JP2014055853A - 形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プローブを走査して形状測定を行う形状測定装置において、振動のノイズを低減した形状測定装置を実現する。
【解決手段】第１（Ｙ軸方向）の移動体１９と、第１の移動体に略平行に移動する移動補助体２４と、前記第１の移動体と略直角方向に移動する、第２（Ｘ軸方向）の移動体３を備え、第２の移動体を移動させるのに発生する力を、前記移動補助体で受け、ＸＹ軸方向に駆動するので、第２の移動体上に備えられた測定用プローブ１をＸＹ軸方向に走査する際、第１の移動体が第１の移動体の移動方向の略直角方向の反作用を受けることなく、第１の移動体の振動を抑えることができる。
【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、プローブ等を用いて形状を測定する形状測定装置において、ＸＹ軸方向に表面を特定するプローブまたは測定物をＸＹ軸方向にステージで移動させ、プローブにより測定物の形状を測定する形状測定装置に関するものである。

近年のオプトエレクトロニクス技術の進歩により、ディジタルカメラ等のカメラと、スマートフォン等のカメラを使用するモバイル機器とにおいて、画質向上への要請が高まっている。特に、カメラに使用されるレンズの表面形状として、設計形状に対して誤差が０．１μｍ（１００ｎｍ）以下に仕上がった、高精度レンズへの要望が高まりつつある。その中で、高精度な測定を行う形状測定装置においても、測定時のノイズ低減による、高精度化への要望はますます高まりつつある。とりわけ、プローブを走査して形状測定する形状測定装置において、走査測定時の振動ノイズの低減が求められており、走査時の振動低減での効果は、ＸＹステージの性能の占める割合が高い。

従来の形状測定装置等に使用されるステージ構造には、リニアモータの端部のリニアモータの駆動力を受ける部分を、ステージの可動部と固定部とは異なる別の支持部材により支持し、ステージを駆動する際の力の反作用をステージ全体で受けさせず、形状測定装置に発生する振動を低減しているものがある（例えば特許文献１参照。）。

図８Ａ及び図８Ｂは、特許文献１に記載された従来のステージ構造を示すものである。

図８Ａ及び図８Ｂにおいて、１０１は定盤、１０２は可動ステージ、１０３Ｘは第１のＸ軸方向のリニアモータ、１０３Ｙは第１のＹ軸方向のリニアモータ、１０４Ｘは第２のＸ軸方向のリニアモータ、１０４Ｙは第２のＹ軸方向のリニアモータ、１０５Ｘは第２のＸ軸方向のリニアモータ１０４Ｘを支持する支持板、１０５Ｙは第２のＹ軸方向のリニアモータ１０４Ｙを支持する支持板である。支持板１０５Ｘ，１０５Ｙは、定盤１０１とは異なる床１０９に設置されている。また、定盤１０１は、除振装置１１０により除振されるように構成されている。また、第２のＸ軸方向とＹ軸方向とのリニアモータ１０４Ｘ，１０４Ｙを支持する支持板１０５Ｘ、１０５Ｙは、床１０９からアームを延ばして支持されるように構成されている。

可動ステージ１０２は、Ｙ方向に移動しかつＸ方向の移動方向をコントロールするＸ軸ヨーク１０６Ｘと、Ｘ方向に移動しＹ方向の移動方向をコントロールするＹ軸ヨーク１０６Ｙとの交点位置で、エアー軸受け等を用いてＸＹ方向に移動可能で位置が決まるように支持されている。この構成により、Ｘ軸ヨーク１０６Ｘが第２のＹ軸方向のリニアモータ１０４Ｙの推力により、Ｙ方向に動くことにより、可動ステージ１０２のＹ方向の粗い位置決めを行う。同様の手順で、Ｙ軸ヨーク１０６Ｙが第２のＸ軸方向のリニアモータ１０４Ｘの推力により、Ｘ方向に動くことにより、可動ステージ１０２のＸ方向の粗い位置決めを行っている。

ここで、Ｘ軸ヨーク１０６ＸのＹ軸方向に移動するガイドでは、Ｙ軸エアー軸受け１０７Ｙにより移動方向を規定し、Ｙ軸ヨーク１０６ＹのＸ軸方向に移動するガイドでは、Ｘ軸エアー軸受け１０７Ｘにより移動方向を規定している。

さらに、Ｘ軸ヨーク１０６Ｘ及びＹ軸ヨーク１０６Ｙに設置された、Ｘ方向に駆動するコイル１０８Ｘ及びＹ方向に駆動するコイル１０８Ｙにより、それぞれＸ及びＹ方向に可動ステージ１０２に対し推力を発生させ、微細な位置決めを行う構成となっている。

図８Ａ及び図８Ｂにおいて、可動ステージ１０２をＹ軸方向に駆動する従来例を以下に説明する、大きい推力での、高速で粗い位置決めを第２のＹ軸方向リアモータ１０４Ｙを用い行う。この際、第２のＹ軸方向のリニアモータ１０４Ｙの支持板１０５Ｙは床１０９からアームを延ばして支持されている。このため、第２のＹ軸方向のリニアモータ１０４Ｙの駆動時に、Ｘ軸ヨーク１０６Ｘにより可動ステージ１０２を駆動するのに発生する力に対して、第２のＹ軸方向のリニアモータ１０４Ｙの固定側に反作用の力が発生する。この反作用の力は、ステージユニットを構成する定盤１０１に伝わることがない。このため、第２のＹ軸方向のリニアモータ１０４Ｙによる大きい推力での、高速で粗い位置決めでは、定盤１０１は振動等を発生しない。

