JP6388384B2 - 計測装置、および処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、計測装置、および処理装置に関する。

非接触プローブ（第１の計測装置）を有するプローブヘッドを３軸駆動ステージや回転ヘッドなどの空間移動可能な機構に搭載した多軸駆動の非接触３次元計測装置（処理装置）は、被検物を非接触状態で測長できることから高速計測に好適である。このような処理装置では、例えば、測長光の高速スキャンを実現する機構として、ガルバノミラーのような高速回転ミラーを採用することが多い。一般的なガルバノミラーは、回転軸に取り付けたミラーの位置情報を取得するエンコーダ（第２の計測装置）を有し、エンコーダは、処理装置内の制御部から入力されたデータ取得トリガ信号に応じて位置情報を出力する。制御部は、３軸駆動ステージや回転ヘッドなどの機構に取り付けられたエンコーダからの各軸の位置情報（計測情報）と非接触プローブからの測長情報（計測情報）とを同期して取得し、これらのデータから被検物の形状データを生成する。

しかしながら、エンコーダや非接触プローブは、フォトトランジスタなどのセンサ、増幅段などのアナログ回路またはデジタル変換器などを含む処理回路を有し、信号増幅等のアナログ的な信号処理が実行されることになるため、その間に遅延時間が生じ得る。このような遅延時間は、エンコーダや非接触プローブごとの回路構成の違いや温度変化など経時的変化によって異なる。したがって、エンコーダの位置情報を取得する各軸のタイミングや非接触プローブの測長情報を取得するタイミングに相対的なずれが生じ、このずれに起因して計測精度に誤差が発生し得る。

そこで、特許文献１は、取得した位置データからタイミング遅延分の誤差を推測し、取得した位置情報に推測した誤差を加算することで、遅延による影響を取り除くエンコーダを開示している。特許文献２は、エンコーダ内のサンプリング動作タイミングに関連した信号を制御部に送信し、この信号の時間を計測することで、遅延時間を補正するシステムを開示している。また、特許文献３は、干渉信号の周波数変化が引き起こすフィルタ回路の遅延を調整するレーザー測長装置を開示している。

特開平８−２６１７９４号公報 特開２００３−３２９４８５号公報 特開２０００−１４６５１３号公報

ここで、特許文献１および２に開示されている技術では、制御部からの情報要求パルスに対するエンコーダ内のサンプリング動作タイミングのずれを校正する。しかしながら、フォトトランジスタの特性変動や増幅段などのアナログ部の遅延時間を厳密に調整することは難しい。一方、特許文献３に開示されている技術では、干渉信号の周波数の差が生じるフィルタ回路の遅延を調整することはできる。しかしながら、内部にトリガ信号と実際のデジタル変換のタイミングとの差の計測を行い、その差を考慮したトリガ信号やクロック信号の相対的ずれを調整することはしないため、精度面で改善の余地がある。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、例えば、計測精度の点で有利な計測装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、センサの出力に基づいて被検物の位置を計測する計測装置であって、トリガ信号に応じてセンサの出力であるアナログ信号をデジタル信号に変換してデジタル信号を出力する第１信号処理部と、計測要求信号に基づいてトリガ信号を第１信号処理部に出力し、トリガ信号に応じて第１信号処理部から出力されたデジタル信号を受ける第２信号処理部と、を有し、第２信号処理部は、トリガ信号のタイミングと、第１信号処理部によりトリガ信号に応じてアナログ信号から変換されて出力されるデジタル信号のタイミングとの差の分だけ、計測要求信号よりも前にトリガ信号を第１信号処理部に出力することを特徴とする。

本発明によれば、例えば、計測精度の点で有利な計測装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る処理装置の構成を示す図である。 処理装置内の制御部の構成を示す図である。 処理装置内のプローブヘッドの構成および動作を説明する図である。 第１実施形態に係る測長ユニット（計測装置）の構成を示す図である。 第１実施形態に係るエンコーダ（計測装置）の構成を示す図である。 第１実施形態に係る処理装置の動作の流れを示すフローチャートである。 図６内の装置校正工程の流れを示すフローチャートである。 図７内の遅延時間調整工程の流れを示すフローチャートである。 第１実施形態に係るエンコーダに関するタイミングチャートである。 第２実施形態のセンサ信号処理部等の構成を示す図である。 第２実施形態の遅延時間調整工程の流れを示すフローチャートである。 第２実施形態に係るエンコーダに関するタイミングチャートである。 第３実施形態のセンサ信号処理部等の構成を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。

（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態に係る計測装置と、この計測装置を含む処理装置とについて説明する。図１は、本実施形態に係る計測装置を複数含み得る処理装置１の構成を示す概略斜視図である。処理装置１は、部品、または部品を製造するための金型などを被検物（被計測物）Ｗとし、被検物Ｗの位置を非接触で測長（計測）する非接触３次元計測装置である。なお、以下の各図において、被検物Ｗが定盤２上に載置された状態での平面内に互いに直交するＸ軸およびＹ軸を取り、ＸＹ平面に垂直（本実施形態ではプローブヘッド１１と被検物Ｗとが向かい合う方向）にＺ軸を取っている。処理装置１は、駆動ステージと、制御部１２とを有する。

