JP7393653B2 - 測定装置 - Google Patents

Description

本発明は測定装置に係り、特に被測定物の表面の形状、粗さ又は輪郭等を測定するための測定装置に関する。

被測定物の表面の形状、粗さ又は輪郭等を測定するための測定装置が知られている。例えば、特許文献１には、測定アームの先端に突設されたスタイラスを被測定物の測定対象面に当接させて走査し、スタイラスの微小上下動を検出することにより、被測定物の測定対象面の表面性状を測定する表面性状測定装置が開示されている。特許文献１に記載の表面性状測定装置では、測定アームが回転軸を支点として上下方向に揺動（円弧運動）可能に支持されている。そして、測定アームが揺動する方向に沿うスケール目盛りを有するスケールを用いて、測定アームの揺動による回転角を検出するようになっている。

特開２０２０－００３４３６号公報

上記のような測定装置では、環境温度が変化すると、測定アームの長さが熱膨張により変化してしまう。そのため、スタイラスの変位の測定結果が環境温度に起因して変動してしまうという問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、環境温度が測定結果に及ぼす影響を抑制することができる測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る測定装置は、被測定物の表面の測定を行うための触針が設けられており、被測定物の表面の形状に応じて揺動中心の回りに揺動可能に取り付けられた触針部と、触針部の揺動による変位を測定するためのスケールと、スケールの目盛りを読み取るためのスケールヘッドと、揺動中心と、スケールヘッドとをつなぐ接続部とを備え、触針部、スケール及び接続部の熱膨張係数をそれぞれ、α、γ及びδとした場合に、（α＋γ）－１／２α≦δ≦（α＋γ）＋１／２αの条件を満たす。

本発明の第２の態様に係る測定装置は、第１の態様において、触針部及び接続部の熱膨張係数が、α＝δの条件を満たす。

本発明の第３の態様に係る測定装置は、第１の態様において、触針部、スケール及び接続部の熱膨張係数が、δ＝α＋γの条件を満たす。

本発明の第４の態様に係る測定装置は、第１から第３の態様のいずれかにおいて、触針部、スケール及び接続部のうちの少なくとも１つが、熱膨張係数が異なる複数の部材により形成されており、上記の条件を満たすように、上記の複数の部材の材料及び長さが調整されている。

本発明によれば、環境温度が測定結果に及ぼす影響を抑制することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る測定装置を示す図である。 図２は、測定装置の各部の動作を簡略化して示す図である。 図３は、変形例３に係る測定装置を示す図である。 図４は、本発明の第２の実施形態に係る測定装置を示す図である。 図５は、本発明の第３の実施形態に係る測定装置を示す図である。

以下、添付図面に従って本発明に係る測定装置の実施の形態について説明する。

［第１の実施形態］
（測定装置）
まず、本発明の第１の実施形態に係る測定装置の構成について、図１を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る測定装置を示す図である。以下の説明では、ＸＹ平面を水平面とし、Ｚ方向を垂直方向（鉛直方向）とする３次元直交座標系を用いる。

測定装置１０は、被測定物Ｗの表面の形状、粗さ又は輪郭等を測定するための装置である。測定装置１０は、コラム（不図示）に取り付けられ、コラムに設けられたアクチュエータ（不図示）により、コラムに対してＸＹＺ方向に移動可能となっている。測定装置１０が取り付けられるコラムは、被測定物Ｗが載置されるテーブル（不図示）に固定されている。

図１に示すように、測定装置１０は、触針部１４、アーム部１６、揺動軸２０、スケール２２、スケールヘッド固定部２４及びスケールヘッド２６を備える。なお、測定装置１０の外装（筐体等）については図示を省略する。

