JP4909548B2 - 表面形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、表面形状測定装置に関する。
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の形状を測定する表面形状測定装置に関する。

被測定物表面を走査して被測定物の表面性状や立体的形状を測定する測定装置が知られ、例えば、粗さ測定機、輪郭形状測定機、真円度測定機、三次元測定機などが知られている。
このような測定装置において、接触部が被測定物表面に接触した際における接触部の微小変位に基づいて被測定物表面を検出する変位センサとしてのプローブが使用される（特許文献１）。
図９に、プローブを利用した形状測定装置１００の構成を示す。
形状測定装置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。

プローブ２００は、図１０に示されるように、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、このスタイラスホルダ２１３に設けられスタイラス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検出信号を出力する検出手段２１７と、を備える加振型接触式プローブである。
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。

三次元駆動機構３００は、従来の三次元測定装置に用いられるＸ、ＹおよびＺ方向スライド機構を備えたものが利用される。
三次元駆動機構３００の各軸には駆動量を検出するリニアエンコーダが設けられている。

このような構成において、図１１に示すように、接触部２１２を被測定物表面Ｓに沿って移動させると、接触部２１２と被測定物表面Ｓとの位置関係により、図１２（Ｄ）に示されるような検出信号の変化が生じる。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。
ここで、接触部２１２がフリーの状態（非接触の状態）で検出される検出信号値から接触部２１２が所定測定力で押込まれた際の信号変化分を減じたものとして参照レベルが予め設定される。

なお、測定力とは、接触部２１２を被測定物表面Ｓに接触させて被測定物表面Ｓを検出する際に、接触部２１２を被測定物表面Ｓに押し当てるときの力をいう。

検出信号値が参照レベルとなるように接触部２１２を被測定物表面Ｓ押し当てた状態で接触部を被測定物表面Ｓに沿って倣い移動させ、検出信号が参照レベルに達したときのプローブ２００の位置情報を三次元駆動機構３００のＸ、Ｙ、Ｚ軸スライド量からサンプリングする。サンプリングされたプローブ２００の位置情報から接触部２１２と被測定物表面Ｓとの接点を算出することにより、被測定物表面Ｓの形状を知ることができる。

特開２００４−６１３２２号公報

ここで、接触部２１２と被測定物表面Ｓとが接触する角度によって検出信号の減衰の仕方が異なる。
つまり、スタイラス２１１が軸方向に振動するように加振されるので、スタイラス２１１の軸方向から接触部２１２が被測定物表面Ｓに当接する場合と、スタイラス２１１の軸方向からずれた方向で接触部２１２が被測定物表面Ｓに当接する場合とでは、スタイラス２１１の振動を束縛する程度が異なってくる。

そこで、加振型接触プローブ２００では、スタイラス２１１の軸方向から被測定物に接触することを前提として、検出信号の参照レベルが設定されている。
したがって、スタイラス２１１の軸方向から接触部２１２が被測定物表面Ｓに接触する場合には検出信号を参照レベルとするように加振型接触プローブ２００を倣い移動させて、測定力一定で被測定物表面Ｓを走査することができる。

しかしながら、被測定物表面Ｓの傾斜状態によっては、スタイラス軸方向からではなく、スタイラス２１１の軸方向からずれた方向で接触部２１２が被測定物表面Ｓに当接することになる。
この場合、被測定物表面Ｓからプローブ２００にかかる力のうち検出信号の変化にはスタイラス軸方向の分力しか反映されない。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。

本発明の目的は、傾斜面を有する被測定物表面の形状を接触式プローブにて測定する表面形状測定装置を提供することにある。

本発明の表面形状測定装置は、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測定力を検出する測定力検出手段を有する測定部と、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手段と、前記測定力検出手段にて検出される測定力の大きさに基づいて前記移動手段を制御する駆動制御部と、を備え、前記接触部を前記被測定物表面に接触させて被測定物表面を測定する表面形状測定装置であって、前記駆動制御部は、前記測定力が予め設定された倣い指定測定力となるように前記移動手段を制御して前記接触部を被測定物表面に沿って倣い移動させて倣い測定を実行する倣い測定制御部と、前記倣い指定測定力よりも小さい値に設定されたタッチ検出測定力で前記接触部を前記被測定物表面に接触させた後に前記接触部を前記被測定物表面から離間させるように前記移動手段を制御して被測定物表面をタッチ測定する動作を繰り返し実行させるタッチ測定制御部と、前記倣い測定制御部と前記タッチ測定制御部とのうち動作する一方を切り替え選択する切替部と、前記切替部の切替動作を制御する切替制御部と、を備え、前記測定力検出手段は、測定力を検出可能な所定の測定力検出方向を有し、前記測定力検出方向に沿った方向で前記接触部が被測定物表面に接触する場合には前記倣い測定制御部にて倣い測定が実行され、前記測定力検出方向からずれた方向で前記接触部が前記被測定物表面に接触する場合には前記タッチ測定制御部にてタッチ測定が実行されることを特徴とする。

このような構成において、移動手段により接触部を被測定物表面に接触させて被測定物表面を測定していく。このとき、接触部を被測定物表面に倣って移動させる倣い測定と、被測定物表面に対し接触部を接離させて被測定物表表面を検出するタッチ測定とを切り替えて行う。すなわち、被測定物表面が測定力検出方向に略垂直であって、接触部が測定力検出方向から被測定物表面に接触できる場合には倣い測定が実行される。また、被測定物表面が測定力検出方向に対して略垂直からずれており、測定力検出方向からずれた方向で接触が被測定物表面に当接する場合にはタッチ測定が実行される。

倣い測定にあたっては、スタイラスおよび被測定物の変形量を一定にして測定精度を保つために、接触部と被測定物表面との間にかかる測定力を予め設定された倣い指定測定力で一定となるようにして接触部を被測定物表面に沿って移動させなければならない。
ここで、接触部と被測定物表面とにかかる測定力を検出する測定力検出手段には測定力を検出できる方向がある。測定力を検出可能な方向から接触部が被測定物表面に当接する場合には、接触部にかかる測定力を測定力検出手段によって適確に検出できるので、この検出された測定力に基づいて測定力を倣い指定測定力で一定とする倣い測定が可能である。

しかしながら、被測定物表面が傾斜しているなどの場合、測定力検出方向から接触部を被測定物表面に接触させることができなくなってくる。
このとき、被測定物表面と接触部との間で生じる測定力のうち、測定力検出方向の分力のみが検出可能であるので、検出された測定力を倣い指定測定力にしようとすると、被測定物表面に対して接触部を非常に強く押し込んでしまうこととなり、測定力を一定とする倣い測定ができない。そのため、従来は、接触部と被測定物表面との接触方向が測定力検出方向からずれるような場合、高精度に表面形状を測定することができず、測定可能な被測定物表面の形状が制限されていた。

この点、本発明では、被測定物表面の傾斜等によって接触部と被測定物表面との接触方向が測定力検出方向からずれるときには、倣い測定からタッチ測定に切り替える。タッチ測定においては、倣い指定測定力よりも小さい値であるタッチ検出測定力を設定し、接触部が被測定物表面に接触したことを微小な測定力の検出により行う。接触部と被測定物表面との接触方向が測定力検出方向からずれるとき、全測定力のうち測定力検出手段にて検出できるのは測定力検出方向の分力になるが、この分力が小さい値であるタッチ検出測定力に達した時点で接触部が被測定物表面にタッチしたことを検出するので、接触部を被測定物表面に強く押し込んでしまうことがない。そして、タッチ測定において、接触部と被測定物表面とを強く当接させないことから、スタイラスや被測定物の変形が小さいので、被測定物表面を高精度に検出することができる。

