JPH0543243B2

JPH0543243B2 -

Info

Publication number: JPH0543243B2
Application number: JP61106357A
Authority: JP
Inventors: Yasuhide Nakai; Hideji Miki
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1986-05-08
Filing date: 1986-05-08
Publication date: 1993-07-01
Also published as: JPS62261916A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、支持体によつて支持された被測定
物（たとえば磁気デイスク）と所定の形状検出セ
ンサ（たとえば光学方式のセンサ）とを相対的に
並進させることによつて被測定物表面を順次走査
し、上記形状検出センサの検出出力に基いて被測
定物表面の形状を測定する表面形状測定装置に関
する。

（従来の技術とその問題点）半導体サブストレートや磁気デイスク、光デイ
スクなどにおいては、その表面の微細形状（粗さ
の程度や疵の有無）によつて製品の品質が大きく
左右されるため、その表面を鏡面に近い程度にま
で超精密加工するとともに、加工後の表面形状を
測定して品質管理を行なう必要がある。このよう
な表面形状測定を光学的に非接触で行なう装置は
既に数多く提案されているが、そのうちの代表的
な方式のひとつに臨界角法による焦点エラー検出
器（以下「HIPOSS」と呼ぶ。）を用いた方式が
ある。

このHIPOSSは、たとえば「精密機械」51／４
号（1985年）第16頁以下に記載されている方式で
あつて、その具体的構成と動作は後述するが、こ
の方式は非常な高感度で表面形状測定を行なうこ
とができるという特徴がある。ところが、この
HIPOSSでは、そのセンサヘツドと被測定面との
間の距離ｘと、センサヘツドに内蔵されているレ
ンズの焦点距離ｆとが一致する点の近傍（±1μ
ｍ程度）のみで高感度であり、上記距離がこの範
囲を逸脱すると感度が低下するという性質を有す
る。

一方、たとえば被測定物としてのデイスクをデ
イスクチヤツキング機構等の支持体で支持し、こ
のデイスク表面とHIPOSSのセンサヘツドとを相
対的に並進させつつデイスク表面を順次走査する
場合において、支持体へのデイスクの取付け誤差
やデイスクの自重によるたわみがこのデイスクに
発生すると、デイスク表面が上記並進方向に対し
て平行にならず、並進方向に対して傾きを持つた
位置関係となる。したがつて、上記並進を行なう
につれてHIPOSSのセンサヘツドとデイスク表面
との距離は次第に変化し、ついには上記高感度域
を逸脱してしまうことになる。

ところで、このような被測定物の傾き補正機構
としては、従来、第１６図に示すようなものが知
られている。この第１６図に示す装置は、テーブ
ル１０１上に設けられたデイスク支持機構１０２
によつてデイスク１０３を支持し、このデイスク
１０３の表面を触針１０４で図のＰ方向に走査
（トレース）することによつてその表面形状（粗
さ）を測定する触針式表面粗さ計である。周知の
ように、このような触針式粗さ計では、上記トレ
ースによつて生ずる触針１０４の上下動を増幅し
て表面形状の測定を行なうが、デイスク１０３の
傾きを補正するために、テーブル１０１の脚１０
５，１０６のうちの一方の脚１０６を、このテー
ブル１０１内に螺合するネジ杆１０７を持つたネ
ジ脚として形成する。そして、測定出力をモニタ
しつつ、このネジ杆１０７に固定されたネジ輪１
０８を手動で回転させることによつてテーブル１
０１の右端を図のＨ方向に上下させ、それによつ
てテーブル１０１の傾きを調整してデイスク１０
３の表面を水平に保つように構成されている。

ところが、このような傾き補正機構では、傾き
調整を手動で行なうために、デイスク１０３を交
換するごとに傾き調整作業を繰返して行なわねば
ならない。このため、このような機構を使用した
場合には、HIPOSSなどの非接触方式や触針式な
どの接触方式のいずれにおいても、傾き調整に多
大の労力を要するという問題がある。そして、こ
のような作業の繰返しが必要とされるために、表
面形状測定を自動的かつ短時間で行なうことが困
難であるという問題がある。

（発明の目的）この発明は、従来技術における上述の問題の克
服を意図しており、並進走査によつて被測定物表
面の表面形状測定を行なうにあたつて、走査方向
に対する被測定物表面の傾き調整を短時間で、か
つ自動的に行なうことのできる表面形状測定装置
を提供することを目的とする。

