表面性状測定装置および表面性状測定方法
【課題】周囲温度によって変化するスタイラスの長さ変化を、簡易にかつ短時間で求めることができ、これを基に測定値を補正できる表面性状測定装置を提供する。
【解決手段】スタイラス、加振素子４、検出素子５を有するセンサ１と、これを被測定物に対して相対移動させる駆動用アクチュエータ１１と、センサ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検出器１２と、設定周波数の加振信号を発振し加振素子に与える発振器３４と、制御手段３１とを備える。制御手段は、検出素子からの検出信号の振幅が最大となる周波数に発振器の設定周波数を補正する周波数補正手段と、この周波数補正手段によって補正された設定周波数を共振周波数としてスタイラスの長さ情報を取得するスタイラス長さ情報取得手段と、このスタイラス長さ情報取得手段によって取得されたスタイラス長さ情報を補正値として測定位置情報を補正する測定位置情報補正手段とを備える。
【解決手段】スタイラス、加振素子４、検出素子５を有するセンサ１と、これを被測定物に対して相対移動させる駆動用アクチュエータ１１と、センサ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検出器１２と、設定周波数の加振信号を発振し加振素子に与える発振器３４と、制御手段３１とを備える。制御手段は、検出素子からの検出信号の振幅が最大となる周波数に発振器の設定周波数を補正する周波数補正手段と、この周波数補正手段によって補正された設定周波数を共振周波数としてスタイラスの長さ情報を取得するスタイラス長さ情報取得手段と、このスタイラス長さ情報取得手段によって取得されたスタイラス長さ情報を補正値として測定位置情報を補正する測定位置情報補正手段とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面性状測定装置および表面性状測定方法に関する。例えば、加振型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および表面性状測定方法に関する。
【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ときの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は、図７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、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８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９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。
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（Ａx／Ａo）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。
【０００５】
ところで、上述した構造の力センサ１を用いた形状測定システムでは、次のような課題がある。
近時、マイクロパーツの測定に向けて、力センサ１の小型化、高精度化が図られているが、測定環境に温度変化があると、スタイラス３が熱膨張あるいは収縮するため、この熱膨張や収縮によるスタイラス３の長さ変化が測定精度上無視できない。たとえば、鉄系のスタイラスの線膨張係数を考えた場合、スタイラスの長さ変化は１０のマイナス５乗オーダーである。スタイラスの長さが１００ｍｍであれば、１μｍとなる。
これを解決するための方法として、スタイラスを空間座標上に固定されたマスターボールなどに接触させてマスターボールを測定し、このときの測定値からスタイラスの先端座標を補正する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１８１２９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、スタイラスをマスターボールに接触させてマスターボールを測定し、この測定値からスタイラスの先端座標を補正する方法では、マスターボールを別途用意しておく必要があるうえ、測定に手間と時間がかかる。
【０００８】
本発明の目的は、温度によって変化するスタイラスの長さ情報を、簡易にかつ短時間で求めることができ、これを基に測定値を補正して高精度な測定を実現できる表面性状測定装置および表面性状測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の表面性状測定装置は、先端に接触部を有するスタイラス、この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有するセンサと、このセンサと被測定物とを相対移動させる相対移動手段と、前記センサ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、前記検出素子からの検出信号が設定値に略一致したときの前記位置検出手段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、設定周波数の加振信号を発振し、前記加振素子に与える発振手段と、前記検出素子からの検出信号を検出し、この検出信号の振幅が最大となる周波数に前記発振手段の設定周波数を補正する共振周波数補正手段と、この共振周波数補正手段によって補正された設定周波数を共振周波数として前記スタイラスの長さ情報を取得するスタイラス長さ情報取得手段と、このスタイラス長さ情報取得手段によって取得されたスタイラスの長さ情報を補正値として前記位置検出手段の測定位置情報を補正する測定位置情報補正手段とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、スタイラスの接触部を被測定物表面に接触させ、検出素子からの検出信号が設定値に一致すると、位置検出手段の測定位置情報が取り込まれ、この測定位置情報から被測定物の表面性状が測定される。
たとえば、検出素子からの検出信号が設定値に一致するように、相対移動手段を制御して、センサと被測定物との相対距離を制御すれば、測定力一定状態で被測定物表面の形状や粗さなどを倣い測定することができる。また、スタイラスの接触部を被測定物の任意の点に接触させ、検出素子からの検出信号が設定値に一致したときの位置検出手段の測定位置情報を取り込めば、接触点の座標値を求めることができる。そして、これら複数の接触点の座標値を基に被測定物の形状などを測定できる。
