JP2008298506A - 形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触針プローブと被測定物表面との摩擦抵抗による測定誤差が発生しにくい形状測定装置を提供する。
【解決手段】触針プローブ２を被測定物Ｓに接触させ、相対的に走査させて被測定物Ｓの形状を測定する形状測定装置１は、触針プローブ２の表面に設けられ、触針プローブ２と被測定物Ｓとの間の摩擦抵抗を軽減する抵抗減少部を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、触針プローブを用いて光学関連素子等の表面形状を測定する形状測定装置に関する。

従来、レンズや金型等の光学関連素子の形状評価を行う装置として、触針プローブを光学関連素子等の被測定物の面上に追従させる接触走査式の測定方法を採用した表面形状測定装置が用いられている（例えば、特許文献１参照。）。以下、図７を参照して、本装置の測定原理について説明する。

触針プローブ１０１を先端に有する触針軸１０２は、静圧軸受１０３により滑らかに摺動可能な状態で保持されている。触針軸１０２のＺ軸における変位量はＺ変位計１０４によって測定可能であり、静圧軸受１０３及びＺ変位計１０４は平板部材１０５上に載置され、触針ユニットとして構成されている。

角度調整部材１０６の後部をＹ軸正方向に上昇させると、触針ユニット全体が水平方向に対して傾斜した状態となる。このとき、触針軸１０２は静圧軸受１０３によって滑らかに摺動可能に保持されているだけであるので、自らの重力により傾斜方向（Ｚ軸負方向）へ進もうとする力が作用する。この結果、触針プローブ１０１は前方に位置する被測定物１０７に向かって摺動し、その表面に当てつけられる。

触針プローブ１０１が被測定物１０７に接触している状態で、駆動機構１０８により被測定物１０７をＸ軸方向に走査すると、被測定物１０７の形状に沿って触針プローブ１０１が追従する。触針プローブ１０１の位置座標をＺ変位計１０４及びＸ変位計１０９により時系列的に取得することで被測定物１０７の表面形状が得られる。

本装置においては、触針プローブ１０１を被測定物１０７の表面に当てつける力（以下、「測定力」と称する。）を発生させるために、バネによる弾性力やエアによる圧力によらず、触針軸１０２自身の重力を利用する自重傾斜方式が採用されている。本装置によれば、例えば５ｍｇｆ（４９μＮ）といった非常に小さな測定力を得ることが可能であり、かつ角度調整部材１０６により容易に測定力を調整することができる。
特表２００５−５０２８７６号公報

しかしながら、本装置においては、触針プローブと被測定物の表面との接触状態によっては測定が困難となる場合がある。特に、光学関連素子等の光学面は面粗さが小さいため、触針プローブとの接触面積が増大し、摩擦抵抗や分子間力(以下、単に「摩擦抵抗」と称する)が大きくなることがある。この場合、触針ユニットにスティックスリップのような挙動やビビリによる微振動が発生することがある。これらは測定誤差の原因となりうるものであり、問題となっている。

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、触針プローブと被測定物表面との摩擦抵抗による測定誤差が発生しにくい形状測定装置を提供することを目的とする。

本発明は、触針プローブを被測定物に接触させ、相対的に走査させて前記被検物の形状を測定する形状測定装置であって、前記触針プローブの表面に設けられ、前記触針プローブと前記被測定物との間の摩擦抵抗を軽減する抵抗減少部を備えることを特徴とする。

本発明の形状測定装置によれば、触針プローブが被測定物の表面を走査する際に、抵抗減少部によって触針プローブと被測定物の表面との間に発生する摩擦抵抗が減少し、スムーズに走査が行われる。

前記抵抗減少部は、所定の間隔をあけて、規則的に複数配置されてもよい。また、前記抵抗減少部は、前記触針プローブの表面に設けられた溝又は凹部であってもよい。

さらに、前記溝における最大の幅又は前記凹部における最大の径は１マイクロメートル以下であってもよい。

本発明の形状測定装置によれば、被測定物の表面が触針プローブによってスムーズに走査されるので、表面形状測定中にスティックスリップのような挙動やビビリによる微振動の発生が抑制される。従って、触針プローブと被測定物表面との摩擦による測定誤差が発生しにくい形状測定装置を構成することができる。

本発明の第１の実施形態について、図１から図３を参照して説明する。なお、特に説明のない限り、「前方」および「後方」とは、それぞれＺ軸の負方向及び正方向を指すものとする。本実施形態の形状測定装置１は、先端に触針プローブ２が取付けられた触針子３と、触針子３が配置される静圧軸受４と、被測定物が固定される保持部材５とを備えて構成されている。

