(57)【要約】【課題】触針式プローブの接触荷重の精度を向上し、測定精度を向上できる形状測定装置の提供を目的としている。【解決手段】本発明は、触針式プローブを所定荷重で被測定物２０の表面に接触させることにより形状を測定する形状測定装置において、触針式プローブの接触荷重を測定する接触荷重測定手段２１が設けられていることを特徴とする。【選択図】　　図１
2004108959.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触針式プローブを所定荷重で被測定物表面に接触させることにより形状を測定する形状測定装置において、
触針式プローブの接触荷重を測定する接触荷重測定手段が設けられていることを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
接触荷重測定手段の出力である接触荷重信号と触針式プローブの位置とを同時に記憶する接触荷重記憶手段が設けられてい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】
接触荷重記憶手段の値と触針式プローブの非接触状態の初期位置とに基づいて触針式プローブのバネ定数を演算するバネ定数演算手段と、
前記バネ定数演算手段によって演算されたバネ定数を記憶するバネ定数記憶手段と、
を備えていることを特徴とする請求項２に記載の形状測定装置。
【請求項４】
触針式プローブの２点以上の異なる位置と接触荷重信号とを同時に記憶することができる荷重記憶手段が設けられてい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５】
荷重記憶手段に記憶された触針式プローブの多点の位置と接触荷重信号とに基づいて、触針式プローブのバネ定数を演算するバネ定数演算手段と、
前記バネ定数演算手段によって演算されたバネ定数を記憶するバネ定数記憶手段と、
を備えていることを特徴とする請求項４に記載の形状測定装置。
【請求項６】
荷重記憶手段に記憶された触針式プローブの多点の位置と接触荷重信号とに基づいて、触針式プローブの荷重を位置から算出するための近似式を導出する荷重近似式導出手段と、
荷重近似式パラメータを記憶する荷重近似式記憶手段と、
を備えていることを特徴とする請求項４に記載の形状測定装置。
【請求項７】
荷重記憶手段に記憶された触針式プローブの多点の位置と接触荷重信号とに基づいて、触針式プローブの所定間隔の位置に応じたバネ定数を演算するバネ定数演算手段と、
所定間隔の位置に応じて演算された前記バネ定数を各位置と共に記憶するバネ定数記憶手段と、
を備えていることを特徴とする請求項４に記載の形状測定装置。
【請求項８】
バネ定数記憶手段に記憶されたバネ定数とプローブの実位置とに基づいて、接触荷重を演算する接触荷重演算手段を備えていることを特徴とする請求項３または請求項５に記載の形状測定装置。
【請求項９】
荷重近似式記憶手段に記憶された近似式パラメータとプローブの実位置とに基づいて、接触荷重を近似式より演算する接触荷重演算手段を備えていることを特徴とする請求項６に記載の形状測定装置。
【請求項１０】
バネ定数記憶手段に記憶されたバネ定数とプローブの実位置とに基づいて、実位置に対応するバネ定数を選択して、接触荷重を演算する接触荷重演算手段を備えていることを特徴とする請求項７に記載の形状測定装置。
【請求項１１】
荷重記憶手段とプローブの実位置とに基づいて、実位置に対応する接触荷重を選択する接触荷重選択手段を備えていることを特徴とする請求項４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、触針式プローブ機構を搭載した形状測定装置に関する。