駆動ステージは、プローブヘッド１１をＸＹＺの３軸方向に移動自在とし、被検物Ｗを搭載する定盤２と、Ｙキャリッジ３と、Ｘスライダー４と、Ｚスピンドル５とを含む。Ｙキャリッジ３は、Ｚ軸方向に延びる一対の脚部を有し、互いの上端部（Ｚ軸方向プラス側）は、Ｘビーム６で連結している。Ｙキャリッジ３の各脚部の下端部（Ｚ軸方向マイナス側）は、定盤２の両側に配置されたエアガイドに連結し、このエアガイドは、Ｙキャリッジ３をＹ軸方向に移動自在に支持する。Ｘビーム６は、Ｘスライダー４を、エアガイドを介してＸ軸方向に移動自在に支持する。Ｘスライダー４は、Ｚスピンドル５を、エアガイドを介してＺ軸方向に移動自在に支持する。Ｚスピンドル５は、その下端部に、回転ヘッド１０を介してプローブヘッド１１を支持する。

また、駆動ステージは、プローブヘッド１１のＸＹＺの位置座標を読み取るための本実施形態に係る第１の計測装置として、Ｙ座標計測用のリニアエンコーダ７と、不図示であるがＸ座標計測用とＺ座標計測用との各リニアエンコーダとを有する。Ｙ座標計測用のリニアエンコーダ７は、Ｙキャリッジ３の一方の脚部近傍に設置されている。Ｘ座標計測用のリニアエンコーダは、Ｘビーム６に設置されている。Ｚ座標計測用のリニアエンコーダは、Ｚスピンドル５に設置されている。

また、Ｙキャリッジ３をＹ軸方向に移動させるための駆動部として、駆動ステージは、定盤２に設置されるＹシャフト１３と、Ｙキャリッジ３に設置されるＹ可動部８とを有する。Ｘスライダー４をＸ軸方向に移動させるための駆動部として、駆動ステージは、Ｙキャリッジ３に設置されるＸシャフト１４と、Ｘスライダー４に設置されるＸ可動部９とを有する。Ｚスピンドル５をＺ軸方向に移動させるための駆動部として、駆動ステージは、Ｘスライダー４に設置される不図示のＺシャフトと、Ｚスピンドル５に設置される不図示のＺ可動部とを有する。また、駆動ステージは、Ｚスピンドル５の先端部に、プローブヘッド１１の姿勢を変化させるための回転ヘッド１０を有する。回転ヘッド１０は、Ｚ軸周りの回転（ωＺ）を可能とし、不図示であるが、回転量ωＺを計測する本実施形態に係る第２の計測装置としてのロータリーエンコーダを含む。そして、回転ヘッド１０の先端には、本実施形態に係る第３の計測装置としての測長ユニット（非接触プローブ）を含むプローブヘッド１１が設置される。なお、各エンコーダおよび測長ユニットについては、以下で詳説する。また、上記の駆動ステージの構成は一例であって、例えば、このうちの一部の機構のみで構成されるものであってもよい。

制御部１２は、各軸方向用の各駆動部、回転ヘッド１０およびプローブヘッド１１に駆動指令を送信して、それらの動作に伴って得られた各軸の計測情報を取得、解析し、最終的に被検物Ｗの形状を求める。図２は、制御部１２の構成を示すブロック図である。制御部１２は、ユーザーインタフェース（ＵＩ）２４と、温度や振動などの環境情報を取得する環境計測部３９と、主制御部２９と、演算制御部１５と、Ｘ軸制御部１６と、Ｙ軸制御部１７と、Ｚ軸制御部１８と、回転ヘッド制御部（ωＺ軸制御部）１９とを含む。また、制御部１２は、プローブヘッド１１内の偏向機構を制御するω１軸制御部２０およびω２軸制御部２１と、測長値を取得する測長ユニット制御部２２とを含む。

主制御部２９は、制御部１２に含まれる各構成要素（回路）に電気的に接続され、各処理を統括する。特に本実施形態では、主制御部２９は、各エンコーダおよび測長ユニットを用いた本計測において、計測情報の取得を開始するために、計測要求開始信号を各駆動部等に送信する。

演算制御部１５は、ユーザーインタフェース２４から入力される情報に基づいて、Ｙキャリッジ３、Ｘスライダー４、Ｚスピンドル５および回転ヘッド１０の各制御量や、プローブヘッド１１内の偏向機構や測長値を取得するタイミングを算出する。ここで、ユーザーインタフェース２４から入力される情報としては、ＣＡＤ情報や計測条件などがある。また、演算制御部１５は、Ｘ軸制御部１６、Ｙ軸制御部１７、Ｚ軸制御部１８、回転ヘッド制御部１９、ω１軸制御部２０、ω２軸制御部２１および測長ユニット制御部２２に、算出した制御量や動作タイミングを指令値として送信する。Ｘ軸制御部１６、Ｙ軸制御部１７、Ｚ軸制御部１８および回転ヘッド制御部１９は、それぞれ演算制御部１５から指示された制御量に基づいて、Ｙ可動部８、Ｘ可動部９、Ｚ軸可動部および回転ヘッド１０を駆動させる。ω１軸制御部２０およびω２軸制御部２１は、それぞれ演算制御部１５から指示された制御量に基づいて、ω１軸可動部およびω２軸可動部を駆動させる。測長ユニット制御部２２は、演算制御部１５から指示された制御信号に基づいて、測長ユニットに測長情報（測長値）を取得させる。演算制御部１５は、各軸の指示値および測長情報に基づいて、環境計測部３９が取得した情報を参照して補正しつつ、計測点の位置座標および被検物Ｗの形状値を算出する。演算制御部１５は、このような動作を繰り返すことで最終的に被検物Ｗの形状（面形状）データを取得し得る。