このように本発明によれば、倣い測定を行って被測定物表面を測定できることに加えて、倣い測定では測定不能な形状を有する被測定物の表面をタッチ測定にて高精度に測定することができる。

なお、測定力検出手段は、スタイラスを軸方向に固有振動数で振動させるとともに接触部が被測定物表面に当接したときの振動レベルの変化に基づいて測定力を検出してもよい。この場合、測定力検出方向は、スタイラスの軸方向と平行になる。あるいは、測定力検出手段は、スタイラスの歪みを検出する歪みゲージを備え、歪みゲージにて検出した歪み量に基づいて測定力を検出してもよい。この場合、測定力検出方向は、歪みゲージが歪みを検出する方向となる。

本発明では、前記駆動制御部は、前記倣い測定制御部と前記タッチ測定制御部とのうち動作する一方を切り替え選択する切替部と、前記切替部の切替動作を制御する切替制御部と、を備え、前記切替制御部は、前記測定力検出手段にて検出される測定力の変化に基づいて前記切替部を切替制御する。

ここで、測定力検出手段は、スタイラスを軸方向に振動させるとともにスタイラスの軸方向の振動レベルに変化によって接触部と被測定物表面との間の測定力を検出する構成とすることが例として挙げられる。

このような構成において、接触部が被測定物表面に接触して、スタイラスの振動が束縛されると、振動レベルが小さくなるので、この振動の差により被測定物表面から接触部にかかる測定力を検出することができる。ただし、スタイラスは軸方向に振動されるので、スタイラスの軸方向から接触部が被測定物表面に当接する場合には被測定物表面から接触部にかかる力でスタイラスの振動が束縛されるが、スタイラスの軸方向に対してずれた方向で接触部と被測定物とが接触する場合、被測定物表面から接触部に作用する力のうちスタイラス軸方向の分力のみがスタイラスの振動束縛に寄与する。

そのため、スタイラスの軸方向に対してずれた方向で接触部と被測定物表面とが接触する場合には、接触部と被測定物表面との間の測定力を正確に検出できず、また、検出されるスタイラスの振動レベルも弱くなる。したがって、接触部と被測定物表面とがスタイラス軸方向から接触して測定力が正確に検出できる場合には倣い測定が可能である一方、接触部と被測定物表面とがスタイラス軸方向からずれた方向から接触する場合には倣い測定ができないのでタッチ測定に切り替える必要がある。

この点、本発明では、測定力検出手段にて検出される測定力に基づいて切替制御部が切替部を切り替え制御するので、ユーザーが判断して切り替えるといった操作を必要とせず、簡便である。そして、自動的な切り替えにより、倣い測定では測定できない表面形状であっても自動的にタッチ測定にて形状測定が行われる。

本発明では、前記接触部の変位を検出して変位検出信号を出力する変位検出手段を備え、前記タッチ測定制御部は前記測定力が前記タッチ検出測定力に達した際にタッチ検出信号を出力する接触検出部を備え、前記駆動制御部は、前記変位検出信号をカウントして前記接触部の位置を算出するカウンタと、前記タッチ検出信号を受けて前記カウンタにて算出された前記接触部の位置をラッチするラッチカウンタと、前記カウンタにて算出された前記接触部の位置および前記ラッチカウンタにてラッチされた前記接触部の位置に基づいて被測定物表面形状を算出する形状解析部と、を備えることが好ましい。

このような構成において、測定部の変位は変位検出手段にて検出されて、この変位検出手段からの変位検出信号はカウンタにてカウントされて測定部の実際の位置が求められる。被測定物表面をタッチ測定する場合に、接触部が被測定物表面から離間した位置から被測定物表面に接近していって被測定物表面に接触し、測定力検出手段で検出される測定力がタッチ検出測定力になったときに、接触検出部からタッチ検出信号が出力される。そして、ラッチカウンタがタッチ検出信号を受けると、カウンタのカウント値をラッチする。
このような構成によれば、接触部と被測定物表面とが接触してタッチ検出測定力が検出されたときの接触部の位置がラッチされるので、このラッチされたデータに基づいて被測定物表面形状を求めることができる。

本発明では、前記倣い測定制御部は、前記被測定物表面が前記測定力検出方向に対してなす角に応じて前記倣い指定測定力を変更することが好ましい。

このような構成において、倣い測定における倣い指定測定力を被測定物表面と測定力検出方向とのなす角に応じて変更される。たとえば、測定力検出方向からずれた方向から接触部が被測定物表面に接触する場合には、倣い指定測定力を小さい値に変更する。測定力検出方向に対してずれた方向で接触部と被測定物とが接触する場合、被測定物表面から接触部に作用する力のうち測定力検出方向の分力のみが検出される測定力となる。そのため、測定力検出方向の分力が倣い指定測定力になるようにプローブの押し込みを制御すると、接触部と被測定物表面との間に作用する力は倣い指定測定力よりも大きな値となってしまい、測定力を一定とする倣い測定ができない。

この点、本発明では、被測定物表面と測定力検出方向とのなす角に応じて倣い指定測定力を変更し、結果として接触部と被測定物表面との間に作用する測定力を一定として、高精度に測定力を一定とする倣い測定を行うことができる。

本発明では、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、を備えることが好ましい。

ここで、例えば、微動機構としては応答速度が速い駆動機構であることが望ましく、例えば、圧電素子を用いた圧電アクチュエータが例として挙げられる。
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。

このような構成によれば、微動機構と粗動機構とを備えているので、倣い測定において、被測定物表面の微小凹凸に対しては応答速度が速い微動機構にて接触部を迅速に微小変位させることができ、被測定物表面の大きな形状変化（うねり等）に対しては大きな変位を許容できる粗動機構によって対応できる。その結果、接触部を高精度かつ高速に被測定物表面に沿って倣い移動させることができる。

以下、本発明の実施の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）
この第1実施形態は、本発明の表面形状測定装置の基本構成を示すものであるが、本発明には含まれない。
図１は、本発明の表面形状測定装置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。

表面形状測定装置１００は、被測定物表面Ｓに当接する測定部２１０を上下駆動機構２２０により移動させながら被測定物表面Ｓを検出するプローブ２００と、このプローブ２００を三次元的に移動させる三次元駆動機構３００と、上下駆動機構２２０を駆動制御する上下駆動機構制御部４００と、全体の動作制御を行うコントローラ部５００と、を備えている。

プローブ２００は、被測定物表面Ｓに接触して被測定物表面Ｓに対する測定力を検出する測定部２１０と、被測定物表面Ｓの形状に応じて測定部２１０を上下動させる上下駆動機構２２０と、測定部２１０の上下変位量を検出する変位量検出センサ２３０と、を備える。

測定部２１０は、背景技術で説明した加振型接触式プローブ２００であり、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、このスタイラスホルダ２１３に設けられスタイラス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検出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測定力検出回路２１９と、から構成されている。

測定力検出回路２１９は、圧電素子２１８からの電圧を検出するところ、接触部２１２がフリーで振動する状態で検出される電圧と、被測定物表面Ｓに接触して接触部２１２が束縛された状態で検出される電圧との差分を接触部２１２が被測定物表面Ｓから受けている測定力の情報として出力する。例えば、図２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を減じた値に基づいて測定力検出回路２１９で測定力が検出される。

