JP2021067648A - 測定用プローブ - Google Patents
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Abstract
Description
測定物の表面を走査することにより、前記測定物の表面の三次元形状等を測定する測定用プローブであって、
スタイラスを有する第1可動部と、
Z方向に移動可能に前記第1可動部と連結される第2可動部と、
内部に前記第2可動部を収容する空間が設けられ、前記Z方向に移動可能に前記第2可動部と連結される第3可動部と、
前記第1可動部の前記Z方向における第1位置を測定する第1位置測定部と、
前記第2可動部の前記Z方向における第2位置を測定する第2位置測定部と、
前記第3可動部の前記Z方向における第3位置を測定する第3位置測定部と、
を備え、
第1相対位置は、前記第1位置と前記第2位置とに基づいて算出され、
第2相対位置は、前記第1位置と前記第3位置とに基づいて算出され、
前記第1可動部に対する前記第2可動部の前記Z方向における前記第1相対位置と、前記第1可動部に対する前記第3可動部の前記Z方向における前記第2相対位置と、が一定に維持される。
高精度な測定を行う形状測定装置において、高精度測定のニーズが高まっており、特許文献1のように、プローブを用いて測定する測定手法が提案されている。特許文献1では、可動部を0.2gという軽量なエアスライダで構成し、マイクロスプリングで支持することにより、測定物への圧力を30mgf以下に抑制することができる。また、特許文献2のように、2つの計測手段の信号データを加減算して測定位置を得る手法も提案されている。
測定物の表面を走査することにより、前記測定物の表面の三次元形状等を測定する測定用プローブであって、
スタイラスを有する第1可動部と、
Z方向に移動可能に前記第1可動部と連結される第2可動部と、
内部に前記第2可動部を収容する空間が設けられ、前記Z方向に移動可能に前記第2可動部と連結される第3可動部と、
前記第1可動部の前記Z方向における第1位置を測定する第1位置測定部と、
前記第2可動部の前記Z方向における第2位置を測定する第2位置測定部と、
前記第3可動部の前記Z方向における第3位置を測定する第3位置測定部と、
を備え、
第1相対位置は、前記第1位置と前記第2位置とに基づいて算出され、
第2相対位置は、前記第1位置と前記第3位置とに基づいて算出され、
前記第1可動部に対する前記第2可動部の前記Z方向における前記第1相対位置と、前記第1可動部に対する前記第3可動部の前記Z方向における前記第2相対位置と、が一定に維持される。
前記第1可動部と前記第2可動部とを連結する第1スプリングと、
前記第2可動部と前記第3可動部とを連結する第2スプリングと、
を備えていてもよい。
前記第2位置測定部は、第2光源を含み、
前記第3位置測定部は、第3光源を含み、
前記第1光源、前記第2光源、および前記第3光源はそれぞれ、前記Z方向に平行に光が発射されるよう配置されてもよい。
請求項1ないし6のいずれか1項に記載の測定用プローブを備える。
[形状測定装置の全体構成]
図1は、本開示の実施の形態1にかかる測定用プローブを備える形状測定装置の全体構成図である。図2は、図1の形状測定装置の概略構成を示すブロック図である。なお、本実施の形態において、X方向は幅方向、Y方向は奥行方向、Z方向は高さ方向を示す。
図3および図4を参照して、本開示の測定用プローブ1の構成を示す。図3は、図1の形状測定装置に搭載される測定用プローブの模式図である。図4は、図1の形状測定装置に搭載される測定用プローブの概略構成を示す図である。
第1可動部12は、図4に示すように、エアスライダ19と、エアスライダ19の一端に配置されたスタイラス20と、エアスライダ19の他端に配置された第1ミラー21とを有する。第1可動部12のエアスライダ19は、第3可動部14のエア軸受部23に挿入され、Z方向に移動可能である。測定用プローブ1における測定子であるスタイラス20は、Z方向に移動可能であり、XY方向に剛性を持つエアスライダ19により支持されている。エアスライダ19の可動部分は、短冊状の第1スプリング22により自重を支持されている。第1スプリング22は、第1可動部12と第2可動部13とを移動可能に連結している。エアスライダ19は、3〜15μmのエアギャップによりXY方向の剛性を維持し、第3可動部14のエア軸受部23に挿入されている。