特開平５−７７１２６号公報

しかし、微細な位置決めを行うには、床１０９に支持板１０５Ｙを設置し、第２のＹ軸方向リニアモータ１０４Ｙの固定側を支持しているので、床１０９からの振動等が、第２のＹ軸方向リニアモータ１０４Ｙの駆動力を通じて、Ｘ軸ヨーク１０６Ｘに床１０９の振動を伝えることになり、高精度な位置決めが行えない。

そこで、微細な位置制御を行う際には、第２のＹ軸方向のリニアモータ１０４Ｙでの粗い位置決めの終了後、第２のＹ軸方向リニアモータ１０４Ｙの駆動力をオフする。その後、防振装置１１０上に配置されかつＹ軸ヨーク１０６Ｙ上に設置された第１のＹ軸方向のリニアモータ１０３Ｙにより、ステージ１０２に設置された磁石部分に推力を発生し、床振動を避けて高精度な位置決めを行う。

しかし、この構成では、ステージ１０２を駆動するのに発生する力に対して、力の発生元となるＹ軸ヨーク１０６Ｙに反作用の力が発生する。

ここで、Ｙ軸ヨーク１０６ＹのＹ軸方向の位置は、移動方向の規制精度は良いが、剛性の低いＸ軸エアー軸受け１０７Ｘにより移動方向を規制している。

さらに、可動ステージ１０２を駆動する力により発生する加速度は、可動部分の重量に反比例する。このことから、可動ステージ１０２の重量が、Ｙ軸ヨーク１０６Ｙの重量より大きい場合で、かつ、駆動する力が一定の場合、可動ステージ１０２を駆動する力により発生する加速度よりも、可動ステージ１０２より重量の軽いＹ軸ヨーク１０６Ｙに発生する反作用による加速度の方が大きくなる。さらに、Ｙ軸ヨーク１０６ＹのＹ軸方向の規制は、剛性の低いＸ軸エアー軸受け１０７Ｘにより支持されている。これらの理由により、Ｙ軸ヨーク１０６Ｙに振幅の大きな振動が発生することになる。

このＹ軸ヨーク１０６Ｙに引き起こされた振動により、形状測定装置の異なる部分に、有害な振動ノイズが共振等により伝播し、測定に有害なノイズを発生させる原因となり、高精度な測定が行えないといった問題があった。

すなわち、前記従来の構成では、微細な位置決め駆動を第１のリニアモータ１０３Ｘ又は１０３Ｙにより行うので、可動ステージ１０２からの反作用の力を、可動ステージ１０２より重量の軽いＹ軸ヨーク１０６Ｙで受けることになる。また、このＹ軸ヨーク１０６Ｙの位置を高精度に規制するために、剛性の低いＸ軸エアー軸受け１０７Ｘで支持している。このため、Ｙ軸ヨーク１０６Ｙに発生する大きな加速度を、Ｘ軸エアー軸受け１０７Ｘで受け止めきれず、大きな振幅の振動を発生することとなり、この振動により、装置の異なる部分に共振が起き、測定にノイズを生じ高精度な測定が行えないという課題を有する。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、プローブ等を用い形状を測定する形状測定装置において、ＸＹ軸方向にプローブあるいは測定物を駆動して測定する際の、測定時の振動を低減し、高精度な測定を行うことを目的とした形状測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の１つの態様によれば、定盤と、
前記定盤のＸＹ軸方向のうちのいずれか１つの第１軸方向沿いに延在しかつ前記定盤と連結された第１固定部と、前記第１固定部に対して前記第１軸方向沿いに前後移動する第１可動部とを有して、前記定盤上に配置された第１の移動体と、
前記第１軸方向沿いに延在しかつ前記定盤と連結された補助体固定部と、前記補助体固定部に対して前記第１可動部の移動方向に略平行に前後移動する補助体可動部とを有する移動補助体と、
前記定盤の前記ＸＹ軸方向のうちの前記第１軸方向とは直交する第２軸方向沿いに延在しかつ一端部が前記第１の移動体に移動可能に支持されかつ他端部が前記移動補助体の前記補助体可動部に固定された第２固定部と、前記第２固定部に対して前記第２軸方向に左右移動する第２可動部とを有する第２の移動体とを備え、
前記第１の移動体は、前記第１固定部と前記第１可動部とを有する第１軸方向駆動装置を有するとともに、前記第２の移動体は、前記第２固定部と前記第２可動部とを有する第２軸方向駆動装置を有して、前記第１軸方向駆動装置を駆動して前記第１固定部に対して前記ＸＹステージを前記第１可動部とともに前記第１軸方向に移動させるＸＹステージを構成し、
前記第２軸方向駆動装置を駆動して前記第２固定部に対して前記ＸＹステージを前記第２可動部とともに前記第２軸方向に移動させるとき、前記第２可動部の移動時に発生する力の反作用を前記移動補助体で受け、
測定物の表面を測定するプローブと、前記測定物とのいずれか一方を前記ＸＹステージで支持し、いずれか他方を前記定盤に支持し、
前記ＸＹステージを駆動して前記測定物の前記表面に対して相対的に前記プローブをＸＹ軸方向に走査し、前記プローブで取得した情報から前記測定物の形状を測定する形状測定装置を提供する。

本発明の別の態様によれば、前記移動補助体の前記補助体可動部を、前記第１の移動体の前記第１可動部の移動に応じて、同期させて移動させる連結機構をさらに備える、前記態様に記載の形状測定装置を提供する。

本発明のさらに別の態様によれば、前記第１の移動体に対する、前記第２の移動体の前記第２可動部の位置を検出する位置検出装置と、
前記位置検出装置で検出された前記第２可動部の位置に基づいて前記第２軸方向駆動装置を駆動制御する位置制御部とをさらに備える、前記いずれかの態様に記載の形状測定装置を提供する。

