JP2007114095A - 表面性状測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】傾斜を有する被測定物表面を高精度に倣い測定する表面性状測定装置を提供する。
【解決手段】 測定部210により被測定物表面を倣い走査する。測定部210は、接触部212を先端に有するスタイラス211と、接触部212が被測定物表面に当接した際のスタイラス軸方向の測定力を検出する測定力検出手段を有する。移動機構は、測定力を一定にしながら測定部210を被測定物表面に対して相対移動させる。
移動機構は、接触部210を回転中心として測定部210を回転させてスタイラス211を被測定物表面に垂直にする回転機構400を備える。
【選択図】図2
Description
例えば、接触式プローブにより被測定物表面を検出して被測定物表面形状を測定する表面性状測定装置に関する。
図5に、プローブ200を利用した表面性状測定装置100の構成を示す。
表面性状測定装置100は、プローブ200と、このプローブ200を被測定物表面Sに沿って三次元的に移動させる移動機構としての三次元駆動機構300と、を備えている。
加振手段214は、スタイラスホルダ213に設けられスタイラス211を振動させる圧電素子215と、この圧電素子215に所定周波数の出力信号(パルスあるいは正弦波信号など)を印加する加振回路216と、で構成されている。
検出手段217は、スタイラス211の振動を電圧変換する圧電素子218と、この圧電素子218からの電圧を検出して検出信号を出力する検出回路219と、で構成されている。
接触部212がフリーの状態(A)から接触部212が被測定物表面Sに接触を開始し(B)、所定の測定力で接触部212が被測定物表面Sに接触したとき(C)、接触部212の振動が束縛されて、検出信号が予め設定された参照レベルに達する。
この場合、被測定物表面Sからプローブ200にかかる力(Fv)のうち検出信号の変化にはスタイラス軸方向の分力(Fz)しか反映されない。そのため、検出信号を参照レベルに制御しようとすると被測定物に対する接触部212の押し込みが強くなり、測定力を一定に保つことができない。このように測定力を一定に保てないと、強い押し込みにより被測定物表面Sが損傷したり、また、スタイラス211が湾曲して正確に被測定物表面Sを検出できなくなる。そのため、加振型接触プローブ200による被測定物表面Sの測定では、表面が略平面である被測定物に限定されていた。
このように接触部212のうちどの点で被測定物表面に当接するかわからないので、接触部212の形状によって測定データの信頼性が異なってくる。そこで、測定精度を保証するためには、接触部212を非常に高精度の真球にするか、あるいは基準となるマスタ(基準球等)を測定した結果に基づいて基準球からの接触部212のずれを補正しなければならない。
例えば、被測定物表面が傾斜を有する場合であっても、回転機構による測定部の回転角度調整によりスタイラスを被測定物表面に対して垂直にすることができる。スタイラスが被測定物表面に対して垂直となるように調整されることにより、測定力検出手段は接触部と被測定物表面との間に作用する測定力を正確に検出することができる。測定力検出手段により測定力を正確に検出できることにより、測定力を一定とする倣い測定を高精度に行うことができ、さらに、傾斜を有する被測定物表面に対しても高精度な倣い測定を実行することができる。
また、被測定物表面に接する一点についてのみ接触部の較正を行うことで測定精度を向上させることができる。
そして、前記垂線とスタイラスとが平行となるように回転機構によって測定部を回転させることでスタイラスを被測定物表面に対して垂直にすることができる。
そして、倣い測定の実行中には、予め算出した調整角度を逐次読み出すとともに回転機構により測定部を回転させてもよい。
そして、接触部が被測定物表面に接触すると、スタイラスの振動が束縛されて振動が小さくなる。このスタイラスの振動変化が検出手段によって検出される。
このような構成によれば、スタイラスの軸方向の振動を束縛する力、すなわち、スタイラスの軸方向からスタイラスに作用する力を検出することができる。そして、回転機構によりスタイラスが被測定物表面に垂直になる状態が維持されるので、倣い走査において測定力はスタイラス軸方向に作用する。したがって、倣い走査中の測定力を高精度に検出することができ、測定力を一定とする倣い測定を高精度に実行することができる。
また、粗動機構としては、電磁アクチュエータを用いることが例として挙げられる。
(第1実施形態)
本発明の表面性状測定装置に係る第1実施形態について説明する。
図1は、本発明の表面性状測定装置100に係る第1実施形態の構成を示す図である。
