(57)【要約】【課題】形状測定装置において、低測定力を維持したまま高速にプローブを測定面に追従させることができ、高速で高精度な測定を実現できる形状測定用プローブ制御装置を提供する。【解決手段】Ｘ制御モード切換スイッチ４１とＹ制御モード切換スイッチ４５とを備え、測定物の形状、または測定時のＸプローブ傾斜角度θＸとＹプローブ傾斜角度θＹとの関係により、一方の軸で位置制御を、他方の軸で傾き制御を行うようにした。【選択図】図１
2009300200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定物の被測定面に接触するスタイラスを備えると共に、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のいずれにも傾斜可能である形状測定用プローブを、上記被測定面に沿って動かすための形状測定用プローブ制御装置であって、
Ｘ軸モータを駆動して上記形状測定用プローブをＸ軸方向の任意の位置に動かすＸ軸位置制御器と、
Ｙ軸モータを駆動して上記形状測定用プローブをＹ軸方向の任意の位置に動かすＹ軸位置制御器と、
Ｘ軸モータを駆動して上記形状測定用プローブをＸ軸方向の傾斜角度に動かすＸ軸傾き制御器と、
Ｙ軸モータを駆動して上記形状測定用プローブをＹ軸方向の傾斜角度に動かすＹ軸傾き制御器と、
上記Ｘ軸モータを上記Ｘ軸位置制御器により駆動される位置制御モードと上記Ｘ軸傾き制御器により駆動される傾き制御モードとに切り換え可能であると共に、上記Ｙ軸モータを上記Ｙ軸位置制御器により駆動される位置制御モードと上記Ｙ軸傾き制御器により駆動される傾き制御モードとに切り換え可能であり、上記Ｘ軸モータ及びＹ軸モータのうちのいずれか一方を上記位置制御モードとしているときは、他方を上記傾き制御モードとするモード制御部と
を備える、形状測定用プローブ制御装置。
【請求項２】
上記形状測定用プローブのＸ軸方向の実位置を検出するＸ軸位置検出器と、
上記形状測定用プローブのＹ軸方向の実位置を検出するＹ軸位置検出器と、
光学的に検出される上記形状測定用プローブの上記Ｘ軸方向及び上記Ｙ軸方向の傾斜角度から上記形状測定用プローブの代表傾斜角度を算出する傾斜角度演算部と
をさらに備え、
上記Ｘ位置制御器は、上記Ｘ軸方向の実位置とＸ軸方向の目標位置との差に応じて上記形状測定用プローブを上記Ｘ軸方向の任意の位置に動かし、
上記Ｙ位置制御器は、上記Ｙ軸方向の実位置とＹ軸方向の目標位置との差に応じて上記形状測定用プローブを上記Ｙ軸方向の任意の位置に動かし、
上記Ｘ軸傾き制御器は、上記代表傾斜角度と目標傾斜角度の差に応じて上記形状測定用プローブを上記Ｘ軸方向の任意の傾斜角度に動かし、
上記Ｙ軸傾き制御器は、上記代表傾斜角度と上記目標傾斜角度の差に応じて上記形状測定用プローブを上記Ｙ軸方向の任意の傾斜角度に動かす、請求項１に記載の形状測定用プローブ制御装置。
【請求項３】
上記モード制御部は、上記測定物の形状に基づいて、上記Ｘ軸モータ及びＹ軸モータのうちのいずれか一方を上記位置制御モードとして、他方を上記傾き制御モードとする、請求項２に記載の形状測定用プローブ制御装置。
【請求項４】
上記モード制御部は、上記形状測定用プローブの上記Ｘ軸方向及び上記Ｙ軸方向の傾斜角度の比較結果に基づいて、上記Ｘ軸モータ及びＹ軸モータのうちのいずれか一方を上記位置制御モードとして、他方を上記傾き制御モードとする、請求項２に記載の形状測定用プローブ制御装置。
【請求項５】
上記傾斜角度演算部は、上記光学的に検出されるＸ軸方向及びＹ軸方向の傾斜角度のうち、上記Ｘ軸モータ及び上記Ｙ軸モータのうちの上記傾き制御モードに設定されている軸に対応するものを上記代表傾斜角度に設定する、請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の形状測定用プローブ制御装置。
【請求項６】
上記傾斜角度算出部は、上記光学的に検出されるＸ軸方向及びＹ軸方向の傾斜角度の二乗和の平方根を上記代表傾斜角度に設定する、請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の形状測定用プローブ制御装置。
【請求項７】
上記傾斜角度算出部は、上記光学的に検出されるＸ軸方向及びＹ軸方向の傾斜角度の絶対値の和を上記代表傾斜角度に設定する、請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の形状測定用プローブ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は任意形状の穴の内面や穴径、及び任意形状の外側面等を高精度に測定する形状測定装置用プローブ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
