共振センサの測定位置検出方法及び装置
【課題】共振センサの誤差要因の影響を減少させ、より高精度な測定を可能にして、使い勝手や信頼性を向上する。
【解決手段】加振手段（圧電素子２４）により測定子２２を長手方向に共振振動させ、検出手段（圧電素子２６）により測定子２２の共振に応じた出力信号を得て、該出力信号の変化を捉えることで、測定子先端２２Ａと測定対象１０との接触を検知するようにした共振センサ２０の測定位置検出に際して、測定子２２と測定対象１０間の距離と、出力信号の変化状態の関係を表わす特性曲線を得て、該特性曲線から、接触開始位置に相当する出力信号の変化開始位置を推定して、測定位置とする。
【解決手段】加振手段（圧電素子２４）により測定子２２を長手方向に共振振動させ、検出手段（圧電素子２６）により測定子２２の共振に応じた出力信号を得て、該出力信号の変化を捉えることで、測定子先端２２Ａと測定対象１０との接触を検知するようにした共振センサ２０の測定位置検出に際して、測定子２２と測定対象１０間の距離と、出力信号の変化状態の関係を表わす特性曲線を得て、該特性曲線から、接触開始位置に相当する出力信号の変化開始位置を推定して、測定位置とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共振特性を利用した共振センサの測定位置検出方法及び装置に係り、特に、形状測定機、３次元測定機、画像測定機等の共振センサが装着可能な測定機器に用いるのに好適な、加振手段により測定子を長手方向に共振振動させ、検出手段により測定子の共振に応じた出力信号を得て、該出力信号の変化を捉えることで、測定子先端と測定対象との接触を検知するようにした共振センサの測定位置検出方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
触針によるナノレベルでの表面形状測定で従来から用いられている手法を図１に示す。
【０００３】
図１（Ａ）は、測定対象１０の上でプローブ１２を移動させ、測定対象１０の凹凸によりプローブ１２にかかる原子間力が微妙に変化することを読取って、測定対象１０の凹凸を可視化する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）である。このＡＦＭによれば、原子レベルの凹凸を観測することが可能であるが、計測しているのは、原子間力が一定の面である。
【０００４】
一方、図１（Ｂ）に示す粗さ計のような古典的な表面形状計測手法では、測定力がｍＮ程度あるため、測定対象１０の表面に引掻き傷が残り、硬さ一定の面を計測していることに相当する。
【０００５】
このように、センシング技術により、測定している物理量が異なる。
【０００６】
現在開発されている共振特性を利用した共振センサ（特許文献１参照）は、図１（Ｃ）に示す如く、測定対象１０とプローブ１２の相互作用を共振特性の変化として捉えようとするものである。この共振センサは、プローブ１２の先端径がμｍオーダーであり、測定対象１０の表面を傷付けない測定が可能であることから、局所的な弾性力一定の面を測定していると考えられる。
【０００７】
出願人が特許文献１で提案した共振センサは、図２に示す如く、μｍオーダーの径を持つダイヤモンドチップやルビー球等を先端２２Ａに付けた測定子（スタイラスと称する）２２に、加振用と検出用の２枚の圧電素子２４、２６を貼り付けた構造をしている。加振回路２８により共振センサ２０の加振用圧電素子２４を駆動して、スタイラス２２を長手方向（図の上下方向）に共振振動させると、検出用圧電素子２６からは、スタイラス２２の共振に応じた出力信号が得られる。この共振状態にあるスタイラス２２の先端２２Ａが測定対象と接触すると、その押込み量に応じて共振特性（周波数、位相、振幅）が変化し、検出用圧電素子２６の出力信号（検出信号とも称する）の振幅、周波数、位相が変化するので、検出回路３０で、この出力信号の変化を捉えることで、スタイラス先端２２Ａと測定対象との接触を検知することができる。接触を検知した時点での座標位置を読取るためのスケールとセンサ、あるいは測定対象の走査機構を備えることで、表面形状測定が可能になる。
【０００８】
このように、スタイラス２２の先端が測定対象と接触すると、検出用圧電素子２６の出力信号の振幅、周波数、位相が変化するが、ここでは、簡単のため、検出信号の振幅の変化を使って説明する。スタイラス２２が測定対象と接触した瞬間に、相互作用によりエネルギーの散逸が起こり、共振信号の振幅が減少する。ここで、更にスタイラスを押込んでいくと、検出信号の振幅は、スタイラス−測定対象間の距離に対して、図３に例示するように、スタイラス２２が測定対象１０の表面に接触を開始する位置（接触点）を境に、押込み量に比例して信号振幅が徐々に減少していく特性曲線となる。従って、信号振幅に閾値（図の例では９０％）を設定しておき、信号振幅が閾値を横切った時点でトリガー信号を発生させ、その時点での座標位置を測定点として読み取れば、タッチトリガー方式のセンサとして利用して座標計測が可能になる。
