JP5747180B2 - 形状測定方法および形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定面にスタイラスを接触させながら走査し、順次座標とスタイラス傾きを読み取ることにより測定面の形状を測定する形状測定方法および形状測定装置に関する。

工業製品の小型高性能化に伴い、高精度な部品が増加している。これらの部品等を測定対象とする任意の三次元形状の走査測定のために、測定面にスタイラスを接触させながら走査し、順次座標を読み取ることにより測定面の形状を測定する方式の形状測定装置が提供されている。この種の形状測定において、スタイラスを測定面に対して自動的に走査制御する技術が種々提案されている。

従来のスタイラスの自動走査制御方法には、測定結果に自動走査に起因する振動が影響しないように、滑らかな自動走査を目的とした制御方法を搭載したものがある。（例えば、特許文献１参照。）

図７Ａ〜図９は、前記特許文献１に記載された従来の形状測定装置及び形状測定方法を示すものである。

図７Ａ及び図７Ｂは従来技術における装置構成を示した図で、三次元測定器２２とその制御装置２３と演算装置２４に大別される。三次元測定器２２は測定物２５の測定面２５ａに、プローブ２６に設けられたスタイラス２０を接触させながら測定を行う。プローブ２６は可撓性部材に取り付けられたスタイラス軸の下端に球状のスタイラス２０を持ち、上端にミラーを有する。スタイラス軸は測定面からのＸＹ方向の測定力に対して可撓性部材により傾き、ミラーで反射されたレーザ光からその傾き量が検知される。また、スタイラス軸は測定面からのＺ方向の測定力に対し可撓性部材により上方に移動し、ミラーで反射されたＺ方向測長レーザによりＺ方向の変位が検知される。制御装置２３は、Ｘ座標検出部３１、Ｙ座標検出部３２、Ｚ座標検出部３３、傾き検出部３４、フォーカス誤差信号検出部３５などを備える。演算装置２４は測定点位置演算部４１、スタイラス変位ベクトル検出部４３、移動ベクトル算出部４９、移動指示部８７、動摩擦係数記憶部４０などを備える。

これらの構成から、スタイラス２０が変位した時に、Ｘ座標検出部３１、Ｙ座標検出部３２、Ｚ座標検出部３３で検出したプローブ位置と、傾き検出部３４で検出したスタイラス２０(スタイラス軸)の傾きからスタイラス変位ベクトルが算出される。また、事前に動摩擦係数記憶部４０に記憶させたスタイラス２０と測定面２５ａとの動摩擦係数から算出される動摩擦力によるスタイラス変位ベクトルの方向変化角度を加味して算出した移動ベクトルＭを用いて走査が実行される。

図８は従来技術におけるプローブ位置Ｐとスタイラス位置Ｓの軌跡を示す。プローブ２６はスタイラス２０が測定面２５ａに接触しないプローブ位置Ｐ０（この位置では、スタイラス２０は測定力を受けていないためプローブ２６に対して変位してない。そのため、プローブ位置Ｐ０はスタイラス位置Ｓ０と同じ位置にある）から測定面２５ａに接するスタイラス位置Ｓ１を通過し、所定の押込み量Ｄ１だけ押込まれたプローブ位置Ｐ１まで移動する。プローブ位置Ｐからその時点でのスタイラス位置Ｓへのベクトルをスタイライ変位ベクトルＤと呼ぶ。プローブ位置Ｐ１からスタイラス位置Ｓ１への変位ベクトルはＤ１となる。次に、プローブ２６をプローブ位置Ｐ１からスタイラス変位ベクトルＤ１に垂直な方向に移動ベクトルＭ１だけ移動する。すると、動摩擦力Ｆによりスタイラス変位ベクトルＤが測定面に直角なベクトルＮに対し、方向変化角θ傾く。測定面に平行な方向にプローブ２６を倣い制御するには、スタイラス変位ベクトルＤに対し、事前記憶した動摩擦係数μからθ=atanμなる関係で導いた方向変化角θに９０°を加えた方向にプローブ移動を行う。

特許第４６１１４０３号明細書

前記従来方法では、プローブ２６の傾きの向きや大きさの変化により、走査方向も、押し込み補正方向も変わるため、滑らかとはいえない走査測定となる。動摩擦力の増減が十分小さい範囲においては前記従来方法においても滑らかな走査が期待できる。しかし、実際の測定物では、測定物の材質・形状とスタイラスの材質に起因する、スタイラスと測定物の間の静電引力による動摩擦力の増減がある。この増減により、図８における動摩擦力Ｆが変化し、動摩擦力Ｆによるスタイラス変位ベクトルの方向変化角度θが変動する。

