(57)【要約】【課題】被測定物の表面性状などによる特性変動や外乱などがあっても、高精度で、かつ、測定時間を増大させることなく、測定力一定の倣い測定が実現可能な表面性状測定装置を提供する。【解決手段】力センサ１と、駆動用アクチュエータ１１と、検出器１２とを備える。力センサ１からの検出信号を取り込、検出信号が目標測定力に一致するように駆動用アクチュエータを駆動させる倣い制御手段５４と、力センサ１からの検出信号が目標測定力に一致したときにタッチ信号を発生するタッチ信号発生部５１と、倣い制御手段が動作中において、力センサ１からの検出信号の変動幅が予め設定した一定幅未満の状態では、カウンタ２６の測定値を所定時間間隔で取り込み、力センサ１からの検出信号が振動しかつ振幅が予め設定した一定幅を超える状態では、タッチ信号が発生される毎にラッチカウンタ５２の測定値を取り込む測定値取込手段５５とを備える。【選択図】図１
2007279012.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の表面に接触する接触部を有するスタイラスおよび前記接触部が前記被測定物の表面に接触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、この測定部と被測定物とを相対移動させる相対移動手段と、前記測定部による被測定物の測定位置を測定位置情報として出力する位置検出手段とを備え、前記スタイラスの接触部を被測定物表面に接触させた状態で前記相対移動手段を駆動させながら、前記位置検出手段からの測定位置情報を取り込み、この測定位置情報から被測定物の表面性状を測定する表面性状測定装置であって、
前記測定部からの検出測定力を取り込み、この検出測定力が目標測定力に略一致するように前記相対移動手段を駆動させる倣い制御手段と、
前記測定部からの検出測定力を取り込み、この検出測定力が接触測定力に一致したときにタッチ信号を発生するタッチ信号発生手段と、
前記倣い制御手段が動作中において、前記測定部からの検出測定力の変動幅が予め設定した一定幅未満の状態では、前記位置検出手段からの測定位置情報を所定条件に基づいて取り込み、前記測定部からの検出測定力が振動しかつ振幅が予め設定した一定幅を超えた状態では、前記タッチ信号発生手段からタッチ信号が発生される毎に、前記位置検出手段からの測定位置情報を取り込む測定値取込手段とを備えたことを特徴とする表面性状測定装置。
【請求項２】
被測定物の表面に接触する接触部を有するスタイラスおよび前記接触部が前記被測定物の表面に接触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、この測定部と被測定物とを相対移動させる相対移動手段と、前記測定部による被測定物の測定位置を測定位置情報として出力する位置検出手段とを備え、前記スタイラスの接触部を被測定物表面に接触させた状態で前記相対移動手段を駆動させながら、前記位置検出手段からの測定位置情報を取り込み、この測定位置情報から被測定物の表面性状を測定する表面性状測定装置であって、
前記測定部からの検出測定力を取り込み、この検出測定力が目標測定力に略一致するように前記相対移動手段を駆動させる倣い制御手段と、
前記測定部からの検出測定力を取り込み、この検出測定力が接触測定力に一致したときにタッチ信号を発生するタッチ信号発生手段と、
倣い測定モードとタッチ測定モードとに切り替える切替スイッチ手段と、
前記倣い制御手段が動作中において、前記切替スイッチ手段が倣い測定モードに切り替えられた状態では、前記位置検出手段からの測定位置情報を所定条件に基づいて取り込み、前記切替スイッチ手段がタッチ測定モードに切り替えられた状態では、前記タッチ信号発生手段からタッチ信号が発生される毎に、前記位置検出手段からの測定位置情報を取り込む測定値取込手段とを備えたことを特徴とする表面性状測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の表面性状測定装置において、
前記切替スイッチ手段は、前記被測定物の表面形状に応じてユーザの選択により、倣い測定モードとタッチ測定モードとに切り替えられる切替部を備えていることを特徴とする表面性状測定装置。
【請求項４】
請求項２に記載の表面性状測定装置において、
前記切替スイッチ手段は、倣い測定モードとタッチ測定モードとに切り替える切替部と、この切替部を制御する切替制御部とを有し、
前記切替制御部は、前記測定力検出手段で検出される検出測定力の変化に基づいて前記切替部を切り替えることを特徴とする表面性状測定装置。
【請求項５】
請求項２に記載の表面性状測定装置において、
前記切替スイッチ手段は、倣い測定モードとタッチ測定モードとに切り替える切替部と、この切替部を制御する切替制御部とを有し、
前記切替制御部は、前記被測定物の表面形状に基づいて前記切替部を切り替えること特徴とする表面性状測定装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の表面性状測定装置において、
前記倣い制御手段は、前記測定部からの検出測定力と目標測定力との偏差を演算し出力する演算器と、この演算器からの出力信号を設定ゲインで増幅して前記相対移動手段に与えるゲイン調整手段とを含んで構成され、
前記測定部からの検出測定力が振動状態になるように、前記ゲイン調整手段の設定ゲインが調整可能に構成されていることを特徴とする表面性状測定装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の表面性状測定装置において、
前記相対移動手段は、前記測定部を微小変位させる微動機構と、この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含んで構成され、
前記倣い制御手段は、前記測定部からの検出測定力と目標測定力との偏差を演算し出力する演算器と、この演算器からの出力信号を設定ゲインで増幅して前記微動機構に与えるゲイン調整手段とを含んで構成され、
前記測定部からの検出測定力が振動状態になるように、前記ゲイン調整手段の設定ゲインが調整可能に構成されていることを特徴とする表面性状測定装置。
【請求項８】
被測定物の表面に接触する接触部を有するスタイラスおよび前記接触部が前記被測定物の表面に接触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、この測定部と被測定物とを相対移動させる相対移動手段と、前記測定部による被測定物の測定位置を測定位置情報として出力する位置検出手段とを備えた表面性状測定装置であって、
前記測定部で検出された測定力を取り込み、この検出測定力が目標測定力に略一致するように前記相対移動手段を駆動させる力制御ループと、
前記測定部で検出された検出測定力を取り込み、この検出測定力が接触測定力に一致したときにタッチ信号を発生するタッチ信号発生手段と、
このタッチ信号発生手段からタッチ信号が発生される毎に、前記位置検出手段からの測定位置情報を取り込む測定値取込手段とを備え、
前記測定力検出手段で検出される検出測定力が振動状態になるように、前記力制御ループが設定可能に構成されていることを特徴とする表面性状測定装置。
【請求項９】
請求項８に記載の表面性状測定装置において、
