JP2007218881A - 形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 プローブを昇降させるＺ軸駆動部のブレを低減して、表面形状の計測を高精度化することができる形状測定装置を提供すること。
【解決手段】 この形状測定装置では、触針１１，２１の尖端を測定用治具ＨＤに載置した光学素子ＯＥの光学面に沿って２次元的に移動させることができる。つまり、レーザ干渉計８３ｄ，８３ｅを利用して得た載置台８２ａのＸＹ座標と、レーザ干渉計９１ｂを利用して得た触針１１のＺ座標とを、制御装置９９で対応付けつつ必要な演算処理を行うことにより、光学素子ＯＥの光学面の３次元的な表面形状を測定することができる。
この際、上記形状測定装置１００では、昇降機構８６に設けた昇降駆動装置８６ｃがリニアモータを備え、昇降部材８６ｂの推力発生位置ＰＰや重心位置ＧＣを基準軸線ＡＸ１に対して比較的近くに配置するので、プローブ装置１０のＺ軸方向に関する昇降運動が滑らかでヒステリシスのない高精度なものとなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レンズその他の光学素子の表面形状等を測定するための形状測定装置に関するものである。

従来、被測定物として５０ｍｍ以下のサイズの光学素子、いわゆるマイクロレンズについて３次元形状(立体形状)を測定するための技術として、様々な技術が提案されてきた。例えば、被測定物の表面に対して触針を直接接触させて、その変位量を測定する接触式測定方法がある（特許文献１参照）。また、被測定物の表面にレーザ光線等を入射させて、その反射光を受光することにより表面の凹凸を測定する非接触式測定方法も提案されている（特許文献２参照）。前者の接触式測定方法は、触針を被測定物に直接接触させるので、被測定物の表面物性に依存しない。このため、接触式測定方法は、多様な被測定物に対して正確な計測が可能である。
特開平５−２０９７４１号公報 特許３０４６６３５号公報

しかし、上記接触式測定方法においては、プローブを鉛直方向に上下させるＺ軸駆動部が必要となる。このようなＺ軸駆動部は、機械的駆動であることから動作しろが必要であり、駆動方向と垂直な方向すなわちＸ軸方向又はＹ軸方向になんらかのブレが生じる。このようなブレは、Ｚ軸駆動部全体のシフトあるいはチルトになるので、測定誤差につながる。

さらに、Ｚ軸駆動部には、プローブを上下動時の駆動の負荷を一定にして保持する第１の機構と、プローブの保持部を昇降させる第２の機構とが通常必要になるが、これらは各々ブレる余地があり、第１及び第２の機構を水平方向に離間させて配置すると、それらに含まれているブレが加算されるため、誤差が拡大してしまう。

そこで、本発明は、プローブを昇降させるＺ軸駆動部のブレを低減して、表面形状の計測を高精度化することができる形状測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る第１の形状測定装置は、被測定物の表面に当接して所定の軸方向に駆動可能な触針と、触針の所定の軸方向に関する変位量を測定する計測部とを備え、被測定物の所定の軸方向の形状を測定する形状測定装置であって、保持部材によって所定の支持点で支持されて所定の軸方向に平行で所定の支持点を通過する基準軸線に沿って延びる軸支部材と、軸支部材に案内されて、基準軸線に沿って移動する可動部と、軸支部材及び可動部のいずれか一方に設けられた固定子と、軸支部材及び可動部のいずれか他方に設けられた可動子とを含む摺動駆動手段とを有し、基準軸線に対して、摺動駆動手段の推力発生位置と、可動部が移動する際の重心位置とがそれぞれ近接して配置されることを特徴とする。ここで、基準軸線に対して推力発生位置や重心位置が「近接して配置される」とは、推力発生位置や重心位置が厳密に基準軸線上に乗っている場合は勿論のこと、位置非再現性（ヒステリシス）によるブレの影響が生じない範囲で上記基準軸線から多少のずれを以って配置されることを許容する意味であり、好ましくは可動部の軸支部材上での可動距離すなわちストロークに対して1／５程度のずれ範囲内であるのが良い。

上記形状測定装置では、摺動駆動手段の推力発生位置と、可動部が移動する際の重心位置とが基準軸線に対してそれぞれ近接して配置されるので、摺動駆動手段によって駆動される可動部の変位に際してのブレが減少し、可動部の駆動に伴うヒステリシスの発生を抑えることができる。この結果、表面形状の計測を高精度化することができる。

