JP2003294434A - 接触式プローブ - Google Patents

接触式プローブ

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JP2003294434A
JP2003294434A JP2002095089A JP2002095089A JP2003294434A JP 2003294434 A JP2003294434 A JP 2003294434A JP 2002095089 A JP2002095089 A JP 2002095089A JP 2002095089 A JP2002095089 A JP 2002095089A JP 2003294434 A JP2003294434 A JP 2003294434A
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Minoru Takahashi
実 高橋
Izumi Ito
泉 伊藤
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、プローブに加わる力や接触力をア
クティブに可変でき、非接触状態に発生するプローブ重
量と重力補償用ばねによる機械共振周波数の振動を除去
でき、プローブの重量を低減できると共にプローブの初
期位置を精度良く検出できる接触式プローブを提供する
ことを目的とする。 【解決手段】 本発明の接触式プローブは、接触式プロ
ーブの接触力を発生させる、もしくはプローブ重量を補
償して所定の接触力や所定の力を発生させるアクチュエ
ータを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は接触式プローブに関
し、詳細にはレンズや金型の表面形状を軽荷重下で測定
する形状測定装置における触針式プローブに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、微小形状を高精度に測定するため
に、触針式プローブを搭載した形状測定装置が開発され
てきている。図１４は従来の触針式プローブの構成を示
す断面図である。同図に示す従来の触針式プローブにお
いて、真球１は、触針子２の先端に取り付けられ、被接
触物と接触する真球である。触針子２は給気孔６から給
気される静圧空気軸受け５によって非接触支持され、横
方向には拘束され、上下方向には、摺動抵抗なく動くこ
とができる。ばね７は触針子２を支持し、ハウジング４
に固定されている。変位計３は触針子２とハウジング４
間の変位を検出する。ハウジング４は触針子２の変位方
向と同方向に駆動される不図示の移動ステージに搭載さ
れる。触針子２を支持するばね７は、コイルばね、板ば
ね、ヒンジ、空気ばね、磁気式ばね等、形式を問わず、
変位によって力が発生する機構であれば良い。また、触
針子２の横方向の支持機構は静圧空気軸受けに限定され
ず、平行板ばね等の横方向剛性の高い支持機構であれば
良い。変位計３は光学式、静電容量式、作動トランス式
等形式は問わない。
【０００３】次に、形状測定装置の基本動作について図
１４を用いて説明する。図１４の触針子２の先端の真球
１が被測定面に押し付けられ、触針子２はばね力と被測
定面からの反力とが釣り合う位置に移動する。そのとき
変位計３の出力は変化する。この変位計３の出力が常に
一定となるようにハウジングを搭載した移動ステージを
制御することによって、接触力が一定に保たれる。この
ようにして接触力を一定に保った状態で、走査用の移動
ステージを駆動し被測定面を走査する。このときの走査
軌跡が被測定面の形状となる。
【０００４】このような原理の触針式プローブは、触針
子がばねで支持され、かつ摺動抵抗が少ない支持方法で
あるため、触針子の重量と支持するばねのばね定数によ
って求まる機械共振周波数で振動しやすく、減衰しにく
いという問題がある。触針子が振動していると、触針子
の初期位置を検出することが困難となるため、接触力に
相当する変位の誤差も大きくなってしまうことになる。
【０００５】また、接触式プローブを走査するとき、被
測定面のゴミや形状によってプローブが振動的になり追
従性能が確保できなくなり測定不可能となる可能性があ
る。
【０００６】そこで、特開平８−４３０６６号公報（以
下従来例１と称す）では、座標測定装置のＸ，Ｙ，Ｚ方
向変位を測定できるプローブヘッドにおいて、接触力を
発生する電磁式の機構を搭載し、加えて減衰機構及び拘
束機構を備えており、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向変位を測定できる
プローブヘッドが対象であり、測定対象および測定精度
が異なる測定装置である。また、「精密工学会 超精密
位置決め専門委員会 前刷集 99-2(2) P.11-17 (株)東京
精密 吉田 均」（以下従来例２と称す）によると、この
装置の基本的な動作としては、プローブヘッドを座標測
定装置本体の走査軸によって走査して、走査軸とプロー
ブヘッドのＸ，Ｙ，Ｚ軸の検出器によって座標を測定し
ていく、そのためプローブヘッドのＺ軸が所定の変位と
なるまで座標測定装置本体のＺ軸は動かさない機構とな
っている。座標測定装置本体のＺ軸を積極的に動かさな
いことから、プローブヘッドのばねと変位から接触力が
