(57)【要約】【課題】  接触式プローブによる形状測定において、測定物表面にゴミなどがあっても安定して走査可能なプローブを提供する。【解決手段】  ハウジングに固定してプローブシャフトに力を加える事が可能な力発生手段を設け、ハウジングとプローブシャフトの間の変位や速度によってプローブシャフトに作用させる力を変化させる事で安定した走査を可能にする。すなわち、正常にトレースが行われている時は、弱いばね要素としての力をプローブシャフトに作用させ、ごみ等により跳ね上げられた時は、ばね要素の剛性を強める事で素早くプローブを測定面に戻すようにする。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース部材に固定して、３次元的に移動可能な移動部材を有し、移動部材の先端に一方向に移動可能に設けたプローブを有し、プローブを被測定物に接触させ、その時の座標位置を測定する形状測定装置において、
プローブとベース部材の相対変位を測定するプローブ変位測定手段を有する事と、
ベース部材に固定してプローブ移動方向に対してプローブに作用する力を発生する力発生手段を有する事と、
前記、力発生手段を制御する制御手段を有する事と、
プローブ変位測定手段から取得した情報から前記力発生手段と前記制御手段によってプローブに作用させる力を変化させる事
を特徴とする形状測定プローブ。
【請求項２】
請求項1記載のプローブにおいて、力発生手段によってプローブに作用させる力が移動部材とプローブの相対変位に比例する事を特徴とする形状測定プローブ。
【請求項３】
請求項1記載のプローブにおいて、力発生手段によってプローブに作用させる力が移動部材とプローブの相対速度に比例する事を特徴とする形状測定プローブ。
【請求項４】
請求項２もしくは３記載のプローブにおいて、比例係数を切り替える事を特徴とする形状測定プローブ。
【請求項５】
請求項４記載のプローブにおいて、移動部材とプローブの相対変位の値により比例係数を切り替える事を特徴とする形状測定プローブ。
【請求項６】
請求項４記載のプローブにおいて、時間により比例係数を切り替える事を特徴とする形状測定プローブ。
【請求項７】
請求項２もしくは３記載のプローブにおいて、プローブと移動部材の減衰比が０．７以上になるように力発生手段によりプローブに力を作用させる事を特徴とする形状測定プローブ。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
３次元測定装置は、被測定物の形状をトレースするプローブと、そのプローブの位置を測定する座標測定手段の２つに分けて、構成を考えることができる。この時、プローブにとって重要なことは、被測定物の表面位置を座標測定可能な部材にうつしとることである。プローブが被測定物表面に対してトレースする時の誤差をトレース誤差と呼ぶ。従来、このプローブの構成として、特許公開平６−２６５３４０号に開示されているように、エアー軸受けを用いて上下に移動可能にプローブシャフトを設け、ばねで自重を支えている。また、１９９２年度精密工学会春期大会学術講演論文集ｐ６９７にも、やはりエアー軸受けを用いて上下に移動可能にプローブシャフトを設け、ばねで自重を支える構成が提案されている。
【０００２】
このようなプローブを用いて形状をトレースする場合、前述したトレース誤差が生じる。トレース誤差があってもプローブの押しつけ力誤差にならないように十分弱いばね、つまりばね定数が十分小さい必要がある。なぜなら、トレース誤差にばね定数を掛けた量が押しつけ力の誤差になるからである。
【０００３】
また，別の従来例として，特許公開２００３−４２７４２には磁力を利用してプローブの自重をキャンセルする方法が開示されている。これは、ヨーク、永久磁石およびコイルからなる磁気回路をヨークがプローブを挟むように固定し，ヨークとプローブの間に発生する磁力により自重をキャンセルするものであった。
【０００４】