任意形状の外側面、内側面、及び穴径等を高精度に測定する形状測定装置として、特許文献１に開示されるものがある。この特許文献１に記載された形状測定用プローブ１と測定点情報決定部の構成を、図４を参照して詳しく説明する。なお、この図４及び他の図において直交座標系のＺ軸方向が鉛直方向であり、残りの２軸（Ｘ軸及びＹ軸）方向が水平方向である。
【０００３】
図４に示す形状測定用プローブ（以下、単にプローブという。）１は、測定対象となる測定物２に接触するスタイラス４を備え、このスタイラス４を先端に有するアーム５を含む揺動部材６は、連結機構８によって取付部材９に対してＸ軸方向、Ｙ軸方向を問わずいずれの方向にも傾斜可能に連結されている。プローブ１は取付部材９が形状測定装置３に対して取り付けられる。要するに、プローブ１は、測定物２の被測定面２ａに接触するスタイラス４を備えると共に、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のいずれにも傾斜可能である。
【０００４】
測定点情報決定部１０には、測定点１００の位置情報を得るための光学系１１と、傾斜角度検出部１２と、スタイラス位置演算部１３と位置座標測定部１４と、加算部１５とを有する。
【０００５】
レーザ光発生部１６にて発生した測定用レーザ光１７は、測定点１００の３次元座標位置を求めるため、光学系１１にて４つに分光される。具体的には、光学系１１は、Ｘ、Ｙ、Ｚの座標用の３つの第１光学系１１ａと、プローブ１の傾斜角度用の１つの第２光学系１１ｂとの計４つの光学系を有する。第１光学系１１ａには、測定点１００のＸ軸方向及びＹ軸方向における位置座標を検出するため、図示を省略しているが、Ｘ軸方向に直交したＸ軸基準板、及びＹ軸方向に直交したＹ軸基準板を有する。
【０００６】
位置座標測定部１４は、測定点１００におけるＸ座標値、Ｙ座標値、及びＺ座標値の測長を行う検出部１４ａ〜１４ｃを有する。検出部１４ａへはＸ軸基準板からの反射光が、検出部１４ｂへはＹ軸基準板からの反射光が、検出部１４ｃへは形状測定用プローブ１の揺動部材６に取り付けられているミラー７からの反射光が入射される。
【０００７】
第２光学系１１ｂは、測定用レーザ光１７の内、形状測定用プローブ１の揺動部材６に取り付けられているミラー７からの反射光１７ｂを傾斜角度検出部１２へ導く光分離部１８を有する。
【０００８】
傾斜角度検出部１２は、ミラー７からの反射光１７ｂを受光し電気信号に変換する受光面１２１を有する光検出器にて構成される。図５に示すように、受光面１２１は、それぞれ独立して光電変換を行う４つの受光領域１２ａ〜１２ｄに区画している。
【０００９】
受光領域１２ａ〜１２ｅで検出された光量をそれぞれ「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」、及び「Ｄ」とすると、スタイラス演算部１３は、各受光領域１２ａ〜１２ｄから得られる電気信号について、（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）の計算を行うことでＸ軸方向における揺動部材６の傾斜角度（プローブ１の傾斜角度）θＸを求めることができ、（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ）の計算を行うことでＹ軸方向における揺動部材６の傾斜角度（プローブ１の傾斜角度）θＹを求める。また、スタイラス演算部１３は、傾斜角度θＸ，θＹからプローブ１（厳密には取付部材９）に対するスタイラス４のＸＹＺ軸方向の相対的変位を求める。
【００１０】
加算部１５は、スタイラス演算部１３で求めたプローブ１に対するスタイラスの相対的変位を検出部１４ａ〜１４ｃで求めたＸ座標値、Ｙ座標値、及びＺ座標値に加算し、測定点１００のＸＹＺ軸方向の位置座標を算出する。
【００１１】
この種のプローブ１で形状測定を実行するには、スタイラス４を測定物２の被測定面２ａに沿って動かす必要がある。例えば測定物２が円筒形で、その外周面を一周測定する場合には、スタイラス４が外周面に接触した状態を維持しつつ、プローブ１を円筒の周囲で１周させる必要がある。このようなプローブ１の移動を実現するための従来の形状測定用プローブ制御装置２００は、例えば図６に示すように構成されており、形状測定用プローブ１又は測定物２をＸＹ方向に駆動することにより、プローブ１のＸ軸方向及びＹ軸方向の傾斜角度をほぼ一定に維持したまま測定物２の被測定面２ａ上を移動させる。
【００１２】
