JPH0749956B2 - 形状測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、被測定物又は変位計のいずれか一方を計測方
向と直交するように移動させて被測定物の表面形状を測
定する形状測定装置に関する。

〔従来の技術〕

第３図及び第４図は形状測定装置の一例の構成図であっ
て、第３図は正面図、第４図は側面図である。同図にお
いて１はベースであって、このベース１上にはステージ
２及び基板３が設けられている。ステージ２の上面には
被測定物４が載置され、一方基板３にはＬ字形状のスラ
イダ５が基板３に対して摺動可能に取付けられている。
つまり、スライダ５は基板３に設けられた２本の直線形
状の案内レール6,7とベアリング8,9とを用いて摺動可能
に取付けられている。そして、このスライダ５にはボー
ルねじ10が螺合した状態で貫通している。このボールね
じ10の一端にはモータ11の回転軸がモータ取付けブラケ
ット12及びカップリング13を介して連結され、又他端は
ハンジング14で回転自在に支持されている。従って、ス
ライダ５はモータ11の駆動によって案内レール6,7に沿
って走行する。なお、モータ11にはエンコーダ15が取付
けられて走行位置が分るようになっている。そうして、
前記スライダ５におけるステージ２の上方部分にはレー
ザ光を用いた非接触型の変位計16が設けられている。こ
の変位計16はレーザ光を被測定物４に所定角度で照射し
てその反射レーザ光を受光し、この反射レーザ光の受光
位置の違いをポジションセンサで検出するものとなって
いる。つまり、被測定物４の変位計16に対する位置が変
化すると、この変化に応じて反射レーザ光の受光位置が
変化することを応用して被測定物４の表面位置が測定さ
れるものとなっている。従って、スライダ５が案内レー
ル6,7に従って一定方向に走行している状態に変位計16
の計測出力を記録することによって被測定物４の表面形
状が測定される。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、上記装置では変位計16をスライダ５によって
走行させているためにこの走行軌跡を直線とする必要が
ある。ところが、スライダ５は案内レール6,7及びベア
リング8,9等によって走行させているために実際の直線
的に走行することが困難となっている。つまり、案内レ
ール6,7は直線に形成されておらず曲りがあり、又ベア
リング8,9のボールの転がりにより微震動が発生する。
このため、変位計16は第５図に示すように微震動しなが
らかつ案内レール6,7の曲りに従って走行してしまう。
なお、第５図は変位計16を速度50mm/sで走行させた場合
で１目盛0.2μｍの変位を示している。このように変位
計16の位置が上下方向に変動すると、変位計16の計測出
力を記録しても高精度に表面形状を測定することは困難
となる。又、各案内レール6,7を高精度に直線形状に形
成すると、非常に高価となってしまう。

表面形状測定機の測定誤差は、変位計の精度に依存する
ことはもとより、上記のように移動装置の運動精度に大
きな影響を受けている。従来は移動装置の運動精度の影
響を軽減するために形状測定機の変位計で平板の基準面
を測定してその値を補正値としてメモリしておき、被測
定物を測定するときにこの補正値で補正する方法をとっ
ていた。しかし、この方法の欠点は温度変化により移動
装置の運動精度が変化した場合にメモリしてある補正値
と形状測定時の移動装置の計測方向の動き量が異なるた
め形状測定誤差が大となる。或いはボールの転がり等に
よる微振動などは再現性がないためリアルタイムで計測
方向の動き量を計測しない限り補正することは不可能で
ある。

そこで本発明は、被測定物又は変位計のいずれか一方を
計測方向と直交するように移動させたとき、被測定物を
載置したステージ又は変位計が計測方向に微小な移動を
伴ったとしても高精度に表面形状を測定できる形状測定
装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、被測定物又は変位計のどちらか一方を計測方
向と直交するように移動させながら被測定物の表面形状
を測定する形状測定装置において、変位計の計測軸の延
長線上にその計測軸が一致するように配置した補正用変
位計と、基準面が計測方向と略垂直となるように配置し
た平板とを具備し、変位計、被測定物、平板及び補正用
変位計の順に配置し、かつ被測定物と平板の相対位置及
び変位計と補正用変位計との相対位置のいずれもが変化
しないよう被測定物と平板又は変位計と補正用変位計と
の各一対のいずれか一方を計測方向と直交するように移
動させたとき補正用変位計と平板の基準面との距離を補
正値として変位計の計測出力を補正する補正手段と備え
て上記目的を達成しようとする形状測定装置である。