触針部１４は、アーム部１６に対して略一直線状になるように固定されており、触針部１４及びアーム部１６は、揺動軸２０の回りに一体的に揺動可能に取り付けられている。揺動軸２０は、ＸＹ平面に略平行となるように測定装置１０のコラムに対する取付角度が調整されている。以下、触針部１４及びアーム部１６を揺動部１８という。なお、揺動部１８の構成は図１に示した略一直線状の例に限定されるものではなく、例えば、触針部１４又はアーム部１６がＬ字状の折れ曲がり部を有し、触針部１４とがアーム部１６が略平行になるように取り付けられていてもよい。

触針部１４の先端には、触針１２が設けられている。触針１２は、図中下方（－Ｚ方向）に伸びている。テーブルに載置された被測定物Ｗの表面に触針１２を所定の圧力で接触させると、接触位置における被測定物Ｗの表面の高さ及び凹凸に応じて揺動部１８が揺動軸２０の回りに揺動する。なお、触針部１４の構成は図１に示した例に限定されるものではない。例えば、触針部１４の図中上下方向に触針が設けられたＴ字スタイラス、又は図中下方への触針の突き出し量が図１に示した例よりも長いＬ字スタイラスであってもよい。

アーム部１６の基端部側には、スケール２２が取り付けられており、揺動部１８の揺動に応じて変位する。スケール２２は、直線状のリニアスケール（線形位置スケール）であり、スケール２２の長さ方向に沿ってスケール目盛りが形成されている。スケール２２は、その長さ方向（変位検出方向）が揺動部１８の軸方向（ＡＸ方向）に垂直になるように取り付けられている。

スケールヘッド２６は、揺動部１８の揺動に応じてスケール２２の変位を読み取る装置である。スケールヘッド２６の種類は特に限定されないが、スケールヘッド２６としては、例えば、スケール目盛りを読み取るための光電センサ又は撮像素子を備える非接触式のセンサを用いることができる。

スケールヘッド固定部２４は、スケールヘッド２６と、揺動軸２０とが固定される部材（例えば、金属製等）である。スケールヘッド固定部２４は、揺動軸２０の揺動中心２０Ｃとスケールヘッド２６とをつなぐ（揺動軸２０の揺動中心２０Ｃとスケールヘッド２６との間の距離を規定する）部材であり、本発明の接続部の一例である。

本実施形態では、触針部１４、スケール２２及びスケールヘッド固定部２４の熱膨張係数（線熱膨張係数）をそれぞれα、γ及びδとした場合に、δ＝α＋γの条件を満たすように各部材の材料が選定されている（詳細後述）。

測定装置１０には、制御装置５０が接続されており、スケールヘッド２６によって読み取られたスケール２２の変位は、制御装置５０に出力される。制御装置５０は、コラムに設けられたアクチュエータを制御して、被測定物Ｗと測定装置１０の触針１２とを相対移動させながら、被測定物Ｗの表面の位置ごとの変位の検出信号を取得する。これにより、被測定物Ｗの表面の形状、粗さ又は輪郭等を測定することができる。

図１に示すように、制御装置５０は、制御部５２、入力部５４及び表示部５６を備える。制御装置５０としては、例えば、パーソナルコンピュータ又はワークステーション等を用いることができる。

制御部５２は、制御装置５０の各部を制御するためのＣＰＵ（Central Processing Unit）、制御装置５０等のための制御プログラムが格納されるメモリ（例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）等）及び各種のデータが格納されるストレージ（例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等）を備える。制御部５２は、入力部５４からの操作入力に応じて、制御装置５０の各部を制御するための制御信号を出力し、かつ、測定装置１０を制御するための制御信号及び測定装置１０を移動させるためのアクチュエータ等を制御するための制御信号等を出力する。

入力部５４は、操作者からの操作入力を受け付けるための装置であり、例えば、キーボード、マウス、タッチパネル等を備える。

表示部５６は、画像を表示するための装置であり、例えば、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）である。表示部５６には、例えば、制御装置５０、測定装置１０及びアクチュエータ等の操作のためのＧＵＩ（Graphical User Interface）及び被測定物Ｗの表面の形状、粗さ又は輪郭等の測定結果等が表示される。

