測定制御装置、表面性状測定装置、および、測定制御方法
【課題】測定能率を下げることなく、力センサおよび被測定物の接触時のオーバーシュートを簡単な構成で抑制できる三次元測定装置の提供。
【解決手段】三次元測定装置の接近制御手段２３４は、位置制御ループＲＰを有効にし、位置制御により駆動アクチュエータ１３３を駆動させて力センサ１を接近位置に到達させる。接触制御手段２３５は、力センサ１が接近位置に到達したことを認識すると、スイッチ２２７を制御して力制御ループＲＦを有効にし、力制御により駆動アクチュエータ１３３を駆動させて力センサ１を被測定物に接触させる。
【解決手段】三次元測定装置の接近制御手段２３４は、位置制御ループＲＰを有効にし、位置制御により駆動アクチュエータ１３３を駆動させて力センサ１を接近位置に到達させる。接触制御手段２３５は、力センサ１が接近位置に到達したことを認識すると、スイッチ２２７を制御して力制御ループＲＦを有効にし、力制御により駆動アクチュエータ１３３を駆動させて力センサ１を被測定物に接触させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定制御装置、表面性状測定装置、および、測定制御方法に関する。例えば、加振型センサにより被測定物の形状や表面粗さなどの表面性状の測定に用いられる測定制御装置、表面性状測定装置、および、測定制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
被測定物の表面を走査して被測定物の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として、粗さ測定機、輪郭測定機、真円度測定機、三次元測定機などが知られている。
このような測定機において、接触部が被測定物の表面に接触した微小変位に基づいて被測定物表面を検出するセンサとして、例えば図７に示すような加振型力センサ（以下、力センサと適宜称す）１が利用されている。
【０００３】
この図７に示す力センサ１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）させる加振素子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素子５とから構成されている。スタイラス３の先端には、ダイヤモンドチップやルビーなどで構成された接触部としての触針６が接着固定されている。加振素子４および検出素子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。
【０００４】
いま、図８に示すように、力センサ１の加振素子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、検出素子５では、特定の周波数と振幅の検出信号Ｑo（電圧信号）が得られる。
被測定物Ｗとの接触に伴う検出信号Ｑoの振幅変化を図９に示す。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をもつ加振信号Ｐiを加振素子４に加えると、スタイラス３が共振し、検出素子５に振幅Ａoの検出信号Ｑoが得られる。スタイラス３が被測定物Ｗに接触すると、検出信号Ｑoの振幅がＡoからＡxに減衰する。
【０００５】
この減衰率ｋ（Ａx／Ａo）と測定力との間には、図１０に示す関係がある。
ここで、スタイラス３（力センサ１）が被測定物Ｗに接触したときの検出信号Ｑoが非接触時の９０％に減衰している場合（減衰率ｋ＝０．９の状態）を例にとる。図１０の関係より、この接触状態における測定力は１３５［μＮ］であることがわかる。
従って、力センサ１を被測定物Ｗに接触させる際、減衰率ｋが常に一定となるように、駆動アクチュエータなどを用いて力センサ１と被測定物Ｗとの距離を制御すれば、測定力一定状態で被測定物Ｗの形状や粗さを測定することができる。
このような力センサ１を有する表面性状測定装置では、力センサおよび被測定物の接触時のオーバーシュートを最小限に抑える構成が望まれている。
【０００６】
ところで、このような力センサ１と同様の原理、あるいは異なる原理により測定可能な力センサを有する表面性状測定装置が知られている（例えば、特許文献１ないし特許文献３参照）。
また、所定の部材の位置を制御する構成が知られている（例えば、特許文献４ないし特許文献６参照）。
【０００７】
特許文献１に記載のものは、スタイラスを被測定物の表面に当接させる。また、検出用電極にて、スタイラスの測定力を検出して、この検出信号を検出回路を介して測定力制御回路に送る。そして、測定力制御回路にて、あらかじめ設定された測定力に対応する信号値と、検出回路からの信号との差を演算し、測定力調整機構を制御して、スタイラスと被測定物との測定力を所定値に維持する構成が採られている。
【０００８】
特許文献２に記載のものは、制御装置にて、三次元測定機からの指令値、三軸スライダに設けられたスケールからのＸ，Ｙ，Ｚ方向の位置情報、および、歪ゲージで検出された真の測定力を受け取る。そして、歪ゲージで検出された真の測定力と、三次元測定機から指令された測定値との誤差が小さくなるように、アクチュエータをフィードバック制御する構成が採られている。
【０００９】
特許文献３に記載のものは、位置制御の開始後、圧力が接触判定圧力を継続して所定時間超えるまでＺスライダを被測定物に近づけ、所定時間を超えたらＺスライダを停止させる。この後、所定時間における圧力の平均値を求め、この平均値が目標圧力に達したら、Ｚスライダの制御を位置制御から圧力制御に切り替える構成が採られている。
【００１０】
特許文献４に記載のものは、位置指令発生器にて、移動体を動かしたい位置の目標位置データを位置指令として出力する。また、速度フィードフォワードパルス設定器にて、パルスの振幅、幅、周期などを任意に設定する。さらに、速度フィードフォワードパルス発生器にて、位置指令発生器が位置指令を出力し終わった後に速度フィードフォワードパルス設定器で設定されたパルスを、速度フィードフォワード信号として出力する。そして、減算器などにより、速度フィードフォワード信号などに基づいて、移動体を目標位置に制御する構成が採られている。
【００１１】
特許文献５に記載のものは、位置指令とフィードバック信号との位置偏差の絶対値が大きいときにモータのモータ回転角度位置信号をフィードバックし、小さいときに機械可動部の位置信号をフィードバックするような配分機構により、オーバーシュートを小さくする構成が採られている。
【００１２】
特許文献６に記載のものは、ヘッドをディスク上の所定位置に位置決めするコースアクチュエータと、このコースアクチュエータにより決められた位置でヘッドの位置を微調整するファインアクチュエータとを備えている。そして、これらコースアクチュエータおよびファインアクチュエータを制御して、ヘッド位置のオーバーシュートを抑制する構成が採られている。
【００１３】
【特許文献１】特開２０００−１８０１５６号公報
【特許文献２】特開２００５−４３１７７号公報
【特許文献３】特開２００４−７７３０７号公報
【特許文献４】特開２００１−１６６８３１号公報
【特許文献５】特開２０００−８９８２９号公報
【特許文献６】特開２０００−１１５６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、特許文献１および特許文献２のような構成では、力センサの測定力を検出し、この検出した測定力に基づいて力センサの位置を制御するため、力センサおよび被測定物の接触時のオーバーシュートが大きくなり力センサや被測定物が破損してしまうおそれがある。
【００１５】
特許文献３のような構成では、Ｚスライダ全体を制御するため、Ｚスライダの慣性により、オーバーシュートが大きくなり力センサや被測定物が破損してしまうおそれがある。
【００１６】
特許文献４のような構成では、あらかじめ設定された目標位置の位置指令に基づいて移動体の位置を制御するため、被測定物の形状に応じて力センサの現在位置から被測定物までの距離が異なる表面性状測定装置に適用することが困難なおそれがある。
【００１７】
特許文献５のような構成では、位置指令とフィードバック信号との位置偏差によりフィードバック信号の大きさの割合を決定するため、表面性状測定装置に適用した場合、力センサおよび被測定物を接近させる速度が遅くなり、測定箇所が多い場合、測定能率が悪化するおそれがある。
【００１８】
特許文献６のような構成では、コースアクチュエータおよびファインアクチュエータを動かして位置を制御するため、このような構成を表面性状測定装置に適用した場合、２つのアクチュエータを制御する構成が複雑になるおそれがある。
【００１９】