次に、測長ユニットを含むプローブヘッド１１について説明する。図３は、プローブヘッド１１の構成および動作を説明する図である。図３（ａ）は、プローブヘッド１１の構成を示す概略図である。プローブヘッド１１は、測長ユニット４０と、それぞれ高速で回転可能な偏向機構としてのω１軸可動部２５およびω２軸可動部２６とを含む。測長ユニット４０は、光源部４１からの光（ビーム）を測長光２３として出射するとともに、被検物Ｗに照射して反射された光を検出し演算することで、被検物Ｗの位置、より具体的には被検物Ｗ上の被検面２８までの距離を計測する非接触プローブである。測長ユニット４０から出射された測長光２３は、ω１軸可動部２５のミラー面２５Ａで反射された後、さらにω２軸可動部２６のミラー面２６Ａで反射され、被検面２８に照射される。被検面２８で反射された光は、この逆の光路を辿って測長ユニット４０に戻る。図３（ｂ）は、ω１軸可動部２５およびω２軸可動部２６の回転角度についてのタイミングチャートである。また、図３（ｃ）は、図３（ｂ）のタイミングチャートに基づく動作により得られる被検面２８上の走査軌跡を示す図である。図３（ｂ）に従い、ω１軸可動部２５の回転角度をω１ｃからω１ｄまで回転させ、かつ、ω２軸可動部２６の回転角度をω２ａからω２ｂまでの間を往復させると、図３（ｃ）に示すようなＹ軸方向に進みＸ軸方向で往復を繰り返す２次元走査が可能となる。

図４は、測長ユニット４０の構成を示すブロック図である。このうち、図４（ａ）は、測長ユニット４０全体の構成を示すブロック図である。測長ユニット４０としては、接触式、光学式または静電容量式の検出部を有するプローブを採用可能であるが、ここでは、高精度かつ高速で計測するのに好適な光学式の非接触プローブとする。また、レーザー干渉計の原理を用いた計測方法で、被検物Ｗまでの距離をナノメートルからマイクロメートルまでのオーダーの精度で計測（測長）することができるヘテロダイン干渉計を用いるものとする。測長ユニット４０は、光源部４１と、センサ信号処理部４２と、デジタル信号処理部４３と、入力回路４４と、出力回路４５とを含む。光源部４１は、ＬＥＤまたはレーザーなどを発光させ、所望の光を生成する。センサ信号処理部（第１信号処理部）４２は、光源部４１で生成された周波数ｆｒで変調された基準光と、周波数ｆｒで変調されかつ被検物Ｗの測長情報を含む測長光とを電気信号に変換処理する。デジタル信号処理部（第２信号処理部）４３は、センサ信号処理部４２で得られたデジタル信号を演算処理、分割処理、補正処理、一時記憶およびクロック制御などを実行する。入力回路４４は、デジタル信号処理部４３からの信号を受信する。出力回路４５は、測長ユニット制御部２２へデジタル信号を出力する。ここで、デジタル信号処理部４３としては、デジタル信号を高速に処理することが可能なＦＰＧＡ、ＡＳＩＣまたはＤＳＰなどが採用可能であり、さらにマイクロプロセッサやロジックＩＣなどを併用してもよい。なお、ＦＰＧＡは、Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙの略語である。ＡＳＩＣは、Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔの略語である。ＤＳＰは、Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒの略語である。また、入力回路４４および出力回路４５は、ロジックＩＣを用いたり、またはデジタル信号処理部４３内に同等の機能を備えさせて代用するものとしてもよい。

図４（ｂ）は、センサ信号処理部４２の構成を示すブロック図である。センサ信号処理部４２は、センサ５０と、信号制御部５１と、電流電圧変換回路５２と、増幅回路５３と、ローパスフィルタ５４と、Ａ／Ｄ変換部５５とを含む。センサ５０は、光、変位または温度などを検出して被検物Ｗの形状に応じた電流を発生させる。センサ５０としては、高精度な測長に有利なフォトダイオードやアバランシェフォトダイオードなどの光電変換素子を採用し得る。信号制御部（第３信号処理部）５１は、センサ５０の出力側に設置され、センサ５０で発生した電流の導通を外部信号により制御する。信号制御部５１としては、外部信号に基づいて高速でスイッチング（切り換え）できるものが望ましく、例えばトランジスタやＭＯＳＦＥＴなど半導体素子が好適である。電流電圧変換回路５２は、信号制御部５１から出力された電流を電圧値のアナログ信号に変換する。増幅回路５３は、電流電圧変換回路５２から送信されたアナログ信号を増幅する。ローパスフィルタ５４は、増幅回路５３から送信された増幅後のアナログ信号に含まれるノイズを除去する。Ａ／Ｄ変換部５５は、ローパスフィルタ５４を通過したアナログ信号を外部から与えられる所定のタイミングでサンプリングし、デジタル信号ｄｉｇに変換する。