（目的を達成するための手段）上述の目的を達成するため、この発明における
表面形状測定装置は、支持体によつて支持された
被測定物と所定の形状検出センサとを相対的に並
進させることによつて前記被測定物表面を順次走
査し、前記形状検出センサの検出出力に基いて前
記被測定物表面の形状を測定する表面形状測定装
置であつて、前記並進方向と前記被測定物の被
測定表面との間の角度関係を検出する角度関係検
出手段と、前記角度関係検出手段の検出出力に
応答して前記指示体の傾き角度を自動調整し、そ
れによつて前記被測定表面と前記並進方向とを所
定の程度にまで平行とする角度調整手段とを設
け、前記形状検出センサは、臨界角法による焦点
エラー検出器のセンサヘツドであつて、前記角度
関係検出手段は、前記臨界角法による焦点エラー
検出器のセンサヘツドに固定的に取り付けられた
複数の距離センサを有し、当該複数の距離センサ
は、前記被測定面上の各端部付近の位置のそれぞ
れに、同時に対向し得る位置にあつて、かつ前記
並進の方向に対して平行な面上に配置され、前記
複数の距離センサは、前記並進を行うことにより
前記各端部付近の位置に対向したときに、当該各
位置との距離をそれぞれ検出し、前記角度関係の
検出は、前記複数の距離センサのそれぞれの検出
出力の差と前記複数の距離センサの相互の間の所
定の間隔とから、演算を実行して行われ、前記角
度調整手段は、前記支持体を圧電素子の伸縮によ
つて傾き調整する手段であつて、前記角度調整手
段によつて前記角度関係を前記所定の程度にまで
平行とした状態で前記被測定表面の表面形状を測
定することを特徴とする。

（実施例）Ａ実施例の構成の概略第１図は、この発明の一実施例である表面形
状測定装置の構成を示す概略図である。同図に
おいて、ワーク移動機構２の固定台３上に設け
られて図示のＹ方向（水平方向）に並進移動可
能なワーク移動台４上に、被測定物としてのデ
イスク１（磁気デイスク原盤等）が、載置され
ている。このワーク移動台４は後述する構造を
有しており、そのＹ方向の移動は、モータM₁
および送りねじ（図示せず）の作動によつて達
成される。このモータM₁の作動は、たとえば
デスクトツプ型のコンピユータ１９からワーク
移動台制御装置１８を通じて与えられる駆動指
令値S₁に基いて行なわれる。

一方、このワーク移動機構２の上方には、
HIPOSSのセンサヘツド１０が配置されてお
り、このセンサヘツド１０は、後述する内部構
成（第２図）を有している。また、このセンサ
ヘツド１０は、固定台１１上で図示のＸ方向
（垂直方向）に移動可能な移動台１２に取付け
られている。そして、このセンサヘツド１０
は、モータM₂と送りねじ（図示せず）との作
動によつて、移動台１２とともに上記Ｘ方向に
移動する。

この構成において、上記モータM₂としてパ
ルスモータ等を用い、また送りねじとして送り
ピツチの小さなものを用いることによつて、こ
のＸ方向の移動は、たとえば１パルスにつき
8nｍずつ移動する形で行なわれる。したがつ
て、これらによつて構成されるセンサヘツド移
動機構２０は、センサヘツド１０を極めて微細
に上下移動させることのできる微動機能を有し
ていることになる。なお、このモータM₂はコ
ンピユータ１９からセンサヘツド移動機構コン
トローラ１６を通して与えられる駆動指令値S₂
に基いて駆動されるようになつている。

さらに、センサヘツド１０の下面両端付近に
は、互いに所定の間隔を隔てて２個のエデイカ
レントセンサ１３ａ，１３ｂが設けられてい
る。このエデイカレントセンサ１３ａ，１３ｂ
は、デイスク１の被測定面１４のうち、それぞ
れのエデイカレントセンサ１３ａ，１３ｂの直
下にある部分とセンサヘツド１０との間の距離
L_a、L_b（後述する第７図）を検出する距離検出
センサとして機能する。また、これらのエデイ
カレントセンサ１３ａ，１３ｂの間の相互距離
は、デイスク１の内周エツジ２４ａ（第７図）
と外周エツジ２４ｂとの間の距離よりも若干短
かい程度のものとしておく。なお、この実施例
では、デイスク１の表面のうち、図示の右半面
（第７図の内周エツジ２４ａから外周エツジ２
４ｂまでの区間）のみについて形状測定する場
合を考えるが、左半面についても以下の説明と
同様の測定を行なうことができる。

一方、HIPOSS信号処理装置１５は、センサ
ヘツド１０からの形状検出出力Ａ〜Ｄ（後述す
る。）を処理して、検出出力Δxをコンピユータ
１９に与えるためのものであり、その詳細は後
述する。また、記録計２１は、測定出力を記録
するためのものである。さらに、PZT制御回
路１７は、コンピユータ１９からの出力に応答
して、移動台４内に後述する態様で設けられて
いる圧電素子（PZT）に電圧を印加し、この
PZTの伸縮を制御するために用いられる。

