表面形状測定装置及び触針荷重の異常検出方法
【課題】被測定物の表面に接触する触針を有する表面形状測定装置において、触針に作用する荷重の異常を検出することを可能にすることにより、触針に作用する過大な荷重による触針やピックアップの破損を防止する。
【解決手段】触針１１を被測定物Ｗの表面に接触させながら相対移動させ、このとき被測定物Ｗの表面の起伏により生じる触針１１の変位を検出した変位信号を生成して、被測定物Ｗの表面形状を測定する表面形状測定装置１に、かかる変位信号の変化の異常を、触針１１に作用する荷重の異常として検出する触針荷重異常検出部６２を設ける。
【解決手段】触針１１を被測定物Ｗの表面に接触させながら相対移動させ、このとき被測定物Ｗの表面の起伏により生じる触針１１の変位を検出した変位信号を生成して、被測定物Ｗの表面形状を測定する表面形状測定装置１に、かかる変位信号の変化の異常を、触針１１に作用する荷重の異常として検出する触針荷重異常検出部６２を設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触針を被測定物の表面に接触させながら相対移動させ、このとき被測定物の表面の起伏により生じる触針の変位を検出した変位信号を生成して、被測定物の表面形状を測定する表面形状測定装置に関し、特にこの触針、若しくは触針の変位を検出するピックアップ部の破損を防止する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
表面形状測定装置は、被測定物の表面に所定の測定圧力で触針を押しつけながら、この触針と被測定物を相対移動させ、そのとき被測定物の表面の起伏により生じる触針の変位量を電気信号に変換して、電気信号に変換された変位信号をコンピュータ等の計算機で読み取り、被測定物に対する触針の相対移動長の長さを有する線分上の各点に、順次読み取った各変位量を配置して、被測定物の表面形状データを作成するものである（例えば、下記特許文献１）。図１に、表面形状測定装置の基本構成を示す。
【０００３】
表面形状測定装置１には、被測定物を載置するためのＸＹ平面に沿ったテーブル２が設けられる。テーブル２にはコラム３が立設される。そしてコラム３には可動部４が取り付けられる。コラム３には図示しないモータが内蔵されており、このモータによって可動部４をコラム３に沿って（すなわちＺ方向に沿って）上下に昇降することが可能である。
可動部４にはホルダ５が設けられ、このホルダ５に腕部１０を取り付け、さらに腕部１０の先にピックアップ６を取り付ける。可動部４もまた図示しないモータを内蔵しており、ホルダ５をＸ方向に駆動することが可能である。
【０００４】
腕部１０の先端には、テーブル２上に載置された被測定物の表面粗さを測定するための測定子（ピックアップ）６が設けられ、このピックアップ６には、一方の端に触針１１が設けられたカンチレバー７が取り付けられる。図２にピックアップの内部構造を示す。
ピックアップ６は、カンチレバー７の長手方向と触針１１の突出方向とに直角な方向を回転軸としてカンチレバー７を揺動可能に支える支点２１と、カンチレバー７に付勢を与え、触針１１を一定の測定圧力で被測定物Ｗの測定面１０３に押し当てるための、バネ等の弾性体である付勢手段２２と、を備える。
【０００５】
触針１１を測定面１０３を押し当てた状態で、表面形状測定装置１の動作を制御するコンピュータ等の計算部４０が、移動機構駆動回路５０を介して駆動部４をＸ方向に一定速度で移動させる。すると触針１１には、測定面１０３の起伏に応じて、付勢手段２２による測定圧力の方向に変位が生じる（すなわち、可動部４の所定の基準面に対して上下方向に変位が生じる）。この触針１１の変位によってカンチレバー７が揺動し、この揺動量がピックアップ６内の差動トランスによって電気信号に変換される。
【０００６】
図示の構成例では、差動トランスは、励磁された１次コイル２３と、２つの２次コイル２５と、その中心部に挿入された磁性体コア２６を備えて構成され、磁性体コア２６はカンチレバー７に固定される。触針１１の変位に応じてカンチレバーが回転すると、これに応じて磁性体コア２６がコイル内で移動し、１次コイル２３に対する２つの２次コイル２５のそれぞれの相互インダクタンスが変化する。このため２つの２次コイル２５の誘導電圧に違いが生じ、コアの移動量すなわち触針１１の変位量に応じた出力電圧を得ることができる。差動トランスの代わりに差動インダクタンス、レーザ干渉計や光学エンコーダが用いられることもある。
【０００７】
ピックアップ６の出力信号は、アナログディジタル変換回路（ＡＤＣ）３０に入力されて、アナログディジタル変換回路３０はこのアナログ信号を所定のサンプリング周期でディジタル形式の変位信号列に変換する。
ディジタル形式の変位信号列は計算機４０に入力される。計算機４０は、可動部４を一定速度で移動させながら順次読み取った各変位信号の値を、可動部４の移動長の長さを有する線分上の各点に各々配置して被測定物の表面形状データを作成する。
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−１０７１４４号公報
【特許文献２】特開平２００５−１２７９３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のような、触針１１を被測定物に接触させる表面形状測定装置１では、被測定物の表面に穴や段差があるとそこに触針１１がひっかかり、触針１１に過大な荷重が作用する場合がある。しかし従来の表面形状測定装置１では触針１１に作用する荷重の検出手段を有しないため、触針１１に過大な荷重が作用したまま可動部４やコラム３を駆動し続けてしまい、触針１１を破損することがある。
【００１０】
特に図３の（Ａ）に示すように、被測定物Ｗの横穴１０１の内側面の表面形状を測定する場合には、図において点線で示した測定開始点まで触針を移動する場合に、触針１１を穴１０１の奥にぶつけて破損しやすい。
また図３の（Ｂ）に示すように、被測定物Ｗの表面に穴１０２がある場合に、触針１１が穴１０２に落ちてしまい、これに引っかかって触針１１を破損することがある。
【００１１】
また従来の表面形状測定装置１では、測定中でない触針１１の移動時、例えば測定開始点まで触針１１の移動の際には、ピックアップ６の出力信号を監視していないため、このような移動時に触針１１を障害物にぶつけて、触針１１やピックアップ６を破損することがあった。
上記問題点に鑑み、本発明は被測定物の表面に接触する触針を有する表面形状測定装置において、触針に作用する荷重の異常を検出することを可能にすることにより、触針に作用する過大な荷重による触針やピックアップの破損を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために本発明では、触針に作用する荷重の異常を検出するために触針の変位量を検出した変位信号を用いる。
触針が正常に測定面上を移動している場合には、触針の変位量を検出した変位信号の値は、その変動範囲や変化率はある一定程度の範囲内に止まっている。一方で、触針が測定面上の凹凸などに引っかかっている場合や障害にぶつかっている場合などの触針に過大な荷重が作用する異常時には、例えば変位信号の変化が少なくなり、または例えば通常生じえない大きさの変化が生じる。
したがって、このような変位信号の異常を検出することにより、上記の例のような触針に過大な荷重が作用する状態を検出することができる。
【００１３】
本発明の第１形態による表面形状測定装置によれば、触針を被測定物の表面に接触させながら相対移動させ、このとき被測定物の表面の起伏により生じる触針の変位を検出した変位信号を生成して、被測定物の表面形状を測定する表面形状測定装置であって、変位信号の変化の異常を、触針に作用する荷重の異常として検出する触針荷重異常検出部を備えた表面形状測定装置が提供される。
【００１４】
