(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査対象物との接触時に発生する測定力を検出し力検出信号として出力する力センサ、前記力センサの位置変位情報を検出し変位信号として出力する変位検出手段、および、前記力センサを検査対象物に対して移動させる力センサ移動手段を有するプローブと、
前記力検出信号を力フィードバック信号として力設定値と比較し、前記力フィードバック信号が前記力設定値に一致するように前記力センサ移動手段を駆動させる力制御ループと、を有する接触式振動計であって、
前記力検出信号および前記変位信号を合成して、検査対象物の振動振幅を取得する信号合成手段を備えていることを特徴とする接触式振動計。
【請求項２】
請求項１に記載の接触式振動計において、
前記信号合成手段は、前記力検出信号および前記変位信号を周波数毎の成分に分離する信号分離手段と、検査対象物の振動振幅を周波数毎に次式に基づいて算出する演算手段とを備えることを特徴とする接触式振動計。
Ｖ(ｆ)＝Ｓ(ｆ)＋Ｆ(ｆ)・Ｋ(ｆ)  ・・・（１）
ただし、ｆ：周波数
Ｖ(ｆ)：ｆにおける検査対象物の振動振幅
Ｓ(ｆ)：ｆにおける変位検出手段からの変位信号
Ｆ(ｆ)：ｆにおける力センサからの力検出信号
Ｋ(ｆ)：ｆにおける力検出信号対変位信号の変換係数
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の接触式振動計と、
検査対象物が載置される載置部と、
前記接触式振動計における前記プローブを保持するプローブ保持部と、
このプローブ保持部と前記載置部とを相対移動させるプローブ移動手段と、
前記プローブ移動手段に設けられ検査対象物に対する前記プローブの相対位置情報を検出するプローブ位置検出手段と、を備えることを特徴とする表面性状測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の表面性状測定装置において、
前記載置部の振動を減衰させるとともに減衰性能を調整可能な除振機構を備え、
前記載置部は、前記除振機構を介して設置されている
ことを特徴とする表面性状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接触式振動計およびこれを備えた表面性状測定装置に関する。例えば、被測定物等の振動を接触式で測定できる振動測定機能を備えた表面性状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
検査対象物の振動を測定する振動計については、一般的に使用されているものとして、非接触式と接触式の２方式の振動計があり、それぞれ多くの種類が実用化されている。
例えば、非接触式の振動計では、静電容量式、渦電流式およびレーザードップラ式があり、接触式の振動計では、圧電素子を用いた方式および電磁式が知られている。このうち、振動計を検査対象物に対して固定したり、あるいは、検査対象物に対して相対移動できるように移動機構に取り付けたりする際の取扱いが容易なものは、接触式の振動計であり、また、接触式の方が安価でもあり、広く利用されている。
【０００３】
しかし、接触式で検査対象物の振動を測定する場合、いわゆる質量効果による測定誤差の問題がある。
ここで、質量効果とは、測定を行うため検査対象物に取り付けた（固定した）センサの質量により検査対象物の固有振動数が変化することを示す。物体（検査対象物）の固有振動数は、物体の質量により変化するため、振動計などのセンサを取り付ける（固定する）と、センサそのものの質量が物体に付加され固有振動数が小さくなり、測定精度が悪化してしまう。
このため、従来の接触式の振動計では、特に検査対象物の質量が小さいほど固有振動数の変化の影響が大きく、その振動を正確に測定することが困難であった。
【０００４】
ところで、本発明者らは、接触部が被測定物の表面に接触した状態で、接触部の微小変位に基づいて被測定物の表面を検出する図１３に示すような加振型力センサ（以下、力センサと適宜省略する。）を用いて、被測定物の表面を走査して形状や表面粗さなど表面性状を測定する表面性状測定装置を提案している（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
図１３に示す力センサ１０は、金属製のベース２と、このベース２と一体的に形成されたスタイラス３と、このスタイラス３を振動（軸方向へ振動）させる加振電極４と、スタイラス３の振動状態を検出し検出信号として出力する検出電極５とから構成されている。スタイラス３の先端には、接触部としての触針６が接着固定されている。加振電極４および検出電極５は、１枚の圧電素子によって構成され、ベース２の表裏にそれぞれ１枚ずつ接着固定されている。
【０００６】