（環境温度が測定結果に及ぼす影響）
次に、環境温度が測定結果に及ぼす影響を抑制するための構成について、図２を参照して説明する。図２は、測定装置の各部の動作を簡略化して示す図である。

図２（ａ）は、揺動部１８の軸ＡＸが水平な状態（基準位置θ＝０）を示しており、図２（ｂ）及び図２（ｃ）は、揺動部１８が基準位置から角度θ傾いた状態を示している。そして、図２（ｃ）は、図２（ｂ）において揺動部１８及びスケールヘッド固定部２４が熱膨張した状態を示している。

環境温度Ｔが基準温度Ｔ_０の場合の触針部１４の先端部１４Ｅ（被測定物Ｗの表面に接触する触針１２の先端位置に対応する位置）から揺動部１８の揺動中心２０Ｃまでの距離ＬをＬ_０、揺動部１８の揺動中心２０Ｃからスケールヘッド２６までの距離ＲをＲ_０とする。図中の符号２６Ｐは、スケールヘッド２６により読み取られたスケール２２上の位置であるスケールヘッド読み取り点である。

図２（ｂ）に示すように、揺動部１８が基準位置から角度θ傾いてスケール２２が符号２２Ｒの位置まで移動した場合、触針部１４の先端部１４Ｅの変位ｘ_１と、スケールヘッド２６の検出変位ｙ_１は下記の式（１）及び式（２）により表される。

ｘ_１＝Ｌ_０・ｓｉｎθ ・・・（１）
ｙ_１＝Ｒ_０・ｓｉｎθ ・・・（２）
式（１）及び式（２）から下記の式（３）が得られる。

ｘ_１＝（Ｌ_０／Ｒ_０）ｙ_１ ・・・（３）
図２（ｃ）に示すように、環境温度ＴがＴ＝Ｔ_０＋ΔＴに変化すると、アーム部１６及びスケール２２は、それぞれ符号１６Ｅ及び２２Ｅのようになる。この場合、距離Ｌ及びＲは、下記の式（４）及び式（５）のように変化する。

Ｌ＝Ｌ_０（１＋αΔＴ） ・・・（４）
Ｒ＝Ｒ_０（１＋δΔＴ） ・・・（５）
このとき、触針部１４の先端部１４Ｅの変位ｘ_Ｔは、下記の式（６）により表される。

ｘ_Ｔ＝Ｌ・ｓｉｎθ＝Ｌ_０・ｓｉｎθ（１＋αΔＴ） ・・・（６）
一方、スケールヘッド２６の空間的な変位ｙ_ｇｅｏは下記の式（７）により表される。

ｙ_ｇｅｏ＝Ｒ・ｓｉｎθ＝Ｒ_０・ｓｉｎθ（１＋δΔＴ） ・・・（７）
スケール２２の熱膨張を考慮すると、スケールヘッド２６により実際に観測される検出変位ｙ_ｏｂｓは、下記の式（８）により表される。

ｙ_ｏｂｓ＝ｙ_ｇｅｏ／（１＋γΔＴ）
ｙ_ｏｂｓ＝Ｒ_０・ｓｉｎθ（１＋δΔＴ）／（１＋γΔＴ） ・・・（８）
式（３）から、検出変位ｙ_ｏｂｓから表される触針部１４の先端部１４Ｅの変位ｘ_Ｆは、下記の式（９）により表される。

ｘ_Ｆ＝（Ｌ_０／Ｒ_０）ｙ_ｏｂｓ
ｘ_Ｆ＝Ｌ_０・ｓｉｎθ（１＋δΔＴ）／（１＋γΔＴ） ・・・（９）
式（６）及び式（９）から、環境温度ＴがＴ＝Ｔ_０＋ΔＴに変化したことによる触針部１４の先端部１４Ｅの変位の真の値ｘ_Ｔと計算値ｘ_Ｆとの誤差ｘ_ｅｒｒは、下記の式により表される。