次に、Ｙ可動部８、Ｘ可動部９、Ｚ軸可動部（不図示）、回転ヘッド１０、ω１軸可動部２５またはω２軸可動部２６に使用され得るエンコーダの代表として、ω２軸可動部２６の位置を検出するためのエンコーダ３０について説明する。

図５は、エンコーダ３０の構成を示すブロック図である。このうち、図５（ａ）は、エンコーダ３０全体の構成を示すブロック図である。エンコーダ３０としては、光学式、磁気式または静電容量式などのエンコーダが採用可能であるが、ここでは、高精度で応答性が良く、高速で駆動する可動部に対応させるのに好適な光学式のエンコーダ（ロータリーエンコーダ）とする。エンコーダ３０は、光源部３１と、円盤３２と、センサ信号処理部３３と、デジタル信号処理部３４と、入力回路３５と、出力回路３６とを含む。光源部３１は、ＬＥＤまたはレーザーなどの発光素子３８（図５（ｂ）参照）を発光させ、所望の光を生成する。円盤３２は、中心軸回りに回転自在であり、放射状にスリットを有する。センサ信号処理部（第１信号処理部）３３は、円盤３２のスリットを通過した光を受光して、受光状態に応じた所望の信号に処理する。エンコーダ３０は、Ａ相とＢ相との互いに９０°位相が異なる２つの信号出力から位置情報を算出する。デジタル信号処理部（第２信号処理部）３４は、センサ信号処理部３３で得られたデジタル信号を演算処理、分割処理、補正処理、一時記憶およびクロック制御などを実行する。入力回路３５は、ω２軸制御部２１からの信号を受信する。出力回路３６は、ω２軸制御部２１へデジタル信号を出力する。なお、Ｙ可動部８、Ｘ可動部９およびＺ軸可動部は、ロータリエンコーダではなくリニアエンコーダを採用し、この場合、円盤３２に換えて反射型または透過型のリニアスケールを用いることとなり、それぞれこれに合わせた発光素子および受光素子を配置する。

図５（ｂ）は、センサ信号処理部３３の構成を示すブロック図である。なお、Ａ相とＢ相とのセンサ信号処理部３３は、基本構成は同一であるので、以下、Ａ相のものを代表して説明する。センサ信号処理部３３は、センサ６０と、信号制御部６１と、電流電圧変換回路６２と、増幅回路６３と、ローパスフィルタ６４と、Ａ／Ｄ変換部６５とを含む。センサ６０は、光源部３１内の発光素子３８からの光を受光し、受光量に応じた電流を発生させる光電変換素子である。信号制御部（第３信号処理部）６１は、センサ６０で発生した電流の導通を外部信号により制御する。信号制御部６１としては、外部信号に基づいて高速でスイッチングできるものが望ましく、例えばトランジスタやＭＯＳＦＥＴなど半導体素子が好適である。電流電圧変換回路６２は、信号制御部６１から出力された電流を電圧値のアナログ信号に変換する。増幅回路６３は、電流電圧変換回路６２から送信されたアナログ信号を増幅する。ローパスフィルタ６４は、増幅回路６３から送信された増幅後のアナログ信号に含まれるノイズを除去する。Ａ／Ｄ変換部６５は、ローパスフィルタ６４を通過したアナログ信号を外部から与えられる所定のタイミングでサンプリングし、デジタル信号ｄｉｇに変換する。

次に、処理装置１と、各計測装置（一例としてのエンコーダ３０および測長ユニット４０）との動作について説明する。図６は、処理装置１の一連の動作の流れを示すフローチャートである。まず、制御部１２は、電源やエアー等の動力源の投入に伴い、立ち上げシーケンスを実行する（装置立ち上げ工程：ステップＳ１００）。次に、制御部１２は、装置状態が安定した後、例えば定盤２上に設置されている基準器１００（図１参照）を計測する。そして、制御部１２は、基準器１００の計測値を参照して各駆動部の校正や測長ユニット４０の計測情報（位置情報または測長情報）取得タイミングの調整などの装置校正を実行する（装置校正工程：ステップＳ２００）。ここで、ユーザーが定盤２上に被検物Ｗを設置した後、次に、制御部１２は、被検物Ｗについての計測条件等を確認する（被検物設置工程：ステップＳ３００）。次に、制御部１２は、本計測（通常計測）を実施させ（本計測工程：ステップＳ４００）、計測結果の演算処理やディスプレイへの表示、計測情報の保存などのデータ処理を実行する（データ処理工程：ステップＳ５００）。ここでの計測が終了した後、次に、制御部１２は、引き続き別の計測を実施させるかどうかを判断する（計測終了判断工程：ステップＳ６００）。ここで、制御部１２は、別の計測を実施させると判断した場合には（Ｙｅｓ）、新たにステップＳ３００にて定盤２上の被検物Ｗを交換し、ステップＳ４００以降の工程を繰り返す。一方、制御部１２は、別の計測は実施させず、ここで計測を終了すると判断した場合には（Ｎｏ）、被検物Ｗの定盤２からの取り外し後、動力源を遮断する立ち下げシーケンスを実行し（装置立ち下げ工程：ステップＳ７００）、一連の動作を終了させる。

