(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物表面に対する相対変位を検出する接触式のセンサまたは非接触式のセンサと、
前記センサを前記被測定物に対して、当該被測定物の高さ方向に沿って相対変位させる微動機構と、
前記微動機構を支持し、前記センサを前記被測定物に対して、当該被測定物の高さ方向に沿って相対変位させるとともに、前記微動機構よりも可動範囲が大きい粗動機構と、
前記センサが前記被測定物表面に対して相対変位した際に変化する状態量を検出する状態量検出手段と、
前記微動機構の動作を制御する微動機構制御手段と、
前記粗動機構の動作を制御する粗動機構制御手段とを備え、
前記微動機構制御手段は、前記状態量検出手段で検出した状態量に基づいて前記微動機構の動作を制御し、前記状態量が所定状態量を略維持するように、前記センサを前記被測定物表面に対して相対移動させるものであり、
前記粗動機構制御手段は、所定時間毎に、該所定時間内における前記センサと前記被測定物表面との相対変位量に応じた周波数パルス列を発生するパルス発生手段を含んで構成され、前記パルス発生手段で発生した周波数パルス列に基づいて前記粗動機構の動作を制御し、前記微動機構による前記センサと前記被測定物表面との相対変位量が所定相対変位量を略維持するように、前記センサを前記被測定物表面に対して相対移動させるものであることを特徴とするプローブ。
【請求項２】
請求項１に記載のプローブにおいて、
前記粗動機構制御手段は、前記微動機構による前記センサと前記被測定物表面との相対変位量と前記所定相対変位量との差を算出する変位量差算出手段と、
前記変位量差算出手段から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換して当該デジタル信号が前記パルス発生手段に入力されるＡ／Ｄ変換器と、
前記Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタル信号および前記パルス発生手段で発生した周波数パルス列に基づいて、前記被測定物表面に対する前記センサの相対変位方向を決定する変位方向設定手段と、
前記変位方向設定手段で決定した前記センサの相対変位方向が、前記被測定物の高さ方向に沿った一方向であるときにアップカウント信号が入力され、前記被測定物の高さ方向に沿った他方向であるときにダウンカウント信号が入力されるアップダウンカウンタと、
前記アップダウンカウンタから出力されるデジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器とを備えていることを特徴とするプローブ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のプローブにおいて、
前記状態量検出手段で検出される状態量は、前記接触式のセンサの場合、前記センサと前記被測定物表面との間に働く接触力であり、光を利用した非接触式のセンサの場合、前記被測定物表面から反射される光量であり、磁気を利用した非接触式のセンサの場合、磁界強度であることを特徴とするプローブ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プローブに係り、具体的に、たとえば被測定物の表面形状測定に利用されるプローブに関する。
【０００２】
【背景技術】
従来より、被測定物の表面粗さおよび輪郭を１つの形状測定機で測定することが知られている。
この形状測定機は、センサを備え、被測定物表面にセンサを追従させ、このときのセンサの移動量に基づいて、被測定物の表面粗さおよび輪郭を測定している。
このような形状測定機では、被測定物の表面粗さおよび輪郭を測定する際、被測定物表面の小さな凹凸および大きな凹凸の両方を、センサが追従できるように、当該センサの移動を正確に制御する必要がある。
このようなセンサの移動制御を正確に行えるように工夫された形状測定機としては、特願２０００−０７０２１６号（本出願人によるもの）に開示された形状測定機がある。
【０００３】
具体的に図７に示すように、この形状測定機１００は、測定機本体１０１と、、この測定機本体１０１の動作を制御する制御装置１４０とを備えている。
このうち、測定機本体１０１は、被測定物Ｗに接触するスタイラス１１１を有したセンサ１１０と、このセンサ１１０をＺ軸方向（被測定物Ｗの表面の高さ方向）へ移動させる移動機構１２０と、この移動機構１２０によるセンサ１１０の移動量を検出する変位検出手段１３０とを含んで構成されている。
【０００４】
センサ１１０は、図８に示すように、柱状に形成されかつ先端に被測定物Ｗと接触する接触部１１１Ａを有したスタイラス１１１と、このスタイラス１１１を開口内に支持する略コ字状のホルダ１１２と、スタイラス１１１とホルダ１１２とを連結する４つの連結部材１１３，１１４，１１５，１１６と、スタイラス１１１に取り付けられた一対の圧電素子１１７とを備えている。このうち、スタイラス１１１、ホルダ１１２、および連結部材１１３〜１１６は、一体に形成されている。
【０００５】
スタイラス１１１の重心１１１Ｂは、略スタイラス１１１の軸方向中心かつ軸上に配置され、スタイラス１１１は、略軸対称な構造とされている。
また、スタイラス１１１は、４つの連結部材１１３〜１１６を介して、ホルダ１１２の開口内からその先端（接触部１１１Ａ）が外へ突出した状態で、ホルダ１１２に支持されている。