【００１１】
ところで、周囲温度が変化すると、スタイラスが熱膨張あるいは収縮し、スタイラスの長さが変化する。すると、スタイラスが被測定物に接触する接触部の位置が変化するので、測定誤差となる。
本発明では、周波数補正手段を備えているので、たとえば、測定開始直前において、検出素子からの検出信号を検出し、この検出信号の振幅が最大となる周波数を求め、これを発振手段の設定周波数として設定する。検出信号の振幅が最大となる周波数、つまり、共振周波数が得られれば、共振周波数からスタイラスの長さ情報を得ることができる。
つまり、本発明では、検出信号から共振周波数を求め、これを基にスタイラスの長さ情報を得るため、従来のマスターボールを測定する方法に比べて、周囲温度によって変化するスタイラスの長さ変化を、簡易にかつ短時間で求めることができる。また、スタイラスの長さ情報を補正値として位置検出手段の測定位置情報を補正することができるから、温度変化によるスタイラスの長さ変化に基づく測定誤差を低減できる。
【００１２】
とくに、本発明は、スタイラスを振動させ、その振動状態の変化から、被測定物の接触点を求める測定原理において、スタイラスを振動させる構成要素やスタイラスの振動状態を検出して検出信号として出力する構成要素、つまり、発振手段、加振素子、検出素子などを利用して、スタイラスの共振周波数を検出できるので、共振周波数を検出する装置を別途設ける必要がなく、測定に利用される装置構成をそのまま利用できる。従って、経済的に構成できる利点がある。
【００１３】
本発明の表面性状測定装置において、前記検出素子からの検出信号を基に前記スタイラスの共振周波数情報を得る周波数情報検出手段を有し、前記スタイラス長さ情報取得手段は、前記周波数情報検出手段からの周波数情報またはこの周波数情報と加振信号周波数情報との位相差情報から前記スタイラスの長さ情報を得るようにしてもよい。
【００１４】
本発明の表面性状測定装置において、前記スタイラス長さ情報取得手段は、前記スタイラスの長さＬ情報を、次式から取得することが好ましい。
【数１】
ただし、ｆ：スタイラスの共振周波数
λ：モードの次数、
Ｅ：スタイラスのヤング率
ｒ：スタイラスの半径
ｗ：スタイラスの重さ
Ｌ０：基準温度でのスタイラスの長さ
【００１５】
この構成によれば、上記計算式から、スタイラスの長さ情報を求めることができるから、予め、スタイラスの各パラメータ（λ，Ｅ，ｒ，ｗ）などを求めておけば、簡単かつ迅速にスタイラスの長さ情報が得られる。
【００１６】
本発明の表面性状測定方法は、先端に接触部を有するスタイラス、この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有するセンサと、このセンサと被測定物とを相対移動させる相対移動手段と、前記センサ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、前記検出素子からの検出信号が設定値に略一致したときの前記位置検出手段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方法であって、設定周波数の加振信号を発振し、前記加振素子に与える加振信号印加工程と、前記検出素子からの検出信号を検出し、この検出信号の振幅が最大となる周波数に前記発振手段の設定周波数を補正する共振周波数補正工程と、この共振周波数補正工程によって補正された設定周波数を共振周波数として前記スタイラスの長さ情報を取得するスタイラス長さ情報取得工程と、このスタイラス長さ情報取得工程によって取得されたスタイラスの長さ情報を補正値として前記位置検出手段の測定位置情報を補正する測定位置情報補正工程とを備えたことを特徴とする。
この発明によれば、表面性状測定装置と同様な効果が期待できる。
【００１７】
本発明の表面性状測定方法において、前記共振周波数補正工程、および、前記スタイラス長さ情報取得工程は、測定開始直前または測定開始直後に実行することが好ましい。
この構成によれば、測定開始直前または測定開始直後に、共振周波数補正工程、および、スタイラス長さ情報取得工程を実行するので、測定時の温度に最も近い環境下でスタイラスの長さ情報を得ることができ、温度変化による誤差をより低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
＜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一実施形態を示すブロック図である。なお、図１の説明にあたって、前述した図７と同一構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
本実施形態の表面形状測定装置は、プローブ１０と、このプローブ１０を制御するコントローラ３０とから構成されている。
プローブ１０は、図２にも示すように、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。なお、力センサ１は、図７と同一構造であるので、説明を省略する。
【００１９】
コントローラ３０は、制御手段（Digital Signal Processor）３１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）／ＲＡＭ（Random Access Memory）を有する記憶手段３２と、インターフェース（Ｉ／Ｆ）３３と、発振手段としての発振器（Direct Digital Synthesizer）３４と、ピークホールド回路３７と、ＡＤコンバータ（Analog Digital Converter）３８と、ＤＡコンバータ（Digital Analog Converter）３９と、接触検知回路４０と、アクチュエータ駆動回路４１と、カウンタ４２とを含んで構成されている。
【００２０】
制御手段（ＤＳＰ）３１は、マイクロプロセッサとしての機能を持ち、ＲＯＭやＲＡＭを有する記憶手段３２とともにシステム全体をコントロールする役目を果たす。また、制御手段（ＤＳＰ）３１は、検出素子５からの検出信号を検出し、この検出信号の振幅が最大となる周波数に発振器３４の設定周波数を補正する共振周波数補正手段、この共振周波数補正手段によって補正された新設定周波数を基にスタイラス３の長さ情報を取得するスタイラス長さ情報取得手段、このスタイラス長さ情報取得手段によって取得されたスタイラス長さ情報を補正値として位置検出手段としての検出器１２の測定位置情報を補正する測定位置情報補正手段などを構成している。