【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１０は触針式プローブの一例である。図中、参照符号１０１は、触針子１０２の先端に取り付けられ、被接触物と接触する真球である。触針子１０２は、給気孔１０６から給気される静圧空気軸受け１０５によって非接触状態で支持されており、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。参照符号１０７は、触針子１０２を支持し、ハウジング１０４に固定されているバネである。参照符号１０３は、触針子１０２とハウジング１０４との間の位置を検出する変位計である。ハウジング１０４は、触針子１０２の変位方向と同方向に駆動される図示しない移動ステージに搭載される。触針子１０２を支持するバネ１０７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。また、触針子１０２の横方向の支持機構は、静圧空気軸受け１０５に限定されず、平行板バネ等の横方向剛性の高い支持機構であれば良い。変位計１０３は、光学式、静電容量式、作動トランス式等形式は問わない。
【０００３】
次に、前記形状測定装置の基本動作を説明する。
【０００４】
触針子１０２の先端の真球１０１が被測定面に押し付けられると、触針子１０２は、バネ１０７のバネ力と被測定面からの反力とが釣り合う位置に移動する。この時、変位計１０３の出力が変化する。この変位計１０３の出力と触針子１０２を支持するバネ１０７のバネ特性より求まる接触荷重が常に設定荷重と一致するように、すなわち、常に一定の変位計出力となるように、ハウジング１０４を搭載した移動ステージを制御することによって、接触力が一定に保たれる。このようにして接触力を一定に保った状態で、走査用の移動ステージを駆動して、被測定面を走査する。この時の走査軌跡が被測定面の形状となる。
【０００５】
ところで、このような原理の触針式プローブでは、触針式プローブを変更したり、触針子１０２を支持するバネ１０７を変更したりする場合だけでなく、バネ特性の経時的変化、使用環境の変化によっても、バネ特性が変化してしまう。これにより、前記形状測定装置では、接触荷重の誤差が大きくなる可能性がある。
【０００６】
これに関連して、従来においては、低接触荷重で形状を測定するプローブ構成が提案されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。このプローブ構成では、摺動抵抗が小さな軸受けで触針子を支持し、触針子の重量をバネによって補償している。加えて、このバネの変形量によってプローブを接触させた時の荷重を設定する構成となっている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平５−８７５５６号公報
【特許文献２】
特開平１１−１６６８２３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、低接触荷重で形状を測定する前記構成の触針式プローブでは、触針子を支持するバネの特性変化や、製作したバネ毎の特性のばらつきによって、接触荷重に誤差が生じてしまう。
【０００９】
このように、従来においては、前記バネ特性の変動を補償する手段が何ら講じられていなかった。
【００１０】
本発明は前記事情に着目してなされたものであり、その目的とするところは、触針式プローブの接触荷重の精度を向上し、測定精度を向上できる形状測定装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、触針式プローブを所定荷重で被測定物表面に接触させることにより形状を測定する形状測定装置において、触針式プローブの接触荷重を測定する接触荷重測定手段が設けられていることを特徴とする。
【００１２】
この請求項１に記載された発明によれば、触針式プローブユニットの変更や、触針子を支持するバネを変更した際、装置上でバネ特性を測定でき、かつ、装置初期化時にバネ特性を測定することによって、バネ特性の経時的変化、使用環境の変化によるバネ特性変化を検出することができる。
【００１３】
また、請求項２に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、接触荷重測定手段の出力である接触荷重信号と触針式プローブの位置とを同時に記憶する接触荷重記憶手段が設けられていることを特徴とする。
【００１４】
この請求項２に記載された発明によれば、請求項１と同様の作用効果が得られるとともに、測定して記憶した値に基づいて、測定パラメータを変更することができる。
【００１５】
また、請求項３に記載された発明は、請求項２に記載された発明において、接触荷重記憶手段の値と触針式プローブの非接触状態の初期位置とに基づいて触針式プローブのバネ定数を演算するバネ定数演算手段と、前記バネ定数演算手段によって演算されたバネ定数を記憶するバネ定数記憶手段とを備えていることを特徴とする。