また、本発明の具体的な態様では、上記形状測定装置において、基準軸線が、可動部のうち固定子又は可動子を支持して軸支部材側に対向する面と、軸支部材のうち固定子又は可動子を支持して可動部側に対向する平坦面との間隙に配置される。この場合、基準軸線と固定子又は可動子との距離を確実に短くすることができ、可動部の変位に際してのブレを確実に減少することができる。

また、本発明の別の態様では、基準軸線が、摺動駆動手段の推力発生位置の軌跡から基準軸線に垂直な方向に±１０ｍｍの範囲に配置される。

また、本発明のさらに別の態様では、基準軸線が、固定子と可動子との中間位置を基準として、固定子と可動子との間隙の３倍の距離範囲内に配置される。

また、本発明に係る第２の形状測定装置は、被測定物の表面に当接して所定の軸方向に駆動可能な触針と、触針の所定の軸方向に関する変位量を測定する計測部とを備え、被測定物の所定の軸方向の形状を測定する形状測定装置であって、保持部材によって所定の支持点で支持されて所定の軸方向に平行で所定の支持点を通過する基準軸線に沿って延びる軸支部材と、軸支部材に案内されて、基準軸線に沿って移動する可動部と、軸支部材及び可動部のいずれか一方に設けられた固定子と、軸支部材及び可動部のいずれか他方に設けられた可動子とを含み、固定子から可動子に対して非接触で駆動力を与えるリニアモータ型の摺動駆動手段とを有する。

上記形状測定装置では、摺動駆動手段が、固定子から可動子に対して非接触で駆動力を与えるリニアモータ型のものであるので、可動部ひいては触針の移動を滑らかで高精度にすることができ、可動部の駆動に伴う位置の非再現性（ヒステリシス）を抑えることができる。この結果、表面形状の計測を高精度化することができる。

また、本発明の具体的な態様では、上記第１及び第２の形状測定装置において、可動部のうち、固定子と可動子との間隙を介して触針の反対側に、所定の重量を有する調整部材を設ける。この場合、可動部の昇降に際して基準軸線に垂直な軸のまわりに生じるモーメントを抑えることができ、可動部の駆動に際してのヒステリシスを低減することができる。

また、本発明の別の態様では、可動部のうち、固定子と可動子との間隙を介して触針の同一側に、所定の重量を有する調整部材を設ける。この場合、可動部の重心位置の調整が容易になる。

また、本発明のさらに別の態様では、被測定物を載置可能な載置台と、触針に対して所定の軸方向とは異なる方向に移動可能に載置台を保持する移動機構とをさらに備える。この場合、計測部によって触針の変位量を測定しつつ、移動機構によって載置台や被測定物を例えば水平方向に移動させることができ、被測定物の表面形状を簡易確実に計測することができる。

また、本発明のさらに別の態様では、被測定物を載置可能な載置台と、所定の軸方向とは異なる方向に移動可能に保持部材を保持する移動機構とをさらに備える。この場合、計測部によって触針の変位量を測定しつつ、移動機構によって触針を例えば水平方向に移動させることができ、被測定物の表面形状を簡易確実に計測することができる。

また、本発明のさらに別の態様では、可動部が、５ｍｍ往復駆動させた際の位置再現性が±３０ｎｍ以内である。

また、本発明のさらに別の態様では、可動部が、触針によって被測定物の表面についてうねり計測可能な第１の触針部と、触針によって被測定物に形成された微細形状の段差を計測可能な第２の触針部とのいずれかを交換可能に備える。この場合、多様な表面形状の被測定物の計測が可能になる。

また、本発明のさらに別の態様では、第１の触針部が、触針を所定の軸方向に摺動可能に保持し、触針に鉛直方向上方に所定の付勢力を付与しており、触針が、被測定物の表面に当接することによって鉛直方向に変位する。この場合、高精度のうねり計測等が可能になる。

また、本発明のさらに別の態様では、第２の触針部が、カンチレバータイプの変位検出器である。この場合、高精度の段差計測等が可能になる。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態に係る形状測定装置を図面を用いて説明する。図１（ａ）及び１（ｂ）は、形状測定装置の構造を説明する正面図及び側面図である。

この形状測定装置１００は、定盤８１上に、ＸＹステージ装置８２と、Ｚ駆動装置８４とを固定した構造を有する。ここで、ＸＹステージ装置８２やＺ駆動装置８４等の動作は、駆動制御部９８及び制御装置９９によって制御されている。

