JP2006078354A

JP2006078354A - Probe controller and shape measuring instrument

Info

Publication number: JP2006078354A
Application number: JP2004263185A
Authority: JP
Inventors: Naoki Takizawa; 直樹瀧澤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-09-10
Filing date: 2004-09-10
Publication date: 2006-03-23

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To perform high-speed and high-accuracy three-dimensional measurement by reducing fluctuation in contact load on a contact-type probe, as to a probe controller for a shape measuring instrument and the shape measuring instrument for measuring the surface shape of a workpiece by using the contact-type probe. <P>SOLUTION: The probe 1 (not illustrated) brought into contact with the workpiece is supported on a stage 7 via leaf springs 2a and 2b, and vertically moved by linear motors 10 and 11. Firstly, the stage 7 is moved according to a command value of a position setter 17 to put the probe 1 into contact with the workpiece. Thereafter, switching is made to a probe load control system including a load setter 18 and a displacement sensor 5 for detecting the contact load of the probe 1 based on the displacement of the leaf springs 2a and 2b, and the probe 1 is scanned while controlling the contact load. Since errors occur in the contact load just after the start of scanning, load correction signals found by calculation using design values or by dummy scanning are previously stored in a load corrector 22, and added to an output of the control system as the need arises. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、接触式のプローブを用いてワークの表面形状を計測する形状測定装置のプローブ制御装置および形状測定装置に関するものである。 The present invention relates to a probe control device and a shape measuring device of a shape measuring device that measures the surface shape of a workpiece using a contact type probe.

一般に接触式のプローブを用いてワークの３次元形状を測定する形状測定装置においては、プローブをワークに接触させ、接触状態を保ちながら被検面であるワーク表面に沿って走査させて、計測を行っている。 In general, in a shape measuring apparatus that measures a three-dimensional shape of a workpiece using a contact-type probe, the probe is brought into contact with the workpiece, and the measurement is performed by scanning along the workpiece surface that is the test surface while maintaining the contact state. Is going.

図７は一従来例によるプローブ接触式の形状測定装置を示す。これは、プローブ１０１が板バネ１０２ａ、１０２ｂによって支持され、プローブ１０１に取り付けられたミラー１０３と干渉計１０４によって所定の計測基準からのＺ方向位置を検出する。変位センサ１０５は、プローブ１０１のガイドである板バネ１０２ａ、１０２ｂの支持点に対するプローブ１０１の変位を検出する。検出した変位は板バネ１０２ａ、１０２ｂの歪み量を表わしており、板バネ１０２ａ、１０２ｂの歪みによって発生するプローブ１０１の接触荷重に相当する。 FIG. 7 shows a probe contact type shape measuring apparatus according to a conventional example. The probe 101 is supported by leaf springs 102a and 102b, and the position in the Z direction from a predetermined measurement reference is detected by the mirror 103 and the interferometer 104 attached to the probe 101. The displacement sensor 105 detects the displacement of the probe 101 with respect to the support points of the leaf springs 102 a and 102 b that are guides of the probe 101. The detected displacement represents the amount of strain of the leaf springs 102a and 102b, and corresponds to the contact load of the probe 101 generated by the strain of the leaf springs 102a and 102b.

プローブ１０１は、保持部材１０６を介してステージ１０７に保持されている。ステージ１０７は軸受１０８ａ、１０８ｂによってステージガイド１０９より支持され、可動子１１０と固定子１１１で構成されるリニアモータによってＺ方向に移動する。ステージ１０７の移動量はスケール１１２、検出ヘッド１１３によるリニアエンコーダによって検出される。 The probe 101 is held on the stage 107 via a holding member 106. The stage 107 is supported from the stage guide 109 by bearings 108a and 108b, and is moved in the Z direction by a linear motor including a mover 110 and a stator 111. The amount of movement of the stage 107 is detected by a linear encoder using the scale 112 and the detection head 113.

ステージ１０７に搭載されたプローブ１０１はステージ１０７を移動させることで、図８に示すようにワークＷ₀と接触する位置に到達する。そのための制御は、リニアエンコーダで検出したステージ１０７の位置と位置設定器１１７が設定する指令位置とを比較器１１８にて比較して、比較結果の位置偏差に応じたリニアモータへの電流指令を出力する位置制御補償器１１９を備えたステージ位置制御系を用いて、位置設定器１１７が設定する指令位置を変更することでステージ１０７を移動させる。 The probe 101 mounted on the stage 107 moves to the position where it comes into contact with the workpiece W _{0 as} shown in FIG. For this control, the comparator 118 compares the position of the stage 107 detected by the linear encoder and the command position set by the position setter 117, and a current command to the linear motor corresponding to the position deviation of the comparison result is obtained. The stage 107 is moved by changing the command position set by the position setter 117 using the stage position control system including the position control compensator 119 to output.