〔作用〕

このような手段を備えたことにより、被測定物又は変位
計のいずれか一方を計測方向と直交するように移動させ
ると、移動装置の移動時の動きのうち計測方向の動き、
すなわち被測定物の表面形状測定時に誤差を補正変位計
と基準平面との距離を計測することにより求めることが
できる。しかして、補正手段は補正用変位計で計測され
た基準平面との距離を補正値として変位計の計測出力を
補正する。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例について図面を参照して説明す
る。

第１図及び第２図は形状測定装置の構成図であって、第
１図は正面図、第２図は側面図である。同図において20
はベースであって、このベース20上にはステージ21及び
基板22が設けられている。ステージ21の上面には被測定
物23が載置され、一方基板22にはコ字形状のスライダ24
がステージ21を挟む位置で基板22に対して摺動可能に取
付けられている。つまり、スライダ24は基板22に設けら
れた２本の直線の案内レール25,26とベアリング27,28と
で摺動可能に取付けられている。そして、このスライダ
24にはボールねじ29が螺合した状態で貫通している。こ
のボールねじ29の一端にはモータ30の回転軸がモータ取
付けブラケット31及びカップリング32を介して連結さ
れ、又他端はハンジング33で回転自在に支持されてい
る。なお、モータ30にはエンコーダ34が取付けられて走
行位置が分るようになっている。さて、前記スライダ24
における互いに対向する各端部24a,24bのうち端部24aに
はレーザ光を用いた非接触型の変位計35が設けられてい
る。この変位計35はレーザ光を被測定物23に所定角度で
放射してその反射レーザ光を受光し、この反射レーザ光
の受光位置の違いをポジションセンサで検出するものと
なっている。一方、端部24bには変位計35と同タイプの
補正用変位計36が設けられている。ところで、この補正
用変位計36はその計測中心が、変位計35の計測中心を通
る軸ｇに一致して設けられている。つまり、補正用変位
計36は変位計35に対してアッベの原理を満足させるよう
に配置されている。又、ステージ21の下面には基準平面
としての棒ミラー37が各案内レール25,26に対して平行
にかつ補正用変位計36から放射された光を受けて再び補
正用変位計36に向けて反射する位置すなわち補正用変位
計36の測定範囲内に設けられている。

次に上記の如く構成された装置の作用について説明す
る。

モータ30が駆動すると、スライダ24は各案内レール25,2
6に従って走行する。この場合、スライダ24を各案内レ
ール25,26の一端側に配置してすれば、この一端側から
他端側｛矢印（イ）方向｝へ向かって一定速度で走行す
る。従って、変位計35及び補正用変位計36は共に配置位
置がずれずに一体となって走行する。そうして、変位計
35の位置が被測定物23の上方に到達すると、変位計35は
レーザ光を放射して計測動作を開始したり、又スライダ
24の走行開始とともに計測動作を開始してもよい。一
方、補正用変位計36は変位計35の計測動作開始と同時に
計測動作を開始したり、又スライダ24の走行開始ととも
に計測動作を開始してもよい。しかるに、変位計35はレ
ーザ光を放射して被測定物23からの反射レーザ光をポジ
ジョンセンサで受光し、このポジジョンセンサでの受光
位置から被測定物23の位置を求めてこれを測定信号とし
て出力する。又、補正用変位計36はレーザ光を棒ミラー
37に放射してその反射レーザ光をポジジョンセンサで受
光し、このポジジョンセンサでの受光位置から補正用変
位計36と棒ミラー37との距離を求め、これを距離信号と
して出力する。ところで、変位計35は各案内レール25,2
6の曲り及び各ベアリング27,28のボールの転がりの微震
動を受けてその位置が第７図に示すように変動しながら
走行している。従って、棒ミラー37の表面は極めて平面
に形成されているので、補正用変位計36から出力される
計測信号は各案内レール25,26の曲り及びベアリング27,
28のボールの転がりによる微震動に応じたものとなる。
しかるに、補正手段38は変位計35からの計測信号を受け
るとともに補正用変位計36からの計測信号を受ける。そ
して、その補正手段38は、変位計35が計測動作を開始し
たときの補正用変位計36の計測信号を基準とし、この基
準に対する補正用変位計の計測信号の偏差を用いて変位
計35の計測信号を補正する。そうして、このように補正
を行って変位計35が被測定物23の他端に到達すると変位
計35の計測動作は停止する。このとき、補正手段38は、
変位計35の計測動作開始時と停止時とにおける変位計35
の計測信号から変位計35の走行方向に対する被測定物23
及び棒ミラー37の表面の傾きを求め、次に変位計35から
の計測信号を連続して受けることにより得られる被測定
物23の表面形状データを前記傾きで補正する。この結
果、補正手段38からは被測定物23の表面形状のデータＱ
が出力される。