また、プローブはしばしば、スタイラス、触針子、フィーラーと呼ばれることがあるが、本明細書ではプローブに統一する。
【特許文献１】特開平０６−２６５３４０号公報
【特許文献２】特開２００３−４２７４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来例では測定物表面のゴミなどの影響をうけやすいという問題があった。
【０００６】
図５は従来の接触式プローブを模式的に示す図であり、３次元的に移動可能な測定軸等の移動部材１２３の先端部に一方向に移動可能にプローブ１２２を配設し、プローブ１２２は、その先端に球１２１を有し、ばね１２４によって移動部材１２３に吊下げられている。このばね１２４は、トレース誤差を生じないように、非常に弱いばねである。
【０００７】
このようなプローブを使用して被測定物を走査すると、測定面表面に付着しているゴミ、チリ等とプローブ先端が衝突し、プローブが測定面上方に跳ね上げられる事が考えられる。跳ね上げられると、プローブ質量とばね係数から計算される固有振動数で振動する。押し付け力を小さくするために、ばね剛性を弱くしていると、プローブが測定面に再び戻ってくるのに時間がかかる。飛んでいる区間のデータは異常値となり、測定結果として使用する事ができない。飛んでいる区間を短くするには、走査速度を落とす必要があるが、これは、測定時間を引き延ばし、結果として、測定精度劣化や測定コスト上昇といった問題を引き起こす。
【０００８】
さらに、トレース制御の調整は、プローブと測定面が正しくコンタクトしている状態で実施されているために、プローブと測定面が離れた状態がある時間以上続くと、制御系が破綻し、測定続行不能となり、測定を最初からやり直さなければならなくなる。これは、測定コストの上昇につながる。
【０００９】
例えば、プローブ質量を１０ｇ、ばね定数をK＝０．００１ｍN／μmであるとすると、プローブ部分の固有振動数は、ｓｑｒｔ（Ｋ／Ｍ）／２π ＝１．６Ｈｚと非常に低い。跳ね上げられて、再び測定面にプローブが戻ってくるのは、固有振動数周期の半分であると考えると、いったん跳ね上げられると、1／１．６Hz／2≒０．３S程度、測定面からプローブが離れている事になる。例えば、走査速度１０ｍｍ／sで走査しているとすると、その間にプローブは走査方向に３ｍｍ程度はなれている事になり、この区間で得られた測定結果は異常値として用いる事ができない。
【００１０】
本発明の目的は、このような状況を鑑みてなされたものであり、測定物表面のゴミなどの影響を、軽減する事である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の作用を、図４を用いて説明する。
【００１２】
図に示したように、移動部材１２３に対し一方向（図４ではZ方向）に移動可能にプローブ１２２を設け，移動部材１２３に対してプローブ１２２を移動方向に懸架する。また、磁石１１３、コイル１１４から構成されるボイスコイルレスモータを設け、移動部材１２３からプローブ１２２にプローブ移動方向に力を作用させる事が可能な構成になっている。ここで、コイル１１４、磁石１１３から構成されるボイスコイルレスモータは電流制御装置１１５を用いて以下の制御則により制御する。
【００１３】
【数１】
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【００１４】
ただし、Fはボイスコイルレスモータの発生力、Kは設定ばね定数、Cは設定粘性係数、ｘは移動部材１２３とプローブ１２２との間の相対変位を表している。
【００１５】
上式中の設定ばね定数K、設定粘性係数Cは、ソフトウェア的に自由に設定できる。また、測定中のいろんな状況に応じて、値を切り替える事も可能である。
【００１６】
例えば、正常に被測定物表面を走査できているときは、設定ばね定数Kを弱い値に設定しておけば、トレース誤差の影響を受けずに精度よく走査ができるので都合がよい。
