TWI498524B - 形狀測定方法及形狀測定裝置 - Google Patents

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TWI498524B
TWI498524B TW102136382A TW102136382A TWI498524B TW I498524 B TWI498524 B TW I498524B TW 102136382 A TW102136382 A TW 102136382A TW 102136382 A TW102136382 A TW 102136382A TW I498524 B TWI498524 B TW I498524B
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B5/00—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques
    • G01B5/20—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques for measuring contours or curvatures

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Description

形狀測定方法及形狀測定裝置
本發明係關於一種一面使觸針(stylus)接觸測定面一面進行掃描，且依次讀取座標與觸針傾斜，藉此，測定測定面之形狀的形狀測定方法及形狀測定裝置。
隨著工業製品之小型高性能化，高精度之零件正在增加。為進行以該等零件等為測定對象之任意之三維形狀之掃描測定，而提供一種一面使觸針接觸測定面一面進行掃描，且依次讀取座標，藉此測定測定面之形狀之方式之形狀測定裝置。在該種形狀測定中，已提案各種對於測定面自動掃描控制觸針之技術。
在先前之觸針之自動掃描控制方法中，有為了不使因自動掃描引起之振動影響測定結果，而搭載以順利之自動掃描為目的之控制方法者(例如，參照專利文獻1)。
圖7A~圖9係顯示上述專利文獻1所記載之先前之形狀測定裝置及形狀測定方法者。
圖7A及圖7B係顯示先前技術之裝置構成之圖，大致分為三維測定器22與其控制裝置23與運算裝置24。三維測量器22一面使設置於探針26之觸針20接觸測定物25之測定面25a一面進行測定。探針26於安裝於可撓性構件之觸針軸之下端具有球狀之觸針20，於上端具有 鏡面。觸針軸藉由可撓性構件相對於來自測定面之XY方向之測定力而傾斜，並由自鏡面反射之雷射光檢測其傾斜量。又，觸針軸藉由可撓性構件相對於來自測定面之Z方向之測定力移動至上方，並由自鏡面反射之Z方向測長雷射檢測Z方向之位移。控制裝置23具備X座標檢測部31、Y座標檢測部32、Z座標檢測部33、傾斜檢測部34、及聚焦誤差信號檢測部35等。運算裝置24具備測定點位置運算部41、觸針位移矢量檢測部43、移動矢量算出部49、移動指示部87、及動摩擦係數記憶部40等。
根據該等構成，於觸針20位移時，自以X座標檢測部31、Y座標檢測部32、Z座標檢測部33檢測出之探針位置與以傾斜檢測部34檢測出之觸針20(觸針軸)之傾斜算出觸針位移矢量。又，使用加上因自事前記憶於動摩擦係數記憶部40之觸針20與測定面25a之動摩擦係數算出之動摩擦力所致之觸針位移矢量之方向變化角度而算出之移動矢量M執行掃描。
圖8顯示先前技術之探針位置P與觸針位置S之軌跡。探針26自觸針20未接觸測定面25a之探針位置P0(在該位置上，觸針20由於未受到測定力故並未相對於探針26位移。因此，探針位置P0位於與觸針位置S0相同之位置)通過與測定面25a接觸之觸針位置S1，移動至經按壓特定之按壓量D1之探針位置P1。將自探針位置P向該時點之觸針位置S之矢量稱為觸針位移矢量D。自探針位置P1向觸針位置S1之位移矢量成為D1。接著，將探針26自探針位置P1於垂直於觸針位移矢量D1之方向移動移動矢量M1。於是，因動摩擦力F使觸針位移矢量D相對於垂直於測定面之矢量N傾斜方向變化角θ。於平行於測定面之方向對探針26進行仿形控制時，相對於觸針位移矢量D，於對自事前記憶之動摩擦係數μ以θ=atanμ之關係導出之方向變化角θ加上90°之方向進行探針移動。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本專利第4611403號說明書
