CN103852048B - 形状测定方法及形状测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种形状测定方法及形状测定装置，其使触针沿着测定面平滑地扫描，从而实现高精度且快速的形状测定。重复包括平行移动和正交移动在内的测头(26)的相对于测定面的相对移动，该平行移动使触针(20)相对于测定面而向与测定面平行的方向移动指定的距离，该正交移动以在包括触针(20)的位置相对于测头(26)的位置的位移量和位移方向在内的触针位移矢量D_i的测定面上使法线方向的大小成为预先确定的压入量的设定值C的方式，使测头(26)向根据当前的触针位置S_i与过去的触针位置S_i’之差而算出的测定面的法线方向移动。

Description

形状测定方法及形状测定装置

技术领域

本发明涉及一种使触针与测定面接触的同时进行扫描，来顺次读取坐标和触针倾斜，由此对测定面的形状进行测定的形状测定方法及形状测定装置。

背景技术

伴随工业产品的小型高性能化，高精度的部件不断增加。为了进行以上述部件等为测定对象的任意的三维形状的扫描测定，提出有一种使触针与测定面接触的同时进行扫描，来顺次读取坐标，由此对测定面的形状进行测定的方式的形状测定装置。在此类形状测定中，提出各种使触针相对于测定面自动地进行扫描控制的技术。

在现有的触针的自动扫描控制方法中，为了避免自动扫描引起的振动对测定结果产生影响，而存在搭载有以平滑的自动扫描为目的的控制方法的情况。(例如，参照专利文献1。)

图7A～图9是表示上述专利文献1所记载的现有的形状测定装置及形状测定方法的图。

图7A及图7B是表示现有技术中的装置结构的图，大致分为三维测定器22、该三维测定器22的控制装置23和运算装置24。三维测定器22使在测头26上设置的触针20与测定物25的测定面25a接触的同时进行测定。测头26在安装于挠性构件的触针轴的下端具有球状的触针20，在上端具有反射镜。对于来自测定面的XY方向的测定力，触针轴通过挠性构件而进行倾斜，根据由反射镜反射的激光来检测其倾斜量。另外，对于来自测定面的Z方向的测定力，触针轴通过挠性构件而向上方移动，通过由反射镜反射的Z方向测长激光来检测Z方向的位移。控制装置23具备X坐标检测部31、Y坐标检测部32、Z坐标检测部33、倾斜检测部34、聚焦误差信号检测部35等。运算装置24具备测定点位置运算部41、触针位移矢量算出部43、移动矢量算出部49、移动指示部87、动摩擦系数存储部40等。

根据上述的结构，在触针20产生位移时，根据由X坐标检测部31、Y坐标检测部32、Z坐标检测部33检测出的测头位置和由倾斜检测部34检测出的触针20(触针轴)的倾斜来算出触针位移矢量。并且，使用加入动摩擦力引起的触针位移矢量的方向变化角度而算出的移动矢量M来执行扫描，其中，该动摩擦力根据事先存储在动摩擦系数存储部40中的触针20与测定面25a的动摩擦系数来算出。

图8表示现有技术中的测头位置P与触针位置S的轨迹。测头26从触针20与测定面25a不接触的测头位置P0(在该位置处，触针20未受到测定力，因而相对于测头26不产生位移。因此，测头位置P0位于与触针位置S0相同的位置)通过触针20与测定面25a相接的触针位置S1，并移动到被压入规定的压入量D1的测头位置P1。将从测头位置P向该时刻的触针位置S的矢量称为触针位移矢量D。从测头位置P1向触针位置S1的位移矢量为D1。接着，使测头26从测头位置P1向与触针位移矢量D1垂直的方向移动移动矢量M1。于是，在动摩擦力F的作用下，触针位移矢量D相对于与测定面成直角的矢量N而倾斜有方向变化角θ。为了沿与测定面平行的方向对测头26进行仿形控制，相对于触针位移矢量D，向在方向变化角θ上加上90°而得到的方向进行测头移动，其中，该方向变化角θ根据事先存储的动摩擦系数μ，并由θ＝arctanμ的关系导出。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第4611403号说明书

发明概要

发明要解决的课题

在上述现有方法中，因测头26的倾斜的方向或大小的变化，而扫描方向和压入修正方向都变化，因此成为不能称之为平滑的扫描测定。在动摩擦力的增减十分小的范围内，在上述现有方法中也能够期待平滑的扫描。但是，对于实际的测定物，存在因测定物的材质·形状和触针的材质引起的触针与测定物之间的静电引力导致的动摩擦力的增减。因该动摩擦力的增减，图8中的动摩擦力F发生变化，因动摩擦力F使触针位移矢量的方向变化角度θ发生变动。

