JP2020003436A - 表面性状測定装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】オートセット時にスタイラスの先端が変位しないようにする表面性状測定装置の制御方法を提供する。
【解決手段】相対移動機構によって測定器と測定対象面とが接近するようにＺ軸方向において相対移動させ、スタイラスの先端が測定対象面に接触したことを検知し、スタイラスの先端が測定対象面に接触してから測定アームが水平になるまでに必要な測定器と測定対象物とのＺ軸方向の相対変位量ΔＺ０を算出し、測定器と測定対象物とがΔＺ０分だけＺ軸方向に相対移動したときにスタイラスの先端に生じるＸ軸方向の変位量ΔＸ０を算出し、相対移動機構によって測定器と測定対象物とをＺ軸方向にΔＺ０だけ相対移動させて測定アームを水平にすると同時に、相対移動機構によって測定器と測定対象物とをＸ軸方向にΔＸ０だけ相対変位させる。
【選択図】図１２

Description

本発明は、表面性状測定装置の制御方法に関する。

測定対象物の表面をスタイラスで倣い走査することで測定対象物の表面の性状（輪郭、粗さ、うねりなど）を測定する表面性状測定装置が知られている（例えば特許文献１（特開２０１２−２２５７４２号公報））。

図１は、表面性状測定装置１００を示す図である。
表面性状測定装置１００は、表面性状測定機２００と、制御装置３００と、を備える。

表面性状測定機２００は、ベース２１０と、ステージ２２０と、相対移動機構２３０と、測定器２７０と、を備える。

ステージ２２０は、ベース２１０上に配置されており、ステージ２２０の上面に測定対象物Ｗが載置される。

相対移動機構２３０は、測定器２７０とステージ２２０とを相対移動させる。相対移動機構２３０としては、Ｙ軸駆動機構２４０と、Ｚ軸駆動機構２５０と、Ｘ軸駆動機構２６０と、がある。Ｙ軸駆動機構２４０は、ベース２１０とステージ２２０との間に設けられ、ステージ２２０を水平方向の一方向（Ｙ軸方向）へ移動させる。
ここでは、Ｙ軸方向は、図１の紙面に垂直な方向とした。

Ｚ軸駆動機構２５０は、ベース２１０の上面に立設されたＺコラム２５１と、Ｚコラム２５１に上下方向（Ｚ軸方向）へ昇降移動可能に設けられたＺスライダ２５２と、を備える。Ｙ軸駆動機構２４０およびＺ軸駆動機構２５０の詳しい図示は省略するが、例えばボールねじ軸とこのボールねじ軸に螺合されたナット部材とを有する送りねじ機構で構成されていてもよい。
なお、Ｙ軸駆動機構２４０にはベース２１０とステージ２２０との相対変位を検出するためのＹ方向位置検出器２４１（図５参照）が付設され、Ｚ軸駆動機構２５０にはＺスライダ２５２の昇降量を検出するためのＺ方向位置検出器２５３（図５参照）が付設されている。

Ｘ軸駆動機構２６０は、Ｚスライダ２５２の内部に設けられており、測定器２７０をＸ軸方向に移動させるものである。なお、Ｘ軸方向は、図１では紙面左右方向であり、すなわち、ステージ２２０の移動方向（Ｙ軸方向）およびＺスライダ２５２の移動方向（Ｚ軸方向）に対して直交する方向である。

図２は、Ｘ軸駆動機構２６０および測定器２７０の構成を示す図である。なお、図２では一例として、輪郭を測定する測定器２７０を示している。
図２においては、Ｚスライダ２５２の内部と、測定器２７０のケーシング２７６の内部を示している。Ｘ軸駆動機構２６０は、ガイドレール２６１と、Ｘスライダ２６２と、Ｘ方向位置検出器２６３と、送り機構２６４と、を備える。

ガイドレール２６１がＸ方向に沿って固定的に設けられ、ガイドレール２６１を摺動可能にＸスライダ２６２が設けられている。
Ｘ方向位置検出器２６３は、Ｘスライダ２６２のＸ軸方向位置を検出する。
送り機構２６４は、送りねじ軸２６５と、モータ２６６と、動力伝達機構２６７と、を有する。
送りねじ軸２６５とＸスライダ２６２とは螺合している。モータ２６６の回転動力は動力伝達機構２６７を介して送りねじ軸２６５に伝達される。送りねじ軸２６５の回転によりＸスライダ２６２がＸ軸方向に沿って移動する。

さて次に測定器２７０の構成を説明する。
測定器２７０は、ステージ２２０に載置された測定対象物Ｗの測定対象面Ｓ（図１）に当接するスタイラス２７３を有し、スタイラス２７３の微小上下動を検出する。
測定器２７０は、ブラケット２７１と、測定アーム２７２と、スタイラス２７３と、バランスウェイト２７２Ｂと、Ｗ方向変位検出器２７４と、測定力付与手段２７５と、ケーシング２７６と、を備える。

Ｘスライダ２６２にブラケット２７１が吊り下げ支持され、ブラケット２７１には、回転軸２７２Ａを支点として上下方向へ揺動（円弧運動）できるように測定アーム２７２が支持されている。
スタイラス２７３は、測定アーム２７２の先端（図２中の左端）において測定アーム２７２の長手方向に対して垂直に突設されている。
ここでは、スタイラス２７３は下向きに設けられているとする。バランスウエイト２７２Ｂは、測定アーム２７２の基端側（図２中の右端）に位置調整可能に設けられている。