各連結部材１１３〜１１６がスタイラス１１１と連結する箇所は、互いにスタイラス１１１の重心１１１Ｂからの距離が略等距離とされ、これらの箇所は、スタイラス１１１の重心１１１Ｂを対称の中心とした点対称な位置に配置されている。
【０００６】
一対の圧電素子１１７は、互いに対向しており、スタイラス１１１の軸を挟んだ状態で当該スタイラス１１１に取り付けられている。各圧電素子１１７は、スタイラス１１１と各連結部材１１３〜１１６とが連結する４つの箇所に架け渡されるようにして、スタイラス１１１に取り付けられている。
圧電素子１１７の表面には、加振電極１１７Ａおよび検出電極１１７Ｂの２つの電極が形成されている。
【０００７】
このような構成を有するセンサ１１０では、加振電極１１７Ａに所定の電圧を加えると、スタイラス１１１が共振状態で軸方向に振動するようになり、この振動状態の変化は、検出電極１１７Ｂから出力される電気信号（検出信号）の変化として検出される。
スタイラス１１１を圧電素子１１７によって加振している状態で、その接触部１１１Ａを被測定物表面に接触させると、スタイラス１１１と被測定物表面間に接触力が働き、スタイラス１１１の共振状態に変化が生じるようになる。このような接触力（測定力）の変化の検知は、スタイラス１１１の共振状態の変化を検知することで行われる。
【０００８】
移動機構１２０は、図７および図９に示すように、センサ１１０を被測定物に対して大変位させる粗動機構１５０と、センサ１１０を被測定物に対して小変位させる微動機構１６０とを備えている。
粗動機構１５０は、その可動範囲がたとえば数十ｍｍ程度に設定され、分解能がたとえばμｍオーダーに設定されている。微動機構１６０は、その可動範囲がたとえば１０μｍ程度に設定され、分解能がたとえばｎｍオーダー〜μｍオーダーに設定されている。
【０００９】
粗動機構１５０は、図示しないベースに固定された粗動固定部１５１と、粗動固定部１５１に対してＺ軸方向（被測定物Ｗの高さ方向）へ移動可能に設けられた粗動可動部１５２と、粗動固定部１５１と粗動可動部１５２とを連結する平行リンク機構１５３と、平行リンク機構１５３を駆動させて粗動可動部１５２をＺ軸方向へ移動させる駆動手段１５４とを含んで構成されている。
平行リンク機構１５３は、Ｚ軸方向に間隔を隔てて略平行配置された一対のアーム１５３Ａを２組有しており、一組が粗動固定部１５１および粗動可動部１５２の一方の側面に取り付けられ、もう一組が粗動固定部１５１および粗動可動部１５２の他方の側面（一方の側面と対向する側面）に取り付けられている。各アーム１５３Ａの一端が粗動固定部１５１に、他端が粗動可動部１５２にそれぞれ弾性ヒンジ１５３Ｂを介して、回動可能に取り付けられている。
駆動手段１５４は、粗動固定部１５１に取り付けられた弾性ヒンジ１５３Ｂに出力軸が連結されたモータから構成されている。
このような構成を有する粗動機構１５０では、駆動手段１５４によって、弾性ヒンジ１５３Ｂが回動されると、連動して一対のアーム１５３Ａが粗動固定部１５１に取り付けられた弾性ヒンジ１５３Ｂを回動中心として回動され、粗動可動部１５２が粗動固定部１５１に対して上下動するようになる。
【００１０】
微動機構１６０は、粗動機構１５０の粗動可動部１５２に固定される微動固定部１６１と、この微動固定部１６１の下面に設けられた駆動用可動部１６２と、微動固定部１６１の上面に設けられたバランス用可動部１６３とを備えている。このうち、駆動用可動部１６２の下部には、センサ１１０のホルダ１１２が取り付けられている。
駆動用可動部１６２およびバランス用可動部１６３は、それぞれ圧電素子（ＰＺＴ）の薄板を上下方向に積層して構成されたものであり、略同一構造とされている。駆動用可動部１６２およびバランス用可動部１６３は、略同一波形の電圧をかけると、微動固定部１６１を基点として伸縮し、互いに反対方向に動作するようになっている。
【００１１】
具体的には、圧電素子を伸ばすような所定の電圧をかけると、駆動用可動部１６２は微動固定部１６１を基点として下方向に伸び、バランス用可動部１６３は微動固定部１６１を基点として上方向に伸びる。一方、圧電素子を縮ませるような所定の電圧をかけると、駆動用可動部１６２は微動固定部１６１を基点として上方向に縮み、バランス用可動部１６３は固定部５１を基点として下方向に縮む。
このように、微動固定部１６１を挟んで駆動用可動部１６２およびバランス用可動部１６３が互いに反対方向に動作することで、駆動用可動部１６２が動作した際の微動固定部１６１への反力と、バランス用可動部１６３が動作して微動固定部１６１への反力（駆動用可動部１６２の動作によって生じた反力の方向と反対の方向へ作用する力）とが、微動固定部１６１において相殺される。これにより、微動機構１６０の作動による粗動機構１５０での振動発生が防止可能となる。従って、微動機構１６０の駆動用可動部１６２を高速で伸縮させても、粗動機構１５０および微動機構１６０の正確な制御が可能となる。
なお、バランス用可動部１６３の上部には、バランサ１６３Ａが設けられ、このバランサ１６３Ａの質量は、下部にセンサ１１０が取り付けられた駆動用可動部１６２による反力と、バランサ１６３Ａが取り付けられたバランス用可動部１６３による反力とが略同一となるような値に設定されている。
【００１２】
