定装置を提供すること。【構成】物体の三次元形状を接触式のプローブで表面を走査することによって形状を測定する三次元形状測定装置において、前記接触式プローブの先端球を自動的に交換することを特徴とする。ここで、前記接触式プローブの先端球が吸引方式によってプローブに固定されている。又、前記接触式プローブを自動的に交換する先端球交換装置が吸引方式にてプローブ球を着脱することを特徴とする。更に、前記接触式プローブを自動的に交換する前記先端球交換装置に前記接触プローブの先端球取り付け部分をクリーニングする機構を有する。【選択図】　　　図１
2004069411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の三次元形状を接触式のプローブで表面を走査することによって形状を測定する三次元形状測定装置において、
前記接触式プローブの先端球を自動的に交換することを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項２】
前記接触式プローブの先端球が吸引方式によってプローブに固定されていることを特徴とする請求項１記載の三次元形状測定装置。
【請求項３】
前記接触式プローブを自動的に交換する先端球交換装置が吸引方式にてプローブ球を着脱することを特徴とする請求項１又は２記載の三次元形状測定装置。
【請求項４】
前記接触式プローブを自動的に交換する前記先端球交換装置に前記接触プローブの先端球取り付け部分をクリーニングする機構を有することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の三次元形状測定装置。
【請求項５】
前記接触式プローブを自動的に交換する前記先端球交換装置で新しい先端球を移送する機構部分と三次元形状装置に取り付けられている古い先端球を取り除く機構部分とに分かれていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の三次元形状測定装置。
【請求項６】
前記接触式プローブを自動的に交換する前記先端球交換装置が三次元測定装置の被測定物の上側形状を測定する上側測定用プローブ先端球及び被測定物の下側形状を測定する下側測定用プローブ球に対してそれぞれ交換可能な機構を有していることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の三次元形状測定装置。
【請求項７】
前記接触式プローブを２組具備し、前記２組のプローブは互いに対向して配置され、独立にＺ軸方向に移動可能なＺ軸ステージに搭載され、前記２組のプローブの間に配置された被測定物の互いに対向する表面を個々にトレースすることによって、前記被測定物の互いに対向する表面形状を同時に測定することを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の三次元形状測定装置。
【請求項８】
前記接触式プローブを自動的に交換する先端球交換装置において、先端球が付いているか否か判断する機構を有していることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の三次元形状測定装置。
【請求項９】
前記接触式プローブを自動的に交換する先端球交換装置において、前記先端球が付いているか否か判断する機構として先端球を吸着した状態での空気圧を読みとる機構を有することを特徴とする請求項８記載の三次元形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非球面、球面或は自由曲面から成るレンズ、金型、或は成型品等の測定対象物の三次元形状を高精度に測定する三次元形状測定装置に関し、特に半導体製造装置に用いる結像レンズ等の高精度な面形状を要求する測定対象物の面形状を測定する三次元形状測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、三次元面形状測定に搭載する接触式プローブの接触子の交換方法として特開平１１−１３２７５７号が、又、接触子先端の球を真空吸着する方法として特開２００１−２０８５３４が開示されている。
【０００３】
図６及び図７にプローブ交換治具、図８にプローブ交換手順を示す。
【０００４】
プローブ交換治具１００４は、図６と図７に示すように、治具本体１００４ａとこの治具本体１００４ａに被せられる蓋体１００４ｂとで構成されている。治具本体１００４ａには、プローブ１００３の先端部を収容する第１の凹部１００５が内側に形成され、外周面には蓋体１００４ｂの雌ネジ部１００６に螺合する雄ネジ部１００７が形成されている。更に、詳しくは、治具本体１００４ａの先端にはプローブ１００３の基端部の係合部１００８に係合する溝１００９が形成されている。治具本体１００４ａの先端側の端面にはエアースライダー１００２の先端が入り込む第２の凹部１０１０が形成されている。
