JP2004028684A

JP2004028684A - 形状測定装置及び形状測定方法

Info

Publication number: JP2004028684A
Application number: JP2002183082A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Kasai; 葛西　孝昭; Keiichi Yoshizumi; 吉住　恵一; Keiji Kubo; 久保　圭司; Hiroyuki Takeuchi; 竹内　博之; Koji Handa; 半田　宏治
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-06-24
Filing date: 2002-06-24
Publication date: 2004-01-29
Anticipated expiration: 2022-06-24
Also published as: JP4171615B2

Abstract

【課題】測定方向による測定値の誤差が大きくなるヒステリシス現象の影響を小さくできる形状測定装置及び形状測定方法を提供する。
【解決手段】一端にスタイラス１２を他端にミラー面１３を設けたスライド部１１と、エア軸受３１と弾性材１４を介してスライド部１１をその軸芯方向に移動可能に支持するガイド部１５と、ミラー面１３による反射光にてスライド部の１１位置を測定する位置測定手段３２と、スライド部１１とガイド部１５との相対位置を測定する相対位置測定手段２７と、スタイラス１２が被測定面２ａを走査する時の被測定面２ａの傾斜角度や測定方向を算出する算出手段３３と、前記算出手段３３による結果に応じてスライド部１１とガイド部１５の相対位置を制御するためガイド部１５を位置調整する位置調整手段２８、２９とを備えた。
【選択図】　　　図１１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面形状測定、非球面レンズなどの自由曲面の形状測定、面粗さや段差の形状測定などの二次元ないし三次元の形状測定を高精度にかつ低い測定圧で行うことができる形状測定装置及び形状測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
表面形状測定、非球面レンズ等の自由曲面形状測定や、表面粗さ測定において、サブミクロン（ノナメートル）程度の高精度で測定できる超高精度三次元測定機については、特開平４−２９９２０６４号公報や、特開平１０−１７０２４３号公報に開示されている。
【０００３】
その超高精度三次元測定機の構成例を図１を参照して説明する。図１において、石定盤１上に設置されたレンズ等の被測定物２の被測定面２ａに、移動体３に取付けられた原子間力プローブ５の先端を追従させて、被測定面２ａの表面形状を測定するように構成されている。
【０００４】
詳細には、被測定物２が搭載されている石定盤１に、支持部を介してＸ参照ミラー６、Ｙ参照ミラー７、Ｚ参照ミラー８が配置されている。また、原子間力プローブ５が設けられた移動体３は、石定盤１上にＸステージ９及びＹステージ１０を介して配設されており、被測定物２の被測定面２ａの表面形状に追従してＸ軸方向、Ｙ軸方向に移動体３と原子間力プローブ５を走査できる構成となっている。
【０００５】
移動体３には、レーザ測長光学系４が設けられており、既知の光干渉法によりＸ参照ミラー６を基準とした原子間力プローブ５のＸ座標、Ｙ参照ミラー７を基準とした原子間力プローブ５のＹ座標、Ｚ参照ミラー８を基準とした原子間力プローブ５のＺ座標をそれぞれ測長できる構成となっている。
