JP5265976B2

JP5265976B2 - 測定機

Info

Publication number: JP5265976B2
Application number: JP2008172334A
Authority: JP
Inventors: 史朗伊賀崎; 正意山縣
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2008-07-01
Filing date: 2008-07-01
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2028-07-01
Also published as: US20100000307A1; JP2010014427A; US8191408B2; EP2141445A1; EP2141445B1

Description

本発明は、測定機に関し、特に、被測定物に当接する接触子を有する測定機に関する。

従来、被測定物に当接する接触子と、前記被測定物の表面に倣って前記接触子を移動させる移動機構と、前記移動機構を制御する制御装置とを備える測定機が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の三次元測定装置は、プローブ（接触子）と、相対移動機構（移動機構）と、制御装置と、被測定物に当接することでプローブにかかる測定力を検出する力センサ（測定力検出手段）とを備えている。そして、制御装置は、所定の目標測定力（目標値）に対する測定力の偏差に基づいて、相対移動機構をフィードバック制御することによって、プローブにかかる測定力を略一定とした状態で被測定物の表面に倣ってプローブを移動させて被測定物の表面性状を測定している。

特開２００７−３０９６８４号公報

ところで、このような測定機では、被測定物の表面の起伏が激しい場合や、プローブを高速で移動させる場合等のフィードバック制御部に高速応答性が要求されるような場合には、測定に際して被測定物からプローブが離間し、被測定物の形状を測定することができなくなる。
これに対して、特許文献１に記載の三次元測定装置では、フィードバック制御部を直列補償する力制御補償器を備えているので、力制御補償器の補償要素を大きくすることによって、フィードバック制御部の高速応答性を向上させることができる。
しかしながら、フィードバック制御部の応答特性は、力制御補償器の補償要素の他、フィードバック制御部を構成する力センサや、相対移動機構等の応答特性によって定まるので、力制御補償器の補償要素を際限なく大きくするとフィードバック制御部の安定性を損なう場合があるという問題がある。

本発明の目的は、フィードバック制御部の安定性を損なうことなく、高速応答性を向上させることができ、測定精度を向上させることができる測定機を提供することにある。

本発明の測定機は、被測定物に当接する接触子と、前記被測定物の表面に倣って前記接触子を移動させる移動機構と、前記移動機構を制御する制御装置とを備える測定機であって、前記被測定物に当接することで前記接触子にかかる測定力を検出する測定力検出手段を備え、前記制御装置は、前記測定力の目標値を出力する目標値出力部と、前記移動機構をフィードバック制御するフィードバック制御部と、前記フィードバック制御部に設けられて前記フィードバック制御を前記測定力に応じてフィードバック補償するフィードバック補償器とを備え、前記フィードバック補償器は、前記測定力と前記目標値との比較に基づいて補償測定力を算出し、前記フィードバック制御部は、前記目標値に対する前記補償測定力の偏差に基づいて前記移動機構をフィードバック制御することを特徴とする。

このような構成によれば、制御装置は、フィードバック補償器を備え、フィードバック補償器は、測定力に応じてフィードバック補償するので、測定に際して被測定物から接触子が離間しにくくなるように、フィードバック補償器から出力される測定力（以下、補償測定力とする）を調整することができる。そして、制御装置は、目標値出力部から出力される目標値に対する補償測定力の偏差に基づいて、移動機構をフィードバック制御するフィードバック制御部を備えるので、フィードバック制御部に高速応答性が要求されるような場合であっても測定に際して被測定物から接触子を離間させにくくすることができる。したがって、測定機は、フィードバック制御部の安定性を損なうことなく、高速応答性を向上させることができ、測定精度を向上させることができる。

本発明では、前記フィードバック補償器は、前記目標値、及び前記測定力を比較し、前記測定力が前記目標値以下のときには、前記偏差が大きくなるようにフィードバック補償することが好ましい。

このような構成によれば、フィードバック補償器は、測定力検出手段にて検出される測定力が目標値以下のときには、目標値に対する補償測定力の偏差が大きくなるようにフィードバック補償するので、移動機構は、測定力検出手段にて検出される測定力が大きくなるように制御される。
これによれば、フィードバック制御部に高速応答性が要求されるような場合であっても測定に際して被測定物から接触子を離間させにくくすることができる。したがって、測定機は、フィードバック制御部の安定性を損なうことなく、高速応答性を向上させることができる。

