(57)【要約】【課題】プローブ圧力を規定値の圧力付近に確実に移動することが可能となり、安定して位置制御から圧力制御に移行することが可能となる。【解決手段】まず、プローブ圧力が接触判定圧力を所定の時間を超えるまで移動スライダを物体に近づけ、プローブ圧力が接触判定圧力を所定の時間以上を超えたら、移動スライダを一端停止する。次に、プローブ圧力の変化が十分に静定する時間経過後、所定の時間プローブ圧力を測定しその平均値を求め、この平均値が目標圧力値に達しない場合は、移動スライダを目標圧力に近づく方向に移動スライダを少し移動し、これらを繰り返す。そして、平均圧力が目標圧力に達したら、移動スライダの制御を位置制御から圧力制御に切り替える。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブの一端を物体に接触させ、前記プローブと前記物体との圧力が一定状態を保ちながらトレースする装置において、前記プローブの一端を前記物体に接触されていない状態から、前記物体に前記プローブを接触させ、前記プローブの接触の圧力を一定の目標圧力に制御する動作において、
前記プローブを前記物体に接近させ、前記プローブの接触の圧力が、規定の接触圧力を継続して接触判定時間を超えたら前記プローブを停止し、前記プローブの接触圧力の変化が十分に静定した状態から、前記圧力をある時間測定し、この平均圧力と前記目標圧力と比較し、前記平均圧力が前記目標圧力に達していない場合は、前記圧力が前記目標圧力に近づく方向に移動し、再度、前記プローブの接触圧力の変化が十分に静定した状態から、前記圧力をある時間測定し、これらを繰り返えすことにより、前記平均圧力が前記目標圧力に達した場合に制御を圧力制御に移行することを特徴とする、制御切り替え方法。
【請求項２】
請求項１に記載の制御切り替え方法を具備した、形状測定装置。
【請求項３】
請求項１に記載の制御切り替え方法を具備した、研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プローブの一端を被測定物に接触させプローブの変位に基づき被測定物面の凹凸形状を精密に測定する形状測定装置、または、プローブの一端を加工物に接触させ一定圧力で研磨を行なう研磨装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
形状測定装置としては、特願平８−１７２２７６号公報（図１７フローチャートを示す）に示されているように、プローブ圧力が規定値となる方向に一定距離を移動し、圧力が規定値を超えるまでこれを繰り返し、規定値の圧力を超えたら圧力制御に切り替えを行なっている。ここで問題となるのは、メカ的な振動により接触圧力が規定値の圧力を一瞬超えしてしまい、そこで位置制御から圧力制御に切り替えた際に規定値の圧力にうまく引き込むことができず、圧力が異常とする圧力をこえてしまい異常となってしまうことがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
プローブ圧力を規定値の圧力付近に確実に移動することが可能となり、安定して位置制御から圧力制御に移行することが可能となる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
まず、プローブ圧力が接触判定圧力を所定の時間を超えるまで移動スライダを物体に近づけ、プローブ圧力が接触判定圧力を所定の時間以上を超えたら、移動スライダを一端停止する。次に、プローブ圧力の変化が十分に静定する時間経過後、所定の時間プローブ圧力を測定しその平均値を求め、この平均値が目標圧力値に達しない場合は、移動スライダを目標圧力に近づく方向に移動スライダを少し移動し、これらを繰り返す。そして、平均圧力が目標圧力に達したら、移動スライダの制御を位置制御から圧力制御に切り替える。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図３に本発明の実施形態における形状測定装置の概略図を示す。
【０００６】