本発明の目的は、このような実情などに鑑みて、測定能率を下げることなく、力センサおよび被測定物の接触時のオーバーシュートを簡単な構成で抑制可能な測定制御装置、表面性状測定装置、および、測定制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の測定制御装置は、被測定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、この力センサによる被測定物の測定位置を検出し測定位置情報として出力する位置検出手段、および、前記力センサを被測定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、前記力センサからの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、力フィードバック信号が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、前記位置検出手段からの測定位置情報を位置フィードバック信号として位置設定値と比較し、位置フィードバック信号が位置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位置制御ループと、前記力制御ループおよび前記位置制御ループのうちいずれか一方を有効にする制御ループ切替手段と、を有する測定制御装置であって、前記制御ループ切換手段を制御して前記位置制御ループを有効にし、前記位置フィードバック信号が位置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て前記力センサを前記被測定物に接近した状態に位置させる接近制御手段と、この接近制御手段の制御により前記力センサが前記被測定物に接近した状態に位置したことを認識すると、前記制御ループ切換手段を制御して前記力制御ループを有効にし、前記力フィードバック信号が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て前記力センサを前記被測定物に接触させる接触制御手段と、を備えていることを特徴とする。
【００２１】
この発明によれば、接近制御手段にて、位置制御ループを有効にし、位置フィードバック信号が位置設定値に一致するように力センサ移動手段を駆動させて力センサを被測定物に接近した状態に位置させる。そして、接触制御手段にて、力センサが被測定物に接近した状態に位置したことを認識すると、制御ループ切換手段を制御して力制御ループを有効にし、力フィードバック信号が力設定値に一致するように力センサ移動手段を駆動させて力センサを被測定物に接触させる。
このため、力センサが被測定物に接触する前に位置制御から力制御に切り替え、力制御により力センサを被測定物に接触させるので、力センサが被測定物に接触した後に力制御を実施する従来の構成と比べて、接触時のオーバーシュートを抑制できる。
また、プローブ全体ではなく力センサを移動させるので、力センサの移動時の慣性を小さくすることが可能となり、このような慣性によるオーバーシュートの増大を抑制できる。
そして、力センサを被測定物に接触させるための移動量をあらかじめ設定する必要がないため、被測定物の形状に応じて力センサの現在位置から被測定物までの距離が異なる表面性状測定装置に適用することができる。
また、位置制御により力センサを被測定物に接近させてから、力制御に切り替えるので、測定箇所が多い場合であっても、測定能率の低下を抑制できる。
さらに、１つの力センサ移動手段により力センサを被測定物に対して移動させればよく、この移動を制御する構成の複雑化を招くことがない。
したがって、測定能率を下げることなく、力センサおよび被測定物の接触時のオーバーシュートを簡単な構成で抑制できる。
【００２２】
本発明の測定制御装置において、前記力センサは、先端に接触部を有するスタイラスと、このスタイラスを振動させる加振素子と、前記スタイラスの振動状態を検出し検出信号として出力する検出素子と、を備えていることが好ましい。
この発明によれば、力センサを、スタイラスと、加振素子と、検出素子とで構成している。
このため、小さい測定力で高精度な測定が可能ないわゆる加振型力センサおよび被測定物の接触時のオーバーシュートを抑制でき、より高精度な測定が可能な測定制御装置を提供できる。
【００２３】
本発明の表面性状測定装置は、上述した測定制御装置と、この測定制御装置の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被測定物とを相対移動させるプローブ相対移動手段と、このプローブ相対移動手段を制御して、前記プローブの力センサおよび前記被測定物を前記測定制御装置の前記接近制御手段の制御による前記接近した状態よりも離れた状態に位置させるプローブ位置制御手段と、を備え、前記接近制御手段は、前記プローブ位置制御手段の制御により前記力センサおよび前記被測定物が前記接近した状態よりも離れた状態に位置したことを認識すると、前記力センサを前記被測定物に接近した状態に位置させることを特徴とする。
【００２４】
本発明の測定制御方法は、被測定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、この力センサによる被測定物の測定位置を検出し測定位置情報として出力する位置検出手段、および、前記力センサを被測定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、前記力センサからの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、力フィードバック信号が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、前記位置検出手段からの測定位置情報を位置フィードバック信号として位置設定値と比較し、位置フィードバック信号が位置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位置制御ループと、前記力制御ループおよび位置制御ループのうちいずれか一方を有効にする制御ループ切替手段と、を有する測定制御装置において、前記力センサを前記被測定物に接触させる測定制御方法であって、前記制御ループ切換手段を制御して前記位置制御ループを有効にし、前記位置フィードバック信号が位置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て前記力センサを前記被測定物に接近した状態に位置させ、この制御により前記力センサが前記被測定物に接近した状態に位置したことを認識すると、前記制御ループ切換手段を制御して前記力制御ループを有効にし、前記力フィードバック信号が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て前記力センサを前記被測定物に接触させることを特徴とする。
【００２５】
これらの発明によれば、上述したような測定制御装置と同様の作用効果を奏することが可能な表面性状測定装置、および、測定制御方法を提供可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下に、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２７】
〔三次元測定装置の構成〕
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。
図１は、本発明の一実施形態に係る三次元測定装置を構成する三次元測定機の斜視図である。図２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３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。
【００２８】
三次元測定装置１０は、図１に示すような三次元測定機１００と、図２に示すような制御装置２００と、を備えている。
【００２９】
三次元測定機１００は、図１に示すように、載置部１１０と、測定手段１２０と、を備えている。
【００３０】
載置部１１０は、被測定物を載置するために精密平坦加工された上面を備えた偏平四角柱状に形成されている。
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、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。
【００３１】
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。
【００３２】
プローブ１３０は、図１および図３に示すように、相対移動機構１４０に設けられた略長方形箱状のケース体１３１と、このケース体１３１の内部に長手方向一端が外部に露出する状態で設けられた長手状のプローブ本体１３２と、このプローブ本体１３２の長手方向一端側に設けられた力センサ１と、プローブ本体１３２を保持し力センサ１を被測定物に対してＺ方向に進退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、プローブ本体１３２に取り付けられたスケール１３４と、このスケール１３４に基づき駆動アクチュエータ１３３による力センサ１の変位量（つまり、力センサ１による被測定物の測定位置情報）を検出する位置検出手段としてのスケール検出器１３５と、を備えている。
【００３３】
相対移動機構１４０は、Ｙ方向スライド機構１５０と、Ｘ方向スライド機構１６０と、Ｚ方向スライド機構１７０と、を備えている。
【００３４】
Ｙ方向スライド機構１５０は、図１および図２に示すように、載置部１１０上でＹ方向に設けられたＹガイドレール１５１と、このＹガイドレール１５１に沿って移動可能に設けられたプローブ相対移動手段としてのＹスライダ１５２Ｒと、Ｙスライダ１５２Ｒと対になって載置部１１０上をＹ方向へ移動するプローブ相対移動手段としてのＹスライダ１５２Ｌと、このＹスライダ１５２Ｒ，１５２Ｌのそれぞれの上に立設された支柱１５３Ｒ，１５３Ｌと、この２本の支柱１５３Ｒ，１５３Ｌに両端を支持されたＸビーム１５４と、Ｙスライダ１５２Ｒ，１５２ＬをＹ方向へ移動させるＹ方向駆動手段１５５と、を備えている。
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、Ｙスライダ１５２Ｒ，１５２ＬをＹ方向へ移動させる。