この力センサ１０の加振電極４に対して、特定の周波数と振幅をもつ加振信号Ｐi（電圧信号）を与えると、検出電極５では、特定の周波数と振幅の検出信号Ｐo（電圧信号）が得られる。スタイラス３が被測定物Ｗと非接触状態にあるとき、スタイラス３の共振周波数で一定の振幅Ａiをもつ加振信号Ｐiを加振電極４に加えると、スタイラス３が共振し、検出電極５に振幅Ａoの検出信号Ｐoが得られる。一方、触針６が被測定物Ｗに接触した状態では、検出信号Ｐoの振幅Ａoが減衰する。この振幅Ａoの減衰率ｋは、測定力の大きさに応じて決定される。
このような力センサ１０を用いて、力センサ１０を被測定物Ｗに接触させる際、減衰率ｋが常に一定（測定力一定）となるように、駆動アクチュエータで力センサ１０と被測定物Ｗとの距離を制御すれば、力センサ１０の位置情報から被測定物Ｗの形状や粗さを測定することができる。
【０００７】
このような測定装置の測定原理を用いて検査対象物の振動を接触式で測定することが考えられる。
つまり、特許文献１に記載の力センサを用いて、この力センサが検査対象物に対して一定の測定力で接触するように駆動アクチュエータなどで力センサの位置を制御すれば、その力センサの変位を検出することによって、検査対象物の振動振幅を取得し、振動を測定することが考えられる。
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−３０９６８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述の振動計では、測定力が常に一定となるように力センサの位置を制御するフィードバック制御系が必要となる。このようなフィードバック制御系では、検査対象物の振動の周波数が、制御系の応答可能帯域内であれば、力センサの位置変位情報をもって、検査対象物の振動振幅とすることができ、検査対象物の振動を測定することができる。
しかしながら、前述のフィードバック制御系では、応答可能帯域が所定の周波数よりも低い範囲（以下、低周波数帯域と呼ぶ。）となるローパス特性を示し、低周波数帯域よりも高い高周波の振動に対して、制御系が正確に応答できない。すなわち、検査対象物の振動の周波数が、低周波帯域よりも高い場合、検査対象物の変位に対して力センサの変位が追従できず、力センサの測定力を一定に制御できない。そのため、力センサの位置変位情報をもって、検査対象物の振動振幅とすることができず、検査対象物の振動を測定することができなかった。
【００１０】
本発明の目的は、低い周波数から高い周波数、すなわち検査対象物に対して測定力一定制御の応答可能帯域よりも高い周波数までの振動に対して、その振動を測定できるとともに、質量効果の影響を低減でき、質量の小さな検査対象物の振動を測定でき、微小な振動振幅の測定ができる接触式振動計およびこれを備えた表面性状測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の接触式振動計は、検査対象物との接触時に発生する測定力を検出し力検出信号として出力する力センサ、前記力センサの位置変位情報を検出し変位信号として出力する変位検出手段、および、前記力センサを検査対象物に対して移動させる力センサ移動手段を有するプローブと、前記力検出信号を力フィードバック信号として力設定値と比較し、前記力フィードバック信号が前記力設定値に一致するように前記力センサ移動手段を駆動させる力制御ループと、を有する接触式振動計であって、前記力検出信号および前記変位信号を合成して、検査対象物の振動振幅を取得する信号合成手段を備えていることを特徴とする。
【００１２】
ここで、本発明のプローブは、力センサと、プローブ内における力センサの移動位置を検出する変位検出手段とを備える複合型のプローブである。
この構成において、力検出信号（力フィードバック信号）が力設定値と一致するように力センサ移動手段を駆動させると、力センサは、検査対象物の変位（振動振幅）に追従するようにして移動する。
【００１３】
この構成によれば、力設定値を低測定力となるように設定することで、検査対象物の質量に比べて力センサの見かけ上の質量を十分に小さくすることができ、力センサを検査対象物に接触させても、検査対象物の固有振動数を大きく変化させることなく、振動を測定することができる。
つまり、力センサが一定の測定力で検査対象物に接触した状態を維持するように、力制御ループによって測定力が制御されるので、力センサの質量そのものが測定系に影響を与えるのではなく、力センサの測定力（力センサの見かけ上の質量）が質量効果として影響を与える。
言い換えれば、設定されている力設定値分だけが質量効果として現れるので、力センサを可能な限り低測定力で検査対象物に接触させるように、測定力を制御することで、測定力の低下分だけ質量効果が低減される。従って、検査対象物の質量が小さい場合であっても、その振動を測定することができる。
また、低測定力を実現するために力センサの力検出感度が高いものを使用するので、微小な振動振幅であっても力の変化として検出することができ、従来よりも微小な振動振幅の測定が可能である。
【００１４】
ここで、図１（Ａ）、（Ｂ）に、検査対象物の振動に対する力センサの力検出信号および変位信号の時間変化を模式的に示す。
