CN111089528A - 表面性状测定装置及其控制方法 - Google Patents

表面性状测定装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种表面性状测定装置及其控制方法，抑制测定臂的落下从而使触针不与测定对象发生撞击。表面性状测定装置具有以能够进行圆弧运动的方式被支承的测定臂、设置于测定臂的顶端的触针、检测测定臂的位移的位移检测器以及对测定臂向圆弧运动方向施力来施加测定力的测定力施加单元(音圈马达)。控制装置具备输出用于指示测定力的朝向和大小的测定力指令的中央控制部以及对由测定力施加单元产生的测定力的朝向和大小进行控制的测定力控制部。测定力控制部对来自位移检测器的位移检测信号进行监视，在测定臂的位移速度超过规定阈值的情况下，施加反馈以使测定力施加单元产生将测定臂的顶端向上方抬起的方向的力。

Description

表面性状测定装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种表面性状测定装置及其控制方法。
背景技术
已知以下的表面性状测定装置(参照专利文献1)：通过触针对被测定物表面进行仿形扫描，由此对被测定物的表面性状(轮廓、粗糙度、波纹度等)进行测定。
专利文献1中所公开的表面性状测定装置具备：测定臂，其被支承为能够进行圆弧运动；触针，其设置于测定臂的顶端；测定力施加单元，其对测定臂作用力以使触针以规定的测定力抵接被测定物；移动机构，其使测定臂相对于工作台进行相对移动；以及位移检测部，其用于检测测定臂的通过圆弧运动产生的位移。
表面性状测定装置具有能够使测定臂一边进行仿形移动一边跟随的极限角度(跟随极限角度)。即，在被测定面的倾斜角度平缓(倾斜角度为跟随极限角度以下)的情况下，触针能够以固定的测定力接触被测定面并进行仿形移动。另一方面，在被测定面存在倾斜角度大的台阶且该倾斜角度超过了跟随极限角度的情况下，触针无法跟随被测定面的倾斜，从被测定面离开而上浮，之后再次向被测定面接近并发生撞击(被称为测定臂的落下)。
当产生测定臂的落下时，触针和被测定物有可能因撞击而损伤。对于此，由本申请的申请人提出一种能够防止触针与测定对象发生撞击那样的问题的表面性状测定装置(参照专利文献2)。
专利文献2中公开的表面性状测定装置构成为具备：测定力指令部，其输出用于指示所述测定力的朝向和大小的测定力指令；以及测定力控制部，其对通过对所述测定力施加单元施加控制信号而由所述测定力施加单元产生的所述测定力的朝向和大小进行控制，其中，所述测定力控制部对来自所述位移检测器的位移检测信号进行监视，在所述测定臂的位移速度为规定阈值以下时，对所述测定力施加单元施加所述控制信号以产生与所述测定力指令相应的朝向和大小的测定力，在所述测定臂的位移速度超过规定阈值的情况下，施加反馈以使所述测定力施加单元产生将所述测定臂的顶端向上方抬起的方向的力。
因而，根据专利文献2中公开的表面性状测定装置，在测定臂的位移速度超过规定阈值的情况下(在产生了测定臂的落下的情况下)，也能够施加反馈以使所述测定力施加单元产生将所述测定臂的顶端向上方抬起的方向的力，从而能够抑制如触针与测定对象发生撞击那样的测定臂的落下。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012-225742号公报
专利文献2：日本特许第6133678号公报
发明内容
发明要解决的问题
如上述那样，通过专利文献2中公开的表面性状测定装置，能够抑制触针与测定对象发生撞击那样的测定臂的落下。
但是，在专利文献2所公开的表面性状测定装置中，由于成为测定臂的位移速度的判定基准的规定阈值为固定值，因此有可能产生下面那样的问题。
在测定臂的测定速度(测定臂的仿形动作的速度)为固定时，如果被测定物的倾斜小，则测定臂能够跟随倾斜，但是当被测定物的倾斜大且呈台阶状时，测定臂从倾斜面上浮而产生落下。另一方面，针对相同倾斜角度的倾斜面，测定速度越大则测定臂的位移速度也越大，结果从倾斜面上浮而产生落下。
针对这些落下，通过专利文献2的表面性状测定装置来提供落下防止功能，但是如果阈值为固定值，则有可能无法适当地应对各种条件。例如，如果阈值小，则虽然落下防止功能对于各种测定速度或倾斜角度可靠地发挥作用，但是有可能由于落下防止功能频繁地作用而无法顺利地进行测定作业。另一方面，如果阈值大，则虽然落下防止功能得到抑制，但是有可能产生落下防止功能没有可靠地起作用的状况。
本发明的目的在于提供一种在各种测定条件下可靠地防止触针的落下并能够顺利地进行测定作业的表面性状测定装置及其控制方法。
用于解决问题的方案
本发明的表面性状测定装置具备：
表面性状测定器，其通过一边接触被测定物的被测定面一边对所述被测定面进行仿形扫描，由此对被测定面的表面性状进行测定；相对移动机构，其以使所述表面性状测定器沿着所述被测定面进行仿形扫描的方式使所述表面性状测定器与所述被测定物三维地进行相对移动；以及控制装置，其对所述表面性状测定器和所述相对移动机构的动作进行控制，
其中，所述表面性状测定器具有：测定臂，其被支承为能够以旋转轴为支点进行圆弧运动；触针，其设置于所述测定臂的顶端；位移检测器，其对所述测定臂的通过圆弧运动产生的位移进行检测；以及测定力施加单元，其对所述测定臂向圆弧运动方向施力来对所述触针施加测定力，
所述控制装置具备：测定力指令部，其输出用于指示所述测定力的朝向和大小的测定力指令；以及测定力控制部，其通过对所述测定力施加单元施加控制信号，来对由所述测定力施加单元产生的所述测定力的朝向和大小进行控制，
其中，所述测定力控制部根据所述表面性状测定器对所述被测定物的测定速度，来设定所述测定臂的位移速度的规定阈值，
