表面性状測定装置
【課題】傾斜を有する被測定物表面を高精度に倣い測定する表面性状測定装置を提供する。
【解決手段】 測定部２１０により被測定物表面を倣い走査する。測定部２１０は、接触部２１２を先端に有するスタイラス２１１と、接触部２１２が被測定物表面に当接した際のスタイラス軸方向の測定力を検出する測定力検出手段を有する。移動機構は、測定力を一定にしながら測定部２１０を被測定物表面に対して相対移動させる。
移動機構は、接触部２１０を回転中心として測定部２１０を回転させてスタイラス２１１を被測定物表面に垂直にする回転機構４００を備える。
【解決手段】 測定部２１０により被測定物表面を倣い走査する。測定部２１０は、接触部２１２を先端に有するスタイラス２１１と、接触部２１２が被測定物表面に当接した際のスタイラス軸方向の測定力を検出する測定力検出手段を有する。移動機構は、測定力を一定にしながら測定部２１０を被測定物表面に対して相対移動させる。
移動機構は、接触部２１０を回転中心として測定部２１０を回転させてスタイラス２１１を被測定物表面に垂直にする回転機構４００を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面性状測定装置に関する。
例えば、接触式プローブにより被測定物表面を検出して被測定物表面形状を測定する表面性状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被測定物表面を走査して被測定物の立体的形状や粗さやうねり等の表面性状を測定する測定装置が知られ、例えば、粗さ測定機、輪郭形状測定機、真円度測定機、三次元測定機などが知られている。このような測定装置において、被測定物表面を検出するセンサとしてのプローブが使用される（特許文献１）。
図５に、プローブ２００を利用した表面性状測定装置１００の構成を示す。
表面性状測定装置１００は、プローブ２００と、このプローブ２００を被測定物表面Ｓに沿って三次元的に移動させる移動機構としての三次元駆動機構３００と、を備えている。
【０００３】
プローブ２００は、図６に示されるように、先端に接触部２１２を有するスタイラス２１１と、このスタイラス２１１を支持するスタイラスホルダ２１３と、スタイラス２１１を軸方向に固有振動数で定常振動させる加振手段２１４と、スタイラス２１１の振動変化を検出して検出信号を出力する検出手段２１７と、を備える加振型接触式プローブである。
加振手段２１４は、スタイラスホルダ２１３に設けられスタイラス２１１を振動させる圧電素子２１５と、この圧電素子２１５に所定周波数の出力信号（パルスあるいは正弦波信号など）を印加する加振回路２１６と、で構成されている。
検出手段２１７は、スタイラス２１１の振動を電圧変換する圧電素子２１８と、この圧電素子２１８からの電圧を検出して検出信号を出力する検出回路２１９と、で構成されている。
【０００４】
三次元駆動機構３００は、従来の三次元測定装置に用いられるX、YおよびZ方向スライド機構を備えたものが利用される。三次元駆動機構３００の各軸には駆動量を検出するリニアエンコーダが設けられている。
【０００５】
このような構成において、図７に示されるように接触部２１２を被測定物表面Ｓに沿って移動させると、接触部２１２と被測定物表面Ｓとの位置関係により、図８（Ｄ）に示されるような検出信号の変化が生じる。
接触部２１２がフリーの状態（Ａ）から接触部２１２が被測定物表面Ｓに接触を開始し（Ｂ）、所定の測定力で接触部２１２が被測定物表面Ｓに接触したとき（Ｃ）、接触部２１２の振動が束縛されて、検出信号が予め設定された参照レベルに達する。
【０００６】
なお、測定力とは、接触部２１２を被測定物表面Ｓに接触させて被測定物表面Ｓを検出する際に、接触部２１２を被測定物表面Ｓに押し当てるときの力をいう。
【０００７】
検出信号値が参照レベルとなるように接触部２１２を被測定物表面Ｓに押し当てた状態で接触部２１２を被測定物表面Ｓに沿って倣い移動させ、検出信号が参照レベルに達したときのプローブ２００の位置情報を三次元駆動機構３００のＸ、Ｙ、Ｚ軸スライド量からサンプリングする。サンプリングされたプローブ２００の位置情報から接触部２１２と被測定物表面Ｓとの接点を算出することにより、被測定物表面Ｓの形状を知ることができる。
【０００８】
ここで、接触部２１２と被測定物表面Ｓとが接触する角度によって検出信号の減衰の仕方が異なる。つまり、スタイラス２１１が軸方向に振動するように加振されるので、スタイラス２１１の軸方向から接触部２１２が被測定物表面Ｓに当接する場合（例えば図７中のＡ）と、スタイラス２１１の軸方向からずれた方向で接触部２１２が被測定物表面Ｓに当接する場合（例えば図７中のＢ）と、では、スタイラス２１１の振動を束縛する程度が異なってくる。
【０００９】
そこで、加振型接触プローブ２００では、スタイラス２１１の軸方向から被測定物に接触することを前提として、検出信号の参照レベルが設定されている。したがって、スタイラス２１１の軸方向から接触部２１２が被測定物表面Ｓに接触する場合には検出信号を参照レベルとするように加振型接触プローブ２００を倣い移動させて、測定力一定で被測定物表面Ｓを走査することができる。
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−６１３２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、被測定物表面Ｓの傾斜状態によっては、スタイラス軸方向からではなく、スタイラス２１１の軸方向からずれた方向で接触部２１２が被測定物表面Ｓに当接することになる（例えば図７中のＢ）。
この場合、被測定物表面Ｓからプローブ２００にかかる力（Ｆｖ）のうち検出信号の変化にはスタイラス軸方向の分力（Ｆｚ）しか反映されない。そのため、検出信号を参照レベルに制御しようとすると被測定物に対する接触部２１２の押し込みが強くなり、測定力を一定に保つことができない。このように測定力を一定に保てないと、強い押し込みにより被測定物表面Ｓが損傷したり、また、スタイラス２１１が湾曲して正確に被測定物表面Ｓを検出できなくなる。そのため、加振型接触プローブ２００による被測定物表面Ｓの測定では、表面が略平面である被測定物に限定されていた。
【００１２】
また、被測定物表面が傾斜していた場合、プローブ２００の接触部２１２のうち被測定物表面に当接する部分が異なってくる。例えば、図７のＡに示されるように、被測定物表面Ｓが水平であれば接触部２１２の最下点で被測定物表面に当接するが、被測定物表面が傾斜してくると、接触部２１２のうち最下点ではなくて側面寄りの点で被測定物表面と当接することになる（図７中のＢ）。
このように接触部２１２のうちどの点で被測定物表面に当接するかわからないので、接触部２１２の形状によって測定データの信頼性が異なってくる。そこで、測定精度を保証するためには、接触部２１２を非常に高精度の真球にするか、あるいは基準となるマスタ（基準球等）を測定した結果に基づいて基準球からの接触部２１２のずれを補正しなければならない。
【００１３】
しかしながら、接触部２１２を真球に形成することは困難である。また、被測定物表面を測定する際に求められる測定精度が高度化する近年にあっては、求められる測定精度以上の精度で較正されたマスタ（基準球）を常に入手することは困難であり、また、基準球の真球度にも限界がある。したがって、測定精度を保証するには、接触部２１２のうちのどの点で被測定物に当接するかを限定する必要があり、この点においても従来では略平面である被測定物に測定対象が限定されていた。
【００１４】
本発明の目的は、傾斜を有する被測定物表面を高精度に倣い測定する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】
【００１５】
本発明の表面性状測定装置は、被測定物表面に接触する接触部を先端に有するスタイラスおよび前記接触部が被測定物表面に当接した際のスタイラス軸方向の測定力を検出する測定力検出手段を有し前記被測定物表面を倣い走査する測定部と、前記測定力を一定にしながら前記測定部を前記被測定物表面に対して相対移動させる移動機構と、を備え、前記移動機構は、前記接触部を回転中心として前記測定部を回転させて前記スタイラスを前記被測定物表面に垂直にする回転機構を備えることを特徴とする。
【００１６】
このような構成において、移動機構により測定部が被測定物表面を倣い走査する。このとき、スタイラス軸方向に作用する測定力が測定力検出手段にて検出され、この測定力を一定とするように移動機構は測定部を移動させる。倣い走査中に、回転機構により測定部が回転調整されてスタイラスが被測定物表面に垂直になるように調整される。このようにしてスタイラスを被測定物表面に垂直とした状態で倣い走査が行われ、所定ピッチでサンプリングされる座標値により被測定物の表面形状が求められる。
【００１７】
このような構成によれば、回転機構を備えているので、測定部を回転させてスタイラスを被測定物表面に対して垂直にすることができる。