なお、第1実施形態としては、表面が略平らな被測定物を略水平に配置し、この被測定物表面Sの上方からプローブ200を被測定物表面Sにアプローチさせて測定する場合について説明する。
先端に接触部212を有するスタイラス211と、このスタイラス211を支持するスタイラスホルダ213と、スタイラス211を軸方向に固有振動数で定常振動させる加振手段214と、スタイラス211の振動変化を検出して測定力信号を出力する検出手段217と、を備える。
加振手段214は、スタイラスホルダ213に設けられスタイラス211を振動させる圧電素子215と、この圧電素子215に所定周波数の出力信号(パルスあるいは正弦波信号など)を印加する加振回路216と、を備える。
検出手段217は、スタイラス211の振動を電圧変換する圧電素子218と、
この圧電素子218からの電圧を検出して測定力信号を出力する測定力検出回路219と、を備える。
例えば、図8を参照すると、非接触の時の電圧レベルL1から所定測定力で接触部212を被測定物表面Sに押し込んだときの電圧レベルである参照値L2を減じた値が測定力検出回路219で検出される測定力である。
測定部210は、微動機構221の下端により支持されている。
変位量検出センサ230による検出結果は変位量信号として出力される。
具体的には、三次元駆動機構300は、載物台310に対して前後にスライド移動可能に立設された門型フレーム320と、この門型フレーム320の梁部321を左右にスライド移動可能に設けられたZコラム330と、このZコラム330内を上下にスライド可能に設けられたZスピンドル340と、を備える。
このZスピンドル340にプローブ200が回転機構400を介して取り付けられる。また、三次元駆動機構300の各軸には駆動量を検出するエンコーダ(不図示)が設けられている。
ガイドレール410は、円弧状であって、この円弧は、接触部212を中心とする円Cの一部である。
なお、この円弧の半径rとしては、粗動機構222および微動機構221の変位量がゼロである状態でガイドレール410の取り付け位置から接触部212までの長さを半径にとる。
スライダ420は、ガイドレール410に跨乗するように設けられている(図1参照)。このスライダ420がガイドレール410を摺動すると、接触部212を回転中心としてプローブ200が回動し、プローブ200が傾斜する。そして、ガイドレール410とスライダ420との間には、スライダ420のスライド量を検出するエンコーダが設けられている。
また、加振手段214と検出手段217とにより測定力検出手段が構成されている。
粗動機構制御部520は、微動機構221の変位量が予め決められたバランス変位となるための粗動機構222の変位量を算出して、粗動機構駆動アンプ550を介して粗動機構222に電流等の制御信号を印加する。
また、粗動機構制御部520は、位置比較器531と位置補償器532とを有する粗動変位制御部530から粗動速度制御部540を経由して粗動機構駆動アンプ550に至る位置の制御ループと、プローブカウンタ541から変位比較器542、微分回路543、速度比較器544を経由して速度補償器545に至る速度の制御ループと、を備えている。
例えば、倣い測定を実行する場合には、プローブ200を所定の倣い方向に向けて移動させる。
三次元カウンタ621は、三次元駆動機構300の駆動量をX方向、Y方向、Z方向でそれぞれカウントする。
回転量カウンタ622は、スライダ420の変位量を検出することによりプローブ200の回転角度をカウントする。
すなわち、形状解析部630は、上下駆動機構220、三次元駆動機構300の駆動量を合成して接触部212の変位量を算出するとともに、プローブ200の回転角に基づいて接触部212の変位量を補正して接触部212の移動軌跡を算出する。
この接触部212の移動軌跡が被測定物表面形状となる。
まず、一つ前の測定点ある点P0と現在の測定点である点P1とを結ぶ直線l1を算出する。
次に、この直線l1に対して点P1における垂線n1を算出する。
そして、現在のプローブ200と垂線n1とのなす角θ1を求める。
この角θ1が点P1における調整角度となる。
まず、測定力比較器513に入力する指定測定力と、位置比較器531に入力する微動機構221のバランス変位量を設定する。そして、三次元駆動機構制御部610による駆動制御にて三次元駆動機構300が駆動され、接触部212が被測定物表面に当接した状態で移動する。このとき、被測定物の設計データおよび倣い測定における測定部位等のデータが三次元駆動制御部に予め入力されており、プローブ200が被測定物表面を倣い走査するように三次元駆動機構制御部610により三次元駆動機構300は制御される。測定力検出回路219にて測定力が検出される。この検出される測定力が指定測定力で一定となるように上下駆動機構220(微動機構221、粗動機構222)が上下駆動機構制御部500によって駆動制御され、測定部210が被測定物表面の凹凸に従って上下動される。
