(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物表面の法線方向に沿った前記被測定物表面との相対位置を検出する検出部を有するとともに、前記検出部と前記被測定物表面との前記相対位置が予め設定された基準位置を中心とする所定範囲内に保たれる状態で前記被測定物表面を倣い走査する倣いプローブと、
前記倣いプローブを移動させる移動手段と、
前記検出部の出力および前記移動手段の駆動量を所定のサンプリングピッチでサンプリングして測定データとして記憶する測定データ記憶部と、
前記測定データに基づいて、走査地点における前記被測定物表面の粗さ、及び曲率半径を前記被測定物表面の表面状態として判定する表面状態判定手段を含み、前記表面状態の判定結果に応じて、前記倣いプローブを進行させる進行速度と前記サンプリングピッチとを含む測定パラメータを決定あるいは調整して適応測定制御条件を決定する測定条件決定部と、
前記進行速度に応じて前記倣いプローブを進行させる倣いベクトルを指令する倣いベクトル指令部と、
前記倣いベクトルと制御ゲインを含む制御パラメータとに従って前記移動手段を駆動制御する駆動制御手段と、
前記相対位置の前記基準位置に対する位置偏差を求める相対位置判定部と、
前記相対位置判定部での判定結果に応じて測定モードを切替える測定モード切替部とを備え、
前記相対位置判定部は更に前記位置偏差と限界位置偏差との限界比較判定を行ない、
前記測定モード切替部は、前記限界比較判定の判定結果に応じて、前記倣いプローブを前記測定データ記憶部に記憶された過去の測定データの位置に引き返させるとともに、前記測定パラメータあるいは前記制御パラメータのうちの少なくとも一のパラメータを変更する
ことを特徴とする表面倣い測定装置。
【請求項２】
被測定物表面の法線方向に沿った前記被測定物表面との相対位置を検出する検出部を有するとともに、前記検出部と前記被測定物表面との前記相対位置が予め設定された基準位置を中心とする所定範囲内に保たれる状態で前記被測定物表面を倣い走査する倣いプローブと、
前記倣いプローブを移動させる移動手段と、
前記検出部の出力および前記移動手段の駆動量を所定のサンプリングピッチでサンプリングして測定データとして記憶する測定データ記憶部と、
前記測定データに基づいて、走査地点における前記被測定物表面の粗さ、及び曲率半径を前記被測定物表面の表面状態として判定する表面状態判定手段を含み、前記表面状態の判定結果に応じて、前記倣いプローブを進行させる進行速度と前記サンプリングピッチとを含む測定パラメータを決定あるいは調整して適応測定制御条件を決定する測定条件決定部と、
前記進行速度に応じて前記倣いプローブを進行させる倣いベクトルを指令する倣いベクトル指令部と、
前記倣いベクトルと制御ゲインを含む制御パラメータとに従って前記移動手段を駆動制御する駆動制御手段と、
前記相対位置の前記基準位置に対する位置偏差を求める相対位置判定部と、
前記相対位置判定部での判定結果に応じて測定モードを切替える測定モード切替部と、
予め入力された被測定物の形状データに基づいて倣い走査する所定経路を生成する軌道生成部とを備え、
前記倣いベクトル指令部は、前記軌道生成部で生成された前記所定経路に沿って前記倣いプローブを倣い走査させる倣いベクトルを生成する軌道倣いベクトル生成部を備え、
前記相対位置判定部は更に前記位置偏差と限界位置偏差との限界比較判定を行ない、
前記測定モード切替部は、前記限界比較判定の判定結果に応じて、前記所定経路を修正する
ことを特徴とする表面倣い測定装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の表面倣い測定装置において、
前記測定モード切替部は、前記位置偏差に応じて前記測定パラメータおよび前記制御パラメータの少なくとも一を調整する
ことを特徴とする表面倣い測定装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の表面倣い測定装置において、
前記測定条件決定部は、前記進行速度に応じて前記制御パラメータを調整する
ことを特徴とする表面倣い測定装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の表面倣い測定装置において、
予め設定入力される指定領域とともにこの指定領域内での測定条件として、前記測定パラメータおよび前記制御パラメータのうちの少なくとも一のパラメータを記憶する測定条件記憶部と、
前記倣いプローブによる現在の走査地点が前記指定領域内にあるかを判断する指定領域判断部と、を備え、
前記指定領域判断部において現在の走査地点が前記指定領域内であると判断された場合に、
前記倣いベクトル指令部は前記測定条件記憶部に記憶されたパラメータに基づいて前記倣いベクトルを指令するとともに、前記測定データ記憶部は前記測定条件記憶部に記憶されたパラメータに基づいて前記測定データをサンプリングする
ことを特徴とする表面倣い測定装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の表面倣い測定装置において、
前記測定パラメータが決定あるいは調整によって更新された際に、この更新されたパラメータの旧値から新値への移行を滑らかに行う
ことを特徴とする表面倣い測定装置。
【請求項７】
被測定物表面の法線方向に沿った前記被測定物表面との相対位置を検出する検出部を有するとともに、前記検出部と前記被測定物表面との前記相対位置が予め設定された基準位置を中心とする所定範囲内に保たれる状態で前記被測定物表面を倣い走査する倣いプローブを移動手段によって移動させて被測定物表面を倣い測定する表面倣い測定方法であって、
前記検出部の出力および前記移動手段の駆動量を所定のサンプリングピッチでサンプリングして測定データとして記憶する測定データ記憶工程と、
前記測定データに基づいて、走査地点における前記被測定物表面の粗さ、及び曲率半径を前記被測定物表面の表面状態として判定する表面状態判定工程および前記相対位置の前記基準位置に対する位置偏差を求める相対位置判定工程と、
前記表面状態判定工程の判定結果に応じて、前記倣いプローブを進行させる進行速度と前記サンプリングピッチとを含む測定パラメータを決定あるいは調整して適応測定制御条件を決定する測定条件決定工程と、
前記測定条件決定工程での決定に応じて前記倣いプローブを進行させる倣いベクトルを指令する倣いベクトル指令工程と、
前記倣いベクトルと制御ゲインを含む制御パラメータとに従って前記移動手段を駆動制御する駆動制御工程と、
前記相対位置判定工程での判定結果に応じて測定モードを切替える工程とを備え、
前記相対位置判定工程は更に前記位置偏差と限界位置偏差との限界比較判定を行ない、
前記測定モードを切替える工程は、前記限界比較判定の判定結果に応じて、前記倣いプローブを前記測定データ記憶工程にて記憶された過去の測定データの位置に引き返させるとともに、前記測定パラメータあるいは前記制御パラメータのうちの少なくとも一のパラメータを変更する
ことを特徴とする表面倣い測定方法。
【請求項８】
被測定物表面の法線方向に沿った前記被測定物表面との相対位置を検出する検出部を有するとともに、前記検出部と前記被測定物表面との前記相対位置が予め設定された基準位置を中心とする所定範囲内に保たれる状態で前記被測定物表面を倣い走査する倣いプローブを移動手段によって移動させて被測定物表面を倣い測定する表面倣い測定装置にコンピュータを組み込んで、このコンピュータを、
前記検出部の出力および前記移動手段の駆動量を所定のサンプリングピッチでサンプリングして測定データとして記憶する測定データ記憶部と、
前記測定データに基づいて、走査地点における前記被測定物表面の粗さ、及び曲率半径を前記被測定物表面の表面状態として判定する表面状態判定手段および前記相対位置の前記基準位置に対する位置偏差を求める相対位置判定部と、
前記表面状態判定手段の判定結果に応じて、前記倣いプローブを進行させる進行速度と前記サンプリングピッチとを含む測定パラメータを決定あるいは調整して適応測定制御条件を決定する測定条件決定部と、
前記測定条件決定部での決定に応じて前記倣いプローブを進行させる倣いベクトルを指令する倣いベクトル指令部と、
前記倣いベクトルと制御ゲインを含む制御パラメータとに従って前記移動手段を駆動制御する駆動制御手段と、
前記相対位置判定部での判定結果に応じて測定モードを切替える測定モード切替部として機能させ、
前記相対位置判定部は更に前記位置偏差と限界位置偏差との限界比較判定を行ない、
前記測定モード切替部は、前記限界比較判定の判定結果に応じて、前記倣いプローブを前記測定データ記憶部に記憶された過去の測定データの位置に引き返させるとともに、前記測定パラメータあるいは前記制御パラメータのうちの少なくとも一のパラメータを変更する
ことを特徴としたコンピュータ読取可能な表面倣い測定プログラム。
【請求項９】
請求項８に記載の表面倣い測定プログラムを記録したコンピュータ読取可能な記録媒
体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面倣い測定装置、表面倣い測定方法、表面倣い測定プログラムおよび記録媒体に関し、例えば、被測定物表面を倣い走査して被測定物の表面形状、被測定物の表面粗さ、うねり、輪郭等を測定する表面倣い測定装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、倣いプローブにより被測定物表面を倣い走査することで被測定物の表面性状や立体的形状を測定する測定機として粗さ測定機、輪郭形状測定機、真円度測定機、三次元測定機などが知られている（例えば、特許文献１〜４）。
例えば、三次元測定機を利用した測定システムは、倣いプローブを移動させる三次元測定機と、手動操作するジョイスティックと、三次元測定機の動作を制御するモーションコントローラと、モーションコントローラを介して三次元測定機を動作させるとともに三次元測定機によって取得された測定データを処理して被測定物の寸法や形状などを求めるホストコンピュータと、を備えて構成されている。なお、倣いプローブの進行速度や測定データのサンプリングピッチなどは予めホストコンピュータに設定入力される。
このような構成において、モーションコントローラおよびホストコンピュータの制御により倣いプローブが被測定物表面を設定された進行速度で倣い走査し、所定のサンプリングピッチで測定データが取得される。この測定データから被測定物の形状解析が行われる。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２４８８５２
【特許文献２】特開平８−１７８６４６
【特許文献３】特開２０００−３９３０２
【特許文献４】特開２００３−２０２２１９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、倣いプローブを進行させる進行速度や測定データを取得するサンプリングピッチが予め設定された所定値で固定されていると、被測定物表面の状態によっては適切ではない進行速度およびサンプリングピッチで倣い測定することになるという問題がある。例えば、被測定物表面の凹凸が小さい場合であっても倣い速度が遅い値で固定されていると測定時間が不必要にかかり、逆に、被測定物表面の凹凸が大きい場合に設定された進行速度で倣い走査すると、倣い走査中に押込超過や離脱などのエラーが生じやすい。また、被測定物表面の凹凸が小さい場合に固定されたサンプリングピッチでデータを取得するとデータ過多となり、逆に、被測定物表面の凹凸が大きい場合に設定されたサンプリングピッチでデータを取得すると、形状評価に必要なデータが不足することになる。
【０００５】