この発明では、力制御ループが、ローパス特性を示すので、検査対象物の振動の周波数が、力制御ループの応答可能帯域（以下、低周波数帯域と呼ぶ。）内であれば、図１（Ａ）に示すように、変位検出手段から出力される変位信号の振幅をもって、検査対象物の振動振幅とすることができ、検査対象物の振動を測定することができる。
【００１５】
一方、検査対象物の振動の周波数が低周波数帯域よりも高い場合には、図１（Ｂ）に示すように、検査対象物の変位に対して力センサの変位が追従できず、力制御ループが応答できない検査対象物の変位成分が力検出信号の偏差として現れる。
これに対して、本発明の構成によれば、力検出信号および変位信号を合成する信号合成手段を備えているので、信号合成手段によって、変位信号の振幅に基づく検査対象物の振動振幅と、力検出信号の偏差に基づく検査対象物の振動振幅とを合成して、検査対象物の振動振幅を取得することができる。
従って、低い周波数から高い周波数、すなわち検査対象物に対して測定力一定制御の応答可能帯域よりも高い周波数までの振動に対して、検査対象物の振動を測定することができる。
【００１６】
本発明の接触式振動計では、前記信号合成手段は、前記力検出信号および前記変位信号を周波数毎の成分に分離する信号分離手段と、検査対象物の振動振幅を周波数毎に次式に基づいて算出する演算手段とを備えることが好ましい。
Ｖ(ｆ)＝Ｓ(ｆ)＋Ｆ(ｆ)・Ｋ(ｆ)  ・・・（１）
ただし、ｆ：周波数
Ｖ(ｆ)：ｆにおける検査対象物の振動振幅
Ｓ(ｆ)：ｆにおける変位検出手段からの変位信号
Ｆ(ｆ)：ｆにおける力センサからの力検出信号
Ｋ(ｆ)：ｆにおける力検出信号対変位信号の変換係数
【００１７】
ここで、一般的に、検査対象物の振動振幅は、低周波から高周波までの周波数における振幅成分が混在して構成されている。
この構成によれば、信号分離手段によって、力検出信号および変位信号が高速フーリエ変換（FFT）等により周波数毎に分離され、演算手段の式（１）に基づいて周波数毎の振幅成分が算出されるので、検査対象物の振動振幅を構成する低周波から高周波までの周波数毎の振動振幅を取得することができる。
【００１８】
例えば、検査対象物の振動の周波数が、低周波数帯域よりも十分に高い範囲（以下、高周波数帯域と呼ぶ。）内であれば、力制御ループが殆ど応答できない検査対象物の変位成分が力検出信号の偏差として現れる。この場合には、分解手段で取得される周波数毎の力検出信号Ｆ(ｆ)が、式（１）の変換係数Ｋ(ｆ)により検査対象物の振動振幅に換算される。なお、高周波数帯域では、力センサが検査対象物の振動振幅に殆ど追従できないので、変位信号Ｓ(ｆ)は、殆ど生じず、Ｆ(ｆ)・Ｋ(ｆ)の項が支配的になる。
【００１９】
また、例えば、検査対象物の振動の周波数が、高周波数帯域ほど十分に高い範囲ではない場合、すなわち低周波数帯域より高く、高周波数帯域以下（中間周波数帯域と呼ぶ。）の場合であっても、検査対象物の振動を測定することができる。
ここで、中間周波数帯域とは、力制御ループが応答できなくなり始めてから、殆ど応答できない周波数帯域を示す。
中間周波数帯域では、力制御ループが応答できない検査対象物の変位成分が生じるため、高周波数帯域での場合と同様に、力センサの変位信号をもって検査対象物の振動振幅とすることができない。一方、力制御ループが全く応答しないわけではなく、ある程度の応答を生じるため、高周波数帯域のように力検査信号の偏差を検査対象物の振動振幅に換算するだけでは、正確な振動振幅を算出することができない。
そこで、本発明では、演算手段が、変換係数Ｋ(ｆ)により換算された力検出信号Ｆ(ｆ)と、変位信号Ｓ(ｆ)とを足し合わせて、検査対象物の振動振幅を合成するので、中間周波数帯域を含む低周波から高周波までの全周波数帯域において、検査対象物の振動を測定することができる。
【００２０】
本発明の表面性状測定装置は、検査対象物が載置される載置部と、前記接触式振動計における前記プローブを保持するプローブ保持部と、このプローブ保持部と前記載置部とを相対移動させるプローブ移動手段と、前記プローブ移動手段に設けられ検査対象物に対する前記プローブの相対位置情報を検出するプローブ位置検出手段と、を備えることを特徴とする。
【００２１】
この構成によれば、同一のプローブを使用して検査対象物の振動を測定することができ、また、検査対象物の表面性状を測定することができる。なお、表面性状測定の際には、プローブ位置検出手段によって、検査対象物に対するプローブの相対位置情報を取得して、この相対位置情報と、変位検出手段の位置変位情報とから、検査対象物の表面性状を測定することができる。このように、一つのプローブで検査対象物の表面性状と振動との両方を測定することができるので、別のプローブを追加することなく、表面性状測定装置に振動測定機能を付与することができる。
【００２２】
本発明の表面性状測定装置では、前記載置部の振動を減衰させるとともに減衰性能を調整可能な除振機構を備え、前記載置部は、前記除振機構を介して設置されていることが好ましい。
ここで、除振機構としては、空気圧式ダンパー、ゴム板、板ばねが例示される。
