(57)【要約】【課題】触針子の外乱の影響による振動を抑制し、計測精度の向上を図ることができる触針式プローブ機構の制御方法及び装置を提供する。【解決手段】触針子２を被測定物に接触させて走査させるとき、バネ７が中立点にあるように移動ステージを制御する。さらに、設定値に応じた力を加えるようにアクチュエータ２１を制御する。これにより、バネ７は中立点にあるため、バネ７からは接触力は得られず、アクチュエータ２１によって触針子２に加えられる設定値に応じた力が、触針子２と被測定物との接触力となる。【選択図】　　　図１
2004109089.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触針子、該触針子を支持するバネ及び前記触針子に対して当該変位方向に力を加えるアクチュエータを有する触針式プローブと、該触針式プローブを前記変位方向に駆動する移動ステージとを備えた触針式プローブ機構の制御方法であって、
前記触針子を被測定物に接触させて走査させるとき、前記バネが中立点にあるように前記移動ステージを制御すると共に、設定値に応じた力を加えるようにアクチュエータを制御する
ことを特徴とする触針式プローブ機構の制御方法。
【請求項２】
触針子、該触針子を支持するバネ及び前記触針子に対して当該変位方向に力を加えるアクチュエータを有する触針式プローブと、該触針式プローブを前記変位方向に駆動する移動ステージとを備えた触針式プローブ機構の制御方法であって、
前記触針子を被測定物に接触させて走査させるとき、前記バネが所定変位にあるように前記移動ステージを制御すると共に、前記触針子の振動を打ち消す力を加えるように前記アクチュエータを制御する
ことを特徴とする触針式プローブ機構の制御方法。
【請求項３】
請求項１記載の触針式プローブ機構の制御方法であって、
前記バネの前記中立点からのずれ量に応じた力をさらに加えるようにアクチュエータを制御する
ことを特徴とする触針式プローブ機構の制御方法。
【請求項４】
請求項２記載の触針式プローブ機構の制御方法であって、
前記バネの前記所定変位からのずれ量に応じた力をさらに加えるようにアクチュエータを制御する
ことを特徴とする触針式プローブ機構の制御方法。
【請求項５】
触針子、該触針子を支持するバネ及び前記触針子に対して当該変位方向に力を加えるアクチュエータを有する触針式プローブと、該触針式プローブを前記変位方向に駆動する移動ステージとを備えた触針式プローブ機構の制御方法であって、
前記触針子の変位方向における速度に応じた力を加えるように前記アクチュエータを制御する
ことを特徴とする触針式プローブ機構の制御方法。
【請求項６】
触針子、該触針子を支持するバネ及び前記触針子に対して当該変位方向に力を加えるアクチュエータを有する触針式プローブと、該触針式プローブを前記変位方向に駆動する移動ステージとを備えた触針式プローブ機構の制御方法であって、
前記触針子の目標位置からのずれ量に応じた力を加えるように前記アクチュエータを制御する
ことを特徴とする触針式プローブ機構の制御方法。
【請求項７】
触針子、該触針子を支持するバネ及び前記触針子に対して当該変位方向に力を加えるアクチュエータを有する触針式プローブと、該触針式プローブを前記変位方向に駆動する移動ステージとを備えた触針式プローブ機構の制御装置であって、
前記バネが中立点にあるように前記移動ステージを制御するステージ制御部と、
前記触針子の変位方向における速度を演算する速度演算部と、
前記演算した速度に応じた力と設定値に応じた力とを加算する加算部と、
前記加算部が加算した力を加えるようにアクチュエータを制御するアクチュエータ制御部とを
備えたことを特徴とする触針式プローブ機構の制御装置。
【請求項８】
触針子、該触針子を支持するバネ及び前記触針子に対して当該変位方向に力を加えるアクチュエータを有する触針式プローブと、該触針式プローブを前記変位方向に駆動する移動ステージとを備えた触針式プローブ機構の制御装置であって、
前記触針子の目標位置と変位検出部が検出した前記触針子の変位との差を算出する差算出部と、
前記差算出部が算出した差に応じた力を加えるように前記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御部と
を備えたことを特徴とする触針式プローブ機構の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、触針式プローブ機構の制御方法及び装置に係わり、特に、触針子、触針子を支持するバネ及び触針子に対してその変位方向に力を加えるアクチュエータを有する触針式プローブと、触針式プローブを変位方向に駆動する移動ステージとを備えた触針式プローブ機構の制御方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、微小形状を高精度に測定するために、触針式プローブを搭載した形状測定装置が開発されてきている。図６は触針式プローブ機構８の一例である。１は触針子２の先端に取り付けられ、被測定物と接触する真球である。触針子２は、吸気孔６から吸気される静圧空気軸受５によって非接触支持され、横方向には拘束され、上下方向には摺動抵抗なく動くことができる。