上下駆動機構２２０は、測定部２１０を上下動させる機構であり、例えば、圧電素子の伸縮や電磁アクチュエータの可動コイルの上下動にて測定部２１０を上下方向に駆動させるものである。
なお、上下駆動機構２２０は、プローブ２００をＸ、Ｙ、Ｚのそれぞれの方向に移動させる３次元駆動機構３００に取り付けられている。

ここに、三次元駆動機構３００と上下駆動機構２２０とにより移動手段が構成されている。
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。

変位量検出センサ２３０は、測定部２１０と一体となって上下動するスケール２３１と、スケール２３１の変位を検出する検出ヘッド２３２と、を備えたリニアエンコーダで構成されている。

三次元駆動機構３００は、背景技術において説明した構成と同様であり、Ｘ、ＹおよびＺ方向スライド機構を備えたものが利用される。

上下駆動機構制御部４００は、倣い測定制御部４１０と、タッチ測定制御部４２０と、プローブカウンタ４３０と、切替部４４０と、駆動回路４５０と、を備えている。

倣い測定制御部４１０は、被測定物表面Ｓに対して測定部２１０の接触部２１２を予め設定された所定の倣い指定測定力で当接させながら被測定物表面Ｓを倣い測定するように上下駆動機構２２０を制御する。

倣い測定制御部４１０は、測定力比較部４１１を備えている。
測定力比較部４１１には、測定力検出回路２１９にて検出された測定力信号と外部からの倣い指定測定力信号とが入力され、測定力比較部４１１は、測定力検出回路２１９からの測定力信号と外部からの倣い指定測定力とを比較し、測定力が倣い指定測定力で一定となるように駆動回路４５０に駆動信号を出力する。

例えば、検出された測定力が倣い指定測定力よりも大きいときは、測定部２１０を上方に向けて移動させて接触部２１２の押し込みを減らし、検出された測定力が小さいときは、測定部２１０を下方に移動させて被測定物表面Ｓに対して接触部２１２を押し込んで測定力を倣い指定測定力で一定となるようにする。
ここで、倣い指定測定力は、図２に示されるように、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第１参照レベルＬ２を減じた値として設定される。つまり、倣い指定測定力で倣い測定が実行されている場合には、圧電素子２１８からの電圧レベルは第１参照レベルＬ２で一定となる。

タッチ測定制御部４２０は、被測定物表面Ｓに対して接触部２１２の離間と接触（タッチ）とを交互に繰り返すタッチ測定を実行するにあたり、接触部２１２が被測定物表面Ｓに接触したことを検出する。

タッチ測定制御部４２０は、接触検出部４２１を備える。
接触検出部４２１は、測定力検出回路２１９からの測定力信号がタッチ検出測定力に達したときに、測定部２１０が被測定物表面Ｓに接触（タッチ）したことを検出してタッチ検出信号を出力する。

ここで、タッチ検出測定力は、図３に示されるように、倣い指定測定力よりも小さい値として設定される。つまり、第１参照レベルＬ２よりも高い電圧（第２参照レベルＬ３）によりタッチ検出測定力を設定する。
なお、タッチ測定は、被測定物表面Ｓに対して接触部２１２の離間と接触（タッチ）とを交互に繰り返して実行されるところ、このようなタッチ測定の動作は三次元駆動機構３００により実施される。すなわち、タッチ測定の実行中は、タッチ測定制御部４２０から上下駆動機構２２０の動作を停止する駆動信号が駆動回路４５０に出力される。これによって、駆動回路４５０に入力される駆動信号が所定値に固定され、上下駆動機構２２０は所定の位置で停止する。この場合、変位量検出センサ２３０の出力を帰還信号として用い、いわゆるサーボロックによって上下駆動機構２２０を所定の位置で停止させても良い。それとともに、接触検出部４２１からのタッチ信号がコントローラ部５００に出力され、コントローラ部５００により三次元駆動機構３００がタッチ信号に応じてタッチ測定を実行するように駆動制御される。

プローブカウンタ４３０は、変位量検出センサ２３０からの信号をカウントして上下駆動機構２２０による測定部２１０のＺ方向変位量をカウントする。

切替部４４０は、測定力検出回路２１９からの測定力信号の出力先を倣い測定制御部４１０と、タッチ測定制御部４２０と、で切り替える。切替部４４０は、倣い測定側端子４４１とタッチ測定側端子４４２とを有し、切替操作部４４３によってユーザーが手動にて切り替え操作する。

駆動回路４５０は、駆動信号に従って上下駆動機構２２０の上下動を制御する制御信号を出力する。
例えば、倣い測定制御部４１０が起動されている場合には、測定力を倣い指定測定力で一定にした倣い測定をするための制御信号を出力する。
また、タッチ測定制御部４２０が起動されている場合には、タッチ測定動作を行うための制御信号を出力し、具体的には、タッチ測定を実行する間は、上下駆動機構２２０の動作を停止させる。なお、タッチ測定の際には、プローブは三次元駆動機構３００のみにより変位される。

コントローラ部５００は、三次元駆動機構制御部５１０と、カウンタ部５２０と、形状解析部５３０と、ＣＰＵ５４０と、を備えている。

三次元駆動機構制御部５１０は、三次元駆動機構３００を駆動制御してプローブ２００をＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向に移動させる。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。
なお、被測定物表面Ｓの微細な凹凸に対する接触部２１２の微小変位は上下駆動機構２２０によって対応されるので、三次元駆動機構３００は、プローブ２００を倣い方向に移動させるだけでよい。
また、タッチ測定を実行する場合には、被測定物表面Ｓに対してプローブ２００の接近と離間とを交互に繰り返させる。
このとき、接触部２１２を被測定物表面Ｓに向けて接近させていき、接触部２１２が被測定物表面Ｓに接触した際の接触検出部４２１からのタッチ信号を受けるまで接触部２１２を押し込んでいく。そして、タッチ信号を受けたところで、接触部２１２を被測定物表面Ｓから離間させ、また、次のサンプリング点において接触部２１２を被測定物表面Ｓに接近させていく。なお、タッチ測定における次のサンプリング点は、測定済みの数点の測定データに基づいて予測される。
ここに、上下駆動機構制御部４００とコントローラ部５００とにより駆動制御部が構成される。

カウンタ部５２０は、三次元カウンタ５２１と、ラッチカウンタ５２２（ラッチカウンタ）と、を備える。
三次元カウンタ５２１は、三次元駆動機構３００の駆動量をＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向でそれぞれ検出する図示しないリニアエンコーダの出力をカウントする。
ラッチカウンタ５２２は、接触検出部４２１から出力されるタッチ信号を受けて三次元カウンタ５２１のカウント値をラッチする。すなわち、タッチ検出測定力で接触部２１２が被測定物表面Ｓに接触（タッチ）したときの三次元駆動機構３００の駆動量をラッチする。
ここに、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の駆動量をそれぞれ検出するリニアエンコーダと変位量検出センサ２３０とにより変位検出手段が構成され、三次元カウンタ５２１とプローブカウンタ４３０とによりカウンタが構成される。