Ｂ HIPOSSセンサヘツド１０の構成と特性次にHIPOSSセンサヘツド１０の構成と特性
とを説明する。第２図は、このセンサヘツド１
０の内部構成を示す図である。同図において、
このセンサヘツド１０では、レーザダイオード
によつて構成された光源３１からのレーザ光Ｌ
が、コリメータレンズ３２によつて平行光線と
され、偏光ビームスプリツタ３３で反射されて
直線偏光となる。そして、このレーザ光Ｌは、
１／４波長板３４と対物レンズ３５とを通つてデ
イスク１の被測定面１４上に集光される。そし
て、この被測定面１４で反射し光は、対物レン
ズ３５と1/4波長板３４とを再度通つて、偏光
ビームスプリツタ３３に再入射する。

ところが、この反射光は、1/4波長板３４を
２回通過しているために、その偏光方向は、偏
光ビームスプリツタ３３で反射された直後の入
射レーザ光Ｌの偏光方向に対して90°回転した
ものとなつている。このため、この反射光は図
中Ｒで示すように偏光ビームスプリツタ３３を
直進して通過し、ハーフミラー３７で２分割さ
れて、２つの臨界角プリズム３８，３９にそれ
ぞれ入射する。これらの臨界角プリズム３８，
３９の両側面３８ａ，３８ｂ；３９ａ，３９ｂ
は、それぞれに入射する反射光R₁、R₂が平行
光束となつているとき、換言すれば被測定面１
４と対物レンズ３６との間の距離ｘが対物レン
ズ３５の焦点距離ｆと一致する状態のときに、
反射光R₁、R₂がこれらの面３８ａ，３８ｂ；
３９ａ，３９ｂへの入射する入射角が全反射臨
界角となるような角度配置となつている。

したがつてｘ＝ｆのときには、反射光R₁は
臨界角プリズム３８の中で全反射されて、互い
に隣接して配設された２つの光検出器４０ａ，
４０ｂ（フオトダイオード）に入射する。この
２つの光検出器４０ａ，４０ｂは同一の受光面
積を有しているため、上記のような経路で反射
光R₁がこれらに入射した場合には、それぞれ
の光検出出力Ａ，Ｂの間にＡ＝Ｂの関係が成立
する。また、他方の臨界角プリズム３９につい
ても同様であつて、上記ｘ＝ｆの条件下では、
２つの光検出器４１ａ，４１ｂのそれぞれの光
検出出力Ｃ，Ｄの間に、Ｃ＝Ｄの関係が成立す
る。

一方、被測定面１４の凹凸などによつてｘ＜
ｆとなると、第３図に示すように反射光Ｒは発
散光束となるため、第４図に示すように臨界角
プリズム３８の端面３８ａにおいて、破線で示
す反射光R₁のうちの一方の端部付近（図では
左側部４２）の光がこの臨界角プリズム３８の
臨界角を越えた入射角となつてしまい、それに
よつて、この部分４２は全反射されずにプリズ
ム外に出てしまう。逆に、他方の端部（図では
右側部４３）では、入射角が臨界角以下となる
ため、この部分の光は全反射されてプリズム内
にとどまる。そして、これと同様の現象が他方
の端面３８ｂでも発生するため、結局、一方の
光検出器４０ａへの入射光量は減少し、他方の
光検出器４０ｂへの入射光量は増大する。この
ため、これらの出力Ａ、Ｂについて、Ａ＜Ｂと
なる。また、第２図の他方の臨界角プリズム３
９でも同様の現象が生じて、Ｃ＜Ｄとなる。

これに対して、ｘ＞ｆとなると、反射光Ｒは
収束光束となり、上記と逆の現象が生じるた
め、Ａ＞Ｂ、Ｃ＞Ｄとなる。したがつて、これ
らの検出出力Ａ〜Ｄから、焦点エラー出力とし
て、Ｖ＝（Ａ−Ｂ＋Ｃ−Ｄ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）
……(1) を求めれば、ｘ＜ｆのとき、Ｖ＜０、ｘ＝ｆのとき、Ｖ＝０、ｘ＞ｆのとき、Ｖ＞０、となる。また、このデータＶの絶対値によつて
ｘとｆとのずれの絶対値｜ｘ−ｆ｜がわかるこ
とになる。ただし、上述のように臨界角プリズ
ムを２組使用しているのは、被測定面の傾斜を
光学的にキヤンセルさせるためであり、(1)式の
右辺に（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）の除算が入つている
のは被測定面の反射率や光源の不安定要素を光
学的にキヤンセルさせるためである。したがつ
て、原理的には、臨界角プリズムは１個でもよ
い。