图9是图示出以使Y轴倾斜成为固定的大小(在图表中，纵轴为0.7mm)的方式压入触针、并沿着X轴向负方向扫描平面时的触针位移矢量D的情况的图。测头中心位置P在Y轴方向上不产生压入的变动，在X轴方向上以0.01mm间距扫描约1mm。触针位移矢量D相对于测头中心位置P的值而以约200倍进行表示。X方向的倾斜不固定，产生触针位移矢量D交叉的部位。这样，现有的扫描测定方法无法实现平滑的扫描测定，产生振动而使测定误差增大，且测定时间也延长。

发明内容

本发明用于解决上述现有的课题，其目的在于，在使触针与测定面接触的同时进行扫描并顺次读取坐标、由此对测定面的形状进行测定的方式的形状测定装置及形状测定方法中，使触针沿着测定面平滑地扫描，从而实现高精度且快速的形状测定。

解决方案

本发明的第一形态提供一种形状测定方法，其中，准备触针，该触针借助来自测定面的测定力而被支承为能够相对于测头位移，重复包括平行移动和正交移动在内的所述测头相对于所述测定面的相对移动，所述平行移动使所述触针相对于所述测定面而向与所述测定面平行的方向移动指定的距离，所述正交移动使所述测头向根据当前的触针位置与过去的触针位置之差而算出的所述测定面的法线方向移动，使得在包括所述触针的位置相对于所述测头的位置的位移量和位移方向在内的触针位移矢量的所述测定面上使法线方向的大小成为预先确定的压入量的设定值。

本发明的第二形态提供一种形状测定装置，其特征在于，所述形状测定装置具备：测头，其将触针支承为能够借助来自测定面的测定力而位移；移动部，其使所述测头和所述测定面的相对位置移动，使得所述触针对所述测定面进行扫描；触针位移矢量检测部，其对包括所述触针的位置相对于所述测头的位置的位移量和位移方向在内的触针位移矢量进行检测；法线方向输出部，其输出所述测定面的测定点处的法线方向；法线方向矢量分量算出部，其基于所述法线方向输出部所输出的值，来算出触针位移矢量的所述法线方向分量并将其输出；压入矢量算出部，其基于所述测定面上的法线方向的压入量的设定值和法线方向矢量分量算出部的输出算出压入矢量，使得所述触针位移矢量的法线方向分量成为所述压入量的设定值；扫描矢量算出部，其算出在与所述法线方向垂直的方向上成为预先设定的扫描速度的扫描矢量；移动矢量算出部，其根据所述压入矢量算出部的输出和所述扫描矢量算出部的输出，来算出对所述测头的移动指令即移动矢量；及移动控制部，其对所述移动部的移动进行控制，使得所述测头按照所述移动矢量移动。

即使触针位移矢量因摩擦等的外力变化而发生变化，从测定表面的触针的压入量也成为固定值。即使测定面具有任意的倾斜，因摩擦力而触针位移矢量相对于测定面未成为直角方向，也能够根据测定力检测出与测定面成直角的方向，从而使触针在与测定面平行的方向上扫描而进行测定。另外，即使测定面的倾斜角度上存在变化，也能将触针位移矢量的大小维持为预先确定的规定值。换言之，即使测定面的倾斜角度上存在变化，也能够以在触针位移矢量的大小上不产生变化的方式进行扫描，从而能够使触针更准确地在与测定面平行的方向上进行扫描。而且，在扫描测定开始时除了必要的与测定面相关的数据以外，不需要额外数据。

发明效果

根据本发明的形状测定方法及形状测定装置，即使触针位移矢量因摩擦等的外力变化而发生变化，从测定表面的触针的压入量也成为固定值，即使来自具有任意的倾斜面的测定面的测定力因摩擦力而未成为与测定面成直角的方向，也能够根据测定力来检测出与测定面成直角的方向，使触针位移矢量的法线方向分量固定，并同时使触针在与测定面平行的方向上扫描而进行测定，因此能够实现平滑、更快速、更高精度的形状测定，能够有助于实现工业产品的精密微细化、高精度化及高成品率的产品制造。

附图说明

图1A是本发明的实施方式的形状测定装置的结构图。

图1B是本发明的实施方式的形状测定装置的结构图。

图2是本发明的实施方式的测头的结构图。

图3是用于说明本发明的实施方式的触针位置、测头位置及触针位移矢量的图。

图4是表示本发明的实施方式的处理的流程的流程图。

图5是对本发明的实施方式的轨迹平面图的标记方法进行辅助的图像图。

图6是表示本发明的实施方式的测定轨迹的图。

图7A是现有发明的形状测定装置的结构图。

图7B是现有发明的形状测定装置的结构图。

图8是表示现有发明的测定轨迹的图。

图9是表示现有发明的基于仿形控制的触针位移矢量的图。

附图标记说明如下：

20 触针

22 三维计测器

23 控制装置

24 运算装置

25 测定物

25a 测定面

26 测头

27 XY工作台

28 Z工作台

31 X坐标检测部

32 Y坐标检测部

33 Z坐标检测部

34 倾斜检测部

35 聚焦误差信号检测部

37 X轴控制部

38 Y轴控制部

39 Z轴控制部

40 动摩擦系数存储部

41 测定点位置运算部

42 误差运算输出部

43 触针位移矢量算出部

43a X分量检测部

43b Y分量检测部

43c Z分量检测部

44 前次测定位置存储部

45 法线方向矢量输出部

46 法线方向矢量算出部

47 压入矢量算出部

48 扫描方向单位矢量算出部

49 移动矢量算出部(加法部)