在上述先前方法中，由於因探針26之傾斜之方向或大小之變化，掃描方向、按壓修正方向亦改變，故成為稱不上順利之掃描測定。動摩擦力之增減在充分小之範圍中時即使在上述先前方法中仍可期待順利之掃描。然而，在實際之測定物中，有起因於測定物之材質、形狀與觸針之材質之觸針與測定物之間之靜電引力引起之動摩擦力增減。根據該增減，圖8之動摩擦力F產生變化，因動摩擦力F使觸針位移矢量之方向變化角度θ變動。
圖9係圖示以將Y軸傾斜設為固定大小(在圖表中為縱軸0.7mm)之方式按壓觸針，沿著X軸於負方向掃描平面時之觸針位移矢量D之情況者。探針中心位置P係以於Y軸方向無按壓變動之方式，於X軸方向以0.01mm間距掃描約1mm。觸針位移矢量D係對探針中心位置P之值放大約200倍而表示。X方向之傾斜並不固定，產生觸針位移矢量D交叉之部位。如此，先前之掃描測定方法，無法實現順利之掃描測定，產生振動而測定誤差增大，從而測定時間亦延長。
本發明係解決上述先前之問題者，目的在於在一面使觸針接觸於測定面一面掃描，並依次讀取座標，藉此測定測定面形狀之方式的形狀測定裝置及形狀測定方法中，沿著測定面順利地掃描觸針，而實現高精度且高速之形狀測定。
本發明之第1態樣提供一種形狀測定方法，其準備藉由來自測定面之測定力而可相對於探針位移地被支持之觸針，且重複上述探針 相對於上述測定面之相對移動，該相對移動包含：平行移動，其使上述觸針相對於上述測定面向與上述測定面平行之方向移動指定之距離；及正交移動，其係以包含上述觸針之位置相對於上述探針之位移量與位移方向之觸針位移矢量於上述測定面之法線方向的大小成為預先決定之按壓量之設定值之方式，使上述探針於自現在之觸針位置與過去之觸針位置之差算出之於上述測定面之法線方向移動。
本發明之第2態樣提供一種形狀測定裝置，其特徵為包含：探針，其可藉由來自測定面之測定力而位移地支持觸針；移動部，其以使上述觸針掃描上述測定面之方式而移動上述探針與上述測定面之相對位置；觸針位移矢量檢測部，其檢測包含上述觸針之位置相對於上述探針之位移量與位移方向之觸針位移矢量；法線方向輸出部，其輸出上述測定面之測定點之法線方向；法線方向矢量成分算出部，其基於上述法線方向輸出部輸出之值，算出觸針位移矢量之上述法線方向成分並輸出；按壓矢量算出部，其基於上述測定面之法線方向之按壓量之設定值與法線方向矢量成分算出部之輸出，以上述觸針位移矢量之法線方向成分成為上述按壓量之設定值之方式算出按壓矢量；掃描矢量算出部，其算出於與上述法線方向垂直之方向上成為預先設定之掃描速度之掃描矢量；移動矢量算出部，其自上述按壓矢量算出部之輸出與上述掃描矢量算出部之輸出，算出對上述探針之移動指令即移動矢量；及移動控制部，其以上述探針根據上述移動矢量而移動之方式控制上述移動部之移動。
即使因摩擦等之外力變化而使觸針位移矢量改變，觸針距測定表面之按壓量仍為固定值。即使測定面具有任意傾斜，且因摩擦力而使觸針位移矢量相對於測定面未成為直角方向，仍可根據測定力檢測出垂直於測定面之方向並掃描平行於測定面之方向進行測定。 又，即使測定面之傾斜角度改變觸針位移矢量之大小仍維持為預先決定之特定值。換言之，可以即使測定面之傾斜角度變化觸針位移矢量之大小仍不會產生變化之方式進行掃描，而可更正確地於平行於測定面之方向掃描觸針。再者，除掃描測定開始時必要之關於測定面之資料以外無需預備資料。