また、本発明の第２形態による触針荷重の異常検出方法によれば、触針を被測定物の表面に接触させながら相対移動させ、このとき被測定物の表面の起伏により生じる触針の変位を検出した変位信号を生成して、被測定物の表面形状を測定する表面形状測定において、変位信号の変化の異常を、触針に作用する荷重の異常として検出する。
【００１５】
触針に作用する荷重の異常を検出した場合には、例えば被測定物と触針とを相対移動させる移動機構を停止させる。これにより触針やその変位量を検出するセンサの破損を防止することができる。
変位信号の変化の異常を検出するために、例えば、変位信号を周波数領域信号に変換し、この周波数領域信号の変化が所定の許容幅を超えるとき、変位信号の変化に異常があると判定してもよい。
触針が正常に測定面上を移動している場合には、触針の移動速度と測定面の粗さに応じて変位信号に所定の周波数範囲内の周波数成分が生じ周波数領域信号の変化が安定しているが、上記のような異常な状態が生じると周波数領域信号の変化が大きくなるため、このような周波数領域信号の変化を検出することで、触針に作用する荷重の異常を検出することが可能となる。
【００１６】
所定の許容幅は、周波数領域信号に含まれる、所定の周波数帯域よりも低い周波数信号成分の許容強度範囲として定めてよい。このとき所定の周波数帯域を、触針を被測定物の表面の起伏に沿わせながら触針と被測定物とを相対移動させたとき周波数領域信号に生じることが予定される信号の周波数の範囲として定めてよい。
また、周波数領域信号の所定の変化幅を、最大強度の周波数成分がある周波数の許容周波数範囲として定めてもよい。
【００１７】
図２に示すカンチレバーのような、揺動可能なレバー部材で触針を支持し、このレバー部材の揺動量を検出して変位信号を生成する場合には、例えば触針が測定表面に引っかかり又は障害物にぶつかったままの状態で触針を移動させようとすると、レバー部材が歪んでその揺動量を検出した変位信号の変化が過大になる。したがってこのときの変位信号の微分値が所定の閾値を超えるか否かを判定することによって、触針に作用する荷重の異常を検出することが可能となる。この微分値に代えて変位信号の移動平均値の微分値を使用してもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は被測定物の表面に接触する触針を有する表面形状測定装置において、触針に作用する荷重の異常を検出することを可能にすることにより、触針に作用する過大な荷重による触針やピックアップの破損を防止することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付する図面を参照して本発明の実施例を説明する。図４の（Ａ）は、図１及び図２に示す表面形状測定装置を制御して、本発明による表面形状測定装置を実現する計算部の概略構成例を示す図である。本発明の実施例による表面形状測定装置のその他の構成要素は、図１及び図２に示す表面形状測定装置１と同様であるため、記載の重複を防ぐために説明を省略する。
【００２０】
コンピュータ等で実現される計算部４０は、表面形状測定装置１の制御プログラムや、またピックアップ６からの出力信号を処理して表面形状データを作成するプログラムなどを実行するＣＰＵ４１と、ＣＰＵ４１による各プログラムの実行に必要なデータを記憶するための、ＲＡＭ及びＲＯＭなどの主記憶装置４２と、ＣＰＵ４１が実行する各プログラムや作成した表面形状データを保存するための副記憶装置４３と、ピックアップ６からの出力信号をアナログディジタル変換回路３０にてディジタル信号に変換した変位信号を計算部４０に入力し、また可動部４の動作を制御する制御信号を移動機構駆動回路５０に出力するためのインターフェース部（Ｉ／Ｆ）４４と、を備えて構成される。
【００２１】
図４の（Ｂ）は、図４の（Ａ）に示す計算部４０により実現される機能ブロック図である。計算部４０は、副記憶装置４３に記憶した所定のプログラムをＣＰＵ４１で実行することにより、少なくとも表面形状データ作成部６０と、移動機構制御部６１と、触針荷重異常検出部６２の機能ブロックを実現する。
表面形状データ作成部６０は、ピックアップ６の移動に伴って変化する変位信号の列を順次入力し、ピックアップ６の移動長の長さの線分上の各点に、これら入力した変位信号の値を順次配置して、被測定物の表面形状データを作成する。
【００２２】
移動機構制御部６１は、コラム３及び可動部４を駆動して触針１１を測定開始位置まで運搬させ、また測定中は可動部４を一定速度で駆動するための移動機構制御命令を生成して移動機構駆動回路５０に供給する。また移動機構制御部６１は、表面形状データの作成に必要な可動部４の移動量やＸ座標値などのデータを、表面形状データ作成部６０に供給する。
【００２３】
触針荷重異常検出部６２は、移動機構制御部６１がコラム３又は可動部４を駆動していることを示す動作信号を受信して、移動機構制御部６１がコラム３又は可動部４を駆動している間、変位信号を監視する。そして変位信号の変化の異常を検出したとき、触針１１に作用する荷重の異常があったことを示す触針荷重異常信号を生成し、表面形状データ作成部６０及び移動機構制御部６１に出力する。触針荷重異常信号を受信した表面形状データ作成部６０は表面形状データの作成を停止し、触針荷重異常信号を受信した移動機構制御部６１はコラム３又は可動部４の駆動を停止する。
なお、本実施例では、これらの機能ブロック６０〜６２を、ＣＰＵ４１が所定のプログラムを実行することによって実現されるソフトウエアモジュールとして実現したが、これらの機能の一部又はその全部を専用のハードウエア回路により実現してもよい。
【００２４】
図５の（Ａ）は触針荷重異常検出部６２の第１構成例を示す図である。触針荷重異常検出部６２は、ピックアップ６から出力された変位信号を所定のサンプリング周期でサンプリングしたディジタル信号の列である変位信号列を、周波数領域信号に変換する高速フーリエ変換部（ＦＦＴ）７１と、この周波数領域信号により示される各周波数における信号強度のうち、所定の周波数帯よりも低い周波数成分の信号強度を検出する低周波数成分強度測定部７２と、検出した信号強度を所定の強度閾値Ｔｆｉと比較する比較部７３と、検出した信号強度が閾値Ｔｆｉより強いとき、変位信号の変化の異常があったと判定し、触針１１に作用する荷重の異常が生じたことを示す触針荷重異常信号を生成する触針荷重異常信号生成部７４と、を備える。
【００２５】
ここで高速フーリエ変換部（ＦＦＴ）７１には、移動機構制御部６１から動作信号を受信している間はずっと動作して周波数領域信号を生成するため、触針荷重異常検出部６２は、表面形状測定装置１が表面形状を測定している間だけでなく、触針１１をコラム３及び可動部４により移動させている間、常時触針１１に作用する荷重に異常が生じたか否かを監視する。
以下、図６の（Ａ）及び図６の（Ｂ）、図７の（Ａ）〜図７の（Ｃ）、図８の（Ａ）〜図８の（Ｃ）、並びに図９を参照して、図５に示す触針荷重異常検出部６２による、触針荷重の異常検出方法を説明する。
【００２６】
図６の（Ａ）はカンチレバー７を引いているときに触針１１が凹凸に引っかかった様子を示す図であり、図６の（Ｂ）は図６の（Ａ）の状態で現れる変位信号のグラフである。
図６の（Ａ）において、カンチレバー７を引く動作の際に触針１１が被測定物Ｗの凹凸に引っかかると点線で示すように触針１１がせり上がりこれによってカンチレバー７が上を向いたままとなる。
このため変位信号は、図６の（Ｂ）に示すように触針１１が被測定物Ｗの凹凸に引っかかる時刻ｔ１以前には被測定物Ｗの表面の起伏に沿って増減を繰り返すところ、時刻ｔ１以降では、信号値が急激に上昇したまま減少しなくなる。
【００２７】
図７の（Ａ）は横穴の奥に触針をぶつけた様子を示す図であり、図７の（Ｂ）はカンチレバーを押しているときに触針が凹凸に引っかかった様子を示す図であり、図７の（Ｃ）は図７の（Ａ）及び図７の（Ｃ）の状態で現れる変位信号のグラフである。