本構成によって、第２の移動体に支持された測定物測定用プローブをＸＹ軸方向に走査することにより、第２の移動体の第２可動部を第２可動部の移動する方向に駆動する際の、第１の移動体が第１の移動体の第１可動部の移動方向の略直角方向に作用する力の反作用を受けることなく、第１の移動体の振動を抑えることができるので、装置全体に余分な振動ノイズを発生させることもなく、高精度な形状測定装置を提供することができる。

以上のように、本発明の形状測定装置によれば、測定時の振動を低減させることができ、高精度な測定を行うことができる。

本発明の第１実施形態における形状測定装置の全体構成図 本発明の第１実施形態における形状測定装置のプローブ構成図 本発明の第１実施形態における形状測定装置の詳細な平面図 本発明の第１実施形態における形状測定装置の詳細な側面図 本発明の第１実施形態における連結機構の詳細を示す図 図４Ａとは９０度異なる角度から見た、本発明の第１実施形態における連結機構の詳細を示す図 本発明の第１実施形態におけるＸ、Ｙ軸とＺ軸ノイズの関係を示す図 本発明の第１実施形態におけるＸ、Ｙ軸とＺ軸ノイズの関係を示す図 従来の構成での測定データに生ずるノイズを示す図 本発明の第１実施形態により測定された測定データ例を示す図 特許文献１に記載された従来の形状測定装置のステージ構成を示す平面図 特許文献１に記載された従来の形状測定装置のステージ構成を示す側面図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を実施する好適な装置構成を図１に示す。

図１は、本発明の第１実施形態の形状測定方法を実施するための一実施形態としての形状測定装置の概略構成を示す斜視図である。図１において、形状測定装置９０は、以下のように構成されている。測定物９を保持部１８Ｃで保持する下部定盤１８上に、第２軸方向及び第１軸方向の一例としてのＸＹ軸方向に移動可能に、ＸＹステージ３が配置されている。ＸＹステージ３上には上部石定盤８が配置され、上部石定盤８の上に、測定物９のＸＹＺ座標位置を測定するための周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザ４が配置されている。プローブ１は、Ｚ１軸ステージ２を介して上部石定盤８に取り付けられている。ＸＹステージ３は、下側に配置されてモータ駆動のＹ軸ステージ３Ｙと、上側に配置されてモータ駆動のＸ軸ステージ３Ｘとで構成されている。発振周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザ４により周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザ光１５が出射され、出射されたレーザ光１５が、上部石定盤８に配置された光学系９１を介して、Ｘ，Ｙ，Ｚ１、Ｚ２軸の４方向にレーザ光に分岐されたのち、下部石盤１８にそれぞれ固定されかつナノメートルオーダーの高い平面度をそれぞれ持つ、Ｘ基準ミラー５と、Ｙ基準ミラー６と、Ｚ基準ミラー７と、後述するプローブユニット１４のミラー１６とにそれぞれ反射させる。このように構成することにより、Ｘ座標検出装置９２Ｘと、Ｙ座標検出装置９２Ｙと、Ｚ基準ミラー７の位置を計測するＺ１座標検出装置９２Ｚ１と、プローブ１のＺ方向位置を検出するＺ２座標検出装置９２Ｚ２とで、ナノメートルオーダーの超高精度で、測定物９の測定面９ａのＸＹＺ座標を測定できる。Ｘ座標検出装置９２ＸとＹ座標検出装置９２ＹとＺ１座標検出装置９２Ｚ１とＺ２座標検出装置９２Ｚ２とには、演算処理部９３が接続されて、Ｘ座標検出装置９２ＸとＹ座標検出装置９２ＹとＺ１座標検出装置９２Ｚ１とＺ２座標検出装置９２Ｚ２とから入力された測定データを演算処理して、測定物９の測定面９ａの三次元座標データを得て、形状測定を行うことができる。ここで、２７はＸ軸方向レーザ出射部、２８はＹ軸方向レーザ出射部である。

これらのユニット、すなわち、後述するプローブユニット１４（フォーカス検出用レーザ１３などを含む）と、Ｚ１軸ステージ２と、ＸＹステージ３と、発振周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザ４と、Ｘ軸方向レーザ出射部２７と、Ｙ軸方向レーザ出射部２８と、Ｘ座標検出装置９２Ｘと、Ｙ座標検出装置９２Ｙと、Ｚ１座標検出装置９２Ｚ１Ｚ２座標検出装置９２Ｚ２と演算処理部９３と、さらには、後述するリニアモータ２２，２３などのそれぞれの駆動装置又は部材などは、制御装置９４により動作制御され、自動的に形状測定装置９０での計測動作を行うように構成されている。

図２に、この形状測定装置９０で使用するプローブ１の構成を示す。図２で、スタイラス１２はマイクロエアースライダ１０により支持されている。マイクロエアースライダ１０の可動部分は、マイクロスプリング１１にて支持されている。測定物９とスタイラス１２の先端との間には弱い原子間力が働く。この弱い原子間力によりマイクロスプリング１１にたわみが発生する。マイクロエアースライダ１０のミラー１６上には、ＸＹステージ３に支持されるプローブユニット１４内の光学系１４Ｃを介してフォーカス検出用レーザ１３からのフォーカス検出用レーザ光１３Ｌが照射され、照射されたフォーカス検出用レーザ光１３Ｌをプローブユニット１４のフォーカス検出部１３Ｆで検出することにより、マイクロスプリング１１のたわみを計測し、前記弱い原子間力を計測する。この弱い原子間力が一定となるように、プローブユニット１４の全体をＺ軸方向に対して、リニアモータ１３Ｇでフィードバック制御しつつ、同時に、Ｚ軸方向の変位を計測するために、前記周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザ光１５をミラー１６に照射する。このようにすることにより、プローブ１のＺ軸方向の位置（Ｚ座標）をＺ２座標検出装置９２Ｚ２で測定する。この状態で、ＸＹ軸方向に、このプローブユニット１４全体を、ＸＹステージ３により、測定物９に対して相対的に走査して、測定物９の測定面９ａの形状を測定する。このように構成すれば、スタイラス１２を取り付ける可動部であるマイクロエアースライダ１０の可動部の重量を軽くできる。このような構成により、例えば最大７５°の高傾斜面９ａまで、ナノメートル精度で高精度に、測定物９の測定面９ａの形状を測定することが可能である。