変化してしまう。
【０００７】また、特開平５−１２６５５３号公報（以
下従来例３と称す）は、プローブの構成として同一シリ
コン基板上に、てこと一体成形された触針と、測定荷重
調節手段を形成させたものであり、荷重調節手段によっ
て接触力を調整する。この従来例３は、高い横分解能を
得るためにスタイラスとしてダイアモンド触針を使用し
たものであり、半導体やディスク等の曲率半径の大きな
ものが対象となる。
【０００８】更に、特開平９−９６５１８号公報（以下
従来例４と称す）は、粘性流体を用いたプローブ減衰機
構を具備させることによって、プローブとワークの接触
検出を良好にさせ、かつ接触力の初期値、プローブの初
期位置(ばねの中立点)の検出を良好にさせている。
【０００９】また、特開２０００−２９８０１３号公報
（以下従来例５と称す）は上記従来例４と比較して、簡
単な機構によってプローブの減衰性を向上させる機構で
ある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例１によれば、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向変位を測定できるプロ
ーブが対象であり、測定対象及び測定精度が異なる。ま
た、従来例２では、プローブヘッドのＺ軸が所定の変位
となるまで座標測定装置本体のＺ軸を積極的に動かさな
い機構であるため、プローブヘッドのばねと変位から接
触力が変化してしまう。更に、上記従来例３は、高い横
分解能を得るためにスタイラスとしてダイヤモンド触針
を使用したものであり、半導体やディスク等の曲率半径
の大きなものを対象とし、てこ式の触針では被測定物と
プローブが空間的に干渉してしまい測定できなくなる可
能性がある。加えて、従来例３における荷重調節手段は
測定荷重を設定することに限定している。また、上記従
来例４によれば、粘性流体を扱うためのシール機構等に
よりプローブの機構が複雑化してしまう問題がある。ま
た、減衰性能は粘性流体と機構によって決定されてしま
うため、アクティブに変化させることはできない。加え
て、接触力を補償する機構ではない。更に、上記従来例
５によれば、高い減衰性能を得られにくい構成であり、
アクディブに変化させたり、接触力を補償する機構では
ない。
【００１１】本発明はこれらの問題点を解決するための
ものであり、プローブに加わる力や接触力をアクティブ
に可変でき、非接触状態に発生するプローブ重量と重力
補償用ばねによる機械共振周波数の振動を除去でき、プ
ローブの重量を低減できると共にプローブの初期位置を
精度良く検出できる接触式プローブを提供することを目
的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】前記問題点を解決するた
めに、一軸方向に摺動する接触式プローブを所定の力で
被測定物の表面に接触させ、被測定物の表面形状上を走
査し、走査したときの前記接触式プローブの摺動方向の
変位を変位計により検出することによって被測定物の表
面形状を測定する接触式形状測定装置の接触式プローブ
は、接触式プローブの接触力を発生させる、もしくはプ
ローブ重量を補償して所定の接触力や所定の力を発生さ
せるアクチュエータを具備する。よって、プローブの力
を制御することによって、プローブに加わる力や接触力
をアクティブに可変でき、非接触状態に発生するプロー
ブ重量と重力補償用ばねによる機械共振周波数の振動を
除去できる。
【００１３】また、接触式プローブをばね支持すること
により、重力方向の軸にプローブをとりつけた場合の重
力補償、もしくは、プローブの中立状態を保つことが可
能となるため、アクチュエータの推力を低減でき、これ
に伴いプローブの重量を低減できる。
【００１４】更に、アクチュエータは、接触式プローブ
の同軸上に永久磁石の磁気回路を、ハウジング側にコイ
ルをそれぞれ備えた電磁式アクチュエータであることに
より、電磁式アクチュエータを備える場合、プローブ側
に電力用の配線が付属することをなくし、配線によって
発生するばねの効果を除去できる。
【００１５】また、アクチュエータは、接触式プローブ
の同軸上にコイルを、ハウジング側に永久磁石の磁気回
路をそれぞれ備えた電磁式アクチュエータである。よっ
て、プローブ側の重量増加を極力低減できる。
【００１６】更に、接触式プローブを支持するばねはコ
イルへの電力の導線とすることにより、配線によって発
生するばねの効果を除去できる。
【００１７】また、接触式プローブの摺動方向の変位を
検出する変位検出部と、変位検出部よりプローブの摺動
速度を演算する速度演算部と、摺動速度に基づいて制御
量を出力する制御量演算部と、制御量に応じてアクチュ
エータを駆動する駆動回路とを有することにより、プロ
ーブの非接触時もしくは接触時のプローブ振動を抑圧で
き、プローブの初期位置を精度良く検出でき、かつ高精
度な追従が可能となる。
【００１８】更に、接触式プローブの摺動方向の変位を
検出する変位検出部と、変位に基づいて制御量を出力す
る制御量演算部と、制御量に応じてアクチュエータを駆
動する駆動回路とを有することにより、プローブの非接
触時の振動を抑圧し、高速移動してもプローブを保持で
きる。
【００１９】また、接触式プローブの稼動範囲よりも大
