JP2014066613A - Contact probe and contact profilometer - Google Patents
Contact probe and contact profilometer Download PDFInfo
- Publication number
- JP2014066613A JP2014066613A JP2012212252A JP2012212252A JP2014066613A JP 2014066613 A JP2014066613 A JP 2014066613A JP 2012212252 A JP2012212252 A JP 2012212252A JP 2012212252 A JP2012212252 A JP 2012212252A JP 2014066613 A JP2014066613 A JP 2014066613A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- probe
- contact
- measured
- weight
- shape
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- A Measuring Device Byusing Mechanical Method (AREA)
Abstract
Description
本発明は、レンズやミラーなど光学素子、及び光学素子を製作するための型の表面形状などを測定する接触式プローブを有する形状測定装置に関する。また、接触式プローブの変位を、光を用いる変位センサで検出して被測定物面の形状を測定する接触式プローブに関する。 The present invention relates to a shape measuring apparatus having an optical element such as a lens and a mirror, and a contact probe for measuring the surface shape of a mold for manufacturing the optical element. The present invention also relates to a contact probe that detects the displacement of the contact probe with a displacement sensor using light and measures the shape of the surface of the object to be measured.
レンズやミラーもしくは金型の表面など3次元的な構造を有する被測定物の形状や特定部位の座標を測定する形状測定方法として、プローブと呼ばれるシャフト状の触針を用いる形状測定方法がある。この測定方法はプローブを被測定物の表面に所定の接触力で押圧しながら被測定物の表面に倣って移動させ、定められた原点からのプローブの位置やプローブの姿勢を計測することで、その計測値に基づき被測定物の形状を測定するものである。 There is a shape measuring method using a shaft-like stylus called a probe as a shape measuring method for measuring the shape of an object to be measured having a three-dimensional structure such as a lens, a mirror or the surface of a mold or the coordinates of a specific part. This measurement method moves the probe along the surface of the object to be measured while pressing it against the surface of the object to be measured with a predetermined contact force, and measures the position of the probe and the posture of the probe from a predetermined origin. The shape of the object to be measured is measured based on the measured value.
しかしながら、プローブに発生した振動などにより、形状測定中においてプローブが被測定物に対して接触を保てなくなる場合、その被測定物に対する浮き上がり量はそのまま測定誤差に現れる。従って、形状測定中にプローブと被測定物の間の接触を如何に保ちつつ形状計測を行うかが重要な技術課題となっていた。 However, when the probe cannot keep contact with the object to be measured during shape measurement due to vibration or the like generated in the probe, the floating amount with respect to the object to be measured appears as a measurement error as it is. Therefore, how to perform shape measurement while maintaining contact between the probe and the object to be measured during shape measurement has been an important technical issue.
従来、このような3次元形状計測方法においては、特許文献1に開示されているようなプローブが知られている。特許文献1に記載のプローブでは、プローブはハウジングに配置された空気軸受けによってプローブのラジアル方向に懸架され、スラスト方向には板バネにより懸架されている。このことにより、プローブはスラスト方向に変位可能に支持され、板バネによりその変位に比例した反力が発生する。また、プローブの被測定物と接触する側には先端球、先端球とは逆側の端部の変位を測定するように、変位計をハウジングに配してあり、ハウジングは移動ステージに搭載されている。
Conventionally, in such a three-dimensional shape measurement method, a probe as disclosed in
一方、中空円筒としたプローブ内部に、球形の重錘とそれを上下に引っ張る上下のコイルバネ、重錘に対して摩擦力を与える高分子材料を備えている。これら、重錘、コイルバネと高分子材料によって、プローブ本体に対する動吸振器を構成している。被測定物の形状を測定する際には、変位計によるプローブとハウジングの変位と、被測定物を倣い走査させたときのハウジングの位置を計測することによって、被測定物の形状を測定するものである。 On the other hand, a spherical cylinder is provided with a spherical weight, upper and lower coil springs for pulling it up and down, and a polymer material that gives a frictional force to the weight. These dynamic weight, coil spring and polymer material constitute a dynamic vibration absorber for the probe body. When measuring the shape of the object to be measured, the shape of the object to be measured is measured by measuring the displacement of the probe and the housing by the displacement meter and the position of the housing when the object to be measured is scanned. It is.
