JP2018112217A

JP2018112217A - 測定装置

Info

Publication number: JP2018112217A
Application number: JP2017001787A
Authority: JP
Inventors: 優作伊藤; Yusaku Ito
Original assignee: Disco Abrasive Systems Ltd
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2017-01-10
Filing date: 2017-01-10
Publication date: 2018-07-19
Anticipated expiration: 2037-01-10
Also published as: JP6814640B2

Abstract

【課題】簡易な機構で測定に影響を及ぼす振動を抑えること。【解決手段】測定装置（１）は、測定するワーク（Ｗ）を載置するテーブル（２０）と、テーブルに載置されたワークを上から測定する顕微鏡（６１）と、テーブルをＸＹＺ方向に移動させる移動手段（３０）と、顕微鏡と移動手段とを配設する基台（１１）とを備えた測定機器（１０）と、測定機器の測定に影響のある振動の周波数帯域をなくす除振手段（７０）とを備える。除振手段は、測定機器を覆うフレーム（７４）と、測定機器の重心を中心として放射方向に４か所で測定機器をフレームから吊り下げる４つの吊り部（７５）と、を備え、吊り部は、スプリング（７５ａ）を有する構成にした。【選択図】図１

Description

本発明は、ワークを測定する測定装置に関する。

一般に、顕微鏡でワークの上面を測定する測定機器は振動があると撮像画の焦点が合わなくなり測定できないため、振動を嫌う（例えば、特許文献１参照）。撮像画のピンぼけの原因となるのは、高い周波数の振動であることが知られている。振動の周波数を高い周波数帯域から低い周波数帯域に変換させることで、測定機器における測定への影響を抑えることができる。測定に影響を及ぼす振動を抑えるために、測定機器と、測定機器が設置される基台との間に防振ゴムやエアクッションを配設させたりしている。

特開平０６−２８８４３３号公報

しかしながら、上述した防振ゴムでは、ＸＹＺ方向の振動にて高い周波数帯域から低い周波数帯域への変換が十分に行われないため、測定に影響を与える場合がある。また、エアクッションでは、内部に封入するエアをバルブで調整して圧力を一定にする必要があるため、設備や構造が複雑化する問題がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、簡易な機構で測定に影響を及ぼす振動を抑えることができる測定装置を提供することを目的の一つとする。

本発明の測定装置の一態様は、測定するワークを載置するテーブルと、テーブルに載置されたワークを上から測定する顕微鏡と、テーブルをＸＹＺ方向に移動させる移動手段と、顕微鏡と移動手段とを配設する基台とを備えた測定機器と、測定機器の測定に影響のある振動の周波数帯域をなくす除振手段とを備える測定装置であって、除振手段は、測定機器を覆うフレームと、測定機器の重心を中心として放射方向に４か所で測定機器をフレームから吊り下げる４つの吊り部と、を備え、吊り部は、スプリングを有する。

この構成によれば、吊り部により測定機器を吊り下げることにより測定機器のＸＹＺ方向の振動に対応させ、吊り部のスプリングにより測定機器のＺ方向の振動の周波数を高い周波数帯域から低い周波数帯域に変換させることができる。これにより、吊り部で測定機器を吊り下げるだけの簡易な機構で測定に影響を及ぼす振動を除去できる。

本発明の測定装置の一態様においては、顕微鏡として、二光束干渉顕微鏡を用いる。

本発明の測定装置の一態様においては、測定機器とフレームとの間に緩衝材を介在させる。

本発明によれば、簡易な機構で測定に影響を及ぼす振動を抑えることができる。

本実施の形態に係る測定装置の斜視図である。本実施の形態に係る高い周波数の振動における除振動作の一例を説明する図である。実験例に係る振動周波数と振動加速度の関係を示すグラフである。実施例に係る撮像画を示す図である。比較例に係る撮像画を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態に係る測定装置の斜視図である。