根據本發明之形狀測定方法及形狀測定裝置，由於即使因摩擦等之外力變化而觸針位移矢量改變，觸針距測定表面之按壓量仍為固定值，即使自具有任意之傾斜面之測定面測定力因摩擦力而未成為垂直於測定面之方向仍可根據測定力檢測出垂直於測定面之方向，一面使觸針位移矢量之法線方向成分固定，一面於平行於測定面之方向掃描觸針進行測定，故可順利地進行更快、更高精度之形狀測定，而可對工業製品之精密微細化與高精度化與高良率之製作實現帶來貢獻。
20‧‧‧觸針
21‧‧‧三維形狀測定裝置
22‧‧‧三維測量器
23‧‧‧控制裝置
24‧‧‧運算裝置
25‧‧‧測定物
25a‧‧‧測定面
26‧‧‧探針
27‧‧‧XY載台
28‧‧‧Z載台
31‧‧‧X座標檢測部
32‧‧‧Y座標檢測部
33‧‧‧Z座標檢測部
34‧‧‧傾斜檢測部
35‧‧‧聚焦誤差信號檢測部
37‧‧‧X軸控制部
38‧‧‧Y軸控制部
39‧‧‧Z軸控制部
40‧‧‧動摩擦係數記憶部
41‧‧‧測定點位置運算部
42‧‧‧誤差運算輸出部
43‧‧‧觸針位移矢量檢測部
43a‧‧‧X成分檢測部
43b‧‧‧Y成分檢測部
43c‧‧‧Z成分檢測部
44‧‧‧前次測定位置記憶部
45‧‧‧法線方向矢量輸出部
46‧‧‧法線方向矢量成分算出部
47‧‧‧按壓矢量算出部
48‧‧‧掃描方向單位矢量算出部
49‧‧‧移動矢量算出部(相加部)
51A‧‧‧可撓性部
51B‧‧‧可撓性部
53‧‧‧觸針軸
54‧‧‧鏡面
61‧‧‧振盪頻率穩定化雷射
62‧‧‧X參照鏡面
63y‧‧‧雷射光
63z‧‧‧雷射光
64‧‧‧Y參照鏡面
68‧‧‧半導體雷射
69‧‧‧雷射光
70‧‧‧準直透鏡
71‧‧‧光圈
72‧‧‧分光鏡
73‧‧‧分色鏡
74‧‧‧偏光稜鏡
75‧‧‧分色鏡
76‧‧‧透鏡
79‧‧‧受光元件
81‧‧‧一體化元件
82‧‧‧雷射光
83‧‧‧繞射光柵
84‧‧‧準直透鏡
87‧‧‧移動指示部
88‧‧‧X軸馬達
89‧‧‧Y軸馬達
91‧‧‧法線方向設定/記憶部
92‧‧‧掃描速度設定部
93‧‧‧掃描方向矢量算出部
94‧‧‧按壓量設定/記憶部
95‧‧‧切換開關
圖1A係本發明之實施形態之形狀測定裝置之構成圖。
圖1B係本發明之實施形態之形狀測定裝置之構成圖。
圖2係本發明之實施形態之探針之構成圖。
圖3(a)、(b)係說明本發明之實施形態之觸針位置、探針位置及觸針位移矢量之圖。
圖4係顯示本發明之實施形態之處理流程之流程圖。
圖5係輔助本發明之實施形態之軌跡俯視圖之表記方法之影像圖。
圖6(a)-(e)係顯示本發明之實施形態之測定軌跡之圖。
圖7A係先前發明之形狀測定裝置之構成圖。
圖7B係先前發明之形狀測定裝置之構成圖。
圖8係顯示先前發明之測定軌跡之圖。
圖9係顯示根據先前發明之仿形控制之觸針位移矢量之圖。
以下對本發明之實施形態，一面參照圖式一面進行說明。在各圖中，對相同構成部分附加相同符號，而省略說明。
(實施形態1)
圖1A及圖B係顯示本發明之實施形態1之三維形狀測定裝置(以下，簡稱為形狀測定裝置)之構成之圖。該形狀測定裝置大致分為三維測量器22、控制裝置23、及以電腦等構成之運算裝置24。
三維測量器22一面使設置於探針26之觸針20接觸測定物25之測定面25a一面進行測定。作為將測定面25a與探針26之相對位置於XYZ方向移動之移動部，具備：將測定面25a於X方向移動之X軸馬達88；由於Y方向移動之Y軸馬達89予以驅動之XY載台27；及將探針26安裝於下端，並將其於Z方向移動之載台28。另，測定大型測定物之情形時亦可實施測定面為固定而探針於XYZ方向移動之構成。
控制裝置23具備X座標檢測部31、Y座標檢測部32、Z座標檢測部33、傾斜檢測部34、聚焦誤差信號檢測部35、X軸控制部37、Y軸控制部38、及Z軸控制部39。
運算裝置24具備測定點位置運算部41、誤差運算輸出部42、觸針位移矢量檢測部43、前次測定位置記憶部44、法線方向矢量輸出部45、法線方向矢量成分算出部46、按壓矢量算出部47、掃描方向單位矢量算出部48、移動矢量算出部49、移動指示部87、法線方向設定/記憶部91、掃描速度設定部92、掃描方向矢量算出部93、按壓量設定/記憶部94、及切換開關95。