変位検出手段１３０は、粗動機構１５０による微動機構１６０の変位量を検出する第１変位検出手段１３１と、微動機構１６０によるセンサ１１０の変位量を検出する第２変位検出手段１３２と、これら第１および第２変位検出手段で検出した各変位量に基づいてセンサの１１０の総変位量を算出する変位量算出手段１３３とを含んで構成されている。
【００１３】
第１変位検出手段１３１は、粗動機構１５０の粗動可動部１５２の変位量を検出し、その結果を変位量算出手段１３３に出力するものであり、その具体的な構成は限定されず、たとえば、インジケータ等によって構成されたものであってもよい。
【００１４】
第２変位検出手段１３２は、微動機構１６０の駆動用可動部１６２の下端面に設けられた可動電極１３２Ａと、この可動電極１３２Ａに上下方向へ所定間隔を隔てて対向配置された固定電極１３２Ｂとを備えている。このうち、固定電極１３２Ｂは、リング状に形成され、上下方向へ移動可能に駆動用可動部１６２がリング内に挿通された状態で、粗動機構１５０の粗動可動部１５２に固定されている。
駆動用可動部１６２が伸縮すると、駆動用可動部１６２の下端面に設けられた可動電極１３２Ａが上下方向に変位し、可動電極１３２Ａと固定電極１３２Ｂとの間の距離が変化する。可動電極１３２Ａおよび固定電極１３２Ｂ間の距離が変化すると、可動電極１３２Ａおよび固定電極１３２Ｂ間の静電容量が変化するから、この静電容量を検出することで、可動電極１３２Ａおよび固定電極１３２Ｂ間の距離、すなわち微動機構１６０の駆動用可動部１６２の下端面の変位量を検出できるようになる。
これら第１変位検出手段１３１および第２変位検出手段１３２とで検出された各変位量の和が、粗動機構１５０および微動機構１６０によるセンサ１１０の総変位量となる。
【００１５】
制御装置１４０は、加振回路１４１、検出回路１４２、測定力制御回路１４３、粗動機構駆動回路１４４、および微動機構駆動回路１４５を含んで構成されている。
加振回路１４１は、センサ１１０の加振電極１１７Ａに接続され、当該加振電極１１７Ａに所定の電圧を印加するものである。
検出回路１４２は、センサ１１０の検出電極１１７Ｂに接続され、当該検出電極１１７Ｂから出力される電気信号が入力されて、この電気信号に基づいた検出信号を測定力制御回路１４３に出力するものである。
測定力制御回路１４３は、検出回路１４２から入力される検出信号が略一定に保たれるように、粗動機構駆動回路１４４および微動機構駆動回路１４５を介して粗動機構１５０および微動機構１６０の動作を制御するようになっている。
【００１６】
このような構成を有する形状測定機１００では、制御装置１４０で、微動機構１６０を作動させることにより、センサ１１０を被測定物表面の微細な凹凸形状（表面粗さ）に追従させ、粗動機構１５０を作動させることにより、センサ１１０を被測定物表面の大きな凹凸形状（輪郭）に追従させている。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した形状測定機１００では、制御装置１４０を、アナログ回路で構成しようとすると、その回路規模が膨大なものとなり、非常に高価なものとなってしまうという問題がある。
【００１８】
本発明の目的は、回路規模の縮小化、およびコストダウンを図ることができるプローブを提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明のプローブは、上記目的を達成するために、被測定物表面に対する相対変位を検出する接触式のセンサまたは非接触式のセンサと、前記センサを前記被測定物に対して、当該被測定物の高さ方向に沿って相対変位させる微動機構と、前記微動機構を支持し、前記センサを前記被測定物に対して、当該被測定物の高さ方向に沿って相対変位させるとともに、前記微動機構よりも可動範囲が大きい粗動機構と、前記センサが前記被測定物表面に対して相対変位した際に変化する状態量を検出する状態量検出手段と、前記微動機構の動作を制御する微動機構制御手段と、前記粗動機構の動作を制御する粗動機構制御手段と、前記微動機構および前記粗動機構による、前記センサと前記被測定物表面との相対変位量を検出する変位検出手段とを備え、前記微動機構制御手段は、前記状態量検出手段で検出した状態量に基づいて前記微動機構の動作を制御し、前記状態量が所定状態量を略維持するように、前記センサを前記被測定物表面に対して相対移動させるものであり、前記粗動機構制御手段は、所定時間毎に、該所定時間内における前記センサと前記被測定物表面との相対変位量に応じた周波数パルス列を発生するパルス発生手段を含んで構成され、前記パルス発生手段で発生した周波数パルス列に基づいて前記粗動機構の動作を制御し、前記微動機構による前記センサと前記被測定物表面との相対変位量が所定相対変位量を略維持するように、前記センサを前記被測定物表面に対して相対移動させるものであることを特徴とするものである。
【００２０】
ここで、非接触式のセンサとしては、レーザ等の光を利用したセンサや、音波を利用したセンサ、磁気を利用したセンサ、静電容量を利用したセンサ等が採用できる。
微動機構または粗動機構としては、センサおよび被測定物のうちのいずれか一方を変位させるもの、双方を変位させるもののいずれも採用できる。
変位検出手段としては、被測定物に対するセンサの相対変位量を直接的に検出する変位検出手段、または、微動機構のストローク量と粗動機構のストローク量とを検出してこれらストローク量の和を被測定物に対するセンサの相対変位量として検出する変位検出手段のいずれも採用できる。