ＸＹステージ装置８２は、制御装置９９の制御下で、駆動制御部９８に駆動されて動作する。ＸＹステージ装置８２は、ＸＹステージ装置８２の上部に設けた載置台８２ａ上に着脱可能に固定された測定用治具ＨＤを、ＸＹ面内で２次元的に任意の位置に滑らかに移動させることができる。測定用治具ＨＤには、被測定物である光学素子ＯＥが保持されている。なお、測定用治具ＨＤに保持される光学素子ＯＥは、最大寸法が５０ｍｍ以下のいわゆるマイクロレンズと呼ばれるものである。ここで、最大寸法とは、光学素子ＯＥが円形の輪郭を有する場合その直径を意味し、光学素子ＯＥが矩形の輪郭を有する場合その長辺を意味する。

ＸＹステージ装置８２は、下側の駆動手段であるＸ駆動装置５０と、上側の駆動手段であるＹ駆動装置６０とを上下２段に備えてなる。前者のＸ駆動装置５０は、定盤８１側に固定された固定側支持部５１と、固定側支持部５１の上方に配置されて固定側支持部５１に対してＸ軸方向（所定の軸方向とは異なる第１の方向）にスライド移動する可動部５２とを備える。また、後者のＹ駆動装置６０は、Ｘ駆動装置５０の可動部５２上に固定された固定側支持部６１と、固定側支持部６１の上方に配置されて固定側支持部６１に対してＹ軸方向（所定の軸方向とは異なる第２の方向）にスライド移動する可動部６２とを備える。

Ｘ駆動装置５０において、固定側支持部５１の中央に設けた溝底部には、リニアモータの固定子であるコイル部５１ａが固設されている。一方、可動部５２の底面の適所には、上記コイル部５１ａに対向して、リニアモータの可動子であるマグネット部５１ｂが固設されている。固定側支持部５１に設けたコイル部５１ａに駆動制御部９８からの電力を供給することにより、マグネット部５１ｂに推力を与えることができ、可動部５２をＸ軸方向の任意の位置に自在かつ精密に移動させることができる。

固定側支持部５１上面の適所には、エアスライド吐出口５１ｇが設けられている。エアスライド吐出口５１ｇには、駆動制御部９８からの制御された圧縮空気が供給されており、固定側支持部５１上面と、可動部５２下面との間に制御された薄い空気層が形成される。これにより、固定側支持部５１上に可動部５２を非接触で支持することができ、リニアモータ５１ａ，５１ｂとの協働によって、可動部５２ひいては載置台８２ａのＸ軸方向に関する運動が滑らかで高精度になる。なお、リニアモータ５１ａ，５１ｂには、可動部５２、Ｚ駆動装置８４等を非接触で支持する機能を持たせることもでき、この場合、リニアモータ５１ａ，５１ｂが案内部の機能を一部兼ねることになる。

Ｙ駆動装置６０において、固定側支持部６１の中央に設けた溝底部には、リニアモータの固定子であるコイル部６１ａが固設されている。一方、可動部６２の底面の適所には、上記コイル部６１ａに対向して、リニアモータの可動子であるマグネット部６１ｂが固設されている。固定側支持部６１に設けたコイル部６１ａに駆動制御部９８からの電力を供給することにより、マグネット部６１ｂに推力を与えることができ、可動部６２をＹ軸方向の任意の位置に自在かつ精密に移動させることができる。

固定側支持部６１上面の適所には、エアスライド吐出口６１ｇが設けられている。エアスライド吐出口６１ｇには、駆動制御部９８からの制御された圧縮空気が供給されており、固定側支持部６１上面と、可動部６２下面との間に制御された薄い空気層が形成される。これにより、固定側支持部６１上に可動部６２を非接触で支持することができ、リニアモータ６１ａ，６１ｂとの協働によって、可動部６２ひいては載置台８２ａのＹ軸方向に関する運動が滑らかで高精度になる。なお、リニアモータ６１ａ，６１ｂには、可動部６２、Ｚ駆動装置８４等を非接触で支持する機能を持たせることもでき、この場合、リニアモータ６１ａ，６１ｂが案内部の機能を一部兼ねることになる。

ＸＹステージ装置８２上の測定用治具ＨＤ、すなわち光学素子ＯＥの位置は、載置台８２ａに設けたＸミラー部材８３ａと、Ｙミラー部材８３ｂとを利用して検出される。すなわち、Ｘミラー部材８３ａに対向して定盤８１上に取り付けたレーザ干渉計８３ｄを利用して載置台８２ａのＸ軸方向の位置が分かる。また、Ｙミラー部材８３ｂに対向して定盤８１側に取り付けたレーザ干渉計８３ｅを利用して載置台８２ａのＹ軸方向の位置が分かる。

