JP2003130780A

JP2003130780A - 三次元形状計測装置、三次元形状計測方法、及び三次元形状走査ユニット

Info

Publication number: JP2003130780A
Application number: JP2001324456A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Komiya; 廣志小宮; Kenichiro Aoto; 健一郎青戸; Nobuo Omae; 伸夫大前; Masahito Tagawa; 雅人田川
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 2001-10-23
Filing date: 2001-10-23
Publication date: 2003-05-08
Anticipated expiration: 2021-10-23
Also published as: JP3807970B2

Abstract

(57)【要約】【課題】三次元形状を有する被計測体の計測にあたっ
て、被計測体表面の変形又は損傷を防止しつつ、より微
細なレベルでの形状計測が行える装置及び方法を提供す
る。【解決手段】表面が三次元形状である被計測体の形状
を計測するための装置であって、被計測体の表面形状を
計測する走査型プローブマイクロスコープ２０と、前記
走査型プローブマイクロスコープ２０と前記被計測体３
０とを前記被計測体３０表面の三次元形状に沿って相対
的に移動させるための移動機構２１と、前記走査型プロ
ーブマイクロスコープ２０が被計測体３０の三次元形状
に沿って相対的に移動することによって計測した被計測
体３０の三次元形状の形状データを処理するための処理
装置２２とを有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、三次元形状計測装
置、三次元形状計測装置、及び三次元形状走査ユニット
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の三次元形状計測装置としては、差
動トランスを内蔵する触針式検出器と被計測体台から構
成され、検出器または被計測体台を回転させ形状を測定
する真円度・円筒形状測定装置が存在する。前記検出器
における触針には、サファイヤ、ルビーあるいはタング
ステンカーバイド製の半径０．５〜５ｍｍ程度のボール
が一般に用いられている。また、表面形状・粗さ計に使
用される触針はダイヤモンドで、先端形状は頂角６０°
または９０°の円すいで、先端丸み半径は、２〜１０μ
ｍのものが一般に用いられている。

【０００３】

【解決しようとする課題】前記触針によって被計測体の
形状を測定する場合、触針の先端半径と測定力によって
は、表面が変形したり、表面に損傷を与えるといった問
題点があった。このため、髪や生体物などの柔らかいも
のの測定が困難であった。また、触針の曲率半径が大き
いため包絡線（エンベロップ）しか得られず、被計測体
の微細形状を測定することができなかった。

【０００４】本発明は、上記問題に鑑みてなされたもの
であって、三次元形状を有する被計測体の計測にあたっ
て、被計測体表面の変形又は損傷を防止しつつ、より微
細なレベルでの形状計測が行える装置及び方法を提供す
ることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る三次元形状
計測装置は、表面が三次元形状である被計測体の形状を
計測するための装置であって、被計測体の表面形状を計
測する走査型プローブマイクロスコープと、前記走査型
プローブマイクロスコープと前記被計測体とを前記被計
測体表面の三次元形状に沿って相対的に移動させるため
の移動機構と、前記走査型プローブマイクロスコープ
が、被計測体の三次元形状に沿って相対的に移動するこ
とによって計測した被計測体の三次元形状の形状データ
を処理するための処理装置と、を有している。

【０００６】また、本発明に係る三次元形状計測方法
は、表面が三次元形状である被計測体の形状を計測する
ための方法であって、被計測体の表面形状を計測する走
査型プローブマイクロスコープと前記被計測体とを前記
被計測体表面の三次元形状に沿って相対的に移動させて
前記被計測体の形状データを測定する形状データ計測ス
テップと、形状データ計測ステップにおいて計測した前
記形状データを処理するための形状データ処理ステップ
と、を含むものである。

【０００７】さらに、本発明に係る三次元形状走査ユニ
ットは、被計測体表面の三次元形状に沿って相対的に移
動させる移動機構に対して装着可能な走査型プローブマ
イクロスコープと、走査型プローブマイクロスコープ
が、被計測体の三次元形状に沿って相対的に移動するこ
とによって計測した被計測体の三次元形状の形状データ
を処理するための処理装置と、を有している