【０００３】
７は触針子２を支持し、ハウジング４に固定されているバネである。３は触針子２の上下方向の変位を検出する変位計である。ハウジング４は触針子２の変位方向と同方向に駆動される不図示の移動ステージに搭載される。
【０００４】
図６に示す触針式プローブ機構８の接触力の設定方法を説明する。触針子２の先端の真球１が被測定面に押し付けられ、触針子２は、バネ７の力と被測定面からの反力とが釣り合う位置に移動する。今、触針子２の重量ｍとバネ７のバネ力とが釣り合う中立点を初期位置ｄｚ０とし、上記被測定面からの反力とが釣り合う位置への移動により、バネ７が、この初期位置ｄｚ０から変位量ｄｚｒｅｆだけ移動したとする。このとき、触針子２と測定面との接触力ｆｐは式（１）のように表される。
ｆｐ＝ｋｐ×ｄｚｒｅｆ　　…（１）
ｋｐ：バネ７のバネ定数
【０００５】
従って、ｆｐに設定したい接触力の値を代入した変位量ｄｚｒｅｆ＝ｆｐ／ｋで変位計３の出力が一定になるようにして、ハウジング４を搭載した移動ステージを駆動すれば、被測定面と真球１との接触力を設定したい値に一定に保つことができる。
【０００６】
次に、図６に示す触針式プローブを搭載した形状測定装置の測定原理の一例を図７において説明する。形状測定装置は、ＸＹ平面上に駆動するＸＹ軸移動ステージ１８と、Ｚ軸方向に駆動するＺ軸移動ステージ１０とを備えている。Ｚ軸移動ステージ１０上には、上述した触針式プローブ機構８が、触針子２の上下方向がＺ軸方向となるように、搭載されている。つまり、Ｚ軸移動ステージ１０が、図６について上述した触針子２の変位方向と同方向に駆動される移動ステージに相当する。
【０００７】
触針子２の上下方向、つまり、Ｚ軸方向の微小変位を検出する変位計３としては、ここでは光学式変位計が搭載されている。また、ＸＹ軸移動ステージ１８及びＺ軸移動ステージ１０の変位を検出するためにＺ軸移動ステージ１０上には、Ｘ軸用レーザ測長器１２とＹ軸用レーザ測長器１３とＺ軸用レーザ測長器１４が搭載されている。１５はＸ軸用レーザ測長器１２用の基準ミラーであり、１６はＹ軸用レーザ測長器１３の基準ミラーであり、１７はＺ軸用レーザ測長器１４の基準ミラーである。
【０００８】
次に上述した形状測定装置の測定動作について説明する。まず、被測定物取付治具１９上に取り付けられた被測定物２０に触針子２を接触させる。その後、変位計３の出力が一定値となるようにＺ軸移動ステージ１０を駆動制御するＺ軸追従制御を開始する。さらに、Ｚ軸追従制御を行った状態で、ＸＹ軸移動ステージ１８を駆動し、被測定物２０上において、触針子２を走査させる走査制御を行う。
【０００９】
このＺ軸追従制御及び走査制御中のＸＹ移動ステージ１８及びＺ軸移動ステージ１０の移動軌跡を上述したＸ軸用レーザ測長器１２、Ｙ軸用レーザ測長器１３及びＺ軸用レーザ測長器１４によって検出し、その値を被測定物２０の表面形状とすることができる。
【００１０】
このような測定原理の触針式プローブ機構８は、触針子２がバネ７で支持され、かつ摺動抵抗が少ない支持方法である。このため、触針子２の重量と支持するバネ７のバネ定数ｋｐ又はバネ定数Ｋｐに被測定物との接触剛性を加算したバネ定数ｋｃによって求まる式（２）で示す機械共振周波数ωで振動しやすく、減衰しにくいと言う問題がある。
【００１１】
【数１】
2004109089.tif 000003
非接触時ｋ＝ｋｐ、接触時ｋ＝ｋｃ
【００１２】
触針子２が振動していると、触針子２の初期位置（＝触針子２の自重がバネ７の発生する復元力と釣り合う中立点）を検出することが困難となるため、触針子２と被測定物２０との接触力を精度良く制御することができず、形状測定の不安定要因となる。
【００１３】
また、触針子２を走査するとき、被測定物２０表面に付着したゴミや、形状、接触状態によって触針子２が機械共振周波数で振動してしまい、接触力を精度良く制御することができず、形状測定の不安定要因となる。
【００１４】
そこで、粘性流体を用いて触針子２の振動を減衰させるものが特許文献１に記載されている。しかしながら、粘性流体を扱うためにはシール機構等が必要となり、触針式プローブの構成が複雑化してしまうという問題がある。また、減衰性能は粘性流体と触針式プローブとによって決定されてしまうため、アクティブに変化させることはできない。
【００１５】
また、図６に示す触針式プローブのバネ７の表面にそのバネ７とは異なる材料を付着させ、バネ７の減衰性能を高めるものが特許文献２に記載されている。しかしながら、この場合も減衰性能をアクティブに変化させることはできない。しかも、このような構成のバネ７は高い減衰性能が得られにくい。
【００１６】
【特許文献１】
特開平９−９６５１８号公報
【特許文献２】
特開２０００−２９８０１３公報
【特許文献３】
特開平８−４３０６６号公報
【特許文献４】
特開平５−１２６５５３号公報
