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JP2004077307A - 制御方式の切り替え方法 - Google Patents

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JP2004077307A
JP2004077307A JP2002238688A JP2002238688A JP2004077307A JP 2004077307 A JP2004077307 A JP 2004077307A JP 2002238688 A JP2002238688 A JP 2002238688A JP 2002238688 A JP2002238688 A JP 2002238688A JP 2004077307 A JP2004077307 A JP 2004077307A
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JP2002238688A
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Inventor
Kenji Kumai
熊井 健治
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Canon Inc
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Canon Inc
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Abstract

【課題】プローブ圧力を規定値の圧力付近に確実に移動することが可能となり、安定して位置制御から圧力制御に移行することが可能となる。
【解決手段】まず、プローブ圧力が接触判定圧力を所定の時間を超えるまで移動スライダを物体に近づけ、プローブ圧力が接触判定圧力を所定の時間以上を超えたら、移動スライダを一端停止する。次に、プローブ圧力の変化が十分に静定する時間経過後、所定の時間プローブ圧力を測定しその平均値を求め、この平均値が目標圧力値に達しない場合は、移動スライダを目標圧力に近づく方向に移動スライダを少し移動し、これらを繰り返す。そして、平均圧力が目標圧力に達したら、移動スライダの制御を位置制御から圧力制御に切り替える。
【選択図】    図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プローブの一端を被測定物に接触させプローブの変位に基づき被測定物面の凹凸形状を精密に測定する形状測定装置、または、プローブの一端を加工物に接触させ一定圧力で研磨を行なう研磨装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
形状測定装置としては、特願平8−172276号公報(図17フローチャートを示す)に示されているように、プローブ圧力が規定値となる方向に一定距離を移動し、圧力が規定値を超えるまでこれを繰り返し、規定値の圧力を超えたら圧力制御に切り替えを行なっている。ここで問題となるのは、メカ的な振動により接触圧力が規定値の圧力を一瞬超えしてしまい、そこで位置制御から圧力制御に切り替えた際に規定値の圧力にうまく引き込むことができず、圧力が異常とする圧力をこえてしまい異常となってしまうことがある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
プローブ圧力を規定値の圧力付近に確実に移動することが可能となり、安定して位置制御から圧力制御に移行することが可能となる。
【0004】
【課題を解決するための手段】
まず、プローブ圧力が接触判定圧力を所定の時間を超えるまで移動スライダを物体に近づけ、プローブ圧力が接触判定圧力を所定の時間以上を超えたら、移動スライダを一端停止する。次に、プローブ圧力の変化が十分に静定する時間経過後、所定の時間プローブ圧力を測定しその平均値を求め、この平均値が目標圧力値に達しない場合は、移動スライダを目標圧力に近づく方向に移動スライダを少し移動し、これらを繰り返す。そして、平均圧力が目標圧力に達したら、移動スライダの制御を位置制御から圧力制御に切り替える。
【0005】
【発明の実施の形態】
図3に本発明の実施形態における形状測定装置の概略図を示す。
【0006】
