JP2004108959A

JP2004108959A - Shape measuring apparatus

Info

Publication number: JP2004108959A
Application number: JP2002272542A
Authority: JP
Inventors: Minoru Takahashi; 高橋　実; Izumi Ito; 伊藤　泉
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2002-09-19
Filing date: 2002-09-19
Publication date: 2004-04-08

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a shape measuring apparatus for improving accuracy in a contact load of a stylus type probe and improving measuring accuracy. <P>SOLUTION: The shape measuring apparatus measures a shape by bringing the stylus type probe into contact with the surface of an object to be measured 20 with a prescribed load and is provided with a contact load measuring means 21 for measuring the contact load of the stylus type probe. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、触針式プローブ機構を搭載した形状測定装置に関する。
【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１０は触針式プローブの一例である。図中、参照符号１０１は、触針子１０２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１０２は、給気孔１０６から給気される静圧空気軸受け１０５によって非接触状態で支持されており、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。参照符号１０７は、触針子１０２を支持し、ハウジング１０４に固定されているバネである。参照符号１０３は、触針子１０２とハウジング１０４との間の位置を検出する変位計である。ハウジング１０４は、触針子１０２の変位方向と同方向に駆動される図示しない移動ステージに搭載される。触針子１０２を支持するバネ１０７は、コイルバネ、板バネ、ヒンジ、空気バネ、磁気式バネ等、形式を問わず、変位によって力が発生する機構である。また、触針子１０２の横方向の支持機構は、静圧空気軸受け１０５に限定されず、平行板バネ等の横方向剛性の高い支持機構であれば良い。変位計１０３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、前記形状測定装置の基本動作を説明する。
【０００４】
触針子１０２の先端の真球１０１が被測定面に押し付けられると、触針子１０２は、バネ１０７のバネ力と被測定面からの反力とが釣り合う位置に移動する。この時、変位計１０３の出力が変化する。この変位計１０３の出力と触針子１０２を支持するバネ１０７のバネ特性より求まる接触荷重が常に設定荷重と一致するように、すなわち、常に一定の変位計出力となるように、ハウジング１０４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て、被測定面を走査する。この時の走査軌跡が被測定面の形状となる。
【０００５】
ところで、このような原理の触針式プローブでは、触針式プローブを変更したり、触針子１０２を支持するバネ１０７を変更したりする場合だけでなく、バネ特性の経時的変化、使用環境の変化によっても、バネ特性が変化してしまう。これにより、前記形状測定装置では、接触荷重の誤差が大きくなる可能性がある。
【０００６】
これに関連して、従来においては、低接触荷重で形状を測定するプローブ構成が提案されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。このプローブ構成では、摺動抵抗が小さな軸受けで触針子を支持し、触針子の重量をバネによって補償している。加えて、このバネの変形量によってプローブを接触させた時の荷重を設定する構成となっている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平５−８７５５６号公報
【特許文献２】
特開平１１−１６６８２３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、低接触荷重で形状を測定する前記構成の触針式プローブでは、触針子を支持するバネの特性変化や、製作したバネ毎の特性のばらつきによって、接触荷重に誤差が生じてしまう。
【０００９】
このように、従来においては、前記バネ特性の変動を補償する手段が何ら講じられていなかった。
【００１０】
本発明は前記事情に着目してなされたものであり、その目的とするところは、触針式プローブの接触荷重の精度を向上し、測定精度を向上できる形状測定装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、触針式プローブを所定荷重で被測定物表面に接触させることにより形状を測定する形状測定装置において、触針式プローブの接触荷重を測定する接触荷重測定手段が設けられていることを特徴とする。
【００１２】
この請求項１に記載された発明によれば、触針式プローブユニットの変更や、触針子を支持するバネを変更した際、装置上でバネ特性を測定でき、かつ、装置初期化時にバネ特性を測定することによって、バネ特性の経時的変化、使用環境の変化によるバネ特性変化を検出することができる。
【００１３】
また、請求項２に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、接触荷重測定手段の出力である接触荷重信号と触針式プローブの位置とを同時に記憶する接触荷重記憶手段が設けられていることを特徴とする。
【００１４】
この請求項２に記載された発明によれば、請求項１と同様の作用効果が得られるとともに、測定して記憶した値に基づいて、測定パラメータを変更することができる。
【００１５】
また、請求項３に記載された発明は、請求項２に記載された発明において、接触荷重記憶手段の値と触針式プローブの非接触状態の初期位置とに基づいて触針式プローブのバネ定数を演算するバネ定数演算手段と、前記バネ定数演算手段によって演算されたバネ定数を記憶するバネ定数記憶手段とを備えていることを特徴とする。
【００１６】
この請求項３に記載された発明によれば、請求項２と同様の作用効果が得られるとともに、機上でバネ定数を測定でき、装置構成の変化や経時変化があっても、バネ定数の変化によって生じる接触荷重の誤差が常に最小のものとなるように調整することができる。
【００１７】
また、請求項４に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、触針式プローブの２点以上の異なる位置と接触荷重信号とを同時に記憶することができる荷重記憶手段が設けられていることを特徴とする。
【００１８】
この請求項４に記載された発明によれば、請求項１と同様の作用効果が得られるとともに、多点でデータを取得し、より詳細なバネ特性を記憶することができる。
【００１９】
また、請求項５に記載された発明は、請求項４に記載された発明において、荷重記憶手段に記憶された触針式プローブの多点の位置と接触荷重信号とに基づいて、触針式プローブのバネ定数を演算するバネ定数演算手段と、前記バネ定数演算手段によって演算されたバネ定数を記憶するバネ定数記憶手段とを備えていることを特徴とする。
【００２０】
この請求項５に記載された発明によれば、請求項４と同様の作用効果が得られるとともに、機上でより詳細なバネ定数を測定でき、装置構成の変化や経時変化があっても、バネ定数の変化によって生じる接触荷重の誤差が常に最小のものとなるように調整することができる。
【００２１】
また、請求項６に記載された発明は、請求項４に記載された発明において、荷重記憶手段に記憶された触針式プローブの多点の位置と接触荷重信号とに基づいて、触針式プローブの荷重を位置から算出するための近似式を導出する荷重近似式導出手段と、荷重近似式パラメータを記憶する荷重近似式記憶手段とを備えていることを特徴とする。
【００２２】