図９は、Ｙ軸傾きを一定の大きさ（グラフでは 縦軸０．７ｍｍ）になるようにスタイラスを押込んで、Ｘ軸に沿って平面を負の方向に走査したときの、スタイラス変位ベクトルＤの様子を図示したものである。プローブ中心位置Ｐは、Ｙ軸方向には押込みの変動が無いようにし、Ｘ軸方向に０．０１ｍｍピッチで約１ｍｍ走査している。スタイラス変位ベクトルＤは、プローブ中心位置Ｐの値に対して約２００倍して表示している。Ｘ方向の傾きが一定ではなく、スタイラス変位ベクトルＤが交差する箇所が発生している。このように、従来の走査測定方法は、滑らかな走査測定を実現できず、振動が発生して測定誤差が増大し、測定時間も延びる。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、スタイラスを測定面に接触させながら走査し、順次座標を読み取ることにより測定面の形状を測定する方式の形状測定装置及び形状測定方法において、スタイラスを測定面に沿って滑らかに走査し、高精度かつ高速な形状測定を実現することを目的とする。

本発明の第１の態様は、測定面からの測定力によってプローブに対して変位可能に支持されたスタイラスを準備し、前記測定面と平行な方向へ指定した距離だけ前記スタイラスを前記測定面に対して移動させる平行移動と、前記プローブに対する前記スタイラスの位置の変位量と変位方向とを含むスタイラス変位ベクトルの前記測定面に法線方向の大きさが予め定められた押込み量の設定値になるように、前記プローブを現在のスタイラス位置と過去のスタイラス位置との差から算出される前記測定面の法線方向に移動させる直交移動とを含む、前記プローブの前記測定面に対する相対移動を繰り返す、形状測定方法を提供する。

本発明の第２の態様は、スタイラスを測定面からの測定力によって変位可能に支持するプローブと、前記スタイラスが前記測定面を走査するように前記プローブと前記測定面の相対位置を移動させる移動部と、前記プローブに対する前記スタイラスの位置の変位量と変位方向とを含むスタイラス変位ベクトルを検出するスタイラス変位ベクトル検出部と、前記測定面の測定点における法線方向を出力する法線方向出力部と、前記法線方向出力部の出力する値に基づき、スタイラス変位ベクトルの前記法線方向成分を算出して出力する法線方向ベクトル成分算出部と、前記測定面に法線方向の押込み量の設定値と法線方向ベクトル成分算出部の出力とに基づいて、前記スタイラス変位ベクトルの法線方向成分が前記押込み量の設定値となるように押込みベクトルを算出する押込ベクトル算出部と、前記法線方向と垂直方向で予め設定された走査速度となる走査ベクトルを算出する走査ベクトル算出部と、前記押込ベクトル算出部の出力と、前記走査ベクトル算出部の出力とから前記プローブに対する移動指令である移動ベクトルを算出する移動ベクトル算出部と、前記移動ベクトルに従って前記プローブが移動するように前記移動部の移動を制御する移動制御部とを備えることを特徴とする形状測定装置を提供する。

摩擦等の外力変化でスタイラス変位ベクトルが変化しても、測定表面からのスタイラスの押込み量が一定値となる。測定面が任意の傾斜を有し、摩擦力によってスタイラス変位ベクトルが測定面に対して直角方向にならなくても、測定力から測定面に直角な方向を検出して測定面に平行な方向にスタイラスを走査して測定できる。また、測定面の傾斜角度に変化があってもスタイラス変位ベクトルの大きさは予め定められた所定値に維持される。換言すれば、測定面の傾斜角度に変化があってもスタイラス変位ベクトルの大きさに変化が生じないように走査でき、より正確に測定面に平行な方向にスタイラスを走査できる。さらに、走査測定開始時に必要な測定面に関するデータ以外に予備データを必要としない。

本発明の形状測定方法及び形状測定装置によれば、摩擦等の外力変化でスタイラス変位ベクトルが変化しても、測定表面からのスタイラスの押込み量が一定値となり、任意の傾斜面を持つ測定面から測定力が摩擦力によって測定面に直角方向にならなくても測定力から測定面に直角な方向を検出し、スタイラス変位ベクトルの法線方向成分を一定になるようにしながら、測定面に平行な方向にスタイラスを走査して測定できるため、滑らかに、より速く、より高精度な形状測定が可能となり、工業製品の精密微細化と高精度化と高い歩留まりの物づくり実現に貢献することができる。

本発明の実施の形態の形状測定装置の構成図。 本発明の実施の形態の形状測定装置の構成図。 本発明の実施の形態のプローブの構成図。 本発明の実施の形態のスタイラス位置、プローブ位置およびスタイラス変位ベクトルを説明する図。 本発明の実施の形態の処理の流れを示すフローチャート。 本発明の実施の形態の軌跡平面図の表記方法を補助するイメージ図 本発明の実施の形態の測定軌跡を示す図 従来発明の形状測定装置の構成図。 従来発明の形状測定装置の構成図。 従来発明の測定軌跡を示す図。 従来発明の倣い制御によるスタイラス変位ベクトルを示した図。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。各図において、同じ構成部分については同じ符号を付し、説明を省略する。

（実施の形態１）
図１Ａ及び図Ｂは本発明の実施の形態１の三次元形状測定装置（以下、単に形状測定装置という。）の構成を示す図である。この形状測定装置は、三次元計測器２２と、制御装置２３と、コンピュータ等で構成される演算装置２４とに大別できる。