きな被測定物の表面形状を測定するために接触式プロー
ブの摺動方向に摺動する移動ステージを具備し、接触式
プローブは移動ステージ上に取り付けられる。よって、
接触式プローブの稼動範囲よりも大きな被測定物を測定
できる。
【００２０】更に、接触式プローブに搭載されたアクチ
ュエータに所定の推力を発生させるための駆動回路を具
備し、駆動回路は、移動ステージの応答周波数よりも十
分に高い応答周波数で駆動可能なアクチュエータ駆動回
路である。よって、アクチュエータの帯域を分離するこ
とによって、より高精度な制御が可能となる接触式プロ
ーブを提供できる。
【００２１】また、接触式プローブに搭載された電磁式
アクチュエータに所定の推力を発生させるための駆動回
路を具備し、駆動回路は、電磁式アクチュエータの駆動
電圧を制御する電圧制御回路である。よって、アクチュ
エータ駆動回路を安価にすることによって、安価な接触
式プローブを提供できる。
【００２２】更に、接触式プローブに搭載された電磁式
アクチュエータに所定の推力を発生させるための駆動回
路を具備し、駆動回路は、電磁式アクチュエータの推力
と等価であるアクチュエータ駆動電流を制御する電流制
御回路である。よって、アクチュエータの推力を高精度
に制御できる駆動回路とすることによって、高精度な接
触式プローブを提供できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】本発明の接触式プローブは、接触
式プローブの接触力を発生させる、もしくはプローブ重
量を補償して所定の接触力や所定の力を発生させるアク
チュエータを具備する。
【００２４】
【実施例】図１は本発明の第１の実施例に係る接触式プ
ローブの構成を示す断面図である。同図において、図１
４と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。異なる構成要
素として、本実施例の接触式プローブは、ボイスコイル
モータの磁気回路２１と、ボイスコイルモータのコイル
２２とを含んで構成されている。なお、アクチュエータ
としては、ボイスコイルモータ等の電磁式アクチュエー
タやエアシリンダ、バイモルフ構造のＰＺＴ等からな
り、所定の力を発生できるものであれば良い。触針子２
の先端に取り付けられた真球１とは反対の端面に、ボイ
スコイルモータのコイル２２が取り付けられ、ハウジン
グ側にはボイスコイルモータの磁気回路２１が取り付け
られている。図１４に示す従来の接触式プローブでは、
触針子２の重量を補償するもしくは、プローブの中立状
態を保つために触針子２を支持するばね７が取り付けら
れていたが、本実施例の構成では、ばね７が無くても必
要な接触力を発生できる構成である。
【００２５】図１４に示す従来の触針式プローブでは、
触針子２の重量ｍと重力補償用のばねのばね定数ｋよ
り、下記の（１）式で示される機械共振が存在する。
【００２６】
【数１】
【００２７】ω(rad/s)，ｋ(N/m)，ｍ(kg)ｆ(Hz)＝ω／
(２π)
【００２８】触針式プローブを移動ステージに取り付け
て移動させる際、この機械共振周波数で振動し、なおか
つ、触針子２は摺動抵抗が小さい静圧空気軸受け５によ
って支持されているため、減衰性が悪く、ばね７の中立
点となる触針子２の初期位置を高速で精度良く検出する
ことが困難であったが、図１に示す本実施例の構成で
は、ばね７をなくすことが可能であるため、触針子２の
機械共振を除去できる。また、図１４に示す従来の触針
式プローブでは、ばね７の変位によって接触力を設定し
ていたが、本実施例の構成ではボイスコイルモータの発
生する推力によって、接触力を設定できる。更に、接触
式プローブが重力方向の軸に取り付けられていた場合、
図１４に示す従来の触針式プローブは、ばね７によって
重力補償され、触針子２の重量ｍとばね力が釣り合う中
立点が初期位置dz0となり、そこからのばねの変形量dz
refが設定接触力fｐとなる。
【００２９】
【数２】
【００３０】本実施例の構成では、ボイスコイルモータ
の推力定数をKf(N/A)、重力加速度g(m/s2)、駆動電流I
ｍ(A)とすると下記の（３）式で設定接触力fpを表すこ
とができる。すなわち、重力と逆方向に推力が発生する
ように駆動電流を流すことによって、接触力が設定でき
ることになる。
【００３１】
【数３】
【００３２】接触式プローブが水平方向に取り付けられ
ていた場合接触力は下記の（４）式で表される。
【００３３】
【数４】
【００３４】図２は本発明の第２の実施例に係る接触式
プローブの構成を示す断面図である。同図に示す第２の
実施例は、図１の第１の実施例に、プローブの触針子２
をばね７で支持する構成とした。このばね７によって、
触針子２の重量を補償するもしくは、プローブの中立状
態を保つことができる。接触式プローブが重力方向の軸
に取り付けられていた場合、ばね７によって重力補償さ
れ、触針子２の重量ｍとばね力が釣り合う中立点が初期
位置dz0となり、そこからのばねの変形量dzrefが設定接
触力fpとなる。図２に示す第２の実施例の構成ではボイ
スコイルモータの発生する推力によって、接触力を設定
したり、触針子２の振動を抑圧したり、触針子２を所定
の位置に保持するための推力を発生させることができ
る。また、重力補償をばね７によって行うため、ボイス