【０００８】従来の真円度・円筒形状測定装置では、例
えばナノメートルレベルでの微細な凹凸を計測すること
はできないが、上記した本発明のように走査型プローブ
マイクロスコープを用いることでより微細な凹凸を計測
することが可能となる。また、単なる走査型プローブマ
イクロスコープでは平面の凹凸を測定することしかでき
ず、曲面等の微細な凹凸を測定することができないが、
走査型プローブマイクロスコープを被計測体表面の三次
元形状に沿って相対的に移動させて処理装置によって形
状データを処理することで、円柱・円筒・球などの三次
元形状の表面凹凸の計測が可能となった。

【０００９】また、走査型プローブマイクロスコープの
場合、被計測体への押圧力が無いか又は極めて小さいた
め、表面を変形させたり、表面に損傷を与えることを防
止でき、髪や生体物などの柔らかいものの測定も可能と
なる。走査型プローブマイクロスコープとしては、走査
型トンネルマイクロスコープ（ＳＴＭ）、原子間力マイ
クロスコープ（ＡＦＭ）、磁気力マイクロスコープ（Ｍ
ＦＭ）などを採用できるが、原子間力マイクロスコープ
が好ましい。

【００１０】前記移動機構としては、前記被計測体周り
を前記走査型プローブマイクロスコープが相対的に回転
する回転装置とすることができる。移動機構を回転装置
とすることで、円柱・円筒・球を計測するのに適したも
のとなる。なお、回転装置は、被計測体を回転させるも
のでもよいし、走査型プローブマイクロスコープを被計
測体の周りに回転させるものでもよい。

【００１１】前記被計測体周りを前記走査型プローブマ
イクロスコープが相対的に回転して形状データを計測す
る場合には、前記処理装置は、前記回転の中心（回転装
置の回転中心）に対する前記被計測体の偏心量を算出
し、前記走査型プローブマイクロスコープによって得ら
れた前記被計測体の計測値から前記偏心量を差し引いて
被計測体の計測値とする偏心除去ステップを実行可能に
構成されているのが好ましい。偏心量を除去すること
で、被計測体が偏心していてもその影響を除去できる。

【００１２】また、被計測体が前記回転の中心軸に対し
て傾斜している場合には、被計測体が真円であっても楕
円として計測される。前記処理装置によって、前被計測
体の計測値をフーリエ変換して計測値から楕円成分を除
去することにより、前記回転の中心軸方向に対する被計
測体の傾きによる影響を除去した計測値を得る楕円成分
除去ステップを実行することで、傾斜による弊害を除去
できる。

【００１３】さらに、前記走査型プローブマイクロスコ
ープは、プローブと、プローブの変位を検出するための
プローブ変位検出装置とを備え、更に、前記プローブと
前記被計測体との間の接触荷重、又は前記プローブと前
記被計測体との間の距離を一定に保つようにプローブを
微動させる微動機構を具備し、当該微動機構は、プロー
ブと前記プローブ変位検出装置との間の距離を一定に保
つべく前記プローブと前記プローブ変位検出装置とを共
に微動させるのが好適である。

【００１４】また、前記形状データ計測ステップは、走
査型プローブマイクロスコープの有するプローブと前記
被計測体との間の接触荷重、又は前記プローブと前記被
計測体との間の距離を一定に保つように前記プローブを
微動させる微動ステップを含み、当該微動ステップで
は、前記プローブと前記プローブの変位を検出するため
のプローブ変位検出装置との距離を一定に保つべく前記
プローブ及び前記プローブ変位検出装置を共に微動させ
るのが好適である。

【００１５】プローブを微動させると、プローブとプロ
ーブ変位検出装置との間の距離が変化して変位検出に誤
差が生じるおそれがあるが、プローブとプローブ変位検
出装置を共に微動させることで、このような誤差の発生
を防ぐことができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態の説明に先立
ち、本発明に係る計測装置１に用いられる走査型プロー
ブマイクロスコープ（Scanning Probe Microscope）の
一例としての原子間力マイクロスコープ(AFM：Atomic F
orce Microscope)の一般的な測定原理を図１及び図２に
基づいて説明する。