ここで、図１において、Ｘ軸方向レーザ出射部２７とＹ軸方向レーザ出射部２８とは上部石定盤８にそれぞれ固定されているため、Ｘ軸方向レーザ出射部２７とＹ軸方向レーザ出射部２８との距離が一定であり、Ｘ軸方向レーザ出射部２７とＹ軸方向レーザ出射部２８とプローブ１とまでのＸＹの距離が変化しないように構成されている。このように一定に距離を保つように構成することにより、Ｘ軸方向レーザ出射部２７とＹ軸方向レーザ出射部２８とからＸ及びＹ軸方向に出射されたレーザ光１５により、プローブ中心から、Ｘ基準ミラー５とＹ基準ミラー６とまでの距離をそれぞれ高精度に測定することが可能である。

この形状測定装置９０は、図１において、測定物９の一例であるレンズの表面（測定面）９ａ上でプローブ１をＸＹ軸方向に走査することにより、レンズの表面９ａ上のＸＹＺ座標データ列をＸ座標検出装置９２ＸとＹ座標検出装置９２ＹとＺ１座標検出装置９２Ｚ１とＺ２座標検出装置９２Ｚ２とで求め、演算処理部９３によって、プローブ１によって測定されたＸＹ座標位置でのＺ座標データの列は演算処理され、レンズの表面９ａの形状測定を行う。

図３Ａ及び図３Ｂは、本発明の第１実施形態にかかる、形状測定装置９０において、測定時の振動を低減しかつ高精度な測定を行うことの原理を説明するための構成を示す説明図である。

すなわち、図３Ａ及び図３Ｂで、Ｚ軸方向のプローブ１による測定物９の測定を高精度に行うために、形状測定装置９０において、ＸＹステージ３を第１の移動体１９と第２の移動体３０とで構成するとともに、さらに、移動補助体２４を備えるように構成している。

ここで、プローブ１をプローブユニット１４と共にＺ軸方向に駆動するＺ軸ステージ（Ｚ１軸ステージ）２と、Ｚ軸ステージ２を支持してプローブ１をＸＹ軸方向に走査するＸＹステージ３とにより、プローブ１の駆動装置が構成されている。ＸＹステージ３は、その重量を例えば複数の荷重支持エアー軸受け１７により、下部石盤１８に対して重力方向に非接触な状態で支えるように、下部石盤１８上に支持されている。よって、何ら規制がなければ、ＸＹステージ３は、下部石盤１８上でＸＹ軸方向に自由に移動できるが、下記するように特定の方向に対しては移動規制をする。

まず、ＸＹステージ３は、下側のＸＹ軸ステージ本体部３Ｘａと、上側のＸ軸ステージ本体部３Ｘｂと、ＸＹ軸ステージ本体部３ＸａとＸ軸ステージ本体部３Ｘｂとの間を連結する支柱３Ｘｃとで構成されており、ＸＹ軸ステージ本体部３ＸａとＸ軸ステージ本体部３Ｘｂとの間に支柱３Ｘｃで空間３Ｓを形成している。

次に、ＸＹステージ３の図１のＹステージ３Ｙを、図３Ａ及び図３Ｂでは第１の移動体１９で構成している。

この第１の移動体１９は、一例として、ＸＹステージ３の下部のＸＹ軸ステージ本体部３Ｘａと、移動体本体部１９ａと、ＸＹ軸ステージ本体部３Ｘａと移動体本体部１９ａとをＹ軸の移動させるＹ軸リニアモータ２２とで構成している。移動体本体部１９ａは、ＸＹ軸ステージ本体部３Ｘａの中央部をＸ軸方向には移動自在に貫通する「［」字形状の部材である。Ｙ軸リニアモータ２２は、移動体本体部１９ａの両端部にそれぞれ配置されている。

Ｙ軸リニアモータ２２は、第１可動部２２ｍと、第１固定部２２ｆとで構成されている。第１可動部２２ｍは、移動体本体部１９ａの両端部にそれぞれ固定されている。Ｙ軸リニアモータ２２の両端の第１固定部２２ｆは、第１可動部２２ｍが前後移動可能でかつ移動体本体部１９ａの両端部付近にＹ軸方向沿いに延在するように配置されている。各第１固定部２２ｆのＹ軸方向の両端部は、それぞれ、下部石盤１８に固定支持されている。よって、第１の移動体本体部１９ａは、石盤１８の左右に配置された、２つのＹ軸リニアモータ２２の同期駆動によりＹ軸方向に移動される。

ここで、ＸＹステージ３のＹ軸方向の移動方向を規制しかつＸ軸方向には円滑に移動可能とするために、第１の移動体１９の移動体本体部１９ａとＸＹ軸ステージ本体部３Ｘａとの間で、ＸＹ軸ステージ本体部３Ｘａの中央部分でかつ移動体本体部１９ａのＹ軸方向の少なくとも両側に（一例としては４個の）エアー軸受け２０を構成している。これにより、ＸＹ軸ステージ本体部３ＸａのＹ軸方向の直線移動を規制して、高精度に、ＸＹ軸ステージ本体部３ＸａよってＸＹステージ３全体がＸ軸方向にのみ直線移動するように構成されている。