コイルモータは、重力補償分の推力を発生させる必要が
なくなり、ボイスコイルモータの小型化が可能となり、
プローブ重量の低減や駆動回路の容量の低減が可能とな
る。更に、触針子２側に取り付けられたコイル２２の導
線をばね７とする。これによって、コイル２２の導線に
よって発生するばね特性を触針子２の支持機構として使
用できる。この場合、ばね７を２分割し、コイル２２の
２つの電極に割り当てることによって実現できる。ま
た、触針子２の先端に取り付けられた真球１とは反対の
端面に、ボイスコイルモータのコイル２２が取り付けら
れ、ハウジング側には、永久磁石とヨークからなるボイ
スコイルモータの磁気回路２１が取り付けられる。よっ
て、ボイスコイルモータのコイル２２と磁気回路２１か
ら、コイルに電流を流すことによってフレミングの左手
の法則に基づいた方向に力が発生する。このように、本
実施例では、触針子２側にコイルを持つため、磁気回路
を触針子２側に備えることに対し、触針子２を軽量化で
きる。軽量化によって、プローブの追従できる周波数が
向上する。単純なモデルで説明すると、接触力をfp一
定、測定形状および走査速度よりプローブに印加される
加速度をαとすると、触針子の重量ｍが小さいほど追従
できる加速度αは大きくできることが下記の（５）式よ
りわかる。
【００３５】
【数５】
【００３６】図３は本発明の第３の実施例に係る接触式
プローブの構成を示す断面図である。同図に示す第３の
実施例は電磁式アクチュエータをボイスコイルモータと
して説明する。触針子２の先端に取り付けられた真球１
とは反対の端面に、永久磁石とヨークからなるボイスコ
イルモータの磁気回路２３が取り付けられ、ハウジング
側には、ボイスコイルモータのコイル２４が取り付けら
れる。ボイスコイルモータのコイル２４と磁気回路２３
から、コイルに電流を流すことによってフレミングの左
手の法則に基づいた方向に力が発生する。本実施例で
は、触針子２側にコイルを持たないため、電力用配線が
不要となり、配線によって発生するばねの効果を除去す
ることが可能である。
【００３７】図４は本発明の接触式プローブにおける駆
動制御系の構成を示すブロック図である。同図におい
て、駆動制御系は、触針子２５の変位dzを検出する変位
検出部２６と、変位dzから触針子２５の摺動速度Vprbを
演算する速度演算部２７と、目標速度と摺動速度Vprbの
偏差に所定の補償を行いアクチュエータ２８への操作量
を出力する制御量演算部２９と、操作量に基づいてアク
チュエータ２８を駆動する駆動回路３０とを具備する。
ここでは、振動を抑制する目的であるため、目標速度は
０となるため表記せず、摺動速度Vprbの負帰還のみを表
記している。これによって、速度フィードバックを備え
た形となり、接触して走査させた時に発生する振動に対
して、抑圧したい周波数に合わせた所定の補償器を設計
することによって、目的の減衰効果を得ることができ
る。また、プローブの非接触時に発生する振動を抑圧
し、プローブの初期位置を高速に精度良く検出できる。
速度フィードバックを付加させることによって、下記の
（６）式の減衰項を変化させることと等価となり、減衰
効果を向上できる。
【００３８】
【数６】
【００３９】加算器３１では、接触力をアクチュエータ
によって発生させる場合その力相当の値をf1として加算
することになる。加算器３２では、ばねによって接触力
を設定する場合、力f2として加算され、また、触針子に
加わる外乱もf2と同様な形として印加される。
【００４０】ここで、本発明の効果を、従来のものと合
わせて図５に示す。従来のものは触針子に加わった外乱
がそのまま接触力の変動として発生するのに対し、本発
明により抑圧できることがわかる。
【００４１】図６は本発明の接触式プローブにおける別
の駆動制御系の構成を示すブロック図である。同図にお
いて、駆動制御系は、触針子２５の変位dzを検出する変
位検出部２６と、変位dzと目標変位dzrefを比較し偏差
を出力する比較器３３と、偏差に所定の補償を行いアク
チュエータ２８への操作量を出力する制御量演算部２９
と、操作量に基づいてアクチュエータ２８を駆動する駆
動回路３０とを具備する。これによって、位置フィード
バックを備えた形となり、加算器３４から印加される外
乱dを抑圧し、所定の位置に触針子２５を保持すること
ができる。触針子２５を保持する機構を備えたことによ
って、プローブを高速に移動することができる。
【００４２】ここで、本発明の効果を、従来のものと合
わせて図７に示す。従来のものは触針子に加わった外乱
がそのまま変位dzの変動として発生するのに対し、本発
明により抑圧できることがわかる。
【００４３】また、図４もしくは図６より接触式プロー
ブに搭載されたアクチュエータ２８をボイスコールモー
タ等の電磁式アクチュエータとすると、その電磁式アク
チュエータを駆動する駆動回路３０を制御量演算部２９
の出力である操作量に比例した駆動電圧を出力できる電
圧制御回路とする。電圧制御回路はＰＷＭ方式、リニア
方式を問わない。図８において電圧制御回路３５は目標
電圧Erefを入力すると駆動電圧Emを出力する。
【００４４】このような電圧制御回路を使用する場合、
電磁式アクチュエータのインピーダンスによって高い周