本発明の目的は、被測定物表面の状態に応じて倣い速度やサンプリングピッチなどの測定条件を適切に調整でき、これにより測定時間が短縮し、あるいは測定精度が向上する表面倣い測定装置、表面倣い測定方法、表面倣い測定プログラムおよびこのプログラムを記録した記録媒体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の表面倣い測定装置は、被測定物表面の法線方向に沿った前記被測定物表面との相対位置を検出する検出部を有するとともに、前記検出部と前記被測定物表面との前記相対位置が予め設定された基準位置を中心とする所定範囲内に保たれる状態で前記被測定物表面を倣い走査する倣いプローブと、前記倣いプローブを移動させる移動手段と、前記検出部の出力および前記移動手段の駆動量を所定のサンプリングピッチでサンプリングして測定データとして記憶する測定データ記憶部と、前記測定データに基づいて、走査地点における前記被測定物表面の粗さ、及び曲率半径を前記被測定物表面の表面状態として判定する表面状態判定手段を含み、前記表面状態の判定結果に応じて、前記倣いプローブを進行させる進行速度と前記サンプリングピッチとを含む測定パラメータを決定あるいは調整して適応測定制御条件を決定する測定条件決定部と、前記進行速度に応じて前記倣いプローブを進行させる倣いベクトルを指令する倣いベクトル指令部と、前記倣いベクトルと制御ゲインを含む制御パラメータとに従って前記移動手段を駆動制御する駆動制御手段と、前記相対位置の前記基準位置に対する位置偏差を求める相対位置判定部と、前記相対位置判定部での判定結果に応じて測定モードを切替える測定モード切替部とを備え、前記相対位置判定部は更に前記位置偏差と限界位置偏差との限界比較判定を行ない、前記測定モード切替部は、前記限界比較判定の判定結果に応じて、前記倣いプローブを前記測定データ記憶部に記憶された過去の測定データの位置に引き返させるとともに、前記測定パラメータあるいは前記制御パラメータのうちの少なくとも一のパラメータを変更することを特徴とする。
【０００７】
このような構成によれば、被測定物の表面状態が表面状態判定手段によって判定される。
そして、倣い測定を制御する測定パラメータが被測定物表面の状態に応じて適切に決定あるいは調整される。
ここで、測定パラメータとしては、倣いプローブを進行させる進行速度や測定データを所定時間間隔あるいは所定距離間隔で取得するサンプリングピッチなどの各種パラメータが含まれてもよい。また、測定パラメータに限らず、制御パラメータを被測定物表面の状態に応じて決定あるいは調整してもよく、制御パラメータとしては倣い制御パラメータとサーボ制御パラメータが含まれてもよく、倣い制御パラメータには倣いベクトル指令部において倣いベクトルを生成する際に倣い制御の追従性を決定する倣い制御ゲインが含まれてもよく、サーボ制御パラメータには駆動制御手段のサーボ制御ループにおける位置ループゲインや速度ループゲインなどのサーボ制御ゲイン、位相進みや位相遅れなどの位相補償要素あるいはフィードフォワード補償要素などが含まれてもよい。
【０００８】
例えば、被測定物表面の凹凸が大きければ、測定開始時に決定された標準の進行速度あるいは、その後に調整された進行速度が低速に調整され、被測定物表面の凹凸が小さければ、同様に進行速度が高速に決定あるいは調整される。このように、被測定物の状態に応じて倣いプローブの進行速度が決定あるいは調整されれば、被測定物表面の凹凸が大きくても倣いプローブの押込超過や被測定物表面からの離脱のエラーが生じにくくなり、あるいは、被測定物表面の凹凸が小さければ、倣いプローブが高速で進行されるので測定時間が非常に短縮される。
また、例えば、被測定物表面の凹凸が大きければ、測定開始時に決定された標準のサンプリングピッチ、あるいはその後に調整されたサンプリングピッチが狭く調整され、被測定物表面の凹凸が小さければ、同様にサンプリングピッチが広く決定あるいは調整される。このように、被測定物表面の状態に応じてサンプリングピッチが決定あるいは調整されれば、形状解析に際して測定データが少なすぎて正確な形状解析ができないという事態を避けることができる。また、過剰に測定データを取得することもないので、適切な時間で倣い測定を実行することができ、測定時間が短縮される。
なお、このサンプリングピッチは、倣いプローブが進行する所定距離間隔でも、あるいは所定時間間隔のいずれでも良く、被測定物の表面状態や測定データの解析内容に基づいて任意に決定あるいは変更しても良い。
【０００９】
さらに、例えば、被測定物表面の凹凸が大きければ、測定開始時に決定された標準のサーボ制御ゲイン、あるいはその後に調整されたサーボ制御ゲインが高く調整され、被測定物表面の凹凸が小さければ、同様にサーボ制御ゲインが低く決定あるいは調整される。このように、被測定物表面の状態に応じてサーボ制御ゲインが決定あるいは調整されれば、倣い測定に際して被測定物表面の凹凸が大きい場合には、駆動制御手段の追従性が向上するので倣いプローブの押込超過や被測定物表面からの離脱のエラーが生じにくくなり、あるいは、被測定物表面の凹凸が小さければ、駆動制御手段の安定性が向上するので、サンプリングされた測定データの精度が向上する。
また、例えば、既に取得した測定データ等に基づいて曲率半径を算出する。そして求めた曲率半径によって被測定物表面の湾曲の程度などが判断され、この曲率半径に基づいて、例えば進行速度が決定あるいは調整される。
このように走査地点における曲率半径に基づいて進行速度が時々刻々と調整されれば常に適切な進行速度となり、例えば、被測定物表面の湾曲が大きいところでも押込超過や被測定物表面からの離脱といったエラーが生じにくくなり、また、被測定物表面の湾曲が小さいところでは高速で進行できるので短い時間で測定を行うことができる。
ここで、進行速度やサンプリングピッチなどの測定パラメータや、サーボ制御ゲインや倣い制御ゲインなどの制御パラメータの各パラメータは、表面状態との対応関係を記憶した参照テーブルなどに記録されることが好ましく、例えば、進行速度参照テーブルには、曲率半径が小さくなれば進行速度を小さくし、曲率半径が大きくなれば進行速度を大きくする関係性が設定されていることが好ましい。この構成によって、表面状態の判定結果から直ちに測定パラメータを決定あるいは調整できるので、被測定物の表面状態に応じた適応測定制御が高速に行える。
あるいは、各パラメータは、表面状態との対応関係が関数関係として定義されても良い。
【００１０】
ここで、倣いベクトル指令部としては、自律倣いベクトルを生成して指令してもよいし、予め入力される形状データに基づいて生成される軌道（所定経路）に応じて軌道倣いベクトルを生成して指令してもよい。なお、測定条件決定部で進行速度が決定される場合、倣いベクトル指令部は、測定条件決定部で決定された進行速度を含んで倣いプローブを進行させる倣いベクトルを生成して指令する。この倣いベクトルの生成の際に、被測定物表面の状態に応じて倣い制御ゲインが決定あるいは調整されれば、倣い測定に際して被測定物表面の凹凸が大きい場合には、倣い制御の追従性が向上するので倣いプローブの押込超過や被測定物表面からの離脱のエラーが生じにくくなり、あるいは、被測定物表面の凹凸が小さければ、倣い制御の安定性が向上するので、サンプリングされた測定データの精度が向上する。
【００１１】
また、倣いプローブの構成としては、測定子が被測定物表面に接触して、この接触状態（押込量等）が検出センサで検出される構成であってもよく、あるいは、測定子と被測定物表面とが非接触の状態で、測定子と被測定物表面との距離が検出センサで検出される構成であってもよい。このように測定子と被測定物表面との距離を検出する構成としては、例えば、測定子を電極板で構成して、測定子の電極板と被測定物表面とで構成されるコンデンサの静電容量を検出する静電容量検出型の測定子などが例として挙げられる。
【００１２】
なお、サーボ制御パラメータは、移動手段が直交３軸方向など、複数備えられている場合には、各軸毎に個別にパラメータを決定あるいは調整しても良く、全軸について共通的にパラメータを決定あるいは調整しても良い。
また、倣い制御パラメータとして高さ方向や押込方向など複数のパラメータを有する場合は、個別にパラメータを決定あるいは調整しても良く、全パラメータについて共通的に決定あるいは調整しても良い。
【００１３】
このようにして倣いプローブが適応測定制御条件で適切に制御されるので、安定かつ高速に倣い測定が行える。
ここで、サーボとは狭義には位置または角度のフィードバックによるクローズドループ制御を指すが、本発明では、必ずしもクローズドループ制御でなくとも良く、例えばパルスモータなどを用いたオープンループ制御などであっても本発明の実施には問題がない。従って、所定精度での位置制御を行える系のパラメータをサーボ制御パラメータと称する。
【００１８】
また、このような構成によれば、求めた位置偏差の値に基づいて現在の測定モードを他の測定モードに切替えることが出来るので、より精度と信頼度の高い測定を行うことができる。
例えば位置偏差が大き過ぎる場合や小さすぎる場合は、測定パラメータや制御パラメータが適切ではない可能性があるため、一時的に測定を中断し、測定パラメータや制御パラメータを手動で修正し、新たなパラメータを用いて測定を再開するなどの測定モード切替を行っても良い。
【００１９】
なお、前記相対位置判定部での判定は位置偏差と、その位置偏差の限界値を与える限界位置偏差との比較判定を更に行っても良く、更に、経過時間や経過距離を考慮した比較を行っても良い。たとえば、倣いプローブの進行において位置偏差が限界位置偏差を所定時間あるいは所定距離以上継続して超えた場合に、測定モードを切替えるようにしても良い。また、位置偏差と限界位置偏差との差の統計量に基づいて測定モードを切替えるようにしても良い。例えば、位置偏差と限界位置偏差との差の所定距離における平均値が所定値を越えた場合に測定モードを切替えるようにしても良い。さらに、位置偏差と限界位置偏差との差の増加傾向や減少傾向に基づいて測定モードを切替えるようにしても良い。
【００２０】
なお、限界位置偏差は、基準位置の上側（プラス側）と下側（マイナス側）のいずれに設けても良く、両方に設けても良い。さらに限界位置偏差を複数設けても良い。
ここで切替える測定モードには特に制限はなく、手動パラメータ修正の他、倣いモードの切替え、測定子の交換、倣いプローブの交換、傾きや回転などのワーク載置姿勢の変更、温度などの表面倣い測定装置設置環境の変更、更には所定時間の測定中断など、いかなる測定モード切替でも良い。また、測定モード切替は、被測定物の表面状態に対する測定パラメータや制御パラメータの対応関係を変更するものでもよく、さらに限界位置偏差や基準位置自体を修正して最適な値を決定する内部的な処理でもよい。また、これらの測定モード切替は自動処理、手動処理の別を問わない。要は、測定精度や測定所要時間などの測定性能を改善するための切替えであれば良い。
【００２２】
ここで、相対位置判定部は、例えば位置偏差が限界位置偏差を越えた際に、倣いプローブが被測定物表面に対して押込み過ぎている、あるいは倣いプローブが被測定物表面から離脱しすぎていると判断してエラーとして判定することが例として挙げられる。
倣いプローブが押込超過や離脱の状態にありエラーと判定された場合は、測定モード切替部によって倣いプローブが引き返されるので、倣いプローブの破損等が防止されるとともに、測定不能に陥ることがなく、自動的に測定が継続される。
そして、エラー判定が生じる領域は、例えば被測定物の表面凹凸が大きいと考えられるので、正常に取得された最新のデータ位置まで倣いプローブが戻されて、さらに、例えば測定パラメータの一つである進行速度を低速に変更して倣い走査が再開されることにより、その後は適正な表面倣い走査が可能となる。
【００２３】
なお、エラー判定に応じて倣いプローブを引き返させた後、例えば測定パラメータのうちの進行速度を低減させるとともにサンプリングピッチを広く、あるいは狭く変更してもよい。すると、被測定物の表面凹凸に応じた適切な測定データが取得される。
あるいは、エラー判定に応じて倣いプローブを引き返させた後、倣い制御ゲインやサーボ制御ゲインなどの制御パラメータを変更しても良く、これによって倣いプローブが押込超過や離脱状態となることを未然に防止できる。
ここで、エラー判定は、位置偏差と限界位置偏差との大小比較の他、経過時間や経過距離を考慮した比較、位置偏差の統計量に基づく比較、位置偏差の増加傾向や減少傾向に基づく比較等のいずれに基づいて判定しても良い。
