JP6133678B2 - 表面性状測定装置およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は表面性状測定装置およびその制御方法に関する。

被測定物表面をスタイラスで倣い走査することで被測定物表面の性状（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に開示された表面性状測定装置は、円弧運動可能に支持された測定アームと、測定アームの先端に設けられたスタイラスと、スタイラスが所定の測定力で被測定物に当接するように測定アームに力を作用させる測定力付与手段と、測定アームをステージに対して相対移動させる移動機構と、測定アームの円弧運動による変位を検出する変位検出部と、を備えている。

特開２０１２−２２５７４２号公報

図９に、表面性状測定装置の測定アームを示す。測定アーム１０の先端側（図９において左側）において、長手方向に対して垂直に突出するように上向きのスタイラス１１と下向きのスタイラス１２とが設けられている。測定アーム１０は、回転軸１３を中心として回動するように支持されている。

測定アーム１０の基端側（図９において右側）にはボイスコイルモータ２０が設けられている。ボイスコイルモータ２０に電流が印加されると、測定アーム１０が回転軸１３を中心として円弧方向（ここでは上下方向のいずれか）に付勢される。（この場合、ボイスコイルモータ２０が測定力付与手段を構成することになる。）

図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）は、測定アーム１０で測定対象Ｗの被測定面Ｓを倣い測定する様子を示す図である。
被測定面Ｓが測定アーム１０に対して下側にある場合、スタイラス１２の先端を被測定面Ｓに接触させ、さらに、被測定面Ｓとスタイラス１２との間に一定の測定力が生じるように測定アーム１０の先端を下向きに付勢する（図１０中の矢印Ｍ_Ｄ）。
（なお、逆に、被測定面Ｓが測定アーム１０に対して上側にある場合、測定アーム１０の先端を上向きに付勢するようにする。）

ここで、測定アーム１０が倣い移動しながら追従できる限界の角度がある。この追従できる限界の角度を追従限界角度と称することとする。

図１０（Ａ）は、被測定面Ｓの傾斜角度が緩やかである場合を示す図である。このような場合には、被測定面Ｓの傾斜角度が追従限界角度以下であるので、スタイラス１２を被測定面Ｓに一定の測定力で接触させながらスタイラス１２を被測定面Ｓに沿って倣い移動させることができる。

図１０（Ｂ）は、被測定面Ｓの傾斜角度が追従限界角度を超えている場合を示す図である。このような場合、被測定面Ｓの傾斜角度が追従限界角度を超えているので、測定アーム１０が被測定面Ｓに沿って追従できない。すると、スタイラス１２が被測定面Ｓから離れて浮き上がってしまうことになる。このとき、測定アーム１０の先端には、自重に掛かる重力に加えて、ボイスコイルモータ２０による下向きの付勢力が掛かっている。従って、測定アーム１０の先端が落下するように測定アーム１０が勢いよく回動してしまうことになる。

なお、測定アーム１０の先端が落下するように測定アーム１０が勢いよく回動することを、今後は、「測定アームが落下する」と表現することがある。

スタイラス１２が被測定面Ｓから浮き上がった後に、測定アームが勢いよく落下してスタイラス１２が被測定面Ｓに衝突することがある。すると、スタイラス１２および被測定物Ｗが損傷するという問題が生じる。

本発明の目的は、スタイラスが測定対象と衝突するような事故を防止できる表面性状測定装置を提供することにある。

本発明の表面性状測定装置は、
被測定物の被測定面に接触しながら前記被測定面を倣い走査することによって被測定面の表面性状を測定する粗さ測定器と、前記粗さ測定器が前記被測定面に沿って倣い走査するように前記粗さ測定器と前記被測定物とを三次元的に相対移動させる相対移動機構と、前記粗さ測定器および前記相対移動機構の動作を制御する制御装置と、を具備した表面性状測定装置であって、
前記粗さ測定器は、
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、前記測定アームを円弧運動方向へ付勢して前記スタイラスに測定力を付与する測定力付与手段と、を有し、
前記制御装置は、
前記測定力の向きおよび大きさを指令する測定力指令を出力する測定力指令部と、前記測定力付与手段に制御信号を印加することにより前記測定力付与手段によって発生する前記測定力の向きおよび大きさを制御する測定力制御部と、を備え、
前記測定力制御部は、
前記変位検出器からの変位検出信号を監視し、前記測定アームの変位速さが所定閾値以下であるときは、前記測定力指令に応じた向きおよび大きさの測定力が発生するように前記制御信号を前記測定力付与手段に印加し、
前記測定アームの変位速さが所定閾値を超えた場合には、前記測定アームの先端を上方に持ち上げる方向の力が前記測定力付与手段に発生するようにフィードバックを掛ける
ことを特徴とする。

本発明では、
前記測定力制御部は、
前記測定力指令の値に応じた電圧信号である測定力指令電圧を生成する測定力指令電圧生成部と、
前記測定アームの先端を上方に持ち上げる方向の力を前記測定力付与手段に発生させる電圧信号であるフィードバック信号を生成するフィードバック信号生成部と、
前記測定力指令電圧から前記フィードバック信号を減算する減算手段と、
前記変位検出器からの変位検出信号に基づいて、前記測定アームの変位速さが所定閾値を超えたか否かを判定する判定回路と、を備え、
前記判定回路は、前記測定アームの変位速さが所定閾値を超えたと判定した場合に、前記フィードバック信号が前記減算手段に入力されるようにする
ことが好ましい。

本発明では、
フィードバック信号生成部は、前記変位検出器からの変位検出信号の周波数値に応じた電圧信号を生成する周波数電圧変換回路で構成されている
ことが好ましい。

本発明では、
前記フィードバック信号生成部と減算手段との間にスイッチ手段が設けられ、
前記判定回路は、
前記測定アームの変位速さが所定閾値を超えた場合には前記スイッチ手段をオンにし、
前記測定アームの変位速さが所定閾値以下である場合には前記スイッチ手段をオフにする
ことが好ましい。

