(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定試料の置かれたステージと多点法プローブを保持するセンサホルダが互いに相対的に移動をして直線形状を走査測定する装置において、移動する側のセンサホルダまたはステージ（以後移動側物体と呼ぶ）の走査方向の傾斜角を測定することの出来る水準器を備えていて、前記水準器によって走査移動の開始点と終了点での前記移動側物体の傾斜を測定することで、多点法プローブのゼロ点調整誤差をその場校正することを特徴とする測定装置。
【請求項２】
2次元の相対走査移動による測定において、前記被測定試料の置かれたステージと前記多点法プローブを保持するセンサホルダのそれぞれが、直交する2方向のうちの一方向の走査において前記水準器を有する前記移動物体側になることで、多点法プローブのゼロ点調整誤差をその場校正して、2次元の面形状と2方向の移動真直度を測定することを特徴とする請求項1に記載の測定装置。
【請求項３】
前記移動物体が直交する2次元方向に移動可能であり、前記水準器が2次元方向の傾斜測定が可能な2次元水準器であり、２次元の走査移動の開始点と終了点の少なくとも３箇所での移動側物体の２次元の傾斜を測定することで、2次元の多点法プローブのゼロ点調整誤差をその場校正することを特徴とする請求項1又は２に記載の測定装置。
【請求項４】
前記多点法プローブが、一つの走査線上に並んだ変位センサ３本による変位３点法プローブ、または、一つの走査線上に並んだ角度センサ２本による角度２点法プローブ、または、一つの走査線上に並んだ変位センサ２本と角度センサ１本による混合法プローブであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の測定装置。
【請求項５】
前記多点法プローブが、２次元的に配置された４点ないし５点を計測する２次元多点法プローブ、または、２次元的に配置された３点ないし４点の傾斜角を計測する角度センサよる２次元多点法プローブ、または、２次元的に配置された３点の変位と少なくとも１点における直交２方向の傾斜角を計測する角度センサとによる２次元多点法プローブであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定技術に関し、特に大型の被測定物の真直形状、面形状および移動真直運動誤差の測定を高精度に行う測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
面形状や断面直線形状の測定をするためには、基準となる直定規との比較測定を実施することが多い。あるいは、光軸の直線性を基準にして、走査方向に被測定面と２点で当接する台上の鏡の傾斜をオートコリメータで測定して、直線形状を算出する方法が用いられる。また、基準が使えないときには、多点法プローブを用いた多点法により、運動誤差と形状誤差を分離する方法がとられる（特許文献１参照）。そのほか、水準器を用いて、水準器下面が被測定面に当接する点の間の傾斜を被測定面上の必要な箇所で測定し、その測定結果より直線形状あるいは面形状を算出する方法が用いられる。
【特許文献１】特開２００８−８８７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
真直形状や平面形状の測定対象が大型化するのにともない、基準定規が長尺化し、その作成が困難になる。また、空中での光線の揺らぎの影響で光軸の基準も十分な精度を保てなくなる。そこで多点法の必要性が高まるが、多点法ではゼロ点調整誤差による放物線誤差の問題があり、しかも長尺になるほど放物線誤差は大きくなる。
【０００４】
これに対して、水準器では、重力方向を基準に取るために長尺に対しても理論上安定した測定ができるが、外乱振動の影響で感度が上げられないことと、高感度のものほど応答速度が遅くなり、移動しながらの迅速な計測は難しく、大平面での多数の点の傾斜測定にかかる時間も長くなるという難点がある。
【０００５】
本発明は、かかる問題点に鑑み、長尺の断面直線形状や面形状の測定における水準器と多点法の利点だけを有効に使い、大面積の被測定面を迅速に高精度に測定できる測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の測定装置は、被測定試料の置かれたステージと多点法プローブを保持するセンサホルダが互いに相対的に移動をして直線形状を走査測定する装置において、移動する側のセンサホルダまたはステージ（以後移動側物体と呼ぶ）の走査方向の傾斜角を測定することの出来る水準器を備えていて、前記水準器によって走査移動の開始点と終了点での前記移動側物体の傾斜を測定することで、多点法プローブのゼロ点調整誤差をその場校正することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
