KR101536426B1 - Shape measurement method and shape measurement device - Google Patents

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KR101536426B1
KR101536426B1 KR1020130126341A KR20130126341A KR101536426B1 KR 101536426 B1 KR101536426 B1 KR 101536426B1 KR 1020130126341 A KR1020130126341 A KR 1020130126341A KR 20130126341 A KR20130126341 A KR 20130126341A KR 101536426 B1 KR101536426 B1 KR 101536426B1
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마사테루 도이
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파나소닉 주식회사
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B5/00—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques
    • G01B5/20—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques for measuring contours or curvatures

Abstract

스타일러스를 측정면을 따라 매끄럽게 주사하여, 고정밀도이고 또한 고속인 형상 측정을 실현한다.
측정면과 평행한 방향으로 지정한 거리만큼 스타일러스(20)를 측정면에 대해 이동시키는 평행 이동과, 프로브(26)에 대한 스타일러스(20)의 위치의 변위량과 변위 방향을 포함하는 스타일러스 변위 벡터 Di의 측정면에 법선 방향의 크기가 미리 정해진 눌러 넣기량의 설정값 C가 되도록, 프로브(26)를 현재의 스타일러스 위치 Si와 과거의 스타일러스 위치 Si -1의 차로부터 산출되는 측정면의 법선 방향으로 이동시키는 직교 이동을 포함하는, 프로브(26)의 측정면에 대한 상대 위치를 반복한다(Step 4, 5).The stylus is smoothly scanned along the measurement surface to realize high-precision and high-speed shape measurement.
Which includes the displacement amount and the displacement direction of the position of the stylus 20 with respect to the probe 26 and the displacement direction of the stylus displacement vector D i Of the measurement surface calculated from the difference between the current stylus position S i and the past stylus position S i -1 so that the size of the normal direction on the measurement surface of the probe 26 becomes the preset value C of the pre- (Step 4, 5), which includes relative movement with respect to the measurement surface of the probe 26, including orthogonal movement that moves the probe 26 in the direction of the probe.

Description

형상 측정 방법 및 형상 측정 장치{SHAPE MEASUREMENT METHOD AND SHAPE MEASUREMENT DEVICE}[0001] SHAPE MEASUREMENT METHOD AND SHAPE MEASUREMENT DEVICE [0002]

본 발명은, 측정면에 스타일러스를 접촉시키면서 주사하여, 순차적으로 좌표와 스타일러스 기울기를 판독함으로써 측정면의 형상을 측정하는 형상 측정 방법 및 형상 측정 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to a shape measuring method and a shape measuring apparatus which measure a shape of a measurement surface by scanning a coordinate measuring surface and a stylus gradient sequentially while scanning the stylus with the measuring surface in contact with the measuring surface.

공업 제품의 소형 고성능화에 따라서, 고정밀도의 부품이 증가하고 있다. 이들 부품 등을 측정 대상으로 하는 임의의 삼차원 형상의 주사 측정을 위해서, 측정면에 스타일러스를 접촉시키면서 주사하여, 순차적으로 좌표를 판독함으로써 측정면의 형상을 측정하는 방식의 형상 측정 장치가 제공되고 있다. 이러한 종류의 형상 측정에 있어서, 스타일러스를 측정면에 대해 자동적으로 주사 제어하는 기술이 다양하게 제안되어 있다. With the small and high performance of industrial products, high-precision parts are increasing in number. There has been provided a shape measuring apparatus of a method for measuring the shape of a measurement surface by sequentially scanning coordinates while scanning the stylus in contact with the measurement surface for scanning measurement of an arbitrary three-dimensional shape to be measured on these components . In this type of shape measurement, various techniques for automatically controlling the stylus to the measurement surface have been proposed.

종래의 스타일러스의 자동 주사 제어 방법으로는, 측정 결과에 자동 주사에 기인한 진동이 영향을 미치지 않도록, 매끄러운 자동 주사를 목적으로 한 제어 방법을 탑재한 것이 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조).A conventional automatic scanning control method of the stylus is equipped with a control method for smooth automatic scanning so that the vibration caused by the automatic scanning does not affect the measurement result (for example, refer to Patent Document 1).

도 7a~도 9는, 상기 특허문헌 1에 기재된 종래의 형상 측정 장치 및 형상 측정 방법을 나타내는 것이다. Figs. 7A to 9 show a conventional shape measuring apparatus and a shape measuring method described in Patent Document 1. Fig.

도 7a 및 도 7b는 종래 기술에 있어서의 장치 구성을 나타낸 도면으로, 크게 삼차원 측정기(22)와 그 제어 장치(23)와 연산 장치(24)로 나누어진다. 삼차원 측정기(22)는 측정물(25)의 측정면(25a)에, 프로브(26)에 마련된 스타일러스(20)를 접촉시키면서 측정을 행한다. 프로브(26)는 가요성 부재에 부착된 스타일러스 축의 하단(下端)에 구형상의 스타일러스(20)를 갖고, 상단(上端)에 미러를 갖는다. 스타일러스 축은 측정면으로부터의 XY 방향의 측정력에 대해 가요성 부재에 의해 기울어지고, 미러로 반사된 레이저 광으로부터 그 기울기량이 검지된다. 또한, 스타일러스 축은 측정면으로부터의 Z 방향의 측정력에 대해 가요성 부재에 의해 상방으로 이동하고, 미러로 반사된 Z 방향 측장(測長) 레이저에 의해 Z 방향의 변위가 검지된다. 제어 장치(23)는, X 좌표 검출부(31), Y 좌표 검출부(32), Z 좌표 검출부(33), 기울기 검출부(34), 포커스 오차 신호 검출부(35) 등을 구비한다. 연산 장치(24)는 측정점 위치 연산부(41), 스타일러스 변위 벡터 검출부(43), 이동 벡터 산출부(49), 이동 지시부(87), 동마찰(動摩擦) 계수 기억부(40) 등을 구비한다. 7A and 7B are diagrams showing the configuration of a device in the prior art, and are roughly divided into a three-dimensional measuring device 22, a control device 23 thereof, and a calculating device 24. The three-dimensional measuring device 22 performs measurement while bringing the stylus 20 provided on the probe 26 into contact with the measuring surface 25a of the measuring object 25. [ The probe 26 has a spherical stylus 20 at the lower end of the stylus shaft attached to the flexible member and has a mirror at the upper end. The stylus axis is tilted by the flexible member with respect to the measuring force in the X and Y directions from the measurement surface, and the tilt amount is detected from the laser light reflected by the mirror. Further, the stylus axis is moved upward by the flexible member with respect to the measuring force in the Z direction from the measurement surface, and displacement in the Z direction is detected by the Z direction length measuring laser reflected by the mirror. The control device 23 includes an X coordinate detection unit 31, a Y coordinate detection unit 32, a Z coordinate detection unit 33, a tilt detection unit 34, a focus error signal detection unit 35, and the like. The computing device 24 includes a measurement point position calculation section 41, a stylus displacement vector detection section 43, a motion vector calculation section 49, a movement instruction section 87, a dynamic friction coefficient storage section 40, .

이들 구성으로부터, 스타일러스(20)가 변위했을 때에, X 좌표 검출부(31), Y 좌표 검출부(32), Z 좌표 검출부(33)로 검출한 프로브 위치와, 기울기 검출부(34)로 검출한 스타일러스(20)(스타일러스 축)의 기울기로부터 스타일러스 변위 벡터가 산출된다. 또한, 사전에 동마찰 계수 기억부(40)에 기억해 둔 스타일러스(20)와 측정면(25a)의 동마찰 계수로부터 산출되는 동마찰력에 의한 스타일러스 변위 벡터의 방향 변화 각도를 가미해서 산출한 이동 벡터 M을 이용해서 주사가 실행된다. From these constructions, when the stylus 20 is displaced, the probe position detected by the X-coordinate detecting section 31, the Y-coordinate detecting section 32 and the Z-coordinate detecting section 33 and the position of the stylus detected by the tilt detecting section 34 20 (stylus axis) of the stylus displacement vector. It is also possible to calculate the moving vector of the stylus 20 stored in the dynamic friction coefficient storage unit 40 by taking the angle of change of the stylus displacement vector by the dynamic friction calculated from the dynamic friction coefficient between the stylus 20 and the measuring surface 25a, M is used to perform scanning.

도 8은 종래 기술에 있어서의 프로브 위치 P와 스타일러스 위치 S의 궤적을 나타낸다. 프로브(26)는 스타일러스(20)가 측정면(25a)에 접촉하지 않는 프로브 위치 P0(이 위치에서는, 스타일러스(20)는 측정력을 받고 있지 않기 때문에 프로브(26)에 대해 변위하지 않고 있다. 이 때문에, 프로브 위치 P0는 스타일러스 위치 S0와 같은 위치에 있다)로부터 측정면(25a)에 접하는 스타일러스 위치 S1를 통과하여, 소정의 눌러 넣기량 D1만큼 눌러 넣은 프로브 위치 P1까지 이동한다. 프로브 위치 P로부터 그 시점에서의 스타일러스 위치 S로의 벡터를 스타일러스 변위 벡터 D라고 부른다. 프로브 위치 P1로부터 스타일러스 위치 S1로의 변위 벡터는 D1이 된다. 다음으로 프로브(26)를 프로브 위치 P1로부터 스타일러스 변위 벡터 D1에 수직 방향으로 이동 벡터 M1만큼 이동한다. 이로써, 동마찰력 F에 의해 스타일러스 변위 벡터 D가 측정면에 직각인 벡터 N에 대해서, 방향 변화각 θ기울어진다. 측정면에 평행한 방향으로 프로브(26)를 모방 제어하기 위해서는, 스타일러스 변위 벡터 D에 대해, 사전 기억한 동마찰 계수 μ로부터 θ=atanμ 인 관계로 유도한 방향 변화각 θ에 90°를 더한 방향으로 프로브 이동을 행한다.
8 shows the locus of the probe position P and the stylus position S in the prior art. The probe 26 is not displaced with respect to the probe 26 because the stylus 20 is not receiving the measuring force at the probe position P0 at which the stylus 20 does not contact the measuring surface 25a. Therefore, the probe position P0 is located at the same position as the stylus position S0), passes through the stylus position S1, which is in contact with the measurement surface 25a, and moves to the probe position P1, which is pushed by the predetermined push- The vector from the probe position P to the stylus position S at that point is called the stylus displacement vector D. The displacement vector from the probe position P1 to the stylus position S1 becomes D1. Next, the probe 26 is moved by the movement vector M1 in the direction perpendicular to the stylus displacement vector D1 from the probe position P1. Thereby, the stylus displacement vector D is inclined by the dynamic friction angle F with respect to the vector N perpendicular to the measurement plane. In order to imitatively control the probe 26 in the direction parallel to the measurement plane, it is necessary to control the stylus displacement vector D in such a manner that 90 DEG is added to the direction change angle &thetas; derived from the pre- As shown in FIG.