X座標檢測部31使由振盪頻率穩定化雷射61產生之分支之雷射光(未圖示)以固定於XY載台27之X參照鏡面62予以反射。使包含X參 照鏡面62之反射光路長變化資訊之該反射光與不含光路長變化資訊之基準雷射光干擾，利用已知之雷射測長法而檢測XY載台27之X方向之移動量。即，X座標檢測部31測定探針位置P之X座標Px。同樣地，Y座標檢測部32使由振盪頻率穩定化雷射61產生之分支之雷射光63y以固定於XY載台27之Y參照鏡面64予以反射，使包含光路長變化資訊之該反射光與不含光路長變化資訊之基準雷射光干擾，利用已知之雷射測長法檢測XY載台27之Y方向之移動量。即，Y座標檢測部32測定探針位置P之Y座標Py。
Z座標檢測部33使由振盪頻率穩定化雷射61產生之分支之雷射光63z，如圖2所示般由觸針軸53之上端之鏡面54予以反射，使包含光路長變化資訊之該反射光與不含光路長變化資訊之基準雷射光干擾，利用已知之雷射測長法檢測觸針20之Z方向之移動量。即，Z座標檢測部33測定觸針位置S之Z座標Sz。
如此，雷射測長之測定資料為相對於測定面之探針位置P之XY座標Px、Py與觸針位置S之Z座標Sz。
圖2係本發明之實施形態1之探針之構成圖。探針26具備透過可撓性部51A、51B而安裝之觸針20。所謂可撓性部51A、51B為具有若施加力則彎曲之性質者，以對一部分切出缺口於上下(Z方向)與橫向(XY)方向具有彈性之金屬板簧或塑膠、橡膠等構成。觸針20安裝於固定於可撓性部51A、51B之觸針軸53之下端，且於觸針軸53之上端貼附鏡面54。根據來自測定面25a之對觸針20之測定力，相對於探針26觸針20可於XYZ方向之任一者相對位移。若來自測定面25a之測定力作用於觸針20，則因來自XY方向之測定力使可撓性部51A、51B變形而使鏡面54傾斜，因來自Z方向之測定力使鏡面54移動至上方。
圖3係說明觸針位置S、探針位置P及觸針位移矢量D之圖。
圖3(a)顯示測定力未作用於觸針20而觸針20於XYZ方向之任一 者均未位移之狀態。圖3(b)顯示測定力作用於觸針20，觸針20於XYZ方向位移之狀態。
將觸針位置S定義為觸針20之表面近似為球面時之球之中心之座標。觸針位置S如下式般表示。
【數1】S =(S x S y S z ) T
將測定力未作用於觸針20而觸針20於XYZ方向之任一者均未位移時之觸針位置S定義為探針位置P。探針位置P以下式表示。觸針20於XYZ方向之任一者均未位移時，觸針位置S與探針位置P一致。
【數2】P =(P x P y P z ) T
將顯示測定力產生作用之觸針位置S相對於探針位置P位移時之位移量與位移方向之矢量定義為觸針位移矢量。觸針位移矢量係以下式表示。
【數3】D =(D x D y D z ) T
觸針位移矢量D之座標成分以下述之式(1)表示。
在圖2中，來自半導體雷射68之雷射光69經由準直透鏡70、光圈71、分光鏡72、分色鏡73、偏光稜鏡74、分色鏡75、及透鏡76入射至觸針軸53之上端之鏡面54。又，鏡面54之反射光經由透鏡76、分色鏡75、偏光稜鏡74、分色鏡73、及分光鏡72入射至受光元件79。 若鏡面54傾斜則反射光向受光元件79之入射位置偏移。傾斜檢測部34(參照圖1A及圖1B)利用向該受光元件79之入射位置之偏移，檢測鏡面54之傾斜角度，具體而言檢測觸針20之X方向之傾斜角度θ x與Y方向之傾斜角度θ y。傾斜檢測部34將傾斜角度θ x、θ y分別輸出至觸針位移矢量檢測部43之X成分檢測部43a與Y成分檢測部43b。X成分檢測部43a與Y成分檢測部43b根據自已知為傾斜角度θ x、θ y之觸針軸53之傾斜之中心至觸針20之距離Ls，算出以下述之式(2)表示之觸針位移矢量D之XY座標成分Dx、Dy。
【數5】D x =L s sinθ x D y =L s sinθ y (2)
