JP2008196983A - 接触式プローブの倣い制御方法及び接触式測定機 - Google Patents

Abstract

【課題】アプローチ速度を極低速にして測定効率を低下させることなく、測定対象物の接触痕の発生を抑制する。
【解決手段】触針１６を一定の測定力Ｆで測定対象物（ワーク８）に接触させながら、測定対象物（８）の表面に沿って移動させる接触式プローブ（力センサ１０）の倣い制御に際して、触針１６に目標測定力よりも低い力が加わったことを検知するための接触検知レベルを設け、触針１６に加わる力が該接触検知レベルになった時点から、触針１６を目標測定力で測定対象物（８）に接触させるための力制御に移行する。前記接触検知レベルから目標測定力まで、力制御の指令値を徐々に増加させることにより、高応答化による衝撃増大やオーバーシュートを防ぐこともできる。
【選択図】図８

Description

本発明は、接触式プローブの倣い制御方法及び接触式測定機に係り、特に、プラスチックレンズやアルミニウム製部品等の軟らかな測定対象物に接触痕を付けることなく形状や表面粗さ等を測定することが可能な接触式プローブの倣い制御方法、及び、この方法により倣い制御される接触式プローブを備えた接触式測定機に関する。

微細形状測定機や表面粗さ測定機等によって測定対象物の微細な表面形状を測定する場合や、小穴測定機で穴の内面形状を測定する場合等に用いられるプローブ用のタッチセンサとして、出願人は、特許文献１で、図１に示すような加振型力センサを提案している。この力センサ１０は、スタイラス１４と一体化された金属製ベース１２の両面に、加振用電極（加振用圧電素子とも称する）２２と検出用電極（検出用圧電素子とも称する）２４に分離された圧電素子２０を接着剤で固定している。又、スタイラス１４の先端（図の下端）には、ダイヤモンドチップやルビー球等でなる触針１６が固定されている。

この力センサ１０への入力振幅と出力振幅の関係の例を図２に示す。触針１６が測定対象物であるワーク８と非接触のとき、加振用圧電素子２２に一定の入力振幅Ｐｉを加えると、スタイラス１４が例えば数ｎｍ〜＋数ｎｍ程度の振幅で上下に超音波振動し、検出用圧電素子２４に出力振幅Ｐｏの信号が現われる。

触針１６がワーク８に接触すると、図３に示すように、出力振幅がＰｏからＰｘに下がる。出力振幅比ｋ０＝（Ｐｘ／Ｐｏ）×１００＝９０％とすると、図４の出力振幅比ｋ０と測定力Ｆの関係例では、測定力Ｆとして１３５［μＮ］が得られ、常に出力振幅比ｋ０が一定となるようにアクチュエータ（図示省略）に接続された力センサ１０を制御すれば、ワーク８の形状や粗さが測定可能な、測定力（Ｆ）一定倣い測定（力一定倣い測定と称する）が実現できる。

特開２００１−９１２０６号公報

接触式プローブを用いて測定を行なう場合、図５に示す如く、測定対象物であるワーク８へのアプローチ（測定対象物に接触するためにプローブを低速移動させ、接触を検出し目標測定力で接触が安定するまでの動作）を伴う。前記のような力センサ１０では、測定対象物と接触しなければ測定力が発生しないため、測定対象物に力センサが接触するまでのアプローチ駆動は、通常、スケール検出器を用いた位置制御等によって行なわれ、ワーク８に接触したら力制御に切替える。そして、ワーク８又はプローブ（力センサ１０）取付側を駆動して、力制御状態でワーク表面を走査する。この走査の間、形状測定位置としてプローブのスケール値とワークの位置を読み取る。そして力一定倣い測定が終了したら、位置制御に切り替えて退避位置までリトラクトする。

上記アプローチ動作中、接触を検知するために目標測定力（安定に接触していると判断する力）と力センサ１０で検出した測定力を比較して、測定力が目標測定力を超えた時点で力制御に切替えを行なうが、その際、電気回路の遅延やデジタルコントローラの演算時間の遅れ等により、接触判定に例えば１００μ秒程度の遅れ時間が発生する。その結果、図６に示す如く、目標測定力により押し込まれた位置（測定位置）より、多く押し込まれる（行き過ぎる）ことなる。更に、測定効率を上げるためアプローチ速度を速くすると、行き過ぎ量が多くなるだけでなく、接触時の衝撃も大きくなって、測定対象物に、特にレンズや金型で問題となる接触痕を付けることがあった。

