JPS63231205A - 輪郭形状の測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、工業製品、特にダイヤモンドダイス、バイ
ト等精密な輪郭形状精度が要求される輪郭形状の測定方
法に°関するものである。

〔従来の技術とその問題点〕

例えば、工業製品の部品において、円弧部分が、他の円
や円弧に沿って接触し合い、構造物や部品間の構成の上
で、重要な機能を果たしていることは多く見られること
である。

このような円弧は、加工上の問題から、必ずしも理想的
な円上にあるとは限らず、その表面には、微小な凹凸を
もったうねりの状態が存在する。このうねりの状態は、
接触面のあたり方に大きな影響を与え、形状によっては
、円弧の機能が十分に果されない場合も生じる。このた
め、円弧を設計値通りの機能を果たすように形成するに
は、円弧の全体形状だけでなく、表面のうねりの状態も
正確に把握することが重要である。

このような円弧表面の微小なうねりを知るには、表面形
状をサブミクロン単位のレベルで測定することが必要で
あり、また、求められた測定値から、実際に形成されて
いる円弧がどのような円周上にあるかを正確に決定する
ための評価手段が必要になる。すなわち、どのように慎
重に測定したとしても、測定値には測定誤差が含まれて
おり、この誤差を含む測定値から、実際の円弧の形状を
正確に決定できなければ、円弧表面の微小な凹凸状態を
把握することができないからである。

微小な２点間の距離をサブミクロン単位のし・＼ルで測
定する装置としては、従来、走査電子顕微鏡が知られて
いる。この顕微鏡を用いた？ｌｌ！ｌ定においては、通
常電子ビームにより対象となる試料間の２点を走査し、
得られる走査像を表示装置に表示し、その表示した像を
写真撮影して、撮影した写真上の２点間の距離を測るよ
うにしている。

しかし、上記の方法は、測定のための手順が面倒で、作
業に長い時間かかると共に、電子ビームによる走査像や
表示装置及び写真撮影カメラにおける像の歪曲、また表
示装置の分解能や倍率誤差などによって１０％以上の測
定誤差が生しる。この測定誤差の大きさは、円弧表面の
うねりを測定する上で大きすぎるものである。

一方、得られた測定値より、円弧がどのような円周上に
のるかを評価する方法としては、測定値をもとに円弧の
形状を描いて、その円弧と、模範となる円弧図とを合わ
せてその一致度を見る方法と、円弧から３つの座標値を
とり出し、その座標値から円弧の実測半径を決定する方
法が一最に用いられている。

しかし、前者の方法は、作業者の官能による作業になっ
て、円弧形状を数量的に把握できない欠点があり、一方
後者の方法では、とり出す座標値の数が少ないために、
円弧の全体形状を把握する上で、大きな誤差が生しると
いう欠点がある。

ところで、上述した走査電子顕微鏡を用いて２点間の距
離測定する上での問題点を、走査電子顕微鏡に新しい機
能を付加することにより解決をはかった測定装置が提案
されている。（特開昭５６−００１４９２号公報） この微小距離測定装置は、電子ビームの軸を移動する軸
移動信号の発生手段と、電子ビームを走査する走査信号
の発生手段と、その軸移動信号と走査信号を用いて電子
ビームの軸を中心として電子ビームを試料上において走
査して情報信号を検出する電子線走査装置と、検出した
情報信号を用いて信号の走査像、又はラインプロファイ
ルを表示する表示装置と、上記軸移動信号を用いて試料
上における電子ビームの軸の移動距離を算出して表示す
る手段とから構成されるものである。第１図はこの測定
装置の一興体例を示している。

図において、１は電子線走査装置で、電子銃２と、その
電子銃２から発射した電子ビームＥＢを試料３に集束す
る１個以上の集束レンズ４と、電子ビームＥＢのビーム
軸ＥＢ０を移動するコイル５と、電子ビームＥＢを試料
３上において２次元的に走査する走査コイル６、及び試
料３からの反射電子等への情報信号を検出する検出器７
とを備えている。