【００１７】原子間マイクロスコープは、プローブとし
てカンチレバー３を具備している。このカンチレバー３
は、極めて剛性の低い板ばね４と、板ばね４に取り付け
られた探針５とが一体化して構成されている。また、カ
ンチレバー３にレーザ光を照射するレーザ光源６と、カ
ンチレバー３からの反射光を反射鏡７を介して検出する
検出器８とからなるカンチレバーの変位検出装置を備え
ている。さらに、被計測体１０を微動させるピエゾ素子
（ピエゾスキャナ）をも備えている。

【００１８】被計測体１０の表面に対してカンチレバー
３の探針５をnm以下の距離に近づけてゆくと、ファン・
デア・ワールス力などの原子間力が働き、カンチレバー
３の板ばね４には原子間力によって曲がりが生じる。一
般的に、ＡＦＭ測定では被計測体１０と探針５との間に
働く斥力を検出して被計測体表面の凹凸を画像化する。
図２に示すように、探針５に斥力（通常〜１０^−９Ｎ）
が加わると、板ばね４が反りカンチレバー３は上方に押
し上げられる。このカンチレバー３の変位をレーザ光の
反射方向の変化として光てこ方式の変位検出装置によっ
て検出する。

【００１９】また、ＡＦＭ測定では、検出器８による検
出信号を一定に保つようフィードバック制御により被計
測体１０を載せたピエゾ素子１１を制御して被計測体１
０の高さを上下させ、被計測体１０と探針５との間に働
く力を一定に保つ。このときのフィードバック量が被計
測体１０の凹凸として得られる。

【００２０】図３は、本発明の実施形態に係る三次元形
状計測装置１の基本構成を示している。この計測装置１
は、三次元形状走査ユニットと、被計測体を回転させる
回転装置（移動機構２１とを備えている。三次元形状走
査ユニットは、走査型プローブマイクロスコープの一種
である原子間力マイクロスコープ２０と、データ処理装
置２２とを備えている。

【００２１】計測対象である被計測体３０の三次元形状
を測定するため、原子間力マイクロスコープ２０と前記
被計測体３０とを被計測体３０の表面形状に沿って相対
的に移動させる移動機構が必要である。本実施形態で
は、主に円柱又は円筒形の被計測体３０の計測のため、
被計測体３０を回転装置２１で回転させ、回転装置２１
に装着した原子間力マイクロスコープで計測を行ってい
る。なお、移動機構としては回転装置２１に限られな
い。

【００２２】回転精度を高めより高い解像度を得るた
め、回転装置２１の支持軸受には静圧空気軸受が用いら
れている。回転駆動はステッピングモータで行われ、被
計測体３０が設置される被計測体台がプーリ、ベルトを
介して回転される。あるいは、被計測体台がカップリン
グを介してステッピングモータに直接連結され、回転さ
れてもよい。また、高精度のエンコーダを使用すること
もできる。なお、回転装置２１は処理装置２２によって
動作制御される。

【００２３】回転装置２１には、回転装置２１の回転軸
中心と円柱又は円筒状の被計測体３０の軸心が一致する
ように被計測体３０が固定される。この固定は手動で行
われる。被計測体３０が回転装置２１によって回転する
ことで、原子間力マイクロスコープ２０によって被計測
体３０の形状データを測定する形状データ計測ステップ
が実行される。

【００２４】前記原子間力マイクロスコープ２０は、回
転装置２１に装着可能に構成されており、測定ヘッドで
あるプローブ２３と、プローブ２３の微動機構２４と、
プローブの変位検出装置２５とを備えている。プローブ
２３は、剛性の低い板ばねと、板ばねに取り付けられた
探針とを一体的に備えたカンチレバーとして構成されて
いる。カンチレバーは原子間力マイクロスコープのコン
タクトモード測定用のものを用いることができる。