Ｗ方向変位検出器２７４は、測定アーム２７２の円弧運動による回転角θを検出する。Ｗ方向変位検出器２７４は、測定アーム２７２の円弧運動の方向に沿って湾曲したスケール目盛り（不図示）を有するスケール２７４Ａと、スケール２７４Ａに対向して設けられた検出ヘッド２７４Ｂと、を有する。スケール２７４Ａは、測定アーム２７２の基端側において、測定アーム２７２と一体的に変位するように測定アーム２７２に固定されている。
また、検出ヘッド２７４Ｂは、図示しない支持部材により、ブラケット２７１に固定的に設けられている。測定アーム２７２の円弧運動は検出ヘッド２７４Ｂにより検出され、検出ヘッド２７４Ｂは、測定アーム２７２の円弧運動量に対応した数のパルス信号（変位検出パルス信号）を出力する。

いま、測定アーム２７２およびスタイラス２７３の変位を表わすための座標軸を図２、図３のようにとる。水平のときの測定アーム２７２を基準姿勢（初期位置）とする。
Ｘ軸に平行で回転軸２７２Ａを通る軸をＵ軸とする。そして、Ｚ軸に平行であって、測定アーム２７２が水平であるときのスタイラス２７３の先端Ｄを通る軸をＷ軸とする。また、スタイラス２７３と測定アーム２７２との接合部をスタイラス２７３の基端Ｑとする。

Ｗ方向変位検出器２７４が直接に検出するのは測定アーム２７２の傾きθである。
測定アーム２７２の長さ（Ｌ）およびスタイラス２７３の長さ（Ｈ）は既知である。（Ｌは、測定アーム２７２の回転軸２７２Ａからスタイラス２７３の基端Ｑまでの長さである。）そこで、測定アーム２７２の長さ（Ｌ）と検出された測定アーム２７２の傾斜角（θ）とを含めた換算式により、Ｗ方向変位検出器２７４の検出値θからスタイラス２７３の基端ＱのＷ座標値（Ｑｗ）が求められる。
また、測定アーム２７２の長さ（Ｌ）とスタイラス２７３の長さ（Ｈ）と検出された測定アームの傾斜角（θ）とを含めた換算式により、Ｗ方向変位検出器２７４の検出値θからスタイラス２７３の先端ＤのＷ座標値（Ｄｗ）が求められる。

Ｑｗ＝−Ｌｓｉｎθ
Ｄｗ＝−（Ｌｓｉｎθ＋Ｈｃｏｓθ）

念のため付言しておく。
図１から図３では直線状の測定アーム２７２と、この直線状の測定アーム２７２の先端に直角に突設されたスタイラス２７３と、を例示している。ただし、測定アーム２７２やスタイラス２７３にはその他の形状も有り得る。例えば、図４に例示するように測定アームの一部をコ字状に屈曲させることがある。

この場合でも、水平のときの測定アーム２７２を基準姿勢（初期位置）として、Ｘ軸に平行で回転軸２７２Ａを通る軸をＵ軸とする。そして、Ｚ軸に平行であって、測定アーム２７２が水平であるときのスタイラス２７３の先端Ｄを通る軸をＷ軸とする。
このとき、計測にとって必要な点は、Ｕ軸とＷ軸との交点であるから、Ｕ軸とＷ軸との交点を点Ｑとする。
図４（Ａ）の場合、点Ｑからスタイラス２７３の先端Ｄまでの長さがＨとなる。
図４（Ｂ）は、測定アーム２７２を基準姿勢（初期位置、水平）にしたときにスタイラス２７３の先端ＤがＵ軸上にのるようにしている。この場合、スタイラス２７３の先端Ｄが点Ｑに一致しており、すなわち、Ｈはゼロである。

図４のように異形の測定アームを用いた場合、スタイラス２７３の基端Ｑという呼称は適当ではないので、Ｕ軸とＷ軸との交点を第１主点Ｑと称する。
また、スタイラス２７３の先端Ｄを第２主点Ｄと称することにする。
また、スタイラス２７３の長さＨという定義も適当ではないので、第１主点Ｑから第２主点Ｄ（スタイラス２７３の先端Ｄ）までの長さＨを先端突出し長Ｈと称することにする。
また、回転軸２７２Ａから第１主点Ｑまでの長さＬをアーム長Ｌと称することにする。

また、Ｗ方向変位検出器２７４は測定アーム２７２の傾きθを検出するとしたが、測定アーム２７２の傾きθではなく、ＱｗあるいはＤｗを直接的あるいは間接的に検出するようにしてもよい。
Ｑｗ、Ｄｗおよびθのうちのどれか一つを直接的あるいは間接的に検出できれば、残りの二つは関係式から求められる。