なお、限界位置偏差は、基準位置の上側（プラス側）と下側（マイナス側）のいずれに設けても良く、両方に設けても良い。さらに限界位置偏差を複数設けても良い。
【００２６】
本発明の表面倣い測定装置は、被測定物表面の法線方向に沿った前記被測定物表面との相対位置を検出する検出部を有するとともに、前記検出部と前記被測定物表面との前記相対位置が予め設定された基準位置を中心とする所定範囲内に保たれる状態で前記被測定物表面を倣い走査する倣いプローブと、前記倣いプローブを移動させる移動手段と、前記検出部の出力および前記移動手段の駆動量を所定のサンプリングピッチでサンプリングして測定データとして記憶する測定データ記憶部と、前記測定データに基づいて、走査地点における前記被測定物表面の粗さ、及び曲率半径を前記被測定物表面の表面状態として判定する表面状態判定手段を含み、前記表面状態の判定結果に応じて、前記倣いプローブを進行させる進行速度と前記サンプリングピッチとを含む測定パラメータを決定あるいは調整して適応測定制御条件を決定する測定条件決定部と、前記進行速度に応じて前記倣いプローブを進行させる倣いベクトルを指令する倣いベクトル指令部と、前記倣いベクトルと制御ゲインを含む制御パラメータとに従って前記移動手段を駆動制御する駆動制御手段と、前記相対位置の前記基準位置に対する位置偏差を求める相対位置判定部と、前記相対位置判定部での判定結果に応じて測定モードを切替える測定モード切替部と、予め入力された被測定物の形状データに基づいて倣い走査する所定経路を生成する軌道生成部とを備え、前記倣いベクトル指令部は、前記軌道生成部で生成された前記所定経路に沿って前記倣いプローブを倣い走査させる倣いベクトルを生成する軌道倣いベクトル生成部を備え、前記相対位置判定部は更に前記位置偏差と限界位置偏差との限界比較判定を行ない、前記測定モード切替部は、前記限界比較判定の判定結果に応じて、前記所定経路を修正することを特徴とする。
【００２７】
このような構成によれば、位置偏差が限界位置偏差を越えた場合にエラーと判定し、エラー判定がある場合でも、エラー判定に応じて倣い走査の経路が修正されるので、この修正された経路に沿って軌道倣いが実行される。すると、押込超過等のエラーが生じる場合でも倣い走査が継続されるとともに、予め計算された機構に沿った軌道倣いが継続されるので、高速の倣い走査によって短時間で倣い走査が終了し、測定の能率が向上する。
ここで、倣い走査の経路の修正としては、例えば、位置偏差がマイナス側の限界位置偏差を下回った場合に、倣いプローブが押込超過と判断して経路を外側に所定量移動させ、位置偏差がプラス側の限界位置偏差を上回った場合に、倣いプローブが押込不足と判断して経路を内側に所定量移動させれば良い。あるいは形状データに基づいて所定量だけオフセットさせて生成した所定経路に対して、このオフセットを増加あるいは減少させて所定経路を再生成しても良い。
ここで、エラー判定は、位置偏差と限界位置偏差との大小比較の他、経過時間や経過距離を考慮した比較、位置偏差の統計量に基づく比較、位置偏差の増加傾向や減少傾向に基づく比較等のいずれに基づいて判定しても良い。
なお、限界位置偏差は、基準位置の上側（プラス側）と下側（マイナス側）のいずれに設けても良く、両方に設けても良い。さらに限界位置偏差を複数設けても良い。
【００２９】
本発明は、前記測定モード切替部は、前記位置偏差に応じて前記測定パラメータおよび前記制御パラメータの少なくとも一を調整することが好ましい。
このような構成によれば、位置偏差の大きさに応じて、例えば進行速度や倣い制御ゲインあるいはサーボ制御ゲインなどが調整されるので、被測定物表面に対する倣いプローブの押込超過や押込不足あるいは離脱などの致命的な異常に至る前に倣いプローブの位置が修正されて正常に倣い走査が継続される。
ここで、例えば、位置偏差の大きさに応じて進行速度を調整する場合は、位置偏差の絶対値が大きくなった場合に進行速度を低減させ、位置偏差の絶対値が小さくなった場合に進行速度を増加させるのが良い。また、位置偏差の大きさに応じて制御ゲインを調整する場合は、位置偏差の絶対値が大きくなった場合に倣い制御ゲインあるいはサーボ制御ゲインを増加させ、位置偏差の絶対値が小さくなった場合に倣い制御ゲインあるいはサーボ制御ゲインを減少させるのが良い。いずれの場合も、倣いプローブの進行に伴う倣い制御の応答性が改善されるので、位置偏差の変動が少なくなり、安定かつ高速な走査が可能となる。
なお、位置偏差の大きさに応じてパラメータを調整する場合、必ずしも比例関係とする必要はなく、適切な相関関係をもって調整されればよく、例えば二次関数などの関数関係に基づいて進行速度が調整されても良い。また、位置偏差とパラメータ値との対応関係を記述したテーブルを予め備えておき、このテーブルに従ってパラメータを調整すれば、調整処理が高速化される。
【００３０】
本発明は、前記測定条件決定部は、前記進行速度に応じて前記制御パラメータを調整することが好ましい。
【００３１】
このような構成によれば、表面状態の判定結果に応じて、測定パラメータや制御パラメータが決定あるいは調整され、それらの調整結果としての倣いプローブの進行速度に応じて、倣いベクトルを生成する際に用いられる押込制御ゲインなどの倣い制御パラメータや駆動制御手段に設定されるサーボ制御ゲインなどのサーボ制御パラメータがさらに調整されるので、より適切な条件で倣いプローブによる走査を行うことが出来る。
例えば、被測定物表面の曲率半径が小さく、その結果、倣いプローブの進行速度が低減された場合に、さらに倣い制御ゲインやサーボ制御ゲインを増加させることによって、倣いプローブの被測定物表面の追従性能が向上する。つまり、被測定物表面の局所追従が正確に行えるようになり、例えば正確な小回りが利くようになる。
また、被測定物表面の曲率半径が大きく、その結果、倣いプローブの進行速度が増加された場合に、さらに倣い制御ゲインやサーボ制御ゲインを低下させることによって、倣いプローブの被測定物表面の追従安定性能が向上する。つまり、外乱の影響を低減して振動の少ない安定な倣いプローブの進行制御を行えるようになる。
【００３２】
本発明は、予め設定入力される指定領域とともにこの指定領域内での測定条件として、前記測定パラメータおよび前記制御パラメータのうちの少なくとも一のパラメータを記憶する測定条件記憶部と、前記倣いプローブによる現在の走査地点が前記指定領域内にあるかを判断する指定領域判断部と、を備え、前記指定領域判断部において現在の走査地点が前記指定領域内であると判断された場合に、前記倣いベクトル指令部は前記測定条件記憶部に記憶されたパラメータに基づいて前記倣いベクトルを指令するとともに、前記測定データ記憶部は前記測定条件記憶部に記憶されたパラメータに基づいて前記測定データをサンプリングすることが好ましい。
【００３３】
このような構成によれば、指定領域が予め設定されて、この指定領域内では、進行速度やサンプリングピッチなどの測定パラメータあるいは制御パラメータが予め設定された値で倣い測定が実行される。すると、例えば、被測定物表面のうちで局所的に曲率半径が小さい領域が指定領域として指定され、この指定領域に応じた測定パラメータあるいは制御パラメータが指定されることで、倣いプローブの押込超過や押込不足あるいは離脱といった異常を生じることが防止される。あるいは、被測定物表面のうちで精密に測定したい領域とともに、例えば狭いサンプリングピッチ（指定ピッチ）が指定されることで、所定の領域が他の領域に比べて精密に測定される。すると、全体を精密に測定する場合などに比べて、測定時間が短縮される。
【００３４】
なお、指定された領域の測定パラメータや制御パラメータは全て指定する必要は必ずしもなく、指定がないパラメータは測定条件決定部によって決定あるいは調整されるパラメータが用いられるようにしても良い。
また、指定領域のおけるサーボ制御パラメータが指定されている場合は、その指定領域内において、駆動制御手段では、指定されたサーボ制御パラメータに基づいて系を制御する。
この発明において、指定領域から離脱する際には、指定領域へ侵入する直前の各パラメータあるいは、所定の初期パラメータに戻しても良く、あるいは離脱時のパラメータをそのまま継続維持し、その後の適応測定制御条件に基づいてパラメータを決定あるいは調整するようにしてもよい。
【００３５】
本発明は、前記測定パラメータが決定あるいは調整によって更新された際に、この更新されたパラメータの旧値から新値への移行を滑らかに行うことが好ましい。
【００３６】
このような構成によれば、パラメータの値が決定あるいは調整によって更新された際にパラメータの旧値から新値への移行にスムージング処理が施される。
例えば、倣いプローブの進行速度がＶａからＶｂに更新された際には、進行速度をＶａからＶｂに一気に切替えるのではなく、所定時間内に徐々に進行速度をＶｂに近づけていくことにより、制御系での不要な振動の発生を防止でき、その結果、移動手段での振動の発生を防止することが出来る。一般に移動手段に振動が発生すると、その振動が測定装置全体に伝播するので、その振動が収束するまでの間の倣い測定が不安定になりやすいが、本発明によって、このような不要な振動の発生を防止できるので、倣い測定した測定データの精度と信頼性が向上する。サーボ制御ゲインの更新などの際にも同様な効果を得ることができる。
なお、スムージング処理としては、例えば、進行速度の更新において、ＶａとＶｂの間を直線で補間して滑らかに行うほか、速度の変化率を序々に変更するようにしても良い。
また、複数のパラメータを移行させる際に、各々のパラメータのスムージング処理を独立して個別に行っても良いし、相互に同期してスムージング処理を行っても良い。
【００４３】
本発明の表面倣い測定方法は、被測定物表面の法線方向に沿った前記被測定物表面との相対位置を検出する検出部を有するとともに、前記検出部と前記被測定物表面との前記相対位置が予め設定された基準位置を中心とする所定範囲内に保たれる状態で前記被測定物表面を倣い走査する倣いプローブを移動手段によって移動させて被測定物表面を倣い測定する表面倣い測定方法であって、前記検出部の出力および前記移動手段の駆動量を所定のサンプリングピッチでサンプリングして測定データとして記憶する測定データ記憶工程と、前記測定データに基づいて、走査地点における前記被測定物表面の粗さ、及び曲率半径を前記被測定物表面の表面状態として判定する表面状態判定工程および前記相対位置の前記基準位置に対する位置偏差を求める相対位置判定工程と、前記表面状態判定工程の判定結果に応じて、前記倣いプローブを進行させる進行速度と前記サンプリングピッチとを含む測定パラメータを決定あるいは調整して適応測定制御条件を決定する測定条件決定工程と、前記測定条件決定工程での決定に応じて前記倣いプローブを進行させる倣いベクトルを指令する倣いベクトル指令工程と、前記倣いベクトルと制御ゲインを含む制御パラメータとに従って前記移動手段を駆動制御する駆動制御工程と、前記相対位置判定工程での判定結果に応じて測定モードを切替える工程とを備え、前記相対位置判定工程は更に前記位置偏差と限界位置偏差との限界比較判定を行ない、前記測定モードを切替える工程は、前記限界比較判定の判定結果に応じて、前記倣いプローブを前記測定データ記憶工程にて記憶された過去の測定データの位置に引き返させるとともに、前記測定パラメータあるいは前記制御パラメータのうちの少なくとも一のパラメータを変更することを特徴とする。
【００４４】
このような構成によれば、上記発明と同様の作用効果を奏することができる。すなわち、被測定物表面の状態あるいは倣いプローブの被測定物表面に対する追従性に応じて測定パラメータが決定あるいは調整される。例えば、被測定物表面の凹凸が大きい、あるいは、位置偏差に基づいて追従性が良好でないと判定されれば進行速度が低速に調整されるので、倣いプローブの押込超過や押込不足あるいは被測定物表面からの離脱の異常が生じにくくなる。また、被測定物表面の凹凸が小さい、あるいは、位置偏差に基づいて追従性が良好であると判定されれば進行速度が高速に調整されるので、測定時間が非常に短縮される。同様に、その他の測定パラメータや制御パラメータが被測定物表面の状態あるいは倣いプローブの被測定物表面に対する追従性に応じて適切に決定あるいは調整されて、全体として安定かつ効率のよい倣い測定を行うことができる。