若再次參照圖2，則來自半導體雷射與受光元件之一體化元件81之雷射光82經由繞射光柵83、準直透鏡84、偏光稜鏡74、分色鏡75、及透鏡76入射至觸針軸53之上端之鏡面54。又，鏡面54之反射光(雷射光82之反射光)經由透鏡76、分色鏡75、偏光稜鏡74、準直透鏡84、及繞射光柵83回到一體化元件81。若鏡面54移動至上方則準直透鏡84之反射光之聚光位置產生偏移。聚焦誤差信號檢測部35(參照圖1A及圖1B)自一體化元件81之受光元件上之聚光位置之偏移檢測鏡面54向上方之移動量。聚焦誤差信號檢測部35所檢測之鏡面54向上方之移動量使用於聚焦控制(使測定面25a與觸針20之距離固定)。又，聚焦誤差信號檢測部35所檢測之鏡面54向上方之移動量輸出至觸針位移矢量檢測部43之Z成分檢測部43c。Z成分檢測部43c使用來自聚焦誤差信號檢測部35之輸入算出觸針位移矢量D之Z座標成分Dz。
測定點位置運算部41(參照圖1A及圖1B)中分別輸入來自X座標 檢測部31之探針位置P之X成分Px、來自Y座標檢測部32之探針位置P之Y成分Py、來自Z座標檢測部33之觸針位置S之Z座標Sz。又，測定點位置運算部41中，自觸針位移矢量檢測部43之X成分檢測部43a與Y成分檢測部43b，分別輸入觸針位移矢量D之X成分Dx與Y成分Dy。測定點位置運算部41使用該等輸入自觸針位置S、探針位置P、及觸針位移矢量D之間之上述式(1)之關係，算出觸針位置S之XYZ座標Sx、Sy、Sz。具體而言，本實施形態之測定點位置運算部41，根據以下之式(3)算出觸針位置S之XYZ成分Sx、Sy、Sz。
使用圖2所示之構造之探針26之情形，如上述般觸針位置S之Z座標Sz由Z座標檢測部33直接測定。因此，如式(3)所示般觸針位移矢量D之Z成分Dz未使用於測定資料即觸針位置S之算出，如後述般僅使用於控制。
又，測定點位置運算部41將以式(3)算出之觸針位置S轉換為測定點之位置資訊(XYZ座標)。該轉換藉由包含使用觸針位置S之XYZ座標Sx、Sy、Sz、測定面25a之傾斜角度、及觸針20之曲率半徑之三角函數之運算而實現。由於用以將該觸針位置S轉換為測定點之位置資訊之運算技術已周知故省略說明。該運算技術記載於例如日本特開2001-21494號公報。
以測定點位置運算部41算出之測定點之位置資訊輸入至誤差運算輸出部42。誤差運算輸出部42比較自測定點位置運算部41輸入之測定點之位置資訊與測定對象之設計值，運算其誤差。
在圖1A及圖1B中，切換開關95切換如下之輸出：觸針位移矢量檢測部43之輸出、使測定點位置運算部41與前次測定位置記憶部44之差予以90度旋轉之法線方向矢量輸出部45之輸出、及預先根據測定物之資訊設定/記憶法線方向之法線方向設定/記憶部91之輸出。法線方向設定/記憶部91既可設定/記憶所有測定面25a之法線方向，亦可僅特別掃描開始之一部分。
設置有基於切換開關95輸出之法線方向矢量，算出觸針位移矢量之法線方向成分之法線方向矢量成分算出部46；自按壓量設定部94與切換開關95之輸出算出按壓矢量之按壓矢量算出部47；自切換開關95之輸出算出掃描方向單位矢量之掃描方向單位矢量算出部48；及自來自掃描方向單位矢量算出部48之輸出(掃描方向單位矢量)與掃描速度設定部92之輸出(掃描速度)算出掃描方向移動量之掃描方向矢量算出部93。
移動矢量算出部(相加部)49對法線方向矢量成分算出部46之輸出、按壓矢量算出部47之輸出、及掃描方向矢量算出部93之輸出進行加減而算出移動矢量M。該移動矢量M之算出中，使用執行後述之伺服啟動及伺服關閉之所需資訊、及記憶於掃描速度設定部92之利用觸針20執行測定面25a掃描之所需資訊(包含掃描路徑、掃描結束條件等)。
以移動矢量算出部49算出之移動矢量M被輸出至移動指示部87。移動指示部87使用移動矢量M算出XY載台27及Z載台28之移動量。算出之移動量被輸出至X軸控制部37、Y軸控制部38、Z軸控制部39，使X軸馬達88、Y軸馬達89、未圖示之Z軸馬達作動而進行仿形動作。