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−３９３７３７号公報
【特許文献２】特開平１０−１１１１４３号公報
【特許文献３】特開平６−３１４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、共振センサ２０においては、スタイラス２２の形状が薄い板状で、測定対象１０からの弾性力に対して等方的なセンサではないため、方向依存性によって特性曲線が変化する。又、測定対象表面に傷を付けない範囲では、スタイラスと測定対象表面との弾性的な相互作用によるものと考えられることから、スタイラス先端２２Ａ、測定対象１０の材質や、共振センサ２０に使っている圧電素子２４、２６の製造ロットによっても特性曲線が変化する。更には、共振センサ２０が置かれている温度や湿度といった環境によっても特性曲線は影響を受ける。これらの影響は、図４に例示するように、特性曲線の傾きの違いとなって現われる。そのため、閾値（図の例では８０％）によるトリガーサンプリングを行なうと、サンプリング時の特性曲線の傾きの違いにより大きな測定誤差を生じるという問題点を有していた。
【００１１】
一方、特許文献２には、タッチ信号プローブの正弦波状の検出出力信号から振幅情報を検波抽出することにより得られた、低周波の状態変動成分と高周波のノイズ成分が重量された直流センサ信号から急激な振幅変化点でトリガー信号を生成する際に、低周波の状態変動成分のみの信号から基準信号を生成し、これと直流センサ信号を比較して、直流センサ信号の急激な直流レベル変動成分を高精度に検知することが記載され、特許文献３には、予め登録されたパターンとの相関により測定位置を推定することが記載されている。しかしながら、共振センサにそのまま用いても、十分な効果を上げることはできなかった。
【００１２】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、共振センサの誤差要因の影響を減少させ、より高精度な測定を可能にして、使い勝手及び信頼性を向上することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、加振手段により測定子を長手方向に共振振動させ、検出手段により測定子の共振に応じた出力信号を得て、該出力信号の変化を捉えることで、測定子先端と測定対象との接触を検知するようにした共振センサの測定位置検出方法において、測定子と測定対象間の距離と、出力信号の変化状態の関係を表わす特性曲線を得て、該特性曲線から、接触開始位置に相当する出力信号の変化開始位置を推定して、測定位置とすることにより、前記課題を解決したものである。
【００１４】
ここで、タッチ式測定に際して、非接触領域と接触領域に跨るデータを得ることができる。
【００１５】
又は、倣い測定に際して、予め得ておいた非接触領域のデータと、倣い測定時に得た接触領域のデータを用いることができる。
【００１６】
本発明は、又、加振手段により測定子を長手方向に共振振動させ、検出手段により測定子の共振に応じた出力信号を得て、該出力信号の変化を捉えることで、測定対象に対する測定子先端の倣い接触を検知するようにした共振センサの測定位置検出装置において、測定子と測定対象間の距離と、出力信号の変化状態の関係を表わす特性曲線を得る手段と、該特性曲線から、接触開始位置に相当する出力信号の変化開始位置を推定して、測定位置とする手段を備えることにより、同じく前記課題を解決したものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明による測定位置推定を行なうことで、測定対象の材質やセンサの個体差、方向依存性、測定環境の影響を減少させ、より高精度な測定が可能になると同時に、これらの誤差要因の影響を補正するための煩雑な校正測定や補正処理も必要ないため、測定者の負担を大幅に軽減できると共に、信頼性の高い測定が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１９】
本発明の第１実施形態は、本発明を、測定子先端と測定対象との接触を検知するタッチ式測定に適用したもので、閾値によるトリガーサンプリングではなく、各測定点毎に特性曲線を観測し、得られた特性曲線から、接触開始位置に相当する信号振幅の減衰開始位置を推定するようにしたものである。例えば、図５に示すように、非接触領域のデータ、接触領域のデータ、それぞれから回帰直線を推定し、得られた２本の直線の交点を接触開始位置とすることができる。
【００２０】
この手法によれば、特性曲線の傾きの違いに依存しないで、接触開始位置を推定し、測定位置とすることが可能となる。
【００２１】
次に、倣い測定に適用した本発明の第２実施形態を詳細に説明する。
【００２２】
この倣い測定では、図６に示すように、特性曲線の傾斜状のある点（制御中心点）を中心として測定対象表面に追従するよう制御を行なうので、検出用圧電素子の出力信号は、特性曲線上の制御中心点を中心に昇降を繰り返すことになる。従って、昇降中の振幅を観測しておけば、特性曲線の傾斜を知ることができる。一方、非接触時の振幅は、倣い測定開始前に知ることが可能であるので、得られた傾斜データと非接触時の振幅とから信号振幅の減衰開始位置を推定することが可能となる。