また、第１の移動体１９の移動体本体部１９ａのＸ軸方向の移動方向を規制するために、移動体本体部１９ａの両端部に、下向きに突出した突出端部３Ｙｂがそれぞれ配置され、この突出端部３Ｙｂと下部石盤１８との間で、Ｘ軸方向に、エアー軸受け２１を挟み込むように構成している。これにより、下部石盤１８に対する移動体本体部１９ａのＸ軸方向の直線移動を規制して、高精度に、移動体本体部１９ａがＹ軸方向にのみ直線移動するように構成されている。

よって、移動体本体部１９ａがＸＹ軸ステージ本体部３Ｘａの中央部を貫通しかつエアー軸受け２０を配置しているため、移動体本体部１９ａとＸＹ軸ステージ本体部３ＸａとはＹ軸方向には一体的に移動する。

一方、Ｘ軸方向には、移動体本体部１９ａの両端部に、下向きに突出した突出端部３Ｙｂとしてそれぞれ配置された、下部石盤１８との間で、Ｘ軸方向に、エアー軸受け２１を挟み込むように構成しているため、移動体本体部１９ａはＸ軸方向には移動せず、移動体本体部１９ａに対して、ＸＹ軸ステージ本体部３ＸａのみがＸ軸方向に前後移動可能となっている。

なお、移動体本体部１９ａは、ＸＹ軸ステージ本体部３Ｘａに挟み込まれているため、２つのＹ軸リニアモータ２２の同期駆動により、移動体本体部１９ａがＹ軸方向に移動されるとき、ＸＹ軸ステージ本体部３ＸａよってＸＹステージ３全体も同様にＹ軸方向に移動される。

なお、下部石盤１８の重量は、第１の移動体１９全体の重量とＸＹステージ３全体の重量との合計の重量より、重くなるように構成されている。このように、第１の移動体１９に対して、基準となる固定体（下部石盤１８）の重量を重くすることにより、各Ｙ軸リニアモータ２２の第１固定部２２ｆで受ける反作用による加速度は、第１の移動体１９より小さなものとなり、安定した計測を実現できる。

また、ＸＹステージ３の計測ユニット部である３Ｘｂは、ＸＹ軸ステージ本体部３Ｘａ上に、３本の支柱（図３Ｂでは２本のみ図示）３Ｘｃにて支持される第２の移動体３０の一例として構成している。

この第２の移動体３０は、ＸＹ軸ステージ本体部３Ｘａと、ＸＹ軸ステージ本体部３ＸａをＸ軸方向に移動させるＸ軸リニアモータ２３とにより構成されている。

Ｘ軸リニアモータ２３は、第２可動部２３ｍと第２固定部２３ｆとで構成されている。第２可動部２３ｍは、ＸＹ軸ステージ本体部３Ｘａに連結されている。

第２固定部２３ｆは、ＸＹ軸ステージ本体部３ＸａとＸ軸ステージ本体部３Ｘｂとの間の空間３ＡをＸ軸方向に貫通するように、移動体本体部１９ａ上に配置されている。このように配置するのは、第２可動部２３ｍが、第２の移動体３０の重心付近を移動するようにするためである。第２固定部２３ｆの一端部、すなわち、Ｘ軸リニアモータ２３のＸプラス方向（図３Ａ及び図３Ｂの右方向）とＸマイナス方向（図３Ａ及び図３Ｂの左方向）との２つの方向の支持端部のうちの片方のＸマイナス側（図３Ａ及び図３Ｂの左側）の端部は、第１固定部２２ｆの外側（図３Ａ及び図３Ｂでの第１固定部２２ｆの左側）に配置された移動補助体２４により支持されている。第２固定部２３ｆの他端部、すなわち、２つの支持部のうちの残りのＸプラス側（図３Ａ及び図３Ｂの右側）の端部２９は、第１の移動体１９の移動体本体部１９ａの上面に対して、Ｘ軸方向に移動自在でかつＹＺ軸方向には移動しない、レール構造等により、支持されている。第２可動部２３ｍは、ＸＹ軸ステージ本体部３Ｘａに連結されているので、ＸＹステージ３を含む第２の移動体３０全体と一体的に、第２固定部２３ｆに対してＸ軸方向に左右移動する。

移動補助体２４は、第１の移動体１９のＹ軸リニアモータ２２の第１固定部２２ｆと略平行のＹ軸方向に延びたレール状の補助体固定部２４ｆに対して、補助体可動部２４ｍが移動するように構成されている。この補助体可動部２４ｍで第２固定部２３ｆの一端部を支持している。

ここで、移動補助体２４の補助体可動部２４ｍは、Ｙ軸方向に移動可能でかつＹ軸の移動方向とは略垂直方向のＸ軸方向の剛性を第１の移動体１９のＸ方向の移動を規制するエアー軸受け部２１より、剛性を高くするために、補助体固定部２４ｆに対して、補助体可動部２４ｍは、転がり軸受け等を用いた軸受け機構により支持されている。

この移動補助体２４には、連結機構２５より、移動体本体部１９ａから、ＸＺ軸方向には大きな力を伝播させず、Ｙ軸方向のみに駆動される駆動力を受ける構成となっている。

この際、第１の移動体１９の移動体本体部１９ａの移動方向と移動補助体２４の移動方向とを、サブミクロン以下の精度で完全に平行に一致して移動させることは不可能である。このため、連結機構２５により、Ｙ軸方向には移動体本体部１９ａの移動量がサブミクロンの精度でそのまま伝わるように連結部分にステージを駆動させる際の、加速度あるいは摩擦抵抗等の範囲でバネ的な効果が出ないように剛性が高く、Ｘ軸方向及びＺ軸方向には力を逃がす構成（後述参照）で、連結機構２５は構成されている。

この結果、第１の移動体１９の移動体本体部１９ａと移動補助体２４とにおいて、わずかなＸＺ軸方向の移動ずれと大きな力とを吸収し、移動体本体部１９ａのエアー軸受け２０の精度に影響を与える余分な力を発生させない。