【００１７】
しかしながら、ごみ等により、プローブが跳ね上げられて、被測定面と離れた場合は、設定ばね剛性が弱いままであると、プローブが再び測定面に戻ってくるのに時間がかかる。これを防ぐためには、跳ね上げられた時だけ、設定剛性、設定粘性を変更すれば、都合よいことは、明らかである。例えば、跳ね上げられた時だけ、設定剛性を強くしてやれば、プローブの固有振動数が上がるので、素早く測定面にプローブを戻す事ができる。また、設定粘性と設定剛性は自由に設定できるので、減衰比も結局設定可能なわけであるが、減衰比が大きくなるようにしてやれば、測定面にプローブが戻ったとき、再びプローブが跳ね上がる事もなくなる。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明によれば、プローブに付加した力発生機構により、ばね要素的な力や、粘性要素的な力をプローブに対して状況に応じて作用させる事ができる。また、プローブ変位により、ばね要素的な力の設定剛性や、粘性要素的な力の設定粘性を切り替える事でトレースを安定させる事ができる。すなわち、正常に、測定面表面をトレースしている時には、弱いばね要素として動作させ、測定面上のごみ等によりプローブが跳ね上げられた時には、設定剛性を変化させて固有振動数を上昇させてプローブを素早く測定面に戻し、また、設定粘性を調節する事で着地時にプローブが再び跳ね上がらないようにする事ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（実施例１）
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施形態の接触式プローブを組み込んだ形状測定装置を一部破断して示す構成図で、図２は、その測定フローであり、図３は、プローブシャフトに組み込まれた力発生要素の制御フローである。
【００２１】
図１において、球１を取り付けるための円錐状の先端を持ったプローブチップ２を、スペーサ３を挟んで、プローブシャフト４の下側にねじ込み固定する。また、ミラー６をミラー固定駒５に接着固定し、2つの永久磁石１８を両端に接着した鉄心１９を挿入した鉄心ホルダを挟んで、プローブシャフト４の上側にねじ込み固定する。
【００２２】
また、ヨーク１７が、第２のハウジング１６に対してヨーク連結治具７を介して固定されている。ヨーク１７は箱型の構成をとっており、永久磁石１８、鉄心１９、ヨーク１７によって磁気回路を形成するようになっている。また、永久磁石と対向するヨークの内面にはプローブ移動方向において曲率が設けられている。
【００２３】
ここで、磁気回路の作用について詳細に説明はしないが、ヨーク１７を適当な形状にする事によって、磁気回路は、以下に示すような力を発生する事ができる。
【００２４】
Ｆ ＝  ＋０．０６４６７−１１．１４ｚ（ただし、Ｆ［Ｎ］、Ｚ［ｍ］）
式（１）
となる。ただし、式中、ｚはプローブシャフト４とハウジング１０との相対変位である。
【００２５】
式（1）における第１項は、定数でプローブシャフト４の自重を支える力を発生させる項である。第２項は、プローブシャフト４の移動量ｚを含み、ｚが大きくなればなるほど力が減少することを示している。プローブシャフトが変位するにしたがって発生力がかわるので、機械的なばねを形成しているといえる。
【００２６】
プローブシャフト４は、薄い空気膜を介して非接触に支持する手段いわゆる空気軸受け１１を介して、ハウジング１０に対して上下方向に移動可能に支持されており、ハウジング１０には、空気軸受け１１に圧縮空気を導くための圧縮空気穴１２が穿設してある。これらの圧縮空気穴１２は、ドリルで片面からあけ必要に応じて穴の表面部分をネジ止めや接着材等で塞ぐなどすれば、ハウジング１０内部を自由に引き回すことができる。この圧縮空気穴１２は圧縮空気配管１３に接続され、さらに図示しない圧縮空気源に接続されている。この構成により、プローブシャフト４は上下方向に摩擦なしに自由に移動することができる。