【００４５】
本発明の表面倣い測定プログラムは、被測定物表面の法線方向に沿った前記被測定物表面との相対位置を検出する検出部を有するとともに、前記検出部と前記被測定物表面との前記相対位置が予め設定された基準位置を中心とする所定範囲内に保たれる状態で前記被測定物表面を倣い走査する倣いプローブを移動手段によって移動させて被測定物表面を倣い測定する表面倣い測定装置にコンピュータを組み込んで、このコンピュータを、前記検出部の出力および前記移動手段の駆動量を所定のサンプリングピッチでサンプリングして測定データとして記憶する測定データ記憶部と、前記測定データに基づいて、走査地点における前記被測定物表面の粗さ、及び曲率半径を前記被測定物表面の表面状態として判定する表面状態判定手段および前記相対位置の前記基準位置に対する位置偏差を求める相対位置判定部と、前記表面状態判定手段の判定結果に応じて、前記倣いプローブを進行させる進行速度と前記サンプリングピッチとを含む測定パラメータを決定あるいは調整して適応測定制御条件を決定する測定条件決定部と、前記測定条件決定部での決定に応じて前記倣いプローブを進行させる倣いベクトルを指令する倣いベクトル指令部と、前記倣いベクトルと制御ゲインを含む制御パラメータとに従って前記移動手段を駆動制御する駆動制御手段と、前記相対位置判定部での判定結果に応じて測定モードを切替える測定モード切替部として機能させ、前記相対位置判定部は更に前記位置偏差と限界位置偏差との限界比較判定を行ない、前記測定モード切替部は、前記限界比較判定の判定結果に応じて、前記倣いプローブを前記測定データ記憶部に記憶された過去の測定データの位置に引き返させるとともに、前記測定パラメータあるいは前記制御パラメータのうちの少なくとも一のパラメータを変更することを特徴とする。
【００４６】
本発明の記録媒体は、前記表面倣い測定プログラムを記録したことを特徴とする。
【００４７】
このような構成によれば、上記発明と同様の作用効果を奏することができる。さらに、CPU（中央処理装置）やメモリ（記憶装置）を有するコンピュータを組み込んでこのコンピュータを上記各機能手段あるいは各機能部として機能させるようにプログラムを構成するので、各機能手段（機能部）におけるパラメータを容易に変更することができる。例えば、測定条件決定部での測定条件の決定方法や測定条件記憶部の指定領域および測定条件等を変更するのも容易である。
そして、このプログラムを記録した記録媒体をコンピュータに直接あるいは間接に装填してプログラムをインストールしてもよく、記録媒体の情報を読み取る読取装置をコンピュータに外付けし、この読取装置からコンピュータにプログラムをインストールしてもよい。なお、プログラムは、インターネット、LANケーブル、電話回線等の通信回線や無線によってコンピュータに供給されてインストールされてもよい。
また、プログラムを記述する言語はどのようなものでも良く、アセンブラ、コンパイラあるいはテキスト形式、グラフィカル形式の別を問わず、言語処理状態としても、ソースコード、インタプリタ形式の中間コード、オブジェクトコードの別を問わない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
以下、本発明の実施の形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
（第１実施形態）
［測定システムの構成］
本発明の第１実施形態として、三次元測定機を用いた表面倣い測定装置としての測定システムを図１に示す。
測定システム１００は、三次元測定機１と、三次元測定機１の動作を手動操作する操作部３と、三次元測定機１の駆動制御を実行するモーションコントローラ４と、モーションコントローラ４に所定の指令を与えるとともに被測定物Ｗの形状解析等の演算処理を実行するホストコンピュータ５と、測定条件等を入力する入力手段７と、測定結果を出力する出力手段６と、を備えている。
【００４９】
三次元測定機１は、定盤１１と、定盤１１に立設されて倣いプローブ２を三次元的に移動させる駆動機構（移動手段）１２と、駆動機構１２の駆動量を検出する駆動センサ１３（図３参照）とを備えて構成されている。
駆動機構１２は、Ｙｍ軸方向へスライド可能に設けられた門型フレーム１２１のビーム１２２をＸｍ方向へスライド移動するように設けられＺｍ軸方向にガイドを有するコラム１２３を備えており、このコラム１２３内でスピンドル１２４がＺｍ軸方向にスライド可能に設けられている。そして、スピンドル１２４の下端で倣いプローブ２が保持されている。
ここで、駆動機構１２のＸｍ軸方向、Ｙｍ軸方向、Ｚｍ軸方向によりマシン座標系が規定されている（図１参照）。
駆動機構１２のＸｍ軸、Ｙｍ軸、Ｚｍ軸は互いに直交する駆動軸であり、門型フレーム１２１、コラム１２３およびスピンドル１２４によりスライド部材が構成されている。
駆動センサ１３は、図示しないが、門型フレーム１２１のＹｍ方向への移動を検出するＹｍ軸センサと、コラム１２３のＸｍ方向への移動を検出するＸｍ軸センサと、スピンドル１２４のＺ方向への移動を検出するＺｍ軸センサと、を備えている。駆動センサ１３による検出結果はモーションコントローラ４を経由してホストコンピュータ５に出力される。
【００５０】
倣いプローブ２は、図２の概略構成に示されるように、先端に接触部（測定子）２２を有するスタイラス２１と、スタイラス２１の基端を一定の範囲内でＸｐ方向、Ｙｐ方向、Ｚｐ方向にスライド可能に支持する支持部２３とを備えている。
支持部２３は、互いに直交方向に移動可能なｘｐスライダ、ｙｐスライダおよびｚｐスライダを有するスライド機構（不図示）と、スライド機構の各軸方向の変位量を検出するとともに検出した変位量を出力するプローブセンサ２４（図３参照）とを備えている。スタイラス２１はスライド機構によって支持部２３に対して一定の範囲内でスライド可能に支持されているとともに原点に向けて復帰するように所定圧力で付勢されている。
プローブセンサ（検出部）２４は、特に図示しないが、スタイラス２１のＸｐ方向への移動を検出するＸｐ方向センサと、スタイラス２１のＹｐ方向への移動を検出するＹｐ方向センサと、スタイラス２１のＺｐ方向への移動を検出するＺｐ方向センサと、を備えている。プローブセンサ２４によって検出されたスタイラス２１の変位量はモーションコントローラ４を経由してホストコンピュータ５に出力される。
【００５１】
ここに、接触部２２を有するスタイラス２１と、支持部２３と、により検出部が構成されている。
【００５２】
ここで、スライド機構のＸｐ方向、Ｙｐ方向、Ｚｐ方向によりプローブ座標系が規定されている（図２参照）。
また、図２に示されるように、定盤１１上に載置される被測定物Ｗの面Ｓを基準としてワーク座標系が規定される。ワーク座標系は、例えば、被測定物Ｗの所定の面Ｓ上における指定の３点によって決められる平面内で互いに直交する方向をＸｗ方向およびＹｗ方向、この平面の法線をＺｗ方向として規定される。
【００５３】
操作部３は、倣いプローブ２の移動を手動で操作する手動操作部材としてのジョイスティック３２と、移動方向を指令する際の座標系を選択する座標系選択スイッチ（座標系選択手段）３４と、倣いプローブ２の移動を固定する軸を選択する固定軸選択スイッチ（軸選択手段）３５と、を備えて構成されている。座標系選択スイッチ３４の操作によってマシン座標系とワーク座標系とが切替選択される。また、固定軸選択スイッチ３５は、ｘ軸固定スイッチ、ｙ軸固定スイッチおよびｚ軸固定スイッチを有し、選択された軸方向に沿った倣いプローブ２の移動が禁止される。例えば、ｘ軸固定スイッチが選択されると、倣いプローブ２の移動方向がＹＺ面内に制限される。なお、各軸の方向は座標系選択スイッチ３４によって選択された座標系（マシン座標系かワーク座標系）に従う。
【００５４】
図３に、測定システムの機能ブロック図を示す。
モーションコントローラ４は、三次元測定機１の駆動量を計数するカウンタ部４１と、所定の座標系を設定する座標系設定部４２と、倣いプローブ２を被測定物表面に倣って移動させるベクトル指令を出力する倣いベクトル指令部４４と、倣いベクトル指令部４４からの倣いベクトル指令に応じて駆動機構（移動手段）１２を駆動制御する駆動制御回路（駆動制御手段）４５と、を備えて構成されている。
【００５５】
カウンタ部４１は、駆動センサ１３から出力されるパルス信号をカウントして駆動機構１２の駆動量を計測する駆動カウンタ４１１と、プローブセンサ２４から出力されるパルス信号をカウントしてスタイラス２１のスライド量を押込量として計測するプローブカウンタ４１５とを備えている。特に図示しないが、駆動カウンタ４１１は、駆動センサ１３で検出される各軸方向（Ｘｍ、Ｙｍ、Ｚｍ軸方向）の出力を計数する各軸方向のカウンタを備えており、また、プローブカウンタ４１５は、プローブセンサ２４で検出される各軸方向（Ｘｐ、Ｙｐ、Ｚｐ軸方向）の出力を計数する各軸方向のカウンタを備えている。
【００５６】
座標系設定部４２は、マシン座標系およびワーク座標系の座標軸が設定入力されているとともに座標系選択スイッチ３４による入力操作に応じてマシン座標系とワーク座標系とを切替設定する。座標系設定部４２は、切替設定した座標系を倣いベクトル指令部４４に出力する。なお、マシン座標系は出荷時に予め設定されているが、ワーク座標系は測定対象に応じて新たに生成される。
【００５７】
倣いベクトル指令部４４は、図４に示されるように、倣いプローブ２を被測定物表面に沿って自律的に倣い移動させるベクトルを生成する自律倣いベクトル生成部４４１と、倣いベクトルをマシン座標系での指令に座標変換する座標系変換部４４６と、を備えている。
自律倣いベクトル生成部４４１は、倣いプローブ２が進行する方向のベクトルを生成する進行方向ベクトル生成部４４２と、被測定物Ｗに対する押込方向（被測定物表面の法線方向）のベクトルを生成する押込方向ベクトル生成部４４３と、測定対象領域として規定される高さからの偏差方向のベクトルを生成する高さ方向ベクトル生成部４４４と、進行方向ベクトル、押込方向ベクトルおよび高さ方向ベクトルを合成して自律倣いベクトルを生成するベクトル合成部４４５と、を備える。
また、進行方向ベクトル生成部４４２は、進行方向の速度を調整する進行速度調整部４４２Ａを有し、押込方向ベクトル生成部４４３は、押込方向の押込制御ゲインを調整する押込制御ゲイン調整部４４３Ａを有する。
【００５８】
ここで、自律倣いベクトル生成部４４１で、自律倣いベクトルを生成する工程について図５、図６、図７を参照して簡便に説明する。なお、測定範囲として、Ｚ座標が一定値で固定された平面Ｓ内において被測定物表面の輪郭を自律倣い走査する場合について説明する（図５参照）。
進行方向ベクトル生成部４４２は、進行速度Ｖｓと進行方向の単位ベクトルＰｕとを合成して進行方向ベクトルＶＰを生成する。ここで、Ｚｕは、Ｚ方向の単位ベクトルであり、Ｅは、プローブの押込方向のベクトル（倣いプローブの出力値に等しい）である。
【００５９】
【数１】
0004782990.tif 000002
【００６０】
押込方向ベクトル生成部４４３は、押込方向の単位ベクトルＥｕと押込ずれαとを用いて押込方向ベクトルＶＥを生成する。ここで、｜Ｅ｜は、倣いプローブ２の出力値であり、Ｅ０は、基準押込量（例えば、１０００μｍ）である。また、Ｖｅは、押込方向の制御ゲインであって、押込制御ゲイン調整部４４３Ａにより進行速度Ｖｓの大きさに応じて増減される。例えば、進行速度Ｖｓが小さい場合には押込制御ゲインＶｅが大きくなるように調整される。
【００６１】
【数２】
0004782990.tif 000003
【００６２】
高さ方向ベクトル生成部４４４は、高さ方向制御の単位ベクトルＨｘと高さ方向のずれ量γとを用いて高さ方向ベクトルＶＨを生成する。
ここで、Ｃｈは、現在の倣いプローブ２の高さ位置であり、Ｚｈは、測定領域として指定される固定されたＺ座標値である。
また、Ｖｈは、高さ方向の制御ゲインである。
なお、（Ｘｕ，Ｚｕ）は内積を表す。
