JP2009063417A - 形状測定装置及び形状測定装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、接触式プローブに加わる接触荷重と変位との実測値に基づいて、接触式プローブに加わる接触荷重を高精度に一定に制御することを可能とした形状測定装置及び形状測定装置の制御方法を提供することを目的としている。
【解決手段】本発明は、接触式の形状測定装置であって、接触式プローブと、前記接触式プローブの変位を測定する変位測定手段と、前記接触式プローブに加わる接触荷重と変位との関係を記憶する接触荷重記憶手段と、前記接触式プローブに加わる前記接触荷重を変化させる接触荷重可変手段と、前記接触荷重記憶手段に記憶された前記接触式プローブに加わる接触荷重と変位との関係に基づいて、前記接触荷重が一定となるように前記接触荷重可変手段を制御する接触荷重制御手段とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、接触式の形状測定装置及び形状測定装置の制御方法に関する。

被測定物の形状を測定するための接触式の形状測定装置としては、例えば特許文献１に開示された形状測定装置がある。

図４に特許文献１に係る形状測定装置の構成図を示す。
ベース５２には支柱５４を介して支点５６が設けられている。支点５６にはビーム５８の略中央部が回動自在に支持されている。支点５６の左側には、ばね６０が配置されていて、ばね６０はビーム５８とベース５２に連結されている。従って、ビーム５８は支点５６とばね６０によって水平に保持される。

また、支点５６の右側のベース５２には作動トランス６２のコイル６２Ａが設けられている。コイル６２Ａ内には鉄心６４が上下方向に移動自在に配置されていて、鉄心６４はビーム５８に交差する方向に固定されている。従って、ビーム５８が支点５６を中心に揺動すると鉄心６４はコイル６２Ａ内を上下方向に移動する。

ベース５２の右端部にはボイスコイルモーター６６の本体６６Ａが設けられている。環状溝６６Ｂには筒体６６Ｃが配置されていて、筒体６６Ｃはビーム５８の後端部に固定されている。これにより、筒体６６Ｃは鉄心６４と同様に、ビーム５８が支点５６を中心に揺動すると環状溝６６Ｂ内を上下方向に移動する。

筒体６６Ｃにはコイル６６Ｄが埋設されていて、コイル６６Ｄは電流変換器６８に電気的に接続されている。電流変換器６８は増幅器７０を介して作動トランス６２のコイル６２Ａに電気的に接続されている。また、ビーム５８の先端には接触式プローブ７４（以下、単にプローブと記す）が設けられていて、測定時に所定の測定力（以下、接触荷重と記す）で被測定物７６に接触される。

プローブ７４を被測定物７６の表面に沿って移動すると、被測定物７６の表面形状に応じてプローブ７４が支点５６を中心に揺動するので、作動トランス６２の上下方向への変位を検知すれば、被測定物７６の表面形状を測定することができる。

検知された変位信号は増幅器７０を介して電流変換器６８に入力される。電流変換器６８は、入力された変位信号に対応した電流をコイル６６Ｄに流す。このようにすることにより、ボイスコイルモーター６６が作動する。

図５（Ａ）に示すように、接触荷重Ｆがプローブ７４の変位に比例して変化すると仮定する。そして、図５（Ｂ）に示すように、ビーム５８の揺動で生じたばね６０の反力を相殺する力を筒体６６Ｃに付勢する。このようにすることで、図５（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、プローブ７４の接触荷重Ｆ’が一定に維持される。
特開平５−３４０７０６号公報

上記の従来技術では、図５（Ａ）に示すように、プローブの接触荷重Ｆがプローブの変位に比例して変化する。すなわちプローブの接触荷重と変位とが線形関係であると仮定している。しかしながら、従来技術では、ばね定数が一定でないことによる非線形特性やてこの支点における摩擦力等が存在する。

そのため、単純にプローブの接触荷重と変位とが線形関係であると仮定して補正をかけただけでは実際には、図５（Ｄ）に示すようにプローブの接触荷重を厳密に一定に制御することができない。従って、被測定物によっては、数ｍｇｆの接触荷重の変化で、数十ｎｍの形状測定誤差になってしまう。このようなことから、従来技術では、高精度な形状測定ができないという問題が発生する。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、接触式プローブに加わる接触荷重をより精密に一定に保つことができる形状測定装置及び形状測定装置の制御方法を提供することである。

前記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された形状測定装置は、接触式プローブと、前記接触式プローブの変位を測定する変位測定手段と、前記接触式プローブに加わる接触荷重と変位との関係を記憶する接触荷重記憶手段と、前記接触式プローブに加わる前記接触荷重を変化させる接触荷重可変手段と、前記接触荷重記憶手段に記憶された前記接触式プローブに加わる接触荷重と変位との関係に基づいて、前記接触荷重が一定となるように前記接触荷重可変手段を制御する接触荷重制御手段とを備えていることを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載された形状測定装置は、請求項１に記載された形状測定装置において、前記接触荷重記憶手段が前記接触式プローブに加わる接触荷重と変位との関係を実測値として記憶することを特徴とする。

