特許 7198631 形状測定装置および形状測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-12-21

(45)【発行日】2023-01-04

(54)【発明の名称】形状測定装置および形状測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 5/20 20060101AFI20221222BHJP

   G01B 5/28 20060101ALI20221222BHJP

   G01B 5/00 20060101ALI20221222BHJP

【ＦＩ】

G01B5/20 C

G01B5/28 102

G01B5/00 A

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2018202319

(22)【出願日】2018-10-26

(65)【公開番号】P2020067443

(43)【公開日】2020-04-30

【審査請求日】2021-09-15

(73)【特許権者】

【識別番号】000137694

【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ

(74)【代理人】

【識別番号】100166545

【弁理士】

【氏名又は名称】折坂 茂樹

(72)【発明者】

【氏名】本田 博臣

【審査官】山▲崎▼ 和子

(56)【参考文献】

【文献】特開平０２－２４９９１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－２００３９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５８－１４１８０８（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ ５／００－５／３０

Ｇ０１Ｂ ２１／００－２１／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

対象物の表面の位置を測定する形状測定装置であって、
スタイラスを有し、前記スタイラスを第１方向に移動させながら前記スタイラスの可動範囲内で前記対象物の表面の位置を検出する検出器と、
前記検出器を前記第１方向と直交する第２方向に移動させるコラムと、
前記検出器の移動を制御するとともに、前記コラムによる前記検出器の位置を調整して前記可動範囲内での測定原点を設定する原点設定処理を行う制御部と、
を備え、
前記制御部は、
測定中に前記スタイラスが前記可動範囲を逸脱したとき前記スタイラスの前記第１方向への移動を一旦停止し、前記スタイラスの位置を前記第１方向に所定距離だけずらし、その位置で原点の再設定処理を行った後に前記スタイラスの前記第１方向への移動および位置検出を再開するよう制御を行う、ことを特徴とする形状測定装置。

【請求項2】

スタイラスを第１方向に移動させながら前記スタイラスの可動範囲内で対象物の表面の位置を測定する形状測定方法であって、
前記スタイラスの前記第１方向と直交する第２方向の位置を調整して前記可動範囲内での測定原点を設定する原点設定処理を行う第１工程と、
前記第１工程で設定した測定原点による測定中に前記スタイラスが前記可動範囲を逸脱したとき前記スタイラスの前記第１方向への移動を一旦停止し、前記スタイラスの位置を前記第１方向に所定距離だけずらし、その位置で原点の再設定処理によって新たな測定原点を設定する第２工程と、
前記第２工程で設定した新たな測定原点によって前記スタイラスの前記第１方向への移動および位置検出を行う第３工程と、
を備えたことを特徴とする形状測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、形状測定装置に関し、より詳しくは、対象物の表面を測定する形状測定装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

対象物の表面の形状や粗さを測定する形状測定装置には高分解能が求められる。このため、一般的に、スタイラスを備えた検出器として差動トランスや差動インダクタンス方式が採用されている。このような形状測定装置では、測定のための検出ストローク幅は約１ｍｍ程度である。このため、測定前に測定原点の設定（原点設定処理）が必要となる（例えば、特許文献１参照）。また、大きな段差や曲面のある対象物の表面を測定する場合には、スタイラスの可動範囲内で測定可能な範囲で測定を行ったのち、測定箇所を移動して原点設定処理を再度行い、新たに設定した測定原点によって測定を行うことになる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１０－０３２３２２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、測定範囲が広い場合やスタイラスの可動範囲を超える段差や曲面が多い対象物では、原点設定処理と位置測定とを何度も繰り返す必要がある。このため、ユーザは、その都度、測定箇所の移動と原点設定処理といった煩わしい作業を強いられることになる。