三次元計測器２２は、プローブ２６に設けられたスタイラス２０を測定物２５の測定面２５ａに接触させながら測定を行う。測定面２５ａとプローブ２６の相対位置をＸＹＺ方向に動かす移動部として、測定面２５ａをＸ方向に動かすＸ軸モータ８８と、Ｙ方向に動かすＹ軸モータ８９により駆動されるＸＹステージ２７と、プローブ２６が下端に取り付けられ、これをＺ方向に動かすＺステージ２８を備える。なお、大型の測定物を測定する場合は測定面が固定でプローブがＸＹＺ方向に移動する構成も実施可能である。

制御装置２３は、Ｘ座標検出部３１、Ｙ座標検出部３２、Ｚ座標検出部３３、傾き検出部３４、フォーカス誤差信号検出部３５、Ｘ軸制御部３７、Ｙ軸制御部３８、及びＺ軸制御部３９を備える。

演算装置２４は、測定点位置演算部４１、誤差演算出力部４２、スタイラス変位ベクトル検出部４３、前回測定位置記憶部４４、法線方向ベクトル出力部４５、法線方向ベクトル成分算出部４６、押込みベクトル算出部４７、走査方向単位ベクトル算出部４８、移動ベクトル算出部４９、移動指示部８７、法線方向設定・記憶部９１、走査速度設定部９２、走査方向ベクトル算出部９３、押込み量設定部９４、切替スイッチ９５を備える。

Ｘ座標検出部３１は、発振周波数安定化レーザ６１で発生して分岐したレーザ光（図示せず。）をＸＹステージ２７に固定されたＸ参照ミラー６２で反射させる。Ｘ参照ミラー６２の反射光路長変化情報を含むこの反射光と、光路長変化情報を含まない基準のレーザ光とを干渉させ、既知のレーザ測長法によりＸＹステージ２７のＸ方向の移動量を検出する。つまり、Ｘ座標検出部３１はプローブ位置ＰのＸ座標Ｐｘを測定する。同様に、Ｙ座標検出部３２は、発振周波数安定化レーザ６１で発生して分岐したレーザ光６３ｙをＸＹステージ２７に固定されたＹ参照ミラー６４で反射させ、光路長変化情報を含むこの反射光と、光路長変化情報を含まない基準のレーザ光とを干渉させ、既知のレーザ測長法によりＸＹステージ２７のＹ方向の移動量を検出する。つまり、Ｙ座標検出部３２はプローブ位置ＰのＹ座標Ｐｙを測定する。

Ｚ座標検出部３３は、発振周波数安定化レーザ６１で発生して分岐したレーザ光６３ｚを、図２に示すようにスタイラス軸５３の上端のミラー５４に反射させ、光路長変化情報を含むこの反射光と、光路長変化情報を含まない基準のレーザ光とを干渉させ、既知のレーザ測長法によりスタイラス２０のＺ方向の移動量を検出する。つまり、Ｚ座標検出部３３はスタイラス位置ＳのＺ座標Ｓｚを測定する。

このように、レーザ測長による測定データは、測定面に対するプローブ位置ＰのＸＹ座標Ｐｘ，Ｐｙとスタイラス位置ＳのＺ座標Ｓｚである。

図２は本発明の実施の形態１におけるプローブの構成図である。プローブ２６は、可撓性部材５１Ａ，５１Ｂを介して取り付けられたスタイラス２０を備える。可撓性部材５１Ａ，５１Ｂとは力を加えると撓む性質を持つもので、一部に切り欠きを入れて上下（Ｚ方向）と横方向（ＸＹ方向）にバネ性を持たせた金属の板バネやプラスチック、ゴム等で構成されている。スタイラス２０は可撓性部材５１Ａ，５１Ｂに対して固定されたスタイラス軸５３の下端に取り付けられており、スタイラス軸５３の上端にはミラー５４が貼り付けられている。スタイラス２０に対する測定面２５ａからの測定力により、プローブ２６に対してスタイラス２０はＸＹＺ方向のいずれにも相対的に変位可能である。スタイラス２０に測定面２５ａからの測定力が作用すると、ＸＹ方向からの測定力には可撓性部材５１Ａ，５１Ｂが変形してミラー５４が傾斜し、Ｚ方向からの測定力にはミラー５４が上方に移動する。

図３はスタイラス位置Ｓ、プローブ位置Ｐおよびスタイラス変位ベクトルＤを説明する図である。

図３（ａ）は、スタイラス２０に測定力が作用せずスタイラス２０がＸＹＺ方向のいずれにも変位していない状態を示している。図３（ｂ）は、スタイラス２０に測定力が作用し、スタイラス２０がＸＹＺ方向に変位した状態を示している。

スタイラス位置Ｓをスタイラス２０の表面を球面で近似したときの、球の中心の座標と定義する。スタイラス位置Ｓは次式の通りで表される。

スタイラス２０に測定力が作用せずスタイラス２０がＸＹＺ方向のいずれにも変位していないときのスタイラス位置Ｓをプローブ位置Ｐと定義する。プローブ位置Ｐは次式で表される。スタイラス２０がＸＹＺ方向のいずれにも変位していないときは、スタイラス位置Ｓとプローブ位置Ｐは一致する。