本発明の表面性状測定装置の制御方法は、
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、前記測定アームの先端に設けられたスタイラス、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、および、前記測定アームを円弧運動方向へ付勢して前記スタイラスに測定力を付与する測定力付与手段を有する粗さ測定器と、
前記粗さ測定器が被測定物の被測定面に沿って倣い走査するように前記粗さ測定器と前記被測定物とを三次元的に相対移動させる相対移動機構と、を具備した表面性状測定装置の制御方法であって、
前記測定力の向きおよび大きさを指令する測定力指令に基づいた制御信号を前記測定力付与手段に印加することにより前記測定力付与手段によって発生する前記測定力の向きおよび大きさを制御し、
前記変位検出器からの変位検出信号を監視し、前記測定アームの変位速さが所定閾値以下であるときは、前記測定力指令に応じた向きおよび大きさの測定力が発生するように前記制御信号を前記測定力付与手段に印加し、
前記測定アームの変位速さが所定閾値を超えた場合には、前記測定アームの先端を上方に持ち上げる方向の力が前記測定力付与手段に発生するようにフィードバックを掛ける
ことを特徴とする。

本発明により、スタイラスが測定対象と衝突してしまうような測定アームの落下を抑止することができる。

第１実施形態に係る表面性状測定装置を示す図。 第１実施形態において、Ｘ軸駆動機構および粗さ測定器の構成を示す図。 第１実施形態において、制御装置の機能ブロック図。 測定力制御部の機能ブロック図。 下向き面Ｓ_Ｄと上向き面Ｓ_Ｕとを有する被測定物Ｗを連続的に測定する様子を示す図。 信号の符号の正負を説明するための図である。 傾斜角度が緩やかな被測定面を倣い測定する様子を示す図。 大きな傾斜角度を有する被測定面を倣い測定する様子を示す図。 背景技術として、表面性状測定装置の測定アームを示す図。 測定アームで被測定面Ｓを倣い測定する際の課題を説明するための図。

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の構成自体は既知のものであるが、簡単に説明しておく。
表面性状測定機２００は、
ベース２１０と、
ベース２１０上に配置され上面に被測定物Ｗを載置するステージ２２０と、
被測定面Ｓに当接するスタイラスを有するとともにスタイラスの微小上下動を検出する粗さ測定器２３０と、
粗さ測定器２３０とステージ２２０とを相対移動させる相対移動機構２５０と、を備える。

まず、相対移動機構２５０について説明する。
相対移動機構２５０は、Ｙ軸駆動機構２６０と、Ｚ軸駆動機構２７０と、Ｘ軸駆動機構２８０と、を備える。
Ｙ軸駆動機構２６０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。また、Ｚ軸駆動機構２７０は、ベース２１０の上面に立設されたＺコラム２７１と、Ｚコラム２７１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２７２と、を備える。Ｙ軸駆動機構２６０およびＺ軸駆動機構２７０は、詳しい図示を省略するが、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２６０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２６１（図３参照）が付設され、Ｚ軸駆動機構２７０にはＺスライダ２７２の昇降量を検出するためのＺ方向位置検出器２７３（図３参照）が付設されている。

Ｘ軸駆動機構２８０は、Ｚスライダ２７２の内部に設けられており、粗さ測定器２３０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２７２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軸駆動機構および粗さ測定器の構成を示す図である。図２においては、Ｚスライダ２７２の内部と、粗さ測定器２３０のケーシング２３６の内部を示している。
Ｘ軸駆動機構２８０は、ガイドレール２８１と、Ｘスライダ２８２と、Ｘ方向位置検出器２８３と、送り機構２８４と、を備える。

ガイドレール２８１がＸ方向に沿って固定的に設けられ、ガイドレール２８１を摺動可能にＸスライダ２８２が設けられている。
Ｘ方向位置検出器２８３は、Ｘスライダ２８２のＸ軸方向位置を検出する。送り機構２８４は、送りねじ軸２８５と、モータ２８６と、動力伝達機構２８７と、を有し、送りねじ軸２８５とＸスライダ２８２とが螺合している。モータ２８６の回転動力は動力伝達機構２８７を介して送りねじ軸２８５に伝達される。送りねじ軸２８５の回転によりＸスライダ２８２がＸ軸方向に沿って移動する。

さて次に粗さ測定器２３０の構成を説明する。
粗さ測定器２３０は、ブラケット２３１と、測定アーム２３３と、スタイラス２３３Ｕ、２３３Ｄと、バランスウェイト２３４と、変位検出器２３５と、測定力付与手段２４０と、ケーシング２３６と、を備える。

Ｘスライダ２８２にブラケット２３１が吊り下げ支持され、ブラケット２３１には、回転軸２３２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２３３が支持されている。スタイラス２３３Ｕ、２３３Ｄは、測定アーム２３３の先端（図２中の左端）において測定アーム２３３の長手方向に対して垂直に突設されている。ここで、スタイラス２３３Ｕが上向きに設けられ、スタイラス２３３Ｄが下向きに設けられているとする。バランスウエイト２３４は、測定アーム２３３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。

変位検出器２３５は、測定アーム２３３の円弧運動量（Ｚ軸方向の変位量）を検出する。変位検出器２３５は、測定アーム２３３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２３５Ａと、スケール２３５Ａに対向して設けられた検出ヘッド２３５Ｂと、を有する。スケール２３５Ａは、測定アーム２３３の基端側において、測定アーム２３３と一体的に変位するように測定アーム２３３に固定されている。また、検出ヘッド２３５Ｂは、図示しない支持部材により、ブラケット２３１に対して固定的に配設されている。測定アームの円弧運動は検出ヘッド２３５Ｂにより検出され、検出ヘッド２３５Ｂは、測定アーム２３３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。