同図において、球1はプローブチップ2に接着固定される。スペーサー3と板ばね4をはさみ、プローブシャフト5の下側にネジこみ、固定する。ミラーA6をミラー固定駒7に接着固定する。このミラー固定駒にはネジ部とともに、穴が設けられており、この穴に棒を差し込むことによって、ねじを締めることができる。ミラー固定駒7はスペーサー8と板ばね4をはさみ、プローブシャフト5の上側にネジで固定する。板ばね4はネジ9とスペーサー10を挟んでハウジング11に固定する。
【0007】
ハウジング11は測定軸12に固定されている。測定軸12はプローブ軸と同じ方向、すなわち上下方向(Z方向)にガイド13で移動可能に、XYテーブル16に対して支持され、ボールネジ14とサーボモータ15で駆動される。測定軸12は、XYZ方向に対して移動するスライダの機能を有し、フレーム20に対して3軸方向に移動可能である。
【0008】
サーボモータ15はサーボアンプ29に接続され、サーボアンプ29は、制御系切り替え装置31に接続される。サーボモータ15の回転軸にはエンコーダ33が接続してあり、その出力を位置制御補償回路30に接続する。先ほど説明した制御系切り替え装置31が、位置制御系に接続している時は、測定軸12の位置を制御することができる。
【0009】
この制御系切り替え装置は、不図示のコントローラで自動制御され、後述する測定動作が行われる。
【0010】
XYテーブル16は図示しない定盤に対してX、Y方向に移動可能にガイドされ、サーボモータ15で位置決めされる。干渉計17および4分の1波長板18を測定軸12に固定し、その上方にミラーB19を設け、ミラーBはフレーム20に固定する。このように、構成すると、干渉計17(第1検出手段)はミラーA6、とミラーB19の間の距離を測定することができる。
【0011】
フレーム20(基準部材)には、ミラーB19のほかに被測定物21が固定されている。
【0012】
図示しない光源から光ファイバー22(光束射出手段)に光を入射し、光ファイバー固定駒23から光束を出射させる。この光ファイバー固定駒は、固定部材24でハウジング11に固定される。レンズ25(光学系)をハウジング11に固定して設け、光束を集光させる。集光した光はシャフト5に固定された凸球面ミラー26で反射し、ポジションセンサ27上で焦点を結ぶ。ここで、凸球面ミラー26の球面の中心を、プローブシャフトのセンター軸上に配置する。
【0013】
図4に上述の凸面球面ミラーを用いた変位測定手段(第2検出手段)の原理を示す。
【0014】
点光源Fを設け、Fから出射した光はレンズLによって集光され、球面ミラーMで反射されてSで焦点を結ぶ。この時、入反射角度を2θとし、その半分のθ方向をX’軸とし、このX’軸方向と直角な方向をY’軸方向とし、X’とY’に垂直な、すなわち紙面に対して垂直な方向をZ’軸方向とする。
【0015】
同図において、
a)球面ミラーMがY’方向に変位すると、その変位が拡大されて焦点Sの位置の変位となるので、Sの位置を光点位置検出手段、例えばPINフォトダイオードなどのポジションセンサで測定することができる。
【0016】
b)同様に球面ミラーMがZ’方向に変位すると、その変位が拡大されて焦点Sの位置の変位となるので、Sの位置を光点位置検出手段、例えばPINフォトダイオードなどのポジションセンサで測定することができる。
【0017】
c)Sの位置を2方向の測定が可能な光点位置検出手段とすることにより、上記a)およびb)を同時に測定できる。すなわち、Y’とZ’の2方向を同時に測定できる。
【0018】
以下に、球面ミラーMの変位が拡大されて焦点Sの変位になることを示す。図5は光学系の模式図である。点光源Fからでた光束は距離、L1離れたレンズLによってL2離れた位置Eに点像を作る。レンズの焦点距離をfとすると、近軸公式より次の関係がなりたっている。
【0019】
1/f=(1/L1)+(1/L2)
点光源の像Eは球面ミラーによって、Sに写像される。図4は、説明のため、球面ミラーMで反射する光束をMの右側に描いている。球面ミラーMの半径をRとすると、次の関係がある。
【0020】
2/R=(1/L3)−(1/L4)
この倍率はL4/L3である。従って、球面ミラーがY’方向にδ変位したとすると、Sは次の量だけ変位する。
【0021】
(1−(L4/L3))δ
これが、この光学系によって変位が拡大される倍率を表している。例えばRを4mm,L3を2.05mmとすると式2よりL4は82mmとなり、上式より球面ミラーの変位は39倍に拡大される。この光点の変位を測定することによって、高い精度で変位を測定することができる。