【００２５】カンチレバーの具体的な材質は、Ｓｉある
いはＳｉ_３Ｎ_４を採用でき、探針の先端曲率半径は２０
〜４０ｎｍとすることができる。ばね定数はカンチレバ
ーの特性からサブＮ／ｍ以下であり、ばね定数の大きい
ものは硬い測定物（金属、セラミック等）、小さいもの
は生体等の測定に適している。また、原子間力マイクロ
スコープ２０をタッピングモードまたはノンコンタクト
モードとする場合には、カンチレバーもタッピングモー
ド用のものやノンコンタクト用のものが利用可能であ
り、これらの場合にはサブナノニュートンの測定ができ
る。

【００２６】前記プローブ２３は、微動機構２４によっ
てＸＹＺ軸方向にマイクロメートル単位での位置調整が
可能となっている。プローブ微動機構２４は、プローブ
ホルダ２７に三本のピエゾ圧電素子２８，２８，２８を
三次元（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に組み合わせたトライポッドによ
って構成されており、各ピエゾ圧電素子２８に独立に電
圧を印可し、伸縮させることでプローブ２３のＸＹＺ方
向への微動が可能となっている。

【００２７】被計測体３０と探針との間に働く力によっ
てプローブ２３には変位が生じ、この変位は変位検出装
置２５によって検出される。変位検出装置２５は、光て
こ方式によるものであり、プローブ２３にレーザ光を照
射するためのレーザ光源３１と、プローブ２３からの反
射光を検出する検出器３２とを有している。

【００２８】さらに具体的には、図４に示すように、レ
ーザ光のスポット径をより小さくするためにフォーカッ
シングレンズ３３が備わっている。検出器３２及びレン
ズ３３は、プローブホルダ２７に取り付けられたフレー
ム３４に装着されている。プローブ２３はプローブホル
ダ２７に取り付けられたフレーム３４に対して取り付け
られている。

【００２９】微動機構２４は、フレーム３４を介してプ
ローブ２３だけでなく、検出器３２又はレンズ３３も共
に微動させることができる。プローブ２３と検出器３２
が一体化していることで、プローブ２３を微動させても
プローブ２３と検出器３２との間の距離（光路）を一定
に保つことができる。また、プローブ２３とレンズ３３
が一体化していることで、プローブ２３を微動させても
レンズ３３とプローブとの間の距離（焦点距離）を一定
に保つことができる。なお、レーザ光源３１はプローブ
２３と一体化していないが、レンズを省略する場合など
必要に応じてプローブと一体化させて焦点距離を一定化
してもよい。

【００３０】前記レーザ光源３１にはフォーカス調整付
き半導体レーザが採用されている。レーザ光源３１から
プローブ２３に照射されて反射し、この反射光は検出器
３２である四分割フォトダイオードによって検出され
る。

【００３１】４つの独立した素子を有するフォトダイオ
ード３２は、各素子に入力される受光量を電流信号とし
て独立に出力する。これらの電流信号はＯＰアンプから
構成されたＩ−Ｖコンバータによってそれぞれ電圧信号
に変換され、更にＡ／Ｄコンバータによってデジタル信
号に変換されてデータ処理装置２２であるパーソナルコ
ンピュータに入力される。

【００３２】プローブ２３の変位は、フォトダイオード
３２に入力されるレーザ光のスポットの変位として検出
される。データ処理装置２２では、フォトダイオード３
２の４つの独立した素子から出力された信号に基づき所
定の演算を行ってフォトダイオード３２におけるスポッ
トの２次元変位（垂直位置、水平位置）を算出し、プロ
ーブ２３の変位を求める。

【００３３】スポットの垂直位置（垂直信号）は、図５
のフォトダイオード３２の「１」の素子の出力と「２」
の素子の出力との和から、フォトダイオード３２の
「３」の素子の出力と「４」の素子の出力との和を減算
することによって得られる。また、スポットの水平位置
（水平信号）は、図５のフォトダイオードの「１」の素
子の出力と「３」の出力の素子の出力との和から、フォ
トダイオード３２の「２」の素子の出力と「４」の素子
の出力との和を減算することによって得られる。