触針子３は、静圧軸受４を貫通した状態で静圧軸受４内を滑らかに摺動可能に配置されている。静圧軸受４は、触針プローブ２を前方に向けてベース平板６上に固定される。静圧軸受４の後方には、触針子３のＺ軸方向における変位を検出する第１変位計７が配置されている。ベース平板６の下方には、静圧軸受４の傾斜角度を調整する傾斜角度調整機構８が設けられている。

傾斜角度調整機構８の前方には、静圧軸受４が傾斜角度調整機構８によって傾斜する際の支点となる支柱９が設けられている。傾斜角度調整機構８は、例えばＹ軸方向に伸縮可能なアクチュエータで構成されるが、これに代えて上述の特許文献１に記載されているような、ネジと角度調整部材とからなる機構を用いてもよい。

傾斜角度調整機構８及び支柱９の下方には、静圧軸受４及び触針子３をＹ軸方向に移動させるＹ軸方向移動機構１０が設けられている。Ｙ軸方向移動機構１０は、モータ等の公知の機構からなり、基台１１上に固定されている。

すなわち、静圧軸受４および触針子３は、傾斜角度調整機構８によって規定された傾斜角度を維持しながら、Ｙ軸方向移動機構１０によってＹ軸方向に移動できるようになっている。Ｙ軸方向移動機構１０の後方には、触針子３のＹ軸方向における変位を検出する第２変位計１２が設けられる。

保持部材５は、基台１１上かつ触針プローブ２の前方に設けられており、レンズ、金型又は光学素子等の被測定物Ｓが図示しない治具等によって支持固定される。保持部材５の下部には例えばモータや圧電アクチュエータ等で構成されたＸ軸方向移動機構１３が設けられている。保持部材５に支持固定された被測定物Ｓは、Ｘ軸方向移動機構１３によってＸ軸方向（図１における紙面に垂直な方向）に移動可能となっている。Ｘ軸方向移動機構１３の前方には、被測定物ＳのＸ軸方向における変位を検出する第３変位計１４が設けられている。

Ｙ軸方向移動機構１０、Ｘ軸方向移動機構１３、及び各変位計７、１２、１４は、コンピュータ１５と接続されている。コンピュータ１５は形状測定装置１全体の動作制御を行うとともに、各変位計７、１２、１４の検出値に基づいて、被測定物の表面形状の測定を行う。これに加えて、傾斜角度調整機構８もコンピュータ１５と接続されて自動制御されてもよい。

図２は、触針プローブ２を前方から見た状態を示す説明図である。触針プローブ２は、ルビー、サファイア、ダイヤモンド等の、硬度や摩擦係数において優れた材料特性を持つ材質から形成された、例えば直径１ミリメートルの球体である。上述の材質の中では、ルビーが加工性とコストの面で優れており、材質として好ましい。

図２に示すように、触針プローブ２の、被測定物Ｓと接触する表面には、被測定物Ｓとの接触面積を減少させる凹部（抵抗減少部）が、例えばレーザ加工や、ダイヤスタイラス等の圧子を用いて、ランダムな位置に多数形成されている。

各凹部１６は、例えば、直径が１マイクロメートル、深さが５ナノメートル程度の円錐状に形成されている。円錐状に代えて、円柱状等他の形状に凹部１６を形成してもよい。

上記の構成を備えた形状測定装置１の動作について、以下に説明する。
まず、被測定物Ｓを、形状測定を行う面が触針プローブ２に対向するように、保持部材５に支持固定する。

次に、傾斜角度調整機構８を操作して、ベース平板６の後部を上方に移動させると、ベース平板６は支柱９を支点として傾斜する。静圧軸受４で保持された触針子３は、自身の重力によって、静圧軸受４内を滑らかに前方に摺動する。触針子３の先端の触針プローブ２は前方に向かって移動し、被測定物Ｓの表面に接触して停止する。

この状態で、コンピュータ１５によってＸ軸方向移動機構１３とＹ軸方向移動機構１０とを制御し、被測定物Ｓと触針プローブ２とを相対的に移動させることにより、被測定物Ｓの表面を触針プローブ２によって走査させる。

このとき、触針プローブ２の表面と被測定物Ｓの表面との間には、図３に断面図で示すように、凹部１６による空隙Ｒが形成される。この結果、触針プローブ２と被測定物Ｓとの接触面積が減少し、被測定物Ｓの表面上を走査する触針プローブ２に作用するすべり摩擦抵抗が小さくなる。

触針プローブ２の走査移動中に取得された各変位計７、１２及び１４の検出値はコンピュータ１５に入力され、解析及び再構成が行われる。このようにして被測定物Ｓの表面形状が測定される。

本実施形態の形状測定装置１によれば、触針プローブ２の表面に設けられた凹部１６によって触針プローブ２に作用するすべり摩擦抵抗が小さくなるので、スティックスリップや、摩擦による引っかかりから生じるビビリ等の微振動が触針プローブ２に発生しにくくなる。従って、測定誤差要因が排除され、測定精度を向上させることができる。

