JPH07260470A - Measuring apparatus of surface shape - Google Patents

Measuring apparatus of surface shape

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JPH07260470A
JPH07260470A JP6070237A JP7023794A JPH07260470A JP H07260470 A JPH07260470 A JP H07260470A JP 6070237 A JP6070237 A JP 6070237A JP 7023794 A JP7023794 A JP 7023794A JP H07260470 A JPH07260470 A JP H07260470A
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JP
Japan
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measuring
probe
force
measured
measurement
Prior art date
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Application number
JP6070237A
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Japanese (ja)
Inventor
Nobuo Maeda
伸夫 前田
Akira Ishida
明 石田
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Abstract

PURPOSE:To measure the surface shape of an object, to be measured, with high accuracy by a method wherein information on the angle of inclination of a contact measuring point by a measuring probe is inputted and a measuring force is controlled in such a way that a contact deformation amount due to the contact of the measuring probe is definite. CONSTITUTION:A probe shaft 2 which holds a measuring probe 1 is held in the Z-axis by a spring 3, a core 5 is attached to the a probe shaft 2, and a change in a voltage which is generated in a coil 4 according to the displacement in the Z-direction of the probe shaft 2 is detected. When a measurement is started by this constitution, information on an angle corresponding to the measuring point of the measuring probe 1 is inputted, and the angle of inclination theta of the measuring point is read out. A measuring force which satisfies an expression of P=P0sq. rt. COStheta is decided in such a way that the displacement amount in the axial direction of the measuring probe 1 becomes definite (in the expression, P0 represents the measuring force at an angle of inclination of 0). On the other hand, a control means feeds back an actual measuring force obtained by a differential amplifier 4, and it drives servomotor so as to satisfy the expression of P. Thereby, a contact deformation amount is kept always definite, and a surface shape can be measured with high accuracy.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は接触式の座標測定装置に
関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a contact type coordinate measuring device.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、レンズや反射鏡等の光学素子や、
このような光学素子用型物体の表面形状の測定には、図
16に示すような接触式座標測定装置が用いられてい
る。これは、三次元物体の断面形状あるいは表面形状を
測定するために広く利用されており、装置本体の200
xyz方向駆動機構に支持された測定子201が、被測
定物202の表面を移動し、接触点の三次元座標を検出
することによって被検物の表面形状を測定するものであ
る。
2. Description of the Related Art Conventionally, optical elements such as lenses and reflecting mirrors,
A contact-type coordinate measuring device as shown in FIG. 16 is used for measuring the surface shape of such a mold object for an optical element. This is widely used to measure the cross-sectional shape or surface shape of a three-dimensional object.
The tracing stylus 201 supported by the xyz-direction driving mechanism moves on the surface of the object to be measured 202 and detects the three-dimensional coordinates of the contact point to measure the surface shape of the object to be measured.

【0003】このような座標測定装置では、測定子20
1の被測定物202表面への測定力が一定になるような
構成となっている。例えば、測定子201に作用する重
力をおもり(不図示)で釣り合わせる構造の場合は、お
もりの重量を測定子の重量より少し小さくすることによ
り、その重量の差に相当する測定力を得ている。また、
測定子201に作用する重力をバネ力で釣り合わせる構
造の場合は、そのバネの縮み量が一定となる位置を検出
し、この位置を保つことによって測定力を一定に保って
いる。
In such a coordinate measuring device, the measuring element 20
The measurement force on the surface of the DUT 202 is constant. For example, in the case of a structure in which the weight acting on the tracing stylus 201 is balanced by a weight (not shown), the weight of the weight is made slightly smaller than the weight of the tracing stylus to obtain a measuring force corresponding to the difference in weight. There is. Also,
In the case of a structure in which the gravity acting on the tracing stylus 201 is balanced by a spring force, a position where the amount of contraction of the spring is constant is detected, and the measuring force is kept constant by maintaining this position.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の座標測定装置のように測定子の測定力を一定にした
場合、測定子の接触による測定子と被測定物との接触変
形量の和(以下、単に『接触変形量』と記す)は、その
被測定物表面の傾斜角度によって一定でなくなる。
However, when the measuring force of the tracing stylus is made constant as in the above-mentioned conventional coordinate measuring apparatus, the sum of contact deformation amounts of the tracing stylus and the object to be measured due to the contact of the tracing stylus ( Hereinafter, simply referred to as the “contact deformation amount”) is not constant depending on the inclination angle of the surface of the object to be measured.

【0005】このように接触変形量が一定でないと測定
誤差が生じ、被測定物がレンズ、反射鏡等の光学素子
や、このような光学素子用型(プラスチック、ガラスモ
ールド等)などのサブミクロンあるいはそれ以上の形状
精度を要求されるものである場合には、測定精度に対す
る厳しい要求に応えることができないという問題があっ
た。
If the amount of contact deformation is not constant in this way, a measurement error occurs, and the object to be measured is an optical element such as a lens or a reflecting mirror, or a submicron such as a mold for such an optical element (plastic, glass mold, etc.). Alternatively, when a shape accuracy higher than that is required, there is a problem that it is not possible to meet a strict requirement for measurement accuracy.

【0006】本発明は、上記問題を鑑み、被測定物の表
面形状が高精度で測定できる表面形状測定装置を得るこ
とを主目的とする。また、測定子軸方向の接触変形量を
常に一定にすることにより精度の高い表面形状測定がで
きる装置を得ることを目的とする。また、測定子軸方向
の接触変形量を一定とするような測定子の測定力の適当
な制御条件を得ることを目的とする。
In view of the above problems, the main object of the present invention is to obtain a surface profile measuring apparatus capable of measuring the surface profile of an object to be measured with high accuracy. Another object of the present invention is to obtain an apparatus capable of highly accurate surface shape measurement by always keeping the contact deformation amount in the axial direction of the tracing stylus constant. Another object is to obtain an appropriate control condition for the measuring force of the tracing stylus so that the contact deformation amount in the axial direction of the tracing stylus is constant.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1に記載の発明に係る表面形状測定装置で
は、測定子を、被測定物の傾斜角度変化のある曲面上を
移動させて接触点の三次元座標を検出することによって
前記被測定物の表面形状を測定する表面形状測定装置で
あって、前記被測定物表面の前記測定子による接触測定
点の傾斜角度情報を入力する入力手段と、前記測定子の
接触による接触変形量を一定にするよう、前記入力手段
により得られた傾斜角度情報に基づいて、前記測定子の
前記被測定物表面に対する測定力を制御する制御手段
と、を備えたものである。
In order to achieve the above object, in the surface profile measuring apparatus according to the first aspect of the present invention, the tracing stylus is moved on a curved surface having a change in inclination angle of the object to be measured. A surface profile measuring device for measuring the surface profile of an object to be measured by detecting the three-dimensional coordinates of a contact point, the input for inputting inclination angle information of a contact measuring point by the contact point of the surface of the object to be measured. Means, and a control means for controlling the measuring force of the measuring element with respect to the surface of the object to be measured, based on the inclination angle information obtained by the input means, so as to make the contact deformation amount due to the contact of the measuring element constant. , Are provided.

【0008】また、請求項2に記載の発明に係る表面形
状測定装置では、請求項1に記載の表面形状測定装置に
おいて、前記制御手段が、前記測定子軸方向の接触変形
量を一定にするよう制御するものであり、前記測定力を
P、前記傾斜角度をθ、傾斜角度が0の時の測定力をP
0 としたとき、以下の式を満足するものである。 P=P0 √cosθ
Further, in the surface profile measuring apparatus according to a second aspect of the invention, in the surface profile measuring apparatus according to the first aspect, the control means makes the contact deformation amount in the axial direction of the tracing stylus constant. The measurement force is P, the inclination angle is θ, and the measurement force when the inclination angle is 0 is P
When set to 0 , the following formula is satisfied. P = P 0 √cos θ

【0009】[0009]

【作用】請求項1に記載の本発明は、入力手段により得
られた被測定物表面の測定子による接触測定点の傾斜角
度情報に基づき、制御手段によって測定子の被測定物表
面に対する測定力を制御しながら被測定物の表面形状を
測定する装置である。従って、本発明によれば、測定力
を制御することで測定子の接触による被測定物の接触変
形量を常に一定にすることができ、接触変形量の変動に
起因する測定誤差を回避でき、測定精度が向上する。
According to the present invention as set forth in claim 1, based on the information on the inclination angle of the contact measuring point on the surface of the measured object obtained by the input means, the control means measures the measuring force of the measuring element on the surface of the measured object. Is a device for measuring the surface shape of the object to be measured while controlling the. Therefore, according to the present invention, the contact deformation amount of the object to be measured due to the contact of the tracing stylus can be always made constant by controlling the measuring force, and the measurement error due to the variation of the contact deformation amount can be avoided. Measurement accuracy is improved.

【0010】また請求項2に記載の本発明は、制御手段
が、測定力をP、前記傾斜角度をθ、傾斜角度が0の時
の測定力をP0 としたとき、P=P0 √COSθを満足
するように測定力を制御することによって、被測定物の
接触変形量を測定子の軸方向において一定とすることが
でき、これにより測定子は被測定物の実形状と合同の軌
跡を描く。
Further, in the present invention according to claim 2, when the control means sets the measurement force to P, the inclination angle to θ, and the measurement force to P 0 when the inclination angle is 0, P = P 0 √ By controlling the measuring force so as to satisfy COSθ, the contact deformation amount of the object to be measured can be made constant in the axial direction of the measuring element, which allows the measuring element to have a locus congruent with the actual shape of the object to be measured. Draw.

【0011】ここで、図14に測定子部の概念図を示
す。測定子aを介して被測定物bに作用する測定力を制
御する制御手段が測定子軸cに接続されている。被測定
物表面の傾斜角度がθである位置に測定子aを測定力P
で接触させた場合、接触点では、被測定表面に垂直な方
向に接触変形量dnおよび測定子の軸方向に接触変形量
dzで被測定表面に変形が生じる。実際の変形は測定子
a、被測定物bの両方に生じるが、ここでは考え易くす
るために被測定物bのみに変形が生じるとして示してい
る。
Here, FIG. 14 shows a conceptual diagram of the tracing stylus portion. Control means for controlling the measuring force acting on the object to be measured b via the measuring element a is connected to the measuring element shaft c. At the position where the inclination angle of the surface of the object to be measured is θ, measure the measuring force a
When the contact point is touched with, the surface to be measured is deformed at the contact point by the contact deformation amount dn in the direction perpendicular to the surface to be measured and the contact deformation amount dz in the axial direction of the probe. Although the actual deformation occurs in both the measuring element a and the object to be measured b, it is shown here that only the object to be measured b is deformed for easy understanding.

【0012】この時接触点における被測定表面に垂直な
力Nは以下の(11)式で表される。 N=Pcosθ …(11)式
At this time, the force N perpendicular to the surface to be measured at the contact point is expressed by the following equation (11). N = Pcos θ Equation (11)

【0013】力Nによる接触変形量dnはヘルツの公式
により以下の(12)式で表される。 dn=AN2/3 (但しAは定数) …(12)式 定数Aは、測定子aと被測定物bの材質と曲率半径によ
って決定される。被測定物bの曲率半径は場所により異
なるが、一般的には測定子aの曲率半径に比較して充分
に大きいので、平面と考えても誤差は無視出来る。
The contact deformation amount dn due to the force N is expressed by the following formula (12) according to the Hertz formula. dn = AN 2/3 (where A is a constant) (12) The constant A is determined by the material and the radius of curvature of the probe a and the object b. The radius of curvature of the object b to be measured differs depending on the location, but since it is generally sufficiently larger than the radius of curvature of the probe a, the error can be ignored even if it is considered as a plane.