プローブ１０１がワークＷ₀と接触し所定の接触荷重になった後は、プローブ１０１の荷重を一定に保持するようにステージ１０７を制御する。そのための制御系は、変位センサ１０５で検出したプローブ１０１の接触荷重に相当する変位と、荷重設定器１２０が設定する目標荷重に相当する変位とを比較器１２１にて比較し、比較結果の荷重偏差相当の変位偏差に応じたリニアモータへの電流指令を出力する荷重制御補償器１２２を備えたプローブ荷重制御系である。 After the probe 101 comes into contact with the workpiece W ₀ and reaches a predetermined contact load, the stage 107 is controlled so as to keep the load of the probe 101 constant. The control system for that purpose compares the displacement corresponding to the contact load of the probe 101 detected by the displacement sensor 105 with the displacement corresponding to the target load set by the load setting device 120 by the comparator 121, and the load of the comparison result. The probe load control system includes a load control compensator 122 that outputs a current command to the linear motor in accordance with a displacement deviation corresponding to the deviation.

このように、プローブ１０１の制御系は、プローブ１０１をワークに接触させるまでのステージ移動を制御するステージ位置制御系と、プローブの接触荷重を維持するためのステージ制御を行うプローブ荷重制御系との２つの制御系を備え、動作に応じて切換える構成となっている。その切換の判定はモード制御器１２４で行い、切換器１２３により電流増幅器１１６への指令値を切換えている（特許文献１等参照）。
特開２００３−９７９３８号公報 As described above, the control system for the probe 101 includes a stage position control system that controls the stage movement until the probe 101 is brought into contact with the workpiece, and a probe load control system that performs stage control for maintaining the contact load of the probe. Two control systems are provided and switched according to the operation. The switching determination is performed by the mode controller 124, and the command value to the current amplifier 116 is switched by the switch 123 (see Patent Document 1, etc.).
Japanese Patent Laid-Open No. 2003-99738

上記従来例による制御系を用いてプローブを制御しワーク表面を走査した場合、図８に示すような荷重誤差が発生する。すなわち、図８の（ａ）に示すＰ１位置においてプローブ１０１をワークＷ₀に接触させ、矢印方向にＰ２位置を経てＰ３位置まで、同図の（ｃ）に示す一定速度で走査させると、（ｂ）に示すように、走査を開始する加速領域であるＰ１位置近傍、および走査を停止する減速領域であるＰ３位置近傍において荷重誤差が大きくなってしまう。 When the probe is controlled using the control system according to the conventional example and the workpiece surface is scanned, a load error as shown in FIG. 8 occurs. That is, when the probe 101 is brought into contact with the workpiece W ₀ at the P1 position shown in FIG. 8A and is scanned at a constant speed shown in FIG. 8C from the P2 position to the P3 position in the arrow direction ( As shown in b), the load error becomes large in the vicinity of the P1 position, which is an acceleration region where scanning starts, and in the vicinity of the P3 position, which is a deceleration region where scanning stops.

図９は、このように荷重誤差が生じた場合のプローブ１０１の状態を示す。プローブ１０１の荷重誤差が発生するということは、図９の（ａ）に示すように板バネ１０２ａ、１０２ｂがＺａ２だけ歪んでいる状態から、図９の（ｂ）に示すような板バネ１０２ａ、１０２ｂがＺｂ２だけ歪んだ状態になったということを意味している。つまりプローブ１０１が板バネ１０２ａ、１０２ｂによるガイドの支持点に対して上下移動したことを示しているが、一般にガイドによって支持されたものが移動した場合の動きをナノメートルオーダもしくはサブナノメートルオーダといった高精度に観察すると、図９の（ｂ）に示すような理想的な移動はできず、実際には、同図の（ｃ）に示すように、プローブ１０１がＺ方向に移動するだけではなくＸ方向への変位が生じるような姿勢変化を起こしている。 FIG. 9 shows the state of the probe 101 when a load error occurs in this way. The occurrence of a load error of the probe 101 means that the leaf springs 102a and 102b as shown in FIG. 9B from the state in which the leaf springs 102a and 102b are distorted by Za2 as shown in FIG. This means that 102b is distorted by Zb2. In other words, the probe 101 moves up and down with respect to the support point of the guide by the leaf springs 102a and 102b. In general, when the probe supported by the guide moves, the movement of the probe 101 is as high as nanometer order or sub-nanometer order. When observed with accuracy, the ideal movement as shown in FIG. 9B is not possible. Actually, as shown in FIG. 9C, the probe 101 is not only moved in the Z direction but also in the X direction. It causes a posture change that causes displacement in the direction.