【0022】
また、図4において、球面はその中心Oを中心に回転しても同じ形状なので、この測定方法は、球面の傾斜角度に影響されない特徴がある。例えば球面の中心をプローブシャフトの中心軸上に配置しておけば、プローブシャフトの傾斜角度に影響されない変位測定が可能である。しかし、形状としては球面に限るものではなく、例えば円筒面や曲面または傾斜面をもつ反射ミラーでも、プローブシャフトの中心軸方向の変位の測定が可能である。
【0023】
焦点Sを測定する光点検出手段であるポジションセンサ27は、微動テーブル28の上に固定されており、Z方向に位置を調整できる。微動テーブルは測定軸12に固定されている。
【0024】
ポジションセンサ27は、センサアンプ34に接続され、光点位置を電気信号に変換する。センサアンプは針圧制御補償回路32に接続され、さらに制御系切り替え装置31に接続されている。この制御系切り替え装置31が針圧制御系に接続されている時は、センサアンプ34の出力が一定になるように、サーボモータを制御する。
【0025】
次に板ばね4の実施形態の形状例を図6に示す。
【0026】
図に示す通り、中央にプローブシャフト5に固定するために使用する穴4aが設けられ、その周囲にハウジング11に固定するための穴4bが空いている。
【0027】
また、板ばねの外周4cの外径より内側にシャフト固定穴4aとハウジング固定穴4bを配置し、シャフト固定穴4aとハウジング固定穴4bは板ばねの外周4cを介して連結するようにしている。そのため、シャフト固定穴4aとハウジング固定穴4bを直線的に連結する場合よりも、実質的な板ばね長さが長くなっており、結果として固定部材であるハウジングと可動部材であるプローブとの間の板ばね長さを実質的に長くなっている。
【0028】
以上の構成において、球1が被測定物に接触し、反力を受けると、その大きさに従って2枚の板ばね4が変形する。その変形に従ってプローブシャフト5の位置がハウジング11に対して変化する。従って、プローブシャフトの動きはプローブが被測定物を押しつける圧力を表している。
【0029】
光ファイバー固定駒23から出射した光束は次第に広がりながらレンズ25に入射、集光しながら、プローブシャフト5に固定された球面ミラー26に反射し、ポジションセンサ27の上で焦点を結ぶ。その焦点の位置がポジションセンサの中心位置にくるように、あらかじめ、微動テーブル28を調整しておく。プローブシャフト5が移動すると、前に説明したとおり、球面ミラーに入射する光束と反射する光束の中間方向に垂直な方向、すなわち、図3の矢印方向35の移動量が拡大されて、ポジションセンサ上の焦点位置が移動する。プローブシャフトは垂直方向に平行板ばねでガイドされているので、方向35は、ほぼ、プローブシャフトの移動方向と考えられる。プローブ移動方向と、変位測定方向の角度差はθなので、プローブ移動量のcos(θ)を測定することになる。その位置変化をセンサアンプ34で電気信号に変える。板ばねの変位は、それにバネ定数をかければプローブ押しつけ圧力になるので、結局、センサアンプ34の出力は、プローブの押しつけ圧力を表している。
【0030】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。図1は本発明の実施例に係わるフローチャートを示す。図1において、位置制御を開始し(ステップS202)、圧力が接触判定圧力を継続して所定の時間を超えるまでZスライダを非測定物に近づける(ステップS203、ステップS501)。圧力が接触判定圧力を継続して所定の時間を超えたら、Zスライダを停止する(ステップS502)。
【0031】
次に、圧力の変化が十分に静定した状態になるまでの時間経過後(ステップS503)、所定の時間、圧力を測定しその平均値を求め(ステップS504)、この接触圧力の平均値が目標圧力に達しない場合は、Zスライダを目標圧力に近づく方向に移動し(ステップS506)、再度ステップS503、ステップS504、ステップS505を繰り返す。そして、圧力の平均値が目標圧力に達したら、Zスライダの制御を位置制御から圧力制御に切り替える(S205)。なお、それ以降の処理については、特願平8−172276号の図17のフローチャートと同様である。
【0032】