測定力が作用してスタイラス位置Ｓがプローブ位置Ｐに対して変位したときの変位量と変位方向を示すベクトルをスタイラス変位ベクトルと定義する。スタイラス変位ベクトルは以下の式で表される。

スタイラス変位ベクトルＤの座標成分は下記の式（１）で表される。

図２において、半導体レーザ６８からのレーザ光６９がコリメートレンズ７０、絞り７１、ビームスプリッタ７２、ダイクロックミラー７３、偏光プリズム７４、ダイクロックミラー７５、及びレンズ７６を介してスタイラス軸５３の上端のミラー５４に入射する。また、ミラー５４の反射光は、レンズ７６、ダイクロックミラー７５、偏光プリズム７４、ダイクロックミラー７３、及びビームスプリッタ７２を介して受光素子７９に入射する。ミラー５４が傾斜すると受光素子７９への反射光の入射位置がずれる。傾き検出部３４（図１Ａ及び図１Ｂ参照）は、この受光素子７９への入射位置のずれを利用して、ミラー５４の傾斜角度、具体的にはスタイラス２０のＸ方向の傾斜角度θｘとＹ方向の傾斜角度θｙを検出する。傾き検出部３４は、傾斜角度θｘ，θｙをそれぞれスタイラス変位ベクトル検出部４３のＸ成分検出部４３ａとＹ成分検出部４３ｂに出力する。Ｘ成分検出部４３ａとＹ成分検出部４３ｂは、傾斜角度θｘ，θｙと既知であるスタイラス軸５３の傾斜の中心からスタイラス２０までの距離Ｌｓから、下記の式（２）で表されるスタイラス変位ベクトルＤのＸＹ座標成分Ｄｘ，Ｄｙを算出する。

再度図２を参照すると、半導体レーザと受光素子の一体化素子８１からのレーザ光８２は、回折格子８３、コリメートレンズ８４、偏光プリズム７４、ダイクロックミラー７５、及びレンズ７６を介してスタイラス軸５３の上端のミラー５４に入射する。また、ミラー５４の反射光（レーザ光８２の反射光）は、レンズ７６、ダイクロックミラー７５、偏光プリズム７４、コリメータレンズ８４、及び回折格子８３を介して一体化素子８１に戻る。ミラー５４が上方に移動するとコリメートレンズ８４による反射光の集光位置にずれが生じる。フォーカス誤差信号検出部３５（図１Ａ及び図１Ｂ参照）は一体化素子８１の受光素子上の集光位置のずれからミラー５４の上方への移動量を検出する。フォーカス誤差信号検出部３５が検出したミラー５４の上方への移動量はフォーカス制御（測定面２５ａとスタイラス２０の距離を一定とする。）に使用される。また、フォーカス誤差信号検出部３５が検出したミラー５４の上方への移動量は、スタイラス変位ベクトル検出部４３のＺ成分検出部４３ｃに出力される。Ｚ成分検出部４３cはフォーカス誤差信号検出部３５からの入力を使用してスタイラス変位ベクトルＤのＺ座標成分Ｄｚを算出する。

測定点位置演算部４１（図１Ａ及び図１Ｂ参照）には、Ｘ座標検出部３１からのプローブ位置ＰのＸ成分Ｐｘ、Ｙ座標検出部３２からのプローブ位置ＰのＹ成分Ｐｙ、Ｚ座標検出部３３からのスタイラス位置ＳのＺ座標Ｓｚがそれぞれ入力される。また、測定点位置演算部４１には、スタイラス変位ベクトル検出部４３のＸ成分検出部４３ａとＹ成分検出部４３ｂから、スタイラス変位ベクトルＤのＸ成分ＤｘとＹ成分Ｄｙがそれぞれ入力される。測定点位置演算部４１は、これらの入力を使用してスタイラス位置Ｓ、プローブ位置Ｐ、及びスタイラス変位ベクトルＤの間の前述の式（１）の関係から、スタイラス位置ＳのＸＹＺ座標Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚを算出する。具体的には、本実施形態における測定点位置演算部４１は、以下の式（３）によりスタイラス位置ＳのＸＹＺ成分Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚを算出する。

図２に示す構造のプローブ２６を使用した場合、前述のようにスタイラス位置ＳのＺ座標ＳｚはＺ座標検出部３３により直接測定される。従って、式（３）に示すようにスタイラス変位ベクトルＤのＺ成分Ｄｚは、測定データであるスタイラス位置Ｓの算出には使用されず、後述するように制御のみに使用される。

また、測定点位置演算部４１は、式（３）で算出したスタイラス位置Ｓを測定点の位置情報（ＸＹＺ座標）に変換する。この変換はスタイラス位置ＳのＸＹＺ座標Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚ、測定面２５ａの傾斜角度、及びスタイラス２０の曲率半径を使用した三角関数を含む演算により可能である。このスタイラス位置Ｓを測定点の位置情報に変換するための演算手法は周知であるので説明を省略する。この演算手法は、例えば特開２００１−２１４９４号公報に記載されている。