形状解析部５３０は、プローブカウンタ４３０およびカウンタ部５２０にてカウントされるプローブ変位および三次元駆動機構３００の変位に基づいて被測定物表面形状を算出する。
例えば、倣い測定が実行されている場合には、プローブカウンタ４３０によるプローブ変位と三次元カウンタ５２１による三次元駆動機構３００の駆動量とを合成して、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。
また、タッチ測定が行われている場合には、ラッチカウンタ５２２にてラッチされた三次元駆動機構３００の変位に基づいて被測定物表面Ｓの位置をプロットしていき被測定物表面Ｓの形状を解析する。
なお、倣い測定が行われる場合も、タッチ測定が行われる場合も、形状解析部５３０は、測定済みの数点から次の被測定物表面形状を予測し、倣い測定制御部４１０および三次元駆動機構制御部５１０に予測結果を出力する。

なお、ＣＰＵ５４０は、コントローラ部５００を制御するとともに、測定力比較部４１１に向けて倣い指定測定力の指令を出力する。

このような構成を備える第１実施形態の動作について説明する。
例えば、図４に示される被測定物表面Ｓの形状を測定する場合について説明する。
まず、図４中、左から右に向けて測定を行うとすると、はじめ、被測定物表面Ｓはスタイラス２１１に直交した水平面であるから、倣い測定を実行する。
そこで、切替操作部４４３を手動で操作して、切替部４４０を倣い測定側端子４４１に繋ぐ。

倣い測定が実行される場合、三次元駆動機構３００によりプローブ２００が倣い方向（図４中では左から右）へ移動される。そして、接触部２１２が被測定物表面Ｓに当接すると、被測定物表面Ｓから接触部２１２に作用する測定力が測定力検出回路２１９により検出され、切替部４４０を介して倣い測定制御部４１０の測定力比較部４１１に入力される。

測定力検出回路２１９からの測定力信号は、測定力比較部４１１において倣い指定測定力と比較される。この比較結果に基づいて測定力比較部４１１から測定力が倣い指定測定力で一定となるように駆動回路４５０に駆動信号が出力される。
駆動回路４５０からの信号により上下駆動機構２２０が駆動されて接触部２１２が一定の測定力で被測定物に当接するように上下動される。すると、被測定物表面Ｓの凹凸に応じた倣い測定が実行される。倣い測定が実行されるときの測定部２１０の上下動変位は変位量検出センサ２３０で検出され、このセンサからのセンサ信号がプローブカウンタ４３０でカウントされて、上下駆動機構２２０による接触部２１２の変位量が算出される。

また、三次元駆動機構３００によるプローブ２００の変位は、三次元カウンタ５２１によってカウントされる。プローブカウンタ４３０による上下駆動機構２２０の変位と三次元カウンタ５２１による三次元駆動機構３００の変位とが形状解析部５３０により合成されて、接触部２１２の移動軌跡が求められ、被測定物表面形状が求められる。

図４に示される被測定物表面Ｓを左から右に測定していくと、被測定物表面Ｓが水平から傾き、次第に傾斜角が大きくなっていく。
このように、被測定物表面Ｓが水平から傾斜する傾斜角が所定値よりも大きくなると、接触部２１２が被測定物表面Ｓに接する方向が測定力検出方向であるスタイラス軸方向からずれてきてしまい、測定力を正確に検出できなくなる。また、被測定物表面Ｓの傾斜が大きくなると、上下駆動機構２２０による微小変位では接触部２１２を被測定物表面Ｓに沿って移動させることが困難になってくる。このため、被測定物表面Ｓの傾斜が大きい場合には、倣い測定を継続することが適当でない。

倣い測定を実行することが適切ではないとユーザーが判断した場合、切替操作部４４３を手動操作して、切替部４４０をタッチ測定側端子４４２に繋ぎ、倣い測定からタッチ測定に測定モードを変更する。
タッチ測定が実行される場合、上下駆動機構２２０の駆動は停止され、三次元駆動機構３００によって被測定物表面Ｓに対して接触部２１２を接近および離間させるタッチ測定が行われる。

三次元駆動機構３００により接触部２１２が被測定物表面Ｓに向けて移動され、接触部２１２が被測定物表面Ｓに接触すると被測定物表面Ｓから接触部２１２に作用する測定力が測定力検出回路２１９により検出される。測定力検出回路２１９からの測定力信号は接触検出部４２１に入力され、接触検出部４２１においてタッチ検出測定力に比較される。測定力信号がタッチ検出測定力に達するまで接触部２１２が被測定物表面Ｓに押し込まれていき、タッチ検出測定力に達したところで、接触検出部４２１からタッチ信号が出力される（図３参照）。なお、タッチ検出測定力は、倣い指定測定力よりも小さい値であるので、接触部２１２が被測定物表面Ｓにわずかに接触することでタッチ信号が出力される。

タッチ信号は三次元駆動機構制御部５１０に入力され、タッチ信号を受けると接触部２１２が被測定物表面Ｓから離間させられ、また次のサンプリング点にて接触部２１２の接触と離間が実行される。タッチ信号は、ラッチカウンタ５２２に入力され、ラッチカウンタ５２２はタッチ信号を受けて三次元カウンタ５２１のカウント値をラッチして、形状解析部５３０に出力する。
形状解析部５３０によりタッチ信号が出力されたときの接触部２１２の位置がプロットされて、被測定物表面形状が求められる。

このような第１実施形態によれば、次の効果を奏することができる。
（１）被測定物表面Ｓの傾斜等によって接触部２１２と被測定物表面Ｓとの接触方向が測定力検出方向からずれるときには、倣い測定からタッチ測定に切り替え、タッチ測定においては、倣い指定測定力よりも小さいタッチ検出測定力を設定して、接触部２１２が被測定物表面Ｓに接触したことをわずかな測定力の検出により行う。そして、タッチ測定にあたっては、小さい値であるタッチ検出測定力に達した時点で接触部２１２が被測定物表面Ｓにタッチしたことを検出するので、接触部２１２を被測定物表面Ｓに強く押し込んでしまうことがない。また、タッチ測定において、接触部２１２と被測定物表面Ｓとを強く当接させないことから、スタイラス２１１や被測定物表面Ｓの変形を微小とし、被測定物表面Ｓを高精度に検出することができる。すなわち、倣い測定ができない領域であってもタッチ測定によって被測定物表面Ｓを高精度に測定することができる。

（２）被測定物表面Ｓをタッチ測定する場合に、ラッチカウンタ５２２がタッチ検出信号を受けると、三次元カウンタ５２１のカウント値をラッチするので、接触部２１２と被測定物表面Ｓとが接触してタッチ検出測定力が検出されたときの接触部２１２の位置がラッチされる。そして、このラッチされたデータに基づいて被測定物表面形状を求めることができる。

（３）被測定物表面Ｓの傾斜や曲率をみて、ユーザーが被測定物表面Ｓのうち倣い測定する部分とタッチ測定する部分とを選択し、切替操作部４４３により、ユーザーが切替部４４０を任意に切り替えて測定モードを選択できるので、例えば、装置自体が倣い測定とタッチ測定を繰り返して試行錯誤しながら最適な測定モードを自動選択することに比べて、測定モードの選択を迅速かつ、適確にでき、効率よく測定を進めることができる。

（変形例１）
次に、前述した第1実施形態の変形例１について図５を参照して説明する。この変形例１は、本発明に基づく実施形態である。
変形例１の基本的構成は第１実施形態に同様であるが、切替部４４０を切り替え制御する切替制御部４４４を備え、測定力信号に基づいて切り替え制御を自動で行う点に特徴を有する。
図５において、変形例１は、切替操作部４４３に代えて切替制御部４４４を備えている。
切替制御部４４４には測定力検出回路２１９からの測定力信号が入力されており、この測定力信号の変化に応じて切替制御部４４４は切替部４４０の切り替え制御を行う。すなわち、倣い測定においては測定力が所定の倣い指定測定力で一定になるように接触部２１２を被測定物表面Ｓに押し付けるところ、測定力の検出は、接触部２１２をスタイラス２１１の軸方向に振動させることによりスタイラス２１１の軸方向に沿った方向で測定力の検出が行われる。