Ｙガイドレール１５１とＹスライダ１５２Ｒ、載置部１１０とＹスライダ１５２Ｌとの間には、図示しないエアベアリングが設けられている。そして、Ｙガイドレール１５１とＹスライダ１５２Ｒの相対移動量は、図示しない変位検出器によって測定される。
【００３５】
Ｘ方向スライド機構１６０は、図１および図２に示すように、Ｘビーム１５４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プローブ相対移動手段としての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１５４とＸスライダ１６１との相対移動量は、図示しない変位検出器によって測定される。
【００３６】
Ｚ方向スライド機構１７０は、図１および図２に示すように、Ｘスライダ１６１に固定されたＺ軸支持部材１７１と、このＺ軸支持部材１７１に対してＺ方向に摺動しながら移動するプローブ相対移動手段およびプローブ保持部としての可動アーム１７２と、この可動アーム１７２をＺ方向へ移動させるＺ方向駆動手段１７３と、を備えている。
可動アーム１７２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１７３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１７２をプローブ本体１３２とは独立的にＺ方向へ移動させる。
Ｚ軸支持部材１７１と可動アーム１７２との相対移動量は、図示しない変位検出器によって測定される。
【００３７】
制御装置２００は、図２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１７３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。
【００３８】
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１７３と、に接続されている。そして、これらを制御して、Ｙスライダ１５２Ｒ，１５２Ｌ、Ｘスライダ１６１、可動アーム１７２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。ここで、プローブ制御可能位置とは、駆動アクチュエータ１３３の駆動のみにより力センサ１を被測定物に接触させることが可能な位置を意味する。
【００３９】
コントローラ２２０は、図３に示すように、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、スケール検出器１３５からの信号をカウントし力センサ１の測定位置情報を位置測定値として出力するカウンタ２２３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、カウンタ２２３からの位置信号を微分して速度信号に変換する時間微分回路２２６と、制御ループ切替手段としてのスイッチ２２７と、時間微分回路２２６からの出力とスイッチ２２７を介して取り込んだ力制御補償器２２５からの出力との偏差を求める演算器２２８と、この演算器２２８からの出力を入力とした速度補償器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、カウンタ２２３の測定値（位置情報）と目標位置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出力をスイッチ２２７を通じて演算器２２８へ与える位置制御補償器２３２と、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のコントローラ制御部２３３と、を備えている。
【００４０】
そして、力センサ１、Ａ／Ｄ変換回路２２２、演算器２２４、力制御補償器２２５、演算器２２８、速度補償器２２９、駆動アンプ２３０、および、駆動アクチュエータ１３３を含んで、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を駆動させる力制御ループＲＦが構成されている。
また、スケール検出器１３５、カウンタ２２３、演算器２３１、位置制御補償器２３２、演算器２２８、速度補償器２２９、駆動アンプ２３０、および、駆動アクチュエータ１３３を含んで、スケール検出器１３５からの測定位置情報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を駆動させる位置制御ループＲＰが構成されている。
スイッチ２２７は、コントローラ制御部２３３により制御され、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。
ここで、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、位置制御ループＲＰによる駆動アクチュエータ１３３の制御を位置制御と、それぞれ称して説明する。
【００４１】
コントローラ制御部２３３は、力センサ１を被測定物に接近させる制御をする接近制御手段２３４と、力センサ１を被測定物に接触させる制御をする接触制御手段２３５と、を備えている。
【００４２】
接近制御手段２３４は、ＸＹＺ駆動制御手段２１０の制御によりプローブ１３０がプローブ制御可能位置に到達したことを認識すると、スイッチ２２７を制御して位置制御ループＲＰを有効にする。そして、位置制御により駆動アクチュエータ１３３を駆動させ、力センサ１を被測定物に近接する接近位置に到達させる。
【００４３】
接触制御手段２３５は、接近制御手段２３４の制御により力センサ１が接近位置に到達したことを認識すると、スイッチ２２７を制御して力制御ループＲＦを有効にする。そして、力制御により駆動アクチュエータ１３３を駆動させ、力センサ１を被測定物に接触させる。
【００４４】
〔三次元測定装置の動作〕
次に、三次元測定装置１０の動作について説明する。
図４は、測定処理時における力センサおよび被測定物の位置関係を示す模式図であり、（Ａ）は初期状態を示し、（Ｂ）は（Ａ）の状態からＸ方向駆動手段、Ｙ方向駆動手段、Ｚ方向駆動手段の駆動により力センサがプローブ制御可能位置に到達した際の状態を示し、（Ｃ）は（Ｂ）の状態から位置制御よる駆動アクチュエータの駆動により力センサが接近位置に到達した際の状態を示し、（Ｄ）は（Ｃ）の状態から力制御による駆動アクチュエータの駆動により力センサが被測定物に接触した際の状態を示す。図５は、三次元測定装置を用いた測定処理を示すフローチャートである。図６は、被測定物を測定する様子を示す概念図である。
【００４５】
まず、測定者は、図４（Ａ）に示すように、被測定物Ｗを載置部１１０に載置する。
三次元測定装置１０は、図５に示すように、ＸＹＺ駆動制御手段２１０にて、Ｘ方向駆動手段１６２、Ｙ方向駆動手段１５５、Ｚ方向駆動手段１７３を駆動させ（ステップＳ１）、力センサ１が図４（Ｂ）に示すようなプローブ制御可能位置に到達したか否かを判断する（ステップＳ２）。このステップＳ２において、プローブ制御可能位置に到達していないと判断した場合、ステップＳ１の処理を実施する。
【００４６】
一方、ステップＳ２において、力センサ１がプローブ制御可能位置に到達したと判断した場合、接近制御手段２３４にて、位置制御ループＲＰを有効にして、位置制御により駆動アクチュエータ１３３を駆動させ（ステップＳ３）、力センサ１が図４（Ｃ）に示すような接近位置に到達したか否かを判断する（ステップＳ４）。そして、ステップＳ４において、接近位置に到達していないと判断した場合、ステップＳ３の処理を実施する。
【００４７】
また、ステップＳ４において、接近位置に到達したと判断した場合、接触制御手段２３５にて、力制御ループＲＦを有効にして、力制御により駆動アクチュエータ１３３を駆動させる（ステップＳ５）。そして、図４（Ｄ）に示すように、力制御を維持した状態で力センサ１を被測定物Ｗに接触させ、力制御で測定を実施する（ステップＳ６）。
このような制御により、図６に示すように、力制御で被測定物Ｗの形状を測定することが可能となる。
【００４８】
〔実施形態の作用効果〕
上述した実施形態によれば、以下のような作用効果を奏することができる。
【００４９】
（１）三次元測定装置１０は、接近制御手段２３４にて、位置制御ループＲＰを有効にし、位置制御により駆動アクチュエータ１３３を駆動させて力センサ１を接近位置に到達させる。そして、接触制御手段２３５にて、力センサ１が接近位置に到達したことを認識すると、スイッチ２２７を制御して力制御ループＲＦを有効にし、力制御により駆動アクチュエータ１３３を駆動させて力センサ１を被測定物Ｗに接触させる。
このため、力センサ１が被測定物Ｗに接触する前に位置制御から力制御に切り替え、力制御により力センサ１を被測定物Ｗに接触させるので、力センサ１が被測定物Ｗに接触した後に力制御を実施する従来の構成と比べて、接触時のオーバーシュートを抑制できる。具体的には、上述した従来の構成では、数μｍ〜数十μｍのオーバーシュートが発生するおそれがあるのに対し、オーバーシュートを１０ｎｍ程度まで抑えることができる。
また、プローブ１３０全体ではなく力センサ１を移動させるので、力センサ１の移動時の慣性を小さくすることができ、このような慣性によるオーバーシュートの増大を抑制できる。
そして、力センサ１を被測定物Ｗに接触させるための移動量をあらかじめ設定する必要がないため、被測定物Ｗの形状に応じて力センサ１の現在位置から被測定物までの距離が異なる三次元測定装置１０に適用することができる。
また、位置制御により力センサ１を被測定物Ｗに接近させてから、力制御に切り替えるので、測定箇所が多い場合であっても、測定能率の低下を抑制できる。