測定点位置演算部４１で算出された測定点の位置情報は、誤差演算出力部４２に入力される。誤差演算出力部４２は、測定点位置演算部４１から入力された測定点の位置情報と、測定対象の設計値とを比較し、その誤差を演算する。

図１Ａ及び図１Ｂにおいて、切替えスイッチ９５は、スタイラス変位ベクトル検出部４３の出力と、測定点位置演算部４１と前回測定点位置記憶部４４の差を９０度回転させる法線方向ベクトル出力部４５の出力と、あらかじめ測定物の情報から法線方向を設定・記憶する法線方向設定・記憶部９１の出力を切り替える。法線方向設定・記憶部９１は、測定面２５ａの法線法方向をすべて設定・記憶してもよいし、特に走査開始の一部だけでも良い。

切替えスイッチ９５の出力する法線方向ベクトルを基に、スタイラス変位ベクトルの法線方向成分を算出する法線方向ベクトル成分算出部４６と、押込み量設定部９４と切替えスイッチ９５の出力から押込みベクトルを算出する押込みベクトル算出部４７と、切替えスイッチ９５の出力から走査方向単位ベクトルを算出する走査方向単位ベクトル算出部４８と、走査方向単位ベクトル算出部４８からの出力（走査方向単位ベクトル）と走査速度設定部９２の出力（走査速度）から走査方向移動量を算出する走査方向ベクトル算出部９３が設けられている。

移動ベクトル算出部（加算部）４９は、法線方向ベクトル成分算出部４６の出力と、押込みベクトル算出部４７の出力と、走査方向ベクトル算出部９３の出力とを加減算して移動ベクトルＭを算出する。この移動ベクトルＭの算出には、後述するサーボオン及びサーボオフの実行に必要な情報、及び走査速度設定部９２に記憶されているスタイラス２０による測定面２５ａの走査の実行に必要な情報（走査の経路、走査終了条件等を含む）を使用する。

移動ベクトル算出部４９で算出された移動ベクトルＭは移動指示部８７に出力される。移動指示部８７は、移動ベクトルＭを使用してＸＹステージ２７及びＺステージ２８の移動量を算出する。算出した移動量は、Ｘ軸制御部３７、Ｙ軸制御部３８、Ｚ軸制御部３９に出力され、Ｘ軸モータ８８、Ｙ軸モータ８９、図示しないＺ軸モータを作動させて倣い動作を行う。

図４は本発明の処理の流れを示すフローチャートである。図５は、図６の軌跡平面図の表記方法を補助するイメージ図である。図６は本発明の測定軌跡を示す図で、以後の説明に即して分解表記したものとなっており、図５の矢印の方向（Ｚ軸上方）から見たＸＹ平面に平行な平面内でのプローブ位置Ｐとスタイラス位置Ｓの関係を示したものである。以後の説明では、プローブ位置Ｐを位置P、スタイラス位置Ｓを位置Ｓと表記する。

まず、図４のStep１について図６（ａ）を用いて説明する。

図６(a)において、プローブ２６はスタイラス２０が測定面２５ａに接触しない位置Ｐ０位置決めされている。位置Ｐ０は、測定物２５と最初に接触する測定面２５ａ上の点Ｓ１での概略法線方向にあり、例えば目測などで位置決めがなされる。この位置ではスタイラス２０は測定面２５ａに接触していないため、測定力を受けず、Ｓ０＝Ｐ０である。

プローブ２６を位置Ｐ０から、スタイラス２０が測定面２５ａに接触する位置Ｓ１を超え、位置Ｐ１まで移動させる。この動作をサーボオンと呼ぶ。位置Ｐ１は、位置Ｐ１から位置Ｓ１に至るスタイラス変位ベクトルＤ１の大きさが予め定められた押込み量Ｃになる位置である。図６では拡大表記されているが、実際の形状測定機において押込み量Ｃは３μｍ程度である。

具体的には、サーボオンでは、スタイラス変位ベクトルＤのＸＹＺ成分Ｄｘ，Ｄｙ，Ｄｚの二乗和をモニターしながら、プローブ２６を動かし、以下の式（４）が成立した時点でプローブ２６の移動を停止する。この二乗和のモニターは移動ベクトル算出部４９が実行する。

次に、図４のStep ２では、現在のプローブ位置Ｐを位置Ｐ１、現在のスタイラス位置Ｓを位置Ｓ１、スタイラス変位ベクトルをＤ１とする。また、図６（ｂ）を参照すると、法線方向ベクトル成分算出部４６は、スタイラス変位ベクトルＤ１を位置Ｐ１における法線方向Ｎ１（ベクトル）とする。

次に図４のStep ３について図６（ｃ）および図６（ｄ）を用いて説明する。図６（ｃ）で示す位置Ｐ１にあるプローブ２６を位置Ｐ１から、法線方向Ｎ１に垂直であり、かつＸＹ平面内である方向に距離Ｌｃ１（移動ベクトルＭ１）だけ動かし、位置Ｐ２に移動させる。