図７の（Ａ）及び図７の（Ｂ）に示す状態では、カンチレバー７が下側に凸に曲がる。これをカンチレバー７の揺動を検出するピックアップ６側から見ると、カンチレバー７が下を向いたままの状態と同じになる。このため変位信号は、図７の（Ｃ）に示すように信号値が急激に減少したまま上昇しなくなる。
【００２８】
図８の（Ａ）は時間領域における変位信号のグラフであり、（Ｂ）は（Ａ）の変位信号の（ａ）部分の周波数領域信号であり、（Ｃ）は（Ａ）の変位信号の（ｂ）部分の周波数領域信号である。
図８の（Ａ）の（ａ）部分の波形は、触針１１は被測定物Ｗの表面に沿った状態で可動部４により一定速度に移動していることを示しており、このとき変位信号は、被測定物Ｗの表面の表面粗さと可動部４の速度にしたがって振動する。このため図８の（Ａ）の（ａ）部分の変位信号を図８の（Ｂ）に示すように周波数領域信号に変換して示すと、図示のとおり、変位信号は、主に、被測定物Ｗの表面粗さの範囲と可動部４の速度とにより定まる所定の周波数帯域ｆ１〜ｆ２内の周波数成分を含んでいる。
【００２９】
これに対して図８の（Ａ）の（ｂ）部分の波形は、時刻ｔ１において、触針１１が被測定物Ｗの表面の凹凸に引っかかり、または横穴の奥に触針１１がぶつかったため、変位信号が上昇または減少したまま振動しなくなったことを示している。このため図８の（Ａ）の（ｂ）部分の変位信号を図８の（Ｃ）に示すように周波数領域信号に変換して示すと、図示の通り、変位信号に、所定の周波数帯域ｆ１〜ｆ２よりも低い周波数成分が強くなる。
したがって変位信号を周波数領域信号に変換し、所定の周波数帯域ｆ１〜ｆ２よりも低い周波数成分の信号強度の変化を検出することによって、触針１１に作用する荷重に異常が生じたか否かを判定できる。
【００３０】
図９は、本発明による触針荷重の異常検出方法の第１例を示すフローチャートである。
ステップＳ１１において、移動機構制御部６１は、移動機構駆動回路５０に移動機構制御信号を出力して可動部４を駆動し、触針１１を被測定物Ｗの表面に沿わせた状態で触針１１と被測定物Ｗとを一定速度で相対移動させる。
ステップＳ１２において、ピックアップ６が触針１１の変位を検出しアナログ信号である変位信号を発生させる。そしてステップＳ１３において、アナログディジタル変換回路３０は、所定のサンプリング周期でピックアップ６の出力信号をサンプリングして、ディジタル形式の変位信号列に変換する。
【００３１】
ステップＳ１４において、図５の（Ａ）に示す触針荷重異常検出部６２の高速フーリエ変換部７１は、変位信号列をフーリエ変換して周波数領域信号を生成する。
ステップＳ１５において、低周波数成分強度検出部７２は、予め設定された被測定物Ｗの表面粗さと可動部４の速度の設定値から、触針１１を被測定物Ｗの表面の起伏に沿わせながら触針１１と被測定物Ｗとを相対移動させたとき生じる周波数成分の周波数範囲ｆ１〜ｆ２を推定する。そして、高速フーリエ変換部７１により変換された周波数領域信号により示される各周波数の信号強度のうち、周波数範囲ｆ１〜ｆ２より低い周波数範囲における信号強度の最大値を検出する。
または、低周波数成分強度検出部７２には周波数範囲ｆ１〜ｆ２が予め設定され、低周波数成分強度検出部７２は、周波数領域信号により示される各周波数の信号強度のうち、予め設定された周波数範囲ｆ１〜ｆ２より低い周波数範囲における信号強度の最大値を検出する。
【００３２】
ステップＳ１６において、比較部７３は、低周波数成分強度検出部７２が検出した信号強度の最大値と所定の閾値Ｔｆｉとを比較する。すなわち信号強度の最大値Ｉｍａｘが許容強度範囲内（Ｉｍａｘ≦Ｔｆｉ）であるか否かを判定する。信号強度の最大値が所定の閾値Ｔｆｉ以下であるときは、処理をステップＳ１１に戻して触針１１の移動を続ける。
一方、信号強度の最大値が所定の閾値Ｔｆｉを超えるときは、ステップＳ１７において触針荷重異常信号生成部７４は、変位信号の変化に異常があり触針１１に過大な荷重が作用していると判断して、ステップＳ１８にて触針異常荷重信号を出力する。
【００３３】
ステップＳ１９にて、触針荷重異常信号を受信した表面形状データ作成部６０は表面形状データの作成を停止し、触針荷重異常信号を受信した移動機構制御部６１はコラム３又は可動部４の駆動を停止する。
なおステップＳ１５において、低周波数成分強度検出部７２は、周波数範囲ｆ１〜ｆ２より低い周波数範囲における信号強度の最大値を出力する代わりに、周波数範囲ｆ１〜ｆ２より低い周波数範囲における信号強度の平均値を出力してもよい。
また、触針荷重異常信号生成部７４は、移動機構制御部６１に触針荷重異常信号を出力してコラム３又は可動部４の駆動を停止させるため、本願の特許請求の範囲に係る移動機構停止部に対応する。
【００３４】
図５の（Ｂ）は、触針荷重異常検出部６２の第２構成例を示す図である。本構成例では、変位信号に含まれる最大の強度の周波数成分が、上記周波数範囲ｆ１〜ｆ２と同じ許容周波数範囲内にあるか否かを判定する。
このため、高速フーリエ変換部７１にて変換された周波数領域信号を入力し、変位信号に含まれる最大の強度の周波数成分の周波数（最大強度周波数）を検出する最大強度周波数検出部７５を設ける。
そして比較部７３にて、最大強度周波数検出部７５により検出された最大強度周波数を、許容周波数範囲の上下限値ｆ１、ｆ２と比較して、最大強度周波数が許容周波数範囲ｆ１〜ｆ２の間にあるか否かを判定し、触針荷重異常信号生成部７４は、最大強度周波数が許容周波数範囲ｆ１〜ｆ２の間にないとき、触針荷重異常信号を生成する。
または、比較部７３は、最大強度周波数検出部７５により検出された最大強度周波数ｆｍａｘを許容周波数範囲の下限値ｆ２と比較することにより、最大強度周波数ｆｍａｘが許容周波数範囲（ｆｍａｘ≧ｆ２）にあるか否かを判定し、最大強度周波数ｆｍａｘがｆ２より低いとき、触針荷重異常信号生成部７４が触針荷重異常信号を生成する。
【００３５】
図１０の（Ａ）及び図１０の（Ｂ）は変位信号とその微分値の変化を示すグラフである。図１０の（Ａ）に示すとおり、触針１１が被測定物Ｗの凹凸に引っかかる時刻ｔ１以前には、変位信号は、被測定物Ｗの表面の起伏に応じてある程度の有限な変化率で増減を繰り返すところ、時刻ｔ１以降では信号値が急激に上昇（又は減少）する。したがってこの変位信号の微分値は、図１０の（Ｂ）に示すとおり、時刻ｔ１以前はある一定の範囲内で変化するが、時刻ｔ１以降では急激に変化する。
【００３６】
そこで、以下に示す触針荷重異常検出部６２の第３例では、変位信号の微分値を算出してこの微分値が所定の閾値Ｔｉを超えるとき、変位信号の変化に異常があり、触針１１に過大な荷重が作用していると判定する。
図１１の（Ａ）は、触針荷重異常検出部６２の第３構成例を示す図である。触針荷重異常検出部６２は、入力した変位信号の微分値の絶対値を演算する微分演算部７６を備え、微分演算部７６によって算出された微分値の絶対値が比較部７３によって所定の閾値Ｔｉと比較され、触針荷重異常信号生成部７４は、微分値の絶対値が所定の閾値Ｔｉよりも大きいとき、触針荷重異常信号を生成する。
微分演算部７６は、移動機構制御部６１から動作信号を受信している間は常時変位信号の微分値の絶対値を出力する。したがって触針荷重異常検出部６２は、表面形状測定装置１が表面形状を測定している間だけでなく、触針１１をコラム３及び可動部４により移動させている間、常時触針１１に作用する荷重に異常が生じたか否かを監視する。
【００３７】
図１２は、本発明による触針荷重の異常検出方法の第２例を示すフローチャートである。図９に示した異常検出方法と同様に、ステップＳ１１において移動機構制御部６１が可動部４を駆動し、ステップＳ１２においてピックアップ６が変位信号を発生させる。そしてステップＳ１３において、アナログディジタル変換回路３０は、ピックアップ６の出力信号をディジタル形式の変位信号列に変換する。
ステップＳ２１において、微分演算部７６は、入力した変位信号の微分値の絶対値を演算する。ステップＳ２２において、比較部７３が微分値の絶対値と所定の閾値Ｔｉと比較し、微分値の絶対値が所定の閾値Ｔｉ以下であるときは、処理をステップＳ１１に戻して触針１１の移動を続ける。