ところが、このようなHIPOSSは、既に指摘
したように測定感度が高い一方で、その高感度
測定域が狭いという性質を有している。第５図
はこのような状況を示す特性図であり、横軸は
合焦点位置を０としたときの被測定面と
HIPOSSとの相対変位Δxを示し、縦軸は
HIPOSSの検出出力Ｖを示す。また、第６図は
その部分拡大図である。これらの図からわかる
ように、合焦点位置（Δx、Ｖ）＝（０、０）付
近で検出出力がほぼ線形に変化する高感度測定
域Ｇは±1μｍ程度であつて、これ以上の相対
変位が生ずると測定誤差は大きなものとなる。

Ｃ移動台４の構成第７図は、第１図に示した移動台４の詳細構
成を示す図である。同図において、この移動台
４は、固定台３上でＹ方向に並進移動可能な基
台５１と、この基台５１上に間隔を隔てて配設
されたデイスク支持台５２とを有しており、こ
れらの基台５１とデイスク支持台５２との間
は、デイスク支持台５２の角度自動調整機構５
３が設けられている。このうち、基台５１は下
部基台５４と上部基台５５とに上下２分割さ
れ、これらの下部基台５４と上部基台５５と
は、角度手動調整機構５６をはさんで互いに上
下方向に隔てられている。この角度手動調整機
構５６は、板バネ５７とネジ脚５８とによつて
構成されている。

これらのうち、板バネ５７は、その両端部
が、下部基台５４と上部基台５５とのそれぞれ
の一端に固定された形で立設されており、図示
のθ₁方向に屈曲可能である。また、ネジ脚５８
は、下部基台５４中に螺合されたネジ杆５９
と、このネジ杆５９に固定されたネジ輪６０と
を有している。そして、ネジ杆５９の上端尖頭
部は、上部基台５５の他端部下面に接する形で
上部基台５５を支持しており、したがつて、ネ
ジ輪６０を手動で回転させることによつて、上
部基台５５は、板バネ５７を支点として図示の
θ₂方向に自在に傾斜させることができるように
なつている。このような構成を有する角度手動
調整機構５６は、デイスク支持台５２、したが
つて、これによつて支持されたデイスク１の傾
斜角度粗調整機能を有することになる。

一方、角度自動調整機構５３は、板バネ６１
とPZT６２とによつて構成されている。この
うち、板バネ６１は、その両端が上部基台５５
とデイスク支持台５２とにそれぞれ固定されて
おり、図示のθ₃方向に屈曲可能である。他方
PZT６２は、上部基台５５の上面に固定され
ており、その上端に設けられた尖頭部材６３に
よつてデイスク支持台５２の下面他端付近を接
触支持している。そして、PZT制御回路１７
からの電圧をこのPZT６２に印加することに
より、その電圧値に応じた量だけ、PZT６２
は図の上下方向に伸縮し、これに応じて、デイ
スク支持台５２（したがつてデイスク１）は、
板バネ６１を支点として図のθ₄方向に傾斜する
ようになつている。

このため、第６図の移動台４では、デイスク
１の被測定面１４とこの移動台の並進移動方向
Ｙとの間の角度調整が、角度手動調整機構５６
と角度自動調整機構５３とによつて二重に行な
われるような構成となつている。前者は粗調整
用、後者は微調整用である。

Ｄ実施例の動作次に、このような構成を有する装置の動作を
説明する。まず最初に、第８図を参照して、製
品となるべきデイスクの形状測定動作を開始す
る前の基準値設定動作について述べる。

(D‐1) 基準値設定動作第８図において、デイスク支持台５２（第
７図）上にテスト用のデイスク１を載置し
（ステツプS1）、第７図に示したデイスク１
の内周端部１４ａおよび外周端部１４ｂが、
それぞれエデイカレントセンサ１３ａ，１３
ｂの直下付近となるように移動台４をＹ方向
に並進移動させる（ステツプS2）。この位置
決めは、リミツトスイツチやスケールなどを
用いればよい。そして、移動完了後の状態で
のエデイカレントセンサ１３ａ，１３ｂから
のそれぞれの距離検出出力S_a、S_bをコンピユ
ータ１９に取込み（ステツプS3）、これらの
差： ΔS＝S_a−S_b を演算して求めて、これをコンピユータ１９
内のメモリ（図示せず）にストアしておく
（ステツプS4）。

次に、移動台４を第７図の左側の初期位置
に戻し（ステツプS5）、図の左方から右方へ
と移動台４を移動させつつ、センサヘツド１
０からのHIPOSS検出出力を取込むことによ
つて、デイスク１の外周端部１４ｂから内周
端部１４ａに至るまでの表面形状測定を行な
う（ステツプS6）。この測定動作そのもの
は、製品となるべきデイスクについての測定
動作（第１２図）と同様であり、その詳細は
後述する。この測定結果は記録計２１やデイ
スプレイ（図示せず）によつてモニタされ
る。