距離Ｌｃ１については、次のような観点からその値を設定する。距離Ｌｃ１が過度に小さいと、プローブ２６の移動距離が短くなり、プローブ２６がプローブ位置Ｐ１から動いても、静止摩擦によりスタイラス２０がスタイラス位置Ｓ１から動かない可能性がある。逆に過度に距離Ｌｃ１が大きいと、プローブ２６の移動距離が長くなり、測定面２５ａの傾斜角度変化の影響を受けやすくなり、スタイラス変位ベクトルＤの大きさや方向の変化が大きくなる可能性がある。よって、距離Ｌｃ１はプローブ２６の移動によりスタイラス２０が測定面２５ａ上を移動するという条件を満たす範囲での最小距離で、測定面２５ａの起伏に比べ微小な距離に設定する。

走査方向単位ベクトル算出部４８は、移動ベクトルＭ１の方向の単位ベクトル（走査方向単位ベクトル）を算出する。最初にプローブ２６を移動させるときの走査方向単位ベクトルの算出には、２つの方法がある。一つは、スタイラス変位ベクトル算出部４３が算出した現在のスタイラス変位ベクトルＤ１（法線方向Ｎ１）から算出する方法である。他の一つは、サーボオン動作の方向（概略法線方向）を利用する方法である。２回目以降のプローブ２６を移動させるときの走査方向単位ベクトルの算出は、前者の方法で実行することもできる。図６（Ｃ）はスタイラス変位ベクトルＤ１とサーボオン動作の方向が一致している場合である。走査方向ベクトル算出部９３は走査方向単位ベクトル算出部４８が算出した走査方向単位ベクトルと走査速度設定部９２で設定された走査速度とからプローブ２６の移動ベクトルＭ１を算出し、移動ベクトル算出部４９に出力する（Step ３では走査方向単位ベクトル算出部４８の算出値がそのまま移動ベクトルＭ１となる）。

位置Ｐ１からＰ２に至る移動ベクトルＭ１は、Ｕzを単位ベクトルとすると、以下の式（５）で表すことができる。

図６（ｄ）はプローブ２６が位置Ｐ１から位置Ｐ２へ移動した時の状態を示す。このときのスタイラス２０の位置Ｓ２は動作方向とは反対の方向に働く動摩擦力Ｆにより、位置Ｐ２を通る測定面２５ａに直角なベクトルＮＲ２からずれる。

次に、図４のStep ４について図６（ｅ）を用いて説明する。Step ４では現在のプローブ位置における法線方向を決定する。これ以降は、以下に説明する、現在のスタイラス２０の位置と前のスタイラス２０の位置から次の走査方向を求めるステップを繰り返すので、現在のスタイラス位置をＳ_i、現在のプローブ位置をＰ_i、現在のスタイラス変位ベクトルをＤ_i、前のスタイラス位置をＳ_i-1、前のプローブ位置をＰ_i-1、前のスタイラス変位ベクトルをＤ_i-1と表記し、説明を簡素化する。（i＝2,3,4 …）。

前のスタイラス位置Ｓ_i-1と、現在のスタイラス位置Ｓ_iを結ぶ直線に、現在のプローブ位置Ｐ_iから垂線を降ろした点をＴ_iとする。プローブ位置Ｐ_iからＴ_iへの方向をプローブ位置Ｐ_iにおける法線方向Ｎ_iとすると、以下の式（６）の関係がある。

法線方向ベクトル算出部４５がスタイラス位置Ｓ_i-1（ベクトル）と、現在のスタイラス位置Ｓ_i（ベクトル）とから法線方向Ｎ_i（ベクトル）を算出する。

更に図４のStep ５についても図６（ｅ）を用いて説明する。Step ５では次の手順で、移動ベクトルＭｉを求めていく。

Ｐ_iにおける法線方向の押込量ＤＶ_i（スカラー）は以下の式（７）で表される。

Ｐ_i+1点の押込量が設定値Ｃ（スカラー）になるようにするため、Ｐ_iを法線方向へ移動ベクトルＭ_ｉの法線方向成分Ｍ_iv（押込みベクトルＭ_iv）だけ移動させる必要がある。押込ベクトル算出部４７が、この押込みベクトルＭ_ivを算出する。押込みベクトルＭ_ivは以下の式（８）で表される。

移動ベクトルＭ_ｉの走査方向成分（走査方向移動ベクトル）Ｍ_ihは、設定した走査速度Ｖに測定サンプリング時間Ｔｓを乗じた移動量Ｌｃとすると、以下の式（９）で表される。この式（９）から明らかなように、走査方向移動ベクトルＭ_ｉｈの方向、前のスタイラス位置Ｓ_i-1（ベクトル）から現在のスタイラス位置Ｓ_i（ベクトル）に向かう方向である。