ここで、エンコーダ３０を一例とし、本計測中の動作と、本計測中に生じ得る計測データ取得タイミングの遅延とについて、図５を参照しつつ説明する。まず、エンコーダ３０の本計測では、主制御部２９は、位置情報の取得を開始するために、計測要求開始信号ｒｅｑ＿ｓｔａｒｔをω２軸制御部２１に送信する。次に、ω２軸制御部２１は、計測要求開始信号ｒｅｑ＿ｓｔａｒｔを受信した後、位置要求パルス（第１の計測要求信号）ｒｅｑ＿ｗ２をエンコーダ３０の入力回路３５に送信する。入力回路３５から出力された位置要求パルスｒｅｑ＿ｗ２ｅは、デジタル信号処理部３４に入力される。次に、デジタル信号処理部３４は、パルスｒｅｑ＿ｗ２ｅと同期したサンプリングクロック（サンプリングクロック信号）ｓｃｌｋを生成する。デジタル信号処理部３４で生成されたサンプリングクロックｓｃｌｋは、Ａ／Ｄ変換部６５に入力される。そして、Ａ／Ｄ変換部６５は、位置情報信号であるアナログ信号ｓｇ＿ｓｈをサンプリングする。

しかしながら、本計測では、アナログ信号ｓｇ＿ｓｈには、センサ６０の出力信号ｓｇ＿ｐｔがＡ／Ｄ変換部６５に至るまでの間に信号増幅等のアナログ的な信号処理が施されるため、遅延時間ｔｄ＿ｅが生じ得る。このような遅延時間は、何ら対策を取らない場合には、エンコーダの位置情報を取得する各軸のタイミング（または測長ユニットの測長情報を取得するタイミング）に相対的なずれを生じさせ、このずれに起因して計測精度に誤差を発生させ得る。そこで、本実施形態では、位置要求パルスｒｅｑ＿ｗ２ｅが入力された時点の正確な位置情報をサンプリングするために、パルスｒｅｑ＿ｗ２ｅとサンプリングまでの遅延時間とを予め計測し、パルスｒｅｑ＿ｗ２ｅに先行してサンプリングした値を取得する。

図７は、図６に示すステップＳ２００の装置校正工程の流れを示すフローチャートである。装置校正工程を開始する段階、すなわち以下に示す遅延時間の調整を実施する前の本計測工程では、エンコーダ３０内の信号回路は、閉の状態となっている（ステップＳ２１０）。この状態では、センサ６０の受光量に応じたアナログ信号ｓｇ＿ｓｈは、Ａ／Ｄ変換部６５にて所定のサンプリングクロックｓｃｌｋでデジタル変換される（図５（ｂ）参照）。具体的には、デジタル信号処理部３４は、位置要求パルスｒｅｑ＿ｗ２ｅのタイミングに応じて内部で生成するトリガ信号（第１のトリガ信号）ｔｒｉｇをセンサ信号処理部３３へ出力する。そして、センサ信号処理部３３は、トリガ信号を受けたとき（入力タイミング）のサンプリングクロックｓｃｌｋの立ち上がりの時にデジタル信号への変換を実行する。変換されたデジタル信号ｄｉｇを受けたデジタル信号処理部３４は、エンコーダ３０が取得した位置情報としてω２軸制御部２１に出力する。

ステップＳ２１０の終了後、信号制御部６１は、遅延時間調整工程を実行する（ステップＳ２２０）。図８は、本実施形態における遅延時間調整工程の流れを示すフローチャートである。図９は、エンコーダ３０の動作に関する各信号のタイミングチャートである。本実施形態における遅延時間調整工程では、まず、Ａ／Ｄ変換部６５は、サンプリングクロックｓｃｌｋでアナログ信号ｓｇ＿ｓｈをデジタル信号ｄｉｇに変換を開始する（ステップＳ２２１）。ただし、すでにＡ／Ｄ変換部６５がデジタル変換を開始している場合には、そのまま継続する。次に、デジタル信号処理部３４は、図９に示すように信号制御部６１を開から閉とするトリガ信号（第２のトリガ信号）ｔｒｉｇを信号制御部６１に送信し（図５（ｂ）参照）、アナログ信号を変化させる（ステップＳ２２２）。具体的には、デジタル信号処理部３４は、外部から位置要求パルスｒｅｑ＿ｗ２ｅを取得し（第１工程）、得られた位置要求パルスｒｅｑ＿ｗ２ｅと立ち上がりエッジが同じトリガ信号ｔｒｉｇで信号制御部６１を閉とする（第２工程）。次に、デジタル信号処理部３４は、トリガ信号ｔｒｉｇを与えたタイミング（エッジ）と、アナログ信号の変化に対応してデジタル信号ｄｉｇを検出したタイミングとの差Δｔをカウントし、この差を遅延時間ｔｄ＿ｅとする。そして、デジタル信号処理部３４は、外部から与えられる位置要求パルスｒｅｑ＿ｗ２ｅよりも遅延時間ｔｄ＿ｅだけ前にずらした新たな位置要求パルス（第２の計測要求信号）ｒｅｑ＿ｗ２ｍを生成する（第３工程：ステップＳ２２３）。このように、遅延時間調整工程におけるトリガ信号ｔｒｉｇ、すなわち第２のトリガ信号は、上記の第１のトリガ信号とは異なり、各タイミングとの差Δｔを得るための基準に用いられる特有の信号である。