【００３４】データ処理装置２２が回転する被計測体３
０の表面凹凸によって生じるプローブ２３の変位を検出
すると、処理装置２２は、検出したプローブ２３の変位
を基に微動機構２４のフィードバック制御を行う。この
フィードバック制御は、比例制御であり、フォトダイオ
ード３２からの出力が常に一定、すなわちプローブ２３
の探針の被計測体３０への押圧力（接触荷重）が常に一
定になるようにピエゾ圧電素子２８を伸縮制御するもの
である。

【００３５】ピエゾ圧電素子２８へのフィードバック量
はＤ／Ａコンバータ３８に与えられてアナログ信号とな
り、さらにピエゾ圧電素子ドライバ３９に与えられてピ
エゾ圧電素子２８を伸縮駆動する。なお、伸縮制御され
るピエゾ圧電素子２８は図３のＹ方向（被計測体の径方
向あるいは被計測体の表面と直交する方向）のもののみ
である。

【００３６】また、フィードバック制御としては、プロ
ーブ２３の押圧力を一定にする場合の他、プローブ２３
と被計測体３０との距離を一定とする制御でもよい。図
６は、フィードバック制御の様子を示している。図６の
（ａ）で示す初期状態から被計測体３０の凹凸に伴いプ
ローブ２３が（ｂ）の状態に変位するとレーザ光の反射
角が変化し、レーザ光がフォトダイオード３２に入射す
る位置は「Ａ」の素子の位置から「Ｂ」の素子の方向へ
シフトする。

【００３７】このシフト量をゼロにするためＹ方向のピ
エゾ圧電素子２４が縮められ（ｃ）の状態に至るとカン
チレバー２３の撓みは初期状態に戻る。この時のピエゾ
圧電素子２４の変位が被計測体３０の凹凸として記録さ
れる。すなわちプローブ２３の微動量が被計測体３０の
凹凸量となり、このプローブ２３の微動量を求めて三次
元形状を生成する処理が形状データ処理ステップとな
る。本実施形態のように原子間力マイクロスコープを用
いることで、０．１ｎｍレベルの分解能で形状計測がで
きる。

【００３８】先に説明した一般的な原子間力マイクロス
コープでは、被計測体自体を微動させてフィードバック
を行うのに対し、本実施形態では、装置の簡素化あるい
は精度の確保のためプローブ２３の微動によってフィー
ドバックを行っている。

【００３９】また、フォトダイオード３２とレーザ３１
に対してプローブ２３だけが独立して微動し、フォトダ
イオード３２やレーザ３１（のレンズ３３）の位置が変
化しない場合、プローブ２３が微動するとレーザ３１か
らプローブ２３までの距離が変化する。これによりレー
ザ光のスポット径が変化したり、反射した光がフォトダ
イオード３２に届くまでの距離（光路差）も変化するこ
とになり、フォトダイオード３２によって検出される信
号は光学誤差を含むことになる。本実施形態では、この
問題を解消するために、プローブ２３と検出装置２５を
ともに微動させてフィードバック制御を行っている（微
動ステップ）。

【００４０】処理装置２２では、微動機構２４へのフィ
ードバック量として得られた被計測体３０の凹凸と、回
転装置２１の制御量（回転位置）とから、被計測体３０
の軸方向にある位置における断面形状の画像（真円度グ
ラフ）を生成することができ、被計測体３０の真円度を
測定できる。

【００４１】図７及び図８は計測例としての真円度グラ
フを示している。処理装置２２では、被計測体３０の偏
心量を除去することが可能である（偏心量除去ステッ
プ）。被計測体３０の回転装置２１への固定時に手動で
偏心が除去されるが、手動で除去できない微小な偏心は
処理装置２２で除去される。

【００４２】図７は生の計測値であり、この図７のよう
に真円度グラフが回転装置の回転中心から偏心している
場合、処理装置２２では、最小二乗中心法により演算で
偏心を除去する。すなわち、真円度グラフから被計測体
３０の中心を求めて偏心量を算出し、演算によって被計
測体３０の中心と回転中心とを一致させた真円度グラフ
を作成する。このようにして得られた真円度グラフは偏
心量が生の計測値から偏心量が差し引かれたものとなっ
ている。