この構成によれば、表面性状測定装置を設置する際に、プローブを使用して載置部または検査対象物の振動を測定しながら、除振機構の材質や数量等を調整することができるので、外部からの振動による測定精度への影響を最小限にすることができる。すなわち、載置部に伝わる振動の周波数を除振機構によって低くする調整を行うことができる。従って、設置時の除振機構の調整を容易に実施できる。また、載置部に振動が伝わったとしても、その振動の周波数が低くなっているので、力センサが載置部上の被測定物の振動による変位に追従可能となり、外乱による測定精度の悪化を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
まず、本発明の一実施形態に係る表面性状測定装置としての三次元測定装置の構成について説明する。
＜三次元測定装置の全体構成＞
図２は、本発明の一実施形態に係る三次元測定装置の正面図である。図３は、三次元測定装置の要部の概略構成を示すブロック図である。図４は、コントローラおよびプローブの概略構成を示す模式図である。
【００２４】
三次元測定装置は、振動測定機能を有し、図２に示すような三次元測定機１００と、図３に示すような制御装置２００と、を備えている。
【００２５】
三次元測定機１００は、図２に示すように、載置部１１０と、測定手段１２０と、を備えている。
【００２６】
載置部１１０は、被測定物（検査対象物）Ｗを載置するために精密平坦加工された上面を有する偏平四角柱状のテーブル１１１と、このテーブル１１１を載置部１１０の上面に沿って移動させるテーブルスライド機構１５０とを備えている。
また、載置部１１０は、外部からの影響による載置部１１０の振動を減衰させる除振機構としての空気圧式ダンパー１８０を介して設置されている。空気圧式ダンパー１８０は、空気圧を変更することで、減衰性能を調整可能に設けられている。
ここで、説明のために、載置部１１０の上面で互いに直交する二方向をそれぞれＸ方向（図２中の左右方向）、Ｙ方向とし、載置部１１０の上面に垂直な方向をＺ方向とする。なお、テーブル１１１の移動方向は、Ｙ方向に沿っている。
【００２７】
測定手段１２０は、プローブ１３０と、このプローブ１３０をＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向へ移動させる相対移動機構１４０と、を備えている。
【００２８】
プローブ１３０は、図２および図４に示すように、相対移動機構１４０に設けられ内部に収納空間を有するケース体１３１と、このケース体１３１の内部に設けられた一対のプローブ本体１３２と、案内機構１３６を介して一方のプローブ本体１３２に支持された力センサ取付部１３７と、他方のプローブ本体１３２に支持され力センサ取付部１３７をＺ方向に移動させる力センサ移動手段としての駆動アクチュエータ１３３と、先端がケース体１３１の外部に露出する状態で取り付けられた力センサ１と、を備えている。この力センサ１は、力センサ取付部１３７に保持され、被測定物Ｗとの接触時に発生する測定力を検出し力検出信号として出力する。
力センサ取付部１３７には、力センサ１とは反対側にスケール１３４が立設され、このスケール１３４は、力センサ取付部１３７よりも上方に、スケール１３４を読み取って力センサ１の位置変位情報を検出するスケール検出器１３５を備えている。このスケール検出器１３５は、本発明の変位検出手段を構成し、位置変位情報を検出して変位信号として出力する。
【００２９】
プローブ１３０と載置部１１０とを相対移動させるプローブ移動手段としての相対移動機構１４０は、テーブルスライド機構１５０と、Ｘ方向スライド機構１６０と、Ｚ方向スライド機構１７０とを含んで構成されている。
【００３０】
載置部１１０上には、図２に示すように、テーブル１１１を挟んで一対の支柱１１２Ｒ，１１２Ｌが立設されている。この２本の支柱１１２Ｒ，１１２Ｌには、両端を支柱１１２Ｒ，１１２Ｌに支持された状態でＸビーム１１３が架設されている。
テーブルスライド機構１５０は、Ｙ方向駆動手段１５５（図３）を有する。Ｙ方向駆動手段１５５は、制御装置２００に接続され、この制御装置２００の制御により、テーブル１１１をＹ方向へ移動させる。載置部１１０とテーブル１１１との相対移動量は、Ｙ軸変位検出器１４２（図４）によって測定される。
【００３１】
Ｘ方向スライド機構１６０は、Ｘビーム１１３の長手方向すなわちＸ方向に沿って移動可能に設けられたＸスライダ１６１と、このＸスライダ１６１をＸ方向に移動させるＸ方向駆動手段１６２（図３）と、を備えている。
Ｘ方向駆動手段１６２は、制御装置２００に接続され、この制御装置２００の制御により、Ｘスライダ１６１をＸ方向へ移動させる。Ｘビーム１１３とＸスライダ１６１との相対移動量は、Ｘ軸変位検出器１４１（図４）によって測定される。
【００３２】
Ｚ方向スライド機構１７０は、Ｘスライダ１６１に対してＺ方向に摺動しながら移動するプローブ保持部としての可動アーム１７１と、この可動アーム１７１をＺ方向へ移動させるＺ方向駆動手段１７２（図３）と、を備えている。
可動アーム１７１の先端には、上述したようにプローブ１３０のケース体１３１が取り付けられている。