【００２１】
インターフェース（Ｉ／Ｆ）３３は、ＰＣなどのホストとの通信機能をもつ。
発振器（ＤＤＳ）３４は、設定周波数の加振信号を発振し、加振素子４に与えるもので、制御手段（ＤＳＰ）３１により発振周波数が設定される。
ピークホールド回路３７は、検出素子５からの検出信号（交流信号）を直流信号に変換し、ＡＤコンバータ３８へ与える。
【００２２】
ＡＤコンバータ３８は、ピークホールド回路３７から与えられる直流信号をデジタル信号に変換して制御手段（ＤＳＰ）３１へ与える。
ＤＡコンバータ３９は、制御手段（ＤＳＰ）３１からの指令に基づいて、アクチュエータ駆動回路４１に対して駆動信号を出力するとともに、接触検知回路４０における接触（タッチ）レベルを設定する。
【００２３】
接触検知回路４０は、ピークホールド回路３７からの検出信号（直流信号）とＤＡコンバータ３９によって設定された接触レベルとから、カウンタ４２をラッチするラッチ信号（タッチ信号）を発生し、カウンタ４２へ与える。
アクチュエータ駆動回路４１は、ＤＡコンバータ３９からの駆動信号によって駆動用アクチュエータ１１を駆動させる。
カウンタ４２は、検出器１２からの信号をカウントし、力センサ１の先端測定位置とプローブ駆動制御用フィードバックを算出するため、力センサ１の変位量をカウントする。
【００２４】
＜測定作業＞
測定にあたっては、図３に示すフローチャートに従って、処理を行う。
まず、測定時の環境温度が基準温度と異なっていると、スタイラス３の長さが変化し、測定誤差を生じるため、測定に先立って、共振周波数補正工程（ＳＴ１）、スタイラスの長さ情報取得工程（ＳＴ２）を行う。つまり、共振周波数補正工程において、発振器３４に設定する周波数（共振周波数）を補正したのち、スタイラス長さ情報取得工程において、補正した共振周波数からスタイラス３の長さを求める。
この後、測定工程（ＳＴ３）において、被測定物の測定処理を行ったのち、スタイラスの長さ情報を補正値として、測定工程で得られた測定位置情報を補正する（測定位置情報補正工程）。たとえば、スタイラスの長さ情報を、測定工程で得られた測定位置情報のうち、スタイラスの長さ方向と同じ軸方向の座標値に対して補正を行う。
【００２５】
ここで、スタイラスの長さと共振周波数との関係を説明する。
まず、Ｌ ：スタイラスの長さ（支点から接触部までの距離）
Ｌ０ ：基準温度（ここでは、２０℃）でのスタイラスの長さ
（図５では約３ｍｍ）
ΔＴ：温度変化
ｒ ：スタイラスの半径（図５では約１０μｍ）
λ ：モードの次数
Ｅ ：スタイラスのヤング率
ρ ：スタイラスの密度
ｆ ：スタイラスの共振周波数
ｗ ：スタイラスの重さ
α ：スタイラスの線膨張係数
β ：スタイラスの体積膨張係数
とすると、次の関係式（１）〜（１０）が得られる。
【００２６】
【数２】
【００２７】
式（５）は、式（４）を式（３）に代入した式、
式（６）は、式（５）（２）を式（１）に代入した式、
式（７）は、式（６）において、定数Ｋを表す式、
式（８）は、式（２）を書き換えた式、
式（９）は、式（８）を式（６）に代入した式、
式（１０）は、スタイラスの長さＬと共振周波数ｆとの関係を表す式である。
従って、式（１０）において、定数Ｋ、Ｌ０（基準温度でのスタイラスの長さ）は既知であるから、スタイラスの共振周波数ｆを求めれば、スタイラスの長さＬを求めることができる。
【００２８】
スタイラスの共振周波数ｆを求めるには、たとえば、図４に示すフローチャートの処理を行う。
ＳＴ１１において、加振信号の周波数を予め設定した周波数だけ変更し、この変更した周波数を発振器(DDS)３４にセットし、加振素子４を介してスタイラス３を振動させる。
ＳＴ１２において、検出素子５からの検出信号を取り込み、検出信号の振幅を検出。
ＳＴ１３において、検出した検出信号の振幅が今まで検出した振幅の中で最大か否かを判定する。最大でなければ、ＳＴ１５へ進む。最大であれば、ＳＴ１４に進む。
ＳＴ１４において、補正した加振信号の周波数を記憶。
ＳＴ１５において、処理が終了か否かを判断し、終了でなければ、ＳＴ１１〜ＳＴ１４の処理を繰り返す。終了であれば、ＳＴ１６へ進む。
ＳＴ１６において、記憶した周波数（共振周波数）を発振器(DDS)３４に設定し、加振素子４を介してスタイラス３を振動させる。
【００２９】
従って、ＳＴ１４において記憶した周波数から、長さが変化したスタイラス３の共振周波数を求めることができる。そして、求めた共振周波数を式（１０）に代入すれば、スタイラス３の長さＬを求めることができる。
【００３０】
＜実施形態の効果＞
（１）検出信号から共振周波数を求め、これを基にスタイラス３の長さ情報を得るため、従来のマスターボールを測定する方法に比べて、周囲温度によって変化するスタイラス３の長さ変化を、簡易にかつ短時間で求めることができる。また、スタイラス３の長さ情報を補正値として位置検出手段の測定位置情報を補正することができるから、温度変化によるスタイラスの長さ変化に基づく測定誤差を低減できる。
【００３１】
（２）また、スタイラス３を振動させ、その振動状態の変化から、被測定物の接触点を求める測定原理において、スタイラス３を振動させる構成要素やスタイラス３の振動状態を検出して検出信号として出力する構成要素、つまり、発振器３４、加振素子４、検出素子５などを利用して、スタイラス３の共振周波数を検出できるので、共振周波数を検出する装置を別途設ける必要がなく、測定に利用される装置構成をそのまま利用できる。従って、経済的に構成できる利点がある。
【００３２】
（３）スタイラス３の長さを求める際、式（１０）から求めるようにしたので、予め、スタイラス３の各パラメータ（λ，Ｅ，ｒ，ｗ）などを求めておけば、簡単かつ迅速にスタイラス３の長さ情報が得られる。
（４）また、測定開始直前に、共振周波数補正工程、および、スタイラス長さ情報取得工程を実行するようにしたので、測定時の温度に最も近い環境下でスタイラス３の長さ情報を得ることができ、温度変化による誤差をより低減できる。
【００３３】
＜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。
前記実施形態では、スタイラス３の共振周波数ｆを求めるにあたって、毎回、図４に示すフローチャートの処理（ピークスキャン方式）を実行するようにしたが、最初に、図４に示すフローチャートの処理によって、発振器（ＤＤＳ）３４にスタイラス３の共振周波数を設定した後は、図５または図６に示す方式によって、スタイラス３の共振周波数を求めるようにしてもよい。