일본 특허 제 4611403 호 명세서Japanese Patent No. 4611403 Specification

상기 종래 방법에서는, 프로브(26)의 기울기의 방향이나 크기의 변화에 의해, 주사 방향도, 눌러 넣기 보정 방향도 변하기 때문에, 매끄럽다고는 할 수 없는 주사 측정이 된다. 동마찰력의 증감이 충분히 작은 범위에서는 상기 종래 방법에서도 매끄러운 주사를 기대할 수 있다. 그러나, 실제 측정물에서는, 측정물의 재질·형상과 스타일러스의 재질에 기인하는, 스타일러스와 측정물 사이의 정전 인력에 의한 동마찰력의 증감이 있다. 이 증감에 의해, 도 8에 있어서의 동마찰력 F가 변화되고, 동마찰력 F에 의한 스타일러스 변위 벡터의 방향 변화 각도 θ가 변동한다. In the above-described conventional method, the scan direction and the push-correction direction also change due to the change in the direction or the size of the tilt of the probe 26, so that the scan measurement can not be smooth. Smooth scanning can be expected even in the above-described conventional method in a range where the variation of the dynamic friction is sufficiently small. However, there is an increase or decrease in the dynamic friction force due to electrostatic attraction between the stylus and the measurement object due to the material and shape of the measurement object and the material of the stylus. By this increase or decrease, the dynamic frictional force F in Fig. 8 is changed, and the direction change angle [theta] of the stylus displacement vector by the dynamic frictional force F changes.

도 9는 Y축 기울기를 일정한 크기(그래프에서는 세로축 0.7mm)가 되도록 스타일러스를 눌러 넣고, X축을 따라 평면을 음(負)의 방향으로 주사했을 때의, 스타일러스 변위 벡터 D의 모양을 도시한 것이다. 프로브 중심 위치 P는, Y축 방향으로는 눌러 넣기의 변동이 없도록, X축 방향으로 0.01mm 피치로 약 1mm 주사하고 있다. 스타일러스 변위 벡터 D는, 프로브 중심 위치 P의 값에 대해 약 200배 해서 표시하고 있다. X 방향의 기울기가 일정하지 않아서, 스타일러스 변위 벡터 D가 교차하는 개소가 발생하고 있다. 이와 같이, 종래의 주사 측정 방법은, 매끄러운 주사 측정을 실현할 수 없으며, 진동이 발생하여 측정 오차가 증대하고, 측정 시간도 늘어난다. 9 shows the shape of the stylus displacement vector D when the stylus is pushed in such a manner that the Y-axis inclination is constant (0.7 mm in the vertical axis in the graph) and the plane is scanned in the negative direction along the X-axis . The probe center position P is about 1 mm in the X-axis direction at a pitch of 0.01 mm so that there is no variation in the pushing in the Y-axis direction. The stylus displacement vector D is displayed at about 200 times the value of the probe center position P. [ The inclination in the X direction is not constant, and a portion where the stylus displacement vector D intersects is generated. As described above, in the conventional scanning measuring method, smooth scanning measurement can not be realized, vibration occurs, measurement error increases, and measurement time also increases.

본 발명은, 상기 종래의 과제를 해결하는 것으로, 스타일러스를 측정면에 접촉시키면서 주사하여, 순차적으로 좌표를 판독함으로써 측정면의 형상을 측정하는 방식의 형상 측정 장치 및 형상 측정 방법에 있어서, 스타일러스를 측정면을 따라서 매끄럽게 주사하여, 고정밀도이며 고속의 형상 측정을 실현하는 것을 목적으로 한다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and it is an object of the present invention to provide a shape measuring apparatus and a shape measuring method of measuring a shape of a measurement surface by sequentially scanning coordinates while scanning the stylus in contact with the measurement surface, The present invention aims to achieve high-precision and high-speed shape measurement by scanning smoothly along a measurement plane.

본 발명의 제 1 측면은, 측정면으로부터의 측정력에 의해서 프로브에 대해 변위 가능하게 지지된 스타일러스를 준비하고, 상기 측정면과 평행한 방향으로 지정한 거리만큼 상기 스타일러스를 상기 측정면에 대해 이동시키는 평행 이동과, 상기 프로브에 대한 상기 스타일러스의 위치의 변위량과 변위 방향을 포함하는 스타일러스 변위 벡터의, 상기 측정면에 법선 방향의 크기가 미리 정해진 눌러 넣기량의 설정값이 되도록, 상기 프로브를 현재의 스타일러스 위치와 과거의 스타일러스 위치의 차로부터 산출되는 상기 측정면의 법선 방향으로 이동시키는 직교 이동을 포함하는, 상기 프로브의 상기 측정면에 대한 상대 이동을 반복하는, 형상 측정 방법을 제공한다. According to a first aspect of the present invention, there is provided a stylus comprising: a stylus supported in a displaceable manner with respect to a probe by a measurement force from a measurement surface; and the stylus is moved with respect to the measurement surface by a predetermined distance in a direction parallel to the measurement surface Wherein the probes are moved in parallel with the probes so that the size of the stylus displacement vector including the displacement amount of the position of the stylus relative to the probe and the displacement direction is set to a predetermined push- And repeating a relative movement of the probe relative to the measurement surface, the orthogonal movement including a movement in a normal direction of the measurement plane calculated from a difference between a stylus position and a past stylus position.

본 발명의 제 2 측면은, 스타일러스를 측정면으로부터의 측정력에 의해서 변위 가능하게 지지하는 프로브와, 상기 스타일러스가 상기 측정면을 주사하도록 상기 프로브와 상기 측정면의 상대 위치를 이동시키는 이동부와, 상기 프로브에 대한 상기 스타일러스의 위치의 변위량과 변위 방향을 포함하는 스타일러스 변위 벡터를 검출하는 스타일러스 변위 벡터 검출부와, 상기 측정면의 측정점에서의 법선 방향을 출력하는 법선 방향 출력부와, 상기 법선 방향 출력부가 출력하는 값에 기초해서, 스타일러스 변위 벡터의 상기 법선 방향 성분을 산출하여 출력하는 법선 방향 벡터 성분 산출부와, 상기 측정면에 법선 방향의 눌러 넣기량의 설정값과 법선 방향 벡터 성분 산출부의 출력에 기초해서, 상기 스타일러스 변위 벡터의 법선 방향 성분이 상기 눌러 넣기량의 설정값이 되도록 눌러 넣기 벡터를 산출하는 눌러 넣기 벡터 산출부와, 상기 법선 방향과 수직 방향으로 미리 설정된 주사 속도가 되는 주사 벡터를 산출하는 주사 벡터 산출부와, 상기 눌러 넣기 벡터 산출부의 출력과 상기 주사 벡터 산출부의 출력으로부터 상기 프로브에 대한 이동 지령인 이동 벡터를 산출하는 이동 벡터 산출부와, 상기 이동 벡터를 따라서 상기 프로브가 이동하도록 상기 이동부의 이동을 제어하는 이동 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 형상 측정 장치를 제공한다. According to a second aspect of the present invention, there is provided a probe comprising: a probe for displaceably supporting a stylus by a measurement force from a measurement surface; a moving unit for moving a relative position between the probe and the measurement surface so that the stylus scans the measurement surface; A stylus displacement vector detecting unit for detecting a stylus displacement vector including a displacement amount and a displacement direction of the position of the stylus relative to the probe; a normal direction output unit for outputting a normal direction at a measurement point of the measurement surface; A normal direction vector component calculating unit for calculating and outputting the normal direction component of the stylus displacement vector based on a value outputted by the output unit; and a normal direction vector component calculating unit for calculating a set value of the normal direction pushing amount and a normal direction vector component calculating unit Based on the output, the normal direction component of the stylus displacement vector A scan vector calculating unit for calculating a scan vector having a scanning speed set in advance in a direction perpendicular to the normal direction, a scan vector calculating unit for calculating a scan vector, And a movement control section for controlling the movement of the moving section so that the probe moves along the movement vector, based on the movement vector calculated by the movement vector calculating section, A shape measuring device characterized by:

마찰 등의 외력 변화로 스타일러스 변위 벡터가 변화되더라도, 측정 표면으로부터의 스타일러스의 눌러 넣기량이 일정값이 된다. 측정면이 임의의 경사를 갖고, 마찰력에 의해서 스타일러스 변위 벡터가 측정면에 대해 직각 방향이 되지 않더라도, 측정력으로부터 측정면에 직각인 방향을 검출하여 측정면에 평행한 방향으로 스타일러스를 주사해서 측정할 수 있다. 또한, 측정면의 경사 각도에 변화가 있더라도 스타일러스 변위 벡터의 크기는 미리 정해진 소정값으로 유지된다. 환언하면, 측정면의 경사 각도에 변화가 있더라도 스타일러스 변위 벡터의 크기에 변화가 발생하지 않도록 주사할 수 있어서, 보다 정확하게 측정면에 평행한 방향으로 스타일러스를 주사할 수 있다. 또한, 주사 측정 개시시에 필요한 측정면에 관한 데이터 이외에 예비 데이터를 필요로 하지 않는다.
Even if the stylus displacement vector changes due to an external force change such as friction, the push-in amount of the stylus from the measurement surface becomes a constant value. Even if the stylus displacement vector is not perpendicular to the measurement surface due to the frictional force, the direction orthogonal to the measurement surface is detected from the measurement force and the stylus is scanned in the direction parallel to the measurement surface can do. Further, even if there is a change in the tilt angle of the measurement surface, the magnitude of the stylus displacement vector is maintained at a predetermined value. In other words, even if there is a change in the tilt angle of the measurement surface, the scan can be performed so that the magnitude of the stylus displacement vector does not change, and the stylus can be scanned more accurately in the direction parallel to the measurement surface. In addition, preliminary data is not required in addition to the data relating to the measurement plane required at the start of scan measurement.

본 발명의 형상 측정 방법 및 형상 측정 장치에 의하면, 마찰 등의 외력 변화로 스타일러스 변위 벡터가 변화되더라도, 측정 표면으로부터의 스타일러스의 눌러 넣기량이 일정값이 되어서, 임의의 경사면을 가지는 측정면으로부터 측정력이 마찰력에 의해서 측정면에 직각 방향이 되지 않더라도 측정력으로부터 측정면에 직각인 방향을 검출하고, 스타일러스 변위 벡터의 법선 방향 성분이 일정하게 되도록 하면서, 측정면에 평행한 방향으로 스타일러스를 주사하여 측정할 수 있기 때문에, 매끄럽고, 보다 빠르며, 보다 고정밀도인 형상 측정이 가능해져서, 공업 제품의 정밀 미세화 및 고정밀도화와, 높은 수율의 물건 제조의 실현에 공헌할 수 있다.
According to the shape measuring method and the shape measuring apparatus of the present invention, even if the stylus displacement vector is changed due to external force variation such as friction, the push-in amount of the stylus from the measurement surface becomes a constant value, The stylus is scanned in a direction parallel to the measurement surface while the direction normal to the measurement surface is detected from the measurement force even if the direction is not perpendicular to the measurement surface by the frictional force and the normal direction component of the stylus displacement vector is constant It is possible to perform smooth, faster, and more precise shape measurement, contributing to the realization of precise miniaturization and high precision of industrial products and the production of articles of high yield.