【0005】

このように原点設定処理を繰り返す方法のほか、検出器による測定値を維持するように、スタイラスを支持するコラムを上下させるフィードバック制御を行い、コラムの変位量をもとに表面の形状を測定する「倣い測定」と呼ばれる方法もあるが、この方法では測定分解能がコラムの上下移動の分解能（一般に、スタイラスの変位を検出する検出器と比べ低分解能）により制限されるため、高精度の測定を行うことができない。

【0006】

本発明は、スタイラスの可動範囲を超える範囲で測定を行う場合であっても効率良く高精度の測定を行うことができる形状測定装置および形状測定方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様は、対象物の表面の位置を測定する形状測定装置であって、スタイラスを有し、スタイラスを第１方向に移動させながらスタイラスの可動範囲内で対象物の表面の位置を検出する検出器と、検出器を第１方向と直交する第２方向に移動させるコラムと、検出器の移動を制御するとともに、コラムによる検出器の位置を調整して可動範囲内での測定原点を設定する原点設定処理を行う制御部と、を備え、制御部は、測定中にスタイラスが可動範囲を逸脱したときスタイラスの第１方向への移動を一旦停止し、原点の再設定処理を行った後にスタイラスの第１方向への移動および位置検出を再開するよう制御を行うことを特徴とする。

【0008】

このような構成によれば、測定中にスタイラスの可動範囲を逸脱した場合に、制御部の制御によってスタイラスの第１方向への移動を一旦停止し、原点の再設定処理、および位置検出の再開が自動的に行われる。なお、本発明において、スタイラスの可動範囲の逸脱は、スタイラスの第２方向の位置が可動範囲内であっても予め設定された許容範囲を超えた場合を含む。

【0009】

上記形状測定装置において、制御部は、測定中に前記スタイラスが可動範囲を逸脱したときスタイラスの前記第１方向への移動を一旦停止し、前記スタイラスの位置を前記第１方向に所定距離だけずらし、その位置で原点の再設定処理を行った後にスタイラスの第１方向への移動および位置検出を再開するよう制御を行ってもよい。これにより、大きな段差の部分でスタイラスの可動範囲を逸脱した場合であっても、段差に干渉されることなく原点の再設定処理、および位置検出の再開を自動的に行うことができる。

【0010】

本発明の一態様は、スタイラスを第１方向に移動させながらスタイラスの可動範囲内で対象物の表面の位置を測定する形状測定方法であって、スタイラスの第１方向と直交する第２方向の位置を調整して可動範囲内での測定原点を設定する原点設定処理を行う第１工程と、第１工程で設定した測定原点による測定中にスタイラスが可動範囲を逸脱したときスタイラスの第１方向への移動を一旦停止し、原点の再設定処理によって新たな測定原点を設定する第２工程と、第２工程で設定した新たな測定原点によってスタイラスの第１方向への移動および位置検出を行う第３工程と、を備えたことを特徴とする。

【0011】

このような構成によれば、測定中にスタイラスの可動範囲を逸脱した場合に、スタイラスの第１方向への移動を一旦停止し、原点の再設定処理、および位置検出の再開が自動的に行われる。

【0012】

上記形状測定方法において、第２工程は、スタイラスの移動を一旦停止した後、スタイラスの位置を第１方向に所定距離だけずらし、その位置で原点の再設定処理を行うことを含んでいてもよい。これにより、大きな段差の部分でスタイラスの可動範囲を逸脱した場合であっても、段差に干渉されることなく原点の再設定処理、および位置検出の再開を自動的に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本実施形態に係る形状測定装置を例示する正面図である。

【図2】本実施形態に係る形状測定装置を例示するブロック図である。

【図3】本実施形態に係る形状測定方法を例示するフローチャートである。

【図4】形状測定の具体例を説明する模式図である。

【図5】形状測定の具体例を説明する模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。

【0015】

〔形状測定装置の構成〕
図１は、本実施形態に係る形状測定装置を例示する正面図である。
図１に示すように、本実施形態に係る形状測定装置１は、基台（ベース）１００に載置された対象物Ｗの表面の位置を測定する装置である。形状測定装置１は、スタイラス１１を有する検出器１５と、検出器１５を上下動させるコラム２３と、検出器１５の移動などの制御を行う制御部３０とを備える。なお、本実施形態では、説明の便宜上、基台１００の対象物Ｗの載置面に沿った方向の一つをＸ方向（第１方向）、載置面に沿った方向でＸ方向と直交する方向をＹ方向、Ｘ、Ｙ方向と直交する方向（載置面の法線方向）をＺ方向（第２方向）とする。また、Ｚ方向は上下方向とも言うことにする。