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、触針子の外乱の影響による振動を抑制し、計測精度の向上を図ることができる触針式プローブ機構の制御方法及び装置を提供することを課題とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、触針子、該触針子を支持するバネ及び前記触針子に対して当該変位方向に力を加えるアクチュエータを有する触針式プローブと、該触針式プローブを前記変位方向に駆動する移動ステージとを備えた触針式プローブ機構の制御方法であって、前記触針子を被測定物に接触させて走査させるとき、前記バネが中立点にあるように前記移動ステージを制御すると共に、設定値に応じた力を加えるようにアクチュエータを制御することを特徴とする触針式プローブ機構の制御方法に存する。
【００１９】
請求項１記載の発明によれば、触針子を被測定物に接触させて走査させるとき、バネが中立点にあるように移動ステージを制御する。さらに、設定値に応じた力を加えるようにアクチュエータを制御する。これにより、バネは中立点にあるため、バネからは接触力は得られず、アクチュエータによって触針子に加えられる設定値に応じた力が、触針子と被測定物との接触力となる。
【００２０】
従って、触針子を被測定物に接触させて走査させるとき、バネが中立点にあるように移動ステージを制御することにより、触針子を、初期位置であるバネが中立点となる位置から設定接触力相当の変位まで移動させる必要がなく、移動範囲を小さくすることができ、触針子の外乱の影響による振動を抑制することができる。
【００２１】
請求項２記載の発明は、触針子、該触針子を支持するバネ及び前記触針子に対して当該変位方向に力を加えるアクチュエータを有する触針式プローブと、該触針式プローブを前記変位方向に駆動する移動ステージとを備えた触針式プローブ機構の制御方法であって、前記触針子を被測定物に接触させて走査させるとき、前記バネが所定変位にあるように前記移動ステージを制御すると共に、前記触針子の振動を打ち消す力を加えるように前記アクチュエータを制御することを特徴とする触針式プローブ機構の制御方法に存する。
【００２２】
請求項２記載の発明によれば、触針子を被測定物に接触させて走査させるとき、前記バネが所定変位にあるように前記移動ステージを制御する。さらに、触針子の振動を打ち消す力を加えるようにアクチュエータを制御する。これにより、バネから所定変位に応じた力が、触針子と被測定物との接触力となる。従って、触針子の振動を打ち消す力を加えるようにアクチュエータを制御することにより、触針子の外乱の影響による振動を制御することができる。
【００２３】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の触針式プローブ機構の制御方法であって、前記バネの前記中立点からのずれ量に応じた力をさらに加えるようにアクチュエータを制御することを特徴とする触針式プローブ機構の制御方法に存する。
【００２４】
請求項３記載の発明によれば、バネの中立点からのずれ量に応じた力をさらに加えるようにアクチュエータを制御する。バネが中立点にあるように移動ステージを制御するとき、移動ステージの応答の遅れが発生する場合がある。そして、この応答遅れに起因して、接触力に変化が発生してしまう。そこで、以上のように、バネの中立点からのずれ量に応じた力をさらに加えるようにアクチュエータを制御することにより、アクチュエータが加えるずれ量に応じた力が応答遅れに起因する接触力変化を補償することとなる。
【００２５】
請求項４記載の発明は、請求項２記載の触針式プローブ機構の制御方法であって、前記バネの前記所定変位からのずれ量に応じた力をさらに加えるようにアクチュエータを制御することを特徴とする触針式プローブ機構の制御方法に存する。
【００２６】
請求項４記載の発明によれば、バネの所定変位からのからのずれ量に応じた力をさらに加えるようにアクチュエータを制御する。バネが所定変位にあるように移動ステージを制御するとき、移動ステージの応答の遅れが発生する場合がある。そして、この応答遅れに起因して、接触力に変化が発生してしまう。そこで、以上のように、バネの所定変位からのずれ量に応じた力をさらに加えるようにアクチュエータを制御することにより、アクチュエータが加えるずれ量に応じた力が応答遅れに起因する接触力変化を補償することとなる。
【００２７】
請求項５記載の発明は、触針子、該触針子を支持するバネ及び前記触針子に対して当該変位方向に力を加えるアクチュエータを有する触針式プローブと、該触針式プローブを前記変位方向に駆動する移動ステージとを備えた触針式プローブ機構の制御方法であって、前記触針子の変位方向における速度に応じた力を加えるように前記アクチュエータを制御することを特徴とする触針式プローブ機構の制御方法に存する。
【００２８】