도 1a는 본 발명의 실시예의 형상 측정 장치의 구성도,
도 1b는 본 발명의 실시예의 형상 측정 장치의 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예의 프로브의 구성도,
도 3은 본 발명의 실시예의 스타일러스 위치, 프로브 위치 및 스타일러스 변위 벡터를 설명하는 도면,
도 4는 본 발명의 실시예의 처리의 흐름을 나타내는 흐름도,
도 5는 본 발명의 실시예의 궤적 평면도의 표기 방법을 보조하는 이미지도,
도 6은 본 발명의 실시예의 측정 궤적을 나타내는 도면,
도 7a는 종래 발명의 형상 측정 장치의 구성도,
도 7b는 종래 발명의 형상 측정 장치의 구성도,
도 8은 종래 발명의 측정 궤적을 나타내는 도면,
도 9는 종래 발명의 모방 제어에 의한 스타일러스 변위 벡터를 나타낸 도면이다. FIG. 1A is a configuration diagram of a shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention,
1B is a configuration diagram of a shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention,
2 is a configuration diagram of a probe of an embodiment of the present invention,
3 is a view for explaining a stylus position, a probe position, and a stylus displacement vector in an embodiment of the present invention,
4 is a flowchart showing the flow of processing in the embodiment of the present invention,
Fig. 5 is an image for assisting the notation of the locus plan view of the embodiment of the present invention,
6 is a view showing a measurement locus of an embodiment of the present invention,
FIG. 7A is a configuration diagram of a shape measuring apparatus of the conventional invention,
FIG. 7B is a configuration diagram of a shape measuring apparatus of the conventional invention,
8 is a view showing a measurement locus of the conventional invention,
9 is a diagram showing a stylus displacement vector by the imitation control of the conventional invention.

이하 본 발명의 실시예에 대해서, 도면을 참조하면서 설명한다. 각 도면에 있어서, 동일한 구성 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙이고, 설명을 생략한다.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same constituent parts are denoted by the same reference numerals, and a description thereof will be omitted.

(실시예 1)(Example 1)

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예 1의 삼차원 형상 측정 장치(이하, 간단히 형상 측정 장치라고 함)의 구성을 나타내는 도면이다. 이 형상 측정 장치는, 크게 삼차원 계측기(22)와, 제어 장치(23)와, 컴퓨터 등으로 구성되는 연산 장치(24)로 나눌 수 있다. Figs. 1A and 1B are diagrams showing a configuration of a three-dimensional shape measuring apparatus (hereinafter, simply referred to as a shape measuring apparatus) according to Embodiment 1 of the present invention. This shape measuring apparatus can roughly be divided into a three-dimensional measuring instrument 22, a control device 23, and a computing device 24 composed of a computer or the like.

삼차원 계측기(22)는, 프로브(26)에 마련된 스타일러스(20)를 측정물(25)의 측정면(25a)에 접촉시키면서 측정을 행한다. 측정면(25a)과 프로브(26)의 상대 위치를 XYZ 방향으로 움직이는 이동부로서, 측정면(25a)을 X 방향으로 움직이는 X축 모터(88)와, Y 방향으로 움직이는 Y축 모터(89)에 의해 구동되는 XY 스테이지(27)와, 프로브(26)가 하단에 부착되고, 이것을 Z 방향으로 움직이는 Z 스테이지(28)를 구비한다. 한편, 대형 측정물을 측정하는 경우에는, 측정면이 고정되고 프로브가 XYZ 방향으로 이동하는 구성도 실시할 수 있다.The three-dimensional measuring instrument 22 performs measurement while bringing the stylus 20 provided on the probe 26 into contact with the measurement surface 25a of the measurement object 25. An X-axis motor 88 for moving the measurement surface 25a in the X-direction and a Y-axis motor 89 for moving the measurement surface 25a in the Y-direction, as a moving unit for moving the relative positions of the measurement surface 25a and the probe 26 in the X, And a Z stage 28 to which the probe 26 is attached at the lower end and which moves in the Z direction. On the other hand, in the case of measuring a large object, it is also possible to adopt a configuration in which the measurement surface is fixed and the probe moves in the X, Y, and Z directions.

제어 장치(23)는 X 좌표 검출부(31), Y 좌표 검출부(32), Z 좌표 검출부(33), 기울기 검출부(34), 포커스 오차 신호 검출부(35), X축 제어부(37), Y축 제어부(38) 및 Z축 제어부(39)를 구비한다. The control unit 23 includes an X coordinate detecting unit 31, a Y coordinate detecting unit 32, a Z coordinate detecting unit 33, a tilt detecting unit 34, a focus error signal detecting unit 35, an X axis controlling unit 37, A control unit 38 and a Z-axis control unit 39.

연산 장치(24)는 측정점 위치 연산부(41), 오차 연산 출력부(42), 스타일러스 변위 벡터 검출부(43), 전회 측정 위치 기억부(44), 법선 방향 벡터 출력부(45), 법선 방향 벡터 성분 산출부(46), 눌러 넣기 벡터 산출부(47), 주사 방향 단위 벡터 산출부(48), 이동 벡터 산출부(49), 이동 지시부(87), 법선 방향 설정·기억부(91), 주사 속도 설정부(92), 주사 방향 벡터 산출부(93), 눌러 넣기량 설정부(94), 전환 스위치(95)를 구비한다.The arithmetic unit 24 includes a measurement point position calculation unit 41, an error calculation output unit 42, a stylus displacement vector detection unit 43, a previous measurement position storage unit 44, a normal direction vector output unit 45, A motion vector calculation unit 49, a movement instruction unit 87, a normal direction setting / storage unit 91, a motion vector calculation unit 92, A scanning direction vector calculating unit 93, a pushing amount setting unit 94, and a changeover switch 95. The scan direction setting unit 92, the scan direction vector calculating unit 93,

X 좌표 검출부(31)는, 발진 주파수 안정화 레이저(61)에서 발생하여 분기된 레이저 광(도시 생략)을 XY 스테이지(27)에 고정된 X 참조 미러(62)로 반사시킨다. X 참조 미러(62)의 반사 광로 길이 변화 정보를 포함하는 이 반사광과, 광로 길이 변화 정보를 포함하지 않는 기준의 레이저 광을 간섭시켜서, 기지의 레이저 측장법에 의해 XY 스테이지(27)의 X 방향의 이동량을 검출한다. 즉, X 좌표 검출부(31)는 프로브 위치 P의 X 좌표 Px를 측정한다. 마찬가지로, Y 좌표 검출부(32)는 발진 주파수 안정화 레이저(61)에서 발생하여 분기된 레이저 광(63y)을 XY 스테이지(27)에 고정된 Y 참조 미러(64)에서 반사시키고, 광로 길이 변화 정보를 포함하는 이 반사광과, 광로 길이 변화 정보를 포함하지 않는 기준의 레이저 광을 간섭시켜서, 기지의 레이저 측장법에 의해 XY 스테이지(27)의 Y 방향의 이동량을 검출한다. 즉, Y 좌표 검출부(32)는 프로브 위치 P의 Y 좌표 Py를 측정한다. The X coordinate detecting section 31 reflects the laser beam (not shown) generated by the oscillation frequency stabilizing laser 61 and diverged to the X reference mirror 62 fixed to the XY stage 27. The reflected light including the reflected optical path length change information of the X reference mirror 62 and the reference laser beam not containing the optical path length change information are interfered with each other by the known laser side method in the X direction of the XY stage 27 As shown in FIG. That is, the X-coordinate detecting unit 31 measures the X-coordinate Px of the probe position P. Similarly, the Y-coordinate detecting section 32 reflects the laser beam 63y generated by the oscillation frequency stabilizing laser 61 by the Y-reference mirror 64 fixed to the XY stage 27, And the reference laser beam not containing the optical path length change information is interfered with and detects the amount of movement of the XY stage 27 in the Y direction by the known laser measurement method. That is, the Y coordinate detector 32 measures the Y coordinate Py of the probe position P.

Z 좌표 검출부(33)는, 발진 주파수 안정화 레이저(61)에서 발생하여 분기된 레이저 광(63z)을, 도 2에 나타낸 바와 같이 스타일러스 축(53)의 상단의 미러(54)로 반사시키고, 광로 길이 변화 정보를 포함하는 이 반사광과, 광로 길이 변화 정보를 포함하지 않는 기준의 레이저 광을 간섭시켜서, 기지의 레이저 측장법에 의해 스타일러스(20)의 Z 방향의 이동량을 검출한다. 즉, Z 좌표 검출부(33)는 스타일러스 위치 S의 Z 좌표 Sz를 측정한다. The Z coordinate detection section 33 reflects the laser light 63z generated and branched by the oscillation frequency stabilizing laser 61 to the mirror 54 at the upper end of the stylus axis 53 as shown in Fig. The reflected light including the length change information is interfered with the reference laser light not including the optical path length change information and the amount of movement of the stylus 20 in the Z direction is detected by the known laser measurement method. That is, the Z coordinate detection unit 33 measures the Z coordinate Sz of the stylus position S.

이와 같이, 레이저 측장에 의한 측정 데이터는, 측정면에 대한 프로브 위치 P의 XY 좌표 Px, Py와 스타일러스 위치 S의 Z 좌표 Sz이다. As described above, the measurement data by the laser measurement is the XY coordinates Px, Py of the probe position P with respect to the measurement surface and the Z coordinate Sz of the stylus position S.

도 2는 본 발명의 실시예 1에 있어서의 프로브의 구성도이다. 프로브(26)는, 가요성 부재(51A, 51B)를 통해서 부착된 스타일러스(20)를 구비한다. 가요성 부재(51A, 51B)란 힘을 가하면 휘어지는 성질을 가지는 것으로, 일부를 절결해서 상하(Z 방향)와 가로 방향(XY 방향)으로 스프링성을 갖게 한 금속의 판스프링이나 플라스틱, 고무 등으로 구성되어 있다. 스타일러스(20)는 가요성 부재(51A, 51B)에 대해 고정된 스타일러스 축(53)의 하단에 부착되고 있고, 스타일러스 축(53)의 상단에는 미러(54)가 부착되어 있다. 스타일러스(20)에 대한 측정면(25a)으로부터의 측정력에 의해, 프로브(26)에 대해서 스타일러스(20)는 XYZ 방향 어디로도 상대적으로 변위 가능하다. 스타일러스(20)에 측정면(25a)으로부터의 측정력이 작용하면, XY 방향으로부터의 측정력으로는 가요성 부재(51A, 51B)가 변형하여 미러(54)가 경사지고, Z 방향으로부터의 측정력에는 미러(54)가 상방으로 이동한다. 2 is a configuration diagram of a probe according to the first embodiment of the present invention. The probe 26 has a stylus 20 attached through the flexible members 51A and 51B. The flexible members 51A and 51B have a property of bending when a force is applied. The flexible members 51A and 51B are made of a plate spring of a metal, plastic, rubber or the like, which is formed by cutting off a part and having springability in the up and down (Z direction) Consists of. The stylus 20 is attached to the lower end of the stylus shaft 53 fixed to the flexible members 51A and 51B and the mirror 54 is attached to the upper end of the stylus shaft 53. [ The stylus 20 is relatively displaceable in the X, Y, and Z directions with respect to the probe 26 by the measuring force from the measuring surface 25a with respect to the stylus 20. [ When the measuring force from the measuring surface 25a acts on the stylus 20, the flexible members 51A and 51B are deformed by the measurement force from the X and Y directions, the mirror 54 is inclined, and the measurement from the Z direction The mirror 54 moves upward.

