JP5735337B2 - 表面性状測定機 - Google Patents

Description

本発明は、表面性状測定機に関する。詳しくは、被測定物の表面に接触させるスタイラスを有する測定アームが交換可能な表面性状測定機に関する。

被測定物の表面にスタイラスを接触させた状態において、スタイラスを被測定物の表面に沿って移動させ、このとき、被測定物の表面形状や表面粗さによって生じるスタイラスの変位（スタイラスの移動方向に対して直交する方向の変位）を検出し、このスタイラスの変位から被測定物の表面形状や表面粗さ等の表面性状を測定する表面性状測定機が知られている。

表面性状測定機のなかには、被測定物の各種形状の測定部位を測定できるように、予め各種形状のスタイラス（測定アーム）を用意しておき、被測定物の測定部位形状に応じて最適なスタイラスに交換して測定できるようにしたものが提案されている。
例えば、特許文献１では、ベースに立設されたコラムと、このコラムに調整装置を介して昇降可能に設けられたホルダと、このホルダに設けられたハウジングと、このハウジング内にリニアモータを介して水平方向へ移動可能に設けられたシーソーと、ハウジングの外側において連結手段を介してシーソーに連結された測定アームと、この測定アームの先端に設けられたスタイラスとを備え、ハウジングの外側において測定アームを交換できるようにした輪郭測定機が提案されている。

DE19617022C1公報

上述した輪郭測定機などの表面性状測定機においては、スタイラスが被測定物の表面に接触する圧力、つまり、測定力を被測定物の材質や形状などに応じて最適な測定力になるように調整する必要がある。
通常、測定アームを交換した場合、交換した測定アームの重量と元の測定アームの重量とが異なることが多く、そのため、測定アームのバランスが崩れ、測定誤差を生じさせる。そこで、測定アームの交換の都度、測定力の調整の前に、測定アームのバランス、つまり、測定アームが略水平に保たれるように、バランス調整をする必要がある。

従来、測定アームを交換した際、まず、測定アームの先端のスタイラスを電子天秤など力を測定する測定機器に載せ、この状態で測定機器の値が０になるように、測定力調整機構を調整しなければならなかったため、使い勝手が悪く、作業効率が悪いという課題があった。

本発明の目的は、上述した課題を解消し、測定アームを交換しても、測定アームのバランスを自動的に調整することにより、使い勝手および作業効率の向上が期待できる表面性状測定機を提供することにある。

本発明の表面性状測定機は、本体に支持軸を支点として円弧運動可能に支持された測定アーム、この測定アームの先端に設けられたスタイラス、前記測定アームの円弧運動量を検出する変位検出器、および、前記測定アームを円弧運動方向へ付勢し前記スタイラスに測定力を付与する測定力付与手段を有する検出手段と、被測定物を載置するステージと、前記検出手段と前記ステージとを相対移動させる相対移動機構とを備え、前記スタイラスを被測定物の表面に接触させた状態において、前記相対移動機構により前記検出手段と前記ステージとを相対移動させながら前記変位検出器によって前記測定アームの円弧運動量を検出し、この円弧運動量から被測定物の表面性状を測定する表面性状測定機において、
前記測定アームは、前記本体に前記支持軸を支点として円弧運動可能に支持された第１測定アームと、この第１測定アームの先端に着脱機構を介して着脱可能に設けられ先端に前記スタイラスを有する第２測定アームとを含んで構成され、前記測定力付与手段は、前記測定アームを前記支持軸を支点として円弧運動方向へ付勢するボイスコイルを含んで構成され、前記第２測定アームの交換後に、前記ボイスコイルに通電する電流を調整して前記測定アームのバランスを調整するバランス調整手段を備える、ことを特徴とする。

このような構成によれば、測定アームは、本体に支持軸を支点として円弧運動可能に支持された第１測定アームと、この第１測定アームの先端に着脱機構を介して着脱可能に設けられ先端にスタイラスを有する第２測定アームとを含んで構成されているから、スタイラスを有する第２測定アームを交換することができる。従って、被測定物の測定部位の形状に応じた最適なスタイラスを有する測定アームを用いて測定することができる。
この際、第２測定アームを交換した場合、新たな第２測定アームの重量が前の第２測定アームの重量と異なっていても、バランス調整手段によって、ボイスコイルに通電する電流を調整して測定アームのバランスを自動的に調整することができるので、測定アームの交換に伴う測定誤差を少なくすることができるとともに、使い勝手および作業効率の向上が期待できる