この姿勢変化によってプローブ１０１とワークＷ₀の接触点では、図９の（ｃ）に示すような２方向の誤差δ₁、δ₂が発生することになる。つまり、ナノメートルやサブナノメートルといった高精度でワーク形状を計測するには、プローブ１０１の荷重誤差をなくす必要が生じる。 Due to this change in posture, errors δ ₁ and δ _{2 in} two directions as shown in FIG. 9C occur at the contact point between the probe 101 and the workpiece W ₀ . That is, it is necessary to eliminate the load error of the probe 101 in order to measure the workpiece shape with high accuracy such as nanometer or sub-nanometer.

このため従来は、ナノメートルオーダ等の高精度な形状計測を行う場合は、走査速度を下げて計測していた。その結果、計測時間が長くなるという未解決の課題があった。 For this reason, conventionally, when high-precision shape measurement such as nanometer order is performed, measurement is performed at a lower scanning speed. As a result, there is an unsolved problem that the measurement time becomes long.

本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、プローブ走査中のプローブ接触荷重の変動を効果的に低減し、高速かつ高精度で被検面の３次元形状を計測することを可能にするプローブ制御装置および形状測定装置を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above-mentioned unsolved problems of the prior art, and can effectively reduce fluctuations in probe contact load during probe scanning, and can rapidly and accurately measure the three-dimensional shape of the test surface. It is an object of the present invention to provide a probe control device and a shape measuring device that can measure the above.

上記目的を達成するため、本発明のプローブ制御装置は、プローブを搭載して移動するステージによって前記プローブを被検面に接触させ、前記被検面への接触荷重を制御しながら前記プローブを走査し、前記プローブの座標位置を計測する形状測定装置のプローブ制御装置であって、前記ステージの位置を検出する位置検出器と、前記位置検出器によって検出した位置信号に基づいて前記ステージを移動させるステージ位置制御系と、前記ステージ位置制御系への指令値として、移動する前記ステージの目標位置を設定する位置設定器と、前記プローブの前記被検面に対する接触荷重を検出する検出手段と、前記検出手段の検出値に基づいて前記ステージを移動させ、前記接触荷重を制御するためのプローブ荷重制御系と、前記プローブを前記被検面に接触させながら走査する際に発生する前記接触荷重の誤差を補正する荷重補正信号を発生するための荷重補正器と、前記プローブ荷重制御系の出力に前記荷重補正信号を加算して前記ステージ位置制御系へ指令値として与えるための加算手段と、を有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the probe control apparatus according to the present invention scans the probe while controlling the contact load on the test surface by bringing the probe into contact with the test surface by a stage on which the probe is mounted and moving. And a probe control device for a shape measuring device for measuring the coordinate position of the probe, the position detector for detecting the position of the stage, and the stage being moved based on a position signal detected by the position detector. A stage position control system, a position setter for setting a target position of the moving stage as a command value to the stage position control system, a detection means for detecting a contact load of the probe with respect to the test surface, A probe load control system for controlling the contact load by moving the stage based on a detection value of a detection means; and A load corrector for generating a load correction signal for correcting an error of the contact load generated when scanning while contacting the surface to be measured; and adding the load correction signal to the output of the probe load control system. And adding means for giving a command value to the stage position control system.

プローブをワークの被検面に接触させるためにステージを移動させる接触モードで用いるステージ位置制御系と、被検面に対するプローブの接触荷重を制御する荷重制御モードのためのプローブ荷重制御系とを切換え自在であるプローブ制御装置に、ワークの設計値を用いた演算やダミー走査によって得た荷重補正信号をプローブ走査に同期して発生させる荷重補正器を設ける。荷重補正信号を、プローブ走査に同期してプローブ荷重制御系の出力に加算することで、走査速度を落とさずに荷重誤差を低減する。このようにして、高速かつ高精度に被検面の３次元形状を計測することができる。 Switching between the stage position control system used in the contact mode for moving the stage to bring the probe into contact with the test surface of the workpiece and the probe load control system for the load control mode that controls the contact load of the probe on the test surface A flexible probe control device is provided with a load corrector that generates a load correction signal obtained by calculation using a workpiece design value or dummy scanning in synchronization with probe scanning. By adding the load correction signal to the output of the probe load control system in synchronization with the probe scanning, the load error is reduced without reducing the scanning speed. In this way, the three-dimensional shape of the test surface can be measured at high speed and with high accuracy.