波数になるに従い電圧に対する電流の応答が悪くなる。
そのため、制御量演算部２９では、インピーダンスによ
る応答特性を考慮して補償器を設計する必要がある。駆
動電圧Emから駆動電流Imの応答は下記の（７）式で表さ
れる。
【００４５】
【数７】
【００４６】Lm: インダクタンス, Rm: 抵抗 sはラプ
ラス演算子を表す。
【００４７】また、図４もしくは図６より接触式プロー
ブに搭載されたアクチュエータ２８をボイスコールモー
タ等の電磁式アクチュエータとすると、その電磁式アク
チュエータを駆動する駆動回路３０を制御量演算部２９
の出力である操作量に比例した駆動電流を出力できる電
流制御回路とする。電流制御回路はＰＷＭ方式、リニア
方式を問わない。図９で電流制御回路を説明する。制御
量演算部２９の出力となる目標電流値Imrefと電流セン
サ３６で検出された駆動電流Im相当の検出電流値Isenは
比較器３７で比較されその出力である偏差は電流補償演
算部３８へ入力され、上記（７）式で表される電圧から
電流への伝達関数を補償する演算がなされる。電流補償
演算部３８の出力に応じた駆動電圧が電圧制御回路３９
によって出力され、電磁式アクチュエータのインピーダ
ンスに応じた駆動電流Imが流れ、アクチュエータ２８は
駆動される。この回路では、電流フィードバックを備え
ているため、駆動電流Imは目標電流値Imrefと比例す
る。また、インピーダンスの変動に対してロバストとな
る。一般的に電流補償演算部３８で乗算される補償器
は、ＰＩ型の位相補償器である。電流センサ３６は電流
検出抵抗やホール素子を用いた電流センサ等で構築され
る。
【００４８】電磁式アクチュエータを電流制御で駆動で
き、要求される推力を直接制御できるため、触針子２５
の接触力や外乱を抑圧する力を制御しやすくなる。発生
する力は上記（４）式で表される。
【００４９】図１０は本発明の接触式プローブを搭載し
た形状測定装置の構成を示す概略断面図である。同図に
おいて、Ｘ軸Ｙ軸ステージ１０１上に垂直方向に駆動す
るＺ軸ステージ１０２が搭載されている。Ｚ軸ステージ
１０２上には上述したアクチュエータを備えた触針式プ
ローブ１０３が搭載されている。触針子の微小変位dzを
検出する変位計１０４としてここでは光学式変位計が搭
載されている。また、ステージの変位を検出するために
Ｚ軸ステージ上には、Ｘ軸用レーザ測長器１０５とＹ軸
用レーザ測長器１０６とＺ軸用レーザ測長器１０７が搭
載されている。更に、Ｘ軸レーザ測長器１０５用の基準
ミラー１０８と、Ｙ軸レーザ測長器１０６用の基準ミラ
ー１０９と、Ｚ軸レーザ測長器１０７用の基準ミラー１
１０とを設けている。
【００５０】次に、このような構成を有する形状測定装
置の動作を説明する。Ｘ軸Ｙ軸の位置検出は、図示して
いないがモータ軸上のロータリエンコーダもしくはリニ
アエンコーダによって行い、この位置の値を使用した位
置決め制御系によりＸ軸Ｙ軸は駆動される。Ｚ軸はリニ
アエンコーダ１１１によって位置検出され、この値を使
用した位置決め制御系によって駆動される。被測定物取
り付治具１１２上に取り付けられた被測定物１１３に触
針子を接触させ、Ｚ軸の制御を変位計１１４の出力を使
用した追従制御系に切換えて変位計１１４の出力が所定
の値となるようにする。このＺ軸追従制御の状態で、Ｘ
軸もしくはＹ軸ステージを駆動し、被測定物１１３上を
走査させる。このときの軌跡をＺ軸ステージ上の３軸の
レーザ測長器１０５，１０６，１０７によって検出し、
その値を被測定物１１３の表面形状とする。このような
構成とすることによって、接触式プローブの稼動範囲よ
りも大きな被測定物を測定できる。
【００５１】なお、接触式プローブに搭載されたアクチ
ュエータをボイスコールモータとした場合、駆動回路は
電圧制御型もしくは電流制御型の駆動回路となる。接触
式プローブは移動ステージで追従しきれない高い周波数
の外乱や応答の遅れに対して追従できるようにするた
め、例えば、移動ステージとばねによって重力補償を行
う構成である場合、移動ステージの追従遅れによって発
生する接触力の変動をボイスコイルモータの推力によっ
て補償することができるようにするには、移動ステージ
の応答よりも接触式プローブの応答を速くする必要があ
る。そのために、駆動回路の応答を図１１に示すよう
に、移動ステージの応答よりも十分に速いものとする。
【００５２】図１２は本発明の接触式プローブにおける
制御系の構成を示す概略図である。同図の（ａ）におい
て、接触式プローブは移動ステージに搭載されており、
移動ステージを重力方向に駆動されるＺ軸ステージ１２
０として考える。触針子１２１の支持機構を、ばね１２
２と減衰器１２３とし、これにアクチュエータ１２４が
備えられたものとする。触針子１２１を被測定物に接触
させ、Ｚ軸ステージ１２０は触針子１２１の重量とばね
力が釣り合う中立点dz0となるように制御を行う。アク
チュエータは、所定の接触力fp相当もしくは外乱を補償
する推力を発生させる。アクチュエータが電磁式アクチ
ュエータで電流制御回路を使用する場合は、推力相当の
駆動電流を流すことになる。よって、本制御方法では、
ばね力によって接触力を調整する必要が無いため、触針
子を設定接触力相当の変位まで移動させる必要が無い。
そのため、触針子の移動範囲が少なくできる。また、同