例えば、被測定物表面が傾斜を有する場合であっても、回転機構による測定部の回転角度調整によりスタイラスを被測定物表面に対して垂直にすることができる。スタイラスが被測定物表面に対して垂直となるように調整されることにより、測定力検出手段は接触部と被測定物表面との間に作用する測定力を正確に検出することができる。測定力検出手段により測定力を正確に検出できることにより、測定力を一定とする倣い測定を高精度に行うことができ、さらに、傾斜を有する被測定物表面に対しても高精度な倣い測定を実行することができる。
【００１８】
回転機構による測定部の回転において、回転の中心は接触部であるので、回転機構によって測定部が回転されても接触部は変位しない。よって、回転機構による測定部の回転が行われても接触部が被測定物表面に当接している接触点（測定点）はずれない。したがって、倣い走査中に回転機構によって測定部を回転させて被測定物表面に対するスタイラスの角度を随時調整しながら倣い走査を継続することができる。
【００１９】
回転機構によって測定部が回転されることによりスタイラスが被測定物表面に対して垂直となるので、接触部はスタイラス軸方向から被測定物表面に当接することになる。接触部が被測定物表面に当接する方向がスタイラス軸方向からのみに限定されるので、接触部が被測定物表面と接する点が一点に限定される。よって、接触部の全体を高精度の真球にしたり、接触部の全体を高精度に較正する必要がなくなるので、測定作業の簡便化および低コスト化を図ることができる。
また、被測定物表面に接する一点についてのみ接触部の較正を行うことで測定精度を向上させることができる。
【００２０】
なお、回転機構による測定部の回転は、予め決められた一平面内における回転であってもよく、あるいは、一平面内における回転に限定されず、接触部を含む総ての面内において回転可能であってもよい。
【００２１】
本発明では、前記移動機構の駆動量を所定のサンプリングピッチでサンプリングするカウンタと、カウンタのカウント値に基づいて被測定物表面の法線の角度を算出するとともに前記スタイラスを前記法線と平行するための調整角度を算出する調整角度算出部と、を備えることが好ましい。
【００２２】
このような構成において、調整角度算出部により被測定物表面の法線が算出される。そして、この被測定物表面の法線とスタイラスとの角度差が調整角度として算出される。この調整角度分だけ回転機構により測定部が回転されることにより、スタイラスが被測定物表面に垂直になるように調整される。倣い走査の実行中に取得したカウント値に基づいて調整角度を算出できるので、スタイラスが被測定物表面に垂直になるように随時調整しながら倣い走査を実行することができる。
【００２３】
本発明では、前記調整角度算出部は、現在の測定点と前の測定点とを結んだ直線に垂直な線に基づいて現在の測定点における前記被測定物表面の法線を算出することが好ましい。
【００２４】
このような構成において、調整角度算出部により現在の測定点と前の測定点とを結んだ直線が算出される。そして、現在の測定点における前記直線の垂線が算出される。現在の測定点と前の測定点とのサンプリングピッチが短ければ、現在の測定点と前の測定点とを結んだ直線は現在の測定点における被測定物表面の曲率円の接線に近似する直線となる。したがって、この直線の垂線により、現在の測定点における被測定物表面の法線に近似した直線を求めることができる。
そして、前記垂線とスタイラスとが平行となるように回転機構によって測定部を回転させることでスタイラスを被測定物表面に対して垂直にすることができる。
【００２５】
なお、現在の測定点と一つ前の測定点とに基づいて被測定物表面の法線を求めてもよく、あるいは、現在の測定点と現在の測定点からみて過去の複数の測定点とに基づいて被測定物表面の法線を算出してもよい。
【００２６】
また、被測定物の設計データ等に基づいて被測定物表面の形状データを予め調整角度算出部に設定入力し、被測定物表面上の各点においてスタイラスを被測定物表面に対して垂直にするための調整角度を予め求めておいてもよい。
そして、倣い測定の実行中には、予め算出した調整角度を逐次読み出すとともに回転機構により測定部を回転させてもよい。
【００２７】
本発明では、前記測定力検出手段は、前記スタイラスを軸方向に固有振動数で定常振動させる加振手段と、前記スタイラスの振動変化を検出して検出信号を出力する検出手段と、を備えることが好ましい。
【００２８】
このような構成において、加振手段によりスタイラスが軸方向に振動される。
そして、接触部が被測定物表面に接触すると、スタイラスの振動が束縛されて振動が小さくなる。このスタイラスの振動変化が検出手段によって検出される。
このような構成によれば、スタイラスの軸方向の振動を束縛する力、すなわち、スタイラスの軸方向からスタイラスに作用する力を検出することができる。そして、回転機構によりスタイラスが被測定物表面に垂直になる状態が維持されるので、倣い走査において測定力はスタイラス軸方向に作用する。したがって、倣い走査中の測定力を高精度に検出することができ、測定力を一定とする倣い測定を高精度に実行することができる。
【００２９】
本発明では、前記移動手段は、前記測定部を微小変位させる微動機構と、前記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、を備えることが好ましい。
【００３０】
ここで、例えば、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られる。
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。
【００３１】
このような構成によれば、微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が速い微動機構に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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
（第１実施形態）
本発明の表面性状測定装置に係る第１実施形態について説明する。
図１は、本発明の表面性状測定装置１００に係る第１実施形態の構成を示す図である。
なお、第１実施形態としては、表面が略平らな被測定物を略水平に配置し、この被測定物表面Ｓの上方からプローブ２００を被測定物表面Ｓにアプローチさせて測定する場合について説明する。
【００３３】
表面性状測定装置１００は、被測定物表面Ｓに当接する測定部２１０を上下駆動機構２２０により上下方向に移動させながら被測定物表面Ｓを検出するプローブ２００と、プローブ２００を三次元的に移動させる三次元駆動機構３００と、プローブ２００を回転させてプローブ２００を被測定物表面に対して垂直にする回転機構４００と、上下駆動機構２２０を駆動制御する上下駆動機構制御部５００と、全体の動作制御を行うコントローラ部６００と、を備えている。
【００３４】
プローブ２００は、被測定物表面Ｓに接触して被測定物表面Ｓに対する測定力を検出する測定部２１０と、被測定物表面Ｓの形状に応じて測定部２１０を上下動させる上下駆動機構２２０と、測定部２１０の上下変位量を検出する変位量検出センサ２３０と、を備える。
【００３５】
測定部２１０は、背景技術で説明した加振型接触式プローブ２００であり、
先端に接触部２１２を有するスタイラス２１１と、このスタイラス２１１を支持するスタイラスホルダ２１３と、スタイラス２１１を軸方向に固有振動数で定常振動させる加振手段２１４と、スタイラス２１１の振動変化を検出して測定力信号を出力する検出手段２１７と、を備える。
加振手段２１４は、スタイラスホルダ２１３に設けられスタイラス２１１を振動させる圧電素子２１５と、この圧電素子２１５に所定周波数の出力信号（パルスあるいは正弦波信号など）を印加する加振回路２１６と、を備える。
検出手段２１７は、スタイラス２１１の振動を電圧変換する圧電素子２１８と、
この圧電素子２１８からの電圧を検出して測定力信号を出力する測定力検出回路２１９と、を備える。
【００３６】
測定力検出回路２１９は、圧電素子２１８からの電圧を検出するところ、接触部２１２がフリーで振動する状態で検出される電圧と、被測定物表面Ｓに接触して接触部２１２が束縛された状態で検出される電圧との差分を接触部２１２が被測定物表面Ｓから受けている測定力の情報として出力する。
例えば、図８を参照すると、非接触の時の電圧レベルＬ１から所定測定力で接触部２１２を被測定物表面Ｓに押し込んだときの電圧レベルである参照値Ｌ２を減じた値が測定力検出回路２１９で検出される測定力である。
【００３７】
上下駆動機構２２０は、測定部２１０を微小範囲で変位させる微動機構２２１と、この微動機構２２１とともに測定部２１０を大変位させる粗動機構２２２と、を備える。そして、応答速度が速い微動機構２２１と可動範囲が大きい粗動機構２２２とにより、被測定物表面の微小な凹凸には微動機構２２１にて迅速に対応し、うねり等の大きな変化には粗動機構２２２で対応して、倣い測定の際に接触部２１２を被測定物表面に沿って高精度かつ迅速に倣い移動させる。
【００３８】
微動機構２２１は、例えば圧電素子で構成され、粗動機構２２２の可動部２２３に取り付けられる。
測定部２１０は、微動機構２２１の下端により支持されている。
【００３９】