ここで、押込制御ゲインＶｅや高さ制御ゲインＶｈは倣い制御パラメータを構成する。
【００６３】
【数３】
0004782990.tif 000004
【００６４】
ベクトル合成部４４５は、進行方向ベクトルＶＰと、押込方向ベクトルＶＥと、高さ方向ベクトルＶＨと、を合成して、倣いベクトルＶＣを生成する。
【００６５】
【数４】
0004782990.tif 000005
【００６６】
このようにして倣いベクトルＶｃが生成されるので、倣いプローブ２の相対位置が常に基準位置を中心とする所定範囲内に保たれるように制御される。つまり押込量一定制御が行われる。
なお、進行速度Ｖｓは、進行速度調整部４４２Ａにおいて押込ずれαおよび高さずれγに基づいて制御されてもよく、押込ずれαに基づいて決定される速度因子ＳＰＥと、高さずれγに基づいて決定される速度因子ＳＰＨとのうちいずれか小さい方が速度因子ＳＰＤとして進行速度ＶＳに乗算される。
ここで、図６に押込量Ｅと速度因子ＳＰＥとの関係を示し、図７に高さずれγと速度因子ＳＰＨとの関係を示す。なお、図６中の横軸は押込量Ｅであるところ、押込量Ｅと基準押込量Ｅ０との関係から押込ずれαに換算することは容易である。詳細な説明は割愛するが、押込ずれαおよび高さずれγが大きくなると、進行速度ＶＳは小さくなるように調整されることになる。
このような速度因子ＳＰＤによる速度制御を加味した進行方向ベクトルＶＰは次のように表される。なお、θは、Ｚ座標が一定値で固定された平面Ｓの法線とスタイラス２１とのなす角である。
【００６７】
【数５】
0004782990.tif 000006
【００６８】
また、自律倣いベクトル生成部４４１において生成されるベクトルがワーク座標系上のベクトルとして生成される場合には、座標系変換部４４６によりワーク座標系のベクトルがマシン座標系に変換される。このような変換は所定の変換マトリクス［Ａ］を用いて次の式で表される。ここで、ＶＷは、ワーク座標系上で生成された倣いベクトルを示し、ＶＭは、ＶＷをマシン座標系に変換した倣いベクトルを示す。
【００６９】
【数６】
0004782990.tif 000007
【００７０】
ホストコンピュータ５は、図３に示されるように、相対位置と基準位置との差から位置偏差を求め、この位置偏差と限界位置偏差との比較を行って倣いプローブ２の押込量（位置偏差）が適正であるかを判断するエラー判定部（相対位置判定部）５１と、駆動カウンタ４１１およびプローブカウンタ４１５で計数されたデータを所定サンプリングピッチで取得するとともに測定データとして記憶する測定データ記憶部５２と、測定データ記憶部５２に記憶されたデータから現在の測定位置が指定領域内であるか判断する指定領域判断部５３と、被測定物Ｗの表面状態に応じた倣いベクトルの進行速度およびサンプリングピッチを決定する測定条件決定部５４と、入力手段７によって設定入力される測定条件等を記憶する測定条件記憶部５５と、サンプリングされた測定データから被測定物Ｗの形状を解析する形状解析部５６と、ホストコンピュータ５の全体を制御する中央演算処理装置５７と、を備えている。
【００７１】
エラー判定部５１は、位置偏差と限界位置偏差との比較（限界比較判定）により倣いプローブ２の押込状態を判定して押込量がエラー状態にあるときにエラー信号を出力する。そして、エラー判定部５１は、押込量がエラー状態にある場合に、倣いプローブ２の位置を引き返させて再び倣い走査させるリトライ動作を指令するリトライ動作指令部（測定モード切替部）５１１を有する。
【００７２】
測定データ記憶部５２は、カウンタ部４１でのカウント値を短周期で取得するとともに一時的に記憶する制御サンプリング点記憶部５２１と、制御サンプリング点記憶部に記憶されたデータのうちからサンプリングピッチ間隔でデータを取得して長期的に記憶する測定サンプリング点記憶部５２２と、を備える。
【００７３】
測定条件決定部５４は、図８に示されるように、走査地点の表面状態を判定する表面状態判定手段５４１と、表面状態判定手段５４１での判定に基づいて倣い走査の進行速度を決定する進行速度決定部５４４と、表面状態判定手段５４１での判定に基づいてサンプリングピッチを決定するサンプリングピッチ決定部５４６と、を備える。
【００７４】
表面状態判定手段５４１は、走査地点における被測定物表面の粗さ（表面性状）を判定する表面性状判定手段５４２と、走査地点における被測定物表面の曲率半径を算出する曲率半径算出手段５４３と、を備えている。
表面性状判定手段５４２は、制御サンプリング点記憶部５２１に記憶されたデータのばらつきから表面性状を判定し、例えば、現在の走査地点から数点（例えば５点）の範囲内において、この数点を直線回帰した線から各データ点までの距離に基づいて表面粗さを判定する。判定としては、距離の最大値が所定閾値を超える場合には「粗い」とし、距離の最大値が所定閾値以内である場合には「平滑」と判断するなどのパターンが例として挙げられる。判定の結果は、進行速度決定部５４４およびサンプリングピッチ決定部５４６に出力される。
【００７５】
曲率半径算出手段５４３は、制御サンプリング点記憶部５２１に記憶されたデータに基づいて現在の走査地点の曲率半径を算出する（図１５参照）。
ここで、曲率半径の算出にあたっては、例えば、走査地点から数点（例えば５点）の範囲内において、この数点から選ばれた任意の三点を通る円の半径を走査地点における曲率半径とみなしてもよい。あるいは、走査地点から数点（例えば５点）の範囲内においてデータ点を低域フィルタで処理した平滑化曲線を求め、この平滑化曲線に基づいて現在の走査地点での曲率半径を算出してもよい。すなわち、走査地点における平滑化曲線の２階微分係数の逆数を算出すればよい。または、平滑化曲線に基づいて制御サンプリング点のそれぞれにおける曲率半径を算出して、これら各制御サンプリング点における曲率半径の平均値を現在の走査地点における曲率半径とみなしてもよい。
算出された曲率半径は、進行速度決定部５４４およびサンプリングピッチ決定部５４６に出力される。
【００７６】
進行速度決定部５４４は、表面性状判定手段５４２における表面性状の判定結果および曲率半径算出手段５４３で算出された曲率半径とに基づいて倣い走査の進行速度を決定する。そして、進行速度決定部５４４は、進行速度と曲率半径算出手段５４３で算出された曲率半径との関係が設定された進行速度参照テーブル５４５を備えている。進行速度参照テーブル５４５には、例えば、図９に示されるように、曲率半径Ｒに対して進行速度を指数関数的に単調増加させるとともに、曲率半径Ｒが所定値（Ｒｍａｘ）以上になると進行速度を一定値（Ｖｍａｘ）で固定する関係が記録されている。なお、進行速度Ｖの範囲としては、たとえば、１００μｍ／ｓから１５００００μｍ／ｓ（０．１ｍｍ／ｓ〜１５０ｍｍ／ｓ）とすることが例として挙げられる。
進行速度決定部５４４は、まず、曲率半径算出手段５４３で算出された曲率半径Ｒに対して進行速度参照テーブル５４５に設定された進行速度（曲率半径に基づく進行速度）を読み出し、続いて、表面性状判定手段５４２での判定結果に応じて、進行速度参照テーブル５４５から読み出した速度（曲率半径に基づく進行速度）を調整する。例えば、表面性状判定手段５４２により「粗い」という判定がなされた場合には、曲率半径に基づく進行速度に対して調整係数ε（ε＜０．５）を乗算し、表面性状判定手段５４２により「平滑」という判定がなされた場合には、曲率半径に基づく進行速度に対して調整係数ζ（０．５≦ζ＜１）を乗算する。なお、調整係数εやζの値は適宜設定されればよい。進行速度決定部５４４で決定された進行速度は、自律倣いベクトル生成部４４１（具体的には進行方向ベクトル生成部４４２）に出力される。
なお、図１５に、曲率半径が変化するに応じて進行速度Ｖが調整される様子を示す。
【００７７】
サンプリングピッチ決定部５４６は、表面性状判定手段５４２における表面性状の判定結果および曲率半径算出手段５４３で算出された曲率半径とに基づいて測定データをサンプリングするサンプリングピッチを決定する。そして、サンプリングピッチ決定部５４６は、サンプリングピッチと曲率半径算出手段５４３で算出された曲率半径との関係が設定されたサンプリングピッチ参照テーブル５４７を備えている。サンプリングピッチ参照テーブル５４７には、例えば、図１０に示されるように、曲率半径Ｒに対してサンプリングピッチを一次関数的に増加させるとともに、曲率半径が所定値（Ｒｍａｘ）以上になる場合にはサンプリングピッチを一定値（Ｌｍａｘ）で固定する関係が記録されている。なお、サンプリングピッチとしては、０．０１ｍｍから１０ｍｍとすることが例として挙げられる。
サンプリングピッチ決定部５４６は、まず、曲率半径算出手段５４３で算出された曲率半径Ｒに対してサンプリングピッチ参照テーブル５４７に設定されたサンプリングピッチ（曲率半径に基づくサンプリングピッチ）を読み出し、続いて、表面性状判定手段５４２での判定結果に応じて、曲率半径Ｒに基づくサンプリングピッチを調整する。例えば、表面性状判定手段５４２により「粗い」という判定がなされた場合には、曲率半径に基づくサンプリングピッチに対して調整係数κ（κ＜０．５）を乗算し、表面性状判定手段５４２により「平滑」という判定がなされた場合には、曲率半径に基づくサンプリングピッチに対して調整係数λ（０．５≦λ＜１）を乗算する。なお、調整係数κやλの値は適宜設定されればよい。
そして、サンプリングピッチ決定部５４６は、調整されたサンプリングピッチを測定データ記憶部５２２に出力するとともに、サンプリングピッチよりも短い制御サンプリングピッチを併せて測定データ記憶部５２２に出力する。
なお、制御サンプリングピッチのピッチ幅は特に限定されないが、例えば、サンプリングピッチの５分の１とすることが例として挙げられる。
なお、図１６に、曲率半径に応じてサンプリングピッチが調整される様子を示す。
【００７８】
測定条件記憶部５５は、測定を開始するにあたって予め入力手段７により入力される測定条件を記憶する。測定条件記憶部５５に設定入力されるデータとしては、例えば、基準押込量、測定範囲、指定領域、指定速度、指定ピッチなどの測定パラメータや、駆動制御回路４５に設定されるサーボ制御ゲインなどを含むサーボ制御パラメータ、あるいは押込み制御ゲインVeなどを含む倣い制御パラメータなどの初期値が挙げられる。
ここで、基準押込量（基準位置）は、倣い走査にあたって倣いプローブ２を被測定物表面に押し込む量であって、押込量（相対位置）｜Ｅ｜は、プローブカウンタ４１５での検出値（Ｘｐ、Ｙｐ、Ｚｐ）に対して次の式で与えられる。
【００７９】
【数７】
0004782990.tif 000008
【００８０】
また、測定範囲は、被測定物Ｗのうち測定すべき範囲であり、指定領域は、測定範囲のうちで予め指定された進行速度およびサンプリングピッチで測定されるべく指定される領域である。この指定領域内では測定条件決定部５５で決定される測定条件が適用されないこととなる。そして、指定速度および指定ピッチは、初期測定あるいは指定領域における進行速度およびサンプリングピッチとして指定される。
【００８１】
［表面倣い測定方法］
次に、表面倣い測定方法を、図１１〜図１４のフローチャートを参照して説明する。また、図１５および図１６に倣いプローブ２が被測定物表面を倣い走査する様子を示す。
表面倣い測定方法は、図１１のフローチャートに示されるように、測定モードを選択したり測定条件を入力する初期選択工程（ＳＴ１００）と、測定システム１００による倣い測定によって測定データを取得する倣い測定工程（ＳＴ２００）と、測定で取得された測定データに基づいて被測定物の形状解析を行う工程（ＳＴ３００）と、を備えている。なお、形状解析された結果は、出力手段６により出力される。
まず、図１２のフローチャートを参照して初期選択工程（図１１、ＳＴ１００）について説明する。
ＳＴ１０１において、入力手段７からの入力操作により自律倣いモードを選択する。このように自律倣いモードが選択されると、自律倣いベクトル生成部４４１により自律倣いベクトルが生成され、この自律倣いベクトルの指令により倣いプローブ２が自律的に被測定物表面を倣い走査する。
