(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ばねで支持され、モータによって駆動されるリニアアクチュエータと、
前記リニアアクチュエータに搭載されて被検物との距離を検出するプローブと、
前記リニアアクチュエータの変位を検出し位置信号として出力する位置検出部と、
前記リニアアクチュエータの目標位置と位置信号を比較し操作量を出力する位置決めコントローラと、
前記操作量に応じてモータ駆動電流を出力し前記リニアアクチュエータを駆動するモータドライバとを有する形状測定装置において、
前記ばねのばね定数、前記モータのモータ推力定数および前記位置信号から、前記ばねに発生する力に対する前記モータの定常的な電流値を算出し、前記電流値に所定の値を加算したものを前記モータの電流の上限値あるいは下限値とし、前記上限値あるいは前記下限値と前記操作量あるいは前記モータの電流を比較する電流リミッタを備えたことを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
前記電流リミッタが、前記モータの駆動方向に応じて前記モータの電流の前記上限値あるいは前記下限値を異なる値にすることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記電流リミッタが、
前記操作量あるいは前記モータの電流が入力されるローパスフィルタと、
前記モータの電流の前記上限値あるいは前記下限値と前記ローパスフィルタの出力を比較する比較器と、
を備えたことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記電流リミッタが、
前記ローパスフィルタの出力が前記モータの電流の前記上限値に対し、所定の時間大きくなっていたかを判定する判定器、
を備えたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はリニアアクチュエータの位置決め制御装置に関し、特にリニアアクチュエータにプローブを備えた形状測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プローブを有し、プローブを一方向、例えば上下に往復させて面の形状を測定する３次元測定装置には、従来、特許２６３８１５７号に記載の形状測定装置や特開平９−３０８２８３号公報における位置決め制御装置がある。特許２６３８１５７号に記載の形状測定装置を図８に示す。ばね５１により支持されたリニアモータ５２が一方向に往復する。リニアモータ５２にはＺ移動部５３が取付けられ、リニアモータ５２によりＺ軸方向に駆動される。Ｚ移動部５３からは光線が測定対象の測定面５７に照射される。なお、光線はプローブの対物レンズ５６により集光される。Ｚ移動部５３の位置は位置検出器５４により検出され、サーボ回路５５に送信される。サーボ回路５５は位置検出器５４により検出されたＺ移動部５３の位置に基づきリニアモータ５２に所定の制御信号を送信する。
【０００３】
また、特開平９−３０８２８３号公報に記載の位置決め制御装置は、位置決め制御の対象であるキャリッジがモータによって駆動されている。この位置決め制御装置はモータの状態量を推定する外乱オブザーバを有する。外乱オブザーバにより推定された外乱の値によって、位置決め制御装置の異常を検出する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特許２６３８１５７号に記載の形状測定装置においては、Ｚ軸方向のＺ移動部５３が測定面５７に衝突したり、過負荷がかかったり、リニアモータ５２の異常を検知できない。よって、プローブの対物レンズ５６を損傷させる可能性がある。
【０００５】
また、特開平９−３０８２８３号公報に記載の位置決め制御装置においては、外乱オブザーバの設計に使用するノミナルモデルをばね支持されたモデルとすれば、上記のような異常を検知できる。しかし、外乱オブザーバを機能させるためには、高次元演算が必要となり、コントローラ演算を行う演算器への負荷が大きくなってしまう。よって、位置決め制御に要求されるサンプリング時間では演算が間に合わなくなる可能性がある。
【０００６】