前記力制御ループは、前記測定力検出手段で検出された検出測定力と目標測定力との偏差を出力する演算器と、この演算器からの出力を設定ゲインで増幅して前記相対移動手段に与えるゲイン調整手段とを含んで構成され、
前記測定力検出手段で検出される検出測定力が振動状態になるように、前記力制御ループのゲイン調整手段の設定ゲインが調整可能に構成されていることを特徴とする表面性状測定装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の表面性状測定装置において、
前記相対移動手段は、前記測定部を微小変位させる微動機構と、この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含んで構成され、
前記力制御ループは、前記測定力検出手段で検出された検出測定力と目標測定力との偏差を出力する演算器と、この演算器からの出力を設定ゲインで増幅して前記微動機構に与えるゲイン調整手段とを含んで構成され、
前記測定力検出手段で検出される検出測定力が振動状態になるように、前記力制御ループのゲイン調整手段の設定ゲインが調整可能に構成されていることを特徴とする表面性状測定装置。
【請求項１１】
請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の表面性状測定装置において、
前記タッチ信号発生手段は、前記測定部からの検出測定力が接触測定力より高い値から接触測定力を過ぎったときと、前記測定部からの検出測定力が接触測定力より低い値から接触測定力を過ぎったときとの両方のタイミングでタッチ信号を発生することを特徴とする表面性状測定装置。
【請求項１２】
請求項１〜請求項１１のいずれかに記載の表面性状測定装置において、
前記測定部は、前記スタイラスを振動させる加振素子および前記スタイラスの振動状態を検出し検出信号として出力する検出素子を含んで構成されていることを特徴とする表面性状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面性状測定装置に関する。例えば、加振型力センサにより被測定物の形状や表面粗さなどの表面性状を測定する表面性状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被測定物の表面を走査して被測定物の形状や表面粗さなど表面性状を測定する表面性状測定装置として、粗さ測定機、輪郭測定機、真円度測定機、三次元測定機などが知られている。
このような測定機において、接触部が被測定物の表面に接触した微小変位に基づいて被測定物表面を検出するセンサとして、加振型力センサが利用されている。
【０００３】
＜加振型力センサについて＞
加振型力センサ１（測定部）は、図１０に示すように、金属製のベース２と、このベース２と一体的に形成されたスタイラス３と、このスタイラス３を振動（軸方向へ振動）させる加振素子４と、スタイラス３の振動状態を検出し検出信号として出力する検出素子５とから構成されている。スタイラス３の先端には、ダイヤモンドチップやルビーなどで構成された接触部としての触針６が接着固定されている。加振素子４および検出素子５は、スタイラス３の触針６が被測定物の表面に接触した際の測定力を検出する測定力検出手段を構成するもので、１枚の圧電素子によって構成され、ベース２の表裏にそれぞれ１枚ずつ接着固定されている。
【０００４】
いま、図１１に示すように、力センサ１の加振素子４に対して、特定の周波数と振幅をもつ加振信号Ｐi（電圧信号）を与えると、検出素子５では、特定の周波数と振幅の検出信号Ｑo（電圧信号）が得られる。
被測定物Ｗとの接触に伴う検出信号Ｑoの振幅変化を図１２に示す。スタイラス３が被測定物Ｗと非接触状態にあるとき、スタイラス３の共振周波数で一定の振幅をもつ加振信号Ｐiを加振素子４に加えると、スタイラス３が共振し、検出素子５に振幅Ａoの検出信号Ｑoが得られる。スタイラス３が被測定物Ｗに接触すると、検出信号Ｑoの振幅がＡoからＡxに減衰する。
【０００５】
この減衰率ｋ（Ａx／Ａo）と測定力との間には、図１３に示す関係がある。
ここで、スタイラス３（力センサ１）が被測定物Ｗに接触したときの検出信号Ｑoが非
接触時の９０％に減衰している場合（減衰率ｋ＝０．９の状態）を例にとる。図１３の関係より、この接触状態における測定力は１３５［μＮ］であることがわかる。
従って、力センサ１を被測定物Ｗに接触させる際、減衰率ｋが常に一定となるように、駆動用アクチュエータなどを用いて力センサ１と被測定物Ｗとの距離を制御すれば、測定力一定状態で被測定物Ｗの形状や粗さを測定することができる。
【０００６】
＜力センサを用いた形状測定システム＞
図１４は、力センサ１を用いた形状測定システムの一例である。この形状測定システムは、プローブ１０と、このプローブ１０を制御するコントローラ２０とから構成されている。
プローブ１０は、力センサ１と、この力センサ１を被測定物Ｗに対して進退させる駆動用アクチュエータ１１と、この駆動用アクチュエータ１１による力センサ１の変位量（つまり、力センサ１による被測定物Ｗの測定位置情報）を検出する検出器（スケールと検出ヘッドからなる）１２とから構成されている。
【０００７】
コントローラ２０は、力センサ１を振動させるために力センサ１に加振信号を与える発振器２１と、力センサ１からの検出信号を直流信号に変換するピークホールド回路２２と、このピークホールド回路２２からの出力（力センサ信号）と目標測定力との偏差を演算する演算器２３と、この演算器２３からの出力を入力とした力制御補償器２４と、この力制御補償器２４からの出力を基に駆動用アクチュエータ１１を駆動させる駆動アンプ２５と、検出器１２からの信号をカウントし力センサ１の測定位置情報を位置測定値として出力するカウンタ２６とから構成されている。
【０００８】
図１４において、力センサ１のスタイラス３を被測定物Ｗに接触させると、そのときの検出信号が力センサ１から出力される。すると、その検出信号は、ピークホールド回路２２で直流信号に変換されたのち、演算器２３に与えられる。演算器２５では、ピークホールド回路２２からの検出信号（力センサ信号）と目標測定力との偏差が算出される。その偏差に力制御補償器２４のゲインを乗じて、その結果が駆動アンプ２５に与えられるため、駆動用アクチュエータ１１によって偏差がなくなるように駆動される。
【０００９】
＜力センサを倣いプローブとして使用する方法＞
図１５は、力センサ１が非接触状態から接触状態へ移行したときの力センサ１からの検出信号（力センサ信号）の変化を示している。
力センサ１を被測定物Ｗに接触させた後さらに押し込んでいくと、力センサ１からの検出信号（力センサ信号）は、徐々に低下していき、目標測定力に略一致した状態で安定する。この状態において、力センサ１と被測定物とを被測定物の表面形状に沿って相対移動させていくと、力センサ１からの検出信号と目標測定力とが略一致した状態に保たれているから、検出器１２からの位置測定値を読み込めば、測定力が一定状態で被測定物の形状や粗さを倣い測定することができる。
【００１０】
＜力センサをタッチプローブとして使用する方法＞
図１４の形状測定システムにおいて、減衰率が所望の値になったときに、現在位置をラッチする回路を組み込むことで、力センサ１を測定力一定のタッチプローブとして使用することができる。