【００３８】
一方、微分値の絶対値が所定の閾値Ｔｉを超えるときは、ステップＳ１７において触針荷重異常信号生成部７４は、変位信号の変化に異常があり触針１１に過大な荷重が作用していると判断して、ステップＳ１８にて触針異常荷重信号を出力する。
ステップＳ１９にて、触針荷重異常信号を受信した表面形状データ作成部６０は表面形状データの作成を停止し、触針荷重異常信号を受信した移動機構制御部６１はコラム３又は可動部４の駆動を停止する。
【００３９】
実際の測定では、ピックアップ６の出力信号をディジタル変換した変位信号を直接微分すると、変位信号の変化が大きすぎて、正常に測定している状態と触針１１が測定物表面の凹凸等の障害物に引っかかっている状態との区別が困難になることもある。
そこで、ステップＳ２１にて変位信号の微分値の絶対値を算出する代わりに、変位信号の移動平均値の微分値の絶対値を算出して、これをステップＳ２２にて所定の閾値Ｔｉと比較して変位信号の変化の異常を検出してもよい。
図１１の（Ｂ）は、触針荷重異常検出部６２の第４構成例を示す図である。本構成例では、変位信号の移動平均値を算出するために、ディジタルフィルタ等で実現される移動平均部７７を備え、微分演算部７６は移動平均部７７で算出された変位信号の移動平均値の微分値を出力する。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、被測定物の表面に触針を沿わせながら被測定物と触針とを相対移動させ、被測定物の表面形状を測定する表面形状測定装置に関し、特にこの触針、若しくは触針の変位を検出するピックアップ部の破損を防止する技術に関する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】表面形状測定装置の基本構成図である。
【図２】ピックアップの内部構造を示す概略図である。
【図３】（Ａ）は触針が被測定物の横穴の奥にぶつかる様子を示す図であり、（Ｂ）は触針が被測定物の穴に引っかかる様子を示す図である。
【図４】（Ａ）は図１及び図２に示す表面形状測定装置を制御して、本発明による表面形状測定装置を実現する計算部の概略構成例を示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す計算部により実現される機能ブロック図である。
【図５】（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ触針荷重異常検出部の第１及び第２構成例を示す図である。
【図６】（Ａ）はカンチレバーを引いているときに触針が凹凸に引っかかった様子を示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）の状態で現れる変位信号のグラフである。
【図７】（Ａ）は横穴の奥に触針をぶつけた様子を示す図であり、（Ｂ）はカンチレバーを押しているときに触針が凹凸に引っかかった様子を示す図であり、（Ｃ）は（Ａ）及び（Ｃ）の状態で現れる変位信号のグラフである。
【図８】（Ａ）は時間領域における変位信号のグラフであり、（Ｂ）は（Ａ）の変位信号の（ａ）部分の周波数領域信号であり、（Ｃ）は（Ａ）の変位信号の（ｂ）部分の周波数領域信号である。
【図９】本発明による触針荷重の異常検出方法の第１例を示すフローチャートである。
【図１０】（Ａ）及び（Ｂ）は変位信号とその微分値の変化を示すグラフである。
【図１１】（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ触針荷重異常検出部の第３及び第４構成例を示す図である。
【図１２】本発明による触針荷重の異常検出方法の第２例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４２】
１ 表面形状測定装置
２ テーブル
３ コラム
４ 可動部
６ ピックアップ
７ カンチレバー
１０ 腕部
１１ 触針
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触針を被測定物の表面に接触させながら相対移動させ、このとき被測定物の表面の起伏により生じる触針の変位を検出した変位信号を生成して、被測定物の表面形状を測定する表面形状測定装置に関し、特にこの触針、若しくは触針の変位を検出するピックアップ部の破損を防止する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
表面形状測定装置は、被測定物の表面に所定の測定圧力で触針を押しつけながら、この触針と被測定物を相対移動させ、そのとき被測定物の表面の起伏により生じる触針の変位量を電気信号に変換して、電気信号に変換された変位信号をコンピュータ等の計算機で読み取り、被測定物に対する触針の相対移動長の長さを有する線分上の各点に、順次読み取った各変位量を配置して、被測定物の表面形状データを作成するものである（例えば、下記特許文献１）。図１に、表面形状測定装置の基本構成を示す。
【０００３】
表面形状測定装置１には、被測定物を載置するためのＸＹ平面に沿ったテーブル２が設けられる。テーブル２にはコラム３が立設される。そしてコラム３には可動部４が取り付けられる。コラム３には図示しないモータが内蔵されており、このモータによって可動部４をコラム３に沿って（すなわちＺ方向に沿って）上下に昇降することが可能である。
可動部４にはホルダ５が設けられ、このホルダ５に腕部１０を取り付け、さらに腕部１０の先にピックアップ６を取り付ける。可動部４もまた図示しないモータを内蔵しており、ホルダ５をＸ方向に駆動することが可能である。
【０００４】
腕部１０の先端には、テーブル２上に載置された被測定物の表面粗さを測定するための測定子（ピックアップ）６が設けられ、このピックアップ６には、一方の端に触針１１が設けられたカンチレバー７が取り付けられる。図２にピックアップの内部構造を示す。
ピックアップ６は、カンチレバー７の長手方向と触針１１の突出方向とに直角な方向を回転軸としてカンチレバー７を揺動可能に支える支点２１と、カンチレバー７に付勢を与え、触針１１を一定の測定圧力で被測定物Ｗの測定面１０３に押し当てるための、バネ等の弾性体である付勢手段２２と、を備える。
【０００５】
触針１１を測定面１０３を押し当てた状態で、表面形状測定装置１の動作を制御するコンピュータ等の計算部４０が、移動機構駆動回路５０を介して駆動部４をＸ方向に一定速度で移動させる。すると触針１１には、測定面１０３の起伏に応じて、付勢手段２２による測定圧力の方向に変位が生じる（すなわち、可動部４の所定の基準面に対して上下方向に変位が生じる）。この触針１１の変位によってカンチレバー７が揺動し、この揺動量がピックアップ６内の差動トランスによって電気信号に変換される。
【０００６】
図示の構成例では、差動トランスは、励磁された１次コイル２３と、２つの２次コイル２５と、その中心部に挿入された磁性体コア２６を備えて構成され、磁性体コア２６はカンチレバー７に固定される。触針１１の変位に応じてカンチレバーが回転すると、これに応じて磁性体コア２６がコイル内で移動し、１次コイル２３に対する２つの２次コイル２５のそれぞれの相互インダクタンスが変化する。このため２つの２次コイル２５の誘導電圧に違いが生じ、コアの移動量すなわち触針１１の変位量に応じた出力電圧を得ることができる。差動トランスの代わりに差動インダクタンス、レーザ干渉計や光学エンコーダが用いられることもある。
【０００７】
ピックアップ６の出力信号は、アナログディジタル変換回路（ＡＤＣ）３０に入力されて、アナログディジタル変換回路３０はこのアナログ信号を所定のサンプリング周期でディジタル形式の変位信号列に変換する。
ディジタル形式の変位信号列は計算機４０に入力される。計算機４０は、可動部４を一定速度で移動させながら順次読み取った各変位信号の値を、可動部４の移動長の長さを有する線分上の各点に各々配置して被測定物の表面形状データを作成する。