図2に、実際に実行させたときの圧力およびZスライダエンコーダー33で検出する位置の変化を示す図である。T1〜T4までは、図1のフローチャートではステップS203、ステップS501、ステップS502に相当している。T1から少し経過したあとに圧力の変化が大きいのは、Zスライダが移動を開始したことにより、プローブに振動が伝わり板バネが振動することにより圧力が変化したことを示し、接触判定圧力を一時的に超えているが、所定の時間を継続して圧力が超えていないためZスライダを停止していない。
【0033】
T2以降は、プローブが被測定物に接触している状態にあり、T2〜T3間の圧力の変化はプローブがワークに接触しプローブがバウンドしていることを示す。この場合もプローブの接触判定圧力を一時的に超えているが、規定の時間を継続して圧力が超えていないためZスライダを停止していない。T3〜T4で確実にワークに接触させZスライダを停止させていることを示す。T4〜T5、T7〜T8、T10〜T11はステップS503の接触圧力が十分に静定する時間に相当し、T5〜T6、T8〜T9、T11〜T12はステップS504に相当し、T6〜T7、T9〜T10は、ステップS506に相当する。ステップS503により、Zスライダ停止直後の圧力変動の影響を受けないようにしている。
【0034】
また、ステップS504により、圧力を規定の時間平均化することにより、正確な現在の圧力を測定することが可能となり確実に目標圧力にZスライダを移動することが可能となる。次に、T12で圧力の平均値は、目標圧力を超えたため制御を圧力制御に切り替える。T13より被測定物をトレースしている様子を示す。つまり圧力はほぼ一定で、被測定物の形状に沿ってZスライダを移動していることを示す。
【0035】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、確実に目標とする接触圧力になるようにZスライダを移動し、安定して位置制御から圧力制御に移行することが可能となり、エラー発生によるダウンタイムの軽減が図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】位置制御から圧力制御へ移行の動作のフローチャート
【図2】位置制御から圧力制御への移行動作における圧力変化およびZスライダ位置の説明図
【図3】形状測定装置の概略図
【図4】凸球面ミラーを用いた変位測定手段の概略図
【図5】凸球面ミラーを用いた変位測定手段の説明図
【図6】板ばねの実施形態の形状例の図
【符号の説明】
1  球
2  プローブチップ
3  スペーサ
4  板ばね
5  プローブシャフト
6  ミラーA
7  ミラー固定駒
8  スペーサ
9  ネジ
10 スペーサ
11 ハウジング
12 測定軸
13 ガイド
14 ボールネジ
15 サーボモータ
16 XYテーブル
17 干渉計
18 4分の1波長板
19 ミラーB
20 フレーム
21 被測定物
22 光ファイバー
23 光ファイバー固定駒
24 固定部材
25 レンズ
26 凸球面ミラー
27 ポジションセンサ
28 微動テーブル
29 サーボアンプ
30 位置制御補償回路
31 制御系切り替え装置
32 針圧制御補償回路
33 エンコーダ
34 センサアンプ

Claims (3)

  1. プローブの一端を物体に接触させ、前記プローブと前記物体との圧力が一定状態を保ちながらトレースする装置において、前記プローブの一端を前記物体に接触されていない状態から、前記物体に前記プローブを接触させ、前記プローブの接触の圧力を一定の目標圧力に制御する動作において、
    前記プローブを前記物体に接近させ、前記プローブの接触の圧力が、規定の接触圧力を継続して接触判定時間を超えたら前記プローブを停止し、前記プローブの接触圧力の変化が十分に静定した状態から、前記圧力をある時間測定し、この平均圧力と前記目標圧力と比較し、前記平均圧力が前記目標圧力に達していない場合は、前記圧力が前記目標圧力に近づく方向に移動し、再度、前記プローブの接触圧力の変化が十分に静定した状態から、前記圧力をある時間測定し、これらを繰り返えすことにより、前記平均圧力が前記目標圧力に達した場合に制御を圧力制御に移行することを特徴とする、制御切り替え方法。
  2. 請求項1に記載の制御切り替え方法を具備した、形状測定装置。
  3. 請求項1に記載の制御切り替え方法を具備した、研磨装置。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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