【００２７】
ハウジング１０にはその下面部に突起状の下側ストッパー１０ｂが設けられており、スペーサ３と衝突することによってプローブシャフト４の上方向への過剰な動きを規制する。下方向への過剰な動きに対しても同様に、突起状の上側ストッパー１０ａがハウジング１０の上面部に設けられており、プローブシャフト４に設けられた突起に突き当たるようになっている。ハウジング１０は、測定軸１５に固定された第２のハウジング１６に固定され支持されている。
【００２８】
また、プローブシャフト４には永久磁石７２が、ハウジング１０にはコイル７３が配設されている。コイル７３は、電流制御装置７１に接続されており、コイルに電流を流す事ができる。コイル７１に通電する事によりプローブシャフト４をＺ方向に駆動する力を発生できる。電流制御装置７１には、後述のポジションセンサ２３から出力を電気信号に変換するセンサーアンプ１４からの出力が一部分岐して接続され、ハウジング１０とプローブシャフト４の間の位置決め制御が可能なようになっている。
【００２９】
測定軸１５は、プローブシャフト４と同じ方向に、すなわち上下方向（Ｚ方向）に、ガイド３１を用いて移動可能にＸＹテーブル２８に対して支持され、ボールネジ３６とサーボモータ２９で駆動される。ＸＹテーブル２８は、図示しない定盤に対してＸおよびＹ方向に移動可能にガイドされ、サーボモータ（不図示）で位置決めされる。測定軸１５を駆動するサーボモータ２９はサーボアンプ３２に接続され、サーボアンプ３２は、制御系切り替え装置３３に接続される。サーボモータ２９の回転軸にはエンコーダ３０が接続してあり、その出力を位置制御補償回路３５に接続する。制御系切り替え装置３３が位置制御系に接続している時は、測定軸１５の位置を制御することができる。この制御系切り替え装置３３は図示していないコントローラで自動制御され、図２に示すフローチャートにしたがって測定動作が行われる。
【００３０】
また、干渉計２７は、測定軸１５に固定され、その上方に基準ミラー２６を配置し、基準ミラー２６はフレーム２５に固定する。この構成により、干渉計２７はミラー６とミラー２６の間の距離を測定することができる。フレーム２５の下方部分には被測定物の載置台（不図示）が設けられ、この載置台に被測定物２４が固定される。
【００３１】
ポジションセンサ２３は、センサーアンプ１４に接続され、プローブシャフト４とハウジング１０の相対位置を電気信号に変換する。センサーアンプ１４は針圧制御補償回路３４に接続され、さらに制御系切り替え装置３３に接続されている。この制御系切り替え装置３３が針圧制御系に接続されているときは、センサーアンプ１４の出力が一定になるように、サーボモータを制御する。
【００３２】
次に、以上のように構成された形状測定装置を用いて行う測定動作を図２のフローチャートを用いて説明する。
【００３３】
最初に、制御系切替え装置３３を位置制御系に設定し、すなわち、測定軸１５の位置が一定になるようにフィードバック制御系を選択し、そして、安全位置、すなわち、プローブが最も被測定物２４から離れる方向に測定軸１５を退避させる（ステップＳ０１）。
【００３４】
そして、最初の測定点の上に来るようにＸＹ軸２８を移動させる（ステップＳ０２）。
【００３５】
次に、測定軸１５をさげて、プローブとワークを接触させる（ステップ０４）。
【００３６】
プローブとワークが接触したら、プローブポジションセンサ２３が所定の位置になるまで測定軸をさげる（ステップ０６）。
【００３７】
ここで、先端の球１が、被測定物に接触して反力を受けると、プローブシャフト４が押し上げられる。プローブシャフト４が押し上げられると、式(１)中のｚがプラス側に増える。すると、磁気回路の発生する力が弱まるので、プローブの先端球１が被測定物等を押しつける力がその分だけ次第に増える。これはばね要素がそこにあるのと同じ作用である。したがって、ポジションセンサアンプ１４の出力は、プローブの押しつけ力を表している。