ｘ_ｅｒｒ＝ｘ_Ｔ－ｘ_Ｆ・・・（１０）
ｘ_ｅｒｒ＝Ｌ_０・ｓｉｎθ｛（１＋αΔＴ）－（１＋δΔＴ）／（１＋γΔＴ）｝
ｘ_ｅｒｒ＝Ｌ_０・ｓｉｎθ（αΔＴ＋γΔＴ＋αγΔＴ^２－δΔＴ）／（１＋γΔＴ）
α≪１かつγ≪１より、２次の項を無視する近似を適用すると、下記の式（１１）が得られる。

ｘ_ｅｒｒ≒Ｌ_０・ｓｉｎθ・ΔＴ（α＋γ－δ）／（１＋γΔＴ） ・・・（１１）
よって、δ＝α＋γの条件を満たす場合に、環境温度Ｔの変化に起因する触針部１４の先端部１４Ｅの変位の真の値ｘ_Ｔと計算値ｘ_Ｆとの誤差ｘ_ｅｒｒが最小となる。したがって、δ＝α＋γの条件を満たすようにすることにより、環境温度Ｔが測定結果に及ぼす影響を抑制することができる。

（実施例）
触針部１４の材料として、カーボンファイバー（ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastics）、スケール２２の材料として鉄、スケールヘッド固定部２４の材料としてガラスを用いた場合、熱膨張係数α、γ及びδは、α＝３．６×１０^－６、γ＝８．５×１０^－６、δ＝１２．１×１０^－６となる。上記の材料の組み合わせによれば、δ＝α＋γの条件を満たすことができる。

（変形例１）
なお、本実施形態では、触針部１４、スケール２２及びスケールヘッド固定部２４の熱膨張係数α、γ及びδが、δ＝α＋γの条件を満たすようにしたが、本発明はこれに限定されない。

例えば、満たすべき条件をα＝δとしてもよい。式（１１）においてα＝δとすると、環境温度Ｔの変化に起因する触針部１４の先端部１４Ｅの変位の真の値ｘ_Ｔと計算値ｘ_Ｆとの誤差ｘ_ｅｒｒは、下記の式（１２）により表される。

ｘ_ｅｒｒ＝Ｌ_０・ｓｉｎθ・γΔＴ／（１＋γΔＴ） ・・・（１２）
一般に、スケール２２の材質としては、熱膨張係数γが小さいものを採用することが多いため、α＝δとしても、誤差ｘ_ｅｒｒを十分小さい値とすることができる。

また、この場合、誤差ｘ_ｅｒｒがスケール２２の熱膨張係数γのみに依存する。このため、測定装置１０が稼働する環境温度Ｔを計測するための温度計を設けて、基準温度Ｔ_０からの温度変化量ΔＴを測定し、補正することも可能である。

（変形例２）
比較例として、触針部１４、スケール２２及びスケールヘッド固定部２４をすべて同一材質とした場合を想定する。この場合、α＝γ＝δとなるので、誤差ｘ_ｅｒｒ（比較例）は、下記の式（１３）により表される。

ｘ_ｅｒｒ（比較例）＝Ｌ_０・ｓｉｎθ・ΔＴα／（１＋γΔＴ） ・・・（１３）
触針部１４、スケール２２及びスケールヘッド固定部２４の熱膨張係数α１、γ１及びδ１を選択した場合に、環境温度Ｔが測定結果に及ぼす影響の抑制の度合（改善率）をｘ_ｅｒｒ／ｘ_ｅｒｒ（比較例）で定義すると、改善率は下記の（１４）により表される。

改善率＝（α＋γ－δ）／α ・・・（１４）
実用上、環境温度Ｔの変化に起因する誤差ｘ_ｅｒｒを１／２以下にすることができれば、環境温度Ｔの変化に対して有意に耐性があるとすることができる。