【００２１】
この発明によれば、センサは、状態量検出手段で検出される状態量が所定状態量となるように、微動機構によって被測定物に対して相対変位されるとともに、微動機構によるセンサの被測定物に対する相対変位量が所定相対変位量となるように、粗動機構によって被測定物に対して相対変位される。この際、粗動機構は、微動機構によるセンサの被測定物に対する相対変位量が所定相対変位量となるように、粗動機構制御手段によってその動作が制御されているから、微動機構の可動範囲を超えることなくセンサを被測定物表面に追従させることができ、被測定物の高精度な表面形状測定が行えるようになる。また、粗動機構を微動機構よりも分解能が低くかつ可動範囲が大きいものとしたので、微動機構を迅速かつ広範囲に移動させることができ、このような本発明のプローブを被測定物の表面形状測定に用いれば、広い測定範囲において高精度な測定ができるようになる。
また、粗動機構制御手段は、周波数パルス列に基づいて、粗動機構の動作をデジタル制御しているので、粗動機構制御手段を構成する回路の規模を小さなものとすることができ、コストダウンが図れるようになる。
さらに、パルス発生手段で発生される周波数パルス列は、所定時間内におけるセンサと被測定物表面との相対変位量に応じたものであるから、微動機構により、たとえばセンサが被測定物に対して急激に大きく相対変位された場合であっても、粗動機構は、当該相対変位の大きさに応じてセンサを相対変位させることが可能となる。このため、本発明のプローブでは、あらゆる形状の被測定物表面に対してセンサを追従させることが可能となり、汎用性が高い。
【００２２】
本発明のプローブでは、前記粗動機構制御手段は、前記微動機構による前記センサと前記被測定物表面との相対変位量と前記所定相対変位量との差を算出する変位量差算出手段と、前記変位量差算出手段から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換して当該デジタル信号が前記パルス発生手段に入力されるＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタル信号および前記パルス発生手段で発生した周波数パルス列に基づいて、前記被測定物表面に対する前記センサの相対変位方向を決定する変位方向設定手段と、前記変位方向設定手段で決定した前記センサの相対変位方向が、前記被測定物の高さ方向に沿う方向のうち、いずれか一方向であるときにアップカウント信号が入力され、他方向であるときにダウンカウント信号が入力されるアップダウンカウンタと、前記アップダウンカウンタから出力されるデジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器とを備えていることが望ましい。
【００２３】
このような構成を有した粗動機構制御手段は、市販のＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array)によって構成可能であるから、さらにコストダウンが図れるようになる。
また、たとえば、アップダウンカウンタにおいて、変位方向設定手段で決定したセンサの相対変位方向が、被測定物に対して離間する方向であるときにアップカウント信号が入力され、被測定物に対して接近する方向であるときにダウンカウント信号が入力される場合、アップカウント信号が入力されるとアップダウンカウント値が大きくなり、ダウンカウント信号が入力されるとアップダウンカウント値が小さくなる。このようなアップダウンカウント値に基づいた出力信号を粗動機構の操作信号として利用すれば、アップダウンカウント値が大きくなったときに、粗動機構がセンサを被測定物に対して離間する方向に相対変位させ、アップダウンカウント値が小さくなったときに、粗動機構がセンサを被測定物に対して接近する方向に相対変位させることができるようになり、簡単な構成で粗動機構を制御できるようになる。
【００２４】
本発明のプローブにおいて、前記状態量検出手段で検出される状態量を、前記接触式のセンサの場合、前記センサと前記被測定物表面との間に働く接触力とし、光を利用した非接触式のセンサの場合、前記被測定物表面から反射される光量とし、磁気を利用した非接触式のセンサの場合、磁界強度とすれば、当該状態量の変化から、センサの被測定物表面に対する相対変位の変化を検出することが可能となる。このような状態量を所定状態量に略維持することで、センサの被測定物表面に対する相対変位も所定量に略維持することができ、センサを被測定物表面の凹凸に確実に追従させることができるようになる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１には、本発明に係る一実施形態が示されている。本実施形態は、前述した背景技術において、粗動機構１５０の動作をデジタルによって制御するようにしたものである。
図１において、形状測定機１は、センサ１１０を有しかつ当該センサ１１０の被測定物表面に対する相対変位を検知するプローブ２と、このプローブ２を互いに略直交するＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向に移動させる移動機構３とを備えている。
【００２６】