この従来の形状測定用プローブ制御装置２００について説明すると、動作条件設定部２０において、測定物２の形状を表わす設計式、測定経路、測定速度、目標プローブ傾斜角度等を含む動作条件を設定する。位置指令生成部２１において、それらの動作条件と、Ｘ位置検出器２６で検出されるＸ実位置Ｘｒと、Ｙ位置検出器３２で検出されるＹ実位置Ｙｒと、傾斜角度検出部１２からの信号に基づいて傾斜角度演算部４４が算出したプローブ１のＸ軸方向及びＹ軸方向の傾斜角度（Ｘプローブ傾斜角度θＸ及びＹプローブ傾斜角度θＹ）とにより、形状測定用プローブ１の傾斜角度をほぼ一定に維持したまま、測定経路を動くように、Ｘ目標位置ＸｔとＹ目標位置Ｙｔを計算して出力する。この処理を一定の目標位置更新周期毎に繰り返す。減算器２２によって、Ｘ目標位置ＸｔとＸ実位置Ｘｒとの差が求められ、Ｘ位置制御器２３によって、その差に対応した速度指令をＸ速度制御アンプ２４に出力する。Ｘ速度制御アンプ２４は、Ｘステージ２７の速度が与えられた速度指令に一致するようにＸモータ２５を駆動する。その結果、Ｘステージ２７はＸ目標位置Ｘｔまで駆動される。Ｙステージ３３の駆動についても同様である。Ｘ目標位置ＸｔとＹ目標位置Ｙｔは一定の周期毎に更新されるので、その周期を適切な時間にすれば、形状測定用プローブ１は傾斜角度を一定に維持したまま連続して測定経路を動いていくことになる。
【００１３】
【特許文献１】特開２００６−２８４４１０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記のような従来の形状測定用プローブ制御装置においては、あらかじめ設定された測定物の形状を表わす設計式、測定経路、測定速度、及び目標プローブ傾き量と、Ｘ実位置、Ｙ実位置、Ｘプローブ傾斜角度、及びＹプローブ傾斜角度より、プローブの傾斜角度をほぼ一定に維持したまま、測定経路を動くように、Ｘ目標位置とＹ目標位置を一定の周期毎に更新している。つまり、Ｘ軸及びＹ軸のいずれにも位置と傾きの両方を同時に制御している。このような制御はプローブの被測定面に対する追従性を十分に確保することが困難であり、プローブを高速に動かすと、プローブが測定物から離れてしまい、測定できなくなるという課題を有していた。また、プローブから測定物に加わる測定力を大きくすれば追従性を確保して測定速度を上げることができるが、プローブ傾斜角度の検出精度が低くなり、測定精度が低くなるという課題を有していた。
【００１５】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、低測定力を維持したまま高速にプローブを測定面に追従させることができ、高速で高精度な測定を実現できる形状測定用プローブ制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、測定物の被測定面に接触するスタイラスを備えると共に、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のいずれにも傾斜可能である形状測定用プローブを、上記被測定面に沿って動かすための形状測定用プローブ制御装置であって、Ｘ軸モータを駆動して上記形状測定用プローブをＸ軸方向の任意の位置に動かすＸ軸位置制御器と、Ｙ軸モータを駆動して上記形状測定用プローブをＹ軸方向の任意の位置に動かすＹ軸位置制御器と、Ｘ軸モータを駆動して上記形状測定用プローブをＸ軸方向の傾斜角度に動かすＸ軸傾き制御器と、Ｙ軸モータを駆動して上記形状測定用プローブをＹ軸方向の傾斜角度に動かすＹ軸傾き制御器と、上記Ｘ軸モータを上記Ｘ軸位置制御器により駆動される位置制御モードと上記Ｘ軸傾き制御器により駆動される傾き制御モードとに切り換え可能であると共に、上記Ｙ軸モータを上記Ｙ軸位置制御器により駆動される位置制御モードと上記Ｙ軸傾き制御器により駆動される傾き制御モードとに切り換え可能であり、上記Ｘ軸モータ及びＹ軸モータのうちのいずれか一方を上記位置制御モードとしているときは、他方を上記傾き制御モードとするモード制御部とを備える、形状測定用プローブ制御装置を提供する。
【００１７】
具体的には、形状測定用プローブ制御装置は、上記形状測定用プローブのＸ軸方向の実位置を検出するＸ軸位置検出器と、上記形状測定用プローブのＹ軸方向の実位置を検出するＹ軸位置検出器と、光学的に検出される上記形状測定用プローブの上記Ｘ軸方向及び上記Ｙ軸方向の傾斜角度から上記形状測定用プローブの代表傾斜角度を算出する傾斜角度演算部とをさらに備え、上記Ｘ位置制御器は、上記Ｘ軸方向の実位置とＸ軸方向の目標位置との差に応じて上記形状測定用プローブを上記Ｘ軸方向の任意の位置に動かし、上記Ｙ位置制御器は、上記Ｙ軸方向の実位置とＹ軸方向の目標位置との差に応じて上記形状測定用プローブを上記Ｙ軸方向の任意の位置に動かし、上記Ｘ軸傾き制御器は、上記代表傾斜角度と目標傾斜角度の差に応じて上記形状測定用プローブを上記Ｘ軸方向の任意の傾斜角度に動かし、上記Ｙ軸傾き制御器は、上記代表傾斜角度と上記目標傾斜角度の差に応じて上記形状測定用プローブを上記Ｙ軸方向の任意の傾斜角度に動かす。
