JP2005308605A - 探針の位置合わせ方法、形状測定方法、測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 切削工具の状態の測定を効率良く行うことのできる形状測定方法、測定装置等を提供することを目的とする。
【解決手段】 測定装置において、レーザダイオード４１から発せられるレーザ光を挟み、工具Ｔと探針２１とが相対向するようにし、レーザ光のビーム範囲Ｂ内に工具Ｔ、探針２１を挿入する。そして、工具Ｔ、探針２１を、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に移動させながら、光検出器４３でレーザ光の光量を検出し、その変化に基づき、工具Ｔと探針２１を位置合わせすることができる。また、ロックインアンプを用い、レーザ光の強度を変調させる等することによって、ノイズを除去し、高精度な位置合わせが可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、工作機械の工具の形状を測定する際に好適な形状測定方法、測定装置等に関する。

近年、工作機械の作動精度の向上と、切削工具の進歩により、サブミクロンオーダ、さらにはナノメートルオーダの加工が可能となってきている。
ナノメートルオーダの加工を行うとなると、切削工具の形状誤差、磨耗による刃先形状の変化等がダイレクトに加工精度の低下につながる。このため、加工誤差の低下を少しでも防ぐことのできる技術の開発が常に求められている。

切削工具の刃先の状態を測定するものとして、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用い測定を行う方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。

浅井昭一、田口佳男他、「改良走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による単結晶ダイヤモンド工具の切れ刃稜丸み半径の測定と解析」、精密工学会誌、ｖｏｌ．５６、Ｎｕｍ．７、ｐｐ．１３１１−１３１６、１９９０年７月

しかしながら、このような方法は、切削工具を工作機械から取り外した状態で、走査型電子顕微鏡にて測定を行わなければならず、スループットを大きく損なうことになる。通常、このような走査型電子顕微鏡は、専用の測定室等に設けられており、工作機械の近傍には設置されていない。このため、切削工具の測定には非常に時間がかかり、切削工具の使用に応じて適宜測定を行うのは実質的に不可能に近く、加工を連続的に行うには、測定を行う間、代わりの切削工具で加工を行う必要等がある。
さらに、切削工具の刃先の状態の変化に応じ、切削工具の位置を補正しなければならないが、これにも手間がかかる。
これらの理由から、切削工具の状態の測定、およびその状態に応じた補正を効率良く行うことのできる技術が要求されている。

本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、切削工具の状態の測定を効率良く行うことのできる形状測定方法、測定装置等を提供することを目的とする。

このような課題を解決するには、切削工具を工作機械に装着した状態のまま、測定を行うことが好ましい。

ところで、高精度な測定を行うものとして、ＳＥＭと並び、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）が知られている。
ＡＦＭでは、カンチレバーの先端位置に探針が形成され、この探針で測定対象の測定を行う。このとき、探針と測定対象の表面との間に働く原子間力を検出し、その原子間力を一定に保ちながら測定対象表面をなぞることによって、測定対象表面の形状をナノメートルオーダで測定できるものである。
本発明者らは、このようなＡＦＭであれば、工作機械の近傍に設置したり、工作機械に組み込むこと等が可能であると考えた。

このようなＡＦＭを用い、切削工具の測定を行うには、探針を切削工具の先端に位置合わせする必要がある。
ＡＦＭにおいて、探針の位置合わせを行うには、カンチレバーを光学顕微鏡で観察しながら、測定対象部分に位置合わせするのが一般的である（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−２８５８６４号公報

しかし、切削工具の先端のように、測定対象が面ではなく鋭利なエッジである場合、探針からの延長線と測定対象のエッジを一致させなければならないが、図１５（ａ）に示すように、カンチレバー１が測定対象２のエッジ２ａを覆い隠してしまうため、光学顕微鏡３で測定対象２のエッジ２ａに対する探針４の位置を観察することができない。
さらに、図１５（ｂ）に示すように、測定対象２のエッジ２ａにおいて、光学顕微鏡３からの観察光が散乱し、エッジ２ａの視認自体が困難であるという問題もある。

そこでなされた本発明の探針の位置合わせ方法は、測定対象物の形状を測定するための探針と測定対象物を対向させた状態で、探針と測定対象物の間に、基準光を照射するステップと、基準光の焦点位置に、探針および測定対象物のそれぞれのレベルを合わせるステップと、探針と測定対象物を、基準光の光軸に直交する方向に沿って相対的に接近させ、探針を測定対象物に接触させるステップと、を備えることを特徴とする。
ここで、測定対象物の形状の測定にＡＦＭを用いる場合、ＡＦＭの探針を上記のようにして測定対象物に位置合わせすることができる。