測定力付与手段２７５は、測定アーム２７２の基端寄りに配置されたボイスコイルモータであり、測定アーム２７２の先端が下方向に付勢されるように測定アーム２７２に力を掛ける。
測定力付与手段２７５は、磁石２７５Ａとボイスコイル２７５Ｂとで構成されている。磁石２７５Ａは円筒形状であって、測定アーム２７２の途中に設けられている。ボイスコイル２７５Ｂは磁石２７５Ａを貫通するように配置されている。ボイスコイル２７５Ｂは固定的に設けられており、例えば、ブラケット２７１に固定されていてもよい。
この構成により、スタイラス２７３と測定対象面Ｓとの接触力すなわち測定力を付与しかつその力を調整する測定力付与手段としての機能を果たす。

以上の構成において、相対移動機構２３０（Ｙ軸駆動機構２４０、Ｚ軸駆動機構２５０、Ｘ軸駆動機構２６０）により、測定器２７０を測定対象物Ｗに対して三次元的に相対移動させることができる。そして、スタイラス２７３を測定対象面Ｓに接触させながら測定器２７０を測定対象面Ｓに沿って倣い移動させる。
このときのスタイラス２７３の微小上下動は測定アーム２７２の揺動量としてＷ方向変位検出器２７４で検出される。これにより、測定対象面の表面性状（輪郭、微小凹凸、粗さ、うねりなど）が得られる。

ここで、測定器２７０の測定アーム２７２は測定対象面Ｓの微小な凹凸に応じて鋭敏に揺動することが求められる。したがって、測定アーム２７２を固定的に支持することはできない。測定アーム２７２は回転軸２７２Ａによって揺動可能に軸支された状態で、バランスウェイト２７２Ｂ、測定力付与手段２７５からの付勢力および測定対象面Ｓからの反力によって微妙にバランスを取りながら支持される。スタイラス２７３が測定対象面Ｓに接触していないとき、測定力付与手段２７５からの付勢力により、測定アーム２７２の先端が下がった状態に測定アーム２７２は傾斜する。

次に図５に制御装置３００の機能ブロック図を示す。
制御装置３００は、インターフェース部３１０と、中央制御部３２０と、メモリ３３０と、検出回路部３４０と、動作制御部３５０と、測定力制御部３６０と、を備える。

制御装置３００は、インターフェース部３１０を介して外部の入力手段３１１および出力手段３１２に接続されている。
入力手段３１１としては、キーボード、マウスの他、各種のデータ読み取り手段であってもよい。
出力手段３１２は、表示装置やプリンタの他、データ演算によって測定対象面の形状を求める各種演算装置であってもよい。

中央制御部３２０は、いわゆるＣＰＵ（中央処理装置）であり、制御装置３００全体の動作を統合的に管理する。メモリ３３０はＲＯＭまたはＲＡＭであり、各種の動作制御プログラムが格納されているとともに、データ入出力時のバッファともなる。

検出回路部３４０は、Ｙ方向位置検出器２４１、Ｚ方向位置検出器２５３、Ｘ方向位置検出器２６３およびＷ方向変位検出器２７４からの信号（例えばパルス信号）を検出し、測定データとしてインターフェース部３１０を介して外部出力する。

動作制御部３５０は、Ｙ軸駆動機構２４０、Ｚ軸駆動機構２５０およびＸ軸駆動機構２６０に駆動信号を印加し、測定器２７０を測定対象面Ｓに沿って倣い移動させる。すなわち、動作制御部３５０は、中央制御部３２０からの指令を受けて、Ｙ軸駆動機構２４０、Ｚ軸駆動機構２５０およびＸ軸駆動機構２６０のそれぞれに駆動パルスを出力する。

ところで、表面性状測定装置１００には、自動的にＺ軸駆動機構２５０を駆動させて、スタイラス２７３を測定対象物Ｗの測定開始点に自動的にセットする機能が予め組み込まれている（プログラムされている）（図６参照）。
本明細書では、この機能をオートセット機能と称することとし、オートセット機能を実行させるプログラムをオートセットプログラムと称することとする。
オートセット機能の実行の際、まず、スタイラス２７３が測定開始点の直上にくるようにする。すなわち、Ｚ軸駆動機構２５０によりＺスライダ２５２を上に引き上げた状態でＸ軸駆動機構２６０およびＹ軸駆動機構２４０の駆動によりスタイラス２７３が測定開始点の直上にくるようにする。それから、オートセット機能の実行を開始し、Ｚ軸駆動機構２５０によりＺスライダ２５２をゆっくりと下げていって、測定アーム２７２が水平になるようにする。このようにして、スタイラス２７３が測定開始点に自動的にセットされる。

特開２０１２−２２５７４２号公報

オートセット機能は便利であるが、次のような問題がある。
図７に図解する。
Ｚ軸駆動機構２５０によりＺスライダ２５２をゆっくりと下げていっていくと、スタイラス２７３の先端Ｄが測定対象面Ｓに接触する（図７中のＰｓ０）。
スタイラス２７３の先端Ｄが測定対象面Ｓに接触したあと、さらにＺ軸駆動機構２５０でＺスライダ２５２を下げていくとき、測定アーム２７２が下がっていくと同時に測定アーム２７２には回転軸２７２Ａを回転中心とする回転が生じる。
この測定アーム２７２の回転運動によりスタイラス２７３の先端Ｄが測定対象面Ｓに接触した状態で変位することになる（図７中の矢印Ａ）。
オートセット時にスタイラス２７３が測定対象面Ｓ上を変位することをオペレータが予め考慮に入れていないことが多く、このため、予期しない不都合が生じる場合がある。
例えば、図８に例示するように、測定開始点の直ぐ横に段差があると、スタイラス２７３がこの段差にぶつかってしまう恐れがある。このままＺスライダ２５２が下降を続けると、スタイラス２７３か測定対象物かのいずれかが破損することになる。