請求項５記載の発明によれば、触針子の変位方向における速度に応じた力を加えるようにアクチュエータを制御する。従って、触針子の変位方向における速度に応じた力を加えることにより、触針子の振動を打ち消す力を加えることができ、触針子の外乱の影響による振動を抑制することができる。
【００２９】
請求項６記載の発明は、触針子、該触針子を支持するバネ及び前記触針子に対して当該変位方向に力を加えるアクチュエータを有する触針式プローブと、該触針式プローブを前記変位方向に駆動する移動ステージとを備えた触針式プローブ機構の制御方法であって、前記触針子の目標位置からのずれ量に応じた力を加えるように前記アクチュエータを制御することを特徴とする触針式プローブ機構の制御方法に存する。
【００３０】
請求項６記載の発明によれば、触針子の目標位置からのずれ量に応じた力を加えるようにアクチュエータを制御する。従って、触針子の目標位置からのずれ量に応じた力を加えることにより、触針子の振動を打ち消す力を加えることができ、触針子の外乱の影響による振動を抑制することができる。
【００３１】
請求項７記載の発明は、触針子、該触針子を支持するバネ及び前記触針子に対して当該変位方向に力を加えるアクチュエータを有する触針式プローブと、該触針式プローブを前記変位方向に駆動する移動ステージとを備えた触針式プローブ機構の制御装置であって、前記バネが中立点にあるように前記移動ステージを制御するステージ制御部と、前記触針子の変位方向における速度を演算する速度演算部と、前記演算した速度に応じた力と設定値に応じた力とを加算する加算部と、前記加算部が加算した力を加えるようにアクチュエータを制御するアクチュエータ制御部とを備えたことを特徴とする触針式プローブ機構の制御装置に存する。
【００３２】
請求項７記載の発明によれば、ステージ制御部が、バネが中立点にあるように前記移動ステージを制御する。速度演算部が、触針子の変位方向における速度を演算する。加算部が、演算した速度に応じた力と予め定めた一定値に応じた力とを加算する。アクチュエータ制御部が、加算部が加算した力を加えるようにアクチュエータを制御する。これにより、バネは中立点にあるため、バネからは接触力は得られず、アクチュエータによって触針子に加えられる設定値に応じた力が、触針子と被測定物との接触力となる。
【００３３】
従って、触針子を被測定物に接触させて走査させるとき、バネが中立点にあるように移動ステージを制御することにより、触針子を、初期位置であるバネが中立点となる位置から設定接触力相当の変位まで移動させる必要がなく、移動範囲を小さくすることができ、触針子の外乱の影響による振動を抑制することができる。しかも、触針子の変位方向における速度に応じた力を加えることにより、触針子の振動を打ち消す力を加えることができ、触針子の外乱の影響による振動をさらに抑制することができる。
【００３４】
請求項８記載の発明は、触針子、該触針子を支持するバネ及び前記触針子に対して当該変位方向に力を加えるアクチュエータを有する触針式プローブと、該触針式プローブを前記変位方向に駆動する移動ステージとを備えた触針式プローブ機構の制御装置であって、前記触針子の目標位置と変位検出部が検出した前記触針子の変位との差を算出する差算出部と、前記差算出部が算出した差に応じた力を加えるように前記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御部とを備えたことを特徴とする触針式プローブ機構の制御装置に存する。
【００３５】
請求項８記載の発明によれば、変位検出部が、触針子の変位を検出する。差算出部が、目標位置と前記検出部が検出した変位との差を算出する。アクチュエータ制御部が、差算出部が算出した差に応じた力を加えるように前記アクチュエータを制御する。従って、差算出部が算出した差、つまり、触針子の目標位置からのずれ量に応じた力を加えることにより、触針子の振動を打ち消す力を加えることができ、触針子の外乱の影響による振動を抑制することができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
第１実施形態
以下、本発明の触針式プローブ機構の制御方法及び装置について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の触針式プローブ機構の制御方法が実施される触針式プローブ機構８の一実施の形態を示す図である。
１は触針子２の先端に取り付けられ、被測定物と接触する真球である。触針子２は、吸気孔６から吸気される静圧空気軸受５によって非接触支持され、横方向には拘束され、上下方向には摺動抵抗なく動くことができる。
【００３７】
７は、触針子２を支持し、ハウジング４に固定されているバネである。３は触針子２の上下方向の変位を検出する変位計（＝変位検出部）である。ハウジング４は触針子２の変位方向と同方向に移動される不図示の移動ステージに搭載される。触針子２を支持するバネ７はコイルバネ、板バネ、ヒンジ、空気バネ、磁気式バネ等形式を問わず、変位によって力が発生する機構である。
【００３８】