図１に示すように、測定装置１は、測定機器１０において、ワークＷを載置したテーブル２０を、撮像手段６０に対して移動させて、ワークＷの上面を撮像するように構成されている。

測定装置１は、矩形状の上壁プレート７１と下壁プレート７２との四隅を支持柱７３で連結して構成されるフレーム７４と、フレーム７４内に配設される測定機器１０とを備えている。測定機器１０は、矩形状の基台１１を有しており、基台１１の上面には、テーブル２０をＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向に移動する移動手段３０が設けられている。移動手段３０の後方には、逆Ｌ字状のアーム部６２が立設され、アーム部６２の先端にはテーブル２０に対向するように顕微鏡６１が支持されている。アーム部６２と顕微鏡６１とで撮像手段６０を構成している。

移動手段３０は、基台１１の上面に配設されたＹ方向送り手段５１と、Ｙ方向送り手段５１の上部に配設されたＸ方向送り手段３１と、Ｘ方向送り手段３１の上部に配設されたＺ方向送り手段２１と、を備えている。Ｘ方向送り手段３１は、Ｙ方向送り手段５１に下方から支持されている。Ｚ方向送り手段２１の上には、テーブル２０が配設されている。

Ｙ方向送り手段５１は、基台１１の上面に配置されたＹ方向に平行な一対のガイドレール５１ａと、一対のガイドレール５１ａにスライド可能に設置されたＹ軸テーブル５２とを有している。Ｙ軸テーブル５２の下面側には、図示しないナット部が形成され、このナット部にボールネジ５３が螺合されている。ボールネジ５３の一端部には、駆動モータ５４が連結されている。Ｙ軸テーブル５２、Ｘ方向送り手段３１及びテーブル２０は、駆動モータ５４が回転駆動されることで、Ｙ方向に移動される。

Ｘ方向送り手段３１は、Ｙ軸テーブル５２の上面に配置されたＸ方向に平行な一対のガイドレール３１ａと、一対のガイドレール３１ａにスライド可能に設置されたＸ軸テーブル３２とを有している。Ｘ軸テーブル３２の上部には、テーブル２０が設けられている。Ｘ軸テーブル３２の下面側には、図示しないナット部が形成され、このナット部にボールネジ３３が螺合されている。ボールネジ３３の一端部には、駆動モータ３４が連結されている。Ｘ軸テーブル３２及びテーブル２０は、駆動モータ３４が回転駆動されることで、Ｘ方向に移動される。

Ｚ方向送り手段２１としては、例えばピエゾアクチュエータが使用される。移動ピッチは１０ｎｍから５０ｎｍの分解能が設定可能であり、例えば、２０ｎｍの等間隔ピッチでテーブル２０をＺ方向に移動させ、撮像手段６０によりＺ方向において１０００枚以上の画像を取得して位相シフト法の演算を行い、三次元画像を構築している。

テーブル２０は、円板状に形成されており、Ｘ軸テーブル３２の上面にＺ方向周りに回転可能に設けられている。テーブル２０の上面には、ポーラスセラミックス材により保持面が形成されている。

撮像手段６０は、アーム部６２の先端に設けられた顕微鏡６１を有している。顕微鏡６１としては、二光束干渉顕微鏡（３次元顕微鏡）等が用いられている。二光束干渉顕微鏡に用いられる干渉対物レンズとしては、ミウラ型、マイケルソン型、リニーク型等が挙げられる。なお、顕微鏡６１は、例えば２．５倍、５倍の低倍ではマイケルソン型を用い、例えば１０倍から５０倍の高倍ではミウラ型を用いている。１００倍などのさらに高い高倍はリニーク型を用いている。顕微鏡６１により、テーブル２０に載置されたワークＷの上面が撮像され、立体測定される。