図１に示すように、形状測定装置のプローブ１を制御するプローブ制御装置は、プローブ１を移動させるステージ７の位置をリニアエンコーダ（１２、１３）によって検出しフィードバック制御するステージ位置制御系と、ステージ７の目標位置を設定する位置設定器１７と、プローブ１の接触荷重に相当する変位を検出手段である変位センサ５によって検出し荷重設定器１８の出力側にフィードバック制御するプローブ荷重制御系と、プローブ走査時の荷重誤差を補正する荷重補正器２２と、位置設定器１７とプローブ荷重制御系と荷重補正器２２の出力を選択する切換器２１、２３とを備えている。プローブ１を接触させるまでの接触モードでは、前記ステージ位置制御系の指令値として位置設定器１７の出力を選択し、接触後はステージ位置制御系への指令値としてプローブ荷重制御系の出力を選択し、例えば走査開始直後は、プローブ荷重制御系の出力に荷重補正器２２の荷重補正信号を加算する。 As shown in FIG. 1, a probe control device that controls the probe 1 of the shape measuring device includes a stage position control system that detects the position of the stage 7 that moves the probe 1 with a linear encoder (12, 13) and performs feedback control, A position setter 17 for setting a target position of the stage 7, a probe load control system for detecting a displacement corresponding to the contact load of the probe 1 by a displacement sensor 5 as a detecting means and performing feedback control to the output side of the load setter 18. , A load corrector 22 for correcting a load error during probe scanning, a position setter 17, a probe load control system, and switching units 21 and 23 for selecting the output of the load corrector 22 are provided. In the contact mode until the probe 1 is brought into contact, the output of the position setter 17 is selected as the command value of the stage position control system, and after the contact, the output of the probe load control system is selected as the command value to the stage position control system. For example, immediately after the start of scanning, the load correction signal of the load corrector 22 is added to the output of the probe load control system.

荷重補正器２２から出力させる荷重補正信号は、ワークの設計形状を基に走査時に発生するプローブの変位からステージ７の目標位置データとして生成する。あるいは荷重誤差検出器を設け、計測走査する前にダミー走査を行い、そのときの接触荷重とステージ位置制御系への位置指令を荷重誤差検出器で検出し、検出した２つの信号よりステージ７の目標位置データを生成してもよい。 The load correction signal output from the load corrector 22 is generated as target position data of the stage 7 from the displacement of the probe generated during scanning based on the design shape of the workpiece. Alternatively, a load error detector is provided, a dummy scan is performed before the measurement scan, the contact load at that time and a position command to the stage position control system are detected by the load error detector, and the stage 7 is detected from the two detected signals. Target position data may be generated.

図１は一実施例による形状測定装置を示す。プローブ１が板バネ２ａ、２ｂによって支持され、プローブ１に取り付けられたミラー３と干渉計４によって、後述する計測基準からのＺ方向位置を検出する。変位センサ５はプローブ１のガイドである板バネ２ａ、２ｂの支持点に対するプローブ１の変位を検出する。検出した変位は板バネ２ａ、２ｂの歪み量を表わしており、板バネ２ａ、２ｂの歪みによって発生するプローブ１の接触荷重に相当する。 FIG. 1 shows a shape measuring apparatus according to an embodiment. A probe 1 is supported by leaf springs 2a and 2b, and a Z-direction position from a measurement reference described later is detected by a mirror 3 and an interferometer 4 attached to the probe 1. The displacement sensor 5 detects the displacement of the probe 1 with respect to the support points of the leaf springs 2a and 2b which are guides of the probe 1. The detected displacement represents the amount of strain of the leaf springs 2a and 2b, and corresponds to the contact load of the probe 1 generated by the strain of the leaf springs 2a and 2b.

プローブ１は、保持部材６を介してステージ７に保持されている。ステージ７は軸受８ａ、８ｂを介してステージガイド９より支持され、可動子１０と固定子１１で構成されるリニアモータによってＺ方向に移動する。ステージ７の移動量はスケール１２、検出ヘッド１３によるリニアエンコーダによって検出される。 The probe 1 is held on the stage 7 via a holding member 6. The stage 7 is supported by a stage guide 9 via bearings 8a and 8b, and is moved in the Z direction by a linear motor including a mover 10 and a stator 11. The amount of movement of the stage 7 is detected by a linear encoder using the scale 12 and the detection head 13.

ステージ７に搭載されたプローブ１は、リニアモータによってステージ７を移動させることで、図２に示すワークＷ₁と接触する位置に到達する。 The probe 1 mounted on the stage 7 reaches the position where it comes into contact with the workpiece W ₁ shown in FIG. 2 by moving the stage 7 with a linear motor.