【0016】

検出器１５は、スタイラス１１の可動範囲内で対象物Ｗの表面の位置を検出する。スタイラス１１はＸ方向に延びるロッド１３の先端に揺動可能に取り付けられ、検出器１５は、差動トランスや差動インダクタンス方式によってスタイラス１１のＺ方向の変位量を検出する。検出器１５は、Ｘ軸駆動機構２０によって吊り下げ支持されている。Ｘ軸駆動機構２０は、測定用の駆動機構が収容され、吊り下げ支持した検出器１５をＸ軸方向に移動可能に構成されている。

【0017】

Ｘ軸駆動機構２０は、基台１００に垂設されたコラム２３に沿ってＺ方向に移動可能に設けられる。すなわち、コラム２３にはＺ軸駆動機構２にＸ軸駆動機構２０が設けられ、Ｚ軸駆動機構２にＸ軸駆動機構２０が接続され、Ｘ軸駆動機構２０をＺ軸方向に移動可能に構成されている。これにより、コラム２３でＸ軸駆動機構２０をＺ方向に移動させると、Ｘ軸駆動機構２０とともに検出器１５もＺ方向に移動することになる。すなわち、検出器１５は、コラム２３によりＸ軸駆動機構２０と共にＺ方向に移動され、Ｘ軸駆動機構２０によりＸ軸方向に移動されることになる。Ｘ軸駆動機構２０には表示部２１や操作ボタン２２が設けられていてもよい。Ｘ軸駆動機構２０は、例えば操作ボタン２２によって電動で上下動する。

【0018】

制御部３０には、例えばコンピュータが用いられる。なお、制御部３０はパーソナルコンピュータであってもよいし、コラム２３などに内蔵された専用回路であってもよい。制御部３０は、検出器１５の移動を制御するとともに、測定に係る各部の制御を行う。

【0019】

形状測定装置１によって測定を行う場合、対象物Ｗの表面にスタイラス１１が接触した際のＺ方向の座標を測定する。そして、このＺ方向の座標の測定を、検出器１５をＸ方向に移動させながら連続して行うことで、対象物Ｗの表面の形状又は粗さを得る。

【0020】

〔形状測定装置のブロック構成〕
図２は、本実施形態に係る形状測定装置を例示するブロック図である。
図２に示すように、形状測定装置１の機能ブロックは、測定機構部５０、コンピュータ６０および電源７０を備える。

【0021】

測定機構部５０は、検出器１５から出力された信号に基づきＺ方向の座標を検出する検出回路１１０と、検出器１５をＸ方向に移動させるモータ１２５を制御するＸ軸モータ制御回路１２０と、Ｘ軸駆動機構２０を上下動させるモータ１３５を制御するコラムモータ制御回路１３０と、全体を制御するロジック（制御回路）１６０とを備える。

【0022】

測定機構部５０に接続されるコンピュータ６０には制御部３０が含まれる。なお、制御部３０はロジック１６０に組み込まれていてもよい。ユーザは、形状測定装置１の操作ボタン２２を操作することで、Ｘ軸駆動機構２０を電動で上下させることができる。すなわち、上または下の操作ボタン２２が選択されると、コラムモータ制御回路１３０から正転または逆転の指示がモータ１３５に送られる。モータ１３５の回転によってＸ軸駆動機構２０がコラム２３に沿って上下動することになる。