【０００６】
次に、上記原子間力プローブ５とこの原子間力プローブ５をオートフォーカス制御する構成例として、特許第２６３８１５７号明細書及び特許第３０００８１９号明細書に記載されているものを、図２を参照して説明する。
【０００７】
原子間力プローブ５は、ガイド部１５にてエア軸受３１を介してＺ座標方向に移動可能に支持されたスライド部１１と、このスライド部１１の−Ｚ方向端部に付けられたスタイラス１２と、このスライド部１１のＺ座標を測定する位置測定手段を備えている。この位置測定手段は、スライド部１１の他端をミラー面１３とし、このミラー面１３にレーザ光Ｆｚを照射し、反射光からミラー面１３の位置を測定するように構成されている。
【０００８】
スライド部１１とスタイラス１２及びミラー面１３から成る可動部の重量は、Ｚ方向の移動を弾性的に規制する弾性材、具体的には板ばね１４によって支えられ、スライド部１１とスタイラス１２は板ばね１４に吊るされた状態で被測定面２ａに追従して上下する。また、スライド部１１はエア軸受３１によりＸＹ方向には剛性が高く、Ｚ方向には自由に動く構成となっており、かつスライド部１１は構造が簡単で軽量にできるため、傾きの大きな被測定面２ａに対して測定押圧による横ずれを小さくでき、また測定押圧も小さくできるため、被測定面２ａを高精度に傷を付けずに測定できる。
【０００９】
さらに、スライド部１１とガイド部１５の相対位置を測定する相対位置測定手段と、相対位置測定手段から得られたスライド部１１とガイド部１５の相対位置がほぼ一定になるように、ガイド部１５をＺ方向に駆動するオートフォーカシング制御手段が設けられている。このオートフォーカシング制御手段にてスライド部１１のガイド部１５に対するＺ方向の相対位置が所定位置に規制されることで、被測定面２ａに対して常に一定の測定押圧で測定が行われる。
【００１０】
上記相対位置測定手段及びオートフォーカシング制御手段は、ガイド部１５が連結されかつＺ方向に移動可能なプローブ本体１６に配設されている。その構成を説明すると、半導体レーザ１７から発したレーザ光Ｇが、コリメートレンズ１８、偏光ビームスプリッタ１９、λ／４波長板２０を通過した後、ダイクロックミラー２１で反射し、対物レンズ２２によってスライド部１１のミラー面１３上に集光する。
【００１１】
対物レンズ２２に戻ったレーザ光Ｇの反射光は、ダイクロックミラー２１及び偏光ビームスプリッタ１９で全反射し、レンズ２３で集光されるとともにハーフミラー２４で２つに分離され、それぞれピンホール２５ａ、２５ｂを通過して２つの光検出器２６ａ、２６ｂで受光される。
【００１２】
２つの光検出器２６ａ、２６ｂによる検出出力は誤差信号発生部２７に入力されている。誤差信号発生部２７からはフォーカス誤差信号がサーボ回路２８に出力され、サーボ回路２８にてリニアモータ２９が駆動制御され、プローブ本体１６の位置が所定の測定力が得られる位置にフォーカシングされる。なお、プローブ本体１６を含むＺ移動部の自重分はばね３０により支持されている。
【００１３】
次に、原子間力プローブ５に付けられたスタイラス１２が、測定時に受ける力を説明する。以下、説明を簡単にするため、被測定物２は球とし、図３に示すように、被測定面２ａ上の任意点の傾きΦは、その被測定面２ａの任意点における法線とＺ軸がなす鋭角とする。また、今はＸ−Ｚ面の二次元面で働く力を考える。Ｙ−Ｚ面にも同様な力が働くと考えられる。なお、Ｘ＞０のときΦ＞０、Ｘ＜０のときΦ＜０とする。
【００１４】