このように上記一実施例においては、変位計35が各案内
レール25,26に沿って走行したとき補正用変位計36は変
位計35と一体となって走行した補正用ミラー37との間の
距離を計測し、この距離を補正値として変位計35の計測
出力を補正するようにしたので、変位計35の走行位置が
変動したとしてもこの変動に影響されずに被測定物23の
表面形状を高精度に測定できる。特に変位計35の変動
が、案内レール25,26の曲りやベアリング27,28のボール
の転がりによる微震動であってもその影響が除去でき、
被測定物23の表面形状を示す信号のみ得ることができ
る。又、被測定物23に対する測定の毎に補正が行われる
ので、測定毎に変位計35の変動が異なっても確実に各案
内レール25,26の曲りや各ベアリング27,28のボールの転
がりによる微震動の影響を除去できる。又、変位計35の
走行方向が被測定物23及び棒ミラー27に対して傾いてい
てもこの傾きを補正できる。従って、各案内レール25,2
6を多少粗く作製しても高精度な表面形状の測定ができ
安価となる。

なお、本発明は上記一実施例に限定されるものでない。
例えば、第６図に示すようにスライダ24が図示しない移
動手段により直交する２軸の走行を行なう場合には棒ミ
ラー37に換えてオプチカルフラット39などの基準平面を
使用すればよい。又、第７図に示すように変位計35と補
正用変位計36を固定し被測定物23をステージ21に載せて
ステージを１軸又は直交する２軸の方向に移動させても
よい。又、被測定物又は変位計の移動手段は案内レール
とベアリングに限らず他の手段で移動させてもよい。

〔発明の効果〕

以上詳記したように本発明によれば、現状製作可能な最
高精度のオプチカルフラットを平板の基準面とし、補正
用変位計として高精度な干渉測長器を使い、これと同等
以上の高精度な変位計を用いれば、0.01μｍ以内の精度
で表面形状を測定できる。

しかるに、このように使用する変位計と補正用変位計及
び平板の基準面精度の最適な組合わせを行なうことで所
要の精度の形状測定装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明に係わる形状測定装置の一実
施例を説明するための図であって、第１図は正面構成
図、第２図は側面構成図、第３図及び第４図は従来技術
の構成図、第５図は変位計の変動を示す図、第６図及び
第７図は変形例を説明するための図である。 20……ベース、21……ステージ、22……基板、23……被
測定物、24……スライダ、25,26……案内レール、27,28
……ベアリング、29……ボールねじ、30……モータ、35
……変位計、36……補正用変位計、37……棒ミラー、38
……補正手段、39……オプチカルフラット。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定物又は変位計のどちらか一方を計測
   方向と直交するように移動させながら前記被測定物の表
   面形状を測定する形状測定装置において、前記変位計の
   計測時の延長線上にその計測軸が一致するように配置し
   た補正用変位計と、基準面が計測方向と略垂直となるよ
   うに配置した平板とを具備し、前記変位計、前記被測定
   物、前記平板及び前記補正用変位計の順に配置し、かつ
   前記被測定物と前記平板の相対位置及び前記変位計と前
   記補正用変位計との相対位置のいずれもが変化しないよ
   う前記被測定物と前記平板又は前記変位計と前記補正用
   変位計との各一対のいずれか一方を計測方向と直交する
   ように移動させたとき前記補正用変位計と前記平板の基
   準面との距離を補正値として前記変位計の計測出力を補
   正する補正手段とを具備したことを特徴とする形状測定
   装置。