【００１８】
本発明の形状測定用プローブ制御装置では、モード制御部がＸ軸モータ及びＹ軸モータのうちの一方を位置制御モードと、他方を傾き制御モードとする。つまり、一方の軸で位置制御を、他方の軸で傾き制御をそれぞれ独立して行う（傾き制御を行う軸と位置制御を行う軸は別々）。その結果、二つの軸（Ｘ軸モータ及びＹ軸モータ）それぞれの制御の応答性を高めることができ、低測定力を維持したまま高速に形状測定用プローブを測定面に追従して移動させることができる。
【００１９】
具体的には、上記モード制御部は、上記測定物の形状に基づいて、あるいは上記形状測定用プローブの上記Ｘ軸方向及び上記Ｙ軸方向の傾斜角度の比較結果に基づいて、上記Ｘ軸モータ及びＹ軸モータのうちのいずれか一方を上記位置制御モードとして、他方を上記傾き制御モードとする。
【００２０】
上記傾斜角度演算部は、上記光学的に検出されるＸ軸方向及びＹ軸方向の傾斜角度のうち、上記Ｘ軸モータ及び上記Ｙ軸モータのうちの上記傾き制御モードに設定されている軸に対応するものを上記代表傾斜角度に設定する。あるいは、上記傾斜角度算出部は、上記光学的に検出されるＸ軸方向及びＹ軸方向の傾斜角度の二乗和の平方根を上記代表傾斜角度に設定してもよい。また、上記傾斜角度算出部は、上記光学的に検出されるＸ軸方向及びＹ軸方向の傾斜角度の絶対値の和を上記代表傾斜角度に設定してもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の形状測定用プローブ制御装置によれば、低測定力を維持したまま高速にプローブを測定面に追従させることができ、高速で高精度な形状測定を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の実施形態である形状測定用プローブ制御装置について、図１〜５を参照にしながら以下に詳しく説明する。
【００２３】
図１は、本発明の実施形態における形状測定用プローブ制御装置３００の構成を示す図である。この図１において傾斜角度検出部１２のみを示す形状測定用プローブ（以下、単にプローブという）１は、本実施形態では図４及び図５に示したものとする。以下の説明で、図４及び図５を併せて参照するものとする。また、図４及び図５に関する説明は、本実施形態の説明に組み込まれるものとする。ただし、本発明の対象となるプローブ１は、図４及び図５に示すものに限定されず、少なくとも測定物の被測定面に接触するスタイラスを備えると共に、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のいずれにも傾斜可能であればよい。
【００２４】
以下、形状測定用プローブ制御装置３００について詳細説明する。
【００２５】
図１の動作条件設定部２０において、測定物２の形状を表わす設計式、測定経路、測定速度、測定加速度、目標プローブ傾斜角度θｔを含む動作条件を設定する。目標プローブ傾斜角度θｔは、スタイラス４が測定物２の被測定面２ａ上を移動中（走査中）にプローブ１のスタイラス４が維持すべきＺ軸方向に対する傾斜角度である。
【００２６】
指令生成部４０には、動作条件設定部２０で設定された各条件と、Ｘ位置検出器２６で検出されたＸ実位置Ｘｒと、Ｙ位置検出器３２で検出されたＹ実位置Ｙｒと、傾斜角度検出部１２で検出された信号を用いて傾斜角度演算部４４により求めたＸプローブ傾斜角度θＸとＹプローブ傾斜角度θＹが入力される。指令生成部４０は、これらの入力からＸ軸及びＹ軸のうち傾き制御を行う軸と位置制御を行う軸を決定する。また、指令生成部４０は、この決定に応じて、Ｘ目標位置Ｘｔ、Ｙ目標位置Ｙｔ、目標プローブ傾斜角度θｔか、Ｘ制御モード切換信号Ｍｘ、及びＹ制御モード切換信号Ｍｙを出力する。なお、Ｘステージ２７またはＹステージ３３をある位置から他の位置へ動かす場合、目標位置を一気に更新すると、急加速、急停止となるため、設定された測定速度と測定加速度になるように一定周期毎に目標位置を計算し出力する。
【００２７】
傾斜角度検出部１２は、図５を参照して既に説明した通りである。
【００２８】