測定力付与手段２４０は、測定アーム２３３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２３３の先端が上方向または下方向に付勢されるように測定アーム２３３に力を掛ける。
測定力付与手段２４０は、磁石２４１とボイスコイル２４２とで構成されている。磁石２４１は円筒形状であって、測定アーム２３３の途中に設けられている。ボイスコイル２４２は磁石２４１を貫通するように配置されている。ボイスコイル２４２は固定的に設けられており、例えば、ブラケット２３１に固定されていてもよい。

ボイスコイル２４２に電流が流れると、ボイスコイル２４２に磁力が発生する。すると、ボイスコイル２４２と磁石２４１との相互作用により、測定アーム２３３の先端が上方向または下方向へ付勢される。このとき、ボイスコイル２４２に流れる電流量（電流値）が変わると、測定アームに掛かる付勢力の強弱が変化する。したがって、この構成により、スタイラスと被測定面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。

また、ボイスコイル２４２に流れる電流の向きを切り替えることで測定アーム２３３に掛かる付勢力の方向が切り替わる。例えば、測定アーム２３３の先端を上向きに付勢していたものが下向きに変わるということである。したがって、測定力付与手段２４０は、測定姿勢切替え手段としての機能も兼ねている。

以上の構成において、相対移動機構２５０（Ｙ軸駆動機構２６０、Ｚ軸駆動機構２７０、Ｘ軸駆動機構２８０）により、粗さ測定器２３０を被測定物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、粗さ測定器２３０のスタイラス２３３Ｕ、２３３Ｄを被測定面Ｓに接触させながら粗さ測定器２３０を被測定面Ｓに沿って倣い移動させる。このときのスタイラス２３３Ｕ、２３３Ｄの微小上下動は測定アーム２３３の揺動量として変位検出器２３５で検出される。従って、被測定物の輪郭形状のみならず、被測定面の表面性状（微小凹凸、うねり）も測定することができる。

ここで、粗さ測定器２３０の測定アーム２３３は被測定面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２３３を固定的に支持することはできない。測定アーム２３３は回転軸２３２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２３４、測定力付与手段２４０からの付勢力および被測定面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ている。

次に図３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（測定力指令部）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４００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被測定面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２６１、Ｚ方向位置検出器２７３、Ｘ方向位置検出器２８３および変位検出器２３５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２６０、Ｚ軸駆動機構２７０およびＸ軸駆動機構２８０に駆動信号を印加し、粗さ測定器２３０を被測定面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２６０、Ｚ軸駆動機構２７０およびＸ軸駆動機構２８０のそれぞれに駆動パルスを出力する。

（測定力制御部の構成）
図４は、測定力制御部の機能ブロック図である。
測定力制御部４００について説明する。測定力制御部４００は、測定力付与手段２４０のボイスコイル２４２に印加する制御電流Ｉを制御することで測定力の大きさおよび向きを制御する。測定力制御部４００には、中央制御部３２０からの測定力指令と変位検出器２３５からの変位検出パルスが入力され、これら測定力指令と変位検出パルスとに基づいてボイスコイル２４２に印加する制御電流Ｉの値を制御する。

測定力制御部４００は、デジタルアナログ変換器（測定力指令電圧生成部）４１０と、周波数電圧変換回路（フィードバック信号生成部）４２０と、スイッチ手段４３０と、減算器４４０と、電圧電流変換回路４５０と、判定回路４６０と、を備えている。

デジタルアナログ変換器４１０は、中央制御部３２０から測定力指令を受けて、この測定力指令に応じた電圧信号Ｖ_Ａを出力する。ここに、デジタルアナログ変換器４１０が測定力指令電圧生成部を構成する。電圧信号Ｖ_Ａは減算器４４０の加算側端子に入力される。ここでいう測定力指令には、スタイラス２３３Ｕ、２３３Ｄが被測定面Ｓを押す測定力（接触応力）の大きさの指令の他、測定アーム２３３の先端を上向きに付勢するかまたは下向きに付勢するかといった付勢力の方向（測定姿勢）の指令を含む。また、例えば被測定物の設計データに基づいて被測定物の形状が分かっている場合、中央制御部３２０は、スタイラス２３３Ｕ、２３３Ｄが被測定物の表面を一定の測定力で倣い走査するように測定力指令を発生させる。
ここに、中央制御部３２０が測定力指令部を構成する。
また、電圧信号Ｖ_Ａは、中央制御部３２０からの測定力指令をそれに応じた電圧値に変換した信号であるので、本発明では、デジタルアナログ変換器４１０からの電圧信号Ｖ_Ａを測定力指令電圧と称することがある。

周波数電圧変換回路４２０には変位検出器２３５からの変位検出パルスが入力される。周波数電圧変換回路４２０は、変位検出パルスの周波数に応じた電圧信号Ｖ_Ｂを出力する。変位検出器２３５は測定アーム２３３の円弧運動量を検出するものであるところ、測定アーム２３３の円弧運動が速くなると変位検出パルスの周波数は高くなる。
逆に、測定アーム２３３の円弧運動が遅くなると変位検出パルスの周波数は低くなる。したがって、測定アーム２３３の円弧運動が速くなると周波数電圧変換回路４２０からの電圧信号Ｖ_Ｂは高くなり、測定アーム２３３の円弧運動が遅くなると周波数電圧変換回路４２０からの電圧信号Ｖ_Ｂは低くなる。
言ってみれば、電圧信号Ｖ_Ｂは、測定アーム２３３の円弧運動の速さを電圧に変換したフィードバック信号に相当する。従って、本明細書では、周波数電圧変換回路４２０からの電圧信号Ｖ_Ｂをフィードバック電圧信号と称することがある。
ここに、周波数電圧変換回路４２０がフィードバック信号生成部を構成する。