そこで、本発明は、プローブを有し、プローブを一方向、例えば上下に往復させて面の形状を測定する形状測定装置において、プローブの衝突等の異常を、位置決め制御に要求されるサンプリング時間内に間に合わせて検知することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ばねで支持され、モータによって駆動されるリニアアクチュエータと、前記リニアアクチュエータに搭載されて被検物との距離を検出するプローブと、リニアアクチュエータの変位を検出し位置信号として出力する位置検出部と、リニアアクチュエータの目標位置と位置信号を比較し操作量を出力する位置決めコントローラと、操作量に応じてモータ駆動電流を出力しリニアアクチュエータを駆動するモータドライバとを有する形状測定装置に関するものである。
【０００８】
この形状測定装置は電流リミッタを備え、電流リミッタは、
（ａ）ばねのばね定数、モータのモータ推力定数および位置信号から、ばねに発生する力に対するモータの定常的な電流値を算出する、
（ｂ）電流値に所定の値を加算したものをモータの電流の上限値あるいは下限値とする、
（ｃ）上限値あるいは下限値と操作量あるいはモータの電流を比較する、
ものであることを特徴とする。
【０００９】
上限値あるいは下限値と操作量あるいはモータの電流を比較し、操作量等が上限値を超え、あるいは下限値を下回れば、異常が発生したことが検知できる。しかも、上限値あるいは下限値の算出や操作量等との比較は、高次元演算ではなく、低次元の演算なので、位置決め制御に要求されるサンプリング時間内に間に合わせることができる。
【００１０】
また、本発明においては、電流リミッタが、モータの駆動方向に応じてモータの電流の上限値あるいは下限値を異なる値にしてもよい。駆動方向に応じたアクチュエータの過負荷設定を別々に設定できる。
【００１１】
さらに、本発明においては、電流リミッタが、操作量あるいはモータの電流が入力されるローパスフィルタと、モータの電流の上限値あるいは下限値とローパスフィルタの出力を比較する比較器を備えてもよい。
【００１２】
ローパスフィルタによって、操作量あるいはモータの電流のノイズによる誤動作を防ぐことができる。さらに、ローパスフィルタの遮断周波数を変更することで、異常検知の応答性能を調整できる。
【００１３】
さらに、本発明においては、電流リミッタが、ローパスフィルタの出力がモータの電流の上限値に対し、所定の時間大きくなっていたかを判定する判定器を備えてもよい。
【００１４】
過渡応答のために瞬間的に大きくなった操作量、モータの電流、ノイズ成分による誤動作を防ぐことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る形状測定装置の構成図である。質量Ｍのキャリッジ１は、ばね２によって吊されている。ただし、実際にはばね２は、弾性と粘性を示す部分があるため、弾性部分２ａと粘性部分２ｂにわけて表わしている。キャリッジ１はボイスコイルモータ３によって上下方向に駆動される。よって、キャリッジ１はリニアアクチュエータとして機能する。キャリッジ１の原点からの変位量である位置信号Ｘはキャリッジ１に取付けられているリニアエンコーダ４によって検出される。リニアエンコーダ４の出力である位置信号Ｘを使用してキャリッジ１の位置決めを行う。
【００１６】
キャリッジ１上には、被検物１２との距離を非接触で検出するフォーカス式プローブ１１が搭載される。フォーカス式プローブ１１の出力信号を使用して追従制御を行うことにより、被検物の表面形状を測定する。なお、フォーカス式プローブ１１のかわりに接触式プローブを搭載してもよい。
【００１７】
ここで、モータ推力定数をＫｆ、モータ電流をＩ、モータ推力をＦ、弾性部分２ａのばね定数をｋ、粘性部分２ｂの減衰係数をＣとすると、ばねに吊されたキャリッジ１のモデルは（１）、（２）式で表わされる。
【００１８】
【数１】
0003617783.tif 000002
【００１９】
よって、モータ電流Ｉから位置信号Ｘへの伝達関数は（３）式で表わされる。
【００２０】
【数２】
0003617783.tif 000003
【００２１】