所述测定力控制部对来自所述位移检测器的位移检测信号进行监视，在所述测定臂的位移速度为规定阈值以下时，对所述测定力施加单元施加所述控制信号以产生与所述测定力指令相应的朝向和大小的测定力，
在所述测定臂的位移速度超过规定阈值的情况下，所述测定力控制部施加反馈以使所述测定力施加单元产生将所述测定臂的顶端向上方抬起的方向的力。
在本发明的表面性状测定装置中，优选的是，
所述测定力控制部具备：
测定力指令电压生成部，其生成测定力指令电压，所述测定力指令电压是与所述测定力指令的值相应的电压信号；
反馈信号生成部，其生成反馈信号，所述反馈信号是使所述测定力施加单元产生将所述测定臂的顶端向上方抬起的方向的力的电压信号；
减法单元，其从所述测定力指令电压减去所述反馈信号；以及
判定电路，其基于来自所述位移检测器的位移检测信号，判定所述测定臂的位移速度是否超过规定阈值，
其中，所述判定电路在判定为所述测定臂的位移速度超过规定阈值的情况下，将所述反馈信号输入到所述减法单元。
在本发明的表面性状测定装置中，优选的是，
反馈信号生成部由频率电压转换电路构成，所述频率电压转换电路生成与来自所述位移检测器的位移检测信号的频率值相应的电压信号。
在本发明中，优选的是，
在所述反馈信号生成部与所述减法单元之间设置开关单元，
在所述测定臂的位移速度超过规定阈值的情况下，所述判定电路使所述开关单元接通，
在所述测定臂的位移速度为规定阈值以下的情况下，所述判定电路使所述开关单元断开。
在本发明的表面性状测定装置中，优选的是，
在所述开关单元断开时，所述表面性状测定器对所述被测定面的表面性状进行测定。
在本发明的表面性状测定装置中，
所述测定力控制部存储有表示所述测定速度与所述阈值的对应的阈值表。
本发明的表面性状测定装置的控制方法是以下的表面性状测定装置的控制方法，即，该表面性状测定装置具备：
表面性状测定器，其具有测定臂、触针、位移检测器以及测定力施加单元，所述测定臂被支承为能够以旋转轴为支点进行圆弧运动，所述触针设置于所述测定臂的顶端，所述位移检测器对所述测定臂的通过圆弧运动产生的位移进行检测，所述测定力施加单元对所述测定臂向圆弧运动方向施力来对所述触针施加测定力；以及
相对移动机构，其以使所述表面性状测定器沿着被测定物的被测定面进行仿形扫描的方式使所述表面性状测定器与所述被测定物三维地进行相对移动，
在所述表面性状测定装置的控制方法中，
通过对所述测定力施加单元施加基于用于指示所述测定力的朝向和大小的测定力指令的控制信号，来对由所述测定力施加单元产生的所述测定力的朝向和大小进行控制，
根据所述表面性状测定器对所述被测定物的测定速度，来设定所述测定臂的位移速度的规定阈值，
对来自所述位移检测器的位移检测信号进行监视，在所述测定臂的位移速度为规定阈值以下时，对所述测定力施加单元施加所述控制信号以产生与所述测定力指令相应的朝向和大小的测定力，
在所述测定臂的位移速度超过规定阈值的情况下，施加反馈以使所述测定力施加单元产生将所述测定臂的顶端向上方抬起的方向的力。
发明的效果
根据本发明，能够抑制触针与测定对象发生撞击那样的测定臂的落下。
附图说明
图1是示出本发明的第一实施方式所涉及的表面性状测定装置的图。
图2是示出所述第一实施方式中的X轴驱动机构和表面性状测定器的结构的图。
图3是所述第一实施方式的控制装置的功能框图。
图4是所述第一实施方式的测定力控制部的功能框图。
图5是示出所述第一实施方式中的测定速度与阈值(落下探测速度)的关系的图。
图6是示出所述第一实施方式中的对具有面朝下方的面SD和面朝上方的面SU的被测定物W连续地测定的情形的图。
图7是用于对所述第一实施方式中的信号的符号的正负进行说明的图。
图8是示出所述第一实施方式中的对倾斜角度平缓的被测定面进行仿形测定的图。
图9是示出所述第一实施方式中的对具有倾斜角度大的台阶的被测定面进行仿形测定的图。
附图标记说明
100：表面性状测定装置；200：表面性状测定机；210：基座；220：工作台；230：表面性状测定器；231：托架；232：旋转轴；233：测定臂；233D、233U：触针；234：配重；235：位移检测器；235A：标尺；235B：检测头；236：外壳；240：测定力施加单元(音圈马达)；241：磁体；242：音圈；250：相对移动机构；260：Y轴驱动机构；261：Y方向位置检测器；270：Z轴驱动机构；271：Z柱；272：Z滑块；273：Z方向位置检测器；280：X轴驱动机构；281：导轨；282：X滑块；283：X方向位置检测器；284：进给机构；285：进给丝杠轴；286：电动机；287：动力传递机构；300：控制装置；310：接口部；311：输入单元；312：输出单元；320：中央控制部(测定力指令部)；330：存储器；340：检测电路部；350：动作控制部；400：测定力控制部；410：数字模拟转换器(测定力指令电压生成部)；420：频率电压转换电路(反馈信号生成部)；430：开关单元；440：减法器；450：电压电流转换电路；460：判定电路；470：阈值设定部；471：阈值表。
具体实施方式
下面，基于附图对本发明的实施方式进行说明。
[第一实施方式]
图1是示出表面性状测定装置100的图。
表面性状测定装置100具备表面性状测定机200和控制装置300。
表面性状测定机200的结构本身是已知的，事先简单地进行说明。
表面性状测定机200具备：基座210；工作台220，其配置在基座210上，在上表面载置被测定物W；表面性状测定器230，其具有与被测定面S抵接的触针，并且检测触针的微小的上下运动；以及相对移动机构250，其使表面性状测定器230与工作台220进行相对移动。
