JP2003097940A

JP2003097940A - 形状測定方法、形状測定装置、形状測定用のコンピュータプログラムを格納する記憶媒体及び形状測定用のコンピュータプログラム

Info

Publication number: JP2003097940A
Application number: JP2001290177A
Authority: JP
Inventors: Minoru Takahashi; 実高橋
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-09-21
Filing date: 2001-09-21
Publication date: 2003-04-03

Abstract

(57)【要約】【課題】触針子が機械共振周波数で振動したとして
も、触針子の初期位置を正確に検出し、被測定面に対す
る形状測定の精度の向上、測定時間の短縮を図る。ま
た、そのために構造の複雑化やその他の不利益を極力生
じさせないようにする。【解決手段】被測定面に接触させた接触式のプローブ
の初期位置からの変位を検出手段３によって検出して被
測定面の形状を測定するようにした形状測定方法を実施
するに際して、プローブの変位を検出手段３によって検
出し、その出力信号に対して、プローブの初期位置とみ
なすことができる信号を得るための演算処理を行なう。
これにより、プローブの機構を変更することなく、演算
処理のみによってプローブの初期位置を正確に且つ短時
間で検出することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レンズや金型等に
おける被測定面を接触式のプローブを用いて計測するよ
うにした形状測定方法、形状測定装置、形状測定用のコ
ンピュータプログラムを記憶する記憶媒体及び形状測定
用のコンピュータプログラムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、微小形状を高精度に測定するため
に、触針式プローブを搭載した形状測定装置が開発され
ている。

【０００３】図１は、触針式のプローブの一例を示す縦
断正面図である。

【０００４】図１中、１は触針子２の先端に取り付けら
れ、被接触物と接触する真球である。触針子２の上方に
は、この触針子２の変位を検出するための変位計３が触
針子２の上端と対面するように設けられている。これら
の触針子２及び変位計３は、ハウジング４内に保持され
ている。触針子２は、給気孔６から給気される静圧空気
軸受け５によってハウジング４に非接触支持されなが
ら、横方向には拘束され、上下方向には摺動抵抗なく変
位可能となっている。変位計３は、ハウジング４の上端
に固定されている。また、ハウジング４は、触針子２の
変位方向と同一方向に駆動される図示しない移動ステー
ジに搭載されている。

【０００５】図１中、ばねを示す７は、触針子２を支持
し、ハウジング４に固定されている板ばねである。触針
子２を支持するばね７として、図１には板ばねを例示し
ているが、このばね７は、板ばねに限らず、コイルば
ね、ヒンジ、空気ばね、磁気式ばね等、その形式を問わ
ず、変位によって力が発生する機構であれば良い。ま
た、触針子２の横方向の支持機構についても、静圧空気
軸受け５に限定されず、平行板ばね等の横方向剛性の高
い支持機構であれば良い。さらに、変位計３について
も、光学式、静電容量式、作動トランス式等、その形式
は問わない。

【０００６】次に、形状測定装置の基本動作を説明す
る。

【０００７】図示しない被測定面の形状測定時には、触
針子２の先端の真球１が被測定面に押し付けられる。こ
れによって、触針子２は、ばね７によるばね力と被測定
面からの反力とが釣り合う位置に移動する。この時、変
位計３の出力が変化する。そこで、変位計３の出力が常
に一定となるようにハウジング４を搭載した移動ステー
ジを駆動制御する。これによって、被測定面に対する触
針子２の接触荷重が一定に保たれる。このようにして、
接触荷重を一定に保った状態で、走査用の移動ステージ
を駆動して被測定面を走査する。この際の走査軌跡が被
測定面の形状となる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述したような原理の
触針式のプローブは、触針子２がばね７で支持され、か
つ、静圧空気軸受け５を利用した摺動抵抗が少ない支持
がなされているので、触針子２の重量とこれを支持する
ばね７のばね定数とによって求まる機械共振周波数で振
動しやすく、減衰しにくいという問題がある。触針子２
が振動していると、触針子２の初期位置を検出すること
が困難となるため、接触荷重に相当する変位の誤差も大
きくなってしまうことになり、正確な形状測定が困難と
なる。

【０００９】このようなことから、従来、触針子が機械
共振周波数で振動し易いことを原因として正確な形状測
定が困難であるという問題を解決するための工夫がなさ
れている。

【００１０】特開平９−９６５１８号公報には、形状測
定装置における触針式プローブの振動を減衰させるため
に、プローブに１軸方向に作用する粘性流体を用いた振
動減衰機構を設けるようにした発明が記載されている。

【００１１】特開２０００−１５５０１９公報には、形
状測定装置における触針式プローブの残留振動を抑える
ために、移動ステージを低共振制御のもとで移動させる
ようにした発明が記載されている。

【００１２】特開２０００−２９８０１３公報には、形
状測定装置における触針式プローブの振動を減衰させる
ために、プローブを支持するばねに異なる材料を付着さ
せるようにした発明が記載されている。

【００１３】しかしながら、これらの各公報に記載され
た発明は、プローブの機械的な振動を抑制しようとする
ことを基本としていることから、どうしても形状測定装
置としての基本構造になんらかの構造物を付加すること
が不可欠であり、構造の複雑化等の不都合を招くという
問題がある。

【００１４】特に、特開平９−９６５１８号公報に記載
された発明では、粘性流体を扱うためのシ−ル機構等に
よりプローブの機構が複雑化してしまったり、プローブ
重量が増加してしまったりするという問題がある。プロ
ーブの応答性の向上や跳躍振動の抑制等を考慮すると、
プローブの重量増加による不利益は極めて大きい。

【００１５】また、特開２０００−１５５０１９公報に
記載された発明は、プローブが振動しにくいように移動
ステージを駆動する方法を提案するに過ぎず、プローブ
の振動そのものの減衰性を向上させることを狙っている
わけではない。

【００１６】さらに、特開２０００−２９８０１３公報
に記載されている発明は、例えば特開平９−９６５１８
号公報に記載された発明に比較して簡単な機構によって
プローブの減衰性を向上させる機構を提案してはいるも
のの、プローブの振動を収束させる効果は無い。

【００１７】本発明の目的は、触針子が機械共振周波数
で振動したとしても、触針子の初期位置を正確に検出
し、被測定面に対する形状測定の精度を向上させること
である。

【００１８】本発明の目的は、触針子が機械共振周波数
で振動したとしても、触針子の初期位置を正確に検出
し、被測定面に対する形状測定の測定時間を短縮するこ
とである。

【００１９】本発明の目的は、上記目的を達成するため
に、構造の複雑化やその他の不利益を極力生じさせない
ようにすることである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
被測定面に接触させた接触式のプローブの初期位置から
の変位を検出手段によって検出して前記被測定面の形状
を測定するようにした形状測定方法において、初期位置
に位置する前記プローブからの出力信号を前記検出手段
によって検出する初期信号検出ステップと、前記検出手
段の出力信号に対して、前記プローブの初期位置とみな
すことができる信号を得るための演算処理を行なう演算
ステップと、を具備する。

【００２１】したがって、プローブの機構を変更するこ
となく、演算処理のみによってプローブの初期位置が検
出される。

【００２２】請求項２記載の発明は、請求項１記載の形
状測定方法において、前記初期信号検出ステップは、前
記被測定面に対して非接触状態である前記プローブから
の出力信号を前記検出手段によって検出する。

【００２３】したがって、プローブの機構を変更するこ
となく、測定面に対して非接触状態であるプローブの初
期位置が演算処理のみによって検出される。

【００２４】請求項３記載の発明は、請求項１記載の形
状測定方法において、前記初期信号検出ステップは、前
記被測定面に対して接触状態である前記プローブからの
出力信号を前記検出手段によって検出する。

【００２５】したがって、プローブの機構を変更するこ
となく、測定面に対して接触状態であるプローブの初期
位置が演算処理のみによって検出される。

【００２６】請求項４記載の発明は、請求項１、２又は
３記載の形状測定方法において、前記プローブの初期位
置とみなすことができる信号を得るための演算処理は、
前記検出手段の出力信号に対する規定時間間隔内での平
均化処理である。

【００２７】したがって、プローブの初期位置とみなす
ことができる信号が容易に得られる。

【００２８】請求項５記載の発明は、請求項１、２又は
３記載の形状測定方法において、前記プローブの初期位
置とみなすことができる信号を得るための演算処理は、
前記検出手段の出力信号に対するローパスフィルタ処理
である。

【００２９】したがって、プローブの初期位置とみなす
ことができる信号を得るに際して、演算処理の負荷や演
算処理のためのリソースを低減することが可能となる。

【００３０】請求項６記載の発明は、請求項１、２、
３、４又は５記載の形状測定方法において、前記プロー
ブの初期位置とみなすことができる信号を得るための演
算処理は、前記検出手段の出力信号に基づく値が規定の
範囲に収束した場合に前記プローブの振動が収束したと
判定する振動収束判定処理を含む。

【００３１】したがって、プローブの機構を変更するこ
となく、プローブの振動の収束が演算処理のみによって
判定される。これにより、プローブの振動減衰性能に依
存することなく、プローブの振動収束判定をすることが
でき、プローブ振動であるのか、プローブが被対象物に
接触したのかが正しく判定される。