よって、実用上有用な熱膨張係数の条件は、下記の式（１５）により表される。

｜（α＋γ－δ）／α｜≦１／２ ・・・（１５）
式（１５）を変形すると、下記の式（１６）が得られる。

（α＋γ）－１／２α≦δ≦（α＋γ）＋１／２α ・・・（１６）
したがって、スケールヘッド固定部２４の熱膨張係数δは、（α＋γ）を基準として±１／２αの範囲にあれば、実用上、環境温度Ｔの変化に対して有意に耐性があるとすることができる。

（変形例３）
なお、本実施形態では、触針部１４、スケール２２及びスケールヘッド固定部２４をそれぞれ単一の材料からなるものとしたが、それぞれ複数の材料を組み合わせることにより、熱膨張係数α、γ及びδを調整することも可能である。

図３は、変形例３に係る測定装置を示す図である。図３に示す測定装置１０－１において、触針部１４は、熱膨張係数が異なる３つの材料からなる部材１４Ａ、１４Ｂ及び１４Ｃをつなぎ合わせることにより形成されている。部材１４Ａ、１４Ｂ及び１４Ｃの熱膨張係数をそれぞれα_１、α_２及びα_３、長さをｌ_１、ｌ_２及びｌ_３とすると、触針部１４全体の熱膨張係数αは、下記の式（１７）により表される。

α＝（α_１ｌ_１＋α_２ｌ_２＋α_３ｌ_３）／（ｌ_１＋ｌ_２＋ｌ_３） ・・・（１７）
一般に、熱膨張係数は材料に固有の値であり、これを任意の値に調整することは困難である。そこで、複数の材料を組み合わせて、各材料の長さを調整することにより、触針部１４、スケール２２及びスケールヘッド固定部２４の熱膨張係数を任意の値に調整することが可能になる。これにより、δ＝α＋γの条件を満たす測定装置の作成が容易になる。

［第２の実施形態］
図４は、本発明の第２の実施形態に係る測定装置を示す図である。以下の説明において、上記の実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る測定装置１０－２は、触針部１４に代えて、測定装置１０－２に対して着脱可能な交換式触針３０を備えている。

交換式触針３０は、触針１２が設けられる第１部材３０Ａと、第２部材３０Ｂとを備える。第２部材３０Ｂの基端部は、触針取付基部１６Ａに取り付け（例えば、係合、嵌合等）可能な形状となっている。本実施形態では、交換式触針３０と触針取付基部１６Ａとを合わせて触針部３２とし、触針部３２とアーム部１６とを合わせて揺動部３４とする。

第１部材３０Ａ及び第２部材３０Ｂの熱膨張係数をそれぞれα_１及びα_２、長さをｌ_１及びｌ_２とし、触針取付基部１６Ａの熱膨張係数α_３、長さ（図中左端部から揺動軸２０の揺動中心２０Ｃとの間の長さ）をｌ_３とする。この場合、変形例３と同様に考えると、交換式触針３０と触針取付基部１６Ａからなる触針部３２全体の熱膨張係数αは、下記の式（１８）により表される。

α＝（α_１ｌ_１＋α_２ｌ_２＋α_３ｌ_３）／（ｌ_１＋ｌ_２＋ｌ_３） ・・・（１８）
したがって、満たすべき条件をδ＝α＋γとすると、下記の式（１９）の条件を満たすようにすればよい。

（α_１ｌ_１＋α_２ｌ_２＋α_３ｌ_３）／（ｌ_１＋ｌ_２＋ｌ_３）＝δ－γ ・・・（１９）
また、変形例１のように、満たすべき条件をδ＝αとすると、下記の式（２０）の条件を満たすようにすればよい。

