JP5051567B2

JP5051567B2 - 表面形状変位量の測定装置及び測定方法

Info

Publication number: JP5051567B2
Application number: JP2005373747A
Authority: JP
Inventors: 博八木澤; 貴新井
Original assignee: Japan Atomic Energy Agency
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2005-12-27
Filing date: 2005-12-27
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2025-12-27
Also published as: JP2007178137A

Description

本発明は表面に均一、不均一を問わず変位が発生する可能性のある事象に対し、立方体形状の固体試料(被測定対象物)を用い、事象前の状態の一部を完全に保護することにより、その保護部から事象前後の変位の比較を容易にし、更に表面形状変位量を簡易な専用の三次元測定器を用い表面形状測定を行い、その結果から同一箇所での変位量を演算し、変位量を得るための表面形状変位量の測定方法とその測定装置に関する。

本発明は接触式変位計と試料測定部分との水平調整が不完全な状態のまま被測定対象物の測定を行った場合、走査方向の測定距離が長くなると接触式変位計の測定範囲を逸脱し、測定対象とする部分に測定範囲外の部位が生じる問題に対し、被測定対象物表面の任意に製作した基準となる直進度に優れた溝のラインを測定開始前に連続走査測定することより、測定装置と被測定対象物との間隔を一定に調整する係数を演算し、この係数により接触式変位計と被測定対象物表面に製作した基準の溝のラインが同一間隔となるように高さ方向を調整し、水平調整不良による測定範囲の逸脱防止を目的とした表面形状変位量の測定方法とその測定装置に関する。

本発明は接触式変位計と試料台を同一筺体上に組み込み、相互の相対変位量のずれを緩和するための構造と高精度変位測定を行う際に有害要因となる振動を低減化すること目的とした表面形状変位量の測定方法とその測定装置に関する。

変位量の測定方法は事象前後の変位の比較が一般的であり、手法としては寸法等を正確に加工した試料を用いることや変化しない部分を基準として事象前後の変位量を算出している。

また、従来の表面形状測定方法には変位計に接触式や非接触式を採用した三次元測定器を用いた表面形状を測定する方法がある。(たとえば特許文献1参照。)
これらの三次元測定器を用いることにより被測定対象物の表面形状の測定を正確に測定することが可能である。

変位計にはその測定機種に応じて測定範囲があり、被測定対象物の変位に準じた選定を行う必要がある。また測定装置において連続走査測定を行う場合、測定器(センサ)と被測定対象物の距離は高精度な間隔維持及び移動時の平行度が要求される。

高機能の三次元測定器は定盤上に被測定対象物を積載し、センサヘッドが座標管理されたポイントの測定を駆動しながら測定する方法などがある。またその際定盤の下部には自動水平調整機能を有した除振装置を組み込んだものがある。
特開平６-３４７２２７号公報

事象前に試料の寸法等を正確に把握している場合、試料の表面全域を暴露状態でさらすと均一に変位が発生するときは事象前後で変位の比較はしやすいが、不均一に変位が発生すると変位比較が困難となる。

また、測定基準を明確にした試料を製作した場合、暴露状態において何らかの保護を行わないと基準が不明確となりやすいという課題がある。

接触式変位計を用いた測定において、可動部分の接触子の測定範囲を考えると走査方向に対し被測定対象物と接触式変位計(本体)の間隔が常に一定であることが望ましい。(接触式変位計の接触子部分は除く)しかし、現実的には間隔を一定に調整することは難しく、走査距離が長くなるに従い接触式変位計の測定子が測定範囲を超え、測定できない部位が発生する場合がある。

変位計と試料台とが基準を持たない個々の物体に固定される際に、変位計及び試料台の当該物体に対する相対位置を把握する必要がある。また外部からの振動等による測定不良要因により測定中に微小に変位が発生し、測定値に影響を与える。