スイッチ手段４３０は、周波数電圧変換回路４２０と減算器４４０との間に設けられており、周波数電圧変換回路４２０からの電圧信号Ｖ_Ｂはスイッチ手段４３０を介して減算器４４０の減算側端子に入力される。スイッチ手段４３０は、判定回路４６０における判定結果に応じてオンオフ制御されるものであるが、詳しくは後述する。スイッチ手段４３０は例えばＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチであってもよく、もちろんメカニカルスイッチであってもよい。

減算器４４０は、電圧信号Ｖ_Ａから電圧信号Ｖ_Ｂを減算して電圧信号Ｖ_Ｃを生成し、この電圧信号Ｖ_Ｃを電圧電流変換回路４５０に出力する。なお、電圧信号Ｖ_Ａとは、測定力指令に応じてデジタルアナログ変換器４１０から出力される電圧信号である。
電圧信号Ｖ_Ｂとは、測定アーム２３３の円弧運動の速さに応じて周波数電圧変換回路４２０から出力される電圧信号（フィードバック電圧信号）である。そして、電圧信号Ｖ_Ａから電圧信号Ｖ_Ｂを減算して生成される電圧信号Ｖ_Ｃは、測定力付与手段に発生する力の向きおよび大きさを制御する電圧信号となる。従って、本明細書では、減算器４４０からの電圧信号Ｖ_Ｃを制御電圧信号Ｖ_Ｃと称することがある。

電圧電流変換回路４５０は、制御電圧信号Ｖ_Ｃの電圧レベルに応じた制御電流Ｉを生成し、この制御電流Ｉをボイスコイル２４２に印加する。

判定回路４６０は、スイッチ手段４３０をオンオフ制御する。判定回路４６０には変位検出器２３５からの変位検出パルスが入力され、判定回路４６０は、変位検出パルスの周波数の高低に応じてスイッチ手段４３０のオンオフを切り替える。
判定回路４６０には所定の周波数閾値が設定されており、判定回路４６０は、変位検出パルスが前記周波数閾値を超えているか否かを判定する。そして、変位検出パルスの周波数が前記周波数閾値を超えた場合、判定回路４６０は、スイッチ手段４３０をオン（閉）にする。スイッチ手段４３０がオン（閉）になると、フィードバック電圧信号Ｖ_Ｂが減算器４４０に入力されるようになる。
一方、変位検出パルスの周波数が周波数閾値以下である場合、判定回路４６０は、スイッチ手段４３０をオフ（開）にする。スイッチ手段４３０がオフ（開）になると、フィードバック電圧信号Ｖ_Ｂが減算器４４０に入力されなくなる。

（動作の説明）
次に、上記構成を有する本第１実施形態の動作を説明する。
倣い測定を行う基本的な動作は既存技術と同じであるので、以下では、本実施形態の特徴的部分である測定力制御部４００の動作を中心に説明する。測定動作中に出現する典型的ないくつかの場面を例にして、測定力制御部４００の動作を説明する。

（測定方向（測定姿勢）の切替え動作）
被測定物の表面を測定するにあたって、測定方向（測定姿勢）を切り替える場面がある。例えば図５に示すように、被測定物Ｗが下向き面Ｓ_Ｄと上向き面Ｓ_Ｕとを有し、下向き面Ｓ_Ｄを倣い測定した後（図５（Ａ））、続けて上向き面Ｓ_Ｕを倣い測定する（図５（Ｂ））ような場合がある。この場合、下向き面Ｓ_Ｄを倣い測定する際（図５（Ａ））には測定アーム２３３の先端には上向きの付勢力（測定力）を掛け（図５中の矢印Ｍ_Ｕ）、上向き面Ｓ_Ｕを倣い測定する際（図５（Ｂ））には測定アーム２３３の先端には下向きの付勢力（測定力）Ｍ_Ｄを掛ける必要がある。したがって、図５（Ａ）の状態から図５（Ｂ）の状態に遷移するにあたって、測定力の方向を上向き（Ｍ_Ｕ）から下向き（Ｍ_Ｄ）に切り替えることになる。

本発明では被測定面Ｓが下向きであるか上向きであるかを厳密に定義する必要はないが、例えば、被測定面Ｓ上の一点から空間に向かう法線ベクトルが鉛直方向下向きの成分を持っていれば、その被測定面Ｓは下向き面Ｓ_Ｄであるとすればよい。逆に、被測定面Ｓ上の一点から空間に向かう法線ベクトルが鉛直方向上向きの成分を持っていれば、その被測定面Ｓは上向き面Ｓ_Ｕであるとすればよい。

説明の便宜上、測定力が上向き（Ｍ_Ｕ）の時の測定力指令の符号を負とする。この状態でボイスコイル２４２に流れる制御電流Ｉの向きを負とする（図６（Ａ）を参照されたい）。次に、図６（Ｂ）のように測定力を下向き（Ｍ_Ｄ）に切り替えたときの測定力指令の符号を正とする。この状態でボイスコイル２４２に流れる制御電流Ｉの向きを正とする（図６（Ｂ）を参照されたい）。図６（Ａ）から図６（Ｂ）の状態になる際にボイスコイル２４２に流れる制御電流Ｉの向きが逆になることになる。
測定力指令の符号が逆になると、測定アーム２３３の先端に急激に下向きの付勢力（測定力）Ｍ_Ｄが掛かる。さらに、測定アーム２３３には重力も掛かっているので、測定アームが急に下向きに変位しそうであるが、この点、本実施形態ではフィードバックが掛かって測定アーム２３３の変位速度が所定値以下に抑制されるようになっている。

なお、ボイスコイル２４２に流れる電流を徐々に小さくして０にし、さらに徐々に正電流を流していく、という方法は有り得る。しかし、この場合でも、ボイスコイル２４２に流れる電流が例えば０になってしまうと測定アーム２３３の重さを支える力が無くなってしまうのであるから、その瞬間、測定アームは重力で落下し、急に下向きに変位することになる。