この請求項６に記載された発明によれば、請求項４と同様の作用効果が得られるとともに、非線形特性をもったバネにも対応でき、接触荷重の精度を高めることができる。
【００２３】
また、請求項７に記載された発明は、請求項４に記載された発明において、荷重記憶手段に記憶された触針式プローブの多点の位置と接触荷重信号とに基づいて、触針式プローブの所定間隔の位置に応じたバネ定数を演算するバネ定数演算手段と、所定間隔の位置に応じて演算された前記バネ定数を各位置と共に記憶するバネ定数記憶手段とを備えていることを特徴とする。
【００２４】
この請求項７に記載された発明によれば、請求項４と同様の作用効果が得られるとともに、非線形特性をもったバネのバネ定数を記憶することができる。
【００２５】
また、請求項８に記載された発明は、請求項３または請求項５に記載された発明において、バネ定数記憶手段に記憶されたバネ定数とプローブの実位置とに基づいて、接触荷重を演算する接触荷重演算手段を備えていることを特徴とする。
【００２６】
この請求項８に記載された発明によれば、請求項３または請求項５と同様の作用効果が得られるとともに、触針式プローブの実接触荷重もしくは目標接触荷を算出することができる。
【００２７】
また、請求項９に記載された発明は、請求項６に記載された発明において、荷重近似式記憶手段に記憶された近似式パラメータとプローブの実位置とに基づいて、接触荷重を近似式より演算する接触荷重演算手段を備えていることを特徴とする。
【００２８】
この請求項９に記載された発明によれば、請求項６と同様の作用効果が得られるとともに、非線形性のある触針式プローブの実接触荷重もしくは目標接触荷重を算出することができる。
【００２９】
また、請求項１０に記載された発明は、請求項７に記載された発明において、バネ定数記憶手段に記憶されたバネ定数とプローブの実位置とに基づいて、実位置に対応するバネ定数を選択して、接触荷重を演算する接触荷重演算手段を備えていることを特徴とする。
【００３０】
この請求項１０に記載された発明によれば、請求項７と同様の作用効果が得られるとともに、単純な演算で非線形性のある触針式プローブの実接触荷重もしくは目標接触荷重を算出することができる。
【００３１】
また、請求項１１に記載された発明は、請求項４に記載された発明において、荷重記憶手段とプローブの実位置とに基づいて、実位置に対応する接触荷重を選択する接触荷重選択手段を備えていることを特徴とする。
【００３２】
この請求項１１に記載された発明によれば、請求項４と同様の作用効果が得られるとともに、非線形性に対応し、触新式プローブの実接触荷重もしくは目標接触荷重算出のための演算を必要とせず、演算器の負荷を低減することができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
【００３４】
図１には、本発明の一実施形態に係る触針式プローブを搭載した形状測定装置の装置構成が示されている。図示のように、Ｘ軸Ｙ軸ステージ１８上には、垂直方向に駆動するＺ軸ステージ１０が搭載されている。Ｚ軸ステージ１０上には、図１０で説明した接触式プローブと同一の触針式プローブ８が搭載されている。本実施形態では、触針子３１の微小変位ｄｚを検出する変位計９として、光学式変位計が搭載されている。また、ステージの位置を検出するために、Ｚ軸ステージ１０上には、Ｘ軸用レーザ測長器１２と、Ｙ軸用レーザ測長器１３と、Ｚ軸用レーザ測長器１４とが搭載されている。
【００３５】
なお、図中、参照符号１５は、Ｘ軸レーザ測長器１２用の基準ミラーである。また、参照符号１６はＹ軸レーザ測長器１３用の基準ミラーであり、参照符号１７はＺ軸レーザ測長器１４用の基準ミラーである。
【００３６】
次に、前記構成の形状測定装置の動作について説明する。
【００３７】
Ｘ軸Ｙ軸の位置検出は、図示しないが、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なわれ、この位置の値を使用した位置決め制御系によりＸ軸Ｙ軸が駆動される。Ｚ軸は、リニアエンコーダ１１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。
【００３８】
被測定物取付治具１９上に取り付けられた被測定物２０に触針子３１を接触させて、変位計９の出力から接触荷重を算出し、この接触荷重が常に設定荷重と一致するように、すなわち、変位計９の出力が所定の値で一定となるような従制御系にＺ軸の制御を切換える。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２０上を走査させる。この時の軌跡をＺ軸ステージ１０上の３軸のレーザ測長器１２，１３，１４によって検出し、その値を被測定物２０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。
【００３９】
本実施形態の形状測定装置には、触針式プローブの接触荷重を測定する接触荷重測定手段が設けられている。この接触荷重測定手段としては、接触式プローブを直接接触させて測定する電子天秤を使用する構成や、梁形状にひずみゲージを取り付けて触針式プローブを接触させた時のひずみ量から荷重を求める構成や、触針式プローブを接触させた時のＺ軸アクチュエータの電流値とアクチュエータの推力定数もしくはトルク定数から接触荷重を求める等の構成がある。
【００４０】
また、接触荷重測定手段の設置場所は、被測定物側でもプローブ側でも可能である。図１では、被測定物側の被測定物と干渉しない位置に、接触荷重測定手段として電子天秤２１を設置する構成としてある。
【００４１】
次に、電子天秤２１の原理を図２で説明する。
【００４２】
電子天秤２１の上皿２２に被測定物を載せ、被測定物重量と釣り合うように、天秤２３の反対側に力を発生させて、その力から被測定物重量を測定するものである。被測定物を上皿２２に載せると、天秤２３は支点２４を中心に傾く。その傾きを、天秤の片端に取り付けられた変位計２５によって検出し、その傾きが常に所定の位置となるようにアクチュエータを動作させる。ここでは、アクチュエータとして、ボイスコイルモータが設けられている。
【００４３】
変位計２５の出力から制御回路２９が所定の演算を行ない、変位計２５の出力が所定の値となるようにボイスコイルモータのコイル２６に電流を流す。参照符号２７はボイスコイルモータの磁石である。この時の電流値とボイスコイルモータの推力定数から天秤２３に加わる力を算出して、被測定物の重量を算出し、これをアナログ信号もしくはデジタル信号として出力する（図２には、信号出力が参照符号３０で示されている）。なお、参照符号２８は、温度センサであり、温度に依存するアクチュエータの特性変動を補正するものである。
【００４４】
触針式プローブの接触荷重は、Ｘ軸Ｙ軸Ｚ軸ステージ１８，１０を動かし、触針子３１を電子天秤２１の上皿２２に接触させて、計測する。
【００４５】
図３に示されるように、本実施形態において、触針式プローブの触針子３１を電子天秤２１の上皿２２に接触させた時の触針子３１の位置ｄｚ（１）は、変位計９によって検出され、その時の電子天秤２１の出力である重量ｆ（１）と共に、荷重記憶手段に記憶される。なお、図３では、位置信号および重量信号をアナログ信号として説明する。また、形状測定装置を制御するためにコンピュータを使用するものとする。
【００４６】
コンピュータ３４は、ＣＰＵ３５と、書き換え不可能なプログラム等が記憶されているＲＯＭ３６と、書き換え可能なプログラムやデータが記憶されるＲＡＭ３７と、大容量のプログラムやデータを記憶しておくＨＤＤ３８と、アナログデータをデジタル変換して取り込むためのＡ／Ｄコンバータボード３９と、図示しない表示部等とによって構成されている。
【００４７】
変位計９と電子天秤２１のアナログ出力の信号は、Ａ／Ｄコンバータボード３９によって同時に取得されてデジタル変換され、デジタルデータとして、接触荷重記憶手段であるＲＡＭ３７もしくはＨＤＤ３８の所定の領域に記憶される。なお、変位計９と電子天秤２１の出力がデジタルデータである場合、このデジタルデータは、コンピュータ３４のデジタル入出力ポートであるパラレルポートやシリアルポートよりデジタルデータとして取得され、同様に、接触荷重記憶手段であるＲＡＭ３７もしくはＨＤＤ３８の所定の領域に記憶される。
【００４８】
また、本実施形態では、以上の構成・動作によって取得・記憶された触針式プローブの触針子の位置ｄｚ（１）と接触荷重ｆ（１）と非接触状態の触針子３１の位置ｄｚ（０）とに基づいて、バネ定数演算手段であるＣＰＵ３５で（１）式の演算が行なわれ、バネ定数が算出される。
【００４９】
算出されたバネ定数は、バネ定数記憶手段であるＲＡＭ３７もしくはＨＤＤ３８の所定の領域に記憶される。触針子３１を支持するバネのバネ定数をｋ　（Ｎ／ｍ）とすると、
【００５０】
【数１】