ここで、測定機器においては、高い周波数の振動により、撮像手段による撮像画においてアーチファクトが生じ、測定に影響が及ぼされる。このため、従来は防振ゴムを用いて測定に影響を与える振動を抑える対策がとられていた。しかしながら、防振ゴムはＸＹＺ方向の振動のどちらの方向においても高い周波数帯域から低い周波数帯域への変換が十分に行われないため、振動への対応が不十分となる問題があった。このため、顕微鏡による立体測定では、干渉縞の光の強度を位相シフト法により演算する際に、振動によって位相シフト法の演算エラーが引き起こされ、リップル状のアーチファクトが発生していた。そこで、本実施の形態においては、除振手段７０を用いて、スプリング部７５ａを有する吊り部７５で測定機器１０を吊り下げることにより、測定に影響のある振動を除去し、アーチファクトの発生を抑えている。

以下、本実施の形態に係る除振手段７０の構成について詳細に説明する。除振手段７０は、測定機器１０を覆うフレーム７４と、測定機器１０の重心を中心として放射方向に４か所で測定機器１０を上壁プレート７１から吊り下げる４つの吊り部７５（１つは不図示）と、を備えている（図１参照）。吊り部７５の一方の端はスプリング部７５ａを形成しており、他方の端は直線部７５ｂを形成している。スプリング部７５ａが上壁プレート７１の下面に連結され、直線部７５ｂが基台１１の上面にネジ７６を介して連結されることにより、吊り部７５は上壁プレート７１と基台１１との間に垂直に配設される。これにより、測定機器１０は上壁プレート７１から吊り下げられている。吊り部７５は金属等で形成され、スプリング部７５ａは上下方向に伸縮可能となっている。後述するように、吊り部７５は、長さを調節することによって測定に影響のある高い周波数帯域の振動を低い周波数帯域に変換させている。また、スプリング部７５ａは、測定機器１０の重量に応じて、ばね定数が設定される。

次に、図２を参照して、除振手段の動作について説明する。図２は、本実施の形態に係る高い周波数の振動における除振動作の一例を説明する図である。

図２Ａに示すように、測定装置１の設置場所が振動しないとき、測定装置１には振動が生じない。上壁プレート７１に連結する吊り部７５は動かず、測定機器１０は振動しない。

図２Ｂに示すように、測定装置１の設置場所がＸＹ方向に振動すると、振動が測定装置１に伝わり、除振手段７０の下壁プレート７２がＸＹ方向に振動する。振動は支持柱７３及び上壁プレート７１に伝わって支持柱７３及び上壁プレート７１がＸＹ方向に振動し、上壁プレート７１に連結する吊り部７５の上端が上壁プレート７１の振動に合わせてＸＹ方向に移動する。このとき、吊り部７５で測定機器１０を吊り下げた状態では、吊り部７５の下端に振動が伝わり難くなり、吊り部７５の下端はＸＹ方向の振動が抑えられる。これにより、測定機器１０が、測定装置１の設置場所の振動に伴ってＸＹ方向に振動することが抑えられ、測定に影響を及ぼすＸＹ方向の振動が抑えられる。

また、図２Ｃに示すように、測定装置１の設置場所がＺ方向に振動すると、振動が測定装置１に伝わり、除振手段７０の下壁プレート７２がＺ方向に振動する。振動は支持柱７３及び上壁プレート７１に伝わって支持柱７３及び上壁プレート７１がＺ方向に振動し、上壁プレート７１に連結する吊り部７５のスプリング部７５ａが上壁プレート７１の振動に合わせてＺ方向に伸縮する。この伸縮動作によって、吊り部７５の下端はＺ方向の振動が抑えられる。これにより、測定機器１０が、測定装置１の設置場所の振動に伴ってＺ方向に振動することが抑えられ、測定に影響を及ぼすＺ方向の振動が抑えられる。なお、上記ではＸＹ方向とＺ方向の振動を別々に記載し、吊り部７５によるＸＹ方向の除振とスプリング部７５ａによるＺ方向の除振とを便宜上分けて説明しているが、吊り部７５の吊り下げ構造においてもＺ方向の振動の除振を行うことができる。