【0014】測定子aの軸方向の接触変形量dzは、以
下の(13)式で表される。 dz=dn/cosθ …(13)式
The axial contact deformation amount dz of the tracing stylus a is expressed by the following equation (13). dz = dn / cos θ (13) Equation

【0015】この(13)式に上記(11)式及び(12)式を用い
て以下の(14)式が得られる。 dz=AP2/3 (cosθ)-1/3 …(14)式
By using the above equations (11) and (12) in this equation (13), the following equation (14) is obtained. dz = AP 2/3 (cos θ) −1/3 (14) Equation

【0016】測定子の測定力による接触変形量が、測定
子の軸方向において一定となるためには(14)式が一定で
なければならないので、以下の(15)式の関係が成立す
る。 P=B√cosθ (Bは定数) …(15)式
In order for the contact deformation amount due to the measuring force of the tracing stylus to be constant in the axial direction of the tracing stylus, the equation (14) must be constant, so the following equation (15) holds. P = B√cos θ (B is a constant) Equation (15)

【0017】(15)式において、傾斜角θ=0のとき測定
力P=P0 とすると、(15)式は以下の(16)式と成り、θ
とP/P0 の間に以下の表1に示す関係がある。 P=P0 √cosθ …(16)式
In the equation (15), if the measuring force P = P 0 when the tilt angle θ = 0, the equation (15) becomes the following equation (16), and θ
And P / P 0 have the relationship shown in Table 1 below. P = P 0 √cos θ (16) Equation

【0018】[0018]

【表1】 [Table 1]

【0019】従って、表1の関係、即ち(16)式を保つよ
うに、被測定物の傾斜角θに応じて測定子の測定力を制
御すれば、測定子の軸方向の接触変形量dzは常に一定
となる。
Therefore, if the measuring force of the tracing stylus is controlled in accordance with the inclination angle θ of the object to be measured so as to maintain the relationship of Table 1, that is, the equation (16), the contact deformation amount dz of the tracing stylus in the axial direction is controlled. Is always constant.

【0020】なお、本発明は、入力手段より測定点の傾
斜角度情報を入力する必要があるがこの傾斜角度情報を
得る方法を以下に示す。まず、被測定物の設計形状
(式、点列)から接触点、即ち測定点の傾斜角度情報を
得る方法が挙げられる。これは、被測定物の実形状が形
状誤差の小さい設計形状に近いものである場合に有効で
ある。この方法を用いる際には、測定時に載置される測
定座標系に対する被測定物の姿勢を予め把握しておく必
要がある。
In the present invention, it is necessary to input the tilt angle information of the measuring point from the input means, but a method of obtaining this tilt angle information will be described below. First, there is a method of obtaining the contact point, that is, the tilt angle information of the measurement point, from the design shape (expression, point sequence) of the object to be measured. This is effective when the actual shape of the object to be measured is close to the design shape with a small shape error. When using this method, it is necessary to know in advance the posture of the object to be measured with respect to the measurement coordinate system placed during measurement.

【0021】また、他の方法として、予め測定力を一定
に制御した従来の測定方式を用いて測定した概略形状測
定値から得る方法がある。この方法では、被測定物の実
形状が設計形状との誤差が小さい必要がなく、また測定
座標系に対する姿勢の把握、制御等が困難である場合を
考慮すると、概略測定の分余計に時間が掛るが、より実
際の傾斜角度に近い値を得ることができる。
As another method, there is a method of obtaining from a rough shape measurement value measured by using a conventional measuring method in which the measuring force is controlled to be constant in advance. This method does not require a small error between the actual shape of the object to be measured and the design shape, and considering that it is difficult to grasp and control the attitude with respect to the measurement coordinate system, the time required for the rough measurement is not sufficient. However, a value closer to the actual tilt angle can be obtained.

【0022】さらに、他の方法として、形状測定しなが
らリアルタイムで傾斜角度情報を得る方法もある。この
方法には、傾斜角度検出測定子を用いることができる。
即ち、接触点の実際の傾斜角度を直接測定子から得る方
法である。
Further, as another method, there is a method of obtaining the tilt angle information in real time while measuring the shape. A tilt angle detecting probe can be used for this method.
That is, it is a method of directly obtaining the actual inclination angle of the contact point from the probe.

【0023】具体的には、所謂面法線検出プローブを利
用できる。これは、プローブの球面に抵抗薄膜を形成し
たその上半球に、それぞれ標準抵抗を介して定電流電源
により被測定物と接続した4つの電極を対称に設置した
ものである。このプローブを被測定物に接触させれば定
電流回路が形成され、定電流電源から流れ出る定電流が
接触点と各電極間の抵抗値に逆比例して分流され各々の
電極に流れ込み、各電極に流れ込む電流値を測定するこ
とによってプローブ上における接触点位置を検出でき、
さらに接触点位置とプローブ中心座標値とから接触点の
単位法線ベクトル、即ち接触点の傾斜角度が検出でき
る。このような面法線検出プローブを用いる場合には、
被測定物が導体である必要がある。
Specifically, a so-called surface normal detection probe can be used. In this probe, four electrodes, which are connected to the object to be measured by a constant-current power source via standard resistors, are symmetrically installed on the upper hemisphere on which a resistive thin film is formed on the spherical surface of the probe. When this probe is brought into contact with the object to be measured, a constant current circuit is formed, and the constant current flowing out from the constant current power supply is shunted in inverse proportion to the resistance value between the contact point and each electrode, and flows into each electrode. The position of the contact point on the probe can be detected by measuring the current flowing into the
Further, the unit normal vector of the contact point, that is, the inclination angle of the contact point can be detected from the contact point position and the probe center coordinate value. When using such a surface normal detection probe,
The device under test must be a conductor.

【0024】リアルタイムで角度情報を得る方法として
直前の測定座標データから測定点の傾斜角度を推定する
方法がある。この方法では、既測定点が2点以上であれ
ば可能であるが、図15(a)に示すように、2点デー
タを用いる場合、2点を通る直線から傾斜角度を推定す
ることになるので曲面形状の被測定物表面の測定を行う
には角度誤差が大きくなってしまう。
As a method of obtaining the angle information in real time, there is a method of estimating the inclination angle of the measurement point from the immediately preceding measurement coordinate data. This method is possible if there are two or more already measured points, but as shown in FIG. 15A, when two-point data is used, the inclination angle is estimated from a straight line passing through the two points. Therefore, the angle error becomes large when performing the measurement of the curved surface of the DUT surface.

【0025】3点データを用いる場合(図15
(b))、3点を通る円弧あるいは2次曲線を求めるこ
とができるので、実際の傾斜角度に対する推定傾斜角度
の誤差は小さい。直前データを用いてリアルタイムで傾
斜角度情報を得る場合、3点、好ましくは4点以上のN
点を通る(N−1)次曲線を求めて推定角度情報を得れ
ば良い。このような推定傾斜角度の誤差は、接触変形量
に対して感度が比較的小さく、実際の表面形状測定に及
ぼす影響は無視できる程度である。但し、あまり次数を
高くすると滑らかな曲線にならない場合があるので注意
する必要がある。また測定開始端の測定データN個は最
終的な形状データに用いられない。
When using three-point data (see FIG. 15)
(B) Since an arc or a quadratic curve passing through three points can be obtained, the error of the estimated tilt angle with respect to the actual tilt angle is small. When obtaining the tilt angle information in real time using the immediately preceding data, N of 3 points, preferably 4 points or more
The estimated angle information may be obtained by obtaining a (N-1) th degree curve passing through the points. Such an error of the estimated tilt angle has a relatively small sensitivity to the contact deformation amount, and its influence on the actual surface shape measurement is negligible. However, it should be noted that if the order is too high, a smooth curve may not be obtained. Further, N pieces of measurement data at the measurement start end are not used for final shape data.

【0026】これらのようなリアルタイムで傾斜角度情
報を得る方法であれば、予め概略形状を測定するための
余計な時間が不必要である。とくに、既測定点データを
用いる方法では、面法線検出プローブなどの特殊な測定
子を必要とせず、被測定物が導体でなければならないと
いう規制もなく構成が簡便である。もちろん本発明に使
用可能な傾斜角度情報を得る方法は以上に挙げた方法に
限定されるものではない。
With such a method for obtaining the inclination angle information in real time, an extra time for measuring the rough shape in advance is unnecessary. In particular, the method using the already-measured point data does not require a special probe such as a surface normal detection probe, and has a simple structure without the restriction that the object to be measured must be a conductor. Of course, the method of obtaining the tilt angle information usable in the present invention is not limited to the method described above.

【0027】また、本発明では、制御手段によって測定
子の測定力を制御するが、その具体的な手段について以
下に挙げる。まず、バネ力の制御によるものが挙げられ
る。即ち、測定子を保持するプローブ軸を装置本体の駆
動機構(Z軸)にバネで支持し、測定子およびプローブ
軸(以下プローブ部と記す)の自重とバネ力が釣合って
被測定物表面に接触した(測定力はゼロ)状態よりも測
定子下端がある程度持ち上がってバネが縮んだ状態で被
測定物表面に接触させる。この時、バネの縮んだ量とバ
ネ定数から決定される測定力が生じる。
Further, in the present invention, the measuring force of the tracing stylus is controlled by the control means, and the concrete means will be described below. First, there is a method of controlling the spring force. That is, the probe shaft holding the probe is supported by the drive mechanism (Z-axis) of the device body by a spring, and the weight of the probe and the probe shaft (hereinafter referred to as the probe portion) and the spring force are balanced to make the surface of the object to be measured. The contact point is brought into contact with the surface of the object to be measured in a state where the lower end of the contact point is lifted to a certain extent and the spring is contracted compared to the state in which the contact point (the measuring force is zero). At this time, a measuring force is generated which is determined by the amount of contraction of the spring and the spring constant.

【0028】従って、バネの縮む量を、例えばZ軸サー
ボモータ等で制御することによって測定力を制御するこ
とができる。なお、このようなバネ力を利用した制御手
段の場合、バネの縮む量あるいはZステージに対する測
定子あるいはプローブ軸の変位量を検出し、検出結果を
フィードバックさせる機構が必要である。
Therefore, the measuring force can be controlled by controlling the amount of contraction of the spring by, for example, the Z-axis servomotor. Incidentally, in the case of such a control means utilizing the spring force, a mechanism for detecting the amount of contraction of the spring or the amount of displacement of the probe or the probe shaft with respect to the Z stage and feeding back the detection result is required.

【0029】また、他の制御手段として、ヴォイスコイ
ルモータの推力制御によるものがある。ヴォイスコイル
モータは入力する電流の大きさに比例した推力を発生す
るものであるので、ヴォイスコイルモータの推力でプロ
ーブ部の自重が釣合った(測定力はゼロ)状態より電流
値を低くした状態で測定子を被測定物表面に接触させ
る。この時測定力が生じるが、入力電流値を制御するこ
とによって測定力を制御することができる。なお、入力
電流が一定ならば測定力は一定であり、Zステージに対
する測定子・プローブ軸の相対変位量が変化しても測定
力は一定である。
Further, as another control means, there is a means for controlling the thrust of the voice coil motor. Since the voice coil motor generates a thrust force proportional to the magnitude of the input current, the current value is lower than the state where the probe weight is balanced by the thrust force of the voice coil motor (measuring force is zero). The probe is brought into contact with the surface of the object to be measured with. At this time, a measuring force is generated, but the measuring force can be controlled by controlling the input current value. If the input current is constant, the measuring force is constant, and the measuring force is constant even if the relative displacement amount of the probe / probe shaft with respect to the Z stage changes.