도 3은 스타일러스 위치 S, 프로브 위치 P 및 스타일러스 변위 벡터 D를 설명하는 도면이다. Fig. 3 is a view for explaining the stylus position S, the probe position P, and the stylus displacement vector D. Fig.

도 3(a)는 스타일러스(20)에 측정력이 작용하지 않고 스타일러스(20)가 XYZ 방향 어디로도 변위하지 않고 있는 상태를 나타내고 있다. 도 3(b)는 스타일러스(20)에 측정력이 작용하여, 스타일러스(20)가 XYZ 방향으로 변위한 상태를 나타내고 있다. 3 (a) shows a state in which no measuring force is applied to the stylus 20 and the stylus 20 is not displaced in any of the X, Y, and Z directions. 3 (b) shows a state in which a measuring force is applied to the stylus 20, and the stylus 20 is displaced in the X, Y, and Z directions.

스타일러스 위치 S를, 스타일러스(20)의 표면을 구면으로 근사했을 때의 구의 중심의 좌표라고 정의한다. 스타일러스 위치 S는 다음 식과 같이 표현된다. The stylus position S is defined as the coordinates of the center of the sphere when the surface of the stylus 20 is approximated by a sphere. The stylus position S is expressed by the following equation.

Figure 112013095689588-pat00001
Figure 112013095689588-pat00001

스타일러스(20)에 측정력이 작용하지 않고 스타일러스(20)가 XYZ 방향 어디로도 변위하지 않고 있을 때의 스타일러스 위치 S를 프로브 위치 P라고 정의한다. 프로브 위치 P는 다음 식으로 표현된다. 스타일러스(20)가 XYZ 방향 어디로도 변위하지 않고 있을 때에는, 스타일러스 위치 S와 프로브 위치 P는 일치한다.The stylus position S is defined as the probe position P when no measuring force acts on the stylus 20 and the stylus 20 is not displaced anywhere in the X, Y, and Z directions. The probe position P is expressed by the following equation. When the stylus 20 is not displaced anywhere in the X, Y, and Z directions, the stylus position S and the probe position P coincide with each other.

Figure 112013095689588-pat00002
Figure 112013095689588-pat00002

측정력이 작용하여 스타일러스 위치 S가 프로브 위치 P에 대해 변위했을 때의 변위량과 변위 방향을 나타내는 벡터를 스타일러스 변위 벡터라고 정의한다. 스타일러스 변위 벡터는 이하의 식으로 표현된다. A vector representing a displacement amount and a displacement direction when the stylus position S is displaced with respect to the probe position P by the action of the measuring force is defined as a stylus displacement vector. The stylus displacement vector is expressed by the following equation.

Figure 112013095689588-pat00003
Figure 112013095689588-pat00003

스타일러스 변위 벡터 D의 좌표 성분은 하기의 식 (1)로 표현된다. The coordinate component of the stylus displacement vector D is expressed by the following equation (1).

Figure 112013095689588-pat00004
Figure 112013095689588-pat00004

도 2에 있어서, 반도체 레이저(68)로부터의 레이저 광(69)이 콜리메이터 렌즈(70), 조리개(71), 빔 스플리터(72), 다이클로익 미러(73), 편광 프리즘(74), 다이클로익 미러(75) 및 렌즈(76)를 거쳐서 스타일러스 축(53)의 상단의 미러(54)에 입사한다. 또한, 미러(54)의 반사광은, 렌즈(76), 다이클로익 미러(75), 편광 프리즘(74), 다이클로익 미러(73) 및 빔 스플리터(72)를 거쳐서 수광 소자(79)에 입사한다. 미러(54)가 경사지면 수광 소자(79)로의 반사광의 입사 위치가 어긋난다. 기울기 검출부(34)(도 1a 및 도 1b 참조)는, 이 수광 소자(79)로의 입사 위치의 어긋남을 이용하여, 미러(54)의 경사 각도, 구체적으로는 스타일러스(20)의 X 방향의 경사 각도 θx와 Y 방향의 경사 각도 θy를 검출한다. 기울기 검출부(34)는, 경사 각도 θx, θy를 각각 스타일러스 변위 벡터 검출부(43)의 X 성분 검출부(43a)와 Y 성분 검출부(43b)로 출력한다. X 성분 검출부(43a)와 Y 성분 검출부(43b)는, 경사 각도 θx, θy와, 기지인 스타일러스 축(53)의 경사의 중심으로부터 스타일러스(20)까지의 거리 Ls로부터, 하기의 식 (2)로 표시되는 스타일러스 변위 벡터 D의 XY 좌표 성분 Dx, Dy를 산출한다. 2, the laser light 69 from the semiconductor laser 68 is incident on the collimator lens 70, the diaphragm 71, the beam splitter 72, the dichroic mirror 73, the polarization prism 74, Enters the mirror 54 at the upper end of the stylus shaft 53 through the claw mirror 75 and the lens 76. The reflected light of the mirror 54 is incident on the light receiving element 79 via the lens 76, the dichroic mirror 75, the polarizing prism 74, the dichroic mirror 73 and the beam splitter 72 I will join. When the mirror 54 is tilted, the incident position of the reflected light to the light receiving element 79 is shifted. The tilt detecting section 34 (see Figs. 1A and 1B) detects a tilt angle of the mirror 54, specifically, an inclination of the stylus 20 in the X direction The angle? X and the tilt angle? Y in the Y direction are detected. The inclination detecting section 34 outputs the inclination angles? X and? Y to the X component detecting section 43a and the Y component detecting section 43b of the stylus displacement vector detecting section 43, respectively. The X component detecting section 43a and the Y component detecting section 43b calculate the X component and the Y component from the distance Ls from the center of the inclination of the stylus shaft 53 to the stylus 20, The XY coordinate components Dx and Dy of the stylus displacement vector D are calculated.

Figure 112013095689588-pat00005
Figure 112013095689588-pat00005

다시 도 2를 참조하면, 반도체 레이저와 수광 소자의 일체화 소자(81)로부터의 레이저 광(82)은, 회절 격자(83), 콜리메이터 렌즈(84), 편광 프리즘(74), 다이클로익 미러(75) 및 렌즈(76)를 거쳐서 스타일러스 축(53)의 상단의 미러(54)에 입사한다. 또한, 미러(54)의 반사광(레이저 광(82)의 반사광)은, 렌즈(76), 다이클로익 미러(75), 편광 프리즘(74), 콜리메이터 렌즈(84) 및 회절 격자(83)를 거쳐서 일체화 소자(81)로 돌아간다. 미러(54)가 상방으로 이동하면 콜리메이터 렌즈(84)에 의한 반사광의 집광 위치에 어긋남이 발생한다. 포커스 오차 신호 검출부(35)(도 1a 및 도 1b 참조)는 일체화 소자(81)의 수광 소자 상의 집광 위치의 어긋남으로부터 미러(54)의 상방으로의 이동량을 검출한다. 포커스 오차 신호 검출부(35)가 검출한 미러(54)의 상방으로의 이동량은 포커스 제어(측정면(25a)과 스타일러스(20)의 거리를 일정하게 함)에 사용된다. 또한, 포커스 오차 신호 검출부(35)가 검출한 미러(54)의 상방으로의 이동량은, 스타일러스 변위 벡터 검출부(43)의 Z 성분 검출부(43c)로 출력된다. Z 성분 검출부(43c)는 포커스 오차 신호 검출부(35)로부터의 입력을 사용해서 스타일러스 변위 벡터 D의 Z 좌표 성분 Dz를 산출한다. 2, the laser light 82 from the integrated element 81 of the semiconductor laser and the light receiving element is reflected by the diffraction grating 83, the collimator lens 84, the polarization prism 74, the dichroic mirror 75 and the lens 76 and enters the mirror 54 at the upper end of the stylus shaft 53. The reflected light (reflected light of the laser light 82) of the mirror 54 is reflected by the lens 76, the dichroic mirror 75, the polarizing prism 74, the collimator lens 84 and the diffraction grating 83 And then returns to the integrated element 81 through the contact hole. When the mirror 54 moves upward, deviation occurs in the condensing position of the reflected light by the collimator lens 84. [ The focus error signal detecting section 35 (see Figs. 1A and 1B) detects the amount of movement of the mirror 54 upward from the deviation of the light-collecting position on the light-receiving element of the integrated element 81. [ The amount of upward movement of the mirror 54 detected by the focus error signal detecting section 35 is used for focus control (making the distance between the measuring surface 25a and the stylus 20 constant). The amount of upward movement of the mirror 54 detected by the focus error signal detecting section 35 is output to the Z component detecting section 43c of the stylus displacement vector detecting section 43. [ The Z component detecting section 43c calculates the Z coordinate component Dz of the stylus displacement vector D using the input from the focus error signal detecting section 35. [

측정점 위치 연산부(41)(도 1a 및 도 1b 참조)에는, X 좌표 검출부(31)로부터의 프로브 위치 P의 X 성분 Px, Y 좌표 검출부(32)로부터의 프로브 위치 P의 Y 성분 Py, Z 좌표 검출부(33)로부터의 스타일러스 위치 S의 Z 좌표 Sz가 각각 입력된다. 또한, 측정점 위치 연산부(41)에는, 스타일러스 변위 벡터 검출부(43)의 X 성분 검출부(43a)와 Y 성분 검출부(43b)로부터, 스타일러스 변위 벡터 D의 X 성분 Dx와 Y 성분 Dy가 각각 입력된다. 측정점 위치 연산부(41)는, 이들 입력을 사용해서 스타일러스 위치 S, 프로브 위치 P 및 스타일러스 변위 벡터 D 사이의 상기 설명한 식 (1)의 관계로부터, 스타일러스 위치 S의 XYZ 좌표 Sx, Sy, Sz를 산출한다. 구체적으로는, 본 실시예에 있어서의 측정점 위치 연산부(41)는, 이하의 식 (3)에 의해 스타일러스 위치 S의 XYZ 성분 Sx, Sy, Sz를 산출한다.The X component Px of the probe position P from the X coordinate detecting section 31, the Y component Py of the probe position P from the Y coordinate detecting section 32, and the Z coordinate of the probe position P from the Y coordinate detecting section 32 And the Z coordinate Sz of the stylus position S from the detection unit 33 are respectively inputted. The X component Dx and the Y component Dy of the stylus displacement vector D are input to the measurement point position calculation unit 41 from the X component detection unit 43a and Y component detection unit 43b of the stylus displacement vector detection unit 43, respectively. The measurement point position calculation unit 41 calculates the XYZ coordinates Sx, Sy, Sz of the stylus position S from the above-described relationship of the formula (1) between the stylus position S, the probe position P and the stylus displacement vector D using these inputs do. Specifically, the measurement point position calculation unit 41 in the present embodiment calculates the XYZ components Sx, Sy, Sz of the stylus position S by the following equation (3).