51A、51B 挠性构件

53 触针轴

54 反射镜

61 振荡频率稳定化激光

62 X参照反射镜

63y、63z 激光

64 Y参照反射镜

68 半导体激光

69 激光

70 准直透镜

71 光圈

72 分光器

73 分色镜

74 偏振棱镜

75 分色镜

76 透镜

79 受光元件

81 一体化元件

82 激光

83 衍射光栅

84 准直透镜

87 移动指示部

88 X轴电动机

89 Y轴电动机

91 法线方向设定·存储部

92 扫描速度设定部

93 扫描方向矢量算出部

94 压入量设定部

95 切换开关

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。在各附图中，对相同的构成部分标注相同的附图标记，并省略说明。

(实施方式1)

图1A及图1B是表示本发明的实施方式1的三维形状测定装置(以下，简称为形状测定装置。)的结构的图。该形状测定装置大致分为三维计测器22、控制装置23、由计算机等构成的运算装置24。

三维计测器22使在测头26上设置的触针20与测定物25的测定面25a接触的同时进行测定。作为使测定面25a与测头26的相对位置在XYZ方向上移动的移动部，具备：由使测定面25a在X方向上移动的X轴电动机88和使测定面25a在Y方向上移动的Y轴电动机89驱动的XY工作台27；在下端安装有测头26且使测头26在Z方向上移动的Z工作台28。需要说明的是，在测定大型的测定物的情况下，也可以通过使测定面固定且使测头在XYZ方向上移动的结构来实施。

控制装置23具备X坐标检测部31、Y坐标检测部32、Z坐标检测部33、倾斜检测部34、聚焦误差信号检测部35、X轴控制部37、Y轴控制部38及Z轴控制部39。

运算装置24具备测定点位置运算部41、误差运算输出部42、触针位移矢量算出部43、前次测定位置存储部44、法线方向矢量输出部45、法线方向矢量算出部46、压入矢量算出部47、扫描方向单位矢量算出部48、移动矢量算出部49、移动指示部87、法线方向设定·存储部91、扫描速度设定部92、扫描方向矢量算出部93、压入量设定部94、切换开关95。

X坐标检测部31利用在XY工作台27上固定的X参照反射镜62使由振荡频率稳定化激光61产生并分支后的激光(未图示。)反射。使X参照反射镜62的包含反射光路长变化信息的该反射光与不包含光路长变化信息的基准的激光发生干涉，并通过已知的激光测长法对XY工作台27的X方向的移动量进行检测。即，X坐标检测部31对测头位置P的X坐标Px进行测定。同样，Y坐标检测部32利用在XY工作台27上固定的Y参照反射镜64使由振荡频率稳定化激光61产生并分支后的激光63y反射，使包含光路长变化信息的该反射光与不包含光路长变化信息的基准的激光发生干涉，并通过已知的激光测长法对XY工作台27的Y方向的移动量进行检测。即，Y坐标检测部32对测头位置P的Y坐标Py进行测定。

Z坐标检测部33使由振荡频率稳定化激光61产生且分支后的激光63z如图2所示那样在触针轴53的上端的反射镜54处反射，使包含光路长变化信息的该反射光和不包含光路长变化信息的基准的激光发生干涉，并通过已知的激光测长法对触针20的Z方向的移动量进行检测。即，Z坐标检测部33对触针位置S的Z坐标Sz进行测定。

这样，基于激光测长得到的测定数据为测头位置P的相对于测定面的XY坐标Px、Py和触针位置S的相对于测定面的Z坐标Sz。

图2是本发明的实施方式1中的测头的结构图。测头26具备经由挠性构件51A、51B而安装的触针20。挠性构件51A、51B是具有施加力时发生挠曲的性质的构件，由局部加入切口且在上下方向(Z方向)和横向(XY方向)上具有弹性的金属的板簧或塑料、橡胶等构成。触针20安装在相对于挠性构件51A、51B固定的触针轴53的下端，在触针轴53的上端张贴有反射镜54。通过来自测定面25a的对触针20的测定力，触针20相对于测头26而能够在XYZ方向中的任意方向上相对地位移。当来自测定面25a的测定力作用于触针20时，在来自XY方向的测定力的作用下，挠性构件51A、51B发生变形而使反射镜54倾斜，在来自Z方向的测定力的作用下，反射镜54向上方移动。