【0030】また、空気圧シリンダの制御によるものも
挙げられる。空気圧シリンダは、入力する空気圧の大き
さ比例した推力を発生するものであるので、空気圧シリ
ンダの推力でプローブ部の自重が釣合った(測定力はゼ
ロ)状態より空気圧を低くした状態で測定子を被測定物
表面に接触させる。この時測定力が生じるが、入力空気
圧を制御することによって測定力を制御することができ
る。なお、入力空気圧が一定ならば測定力は一定であ
り、Zステージ対する測定子・プローブ軸の相対変位量
が変化しても測定力は一定である。
Further, the control by a pneumatic cylinder may be used. Since the pneumatic cylinder generates a thrust force proportional to the magnitude of the input air pressure, the probe pressure is lower than when the probe weight is balanced by the thrust of the pneumatic cylinder (measurement force is zero). To the surface of the object to be measured. At this time, a measuring force is generated, but the measuring force can be controlled by controlling the input air pressure. It should be noted that if the input air pressure is constant, the measuring force is constant, and the measuring force is constant even if the relative displacement amount of the tracing stylus / probe shaft with respect to the Z stage changes.

【0031】また、これら測定力の制御は、制御手段に
よる制御方法とは別個に設けた機構でプローブ部の自重
を打ち消した状態で行えば、より高い分解能で測定力が
制御できる。例えば、おもりまたはヴォイスコイルモー
タ、空気圧シリンダ等でプローブ部の自重に釣り合わせ
ておいた状態にて、制御手段としてのバネ、あるいはヴ
ォイスコイルモータ、あるいは空気圧シリンダなどの制
御を行うことによって測定子の測定力の制御を行う。な
お、本発明に制御手段として用いられる方法は、上記に
記載されたものに限定されない。
The control of the measuring force can be performed with higher resolution if the mechanism provided separately from the control method by the control means cancels the self-weight of the probe section. For example, by controlling the spring, the voice coil motor, or the pneumatic cylinder as the control means while balancing the weight of the probe with the weight, the voice coil motor, the pneumatic cylinder, or the like, Control the measuring force. The method used as the control means in the present invention is not limited to the one described above.

【0032】[0032]

【実施例】以下に、本発明を実施例を以て説明する。ま
ず、図1に、本発明による表面形状測定装置の測定シス
テム構成の概略を示した。この装置においては、測定子
がX軸方向に移動しつつ被測定物表面に接触するようX
−Z座標系駆動手段によってプローブ軸のX及びZ座標
系での移動が制御され、座標測定手段によって測定子の
接触点(測定点)がX座標系での所定間隔毎に測定され
る。このX−Z座標系における測定が、Y座標系駆動手
段の駆動による被測定物のY軸方向への移動に応じてY
座標系ででの所定間隔毎に行われることによって、測定
子の接触点の三次元座標が測定され、被測定物表面の三
次元形状が得られる。以上の構成は従来の座標測定装置
と同様である。
EXAMPLES The present invention will be described below with reference to examples. First, FIG. 1 shows an outline of a measuring system configuration of a surface profile measuring apparatus according to the present invention. In this device, it is necessary to move the probe in the X-axis direction while touching the surface of the object to be measured.
The movement of the probe axis in the X and Z coordinate systems is controlled by the Z coordinate system driving means, and the contact points (measurement points) of the probe are measured by the coordinate measuring means at predetermined intervals in the X coordinate system. The measurement in the X-Z coordinate system is performed according to the movement of the measured object in the Y-axis direction by the driving of the Y-coordinate system driving means.
By performing the measurement at predetermined intervals in the coordinate system, the three-dimensional coordinates of the contact point of the probe are measured, and the three-dimensional shape of the surface of the object to be measured is obtained. The above configuration is the same as that of the conventional coordinate measuring device.

【0033】本発明の装置では、さらに、測定子の被測
定物表面への測定力を制御する制御手段を備えた構成と
なっている。即ち、制御手段は、入力手段から得られる
被測定物表面の傾斜角度情報に基づき、測定子が接触し
ている測定点での被測定物の接触変形量が常に一定とな
るように測定点の傾斜角度に応じて測定子の測定力を制
御するものである。測定子の軸方向の接触変形量(図1
4dz)を常に一定にするには、前述の(16)式を満たす
よう制御すれば良い。
The apparatus of the present invention further comprises control means for controlling the measuring force of the measuring element on the surface of the object to be measured. That is, the control means, based on the inclination angle information of the surface of the object to be measured obtained from the input means, the contact deformation amount of the object to be measured at the measuring point where the contact point is in contact is always constant. The measuring force of the tracing stylus is controlled according to the tilt angle. Axial contact deformation of probe (Fig. 1
4dz) can always be made constant by controlling so as to satisfy the above equation (16).

【0034】なお、入力手段から制御手段に送られる被
測定物表面の傾斜角度情報は、被測定物の実形状がほぼ
設計形状に近い場合には、設計値による角度情報を外部
情報として入力手段に入力しておけばよい。また、予
め、従来の方式を用いて測定しておいた被測定物の概略
表面形状を角度情報として入力しておいても良い。さら
に、既測定点のデータから測定点の推定傾斜角度を求
め、内部情報として入力手段に記憶させても良い。
As for the inclination angle information of the surface of the object to be measured sent from the input means to the control means, when the actual shape of the object to be measured is close to the design shape, the angle information based on the design value is input as the external information. You can enter it in. Further, the rough surface shape of the object to be measured, which has been measured using the conventional method, may be input in advance as the angle information. Further, the estimated tilt angle of the measurement point may be obtained from the data of the already measured point and stored as internal information in the input means.

【0035】(実施例1)本発明の第1実施例として、
制御手段にバネ力を利用した表面形状測定装置の場合を
説明する。ここでは、バネの縮む量を制御することによ
って測定子1の測定力を制御するが、その測定力を決定
するバネの縮む量、即ちバネとプローブ部の自重が釣り
合って測定子の測定力が0である状態からのプローブ部
の軸方向への変位量Lを検出する検出系に差動変圧器を
用いる構成とした。
(Embodiment 1) As a first embodiment of the present invention,
A case of a surface shape measuring device using a spring force as a control means will be described. Here, the measuring force of the probe 1 is controlled by controlling the amount of contraction of the spring, but the amount of contraction of the spring that determines the measuring force, that is, the self-weight of the spring and the probe portion is balanced and the measuring force of the probe is A differential transformer is used in the detection system for detecting the axial displacement L of the probe portion from the state of 0.

【0036】図2(a)は、本実施例の表面形状測定装
置のプローブ部の概略構成図である。測定子1を保持し
ているプローブ軸2は、バネ3によってZ軸に支持され
ている。また、プローブ軸2には、コア5が取り付けら
れており、プローブ軸2のZ軸方向の変位に応じた移動
に伴って差動変圧器のコイル4に発生する電圧の変化を
検出する。
FIG. 2A is a schematic diagram of the probe section of the surface profile measuring apparatus of this embodiment. The probe shaft 2 holding the probe 1 is supported by the spring 3 on the Z axis. A core 5 is attached to the probe shaft 2 and detects a change in the voltage generated in the coil 4 of the differential transformer as the probe shaft 2 moves in accordance with the displacement in the Z-axis direction.

【0037】以上のような構成において、被測定物の表
面形状測定が開始されると、XYZ座標系の駆動から決
定される測定子1の測定点位置に対応して、入力手段か
らの被測定物の角度情報に基づいた測定点の傾斜角度θ
が読み出され、この傾斜角度θから前記(16)式を満たす
べき所定の測定力が決定される。
In the above-described structure, when the surface shape measurement of the object to be measured is started, the object to be measured from the input means corresponds to the position of the measuring point of the tracing stylus 1 which is determined by the driving of the XYZ coordinate system. Inclination angle θ of the measurement point based on the angle information of the object
Is read out, and a predetermined measuring force that should satisfy the above equation (16) is determined from this inclination angle θ.

【0038】一方、制御手段では、検出系(ここでは差
動変圧器)においてバネ3の変位量から決定される測定
子1の前記測定点における実際の測定力値が得られ、こ
の検出結果がフィードバックされ、前記(16)式を満たす
べき所定の測定力となるようZ軸座標系のサーボモータ
(不図示)を駆動制御し、所定の測定力下での該測定点
の三次元座標を決定する。
On the other hand, the control means obtains the actual measurement force value at the measurement point of the probe 1 determined from the displacement amount of the spring 3 in the detection system (here, the differential transformer), and the detection result is obtained. The servo motor (not shown) of the Z-axis coordinate system is driven and controlled so as to be fed back, and the predetermined measurement force that should satisfy the formula (16) is determined, and the three-dimensional coordinates of the measurement point under the predetermined measurement force are determined. To do.

【0039】以上の操作を、被測定物表面上のX及びY
座標系での所定間隔毎の測定点について、常に(16)式を
満たす所定の測定力下、即ち常に測定子1の軸方向の接
触変形量が一定となるZ座標系位置を決定し三次元座標
検出を行うことにより、高精度な被測定物表面の三次元
形状が測定できる。
The above operation is performed by X and Y on the surface of the object to be measured.
For the measurement points at predetermined intervals in the coordinate system, the Z coordinate system position is always determined under the predetermined measurement force that satisfies the formula (16), that is, the contact deformation amount in the axial direction of the probe 1 is always constant. By detecting the coordinates, the three-dimensional shape of the surface of the object to be measured can be measured with high accuracy.

【0040】本実施例の表面形状測定装置において、測
定子1を直径2mmの球状ルビー、被測定物を光学ガラ
スとし、測定子1の測定力を0.1gfの精度で制御し
つつ被測定物としての光学ガラスの表面形状を測定した
ところ、傾斜角度θ=0°、即ち測定子1が被測定面に
垂直に接触した場合での接触変形量と、傾斜角度θ=4
5°の位置に接触した場合での接触変形量とで約0.0
01μmの差であった。これは、従来通り測定力を5g
fで一定として測定を行った場合のθ=0°とθ=45
°との接触変形量の差約0.01μmに比べ非常に小さ
く、本実施例による装置では、接触変形量の変化に伴う
測定誤差が殆ど解消されるため測定精度が大幅に向上し
たことは明らかである。
In the surface profile measuring apparatus of the present embodiment, the measuring element 1 is a spherical ruby having a diameter of 2 mm, the object to be measured is optical glass, and the object to be measured is controlled with an accuracy of 0.1 gf. As a result of measuring the surface shape of the optical glass, the inclination angle θ = 0 °, that is, the contact deformation amount in the case where the tracing stylus 1 contacts the surface to be measured perpendicularly and the inclination angle θ = 4.
Approximately 0.0 with the amount of contact deformation when contacting a 5 ° position
The difference was 01 μm. This has a measuring force of 5g as before.
θ = 0 ° and θ = 45 when measurement is performed with constant f
The difference between the contact deformation amount and the contact deformation amount is about 0.01 μm, which is very small. It is apparent that the measurement accuracy is greatly improved in the apparatus according to the present embodiment because the measurement error due to the change in the contact deformation amount is almost eliminated. Is.

【0041】なお、本実施例では、測定子に球状ルビー
を用いた場合を示したが、測定子には、その他、セラミ
ックス製、ダイヤモンド製、鋼球、など種々のものが使
用可能である。
In this embodiment, a spherical ruby is used for the measuring element, but various measuring elements such as ceramics, diamond, steel ball can be used.

【0042】また、本装置には、測定力の制御に伴うプ
ローブ軸のZ軸方向への移動を案内するためのガイド6
が設けられている。ガイド方式としては、図2(a)中
に示すように気体静圧軸受を用いることができる。静圧
軸受では、摩擦抵抗が非常に小さく、測定力の軽減に有
利であり、運動性能も高精度である。また、比較的長い
ストローク幅がとれる。
Further, in this apparatus, a guide 6 for guiding the movement of the probe shaft in the Z-axis direction due to the control of the measuring force.
Is provided. As the guide method, a hydrostatic bearing can be used as shown in FIG. Hydrostatic bearings have very low frictional resistance, are advantageous in reducing measurement force, and have high precision in motion performance. Also, a relatively long stroke width can be obtained.