さらに、１つの駆動アクチュエータ１３３により力センサ１を移動させればよく、この移動を制御する構成の複雑化を招くことがない。
したがって、測定能率を下げることなく、力センサ１および被測定物Ｗの接触時のオーバーシュートを簡単な構成で抑制できる。
【００５０】
（２）本発明の力センサとして、スタイラス３と、加振素子４と、検出素子５とから構成される加振型力センサ１を適用している。
このため、小さい測定力で高精度な測定が可能な加振型力センサ１および被測定物Ｗの接触時のオーバーシュートを抑制でき、より高精度な測定が可能な三次元測定装置１０を提供できる。
【００５１】
（３）三次元測定装置１０に、力センサ１、スケール検出器１３５、駆動アクチュエータ１３３を有するプローブ１３０と、力制御ループＲＦと、位置制御ループＲＰと、スイッチ２２７と、上述したような接近制御手段２３４および接触制御手段２３５と、プローブ１３０を移動させる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１７３と、プローブ制御可能位置まで移動させる制御をするＸＹＺ駆動制御手段２１０と、を設けた構成としている。
このため、上述したような（１）、（２）の作用効果を奏することが可能な三次元測定装置１０を提供できる。
【００５２】
〔実施形態の変形〕
なお、本発明は、上述した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以下に示される変形をも含むものである。
【００５３】
すなわち、力センサ１を、力センサ１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。またスタイラス３を軸方向へ振動させるようにしたが、これに限らず、スタイラス３の軸に対して交差する方向に振動させるようにしてもよい。
また、加振型力センサ１を用いたが、これに限らず、被測定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、他のセンサであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、被測定物の表面粗さを測定する表面粗さ測定機、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。特に、微細形状の測定に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の一実施形態に係る三次元測定装置を構成する三次元測定機の斜視図である。
【図２】前記一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である。
【図３】前記一実施形態における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。
【図４】前記一実施形態における測定処理時における力センサおよび被測定物の位置関係を示す模式図であり、（Ａ）は初期状態を示し、（Ｂ）は（Ａ）の状態からＸ方向駆動手段、Ｙ方向駆動手段、Ｚ方向駆動手段の駆動により力センサがプローブ制御可能位置に到達した際の状態を示し、（Ｃ）は（Ｂ）の状態から位置制御よる駆動アクチュエータの駆動により力センサが接近位置に到達した際の状態を示し、（Ｄ）は（Ｃ）の状態から力制御による駆動アクチュエータの駆動により力センサが被測定物に接触した際の状態を示す。
【図５】前記一実施形態における三次元測定装置を用いた測定処理を示すフローチャートである。
【図６】前記一実施形態における被測定物を測定する様子を示す概念図である。
【図７】力センサの構成を示す分解斜視図である。
【図８】力センサに与える加振信号と検出信号を示す図である。
【図９】力センサが被測定物と接触した際の検出信号の変化を示す図である。
【図１０】力センサの検出信号の減衰率と測定力との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１…加振型力センサ
３…スタイラス
４…加振素子
５…検出素子
１０…表面性状測定装置としての三次元測定装置
１３０…プローブ
１３３…力センサ移動手段としての駆動アクチュエータ
１３５…位置検出手段としてのスケール検出器
１５２Ｒ，１５２Ｌ…プローブ相対移動手段としてのＹスライダ
１６１…プローブ相対移動手段としてのＸスライダ
１７２…プローブ相対移動手段およびプローブ保持部としての可動アーム
２１０…プローブ位置制御手段としてのＸＹＺ駆動制御手段
２２７…制御ループ切替手段としてのスイッチ
２３３…測定制御装置としてのコントローラ制御部
２３４…接近制御手段
２３５…接触制御手段
ＲＰ…位置制御ループ
ＲＦ…力制御ループ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定制御装置、表面性状測定装置、および、測定制御方法に関する。例えば、加振型センサにより被測定物の形状や表面粗さなどの表面性状の測定に用いられる測定制御装置、表面性状測定装置、および、測定制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
被測定物の表面を走査して被測定物の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として、粗さ測定機、輪郭測定機、真円度測定機、三次元測定機などが知られている。
このような測定機において、接触部が被測定物の表面に接触した微小変位に基づいて被測定物表面を検出するセンサとして、例えば図７に示すような加振型力センサ（以下、力センサと適宜称す）１が利用されている。
【０００３】
この図７に示す力センサ１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）させる加振素子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素子５とから構成されている。スタイラス３の先端には、ダイヤモンドチップやルビーなどで構成された接触部としての触針６が接着固定されている。加振素子４および検出素子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。
【０００４】
いま、図８に示すように、力センサ１の加振素子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、検出素子５では、特定の周波数と振幅の検出信号Ｑo（電圧信号）が得られる。
被測定物Ｗとの接触に伴う検出信号Ｑoの振幅変化を図９に示す。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をもつ加振信号Ｐiを加振素子４に加えると、スタイラス３が共振し、検出素子５に振幅Ａoの検出信号Ｑoが得られる。スタイラス３が被測定物Ｗに接触すると、検出信号Ｑoの振幅がＡoからＡxに減衰する。
【０００５】
この減衰率ｋ（Ａx／Ａo）と測定力との間には、図１０に示す関係がある。
ここで、スタイラス３（力センサ１）が被測定物Ｗに接触したときの検出信号Ｑoが非接触時の９０％に減衰している場合（減衰率ｋ＝０．９の状態）を例にとる。図１０の関係より、この接触状態における測定力は１３５［μＮ］であることがわかる。
従って、力センサ１を被測定物Ｗに接触させる際、減衰率ｋが常に一定となるように、駆動アクチュエータなどを用いて力センサ１と被測定物Ｗとの距離を制御すれば、測定力一定状態で被測定物Ｗの形状や粗さを測定することができる。
このような力センサ１を有する表面性状測定装置では、力センサおよび被測定物の接触時のオーバーシュートを最小限に抑える構成が望まれている。
【０００６】
ところで、このような力センサ１と同様の原理、あるいは異なる原理により測定可能な力センサを有する表面性状測定装置が知られている（例えば、特許文献１ないし特許文献３参照）。
また、所定の部材の位置を制御する構成が知られている（例えば、特許文献４ないし特許文献６参照）。
【０００７】
特許文献１に記載のものは、スタイラスを被測定物の表面に当接させる。また、検出用電極にて、スタイラスの測定力を検出して、この検出信号を検出回路を介して測定力制御回路に送る。そして、測定力制御回路にて、あらかじめ設定された測定力に対応する信号値と、検出回路からの信号との差を演算し、測定力調整機構を制御して、スタイラスと被測定物との測定力を所定値に維持する構成が採られている。
【０００８】
特許文献２に記載のものは、制御装置にて、三次元測定機からの指令値、三軸スライダに設けられたスケールからのＸ，Ｙ，Ｚ方向の位置情報、および、歪ゲージで検出された真の測定力を受け取る。そして、歪ゲージで検出された真の測定力と、三次元測定機から指令された測定値との誤差が小さくなるように、アクチュエータをフィードバック制御する構成が採られている。
【０００９】
特許文献３に記載のものは、位置制御の開始後、圧力が接触判定圧力を継続して所定時間超えるまでＺスライダを被測定物に近づけ、所定時間を超えたらＺスライダを停止させる。この後、所定時間における圧力の平均値を求め、この平均値が目標圧力に達したら、Ｚスライダの制御を位置制御から圧力制御に切り替える構成が採られている。
【００１０】
特許文献４に記載のものは、位置指令発生器にて、移動体を動かしたい位置の目標位置データを位置指令として出力する。また、速度フィードフォワードパルス設定器にて、パルスの振幅、幅、周期などを任意に設定する。さらに、速度フィードフォワードパルス発生器にて、位置指令発生器が位置指令を出力し終わった後に速度フィードフォワードパルス設定器で設定されたパルスを、速度フィードフォワード信号として出力する。そして、減算器などにより、速度フィードフォワード信号などに基づいて、移動体を目標位置に制御する構成が採られている。