Ｘ軸用のレーザ干渉計８３ｄは、レーザ光ＬＬを発生するレーザ光源８３ｆと、図示を省略する干渉用光学系及びセンサを備え、Ｘミラー部材８３ａのミラー面で反射されたレーザ光ＬＬの位相変化に基づいてＸミラー部材８３ａのＸ軸方向の変位量を算出することができるようなっている。つまり、レーザ干渉計８３ｄとＸミラー部材８３ａとは、測定用治具ＨＤのＸ変位を検出するための補助計測手段となっている。レーザ干渉計８３ｄは、制御装置９９の制御下で動作しており、レーザ干渉計８３ｄの計測信号は、リアルタイムで制御装置９９に出力され、Ｘ駆動装置５０の動作が監視される。

Ｙ軸用のレーザ干渉計８３ｅは、レーザ光ＬＬを発生するレーザ光源８３ｇと、図示を省略する干渉用光学系及びセンサを備え、Ｙミラー部材８３ｂのミラー面で反射されたレーザ光ＬＬの位相変化に基づいてＹミラー部材８３ｂのＹ軸方向の変位量を算出することができるようなっている。つまり、レーザ干渉計８３ｅとＹミラー部材８３ｂとは、測定用治具ＨＤのＹ変位を検出するための補助計測手段となっている。レーザ干渉計８３ｅは、制御装置９９の制御下で動作しており、レーザ干渉計８３ｅの計測信号は、リアルタイムで制御装置９９に出力され、Ｙ駆動装置６０の動作が監視される。

Ｚ駆動装置８４は、フレーム８５上に昇降機構８６を固定したものであり、昇降機構８６は、フレーム８５上部に固定されＺ方向に延びる支持軸８６ａと、支持軸８６ａに支持されてＺ軸方向に移動する昇降部材８６ｂと、昇降部材８６ｂを昇降させる昇降駆動装置８６ｃと、昇降部材８６ｂに一定の上昇力を与えるエアシリンダ８６ｄと、昇降部材８６ｂに支持されて昇降するプローブ装置１０とを備える。ここで、支持軸８６ａは、フレーム８５に設けた保持部材８５ａによって所定の支持点ＳＰで支持されて鉛直のＺ方向に延びる軸支部材であり、昇降部材８６ｂは、支持軸８６ａに案内されてＺ方向に移動する可動部である。また、昇降駆動装置８６ｃは、固定された支持軸８６ａに対して昇降部材８６ｂを精密に昇降させるための摺動駆動手段となっている。

図２は、昇降機構８６の拡大側面図である。図示の昇降機構８６において、昇降駆動装置８６ｃは、支持軸８６ａ側に固定されたコイル固定子ＣＳと、昇降部材８６ｂ側に固定されたマグネット可動子ＭＭとを備えるリニアモータである。これにより、昇降部材８６ｂが支持軸８６ａに支持されて滑らかに安定して昇降運動する。

ここで、支持軸８６ａの中心を通る基準軸線ＡＸ１は、Ｚ軸に平行に延びており、支持軸８６ａが保持部材８５ａによって支持される際の基準となっている支持点ＳＰを通る。この基準軸線ＡＸ１は、昇降駆動装置８６ｃを構成するコイル固定子ＣＳの表面と、これに対向するマグネット可動子ＭＭの表面との間を通っている。従って、基準軸線ＡＸ１は、コイル固定子ＣＳの背後の平坦面Ｐ１１と、マグネット可動子ＭＭの背後の平坦面Ｐ１２との間を通る。結果的に、基準軸線ＡＸ１に近接して昇降駆動装置８６ｃの推力発生位置ＰＰが配置され、昇降部材８６ｂの重心位置ＧＣも近接して配置される。ここで、昇降駆動装置８６ｃの推力発生位置ＰＰとは、コイル固定子ＣＳによってマグネット可動子ＭＭに与えられる上昇力や下降力が作用する中心位置であって、マグネット可動子ＭＭや昇降部材８６ｂに伴って昇降する。昇降部材８６ｂは、この推力発生位置ＰＰに付与された推力に応じて昇降するかのように動作する。また、昇降部材８６ｂの重心位置ＧＣついては、この場合、プローブ装置１０を含めたものとする。推力発生位置ＰＰと重心位置ＧＣとが鉛直軸すなわちＺ軸に沿って並んだ場合、昇降部材８６ｂにモーメントが作用しないので、昇降部材８６ｂひいてはプローブ装置１０の姿勢の安定性が高まる。さらに、昇降部材８６ｂは、基準軸線ＡＸ１を中心として支持されているので、昇降部材８６ｂの昇降動作は、基準軸線ＡＸ１が支点となっていると考えられる。したがって、基準軸線ＡＸ１に対して、推力発生位置ＰＰや重心位置ＧＣとが近接して配置されていると、昇降部材８６ｂのブレが少なくなって昇降が滑らかになり、姿勢も安定し易い。よって、図２のように、基準軸線ＡＸ１に対して推力発生位置ＰＰと重心位置ＧＣとが略近接して配置される必要はないが、基準軸線ＡＸ１から両位置ＰＰ，ＧＣまでの距離は、昇降部材８６ｂの上下の可動距離であるストローク対して1／５程度のずれ範囲内であることが好ましい。さらに好ましくは、推力発生位置ＰＰの軌跡が、基準軸線ＡＸ１から基準軸線ＡＸ１に垂直なＹ方向又はＸ方向に±１０ｍｍ以内の範囲に配置され、これによっても昇降部材８６ｂのブレが少なくなって昇降の安定を確保できる。また、基準軸線ＡＸ１は、コイル固定子ＣＳ表面とマグネット可動子ＭＭ表面とのＹ方向に関する中間位置（間隙中央）を基準として、コイル固定子ＣＳ表面とマグネット可動子ＭＭ表面との間隙幅ＧＷの３倍の距離範囲内に配置される。