Ｚ方向駆動手段１７２は、制御装置２００に接続され、この制御装置２００の制御により、可動アーム１７１をプローブ本体１３２とは独立的にＺ方向へ移動させる。Ｘスライダ１６１と可動アーム１７１との相対移動量は、Ｚ軸変位検出器１４３（図４）によって測定される。
【００３３】
＜制御装置の構成＞
制御装置２００は、図３に示すように、Ｙ方向駆動手段１５５、Ｘ方向駆動手段１６２およびＺ方向駆動手段１７２を制御するプローブ位置制御手段としてのＸＹＺ駆動制御手段２１０と、プローブ１３０を制御するコントローラ２２０と、を備えている。
【００３４】
ＸＹＺ駆動制御手段２１０は、Ｙ方向駆動手段１５５と、Ｘ方向駆動手段１６２と、Ｚ方向駆動手段１７２と、に接続されている。そして、これらを制御して、テーブル１１１、Ｘスライダ１６１、可動アーム１７１を適宜移動させ、プローブ１３０をプローブ制御可能位置に到達させる。
【００３５】
＜コントローラの構成＞
コントローラ２２０は、図４に示すように、大別すると、力フィードバックを構成する力制御ループＲＦと、位置フィードバックを構成する位置制御ループＲＰと、被測定物Ｗの振動振幅を算出する信号変換器２４０と、これらに接続されるコントローラ制御部２３３とを含んで構成されている。
【００３６】
力制御ループＲＦは、力センサ１を振動させるために力センサ１に加振信号を与える発振器２２１と、力センサ１からの力検出信号をアナログからデジタルに変換するＡ／Ｄ変換回路２２２と、Ａ／Ｄ変換回路２２２からの出力（力フィードバック信号）と目標測定力との偏差を演算する演算器２２４と、この演算器２２４からの出力を入力とした力制御補償器２２５と、制御ループ切替手段としてのスイッチ２２７と、力制御補償器２２５の出力をスイッチ２２７および演算器２２８を介して入力される速度補償器２２９と、この速度補償器２２９からの出力を基に駆動アクチュエータ１３３を駆動させる駆動アンプ２３０と、を備えている。
【００３７】
位置制御ループＲＰは、スケール検出器１３５からの変位信号をカウントするカウンタ２２３と、目標位置を加減速処理する加減速処理回路２３４と、この加減速処理回路を介した目標位置とカウンタ２２３からの出力（位置フィードバック信号）との偏差を演算する演算器２３１と、この演算器２３１からの出力を入力とした位置制御補償器２３２とを備えている。なお、位置制御補償器２３２の出力は、力制御ループＲＦと同様に、スイッチ２２７および演算器２２８を介して速度補償器２２９へ入力される。
【００３８】
各制御ループＲＦ，ＲＰに共通する回路として、力フィードバック信号に基づいて、力センサ１が被測定物Ｗに接触したことを判定する接触判定回路２３５が設けられ、この接触判定回路２３５によって、スイッチ２２７は、力制御ループＲＦと位置制御ループＲＰのいずれか一方を有効にする。
また、カウンタ２２３からの位置フィードバック信号を微分して速度信号に変換する時間微分回路２２６が設けられ、演算器２２８では、時間微分回路２２６からの出力とスイッチ２２７を通過する力制御補償器または位置制御補償器のいずれかの出力との偏差が求められるようになっている。
【００３９】
この力制御ループＲＦは、力センサ１からの力検出信号を力フィードバック信号として目標測定力（力設定値）と比較し、力フィードバック信号が目標測定力に一致するように駆動アクチュエータ１３３を駆動させるように構成されている。なお、力制御ループＲＦによる駆動アクチュエータ１３３の制御を力制御と称して説明する。
また、位置制御ループＲＰは、スケール検出器１３５からの変位信号を位置フィードバック信号として位置設定値（目標位置）と比較し、位置フィードバック信号が目標位置に一致するように駆動アクチュエータ１３３を駆動させるように構成されている。
【００４０】
コントローラ制御部２３３は、演算器２２４，２３１、および、カウンタ２２３に接続された測定制御装置として構成されている。また、コントローラ制御部２３３には、プローブ位置検出手段としての各軸毎の変位検出器１４１，１４２，１４３からの変位信号が入力され、プローブ１３０と被測定物Ｗとの相対位置情報が取得される。この相対位置情報と、カウンタ２２３からの力センサ１の位置変位情報とから、被測定物Ｗの表面性状が算出され、形状等表示部２３６に入力され表示されるようになっている。
【００４１】
＜被測定物Ｗの振動振幅を算出する構成＞
信号変換器２４０は、Ａ／Ｄ変換回路２２２からの力フィードバック信号およびカウンタ２２３からの位置フィードバック信号を入力として、被測定物Ｗの振動周波数および振動振幅を算出するものであり、本発明の信号合成手段を構成する。
信号変換器２４０は、信号分離手段としての信号分離回路２４１と、演算手段としての演算回路２４２とを備えている。信号分離回路２４１は、力フィードバック信号および位置フィードバック信号を高速フーリエ変換（FFT）等により周波数毎の成分に分離する。演算回路２４２は、分離された各信号を取得し、被測定物Ｗの振動振幅を周波数毎に式（２）に基づいて算出する。具体的には、式（２）に示すように、演算回路２４２において、変換係数Ｋ(ｆ)により換算された力フィードバック信号Ｆ(ｆ)と、位置フィードバック信号Ｓ(ｆ)とが足し合わされ被測定物Ｗの振動振幅が合成される。