【００１１】
特許文献５に記載のものは、位置指令とフィードバック信号との位置偏差の絶対値が大きいときにモータのモータ回転角度位置信号をフィードバックし、小さいときに機械可動部の位置信号をフィードバックするような配分機構により、オーバーシュートを小さくする構成が採られている。
【００１２】
特許文献６に記載のものは、ヘッドをディスク上の所定位置に位置決めするコースアクチュエータと、このコースアクチュエータにより決められた位置でヘッドの位置を微調整するファインアクチュエータとを備えている。そして、これらコースアクチュエータおよびファインアクチュエータを制御して、ヘッド位置のオーバーシュートを抑制する構成が採られている。
【００１３】
【特許文献１】特開２０００−１８０１５６号公報
【特許文献２】特開２００５−４３１７７号公報
【特許文献３】特開２００４−７７３０７号公報
【特許文献４】特開２００１−１６６８３１号公報
【特許文献５】特開２０００−８９８２９号公報
【特許文献６】特開２０００−１１５６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、特許文献１および特許文献２のような構成では、力センサの測定力を検出し、この検出した測定力に基づいて力センサの位置を制御するため、力センサおよび被測定物の接触時のオーバーシュートが大きくなり力センサや被測定物が破損してしまうおそれがある。
【００１５】
特許文献３のような構成では、Ｚスライダ全体を制御するため、Ｚスライダの慣性により、オーバーシュートが大きくなり力センサや被測定物が破損してしまうおそれがある。
【００１６】
特許文献４のような構成では、あらかじめ設定された目標位置の位置指令に基づいて移動体の位置を制御するため、被測定物の形状に応じて力センサの現在位置から被測定物までの距離が異なる表面性状測定装置に適用することが困難なおそれがある。
【００１７】
特許文献５のような構成では、位置指令とフィードバック信号との位置偏差によりフィードバック信号の大きさの割合を決定するため、表面性状測定装置に適用した場合、力センサおよび被測定物を接近させる速度が遅くなり、測定箇所が多い場合、測定能率が悪化するおそれがある。
【００１８】
特許文献６のような構成では、コースアクチュエータおよびファインアクチュエータを動かして位置を制御するため、このような構成を表面性状測定装置に適用した場合、２つのアクチュエータを制御する構成が複雑になるおそれがある。
【００１９】
本発明の目的は、このような実情などに鑑みて、測定能率を下げることなく、力センサおよび被測定物の接触時のオーバーシュートを簡単な構成で抑制可能な測定制御装置、表面性状測定装置、および、測定制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の測定制御装置は、被測定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、この力センサによる被測定物の測定位置を検出し測定位置情報として出力する位置検出手段、および、前記力センサを被測定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、前記力センサからの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、力フィードバック信号が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、前記位置検出手段からの測定位置情報を位置フィードバック信号として位置設定値と比較し、位置フィードバック信号が位置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位置制御ループと、前記力制御ループおよび前記位置制御ループのうちいずれか一方を有効にする制御ループ切替手段と、を有する測定制御装置であって、前記制御ループ切換手段を制御して前記位置制御ループを有効にし、前記位置フィードバック信号が位置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て前記力センサを前記被測定物に接近した状態に位置させる接近制御手段と、この接近制御手段の制御により前記力センサが前記被測定物に接近した状態に位置したことを認識すると、前記制御ループ切換手段を制御して前記力制御ループを有効にし、前記力フィードバック信号が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て前記力センサを前記被測定物に接触させる接触制御手段と、を備えていることを特徴とする。
【００２１】
この発明によれば、接近制御手段にて、位置制御ループを有効にし、位置フィードバック信号が位置設定値に一致するように力センサ移動手段を駆動させて力センサを被測定物に接近した状態に位置させる。そして、接触制御手段にて、力センサが被測定物に接近した状態に位置したことを認識すると、制御ループ切換手段を制御して力制御ループを有効にし、力フィードバック信号が力設定値に一致するように力センサ移動手段を駆動させて力センサを被測定物に接触させる。
このため、力センサが被測定物に接触する前に位置制御から力制御に切り替え、力制御により力センサを被測定物に接触させるので、力センサが被測定物に接触した後に力制御を実施する従来の構成と比べて、接触時のオーバーシュートを抑制できる。
また、プローブ全体ではなく力センサを移動させるので、力センサの移動時の慣性を小さくすることが可能となり、このような慣性によるオーバーシュートの増大を抑制できる。
そして、力センサを被測定物に接触させるための移動量をあらかじめ設定する必要がないため、被測定物の形状に応じて力センサの現在位置から被測定物までの距離が異なる表面性状測定装置に適用することができる。
また、位置制御により力センサを被測定物に接近させてから、力制御に切り替えるので、測定箇所が多い場合であっても、測定能率の低下を抑制できる。
さらに、１つの力センサ移動手段により力センサを被測定物に対して移動させればよく、この移動を制御する構成の複雑化を招くことがない。
したがって、測定能率を下げることなく、力センサおよび被測定物の接触時のオーバーシュートを簡単な構成で抑制できる。
【００２２】
本発明の測定制御装置において、前記力センサは、先端に接触部を有するスタイラスと、このスタイラスを振動させる加振素子と、前記スタイラスの振動状態を検出し検出信号として出力する検出素子と、を備えていることが好ましい。
この発明によれば、力センサを、スタイラスと、加振素子と、検出素子とで構成している。
このため、小さい測定力で高精度な測定が可能ないわゆる加振型力センサおよび被測定物の接触時のオーバーシュートを抑制でき、より高精度な測定が可能な測定制御装置を提供できる。
【００２３】
本発明の表面性状測定装置は、上述した測定制御装置と、この測定制御装置の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被測定物とを相対移動させるプローブ相対移動手段と、このプローブ相対移動手段を制御して、前記プローブの力センサおよび前記被測定物を前記測定制御装置の前記接近制御手段の制御による前記接近した状態よりも離れた状態に位置させるプローブ位置制御手段と、を備え、前記接近制御手段は、前記プローブ位置制御手段の制御により前記力センサおよび前記被測定物が前記接近した状態よりも離れた状態に位置したことを認識すると、前記力センサを前記被測定物に接近した状態に位置させることを特徴とする。
【００２４】
本発明の測定制御方法は、被測定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、この力センサによる被測定物の測定位置を検出し測定位置情報として出力する位置検出手段、および、前記力センサを被測定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、前記力センサからの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、力フィードバック信号が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、前記位置検出手段からの測定位置情報を位置フィードバック信号として位置設定値と比較し、位置フィードバック信号が位置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位置制御ループと、前記力制御ループおよび位置制御ループのうちいずれか一方を有効にする制御ループ切替手段と、を有する測定制御装置において、前記力センサを前記被測定物に接触させる測定制御方法であって、前記制御ループ切換手段を制御して前記位置制御ループを有効にし、前記位置フィードバック信号が位置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て前記力センサを前記被測定物に接近した状態に位置させ、この制御により前記力センサが前記被測定物に接近した状態に位置したことを認識すると、前記制御ループ切換手段を制御して前記力制御ループを有効にし、前記力フィードバック信号が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て前記力センサを前記被測定物に接触させることを特徴とする。