(相对移动机构250)
首先，对相对移动机构250进行说明。
相对移动机构250具备Y轴驱动机构260、Z轴驱动机构270以及X轴驱动机构280。
Y轴驱动机构260设置于基座210与工作台220之间，使工作台220沿水平方向的一个方向(Y轴方向)移动。在此，Y轴方向设为图1的垂直于纸面的方向。另外，Z轴驱动机构270具备竖立设置于基座210的上表面的Z柱271以及以能够在上下方向(Z轴方向)上进行升降移动的方式设置于Z柱271的Z滑块272。虽然省略Y轴驱动机构260和Z轴驱动机构270的详细的图示，但是例如也可以由具有滚珠丝杠轴以及与该滚珠丝杠轴螺纹结合的螺母构件的进给丝杠机构构成。此外，针对Y轴驱动机构260附设有用于检测基座210与工作台220的相对位移的Y方向位置检测器261(参照图3)，针对Z轴驱动机构270附设有用于检测Z滑块272的升降量的Z方向位置检测器273(参照图3)。
X轴驱动机构280设置于Z滑块272的内部，用于使表面性状测定器230在X轴方向上移动。此外，X轴方向在图1中为纸面左右方向，即，是与工作台220的移动方向(Y轴方向)及Z滑块272的移动方向(Z轴方向)正交的方向。
图2是示出X轴驱动机构和表面性状测定器的结构的图。在图2中，示出了Z滑块272的内部和表面性状测定器230的外壳236的内部。
X轴驱动机构280具备导轨281、X滑块282、X方向位置检测器283以及进给机构284。
导轨281沿着X方向固定地设置，以能够在导轨281上滑动的方式设置有X滑块282。
X方向位置检测器283对X滑块282的X轴方向位置进行检测。进给机构284具有进给丝杠轴285、电动机286以及动力传递机构287，进给丝杠轴285与X滑块282螺纹结合。电动机286的旋转动力经由动力传递机构287被传递至进给丝杠轴285。X滑块282由于进给丝杠轴285的旋转而沿着X轴方向移动。
(表面性状测定器230)
接着，对表面性状测定器230的结构进行说明。
表面性状测定器230具备托架231、测定臂233、触针233U、233D、配重234、位移检测器235、测定力施加单元240以及外壳236。
托架231被垂吊支承于X滑块282，测定臂233以能够以旋转轴232为支点来沿上下方向摆动(圆弧运动)的方式被托架231支承。触针233U、233D以与测定臂233的长边方向垂直的方式突出设置于测定臂233的顶端(图2中的左端)。在此，设为触针233U被设置为朝向上方，触针233D被设置为朝向下方。配重234以能够进行位置调整的方式设置于测定臂233的基端侧(图2中的右端)。
位移检测器235对测定臂233的圆弧运动量(Z轴方向的位移量)进行检测。位移检测器235具有：标尺235A，其具有沿着测定臂233的圆弧运动的方向弯曲的标尺刻度(未图示)；以及检测头235B，其与标尺235A相向地设置。标尺235A在测定臂233的基端侧以与测定臂233一体地产生位移的方式被固定于测定臂233。另外，检测头235B通过未图示的支承构件被固定地配设于托架231。由检测头235B对测定臂的圆弧运动进行检测，检测头235B输出与测定臂233的圆弧运动量对应的数量的脉冲信号(位移检测脉冲信号)。
测定力施加单元240为配置在测定臂233的基端附近的音圈马达，以对测定臂233的顶端向上施力或向下施力的方式对测定臂233施加力。
测定力施加单元240由磁体241和音圈242构成。磁体241呈圆筒形状，设置在测定臂233的中途。音圈242被配置为贯通磁体241。音圈242也可以被固定地设置，例如被固定于托架231。
当电流流过音圈242时，在音圈242中产生磁力。于是，通过音圈242与磁体241的相互作用，来对测定臂233的顶端向上施力或向下施力。此时，当流过音圈242的电流量(电流值)改变时，对测定臂施加的作用力的强弱发生变化。因而，通过该结构来实现作为施加触针与被测定面S之间的接触力即测定力并对该力进行调整的测定力施加单元的功能。
另外，通过切换流过音圈242的电流的朝向，由此对测定臂233施加的作用力的方向进行切换。例如，对测定臂233的顶端向上施力变为对测定臂233的顶端向下施力。因而，测定力施加单元240还兼具作为测定姿势切换单元的功能。
在以上的结构中，能够通过相对移动机构250(Y轴驱动机构260、Z轴驱动机构270、X轴驱动机构280)来使表面性状测定器230相对于被测定物W三维地进行相对移动。而且，一边使表面性状测定器230的触针233U、233D接触被测定面S一边使表面性状测定器230沿着被测定面S进行仿形移动。此时的触针233U、233D的微小的上下运动作为测定臂233的摆动量而由位移检测器235进行检测。因而，不只能够测定被测定物的轮廓形状，还能够测定被测定面的表面性状(微小凹凸、表面粗糙度、波纹度)。
在此，表面性状测定器230的测定臂233被要求根据被测定面的微小的凹凸来灵敏地进行摆动。因而，不能固定地支承测定臂233。测定臂233在被旋转轴232以能够进行摆动的方式轴支承的状态下，通过来自配重234、测定力施加单元240的作用力以及来自被测定面的反作用力以微妙地取得平衡的方式被支承。
(控制装置300)
在图3中示出控制装置300的功能框图。
控制装置300具备接口部310、中央控制部(测定力指令部)320、存储器330、检测电路部340、动作控制部350以及测定力控制部400。
控制装置300经由接口部310与外部的输入单元311及输出单元312连接。作为输入单元311，除了键盘、鼠标以外，也可以是各种数据读取单元。输出单元312除了显示装置、打印机以外，也可以是通过数据运算来求出被测定面形状的各种运算装置。