【0023】

形状測定装置１において、制御部３０は、対象物Ｗの表面の位置を測定するにあたり、原点設定処理を行う。原点設定処理とは、コラム２０によるＸ軸駆動機構２０の位置(検出器１５の位置とも言える)を調整してスタイラス１１の可動範囲内での測定原点を設定するための処理である。高い測定精度を得るため、スタイラス１１の可動範囲（測定可能なＺ方向の移動範囲）は１ｍｍ程度である。このため、可動範囲の例えば中央を原点としてその位置にスタイラスをセットし、測定を行う必要がある。この原点設定処理によって、スタイラス１１のＺ方向の位置が可動範囲内でのゼロ点に設定され、可動範囲内で上下の位置を検出できるようになる。

【0024】

原点設定処理を行うには、スタイラス１１が対象物Ｗの表面に接触していない状態からＸ軸駆動機構２０を下降させ、スタイラス１１を対象物Ｗの表面に接触させる。そして、検出器１５による検出値がゼロになる位置でＸ軸駆動機構２０の下降を停止する。これにより、スタイラス１１のＺ方向の位置がゼロ点に設定され、ここを基準として表面形状および粗さの測定が開始される。

【0025】

本実施形態に係る形状測定装置１における制御部３０は、測定中にスタイラス１１が可動範囲を逸脱したときスタイラス１１のＸ方向への移動を一旦停止する。なお、ここで、スタイラスの可動範囲の逸脱（オーバレンジ）は、スタイラスのＺ方向の位置が可動範囲内であっても予め設定された許容範囲を超えた場合を含むものとする。そして、停止後、原点の再設定処理を行う。その後、スタイラス１１のＸ方向への移動および位置検出を再開するよう制御を行う。

【0026】

このような制御部３０による制御によって、測定中にスタイラス１１が可動範囲を逸脱した場合であっても、スタイラス１１のＸ方向への移動を一旦停止して再度の原点設定処理を自動的に行い、その後、位置検出の再開を自動的に行うことができるようになる。したがって、測定範囲内に大きな段差や大きな曲面の部分があっても１回の操作によって測定範囲全体の連続的な測定を行うことができるようになる。

【0027】

〔形状測定方法〕
次に、形状測定方法について説明する。ここでは、先に説明した形状測定装置１による測定方法を例とする。
図３は、本実施形態に係る形状測定方法を例示するフローチャートである。
先ず、ステップＳ１０１に示すように、測定条件の設定を行う。測定条件としては、測定範囲、測定長さ（１回の走査で行う測定の長さ）、測定速度、測定ピッチ、オーバレンジ後の移動距離などである。

【0028】

次に、ステップＳ１０２に示すように、対象物Ｗの載置を行う。対象物Ｗは基台１００の所定位置に載置される。次に、ステップＳ１０３に示すように、原点設定処理を行う。制御部３０の制御によってＸ軸駆動機構２０をＺ方向に移動させて検出器１５を上下移動させ、スタイラス１１の原点位置の設定が行われる。

【0029】

次に、ステップＳ１０４に示すように、表面位置の測定を行う。位置測定は、ステップＳ１０１で設定された測定条件に従って行われる。制御部３０はＸ軸駆動機構２０を制御して検出器１５をＸ方向に移動させ、スタイラス１１による対象物Ｗの表面位置の検出を行う。

【0030】

測定中、ステップＳ１０５に示すように、制御部３０はスタイラス１１の可動範囲を逸脱したか否かの判断を行う。可動範囲を逸脱していない場合には測定を続行し、ステップＳ１０６に示すように、測定範囲に達したか否かの判断を行う。測定範囲に達していない場合にはステップＳ１０４に戻り、測定を続行する。一方、測定範囲に達した場合には測定処理を終了する。

【0031】

また、測定中、制御部３０によってスタイラス１１の可動範囲を逸脱したと判断した場合（ステップＳ１０５でＹｅｓ）、ステップＳ１０７へ進み、スタイラス１１のＸ方向への移動を一旦停止する。その後、ステップＳ１０８に示すオートセット処理を行う。オートセット処理は、原点の再設定処理である。すなわち、検出器１５を上下移動させて可動範囲の中央位置に設定する。オートセット処理を行った後、ステップＳ１０４に示す表面位置の測定を再開する。