としてバネ定数を算出できる。
【００５１】
以上説明したように、本実施形態の形状測定装置には、触針式プローブの接触荷重を測定する接触荷重測定手段が設けられている。したがって、触針式プローブユニットの変更や、触針子を支持するバネを変更した際、装置上でバネ特性を測定でき、かつ、装置初期化時にバネ特性を測定することによって、バネ特性の経時的変化、使用環境の変化によるバネ特性変化を検出することができる。
【００５２】
また、本実施形態の形状測定装置には、接触荷重測定手段の出力である接触荷重信号と触針式プローブの位置とを同時に記憶する接触荷重記憶手段が設けられている。したがって、測定して記憶した値に基づいて、測定パラメータを変更することができる。
【００５３】
また、本実施形態の形状測定装置には、接触荷重記憶手段の値と触針式プローブの非接触状態の初期位置とに基づいて触針式プローブのバネ定数を演算するバネ定数演算手段と、演算されたバネ定数を記憶するバネ定数記憶手段とが設けられている。したがって、機上でバネ定数を測定でき、装置構成の変化や経時変化があっても、バネ定数の変化によって生じる接触荷重の誤差が常に最小のものとなるように調整することができる。
【００５４】
図４〜図８は、本発明の第２の実施形態を示している。なお、本実施形態において、第１の実施形態と共通する構成部分については、以下、同一符号を付して、その説明を省略する。
【００５５】
本実施形態においては、Ｘ軸Ｙ軸Ｚ軸ステージ１８，１０を駆動し、触針式プローブの触針子３１を電子天秤２１の上皿２２に接触させ、Ｚ軸ステージ１０を所定間隔で（ｎ−１）回動かし、その時のｎ回分の触針子３１の位置ｄｚ（１）〜ｄｚ（ｎ）とその際の接触荷重ｆ（１）〜ｆ（ｎ）とをＡ／Ｄコンバータボード３９によって同時に取得し、これらを接触荷重記憶手段であるＲＡＭ３７もしくはＨＤＤ３８の所定の領域に記憶する。記憶されたデータから、横軸ｄｚおよび縦軸ｆを取って図示すると、図４に示されるグラフが得られる。これは、非線形特性を持ったバネの例である。
【００５６】
また、本実施形態では、以上のような構成・動作によって取得・記憶された多点の触針式プローブの触針子の位置ｄｚ（１）〜ｄｚ（ｎ）と接触荷重ｆ（１）〜ｆ（ｎ）とにより、バネ定数演算手段であるＣＰＵ３５で取得されたデータの線形領域の傾き、すなわち線形領域のバネ定数を、多点のデータから算出する。例えば、図４に示されるような非線形性のあるバネの場合の算出方法では、（２）式で示されるような差分演算を行なう。この場合、ノイズ成分を除去するための（３）式で示されるような移動平均等のローパスフィルタ演算を行なった結果、最大の値となるものが線形領域のバネ定数となり、これがバネ定数記憶手段であるＲＡＭ３７もしくはＨＤＤ３８の所定の領域に記憶される。また、線形バネの場合においても、（３）式の移動平均処理を行なうことによって、ノイズ成分を除去でき、２点で算出されるバネ定数よりも精度は向上する。
【００５７】
【数２】

ここでは、ｍ回の移動平均とし、フィルタ処理後の値をｋ＾とする。
【００５８】
【数３】

【００５９】
なお、（２）式および（３）式を使用して算出されたバネ定数ｋと触針子３１の位置ｄｚとから、接触荷重ｆを算出してグラフ化したものが図５に示されている。
【００６０】
また、荷重近似式導出手段であるＣＰＵ３５では、取得・記憶された多点の触針式プローブの触針子３１の位置ｄｚ（１）〜ｄｚ（ｎ）と接触荷重ｆ（１）〜ｆ（ｎ）とに基づいて、最小二乗法を使用した多項式近似により、触針子３１の位置ｄｚから接触荷重ｆを算出するための（４）式に示されるような定数を求める。なお、（４）式は、３次の多項式で近似した場合の例である。
【００６１】
【数４】

【００６２】
（４）式に示されるａ_０，　ａ_１，　ａ_２，　ａ_３は多項式の定数であり、これは、荷重近似式記憶手段であるＲＡＭ３７もしくはＨＤＤ３８の所定の領域に記憶される。
【００６３】
図６のグラフは、測定されて記憶された触針子３１の位置ｄｚ（１）〜ｄｚ（ｎ）と接触荷重ｆ（１）〜ｆ（ｎ）と多項式の解を図示したものである。
【００６４】
また、本実施形態において、バネ定数演算手段であるＣＰＵ３５では、前述したようにして取得・記憶された多点の触針式プローブの触針子の位置ｄｚ（１）〜ｄｚ（ｎ）と接触荷重ｆ（１）〜ｆ（ｎ）とに基づいて、　（２）式に示される差分により、触針子３１の所定間隔に応じた差分を算出する。この各差分が所定間隔毎のバネ定数ｋ（１）〜ｋ（ｎ）となる。触針子３１の位置と共に算出された所定間隔毎のバネ定数は、バネ定数記憶手段であるＲＡＭ３７もしくはＨＤＤ３８の所定の領域に記憶される。
【００６５】
図７は、図４のようなバネ特性データより算出した所定間隔毎のバネ定数を触針子位置とともに図示したものである。
【００６６】
以上説明したように、本実施形態の形状測定装置には、触針式プローブの２点以上の異なる位置と接触荷重信号とを同時に記憶することができる荷重記憶手段が設けられている、したがって、多点でデータを取得し、より詳細なバネ特性を記憶することができる。
【００６７】
また、本実施形態の形状測定装置には、荷重記憶手段に記憶された触針式プローブの多点の位置と接触荷重信号とに基づいて触針式プローブのバネ定数を演算するバネ定数演算手段と、演算されたバネ定数を記憶するバネ定数記憶手段とが設けられている。したがって、機上でより詳細なバネ定数を測定でき、装置構成の変化や経時変化があっても、バネ定数の変化によって生じる接触荷重の誤差が常に最小のものとなるように調整することができる。
【００６８】
また、本実施形態の形状測定装置には、近似式を導出する荷重近似式導出手段と、荷重近似式パラメータを記憶する荷重近似式記憶手段とが設けられている。したがって、非線形特性をもったバネにも対応でき、接触荷重の精度を高めることができる。
【００６９】
また、本実施形態の形状測定装置には、触針式プローブの所定間隔の位置に応じたバネ定数を演算するバネ定数演算手段と、所定間隔の位置に応じて演算された前記バネ定数を各位置と共に記憶するバネ定数記憶手段とが設けられている。したがって、非線形特性をもったバネのバネ定数を記憶することができる。
【００７０】
ところで、第１の実施形態または第２の実施形態の構成・動作によって算出され且つバネ定数記憶手段であるＲＡＭ３７もしくはＨＤＤ３８の所定の領域に記憶されたバネ定数ｋと、接触時の触針式プローブの触針子３１の実位置ｄｚは、接触荷重演算手段であるＣＰＵ３５に入力され、（５）式の乗算によって接触荷重ｆがリアルタイムで演算されても良い。ここで、ｄｚ（０）は、触針子３１の非接触時の初期位置である。
【００７１】
【数５】