中央控制部320为所谓的CPU(中央处理装置)，对控制装置300整体的动作进行综合管理。存储器330为ROM或RAM，保存有各种动作控制程序，并且也成为数据输入输出时的缓冲器。
检测电路部340对来自Y方向位置检测器261、Z方向位置检测器273、X方向位置检测器283以及位移检测器235的信号(例如脉冲信号)进行检测，并作为测定数据经由接口部310输出到外部。
动作控制部350对Y轴驱动机构260、Z轴驱动机构270以及X轴驱动机构280施加驱动信号，使表面性状测定器230沿着被测定面S进行仿形移动。即，动作控制部350接受来自中央控制部320的指令，对Y轴驱动机构260、Z轴驱动机构270以及X轴驱动机构280分别输出驱动脉冲。
(测定力控制部400)
对测定力控制部400进行说明。图4是测定力控制部的功能框图。
测定力控制部400通过控制对测定力施加单元240的音圈242施加的控制电流I，由此控制测定力的大小和朝向。对测定力控制部400输入来自中央控制部320的测定力指令和来自位移检测器235的位移检测脉冲，基于这些测定力指令和位移检测脉冲来控制对音圈242施加的控制电流I的值。
测定力控制部400具备数字模拟转换器(测定力指令电压生成部)410、频率电压转换电路(反馈信号生成部)420、开关单元430、减法器440、电压电流转换电路450、判定电路460以及阈值设定部470。
数字模拟转换器410从中央控制部320接收测定力指令，输出与该测定力指令相应的电压信号VA。在此，数字模拟转换器410构成测定力指令电压生成部。电压信号VA被输入到减法器440的加法侧端子。此处所说的测定力指令包括触针233U、233D按压被测定面S的测定力(接触应力)的大小的指令，除此之外还包括对测定臂233的顶端是向上施力还是向下施力之类的作用力的方向(测定姿势)的指令。另外，例如在基于被测定物的设计数据获知了被测定物的形状的情况下，中央控制部320产生测定力指令以使触针233U、233D以固定的测定力对被测定物的表面进行仿形扫描。
在此，中央控制部320构成测定力指令部。
另外，电压信号VA是将来自中央控制部320的测定力指令转换为与其相应的电压值所得到的信号，因此在本发明中有时将来自数字模拟转换器410的电压信号VA称为测定力指令电压。
对频率电压转换电路420输入来自位移检测器235的位移检测脉冲。频率电压转换电路420输出与位移检测脉冲的频率相应的电压信号VB。位移检测器235在检测测定臂233的圆弧运动量时，如果测定臂233的圆弧运动变快则位移检测脉冲的频率变高。
相反地，如果测定臂233的圆弧运动变慢则位移检测脉冲的频率变低。因而，当测定臂233的圆弧运动变快时，来自频率电压转换电路420的电压信号VB变高，当测定臂233的圆弧运动变慢时，来自频率电压转换电路420的电压信号VB变低。
换言之，电压信号VB相当于将测定臂233的圆弧运动的快慢转换为电压的反馈信号。因而，在本说明书中，有时将来自频率电压转换电路420的电压信号VB称为反馈电压信号。
在此，频率电压转换电路420构成反馈信号生成部。
开关单元430设置于频率电压转换电路420与减法器440之间，来自频率电压转换电路420的电压信号VB经由开关单元430被输入到减法器440的减法侧端子。根据判定电路460中的判定结果来对开关单元430进行接通和断开控制，在后面记述详细内容。开关单元430例如可以是MOSFET等半导体开关，当然也可以是机械开关。
减法器440从电压信号VA减去电压信号VB来生成电压信号VC，将该电压信号VC输出到电压电流转换电路450。此外，电压信号VA是指根据测定力指令而从数字模拟转换器410输出的电压信号。
电压信号VB是指根据测定臂233的圆弧运动的快慢而从频率电压转换电路420输出的电压信号(反馈电压信号)。而且，从电压信号VA减去电压信号VB所生成的电压信号VC为用于对测定力施加单元产生的力的朝向和大小进行控制的控制电压信号。
电压电流转换电路450生成与控制电压信号(电压信号VC)的电压水平相应的控制电流I，将该控制电流I施加给音圈242。
判定电路460对开关单元430进行接通和断开控制。对判定电路460输入来自位移检测器235的位移检测脉冲，判定电路460根据位移检测脉冲的频率的高低来切换开关单元430的接通和断开。
通过阈值设定部470在判定电路460中设定有规定的频率阈值，判定电路460判定位移检测脉冲是否超过所述频率阈值。然后，在位移检测脉冲的频率超过了所述频率阈值的情况下，判定电路460使开关单元430接通(ON)。当开关单元430变为接通(ON)时，反馈电压信号(电压信号VB)被输入到减法器440。
另一方面，在位移检测脉冲的频率为频率阈值以下的情况下，判定电路460使开关单元430断开(OFF)。当开关单元430变为断开(OFF)时，反馈电压信号(电压信号VB)不被输入到减法器440。
阈值设定部470针对判定电路460设定规定的频率阈值，在进行该设定时，根据测定速度(仿形方向的移动速度)设定规定的频率阈值。
在频率阈值的设定中使用的测定速度能够利用用户在设定各种测定条件时经由输入单元311输入的测定速度(测定速度目标值)，或者也可以是由检测电路部340检测的测定速度(测定速度实测值)。
针对阈值设定部470连接有提供测定速度与阈值的对应关系的数据的阈值表471，以根据测定速度设定规定的频率阈值。
在图5中示出测定臂233的测定速度与阈值(落下探测速度)、最大跟随角度及落下探测距离的关系。
在测定速度小的区域(0.02mm/s～2.00mm/s)，测定臂233对被测定物的跟随性高，最大跟随角度也大到83度。因此，测定速度为0.02mm/s～1.00mm/s的阈值被设定为10mm/s，测定速度为2.00mm/s的阈值被设定为20mm/s，是比较小的值。另外，落下探测距离也可以较小，为0.5mm、1.2mm。