【0043】また、他のプローブ軸ガイド方式として
は、図2(b)に示すような平行バネ8を用いたものが
ある。これは、微小変化に対して高精度な方式である。
但し、変位によりバネ力が変化するため変位可能な範囲
に制限がある。
Another probe axis guide system uses a parallel spring 8 as shown in FIG. 2 (b). This is a highly accurate method for minute changes.
However, since the spring force changes due to displacement, there is a limit to the range in which displacement is possible.

【0044】また、バネの縮み量、プローブ部の軸方向
の変位量Lを検出するとして差動変圧器を用いた場合を
説明したが、その他にも変位量Lを検出する方法として
種々のものがあるが、いずれも、測定子による測定力に
影響を与えないように、非接触式の検出系を用いる必要
がある。このような非接触式の検出方法の他の例を以下
に示す。
The case where a differential transformer is used to detect the amount of contraction of the spring and the amount of displacement L of the probe portion in the axial direction has been described, but there are various other methods for detecting the amount of displacement L. However, in both cases, it is necessary to use a non-contact detection system so as not to affect the measuring force of the probe. Another example of such a non-contact detection method is shown below.

【0045】例えば、図3に示すレーザ測長機を用いた
方法がある。これは、レーザ光源11からの出射ビーム
を、干渉光学系12において2つに分け、一方をプロー
ブ軸上面Sに反射させ、他方を干渉光学系12の固定反
射鏡に反射させ、これらの適当な光路差(位相差)を持
つ2反射光の光路を再び合成し、干渉させ、受光部13
で干渉像を得るものである。この干渉像は、プローブ軸
上面Sの位置変化に応じて変化するため、これを検出す
ることによってプローブ部の変位量Lが求められる。こ
の方式によれば、高分解能、高精度な変位量検出が行え
るが、ダイナミックレンジが大きく、微小な変位の測定
には過剰である。
For example, there is a method using a laser length measuring machine shown in FIG. This is because the beam emitted from the laser light source 11 is divided into two beams in the interference optical system 12, one of which is reflected on the probe shaft upper surface S and the other of which is reflected by the fixed reflecting mirror of the interference optical system 12, and these are appropriately selected. The optical paths of the two reflected lights having the optical path difference (phase difference) are combined again to cause interference, and the light receiving unit 13
To obtain an interference image. Since this interference image changes according to the position change of the probe shaft upper surface S, the displacement amount L of the probe portion can be obtained by detecting this. According to this method, the displacement amount can be detected with high resolution and high accuracy, but the dynamic range is large and it is excessive for measuring a minute displacement.

【0046】次に、光学式変位計を用いた検出系を示
す。図4では、レーザ変位計,LED 変位計14を備え、
プローブ軸上面Sに光を投射し、このプローブ軸上面S
の移動に伴う光の反射位置変化を検出することによって
変位量Lを求める構成である。この方式では、比較的低
分解能から高分解能まで各種のレベルで設定可能であ
り、ダイナミックレンジも中程度である。
Next, a detection system using an optical displacement meter will be shown. In FIG. 4, a laser displacement meter and an LED displacement meter 14 are provided,
Light is projected onto the probe shaft upper surface S, and the probe shaft upper surface S
The displacement amount L is obtained by detecting a change in the reflection position of light accompanying the movement of the. With this method, it is possible to set at various levels from relatively low resolution to high resolution, and the dynamic range is medium.

【0047】また、図5に示すような光ファイバ式変位
計も使用できる。(光ファイバ)光源・検出部16から
の光を光ファイバ15の先端からプローブ軸上面Sに投
射し、ここからの反射光量の変化を検出することによっ
て変位量Lを求めるものである。この方式は、ダイナミ
ックレンジが狭いが、高分解能で微小変位の測定に適し
ている。
An optical fiber type displacement gauge as shown in FIG. 5 can also be used. (Optical fiber) The displacement amount L is obtained by projecting the light from the light source / detection unit 16 from the tip of the optical fiber 15 onto the probe shaft upper surface S and detecting the change in the reflected light amount from this. Although this method has a narrow dynamic range, it is suitable for measuring small displacements with high resolution.

【0048】また、図6に、静電容量形変位計18を用
いた検出系を示す。これは、センサ部17により、セン
サと測定対象物であるプローブ軸上面Sとの間の静電容
量を測定し、その変化を検出することによって変位量L
を求めるものである。この静電容量形変位計は、ダイナ
ミックレンジが狭いが、高分解能で微小変位の測定に適
している。
Further, FIG. 6 shows a detection system using the capacitance type displacement meter 18. This is because the sensor unit 17 measures the capacitance between the sensor and the probe shaft upper surface S, which is the measurement target, and detects the change to measure the displacement L.
Is to seek. Although this capacitance type displacement meter has a narrow dynamic range, it is suitable for measuring minute displacement with high resolution.

【0049】また、図7に示すようなリニアスケールを
用いた検出系もある。これは、プローブ軸2に取り付け
たスケールのプローブ軸の移動に伴う変位を光学式ある
いは磁気式検出器20で検出することによって変位量L
を求めることができる。このリニアスケールによる検出
方式は、低分解能から高分解能まで各種レベルでの設定
が可能でダイナミックレンジも各種あり、微小変位から
長ストロークまで適当な仕様が選択できる。
There is also a detection system using a linear scale as shown in FIG. This is because the displacement caused by the movement of the probe shaft of the scale attached to the probe shaft 2 is detected by the optical or magnetic detector 20.
Can be asked. This linear scale detection method can be set at various levels from low resolution to high resolution, has various dynamic ranges, and suitable specifications can be selected from minute displacement to long stroke.

【0050】また、図8に示すような超音波式変位計2
1による変位量Lの検出方法もある。これは、プローブ
軸上面Sへ超音波を投射し、反射して戻るまでにかかる
時間を測定し、プローブ軸の移動に伴って変化する時間
から変位量Lを求めることができる。
Further, the ultrasonic type displacement meter 2 as shown in FIG.
There is also a method of detecting the displacement amount L by 1. In this, the amount of displacement L can be obtained from the time required to project the ultrasonic wave on the upper surface S of the probe shaft, to reflect and return the ultrasonic wave, and to change the time with the movement of the probe shaft.

【0051】(実施例2)次に、本発明の第2の実施例
として、制御手段にヴォイスコイルモータの推力を利用
した表面形状測定装置の場合を説明する。図9は、本実
施例の表面形状測定装置のプローブ部の概略構成図であ
る。測定子101を保持しているプローブ軸102は、
プローブ軸102に設けられたコア104がZ軸に固定
されたヴォイスコイル103に磁気吸引されることによ
ってZ座標系を移動するZ軸に支持されている。
(Embodiment 2) Next, as a second embodiment of the present invention, a case of a surface profile measuring apparatus using thrust of a voice coil motor as a control means will be described. FIG. 9 is a schematic configuration diagram of the probe unit of the surface profile measuring apparatus of this embodiment. The probe shaft 102 holding the probe 101 is
The core 104 provided on the probe shaft 102 is magnetically attracted to the voice coil 103 fixed to the Z-axis, so that the core 104 is supported by the Z-axis which moves in the Z coordinate system.

【0052】このような推力は、入力される電流の大き
さに比例する。ここでは、プローブ軸102のZ軸に対
する相対的変位は、気体静圧軸受106からなるプロー
ブガイド105によって軸方向にスムーズに案内され
る。ヴォイスコイルモータの推力によってプローブ部の
自重を釣り合わせた状態では、測定力はゼロであり、こ
の状態より電流値を低くすることによって測定力が発生
し、入力電流値を制御することによって測定力を制御す
ることができる。
Such thrust is proportional to the magnitude of the input current. Here, the relative displacement of the probe shaft 102 with respect to the Z axis is smoothly guided in the axial direction by the probe guide 105 including the static gas bearing 106. The measuring force is zero when the weight of the probe section is balanced by the thrust of the voice coil motor.The measuring force is generated by lowering the current value from this state, and the measuring force is generated by controlling the input current value. Can be controlled.

【0053】以上のような構成において、被測定物の表
面形状測定が開始されると、XYZ座標系の駆動から決
定される測定子101の測定点位置に対応して、入力手
段からの被測定物の角度情報に基づいた測定点の傾斜角
度θが読み出され、この傾斜角度θから前記(16)式を満
たすべき所定の測定力が決定される。
In the above-described structure, when the surface shape measurement of the object to be measured is started, the object to be measured from the input means corresponds to the position of the measuring point of the tracing stylus 101, which is determined by driving the XYZ coordinate system. The inclination angle θ of the measurement point is read out based on the angle information of the object, and the predetermined measurement force that should satisfy the above equation (16) is determined from this inclination angle θ.

【0054】一方、制御手段では、前記(16)式を満たす
べき所定の測定力となるようヴォイスコイルモータへの
入力電流値を制御し、所定の測定力下での該測定点の三
次元座標を決定する。ヴォイスコイルモータでは、入力
電流値が一定であれば、Z座標系に対するプローブ部の
相対的変位量Lが変化しても測定力は一定である。従っ
て、測定力の制御は直接入力電流値の制御によって行え
るため、バネ力の制御による場合のように、変位量Lか
ら測定力を検出し、検出結果をフィードバックして目標
の測定力を目指すための検出系を必要としない。
On the other hand, the control means controls the input current value to the voice coil motor so as to obtain a predetermined measuring force that should satisfy the equation (16), and the three-dimensional coordinates of the measuring point under the predetermined measuring force. To decide. In the voice coil motor, if the input current value is constant, the measuring force is constant even if the relative displacement amount L of the probe unit with respect to the Z coordinate system changes. Therefore, the measurement force can be controlled directly by controlling the input current value, so that the measurement force is detected from the displacement L and the detection result is fed back to aim at the target measurement force, as in the case of the control of the spring force. No detection system is required.

【0055】以上の操作を、被測定物表面上のX及びY
方向へ所定間隔毎の測定点について、常に(16)式を満た
す所定の測定力下、即ち常に測定子101の軸方向の接
触変形量が一定となる状態において三次元座標検出を行
うことにより、高精度な被測定物表面の三次元形状が測
定できる。
The above operation is performed by X and Y on the surface of the object to be measured.
With respect to the measurement points at predetermined intervals in the direction, under the predetermined measurement force that always satisfies the expression (16), that is, by performing the three-dimensional coordinate detection in the state where the contact deformation amount in the axial direction of the probe 101 is always constant, The three-dimensional shape of the surface of the object to be measured can be measured with high accuracy.

【0056】(実施例3)次に、第3の実施例として、
制御手段に空気圧を利用した表面形状測定装置の場合を
説明する。図10は、本実施例の表面形状測定装置のプ
ローブ部の概略構成図である。測定子111を保持して
いるプローブ軸112は、プローブ軸112に設けられ
たピストン114がZ軸に固定されたシリンダ113内
で吸引されることによってZ軸に支持されている。
(Embodiment 3) Next, as a third embodiment,
A case of a surface shape measuring device using air pressure as the control means will be described. FIG. 10 is a schematic configuration diagram of the probe unit of the surface profile measuring apparatus of this embodiment. The probe shaft 112 holding the tracing stylus 111 is supported on the Z axis by the piston 114 provided on the probe shaft 112 being sucked in the cylinder 113 fixed to the Z axis.

【0057】このような空気圧シリンダによる推力は、
入力される空気圧の大きさに比例する。ここでは、空気
圧の大きさに応じたピストン114のシリンダ113内
での往復運動に伴うプローブ軸112のZ軸に対する相
対的変位は、気体静圧軸受116からなるプローブガイ
ド115によって軸方向にスムーズに案内される。空気
圧シリンダの推力によってプローブ部の自重を釣り合わ
せた状態では、測定力はゼロである。この状態より空気
圧を低くすることによって測定力が発生し、空気圧を制
御することによって測定力を制御することができる。
The thrust produced by such a pneumatic cylinder is
It is proportional to the magnitude of the input air pressure. Here, the relative displacement of the probe shaft 112 with respect to the Z axis due to the reciprocating motion of the piston 114 in the cylinder 113 according to the magnitude of the air pressure is smoothly performed in the axial direction by the probe guide 115 including the gas static pressure bearing 116. Be guided. The measuring force is zero when the weight of the probe portion is balanced by the thrust of the pneumatic cylinder. The measuring force is generated by lowering the air pressure from this state, and the measuring force can be controlled by controlling the air pressure.