【0032】

このフローチャートにおけるステップＳ１０３の原点設定処理は第１工程であり、ステップＳ１０５、ステップＳ１０７およびステップＳ１０８の処理は第２工程であり、ステップＳ１０８を経由して行われるステップＳ１０４の処理は第３工程である。

【0033】

これにより、測定中にスタイラス１１が可動範囲を逸脱した場合であっても、スタイラス１１のＸ方向への移動を一旦停止して再度の原点設定処理を自動的に行い、その後、位置検出の再開を自動的に行い、予め設定された測定範囲の全体の測定を完了することができる。

【0034】

なお、ステップＳ１０７に示すスタイラス１１のＸ方向の移動の一旦停止と、ステップＳ１０３に示す原点設定処理との間に、検出器１５をＸ方向に所定距離だけ移動させてもよい。これは、測定範囲内に大きな段差があってスタイラス１１の可動範囲を逸脱した場合であって、段差に干渉されることなく再度の原点設定処理、および位置検出の再開を自動的に行うためである。この移動距離は、ステップＳ１０１で設定される測定条件のうちの「オーバレンジ後の移動距離」で設定可能である。

【0035】

〔形状測定の具体例〕
次に、形状測定の具体例について説明する。
図４および図５は、形状測定の具体例を説明する模式図である。
図４には段差を有する対象物Ｗの測定例が示され、図５には曲面を有する対象物Ｗの測定例が示される。

【0036】

先ず、図４に基づき段差を有する対象物Ｗの測定例について説明する。
段差を有する対象物Ｗの測定では、測定範囲Ｌ１、測定長さＬ２、測定ピッチＬ３、オーバレンジ後の移動距離Ｌ４、を測定条件として少なくとも設定しておく。

【0037】

一例として、図４に示す対象物Ｗは４つの段（表面Ｗａ、Ｗｂ、ＷｃおよびＷｄ）を有している。測定は、最も高い段の表面Ｗａから開始される。先ず、表面Ｗａの測定開始位置にスタイラス１１をセットし、この位置で原点設定処理を行う。制御部３０による制御によって原点設定処理を行った後、表面Ｗａの測定を開始する。測定開始によってスタイラス１１がＸ方向に移動していく。これによりスタイラス１１の変位を検出器１５で検出し、表面Ｗａの位置を測定する。

【0038】

１回の測定は、予め条件設定された測定長さＬ２に達するまで行われる。１回の測定を行っている間にスタイラス１１のＺ方向の位置が表面Ｗａの端部から外れる（脱落する）と、制御部３０はスタイラス１１の可動範囲から逸脱したと判断する。

【0039】

スタイラス１１の可動範囲から逸脱したと判断した場合、制御部３０はスタイラス１１のＸ方向の移動を一旦停止し、検出器１５をＸ方向にオーバレンジ後の移動距離Ｌ４だけ移動させる。移動後、制御部３０はその位置で原点設定処理を自動的に行う。これにより、次の段差の表面Ｗｂの高さに基づきスタイラス１１の原点が再設定される。

【0040】

原点設定処理が完了した後、制御部３０は位置測定を再開する。すなわち、スタイラス１１をＸ方向に移動して、スタイラス１１の変位を検出器１５で検出し、表面Ｗｂの位置を測定する。測定長さＬ２に達するまでスタイラス１１の可動範囲の逸脱がなければ、測定長さＬ２の測定の完了後、予め設定された測定ピッチＬ３だけ検出器１５をＸ方向に移動させる。その後、次の段差の表面Ｗｃの高さに基づき原点設定処理を行い、表面Ｗｃの測定を自動的に再開する。この処理を繰り返し、表面Ｗｄの位置の測定を行う。測定中、測定範囲Ｌ１に達した場合には処理を終了する。これにより、測定範囲Ｌ１について１回の操作で段差のある対象物Ｗについて位置測定を完了することができる。