在测定速度大的区域(5.00mm/s～30.00mm/s)，测定臂233对被测定物的跟随性变低，因此随着测定速度增大，而最大跟随角度变小到81度～45度。在该区域，阈值被比较大地设定为30mm/s。另外，落下探测距离也被设定为2.1mm。由于落下距离短则触针损坏的可能性更小，因此也可以说在该区域使用一样的值进行了限制。
在阈值表471中记录有图5的相关关系中的测定速度与阈值的关系。
阈值设定部470基于用户所指定的测定速度、或由检测电路部340检测出的测定速度，从阈值表471取出符合的阈值，将与该阈值(落下探测速度)相应的频率作为频率阈值设定给判定电路460。
由此，在判定电路460中，能够通过与测定臂233的仿形速度(测定速度)相应的落下探测来启动落下抑制的功能。
[第一实施方式的动作]
接着，对具有上述结构的本实施方式的动作进行说明。
进行仿形测定的基本动作与现有技术相同，因此下面以作为本实施方式的特征部分的测定力控制部400的动作为中心进行说明。以在测定动作中出现的典型的几种场景为例来说明测定力控制部400的动作。
(测定方向(测定姿势)的切换动作)
存在如下场景：在对被测定物的表面进行测定时对测定方向(测定姿势)进行切换。例如图6所示，存在下面那样的情况：被测定物W具有面朝下方的面SD和面朝上方的面SU作为被测定面，在对面朝下方的面SD进行仿形测定之后(图6的(A))，继续对面朝上方的面SU进行仿形测定(图6的(B))。在该情况下，在对面朝下方的面SD进行仿形测定时(图6的(A))，需要对测定臂233的顶端施加向上的作用力(测定力)(图6中的箭头MU)，在对面朝上方的面SU进行仿形测定时(图6的(B))，需要对测定臂233的顶端施加向下的作用力(测定力)MD。因而，在从图6的(A)的状态转变为图6的(B)的状态时，将测定力的方向从向上(MU)切换为向下(MD)。
在本发明中，不需要严格地定义被测定面S是面朝下方还是面朝上方，例如只要从被测定面S上的一点朝向空间的法线向量具有朝向铅直方向下方的分量，就视为该被测定面S为面朝下方的面SD即可。相反地，只要从被测定面S上的一点朝向空间的法线向量具有朝向铅直方向上方的分量，就视为该被测定面S为面朝上方的面SU即可。
为了便于说明，将测定力为向上(MU)时的测定力指令的符号设为负。将在该状态下流过音圈242的控制电流I的朝向设为负(请参照图7的(A))。接着，如图7的(B)那样将测定力切换为向下(MD)时的测定力指令的符号设为正。将在该状态下流过音圈242的控制电流I的朝向设为正(请参照图7的(B))。在从图7的(A)变为图7的(B)的状态时流过音圈242的控制电流I的朝向是相反的。
当测定力指令的符号变为相反时，对测定臂233的顶端骤然施加向下的作用力(测定力)MD。并且，对测定臂233还施加有重力，因此看起来像是测定臂突然朝向下方产生位移，关于这一点，在本实施方式中，通过施加反馈来将测定臂233的位移速度抑制为规定值以下。
此外，能够存在如下一种方法：使流过音圈242的电流逐渐减小为0，再逐渐流过正电流。但是，即使在该情况下，也由于当流过音圈242的电流例如变为0时，导致支承测定臂233的重量的力消失，因此在这一瞬间测定臂因重力而落下，突然向下产生位移。
按顺序说明信号的流动。
在将测定力从向上(MU)切换为向下(MD)时，设为来自中央控制部320的测定力指令从负的值切换为正的值。测定力指令通过数字模拟转换器410被转换为与指令值相应的模拟的电压信号VA后进行输出。将测定力指令为正时的电压指令值(电压信号VA)的符号设为正。电压信号VA经由减法器440被输入到电压电流转换电路450，作为与电压信号VA的大小相应的控制电流I被施加到音圈242。通过这样，当与测定力指令相应的控制电流I被施加到音圈242时，对测定臂233的顶端施加向下的作用力(测定力)MD。由于对测定臂233的顶端施加向下的作用力(测定力)MD和重力，因此测定臂233的顶端突然向下产生位移。
在这个瞬间，测定臂233的顶端的快速的(向下的)位移被位移检测器235检测到，所检测出的位移信号脉冲被输入到频率电压转换电路420和判定电路460。在此，设为测定臂233的顶端快速地向下产生位移，从而其位移检测脉冲的频率相当高，超过频率阈值。
在该情况下，判定电路460判定出位移检测脉冲的频率超过频率阈值，使开关单元430接通(ON)。另外，同时地，频率电压转换电路420将位移检测脉冲的频率转换为与其相应的电压信号VB。通过这样生成的电压信号VB被输入到减法器440的减法侧端子。
在减法器440中，控制电压信号(电压信号VC)被生成为从测定力指令电压(电压信号VA)减去反馈电压信号(电压信号VB)后的信号。此时，反馈电压信号(电压信号VB)由于进行负反馈，因此相对于测定臂233的顶端的下方向位移(或落下)产生相反的作用。即，反馈电压信号(电压信号VB)具有将测定臂233的顶端向上方抬起的作用(图6的(B)中的箭头B)，由此抑制测定臂233的顶端的骤然的下方向位移(落下)。通过这样，能够使测定臂233的测定姿势以规定速度以下的速度从施加了向上的作用力的状态向施加向下的作用力的状态转变。
(仿形测定动作时(其一))
接着，说明对被测定面S进行仿形测定时的动作。
首先，考虑如图8那样被测定面的倾斜角度平缓且为跟随极限角度以下那样的情况。此外，为了进行后面的对比说明，设为被测定面为面朝上方的面SU。在倾斜角度平缓且为跟随极限角度以下的情况下，测定动作与已知的动作相同。