ＳＴ１０２において、進行速度自動決定モードを選択（ＯＮ）し、続いてＳＴ１０３において、サンプリングピッチ自動決定モードを選択（ＯＮ）する。進行速度自動決定モードの選択により、進行速度決定部５４４で決定される進行速度に基づく自律倣い測定が行われ、サンプリングピッチ自動決定モードの選択により、サンプリングピッチ決定部５４６で決定されるサンプリングピッチで測定データの取得が行われることになる。
【００８２】
ＳＴ１０４において、マシン座標系とワーク座標系とのいずれかを操作部３の座標系選択スイッチ３４で選択する。ここで、ワーク座標系を選択する場合には、同時にワーク座標系の生成を行う。ワーク座標系は、被測定物表面の指定の三点について座標を測定し、この三点によって決められる平面の法線をＺｗ方向とし、平面内で互いに直交する方向をＸｗ方向およびＹｗ方向とすることで生成される。生成されたワーク座標系は、座標系設定部４２に記憶される。
ＳＴ１０５において、測定条件（測定パラメータ）を入力する。入力する測定条件としては、倣いプローブ２の基準押込量や初期進行速度、初期サンプリングピッチ、測定範囲などが例として挙げられる。
また、図示しないサーボ制御パラメータや倣い制御パラメータなどを入力しても良い。
ここで入力された各種初期測定パラメータや初期制御パラメータは、初期値として測定条件決定部５４へ与えられるとともに、駆動機構１２を制御するための制御ゲインなどのサーボ制御パラメータは駆動制御回路４５に設定される。
ここで、測定範囲としては、一定高さ（Ｚｗ座標値を固定）で倣い測定する場合にこの固定されるＺｗ座標値を測定範囲として入力することが例として挙げられる。
ＳＴ１０６において、指定領域を入力するとともに、この指定領域を倣い測定する場合の条件として指定速度および指定サンプリングピッチを入力する。指定領域としては、例えば、図１５のような測定領域に対して、Ｘ１〜Ｘ２の範囲を指定領域として指定することが例示される。
また、指定領域における各種制御パラメータを入力してもよい。
【００８３】
初期選択（ＳＴ１００）が一通り終わったところで次に倣い測定工程（ＳＴ２００）に移行する。
図１３のフローチャートを参照して、倣い測定工程（ＳＴ２００）について説明する。また、図１５において、被測定物表面の曲率半径に基づいて進行速度が調整される様子を示し、図１６において被測定物表面の曲率半径に基づいてサンプリングピッチが調整される様子を示す。
ＳＴ２０１において、倣いプローブ２を被測定物Ｗの測定開始点に移動させる（アプローチ工程）。このような動作は、入力手段７により測定開始点を入力して、この測定開始点に向けて倣いプローブ２が移動されるとしてもよく、あるいは、操作部３のジョイスティック３２による手動操作によって倣いプローブ２を測定開始点に移動させるとしてもよい。
【００８４】
倣いプローブ２が測定開始点に到達したところで、ＳＴ２０２において初期倣い走査が実行される。初期倣い走査は、自律倣いベクトル生成部４４１で生成される倣いベクトルＶＣに従って実行されるが、このとき、測定条件決定部５４で決定される進行速度やサンプリングピッチではなく、測定条件記憶部５４に入力された（ＳＴ１０５参照）初期進行速度および初期サンプリングピッチに基づいて倣い走査が行われる。
ＳＴ２０３において、初期倣い走査中（ＳＴ２０２）に制御サンプリング点が取得されて制御サンプリング点記憶部５２１に記憶されていく。
ＳＴ２０４において、制御サンプリング点として５点がサンプリングされたか判断されて、５つの制御サンプリング点が取得されていれば（ＳＴ２０４：ＹＥＳ）、次にＳＴ２０５およびＳＴ２０６において、表面状態判定手段５４１により表面状態の判定が行われる。
ＳＴ２０５においては、取得された５つの制御サンプリング点に基づいて表面性状判定手段５４２により表面性状判定が行われる。これは、前述のように、制御サンプリング点のばらつきから走査地点における被測定物表面の性状が「粗い」あるいは「平滑」と判定され、判定の結果は、進行速度決定部５４４およびサンプリングピッチ決定部５４６にそれぞれ出力される。
ＳＴ２０６においては、取得された５つの制御サンプリング点に基づいて曲率半径算出手段５４３により、走査地点における被測定物表面の曲率半径が算出され、算出された曲率半径は進行速度決定部５４４およびサンプリングピッチ決定部５４６にそれぞれ出力される。
【００８５】
ＳＴ２０７において、進行速度決定部５４４により倣い走査の進行速度が決定される。すなわち、曲率半径算出手段５４３で算出された曲率半径に対応する進行速度が進行速度参照テーブル５４５（図９参照）から読み出される。そして、この曲率半径に基づく進行速度が表面性状判定（ＳＴ２０５）に基づいて調整され、倣いベクトルの進行速度が決定される。決定された進行速度は、倣いベクトル指令部４４に出力される。
ＳＴ２０８において、サンプリングピッチ決定部５４６により倣い測定のサンプリングピッチが決定される。すなわち、曲率半径算出手段５４３で算出された曲率半径に対応するサンプリングピッチがサンプリングピッチ参照テーブル５４７（図１０参照）から読み出される。そして、この曲率半径に基づくサンプリングピッチが表面性状判定（ＳＴ２０５）に基づいて調整され、倣い測定のサンプリングピッチが決定される。決定されたサンプリングピッチは、測定データ記憶部５２に出力されるとともに、サンプリングピッチよりも短いピッチ（例えばサンプリングピッチの５分の１ピッチ）が制御サンプリングピッチとして測定データ記憶部５２に出力される。
【００８６】
ＳＴ２０９において、進行速度決定部５４４で決定された進行速度（ＳＴ２０７）を用いつつ自律倣いベクトル生成部４４１により倣いベクトルが生成される。
すなわち、進行方向ベクトル生成部４４２において進行方向ベクトルＶＰを生成するにあたって、進行速度Ｖｓを進行速度決定部５４４で決定された進行速度とする。そして、進行速度決定部５４４で決定された進行速度Ｖｓに対して、押込ずれや高さずれに応じて速度因子ＳＰＤが乗算されて進行速度が調整される。また、押込方向ベクトル生成部４４３の押込制御ゲイン調整部４４３Ａにより、進行速度Ｖｓに応じて押込制御ゲインＶｅが調整され、例えば、進行速度Ｖｓが小さいときには押込制御ゲインが大きく設定される。なお、自律倣いベクトル生成部４４１にて生成された倣いベクトルがワーク座標系上のベクトルである場合には、所定の変換マトリクスによってマシン座標系上のベクトルに変換される。
【００８７】
ＳＴ２１０において、倣いベクトルに従った倣い走査が実行される。すなわち、倣いベクトル指令部４４からの指令に応じて駆動制御回路４５から制御信号が駆動機構１２に印加され、倣いプローブ２による被測定物表面の倣い走査が行われる。
図１５において、曲率半径が変化するに伴って倣い速度が調整される様子を示す。すなわち、曲率半径が比較的大きい領域では速い速度（Ｖ３）で倣い走査が行われるのに対して、曲率半径が小さい領域では遅い速度（Ｖ１）で倣い走査され、さらに、曲率半径が非常に小さい領域では非常に遅い速度（Ｖ２）で倣い走査が行われる。
【００８８】
ＳＴ２１１において、倣い走査中（ＳＴ２１０）に制御サンプリング点の取得が行われ、このとき、エラー判定部５１によるエラー判定が行われる（ＳＴ２１２）。エラー判定（ＳＴ２１２）は、制御サンプリング点としてカウンタ部４１から取得されるデータのうち、プローブカウンタ４１５の出力値に基づいて、押込量が所定閾値（限界位置偏差）内であるかを判定することにより行われる。エラー判定がない場合（ＳＴ２１２：ＹＥＳ）には、制御サンプリング点が制御サンプリング点記憶部５２１に記憶される。
次に、ＳＴ２１３において、指定領域判断部５３により走査地点が指定領域であるかの判断が行われる。すなわち、走査地点が測定条件記憶部５５に入力された指定領域であるか判断されて、指定領域外である場合（ＳＴ２１３：ＹＥＳ）には、そのまま倣い走査が継続される。
ＳＴ２１４において、現在の走査地点が前回のサンプリング点からサンプリングピッチだけ進んでいるか判断されて、サンプリングピッチを満たす場合（ＳＴ２１４：ＹＥＳ）には、測定サンプリング点としてカウンタ部４１の出力値が測定サンプリング点記憶部５２２に記憶される。
図１６において、曲率半径が変化するに伴ってサンプリングピッチおよび制御サンプリングピッチが調整される様子を示す。すなわち、曲率半径が比較的大きい領域では広いサンプリングピッチ（Ｌ３）で測定点の取得が行われるのに対して、曲率半径が小さい領域では比較的狭いサンプリングピッチ（Ｌ１）で測定点の取得が行われ、さらに、曲率半径が非常に小さい領域では非常に狭いサンプリングピッチ（Ｌ２）で測定点の取得が行われる。
【００８９】
ＳＴ２１６において、終了条件を満たしているか判断され、例えば、指定された測定領域を総て倣い測定している場合（ＳＴ２１６：ＹＥＳ）には、倣い測定が終了される。
【００９０】
ＳＴ２０４において、制御サンプリング点が５つ取得されていない場合（ＳＴ２０４：ＮＯ）には、ＳＴ２０２に戻って倣い走査が継続される。
ＳＴ２１２において、エラー判定がある場合（ＳＴ２１２：ＮＯ）には、エラー判定部５１のリトライ動作指令部５１１からリトライ指令が倣いベクトル指令部４４に出力され、リトライ動作（ＳＴ２１７）が実行される。
【００９１】
図１４のフローチャートを参照してリトライ動作について説明する。
エラー判定（ＳＴ２１２：ＮＯ）に基づいて、リトライ動作が指令されると、ＳＴ２１９において、倣いベクトル指令部４４は測定データ記憶部５２２に記憶された測定データを読み出す。読み出すデータとしては、エラー判定（ＳＴ２１２：ＮＯ）がでる以前に取得された測定データ（制御サンプリング点あるいは測定サンプリング点）であり、正常に取得された最新の測定データとしてもよく、あるいはそれ以上に数点遡るデータとすることが例として挙げられる。
ＳＴ２２０において、自律倣いベクトル生成部４４１によりリトライベクトルが生成される。リトライベクトルは、現時点の座標から引き返す座標値に向けて倣いプローブ２を移動させるベクトルである。そして、このリトライベクトルによって倣いプローブを引き返させる。
続いて、ＳＴ２２１において、進行方向ベクトル生成部４４２における進行速度ＶＳが低減される。すなわち、進行速度決定部５４４によって現在設定されている進行速度が低減される。なお、低減率としては例えば５０％程度にすることが例として挙げられる。
このように倣いプローブ２の位置が引き返されるとともに進行速度が低減された後、ＳＴ２０９に戻って倣い走査が再び実行される。
【００９２】
ＳＴ２１３において、指定領域判断部５３において、現時点の走査地点が指定領域内であると判断される場合（ＳＴ２１３：ＮＯ）には、測定条件決定部５４で決定された進行速度およびサンプリングピッチに代えて、測定条件記憶部５５に記憶された指定速度および指定ピッチが読み出されて（ＳＴ２１８）、この指定速度および指定サンプリングピッチに基づいて倣い走査が行われる。
この際、指定領域内におけるサーボ制御パラメータが設定されている場合は、該当パラメータが読み出されて駆動制御回路４５で設定済のパラメータと置換えられる。
また、指定領域内における押込制御ゲインが設定されている場合は、その値が読み出され、倣いベクトル指令部４４ではその値に基づいて倣いベクトルが算出される。
なお、指定領域内から指定領域外へ離脱したと判断された場合は、指定領域内へ進入する直前の各測定パラメータとサーボ制御パラメータに戻される。この際、一または複数のパラメータを初期測定パラメータや初期サーボ制御パラメータに戻してもよい。
図１５および図１６において、指定領域Ｘ１〜Ｘ２に関しては、指定された進行速度ＶＳおよび指定されたサンプリングピッチＬＳにより倣い走査と測定データの取得が行われる。
ＳＴ２１４において、現在の走査地点が前回の測定点からサンプリングピッチだけ進んでいない場合（ＳＴ２１４：ＮＯ）には、現在の測定条件（進行速度およびサンプリングピッチ）を保ったままで倣い走査が継続される。
ＳＴ２１６において、終了条件を満たしていない場合（ＳＴ２１６：ＮＯ）には、ＳＴ２０５に戻って、進行速度およびサンプリングピッチを更新して自律倣いベクトルを生成したうえで倣い走査が継続される。