【００４３】また、被計測体３０の軸心が回転中心軸に
対して傾斜している場合、被計測体３０の真円度グラフ
は実際の被計測体３０の形状に比べて楕円成分が含まれ
たものとなっている。被計測体３０の軸傾斜成分（楕円
成分）を除去するため、処理装置２２では、被計測体３
０の計測値である真円度グラフをフーリエ変換し、楕円
成分を周波数フィルタによって除去している（楕円成分
除去ステップ）。図８は、図７の真円度グラフから偏心
を除去するとともに楕円成分を除去した真円度グラフを
示している。

【００４４】図９及び図１１は、円柱形状観測を行った
結果を示している。円柱形状観測を行うことで、被計測
体３０の円筒度又は同心度測定を行うことができる。円
柱形状観測には、被計測体３０を一回転させる度に、プ
ローブ２３を被計測体３０の軸方向に走査することで行
える。軸方向の走査は、微動機構２４を構成するピエゾ
圧電素子２８のうち図３のＺ方向（上下方向）のピエゾ
圧電素子を伸縮することで行える。ピエゾ圧電素子の伸
縮量はさほど大きくないため、微動機構２４を用いた走
査はショートレンジでの走査に適している。また、原子
間力マイクロスコープ２１を高精度で上下機構させる機
構を設けることでロングレンジでの走査を行うこともで
きる。

【００４５】図９の走査像は、Ｗワイヤー（φ１００μ
ｍ）の円周走査像を示しており、真円度グラフ（×２０
００倍）６０ラインを三次元的に表示したものであり、
Ｚ方向の走査量は１８μｍである。像中で影として現れ
ている部分が被計測体であるＷワイヤーの凹部である。
Ｗワイヤーには引き抜き加工の際に微細な引き抜き線が
凹部として存在しており、観測された走査像においても
引き抜き線がはっきりと検出されており、高精度の観測
が行われていることが確認できる。

【００４６】図１０は毛髪（φ６０μｍ）のＳＥＭ像を
示しており、図１１は本計測装置１による毛髪（φ６０
μｍ）の円周走査像を示している。毛髪の表面には毛小
皮（キューティクル）が存在し、キューティクルは屋根
の瓦や魚の鱗のように一定方向に重なり合っている。図
１１の走査像では、Ｚ方向の走査が１８μｍであり、キ
ューティクルを認識するのに十分な表面形状が検出され
ている。本実施形態の装置１では、プローブ２３の測定
荷重が１〜２００ｎＮ程度と小さいため、被計測体であ
る毛髪の表面を変形させたり、表面に傷を付けることを
防止できる。

【００４７】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではない。例えば、上記の円周走査では、被計測
体３０を一回転させるごとにＺ方向に走査したが、被計
測体の回転を所定角度（例えば３０度）だけにし、所定
角度の回転ごとにＺ方向への走査を行っても良い。

【００４８】また、被計測体３０は回転装置２１に対し
て直立状に固定されているが、被計測体３０を吊り下げ
て固定してもよい。吊り下げ式とすることで、極めて細
い被計測体３０や柔らかい被計測体であっても保持が可
能となる。さらに、被計測体３０を回転させるのではな
く、プローブを被計測体３０周りに回転させてもよい。

【００４９】また、上記の実施の形態では、回転装置
（移動機構）２１を処理装置２２によって動作させる例
を示したが、回転装置２２を他の制御装置によって動作
させることも可能である。この場合、従来の真円度測定
機などの高精度な回転装置（移動機構）に、本発明の三
次元形状走査ユニットの走査型プローブマイクロスコー
プを装着して三次元形状を計測することができる。この
際、処理装置は既存のコンピュータに走査型プローブマ
イクロスコープで計測した被計測体の形状データを処理
するためのプログラムをインストールすることによって
構成できる。