【００１６】
この請求項３に記載された発明によれば、請求項２と同様の作用効果が得られるとともに、機上でバネ定数を測定でき、装置構成の変化や経時変化があっても、バネ定数の変化によって生じる接触荷重の誤差が常に最小のものとなるように調整することができる。
【００１７】
また、請求項４に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、触針式プローブの２点以上の異なる位置と接触荷重信号とを同時に記憶することができる荷重記憶手段が設けられていることを特徴とする。
【００１８】
この請求項４に記載された発明によれば、請求項１と同様の作用効果が得られるとともに、多点でデータを取得し、より詳細なバネ特性を記憶することができる。
【００１９】
また、請求項５に記載された発明は、請求項４に記載された発明において、荷重記憶手段に記憶された触針式プローブの多点の位置と接触荷重信号とに基づいて、触針式プローブのバネ定数を演算するバネ定数演算手段と、前記バネ定数演算手段によって演算されたバネ定数を記憶するバネ定数記憶手段とを備えていることを特徴とする。
【００２０】
この請求項５に記載された発明によれば、請求項４と同様の作用効果が得られるとともに、機上でより詳細なバネ定数を測定でき、装置構成の変化や経時変化があっても、バネ定数の変化によって生じる接触荷重の誤差が常に最小のものとなるように調整することができる。
【００２１】
また、請求項６に記載された発明は、請求項４に記載された発明において、荷重記憶手段に記憶された触針式プローブの多点の位置と接触荷重信号とに基づいて、触針式プローブの荷重を位置から算出するための近似式を導出する荷重近似式導出手段と、荷重近似式パラメータを記憶する荷重近似式記憶手段とを備えていることを特徴とする。
【００２２】
この請求項６に記載された発明によれば、請求項４と同様の作用効果が得られるとともに、非線形特性をもったバネにも対応でき、接触荷重の精度を高めることができる。
【００２３】
また、請求項７に記載された発明は、請求項４に記載された発明において、荷重記憶手段に記憶された触針式プローブの多点の位置と接触荷重信号とに基づいて、触針式プローブの所定間隔の位置に応じたバネ定数を演算するバネ定数演算手段と、所定間隔の位置に応じて演算された前記バネ定数を各位置と共に記憶するバネ定数記憶手段とを備えていることを特徴とする。
【００２４】
この請求項７に記載された発明によれば、請求項４と同様の作用効果が得られるとともに、非線形特性をもったバネのバネ定数を記憶することができる。
【００２５】
また、請求項８に記載された発明は、請求項３または請求項５に記載された発明において、バネ定数記憶手段に記憶されたバネ定数とプローブの実位置とに基づいて、接触荷重を演算する接触荷重演算手段を備えていることを特徴とする。
【００２６】
この請求項８に記載された発明によれば、請求項３または請求項５と同様の作用効果が得られるとともに、触針式プローブの実接触荷重もしくは目標接触荷を算出することができる。
【００２７】
また、請求項９に記載された発明は、請求項６に記載された発明において、荷重近似式記憶手段に記憶された近似式パラメータとプローブの実位置とに基づいて、接触荷重を近似式より演算する接触荷重演算手段を備えていることを特徴とする。
【００２８】
この請求項９に記載された発明によれば、請求項６と同様の作用効果が得られるとともに、非線形性のある触針式プローブの実接触荷重もしくは目標接触荷重を算出することができる。
【００２９】
また、請求項１０に記載された発明は、請求項７に記載された発明において、バネ定数記憶手段に記憶されたバネ定数とプローブの実位置とに基づいて、実位置に対応するバネ定数を選択して、接触荷重を演算する接触荷重演算手段を備えていることを特徴とする。
【００３０】
この請求項１０に記載された発明によれば、請求項７と同様の作用効果が得られるとともに、単純な演算で非線形性のある触針式プローブの実接触荷重もしくは目標接触荷重を算出することができる。
【００３１】
また、請求項１１に記載された発明は、請求項４に記載された発明において、荷重記憶手段とプローブの実位置とに基づいて、実位置に対応する接触荷重を選択する接触荷重選択手段を備えていることを特徴とする。