在仿形测定开始时，首先，如图8所示，使触针233D以规定的测定力MD接触面朝上方的面SU。此时，中央控制部320读出存储器330中所存储的被测定物W的设计数据和预先设定的测定部分程序，基于此，向动作控制部350发送指令以使触针233D移动到测定的起始点。动作控制部350使Y轴驱动机构260、Z轴驱动机构270以及X轴驱动机构280驱动来使表面性状测定器230移动。在触针233D来到测定的起始点的正上方时，中央控制部320对测定力控制部400发送用于产生固定的测定力的指令。
在此，由于被测定面S为面朝上方的面SU，因此中央控制部320向测定力控制部400发送测定力指令以对测定臂233的顶端向下施力。关于通过用于产生向下的作用力的测定力指令来对测定臂233的顶端向下施力的动作，与上述的“测定方向的切换动作”相同。即，针对测定臂233的骤然的下方向位移(落下)施加反馈，从而测定臂233的顶端以规定速度以下的速度逐渐向下方产生位移。
然后，如图8所示，触针233D抵接面朝上方的面SU。此时，将因测定臂233自身的自重产生的重力与来自测定力施加单元(音圈马达)240的向下的作用力合起来后对触针233D向下施加。另外，来自面朝上方的面SU的向上的反作用力施加于触针233D。由此，触针233D的顶端与面朝上方的面SU以规定的测定力接触。由于施加来自面朝上方的面SU的向上的反作用力而测定臂233被从下方支承，从而不会落下，这是不言而喻的。
在沿着面朝上方的面SU(在图8的纸面上从左向右)在X方向上进行仿形测定时，基于被测定物的设计数据和预先设定的测定部分程序，从中央控制部320向动作控制部350发送沿X方向和Z方向移动的移动指令。于是，通过X轴驱动机构280和Z轴驱动机构270的驱动，使触针233D(测定臂233)沿着面朝上方的面SU在X方向上进行仿形移动。
X轴驱动机构280和Z轴驱动机构270的驱动量分别通过X方向位置检测器283和Z方向位置检测器273来检测，各检测值通过检测电路部340来收集。并且，由于面朝上方的面SU的微小凹凸、波纹度而触针233D上下变动，该上下变动被位移检测器235检测为测定臂233的圆弧运动。来自位移检测器235的检测信号(位移检测脉冲信号)也通过检测电路部340来收集。通过检测电路部340收集到的检测值作为测定数据而被输出单元312输出到外部。
在此，即使图8所示的面朝上方的面SU存在倾斜，其倾斜角度也是平缓的。因而，通过X轴驱动机构280使表面性状测定器230在X方向上进行仿形移动并通过Z轴驱动机构270使表面性状测定器230在Z轴方向上升降，由此能够使表面性状测定器230跟随面朝上方的面SU。于是，触针233D以保持着规定的测定力的方式维持与面朝上方的面SU的接触。此时，触针233D由于面朝上方的面SU的微小凹凸、波纹度而稍微地上下运动，其位移速度小。通过位移检测器235检测测定臂233的圆弧运动，其位移检测脉冲被输入到测定力控制部400的频率电压转换电路420和判定电路460，但是如果面朝上方的面SU的倾斜角度为跟随极限角度以下，则在判定电路460的阈值判定中位移检测脉冲的频率不会超过频率阈值。因而，开关单元430保持为断开(OFF)的状态，即反馈控制被停止。
在该情况下，只是针对测定力施加单元240施加基于来自中央控制部320的测定力指令的控制电流I，因此执行按照该指令的规定测定力下的仿形测定。
(仿形测定动作时(其二))
接着，考虑在被测定面S存在倾斜角度大的台阶且该台阶的倾斜角度超过跟随极限角度的情况。
在图9所示的面朝上方的面SU中在经过了点Xp时存在倾斜角度大的台阶。从起始点起使触针233D进行仿形移动并到达点Xp时为止按照所述“仿形测定动作时(其一)”中已经说明的那样。
在经过了点Xp时来到台阶处。由于该台阶的倾斜角度过大，从而由Z轴驱动机构270产生的升降动作跟不上由X轴驱动机构280产生的扫描速度。于是，表面性状测定器230无法跟随面朝上方的面SU，导致触针233D离开面朝上方的面SU。于是，来自面朝上方的面SU的向上的反作用力消失，因此测定臂233开始落下。
当测定臂233开始落下时，测定臂233的顶端突然向下产生位移。但是，在这个瞬间，测定臂233的顶端的快速向下的位移被位移检测器235检测到，所检测出的位移信号脉冲被输入到频率电压转换电路420和判定电路460。然后，判定电路460判定出位移检测脉冲的频率超过频率阈值，使开关单元430接通(ON)。同时地，频率电压转换电路420将位移检测脉冲的频率转换为与其相应的反馈电压信号(电压信号VB)。
因而，在减法器440中，控制电压C被生成为从测定力指令电压(电压信号VA)减去反馈电压信号(电压信号VB)后的信号。通过该反馈电压信号(电压信号VB)，在测定力施加单元(音圈马达)240中产生将测定臂233的顶端向上方抬起的力(图9中的箭头B)，由此抑制测定臂233的骤然的下方向位移(落下)。通过这样，即使面朝上方的面SU的倾斜角度过大而触针233D离开面朝上方的面SU，测定臂233也不会落下。即，能够避免由于测定臂233的落下而触针233D撞击面朝上方的面SU那样的情形。
当施加反馈后测定臂233的骤然的下方向位移(落下)被抑制时，从频率电压转换电路420输出的反馈电压信号(电压信号VB)逐渐变低。另外，如果位移检测脉冲的频率为频率阈值以下，则判定电路460使开关单元430断开(OFF)。因而，反馈控制的环路自动变为断开。
通过这样，测定臂233的顶端以抑制撞击的方式接触(着落于)面朝上方的面SU之后，反馈控制的环路已断开，因此以规定的测定力再次开始测定。
此外，也可以是，在由判定电路460探测出位移检测脉冲的频率超过频率阈值的情况下，向中央控制部320通知该意思，通过来自中央控制部320的指令使测定动作中断。