【００５０】なお、本装置１の応用分野としては、転が
り軸受軌道のような円筒状の微小形状、例えばＨＤＤ用
軸受の微小フレッチング摩耗痕、非金属介在物や微小亀
裂の検出などがある。また、マイクロマシンの構成要素
（シャフトなど）、ナノ構造体の形状測定にも適用でき
る。

【００５１】

【発明の効果】本発明によれば、走査型プローブマイク
ロスコープと前記被計測体とを前記被計測体表面の三次
元形状に沿って相対的に移動させ、前記走査型プローブ
マイクロスコープが、被計測体の三次元形状に沿って相
対的に移動することによって計測した被計測体の三次元
形状の形状データを処理することで、被計測体表面の変
形又は損傷を防止しつつ、より微細なレベルでの形状計
測が行える。

【００５２】また、計測値から偏心量を差し引くことで
偏心による影響を除去できる。あるいは、計測値から楕
円成分を除去することで、被計測体の傾斜による影響を
除去できる。

【００５３】さらに、プローブとプローブ変位検出装置
を共に微動させることで、プローブ微動による誤差の発
生を防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一般的な原子間力マイクロスコープの構成図で
ある。

【図２】一般的な原子間力マイクロスコープの測定原理
図である。

【図３】本発明の三次元形状計測装置の構成図である。

【図４】プローブとプローブ変位計測装置と微動機構の
配置図である。

【図５】変位計測装置の検出回路である。

【図６】プローブのフィードバック制御の説明図であ
る。

【図７】偏心及び楕円成分を除去する前の真円度グラフ
である。

【図８】偏心及び楕円成分を除去した後の真円度グラフ
である。

【図９】Ｗワイヤーの円周走査像である。

【図１０】毛髪のＳＥＭ像である。

【図１１】毛髪の円周走査像である

【符号の説明】

１三次元形状計測装置２０走査型プローブマイクロスコープ（原子間力マイ
クロスコープ）２１移動機構（回転装置）２２処理装置２３プローブ２４微動機構２５プローブ変位検出装置３０被計測体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者青戸健一郎大阪市中央区南船場三丁目５番８号光洋精工株式会社内 (72)発明者大前伸夫兵庫県伊丹市春日丘３丁目47 (72)発明者田川雅人大阪府枚方市出口２丁目29−１−929