あるいは、例えば図９に例示のように、測定対象面Ｓの粗さが大きいと、スタイラス２７３に大きなストレスが掛かることになる。

スタイラス２７３の先端Ｄが測定対象面Ｓに接触した後に測定アーム２７２の回転運動によってスタイラス２７３の先端Ｄが変位してしまうと、その分、測定開始点がずれてしまうという問題がある。

そこで、本発明の目的は、オートセット時にスタイラスの先端が変位しないようにする表面性状測定装置の制御方法を提供することにある。

本発明の表面性状測定装置の制御方法は、
表面性状測定装置の制御方法であって、
前記表面性状測定装置は、
測定対象物の測定対象面に接触しながら前記測定対象面を倣い走査することによって前記測定対象面の表面性状を測定する測定器と、
前記測定器が前記測定対象面に沿って倣い移動するように前記測定器と前記測定対象物とを三次元的に相対移動させる相対移動機構と、を具備し、
前記測定器は、
回転軸を支点として円弧運動可能に支持された測定アームと、
前記測定アームの先端に設けられたスタイラスと、
前記測定アームの円弧運動による変位を検出する変位検出器と、を備えており、
鉛直方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸方向に直交する一方向をＸ軸方向とし、
当該表面性状測定装置の制御方法は、
前記相対移動機構によって前記測定器と前記測定対象面とが接近するようにＺ軸方向において相対移動させ、
前記スタイラスの先端が前記測定対象面に接触したことを検知し、
前記スタイラスの先端が前記測定対象面に接触してから前記測定アームが水平になるまでに必要な前記測定器と前記測定対象物とのＺ軸方向の相対変位量ΔＺ０を算出し、
前記測定器と前記測定対象物とが前記ΔＺ０分だけＺ軸方向に相対移動したときに前記スタイラスの先端に生じるＸ軸方向の変位量ΔＸ０を算出し、
前記相対移動機構によって前記測定器と前記測定対象物とをＺ軸方向に前記ΔＺ０だけ相対移動させて前記測定アームを水平にすると同時に、前記相対移動機構によって前記測定器と前記測定対象物とをＸ軸方向に前記ΔＸ０だけ相対変位させる
ことを特徴とする。

また、本発明の表面性状測定装置の制御方法は、
表面性状測定装置の制御方法であって、
前記表面性状測定装置は、
測定対象物の測定対象面に接触しながら前記測定対象面を倣い走査することによって前記測定対象面の表面性状を測定する測定器と、
前記測定器が前記測定対象面に沿って倣い移動するように前記測定器と前記測定対象物とを三次元的に相対移動させる相対移動機構と、を具備し、
前記測定器は、
回転軸を支点として円弧運動可能に支持された測定アームと、
前記測定アームの先端に設けられたスタイラスと、
前記測定アームの円弧運動による変位を検出する変位検出器と、を備えており、
鉛直方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸方向に直交する一方向をＸ軸方向とし、
当該表面性状測定装置の制御方法は、
前記相対移動機構によって前記測定器と前記測定対象面とが接近するようにＺ軸方向において相対移動させ、
前記スタイラスの先端が前記測定対象面に接触したことを検知し、
前記スタイラスの先端が前記測定対象面に接触した後、前記測定器と前記測定対象面とのＺ軸方向の相対移動を所定時間継続し、
前記所定時間の間に前記スタイラスの先端に生じるＸ軸方向の変位量ΔＸＧを算出し、
前記相対移動機構によって前記測定器と前記測定対象物とをＺ軸方向に相対移動させながら、前記相対移動機構によって前記測定器と前記測定対象物とをＸ軸方向に前記ΔＸＧだけ相対変位させる
ことを特徴とする。

表面性状測定装置を示す図である。 Ｘ軸駆動機構および測定器の構成を示す図である。 測定アームを示す図である。 測定アームの変形例を例示する図である。 制御装置の機能ブロック図である。 オートセット機能を説明するための図である。 オートセット時の測定アームの動きを例示する図である。 オートセット時の課題を説明するための図である。 オートセット時の課題を説明するための図である。 本発明の概要を説明するための図である。 本発明の概要を説明するための図である。 第１実施形態を説明するためのフローチャートである。 第２実施形態を説明するためのフローチャートである。 第３実施形態を説明するためのフローチャートである。

（本発明の概要説明）
具体的な実施例の説明の前にまず本発明の概要を説明しておく。
まず図１０を参照されたい。
スタイラス２７３が測定対象面Ｓに接触してから測定アーム２７２を水平にするまでに必要なＺ軸駆動機構２５０の駆動量をΔＺ０で表わすとする。
ΔＺ０は、スタイラス２７３と測定対象面Ｓとの接触を検知した瞬間にスタイラス２７３の先端Ｄが初期位置から下がっている降下量に等しい（図１０および図１１参照）。
スタイラス２７３の先端Ｄの位置ＤｗはＷ方向変位検出器２７４で検出した測定アームの傾斜角θから求められる。
いま、スタイラス２７３が測定対象面Ｓに接触した瞬間のスタイラス先端Ｄの位置をＤｗ０で表わす。（ここでは、Ｄｗ０は負の数である。）すると、測定アーム２７２を水平にするまでに必要なＺ軸駆動機構２５０の駆動量ΔＺ０は、
ΔＺ０＝Ｄｗ０＋Ｈ
となる。
ここで、Ｈは、スタイラス２７３の長さである。