【００３２】
この請求項１１に記載された発明によれば、請求項４と同様の作用効果が得られるとともに、非線形性に対応し、触新式プローブの実接触荷重もしくは目標接触荷重算出のための演算を必要とせず、演算器の負荷を低減することができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
【００３４】
図１には、本発明の一実施形態に係る触針式プローブを搭載した形状測定装置の装置構成が示されている。図示のように、Ｘ軸Ｙ軸ステージ１８上には、垂直方向に駆動するＺ軸ステージ１０が搭載されている。Ｚ軸ステージ１０上には、図１０で説明した接触式プローブと同一の触針式プローブ８が搭載されている。本実施形態では、触針子３１の微小変位ｄｚを検出する変位計９として、光学式変位計が搭載されている。また、ステージの位置を検出するために、Ｚ軸ステージ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とが搭載されている。
【００３５】
なお、図中、参照符号１５は、Ｘ軸レーザ測長器１２用の基準ミラーである。また、参照符号１６はＹ軸レーザ測長器１３用の基準ミラーであり、参照符号１７はＺ軸レーザ測長器１４用の基準ミラーである。
【００３６】
次に、前記構成の形状測定装置の動作について説明する。
【００３７】
Ｘ軸Ｙ軸の位置検出は、図示しないが、モータ軸上のロータリエンコーダもしくはリニアエンコーダによって行なわれ、この位置の値を使用した位置決め制御系によりＸ軸Ｙ軸が駆動される。Ｚ軸は、リニアエンコーダ１１によって位置検出され、この値を使用した位置決め制御系によって駆動される。
【００３８】
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３１を接触させて、変位計９の出力から接触荷重を算出し、この接触荷重が常に設定荷重と一致するように、すなわち、変位計９の出力が所定の値で一定となるような従制御系にＺ軸の制御を切換える。このＺ軸追従制御の状態で、Ｘ軸もしくはＹ軸ステージを駆動し、被測定物２０上を走査させる。この時の軌跡をＺ軸ステージ１０上の３軸のレーザ測長器１２，１３，１４によって検出し、その値を被測定物２０の表面形状とする。このような構成とすることによって、接触式プローブの稼動範囲よりも大きな被測定物を測定できる。
【００３９】
本実施形態の形状測定装置には、触針式プローブの接触荷重を測定する接触荷重測定手段が設けられている。この接触荷重測定手段としては、接触式プローブを直接接触させて測定する電子天秤を使用する構成や、梁形状にひずみゲージを取り付けて触針式プローブを接触させた時のひずみ量から荷重を求める構成や、触針式プローブを接触させた時のＺ軸アクチュエータの電流値とアクチュエータの推力定数もしくはトルク定数から接触荷重を求める等の構成がある。
【００４０】
また、接触荷重測定手段の設置場所は、被測定物側でもプローブ側でも可能である。図１では、被測定物側の被測定物と干渉しない位置に、接触荷重測定手段として電子天秤２１を設置する構成としてある。
【００４１】
次に、電子天秤２１の原理を図２で説明する。
【００４２】
電子天秤２１の上皿２２に被測定物を載せ、被測定物重量と釣り合うように、天秤２３の反対側に力を発生させて、その力から被測定物重量を測定するものである。被測定物を上皿２２に載せると、天秤２３は支点２４を中心に傾く。その傾きを、天秤の片端に取り付けられた変位計２５によって検出し、その傾きが常に所定の位置となるようにアクチュエータを動作させる。ここでは、アクチュエータとして、ボイスコイルモータが設けられている。
【００４３】
変位計２５の出力から制御回路２９が所定の演算を行ない、変位計２５の出力が所定の値となるようにボイスコイルモータのコイル２６に電流を流す。参照符号２７はボイスコイルモータの磁石である。この時の電流値とボイスコイルモータの推力定数から天秤２３に加わる力を算出して、被測定物の重量を算出し、これをアナログ信号もしくはデジタル信号として出力する（図２には、信号出力が参照符号３０で示されている）。なお、参照符号２８は、温度センサであり、温度に依存するアクチュエータの特性変動を補正するものである。