次に、ステツプS7における、デイスク支
持台５２のすべての傾きについての測定完了
判断を経た後にステツプS8へと移り、角度
手動調整機構５６や角度自動調整機構５３を
用いて、デイスク支持台５２（したがつてデ
イスク１）の傾き角度を変化させる。そし
て、ステツプS2に戻り、上記の各処理を
種々の傾き角度について繰返す。したがつ
て、種々の傾き角度についての測定が完了し
てステツプS7からステツプS9へと移つたと
きには、デイスク支持台４の種々傾き角度α_i
（ｉ＝１、２、…）についての、２つのエデ
イカレントセンサ１３ａ，１３ｂの出力差
ΔS_i（ｉ＝１、２、…）と、形状測定結果と
の関係が求まつていることになる。

この関係の一例を第９図に示す。ただし、
この第９図においては、理解を容易にする目
的で、デイスク支持台５２の傾きやデイスク
１のたわみなどを強調して描いてある。この
図において、ａに示すような傾き角α₁に対し
ては、同図ｂのようなエデイカレントセンサ
出力差ΔS₁と形状測定曲線F₁とが得られる。
また、同図ｃのような傾き角α₂については同
図ｄのような結果が得られる。

そして、第８図のステツプS9では、この
ようにして得られた結果のうち、形状測定曲
線が全体としてＹ方向と平行になるようなエ
デイカレントセンサ出力差ΔSを見出し、こ
れを基準値ΔS_hとして設定・記憶して、基準
値設定ルーチンを終る。ここで、形状測定曲
線の全体的な傾きは、内外周端部１４ａ，１
４ｂの位置での測定値を結んで形成される直
線（第９図では直線l₁，l₂）の傾きによつて
表現することができる。

第９図の例では、同図ｃ，ｄがこのような
場合に相当する。この第９図ｃ，ｄからわか
るように、デイスク１の右半面が全体として
並進方向Ｙと平行となつている場合でも、デ
イスク支持台４の傾き角度αは必ずしも0°と
はならない。これはデイスク１にたわみなど
が存在するためである。したがつて、このよ
うな平行性を確保するために傾きについての
基準を上記のように設定しておき、製品検査
ラインに沿つて送られて来るデイスクについ
ては、この基準量を基礎にしてデイスク支持
台４の傾き調整を行なえばよいわけである。
しかしながら、上記実施例ではデイスク支持
台４の傾き角度αそのものを基準量として採
用せず、エデイカレントセンサ１３ａ，１３
ｂの出力S_a、S_bに応じた（ΔS）を設定して
いる。その理由は次の通りである。

すなわち、まず、デイスク１には固体差が
あり、厚みや凹凸状態も少しずつ異なつてい
ることに注意する。したがつて、デイスク支
持台４の傾き角度αを基準角度（第９図の例
ではα₁）に一致させても、必ずしもデイスク
１の被測定面１４が並進方向Ｙに平行となる
わけではない。これに対して、上記のよう
に、エデイカレントセンサ１３ａ，１３ｂ等
の距離センサを用いて被測定面１４とセンサ
ヘツド１０との関係を基準量（基準値ΔS_h）
として設定しておけば、上述のような問題も
ないため、平行性が常に保たれることにな
る。

(D‐2) 製品デイスクに対する角度調整動作次に、実際の製品検査ラインに沿つて行な
われるデイスクの表面形状測定動作のうち、
角度調整動作を、第１０図を参照して説明す
る。同図において、まず、ステツプS20、
S21で製品となるデイスク１をデイスク支持
台５２上に載置し、プログラムを起動する。
なお、図示していないが、これらの処理の前
に、第７図の角度手動調整機構５６は、基準
値ΔS_hを得たときと同程度の角度に手動調整
されている。次のステツプS22では、移動台
４をＹ方向へ移動させて、エデイカレントセ
ンサ１３ａ，１３ｂの直下付近に、デイスク
１の被測定面１４のうち内周端部１４ａおよ
び外周端部１４ｂがそれぞれ位置するような
状態とする。そして、この位置で移動台４を
停止し、移動コラム１２を下降させることに
よつてセンサヘツド１０と被測定面１４との
距離を合焦点距離付近ｆとするとともに、エ
デイカレントセンサ１３ａ，１３ｂの距離検
出出力S_a、S_bを取込む（ステツプS23、
S24）。このうち、Ｙ方向の位置決めは、既
述した基準値設定ルーチンの場合と同様に、
リミツトスイツチやスケールなどを用いて行
なうことができる。また、センサヘツド１０
の下降停止位置の位置決めは、たとえば、セ
ンサヘツド１０からの検出出力をモニタしつ
つ、この検出出力が（＋）側から０［Ｖ］に
なる位置（＋０）を検知し、その後、センサ
ヘツド１０を一度停止させた後に所定距離だ
け移動させ、さらに、センサヘツド２５の検
出出力が０［Ｖ］になるようにフイードバツ
ク制御させればよい。