しかし、被測定物表面Ｓが水平から傾斜し、スタイラス軸方向に略直交する方向から傾くと、接触部２１２がスタイラス軸方向から被測定物表面Ｓに当接しないので、測定力検出回路２１９からの測定力信号が乱れてくる。
例えば、図６に示されるように、被測定物表面Ｓが傾斜してくると、倣い測定において測定力信号を一定値に保てなくなって、測定力信号が大きく振動してくる。切替制御部４４４は、測定力信号の振幅が所定値を超えた場合、切替部４４０をタッチ測定側端子４４２に繋げてタッチ測定に移行させる。すると、タッチ信号を検出しながらタッチ測定が行われる。

このような変形例１によれば次の効果を奏することができる。
（４）測定力検出回路２１９にて検出される測定力に基づいて切替制御部４４４が切替部４４０を切り替え制御するので、ユーザーが判断して切り替えるといった操作を必要とせず、簡便である。そして、自動的な切り替えにより、倣い測定では測定できない表面形状であっても自動的にタッチ測定にて形状測定が行われる。

（変形例２）
上記変形例１では、測定力検出回路２１９からの測定力信号に基づいて切替制御部４４４にて切替部４４０の切り替え制御を行う場合について説明したが、本発明に含まれない参考形態として、切替制御部４４４は、被測定物表面Ｓの形状に基づいて切替部４４０の切り替え制御を行ってもよい。

被測定物表面Ｓの形状に基づいて倣い測定とタッチ測定との切り替えを行う場合、既に測定した直近の測定データに基づいて被測定物表面Ｓを推定し、倣い測定かタッチ測定かを選択してもよい。例えば、既に得た直近の複数点のデータから被測定物表面Ｓの曲率あるいは傾斜角を算出して、この曲率や傾斜角を所定の閾値と比較して倣い測定とタッチ測定とを切り替えてもよい。被測定物表面Ｓの曲率が十分に小さければ倣い測定を実行でき、逆に、曲率が大きければタッチ測定に切り替える。また、被測定物表面Ｓの傾斜角が水平から所定範囲内であれば倣い測定を実行でき、逆に、被測定物表面Ｓの傾斜角が所定範囲を超える場合にはタッチ測定に切り替える。

あるいは、例えば、まず、タッチ測定によって被測定物表面全体を粗く測定し、この測定データから被測定物表面Ｓの各所の曲率あるいは傾斜を算出しておいて、曲率あるいは傾斜のデータを基に、倣い測定とタッチ測定とを切り替えながら再び被測定物表面形状を測定してもよい。

また、被測定物の設計データに基づいて被測定物表面Ｓの曲率や傾斜角を算出しておいて、倣い測定とタッチ測定とを切り替えるようにしてもよい。

このような変形例２によれば、次の効果を奏することができる。
（５）被測定物の表面形状を解析して、例えば、曲率や傾斜などに基づいてタッチ測定に切り替える切替制御が行われるので、ユーザーが判断して切り替えるといった操作を必要とせず、簡便である。そして、自動的な切り替えにより、倣い測定では測定できない表面形状であっても自動的にタッチ測定にて形状測定が行われる。

（変形例３）
次に、本発明に含まれない参考形態としての変形例３について説明する。
変形例３の基本的構成は、第１実施形態に同様であるが、倣い測定において、倣い指定測定力を可変とする点に特徴を有する。
被測定物表面Ｓの曲率または傾斜角が所定範囲であるときには倣い測定が実行されるが、このとき、被測定物表面Ｓの曲率または傾斜角に応じて倣い指定測定力を変更する。例えば、倣い測定を実行中に、被測定物表面Ｓの曲率あるいは傾斜角が大きかったりする場合、曲率や傾斜に応じて倣い指定測定力を小さい値に変更する。

被測定物表面Ｓの曲率あるいは傾斜角が大きい場合、接触部２１２と被測定物表面Ｓとが接触する方向が測定力検出方向であるスタイラス２１１の軸方向からずれてくることになる。このとき、被測定物表面Ｓから接触部２１２にかかる測定力のうちスタイラス軸方向の分力が測定力検出回路２１９にて検出されることになる。よって、被測定物表面Ｓが傾斜している場合に、測定力検出回路２１９で検出される測定力を倣い指定測定力に制御した場合は、接触部２１２と被測定物表面Ｓとの間の測定力が倣い指定測定力になるわけではなく、接触部２１２を被測定物表面Ｓに強く押しすぎてしまうことになる。

この点、被測定物表面Ｓの曲率あるいは傾斜に応じて倣い指定測定力を変更することにより、被測定物表面Ｓと接触部２１２との間の測定力を高精度に一定に保つ倣い測定を行うことができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図７を参照して説明する。
第２実施形態の基本的構成は、第１実施形態に同様であるが、プローブ２００の上下駆動機構６００が、測定部２１０を微小変位させる微動機構６１０と、この微動機構６１０とともに測定部２１０を大変位させる粗動機構６２０と、を備える点に特徴を有する。

すなわち、上下駆動機構６００を応答速度が速い微動機構６１０と、可動範囲が大きい粗動機構６２０とで構成し、倣い測定を行うにあたって、被測定物表面の凹凸に対して、微小な凹凸には微動機構６１０にて迅速に対応し、うねり等の大きな変化には粗動機構６２０で対応して、倣い測定の際に接触部を被測定物表面に沿って高精度かつ迅速に倣い移動させる。
以下、具体的に第２実施形態の構成について説明する。

図７において、表面形状測定装置１００は、プローブ２００と、三次元駆動機構３００と、上下駆動機構制御部７００と、コントローラ部５００と、を備える。

プローブ２００は、測定部２１０と、上下駆動機構６００と、変位量検出センサ２３０と、を備える。測定部２１０および変位量検出センサ２３０の構成は、第１実施形態に同様である。

上下駆動機構６００は、測定部２１０を微小範囲で変位させる微動機構６１０と、この微動機構６１０とともに測定部２１０を大変位させる粗動機構６２０と、を備える。微動機構６１０は、粗動機構６２０の可動部６４３に固定される微動固定部６１１と、この微動固定部６１１に設けられた圧電素子６１２とを備えて構成されている。圧電素子６１２の下端側に測定部２１０が設けられている。

粗動機構６２０は、筐体であるハウジング６３０に固定された永久磁石６４１と、この永久磁石６４１による磁界中を上下方向に移動する可動コイル６４２とを備えた電磁アクチュエータ６４０で構成されている。可動コイル６４２の下端には可動コイル６４２と一体的に移動する可動部６４３が設けられている。可動部６４３は、ハウジング６３０と一体化された粗動固定部６５０に対し、エアベアリング６６０によって滑動可能に保持されている。さらに、ハウジング６３０は三次元駆動機構３００に取り付けられＸ、Ｙ、Ｚ駆動軸によってプローブ２００は三次元的に移動される。

変位量検出センサ２３０は、微動機構６１０の下端と測定部２１０の上端との間に設けられた可動要素６１３に保持され微動機構６１０および粗動機構６２０の変位方向と平行方向に移動するスケール２３１と、粗動固定部６５０に設けられスケール２３１の変位量を検出する検出ヘッド２３２と、を備えたリニアエンコーダで構成されている。変位量検出センサ２３０は、測定部２１０のハウジング６３０に対する変位量を検出する。すなわち、変位量検出センサ２３０は、粗動機構６２０および微動機構６１０の合成変位量を検出することになる。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。