【００２３】
なお、前記実施形態においては、出力信号の振幅に対する特性曲線を用いていたが、特性曲線の種類は、これに限定されず、出力信号の周波数や位相を用いても良い。加振手段や検出手段も圧電素子に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】触針による表面測定の原理を比較して示す図
【図２】本発明で用いる共振センサの測定原理を示す図
【図３】同じくスタイラス−測定対象間距離と出力信号の振幅の関係を示す特性曲線の一例を示す図
【図４】同じく特性曲線の変化例を示す図
【図５】本発明の第１実施形態における特性曲線を示す図
【図６】同じく第２実施形態における特性曲線を示す図
【符号の説明】
【００２５】
１０…測定対象
２０…共振センサ
２２…測定子（スタイラス）
２２Ａ…測定子先端
２４…加振用圧電素子
２６…検出用圧電素子
２８…加振回路
３０…検出回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共振特性を利用した共振センサの測定位置検出方法及び装置に係り、特に、形状測定機、３次元測定機、画像測定機等の共振センサが装着可能な測定機器に用いるのに好適な、加振手段により測定子を長手方向に共振振動させ、検出手段により測定子の共振に応じた出力信号を得て、該出力信号の変化を捉えることで、測定子先端と測定対象との接触を検知するようにした共振センサの測定位置検出方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
触針によるナノレベルでの表面形状測定で従来から用いられている手法を図１に示す。
【０００３】
図１（Ａ）は、測定対象１０の上でプローブ１２を移動させ、測定対象１０の凹凸によりプローブ１２にかかる原子間力が微妙に変化することを読取って、測定対象１０の凹凸を可視化する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）である。このＡＦＭによれば、原子レベルの凹凸を観測することが可能であるが、計測しているのは、原子間力が一定の面である。
【０００４】
一方、図１（Ｂ）に示す粗さ計のような古典的な表面形状計測手法では、測定力がｍＮ程度あるため、測定対象１０の表面に引掻き傷が残り、硬さ一定の面を計測していることに相当する。
【０００５】
このように、センシング技術により、測定している物理量が異なる。
【０００６】
現在開発されている共振特性を利用した共振センサ（特許文献１参照）は、図１（Ｃ）に示す如く、測定対象１０とプローブ１２の相互作用を共振特性の変化として捉えようとするものである。この共振センサは、プローブ１２の先端径がμｍオーダーであり、測定対象１０の表面を傷付けない測定が可能であることから、局所的な弾性力一定の面を測定していると考えられる。
【０００７】
出願人が特許文献１で提案した共振センサは、図２に示す如く、μｍオーダーの径を持つダイヤモンドチップやルビー球等を先端２２Ａに付けた測定子（スタイラスと称する）２２に、加振用と検出用の２枚の圧電素子２４、２６を貼り付けた構造をしている。加振回路２８により共振センサ２０の加振用圧電素子２４を駆動して、スタイラス２２を長手方向（図の上下方向）に共振振動させると、検出用圧電素子２６からは、スタイラス２２の共振に応じた出力信号が得られる。この共振状態にあるスタイラス２２の先端２２Ａが測定対象と接触すると、その押込み量に応じて共振特性（周波数、位相、振幅）が変化し、検出用圧電素子２６の出力信号（検出信号とも称する）の振幅、周波数、位相が変化するので、検出回路３０で、この出力信号の変化を捉えることで、スタイラス先端２２Ａと測定対象との接触を検知することができる。接触を検知した時点での座標位置を読取るためのスケールとセンサ、あるいは測定対象の走査機構を備えることで、表面形状測定が可能になる。
【０００８】
このように、スタイラス２２の先端が測定対象と接触すると、検出用圧電素子２６の出力信号の振幅、周波数、位相が変化するが、ここでは、簡単のため、検出信号の振幅の変化を使って説明する。スタイラス２２が測定対象と接触した瞬間に、相互作用によりエネルギーの散逸が起こり、共振信号の振幅が減少する。ここで、更にスタイラスを押込んでいくと、検出信号の振幅は、スタイラス−測定対象間の距離に対して、図３に例示するように、スタイラス２２が測定対象１０の表面に接触を開始する位置（接触点）を境に、押込み量に比例して信号振幅が徐々に減少していく特性曲線となる。従って、信号振幅に閾値（図の例では９０％）を設定しておき、信号振幅が閾値を横切った時点でトリガー信号を発生させ、その時点での座標位置を測定点として読み取れば、タッチトリガー方式のセンサとして利用して座標計測が可能になる。