図１６に示すように、力センサ１の検出信号振幅を表す力センサ信号と、被測定物に接触したことを検知するための接触検出レベル（閾値）とを比較することで、力センサ１が被測定物に接触したことを表すタッチ信号を出力する回路を構築する。この構成では、力センサ信号が接触検出レベル（閾値）を過ぎたときにタッチ信号が発生するというしくみから、タッチ信号が発生するタイミングでは、常に同じ測定力が発生しているということになる（高精度化を実現）。
また、図１７に示すように、接触検出レベル（閾値）をコントロールすることで測定力をコントロールでき、接触検出レベルを上げることで、より低測定力な測定が可能となり超高精度な測定が可能となる。
【００１１】
＜力一定倣い測定機能とタッチ測定機能の両方の機能を搭載したプローブ＞
これまでの説明でわかるように、倣いプローブとして使用する場合も、タッチプローブとして使用する場合も、力センサの使用法（検出原理）は同じである。
そこで、従来、倣い測定機能とタッチ測定機能の両方の機能を搭載し、プローブ取付部自体を三次元空間で駆動する三次元駆動機構で駆動し、被測定物によって、力一定倣い測定とタッチ測定を切り替えて使用するシステムが提案されている（特許文献１参照）。
【００１２】
被測定物の表面形状、表面性状、材質による特性変動や、システムに入力される外乱により、力一定倣い制御が困難な場合がある。力一定倣い制御が困難な状態、すなわち、力制御が不安定な状態になると、倣い制御が振動的となり測定値にばらつきが生じ高精度が維持できない状態になる。その場合の補完機能として、力一定倣い測定とタッチ測定を切り替えて使用する。
【００１３】
たとえば、図１８に示すような場合、倣い測定の途中において、倣い制御が振動的となると、測定値にばらつきが生じ高精度が維持できない状態になるので、測定者がこの状況を判断し、倣い測定モードからタッチ測定モードに手動で切り替える。あるいは、力センサ信号の振動振幅が予め設定した所定値を超えた場合、倣い測定モードからタッチ測定モードに切り替える。更に、予め測定しようとする被測定物の表面形状を推定しておき、タッチ測定領域に入った段階で、倣い測定モードからタッチ測定モードに自動的に切り替える。すると、力センサが被測定物の表面から離れた後再接触する、いわゆる、タッチバック動作を繰り返しながら、被測定物表面に沿って力センサが接触していくため、タッチ信号が発せられたタイミングで測定値が取り込まれる。
【００１４】
【特許文献１】特願２００５−２５４０１６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかし、通常のタッチ測定で形状の倣い測定を補完するためには、測定したい形状周期より短いピッチでタッチ測定を行う必要があり、測定時間が長くなるという欠点などがある。
また、一般的には、微細な形状を測定する場合、力一定倣い測定を行う方がタッチ測定を行うより、測定データの離散間隔が狭く、細かい形状周期まで測定できるので、力一定倣い測定の方がタッチ測定を行うより得策である。従って、可能な限り力一定倣い測定の使用が望まれていた。
【００１６】
本発明の目的は、被測定物の表面性状などによる特性変動や外乱などがあっても、高精度で、かつ、測定時間を増大させることなく、測定力一定の倣い測定が実現可能な表面性状測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の表面性状測定装置は、被測定物の表面に接触する接触部を有するスタイラスおよび前記接触部が前記被測定物の表面に接触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、この測定部と被測定物とを相対移動させる相対移動手段と、前記測定部による被測定物の測定位置を測定位置情報として出力する位置検出手段とを備え、前記スタイラスの接触部を被測定物表面に接触させた状態で前記相対移動手段を駆動させながら、前記位置検出手段からの測定位置情報を取り込み、この測定位置情報から被測定物の表面性状を測定する表面性状測定装置であって、前記測定部からの検出測定力を取り込み、この検出測定力が目標測定力に略一致するように前記相対移動手段を駆動させる倣い制御手段と、前記測定部からの検出測定力を取り込み、この検出測定力が接触測定力に一致したときにタッチ信号を発生するタッチ信号発生手段と、前記倣い制御手段が動作中において、前記測定部からの検出測定力の変動幅が予め設定した一定幅未満の状態では、前記位置検出手段からの測定位置情報を所定条件に基づいて取り込み、前記測定部からの検出測定力が振動しかつ振幅が予め設定した一定幅を超えた状態では、前記タッチ信号発生手段からタッチ信号が発生される毎に、前記位置検出手段からの測定位置情報を取り込む測定値取込手段とを備えたことを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、測定部からの検出測定力が倣い制御手段に取り込まれ、倣い制御手段によって検出測定力が目標測定力に略一致するように相対移動手段が駆動される。従って、測定部のスタイラスが被測定物に接触され、このときの検出測定力が目標測定力に略一致するように制御された状態において、被測定物の表面性状が倣い測定される。
このとき、測定部からの検出測定力の変動幅が予め設定した一定幅未満の状態では、位置検出手段からの測定位置情報が所定条件に基づいて取り込まれる。従って、この状態では、通常の倣い測定での測定を実現できる。ここで、所定条件とは、所定時間間隔あるいは所定距離間隔などをいう。
一方、倣い測定中において、測定部からの検出測定力が振動し、かつ、振幅が予め設定した一定幅を超えた状態になると、たとえば、被測定物の形状や材質、表面性状などによる特性変動や外乱などによって、測定部からの検出測定力が振動的となると、測定力が変動するので、測定値にばらつきが生じる。
この状態では、タッチ信号発生手段からタッチ信号が発生される毎に、位置検出手段からの測定位置情報が取り込まれる。タッチ信号が発生するタイミングは、検出測定力が接触測定力と一致したときであるから、一定の測定力での測定値を取り込むことができる。もとより、倣い測定からタッチ測定へと切り替えて測定を行うものでないから、いわゆる、タッチバック動作に伴う時間的なロスもなくすことができる。
従って、被測定物の表面性状などによる特性変動や外乱などがあっても、高精度で、かつ、測定時間を増大させることなく、測定力一定の倣い測定が実現できる。
【００１９】
本発明の表面性状測定装置は、被測定物の表面に接触する接触部を有するスタイラスおよび前記接触部が前記被測定物の表面に接触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、この測定部と被測定物とを相対移動させる相対移動手段と、前記測定部による被測定物の測定位置を測定位置情報として出力する位置検出手段とを備え、前記スタイラスの接触部を被測定物表面に接触させた状態で前記相対移動手段を駆動させながら、前記位置検出手段からの測定位置情報を取り込み、この測定位置情報から被測定物の表面性状を測定する表面性状測定装置であって、前記測定部からの検出測定力を取り込み、この検出測定力が目標測定力に略一致するように前記相対移動手段を駆動させる倣い制御手段と、前記測定部からの検出測定力を取り込み、この検出測定力が接触測定力に一致したときにタッチ信号を発生するタッチ信号発生手段と、倣い測定モードとタッチ測定モードとに切り替える切替スイッチ手段と、前記倣い制御手段が動作中において、前記切替スイッチ手段が倣い測定モードに切り替えられた状態では、前記位置検出手段からの測定位置情報を所定条件に基づいて取り込み、前記切替スイッチ手段がタッチ測定モードに切り替えられた状態では、前記タッチ信号発生手段からタッチ信号が発生される毎に、前記位置検出手段からの測定位置情報を取り込む測定値取込手段とを備えたことを特徴とする。