【００９３】
このように倣い測定ＳＴ２００が終了した後、取得された測定サンプリング点に基づいて形状解析部５６により被測定物の形状解析が行われる（図１１、ＳＴ３００）。
【００９４】
このような第１実施形態によれば、次の効果を奏することができる。
（１）自律倣いベクトル生成部４４１によって生成される自律倣いベクトルによって被測定物表面を探索しながら表面倣い走査が行われるので、形状未知の被測定物に対して表面倣い測定が可能となる。そして、測定条件決定部５４によって倣いプローブ２の進行速度やサンプリングピッチなどの測定パラメータあるいは制御パラメータが時々刻々と調整されるので、形状未知の被測定物に対して常に最適の倣い条件（適応測定制御条件）で倣い走査が行われ、かつ、最適の数の測定データが取得される。すなわち、形状未知の被測定物に対して最短時間の倣い走査が可能となり、さらに、過不足ない最適な数の測定データに基づいて形状解析が可能となる。
【００９５】
（２）曲率半径算出手段５４３で算出される被測定物表面の曲率半径（表面状態）に基づいて進行速度決定部５４４により倣い走査の進行速度（測定パラメータ）が調整される。よって、曲率半径が大きいような被測定物であればそれに応じて倣い走査が高速で実行され、短い時間で測定が完了される。
また、曲率半径が小さいところでは進行速度が低速に調整されるので、倣いプローブ２の押込超過や離脱などのエラーが生じにくくなり、スムーズに倣い走査が実行される。その結果、押込超過や離脱などのエラーで測定が中止されることがなくなるので測定時間が短縮されるとともに、倣いプローブ２の破損が防止される。
【００９６】
（３）曲率半径算出手段５４３で算出される被測定物表面の曲率半径に基づいてサンプリングピッチ決定部５４６によりサンプリングピッチ（測定パラメータ）が調整される。よって、曲率半径が大きいところでは測定サンプリング点が少なく調整される一方、曲率半径が小さいところでは測定サンプリング点が多くなるように調整されるので、適切な量のデータに基づいて形状解析が行われる。また、過剰にデータの取得を行わないので、測定時間が短縮される。
【００９７】
（４）エラー判定部５１によりエラー判定が行われ、エラーが生じる場合にはリトライ動作（ＳＴ２１７）で正常なデータが取得された過去の点まで引き返して倣い走査が再開されるので、測定不能に陥って測定が中断されることがない。また、押込超過や離脱といった致命的なエラーに至る前にエラー判定に応じて引き返すので倣いプローブ２の破損が防止される。
【００９８】
（５）指定領域が設定され、例えば、精密に測定したい領域に対して予め精密に測定するようにサンプリングピッチを狭く設定したり、あるいは、精度が粗くてよいところはサンプリングピッチを広くしたりするなど、目的に応じて設定できる。よって、全体を高精度に測定する場合に比べると測定時間が短縮される。また、被測定物表面のうちで曲率半径が小さいところなどが予め指定領域として指定されると、押込超過や離脱などで倣いプローブ２が損傷するのを避けることができる。
【００９９】
（６）表面性状判定手段５４２により表面性状が判定され、表面状態の粗さに応じて進行速度およびサンプリングピッチが調整される。従って、例えば、表面が粗い領域では多くの測定データが確保されるので精密な形状解析が行われ、平滑な領域では高速で倣い走査が行われるので短い時間で測定が終了する。
【０１００】
（７）進行速度決定部５４４で決定された進行速度が押込ずれ（位置偏差）や高さずれに応じて進行速度調整部４４２Ａにより調整される。すると、平滑な領域では高速で倣い走査が行われる一方、曲率半径が小さくて押込ずれや高さずれが生じやすいところでは低速で倣い走査が行われるので、押込超過や離脱などのエラーが確実に防止される。
【０１０１】
（８）進行速度決定部５４４で決定された進行速度に応じて押込制御ゲイン調整部４４３Ａにより押込制御ゲイン（制御パラメータ）が調整されるところ、進行速度が小さいときには押込制御ゲインが大きく調整されて追従性能が向上するので、押込超過あるいは離脱が生じる危険の高い領域で慎重な押込制御が行われることになり、押込超過や離脱等のエラーが確実に回避されて滑らかな倣い走査が実行される。
【０１０２】
（参考形態）
次に、本発明の表面倣い測定装置および表面倣い測定方法に係る参考形態について説明する。
参考形態の基本的構成は第１実施形態と同様であるが、参考形態が特徴とするところは、軌道倣い走査を行う点にある。
図１７に参考形態の機能ブロック図を示す。
図１７において、ホストコンピュータ５は、軌道生成部５８を備えているとともに、測定条件記憶部５５には被測定物Ｗの形状データが入力される。また、ホストコンピュータ５は、エラー判定部５１を備え、エラー判定部５１はモード移行指令部５１２を備えている。
モーションコントローラ４は、倣いベクトル指令部４４を備え、倣いベクトル指令部４４は、図１８に示されるように軌道倣いベクトル生成部４４７を備えている。
【０１０３】
測定条件記憶部５５に入力される形状データとしては、被測定物Ｗの設計データなどが例として挙げられる。
軌道生成部５８は、測定条件記憶部５５に記憶された被測定物Ｗの設計データに基づいて倣いプローブ２が倣い走査する軌道を演算処理により算出して生成する。算出された軌道の一例を図１９に示す。図１９において、測定対象となる被測定物の輪郭形状に対し、被測定物表面の法線方向へ向けて倣いプローブ２の接触部２２の半径分だけオフセットした軌道が算出される。なお、オフセットさせる量については、倣いプローブ２の接触部２２の半径としてもよく、あるいは、接触部２２の半径から基準押込量を減算した見かけの半径（測定オフセット値）としてもよい。
ここで、軌道生成部５８は、倣い走査中に設計データを先行して数点ずつ読み取ってリアルタイムで軌道生成を行う。すなわち、軌道生成部５８は、測定条件記憶部５５に記憶された設計データのうち現在の走査地点から先行する数点ずつを順次読み出して軌道生成を行う。生成された軌道は、順次、倣いベクトル指令部４４に出力される。
【０１０４】
軌道倣いベクトル生成部４４７は、軌道生成部５８で生成された軌道に沿って倣いプローブ２を移動させるベクトルを生成する。なお、測定条件決定部５４で決定される進行速度で倣いプローブ２を移動させるベクトルを生成する点は第１実施形態と同様である。
【０１０５】
エラー判定部５１において、プローブカウンタ４１５の出力値に基づいて押込量が所定閾値内であるかが判定（限界比較判定）される点は第１実施形態と同様であるが、モード移行指令部（測定モード切替部）５１２はエラー判定部５１でエラー判定が行われた場合に、倣いベクトル指令部４４に向けてモード移行指令を出力する。倣いベクトル指令部４４がモード移行指令を受けると、軌道倣いベクトル生成部４４７が停止されるとともに自律倣いベクトル生成部４４１が起動され、自律倣い走査が実行される。
【０１０６】
このような参考形態による表面倣い測定方法について図２０、図２１のフローチャートを参照して説明する。参考形態の表面倣い測定方法は第１実施形態と同様であって、図１１で説明したように初期選択工程（ＳＴ１００）、倣い測定工程（ＳＴ２００）、形状解析工程（ＳＴ３００）を備えている。ここで、図２０のフローチャートに初期選択工程を示す。まず、ＳＴ４０１において、軌道倣いモードを選択し、続いて、進行速度自動決定モード（ＳＴ４０２）およびサンプリングピッチ自動決定モード（ＳＴ４０３）を選択する。そして、軌道倣いモードを選択した（ＳＴ４０１）ことに併せて、ＳＴ４０４における測定条件入力工程において、被測定物Ｗの設計データ（形状データ）の入力を行う。
【０１０７】
次に、図２１のフローチャートを参照して倣い測定工程について説明する。
まず、ＳＴ５０１で倣いプローブを被測定物にアプローチさせて、倣い測定を開始させる。すると、ＳＴ５０２において、軌道生成部５８によって測定条件記憶部５５から形状データが先行して読み出され、ＳＴ５０３において軌道生成が行われ、生成された軌道が倣いベクトル指令部４４に出力される。
ＳＴ５０４において、軌道倣いベクトル生成部４４７で生成される軌道倣いベクトルに基づいて倣いプローブ２による倣い走査が実行される。なお、初期段階においては、予め測定条件記憶部５５に記憶された初期進行速度に従って倣い走査が行われればよい。
【０１０８】
ＳＴ５０５において取得された制御サンプリング点に基づいて進行速度の決定（ＳＴ５０９）およびサンプリングピッチの決定（ＳＴ５１０）が行われ、軌道倣いベクトル生成部４４７で生成される軌道倣いベクトルに従って倣い走査が行われる（ＳＴ５１１）。そして、エラー判定（ＳＴ５１３）およびサンプリングピッチを満たすか判定されて（ＳＴ５１４）、測定サンプリング点の取得が行われる（ＳＴ５１５）。なお、これらの工程については、基本的に第１実施形態に同様である。
【０１０９】
ここで、ＳＴ５１３のエラー判定において、エラー判定があった場合（ＳＴ５１３：ＮＯ）には、自律倣いモードに移行される。すなわち、軌道生成部５８で生成された軌道に従うことなく、自律倣いベクトル生成部４４１によって生成（ＳＴ５１７）される自律倣いベクトルに基づいて自律倣いが行われる（ＳＴ５１８）。なお、自律倣い走査（ＳＴ５１８）については第１実施形態で説明したのと同様である。
自律倣いモードへ移行した後、どの時点で再び軌道倣いモードに復帰させるかの点についても、エラー判定部（相対位置判定部）５１の限界比較判定結果に応じてモード切替制御を行うことが出来る。例えば、位置偏差の限界位置偏差超過状態が解消され、その後位置偏差の単位時間あたり、あるいは単位距離あたりの変動幅が所定値内に収まった時点で、自律倣いモードから軌道倣いモードへ切替えることができる。この理由は、自律倣いモードにおける位置偏差の変動幅が小さい場合には、倣いプローブの追従性が良好であると考えられ、その結果、被測定物の表面状態が比較的平坦であることが推測される。従って、この走査位置では、軌道倣いモードへ復帰させても、安定な軌道倣いが可能と判断できる。
【０１１０】
このような参考形態によれば、上記実施形態の効果（２）（３）（５）（６）（７）（８）に加えて、次の効果を奏することができる。
（９）軌道生成部５８により先行して読み出した形状データに基づいて軌道が生成され、この軌道に沿って倣い走査が実行されるので、自律倣い走査する場合に比べて進行方向や押込方向を逐次算出する必要がなくなり、倣い走査の速度が高速化される。さらに、軌道生成部５８で生成された軌道によって被測定物表面の曲率半径（表面状態）の変化が予測されるので、倣いプローブ２の押込超過や離脱といったエラーが防止される。
【０１１１】
（１０）軌道生成部５８により生成された軌道に沿って倣い走査が実行される一方、進行速度およびサンプリングピッチは測定条件決定部５４によって時々刻々と調整されるので、実際の被測定物表面に応じた進行速度およびサンプリングピッチで倣い測定が行われる。
【０１１２】
（１１）倣いプローブ２の押込超過や離脱といったエラーが生じた場合には、モード移行指令部５１２からのモード移行指令によって自律倣いモードに移行するので、設計データと実際の形状とで部分的に異なっていたとしても適宜自律倣いモードが行われることで倣い走査が継続される。すなわち、軌道倣いの途中で押込超過や離脱等のエラーが生じた場合でも測定不能に陥ることなく自ら復帰して倣い測定が継続される。
【０１１３】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
第２実施形態の基本的構成は参考形態に同様であるが、第２実施形態が特徴とするところは、軌道生成手段が軌道修正部を備えている点にある。
図２２に、第２実施形態の機能ブロック図を示す。図２２において、モーションコントローラ４は、倣いベクトル指令部４４を備えているところ、倣いベクトル指令部４４は、自律倣いベクトル生成部を備えずに軌道倣いベクトル生成部４４７を備えている。また、ホストコンピュータ５において、エラー判定部（相対位置判定部）５１は軌道修正指令部（測定モード切替部）５１３を備え、軌道生成部５８は軌道修正部５８１を備えている。