【００２５】
これらの発明によれば、上述したような測定制御装置と同様の作用効果を奏することが可能な表面性状測定装置、および、測定制御方法を提供可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下に、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２７】
〔三次元測定装置の構成〕
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。
図１は、本発明の一実施形態に係る三次元測定装置を構成する三次元測定機の斜視図である。図２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３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。
【００２８】
三次元測定装置１０は、図１に示すような三次元測定機１００と、図２に示すような制御装置２００と、を備えている。
【００２９】
三次元測定機１００は、図１に示すように、載置部１１０と、測定手段１２０と、を備えている。
【００３０】
載置部１１０は、被測定物を載置するために精密平坦加工された上面を備えた偏平四角柱状に形成されている。
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、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。
【００３１】
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。
【００３２】
プローブ１３０は、図１および図３に示すように、相対移動機構１４０に設けられた略長方形箱状のケース体１３１と、このケース体１３１の内部に長手方向一端が外部に露出する状態で設けられた長手状のプローブ本体１３２と、このプローブ本体１３２の長手方向一端側に設けられた力センサ１と、プローブ本体１３２を保持し力センサ１を被測定物に対してＺ方向に進退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、プローブ本体１３２に取り付けられたスケール１３４と、このスケール１３４に基づき駆動アクチュエータ１３３による力センサ１の変位量（つまり、力センサ１による被測定物の測定位置情報）を検出する位置検出手段としてのスケール検出器１３５と、を備えている。
【００３３】
相対移動機構１４０は、Ｙ方向スライド機構１５０と、Ｘ方向スライド機構１６０と、Ｚ方向スライド機構１７０と、を備えている。
【００３４】
Ｙ方向スライド機構１５０は、図１および図２に示すように、載置部１１０上でＹ方向に設けられたＹガイドレール１５１と、このＹガイドレール１５１に沿って移動可能に設けられたプローブ相対移動手段としてのＹスライダ１５２Ｒと、Ｙスライダ１５２Ｒと対になって載置部１１０上をＹ方向へ移動するプローブ相対移動手段としてのＹスライダ１５２Ｌと、このＹスライダ１５２Ｒ，１５２Ｌのそれぞれの上に立設された支柱１５３Ｒ，１５３Ｌと、この２本の支柱１５３Ｒ，１５３Ｌに両端を支持されたＸビーム１５４と、Ｙスライダ１５２Ｒ，１５２ＬをＹ方向へ移動させるＹ方向駆動手段１５５と、を備えている。
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、Ｙスライダ１５２Ｒ，１５２ＬをＹ方向へ移動させる。
Ｙガイドレール１５１とＹスライダ１５２Ｒ、載置部１１０とＹスライダ１５２Ｌとの間には、図示しないエアベアリングが設けられている。そして、Ｙガイドレール１５１とＹスライダ１５２Ｒの相対移動量は、図示しない変位検出器によって測定される。
【００３５】
Ｘ方向スライド機構１６０は、図１および図２に示すように、Ｘビーム１５４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プローブ相対移動手段としての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１５４とＸスライダ１６１との相対移動量は、図示しない変位検出器によって測定される。
【００３６】
Ｚ方向スライド機構１７０は、図１および図２に示すように、Ｘスライダ１６１に固定されたＺ軸支持部材１７１と、このＺ軸支持部材１７１に対してＺ方向に摺動しながら移動するプローブ相対移動手段およびプローブ保持部としての可動アーム１７２と、この可動アーム１７２をＺ方向へ移動させるＺ方向駆動手段１７３と、を備えている。
可動アーム１７２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１７３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１７２をプローブ本体１３２とは独立的にＺ方向へ移動させる。
Ｚ軸支持部材１７１と可動アーム１７２との相対移動量は、図示しない変位検出器によって測定される。
【００３７】
制御装置２００は、図２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１７３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。
【００３８】
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１７３と、に接続されている。そして、これらを制御して、Ｙスライダ１５２Ｒ，１５２Ｌ、Ｘスライダ１６１、可動アーム１７２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。ここで、プローブ制御可能位置とは、駆動アクチュエータ１３３の駆動のみにより力センサ１を被測定物に接触させることが可能な位置を意味する。
【００３９】
コントローラ２２０は、図３に示すように、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、スケール検出器１３５からの信号をカウントし力センサ１の測定位置情報を位置測定値として出力するカウンタ２２３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、カウンタ２２３からの位置信号を微分して速度信号に変換する時間微分回路２２６と、制御ループ切替手段としてのスイッチ２２７と、時間微分回路２２６からの出力とスイッチ２２７を介して取り込んだ力制御補償器２２５からの出力との偏差を求める演算器２２８と、この演算器２２８からの出力を入力とした速度補償器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、カウンタ２２３の測定値（位置情報）と目標位置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出力をスイッチ２２７を通じて演算器２２８へ与える位置制御補償器２３２と、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のコントローラ制御部２３３と、を備えている。
【００４０】
そして、力センサ１、Ａ／Ｄ変換回路２２２、演算器２２４、力制御補償器２２５、演算器２２８、速度補償器２２９、駆動アンプ２３０、および、駆動アクチュエータ１３３を含んで、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を駆動させる力制御ループＲＦが構成されている。
また、スケール検出器１３５、カウンタ２２３、演算器２３１、位置制御補償器２３２、演算器２２８、速度補償器２２９、駆動アンプ２３０、および、駆動アクチュエータ１３３を含んで、スケール検出器１３５からの測定位置情報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を駆動させる位置制御ループＲＰが構成されている。
スイッチ２２７は、コントローラ制御部２３３により制御され、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。
ここで、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、位置制御ループＲＰによる駆動アクチュエータ１３３の制御を位置制御と、それぞれ称して説明する。
【００４１】
コントローラ制御部２３３は、力センサ１を被測定物に接近させる制御をする接近制御手段２３４と、力センサ１を被測定物に接触させる制御をする接触制御手段２３５と、を備えている。
【００４２】
接近制御手段２３４は、ＸＹＺ駆動制御手段２１０の制御によりプローブ１３０がプローブ制御可能位置に到達したことを認識すると、スイッチ２２７を制御して位置制御ループＲＰを有効にする。そして、位置制御により駆動アクチュエータ１３３を駆動させ、力センサ１を被測定物に近接する接近位置に到達させる。
【００４３】
接触制御手段２３５は、接近制御手段２３４の制御により力センサ１が接近位置に到達したことを認識すると、スイッチ２２７を制御して力制御ループＲＦを有効にする。そして、力制御により駆動アクチュエータ１３３を駆動させ、力センサ１を被測定物に接触させる。
【００４４】
〔三次元測定装置の動作〕
次に、三次元測定装置１０の動作について説明する。