粗動機構２２２は、例えば、筐体であるハウジング２２４に固定された永久磁石とこの磁石の磁界中を上下方向に移動する可動コイルとを備えた電磁アクチュエータで構成される。そして、この場合、可動コイルには可動コイルと一体的に移動する可動部２２３が設けられる。
【００４０】
変位量検出センサ２３０は、測定部２１０と一体となって上下動するスケール２３１と、スケール２３１の変位を検出する検出ヘッド２３２と、を備えたリニアエンコーダで構成されている。変位量検出センサ２３０は、ハウジング２２４に対する測定部２１０の変位量を検出する。すなわち、変位量検出センサ２３０は、粗動機構２２２および微動機構２２１の合成変位量を検出することになる。
変位量検出センサ２３０による検出結果は変位量信号として出力される。
【００４１】
三次元駆動機構３００は、（図１には明示しないが）背景技術において説明した構成と同様であり（図５参照）、X、YおよびZ方向スライド機構を備えたものが利用される。
具体的には、三次元駆動機構３００は、載物台３１０に対して前後にスライド移動可能に立設された門型フレーム３２０と、この門型フレーム３２０の梁部３２１を左右にスライド移動可能に設けられたＺコラム３３０と、このＺコラム３３０内を上下にスライド可能に設けられたＺスピンドル３４０と、を備える。
このＺスピンドル３４０にプローブ２００が回転機構４００を介して取り付けられる。また、三次元駆動機構３００の各軸には駆動量を検出するエンコーダ（不図示）が設けられている。
【００４２】
回転機構４００は、図２に示されるように、Ｚスピンドル３４０の側面に設けられた円弧形状のガイドレール４１０と、プローブ２００に設けられガイドレール４１０に沿って摺動可能であるスライダ４２０と、を備える。
ガイドレール４１０は、円弧状であって、この円弧は、接触部２１２を中心とする円Ｃの一部である。
なお、この円弧の半径ｒとしては、粗動機構２２２および微動機構２２１の変位量がゼロである状態でガイドレール４１０の取り付け位置から接触部２１２までの長さを半径にとる。
スライダ４２０は、ガイドレール４１０に跨乗するように設けられている（図１参照）。このスライダ４２０がガイドレール４１０を摺動すると、接触部２１２を回転中心としてプローブ２００が回動し、プローブ２００が傾斜する。そして、ガイドレール４１０とスライダ４２０との間には、スライダ４２０のスライド量を検出するエンコーダが設けられている。
【００４３】
ここに、上下駆動機構２２０と、三次元駆動機構３００と、回転機構４００と、により移動機構が構成されている。
また、加振手段２１４と検出手段２１７とにより測定力検出手段が構成されている。
【００４４】
上下駆動機構制御部５００は、微動機構２２１を駆動制御する微動機構制御部５１０と、粗動機構２２２を駆動制御する粗動機構制御部５２０と、を備える。
【００４５】
微動機構制御部５１０は、測定力検出回路２１９で検出される測定力を指定測定力で一定にするための微動機構２２１の変位量を微動変位情報算出回路５１１で算出し、微動機構駆動回路５１２を介して微動機構２２１に電圧等の制御信号を印加する。
粗動機構制御部５２０は、微動機構２２１の変位量が予め決められたバランス変位となるための粗動機構２２２の変位量を算出して、粗動機構駆動アンプ５５０を介して粗動機構２２２に電流等の制御信号を印加する。
【００４６】
なお、微動機構制御部５１０は、測定力比較器５１３、微動変位情報算出回路５１１および微動機構駆動回路５１２により測定力を指定作用力で一定とするためのフィードバックループとなっている。
また、粗動機構制御部５２０は、位置比較器５３１と位置補償器５３２とを有する粗動変位制御部５３０から粗動速度制御部５４０を経由して粗動機構駆動アンプ５５０に至る位置の制御ループと、プローブカウンタ５４１から変位比較器５４２、微分回路５４３、速度比較器５４４を経由して速度補償器５４５に至る速度の制御ループと、を備えている。
【００４７】
コントローラ部６００は、三次元駆動機構制御部６１０と、カウンタ部６２０と、形状解析部６３０と、調整角度算出部６４０と、回転機構制御部６５０と、ＣＰＵ６６０と、を備えている。
【００４８】
三次元駆動機構制御部６１０は、三次元駆動機構３００を駆動制御してプローブ２００をＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向に移動させる。
例えば、倣い測定を実行する場合には、プローブ２００を所定の倣い方向に向けて移動させる。
【００４９】
カウンタ部６２０は、三次元カウンタ６２１と、回転量カウンタ６２２と、を備える。
三次元カウンタ６２１は、三次元駆動機構３００の駆動量をＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向でそれぞれカウントする。
回転量カウンタ６２２は、スライダ４２０の変位量を検出することによりプローブ２００の回転角度をカウントする。
【００５０】
形状解析部６３０は、プローブカウンタ５４１およびカウンタ部６２０にてカウントされる上下駆動機構２２０、三次元駆動機構３００および回転機構４００の駆動量に基づいて被測定物表面形状を算出する。
すなわち、形状解析部６３０は、上下駆動機構２２０、三次元駆動機構３００の駆動量を合成して接触部２１２の変位量を算出するとともに、プローブ２００の回転角に基づいて接触部２１２の変位量を補正して接触部２１２の移動軌跡を算出する。
この接触部２１２の移動軌跡が被測定物表面形状となる。
【００５１】
調整角度算出部６４０は、プローブ２００は被測定物表面に対して垂直にするためにプローブ２００を回転させる調整角度を算出する。調整角度算出部６４０は、まず、現在の測定点と前の測定点とを結んだ直線に垂直な線によって現在の測定点における被測定物表面の法線を算出する。そして、算出された被測定物表面の法線とスタイラス２１１と平行にするために必要なプローブ２００の回転角度を調整角度として算出する。
【００５２】
例えば、図３は、プローブ２００が点Ｐ０から点Ｐ１に移動した状態を示す図である。点Ｐ０から点Ｐ１に移動して、現在の測定点であるＰ１においてスタイラス２１１を被測定物表面に対して垂直にする場合について説明する。
まず、一つ前の測定点ある点Ｐ０と現在の測定点である点Ｐ１とを結ぶ直線ｌ１を算出する。
次に、この直線ｌ１に対して点Ｐ１における垂線ｎ１を算出する。
そして、現在のプローブ２００と垂線ｎ１とのなす角θ１を求める。
この角θ１が点Ｐ１における調整角度となる。
【００５３】
回転機構制御部６５０は、回転機構４００を駆動制御してプローブ２００を調整角度に応じて回転させる。すなわち、回転機構制御部６５０は、調整角度算出部６４０にて算出された調整角度に従って回転機構４００を駆動させてプローブ２００を被測定物表面に対して垂直にする。
【００５４】
なお、ＣＰＵ６６０は、コントローラ部６００を制御するとともに、測定力比較器５１３に向けて倣い指定測定力の指令を出力する。
【００５５】
このような構成を備える第１実施形態の動作を説明する。
まず、測定力比較器５１３に入力する指定測定力と、位置比較器５３１に入力する微動機構２２１のバランス変位量を設定する。そして、三次元駆動機構制御部６１０による駆動制御にて三次元駆動機構３００が駆動され、接触部２１２が被測定物表面に当接した状態で移動する。このとき、被測定物の設計データおよび倣い測定における測定部位等のデータが三次元駆動制御部に予め入力されており、プローブ２００が被測定物表面を倣い走査するように三次元駆動機構制御部６１０により三次元駆動機構３００は制御される。測定力検出回路２１９にて測定力が検出される。この検出される測定力が指定測定力で一定となるように上下駆動機構２２０（微動機構２２１、粗動機構２２２）が上下駆動機構制御部５００によって駆動制御され、測定部２１０が被測定物表面の凹凸に従って上下動される。
【００５６】
ここで、測定力検出回路２１９は、スタイラス２１１の軸方向に作用する測定力のみを検出可能であるため、倣い走査中にスタイラス２１１が被測定物表面に対して垂直になるように回転機構４００によりプローブ２００が回転駆動される。
【００５７】
図３および図４を参照して、被測定物表面の傾斜に応じてプローブ角度が調整される動作について説明する。
図３および図４において、プローブ２００は、点Ｐ０→点Ｐ１→点Ｐ２の順に被測定物表面を測定したとする。
図３において、点Ｐ０から点Ｐ１にプローブ２００が移動する際には、まず、点Ｐ０の位置でプローブ２００が被測定物表面に対して垂直である状態からスタートする。三次元駆動機構３００および上下駆動機構２２０（微動機構２２１、粗動機構２２２）により次の測定点である点Ｐ１まで測定力一定で倣い走査が行われる。
点Ｐ１に至ったところで、点Ｐ１の座標値が検出される。すなわち、三次元カウンタ６２１でカウントされる三次元駆動機構３００の駆動量とプローブカウンタ５４１でカウントされる上下駆動機構２２０の駆動量が形状解析部６３０により合成されて点Ｐ１の座標値が求められる。
【００５８】
点Ｐ１において、プローブ２００の角度が被測定物表面に垂直になるように調整される。このとき、一つ前の測定点である点Ｐ０の座標値と現在の測定点である点Ｐ１の座標値が形状解析部６３０から調整角度算出部６４０に出力される。