被測定物に一定押圧で接触しつつ走査されるプローブは、被測定物表面と先端球との間に生じるスティックスリップ等により発生した衝撃により、プローブは懸架剛性の弱いスラスト方向に振動させられることがある。図4は、プローブにて球体上を倣い走査したときに得られたプローブ押圧の時間変化を表す。図4によると、球体の面傾斜が大きくなるに従って振動が大きくなっていることがわかる。このとき、特許文献1の方式に依れば、プローブのスラスト方向の振動は、適切な動吸振器を構成することで、低減させることが可能であり、形状測定中に被測定物に対するプローブの浮き上がりを発生させにくいという特徴を持っている。
The probe that is scanned while contacting the object to be measured with a constant pressure must be vibrated in the thrust direction where the suspension rigidity is weak due to the impact generated by stick-slip or the like generated between the surface of the object to be measured and the tip sphere. There is. FIG. 4 shows the time change of the probe pressing obtained when the probe is scanned following the sphere. According to FIG. 4, it can be seen that the vibration increases as the surface inclination of the sphere increases. At this time, according to the method of
特許文献1に開示された方法は、プローブ倣い走査時に発生するプローブの振動を低減させ、プローブの浮き上がりに伴う測定誤差の低減には有力な手段ではある。しかしながら、特許文献1に開示された方法では、プローブ内に動吸振器を構成するために、重錘、コイルバネと摩擦要素からなる機構を内蔵しなくてはならない。また、プローブ内部においてプローブと重錘をコイルバネで接続しなくてはならず、プローブに同機構を内蔵させるには、著しい困難を伴う。更には、狭小な箇所においても形状測定が可能となるようにプローブを小型化させた場合には、上記のような動吸振機構をプローブに搭載することは非常に困難となる。
The method disclosed in
本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものである。即ち、形状測定において、プローブ振動による浮き上がりに起因した測定誤差の低減を、たとえ小型化されたプローブであっても簡易に可能にする、接触式プローブ、及びそれを備えた形状測定装置を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the unsolved problems of the above-described conventional techniques. That is, the present invention provides a contact-type probe and a shape measuring apparatus including the same that can easily reduce a measurement error caused by floating due to probe vibration even in a shape measurement even if the probe is downsized. It is for the purpose.
上記目的を達成するため、本出願に係る発明は、接触式プローブを被測定物に接触させつつ、前記被測定物の表面を走査させると共に前記接触式プローブの位置を計測することで、前記被測定物の形状を測定する形状測定装置に用いる接触式プローブであって、前記接触式プローブ内に空間が設けられ、前記空間内に重錘を移動可能に配置したことを特徴とする接触式プローブである。 In order to achieve the above object, the invention according to the present application scans the surface of the object to be measured while bringing the contact probe into contact with the object to be measured, and measures the position of the contact probe. A contact probe for use in a shape measuring apparatus for measuring the shape of an object to be measured, wherein a space is provided in the contact probe, and a weight is movably disposed in the space. It is.
また上記接触式プローブを備えた接触式形状測定装置である。 Moreover, it is a contact type shape measuring apparatus provided with the said contact type probe.
上記構成においては、プローブが被測定物の形状を走査測定する時、プローブに振動が発生した際に、重錘に衝撃が伝わることで、重錘がプローブとは分離して、上記空間内を移動できる。このとき、重錘は、プローブの運動量を奪って運動するため、結果としてプローブの、振動に伴う運動は抑制される。従って、プローブの振動に伴う浮き上がりによる測定誤差を低減させることができる。 In the above configuration, when the probe scans and measures the shape of the object to be measured, an impact is transmitted to the weight when vibration occurs in the probe, so that the weight is separated from the probe, and the inside of the space is separated. I can move. At this time, the weight moves while taking the momentum of the probe, and as a result, the movement of the probe due to vibration is suppressed. Therefore, it is possible to reduce a measurement error due to lifting due to probe vibration.