このアプローチによる接触痕の発生を防止するために、従来は、図７に示す如く、アプローチ速度を極低速にすることで接触判定の遅れ時間による押し込み量を可能な限り少なくすると同時に、接触時の衝撃も小さくし、測定対象物への接触痕の発生を防ぐ方法が採られている。

しかしながら、この方法の場合、アプローチ速度を極低速にしなければならず、測定効率が著しく低下してしまうという問題があった。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、アプローチ速度を極低速にして測定効率を低下させることなく、測定対象物の接触痕の発生を抑制することを課題とする。

本発明は、触針を一定の測定力で測定対象物に接触させながら、測定対象物の表面に沿って移動させる接触式プローブの倣い制御に際して、触針に目標測定力よりも低い所定の力が加わったことを検知するための接触検知レベルを設け、触針に加わる力が該接触検知レベルになった時点から、触針を目標測定力で測定対象物に接触させるための力制御に移行するようにして、前記課題を解決したものである。

前記接触検知レベルから目標測定力まで、力制御の指令値を徐々に増加させることにより、高応答化による衝撃増大やオーバーシュートを防ぐことができる。

本発明は、又、前記の方法により倣い制御される接触式プローブを備えたことを特徴とする接触式測定機を提供するものである。

本発明によれば、アプローチ速度を極低速にして測定効率を低下させることなく、測定対象物の接触痕の発生を抑制することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明の第１実施形態は、図８に示す如く、測定対象物へのアプローチに、触針に目標測定力（測定を行なうために安定して接触していると判断するための力）よりも低い所定の力（接触を始めたであろうと推測できる力）が加わったことを検知するための接触検知レベルを設け、アプローチ中に触針に加わる力が接触検知レベルになった時点から接触判定を行い、触針を目標測定力で測定対象物に接触させるための力制御に早めに移行するようにしたものである。

ここで、接触検知レベルは、目標測定力に満たない測定力が発生している状態とし、接触検知レベルにあるときのプローブの位置は、目標測定力で押し込まれる位置よりも押し込み量が少ない状態とする。そして、接触検知レベルになったら接触判定を行ない、位置制御から力制御に切替える。

この方法では、接触検知レベルを超えた時点で接触判定を行ない、力制御に切替えるので、
（接触検知レベルでの押込み量＋接触判定の遅れ時間による押込み量）
≦測定力による押込み量
となるアプローチ速度を選択してやれば、過剰な押込み量が発生せず、測定対象物に接触痕が付かない。

本実施形態を実施するための接触式倣いプローブシステムのディジタルコントローラによる構成例を図９に示す。図において、プローブ側３０は、測定力を検出するための、従来例と同様の力センサ１０と、位置決め制御及び力一定倣い制御時にプローブ先端を駆動するための駆動アクチュエータ３２と、位置フィードバックを行なうと共に形状位置検出値を計数するためのスケール３４及びスケール検出器３６とを備えている。

又、コントローラ４０側は、プローブ３０側の前記駆動アクチュエータ３２に電力供給する駆動アンプ４２と、前記スケール検出器３６の出力によりプローブの位置を計数するカウンタ４４と、前記力センサ１０からのアナログ力信号をディジタル値に変換するアナログ／ディジタルコンバータ（Ａ／Ｄ）４６と、位置制御と力制御を切替えて制御することができるディジタル制御演算部４８とを備えている。

なお、図９に示すような力一定倣いを行なうプローブシステムの場合、測定効率の向上という理由から、測定対象物の形状変化に可能な限り高速に追従させたい。そのため、力制御ループのループゲインは高めに設定して高応答化する必要がある。この状態で、第１実施形態を適用すると、図１０に示す如く、高応答化による衝撃増大とオーバーシュートが発生することになり、測定対象物に接触痕を付ける場合が有り得る。

第１実施形態のこのような問題点を解決するために、本発明の第２実施形態では、図１１に示す如く、位置制御から力制御へ切替えた時の力制御指令を、目標測定力まで一気に高めるのではなく、補間して徐々に高めることにより目標測定力に近づけるようにしている。これにより、接触時の衝撃とオーバーシュートを少なくし、接触痕の発生を防止することができる。