圖4係顯示本發明之處理流程之流程圖。圖5係輔助圖6之軌跡俯視圖之表記方法之影像圖。圖6係顯示本發明之測定軌跡之圖，且係 伴隨以後之說明而分解表記者，且係顯示平行於自圖5之箭頭符號之方向(Z軸上方)所見之XY平面之平面內之探針位置P與觸針位置S之關係者。在以後之說明中，將探針位置P表記為位置P，將觸針位置S表記為位置S。
首先，對圖4之步驟1使用圖6(a)進行說明。
在圖6(a)中，探針26定位於觸針20未接觸測定面25a之位置P0。位置P0位於最初與測定物25接觸之測定面25a上之點S1上之概略法線方向上，以例如目測等進行定位。由於在該位置上觸針20未接觸測定面25a，故未受到測定力，S0=P0。
使探針26自位置P0超過觸針20接觸於測定面25a之位置S1，而移動至位置P1。將該動作稱為伺服啟動。位置P1係自位置P1至位置S1之觸針位移矢量D1之大小成為預先決定之按壓量C之位置。在圖6中雖放大表記，但在實際之形狀測定機中，按壓量C為3μ m左右。
具體而言，在伺服啟動下，一面監測觸針位移矢量D之XYZ成分Dx、Dy、Dz之平方和，一面移動探針26，在以下之式(4)成立之時點停止探針26之移動。該平方和之監測由移動矢量算出部49執行。
接著，在圖4之步驟2中，將現在之探針位置P設為位置P1，將現在之觸針位置S設為位置S1，將觸針位移矢量設為D1。又，若參照圖6(b)，則法線方向矢量成分算出部46將觸針位移矢量D1設為位置P1之法線方向N1(矢量)。
接著對圖4之步驟3使用圖6(c)及圖6(d)進行說明。使位於圖6(c)中所示之位置P1之探針26自位置P1於垂直於法線方向N1且為XY平 面內之方向移動距離Lc1(移動矢量M1)，而移動至位置P2。
對於距離Lc1，自如下之觀點設定其值。若距離Lc1過小，則探針26之移動距離變短，而即使探針26自探針位置P1移動，仍有因靜止摩擦而使觸針20未自觸針位置S1移動之可能性。相反若距離Lc1過大，則探針26之移動距離變長，而易受測定面25a之傾斜角度變化之影響，而有觸針位移矢量D之大小或方向之變化變大之可能性。因此，距離Lc1係滿足因探針26之移動而使觸針20在測定面25a上移動之條件的範圍中之最小距離，且設定為與測定面25a之起伏相比更微小之距離。
掃描方向單位矢量算出部48算出移動矢量M1之方向之單位矢量(掃描方向單位矢量)。最初使探針26移動時之掃描方向單位矢量之算出有2個方法。其一方法係自觸針位移矢量檢測部43所算出之現在之觸針位移矢量D1(法線方向N1)而算出之方法。另一方法係利用伺服啟動動作之方向(概略法線方向)之方法。第2次以後之使探針26移動時之掃描方向單位矢量之算出亦可藉前者之方法執行。圖6(c)係觸針位移矢量D1與伺服啟動動作之方向一致之情形。掃描方向矢量算出部93自掃描方向單位矢量算出部48所算出之掃描方向單位矢量與以掃描速度設定部92設定之掃描速度算出探針26之移動矢量M1，並輸出至移動矢量算出部49(在步驟3中掃描方向單位矢量算出部48之算出值直接成為移動矢量M1)。
若將Uz作為單位矢量，則自位置P1至P2之移動矢量M1可藉以下之式(5)表示。
圖6(d)顯示探針26自位置P1向位置P2移動時之狀態。此時之觸針20之位置S2因於與動作方向為相反之方向起作用之動摩擦力F，而自通過位置P2之垂直於測定面25a之矢量NR2偏移。
接著，對圖4之步驟4使用圖6(e)進行說明。在步驟4中決定現在之探針位置之法線方向。在此以後，由於重複以下說明之自現在之觸針20之位置與前一觸針20之位置求下一掃描方向之步驟，故將現在之觸針位置表記為Si ，將現在之探針位置表記為Pi ，將現在之觸針位移矢量表記為Di ，將前面之觸針位置表記為Si -1 ，將前一探針位置表記為Pi -1 ，將前一觸針位移矢量表記為Di -1 ，而將說明簡略化。(i=2、3、4…)。
將連結前一觸針位置Si -1 與現在觸針位置Si 之直線上，自現在之探針位置Pi 降下垂線之點設為Ti 。若將自探針位置Pi 向Ti 之方向設為探針位置Pi 之法線方向Ni ，則有以下之式(6)之關係。
【數9】N i =(S i -S i -1 )×U Z (6)