リニアモータに供給される電流は、電流増幅器１４を介して位置制御補償器１５の出力によって制御される。リニアエンコーダによって検出されるステージ７の位置ｚと位置指令Ｚｒとを比較する比較器１６が設けられ、この比較器１６によって得られる位置偏差をステージ位置制御系の入力とし、その位置偏差に応じた操作量となる電流指令を位置制御補償器１５が出力する。 The current supplied to the linear motor is controlled by the output of the position control compensator 15 via the current amplifier 14. A comparator 16 for comparing the position z of the stage 7 detected by the linear encoder and the position command Zr is provided. The position deviation obtained by the comparator 16 is used as an input to the stage position control system, and the position deviation is determined according to the position deviation. The position control compensator 15 outputs a current command as an operation amount.

位置指令Ｚｒはステージ７の動作モードに応じて切換えられる。ステージ動作モードには、プローブ１を図２に示すワークＷ₁の表面（被検面）に接触させるためにステージ７を移動させる接触モードと、接触したプローブ１の荷重を一定に制御する荷重制御モードがある。接触モードの位置指令Ｚｒは、リニアエンコーダによる検出位置が接触位置になるように位置設定器１７によって設定される指令値である。荷重制御モードではプローブ１の接触荷重が所定の荷重になるように位置指令Ｚｒを出力する。そのためのプローブ荷重制御系は、荷重を設定する荷重設定器１８の設定値とプローブ１に発生している接触荷重を変位センサ５によって検出した信号とを比較する比較器１９と、その比較器１９によって計算された荷重偏差を入力とし、荷重偏差量に応じて位置指令Ｚｒを出力する荷重制御補償器２０が設けられている。 The position command Zr is switched according to the operation mode of the stage 7. In the stage operation mode, a contact mode in which the stage 7 is moved to bring the probe 1 into contact with the surface (test surface) of the workpiece W ₁ shown in FIG. There is a mode. The position command Zr in the contact mode is a command value set by the position setting unit 17 so that the position detected by the linear encoder becomes the contact position. In the load control mode, the position command Zr is output so that the contact load of the probe 1 becomes a predetermined load. The probe load control system for this purpose includes a comparator 19 that compares a set value of the load setting device 18 for setting a load with a signal obtained by detecting the contact load generated on the probe 1 by the displacement sensor 5, and the comparator 19. The load control compensator 20 is provided which receives the load deviation calculated by the above and outputs a position command Zr according to the load deviation amount.

さらに、荷重制御モードによってプローブ１が所定の接触荷重になった後、プローブ１を走査する際には荷重偏差を補正する荷重補正信号を、加算手段を構成する切換器２３および比較器１６により、ステージ７の位置指令Ｚｒに加算する荷重補正器２２が設けられている。また、ステージ動作モードを切換えるために切換器２１、２３を制御するモード切換制御器２４が設けられている。 Further, after the probe 1 reaches a predetermined contact load in the load control mode, a load correction signal for correcting a load deviation is scanned by the switch 23 and the comparator 16 constituting the adding means when the probe 1 is scanned. A load corrector 22 for adding to the position command Zr of the stage 7 is provided. Further, a mode switching controller 24 for controlling the switching devices 21 and 23 is provided to switch the stage operation mode.

図２に示すように、ワークＷ₁を保持する保持台と一体であるフレーム２５にはＺ方向の測定基準である基準ミラー２６が取り付けられ、プローブ１に取り付けられたミラー３と干渉計４を用いて基準ミラー２６に対するプローブ１のＺ方向の座標位置を計測する。 As shown in FIG. 2, a reference mirror 26 that is a measurement reference in the Z direction is attached to a frame 25 that is integral with a holding base that holds the workpiece W _1, and the mirror 3 and the interferometer 4 attached to the probe 1 are attached. Using this, the coordinate position of the probe 1 in the Z direction with respect to the reference mirror 26 is measured.