ステップＳ２２０の終了後、デジタル信号処理部３４は、遅延時間の調整を反映した本計測工程として、新たな位置要求パルスｒｅｑ＿ｗ２ｍのタイミングに応じて、トリガ信号（第１のトリガ信号）ｔｒｉｇを生成（更新）し、センサ信号処理部３３へ出力する。そして、センサ信号処理部３３は、このときのトリガ信号を受けたときのサンプリングクロックｓｃｌｋの立ち上がりの時にデジタル信号への変換を実行する。変換されたデジタル信号を受けたデジタル信号処理部３４は、デジタル信号ｄｉｇをエンコーダ３０の位置情報として出力する（ステップＳ２３０）。次に、制御部１２は、さらにその他の装置校正工程として、ステップＳ２２０で実行される遅延時間調整工程以外の校正を要する場合にはその校正工程を実行し（ステップＳ２４０）、装置校正工程内の一連の工程を終了する。

なお、遅延時間調整工程は、図７に示す例では、図６に示すステップＳ２００の装置校正工程で実行されるものとしているが、例えば、図６に示すステップＳ４００の本計測工程の最中に実行されるものとしてもよい。また、上記の説明では、信号制御部６１は、ステップＳ２２２において、トリガ信号ｔｒｉｇを受けて回路を開から閉とするものとしたが、回路を閉から開とするものとしてもよい。

このように、本実施形態に係る計測装置は、まず、デジタル信号処理部から送信されるトリガ信号（第２のトリガ信号）を用いて信号制御部でアナログ信号を動的に変動させ、その変動が反映されたデジタル信号を用いてタイミング差を計測する。したがって、従来成し得なかったフォトトランジスタ（センサ）の特性変動や増幅段などのアナログ信号の電気的な時間遅延によるずれを補正する計測装置の校正が好適に実現される。そして、計測装置は、センサからデジタル変換までの回路遅延や、デジタル変換のサンプリングタイミングのずれ量の計測または補正が可能となるので、計測精度が高く（計測誤差が少なく）なる。さらに、計測装置は、例えば環境計測部３９からの情報を反映させることで、さらに温度変化や長時間の計測にも耐え得るものとなり得る。

なお、本実施形態では、処理装置１が被検物Ｗの位置を非接触で計測する非接触３次元計測装置であるものとしたが、これに限定されるものではない。例えば、処理装置１は、被検物Ｗをレーザー光の照射等で所望の形状に加工する３次元加工装置であってもよい。この場合、プローブヘッド１１は、測長ユニット４０に換えて、例えばレーザー加工ユニットを設置することになる。また、本実施形態では、センサは、光源部内の発光素子からの光を受光する光電変換素子（受光素子）としているが、各計測装置の計測方式を異なるものとするならば変更してもよい。例えば、センサを、熱や磁気などを検出対象とする素子とし、それに合わせて、光源部を、熱や磁気などを発する素子としてもよい。

以上のように、本実施形態によれば、計測精度の点で有利な計測装置を提供することができる。また、本実施形態に係る計測装置を有する処理装置によれば、計測対象物や加工対象物を処理（計測や加工等）するに際し、少なくとも処理精度の面で有利となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る計測装置について説明する。第１実施形態に係る計測装置では、ω２軸可動部２６のエンコーダ３０を参照すると、デジタル信号処理部３４からのトリガ信号（第１実施形態における第２のトリガ信号に相当）ｔｒｉｇは、センサ信号処理部３３内の信号制御部６１に入力される。すなわち、トリガ信号ｔｒｉｇを受信する信号制御部は、制御回路側に存在する。これに対して、本実施形態に係る計測装置の特徴は、トリガ信号ｔｒｉｇを受信する信号制御部を、制御回路側ではなく、光源部３１すなわち光照射側に設置する点にある。この特徴も、第１実施形態において計測装置として示した、Ｙ可動部８、Ｘ可動部９、Ｚ軸可動部、回転ヘッド１０またはω１軸可動部２５に使用され得るエンコーダや、プローブヘッド１１に使用され得る測長ユニットにも適用され得る。以下、第１実施形態と同様に、一例としてω２軸可動部２６のエンコーダ３０に本実施形態の特徴を適用する場合について説明する。また、以下の説明では、第１実施形態に係る計測装置１の各構成要素および各信号に対応するものについては同一の符号を付し、説明を省略する。

図１０は、図５（ｂ）に示す第１実施形態におけるセンサ信号処理部３３および光源部３１にそれぞれ対応した、本実施形態におけるセンサ信号処理部６６および光源部６７の構成を示すブロック図である。なお、本図においても、Ａ相とＢ相とのセンサ信号処理部６６のうちＡ相のものを代表して説明する。センサ信号処理部６６は、第１実施形態と異なり、その内部に信号制御部を有さない。これに対して、光源部３１は、発光素子３８に連設され、デジタル信号処理部３４からのトリガ信号ｔｒｉｇを受信する信号制御部（第３信号処理部）６８を有する。信号制御部６８としては、第１実施形態における信号制御部６１と同様に、例えばトランジスタやＭＯＳＦＥＴなど半導体素子が好適である。信号制御部６８は、光源部３１に入力されたトリガ信号により開閉を実行し、発光素子３８のＯＮ／ＯＦＦを制御する。

図１１は、第１実施形態における図７に示す遅延時間調整工程（ステップＳ２２０）に適用される本実施形態の場合の流れを示すフローチャートである。図１２は、本実施形態におけるエンコーダ３０に関する各信号のタイミングチャートである。なお、エンコーダ３０の遅延時間調整工程に入る前の本計測では、信号制御部６８は、閉であり、発光素子３８は、発光する状態となっている。