以上のように、本実施の形態に係る測定装置１では、吊り部７５により測定機器１０を吊り下げることにより測定機器１０のＸＹＺ方向の振動に対応できる。また、スプリング部７５ａの伸縮により測定機器１０のＺ方向の振動に対応できる。ＸＹ方向だけでなくＺ方向の振動の周波数を、後述するように２５（Ｈｚ）以上の高い周波数帯域から５（Ｈｚ）未満の低い周波数帯域に変換させることができる。これにより、吊り部７５で測定機器１０を吊り下げる簡易な構成でありながら、振動の周波数を測定に影響を及ぼさない低い周波数に変換することができる。よって、測定機器１０において、測定に影響のある周波数帯域の振動をなくすことができる。ここで、振動を「なくす」とは、測定に影響を及ぼさない程度にまで振動を抑えることをいう。

また、上記撮像手段６０によるＺ方向の１０００枚以上の撮像は、２００Ｈｚの撮像周波数で行われている。振動周波数が速い（高い）と撮像に影響する。そして、撮像周波数より遅い（低い）振動周波数であっても撮像に影響を与える。例えば、撮像周波数が２００Ｈｚでは、振動周波数が１００Ｈｚ、３３Ｈｚ、２０Ｈｚの順で撮像に与える影響は小さくなる。すなわち、撮像周波数の１／２、１／６、１／１０の振動周波数の順で撮像に与える影響が小さくなる（ＰｅｔｅｒＪ．ｄｅＧｒｏｏｔ、“Ｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｎｐｈａｓｅ−ｓｈｉｆｔｉｎｇｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ”、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ａ、ＯｐｔｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡｍｅｒｉｃａ、Ｆｅｂｒｕａｒｙ１９９５（Ｖｏｌ．１２）、Ｎｏ．２、ｐ．３６３参照）。そして、撮像周波数が２００Ｈｚのとき、撮像周波数の１／２の１００Ｈｚより遅い（低い）振動周波数は撮像にほとんど影響を与えない。また、１００Ｈｚよりさらに遅い（低い）振動周波数に振動を移動させることで撮像への影響を防ぐことができる。つまり、撮像周波数が２００Ｈｚのとき、撮像周波数の１／１０の２０Ｈｚより遅い（低い）振動周波数に振動を移動させることで、より撮像への影響がなくなる。

（実験例）
以下、実験例に基づき詳述するが、これらは説明のために記述されるものであって、下記実験例に限定されるものではない。

測定機器１０でワークＷの撮像を除振手段７０を用いて行った場合と、除振手段７０を用いないで行った場合に、測定機器１０に生じる振動を測定した。振動計（ＯＲＯＳ社製）を測定機器１０の基台１１上に設置して行った。また、顕微鏡６１として二光束干渉顕微鏡でワークＷの上面を撮像した。結果を図３から図５に示す。図３は、実験例に係る振動周波数と振動加速度の関係を示すグラフである。図４は、実施例に係る撮像画を示す図である。図５は、比較例に係る撮像画を示す図である。図３において横軸は振動周波数、縦軸は加速度を示している。また、一点鎖線は除振をしなかった場合を示し、破線は測定機器と測定機器が設置される台との間に防振ゴムを配設した場合を示し、実線は除振手段７０を用いた場合を示している。