【０００５】
このように構成したプローブ交換治具１００４は、次のように使用される。
【０００６】
図８（ａ），（ｂ）に示すように、治具本体１００４ａをエアースライダー１００２に近づけて、プローブ１００３の先端が図８（ｂ）に示すように治具本体１００４ａの第１の凹部１００５に入るよう治具本体１００４ａを持ち上げ、治具本体１００４ａの溝１００９をプローブ１００３の基端部の係合部８に係合させる。
【０００７】
この状態で治具本体１００４ａを矢印Ｒ１方向に回転させて、エアースライダー１００２に対してプローブ１００３を回転させて両者の間の螺合を解除し、プローブ１００３を図８（ｃ）に示すように治具本体１００４ａで保持し、この治具本体１００４ａに蓋体１００４ｂを図８（ｄ）と図７（ｂ）に示すように被せて、蓋体１００４ｂの雌ネジ部１００６を治具本体１００４ａの雄ネジ部１００７にねじ込む。
【０００８】
次に、図９にプローブ先端球を真空吸着にて吸着する従来例を示す。
【０００９】
図９において、１３０１は被測定物（図示せず）を測定するための測定装置、１３０１ａは測定機、１３０２はプローブセンサ、１３０３はピエゾアクチュエータ、１３０４は移動機構（ＸＹステージ）、１３０４ａはステージコントローラ、１３０５は接続パイプ、１３０６は空圧センサ、１３０７はコントローラ、１３０８はパソコン（ＰＣ）等のコンピュータシステムから成る制御部、１３０９は真空発生部、１３１０はエアリザーブタンク、１３１１はフィーラである。
フィーラフィーラ１３１１はパイプ１３１４の先端に精密球１３１５を設けたものである。
【００１０】
パイプ１３１４に設けた精密球１３１５は、パイプ１３１４とは別部材によって成形し、パイプ１３１４先端に吸着させるようにしている。本例における精密球１３１５は、クロム鋼を成形材料として直径約２ｍｍ程度の真球形状に成形するようにしているが、その他にもルビー等が使用でき、高精度に加工可能で、且つ、磨耗し難い性質を有する材料を用いるようにして、成形時に真球度を高くして成形するようにする。パイプ１３１４の先端は直径約１ｍｍに形成し、精密球１３１５を吸着させる際には、パイプ１３１４の内部に負圧を掛け、続いて精密球１３１５を近接させるようにすれば簡単に取り付けることができ、精密球１３１５は適宜の手段によって吸着させるようにすれば良い。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
図６の従来例は人手で三次元形状測定装置のプローブを交換する際に、落下防止や埃が付着しないように考案されたものである。しかし、この方法においても人が測定装置のプローブ付近に近づき、プローブ交換治具を持って作業する必要がある。その際、人が測定装置に近づくことによって測定装置付近の温度が上昇してしまったり、プローブ交換治具を人手で扱うことにより交換治具内部のプローブ軸及び球の温度を変化させてしまうことがあった。
【００１２】
これは最近の高精度なステッパー等に用いる結像レンズの表面形状を要求測定精度で測定を行う場合において無視できないものとなっている。又、一般にこのプローブ軸１００３の先端には鋼製やルビー等の精密な球が用いられており、交換が本当に必要なのは測定中に実際に被測定物と接触するこの球の部分のみであるが、この交換方法では図８の１００３に相当するプローブを軸ごと交換する必要がある。このように軸に球を付けた状態で交換する方法では、軸と球の取り付け工程や軸の製作が無駄であるという問題があった。
【００１３】
図９に示す従来例では、プローブ先端の鋼球を真空吸着にて取り付ける方法が開示されている。この場合は必要な先端球のみ交換できるのでプローブ軸の製作工程等の無駄を省くことができる。しかしながら、この従来例においても先端球を人手で測定装置の付近に運び取り付けなくてはならず、人が近づくことによって測定装置付近の温度やプローブ球の温度を大きく変化させてしまうことに変わりがなかった。
【００１４】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、自動的に形状測定用の接触プローブ先端球を交換することによって、温度変化の非常に少ない雰囲気中で三次元形状測定を高精度に実行することができる三次元形状測定装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、三次元形状を接触式のプローブで走査することによって測定する三次元形状測定装置において、自動的に接触プローブの先端球を交換可能にしたことを特徴とする。