【００７２】
この演算された接触荷重を使用して、Ｚ軸の荷重制御を行ない、形状測定を行なう。また、接触荷重演算手段であるＣＰＵ３５において、設定接触荷重ｆ_ｒｅｆをバネ定数ｋで除算すれば、設定荷重相当の触針子３１の目標位置ｄｚ_ｒｅｆを算出することが可能である。実際の荷重制御は、触針子３１の位置を一定にするようにＺ軸を制御する追従制御が一般的である。
【００７３】
このように、プローブの実位置より接触荷重を演算する接触荷重演算手段を設ければ、触針式プローブの実接触荷重もしくは目標接触荷を算出することができる。
【００７４】
また、第２の実施形態の構成・動作によって算出され且つ荷重近似式記憶手段であるＲＡＭ３７もしくはＨＤＤ３８の所定の領域に記憶された近似式パラメータ、例えば３次多項式であれば、（４）式におけるａ_０，　ａ_１，　ａ_２，　ａ_３と、接触時の触針式プローブの触針子３１の実位置ｄｚは、接触荷重演算手段であるＣＰＵ３５に入力され、（４）式の多項式の演算によって、接触荷重ｆがリアルタイムで演算されても良い。この場合、演算された接触荷重を使用して、Ｚ軸の荷重制御を行ない、形状測定を行なう。
【００７５】
このように、荷重近似式記憶手段に記憶された近似式パラメータとプローブの実位置とに基づいて、接触荷重を近似式より演算する接触荷重演算手段を設ければ、非線形性のある触針式プローブの実接触荷重もしくは目標接触荷重を算出することができる。
【００７６】
また、第２の実施形態の構成・動作によって算出され且つバネ定数記憶手段であるＲＡＭ３７もしくはＨＤＤ３８の所定の領域に記憶されたバネ定数ｋ（１）〜ｋ（ｎ）は、接触時の触針式プローブの触針子３１の実位置ｄｚによって選択されても良い。この場合、選択されたバネ定数と触針子の実位置は、接触荷重演算手段であるＣＰＵ３５に入力され、（６）式の乗算によって、接触荷重ｆがリアルタイムで演算される。
【００７７】
ここで、ｄｚ（０）は、触針子３１の非接触時の初期位置である。
【００７８】
【数６】

バネ定数を選択する方法のフローチャートが図９に示されている。
【００７９】
図９に示されるように、ステップＳ２においては、ｄｚを検索するための検索フラグＩが初期化される。ステップＳ３においては、検索フラグｉがサンプリングしたデータ数よりも小さいことが確認される。検索フラグｉがデータ数ｎとなってしまった場合、ステップＳ７において、ｋを選択する動作が終了する。ステップＳ４では、実位置ｄｚが所定範囲の値であることが判定され、ステップＳ５では、その時のバネ定数ｋ（ｉ）が選択され、ｋを選択する動作が終了する。ステップＳ４において、実位置ｄｚが所定範囲の値でない場合、ステップＳ６において、検索フラグＩが１つ進められ、ステップＳ３に戻る。
【００８０】
このように、バネ定数記憶手段に記憶されたバネ定数とプローブの実位置とに基づいて、実位置に対応するバネ定数を選択して、接触荷重を演算する接触荷重演算手段を設ければ、単純な演算で非線形性のある触針式プローブの実接触荷重もしくは目標接触荷重を算出することができる。
【００８１】
また、第２の実施形態の構成・動作によって、図８に示されるような触針子位置ｄｚと接触荷重ｆとからなるテーブルをバネ定数記憶手段であるＲＡＭ３７もしくはＨＤＤ３８の所定の領域に記憶しておいても良い。図８の例は、ｄｚのサンプリング間隔を細かくし、詳細なデータテーブルを作成した例である。
【００８２】
ここでは、ｄｚの初期値をｄｚ（０）とし、データサンプリングピッチをΔｄｚとして、ｎ点のデータを取得したとする。テーブルからの荷重選択方法は、（７）式によって、サンプリング番号ｉを計算し、そのサンプリング番号ｉ相当の接触荷重ｆ（ｉ）を選択する。
【００８３】
【数７】