Ｖ(ｆ)＝Ｓ(ｆ)＋Ｆ(ｆ)・Ｋ(ｆ)  ・・・（２）
ただし、ｆ：周波数（Ｈz）
Ｖ(ｆ)：ｆにおける被測定物Ｗの振動振幅（ｍ）
Ｓ(ｆ)：ｆにおける位置フィードバック信号（ｍ）
Ｆ(ｆ)：ｆにおける力フィードバック信号（Ｎ）
Ｋ(ｆ)：ｆにおける力検出信号対変位信号の変換係数（ｍ／Ｎ）
このようにして、信号変換器２４０によって、被測定物Ｗの振動振幅を構成する低周波から高周波までの周波数毎の振動振幅が取得され、この信号変換器２４０から出力される振動周波数および振動振幅の情報が、振動表示部２４３に入力され表示されるようになっている。
【００４２】
＜振動の測定方法＞
次に、三次元測定装置を用いて被測定物Ｗの振動を測定する方法を説明する。
振動を測定する際、被測定物Ｗに対して力フィードバック信号が力設定値と一致するように駆動アクチュエータ１３３を駆動させると、力センサ１は、被測定物Ｗの振動による変位に追従するようにして移動する。
ここで、振動の測定方法について、力制御ループＲＦの周波数応答性に基づく３つの周波数帯域に分けて説明する。
【００４３】
＜低周波数帯域での測定方法＞
図５は、力制御ループＲＦの周波数特性を示すグラフである。
図６は、低周波数帯域での振動測定を説明するためのブロック図である。
力制御ループＲＦの周波数特性が、図５のようにローパス特性を示すので、被測定物Ｗの振動の周波数が、周波数ｆ１以下の低周波数帯域内であれば、図６に示すように、スケール検出器１３５から出力される位置変位情報の振幅をもって、被測定物Ｗの振動振幅とすることができ、被測定物Ｗの振動を測定することができる。
【００４４】
＜高周波数帯域での測定方法＞
図７（Ａ）は、力制御ループＲＦの周波数特性を示すグラフであり、図７（Ｂ）は、力センサ１の周波数特性を示すグラフである。
図８は、高周波数帯域での振動測定を説明するためのブロック図である。
被測定物Ｗの振動の周波数が、低周波数帯域よりも十分に高い範囲（図７中の周波数ｆ２を超え、周波数ｆ３以下の範囲、以下、高周波数帯域と呼ぶ。）内の場合、力制御ループＲＦが殆ど応答できない被測定物Ｗの変位成分が力フィードバック信号の偏差として現れる。図７（Ｂ）の周波数ｆ３は、力センサ１の応答可能帯域の上限である。
この場合には、図８に示すように、分解手段で取得される周波数毎の力フィードバック信号Ｆ(ｆ)が、上式の変換係数Ｋ(ｆ)により被測定物Ｗの振動振幅に換算される。
なお、高周波数帯域では、力センサが被測定物Ｗの振動振幅に殆ど追従できないので、位置フィードバック信号Ｓ(ｆ)は、殆ど生じず、Ｆ(ｆ)・Ｋ(ｆ)の項が支配的になる。これによって、高周波数帯域での被測定物Ｗの振動を測定することができる。
【００４５】
＜中間周波数帯域での測定方法＞
図９（Ａ）,（Ｂ）は、力制御ループＲＦおよび力センサ１の各周波数特性を示すグラフである。
図１０は、中間周波数帯域での振動測定を説明するためのブロック図である。
被測定物Ｗの振動の周波数が、高周波数帯域ほど十分に高い範囲ではない場合、すなわち低周波数帯域より高く、高周波数帯域以下（図９中の周波数ｆ１を超え、周波数ｆ２以下の範囲、中間周波数帯域と呼ぶ。）の場合であっても、被測定物Ｗの振動を測定することができる。ここで、中間周波数帯域とは、力制御ループＲＦが応答できなくなり始めてから、殆ど応答できない周波数帯域を示す。
中間周波数帯域では、力制御ループＲＦが応答できない被測定物Ｗの変位成分が生じるため、高周波数帯域での場合と同様に、力センサ１の位置フィードバック信号をもって被測定物Ｗの振動振幅とすることができない。一方、力制御ループＲＦが全く応答しないわけではなく、ある程度の応答を生じるため、高周波数帯域のように力フィードバック信号の偏差を被測定物Ｗの振動振幅に換算するだけでは、正確な振動振幅を算出することができない。
そこで、本発明では、信号変換器２４０にて、上式により位置フィードバック信号Ｓ(ｆ)と、変換係数Ｋ(ｆ)により換算された力フィードバック信号Ｆ(ｆ)とを足し合わせて、被測定物Ｗの振動振幅を算出することによって、図１０に示すように、中間周波数帯域を含む低周波から高周波までの全周波数帯域において、被測定物Ｗの振動を測定することができる。
図１１は、上式による振動振幅の算出結果の一例を示すグラフである。
【００４６】
＜除振機構の調整方法の説明＞
三次元測定装置を設置する際、外部から載置部１１０に伝わる振動による測定精度への影響を軽減するため、除振機構としての空気圧式ダンパー１８０（図１）を調整する。この際、プローブ１３０を使用して載置部１１０または被測定物Ｗの振動を測定しながら、測定される振動振幅が最小となるように空気圧式ダンパー１８０の空気圧を変更する。このようにして、外部からの振動による測定精度への影響を最小限にすることができる。
【００４７】
＜校正方法の説明＞