【００１６】
又、本発明の三次元形状測定装置は、前記接触プローブの先端球が吸引方式によってプローブに固定されていることを特徴とする。
【００１７】
又、本発明の三次元形状測定装置は前記接触式プローブを自動的に交換する先端球交換装置が吸引方式にてプローブ球を着脱することを特徴とする。
【００１８】
又、本発明の三次元形状測定装置は、前記接触式プローブを自動的に交換する前記先端球交換装置に前記接触プローブの先端球吸着部分をクリーニングする機構を有することを特徴とする。
【００１９】
又、本発明の三次元形状測定装置は、前記接触式プローブを自動的に交換する前記先端球交換装置において、新しい先端球を移送する機構部分と三次元形状装置に取り付けられている古い先端球を取り除く機構部分とに分かれていることを特徴とする。
【００２０】
又、本発明の三次元形状測定装置は、前記接触式プローブを自動的に交換する前記先端球交換装置が三次元測定装置の被測定物の上側形状を測定する上側測定用プローブ先端球及び被測定物の下側形状を測定する下側測定用プローブ球に対してそれぞれ交換可能な機構を有していることを特徴とする。
【００２１】
又、本発明の三次元形状測定装置は、前記接触式プローブを２組具備し、前記２組のプローブは互いに対向して配置され、独立にＺ軸方向に移動可能なＺ軸ステージに搭載され、前記２組のプローブの間に配置された被測定物の互いに対向する表面を個々にトレースすることによって、前記被測定物の互いに対向する表面形状を同時に測定することを特徴とする。
【００２２】
又、本発明の三次元形状測定装置は、前記接触式プローブを自動的に交換する先端球交換装置において、先端球が付いているか否か判断する機構を有していることを特徴とする。
【００２３】
又、本発明の三次元形状測定装置は、前記接触式プローブを自動的に交換する先端球交換装置において、前記先端球が付いているか否か判断する機構として先端球を吸着した状態での空気圧を読み取る機構を有することを特徴とする。
【００２４】
上記のような特徴を有する本発明の三次元測定装置によれば、ステッパー等に用いる高精度な結像レンズのレンズ面形状を接触プローブにて走査することによって測定する三次元形状測定装置おいて、接触プローブの先端球を自動で交換することによって、三次元形状測定装置が設置されている恒温チャンバー内に人が入り測定装置に近づいて人手でプローブ球を交換する必要がない。
【００２５】
従って、三次元測定装置の設置されている雰囲気或はプローブ球の温度を変化させてしまうことがないので、温度変化が殆ど無い高精度な形状測定を行うことが可能となる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２７】
図１は本発明による自動プローブ球交換機能を備えた高精度三次元形状測定装置の平面図、図２は同じく側面図で、図１をＡＡ方向から見た図である。
【００２８】
図１並びに図１において、１０１は測定本体を支える架台である。１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃは除振台であり、架台１０１は除振台１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃの上に搭載されている。１０８ａは被測定物１０９の上面測定用プローブユニット２０３ａを搭載した上側プローブアームである。１０７ａは上側プローブアーム１０８ａをＺ方向に移動させる上側Ｚ軸であり、本発明ではＺ軸のガイドにリニアエアーベアリングを、駆動にはリニアモータを採用している。１０８ｂは被測定物１０９の下面測定用プローブユニット２０３ｂを搭載した下側プローブアームである。
【００２９】
１０７ｂは下側プローブアーム１０８ｂをＺ方向に移動させる下側Ｚ軸であり、本発明ではＺ軸のガイドにリニアエアーベアリングを、駆動にはリニアモータを採用している。上面測定用プローブユニット２０３ａ並びに下面測定用プローブユニット２０３ｂの先端には鋼球が真空吸着によって吸着されている。前記鋼球は一般に真球度の良い鋼球か又はルビー球等を用いる。１０６は上側Ｚ軸１０７ａ及び下側Ｚ軸１０７ｂを水平方向（即ち、Ｙ方向）に移動させる本体Ｙ軸であり、本発明では本体Ｙ軸のガイドにリニアエアーベアリングを、駆動にはリニアモータを採用している。
【００３０】