【００３２】請求項７記載の発明は、請求項６記載の形
状測定方法において、前記検出手段の出力信号に基づく
値は、規定時間間隔内におけるピークホールド値であ
る。

【００３３】したがって、検出手段の出力信号に基づく
値が規定の範囲に収束したことを判定するに際して、演
算処理の負荷や演算処理のためのリソースを低減するこ
とが可能となる。

【００３４】請求項８記載の発明は、請求項６記載の形
状測定方法において、前記検出手段の出力信号に基づく
値は、規定時間間隔内における分散である。

【００３５】したがって、検出手段の出力信号に基づく
値が規定の範囲に収束したことを判定するに際して、プ
ローブやばねの変更による収束特性の変化、経時変化、
外乱等に対してロバストとなり、その判定の精度が高ま
る。

【００３６】請求項９記載の発明は、請求項４、７又は
８記載の形状測定方法において、前記規定時間間隔は、
前記プローブの機械共振周波数の逆数で表される振動周
期以上の間隔である。

【００３７】したがって、状態検出の精度を得るに十分
な規定時間間隔が規定される。

【００３８】請求項１０記載の発明は、請求項４、７又
は８記載の形状測定方法において、前記規定時間間隔内
でのデータ取得周期又は演算周期は、前記プローブの機
械共振周波数の逆数で表される振動周期の１／２未満以
上の間隔である。

【００３９】したがって、状態検出の精度を得るに十分
な規定時間間隔が規定される。

【００４０】請求項１１記載の発明は、請求項１０記載
の形状測定方法において、前記データ取得周期又は前記
演算周期を可変自在とした。

【００４１】したがって、状態検出の精度を得るに十分
な規定時間間隔を、例えば各種の条件に応じて設定する
ようなことが可能となる。

【００４２】請求項１２記載の形状測定方法の発明は、
請求項６、７又は８記載の前記振動収束判定処理によっ
て前記プローブの振動が収束したことを判定した時点
で、請求項１、２、３、４又は５記載の前記演算ステッ
プを実行して得た値を、前記プローブの初期位置に設定
するようにした。

【００４３】したがって、プローブの振動による誤差を
低減した上で、精度良くプローブの初期位置を算出する
ことが可能となる。こうして、プローブの初期位置の高
精度検出が可能となることから、高精度な接触荷重設定
が可能となり、例えば、プラスチックレンズや金型等を
傷付けることなく高精度な形状測定が可能となる。

【００４４】請求項１３記載の発明は、被測定面に接触
させた接触式のプローブの初期位置からの変位を検出手
段によって検出して前記被測定面の形状を測定するよう
にした形状測定装置において、初期位置に位置する前記
プローブからの出力信号を前記検出手段によって検出す
る初期信号検出手段と、前記検出手段の出力信号に対し
て、前記プローブの初期位置とみなすことができる信号
を得るための演算処理を行なう演算手段と、を具備す
る。

【００４５】したがって、プローブの機構を変更するこ
となく、演算処理のみによってプローブの初期位置が検
出される。

【００４６】請求項１４記載の発明は、請求項１３記載
の形状測定装置において、前記プローブの初期位置とみ
なすことができる信号を得るための演算処理は、前記検
出手段の出力信号に基づく値が規定の範囲に収束した場
合に前記プローブの振動が収束したと判定する振動収束
判定処理を含む。

【００４７】したがって、プローブの機構を変更するこ
となく、プローブの振動の収束が演算処理のみによって
判定される。これにより、プローブの振動減衰性能に依
存することなく、プローブの振動収束判定をすることが
でき、プローブ振動であるのか、プローブが被対象物に
接触したのかが正しく判定される。

【００４８】請求項１５記載の発明は、請求項１４記載
の形状測定装置において、前記プローブの振動が収束し
たと判定したとき、前記検出手段を初期化するようにし
た。

【００４９】したがって、プローブの振動による誤差を
低減した上でプローブの初期位置を算出するに際して、
検出手段が初期化されることからその算出処理が容易と
なる。

【００５０】請求項１６記載の発明は、請求項１４又は
１５記載の前記振動収束判定処理によって前記プローブ
の振動が収束したことを判定した時点で、請求項１３記
載の前記演算処理を実行して得た値を、前記プローブの
初期位置に設定するようにした。

【００５１】したがって、プローブの振動による誤差を
低減した上で、精度良くプローブの初期位置を算出する
ことが可能となる。こうして、プローブの初期位置の高
精度検出が可能となることから、高精度な接触荷重設定
が可能となり、例えば、プラスチックレンズや金型等を
傷付けることなく高精度な形状測定が可能となる。

【００５２】請求項１７記載のコンピュータプログラム
を格納する記憶媒体の発明は、被測定面に接触させた接
触式のプローブの初期位置からの変位を検出手段によっ
て検出して前記被測定面の形状を測定するようにした形
状測定装置が備えるコンピュータにインストールされ、
このコンピュータに、初期位置に位置する前記プローブ
からの出力信号を前記検出手段によって検出する初期信
号検出機能と、前記検出手段の出力信号に対して、前記
プローブの初期位置とみなすことができる信号を得るた
めの演算処理を行なう演算機能と、を実行させる。

【００５３】したがって、プローブの機構を変更するこ
となく、演算処理のみによってプローブの初期位置が検
出される。

【００５４】請求項１８記載の発明は、請求項１７記載
の記憶媒体において、前記プローブの初期位置とみなす
ことができる信号を得るための演算処理は、前記検出手
段の出力信号に基づく値が規定の範囲に収束した場合に
前記プローブの振動が収束したと判定する振動収束判定
処理を含む。

【００５５】したがって、プローブの機構を変更するこ
となく、プローブの振動の収束が演算処理のみによって
判定される。これにより、プローブの振動減衰性能に依
存することなく、プローブの振動収束判定をすることが
でき、プローブ振動であるのか、プローブが被対象物に
接触したのかが正しく判定される。

【００５６】請求項１９記載のコンピュータプログラム
の発明は、被測定面に接触させた接触式のプローブの初
期位置からの変位を検出手段によって検出して前記被測
定面の形状を測定するようにした形状測定装置が備える
コンピュータにインストールされ、このコンピュータ
に、初期位置に位置する前記プローブからの出力信号を
前記検出手段によって検出する初期信号検出機能と、前
記検出手段の出力信号に対して、前記プローブの初期位
置とみなすことができる信号を得るための演算処理を行
なう演算機能と、を実行させる。

【００５７】したがって、プローブの機構を変更するこ
となく、演算処理のみによってプローブの初期位置が検
出される。

【００５８】請求項２０記載の発明は、請求項１９記載
のコンピュータプログラムにおいて、前記プローブの初
期位置とみなすことができる信号を得るための演算処理
は、前記検出手段の出力信号に基づく値が規定の範囲に
収束した場合に前記プローブの振動が収束したと判定す
る振動収束判定処理を含む。

【００５９】したがって、プローブの機構を変更するこ
となく、プローブの振動の収束が演算処理のみによって
判定される。これにより、プローブの振動減衰性能に依
存することなく、プローブの振動収束判定をすることが
でき、プローブ振動であるのか、プローブが被対象物に
接触したのかが正しく判定される。

【００６０】請求項２１記載の発明は、被測定面に接触
させた接触式のプローブの初期位置からの変位を検出手
段によって検出して前記被測定面の形状を測定するよう
にした形状測定方法において、初期位置に位置する前記
プローブからの出力信号を前記検出手段によって検出す
る初期信号検出ステップと、前記検出手段の出力信号に
基づく値が規定の範囲に収束した場合に前記プローブの
振動が収束したと判定する振動収束判定ステップと、を
具備する。

【００６１】したがって、プローブの機構を変更するこ
となく、プローブの振動の収束が演算処理のみによって
判定される。これにより、プローブの振動減衰性能に依
存することなく、プローブの振動収束判定をすることが
でき、プローブ振動であるのか、プローブが被対象物に
接触したのかが正しく判定される。

【００６２】請求項２２記載の発明は、被測定面に接触
させた接触式のプローブの初期位置からの変位を検出手
段によって検出して前記被測定面の形状を測定するよう
にした形状測定装置において、初期位置に位置する前記
プローブからの出力信号を前記検出手段によって検出す
る初期信号検出手段と、前記検出手段の出力信号に基づ
く値が規定の範囲に収束した場合に前記プローブの振動
が収束したと判定する振動収束判定処理を行う手段と、
を具備する。

【００６３】したがって、プローブの機構を変更するこ
となく、プローブの振動の収束が演算処理のみによって
判定される。これにより、プローブの振動減衰性能に依
存することなく、プローブの振動収束判定をすることが
でき、プローブ振動であるのか、プローブが被対象物に
接触したのかが正しく判定される。