移動機構３は、図示は省略するが、プローブ２をそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向へ移動させるＸ軸方向移動機構、Ｙ軸方向移動機構、およびＺ軸方向移動機構から構成されている。被測定物Ｗの表面形状測定を行う際、移動機構３によってプローブ２を移動させることで、プローブ２を被測定物Ｗに接近させることが可能となる。
【００２７】
プローブ２は、センサ１１０、変位検出手段１３０、粗動機構１５０、微動機構１６０、および制御装置４を備えており、このうち、センサ１１０、変位検出手段１３０、粗動機構１５０、および微動機構１６０は、前述の測定機本体１０１のものと同一の構成なので、その説明を省略する。プローブ２は、図示は省略するが、粗動機構１５０の粗動固定部１５１（図９）が移動機構３のスライダに取り付けられることで、当該移動機構３に支持されている。また、プローブ２のセンサ１１０、粗動機構１５０、および微動機構１６０は、制御装置４に電気的に接続されている。
【００２８】
制御装置４は、加振回路１４１と、検出回路１４２と、微動機構１６０の動作をアナログ制御する微動機構制御手段２０と、粗動機構１５０の動作をデジタル制御する粗動機構制御手段３０とを含んで構成されている。
加振回路１４１は、センサ１１０の加振電極１１７Ａにリード線を介して接続されている。この加振回路１４１は、加振電極１１７Ａに所定の交流電圧を印加して、スタイラス１１１を共振状態で振動させるものである。
検出回路１４２は、センサ１１０の検出電極１１７Ｂにリード線を介して接続されている。この検出回路１４２は、検出電極１１７Ｂから出力される電気信号が入力されると、当該電気信号を微動機構制御手段２０で利用可能な物理量に変換して、それを検出信号として微動機構制御手段２０に出力するものである。なお、本発明の状態量検出手段は、圧電素子１１７、検出電極１１７Ｂ、および検出回路１４２を含んで構成されている。
【００２９】
微動機構制御手段２０は、検出回路１４２から出力された検出信号が入力される微動機構制御回路２１と、この微動機構制御回路２１から出力された制御信号を増幅して微動機構１６０に出力する増幅器２２とを有している。
微動機構制御回路２１は、フィードバック量としての検出回路１４２からの検出信号と、予め設定された目標値（所定状態量）とを比較し、検出信号が目標値と略一致するように、微動機構１６０に対して出力するとともに、可変周波数パルス制御器３１へ出力する制御信号を求めるものである。
増幅器２２によって増幅された制御信号が微動機構１６０に出力されると、当該制御信号に応じて、センサ１１０がＺ軸方向に沿って上下動するようになる。
【００３０】
粗動機構制御手段３０は、微動機構制御回路２１からの制御信号が入力される可変周波数パルス制御器３１と、この可変周波数パルス制御器３１から出力されたデジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器３２と、このＤ／Ａ変換器３２から出力されたデジタル信号を増幅して粗動機構１５０に出力する増幅器３３とを有している。このような構成を有した粗動機構制御手段３０は、市販のＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array)を利用することで、１チップにより構成される。
可変周波数パルス制御器３１は、図２に示すように、変位量差算出手段としてのレンジシフタ３１１、Ａ／Ｄ変換器３１２、パルス発生手段としての可変周波数ジェネレータ３１３、変位方向設定手段３１４、アップダウンカウンタ３１５、およびタイミングパルス発生手段３１６を含んで構成されている。
【００３１】
レンジシフタ３１１は、微動機構制御回路２１からの制御信号と、予め設定された基準値との差を算出する変位量差算出手段である。この算出結果は、アナログ信号としてＡ／Ｄ変換器３１２へ出力される。
Ａ／Ｄ変換器３１２は、レンジシフタ３１１から出力されたアナログ信号を、一定の時間間隔でサンプリング（標本化）した後に量子化を行うことで、デジタル信号に変換するものである。
【００３２】
可変周波数ジェネレータ３１３は、Ａ／Ｄ変換器３１２から出力されたデジタル信号に基づいてパルス列を発生させるものとなっている。この可変周波数ジェネレータ３１３は、図示しないダイオード等からなる絶対値回路（全波整流回路）を有している。
このような可変周波数ジェネレータ３１３では、Ａ／Ｄ変換器３１２からの入力電圧を、正負に関わらず絶対回路で正の絶対電圧に変換した後、当該絶対電圧の値に応じたパルス列を発生している。ここで、可変周波数ジェネレータ３１３は、絶対電圧の大きさに応じて所定時間内に発生するパルス数を変化させている。具体的には、可変周波数ジェネレータ３１３では、レンジシフタ３１１において、微動機構制御回路２１からの制御信号と、予め設定された基準値との差が大きければ大きい程、所定時間内に発生するパルス数を増やし（周波数が高く）、小さければ小さい程、所定時間内に発生するパルス数を減らす（周波数が低くなる）ようになっている。
なお、Ａ／Ｄ変換器３１２および可変周波数ジェネレータ３１３の構成は、電圧周波数変換器（Ｆ／Ｄコンバータ）によって、電圧に比例したパルス周波数を得る構成とすることもできる。
【００３３】
変位方向設定手段３１４は、コンパレータ３１４Ａ、ＮＯＴ回路３１４Ｂ、２つのＡＮＤ回路３１４Ｃ，３１４Ｄ、および方向判別回路３１４Ｅを有している。