また、既に説明したように、Ｘ軸リニアモータ２３の第２固定部２３ｆのＸプラス方向の端部の支持部２９は、移動体本体部１９ａに対してＸ軸方向に移動自在で、ＹＺ軸方向には移動しない、レール構造等により、支持されている。よって、Ｘ軸リニアモータ２３の、ＸＹステージ３に対するＸ軸方向の駆動力は、移動補助体２４により支持する構成となっている。

この構成により、移動体本体部１９ａの移動方向と移動補助体２４の移動方向とが一致しない状態でＹ軸方向に移動した場合には、Ｘ軸方向のずれが発生する。このＸ軸方向のずれにより、Ｘ軸リニアモータ２３の第２可動部２３ｍの右端の支持部２９に、Ｘ軸方向の変位が加わり、この変位により、力が発生する。このようにして発生する力を、連結機構２５で逃がすことができ、移動体本体部１９ａのＸ軸方向に余分な力を加えることなく、移動体本体部１９ａのＹ軸方向の移動をエアー軸受け２１により高精度に行うことができる。

移動補助体２４の補助体固定部２４ｆは、ＸＹステージ３全体に比べて十分に重量の大きい下部石盤１８に固定されている。ＸＹステージ３が例えばＸプラス方向（図３Ａ及び図３Ｂの右方向）に移動する際に発生する、Ｘ軸リニアモータ２３の第２固定部２３ｆに加わるＸＹステージ３の移動方向の逆方向のＸマイナス方向（図３Ａ及び図３Ｂの左方向）の力（反作用の力）を、移動体本体部１９ａより重量が大きい下部定盤１８をベースとして支持された移動補助体２４で反作用を受ける構成となっている。さらに、移動補助体２４は、Ｘ軸方向のリニアモータの駆動力に対し移動体本体部１９ａをＸ軸方向に支持するエアー軸受け２１より剛性の高い軸受け（転がり軸受けなど）を備える、ように構成している。

このため、Ｙ軸方向に移動可能でかつ精密なＹ軸方向の移動が必要な移動体本体部１９ａには、ＸＹステージ３をＸ軸方向に駆動する駆動力の反作用を作用させることがなく、移動体本体部１９ａのＸ軸方向に、ノイズの発生源となる余分な振動を発生させることはない。

図４Ａ及び図４Ｂに、連結機構２５の詳細を説明する。連結機構２５は、直方体形状の中間材２５ａに対して、２枚の第１平行板バネ２５ｂで直方体形状の第１の移動体側連結部２５ｄと連結され、２枚の第１平行板バネ２５ｂとは例えば９０度向きの異なる方向に設置された、２枚の第２平行板バネ２５ｃで直方体形状の移動補助体側連結部２５ｅと連結されて構成されている。

第１の移動体側連結部２５ｄは第１の移動体１９の移動体本体部１９ａに連結されている。移動補助体側連結部２５ｅは移動補助体２４に連結されている。そして、２枚の第１平行板バネ２５ｂの平面がＸ軸方向と直交しかつ２枚の第２平行板バネ２５ｃの平面がＺ軸方向と直交するように、第１の移動体側連結部２５ｄを移動体本体部１９ａに連結するとともに移動補助体側連結部２５ｅを移動補助体２４に連結する。

この結果、第１の移動体側連結部２５ｄと中間材２５ａとの間では、２枚の第１平行板バネ２５ｂによりＸ軸方向に移動自由でかつＹ軸方向には第１の移動体１９のＸ軸方向の移動を規制するエアー軸受け部２１より、剛性の高い状態で連結されている。また、移動補助体側連結部２５ｅと中間材２５ａとの間では、２枚の第２平行板バネ２５ｃによりＺ軸方向に移動自由でかつＹ軸方向には第１の移動体１９のＸ軸方向の移動を規制するエアー軸受け部２１より、剛性の高い状態で連結されている。

このような連結機構２５の構成により、移動体本体部１９ａのＹ軸方向の移動方向と移動補助体２４の移動方向とが完全に平行でなくても、Ｘ軸リニアモータ２３の第２可動部２３ｍと第２固定部２３ｆとのＹＺ軸方向の空隙が、Ｘ軸リニアモータ２３の組立て調整範囲（例えば１０マイクロメートル程度の許容範囲）内であれば、非接触駆動のリニアモータの空隙の調整範囲内であるので、Ｘ軸リニアモータ２３にダメージを与えることもなく、かつ、移動体本体部１９ａにＹＺ軸方向に余分な力を加えることなく、移動体本体部１９ａは高精度に移動することができる。なお、リニアモータは、非接触駆動するために、通常、可動部と固定部との間に０．５ｍｍ近い隙間（空隙）を持っている。また、この隙間も、リニアモータを取り付ける際に、通常、リニアモータが移動するフルストロークで完璧に一定である必要はなく、多少（例えば、前記の隙間の値に対して１０μｍ程度）変動してもよいように構成されている。この多少変動してもよい隙間寸法内であれば、機械的にも干渉することがなく、移動精度に影響を与えない。

ここで、Ｘ軸リニアモータ２３を駆動制御するためには、移動体本体部１９ａに対するＸ軸方向の、ＸＹステージ３のＸ軸方向の位置を検出するエンコーダ等のＸ軸位置検出装置２６ＸをＸ軸リニアモータ２３の第２可動部２３ｍの近くに設置している。そして、このＸ軸位置検出装置２６Ｘにより、ＸＹステージ３のＸ軸方向の位置を、位置制御部の一例としてのサーボコントローラユニット等を用いて、Ｘ軸リニアモータ２３にフィードバック制御することにより、位置と移動とをコントロールする構成となっている（図３Ａ参照）。