また、本発明の請求項３に記載の形状測定装置の制御方法は、被測定物の表面に所定の接触荷重で接触式プローブを接触させ、接触式プローブに加わる接触荷重を制御しながら表面上を走査して、走査した位置での前記接触式プローブの変位を検出することによって被測定物の表面形状を測定する形状測定装置の制御方法であって、測定準備として前記接触式プローブを接触荷重測定手段に接触させて、前記接触式プローブに加わる接触荷重と変位との関係を実測定して接触荷重記憶手段に記憶する工程と、前記接触荷重記憶手段に記憶された前記接触式プローブに加わる接触荷重と変位との関係に基づいて、測定時に前記接触式プローブの接触荷重を制御する工程、を有することを特徴とする。

本発明の形状測定装置及び形状測定装置の制御方法では、プローブに加わる接触荷重をより精密に一定に保つことが可能となる。そのため、プローブに加わる接触荷重の変動による測定誤差を低減させることができる。この結果、より高精度な形状測定が可能となる。

以下、本発明の形状測定装置の実施例について、図面を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明の第１実施例に係る形状測定装置を説明するための構成図である。
本発明の形状測定装置は、図１に示すように、プローブユニット５０、電流源２、及び接触荷重記憶手段と接触荷重制御手段となるコンピュータ３を備えている。プローブユニット５０は、プローブヘッド１０、天秤部２０、測長部３０、ボイスコイルモーター４０を有する。

プローブヘッド１０は接触式プローブであって、接触子１１、可動部材１２、ガイド１３を有する。可動部材１２の一端には、接触子１１が接続されている。接触子１１は、被測定物１に接触する部材である。可動部材１２はガイド１３に支持されており、検出軸方向（Ｚ軸方向）にのみ移動可能になっている。ガイド１３は、例えば、静圧空気軸受けで構成されている。したがって、接触子１１及び可動部材１２は、検出軸方向（Ｚ軸方向）に沿って摺動抵抗なく滑らかに移動できる。

天秤部２０は、アーム２１、支点部材２２、耐久性の強い糸２４，２５、及びバランス重り２６を有している。アーム２１は、支点部材２２の上に配置されている。また、支点部材２２は、支点ベース２３によってプローブユニット５０の筐体に固定されている。

支点部材２２はナイフエッジまたは、小型のベアリングなどが用いられる。支点部材２２は、アーム２１が回転した際に、アーム２１が支障なく回転できるとともに、また、アーム２１の駆動に対してヒステリシスがないものが好ましい。具体的には、アーム２１がナイフエッジの場合には、アーム２１は鋭角な２等辺三角形の形状で、材料は、ハイスやダイヤモンドなどの超硬材料が好ましい。また、アーム２１が小型のベアリングの場合には、小型のベアリングとしてエアーベアリングを用いると良い。

アーム２１は、支点部材２２の頂点部に設置されている。このアーム２１は、剛性が高く、非磁性体の材料で作られている。例えば、非磁性体のステンレスや、銅の中空パイプが好ましい。

このアーム２１の一端には、耐久性の強い糸２４の一端が接続されている。また、糸２４の先端には、可動部材１２が接続されている。よって、可動部材１２は、糸２４を介して、アーム２１によって保持されている。また、アーム２１の他端にも、耐久性の強い別の糸２５の一端が接続されている。そして、糸２５の先端には、バランス重り２６が接続されている。よって、バランス重り２６は、糸２５を介して、アーム２１によって保持されていることになる。

また、変位測定手段となる測長部３０は、レーザー測長器３１と対向する位置に設けられた基準ミラー３２とから構成されおり、基準ミラーは可動部材１２の上端に設けられている。このレーザー測長器３１は変位測定手段であって、例えば、基準ミラー３２に照射したレーザー光の反射光を利用して、基準ミラー３２までの距離を測定する。これにより、可動部材１２の検出軸方向（Ｚ軸方向）の移動量を測定することができる。測長部３０により非接触で測定された可動部材１２の移動量が、所定の出力信号に変換されてコンピュータ３に入力される。

さらに、可動部材１２の接触子１１とは反対側に、ボイスコイルモーター４０が設けられている。このボイスコイルモーター４０は接触荷重可変手段である。ボイスコイルモーター４０は、可動部材１２を検出軸方向（Ｚ軸方向）に移動させて接触荷重を変化させる機能を有する。ボイスコイルモーター４０はコイルと磁気回路（いずれも不図示）から構成されており、電流源２からコイルに供給される電流の大きさに比例した推力を発生させて、可動部材１２を移動させたり、所定の位置に保持させることができる。