傾斜角度算出部４４は、本実施形態では、２つの機能を有する。第１の機能とてしは、傾斜角度算出部４４は、傾斜角度検出部１２の受光領域１２ａ〜１２ｅ（図５参照）で検出された光量をそれぞれ「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」、及び「Ｄ」とすると、（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）の計算を行うことでＸ軸方向におけるプローブ１の傾斜角度（Ｘプローブ傾斜角度）θＸを求め、（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ）の計算を行うことでＹ軸方向におけるプローブ１の傾斜角度（Ｙプローブ傾斜）θＹを求める。算出したＸ及びＹプローブ傾斜角度θＸ，θＹは指令生成部４０に出力される。第２の機能としては、傾斜角度演算部４４は、以下に示す３つの方法のいずれかで、Ｘ及びＹプローブ傾斜角度θＸ，θＹから代表プローブ傾斜角度θrを求め、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の傾き制御にそれぞれ使用される減算器４２，４６へ出力する。
【００２９】
第１の代表プローブ傾斜角度θｒの演算方法は、Ｘ軸及びＹ軸（Ｘモータ２５及びＹモータ３１）のうち傾き制御モードになっている方のプローブ傾斜角度をそのまま代表プローブ傾斜角度θｒとして使用するものである。具体的には、Ｘ軸（Ｘモータ２５）が傾き制御モードの場合には、Ｘプローブ傾斜角度θＸの絶対値（｜（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）｜）を代表プローブ傾斜角度θｒとして出力し、Ｙ軸（Ｙモータ３１）が傾き制御モードの場合には、Ｙプローブ傾斜角度θＹの絶対値（｜（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ）｜）を代表プローブ傾斜角度θｒとして出力する。
【００３０】
第２の代表プローブ傾斜角度θｒの演算方法は、Ｘ及びＹプローブ傾斜角度θＸ，θＹを被測定面２ａに対して垂直方向に換算した傾斜角度、Ｘ及びＹプローブ傾斜角度θＸ，θＹの二乗和の平方根を代表プローブ傾斜角度θｒとする。この場合、代表プローブ傾斜角度θｒは以下の式（１）で表される。
【００３１】
【数１】
2009300200.tif 000003
【００３２】
第３の代表プローブ傾斜角度θｒの演算方法は、Ｘ及びＹプローブ傾斜角度θＸ，θＹの絶対値の和を代表プローブ傾斜角度θｒとする。この場合、代表プローブ傾斜角度θｒは以下の式（２）で表される。
【００３３】
【数２】
2009300200.tif 000004
【００３４】
第１の代表プローブ傾斜角度演算方法の場合、例えば、図２に示すスタイラス位置６１では、Ｙプローブ傾斜角度θＹはほぼゼロであるが、スタイラス位置６２の方へ移動するに従い、Ｙプローブ傾斜角度θＹも増えていき、スタイラス位置６２では、Ｘプローブ傾斜角度θＸとＹプローブ傾斜角度θＹがほぼ同じ値となる。スタイラス位置６１の時、傾斜角度検出部１２の受光面に反射光が当たる位置は図３の受光位置５０であり、スタイラス位置６２の時、傾斜角度検出部１２の受光面に反射光が当たる位置は受光位置５１である。
【００３５】
実際には、傾斜角度検出部１２の各受光領域１２ａ〜１２ｄの特性が完全に線形であることはありえないので、（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）が同じ値でもＹプローブ傾斜角度θＹが異なると実際のＸプローブ傾斜角度θＸに誤差が発生する。すなわち、受光位置５０と受光位置５１では、実際のＸプローブ傾斜角度θＸが異なることになる。測定点のＸ位置座標は、位置座標測定部１４によって測定されるＸ座標値と傾斜角度検出部１２と傾斜角度演算部４４で求められるＸプローブ傾斜角度θＸから求められるため、Ｘプローブ傾斜角度θＸの検出誤差がそのまま測定誤差となる。測定誤差は傾斜角度検出部１２の受光面の中心から離れるほど大きくなるので、高精度な測定のためには、受光面の中心に近い位置に反射光が当たるようにした方がよい。
【００３６】
第２の代表プローブ傾斜角度演算方法の場合、スタイラス位置６２の時に式（１）で算出される代表プローブ傾斜角度θｒをＸ及びＹプローブ傾斜角度θＸ，θＹとすると（θＸ，θＹ＝θｒ）、傾斜角度検出部１２の受光面に反射光が当たる位置は受光位置５２となり、受光位置５１に比べて受光面の中心に近づくため誤差が小さくなる。
【００３７】
第３の代表プローブ傾斜角度演算方法の場合、スタイラス位置６２の時に式（２）で算出される代表プローブ傾斜角度θｒをＸ及びＹプローブ傾斜角度θＸ，θＹとすると（θＸ，θＹ＝θｒ）、傾斜角度検出部１２の受光面に反射光が当たる位置は受光位置５３となり、さらに受光面の中心に近づくため誤差が小さくなる。ただし、この場合、測定面に対して垂直方向に換算した傾斜角度が小さくなる部分があるため、測定速度を速くすると、傾き制御が追従できず、スタイラス４が測定物２から離れてしまい測定できなくなってしまう場合がある。