このように、移動体本体部１９ａ上に設けられたエンコーダ等のＸ軸位置検出装置２６Ｘの信号を基準として、ＸＹステージ３のＸ軸方向の位置をＸ軸リニアモータ２３にフィードバックする構成となっている。

この際、フィードバックの基準となる移動体本体部１９ａの振動ノイズは最小限になるように抑えておく必要がある。振動ノイズを最小限になるように抑えることができない場合、言い換えれば、移動体本体部１９ａが、エアー軸受け２１のギャップの範囲内で振動している場合、本来、ＸＹステージ３が下部石盤１８に対しＸ軸方向に移動していないのにもかかわらず、移動体本体部１９ａが下部石盤１８に対して、振動ノイズ等で移動することにより、エンコーダ等のＸ軸位置検出装置２６Ｘで検出する信号が振動してしまうことになる。この結果、この擬似的に振動した信号を基に、重量の大きいＸＹステージ３を移動させる力が発生してしまい、この力により、更に移動体本体部１９ａの振動をさせることになる。すると、移動体本体部１９ａの振動を増長させることとなる。

これに対して、本発明の第１実施形態では、ＸＹステージ３をＸ軸方向に駆動する際に発生する反作用の力は、移動体本体部１９ａで受けることはなく、移動補助体２４で受ける構成となっている。このため、移動体本体部１９ａと、移動体本体部１９ａの上に設置されたＸ軸方向の位置を制御するための基準となる、エンコーダ等Ｘ軸位置検出装置２６Ｘとにも、余分な振動を与えることがなく、Ｘ軸方向に余分な振動を発生させることがない。なお、Ｙ軸方向にもフィードバック制御は行う。この場合、Ｙ軸のエンコーダの固定側は、下部定盤１８に直接取り付けることができて、Ｘ軸の様に、第１の移動体１９のようにＸ軸方向に剛性の弱いエアー軸受け等で支持された振動しやすい構造ではない。このため、エンコーダが振動を誤検出してサーボによる増幅する振動の問題は発生しない。

ここで、移動体本体部１９ａの振動の測定データへの影響について、図５Ａ及び図５Ｂを参照しなから、以下に説明する。

移動体本体部１９ａでＸ軸方向に振動ノイズが発生し、この振動ノイズが共振により他の部分に振動が伝播し、図１に示すプローブ１とＸ軸方向レーザ出射部２７との間で共振による振動が発生し、形状測定装置剛性（形状測定装置の一定形状）が保たれずに変形するような、例えば２５ｎｍ程度の振動が発生したとする。このような場合、Ｘ軸方向の計測において、２５ｎｍ程度の誤差が発生することとなる。

図５Ｂに示すように、例えば測定物９の傾斜面（測定面の一例）９ａを測定する場合、一例として、傾斜角を４５度とすると、Ｘ軸方向の２５ｎｍの振動ノイズは、形状の誤差をＺｄで表し、（測定データ）−（設計データ）の差Ｚｄをプロットする形式で出力する場合、プローブ１が測定物９の傾斜した表面９ａの位置を計測することにより、Ｘ軸方向の測定誤差は４５度の傾斜面９ａでは、Ｚ軸方向に同じ振幅として発生する。この場合、Ｘ軸方向の振動により、Ｘ位置が正しく計測されていないのが問題であるが、測定結果には、Ｚ軸方向にノイズの乗った形式としてデータが出力される。

従来の装置構成では、第１の移動体がＸ軸リニアモータの反作用の力により振動してしまい、この振動により、プローブあるいはＸ軸方向レーザ出射部に共振を与えてしまう。この結果、Ｘ軸方向の測定データにノイズが発生することになる。このノイズの発生した状態でのデータ例を図６に説明する。図６において、グラフの横軸は測定物の一例としてのレンズのＸ又はＹ軸方向（図６ではＲ軸と称する。）の半径位置で、縦軸はＺ軸方向の（測定データ）−（設計データ）の差Ｚｄ（図６ではＺｄ軸と称する。）をプロットしている。

図６で、実線ＡはＸ軸方向の測定データであり、点線ＢはＹ軸方向の測定データである。また、本測定データの測定物９のレンズ形状は、図５Ａに示すように、ＸＹ軸方向の中央より外側に向かうにつれて、測定物９の測定面９ａの傾斜角が増加するように構成されている。図６の測定データより、レンズの外周部分では、Ｘ軸方向の測定データにはＹ軸方向の測定データより振幅の大きいノイズ成分が乗っており、Ｘ軸方向の面の粗さデータとしては、実際の値より大きい２５ｎｍの値となる。

これに対して、本発明の第１実施形態を適用した前記構造の形状測定装置９０では、移動体本体部１９ａが振動することもなく、図７に示すようにＸ軸方向の測定データも、Ｙ軸方向と同様の数ナノ程度の粗さで計測されており、より高精度な形状評価を行うことが可能である。

かかる第１実施形態の構成によれば、ＸＹステージ３をＸ軸リニアモータ２３で駆動する際の、ＸＹステージ３からの駆動力の反作用を、ＸＹステージ３よりも重量が大きい下部定盤１８から、Ｘ軸方向の力に対し剛性の高い軸受け（転がり軸受けなど）を備える、移動補助体２４で受けるようにしている。

この結果、Ｙ軸方向に移動可能でかつ精密なＹ軸方向の移動が必要なＸＹステージ３より重量の軽い移動体本体部１９ａに、反作用が加わることが無い。

また、精密な軸方向の移動規制のために、エアー軸受け２０等で、非接触で移動方向を高精度に規制する、Ｘ軸方向に剛性の低い移動体本体部１９ａが振動することがなく、また、Ｘ軸リニアモータ２３のＸ軸方向の位置と移動とを制御するための情報を検出するエンコーダ等の位置検出装置２６Ｘに、余計な振動を加えないので、移動体本体部１９ａの振動を増長することもないので、これら振動の共振による伝播による、プローブユニット１４への有害な振動も発生させることがないので、高精度な測定を行うことが可能となる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。