Ｄｗ０は、スタイラス２７３が測定対象面Ｓに接触した瞬間の測定アーム２７２の傾斜角θ０と、測定アーム２７２の回転軸２７２Ａから第１主点Ｑ（スタイラス２７３の基端Ｑ）までの長さＬと、を用いた換算式によって得られる。
Ｄｗ０＝−（Ｌｓｉｎθ０＋Ｈｃｏｓθ０）
なお、ΔＺ０が負の数であるとは、Ｚ軸駆動機構２５０が下向きに駆動することを表わすとする。

次に、Ｘ軸駆動機構２６０の駆動を考える。
スタイラス２７３が測定対象面Ｓに接触してから測定アーム２７２が水平になるまでに測定アーム２７２およびスタイラス２７３が回転することによって第２主点Ｄ（スタイラス２７３の先端Ｄ）にＸ軸方向の変位が生じる。
まず、測定アーム２７２の回転によって第１主点Ｑ（スタイラス２７３の基端Ｑ）に生じるＸ軸方向の変位をΔＱｘ０とする。
また、スタイラス２７３の回転によって第２主点Ｄ（スタイラス２７３の先端Ｄ）に生じるＸ軸方向の変位をΔＤｘ０とする。
図１１の関係からΔＱｘ０とΔＤｘ０とがそれぞれ求められ、両者を合算するとΔＸ０が求められる。

ここで、スタイラス２７３が測定対象面Ｓに接触した瞬間の第１主点Ｑ（スタイラス２７３の基端Ｑ）の位置Ｑｗ０は、スタイラス２７３が測定対象面Ｓに接触した瞬間の測定アーム２７２の傾斜角θ０と、測定アーム２７２の回転軸２７２Ａから第１主点Ｑ（スタイラス２７３の基端Ｑ）までの長さＬ（アーム長Ｑ）と、を用いて
Ｑｗ０＝−Ｌｓｉｎθ０
となる。
したがって、前式のΔＸ０は次のように変形できる。

いま、Ｑｗ０は負の数であるから、ΔＸ０が正になるようにＱｗ０の前の符号を調整している。

スタイラス２７３が測定対象面Ｓに接触してから測定アーム２７２を水平にするまでにＺ軸駆動機構２５０によりＺスライダ２５２がΔＺ０だけ下方に移動する。
この間に同時にＸ軸駆動機構により測定器をＸ方向にΔＸ０だけ移動させる。すなわちＺ軸方向だけでなくＸ軸方向にも測定器を移動させてオートセットが行われる。すると、図１０に例示のように、スタイラス２７３が測定対象面Ｓに接触してから第２主点Ｄ（スタイラス２７３の先端Ｄ）が変位することなくオートセットが完了する。

本発明の実施形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
（第１実施形態）
図１２は、本発明の第１実施形態を説明するためのフローチャートである。
この制御動作は、例えばメモリ３３０に格納されたオートセットプログラムを中央制御部３２０で実行することにより実現される。
オートセット機能において、スタイラス２７３が測定開始点の直上にきた後、Ｚ軸駆動機構２５０によりＺスライダ２５２がゆっくりと下がっていき、スタイラス２７３と測定対象物Ｗとが接触する。スタイラス２７３と測定対象物Ｗとの接触は、Ｗ方向変位検出器２７４によって検知される（ＳＴ１１０）。

スタイラス２７３と測定対象物Ｗとの接触が検知されると（ＳＴ１１０）、ここでＺスライダ２５２の下降を一時停止させる（ＳＴ１２０）。そして、このときのＷ方向変位検出器２７４の検出値θ０を取得する（ＳＴ１３０）。さらに、検出値θ０を用いて、第１主点Ｑ（スタイラス２７３の基端Ｑ）のＷ座標値Ｑｗ０と、第２主点Ｄ（スタイラス２７３の先端Ｄ）のＷ座標値Ｄｗ０を算出する（ＳＴ１３０）。

さて、測定アーム２７２が水平から傾斜している場合、Ｚスライダ２５２を下げていって測定アーム２７２を水平にする必要がある。
測定アーム２７２が傾斜しているかどうかを判定する。
ここでは、測定アーム２７２の傾斜判定を第２主点Ｄ（スタイラス２７３の先端Ｄ）のＷ座標値Ｄｗ０を用いて行うこととする。すなわち、測定アーム２７２が水平であるときの第２主点Ｄ（スタイラス２７３の先端Ｄ）のＷ座標値をＤｗＩと表し、第２主点Ｄ（スタイラス２７３の先端Ｄ）のＷ座標値Ｄｗ０とこのＤｗＩとの差を傾斜指標値ΔＤｗとする。
ΔＤｗ＝ＤｗＩ−Ｄｗ０
傾斜指標値ΔＤｗの値は、すなわち、測定アーム２７２の傾きに相当する。
傾斜指標値ΔＤｗが±１マイクロメートルを超えている場合（ＳＴ１４０：ＮＯ）、測定アーム２７２は傾斜していると判定できる。
したがって、さらにＺスライダ２５２を下げていって測定アーム２７２を水平にする必要がある。