そして、調整角度算出部６４０において、まず、点Ｐ０と点Ｐ１とを結ぶ直線ｌ１が算出される。
続いて、調整角度算出部６４０において、点Ｐ１における直線ｌ１の垂線ｎ１が算出される。そして、この垂線ｎ１とプローブ２００との角度差θ１が調整角度として算出される。
【００５９】
算出された調整角度θ１は回転機構制御部６５０に出力される。回転機構制御部６５０は、調整角度θ１だけ回転機構４００を駆動させ、スライダ４２０をスライド移動させる。すると、点Ｐ１の位置でプローブ２００が接触部２１２を中心として回転し、プローブ２００が被測定物表面に対して垂直になる。
【００６０】
なお、プローブ２００が接触部２１２を中心とした回転運動を行うため、回転機構制御部６５０が回転機構４００を駆動するのは、回転機構４００が接触部２１２までの距離が回転機構４００の駆動半径ｒに等しいときであり、すなわち、粗動機構２２２および微動機構２２１の変位量がゼロであるときである。
したがって、必要に応じて、回転機構４００の駆動の前に上下駆動機構２２０が駆動されて接触部２１２と回転機構４００との距離が調整される。
【００６１】
このように点Ｐ１でプローブ２００が被測定物表面に垂直になった状態で、次にプローブ２００が点Ｐ２に倣い移動される。そして、点Ｐ２において座標値が検出されるとともに、点Ｐ２においてプローブ２００が被測定物表面に垂直になるようにプローブ２００の角度が調整される。すなわち、調整角度算出部６４０によって点Ｐ１と点Ｐ２とを結ぶ直線ｌ２が算出され、点Ｐ２におけるこの直線ｌ２の垂線ｎ２が算出される。そして、調整角度算出部６４０により垂線ｎ２とプローブ２００との角度差θ２が算出されて、この角度差θ２に基づいてプローブ２００が被測定物表面に対して垂直になるように回転機構制御部６５０により回転機構４００が駆動される。
【００６２】
このようにプローブ２００による被測定物表面の倣い走査が行われ、三次元カウンタ６２１およびプローブカウンタ５４１のカウント値に基づいて形状解析部６３０により被測定物の表面形状が求められる。
【００６３】
このような構成を備える第１実施形態によれば、次の効果を奏することができる。
（１）回転機構４００を備えているので、プローブ２００を回転させてスタイラス２１１を被測定物表面に対して垂直にすることができる。従って、被測定物表面が傾斜を有する場合であっても、回転機構４００によるプローブ２００の回転角度調整によりスタイラス２１１を被測定物表面に対して垂直にすることができる。スタイラス２１１を被測定物表面に対して垂直となるように調整することにより、接触部２１２と被測定物表面との間に作用する測定力を正確に検出することができる。測定力を正確に検出できることにより、測定力を一定とする倣い測定を高精度に行うことができ、さらに、傾斜を有する被測定物表面に対しても高精度な倣い測定を実行することができる。
【００６４】
（２）回転機構４００によるプローブ２００の回転において、回転の中心を接触部２１２とするので、回転機構４００によってプローブ２００を回転しても接触部２１２が変位しない。よって、回転機構４００によるプローブ２００の回転を行っても接触部２１２が被測定物表面に当接している接触点（測定点）はずれない。したがって、倣い走査中に回転機構４００によってプローブ２００を回転させて被測定物表面に対するスタイラス２１１の角度を随時調整しながら倣い走査を継続することができる。
【００６５】
（３）回転機構４００によってプローブ２００を回転することによりスタイラス２１１が被測定物表面に対して垂直となるので、接触部２１２はスタイラス軸方向から被測定物表面に当接することになる。接触部２１２が被測定物表面に当接する方向をスタイラス軸方向からのみに限定するので、接触部２１２が被測定物表面と接する点を一点に限定することができる。よって、接触部２１２の全体を高精度の真球にしたり、接触部２１２の全体を高精度に較正する必要がなくなるので、測定作業の簡便化および低コスト化を図ることができる。また、被測定物表面に接する一点についてのみ接触部２１２の較正を行うことで測定精度を向上させることができる。
【００６６】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されず、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
例えば、回転機構の構成としては上記実施形態に限定されず、接触部を回転中心としてプローブを回転させる構成であればよい。なお、回転機構による測定部の回転は、予め決められた一平面内における回転であってもよく、あるいは、一平面内における回転に限定されず、接触部を含む総ての面内において回転可能であってもよい。具体的には、ガイドレール４１０のガイド方向とは直交する面内においてさらに円弧状のガイドレールを設けて、プローブ２００が直交する２平面内において回転する構成としてもよい。
また、回転機構としてガイドレール４１０に代えて球面軸受けを用い、プローブ２００を任意方向に回転可能に保持することにより、スタイラス２１１の軸線方向をワーク表面の法線方向に一致させることが可能な構成であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明は、表面性状測定装置に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の表面性状測定装置に係る第１実施形態の構成を示す図。
【図２】回転機構によりプローブが回転される様子を示す図。
【図３】プローブが点Ｐ０から点Ｐ１に移動した状態を示す図。
【図４】プローブが点Ｐ１から点Ｐ２に移動した状態を示す図。
【図５】プローブを利用した表面性状測定装置の構成を示す図。
【図６】加振型接触式プローブを示す図。
【図７】プローブにて被測定物表面を倣い走査する様子を示す図。
【図８】プローブと被測定物表面との位置に対する検出信号の変化を示す図。
【符号の説明】
【００６９】
１００…表面性状測定装置、２００…プローブ、２１０…測定部、２１１…スタイラス、２１２…接触部、２１３…スタイラスホルダ、２１４…加振手段、２１５…圧電素子、２１６…加振回路、２１７…検出手段、２１８…圧電素子、２１９…測定力検出回路、２２０…上下駆動機構、２２１…微動機構、２２２…粗動機構、２２３…可動部、２２４…ハウジング、２３０…変位量検出センサ、２３１…スケール、２３２…検出ヘッド、３００…三次元駆動機構、３１０…載物台、３２０…門型フレーム、３２１…梁部、３３０…Ｚコラム、３４０…Ｚスピンドル、４００…回転機構、４１０…ガイドレール、４２０…スライダ、５００…上下駆動機構制御部、５１０…微動機構制御部、５１１…微動変位情報算出回路、５１２…微動機構駆動回路、５１３…測定力比較器、５２０…粗動機構制御部、５３０…粗動変位制御部、５３１…位置比較器、５３２…位置補償器、５４０…粗動速度制御部、５４１…プローブカウンタ、５４２…変位比較器、５４３…微分回路、５４４…速度比較器、５４５…速度補償器、５５０…粗動機構駆動アンプ、６００…コントローラ部、６１０…三次元駆動機構制御部、６２０…カウンタ部、６２１…三次元カウンタ、６２２…回転量カウンタ、６３０…形状解析部、６４０…調整角度算出部、６５０…回転機構制御部、６６０…ＣＰＵ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面性状測定装置に関する。
例えば、接触式プローブにより被測定物表面を検出して被測定物表面形状を測定する表面性状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被測定物表面を走査して被測定物の立体的形状や粗さやうねり等の表面性状を測定する測定装置が知られ、例えば、粗さ測定機、輪郭形状測定機、真円度測定機、三次元測定機などが知られている。このような測定装置において、被測定物表面を検出するセンサとしてのプローブが使用される（特許文献１）。
図５に、プローブ２００を利用した表面性状測定装置１００の構成を示す。
表面性状測定装置１００は、プローブ２００と、このプローブ２００を被測定物表面Ｓに沿って三次元的に移動させる移動機構としての三次元駆動機構３００と、を備えている。
【０００３】
プローブ２００は、図６に示されるように、先端に接触部２１２を有するスタイラス２１１と、このスタイラス２１１を支持するスタイラスホルダ２１３と、スタイラス２１１を軸方向に固有振動数で定常振動させる加振手段２１４と、スタイラス２１１の振動変化を検出して検出信号を出力する検出手段２１７と、を備える加振型接触式プローブである。
加振手段２１４は、スタイラスホルダ２１３に設けられスタイラス２１１を振動させる圧電素子２１５と、この圧電素子２１５に所定周波数の出力信号（パルスあるいは正弦波信号など）を印加する加振回路２１６と、で構成されている。
検出手段２１７は、スタイラス２１１の振動を電圧変換する圧電素子２１８と、この圧電素子２１８からの電圧を検出して検出信号を出力する検出回路２１９と、で構成されている。
【０００４】
三次元駆動機構３００は、従来の三次元測定装置に用いられるX、YおよびZ方向スライド機構を備えたものが利用される。三次元駆動機構３００の各軸には駆動量を検出するリニアエンコーダが設けられている。