[第一实施方式的效果]
根据具有这种结构的第一实施方式，起到下面的效果。
(1)将由位移检测器235检测出的位移检测脉冲反馈给频率电压转换电路420和判定电路460，在位移检测脉冲的频率超过频率阈值的情况下使反馈开启(ON)。因而，即使测定臂233突然开始落下动作也能够立即抑制落下，从而能够避免触针233D因落下而撞击被测定物W之类的事故。
(2)在本实施方式中，设置判定电路460和开关单元430，只在位移检测脉冲的频率超过频率阈值的情况下使开关单元430接通(ON)。即，在正进行通常的仿形测定动作时，反馈控制处于关闭，仅在需要时使反馈控制变为开启(ON)。如果始终使反馈控制开启，则既能够可靠地防止测定臂233的落下，也能够考虑不需要判定电路460、开关单元430(在日本特开2012-225742号公报中公开了不具有判定电路和开关单元的测定姿势/测定力控制电路)。
然而，如果使反馈控制始终开启，则每当触针233D、233U进行微小的上下运动时，对测定力施加单元(音圈马达)240施加的控制电流I都发生变动。这也有可能使测定力产生变动，进而引起测定误差。另外，当使反馈控制始终开启时，需要估计响应延迟，因此不能使仿形扫描速度太快，从而有时也难以提高测定效率。
关于这一点，在本实施方式中，设置判定电路460和开关单元430，在进行通常的仿形测定的期间内，使反馈控制关闭(OFF)。因而，在进行通常的仿形测定时，成为按照来自中央控制部320的测定力指令的固定的测定力，这形成了稳定的测定结果。另外，即使由于落下而使反馈控制开启，也由于在已着落时自动变为关闭，因此能够在着落后以固定的测定力立即再次开始测定。由此，即使在被测定物W存在台阶且测定臂233由于台阶而落下，也在着落于下一阶的表面后再次开始测定，因此能够持续地对各阶的表面进行测定。能够提高具有台阶的被测定物W的测定吞吐量。
(3)在本实施方式中，阈值设定部470将与测定臂233的测定速度相应的阈值设定给判定电路460，因此能够根据测定速度变更落下探测速度。此时，关于成为基准的测定速度，除了能够由用户任意地设定以外，还能够始终监视由检测电路部340检测出的测定臂233的仿形速度(测定速度)，基于检测出的测定速度来从阈值表471中取出符合的阈值，并将该阈值设定给判定电路460。因此，在判定电路460中，能够通过与测定臂233的实际的仿形速度(测定速度)相应的落下探测来启动落下抑制功能。
其结果为，能够在各种测定条件下可靠地防止触针233D的落下，并能够顺利地进行测定作业。
[第二实施方式]
在上述第一实施方式中，进行了如下控制：对从位移监测器输出的位移检测脉冲信号的频率进行监视，如果该频率超过规定频率阈值，则使反馈控制开启(ON)。
在本实施方式中，也可以替代“位移检测脉冲信号的频率”，而将监视对象设为测定臂的位移速度、即触针233U、233D的位移速度。即，也可以是将包含向下或向上的移动方向的移动速度设为监视对象，在检测出测定臂(即使是触针233D也具有相同的意义)以规定速度阈值以上的速度向下落下的情况下，使反馈控制开启(ON)。在该情况下，不是将从位移检测器输出的位移检测脉冲信号直接反馈给测定力控制部，而是例如通过检测电路部340转换为速度的值后反馈给测定力控制部。另外，应用输出与速度值相应的电压的速度电压转换电路来取代频率电压转换电路。在像这样的变形例1中，应该会理解到，能够对测定臂233(触针233U、233D)的落下进行探测，来抑制测定臂233(触针233U、233D)的骤然的下方向位移(落下)。
但是，将第一实施方式与第二实施方式进行对比时，可以说第一实施方式更为优选。
如果如第一实施方式那样将位移检测脉冲信号直接利用为反馈信号，则响应速度非常快。
另一方面，当如第二实施方式那样插入将位移检测脉冲信号换算为速度这样的处理时，相应地响应变慢。
如果只有位移检测脉冲信号的频率的大小，则无法获知测定臂233(触针233U、233D)是向上产生位移还是向下落下这样的朝向。
但是，测定臂233意料之外地骤然产生位移的情形的主要原因是因重力引起的落下，在测定臂233(触针233D)因重力而落下的情况下有可能导致与被测定物W发生撞击。
相反地，设为针对作为被测定面的面朝下方的面SD，一边对触针233U向上施力一边对面朝下方的面SD进行测定。
在该情况下，即使面朝下方的面SD的倾斜角度大而不能跟随从而触针233U离开面朝下方的面SD，也不会形成触针233U与面朝下方的面SD发生撞击的情形。
当像这样考虑时可知，如第一实施方式那样将位移检测脉冲信号直接设为反馈信号，如果反馈信号向将测定臂233抬起的方向产生作用，则防止触针233D与面朝上方的面SU的撞击。而且，还存在如下的优点：如果将位移检测脉冲信号直接设为反馈信号，则响应快，结构也简单。
[其它实施方式]
此外，本发明不限于上述实施方式，能够在不脱离宗旨的范围内适当地进行变更。
在将测定力施加单元(音圈马达)240安装于测定臂233时，也可以是将磁体241固定地设置(于例如托架)，将音圈242安装于测定臂233。作为测定力施加单元240，除了音圈马达以外，也能够由利用压电元件的致动器等构成。
也可以是，判定电路460不仅进行开关单元430的接通断开控制，还进行频率电压转换电路420的启动停止控制。即，也可以是，判定电路460仅在位移检测脉冲信号的频率超过频率阈值的情况下使频率电压转换电路420启动(ON)，如果位移检测脉冲信号的频率为频率阈值以下，则使频率电压转换电路420停止(OFF)。在判定电路460进行频率电压转换电路420的启动和停止控制的情况下，也可以省略开关单元430。