次に、S_aとS_bとの差ΔSを演算して求める
（ステツプS25）。そして、コンピユータ１９
のメモリ中から上記基準値ΔS_hを読出し、上
記のΔSとの差（ΔS−ΔS_h）を演算する（ス
テツプS26）。さらに、その絶対値：｜ΔS−ΔS_h｜が、あらかじめ定めておいた微小値εよりも
大きいか否かを判断し（ステツプS27）、ε
よりも大きいときには（ΔS−ΔS_h）の正負
符号を判断する（ステツプS28）。そして、
その符号に応じてPZT６２への印加電圧の
変化方向（増加が減少か）を決定し（ステツ
プS29）、それに応じてPZT６２への印加電
圧を所定微小量ΔEだけ増減させることによ
つて、デイスク支持台４したがつてデイスク
１の被測定面１４の傾き角度を変化させて
（ステツプS30）、上記ステツプS24へと戻る。
この動作を繰返すことによつて、当初第１１
図ａのように、被測定面１４が全体として並
進方向Ｙに対して大きく傾いても、次第に第
１１図ｂのように平行となつてくる。そし
て、｜ΔS−ΔS_h｜≦ε となると、被測定面１４は並進方向にほぼ平
行となるため、この段階で角度調整ルーチン
を終り、第１２図の形状測定動作に移る。な
お、この実施例における平行度は上記εの大
きさなどによつて定まる。

(D‐3) 形状測定動作第１２図の形状測定ルーチンにおいては、
上記のようにしてデイスク１の被測定面１４
の内外周端部１４ａ，１４ｂを結ぶ直線と移
動台４の並進方向Ｙとの関係を平行にした状
態で以下の各処理が行なわれる。

まず、移動台４をＹ方向に並進移動させ
て、デイスク１の外周エツジ２４ｂがセンサ
ヘツド１０の中央直下となるように位置決め
を行なう（ステツプS31）。次に移動台４の
Ｙ方向の並進を開始し、この並進を行ないつ
つセンサヘツド１０からの検出信号Ａ〜Ｄを
第１図のHIPOSS信号処理装置１５に取込む
（ステツプS32）。

このHIPOSS信号処理装置１５は第１３図
に示すような内部構成を有しており、その内
部では、まず上記検出信号Ａ〜Ｄを入力して
既述した(1)式に相当する演算を行なうことに
より、検出出力（焦点エラー出力）Ｖを求め
る。この検出出力ＶはＡ／Ｄコンバータ７２
でＡ／Ｄ変換された後、演算器７３と比較器
７４とに与えられる。このうち演算器７３で
は、第５図ないしは第６図に示した特性に応
じて、検出出力Ｖから変位Δx（＝ｘ−ｆ）を
演算して求め、コンピユータ１９へ出力す
る。この演算器７３は、ルツクアツプテーブ
ル方式のメモリであつてもよい。

一方、比較器７４には、第６図の高感度検
出域Ｇに応じて設定された検出レンジＱ（た
とえば高感度検出域Ｇの80％に相当するレン
ジ）を規定するしきい値V_SHが他方の入力と
して与えられている。したがつて、このしき
い値V_THは、たとえば第６図の高感度域Ｇに
対応する出力範囲Ｕが（−１）〜（＋１）
［Ｖ］であるときには、V_TH＝0.8［Ｖ］とする
ことができる。そして、この比較器７４は、
Ｖ＞V_SHまたはＶ＜−V_SHのとき、すなわち
検出出力Ｖが上記検出レンジＱを逸脱したと
きに、コンピユータ１９に割込み信号INT
を与えるようになつている。

このような比較の結果、検出出力Ｖが検出
レンジＱ内であると判断された場合には第１
２図のステツプS33からS34へ移り、コンピ
ユータ１９が検出出力Δxを記憶する。そし
て、デイスク１の内周エツジ２４ａに至るま
で上記処理を繰返す（ステツプS35）。

一方、第１２図のステツプS33で、検出出
力Ｖが検出レンジＱを逸脱したものと判断さ
れると割込信号INTが与えられ、ステツプ
S36へ移つて、コンピユータ１９は割込状態
となる。そして、デイスク１の並進移動をい
つたん中断し（ステツプS37）、HIPOSSの
検出出力Δxとデイスク１の並進移動距離ｙ
とをコンピユータ１９が記憶する（ステツプ
S38）。