多点法で真直形状と運動真直形状を分離して測定するが、多点法プローブにゼロ点調整誤差があれば運動真直形状にも放物線誤差が含まれる。ところで、放物線を一回微分して傾斜をもとめると、傾斜は直線的に変化する。従って、運動真直形状の両端での傾斜の差に生じる誤差が分かれば、放物線誤差が求められることになる。
【０００８】
即ち、運動する移動物体側の傾斜を、形状測定における移動開始点と終了点の静止時に正しく計測できれば、多点法プローブで測定評価した運動真直形状における両端の傾斜の差に含まれる、多点法プローブのゼロ点調整誤差による放物線誤差の影響を抽出できる。この結果、目的の形状測定データそのものから多点法プローブのゼロ点の校正が出来る、いわゆるその場校正が実現できる。従来は、既知の基準形状を測定してみることでゼロ点誤差を校正してから目的の被測定面を多点法で走査測定するという2段階のステップが必要であったが、提案の方法によって測定の迅速化だけでなく、ドリフトなど時間経過による誤差の低減も実現できる。
【０００９】
本発明はこの考えに基づき、静止中の移動物体の傾斜を重力方向基準で正しく測定できる水準器を多点法測定における移動側物体に固定して走査移動両端での移動物体の傾斜を正しく測定することを提案する。
【００１０】
図面を参照して、本発明の原理を説明する。図１（ａ）に多点法プローブのゼロ調整点誤差によって生じる放物線形状と、図１（ｂ）にその放物線形状の元となる、走査線に沿う傾斜の変化を模式的に示す。ここで、ゼロ調整点誤差によって生じる放物線形状は、移動方向をｘ方向としたときに、ゼロ点調整誤差をαとすると、ｈ（ｘ）＝αｘ2／２で表せる。測定全長Ｌにおける最大高さｈmax＝αＬ2／８となる。
【００１１】
走査開始点と終了点での移動物体の傾斜の差ΔEφを、静止時の水準器の読みから測定できる。一方、多点法プローブで得られる走査開始点と終了点の傾斜の違いΔμは、ゼロ点誤差に起因する放物線の一回微分に相当する値h´の両端での差Δh´だけ誤差を含む。これより、以下のような関係が得られる。
Δμ＝ΔEφ＋Δh´
従って、
Δh´＝Δμ−ΔEφ
となる。ここで、Δh´＝αＬとして、
α＝Δh´／Ｌ
が求まる。
【００１２】
更に、水準器を使ったゼロ点調整誤差の校正について原理の説明を簡単にするため、多点法として角度２点法を選んで説明する。図２に、２つの角度センサＡＳ１，ＡＳ２からなる角度２点法プローブによる真直形状測定の原理図を示す。ここでは、被測定試料ＳＰが搭載されたステージＳＴＸが移動側物体となる例を示す。ｘ方向に走査される２つの角度センサＡＳ１，ＡＳ２の間隔がｄであり、角度センサＡＳ１，ＡＳ２の出力をそれぞれμ１(x)、μ２(x+d)とする。被測定試料ＳＰにおける被測定面の形状をf(x)、その微係数をｆ´(x)とし、相対走査時の運動のピッチングをeφ(x)とすると、角度センサＡＳ１，ＡＳ２の出力として式（１）、（２）を得る。ただし、αが2つの角度センサＡＳ１，ＡＳ２のゼロの違い、すなわちゼロ点調整誤差を表す。
μ１(x)＝ｆ´(x)＋eφ(x)      （１）
μ2(x)＝ｆ´(x+d)＋eφ(x)＋α      （２）
【００１３】
ここで、プローブ（ＡＳ１，ＡＳ２）をｘ方向にｄだけシフトした位置での角度センサＡＳ１の出力は、
μ１(x+d)＝ｆ´(x+d)＋eφ(x+d)      （３）
となる。
【００１４】
更に、式（２）、（３）より
μ１(x+d)−μ2(x)＝eφ(x+d)−eφ(x)−α      （４）
を得る。
【００１５】
測定全長LをｄNとし、ｉ番目の点をｘiとすると、ｘ1＝０、ｘN＝d(N−1)の点での傾斜をeφ(0)、eφ(N−1)として、移動真直形状を逐次法で求めると、以下のようになる。
Σ{μ１(x+d)−μ2(x)}＝eφ(N−1)−eφ(0)−(N−1)α      （５）
【００１６】
一方、水準器ＥＬで計測した両端での傾斜の差ΔEφは、ΔEφ＝{eφ(N−1)−eφ(0)}となるので、ゼロ点調整誤差αは次のように求められる。