【００６４】請求項２３記載の記憶媒体の発明は、被測
定面に接触させた接触式のプローブの初期位置からの変
位を検出手段によって検出して前記被測定面の形状を測
定するようにした形状測定装置が備えるコンピュータに
インストールされ、このコンピュータに、初期位置に位
置する前記プローブからの出力信号を前記検出手段によ
って検出する初期信号検出機能と、前記検出手段の出力
信号に基づく値が規定の範囲に収束した場合に前記プロ
ーブの振動が収束したと判定する振動収束判定処理を行
う機能と、を実行させるコンピュータプログラムを格納
する。

【００６５】したがって、プローブの機構を変更するこ
となく、プローブの振動の収束が演算処理のみによって
判定される。これにより、プローブの振動減衰性能に依
存することなく、プローブの振動収束判定をすることが
でき、プローブ振動であるのか、プローブが被対象物に
接触したのかが正しく判定される。

【００６６】請求項２４記載のコンピュータプログラム
の発明は、被測定面に接触させた接触式のプローブの初
期位置からの変位を検出手段によって検出して前記被測
定面の形状を測定するようにした形状測定装置が備える
コンピュータにインストールされ、このコンピュータ
に、初期位置に位置する前記プローブからの出力信号を
前記検出手段によって検出する初期信号検出機能と、前
記検出手段の出力信号に基づく値が規定の範囲に収束し
た場合に前記プローブの振動が収束したと判定する振動
収束判定処理を行う機能と、を実行させる。

【００６７】したがって、プローブの機構を変更するこ
となく、プローブの振動の収束が演算処理のみによって
判定される。これにより、プローブの振動減衰性能に依
存することなく、プローブの振動収束判定をすることが
でき、プローブ振動であるのか、プローブが被対象物に
接触したのかが正しく判定される。

【００６８】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図１ないし
図１６に基づいて説明する。

【００６９】本実施の形態の発明は、被測定面に接触さ
せた接触式のプローブの初期位置からの変位を検出手段
としての変位計３によって検出し、変位計３の出力に基
づいて被測定面の形状を測定するようにした形状測定方
法、形状測定装置、形状測定用のコンピュータプログラ
ム及びそのようなコンピュータプログラムを記憶する記
憶媒体に関する。このような本実施の形態の発明に用い
る接触式のプローブの構造については、図１に従来の一
例として紹介したものと異なる点がない。そこで、接触
式プローブについては、図１に基づいて説明した接触式
プローブをそのまま利用して説明し、その内容について
も重複した説明を避ける。

【００７０】本実施の形態の発明は、上述したような形
状測定方法にあって、変位計３の出力信号に対して、プ
ローブの初期位置とみなすことができる信号を得るため
の演算処理を行なうようにした発明である。そこで、以
下では、そのための各種の方法を最初に説明し、次い
で、そのような方法を実現するための装置、このような
装置が備えるコンピュータにインストールされるソフト
ウェア、このようなソフトウェアを記憶する記憶媒体に
ついて言及する。

【００７１】＜第１の演算処理方法＞図１に示した触針
式プローブは、摺動抵抗が少なく減衰が悪いために振動
し易く、非接触状態における初期位置を求めることが困
難である。

【００７２】そこで、触針子２の自重がばね７によって
支持され、触針子２の自重がばね７と釣り合う状態で、
触針子２とハウジング４との間の変位を検出手段として
の変位計３によって検出し（初期信号検出ステップ、初
期信号検出手段、初期信号検出機能）、検出した変位ｄ
ｚに対して、図２に示すように、プローブの初期位置と
みなすことができる信号を得るための演算処理を行なう
（演算ステップ、演算手段、演算機能）。その出力であ
るｄｚ＾をプローブの初期位置ｄｚ₀とする。

【００７３】ここで、演算処理の内容について説明す
る。本実施の形態での演算処理としては、特に単一の処
理に限ることなく、各種の処理が実施可能である。そこ
で、以下では、平均化処理とローパスフィルタ処理とい
う２種類の演算処理について説明する。

【００７４】まず、図３及び図４に基づいて平均化処理
について説明する。平均化処理の方法は、移動平均化処
理である。変位ｄｚを図３に示すように所定サンプリン
グ時間ｔｓでサンプリングしていく。サンプリングした
ｄｚのデータをｄｚ（０），ｄｚ（１），ｄｚ（２），
…，ｄｚ（ｎ），ｄｚ（ｎ＋１）とする。例えば、ｍ回
サンプリングした分の移動平均の場合、ｄｚ（０）から
ｄｚ（ｍ−１）のデータを使用した演算処理の出力ｄｚ
＾（０）は、（１）式となる。

【００７５】

【数１】

【００７６】よって、ｄｚ（ｎ）からｄｚ（ｎ＋ｍ−
１）のデータを使用した平均値ｄｚ＾（ｎ）は、（２）
式となる。

【００７７】

【数２】

【００７８】図４（ａ）は、変位ｄｚで、振動の振幅が
時間とともに減衰していき、約３秒後に定常的な微小振
動となる場合を示している。プローブの減衰が悪い場
合、図４（ａ）に示すような微小振動が残ることがあ
る。このような変位ｄｚを所定サンプリング時間ｔｓで
サンプリングし、所定の回数ｍだけ移動平均化処理をし
た結果が図４（ｂ）である。平均化処理であるため、出
力ｄｚ＾には遅れが生じるが、４秒後には振幅が０近傍
に収束していることがわかる。このように、リアルタイ
ムに演算処理をし、定常的なプローブの微小振動やノイ
ズの影響が小さくなる所定時間後（ここでは４秒以降）
のｄｚ＾をプローブの初期位置ｄｚ₀とする。

【００７９】次に、図３及び図５に基づいてローパスフ
ィルタ処理について説明する。（３）式は、カットオフ
周波数がωｒａｄ／ｓであるアナログのローパスフィル
タでの処理内容を示す式である。検出した変位ｄｚに対
して、プローブの初期位置とみなすことができる信号を
得るための演算処理をアナログ回路で行なう場合は、
（３）式相当の電気回路をオペアンプ等で製作すること
になる。

【００８０】

【数３】

【００８１】これに対して、本実施の形態では、演算処
理として、デジタル処理する場合の演算処理を説明す
る。（３）式を状態空間方程式と出力方程式で表わす
と、（４）式及び（５）式となる。

【００８２】

【数４】

【００８３】

【数５】

【００８４】（４）式及び（５）式を所定のサンプリン
グ時間ｔｓで離散化すると、（６）式及び（７）式とな
る。

【００８５】

【数６】

【００８６】

【数７】

【００８７】図３に示すように、変位ｄｚを所定サンプ
リング間隔Ｔｓでサンプリングしていく。サンプリング
したｄｚのデータｄｚ（ｎ）を（６）式及び（７）式の
入力ｕ（ｋ）に逐次入力し、リアルタイム処理し、算出
されるＹ（ｋ）をｄｚ（ｎ）のフィルタリング後のデー
タｄｚ＾（ｎ）とする。

【００８８】図５（ａ）は、変位ｄｚで、振動の振幅が
時間とともに減衰していき約３秒後に定常的な微小振動
となる場合を示している。プローブの減衰が悪い場合、
図５（ａ）に示すような微小振動が残ることがある。こ
のような変位ｄｚを所定サンプリング時間ｔｓでサンプ
リングし、（６）式及び（７）式によるローパスフィル
タ処理をした結果が、図５（ｂ）である。ローパスフィ
ルタのカットオフ周波数によって変化するが、約３秒後
の振幅は、入力時の振幅よりも十分に小さく、０を中心
とした微小振幅となることがわかる。このように、リア
ルタイムに演算処理をし、定常的なプローブの微小振動
やノイズの影響が無視できるレベルとなる所定時間後
（ここでは３秒以降）のｄｚ＾をプローブの初期位置ｄ
ｚ₀とする。

【００８９】ここで、平均化処理とローパスフィルタ処
理とを比較した場合、ローパスフィルタ処理では、１サ
ンプリング前の状態変数Ｘ（ｋ）を記憶しておき、
（６）式及び（７）式の積和演算を行なうだけであるた
め、平均化処理と比較すると、リソースの節約及び演算
負荷の低減が可能である。

【００９０】＜第２の演算処理方法＞図１に示した触針
式プローブは、触針子２とハウジング４との間の変位を
変位計３によって検出している。この場合、変位計３と
して、フォ−カス信号を利用した光学式変位計や静電容
量変位計、作動トランス型変位計等を用いた場合、アナ
ログ信号に含まれるノイズが制御系や測定された被測定
面の形状データに影響を及ぼすことがある。また、レー
ザ干渉測長器等を使用した場合でも、大気の密度分布に
よって発生するゆらぎ等のノイズがあり、制御系や測定
された被測定面の形状データに影響を及ぼすことがあ
る。

【００９１】そこで、第２の演算処理方法としては、触
針子２の先端の真球１を被測定面に押し付け、これによ
って、触針子２が、ばね７によるばね力と被測定面から
の反力とが釣り合う位置に移動した状態で、触針子２と
ハウジング４との間の変位を検出手段としての変位計３
によって検出する。そして、図２に示すように、検出し
た変位ｄｚに対して、プローブの初期位置とみなすこと
ができる信号を得るための演算処理を行なう。その出力
であるｄｚ＾をプローブの初期位置ｄｚ₀とする。