物理的または化学的に固体表面に均一、不均一を問わず変位を伴う事象において、被測定対象物である立方体形状の固体試料(おおよそのサイズの最大はW約200mm×D約200mm×H約20mm)に対し、図１に示すように固体試料の直角に交わる側面３，４を精度良く加工し、図６，７に示すようにその角部を平面座標の原点５とする。図４に示すように、この固体試料を積載する測定器の試料台１２には、固体試料の直角５に交わる2側面３，４に密着可能な直角部を持つガイド２６,２７を取付けることにより、測定装置側で図６，７に示す平面座標２９の管理を行う。変位測定の対象である固体試料の上面１には、図１に示すように、平面座標２９の基準となる側面３，４の2面に平行または垂直に交差する2本以上の溝２(幅約3〜5mm、深さ約2〜3mm程度、溝面は高直進度(製作精度5μm以内))を任意の位置に精度良く加工する。

図４に示すように、この試料を用いて専用の三次元測定器の試料台１２にガイド２６,２７と試料の基準となる側面を密着させてセットを行い、専用の冶具(ハンドル付押し板)でこの試料を固定する。図４，５に示すように、水平方向に対し2台の変位計先端２１，２２の幅２５を約10〜30mmに調整し固定する。図５で示すように、高さ方向を溝の製作深さ２３(精度10μm以内)にオフセットした2台の接触式変位計１１，１９，２０のうち、溝面変位計１９の先端部２２が溝面２の溝の中心に位置するように、図７に示す平面座標２９を図１３に示す奥行調整用ステージ１５で調整する。この際、変位計の高さ方向は、測定範囲の中間位置に補助用高さ調整ステージ１７で調整する。図６，７に示すように、この状態で溝２の面と試料上面１を同時に2点以上の測定３０、または図４に示す測定走査用ステージ１４による連続(直線)測定３２を行い、この試料の溝面２と上面１の事象前における三次元データを取得する。また、走査方向が異なる垂直位置の溝及びその周囲の測定においては、図６、７に示すように、試料台に付けた回転ステージ１３を1/4回転３１することにより固体試料のセット位置変更の取外し作業を不要とする。

次に固体試料に付けた交差状の溝２の面及び平面座標２９の基準となる面３，４に対し、図２に示すように、後で取外しができる溝カバーやコーティングテープ、充填剤等の保護材６，７を取付け面の暴露を防止する。ここで保護材の材質、形状は当該事象の特性により選択を行う。

事象完了後、保護材６，７を取外し、事象前に実施した測定方法及び測定装置で再度同一箇所の測定を行う。事象前後の同一箇所８，９のデータを演算(図8)し、変位量を求める。

被測定対象の表面に直進度のある基準となる溝を施した立方体形状の固体試料を測定する場合、図１２に示すように、最初に測定開始位置から測定完了位置まで連続走査測定を仮測定として行う。ここで得られた測定データを元に傾き係数及び走査時の動作特性を演算で算出する。

この係数を試料台の下部に設置した高さ方向を調整するための図１１に示される高さ補正用自動ステージ２８の動作プログラムに距離と変位の係数を組み込むことにより常時接触式変位計と固体試料の溝面を同一間隔に保持し、測定範囲内に収める。

図４に示すように、高分解能を有する接触式変位計と試料台を剛構造（立方体の辺に該当する部分に高剛性の鋼材を用い六面体の測定装置フレームを構成し、そのフレームの適所にサポート材を取付け、各フレームの接合部を溶接した構造）の同一筺体内に組み込み且つ、同一のフレーム１８に設置することでこれらの相対位置を常時担保する。さらに、図１３に示すように、外部からの振動３７に対し、この構造で且つこのフレーム下部に除振装置３６を用いることにより測定不良の要因となる振動を低減する。さらに走査方向に自動測定を行う場合、測定走査用ステージ１４の動作による振動の影響を低減するために動作距離単位(1mm単位)で動作させ、振動が収まるまで3秒間停止後、測定データの取込みを行う制御プログラムを用いる。