以上説明するように、本出願にかかる発明によれば、プローブ内にプローブから分離して可動な重錘を封入してあることにより、スティックスリップ等によって生じた振動に伴うプローブ浮き上がりによる測定誤差を低減することができる。また、プローブに内蔵しなければならないものは重錘のみであるため、簡易であり小型化の上で有利である。 As described above, according to the invention of the present application, since a movable weight separated from the probe is enclosed in the probe, the measurement error due to the probe lifting due to vibration caused by stick-slip or the like is reduced. Can be reduced. Also, since only the weight must be built in the probe, it is simple and advantageous in terms of miniaturization.
本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の一実施形態の接触式プローブの構成図であり、本発明の特徴をもっとも良く表している。図1において1は被測定物4に接触して形状を計測する接触式プローブ(以下、単に「プローブ」と称する)であり、プローブ支持ベース18に対し、複数枚の薄い金属製の板バネ17によって懸架されている。プローブ1は、複数枚の板バネ17によって支持されることにより、Z軸方向のみに可動となるように構成されている。
FIG. 1 is a block diagram of a contact probe according to an embodiment of the present invention, which best represents the features of the present invention. In FIG. 1,
このプローブ1は、例えばアルミナのような高剛性の部材からなる中空円筒状のプローブシャフト2と、ルビー球からなる先端球16、プローブ1の変位を測定するためのターゲットとなるターゲットミラー8、超硬合金製の重錘3、等によって構成される。先端球16はプローブシャフト2の下端に設けられ、被測定物4と接触する。他方、ターゲットミラー8はプローブシャフト2の上端に設けられ、ターゲットミラー8のZ軸方向の変位を測定することで、先端球16のZ軸方向の変位を得ることができる。プローブ1の内部に画成される空間内(接触式プローブ内の空間内)に重錘を移動可能に配置している。
This
1軸方向に摺動するプローブ1が一定の力で被測定物4に接触しながら表面形状をなぞり、被測定物4の形状を走査測定する時、被測定物4の形状によってはプローブ1には図4に示すように振動が発生する。これに対して、本発明においては中空円筒状のプローブシャフト2内の重錘3がプローブ1の振動に伴って移動し、プローブ1の運動量を奪うことで、プローブ1の振動を低減する。
When the
単一の重錘3では一度プローブ1から運動量を奪って分離すると、落下して再びプローブ1に接触するまでは、運動量を奪う効果を期待できない。そのため、重錘3をプローブシャフト2内に数十個封入しており、連続的な振動に対しても運動量を奪う効果を発揮させている。また、複数個封入されている重錘3の形状は、相互の摩擦の影響を抑え、重錘3の可動性を確保するため、接触面積の小さい、球体としている。
With the
また、重錘を複数個配置することにより、重錘一つ当りの質量を小さくすることができ、微小な振動にも対応できる。また、一度分離した重錘は落下してプローブ1に力を伝えるが、力の方向がプローブ1を被測定物4に押し付ける方向となる。このため、重錘の動きはプローブ1が被測定物4から浮き上がる力を奪い、またプローブ1と被測定物4を押し付ける力となる。一般的な移動体の位置決め動作と異なり、プローブ1の動きは片側に存在する被測定物に対して、常に押し付けようとする力を生じさせることで、本発明の効果を得ることができる。
Further, by arranging a plurality of weights, the mass per weight can be reduced, and minute vibrations can be dealt with. The weight once separated falls and transmits a force to the