【００４４】
触針式プローブの接触荷重は、Ｘ軸Ｙ軸Ｚ軸ステージ１８，１０を動かし、触針子３１を電子天秤２１の上皿２２に接触させて、計測する。
【００４５】
図３に示されるように、本実施形態において、触針式プローブの触針子３１を電子天秤２１の上皿２２に接触させた時の触針子３１の位置ｄｚ（１）は、変位計９によって検出され、その時の電子天秤２１の出力である重量ｆ（１）と共に、荷重記憶手段に記憶される。なお、図３では、位置信号および重量信号をアナログ信号として説明する。また、形状測定装置を制御するためにコンピュータを使用するものとする。
【００４６】
コンピュータ３４は、ＣＰＵ３５と、書き換え不可能なプログラム等が記憶されているＲＯＭ３６と、書き換え可能なプログラムやデータが記憶されるＲＡＭ３７と、大容量のプログラムやデータを記憶しておくＨＤＤ３８と、アナログデータをデジタル変換して取り込むためのＡ／Ｄコンバータボード３９と、図示しない表示部等とによって構成されている。
【００４７】
変位計９と電子天秤２１のアナログ出力の信号は、Ａ／Ｄコンバータボード３９によって同時に取得されてデジタル変換され、デジタルデータとして、接触荷重記憶手段であるＲＡＭ３７もしくはＨＤＤ３８の所定の領域に記憶される。なお、変位計９と電子天秤２１の出力がデジタルデータである場合、このデジタルデータは、コンピュータ３４のデジタル入出力ポートであるパラレルポートやシリアルポートよりデジタルデータとして取得され、同様に、接触荷重記憶手段であるＲＡＭ３７もしくはＨＤＤ３８の所定の領域に記憶される。
【００４８】
また、本実施形態では、以上の構成・動作によって取得・記憶された触針式プローブの触針子の位置ｄｚ（１）と接触荷重ｆ（１）と非接触状態の触針子３１の位置ｄｚ（０）とに基づいて、バネ定数演算手段であるＣＰＵ３５で（１）式の演算が行なわれ、バネ定数が算出される。
【００４９】
算出されたバネ定数は、バネ定数記憶手段であるＲＡＭ３７もしくはＨＤＤ３８の所定の領域に記憶される。触針子３１を支持するバネのバネ定数をｋ　（Ｎ／ｍ）とすると、
【００５０】
【数１】
2004108959.tif 000003
としてバネ定数を算出できる。
【００５１】
以上説明したように、本実施形態の形状測定装置には、触針式プローブの接触荷重を測定する接触荷重測定手段が設けられている。したがって、触針式プローブユニットの変更や、触針子を支持するバネを変更した際、装置上でバネ特性を測定でき、かつ、装置初期化時にバネ特性を測定することによって、バネ特性の経時的変化、使用環境の変化によるバネ特性変化を検出することができる。
【００５２】
また、本実施形態の形状測定装置には、接触荷重測定手段の出力である接触荷重信号と触針式プローブの位置とを同時に記憶する接触荷重記憶手段が設けられている。したがって、測定して記憶した値に基づいて、測定パラメータを変更することができる。
【００５３】
また、本実施形態の形状測定装置には、接触荷重記憶手段の値と触針式プローブの非接触状態の初期位置とに基づいて触針式プローブのバネ定数を演算するバネ定数演算手段と、演算されたバネ定数を記憶するバネ定数記憶手段とが設けられている。したがって、機上でバネ定数を測定でき、装置構成の変化や経時変化があっても、バネ定数の変化によって生じる接触荷重の誤差が常に最小のものとなるように調整することができる。
【００５４】
図４〜図８は、本発明の第２の実施形態を示している。なお、本実施形態において、第１の実施形態と共通する構成部分については、以下、同一符号を付して、その説明を省略する。
【００５５】
本実施形態においては、Ｘ軸Ｙ軸Ｚ軸ステージ１８，１０を駆動し、触針式プローブの触針子３１を電子天秤２１の上皿２２に接触させ、Ｚ軸ステージ１０を所定間隔で（ｎ−１）回動かし、その時のｎ回分の触針子３１の位置ｄｚ（１）〜ｄｚ（ｎ）とその際の接触荷重ｆ（１）〜ｆ（ｎ）とをＡ／Ｄコンバータボード３９によって同時に取得し、これらを接触荷重記憶手段であるＲＡＭ３７もしくはＨＤＤ３８の所定の領域に記憶する。記憶されたデータから、横軸ｄｚおよび縦軸ｆを取って図示すると、図４に示されるグラフが得られる。これは、非線形特性を持ったバネの例である。
【００５６】