ステージ７を下げてプローブ１をワークＷ₁に接触させ、接触位置からさらにステージ７を下げると板バネ２ａ、２ｂが歪み、プローブ１にはワークＷ₁に押しつける荷重が発生する。この荷重を、ステージ７に対するプローブ１の変位を検出する変位センサ５を用いて測定する。変位センサ５で検出した変位は、板バネ２ａ、２ｂの歪み量に相当し、検出した変位がプローブ１の接触荷重に相当することになる。この接触荷重が所定の値になるようにステージ７のＺ方向の移動を制御する。このようにプローブ１の接触荷重を制御した状態でステージ７を図示しない走査手段によってＸ−Ｙ方向に走査するとプローブ１に発生する接触荷重が一定になるように、ワークＷ₁の形状に倣ってステージ７がＺ方向に上下する。この時の、ステージ７のＺ方向の基準ミラー２６からの位置を計測手段である干渉計４によって計測する。Ｚ方向と同じようにフレーム２５にＸ−Ｙ方向を計測するための基準ミラーを設け、ステージ７の固定部材６上にＸ−Ｙ方向の位置を計測する計測手段である干渉計を配置することで、プローブ１が接触しているワークＷ₁のＸ−Ｙ−Ｚ位置が計測でき、これらの計測点（３次元座標位置）をつなぐことでワークＷ₁の３次元形状を求めることができる。以下に計測工程全体を詳しく説明する。 Lower the stage 7 is brought into contact with the probe 1 to the workpiece W _1, further lowering the stage 7 from the contact position the leaf springs 2a, 2b strain, load against the workpiece W ₁ is generated in the probe 1. This load is measured using a displacement sensor 5 that detects the displacement of the probe 1 relative to the stage 7. The displacement detected by the displacement sensor 5 corresponds to the amount of distortion of the leaf springs 2a and 2b, and the detected displacement corresponds to the contact load of the probe 1. The movement of the stage 7 in the Z direction is controlled so that the contact load becomes a predetermined value. When the stage 7 is scanned in the XY direction by scanning means (not shown) with the contact load of the probe 1 controlled as described above, the shape of the workpiece W ₁ is followed so that the contact load generated on the probe 1 becomes constant. The stage 7 moves up and down in the Z direction. At this time, the position of the stage 7 from the reference mirror 26 in the Z direction is measured by the interferometer 4 which is a measuring means. As in the Z direction, a reference mirror for measuring the XY direction is provided on the frame 25, and an interferometer that is a measuring means for measuring the position in the XY direction is disposed on the fixing member 6 of the stage 7. Thus, the XYZ position of the workpiece W _{1 in} contact with the probe 1 can be measured, and the three-dimensional shape of the workpiece W ₁ can be obtained by connecting these measurement points (three-dimensional coordinate positions). The entire measurement process will be described in detail below.

ステージ７は、まず、プローブ１をワークＷ₁に接触させるための接触モードで動作する。 Stage 7 is first operated in a contact mode for contacting the probe 1 to the workpiece W _1.

接触モードではリニアエンコーダによって検出されたステージ位置とモード切換制御器２４によって選択された位置設定器１７が設定した指令値である目標位置が比較器１６によって比較され、位置偏差が計算される。位置偏差は位置制御補償器１５に入力され位置偏差に応じた電流指令が出力され、電流増幅器１４によってリニアモータに電流が流され、ステージ７が位置制御される。すなわち、位置設定器１７による目標位置を、プローブ１がワークＷ₁と接触する位置に設定することで、接触位置にステージ７を移動させる。プローブ１の接触状態は、変位センサ５で検出した検出信号よりプローブ１の荷重状態をモード切換制御器２４が判定し、プローブ１が所定の接触荷重になったら荷重制御モードに切換える。 In the contact mode, the stage position detected by the linear encoder and the target position, which is the command value set by the position setting unit 17 selected by the mode switching controller 24, are compared by the comparator 16, and the position deviation is calculated. The position deviation is input to the position control compensator 15 and a current command corresponding to the position deviation is output. A current is passed through the linear motor by the current amplifier 14, and the position of the stage 7 is controlled. That is, the stage 7 is moved to the contact position by setting the target position by the position setting device 17 to a position where the probe 1 is in contact with the workpiece W ₁ . The contact state of the probe 1 is determined by the mode switching controller 24 based on the detection signal detected by the displacement sensor 5, and is switched to the load control mode when the probe 1 reaches a predetermined contact load.

荷重制御モードは、接触モードによってプローブ１がワークＷ₁に対して所定の接触荷重を発生する位置にステージ７が達した後、その荷重状態を荷重設定器１８により目標荷重として設定する。設定された目標荷重は、比較器１９で変位センサ５による荷重信号と比較され荷重偏差が計算される。荷重偏差は荷重制御補償器２０に入力され、荷重偏差に応じたステージ位置指令が出力される。この位置指令Ｚｒは、切換器２１によってステージ位置制御系に入力され、ステージ位置制御系は接触モードと同じ動作によってリニアモータに電流を流し、ステージ７をＺ方向に上下することで、プローブ１の接触荷重を一定に維持する。 In the load control mode, after the stage 7 reaches a position where the probe 1 generates a predetermined contact load on the workpiece W ₁ in the contact mode, the load state is set as a target load by the load setting device 18. The set target load is compared with a load signal from the displacement sensor 5 by the comparator 19 to calculate a load deviation. The load deviation is input to the load control compensator 20, and a stage position command corresponding to the load deviation is output. This position command Zr is input to the stage position control system by the switch 21. The stage position control system sends current to the linear motor by the same operation as in the contact mode, and moves the stage 7 up and down in the Z direction. Maintain a constant contact load.