本発明の表面性状測定機において、前記バランス調整手段は、前記変位検出器によって検出される前記測定アームの円弧運動量を監視しながら、前記ボイスコイルに通電する電流を調整し、前記測定アームの円弧運動量が予め設定した設定値になった段階でバランス調整を完了するものである。

このような構成によれば、バランス調整手段によって、変位検出器によって検出される測定アームの円弧運動量を監視しながら、ボイスコイルに通電する電流を調整し、測定アームの円弧運動量が予め設定した設定値になった段階で、バランス調整を完了するから、測定アームのバランス調整を正確に行うことができる。

本発明の表面性状測定機において、前記スタイラスは、前記測定アームの先端に前記円弧運動方向に向かってそれぞれ突出する一対のスタイラスを有し、前記ボイスコイルは、前記測定アームが前記円弧運動方向の一方向へ付勢される姿勢および他方向に付勢される姿勢に切り替える測定アーム姿勢切替機構を構成している、ことが好ましい。

このような構成によれば、測定アームの先端には円弧運動方向に向かってそれぞれ突出する一対のスタイラスを有しているから、測定アーム姿勢切替機構によって、測定アームが付勢される方向を切り替えれば、つまり、測定アームが円弧運動方向の一方向へ付勢される姿勢および他方向に付勢される姿勢に切り替えれば、例えば、孔の上下面の表面性状や、板状被測定物の表裏面の表面性状を測定することができる。

本発明の表面性状測定機において、前記測定アーム姿勢切替機構によって前記測定アームの姿勢が切替動作された際に、前記測定アームの切替動作速度を予め設定された速度に制御する速度制御機構を備える、ことが好ましい。

このような構成によれば、測定アームが円弧運動方向の一方向（例えば、上方向）から他方向（例えば、下方向）へ切替動作されると、速度制御機構によって測定アームの切替動作速度が予め設定された速度に制御されるから、測定アームの切替動作速度を一定速度以下に抑えることができる。そのため、例えば、孔の内面測定において、スタイラスが穴の内面に衝突したときの衝撃を抑えることができるから、スタイラスや被測定物の損傷を少なくすることができる。

本発明の実施形態に係る表面性状測定機を示す斜視図。 同上実施形態のＸ軸駆動機構およびスタイラス変位検出手段を示す図。 同上実施形態の測定アームおよび変位検出器の関係を示す平面図。 同上実施形態の測定アームおよび測定アーム姿勢切替機構を示す図。 同上実施形態の測定姿勢・測定力制御回路を示す図。 同上実施形態の着脱機構を示す分解斜視図。 同上実施形態の接触検知回路を示す図。 同上実施形態の制御システムを示すブロック図、 同上実施形態において、孔の内周面の上下面を測定する例を示す図、 同上実施形態において、厚みを測定する例を示す図。 同上実施形態の測定アームのバランス調整の手順を示すフロー図。 同上実施形態の測定アームのバランス調整の他の手順を示すフロー図。 同上実施形態の測定アームのバランス調整の更に他の手順を示すフロー図。 同上実施形態の測定姿勢・測定力制御回路の他の例を示す図。

＜表面性状測定機の説明（図１〜図８参照）＞
本実施形態に係る表面性状測定機は、図１に示すように、ベース１と、このベース１上に載置され上面に被測定物を載置するステージ１０と、被測定物の表面に接触されるスタイラス２６Ａ，２６Ｂを有するスタイラス変位検出手段２０と、このスタイラス変位検出手段２０とステージ１０とを相対移動させる相対移動機構４０とを備える。