【００３８】
プローブの先端球と被測定物等の接触は、プローブの変位測定信号、すなわち、センサーアンプ１４の信号をモニタしていれば判別できる。
【００３９】
そして、制御系切り替えスイッチ３３を針圧制御系に切り替えて、ポジションセンサ２３の値が一定になるように制御する（ステップＳ０６）。そのまま、被測定物の測定領域をＸＹ軸を用いて走査（トレース）し、同時に測定軸の位置を図示しない座標測定装置で測定する（ステップＳ０７）。
【００４０】
また、プローブの上下方向については、ミラー６と参照ミラー２６の間の距離を測定する干渉計２７で直接測定する。全測定領域を走査したら、制御系切り替え装置３３を再び位置制御系に切り替え、測定軸を安全位置に退避し（ステップＳ０８）、測定を終了する。
【００４１】
針圧制御中のボイルコイルレスモータ制御について図３を用いて説明する。
【００４２】
ボイスコイルモータ制御の基本的な考え方は、
１．測定面とプローブが離れている間だけ、ボイスコイルモータを制御し、積極的に、プローブを測定面にもどすような力をプローブに作用させる。
【００４３】
２．ボイスコイルレスモータの制御式は、F＝−Kｘ−Cｄｘ／ｄｔ（A式）とする。
【００４４】
３．A式中のK、C値を、適宜変化させる事により、プローブを測定面に戻す時間を短縮する。
【００４５】
４．測定面から離れたかどうかの判断は、針圧制御の偏差から判断する。
【００４６】
５．一旦、測定面から離れたら、その後Δｔだけ、プローブに力を作用させる。
【００４７】
以下、順を追って説明する。
【００４８】
まず、ステップＳ０６（図２中）で、プローブが針圧制御に切り替えられると、図示しない通信手段により、それを検知し（Ｓ１１）、制御に用いるパラメータを初期化する（Ｓ１２）。
【００４９】
次に、現状のプローブ変位ｘを取得する（Ｓ１３）。すなわち、ハウジング１０とプローブシャフト４の相対変位をポジションセンサセンサ２３によって取得する。
【００５０】
次に、タイマカウントｔとあらかじめ決められた閾値Δｔの大小を比較する（Ｓ１４）。タイマカウントｔがΔｔよりも大なら、Ｓ１５にすすみ、小ならＳ１８にすすむ。Ｓ１４における場合分けは、大なら、針圧制御が良好にかかっている事を意味している。小なら、針圧制御がうまくいっていないことを意味する。
【００５１】
Ｓ１５では、針圧制御の制御偏差の大きさとあらかじめ設定していたΔeとの比較を行う。すなわち、S15において比較した結果が大なら、測定面表面上のごみ等により、プローブが測定面と離れてしまっているとして、ボイスコイルレスモータにより、積極的にプローブを測定面に戻すように制御をおこなう。
【００５２】
S17においてタイマカウントｔを0に設定すると、図３にしめす制御ループ（S１３〜S２２）の次のターンからΔｔだけS１４における比較の結果が小となって、S１８にすすむようにする。S１８では、A式中の設定ばね定数Kと設定粘性定数Cを設定し、その後、S19でタイマカウントを一つ進める。
【００５３】
S15の結果が小なら、S16へすすみ、設定ばね定数K、設定粘性係数Cを０とする。
【００５４】
S20では、K、C、ｘ、ｄｘ／ｄｔからボイスコイルレスモータの発生力Fを算出する。
【００５５】
算出した発生力になるようにボイスコイルレスモータへ電流を流す（S21）。
【００５６】
その後、針圧制御終了有無を確認し（S22）、終了していたら、設定ばね定数、設定粘性定数K、Cを０に設定し、終了する。
【００５７】
例えば、いまプローブ質量Mを１０ｇとして、磁気回路によるばねの定数を０．００１ｍN/μｍだとすると、プローブが自由振動するときの固有振動数ｆは、ｓｑｒｔ（K/M）/２・/πから１．６HZとなる。すなわち、プローブが走査中に測定面表面のごみ等によって跳ね上げられると、固有振動数の１周期の半分である１/１．６HZ/２＝０．３ｓは、プローブは測定面から離れた状態となってしまう。離れた状態のデータは、測定データとして用いる事ができない。走査速度が１０ｍｍ/sであると、１０mm/ｓ×０．３ｓ＝３ｍｍも測定できない区間ができてしまう。さらに、最悪の場合には、プローブと測定面が離れている間に制御系が破綻してその時点で測定を停止してしまう事もある。