軌道修正指令部５１３は、エラー判定部５１によるエラー判定があった場合に軌道生成部５８に向けて軌道修正の指令を出力する。軌道修正部５８１は、軌道修正指令を受けた場合に、エラー判定が生じたときの押込量の過少あるいは超過に基づいて軌道生成部５８で生成される軌道（所定経路）を修正させる。軌道修正にあたっては、測定対象となる被測定物の輪郭形状から法線方向にオフセットさせて軌道生成が行われるところ、このオフセット量を調整することが例として挙げられる。
【０１１４】
このような第２実施形態による表面倣い測定方法を示すフローチャートを図２３に示す。なお、基本的な手順は参考形態に説明したのと同様であるので詳細を割愛する。
ここで、軌道倣い走査（ＳＴ６１１）で取得された制御サンプリング点に対してエラー判定が行われ（ＳＴ６１３）、エラー判定があった場合（ＳＴ６１３：ＮＯ）には、ＳＴ６１７において軌道修正部による軌道修正が行われる。軌道修正が行われると、修正された軌道に基づいて軌道倣いベクトル生成部４４７で軌道倣いベクトルが生成される。そして、軌道倣いベクトル生成部４４７で生成されたベクトルに基づいて倣い走査（ＳＴ６１）が継続される。
【０１１５】
このような第２実施形態によれば、上記実施形態の効果（２）（３）（５）〜（１０）に加えて、次の効果を奏することができる。
（１２）エラー判定があった場合に、軌道修正部５８１により軌道が修正されるので、被測定物の設計データと実際の形状とで異なる部分があった場合でも適宜軌道が修正されて軌道倣いが続行される。従って、高速度が維持された状態で倣い走査が行われることとなり、測定時間が短縮される。また、エラー判定があった場合には倣いプローブ２の押込量の過多、過少に基づいて軌道が修正されるので、押込超過や離脱などで倣いプローブ２が破損される可能性が小さくなり、測定も滑らか行われる。
【０１１６】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されず、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
第１実施形態（図３、図８）においては、被測定物の表面状態の判定結果に基づいて測定パラメータとしての進行速度とサンプリングピッチを決定して現在の値を決定して調整する例を説明したが、これに限らず、表面状態の判定結果に基づいて、押込制御ゲインなどの倣い制御パラメータや、駆動制御回路４５に設定されるサーボ制御ゲインなどの各種のサーボ制御パラメータを決定して調整してもよい。さらに、倣いプローブ押込みの基準位置や限界位置偏差などのパラメータを修正してもよい。
【０１１７】
さらに、上記実施形態においては、表面状態判定手段による表面状態の判定結果に基づいて、測定パラメータや制御パラメータの適応測定制御条件を決定するに際して、各種表面状態と各種パラメータ、あるいは位置偏差と各種パラメータとの関係を、参照テーブルとして保持する、あるいは関数関係を決定しておく点を説明したが、これに限らず、これらの参照テーブルあるいは関数関係は、適時変更されてもよい。例えば、表面状態の判定結果に基づいて進行速度を調整した場合に、所定時間経過しても位置偏差が安定しない場合、表面状態に対応する進行速度が、さらに低い速度になるように、参照テーブルを書き換えてもよい。さらに、例えば表面粗さに基づく調整パラメータとして倣い制御ゲインを設定していた場合において、位置偏差が安定しない場合に、調整パラメータをサーボ制御ゲインなどに変更するように参照テーブルを書き換えてもよい。
上記実施形態においては、進行速度とサンプリングピッチの両者を自動で決定するとしたが、進行速度自動決定モードを選択しなかったり（ＯＦＦ）、あるいは、サンプリングピッチ自動決定モードを選択しなく（ＯＦＦ）てもよく、この場合には、指定された速度およびピッチで測定が行われることになる。
【０１１８】
上記実施形態において、進行速度決定部５４４で決定された進行速度で倣い走査が行われるところ、被測定物表面の曲率半径が急激に変化する点では、進行速度が急激に変更されることになり、大きな加速度が生じる。そこで、例えば、図２４に示されるように、進行速度が変化される際には、進行速度をある程度緩やかに変化させてもよい。このような処理は、進行方向ベクトル生成部４４２において、直前に設定された進行速度と次に設定された進行速度との変化を緩やかにすればよい。さらには、進行速度が変化される際に進行速度の変化をＳ字カーブとすればより滑らかな加速（減速）が実現される。
また、指定領域の内外を判定して指定領域内ではあらかじめ指定された指定速度へ切替える際においても、進行速度を同様に穏やかに変化させても良く、更に指定領域の内から外への進行の際においても、指定速度からし進行速度へ緩やかに変化させても良い。
【０１１９】
上記実施形態において、進行速度決定部５４４は進行速度参照テーブル５４５を備え、また、サンプリングピッチ決定部５４６はサンプリングピッチ参照テーブル５４７を備えるとしたが、進行速度決定部５４４およびサンプリングピッチ決定部５４６は、曲率半径に基づいて所定の演算式により進行速度、サンプリングピッチを算出してもよい。
また、進行速度参照テーブル５４５には曲率半径に応じた進行速度が記憶され、サンプリングピッチ参照テーブル５４７にはサンプリングピッチが記憶されているとしたが、進行速度参照テーブル５４５には曲率半径に応じた速度調整係数が記憶され、サンプリングピッチ参照テーブル５４７には曲率半径に応じたサンプリングピッチ調整係数が記憶されていてもよい。そして、これら調整係数が基準進行速度あるいは基準サンプリングピッチに乗算されることにより、曲率半径に応じた進行速度あるいはサンプリングピッチの調整が実現されてもよい。
【０１２０】
上記実施形態において、押込制御ゲイン調整部４４３Ａにおいて押込方向の制御ゲインを調整するにあたっては、押込方向ベクトルの係数Ｖｅを調整するとしたが、ゲインを調整する構成としてはこれに限らず種々の変形を含む。例えば、前述のように押込方向ベクトルの係数Ｖｅを調整するということは、位置偏差（｜Ｅ｜−Ｅ０）に対する位置フィードバックゲインを調整することに相当するが、この他、駆動制御回路４５を構成する速度制御ループや電流制御ループのゲインを調整してもよい。
上記実施形態において、図１３のＳＴ２１７におけるリトライ動作の回数は制限していないが、これを所定回数に制限し、この所定回数を越えた場合に警報を出力して測定動作を停止させても良い。
また、図２１の説明において、軌道倣い状態でＳＴ５１３においてエラー判定された場合に自律倣いが行われる例を示したが、例えば、所定時間後あるいは所定回数のエラー判定でエラーがない場合に、自律倣いから再び軌道倣いに切替えるようにしても良い。
【０１２１】
さらに、測定データに含まれるノイズ除去については特に説明を割愛したが、公知の各種のノイズ除去あるいはノイズ平滑化処理を行っても良いことはもちろんである。
また、倣いプローブの測定原理については、特に制限はなく、アナログ式あるいはデジタル式の検出センサを用いた接触式プローブや、音響式、静電容量式、電磁誘導式あるいは光学式検出センサーを用いた非接触式プローブなどのいずれにおいても本発明を実施できる。
さらに、検出センサを備えた測定器が被測定物に沿って相対移動することによって被測定物表面を走査して測定する例を示したが、これに限らず、被測定物の表面性状（輪郭、形状、真円度、うねり、粗さなど）を測定できる倣いプローブであれば、必ずしも測定器を被測定物に沿って相対移動させるものでなくても良い。
【０１２２】
倣いプローブの構成は、上記実施形態に限定されず、例えば、スタイラスの歪みを検出する歪みゲージを有する倣いプローブや、非接触で被測定物表面を検出する非接触式のプローブであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１２３】
本発明は、表面倣い測定装置、たとえば、粗さ測定機、輪郭形状測定機、真円度測定機、三次元測定機などに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１２４】
【図１】本発明の第１実施形態において測定システムの全体構成を示す図。
【図２】第１実施形態において、倣いプローブが倣い走査する様子を示すとともに、マシン座標系、ワーク座標系およびプローブ座標系の関係を示す図。
【図３】第１実施形態において、測定システムの機能ブロック図。
【図４】第１実施形態において、倣いベクトル指令部の構成を示す図。
【図５】第１実施形態において、自律倣いベクトルを生成する様子を説明する図。
【図６】第１実施形態において、押込量と進行速度の調整との関係を示す図。
【図７】第１実施形態において、高さずれと進行速度の調整との関係を示す図。
【図８】第１実施形態において、測定条件決定部の構成を示す図。
【図９】第１実施形態において、被測定物表面の曲率半径と進行速度との関係を示す図。
【図１０】第１実施形態において、被測定物表面の曲率半径とサンプリングピッチとの関係を示す図。
【図１１】第１実施形態において、表面倣い測定方法の手順を示すフローチャート。
【図１２】第１実施形態において、初期選択の手順を示すフローチャート。
【図１３】第１実施形態において、倣い測定の手順を示すフローチャート。
【図１４】第１実施形態において、リトライ動作の手順を示すフローチャート。
【図１５】第１実施形態において、進行速度を調整しながら倣いプローブが被測定物表面を倣い走査する様子を示す図。
【図１６】第１実施形態において、サンプリングピッチを調整しながら倣いプローブが被測定物表面を倣い走査する様子を示す図。
【図１７】本発明の参考形態において、測定システムの機能ブロック図。
【図１８】参考形態において、倣いベクトル指令部の構成を示す図。
【図１９】参考形態において、軌道生成の様子を示す図。
【図２０】参考形態において、初期選択の手順を示すフローチャート。
【図２１】参考形態において、倣い測定の手順を示すフローチャート。
【図２２】本発明の第２実施形態において、測定システムの機能ブロック図。
【図２３】第２実施形態において、倣い測定の手順を示すフローチャート。
【図２４】進行速度を段階的に変化させる様子を示す図。
【符号の説明】
【０１２５】
１…三次元測定機、２…プローブ、３…操作部、４…モーションコントローラ、５…ホストコンピュータ、６…出力手段、７…入力手段、１１…定盤、１２…駆動機構、１３…駆動センサ、２１…スタイラス、２２…接触部、２３…支持部、２４…プローブセンサ、３２…ジョイスティック、３４…座標系選択スイッチ、３５…固定軸選択スイッチ、４１…カウンタ部、４２…座標系設定部、４４…ベクトル指令部、４５…駆動制御回路、５１…エラー判定部、５２…測定データ取得部、５２…測定データ記憶部、５２…測定点取得部、５３…指定領域判断部、５４…測定条件決定部、５４…測定条件記憶部、５５…測定条件決定部、５５…測定条件記憶部、５６…形状解析部、５７…中央演算処理装置、５８…軌道生成部、１００…測定システム、１２１…門型フレーム、１２２…ビーム、１２３…コラム、１２４…スピンドル、４１１…駆動カウンタ、４１５…プローブカウンタ、４４１…自律倣いベクトル生成部、４４２…進行方向ベクトル生成部、４４２Ａ…進行速度調整部、４４３Ａ…押込制御ゲイン調整部、４４３…押込方向ベクトル生成部、４４４…高さ方向ベクトル生成部、４４５…ベクトル合成部、４４６…座標系変換部、４４７…軌道倣いベクトル生成部、５１１…リトライ動作指令部、５１２…モード移行指令部、５１３…軌道修正指令部、５２１…制御サンプリング点記憶部、５２２…測定サンプリング点記憶部、５２２…測定データ記憶部、５４１…表面状態判定手段、５４２…表面性状判定手段、５４３…曲率半径算出手段、５４４…進行速度決定部、５４５…進行速度参照テーブル、５４６…サンプリングピッチ決定部、５４７…サンプリングピッチ参照テーブル、５８１…軌道修正部、
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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