相対移動機構４０は、ベース１とステージ１０との間に設けられステージ１０を水平方向の一方向（Ｙ軸方向）へ移動させるＹ軸駆動機構４１と、ベース１の上面に立設されたコラム４２と、このコラム４２に上下方向（Ｚ軸方向）へ移動可能に設けられたＺスライダ４３と、このＺスライダ４３を上下方向へ昇降させるＺ軸駆動機構４４と、Ｚスライダ４３に設けられスタイラス変位検出手段２０をステージ１０の移動方向（Ｙ軸方向）およびＺスライダ４３の移動方向（Ｚ軸方向）に対して直交する方向（Ｘ軸方向）へ移動させるＸ軸駆動機構４５とを備える。従って、相対移動機構４０は、ステージ１０をＹ軸方向へ移動させるＹ軸駆動機構４１と、スタイラス変位検出手段２０をＺ軸方向へ移動させるＺ軸駆動機構４４と、スタイラス変位検出手段２０をＸ軸方向へ移動させるＸ軸駆動機構４５とを含む三次元移動機構によって構成されている。

Ｙ軸駆動機構４１およびＺ軸駆動機構４４は、図示省略されているが、例えば、ボールねじ軸と、このボールねじ軸に螺合されたナット部材とを有する送りねじ機構によって構成されている。
Ｘ軸駆動機構４５は、図２に示すように、Ｚスライダ４３に固定された駆動機構本体４６と、この駆動機構本体４６にＸ軸方向と平行に設けられたガイドレール４７と、このガイドレール４７に沿ってＸ軸方向へ移動可能に設けられたＸスライダ４８と、このＸスライダ４８のＸ軸方向位置を検出するＸ軸位置検出器４９と、Ｘスライダ４８をガイドレール４７に沿って移動させる送り機構５０とを備える。
送り機構５０は、駆動機構本体４６にガイドレール４７と平行に設けられＸスライダ４８に螺合された送りねじ軸５１と、駆動源としてのモータ５２と、このモータ５２の回転を送りねじ軸５１に伝達する回転伝達機構５３とから構成されている。回転伝達機構５３は、例えば、歯車列や、ベルトおよびプーリなどの機構によって構成されている。

スタイラス変位検出手段２０は、図２に示すように、Ｘスライダ４８にボルト２１を介して着脱可能に吊り下げ支持された本体としてのブラケット２２と、このブラケット２２に支持軸としての回転軸２３を支点として上下方向へ揺動可能（円弧運動可能）に支持された測定アーム２４と、この測定アーム２４の先端に設けられた一対のスタイラス２６Ａ，２６Ｂと、測定アーム２４の円弧運動量（Ｚ軸方向の変位量）を検出する変位検出器２７と、測定アーム２４に位置調整可能に設けられたバランスウエイト２９と、測定アーム２４が円弧運動方向の一方向（例えば、上方向）に付勢される姿勢および他方向（下方向）に付勢される姿勢に切り替える測定アーム姿勢切替機構６０と、ブラケット２２、測定アーム２４、変位検出器２７、バランスウエイト２９、測定アーム姿勢切替機構６０を覆うケーシング２８とを含んで構成されている。

測定アーム２４は、ブラケット２２に回転軸２３を支点として上下方向へ円弧運動可能に支持された第１測定アーム２４Ａと、この第１測定アーム２４Ａの先端に着脱機構２５を介して交換可能に取り付けられた第２測定アーム２４Ｂとから構成されている。着脱機構２５は、第１測定アーム２４Ａと第２測定アーム２４Ｂとが一直線上に配置されるようにこれらを接続する。
スタイラス２６Ａ，２６Ｂは、第２測定アーム２４Ｂに対して円弧運動方向に突出して設けられている。つまり、第２測定アーム２４Ｂに対して上向きのスタイラス２６Ａと下向きのスタイラス２６Ｂとが上下方向に直角に突出して設けられている。