図４は、測定処理時における力センサおよび被測定物の位置関係を示す模式図であり、（Ａ）は初期状態を示し、（Ｂ）は（Ａ）の状態からＸ方向駆動手段、Ｙ方向駆動手段、Ｚ方向駆動手段の駆動により力センサがプローブ制御可能位置に到達した際の状態を示し、（Ｃ）は（Ｂ）の状態から位置制御よる駆動アクチュエータの駆動により力センサが接近位置に到達した際の状態を示し、（Ｄ）は（Ｃ）の状態から力制御による駆動アクチュエータの駆動により力センサが被測定物に接触した際の状態を示す。図５は、三次元測定装置を用いた測定処理を示すフローチャートである。図６は、被測定物を測定する様子を示す概念図である。
【００４５】
まず、測定者は、図４（Ａ）に示すように、被測定物Ｗを載置部１１０に載置する。
三次元測定装置１０は、図５に示すように、ＸＹＺ駆動制御手段２１０にて、Ｘ方向駆動手段１６２、Ｙ方向駆動手段１５５、Ｚ方向駆動手段１７３を駆動させ（ステップＳ１）、力センサ１が図４（Ｂ）に示すようなプローブ制御可能位置に到達したか否かを判断する（ステップＳ２）。このステップＳ２において、プローブ制御可能位置に到達していないと判断した場合、ステップＳ１の処理を実施する。
【００４６】
一方、ステップＳ２において、力センサ１がプローブ制御可能位置に到達したと判断した場合、接近制御手段２３４にて、位置制御ループＲＰを有効にして、位置制御により駆動アクチュエータ１３３を駆動させ（ステップＳ３）、力センサ１が図４（Ｃ）に示すような接近位置に到達したか否かを判断する（ステップＳ４）。そして、ステップＳ４において、接近位置に到達していないと判断した場合、ステップＳ３の処理を実施する。
【００４７】
また、ステップＳ４において、接近位置に到達したと判断した場合、接触制御手段２３５にて、力制御ループＲＦを有効にして、力制御により駆動アクチュエータ１３３を駆動させる（ステップＳ５）。そして、図４（Ｄ）に示すように、力制御を維持した状態で力センサ１を被測定物Ｗに接触させ、力制御で測定を実施する（ステップＳ６）。
このような制御により、図６に示すように、力制御で被測定物Ｗの形状を測定することが可能となる。
【００４８】
〔実施形態の作用効果〕
上述した実施形態によれば、以下のような作用効果を奏することができる。
【００４９】
（１）三次元測定装置１０は、接近制御手段２３４にて、位置制御ループＲＰを有効にし、位置制御により駆動アクチュエータ１３３を駆動させて力センサ１を接近位置に到達させる。そして、接触制御手段２３５にて、力センサ１が接近位置に到達したことを認識すると、スイッチ２２７を制御して力制御ループＲＦを有効にし、力制御により駆動アクチュエータ１３３を駆動させて力センサ１を被測定物Ｗに接触させる。
このため、力センサ１が被測定物Ｗに接触する前に位置制御から力制御に切り替え、力制御により力センサ１を被測定物Ｗに接触させるので、力センサ１が被測定物Ｗに接触した後に力制御を実施する従来の構成と比べて、接触時のオーバーシュートを抑制できる。具体的には、上述した従来の構成では、数μｍ〜数十μｍのオーバーシュートが発生するおそれがあるのに対し、オーバーシュートを１０ｎｍ程度まで抑えることができる。
また、プローブ１３０全体ではなく力センサ１を移動させるので、力センサ１の移動時の慣性を小さくすることができ、このような慣性によるオーバーシュートの増大を抑制できる。
そして、力センサ１を被測定物Ｗに接触させるための移動量をあらかじめ設定する必要がないため、被測定物Ｗの形状に応じて力センサ１の現在位置から被測定物までの距離が異なる三次元測定装置１０に適用することができる。
また、位置制御により力センサ１を被測定物Ｗに接近させてから、力制御に切り替えるので、測定箇所が多い場合であっても、測定能率の低下を抑制できる。
さらに、１つの駆動アクチュエータ１３３により力センサ１を移動させればよく、この移動を制御する構成の複雑化を招くことがない。
したがって、測定能率を下げることなく、力センサ１および被測定物Ｗの接触時のオーバーシュートを簡単な構成で抑制できる。
【００５０】
（２）本発明の力センサとして、スタイラス３と、加振素子４と、検出素子５とから構成される加振型力センサ１を適用している。
このため、小さい測定力で高精度な測定が可能な加振型力センサ１および被測定物Ｗの接触時のオーバーシュートを抑制でき、より高精度な測定が可能な三次元測定装置１０を提供できる。
【００５１】
（３）三次元測定装置１０に、力センサ１、スケール検出器１３５、駆動アクチュエータ１３３を有するプローブ１３０と、力制御ループＲＦと、位置制御ループＲＰと、スイッチ２２７と、上述したような接近制御手段２３４および接触制御手段２３５と、プローブ１３０を移動させる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１７３と、プローブ制御可能位置まで移動させる制御をするＸＹＺ駆動制御手段２１０と、を設けた構成としている。
このため、上述したような（１）、（２）の作用効果を奏することが可能な三次元測定装置１０を提供できる。
【００５２】
〔実施形態の変形〕
なお、本発明は、上述した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以下に示される変形をも含むものである。
【００５３】
すなわち、力センサ１を、力センサ１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。またスタイラス３を軸方向へ振動させるようにしたが、これに限らず、スタイラス３の軸に対して交差する方向に振動させるようにしてもよい。
また、加振型力センサ１を用いたが、これに限らず、被測定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、他のセンサであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、被測定物の表面粗さを測定する表面粗さ測定機、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。特に、微細形状の測定に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の一実施形態に係る三次元測定装置を構成する三次元測定機の斜視図である。
【図２】前記一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である。
【図３】前記一実施形態における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。
【図４】前記一実施形態における測定処理時における力センサおよび被測定物の位置関係を示す模式図であり、（Ａ）は初期状態を示し、（Ｂ）は（Ａ）の状態からＸ方向駆動手段、Ｙ方向駆動手段、Ｚ方向駆動手段の駆動により力センサがプローブ制御可能位置に到達した際の状態を示し、（Ｃ）は（Ｂ）の状態から位置制御よる駆動アクチュエータの駆動により力センサが接近位置に到達した際の状態を示し、（Ｄ）は（Ｃ）の状態から力制御による駆動アクチュエータの駆動により力センサが被測定物に接触した際の状態を示す。
【図５】前記一実施形態における三次元測定装置を用いた測定処理を示すフローチャートである。
【図６】前記一実施形態における被測定物を測定する様子を示す概念図である。
【図７】力センサの構成を示す分解斜視図である。
【図８】力センサに与える加振信号と検出信号を示す図である。
【図９】力センサが被測定物と接触した際の検出信号の変化を示す図である。
【図１０】力センサの検出信号の減衰率と測定力との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１…加振型力センサ
３…スタイラス
４…加振素子
５…検出素子
１０…表面性状測定装置としての三次元測定装置
１３０…プローブ
１３３…力センサ移動手段としての駆動アクチュエータ
１３５…位置検出手段としてのスケール検出器
１５２Ｒ，１５２Ｌ…プローブ相対移動手段としてのＹスライダ
１６１…プローブ相対移動手段としてのＸスライダ
１７２…プローブ相対移動手段およびプローブ保持部としての可動アーム
２１０…プローブ位置制御手段としてのＸＹＺ駆動制御手段
２２７…制御ループ切替手段としてのスイッチ
２３３…測定制御装置としてのコントローラ制御部
２３４…接近制御手段
２３５…接触制御手段
ＲＰ…位置制御ループ
ＲＦ…力制御ループ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定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、この力センサによる被測定物の測定位置を検出し測定位置情報として出力する位置検出手段、および、前記力センサを被測定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、
前記力センサからの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、力フィードバック信号が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、
前記位置検出手段からの測定位置情報を位置フィードバック信号として位置設定値と比較し、位置フィードバック信号が位置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位置制御ループと、
前記力制御ループおよび前記位置制御ループのうちいずれか一方を有効にする制御ループ切替手段と、を有する測定制御装置であって、
