JP2006250592A - 形状測定用プローブとその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 押し込みすぎのない位置制御を実現し、しかも制御回路の制御パラメータを追従性のよい条件に設定でき、高精度測定可能な形状測定用プローブを提供する。
【解決手段】 出力ホールド回路（４９）と加算器（４５）を備え、フォーカスをかける時に、フォーカス制御回路（３９）の出力にＺ位置制御回路（３８）の出力をローパスフィルタ（４８）を通して出力ホールド回路（４９）でホールドしたものを加算したものを電流指令としてＺ駆動回路（３５）出力する。
【選択図】図３

Description

本発明はレンズなどの形状を高精度に測定する形状測定装置用プローブ及びその制御方法に関する。

従来、三次元測定用プローブとして、一端にスタイラス、他端にミラー面を設けた可動部Ａと、エアー軸受けにより可動部Ａと移動可能な状態で連結された可動部Ｂと、光源からの光をミラー面に向けて照射し、ミラー面による反射光から可動部Ａと可動部Ｂの相対位置を測定する相対位置測定手段と、スタイラスが被測定面を走査し、被測定面の移動方向の変化に伴って移動方向に動く時、相対位置測定手段から得られた可動部Ａと可動部Ｂの相対位置が一定になるように可動部Ｂを移動方向に駆動する可動部Ｂ駆動手段を備えたものが知られている。（例えば、特許文献１参照）
特許第３０００８１９号明細書

しかしながら、上記のような従来の形状測定用プローブにおいては、スタイラスが被測定物に押し込みすぎて、エラーとなって位置制御がかからない場合がある。それを防ぐためには制御に係るパラメータを微妙に調整する必要があり、その調整に多大な時間を要するという課題を有していた。
また、調整により位置制御がかけられるようになっても、少し押し込みすぎが発生する瞬間が存在するため、被測定物の材質によっては、傷を付けてしまうという課題を有していた。
また、制御回路の制御パラメータは制御の追従性にも影響を与えるパラメータであるが、位置制御がかかることが優先されるため、追従性を犠牲にせざるを得なかった。追従性が不十分であると、被測定面が高傾斜のところでの測定精度が悪くなったり、傾斜に追従できずに、エラーとなって測定できなくなるという課題を有していた。

本発明は、押し込みすぎのない位置制御を実現し、しかも制御回路の制御パラメータを追従性のよい条件に設定でき、高精度測定可能な形状測定用プローブを提供することを目的とする。

本発明は、第１の態様においては、
一端にスタイラス、他端にミラー面を設けた上下方向に動作可能な可動部Ａと、可動部Ａと同方向に移動可能な状態で連結された可動部Ｂと、スタイラスを被測定物の面上を水平方向に走査させる時にレーザ光をミラー面に照射し、レーザ光の焦点が常にミラー面に合うように可動部Ｂを駆動することにより、可動部Ａと可動部Ｂの相対位置を一定に制御する相対位置制御手段と、レーザ光のミラー面での反射光を２つの光検出器に導き、２つの光検出器で検出する光量の差からフォーカス誤差信号が得られるように構成されたフォーカス誤差信号検出手段と、可動部Ｂを駆動するフォーカス制御機構駆動手段と、フォーカス誤差信号がゼロとなるようにフォーカス制御機構駆動手段により可動部Ｂの位置を制御するフォーカス制御回路と、可動部Ｂの絶対的な位置を検出する位置検出器と、可動部Ｂの目標位置を指令するための位置指令信号を生成する位置指令生成器と、位置検出器からの実位置信号と位置指令生成器からの位置指令信号とが等しくなるように、フォーカス制御機構駆動手段により可動部Ｂの位置を制御する位置制御回路と、位置制御回路の出力をホールドするホールド回路と、フォーカス制御機構駆動手段に位置制御回路とホールド回路とを切り換え接続するスイッチＡと、フォーカス制御機構駆動手段にフォーカス制御回路を接続または遮断するスイッチＢと、フォーカス誤差信号を監視し位置制御回路とフォーカス制御回路の切り換えタイミングを判断してスイッチＡとスイッチＢを切り換えるフォーカス制御ＯＮ／ＯＦＦ設定手段と、を備えた形状測定用プローブである。

また、本発明は、第２の態様においては、本発明第１態様に係る形状測定用プローブの制御方法であって、被測定物をスタイラスの下に設置した状態でスイッチＡを位置制御回路に接続するステップと、位置指令生成器により可動部Ｂを徐々に下げる信号を出力するステップと、スタイラスが被測定物に接触したことをフォーカス誤差信号の変化で検知するステップと、フォーカス誤差信号があらかじめ設定した値を超えた時にスイッチＢを接続すると同時にスイッチＡを切り換えて位置制御回路の出力をホールドしたものをフォーカス制御回路の出力に加算するステップと、を有する形状測定用プローブの制御方法である。