変位検出器２７は、図３に示すように、測定アーム２４の円弧運動範囲に沿って設けられ、測定アーム２４の円弧運動量に対応した数のパルス信号を出力する位置検出器によって構成されている。具体的には、測定アーム２４に設けられ測定アーム２４の円弧運動方向に湾曲したスケール２７Ａと、このスケール２７Ａに対向して本体としてのブラケット２２に取り付けられた検出ヘッド２７Ｂとを備える。スケール２７Ａの検出面は、測定アーム２４の軸線上でかつ測定アーム２４の円弧運動面上に配置されている。これにより、スケール２７Ａの検出面、測定アーム２４、スタイラス２６Ａ，２６Ｂの先端が同一軸上に配置されることになる。
バランスウエイト２９は、回転軸２３を支点として第１測定アーム２４Ａ側の重量と、第２測定アーム２４Ｂ側の重量とがバランスするように、測定アーム２４の軸方向へ位置調整可能に設けられている。具体的には、バランスウエイト２９は、止めねじにより測定アーム２４の所望位置に固定される。あるいは、測定アーム２４に雄ねじを形成し、この雄ねじにバランスウエイト２９を位置調整可能に螺合してもよい。

測定アーム姿勢切替機構６０は、図４に示すように、第１測定アーム２４Ａの途中に設けられた円筒状の磁石６１と、この磁石６１内を通って本体としてのブラケット２２に固定され測定アーム２４を回転軸２３を支点として円弧運動方向の一方向（上方向）および他方向（下方向）へ付勢するボイスコイル６２によって構成され、測定姿勢・測定力制御回路７０からの指令で制御される。測定姿勢・測定力制御回路７０からの指令により、ボイスコイル６２に電流が流されると、ボイスコイル６２から発生する電磁力と磁石６１の磁力により、測定アーム２４の磁石６１がボイスコイル６２に引きつけられ、測定アーム２４の先端が上方向または下方向へ付勢される姿勢に切り替えられる。
ここに、測定アーム姿勢切替機構６０は、測定アーム２４を回転軸２３を支点として円弧運動方向へ付勢するボイスコイル６２を含み、測定アーム２４を円弧運動方向へ付勢しスタイラス２６Ａ，２６Ｂに測定力を付与する測定力付与手段を兼ねている。

測定姿勢・測定力制御回路７０は、図５に示すように、後述する制御装置１０１から出力されるバランス指令、切替動作指令（上向きまたは下向き切替動作指令）、測定力指令に応じて予め設定した速度に対応する電圧Ａ（指令速度信号）を発生するＣＰＵなどからなる指令信号発生手段７２と、この指令信号発生手段７２からの電圧Ａ（デジタル信号）をアナログ信号に変換するデジタルアナログコンバータ７３と、変位検出器２７からのパルス信号（周波数）を基に測定アーム２４の動作速度に対応した電圧Ｂ（動作速度信号）を出力する測定アーム速度検出手段としての周波数電圧コンバータ７４と、指令速度信号（電圧Ａ）と動作速度信号（電圧Ｂ）との差電圧Ｃを出力する差分出力手段としての減算器７５と、この減算器７５からの差電圧Ｃを電流に変換し測定アーム姿勢切替機構６０のボイスコイル６２に与える定電流回路７６とを含んで構成されている。これにより、測定アーム２４の動作速度を予め設定した一定速度以下に抑えながら測定アーム２４を円弧運動させることができる。
ここで、指令信号発生手段７２から発生される電圧Ａ(指令速度信号)は、スタイラス２６Ａ，２６Ｂが被測定物に接触した際に、スタイラス２６Ａ，２６Ｂや被測定物が損傷することがない速度に設定されている。

着脱機構２５は、図２に示すように、ケーシング２８内に配置される。また、着脱機構２５は、図６に示すように、第１測定アーム２４Ａの先端に設けられた矩形板状の第１プレート８１と、第２測定アーム２４Ｂの基端に設けられた矩形板状の第２プレート８２と、第１プレート８１に対して第２プレート８２を対向させた際に第１プレート８１に対して第２プレート８２を所定の位置に位置決めする位置決め機構８３と、第１プレート８１に設けられた磁石９５と、第２プレート８２に設けられ磁石９５に吸着される磁性体９６とを含んで構成されている。