【００９２】ここで、演算処理としては、第１の演算処
理方法で紹介した処理と同一の処理を行なうことから、
その説明を省略する。このような演算処理の結果得られ
る値、つまり、入力ｄｚ（ｎ）に対する演算結果ｄｚ＾
（ｎ）をプローブの変位として使用する。

【００９３】＜第３の演算処理方法＞図１に例示した触
針式のプローブは、摺動抵抗が少なく減衰が悪いため、
小さな外力によっても振動し易い。このため、接触式プ
ローブを搭載した移動ステージが静止状態で一定時間経
過しても、プローブの振動が収束しているとは言えな
い。プローブの振動が所定の値まで収束していない状態
でブローブの初期位置を設定すると、プローブの初期位
置からの変位が接触荷重と比例関係を示すため、接触荷
重の狂いが生ずる可能性がある。また、振動の振幅を接
触荷重と誤判定し、その状態で、荷重制御するためにプ
ローブの変位計出力を使用した制御に切り換えた場合、
プローブが被測定面に衝突してしまう可能性がある。

【００９４】そこで、第３の演算処理方法では、触針子
２とハウジング４との間の変位を変位計３によって検出
し、検出した変位ｄｚに対して図６に示すような所定の
演算処理を行なう。そして、その出力であるｅが所定の
範囲に入っていた場合、プローブの振動が収束したと判
定する。

【００９５】図６に示す演算処理の内容について説明す
る。本実施の形態での演算処理としては、特に単一の処
理に限ることなく、各種の処理が実施可能である。そこ
で、以下では、規定時間間隔内でのピークホールド処理
と分散を求める処理という２種類の演算処理について説
明する。

【００９６】最初に、図３に基づいてピークホールド処
理について説明する。変位ｄｚを図３に示すように所定
サンプリング時間ｔｓでサンプリングしていく。サンプ
リングしたｄｚのデータをｄｚ（０），ｄｚ（１），ｄ
ｚ（２），…，ｄｚ（ｎ），ｄｚ（ｎ＋１）とする。そ
して、例えばｍ回分のサンプリングのデータを比較し、
ピークホールドしていく。この場合、振幅は、０を中心
として振動しているとする。

【００９７】まず、ｄｚ（０）からｄｚ（ｍ−１）の各
データの絶対値もしくは２乗の値をとり、その中の最大
値をｅ（０）とする。次のサンプリングでは、ｄｚ
（１）からｄｚ（ｍ）の中の最大値をｅ（１）とする。
ｎ回目のサンプリングではｄｚ（ｎ）からｄｚ（ｎ＋ｍ
−１）の中の最大値をｅ（ｎ）とする。これを式で表わ
すと、（８）式となる。

【００９８】

【数８】

【００９９】そこで、算出されたｅ（０），…，ｅ
（ｎ）が、所定の値ｅ_rｅｆよりも小さくなっていたと
き、振動が収束したと判定する。

【０１００】次いで、図３及び図７に基づいて分散を求
める処理について説明する。変位ｄｚを図３に示すよう
に所定サンプリング時間ｔｓでサンプリングしていく。
サンプリングしたｄｚのデータをｄｚ（０），ｄｚ
（１），ｄｚ（２），…，ｄｚ（ｎ），ｄｚ（ｎ＋１）
とする。そして、例えばｍ回分のサンプリングのデータ
を使用して、ｄｚの不偏分散を求める。

【０１０１】ここで、ｄｚ（０）からｄｚ（ｍ−１）の
平均値をｄｚ⁻（０）とすると、ｄｚ（ｎ）からｄｚ
（ｎ＋ｍ−１）の平均値はｄｚ⁻（ｎ）となり、これを
式で表わすと、（９）式となる。

【０１０２】

【数９】

【０１０３】このときの不偏分散σ²（ｎ）は、（１
０）式となる。

【０１０４】

【数１０】

【０１０５】そして、（１１）式に示すように、その不
偏分散の値σ²（ｎ）をｅ（ｎ）とする。

【０１０６】

【数１１】

【０１０７】こうして、算出されたｅ（０），…，ｅ
（ｎ）が所定の値ｅ_rｅｆよりも小さくなっていたとき
に、振動が収束したと判定する。

【０１０８】図７は、図４（ａ）もしくは図５（ａ）と
同一の入力ｄｚに対して第３の演算処理方法である図６
に示す演算処理をした結果を示すグラフである。図７の
グラフに示すように、時間が経過し、プローブの振動が
収束方向に向かうと、不偏分散σ²＝ｅは急激に減少し
ていくことが分る。そこで、この値ｅが、所定の値ｅ_r
_ｅｆよりも小さくなっていたとき、振動が収束したと判
定する。なお、図７では、ｅ_rｅｆ＝０．０１という収
束の値を設定することによって、収束したかどうかの判
定を行なうことができる。

【０１０９】＜データ取得周期又は演算周期＞ここで、
上述した各演算処理方法においては、いずれも、変位計
３の出力信号に対して、プローブの初期位置とみなすこ
とができる信号を得るための演算処理を行なう。このよ
うな演算処理に際しては、変位計３の出力信号を得るた
めのデータ取得周期又は演算周期を決定する必要があ
る。

【０１１０】そこで、以下では、このようなデータ取得
周期又は演算周期について、第１のデータ取得周期又は
演算周期と第２のデータ取得周期又は演算周期とを紹介
する。

【０１１１】１．第１のデータ取得周期又は演算周期第１のデータ取得周期又は演算周期について、図２ない
し図６、図８ないし図１０に基づいて説明する。

【０１１２】図２又は図６に示す演算処理に使用する所
定時間間隔Ｔは、サンプリング時間ｔｓと演算に使用す
るサンプリング回数ｍとから表わすと、（１２）式のよ
うになる。

【０１１３】

【数１２】

【０１１４】第１のデータ取得周期又は演算周期では、
図８に示すように、（１２）式で表される所定時間間隔
Ｔをプローブの機械共振周波数ｆ_pの逆数である機械共
振周期Ｔ_p以上する。

【０１１５】ここで、第１の演算処理方法として説明し
た平均化処理を採用した例のデータ取得周期又は演算周
期を、第１のデータ取得周期又は演算周期とした例を説
明する。第１の演算処理方法で説明した平均化処理は、
所定時間間隔Ｔを移動させながら平均化していく移動平
均化処理である。

【０１１６】図９は、サンプリング周期Ｔｓは一定で、
サンプリング回数ｍを変えることによって平均化する時
間間隔Ｔを変化させて移動平均化処理を実施した結果を
示すグラフである。入力値は、図４（ａ）もしくは図５
（ａ）と同一の値であるｄｚとした。

【０１１７】図９のグラフに示すように、時間間隔Ｔが
１周期から４周期の場合、移動平均化処理によって信号
の振幅の低減が可能である。これに対して、時間間隔Ｔ
を０．５周期とすると、ノイズ成分は除去されているも
のの、機械共振周波数ｆ_pの振幅が低減していないこと
が分る。

【０１１８】次いで、第３の演算処理方法として説明し
た分散を求める処理を採用した例のデータ取得周期又は
演算周期を、第１のデータ取得周期又は演算周期とした
例を説明する。第３の演算処理方法で説明した分散を求
める処理は、所定時間間隔Ｔを移動させながら不偏分散
を算出する処理である。

【０１１９】図１０は、サンプリング周期Ｔｓは一定
で、サンプリング回数ｍを変えることによって不偏分散
を求める時間間隔Ｔを変化させた演算結果を示すグラフ
である。入力値は、図４（ａ）もしくは図５（ａ）と同
一の値であるｄｚとした。

【０１２０】図１０のグラフに示すように、時間間隔Ｔ
が１周期から４周期の場合、周期が長くなれば収束時間
も早く振動的でなくなるが、この範囲であれば振動の収
束を判定する基準には問題ない。これに対して、時間間
隔Ｔを０．５周期とすると、大きな振幅が発生してしま
い、振動の収束を判定する基準としては使用できないこ
とが分る。

【０１２１】２．第２のデータ取得周期又は演算周期第２のデータ取得周期又は演算周期を図２、図６及び図
１１に基づいて説明する。

【０１２２】図２又は図６に示す演算処理に使用する所
定時間間隔Ｔを、サンプリング時間ｔｓにおける所定時
間内のサンプリング回数ｍとすると、その関係は、（１
２）式に示す通りとなる。ここでは、所定時間間隔Ｔ
は、機械共振の周期よりも大きい所定値として考える。
よって、サンプリング回数ｍは、サンプリング時間ｔｓ
によって決定される。

【０１２３】第２のデータ取得周期又は演算周期では、
サンプリング時間ｔｓを、プローブの機械共振周波数の
逆数となる振動周期の１／２未満とする。換言すると、
サンプリング定理では、測定したい周波数の２倍以上で
サンプリングする必要があり、サンプリング周波数の１
／２がナイキスト周波数となる。すなわち、プローブの
機械共振周波数がサンプリング周波数１／ｔｓのナイキ
スト周波数未満となるようにサンプリング時間ｔｓを選
択する、というのが第２のデータ取得周期又は演算周期
である。