第2可動部13は、Z方向に移動可能に第1可動部12と連結され、後述する第3可動部14の空間24に収容されている。第2可動部13は、第2ミラー25を有し、第3可動部14の空間24において、第2可動部13と第3可動部14とを連結する第2スプリング34により第3可動部14と移動可能に連結されている。第2可動部13は、中空のカップ状のカップスライダ40を有し、カップスライダ40がZ方向に移動可能に構成されている。カップスライダ40は、3〜15μmのエアギャップによりXY方向の剛性を維持し、第3可動部14のエア軸受部41に挿入されている。すなわち、第2可動部13は、第2スプリング34により、Z方向に移動可能にその自重を支持されている。また、第2可動部13のカップスライダ40の底に設けられた支持球42により第1スプリング22が支持されている。したがって、第2可動部13は、第1可動部12を第1スプリング22および支持球42により支持している。第2可動部13は、自重が約5gと軽量であり、Z方向に高速に移動可能である。後述するように第3可動部14の質量は約2kgであり、第2可動部13の質量は、第3可動部14の質量の1/100以下であるとよい。好ましくは、第2可動部13の質量は、第3可動部14の質量の1/200以下であるとよい。さらに好ましくは、第2可動部13の質量は、第3可動部14の質量の1/400以下であるとよい。
第3可動部14は、内部に第2可動部13を収容する空間24が設けられ、Z方向に移動可能に第2可動部13と連結される。第3可動部14は、内部に空間24が形成された有底の筒状である。第3可動部14の底部には、第1可動部12のエアスライダ19をZ方向に移動可能に保持するエア軸受部23が設けられている。第3可動部14の内底、すなわち底の第2可動部13が配置される側には、第2スプリング34が配置されている。第2スプリング34は、第3可動部14の内部の空間24に収容された軽量な第2可動部13の自重をZ方向の上方に支持している。すなわち、第2可動部13と第3可動部14とは、第2スプリング34により移動可能に連結されている。第3可動部14のZ方向の座標は、第3位置測定部17の第3光源30からのレーザ光31を、第3ミラー47に集光した光を干渉計により測定することにより求められる。第3可動部14は、リニアモータ18によりZ方向に駆動される。リニアモータ18は、マグネット38とコイル39により構成されている。また、第3可動部14の自重は約2kgであり、図示されていないセラミックステージにより真直度が10nm以下となるよう構成されている。
第1位置測定部15は、第1可動部12のZ方向における第1位置L1(図3参照)を測定する。第1位置測定部15は、第1光源26を有し、第1光源26からのレーザ光27を第1ミラー21に反射させることにより第1可動部12のZ方向における第1位置L1を測定する。すなわち、第1位置L1は、第1ミラー21のZ方向の位置である。第1位置測定部15は、図4に示すように、第1光源26からのレーザ光27を、第3可動部14に固定されたレンズ33を通して第1ミラー21に照射することにより、第1ミラー21のZ方向の位置を測定し、第1位置L1を決定する。測定された第1位置L1の情報は、測定物9の形状測定データとして使用される。また、第1位置測定部15には、半導体レーザ光学系が設けられている。半導体レーザ光学系は、図示されていないダイクロックミラーにより周波数安定化He−Neレーザ4とは波長の異なる半導体レーザの光を第1ミラー21に照射することにより、第1ミラー21の初期絶対高さを測定する。
第2位置測定部16は、第2可動部13のZ方向における第2位置L2を測定する。第2位置測定部16は、第2光源28のレーザ光29が、第3可動部14に設けられたレンズ32を通して第2ミラー25に反射されることにより、図示されていない干渉計において第2可動部13のZ方向における第2位置L2を測定する。すなわち、第2位置L2は、第2ミラー25のZ方向の位置である。
第3位置測定部17は、第3可動部14のZ方向における第3位置L3を測定する。第3位置測定部17は、第3光源30からのレーザ光31を第3可動部14に設けられた第3ミラー47に反射させることにより、図示されていない干渉計において第3可動部14のZ方向における第3位置L3を測定する。すなわち、第3位置L3は、第3ミラー47のZ方向の位置である。
測定用プローブ1は、第3可動部14をZ方向に駆動する第2駆動部18と、第2可動部13をZ方向に駆動する第1駆動部37とを有する。なお、第1駆動部37は前述のVCM37に相当し、第2駆動部18は前述のリニアモータ18に相当する。VCM37が第2可動部13をZ方向に駆動し、リニアモータ18が第3可動部14をZ方向に駆動する。すなわち、第1駆動部37は第2可動部13をZ方向に駆動し、第2駆動部18は第3可動部14をZ方向に駆動する。