【００２０】
この発明によれば、倣い測定モードとタッチ測定モードとに切り替える切替スイッチ手段を備えているので、切替スイッチ手段の切替動作によって、測定モードが倣い測定モードからタッチ測定モードに切り替えられる。すると、タッチ信号発生手段からタッチ信号が発生される毎に、位置検出手段からの測定位置情報が取り込まれるから、上記と同様な効果が期待できる。ここで、所定条件とは、所定時間間隔あるいは所定距離間隔などをいう。
【００２１】
本発明の表面性状測定装置において、前記切替スイッチ手段は、前記被測定物の表面形状に応じてユーザの選択により、倣い測定モードとタッチ測定モードとに切り替えられる切替部を備えていることが好ましい。
この発明によれば、ユーザーが、被測定物表面の傾斜や曲率をみて、被測定物表面のうち倣い測定する部分とタッチ測定をする部分とを選択する。そして、ユーザーが切替部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とを繰り返して、試行錯誤しながら最適な測定モードを自動選択するのに比べて、測定モードの選択を迅速かつ的確にでき、効率よく測定を進めることができる。
【００２２】
本発明の表面性状測定装置において、前記切替スイッチ手段は、倣い測定モードとタッチ測定モードとに切り替える切替部と、この切替部を制御する切替制御部とを有し、前記切替制御部は、前記測定力検出手段で検出される検出測定力の変化に基づいて前記切替部を切り替えることが好ましい。
倣い測定では、被測定物の表面形状や材質あるいは測定力の検出方向と被測定物表面の法線方向との相対角度などによって、測定部からの検出測定力が振動的になる。このような状態となると、測定力が変動するので、測定力一定での測定は期待できない。
この発明によれば、測定力検出手段で検出される測定力の変化に基づいて、例えば、測定部からの検出測定力が振動し、かつ、振幅が予め設定した一定幅を超えた状態になると、タッチ測定に切り替えられるから、ユーザーが切替部を任意に切り替えて試行錯誤しながら最適な測定モードを自動選択するのに比べて、測定モードの選択を迅速かつ的確にでき、効率よく測定を進めることができる。
【００２３】
本発明の表面性状測定装置において、前記切替スイッチ手段は、倣い測定モードとタッチ測定モードとに切り替える切替部と、この切替部を制御する切替制御部とを有し、前記切替制御部は、前記被測定物の表面形状に基づいて前記切替部を切り替えることが好ましい。
ここで、切替制御部が被測定物の表面形状に基づいて切替部を切り替えるとは、例えば、測定済みの測定データに基づいて被測定物の表面形状を算出したうえで、この算出した被測定物表面の曲率や、被測定物表面が測定力検出方向に対してなす角などに基づいて倣い測定とタッチ測定とを選択して切り替えることが例として挙げられる。あるいは、被測定物の設計データから被測定物表面の形状を得て、この設計データから被測定物表面の曲率や傾斜などを求めてもよい。
この発明によれば、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り替え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を行うことができる。
【００２４】
本発明の表面性状測定装置において、前記倣い制御手段は、前記測定部からの検出測定力と目標測定力との偏差を演算し出力する演算器と、この演算器からの出力信号を設定ゲインで増幅して前記相対移動手段に与えるゲイン調整手段とを含んで構成され、前記測定部からの検出測定力が振動状態になるように、前記ゲイン調整手段の設定ゲインが調整可能に構成されていることが好ましい。
この発明によれば、ゲイン調整手段の設定ゲインの調整により、測定部からの検出測定力が発振した状態が得られるから、位置検出手段からの相対移動位置データを周期的にかつよりこまかなタイミングで取得できる。よって、より高精度化が図れる。
【００２５】
本発明の表面性状測定装置において、前記相対移動手段は、前記測定部を微小変位させる微動機構と、この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含んで構成され、前記倣い制御手段は、前記測定部からの検出測定力と目標測定力との偏差を演算し出力する演算器と、この演算器からの出力信号を設定ゲインで増幅して前記微動機構に与えるゲイン調整手段とを含んで構成され、前記測定部からの検出測定力が振動状態になるように、前記ゲイン調整手段の設定ゲインが調整可能に構成されていることが好ましい。
ここで、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ることができる。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。
この発明によれば、粗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の速い微動機構によっ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。
【００２６】
本発明の表面性状測定装置は、被測定物の表面に接触する接触部を有するスタイラスおよび前記接触部が前記被測定物の表面に接触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、この測定部と被測定物とを相対移動させる相対移動手段と、前記測定部による被測定物の測定位置を測定位置情報として出力する位置検出手段とを備えた表面性状測定装置であって、前記測定部で検出された検出測定力を取り込み、この検出測定力が目標測定力に略一致するように前記相対移動手段を駆動させる力制御ループと、前記測定部で検出された検出測定力を取り込み、この検出測定力が接触測定力に一致したときにタッチ信号を発生するタッチ信号発生手段と、このタッチ信号発生手段からタッチ信号が発生される毎に、前記位置検出手段からの測定位置情報を取り込む測定値取込手段とを備え、前記測定力検出手段で検出される検出測定力が振動状態になるように、前記力制御ループが設定可能に構成されていることを特徴とする。
【００２７】
この発明によれば、スタイラスの接触部が被測定物の表面に接触した状態において、測定力検出手段で検出される検出測定力が振動状態になるように、力制御ループを設定し、この状態で測定を行う。すると、検出測定力が目標測定力に一致する毎にタッチ信号が発せられ、タッチ信号が発生される毎に、位置検出手段からの測定位置情報が測定値取込手段に取り込まれる。