そして、Δxの符号によつて、センサヘツ
ド１０とデイスク表面１４との相対距離が検
出レンジＱに対して大きくなり過ぎているの
か、それとも少なくなり過ぎているのかを判
断し、それに応じてセンサヘツド１０をＸ方
向に移動させて、上記相対距離ｘを合焦点距
離ｆに一致させる（ステツプS39）。この動
作は、被測定面１４の傾き調整だけでは対処
できない凹凸が被測定面１４上に存在したと
きに、これに追随してセンサヘツド１０を垂
直方向に移動させ、それによつて測定値を常
に検出レンジＱ内に入れておくための動作で
ある。したがつて、この動作においては、ｘ
を合焦点距離ｆに完全に一致させることは必
須ではなく、原理的には、上記検出レンジＱ
内に入るように移動させればよい。

そして、このようにして移動させた移動量
Ｍを第１図のモータM₂に取付けられたエン
コーダ（図示せず）からのエンコード信号な
どに基いて求め、これを記憶しておく（ステ
ツプS40）。その後、デイスク１０の並進移
動を再開し（ステツプS41）、上述したステ
ツプS35へ移る。

このような動作を繰返して被測定面１４の
内周エツジ２４ａまでの測定が完了すると、
移動コラム１２を上方へ移して、センサヘツ
ド１０を退避させ（ステツプS42）、ワーク
移動機構２を初期位置へ戻し（ステツプ
S43）、マニユアルでデイスク１を取りはず
して（ステツプS44）形状測定ルーチンを終
る。なお、図示しないが、上記ステツプS39
におけるセンサヘツド１０のＸ方向移動が行
なわれた際には、S40で記憶しておいた移動
量Ｍを、移動前後の測定データ（Δx）の一
方に加算または減算することによつて測定デ
ータを補正し、それによつて形状測定曲線の
連続化を行なうことができる。

第１４図は、このようにして得られた測定
データを記録計２１に与えて記録させた例を
示すデータチヤートであり、横軸は移動台４
の並進移動距離(y)を、また、縦軸は表面形状
測定出力（Δx）を示す。この図からわかる
ように、この装置によれば、デイスク表面１
４の内周端部１４ａと外周端部１４ｂとを結
ぶ直線ｌが並進方向Ｙと平行になるため、形
状測定曲線Ｆのうち、内外周エツジにそれぞ
れ対応する測定出力値T_a、T_bを結ぶ直線l′も
また並進方向Ｙとほぼ平行になる。したがつ
て、形状測定曲線ＦのΔx方向の変動幅ΔFを
HIPOSSの高感度域Ｇに応じた検出レンジＱ
以下とするような位置関係で形状測定が自動
的に行なわれ、デイスク１の角度調整を手動
で繰返す作業は不要となる。なお、同図にお
いて、D_Fは表面欠陥の存在を示す。

また、この実施例ではセンサヘツド１０の
Ｘ方向への移動機構２０を設けているため、
デイスク１の表面の欠陥やうねりの振幅が大
きく、上記検出レンジＱを逸脱するような場
合においても、センサヘツド１０がＸ方向に
自動的に移動して表面形状に追随するため、
実質的な検出レンジがさらに拡大することに
なる。つまり、この実施例では、デイスク１
の傾きとデイスク１の上下方向の変位との双
方に対する対策が講じられていることにな
る。

Ｅ変形例以上、この発明の一実施例について説明した
が、この発明は上記実施例に限定されるもので
はなく、たとえば次のような変形も可能であ
る。

被測定物の支持体と形状検出センサとの間
の並進は相対的に行なえばよく、上記のよう
に支持体側を移動させる場合に限定されな
い。第１５図は形状検出センサを並進させる
場合の構成の一例を示す図である。

この装置では、まず、水平方向（Ｙ方向）
に伸びたネジ杆８１を設けて、これにセンサ
ヘツド移動機構２０の上部を螺合させ、コン
ピユータ１９からセンサヘツド並進コントロ
ーラ８２を介して与えられる信号S₃によつ
て、上記ネジ杆８１を取付けたモータM₃を
回転させる。すると、センサヘツド移動機構
２０がＹ方向に並進するため、センサヘツド
１０もデイスク表面１４に対してＹ方向に並
進し、それによつてこのデイスク表面１４の
光走査が行なわれる。

この場合、デイスク１をＹ方向に並進させ
る必要はないため、前述したワーク移動機構
２（第１図）のかわりに、並進機能を有しな
いワーク支持機構８０によつてデイスク１を
支持しておく。そして、このワーク支持機構
８０の一端に設けたネジ脚６をモータM₄に
連結し、このモータM₄を支持柱８４および
アーム８５によつて固定しておく。このモー
タM₄は、コンピユータ１９からワーク傾斜
駆動コントローラ８３を通じて与えられる信
号S₄によつて駆動されるようになつており、
それによつてワーク支持機構８０の一端（図
中の右端）は他方の脚５における回動軸ｒを
支点として図のＨ方向に回動・傾斜する。た
だし、このワーク支持機構８０は、デイスク
１を並進させるための機能を有してない。な
お、モータM₄に取付けられたエンコーダＥ
からのエンコード信号はコンピユータ１９に
取込まれるようになつている。