【００５８】
そこで、本実施例のように、針圧制御中の偏差を監視して、それが、設定された閾値Δeを超えたら、測定面とプローブが離れたと判断して、離れていればボイスコイルレスモータを用いて、プローブ移動方向のばね定数を擬似的に大きくしてやれば、プローブを測定面に早く戻すことができる。例えば、S１８で設定する設定ばね定数を、１ｍN/μmと設定してやれば、プローブの固有振動周波数ｆ‘は、ｓｑｒｔ（K/M）/２/πから５０．３Hzとなる。測定面にもどる時間は、周期の半分であると考えられるから、当初０．３Sであった時間が１０ｍｓまで短縮される。この場合、S１４における閾値Δｔは、１０msよりも長い値、例えば、３０ｍｓに設定すればよい。
【００５９】
また、S１８で設定する設定粘性定数を適当な値に設定すれば、プローブが測定面にスムースに着地できる事はいうまでもない。例えば、設定粘性定数を4.42N/（m/ｓ）程度に設定すれば、減衰比ζが０．７となり、ちょうど測定面にもどってきたプローブが測定面ではねることなくスムースに着地できる。
【００６０】
以上、説明してきたように、本実施例によれば、コイル７３、永久磁石７２から構成される力発生要素により、プローブシャフト４に対して、ばね要素的な力や、粘性要素的な力を状況に応じて作用させることできる。その結果、測定面上のごみ等によりプローブが跳ね上げられた時も、測定面からプローブが離れる時間を短縮させる事ができる。また、測定面にもどってきたプローブを測定面ではねることなくスムースに着地させる事ができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施形態の接触式プローブを組み込んだ形状測定装置を一部破断して示す構成図である。
【図２】本発明の実施形態の接触式プローブを組み込んだ形状測定装置の測定動作を説明するフローチャートである。
【図３】本発明の実施形態の接触式プローブを組み込んだ形状測定装置の針圧動作中の力発生要素の制御を説明するフローチャートである。
【図４】本実施形態の接触式プローブを説明するための模式図である。
【図５】従来の接触式プローブを説明するための模式図である。
【符号の説明】
【００６２】
１  球
２  プローブチップ
３  スペーサ
４  プローブシャフト
４ａ  プローブシャフト突起
５  ミラー固定駒
６  ミラー
７  ヨーク連結治具
１０  ハウジング
１０a、１０b  ストッパー
１０  ハウジング
１１  空気軸受
１２  圧縮空気穴
１３  圧縮配管
１４  ポジションセンサアンプ
１５  測定軸
１６  第2ハウジング
１７  ヨーク
１８  永久磁石
１９  鉄心
２０  鉄心ホルダ
２３  ポジションセンサ
２４  ワーク
２５  フレーム
２６  基準ミラー
２７  干渉計
２８  XY軸
２９  モータ
３０  エンコーダ
３１  ガイド
３２  モータアンプ
３３  制御系切替え装置
３４  針圧制御補償回路
３５  位置制御補償回路
３６  ボールネジ
７１  電流制御装置
７２  永久磁石
７３  コイル
１１３  永久磁石
１１４  コイル
１１５  電流制御装置
１２１  球
１２２  プローブ
１２３  移動部材
１２４  ばね
１３１  ポジションセンサ
１３２  センサアンプ
【図１】
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【図２】
2007057308.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
2007057308.tif 000008