图3是对触针位置S、测头位置P及触针位移矢量D进行说明的图。

图3(a)表示在触针20上未作用测定力且触针20在XYZ方向中的任意方向上都未发生位移的状态。图3(b)表示在触针20上作用有测定力且触针20在XYZ方向上发生了位移的状态。

将触针位置S定义为以球面对触针20的表面进行近似时的球的中心的坐标。触针位置S通过下式那样表示。

数学式1

S＝(S_x S_y S_z)^T

将在触针20上未作用测定力且触针20在XYZ方向中的任意方向上都未发生位移时的触针位置S定义为测头位置P。测头位置P由下式表示。当触针20在XYZ方向中的任意方向上都未发生位移时，触针位置S与测头位置P一致。

数学式2

P＝(P_x P_y P_z)^T

将作用有测定力且触针位置S相对于测头位置P发生位移时的表示位移量和位移方向的矢量定义为触针位移矢量。触针位移矢量由以下的式子表示。

数学式3

D＝(D_x D_y D_z)^T

触针位移矢量D的坐标分量由下述的式(1)表示。

数学式4

$D=\left(\begin{array}{c}{D}_x\\ D_y\\ D_z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{S}_x-P_x\\ S_y-P_y\\ S_z-P_z\end{array}\right)---\left(1\right)$

在图2中，来自半导体激光68的激光69经由准直透镜70、光圈71、分光器72、分色镜73、偏振棱镜74、分色镜75及透镜76而向触针轴53的上端的反射镜54射入。另外，反射镜54的反射光经由透镜76、分色镜75、偏振棱镜74、分色镜73及分光器72而向受光元件79射入。当反射镜54倾斜时，反射光向受光元件79的入射位置发生错动。倾斜检测部34(参照图1A及图1B)利用向该受光元件79的入射位置的错动来检测反射镜54的倾斜角度，具体而言，检测触针20的X方向的倾斜角度θx和Y方向的倾斜角度θy。倾斜检测部34将倾斜角度θx、θy分别向触针位移矢量算出部43的X分量检测部43a和Y分量检测部43b输出。X分量检测部43a和Y分量检测部43b根据倾斜角度θx、θy和从已知的触针轴53的倾斜的中心到触针20的距离Ls，来算出由下述的式(2)表示的触针位移矢量D的XY坐标分量Dx、Dy。

数学式5

当再次参照图2时，来自半导体激光和受光元件的一体化元件81的激光82经由衍射光栅83、准直透镜84、偏振棱镜74、分色镜75及透镜76而向触针轴53的上端的反射镜54射入。并且，反射镜54的反射光(激光82的反射光)经由透镜76、分色镜75、偏振棱镜74、准直透镜84及衍射光栅83而向一体化元件81返回。当反射镜54向上方移动时，由准直透镜84会聚的反射光的聚光位置产生错动。聚焦误差信号检测部35(参照图1A及图1B)根据一体化元件81的受光元件上的聚光位置的错动来检测反射镜54向上方的移动量。聚焦误差信号检测部35检测出的反射镜54向上方的移动量被使用于聚焦控制(使测定面25a与触针20的距离固定。)。另外，聚焦误差信号检测部35检测出的反射镜54向上方的移动量向触针位移矢量算出部43的Z分量检测部43c输出。Z分量检测部43c使用来自聚焦误差信号检测部35的输入而算出触针位移矢量D的Z坐标分量Dz。

向测定点位置运算部41(参照图1A及图1B)分别输入来自X坐标检测部31的测头位置P的X分量Px、来自Y坐标检测部32的测头位置P的Y分量Py、来自Z坐标检测部33的触针位置S的Z坐标Sz。另外，从触针位移矢量算出部43的X分量检测部43a和Y分量检测部43b将触针位移矢量D的X分量Dx和Y分量Dy分别向测定点位置运算部41输入。测定点位置运算部41使用上述的输入，并根据触针位置S、测头位置P及触针位移矢量D之间的上述式(1)的关系来算出触针位置S的XYZ坐标Sx、SV、Sz。具体而言，本实施方式中的测定点位置运算部41通过以下的式(3)来算出触针位置S的XYZ分量Sx、Sy、Sz。

数学式6

$S=\left(\begin{array}{c}{S}_x\\ S_y\\ S_z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{P}_x+D_x\\ P_y+D_y\\ S_z\end{array}\right)---\left(3\right)$

在使用图2所示的结构的测头26的情况下，如上所述，触针位置S的Z坐标Sz由Z坐标检测部33直接测定。因此，如式(3)所示，触针位移矢量D的Z分量Dz未在作为测定数据的触针位置S的算出中使用，而如后述那样仅在控制中使用。