コンパレータ３１４Ａは、Ａ／Ｄ変換器３１２から出力されたデジタル信号（比較値）と、予め定められた基準値との大きさを比較し、その比較判定結果を出力するものである。コンパレータ３１４Ａは、比較値が基準値よりも大きい場合にＨｉｇｈレベル信号（以下、Ｈレベル信号という）を出力し、比較値が基準値よりも小さい場合にＬｏｗレベル信号（以下、Ｌレベル信号という）を出力する。
ＮＯＴ回路３１４Ｂは、コンパレータ３１４Ａからの出力信号のＨレベル信号とＬレベル信号とを反転してＡＮＤ回路３１４Ｄに出力するものである。
ＡＮＤ回路３１４Ｃは、可変周波数ジェネレータ３１３からのパルス列信号、およびコンパレータ３１４Ａからの出力信号の論理積を求めて出力する手段である。
ＡＮＤ回路３１４Ｄは、可変周波数ジェネレータ３１３からのパルス列信号、およびＮＯＴ回路３１４Ｂからの出力信号の論理積を求めて出力する手段である。
方向判別回路３１４Ｅは、２つのＡＮＤ回路３１４Ｃ，３１４Ｄからそれぞれ出力された信号に基づいて、アップカウント信号およびダウンカウント信号を出力するものである。
【００３４】
アップダウンカウンタ３１５は、方向判別回路３１４Ｅからのパルス出力に従って、アップダウンカウント値が増減するカウンタであり、アップカウント信号が入力されるとアップダウンカウント値が大きくなり、ダウンカウント信号が入力されるとアップダウンカウント値が小さくなる。
タイミングパルス発生手段３１６は、可変周波数ジェネレータ３１３および方向判別回路３１４Ｅに所定周期のタイミングパルスを発生するものであり、本実施形態では、図示は省略するが、位相が少しずつずれた複数のクロックから構成されている。なお、タイミングパルス発生手段３１６としては、位相ずれのない単相のクロックから構成されたものであってもよい。
【００３５】
次に、本実施形態の動作について説明する。
まず、移動機構３を作動させることにより、被測定物Ｗにプローブ２を接近させる。この際、加振回路１４１から所定の電気信号が加振電極１１７Ａに印加されることによって、スタイラス１１１が共振状態で軸方向に振動している状態にある。
スタイラス１１１を被測定物表面に接触させると、スタイラス１１１と被測定物表面との間に働く接触力により、スタイラス１１１の振動状態に変化が生じる。すると、検出回路１４２から微動機構制御手段２０へ出力される電圧信号（検出信号）も、スタイラス１１１の振動変化を反映して変化し、たとえば、スタイラス１１１および被測定物表面間の接触力が大きくなればなる程、スタイラス１１１の振動が束縛されて、検出信号値が小さくなる。
この検出信号に基づいて、微動機構制御手段２０から制御信号が微動機構１６０に出力されると、微動機構１６０の駆動用可動部１６２が伸びまたは縮んで、検出信号値が略所定の値となる。つまり、スタイラス１１１と被測定物表面との間に働く接触力が所定の値（所定状態量）となる。
【００３６】
この後、移動機構３によってプローブ２を水平方向（ＸＹ平面方向）へ移動させると、被測定物表面の凹凸によって、スタイラス１１１および被測定物表面間の接触力が変化して検出信号値が変化する。微動機構制御手段２０は、微動機構１６０を制御して検出信号値を略所定の値に維持しようとするから、微動機構１６０によってセンサ１１０が上下動される。これにより、スタイラス１１１および被測定物表面間の接触力を略一定に保った状態で、スタイラス１１１が被測定物表面の凹凸を追従するようになる。
具体的には、たとえば被測定物Ｗの表面形状が、図３（Ａ）に示すような形状である場合、センサ１１０が被測定物表面のＡ点からＢ点まで追従する際、被測定物表面が上方に傾斜しているので、微動機構１６０の駆動用可動部１６２はこの傾斜面に応じて縮み、微動機構１６０のストローク量が小さくなる（図３（Ｂ）参照）。
【００３７】
一方、粗動機構制御手段３０において、レンジシフタ３１１では、図４に示すように、微動機構制御手段２０からの制御信号と予め設定された基準値Ｖ１（図４中一点鎖線で示す）との差が算出され、この算出結果がＡ／Ｄ変換器３１２によってデジタル変換される。ここで、基準値Ｖ１としては、微動機構１６０の駆動用可動部１６２のストローク量がその可動範囲Ｓの略中間値Ｖ２（図３（Ｂ）参照）となるような、微動機構制御回路２１の出力値が設定されている。ここで、中間値Ｖ２が、本発明の所定相対変位量である。
なお、サンプリングの周期ｔｓ（以下、サンプリングピッチｔｓという）は、たとえば１秒間隔に設定されている。
これにより、可変周波数ジェネレータ３１３およびコンパレータ３１４Ａには、サンプリングピッチｔｓ毎にＡ／Ｄ変換器３１２からデジタル信号が入力される。
【００３８】
可変周波数ジェネレータ３１３は、デジタル信号が入力される度に、当該デジタル信号の値に相当するパルス列を出力する。
具体的に説明すると、可変周波数ジェネレータ３１３は、サンプリング時において、たとえば、微動機構制御回路２１の制御信号と基準値Ｖ１との差が４Ｖである場合、４つのパルスをサンプリングピッチｔｓ内に発生させる。なお、制御信号と基準値Ｖ１との差が−４Ｖである場合も、可変周波数ジェネレータ３１３は絶対値回路を有しているので、差が４Ｖであるときと同様に、４つのパルスをサンプリングピッチｔｓ内に発生させる。このようなパルス列の各パルスは、可変周波数ジェネレータ３１３に入力されるタイミングパルスに合わせて出力される。