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−１０７１４４号公報
【特許文献２】特開平２００５−１２７９３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のような、触針１１を被測定物に接触させる表面形状測定装置１では、被測定物の表面に穴や段差があるとそこに触針１１がひっかかり、触針１１に過大な荷重が作用する場合がある。しかし従来の表面形状測定装置１では触針１１に作用する荷重の検出手段を有しないため、触針１１に過大な荷重が作用したまま可動部４やコラム３を駆動し続けてしまい、触針１１を破損することがある。
【００１０】
特に図３の（Ａ）に示すように、被測定物Ｗの横穴１０１の内側面の表面形状を測定する場合には、図において点線で示した測定開始点まで触針を移動する場合に、触針１１を穴１０１の奥にぶつけて破損しやすい。
また図３の（Ｂ）に示すように、被測定物Ｗの表面に穴１０２がある場合に、触針１１が穴１０２に落ちてしまい、これに引っかかって触針１１を破損することがある。
【００１１】
また従来の表面形状測定装置１では、測定中でない触針１１の移動時、例えば測定開始点まで触針１１の移動の際には、ピックアップ６の出力信号を監視していないため、このような移動時に触針１１を障害物にぶつけて、触針１１やピックアップ６を破損することがあった。
上記問題点に鑑み、本発明は被測定物の表面に接触する触針を有する表面形状測定装置において、触針に作用する荷重の異常を検出することを可能にすることにより、触針に作用する過大な荷重による触針やピックアップの破損を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために本発明では、触針に作用する荷重の異常を検出するために触針の変位量を検出した変位信号を用いる。
触針が正常に測定面上を移動している場合には、触針の変位量を検出した変位信号の値は、その変動範囲や変化率はある一定程度の範囲内に止まっている。一方で、触針が測定面上の凹凸などに引っかかっている場合や障害にぶつかっている場合などの触針に過大な荷重が作用する異常時には、例えば変位信号の変化が少なくなり、または例えば通常生じえない大きさの変化が生じる。
したがって、このような変位信号の異常を検出することにより、上記の例のような触針に過大な荷重が作用する状態を検出することができる。
【００１３】
本発明の第１形態による表面形状測定装置によれば、触針を被測定物の表面に接触させながら相対移動させ、このとき被測定物の表面の起伏により生じる触針の変位を検出した変位信号を生成して、被測定物の表面形状を測定する表面形状測定装置であって、変位信号の変化の異常を、触針に作用する荷重の異常として検出する触針荷重異常検出部を備えた表面形状測定装置が提供される。
【００１４】
また、本発明の第２形態による触針荷重の異常検出方法によれば、触針を被測定物の表面に接触させながら相対移動させ、このとき被測定物の表面の起伏により生じる触針の変位を検出した変位信号を生成して、被測定物の表面形状を測定する表面形状測定において、変位信号の変化の異常を、触針に作用する荷重の異常として検出する。
【００１５】
触針に作用する荷重の異常を検出した場合には、例えば被測定物と触針とを相対移動させる移動機構を停止させる。これにより触針やその変位量を検出するセンサの破損を防止することができる。
変位信号の変化の異常を検出するために、例えば、変位信号を周波数領域信号に変換し、この周波数領域信号の変化が所定の許容幅を超えるとき、変位信号の変化に異常があると判定してもよい。
触針が正常に測定面上を移動している場合には、触針の移動速度と測定面の粗さに応じて変位信号に所定の周波数範囲内の周波数成分が生じ周波数領域信号の変化が安定しているが、上記のような異常な状態が生じると周波数領域信号の変化が大きくなるため、このような周波数領域信号の変化を検出することで、触針に作用する荷重の異常を検出することが可能となる。
【００１６】
所定の許容幅は、周波数領域信号に含まれる、所定の周波数帯域よりも低い周波数信号成分の許容強度範囲として定めてよい。このとき所定の周波数帯域を、触針を被測定物の表面の起伏に沿わせながら触針と被測定物とを相対移動させたとき周波数領域信号に生じることが予定される信号の周波数の範囲として定めてよい。
また、周波数領域信号の所定の変化幅を、最大強度の周波数成分がある周波数の許容周波数範囲として定めてもよい。
【００１７】
図２に示すカンチレバーのような、揺動可能なレバー部材で触針を支持し、このレバー部材の揺動量を検出して変位信号を生成する場合には、例えば触針が測定表面に引っかかり又は障害物にぶつかったままの状態で触針を移動させようとすると、レバー部材が歪んでその揺動量を検出した変位信号の変化が過大になる。したがってこのときの変位信号の微分値が所定の閾値を超えるか否かを判定することによって、触針に作用する荷重の異常を検出することが可能となる。この微分値に代えて変位信号の移動平均値の微分値を使用してもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は被測定物の表面に接触する触針を有する表面形状測定装置において、触針に作用する荷重の異常を検出することを可能にすることにより、触針に作用する過大な荷重による触針やピックアップの破損を防止することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付する図面を参照して本発明の実施例を説明する。図４の（Ａ）は、図１及び図２に示す表面形状測定装置を制御して、本発明による表面形状測定装置を実現する計算部の概略構成例を示す図である。本発明の実施例による表面形状測定装置のその他の構成要素は、図１及び図２に示す表面形状測定装置１と同様であるため、記載の重複を防ぐために説明を省略する。
【００２０】
コンピュータ等で実現される計算部４０は、表面形状測定装置１の制御プログラムや、またピックアップ６からの出力信号を処理して表面形状データを作成するプログラムなどを実行するＣＰＵ４１と、ＣＰＵ４１による各プログラムの実行に必要なデータを記憶するための、ＲＡＭ及びＲＯＭなどの主記憶装置４２と、ＣＰＵ４１が実行する各プログラムや作成した表面形状データを保存するための副記憶装置４３と、ピックアップ６からの出力信号をアナログディジタル変換回路３０にてディジタル信号に変換した変位信号を計算部４０に入力し、また可動部４の動作を制御する制御信号を移動機構駆動回路５０に出力するためのインターフェース部（Ｉ／Ｆ）４４と、を備えて構成される。
【００２１】
図４の（Ｂ）は、図４の（Ａ）に示す計算部４０により実現される機能ブロック図である。計算部４０は、副記憶装置４３に記憶した所定のプログラムをＣＰＵ４１で実行することにより、少なくとも表面形状データ作成部６０と、移動機構制御部６１と、触針荷重異常検出部６２の機能ブロックを実現する。
表面形状データ作成部６０は、ピックアップ６の移動に伴って変化する変位信号の列を順次入力し、ピックアップ６の移動長の長さの線分上の各点に、これら入力した変位信号の値を順次配置して、被測定物の表面形状データを作成する。
【００２２】
移動機構制御部６１は、コラム３及び可動部４を駆動して触針１１を測定開始位置まで運搬させ、また測定中は可動部４を一定速度で駆動するための移動機構制御命令を生成して移動機構駆動回路５０に供給する。また移動機構制御部６１は、表面形状データの作成に必要な可動部４の移動量やＸ座標値などのデータを、表面形状データ作成部６０に供給する。
【００２３】
触針荷重異常検出部６２は、移動機構制御部６１がコラム３又は可動部４を駆動していることを示す動作信号を受信して、移動機構制御部６１がコラム３又は可動部４を駆動している間、変位信号を監視する。そして変位信号の変化の異常を検出したとき、触針１１に作用する荷重の異常があったことを示す触針荷重異常信号を生成し、表面形状データ作成部６０及び移動機構制御部６１に出力する。触針荷重異常信号を受信した表面形状データ作成部６０は表面形状データの作成を停止し、触針荷重異常信号を受信した移動機構制御部６１はコラム３又は可動部４の駆動を停止する。