図の（ｂ）において、接触式プローブは移動ステージに
搭載されており、移動ステージを重力方向に駆動される
Ｚ軸ステージ１２０として考える。触針子１２１の支持
機構を、ばね１２２と減衰器１２３とし、これにアクチ
ュエータ１２４が備えられたものとする。触針子１２１
の重量とばね力が釣り合う点を中立点dz0とすると、Ｚ
軸ステージ１２０は、触針子１２１を被測定物に接触さ
せ、ばね力が静的に接触力と等価にある変位dzrefにな
るように制御する。アクチュエータ１２４は、外乱を補
償する推力を発生させる。アクチュエータ１２４が電磁
式アクチュエータで電流制御回路を使用する場合は、推
力相当の駆動電流を流すことになる。よって、本制御方
法では、ばね力と移動ステージで接触力を補償するた
め、アクチュエータの推力を少なくすることができ、ア
クチュエータの容量を小さくできるため機構の軽量化が
可能となる。
【００５３】しかし、このような制御動作時に、接触式
プローブを搭載した移動ステージの応答の遅れが発生す
る場合がある。すなわち、触針子の変位dzの変化へのＺ
軸の追従遅れである。これによって、接触力に変化が発
生してしまう。追従偏差をΔdzとすると接触力の変化Δ
fpは下記の（８）式となる。
【００５４】
【数８】
【００５５】そこで、このΔfpをアクチュエータ４３で
補償する。アクチュエータが電磁式アクチュエータで電
流制御回路を使用する場合は、下記の（９）式によって
表されるように、Δfp相当の駆動電流ΔImをフィードフ
ォワード的に加算させることによって補償できる。Kfは
推力定数。
【００５６】
【数９】
【００５７】フィードフォワードの形としては、図４の
制御量演算部２９の出力をImrefとし、加算器３１からf
1と同様に駆動電流ΔIm相当のΔImrefを加算する。
【００５８】
【数１０】
【００５９】なお、上述した図４に示した本発明の接触
式プローブの駆動制御系をハードウェアで構成したが、
図４の速度演算部２７及び制御量演算部２９をソフトウ
ェア的な手法で演算させる方法について説明する。以下
ソフトウェア的な手法で演算する構成としてＣＰＵを例
として説明するものとする。図４における速度演算部２
７では、変位検出部２６によって検出した触針子２５の
変位dzをカウンタもしくはＡＤコンバータ等でＣＰＵ内
部に取り込んで、触針子の摺動速度Vprbをソフトウェア
的手法で演算する。また、制御量演算部２９では、目標
速度と前記摺動速度Vprbの偏差に所定の補償をソフトウ
ェア的手法の演算によって行いアクチュエータ２８へＰ
ＷＭやＤＡコンバータ等の形で操作量を出力する。更
に、補償器をソフトウェアで構築するため、パラメータ
変更が容易である。なお、図４の加算器３１では、接触
力をアクチュエータによって発生させる場合その力相当
の値をf1として加算することになる。速度演算方法とし
ては、サンプリング時間をts、１サンプリング前のデー
タをdz(n-1)、現在のサンプリングデータをdz(n)とする
と、下記の（１１）式を演算することによって実現でき
る。実際は、ノイズ除去のためにソフトウェア的なフィ
ルタ処理をすることもある。
【００６０】
【数１１】
【００６１】Vprb(n)：nサンプリング時のプローブ速度
【００６２】そして、制御演算方法としては、サンプリ
ング時間tsで離散化された状態空間方程式である下記の
（１２）式と、出力方程式である下記の（１３）式の演
算を行うことによって実現できる。
【００６３】
【数１２】
【００６４】ad，bd，cd，ddはtsで離散化後の定数、x
(n)はnサンプリング時の状態変数、u(n)はｎサンプリン
グ時の入力、y(n):ｎサンプリング時の出力とする。
【００６５】また、上述した図６に示した本発明の接触
式プローブの駆動制御系をハードウェアで構成したが、
図６の制御量演算部２９及び比較器３３をソフトウェア
的な手法で演算させる方法について説明する。以下ソフ
トウェア的な手法で演算する構成としてＣＰＵを例とし
て説明するものとする。図４における比較器３３では、
変位検出部２６によって検出した触針子２５の変位dzを
カウンタもしくはＡＤコンバータ等でＣＰＵ内部に取り
込んで、目標変位dzrefと比較し偏差を出力する。ま
た、制御量演算部２９では、偏差に所定の補償をソフト
ウェア的手法の演算によって行い、アクチュエータ２８
へＰＷＭやＤＡコンバータ等の形で操作量を出力する。
更に、補償器をソフトウェアで構築するため、パラメー
タ変更が容易である。制御演算方法としては、サンプリ
ング時間tsで離散化された状態空間方程式である上記
（１２）式と、出力方程式である上記（１３）式の演算
を行うことによって実現できる。
【００６６】図１３は本発明の接触式プローブの制御方
法を示すフローチャートである。同図において、先ずプ
ローブ初期位置検出モードであるかを判定する（ステッ
プＳ１０１）。初期位置検出モードである場合、プロー
ブのアクチュエータの制御を振動減衰モードに切換える
（ステップＳ１０１；ＹＥＳ、ステップＳ１０２）。初
期位置検出モードでない場合、プローブが接触状態であ
るかを判定する（ステップＳ１０１；ＮＯ、ステップＳ
１０３）。プローブが接触状態である場合もプローブの
アクチュエータの制御を振動減衰モードに切換える（ス
テップＳ１０３；ＹＥＳ、ステップＳ１０２）。一方、