また、触針子２の横方向の支持機構は静圧空気軸受５に限定されず、平行板バネなどの横方向剛性の高い支持機構であればよい。変位計３は光学式、静電容量式、作動トランス式等形式は問わない。
【００３９】
また、２１は、触針子２に対して変位方向に力を加えるアクチュエータである。アクチュエータ２１としては、ボイスコイルモータ等の電磁式アクチュエータやエアシリンダ、バイモノフ構造のＰＺＴ等からなり、所定の力を発生できるものであればよい。ここでは、ボイスコイルモータとして説明する。
【００４０】
アクチュエータ２１において、触針子２の先端に取り付けられた真球１とは反対にあるフランジの上下面に、ボイスコイルモータのコイル２１ａが取り付けられ、フランジの側面には、ボイスコイルモータの磁気回路２１ｂが取り付けられている。
【００４１】
上述した触針式プローブ機構８は、図７について従来で説明したように、Ｚ軸移動ステージ１０及びＸＹ軸移動ステージ１９に取り付けられ、形状測定装置を構成する。なお、図７中のＺ軸移動ステージ１０が、図１について上述した触針子２の変位方向と同方向に駆動される移動ステージに相当するものとする。
【００４２】
次に、上述した触針式プローブ機構８の制御装置について、図２を参照して以下説明する。同図に示すように制御装置２５は、上述した触針式プローブ機構８内の変位計３の出力が供給されるマイクロコンピュータ２６（以下、μＣＯＭ２６）と、アクチュエータ２１を駆動するためのアクチュエータ駆動回路２７と、Ｚ軸移動ステージ１０を駆動するためのＺ軸移動ステージ駆動回路２８とを備えている。
【００４３】
上述したμＣＯＭ２６は、予め定めたプログラムに従って動作を行うＣＰＵ２６Ａと、プログラムなどを格納した読み出し専用のメモリであるＲＯＭ２６Ｂと、各種のデータを格納すると共に、ＣＰＵ２６Ａの処理作業に必要な各種エリアを有する読み出し書き込み自在のメモリであるＲＡＭ２６Ｃとを有している。
【００４４】
上述したＣＰＵ２６Ａは、アクチュエータ駆動回路２７及びＺ軸移動ステージ駆動回路２８に対して各々制御信号を出力することにより、アクチュエータ２１及びＺ軸移動ステージ１０の制御を行う。なお、ＣＰＵ２６Ａは、ＸＹ軸移動ステージ１８の駆動制御など形状測定に必要な他の制御を行うことも考えられるが、説明を簡単にするため省略する。
【００４５】
以下、上述した制御装置２５による触針式プローブ機構８の制御について説明する。まず、ＣＰＵ２６Ａは、触針子２が被測定物に接触していない状態で、触針子２の重量とバネ７とのバネ力とが釣り合う中立点である初期位置に、触針子２を停止させ、そのときの変位計３の出力を、初期位置での出力としてセットする初期位置検出処理を行う。初期位置検出処理において、ＣＰＵ２６Ａは、変位計３の出力に基づき、触針子２が振動していると判断したとき、この振動を減衰させる振動減衰処理を行う。
【００４６】
振動減衰処理において、ＣＰＵ２６Ａは、変位計３の出力に基づき、触針子２の変位方向の速度を求める。そして、アクチュエータ２１によって、触針子２に対して、求めた速度がゼロになるような力が加わるように、アクチュエータ駆動回路２７を介してアクチュエータ２１を制御する。
【００４７】
このようなアクチュエータ２１の制御により、触針子２には、アクチュエータ２１から触針子２の振動を打ち消す力が加えられ、触針子２が振動していても、迅速に振動を抑制することができる。従って、触針子２を正確に、かつ、精度よく初期位置に停止することができる。
【００４８】
上述した振動減衰処理の詳細な動作について、図３に示すＣＰＵ２６Ａの機能ブロック図を参照して以下説明する。まず、ＣＰＵ２６Ａ内の速度演算部２６Ａ−１が、変位計３の出力ｄｚに基づき、触針子２の変位方向の速度Ｖｐｒｂを演算する。
【００４９】
次に、制御量演算部２６Ａ−２が、演算した速度Ｖｐｒｂがゼロになるような力を演算すると共に、アクチュエータ２１が上記演算した力を発生させるのに必要な駆動電流Ｉｍ１を演算する。そして、その演算結果である駆動電流Ｉｍ１をアクチュエータ駆動回路２７に対して出力する。アクチュエータ駆動回路２７は、ＣＰＵ２６Ａから出力された駆動電流Ｉｍ１をアクチュエータ２１内のコイル２１ａに流す。アクチュエータ２１は、上記駆動電流Ｉｍ１に応じた力を、触針子２に対して加える。なお、図３中ｄは、外乱により触針子２に加えられる力である。
【００５０】
一方、変位計３の出力に基づき、触針子２が振動しておらず、すでに初期位置で停止していると判断したときは、直ちに、このときの変位計３の出力を初期位置としてセットした後、この状態を維持するために拘束処理を行う。この拘束処理におけるＣＰＵ２６Ａの動作を、図４に示すＣＰＵ２６Ａの機能ブロック図を用いて、以下説明する。
【００５１】
まず、ＣＰＵ２６Ａは、加算器２６Ａ−３により初期位置としてセットした出力ｄｚ０と、変位検出部３の反転出力−ｄｚとを加算して、制御量演算部２６Ａ−４に供給する。加算器２６Ａ−３の出力（ｄｚ０−ｄｚ）は、初期位置としてセットした出力ｄｚ０と、変位検出部３の出力ｄｚとの差であり、この差が、初期位置からの触針子２のずれ量に相当する。以上のことから明らかなように、加算器２６Ａ−３が請求項中の差算出部に相当する。