つまり、検出測定力の振動状態を利用してタッチ信号を発生させるようにしたので、高速なタッチ信号を発生させることができ、このタッチ信号の発生タイミングで測定位置情報を取り込むことができるので、高精度な測定が実現できる。とくに、力制御ループの不安定振動を利用して測定を行うため、外乱に強く安定した形状追従が可能で、急傾斜面をもつ被測定物の測定も可能で、倣い速度も高くできる。
従って、被測定物の表面性状などによる特性変動や外乱などがあっても、高精度で、かつ、測定時間を増大させることなく、測定力一定の倣い測定が実現できる。
【００２８】
本発明の表面性状測定装置において、前記力制御ループは、前記測定力検出手段で検出された検出測定力と目標測定力との偏差を出力する演算器と、この演算器からの出力を設定ゲインで増幅して前記相対移動手段に与えるゲイン調整手段とを含んで構成され、前記測定力検出手段で検出される検出測定力が振動状態になるように、前記力制御ループのゲイン調整手段の設定ゲインが調整可能に構成されていることが好ましい。
この発明によれば、ゲイン調整手段の設定ゲインの調整により、測定部からの検出測定力が発振した状態が得られるから、位置検出手段からの相対移動位置データを周期的にかつよりこまかなタイミングで取得できる。よって、より高精度化が図れる。
【００２９】
本発明の表面性状測定装置において、前記相対移動手段は、前記測定部を微小変位させる微動機構と、この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含んで構成され、前記力制御ループは、前記測定力検出手段で検出された検出測定力と目標測定力との偏差を出力する演算器と、この演算器からの出力を設定ゲインで増幅して前記微動機構に与えるゲイン調整手段とを含んで構成され、前記測定力検出手段で検出される検出測定力が振動状態になるように、前記力制御ループのゲイン調整手段の設定ゲインが調整可能に構成されていることが好ましい。
この発明によれば、粗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の速い微動機構によっ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。
【００３０】
本発明の表面性状測定装置において、前記タッチ信号発生手段は、前記測定部からの検出測定力が接触測定力より高い値から接触測定力を過ぎったときと、前記測定部からの検出測定力が接触測定力より低い値から接触測定力を過ぎったときとの両方のタイミングでタッチ信号を発生することが好ましい。
この発明によれば、測定部からの検出測定力が接触測定力より高い値から接触測定力を過ぎったときと、測定部からの検出測定力が接触測定力より低い値から接触測定力を過ぎったときとの両方のタイミングでタッチ信号が発生されるから、位置検出手段からの測定位置情報をよりこまかなタイミングで取得できる。よって、より高精度化が図れる。
【００３１】
本発明の表面性状測定装置において、前記測定部は、前記スタイラスを振動させる加振素子および前記スタイラスの振動状態を検出し検出信号として出力する検出素子を含んで構成されていることが好ましい。
この発明によれば、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、この振動の差から、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。特に、振動が束縛されたことによる振動の減衰から、測定力を検出するため、低測定力でも高精度に検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
［第１実施形態］
＜第１実施形態の全体構成（図１）の説明＞
図１は、本発明に係る表面形状測定装置の第１実施形態を示すブロック図である。なお、同図の説明にあたって、図１４と同一構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
本実施形態の表面形状測定装置は、プローブ１０と、三次元駆動機構４０と、プローブ１０を制御するコントローラ５０とから構成されている。
プローブ１０は、図１４と同様に、力センサ１と、この力センサ１を被測定物Ｗに対して相対移動（進退）させる相対移動手段としての駆動用アクチュエータ１１と、この駆動用アクチュエータ１１による力センサ１の変位量（つまり、力センサ１による被測定物Ｗの測定位置情報）を検出する位置検出手段としての検出器（スケールと検出ヘッドからなる）１２とから構成されている。
【００３３】
三次元駆動機構４０は、駆動用アクチュエータ１１とともに相対移動手段を構成するもので、プローブ１０の取付部を三次元方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向）へ駆動させる。なお、三次元駆動機構４０は、プローブ１０を三次元方向へ駆動させる構成に限らず、被測定物Ｗを三次元方向へ駆動させる機構であってもよく、あるいは、プローブ１０および被測定物Ｗの一方を少なくとも１軸方向へ駆動可能とし、他方を残りの軸方向へ駆動可能として構成してもよい。
【００３４】
コントローラ５０は、図１４と同様に発振器２１、ピークホールド回路２２およびカウンタ２６を備えいるとともに、このほかに、タッチ信号発生部５１、ラッチカウンタ５２、倣い測定制御部５３を備えている。
タッチ信号発生部５１（タッチ信号発生手段）は、ピークホールド回路２２を通じて、力センサ１からの検出信号（つまり、検出測定力としての力センサ信号）を取り込み、この検出信号が設定値である接触測定力（接触検出レベル）に一致したとき、ここでは、検出信号が接触測定力より高い値から接触測定力（接触検出レベル）を過ぎったときにタッチ信号を発生し、このタッチ信号をラッチカウンタ５２へ与える。
ラッチカウンタ５２は、タッチ信号発生部５１からタッチ信号が与えられる毎に、カウンタ２６のカウント値をラッチし、倣い測定制御部５３（後述する測定値取込手段５５）へ与える。
【００３５】
倣い測定制御部５３は、倣い制御手段５４および測定値取込手段５５を備える。
倣い制御手段５４は、ピークホールド回路２２を通じて、力センサ１からの検出信号を取り込み、この検出信号が設定値である目標測定力に略一致するように駆動用アクチュエータ１１を駆動させる。つまり、図示省略したが、図１４と同様に、ピークホールド回路２２からの出力（力センサ信号）と目標測定力との偏差を演算する演算器２３と、この演算器２３からの出力を入力とした力制御補償器２４と、この力制御補償器２４からの出力を基に駆動用アクチュエータ１１を駆動させる駆動アンプ２５とから構成されている。
測定値取込手段５５は、倣い制御手段５４が動作中において、ピークホールド回路２２を通じて、力センサ１からの検出信号（力センサ信号）を取り込み、この検出信号の変動幅が予め設定した一定幅未満（測定値のばらつきを無視できる程度の変動幅）の状態であるか否かを判別する。検出信号の変動幅が予め設定した一定幅未満の状態では、カウンタ２６からの位置測定値（測定位置情報）を所定時間間隔で取り込む。力センサ１からの検出信号が振動し、かつ、振幅が予め設定した一定幅を超え状態では、タッチ信号発生部５１からタッチ信号が発生される毎にラッチされたラッチカウンタ５２の位置測定値（測定位置情報）を取り込む。
【００３６】
＜力一定倣い測定＞