図４は、被測定物２からスタイラス１２が受ける抗力を説明する図である。測定時には、スタイラス１２は、−Ｚ方向に一定の力Ｆで被測定面２ａに対して測定押圧を負荷する。そして、スタイラス１２は被測定面２ａからその面に対して法線方向に抗力ＦｃｏｓΦを受ける。よって、被測定面２ａの傾きが大きくなるほど（傾きΦが大きくなるほど）スタイラス１２に働く抗力は小さくなる。
【００１５】
図５（ａ）は、測定方向上り時の被測定物２とスタイラス１２との間に働く摩擦力を説明する図であり、図５（ｂ）は、測定方向下り時の被測定物２とスタイラス１２との間に働く摩擦力を説明する図である。スタイラス１２は、常に、被測定面２ａからその面に対して接線方向に摩擦力μＦｃｏｓΦを受ける。ここで、μはスタイラス１２の先端部に対する被測定面２ａの動摩擦係数を表す。よって、被測定面２ａの傾きが大きくなるほど（傾きΦが大きくなるほど）、被測定面２ａとスタイラス１２との間に働く摩擦力は小さくなる。また、この摩擦力は、常に測定方向に逆向きにスタイラス１２に働く。
【００１６】
図６（ａ）は、測定方向上りで被測定面２ａを測定するときに、スタイラス１２が受けるトータルの力を説明する図であり、図６（ｂ）は、測定方向下りで被測定面２ａを測定するときに、スタイラス１２が受けるトータルの力を説明する図である。スタイラス１２は、被測定面２ａの法線方向＋Ｚφの方向に、抗力ＦｃｏｓΦ、被測定面２ａの接線方向Ｘφに、被測定面２ａとの間に働く摩擦力μＦｃｏｓΦを受ける。また、この摩擦力は常に測定方向と逆方向にスタイラス１２に働く。
【００１７】
図７（ａ）は、測定方向上り時にスタイラス１２に働く力の、Ｘ軸方向の分力を考えた図であり、図７（ｂ）は、測定方向下り時にスタイラス１２に働く力の、Ｘ軸方向の分力を考えた図である。被測定面２ａを上りながら測定する時、スタイラス１２には被測定面２ａから抗力のＸ軸方向分力ＦｃｏｓΦ・ｓｉｎΦと、摩擦力のＸ軸方向分力μＦｃｏｓΦ・ｃｏｓΦがそれぞれ同じ方向に働く。被測定面２ａを下りながら測定する時、スタイラス１２には被測定面２ａから抗力のＸ軸方向分力ＦｃｏｓΦ・ｓｉｎΦと、摩擦力のＸ軸方向分力μＦｃｏｓΦ・ｃｏｓΦがそれぞれ反対の方向に働く。
【００１８】
以上より、被測定面２ａを上りながら測定する時、スタイラス１２の先端部に働くモーメントＭ_Ｕは、
Ｍ_Ｕ＝Ｌ×（ＦｃｏｓΦ・ｓｉｎΦ＋μＦｃｏｓΦ・ｃｏｓΦ）　　　（１）
被測定面２ａを下りながら測定する時、スタイラス１２の先端部に働くモーメントＭ_Ｄは、
Ｍ_Ｄ＝Ｌ×（ＦｃｏｓΦ・ｓｉｎΦ−μＦｃｏｓΦ・ｃｏｓΦ）　　　（２）
がそれぞれ働くことになる。ここで、モーメントは反時計回りを正とする。また、Ｌは、スタイラス１２とスライド部１１の長さの和を表し、具体的な構成例では１７ｍｍ〜２２ｍｍである。
【００１９】
以上より、被測定面２ａを上りながら測定する時と被測定面２ａを下りながら測定する時のモーメントの左は、式（１）　、（２）　より
Ｍ_Ｕ−Ｍ_Ｄ＝２×Ｌ×μＦｃｏｓΦ・ｃｏｓΦ　　　　　　　　　　　（３）
となり、測定押圧Ｆが一定であれば、スタイラス１２の先端部に対する被測定面２ａの動摩擦係数μが大きいほど、式（３）　より被測定面２ａを上りながら測定する時のモーメントＭ_Ｕと、被測定面２ａを下りながら測定する時のモーメントＭ_Ｄの差が無視できなくなる。
【００２０】