【００８４】
これによって、テーブルからの選択であるため、演算処理系の負担が低減される。
【００８５】
以上のように、荷重記憶手段とプローブの実位置とに基づいて、実位置に対応する接触荷重を選択する接触荷重選択手段を設ければ、非線形性に対応し、触新式プローブの実接触荷重もしくは目標接触荷重算出のための演算を必要とせず、演算器の負荷を低減することができる。
【００８６】
【発明の効果】
請求項１に記載された発明によれば、触針式プローブユニットの変更や、触針子を支持するバネを変更した際、装置上でバネ特性を測定でき、かつ、装置初期化時にバネ特性を測定することによって、バネ特性の経時的変化、使用環境の変化によるバネ特性変化を検出することができる。
【００８７】
請求項２に記載された発明によれば、請求項１と同様の作用効果が得られるとともに、測定して記憶した値に基づいて、測定パラメータを変更することができる。
【００８８】
請求項３に記載された発明によれば、請求項２と同様の作用効果が得られるとともに、機上でバネ定数を測定でき、装置構成の変化や経時変化があっても、バネ定数の変化によって生じる接触荷重の誤差が常に最小のものとなるように調整することができる。
【００８９】
請求項４に記載された発明によれば、請求項１と同様の作用効果が得られるとともに、多点でデータを取得し、より詳細なバネ特性を記憶することができる。
【００９０】
請求項５に記載された発明によれば、請求項４と同様の作用効果が得られるとともに、機上でより詳細なバネ定数を測定でき、装置構成の変化や経時変化があっても、バネ定数の変化によって生じる接触荷重の誤差が常に最小のものとなるように調整することができる。
【００９１】
請求項６に記載された発明によれば、請求項４と同様の作用効果が得られるとともに、非線形特性をもったバネにも対応でき、接触荷重の精度を高めることができる。
【００９２】
請求項７に記載された発明によれば、請求項４と同様の作用効果が得られるとともに、非線形特性をもったバネのバネ定数を記憶することができる。
【００９３】
請求項８に記載された発明によれば、請求項３または請求項５と同様の作用効果が得られるとともに、触針式プローブの実接触荷重もしくは目標接触荷を算出することができる。
【００９４】
請求項９に記載された発明によれば、請求項６と同様の作用効果が得られるとともに、非線形性のある触針式プローブの実接触荷重もしくは目標接触荷重を算出することができる。
【００９５】
請求項１０に記載された発明によれば、請求項７と同様の作用効果が得られるとともに、単純な演算で非線形性のある触針式プローブの実接触荷重もしくは目標接触荷重を算出することができる。
【００９６】
請求項１１に記載された発明によれば、請求項４と同様の作用効果が得られるとともに、非線形性に対応し、触新式プローブの実接触荷重もしくは目標接触荷重算出のための演算を必要とせず、演算器の負荷を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る形状測定装置の概略構成図である。
【図２】電子天秤の原理を説明するための構成図である。
【図３】図１の形状測定装置を制御するためのコンピュータの構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る形状測定装置により得られたｄｚ−ｆ線図である。
【図５】バネ定数ｋと触針子の位置ｄｚとから接触荷重ｆを算出してグラフ化した図である。
【図６】測定されて記憶された触針子の位置ｄｚ（１）〜ｄｚ（ｎ）と接触荷重ｆ（１）〜ｆ（ｎ）と多項式の解を図示したグラフである。
【図７】図４に示されるバネ特性データより算出した所定間隔毎のバネ定数を触針子位置とともに図示したグラフである。
【図８】ｄｚのサンプリング間隔を細かくした詳細なｄｚ−ｆ線図である。
【図９】バネ定数を選択する方法のフローチャートである。
【図１０】従来の触針式プローブの概略構成図である。
【符号の説明】
２１　電子天秤（接触荷重測定手段）
３５　ＣＰＵ（バネ定数演算手段、荷重近似式導出手段）
３７　ＲＡＭ（接触荷重記憶手段、バネ定数記憶手段）
３８　ＨＤＤ（接触荷重記憶手段、バネ定数記憶手段）[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a shape measuring device equipped with a stylus probe mechanism.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a shape measuring device equipped with a stylus probe has been developed to measure a minute shape with high accuracy. FIG. 10 shows an example of a stylus probe. In the figure, reference numeral 101 is a true sphere attached to the tip of the stylus 102 and in contact with a contacted object. The stylus 102 is supported in a non-contact state by a static pressure air bearing 105 supplied from an air supply hole 106, is restrained in a lateral direction, and can move in a vertical direction without sliding resistance. Reference numeral 107 denotes a spring that supports the stylus 102 and is fixed to the housing 104. Reference numeral 103 denotes a displacement meter that detects a position between the stylus 102 and the housing 104. The housing 104 is mounted on a moving stage (not shown) driven in the same direction as the displacement direction of the stylus 102. The spring 107 that supports the stylus 102 is a mechanism that generates a force by displacement regardless of the type, such as a coil spring, a leaf spring, a hinge, an air spring, and a magnetic spring. The mechanism for supporting the stylus 102 in the lateral direction is not limited to the static pressure air bearing 105, but may be any supporting mechanism having high lateral rigidity such as a parallel leaf spring. The displacement meter 103 may be of any type such as an optical type, a capacitance type, and an operation transformer type.
[0003]
Next, the basic operation of the shape measuring device will be described.
[0004]
When the true sphere 101 at the tip of the stylus 102 is pressed against the measured surface, the stylus 102 moves to a position where the spring force of the spring 107 and the reaction force from the measured surface are balanced. At this time, the output of the displacement meter 103 changes. The housing 104 is mounted so that the output of the displacement meter 103 and the contact load determined from the spring characteristics of the spring 107 supporting the stylus 102 always coincide with the set load, that is, the output of the displacement meter is always constant. By controlling the moving stage, the contact force is kept constant. With the contact force kept constant, the scanning moving stage is driven to scan the surface to be measured. The scanning trajectory at this time becomes the shape of the surface to be measured.
[0005]
By the way, in the stylus type probe having such a principle, not only a case where the stylus type probe is changed or a case where the spring 107 supporting the stylus element 102 is changed, but also a change with time of the spring characteristic and a use environment. Also changes the spring characteristics. Thereby, in the shape measuring device, there is a possibility that the error of the contact load becomes large.
[0006]
In connection with this, conventionally, a probe configuration for measuring a shape with a low contact load has been proposed (for example, see Patent Documents 1 and 2). In this probe configuration, the stylus is supported by a bearing having a small sliding resistance, and the weight of the stylus is compensated by a spring. In addition, the load when the probe is brought into contact is set based on the amount of deformation of the spring.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-5-87556
[Patent Document 2]
JP-A-11-166823
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the stylus probe having the above-described configuration for measuring the shape with a low contact load, an error occurs in the contact load due to a change in characteristics of a spring supporting the stylus and a variation in characteristics of each manufactured spring.
[0009]
As described above, conventionally, no means has been taken to compensate for the variation in the spring characteristics.
[0010]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a shape measuring device capable of improving the accuracy of the contact load of a stylus probe and improving the measurement accuracy.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention described in claim 1 of the present invention relates to a shape measuring device for measuring a shape by bringing a stylus-type probe into contact with a surface of an object to be measured with a predetermined load. A contact load measuring means for measuring a contact load of the probe is provided.
[0012]
According to the invention described in claim 1, when the stylus-type probe unit is changed or the spring supporting the stylus is changed, the spring characteristics can be measured on the device, and the spring can be measured when the device is initialized. By measuring the characteristics, a change in the spring characteristics over time and a change in the spring characteristics due to a change in the use environment can be detected.
[0013]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the contact load storage means for simultaneously storing the contact load signal output from the contact load measuring means and the position of the stylus probe is provided. It is characterized by being provided.
[0014]
According to the second aspect of the invention, the same operation and effect as those of the first aspect can be obtained, and the measurement parameter can be changed based on the measured and stored value.
[0015]
According to a third aspect of the present invention, in the invention according to the second aspect, the spring of the stylus probe is based on the value of the contact load storage means and the initial position of the stylus probe in a non-contact state. It is characterized by comprising spring constant calculating means for calculating a constant, and spring constant storing means for storing the spring constant calculated by the spring constant calculating means.
[0016]
According to the third aspect of the invention, the same operation and effect as those of the second aspect are obtained, and the spring constant can be measured on the machine. It can be adjusted so that the error of the contact load caused by the change is always minimized.
[0017]
According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, there is provided a load storage means capable of simultaneously storing two or more different positions of the stylus probe and a contact load signal. It is characterized by having been done.
[0018]
According to the invention described in claim 4, the same operation and effect as in claim 1 can be obtained, and data can be obtained at multiple points and more detailed spring characteristics can be stored.
[0019]
According to a fifth aspect of the present invention, in the fourth aspect of the present invention, a stylus type probe based on a multi-point position and a contact load signal of a stylus type probe stored in a load storage means. A spring constant calculating means for calculating a spring constant of the probe, and a spring constant storing means for storing the spring constant calculated by the spring constant calculating means.
[0020]
According to the invention described in claim 5, the same operation and effect as in claim 4 can be obtained, and a more detailed spring constant can be measured on the machine. It can be adjusted so that the error in the contact load caused by the change in the spring constant is always minimized.
[0021]
According to a sixth aspect of the present invention, in the fourth aspect of the present invention, a stylus-type probe based on a multi-point position and a contact load signal of a stylus-type probe stored in a load storage means is provided. A load approximation formula deriving unit that derives an approximation formula for calculating the load of the probe from the position is provided, and a load approximation formula storage unit that stores the load approximation formula parameters.
[0022]
According to the sixth aspect of the invention, the same operation and effect as those of the fourth aspect are obtained, and a spring having a non-linear characteristic can be supported, so that the accuracy of the contact load can be improved.
[0023]
According to a seventh aspect of the present invention, in the fourth aspect of the present invention, a stylus type probe based on a multi-point position and a contact load signal of a stylus type probe stored in a load storage means. Spring constant calculating means for calculating a spring constant corresponding to the position of the probe at a predetermined interval; and spring constant storage means for storing the spring constant calculated according to the position of the predetermined interval together with each position. Features.
[0024]
According to the seventh aspect of the invention, the same operation and effect as those of the fourth aspect can be obtained, and the spring constant of the spring having the non-linear characteristic can be stored.
[0025]
According to an eighth aspect of the present invention, in the third or fifth aspect, the contact load is calculated based on the spring constant stored in the spring constant storage means and the actual position of the probe. And a contact load calculating means.
[0026]
According to the eighth aspect of the invention, the same operation and effect as those of the third or fifth aspect can be obtained, and the actual contact load or the target contact load of the stylus probe can be calculated.
[0027]
According to a ninth aspect of the present invention, in the invention according to the sixth aspect, the contact load is calculated from the approximate expression based on the approximate expression parameter stored in the load approximate expression storage means and the actual position of the probe. It is characterized by comprising a contact load calculating means for calculating.
[0028]
According to the ninth aspect, the same operation and effect as those of the sixth aspect are obtained, and the actual contact load or the target contact load of the non-linear stylus probe can be calculated.
[0029]
According to a tenth aspect of the present invention, in the invention described in the seventh aspect, the spring constant corresponding to the actual position is determined based on the spring constant stored in the spring constant storage means and the actual position of the probe. The present invention is characterized in that a contact load calculating means for selecting and calculating a contact load is provided.
[0030]
According to the tenth aspect, the same operation and effect as those of the seventh aspect are obtained, and the actual contact load or the target contact load of the non-linear stylus probe is calculated by a simple operation. Can be.
[0031]
According to an eleventh aspect of the present invention, in the invention of the fourth aspect, the contact load selecting means for selecting a contact load corresponding to the actual position based on the load storage means and the actual position of the probe is provided. It is characterized by having.
[0032]
According to the eleventh aspect of the present invention, the same operation and effect as those of the fourth aspect are obtained, and in addition to the non-linearity, an operation for calculating the actual contact load or the target contact load of the new probe is required. Instead, the load on the computing unit can be reduced.
[0033]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0034]
FIG. 1 shows an apparatus configuration of a shape measuring apparatus equipped with a stylus probe according to an embodiment of the present invention. As shown, a Z-axis stage 10 that is driven in a vertical direction is mounted on an X-axis Y-axis stage 18. On the Z-axis stage 10, the same stylus probe 8 as the contact probe described with reference to FIG. 10 is mounted. In the present embodiment, an optical displacement meter is mounted as the displacement meter 9 for detecting the minute displacement dz of the stylus 31. In order to detect the position of the stage, an X-axis laser length measuring device 12, a Y-axis laser length measuring device 13, and a Z-axis laser length measuring device 14 are mounted on the Z-axis stage 10. Have been.
[0035]
In the figure, reference numeral 15 is a reference mirror for the X-axis laser length measuring device 12. Reference numeral 16 is a reference mirror for the Y-axis laser length measuring device 13, and reference numeral 17 is a reference mirror for the Z-axis laser length measuring device 14.
[0036]
Next, the operation of the shape measuring apparatus having the above configuration will be described.
[0037]
Although not shown, the position of the X-axis and the Y-axis is detected by a rotary encoder or a linear encoder on the motor shaft, and the X-axis and the Y-axis are driven by a positioning control system using the position value. The position of the Z axis is detected by the linear encoder 11, and is driven by a positioning control system using this value.
[0038]
The stylus 31 is brought into contact with the workpiece 20 mounted on the workpiece mounting jig 19, and the contact load is calculated from the output of the displacement meter 9 so that the contact load always matches the set load. That is, the control of the Z-axis is switched to a slave control system in which the output of the displacement meter 9 becomes constant at a predetermined value. In the state of the Z-axis follow-up control, the X-axis or Y-axis stage is driven to scan on the DUT 20. The trajectory at this time is detected by the three-axis laser