前記制御ループ切換手段を制御して前記位置制御ループを有効にし、前記位置フィードバック信号が位置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て前記力センサを前記被測定物に接近した状態に位置させる接近制御手段と、
この接近制御手段の制御により前記力センサが前記被測定物に接近した状態に位置したことを認識すると、前記制御ループ切換手段を制御して前記力制御ループを有効にし、前記力フィードバック信号が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て前記力センサを前記被測定物に接触させる接触制御手段と、
を備えていることを特徴とする測定制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の測定制御装置において、
前記力センサは、先端に接触部を有するスタイラスと、このスタイラスを振動させる加振素子と、前記スタイラスの振動状態を検出し検出信号として出力する検出素子と、を備えている
ことを特徴とする測定制御装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の測定制御装置と、
この測定制御装置の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被測定物とを相対移動させるプローブ相対移動手段と、
このプローブ相対移動手段を制御して、前記プローブの力センサおよび前記被測定物を前記測定制御装置の前記接近制御手段の制御による前記接近した状態よりも離れた状態に位置させるプローブ位置制御手段と、
を備え、
前記接近制御手段は、前記プローブ位置制御手段の制御により前記力センサおよび前記被測定物が前記接近した状態よりも離れた状態に位置したことを認識すると、前記力センサを前記被測定物に接近した状態に位置させる
ことを特徴とする表面性状測定装置。
【請求項４】
被測定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、この力センサによる被測定物の測定位置を検出し測定位置情報として出力する位置検出手段、および、前記力センサを被測定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、
前記力センサからの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、力フィードバック信号が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、
前記位置検出手段からの測定位置情報を位置フィードバック信号として位置設定値と比較し、位置フィードバック信号が位置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位置制御ループと、
前記力制御ループおよび位置制御ループのうちいずれか一方を有効にする制御ループ切替手段と、を有する測定制御装置において、前記力センサを前記被測定物に接触させる測定制御方法であって、
前記制御ループ切換手段を制御して前記位置制御ループを有効にし、前記位置フィードバック信号が位置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て前記力センサを前記被測定物に接近した状態に位置させ、
この制御により前記力センサが前記被測定物に接近した状態に位置したことを認識すると、前記制御ループ切換手段を制御して前記力制御ループを有効にし、前記力フィードバック信号が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て前記力センサを前記被測定物に接触させる
ことを特徴とする測定制御方法。
【請求項１】
被測定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、この力センサによる被測定物の測定位置を検出し測定位置情報として出力する位置検出手段、および、前記力センサを被測定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、
前記力センサからの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、力フィードバック信号が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、
前記位置検出手段からの測定位置情報を位置フィードバック信号として位置設定値と比較し、位置フィードバック信号が位置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位置制御ループと、
前記力制御ループおよび前記位置制御ループのうちいずれか一方を有効にする制御ループ切替手段と、を有する測定制御装置であって、
前記制御ループ切換手段を制御して前記位置制御ループを有効にし、前記位置フィードバック信号が位置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て前記力センサを前記被測定物に接近した状態に位置させる接近制御手段と、
この接近制御手段の制御により前記力センサが前記被測定物に接近した状態に位置したことを認識すると、前記制御ループ切換手段を制御して前記力制御ループを有効にし、前記力フィードバック信号が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て前記力センサを前記被測定物に接触させる接触制御手段と、
を備えていることを特徴とする測定制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の測定制御装置において、
前記力センサは、先端に接触部を有するスタイラスと、このスタイラスを振動させる加振素子と、前記スタイラスの振動状態を検出し検出信号として出力する検出素子と、を備えている
ことを特徴とする測定制御装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の測定制御装置と、
この測定制御装置の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被測定物とを相対移動させるプローブ相対移動手段と、
このプローブ相対移動手段を制御して、前記プローブの力センサおよび前記被測定物を前記測定制御装置の前記接近制御手段の制御による前記接近した状態よりも離れた状態に位置させるプローブ位置制御手段と、
を備え、
前記接近制御手段は、前記プローブ位置制御手段の制御により前記力センサおよび前記被測定物が前記接近した状態よりも離れた状態に位置したことを認識すると、前記力センサを前記被測定物に接近した状態に位置させる
ことを特徴とする表面性状測定装置。
【請求項４】
被測定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、この力センサによる被測定物の測定位置を検出し測定位置情報として出力する位置検出手段、および、前記力センサを被測定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、
前記力センサからの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、力フィードバック信号が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、
前記位置検出手段からの測定位置情報を位置フィードバック信号として位置設定値と比較し、位置フィードバック信号が位置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位置制御ループと、
前記力制御ループおよび位置制御ループのうちいずれか一方を有効にする制御ループ切替手段と、を有する測定制御装置において、前記力センサを前記被測定物に接触させる測定制御方法であって、
前記制御ループ切換手段を制御して前記位置制御ループを有効にし、前記位置フィードバック信号が位置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て前記力センサを前記被測定物に接近した状態に位置させ、
この制御により前記力センサが前記被測定物に接近した状態に位置したことを認識すると、前記制御ループ切換手段を制御して前記力制御ループを有効にし、前記力フィードバック信号が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て前記力センサを前記被測定物に接触させる
ことを特徴とする測定制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００７−３０９６８４（Ｐ２００７−３０９６８４Ａ）
【公開日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１３６６２８（Ｐ２００６−１３６６２８）
【出願日】平成１８年５月１６日（２００６．５．１６）
【出願人】（０００１３７６９４）株式会社ミツトヨ (979)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月１６日（２００６．５．１６）
【出願人】（０００１３７６９４）株式会社ミツトヨ (979)
【Ｆターム（参考）】
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