図８は、スタイラス１２の先端部に対する被測定面２ａの動摩擦係数μが大きい時、被測定面２ａの測定点Ａ（Ｘ_Ａ、Ｚ_Ａ）を通過するときのスタイラス１２の傾きを表す。１２ａは、スタイラス１２に対して抗力及び摩擦力が働いていない理想的な状態を表す。１２ｂは、被測定面２ａを上りながら測定する時のスタイラスを、１２ｃは被測定面２ａを下りながら測定する時のスタイラスをそれぞれ表す。また、スタイラス１２ａと被測定面２ａとの接点Ａ（Ｘ_Ａ、Ｚ_Ａ）と、スタイラス１２ｂと被測定面２ａとの接点Ｂ（Ｘ_Ｂ、Ｚ_Ｂ）とのＸ軸方向の差をΔＸ_１、Ｚ軸方向の差をΔＺ_１とする。同様に、Ａ（Ｘ_Ａ、Ｚ_Ａ）と、スタイラス１２ｃと被測定面２ａとの接点Ｃ（Ｘ_Ｃ、Ｚ_Ｃ）とのＸ軸方向の差をΔＸ_２、Ｚ軸方向の差をΔＺ_２とする。
【００２１】
今、ΔＺ_１とΔＺ_２をそれぞれΔＸ_１とΔＸ_２により表すために、図９のモデルを考える。１２ａ’、１２ｂ’は、それぞれスタイラス１２ａ、スタイラス１２ｂの中心軸を表す。また、１２ａ’と１２ｂ’の成す角をα、１２ａ’と１２ｃ’の成す角をβとすると、ΔＸ_１とΔＸ_２はそれぞれ以下のように表すことができる。
【００２２】
ΔＸ_１＝Ｌｃｏｓα　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（４）
ΔＸ_２＝Ｌｃｏｓβ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（５）
また、被測定面２ａのＸ座標に対するＺの値を表す設計式をＺ＝ｆ（Ｘ）とすると、
ΔＺ_１＝Ｌ（１−ｃｏｓα）＋ｆ（Ｘ_Ａ）−ｆ（Ｘ_Ａ＋ΔＸ_１）　　　（６）
ΔＺ_２＝Ｌ（１−ｃｏｓβ）＋ｆ（Ｘ_Ａ）−ｆ（Ｘ_Ａ＋ΔＸ_２）　　　（７）
となる。なお、｜ΔＸ_１｜＞｜ΔＸ_２｜、及びα＞βである。
【００２３】
よって、測定点Ａ（Ｘ_Ａ，Ｚ_Ａ）の測定値Ｚ_Ａは、式（６）　、式（７）　の誤差が含まれることになる。被測定面２ａを上りながら測定する時は、式（６）　より、
Ｚ_Ａ１＝Ｚ_Ａ−ΔＺ_１＝−Ｌ（１−ｃｏｓα）＋ｆ（Ｘ_Ａ＋ΔＸ_１）　　（８）
と表すことができる。
【００２４】
同様に、被測定面２ａを下りながら測定する時は、式（７）　より、
Ｚ_Ａ２＝Ｚ_Ａ−ΔＺ_２＝−Ｌ（１−ｃｏｓβ）＋ｆ（Ｘ_Ａ＋ΔＸ_２）　　（９）
となる。
【００２５】
以上より、被測定面２ａを上りながら測定する時と、被測定面２ａを下りながら測定する時の測定点Ａ（Ｘ_Ａ，Ｚ_Ａ）の測定値の差は、式（８）　、式（９）　より

となり、特に被測定物２が球の時、

と表すことができる。
【００２６】
スタイラス１２の先端部に対する被測定面２ａの動摩擦係数μが大きい時、測定押圧が一定であれば、被測定面を上りながら測定する時のモーメントＭ_１と、被測定面を下りながら測定する時のモーメントＭ_２との差が式（３）　より大きくなる。そして、モーメントの差が大きくなることにより、スタイラス１２の傾き量α、βの差が大きくなり、式（４）　、（５）　よりＸ軸方向の誤差の差（ΔＸ_１−ΔＸ_２）及びスタイラス１２の傾きの差（ｃｏｓα−ｃｏｓβ）が大きくなり、式（１１）より（Ｚ_Ａ１−Ｚ_Ａ２）が大きくなる。さらに、測定点の傾きΦ_Ａが大きくなると、式（１１）より（Ｚ_Ａ１−Ｚ_Ａ２）がさらに大きくなる。
【００２７】
例えば、球面上の測定において、スタイラス１２とスライド部１１の長さの和をＬ＝２０ｍｍとし、測定面の傾斜角度がΦ_Ａ＝６０°における、上りと下りのスタイラスの傾きを、それぞれα＝０．３°、β＝０．２°とすると、
Ｌ（ｃｏｓα−ｃｏｓβ）＝−０．１５２μｍ
ΔＸ_１−ΔＸ_２＝３４．９０６μｍ
となり、Φ_Ａ＝６０°における

となる。
【００２８】
【発明が解決しようとする課題】
図１０は、横軸に被測定面の傾斜角度、縦軸に設計式Ｚ＝ｆ（Ｘ）と測定値との差Ｚｄ（μｍ）を表記し、球を測定したときの結果を示す。
【００２９】