本実施形態における遅延時間調整工程では、まず、Ａ／Ｄ変換部６５は、位置要求パルスｒｅｑ＿ｗ２ｅと立ち上がりエッジが同期したサンプリングクロックｓｃｌｋ−１でアナログ信号ｓｇ＿ｓｈをデジタル信号ｄｉｇに変換する。さらに、デジタル信号処理部３４は、図１２に示すように、立ち上がりエッジが位置要求パルスｒｅｑ＿ｗ２ｅと同じトリガ信号ｔｒｉｇを信号制御部６８に送信し、信号制御部６８を開から閉とする（第１工程および第２工程：ステップＳ２２４）。次に、デジタル信号処理部３４は、トリガ信号ｔｒｉｇのエッジの時点からデジタル信号ｄｉｇ−１が変化する時点までの基準時間Ｔを、リファレンスクロック（リファレンスクロック信号）ｒｅｆｃｌｋを用いてカウントする（ステップＳ２２５）。このときの状態は、図１２中の「状態１（ｔｒｉｇ−１、ｄｉｇ−１）」に対応している。次に、デジタル信号処理部３４は、サンプリングクロックｓｃｌｋをリファレンスクロックｒｅｆｃｌｋの１クロックずつ遅延させて、Ａ／Ｄ変換部６５にＡ／Ｄ変換を開始させる。さらに、デジタル信号処理部３４は、トリガ信号ｔｒｉｇを信号制御部６８に送信し、信号制御部６８を開から閉とする（ステップＳ２２６）。次に、デジタル信号処理部３４は、トリガ信号ｔｒｉｇのエッジの時点からデジタル信号ｄｉｇが変化する時点までの時間Ｔｓを、リファレンスクロックｒｅｆｃｌｋを用いてカウントする（ステップＳ２２７）。次に、デジタル信号処理部３４は、ステップＳ２２７でカウントしたときに、タイミングＴ１から基準時間Ｔまで（基準時間Ｔ未満）の時間でデジタル信号ｄｉｇに変化があるか、すなわちＴｓ＜Ｔの関係を満たすかどうかを判断する（ステップＳ２２８）。ここで、デジタル信号処理部３４は、デジタル信号ｄｉｇに変化がない、すなわちＴｓ＜Ｔの関係を満たさないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ２２６に戻ってサンプリングクロックｓｃｌｋを遅延させ、ステップＳ２２８までの工程を繰り返す。このときの状態は、図１２中の「状態２（ｔｒｉｇ−２、ｄｉｇ−２）」から「状態４（ｔｒｉｇ−４、ｄｉｇ−４）」までに対応している。一方、デジタル信号処理部３４は、ステップＳ２２８においてデジタル信号ｄｉｇが変化した、すなわちＴｓ＜Ｔの関係を満たすと判断した場合には（Ｙｅｓ）、その時間Ｔ２までの遅延量Δｔを遅延時間ｔｄ＿ｅとする（ステップＳ２２９）。次に、デジタル信号処理部３４は、位置要求パルスｒｅｑ＿ｗ２ｅ（サンプリングクロックｓｃｌｋ−１）の立ち上がりエッジからＴ−Δｔを遅延させた（Δｔだけ前にずらした）新たな位置要求パルスｒｅｑ＿ｗ２ｍを生成する（第３工程：ステップＳ２２９）。このときの状態は、図１２中の「状態５（ｔｒｉｇ−５、ｄｉｇ−５）」に対応している。そして、エンコーダ３０の遅延時間調整工程が終了した後の本計測では、デジタル信号処理部３４は、位置要求パルスｒｅｑ＿ｗ２ｍに応じてエンコーダ３０の位置情報を出力する。

このように、本実施形態によれば、計測装置においてデジタル信号処理部からトリガ信号を受信する信号制御部の配置を第１実施形態の場合と異ならせたとしても、第１実施形態と同様の効果を奏する。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る計測装置について説明する。本実施形態に係る計測装置の特徴は、トリガ信号（上記の各実施形態における第２のトリガ信号に相当）ｔｒｉｇを受信する信号制御部を、センサ信号処理部内で、第１実施形態の場合と異なる位置に配置する点にある。この特徴も、第１実施形態において計測装置として示した、Ｙ可動部８、Ｘ可動部９、Ｚ軸可動部、回転ヘッド１０、ω１軸可動部２５またはω２軸可動部２６に使用され得るエンコーダや、プローブヘッド１１に使用され得る測長ユニットに適用され得る。以下、第１実施形態と同様に、一例としてω２軸可動部２６のエンコーダ３０に本実施形態の特徴を適用する場合について説明する。また、以下の説明では、第１実施形態に係る計測装置１の各構成要素および各信号に対応するものについては同一の符号を付し、説明を省略する。

図１３は、図５（ｂ）に示す第１実施形態におけるセンサ信号処理部３３に対応した、本実施形態におけるセンサ信号処理部６９の構成を示すブロック図である。なお、本図においても、Ａ相とＢ相とのセンサ信号処理部６６のうちＡ相のものを代表して説明する。センサ信号処理部６９は、センサ６０で発生した電流の導通を外部信号により制御する第１実施形態における信号制御部６１とは異なり、センサ６０の入力側に設置され、センサ６０へのバイアス電流の導通を外部信号により制御する信号制御部７０を有する。信号制御部７０としては、第１実施形態における信号制御部６１と同様に、例えばトランジスタやＭＯＳＦＥＴなど半導体素子が好適である。