信号の流れを順を追って説明する。
測定力を上向き（Ｍ_Ｕ）から下向き（Ｍ_Ｄ）に切り替えるにあたって、中央制御部３２０からの測定力指令が負から正の値に切り替わったとする。測定力指令はデジタルアナログ変換器４１０によって指令値に応じたアナログ電圧信号Ｖ_Ａに変換されて出力される。測定力指令が正のときの電圧指令値（電圧信号Ｖ_Ａ）の符号を正とする。電圧信号Ｖ_Ａは減算器４４０を介して電圧電流変換回路４５０に入力され、電圧信号Ｖ_Ａの大きさに応じた制御電流Ｉとしてボイスコイル２４２に印加される。このようにして、測定力指令に応じた制御電流Ｉがボイスコイル２４２に印加されると、測定アーム２３３の先端には下向きの付勢力（測定力）Ｍ_Ｄが掛かる。測定アーム２３３の先端には下向きの付勢力（測定力）Ｍ_Ｄと重力とが掛かるので、測定アーム２３３の先端は急に下向きに変位する。

この瞬間、測定アーム２３３の先端の急速な（下向き）変位は、変位検出器２３５で検出され、検出された変位信号パルスは周波数電圧変換回路４２０および判定回路４６０に入力される。ここでは、測定アーム２３３の先端が急速に下向きに変位して、その変位検出パルスの周波数がかなり高く、周波数閾値を超えたとする。

この場合、判定回路４６０は、変位検出パルスの周波数が周波数閾値を超えたことを判定し、スイッチ手段４３０をオン（閉）にする。また同時に、周波数電圧変換回路４２０は、変位検出パルスの周波数をそれに応じた電圧信号Ｖ_Ｂに変換する。このようにして生成された電圧信号Ｖ_Ｂは減算器４４０の減算側端子に入力される。

減算器４４０においては、制御電圧Ｖ_Ｃが測定力指令電圧Ｖ_Ａからフィードバック電圧Ｖ_Ｂを減算したものとして生成される。このとき、フィードバック電圧信号Ｖ_Ｂは負帰還されているのであるから、測定アーム２３３の先端の下方向変位（あるいは落下）に対して反対の作用を生じさせる。すなわち、フィードバック電圧信号Ｖ_Ｂは測定アーム２３３の先端を上方向に持ち上げる作用を有しており（図５（Ｂ）中の矢印Ｂ）、これによって、測定アーム２３３の先端の急激な下方向変位（落下）が抑制されるようになる。このようにして、測定アーム２３３の測定姿勢を上向きの付勢力が掛かった状態から下向きの付勢力が掛かる状態へ所定速度以下で移行させることができる。

（倣い測定動作時（その１））
次に、被測定面Ｓを倣い測定する際の動作を説明する。
まず、図１０（ａ）のように、被測定面Ｓの傾斜角度が緩やかで追従限界角度以下であるような場合を考える。なお、後の対比説明のため、被測定面Ｓは上向き面Ｓ_Ｕであるとする。傾斜角度が緩やかで追従限界角度以下である場合、測定動作は既知のものと同様になる。

倣い測定の開始に当たり、まず、図７に示すように、スタイラス２３３Ｄを被測定面Ｓ_Ｕに所定の測定力Ｍ_Ｄで接触させる。このとき、中央制御部３２０は、メモリ３３０に記憶された被測定物Ｗの設計データおよび予め設定された測定パートプログラムを読み出し、これに基づいて、スタイラス２３３Ｄを測定のスタート点に移動させるように動作制御部３５０に指令を送る。動作制御部３５０は、Ｙ軸駆動機構２６０、Ｚ軸駆動機構２７０およびＸ軸駆動機構２８０を駆動させて粗さ測定器２３０を移動させる。スタイラス２３３Ｄが測定のスタート点の直上に来たところで、中央制御部３２０は測定力制御部４００に対して一定の測定力を発生させる指令を送る。

ここでは被測定面Ｓが上向き面Ｓ_Ｕであるので、中央制御部３２０は、測定アーム２３３の先端を下向きに付勢するように測定力制御部４００に測定力指令を送る。下向きの付勢力を発生させる測定力指令によって測定アーム２３３の先端を下向きに付勢する動作については、前述の「測定方向の切替え動作」と同じである。すなわち、測定アーム２３３の急激な下方向変位（落下）に対してはフィードバックが掛かり、測定アーム２３３の先端は所定速度以下で徐々に下方向に変位する。

そして、図７に示すようにスタイラス２３３Ｄが被測定面Ｓ_Ｕに当接する。このとき、スタイラス２３３Ｄに対しては、測定アーム２３３自身の自重による重力と測定力付与手段（ボイスコイルモータ）２４０からの下向き付勢力とが合わさって下向きに掛かる。また、被測定面Ｓ_Ｕから上向きの反力がスタイラス２３３Ｄに掛かる。これにより、スタイラス２３３Ｄの先端と被測定面Ｓ_Ｕとは所定の測定力で接触することになる。被測定面Ｓ_Ｕから上向きの反力が掛かることによって測定アーム２３３が下から支えられ、落下しないようになっていることはいうまでもない。

被測定面Ｓ_Ｕに沿って（図７の紙面上で左から右へ）、Ｘ方向に倣い測定するにあたっては、被測定物の設計データおよび予め設定された測定パートプログラムに基づいて、中央制御部３２０から動作制御部３５０にＸ方向およびＺ方向への移動指令が送られる。すると、Ｘ軸駆動機構２８０およびＺ軸駆動機構２７０の駆動により、スタイラス２３３Ｄ（測定アーム２３３）が被測定面Ｓ_Ｕに沿ってＸ方向に倣い移動する。
Ｘ軸駆動機構２８０およびＺ軸駆動機構２７０の駆動量はそれぞれＸ方向位置検出器２８３およびＺ方向位置検出器２７３で検出され、各検出値は検出回路部３４０で収集される。さらに、被測定面Ｓ_Ｕの微小凹凸やうねりにより、スタイラス２３３Ｄが上下し、この上下変動は測定アーム２３３の円弧運動として変位検出器２３５にて検出される。変位検出器２３５からの検出信号（変位検出パルス信号）も検出回路部３４０にて収集される。検出回路部３４０にて収集された検出値は、測定データとして出力手段３１２から外部出力される。