【００３４】
図５では、検出素子５からの検出信号を同期検波して周波数情報を抽出し、この周波数情報を制御手段（ＤＳＰ）３１へ与える周波数情報検出手段としての同期検波回路３５が付加されている。
この構成によれば、同期検波回路３５において、検出素子５からの検出信号が同期検波され、周波数情報が制御手段（ＤＳＰ）３１に与えられると、制御手段（ＤＳＰ）３１は、与えられた周波数情報を式（１０）に代入して、スタイラス３の長さ情報を求めることができる。
【００３５】
図６では、同期検波回路３５のほかに、同期検波回路３５からの周波数情報と発振器３４からの加振信号周波数情報との位相を比較し、この位相差情報（周波数変化情報）を制御手段（ＤＳＰ）３１へ与える位相比較器３６が付加されている。
この構成によれば、同期検波回路３５および位相比較器３６により、位相差情報（周波数変化情報）が制御手段（ＤＳＰ）３１に与えられると、制御手段（ＤＳＰ）３１は、位相差情報（周波数変化情報）から、スタイラス３の長さ変化として求めることができる。
【００３６】
前記実施形態では、式（１０）を用いて、スタイラス３の長さＬを求めるようにしたが、共振周波数とスタイラス３の長さＬとの関係を実験的に求め、これを対応させてテーブルに記憶させておき、求めた共振周波数に対応する長さＬをテーブルから読み出して、スタイラス３の長さＬを取得するようにしてもよい。
【００３７】
前記実施形態では、測定開始前に共振周波数変更工程、スタイラスの長さ情報取得工程を行ったが、これらの工程については、力センサ１が被測定物に接触していないときならば、何時でも可能なので、測定工程終了直後でもよく、あるいは、被測定物と接触していない移動区間などを利用して実行することもできる。
【００３８】
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。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
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】
【００４０】
【図１】本発明に係る表面形状測定装置の一実施形態を示すブロック図。
【図２】同上実施形態のプローブを示す図。
【図３】同上実施形態の測定手順を示すフローチャート。
【図４】同上実施形態の共振周波数取得工程の手順を示すフローチャート。
【図５】本発明に係る表面性状測定装置の変形例を示すブロック図。
【図６】本発明に係る表面性状測定装置の他の変形例を示すブロック図。
【図７】力センサの構成を示す分解斜視図。
【図８】力センサに与える加振信号と検出信号を示す図。
【図９】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。
【符号の説明】
【００４１】
１…加振型力センサ、
３…スタイラス、
４…加振素子、
５…検出素子、
１０…プローブ、
３０…コントローラ、
３１…制御手段（共振周波数補正手段、スタイラス長さ情報取得手段、
測定値情報補正手段）、
３４…発振器（発振手段）、
３５…同期検波回路（周波数情報検出手段）、
Ｐi…加振信号、
Ｑo…検出信号、
Ｗ…被測定物。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面性状測定装置および表面性状測定方法に関する。例えば、加振型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および表面性状測定方法に関する。
【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ときの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は、図７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、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８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９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。
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（Ａx／Ａo）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。
【０００５】
ところで、上述した構造の力センサ１を用いた形状測定システムでは、次のような課題がある。
近時、マイクロパーツの測定に向けて、力センサ１の小型化、高精度化が図られているが、測定環境に温度変化があると、スタイラス３が熱膨張あるいは収縮するため、この熱膨張や収縮によるスタイラス３の長さ変化が測定精度上無視できない。たとえば、鉄系のスタイラスの線膨張係数を考えた場合、スタイラスの長さ変化は１０のマイナス５乗オーダーである。スタイラスの長さが１００ｍｍであれば、１μｍとなる。
これを解決するための方法として、スタイラスを空間座標上に固定されたマスターボールなどに接触させてマスターボールを測定し、このときの測定値からスタイラスの先端座標を補正する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１８１２９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、スタイラスをマスターボールに接触させてマスターボールを測定し、この測定値からスタイラスの先端座標を補正する方法では、マスターボールを別途用意しておく必要があるうえ、測定に手間と時間がかかる。
【０００８】