支持軸８６ａに支持されて昇降する昇降部材８６ｂは、コイル固定子ＣＳ表面とマグネット可動子ＭＭ表面との間隙を介してプローブ装置１０の反対側に、適当な重量を有する第１の調整部材Ｗ１を着脱可能に取り付けている。この場合、重心位置ＧＣを推力発生位置ＰＰに近づける調整が可能になり、マグネット可動子ＭＭの昇降に際して基準軸線ＡＸ１に垂直なＸ軸まわりに生じるモーメントを抑えることができ、マグネット可動子ＭＭすなわち昇降部材８６ｂの昇降に際してのヒステリシスを低減することができる。また、昇降部材８６ｂは、コイル固定子ＣＳ表面とマグネット可動子ＭＭ表面との間隙を介してプローブ装置１０の同一側に、適当な重量を有する第２の調整部材Ｗ２を着脱可能に取り付けている。この場合も、マグネット可動子ＭＭの昇降に際して基準軸線ＡＸ１に垂直なＸ軸まわりに生じるモーメントを抑えることができ、マグネット可動子ＭＭの昇降に際してのヒステリシスを低減することができる。なお、第１の調整部材Ｗ１や第２の調整部材Ｗ２は、交換によって重量を変更することができ、特に装置の前側にある第２の調整部材Ｗ２は、オペレータにとってアクセスが容易であり、重心位置ＧＣと推力発生位置ＰＰとのＹ方向に関する位置ずれの調整に好適である。

昇降機構８６は、以上の構造により、昇降部材８６ｂを５ｍｍ往復駆動させた際の位置再現性を±３０ｎｍ以内とすることができる。

なお、昇降駆動装置８６ｃにおいて、コイル固定子ＣＳ及びマグネット可動子ＭＭの位置は入れ替え可能である。つまり、昇降部材８６ｂにコイル固定子ＣＳを取り付け、支持軸８６ａにマグネット可動子ＭＭを取り付けることもできる。ただし、昇降部材８６ｂにマグネット可動子ＭＭを設ける方が、昇降部材８６ｂの動作を妨げない構成が簡単な点で有利である。

プローブ装置１０は、触針１１を含む第１の触針部（支持装置）であり、触針１１によって光学素子ＯＥ表面についてうねり計測を可能にする。プローブ装置１０は、触針１１の昇降運動を許容する軸受部８９ａを備える。軸受部８９ａは、空気を利用した静圧軸受けになっており、触針１１は、昇降部材８６ｂに非接触で支持されてＺ軸に平行な可動軸ＡＸ２に沿って滑らかに昇降運動するとともに、所定の浮上力を与えられる。さらに、触針１１は、バネ９２によって上方に引っ張られている。結果的に、触針１１は、自重よりも極めて軽い状態で光学素子ＯＥ表面と接触するようになっている。また、昇降駆動装置８６ｃは、プローブ装置１０に内蔵した差動センサ（不図示）の検出結果に基づいてフィードバックをかけつつ昇降部材８６ｂとともにプローブ装置１０を昇降させる。これにより、触針１１の先端に一定の低負荷を掛けた状態で触針１１を広範囲に亘って昇降させることができる。なお、触針１１の中心を通る可動軸ＡＸ２は、支持軸８６ａの中心を通る基準軸線ＡＸ１と平行に配置されている。