ここで、図７に示す被測定面Ｓ_Ｕに傾斜があったとしてもその傾斜角度は緩やかである。したがって、Ｘ軸駆動機構２８０で粗さ測定器２３０をＸ方向に倣い移動させつつＺ軸駆動機構２７０で粗さ測定器２３０をＺ軸方向に昇降させることで、粗さ測定器２３０を被測定面Ｓ_Ｕに追従させることができる。すると、所定の測定力を保ちながらスタイラス２３３Ｄは被測定面Ｓ_Ｕとの接触を維持する。このとき、スタイラス２３３Ｄは被測定面Ｓ_Ｕの微小凹凸やうねりによってわずかに上下動するが、その変位速度は小さい。変位検出器２３５によって測定アーム２３３の円弧運動が検出され、その変位検出パルスは測定力制御部４００の周波数電圧変換回路４２０および判定回路４６０に入力されているが、被測定面Ｓ_Ｕの傾斜角度が追従限界角度以下であれば、判定回路４６０における閾値判定において変位検出パルスの周波数が周波数閾値を超えることがない。したがって、スイッチ手段４３０はオフ（開）のままとなり、すなわち、フィードバック制御は停止されている。
この場合、測定力付与手段２４０に対しては、中央制御部３２０からの測定力指令に基づく制御電流Ｉが印加されるだけであるので、この指令通りの所定測定力による倣い測定が実行されることになる。

（倣い測定動作時（その２））
次に、被測定面Ｓに大きな傾斜があり、この傾斜角度が追従限界角度を超えている場合を考える。図８に示す被測定面Ｓ_Ｕには点Ｘｐを過ぎたところに大きな傾斜がある。スタート点からスタイラス２３３Ｄを倣い移動させて点Ｘｐに至るところまでは前記「倣い測定動作時（その１）」で説明した通りである。

点Ｘｐを過ぎたところで大きな傾斜に差し掛かる。この傾斜の傾斜角度が大きすぎて、Ｘ軸駆動機構２８０による走査速度に対してＺ軸駆動機構２７０による昇降動作が間に合わないことになる。すると、粗さ測定器２３０が被測定面Ｓ_Ｕに追従できず、スタイラス２３３Ｄが被測定面ＳＵから離れてしまう。すると、被測定面Ｓ_Ｕからの上向き反力が無くなるので、測定アーム２３３は落下を始めることになる。

測定アーム２３３が落下を始めると、測定アーム２３３の先端は急に下向きに変位することになる。しかし、この瞬間、測定アーム２３３の先端の急速な下向きの変位は変位検出器２３５で検出され、検出された変位信号パルスは周波数電圧変換回路４２０および判定回路４６０に入力される。そして、判定回路４６０は、変位検出パルスの周波数が周波数閾値を超えたことを判定し、スイッチ手段４３０をオン（閉）にする。同時に、周波数電圧変換回路４２０は、変位検出パルスの周波数をそれに応じたフィードバック電圧信号Ｖ_Ｂに変換する。
従って、減算器４４０においては、制御電圧Ｃが測定力指令電圧Ｖ_Ａからフィードバック電圧Ｖ_Ｂを減算したものとして生成される。このフィードバック電圧Ｖ_Ｂにより、測定アーム２３３の先端を上方向に持ち上げる力（図８中の矢印Ｂ）が測定力付与手段（ボイスコイルモータ）２４０に発生し、これによって、測定アーム２３３の急激な下方向変位（落下）が抑制される。このようにして、被測定面Ｓ_Ｕの傾斜角度が大きすぎてスタイラス２３３Ｄが被測定面Ｓ_Ｕから離れても、測定アーム２３３が落下することはない。すなわち、測定アーム２３３の落下によってスタイラス２３３Ｄが被測定面Ｓ_Ｕに衝突するような事態は回避される。

フィードバックが掛かって測定アーム２３３の急激な下方向変位（落下）が抑制されると、周波数電圧変換回路４２０から出力されるフィードバック電圧信号Ｖ_Ｂは徐々に低くなる。また、変位検出パルスの周波数が周波数閾値以下になれば、判定回路４６０はスイッチ手段４３０をオフ（開）にする。したがって、フィードバック制御のループは自動的にオフになる。

なお、変位検出パルスの周波数が周波数閾値を超えたことが判定回路４６０によって検知された場合には、その旨が中央制御部３２０に報知されるようにし、中央制御部３２０からの指令により測定動作を中断させるようにしてもよい。

このような構成を有する第１実施形態によれば次の効果を奏する。
（１）変位検出器２３５にて検出した変位検出パルスを周波数電圧変換回路４２０および判定回路４６０にフィードバックさせ、変位検出パルスの周波数が周波数閾値を超えた場合にはフィードバックをオン（閉）にする。したがって、測定アーム２３３が急に落下動作を始めたとしてもすぐに落下を抑止し、落下によってスタイラス２３３Ｄが被測定物Ｗに衝突するといった事故を回避することができる。