本発明においては、次の本発明に特有の顕著な効果を有する。

暴露による事象の変化を受けない測定基準部位を持つ被表面測定対象物と2つの表面形状を同時に測定する変位計を用いることにより、事象前後の表面形状を簡易で正確な測定を行うことができ且つ、同一箇所を比較することにより変位量を容易に測定可能である。

完全な水平調整が行えない試料台且つ、接触式変位計本体と試料台が走査方向に対して平行調整が行えない場合、走査距離に対する変位量の係数を自動ステージの動作プログラムに組み入れることにより、接触式変位計の測定範囲の逸脱を防止できる。

高分解能の接触式変位計を用いた測定で振動等の有害要素を低減でき、且つ精度の高い測定が行える。

本発明は、物理的又は化学的に固体表面に均一、不均一を問わず変位を伴う事象において、被測定対象物である立方体形状の固体試料の表面形状変位量を三次元的に測定する方法において、１）上面からみて固体試料の直角に交わる側面と平行又は直角方向に形成された2本以上の交差した溝が形成された固体試料、２）装置フレームから吊下され、固体試料の溝面及び上面の変位を測定する間隔及び高さに調整可能な溝面用変位計及び上面用変位計、３）固体試料が固定される試料台、４）試料台を測定走査用ステージ及び奥行調整用ステージに沿って移動させ、且つ試料台の高さ方向の調整及び回転が可能な調整機構から構成される装置を使用して、その試料台を測定走査用ステージ及び奥行調整用ステージに沿って移動させ、又は試料台を回転させ、事象前又は事象後の固体試料の溝面及び上面を複数の溝面用変位計及び上面用変位計で測定し、その変位量に基づいて固体試料の表面形状を三次元的に測定する方法である。

又、この方法に使用される装置について図面により以下具体的に説明する。

図１は、事象前の立方体である固体試料の上面１に溝を施した状態を示す図である。図２は、事象前の溝面２及び側面３，４に溝面保護材６及び側面保護材７を施した状態を示す図である。図３は、固体試料が事象後に表面変位を受けた後の上面９及び基準となる溝面8と側面3,4の保護材6,7を取外した状態を示す図である。

図４は、固体試料の溝面と上面を同時に測定する２台の接触式変位計１１を装置フレームに固定した三次元測定器を示す図であり、その変位計が補助用高さ調整ステージ１７により上下動調整が可能であり、又試料台１２が高さ補正用自動ステージ２８により上下動調整が可能であるとともに回転ステージ１３により回転が可能に設計されている。そこで、試料台は、測定走査用ステージ１４及び奥行調整ステージ１５に沿って移動できる構造になっている。

図５は、固体試料の溝面と上面の測定状態を示す図であり、溝面用変位計１９及び上面用変位計２０が水平間隔２５離れて配置され、且つ上下方向に変位計をオフセット間隔２４離し配置されており、それらの接触子２１，２２が溝面２(または8)及び上面１(または10)に接するように設定されている。

図６は、平面座標基準指定によるポイント測定した場合を示す図である。固体試料が、試料台１２に設けられた試料側面ガイド２６及び２７に沿い、且つ固体試料の平面座標基準５を両ガイドの交点に合わせて配置されることにより、固体試料に関する平面座標２９が示される。試料台を試料走査用ステージに沿って左右に移動させ、溝面用変位計接触子を用いて試料溝面及び上面においてポイント測定３０を2箇所で行う。又、180°回転させ、溝面を中心にした未測定部分の試料上面のポイント測定３０又はライン走査測定３２(図７)を行う。更に又、試料台を回転ステージにて90度回転させ、試料台を奥行調整ステージに沿って移動させ、溝面用変位計接触子及び上面用変位計接触子を用いて試料溝面及び上面のポイント測定を行い、この部分に対してもライン走査測定を行う。