Figure 112013095689588-pat00006
Figure 112013095689588-pat00006

도 2에 나타내는 구조의 프로브(26)를 사용한 경우, 상술한 바와 같이 스타일러스 위치 S의 Z 좌표 Sz는 Z 좌표 검출부(33)에 의해 직접 측정된다. 따라서, 식 (3)에 나타낸 바와 같이 스타일러스 변위 벡터 D의 Z 성분 Dz는, 측정 데이터인 스타일러스 위치 S의 산출에는 사용되지 않고, 후술하는 바와 같이 제어에만 사용된다. When the probe 26 having the structure shown in Fig. 2 is used, the Z coordinate Sz of the stylus position S is directly measured by the Z coordinate detecting section 33 as described above. Therefore, as shown in equation (3), the Z component Dz of the stylus displacement vector D is not used for calculation of the stylus position S, which is measurement data, but is used only for control as described later.

또한, 측정점 위치 연산부(41)는, 식 (3)으로 산출한 스타일러스 위치 S를 측정점의 위치 정보(XYZ 좌표)로 변환한다. 이 변환은 스타일러스 위치 S의 XYZ 좌표 Sx, Sy, Sz, 측정면(25a)의 경사 각도, 및 스타일러스(20)의 곡율 반경을 사용한 삼각 함수를 포함하는 연산에 의해 가능하다. 이 스타일러스 위치 S를 측정점의 위치 정보로 변환하기 위한 연산 수법은 주지된 것이기 때문에 설명을 생략한다. 이 연산 수법은, 예컨대 일본 특허 공개 제 2001-21494호 공보에 기재되어 있다. Further, the measuring point position calculating section 41 converts the stylus position S calculated by the equation (3) into position information (XYZ coordinates) of the measuring point. This conversion is possible by an operation including a trigonometric function using the XYZ coordinates Sx, Sy, Sz of the stylus position S, the tilt angle of the measurement surface 25a, and the radius of curvature of the stylus 20. Since the operation method for converting the stylus position S into the position information of the measurement point is well known, a description thereof will be omitted. This calculation technique is described, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-21494.

측정점 위치 연산부(41)에서 산출된 측정점의 위치 정보는, 오차 연산 출력부(42)에 입력된다. 오차 연산 출력부(42)는, 측정점 위치 연산부(41)로부터 입력된 측정점의 위치 정보와, 측정 대상의 설계값을 비교하고, 그 오차를 연산한다. The position information of the measurement point calculated by the measurement point position calculation section 41 is input to the error calculation output section 42. [ The error calculation output unit 42 compares the position information of the measurement point inputted from the measurement point position calculation unit 41 with the design value of the measurement object and calculates the error.

도 1a 및 도 1b에 있어서, 전환 스위치(95)는, 스타일러스 변위 벡터 검출부(43)의 출력과, 측정점 위치 연산부(41)와 전회 측정점 위치 기억부(44)의 차를 90도 회전시키는 법선 방향 벡터 출력부(45)의 출력과, 미리 측정물의 정보로부터 법선 방향을 설정·기억하는 법선 방향 설정·기억부(91)의 출력을 전환한다. 법선 방향 설정·기억부(91)는 측정면(25a)의 법선 방향을 전부 설정·기억할 수도 있고, 특별히 주사 개시의 일부만이어도 된다.1A and 1B, the changeover switch 95 switches the output of the stylus displacement vector detector 43 and the difference between the output of the measurement point position calculator 41 and the previous measurement point position storage unit 44 in the normal direction The output of the vector output unit 45 and the output of the normal direction setting / storing unit 91 for setting and storing the normal direction from the information of the measured object in advance. The normal direction setting / storing unit 91 may set and store the normal direction of the measurement surface 25a entirely, or may be only part of the scanning start.

전환 스위치(95)가 출력하는 법선 방향 벡터를 기초로, 스타일러스 변위 벡터의 법선 방향 성분을 산출하는 법선 방향 벡터 성분 산출부(46)와, 눌러 넣기량 설정부(94)와 전환 스위치(95)의 출력으로부터 눌러 넣기 벡터를 산출하는 눌러 넣기 벡터 산출부(47)와, 전환 스위치(95)의 출력으로부터 주사 방향 단위 벡터를 산출하는 주사 방향 단위 벡터 산출부(48)와, 주사 방향 단위 벡터 산출부(48)로부터의 출력(주사 방향 단위 벡터)과 주사 속도 설정부(92)의 출력(주사 속도)으로부터 주사 방향 이동량을 산출하는 주사 방향 벡터 산출부(93)가 마련되어 있다. A normal direction vector component calculating unit 46 for calculating a normal direction component of the stylus displacement vector based on the normal direction vector output from the changeover switch 95, a pushing amount setting unit 94, A scanning direction unit vector calculation unit 48 for calculating a scanning direction unit vector from the output of the changeover switch 95, a scanning direction unit vector calculation unit 48 for calculating a scanning direction unit vector calculation A scanning direction vector calculating section 93 for calculating the scanning direction moving amount from the output (unit direction of scanning direction) from the unit 48 and the output (scanning speed) of the scanning speed setting section 92 are provided.

이동 벡터 산출부(가산부)(49)는, 법선 방향 벡터 성분 산출부(46)의 출력과, 눌러 넣기 벡터 산출부(47)의 출력과, 주사 방향 벡터 산출부(93)의 출력을 가감산하여 이동 벡터 M을 산출한다. 이 이동 벡터 M의 산출에는, 후술하는 서보 온 및 서보 오프의 실행에 필요한 정보, 및 주사 속도 설정부(92)에 기억되어 있는 스타일러스(20)에 의한 측정면(25a)의 주사의 실행에 필요한 정보(주사의 경로, 주사종료 조건 등을 포함함)를 사용한다.The motion vector calculating section 49 adds or subtracts the output of the normal direction vector component calculating section 46, the output of the pushing vector calculating section 47 and the output of the scanning direction vector calculating section 93, To calculate a motion vector M. The calculation of the motion vector M includes information necessary for execution of the servo-on and servo-off described later and execution of scanning of the measurement surface 25a by the stylus 20 stored in the scanning-speed setting unit 92 Information (including the path of the scan, the scan end condition, and the like) is used.

이동 벡터 산출부(49)에서 산출된 이동 벡터 M은 이동 지시부(87)로 출력된다. 이동 지시부(87)는 이동 벡터 M을 사용하여 XY 스테이지(27) 및 Z 스테이지(28)의 이동량을 산출한다. 산출한 이동량은 X축 제어부(37), Y축 제어부(38), Z축 제어부(39)로 출력되어, X축 모터(88), Y축 모터(89), 도시하지 않는 Z축 모터를 작동시켜 모방 동작을 행한다.The motion vector M calculated by the motion vector calculation unit 49 is output to the movement instruction unit 87. [ The movement instruction unit 87 calculates the movement amounts of the XY stage 27 and the Z stage 28 using the movement vector M. [ The calculated movement amount is output to the X axis control section 37, the Y axis control section 38 and the Z axis control section 39 to drive the X axis motor 88, the Y axis motor 89 and the Z axis motor And imitating operation is performed.

도 4는 본 발명의 처리의 흐름을 나타내는 흐름도이다. 도 5는, 도 6의 궤적 평면도의 표기 방법을 보조하는 이미지도이다. 도 6은 본 발명의 측정 궤적을 나타내는 도면으로, 이후의 설명에 입각해서 분해 표기한 것으로 되어 있으며, 도 5의 화살표의 방향(Z축 상방)으로부터 본 XY 평면에 평행한 평면 내에서의 프로브 위치 P와 스타일러스 위치 S의 관계를 나타낸 것이다. 이후의 설명에서는, 프로브 위치 P를 위치 P, 스타일러스 위치 S를 위치 S라고 표기한다. 4 is a flowchart showing the flow of processing of the present invention. Fig. 5 is an image diagram for assisting the notation of the locus plan view of Fig. 6. Fig. Fig. 6 is a view showing the measurement locus of the present invention, which is disassembled in accordance with the following description. The probe locus in a plane parallel to the XY plane viewed from the direction of the arrow in Fig. 5 P and the stylus position S, respectively. In the following description, the probe position P is referred to as a position P, and the stylus position S is referred to as a position S.

우선, 도 4의 Step 1에 대해서 도 6(a)를 이용해서 설명한다. First, Step 1 of FIG. 4 will be described with reference to FIG. 6 (a).

도 6(a)에 있어서, 프로브(26)는 스타일러스(20)가 측정면(25a)에 접촉하지않는 위치 P0로 위치 결정되어 있다. 위치 P0는, 측정물(25)과 최초로 접촉하는 측정면(25a) 상의 점 S1에서의 개략 법선 방향에 있고, 예컨대 눈대중 등으로 위치 결정이 이루어질 수 있다. 이 위치에서는 스타일러스(20)는 측정면(25a)에 접촉하지 않고 있기 때문에, 측정력을 받지 않고, S0=P0이다. In Fig. 6 (a), the probe 26 is positioned at a position P0 where the stylus 20 does not contact the measuring surface 25a. The position P0 is in the direction of an approximate normal line at a point S1 on the measurement surface 25a which is initially in contact with the measurement object 25, and can be positioned, for example, in a snow scene. In this position, since the stylus 20 is not in contact with the measurement surface 25a, it is not subjected to the measurement force, and S0 = P0.

프로브(26)를 위치 P0로부터, 스타일러스(20)가 측정면(25a)에 접촉하는 위치 S1를 넘어서, 위치 P1까지 이동시킨다. 이 동작을 서보 온이라고 부른다. 위치 P1는, 위치 P1로부터 위치 S1에 이르는 스타일러스 변위 벡터 D1의 크기가 미리 정해진 눌러 넣기량 C이 되는 위치이다. 도 6에서는 확대 표기되어 있지만, 실제 형상 측정기에 있어서 눌러 넣기량 C은 3μm정도이다. The probe 26 is moved from the position P0 to the position P1 beyond the position S1 where the stylus 20 contacts the measurement surface 25a. This operation is called servo-on. The position P1 is a position where the size of the stylus displacement vector D1 from the position P1 to the position S1 becomes a predetermined push-in amount C. 6, the pressing amount C in the actual shape measuring apparatus is about 3 탆.

구체적으로는, 서보 온에서는, 스타일러스 변위 벡터 D의 XYZ 성분 Dx, Dy, Dz의 제곱합을 모니터하면서, 프로브(26)를 움직이고, 이하의 식 (4)이 성립한 시점에 프로브(26)의 이동을 정지한다. 이 제곱합의 모니터는 이동 벡터 산출부(49)가 실행한다. Specifically, in the servo-on, the probe 26 is moved while monitoring the sum of squares of the XYZ components Dx, Dy, and Dz of the stylus displacement vector D, and when the following equation (4) Lt; / RTI > The motion vector calculation unit 49 executes the monitor of the sum of squares.