軸移動信号の発生手段８は、軸移動信号の発生回路１０
と増幅器１１とから成り、その出力（軸移動信号）は、
軸移動コイル５と共に、距離演算表示手段１２に供給さ
れている。この距離演算表示手段１２は、人力する軸移
動信号をもとに、試料３上における電子ビームＥＢのビ
ーム軸ＥＢ。

の移動距離を算出して表示するもので、アナログ信号と
して入力する軸移動信号をデジタル信号に変換するＡ−
Ｄコンバータ１３と、その出力信号を０倍して較正する
較正回路１４と、較正された値を表示するデジタル表示
器１５がら成る。

走査信号の発生手段９は、走査信号の発生回路１６と２
つの増幅器１７．１８から成り、その出力（走査）信号
は、電子線走査装置１の走査コイル６と、陰極線管表示
装置（以下ＣＲＴとする）１９に同時に供給されており
、これにより電子線走査装置１とＣＲＴＩ９は同期して
走査される。

ＣＲＴＩ９には、情報信号の検出器７の出力信号が、増
幅器２０を介して入力され、画面には電子線ＥＢによる
試料３上の走査像が映し出されるようになっている。ま
た、ＣＲＴＩ９の画面には基準線２１が十字状に描かれ
ており、この基準線２１の交点０は画面の中心に位置し
ている。

この装置を用いての測定手順は、増幅器１７を調整して
、試料３上の測定すべき２点ＡＩ、Ａｘを含む走査像を
ＣＲＴＩ９上に表示し、次に発生回路１０の出力信号（
軸移動信号）を調整して、ＣＲＴＩ　９の画面上で点Ａ
、とＯとが一致するように、試料上の点Ａ、に移動させ
る。

この場合、電子ビームＥＢの軸ＥＢ、が無偏向時の試料
上の位置Ａ０から距離Ｘ１移動したことで、表示器１５
に、距離ＸＩに対応する値が表示される。同様に、軸移
動信号を調節して電子ビームＥＢの軸ＥＢ、を試料３上
の点Ａ２に移動させると、表示器１５には、電子ビーム
ＥＢの軸ＥＢ。

が点Ａ０から点Ａ２に移動した距離Ｘ２が表示される。

このＸ２と上記のＸ、を足すことにより点Ａ、　、Ａ２
間の距離Ｘが得られる。

このように、上記の測定装置は、試料３上の２点ＡＩ、
Ａｔの距離Ｘ１、Ｘ２を、電子ビームＥＢの軸移動信号
により別々に求めるものであり、電子ビームの走査方法
には依存しないため、走査像の倍率誤差や走査歪などの
影吉を受けることがない。

したがって、得られる精度は大巾に向上したものになり
、測定誤差は１％以下のものが得られる。

〔発明の目的］ この発明は、上記の微小距離測定装置を用いて、輪郭形
状を測定し、その形状を構成する真の輪郭形状を求める
と共に、その真の輪郭形状を基準に、実際の形状に面の
うねり状態等を容易に把握することができる測定方法を
提供することを目的とするものである。

〔目的を達成するための手段〕

上記目的を達成するため、この発明は、被測定物の輪郭
形状上に、任意にｎ個の測定点を設定し、上記の微小距
離測定装置を用いて、上記の各測定点の、輪郭形状を含
む平面上のＸ−Ｙ座標に対する座標値（ｘ＋　、Ｙ＋　
）・・・・・・（ｘｎ　、　　ｙｎ　）を求め、輪郭の
円弧を測定する場合は、各座標値と、平面上に任意に設
定した座標点（ａ、ｂ）を中心とし、半径をＲとする円
の方程式（ｘ−ａ）”＋（ｙ−ｂ）”＝Ｒ”とから、最
小自乗法により、上記内弧が構成される最適な実測半径
Ｒ′を求め、その実測半径Ｒ′と上記各測定点との偏差
量を、半径Ｒ′を基準軸にとり、その基準軸と直交する
軸に偏差の大きさをとったグラフ上に表示し、一方、輪
郭の直線部を測定する場合は、各座標値と直線の方程式
ｙ＝ａ＋ｂＸから、最小自乗法により、真の直線を求め
、その真の直線と各測定点との偏差量を、真の直線を基
準にとり、その基準軸と直交する軸に偏差の大きさをと
ったグラフ上に表示するものである。