図７は、測定走査用ステージ１４及び奥行調整用ステージ１５を用いて自動的に連続測定した場合を示す図である。本測定は図6に示す方法よりも簡易測定向きであるが、測定の誤差も大きくなる。そのため連続測定は、通常測定範囲の逸脱を防止するための事前測定であり、直接測定には関与しないことを前提とする。固体試料が平面座標基準５に基づいて試料台の平面座標２９上に固定された後、試料台を試料走査用ステージに沿って連続的に移動させ、溝面用及び上面用変位計接触子を用いて固体試料の溝面及び上面のライン走査測定３２を行う。又試料台を回転ステージにて90度回転させ、試料台を奥行調整ステージに沿って連続的に移動させ、溝面用変位計接触子及び上面用変位計接触子を用いて試料溝面及び上面のライン走査測定を行う。

図8は、事象前後の変位量を演算するためのフロー図であり、そのフローに沿って下記の確認、測定及び算出を行う。

１）測定前確認として、溝面用変位計と上面用変位計との間の変位計水平間隔、及び溝面用変位計と上面用変位計との変位計オフセット間隔の測定からなる、センサ幅方向及びセンサ高さ方向の間隔測定を行う。

２）事象前測定として、１）で間隔測定が行われた溝面用変位計及び上面用変位計を使用して、固体試料の溝面について、平面座標２９に基づいて、溝面の座標点（Ｘ１，Ｙ１）等及びその点の粗さデータＺ１を測定する。又、固体試料の上面（表面）に関しても上面用変位計を使用して平面座標２９に基づいて上面の特定座標点について測定を行う。

３）事象後測定として、上記２）の測定点について、両変位計を使用して同一位置(Ｘ１，Ｙ１)の測定を行う。

４）測定後のセンサ初期状態のずれの確認として、溝面用変位計と上面用変位計との間の変位計水平間隔、及び溝面用変位計と上面用変位計との変位計オフセット間隔の測定からなる、センサ幅方向及びセンサ高さ方向の間隔測定を行う。

５）事象前後の測定値に基づいて変位量の算出を行うことにより測定点ごとの変位量を算出する。

図９は、変位計接触子２１または２２と被測定対象物の理想的なセッティング状態を示す図であり、２箇所の平行時の間隔３４が一定であり、変位計接触子２１の先端が事象前後の溝面２，８における測定範囲３３内にある測定であることを示している。

図１０は、変位計接触子と被測定対象物の現実的なセッティング状態を示しており、平行時間隔３４に対してずれによる間隔３５が生ずるが、接触子を補助用高さ調整用ステージ１７の上下動により接触子先端を測定範囲内にある測定に調整できることを示している。

図１１は、接触子及び事象前後の溝面の高さ方向を自動調整する場合を示す図であり、平行時の間隔３４を維持するために、接触子を上下動させるだけでなく、高さ補正用自動ステージ２８も上下動させて高さ方向を自動調節することにより、測定範囲内の測定に調整できることを示している。

図１２は、走査方向のずれによる高さ方向補正用係数を演算するフロー図である。ステージ用制御及び計測ソフトを使用して、測定の基準となる溝面に対して(上面は成り行き)測定開始位置から測定完了位置まで連続走査測定を行い、測定機器の特性データを取得する。測定結果は表計算ソフトに出力する。そのソフトにより、傾きによる単純補正係数及び走査時機械特性によるゆがみ等の解析／演算を行う。この解析／演算結果に基づいて、ステージ用制御ソフトの測定走査用ステージ制御プログラムを修正する。この修正されたステージ用制御及び計測ソフトを使用して実測測定を開始する。

図１３に示すように、溝面用接触子２１及び上面用接触子２２を備えた接触式変位計１１が、上下動可能な補助用高さ調整ステージ１７を介して装置フレーム１８に固定されている。試料台１２が高さ補正用自動ステージ２８上に設けられ、上下動の調整が可能であるとともに、このステージが測定用走査ステージ１４及び奥行調整ステージ１５により左右方向及び奥行方向に移動できる構造になっている。又、上記ステージ２８が回転ステージ３１により水平回転できるので、接触式変位計の接触子を縦方向の試料の溝及び上面の測定にも使用できる構造になっている。