図１に戻って、プローブ装置１０に設けた触針１１の上下位置は、触針１１の上端に設けられて触針１１とともに昇降するＺミラー部材９１ａと、フレーム８５側に固定されたレーザ干渉計９１ｂとを利用して検出される。レーザ干渉計９１ｂは、レーザ光ＬＬ’を発生するレーザ光源９１ｇと、図示を省略する干渉用光学系及びセンサを備え、Ｚミラー部材９１ａのミラー面で反射されたレーザ光ＬＬ’の位相変化に基づいてＺミラー部材９１ａのＺ軸方向の変位量を算出することができるようなっている。つまり、レーザ干渉計９１ｂとＺミラー部材９１ａとは、触針１１のＺ軸方向の変位量を検出するための変位計測手段又は計測部となっている。レーザ干渉計９１ｂは、制御装置９９の制御下で動作しており、レーザ干渉計９１ｂからの計測信号は、リアルタイムで制御装置９９に出力される。

プローブ装置１０は、交換可能になっている。図３は、昇降部材８６ｂに別のプローブ装置１０’を取り付けた状態を示す側面図である。このプローブ装置１０’は、触針２１を含む第２の触針部（支持装置）であり、触針２１によって光学素子ＯＥに形成された微細形状の段差の計測を可能にする。このプローブ装置１０’は、カンチレバータイプの装置であり、Ｙ方向に延びる可撓性の弾性変形部２１と、この弾性変形部２１の先端に固定された触針２１とを含む。弾性変形部２１は、先端にＺ方向の応力を受けた場合、触針２１の昇降を許容する。ここで、弾性変形部２１の先端部上面には、Ｚミラー部材９１ａが形成されており、図１に示すプローブ装置１０の場合と同様に、触針２１のＺ軸方向の変位量を測定するために利用される。

以上説明した形状測定装置１００では、触針１１，２１下部の尖端が光学素子ＯＥの表面に対して一定の負荷がかかるようにした状態で触針１１，２１を昇降させつつ、ＸＹステージ装置８２を適宜動作させて測定用治具ＨＤを載置した光学素子ＯＥをＸＹ面内で２次元的に走査するように移動させる。これにより、触針１１，２１の尖端を測定用治具ＨＤに載置した光学素子ＯＥの光学面に沿って２次元的に移動させることができる。つまり、レーザ干渉計８３ｄ，８３ｅを利用して得た載置台８２ａのＸＹ座標と、レーザ干渉計９１ｂを利用して得た触針１１のＺ座標とを、制御装置９９で対応付けつつ必要な演算処理を行うことにより、光学素子ＯＥの光学面の３次元的な表面形状を測定することができる。

この際、上記形状測定装置１００では、昇降機構８６に設けた昇降駆動装置８６ｃがリニアモータを備え、昇降部材８６ｂの推力発生位置ＰＰや重心位置ＧＣを基準軸線ＡＸ１に対して比較的近くに配置するので、プローブ装置１０のＺ軸方向に関する昇降運動が滑らかでヒステリシスのない高精度なものとなる。

図４は、実際の形状測定装置１００に組み込まれた昇降機構８６についてＺ軸駆動時のヒステリシスを測定したグラフである。図４（ａ）は、実施例の昇降機構８６において、昇降部材８６ｂの重心位置ＧＣが基準軸線ＡＸ１上にある場合のヒステリシスを示し、。図４（ｂ）は、比較例の昇降機構８６において、昇降部材８６ｂの重心位置ＧＣが基準軸線ＡＸ１から１０ｍｍずれている場合のヒステリシスを示す。実施例のグラフの場合、Ｙ方向の変位は往復で一致してヒステリシスが殆ど存在しないが、実施例のグラフの場合、Ｙ方向の変位は往復で大きくずれ顕著なヒステリシスが存在する。なお、グラフにおいて、Ｚ位置の変化に伴ってうねりのようなＹ変位が生じているが、これは、測定ミラーの撓みである。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態の形状測定装置について説明する。図５（ａ）及び５（ｂ）は、第２実施形態の形状測定装置の構造を説明する正面図及び側面図である。なお、第２実施形態の形状測定装置は、第１実施形態の形状測定装置を一部変更したものであり、共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。また、特に説明しない部分は、第１実施形態の形状測定装置と同様であるものとする。