また、ボイスコイルモーター４０は、その駆動可能範囲が可動部材１２の測定可能範囲より大きいものを配置する。なお、接触荷重可変手段としてはボイスコイルモーターの他に、リニアモーター、エアシリンダー等のように所望の推力を発生させるものであれば良い。

コンピュータ３は、実測された可動部材１２の変位と接触荷重の変化との関係を記憶する接触荷重記憶手段としての機能を有する。さらに、コンピュータ３は、記憶された可動部材の変位と接触荷重の変化と関係に基づいて、適正な電流をボイスコイルモーター４０に供給するように電流源２を制御する接触荷重制御手段としての機能も有している。

次に、本発明の第１実施例に係る形状測定装置の作用について説明する。
まず、接触子１１を被測定物１の表面に所定の接触荷重で当接させて、接触子１１を被測定物１の表面に沿って移動させる。この場合、被測定物１の表面の凹凸に応じて、可動部材１２の位置が変位すると共に、図２（Ａ）に示すように、その変位に応じて接触荷重も変化する。

可動部材１２の位置が変位すると、支点と重心の位置関係が変化して、アーム２１が支点部材２２を中心にして上下方向に遥動する。この上下方向の変位を測長部３０で検出すれば、被測定物１の表面形状を測定することができる。しかし、この場合表面形状に応じて、接触荷重も変化しているために正確に被測定物１の表面形状を測定したことにはならない。

そこで、予め可動部材１２の変位と接触荷重の変化の関係を実測して、コンピュータ３に記憶させておく。この関係に基づいて、コンピュータ３は、可動部材１２の変位量に応じて、その接触荷重の変化をキャンセルするような電流値を算出して、電流源２を介してボイスコイルモーター４０に電流を供給する。ボイスコイルモーター４０は、この電流によって、接触荷重の変化をキャンセルするような反力（接触荷重の変化と逆向きで同じ大きさの力）を発生させて、接触荷重を一定に保つ。このようにボイスコイルモーター４０に対して常に電流制御を行なうことにより、図２（Ｂ）に示すように可動部材１２の変位に無関係に、接触子１１を被測定物１の表面にほぼ一定の接触荷重で接触させることができる。

以上のように構成される本発明の実施例１に係る形状測定装置では、プローブヘッド１０とボイスコイルモーター４０とを含む自重を、バランス重り２６によって、キャンセルすることで、より高い分解能で接触荷重の制御を行なうことができる。

また、ボイスコイルモーター４０の駆動可能範囲を可動部材１２の測定可動範囲より大きくすることにより、可動部材１２と被測定物１との相対的な位置関係を常に一定に保つことが可能である。このために、プローブユニット５０全体を高精度に被測定物１に対して上下に移動させるサーボ機構を必要とせず、接触荷重を可動部材１２の変位に無関係に、測定可動範囲内で常に一定に制御することができる。その結果、プローブユニット５０全体の振動の低減や形状測定装置全体の構造の簡易化が可能となる。

次に、上記第１実施例に係る形状測定装置を用いて行なう本発明の形状測定装置の制御方法の実施例を図１〜図３に基づいて説明する。

［ステップＳ０１］
まず、測定前に接触式プローブの測定準備を行う。
最初に可動部材１２が下端の位置でアーム２１が水平になるように、糸２４，２５の長さを調整する。ちなみに、アーム２１が斜めになっていても、釣り合いが取れていれば問題はない。

［ステップＳ０２］
接触子１１の下に、接触荷重測定手段となる力センサー（不図示）をセットし、可動部材１２の先端の接触子１１を力センサーに接触させる。

［ステップＳ０３］
次に、力センサーを用いて、接触子１１の接触荷重を測定する。
力センサーをＺ軸方向上向きに移動させて、可動部材１２の変位と接触荷重の変化を接触荷重記憶手段であるコンピュータ３内に図２（Ａ）に示すような測定データとして記憶させる。
また、このデータを生データとして記憶させる代わりに、直線近似や多項式近似を行なって近似式パラメータとして記憶させても良い。