另外，测定点位置运算部41将式(3)中算出的触针位置S转换为测定点的位置信息(XYZ坐标)。该转换通过使用了触针位置S的XYZ坐标Sx、Sy、Sz、测定面25a的倾斜角度及触针20的曲率半径的包括三角函数的运算而能够实现。用于将该触针位置S转换成测定点的位置信息的运算方法是公知的，因此省略说明。该运算方法记载在例如日本特开2001-21494号公报中。

由测定点位置运算部41算出的测定点的位置信息向误差运算输出部42输入。误差运算输出部42对从测定点位置运算部41输入的测定点的位置信息和测定对象的设计值进行比较，并运算其误差。

在图1A及图1B中，切换开关95对触针位移矢量算出部43的输出、使测定点位置运算部41与前次测定位置存储部44之差旋转90度的法线方向矢量输出部45的输出、预先根据测定物的信息来设定·存储法线方向的法线方向设定·存储部91的输出进行切换。法线方向设定·存储部91可以对测定面25a的法线方向全部进行设定·存储，也可以对尤其是扫描开始的一部分的法线方向进行设定·存储。

设置以切换开关95输出的法线方向矢量为基础来算出触针位移矢量的法线方向分量的法线方向矢量算出部46、根据压入量设定部94和切换开关95的输出来算出压入矢量的压入矢量算出部47、根据切换开关95的输出来算出扫描方向单位矢量的扫描方向单位矢量算出部48、根据来自扫描方向单位矢量算出部48的输出(扫描方向单位矢量)和扫描速度设定部92的输出(扫描速度)来算出扫描方向移动量的扫描方向矢量算出部93。

移动矢量算出部(加法部)49对法线方向矢量算出部46的输出、压入矢量算出部47的输出、扫描方向矢量算出部93的输出进行加减运算而算出移动矢量M。在该移动矢量M的算出中使用后述的伺服开启及伺服关闭的执行所需要的信息、及存储在扫描速度设定部92中的通过触针20执行测定面25a的扫描所需要的信息(包括扫描的路径、扫描结束条件等)。

由移动矢量算出部49算出的移动矢量M向移动指示部87输出。移动指示部87使用移动矢量M来算出XY工作台27及Z工作台28的移动量。算出后的移动量向X轴控制部37、Y轴控制部38、Z轴控制部39输出，使X轴电动机88、Y轴电动机89、未图示的Z轴电动机工作来进行仿形动作。

图4是表示本发明的处理的流程的流程图。图5是对图6的轨迹平面图的标记方法进行辅助的图像图。图6是表示本发明的测定轨迹的图，是与以后的说明结合而进行分解标记的图，表示从图5的箭头的方向(Z轴上方)观察到的在与XY平面平行的平面内的测头位置P与触针位置S的关系。在以后的说明中，将测头位置P标记为位置P，将触针位置S标记为位置S。

首先，使用图6(a)，对图4的步骤1进行说明。

在图6(a)中，测头26被定位于触针20不与测定面25a接触的位置P0。位置P0位于首先与测定物25接触的测定面25a上的点S1处的大致法线方向上，例如通过目测等进行定位。在该位置处，触针20不与测定面25a接触，因此不受到测定力，从而S0＝PO。

使测头26从位置P0超过触针20与测定面25a接触的位置S1而移动到位置P1。将该动作称为伺服开启。位置P1是从位置P1到位置S1的触针位移矢量D1的大小成为预先确定的压入量C的位置。在图6中被放大标记，但在实际的形状测定机中，压入量C为3μm左右。

具体而言，在伺服开启时，对触针位移矢量D的XYZ分量Dx、Dy、Dz的平方和进行监视的同时使测头26移动，并在以下的式(4)成立的时刻使测头26的移动停止。移动矢量算出部49执行该平方和的监视。

数学式7

$\sqrt{{D_x}^2+{D_y}^2+{D_z}^2}\≥C---\left(4\right)$

接着，在图4的步骤2中，使当前的测头位置P为位置P1，使当前的触针位置S设位置S1，并使触针位移矢量为D1。另外，当参照图6(b)时，法线方向矢量算出部46使触针位移矢量D1为位置P1处的法线方向N1(矢量)。

接着，使用图6(c)及图6(d)，对图4的步骤3进行说明。使位于图6(c)中示出的位置外处的测头26从位置P1向垂直于法线方向N1且为XY平面内的方向移动距离Lc1(移动矢量M1)，而移动到位置P2。