Uz ：單位矢量
法線方向矢量輸出部45自觸針位置Si -1 (矢量)與現在之觸針位置Si (矢量)算出法線方向Ni (矢量)。
進而對圖4之步驟5亦使用圖6(e)進行說明。在步驟5中藉以下順序，求移動矢量Mi。
Pi 之法線方向之按壓量DVi (純量(scalar))藉以下之式(7)表示。
為使Pi+1 點之按壓量成為設定值C(純量)，需要使Pi 向法線方向移動移動矢量Mi 之法線方向成分Mi v(按壓矢量Mi v)。按壓矢量算出 部47算出該按壓矢量Mi v。按壓矢量Mi v藉以下之式(8)表示。
若移動矢量Mi 之掃描方向成分(掃描方向移動矢量)Mi h設為對設定之掃描速度V乘以測定取樣時間Ts之移動量Lc，則藉以下之式(9)表示。如自該式(9)所明瞭，掃描方向移動矢量Mi h之方向為自前一觸針位置Si -1 (矢量)向現在之觸針位置Si (矢量)之方向。
掃描方向單位矢量算出部48算出掃描方向移動矢量Mi h之方向的單位矢量。掃描方向矢量算出部93自該單位矢量、以掃描速度設定部92設定之掃描速度V、及測定取樣時間Ts算出掃描方向移動矢量Mi h。
Pi 點之移動矢量Mi 係藉以下之式(10)表示。
式(10)之第1項為法線方向矢量成分算出部46之輸出，第2項為按壓矢量算出部47之輸出，第3項為掃描方向矢量算出部93之輸出。
在圖4之步驟6中，重複步驟4及步驟5直至探針位置P到達測定前指定之測定結束位置，到達測定結束位置後，使探針26之移動停止。
在圖4之步驟7中，使探針26之移動停止後，於觸針位移矢量Di 方向，使探針26移動較觸針位移矢量Di 更大之距離(將該動作稱為伺服關閉)而結束測定。
以上雖以與2個座標軸平行之平面進行說明，但可應用於任意之平面。若決定實施掃描測定之平面，則平面與測定面25a之交線成為測定軌跡。
根據本實施形態之形狀測定，即使來自於任意方向傾斜之測定面之測定力所致之觸針位移，因觸針之移動方向之該摩擦力而自垂直於測定面之方向偏移，仍可使觸針於沿著測定面之方向移動。又，可使觸針於沿著於任意方向傾斜之測定面之方向順利地移動。因此，根據本實施形態之形狀測定，可提高測定速度穩定性，亦可使測定力固定而使測定精度提高。
(實施形態2)
實施形態2係以與法線方向算出相比更高速(間隔控制週期Ts秒)地實施用以將觸針位移矢量Di 之法線方向成分設為固定值DV=C之修正，進而前次測定位置使用前幾次之位置之形態。
在實施形態1中，以驅動系統不延遲而瞬時如指令值般移動為前提將法線方向移動設為以下之式(8)。
為減少掃描時之按壓量之變化，較有效的是減小執行式(8)之時間間隔Ts而縮短控制週期。然而，由於實際上存在驅動系統之延遲，故若縮短時間間隔Ts，即加快控制週期則成為振盪狀態。
因此，如以下之式(11)所示般，藉由乘以根據驅動系統之延遲決定之增益g≦1，可提高控制週期，且可使動作穩定，而減少按壓 量之變化。
又，在實施形態1中，以驅動系統不延遲而瞬時如指令值般移動為前提，將法線方向成分之修正與法線方向算出設為相同之時間間隔而予以說明。若為穩定之動作，則為(移動距離Lc=設定掃描速度V *控制週期Ts)。
實際上，存在因載台等之慣性引起之機構系統之延遲/振動、控制系統之延遲。因此，若以與性能良好之高速之法線方向成分之修正同樣短之控制週期，實施法線方向算出，則法線方向之誤差變大，且法線方向振動，而無法進行沿著測定面之仿形控制，且由於探針26以Z字形移動，故表觀之掃描速度小於設定值。如此之情形，亦由於以設定掃描速度V進行穩定之掃描，故將推斷法線方向之前次之位置設為a次前之位置，而減慢控制週期較有效。此時各控制週期之每一移動量Mi如以下之式(12)所示。
根據本實施形態之形狀測定，可使按壓量C之控制性能提高，且可實現穩定之掃描。
上述法線方向矢量成分算出部46，亦可於觸針位移矢量小於觸針20之按壓方向位移矢量之1/2時，輸出觸針位移矢量，於大於其時以與連結過去之觸針位置與現在之觸針測定位置之直線正交之方式輸出法線方向。
【產業上之可利用性】