図１０から明らかなように、ナノオーダーの測定においては、スタイラス１２の傾きの差が、微小角度であっても、傾斜が大きい被測定面では、測定値の誤差が無視できなくなるほど大きくなる。例えば、測定方向が上り場合と下りの場合ともに、被測定面の傾斜角度が３０°より大きくなると、測定値と設計値との差が大きくなる傾向が認められる。また、スタイラス１２に働く摩擦力は、測定方向で働く向きが異なり、動摩擦係数μが大きい面の測定では無視できない。このように、同じ測定点を測定しても、測定方向により測定値の誤差が大きくなる傾向にあり、この同じ測定点の測定値が測定方向により異なる現象（これを「ヒステリシス」と呼ぶ。）が生じることになる。
【００３０】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、ヒステリシスの影響を小さくすることができる形状測定装置及び形状測定方法を提供することを目的とする。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
本発明の形状測定装置は、一端にスタイラスを他端にミラー面を設けたスライド部と、エア軸受と弾性材を介してスライド部をその軸芯方向に移動可能に支持するガイド部と、第１の光源からの光を光学素子を介してミラー面に向けて照射し、ミラー面の移動方向の位置をミラー面による反射光から測定するスライド部の位置測定手段と、第２の光源からの光を光学素子を介してミラー面に向けて照射し、スライド部とガイド部とのミラー面の移動方向の相対位置を測定する相対位置測定手段と、スタイラスが被測定面を走査する時の被測定面の傾斜角度や傾斜に対する測定方向を算出する算出手段と、前記算出手段による結果に応じてスライド部とガイド部の相対位置を制御するためガイド部を位置調整する位置調整手段とを備えたものであり、任意の測定点において測定方向の違いにより生じる測定値の差（ヒステリシス）を小さくすることができる。
【００３２】
また、本発明の形状測定方法は、一端にスタイラスを他端にミラー面を設けたスライド部の軸芯方向の位置を、ミラー面に向けて照射した第１の光源からの光の反射光から測定する工程と、スライド部をエア軸受と弾性材を介して移動可能に支持するガイド部とスライド部との相対位置を、ミラー面に向けて照射した第２の光源からの光の反射光から測定する工程と、スタイラスが被測定面を走査する時の被測定面の傾斜角度や傾斜に対する測定方向を算出する工程と、前記算出結果に応じて被測定面に対するスタイラスの測定押圧を制御する工程を備えているものであり、任意の測定点において測定方向の違いにより生じる測定値の差（ヒステリシス）を小さくすることができる。
【００３３】
また、前記測定押圧はスライド部とガイド部の間に介装した弾性材の変位量にて設定し、その変位量を、スライド部とガイド部の相対位置の測定に基づいて制御すると、スタイラスの測定押圧を自動制御できて好適である。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の形状測定装置及び形状測定方法の一実施形態について、図１１〜図１９を参照して説明する。なお、形状測定装置の全体構成及び基本的な測定方法は、図１、図２を参照して説明した従来例と同一であり、その説明を援用すし、主として相違点について説明する。
【００３５】