目標位置Ｘｒｅｆとリニアエンコーダ４によって検出された位置信号Ｘは位置決めコントローラ５で比較され偏差に応じた電流司令値ｉｃ（操作量）が出力される。電流司令値ｉｃは電流リミッタ７に入力されモータ電流制限値ｉｌｉｍと比較される。電流司令値ｉｃがモータ電流制限値ｉｌｉｍ以下である場合ｉｃ’としてモータドライバ６に入力される。モータドライバ６はボイスコイルモータ３に電流司令値ｉｃに比例したモータ電流Ｉを流してキャリッジ１を上下方向に駆動する。また、電流司令値ｉｃがモータ電流制限値ｉｌｉｍを越えた場合、アクチュエータの異常を検知し、ｉｃ’を操作しリニアアクチュエータの動作を停止させる。
【００２２】
電流リミッタ７では（４）式によって、モータ電流制限値ｉｌｉｍを算出する。
【００２３】
【数３】
0003617783.tif 000004
【００２４】
（４）式では、ばね定数ｋ、モータ推力定数Ｋｆ、位置信号Ｘからモータ電流制限値ｉｌｉｍを常時計算し、電流リミッタ７におけるモータ電流制限値に使用する。また、ｉａｄｄはばね力以外のリニアアクチュエータに加わる外力やモータの過渡応答特性やパラメータ変動等を考慮して設定する所定の値とする。
【００２５】
図２に異常検知の動作を図示する。位置信号Ｘが変化するのに伴い、モータ電流制限値ｉｌｉｍは比例して変化していく。電流司令値ｉｃもばね力の増加に伴い変化していく。電流リミッタ７は電流司令値ｉｃがモータ電流制限値ｉｌｉｍを越えるか否かを比較する。もし越えれば、何らかの異常があったことになる。そこで、ｉｃ’を操作しリニアアクチュエータを停止させる。
【００２６】
本発明の第１の実施の形態によれば、ばねで支持されたアクチュエータに加わるばね力以外の外力が所定の値にならないように制限し、アクチュエータの過負荷や衝突等の異常を検知する機構を備えた形状測定装置を提供できる。しかも、モータ電流制限値ｉｌｉｍの算出や電流司令値ｉｃとの比較は、高次元演算ではなく、低次元の演算なので、位置決め制御に要求されるサンプリング時間内に間に合わせることができる。
【００２７】
本発明の第２の実施の形態に係る形状測定装置においては、第１の実施の形態とモータ電流制限値ｉｌｉｍの求め方が異なる。すなわち、電流リミッタ７において、あらかじめ計算し段階的にテーブルとして設定してあるモータ電流制限値ｉｌｉｍ（ｎ）を位置信号Ｘによって選択し、電流司令値ｉｃがモータ電流制限値ｉｌｉｍ（ｎ）を越えた場合、リニアアクチュエータの異常を検知し、ｉｃ’を操作しリニアアクチュエータを停止させる。ｉｌｉｍ（ｎ）を位置信号Ｘによって選択するために、例えば、以下のようなテーブルを作成しておく。
【００２８】
【数４】
0003617783.tif 000005
【００２９】
図３に異常検知の動作を図示する。位置信号Ｘが変化するのに伴い、電流司令値ｉｃは連続的にモータ電流制限値ｉｌｉｍ（ｎ）は段階的に変化していく。電流司令値ｉｃがモータ電流制限値ｉｌｉｍ（ｎ）を越えるとリニアアクチュエータの異常を検知する。
【００３０】
本発明の第２の実施の形態によれば、モータ電流制限値ｉｌｉｍ（ｎ）を計算せずに選択すればすむため、計算負荷を低減できる。
【００３１】
本発明の第３の実施の形態に係る形状測定装置においては、第１の実施の形態とモータ電流制限値ｉｌｉｍの求め方が異なる。キャリッジ１は位置信号Ｘが負になる部分を移動している。電流リミッタ７においては、キャリッジ１が正方向に駆動されている、あるいは負方向に外力が働いているときは（５）式により算出される値を電流司令値ｉｃの上限とする。電流司令値ｉｃがｉｌｉｍ＋より大きくなれば、キャリッジ１に異常があったということになる。
【００３２】
【数５】
0003617783.tif 000006
【００３３】
キャリッジ１が負方向に駆動されている、あるいは正方向に外力が働いているときは（６）式により算出される値を電流司令値ｉｃの下限とする。電流司令値ｉｃがｉｌｉｍ−より小さくなれば、キャリッジ１に異常があったということになる。
【００３４】
【数６】
0003617783.tif 000007
【００３５】
（５）式では、ばね定数ｋ、モータ推力定数Ｋｆ、位置信号Ｘからモータ電流制限値ｉｌｉｍ＋を常時計算し、電流リミッタ７におけるモータ電流制限値に使用する。また、ｉａｄｄ＋はばね力以外のアクチュエータに加わる外力やモータの過渡応答特性やパラメータ変動等を考慮して設定する所定の値とする。同様に、（６）式では、モータ電流制限値ｉｌｉｍ−を常時計算する。（５）、（６）式で使用する所定の値ｉａｄｄ＋、ｉｌｉｍ−を変更することによって、アクチュエータの駆動方向もしくは外力の方向によってモータ電流制限値を変更できる。