Figure 112013095689588-pat00007
Figure 112013095689588-pat00007

다음으로 도 4의 Step 2에서는, 현재의 프로브 위치 P를 위치 P1, 현재의 스타일러스 위치 S를 위치 S1, 스타일러스 변위 벡터를 D1이라고 한다. 또한, 도 6(b)을 참조하면, 법선 방향 벡터 성분 산출부(46)는, 스타일러스 변위 벡터 D1를 위치 P1에 있어서의 법선 방향 N1(벡터)으로 한다.Next, in Step 2 of FIG. 4, the current probe position P is referred to as a position P1, the current stylus position S is referred to as a position S1, and the stylus displacement vector is referred to as D1. 6 (b), the normal direction vector component calculating unit 46 sets the stylus displacement vector D1 to the normal direction N1 (vector) at the position P1.

다음으로 도 4의 Step 3에 대해서 도 6(c) 및 도 6(d)를 이용해서 설명한다. 도 6(c)에 나타내는 위치 P1에 있는 프로브(26)를 위치 P1로부터, 법선 방향 N1에 수직이며, 또한 XY 평면 내인 방향으로 거리 Lc1(이동 벡터 M1)만큼 움직여서, 위치 P2로 이동시킨다. Next, Step 3 of FIG. 4 will be described with reference to FIG. 6 (c) and FIG. 6 (d). The probe 26 at the position P1 shown in Fig. 6 (c) is moved from the position P1 by the distance Lc1 (the motion vector M1) in the direction perpendicular to the normal direction N1 and in the XY plane, to the position P2.

거리 Lc1에 대해서는, 다음과 같은 관점에서 그 값을 설정한다. 거리 Lc1가 과도하게 작으면, 프로브(26)의 이동거리가 짧아져서, 프로브(26)가 프로브 위치 P1로부터 움직이더라도, 정지 마찰에 의해 스타일러스(20)가 스타일러스 위치 S1로부터 움직이지 않을 가능성이 있다. 반대로 과도하게 거리 Lc1가 크면, 프로브(26)의 이동 거리가 길어져서, 측정면(25a)의 경사 각도 변화의 영향을 받기 쉽게 되어, 스타일러스 변위 벡터 D의 크기나 방향의 변화가 커질 가능성이 있다. 따라서, 거리 Lc1는 프로브(26)의 이동에 의해 스타일러스(20)가 측정면(25a) 상을 이동한다고 하는 조건을 만족시키는 범위에서의 최소 거리로, 측정면(25a)의 기복에 비해서 미소한 거리로 설정한다. For the distance Lc1, the value is set from the following viewpoint. If the distance Lc1 is excessively small, the moving distance of the probe 26 is shortened, and even if the probe 26 moves from the probe position P1, there is a possibility that the stylus 20 is not moved from the stylus position S1 due to the static friction . On the contrary, if the distance Lc1 is excessively large, the moving distance of the probe 26 becomes long, and it is likely to be influenced by a change in the inclination angle of the measuring surface 25a, which may increase the size and direction of the stylus displacement vector D . The distance Lc1 is a minimum distance in a range that satisfies the condition that the stylus 20 moves on the measurement surface 25a by the movement of the probe 26. The distance Lc1 is smaller than the undulation of the measurement surface 25a Set to distance.

주사 방향 단위 벡터 산출부(48)는, 이동 벡터 M1의 방향의 단위 벡터(주사 방향 단위 벡터)를 산출한다. 최초로 프로브(26)를 이동시킬 때의 주사 방향 단위 벡터의 산출에는, 2가지 방법이 있다. 하나는 스타일러스 변위 벡터 산출부(43)가 산출한 현재의 스타일러스 변위 벡터 D1(법선 방향 N1)으로부터 산출하는 방법이다. 다른 하나는, 서보 온 동작의 방향(개략 법선 방향)을 이용하는 방법이다. 두번째 이후의 프로브(26)를 이동시킬 때의 주사 방향 단위 벡터의 산출은, 전자의 방법으로 실행할 수도 있다. 도 6(c)는 스타일러스 변위 벡터 D1와 서보 온 동작의 방향이 일치하고 있는 경우이다. 주사 방향 벡터 산출부(93)는 주사 방향 단위 벡터 산출부(48)가 산출한 주사 방향 단위 벡터와 주사 속도 설정부(92)에서 설정된 주사 속도로부터 프로브(26)의 이동 벡터 M1을 산출하여, 이동 벡터 산출부(49)로 출력한다(Step 3에서는 주사 방향 단위 벡터 산출부(48)의 산출값이 그대로 이동 벡터 M1이 된다).The scanning direction unit vector calculating unit 48 calculates a unit vector (scanning direction unit vector) in the direction of the movement vector M1. There are two methods for calculating the scanning direction unit vector when moving the probe 26 for the first time. One is a method of calculating from the current stylus displacement vector D1 (normal direction N1) calculated by the stylus displacement vector calculating section 43. [ The other is a method using the direction of the servo-on operation (rough normal direction). The calculation of the scanning direction unit vector when the second and subsequent probes 26 are moved can also be performed by the former method. 6 (c) shows a case where the stylus displacement vector D1 and the direction of the servo-on operation coincide with each other. The scanning direction vector calculating unit 93 calculates the moving vector M1 of the probe 26 from the scanning direction unit vector calculated by the scanning direction unit vector calculating unit 48 and the scanning speed set by the scanning speed setting unit 92, (In Step 3, the calculated value of the scanning direction unit vector calculating unit 48 becomes the moving vector M1 as it is).

위치 P1로부터 P2에 이르는 이동 벡터 M1은, Uz를 단위 벡터라고 하면, 이하의 식 (5)로 나타낼 수 있다. The motion vector M1 from the position P1 to P2 can be expressed by the following equation (5), where Uz is a unit vector.

Figure 112013095689588-pat00008
Figure 112013095689588-pat00008

도 6(d)는 프로브(26)가 위치 P1로부터 위치 P2로 이동했을 때의 상태를 나타낸다. 이 때의 스타일러스(20)의 위치 S2는 동작 방향과는 반대의 방향으로 작용하는 동마찰력 F에 의해, 위치 P2를 지나는 측정면(25a)에 직각인 벡터 NR2로부터 어긋난다. 6 (d) shows the state when the probe 26 moves from the position P1 to the position P2. At this time, the position S2 of the stylus 20 is displaced from the vector NR2 perpendicular to the measuring surface 25a passing through the position P2 by the frictional force F acting in the direction opposite to the operating direction.

다음으로 도 4의 Step 4에 대해서 도 6(e)를 이용해서 설명한다. Step 4에서는 현재의 프로브 위치에 있어서의 법선 방향을 결정한다. 이 이후에는, 이하에 설명하는, 현재의 스타일러스(20)의 위치와 이전의 스타일러스(20)의 위치로부터 다음 주사 방향을 구하는 스텝을 반복하기 때문에, 현재의 스타일러스 위치를 Si, 현재의 프로브 위치를 Pi, 현재의 스타일러스 변위 벡터를 Di, 이전의 스타일러스 위치를 Si -1, 이전의 프로브 위치를 Pi -1, 이전의 스타일러스 변위 벡터를 Di - 1라고 표기하고, 설명을 간소화한다(i=2, 3, 4 …). Next, Step 4 of FIG. 4 will be described with reference to FIG. 6 (e). Step 4 determines the normal direction of the current probe position. Thereafter, since the step of obtaining the next scanning direction is repeated from the position of the current stylus 20 and the position of the previous stylus 20 to be described below, the current stylus position is S i , the current probe position the P i, the current of the stylus displacement vector D i, the previous position of the stylus the S i -1, the previous probe position P i -1, the transfer of the stylus displacement vector D i - simplifying denoted 1, and explains (I = 2, 3, 4 ...).

이전의 스타일러스 위치 Si - 1와, 현재의 스타일러스 위치 Si를 잇는 직선에, 현재의 프로브 위치 Pi로부터 수직선을 그은 점을 Ti이라고 한다. 프로브 위치 Pi로부터 Ti로의 방향을 프로브 위치 Pi에서의 법선 방향 Ni라고 하면, 이하의 식 (6)의 관계가 있다. Let T i be a straight line connecting the previous stylus position S i - 1 and the current stylus position S i , and pointing a vertical line from the current probe position P i . Assuming that the direction from the probe position P i to T i is the normal direction N i at the probe position P i , there is a relation of the following expression (6).

Figure 112013095689588-pat00009
Figure 112013095689588-pat00009

법선 방향 벡터 산출부(45)가 스타일러스 위치 Si - 1(벡터)와, 현재의 스타일러스 위치 Si(벡터)로부터 법선 방향 Ni(벡터)를 산출한다. Direction normal vector calculating section 45, the stylus position S i - 1 and (vector), and calculates the normal direction N i (vector) at the current stylus position S i (vector).

또한 도 4의 Step 5에 대해서도 도 6(e)를 이용해서 설명한다. Step 5에서는 다음 순서로, 이동 벡터 Mi를 구해 간다. Step 5 of FIG. 4 will also be described with reference to FIG. 6 (e). In Step 5, the motion vector M i is obtained in the following order.

Pi에서의 법선 방향의 눌러 넣기량 DVi(스칼라)는 이하의 식 (7)로 표현된다. The pushing amount DV i (scalar) in the normal direction in P i is expressed by the following equation (7).

Figure 112013095689588-pat00010
Figure 112013095689588-pat00010

Pi +1 점의 눌러 넣기량이 설정값 C(스칼라)가 되도록 하기 위해서, Pi를 법선 방향으로 이동 벡터 Mi의 법선 방향 성분 Miv(눌러 넣기 벡터 Miv)만큼 이동시킬 필요가 있다. 눌러 넣기 벡터 산출부(47)가 이 눌러 넣기 벡터 Miv를 산출한다. 눌러 넣기 벡터 Miv는 이하의 식 (8)로 표현된다. It is necessary to move P i by the normal direction component M i v (push-in vector M i v) of the movement vector M i in the normal direction so that the push-in amount of the P i +1 point becomes the set value C (scalar) have. The push-in vector calculating unit 47 calculates the push-in vector M i v. The push-in vector M i v is expressed by the following equation (8).

Figure 112013095689588-pat00011
Figure 112013095689588-pat00011

이동 벡터 Mi의 주사 방향 성분(주사 방향 이동 벡터) Mih는, 설정한 주사 속도 V에 측정 샘플링 시간 Ts를 곱한 이동량 Lc이라고 하면, 이하의 식 (9)로 표현된다. 이 식 (9)로부터 분명한 바와 같이, 주사 방향 이동 벡터 Mih의 방향, 이전의 스타일러스 위치 Si -1(벡터)로부터 현재의 스타일러스 위치 Si(벡터)를 향하는 방향이다. Motion-vector-scanning direction component of M i (scanning direction movement vector) h M i, when it is multiplied by the measurement sampling time Ts within a designated scanning speed V shift distance Lc, is represented by the following formula (9). As is apparent from this formula (9), the direction is the direction from the direction of the scanning direction movement vector M i h to the current stylus position S i (vector) from the previous stylus position S i -1 (vector).