本発明の効果は、押し込みすぎのないフォーカス制御への切り換えを行うことができること、および、フォーカス制御回路の制御パラメータを追従性のよい条件に設定して高精度な測定を行うことができること、である。

以下、本発明の実施形態について、図１〜図３を参照しながら説明する。

＜形状測定用プローブの制御装置＞
図１は、本実施形態におけるフォーカス制御系の構造図である。Ｚ方向に移動可能なフォーカス制御機構１５において半導体レーザ１から発したレーザ光Ｇはコリメートレンズ２、偏光ビームスプリッタ３、λ／４波長板４を透過した後、ダイクロイックミラー５を反射し、対物レンズ６によってスタイラス７の上面に取り付けられたミラー面２３上に集光する。対物レンズ６に戻ったレーザ光Ｇの反射光はダイクロイックミラー５及び偏光ビームスプリッタ３を全反射し、レンズ８で集光されてハーフミラー９で２つに分離され、ピンホール１０ａ、１０ｂを通過し、２つの光検出器１１ａ、１１ｂで受光される。２つの光検出器１１ａ、１１ｂの出力はフォーカス誤差信号発生部１２によりフォーカス誤差信号となり、サーボ回路１３によってこのフォーカス誤差信号がゼロとなるようにリニアモータ１４を制御し、スタイラス７とフォーカス制御機構１５の相対位置を一定にするように構成されている。なお、フォーカス制御機構１５を含むＺ移動部の自重分は渦巻きバネ１６により支持されている。

スタイラス７の上部には円筒状のスライド部２２が設けられ、スライド部２２はエアー供給部１８から供給されるエアーの吹き出し穴を有するガイド１９の内壁をエアースライドとしてＺ方向に可動である。スライド部２２の上部にはミラー面２３が固定され、スライド部２２、スタイラス７、ミラー面２３からなる可動部の重量はバネ２０によって支えられている。

スタイラス７の下端には各種の曲率半径を持つ針がついており、被測定面２１上を１０〜１００ｍｇという弱い測定圧で走査され、被測定面２１の形状に沿って上下するが、スタイラス７が上下するとフォーカス制御が働いてフォーカス制御機構１５全体が上下するのでミラー面２３上に常に対物レンズ６の焦点が合っている。Ｆｚは発振周波数安定化ヘリウムネオンゼーマンレーザの光でミラー面２３に当たって反射し、レーザ測長器によってＺ座標を測定するためのものである。

図２は、対物レンズ６とミラー面２３との距離Ｌと各光検出器１１ａ、１１ｂで検出される信号との関係を示す図である。図２(a)は光検出器１１ａで検出される電流から変換された電圧Ｖ１に関するグラフで、図２(b)は光検出器１１bで検出される電流から変換された電圧Ｖ２に関するグラフで、図２(c)は電圧Ｖ１と電圧Ｖ２の差電圧Ｖｅに関するグラフである。図２(c)の曲線を以下、Ｓ字曲線と呼ぶ。このＳ字曲線の真中のＶｅ＝０の点がフォーカス位置であり、この位置にくるようにフォーカス制御がかけられる。フォーカスＯＦＦ時のＶｅが図２(c)に示すＶ０にある状態で、スタイラス７を被測定面２１に接触させるようにし、その状態でフォーカス制御をかけると、図２(c)に示す押し込み量だけスタイラス７が押し込まれた状態になる。したがって、フォーカス制御ＯＦＦ時の対物レンズ６とミラー面２３の距離を調整することにより、フォーカス制御時のスタイラス７の押し込み量、すなわち測定圧を自由に設定することができる。

Ｓ字曲線のリニアな領域は、フォーカス引き込み範囲と呼ばれるが、この範囲は数十μｍ程度であるのに対し、様々な形状の被測定物に対応するためには、対物レンズ６の可動範囲としては数十ｍｍ程度は必要なため、フォーカス引き込み範囲外では、フォーカス制御機構１５の位置を制御する必要がある。そのため、フォーカス誤差信号発生部１２とサーボ回路１３を含めた制御装置は、図３に示すように構成されている。

図３は本実施形態における形状測定用プローブの制御装置の制御構成を示すブロック図である。フォーカス制御機構１５の位置制御を行うために、位置指令信号を出力するＺ位置指令出力手段４２と、フォーカス制御機構１５の位置を検出し実位置信号として出力する位置検出器３０と、位置指令信号と実位置信号との誤差を検出する減算器４０と、減算器４０から出力される位置誤差信号に基づき、リニアモータ１４に流す電流指令信号を出力するＺ位置制御回路３８と、Ｚ位置制御回路３８から出力される電流指令信号に基づき、リニアモータ１４に流れる電流を制御するＺ駆動回路３５が設けられている。