上下駆動機構制御部７００は、微動機構６１０を駆動制御する微動機構制御部７１０と、粗動機構６２０を駆動制御する粗動機構制御部７２０と、を備える。

微動機構制御部７１０は、予め設定された倣い指定測定力と測定力検出回路２１９からの測定力信号とを比較して測定力の差を出力する測定力比較部７１１と、測定力比較部７１１から出力される測定力の差に基づいて微動機構６１０の微動変位情報を算出する微動変位情報算出部７１２と、微動変位情報算出部７１２からの変位量情報に基づいて微動機構６１０の圧電素子６１２を駆動する微動機構駆動アンプ７１３と、測定力検出回路２１９からの測定力信号により測定部２１０と被測定物表面Ｓとの接触を検出してタッチ信号を出力する接触検出部７１４と、測定力検出回路２１９からの測定力信号の出力先を測定力比較部７１１と接触検出部７１４とで切り替える第１切替部７１５と、微動変位情報算出部７１２と微動機構駆動アンプ７１３との間に設けられた第２切替部７１６と、を備える。

測定力比較部７１１は、予め設定された倣い指定測定力と測定力検出回路２１９からの測定力信号とを比較して、測定部２１０に実際に作用している測定力と指定された倣い指定測定力との差を算出して出力する。

微動変位情報算出部７１２は、測定力比較部７１１から出力された信号（倣い指定測定力と測定力信号との差）に基づいて測定力を倣い指定測定力に保つために必要な微動機構６１０の変位量を算出して微動変位情報として出力する。微動変位情報算出部７１２で算出された微動変位情報は、第２切替部７１６を介して微動機構６１０の圧電素子６１２を駆動させる微動機構駆動アンプ７１３へ出力される。

微動機構駆動アンプ７１３は、圧電素子６１２を駆動させるための駆動アンプで構成され、微動変位情報により指令される変位量に基づいて圧電素子６１２に印加する電圧を算出し、この電圧を圧電素子６９２に印加する。

接触検出部７１４は、測定力検出回路２１９からの測定力信号に基づいて測定部２１０が被測定物表面Ｓに接触したことを検出する。
ここで、接触検出部７１４が、倣い指定測定力よりも小さい測定力であるタッチ検出測定力で接触を検出してタッチ信号を出力する点は、第１実施形態と同様である。

第１切替部７１５は、倣い測定側端子７１５ａとタッチ測定側端子７１５ｂとを有する。倣い測定側端子７１５ａは測定力比較部７１１に繋がっており、タッチ測定側端子７１５ｂは接触検出部７１４に繋がっている。

第２切替部７１６は、倣い測定側端子７１６ａとタッチ測定側端子７１６ｂとを有する。倣い測定側端子７１６ａは、微動変位情報算出部７１２に繋がっている。また、タッチ測定側端子７１６ｂには、何の信号も入力されていない。すなわち、タッチ測定の際には微動機構６１０は固定状態となる。

粗動機構制御部７２０は、粗動機構６２０の変位量を制御する粗動変位制御部７３０と、粗動機構６２０の駆動速度を制御する粗動速度制御部７４０と、粗動機構６２０へ与えられる電流値を制御する粗動機構駆動アンプ７５０と、を備える。

粗動変位制御部７３０は、粗動機構６２０の速度指令値を生成する位置補償器７３１と、位置比較器７３２と、第３切替部７３３と、を備える。

位置補償器７３１は、第３切替部７３３を介して入力される信号に基づいて粗動機構６２０の速度指令値を生成する。位置補償器７３１は、例えば、位相補償器や、ＰＩ補償器や、フィルタ等を備えて構成される。位置補償器７３１からの出力は、粗動機構６２０の速度指令値として次の粗動速度制御部７４０に送られる。

位置比較器７３２にはタッチ測定における粗動機構６２０の固定位置の指令と現在の粗動機構６２０の変位量情報とが入力されている。タッチ測定においては、粗動機構６２０は駆動されずに所定の位置で固定されるところ、固定の指令位置で粗動機構６２０が固定される。プローブカウンタ７４１でカウントされる粗動機構６２０と微動機構６１０との合成変位から微動機構変位情報を減算した値、すなわち粗動機構６２０の変位量が位置比較器７３２に入力され、位置比較器７３２は、固定位置の指令と粗動機構６２０の変位量との差分をタッチ測定側端子７３３ｂに出力する。

第３切替部７３３は、位置補償器７３１に対する入力信号を倣い測定の際とタッチ測定の際とで倣い測定側端子７３３ａとタッチ測定側端子７３３ｂとに切り替える。倣い測定側端子７３３ａには、微動変位情報算出部７１２で算出された微動変位情報が入力されている。

粗動速度制御部７４０は、プローブカウンタ７４１と、プローブカウンタ７４１による変位情報と微動変位情報算出部７１２による微動変位情報とを比較してこの差を出力する変位比較器７４２と、変位比較器７４２により算出された結果を微分して速度情報を得る微分回路７４３と、微分回路７４３からの速度情報と粗動変位制御部７３０からの粗動速度指令値とを比較してこの差（速度偏差）を算出する速度比較器７４４と、速度比較器７４４からの信号値より電流指令値を生成する速度補償器７４５と、を備えて構成されている。

変位比較器７４２は、微動変位情報算出部７１２で算出される微動変位情報とプローブカウンタ７４１で算出される測定部２１０の変位量とを比較してこの差を算出する。微分回路７４３は、変位比較器７４２からの出力値の微分値を算出する。ここで、微動変位情報の微分値は微動機構６１０の駆動速度を意味し、測定部２１０の変位量の微分値は微動機構６１０および粗動機構６２０の合成駆動速度を意味することになる。よって、微分回路７４３からの出力値は、粗動機構６２０の速度を意味することになる。そして、この速度フィードバックのループを備えることで粗動機構６２０の速度を安定させることができる。

速度比較器７４４は、粗動変位制御部７３０からの粗動速度指令値と微分回路７４３からの速度情報とを比較してこの差を算出し、粗動機構６２０にさらに加えるべき駆動速度の信号を出力する。

速度補償器７４５は、速度比較器７４４からの信号を特性補償するとともに、速度比較器７４４からの信号（速度情報）に基づいて、速度比較器７４４で得られた速度を達成するために粗動機構６２０に印加すべき電流値を求める。速度補償器７４５は、例えば、位相補償器や、ＰＩ補償器や、フィルタ等を備えて構成され、周波数特性を改善するためのものである。速度補償器７４５で得られた電流指令値は、粗動機構駆動アンプ７５０に送られる。

粗動機構駆動アンプ７５０は、粗動機構６２０である電磁アクチュエータ６４０を駆動するコイルアンプで構成され、速度補償器７４５からの電流指令値に基づいて粗動機構６２０にさらに加えるべき速度に見合う電流を可動コイル６４２に印加する。

コントローラ部５００の構成は、第１実施形態に同様であり、三次元カウンタ５２１およびラッチカウンタ５２２を有するカウンタ部５２０と、形状解析部５３０と、三次元駆動機構制御部５１０と、ＣＰＵ５４０と、を備えている。
なお、第１から第３切替部７１５、７１６、７３３の切替操作については、変形例１のごとく自動で切替を行うことができる。