プローブが接触状態でない場合はプローブの不要な振動
を防止するためにプローブのアクチュエータの制御をプ
ローブ拘束モードに切換える（ステップＳ１０３；Ｎ
Ｏ、ステップＳ１０４）。これによって、接触状態で走
査したときに発生するプローブの振動を抑圧でき高精度
な追従が可能で、かつプローブの初期位置精度を向上で
きる。また、拘束モードに切換えることによって、非接
触状態のプローブの振動を抑圧し、高速移動してもプロ
ーブを保持できる。
【００６７】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、特許請求の範囲内の記載であれば多種の変
形や置換可能であることは言うまでもない。
【００６８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
一軸方向に摺動する接触式プローブを所定の力で被測定
物の表面に接触させ、被測定物の表面形状上を走査し、
走査したときの前記接触式プローブの摺動方向の変位を
変位計により検出することによって被測定物の表面形状
を測定する接触式形状測定装置の接触式プローブは、接
触式プローブの接触力を発生させる、もしくはプローブ
重量を補償して所定の接触力や所定の力を発生させるア
クチュエータを具備する。よって、プローブの力を制御
することによって、プローブに加わる力や接触力をアク
ティブに可変でき、非接触状態に発生するプローブ重量
と重力補償用ばねによる機械共振周波数の振動を除去で
きる。
【００６９】また、接触式プローブをばね支持すること
により、重力方向の軸にプローブをとりつけた場合の重
力補償、もしくは、プローブの中立状態を保つことが可
能となるため、アクチュエータの推力を低減でき、これ
に伴いアクチュエータを小型化しプローブの重量を低減
できる。
【００７０】更に、アクチュエータは、接触式プローブ
の同軸上に永久磁石の磁気回路を、ハウジング側にコイ
ルをそれぞれ備えた電磁式アクチュエータであることに
より、電磁式アクチュエータを備える場合、プローブ側
に電力用の配線が付属することをなくし、配線によって
発生するばねの効果を除去できる。
【００７１】また、アクチュエータは、接触式プローブ
の同軸上にコイルを、ハウジング側に永久磁石の磁気回
路をそれぞれ備えた電磁式アクチュエータである。よっ
て、プローブ側の重量増加を極力低減できる。
【００７２】更に、接触式プローブを支持するばねはコ
イルへの電力の導線とすることにより、配線によって発
生するばねの効果を除去できる。
【００７３】また、接触式プローブの摺動方向の変位を
検出する変位検出部と、変位検出部よりプローブの摺動
速度を演算する速度演算部と、摺動速度に基づいて制御
量を出力する制御量演算部と、制御量に応じてアクチュ
エータを駆動する駆動回路とを有することにより、プロ
ーブの非接触時もしくは接触時のプローブ振動を抑圧で
き、プローブの初期位置を精度良く検出でき、かつ高精
度な追従が可能となる。
【００７４】更に、接触式プローブの摺動方向の変位を
検出する変位検出部と、変位に基づいて制御量を出力す
る制御量演算部と、制御量に応じてアクチュエータを駆
動する駆動回路とを有することにより、プローブの非接
触時の振動を抑圧し、高速移動してもプローブを保持で
きる。
【００７５】また、接触式プローブの稼動範囲よりも大
きな被測定物の表面形状を測定するために接触式プロー
ブの摺動方向に摺動する移動ステージを具備し、接触式
プローブは移動ステージ上に取り付けられる。よって、
接触式プローブの稼動範囲よりも大きな被測定物を測定
できる。
【００７６】更に、接触式プローブに搭載されたアクチ
ュエータに所定の推力を発生させるための駆動回路を具
備し、駆動回路は、移動ステージの応答周波数よりも十
分に高い応答周波数で駆動可能なアクチュエータ駆動回
路である。よって、アクチュエータの帯域を分離するこ
とによって、より高精度な制御が可能となる接触式プロ
ーブを提供できる。
【００７７】また、接触式プローブに搭載された電磁式
アクチュエータに所定の推力を発生させるための駆動回
路を具備し、駆動回路は、電磁式アクチュエータの駆動
電圧を制御する電圧制御回路である。よって、アクチュ
エータ駆動回路を安価にすることによって、安価な接触
式プローブを提供できる。
【００７８】更に、接触式プローブに搭載された電磁式
アクチュエータに所定の推力を発生させるための駆動回
路を具備し、駆動回路は、電磁式アクチュエータの推力
と等価であるアクチュエータ駆動電流を制御する電流制
御回路である。よって、アクチュエータの推力を高精度
に制御できる駆動回路とすることによって、高精度な接
触式プローブを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る接触式プローブの
構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施例に係る接触式プローブの
構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第３の実施例に係る接触式プローブの
構成を示す断面図である。
【図４】本発明の接触式プローブにおける駆動制御系の