【００３８】
以上のように、測定精度が少し悪くても高速で測定したい場合には、第１の傾斜角度演算方法を、測定速度が少し遅くても高精度で測定したい場合には、第３の傾斜角度演算方法を、それらの中間として、第２の傾斜角度演算方法を使用する。なお、いずれの場合でも、傾き制御を行う軸と位置制御を行う軸は別々であり、従来の形状測定用プローブ制御装置による方法に比べ、傾き制御の追従性がよいため、高速で高精度な測定が可能である。
【００３９】
指令生成部４０からのＸ制御モード切換信号ＭｘによりＸ制御モード切換スイッチ４１が実線の位置に設定されている時、Ｘ軸（Ｘモータ２５）は位置制御モードとなり、Ｘ位置制御器２３とＸ傾き制御器４３のうち、Ｘ位置制御器２３が有効となる。Ｘ位置制御器２３は、Ｘ目標位置ＸｔとＸ実位置Ｘｒの差に応じてＸ速度制御アンプ２４へＸ速度指令を出力するものであり、比例制御を基本とし、制御特性改善のため、積分制御や微分制御を追加する場合がある。説明を簡単にするため、比例制御のみとすると、Ｘ位置制御器２３は、減算器２２によって計算された（Ｘ目標位置Ｘｔ−Ｘ実位置Ｘｒ）にＸ位置比例ゲインを乗算したものをＸ速度指令としてＸ速度制御アンプ２４へ出力する。Ｘ速度制御アンプ２４は、Ｘステージ２７の速度がＸ速度指令に一致するようにＸスタージ２７駆動用のＸモータ２５を駆動する。すなわち、Ｘ実位置がＸ目標位置よりも小さい時は、Ｘ実位置が大きくなる方向へＸモータ２５が駆動され、逆に、Ｘ実位置がＸ目標位置よりも大きい時は、Ｘ実位置が小さくなる方向へＸモータ２５が駆動されるので、常にＸ実位置がほぼＸ目標位置に一致するように制御されることになる。
【００４０】
指令生成部４０からのＸ制御モード切換信号ＭｘによりＸ制御モード切換スイッチ４１が破線の位置に設定されている時、Ｘ軸（Ｘモータ２５）は傾き制御モードとなり、Ｘ位置制御器２３とＸ傾き制御器４３のうち、Ｘ傾き制御器４３が有効となる。Ｘ傾き制御器４３は、目標プローブ傾斜角度θｔと代表プローブ傾斜角度θｒの差に応じてＸ速度制御アンプ２４へＸ速度指令を出力するものであり、比例制御を基本とし、制御特性改善のため、積分制御や微分制御を追加する場合がある。説明を簡単にするため、比例制御のみとすると、Ｘ傾き制御器４３は、減算器４２によって計算された（目標プローブ傾斜角度θｔ−代表プローブ傾斜角度θｒ）にＸ傾き比例ゲインを乗算したものをＸ速度指令としてＸ速度制御アンプ２４へ出力する。ただし、スタイラス４と測定物２の位置関係により、制御方向が変わるので、測定物２のＸ位置がスタイラス４のＸ位置よりも＋側にある場合は、Ｘ傾き比例ゲインの符号は＋とし、測定物２のＸ位置がスタイラス４のＸ位置よりも−側にある場合は、Ｘ傾き比例ゲインの符号は−とする。Ｘ速度制御アンプ２４は、Ｘステージ２７の速度がＸ速度指令に一致するようにＸモータ２５を駆動する。すなわち、代表プローブ傾斜角度が目標プローブ傾斜角度よりも小さい時は、代表プローブ傾斜角度が大きくなる方向へＸモータ２５が駆動され、逆に、代表プローブ傾斜角度が目標プローブ傾斜角度よりも大きい時は、代表プローブ傾斜角度が小さくなる方向へＸモータ２５が駆動されるので、常に代表プローブ傾斜角度がほぼ目標プローブ傾斜角度に一致するように制御されることになる。
【００４１】
Ｙ軸（Ｙステージ３３駆動用のＹモータ３１）についても、Ｙ制御モード切換スイッチ４５が指令生成部４０からのＹ制御モード切換信号Ｍｙにより、位置制御モードと傾き制御モードとの切り換えを行う。位置制御モードと傾き制御モードの動作については上記のＸの場合と同様であるため、説明を省略する。
【００４２】
以上のように構成された形状測定用プローブ制御装置３００の詳細の動作について、図２に示すような円筒形の測定物を測定する場合を例にして説明する。図２は、円筒形の測定物を上から見た図（ＸＹ平面）である。
【００４３】
図１に示す形状測定用プローブ制御装置３００を用いて形状測定を行う場合、プローブ１側をＸステージ２７及びＹステージ３３により動かす構造にしても、測定物２側をＸステージ２７及びＹステージ３３により動かす構造にしてもよいが、以下の説明では理解を容易にするためプローブ１側を動かすものとする。また、プローブ１は図４に示す構造であるものとし、Ｚ方向の動作についての説明は省略し、任意のＺ位置においてＸステージ２７及びＹステージ３３を動かして測定物２の外側面を一周測定する方法について説明する。しかし、プローブに対してスタイラスがＸＹ方向に揺動可能かつＺ方向に変位可能であれば、プローブ１をＺ方向に動かして、円筒形の測定物２の外側面の全面を測定することも可能である。