このような構成を備える第２実施形態の動作について説明する。
まず、倣い測定をする場合について説明する。
倣い測定をする場合には、第１から第３切替部７１５、７１６、７３３を倣い測定側端子７１５ａ、７１６ａ、７３３ａに切り替える。そして、倣い指定測定力を測定力比較部７１１に入力する。この倣い指定測定力をとるように上下駆動機構６００（微動機構６１０、粗動機構６２０）が上下駆動機構制御部７００によって制御されることになる。

接触部２１２を被測定物表面Ｓに接触させ、上下駆動機構６００が取り付けられた三次元駆動機構３００のＸ軸もしくはＹ軸、つまり被測定物表面Ｓに沿って測定部２１０を走査させる駆動軸によってプローブ２００を移動させる。接触部２１２が被測定物表面Ｓに接触すると、このとき被測定物表面Ｓから接触部２１２に作用する測定力は、測定力検出回路２１９で検出され、第１切替部７１５を介して測定力比較部７１１に入力される。測定力比較部７１１は、倣い指定測定力と測定力信号とを比較してこの差（測定力偏差）を算出し、微動変位情報算出部７１２に出力する。

微動変位情報算出部７１２において、倣い指定測定力と検出された測定力との偏差を解消するために必要な接触部２１２の移動量が算出され、微動変位情報として出力される。

微動変位情報算出部７１２から出力される微動変位情報は、分岐され、一方は微動機構駆動アンプ７１３に送られ微動機構６１０を駆動させ、他方は粗動機構制御部７２０に送られて粗動機構６２０の駆動制御にまわされる。微動機構駆動アンプ７１３は、微動変位情報により指令された変位量分だけ微動機構６１０を駆動させるために必要な電圧値を微動機構６１０の圧電素子６１２に印加する。これにより、測定力を倣い指定測定力で一定となるように測定部２１０が変位される。

微動変位情報算出部７１２で算出された微動変位情報は、粗動機構制御部７２０の内部でさらに分岐され、一方は位置比較器７３２に送られて粗動機構６２０の変位量の制御を行うループをなし、他方は変位比較器７４２に送られ粗動機構６２０の速度制御のループをなす。

微動変位情報は、第１切替部７１５の倣い測定側端子７１５ａを介して位置補償器７３１に送られ、微動機構６１０の変位を補って微動機構６１０の変位を所定の微小範囲に収めるために必要な速度指令として速度比較器７４４に出力される。

接触部２１２の変位は、変位検出センサで検出され、変位量信号としてプローブカウンタ７４１に送られる。そして、プローブカウンタ７４１にて変位量信号がカウントされて、粗動機構６２０と微動機構６１０との合成変位である接触部２１２の変位が算出される。プローブカウンタ７４１にてカウントされた接触部２１２の変位量は変位比較器７４２に送られる。一方、プローブカウンタ７４１からの接触部２１２の実変位量は、形状解析部５３０に送られて測定データとなる。

微動変位情報とプローブカウンタ７４１から出力された変位情報とは変位比較器７４２で比較されこの差が算出される。変位比較器７４２からの出力は微分回路７４３に送られて微分され速度情報として速度比較器７４４に出力される。

速度比較器７４４では、位置補償器７３１からの出力値と微分回路７４３からの速度情報とが比較されてこの差が算出される。算出結果は、粗動機構６２０にさらに加えるべき速度を意味し、速度補償器７４５によって、粗動機構６２０にさらに加えるべき電流値に変換される。速度補償器７４５からの出力は、粗動機構６２０にさらに加えるべき電流値を意味し、粗動機構駆動アンプ７５０に出力される。粗動機構駆動アンプ７５０は、速度補償器７４５から入力される電流値に基づいて粗動機構６２０の可動コイル６４２に電流を印加する。すると、可動コイル６４２が永久磁石６４１の磁界中で変位され、粗動機構６２０が駆動される。可動コイル６４２が変位されると、可動部６４３が変位されて、このとき微動機構６１０と測定部２１０が変位される。

このように微動機構６１０および粗動機構６２０によって測定部２１０が変位される。
接触部２１２の変位量は、プローブカウンタ７４１から形状解析部５３０に出力される。プローブカウンタ７４１による接触部２１２の変位量は三次元駆動機構３００の駆動量とともに処理され、被測定物表面Ｓの測定データとされる。

次に、タッチ測定を行う場合について説明する。
タッチ測定をするにあたっては、第１から第３切替部７１５、７１６、７３３をタッチ測定側端子７１５ｂ、７１６ｂ、７３３ｂに繋ぐ。そして、位置比較器７３２に粗動機構６２０の固定位置の情報を入力する。また、プローブカウンタ７４１にてカウントされる接触部変位と微動変位情報算出部７１２からの微動変位情報との差が変位比較器７４２から出力されて第３切替部７３３の位置比較器７３２に入力される。すると、位置比較器７３２において、粗動機構６２０の変位を固定位置にするための信号が出力され、タッチ測定側端子７３３ｂから粗動速度制御部７４０、粗動機構駆動アンプ７５０を介して可動コイル６４２に所定の電流が印加され、粗動機構６２０の可動コイル６４２が固定位置に制御される。そして、粗動機構６２０のこの固定位置で固定される。また、第２切替部７１６がタッチ測定側端子７１６ｂに切り替えられると、タッチ測定側端子７１６ｂには例えば０の信号が入力されているので、微動機構６１０は駆動されず、圧電素子６１２の自然の長さの状態となる。この場合、タッチ測定側端子７１６ｂに所定の信号を加えて、圧電素子６１２を所定位置へ位置決めさせても良い。

この状態で、三次元駆動機構３００によりプローブ２００が移動されてタッチ測定が行われる。つまり、三次元駆動機構３００により接触部２１２が被測定物表面Ｓに向けて移動され、接触部２１２が被測定物表面Ｓに接触すると測定力検出回路２１９により接触部２１２に被測定物表面Ｓから作用する測定力が検出される。測定力検出回路２１９からの測定力信号は第１切替部７１５を介して接触検出部７１４に入力され、接触検出部７１４においてタッチ検出測定力に比較される。測定力信号がタッチ検出測定力に達するまで接触部２１２が被測定物表面Ｓに押し込まれていき、タッチ検出測定力に達したところで、接触検出部７１４からタッチ信号が出力される。

タッチ信号は三次元駆動機構制御部５１０に入力され、タッチ信号を受けると接触部２１２が被測定物表面Ｓから離間させられ、また次のサンプリング点にて接触部２１２の接触と離間が実行される。タッチ信号は、ラッチカウンタ５２２に入力され、ラッチカウンタ５２２はタッチ信号を受けて三次元カウンタ５２１のカウント値をラッチして、形状解析部５３０に出力する。形状解析部５３０によりタッチ信号が出力されたときの接触部２１２の位置がプロットされて、被測定物表面Ｓ形状が求められる。

このような構成を備える第２実施形態によれば、次の効果を奏することができる。
微動機構６１０と粗動機構６２０とを備えているので、倣い測定において、被測定物表面Ｓの微小凹凸に対しては応答速度が速い微動機構６１０にて接触部２１２を微小変位させることができ、被測定物表面Ｓの大きな形状変化（うねり等）に対しては大きな変位を許容できる粗動機構６２０によって対応できる（図８参照）。