（実施例）
図３に示すように、除振手段７０を用いた場合は、除振をしなかった場合（比較例１）及び防振ゴムを用いた場合（比較例２）と比較して、５（Ｈｚ）以上の周波数帯域で加速度が低下していた。２５（Ｈｚ）以上５０（Ｈｚ）以下では、比較例２と比較して加速度は大幅に低下して約１０分の１倍となっており、３０（Ｈｚ）以上５０（Ｈｚ）以下では１０^−６（ｍ／ｓ^２）の値が測定された。また、０（Ｈｚ）以上５（Ｈｚ）未満では、比較例１及び比較例２と比較して加速度が大幅に上昇していた。これは、２５（Ｈｚ）以上の周波数帯域の振動が、０（Ｈｚ）以上５（Ｈｚ）未満の振動に変換されたためと考えられる。このとき、顕微鏡６１でワークＷの上面を測定すると、図４に示すように、撮像画にリップル状のアーチファクトは発生していなかった。

（比較例１）
除振をしなかった場合は、２５（Ｈｚ）以上５０（Ｈｚ）以下の周波数帯域で、加速度として約１０^−４（ｍ／ｓ^２）が測定され、実施例と比較して大幅に上昇しており、高い周波数の振動が大きく発生していた。このとき、顕微鏡で実施例と同じ倍率でワークＷの上面を測定すると、図５に示すように、位相シフト法の演算エラーによるリップル状のアーチファクトが大きく生じる撮像画が形成されていた。

（比較例２）
測定機器と測定機器が設置される台との間に防振ゴムを用いた場合は、除振をしなかった場合と比較して、２５Ｈｚ以上の周波数帯域で加速度が低下し、４０（Ｈｚ）以上５０（Ｈｚ）以下では大幅に低下して１０^−５（ｍ／ｓ^２）の値が測定され約１０分の１倍となっていた。また、１３（Ｈｚ）以上２０（Ｈｚ）以下では、除振をしなかった場合と比較して加速度が大幅に上昇していた。これは、２５（Ｈｚ）以上の周波数帯域の振動が、１３（Ｈｚ）以上２０（Ｈｚ）以下の振動に変換されたためと考えられる。しかしながら、上述した通り、２５（Ｈｚ）以上５０（Ｈｚ）以下では、実施例と比較して加速度は大幅に上昇して約１０倍となっており、高い周波数の振動が実施例よりも発生していた。このとき、顕微鏡で実施例と同じ倍率でワークＷの上面を測定すると、位相シフト法の演算エラーによるリップル状のアーチファクトが生じる撮像画が形成されていた（図５参照）。

このように、除振手段７０を用いることで、除振をしなかった場合及び防振ゴムを用いた場合と比較して、２５（Ｈｚ）以上の周波数帯域の振動を大幅に抑えることができる。また、２５（Ｈｚ）以上の周波数帯域の振動を０（Ｈｚ）以上５（Ｈｚ）未満の振動に変換することができ、防振ゴムを用いた場合よりも振動を低い周波数帯域の振動に変換することができる。このため、振動の周波数を測定に影響を及ぼさない周波数に効果的に変換して、測定に影響のある振動を抑えることができる。

また、例えば、吊り部７５の固有振動数を約５Ｈｚ以下、振動伝達率を−４０ｄＢ以下とすることで測定に影響のある高い周波数帯域の振動を低い周波数帯域に変換させることができた。固有振動数ω［１／ｓ］の計算方法は、Ｚ方向の振動については、スプリング部７５ａのばね定数ｋ［Ｎ／ｍ］、１つの吊り部７５に掛かる測定機器１０の質量ｍ［ｋｇ］を用いて、式（１）のように示すことができる。

スプリング部７５ａのばね定数ｋを例えば４９００［Ｎ／ｍ］とし、測定機器１０の質量ｍを例えば２０［ｋｇ］とすると、１つの吊り部７５に掛かる測定機器１０の質量は、２０［ｋｇ］／４（吊り部の数）＝５［ｋｇ］であるため、固有振動数ωは、４．９８（１／ｓ）となり、約５Ｈｚとなる。この場合、吊り部７５の固有振動数ωを約５Ｈｚ以下とするためには、Ｚ方向の振動に対しては、ばね定数は４９００［Ｎ／ｍ］以下とすることが好ましい。