【0058】以上のような構成において、被測定物の表
面形状測定が開始されると、XYZ座標系の駆動から決
定される測定子111の測定点位置に対応して、入力手
段からの被測定物の角度情報に基づいた測定点の傾斜角
度θが読み出され、この傾斜角度θから前記(16)式を満
たすべき所定の測定力が決定される。
In the above-described structure, when the surface shape measurement of the object to be measured is started, the object to be measured from the input means corresponds to the position of the measuring point of the tracing stylus 111 determined by the driving of the XYZ coordinate system. The inclination angle θ of the measurement point is read out based on the angle information of the object, and the predetermined measurement force that should satisfy the above equation (16) is determined from this inclination angle θ.

【0059】一方、制御手段では、前記(16)式を満たす
べき所定の測定力となるようヴォイスコイルモータへの
入力電流値を制御し、所定の測定力下での該測定点の三
次元座標を決定する。空気圧シリンダでは、入力空気圧
が一定であれば、Z座標系に対するプローブ部の相対的
変位量Lが変化しても測定力は一定である。従って、測
定力の制御は直接入力空気圧の制御によって行えるた
め、バネ力の制御による場合のように、変位量Lから測
定力を検出し、検出結果をフィードバックして目標の測
定力を目指すための検出系を必要としない。
On the other hand, the control means controls the input current value to the voice coil motor so as to obtain a predetermined measuring force that should satisfy the above expression (16), and the three-dimensional coordinates of the measuring point under the predetermined measuring force. To decide. In the pneumatic cylinder, if the input air pressure is constant, the measuring force is constant even if the relative displacement amount L of the probe unit with respect to the Z coordinate system changes. Therefore, the control of the measuring force can be performed by directly controlling the input air pressure. Therefore, as in the case of controlling the spring force, the measuring force is detected from the displacement amount L and the detection result is fed back to aim at the target measuring force. No detection system is required.

【0060】以上の操作を、被測定物表面上のX及びY
方向へ所定間隔毎の測定点について、常に(16)式を満た
す所定の測定力下、即ち常に測定子111の軸方向の接
触変形量が一定となる状態において三次元座標検出を行
うことにより、高精度な被測定物表面の三次元形状が測
定できる。
The above operation is performed for X and Y on the surface of the object to be measured.
With respect to the measurement points at predetermined intervals in the direction, under the predetermined measurement force that always satisfies the expression (16), that is, by performing the three-dimensional coordinate detection in the state where the contact deformation amount in the axial direction of the tracing stylus 111 is always constant, The three-dimensional shape of the surface of the object to be measured can be measured with high accuracy.

【0061】(実施例4)以上に説明した実施例では、
制御手段は、ある程度プローブ部の自重を打ち消した上
でさらに同手段によって測定力を制御する構成とした
が、プローブ部の自重を打ち消すための手段を測定力を
制御するためのものと別個に設ける構成としても良い。
そこで、まず本発明の第4実施例として、プローブ部の
自重をある程度打ち消しておく手段としておもりを用い
た場合を以下に示す。
(Embodiment 4) In the embodiment described above,
The control means is configured to cancel the self-weight of the probe part to some extent and further control the measuring force by the same means, but a means for canceling the self-weight of the probe part is provided separately from the means for controlling the measuring force. It may be configured.
Therefore, first, as a fourth embodiment of the present invention, a case where a weight is used as a means for canceling the weight of the probe portion to some extent will be described below.

【0062】図11(a)は、プローブ部の自重をおも
りである程度釣り合わせた上で、バネ力の制御によって
測定力の制御を行う構成とした表面形状測定装置のプロ
ーブ部の概略を示したものである。測定子121を保持
しているプローブ軸122は、Z軸に固定された滑車1
24を介しておもり123に釣り合った状態で支持され
ている。ここでは、プローブ軸122のZ軸に対する相
対的変位は、気体静圧軸受126からなるプローブガイ
ド125によって軸方向にスムーズに案内される。
FIG. 11 (a) shows an outline of the probe section of the surface profile measuring apparatus constructed such that the measuring force is controlled by controlling the spring force after the weight of the probe section is balanced to some extent by the weight. It is a thing. The probe shaft 122 holding the probe 121 is a pulley 1 fixed to the Z-axis.
It is supported in balance with the weight 123 via 24. Here, the relative displacement of the probe shaft 122 with respect to the Z axis is smoothly guided in the axial direction by the probe guide 125 including the static gas bearing 126.

【0063】また、プローブ軸122は、バネ127に
よってもZ軸に支持されており、被測定物の表面形状測
定が開始され、測定子121が被測定物表面に接触した
時点では、バネ127は接触点において測定力が生じる
程度に縮んだ状態である。このバネの縮み量をZ軸座標
系のサーボモータ(不図示)を駆動制御して所定の測定
力下での該測定点の三次元座標を決定する。なお、バネ
力の制御によって測定力を制御する場合には、バネの縮
み量(変位量L)を検出する検出系を設ける必要があ
る。これは、実施例1において図2〜図8で示したよう
な変動変圧器、レーザ変位計、光ファイバ式変位計、静
電容量形変位計、リニアスケール超音波式変位計等の方
式を適宜選択して用いれば良い。
The probe shaft 122 is also supported on the Z axis by the spring 127, and when the surface shape measurement of the object to be measured is started and the probe 121 comes into contact with the surface of the object to be measured, the spring 127 is It is in a state of being contracted to the extent that a measuring force is generated at the contact point. The amount of contraction of the spring is controlled by driving a servo motor (not shown) in the Z-axis coordinate system to determine the three-dimensional coordinates of the measurement point under a predetermined measurement force. When the measuring force is controlled by controlling the spring force, it is necessary to provide a detection system that detects the amount of contraction (displacement amount L) of the spring. 2 to 8 in the first embodiment, a variable transformer, a laser displacement meter, an optical fiber type displacement meter, a capacitance type displacement meter, a linear scale ultrasonic displacement meter, or the like. You can select and use it.

【0064】以上のような構成において、被測定物の表
面形状測定が開始されると、XYZ座標系の駆動から決
定される測定子121の測定点位置に対応して、入力手
段からの被測定物の角度情報に基づいた測定点の傾斜角
度θが読み出され、この傾斜角度θから前記(16)式を満
たすべき所定の測定力が決定される。
When the surface shape measurement of the object to be measured is started in the above structure, the object to be measured from the input means corresponds to the position of the measuring point of the tracing stylus 121, which is determined by driving the XYZ coordinate system. The inclination angle θ of the measurement point is read out based on the angle information of the object, and the predetermined measurement force that should satisfy the above equation (16) is determined from this inclination angle θ.

【0065】一方、制御手段では、検出系においてバネ
127の変位量Lから決定される測定子121の前記測
定点における実際の測定力値が得られ、この検出結果が
フィードバックされ、前記(16)式を満たすべき所定の測
定力となるようZ軸座標系のサーボモータ(不図示)を
駆動制御し、所定の測定力下での該測定点の三次元座標
を決定する。
On the other hand, the control means obtains the actual measuring force value at the measuring point of the tracing stylus 121, which is determined from the displacement amount L of the spring 127 in the detecting system, and feeds back the detection result, and the above (16) A Z-axis coordinate system servomotor (not shown) is drive-controlled so as to obtain a predetermined measurement force that should satisfy the expression, and the three-dimensional coordinates of the measurement point under the predetermined measurement force are determined.

【0066】以上の操作を、被測定物表面上のX及びY
座標系での所定間隔毎の測定点について、常に(16)式を
満たす所定の測定力下、即ち常に測定子121の軸方向
の接触変形量が一定となるZ座標系位置を決定し三次元
座標検出を行うことにより、高精度な被測定物表面の三
次元形状が測定できる。このような構成の表面形状測定
装置では、プローブ部の自重を打ち消すための手段を測
定力の制御のためバネ力の制御機構とは別個に設けたこ
とによって、実施例1に示したようなバネ力のみを用い
た構成よりも測定力の制御がより高い分解能で行える。
The above operation is performed by X and Y on the surface of the object to be measured.
For the measurement points at predetermined intervals in the coordinate system, the Z coordinate system position is always determined under the predetermined measurement force that satisfies the equation (16), that is, the contact deformation amount of the contact tip 121 in the axial direction is always constant. By detecting the coordinates, the three-dimensional shape of the surface of the object to be measured can be measured with high accuracy. In the surface profile measuring apparatus having such a configuration, the means for canceling the self-weight of the probe unit is provided separately from the spring force control mechanism for controlling the measuring force, so that the spring as shown in the first embodiment is provided. The measurement force can be controlled with higher resolution than the configuration using only the force.

【0067】また、測定力の制御に他の方式を用いた構
成としても良い。例えば、図11(b)に示すように、
滑車124を介しておもり123である程度自重が打ち
消された状態でプローブ部を支持する構成に、実施例2
で用いたヴォイスコイルモータを備えたものである。プ
ローブ軸122に設けられたコア129は、Z軸にに固
定されたヴォイスコイル128に入力される電流値に応
じて生じる推力によって磁気吸引されている。
In addition, another method may be used for controlling the measuring force. For example, as shown in FIG.
The second embodiment has a configuration in which the probe portion is supported with the weight 123 being canceled to some extent by the weight 123 via the pulley 124.
It is equipped with the voice coil motor used in. The core 129 provided on the probe shaft 122 is magnetically attracted by the thrust generated according to the current value input to the voice coil 128 fixed to the Z axis.

【0068】従って入力電流値を制御することによって
その推力が制御され、入力手段からの傾斜角度情報に応
じて(16)式を満足する所定の測定力となるよう制御され
つつ常にプローブ軸方向の接触変形量が一定の状態で被
測定物表面の三次元形状が測定される。ここでは、バネ
力による測定力の制御の場合のように変位量を検出する
ための検出系を設ける必要もない。このヴォイスコイル
モータを用いた表面形状装置では、プローブ部の自重を
打ち消すための手段を測定力の制御のためのものとは別
個に設けたことによって、実施例2に示したヴォイスコ
イルモータのみを用いた構成よりも測定力の制御がより
高い分解能で行える。
Therefore, the thrust force is controlled by controlling the input current value, and the thrust force is always controlled in the probe axis direction while being controlled so as to obtain a predetermined measuring force satisfying the expression (16) according to the tilt angle information from the input means. The three-dimensional shape of the surface of the object to be measured is measured while the amount of contact deformation is constant. Here, it is not necessary to provide a detection system for detecting the amount of displacement as in the case of controlling the measuring force by the spring force. In the surface shape apparatus using this voice coil motor, only the voice coil motor shown in the second embodiment is provided by providing the means for canceling the weight of the probe section separately from the means for controlling the measuring force. The measurement force can be controlled with higher resolution than the configuration used.

【0069】また、図11(C)には、測定力の制御用
に実施例3で用いた空気圧シリンダを備えた構成を示
す。図11(a)(b)と同様にプローブ部は滑車12
4を介しておもり123である程度自重が打ち消された
状態で支持されると共に、プローブ軸122に設けられ
たピストン131がシリンダ130内で入力される空気
圧の大きさに応じて生じる推力によって往復運動可能に
吸引されている。
Further, FIG. 11C shows a structure provided with the pneumatic cylinder used in the third embodiment for controlling the measuring force. As in FIGS. 11 (a) and 11 (b), the probe portion is a pulley 12
The piston 131 provided on the probe shaft 122 can be reciprocated by the thrust generated according to the magnitude of the air pressure input in the cylinder 130 while being supported by the weight 123 via the weight 123 to some extent. Have been sucked into.