一方で、重錘3の可動性確保のため、重錘3が最密充填の形態をとることを防ぐために楕円体形状としても良い。この場合、重錘3の長径を空間の内径の半分よりも大きくすることができる。また、重錘3を球状とした場合、重錘3の径が空間の内径の半分よりも小さくすることもできる。また更に、重錘3の可動性確保のために、重錘3の表面に、例えばDLC(ダイヤモンドライクカーボン)またはフッ素化合物のような摩擦係数を低減させる効果のある表面コーティングを施しても良い。
On the other hand, in order to ensure the mobility of the
プローブシャフト2内に充填する重錘3の個数として、プローブシャフト2内に重錘3が可動である空間を残すような個数を選択してある。またこのとき、重錘3の可動性を確保するために重錘3の直径と、プローブシャフト2の内径の関係は、重錘3が最密充填状態でプローブシャフト2の内径に内接しないように選択することが望ましい。
The number of
重錘3はプローブ1に対して、重錘3に働く重力のみで接触しているため、重錘3に働く重力を低減させることができれば、プローブ1に対する接触力を低減でき、より微小な振動に対しても抑制効果を持たせることができる。従って、プローブシャフト2内を液体で満たすことにより、重錘3に浮力を発生させ、プローブ1に対する接触力を低減させても良い。
Since the
図2は本発明の一実施形態の接触式プローブを備えた接触式形状測定装置の構成図である。図2において、床23に接触式形状測定装置50を設置する。まず、床23上に除振台24を設け、その上に計測ベース26を設ける。除振台24により、床23から計測ベース26へ伝わる振動を減衰させることができ、測定誤差を低減させることができる。なお、この計測ベース26は被測定物4と、位置の基準となる3つの基準ミラー、X基準ミラー27,Y基準ミラー(不図示)、Z基準ミラー29とを固定するものであり、接触式形状測定装置50は、これら3つの基準ミラー27,29に対する被測定物4の表面上の点の位置を測定する。
FIG. 2 is a configuration diagram of a contact-type shape measuring apparatus including a contact-type probe according to an embodiment of the present invention. In FIG. 2, a contact-type
接触式形状測定装置50は、1軸方向に摺動するプローブ1を一定の力で被測定物4に接触させながら表面形状を倣い走査し、プローブ1の摺動方向の変位を基準ミラー27,28、29により検出することによって被測定物面の表面形状を測定する。
The contact-type
計測ベース26は箱状の構造物であり、これに被測定物4を固定し、水平方向の位置基準であるX基準ミラー27、及び図示しないY基準ミラーと鉛直方向の位置基準であるZ基準ミラー29を備えている。これらの計測ベース及び基準ミラーは、測定の基準となるものであるので、線膨張係数の小さな材料、例えば低熱膨張セラミック、或いは低熱膨張鋳鉄や低熱膨張ガラスなどの材料を用いて製作する。これらの基準ミラーは前述の干渉計でプローブ位置を測定するときの位置基準となるものである。
The
プローブ支持ベース18状に設けられたZ距離測定用小型ミラー37とターゲットミラー8との変位がZp、Z距離測定用小型ミラー37とZ基準ミラー29との変位がZ1となる。これらのZpとZ1とを用い、
Z = Zp + Z1
とすることで、プローブ1のZ方向の変位Zを求めることができる。二つのX距離測定用小型ミラー42aと42bとの間距離をL1、下のX距離測定用小型ミラー42bから先端球16までの距離をL2とする。X及びY方向については、これらL1、L2とX基準ミラー27とX距離測定用小型ミラー42aと42bの変位X1及びX2を用いて、
X = X1 + ( X2 - X1 ) * ( L1 +L2 ) / L1
と求めることができる。Y方向についても同様である。またY方向においてもY距離測定用小型ミラー(不図示)を設けることができる。
The displacement between the Z distance measuring
Z = Zp + Z1
By doing so, the displacement Z in the Z direction of the
X = X1 + (X2-X1) * (L1 + L2) / L1
It can be asked. The same applies to the Y direction. Also, a Y-distance measuring small mirror (not shown) can be provided also in the Y direction.