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−３９３７３７号公報
【特許文献２】特開平１０−１１１１４３号公報
【特許文献３】特開平６−３１４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、共振センサ２０においては、スタイラス２２の形状が薄い板状で、測定対象１０からの弾性力に対して等方的なセンサではないため、方向依存性によって特性曲線が変化する。又、測定対象表面に傷を付けない範囲では、スタイラスと測定対象表面との弾性的な相互作用によるものと考えられることから、スタイラス先端２２Ａ、測定対象１０の材質や、共振センサ２０に使っている圧電素子２４、２６の製造ロットによっても特性曲線が変化する。更には、共振センサ２０が置かれている温度や湿度といった環境によっても特性曲線は影響を受ける。これらの影響は、図４に例示するように、特性曲線の傾きの違いとなって現われる。そのため、閾値（図の例では８０％）によるトリガーサンプリングを行なうと、サンプリング時の特性曲線の傾きの違いにより大きな測定誤差を生じるという問題点を有していた。
【００１１】
一方、特許文献２には、タッチ信号プローブの正弦波状の検出出力信号から振幅情報を検波抽出することにより得られた、低周波の状態変動成分と高周波のノイズ成分が重量された直流センサ信号から急激な振幅変化点でトリガー信号を生成する際に、低周波の状態変動成分のみの信号から基準信号を生成し、これと直流センサ信号を比較して、直流センサ信号の急激な直流レベル変動成分を高精度に検知することが記載され、特許文献３には、予め登録されたパターンとの相関により測定位置を推定することが記載されている。しかしながら、共振センサにそのまま用いても、十分な効果を上げることはできなかった。
【００１２】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、共振センサの誤差要因の影響を減少させ、より高精度な測定を可能にして、使い勝手及び信頼性を向上することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、加振手段により測定子を長手方向に共振振動させ、検出手段により測定子の共振に応じた出力信号を得て、該出力信号の変化を捉えることで、測定子先端と測定対象との接触を検知するようにした共振センサの測定位置検出方法において、測定子と測定対象間の距離と、出力信号の変化状態の関係を表わす特性曲線を得て、該特性曲線から、接触開始位置に相当する出力信号の変化開始位置を推定して、測定位置とすることにより、前記課題を解決したものである。
【００１４】
ここで、タッチ式測定に際して、非接触領域と接触領域に跨るデータを得ることができる。
【００１５】
又は、倣い測定に際して、予め得ておいた非接触領域のデータと、倣い測定時に得た接触領域のデータを用いることができる。
【００１６】
本発明は、又、加振手段により測定子を長手方向に共振振動させ、検出手段により測定子の共振に応じた出力信号を得て、該出力信号の変化を捉えることで、測定対象に対する測定子先端の倣い接触を検知するようにした共振センサの測定位置検出装置において、測定子と測定対象間の距離と、出力信号の変化状態の関係を表わす特性曲線を得る手段と、該特性曲線から、接触開始位置に相当する出力信号の変化開始位置を推定して、測定位置とする手段を備えることにより、同じく前記課題を解決したものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明による測定位置推定を行なうことで、測定対象の材質やセンサの個体差、方向依存性、測定環境の影響を減少させ、より高精度な測定が可能になると同時に、これらの誤差要因の影響を補正するための煩雑な校正測定や補正処理も必要ないため、測定者の負担を大幅に軽減できると共に、信頼性の高い測定が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１９】
本発明の第１実施形態は、本発明を、測定子先端と測定対象との接触を検知するタッチ式測定に適用したもので、閾値によるトリガーサンプリングではなく、各測定点毎に特性曲線を観測し、得られた特性曲線から、接触開始位置に相当する信号振幅の減衰開始位置を推定するようにしたものである。例えば、図５に示すように、非接触領域のデータ、接触領域のデータ、それぞれから回帰直線を推定し、得られた２本の直線の交点を接触開始位置とすることができる。
【００２０】
この手法によれば、特性曲線の傾きの違いに依存しないで、接触開始位置を推定し、測定位置とすることが可能となる。
【００２１】
次に、倣い測定に適用した本発明の第２実施形態を詳細に説明する。
【００２２】
この倣い測定では、図６に示すように、特性曲線の傾斜状のある点（制御中心点）を中心として測定対象表面に追従するよう制御を行なうので、検出用圧電素子の出力信号は、特性曲線上の制御中心点を中心に昇降を繰り返すことになる。従って、昇降中の振幅を観測しておけば、特性曲線の傾斜を知ることができる。一方、非接触時の振幅は、倣い測定開始前に知ることが可能であるので、得られた傾斜データと非接触時の振幅とから信号振幅の減衰開始位置を推定することが可能となる。