本発明の目的は、温度によって変化するスタイラスの長さ情報を、簡易にかつ短時間で求めることができ、これを基に測定値を補正して高精度な測定を実現できる表面性状測定装置および表面性状測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の表面性状測定装置は、先端に接触部を有するスタイラス、この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有するセンサと、このセンサと被測定物とを相対移動させる相対移動手段と、前記センサ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、前記検出素子からの検出信号が設定値に略一致したときの前記位置検出手段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、設定周波数の加振信号を発振し、前記加振素子に与える発振手段と、前記検出素子からの検出信号を検出し、この検出信号の振幅が最大となる周波数に前記発振手段の設定周波数を補正する共振周波数補正手段と、この共振周波数補正手段によって補正された設定周波数を共振周波数として前記スタイラスの長さ情報を取得するスタイラス長さ情報取得手段と、このスタイラス長さ情報取得手段によって取得されたスタイラスの長さ情報を補正値として前記位置検出手段の測定位置情報を補正する測定位置情報補正手段とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、スタイラスの接触部を被測定物表面に接触させ、検出素子からの検出信号が設定値に一致すると、位置検出手段の測定位置情報が取り込まれ、この測定位置情報から被測定物の表面性状が測定される。
たとえば、検出素子からの検出信号が設定値に一致するように、相対移動手段を制御して、センサと被測定物との相対距離を制御すれば、測定力一定状態で被測定物表面の形状や粗さなどを倣い測定することができる。また、スタイラスの接触部を被測定物の任意の点に接触させ、検出素子からの検出信号が設定値に一致したときの位置検出手段の測定位置情報を取り込めば、接触点の座標値を求めることができる。そして、これら複数の接触点の座標値を基に被測定物の形状などを測定できる。
【００１１】
ところで、周囲温度が変化すると、スタイラスが熱膨張あるいは収縮し、スタイラスの長さが変化する。すると、スタイラスが被測定物に接触する接触部の位置が変化するので、測定誤差となる。
本発明では、周波数補正手段を備えているので、たとえば、測定開始直前において、検出素子からの検出信号を検出し、この検出信号の振幅が最大となる周波数を求め、これを発振手段の設定周波数として設定する。検出信号の振幅が最大となる周波数、つまり、共振周波数が得られれば、共振周波数からスタイラスの長さ情報を得ることができる。
つまり、本発明では、検出信号から共振周波数を求め、これを基にスタイラスの長さ情報を得るため、従来のマスターボールを測定する方法に比べて、周囲温度によって変化するスタイラスの長さ変化を、簡易にかつ短時間で求めることができる。また、スタイラスの長さ情報を補正値として位置検出手段の測定位置情報を補正することができるから、温度変化によるスタイラスの長さ変化に基づく測定誤差を低減できる。
【００１２】
とくに、本発明は、スタイラスを振動させ、その振動状態の変化から、被測定物の接触点を求める測定原理において、スタイラスを振動させる構成要素やスタイラスの振動状態を検出して検出信号として出力する構成要素、つまり、発振手段、加振素子、検出素子などを利用して、スタイラスの共振周波数を検出できるので、共振周波数を検出する装置を別途設ける必要がなく、測定に利用される装置構成をそのまま利用できる。従って、経済的に構成できる利点がある。
【００１３】
本発明の表面性状測定装置において、前記検出素子からの検出信号を基に前記スタイラスの共振周波数情報を得る周波数情報検出手段を有し、前記スタイラス長さ情報取得手段は、前記周波数情報検出手段からの周波数情報またはこの周波数情報と加振信号周波数情報との位相差情報から前記スタイラスの長さ情報を得るようにしてもよい。
【００１４】
本発明の表面性状測定装置において、前記スタイラス長さ情報取得手段は、前記スタイラスの長さＬ情報を、次式から取得することが好ましい。
【数１】
ただし、ｆ：スタイラスの共振周波数
λ：モードの次数、
Ｅ：スタイラスのヤング率
ｒ：スタイラスの半径
ｗ：スタイラスの重さ
Ｌ０：基準温度でのスタイラスの長さ
【００１５】
この構成によれば、上記計算式から、スタイラスの長さ情報を求めることができるから、予め、スタイラスの各パラメータ（λ，Ｅ，ｒ，ｗ）などを求めておけば、簡単かつ迅速にスタイラスの長さ情報が得られる。
【００１６】
本発明の表面性状測定方法は、先端に接触部を有するスタイラス、この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有するセンサと、このセンサと被測定物とを相対移動させる相対移動手段と、前記センサ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、前記検出素子からの検出信号が設定値に略一致したときの前記位置検出手段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方法であって、設定周波数の加振信号を発振し、前記加振素子に与える加振信号印加工程と、前記検出素子からの検出信号を検出し、この検出信号の振幅が最大となる周波数に前記発振手段の設定周波数を補正する共振周波数補正工程と、この共振周波数補正工程によって補正された設定周波数を共振周波数として前記スタイラスの長さ情報を取得するスタイラス長さ情報取得工程と、このスタイラス長さ情報取得工程によって取得されたスタイラスの長さ情報を補正値として前記位置検出手段の測定位置情報を補正する測定位置情報補正工程とを備えたことを特徴とする。
この発明によれば、表面性状測定装置と同様な効果が期待できる。
【００１７】
本発明の表面性状測定方法において、前記共振周波数補正工程、および、前記スタイラス長さ情報取得工程は、測定開始直前または測定開始直後に実行することが好ましい。
この構成によれば、測定開始直前または測定開始直後に、共振周波数補正工程、および、スタイラス長さ情報取得工程を実行するので、測定時の温度に最も近い環境下でスタイラスの長さ情報を得ることができ、温度変化による誤差をより低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
＜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一実施形態を示すブロック図である。なお、図１の説明にあたって、前述した図７と同一構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