〔実施例〕

ここでは、先ず、第１図の測定装置を用いて、被測定物
の円弧形状を実際に測定・解析する手順について説明す
る。

対象となる円弧３０を有する被測定物は、第１図の試料
３が置かれる位置に設置されるものであり、第２図に示
すように、上記円弧３０を含む平面上に任意にＸ−Ｙ座
標を設定すると共に、上記平面に測定のための基準線３
１を設定する。なおこの測定基準は、仮想中心点等であ
ってもよい。

一方、円弧３０上には、測定範囲内で、任意にｎ個の測
定点を設定し、この各測定点と、それに対応する基準線
３１上の点２点を、第１図における試料３上の２点Ａ、
　、Ａ、とじて、その間の距離を、電子ビームＥＢの走
査により測定する。次にこのように得られた各測定値を
、上記平面上に設定したＸ−Ｙ座標に対する座標値にお
き換え、それぞれの（ｘ＋、）’＋　）（ｘｚ、　　ｙ
ｚ）・・・・・・（Ｘｎ、ｙ＋＋）を求める。

これ等の座標値は、次のように解析される。

一般に、座標（ａ、ｂ）を中心とし、半径をＲとする円
の方程式は、（ｘ−ａ）”　＋　（ｙ−ｂ）”＝　Ｒ２
で表わされる。

これを展開して、 ２　ａ　ｘ＋２　ｂ　ｙ−＋−Ｒ２−ａ”　−ｂ”　＝
ｘ”　＋ｙ２ここでＲ２−Ｒ２−ｂ２＝Ｃとおくと、２
　ａ　ｘ＋２　ｂ　ｙ＋Ｃ＝ｘ”　±ｙ２となる。

上式に、上記の各座標値（Ｘ＋　、　　）’ｌ　）・・
・・・・（ｘｎ、ｙｎ）を代入すると、一連の次式が得
られる。

２ａｘ、＋２ｂｙ＋　＋Ｃ＝ｘ＋　”　十ｙ１　”２ａ
ｘｚ　＋２ｂｙｚ　＋Ｃ＝ｘ、”　＋ｙｚ　”２　ａ　
ｘ　ｎ　＋　２　ｂ　ｙ　、ｌｌ　Ｃ＝ｘ　ｎ　”　＋
　ｙ　ｌｌ”これにより各式の差、 Ｚｉ　＝　（ｘ＋　”　＋ｙ、”　）　　　（２ａｘ＋
　＋２ｂｙ＋＋Ｃ） Ｚ２　＝　（Ｘ２２＋ｙｚ　２）　　’（２ａｘｚ　＋
２ｂｙｚ＋Ｃ） Ｚ、＝（Ｘｎ”＋ｙｎ”）−（２ａｘｎ＋２ｂｙ７　＋
Ｃ） をとり、最小自乗法により、 Ｓ＝Σ（Ｚｉ）” すなわち、Ｓ＝Σ（（２ｘ＋　ａ＋２ｙ、ｂ＋Ｃ）−（
χ、　２　＋ｙ、　２　））２が最小となるａ。

ｂ、Ｃを求める。

これは、 を解くことによって、ａ、ｂ、Ｃが決定される。

この円の中心座標（ａ、ｂ）とＣの値を上記Ｒ２ａｔ　
　ｂｚ＝Ｃの式に代入することにより、上記円弧３０が
構成される実測半径Ｒ′を求めることができる。

このように得られた実測半径Ｒ′は、各測定値を平均化
して円弧３０に対応する最適な円半径を決定したもので
あり、この実測半径Ｒ′と上記各測定点の実測した測定
値との偏差量を対比させることにより、円弧３０表面の
うねりの状態を求めることができる。

第３図は、実測半径Ｒ′を横軸にとり、縦軸に半径Ｒ′
からの偏差の大きさをとったグラフ上に、上記各測定点
の偏差値を円弧３０上の各測定位置に対応させてプロッ
トしたものを示している。