したがつて、この装置においても、ワーク
支持機構８０の自動角度調整をモータM₄を
介して行なうことによつて、第１図の装置と
同様の作用効果を得ることができる。

第１図の実施例では、並進方向と被測定表
面との間の角度関係を検出する手段として２
個のエデイカレントセンサ１３ａ，１３ｂを
用いたが、複数個であれば何個用いてもよ
い。また、電気容量検出型などの他の距離セ
ンサを複数個設けて角度関係検出を行なつて
もよく、光センサなどであつてもよい。

第１図の装置において、デイスク１の左半
面についても表面形状測定を行ないたいとき
には、右半面と同様の処理を繰返せばよい。
また、被測定面のたわみなどが大きいときに
は、被測定面を複数の区間に分割し、各区間
ごとに上記処理を行なつてもよい。

（発明の効果）以上説明したように、この発明によれば、
HIPOSSセンサヘツドとは別個に距離センサを設
け、この距離センサの検出出力をもとに、相対的
並進方向と被測定物表面との間の角度関係を検出
して、この角度関係が所定の程度まで並行になる
ように自動調整が行われるので、走査方向に対す
る被測定物表面の傾きの調整が短時間で行われる
という効果が得られる。

この発明では更に、距離センサは被測定面上の
各端部付近の位置のそれぞれに、同時に対向し得
るように複数個設けられる。このため、角度関係
の検出のために走査を行う必要がないので、角度
関係の検出に要する時間が更に短縮されるという
効果がある。

大量生産品の品質保証を行うために使用される
測定装置において、測定時間の短縮は重要な課題
であり、これらの効果は重要な意義を有してい
る。

この発明では更に、圧電素子の伸縮によつて角
度関係の調整が行われるので、HIPOSSセンサヘ
ツドが要求する精密な精度をもつて、角度関係の
調整を行い得る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例の概略構成図、
第２図は、HIPOSSセンサヘツド内部構成図、第
３図ないし第６図は、HIPOSSの特性の説明図、
第７図は、実施例における移動台の詳細構成図、
第８図は、基準値設定動作のフローチヤート、第
９図は、実施例の原理説明図、第１０図は、実施
例における角度調整動作のフローチヤート、第１
１図は、実施例における角度調整の説明図、第１
２図は、実施例における形状測定動作のフローチ
ヤート、第１３図は、HIPOSS信号処理装置のブ
ロツク図、第１４図は、実施例における形状測定
曲線の例を示すデータチヤート、第１５図は、こ
の発明の変形例を示す概略構成図、第１６図は、
従来の角度調整機構を示す図である。１……デイスク、２……ワーク移動機構、１０
……HIPOSSセンサヘツド、５３……角度自動調
整機構、５６……角度手動調整機構、６２……
PZT。

Claims

【特許請求の範囲】１支持体によつて支持された被測定物と所定の
形状検出センサとを相対的に並進させることによ
つて前記被測定物表面を順次走査し、前記形状検
出センサの検出出力に基いて前記被測定物表面の
形状を測定する表面形状測定装置において、前記並進方向と前記被測定物の被測定表面との
間の角度関係を検出する角度関係検出手段と、前記角度関係検出手段の検出出力に応答して前
記支持体の傾き角度を自動調整し、それによつて
前記被測定表面と前記並進方向とを所定の程度に
まで平行とする角度調整手段とを設け、前記形状検出センサは、臨界角法による焦点エ
ラー検出器のセンサヘツドであつて、前記角度関係検出手段は、前記臨界角法による
焦点エラー検出器のセンサヘツドに固定的に取り
付けられた複数の距離センサを有し、当該複数の距離センサは、前記被測定面上の各
端部付近の位置のそれぞれに、同時に対向し得る
位置にあつて、かつ前記並進の方向に対して平行
な面上に配置され、前記複数の距離センサは、前記並進を行うこと
により前記各端部付近の位置に対向したときに、
当該各位置との距離をそれぞれ検出し、前記角度関係の検出は、前記複数の距離センサ
のそれぞれの検出出力の差と前記複数の距離セン
サの相互の間の所定の間隔とから、演算を実行し
て行われ、前記角度調整手段は、前記支持体を圧電素子の
伸縮によつて傾き調整する手段であつて、前記角度調整手段によつて前記角度関係を前記
所定の程度にまで平行とした状態で前記被測定表
面の表面形状を測定することを特徴とする表面形
状測定装置。