α＝ [Σ{μ１(x+d)−μ2(x)}−ΔEφ]／(N−1)      （６）
従って、式（５）、（６）より、ゼロ点調整誤差αを排除して移動物体の移動真直形状eφ(x)を正しく求めることができる。さらに、式（１）から被測定試料ＳＰにおける被測定面の形状を精度良く求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図２に示す被測定物ＳＰを搭載したステージSTXが移動する形式の測定装置において、被測定物ＳＰと同じステージＳＴＸ上に水準器ELが設置される。原理的には、移動中のステージＳＴＸと被測定試料ＳＰは、姿勢を変えることはあっても変形しないものとするが、ステージ長が長くなると位置の変化と共に変形する可能性もあるので、複数の水準器を被測定物ＳＰに沿った位置に配置することも好ましい。また、水準器ＥＬは重力の方向で指示値が変わるので、地球の曲率に合わせて水準器の値を補正する必要もある。近似的には１ｍの移動で水準器ＥＬの読みは約0.03秒変化する。
【００１８】
なお、移動するステージＳＴＸを静圧軸受けで支持する場合など、ステージＳＴＸの走査移動開始前から姿勢が変わることがある。そのような場合は、静止時の水準器ＥＬの読みを取ると同時に多点法プローブのセンサＡＳ１，ＡＳ２の出力を取り、静止時の水準器ＥＬの読みが示す姿勢と、実際に移動走査が始まる時点での姿勢の変化を補正する必要がある。この事情は、走査移動が終わった後にステージＳＴＸの姿勢が変わり続ける場合も同様で、水準器ＥＬが示す姿勢が安定するまで同じ位置での姿勢を多点法プローブで読み、走査終了後の姿勢変化の補正をする必要がある。
【００１９】
図３は、門型工作機械のｙ方向案内SYに沿って移動する工具軸をセンサホルダとして、多点法プローブと水準器EL2を取り付け、被測定面をｙ方向に走査する測定装置を示し、これは請求項２に対応する実施形態である。
【００２０】
このとき、被測定試料ＳＰを搭載したステージSTXがｘ方向に移動走査する平面形状測定装置では、ステージSTXにも水準器EL１が取り付けられる。多点法プローブとしては、図3（ｂ）に示すようにｘ方向の走査に2次元角度センサASxy1とｘ方向の傾斜を検知する角度センサASx2の測定値を用いた角度2点法が成立し、ｙ方向走査には2次元角度センサASxy1とｙ方向の傾斜を検知する角度センサASy2の測定値を用いた角度2点法が成立する。
【００２１】
尚、移動物体が直交する2次元方向に移動可能であり、水準器が2次元方向の傾斜測定が可能な2次元水準器であり、２次元の走査移動の開始点と終了点の少なくとも３箇所での移動側物体の２次元の傾斜を測定することで、2次元の多点法プローブのゼロ点調整誤差をその場校正すると好ましい。また、多点法プローブが、一つの走査線上に並んだ変位センサ３本による変位３点法プローブ、または、一つの走査線上に並んだ角度センサ２本による角度２点法プローブ、または、一つの走査線上に並んだ変位センサ２本と角度センサ１本による混合法プローブであると好ましい。更に、多点法プローブが、２次元的に配置された４点ないし５点を計測する２次元多点法プローブ、または、２次元的に配置された３点ないし４点の傾斜角を計測する角度センサよる２次元多点法プローブ、または、２次元的に配置された３点の変位と少なくとも１点における直交２方向の傾斜角を計測する角度センサとによる２次元多点法プローブであると好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明で校正の対象とする多点法のセンサ間のゼロ点調整誤差とそれによる放物線誤差の関係を示す図である。
【図２】多点法の一例として、角度２点法の真直形状測定システムの測定の概要を示す図である。
【図３】請求項２に対応する実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００２３】
α：多点法のゼロ点調整誤差
ｈmax：ゼロ点調整誤差に起因する放物線誤差の最大値
Δｈ´：放物線誤差の両端での傾斜の差
AS1、AS2、ASxy1角度センサ
EL、EL1、EL2  水準器
SH  センサホルダ
STX  試料搭載用ステージ
SY  ｙ方向の走査案内
SP  被測定試料
f(x)  被測定試料の真直形状
eφ(x)  走査時のピッチング
【図１】
0005158791.tif 000002
【図２】
0005158791.tif 000003
【図３】
0005158791.tif 000004