走査方向単位ベクトル算出部４８は走査方向移動ベクトルＭ_ihの方向の単位ベクトルを算出する。走査方向単位ベクトル算出部９３は、この単位ベクトルと、走査速度設定部９２で設定された走査速度Ｖと、測定サンプリング時間Ｔｓとから走査方向移動ベクトルＭ_ihを算出する。

Ｐ_i点における移動ベクトルＭiは、以下の式（１０）で表される。

式（１０）の第１項は法線方向ベクトル算出部４６の出力、第２項は押込みベクトル算出部４７の出力、第３項は走査方向ベクトル算出部９３の出力である。

図４のStep ６では、Step ４およびStep ５をプローブ位置Ｐが測定前に指定した測定終了位置に達するまで繰り返し、測定終了位置に達すると、プローブ２６の動きを停止させる。

図４のStep ７では、プローブ２６の動きを停止させた後、スタイラス変位ベクトルＤ_iの方向に、スタイラス変位ベクトルＤ_iよりも大きい距離だけプローブ６を動かし（この動作をサーボオフと呼ぶ）測定を終了する。

以上は、２つの座標軸と平行な平面で説明したが、任意の平面に対して適用できる。走査測定を実施する平面が決まれば、平面と測定面２５ａの交線が測定軌跡となる。

本実施形態の形状測定により、任意方向に傾斜する測定面からの測定力によるスタイラスの変位が、スタイラスの移動方向にかかる摩擦力によって測定面に直角な方向からずれてもスタイラスを測定面に沿った方向に移動させることができる。また、任意方向に傾斜する測定面に沿った方向にスタイラスを滑らかに移動させることができる。従って、本実施形態の形状測定により、測定速度安定性を高め、測定力も一定にして測定精度を向上させることができる。

（実施の形態２）
実施の形態２では、スタイラス変位ベクトルＤ_ｉの法線方向成分を一定値ＤＶ＝Ｃとするための補正を法線方向算出に比べて高速（制御周期Ｔs秒間隔）で実施し、さらに前回測定位置は何回か前の位置を使用した形態である。

実施の形態１では、駆動系が遅れなく瞬時に指令値どおりに移動することを前提として法線方向移動を以下の式（８）とした。

走査時の押込み量の変化を少なくするためには式（８）を実行する時間間隔Ｔｓを小さくして制御周期を短くすることが有効である。しかし、実際には駆動系の遅れがあるため、時間間隔Ｔｓを短く、つまり制御周期を高速にしていくと発振状態になる。

このため、以下の式（１１）に示すように、駆動系の遅れより決定されるゲインｇ≦１ を乗じることにより、制御周期をあげ、かつ動作を安定させ、押込み量の変化を少なくすることができる。

また、実施の形態１では、駆動系が遅れなく瞬時に指令値どおりに移動することを前提として、法線方向成分の補正と法線方向算出を同じ時間間隔として説明した。安定した動作であれば、（移動距離 Ｌｃ＝設定走査速度 Ｖ ＊ 制御周期 Ｔｓ）である。

実際には、ステージ等の慣性による機構系の遅れ・振動、制御系の遅れが存在する。このため、性能の良い高速な法線方向成分の補正と同じ短い制御周期で、法線方向算出を実施すると、法線方向の誤差が大きくなり、法線方向が振動して、測定面に沿った倣い制御ができず、ジグザグにプローブ２６が移動するため、見かけの走査速度が設定値より小さくなる。このような場合でも、設定走査速度Ｖで安定した走査をさせるため、法線方向を推定する前回の位置をａ回前の位置として、制御周期を遅くすることが有効である。このとき各制御周期ごとの移動量Ｍiは以下の式（１２）に示す通りとなる。

本実施の形態の形状測定により、押込み量Ｃの制御性能を向上させ、かつ安定した走査を実現することができる。

前記法線方向ベクトル成分出力部４６は、スタイラス変位ベクトルが、スタイラス２０の押込み方向変位ベクトルの１／２より小さいとき、スタイラス変位ベクトルを出力し、それよりも大きいときは過去のスタイラス位置と現在のスタイラス測定位置とを結んだ直線と直交するように法線方向を出力してもよい。

本発明の形状測定装置及び形状測定方法は、測定精度、測定速度を高め、測定力も一定にできる特徴を有し、従来は測定できないため高精度化できなかった、あるいは歩留まりが上がらなかった、非球面レンズの形状と側面に対する偏心精度やズームレンズの鏡筒、ズーム溝形状、ハードディスク駆動モータの軸径とオイル流体軸受けの内径や軸受け側面溝形状、一般的な電気製品の部品用金型の内径と外径形状、歯車の歯の形状等の測定にも適用できる。