（２）本実施形態では、判定回路４６０とスイッチ手段４３０とを設け、変位検出パルスの周波数が周波数閾値を超えた場合にだけスイッチ手段４３０をオン（閉）にするようにしている。すなわち、通常の倣い測定動作を行っているときにはフィードバック制御がオフになっており、必要なときにだけフィードバック制御がオン（閉）になるようにしている。常時フィードバック制御をオンにしておけば測定アーム２３３の落下を確実に防ぐことができるし、判定回路４６０やスイッチ手段４３０が不要になるとも考えられる（特開２０１２−２２５７４２号公報には判定回路およびスイッチ手段を持たない測定姿勢・測定力制御回路が開示されている）。
しかしながら、フィードバック制御を常時オンにしていると、スタイラス２３３Ｄ、２３３Ｕの微小上下運動がある度に測定力付与手段（ボイスコイルモータ）２４０に印加される制御電流Ｉが変動することになってしまう。これは測定力の変動を生じさせ、ひいては測定誤差に繋がる可能性もある。また、フィードバック制御を常時オンにするとなると、応答遅れを見込んでおく必要があるので倣い走査速度をあまり速くできず、測定効率を上げ難いということもある。
この点、本実施形態では、判定回路４６０とスイッチ手段４３０とを設け、通常の倣い測定を行っている間はフィードバック制御をオフ（開）にしている。従って、通常の倣い測定にあっては中央制御部３２０からの測定力指令に従った一定の測定力となり、このことは安定した測定結果に繋がる。

（変形例１）
上記第１実施形態にあっては、変位検出器から出力される変位検出パルス信号の周波数を監視し、この周波数が所定周波数閾値を超えたらフィードバック制御をオン（閉）にする、という制御を行っていた。
監視対象を「変位検出パルス信号の周波数」に代えて、測定アームの変位速度、すなわち、スタイラス２３３Ｕ、２３３Ｄの変位速度としてもよい。すなわち、下向きか上向きかという移動方向を含めた移動速度を監視対象とし、測定アーム（スタイラス２３３Ｄと言っても同義）が下向きに所定速度閾値以上で落下したことを検出した場合にフィードバック制御をオン（閉）にするようにしてもよい。この場合には、変位検出器から出力される変位検出パルス信号をそのまま測定力制御部にフィードバックするのではなく、例えば検出回路部３４０で速度の値に変換してから測定力制御部にフィードバックする。また、周波数電圧変換回路に代えて、速度値に応じた電圧を出力する速度電圧変換回路を適用する。このような変形例１でも測定アーム２３３（スタイラス２３３Ｕ、２３３Ｄ）の落下を検知して、測定アーム２３３（スタイラス２３３Ｕ、２３３Ｄ）の急激な下方向変位（落下）を抑止できることは理解されるであろう。

ただし、第１実施形態と変形例１と対比すると、第１実施形態の方が好ましいと言える。
第１実施形態のように変位検出パルス信号をそのままフィードバック信号として利用すれば応答速度が極めて速い。
一方、変形例１のように変位検出パルス信号を速度に換算するという処理を介在させると、その分だけ応答が遅くなる。
変位検出パルス信号の周波数の大きさだけでは、測定アーム２３３（スタイラス２３３Ｕ、２３３Ｄ）が上に変位しているのか下に落下しているのかという向きまでは分からない。
しかし、測定アーム２３３が意図せず急激に変位してしまう事態は重力による落下が主たる要因であり、重力で測定アーム２３３（スタイラス２３３Ｄ）が落下してしまった場合に被測定物Ｗとの衝突に繋がる恐れがある。

逆に、下向きの被測定面Ｓ_Ｄに対し、スタイラス２３３Ｕを上向きに付勢しながら被測定面Ｓ_Ｄを測定しているとする。
この場合、仮に被測定面Ｓ_Ｄの傾斜角度が大きくて追従不可能となり、スタイラス２３３Ｕが被測定面Ｓ_Ｄから離れたとしても、スタイラス２３３Ｕと被測定面Ｓ_Ｄとが衝突するという事態にはならない。

このように考えてみると、第１実施形態のように変位検出パルス信号をそのままフィードバック信号とし、測定アーム２３３を持ち上げる方向にフィードバック信号が作用するようにしておけば、スタイラス２３３Ｄと被測定面Ｓ_Ｕとの衝突は防げることがわかる。しかも、変位検出パルス信号をそのままフィードバック信号とすれば、応答が速く、構成も簡易であるという利点もある。

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。
ボイスコイルモータ２４０を測定アーム２３３に取り付けるにあたっては、磁石２４１を（例えばブラケットに）固定的に設け、ボイスコイル２４２を測定アーム２３３に取り付けるようにしてもよい。測定力付与手段２４０としては、ボイスコイルモータの他、圧電素子を利用したアクチュエータなどでも構成できる。

判定回路４６０は、スイッチ手段４３０のオンオフ制御のみならず、周波数電圧変換回路４２０のオンオフ制御も行ってもよい。すなわち、判定回路４６０は、変位検出パルス信号の周波数が周波数閾値を超えた場合にのみ周波数電圧変換回路４２０をオン（起動）にし、変位検出パルス信号の周波数が周波数閾値以下であれば周波数電圧変換回路４２０をオフ（停止）にしてもよい。判定回路４６０が周波数電圧変換回路４２０のオンオフ制御を行う場合、スイッチ手段４３０は省略してもよい。

上記第１実施形態では、測定力制御部４００に周波数電圧変換回路４２０を設けておき、周波数電圧変換回路４２０は、変位検出パルス信号の周波数に応じた電圧信号Ｖ_Ｂをフィードバック電圧信号として生成した。この場合、変位検出パルス信号の周波数が高ければそれだけ大きな電圧信号Ｖ_Ｂが生成されるので、測定アーム２３３の落下状況に応じたフィードバックが掛かるという利点がある。
ここで、測定アーム２３３の急激な落下を抑止するということだけを考えるなら、電圧信号Ｖ_Ｂは変位検出パルスの周波数に応じた値でなくてもよく、測定アーム２３３の落下を止めるかまたは測定アーム２３３の落下速度を緩和できる程度の値の電圧値であればよい。従って、このような場合には、フィードバック信号生成部には変位検出パルス信号を入力せず、フィードバック信号生成部は予め定められた電圧値を出力できるようになっていればよい。