また、ＸＹ方向の振動は振り子運動になるので、固有振動数（ω［１／ｓ］）の計算方法は、ＸＹ方向の振動については、吊り部７５の長さｌ［ｍ］、１つの吊り部７５に掛かる重力加速度ｇ［ｍ／ｓ^２］を用いて、式（２）のように示すことができる。

吊り部７５の長さｌを例えば０．０１［ｍ］とすると、重力加速度ｇを９．８［ｍ／ｓ^２］であるため、固有振動数ωは、４．９８（１／ｓ）となり、約５Ｈｚとなる。この場合、吊り部７５の固有振動数ωを約５Ｈｚ以下とするためには、ＸＹ方向の振動に対しては、吊り部７５の長さは０．０１ｍより長くすることが好ましい。

なお、固有振動数より高い（大きい）周波数の振動は、振動伝達率を低下させることで減衰させることができる。また、固有振動数を小さくすればするほど、より高い周波数の振動の減衰が可能になる。つまり、高い周波数の振動を減衰させるためには、固有振動数を小さくすれば良い。固有振動数は振動伝達率に比例しており、固有振動数を小さくすれば振動伝達率も小さくなる（マイナス方向に大きくなる）。これらを考慮することにより、本実施の形態に係る吊り部７５においては、測定に影響がある高い周波数の減衰を可能にする固有振動数が設定されている。

上記実施の形態においては、４つの吊り部７５で測定機器１０を上壁プレート７１から吊り下げる構成したが、これに限定されない。測定に影響を及ぼす振動を除去できれば、測定機器１０は４本以外の複数の吊り部７５で吊り下げられていてもよい。

また、上記実施の形態においては、吊り部７５が金属で形成される構成としたが、ＸＹ方向及びＺ方向の振動を抑えることができれば、スプリング部７５ａと直線部７５ｂは異なる材料で形成されていてもよい。たとえば、スプリング部７５ａが金属で形成され、直線部７５ｂは糸等で形成されていてもよい。

また、上記実施の形態においては、吊り部７５がスプリング部７５ａと直線部７５ｂとで形成される構成としたが、ＸＹ方向及びＺ方向の振動の周波数を測定に影響を及ぼさない周波数に変換できれば、吊り部７５はスプリング部７５ａだけで形成されていてもよい。

また、上記実施の形態においては、基台１１と支持柱７３との間にゴム材などの緩衝材を介在させることで、素早く大きい振幅の振動を減衰させることができる。

また、本発明の実施の形態は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらには、技術の進歩又は派生する別技術によって、本発明の技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、本発明の技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。

本実施の形態では、本発明を測定装置に適用した構成について説明したが、振動が発生する他の装置に適用することも可能である。

以上説明したように、本発明は、簡易な機構で測定に影響を及ぼす振動を抑えることができるという効果を有し、特に、ワークを測定する測定装置に有用である。

１測定装置
１０測定機器
１１基台
２０テーブル
３０移動手段
６０撮像手段
６１顕微鏡
７０除振手段
７４フレーム
７５吊り部
７５ａスプリング部（スプリング）
Ｗワーク

Claims

測定するワークを載置するテーブルと、該テーブルに載置されたワークを上から測定する顕微鏡と、該テーブルをＸＹＺ方向に移動させる移動手段と、該顕微鏡と該移動手段とを配設する基台とを備えた測定機器と、該測定機器の測定に影響のある振動の周波数帯域をなくす除振手段とを備える測定装置であって、
該除振手段は、該測定機器を覆うフレームと、該測定機器の重心を中心として放射方向に４か所で該測定機器を該フレームから吊り下げる４つの吊り部と、を備え、
該吊り部は、スプリングを有する測定装置。
該顕微鏡として、二光束干渉顕微鏡を用いた請求項１記載の測定装置。
該測定機器と該フレームとの間に緩衝材を介在させた請求項１または請求項２記載の測定装置。