２０ スタイラス
２１ 三次元形状測定装置
２２ 三次元計測器
２３ 制御装置
２４ 演算装置
２５ 測定物
２５ａ 測定面
２６ プローブ
２７ ＸＹステージ
２８ Ｚステージ
３１ Ｘ座標検出部
３２ Ｙ座標検出部
３３ Ｚ座標検出部
３４ 傾き検出部
３５ フォーカス誤差信号検出部
３７ Ｘ軸制御部
３８ Ｙ軸制御部
３９ Ｚ軸制御部
４０ 動摩擦係数記憶部
４１ 測定点位置演算部
４２ 誤差演算出力部
４３ スタイラス変位ベクトル検出部
４３ａ Ｘ成分検出部
４３ｂ Ｙ成分検出部
４３ｃ Ｚ成分検出部
４４ 前回測定位置記憶部
４５ 法線方向ベクトル出力部
４６ 法線方向ベクトル成分算出部
４７ 押込みベクトル算出部
４８ 走査方向単位ベクトル算出部
４９ 移動ベクトル算出部（加算部）
５１Ａ，５１Ｂ 可撓性部
５３ スタイラス軸
５４ ミラー
６１ 発振周波数安定化レーザ
６２ Ｘ参照ミラー
６３ｙ，６３ｚ レーザ光
６４ Ｙ参照ミラー
６８ 半導体レーザ
６９ レーザ光
７０ コリメートレンズ
７１ 絞り
７２ ビームスプリッタ
７３ ダイクロックミラー
７４ 偏光プリズム
７５ ダイクロックミラー
７６ レンズ
７９ 受光素子
８１ 一体化素子
８２ レーザ光
８３ 回折格子
８４ コリメートレンズ
８７ 移動指示部
８８ Ｘ軸モータ
８９ Ｙ軸モータ
９１ 法線方向設定・記憶部
９２ 走査速度設定部
９３ 走査方向ベクトル算出部
９４ 押込み量設定・記憶部
９５ 切替スイッチ

Claims (9)

1. 測定面からの測定力によってプローブに対して変位可能に支持されたスタイラスを準備し、
   前記測定面と平行な方向へ指定した距離だけ前記スタイラスを前記測定面に対して移動させる平行移動と、前記プローブに対する前記スタイラスの位置の変位量と変位方向とを含むスタイラス変位ベクトルの前記測定面に法線方向の大きさが予め定められた押込み量の設定値になるように、前記プローブを現在のスタイラス位置と過去のスタイラス位置との差から算出される前記測定面の法線方向に移動させる直交移動とを含む、前記プローブの前記測定面に対する相対移動を繰り返す、形状測定方法。
2. 前記プローブの前記測定面の相対移動を繰り返す前に、既知である前記測定面に直交する方向に前記スタイラスが移動するように前記プローブを移動させ、前記スタイラスが前記測定面に接触して、前記スタイラス変位ベクトルの前記測定面の法線方向の大きさが前記押込み量の設定値以上になったときにプローブの移動を停止する、請求項１に記載の形状測定方法。
3. 前記平行移動は以下の式で表される、請求項１又は請求項２に記載の形状測定方法。
   
4. 前記直交移動は以下の式で表される、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の形状測定方法。
   
5. スタイラスを測定面からの測定力によって変位可能に支持するプローブと、
   前記スタイラスが前記測定面を走査するように前記プローブと前記測定面の相対位置を移動させる移動部と、
   前記プローブに対する前記スタイラスの位置の変位量と変位方向とを含むスタイラス変位ベクトルを検出するスタイラス変位ベクトル検出部と、
   前記測定面の測定点における法線方向を出力する法線方向出力部と、
   前記法線方向出力部の出力する値に基づき、スタイラス変位ベクトルの前記法線方向成分を算出して出力する法線方向ベクトル成分算出部と、
   前記測定面に法線方向の押込み量の設定値と法線方向ベクトル成分算出部の出力とに基づいて、前記スタイラス変位ベクトルの法線方向成分が前記押込み量の設定値となるように押込みベクトルを算出する押込ベクトル算出部と、
   前記法線方向と垂直方向で予め設定された走査速度となる走査ベクトルを算出する走査ベクトル算出部と、
   前記押込ベクトル算出部の出力と、前記走査ベクトル算出部の出力とから前記プローブに対する移動指令である移動ベクトルを算出する移動ベクトル算出部と、
   前記移動ベクトルに従って前記プローブが移動するように前記移動部の移動を制御する移動制御部とを備えることを特徴とする形状測定装置。
6. 前記法線方向出力部は、
   走査測定開始時は、設定された値の前記法線方向を出力し、
   走査測定開始後は、過去の測定位置と現在の測定位置とを結んだ直線と直交するように、法線方向出力を更新することを特徴とする請求項５に記載の形状測定装置。
7. 前記法線方向出力部は、前記走査測定開始時に、前記スタイラス変位ベクトルを出力することを特徴とする請求項６に記載の形状測定装置。
8. 前記法線方向出力部にて使用する前測定位置と現測定位置の時間間隔が、前記移動ベクトル算出部における、前記法線方向成分と押込み量設定の差から、法線方向移動量を算出する時間間隔より大きくいことを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の形状測定装置。
9. 前記法線方向出力部は、前記スタイラス変位ベクトルが、前記スタイラスの押込み方向変位ベクトルの１／２より小さいとき、スタイラス変位ベクトルを出力し、大きいときは過去の測定位置と現在の測定位置とを結んだ直線と直交するように法線方向を出力することを特徴とする請求項５に記載の形状測定装置。