このように、実測半径Ｒ′を基準として偏差量を対比さ
せると、円弧３０のどの部分でどれくらいの大きさの凹
凸が存在するか、目視で簡単にしめることができ、円弧
３０の接触面のあたり王台を適確に確認することができ
る。このため、第３図を用いれば、円弧３０を、設計値
通りの機能を果たす最適な形状に、効率よく加工修正す
ることが可能になる。

一方、対象となる輪郭形状が直線の場合でも、解析手順
は上述した円弧の場合と同様である。即ち、直線の式を
ｙｗａ＋ｂｘとおき、この式に各測定点で求めた各座標
値を代入し、最小自乗法により、ａ、ｂの値を求めるこ
とにより、真の直線を求めることができる。

第４図は、求めた真の直線を横軸にとり、縦軸にその真
の直線からの偏差の大きさをとったグラフ上に、各測定
点の偏差値を、各測定位置に対応させてプロットしたも
のを示している。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明によれば、上記の微小距
離測定装置を用いて極めて少ない測定誤差で求めた測定
値により、輪郭形状を構成する真の基準形状を計算によ
り求めることができ、従来の方法のように、作業者の官
能にたよったり、サンプル不足による測定誤差をなくし
て、正確な基準形状を決定することができる。また、得
られた実測半径又は真の直線に対する円弧又は直線部の
各測定点ごとの偏差量を、実測半径又は真の直線を基準
レベルとしてグラフ上に表示することにより、円弧又は
直線部表面の微小なうねり状態を目視で簡単に把握する
ことができ、輪郭形状を設計値通りの最適な形状に修正
する加工などにおいて、極めて有効な形状の評価手段と
することがでかき

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に用いられる測定装置の実施例を示す
ブロック図、第２図はこの発明における測定値採取のた
めの説明図、第３図はこの発明により得られる実測半径
と円弧上の各測定点との偏差状態を示す図、第４図はこ
の発明より得られる真の直線部上の各測定点との偏差状
態を示す図である。 １・・・・・・電子線走査装置、８・・・・・・軸移動
信号発生手段、Ｓ・・・・・・走査信号発生手段、１２
・・・・・・距離演算表示手段、１９・・・・・・陰極
線管表示装置（ＣＲＴ）、３０・・・・・・円弧。 特許出願人　　大阪ダイヤモンド工業株式会社同　　　
株式会社　エリオニクス 同　代理人　　鎌　　　１）　　文　　　二第３図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 試料に照射する電子ビームの軸を移動する軸移動信号の
   発生手段と、電子ビームを走査する走査信号の発生手段
   と、その軸移動信号と走査信号を用いて電子ビームの軸
   を中心として電子ビームを試料上において走査して情報
   信号を検出する電子線走査装置と、検出した情報信号を
   用いて試料の走査像、又はラインプロファイルを表示す
   る表示装置と、上記軸移動信号を用いて試料上における
   電子ビームの軸の移動距離を演算して表示する手段とか
   ら成る測定装置を用い、被測定物の輪郭形状上に予め設
   定された任意のｎ個の測定点の、前記輪郭形状を含む平
   面上のＸ−Ｙ座標に対する座標値（ｘ＿１、ｙ＿１）・
   ・・・・・（ｘｎ、ｙｎ）を求め、輪郭の円弧を測定す
   る場合は、各座標値と、平面上に任意に設定した座標点
   （ａ、ｂ）を中心とし、半径をＲとする円の方程式（ｘ
   −ａ）＾２＋（ｙ−ｂ）＾２＝Ｒ＾２とから、最小自乗
   法により、上記円弧が構成される最適な実測半径Ｒ′を
   求め、その実測半径Ｒ′と上記各測定点との偏差量を、
   半径Ｒ′を基準軸にとり、その基準軸と直交する軸に偏
   差の大きさをとったグラフ上に表示し、一方、輪郭の直
   線部を測定する場合は、各座標値と直線の方程式ｙ＝ａ
   ＋ｂｘから、最小自乗法により、真の直線を求め、その
   真の直線と各測定点との偏差量を、真の直線を基準にと
   り、その基準軸と直交する軸に偏差の大きさをとったグ
   ラフ上に表示する輪郭形状の測定方法。