【００３６】
図４に異常検知の動作を図示する。位置信号Ｘが変化するのに伴い、モータ電流の上限値ｉｌｉｍ＋や下限値ｉｌｉｍ−は変化する。キャリッジ１が正方向に駆動されている、あるいは負方向に外力が印加された場合は、電流司令値ｉｃがｉｌｉｍ＋より大きくなれば、キャリッジ１に異常があったということになる。キャリッジ１が負方向に駆動されている、あるいは正方向に外力が印加された場合は、電流司令値ｉｃがｉｌｉｍ−より小さくなれば、キャリッジ１に異常があったということになる。
【００３７】
本発明の第３の実施の形態によれば、印加される外力の方向によって異常検知のスレッシュレベルを変えることができるようになるため、駆動方向に応じたアクチュエータの過負荷設定を別々に設定できる。
【００３８】
例えば、負方向に駆動される場合のスレッシュレベルを小さいものとすると、衝突時、フォーカス式プローブ１１等のキャリッジ１に搭載されるプローブに加わる力を小さくでき、プローブの損傷を防ぐことができる。
【００３９】
本発明の第４の実施の形態に係る形状測定装置においては、第１の実施の形態における電流リミッタ７の構成を特定したものである。図５に電流リミッタ７の構成を示す。位置決めコントローラ５の出力である電流司令値ｉｃあるいは検出されたモータ電流が電流リミッタ７に入力される。電流リミッタ７内では、電流司令値ｉｃをローパスフィルタ８を通してノイズ成分やパルス成分を除去する。ローパスフィルタ８を通った電流司令値ｉｃと位置信号Ｘは比較器９へ入力される。比較器９では、電流司令値ｉｃと位置信号Ｘから算出または選択されるモータ電流制限値とを比較してリニアアクチュエータの異常の有無を検知する。リニアアクチュエータの異常が検知されると、異常を知らせ、同時に切換え器１０によりリニアアクチュエータを停止させる。
【００４０】
本発明の第４の実施の形態によれば、操作量あるいはモータの電流のノイズによる誤動作を防ぐことができる。さらに、ローパスフィルタの遮断周波数を変更することで、ローパスフィルタの入出力の応答性能を変更できることから異常検知の応答時間を調整できる。
【００４１】
本発明の第５の実施の形態に係る形状測定装置においては、リニアアクチュエータの異常の検知の方法が第１の実施の形態と異なる。位置決め制御コントローラ５の出力である電流司令値ｉｃはリミッタ７に入力され、モータ電流制限値ｉｌｉｍと比較される。電流司令値ｉｃがモータ電流制限値ｉｌｉｍを越えた時間ｔｃが所定の時間ｔｌｉｍを越えた場合、アクチュエータの異常を検知しアクチュエータを停止させる。すなわち、（７）式に示す通りに異常を検知する。
【００４２】
【数７】
0003617783.tif 000008
【００４３】
図６に異常検知の動作を図示する。電流司令値ｉｃがモータ電流制限値ｉｌｉｍを越えた場合、所定の時間ｔｌｉｍを越えていなければ、異常検知されない。越えた場合は、異常検知される。
【００４４】
本発明の第５の実施の形態によれば、過渡応答のために瞬間的に大きくなった操作量、モータの電流、ノイズ成分による誤動作を防ぐことができる。
【００４５】
本発明の第６の実施の形態に係る形状測定装置においては、第１の実施の形態とモータ電流制限値ｉｌｉｍの求め方およびリニアアクチュエータの異常の検知の方法が異なる。キャリッジ１は位置信号Ｘが負になる部分を移動している。電流リミッタ７においては、キャリッジ１が正方向に駆動されている、あるいは負方向に外力が働いているときはｉｌｉｍ＋を電流司令値ｉｃの上限とする。ここで、（８）式に示すように、電流司令値ｉｃがｉｌｉｍ＋よりも大きくなった時間ｔｃ＋が所定の時間ｔｌｉｍ＋を越えた場合、リニアアクチュエータの異常を検知する。
【００４６】
【数８】
0003617783.tif 000009
【００４７】
キャリッジ１が負方向に駆動されている、あるいは正方向に外力が働いているときは（６）式により算出される値を電流司令値ｉｃの下限とする。ここで、（９）式に示すように、電流司令値ｉｃがｉｌｉｍ−より小さくなった時間ｔｃ−が所定の時間ｔｌｉｍ−を越えた場合、リニアアクチュエータの異常を検知する。