１０５は本体Ｙ軸１０６をＹ軸とは直交する方向（即ち、Ｘ軸方向）に移動させる本体Ｘ軸であり、本発明では本体Ｘ軸のガイドに転がり軸受けを、駆動にはサーボモータによるボールネジ送りを採用している。前記のような上側Ｚ軸１０７ａ、下側Ｚ軸１０７ｂ及び本体Ｙ軸１０６及び本体Ｘ軸１０５を駆動することによって上側プローブアーム１０８ａ及び下側プローブアーム１０８ｂに搭載した上面測定用プローブユニット２０３ａ及び下面測定用プローブユニット２０３ｂの接触プローブ先端球を被測定ワーク１０９の上面及び下面表面に両面同時に或は片面毎に倣って走査することが可能である。
【００３１】
１０３は上側プローブアーム１０８ａ並びに下側プローブアーム１０８ｂに搭載したプローブユニットの位置を計測するためのレーザ測長器（図不記載）の基準となる参照ミラー２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃ，２０２ｄ（Ｙ軸移動位置測定用参照ミラーは図不記載）を取り付けたミラーボックスである。ミラーボックス１０３は、架台１０１にコラム２０１とワーク搭載台１１９を介して取り付けられ、ミラーボックス１０３はワーク搭載台１１９に対してキネマティック支持によって３点で受けており、架台１０１及びコラム２０１及びワーク搭載台１１９の変形によってミラーボックス１０３が変形しないように支持されている。
【００３２】
ミラーボックス１０３並びにコラム２０１を搭載した架台１０１とＺ軸１０７ａ，１０７ｂ並びに本体Ｙ軸１０６並びに本体Ｘ軸１０５とは切り離されており、本体Ｘ軸１０５並びに本体Ｙ軸１０６の移動による振動或は変形が架台１０１と通してミラーボックス１０３に直接伝わらない構造になっている。
【００３３】
１１０はワークストッカーで測定前の被測定物を複数個準備しておくことができ、測定の順番が来るまでに温調される。１１７は測定前の被測定物である。被測定物はワークストッカー１１０によって測定装置本体側に順送りされ、切り替え装置１２２によって１２３の位置に送られる。その後、オートハンド１２０によって測定装置本体内に送られ、引き込み装置１２１によって被測定物１０９の位置に位置決めされる。その際、引き込み装置１２１によって位置決め時の衝撃が被測定物１０９に加わらないように行われる。
【００３４】
測定が終了するとオートハンド１２０によって測定装置本体から引き出され、ワークストッカー１１０によって測定終了位置１１８に送られる。この間、被測定物の移動は自動で行われ、被測定物を交換する度に人が測定装置に近づく必要がない。１１１は恒温チャンバー、１１２は恒温チャンバー制御室である。
【００３５】
１１３は恒温チャンバー１１１を測定装置本体側とワークストッカー側に分ける仕切で、測定本体側の恒温チャンバー容積を少なくしてより精密な温度制御が行うこと目的としている。このようにワークストッカー１１０に複数個の被測定物を搭載した後は全て自動的に測定が行えるので、人は恒温チャンバー１１１に入る必要がなく、より温度変化の少ない状態で高精度な測定を行うことができる。
【００３６】
１１４は架台１０１とコラム２０１の間に挿入されたダンパーでコラム２０１の架台１１４に対する振動を吸収する。
【００３７】
１０２は上面測定用プローブユニット２０３ａ及び下面測定用プローブユニット２０３ｂの先端に吸着させている先端球を自動交換するためのユニットである。
【００３８】
図３は前記先端球自動交換ユニット１０２の詳細図である。
【００３９】
図３において、３０１は先端球交換用プローブ、３０２は前記先端球交換プローブをＺ方向に移動させる先端球交換用プローブＺ移動軸、３０３は前記先端球交換用プローブ３０２をＺ軸方向に駆動する駆動モータである。３０４は前記先端球交換プローブを搭載した先端球交換用プローブＺ軸３０２を図に向かって左右であるＹ軸方向に移動するアーム、３０５は前記アーム３０４をＹ軸方向に移動及び位置決めさせる先端球交換用プローブＹ移動軸、３０６は前記アーム３０４を駆動する駆動モータである。
【００４０】
３１３は測定に使用する先端球をストックしておく先端球ストッカー、３１６は前記先端球ストッカー３１３をＹ軸方向に移動及び位置決めさせる先端球ストッカーＹ移動軸、３０７は前記先端球ストッカー３１３から先端球を取り出す先端球取り出しプローブユニット、３０８は先端球取り出しプローブユニットの先端に搭載された先端球を吸着する先端球取り出し吸着プローブ、３０９は先端球取り出しプローブユニット３０７をＺ方向に移動及び位置決めさせる先端球取り出しプローブユニットＺ移動軸、３１５は前記先端球取り出しプローブユニットＺ軸をＹ方向に移動及び位置決めさせる先端球取り出しプローブユニットＹ移動軸である。
【００４１】