探針または測定対象物のレベルを基準光の焦点位置に合わせるには、探針または測定対象物を基準光のビーム範囲内に挿入した状態で基準光の光軸方向に沿って移動させたときの基準光の強度の変化を利用できる。探針または測定対象物を基準光のビーム範囲内に挿入すると、基準光の少なくとも一部が探針や測定対象物によって遮られ、これによって（遮られずに透過した）基準光の強度が低下する。そして、基準光は、その焦点位置においてビーム径がもっとも小さく、その前後（上下）に行くにしたがいビーム径が大きくなる。したがって、探針や測定対象物を基準光の光軸方向に沿って移動させると、基準光の焦点位置において、基準光の強度は最も低くなる。これによって、基準光の焦点位置に探針や測定対象物のレベルを合わせることができるのである。
このとき、測定対象物の先端が、一方向に長いものであれば、探針および測定対象物のレベルを基準光の焦点位置に合わせさえすれば、探針と測定対象物を相対的に接近させることで、双方を接触させ、測定を行うことが可能な状態となる。
しかし、上記以外の形状、つまり通常の工具のように、先端に行くにしたがい小さくなる形状の測定対象物の場合は、探針と測定対象物は、レベルだけでなく、その先端同士が対向する状態に位置合わせする必要がある。このため、探針を測定対象物に接触させるステップに先立ち、探針または測定対象物を、基準光のビーム範囲内に挿入した状態で基準光の光軸に直交する方向に沿って移動させ、この基準光の強度の変化に基づき、探針または測定対象物を基準光の光軸位置（光軸中心）に合わせるのが好ましい。
この場合、探針と測定対象物の双方を基準光の光軸位置に合わせてもよいが、まず測定対象物を基準光の光軸位置に合わせた後、探針を基準光の光軸に直交する方向に移動させて測定対象物に接触させるようにしてもよい。これにより、探針については、基準光の光軸位置に位置合わせする必要がない。
このように、探針と測定対象物の間に、レーザ光等の基準光を照射し、これを基準とすることで、光学顕微鏡を用いることなく位置合わせが行える。

また、基準光の強度を検出する場合、ノイズ等によって検出精度が悪影響を受けることがある。このような場合、探針および測定対象物の位置または基準光の位置を、所定の周波数で振動させるのが好ましい。これにより、検出される基準光の強度の信号は、交流波形となる。そして、振動を発生させるための信号を基準として、基準光の強度の変化を検出することで、ノイズを除去することができ、探針を測定対象物に高精度で位置合わせすることが可能となる。
探針および測定対象物は、基準光の光軸方向に振動させてもよいし、光軸に直交する方向に振動させても良い。また、基準光の位置を振動させる場合は、光学系全体を、光軸に直交する方向に振動させてもよいし、光学系を操作して、基準光の焦点位置を光軸に沿って振動させても良い。
ノイズの影響を回避する方法として、基準光の光強度を所定の周波数で変調させる方法もある。この場合、基準光の光強度を変調させた状態で、探針を測定対象物に位置合わせし、変調を発生させるための信号を基準として、基準光の強度の変化を検出する。

本発明は、測定対象物を基準光のビーム範囲内に挿入した状態で移動させたときの基準光の光量の変化に基づき、測定対象物を基準光に対して位置決めするステップと、原子間力顕微鏡の探針を基準光のビーム範囲内に挿入した状態で移動させたときの基準光の光量の変化に基づき、探針を基準光に対して位置決めするステップと、探針を、基準光の光軸に直交する方向に移動させて測定対象物に接触させるステップと、探針を測定対象物の表面に沿って移動させ、測定対象物の形状を測定するステップと、を備えることを特徴とする形状測定方法として捉えることもできる。
この場合、測定対象物を基準光の集束位置（レベル）および光軸中心に位置決めしてしまえば、探針については、基準光の集束位置（レベル）に位置決めした後に、探針を測定対象物に向けて移動させれば測定対象物に接触させることができる。
なお、このような構成においても、上記と同様のノイズ対策を組み合わせることもできる。