プローブを移動させるスライドについて説明する。架台25上に設けられた走査軸ベース30を固定子として、図中のX方向に相対的に移動可能なX軸スライド31と、X軸モータ32とが走査軸ベース30に設けられている。更に、X軸スライド31に対してY方向に相対的に移動可能なY軸スライド33とY軸モータ34とがX軸スライド31に設けられている。同様にY軸スライド33に対してZ方向に相対的に移動可能なZ軸スライド35とZ軸モータ36とがY軸スライド33に設けられている。
A slide for moving the probe will be described. The
このような構成をとることで、Z軸スライド14はXYZ方向の3次元的に移動可能となる。Z軸スライド35には、プローブ支持ベース18が固定されており、プローブ支持ベース18に固定された板バネ17によって、プローブシャフト2が弾性支持されている。また板バネ17は、1枚或いは複数枚の薄い金属製の板によって構成されている。これによりプローブ1は、プローブ支持ベース18に対しZ軸方向に移動可能に支持される。
By adopting such a configuration, the Z-axis slide 14 can be moved three-dimensionally in the XYZ directions. A
プローブを走査する場合はXY平面上に、例えばラスター軌道のような走査軌道を上位コントローラ40から与え、X軸スライド31及びY軸スライド33を移動させる。このときのX軸及びY軸の動きは、位置制御器38によってモータを駆動し、各スライドを所望の位置へ動かす位置制御となっている。一方でZ軸スライド35に関しては、Zpによって求めることができる接触力Fを、接触力制御器39により一定に制御する接触力制御による動作によってのみ動かされることとなる。
When scanning the probe, a scanning trajectory such as a raster trajectory is given from the
Z軸について、被測定物4に対するプローブ1の接触力制御を行いながら、XY軸の位置制御によってプローブ1を移動させることによって、プローブ1が被測定物4上を倣う走査が可能となる。この状態で、干渉計によって得られたXYZの位置基準に対するプローブ位置の変位X、Y、Zを記録することで被測定物4の形状を測定することができる。
With respect to the Z axis, the
図3は、本発明のプローブで球体上を走査したときのZp変化の周波数分布を示している。図3(b)はプローブ1によって、実際に球形の被測定物を倣い走査した際のZpの変化を表すグラフである。縦軸はZp、横軸は周波数に変換してある。走査は球の傾斜が60°の箇所から0°を通過し、反対側の60°に達するまで行われている。比較対照として図3(a)に重錘3を有さないプローブを用いた結果も示してある。
FIG. 3 shows the frequency distribution of Zp change when the sphere is scanned with the probe of the present invention. FIG. 3B is a graph showing a change in Zp when the
図3によると、本発明のプローブの場合でのZpの振幅のピーク値が、比較対照のプローブを用いた場合に比して、抑制されていることがわかる。一方で、図4では走査される被測定物の傾斜の違いにより振動の大きさが変わるだけでなく、その振動周波数も変化する。特に300Hz以下の周波数の振動が大きくなっている。特許文献1に示されているような動吸振器では、内蔵するバネ剛性と重錘の質量で減衰できる周波数が決まってしまうが、本発明においてはプローブ1と重錘3の衝突によって運動量を奪うため、より広域の周波数域に対して振動抑制効果を期待できる。従ってスティックスリップのような、衝撃による広範囲の周波数域に振動をもたらすような振動源からの振動を抑制するには、有利であると考えられる。
According to FIG. 3, it can be seen that the peak value of the amplitude of Zp in the case of the probe of the present invention is suppressed as compared with the case of using the comparative probe. On the other hand, in FIG. 4, not only the magnitude of vibration changes due to the difference in tilt of the object to be scanned, but also the vibration frequency changes. In particular, vibrations with a frequency of 300 Hz or less are increasing. In a dynamic vibration absorber as disclosed in
本発明は上記構成、作用を有するもので、プローブ浮き上がりにより生じる測定誤差を低減し、高精度の測定を行うことが可能になり、産業上、科学技術上の効果は大きい。 The present invention has the above-described configuration and operation, and it is possible to reduce measurement errors caused by probe floating and to perform high-precision measurement, which has a great industrial and scientific effect.