３１１は先端球取り出し吸着プローブ３０８に取った先端球を先端球交換プローブ３０１に受け渡しするために先端球を一時置いておくための先端球取り置きユニット、３１９は先端球取り置きユニットに搭載された先端球交換吸着部、３１２は先端球自動交換ユニット１０２を支える架台、３１２は先端球交換ユニットの操作盤、３１８は外部から新しい先端球が並べられた先端球ストッカー３１３を供給するための先端球交換扉である。
【００４２】
図４は図３の先端球交換用プローブ３０１の詳細図である。
【００４３】
図４において、４０１は上面測定用プローブユニット２０３ａの先端球を排出するための上用先端球排出吸着プローブ、４０４は上用先端球排出吸着プローブ配管、４０２は上面測定用プローブユニット２０３ａの先端球吸着部分をクリーニングするための上面測定用プローブユニット先端クリーニング部、４０５は上面測定用プローブユニット先端クリーニング部配管、４０３は上面測定用プローブユニット２０３ａのプローブ先端に先端球を装着させるための上用先端球供給吸着プローブ、４０６は上用先端球供給吸着プローブ配管である。
【００４４】
４０７は下面測定用プローブユニット２０３ｂの先端球を排出するための下用先端球排出吸着プローブ、４１０は下用先端球排出吸着プローブ配管、４０８は下面測定用プローブユニット２０３ｂの先端球吸着部分をクリーニングするための下面測定用プローブユニット先端クリーニング部、４１１は下面測定用プローブユニット先端クリーニング部配管、４０９は下面測定用プローブユニット２０３ｂのプローブ先端に先端球を装着させるための下用先端球供給吸着プローブ、４１２は下用先端球供給吸着プローブ配管である。
【００４５】
図５はプローブアーム及びプローブユニット及びプローブユニット先端に取り付けられた先端球の概略図である。図５は上面用の測定プローブユニットのみ図示してあり、下面用は同じ構成でプローブ先端が上を向いている。
【００４６】
図５において、５０１は上面測定用プローブユニット２０３ａに吸着された先端球、５０２は先端球５０１を吸着するための測定球吸着用配管である。先端球５０１は真球度の良い鋼球或はルビー球が用いられ、直径は０．５ｍｍ〜５ｍｍ程度のものを使用する。
【００４７】
次に、図３及び図４で先端プローブ球の自動交換手順を説明する。
【００４８】
先ず、測定器本体の上側プローブアーム１０８ａを上側Ｚ軸１０７ａの駆動によって上昇させ、上面測定用プローブユニット２０３ａの上端待避位置に位置決めさせる。又、下面測定用プローブユニット２０３ｂを下側Ｚ軸１０７ｂの駆動によって下端待避位置に位置決めする。その後、上側Ｚ軸１０７ａ及び下側Ｚ軸１０７ｂを本体Ｙ軸１０６及び本体Ｘ軸１０５の駆動によってプローブ交換可能位置へ移動させ、上面測定用プローブユニット２０３ａと下面測定用プローブユニット２０３ｂをプローブ交換位置へ位置決めさせる。これで本体側のプローブ交換準備が完了する。
【００４９】
次に、先端球交換用プローブ３０１を先端球交換用プローブＹ移動軸３０５の駆動によって移動させ、上側先端球の先端球取り出しプローブユニット３０７から先端球交換用プローブへの引き渡し位置へ位置決めする。
【００５０】
次に、先端球ストッカー３１３を先端球ストッカーＹ移動軸３１６の駆動によってチャンバー壁３１７方向に移動させる。チャンバー壁３１７の先端球交換扉３１８を開けて交換用先端球を先端球ストッカーにセットする。この交換は先端球ストッカー３１３に先端球が無くなったとき行えば良いので頻繁に実行する必要はない。先端球ストッカー３１３に先端球をセットしたら再び先端球ストッカーＹ移動軸３１６を駆動して先端球ストッカー３１３を先端球ピックアップ位置まで移動させて位置決めする。このとき、先端球取り出しプローブユニット３０７は、先端球取り出しプローブユニットＹ移動軸３１５の駆動によって、前記先端球ピックアップ位置へ移動し位置決めしておく。
【００５１】
先端球ストッカー３１３の位置決めが終了したら先端球取り出しプローブユニットＺ移動軸３０９を駆動して先端球取り出しプローブユニット３０７を下降させて先端球取り出し吸着プローブ３０８が先端球ストッカー３１３の先端球を吸着することができる位置に移動させる。先端球取り出し吸着プローブ３０８が先端球を吸着できる位置に位置決めされたら、先端球取り出し吸着プローブ３０８の吸着をＯＮにして先端球取り出し吸着プローブ３０８の先端に先端球を吸着する。先端球を吸着したら先端球取り出しプローブユニット３０７を先端球取り出し吸着ユニットＺ移動軸３０９を駆動して上昇させる。
【００５２】