【００４４】
まず、測定中に変更する必要のないパラメータである、Ｘ速度、Ｘ加速度、Ｙ速度、Ｙ加速度、目標プローブ傾斜角度θｔを動作条件設定部２０において設定する。
【００４５】
測定物２を設置するために、プローブ１を退避させる動作が必要であるため、Ｘ制御モード切換スイッチ４１とＹ制御モード切換スイッチ４５はどちらも実線の位置、すなわち位置制御モードにしておく。図２の例では、Ｘ目標位置を測定物２の設置に問題のない位置に設定し、プローブ１をその位置まで動かした後、測定物２をプローブ１の可動範囲のほぼ中心に設置し、プローブ１をＹ方向の位置が測定物２のほぼ中心になるように動かす。この状態でのスタイラス４の位置は、図５のスタイラス位置６０である。
【００４６】
次に、指令生成部４０において、形状測定用プローブ１がＸ方向の−側に一定速度で動くように、一定周期毎にＸ目標位置Ｘｔを更新していく（図５の矢印Ａ１）。その間、その周期毎に代表プローブ傾斜角度θｒを確認し、その値が目標プローブ傾斜角度θｔを中心とするあらかじめ設定した範囲に入ると、Ｘ制御モード切換スイッチ４１を実線の位置から破線の位置に切り換えることにより、Ｘ軸を位置制御モードから傾き制御モードに切り換える。この状態でのスタイラス４の位置は図２のスタイラス位置６１である。
【００４７】
次に、動作条件設定部２０において、スタイラス４の位置が４５度の位置、すなわち、図２のスタイラス位置６２になるように、Ｙ目標位置Ｙｔを計算し、指令生成部４０へ出力する。これにより、Ｙステージ３３はスタイラス位置６１のＹ位置よりスタイラス位置６２のＹ位置まで動く（図２の矢印Ａ２）。この間、Ｘステージ２７は傾き制御モードであり、代表プローブ傾斜角度θｒが目標プローブ傾斜角度θｔにほぼ一致するように動くため、スタイラス４はスタイラス位置６１からスタイラス位置６２まで測定物２の外側面に沿って動くことになる。
【００４８】
スタイラス４がスタイラス位置６２まで移動すると、Ｘ目標位置Ｘｔを現時点のＸ実位置Ｘｒと同じ値に設定した後、Ｘ制御モード切換スイッチ４１を実線の位置に切り換えて、Ｘ軸を位置制御モードにし、Ｙ制御モード切換スイッチ４５を破線の位置に切り換えて、Ｙ軸を傾き制御モードにする。
【００４９】
次に、動作条件設定部２０において、スタイラス４の位置が１３５度の位置、すなわち、スタイラス位置６３になるように、Ｘ目標位置Ｘｔを計算し、指令生成部４０へ出力する。これにより、Ｘステージ２７はスタイラス位置６２のＸ位置よりスタイラス位置６３のＸ位置まで動く（図２の矢印Ａ３）。この間、Ｙステージ３３は傾き制御モードであり、代表プローブ傾斜角度θｒが目標プローブ傾斜角度θｔにほぼ一致するように動くため、スタイラス４はスタイラス位置６２からスタイラス位置６３まで測定物２の外側面に沿って動くことになる。
【００５０】
スタイラス４がスタイラス位置６３まで移動すると、Ｙ目標位置Ｙｔを現時点のＹ実位置Ｙｒと同じ値に設定した後、Ｙ制御モード切換スイッチ４５を実線の位置に切り換えて、Ｙを位置制御モードにし、Ｘ制御モード切換スイッチ４１を破線の位置に切り換えて、Ｘを傾き制御モードにする。
【００５１】
その後、スタイラス位置６４への移動（図２の矢印Ａ４）、スタイラス位置６４における制御モードの切り換え（Ｘ軸を傾き制御から位置制御へ、Ｙ軸を位置制御から傾き制御へ）、スタイラス位置６５への移動（図２の矢印Ａ５）、スタイラス位置６５における制御モードの切換（Ｘ軸を位置制御から傾き制御へ、Ｙ軸を傾き制御から位置制御へ）及びスタイラス位置６１への移動（図２の矢印Ａ６）を行う。
【００５２】
以上のように、最初にスタイラス位置６０からスタイラス位置６１まで移動した後、測定物２の外側面に沿って一周動いて再びスタイラス位置６１に戻ってくるまでの間（矢印Ａ１〜Ａ６）、位置座標測定部１４によって測定されるＸ座標値、Ｙ座標値、Ｚ座標値と、傾斜角度検出部１２と傾斜角度演算部４４で求められるＸプローブ傾斜角度θＸ、Ｙプローブ傾斜角度θＹとから、測定点１００のＸ位置座標、Ｙ位置座標、Ｚ位置座標が求められる。
【００５３】
次に、図２を参照しつつ他の測定方法を説明する。スタイラス位置６０からスタイラス位置６１へ移動するところまで（矢印Ａ１）は、前記の方法と同じである。その後、指令生成部４０において、プローブ１がＹ方向の＋側に一定速度で動くように、一定周期毎にＹ目標位置Ｙｔを更新していく。この間、その周期毎にＸプローブ傾斜角度θＸとＹプローブ傾斜角度θＹを比較し、Ｙプローブ傾斜角度θＹがＸプローブ傾斜角度θＸと判定幅Ｄの和よりも大きくなると、Ｘ目標位置Ｘｔを現時点のＸ実位置Ｘｒと同じ値に設定した後、Ｘ制御モード切換スイッチ４１を実線の位置に切り換えて、Ｘ軸を位置制御モードにし、Ｙ制御モード切換スイッチ４５を破線の位置に切り換えて、Ｙ軸を傾き制御モードにする。