また、本実施形態では、以上のような構成・動作によって取得・記憶された多点の触針式プローブの触針子の位置ｄｚ（１）〜ｄｚ（ｎ）と接触荷重ｆ（１）〜ｆ（ｎ）とにより、バネ定数演算手段であるＣＰＵ３５で取得されたデータの線形領域の傾き、すなわち線形領域のバネ定数を、多点のデータから算出する。例えば、図４に示されるような非線形性のあるバネの場合の算出方法では、（２）式で示されるような差分演算を行なう。この場合、ノイズ成分を除去するための（３）式で示されるような移動平均等のローパスフィルタ演算を行なった結果、最大の値となるものが線形領域のバネ定数となり、これがバネ定数記憶手段であるＲＡＭ３７もしくはＨＤＤ３８の所定の領域に記憶される。また、線形バネの場合においても、（３）式の移動平均処理を行なうことによって、ノイズ成分を除去でき、２点で算出されるバネ定数よりも精度は向上する。
【００５７】
【数２】
2004108959.tif 000004
ここでは、ｍ回の移動平均とし、フィルタ処理後の値をｋ＾とする。
【００５８】
【数３】
2004108959.tif 000005
【００５９】
なお、（２）式および（３）式を使用して算出されたバネ定数ｋと触針子３１の位置ｄｚとから、接触荷重ｆを算出してグラフ化したものが図５に示されている。
【００６０】
また、荷重近似式導出手段であるＣＰＵ３５では、取得・記憶された多点の触針式プローブの触針子３１の位置ｄｚ（１）〜ｄｚ（ｎ）と接触荷重ｆ（１）〜ｆ（ｎ）とに基づいて、最小二乗法を使用した多項式近似により、触針子３１の位置ｄｚから接触荷重ｆを算出するための（４）式に示されるような定数を求める。なお、（４）式は、３次の多項式で近似した場合の例である。
【００６１】
【数４】
2004108959.tif 000006
【００６２】
（４）式に示されるａ０，　ａ１，　ａ２，　ａ３は多項式の定数であり、これは、荷重近似式記憶手段であるＲＡＭ３７もしくはＨＤＤ３８の所定の領域に記憶される。
【００６３】
図６のグラフは、測定されて記憶された触針子３１の位置ｄｚ（１）〜ｄｚ（ｎ）と接触荷重ｆ（１）〜ｆ（ｎ）と多項式の解を図示したものである。
【００６４】
また、本実施形態において、バネ定数演算手段であるＣＰＵ３５では、前述したようにして取得・記憶された多点の触針式プローブの触針子の位置ｄｚ（１）〜ｄｚ（ｎ）と接触荷重ｆ（１）〜ｆ（ｎ）とに基づいて、　（２）式に示される差分により、触針子３１の所定間隔に応じた差分を算出する。この各差分が所定間隔毎のバネ定数ｋ（１）〜ｋ（ｎ）となる。触針子３１の位置と共に算出された所定間隔毎のバネ定数は、バネ定数記憶手段であるＲＡＭ３７もしくはＨＤＤ３８の所定の領域に記憶される。
【００６５】
図７は、図４のようなバネ特性データより算出した所定間隔毎のバネ定数を触針子位置とともに図示したものである。
【００６６】
以上説明したように、本実施形態の形状測定装置には、触針式プローブの２点以上の異なる位置と接触荷重信号とを同時に記憶することができる荷重記憶手段が設けられている、したがって、多点でデータを取得し、より詳細なバネ特性を記憶することができる。
【００６７】
また、本実施形態の形状測定装置には、荷重記憶手段に記憶された触針式プローブの多点の位置と接触荷重信号とに基づいて触針式プローブのバネ定数を演算するバネ定数演算手段と、演算されたバネ定数を記憶するバネ定数記憶手段とが設けられている。したがって、機上でより詳細なバネ定数を測定でき、装置構成の変化や経時変化があっても、バネ定数の変化によって生じる接触荷重の誤差が常に最小のものとなるように調整することができる。
【００６８】
また、本実施形態の形状測定装置には、近似式を導出する荷重近似式導出手段と、荷重近似式パラメータを記憶する荷重近似式記憶手段とが設けられている。したがって、非線形特性をもったバネにも対応でき、接触荷重の精度を高めることができる。
【００６９】
また、本実施形態の形状測定装置には、触針式プローブの所定間隔の位置に応じたバネ定数を演算するバネ定数演算手段と、所定間隔の位置に応じて演算された前記バネ定数を各位置と共に記憶するバネ定数記憶手段とが設けられている。したがって、非線形特性をもったバネのバネ定数を記憶することができる。
【００７０】