本実施形態の表面形状測定装置は、プローブ１０と、このプローブ１０を制御するコントローラ３０とから構成されている。
プローブ１０は、図２にも示すように、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。なお、力センサ１は、図７と同一構造であるので、説明を省略する。
【００１９】
コントローラ３０は、制御手段（Digital Signal Processor）３１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）／ＲＡＭ（Random Access Memory）を有する記憶手段３２と、インターフェース（Ｉ／Ｆ）３３と、発振手段としての発振器（Direct Digital Synthesizer）３４と、ピークホールド回路３７と、ＡＤコンバータ（Analog Digital Converter）３８と、ＤＡコンバータ（Digital Analog Converter）３９と、接触検知回路４０と、アクチュエータ駆動回路４１と、カウンタ４２とを含んで構成されている。
【００２０】
制御手段（ＤＳＰ）３１は、マイクロプロセッサとしての機能を持ち、ＲＯＭやＲＡＭを有する記憶手段３２とともにシステム全体をコントロールする役目を果たす。また、制御手段（ＤＳＰ）３１は、検出素子５からの検出信号を検出し、この検出信号の振幅が最大となる周波数に発振器３４の設定周波数を補正する共振周波数補正手段、この共振周波数補正手段によって補正された新設定周波数を基にスタイラス３の長さ情報を取得するスタイラス長さ情報取得手段、このスタイラス長さ情報取得手段によって取得されたスタイラス長さ情報を補正値として位置検出手段としての検出器１２の測定位置情報を補正する測定位置情報補正手段などを構成している。
【００２１】
インターフェース（Ｉ／Ｆ）３３は、ＰＣなどのホストとの通信機能をもつ。
発振器（ＤＤＳ）３４は、設定周波数の加振信号を発振し、加振素子４に与えるもので、制御手段（ＤＳＰ）３１により発振周波数が設定される。
ピークホールド回路３７は、検出素子５からの検出信号（交流信号）を直流信号に変換し、ＡＤコンバータ３８へ与える。
【００２２】
ＡＤコンバータ３８は、ピークホールド回路３７から与えられる直流信号をデジタル信号に変換して制御手段（ＤＳＰ）３１へ与える。
ＤＡコンバータ３９は、制御手段（ＤＳＰ）３１からの指令に基づいて、アクチュエータ駆動回路４１に対して駆動信号を出力するとともに、接触検知回路４０における接触（タッチ）レベルを設定する。
【００２３】
接触検知回路４０は、ピークホールド回路３７からの検出信号（直流信号）とＤＡコンバータ３９によって設定された接触レベルとから、カウンタ４２をラッチするラッチ信号（タッチ信号）を発生し、カウンタ４２へ与える。
アクチュエータ駆動回路４１は、ＤＡコンバータ３９からの駆動信号によって駆動用アクチュエータ１１を駆動させる。
カウンタ４２は、検出器１２からの信号をカウントし、力センサ１の先端測定位置とプローブ駆動制御用フィードバックを算出するため、力センサ１の変位量をカウントする。
【００２４】
＜測定作業＞
測定にあたっては、図３に示すフローチャートに従って、処理を行う。
まず、測定時の環境温度が基準温度と異なっていると、スタイラス３の長さが変化し、測定誤差を生じるため、測定に先立って、共振周波数補正工程（ＳＴ１）、スタイラスの長さ情報取得工程（ＳＴ２）を行う。つまり、共振周波数補正工程において、発振器３４に設定する周波数（共振周波数）を補正したのち、スタイラス長さ情報取得工程において、補正した共振周波数からスタイラス３の長さを求める。
この後、測定工程（ＳＴ３）において、被測定物の測定処理を行ったのち、スタイラスの長さ情報を補正値として、測定工程で得られた測定位置情報を補正する（測定位置情報補正工程）。たとえば、スタイラスの長さ情報を、測定工程で得られた測定位置情報のうち、スタイラスの長さ方向と同じ軸方向の座標値に対して補正を行う。
【００２５】
ここで、スタイラスの長さと共振周波数との関係を説明する。
まず、Ｌ ：スタイラスの長さ（支点から接触部までの距離）
Ｌ０ ：基準温度（ここでは、２０℃）でのスタイラスの長さ
（図５では約３ｍｍ）
ΔＴ：温度変化
ｒ ：スタイラスの半径（図５では約１０μｍ）
λ ：モードの次数
Ｅ ：スタイラスのヤング率
ρ ：スタイラスの密度
ｆ ：スタイラスの共振周波数
ｗ ：スタイラスの重さ
α ：スタイラスの線膨張係数
β ：スタイラスの体積膨張係数
とすると、次の関係式（１）〜（１０）が得られる。
【００２６】
【数２】
【００２７】
式（５）は、式（４）を式（３）に代入した式、
式（６）は、式（５）（２）を式（１）に代入した式、
式（７）は、式（６）において、定数Ｋを表す式、
式（８）は、式（２）を書き換えた式、
式（９）は、式（８）を式（６）に代入した式、
式（１０）は、スタイラスの長さＬと共振周波数ｆとの関係を表す式である。
従って、式（１０）において、定数Ｋ、Ｌ０（基準温度でのスタイラスの長さ）は既知であるから、スタイラスの共振周波数ｆを求めれば、スタイラスの長さＬを求めることができる。
【００２８】
スタイラスの共振周波数ｆを求めるには、たとえば、図４に示すフローチャートの処理を行う。
ＳＴ１１において、加振信号の周波数を予め設定した周波数だけ変更し、この変更した周波数を発振器(DDS)３４にセットし、加振素子４を介してスタイラス３を振動させる。
ＳＴ１２において、検出素子５からの検出信号を取り込み、検出信号の振幅を検出。
ＳＴ１３において、検出した検出信号の振幅が今まで検出した振幅の中で最大か否かを判定する。最大でなければ、ＳＴ１５へ進む。最大であれば、ＳＴ１４に進む。
ＳＴ１４において、補正した加振信号の周波数を記憶。
ＳＴ１５において、処理が終了か否かを判断し、終了でなければ、ＳＴ１１〜ＳＴ１４の処理を繰り返す。終了であれば、ＳＴ１６へ進む。
ＳＴ１６において、記憶した周波数（共振周波数）を発振器(DDS)３４に設定し、加振素子４を介してスタイラス３を振動させる。
【００２９】
従って、ＳＴ１４において記憶した周波数から、長さが変化したスタイラス３の共振周波数を求めることができる。そして、求めた共振周波数を式（１０）に代入すれば、スタイラス３の長さＬを求めることができる。
【００３０】
＜実施形態の効果＞