構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の接触式プローブと従来の触針式プロー
ブの接触力の変動を示す特性図である。
【図６】本発明の接触式プローブにおける別の駆動制御
系の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の接触式プローブと従来の触針式プロー
ブの変位dzの変動を示す特性図である。
【図８】電圧制御回路を示す図である。
【図９】電流制御回路の回路構成を示すブロック図であ
る。
【図１０】本発明の接触式プローブを搭載した形状測定
装置の構成を示す概略断面図である。
【図１１】移動ステージの応答及び駆動回路の応答と、
接触式プローブの応答との関係を示す特性図である。
【図１２】本発明の接触式プローブにおける制御系の構
成を示す概略図である。
【図１３】本発明の接触式プローブの制御方法を示すフ
ローチャートである。
【図１４】従来の触針式プローブの構成を示す断面図で
ある。
【符号の説明】
１；真球、２；触針子、３；変位計、４；ハウジング、
５；静圧空気軸受け、６；給気孔、７；ばね、２１，２
３；磁気回路、２２，２４；コイル。
フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F062 AA02 CC02 CC04 CC07 CC22 EE01 EE62 FF02 GG73 HH13 HH32 2F069 AA66 EE04 GG02 GG58 HH02 HH14 HH15 HH30 JJ15 LL02 MM24

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 一軸方向に摺動する接触式プローブを所
    定の力で被測定物の表面に接触させ、被測定物の表面形
    状上を走査し、走査したときの前記接触式プローブの摺
    動方向の変位を変位計により検出することによって被測
    定物の表面形状を測定する接触式形状測定装置の接触式
    プローブにおいて、 前記接触式プローブの接触力を発生させる、もしくはプ
    ローブ重量を補償して所定の接触力や所定の力を発生さ
    せるアクチュエータを具備することを特徴とする接触式
    プローブ。
  2. 【請求項２】 前記接触式プローブをばね支持する請求
    項１記載の接触式プローブ。
  3. 【請求項３】 前記アクチュエータは、前記接触式プロ
    ーブの同軸上に永久磁石の磁気回路を、ハウジング側に
    コイルをそれぞれ備えた電磁式アクチュエータである請
    求項１又は２に記載の接触式プローブ。
  4. 【請求項４】 前記アクチュエータは、前記接触式プロ
    ーブの同軸上にコイルを、ハウジング側に永久磁石の磁
    気回路をそれぞれ備えた電磁式アクチュエータである請
    求項１又は２に記載の接触式プローブ。
  5. 【請求項５】 前記接触式プローブを支持するばねは、
    前記コイルへの電力の導線とする請求項１又は２に記載
    の接触式プローブ。
  6. 【請求項６】 前記接触式プローブの摺動方向の変位を
    検出する変位検出部と、変位検出部よりプローブの摺動
    速度を演算する速度演算部と、摺動速度に基づいて制御
    量を出力する制御量演算部と、制御量に応じて前記アク
    チュエータを駆動する駆動回路とを有する請求項１〜５
    のいずれかに記載の接触式プローブ。
  7. 【請求項７】 前記接触式プローブの摺動方向の変位を
    検出する変位検出部と、変位に基づいて制御量を出力す
    る制御量演算部と、該制御量に応じて前記アクチュエー
    タを駆動する駆動回路とを有する請求項１〜５のいずれ
    かに記載の接触式プローブ。
  8. 【請求項８】 前記接触式プローブの稼動範囲よりも大
    きな被測定物の表面形状を測定するために前記接触式プ
    ローブの摺動方向に摺動する移動ステージを具備し、前
    記接触式プローブは前記移動ステージ上に取り付けられ
    る請求項１〜７のいずれかに記載の接触式プローブ。
  9. 【請求項９】 前記接触式プローブに搭載されたアクチ
    ュエータに所定の推力を発生させるための駆動回路を具
    備し、該駆動回路は、移動ステージの応答周波数よりも
    十分に高い応答周波数で駆動可能なアクチュエータ駆動
    回路である請求項８記載の接触式プローブ。
  10. 【請求項１０】 前記接触式プローブに搭載された前記
    電磁式アクチュエータに所定の推力を発生させるための
    駆動回路を具備し、該駆動回路は、前記電磁式アクチュ
    エータの駆動電圧を制御する電圧制御回路である請求項
    １〜９のいずれかに記載の接触式プローブ。
  11. 【請求項１１】 前記接触式プローブに搭載された前記
    電磁式アクチュエータに所定の推力を発生させるための
    駆動回路を具備し、該駆動回路は、前記電磁式アクチュ
    エータの推力と等価であるアクチュエータ駆動電流を制
    御する電流制御回路である請求項１〜９のいずれかに記
    載の接触式プローブ。
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