ところで、第１の実施形態または第２の実施形態の構成・動作によって算出され且つバネ定数記憶手段であるＲＡＭ３７もしくはＨＤＤ３８の所定の領域に記憶されたバネ定数ｋと、接触時の触針式プローブの触針子３１の実位置ｄｚは、接触荷重演算手段であるＣＰＵ３５に入力され、（５）式の乗算によって接触荷重ｆがリアルタイムで演算されても良い。ここで、ｄｚ（０）は、触針子３１の非接触時の初期位置である。
【００７１】
【数５】
2004108959.tif 000007
【００７２】
この演算された接触荷重を使用して、Ｚ軸の荷重制御を行ない、形状測定を行なう。また、接触荷重演算手段であるＣＰＵ３５において、設定接触荷重ｆｒｅｆをバネ定数ｋで除算すれば、設定荷重相当の触針子３１の目標位置ｄｚｒｅｆを算出することが可能である。実際の荷重制御は、触針子３１の位置を一定にするようにＺ軸を制御する追従制御が一般的である。
【００７３】
このように、プローブの実位置より接触荷重を演算する接触荷重演算手段を設ければ、触針式プローブの実接触荷重もしくは目標接触荷を算出することができる。
【００７４】
また、第２の実施形態の構成・動作によって算出され且つ荷重近似式記憶手段であるＲＡＭ３７もしくはＨＤＤ３８の所定の領域に記憶された近似式パラメータ、例えば３次多項式であれば、（４）式におけるａ０，　ａ１，　ａ２，　ａ３と、接触時の触針式プローブの触針子３１の実位置ｄｚは、接触荷重演算手段であるＣＰＵ３５に入力され、（４）式の多項式の演算によって、接触荷重ｆがリアルタイムで演算されても良い。この場合、演算された接触荷重を使用して、Ｚ軸の荷重制御を行ない、形状測定を行なう。
【００７５】
このように、荷重近似式記憶手段に記憶された近似式パラメータとプローブの実位置とに基づいて、接触荷重を近似式より演算する接触荷重演算手段を設ければ、非線形性のある触針式プローブの実接触荷重もしくは目標接触荷重を算出することができる。
【００７６】
また、第２の実施形態の構成・動作によって算出され且つバネ定数記憶手段であるＲＡＭ３７もしくはＨＤＤ３８の所定の領域に記憶されたバネ定数ｋ（１）〜ｋ（ｎ）は、接触時の触針式プローブの触針子３１の実位置ｄｚによって選択されても良い。この場合、選択されたバネ定数と触針子の実位置は、接触荷重演算手段であるＣＰＵ３５に入力され、（６）式の乗算によって、接触荷重ｆがリアルタイムで演算される。
【００７７】
ここで、ｄｚ（０）は、触針子３１の非接触時の初期位置である。
【００７８】
【数６】
2004108959.tif 000008
バネ定数を選択する方法のフローチャートが図９に示されている。
【００７９】
図９に示されるように、ステップＳ２においては、ｄｚを検索するための検索フラグＩが初期化される。ステップＳ３においては、検索フラグｉがサンプリングしたデータ数よりも小さいことが確認される。検索フラグｉがデータ数ｎとなってしまった場合、ステップＳ７において、ｋを選択する動作が終了する。ステップＳ４では、実位置ｄｚが所定範囲の値であることが判定され、ステップＳ５では、その時のバネ定数ｋ（ｉ）が選択され、ｋを選択する動作が終了する。ステップＳ４において、実位置ｄｚが所定範囲の値でない場合、ステップＳ６において、検索フラグＩが１つ進められ、ステップＳ３に戻る。
【００８０】
このように、バネ定数記憶手段に記憶されたバネ定数とプローブの実位置とに基づいて、実位置に対応するバネ定数を選択して、接触荷重を演算する接触荷重演算手段を設ければ、単純な演算で非線形性のある触針式プローブの実接触荷重もしくは目標接触荷重を算出することができる。
【００８１】
また、第２の実施形態の構成・動作によって、図８に示されるような触針子位置ｄｚと接触荷重ｆとからなるテーブルをバネ定数記憶手段であるＲＡＭ３７もしくはＨＤＤ３８の所定の領域に記憶しておいても良い。図８の例は、ｄｚのサンプリング間隔を細かくし、詳細なデータテーブルを作成した例である。
【００８２】
ここでは、ｄｚの初期値をｄｚ（０）とし、データサンプリングピッチをΔｄｚとして、ｎ点のデータを取得したとする。テーブルからの荷重選択方法は、（７）式によって、サンプリング番号ｉを計算し、そのサンプリング番号ｉ相当の接触荷重ｆ（ｉ）を選択する。
【００８３】
【数７】
2004108959.tif 000009
【００８４】
これによって、テーブルからの選択であるため、演算処理系の負担が低減される。
【００８５】