【０００５】
このような構成において、図７に示されるように接触部２１２を被測定物表面Ｓに沿って移動させると、接触部２１２と被測定物表面Ｓとの位置関係により、図８（Ｄ）に示されるような検出信号の変化が生じる。
接触部２１２がフリーの状態（Ａ）から接触部２１２が被測定物表面Ｓに接触を開始し（Ｂ）、所定の測定力で接触部２１２が被測定物表面Ｓに接触したとき（Ｃ）、接触部２１２の振動が束縛されて、検出信号が予め設定された参照レベルに達する。
【０００６】
なお、測定力とは、接触部２１２を被測定物表面Ｓに接触させて被測定物表面Ｓを検出する際に、接触部２１２を被測定物表面Ｓに押し当てるときの力をいう。
【０００７】
検出信号値が参照レベルとなるように接触部２１２を被測定物表面Ｓに押し当てた状態で接触部２１２を被測定物表面Ｓに沿って倣い移動させ、検出信号が参照レベルに達したときのプローブ２００の位置情報を三次元駆動機構３００のＸ、Ｙ、Ｚ軸スライド量からサンプリングする。サンプリングされたプローブ２００の位置情報から接触部２１２と被測定物表面Ｓとの接点を算出することにより、被測定物表面Ｓの形状を知ることができる。
【０００８】
ここで、接触部２１２と被測定物表面Ｓとが接触する角度によって検出信号の減衰の仕方が異なる。つまり、スタイラス２１１が軸方向に振動するように加振されるので、スタイラス２１１の軸方向から接触部２１２が被測定物表面Ｓに当接する場合（例えば図７中のＡ）と、スタイラス２１１の軸方向からずれた方向で接触部２１２が被測定物表面Ｓに当接する場合（例えば図７中のＢ）と、では、スタイラス２１１の振動を束縛する程度が異なってくる。
【０００９】
そこで、加振型接触プローブ２００では、スタイラス２１１の軸方向から被測定物に接触することを前提として、検出信号の参照レベルが設定されている。したがって、スタイラス２１１の軸方向から接触部２１２が被測定物表面Ｓに接触する場合には検出信号を参照レベルとするように加振型接触プローブ２００を倣い移動させて、測定力一定で被測定物表面Ｓを走査することができる。
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−６１３２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、被測定物表面Ｓの傾斜状態によっては、スタイラス軸方向からではなく、スタイラス２１１の軸方向からずれた方向で接触部２１２が被測定物表面Ｓに当接することになる（例えば図７中のＢ）。
この場合、被測定物表面Ｓからプローブ２００にかかる力（Ｆｖ）のうち検出信号の変化にはスタイラス軸方向の分力（Ｆｚ）しか反映されない。そのため、検出信号を参照レベルに制御しようとすると被測定物に対する接触部２１２の押し込みが強くなり、測定力を一定に保つことができない。このように測定力を一定に保てないと、強い押し込みにより被測定物表面Ｓが損傷したり、また、スタイラス２１１が湾曲して正確に被測定物表面Ｓを検出できなくなる。そのため、加振型接触プローブ２００による被測定物表面Ｓの測定では、表面が略平面である被測定物に限定されていた。
【００１２】
また、被測定物表面が傾斜していた場合、プローブ２００の接触部２１２のうち被測定物表面に当接する部分が異なってくる。例えば、図７のＡに示されるように、被測定物表面Ｓが水平であれば接触部２１２の最下点で被測定物表面に当接するが、被測定物表面が傾斜してくると、接触部２１２のうち最下点ではなくて側面寄りの点で被測定物表面と当接することになる（図７中のＢ）。
このように接触部２１２のうちどの点で被測定物表面に当接するかわからないので、接触部２１２の形状によって測定データの信頼性が異なってくる。そこで、測定精度を保証するためには、接触部２１２を非常に高精度の真球にするか、あるいは基準となるマスタ（基準球等）を測定した結果に基づいて基準球からの接触部２１２のずれを補正しなければならない。
【００１３】
しかしながら、接触部２１２を真球に形成することは困難である。また、被測定物表面を測定する際に求められる測定精度が高度化する近年にあっては、求められる測定精度以上の精度で較正されたマスタ（基準球）を常に入手することは困難であり、また、基準球の真球度にも限界がある。したがって、測定精度を保証するには、接触部２１２のうちのどの点で被測定物に当接するかを限定する必要があり、この点においても従来では略平面である被測定物に測定対象が限定されていた。
【００１４】
本発明の目的は、傾斜を有する被測定物表面を高精度に倣い測定する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】
【００１５】
本発明の表面性状測定装置は、被測定物表面に接触する接触部を先端に有するスタイラスおよび前記接触部が被測定物表面に当接した際のスタイラス軸方向の測定力を検出する測定力検出手段を有し前記被測定物表面を倣い走査する測定部と、前記測定力を一定にしながら前記測定部を前記被測定物表面に対して相対移動させる移動機構と、を備え、前記移動機構は、前記接触部を回転中心として前記測定部を回転させて前記スタイラスを前記被測定物表面に垂直にする回転機構を備えることを特徴とする。
【００１６】
このような構成において、移動機構により測定部が被測定物表面を倣い走査する。このとき、スタイラス軸方向に作用する測定力が測定力検出手段にて検出され、この測定力を一定とするように移動機構は測定部を移動させる。倣い走査中に、回転機構により測定部が回転調整されてスタイラスが被測定物表面に垂直になるように調整される。このようにしてスタイラスを被測定物表面に垂直とした状態で倣い走査が行われ、所定ピッチでサンプリングされる座標値により被測定物の表面形状が求められる。
【００１７】
このような構成によれば、回転機構を備えているので、測定部を回転させてスタイラスを被測定物表面に対して垂直にすることができる。
例えば、被測定物表面が傾斜を有する場合であっても、回転機構による測定部の回転角度調整によりスタイラスを被測定物表面に対して垂直にすることができる。スタイラスが被測定物表面に対して垂直となるように調整されることにより、測定力検出手段は接触部と被測定物表面との間に作用する測定力を正確に検出することができる。測定力検出手段により測定力を正確に検出できることにより、測定力を一定とする倣い測定を高精度に行うことができ、さらに、傾斜を有する被測定物表面に対しても高精度な倣い測定を実行することができる。
【００１８】
回転機構による測定部の回転において、回転の中心は接触部であるので、回転機構によって測定部が回転されても接触部は変位しない。よって、回転機構による測定部の回転が行われても接触部が被測定物表面に当接している接触点（測定点）はずれない。したがって、倣い走査中に回転機構によって測定部を回転させて被測定物表面に対するスタイラスの角度を随時調整しながら倣い走査を継続することができる。
【００１９】
回転機構によって測定部が回転されることによりスタイラスが被測定物表面に対して垂直となるので、接触部はスタイラス軸方向から被測定物表面に当接することになる。接触部が被測定物表面に当接する方向がスタイラス軸方向からのみに限定されるので、接触部が被測定物表面と接する点が一点に限定される。よって、接触部の全体を高精度の真球にしたり、接触部の全体を高精度に較正する必要がなくなるので、測定作業の簡便化および低コスト化を図ることができる。
また、被測定物表面に接する一点についてのみ接触部の較正を行うことで測定精度を向上させることができる。
【００２０】
なお、回転機構による測定部の回転は、予め決められた一平面内における回転であってもよく、あるいは、一平面内における回転に限定されず、接触部を含む総ての面内において回転可能であってもよい。
【００２１】
本発明では、前記移動機構の駆動量を所定のサンプリングピッチでサンプリングするカウンタと、カウンタのカウント値に基づいて被測定物表面の法線の角度を算出するとともに前記スタイラスを前記法線と平行するための調整角度を算出する調整角度算出部と、を備えることが好ましい。
【００２２】
このような構成において、調整角度算出部により被測定物表面の法線が算出される。そして、この被測定物表面の法線とスタイラスとの角度差が調整角度として算出される。この調整角度分だけ回転機構により測定部が回転されることにより、スタイラスが被測定物表面に垂直になるように調整される。倣い走査の実行中に取得したカウント値に基づいて調整角度を算出できるので、スタイラスが被測定物表面に垂直になるように随時調整しながら倣い走査を実行することができる。
【００２３】
本発明では、前記調整角度算出部は、現在の測定点と前の測定点とを結んだ直線に垂直な線に基づいて現在の測定点における前記被測定物表面の法線を算出することが好ましい。
【００２４】
このような構成において、調整角度算出部により現在の測定点と前の測定点とを結んだ直線が算出される。そして、現在の測定点における前記直線の垂線が算出される。現在の測定点と前の測定点とのサンプリングピッチが短ければ、現在の測定点と前の測定点とを結んだ直線は現在の測定点における被測定物表面の曲率円の接線に近似する直線となる。したがって、この直線の垂線により、現在の測定点における被測定物表面の法線に近似した直線を求めることができる。