本發明之形狀測定裝置及形狀測定方法具有可提高測定精度、測定速度，亦可使測定力固定之特徵，而亦可應用於先前由於無法測定故無法高精度化、或良率未提高之非球面透鏡之形狀與相對於側面之偏心精度或變焦透鏡之鏡筒、變焦槽形狀、硬碟驅動馬達之軸徑與油流體軸承之內徑或軸承側面槽形狀、一般之電氣製品之零件用模具之內徑與外徑形狀、齒輪之齒之形狀等之測定。

Claims (9)

  1. 一種形狀測定方法，其準備藉由來自測定面之測定力而可相對於探針位移地被支持之觸針，且重複上述探針相對於上述測定面之相對移動，該相對移動包含：平行移動，其使上述觸針相對於上述測定面向與上述測定面平行之方向移動指定之距離；及正交移動，其係以包含相對於上述探針的上述觸針之位置之位移量與位移方向之觸針位移矢量之於上述測定面之法線方向之大小成為預先決定之按壓量之設定值之方式，使上述探針於自現在之觸針位置與過去之觸針位置之差算出之上述測定面之法線方向移動。
  2. 如請求項1之形狀測定方法，其中在重複上述探針之上述測定面之相對移動前，以上述觸針於與已知之上述測定面正交之方向移動之方式使上述探針移動，使上述觸針接觸於上述測定面，於上述觸針位移矢量之上述測定面之法線方向之大小成為上述按壓量之設定值以上時停止探針之移動。
  3. 如請求項1或2之形狀測定方法，其中上述平行移動係由以下之式表示： M i h ：平行移動之大小與方向(矢量)Lc ：移動量(純量)S i ：現在之觸針位置(矢量)S i ' ：過去之觸針位置(矢量)。
  4. 如請求項1或2之形狀測定方法，其中上述正交移動係由以下之式表示： M i v ：正交移動之大小與方向(矢量)DV i ：現在之探針位置Pi 之法線方向之按壓量(純量)C ：按壓量之設定值(純量)N i ：法線方向矢量N i =(S i -S i -1 )×Uz S i ：現在之觸針位置(矢量)S i-1 ' ：過去之觸針位置(矢量)Uz ：單位矢量。
  5. 一種形狀測定裝置，其特徵為包含：探針，其藉由來自測定面之測定力而可位移地支持觸針；移動部，其以上述觸針掃描上述測定面之方式使上述探針與上述測定面之相對位置移動；觸針位移矢量檢測部，其檢測包含相對於上述探針的上述觸針之位置位移量與位移方向之觸針位移矢量；法線方向輸出部，其輸出上述測定面之測定點之法線方向；法線方向矢量成分算出部，其基於上述法線方向輸出部輸出之值，算出觸針位移矢量之上述法線方向成分並輸出；按壓矢量算出部，其於上述測定面基於法線方向之按壓量之設定值與法線方向矢量成分算出部之輸出，以上述觸針位移矢量之法線方向成分成為上述按壓量之設定值之方式算出按壓矢量；掃描矢量算出部，其算出於與上述法線方向垂直之方向上成為預先設定之掃描速度之掃描矢量；移動矢量算出部，其自上述按壓矢量算出部之輸出與上述掃 描矢量算出部之輸出，算出對上述探針之移動指令即移動矢量；及移動控制部，其以上述探針根據上述移動矢量而移動之方式控制上述移動部之移動。
  6. 如請求項5之形狀測定裝置，其中上述法線方向輸出部：於掃描測定開始時，輸出所設定之值之上述法線方向；於掃描測定開始後，以與連結過去之測定位置與現在之測定位置之直線正交之方式更新法線方向輸出。
  7. 如請求項6之形狀測定裝置，其中上述法線方向輸出部於上述掃描測定開始時，輸出上述觸針位移矢量。
  8. 如請求項5至7中任一項之形狀測定裝置，其中上述法線方向輸出部中使用之前測定位置與現測定位置之時間間隔係大於上述移動矢量算出部中自上述法線方向成分與按壓量之設定之差算出法線方向移動量之時間間隔。
  9. 如請求項5之形狀測定裝置，其中上述法線方向輸出部於上述觸針位移矢量小於上述觸針之按壓方向位移矢量之1/2時，輸出觸針位移矢量，於上述觸針位移矢量大於上述觸針之按壓方向位移矢量之1/2時，以與連結過去之測定位置與現在之測定位置之直線正交之方式輸出法線方向。
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