以上のように、荷重記憶手段とプローブの実位置とに基づいて、実位置に対応する接触荷重を選択する接触荷重選択手段を設ければ、非線形性に対応し、触新式プローブの実接触荷重もしくは目標接触荷重算出のための演算を必要とせず、演算器の負荷を低減することができる。
【００８６】
【発明の効果】
請求項１に記載された発明によれば、触針式プローブユニットの変更や、触針子を支持するバネを変更した際、装置上でバネ特性を測定でき、かつ、装置初期化時にバネ特性を測定することによって、バネ特性の経時的変化、使用環境の変化によるバネ特性変化を検出することができる。
【００８７】
請求項２に記載された発明によれば、請求項１と同様の作用効果が得られるとともに、測定して記憶した値に基づいて、測定パラメータを変更することができる。
【００８８】
請求項３に記載された発明によれば、請求項２と同様の作用効果が得られるとともに、機上でバネ定数を測定でき、装置構成の変化や経時変化があっても、バネ定数の変化によって生じる接触荷重の誤差が常に最小のものとなるように調整することができる。
【００８９】
請求項４に記載された発明によれば、請求項１と同様の作用効果が得られるとともに、多点でデータを取得し、より詳細なバネ特性を記憶することができる。
【００９０】
請求項５に記載された発明によれば、請求項４と同様の作用効果が得られるとともに、機上でより詳細なバネ定数を測定でき、装置構成の変化や経時変化があっても、バネ定数の変化によって生じる接触荷重の誤差が常に最小のものとなるように調整することができる。
【００９１】
請求項６に記載された発明によれば、請求項４と同様の作用効果が得られるとともに、非線形特性をもったバネにも対応でき、接触荷重の精度を高めることができる。
【００９２】
請求項７に記載された発明によれば、請求項４と同様の作用効果が得られるとともに、非線形特性をもったバネのバネ定数を記憶することができる。
【００９３】
請求項８に記載された発明によれば、請求項３または請求項５と同様の作用効果が得られるとともに、触針式プローブの実接触荷重もしくは目標接触荷を算出することができる。
【００９４】
請求項９に記載された発明によれば、請求項６と同様の作用効果が得られるとともに、非線形性のある触針式プローブの実接触荷重もしくは目標接触荷重を算出することができる。
【００９５】
請求項１０に記載された発明によれば、請求項７と同様の作用効果が得られるとともに、単純な演算で非線形性のある触針式プローブの実接触荷重もしくは目標接触荷重を算出することができる。
【００９６】
請求項１１に記載された発明によれば、請求項４と同様の作用効果が得られるとともに、非線形性に対応し、触新式プローブの実接触荷重もしくは目標接触荷重算出のための演算を必要とせず、演算器の負荷を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る形状測定装置の概略構成図である。
【図２】電子天秤の原理を説明するための構成図である。
【図３】図１の形状測定装置を制御するためのコンピュータの構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る形状測定装置により得られたｄｚ−ｆ線図である。
【図５】バネ定数ｋと触針子の位置ｄｚとから接触荷重ｆを算出してグラフ化した図である。
【図６】測定されて記憶された触針子の位置ｄｚ（１）〜ｄｚ（ｎ）と接触荷重ｆ（１）〜ｆ（ｎ）と多項式の解を図示したグラフである。
【図７】図４に示されるバネ特性データより算出した所定間隔毎のバネ定数を触針子位置とともに図示したグラフである。
【図８】ｄｚのサンプリング間隔を細かくした詳細なｄｚ−ｆ線図である。
【図９】バネ定数を選択する方法のフローチャートである。
【図１０】従来の触針式プローブの概略構成図である。
【符号の説明】
２１　電子天秤（接触荷重測定手段）
３５　ＣＰＵ（バネ定数演算手段、荷重近似式導出手段）
３７　ＲＡＭ（接触荷重記憶手段、バネ定数記憶手段）
３８　ＨＤＤ（接触荷重記憶手段、バネ定数記憶手段）
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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