在上述第一实施方式中，在测定力控制部400中事先设置频率电压转换电路420，频率电压转换电路420生成与位移检测脉冲信号的频率相应的电压信号VB作为反馈电压信号。在该情况下，具有如下优点：如果位移检测脉冲信号的频率高，则相应地生成大的电压信号VB，因此施加与测定臂233的落下状况相应的反馈。
在此，如果只是考虑抑制测定臂233的骤然落下，则电压信号VB也可以不是与位移检测脉冲的频率相应的值，只要是能够止住测定臂233的落下或者能够减小测定臂233的落下速度的程度的值的电压值即可。因而，在这样的情况下，不对反馈信号生成部输入位移检测脉冲信号，反馈信号生成部只要能够输出预先决定的电压值即可。
在上述各实施方式中，以模拟电路方式构成了测定力控制部400。即，首先，最初通过数字模拟转换器410对测定力指令进行模拟转换，之后进行从测定力指令电压(电压信号VA)减去反馈电压信号(电压信号VB)的处理。对于此，当然也可以将减法处理作为数字运算来进行。事先以数字信号的形式生成反馈信号，通过数字逻辑运算从测定力指令减去反馈信号即可。
另外，也可以是由CPU和存储器构成测定力控制部400，通过规定程序来以软件方式实现测定力控制部的各功能。
产业上的可利用性
本发明能够利用于表面性状测定装置及其控制方法。

Claims (7)

1.一种表面性状测定装置，具备：表面性状测定器，其通过一边接触被测定物的被测定面一边对所述被测定面进行仿形扫描，由此对被测定面的表面性状进行测定；相对移动机构，其以使所述表面性状测定器沿着所述被测定面进行仿形扫描的方式使所述表面性状测定器与所述被测定物三维地进行相对移动；以及控制装置，其对所述表面性状测定器和所述相对移动机构的动作进行控制，
所述表面性状测定装置的特征在于，
所述表面性状测定器具有：测定臂，其被支承为能够以旋转轴为支点进行圆弧运动；触针，其设置于所述测定臂的顶端；位移检测器，其对所述测定臂的通过圆弧运动产生的位移进行检测；以及测定力施加单元，其对所述测定臂向圆弧运动方向施力来对所述触针施加测定力，
所述控制装置具备：测定力指令部，其输出用于指示所述测定力的朝向和大小的测定力指令；以及测定力控制部，其通过对所述测定力施加单元施加控制信号，来对由所述测定力施加单元产生的所述测定力的朝向和大小进行控制，
其中，所述测定力控制部根据所述表面性状测定器对所述被测定物的测定速度来设定所述测定臂的位移速度的规定阈值，
所述测定力控制部对来自所述位移检测器的位移检测信号进行监视，在所述测定臂的位移速度为规定阈值以下时，对所述测定力施加单元施加所述控制信号以产生与所述测定力指令相应的朝向和大小的测定力，
在所述测定臂的位移速度超过规定阈值的情况下，所述测定力控制部施加反馈以使所述测定力施加单元产生将所述测定臂的顶端向上方抬起的方向的力。
2.根据权利要求1所述的表面性状测定装置，其特征在于，
所述测定力控制部具备：
测定力指令电压生成部，其生成测定力指令电压，所述测定力指令电压是与所述测定力指令的值相应的电压信号；
反馈信号生成部，其生成反馈信号，所述反馈信号是使所述测定力施加单元产生将所述测定臂的顶端向上方抬起的方向的力的电压信号；
减法单元，其从所述测定力指令电压减去所述反馈信号；以及
判定电路，其基于来自所述位移检测器的位移检测信号，判定所述测定臂的位移速度是否超过规定阈值，
其中，所述判定电路在判定为所述测定臂的位移速度超过规定阈值的情况下，将所述反馈信号输入到所述减法单元。
3.根据权利要求2所述的表面性状测定装置，其特征在于，
反馈信号生成部由频率电压转换电路构成，所述频率电压转换电路生成与来自所述位移检测器的位移检测信号的频率值相应的电压信号。
4.根据权利要求2或3所述的表面性状测定装置，其特征在于，
在所述反馈信号生成部与所述减法单元之间设置开关单元，
在所述测定臂的位移速度超过规定阈值的情况下，所述判定电路使所述开关单元接通，
在所述测定臂的位移速度为规定阈值以下的情况下，所述判定电路使所述开关单元断开。
5.根据权利要求4所述的表面性状测定装置，其特征在于，
在所述开关单元断开时，所述表面性状测定器对所述被测定面的表面性状进行测定。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的表面性状测定装置，其特征在于，
所述测定力控制部存储有表示所述测定速度与所述阈值的对应的阈值表。
7.一种表面性状测定装置的控制方法，所述表面性状测定装置具备：
表面性状测定器，其具有测定臂、触针、位移检测器以及测定力施加单元，所述测定臂被支承为能够以旋转轴为支点进行圆弧运动，所述触针设置于所述测定臂的顶端，所述位移检测器对所述测定臂的通过圆弧运动产生的位移进行检测，所述测定力施加单元对所述测定臂向圆弧运动方向施力来对所述触针施加测定力；以及
相对移动机构，其以使所述表面性状测定器沿着被测定物的被测定面进行仿形扫描的方式使所述表面性状测定器与所述被测定物三维地进行相对移动，
所述表面性状测定装置的控制方法的特征在于，
通过对所述测定力施加单元施加基于用于指示所述测定力的朝向和大小的测定力指令的控制信号，来对由所述测定力施加单元产生的所述测定力的朝向和大小进行控制，
根据所述表面性状测定器对所述被测定物的测定速度，来设定所述测定臂的位移速度的规定阈值，
对来自所述位移检测器的位移检测信号进行监视，在所述测定臂的位移速度为规定阈值以下时，对所述测定力施加单元施加所述控制信号以产生与所述测定力指令相应的朝向和大小的测定力，
在所述测定臂的位移速度超过规定阈值的情况下，施加反馈以使所述测定力施加单元产生将所述测定臂的顶端向上方抬起的方向的力。
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