【００３９】
また、コンパレータ３１４Ａでは、デジタル信号が入力される度に、当該デジタル信号の値と予め定められた基準値Ｄ０（本実施形態では、０）とを比較して、これに応じた比較結果を出力する。微動機構１６０の駆動用可動部１６２が可動範囲Ｓの中間値Ｖ２よりも縮んでいる場合、コンパレータ３１４Ａは負値デジタル信号が入力されるからＬレベル信号を出力し、伸びている場合、コンパレータ３１４Ａは正値デジタル信号が入力されるからＨレベル信号を出力する。
【００４０】
ＡＮＤ回路３１４Ｃでは、可変周波数ジェネレータ３１３からパルス列信号が入力され、かつコンパレータ３１４ＡからのＨレベル信号が入力された場合にのみ、パルス列信号を出力する。すなわち、ＡＮＤ回路３１４Ｃは、微動機構１６０の駆動用可動部１６２が可動範囲Ｓの中間値Ｖ２よりも伸びている場合にのみ、パルス列信号を出力する。
【００４１】
ＡＮＤ回路３１４Ｄでは、可変周波数ジェネレータ３１３からパルス列信号が入力され、かつＮＯＴ回路３１４ＢからのＨレベル信号が入力された場合にのみ、パルス列信号を出力する。すなわち、ＡＮＤ回路３１４Ｄは、微動機構１６０の駆動用可動部１６２が可動範囲Ｓの中間値Ｖ２よりも縮んでいる場合にのみ、パルス列信号を出力する。
【００４２】
方向判別回路３１４Ｅは、ＡＮＤ回路３１４Ｃからパルス列信号が出力されると、アップカウント信号をアップダウンカウンタ３１５に入力し、ＡＮＤ回路３１４Ｄからパルス列信号が出力されると、ダウンカウント信号をアップダウンカウンタ３１５に入力する。
このようなダウンカウント信号およびアップカウント信号は、方向判別回路３１４Ｅに入力されるタイミングパルスに合わせて出力される。
【００４３】
アップダウンカウンタ３１５のアップダウンカウント値が小さくなると、小さくなった分だけ、つまり微動機構１６０の駆動用可動部１６２が可動範囲Ｓの中間値Ｖ２よりも伸びた分だけ、粗動機構１５０は、図３（Ｃ）に示すように、微動機構１６０を下方向へ移動させる。すると、スタイラス１１１および被測定物表面間に働く接触力が小さくなるので、この接触力を所定の値に維持するために、駆動用可動部１６２が縮んでストローク量が可動範囲Ｓの中間値Ｖ２に近づく。
つまり、図５に示すように、微動機構１６０のストローク量が中間値Ｖ２の状態（図５（Ａ）の状態）から値αだけ伸びると（図５（Ｂ）の状態）、粗動機構１５０のストローク量が値αだけ伸びるとともに、微動機構１６０のストローク量が値αだけ縮んで、微動機構１６０のストローク量が略中間値Ｖ２に戻る（図５（Ｃ）の状態）。
【００４４】
一方、アップダウンカウンタ３１５のアップダウンカウント値が大きくなると、大きくなった分だけ、つまり微動機構１６０の駆動用可動部１６２が可動範囲Ｓの中間値Ｖ２よりも縮んだ分だけ、粗動機構１５０は、図３（Ｃ）に示すように、微動機構１６０を上方向へ移動させる。すると、スタイラス１１１および被測定物表面間に働く接触力が大きくなるので、この接触力を所定の値に維持するために、駆動用可動部１６２が伸びてストローク量が可動範囲Ｓの中間値Ｖ２に近づく。
つまり、図６に示すように、微動機構１６０のストローク量が中間値Ｖ２の状態（図６（Ａ）の状態）から値αだけ縮むと（図６（Ｂ）の状態）、粗動機構１５０のストローク量が値αだけ縮むとともに、微動機構１６０のストローク量が値αだけ伸びて、微動機構１６０のストローク量が略中間値Ｖ２に戻る（図６（Ｃ）の状態）。
【００４５】
すなわち、粗動機構制御手段３０は、サンプリングピッチｔｓ毎に微動機構１６０のストローク量を検知し、このストローク量が可動範囲Ｓの中間値Ｖ２に近づくように、粗動機構１５０の動作を制御している。
これに対し、微動機構制御手段２０は、スタイラス１１１および被測定物表面間の接触力変化、すなわち検出回路からの検出信号の変化を略常時検知し、この検出信号が略所定の値となるように、微動機構１６０の動作を制御している。
【００４６】
このようにして、粗動機構１５０および微動機構１６０を制御することで、センサ１１０および被測定物表面間に働く接触力を略所定に維持したままの状態で、かつ、微動機構１６０のストローク量を可動範囲Ｓの中間値Ｖ２近傍に略維持したままの状態で、センサ１１０を被測定物表面に追従させることが可能となる。そして、このようなセンサ１１０のＺ軸方向の変位量（図３（Ａ）参照）、つまり粗動機構１５０のストローク量（図３（Ｃ）参照）と微動機構１６０のストローク量（図３（Ｂ）参照）との和を変位検出手段１３０で検出すれば、高精度かつ広範囲な表面形状測定が行えるようになる。
【００４７】
上述のような本実施形態によれば、次のような効果がある。
本実施形態では、微動機構１６０のストローク量が可動範囲Ｓの略中間値Ｖ２となるように、粗動機構制御手段３０によって粗動機構１５０の動作を制御しているから、微動機構１６０の可動範囲Ｓを超えることなくセンサ１１０を被測定物表面に追従させることができ、被測定物Ｗの高精度な表面形状測定を行うことができる。
【００４８】
粗動機構１５０を微動機構１６０よりも分解能が低くかつ可動範囲が大きいものとしたので、微動機構１６０を迅速かつ広範囲に移動させることができ、表面形状測定において、測定範囲を広範にできるとともに、高精度な測定を行うことができる。
【００４９】