【０１２４】図１１は、演算処理の所定時間間隔Ｔは一
定としながら、サンプリング時間ｔｓをプローブにおけ
る機械共振の周期の１／１０、１／４、１／３、１／２
と変化させ場合の結果を示すグラフである。入力値は、
図４（ａ）もしくは図５（ａ）と同一の値であるｄｚと
した。

【０１２５】図１１のグラフに示すように、実際の入力
信号にはノイズ等の高周波成分も含まれており、また、
位相の違いによってサンプリングの限界（ナイキスト周
波数）である１／２周期では正しいサンプリングができ
ていないことが分る。

【０１２６】＜演算処理方法の応用＞図１に示す触針式
のプローブを搭載した形状測定装置の構成および基本動
作は、従来例として説明した通りである。ここでは、重
力方向に上下する移動ステージに触針式プローブを搭載
した場合を例にして説明する。

【０１２７】形状を測定するときの接触荷重は触針子２
と触針子２を支持するばね７の変位ｄｚとによって設定
される。よって、重量ｍの触針子２とばね定数ｋ_pの支
持ばね７とが重力ｍ・ｇと釣り合う初期位置ｄｚ₀を求め
る必要がある。これを式で表わすと、（１３）式の通り
となる。

【０１２８】

【数１３】

【０１２９】接触荷重ｆ_cは、（１４）式の通りとな
る。

【０１３０】

【数１４】

【０１３１】ところが、本実施の形態で説明している形
式の触針式プローブは、触針子２が振動しやすいため初
期位置ｄｚ₀を求めることが難しい。そこで、本実施の
形態では、上述した第３の演算方法によってプローブの
振動が収束したことを判定し、そのときのプローブ位
置、すなわちプローブの初期位置ｄｚ₀を上述した第１
又は第２の演算方法を用いて検出する。

【０１３２】ここで、第３の演算処理を実行するに際し
ては、プローブの振動が収束したかどうかを判定するた
めに用いる所定値を、接触荷重の精度や測定開始までの
時間によって設定する。一例として、接触荷重の精度を
良くしたい場合は厳しく、収束判定を速くし測定開始ま
での時間を短縮したい場合は設定値を緩める。

【０１３３】＜上記形状測定方法を実施する形状測定装
置＞ここで、以上説明した各演算処理方法を実施可能な
装置について説明する。

【０１３４】接触式プローブ１０１は、被測定物取付治
具１０２上に取り付けられた被測定面１０３に接触する
ように保持されており、このような接触式プローブ１０
１と被測定面１０３とは、Ｘ軸、Ｙ軸方向に移動自在で
ある。

【０１３５】接触式プローブ１０１と被測定面１０３と
をＸ、Ｙ方向に移動自在とするための機構として、Ｘ軸
Ｙ軸ステージ１０４が設けられている。このＸ軸Ｙ軸ス
テージ１０４は、接触式プローブ１０１に対して被測定
面１０３を有する被測定物１０５をＸ軸、Ｙ軸方向に移
動させる。

【０１３６】これに対して、接触式プローブ１０１は、
Ｘ軸Ｙ軸ステージ１０４に対して垂直方向に移動するよ
うに駆動されるＺ軸ステージ１０６に搭載されている。

【０１３７】そこで、被測定面１０３の形状測定時に
は、各ステージ１０４、１０６が駆動されて変位するの
に対して、このような各ステージ１０４、１０６の変
位、つまり被測定面１０３に対する接触式プローブ１０
１の移動軌跡を検出するために、Ｚ軸ステージ１０６上
には、Ｘ軸用レーザ測長器１０７とＹ軸用レーザ測長器
１０８とＺ軸用レーザ測長器１０９とが搭載されてい
る。図１２中、１１０はＸ軸レーザ測長器１０７用の基
準ミラー、１１１はＹ軸レーザ測長器１０８用の基準ミ
ラー、１１２はＺ軸レーザ測長器１０９用の基準ミラー
である。また、Ｚ軸ステージ１０６を位置検出するため
のリニアエンコーダであるＺ軸エンコーダ１１３が設け
られている。

【０１３８】このようにして被測定面１０３に対してＸ
軸、Ｙ軸方向に変位するように駆動され、被測定面１０
３との理論距離を一定に維持するように接触しつつ、そ
の表面形状を測定する接触式プローブ８には、微小変位
ｄｚを検出する変位計１１４として光学式変位計が搭載
されている。

【０１３９】次に、形状測定装置の動作を説明する。Ｘ
軸、Ｙ軸方向の位置検出は、図示しないモータ軸上のロ
−タリエンコーダもしくはリニアエンコーダによって行
ない、この位置の値を使用して、位置決め制御系により
Ｘ軸Ｙ軸ステージ１０４が駆動される。Ｚ軸はＺ軸エン
コーダ１１３によって位置検出され、この値を使用し
て、位置決め制御系によってＺ軸ステージ１０６が駆動
される。

【０１４０】そして、被測定物取付治具１０２上に取り
付けられた被測定物１０５の被測定面１０３に接触式プ
ローブ８を接触させ、Ｚ軸の制御を変位計１１４の出力
を使用した追従制御系に切り換えて行ない、変位計１１
４の出力が所定の値となるようにする。このＺ軸追従制
御の状態で、Ｘ軸Ｙ軸ステージ１０４を駆動して被測定
物１０５をＸ軸又はＹ軸方向に変位させ、被測定面１０
３上を走査させる。このときの軌跡をＺ軸ステージ１０
６上の３軸のレーザ測長器１０７、１０８、１０９によ
って検出し、その値を被測定面１０３の表面形状とする
ことが本実施の形態における形状測定装置での形状測定
原理である。

【０１４１】次に、Ｚ軸の制御系を図１３に示す。

【０１４２】まず、接触式プローブ１０１を搭載した形
状測定装置のＺ軸ステージ１０６の位置決め制御につい
て説明する。目標位置２０１の出力であるz_rｅｆとフィ
ードバックされるＺ軸エンコーダ１１３の出力ｚとを比
較器２０２によって比較し、補償器２０３において位相
補償等の補償を行ない、ドライバ２０４へ偏差相当の電
流指令を出す。ドライバ２０４は、電流指令値相当のモ
ータ電流をＺ軸アクチュエ−タ２０５のモータへ流し、
Ｚ軸ステージ１０６を駆動する。実際の制御演算ル−プ
には存在しないが、比較器２０６のような形で、Ｚ軸ス
テージ１０６には外乱が加わる。Ｚ軸ステージ１０６の
変位ｚは、Ｚ軸エンコーダ１１３によって検出され、比
較器２０２へフィードバックされる。

【０１４３】次に、追従制御ついて説明する。追従制御
に切り換えるとき、切換可能位置まで上記位置決め制御
によって移動させる。切換可能位置では、状態検出演算
部である状態検出手段３０１において、変位計１１４の
出力ｄｚに基づき、プローブ振動の収束および初期位置
ｄｚ₀の検出を行なう。

【０１４４】振動の収束が完了し初期位置ｄｚ₀を検出
した後、目標位置を変更し、接触式プローブ１０１を被
測定物１０５の被測定面１０３に接触させ、追従制御可
能な位置まで移動させる。接触式プローブ１０１が追従
制御可能な位置まで移動後、モード設定部２０７の信号
によってモード切換部２０８、２０９を切り換えて接触
式プローブ１０１を使用した追従制御へ切り換える。

【０１４５】追従制御では、目標荷重２１０を荷重−変
位変換部２１１へ入力し、プローブ支持ばねのノミナル
ばね定数ｋ_pｎoｍを用いて目標荷重ｆ_prｅｆ相当の目標
変位ｄｚ_rｅｆを算出する。演算器２１２において、目
標変位ｄｚ_rｅｆに対し、状態検出手段３０１で算出し
た初期位置ｄｚ₀を加算し、目標荷重相当の変位を求め
る。目標荷重相当の変位とフィードバックされる接触式
プローブ１０１の変位である変位計１１４の出力ｄｚと
を比較器２０２によって比較し、補償器２０３において
位相補償等の補償を行ない、ドライバ２０４へ偏差相当
の電流指令を出す。ドライバ２０４は、電流指令値相当
のモータ電流をＺ軸アクチュエ−タ２０５のモータへ流
し、Ｚ軸ステージ１０６を駆動する。実際の制御演算ル
−プには存在しないが、比較器２０６のような形で、Ｚ
軸ステージ１０６には外乱と被測定面１０３の形状とが
加わる。

【０１４６】実際の接触荷重ｆ_pは、変位計出力ｄｚか
ら初期位置ｄｚ₀を演算器２１３で除算し、実際のばね
定数ｋ_pを乗算することによって算出することができ
る。

