JP2006010469A - 接触式プローブの跳ね現象の検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プローブを被測定面に接触させトレースする際に、ワークの表面状態や装置の振動など影響により、プローブが跳ね上げられしまいプローブがバウンドしてしまう。
【解決手段】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、前記プローブの位置検出信号を２階微分し、前記プローブの加速度を求め、前期加速度が前記プローブと前記物体に加わるの荷重方向に対し、逆方向の加速度で且つ所定加速度を超えた際に前記プローブが前記物体から離れたとする。
【選択図】図１

Description

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。

形状測定装置としては、特許文献１に示されているように、針圧制御補償回路３２によってセンサアンプ３４の出力がゼロとなるように、サーボモータ１５を制御している。ここで問題になるのは、測定圧力が５０〜１００ｍｇと低い圧力で非測定物を走査するとき、床からの外乱振動、プローブのスティックスリップ等により、プローブが非測定物から跳ね上げられ測定動作ができない場合がある。

特開平１１−３０４４６３号

測定圧力が５０〜１００ｍｇと低い圧力で非測定物を走査する際に、プローブが非測定物から離れたことを検出し、プローブが非測定物から離れたことを検出した際の測定データを無効にすることが本発明の課題である。

針圧制御に用いられるプローブ位置信号を２階微分し、プローブ加速度を求め、プローブの荷重方向に対して反対の加速度で且つ所定加速度を超えた際に、プローブが非測定物から離れたと判断する。

本発明によれば、プローブが非測定物から離れたことを検出した時の測定データを無効とすることができ、形状測定の信頼性向上が可能となる。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

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。

図１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を挟み、プローブシャフト５の下側にネジ込んで固定する。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７にはネジ部と共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を挟み、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。

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、即ち上下方向（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。

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。制御系切り替え装置３１が、位置制御補償回路３０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。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。

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及び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。

フレーム２０（基準部材）には、ミラーＢ１９の他に被測定物２１が固定されている。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。

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。点光源Ｆを設け、光源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。このとき、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、即ち、紙面に対して垂直な方向をＺ’軸方向とする。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フォトダイオード等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フォトダイオード等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）及びｂ）を同時に測定できる。即ち、Ｙ’とＺ’の２方向を同時に測定できる。

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（式１）が成り立っている。

１／ｆ＝（１／Ｌ１）＋（１／Ｌ２） … （式１）
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( 式２) がある。

２／Ｒ＝（１／Ｌ３）−（１／Ｌ４） … （式２）
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は次式で表される量だけ変位する。

（１−（Ｌ４／Ｌ３））δ … （式３）
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、（式３）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。

又、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又は傾斜面を持つ反射ミラーでも、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。

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。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、更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１５を制御する。

次に、板ばね４の実施形態の形状例を図６に示す。

図６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。

又、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。

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付ける圧力を表している。

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来るように、予め微動テーブル２８を調整しておく。プローブシャフト５が移動すると、前に説明した通り、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、即ち、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、それにバネ定数を掛ければプローブ押し付け圧力になるので、結局、センサアンプ３４の出力は、プローブの押し付け圧力を表している。

以下、本発明の実施例について、図１を用いて説明する。

センサアンプ３４の出力は、針圧制御補償回路３２と並列に微分回路５０を経由し微分回路５１に接続される。微分回路５１の出力はプローブ加速度を表しており、エラー加速度記憶回路５３の値と比較器５２で比較を行う。比較器５２の出力はエラー判定信号としてラッチ回路５４入力される。ラッチ回路５４の出力は、一瞬でも微分回路５１の出力がエラー加速度記憶回路５３の値を超えたときに保持され、エラー信号として不図示のコントローラに入力される。

図２に、プローブを被測定物に接触させ、測定軸１２を固定した状態で被測定物を上向きにインパルス状に加振したときのプローブ位置、プローブ速度、プローブ加速度の波形を示す。

尚、図２のプローブ位置、プローブ速度、プローブ加速度は、それぞれ図１のセンサアンプ３４の出力、微分回路５０の出力、微分回路５１の出力に相当する。ｔ１において、プローブに対してインパルス状の上向きの力が加わり被測定物から離れ上昇し始める。このとき、被測定物の加速度α［ｍ／ｓ²］とし、プローブの接触圧力Ｆ［Ｎ］、プローブ重量Ｍ［ｋｇ］とすると、α＞Ｆ／Ｍのときプローブは被測定物から離れ、α≦Ｆ／Ｍのときは被測定物に接触した状態を保つことになる。又、プローブが被測定物を離れる瞬間は、プローブはインパルス状の上向きの加速度になる。

プローブは被測定物に接触している時は被測定物からの力が加わるが、プローブが被測定物から離れると、板バネ４の下向きのプローブ押し付け力のみがプローブに加わることになるため、プローブは一端上昇（ｔ１〜ｔ２）するが、下降（ｔ２〜ｔ３）し被測定物に近づく。又、プローブが被測定物から離れているときの、プローブの加速度ａ［ｍ／ｓ²］は、ａ＝−Ｆ／Ｍとなる。

ｔ３において、プローブは被測定物に接触しワークからの上向きの反力を受けて、再度被測定物から離れ上昇し、減衰しながらこれを繰り返す。

図３は実際に針圧制御状態でプローブを被測定物２１に接触させ、被測定物をインパルス状に加振した際の、センサアンプ３４の出力（プローブ位置）、センサアンプ３４の出力を１階微分した値（プローブ速度）、センサアンプ３４の出力を２階微分した値（プローブ加速度）、測定軸１２の位置のグラフである。

図３は図２のプローブを被測定物に接触させ測定軸１２を固定した状態での挙動と比べて多少異なるが、針圧制御状態ではセンサアンプ３４出力が一定になるように測定軸１２を動かすために、被測定物から離れた状態での加速度は一定にならない。図３の測定軸位置のグラフは、実際に測定軸が動いている様子を示す。又、プローブがバウンドすることにより板バネが変位し、プローブ押し付け圧力が変化し、結果としてプローブ加速度が変化する影響もある。

ここで、プローブ加速度に着目し、エラー加速度記憶回路５３の値を超えた際にプローブが被測定物から離れたと判定し、不図示のコントローラに入力され、コントローラは測定動作を中止又は測定データを無効にする処理を行う。

エラー加速度５３の値については、センサアンプ３４の出力のノイズや床からの振動等の影響で一概に決められないが、今回の実施例では、Ｆ／Ｍの５倍程度に設定した。

形状測定装置の概略図である。 測定軸を固定した状態で被測定物を加振した際のプローブ挙動のグラフである。 針圧制御状態で被測定物を加振した際のプローブ挙動ならびに測定軸位置のグラフである。 凸球面ミラーを用いた変位測定手段の概略図である。 凸球面ミラーを用いた変位測定手段の説明図である。 ３回対象の板バネの例である。

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 微分回路
５１ 微分回路
５２ 比較器
５３ エラー加速度記憶回路
５４ ラッチ回路

Claims (1)

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、
   前記プローブの位置検出信号を２階微分し、前記プローブの加速度を求め、前期加速度が前記プローブと前記物体に加わるの荷重方向に対し、逆方向の加速度で且つ所定加速度を超えた際に前記プローブが前記物体から離れたとする接触式プローブの跳ね現象の検出方法。

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