粗動機構１５０の動作をデジタル制御する粗動機構制御手段３０を、市販のＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array)を利用してワンチップから構成しているので、回路の規模を縮小化でき、コストダウンを図ることができる。
【００５０】
粗動機構制御手段３０の可変周波数ジェネレータ３１３で発生される周波数パルス列は、サンプリングピッチｔｓ毎における微動機構制御回路２１の制御信号と基準値Ｖ１との差、つまりサンプリングピッチｔｓ毎における微動機構１６０のストローク量に応じたものであるから、微動機構１６０によってセンサ１１０が被測定物Ｗに対してＺ軸方向に急激に大きく変位された場合であっても、粗動機構１５０は、当該変位の大きさに応じてセンサ１１０をＺ軸方向に変位させることができる。このため、プローブ２では、あらゆる形状の被測定物表面に対してセンサ１１０を追従させることができて、汎用性の高い形状測定機１が得られる。
【００５１】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は、本発明に含まれるものである。
たとえば、接触式のセンサとしては、スタイラスを軸方向に振動させるものに限らず、スタイラスを軸と略直交する方向に振動させるセンサを用いてもよく、また、被測定物と接触する弾性変形可能なレバーを有し、レバーおよび被測定物間に働く接触力によって生じるレバーの弾性変形量の変化を検知することで、接触力の変化を検知するセンサを用いてもよい。このような場合、レバーの弾性変形量の変化は、たとえばレバーに歪みセンサを直接設けることで検知してもよく、また、レバーの先端上面にレーザ等の光を照射してレバーからの反射光の変化を検出することで検知してもよい。さらに、カンチレバー等の触針先端と被測定物表面間に働く原子間力、あるいはトンネル電流の変化を検出することで検知してもよい。
【００５２】
所定相対変位量としては、微動機構の可動範囲の中間値に限らず、可動範囲以内の値であれば適当な値を採用できる。ただし、所定相対変位量を微動機構の可動範囲の中間値に設定すれば、微動機構のストローク量の上限および下限を略同値にできるから、被測定物表面の傾斜が上方に向いている場合、下方に向いている場合の双方に対応でき、被測定物表面の傾斜方向に関わらずセンサを被測定物表面に確実に追従させることができる。
【００５３】
粗動機構および微動機構において、各可動範囲および各分解能は、被測定物の表面形状に応じて適宜設定されればよい。要するに、粗動機構の分解能が微動機構の分解能よりも低く、粗動機構の可動範囲が微動機構の可動範囲よりも大きく、さらに粗動機構の分解能より微動機構の可動範囲が大きく、また、微動機構は粗動機構より高速で相対変位が可能であることが好ましい。。
【００５４】
微動機構としては、可動コイルや、可動磁石、可動鉄片等を用いた電磁アクチュエータによって構成される微動機構、圧電素子や、磁歪素子、形状記憶素子等の高速微小変位固体素子によって構成される微動機構のいずれを採用してもよい。
粗動機構としては、可動コイルや、可動磁石、可動鉄片等を用いた電磁アクチュエータによって構成される粗動機構等が採用できる。
微動機構制御手段としては、微動機構の動作をアナログ制御するものに限らず、デジタル制御するものを採用してもよい。
【００５５】
【発明の効果】
本発明に係るプローブよれば、回路規模の縮小化、およびコストダウンを図ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る形状測定機を示す概略構成図である。
【図２】前記実施形態における粗動機構制御手段を示すブロック図である。
【図３】前記実施形態における微動機構および粗動機構の動作を説明するためのタイムチャートである。
【図４】前記実施形態における制御装置の動作を説明するためのタイムチャートである。
【図５】前記実施形態における微動機構および粗動機構の動作を示す模式図である。
【図６】前記実施形態における微動機構および粗動機構の他の動作を示す模式図である。
【図７】従来例を示す概略構成図である。
【図８】前記従来例におけるセンサを拡大して示す斜視図である。
【図９】前記従来例における測定機本体を示す斜視図である。
【符号の説明】
２  プローブ
２０  微動機構制御手段
３０  粗動機構制御手段
３２  Ｄ／Ａ変換器
１１０  センサ
１１７  圧電素子（状態量検出手段）
１１７Ｂ  検出電極（状態量検出手段）
１４２  検出回路（状態量検出手段）
１５０  粗動機構
１６０  微動機構
３１１  変位量差算出手段であるレンジシフタ
３１２  Ａ／Ｄ変換器
３１３  パルス発生手段である可変周波数ジェネレータ
３１４  変位方向設定手段
３１５  アップダウンカウンタ
Ｓ  可動範囲（微動機構）
Ｖ２  所定相対変位量である中間値
Ｗ  被測定物
ｔｓ  所定時間であるサンプリングピッチ
【図１】
0004676658.tif 000002
【図２】
0004676658.tif 000003
【図３】
0004676658.tif 000004
【図４】
0004676658.tif 000005
【図５】
0004676658.tif 000006
【図６】
0004676658.tif 000007
【図７】
0004676658.tif 000008
【図８】
0004676658.tif 000009
【図９】
0004676658.tif 000010