【０１４７】ここで、本実施の形態では、図１３に示す
状態検出演算部である状態検出手段３０１において、上
述した各種の演算処理を実行する。このため、状態検出
手段３０１は、形状測定装置が備えるコンピュータであ
り、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等（全て図示せず）からな
るマイクロプロセッサによって構成されている。このよ
うなマイクロプロセッサの一部を構成するＲＯＭには、
上述した各種の演算処理を実行するためのコンピュータ
プログラムが格納されていおり、この意味で、ＲＯＭ
は、コンピュータプログラムを記憶する記憶媒体として
機能する。

【０１４８】もっとも、実施に際しては、上述した各種
の演算処理を実行するコンピュータプログラムを記憶す
る記憶媒体としては、ＲＯＭのような固定データを固定
的に格納するような記憶媒体だけではなく、データ保存
可能なＲＡＭ等に記憶保存されていても良い。また、そ
のようなコンピュータプログラムの流通ということを考
慮すると、そのようなコンピュータプログラムは、各種
の磁気的、光学的な記憶媒体、可搬性を有するそのよう
な記憶媒体等に記憶されていても良く、ネットワークを
利用したダウンロードによって配信されるようにシステ
ム構築されていても良い。

【０１４９】ここで、本実施の形態の形状測定装置で
は、前述したように、変位計３の出力信号に対して、プ
ローブの初期位置とみなすことができる信号を得るため
の上述した演算処理を行なう。このような演算処理に際
して決定する必要がある要素として、変位計３の出力信
号を得るためのデータ取得周期又は演算周期があるのは
前述した通りである。以下、このデータ取得周期又は演
算周期について説明する。

【０１５０】データ取得周期又は演算周期は、言い換え
ると、データの取得サンプリング周期のことである。Ｃ
ＰＵやＤＳＰ等の演算デバイスを使用した本実施の形態
の形状測定装置においては、データサンプリング周期を
一定にするために、一般的には演算デバイスが備える割
込み演算処理を使用する。割込み演算周期の設定は、デ
バイスが備える割込みタイマのレジスタに所定の値を書
込むことによって実現可能である。

【０１５１】そこで、本実施の形態では、所定の条件に
よって割込みタイマの設定値を変化させたり、所定の割
込み回数時のみデータの取得を行なったりすることによ
って、データ取得サンプリングの周期を可変自在とす
る。このように、データ取得サンプリングの周期を変化
させることによって、フィルタ処理の帯域を条件に応じ
て変化させることが可能である。

【０１５２】ここで、所定のサンプリング周期Ｔｓのと
き、所定の応答となるように設計された（６）式、
（７）式で表される離散化された状態変数ａ_d，ｂ_d，ｃ
_d，ｄ_dを使用してステップ応答のシミュレーションを行
なうと、図１４に示す結果が得られた。すなわち、状態
変数を固定にしておき、サンプリング周期Ｔｓを短くす
ることによってフィルタの帯域が広がって応答が速くな
り（カットオフ周波数が高くなる）、サンプリング周期
Ｔｓを長くすることによってフィルタの帯域が狭くなっ
て応答が遅くなる（カットオフ周波数が低くなる）。

【０１５３】さらに、本実施の形態の形状測定装置で
は、接触式プローブ１０１の被測定面１０３に対する追
従制御への切換可能位置では、状態検出演算部である状
態検出手段３０１において変位計１１４の出力ｄｚから
プローブ振動の収束を検出し、変位値をカウントするカ
ウンタを備える変位計１１４のカウンタを初期化し、初
期位置ｄｚ₀＝0とする。変位値をカウントするカウンタ
を備える変位計１１４としては、レーザ測長器のよう
に、アナログ波形を分周してカウントする方式の変位計
が用いられる。これによって、演算器２１２、２１３を
不要とすることができる。

【０１５４】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、被測定面に接触
させた接触式のプローブの初期位置からの変位を検出手
段によって検出して前記被測定面の形状を測定するよう
にした形状測定方法において、初期位置に位置する前記
プローブからの出力信号を前記検出手段によって検出す
る初期信号検出ステップと、前記検出手段の出力信号に
対して、前記プローブの初期位置とみなすことができる
信号を得るための演算処理を行なう演算ステップと、を
具備するので、プローブの機構を変更することなく、演
算処理のみによってプローブの初期位置を正確に且つ短
時間で検出することができる。また、プローブにおいて
粘性流体等の減衰材の使用を不要とすることができるた
め、機構の単純化を図ることができ、これに伴い、材料
のリサイクルもし易くなるばかりか、粘性流体を使用す
る場合には不可避の破棄時における環境負荷をなくすこ
とができる。

【０１５５】請求項２記載の発明は、請求項１記載の形
状測定方法において、前記初期信号検出ステップは、前
記被測定面に対して非接触状態である前記プローブから
の出力信号を前記検出手段によって検出するので、プロ
ーブの機構を変更することなく、測定面に対して非接触
状態であるプローブの初期位置を演算処理のみによって
検出することができる。

【０１５６】請求項３記載の発明は、請求項１記載の形
状測定方法において、前記初期信号検出ステップは、前
記被測定面に対して接触状態である前記プローブからの
出力信号を前記検出手段によって検出するので、プロー
ブの機構を変更することなく、測定面に対して接触状態
であるプローブの初期位置を演算処理のみによって検出
することができる。

【０１５７】請求項４記載の発明は、請求項１、２又は
３記載の形状測定方法において、前記プローブの初期位
置とみなすことができる信号を得るための演算処理は、
前記検出手段の出力信号に対する規定時間間隔内での平
均化処理であるので、プローブの初期位置とみなすこと
ができる信号を容易に得ることができる。

【０１５８】請求項５記載の発明は、請求項１、２又は
３記載の形状測定方法において、前記プローブの初期位
置とみなすことができる信号を得るための演算処理は、
前記検出手段の出力信号に対するローパスフィルタ処理
であるので、プローブの初期位置とみなすことができる
信号を得るに際して、演算処理の負荷や演算処理のため
のリソースを低減することができる。

【０１５９】請求項６記載の発明は、請求項１、２、
３、４又は５記載の形状測定方法において、前記プロー
ブの初期位置とみなすことができる信号を得るための演
算処理は、前記検出手段の出力信号に基づく値が規定の
範囲に収束した場合に前記プローブの振動が収束したと
判定する振動収束判定処理を含むので、プローブの機構
を変更することなく、プローブの振動の収束を演算処理
のみによって判定することができ、これにより、プロー
ブの振動減衰性能に依存することなくプローブの振動収
束判定をすることができ、よって、プローブ振動である
のか、プローブが被対象物に接触したのかを正しく判定
することができる。

【０１６０】請求項７記載の発明は、請求項６記載の形
状測定方法において、前記検出手段の出力信号に基づく
値は、規定時間間隔内におけるピークホールド値である
ので、検出手段の出力信号に基づく値が規定の範囲に収
束したことを判定するに際して、演算処理の負荷や演算
処理のためのリソースを低減することができる。

【０１６１】請求項８記載の発明は、請求項６記載の形
状測定方法において、前記検出手段の出力信号に基づく
値は、規定時間間隔内における分散であるので、検出手
段の出力信号に基づく値が規定の範囲に収束したことを
判定するに際して、プローブやばねの変更による収束特
性の変化、経時変化、外乱等に対してロバストとなり、
その判定の精度を向上させることができる。

【０１６２】請求項９記載の発明は、請求項４、７又は
８記載の形状測定方法において、前記規定時間間隔は、
前記プローブの機械共振周波数の逆数で表される振動周
期以上の間隔であるので、状態検出の精度を得るに十分
な規定時間間隔を規定することができ、したがって、状
態検出の精度を向上させることができる。

【０１６３】請求項１０記載の発明は、請求項４、７又
は８記載の形状測定方法において、前記規定時間間隔内
でのデータ取得周期又は演算周期は、前記プローブの機
械共振周波数の逆数で表される振動周期の１／２未満以
上の間隔であるので、状態検出の精度を得るに十分な規
定時間間隔を規定することができ、したがって、状態検
出の精度を向上させることができる。

【０１６４】請求項１１記載の発明は、請求項１０記載
の形状測定方法において、前記データ取得周期又は前記
演算周期を可変自在としたので、状態検出の精度を得る
に十分な規定時間間隔を、例えば各種の条件に応じて設
定するようなことができる。

【０１６５】請求項１２記載の形状測定方法の発明は、
請求項６、７又は８記載の前記振動収束判定処理によっ
て前記プローブの振動が収束したことを判定した時点
で、請求項１、２、３、４又は５記載の前記演算ステッ
プを実行して得た値を、前記プローブの初期位置に設定
するようにしたので、プローブの振動による誤差を低減
した上で、精度良くプローブの初期位置を算出すること
ができ、したがって、プローブの初期位置の高精度検出
が可能となることから、高精度な接触荷重設定が可能と
なり、例えば、プラスチックレンズや金型等を傷付ける
ことなく高精度な形状測定を実施することができる。