そして、前記垂線とスタイラスとが平行となるように回転機構によって測定部を回転させることでスタイラスを被測定物表面に対して垂直にすることができる。
【００２５】
なお、現在の測定点と一つ前の測定点とに基づいて被測定物表面の法線を求めてもよく、あるいは、現在の測定点と現在の測定点からみて過去の複数の測定点とに基づいて被測定物表面の法線を算出してもよい。
【００２６】
また、被測定物の設計データ等に基づいて被測定物表面の形状データを予め調整角度算出部に設定入力し、被測定物表面上の各点においてスタイラスを被測定物表面に対して垂直にするための調整角度を予め求めておいてもよい。
そして、倣い測定の実行中には、予め算出した調整角度を逐次読み出すとともに回転機構により測定部を回転させてもよい。
【００２７】
本発明では、前記測定力検出手段は、前記スタイラスを軸方向に固有振動数で定常振動させる加振手段と、前記スタイラスの振動変化を検出して検出信号を出力する検出手段と、を備えることが好ましい。
【００２８】
このような構成において、加振手段によりスタイラスが軸方向に振動される。
そして、接触部が被測定物表面に接触すると、スタイラスの振動が束縛されて振動が小さくなる。このスタイラスの振動変化が検出手段によって検出される。
このような構成によれば、スタイラスの軸方向の振動を束縛する力、すなわち、スタイラスの軸方向からスタイラスに作用する力を検出することができる。そして、回転機構によりスタイラスが被測定物表面に垂直になる状態が維持されるので、倣い走査において測定力はスタイラス軸方向に作用する。したがって、倣い走査中の測定力を高精度に検出することができ、測定力を一定とする倣い測定を高精度に実行することができる。
【００２９】
本発明では、前記移動手段は、前記測定部を微小変位させる微動機構と、前記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、を備えることが好ましい。
【００３０】
ここで、例えば、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られる。
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。
【００３１】
このような構成によれば、微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が速い微動機構に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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
（第１実施形態）
本発明の表面性状測定装置に係る第１実施形態について説明する。
図１は、本発明の表面性状測定装置１００に係る第１実施形態の構成を示す図である。
なお、第１実施形態としては、表面が略平らな被測定物を略水平に配置し、この被測定物表面Ｓの上方からプローブ２００を被測定物表面Ｓにアプローチさせて測定する場合について説明する。
【００３３】
表面性状測定装置１００は、被測定物表面Ｓに当接する測定部２１０を上下駆動機構２２０により上下方向に移動させながら被測定物表面Ｓを検出するプローブ２００と、プローブ２００を三次元的に移動させる三次元駆動機構３００と、プローブ２００を回転させてプローブ２００を被測定物表面に対して垂直にする回転機構４００と、上下駆動機構２２０を駆動制御する上下駆動機構制御部５００と、全体の動作制御を行うコントローラ部６００と、を備えている。
【００３４】
プローブ２００は、被測定物表面Ｓに接触して被測定物表面Ｓに対する測定力を検出する測定部２１０と、被測定物表面Ｓの形状に応じて測定部２１０を上下動させる上下駆動機構２２０と、測定部２１０の上下変位量を検出する変位量検出センサ２３０と、を備える。
【００３５】
測定部２１０は、背景技術で説明した加振型接触式プローブ２００であり、
先端に接触部２１２を有するスタイラス２１１と、このスタイラス２１１を支持するスタイラスホルダ２１３と、スタイラス２１１を軸方向に固有振動数で定常振動させる加振手段２１４と、スタイラス２１１の振動変化を検出して測定力信号を出力する検出手段２１７と、を備える。
加振手段２１４は、スタイラスホルダ２１３に設けられスタイラス２１１を振動させる圧電素子２１５と、この圧電素子２１５に所定周波数の出力信号（パルスあるいは正弦波信号など）を印加する加振回路２１６と、を備える。
検出手段２１７は、スタイラス２１１の振動を電圧変換する圧電素子２１８と、
この圧電素子２１８からの電圧を検出して測定力信号を出力する測定力検出回路２１９と、を備える。
【００３６】
測定力検出回路２１９は、圧電素子２１８からの電圧を検出するところ、接触部２１２がフリーで振動する状態で検出される電圧と、被測定物表面Ｓに接触して接触部２１２が束縛された状態で検出される電圧との差分を接触部２１２が被測定物表面Ｓから受けている測定力の情報として出力する。
例えば、図８を参照すると、非接触の時の電圧レベルＬ１から所定測定力で接触部２１２を被測定物表面Ｓに押し込んだときの電圧レベルである参照値Ｌ２を減じた値が測定力検出回路２１９で検出される測定力である。
【００３７】
上下駆動機構２２０は、測定部２１０を微小範囲で変位させる微動機構２２１と、この微動機構２２１とともに測定部２１０を大変位させる粗動機構２２２と、を備える。そして、応答速度が速い微動機構２２１と可動範囲が大きい粗動機構２２２とにより、被測定物表面の微小な凹凸には微動機構２２１にて迅速に対応し、うねり等の大きな変化には粗動機構２２２で対応して、倣い測定の際に接触部２１２を被測定物表面に沿って高精度かつ迅速に倣い移動させる。
【００３８】
微動機構２２１は、例えば圧電素子で構成され、粗動機構２２２の可動部２２３に取り付けられる。
測定部２１０は、微動機構２２１の下端により支持されている。
【００３９】
粗動機構２２２は、例えば、筐体であるハウジング２２４に固定された永久磁石とこの磁石の磁界中を上下方向に移動する可動コイルとを備えた電磁アクチュエータで構成される。そして、この場合、可動コイルには可動コイルと一体的に移動する可動部２２３が設けられる。
【００４０】
変位量検出センサ２３０は、測定部２１０と一体となって上下動するスケール２３１と、スケール２３１の変位を検出する検出ヘッド２３２と、を備えたリニアエンコーダで構成されている。変位量検出センサ２３０は、ハウジング２２４に対する測定部２１０の変位量を検出する。すなわち、変位量検出センサ２３０は、粗動機構２２２および微動機構２２１の合成変位量を検出することになる。
変位量検出センサ２３０による検出結果は変位量信号として出力される。
【００４１】
三次元駆動機構３００は、（図１には明示しないが）背景技術において説明した構成と同様であり（図５参照）、X、YおよびZ方向スライド機構を備えたものが利用される。
具体的には、三次元駆動機構３００は、載物台３１０に対して前後にスライド移動可能に立設された門型フレーム３２０と、この門型フレーム３２０の梁部３２１を左右にスライド移動可能に設けられたＺコラム３３０と、このＺコラム３３０内を上下にスライド可能に設けられたＺスピンドル３４０と、を備える。
このＺスピンドル３４０にプローブ２００が回転機構４００を介して取り付けられる。また、三次元駆動機構３００の各軸には駆動量を検出するエンコーダ（不図示）が設けられている。
【００４２】
回転機構４００は、図２に示されるように、Ｚスピンドル３４０の側面に設けられた円弧形状のガイドレール４１０と、プローブ２００に設けられガイドレール４１０に沿って摺動可能であるスライダ４２０と、を備える。
ガイドレール４１０は、円弧状であって、この円弧は、接触部２１２を中心とする円Ｃの一部である。
なお、この円弧の半径ｒとしては、粗動機構２２２および微動機構２２１の変位量がゼロである状態でガイドレール４１０の取り付け位置から接触部２１２までの長さを半径にとる。
スライダ４２０は、ガイドレール４１０に跨乗するように設けられている（図１参照）。このスライダ４２０がガイドレール４１０を摺動すると、接触部２１２を回転中心としてプローブ２００が回動し、プローブ２００が傾斜する。そして、ガイドレール４１０とスライダ４２０との間には、スライダ４２０のスライド量を検出するエンコーダが設けられている。
【００４３】
ここに、上下駆動機構２２０と、三次元駆動機構３００と、回転機構４００と、により移動機構が構成されている。
また、加振手段２１４と検出手段２１７とにより測定力検出手段が構成されている。
【００４４】
上下駆動機構制御部５００は、微動機構２２１を駆動制御する微動機構制御部５１０と、粗動機構２２２を駆動制御する粗動機構制御部５２０と、を備える。
【００４５】
微動機構制御部５１０は、測定力検出回路２１９で検出される測定力を指定測定力で一定にするための微動機構２２１の変位量を微動変位情報算出回路５１１で算出し、微動機構駆動回路５１２を介して微動機構２２１に電圧等の制御信号を印加する。