（１）検出信号から共振周波数を求め、これを基にスタイラス３の長さ情報を得るため、従来のマスターボールを測定する方法に比べて、周囲温度によって変化するスタイラス３の長さ変化を、簡易にかつ短時間で求めることができる。また、スタイラス３の長さ情報を補正値として位置検出手段の測定位置情報を補正することができるから、温度変化によるスタイラスの長さ変化に基づく測定誤差を低減できる。
【００３１】
（２）また、スタイラス３を振動させ、その振動状態の変化から、被測定物の接触点を求める測定原理において、スタイラス３を振動させる構成要素やスタイラス３の振動状態を検出して検出信号として出力する構成要素、つまり、発振器３４、加振素子４、検出素子５などを利用して、スタイラス３の共振周波数を検出できるので、共振周波数を検出する装置を別途設ける必要がなく、測定に利用される装置構成をそのまま利用できる。従って、経済的に構成できる利点がある。
【００３２】
（３）スタイラス３の長さを求める際、式（１０）から求めるようにしたので、予め、スタイラス３の各パラメータ（λ，Ｅ，ｒ，ｗ）などを求めておけば、簡単かつ迅速にスタイラス３の長さ情報が得られる。
（４）また、測定開始直前に、共振周波数補正工程、および、スタイラス長さ情報取得工程を実行するようにしたので、測定時の温度に最も近い環境下でスタイラス３の長さ情報を得ることができ、温度変化による誤差をより低減できる。
【００３３】
＜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。
前記実施形態では、スタイラス３の共振周波数ｆを求めるにあたって、毎回、図４に示すフローチャートの処理（ピークスキャン方式）を実行するようにしたが、最初に、図４に示すフローチャートの処理によって、発振器（ＤＤＳ）３４にスタイラス３の共振周波数を設定した後は、図５または図６に示す方式によって、スタイラス３の共振周波数を求めるようにしてもよい。
【００３４】
図５では、検出素子５からの検出信号を同期検波して周波数情報を抽出し、この周波数情報を制御手段（ＤＳＰ）３１へ与える周波数情報検出手段としての同期検波回路３５が付加されている。
この構成によれば、同期検波回路３５において、検出素子５からの検出信号が同期検波され、周波数情報が制御手段（ＤＳＰ）３１に与えられると、制御手段（ＤＳＰ）３１は、与えられた周波数情報を式（１０）に代入して、スタイラス３の長さ情報を求めることができる。
【００３５】
図６では、同期検波回路３５のほかに、同期検波回路３５からの周波数情報と発振器３４からの加振信号周波数情報との位相を比較し、この位相差情報（周波数変化情報）を制御手段（ＤＳＰ）３１へ与える位相比較器３６が付加されている。
この構成によれば、同期検波回路３５および位相比較器３６により、位相差情報（周波数変化情報）が制御手段（ＤＳＰ）３１に与えられると、制御手段（ＤＳＰ）３１は、位相差情報（周波数変化情報）から、スタイラス３の長さ変化として求めることができる。
【００３６】
前記実施形態では、式（１０）を用いて、スタイラス３の長さＬを求めるようにしたが、共振周波数とスタイラス３の長さＬとの関係を実験的に求め、これを対応させてテーブルに記憶させておき、求めた共振周波数に対応する長さＬをテーブルから読み出して、スタイラス３の長さＬを取得するようにしてもよい。
【００３７】
前記実施形態では、測定開始前に共振周波数変更工程、スタイラスの長さ情報取得工程を行ったが、これらの工程については、力センサ１が被測定物に接触していないときならば、何時でも可能なので、測定工程終了直後でもよく、あるいは、被測定物と接触していない移動区間などを利用して実行することもできる。
【００３８】
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。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
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】
【００４０】
【図１】本発明に係る表面形状測定装置の一実施形態を示すブロック図。
【図２】同上実施形態のプローブを示す図。
【図３】同上実施形態の測定手順を示すフローチャート。
【図４】同上実施形態の共振周波数取得工程の手順を示すフローチャート。
【図５】本発明に係る表面性状測定装置の変形例を示すブロック図。
【図６】本発明に係る表面性状測定装置の他の変形例を示すブロック図。
【図７】力センサの構成を示す分解斜視図。
【図８】力センサに与える加振信号と検出信号を示す図。
【図９】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。
【符号の説明】
【００４１】
１…加振型力センサ、
３…スタイラス、
４…加振素子、
５…検出素子、
１０…プローブ、
３０…コントローラ、
３１…制御手段（共振周波数補正手段、スタイラス長さ情報取得手段、
測定値情報補正手段）、
３４…発振器（発振手段）、
３５…同期検波回路（周波数情報検出手段）、
Ｐi…加振信号、
Ｑo…検出信号、
Ｗ…被測定物。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に接触部を有するスタイラス、この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有するセンサと、このセンサと被測定物とを相対移動させる相対移動手段と、前記センサ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、前記検出素子からの検出信号が設定値に略一致したときの前記位置検出手段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、
設定周波数の加振信号を発振し、前記加振素子に与える発振手段と、
前記検出素子からの検出信号を検出し、この検出信号の振幅が最大となる周波数に前記発振手段の設定周波数を補正する共振周波数補正手段と、
この共振周波数補正手段によって補正された設定周波数を共振周波数として前記スタイラスの長さ情報を取得するスタイラス長さ情報取得手段と、
このスタイラス長さ情報取得手段によって取得されたスタイラスの長さ情報を補正値として前記位置検出手段の測定位置情報を補正する測定位置情報補正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】
請求項１に記載の表面性状測定装置において、
前記検出素子からの検出信号を基に前記スタイラスの共振周波数情報を得る周波数情報検出手段を有し、