本発明では、前記フィードバック補償器は、前記測定力が前記目標値より大きいときには、前記偏差が小さくなるようにフィードバック補償することが好ましい。

このような構成によれば、フィードバック補償器は、測定力検出手段にて検出される測定力が目標値より大きいときには、目標値に対する補償測定力の偏差が小さくなるようにフィードバック補償するので、移動機構は、測定力検出手段にて検出される測定力が小さくなるように制御される。したがって、被測定物の形状変化によって接触子が急激に跳ね上げられるような状況においても、過大な測定力の変化が生じ難くなり、被測定物から離れる方向への過大な制御指令が生じないため、被測定物から接触子を離間させにくくすることができる。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
〔表面性状測定機の全体構成〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る表面性状測定機１の正面図である。図２は、表面性状測定機１の概略構成を示すブロック図である。なお、図１、及び図２では、紙面の上方向を＋Ｚ軸方向とし、Ｚ軸に直交する２軸をそれぞれＸ軸（紙面と平行な軸）、及びＹ軸（紙面と直交する軸）として説明する。以下の図面においても同様である。
測定機としての表面性状測定機１は、図１に示すように、測定機本体２と、測定機本体２を制御する制御装置３（図２参照）とを備える。なお、制御装置３については後に詳述する。

測定機本体２は、床面に設置されるベース２１と、ベース２１上に設けられ、被測定物Ｗを載置するＸＹステージ２２と、ベース２１の上面に跨って設けられた門形フレーム２３と、門形フレーム２３のクロスレール２３Ａに設けられたスライダ２４と、スライダ２４の内部に収納されるアーム部２５と、アーム部２５における−Ｚ軸方向側の先端に取り付けられ、被測定物Ｗに当接する接触子４１Ａを有するプローブ４とを備える。

ＸＹステージ２２は、ベース２１、及びＸＹステージ２２の間に介在配置され、ＸＹステージ２２をＸ，Ｙ軸方向に沿って移動させるステージ駆動機構２６を備え、ベース２１の上面（ＸＹ平面）に沿って移動可能に設けられている。
スライダ２４は、スライダ２４をＸ軸方向に沿って移動させるスライダ駆動機構（図示略）を備え、Ｘ軸方向に沿って移動可能に設けられている。
アーム部２５は、スライダ２４の内部をＺ軸方向に沿って移動させるアーム駆動機構（図示略）を備え、Ｚ軸方向に沿って移動可能に設けられている。

プローブ４は、プローブ本体４０と、プローブ本体４０を内部に収納するケース４Ａとを備える。
プローブ本体４０は、図２に示すように、接触子４１Ａを保持する力センサ４１と、力センサ４１を取り付けるためのセンサ取付部４２と、センサ取付部４２のＸ軸方向両側に設けられ、センサ取付部４２、すなわち接触子４１Ａを移動させるセンサ駆動機構４３と、センサ取付部４２の＋Ｚ軸方向側に設けられ、力センサ４１（接触子４１Ａ）のＺ軸方向の位置を検出するセンサ位置検出機構４４と、ケース４Ａ（図１参照）の内部に設けられ、センサ駆動機構４３、及びセンサ位置検出機構４４を支持する一対の支持部４５とを備える。

測定力検出手段としての力センサ４１は、被測定物Ｗに当接することで接触子４１Ａにかかる測定力を検出するものであり、検出された測定力は、制御装置３に出力される。なお、本実施形態では、振動式の力センサを用いて測定力を検出している。
移動機構としてのセンサ駆動機構４３は、センサ取付部４２をＺ軸方向に沿って案内する案内機構４３１と、センサ取付部４２を微細移動させるアクチュエータ４３２とを備える。
センサ位置検出機構４４は、センサ取付部４２の＋Ｚ軸方向側に立設されるＺ軸スケール４４１と、Ｚ軸スケール４４１の値を読み取ることで力センサ４１のＺ軸方向の位置を検出するＺ軸スケール検出器４４２とを備える。Ｚ軸スケール検出器４４２にて検出された力センサ４１の位置は、制御装置３に出力される。

また、ＸＹステージ２２は、ＸＹステージ２２のＸ，Ｙ軸方向の位置を検出するステージ位置検出機構２７を備える。
ステージ位置検出機構２７は、前述したセンサ位置検出機構４４と同様の構成を有し、ＸＹステージ２２のＸ軸方向の位置を検出するＸ軸スケール２７１、及びＸ軸スケール検出器２７２と、Ｙ軸方向の位置を検出するＹ軸スケール（図示略）、及びＹ軸スケール検出器（図示略）とを備える。Ｘ軸スケール検出器２７２、及びＹ軸スケール検出器にて検出されたＸＹステージ２２の位置は、制御装置３に出力される。

表面性状測定機１にて被測定物Ｗの表面性状を測定する際には、まず、制御装置３から出力される制御信号に基づいて、前述したステージ駆動機構２６、スライダ駆動機構、アーム駆動機構が駆動され、接触子４１Ａは、被測定物Ｗの表面近傍位置まで移動する。次に、制御装置３から出力される制御信号に基づいて、ステージ駆動機構２６、及びセンサ駆動機構４３が駆動され、接触子４１Ａは、被測定物Ｗの表面に倣って移動する。
そして、表面性状測定機１は、Ｘ軸スケール検出器２７２、及びＹ軸スケール検出器にて検出されたＸＹステージ２２の位置と、Ｚ軸スケール検出器４４２にて検出された力センサ４１の位置とに基づいて、すなわち接触子４１Ａの位置に基づいて、被測定物Ｗの表面性状を測定する。