【0070】従って、空気圧を制御することによってシ
リンダ130における推力が制御され、入力手段からの
傾斜角度情報に応じて(16)式を満足する所定の測定力と
なるよう制御されつつ常にプローブ軸方向の接触変形量
が一定の状態で被測定物表面の三次元形状が測定され
る。ここでは、バネ力による測定力の制御に場合のよう
に変位量を検出するための検出系を設ける必要もない。
この空気圧シリンダを用いた表面形状測定装置では、プ
ローブ部の自重を打ち消すための手段を測定力の制御の
ためのものとは別個に設けたことによって、実施例3に
示した空気圧シリンダのみを用いた構成よりも測定力の
制御がより高い分解能で行える。
Therefore, by controlling the air pressure, the thrust force in the cylinder 130 is controlled, and in accordance with the tilt angle information from the input means, the thrust force is controlled so that the predetermined measurement force satisfying the expression (16) is obtained, and the direction of the probe axis is always maintained. The three-dimensional shape of the surface of the object to be measured is measured while the contact deformation amount of is constant. Here, it is not necessary to provide a detection system for detecting the displacement amount as in the case of controlling the measuring force by the spring force.
In the surface profile measuring apparatus using this pneumatic cylinder, only the pneumatic cylinder shown in the third embodiment is used because the means for canceling the self-weight of the probe part is provided separately from the means for controlling the measuring force. The measurement force can be controlled with higher resolution than the conventional configuration.

【0071】(実施例5)次に、第5実施例としてプロ
ーブ部の自重をある程度打ち消しておく手段としてヴォ
イスコイルモータを用いた場合を以下に示す。図12
(a)は、プローブ部の自重をヴォイスコイルモータで
ある程度釣り合わせた上で、バネ力の制御によって測定
力の制御を行う構成とした表面形状測定装置のプローブ
部の概略を示したものである。測定子141を保持して
いるプローブ軸142は、プローブ軸142に設けられ
たコア144がZ軸に固定されたヴォイスコイル143
に磁気吸引されることによってプローブ部の自重がある
程度打ち消された状態で座標系を移動するZ軸に支持さ
れている。ここでは、プローブ軸142のZ軸に対する
相対的変位は、気体静圧軸受146からなるプローブガ
イド145によって軸方向にスムーズに案内される。
(Embodiment 5) Next, as a fifth embodiment, a case where a voice coil motor is used as a means for canceling the weight of the probe portion to some extent will be described below. 12
(A) shows an outline of the probe part of the surface profile measuring apparatus configured to control the measuring force by controlling the spring force after balancing the self-weight of the probe part to some extent with a voice coil motor. . The probe shaft 142 holding the tracing stylus 141 is a voice coil 143 in which a core 144 provided on the probe shaft 142 is fixed to the Z axis.
The probe is supported by the Z-axis that moves in the coordinate system in a state where the weight of the probe is canceled to some extent by being magnetically attracted to the Z-axis. Here, the relative displacement of the probe shaft 142 with respect to the Z axis is smoothly guided in the axial direction by the probe guide 145 including the static gas bearing 146.

【0072】また、プローブ軸142は、バネ147に
よってもZ軸に支持されており、被測定物の表面形状測
定が開始され、測定子141が被測定物表面に接触した
時点では、バネ147は接触点において測定力が生じる
程度に縮んだ状態である。このバネの縮み量をZ軸座標
系のサーボモータ(不図示)を駆動制御して所定の測定
力下での該測定点の三次元座標を決定する。なお、バネ
力の制御によって測定力を制御する場合には、バネの縮
み量(変位量L)を検出する検出系を設ける必要があ
る。これは、実施例1において図2〜図8で示したよう
な変動変圧器、レーザ変位計、光ファイバ式変位計、静
電容量形変位計、リニアスケール、超音波式変位計等の
方式を適宜選択して用いれば良い。
The probe shaft 142 is also supported by the Z axis by the spring 147, and when the surface shape measurement of the object to be measured is started and the probe 141 contacts the surface of the object to be measured, the spring 147 is It is in a state of being contracted to the extent that a measuring force is generated at the contact point. The amount of contraction of the spring is controlled by driving a servo motor (not shown) in the Z-axis coordinate system to determine the three-dimensional coordinates of the measurement point under a predetermined measurement force. When the measuring force is controlled by controlling the spring force, it is necessary to provide a detection system that detects the amount of contraction (displacement amount L) of the spring. This is based on the method such as the variable transformer, the laser displacement meter, the optical fiber displacement meter, the capacitance displacement meter, the linear scale, and the ultrasonic displacement meter as shown in FIGS. 2 to 8 in the first embodiment. It may be appropriately selected and used.

【0073】以上のような構成において、被測定物の表
面形状測定が開始されると、XYZ座標系の駆動から決
定される測定子141の測定点位置に対応して、入力手
段からの被測定物の角度情報に基づいた測定点の傾斜角
度θが読み出され、この傾斜角度θから前記(16)式を満
たすべき所定の測定力が決定される。
In the above structure, when the surface shape measurement of the object to be measured is started, the object to be measured from the input means corresponds to the position of the measuring point of the tracing stylus 141 determined by the driving of the XYZ coordinate system. The inclination angle θ of the measurement point is read out based on the angle information of the object, and the predetermined measurement force that should satisfy the above equation (16) is determined from this inclination angle θ.

【0074】一方、制御手段では、検出系においてバネ
127の変位量Lから決定される測定子121の前記測
定点における実際の測定力値が得られ、この検出結果が
フィードバックされ、前記(16)式を満たすべき所定の測
定力となるようZ軸座標系のサーボモータ(不図示)を
駆動制御し、所定の測定力下での該測定点の三次元座標
を決定する。
On the other hand, the control means obtains the actual measuring force value at the measuring point of the tracing stylus 121, which is determined from the displacement L of the spring 127 in the detection system, and feeds back the detection result, and the (16) A Z-axis coordinate system servomotor (not shown) is drive-controlled so as to obtain a predetermined measurement force that should satisfy the expression, and the three-dimensional coordinates of the measurement point under the predetermined measurement force are determined.

【0075】以上の操作を、被測定物表面上のX及びY
座標系での所定間隔毎の測定点について、常に(16)式を
満たす所定の測定力下、即ち常に測定子141の軸方向
の接触変形量が一定となるZ座標系位置を決定し三次元
座標検出を行うことにより、高精度な被測定物表面の三
次元形状が測定できる。このような構成の表面形状測定
装置では、プローブ部の自重を打ち消すための手段を測
定力の制御のためのバネ力の制御機構とは別個に設けた
ことによって、実施例1に示したようなバネのみを用い
た構成よりも測定力の制御がより高い分解能で行える。
The above operation is performed by X and Y on the surface of the object to be measured.
With respect to the measurement points at predetermined intervals in the coordinate system, the Z coordinate system position is always determined under a predetermined measurement force that satisfies the formula (16), that is, the contact deformation amount of the probe 141 in the axial direction is always constant and three-dimensional. By detecting the coordinates, the three-dimensional shape of the surface of the object to be measured can be measured with high accuracy. In the surface profile measuring apparatus having such a configuration, the means for canceling the self-weight of the probe unit is provided separately from the spring force control mechanism for controlling the measuring force, so that as shown in the first embodiment. The measurement force can be controlled with higher resolution than the configuration using only the spring.

【0076】また、本第5実施例において測定力の制御
に他の方式を用いた構成として、例えば、図12(b)
に示すように、プローブ部の自重を第1のヴォイスコイ
ルモータである程度釣り合わせた上で、測定力制御用に
第2のヴォイスコイルモータを備えたものである。測定
子141を保持しているプローブ軸142は、プローブ
軸142に設けられた第1のヴォイスコイルモータのコ
ア144がZ軸に固定されたヴォイスコイル143に磁
気吸引されることによってプローブ部の自重がある程度
打ち消された状態で座標系を移動するZ軸に支持されて
いる。さらに、プローブ軸142に設けられた第2のヴ
ォイスコイルモータのコア149が、Z軸に固定された
ヴォイスコイル148に入力される電流値に応じて生じ
る推力によって磁気吸引されている。
Further, in the fifth embodiment, as a constitution using another method for controlling the measuring force, for example, FIG.
As shown in (1), the weight of the probe portion is balanced to some extent by the first voice coil motor, and then the second voice coil motor is provided for controlling the measuring force. The probe shaft 142 holding the tracing stylus 141 magnetically attracts the core 144 of the first voice coil motor provided on the probe shaft 142 to the voice coil 143 fixed to the Z-axis, so that the weight of the probe portion is reduced. Are supported by the Z axis that moves in the coordinate system while being canceled to some extent. Further, the core 149 of the second voice coil motor provided on the probe shaft 142 is magnetically attracted by the thrust generated according to the current value input to the voice coil 148 fixed to the Z axis.

【0077】従って第2のヴォイスコイルモータへの入
力電流値を制御することによってその推力が制御され、
入力手段からの傾斜角度情報に応じて(16)式を満足する
所定の測定力となるよう制御されつつ常にプローブ軸方
向の接触変形量が一定の状態で被測定物表面の三次元形
状が測定される。ここでは、バネ力による測定力制御の
場合のように変位量を検出するための検出系を設ける必
要もない。この2つのヴォイスコイルモータを用いた表
面形状装置では、プローブ部の自重を打ち消すためのヴ
ォイスコイルモータと測定力の制御のためのヴォイスコ
イルモータとを別個に設けたことによって、実施例2に
示したように1つのヴォイスコイルモータのみを用いた
構成よりも測定力の制御がより高い分解能で行える。
Therefore, the thrust is controlled by controlling the input current value to the second voice coil motor,
The three-dimensional shape of the surface of the DUT is measured while the contact deformation amount in the probe axial direction is always constant while being controlled according to the inclination angle information from the input means so that the measurement force satisfies the formula (16). To be done. Here, there is no need to provide a detection system for detecting the amount of displacement as in the case of measuring force control by spring force. In the surface shape apparatus using the two voice coil motors, the voice coil motor for canceling the weight of the probe unit and the voice coil motor for controlling the measuring force are separately provided, and thus the surface shape apparatus is shown in the second embodiment. As described above, the measurement force can be controlled with higher resolution than the configuration using only one voice coil motor.

【0078】また、図12(C)には、測定力の制御用
に実施例3で用いた空気圧シリンダを備えた構成を示
す。図12(a)(b)と同様にプローブ部はヴォイス
コイルモータである程度自重が打ち消された状態でZ軸
に支持されると共に、プローブ軸142に設けられたピ
ストン151がシリンダ150内で入力される空気圧の
大きさに応じて生じる推力によって往復運動可能に吸引
されている。
Further, FIG. 12C shows a structure provided with the pneumatic cylinder used in the third embodiment for controlling the measuring force. As in FIGS. 12A and 12B, the probe portion is supported by the Z-axis with its own weight being canceled to some extent by the voice coil motor, and the piston 151 provided on the probe shaft 142 is input in the cylinder 150. It is sucked so as to be able to reciprocate by the thrust generated according to the magnitude of the air pressure.

【0079】従って、空気圧を制御することによってシ
リンダ150における推力が制御され、入力手段からの
傾斜角度情報に応じて(16)式を満足する所定の測定力と
なるよう制御されつつ常にプローブ軸方向の接触変形量
が一定の状態で被測定物表面の三次元形状が測定され
る。ここでは、バネ力による測定力の制御に場合のよう
に変位量を検出するための検出系を設ける必要もない。
この空気圧シリンダを用いた表面形状測定装置では、プ
ローブ部の自重を打ち消すための手段を測定力の制御の
ためのものとは別個に設けたことによって、実施例3に
示した空気圧シリンダのみを用いた構成よりも測定力の
制御がより高い分解能で行える。
Therefore, the thrust in the cylinder 150 is controlled by controlling the air pressure, and is controlled so as to obtain a predetermined measuring force satisfying the expression (16) according to the tilt angle information from the input means, while always being in the probe axial direction. The three-dimensional shape of the surface of the object to be measured is measured while the contact deformation amount of is constant. Here, it is not necessary to provide a detection system for detecting the displacement amount as in the case of controlling the measuring force by the spring force.
In the surface profile measuring apparatus using this pneumatic cylinder, only the pneumatic cylinder shown in the third embodiment is used because the means for canceling the self-weight of the probe part is provided separately from the means for controlling the measuring force. The measurement force can be controlled with higher resolution than the conventional configuration.