本発明は、測定対象物の形状を、探針で原子間力を用いて測定する測定装置であって、互いに対向した探針と測定対象物の間に、所定の位置に集束する基準光を照射する照射手段と、探針および測定対象物を基準光のビーム範囲内に挿入して移動させる移動手段と、基準光の照射方向において探針および測定対象物よりも下流側に設けられ、基準光の光量を検出する検出手段と、制御手段と、を備えたものとすることができる。この制御手段では、移動手段によって探針および測定対象物を基準光のビーム範囲内で移動させたときに、検出手段によって検出される基準光の光量の変化に基づき、探針を測定対象物に対し基準光の光軸に沿った方向に位置合わせする。さらに、制御手段では、前記のように位置合わせされた探針と測定対象物を基準光の光軸に直交する方向に沿って接近させることによって、探針を測定対象物に接触させるよう、移動手段を制御する。
また、探針および測定対象物の位置、基準光の位置、基準光の光強度のいずれかを所定の周波数で振動させる振動発生手段と、振動発生手段で振動を発生させるための制御信号を基準として、検出手段で検出される基準光の光量の変化からノイズを除去するノイズ除去手段と、をさらに備えるのが好ましい。このようなノイズ除去手段としては、ロックインアンプを用いることができる。

本発明によれば、測定対象物と探針を基準光に対して位置決めすることで、測定対象物と探針を、光学顕微鏡等を用いずに位置合わせすることができ、高精度な位置合わせが可能となる。測定対象物の形状の測定にＡＦＭを用いれば、ＡＦＭの探針の位置合わせを本発明の手法で行うことにより、工作機械の近傍で工具等の測定対象物の測定が行え、工具の状態の測定、およびその状態に応じた補正等を効率良く行うことが可能となる。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態における測定装置の構成を説明するための図である。
この図１に示すように、測定装置１０は、測定対象物となる工具Ｔの形状を測定するＡＦＭ部２０、測定対象となる工具Ｔを保持する保持部３０（図２参照）、ＡＦＭ部２０の探針２１を保持部３０に保持された工具Ｔに位置合わせするための位置合わせ部４０を備えている。

さて、測定装置１０のＡＦＭ部２０は、先端部に探針２１が形成されたカンチレバー２２と、このカンチレバー２２をＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向に駆動する駆動機構（移動手段）を備えている。この駆動機構は、測定コントローラ２３で制御されるドライバー２４Ｘ、２４Ｙ、２４Ｚにより、カンチレバー２２を駆動するための、例えば積層型圧電素子からなるアクチュエータ（振動発生手段）２５Ｘ、２５Ｙ、２５Ｚを作動させるようになっている。

また、探針２１で測定を行うときのカンチレバー２２の動きは、ホイートストンブリッジ２６、シグナルコンディショナ２７を介し、測定コントローラ２３に入力されるようになっており、これによって測定対象となる工具Ｔの形状を測定できるようになっている。

保持部３０は、工具Ｔを着脱可能に保持するとともに、位置合わせ部４０で発するレーザ光（基準光）に対し工具Ｔを相対的に移動できるよう、移動機構（移動手段）を備えるのが好ましい。

図１および図２に示すように、位置合わせ部４０は、レーザ光を発するレーザダイオード（照射手段）４１と、レーザ光を所定の位置に集束させる光学系４２、光学系４２を経たレーザ光を受光するフォトディテクタ等の光検出器（検出手段）４３と、位置合わせコントローラ（制御手段）４４とを備える。
光学系４２は、レーザダイオード４１で発したレーザ光を所定の位置に集束（集光）させるレンズ４２Ａと、所定の位置で集束したレーザ光を平行光とするレンズ４２Ｂとから構成される。
光検出器４３では、受光したレーザ光の光量に応じた電気信号を出力する。
位置合わせコントローラ４４では、光検出器４３から出力された電気信号に基づき、工具Ｔと探針２１を位置合わせするための情報を出力するようになっている。

図２および図３（ａ）に示すように、このような位置合わせ部４０で位置合わせを行うには、レーザダイオード４１から発せられるレーザ光を挟み、工具Ｔと探針２１とが相対向するようにした状態とする。そして、図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、レーザ光のビーム範囲Ｂ内に工具Ｔ、探針２１を挿入する。すると、レーザ光の一部が工具Ｔによって遮られ、これによって光検出器４３で受光されるレーザ光の光量が変化する。ここで、レーザ光の光軸方向をＹ、このＹ方向に直交し、工具Ｔと探針２１を結ぶ方向をＺ、Ｙ方向およびＺ方向に直交する方向をＸとし、レーザ光の光軸位置をＸ＝０、Ｚ＝０、集束位置（焦点位置）をＹ＝０とする。