本実施形態においては、図１１に示すように、第１に測定時に任意の測定点の傾斜角度と、スタイラス１２が被測定面２ａの斜面を上りながらの測定か、下りながらの測定かといった測定方向を算出するための算出手段３３を設け、第２に算出手段３３により求められた測定点の傾斜角度や測定方向と、スタイラス１２の先端部に対する被測定面２ａの動摩擦係数に応じて、スタイラス１２が被測定面２ａに負荷する測定押圧を変えるように、サーボ回路２８に対して出力を指示する誤差信号を設定するように誤差信号発生部２７を構成している。なお、図１１において、３２はミラー面１３の位置を測定する位置測定手段であり、その測定結果が算出手段３３に入力されている。以下、上記算出手段３３における算出方法及び誤差信号発生部２７からの出力信号の設定方法について、順次説明する。
【００３６】
まず、被測定面２ａの任意の測定点における傾斜角度と測定方向を自動的に算出する測定手段３３の算出アルゴリズムを説明する。ここで、傾斜角度は測定点における法線とＺ軸がなす鋭角とする。なお、本発明の測定方法においては、連続面の測定に限定される。また、常に被測定面２ａの測定原点を決めてから測定を開始する。例えば、被測定物２が球であれば、球の頂点を原点として測定を開始し、また特公平７−６９１５８号公報に開示された方法により自動的に測定原点を求める機能を備えている。
【００３７】
図１２において、スタイラス１２は被測定面２ａの形状に追随しながら走査している。スタイラス１２の現在の測定位置における測定値をＡ_１（Ｘ_１，Ｚ_１）、ΔＸ離れた１つ前の測定値をＡ_０（Ｘ_０，Ｚ_０）、ΔＸ離れた次の測定値をＡ_２（Ｘ_２，Ｚ_２）とすると、ΔＸが非常に小さいとき、測定点Ａ_２（Ｘ_２，Ｚ_２）の傾斜角度と測定方向は次のように近似することができる。
【００３８】
傾斜角度Φ_Ａ＝ｔａｎ^−１｜（Ｚ_１−Ｚ_０）／（Ｘ_１−Ｘ_２）｜　　　　（１２）
また、被測定面２ａが設計式にほぼ一致する場合、被測定面２ａのＸ座標に対するＺの値を表す式をＺ＝ｆ（Ｘ）とすると、
傾斜角度Φ_Ａ＝ｔａｎ^−１｜ｄｆ（Ｘ）／ｄＸ｜　　　　　　　　　　　（１３）
と表すことができる。
【００３９】
測定方向は、Ｚ_１−Ｚ_０＞０のときは上り、Ｚ_１−Ｚ_０＜０のときは下りとする。
【００４０】
次に、任意の測定点の、測定方向の違いにより生じるヒステリシスを小さくする測定押圧の設定方法について説明する。ヒステリシスを小さくするためには、任意の測定点を通過するときに、スタイラス１２先端が受ける曲げモーメントが、その任意の点において測定方向にかかわらず一定であれば良い。すなわち、測定方向と測定面の傾きに応じて、ある一定の法則で、スタイラス１２が測定面２ａに負荷する測定押圧を変えながら測定することで実現できる。
【００４１】
被測定面２ａの傾きがΦ_Ａ２の任意の点Ａ_２（Ｘ_２，Ｚ_２）を、Ｚ_１−Ｚ_０＞０の方向で測定する時と、Ｚ_１−Ｚ_０＜０の方向で測定する時のスタイラス１２の先端部に働くモーメントは以下のようになる。
【００４２】
Ｚ_１−Ｚ_０＞０の方向の測定で、測定押圧をＦｕ　とすると、スタイラス１２の先端部には、

が働く。
【００４３】
同様に、Ｚ_１−Ｚ_０＜０の方向の測定で、測定押圧をＦ_Ｄとすると、スタイラス１２の先端部には、

が働く。ここで、Ｌはスタイラス１２とスライド部１１の長さの和である。
【００４４】
よって、ヒステリシスを無くすためには、
Ｍ_Ｕ＝Ｌ×Ｆｕ　（ｃｏｓΦ_Ａ２・ｓｉｎΦ_Ａ２＋μｃｏｓΦ_Ａ２・ｃｏｓΦ_Ａ２）
＝Ｍ_Ｄ＝Ｌ×Ｆ_Ｄ（ｃｏｓΦ_Ａ２・ｓｉｎΦ_Ａ２−μｃｏｓΦ_Ａ２・ｃｏｓΦ_Ａ２）
であれば良い。その１つの実施例としては、
Ｚ_１−Ｚ_０＞０の方向の測定時の測定押圧Ｆ_Ｕは、
Ｆｕ　＝Ｆ×（ｃｏｓΦ_Ａ２・ｓｉｎΦ_Ａ２−μｃｏｓΦ_Ａ２・ｃｏｓΦ_Ａ２）　（１６）
Ｚ_１−Ｚ_０＜０の方向の測定時の測定押圧Ｆ_Ｄは、