粗動機構制御部５２０は、微動機構２２１の変位量が予め決められたバランス変位となるための粗動機構２２２の変位量を算出して、粗動機構駆動アンプ５５０を介して粗動機構２２２に電流等の制御信号を印加する。
【００４６】
なお、微動機構制御部５１０は、測定力比較器５１３、微動変位情報算出回路５１１および微動機構駆動回路５１２により測定力を指定作用力で一定とするためのフィードバックループとなっている。
また、粗動機構制御部５２０は、位置比較器５３１と位置補償器５３２とを有する粗動変位制御部５３０から粗動速度制御部５４０を経由して粗動機構駆動アンプ５５０に至る位置の制御ループと、プローブカウンタ５４１から変位比較器５４２、微分回路５４３、速度比較器５４４を経由して速度補償器５４５に至る速度の制御ループと、を備えている。
【００４７】
コントローラ部６００は、三次元駆動機構制御部６１０と、カウンタ部６２０と、形状解析部６３０と、調整角度算出部６４０と、回転機構制御部６５０と、ＣＰＵ６６０と、を備えている。
【００４８】
三次元駆動機構制御部６１０は、三次元駆動機構３００を駆動制御してプローブ２００をＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向に移動させる。
例えば、倣い測定を実行する場合には、プローブ２００を所定の倣い方向に向けて移動させる。
【００４９】
カウンタ部６２０は、三次元カウンタ６２１と、回転量カウンタ６２２と、を備える。
三次元カウンタ６２１は、三次元駆動機構３００の駆動量をＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向でそれぞれカウントする。
回転量カウンタ６２２は、スライダ４２０の変位量を検出することによりプローブ２００の回転角度をカウントする。
【００５０】
形状解析部６３０は、プローブカウンタ５４１およびカウンタ部６２０にてカウントされる上下駆動機構２２０、三次元駆動機構３００および回転機構４００の駆動量に基づいて被測定物表面形状を算出する。
すなわち、形状解析部６３０は、上下駆動機構２２０、三次元駆動機構３００の駆動量を合成して接触部２１２の変位量を算出するとともに、プローブ２００の回転角に基づいて接触部２１２の変位量を補正して接触部２１２の移動軌跡を算出する。
この接触部２１２の移動軌跡が被測定物表面形状となる。
【００５１】
調整角度算出部６４０は、プローブ２００は被測定物表面に対して垂直にするためにプローブ２００を回転させる調整角度を算出する。調整角度算出部６４０は、まず、現在の測定点と前の測定点とを結んだ直線に垂直な線によって現在の測定点における被測定物表面の法線を算出する。そして、算出された被測定物表面の法線とスタイラス２１１と平行にするために必要なプローブ２００の回転角度を調整角度として算出する。
【００５２】
例えば、図３は、プローブ２００が点Ｐ０から点Ｐ１に移動した状態を示す図である。点Ｐ０から点Ｐ１に移動して、現在の測定点であるＰ１においてスタイラス２１１を被測定物表面に対して垂直にする場合について説明する。
まず、一つ前の測定点ある点Ｐ０と現在の測定点である点Ｐ１とを結ぶ直線ｌ１を算出する。
次に、この直線ｌ１に対して点Ｐ１における垂線ｎ１を算出する。
そして、現在のプローブ２００と垂線ｎ１とのなす角θ１を求める。
この角θ１が点Ｐ１における調整角度となる。
【００５３】
回転機構制御部６５０は、回転機構４００を駆動制御してプローブ２００を調整角度に応じて回転させる。すなわち、回転機構制御部６５０は、調整角度算出部６４０にて算出された調整角度に従って回転機構４００を駆動させてプローブ２００を被測定物表面に対して垂直にする。
【００５４】
なお、ＣＰＵ６６０は、コントローラ部６００を制御するとともに、測定力比較器５１３に向けて倣い指定測定力の指令を出力する。
【００５５】
このような構成を備える第１実施形態の動作を説明する。
まず、測定力比較器５１３に入力する指定測定力と、位置比較器５３１に入力する微動機構２２１のバランス変位量を設定する。そして、三次元駆動機構制御部６１０による駆動制御にて三次元駆動機構３００が駆動され、接触部２１２が被測定物表面に当接した状態で移動する。このとき、被測定物の設計データおよび倣い測定における測定部位等のデータが三次元駆動制御部に予め入力されており、プローブ２００が被測定物表面を倣い走査するように三次元駆動機構制御部６１０により三次元駆動機構３００は制御される。測定力検出回路２１９にて測定力が検出される。この検出される測定力が指定測定力で一定となるように上下駆動機構２２０（微動機構２２１、粗動機構２２２）が上下駆動機構制御部５００によって駆動制御され、測定部２１０が被測定物表面の凹凸に従って上下動される。
【００５６】
ここで、測定力検出回路２１９は、スタイラス２１１の軸方向に作用する測定力のみを検出可能であるため、倣い走査中にスタイラス２１１が被測定物表面に対して垂直になるように回転機構４００によりプローブ２００が回転駆動される。
【００５７】
図３および図４を参照して、被測定物表面の傾斜に応じてプローブ角度が調整される動作について説明する。
図３および図４において、プローブ２００は、点Ｐ０→点Ｐ１→点Ｐ２の順に被測定物表面を測定したとする。
図３において、点Ｐ０から点Ｐ１にプローブ２００が移動する際には、まず、点Ｐ０の位置でプローブ２００が被測定物表面に対して垂直である状態からスタートする。三次元駆動機構３００および上下駆動機構２２０（微動機構２２１、粗動機構２２２）により次の測定点である点Ｐ１まで測定力一定で倣い走査が行われる。
点Ｐ１に至ったところで、点Ｐ１の座標値が検出される。すなわち、三次元カウンタ６２１でカウントされる三次元駆動機構３００の駆動量とプローブカウンタ５４１でカウントされる上下駆動機構２２０の駆動量が形状解析部６３０により合成されて点Ｐ１の座標値が求められる。
【００５８】
点Ｐ１において、プローブ２００の角度が被測定物表面に垂直になるように調整される。このとき、一つ前の測定点である点Ｐ０の座標値と現在の測定点である点Ｐ１の座標値が形状解析部６３０から調整角度算出部６４０に出力される。
そして、調整角度算出部６４０において、まず、点Ｐ０と点Ｐ１とを結ぶ直線ｌ１が算出される。
続いて、調整角度算出部６４０において、点Ｐ１における直線ｌ１の垂線ｎ１が算出される。そして、この垂線ｎ１とプローブ２００との角度差θ１が調整角度として算出される。
【００５９】
算出された調整角度θ１は回転機構制御部６５０に出力される。回転機構制御部６５０は、調整角度θ１だけ回転機構４００を駆動させ、スライダ４２０をスライド移動させる。すると、点Ｐ１の位置でプローブ２００が接触部２１２を中心として回転し、プローブ２００が被測定物表面に対して垂直になる。
【００６０】
なお、プローブ２００が接触部２１２を中心とした回転運動を行うため、回転機構制御部６５０が回転機構４００を駆動するのは、回転機構４００が接触部２１２までの距離が回転機構４００の駆動半径ｒに等しいときであり、すなわち、粗動機構２２２および微動機構２２１の変位量がゼロであるときである。
したがって、必要に応じて、回転機構４００の駆動の前に上下駆動機構２２０が駆動されて接触部２１２と回転機構４００との距離が調整される。
【００６１】
このように点Ｐ１でプローブ２００が被測定物表面に垂直になった状態で、次にプローブ２００が点Ｐ２に倣い移動される。そして、点Ｐ２において座標値が検出されるとともに、点Ｐ２においてプローブ２００が被測定物表面に垂直になるようにプローブ２００の角度が調整される。すなわち、調整角度算出部６４０によって点Ｐ１と点Ｐ２とを結ぶ直線ｌ２が算出され、点Ｐ２におけるこの直線ｌ２の垂線ｎ２が算出される。そして、調整角度算出部６４０により垂線ｎ２とプローブ２００との角度差θ２が算出されて、この角度差θ２に基づいてプローブ２００が被測定物表面に対して垂直になるように回転機構制御部６５０により回転機構４００が駆動される。
【００６２】
このようにプローブ２００による被測定物表面の倣い走査が行われ、三次元カウンタ６２１およびプローブカウンタ５４１のカウント値に基づいて形状解析部６３０により被測定物の表面形状が求められる。
【００６３】
このような構成を備える第１実施形態によれば、次の効果を奏することができる。
（１）回転機構４００を備えているので、プローブ２００を回転させてスタイラス２１１を被測定物表面に対して垂直にすることができる。従って、被測定物表面が傾斜を有する場合であっても、回転機構４００によるプローブ２００の回転角度調整によりスタイラス２１１を被測定物表面に対して垂直にすることができる。スタイラス２１１を被測定物表面に対して垂直となるように調整することにより、接触部２１２と被測定物表面との間に作用する測定力を正確に検出することができる。測定力を正確に検出できることにより、測定力を一定とする倣い測定を高精度に行うことができ、さらに、傾斜を有する被測定物表面に対しても高精度な倣い測定を実行することができる。
【００６４】