【００５２】
制御量演算部２６Ａ−４は、加算器２６Ａ−３から供給された上記差がゼロになるような力を演算すると共に、アクチュエータ２１が上記演算した力を発生されるのに必要な駆動電流Ｉｍ１を演算する。そして、その演算結果である駆動電流Ｉｍ１をアクチュエータ駆動回路２７に対して出力する。以上のことから明らかなように、ＣＰＵ２６Ａが請求項８のアクチュエータ制御部に相当することがわかる。
【００５３】
アクチュエータ駆動回路２７は、ＣＰＵ２６Ａから出力された駆動電流Ｉｍ１をアクチュエータ２１内のコイル２１ａに流す。アクチュエータ２１は、上記駆動電流Ｉｍ１に応じた力、つまり、触針子２の振動を打ち消す力を、触針子２に対して加える。なお、図４中ｄも、外乱により触針子２に加えられる力である。これにより、触針子２が初期位置で停止している状態から、外乱ｄが加わって振動状態になったとしても、触針子２の振動を打ち消す力を加えることができ、初期位置に触針子２を拘束することができる。
【００５４】
次に、触針子２を被測定物に接触させて走査させるときの制御について説明する。今、上述したように、初期位置としてセットした変位計３の出力をｄｚ０とする。このとき、ＣＰＵ２６Ａは、変位計３の出力がｄｚ０となるように、すなわち、バネ７が中立点となるように、Ｚ軸移動ステージ駆動回路２８を介して、Ｚ軸移動ステージ１０を駆動する。以上のことから明らかなようにＣＰＵ２６Ａは、ステージ制御部を構成する。さらに、ＣＰＵ２６Ａは、アクチュエータ２１によって、触針子２に対して、予め定めた設定値に応じた力が加わるように、アクチュエータ駆動回路２７を介してアクチュエータ２１を制御する。
【００５５】
以上の駆動制御により、バネ７は中立点にあるため、バネ７からは接触力は得られず、アクチュエータ２１によって触針子２に加えられる設定値に応じた力が、触針子２と被測定物との接触力となる。つまり、従来の触針式プローブ機構では、バネ７の変位によって接触力を設定していたが、本実施形態では、アクチュエータ２１が触針子２に加える力によって、接触力を設定できる。
【００５６】
今、アクチュエータ２１の推力定数をＫｆ（Ｎ／Ａ）、アクチュエータ２１内のコイル２１ａに流す駆動電流をＩｍとすると、式（３）に示すような接触力ｆｐが得られる。
ｆｐ＝Ｋｆ×Ｉｍ　　…（３）
【００５７】
従って、触針子２を被測定物に接触させて走査させるとき、バネ７が中立点にあるようにＺ軸移動ステージ１０を制御することにより、触針子２を、初期位置であるバネ７が中立点となる位置から設定接触力相当の変位まで移動させる必要がなく、移動範囲を小さくすることができ、触針子２の外乱の影響による振動を抑制することができる。
【００５８】
ＣＰＵ２６Ａは、また、変位計３の出力に基づき、触針子２の変位方向の速度を求め、アクチュエータ２１によって、触針子２に対して、求めた速度がゼロになるような力がさらに加わるように、アクチュエータ駆動回路２７を介してアクチュエータ２１を制御する。つまり、この制御により、触針子２には、アクチュエータ２１から触針子２の振動を打ち消す力を加えることができ、触針子２が振動してしまっても、振動を抑制することができる。
【００５９】
以上述べた制御の詳細について、図５に示すＣＰＵ２６Ａの機能ブロック図を参照して説明する。まず、ＣＰＵ２６Ａ内の速度演算部２６Ａ−５が、変位計３の出力に基づき、触針子２の変位方向の速度Ｖｐｒｂを演算する。次に、制御量演算部２６Ａ−６が、演算した速度Ｖｐｒｂがゼロになるような力を演算すると共に、アクチュエータ２１が上記演算した力を発生させるのに必要な駆動電流Ｉｍ１を演算する。そして、その演算結果である駆動電流Ｉｍ１を加算器２６Ａ−７（＝加算部）に対して出力する。
【００６０】
その後、加算器２６Ａ−７が、制御量演算部２６Ａ−４からの駆動電流Ｉｍ１と、上述した設定値に応じた力をアクチュエータ２１が発生させるのに必要な駆動電流Ｉｍ３とを加算し、アクチュエータ駆動回路２７に対して出力する。アクチュエータ駆動回路２７は、加算された駆動電流（Ｉｍ１＋Ｉｍ２）をアクチュエータ２１に出力する。アクチュエータ２１は、上記駆動電流（Ｉｍ１＋Ｉｍ２）に応じた力、つまり、設定値に応じた力と触針子２の振動を打ち消す力とを、触針子２に対して加える。以上のことから明らかなように、ＣＰＵ２６Ａが請求項７のアクチュエータ制御部に相当することがわかる。
【００６１】
図３や図５に示した制御のように、速度フィードバックを行うと、（４）式の減衰項を変化させることと等価となり、減衰効果を向上できる。
【数２】
2004109089.tif 000004
Ｆ：力、ｍ：重量、ｃ：減衰係数、ｋ：バネ定数、ｘ：変位、ドットは微分を表す。
【００６２】
また、図３及び図５の速度演算部２６Ａ−１及び２６Ａ−５の演算としては、サンプリング時間をｔｓ、１サンプリング前のデータをｄｚ（ｎ−１）、現在のサンプリングデータをｄｚ（ｎ）とすると、（５）式を演算することによって実現できる。実際は、ノイズ除去のためにソフトウェア的なフィルタ処理をすることもある。