この場合、図１１に示す第２実施形態における遅延時間調整工程の流れを参照しつつ説明すると、まず、エンコーダ３０の遅延時間調整工程に入る前の本計測では、信号制御部７０は、開であり、バイアス電流が流れない状態となっている。このとき、Ａ／Ｄ変換部６５は、センサ６０からの受光量に応じたアナログ信号ｓｇ＿ｓｈを、位置要求パルスｒｅｑ＿ｗ２ｅのタイミングに同期したサンプリングクロックｓｃｌｋ−１でデジタル化する。そして、デジタル信号処理部３４は、入力されたデジタル信号を処理し、エンコーダ３０の位置情報として出力する。本実施形態における遅延時間調整工程では、まず、デジタル信号処理部３４は、信号制御部７０を閉から開とするトリガ信号ｔｒｉｇを信号制御部７０に送信する。そして、信号制御部７０は、センサ６０にバイアス電流を流し、センサ６０からのアナログ信号をトリガ信号により変化させ、第１実施形態の場合と同様に遅延量ｔｄ＿ｅを計測する。なお、バイアス電流は、順バイアス電流でも、逆バイアス電流でもよく、受光素子であるセンサ６０を破壊しないように、かつ、アナログ信号に変化をさせられるように与えられる。例えば、センサ６０に対し、受光状態にしない状態で逆バイアス電流がかかるようにするなどの制御は、デジタル信号処理部３４または主制御部２９などが実行する。そして、エンコーダ３０の遅延時間調整工程が終了した後の本計測では、デジタル信号処理部３４は、まず、Ａ／Ｄ変換部６５でサンプリングされたデジタルデータを数クロック分蓄積しておく。次に、デジタル信号処理部３４は、外部から与えられる位置要求パルスｒｅｑ＿ｗ２ｅよりこの遅延時間ｔｄ＿ｅ分だけ前に取得されたデータをエンコーダ３０の位置情報として出力する。

このように、本実施形態によれば、計測装置内の特にセンサ信号処理部においてデジタル信号処理部からトリガ信号を受信する信号制御部の配置を第１実施形態の場合と異ならせたとしても、第１実施形態と同様の効果を奏する。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

３０ エンコーダ
３３ センサ信号処理部
３４ デジタル信号処理部
４０ 測長ユニット
４２ センサ信号処理部
４３ デジタル信号処理部

Claims (11)

1. センサの出力に基づいて被検物の位置を計測する計測装置であって、
   トリガ信号に応じて前記センサの出力であるアナログ信号をデジタル信号に変換して前記デジタル信号を出力する第１信号処理部と、
   計測要求信号に基づいて前記トリガ信号を前記第１信号処理部に出力し、前記トリガ信号に応じて前記第１信号処理部から出力された前記デジタル信号を受ける第２信号処理部と、を有し、
   前記第２信号処理部は、前記トリガ信号のタイミングと、前記第１信号処理部により前記トリガ信号に応じて前記アナログ信号から変換されて出力される前記デジタル信号のタイミングとの差の分だけ、前記計測要求信号よりも前に前記トリガ信号を前記第１信号処理部に出力する、
   ことを特徴とする計測装置。
2. 前記第２信号処理部は、前記第１信号処理部への前記トリガ信号の入力タイミングと、前記トリガ信号の入力に応じて前記第２信号処理部が前記第１信号処理部から前記デジタル信号を受けるタイミングとの差を求めることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
3. 前記第１信号処理部は、前記センサの出力側に設置され、前記トリガ信号を受信することで前記センサで発生した電流の導通を切り換え可能とする第３信号処理部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の計測装置。
4. 前記第１信号処理部は、前記センサへのバイアス電流の入力側に設置され、前記トリガ信号を受信することで前記バイアス電流の導通を切り換え可能とする第３信号処理部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の計測装置。
5. 前記第２信号処理部は、前記トリガ信号を基準としてサンプリングクロック信号を用いてカウントしながら、前記デジタル信号を受けるタイミングを求めることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の計測装置。
6. 前記第１信号処理部は、前記センサが検出対象とするものを発する素子に接続され、前記トリガ信号を受信することで前記素子のＯＮ／ＯＦＦを切り換え可能とする第３信号処理部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の計測装置。
7. 前記第２信号処理部は、前記トリガ信号を基準としてリファレンスクロック信号を用いてカウントしながら、サンプリングクロック信号の出力されるタイミングを求め、該サンプリングクロック信号の出力されるタイミングに基づいて、前記デジタル信号を受けるタイミングを求めることを特徴とする請求項６に記載の計測装置。
8. 前記第２信号処理部は、前記リファレンスクロック信号を出力することを特徴とする請求項７に記載の計測装置。
9. 前記センサは、受光素子であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の計測装置。
10. 前記第３信号処理部は、半導体素子であることを特徴とする請求項３、４又は６に記載の計測装置。
11. 計測または加工を行う処理装置であって、
    請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の計測装置を備え、
    前記計測装置が計測した前記被検物の位置に基づいて、前記計測または前記加工を行うことを特徴とする処理装置。

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