【００２３】
なお、前記実施形態においては、出力信号の振幅に対する特性曲線を用いていたが、特性曲線の種類は、これに限定されず、出力信号の周波数や位相を用いても良い。加振手段や検出手段も圧電素子に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】触針による表面測定の原理を比較して示す図
【図２】本発明で用いる共振センサの測定原理を示す図
【図３】同じくスタイラス−測定対象間距離と出力信号の振幅の関係を示す特性曲線の一例を示す図
【図４】同じく特性曲線の変化例を示す図
【図５】本発明の第１実施形態における特性曲線を示す図
【図６】同じく第２実施形態における特性曲線を示す図
【符号の説明】
【００２５】
１０…測定対象
２０…共振センサ
２２…測定子（スタイラス）
２２Ａ…測定子先端
２４…加振用圧電素子
２６…検出用圧電素子
２８…加振回路
３０…検出回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加振手段により測定子を長手方向に共振振動させ、検出手段により測定子の共振に応じた出力信号を得て、該出力信号の変化を捉えることで、測定子先端と測定対象との接触を検知するようにした共振センサの測定位置検出方法において、
測定子と測定対象間の距離と、出力信号の変化状態の関係を表わす特性曲線を得て、
該特性曲線から、接触開始位置に相当する出力信号の変化開始位置を推定して、測定位置とすることを特徴とする共振センサの測定位置検出方法。
【請求項２】
タッチ式測定に際して、非接触領域と接触領域に跨るデータを得ることを特徴とする請求項１に記載の共振センサの測定位置検出方法。
【請求項３】
倣い測定に際して、予め得ておいた非接触領域のデータと、倣い測定時に得た接触領域のデータを用いることを特徴とする請求項１に記載の共振センサの測定位置検出方法。
【請求項４】
加振手段により測定子を長手方向に共振振動させ、検出手段により測定子の共振に応じた出力信号を得て、該出力信号の変化を捉えることで、測定対象に対する測定子先端の倣い接触を検知するようにした共振センサの測定位置検出装置において、
測定子と測定対象間の距離と、出力信号の変化状態の関係を表わす特性曲線を得る手段と、
該特性曲線から、接触開始位置に相当する出力信号の変化開始位置を推定して、測定位置とする手段と、
を備えたことを特徴とする共振センサの測定位置検出装置。
【請求項１】
加振手段により測定子を長手方向に共振振動させ、検出手段により測定子の共振に応じた出力信号を得て、該出力信号の変化を捉えることで、測定子先端と測定対象との接触を検知するようにした共振センサの測定位置検出方法において、
測定子と測定対象間の距離と、出力信号の変化状態の関係を表わす特性曲線を得て、
該特性曲線から、接触開始位置に相当する出力信号の変化開始位置を推定して、測定位置とすることを特徴とする共振センサの測定位置検出方法。
【請求項２】
タッチ式測定に際して、非接触領域と接触領域に跨るデータを得ることを特徴とする請求項１に記載の共振センサの測定位置検出方法。
【請求項３】
倣い測定に際して、予め得ておいた非接触領域のデータと、倣い測定時に得た接触領域のデータを用いることを特徴とする請求項１に記載の共振センサの測定位置検出方法。
【請求項４】
加振手段により測定子を長手方向に共振振動させ、検出手段により測定子の共振に応じた出力信号を得て、該出力信号の変化を捉えることで、測定対象に対する測定子先端の倣い接触を検知するようにした共振センサの測定位置検出装置において、
測定子と測定対象間の距離と、出力信号の変化状態の関係を表わす特性曲線を得る手段と、
該特性曲線から、接触開始位置に相当する出力信号の変化開始位置を推定して、測定位置とする手段と、
を備えたことを特徴とする共振センサの測定位置検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−３６６３２（Ｐ２００９−３６６３２Ａ）
【公開日】平成２１年２月１９日（２００９．２．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２０１１６２（Ｐ２００７−２０１１６２）
【出願日】平成１９年８月１日（２００７．８．１）
【出願人】（０００１３７６９４）株式会社ミツトヨ (979)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月１９日（２００９．２．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月１日（２００７．８．１）
【出願人】（０００１３７６９４）株式会社ミツトヨ (979)
【Ｆターム（参考）】
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