次に、先端球取り出しプローブユニット３０７を先端球取り出しプローブユニットＹ移動軸３１５の駆動によって、先端球交換用プローブ引き渡し位置へ位置決めする。前記先端球交換用プローブ引き渡し位置とは、前記先端球取り出し吸着プローブ３０８から、上用先端球供給吸着プローブ４０３へ先端球を吸着させることができる位置のことである。先端球取り出しプローブユニット３０７が前記先端球交換用プローブ引き渡し位置に位置決めしたら、先端球取り出しプローブユニットＺ移動軸３０９の駆動によって先端球取り出しプローブユニット３０７を下降させて先端球交換用プローブ３０１の上用先端球供給吸着プローブ４０３へ吸着可能な位置に位置決めする。
【００５３】
先端球取り出しプローブユニット３０７が上用先端球供給吸着プローブ４０３へ吸着可能な位置に位置決め完了したら、上用先端供給吸着プローブ４０３の吸着をＯＮにして次に先端球取り出しプローブ３０８の吸着をＯＦＦする。すると、先端球は先端球取り出しプローブ３０８を離れ、上用先端球供給吸着プローブ４０３に吸着する。
【００５４】
上用先端球供給吸着プローブ４０３への先端球の吸着が完了したら、先端球取り出しプローブユニットＺ移動軸３０９を駆動して先端球取り出しプローブユニット３０７を上昇させて先端球取り出しプローブユニット３０７を安全なＺ位置へ位置決めする。続いて、先端球取り出しプローブユニット３０７は先端球取り出しプローブユニットＹ移動軸３１５の駆動によって、再び先端球ピックアップ位置へ位置決めする。その後、前回と同様に先端球ストッカー３１３から先端球取り出し吸着プローブ３０８に先端球を吸着させる。
【００５５】
再び、先端球取り出し吸着プローブ３０８に先端球を吸着させたら、今度は先端球取り出しプローブユニット３０７を先端球取り出し、プローブユニットＹ移動軸３１５の駆動によって先端球取り置きユニット３１１の位置へ位置決めさせる。その後、先端球取り置きユニット３１１の先端球交換吸着部３１９と交換可能位置へ先端球取り出しプローブユニット３０７を先端球取り出しプローブユニットＺ移動軸３０９の駆動によって下降させる。その後、先端球交換吸着部３１９の吸着をＯＮにし、先端球取り出しプローブ３０８の吸着をＯＦＦすることで先端球は先端球交換吸着部３１９に吸着される。
【００５６】
先端球交換吸着部３１９に先端球が吸着したら、先端球取り出しプローブユニット３０７は先端球取り出しプローブユニットＺ移動軸３０９の駆動によって安全な位置に上昇し、更に先端球取り出しプローブユニットＹ移動軸３１５の駆動によって安全なＹ軸位置へ移動する。その後、先端球交換用プローブ３０１の先端球交換用プローブＺ移動軸３０２を上昇させ、続いて先端球交換用プローブ３０１の下用先端球供給吸着プローブ４０９を先端球交換用プローブＹ移動軸３０５の駆動によって先端球取り置きユニット３１１の位置に位置決めする。
【００５７】
先端球交換用プローブ３０１の下用先端球供給吸着プローブ４０９が先端球取り置きユニット３１１の位置に位置決めしたら、先端球交換用プローブＺ移動軸３０２を駆動して先端球交換用プローブ３０１の下用先端球供給吸着プローブ４０９に先端球交換吸着部３１９から先端球が吸着可能な位置まで下降して位置決めする。先端球交換用プローブ３０１の位置決めが完了したら、先端球交換吸着部３１９の吸着をＯＦＦし、続いて下用先端球供給吸着プローブ４０９の吸着をＯＮにする。この結果、先端球が下用先端球供給吸着プローブ４０９に吸着する。
【００５８】
以上の動作により先端球交換用プローブ３０１の上用先端球供給吸着プローブ４０３と下用先端球供給吸着プローブ４０９に新しい先端球がそれぞれ吸着したことになる。
【００５９】
次に、上用先端球供給吸着プローブ４０３と下用先端球供給吸着プローブ４０９に新しい先端球が付いた状態の先端球交換用プローブ３０１を先端球交換用プローブＺ移動軸３０２の駆動によって上面測定用プローブユニット２０３ａ及び下面測定用プローブユニット２０３ｂの中間位置に位置決めする。その後、先端球交換用プローブ３０１を先端球交換用プローブＹ移動軸３０５の駆動によって移動させ、上面測定用プローブユニット２０３ａと下面測定用プローブユニット２０３ｂが位置決めされているプローブ交換可能位置に位置決めする。
【００６０】
更に、先ず、上用先端球排出吸着プローブ４０１及び下用先端球排出吸着プローブ４０７が上面測定用プローブユニット２０３ａ及び下面測定用プローブユニット２０３ｂから先端球を吸着できる位置に先端球交換用プローブＹ移動軸３０５の駆動によって位置決めする。続いて、先端球交換用プローブＺ移動軸３０２を上昇させ、上面測定用プローブユニット２０３ａから先端球を吸着できるＺ方向位置に先端球交換用プローブ３０１を位置決めする。