荷重制御モードの状態でプローブ１をＸ−Ｙ方向に走査することでワークＷ₁の形状を計測する。この走査をするときに、走査開始に同期して荷重補正器２２からの荷重補正信号をプローブ荷重制御系の位置指令に加算することによって、プローブの荷重を制御し荷重誤差の低減を図っている。 The shape of the workpiece W ₁ is measured by scanning the probe 1 in the XY direction in the load control mode. When this scanning is performed, the load on the probe is controlled to reduce the load error by adding the load correction signal from the load corrector 22 to the position command of the probe load control system in synchronization with the start of scanning. .

すなわち、荷重補正器２２からの荷重補正信号は、走査時に発生する荷重誤差を減少させるためにステージ７を走査に合わせて先回りして動かす役割を果たす。この荷重補正信号を生成する方法としては以下の２つの方法がある。 That is, the load correction signal from the load corrector 22 plays a role of moving the stage 7 forward in accordance with the scan in order to reduce the load error generated during the scan. There are the following two methods for generating the load correction signal.

第１の方法は、ワークＷ₁の設計形状を用いて走査時のステージ７の位置を設計値より計算し、そのデータから荷重補正信号を生成し荷重補正器２２に保存しておく。そして走査時に切換器２３によってステージ７の位置指令に加算する方法である。例えば図３に示す形状のワークを計測する場合、Ｙ方向にＹ１だけ走査するとＺ方向にはＺ１だけプローブ１を上昇させなければならないことが判明している。そこで、Ｙ方向の走査と同期してステージ７がＺ方向に上昇するような荷重補正信号を作成して、ステージ７の位置指令に加算することで荷重誤差を減少させる。この方法によって走査すると、図４の（ａ）に示すような荷重補正信号がない場合の走査中の荷重誤差が、同図の（ｂ）に示すように低減される。 In the first method, the position of the stage 7 at the time of scanning is calculated from the design value using the design shape of the workpiece W _1, a load correction signal is generated from the data, and stored in the load corrector 22. And it is the method of adding to the position command of the stage 7 by the switch 23 at the time of scanning. For example, when measuring a workpiece having the shape shown in FIG. 3, it has been found that if Y1 is scanned in the Y direction, the probe 1 must be raised by Z1 in the Z direction. Therefore, a load correction signal is generated so that the stage 7 rises in the Z direction in synchronization with the scanning in the Y direction, and is added to the position command of the stage 7 to reduce the load error. When scanning is performed by this method, the load error during scanning when there is no load correction signal as shown in FIG. 4A is reduced as shown in FIG.

実際のワークと設計値との間には多少の誤差が含まれていても、この方法の場合、設計形状と実際のワーク形状によるプローブの移動方向が反転しないかぎり荷重誤差を減少させることができる。 Even if there is some error between the actual workpiece and the design value, this method can reduce the load error as long as the moving direction of the probe according to the design shape and the actual workpiece shape is not reversed. .

第２の方法は、図５に示す制御系を用いるものである。これは、図１の制御系に荷重誤差検出器２７を新たに加えた構成である。この制御系を用いて図６に示すフローの動作を行うことで、荷重補正信号を作り出す。 The second method uses the control system shown in FIG. This is a configuration in which a load error detector 27 is newly added to the control system of FIG. A load correction signal is generated by performing the operation of the flow shown in FIG. 6 using this control system.

最初にステップＳ１でステージ（Ｚステージ）７を移動させ、ステップＳ２で通常のようにプローブ１をワークに接触させる。その後、接触荷重を設定してステージＳ３でプローブ荷重制御に切換える。ステップＳ４でプローブ荷重制御に切換えたらステップＳ５でプローブ１をダミー走査して、その時に発生する荷重誤差と位置指令とを荷重誤差検出器２７で検出する。この検出した２つの信号よりステップＳ６で荷重補正信号を作りだす。そしてステップＳ７でプローブ１を元の接触位置に戻してステップＳ８で計測走査を行う。この計測走査のときには、荷重補正信号をステージ７の位置指令に加算する。 First, in step S1, the stage (Z stage) 7 is moved, and in step S2, the probe 1 is brought into contact with the workpiece as usual. Thereafter, the contact load is set, and the probe load control is switched at stage S3. When the probe load control is switched in step S4, the probe 1 is dummy scanned in step S5, and the load error and position command generated at that time are detected by the load error detector 27. A load correction signal is generated from the detected two signals in step S6. In step S7, the probe 1 is returned to the original contact position, and measurement scanning is performed in step S8. During this measurement scan, the load correction signal is added to the position command of the stage 7.