【0041】

次に、図５に基づき曲面を有する対象物Ｗの測定例について説明する。
曲面を有する対象物Ｗの測定では、測定範囲Ｌ１を測定条件として少なくとも設定しておく。
測定は、表面Ｗｅの所望の箇所から開始される。先ず、表面Ｗｅの測定開始位置にスタイラス１１をセットし、この位置で原点設定処理を行う。制御部３０による制御によって原点設定処理を行った後、表面Ｗｅの測定を開始する。測定開始によってスタイラス１１がＸ方向に移動していく。これによりスタイラス１１の変位を検出器１５で検出し、表面Ｗｅの位置を測定する。

【0042】

連続した測定を行っている間、スタイラス１１の可動範囲から逸脱したと判断した場合、制御部３０はスタイラス１１のＸ方向の移動を一旦停止する。そして、制御部３０はその位置で原点設定処理を自動的に行う。これにより、一旦停止したスタイラス１１の位置における表面Ｗｅの高さに基づきスタイラス１１の原点が再設定される。

【0043】

原点設定処理が完了した後、制御部３０は位置測定を再開する。すなわち、スタイラス１１をＸ方向に移動して、スタイラス１１の変位を検出器１５で検出し、表面Ｗｅの位置を測定する。このような測定を測定範囲Ｌ１に達するまで行う。その間、スタイラス１１の可動範囲から逸脱した場合には、その都度、一旦停止して原点設定処理を再度行い、原点の再設定をして、再設定後、測定を再開する。これにより、測定範囲Ｌ１について１回の操作で曲面のある対象物Ｗについて位置測定を完了することができる。

【0044】

〔形状測定プログラム〕
図３に示す形状測定方法のフローチャートのうち、ステップＳ１０３の第１工程、ステップＳ１０５、ステップＳ１０７およびステップＳ１０８の第２工程、並びにステップＳ１０７を経由して行われるステップＳ１０４の第３工程の各工程をコンピュータに実行させるプログラム（形状測定プログラム）として構成してもよい。

【0045】

このような形状測定プログラムによれば、測定中にスタイラス１１の可動範囲を逸脱した場合に、スタイラス１１のＸ方向への移動を一旦停止し、再度の原点設定処理、および位置検出の再開を自動的に行うことができる。したがって、ユーザは測定開始の操作を１回行うだけで、スタイラス１１の可動範囲を逸脱するような段差や曲面のある対象物Ｗであっても測定範囲全体の形状および粗さを測定することが可能となる。

【0046】

以上説明したように、実施形態によれば、スタイラスの可動範囲を超える範囲で測定を行う場合であっても効率良く高精度の測定を行うことができる形状測定装置および形状測定方法を提供することが可能となる。

【0047】

〔実施形態の変形〕
なお、上記に本実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、上記では、対象物Ｗの上面についての形状や粗さを測定する例を示したが、対象物Ｗの側面が下面についての形状や粗さを測定する場合であっても同様に適用可能である。また、前述の各実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、各実施形態の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。

【符号の説明】

【0048】

１…形状測定装置
２…Ｚ軸駆動機構
１１…スタイラス
１３…ロッド
１５…検出器
２０…Ｘ軸駆動機構
２１…表示部
２２…操作ボタン
２３…コラム
３０…制御部
５０…測定機構部
６０…コンピュータ
７０…電源
１００…基台
１１０…検出回路
１２０…Ｘ軸モータ制御回路
１２５…モータ
１３０…コラムモータ制御回路
１３５…モータ
１６０…ロジック
Ｌ１…測定範囲
Ｌ３…測定ピッチ
Ｌ４…移動距離
Ｗ…対象物
Ｗａ，Ｗｂ，Ｗｃ，Ｗｄ，Ｗｅ…表面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】