測定アーム２７２を水平にするまでに必要なＺスライダ２５２の降下量をΔＺ０とする。すると、前述の通り、測定アーム２７２を水平にするまでに必要なＺスライダ２５２の降下量ΔＺ０は「Ｄｗ０＋Ｈ」であるので、ΔＺ０＝Ｄｗ０＋Ｈとする（ＳＴ１５０）。

測定アーム２７２が水平になるまでＺスライダ２５２をΔＺ０だけ降下させたとき、第２主点Ｄ（スタイラス２７３の先端Ｄ）に生じるＸ軸方向の変位をΔＸ０とする。
前述の通り、ΔＸ０は、ΔＱｘ０＋ΔＤｘ０＝（Ｌ−Ｌｃｏｓθ０＋Ｈｓｉｎθ０）である。
Ｑｗ０を使って表現すると、ΔＸ０は次のようになる（ＳＴ１６０）。

このようにしてΔＺ０およびΔＸ０が求まるので、測定アーム２７２が水平になるようにＺスライダ２５２を降下させつつ、Ｘスライダ２６２を移動させる（ＳＴ１７０）。すなわち、Ｚスライダ２５２をΔＺ０だけ降下させつつ、Ｘスライダ２６２をΔＸ０だけ移動させる。すると、図１０に例示のように、スタイラス２７３が測定対象面Ｓに接触してから第２主点Ｄ（スタイラス２７３の先端Ｄ）が変位することなくオートセットが完了する。

（第２実施形態）
次に第２実施形態を説明する。
第２実施形態の基本的構成は第１実施形態と共通しているが、第２実施形態ではＺスライダを降下させながら、Ｚスライダが実際に降下した分に応じてＸスライダの移動を補うようにする。
図１３は、第２実施形態を説明するためのフローチャートである。
オートセット機能において、スタイラス２７３が測定開始点の直上にきた後、Ｚ軸駆動機構２５０によりＺスライダ２５２がゆっくりと下がっていき、スタイラス２７３と測定対象物Ｗとが接触する。スタイラス２７３と測定対象物Ｗとの接触は、Ｗ方向変位検出器２７４によって検知される（ＳＴ２１０）。

スタイラス２７３と測定対象物Ｗとの接触が検知されても（ＳＴ２１０）、第２実施形態ではＺスライダ２５２の下降をそのまま継続する（ＳＴ２２０）。
同時に、スタイラス２７３と測定対象物Ｗとの接触を検知したら（ＳＴ２１０）、このときのＷ方向変位検出器２７４の検出値θ０を取得する（ＳＴ２３０）。そして、第１主点Ｑ（スタイラス２７３の基端Ｑ）のＷ座標値Ｑｗ０と、第２主点Ｄ（スタイラス２７３の先端Ｄ）のＷ座標値Ｄｗ０を算出する。
さらに、第２実施形態では、検出値θ０を用いてΔＸ０を算出する（ＳＴ２３０）。すなわち、仮に現時点から測定アーム２７２が水平になるまでＺスライダ２５２を（ΔＺ０だけ）降下させたときに第２主点Ｄ（スタイラス２７３の先端Ｄ）に生じるＸ軸方向の変位ΔＸ０を求めておく。

傾斜指標値ΔＤｗ±１マイクロメートルを超えているか判定し、傾斜指標値ΔＤｗが±１マイクロメートルを超えている場合（ＳＴ２４０：ＮＯ）、測定アーム２７２は傾斜していると判定する。
この場合、さらにＺスライダ２５２を下げていって測定アーム２７２を水平にする必要がある。そこで、所定時間（例えば１秒）をカウントする（ＳＴ２５０）。この間、Ｚスライダ２５２は降下を継続する。

所定時間経過後、再度、Ｗ方向変位検出器２７４の検出値θ１を取得する（ＳＴ２６０）。そして、この時点での第１主点Ｑ（スタイラス２７３の基端Ｑ）のＷ座標値Ｑｗ１と、第２主点Ｄ（スタイラス２７３の先端Ｄ）のＷ座標値Ｄｗ１を算出する。
さらに、検出値θ１を用いてこの時点でのΔＸ１を算出する（ＳＴ２６０）。すなわち、仮に現時点から測定アーム２７２が水平になるまでＺスライダ２５２を（ΔＺ１だけ）降下させたときに第２主点Ｄ（スタイラス２７３の先端Ｄ）に生じるＸ軸方向の変位ΔＸ１を求める。

さて、前回のΔＸ０と、それから所定時間経過後の今回のΔＸ１との差をΔＸＧとする（ＳＴ２７０）。
ΔＸＧ＝ΔＸ０−ΔＸ１
このΔＸＧは、Ｚスライダが所定時間降下したことによって生じる第２主点Ｄ（スタイラス２７３の先端Ｄ）の変位を意味する。そこで、ＳＴ２８０において、Ｘスライダ２６２をΔＸＧだけ変位させる。