例えば、本第１実施形態では、ＸＹステージ３に測定用プローブユニット１４を固定し、測定物９を下部石盤１８上に保持部１８Ｃを介して設置する構成としている。しかしながら、本発明は、これに限られるものではなく、ＸＹステージ３の上に保持部１８Ｃを介して測定物９を設置し、測定用プローブユニット１４を下部石盤１８上に固定する構成としてもよい。

また、本第１実施形態では、移動補助体２４の駆動を、連結機構２５により駆動する構成としたが、移動補助体２４の駆動を、移動体本体部１９ａとは異なるモータ等を有する駆動装置で、移動体本体部１９ａと同期して駆動する構成としてもよい。

なお、上記様々な実施形態又は変型例のうちの任意の実施形態又は変型例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明の形状測定装置は、ＸＹ軸方向に移動あるいは位置決めする際の移動体の振動を低減することが可能であり、表面を検出する機器にプローブ以外のカメラ等の画像処理装置を走査して、速度を制御しデータを取り込む測定装置等にも適用が可能で。ナノレベルの高精度な計測、評価の必要な、レンズ等の光学部品、液晶パネル、半導体、医療機器部品、マイクロマシン等の高精度デバイスの測定評価の用途にも適用できる。

１ プローブ
２ Ｚ１軸ステージ
３ ＸＹステージ（第２の移動体）
３Ａ 空間
３Ｘ Ｘ軸ステージ
３Ｙ Ｙ軸ステージ
４ 周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザ
５ Ｘ基準ミラー
６ Ｙ基準ミラー
７ Ｚ基準ミラー
８ 上部石定盤
９ 測定物
９ａ 測定面
１０ マイクロエアースライダ
１１ マイクロスプリング
１２ スタイラス
１３ フォーカス検出用レーザ
１３Ｌ フォーカス検出用レーザ光
１４ プローブユニット
１５ 周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザ光
１６ ミラー
１７ 荷重支持エアー軸受け
１８ 下部石盤
１８Ｃ 保持部
１９ 第１の移動体
１９ａ 移動体本体部
２０ エアー軸受け
２１ エアー軸受け
２２ Ｙ軸リニアモータ
２２ｆ 第１固定部
２２ｍ 第１可動部
２３ Ｘ軸リニアモータ
２３ｆ 第２固定部
２３ｍ 第２可動部
２４ 移動補助体
２４ｆ 補助体固定部
２４ｍ 補助体可動部
２５ 連結機構
２５ａ 中間材
２５ｂ 第１平行板バネ
２５ｃ 第２平行板バネ
２５ｄ 第１の移動体側連結部
２５ｅ 移動補助体側連結部
２６Ｘ Ｘ軸位置検出装置
２７ Ｘ軸方向レーザ出射部
２８ Ｙ軸方向レーザ出射部
２９ 支持部
３０ 第２の移動体
９０ 形状測定装置
９１ 光学系
９２Ｘ Ｘ座標検出装置
９２Ｙ Ｙ座標検出装置
９２Ｚ１ Ｚ１座標検出装置
９２Ｚ２ Ｚ２座標検出装置
９３ 演算処理部
９４ 制御装置

Claims (3)

1. 定盤と、
   前記定盤のＸＹ軸方向のうちのいずれか１つの第１軸方向沿いに延在しかつ前記定盤と連結された第１固定部と、前記第１固定部に対して前記第１軸方向沿いに前後移動する第１可動部とを有して、前記定盤上に配置された第１の移動体と、
   前記第１軸方向沿いに延在しかつ前記定盤と連結された補助体固定部と、前記補助体固定部に対して前記第１可動部の移動方向に略平行に前後移動する補助体可動部とを有する移動補助体と、
   前記定盤の前記ＸＹ軸方向のうちの前記第１軸方向とは直交する第２軸方向沿いに延在しかつ一端部が前記第１の移動体に移動可能に支持されかつ他端部が前記移動補助体の前記補助体可動部に固定された第２固定部と、前記第２固定部に対して前記第２軸方向に左右移動する第２可動部とを有する第２の移動体とを備え、
   前記第１の移動体は、前記第１固定部と前記第１可動部とを有する第１軸方向駆動装置を有するとともに、前記第２の移動体は、前記第２固定部と前記第２可動部とを有する第２軸方向駆動装置を有して、前記第１軸方向駆動装置を駆動して前記第１固定部に対して前記ＸＹステージを前記第１可動部とともに前記第１軸方向に移動させるＸＹステージを構成し、
   前記第２軸方向駆動装置を駆動して前記第２固定部に対して前記ＸＹステージを前記第２可動部とともに前記第２軸方向に移動させるとき、前記第２可動部の移動時に発生する力の反作用を前記移動補助体で受け、
   測定物の表面を測定するプローブと、前記測定物とのいずれか一方を前記ＸＹステージで支持し、いずれか他方を前記定盤に支持し、
   前記ＸＹステージを駆動して前記測定物の前記表面に対して相対的に前記プローブをＸＹ軸方向に走査し、前記プローブで取得した情報から前記測定物の形状を測定する形状測定装置。
2. 前記移動補助体の前記補助体可動部を、前記第１の移動体の前記第１可動部の移動に応じて、同期させて移動させる連結機構をさらに備える、請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記第１の移動体に対する、前記第２の移動体の前記第２可動部の位置を検出する位置検出装置と、
   前記位置検出装置で検出された前記第２可動部の位置に基づいて前記第２軸方向駆動装置を駆動制御する位置制御部とをさらに備える、請求項１又は２に記載の形状測定装置。

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