図１４は、振動を低減するための制御用プログラムを示す図である。測定開始から初期の測定箇所へ走査ステージを1mm動作させ、その後3秒程度振動の減衰、除振を行うために停止する。その後その位置で測定を開始し、測定時間内にデータの取得を任意数で行う。その後次の座標へ1mm移動し、同様の動作を行う。

本発明にて測定を実施した結果を下記の図１５に示す。本図は溝面と表面を同時に測定したものであり、事象実施前と事象実施後の変位について示すものである。

横軸に走査距離を縦軸に変位量を示し、あらかじめ溝面と上面の高さ方向の変位計オフセット間隔値は除外しており、且つ、測定時の傾斜及び装置特性は考慮済みとしており溝面に対する表面の変位を目視化したものである。

このデータによると、固体試料の事象前上面形状は、測定方向に５０ｍｍまで下降気味であり、５０〜６５及び７５〜８５ｍｍの範囲がこのラインと直角に交わる溝(2箇所)であり、６５〜７５及び８５〜１１０ｍｍの範囲において固体試料の上面形状が示されている。

事象後上面形状は、事象前上面形状に比べ５〜７μｍほど全体的に上面が損耗状態であることが示されている。

事象後溝面形状は、ほぼ同等なラインをしめしており、事象前後でほとんど変位がないことを示している。若干の変位量は接触式変位計の分解能によるものと推定されるため、誤差の範囲内であり、高分解能の変位計を採用することで限りなく同一となることが予想される。

今回、事象前のデータと事象後のデータで事象後のラインに凹凸が多く発生している要因は測定間隔のピッチが異なることに起因しており、事象前は5mm、事象後は1mmで測定しているために発生したものである。(本来であれば事象前を1mmとすべきであったが、この1mmデータがなかったため5mm間隔で測定したものを1mmデータとして補正して示した。)

本発明は、化学薬品等の化学変化による試験片の表面変位量測定やブラスト等の物理変化による試験片の表面変位量測定に使用することが可能である。

立方体である固体試料の2側面及び上面に溝を施した立体図である。溝面及び側面に保護材を施した状態の概念図である。固体試料が事象後に表面変位を受けたあとの概念図である。試料の溝面と上面を同時に測定する2台の接触式変位計を備える三次元測定器の概念図である。試料の溝面と上面の測定状態を示す側面図である。座標指定によるポイント測定した場合の概念図である。自動ステージによる連続測定をした場合の概念図である。事象前後の変位量を演算するためのフロー図である。接触式変位計と被測定対象物の理想なセッティング状態図である。接触式変位計と被測定対象物の現実的なセッティング状態図である。高さ方向を自動調整する際の概念図である。走査方向のずれによる高さ方向補正用係数を演算するためのフロー図である。振動低減用のシステム配置図である。振動を低減するための制御用のプログラムの概念図である。事象前後の上面形状及び溝面形状を示す図である。

1 事象前試料上面 29 平面座標
2 事象前試料溝面 30 ポイント測定(例)
3 事象前試料側面Ａ 31 回転ステージ(90°,180°回転用)
4 事象前試料側面Ｂ 32 ライン走査測定
5 平面座標基準 33 測定範囲(±Ａ)
6 溝面保護材 34 平行時間隔(Ｘ)
7 側面保護材 35 ずれによる間隔
8 事象後溝面 36 除振装置
9 事象後上面 37 外部振動
10 事象前上面
11 接触式変位計：2台
12 試料台
13 回転ステージ
14 測定走査用ステージ
15 奥行調整ステージ
16 走査方向
17 補助用高さ調整ステージ
18 装置フレーム
19 溝面用変位計
20 上面用変位計
21 溝面用変位計接触子
22 上面用変位計接触子
23 溝部高さ
24 変位計オフセット間隔
25 変位計水平間隔
26 試料側面Ａ用ガイド
27 試料側面Ｂ用ガイド
28 高さ補正用自動ステージ