すると、Ｚスライダ２５２が降下したことによって生じる第２主点Ｄ（スタイラス２７３の先端Ｄ）の変位をＸスライダの移動でキャンセルするので、第２主点Ｄ（スタイラス２７３の先端Ｄ）はほぼ動かないことになる。

このあと、フローチャートのループを戻って、傾斜指標値ΔＤｗが±１マイクロメートルの範囲に入るまで（ＳＴ２４０：ＹＥＳ）、制御ループ（ＳＴ２３０−ＳＴ２８０）を繰り返す。
傾斜指標値ΔＤｗが±１マイクロメートルの範囲に入ったら（ＳＴ２４０：ＹＥＳ）、Ｚスライダ２５２の降下を停止して（ＳＴ２９０）、オートセットは完了である。すると、図１０に例示のように、スタイラス２７３が測定対象面Ｓに接触してから第２主点Ｄ（スタイラス２７３の先端Ｄ）が変位することなくオートセットが完了する。

Ｚ軸駆動機構２５０とＸ軸駆動機構２６０とでは駆動速度に違いがあるし、互いの動きを同期させることは単純には難しい。したがって、第１実施形態の場合、Ｚ軸駆動機構２５０の速度がＸ軸駆動機構２６０の速度よりも速かったり遅かったりすると、第２主点Ｄ（スタイラス２７３の先端Ｄ）の変位が大きくなる場合がある。この点、本第２実施形態によれば、所定時間ごとに調整サイクルを繰り返すので（ＳＴ２３０−ＳＴ２８０）、第２主点Ｄ（スタイラス２７３の先端Ｄ）の変位が大きくなることはない。

（第３実施形態）
次に第３実施形態を説明する。
第３実施形態の基本的構成は第２実施形態と共通しているが、第３実施形態では、Ｘ軸駆動機構の駆動制御にあたって目標位置の座標値を与えるものとする。
図１４は、第３実施形態を説明するためのフローチャートである。
図１４のフローチャートにおいて、図１３（第２実施形態）のフローチャートと同じ処理をするステップには対応するステップ番号を付し（下二桁は同じで２００番代を３００番代にした）、冗長な説明は割愛する。
第２実施形態（図１３）と異なる点を説明する。

図１４のフローチャートにおいて、Ｚスライダ２５２を降下させてスタイラス２７３と測定対象物Ｗとの接触を検知したら（ＳＴ３１０）、このときのＷ方向変位検出器２７４の検出値θ０を取得する（ＳＴ３３０）。それと同時に、このときのＸ方向位置検出器２６３の検出値Ｐ_Ｘ０を取得しておく（ＳＴ３３１）。このあとも、Ｚスライダの下降を継続し、所定時間ごとに、前回のΔＸ０とそれから所定時間経過後のΔＸ１との差をΔＸＧとして求める（ＳＴ３７０）。

ＸスライダをΔＸＧだけ駆動させるにあたり、Ｘ軸駆動機構の目標位置Ｘｃｐを求める。この目標位置ＸｃｐはＳＴ３３１で取得済みのＰ_Ｘ０と前記ΔＸＧとの和である（ＳＴ３７１）。Ｘ軸駆動機構に目標位置Ｘｃｐを与え、Ｘスライダを目標位置Ｘｃｐに移動させる（ＳＴ３８１）。

このあと、フローチャートのループを戻って、傾斜指標値ΔＤｗが±１マイクロメートルの範囲に入るまで（ＳＴ３４０：ＹＥＳ）、制御ループ（ＳＴ３３０−ＳＴ３８１）を繰り返す。
傾斜指標値ΔＤｗが±１マイクロメートルの範囲に入ったら（ＳＴ３４０：ＹＥＳ）、Ｚスライダ２５２の降下を停止して（ＳＴ３９０）、オートセットは完了である。すると、図１０に例示のように、スタイラス２７３が測定対象面Ｓに接触してから第２主点Ｄ（スタイラス２７３の先端Ｄ）が変位することなくオートセットが完了する。

前記の第２実施形態ではＸスライダの駆動制御にあたって、必要な移動量ΔＸＧの分の駆動パルスを与える相対移動を行っている。この場合、制御ループ（ＳＴ２３０−ＳＴ２８０）を繰り返すと累積誤差が大きくなってくる場合がある。この点、第３実施形態では、Ｘ軸駆動機構２６０の駆動制御にあたって目標位置Ｘｃｐを与えているので、Ｘスライダの位置決めの精度が高まる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
上記実施形態では、スタイラスが下向きに設けられていて、オートセット時には測定器が上から下に降下する場合を説明した。これとは逆に、スタイラスを上向きに設け、オートセット時には測定器が下から上に上昇する場合もある。（例えば、下向きの面を測定する場合がある。）この場合でも本発明は同じように適用できる。