关于距离Lc1，根据以下这样的观点来设定其值。当距离Lc1过度小时，测头26的移动距离变短，即便使测头26从测头位置P1移动，也存在因静止摩擦而触针20未从触针位置S1移动的可能性。相反，当距离Lc1过度大时，测头26的移动距离变长，容易受到测定面25a的倾斜角度变化的影响，存在触针位移矢量D的大小或方向的变化变大的可能性。因此，距离Lc1设定为满足通过测头26的移动而使触针20在测定面25a上移动这样的条件的范围内的最小距离，且设定为与测定面25a的起伏相比而微小的距离。

扫描方向单位矢量算出部48算出移动矢量M1的方向的单位矢量(扫描方向单位矢量)。首先，使测头26移动时的扫描方向单位矢量的算出存在两种方法。一种是根据触针位移矢量算出部43所算出的当前的触针位移矢量D1(法线方向N1)来算出的方法。另一种是利用伺服开启动作的方向(大致法线方向)的方法。第二次以后的使测头26移动时的扫描方向单位矢量的算出也可以通过前者的方法执行。图6(C)是触针位移矢量D1与伺服开启动作的方向一致的情况。扫描方向矢量算出部93根据扫描方向单位矢量算出部48所算出的扫描方向单位矢量和由扫描速度设定部92设定的扫描速度来算出测头26的移动矢量M1，并向移动矢量算出部49输出(在步骤3中，使扫描方向单位矢量算出部48的算出值直接成为移动矢量M1)。

当Uz为单位矢量时，从位置P1到P2的移动矢量M1可以通过以下的式(5)表示。

数学式8

$M_1=\left(\begin{array}{c}{M}_{1x}\\ M_{1y}\\ 0\end{array}\right)=L_{c1}\·\frac{D_1}{\left|D_1\right|}\×u_z=\frac{L_{c1}}{\sqrt{{D_{1x}}^2+{D_{1y}}^2}}\left(\begin{array}{c}-D_{1y}\\ D_{1x}\\ 0\end{array}\right)---\left(5\right)$

图6(d)表示测头26从位置P1向位置P2移动时的状态。此时的触针20的位置S2通过在与动作方向相反的方向起作用的动摩擦力F的作用，而从通过位置P2的与测定面25a成直角的矢量NR2偏离。

接着，使用图6(e)对图4的步骤4进行说明。在步骤4中决定当前的测头位置处的法线方向。在此以后，反复进行以下说明的根据当前的触针20的位置和之前的触针20的位置来求出接下来的扫描方向的步骤，因此将当前的触针位置标记为S_i，将当前的测头位置标记为P_i，将当前的触针位移矢量标记为D_i，将之前的触针位置标记为S_i-1，将之前的测头位置标记为P_i-1，并将之前的触针位移矢量标记为D_i-1，来简化说明。(i＝2、3、4…)。

使从当前的测头位置P_i向将之前的触针位置S_i-1和当前的触针位置S_i连结起来的直线引垂线而得到的点为T_i。当使从测头位置P_i向T_i的方向为测头位置P_i处的法线方向N_i时，存在以下的式(6)的关系。

数学式9

N_i＝(S_i-S_i-1)×U_z (6)

U_Z：单位矢量

法线方向矢量输出部45根据之前的触针位置S_i-1(矢量)和当前的触针位置S_i(矢量)来算出法线方向N_i(矢量)。

并且，使用图6(e)对图4的步骤5也进行说明。在步骤5中，以下面的顺序求出移动矢量M_i。

P_i处的法线方向的压入量DV_i(标量)由以下的式(7)表示。

数学式10

${\mathrm{DV}}_i=D_i\·\frac{N_i}{\left|N_i\right|}=|T_i-P_i|---\left(7\right)$

为了使P_i+1点的压入量成为设定值C(标量)，需要使P_i向法线方向移动移动矢量M_i的法线方向分量M_iv(压入矢量M_iv)。压入矢量算出部47算出该压入矢量M_iv。压入矢量M_iv由以下的式(8)表示。

数学式11

$M_{i}v=({\mathrm{DV}}_i-C)\frac{N_i}{\left|N_i\right|}---\left(8\right)$

当为设定的扫描速度V乘以测定取样时间Ts而得到的移动量Lc时，移动矢量M_i的扫描方向分量(扫描方向移动矢量)M_ih由以下的式(9)表示。由该式(9)可知，扫描方向移动矢量M_ih的方向为从之前的触针位置S_i-1(矢量)朝向当前的触针位置S_i(矢量)的方向。

数学式12

$M_{i}h=L_c\frac{(S_i-S_{i-1})}{|S_i-S_{i-1}|}=V*T_S\frac{(S_i-S_{i-1})}{|S_i-S_{i-1}|}---\left(9\right)$

扫描方向单位矢量算出部48算出扫描方向移动矢量M_ih的方向的单位矢量。扫描方向矢量算出部93根据该单位矢量、由扫描速度设定部92设定的扫描速度V、测定取样时间Ts来算出扫描方向移动矢量M_ih。