〔制御装置の詳細構成〕
制御装置３は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）や、メモリ等を備えて構成され、センサ駆動機構４３を含む測定機本体２全体を制御するものである。なお、本実施形態では、接触子４１Ａを被測定物Ｗの表面に倣って移動させるための制御系について主に説明し、その他の説明を省略する。
制御装置３は、図２に示すように、力センサ４１から出力される測定力の目標値を出力する目標値出力部３１と、目標値に対する測定力の偏差に基づいて、アクチュエータ４３２をフィードバック制御するフィードバック制御部３２とを備える。

フィードバック制御部３２は、フィードバック制御部３２を直列補償する力制御補償器３２１と、フォードバック補償するフィードバック補償器３２２とを備える。ここで、力制御補償器３２１には、所定の補償要素が予め設定されている。
フィードバック補償器３２２は、力センサ４１から出力される測定力に応じてフィードバック補償する。

図３は、フィードバック補償器３２２による補償処理のフローチャートを示す図である。なお、図３において、補償測定力は、フィードバック補償器３２２にてフィードバック補償されて出力される測定力を示している。また、補正係数Ｃ１，Ｃ２は、任意に定められる１より大きい値であり、本実施形態では、それぞれ２に設定されている。

フィードバック補償器３２２は、力センサ４１から出力される測定力が入力されると、ステップＳ１を実行し、入力された測定力と、目標値出力部３１から出力される目標値とを比較する。
そして、ステップＳ１において、測定力が目標値より大きいと判定されたときには、ステップＳ２を実行し、補償測定力を算出して出力する。
また、ステップＳ１において、測定力が目標値以下と判定されたときには、ステップＳ３を実行し、補償測定力を算出して出力する。

図４は、測定力と、補償測定力との関係を示す図である。図５は、測定力と、目標値に対する測定力の偏差との関係を示す図である。なお、図４では、横軸を測定力とし、縦軸を補償測定力とし、図５では、横軸を測定力とし、縦軸を偏差としている。また、図４、及び図５では、目標値をＲとし、フィードバック補償器３２２を備えていない場合における関係図を破線のグラフＧ０で示し、本実施形態における関係図を実線のグラフＧ１で示している。

フィードバック補償器３２２にて測定力が目標値Ｒより大きいと判定されたときには（図４，５中矢印Ａ方向）、フィードバック補償器３２２は、前述したようにステップＳ２を実行し、補償測定力を算出するので、補償測定力は、図４に示すように、フィードバック補償器３２２を備えていない場合と比較して小さくなる。したがって、偏差は、図５に示すように、フィードバック補償器３２２を備えていない場合と比較して小さくなる。
フィードバック補償器３２２にて測定力が目標値Ｒ以下と判定されたときには（図４，５中矢印Ｂ方向）、フィードバック補償器３２２は、前述したようにステップＳ３を実行し、補償測定力を算出するので、補償測定力は、図４に示すように、フィードバック補償器３２２を備えていない場合と比較して小さくなる。したがって、偏差は、図５に示すように、フィードバック補償器３２２を備えていない場合と比較して大きくなる。

このような本実施形態によれば以下の効果がある。
（１）制御装置３は、フィードバック補償器３２２を備え、フィードバック補償器３２２は、測定力に応じてフィードバック補償するので、測定に際して被測定物Ｗから接触子４１Ａが離間しにくくなるように、補償測定力を調整することができる。そして、制御装置３は、目標値出力部３１から出力される目標値Ｒに対する補償測定力の偏差に基づいて、アクチュエータ４３２をフィードバック制御するフィードバック制御部３２を備えるので、フィードバック制御部３２に高速応答性が要求されるような場合であっても測定に際して被測定物Ｗから接触子４１Ａを離間させにくくすることができる。したがって、表面性状測定機１は、フィードバック制御部３２の安定性を損なうことなく、高速応答性を向上させることができ、測定精度を向上させることができる。