【数３】
2004109089.tif 000005
Ｖｐｒｂ（ｎ）：ｎサンプリング時の触針子速度
【００６３】
図３及び図５の制御量演算部２６Ａ−２及び２６Ａ−６の演算としては、サンプリング時間ｔｓで離散化された状態空間方程式（６）式と、出力方程式（７）の演算を行うことによって実現できる。
ｘ（ｎ＋１）＝ａｄ・ｘ（ｎ）＋ｂｄ・ｕ（ｎ）　…（６）
ｙ（ｎ）＝ｃｄ・ｘ（ｎ）＋ｄｄ・ｕ（ｎ）　　　　…（７）
ａｄ、ｂｄ、ｃｄ、ｄｄ：ｔｓで離散化後の定数
ｘ（ｎ）：ｎサンプリングの状態定数
ｕ（ｎ）：ｎサンプリング時の入力
ｙ（ｎ）：ｎサンプリング時の出力
【００６４】
上述したように制御量演算部２６Ａ−２及び２６Ａ−６は（６）、（７）式の演算によって構築でき、（６）、（７）式の定数を調整することによって制御帯域を設定できる。
【００６５】
今、触針子２が非接触状態である場合、触針子２を支持するバネ７のばね定数ｋｐと触針子２の重量ｍから（２）式によって、プローブの機械共振周波数ωｐ（ｒａｄ／ｓ）が求まる。そこで、図３の制御量演算部２６Ａ−２においては、その制御帯域ωｏ１が前記プローブの機械共振周波数ωｐ（ｒａｄ／ｓ）よりも十分に高いものとなるように（６）、（７）式の定数が設定されている。
【００６６】
一方、触針子２が接触状態である場合、触針子２と被対象物の接触剛性から算出されるばね定数ｋｃと触針子２の重量ｍｐから（１）式によって、プローブの機械共振周波数ωｃ（ｒａｄ／ｓ）が求まる。そこで、図５の制御量演算部２６Ａ−６においては、制御帯域ωｏ１が前記プローブの機械共振周波数ωｃ（ｒａｄ／ｓ）よりも十分に高いものとなるように（６）、（７）式の定数が設定されている。
【００６７】
なお、上述した第１実施形態では、触針子２の変位方向がＺ軸方向となるように、触針式プローブがＺ軸移動ステージ１０に搭載されていた。つまり、Ｚ軸移動ステージ１０が、上述した触針子２の変位方向と同方向に駆動される移動ステージに相当していた。
【００６８】
しかしながら、触針子２の変位方向がＸ軸やＹ軸方向となるように、触針式プローブをＸ軸Ｙ軸ステージ１８に搭載することも考えられる。この場合、Ｘ軸Ｙ軸移動ステージが、上述した触針子２の変位方向と同方向に駆動される移動ステージとなる。このとき、バネ７の中立点はバネ７の自然長となる。
【００６９】
第２実施形態
なお、上述した第１実施形態では、触針子２を被測定物に接触させて走査させるとき、バネ７が中立点にあるようにＺ軸移動ステージ１０を制御すると共に、設定値に応じた力を加えるようにアクチュエータ２１を制御していた。
【００７０】
しかしながら、従来のようにバネ７が所定変位にあるようにＺ軸移動ステージ１０を制御し、さらに、第１実施形態で説明したように触針子２に振動を打ち消す力のみを加えるようにすることが考えられる。この場合、従来のように、所定変位に応じた力が接触力となる。
【００７１】
この場合の触針子２を被測定物に接触させて走査させるときのＣＰＵ２６Ａの機能ブロック図は、図３とほぼ同じになる。異なる部分は、第２実施形態においては従来と同様にバネ７の変位が接触力となるため、触針子２には、アクチュエータ２１からの力や、外乱ｄの他に、点線で示すように、バネ７の所定変位に応じた力ｆ２がさらに加わることになる。
【００７２】
以上のように、触針子２の振動を打ち消す力を加えるようにアクチュエータを制御することにより、触針子２が振動してしまっても、振動を抑制することができるという効果を得られる。
【００７３】
第３実施形態
第１及び第２実施形態に示すようにバネ７が中立点や所定位置にあるようにＺ軸移動ステージを制御するとき、Ｚ軸移動ステージ１０の応答遅れが発生する場合がある。そして、この応答遅れに起因して、接触力が変化してしまう。そこで、バネ７の中立点や、所定変位からのずれ量に応じた力をさらに加えるようにアクチュエータ２１を制御し、アクチュエータ２１が触針子２に加える上記ずれ量に応じた力によって、応答遅れに起因する接触力変化を補償することが考えられる。
【００７４】
詳しい動作を説明すると、ＣＰＵ２６Ａは、変位計３からの出力に基づき、中立点や所定変位からの触針子２のずれ量Δｄｚを演算する。次に、ＣＰＵ２６Ａは、応答遅れに起因する接触力変化を補償する力を演算する。今、ずれ量Δｄｚときの接触力の変化量Δｆｐは、式（８）に示すようになる。
Δｆｐ＝ｋｐ×Δｄｚ　…（８）
ｋｐ：バネ定数
【００７５】
従って、ＣＰＵ２６Ａは、式（８）に示すΔｆｐに相当する力を、応答遅れに起因する接触力変化を補償する力として演算する。次に、ＣＰＵ２６Ａは、アクチュエータ２１がΔｆｐに相当する力を発生させるのに必要な駆動電流ΔＩｍを式（９）を用いて演算する。
ΔＩｍ＝Δｆｐ／Ｋｆ　…（９）
Ｋｆ：アクチュエータの推力定数
【００７６】