Ｆ_Ｄ＝Ｆ×（ｃｏｓΦ_Ａ２・ｓｉｎΦ_Ａ２＋μｃｏｓΦ_Ａ２・ｃｏｓΦ_Ａ２）　（１７）
というように、測定押圧を測定点の傾きΦ_Ａ２と、動摩擦係数μによって切り換えることで、ヒステリシスを小さくすることができる。
【００４５】
さらに、プローブが被測定面２ａに追随し、被測定面２ａに傷を付けずに測定するために、Ｆｕ　、Ｆ_Ｄともに、以下の条件を満たすことが推奨される。
【００４６】
２０〔ｍｇｆ〕＜Ｆｕ　＜５０〔ｍｇｆ〕
２０〔ｍｇｆ〕＜Ｆ_Ｄ＜５０〔ｍｇｆ〕　　　　　　　　　　　　　　（１８）
なお、式（１６）、式（１７）のＦは一定値とする。
【００４７】
図１３、図１４に、スタイラス１２の先端部に対する被測定面２ａの動摩擦係数がμ＝０．１、μ＝０．３のとき例について、ヒシテリシスを小さくするための測定押圧Ｆｕ　及びＦ_Ｄの値を、測定点の傾きΦ_Ａをパラメータとして表している。なお、このときＦ＝８０〔ｍｇｆ〕として算出した。
【００４８】
次に、上記のようにスタイラス１２の測定押圧を制御するための構成について説明する。
【００４９】
図１５は、ミラー面１３で反射し、ピンホール２５ａ、２５ｂを通過し、２つの光検出器２６ａ、２６ｂに到達するレーザ光Ｇの光量を説明する図で、（ａ）はスライド部１１が上昇した時の、（ｂ）はスライド部１１が下降した時の状態を示す。（ａ）での光検出器２６ａ、２６ｂが受光する光量をＡ１、Ｂ１、（ｂ）での光検出器２６ａ、２６ｂが受光する光量をＡ２、Ｂ２とすると、（ａ）ではＡ１＜Ｂ１、（ｂ）ではＡ２＜Ｂ２となる。
【００５０】
２つの光検出器２６ａ、２６ｂの受光出力は、誤差信号発生部２７によりフォーカス誤差信号（ＦＥ〔Ｖ〕）として検出される。このＦＥ信号は、横軸に板ばね１４の変位量ΔＸ（μｍ）、縦軸にＦＥ信号を取り、かつスライド部１１、スタイラス１２、ミラー面１３から成る可動部の重量により伸びた自然状態におけるＦＥ信号の値を−１〔Ｖ〕とすると、図１６に示すようなＳ字形状の特性を示す。ただし、本実施形態では図１６の主に原点付近の範囲の信号を用いるため、図１７に示すように、ＦＥ信号と板ばね１４の変位量はほぼ比例関係にある。
【００５１】
従って、今、板ばね１４のばね定数を２００〔ｍｇｆ／ｍｍ〕とし、横軸にＦＥ信号〔Ｖ〕、縦軸に被測定物２の被測定面２ａに負荷される測定押圧〔ｍｇｆ〕をとると、図１８に示すような関係になる。
【００５２】
かくして、スタイラス１２の先端部に対する被測定面２ａの動摩擦係数がμ＝０．１の場合には、測定点の傾きΦ_Ａに応じて、図１３に示したような測定押圧を負荷して、測定方向の違いによるヒステリシスを小さくするため、誤差信号発生部２７から、測定点の傾きΦ_Ａに応じて、図１９に示すようなＦＥ_Ｕ信号、ＦＥ_Ｄ信号を出力し、これらＦＥ_Ｕ信号、ＦＥ_Ｄ信号に基づいてサーボ回路２８にてリニアモータ２９を制御するように構成されている。
【００５３】
このようにＦＥ信号の目標値を受けて、スライド部１１とガイド部１５の相対位置を制御し、被測定面２ａに対するスタイラス１２の測定押圧を変えながら測定することで、被測定面２ａの傾きが大きい場合にも、測定方向の違いによるヒステリシスが小さい状態で高精度の測定を行うことができる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明の形状測定装置及び形状測定方法によれば、従来よりはるかに高精度で、より傾きの大きな面形状を非常に広範囲に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明及び従来例の形状測定装置の一構成例を示す全体概略斜視図。