P_i点处的移动矢量M_i由以下的式(10)表示。

数学式13

$\begin{array}{c}{M}_i=M_{i}v+M_{i}h=({\mathrm{DV}}_i-C)\frac{N_i}{\left|N_i\right|}+\mathrm{Lc}\frac{(S_i-S_{i-1})}{|S_i-S_{i-1}|}\\ =[D_i\·\frac{N_i}{{|N}_i|}]\frac{N_i}{{|N}_i|}-C\frac{N_i}{{|N}_i|}+\mathrm{Lc}\frac{(S_i-S_{i-1})}{|S_i-S_{i-1}|}\end{array}---\left(10\right)$

式(10)的第一项为法线方向矢量算出部46的输出，第二项为压入矢量算出部47的输出，第三项为扫描方向矢量算出部93的输出。

在图4的步骤6中，在测头位置P到达测定前指定的测定结束位置之前重复步骤4及步骤5，当到达测定结束位置时，使测头26的移动停止。

在图4的步骤7中，当使测头26的移动停止后，使测头26在触针位移矢量D_i的方向上移动比触针位移矢量D_i大的距离(将该动作称为伺服关闭)并结束测定。

以上，在与两个坐标轴平行的平面上进行了说明，但对任意的平面都能够适用。主要决定实施扫描测定的平面，则平面与测定面25a的交线就成为测定轨迹。

通过本实施方式的形状测定，即使触针的位移因在触针的移动方向上作用的摩擦力而从与测定面成直角的方向错动，也能够使触针向沿着测定面的方向移动，其中，该触针的位移由来自向任意方向倾斜的测定面的测定力引起。并且，能够使触针在沿着向任意方向倾斜的测定面的方向上平滑地移动。因此，通过本实施方式的形状测定，能够提高测定速度稳定性，且还能够使测定力固定而提高测定精度。

(实施方式2)

在实施方式2中，为如下这样的方式：与法线方向算出相比更快速(控制周期Ts秒间隔)地实施用于使触针位移矢量D_i的法线方向分量成为固定值DV＝C的修正，且前次测定位置使用几次之前的位置。

在实施方式1中，将驱动***不延迟地立刻按照指令值移动的情况作为前提，从而法线方向移动成为以下的式(8)。

数学式14

$M_{i}v=({\mathrm{DV}}_i-C)\frac{N_i}{\left|N_i\right|}---\left(8\right)$

为了减小扫描时的压入量的变化，减小执行式(8)的时间间隔Ts来缩短控制周期是有效的。但是，实际上驱动***存在延迟，因此当缩短时间间隔Ts时，即，使控制周期变得快速时，成为振荡状态。

因此，如以下的式(11)所示，通过乘以由驱动***的延迟决定的增益g≤1，能够提高控制周期，且使动作稳定，减小压入量的变化。

数学式15

$M_{i}v=g({\mathrm{DV}}_i-C)\frac{N_i}{\left|N_i\right|}---\left(11\right)$

另外，在实施方式1中，对将驱动***不延迟地立刻按照指令值移动的情况作为前提，且使法线方向分量的修正和法线方向算出成为相同的时间间隔进行了说明。只要为稳定的动作，则为(移动距离Lc＝设定扫描速度V*控制周期Ts)。

实际上，存在工作台等的惯性引起的机构***的延迟·振动、控制***的延迟。因此，当以与性能良好的快速的法线方向分量的修正相同的短的控制周期实施法线方向算出时，法线方向的误差变大，法线方向产生振动，从而无法进行沿着测定面的仿形控制，测头26曲折地移动，因此表观的扫描速度变得比设定值小。为了在这样的情况下也以设定扫描速度V进行稳定的扫描，使推定法线方向的前次的位置为a次前的位置来延迟控制周期是有效的。此时的各控制周期的移动量M_i为以下的式(12)所示那样。

数学式16

$M_i=g[D_i\·\frac{N_i}{\left|N_i\right|}-C]\frac{N_i}{\left|N_i\right|}+\mathrm{Lc}\frac{(S_i-S_{i-a})}{|S_i-S_{i-a}|}---\left(12\right)$

通过本实施方式的形状测定，能够提高压入量C的控制性能，且能够实现稳定的扫描。

上述法线方向矢量算出部46可以在触针位移矢量比触针20的压入方向位移矢量的1/2小时输出触针位移矢量，在触针位移矢量比触针20的压入方向位移矢量的1/2大时，以与连结过去的触针位置和当前的触针测定位置的直线正交的方式输出法线方向。

产业上的可利用性

本发明的形状测定装置及形状测定方法具有能够提高测定精度、测定速度且使测定力固定的特征，因此还能够适用于以往由于无法测定而无法高精度化、或成品率无法提高的非球面透镜的形状和相对于侧面的偏心精度或焦距透镜的镜筒、焦距槽形状、硬盘驱动电动机的轴径和液压流体轴承的内径或轴承侧面槽形状、通常的电气产品的部件用模具的内径和外径形状、齿轮的齿的形状等的测定。