図１２は、式（２）における力検出信号対変位信号の変換係数Ｋ(ｆ)を校正するための校正装置３００を示す模式図である。
校正装置３００は、校正用検査対象物Ｗ０と、校正用検査対象物Ｗ０を支持するとともにこれに振動を加える校正動作用駆動機構３０１と、校正用検査対象物Ｗ０の変位を検出する非接触変位センサ３０２とを備えて構成されている。
このような校正装置３００を用いて、校正動作用駆動機構３０１を駆動させ、校正用検査対象物Ｗ０に振動を発生させる。校正用検査対象物Ｗ０に対して、力センサ１を接触させて力制御ループＲＦにより測定力一定制御を実行する。そして、力センサ１によって検出される測定力（測定値Ｂ）と、スケール検出器１３５によって検出される位置変位情報（測定値Ａ）と、非接触変位センサ３０２によって検出される校正用検査対象物Ｗ０の振動の基準振動振幅（測定値Ｃ）との３種類の測定値Ａ〜Ｃを取得する。校正用検査対象物Ｗ０の振動の周波数を変更して、周波数毎に測定値Ａ〜Ｃを取得し、式（３）が成立する変換係数Ｋを周波数毎に算出し、変換係数Ｋのテーブルを作成する。
基準振動振幅（Ｃ）＝位置測定値（Ａ）＋測定力（Ｂ）・変換係数（Ｋ）・・・（３）
このようにして任意の周波数ｆについての変換係数Ｋ(ｆ)を校正することができる。
【００４８】
［本実施形態による効果］
本実施形態によれば、次のような効果を奏することができる。
（１）被測定物Ｗの振動の周波数が低周波数帯域より高い場合（図９中の周波数ｆ１よりも高い場合）、被測定物Ｗの変位に対して力センサ１の変位が追従できず、力制御ループＲＦが応答できない被測定物Ｗの変位成分が力フィードバック信号の偏差として現れる。
これに対して、本実施形態の構成によれば、力フィードバック信号および位置フィードバック信号を合成する信号変換器２４０を備えているので、信号変換器２４０によって、位置フィードバック信号の振幅に基づく被測定物Ｗの振動振幅と、力フィードバック信号の偏差に基づく被測定物Ｗの振動振幅とを合成して、被測定物Ｗの振動振幅を取得することができる。
具体的には、信号変換器２４０の信号分離回路２４１が、力フィードバック信号および位置フィードバック信号を周波数毎に分離し、さらに、信号変換器２４０の演算回路２４２が、変換係数Ｋ(ｆ)により換算された力フィードバック信号Ｆ(ｆ)と、位置フィードバック信号Ｓ(ｆ)とを足し合わせて、被測定物Ｗの振動振幅を合成するので、中間周波数帯域を含む低周波数帯域から高周波数帯域までの全周波数帯域（図９）において、被測定物Ｗの振動を測定することができる。
【００４９】
（２）同一のプローブ１３０を使用して被測定物Ｗの振動を測定することができ、また、被測定物Ｗの表面性状を測定することができる。なお、表面性状測定の際には、変位検出器１４１,１４２,１４３によって、被測定物Ｗに対するプローブ１３０の相対位置情報を取得して、この相対位置情報と、スケール検出器１３５の位置変位情報とから、被測定物Ｗの表面性状を測定することができる。このように、一つのプローブ１３０で被測定物の表面性状と振動との両方を測定することができるので、別のプローブを追加することなく、三次元測定装置に振動測定機能を付与することができる。
【００５０】
（３）三次元測定装置を設置する際に、プローブ１３０を使用して載置部１１０または被測定物Ｗの振動を測定しながら、空気圧式ダンパー１８０を調整することができるので、外部からの振動による測定精度への影響を最小限にすることができる。従って、設置時の空気圧式ダンパー１８０の調整を容易に実施できるとともに、測定精度の向上を更に図ることができる。
【００５１】
（４）質量効果の影響を軽減できる効果について説明する。
従来、接触式で検査対象物の振動を測定する場合、いわゆる質量効果による測定誤差の問題があった。
ここで、質量効果とは、測定を行うため検査対象物に取り付けた（固定した）センサの質量により検査対象物の固有振動数が変化することを示す。物体（検査対象物）の固有振動数は、物体の質量により変化するため、振動計などのセンサを取り付ける（固定する）と、センサそのものの質量が物体に付加され固有振動数が小さくなり、測定精度が悪化してしまう。検査対象物の質量をＭ、センサの質量をｍ、測定系の固有振動数をｆｅとすると、式（４）に示す固有振動数の変化分Δｆｅだけ固有振動数が減少する。例えば、固有振動数の変化率Δｆｅ／ｆｅを０．０１（１．０％）未満に抑えたい場合、センサの質量を検査対象物の質量の１／５０以下にしなければならない。
このように、従来の接触式センサの場合、検査対象物にセンサを取り付ける（固定する）ため、センサの質量ｍそのものが測定系に影響を与え、固有振動数を式（４）の通りに変化させてしまう。特に、検査対象物の質量Ｍが小さいほど固有振動数の変化分Δｆｅの影響が大きく、その振動を正確に測定することが困難であった。
【００５２】
【数１】
0005022930.tif 000002
【００５３】
本実施形態の三次元測定装置を用いて、接触式で被測定物Ｗの振動を測定する場合、力センサ１が低測定力で被測定物Ｗに接触することで、被測定物Ｗの質量に比べて力センサ１の見かけ上の質量を十分に小さくすることができる。これによって、被測定物Ｗの固有振動数を大きく変化させることなく、振動を測定することができる。