（２）回転機構４００によるプローブ２００の回転において、回転の中心を接触部２１２とするので、回転機構４００によってプローブ２００を回転しても接触部２１２が変位しない。よって、回転機構４００によるプローブ２００の回転を行っても接触部２１２が被測定物表面に当接している接触点（測定点）はずれない。したがって、倣い走査中に回転機構４００によってプローブ２００を回転させて被測定物表面に対するスタイラス２１１の角度を随時調整しながら倣い走査を継続することができる。
【００６５】
（３）回転機構４００によってプローブ２００を回転することによりスタイラス２１１が被測定物表面に対して垂直となるので、接触部２１２はスタイラス軸方向から被測定物表面に当接することになる。接触部２１２が被測定物表面に当接する方向をスタイラス軸方向からのみに限定するので、接触部２１２が被測定物表面と接する点を一点に限定することができる。よって、接触部２１２の全体を高精度の真球にしたり、接触部２１２の全体を高精度に較正する必要がなくなるので、測定作業の簡便化および低コスト化を図ることができる。また、被測定物表面に接する一点についてのみ接触部２１２の較正を行うことで測定精度を向上させることができる。
【００６６】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されず、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
例えば、回転機構の構成としては上記実施形態に限定されず、接触部を回転中心としてプローブを回転させる構成であればよい。なお、回転機構による測定部の回転は、予め決められた一平面内における回転であってもよく、あるいは、一平面内における回転に限定されず、接触部を含む総ての面内において回転可能であってもよい。具体的には、ガイドレール４１０のガイド方向とは直交する面内においてさらに円弧状のガイドレールを設けて、プローブ２００が直交する２平面内において回転する構成としてもよい。
また、回転機構としてガイドレール４１０に代えて球面軸受けを用い、プローブ２００を任意方向に回転可能に保持することにより、スタイラス２１１の軸線方向をワーク表面の法線方向に一致させることが可能な構成であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明は、表面性状測定装置に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の表面性状測定装置に係る第１実施形態の構成を示す図。
【図２】回転機構によりプローブが回転される様子を示す図。
【図３】プローブが点Ｐ０から点Ｐ１に移動した状態を示す図。
【図４】プローブが点Ｐ１から点Ｐ２に移動した状態を示す図。
【図５】プローブを利用した表面性状測定装置の構成を示す図。
【図６】加振型接触式プローブを示す図。
【図７】プローブにて被測定物表面を倣い走査する様子を示す図。
【図８】プローブと被測定物表面との位置に対する検出信号の変化を示す図。
【符号の説明】
【００６９】
１００…表面性状測定装置、２００…プローブ、２１０…測定部、２１１…スタイラス、２１２…接触部、２１３…スタイラスホルダ、２１４…加振手段、２１５…圧電素子、２１６…加振回路、２１７…検出手段、２１８…圧電素子、２１９…測定力検出回路、２２０…上下駆動機構、２２１…微動機構、２２２…粗動機構、２２３…可動部、２２４…ハウジング、２３０…変位量検出センサ、２３１…スケール、２３２…検出ヘッド、３００…三次元駆動機構、３１０…載物台、３２０…門型フレーム、３２１…梁部、３３０…Ｚコラム、３４０…Ｚスピンドル、４００…回転機構、４１０…ガイドレール、４２０…スライダ、５００…上下駆動機構制御部、５１０…微動機構制御部、５１１…微動変位情報算出回路、５１２…微動機構駆動回路、５１３…測定力比較器、５２０…粗動機構制御部、５３０…粗動変位制御部、５３１…位置比較器、５３２…位置補償器、５４０…粗動速度制御部、５４１…プローブカウンタ、５４２…変位比較器、５４３…微分回路、５４４…速度比較器、５４５…速度補償器、５５０…粗動機構駆動アンプ、６００…コントローラ部、６１０…三次元駆動機構制御部、６２０…カウンタ部、６２１…三次元カウンタ、６２２…回転量カウンタ、６３０…形状解析部、６４０…調整角度算出部、６５０…回転機構制御部、６６０…ＣＰＵ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物表面に接触する接触部を先端に有するスタイラスおよび前記接触部が被測定物表面に当接した際のスタイラス軸方向の測定力を検出する測定力検出手段を有し前記被測定物表面を倣い走査する測定部と、
前記測定力を一定にしながら前記測定部を前記被測定物表面に対して相対移動させる移動機構と、を備え、
前記移動機構は、前記接触部を回転中心として前記測定部を回転させて前記スタイラスを前記被測定物表面に垂直にする回転機構を備える
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、
前記移動機構の駆動量を所定のサンプリングピッチでサンプリングするカウンタと、
カウンタのカウント値に基づいて被測定物表面の法線の角度を算出するとともに前記スタイラスを前記法線と平行するための調整角度を算出する調整角度算出部と、
を備える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、
前記調整角度算出部は、
現在の測定点と前の測定点とを結んだ直線に垂直な線に基づいて現在の測定点における前記被測定物表面の法線を算出する
ことを特徴とする表面性状測定装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の表面性状測定装置において、
前記測定力検出手段は、
前記スタイラスを軸方向に固有振動数で定常振動させる加振手段と、
前記スタイラスの振動変化を検出して検出信号を出力する検出手段と、を備える
ことを特徴とする表面性状測定装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の表面性状測定装置において、
前記移動手段は、前記測定部を微小変位させる微動機構と、
前記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、を備える
ことを特徴とする表面性状測定装置。
【請求項１】
被測定物表面に接触する接触部を先端に有するスタイラスおよび前記接触部が被測定物表面に当接した際のスタイラス軸方向の測定力を検出する測定力検出手段を有し前記被測定物表面を倣い走査する測定部と、
前記測定力を一定にしながら前記測定部を前記被測定物表面に対して相対移動させる移動機構と、を備え、
前記移動機構は、前記接触部を回転中心として前記測定部を回転させて前記スタイラスを前記被測定物表面に垂直にする回転機構を備える
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、
前記移動機構の駆動量を所定のサンプリングピッチでサンプリングするカウンタと、
カウンタのカウント値に基づいて被測定物表面の法線の角度を算出するとともに前記スタイラスを前記法線と平行するための調整角度を算出する調整角度算出部と、
を備える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、
前記調整角度算出部は、
現在の測定点と前の測定点とを結んだ直線に垂直な線に基づいて現在の測定点における前記被測定物表面の法線を算出する
ことを特徴とする表面性状測定装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の表面性状測定装置において、
前記測定力検出手段は、
前記スタイラスを軸方向に固有振動数で定常振動させる加振手段と、
前記スタイラスの振動変化を検出して検出信号を出力する検出手段と、を備える
ことを特徴とする表面性状測定装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の表面性状測定装置において、
前記移動手段は、前記測定部を微小変位させる微動機構と、
前記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、を備える
ことを特徴とする表面性状測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−１１４０９５（Ｐ２００７−１１４０９５Ａ）
【公開日】平成１９年５月１０日（２００７．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３０７０４１（Ｐ２００５−３０７０４１）
【出願日】平成１７年１０月２１日（２００５．１０．２１）
【出願人】（０００１３７６９４）株式会社ミツトヨ (979)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年５月１０日（２００７．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月２１日（２００５．１０．２１）
【出願人】（０００１３７６９４）株式会社ミツトヨ (979)
【Ｆターム（参考）】
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