【００６１】
先端球交換用プローブ３０１の位置決めが完了したら、上用先端球排出吸着プローブ４０１の吸着をＯＮにし、続いて上面測定用プローブユニット２０３ａの吸着をＯＦＦにする。これによって上面測定用プローブユニット２０３ａに吸着していた古い先端球は上用先端球排出吸着プローブ４０１に吸着される。上用先端球排出吸着プローブ４０１に先端球が吸着したら、先端球交換用プローブＺ移動軸３０２を下降させ、下面測定用プローブユニット２０３ｂから先端球を吸着できるＺ方向位置に先端球交換用プローブ３０１を位置決めする。
【００６２】
先端球交換用プローブ３０１の位置決めが完了したら、下用先端球排出吸着プローブ４０７の吸着をＯＮにし、続いて下面測定用プローブユニット２０３ｂの吸着をＯＦＦにする。これによって下面測定用プローブユニット２０３ｂに吸着していた古い先端球は下用先端球排出吸着プローブ４０７に吸着される。下用先端球排出吸着プローブ４０７に先端球が吸着したら、先端球交換用プローブＺ移動軸３０２を上昇させ、先端球交換用プローブ３０１を上面測定用プローブユニット２０３ａ及び下面測定用プローブユニット２０３ｂの中間位置に位置決めする。
【００６３】
続いて、先端球交換用プローブ３０１の上面測定用プローブユニット先端クリーニング部４０２及び下面測定用プローブユニット先端クリーニング部４０８を上面測定用プローブユニット２０３ａ及び下面測定用プローブユニット２０３ｂの先端位置に先端球交換用プローブＹ移動軸３０５の駆動によって位置決めする。先端球交換用プローブ３０１の位置決めが完了したら、先端球交換用プローブＺ移動軸３０２を上昇させ、上面測定用プローブユニット先端クリーニング部４０２によって上面測定用プローブユニット２０３ａ先端のクリーニングが可能な位置に先端球交換用プローブ３０１をＺ方向に位置決めする。
【００６４】
先端球交換用プローブ３０１の位置決めが完了したら、上面測定用プローブユニット先端クリーニング部４０２のクリーニングをＯＮにし、上面測定用プローブユニット２０３ａ先端のクリーニングを行う。上面測定用プローブユニット２０３ａ先端のクリーニングが完了したら、先端球交換用プローブＺ移動軸３０２を下降させ、下面測定用プローブユニット先端クリーニング部４０８によって下面測定用プローブユニット２０３ｂ先端のクリーニングが可能な位置に先端球交換用プローブ３０１をＺ方向に位置決めする。
【００６５】
先端球交換用プローブ３０１の位置決めが完了したら、下面測定用プローブユニット先端クリーニング部４０８のクリーニングをＯＮにし、下面測定用プローブユニット２０３ｂ先端のクリーニングを行う。これで、上面測定用プローブユニット２０３ａ及び下面測定用プローブユニット２０３ｂの先端のクリーニングが完了する。
【００６６】
因に、本実施の形態でのクリーニング方法はエアーブローによるクリーニングであり、上面測定用プローブユニット先端クリーニング部４０２及び下面測定用プローブユニット先端クリーニング部４０８からエアーを出して、上面測定用プローブユニット２０３ａ先端及び下面測定用プローブユニット２０３ｂ先端のゴミ、油分或は水分等を除去する。特に上面測定用プローブユニット２０３ａ先端と先端球５０１の間にゴミを挟んだまま吸着すると被測定物の表面走査時に走査状態が不安定になり、測定結果に誤差が生じてしまう。このように先端球を交換する毎にクリーニングすることで前記のような誤差を防止することができる。
【００６７】
下面測定用プローブユニット２０３ｂの先端のクリーニングが完了したら、先端球交換用プローブＺ移動軸３０２を上昇させ、先端球交換用プローブ３０１を上面測定用プローブユニット２０３ａ及び下面測定用プローブユニット２０３ｂの中間位置に位置決めする。続いて、先端球交換用プローブ３０１を、上用先端球供給吸着プローブ４０３及び下用先端球供給吸着プローブ４０９から上面測定用プローブユニット２０３ａ及び下面測定用プローブユニット２０３ｂに先端球を吸着することができる位置に先端球交換用プローブＹ移動軸３０５の駆動によって位置決めする。
【００６８】
先端球交換用プローブＹ移動軸３０５の駆動による位置決めが完了したら、先端球交換用プローブＺ移動軸３０２を上昇させ、上用先端球供給吸着プローブ４０３から上面測定用プローブユニット２０３ａに先端球を吸着できるＺ方向位置に先端球交換用プローブ３０１を位置決めする。先端球交換用プローブ３０１のＺ方向位置の位置決めが完了したら、上面測定用プローブユニット２０３ａの吸着をＯＮにし、続いて上用先端球供給吸着プローブ４０３の吸着をＯＦＦにする。これによって上用先端球供給吸着プローブ４０３に吸着していた先端球が上面測定用プローブユニット２０３ａの先端に吸着される。