そして、第１実施形態に適用する場合には、式（９）に示す駆動電流ΔＩｍを図５に示す加算器２６Ａ−７でさらに加える構成となる。一方、第２実施形態で適用する場合には、図３に示す制御量演算部２６Ａ−２の後段に加算器を設け、制御量演算部２６Ａ−２が出力する駆動電流Ｉｍと、さらに式（９）に示す駆動電流ΔＩｍとを加算して、アクチュエータ駆動回路２７に出力する構成となる。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、触針子を被測定物に接触させて走査させるとき、バネが中立点にあるように移動ステージを制御することにより、触針子を、初期位置であるバネが中立点となる位置から設定接触力相当の変位まで移動させる必要がなく、移動範囲を小さくすることができ、触針子の外乱の影響による振動を抑制することができるので、計測精度向上を図った触針式プローブ機構の制御方法を得ることができる。
【００７８】
請求項２記載の発明によれば、触針子の振動を打ち消す力を加えるようにアクチュエータを制御することにより、触針子の外乱の影響による振動を制御することができるので、計測精度向上を図った触針式プローブ機構の制御方法を得ることができる。
【００７９】
請求項３記載の発明によれば、バネの中立点からのずれ量に応じた力をさらに加えるようにアクチュエータを制御することにより、アクチュエータが加えるずれ量に応じた力が応答遅れに起因する接触力変化を補償することとなるので、接触力を常に一定に保つことができ、より一層、計測精度向上を図った触針式プローブ機構の制御方法を得ることができる。
【００８０】
請求項４記載の発明によれば、バネの所定変位からのずれ量に応じた力をさらに加えるようにアクチュエータを制御することにより、アクチュエータが加えるずれ量に応じた力が応答遅れに起因する接触力変化を補償することとなるので、接触力を常に一定に保つことができ、より一層、計測精度向上を図った触針式プローブ機構の制御方法を得ることができる。
【００８１】
請求項５記載の発明によれば、触針子の変位方向における速度に応じた力を加えることにより、触針子の振動を打ち消す力を加えることができ、触針子の外乱の影響による振動を抑制することができるので、計測精度向上を図った触針式プローブ機構の制御方法を得ることができる。
【００８２】
請求項６記載の発明によれば、触針子の目標位置からのずれ量に応じた力を加えることにより、触針子の振動を打ち消す力を加えることができ、触針子の外乱の影響による振動を抑制することができるので、計測精度向上を図った触針式プローブ機構の制御方法を得ることができる。
【００８３】
請求項７記載の発明によれば、触針子を被測定物に接触させて走査させるとき、バネが中立点にあるように移動ステージを制御することにより、触針子を、初期位置であるバネが中立点となる位置から設定接触力相当の変位まで移動させる必要がなく、移動範囲を小さくすることができ、触針子の外乱の影響による振動を抑制することができる。しかも、触針子の変位方向における速度に応じた力を加えることにより、触針子の振動を打ち消す力を加えることができ、触針子の外乱の影響による振動をさらに抑制することができるので、計測精度向上を図った触針式プローブ機構の制御装置を得ることができる。
【００８４】
請求項８記載の発明によれば、差算出部が算出した差、つまり、触針子の目標位置からのずれ量に応じた力を加えることにより、触針子の振動を打ち消す力を加えることができ、触針子の外乱の影響による振動を抑制することができるので、計測精度向上を図った触針式プローブ機構の制御装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の触針式プローブ機構の制御方法が実施される触針式プローブ機構８の一実施の形態を示す図である。
【図２】図１に示す触針式プローブ機構の制御装置を示す図である。
【図３】第１実施形態における振動減衰処理時及び第２実施形態において、触針子２を被測定物に接触させて走査させるときのＣＰＵ２６Ａの機能ブロック図である。
【図４】第１実施形態における拘束処理時のＣＰＵ２６Ａの機能ブロック図である。
【図５】第１実施形態において、触針子２を被測定物に接触させて走査させるときのＣＰＵ２６Ａの機能ブロック図である。
【図６】従来の触針式プローブの一例を示す図である。
【図７】図６に示す触針式プローブを搭載した形状測定装置を示す図である。
【符号の説明】
２　　　　　触針子
３　　　　　変位計（変位検出部）
７　　　　　バネ
８　　　　　触針式プローブ機構
１０　　　　Ｚ軸移動ステージ（移動ステージ）
２１　　　　アクチュエータ
２６Ａ　　　アクチュエータ制御部
２６Ａ−３　加算器（差算出部）
２６Ａ−７　加算器（加算部）
【図１】
2004109089.tif 000006
【図２】
2004109089.tif 000007
【図３】
2004109089.tif 000008
【図４】
2004109089.tif 000009
【図５】
2004109089.tif 000010
【図６】
2004109089.tif 000011
【図７】
2004109089.tif 000012