上記実施形態では、測定力制御部４００をアナログ回路的に構成している。すなわち、測定力指令をまず最初にデジタルアナログ変換器４１０でアナログ変換し、その後、測定力指令電圧Ｖ_Ａからフィードバック電圧Ｖ_Ｂを減算する処理を行っている。これに対し、減算処理をデジタル演算として行ってもよいことはもちろんである。フィードバック信号をデジタル信号として生成しておき、測定力指令からフィードバック信号をデジタル論理演算で減算すればよい。
また、測定力制御部４００をＣＰＵおよびメモリで構成し、所定プログラムによってソフトウェア的に測定力制御部の各機能を実現してもよい。

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…粗さ測定器、２３１…ブラケット、２３２…回転軸、２３３…測定アーム、２３３Ｄ、２３３Ｕ…スタイラス、２３４…バランスウェイト、２３５…変位検出器、２３５Ａ…スケール、２３５Ｂ…検出ヘッド、２３６…ケーシング、２４０…測定力付与手段（ボイスコイルモータ）、２４１…磁石、２４２…ボイスコイル、２５０…相対移動機構、２６０…Ｙ軸駆動機構、２６１…Ｙ方向位置検出器、２７０…Ｚ軸駆動機構、２７１…Ｚコラム、２７２…Ｚスライダ、２７３…Ｚ方向位置検出器、２８０…Ｘ軸駆動機構、２８１…ガイドレール、２８２…Ｘスライダ、２８３…Ｘ方向位置検出器、２８４…送り機構、２８５…送りねじ軸、２８６…モータ、２８７…動力伝達機構、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（測定力指令部）、３３０…メモリ、３４０…検出回路部、３５０…動作制御部、４００…測定力制御部、４１０…デジタルアナログ変換器（測定力指令電圧生成部）、４２０…周波数電圧変換回路（フィードバック信号生成部）、４３０…スイッチ手段、４４０…減算器、４５０…電圧電流変換回路、４６０…判定回路。

Claims (5)

1. 被測定物の被測定面に接触しながら前記被測定面を倣い走査することによって被測定面の表面性状を測定する粗さ測定器と、前記粗さ測定器が前記被測定面に沿って倣い走査するように前記粗さ測定器と前記被測定物とを三次元的に相対移動させる相対移動機構と、前記粗さ測定器および前記相対移動機構の動作を制御する制御装置と、を具備した表面性状測定装置であって、
   前記粗さ測定器は、
   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、前記測定アームを円弧運動方向へ付勢して前記スタイラスに測定力を付与する測定力付与手段と、を有し、
   前記制御装置は、
   前記測定力の向きおよび大きさを指令する測定力指令を出力する測定力指令部と、前記測定力付与手段に制御信号を印加することにより前記測定力付与手段によって発生する前記測定力の向きおよび大きさを制御する測定力制御部と、を備え、
   前記測定力制御部は、
   前記変位検出器からの変位検出信号を監視し、前記測定アームの変位速さが所定閾値以下であるときは、前記測定力指令に応じた向きおよび大きさの測定力が発生するように前記制御信号を前記測定力付与手段に印加し、
   前記測定アームの変位速さが所定閾値を超えた場合には、前記測定アームの先端を上方に持ち上げる方向の力が前記測定力付与手段に発生するようにフィードバックを掛ける
   ことを特徴とする表面性状測定装置。
2. 請求項１に記載の表面性状測定装置において、
   前記測定力制御部は、
   前記測定力指令の値に応じた電圧信号である測定力指令電圧を生成する測定力指令電圧生成部と、
   前記測定アームの先端を上方に持ち上げる方向の力を前記測定力付与手段に発生させる電圧信号であるフィードバック信号を生成するフィードバック信号生成部と、
   前記測定力指令電圧から前記フィードバック信号を減算する減算手段と、
   前記変位検出器からの変位検出信号に基づいて、前記測定アームの変位速さが所定閾値を超えたか否かを判定する判定回路と、を備え、
   前記判定回路は、前記測定アームの変位速さが所定閾値を超えたと判定した場合に、前記フィードバック信号が前記減算手段に入力されるようにする
   ことを特徴とする表面性状測定装置。
3. 請求項２に記載の表面性状測定装置において、
   フィードバック信号生成部は、前記変位検出器からの変位検出信号の周波数値に応じた電圧信号を生成する周波数電圧変換回路で構成されている
   ことを特徴とする表面性状測定装置。
4. 請求項２または請求項３に記載の表面性状測定装置において、
   前記フィードバック信号生成部と減算手段との間にスイッチ手段が設けられ、
   前記判定回路は、
   前記測定アームの変位速さが所定閾値を超えた場合には前記スイッチ手段をオンにし、
   前記測定アームの変位速さが所定閾値以下である場合には前記スイッチ手段をオフにする
   ことを特徴とする表面性状測定装置。
5. 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、前記測定アームの先端に設けられたスタイラス、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、および、前記測定アームを円弧運動方向へ付勢して前記スタイラスに測定力を付与する測定力付与手段を有する粗さ測定器と、
   前記粗さ測定器が被測定物の被測定面に沿って倣い走査するように前記粗さ測定器と前記被測定物とを三次元的に相対移動させる相対移動機構と、を具備した表面性状測定装置の制御方法であって、
   前記測定力の向きおよび大きさを指令する測定力指令に基づいた制御信号を前記測定力付与手段に印加することにより前記測定力付与手段によって発生する前記測定力の向きおよび大きさを制御し、
   前記変位検出器からの変位検出信号を監視し、前記測定アームの変位速さが所定閾値以下であるときは、前記測定力指令に応じた向きおよび大きさの測定力が発生するように前記制御信号を前記測定力付与手段に印加し、
   前記測定アームの変位速さが所定閾値を超えた場合には、前記測定アームの先端を上方に持ち上げる方向の力が前記測定力付与手段に発生するようにフィードバックを掛ける
   ことを特徴とする表面性状測定装置の制御方法。

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