また、凹部１６の直径が１マイクロメートルであるので、凹部１６の外周全体が被測定物Ｓに接触した場合でも、触針子３の変位量の誤差は約０．２５ナノメートル（触針プローブ２の直径が１ミリメートルの場合）と、形状測定装置１の測定分解能に対して充分小さい値である。従って、測定誤差が発生しにくい形状測定装置を構成することができる。

次に、本発明の第２実施形態の形状測定装置について図４から図６を参照しながら説明する。本実施形態の形状測定装置２１と上述の第１実施形態の形状測定装置との異なるところは、抵抗減少部の形状である。
なお、上述の第１実施形態の形状測定装置１と共通の構成要素には、共通する符号を付して重複する説明を省略する。

図４は、本実施形態の形状測定装置２１における触針プローブ２２を前方から見た状態を示す説明図である。触針プローブ２２の表面には、例えば幅１マイクロメートル、深さ５ナノメートル程度の溝（抵抗減少部）２３が、例えば５マイクロメートルのピッチで格子状に規則的に配列されて設けられている。
溝２３の長さは適宜決定できるが、後述する空気の流路を充分に確保するため、被測定物Ｓとの接触面の直径よりも充分に長い、例えば被測定物Ｓに対向する側の半球面全体にわたる程度の長さとするのが好ましい。また、各溝２３間のピッチは、被測定物Ｓの大きさ等に応じて適宜変更してよい。

図５は、触針プローブ２２と被測定物Ｓとが接触した状態を示す拡大断面図である。図５に示すように、触針プローブ２２と被測定物Ｓとの溝２３上における接触部位には、溝２３の走行方向の両端に必ず開放された空隙Ｒ１が生じる。従って、空気の逃げる流路が接触部位両端の空隙Ｒ１間に確保され、密閉された空気だまりが接触部位に生じにくくなっている。

本実施形態の形状測定装置２１によれば、触針プローブ２２の表面に所定のピッチで溝２３が設けられているため、被測定物Ｓとの接触面積が減少して触針プローブ２２に作用するすべり摩擦抵抗が小さくなるのみならず、被測定物Ｓとの接触面に空気の逃げる流路が確保される。従って、上述の空気だまり等に起因する余分な圧力が触針プローブ２２にかかることがなく、誤差の生じにくい安定した形状測定を行うことができる。

また、溝２３が格子状に設けられているので、触針プローブ２２の走査方向や接触する向きに依存することなく、常に触針プローブ２２と被測定物Ｓとの走査時の抵抗を減少させることができる。

本実施形態においては、溝２３が格子状に設けられている例を説明したが、図６に示す変形例のように、上下方向に走行する溝２４のみが所定のピッチで配列されて設けられてもよい。又は、水平方向に走行する溝のみが所定のピッチで配列されて設けられてもよい。溝の走行方向は、被測定物Ｓの上下方向及び水平方向の寸法や形状等に基づいて適宜選択すればよい。

さらに、溝に代えて、第１実施形態の形状測定装置１におけるような、所定の形状の凹部が、所定のピッチで配列されて設けられてもよい。
加えて、所定のピッチで配列することに代えて、周期関数等を用いて規則的に凹部あるいは溝の配置又は配列を行ってもよい。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

本発明の第１実施形態の形状測定装置の左側面図である。 同形状測定装置の触針プローブを前方から見た状態を示す説明図である。 同触針プローブと被測定物とが接触した状態を示す拡大断面図である。 本発明の第２実施形態の形状測定装置の触針プローブを前方から見た状態を示す説明図である。 同触針プローブと被測定物とが接触した状態を示す拡大断面図である。 同実施形態の変形例における触針プローブを前方から見た状態を示す説明図である。 従来の形状測定装置の構成を示す図である。

符号の説明

１、２１ 形状測定装置
２、２２ 触針プローブ
１６ 凹部
２３、２４ 溝
Ｓ 被測定物

Claims (4)

1. 触針プローブを被測定物に接触させ、相対的に走査させて前記被測定物の形状を測定する形状測定装置であって、
   前記触針プローブの表面に設けられ、前記触針プローブと前記被測定物との間の摩擦抵抗を軽減する抵抗減少部を備えることを特徴とする形状測定装置。
2. 前記抵抗減少部は、所定の間隔をあけて、規則的に複数配置されていることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記抵抗減少部は、前記触針プローブの表面に設けられた溝又は凹部であることを特徴とする請求項１又は２に記載の形状測定装置。
4. 前記溝における最大の幅又は前記凹部における最大の径が１マイクロメートル以下であることを特徴とする請求項３に記載の形状測定装置。

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