つまり、力センサ１が一定の測定力で被測定物Ｗに接触した状態を維持するように、力制御ループＲＦによって測定力Ｆが制御されるので、力センサ１の質量ｍそのものではなく、力センサ１の見かけ上の質量ｍ'=Ｆ/ｇ（Ｆ:力制御で設定されている測定力 [N]、ｇ:重力加速度 [m/s2]）が質量効果として影響を与える。
言い換えれば、設定されている測定力Ｆ分だけが質量効果として現れるので、力センサ１を可能な限り低測定力で被測定物Ｗに接触させるように、力制御を行うことで、測定力Ｆの低下分だけ質量効果が低減される。
本実施形態によれば、低測定力を実現するために力センサの力検出感度が高いものを使用するので、微小な振動振幅であっても力の変化として検出することができるため、質量の小さな被測定物Ｗの振動を測定することができ、従来よりも微小な振動振幅の測定が可能である。
【００５４】
［本発明の変形例］
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、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ものである。
【００５５】
すなわち、前記実施形態では、振動測定機能を有する三次元測定装置について説明したが、プローブ１３０と力センサ１の測定力を一定にする力制御ループＲＦと、信号合成手段である信号変換器２４０とを含んで構成される接触式の振動計を構成してもよい。
また、前記実施形態の力センサ１としては検査対象物との接触時に発生する測定力を検出し力検出信号として出力できる構造であればよく、例えば、歪ゲージや圧電素子による力センサを用いてもよく、あるいは、図１３の加振型力センサ１０を用いてもよい。加振型力センサ１０の場合、力センサ１０のベース２とスタイラス３とを一体的に構成したが、これに限らず、別体であってもよい。つまり、ベース２とスタイラス３とを別体として構成し、ベース２に対してスタイラス３を接着固定するようにしてもよい。  また、除振機構としては、空気圧式ダンパーに限られず、ゴム板や板ばね等であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、接触式振動計およびこの接触式振動計を備えた表面粗さ測定機、形状測定機、輪郭測定機、真円度測定機、三次元測定機などに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明に係る振動計における検査対象物の振動に対する力センサの力検出信号および変位信号の時間変化を模式的に説明する模式図。
【図２】本発明の一実施形態における三次元測定装置を示す正面図。
【図３】前記実施形態における三次元測定装置の要部の概略構成を示すブロック図。
【図４】前記実施形態におけるコントローラとプローブの概略構成を示す模式図。
【図５】前記実施形態における低周波数帯域を示すグラフ。
【図６】前記実施形態の低周波数帯域での振動測定を説明するためのブロック図。
【図７】前記実施形態における高周波数帯域を示すグラフ。
【図８】前記実施形態の高周波数帯域での振動測定を説明するためのブロック図。
【図９】前記実施形態における中間周波数帯域を示すグラフ。
【図１０】前記実施形態の中間周波数帯域での振動測定を説明するためのブロック図。
【図１１】前記実施形態における変換係数を用いた振動振幅の算出結果の一例を示すグラフ。
【図１２】前記実施形態における変換係数の校正装置の構成を示す模式図。
【図１３】従来の力センサの構成、および、加振信号と検出信号を示す図。
【符号の説明】
【００５８】
１…力センサ
１１０…載置部
１３０…プローブ
１３３…駆動アクチュエータ（力センサ移動手段）
１３５…スケール検出器（変位検出手段）
１４０…相対移動機構（プローブ移動手段）
１４１,１４２,１４３…変位検出器（プローブ位置検出手段）
１７０…可動アーム（プローブ保持部）
１８０…空気圧式ダンパー（除振機構）
２４０…信号変換器（信号合成手段）
２４１…信号分離回路（信号分離手段）
２４２…演算回路（演算手段）
ＲＦ…力制御ループ
Ｗ…被測定物（検査対象物）
【図１】
0005022930.tif 000003
【図２】
0005022930.tif 000004
【図３】
0005022930.tif 000005
【図４】
0005022930.tif 000006
【図５】
0005022930.tif 000007
【図６】
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【図７】
0005022930.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
0005022930.tif 000012
【図１１】
0005022930.tif 000013
【図１２】
0005022930.tif 000014
【図１３】
0005022930.tif 000015