Figure 112013095689588-pat00012
Figure 112013095689588-pat00012

주사 방향 단위 벡터 산출부(48)는 주사 방향 이동 벡터 Mih의 방향의 단위 벡터를 산출한다. 주사 방향 단위 벡터 산출부(93)는, 이 단위 벡터와, 주사 속도 설정부(92)로 설정된 주사 속도 V와, 측정 샘플링 시간 Ts으로부터 주사 방향 이동 벡터 Mih를 산출한다. The scanning direction unit vector calculating unit 48 calculates a unit vector in the direction of the scanning direction movement vector M i h. The scanning direction unit vector calculating unit 93 calculates the scanning direction movement vector M i h from the unit vector, the scanning speed V set by the scanning speed setting unit 92, and the measurement sampling time Ts.

Pi 점에서의 이동 벡터 Mi는, 이하의 식 (10)으로 표현된다. The motion vector M i at the point P i is expressed by the following equation (10).

Figure 112013095689588-pat00013
Figure 112013095689588-pat00013

식 (10)의 제 1 항은 법선 방향 벡터 산출부(46)의 출력, 제 2 항은 눌러 넣기 벡터 산출부(47)의 출력, 제 3 항은 주사 방향 벡터 산출부(93)의 출력이다. The first term of the equation (10) is the output of the normal direction vector calculating section 46, the second term is the output of the push-in vector calculating section 47, and the third term is the output of the scanning direction vector calculating section 93 .

도 4의 Step 6에서는, Step 4 및 Step 5를 프로브 위치 P가 측정 전에 지정한 측정 종료 위치에 이를 때까지 반복하여, 측정 종료 위치에 이르면, 프로브(26)의 움직임을 정지시킨다. In Step 6 of FIG. 4, Step 4 and Step 5 are repeated until the probe position P reaches the measurement end position specified before measurement, and when the measurement end position is reached, the movement of the probe 26 is stopped.

도 4의 Step 7에서는, 프로브(26)의 움직임을 정지시킨 후, 스타일러스 변위 벡터 Di의 방향으로, 스타일러스 변위 벡터 Di보다 큰 거리만큼 프로브(6)를 움직이고(이 동작을 서보 오프라고 부른다) 측정을 종료한다. 4, after the movement of the probe 26 is stopped, the probe 6 is moved by a distance larger than the stylus displacement vector D i in the direction of the stylus displacement vector D i (this operation is called servo-off ) Terminate the measurement.

이상은, 2개의 좌표축과 평행한 평면으로 설명했지만, 임의의 평면에 대해 적용할 수 있다. 주사 측정을 실시하는 평면이 결정되면, 평면과 측정면(25a)의 교차선이 측정 궤적이 된다. The above description has been made on the plane parallel to the two coordinate axes, but it can be applied to any plane. When the plane on which the scan measurement is performed is determined, the intersection line between the plane and the measurement plane 25a becomes the measurement locus.

본 실시예의 형상 측정에 의해, 임의 방향으로 경사지는 측정면으로부터의 측정력에 의한 스타일러스의 변위가, 스타일러스의 이동 방향으로 가하는 마찰력에 의해서 측정면에 직각인 방향으로부터 어긋나더라도 스타일러스를 측정면에 따른 방향으로 이동시킬 수 있다. 또한, 임의 방향으로 경사지는 측정면에 따른 방향으로 스타일러스를 매끄럽게 이동시킬 수 있다. 따라서, 본 실시예의 형상 측정에 의해, 측정 속도 안정성을 높여서, 측정력도 일정하게 하여 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
According to the shape measurement of the present embodiment, even if the displacement of the stylus due to the measurement force from the measurement surface inclined in an arbitrary direction deviates from the direction perpendicular to the measurement surface due to the frictional force applied in the direction of movement of the stylus, Direction. Further, the stylus can be smoothly moved in the direction along the measurement surface inclined in any direction. Therefore, by measuring the shape of the present embodiment, the stability of the measurement speed can be improved, and the measurement accuracy can be made constant, thereby improving the measurement accuracy.

(실시예 2)(Example 2)

실시예 2에서는, 스타일러스 변위 벡터 Di의 법선 방향 성분을 일정값 DV=C로 하기 위한 보정을 법선 방향 산출에 비해서 고속(제어 주기 Ts초 간격)으로 실시하고, 나아가 전회 측정 위치는 몇 회 이전의 위치를 사용한 형태이다. In the second embodiment, correction for setting the normal direction component of the stylus displacement vector D i to a constant value DV = C is performed at a high speed (interval of the control cycle Ts seconds) compared with the normal direction calculation, and furthermore, And the location of

실시예 1에서는, 구동계가, 지연없이 즉시 지령값대로 이동하는 것을 전제로 해서 법선 방향 이동을 이하의 식 (8)로 했다. In the first embodiment, assuming that the drive system immediately moves to the command value without delay, the movement in the normal direction is expressed by the following expression (8).

Figure 112013095689588-pat00014
Figure 112013095689588-pat00014

주사시의 눌러 넣기량의 변화를 줄이기 위해서는 식 (8)을 실행하는 시간 간격 Ts를 작게 하여 제어 주기를 짧게 하는 것이 유효하다. 그러나, 실제로는 구동계의 지연이 있기 때문에, 시간 간격 Ts를 짧게, 즉 제어 주기를 고속으로 해 가면 발진 상태가 된다. In order to reduce the change in the pressing amount at the time of scanning, it is effective to shorten the control period by reducing the time interval Ts for executing the equation (8). However, since there is actually a delay of the driving system, the oscillation state is obtained when the time interval Ts is shortened, that is, when the control period is made high.

이 때문에, 이하의 식 (11)에 나타낸 바와 같이, 구동계의 지연으로부터 결정되는 게인 g≤1을 곱함으로써, 제어 주기를 높이고, 또한 동작을 안정시켜서, 눌러 넣기량의 변화를 줄일 수 있다. Therefore, by multiplying the gain g? 1 determined by the delay of the drive system as shown in the following Expression (11), it is possible to increase the control period, stabilize the operation, and reduce the change in the push-in amount.

Figure 112013095689588-pat00015
Figure 112013095689588-pat00015

또한, 실시예 1에서는, 구동계가 지연없이 즉시 지령값 대로 이동하는 것을 전제로 해서, 법선 방향 성분의 보정과 법선 방향 산출을 같은 시간 간격으로서 설명했다. 안정된 동작이라면, (이동 거리 Lc=설정 주사 속도 V*제어 주기 Ts)이다.In the first embodiment, the correction of the normal direction component and the calculation of the normal direction are described as the same time interval on the premise that the driving system immediately moves to the command value without delay. If it is a stable operation, (movement distance Lc = set scanning speed V * control period Ts).

실제로는, 스테이지 등의 관성에 의한 기구계의 지연·진동, 제어계의 지연이 존재한다. 이 때문에, 성능이 좋은 고속인 법선 방향 성분의 보정과 같은 짧은 제어 주기로, 법선 방향 산출을 실시하면, 법선 방향의 오차가 커져서, 법선 방향이 진동하여, 측정면에 따른 모방 제어를 행할 수 없고, 지그재그로 프로브(26)가 이동하기 때문에, 보여지는 주사 속도가 설정값보다 작아진다. 이러한 경우에도, 설정 주사 속도 V로 안정된 주사를 행하게 할 수 있기 때문에, 법선 방향을 추정하는 전회의 위치를 a회 이전의 위치로 해서, 제어 주기를 지연시키는 것이 유효하다. 이 때 각 제어 주기마다의 이동량 Mi는 이하의 식 (12)에 나타내는 바와 같이 된다.Actually, there is delay and vibration of the mechanical system due to inertia such as a stage, and delay of the control system. Therefore, when the calculation of the normal direction is performed at a short control period such as the correction of the high-speed normal direction component with good performance, the error in the normal direction becomes large and the normal direction is vibrated, Since the probe 26 moves in a zigzag manner, the scanning speed to be seen becomes smaller than the set value. Even in such a case, it is effective to delay the control period by setting the previous position for estimating the normal direction to the position a times before, since it is possible to perform scanning with a stable scanning speed V. At this time, the movement amount M i for each control period is expressed by the following expression (12).

Figure 112013095689588-pat00016
Figure 112013095689588-pat00016

본 실시예의 형상 측정에 의해, 눌러 넣기량 C의 제어 성능을 향상시키고, 또한 안정된 주사를 실현할 수 있다. By the shape measurement of the present embodiment, the control performance of the pressing amount C can be improved and stable scanning can be realized.

상기 법선 방향 벡터 성분 출력부(46)는, 스타일러스 변위 벡터가, 스타일러스(20)의 눌러 넣기 방향 변위 벡터의 1/2보다 작을 때, 스타일러스 변위 벡터를 출력하고, 이보다 클 때에는 과거의 스타일러스 위치와 현재의 스타일러스 측정 위치를 잇는 직선과 직교하도록 법선 방향을 출력해도 된다.
The normal direction vector component output section 46 outputs the stylus displacement vector when the stylus displacement vector is smaller than 1/2 of the pushing direction displacement vector of the stylus 20, The normal direction may be output so as to be orthogonal to the straight line connecting the current stylus measurement position.

본 발명의 형상 측정 장치 및 형상 측정 방법은, 측정 정밀도, 측정 속도를 높이고, 측정력도 일정하게 할 수 있는 특징을 가져서, 종래에는 측정할 수 없어서 고정밀도화할 수 없었던, 또는 수율이 높아지지 않았던, 비구면 렌즈의 형상과 측면에 대한 편심 정밀도나 줌 렌즈의 경통, 렌즈 홈 형상, 하드디스크 구동 모터의 축 직경과, 오일 유체 베어링의 내경이나, 베어링 측면 홈 형상, 일반적인 전기 제품의 부품용 금형의 내경과 외경 형상, 톱니 바퀴의 톱니의 형상 등의 측정에도 적용할 수 있다.
The shape measuring apparatus and the shape measuring method of the present invention are characterized by being capable of increasing the measurement accuracy and measuring speed and also making the measuring force constant so that it can not be measured with high accuracy and can not be measured conventionally, , The eccentric accuracy of the aspheric lens and the side face, the lens barrel shape of the zoom lens, the lens groove shape, the shaft diameter of the hard disk drive motor, the inner diameter of the oil fluid bearing, the bearing side groove shape, The inner diameter and the outer diameter, and the shape of the teeth of the toothed wheel.