なお、本実施例では、これらの機能ブロック６０〜６２を、ＣＰＵ４１が所定のプログラムを実行することによって実現されるソフトウエアモジュールとして実現したが、これらの機能の一部又はその全部を専用のハードウエア回路により実現してもよい。
【００２４】
図５の（Ａ）は触針荷重異常検出部６２の第１構成例を示す図である。触針荷重異常検出部６２は、ピックアップ６から出力された変位信号を所定のサンプリング周期でサンプリングしたディジタル信号の列である変位信号列を、周波数領域信号に変換する高速フーリエ変換部（ＦＦＴ）７１と、この周波数領域信号により示される各周波数における信号強度のうち、所定の周波数帯よりも低い周波数成分の信号強度を検出する低周波数成分強度測定部７２と、検出した信号強度を所定の強度閾値Ｔｆｉと比較する比較部７３と、検出した信号強度が閾値Ｔｆｉより強いとき、変位信号の変化の異常があったと判定し、触針１１に作用する荷重の異常が生じたことを示す触針荷重異常信号を生成する触針荷重異常信号生成部７４と、を備える。
【００２５】
ここで高速フーリエ変換部（ＦＦＴ）７１には、移動機構制御部６１から動作信号を受信している間はずっと動作して周波数領域信号を生成するため、触針荷重異常検出部６２は、表面形状測定装置１が表面形状を測定している間だけでなく、触針１１をコラム３及び可動部４により移動させている間、常時触針１１に作用する荷重に異常が生じたか否かを監視する。
以下、図６の（Ａ）及び図６の（Ｂ）、図７の（Ａ）〜図７の（Ｃ）、図８の（Ａ）〜図８の（Ｃ）、並びに図９を参照して、図５に示す触針荷重異常検出部６２による、触針荷重の異常検出方法を説明する。
【００２６】
図６の（Ａ）はカンチレバー７を引いているときに触針１１が凹凸に引っかかった様子を示す図であり、図６の（Ｂ）は図６の（Ａ）の状態で現れる変位信号のグラフである。
図６の（Ａ）において、カンチレバー７を引く動作の際に触針１１が被測定物Ｗの凹凸に引っかかると点線で示すように触針１１がせり上がりこれによってカンチレバー７が上を向いたままとなる。
このため変位信号は、図６の（Ｂ）に示すように触針１１が被測定物Ｗの凹凸に引っかかる時刻ｔ１以前には被測定物Ｗの表面の起伏に沿って増減を繰り返すところ、時刻ｔ１以降では、信号値が急激に上昇したまま減少しなくなる。
【００２７】
図７の（Ａ）は横穴の奥に触針をぶつけた様子を示す図であり、図７の（Ｂ）はカンチレバーを押しているときに触針が凹凸に引っかかった様子を示す図であり、図７の（Ｃ）は図７の（Ａ）及び図７の（Ｃ）の状態で現れる変位信号のグラフである。
図７の（Ａ）及び図７の（Ｂ）に示す状態では、カンチレバー７が下側に凸に曲がる。これをカンチレバー７の揺動を検出するピックアップ６側から見ると、カンチレバー７が下を向いたままの状態と同じになる。このため変位信号は、図７の（Ｃ）に示すように信号値が急激に減少したまま上昇しなくなる。
【００２８】
図８の（Ａ）は時間領域における変位信号のグラフであり、（Ｂ）は（Ａ）の変位信号の（ａ）部分の周波数領域信号であり、（Ｃ）は（Ａ）の変位信号の（ｂ）部分の周波数領域信号である。
図８の（Ａ）の（ａ）部分の波形は、触針１１は被測定物Ｗの表面に沿った状態で可動部４により一定速度に移動していることを示しており、このとき変位信号は、被測定物Ｗの表面の表面粗さと可動部４の速度にしたがって振動する。このため図８の（Ａ）の（ａ）部分の変位信号を図８の（Ｂ）に示すように周波数領域信号に変換して示すと、図示のとおり、変位信号は、主に、被測定物Ｗの表面粗さの範囲と可動部４の速度とにより定まる所定の周波数帯域ｆ１〜ｆ２内の周波数成分を含んでいる。
【００２９】
これに対して図８の（Ａ）の（ｂ）部分の波形は、時刻ｔ１において、触針１１が被測定物Ｗの表面の凹凸に引っかかり、または横穴の奥に触針１１がぶつかったため、変位信号が上昇または減少したまま振動しなくなったことを示している。このため図８の（Ａ）の（ｂ）部分の変位信号を図８の（Ｃ）に示すように周波数領域信号に変換して示すと、図示の通り、変位信号に、所定の周波数帯域ｆ１〜ｆ２よりも低い周波数成分が強くなる。
したがって変位信号を周波数領域信号に変換し、所定の周波数帯域ｆ１〜ｆ２よりも低い周波数成分の信号強度の変化を検出することによって、触針１１に作用する荷重に異常が生じたか否かを判定できる。
【００３０】
図９は、本発明による触針荷重の異常検出方法の第１例を示すフローチャートである。
ステップＳ１１において、移動機構制御部６１は、移動機構駆動回路５０に移動機構制御信号を出力して可動部４を駆動し、触針１１を被測定物Ｗの表面に沿わせた状態で触針１１と被測定物Ｗとを一定速度で相対移動させる。
ステップＳ１２において、ピックアップ６が触針１１の変位を検出しアナログ信号である変位信号を発生させる。そしてステップＳ１３において、アナログディジタル変換回路３０は、所定のサンプリング周期でピックアップ６の出力信号をサンプリングして、ディジタル形式の変位信号列に変換する。
【００３１】
ステップＳ１４において、図５の（Ａ）に示す触針荷重異常検出部６２の高速フーリエ変換部７１は、変位信号列をフーリエ変換して周波数領域信号を生成する。
ステップＳ１５において、低周波数成分強度検出部７２は、予め設定された被測定物Ｗの表面粗さと可動部４の速度の設定値から、触針１１を被測定物Ｗの表面の起伏に沿わせながら触針１１と被測定物Ｗとを相対移動させたとき生じる周波数成分の周波数範囲ｆ１〜ｆ２を推定する。そして、高速フーリエ変換部７１により変換された周波数領域信号により示される各周波数の信号強度のうち、周波数範囲ｆ１〜ｆ２より低い周波数範囲における信号強度の最大値を検出する。
または、低周波数成分強度検出部７２には周波数範囲ｆ１〜ｆ２が予め設定され、低周波数成分強度検出部７２は、周波数領域信号により示される各周波数の信号強度のうち、予め設定された周波数範囲ｆ１〜ｆ２より低い周波数範囲における信号強度の最大値を検出する。
【００３２】
ステップＳ１６において、比較部７３は、低周波数成分強度検出部７２が検出した信号強度の最大値と所定の閾値Ｔｆｉとを比較する。すなわち信号強度の最大値Ｉｍａｘが許容強度範囲内（Ｉｍａｘ≦Ｔｆｉ）であるか否かを判定する。信号強度の最大値が所定の閾値Ｔｆｉ以下であるときは、処理をステップＳ１１に戻して触針１１の移動を続ける。
一方、信号強度の最大値が所定の閾値Ｔｆｉを超えるときは、ステップＳ１７において触針荷重異常信号生成部７４は、変位信号の変化に異常があり触針１１に過大な荷重が作用していると判断して、ステップＳ１８にて触針異常荷重信号を出力する。
【００３３】
ステップＳ１９にて、触針荷重異常信号を受信した表面形状データ作成部６０は表面形状データの作成を停止し、触針荷重異常信号を受信した移動機構制御部６１はコラム３又は可動部４の駆動を停止する。
なおステップＳ１５において、低周波数成分強度検出部７２は、周波数範囲ｆ１〜ｆ２より低い周波数範囲における信号強度の最大値を出力する代わりに、周波数範囲ｆ１〜ｆ２より低い周波数範囲における信号強度の平均値を出力してもよい。
また、触針荷重異常信号生成部７４は、移動機構制御部６１に触針荷重異常信号を出力してコラム３又は可動部４の駆動を停止させるため、本願の特許請求の範囲に係る移動機構停止部に対応する。
【００３４】
図５の（Ｂ）は、触針荷重異常検出部６２の第２構成例を示す図である。本構成例では、変位信号に含まれる最大の強度の周波数成分が、上記周波数範囲ｆ１〜ｆ２と同じ許容周波数範囲内にあるか否かを判定する。
このため、高速フーリエ変換部７１にて変換された周波数領域信号を入力し、変位信号に含まれる最大の強度の周波数成分の周波数（最大強度周波数）を検出する最大強度周波数検出部７５を設ける。