力センサ１からの検出信号（力センサ信号）が倣い制御手段５４に取り込まれ、倣い制御手段５４によって検出信号が目標測定力（基準値）に略一致するように駆動用アクチュエータ１１が駆動される。従って、力センサ１のスタイラス３が被測定物に接触され、このときの測定力が目標測定力に保たれた状態で被測定物の表面性状が倣い測定される。
力一定制御が安定して制御されている場合（例えば、図１４の状態）では、力センサ１および被測定物の変形量は一定なので、測定値のばらつきを少なく測定することができる。
【００３７】
しかし、被測定物の表面形状、表面性状、材質による特定変動やシステムに入力される外乱により、力一定倣い制御が困難な状況になると、力センサ１および被測定物の変形量が、安定していない測定力に応じて変化するので、測定値のばらつきが大きくなる。
たとえば、図２に示すように、力センサ１からの検出信号（力センサ信号）が目標測定力に達したのち、振動すると、測定値のばらつきが大きくなる。
ここでは、検出信号が目標測定力を高い値から目標測定力を過ぎる毎に、タッチ信号発生部５１からタッチ信号が発生される。すると、そのタッチ信号がラッチカウンタ５２に与えられる結果、カウンタ２６のカウント値がラッチカウンタ５２にラッチされる。
【００３８】
同時に、力センサ１からの検出信号は測定値取込手段５５にも与えられている。測定値取込手段５５は、力センサ１からの検出信号の変動幅が予め設定した一定幅未満の状態であるか否かを判別する。検出信号の変動幅が予め設定した一定幅未満の状態では、カウンタ２６からの位置測定値を所定時間間隔で取り込む。力センサ１からの検出信号が振動し、かつ振幅が予め設定した一定幅を超えた状態では、ラッチカウンタ５２の値、つまり、タッチ信号発生部５１からタッチ信号が発生される毎にラッチされたラッチカウンタ５２の位置測定値を取り込む。
尚、力センサ１からの検出信号が振動している状態にあっても倣い制御手段５４は動作しているので、力センサ１の検出信号の振動の平均値は目標測定値に略一致するように制御される。
【００３９】
タッチ信号が発生するタイミングは、検出信号が接触測定力と一致したときであるから、一定の測定力での測定値を取り込むことができる。つまり、測定値は、常に同じ測定力が生じているときの値となり、力一定制御が安定して制御されている場合と同等な測定値が得られる。結果、測定値のばらつきを抑えることが可能となる。
また、被測定物の形状追従中（倣い制御中）にタッチ信号が生成されるため、従来のタッチプローブのようなタッチバック動作が不要となり、測定時間を短縮できる。つまり、タッチバック動作に伴う時間的なロスをなくすことができる。
従って、被測定物の表面性状などによる特性変動や外乱などがあっても、高精度で、かつ、測定時間を増大させることなく、測定力一定の倣い測定が実現できる。
【００４０】
上述した方式の場合、タッチ信号の発生周期を等間隔でかつ任意の周期で発生させることができないのが欠点となるが、このことを補うため、次の方法が考えられる。
＜（１）タッチ信号の発生条件を変えて、タッチ信号発生周期を高める方法＞
図２で説明している方法では、力センサ１の検出信号が接触検出レベルを、高い値から低い値に過ぎったときのみタッチ信号を発生する回路を用いているが、図３のように、高い値から低い値に過ぎったときと、低い値から高い値に過ぎったときの両方でタッチ信号を発生させる。つまり、図１のタッチ信号発生部５１を、上述した両方のタイミングでタッチ信号を発生する回路に構成する。このようにすると、タッチ信号発生周期を高めることができるから、より高精度化が図れる。（図２および図３は、倣い制御手段５４の目標測定力とタッチ信号発生部５１の接触測定力が同値である場合を図示している。）
なお、この方法は、次の（２）力制御ループをハイゲインにして高周波発振させる方法と同時に使用することが可能である。
【００４１】
＜（２）力制御ループをハイゲインにして高周波発振させる方法＞
力一定倣い制御が安定しない理由は、主に２通り考えられる。
（ａ）力制御で押さえ込めない外乱の影響で力が乱れる。
（ｂ）力制御ループがハイゲインであり、高周波領域が不安定になり発振状態になる。
上記（ｂ）の状態は通常の制御では好ましくない状態であるが、本方式を用いた場合は、このような発振状態でも、ばらつきの少ない測定値を取得することが可能である。また、力制御ループのハイゲイン化による発振の場合は、一般的にはプローブの機械系がもっている高周波領域の共振周波数で発振する場合が多いので、この発振現象を利用することで、高速で周期的な連続タッチを実現できる。
【００４２】
具体的には、倣い制御手段５４は、図１４と同様に、力センサ１からの検出信号と目標測定力との偏差を演算し出力する演算器２３と、この演算器２３からの出力信号を設定ゲインで増幅して出力するゲイン調整手段としての力制御補償器２４と、この力制御補償器２４からの出力を基に相対移動手段である駆動用アクチュエータ１１を駆動させる駆動アンプ２５とを含んで構成されているから、例えば、力センサ１からの検出信号が振動状態になる領域に力センサ１と被測定物との走査位置が達した時点で、測定者が手動で、力制御補償器２４のゲインをハイゲインに調整あるいは切り替える。
または、力センサ１からの検出信号が振動的になり、かつ、振幅が予め設定した一定幅を超えたことを検出する回路を設け、この回路の働きによって、力制御補償器２４のゲインをハイゲインに調整あるいは切り替える。
このようにすれば、力センサ１からの検出信号が発振した状態が得られるから、検出器１２からの位置測定値を周期的にかつよりこまかなタイミングで取得できる。よって、より高精度化が図れる。
【００４３】
［第２実施形態］
＜第２実施形態（図４）の説明＞
第１実施形態では、力センサ１からの検出信号が予め設定した所定幅を超えたことを条件として、タッチ信号発生時のタイミングでラッチカウンタ５２の値を取り込むようにしたが、第２実施形態では、図４に示すように、倣い測定モードとタッチ測定モードとを切り替える切替スイッチ手段５６が設けられている。
切替スイッチ手段５６は、被測定物の表面形状に応じてユーザの選択により、倣い測定モードとタッチ測定モードとを切り替える切替部５６Ａを備えている。つまり、測定値取込手段５５側に、切替部５６Ａが、カウンタ２６側の端子と、ラッチカウンタ５２側の端子に切替可能に挿入されている。
【００４４】
測定値取込手段５５は、倣い制御手段５４が動作中において、切替スイッチ手段５６の切替部５６Ａが一方側（カウンタ２６側）に切り替えられた状態では、位置検出手段としてのカウンタ２６からの位置測定値（測定位置情報）を所定時間間隔で取り込む。切替部５６Ａが他方側（ラッチカウンタ５２側）へ切り替えられた状態では、ラッチカウンタ５２のカウント値、つまり、タッチ信号発生部５１からタッチ信号が発生される毎にラッチカウンタ５２にラッチされたカウント値を取り込む。
【００４５】
この構成では、ユーザーが被測定物の表面形状などを判別し、力センサ１からの検出信号が振動的になりそうな領域に、力センサ１と被測定物との走査位置が達した時点で、切替スイッチ手段５６の切替部５６Ａを他方側（ラッチカウンタ５２側）へ切り替える。すると、タッチ信号発生部５１からタッチ信号が発生される毎に、カウンタ２６の測定値がラッチカウンタ５２でラッチされ、その測定値が測定値取込手段５５に取り込まれるから、上記と同様な効果が期待できる。
【００４６】