（２）フィードバック補償器３２２は、力センサ４１にて検出される測定力が目標値Ｒ以下のときには、目標値Ｒに対する補償測定力の偏差が大きくなるようにフィードバック補償するので、アクチュエータ４３２は、力センサ４１にて検出される測定力が大きくなるように制御される。したがって、フィードバック制御部３２に高速応答性が要求されるような場合であっても測定に際して被測定物Ｗから接触子４１Ａを離間させにくくすることができる。
（３）フィードバック補償器３２２は、力センサ４１にて検出される測定力が目標値Ｒより大きいときには、目標値Ｒに対する補償測定力の偏差が小さくなるようにフィードバック補償するので、アクチュエータ４３２は、力センサ４１にて検出される測定力が小さくなるように制御される。したがって、被測定物Ｗの形状変化によって接触子４１Ａが急激に跳ね上げられるような状況においても、過大な測定力の変化が生じ難くなり、被測定物Ｗから離れる方向への過大な制御指令が生じないため、被測定物Ｗから接触子４１Ａを離間させにくくすることができる。

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態を図面に基づいて説明する。
図６は、測定力と、補償測定力との関係を示す図である。図７は、測定力と、目標値に対する測定力の偏差との関係を示す図である。
前記第１実施形態では、補正係数Ｃ１，Ｃ２は、それぞれ２に設定されていた。これに対して、本実施形態では、補正係数Ｃ１は、１に設定され、補正係数Ｃ２は、２に設定されている点で異なる。
なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。

フィードバック補償器３２２にて測定力が目標値Ｒより大きいと判定されたときには（図６，７中矢印Ａ方向）、フィードバック補償器３２２は、前述したようにステップＳ２を実行し、補償測定力を算出するので、補償測定力、及び偏差は、図６、及び図７に示すように、フィードバック補償器３２２を備えていない場合と同じである。
フィードバック補償器３２２にて測定力が目標値Ｒ以下と判定されたときには（図６，７中矢印Ｂ方向）、フィードバック補償器３２２は、前述したようにステップＳ３を実行し、補償測定力を算出するので、補償測定力は、図６に示すように、フィードバック補償器３２２を備えていない場合と比較して小さくなる。したがって、偏差は、図７に示すように、フィードバック補償器３２２を備えていない場合と比較して大きくなる。

このような本実施形態においても、前記第１実施形態における（１），（２）と同様の作用、効果を奏することができる。

〔実施形態の変形〕
なお、本発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
前記各実施形態では、測定機として表面性状測定機１を例示したが、例えば、三次元測定機等であってもよい。要するに、被測定物に当接する接触子を備える測定機であれば本発明を好適に利用することができる。

前記各実施形態では、フィードバック補償器３２２は、数式からなるステップＳ２、またはステップＳ３を実行することで力センサ４１から出力される測定力に応じてフィードバック補償していた。これに対して、例えば、他の任意の数式によってフィードバック補償してもよく、補償測定力を測定力に関連付けたデータテーブルをメモリ等に記憶しておき、データテーブルを参照することでフィードバック補償してもよい。要するに、フィードバック補償器は、測定力検出手段にて検出される測定力に応じてフィードバック補償することができればよい。

本発明の第１実施形態に係る表面性状測定機の正面図。前記実施形態における表面性状測定機の概略構成を示すブロック図。前記実施形態におけるフィードバック補償器による補償処理のフローチャートを示す図。前記実施形態における測定力と、補償測定力との関係を示す図。前記実施形態における測定力と、目標値に対する測定力の偏差との関係を示す図。本発明の第２実施形態に係る測定力と、補償測定力との関係を示す図。前記実施形態における測定力と、目標値に対する測定力の偏差との関係を示す図。

符号の説明

１…表面性状測定機（測定機）
３…制御装置
３１…目標値出力部
３２…フィードバック制御部
４１…力センサ（測定力検出手段）
４１Ａ…接触子
４３…センサ駆動機構（移動機構）
３２２…フィードバック補償器。

Claims

被測定物に当接する接触子と、前記被測定物の表面に倣って前記接触子を移動させる移動機構と、前記移動機構を制御する制御装置とを備える測定機であって、
前記被測定物に当接することで前記接触子にかかる測定力を検出する測定力検出手段を備え、
前記制御装置は、
前記測定力の目標値を出力する目標値出力部と、
前記移動機構をフィードバック制御するフィードバック制御部と、
前記フィードバック制御部に設けられて前記フィードバック制御を前記測定力に応じてフィードバック補償するフィードバック補償器とを備え、
前記フィードバック補償器は、前記測定力と前記目標値との比較に基づいて補償測定力を算出し、
前記フィードバック制御部は、前記目標値に対する前記補償測定力の偏差に基づいて前記移動機構をフィードバック制御することを特徴とする測定機。
請求項１に記載の測定機において、
前記フィードバック補償器は、前記目標値、及び前記測定力を比較し、前記測定力が前記目標値以下のときには、前記偏差が大きくなるようにフィードバック補償することを特徴とする測定機。
請求項２に記載の測定機において、
前記フィードバック補償器は、前記測定力が前記目標値より大きいときには、前記偏差が小さくなるようにフィードバック補償することを特徴とする測定機。