【０１６６】請求項１３記載の発明は、被測定面に接触
させた接触式のプローブの初期位置からの変位を検出手
段によって検出して前記被測定面の形状を測定するよう
にした形状測定装置において、初期位置に位置する前記
プローブからの出力信号を前記検出手段によって検出す
る初期信号検出手段と、前記検出手段の出力信号に対し
て、前記プローブの初期位置とみなすことができる信号
を得るための演算処理を行なう演算手段と、を具備する
ので、プローブの機構を変更することなく、演算処理の
みによってプローブの初期位置を正確に且つ短時間で検
出することができる。また、プローブにおいて粘性流体
等の減衰材の使用を不要とすることができるため、機構
の単純化を図ることができ、これに伴い、材料のリサイ
クルもし易くなるばかりか、粘性流体を使用する場合に
は不可避の破棄時における環境負荷をなくすことができ
る。

【０１６７】請求項１４記載の発明は、請求項１３記載
の形状測定装置において、前記プローブの初期位置とみ
なすことができる信号を得るための演算処理は、前記検
出手段の出力信号に基づく値が規定の範囲に収束した場
合に前記プローブの振動が収束したと判定する振動収束
判定処理を含むので、プローブの機構を変更することな
く、プローブの振動の収束を演算処理のみによって判定
することができる。

【０１６８】請求項１５記載の発明は、請求項１４記載
の形状測定装置において、前記プローブの振動が収束し
たと判定したとき、前記検出手段を初期化するようにし
たので、プローブの振動による誤差を低減した上でプロ
ーブの初期位置を算出するに際して、検出手段が初期化
されることからその算出処理の容易化を図ることができ
る。

【０１６９】請求項１６記載の発明は、請求項１４又は
１５記載の前記振動収束判定処理によって前記プローブ
の振動が収束したことを判定した時点で、請求項１３記
載の前記演算処理を実行して得た値を、前記プローブの
初期位置に設定するようにしたので、プローブの振動に
よる誤差を低減した上で、精度良くプローブの初期位置
を算出することができ、したがって、プローブの初期位
置の高精度検出が可能となることから、高精度な接触荷
重設定が可能となり、例えば、プラスチックレンズや金
型等を傷付けることなく高精度な形状測定を実施するこ
とができる。

【０１７０】請求項１７記載のコンピュータプログラム
を格納する記憶媒体の発明は、被測定面に接触させた接
触式のプローブの初期位置からの変位を検出手段によっ
て検出して前記被測定面の形状を測定するようにした形
状測定装置が備えるコンピュータにインストールされ、
このコンピュータに、初期位置に位置する前記プローブ
からの出力信号を前記検出手段によって検出する初期信
号検出機能と、前記検出手段の出力信号に対して、前記
プローブの初期位置とみなすことができる信号を得るた
めの演算処理を行なう演算機能と、を実行させるので、
プローブの機構を変更することなく、演算処理のみによ
ってプローブの初期位置を正確に且つ短時間で検出する
ことができる。また、プローブにおいて粘性流体等の減
衰材の使用を不要とすることができるため、機構の単純
化を図ることができ、これに伴い、材料のリサイクルも
し易くなるばかりか、粘性流体を使用する場合には不可
避の破棄時における環境負荷をなくすことができる。

【０１７１】請求項１８記載の発明は、請求項１７記載
の記憶媒体において、前記プローブの初期位置とみなす
ことができる信号を得るための演算処理は、前記検出手
段の出力信号に基づく値が規定の範囲に収束した場合に
前記プローブの振動が収束したと判定する振動収束判定
処理を含むので、プローブの機構を変更することなく、
プローブの振動の収束を演算処理のみによって判定する
ことができ、これにより、プローブの振動減衰性能に依
存することなくプローブの振動収束判定をすることがで
き、よって、プローブ振動であるのか、プローブが被対
象物に接触したのかを正しく判定することができる。

【０１７２】請求項１９記載のコンピュータプログラム
の発明は、被測定面に接触させた接触式のプローブの初
期位置からの変位を検出手段によって検出して前記被測
定面の形状を測定するようにした形状測定装置が備える
コンピュータにインストールされ、このコンピュータ
に、初期位置に位置する前記プローブからの出力信号を
前記検出手段によって検出する初期信号検出機能と、前
記検出手段の出力信号に対して、前記プローブの初期位
置とみなすことができる信号を得るための演算処理を行
なう演算機能と、を実行させるので、プローブの機構を
変更することなく、演算処理のみによってプローブの初
期位置を正確に且つ短時間で検出することができる。ま
た、プローブにおいて粘性流体等の減衰材の使用を不要
とすることができるため、機構の単純化を図ることがで
き、これに伴い、材料のリサイクルもし易くなるばかり
か、粘性流体を使用する場合には不可避の破棄時におけ
る環境負荷をなくすことができる。

【０１７３】請求項２０記載の発明は、請求項１９記載
のコンピュータプログラムにおいて、前記プローブの初
期位置とみなすことができる信号を得るための演算処理
は、前記検出手段の出力信号に基づく値が規定の範囲に
収束した場合に前記プローブの振動が収束したと判定す
る振動収束判定処理を含むので、プローブの機構を変更
することなく、プローブの振動の収束を演算処理のみに
よって判定することができ、これにより、プローブの振
動減衰性能に依存することなくプローブの振動収束判定
をすることができ、よって、プローブ振動であるのか、
プローブが被対象物に接触したのかを正しく判定するこ
とができる。

【０１７４】請求項２１記載の発明は、被測定面に接触
させた接触式のプローブの初期位置からの変位を検出手
段によって検出して前記被測定面の形状を測定するよう
にした形状測定方法において、初期位置に位置する前記
プローブからの出力信号を前記検出手段によって検出す
る初期信号検出ステップと、前記検出手段の出力信号に
基づく値が規定の範囲に収束した場合に前記プローブの
振動が収束したと判定する振動収束判定ステップと、を
具備するので、プローブの機構を変更することなく、プ
ローブの振動の収束を演算処理のみによって判定するこ
とができ、これにより、プローブの振動減衰性能に依存
することなくプローブの振動収束判定をすることがで
き、よって、プローブ振動であるのか、プローブが被対
象物に接触したのかを正しく判定することができる。

【０１７５】請求項２２記載の発明は、被測定面に接触
させた接触式のプローブの初期位置からの変位を検出手
段によって検出して前記被測定面の形状を測定するよう
にした形状測定装置において、初期位置に位置する前記
プローブからの出力信号を前記検出手段によって検出す
る初期信号検出手段と、前記検出手段の出力信号に基づ
く値が規定の範囲に収束した場合に前記プローブの振動
が収束したと判定する振動収束判定処理を行う手段と、
を具備するので、プローブの機構を変更することなく、
プローブの振動の収束を演算処理のみによって判定する
ことができ、これにより、プローブの振動減衰性能に依
存することなくプローブの振動収束判定をすることがで
き、よって、プローブ振動であるのか、プローブが被対
象物に接触したのかを正しく判定することができる。

【０１７６】請求項２３記載の記憶媒体の発明は、被測
定面に接触させた接触式のプローブの初期位置からの変
位を検出手段によって検出して前記被測定面の形状を測
定するようにした形状測定装置が備えるコンピュータに
インストールされ、このコンピュータに、初期位置に位
置する前記プローブからの出力信号を前記検出手段によ
って検出する初期信号検出機能と、前記検出手段の出力
信号に基づく値が規定の範囲に収束した場合に前記プロ
ーブの振動が収束したと判定する振動収束判定処理を行
う機能と、を実行させるコンピュータプログラムを格納
するので、プローブの機構を変更することなく、プロー
ブの振動の収束を演算処理のみによって判定することが
でき、これにより、プローブの振動減衰性能に依存する
ことなくプローブの振動収束判定をすることができ、よ
って、プローブ振動であるのか、プローブが被対象物に
接触したのかを正しく判定することができる。

【０１７７】請求項２４記載のコンピュータプログラム
の発明は、被測定面に接触させた接触式のプローブの初
期位置からの変位を検出手段によって検出して前記被測
定面の形状を測定するようにした形状測定装置が備える
コンピュータにインストールされ、このコンピュータ
に、初期位置に位置する前記プローブからの出力信号を
前記検出手段によって検出する初期信号検出機能と、前
記検出手段の出力信号に基づく値が規定の範囲に収束し
た場合に前記プローブの振動が収束したと判定する振動
収束判定処理を行う機能と、を実行させるので、プロー
ブの機構を変更することなく、プローブの振動の収束を
演算処理のみによって判定することができ、これによ
り、プローブの振動減衰性能に依存することなくプロー
ブの振動収束判定をすることができ、よって、プローブ
振動であるのか、プローブが被対象物に接触したのかを
正しく判定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】接触式プローブの縦断側面図である。

【図２】プローブの初期位置とみなすことができる信号
を得るための演算処理が実行される様子を示す模式図で
ある。

【図３】接触式プローブの出力信号のサンプリング周期
を例示するグラフである。

【図４】接触式のプローブの出力信号が減衰していく様
子をその移動平均化処理の結果と対応付けて示すシミュ
レーションのグラフである。

【図５】接触式のプローブの出力信号が減衰していく様
子をそのローパスフィルタ処理の結果と対応付けて示す
シミュレーションのグラフである。

【図６】プローブの初期位置とみなすことができる信号
を得るための演算処理が実行される様子を示す模式図で
ある。

【図７】接触式のプローブの出力信号に対して振動収束
を判定する演算処理をした結果を示すシミュレーション
のグラフである。

【図８】接触式プローブの出力信号のサンプリング周期
を例示するグラフである。

【図９】サンプリング周期を一定として、サンプリング
回数を変えることによって平均化する時間間隔を変化さ
せて移動平均化処理を実施した結果を示すシミュレーシ
ョンのグラフである。