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面が三次元形状である被計測体の形状を
計測するための装置であって、被計測体の表面形状を計測する走査型プローブマイクロ
スコープと、前記走査型プローブマイクロスコープと前記被計測体と
を前記被計測体表面の三次元形状に沿って相対的に移動
させるための移動機構と、前記走査型プローブマイクロスコープが、被計測体の三
次元形状に沿って相対的に移動することによって計測し
た被計測体の三次元形状の形状データを処理するための
処理装置と、を有していることを特徴とする三次元形状計測装置。
【請求項２】前記移動機構は、前記被計測体周りを前記
走査型プローブマイクロスコープが相対的に回転する回
転装置とされ、前記処理装置は、前記回転装置の回転中心に対する前記
被計測体の偏心量を算出し、前記走査型プローブマイク
ロスコープによって得られた前記被計測体の計測値から
前記偏心量を差し引いて被計測体の計測値とすることを
特徴とする請求項１記載の三次元形状計測装置。
【請求項３】前記移動機構は、前記被計測体周りを前記
走査型プローブマイクロスコープが相対的に回転する回
転装置とされ、前記処理装置は、被計測体の計測値をフーリエ変換して
計測値から楕円成分を除去することにより、回転中心軸
方向に対する被計測体の傾きによる影響を除去した計測
値を得ることを特徴とする請求項１又は２記載の三次元
形状計測装置。
【請求項４】前記走査型プローブマイクロスコープは、
プローブと、プローブの変位を検出するためのプローブ
変位検出装置とを備え、更に、前記プローブと前記被計測体との間の接触荷重、
又は前記プローブと前記被計測体との間の距離を一定に
保つようにプローブを微動させる微動機構を具備し、当該微動機構は、プローブと前記プローブ変位検出装置
との間の距離を一定に保つべく前記プローブと前記プロ
ーブ変位検出装置とを共に微動させることを特徴とする
請求項１〜３のいずれかに記載の三次元形状計測装置。
【請求項５】表面が三次元形状である被計測体の形状を
計測するための方法であって、被計測体の表面形状を計測する走査型プローブマイクロ
スコープと前記被計測体とを前記被計測体表面の三次元
形状に沿って相対的に移動させて前記被計測体の形状デ
ータを測定する形状データ計測ステップと、形状データ計測ステップにおいて計測した前記形状デー
タを処理するための形状データ処理ステップと、を含むことを特徴とする三次元形状計測方法。
【請求項６】前記形状データ計測ステップでは、前記被
計測体周りを前記走査型プローブマイクロスコープが相
対的に回転して形状データを計測し、前記形状データ処理ステップは、前記回転の中心に対す
る前記被計測体の偏心量を算出し、前記走査型プローブ
マイクロスコープによって得られた前記被計測体の計測
値から前記偏心量を差し引いて被計測体の計測値とする
偏心量除去ステップを含むことを特徴とする請求項５記
載の三次元形状計測方法。
【請求項７】前記形状データ計測ステップでは、前記被
計測体周りを前記走査型プローブマイクロスコープが相
対的に回転して形状データを計測し、前記形状データ処理ステップは、被計測体の計測値をフ
ーリエ変換して計測値から楕円成分を除去することによ
り、前記回転の中心軸方向に対する被計測体の傾きによ
る影響を除去した計測値を得る楕円成分除去ステップを
含むことを特徴とする請求項５又は６記載の三次元形状
計測方法。
【請求項８】前記形状データ計測ステップは、走査型プ
ローブマイクロスコープの有するプローブと前記被計測
体との間の接触荷重、又は前記プローブと前記被計測体
との間の距離を一定に保つように前記プローブを微動さ
せる微動ステップを含み、当該微動ステップでは、前記プローブと前記プローブの
変位を検出するためのプローブ変位検出装置との距離を
一定に保つべく前記プローブ及び前記プローブ変位検出
装置を共に微動させることを特徴とする請求項５〜７の
いずれかに記載の三次元形状計測方法。
【請求項９】被計測体表面の三次元形状に沿って相対的
に移動させる移動機構に対して装着可能な走査型プロー
ブマイクロスコープと、前記走査型プローブマイクロスコープが、被計測体の三
次元形状に沿って相対的に移動することによって計測し
た被計測体の三次元形状の形状データを処理するための
処理装置と、を有していることを特徴とする三次元形状走査ユニッ
ト。
【請求項１０】前記処理装置は、前記被計測体周りを前
記走査型プローブマイクロスコープが相対的に回転する
ことによって得られた計測値から、前記回転の中心に対
する前記被計測体の偏心量を算出し、前記計測値から前
記偏心量を差し引いて前記被計測体の計測値とすること
を特徴とする請求項９記載の三次元形状走査ユニット。
【請求項１１】前記処理装置は、前記被計測体周りを前
記走査型プローブマイクロスコープが相対的に回転する
ことによって得られた計測値をフーリエ変換して計測値
から楕円成分を除去することにより、前記回転の中心軸
方向に対する被計測体の傾きによる影響を除去した計測
値を得ることを特徴とする請求項９又は１０記載の三次
元形状走査ユニット。
【請求項１２】前記走査型プローブマイクロスコープ
は、プローブと、プローブの変位を検出するためのプロ
ーブ変位検出装置とを備え、更に、前記プローブと前記被計測体との間の接触荷重、
又は前記プローブと前記被計測体との間の距離を一定に
保つようにプローブを微動させる微動機構を具備し、当該微動機構は、プローブと前記プローブ変位検出装置
との間の距離を一定に保つべく前記プローブと前記プロ
ーブ変位検出装置とを共に微動させることを特徴とする
請求項９〜１１のいずれかに記載の三次元形状走査ユニ
ット。