この形状測定装置２００は、定盤８１上に、ＸＹステージ装置１８２と、載置台１８３とを固定した構造を有する。なお、形状測定装置２００は、図１の駆動制御部９８や制御装置９９に相当するものを有しているが、ここでは説明を省略する。

ここで、ＸＹステージ装置１８２は、図１に示す第１実施形態のＸＹステージ装置８２と同様の構造を有し、固定側支持部５１及び可動部５２を有するＸ駆動装置５０と、固定側支持部６１及び可動部６２を有するＹ駆動装置６０とを備える。ただし、ＸＹステージ装置１８２は、載置台１８３でなくＺ駆動装置１８４を支持しており、Ｚ駆動装置１８４の荷重に耐えられるよう、図１のＸＹステージ装置８２よりも大型になっている。ＸＹステージ装置１８２に支持されたＺ駆動装置１８４は、ＸＹ面内で２次元的に任意の位置に滑らかに移動させることができる。Ｚ駆動装置１８４は、図１に示す第１実施形態のＺ駆動装置８４と同様の構造を有し、フレーム８５と昇降機構８６とを備える。昇降機構８６は、プローブ装置１０を滑らかに昇降させるためのものであり、支持軸８６ａと、昇降部材８６ｂと、昇降駆動装置８６ｃと、エアシリンダ８６ｄとを備えて構成される。

なお、ＸＹステージ装置１８２に付随して、図１に示す第１実施形態のＸミラー部材８３ａ及びレーザ干渉計８３ｄを含むＸ変位の補助計測手段と、Ｙミラー部材８３ｂ及びレーザ干渉計８３ｅを含むＹ変位の補助計測手段が存在し、Ｚ駆動装置１８４すなわちプローブ装置１０のＸＹ座標を計測することができるが、ここでは図示を省略している。また、Ｚ駆動装置１８４に付随して、図１に示すＺミラー部材９１ａ及びレーザ干渉計９１ｂを含むＺ変位用の計測部が存在し、プローブ装置１０に設けた触針１１のＺ座標を計測することができるが、ここではＺミラー部材９１ａのみを図示している。

一方、載置台１８３は、定盤８１に固定されているだけであり、ＸＹ面内で２次元的に移動することはない。この載置台１８３上には、光学素子ＯＥを保持した測定用治具ＨＤが着脱可能に固定されている。

本実施例においても、昇降機構８６に設けた昇降駆動装置８６ｃは、リニアモータとしてコイル固定子ＣＳとマグネット可動子ＭＭとを備える。ここで、支持軸８６ａの中心を通る基準軸線ＡＸ１は、Ｚ軸に平行に延びており、支持軸８６ａが保持部材８５ａによって支持される際の基準となっている支持点ＳＰを通る。基準軸線ＡＸ１に対するコイル固定子ＣＳやマグネット可動子ＭＭの配置、基準軸線ＡＸ１に対する昇降駆動装置８６ｃの推力発生位置、昇降部材８６ｂの重心位置等についても、第１実施形態の場合と同様になっている。そして、昇降部材８６ｂは、基準軸線ＡＸ１を挟むように一対の調整部材Ｗ１，Ｗ２を着脱可能に取り付けている。以上により、昇降部材８６ｂの滑らかでガタの少ない昇降が可能になり、触針１１の３次元的変位が正確に計測され、光学素子ＯＥの形状測定精度を高めることができる。

（ａ）（ｂ）は、本発明の第１実施形態に係る形状測定装置の側面図及び側面図である。 図１の形状測定装置に組み込まれる昇降機構の拡大側面図である。 （ａ）（ｂ）は、図１の形状測定装置の変形例を説明する側面図及び拡大側面図である。 （ａ）は、実施例の昇降機構のヒステリシスを示すグラフであり、（ｂ）は、比較例の昇降機構ヒステリシスを示すグラフである。 （ａ）（ｂ）は、第２実施形態に係る形状測定装置の側面図及び側面図である。