【００４８】
【数９】
0003617783.tif 000010
【００４９】
所定の時間ｔｌｉｍ＋、ｔｌｉｍ−を異なる値に設定することによってアクチュエータの駆動方向もしくは外力の方向によって異常検知のスレッシュレベルを変更できる。
【００５０】
図７に異常検知の動作を図示する。キャリッジ１が正方向に駆動されている、あるいは負方向に外力が印加された場合は、電流司令値ｉｃがｉｌｉｍ＋よりも大きくなった時間ｔｃ＋が所定の時間ｔｌｉｍ＋を越えた場合、リニアアクチュエータの異常を検知する。負方向に駆動されている、あるいは正方向に外力が印加された場合は、電流司令値ｉｃがｉｌｉｍ−より小さくなった時間ｔｃ−が所定の時間ｔｌｉｍ−を越えた場合、リニアアクチュエータの異常を検知する。
【００５１】
本発明の第６の実施の形態によれば、リニアアクチュエータの駆動方向に応じたリニアアクチュエータの過負荷時間を別々に設定できる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、モータの電流の上限値あるいは下限値と操作量あるいはモータの電流を比較し、操作量等が上限値を超え、あるいは下限値を下回れば、異常が発生したことが検知できる。しかも、上限値あるいは下限値の算出や操作量等との比較は、高次元演算ではなく、低次元の演算なので、位置決め制御に要求されるサンプリング時間内に間に合わせることができる。
【００５３】
また、本発明によれば、駆動方向に応じたアクチュエータの過負荷設定を別々に設定できる。
【００５４】
しかも、本発明によれば、電流リミッタがローパスフィルタを備えることで、操作量あるいはモータの電流のノイズによる誤動作を防ぐことができる。さらに、ローパスフィルタの遮断周波数を変更することで、異常検知の応答性能を調整できる。
【００５５】
また、本発明によれば、電流リミッタが、ローパスフィルタの出力がモータの電流の上限値に対し、所定の時間大きくなっていたかを判定することで、過渡応答のために瞬間的に大きくなった操作量、モータの電流、ノイズ成分による誤動作を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る形状測定装置の構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る形状測定装置の異常検知の動作を示した図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る形状測定装置の異常検知の動作を示した図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る形状測定装置の異常検知の動作を示した図である。
【図５】電流リミッタ７の構成を示す回路図である。
【図６】本発明の第５の実施の形態に係る形状測定装置の異常検知の動作を示した図である。
【図７】本発明の第６の実施の形態に係る形状測定装置の異常検知の動作を示した図である。
【図８】従来技術の形状測定装置の構成図である。
【符号の説明】
１    キャリッジ
２    ばね
２ａ    弾性部分
２ｂ    粘性部分
３    ボイスコイルモータ
４    リニアエンコーダ
５    位置決めコントローラ
６    モータドライバ
７    電流リミッタ
８    ローパスフィルタ
９    比較器
１０    切換え器
１１    フォーカス式プローブ
１２    被検物
５１    ばね
５２    リニアモータ
５３    Ｚ移動部
５４    位置検出器
５５    サーボ回路
５６    対物レンズ
５７    測定面
【図１】
0003617783.tif 000011
【図２】
0003617783.tif 000012
【図３】
0003617783.tif 000013
【図４】
0003617783.tif 000014
【図５】
0003617783.tif 000015
【図６】
0003617783.tif 000016
【図７】
0003617783.tif 000017
【図８】
0003617783.tif 000018