同図において、球１はプローブチップ２に接着固定される。スペーサー３と板ばね４をはさみ、プローブシャフト５の下側にネジこみ、固定する。ミラーＡ６をミラー固定駒７に接着固定する。このミラー固定駒にはネジ部とともに、穴が設けられており、この穴に棒を差し込むことによって、ねじを締めることができる。ミラー固定駒７はスペーサー８と板ばね４をはさみ、プローブシャフト５の上側にネジで固定する。板ばね４はネジ９とスペーサー１０を挟んでハウジング１１に固定する。
【０００７】
ハウジング１１は測定軸１２に固定されている。測定軸１２はプローブ軸と同じ方向、すなわち上下方向（Ｚ方向）にガイド１３で移動可能に、ＸＹテーブル１６に対して支持され、ボールネジ１４とサーボモータ１５で駆動される。測定軸１２は、ＸＹＺ方向に対して移動するスライダの機能を有し、フレーム２０に対して３軸方向に移動可能である。
【０００８】
サーボモータ１５はサーボアンプ２９に接続され、サーボアンプ２９は、制御系切り替え装置３１に接続される。サーボモータ１５の回転軸にはエンコーダ３３が接続してあり、その出力を位置制御補償回路３０に接続する。先ほど説明した制御系切り替え装置３１が、位置制御系に接続している時は、測定軸１２の位置を制御することができる。
【０００９】
この制御系切り替え装置は、不図示のコントローラで自動制御され、後述する測定動作が行われる。
【００１０】
ＸＹテーブル１６は図示しない定盤に対してＸ、Ｙ方向に移動可能にガイドされ、サーボモータ１５で位置決めされる。干渉計１７および４分の１波長板１８を測定軸１２に固定し、その上方にミラーＢ１９を設け、ミラーＢはフレーム２０に固定する。このように、構成すると、干渉計１７（第１検出手段）はミラーＡ６、とミラーＢ１９の間の距離を測定することができる。
【００１１】
フレーム２０（基準部材）には、ミラーＢ１９のほかに被測定物２１が固定されている。
【００１２】
図示しない光源から光ファイバー２２（光束射出手段）に光を入射し、光ファイバー固定駒２３から光束を出射させる。この光ファイバー固定駒は、固定部材２４でハウジング１１に固定される。レンズ２５（光学系）をハウジング１１に固定して設け、光束を集光させる。集光した光はシャフト５に固定された凸球面ミラー２６で反射し、ポジションセンサ２７上で焦点を結ぶ。ここで、凸球面ミラー２６の球面の中心を、プローブシャフトのセンター軸上に配置する。
【００１３】
図４に上述の凸面球面ミラーを用いた変位測定手段（第２検出手段）の原理を示す。
【００１４】
点光源Ｆを設け、Ｆから出射した光はレンズＬによって集光され、球面ミラーＭで反射されてＳで焦点を結ぶ。この時、入反射角度を２θとし、その半分のθ方向をＸ’軸とし、このＸ’軸方向と直角な方向をＹ’軸方向とし、Ｘ’とＹ’に垂直な、すなわち紙面に対して垂直な方向をＺ’軸方向とする。
【００１５】
同図において、
ａ）球面ミラーＭがＹ’方向に変位すると、その変位が拡大されて焦点Ｓの位置の変位となるので、Ｓの位置を光点位置検出手段、例えばＰＩＮフォトダイオードなどのポジションセンサで測定することができる。
【００１６】
ｂ）同様に球面ミラーＭがＺ’方向に変位すると、その変位が拡大されて焦点Ｓの位置の変位となるので、Ｓの位置を光点位置検出手段、例えばＰＩＮフォトダイオードなどのポジションセンサで測定することができる。
【００１７】
ｃ）Ｓの位置を２方向の測定が可能な光点位置検出手段とすることにより、上記ａ）およびｂ）を同時に測定できる。すなわち、Ｙ’とＺ’の２方向を同時に測定できる。
【００１８】
以下に、球面ミラーＭの変位が拡大されて焦点Ｓの変位になることを示す。図５は光学系の模式図である。点光源Ｆからでた光束は距離、Ｌ１離れたレンズＬによってＬ２離れた位置Ｅに点像を作る。レンズの焦点距離をｆとすると、近軸公式より次の関係がなりたっている。
【００１９】
１／ｆ＝（１／Ｌ１）＋（１／Ｌ２）
点光源の像Ｅは球面ミラーによって、Ｓに写像される。図４は、説明のため、球面ミラーＭで反射する光束をＭの右側に描いている。球面ミラーＭの半径をＲとすると、次の関係がある。
【００２０】
２／Ｒ＝（１／Ｌ３）−（１／Ｌ４）