length measuring devices

12, 13, and 14 on the Z-axis stage 10, and the value is used as the surface shape of the DUT 20. With this configuration, an object to be measured that is larger than the operating range of the contact probe can be measured.
[0039]
The shape measuring device of the present embodiment is provided with a contact load measuring means for measuring a contact load of the stylus probe. As the contact load measuring means, a configuration using an electronic balance for directly contacting and measuring a contact probe, or obtaining a load from a strain amount when a stylus probe is brought into contact with a strain gauge attached to a beam shape. And a configuration in which a contact load is obtained from the current value of the Z-axis actuator when the stylus probe is brought into contact with the thrust constant or torque constant of the actuator.
[0040]
The installation location of the contact load measuring means can be on the measured object side or on the probe side. FIG. 1 shows a configuration in which an electronic balance 21 is installed as a contact load measuring unit at a position on the measurement object side that does not interfere with the measurement object.
[0041]
Next, the principle of the electronic balance 21 will be described with reference to FIG.
[0042]
The object to be measured is placed on the upper plate 22 of the electronic balance 21, a force is generated on the opposite side of the balance 23 so as to balance the weight of the object to be measured, and the weight of the object to be measured is measured from the force. When the object to be measured is placed on the upper plate 22, the balance 23 tilts about the fulcrum 24. The inclination is detected by a displacement meter 25 attached to one end of the balance, and the actuator is operated so that the inclination always becomes a predetermined position. Here, a voice coil motor is provided as an actuator.
[0043]
The control circuit 29 performs a predetermined calculation from the output of the displacement meter 25, and supplies a current to the coil 26 of the voice coil motor so that the output of the displacement meter 25 has a predetermined value. Reference numeral 27 denotes a magnet of the voice coil motor. The weight applied to the balance 23 is calculated from the current value at this time and the thrust constant of the voice coil motor to calculate the weight of the object to be measured, and this is output as an analog signal or a digital signal (FIG. 2 shows a signal output). Is indicated by reference numeral 30). Reference numeral 28 denotes a temperature sensor, which corrects a temperature-dependent characteristic variation of the actuator.
[0044]
The contact load of the stylus probe is measured by moving the X-axis, Y-axis, and Z-axis stages 18 and 10 to bring the stylus 31 into contact with the upper plate 22 of the electronic balance 21.
[0045]
As shown in FIG. 3, in the present embodiment, when the stylus 31 of the stylus probe is brought into contact with the upper plate 22 of the electronic balance 21, the position dz (1) of the stylus 31 is determined by a displacement meter. 9 is stored in the load storage means together with the weight f (1) which is the output of the electronic balance 21 at that time. In FIG. 3, the position signal and the weight signal are described as analog signals. In addition, a computer is used to control the shape measuring device.
[0046]
The computer 34 includes a CPU 35, a ROM 36 in which non-rewritable programs and the like are stored, a RAM 37 in which rewritable programs and data are stored, an HDD 38 in which large-capacity programs and data are stored, and analog data. And an A / D converter board 39 for converting the digital data into digital data and a display unit (not shown).
[0047]
The analog output signals of the displacement meter 9 and the electronic balance 21 are simultaneously acquired by the A / D converter board 39 and converted into digital data, and stored as digital data in a predetermined area of the RAM 37 or the HDD 38 as the contact load storage means. . When the outputs of the displacement meter 9 and the electronic balance 21 are digital data, the digital data is obtained as digital data from a parallel port or a serial port, which is a digital input / output port of the computer 34, and similarly, the contact load is stored. The information is stored in a predetermined area of the RAM 37 or the HDD 38 as the means.
[0048]
Further, in the present embodiment, the position dz (1) of the stylus of the stylus probe and the contact load f (1) obtained and stored by the above-described configuration and operation, and the position of the stylus 31 in the non-contact state. Based on dz (0), the CPU 35 as the spring constant calculating means performs the calculation of the expression (1) to calculate the spring constant.
[0049]
The calculated spring constant is stored in a predetermined area of the RAM 37 or the HDD 38 as a spring constant storage unit. Assuming that the spring constant of the spring supporting the stylus 31 is k (N / m),
[0050]
(Equation 1)