１００…表面性状測定装置、
２００…表面性状測定機、２１０…ベース、２２０…ステージ、
２３０…相対移動機構、
２４０…Ｙ軸駆動機構、２４１…Ｙ方向位置検出器、
２５０…Ｚ軸駆動機構、２５１…Ｚコラム、２５２…Ｚスライダ、２５３…Ｚ方向位置検出器、
２６０…Ｘ軸駆動機構、２６１…ガイドレール、２６２…Ｘスライダ、２６３…Ｘ方向位置検出器、２６４…送り機構、２６５…送りねじ軸、２６６…モータ、２６７…動力伝達機構、
２７０…測定器、
２７１…ブラケット、２７２…測定アーム、２７２Ａ…回転軸、２７２Ｂ…バランスウェイト、２７３…スタイラス、
２７４…Ｗ方向変位検出器、２７４Ａ…スケール、２７４Ｂ…検出ヘッド、
２７５…測定力付与手段、２７５Ａ…磁石、２７５Ｂ…ボイスコイル、
２７６…ケーシング、
３００…制御装置、３１０…インターフェース部、３１１…入力手段、３１２…出力手段、３２０…中央制御部、３３０…メモリ、３４０…検出回路部、３５０…動作制御部、３６０…測定力制御部。

Claims (4)

1. 表面性状測定装置の制御方法であって、
   前記表面性状測定装置は、
   測定対象物の測定対象面に接触しながら前記測定対象面を倣い走査することによって前記測定対象面の表面性状を測定する測定器と、
   前記測定器が前記測定対象面に沿って倣い移動するように前記測定器と前記測定対象物とを三次元的に相対移動させる相対移動機構と、を具備し、
   前記測定器は、
   回転軸を支点として円弧運動可能に支持された測定アームと、
   前記測定アームの先端に設けられたスタイラスと、
   前記測定アームの円弧運動による変位を検出する変位検出器と、を備えており、
   鉛直方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸方向に直交する一方向をＸ軸方向とし、
   当該表面性状測定装置の制御方法は、
   前記相対移動機構によって前記測定器と前記測定対象面とが接近するようにＺ軸方向において相対移動させ、
   前記スタイラスの先端が前記測定対象面に接触したことを検知し、
   前記スタイラスの先端が前記測定対象面に接触してから前記測定アームが水平になるまでに必要な前記測定器と前記測定対象物とのＺ軸方向の相対変位量ΔＺ０を算出し、
   前記測定器と前記測定対象物とが前記ΔＺ０分だけＺ軸方向に相対移動したときに前記スタイラスの先端に生じるＸ軸方向の変位量ΔＸ０を算出し、
   前記相対移動機構によって前記測定器と前記測定対象物とをＺ軸方向に前記ΔＺ０だけ相対移動させて前記測定アームを水平にすると同時に、前記相対移動機構によって前記測定器と前記測定対象物とをＸ軸方向に前記ΔＸ０だけ相対変位させる
   ことを特徴とする表面性状測定装置の制御方法。
2. 請求項１に記載の表面性状測定装置の制御方法において、
   Ｘ軸に平行で前記回転軸を通る軸をＵ軸とし、
   Ｚ軸に平行であって前記測定アームが水平であるときの前記スタイラスの先端を通る軸をＷ軸とし、
   Ｕ軸とＷ軸との交点を第１主点Ｑとし、
   前記スタイラスの先端を第２主点Ｄとし、
   前記第１主点Ｑから前記第２主点Ｄまでの長さＨを先端突出し長Ｈとし、
   前記回転軸から前記第１主点Ｑまでの長さＬをアーム長Ｌとし、
   前記第２主点Ｄが前記測定対象面に接触したときの前記第１主点ＱのＷ座標値をＱｗ０とし、かつ、前記第２主点ＤのＷ座標値をＤｗ０とするとき、
   前記ΔＺ０は、Ｄｗ０＋Ｈであり、
   前記ΔＸ０は次の式で与えられる
   ことを特徴とする表面性状測定装置の制御方法。
   
3. 請求項１または請求項２に記載の表面性状測定装置の制御方法において、
   前記スタイラスの先端が前記測定対象面に接触したことを検知した時点で、前記測定器と前記測定対象面との相対移動を一時停止させる
   ことを特徴とする表面性状測定装置の制御方法。
4. 表面性状測定装置の制御方法であって、
   前記表面性状測定装置は、
   測定対象物の測定対象面に接触しながら前記測定対象面を倣い走査することによって前記測定対象面の表面性状を測定する測定器と、
   前記測定器が前記測定対象面に沿って倣い移動するように前記測定器と前記測定対象物とを三次元的に相対移動させる相対移動機構と、を具備し、
   前記測定器は、
   回転軸を支点として円弧運動可能に支持された測定アームと、
   前記測定アームの先端に設けられたスタイラスと、
   前記測定アームの円弧運動による変位を検出する変位検出器と、を備えており、
   鉛直方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸方向に直交する一方向をＸ軸方向とし、
   当該表面性状測定装置の制御方法は、
   前記相対移動機構によって前記測定器と前記測定対象面とが接近するようにＺ軸方向において相対移動させ、
   前記スタイラスの先端が前記測定対象面に接触したことを検知し、
   前記スタイラスの先端が前記測定対象面に接触した後、前記測定器と前記測定対象面とのＺ軸方向の相対移動を所定時間継続し、
   前記所定時間の間に前記スタイラスの先端に生じるＸ軸方向の変位量ΔＸＧを算出し、
   前記相対移動機構によって前記測定器と前記測定対象物とをＺ軸方向に相対移動させながら、前記相対移動機構によって前記測定器と前記測定対象物とをＸ軸方向に前記ΔＸＧだけ相対変位させる
   ことを特徴とする表面性状測定装置の制御方法。