【図２】従来例の形状測定装置におけるオートフォーカス制御部の構成図。
【図３】被測定面上の任意点の傾きの説明図。
【図４】被測定物からスタイラスが受ける抗力の説明図。
【図５】（ａ）は測定方向が上り時に被測定物とスタイラスとの間に働く摩擦力の説明図、（ｂ）は測定方向が下り時に被測定物とスタイラスとの間に働く摩擦力の説明図。
【図６】（ａ）は測定方向が上り時にスタイラスが受けるトータルの力の説明図、（ｂ）は測定方向が下り時にスタイラスが受けるトータルの力の説明図。
【図７】（ａ）は測定方向が上り時にスタイラスに働くＸ方向の分力の説明図、（ｂ）は測定方向が下り時にスタイラスに働くＸ方向の分力の説明図。
【図８】スタイラスの傾きを表す模式図。
【図９】スタイラスの傾きを表す別の模式図。
【図１０】球を測定した時の測定結果を示すグラフ。
【図１１】本実施形態の形状測定装置における測定押圧制御部の構成図。
【図１２】測定面上の任意点の傾斜角度と測定方向の算出方法の説明図。
【図１３】動摩擦係数がμ＝０．１の時にヒステリシスを小さくする測定押圧の特性図。
【図１４】動摩擦係数がμ＝０．３の時にヒステリシスを小さくする測定押圧の特性図。
【図１５】（ａ）はスライド部が上昇した時に光検出器に到達するレーザ光の光量の説明図、（ｂ）はスライド部が上昇した時の光検出器に到達するレーザ光の光量の説明図。
【図１６】フォーカス誤差信号と板ばねの変位量の関係を示す図。
【図１７】図１６の原点付近の拡大図。
【図１８】測定押圧とフォーカス誤差信号の関係を示す図。
【図１９】ヒステリシスを小さくするためのフォーカス誤差信号の値の説明図。
【符号の説明】
２　被測定物
２ａ　被測定面
４　レーザ測長光学系
５　原子間力プローブ
１１　スライド部
１２　スタイラス
１３　ミラー面
１４　板ばね（弾性材）
１５　ガイド部
２７　誤差信号発生部（相対位置測定手段）
２８　サーボ回路（位置調整手段）
２９　リニアモータ（位置調整手段）
３１　エア軸受
３２　位置測定手段
３３　算出手段

Claims

一端にスタイラスを他端にミラー面を設けたスライド部と、エア軸受と弾性材を介してスライド部をその軸芯方向に移動可能に支持するガイド部と、第１の光源からの光を光学素子を介してミラー面に向けて照射し、ミラー面の移動方向の位置をミラー面による反射光から測定するスライド部の位置測定手段と、第２の光源からの光を光学素子を介してミラー面に向けて照射し、スライド部とガイド部とのミラー面の移動方向の相対位置を測定する相対位置測定手段と、スタイラスが被測定面を走査する時の被測定面の傾斜角度や傾斜に対する測定方向を算出する算出手段と、前記算出手段による結果に応じてスライド部とガイド部の相対位置を制御するためガイド部を位置調整する位置調整手段とを備えたことを特徴とする形状測定装置。
一端にスタイラスを他端にミラー面を設けたスライド部の軸芯方向の位置を、ミラー面に向けて照射した第１の光源からの光の反射光から測定する工程と、スライド部をエア軸受と弾性材を介して移動可能に支持するガイド部とスライド部との相対位置を、ミラー面に向けて照射した第２の光源からの光の反射光から測定する工程と、スタイラスが被測定面を走査する時の被測定面の傾斜角度や傾斜に対する測定方向を算出する工程と、前記算出結果に応じて被測定面に対するスタイラスの測定押圧を制御する工程を備えていることを特徴とする形状測定方法。
前記測定押圧はスライド部とガイド部の間に介装した弾性材の変位量にて設定し、その変位量を、スライド部とガイド部の相対位置の測定に基づいて制御することを特徴とする請求項２記載の形状測定方法。