符号の説明

１０…プローブ装置、 １１，２１…触針、 ５０…Ｘ駆動装置、 ６０…Ｙ駆動装置、 ８１…定盤、 ８２…ステージ装置、 ８２ａ…載置台、 ８４…Ｚ駆動装置、 ８５ａ…保持部材、 ８６…昇降機構、 ８６ａ…支持軸、 ８６ｂ…昇降部材、 ８６ｃ…昇降駆動装置、 ８６ｄ…エアシリンダ、 ８９ａ…軸受部、 ９１ａ…ミラー部材、 ９１ｂ…レーザ干渉計、 ９２…バネ、 ９８…駆動制御部、 ９９…制御装置、 ＡＸ１…基準軸線、 ＡＸ２…可動軸、 ＣＳ…コイル固定子、 ＧＣ…重心位置、 ＨＤ…測定用治具、 ＭＭ…マグネット可動子、 ＯＥ…光学素子、 ＰＰ…推力発生位置、 ＳＰ…支持点、 Ｗ１，Ｗ２…調整部材

Claims (13)

1. 被測定物の表面に当接して所定の軸方向に駆動可能な触針と、前記触針の前記所定の軸方向に関する変位量を測定する計測部とを備え、前記被測定物の前記所定の軸方向の形状を測定する形状測定装置であって、
   保持部材によって所定の支持点で支持されて前記所定の軸方向に平行で前記所定の支持点を通過する基準軸線に沿って延びる軸支部材と、
   前記軸支部材に案内されて、前記基準軸線に沿って移動する可動部と、
   前記軸支部材及び前記可動部のいずれか一方に設けられた固定子と、前記軸支部材及び前記可動部のいずれか他方に設けられた可動子とを含む摺動駆動手段とを有し、
   前記基準軸線に対して、前記摺動駆動手段の推力発生位置と、前記可動部が移動する際の重心位置とがそれぞれ近接して配置されることを特徴とする形状測定装置。
2. 前記基準軸線は、前記可動部のうち前記固定子又は前記可動子を支持して前記軸支部材側に対向する面と、前記軸支部材のうち前記固定子又は前記可動子を支持して前記可動部側に対向する面との間隙に配置されることを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
3. 前記基準軸線は、前記摺動駆動手段の推力発生位置の軌跡から前記基準軸線に垂直な方向に±１０ｍｍの範囲に配置されることを特徴とする請求項１及び請求項２のいずれか一項記載の形状測定装置。
4. 前記基準軸線は、前記固定子と前記可動子との中間位置を基準として、前記固定子と前記可動子との間隙の３倍の距離範囲内に配置されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項記載の形状測定装置。
5. 被測定物の表面に当接して所定の軸方向に駆動可能な触針と、前記触針の前記所定の軸方向に関する変位量を測定する計測部とを備え、前記被測定物の前記所定の軸方向の形状を測定する形状測定装置であって、
   保持部材によって所定の支持点で支持されて前記所定の軸方向に平行で前記所定の支持点を通過する基準軸線に沿って延びる軸支部材と、
   前記軸支部材に案内されて、前記基準軸線に沿って移動する可動部と、
   前記軸支部材及び前記可動部のいずれか一方に設けられた固定子と、前記軸支部材及び前記可動部のいずれか他方に設けられた可動子とを含み、前記固定子から前記可動子に対して非接触で駆動力を与えるリニアモータ型の摺動駆動手段とを有することを特徴とする形状測定装置。
6. 前記可動部のうち、前記固定子と前記可動子との間隙を介して前記触針の反対側に、所定の重量を有する調整部材を設けることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項記載の形状測定装置。
7. 前記可動部のうち、前記固定子と前記可動子との間隙を介して前記触針の同一側に、所定の重量を有する調整部材を設けることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項記載の形状測定装置。
8. 前記被測定物を載置可能な載置台と、前記触針に対して前記所定の軸方向とは異なる方向に移動可能に前記載置台を保持する移動機構とをさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか記載の形状測定装置。
9. 前記被測定物を載置可能な載置台と、前記所定の軸方向とは異なる方向に移動可能に前記保持部材を保持する移動機構とをさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか記載の形状測定装置。
10. 前記可動部は、５ｍｍ往復駆動させた際の位置再現性が±３０ｎｍ以内であることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項記載の形状測定装置。
11. 前記可動部は、前記触針によって前記被測定物の表面についてうねり計測可能な第１の触針部と、前記触針によって前記被測定物に形成された微細形状の段差を計測可能な第２の触針部とのいずれかを交換可能に備えることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか一項記載の形状測定装置。
12. 前記第１の触針部は、前記触針を前記所定の軸方向に摺動可能に保持し、前記触針に鉛直方向上方に所定の付勢力を付与しており、前記触針は、前記被測定物の表面に当接することによって鉛直方向に変位することを特徴とする請求項１１記載の形状測定装置。
13. 前記第２の触針部は、カンチレバータイプの変位検出器であることを特徴とする請求項１１記載の形状測定装置。
    

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