【0080】(実施例6)次に、本発明の第6実施例と
してプローブ部の自重をある程度打ち消しておく手段と
して空気シリンダを用いた場合を以下に示す。図13
(a)は、プローブ部の自重を空気シリンダである程度
釣り合わせた上で、バネ力の制御によって測定力の制御
を行う構成とした表面形状測定装置のプローブ部の概略
を示したものである。測定子161を保持しているプロ
ーブ軸162は、プローブ軸162に設けられたピスト
ン164がZ軸に固定されたシリンダ163内で入力さ
れる空気圧の大きさに応じて生じる推力によって吸引さ
れることによってプローブ部の自重がある程度打ち消さ
れた状態で座標系を移動するZ軸に支持されている。こ
こでは、プローブ軸162のZ軸に対する相対的変位
は、気体静圧軸受166からなるプローブガイド165
によって軸方向にスムーズに案内される。
(Embodiment 6) Next, as a sixth embodiment of the present invention, a case where an air cylinder is used as a means for canceling the weight of the probe portion to some extent will be described below. FIG.
(A) shows an outline of the probe part of the surface profile measuring apparatus configured to control the measuring force by controlling the spring force after balancing the own weight of the probe part to some extent with an air cylinder. The probe shaft 162 holding the tracing stylus 161 is sucked by the thrust generated according to the magnitude of the air pressure input in the cylinder 163 in which the piston 164 provided on the probe shaft 162 is fixed to the Z axis. Is supported by the Z-axis that moves in the coordinate system while the weight of the probe portion is canceled to some extent. Here, the relative displacement of the probe shaft 162 with respect to the Z axis is determined by the probe guide 165 including the static gas bearing 166.
Guided smoothly in the axial direction.

【0081】また、プローブ軸162は、バネ167に
よってもZ軸に支持されており、被測定物の表面形状測
定が開始され、測定子161が被測定物表面に接触した
時点では、バネ167は接触点において測定力が生じる
程度に縮んだ状態である。このバネの縮み量をZ軸座標
系のサーボモータ(不図示)を駆動制御して所定の測定
力下での該測定点の三次元座標を決定する。なお、バネ
力の制御によって測定力を制御する場合には、バネの縮
み量(変位量L)を検出する検出系を設ける必要があ
る。これは、実施例1において図2〜図8で示した検出
方式を適宜選択して用いれば良い。
The probe shaft 162 is also supported on the Z-axis by the spring 167, and when the surface shape measurement of the object to be measured is started and the contact point 161 contacts the surface of the object to be measured, the spring 167 is It is in a state of being contracted to the extent that a measuring force is generated at the contact point. The amount of contraction of the spring is controlled by driving a servo motor (not shown) in the Z-axis coordinate system to determine the three-dimensional coordinates of the measurement point under a predetermined measurement force. When the measuring force is controlled by controlling the spring force, it is necessary to provide a detection system that detects the amount of contraction (displacement amount L) of the spring. For this, the detection method shown in FIGS. 2 to 8 in the first embodiment may be appropriately selected and used.

【0082】以上のような構成において、被測定物の表
面形状測定が開始されると、XYZ座標系の駆動から決
定される測定子161の測定点位置に対応して、入力手
段からの被測定物の角度情報に基づいた測定点の傾斜角
度θが読み出され、この傾斜角度θから前記(16)式を満
たすべき所定の測定力が決定される。
In the above-described structure, when the surface shape measurement of the object to be measured is started, the object to be measured from the input means corresponds to the position of the measuring point of the tracing stylus 161 determined from the driving of the XYZ coordinate system. The inclination angle θ of the measurement point is read out based on the angle information of the object, and the predetermined measurement force that should satisfy the above equation (16) is determined from this inclination angle θ.

【0083】一方、制御手段では、検出系においてバネ
167の変位量Lから決定される測定子161の前記測
定点における実際の測定力値が得られ、この検出結果が
フィードバックされ、前記(16)式を満たすべき所定の測
定力となるようZ軸座標系のサーボモータ(不図示)を
駆動制御し、所定の測定力下での該測定点の三次元座標
を決定する。
On the other hand, the control means obtains the actual measurement force value at the measurement point of the tracing stylus 161 which is determined from the displacement L of the spring 167 in the detection system, and feeds back the detection result, and (16) A Z-axis coordinate system servomotor (not shown) is drive-controlled so as to obtain a predetermined measurement force that should satisfy the expression, and the three-dimensional coordinates of the measurement point under the predetermined measurement force are determined.

【0084】以上の操作を、被測定物表面上のX及びY
座標系での所定間隔毎の測定点について、常に(16)式を
満たす所定の測定力下、即ち常に測定子161の軸方向
の接触変形量が一定となるZ座標系位置を決定し三次元
座標検出を行うことにより、高精度な被測定物表面の三
次元形状が測定できる。このような構成の表面形状測定
装置では、プローブ部の自重を打ち消すための手段を測
定力の制御のためバネ力の制御機構とは別個に設けたこ
とによって、実施例1に示したようなバネのみを用いた
構成よりも測定力の制御がより高い分解能で行える。
The above operation is performed by X and Y on the surface of the object to be measured.
For the measurement points at predetermined intervals in the coordinate system, the Z coordinate system position is always determined under the predetermined measurement force that satisfies the equation (16), that is, the contact deformation amount of the probe 161 in the axial direction is always constant. By detecting the coordinates, the three-dimensional shape of the surface of the object to be measured can be measured with high accuracy. In the surface profile measuring apparatus having such a configuration, the means for canceling the self-weight of the probe unit is provided separately from the spring force control mechanism for controlling the measuring force, so that the spring as shown in the first embodiment is provided. The measurement force can be controlled with a higher resolution than the configuration using only.

【0085】また、本第6実施例において測定力の制御
に他の方式を用いた構成として、例えば、図13(b)
に示すように、プローブ部の自重を空気圧シリンダであ
る程度釣り合わせた上で、実施例2に用いたヴォイスコ
イルモータを備えたものである。測定子161を保持し
ているプローブ軸162は、プローブ軸162に設けら
れたピストン164がZ軸に固定されたシリンダ163
内で入力される空気圧の大きさに応じて生じる推力によ
り吸引されることによってプローブ部の自重がある程度
打ち消された状態でZ軸に支持されている。さらに、プ
ローブ軸162に設けられたコア169は、Z軸にに固
定されたヴォイスコイル168に入力される電流値に応
じて生じる推力によって磁気吸引されている。
Further, in the sixth embodiment, as a configuration using another method for controlling the measuring force, for example, FIG.
As shown in FIG. 5, the weight of the probe portion is balanced to some extent by a pneumatic cylinder, and the voice coil motor used in the second embodiment is provided. The probe shaft 162 holding the tracing stylus 161 is a cylinder 163 in which a piston 164 provided on the probe shaft 162 is fixed to the Z axis.
The probe is supported by the Z-axis in a state where its own weight is canceled to some extent by being sucked by a thrust generated according to the magnitude of the air pressure input therein. Further, the core 169 provided on the probe shaft 162 is magnetically attracted by the thrust generated according to the current value input to the voice coil 168 fixed to the Z axis.

【0086】従ってヴォイスコイルモータへの入力電流
値を制御することによってその推力が制御され、入力手
段からの傾斜角度情報に応じて(16)式を満足する所定の
測定力となるよう制御されつつ常にプローブ軸方向の接
触変形量が一定の状態で被測定物表面の三次元形状が測
定される。ここでは、バネ力による測定力制御の場合の
ように変位量を検出するための検出系を設ける必要もな
い。このヴォイスコイルモータを用いた表面形状装置で
は、プローブ部の自重を打ち消すための手段と測定力の
制御のためのものとを別個に設けたことによって、実施
例2に示したようにヴォイスコイルモータのみを用いた
構成よりも測定力の制御がより高い分解能で行える。
Therefore, the thrust is controlled by controlling the input current value to the voice coil motor, and is controlled so as to be a predetermined measuring force satisfying the expression (16) according to the tilt angle information from the input means. The three-dimensional shape of the surface of the object to be measured is always measured with a constant contact deformation amount in the probe axis direction. Here, there is no need to provide a detection system for detecting the amount of displacement as in the case of measuring force control by spring force. In the surface shaping apparatus using this voice coil motor, the means for canceling the weight of the probe section and the means for controlling the measuring force are separately provided, so that the voice coil motor as shown in the second embodiment is provided. The measurement force can be controlled with a higher resolution than the configuration using only.

【0087】また、図12(C)には、プローブ部の自
重を第1の空気圧シリンダである程度釣り合わせた上
で、測定力制御用に第2の空気圧シリンダを備えたもの
を示した。測定子161を保持しているプローブ軸16
2は、プローブ軸162に設けられた第1のピストン1
64がZ軸に固定された第1の空気圧シリンダ163内
に入力される空気圧の大きさに応じて生じる推力より吸
引されることによってプローブ部の自重がある程度打ち
消された状態でZ軸に支持されている。さらに、プロー
ブ軸162に設けられた第2のピストン171が、Z軸
に固定された第2の空気圧シリンダ170内に入力され
る空気圧に応じて生じる推力によって往復運動可能に吸
引されている。
Further, FIG. 12C shows a probe equipped with a second pneumatic cylinder for controlling the measuring force after balancing the own weight of the probe part to some extent with the first pneumatic cylinder. Probe shaft 16 holding a probe 161
2 is the first piston 1 provided on the probe shaft 162.
64 is supported by the Z-axis with its own weight being canceled to some extent by being sucked by the thrust generated according to the magnitude of the air pressure input into the first pneumatic cylinder 163 fixed to the Z-axis. ing. Further, the second piston 171 provided on the probe shaft 162 is reciprocally sucked by the thrust generated according to the air pressure input into the second pneumatic cylinder 170 fixed to the Z axis.

【0088】従って、第2の空気圧シリンダの空気圧を
制御することによってシリンダ170における推力が制
御され、入力手段からの傾斜角度情報に応じて(16)式を
満足する所定の測定力となるよう制御されつつ常にプロ
ーブ軸方向の接触変形量が一定の状態で被測定物表面の
三次元形状が測定される。ここでは、バネ力による測定
力の制御に場合のように変位量を検出するための検出系
を設ける必要もない。この2つの空気圧シリンダを用い
た表面形状測定装置では、プローブ部の自重を打ち消す
ための空気圧シリンダと測定力の制御のための空気圧シ
リンダとを別個に設けたことによって、実施例3に示し
た1つの空気圧シリンダのみを用いた構成よりも測定力
の制御がより高い分解能で行える。
Therefore, the thrust in the cylinder 170 is controlled by controlling the air pressure of the second pneumatic cylinder so that the predetermined measuring force satisfying the equation (16) is obtained according to the tilt angle information from the input means. The three-dimensional shape of the surface of the object to be measured is constantly measured while the contact deformation amount in the probe axial direction is constant. Here, it is not necessary to provide a detection system for detecting the displacement amount as in the case of controlling the measuring force by the spring force. In the surface profile measuring apparatus using the two pneumatic cylinders, the pneumatic cylinder for canceling the self-weight of the probe portion and the pneumatic cylinder for controlling the measuring force are separately provided. The measurement force can be controlled with higher resolution than the configuration using only one pneumatic cylinder.

