JP2004340868A - 接触式プローブの圧力制御の安定化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プローブ走査時の振動等により、プローブがワークより跳ね上げられ、それに追従しようするためにプローブの押込み量が一定に維持できずにエラーとなってしまう。
【解決手段】圧力制御の制御ループの内側に位置制御のマイナーループを設け、その外側に圧力制御のループを設ける。この圧力制御のループは、プローブがワークから離れても追従しないように感度を下げることにより安定化。
【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５−５３３８２号公報に示されているように、サーボ回路１３によってフォーカス誤差信号がゼロとなるようにリニアモータを制御を行っている。ここで問題になるのは、測定圧力が１０〜１００ｍｇと低い圧力で非測定物を走査するため、床からの外乱振動や走査による振動などにより、スタイラスが非測定物から跳ね上げられことにより、サーボ回路はスタイラスがワークに押込まれたと勘違いし光プローブを上昇させる。その後スライタスはバネ２０の復元力により下降し、それにともない、光プローブを下降させてスライタスを非測定物に衝突させ、再度プローブを跳ね上げてしまい、結果として安定してスライタスを非測定面を接触させ走査することが出来ない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
測定圧力が１０〜１００ｍｇと低い圧力で非測定物を安定して走査する、制御手段を提供することが、本発明の課題である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
圧力制御の制御ループの内側に、位置制御ループのマイナーループを設ける。圧力制御の応答周波数は、プローブが跳ね上げられてもほとんど追従しない応答周波数に設定することにより、プローブ走査を安定化。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１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、位置制御補償回路３０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、その出力とカウンタ回路５０との差分を位置制御補償回路３０に接続する。制御系切り替え装置３１が、位置指令発生装置５２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３１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３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。
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。
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。
【００１６】
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４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。
【００１７】
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３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。
【００１８】
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。
【００１９】
（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。
【００２０】
また、図３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。
【００２１】
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。
【００２２】
次に板ばね４の実施形態の形状例を図５に示す。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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１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。
【００２７】
測定動作を図２のフローチャートを用いて説明する。
【００２８】
１００）制御系切り替え装置３１を位置制御系に設定する。すなわち、測定軸の位置が一定になるようなフィードバック制御系を選択する。そして、安全位置、すなわち、プローブが最も被測定物から離れる方向に測定軸１１を退避させる。
【００２９】
（１０１）最初の測定位置にＸ、Ｙテーブルを移動する。
【００３０】
（１０２）測定軸を下げて、プローブが被測定物に接触させる。プローブが被測定物に接触したかしないかは、プローブの変位測定信号、すなわち、センサアンプ３４の信号をモニタしていれば判別できる。
【００３１】
（１０３）制御系切り替え装置３１を針圧制御系に設定する。すなわち、測定軸を、センサアンプ３４の出力が一定になるように制御する。センサアンプ３４の出力はプローブの押しつけ力に対応しているので、この制御により、プローブ押しつけ力を一定にすることができる。
【００３２】
（１０４）被測定物の測定領域をＸＹテーブル１６を用いて走査し、同時に、測定軸の位置を図示しない、座標測定装置で測定する。また、プローブの上下方向については、参照ミラーＡと参照ミラーＢの間の距離を測定する、干渉計１７で直接測定する。
【００３３】
（１０５）全測定領域を走査したら、制御系切り替え装置３１を再び位置制御系に切り替え、測定軸を安全位置に退避する。
【００３４】
以下、本発明の実施例を図１を用いて説明する。
【００３５】
エンコーダー３３と、カウンタ回路５０との差分を位置制御補償回路３０に入力しＰＩＤ制御の演算を行い、カウンタ回路５０の値にサーボモータが追従するように制御を行う。制御切替え装置３１が位置指令発生装置５２に接続しているときは、位置指令発生回路５２にサーボモータが追従する。
【００３６】
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３４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ときは、針圧制御補償回路３２はＰＩ制御の演算を行い、その演算結果に比例した指令パルスを出力することにより、センサアンプ３４の出力が一定になるようにＺスライダを移動する。このとき、位置制御ループ５１は針圧制御のマイナーループとなり、位置制御ループ５１は、例えば６０Ｈｚ程度の応答性を持つ。また、針圧制御はプローブが跳ね上げられてもほとんど追従しない、例えば５Ｈｚ程度の応答周波数に設定することにより、床からの外乱振動や走査による振動などにより、プローブがワークから跳ね上げられても追従しないようにする。また、位置制御のループで６０Ｈｚ程度の応答性を確保しているために、位置制御ループのみに入る外乱、例えばモーターのトルク変動などに対しては強くすることができ、安定して非測定物の走査が可能となる。
【００３７】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、床からの外乱振動や走査による振動などにより、プローブがワークから跳ね上げられても安定して非測定物の走査が可能となり、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】形状測定装置の概略図。
【図２】計測動作のフローチャート。
【図３】凸球面ミラーを用いた変位測定手段の概略図。
【図４】凸球面ミラーを用いた変位測定手段の説明図。
【図５】３回対象の板バネの例。
【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
５０ カウンタ回路
５１ 位置制御ループ
５２ 位置指令発生装置

Claims (2)

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、
   前記プローブの接触の圧力を一定の目標圧力に制御する動作において、圧力制御ループの内側に位置制御ループを具備し、前記圧力制御ループの応答周波数は、床からの外乱振動や走査による振動などによりプローブが跳ね上げられてもほとんど追従しない応答周波数に設定することを特徴とする、圧力制御方法。
2. 請求項１に記載の圧力制御方法を具備した、形状測定装置。

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