（α_１ｌ_１＋α_２ｌ_２＋α_３ｌ_３）／（ｌ_１＋ｌ_２＋ｌ_３）＝δ ・・・（２０）
本実施形態によれば、変形例３と同様に、交換式触針３０を構成する部材の組み合わせ及びその長さにより熱膨張係数αを任意の値に調整することが可能になる。また、本実施形態によれば、交換式触針３０のみにより熱膨張係数αを調整することができるので、既存の測定装置（γ及びδが調整されていない測定装置）においても、環境温度Ｔが測定結果に及ぼす影響を抑制することができる。なお、本実施形態において、変形例２と同様にδにマージンをつけてもよい。

なお、本実施形態では、触針取付基部１６Ａの形状を、式（１９）又は式（２０）の条件を満たす交換式触針３０のみが取り付け可能な形状（例えば、直径、嵌合穴の形状等）にすることが好ましい。これにより、環境温度Ｔが測定結果に及ぼす影響を抑制するのに適さない交換式触針が測定装置に取り付けられることを防止することができる。

［第３の実施形態］
図５は、本発明の第３の実施形態に係る測定装置を示す図である。以下の説明において、上記の実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

図５に示す測定装置１０－３は、スケールヘッド固定部２４に代えて、スケール固定部４２を備える。そして、スケールヘッド２６がアーム部１６に取り付けられており、スケール４０がスケール固定部４２に取り付けられている。本実施形態では、アーム部１６が本発明の接続部に相当する。

本実施形態では、触針部１４、スケール２２及びアーム部１６の熱膨張係数（線熱膨張係数）をそれぞれα、γ及びδとした場合に、δ＝α＋γの条件を満たすようにすることで、環境温度Ｔが測定結果に及ぼす影響を抑制することができる。

なお、変形例１で説明したように、スケール４０の材質としては、熱膨張係数γが小さいものを採用することが多いため、α＝δとしてもよい。

また、変形例２で説明したように、実用上有用な熱膨張係数の条件は、下記の式（２１）により表される。

（α＋γ）－１／２α≦δ≦（α＋γ）＋１／２α ・・・（２１）
（実施例）
触針部１４の材料として、カーボンファイバー（ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastics）、スケール４０の材料として鉄、アーム部１６の材料としてガラスを用いた場合、熱膨張係数α、γ及びδは、α＝３．６×１０^－６、γ＝８．５×１０^－６、δ＝１２．１×１０^－６となる。上記の材料の組み合わせによれば、δ＝α＋γの条件を満たすことができる。

１０、１０－１、１０－２、１０－３…測定装置、１２…触針、１４…触針部、１６…アーム部、１８…揺動部、２０…揺動軸、２２…スケール、２４…スケールヘッド固定部、２６…スケールヘッド、２６Ｐ…スケールヘッド読み取り点、３０…交換式触針、３２…触針部、３４…揺動部、４０…スケール、４２…スケール固定部、５０…制御装置、５２…制御部、５４…入力部、５６…表示部

Claims (4)

1. 被測定物の表面の測定を行うための触針が設けられており、前記被測定物の表面の形状に応じて揺動中心の回りに揺動可能に取り付けられた触針部と、
   前記触針部の揺動による変位を測定するためのスケールと、
   前記スケールの目盛りを読み取るためのスケールヘッドと、
   前記揺動中心と、スケールヘッドとをつなぐ接続部とを備え、
   前記触針部、前記スケール及び前記接続部の熱膨張係数をそれぞれ、α、γ及びδとした場合に、
   （α＋γ）－１／２α≦δ≦（α＋γ）＋１／２α
   の条件を満たす、測定装置。
2. 前記触針部及び前記接続部の熱膨張係数が、α＝δの条件を満たす、請求項１記載の測定装置。
3. 前記触針部、前記スケール及び前記接続部の熱膨張係数が、δ＝α＋γの条件を満たす、請求項１記載の測定装置。
4. 前記触針部、前記スケール及び前記接続部のうちの少なくとも１つが、熱膨張係数が異なる複数の部材により形成されており、前記条件を満たすように、前記複数の部材の材料及び長さが調整されている、請求項１から３のいずれか１項記載の測定装置。

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