また、フォーカス制御を行うために、光検出器１１ａ、１１ｂで検出された光量に比例した電気信号を発生させるフォーカス信号１発生器３１及びフォーカス信号２発生器３２と、フォーカス信号１発生器３１から出力される信号とフォーカス信号２発生器３２から出力される信号との差をフォーカス誤差信号として出力するフォーカス誤差信号発生器３３と、フォーカス誤差信号の目標値をゼロとし、目標値とフォーカス誤差信号との誤差を検出する減算器４１と、減算器４１から出力される誤差信号がゼロになるようにリニアモータ１４に流す電流指令信号を出力するフォーカス制御回路３９とが設けられ、フォーカス制御回路３９から出力される電流指令信号は２系統に分岐され、一方は直接切換スイッチＢ４７に入力され、他方は、ローパスフィルタ４８および出力ホールド回路４９に入力され、出力ホールド回路４９の出力が切換スイッチＢ４７に入力される。切換スイッチＢ４７からの出力は、加算機４５により切換スイッチＡ４６の出力と加算され、Ｚ駆動回路３５に入力される。切換スイッチＡ４６および切換スイッチＢ４７は、フォーカス制御ＯＮ／ＯＦＦ設定手段４４により切り換えられる。

被測定物がない時には切換スイッチＡ４６および切換スイッチＢ４７は実線の位置にあり、フォーカス制御機構１５はＺ位置指令出力手段４２により出力される指令に基づいてその位置を制御される。操作者は、被測定物を設置した後、Ｚ位置指令出力手段４２により、スタイラス７が被測定物の少し上に来るようにフォーカス制御機構１５の位置を調整し、フォーカススタートスイッチ４３をＯＮにする。フォーカススタートスイッチ４３がＯＮ状態になると、Ｚ位置指令出力手段４２はあらかじめ設定された速度でフォーカス制御機構１５の位置を下げていく。その間、フォーカス制御ＯＮ／ＯＦＦ設定手段４４は、フォーカス誤差信号発生器３３から出力される図２（ｃ）に示すようなフォーカス誤差信号を監視しており、スタイラス７が被測定面２１に接触すると、フォーカス誤差信号がＶ０から＋方向へ変化していくので、その値があらかじめ設定された値を超えると、切換スイッチＡ４６をＯＮすると同時に切換スイッチＢ４７を破線の位置に切り換える。これにより、フォーカス制御回路３９の出力に、出力ホールド回路４９から出力される、切換スイッチＢ４７を切り換える直前のＺ位置制御回路３８の出力をホールドしたものが加算され、電流指令として加算器４５に入力される。以後は、フォーカス誤差信号が目標値である０になるようにフォーカス制御がかかり、一定の押し込み量でスタイラスと測定物が接触することになる。

ここで、Ｚ位置制御回路３８の出力をホールドしたものをフォーカス制御回路３９の出力に加算するのは、位置制御からフォーカス制御に切り換えた瞬間の電流指令の変化を小さくし、スムーズにフォーカス誤差信号を０にするためである。

もし、Ｚ位置制御回路３８の出力をホールドしたものをフォーカス制御回路３９の出力に加算しない場合、フォーカス制御に切り換える時に、状態により、スタイラス７が被測定面２１から離れてしまい、フォーカスをかけられなくなってしまったり、逆にスタイラス７が被測定面２１に押し込み過ぎてしまったりする場合がある。具体的に説明すると、渦巻きバネ１６の釣り合い位置よりもかなり下の方でフォーカスをかけた場合は、バネがもどろうとする力が上方向に加わるため、スタイラス７が被測定面２１から離れやすくなる。逆に、渦巻きバネ１６の釣り合い位置よりもかなり上の方でフォーカスをかけた場合は、フォーカスをかけようとする力とバネがもどろうとする力が共に下方向に加わるため、スタイラス７が被測定面２１に押し込み過ぎる可能性がある。

次に、ローパスフィルタ４８の役割について説明する。位置制御は高精度である必要はないので、位置検出器３０はあまり精度の高くない安価なものを使用するため、Ｚ位置制御回路３８の出力の変動が大きい。このため、同じ位置でフォーカスをかけてもホールドした値が変わり、その値によっては、フォーカスはスムーズにかかるものの、わずかな押し込み過ぎを発生させる場合がある。スタイラス７にダイヤモンドのように固い材質で先端が数μｍ程度の細いものを使用した場合、被測定物の材質によっては、傷を付ける場合がある。そのため、Ｚ位置制御回路３８の出力をローパスフィルタ４８に通したものをホールドすることにより、少しでも電流指令の変化を小さくしている。