（変形例４）
本発明の変形例４について説明する。
被測定物表面Ｓが傾斜している場合、スタイラス軸方向に対してずれた方向から接触部２１２が被測定物表面Ｓに当接することになる。このとき、スタイラス２１１には軸と交差する力が作用するので、スタイラス２１１にたわみが生じる。このようにスタイラス２１１にたわみが生じると、接触部２１２と被測定物表面Ｓとの当接位置がスタイラス２１１のたわみの分だけずれてくる。そこで、形状解析部５３０に、被測定物表面Ｓの傾斜角と測定の際の測定力とで規定される補正パラメータをＸ、Ｙ、Ｚ方向でそれぞれ設定しておき、この補正パラメータにより検出された測定データを補正する。この構成によれば、被測定物表面Ｓが傾斜を有する場合でも、高精度に被測定物表面Ｓの形状を求めることができる。

なお、本発明は前述の実施形態に限定されず、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
例えば、測定力検出手段としては、加振手段と検出手段とで構成される例を説明したが、このほか、例えば、歪みゲージによって測定力を検出する構成であってもよい。
各実施形態において、ラッチカウンタは三次元カウンタ５２１をラッチするラッチカウンタ５２２のみを示したが、これに限らずプローブカウンタ４３０をラッチするプローブラッチカウンタを設け、ラッチカウンタ５２２とプローブラッチカウンタとをラッチカウンタとして構成し、この２つのラッチカウンタにてラッチされた接触部２１２の位置に基づいて被測定物表面形状を算出しても良い。例えば、サーボロックなどによって上下駆動機構２２０を所定の位置で停止させた場合に、タッチ測定を行うと、測定部２１０に微小変位が生じることがある（あるいは温度ドリフトによって微小変位が生じる）ため、高精度な測定を行う場合は、このようなプローブラッチカウンタを併用することが好ましい。
また、各実施形態において、変位検出手段としては、リニアエンコーダを示したが、これに限らずアナログ型の検出器や干渉計等の非接触型の検出器であってもよい。また、カウンタはアナログ型の検出器の出力を、AD変換してデジタル量で出力するものでも、あるいはアナログ量で出力するものでも良い。

本発明は、表面形状測定装置に利用できる。

本発明の表面形状測定装置に係る第１実施形態の構成を示す図。 第１実施形態において、倣い測定をする際の振動レベルの変化を示す図。 第１実施形態において、タッチ測定をする際の振動レベルの変化とタッチ検出信号の出力タイミングを示す図。 第１実施形態において、被測定物表面を測定する様子を示す図。 変形例１の構成を示す図。 変形例１において、測定力信号と測定モードの切り替えとの関係を示す図。 第２実施形態の構成を示す図。 微動機構と粗動機構とで被測定物表面を倣い走査する様子を示す図。 プローブを利用した形状測定装置の構成を示す図。 加振型接触式プローブの構成を示す図。 プローブにて被測定物表面を倣い測定する様子を示す図。 被測定物表面にプローブが接触した際の検出信号の変化を示す図。

符号の説明

１００…表面形状測定装置、２００…プローブ、２１０…測定部、２１１…スタイラス、２１２…接触部、２１３…スタイラスホルダ、２１４…加振手段、２１５…圧電素子、２１６…加振回路、２１７…検出手段、２１８…圧電素子、２１９…測定力検出回路、２２０…上下駆動機構、２３０…変位量検出センサ、２３１…スケール、２３２…検出ヘッド、３００…三次元駆動機構、４００…上下駆動機構制御部、４１０…測定制御部、４１１…測定力比較部、４２０…タッチ測定制御部、４２１…接触検出部、４３０…プローブカウンタ、４４０…切替部、４４１…倣い測定側端子、４４２…タッチ測定側端子、４４３…切替操作部、４４４…切替制御部、４５０…駆動回路、５００…コントローラ部、５１０…三次元駆動機構制御部、５２０…カウンタ部、５２１…三次元カウンタ、５２２…ラッチカウンタ、５３０…形状解析部、６００…上下駆動機構、６１０…微動機構、６１１…微動固定部、６１２…圧電素子、６１３…可動要素、６２０…粗動機構、６３０…ハウジング、６４０…電磁アクチュエータ、６４１…永久磁石、６４２…可動コイル、６４３…可動部、６５０…粗動固定部、６６０…エアベアリング、６９２…圧電素子、７００…上下駆動機構制御部、７１０…微動機構制御部、７１１…測定力比較部、７１２…微動変位情報算出部、７１３…微動機構駆動アンプ、７１４…接触検出部、７１５…第１切替部、７１５ａ…測定側端子、７１５ｂ…タッチ測定側端子、７１６…第２切替部、７１６ａ…倣い測定側端子、７１６ｂ…タッチ測定側端子、７２０…粗動機構制御部、７３０…粗動変位制御部、７３１…位置補償器、７３２…位置比較器、７３３…第３切替部、７３３ａ…倣い測定側端子、７３３ｂ…タッチ測定側端子、７４０…粗動速度制御部、７４１…プローブカウンタ、７４２…変位比較器、７４３…微分回路、７４４…速度比較器、７４５…速度補償器、７５０…粗動機構駆動アンプ。

Claims (4)

1. 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測定力を検出する測定力検出手段を有する測定部と、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手段と、前記測定力検出手段にて検出される測定力の大きさに基づいて前記移動手段を制御する駆動制御部と、を備え、前記接触部を前記被測定物表面に接触させて被測定物表面を測定する表面形状測定装置であって、
   前記駆動制御部は、
   前記測定力が予め設定された倣い指定測定力となるように前記移動手段を制御して前記接触部を被測定物表面に沿って倣い移動させて倣い測定を実行する倣い測定制御部と、
   前記倣い指定測定力よりも小さい値に設定されたタッチ検出測定力で前記接触部を前記被測定物表面に接触させた後に前記接触部を前記被測定物表面から離間させるように前記移動手段を制御して被測定物表面をタッチ測定する動作を繰り返し実行させるタッチ測定制御部と、
   前記倣い測定制御部と前記タッチ測定制御部とのうち動作する一方を切り替え選択する切替部と、前記切替部の切替動作を制御する切替制御部と、を備え、
   前記測定力検出手段は、測定力を検出可能な所定の測定力検出方向を有し、
   前記測定力検出方向に沿った方向で前記接触部が被測定物表面に接触する場合には前記倣い測定制御部にて倣い測定が実行され、
   前記測定力検出方向からずれた方向で前記接触部が前記被測定物表面に接触する場合には前記タッチ測定制御部にてタッチ測定が実行される
   ことを特徴とする表面形状測定装置。
2. 請求項１に記載の表面形状測定装置において、
   前記接触部の変位を検出して変位検出信号を出力する変位検出手段を備え、
   前記タッチ測定制御部は前記測定力が前記タッチ検出測定力に達した際にタッチ検出信号を出力する接触検出部を備え、
   前記駆動制御部は、
   前記変位検出信号をカウントして前記接触部の位置を算出するカウンタと、
   前記タッチ検出信号を受けて前記カウンタにて算出された前記接触部の位置をラッチするラッチカウンタと、
   前記カウンタにて算出された前記接触部の位置および前記ラッチカウンタにてラッチされた前記接触部の位置に基づいて被測定物表面形状を算出する形状解析部と、を備える
   ことを特徴とする表面形状測定装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の表面形状測定装置において、
   前記倣い測定制御部は、前記被測定物表面が前記測定力検出方向に対してなす角に応じて前記倣い指定測定力を変更する
   ことを特徴とする表面形状測定装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の表面形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形状測定装置。

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