Claims (9)

1.一种形状测定方法，其中，

准备触针，该触针借助来自测定面的测定力而被支承为能够相对于测头位移，

重复包括平行移动和正交移动在内的所述测头的相对于所述测定面的相对移动，所述平行移动使所述触针相对于所述测定面而向与所述测定面平行的方向移动指定的距离，所述正交移动检测包括所述触针的位置相对于所述测头的位置的位移量和位移方向在内的触针位移矢量，基于所述测定面的测定点处的法线方向的值，算出所述触针位移矢量的法线方向分量，基于所述测定面上的法线方向的压入量的设定值和所述法线方向分量，使所述测头向根据当前的触针位置与过去的触针位置之差而算出的所述测定面的法线方向移动，使得所述触针位移矢量的法线方向分量成为所述压入量的设定值。

2.根据权利要求1所述的形状测定方法，其中，

在重复所述测头的相对于所述测定面的相对移动之前，以使所述触针在与已知的所述测定面正交的方向上移动的方式使所述测头移动，使所述触针与所述测定面接触，且在所述触针位移矢量的所述测定面的法线方向的大小成为所述压入量的设定值以上时停止测头的移动。

3.根据权利要求1或2所述的形状测定方法，其中，

所述平行移动由以下的式子表示，

$M_{i}h=\mathrm{Lc}\frac{S_i-S_i^{\′}}{|S_i-S_i^{\′}|}$

M_ih：其是矢量，表示平行移动的大小和方向，

Lc：其是标量，表示移动量，

S_i：其是矢量，表示当前的触针位置，

S_i’：其是矢量，表示过去的触针位置。

4.根据权利要求1或2所述的形状测定方法，其中，

所述正交移动由以下的式子表示，

$M_{i}v=({\mathrm{DV}}_i-C)\frac{N_i}{\left|N_i\right|}$

M_iv：其是矢量，表示正交移动的大小和方向，

DV_i：其是标量，表示当前的测头位置P_i处的法线方向的压入量，

C：其是标量，表示压入量的设定值，

N_i：其是法线方向矢量，

N_i＝(S_i-S_i’)×Uz

S_i：其是矢量，表示当前的触针位置，

S_i’：其是矢量，表示过去的触针位置，

Uz：其是单位矢量。

5.一种形状测定装置，其特征在于，

所述形状测定装置具备：

测头，其将触针支承为能够借助来自测定面的测定力而位移；

移动部，其使所述测头和所述测定面的相对位置移动，使得所述触针对所述测定面进行扫描；

触针位移矢量检测部，其对包括所述触针的位置相对于所述测头的位置的位移量和位移方向在内的触针位移矢量进行检测；

法线方向输出部，其输出所述测定面的测定点处的法线方向，所述法线方向根据当前的触针位置与过去的触针位置之差来算出；

法线方向矢量分量算出部，其基于所述法线方向输出部所输出的值，来算出触针位移矢量的法线方向分量并将其输出；

压入矢量算出部，其基于所述测定面上的法线方向的压入量的设定值和法线方向矢量分量算出部的输出算出压入矢量，使得所述触针位移矢量的法线方向分量成为所述压入量的设定值；

扫描矢量算出部，其算出在与所述法线方向垂直的方向上成为预先设定的扫描速度的扫描矢量；

移动矢量算出部，其根据所述压入矢量算出部的输出和所述扫描矢量算出部的输出，来算出对所述测头的移动指令即移动矢量；及

移动控制部，其对所述移动部的移动进行控制，使得所述测头按照所述移动矢量移动。

6.根据权利要求5所述的形状测定装置，其特征在于，

所述法线方向输出部在扫描测定开始时输出设定的值的所述法线方向，在扫描测定开始后以与将过去的测定位置与当前的测定位置连结起来的直线正交的方式对法线方向输出进行更新。

7.根据权利要求6所述的形状测定装置，其特征在于，

所述法线方向输出部在所述扫描测定开始时输出所述触针位移矢量。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的形状测定装置，其特征在于，

所述法线方向输出部中使用的之前测定位置与当前测定位置的时间间隔比所述移动矢量算出部中的根据所述法线方向分量与压入量设定之差来算出法线方向移动量的时间间隔大。

9.根据权利要求5所述的形状测定装置，其特征在于，

所述法线方向输出部在所述触针位移矢量比所述触针的压入方向位移矢量的1/2小时，输出触针位移矢量，在所述触针位移矢量比所述触针的压入方向位移矢量的1/2大时，以与将过去的测定位置和当前的测定位置连结起来的直线正交的方式输出法线方向。