測定用プローブ1から測定物9に加わる測定力は、スタイラス20が測定物9に接触したときの、スタイラス20を支持する第1スプリング22のたわみ量に基づいて制御する。低い測定力を安定して実現するために、第1スプリング22に加わる力、および第2スプリング34に加わる力の両方を制御する。第1スプリング22および第2スプリング34に加わる力を検出するには、第1スプリング22および第2スプリング34の変形量をナノメートルオーダーの高精度かつ高安定に測定する。
MF=KA×{(Z2−Z4)−(Z2Z−Z4Z)}
図7〜図14を参照して、本開示の測定用プローブ1を用いて測定したサンプルデータ例を示す。図7は、15mgfの測定力による測定結果を示すグラフである。図8は、1.7mgfの測定力による測定結果を示すグラフである。図9は、図7のグラフの横軸の範囲を小さくしたグラフである。図10は、図9のグラフの領域P1を拡大したグラフである。図11は、図9のグラフの領域P2を拡大したグラフである。図12は、図8のグラフの横軸の範囲を小さくしたグラフである。図13は、図12のグラフの領域P3を拡大した図である。図14は、図12のグラフの領域P4を拡大したグラフである。図7〜図14において、縦軸Zdは、設計形状とZ方向との差を示し、横軸はX座標を示す。また、測定物としてR5.55mmの球を使用し、X方向に60°まで測定を実施した。測定条件は、速度1mm/s、ピッチ0.001mmである。
本開示の測定用プローブ1によると、第1可動部12、第2可動部13、第3可動部14、第1位置測定部15、第2位置測定部16、第3位置測定部17、第1駆動部37、および第2駆動部18を備え、プローブの測定力の低減と、プローブの高速応答とが可能になる。
9 測定物
12 第1可動部
13 第2可動部
14 第3可動部
15 第1位置測定部
16 第2位置測定部
17 第3位置測定部
18 リニアモータ
19 エアスライダ
20 スタイラス
21 第1ミラー
22 第1スプリング
23 エア軸受部
24 空間
25 第2ミラー
26 第1光源
27 レーザ光
28 第2光源
29 レーザ光
30 第3光源
31 レーザ光
34 第2スプリング
37 VCM
L1 第1位置
L2 第2位置
L3 第3位置
R1 第1相対位置
R2 第2相対位置
Claims (7)
- 測定物の表面を走査することにより、前記測定物の表面の三次元形状等を測定する測定用プローブであって、
スタイラスを有する第1可動部と、
Z方向に移動可能に前記第1可動部と連結される第2可動部と、
内部に前記第2可動部を収容する空間が設けられ、前記Z方向に移動可能に前記第2可動部と連結される第3可動部と、
前記第1可動部の前記Z方向における第1位置を測定する第1位置測定部と、
前記第2可動部の前記Z方向における第2位置を測定する第2位置測定部と、
前記第3可動部の前記Z方向における第3位置を測定する第3位置測定部と、
を備え、
第1相対位置は、前記第1位置と前記第2位置とに基づいて算出され、
第2相対位置は、前記第1位置と前記第3位置とに基づいて算出され、
前記第1可動部に対する前記第2可動部の前記Z方向における前記第1相対位置と、前記第1可動部に対する前記第3可動部の前記Z方向における前記第2相対位置と、が一定に維持される、
測定用プローブ。 - さらに、
前記第1可動部と前記第2可動部とを連結する第1スプリングと、
前記第2可動部と前記第3可動部とを連結する第2スプリングと、
を備える、
請求項1に記載の測定用プローブ。 - 前記第2可動部の質量が前記第3可動部の質量の1/100以下である、
請求項1または2に記載の測定用プローブ。 - 前記第1位置測定部、前記第2位置測定部、および前記第3位置測定部が、前記測定用プローブの内部に画定される空間に設けられている、
請求項1ないし3のいずれか1項に記載の測定用プローブ。 - 前記第1位置測定部は、第1光源を含み、
前記第2位置測定部は、第2光源を含み、
前記第3位置測定部は、第3光源を含み、
前記第1光源、前記第2光源、および前記第3光源はそれぞれ、前記Z方向に平行に光が発射されるよう配置される、
請求項4に記載の測定用プローブ。 - 前記測定用プローブは、前記第1相対位置と前記第2相対位置とを、予め記憶された所定の位置にリセットされる、
請求項1ないし5のいずれか1項に記載の測定用プローブ。 - 請求項1ないし6のいずれか1項に記載の測定用プローブを備える、
形状測定装置。
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