従って、第２実施形態によれば、ユーザーが、被測定物表面の傾斜や曲率をみて、被測定物表面のうち倣い測定する部分とタッチ測定をする部分とを選択する。そして、ユーザーが切替部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とを繰り返して、試行錯誤しながら最適な測定モードを自動選択するのに比べて、測定モードの選択を迅速かつ的確にでき、効率よく測定を進めることができる。
【００４７】
＜第２実施形態の変形例（図５）の説明＞
第２実施形態において、切替スイッチ手段５６の切替部５６Ａをユーザーが手動で切り替えるのではなく、切替部５６Ａを自動的に切り替えるように構成することも可能である。
例えば、図５に示す変形例では、切替スイッチ手段５６は、倣い測定モードとタッチ測定モードとに切り替える切替部５６Ａと、この切替部５６Ａを制御する切替制御部５６Ｂとから構成さている。切替制御部５６Ｂは、測定力検出手段としての力センサ１で検出される力センサ信号の変化に基づいて切替部５６Ａを切り替える。
倣い測定では、被測定物の表面形状や材質などによって、力センサ１からの力センサ信号が振動的になる。このような状態となると、測定力が変動するので、測定力一定での測定は期待できない。図５に示す例では、切替制御部５６Ｂが、力センサ１で検出される力センサ信号の変化に基づいて、例えば、力センサ信号が振動し、かつ、振幅が予め設定した一定幅を超えた状態になると、切替部５６Ａをラッチカウンタ５２側（タッチ測定側）に切り替えるから、ユーザーが切替部を任意に切り替えて試行錯誤しながら最適な測定モードを自動選択するのに比べて、測定モードの選択を迅速かつ的確にでき、効率よく測定を進めることができる。
【００４８】
また、切替スイッチ手段５６を、倣い測定モードとタッチ測定モードとに切り替える切替部５６Ａと、この切替部５６Ａを制御する切替制御部５６Ｂとから構成するとともに、切替制御部５６Ｂは、被測定物の表面形状に基づいて切替部５６Ａを切り替えるように構成することも可能である。
例えば、測定済みの測定データに基づいて被測定物の表面形状を算出したうえで、この算出した被測定物表面の曲率や、被測定物表面が測定力検出方向に対してなす角などに基づいて倣い測定とタッチ測定とを選択して切り替えるようにしてもよい。あるいは、被測定物の設計データから被測定物表面の形状を得て、この設計データから被測定物表面の曲率や傾斜などを求め、これらの曲率や傾斜などに基づいて倣い測定とタッチ測定とを選択して切り替えるようにしてもよい。
このようにすれば、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り替え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。
【００４９】
［第３実施形態］
＜第３実施形態（図６）の説明＞
第１実施形態では、最初は、倣い制御手段５４の力制御補償器２４のゲインを最適なゲインに設定して倣い力一定制御を行い、例えば、力センサ１からの検出信号が振動状態になる領域に力センサ１と被測定物との走査位置が達した時点で、ユーザーが手動で、力制御補償器２４のゲインをハイゲインに調整または切り替える、あるいは、力センサ１からの検出信号が振動的になり、かつ、振幅が予め設定した一定幅を超えたことを検出する回路を設け、この回路の働きによって、力制御補償器２４のゲインをハイゲインに調整あるいは切り替える構成であった。
【００５０】
第３実施形態では、図６に示すように、測定部としての力センサ１で検出された力センサ信号（検出測定力）を取り込み、この力センサ信号が目標測定力に一致するように駆動用アクチュエータ１１（相対移動手段）を駆動させる力制御ループ２８と、力センサ１で検出された力センサ信号を取り込み、この力センサ信号が接触測定力に一致したときにタッチ信号を発生するタッチ信号発生部５１と、このタッチ信号発生部５１からタッチ信号が発生される毎に、カウンタ２６からの測定位置情報を取り込む測定値取込手段５５とを備え、力制御ループ２８を最初から不安定な状態に設定して倣い測定を行えるように構成されている。
【００５１】
力制御ループ２８は、図１の倣い制御手段５４および図１４の力制御ループと同様に、力センサ１（測定力検出手段）で検出された力センサ信号と目標測定力との偏差を出力する演算器２３と、この演算器２３からの出力を設定ゲインで増幅して出力するゲイン調整手段としての力制御補償器２４と、この力制御補償器２４の出力を増幅して駆動用アクチュエータ１１へ与える駆動アンプ２５とを含んで構成されている。
そして、力センサ１で検出される力センサ信号が振動状態になるように、力制御ループ２８が設定可能に構成されている。つまり、力センサ信号が振動状態になるように、力制御ループ２８の力制御補償器２４の設定ゲインが調整可能に構成されている。
【００５２】
第３実施形態によれば、力センサ１の接触部が被測定物の表面に接触した状態において、力センサ１で検出される力センサ信号が振動状態になるように、力制御ループ２８を設定し、この状態で倣い測定を行う。すると、力センサ信号が接触測定力に一致する毎に、タッチ信号発生部５１からタッチ信号が発せられ、タッチ信号が発生される毎に、カウンタ２６の値がラッチカウンタ５２でラッチされ測定値取込手段５５に取り込まれる。
つまり、力センサ信号の振動状態を利用してタッチ信号を発生させるようにしたので、高速なタッチ信号を発生させることができ、このタッチ信号の発生タイミングで測定位置情報を取り込むことができるので、高精度な測定が実現できる。とくに、力制御ループ２８の不安定振動を利用して測定を行うため、外乱に強く安定した形状追従が可能で、急傾斜面をもつ被測定物の測定も可能で、倣い速度も高くできる。
従って、被測定物の表面性状などによる特性変動や外乱などがあっても、高精度で、かつ、測定時間を増大させることなく、測定力一定の倣い測定が実現できる。
尚、力センサ１からの検出信号が振動している状態において、力制御ループ２８が動作しているので、力センサ１の検出信号の振動の平均値は目標測定値に略一致するように制御される。
【００５３】
［第４実施形態］
＜第４実施形態（図７）の説明＞
第４実施形態では、第２実施形態の変形例（図５）に対して、相対移動手段としての駆動用アクチュエータ１１が、力センサ１（測定部）を微小変位させる微動機構としての微動部アクチュエータ１１Ａと、この微動部アクチュエータ１１Ａとともに力センサ１を微動部アクチュエータ１１Ａよりも大変位させる粗動機構としての粗動部アクチュエータ１１Ｂとを含んで構成されている。
微動部アクチュエータ１１Ａ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を用いることが可能である。粗動部アクチュエータ１１Ｂとしては、電磁アクチュエータなどを用いることができる。
【００５４】
力制御ループを構成する倣い制御手段５４は、前記と同様に、演算器２３と、力制御補償器２４と、この力制御補償器２４の出力を増幅して微動部アクチュエータ１１Ａおよび粗動部アクチュエータ１１Ｂへ与える駆動アンプ２５とを含んで構成され、力センサ信号が振動状態になるように、力制御ループを構成する力制御補償器２４の設定ゲインが調整可能に構成されている。