工具Ｔを、Ｘ方向に沿って移動させると、光検出器４３で検出されるレーザ光の光量は、図４（ａ）に示すように変化する。ここで、図中で光量を示すＩ_{ｓｐｅｃｉｍｅｎ}、Ｉ_{ｐｒｏｂｅ}は、レーザ光のビーム範囲Ｂに何も挿入しない状態で検出される光量に対し、光検出器４３で検出される光量の割合（％）である。工具Ｔが図３に示すような先端に行くにしたがい小さくなる形状を有している場合は、レーザ光のビーム範囲ＢのＸ＝０となる位置でレーザ光を遮る面積が最も大きくなり、これによってレーザ光の光量が最も小さくなる。
これにより、工具ＴをＸ方向に移動させながら光検出器４３からの検出信号を監視し、光量が最も小さくなる位置を求めることで、工具ＴをＸ方向においてＸ＝０の位置に合わせることができる。
なお、工具Ｔが、Ｘ方向においてストレートな形状を有している場合は、工具ＴをＸ方向に動かしてもレーザ光の光量は変化しない。このような工具Ｔの場合は、Ｙ−Ｚ断面の形状を測定することになるため、Ｘ方向の位置合わせは不要である。

工具Ｔを、Ｙ方向に沿って移動させると、光検出器４３で検出されるレーザ光の光量は、図４(ｂ)に示すように変化する。工具Ｔの先端がＺ＝０を超えない場合は符号（Ａ）のように、レーザ光のビーム範囲Ｂの面積が集束位置（Ｙ＝０）に近づくほど小さくなるように変化する。また工具Ｔの先端がＺ＝０を超えて探針２１側に至っている場合は符号（Ｂ）のように、レーザ光のビーム範囲Ｂの面積が集束位置（Ｙ＝０）に近づくほど大きくなるように変化する。これにより、工具ＴをＹ方向に移動させ、光検出器４３で検出されるレーザ光の光量が最小または最大となる位置において、工具ＴをＹ＝０の位置に合わせることができる。
なお、工具ＴをＹ方向に移動させるのではなく、レンズ４２ＡをＹ方向に移動させてレーザ光の集束位置をＹ方向に移動させることで、工具Ｔを集束位置に対し相対的に移動させることも可能である。

工具Ｔを、Ｚ方向に移動させると、光検出器４３で検出されるレーザ光の光量は、図４（ｃ）の符号（Ｃ）に示すように変化する。一方の側から探針２１側に向けて工具Ｔをレーザ光に挿入していくにしたがい、光量は漸次減少していくが、ビームの径が最小となるＺ＝０の位置において、光量の変化は最大となる。そこで、検出される光量の微分値を算出し（図４（ｃ）において符号（Ｄ）が微分値である）、微分値が最大となる位置がＺ＝０である。

このようにして、工具Ｔを、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に移動させたときの光検出器４３で検出されるレーザ光の光量の変化を検出することにより、工具Ｔを、Ｘ＝０、Ｙ＝０、Ｚ＝０に位置合わせすることができるのである。

一方、探針２１を位置合わせするには、Ｘ方向、Ｙ方向については工具Ｔと同様に行うことができる。つまり、探針２１およびこれが形成されたカンチレバー２２がレーザ光を遮ることにより、Ｘ方向においては、図５（ａ）に示すように、光検出器４３で検出されるレーザ光の光量は、Ｘ＝０で最小となる。Ｙ方向においては、図５(ｂ)の符号（Ｅ）に示すように、工具Ｔの先端がＺ＝０を超えない場合は、光検出器４３で検出されるレーザ光の光量は、Ｙ＝０に近づくほど小さくなるように変化し、工具Ｔの先端がＺ＝０を超えて探針２１側に至っている場合は符号（Ｆ）のように、Ｙ＝０で最大となる。これにより、探針２１をＸ＝０、Ｙ＝０に位置合わせできるのである。
Ｚ方向については、工具Ｔと同様に、位置合わせを行うことも可能ではあるが、図６に示すように、工具Ｔを先行して、Ｘ＝０、Ｙ＝０、Ｚ＝０に位置合わせしておけば、探針２１については、Ｘ方向、Ｙ方向のみを位置合わせした後に、探針２１をＺ方向に沿って工具Ｔに向けて移動させれば、工具Ｔと探針２１を接触させることが可能である。このため、位置合わせコントローラ４４では、Ｘ、Ｙ方向については工具Ｔの場合と同様の検出を行い、Ｚ方向については、探針２１が工具Ｔに接触したときのカンチレバー２２の変位を検出すればよい。