なお、荷重補正信号を生成するダミー走査は走査領域のうちで加速する距離だけ移動すればよい。その理由は、走査時に発生する荷重誤差は図８の（ｂ）に示したように走査開始の加速時と走査停止の減速時に大きく発生するものであり、減速時は有効領域外にて減速すれば荷重誤差の影響は計測結果に反映されないが、加速時には発生した荷重誤差が有効領域内に影響を及ぼすので、荷重誤差補正が必要になるからである。このようにダミー走査の走査距離が短いと、ダミー走査する時間は少なくて済み、計測走査の高速化とともにトータルの計測時間を大幅に短縮できる。 Note that the dummy scan for generating the load correction signal may be moved by an accelerated distance in the scan area. The reason for this is that, as shown in FIG. 8 (b), the load error that occurs during scanning occurs greatly during acceleration at the start of scanning and deceleration during the stop of scanning. This is because the influence of the load error is not reflected in the measurement result, but the load error that occurs during acceleration affects the effective region, so that it is necessary to correct the load error. Thus, when the scanning distance of the dummy scanning is short, the time for performing the dummy scanning is small, and the total measurement time can be greatly shortened with the speeding up of the measurement scanning.

一実施例による形状測定装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the shape measuring apparatus by one Example. 図１の装置の基準ミラーを説明する図である。It is a figure explaining the reference | standard mirror of the apparatus of FIG. プローブ荷重補正制御を説明する図である。It is a figure explaining probe load amendment control. プローブ荷重補正制御の効果を示すグラフである。It is a graph which shows the effect of probe load amendment control. 一変形例による形状測定装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the shape measuring apparatus by one modification. 図５の装置による形状測定方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the shape measuring method by the apparatus of FIG. 一従来例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows one prior art example. プローブの荷重誤差を説明する図である。It is a figure explaining the load error of a probe. プローブの荷重誤差が測定値に及ぼす影響を説明する図である。It is a figure explaining the influence which the load error of a probe has on a measured value.

Explanation of symbols

１プローブ
２ａ、２ｂ板バネ
３ミラー
４干渉計
５変位センサ
６保持部材
７ステージ
８ａ、８ｂ軸受
９ステージガイド
１０リニアモータの可動子
１１リニアモータの固定子
１２リニアエンコーダのスケール
１３リニアエンコーダの検出ヘッド
１４電流増幅器
１５位置制御補償器
１６、１９比較器
１７位置設定器
１８荷重設定器
２０荷重制御補償器
２１、２３切換器
２２荷重補正器
２４モード切換制御器
２５フレーム
２６基準ミラー
２７荷重誤差検出器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Probe 2a, 2b Leaf spring 3 Mirror 4 Interferometer 5 Displacement sensor 6 Holding member 7 Stage 8a, 8b Bearing 9 Stage guide 10 Mover of linear motor 11 Stator of linear motor 12 Scale of linear encoder 13 Detection head of linear encoder DESCRIPTION OF SYMBOLS 14 Current amplifier 15 Position control compensator 16, 19 Comparator 17 Position setter 18 Load setter 20 Load control compensator 21, 23 Switch 22 Load compensator 24 Mode switch controller 25 Frame 26 Reference mirror 27 Load error detector

Claims

A probe of a shape measuring apparatus that measures the coordinate position of the probe by bringing the probe into contact with a surface to be measured by a stage mounted and moving, scanning the probe while controlling a contact load on the surface to be tested A position detector that detects the position of the stage; a stage position control system that moves the stage based on a position signal detected by the position detector; and a command value to the stage position control system A position setter for setting a target position of the stage to be moved, detection means for detecting a contact load of the probe with respect to the test surface, and moving the stage based on a detection value of the detection means, A probe load control system for controlling the contact load, and the contact generated when scanning while the probe is in contact with the surface to be inspected. A load corrector for generating a load correction signal for correcting a load error, and an adding means for adding the load correction signal to the output of the probe load control system and giving it to the stage position control system as a command value; A probe control device comprising:

Based on the design shape value of the test surface, the amount of movement of the probe that occurs when the probe is scanned on the test surface is calculated in advance, and a load correction signal is generated based on the calculated value. The probe control device according to claim 1, wherein the probe control device is stored.

A load error detector for detecting a contact load error of the probe is provided, dummy scanning is performed with the stage controlled by a probe load control system, and the contact load during scanning is detected by the load error detector. 2. The probe control device according to claim 1, wherein a load correction signal is generated from the detected value and stored in a load corrector.

4. The probe control device according to claim 1, scanning means for scanning the probe along a surface to be measured while controlling a contact load of the probe by the probe control device, and three-dimensional coordinates of the probe A shape measuring apparatus comprising a measuring means for measuring a position.