本発明の形状測定用プローブとその制御方法は、制御機構の位置によらず容易に、押し込みすぎのないフォーカス制御への切り換えを行うことができ、また、制御回路の制御パラメータを追従性のよい条件に設定することができ、高精度な測定を行うことができるという効果を有し、レンズなどの形状を高精度に測定する三次元形状測定装置のプローブの制御に有効に利用できる。

同実施形態におけるフォーカス制御系の構造図である。 同実施形態における２つの光検出器で検出される信号を示す波形図である。 本発明の一実施形態における制御構成を示すブロック図である。

符号の説明

Ｇ ： レーザ光 １ ： 半導体レーザ
２ ： コリメートレンズ ３ ： 偏光ビームスプリッタ
４ ： λ／４波長板 ５ ： ダイクロイックミラー
６ ： 対物レンズ ７ ： スタイラス
８ ： レンズ ９ ： ハーフミラー
１０ａ、１０ｂ ： ピンホール １１ａ、１１ｂ ： 光検出器
１２ ： フォーカス誤差信号発生部 １３ ： サーボ回路
１４ ： リニアモータ １５ ： フォーカス制御機構
１６ ： 渦巻きバネ １８ ： エアー供給部
１９ ： ガイド ２０ ： バネ
２１ ： 被測定面 ２２ ： スライド部
２３ ： ミラー面 ３０ ： 位置検出器
３１ ： フォーカス信号１発生器 ３２ ： フォーカス信号２発生器
３３ ： フォーカス誤差信号発生器 ３４ ： 電流検出器
３５ ： Ｚ駆動回路 ３６ ： 減算器
３７ ： 切換スイッチ ３８ ： Ｚ位置制御回路
３９ ： フォーカス制御回路 ４０ ： 減算器
４１ ： 減算器 ４２ ： Ｚ位置指令出力手段
４３ ： フォーカススタートスイッチ
４４ ： フォーカス制御ＯＮ／ＯＦＦ設定手段
４５ ： 加算器 ４６ ： 切換スイッチＡ
４７ ： 切換スイッチＢ

Claims (2)

1. 一端にスタイラス、他端にミラー面を設けた上下方向に動作可能な可動部Ａと、
   前記可動部Ａと同方向に移動可能な状態で連結された可動部Ｂと、
   前記スタイラスを被測定物の面上を水平方向に走査させる時にレーザ光を前記ミラー面に照射し、前記レーザ光の焦点が常に前記ミラー面に合うように前記可動部Ｂを駆動することにより、前記可動部Ａと前記可動部Ｂの相対位置を一定に制御する相対位置制御手段と、
   前記レーザ光の前記ミラー面での反射光を２つの光検出器に導き、２つの光検出器で検出する光量の差からフォーカス誤差信号が得られるように構成されたフォーカス誤差信号検出手段と、
   前記可動部Ｂを駆動するフォーカス制御機構駆動手段と、
   前記フォーカス誤差信号がゼロとなるように前記フォーカス制御機構駆動手段により前記可動部Ｂの位置を制御するフォーカス制御回路と、
   前記可動部Ｂの絶対的な位置を検出する位置検出器と、
   前記可動部Ｂの目標位置を指令するための位置指令信号を生成する位置指令生成器と、
   前記位置検出器からの実位置信号と前記位置指令生成器からの前記位置指令信号とが等しくなるように、前記フォーカス制御機構駆動手段により前記可動部Ｂの位置を制御する位置制御回路と、
   前記位置制御回路の出力をホールドするホールド回路と、
   前記フォーカス制御機構駆動手段に前記位置制御回路と前記ホールド回路とを切り換え接続するスイッチＡと、
   前記フォーカス制御機構駆動手段に前記フォーカス制御回路を接続または遮断するスイッチＢと、
   前記フォーカス誤差信号を監視し前記位置制御回路と前記フォーカス制御回路の切り換えタイミングを判断して前記スイッチＡと前記スイッチＢを切り換えるフォーカス制御ＯＮ／ＯＦＦ設定手段と、を備えたことを特徴とする形状測定用プローブ。
2. 請求項１記載の形状測定用プローブの制御方法であって、
   前記被測定物を前記スタイラスの下に設置した状態で前記スイッチＡを前記位置制御回路に接続するステップと、
   前記位置指令生成器により前記可動部Ｂを徐々に下げる信号を出力するステップと、
   前記スタイラスが前記被測定物に接触したことを前記フォーカス誤差信号の変化で検知するステップと、
   前記フォーカス誤差信号があらかじめ設定した値を超えた時に前記スイッチＢを接続すると同時に前記スイッチＡを切り換えて前記位置制御回路の出力をホールドしたものを前記フォーカス制御回路の出力に加算するステップと、を有する形状測定用プローブの制御方法。
   

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