このように、位置合わせ部４０では、所定の位置に集束させたレーザ光を用い、光検出器４３で検出される光量を検出することで、工具Ｔを、その先端をレーザ光の集束位置（Ｙ＝０）および光軸位置（Ｘ＝０、Ｚ＝０）に位置合わせした後、探針２１を、レーザ光の集束位置（Ｙ＝０）および光軸位置（Ｘ＝０）に位置合わせし、さらに工具Ｔに向けてＺ方向に移動させることで工具Ｔと探針２１を確実に位置合わせできる。
工具Ｔと探針２１を位置合わせした後は、探針２１を工具Ｔの先端に沿って移動させることで、工具Ｔの先端形状を測定することができる。そして、測定した結果に基づき、工具Ｔを用いた工作機械における加工プログラムを補正すればよい。

本実施の形態における測定装置１０では、例えば、図７に示すような、押出成形装置にてフィルム状の成形物２００を押し出すためのＴダイ１００を、測定対象となる工具Ｔとし、Ｔダイ１００の先端部１００ａの曲率Ｒを測定する。Ｔダイ１００の先端部１００ａは、例えば４５°の角度に形成された断面視略三角形状で、フィルム状の成形物２００の幅方向に所定長連続している。そして、先端部１００ａの曲率Ｒは、通常０．２ｍｍ程度であるが、これがＲ＝１μｍ程度のものもある。
このようなＴダイ１００を測定対象の工具Ｔとする場合、Ｔダイ１００は、レーザ光のビーム径に対し、一方向（図７（ａ）において紙面に直交する方向、先端部１００ａが連続する方向）に十分に長いため、上記のようにＸ方向の位置合わせを行う必要はない。Ｔダイ１００のＹ方向、Ｚ方向の位置合わせのみを行った後、探針２１のＹ方向の位置合わせを行う。これにより、Ｔダイ１００の先端部１００ａと探針２１がレーザ光の集束位置のレベルに合致するので、探針２１をＺ方向に移動させれば先端部１００ａに接触させることができる。この後は、探針２１を先端部１００ａに沿ってＹ−Ｚ面内で移動させることで、先端部１００ａの形状が測定できる。

ところで、上記のように位置合わせを行うに際し、実際にはレーザ光のビーム径は小さく、Ｙ方向においては集束位置の前後、Ｘ、Ｚ方向においては光軸位置の前後で工具Ｔや探針２１を移動させても、光検出器４３で検出される光量の変化は微小である。例えば、工具Ｔを、集束位置であるＹ＝０に対し、１μｍ移動させても、光量の差（変動量）は、０．００１％に過ぎない。
これに対し、実際の光検出器４３で光量を検出したときの出力信号は、０．０６％程度のノイズを含んでいる。このため、出力信号は、例えば、図８に示したようなものとなり、高精度な位置合わせの妨げとなっている。

このため、本実施の形態の測定装置１０では、ロックインアンプ（ノイズ除去手段）５０を用い、ノイズの除去を行う。
これには、以下に示す複数通りの手法がある。
（レーザ光強度変調）
図９に示すように、レーザダイオード４１で発するレーザ光の強度を、振動発生手段としての位置合わせコントローラ４４からの命令に基づき、予め決めた周波数で変調させる。レーザダイオード４１で発するレーザ光の強度の制御信号は、通常一定であり、直流波形であるが、これを所定の周波数で変調させることで交流波形とするのである。そして、ロックインアンプ５０では、レーザダイオード４１で強度を変調させてレーザ光を発するための制御信号を参照信号として入力し、光検出器４３で検出される光量を示す出力信号を検出する。光検出器４３の出力信号のうち、レーザ光の変調に起因する成分と、ロックインアンプ５０に入力される参照信号は等しいので、同期検波の原理により、光検出器４３の出力信号から、レーザ光の変調周波数と一致する成分を直流信号として取り出すことができる。これにより、ノイズを除去し、高精度な位置合わせが可能となる。