［ステップＳ０４］
次に、接触子１１の接触荷重の制御を確認する。
接触子１１の下に、力センサーをセットし、可動部材１２の先端の接触子１１を力センサーに接触させる。
力センサーをＺ軸方向上向きに移動させて、可動部材１２の変位と接触荷重の変化をチェックする。この際、制御装置は、ステップＳ０３で測定した測定データに基づいて、可動部材１２の変位に対して接触荷重の大きさが常に一定となるようにボイスコイルモーター４０に対して電流制御を行う。このため、可動部材１２の変位による接触荷重の大きさは、図２（Ｂ）に示すようにほぼ一定となる。
例えば、接触荷重の変化が、規定値の５０ｍｇｆ±５ｍｇｆの範囲に入っていれば、ＯＫとして、次のステップＳ０５に移る。ＮＧの場合はステップＳ０３に戻る。なお、ステップＳ０４は場合によっては省略してもよい。

［ステップＳ０５］
次に、可動部材１２をＺ軸方向上端に移動させて退避させ、力センサーを外す。上端に向けて可動部材１２を動かすには、ボイスコイルモーター４０に供給する電流を増やすことで可動部材１２の自重を支える推力を大きくすればよい。また、他の方法として、エアーを可動部材１２に直接上向きに吹き付けて瞬時に移動させる方法でもよい。
以上のステップＳ０１〜Ｓ０５の工程で接触式プローブの測定準備が完了し、次に被測定物の形状測定の工程に入る。

［ステップＳ０６］
先ず、最初の測定位置にＸＹテーブル（不図示）を移動する。そして、可動部材１２をＺ軸方向下方に移動させて、被測定物１に接触させる。
Ｚ軸方向下方に向けて可動部材１２を移動させるには、ボイスコイルモーター４０に供給する電流を減らすことで可動部材１２の自重を支える推力を小さくすればよい。このときの電流値は、測定動作ステップＳ０３で実測定された可動部材１２の変位と接触荷重の変化との関係に基づいて、接触荷重がほぼ一定になるように計算される。
こうすることで、接触式プローブは被測定物１に所定の接触荷重で接触する。

［ステップＳ０７］
次に、被測定物１の測定領域をＸＹテーブル（不図示）を用いて走査し、同時に可動部材１２のＸＹ座標をリニアスケール（不図示）で測定する。
また、測定中は可動部材１２の変位に合わせて、ボイスコイルモーター４０に供給する電流の制御をコンピュータ３が行う。

［ステップＳ０８］
被測定物１の全測定領域を走査したら、可動部材１２は退避され、測定が完了する。

本発明の第１実施例に係る形状測定装置を示す構成図である。 接触式プローブの変位と接触荷重との関係を示すグラフである。 本発明の第２実施例に係る形状測定装置の制御方法の動作を示すフローチャートである。 従来の形状測定装置の構成図である。 従来の形状測定装置の制御方法を説明するグラフである。

符号の説明

１： 被測定物
２： 電流源
３： コンピュータ
１０： プローブヘッド
２０： 天秤部
３０： 測長部
４０： ボイスコイルモーター
５０： プローブユニット
１１： 接触子
１２： 可動部材
１３： ガイド
２１： アーム
２２： 支点部材
２３： 支点ベース
２４，２５： 糸
２６： バランス重り
３１： レーザー測長器
３２： 基準ミラー
５２： ベース
５４： 支柱
５６： 支点
５８： ビーム
６０： ばね
６２： 作動トランス
６２Ａ： コイル
６４： 鉄心
６６： ボイスコイルモーター
６６Ｂ： 環状溝
６６Ｃ： 筒体
６６Ｄ： コイル
６８： 電流変換器
７０： 増幅器
７４： 接触式プローブ（プローブ）
７６： 被測定物

Claims (3)

1. 接触式プローブと、
   前記接触式プローブの変位を測定する変位測定手段と、
   前記接触式プローブに加わる接触荷重と変位との関係を記憶する接触荷重記憶手段と、
   前記接触式プローブに加わる前記接触荷重を変化させる接触荷重可変手段と、
   前記接触荷重記憶手段に記憶された前記接触荷重と変位との関係に基づいて、前記接触荷重が一定となるように前記接触荷重可変手段を制御する接触荷重制御手段と
   を備えていることを特徴とする形状測定装置。
2. 前記接触荷重記憶手段が前記接触式プローブに加わる接触荷重と変位との関係を実測値として記憶することを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
3. 被測定物の表面に所定の接触荷重で接触式プローブを接触させ、接触式プローブに加わる接触荷重を制御しながら表面上を走査して、走査した位置での前記接触式プローブの変位を検出することによって被測定物の表面形状を測定する形状測定装置の制御方法であって、
   測定準備として前記接触式プローブを接触荷重測定手段に接触させて、前記接触式プローブに加わる接触荷重と変位との関係を実測定して接触荷重記憶手段に記憶する工程と、
   前記接触荷重記憶手段に記憶された前記接触式プローブに加わる接触荷重と変位との関係に基づいて、測定時に前記接触式プローブの接触荷重を制御する工程、
   を有することを特徴とする形状測定装置の制御方法。

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