この倍率はＬ４／Ｌ３である。従って、球面ミラーがＹ’方向にδ変位したとすると、Ｓは次の量だけ変位する。
【００２１】
（１−（Ｌ４／Ｌ３））δ
これが、この光学系によって変位が拡大される倍率を表している。例えばＲを４ｍｍ，Ｌ３を２．０５ｍｍとすると式２よりＬ４は８２ｍｍとなり、上式より球面ミラーの変位は３９倍に拡大される。この光点の変位を測定することによって、高い精度で変位を測定することができる。
【００２２】
また、図４において、球面はその中心Ｏを中心に回転しても同じ形状なので、この測定方法は、球面の傾斜角度に影響されない特徴がある。例えば球面の中心をプローブシャフトの中心軸上に配置しておけば、プローブシャフトの傾斜角度に影響されない変位測定が可能である。しかし、形状としては球面に限るものではなく、例えば円筒面や曲面または傾斜面をもつ反射ミラーでも、プローブシャフトの中心軸方向の変位の測定が可能である。
【００２３】
焦点Ｓを測定する光点検出手段であるポジションセンサ２７は、微動テーブル２８の上に固定されており、Ｚ方向に位置を調整できる。微動テーブルは測定軸１２に固定されている。
【００２４】
ポジションセンサ２７は、センサアンプ３４に接続され、光点位置を電気信号に変換する。センサアンプは針圧制御補償回路３２に接続され、さらに制御系切り替え装置３１に接続されている。この制御系切り替え装置３１が針圧制御系に接続されている時は、センサアンプ３４の出力が一定になるように、サーボモータを制御する。
【００２５】
次に板ばね４の実施形態の形状例を図６に示す。
【００２６】
図に示す通り、中央にプローブシャフト５に固定するために使用する穴４ａが設けられ、その周囲にハウジング１１に固定するための穴４ｂが空いている。
【００２７】
また、板ばねの外周４ｃの外径より内側にシャフト固定穴４ａとハウジング固定穴４ｂを配置し、シャフト固定穴４ａとハウジング固定穴４ｂは板ばねの外周４ｃを介して連結するようにしている。そのため、シャフト固定穴４ａとハウジング固定穴４ｂを直線的に連結する場合よりも、実質的な板ばね長さが長くなっており、結果として固定部材であるハウジングと可動部材であるプローブとの間の板ばね長さを実質的に長くなっている。
【００２８】
以上の構成において、球１が被測定物に接触し、反力を受けると、その大きさに従って２枚の板ばね４が変形する。その変形に従ってプローブシャフト５の位置がハウジング１１に対して変化する。従って、プローブシャフトの動きはプローブが被測定物を押しつける圧力を表している。
【００２９】
光ファイバー固定駒２３から出射した光束は次第に広がりながらレンズ２５に入射、集光しながら、プローブシャフト５に固定された球面ミラー２６に反射し、ポジションセンサ２７の上で焦点を結ぶ。その焦点の位置がポジションセンサの中心位置にくるように、あらかじめ、微動テーブル２８を調整しておく。プローブシャフト５が移動すると、前に説明したとおり、球面ミラーに入射する光束と反射する光束の中間方向に垂直な方向、すなわち、図３の矢印方向３５の移動量が拡大されて、ポジションセンサ上の焦点位置が移動する。プローブシャフトは垂直方向に平行板ばねでガイドされているので、方向３５は、ほぼ、プローブシャフトの移動方向と考えられる。プローブ移動方向と、変位測定方向の角度差はθなので、プローブ移動量のｃｏｓ（θ）を測定することになる。その位置変化をセンサアンプ３４で電気信号に変える。板ばねの変位は、それにバネ定数をかければプローブ押しつけ圧力になるので、結局、センサアンプ３４の出力は、プローブの押しつけ圧力を表している。
【００３０】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。図１は本発明の実施例に係わるフローチャートを示す。図１において、位置制御を開始し（ステップＳ２０２）、圧力が接触判定圧力を継続して所定の時間を超えるまでＺスライダを非測定物に近づける（ステップＳ２０３、ステップＳ５０１）。圧力が接触判定圧力を継続して所定の時間を超えたら、Ｚスライダを停止する（ステップＳ５０２）。
【００３１】