なお、本実施形態では、被測定物表面の形状変化に追従して、粗動部アクチュエータ１１Ｂの駆動を制御する粗動部制御手段５７が別途設けられている。
【００５５】
第４実施形態では、微動部アクチュエータ１１Ａと粗動部アクチュエータ１１Ｂ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の速い微動部アクチュエータ１１Ａによっ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部アクチュエータ１１Ｂ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。
【００５６】
＜第４実施形態の変形例（図８）の説明＞
第４実施形態では、駆動用アクチュエータ１１が、微動部アクチュエータ１１Ａと、粗動部アクチュエータ１１Ｂとから構成されていたが、粗動部アクチュエータ１１Ｂについては、三次元駆動機構４０でも代替えできる。
つまり、図８に示すように、粗動部アクチュエータ１１Ｂを省略し、それに代わって、三次元駆動機構４０で形状追従を行うようにしてもよい。この場合、測定値取込手段５５に取り込まれた検出器１２の値（力センサ１の変位量）に、三次元駆動機構によって移動された移動量との合算値をもって力センサ１の位置を求めるようにすればよい。
【００５７】
また、上記第４実施形態の構成、つまり、駆動用アクチュエータ１１を、微動部アクチュエータ１１Ａと、粗動部アクチュエータ１１Ｂとから構成する点を、前記第３実施形態の駆動用アクチュエータ１１に適用することも可能である。
【００５８】
＜変形例の説明＞
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。
上記実施形態では、力センサ１のベース２とスタイラス３とを一体的に構成したが、これに限らず、別体であってもよい。つまり、ベース２とスタイラス３とを別体として構成し、ベース２に対してスタイラス３を接着固定するようにしてもよい。
上記実施形態では、スタイラス３を軸方向へ振動させるようにしたが、これに限らず、スタイラス３の軸に対して交差する方向に振動させるようにしてもよい。
さらに、各実施形態において、倣い制御手段における目標測定力、力制御ループにおける目標測定力、タッチ信号発生手段における接触測定力を個別に説明したが、値として同一の測定力であっても差し支えはない。
また、各実施形態においてカウンタ２６からの位置測定値（測定位置情報）を所定時間間隔で取り込む例を示したが、これに限らず所定位置間隔あるいは所定時間間隔と所定距離間隔との両者併用によって位置測定値を取り込んでも良い。
さらに、第１実施形態（図１）において、駆動用アクチュエータ１１を備える例を示したが、これに限らず駆動用アクチュエータ１１を備えなくとも良い。この場合、倣い制御手段５４は三次元駆動機構４０（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸）を制御し、測定値取込手段５５は三次元駆動機構の各軸の変位（例えば、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の変位）と、カウンタ２６からの位置測定値あるいはラッチカウンタ５２の位置測定値との合算値を測定値として取り込む。
また、各実施形態において示した三次元駆動機構４０は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の直交３軸を制御するものを示したが、これに限らず二次元駆動機構、一次元駆動機構であってもよく、さらに、直動機構に限らず回動機構を含むものであっても良い。要はプローブ１０と被測定物とを相対駆動可能で、かつその駆動量を検出可能であれば良い。
【００５９】
また、上記各実施形態では、軸方向へ振動するタイプのスタイラスが用いられていたが、本発明に係る触針はこれに限られるものでなく、例えば、図９に示すような構造であってもよい。
触針９０は、長手方向が駆動用アクチュエータ１１（あるいは、微動部アクチュエータ１１Ａおよび粗動部アクチュエータ１１Ｂ）の動作方向と略直交配置されかつ前記動作方向に沿う方向に弾性変形可能な弾性レバー９１を介して、これらアクチュエータの駆動用可動部に設けられている。このような触針を被測定物の表面に接触させた場合、被測定物と触針９０との間に作用する測定力は弾性レバー９１に弾性変形をもたらす。従って、弾性レバー９１の弾性変形量を検出することで、測定力の変化を知ることができる。弾性レバー９１の弾性変形量を検出する検出手段は、例えば、歪みセンサによって構成されていてもよく、レーザ光９２などを弾性レバー９１の上面に照射して、この上面からの反射光９３をもとに弾性レバー９１の弾性変形量を検出する検出器９４によって構成されていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、被測定物の表面粗さを測定する表面粗さ測定機、形状測定機、輪郭測定機、真円度測定機、三次元測定機などに適用可能である。とくに、微細形状の測定に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明に係る表面形状測定装置の第１実施形態を示すブロック図。
【図２】第１実施形態において力センサ信号振動時におけるタッチ信号を示す図。
【図３】第１実施形態において力センサ信号振動時におけるタッチ信号を示す図。
【図４】本発明に係る表面形状測定装置の第２実施形態を示すブロック図。
【図５】第２実施形態の変形例を示すブロック図。
【図６】本発明に係る表面形状測定装置の第３実施形態を示すブロック図。
【図７】本発明に係る表面形状測定装置の第４実施形態を示すブロック図。
【図８】第４実施形態の変形例を示すブロック図。
【図９】測定部の変形例を示す斜視図。
【図１０】力センサの構成を示す分解斜視図。
【図１１】力センサに与える加振信号と検出信号を示す図。
【図１２】力センサが被測定物と接触した際の検出信号の変化を示す図。
【図１３】力センサの検出信号の減衰率と測定力との関係を示す図。
【図１４】力センサを用いた形状測定システムを示すブロック図。
【図１５】図１４のシステムにおいて力センサ信号の変化を示す図。
【図１６】図１４のシステムにおいて力センサ信号、接触検出レベル、タッチ信号の関係を示す図。
【図１７】図１４のシステムにおいて接触検出レベルを上下変動した際の様子を示す図。
【図１８】倣い測定モードとタッチ測定モードとを備えたシステムにおいて、力検出信号が振動状態となったときの様子を示す図。
【符号の説明】
【００６２】
１…加振型力センサ（測定部）
３…スタイラス
４，５…測定力検出手段を構成する加振素子および検出素子
１０…プローブ
１１…駆動用アクチュエータ（相対移動手段）
１２…検出器（位置検出手段）
２４…力制御補償器（ゲイン調整手段）
２６…カウンタ
２８…力制御ループ
５０…コントローラ
５１…タッチ信号発生部
５２…ラッチカウンタ
５３…倣い測定制御部
５４…倣い制御手段
５５…測定値取込手段
５６…切替スイッチ手段
５６Ａ…切替部
５６Ｂ…切替制御部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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