（レーザ光光軸位置変動）
また、これに代わる手法として、図１０に示すように、レーザダイオード４１で発するレーザ光の光軸位置を、予め決めた周波数で振る（振動させる、位置を移動させる）こともできる。この場合は、レーザダイオード４１および光学系４２を、アクチュエータ（振動発生手段）６０で、Ｘ−Ｚ面内、あるいはＹ方向に振動させるのが好ましい。そして、このアクチュエータ６０の制御信号をロックインアンプ５０の参照信号とし、光検出器４３の出力信号から、レーザ光自体の位置を変動させる周波数と一致する成分を直流信号として取り出すのである。

（工具側変動、探針側変動）
さらに、レーザ光側は固定とし、カンチレバー２２および工具Ｔを、予め決めた周波数で微小振動させる（位置を移動させる）こともできる。この場合、カンチレバー２２は、アクチュエータ２５Ｘ、２５Ｙ、２５Ｚで振動させればよい。また工具Ｔについては、保持部３０に、工具Ｔを振動させるためのアクチュエータ（振動発生手段）７０を備える必要がある。そして、このアクチュエータ７０の制御信号をロックインアンプ５０の参照信号とし、光検出器４３の出力信号から、カンチレバー２２、工具Ｔを振動させる周波数と一致する成分を直流信号として取り出すのである。

このようにして、測定装置１０では、光検出器４３で検出される出力信号を動的に変化させ、ロックインアンプ５０を用いることで、光検出器４３で検出される信号からノイズを除去することができ、これによって、探針２１と工具Ｔの位置合わせを高精度で行うことが可能となる。
ここで、探針２１と工具Ｔの位置合わせに要求される精度は、ＡＦＭ部２０におけるアクチュエータ２５Ｘ、２５Ｙ、２５Ｚの駆動範囲である数μｍである。

ここで、上記測定装置１０における位置合わせ精度を確認するための実験を行ったので、以下にその結果を示す。
実施例１では、レーザ光強度変動を採用した。
レーザ光を０〜３０ｍＷの間で、１０ｋＨｚの周波数でサイン波状に変動させながら、工具Ｔをレーザ光に対し、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に移動させ、光検出器４３からの出力信号を検出した。
その結果が図１１に示すものである。
図１１（ａ）に示すように、Ｘ方向においては、出力信号が、サンプリング数８００〜１１００のときに最小となっていることが確認できる。このため、工具Ｔとレーザ光の光軸は、１．５μｍの幅の範囲内、つまり±０．７５μｍの精度で位置合わせ可能であることが分かる。
また図１１（ｂ）に示すように、Ｙ方向においては、出力信号が、サンプリング数９００〜１１００のときに最小となっていることが確認できる。このため、工具Ｔとレーザ光の集束位置は、１．０μｍの幅の範囲内、つまり±０．５０μｍの精度で位置合わせ可能であると言える。
図１１（ｃ）に示すように、Ｚ方向においては、アクチュエータ２５Ｚの動作寸法が、１．７〜２．０μｍのときに出力信号の微分値が最小となっていることが確認できる。このため、工具Ｔとレーザ光の光軸は、０．３μｍの幅の範囲内、つまり±０．１５μｍの精度で位置合わせ可能であることが分かる。

次に、同様に、レーザ光を０〜３０ｍＷの間で、１０ｋＨｚの周波数でサイン波状に変動させた状態で、探針２１をレーザ光に対し、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に移動させ、光検出器４３からの出力信号を検出した。
その結果が図１２に示すものである。
図１２（ａ）に示すように、Ｘ方向においては、出力信号が、サンプリング数２０００〜２２００のときに最小となっていることが確認できる。このため、探針２１とレーザ光の光軸は、０．１μｍの幅の範囲内、つまり±０．０５μｍの精度で位置合わせ可能であることが分かる。
また図１２（ｂ）に示すように、Ｙ方向においては、出力信号が、サンプリング数５８６０〜６０００のときに最小となっていることが確認できる。このため、探針２１とレーザ光の集束位置は、０．１４μｍの幅の範囲内、つまり±０．０７μｍの精度で位置合わせ可能であると言える。
図１２（ｃ）に示すように、Ｚ方向においては、アクチュエータ２５Ｚで探針２１を移動させ、探針２１が工具Ｔの先端に接触すると、出力信号が大きく変動し、位置合わせが完了したことが確認できる。