The spring constant can be calculated as
[0051]
As described above, the shape measuring device of the present embodiment is provided with the contact load measuring means for measuring the contact load of the stylus probe. Therefore, when the stylus probe unit is changed or the spring supporting the stylus is changed, the spring characteristics can be measured on the device, and the spring characteristics can be measured at the time of initialization of the device, so that the spring characteristics can be measured over time. It is possible to detect a change in a spring characteristic due to a change in a target or a use environment.
[0052]
Further, the shape measuring device of the present embodiment is provided with a contact load storage means for simultaneously storing a contact load signal, which is an output of the contact load measuring means, and the position of the stylus probe. Therefore, the measurement parameters can be changed based on the measured and stored values.
[0053]
Further, the shape measuring device of the present embodiment, a spring constant calculating means for calculating the spring constant of the stylus probe based on the value of the contact load storage means and the initial position of the non-contact state of the stylus probe, Spring constant storage means for storing the calculated spring constant. Therefore, the spring constant can be measured on the machine, and even if there is a change in the device configuration or a change with time, the adjustment can be performed so that the error in the contact load caused by the change in the spring constant is always minimized.
[0054]
4 to 8 show a second embodiment of the present invention. Note that, in this embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
[0055]
In the present embodiment, the X-axis, Y-axis, and Z-axis stages 18 and 10 are driven to bring the stylus 31 of the stylus probe into contact with the upper plate 22 of the electronic balance 21, and the Z-axis stage 10 is moved at predetermined intervals ( n-1) The A / D converter board 39 converts the positions dz (1) to dz (n) of the stylus 31 for the n times and the contact loads f (1) to f (n) at that time. At the same time, and store them in a predetermined area of the RAM 37 or the HDD 38 as the contact load storage means. When the horizontal axis dz and the vertical axis f are plotted from the stored data, a graph shown in FIG. 4 is obtained. This is an example of a spring having a non-linear characteristic.
[0056]
Further, in the present embodiment, the positions dz (1) to dz (n) of the stylus of the multi-point stylus probe and the contact loads f (1) to f (1) obtained and stored by the above configuration and operation. By using f (n), the inclination of the linear region of the data acquired by the CPU 35 as the spring constant calculating means, that is, the spring constant of the linear region, is calculated from the multipoint data. For example, in the calculation method in the case of a spring having a non-linearity as shown in FIG. In this case, as a result of performing a low-pass filter operation such as a moving average as shown in Expression (3) for removing a noise component, the one having the maximum value is the spring constant in the linear region, and this is the spring constant storage means. Is stored in a predetermined area of the RAM 37 or the HDD 38. Also, in the case of a linear spring, the noise component can be removed by performing the moving average processing of the equation (3), and the accuracy is improved more than the spring constant calculated at two points.
[0057]
(Equation 2)

Here, it is assumed that the moving average is m times, and the value after the filter processing is k ＾.
[0058]
[Equation 3]

[0059]
FIG. 5 shows a graph obtained by calculating the contact load f from the spring constant k calculated using the expressions (2) and (3) and the position dz of the stylus 31. I have.
[0060]
The CPU 35, which is a load approximation formula deriving means, obtains and stores the positions dz (1) to dz (n) of the stylus 31 of the multi-point stylus probe and the contact loads f (1) to f ( n), a constant as shown in equation (4) for calculating the contact load f from the position dz of the stylus 31 is obtained by polynomial approximation using the least square method. Expression (4) is an example in the case of approximation by a third-order polynomial.
[0061]
(Equation 4)

[0062]
A shown in equation (4) ₀ , A ₁ , A ₂ , A ₃ Is a polynomial constant, which is stored in a predetermined area of the RAM 37 or the HDD 38 which is a load approximation expression storage unit.
[0063]
The graph of FIG. 6 illustrates the measured and stored positions dz (1) to dz (n) of the stylus 31, the contact loads f (1) to f (n), and the solution of the polynomial.
[0064]
Further, in the present embodiment, the CPU 35 serving as the spring constant calculating means makes contact with the stylus positions dz (1) to dz (n) of the multi-point stylus probe obtained and stored as described above. Based on the loads f (1) to f (n), a difference corresponding to a predetermined interval of the stylus 31 is calculated from the difference shown in Expression (2). These differences become the spring constants k (1) to k (n) at predetermined intervals. The spring constant for each predetermined interval calculated together with the position of the stylus 31 is stored in a predetermined area of the RAM 37 or the HDD 38 as spring constant storage means.
[0065]
FIG. 7 shows the spring constants at predetermined intervals calculated from the spring characteristic data as shown in FIG. 4 together with the stylus positions.
[0066]
As described above, the shape measuring device of the present embodiment is provided with the load storage means capable of simultaneously storing two or more different positions of the stylus probe and the contact load signal, and therefore, Data can be obtained at multiple points and more detailed spring characteristics can be stored.
[0067]
The shape measuring apparatus according to the present embodiment further includes a spring constant calculating means for calculating a spring constant of the stylus probe based on the multi-point positions of the stylus probe stored in the load storage means and the contact load signal. And spring constant storage means for storing the calculated spring constant. Therefore, a more detailed spring constant can be measured on the machine, and even if there is a change in the device configuration or a change with time, it can be adjusted so that the error in the contact load caused by the change in the spring constant is always minimized. .
[0068]
Further, the shape measuring apparatus of the present embodiment is provided with a load approximation formula deriving unit that derives an approximation formula, and a load approximation formula storage unit that stores the load approximation formula parameters. Therefore, it is possible to cope with a spring having a non-linear characteristic, and it is possible to improve the accuracy of the contact load.
[0069]
Further, the shape measuring apparatus of the present embodiment includes a spring constant calculating means for calculating a spring constant according to a predetermined interval position of the stylus probe, and a spring constant calculated according to the predetermined interval position. Spring constant storage means for storing the position and the spring constant. Therefore, the spring constant of the spring having the non-linear characteristic can be stored.
[0070]
By the way, the spring constant k calculated by the configuration and operation of the first embodiment or the second embodiment and stored in a predetermined area of the RAM 37 or the HDD 38 as the spring constant storage means, and a stylus probe at the time of contact. The actual position dz of the stylus 31 may be input to the CPU 35 as the contact load calculating means, and the contact load f may be calculated in real time by multiplication of the expression (5). Here, dz (0) is the initial position when the stylus 31 is not in contact.
[0071]
(Equation 5)

[0072]
Using the calculated contact load, load control of the Z axis is performed, and shape measurement is performed. Further, in the CPU 35 as the contact load calculating means, the set contact load f _ref Is divided by the spring constant k, the target position dz of the stylus 31 corresponding to the set load is obtained. _ref Can be calculated. In actual load control, follow-up control for controlling the Z axis so that the position of the stylus 31 is constant is generally used.
[0073]
Thus, if the contact load calculating means for calculating the contact load from the actual position of the probe is provided, the actual contact load or the target contact load of the stylus probe can be calculated.
[0074]
In addition, if the approximate expression parameters are calculated by the configuration and operation of the second embodiment and stored in a predetermined area of the RAM 37 or the HDD 38 as the load approximate expression storage means, for example, a third-order polynomial, the expression (4) a ₀ , A ₁ , A ₂ , A ₃ And the actual position dz of the stylus 31 of the stylus probe at the time of contact is input to the CPU 35 as the contact load calculating means, and the contact load f is calculated in real time by the calculation of the polynomial of the formula (4). Is also good. In this case, the Z-axis load control is performed using the calculated contact load to measure the shape.
[0075]
As described above, if the contact load calculating means for calculating the contact load from the approximate expression based on the approximate expression parameters stored in the load approximate expression storage means and the actual position of the probe is provided, the non-linear stylus type The actual contact load or the target contact load of the probe can be calculated.
[0076]
Further, the spring constants k (1) to k (n) calculated by the configuration and operation of the second embodiment and stored in a predetermined area of the RAM 37 or the HDD 38 as the spring constant storage means are the stylus at the time of contact. It may be selected according to the actual position dz of the stylus 31 of the type probe. In this case, the selected spring constant and the actual position of the stylus are input to the CPU 35 as the contact load calculating means, and the contact load f is calculated in real time by multiplication of the equation (6).
[0077]
Here, dz (0) is the initial position when the stylus 31 is not in contact.
[0078]
(Equation 6)