次に、圧力の変化が十分に静定した状態になるまでの時間経過後（ステップＳ５０３）、所定の時間、圧力を測定しその平均値を求め（ステップＳ５０４）、この接触圧力の平均値が目標圧力に達しない場合は、Ｚスライダを目標圧力に近づく方向に移動し（ステップＳ５０６）、再度ステップＳ５０３、ステップＳ５０４、ステップＳ５０５を繰り返す。そして、圧力の平均値が目標圧力に達したら、Ｚスライダの制御を位置制御から圧力制御に切り替える（Ｓ２０５）。なお、それ以降の処理については、特願平８−１７２２７６号の図１７のフローチャートと同様である。
【００３２】
図２に、実際に実行させたときの圧力およびＺスライダエンコーダー３３で検出する位置の変化を示す図である。Ｔ１〜Ｔ４までは、図１のフローチャートではステップＳ２０３、ステップＳ５０１、ステップＳ５０２に相当している。Ｔ１から少し経過したあとに圧力の変化が大きいのは、Ｚスライダが移動を開始したことにより、プローブに振動が伝わり板バネが振動することにより圧力が変化したことを示し、接触判定圧力を一時的に超えているが、所定の時間を継続して圧力が超えていないためＺスライダを停止していない。
【００３３】
Ｔ２以降は、プローブが被測定物に接触している状態にあり、Ｔ２〜Ｔ３間の圧力の変化はプローブがワークに接触しプローブがバウンドしていることを示す。この場合もプローブの接触判定圧力を一時的に超えているが、規定の時間を継続して圧力が超えていないためＺスライダを停止していない。Ｔ３〜Ｔ４で確実にワークに接触させＺスライダを停止させていることを示す。Ｔ４〜Ｔ５、Ｔ７〜Ｔ８、Ｔ１０〜Ｔ１１はステップＳ５０３の接触圧力が十分に静定する時間に相当し、Ｔ５〜Ｔ６、Ｔ８〜Ｔ９、Ｔ１１〜Ｔ１２はステップＳ５０４に相当し、Ｔ６〜Ｔ７、Ｔ９〜Ｔ１０は、ステップＳ５０６に相当する。ステップＳ５０３により、Ｚスライダ停止直後の圧力変動の影響を受けないようにしている。
【００３４】
また、ステップＳ５０４により、圧力を規定の時間平均化することにより、正確な現在の圧力を測定することが可能となり確実に目標圧力にＺスライダを移動することが可能となる。次に、Ｔ１２で圧力の平均値は、目標圧力を超えたため制御を圧力制御に切り替える。Ｔ１３より被測定物をトレースしている様子を示す。つまり圧力はほぼ一定で、被測定物の形状に沿ってＺスライダを移動していることを示す。
【００３５】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、確実に目標とする接触圧力になるようにＺスライダを移動し、安定して位置制御から圧力制御に移行することが可能となり、エラー発生によるダウンタイムの軽減が図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】位置制御から圧力制御へ移行の動作のフローチャート
【図２】位置制御から圧力制御への移行動作における圧力変化およびＺスライダ位置の説明図
【図３】形状測定装置の概略図
【図４】凸球面ミラーを用いた変位測定手段の概略図
【図５】凸球面ミラーを用いた変位測定手段の説明図
【図６】板ばねの実施形態の形状例の図
【符号の説明】
１　　球
２　　プローブチップ
３　　スペーサ
４　　板ばね
５　　プローブシャフト
６　　ミラーＡ
７　　ミラー固定駒
８　　スペーサ
９　　ネジ
１０　スペーサ
１１　ハウジング
１２　測定軸
１３　ガイド
１４　ボールネジ
１５　サーボモータ
１６　ＸＹテーブル
１７　干渉計
１８　４分の１波長板
１９　ミラーＢ
２０　フレーム
２１　被測定物
２２　光ファイバー
２３　光ファイバー固定駒
２４　固定部材
２５　レンズ
２６　凸球面ミラー
２７　ポジションセンサ
２８　微動テーブル
２９　サーボアンプ
３０　位置制御補償回路
３１　制御系切り替え装置
３２　針圧制御補償回路
３３　エンコーダ
３４　センサアンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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