続いて、工具Ｔ、探針２１をアクチュエータ７０、２５Ｘ、２５Ｙ、２５Ｚで振動させる場合についても、位置合わせ精度を確認するための実験を行ったので、以下にその結果を示す。
ここでは、まず、振幅１μｍ、周波数２００Ｈｚで工具Ｔが振動するよう、アクチュエータ７０を作動させながら、光検出器４３で検出される光量を測定した。すると、図１３（ａ）に示すように、Ｘ方向においては、出力信号が、サンプリング数１０００〜１１００のときに最大となっていることが確認できる。このため、工具Ｔとレーザ光の光軸は、０．２μｍの幅の範囲内、つまり±０．１μｍの精度で位置合わせ可能であることが分かる。
また図１３（ｂ）に示すように、Ｙ方向においては、出力信号が、サンプリング数１０００〜１２００のときに最大となっていることが確認できる。このため、工具Ｔとレーザ光の集束位置は、１．０μｍの幅の範囲内、つまり±０．５μｍの精度で位置合わせ可能であると言える。
図１３（ｃ）に示すように、出力信号が、サンプリング数６００〜８００のときに最大となっていることが確認できる。このため、工具Ｔとレーザ光の集束位置は、０．２μｍの幅の範囲内、つまり±０．１μｍの精度で位置合わせ可能であると言える。

次に、同様に、カンチレバー２２をアクチュエータ２５Ｘ、２５Ｙ、２５Ｚにより、振幅１μｍ、周波数２００Ｈｚでサイン波状に変動させた状態で、探針２１をレーザ光に対し、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に移動させ、光検出器４３からの出力信号を検出した。
その結果が図１４に示すものである。
図１４（ａ）に示すように、Ｘ方向においては、出力信号が、サンプリング数１００〜３００のときに最大となっていることが確認できる。このため、探針２１とレーザ光の光軸は、±０．１μｍの精度で位置合わせ可能であることが分かる。
また図１４（ｂ）に示すように、Ｙ方向においては、出力信号が、サンプリング数４００〜６００のときに最大となっていることが確認できる。このため、探針２１とレーザ光の集束位置は、±０．１μｍの精度で位置合わせ可能であると言える。
図１４（ｃ）に示すように、Ｚ方向においては、アクチュエータ２５Ｚで探針２１を移動させ、探針２１が工具Ｔの先端に接触すると、出力信号が大きく変動し、位置合わせが完了したことが確認できる。

このようにして、光検出器４３からの出力信号のノイズの影響を除去できるので、工具Ｔと探針２１の位置合わせを従来にない高精度で行うことが可能となった。

なお、上記実施の形態で示した測定装置１０については、本発明の主旨を逸脱しない限り、いかなる変更・追加等を行ってもよい。
また、このような測定装置１０は、工具Ｔを用いて加工を行う、マシニングセンタ等の多軸加工機、加工ロボット等、各種工作機械の近傍に備えるのが好ましい。さらに、測定装置１０自体を、工作機械に一体に組み込む構成とすることもできる。この場合、工作機械において、工具Ｔをチャックするチャック機構に工具Ｔをチャックさせたまま、工具Ｔの測定を行うこともできる。その場合、チャック機構は、工具Ｔを測定装置１０の部分まで移動させるため移動ストロークを確保する必要がある。
さらに、上記実施の形態では、工具Ｔとして、先端に行くにしたがい幅寸法が漸次小さくなる形状のものと、Ｘ方向にストレート状に延びる形状のＴダイ１００を例に挙げたが、これ以外の形状のものであっても良いのは言うまでもない。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

本実施の形態における測定装置の構成を示すブロック図である。 測定装置の要部を示す図である。 レーザ光に工具や探針を挿入することで、光検出部で検出される光の光量が変化することを示すための図である。 工具をレーザ光のビーム範囲に挿入し、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に移動させたときに検出される光の光量の変化を示す図である。 探針をレーザ光のビーム範囲に挿入し、Ｘ、Ｙ方向に移動させたときに検出される光の光量の変化を示す図である。 位置合わせした工具に対し、探針をＺ方向に移動させて工具に接触させる状態を示す図である。 測定対象物となる工具の一例としてのＴダイを示す図である。 ノイズが含まれる検出信号を示す図である。 レーザ光の光強度を変調させることでノイズを除去するための構成を示す図である。 レーザ光の位置、探針および工具の位置を変動させることでノイズを除去するための構成を示す図である。 レーザ光の光強度を変調させながら、工具をＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動させたときに検出される信号を示す図である。 レーザ光の光強度を変調させながら、探針をＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動させたときに検出される信号を示す図である。 工具を振動させながら、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に移動させたときに検出される信号を示す図である。 探針を振動させながら、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に移動させたときに検出される信号を示す図である。 従来の光学顕微鏡を用い、工具と探針を位置合わせしようとするときの状態を示す図である。