【図１０】サンプリング周期は一定で、サンプリング回
数を変えることによって不偏分散を求める時間間隔を変
化させた演算結果を示すシミュレーションのグラフであ
る。

【図１１】演算処理の所定時間間隔を一定としながら、
サンプリング時間をプローブにおける機械共振の周期の
１／１０、１／４、１／３、１／２と変化させ場合の結
果を示すシミュレーションのグラフである。

【図１２】形状測定装置の構造を示す模式図である。

【図１３】Ｚ軸の制御系を示すブロック図である。

【図１４】所定のサンプリング周期のとき、所定の応答
となるように設計された離散化された複数個の状態変数
を使用してステップ応答のシミュレーションを行なった
結果を示すシミュレーションのグラフである。

【符号の説明】

３検出手段（変位計）１０１プローブ（接触式プローブ）１０３被測定面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定面に接触させた接触式のプローブ
の初期位置からの変位を検出手段によって検出して前記
被測定面の形状を測定するようにした形状測定方法にお
いて、初期位置に位置する前記プローブからの出力信号を前記
検出手段によって検出する初期信号検出ステップと、前記検出手段の出力信号に対して、前記プローブの初期
位置とみなすことができる信号を得るための演算処理を
行なう演算ステップと、を具備することを特徴とする形
状測定方法。
【請求項２】前記初期信号検出ステップは、前記被測
定面に対して非接触状態である前記プローブからの出力
信号を前記検出手段によって検出することを特徴とする
請求項１記載の形状測定方法。
【請求項３】前記初期信号検出ステップは、前記被測
定面に対して接触状態である前記プローブからの出力信
号を前記検出手段によって検出することを特徴とする請
求項１記載の形状測定方法。
【請求項４】前記プローブの初期位置とみなすことが
できる信号を得るための演算処理は、前記検出手段の出
力信号に対する規定時間間隔内での平均化処理であるこ
とを特徴とする請求項１、２又は３記載の形状測定方
法。
【請求項５】前記プローブの初期位置とみなすことが
できる信号を得るための演算処理は、前記検出手段の出
力信号に対するローパスフィルタ処理であることを特徴
とする請求項１、２又は３記載の形状測定方法。
【請求項６】前記プローブの初期位置とみなすことが
できる信号を得るための演算処理は、前記検出手段の出
力信号に基づく値が規定の範囲に収束した場合に前記プ
ローブの振動が収束したと判定する振動収束判定処理を
含むことを特徴とする請求項１、２、３、４又は５記載
の形状測定方法。
【請求項７】前記検出手段の出力信号に基づく値は、
規定時間間隔内におけるピークホールド値であることを
特徴とする請求項６記載の形状測定方法。
【請求項８】前記検出手段の出力信号に基づく値は、
規定時間間隔内における分散であることを特徴とする請
求項６記載の形状測定方法。
【請求項９】前記規定時間間隔は、前記プローブの機
械共振周波数の逆数で表される振動周期以上の間隔であ
ることを特徴とする請求項４、７又は８記載の形状測定
方法。
【請求項１０】前記規定時間間隔内でのデータ取得周
期又は演算周期は、前記プローブの機械共振周波数の逆
数で表される振動周期の１／２未満以上の間隔であるこ
とを特徴とする請求項４、７又は８記載の形状測定方
法。
【請求項１１】前記データ取得周期又は前記演算周期
を可変自在としたことを特徴とする請求項１０記載の形
状測定方法。
【請求項１２】請求項６、７又は８記載の前記振動収
束判定処理によって前記プローブの振動が収束したこと
を判定した時点で、請求項１、２、３、４又は５記載の
前記演算ステップを実行して得た値を、前記プローブの
初期位置に設定するようにしたことを特徴とする形状測
定方法。
【請求項１３】被測定面に接触させた接触式のプロー
ブの初期位置からの変位を検出手段によって検出して前
記被測定面の形状を測定するようにした形状測定装置に
おいて、初期位置に位置する前記プローブからの出力信号を前記
検出手段によって検出する初期信号検出手段と、前記検出手段の出力信号に対して、前記プローブの初期
位置とみなすことができる信号を得るための演算処理を
行なう演算手段と、を具備することを特徴とする形状測
定装置。
【請求項１４】前記プローブの初期位置とみなすこと
ができる信号を得るための演算処理は、前記検出手段の
出力信号に基づく値が規定の範囲に収束した場合に前記
プローブの振動が収束したと判定する振動収束判定処理
を含むことを特徴とする請求項１３記載の形状測定装
置。
【請求項１５】前記プローブの振動が収束したと判定
したとき、前記検出手段を初期化するようにしたことを
特徴とする請求項１４記載の形状測定装置。
【請求項１６】請求項１４又は１５記載の前記振動収
束判定処理によって前記プローブの振動が収束したこと
を判定した時点で、請求項１３記載の前記演算処理を実
行して得た値を、前記プローブの初期位置に設定するよ
うにしたことを特徴とする形状測定装置。
【請求項１７】被測定面に接触させた接触式のプロー
ブの初期位置からの変位を検出手段によって検出して前
記被測定面の形状を測定するようにした形状測定装置が
備えるコンピュータにインストールされ、このコンピュ
ータに、初期位置に位置する前記プローブからの出力信
号を前記検出手段によって検出する初期信号検出機能
と、前記検出手段の出力信号に対して、前記プローブの初期
位置とみなすことができる信号を得るための演算処理を
行なう演算機能と、を実行させるコンピュータプログラ
ムを格納する記憶媒体。
【請求項１８】前記プローブの初期位置とみなすこと
ができる信号を得るための演算処理は、前記検出手段の
出力信号に基づく値が規定の範囲に収束した場合に前記
プローブの振動が収束したと判定する振動収束判定処理
を含むことを特徴とする請求項１７記載の記憶媒体。
【請求項１９】被測定面に接触させた接触式のプロー
ブの初期位置からの変位を検出手段によって検出して前
記被測定面の形状を測定するようにした形状測定装置が
備えるコンピュータにインストールされ、このコンピュ
ータに、初期位置に位置する前記プローブからの出力信号を前記
検出手段によって検出する初期信号検出機能と、前記検出手段の出力信号に対して、前記プローブの初期
位置とみなすことができる信号を得るための演算処理を
行なう演算機能と、を実行させるコンピュータプログラ
ム。
【請求項２０】前記プローブの初期位置とみなすこと
ができる信号を得るための演算処理は、前記検出手段の
出力信号に基づく値が規定の範囲に収束した場合に前記
プローブの振動が収束したと判定する振動収束判定処理
を含むことを特徴とする請求項１９記載のコンピュータ
プログラム。
【請求項２１】被測定面に接触させた接触式のプロー
ブの初期位置からの変位を検出手段によって検出して前
記被測定面の形状を測定するようにした形状測定方法に
おいて、初期位置に位置する前記プローブからの出力信号を前記
検出手段によって検出する初期信号検出ステップと、前記検出手段の出力信号に基づく値が規定の範囲に収束
した場合に前記プローブの振動が収束したと判定する振
動収束判定ステップと、を具備することを特徴とする形
状測定方法。
【請求項２２】被測定面に接触させた接触式のプロー
ブの初期位置からの変位を検出手段によって検出して前
記被測定面の形状を測定するようにした形状測定装置に
おいて、初期位置に位置する前記プローブからの出力信号を前記
検出手段によって検出する初期信号検出手段と、前記検出手段の出力信号に基づく値が規定の範囲に収束
した場合に前記プローブの振動が収束したと判定する振
動収束判定処理を行う手段と、を具備することを特徴と
する形状測定装置。
【請求項２３】被測定面に接触させた接触式のプロー
ブの初期位置からの変位を検出手段によって検出して前
記被測定面の形状を測定するようにした形状測定装置が
備えるコンピュータにインストールされ、このコンピュ
ータに、初期位置に位置する前記プローブからの出力信号を前記
検出手段によって検出する初期信号検出機能と、前記検出手段の出力信号に基づく値が規定の範囲に収束
した場合に前記プローブの振動が収束したと判定する振
動収束判定処理を行う機能と、を実行させるコンピュー
タプログラムを格納する記憶媒体。
【請求項２４】被測定面に接触させた接触式のプロー
ブの初期位置からの変位を検出手段によって検出して前
記被測定面の形状を測定するようにした形状測定装置が
備えるコンピュータにインストールされ、このコンピュ
ータに、初期位置に位置する前記プローブからの出力信号を前記
検出手段によって検出する初期信号検出機能と、前記検出手段の出力信号に基づく値が規定の範囲に収束
した場合に前記プローブの振動が収束したと判定する振
動収束判定処理を行う機能と、を実行させるコンピュー
タプログラム。