本実施形態におけるプローブシステムの構成例を図１２に示す。

このプローブシステムは、ディジタル制御演算部４８内に、目標測定力を補間処理して力制御指令とする力制御指令補間処理部が設けられている点が、図９の例と異なる。他の点については、図９の例と同じであるので、説明は省略する。

ここで、測定対象物に接触痕が付くか否かは、力センサの接触部の形状と硬さ等の特性、アプローチ速度、接触時の衝撃の大きさ、測定対象物の表面硬さ等の特性、位置制御の制御性能、力制御の制御性能等の条件により異なる。そのため、力制御指令補間処理には、次のような機能を備えることができる。

即ち、力制御指令の補間カーブは、図１３に示す如く、任意のカーブから選択して使用できるようにする。即ち、図１１では、接触検知レベルから目標測定力までを図１３（ａ）に示すように、直線で結んだ補間カーブで説明しているが、図１３（ｂ）に示すような指数型、図１３（ｃ）に示すＳ字型等、位置制御の加速度カーブに使用されるような各種の補間カーブを使用することができ、測定条件等により任意に選択できるようにすることができる。

ここで、図１３（ａ）の直線型は単純な制御で済む。一方、図１３（ｃ）のＳ字型は、計算が大変ではあるが、非常に滑らかな制御を行なうことができる。又、図１３（ｂ）の指数型は、図１３（ａ）の直線型に比べて滑らかな制御を、図１３（ｃ）のＳ字型に比べて楽な計算で実現できる。

又、図１３中に示した、接触検知レベルから目標測定力に移行するまでの補間時間Ｔも、任意に設定できるようにすることができる。例えば接触痕が発生し易い測定対象物の場合は補間時間を長くし、接触痕が発生し難い測定対象物の場合は補間時間を短くして測定効率を上げることができる。

あるいは、補間時間の代わりに、位置制御の加速度指令のように、単位時間当たりの力の増分（傾き）を設定できるようにしても良い。

このようにして、ユーザは測定対象物の性質に応じて適切な補間処理を選択することができ、接触痕を発生させないで測定効率の良いアプローチ動作を行なうことができる。

なお、前記実施形態においては、出願人が特許文献１で提案した力センサを用いていたが、プローブの種類は、これに限定されず、微小な測定力が観測できるプローブであれば本発明を同様に適用できる。又、プローブシステムもディジタル構成に限定されない。

特許文献１に記載された力センサの構成を示す斜視図 同じく加振振幅と出力振幅の関係の例を示す図 同じく接触時の出力振幅の変化の例を示す図 同じく出力振幅比と測定力の関係の例を示す図 前記力センサを用いた力一定倣い測定例を示す図 同じくアプローチによる測定対象物への接触痕の発生状態を示す図 同じくアプローチ速度が低速な状態を示す図 本発明の第１実施形態の動作を示す図 第１実施形態を実施するためのプローブシステムの構成例を示すブロック図 第１実施形態の問題点を説明するための図 第１実施形態の問題点を解決した本発明の第２実施形態の動作を示す図 第２実施形態を実施するためのプローブシステムの例を示すブロック図 第２実施形態における力制御指令の補間カーブの例を示す図

符号の説明

１０…力センサ
１６…触針
３０…プローブ
３２…駆動アクチュエータ
３４…スケール
３６…スケール検出器
４０…コントローラ
４２…駆動アンプ
４４…カウンタ
４６…Ａ／Ｄコンバータ
４８…ディジタル制御演算部

Claims (3)

1. 触針を一定の測定力で測定対象物に接触させながら、測定対象物の表面に沿って移動させる接触式プローブの倣い制御に際して、
   触針に目標測定力よりも低い所定の力が加わったことを検知するための接触検知レベルを設け、
   触針に加わる力が該接触検知レベルになった時点から、触針を目標測定力で測定対象物に接触させるための力制御に移行することを特徴とする接触式プローブの倣い制御方法。
2. 前記接触検知レベルから目標測定力まで、力制御の指令値を徐々に増加させることを特徴とする請求項１に記載の接触式プローブの倣い制御方法。
3. 請求項１又は２に記載の方法により倣い制御される接触式プローブを備えたことを特徴とする接触式測定機。

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