【００５４】
制御モード切り換え前のＹプローブ傾斜角度θＹの符号によりスタイラス４と測定物２の位置関係を知ることができるので、それによって、Ｙ傾き比例ゲインの符号を設定する。また、制御モード切り換え前のＸプローブ傾斜角度の符号により、スタイラス４と測定物２の位置関係を知ることができるので、指令生成部４０において、形状測定用プローブ１がＸ方向へ測定物側に一定速度で動くように、一定周期毎にＸ目標位置を更新していく。
【００５５】
Ｘ方向への移動中に、周期毎にＸプローブ傾斜角度θＸとＹプローブ傾斜角度θＹを比較し、Ｘプローブ傾斜角度θＸがＹプローブ傾斜角度θＹと判定幅Ｄの和よりも大きくなると、Ｙ目標位置Ｙｔを現時点のＹ実位置Ｙｒと同じ値に設定した後、Ｙ制御モード切換スイッチ４５を実線の位置に切り換えて、Ｙ軸を位置制御モードにし、Ｘ制御モード切換スイッチ４１を破線の位置に切り換えて、Ｘ軸を傾き制御モードにする。
【００５６】
判定幅Ｄは、Ｘプローブ傾斜角度θＸとＹプローブ傾斜角度θＹの大小関係の変化にヒステリシスを持たせ、Ｘプローブ傾斜角度θＸとＹプローブ傾斜角度θＹがほぼ同じくらいのところで、制御モードの切り換えが何回も繰り返すことのないようにするためのものである。
【００５７】
以上の動作を繰り返すことにより、測定物の設計式が不明であっても、スタイラス位置６１から測定物２の外側面に沿って一周して測定することができる。
【００５８】
前述の２つの方法のいずれを採用した場合でも、Ｘ軸（Ｘモータ２５）とＹ軸（Ｙモータ３１）のうちの一方を位置制御モードとし、他方を傾き制御モードとしている。つまり、Ｘ軸とＹ軸のうちの一方の軸で位置制御を、他方の軸で傾き制御をそれぞれ独立して行っている（傾き制御を行う軸と位置制御を行う軸は別々）。その結果、二つの軸（Ｘ軸モータ２５及びＹ軸モータ３１）それぞれの制御の応答性を高めることができ、低測定力を維持したまま高速にプローブ１を測定面２ａに追従して移動させて高速で高精度な形状測定を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明の形状測定用プローブ制御装置は、プローブを低測定力にて測定物に高速に追従させながら、高精度な測定を行うことができるという効果を有し、任意形状の穴の内面や穴径の測定、及び任意形状の外側面の形状測定等を高精度に測定する形状測定装置のプローブ制御に有効に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施形態における形状測定用プローブ制御装置の構成を示すブロック図。
【図２】同実施形態における形状測定の一例を説明するための模式図。
【図３】同実施形態における傾斜角度検出器に反射光が当たる状態を示す正面図。
【図４】形状測定用プローブと測定点情報決定部の構成を示す模式図。
【図５】傾斜角度検出器に反射光が当たる状態を示す正面図。
【図６】従来の形状測定用プローブ制御装置の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
【００６１】
１  形状測定用プローブ
２  測定物
４  スタイラス
５  アーム
６  揺動部材
７  ミラー
８  連結機構
９  取付部材
１０  測定点情報決定部
１１  光学系
１１ａ  第１光学系
１１ｂ  第２光学系
１２  傾斜角度検出部
１２ａ〜１２ｄ  受光領域
１３  スタイラス位置演算部
１４  位置座標測定部
１４ａ〜１４ｃ  検出部
１５  加算部
１６  レーザ光発生部
１７  測定用レーザ光
１７ｂ  反射光
１８  光分離部
２０  動作条件設定部
２１  位置指令生成部
２２  減算器
２３  Ｘ位置制御器
２４  Ｘ速度制御アンプ
２５  Ｘモータ
２６  Ｘ位置検出器
２７  Ｘステージ
２８  減算器
２９  Ｙ位置制御器
３０  Ｙ速度制御アンプ
３１  Ｙモータ
３２  Ｙ位置検出器
３３  Ｙステージ
４０  指令生成部
４１  Ｘ制御モード切換スイッチ
４２  減算器
４３  Ｘ傾き制御器
４４  傾斜角度演算部
４５  Ｙ制御モード切換スイッチ
４６  減算器
４７  Ｙ傾き制御器
５０〜５３  受光位置
６０〜６５  スタイラス位置
１００  測定点
１２１  受光面
【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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