Claims

物理的または化学的に固体表面に均一、不均一を問わず変位を伴う事象において、被測定対象物である立方体形状の固体試料に対し、変位測定の対象を固体試料の上面とする場合、固体試料の上面からみて直角に交わる側面に対しその側面に平行または垂直である2本以上の交差した溝を上面に精度良く加工し、その溝面を基準として固体試料表面上における平面座標において事象前後の試料上面の形状(変位量)を測定し、その際、固体試料に加工した2本以上の交差した溝の面及び表面座標の基準となる側面に対し、事象後に取外し可能である保護材を取付け、事象による溝面と表面座標の基準となる側面の変位を防止し、固体試料に付けた2本以上の交差した溝の面と上面とを同時に変位測定でき、かつ固体試料の上面において溝から同一間隔の任意の位置で該溝と平行に変位を測定できるよう間隔調整機構を備えて並列に並べられ、且つ溝深さ方向に高さをオフセットした2台の接触式変位計を用いて測定が行われ、更に試料台に付けた回転ステージによる1/2及び1/4回転動作機能により固体試料の反転動作及び固体試料に加工された交差した溝による固体試料の測定位置の変更を簡易としたことを特徴とする三次元測定により固体試料の表面形状変位量を測定する方法。
接触式変位計本体と被測定対象物の表面に付けた基準となる溝面の高さが走査方向に対し、初期値がＸであり、接触式変位計の測定範囲が±Ａである場合、被測定対象物の測定走査距離が長くなるにつれ、Ｘの高さがＸ−Ａ未満またはＸ＋Ａを超える可能性がある測定において、接触式変位計の測定範囲を逸脱しないよう接触式変位計本体と溝面との距離を補正するための、走査距離に対する溝面の高さの変位に関する傾き係数を測定により事前に求め、この傾き係数により接触式変位計本体と溝面との距離を常時同一間隔(平行)に補正するように前記溝面に対して前記接触式変位計を高さ方向に移動させる機構を備えたことを特徴とする請求項1に記載の方法。
フレームから構成された剛構造の筺体において、フレーム下部に設置した三次元方向に駆動可能な装置、その装置の上部に積載した試料台、及びフレーム上部に固定した接触式変位計本体により、試料台と接触式変位計本体との間の距離を一定に保持できるようにし、外部振動を筺体下部に組み込んだ除振装置により低減させると共に、前記三次元方向に駆動可能な装置による走査動作による連続動作測定で発生する測定走査用ステージの動作振動による測定への影響を制御プログラムによる測定動作により低減させることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の方法。
物理的または化学的に固体表面に均一、不均一を問わず変位を伴う事象において、被測定対象物である立方体形状の固体試料の表面形状変位量を三次元的に測定する装置であって、
前記固体試料は、変位測定の対象である上面と、該上面からみて直角に交わる側面に対し該側面に平行または垂直である2本以上の交差した、溝面を有する溝と、を備えるものであり、
前記装置は、
前記固体試料が載置される試料台と、
前記固体試料の前記溝面及び前記上面の変位の同時測定を可能とした変位計であって、該変位計は、前記溝面の高さ方向の変位を検出するための溝面用変位計と前記上面の高さ方向の変位を検出するための上面用変位計とを備え、該上面用変位計は前記溝面用変位計に対して幅方向の間隔を調整可能に配置され且つ深さ方向に高さをオフセットされている、前記変位計と、
前記変位計の高さ方向の位置を調整するように該変位計を高さ方向に移動させるための補助用高さ調整ステージと、
前記試料台の高さ方向の位置を調整するように該試料台を高さ方向に移動させるための高さ補正用自動ステージと、
前記変位計による変位測定位置を変えるように前記試料台を走査方向に移動させるための測定走査用ステージと、
前記試料台の奥行方向の位置を調整するように該試料台を奥行方向に移動させるための奥行調整ステージと、
前記固体試料の反転及び交差した溝による該固体試料のセット位置変更を簡易にするため前記試料台を1/2回転及び1/4回転させることを可能とする回転ステージと、
を備える装置。