A flowchart of a method for selecting a spring constant is shown in FIG.
[0079]
As shown in FIG. 9, in step S2, a search flag I for searching for dz is initialized. In step S3, it is confirmed that the search flag i is smaller than the number of sampled data. If the search flag i has reached the number of data n, the operation of selecting k ends in step S7. In step S4, it is determined that the actual position dz is within a predetermined range. In step S5, the current spring constant k (i) is selected, and the operation for selecting k ends. If the actual position dz is not a value in the predetermined range in step S4, the search flag I is advanced by one in step S6, and the process returns to step S3.
[0080]
As described above, if the contact load calculating means for calculating the contact load by selecting the spring constant corresponding to the actual position based on the spring constant stored in the spring constant storage means and the actual position of the probe, It is possible to calculate the actual contact load or the target contact load of the stylus probe having nonlinearity by a simple calculation.
[0081]
Further, by the configuration and operation of the second embodiment, a table including the stylus position dz and the contact load f as shown in FIG. 8 is stored in a predetermined area of the RAM 37 or the HDD 38 as the spring constant storage means. You can keep it. The example of FIG. 8 is an example in which the sampling interval of dz is made smaller and a detailed data table is created.
[0082]
Here, it is assumed that the initial value of dz is dz (0), the data sampling pitch is Δdz, and data at n points is acquired. In the method of selecting a load from the table, a sampling number i is calculated by the equation (7), and a contact load f (i) corresponding to the sampling number i is selected.
[0083]
(Equation 7)

[0084]
Thereby, since the selection is made from the table, the load on the arithmetic processing system is reduced.
[0085]
As described above, if the contact load selecting means for selecting the contact load corresponding to the actual position based on the load storage means and the actual position of the probe is provided, it is possible to cope with the nonlinearity, Alternatively, the calculation of the target contact load is not required, and the load on the calculator can be reduced.
[0086]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, when the stylus probe unit is changed or the spring supporting the stylus is changed, the spring characteristics can be measured on the device, and the spring characteristics can be measured when the device is initialized. , It is possible to detect a change in the spring characteristic over time and a change in the spring characteristic due to a change in the use environment.
[0087]
According to the second aspect of the invention, the same operation and effect as those of the first aspect are obtained, and the measurement parameter can be changed based on the measured and stored value.
[0088]
According to the third aspect of the invention, the same operation and effect as those of the second aspect can be obtained, and the spring constant can be measured on the machine. Can be adjusted so that the error of the contact load caused by the contact is always minimized.
[0089]
According to the invention described in claim 4, the same operation and effect as those of claim 1 can be obtained, and data can be obtained at multiple points and more detailed spring characteristics can be stored.
[0090]
According to the fifth aspect of the invention, the same operation and effect as those of the fourth aspect can be obtained, and a more detailed spring constant can be measured on the machine. It can be adjusted so that the error of the contact load caused by the change of the constant is always minimized.
[0091]
According to the sixth aspect of the invention, the same operation and effect as those of the fourth aspect are obtained, and a spring having a non-linear characteristic can be supported, and the accuracy of the contact load can be improved.
[0092]
According to the invention described in claim 7, the same operation and effect as those of claim 4 can be obtained, and the spring constant of the spring having the non-linear characteristic can be stored.
[0093]
According to the invention described in claim 8, the same operation and effect as in

claim

3 or 5 can be obtained, and the actual contact load or the target contact load of the stylus probe can be calculated.
[0094]
According to the ninth aspect, the same operation and effect as those of the sixth aspect are obtained, and the actual contact load or the target contact load of the non-linear stylus probe can be calculated.
[0095]
According to the tenth aspect, the same operation and effect as those of the seventh aspect are obtained, and the actual contact load or the target contact load of the non-linear stylus probe can be calculated by a simple operation. it can.
[0096]
According to the eleventh aspect of the present invention, the same operation and effect as those of the fourth aspect are obtained, and it is necessary to perform an operation for calculating the actual contact load or the target contact load of the new probe in order to cope with the nonlinearity. Therefore, the load on the arithmetic unit can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a shape measuring device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram for explaining the principle of the electronic balance.
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of a computer for controlling the shape measuring device of FIG.
FIG. 4 is a dz-f diagram obtained by a shape measuring apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph in which a contact load f is calculated from a spring constant k and a position dz of a stylus and is graphed.
FIG. 6 is a graph showing the measured and stored stylus positions dz (1) to dz (n), contact loads f (1) to f (n), and solutions of polynomials.
FIG. 7 is a graph showing spring constants at predetermined intervals calculated from the spring characteristic data shown in FIG. 4 together with the positions of the styluses.
FIG. 8 is a detailed dz-f diagram obtained by reducing a sampling interval of dz.
FIG. 9 is a flowchart of a method for selecting a spring constant.
FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a conventional stylus probe.
[Explanation of symbols]
21 Electronic balance (contact load measuring means)
35 CPU (spring constant calculating means, load approximation formula deriving means)
37 RAM (contact load storage means, spring constant storage means)
38 HDD (contact load storage means, spring constant storage means)

Claims

In a shape measuring device that measures a shape by bringing a stylus-type probe into contact with a surface of a workpiece under a predetermined load,
A shape measuring device provided with contact load measuring means for measuring a contact load of a stylus probe.

2. The shape measuring apparatus according to claim 1, further comprising contact load storage means for simultaneously storing a contact load signal output from the contact load measurement means and a position of the stylus probe.

Spring constant calculation means for calculating the spring constant of the stylus probe based on the value of the contact load storage means and the initial position of the non-contact state of the stylus probe,
Spring constant storage means for storing a spring constant calculated by the spring constant calculation means,
The shape measuring apparatus according to claim 2, further comprising:

2. The shape measuring apparatus according to claim 1, further comprising a load storage unit capable of simultaneously storing two or more different positions of the stylus probe and a contact load signal.

Spring constant calculating means for calculating the spring constant of the stylus probe based on the multi-point position and the contact load signal of the stylus probe stored in the load storage means,
Spring constant storage means for storing a spring constant calculated by the spring constant calculation means,
The shape measuring apparatus according to claim 4, further comprising:

Load approximate expression deriving means for deriving an approximate expression for calculating the load of the stylus probe from the position based on the multi-point position and the contact load signal of the stylus probe stored in the load storage means,
Load approximate expression storage means for storing load approximate expression parameters;
The shape measuring apparatus according to claim 4, further comprising:

Spring constant calculating means for calculating a spring constant corresponding to a position of a predetermined interval of the stylus probe based on the multi-point position and the contact load signal of the stylus probe stored in the load storage means,
Spring constant storage means for storing the spring constant calculated according to the position of the predetermined interval together with each position,
The shape measuring apparatus according to claim 4, further comprising:

The shape measurement according to claim 3 or 5, further comprising a contact load calculating means for calculating a contact load based on the spring constant stored in the spring constant storage means and the actual position of the probe. apparatus.

7. The shape according to claim 6, further comprising a contact load calculating means for calculating a contact load from the approximate expression based on the approximate expression parameters stored in the load approximate expression storage means and the actual position of the probe. measuring device.

A contact load calculating means for selecting a spring constant corresponding to the actual position based on the spring constant stored in the spring constant storage means and the actual position of the probe and calculating a contact load; A shape measuring device according to claim 7.

The shape measuring apparatus according to claim 4, further comprising: a contact load selecting unit that selects a contact load corresponding to the actual position based on the load storage unit and the actual position of the probe.