20 : 스타일러스 21 : 삼차원 형상 측정 장치
22 : 삼차원 계측기 23 : 제어 장치
24 : 연산 장치 25 : 측정물
25a : 측정면 26 : 프로브
27 : XY 스테이지 28 : Z 스테이지
31 : X 좌표 검출부 32 : Y 좌표 검출부
33 : Z 좌표 검출부 34 : 기울기 검출부
35 : 포커스 오차 신호 검출부 37 : X축 제어부
38 : Y축 제어부 39 : Z축 제어부
40 : 동마찰 계수 기억부 41 : 측정점 위치 연산부
42 : 오차 연산 출력부 43 : 스타일러스 변위 벡터 검출부
43a : X 성분 검출부 43b : Y 성분 검출부
43c : Z 성분 검출부 44 : 전회 측정 위치 기억부
45 : 법선 방향 벡터 출력부 46 : 법선 방향 벡터 성분 산출부
47 : 눌러 넣기 벡터 산출부 48 : 주사 방향 단위 벡터 산출부
49 : 이동 벡터 산출부(가산부) 51A, 51B : 가요성부
53 : 스타일러스 축 54 : 미러
61 : 발진 주파수 안정화 레이저 62 : X 참조 미러
63y, 63z 레이저 광 64 : Y 참조 미러
68 : 반도체 레이저 69 : 레이저 광
70 : 콜리메이터 렌즈 71 : 조리개
72 : 빔 스플리터 73 : 다이클로익 미러
74 : 편광 프리즘 75 : 다이클로익 미러
76 : 렌즈 79 : 수광 소자
81 : 일체화 소자 82 : 레이저 광
83 : 회절 격자 84 : 콜리메이터 렌즈
87 : 이동 지시부 88 : X축 모터
89 : Y축 모터 91 : 법선 방향 설정·기억부
92 : 주사 속도 설정부 93 : 주사 방향 벡터 산출부
94 : 눌러 넣기량 설정·기억부 95 : 전환 스위치20: Stylus 21: Three-dimensional shape measuring device
22: three-dimensional measuring instrument 23: control device
24: computing device 25: measurement object
25a: measuring surface 26: probe
27: XY stage 28: Z stage
31: X-coordinate detecting unit 32: Y-coordinate detecting unit
33: Z coordinate detection unit 34: Z-coordinate detection unit
35: focus error signal detecting unit 37: X-axis control unit
38: Y-axis control unit 39: Z-axis control unit
40: dynamic friction coefficient storage unit 41: measuring point position calculating unit
42: Error calculation output unit 43: Stylus displacement vector detection unit
43a: X component detector 43b: Y component detector
43c: Z component detection unit 44: previous measurement position storage unit
45: Normal direction vector output unit 46: Normal direction vector component calculating unit
47: push-in vector calculation unit 48: scanning direction unit vector calculation unit
49: motion vector calculation unit (addition unit) 51A, 51B:
53: Stylus axis 54: Mirror
61: oscillation frequency stabilization laser 62: X reference mirror
63y, 63z laser light 64: Y reference mirror
68: Semiconductor laser 69: Laser beam
70: collimator lens 71: aperture
72: beam splitter 73: dichroic mirror
74: polarizing prism 75: dichroic mirror
76: Lens 79: Light receiving element
81: Integrated device 82: Laser beam
83: diffraction grating 84: collimator lens
87: movement instruction unit 88: X-axis motor
89: Y-axis motor 91: Normal direction setting / storage unit
92: scanning speed setting unit 93: scanning direction vector calculating unit
94: Setting the amount to be pressed · Memory 95: Switch

Claims (9)

측정면으로부터의 측정력에 의해서 프로브에 대해 변위 가능하게 지지된 스타일러스를 준비하고,
상기 측정면과 평행한 방향으로 지정한 거리만큼 상기 스타일러스를 상기 측정면에 대해 이동시키는 평행 이동과, 상기 프로브에 대한 상기 스타일러스의 위치의 변위량과 변위 방향을 포함하는 스타일러스 변위 벡터를 검출하고, 상기 측정면의 측정점에서의 법선 방향의 값에 근거하여, 상기 스타일러스 변위 벡터의 법선 방향 성분을 산출하고, 상기 측정면에 법선 방향의 눌러 넣기량의 설정값과 상기 법선 방향 성분에 기초해서, 상기 스타일러스 변위 벡터의 법선 방향 성분이 상기 눌러 넣기량의 설정값이 되도록, 상기 프로브를 현재의 스타일러스 위치와 과거의 스타일러스 위치의 차로부터 산출되는 상기 측정면의 법선 방향으로 이동시키는 직교 이동을 포함하는, 상기 프로브의 상기 측정면에 대한 상대 이동을 반복하는
형상 측정 방법.
A stylus supported so as to be displaceable with respect to the probe is prepared by the measurement force from the measurement surface,
A parallel movement for moving the stylus relative to the measurement surface by a distance specified in a direction parallel to the measurement plane and a stylus displacement vector including a displacement amount and a displacement direction of the position of the stylus relative to the probe, Wherein the normal direction component of the stylus displacement vector is calculated on the basis of the value of the normal direction at the measurement point of the surface, and the stylus displacement vector is calculated based on the set value of the normal direction pushing amount and the normal direction component, And an orthogonal movement that moves the probe in a normal direction of the measurement plane calculated from a difference between a current stylus position and a past stylus position so that a normal direction component of the vector becomes a set value of the push- Lt; RTI ID = 0.0 > relative < / RTI >
Shape measuring method.
제 1 항에 있어서,
상기 프로브의 상기 측정면의 상대 이동을 반복하기 전에, 기지인 상기 측정면에 직교하는 방향으로 상기 스타일러스가 이동하도록 상기 프로브를 이동시키며, 상기 스타일러스가 상기 측정면에 접촉하고, 상기 스타일러스 변위 벡터의 상기 측정면의 법선 방향의 크기가 상기 눌러 넣기량의 설정값 이상이 되었을 때 프로브의 이동을 정지하는 형상 측정 방법. The method according to claim 1,
Moving the probe such that the stylus moves in a direction orthogonal to the known measurement surface prior to repeating relative movement of the measurement surface of the probe, wherein the stylus contacts the measurement surface, And stopping the movement of the probe when the size of the measurement plane in the normal direction becomes equal to or larger than the set value of the push-in amount. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 평행 이동은 이하의 식으로 표현되는 형상 측정 방법.
Figure 112013095689588-pat00017

3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the parallel movement is expressed by the following equation.
Figure 112013095689588-pat00017

 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 직교 이동은 이하의 식으로 표시되는 형상 측정 방법.
Figure 112013095689588-pat00018

3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the orthogonal movement is represented by the following equation.
Figure 112013095689588-pat00018

 스타일러스를 측정면으로부터의 측정력에 의해서 변위 가능하게 지지하는 프로브와,
상기 스타일러스가 상기 측정면을 주사하도록 상기 프로브와 상기 측정면의 상대 위치를 이동시키는 이동부와,
상기 프로브에 대한 상기 스타일러스의 위치의 변위량과 변위 방향을 포함하는 스타일러스 변위 벡터를 검출하는 스타일러스 변위 벡터 검출부와,
상기 측정면의 측정점에서의 법선 방향을 출력하는 법선 방향 출력부와,
상기 법선 방향 출력부가 출력하는 값에 기초해서, 스타일러스 변위 벡터의 상기 법선 방향 성분을 산출하여 출력하는 법선 방향 벡터 성분 산출부와,
상기 측정면에 법선 방향의 눌러 넣기량의 설정값과 법선 방향 벡터 성분 산출부의 출력에 기초해서, 상기 스타일러스 변위 벡터의 법선 방향 성분이 상기 눌러 넣기량의 설정값이 되도록 눌러 넣기 벡터를 산출하는 눌러 넣기 벡터 산출부와,
상기 법선 방향과 수직 방향에서 미리 설정된 주사 속도가 되는 주사 벡터를 산출하는 주사 벡터 산출부와,
상기 눌러 넣기 벡터 산출부의 출력과 상기 주사 벡터 산출부의 출력으로부터 상기 프로브에 대한 이동 지령인 이동 벡터를 산출하는 이동 벡터 산출부와,
상기 이동 벡터를 따라서 상기 프로브가 이동하도록 상기 이동부의 이동을 제어하는 이동 제어부
를 구비하는 것을 특징으로 하는 형상 측정 장치.
A probe for supporting the stylus displaceably by a measuring force from the measurement surface,
A moving unit for moving a relative position between the probe and the measurement surface so that the stylus scans the measurement surface;
A stylus displacement vector detecting unit for detecting a stylus displacement vector including a displacement amount and a displacement direction of the position of the stylus relative to the probe;
A normal direction output unit for outputting a normal direction at a measurement point of the measurement surface,
A normal direction vector component calculating unit for calculating and outputting the normal direction component of the stylus displacement vector based on the value outputted by the normal direction output unit,
Calculating a push-in vector so that the normal direction component of the stylus displacement vector becomes the set value of the push-in amount based on the set value of the normal direction pushing amount on the measurement surface and the output of the normal direction vector component calculating unit A loading vector calculation unit,
A scan vector calculating unit for calculating a scan vector having a scan speed set in advance in a direction perpendicular to the normal direction,
A motion vector calculation unit that calculates a motion vector, which is a motion command for the probe, from the output of the push-in vector calculation unit and the output of the scan vector calculation unit;
And a movement controller for controlling movement of the moving unit such that the probe moves along the movement vector,
And a shape measuring device for measuring the shape of the object.
제 5 항에 있어서,
상기 법선 방향 출력부는,
주사 측정 개시시에는 설정된 값의 상기 법선 방향을 출력하고,
주사 측정 개시후에는 과거의 측정 위치와 현재의 측정 위치를 잇는 직선과 직교하도록, 법선 방향 출력을 갱신하는
것을 특징으로 하는 형상 측정 장치.
6. The method of claim 5,
The normal direction output unit includes:
And outputs the normal direction of the set value at the start of scanning measurement,
After the scanning measurement is started, the normal direction output is updated so as to be orthogonal to the straight line connecting the past measurement position and the current measurement position
And the shape measuring device.
제 6 항에 있어서,
상기 법선 방향 출력부는 상기 주사 측정 개시시에, 상기 스타일러스 변위 벡터를 출력하는 것을 특징으로 하는 형상 측정 장치.
The method according to claim 6,
And the normal direction output unit outputs the stylus displacement vector at the start of the scanning measurement.
제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 법선 방향 출력부에서 사용하기 전의 측정 위치와 현재의 측정 위치의 시간 간격이, 상기 이동 벡터 산출부에서의 상기 법선 방향 성분과 눌러 넣기량 설정의 차로부터 법선 방향 이동량을 산출하는 시간 간격보다 큰 것을 특징으로 하는 형상 측정 장치.
8. The method according to any one of claims 5 to 7,
Wherein the time interval between the measurement position before the use in the normal direction output unit and the current measurement position is larger than the time interval in which the normal direction movement amount is calculated from the difference between the normal direction component in the motion vector calculation unit and the push- And the shape measuring device.
제 5 항에 있어서,
상기 법선 방향 출력부는, 상기 스타일러스 변위 벡터가, 상기 스타일러스의 눌러 넣기 방향 변위 벡터의 1/2보다 작을 때에는 스타일러스 변위 벡터를 출력하고, 클 때에는 과거의 측정 위치와 현재의 측정 위치를 잇은 직선과 직교하도록 법선 방향을 출력하는 것을 특징으로 하는 형상 측정 장치.6. The method of claim 5,
The normal direction output unit outputs a stylus displacement vector when the stylus displacement vector is smaller than one half of the pushing direction displacement vector of the stylus. When the stylus displacement vector is larger than a straight line connecting the past measurement position and the current measurement position And outputs a normal direction so as to be orthogonal.
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