そして比較部７３にて、最大強度周波数検出部７５により検出された最大強度周波数を、許容周波数範囲の上下限値ｆ１、ｆ２と比較して、最大強度周波数が許容周波数範囲ｆ１〜ｆ２の間にあるか否かを判定し、触針荷重異常信号生成部７４は、最大強度周波数が許容周波数範囲ｆ１〜ｆ２の間にないとき、触針荷重異常信号を生成する。
または、比較部７３は、最大強度周波数検出部７５により検出された最大強度周波数ｆｍａｘを許容周波数範囲の下限値ｆ２と比較することにより、最大強度周波数ｆｍａｘが許容周波数範囲（ｆｍａｘ≧ｆ２）にあるか否かを判定し、最大強度周波数ｆｍａｘがｆ２より低いとき、触針荷重異常信号生成部７４が触針荷重異常信号を生成する。
【００３５】
図１０の（Ａ）及び図１０の（Ｂ）は変位信号とその微分値の変化を示すグラフである。図１０の（Ａ）に示すとおり、触針１１が被測定物Ｗの凹凸に引っかかる時刻ｔ１以前には、変位信号は、被測定物Ｗの表面の起伏に応じてある程度の有限な変化率で増減を繰り返すところ、時刻ｔ１以降では信号値が急激に上昇（又は減少）する。したがってこの変位信号の微分値は、図１０の（Ｂ）に示すとおり、時刻ｔ１以前はある一定の範囲内で変化するが、時刻ｔ１以降では急激に変化する。
【００３６】
そこで、以下に示す触針荷重異常検出部６２の第３例では、変位信号の微分値を算出してこの微分値が所定の閾値Ｔｉを超えるとき、変位信号の変化に異常があり、触針１１に過大な荷重が作用していると判定する。
図１１の（Ａ）は、触針荷重異常検出部６２の第３構成例を示す図である。触針荷重異常検出部６２は、入力した変位信号の微分値の絶対値を演算する微分演算部７６を備え、微分演算部７６によって算出された微分値の絶対値が比較部７３によって所定の閾値Ｔｉと比較され、触針荷重異常信号生成部７４は、微分値の絶対値が所定の閾値Ｔｉよりも大きいとき、触針荷重異常信号を生成する。
微分演算部７６は、移動機構制御部６１から動作信号を受信している間は常時変位信号の微分値の絶対値を出力する。したがって触針荷重異常検出部６２は、表面形状測定装置１が表面形状を測定している間だけでなく、触針１１をコラム３及び可動部４により移動させている間、常時触針１１に作用する荷重に異常が生じたか否かを監視する。
【００３７】
図１２は、本発明による触針荷重の異常検出方法の第２例を示すフローチャートである。図９に示した異常検出方法と同様に、ステップＳ１１において移動機構制御部６１が可動部４を駆動し、ステップＳ１２においてピックアップ６が変位信号を発生させる。そしてステップＳ１３において、アナログディジタル変換回路３０は、ピックアップ６の出力信号をディジタル形式の変位信号列に変換する。
ステップＳ２１において、微分演算部７６は、入力した変位信号の微分値の絶対値を演算する。ステップＳ２２において、比較部７３が微分値の絶対値と所定の閾値Ｔｉと比較し、微分値の絶対値が所定の閾値Ｔｉ以下であるときは、処理をステップＳ１１に戻して触針１１の移動を続ける。
【００３８】
一方、微分値の絶対値が所定の閾値Ｔｉを超えるときは、ステップＳ１７において触針荷重異常信号生成部７４は、変位信号の変化に異常があり触針１１に過大な荷重が作用していると判断して、ステップＳ１８にて触針異常荷重信号を出力する。
ステップＳ１９にて、触針荷重異常信号を受信した表面形状データ作成部６０は表面形状データの作成を停止し、触針荷重異常信号を受信した移動機構制御部６１はコラム３又は可動部４の駆動を停止する。
【００３９】
実際の測定では、ピックアップ６の出力信号をディジタル変換した変位信号を直接微分すると、変位信号の変化が大きすぎて、正常に測定している状態と触針１１が測定物表面の凹凸等の障害物に引っかかっている状態との区別が困難になることもある。
そこで、ステップＳ２１にて変位信号の微分値の絶対値を算出する代わりに、変位信号の移動平均値の微分値の絶対値を算出して、これをステップＳ２２にて所定の閾値Ｔｉと比較して変位信号の変化の異常を検出してもよい。
図１１の（Ｂ）は、触針荷重異常検出部６２の第４構成例を示す図である。本構成例では、変位信号の移動平均値を算出するために、ディジタルフィルタ等で実現される移動平均部７７を備え、微分演算部７６は移動平均部７７で算出された変位信号の移動平均値の微分値を出力する。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、被測定物の表面に触針を沿わせながら被測定物と触針とを相対移動させ、被測定物の表面形状を測定する表面形状測定装置に関し、特にこの触針、若しくは触針の変位を検出するピックアップ部の破損を防止する技術に関する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】表面形状測定装置の基本構成図である。
【図２】ピックアップの内部構造を示す概略図である。
【図３】（Ａ）は触針が被測定物の横穴の奥にぶつかる様子を示す図であり、（Ｂ）は触針が被測定物の穴に引っかかる様子を示す図である。
【図４】（Ａ）は図１及び図２に示す表面形状測定装置を制御して、本発明による表面形状測定装置を実現する計算部の概略構成例を示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す計算部により実現される機能ブロック図である。
【図５】（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ触針荷重異常検出部の第１及び第２構成例を示す図である。
【図６】（Ａ）はカンチレバーを引いているときに触針が凹凸に引っかかった様子を示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）の状態で現れる変位信号のグラフである。
【図７】（Ａ）は横穴の奥に触針をぶつけた様子を示す図であり、（Ｂ）はカンチレバーを押しているときに触針が凹凸に引っかかった様子を示す図であり、（Ｃ）は（Ａ）及び（Ｃ）の状態で現れる変位信号のグラフである。
【図８】（Ａ）は時間領域における変位信号のグラフであり、（Ｂ）は（Ａ）の変位信号の（ａ）部分の周波数領域信号であり、（Ｃ）は（Ａ）の変位信号の（ｂ）部分の周波数領域信号である。
【図９】本発明による触針荷重の異常検出方法の第１例を示すフローチャートである。
【図１０】（Ａ）及び（Ｂ）は変位信号とその微分値の変化を示すグラフである。
【図１１】（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ触針荷重異常検出部の第３及び第４構成例を示す図である。
【図１２】本発明による触針荷重の異常検出方法の第２例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４２】
１ 表面形状測定装置
２ テーブル
３ コラム
４ 可動部
６ ピックアップ
７ カンチレバー
１０ 腕部
１１ 触針
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触針を被測定物の表面に接触させながら相対移動させ、このとき前記被測定物の表面の起伏により生じる前記触針の変位を検出した変位信号を生成して、前記被測定物の表面形状を測定する表面形状測定装置であって、
前記変位信号の変化の異常を、前記触針に作用する荷重の異常として検出する触針荷重異常検出部を備えることを特徴とする表面形状測定装置。
【請求項２】
前記被測定物と前記触針とを相対移動させる移動機構と、
前記触針荷重異常検出部が前記荷重の異常を検出したとき、前記移動機構を停止させる移動機構停止部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。
【請求項３】
前記触針荷重異常検出部は、前記変位信号を周波数領域信号に変換するフーリエ変換部を有し、前記変位信号を変換した前記周波数領域信号の変化が所定の許容幅を超えたとき、前記変位信号の変化に異常があると判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の表面形状測定装置。