【0089】なお、以上の実施例では、プローブ軸のガ
イド方式として気体静圧軸受を用いたものを示したが、
静圧軸受としては気体を用いたものに限らない。もちろ
ん、静圧軸受に限らずプローブ軸をその軸方向(Z軸方
向)にスムーズに案内できるガイド方式ならば広く使用
可能であるが、中には、例えば平行バネなど変位量が微
小な範囲である場合に有効な方式もあるので、被測定物
の形状等の測定条件に応じて適宜選択すれば良い。
In the above embodiments, the hydrostatic bearing is used as the guide system for the probe shaft.
The hydrostatic bearing is not limited to the one using gas. Of course, not only the hydrostatic bearing but also a guide system that can smoothly guide the probe shaft in its axial direction (Z-axis direction) can be widely used. Since there is a method effective in some cases, it may be appropriately selected depending on the measurement conditions such as the shape of the object to be measured.

【0090】さらに、上記のガイド方式を含み、測定子
の素材から傾斜角度情報の入手方法、測定力の制御手
段、また、測定力制御にバネ力を用いる場合に必要な変
位量検出系等について各種のものを以上の実施例におい
て示したが、本発明の表面形状測定装置を構成するうえ
で、何れの組み合わせも任意に選択可能であり、装置組
立時における手間やコスト、求められる測定力の制御分
解能、被測定物表面形状の変化の度合いなどの条件を鑑
みて、適したレベルの装置を適宜構成することができ
る。
Furthermore, regarding the method of obtaining the tilt angle information from the material of the probe, the control means of the measuring force, and the displacement amount detecting system necessary when the spring force is used for the measuring force control, including the above-mentioned guide method, etc. Although various things have been shown in the above embodiments, in forming the surface profile measuring device of the present invention, any combination can be arbitrarily selected, and the labor and cost at the time of assembling the device, the required measuring force In view of conditions such as control resolution and the degree of change in the surface shape of the object to be measured, a device having an appropriate level can be appropriately configured.

【0091】[0091]

【発明の効果】以上に説明した通り、本発明の表面形状
測定装置によれば、表面形状測定の際に、測定子による
測定力を制御することができる。従って、この測定力を
制御することによって被検物表面での接触変形量を常に
一定にした状態で測定が行えるので、接触変形量の変動
に起因する測定誤差を解消でき、表面形状の測定精度が
向上した。特に、(16)式を満足するよう測定力を制御す
ることによって測定子の軸方向(Z軸方向)の接触変形
量を一定にすることができる。
As described above, according to the surface profile measuring apparatus of the present invention, it is possible to control the measuring force of the probe when measuring the surface profile. Therefore, by controlling this measuring force, the measurement can be performed with the amount of contact deformation on the surface of the object to be measured constantly kept constant, so that the measurement error caused by the variation in the amount of contact deformation can be eliminated, and the measurement accuracy of the surface shape can be improved. Has improved. In particular, by controlling the measuring force so as to satisfy the expression (16), the contact deformation amount of the probe in the axial direction (Z-axis direction) can be made constant.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の表面形状測定装置による測定システム
の構成を説明するブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a measuring system using a surface profile measuring apparatus of the present invention.

【図2】本発明の第1実施例による表面形状測定装置の
プローブ部の概略構成図であり、(a)はプローブ軸の
ガイド方式に気体静圧軸受を用いた場合の構成、(b)
はプローブ軸のガイド方式としての平行バネを示したも
のである。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a probe unit of the surface profile measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention, FIG. 2 (a) is a configuration in the case where a hydrostatic bearing is used for a probe shaft guide system, and FIG.
Shows a parallel spring as a guide system for the probe shaft.

【図3】第1実施例による表面形状測定装置の変形例と
して変位量検出系にレーザ測長機を用いた場合のプロー
ブ部の概略構成図である。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a probe unit when a laser length measuring machine is used for a displacement amount detection system as a modification of the surface profile measuring apparatus according to the first embodiment.

【図4】第1実施例による表面形状測定装置の変形例と
して変位量検出系にレーザ変位計を用いた場合のプロー
ブ部の概略構成図である。
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a probe unit when a laser displacement meter is used in a displacement amount detection system as a modification of the surface profile measuring apparatus according to the first embodiment.

【図5】第1実施例による表面形状測定装置の変形例と
して変位量検出系に光ファイバ式変位計を用いた場合の
プローブ部の概略構成図である。
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a probe unit when an optical fiber displacement meter is used in a displacement amount detection system as a modification of the surface profile measuring apparatus according to the first embodiment.

【図6】第1実施例による表面形状測定装置の変形例と
して変位量検出系に静電容量形変位計を用いた場合のプ
ローブ部の概略構成図である。
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a probe unit when a capacitance type displacement meter is used in a displacement amount detection system as a modification of the surface profile measuring apparatus according to the first embodiment.

【図7】第1実施例による表面形状測定装置の変形例と
して変位量検出系にリニアスケールを用いた場合のプロ
ーブ部の概略構成図である。
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a probe unit when a linear scale is used in a displacement amount detection system as a modification of the surface profile measuring apparatus according to the first embodiment.

【図8】第1実施例による表面形状測定装置の変形例と
して変位量検出系に超音波式変位計を用いた場合のプロ
ーブ部の概略構成図である。
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a probe unit when an ultrasonic displacement meter is used in a displacement amount detection system as a modification of the surface profile measuring apparatus according to the first embodiment.

【図9】本発明の第2実施例による表面形状測定装置の
プローブ部の概略構成図である。
FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a probe unit of a surface profile measuring apparatus according to a second embodiment of the present invention.

【図10】本発明の第3実施例による表面形状測定装置
のプローブ部の概略構成図である。
FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a probe unit of a surface profile measuring apparatus according to a third embodiment of the present invention.

【図11】本発明の第4実施例による表面形状測定装置
のプローブ部の概略構成図であり、(a)は測定力の制
御にバネ力を用いた場合、(b)は測定力の制御にヴォ
イスコイルモータを用いた場合、(c)は測定力の制御
に空気圧シリンダを用いた場合を示したものである。
FIG. 11 is a schematic configuration diagram of a probe unit of a surface profile measuring apparatus according to a fourth embodiment of the present invention, where (a) is a case where a spring force is used to control the measuring force, and (b) is a controlling the measuring force. When a voice coil motor is used for (1), (c) shows a case where a pneumatic cylinder is used for controlling the measuring force.

【図12】本発明の第5実施例による表面形状測定装置
のプローブ部の概略構成図であり、(a)は測定力の制
御にバネ力を用いた場合、(b)は測定力の制御にヴォ
イスコイルモータを用いた場合、(c)は測定力の制御
に空気圧シリンダを用いた場合を示したものである。
FIG. 12 is a schematic configuration diagram of a probe unit of a surface profile measuring apparatus according to a fifth embodiment of the present invention, in which (a) uses a spring force to control the measuring force, and (b) shows control of the measuring force. When a voice coil motor is used for (1), (c) shows a case where a pneumatic cylinder is used for controlling the measuring force.

【図13】本発明の第6実施例による表面形状測定装置
のプローブ部の概略構成図であり、(a)は測定力の制
御にバネ力を用いた場合、(b)は測定力の制御にヴォ
イスコイルモータを用いた場合、(c)は測定力の制御
に空気圧シリンダを用いた場合を示したものである。
FIG. 13 is a schematic configuration diagram of a probe unit of a surface profile measuring apparatus according to a sixth embodiment of the present invention, where (a) is a case where a spring force is used to control the measuring force, and (b) is a control of the measuring force. When a voice coil motor is used for (1), (c) shows a case where a pneumatic cylinder is used for controlling the measuring force.

【図14】本発明の作用を説明するための説明図であ
る。
FIG. 14 is an explanatory diagram for explaining the operation of the present invention.

【図15】リアルタイムで傾斜角度情報を得るための方
法を示す説明図であり、(a)は2点法、(b)は3点
法を説明するものである。
15A and 15B are explanatory diagrams showing a method for obtaining tilt angle information in real time, where FIG. 15A illustrates a 2-point method and FIG. 15B illustrates a 3-point method.

【図16】従来の座標測定装置の概略構成図である。FIG. 16 is a schematic configuration diagram of a conventional coordinate measuring device.

【符号の説明】 ,1,101,111,121,141,161:測
定子 :被測定物 S:プローブ軸上面 ,2,102,112,122,142,162:プ
ローブ軸 6,105,115,125,145,165:プロー
ブガイド 7,106,116,126,146,166:気体静
圧軸受 8:平行バネ 3,127,147,167:バネ 4:コイル(差動変圧器) 5:コア(差動変圧器) 11:レーザ光源 12:干渉光学系 13:受光部 14:レーザ変位計,LED 式変位計 15:光ファイバ 16:光ファイバ光源・検出部 17:静電容量センサ部 18:静電容量検出部 19:スケール 20:リニアスケール検出部 21:超音波式変位計 103,128,143,148,168:ヴォイスコ
イル 104,129,144,149,169:コア(ヴォ
イスコイルモータ) 113,130,150,163,170:(空気圧)
シリンダ 114,131,151,164,171:ピストン
(空気圧シリンダ) 123:おもり 124:滑車
[Explanation of reference symbols] 1,101,111,121,141,161: Measuring element: Object to be measured S: Probe shaft upper surface 2, 102, 112, 122, 142, 162: Probe shaft 6, 105, 115, 125, 145, 165: probe guide 7, 106, 116, 126, 146, 166: hydrostatic bearing 8: parallel spring 3, 127, 147, 167: spring 4: coil (differential transformer) 5: core ( Differential transformer) 11: Laser light source 12: Interference optical system 13: Light receiving part 14: Laser displacement meter, LED type displacement meter 15: Optical fiber 16: Optical fiber light source / detection part 17: Capacitance sensor part 18: Static Capacitance detection unit 19: Scale 20: Linear scale detection unit 21: Ultrasonic displacement meter 103, 128, 143, 148, 168: Voice coil 104, 129, 144 149,169: Core (voice coil motor) 113,130,150,163,170 :( pneumatic)
Cylinder 114,131,151,164,171: Piston (pneumatic cylinder) 123: Weight 124: Pulley

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 測定子を、被測定物の傾斜角度変化のあ
る曲面上を移動させて接触点の三次元座標を検出するこ
とによって前記被測定物の表面形状を測定する表面形状
測定装置であって、 前記被測定物表面の前記測定子による接触測定点の傾斜
角度情報を入力する入力手段と、 前記測定子の接触による該測定子と被測定物との接触変
形量の和を一定にするよう、前記入力手段により得られ
た傾斜角度情報に基づいて、前記測定子の前記被測定物
表面に対する測定力を制御する制御手段と、を備えたこ
とを特徴とする表面形状測定装置。
1. A surface shape measuring apparatus for measuring a surface shape of a measured object by moving a tracing stylus on a curved surface of a measured object having a change in tilt angle to detect three-dimensional coordinates of a contact point. An input means for inputting inclination angle information of a contact measuring point by the measuring element on the surface of the object to be measured, and a constant sum of contact deformation amounts of the measuring element and the object to be measured due to contact of the measuring element. As described above, the surface shape measuring device comprising: a control unit that controls the measuring force of the measuring element with respect to the surface of the object to be measured based on the inclination angle information obtained by the input unit.
【請求項2】前記制御手段が、前記測定子による該測定
子と非測定物との測定子軸方向の接触変形量の和を一定
にするよう制御するものであり、前記測定力をP、前記
傾斜角度をθ、傾斜角度が0の時の測定力をP0 とした
とき、以下の式を満足することを特徴とする請求項1に
記載の表面形状測定装置。 P=P0 √cosθ
2. The control means controls so that the sum of the contact deformation amounts in the axial direction of the stylus between the stylus and the non-measuring object by the stylus is constant, and the measuring force is P, wherein the inclination angle theta, when the measuring force when the inclination angle is 0 and the P 0, the surface shape measuring apparatus according to claim 1, characterized by satisfying the following equation. P = P 0 √cos θ
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