前記スタイラス長さ情報取得手段は、前記周波数情報検出手段からの周波数情報またはこの周波数情報と加振信号周波数情報との位相差情報から前記スタイラスの長さ情報を得ることを特徴とする表面性状測定装置。
【請求項３】
請求項１に記載の表面性状測定装置において、
前記スタイラス長さ情報取得手段は、前記スタイラスの長さＬ情報を、次式から取得することを特徴とする表面性状測定装置。
【数１】
ただし、ｆ；スタイラスの共振周波数
λ：モードの次数
Ｅ：スタイラスのヤング率
ｒ：スタイラスの半径
ｗ：スタイラスの重さ
Ｌ０：基準温度でのスタイラスの長さ
【請求項４】
先端に接触部を有するスタイラス、この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有するセンサと、このセンサと被測定物とを相対移動させる相対移動手段と、前記センサ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、前記検出素子からの検出信号が設定値に略一致したときの前記位置検出手段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方法であって、
設定周波数の加振信号を発振し、前記加振素子に与える加振信号印加工程と、
前記検出素子からの検出信号を検出し、この検出信号の振幅が最大となる周波数に前記発振手段の設定周波数を補正する共振周波数補正工程と、
この共振周波数補正工程によって補正された設定周波数を共振周波数として前記スタイラスの長さ情報を取得するスタイラス長さ情報取得工程と、
このスタイラス長さ情報取得工程によって取得されたスタイラスの長さ情報を補正値として前記位置検出手段の測定位置情報を補正する測定位置情報補正工程とを備えたことを特徴とする表面性状測定方法。
【請求項５】
請求項４に記載の表面性状測定方法において、
前記周波数補正工程、および、前記スタイラス長さ情報取得工程は、測定開始直前または測定開始直後に実行することを特徴とする表面性状測定方法。
【請求項１】
先端に接触部を有するスタイラス、この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有するセンサと、このセンサと被測定物とを相対移動させる相対移動手段と、前記センサ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、前記検出素子からの検出信号が設定値に略一致したときの前記位置検出手段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、
設定周波数の加振信号を発振し、前記加振素子に与える発振手段と、
前記検出素子からの検出信号を検出し、この検出信号の振幅が最大となる周波数に前記発振手段の設定周波数を補正する共振周波数補正手段と、
この共振周波数補正手段によって補正された設定周波数を共振周波数として前記スタイラスの長さ情報を取得するスタイラス長さ情報取得手段と、
このスタイラス長さ情報取得手段によって取得されたスタイラスの長さ情報を補正値として前記位置検出手段の測定位置情報を補正する測定位置情報補正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】
請求項１に記載の表面性状測定装置において、
前記検出素子からの検出信号を基に前記スタイラスの共振周波数情報を得る周波数情報検出手段を有し、
前記スタイラス長さ情報取得手段は、前記周波数情報検出手段からの周波数情報またはこの周波数情報と加振信号周波数情報との位相差情報から前記スタイラスの長さ情報を得ることを特徴とする表面性状測定装置。
【請求項３】
請求項１に記載の表面性状測定装置において、
前記スタイラス長さ情報取得手段は、前記スタイラスの長さＬ情報を、次式から取得することを特徴とする表面性状測定装置。
【数１】
ただし、ｆ；スタイラスの共振周波数
λ：モードの次数
Ｅ：スタイラスのヤング率
ｒ：スタイラスの半径
ｗ：スタイラスの重さ
Ｌ０：基準温度でのスタイラスの長さ
【請求項４】
先端に接触部を有するスタイラス、この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有するセンサと、このセンサと被測定物とを相対移動させる相対移動手段と、前記センサ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、前記検出素子からの検出信号が設定値に略一致したときの前記位置検出手段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方法であって、
設定周波数の加振信号を発振し、前記加振素子に与える加振信号印加工程と、
前記検出素子からの検出信号を検出し、この検出信号の振幅が最大となる周波数に前記発振手段の設定周波数を補正する共振周波数補正工程と、
この共振周波数補正工程によって補正された設定周波数を共振周波数として前記スタイラスの長さ情報を取得するスタイラス長さ情報取得工程と、
このスタイラス長さ情報取得工程によって取得されたスタイラスの長さ情報を補正値として前記位置検出手段の測定位置情報を補正する測定位置情報補正工程とを備えたことを特徴とする表面性状測定方法。
【請求項５】
請求項４に記載の表面性状測定方法において、
前記周波数補正工程、および、前記スタイラス長さ情報取得工程は、測定開始直前または測定開始直後に実行することを特徴とする表面性状測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−２９２２３３（Ｐ２００８−２９２２３３Ａ）
【公開日】平成２０年１２月４日（２００８．１２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１３６５５１（Ｐ２００７−１３６５５１）
【出願日】平成１９年５月２３日（２００７．５．２３）
【出願人】（０００１３７６９４）株式会社ミツトヨ (979)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月４日（２００８．１２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月２３日（２００７．５．２３）
【出願人】（０００１３７６９４）株式会社ミツトヨ (979)
【Ｆターム（参考）】
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