1 プローブ
2 プローブシャフト
3 重錘
4 被測定物
8 ターゲットミラー
16 先端球
17 板バネ
18 プローブ支持ベース
23 床
24 除振台
25 架台
26 計測ベース
27 X基準ミラー
29 Z基準ミラー
30 走査軸ベース
31 X軸スライド
32 X軸モータ
33 Y軸スライド
34 Y軸モータ
35 Z軸スライド
36 Z軸モータ
37 Z距離測定用小型ミラー
38 位置制御器
39 接触力制御器
40 上位コントローラ
42a、42b X距離測定用小型ミラー
50 接触式形状測定装置
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記接触式プローブ内に空間が設けられ、前記空間内に重錘を移動可能に配置したことを特徴とする接触式プローブ。 A contact type used in a shape measuring apparatus for measuring the shape of the object to be measured by scanning the surface of the object to be measured while contacting the object to be measured with the contact type probe and measuring the position of the contact type probe. A probe,
A contact-type probe, wherein a space is provided in the contact-type probe, and a weight is movably disposed in the space.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012212252A JP2014066613A (en) | 2012-09-26 | 2012-09-26 | Contact probe and contact profilometer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012212252A JP2014066613A (en) | 2012-09-26 | 2012-09-26 | Contact probe and contact profilometer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2014066613A true JP2014066613A (en) | 2014-04-17 |
Family
ID=50743165
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012212252A Pending JP2014066613A (en) | 2012-09-26 | 2012-09-26 | Contact probe and contact profilometer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2014066613A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016070667A (en) * | 2014-09-26 | 2016-05-09 | キヤノン株式会社 | Contact-type probe and shape measurement device |
-
2012
- 2012-09-26 JP JP2012212252A patent/JP2014066613A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016070667A (en) * | 2014-09-26 | 2016-05-09 | キヤノン株式会社 | Contact-type probe and shape measurement device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4474443B2 (en) | Shape measuring apparatus and method | |
EP2251635B1 (en) | Probe for three-dimensional shape measuring apparatus and three-dimensional shape measuring apparatus. | |
JP5754971B2 (en) | Shape measuring apparatus and shape measuring method | |
JP2012247362A (en) | Cumulative lead error measuring apparatus for ball screw axis and measuring method | |
JP7016289B2 (en) | Stage equipment, charged particle beam equipment and vacuum equipment | |
JP6395542B2 (en) | Contact type probe and shape measuring device | |
JP2014066613A (en) | Contact probe and contact profilometer | |
Bos et al. | High-accuracy CMM metrology for micro systems | |
JP4376592B2 (en) | Shape measuring device | |
JP6198393B2 (en) | Contact type three-dimensional shape measuring apparatus and probe control method | |
Seggelen et al. | An elastically guided machine axis with nanometer repeatability | |
JP4474243B2 (en) | Three-point support device and three-dimensional shape measuring device | |
JP2013142685A (en) | Shape measuring device | |
CN115647934A (en) | On-site measuring head and on-site measuring machine tool | |
JP4699071B2 (en) | Stage apparatus and exposure apparatus therefor | |
Donker et al. | ISARA 400: Enabling ultra-precision coordinate metrology for large parts | |
JP5645349B2 (en) | Shape measuring device | |
JP6025905B2 (en) | 3D coordinate measuring machine | |
JP5717914B1 (en) | 3D coordinate measuring machine | |
JP5676045B2 (en) | 3D coordinate measuring machine | |
JPH0915359A (en) | Stage | |
JP5677360B2 (en) | 3D coordinate measuring machine | |
JP2001249018A (en) | Surface mechanical characteristic measuring apparatus and method thereof | |
JP6478961B2 (en) | 3D coordinate measuring machine | |
JP2019203705A (en) | Shape measurement probe |