【００６９】
上面測定用プローブユニット２０３ａへの先端球吸着が完了したら、先端球交換用プローブＺ移動軸３０２を下降させ、下用先端球供給吸着プローブ４０９から下面測定用プローブユニット２０３ｂに先端球を吸着できるＺ方向位置に先端球交換用プローブ３０１を位置決めする。先端球交換用プローブ３０１のＺ方向位置の位置決めが完了したら、下面測定用プローブユニット２０３ｂの吸着をＯＮにし、続いて下用先端球供給吸着プローブ４０９の吸着をＯＦＦにする。これによって下用先端球供給吸着プローブ４０９に吸着していた先端球が下面測定用プローブユニット２０３ｂの先端に吸着される。
【００７０】
上面測定用プローブユニット２０３ａ及び下面測定用プローブユニット２０３ｂへの先端球吸着が完了したら、先端球交換用プローブＺ移動軸３０２を上昇させ、先端球交換用プローブ３０１を上面測定用プローブユニット２０３ａ及び下面測定用プローブユニット２０３ｂの中間位置に位置決めする。その後、先端球交換用プローブ３０１は、先端球交換用プローブＹ移動軸３０５の駆動によって上用先端球排出吸着プローブ４０１及び下用先端球排出吸着プローブ４０７に吸着している古い先端球を破棄する位置に移動、位置決めし、上用先端球排出吸着プローブ４０１及び下用先端球排出吸着プローブ４０７の吸着をＯＦＦして古い先端球を破棄する。
【００７１】
以上のシーケンスによって、三次元形状測定装置本体の上面測定用プローブユニット２０３ａ及び下面測定用プローブユニット２０３ｂの先端に吸着していた古い先端球を新しい先端球に交換することが可能となる。尚、前記記載の各移動軸の駆動及び位置決め、並びに吸着のＯＮ、ＯＦＦ等は図示していないＮＣ制御或はコンピュータのプログラム制御によって自動的に行われる。
【００７２】
従って、三次元形状測定装置本体の上面測定用プローブユニット２０３ａ並びに下面測定用プローブユニット２０３ｂの先端球の交換は人手を介さずに自動的に行われることになる。
【００７３】
以上の説明では上面測定用プローブユニット２０３ａ並びに下面測定用プローブユニット２０３ｂの先端球の交換を同時に行っているが、上面測定用プローブユニット２０３ａの先端球のみ、或は下面測定用プローブユニット２０３ｂの先端球のみの交換を行うことも可能である。
【００７４】
又、前記各吸着プローブには真空度を計測するセンサーが組み込まれており、先端球を吸着した吸着プローブの真空度が一定値以下にならないときは先端球の吸着が失敗したと見なし、その場でエラー終了し、先端球が無い状態で形状測定を実行してしまう危険を回避することができる。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ステッパー等に用いる高精度な結像レンズのレンズ面形状を接触プローブにて走査することによって測定する三次元形状測定装置おいて、接触プローブの先端球を自動で交換することによって、三次元形状測定装置が設置されている恒温チャンバー内に人が入り測定装置に近づいて人手でプローブ球を交換する必要がない。
【００７６】
従って、三次元測定装置の設置されている雰囲気或はプローブ球の温度を変化させてしまうことがない。よって、温度変化が殆ど無い高精度な形状測定を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施した接触式三次元形状測定装置の平面図である。
【図２】本発明を実施した接触式三次元形状測定装置の側面図である。
【図３】本発明を実施した接触式三次元形状測定装置のプローブ球交換ユニットの側面図である。
【図４】プローブ球交換ユニットの先端球交換用プローブの詳細図である。
【図５】プローブユニット及び先端球の概略図である。
【図６】従来のプローブ交換用治具の外観斜視図である。
【図７】従来のプローブ交換用治具の断面図である。
【図８】従来のプローブ交換工程図である。
【図９】従来の真空吸着方式のプローブを持つ測定装置ブロック図である。
【符号の説明】
１０１　　　　　　　架台
１０３　　　　　　　ミラーボックス
１０４ａ〜１０４ｃ　除振台
１０５　　　　　　　本体Ｘ軸
１０６　　　　　　　本体Ｙ軸
１０８ａ　　　　　　上側プローブアーム
１０９　　　　　　　被測定物
２０１　　　　　　　コラム
２０２ａ〜２０２ｄ　参照ミラー
【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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