【請求項４】
前記所定の許容幅を、前記周波数領域信号に含まれる、所定の周波数帯域よりも低い周波数信号成分の許容強度範囲として定めることを特徴とする請求項３に記載の表面形状測定装置。
【請求項５】
前記所定の周波数帯域を、前記触針を前記被測定物の表面の起伏に沿わせながら前記触針と前記被測定物とを相対移動させたとき前記周波数領域信号に生じることが予定される信号の周波数範囲として定めることを特徴とする請求項４に記載の表面形状測定装置。
【請求項６】
前記所定の許容幅を、最大強度の周波数成分がある周波数の許容周波数範囲として定めることを特徴とする請求項３に記載の表面形状測定装置。
【請求項７】
前記触針を揺動可能に支持するレバー部材と、前記レバー部材の揺動量を検出して前記変位信号を生成する変位センサと、を備え、
前記触針荷重異常検出部は、前記変位信号の微分値及び移動平均値の微分値のいずれかが所定の閾値を超えるとき、前記変位信号の変化に異常があると判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の表面形状測定装置。
【請求項８】
触針を被測定物の表面に接触させながら相対移動させ、このとき前記被測定物の表面の起伏により生じる前記触針の変位を検出した変位信号を生成して、前記被測定物の表面形状を測定する表面形状測定における、前記触針に作用する荷重の異常を検出する触針荷重の異常検出方法であって、
前記変位信号の変化の異常を、前記触針に作用する荷重の異常として検出することを特徴とする異常検出方法。
【請求項９】
前記荷重の異常を検出したとき、前記被測定物と前記触針との間の相対移動を停止させることを特徴とする請求項８に記載の異常検出方法。
【請求項１０】
前記変位信号を周波数領域信号に変換し、
前記周波数領域信号の変化が所定の許容幅を超えるとき、前記変位信号の変化に異常があると判定する、
ことを特徴とする請求項８又は９に記載の異常検出方法。
【請求項１１】
前記所定の許容幅を、前記周波数領域信号に含まれる、所定の周波数帯域よりも低い周波数信号成分の許容強度範囲として定めることを特徴とする請求項１０に記載の異常検出方法。
【請求項１２】
前記所定の周波数帯域を、前記触針を前記被測定物の表面の起伏に沿わせながら前記触針と前記被測定物とを相対移動させたとき前記周波数領域信号に生じることが予定される信号の周波数範囲として定めることを特徴とする請求項１１に記載の異常検出方法。
【請求項１３】
前記周波数領域信号の所定の変化幅を、最大強度の周波数成分がある周波数の許容周波数範囲として定めることを特徴とする請求項１０に記載の異常検出方法。
【請求項１４】
前記触針を支持する揺動可能なレバー部材の揺動量を検出して前記変位信号を生成し、
前記変位信号の微分値及び移動平均値の微分値のいずれかが所定の閾値を超えるとき、前記変位量の変化に異常があると判定することを特徴とする請求項８又は９に記載の異常検出方法。
【請求項１】
触針を被測定物の表面に接触させながら相対移動させ、このとき前記被測定物の表面の起伏により生じる前記触針の変位を検出した変位信号を生成して、前記被測定物の表面形状を測定する表面形状測定装置であって、
前記変位信号の変化の異常を、前記触針に作用する荷重の異常として検出する触針荷重異常検出部を備えることを特徴とする表面形状測定装置。
【請求項２】
前記被測定物と前記触針とを相対移動させる移動機構と、
前記触針荷重異常検出部が前記荷重の異常を検出したとき、前記移動機構を停止させる移動機構停止部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。
【請求項３】
前記触針荷重異常検出部は、前記変位信号を周波数領域信号に変換するフーリエ変換部を有し、前記変位信号を変換した前記周波数領域信号の変化が所定の許容幅を超えたとき、前記変位信号の変化に異常があると判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の表面形状測定装置。
【請求項４】
前記所定の許容幅を、前記周波数領域信号に含まれる、所定の周波数帯域よりも低い周波数信号成分の許容強度範囲として定めることを特徴とする請求項３に記載の表面形状測定装置。
【請求項５】
前記所定の周波数帯域を、前記触針を前記被測定物の表面の起伏に沿わせながら前記触針と前記被測定物とを相対移動させたとき前記周波数領域信号に生じることが予定される信号の周波数範囲として定めることを特徴とする請求項４に記載の表面形状測定装置。
【請求項６】
前記所定の許容幅を、最大強度の周波数成分がある周波数の許容周波数範囲として定めることを特徴とする請求項３に記載の表面形状測定装置。
【請求項７】
前記触針を揺動可能に支持するレバー部材と、前記レバー部材の揺動量を検出して前記変位信号を生成する変位センサと、を備え、
前記触針荷重異常検出部は、前記変位信号の微分値及び移動平均値の微分値のいずれかが所定の閾値を超えるとき、前記変位信号の変化に異常があると判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の表面形状測定装置。
【請求項８】
触針を被測定物の表面に接触させながら相対移動させ、このとき前記被測定物の表面の起伏により生じる前記触針の変位を検出した変位信号を生成して、前記被測定物の表面形状を測定する表面形状測定における、前記触針に作用する荷重の異常を検出する触針荷重の異常検出方法であって、
前記変位信号の変化の異常を、前記触針に作用する荷重の異常として検出することを特徴とする異常検出方法。
【請求項９】
前記荷重の異常を検出したとき、前記被測定物と前記触針との間の相対移動を停止させることを特徴とする請求項８に記載の異常検出方法。
【請求項１０】
前記変位信号を周波数領域信号に変換し、
前記周波数領域信号の変化が所定の許容幅を超えるとき、前記変位信号の変化に異常があると判定する、
ことを特徴とする請求項８又は９に記載の異常検出方法。
【請求項１１】
前記所定の許容幅を、前記周波数領域信号に含まれる、所定の周波数帯域よりも低い周波数信号成分の許容強度範囲として定めることを特徴とする請求項１０に記載の異常検出方法。
【請求項１２】
前記所定の周波数帯域を、前記触針を前記被測定物の表面の起伏に沿わせながら前記触針と前記被測定物とを相対移動させたとき前記周波数領域信号に生じることが予定される信号の周波数範囲として定めることを特徴とする請求項１１に記載の異常検出方法。
【請求項１３】
前記周波数領域信号の所定の変化幅を、最大強度の周波数成分がある周波数の許容周波数範囲として定めることを特徴とする請求項１０に記載の異常検出方法。
【請求項１４】
前記触針を支持する揺動可能なレバー部材の揺動量を検出して前記変位信号を生成し、
前記変位信号の微分値及び移動平均値の微分値のいずれかが所定の閾値を超えるとき、前記変位量の変化に異常があると判定することを特徴とする請求項８又は９に記載の異常検出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００８−３２５４０（Ｐ２００８−３２５４０Ａ）
【公開日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２０６４３６（Ｐ２００６−２０６４３６）
【出願日】平成１８年７月２８日（２００６．７．２８）
【出願人】（０００１５１４９４）株式会社東京精密 (592)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月２８日（２００６．７．２８）
【出願人】（０００１５１４９４）株式会社東京精密 (592)
【Ｆターム（参考）】
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