図3および図4において、プローブ200は、点P0→点P1→点P2の順に被測定物表面を測定したとする。
図3において、点P0から点P1にプローブ200が移動する際には、まず、点P0の位置でプローブ200が被測定物表面に対して垂直である状態からスタートする。三次元駆動機構300および上下駆動機構220(微動機構221、粗動機構222)により次の測定点である点P1まで測定力一定で倣い走査が行われる。
点P1に至ったところで、点P1の座標値が検出される。すなわち、三次元カウンタ621でカウントされる三次元駆動機構300の駆動量とプローブカウンタ541でカウントされる上下駆動機構220の駆動量が形状解析部630により合成されて点P1の座標値が求められる。
そして、調整角度算出部640において、まず、点P0と点P1とを結ぶ直線l1が算出される。
続いて、調整角度算出部640において、点P1における直線l1の垂線n1が算出される。そして、この垂線n1とプローブ200との角度差θ1が調整角度として算出される。
したがって、必要に応じて、回転機構400の駆動の前に上下駆動機構220が駆動されて接触部212と回転機構400との距離が調整される。
(1)回転機構400を備えているので、プローブ200を回転させてスタイラス211を被測定物表面に対して垂直にすることができる。従って、被測定物表面が傾斜を有する場合であっても、回転機構400によるプローブ200の回転角度調整によりスタイラス211を被測定物表面に対して垂直にすることができる。スタイラス211を被測定物表面に対して垂直となるように調整することにより、接触部212と被測定物表面との間に作用する測定力を正確に検出することができる。測定力を正確に検出できることにより、測定力を一定とする倣い測定を高精度に行うことができ、さらに、傾斜を有する被測定物表面に対しても高精度な倣い測定を実行することができる。
例えば、回転機構の構成としては上記実施形態に限定されず、接触部を回転中心としてプローブを回転させる構成であればよい。なお、回転機構による測定部の回転は、予め決められた一平面内における回転であってもよく、あるいは、一平面内における回転に限定されず、接触部を含む総ての面内において回転可能であってもよい。具体的には、ガイドレール410のガイド方向とは直交する面内においてさらに円弧状のガイドレールを設けて、プローブ200が直交する2平面内において回転する構成としてもよい。
また、回転機構としてガイドレール410に代えて球面軸受けを用い、プローブ200を任意方向に回転可能に保持することにより、スタイラス211の軸線方向をワーク表面の法線方向に一致させることが可能な構成であってもよい。
Claims (5)
- 被測定物表面に接触する接触部を先端に有するスタイラスおよび前記接触部が被測定物表面に当接した際のスタイラス軸方向の測定力を検出する測定力検出手段を有し前記被測定物表面を倣い走査する測定部と、
前記測定力を一定にしながら前記測定部を前記被測定物表面に対して相対移動させる移動機構と、を備え、
前記移動機構は、前記接触部を回転中心として前記測定部を回転させて前記スタイラスを前記被測定物表面に垂直にする回転機構を備える
ことを特徴とする表面性状測定装置。 - 請求項1に記載の表面性状測定装置において、
前記移動機構の駆動量を所定のサンプリングピッチでサンプリングするカウンタと、
カウンタのカウント値に基づいて被測定物表面の法線の角度を算出するとともに前記スタイラスを前記法線と平行するための調整角度を算出する調整角度算出部と、
を備えることを特徴とする表面性状測定装置。 - 請求項2に記載の表面性状測定装置において、
前記調整角度算出部は、
現在の測定点と前の測定点とを結んだ直線に垂直な線に基づいて現在の測定点における前記被測定物表面の法線を算出する
ことを特徴とする表面性状測定装置。 - 請求項1から請求項3のいずれかに記載の表面性状測定装置において、
前記測定力検出手段は、
前記スタイラスを軸方向に固有振動数で定常振動させる加振手段と、
前記スタイラスの振動変化を検出して検出信号を出力する検出手段と、を備える
ことを特徴とする表面性状測定装置。 - 請求項1から請求項4のいずれかに記載の表面性状測定装置において、
前記移動手段は、前記測定部を微小変位させる微動機構と、
前記微動機構とともに前記測定部を前記微動機構よりも大変位させる粗動機構と、を備える
ことを特徴とする表面性状測定装置。
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