符号の説明

１０…測定装置、２１…探針、２２…カンチレバー、２５Ｘ、２５Ｙ、２５Ｚ、６０、７０…アクチュエータ（振動発生手段）、３０…保持部、４１…レーザダイオード（照射手段）、４３…光検出器（検出手段）、４４…位置合わせコントローラ（制御手段）、５０…ロックインアンプ（ノイズ除去手段）、１００…Ｔダイ、Ｂ…ビーム範囲、Ｔ…工具（測定対象物）

Claims (8)

1. 測定対象物の形状を測定するための探針を前記測定対象物に位置合わせする方法であって、
   前記探針と前記測定対象物を対向させた状態で、前記探針と前記測定対象物の間に、基準光を照射するステップと、
   前記基準光の焦点位置に、前記探針および前記測定対象物のそれぞれのレベルを合わせるステップと、
   前記探針と前記測定対象物を、前記基準光の光軸に直交する方向に沿って相対的に接近させ、前記探針を前記測定対象物に接触させるステップと、
   を備えることを特徴とする探針の位置合わせ方法。
2. 前記探針または前記測定対象物を前記基準光のビーム範囲内に挿入した状態で前記基準光の光軸方向に沿って移動させたときの前記基準光の強度の変化に基づき、前記探針または前記測定対象物のレベルを前記基準光の焦点位置に合わせることを特徴とする請求項１に記載の探針の位置合わせ方法。
3. 前記探針を前記測定対象物に接触させるステップに先立ち、
   前記探針または前記測定対象物を、前記基準光のビーム範囲内に挿入した状態で前記基準光の光軸に直交する方向に沿って移動させたときの前記基準光の強度の変化に基づき、前記探針または前記測定対象物を前記基準光の光軸位置に合わせるステップをさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の探針の位置合わせ方法。
4. 前記測定対象物を前記基準光の光軸位置に合わせた後、前記探針を前記基準光の光軸に直交する方向に移動させて前記測定対象物に接触させることを特徴とする請求項３に記載の探針の位置合わせ方法。
5. 前記基準光の光強度を所定の周波数で変調させた状態で、前記変調を発生させるための信号と、前記基準光の強度の変化に基づき、前記探針を前記測定対象物に位置合わせすることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の探針の位置合わせ方法。
6. 測定対象物を基準光のビーム範囲内に挿入した状態で移動させたときの前記基準光の光量の変化に基づき、前記測定対象物を前記基準光に対して位置決めするステップと、
   原子間力顕微鏡の探針を前記基準光のビーム範囲内に挿入した状態で移動させたときの前記基準光の光量の変化に基づき、前記探針を前記基準光に対して位置決めするステップと、
   前記探針を、前記基準光の光軸に直交する方向に移動させて前記測定対象物に接触させるステップと、
   前記探針を前記測定対象物の表面に沿って移動させ、前記測定対象物の形状を測定するステップと、
   を備えることを特徴とする形状測定方法。
7. 測定対象物の形状を、探針で原子間力を用いて測定する測定装置であって、
   互いに対向した前記探針と前記測定対象物の間に、所定の位置に集束する基準光を照射する照射手段と、
   前記探針および前記測定対象物を前記基準光のビーム範囲内に挿入して移動させる移動手段と、
   前記基準光の照射方向において前記探針および前記測定対象物よりも下流側に設けられ、前記基準光の光量を検出する検出手段と、
   前記移動手段で前記探針および前記測定対象物を前記基準光のビーム範囲内で移動させたときに前記検出手段で検出される前記基準光の光量の変化に基づき、前記探針を前記測定対象物に対し前記基準光の光軸に沿った方向に位置合わせするとともに、位置合わせされた前記探針と前記測定対象物を前記基準光の光軸に直交する方向に沿って接近させて前記探針を前記測定対象物に接触させるよう、前記移動手段を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする測定装置。
8. 前記探針および前記測定対象物の位置、前記基準光の位置、前記基準光の光強度のいずれかを所定の周波数で振動させる振動発生手段と、
   前記振動発生手段で振動を発生させるための制御信号を基準として、前記検出手段で検出される前記基準光の光量の変化からノイズを除去するノイズ除去手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の測定装置。

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