位置決め機構８３は、一対の円柱状位置決め部材８４Ａ,８４Ｂが測定アーム２４の軸方向に沿って平行にかつ所定間隔あけて配置された第１着座部８５と、一対の円柱状位置決め部材８４Ａ,８４Ｂが測定アーム２４の軸方向に沿って平行にかつ所定間隔あけて配置されかつ第１着座部８５に対して測定アーム２４の軸方向に離間して設けられた第２着座部８６と、一対の円柱状位置決め部材８４Ａ,８４Ｂが測定アーム２４の軸方向に対して直角にかつ所定間隔あけて配置された第３着座部８７と、これら第１着座部８５、第２着座部８６および第３着座部８７にそれぞれ対応して設けられこれらに係脱可能な係合球部８８，８９，９０と、少なくとも２以上の係合孔９１，９２と、これら各係合孔９１，９２に係合する少なくとも２以上の係合ピン９３，９４とを備えている。

第１着座部８５、第２着座部８６、第３着座部８７および係合ピン９３，９４は、第１プレート８１に配置されている。具体的には、第１プレート８１において、測定アーム２４の軸方向に離れた両端部に第１着座部８５および第２着座部８６が配置され、こられ第１着座部８５および第２着座部８６よりも下方で、かつ、これらの間に第３着座部８７が配置されている。また、第１着座部８５および第２着座部８６の真下位置に係合ピン９３，９４が配置されているとともに、第１着座部８５、第２着座部８６、第３着座部８７の間に磁石９５が配置されている。
係合球部８８，８９，９０および係合孔９１，９２は、第２プレート８２に配置されている。つまり、第１プレート８１に対して第２プレート８２を所定位置に位置決めしたときに、第２プレート８２において、第１プレート８１の第１着座部８５、第２着座部８６、第３着座部８７に対応する位置に係合球部８８，８９，９０が、係合ピン９３，９４に対応した位置に係合孔９１，９２が、磁石９５に対応した位置に磁性体９６がそれぞれ配置されている。

また、係合球部８８，８９，９０は、第１プレート８１に対して第２プレート８２を所定位置に位置決めしたとき、それぞれ対応する着座部の円柱状位置決め部材８４Ａ，８４Ｂの間に嵌り、円柱状位置決め部材８４Ａ，８４Ｂと接触するように配置されている。これら各着座部８５，８６，８７を構成する一対の円柱状位置決め部材８４Ａ,８４Ｂおよび係合球部８８，８９，９０は、導電性材料によって形成されている。そして、図７に示すように、これら各着座部８５，８６，８７を構成する一対の円柱状位置決め部材８４Ａ,８４Ｂとこれに係脱される係合球部８８，８９，９０との接触、離間によって開閉される着座センサ９７,９８，９９が形成され、これらの着座センサ９７,９８，９９が直列に接続されて接触検知回路１００に接続されている。
接触検知回路１００は、着座センサ９７,９８，９９の接触、離間を検知し、その状態をランプの点灯や消灯、表示部への表示、あるいは、ブザーなどの音などで報知する。
また、係合ピン９３，９４の突出量は、これら係合ピン９３，９４が係合孔９１，９２に係合し始めてから、磁石９５に磁性体９６が吸着されるように設定されている。

図８は、本表面性状測定機の制御システムを示している。制御装置１０１には、Ｙ軸駆動機構４１、Ｚ軸駆動機構４４、Ｘ軸駆動機構４５、スタイラス変位検出手段２０に含まれる変位検出器２７、接触検知回路１００、測定アーム姿勢切替機構６０（これは、測定姿勢・測定力制御回路７０を介して）が接続されているとともに、入力手段１０２、出力手段１０３、記憶装置１０４などが接続されている。
ここで、制御装置１０１は、接触検知回路１００においていずれかの着座センサ９７,
９８，９９が離間したことが検知されたときに、相対移動機構４０（Ｙ軸駆動機構４１、Ｚ軸駆動機構４４、Ｘ軸駆動機構４５）の駆動を停止させる駆動停止手段を構成している。また、制御装置１０１は、第２測定アーム２４Ｂの交換後に、測定アーム姿勢切替機構６０のボイスコイル６２に通電する電流を調整して測定アーム２４のバランスを調整するバランス調整手段を構成している。具体的には、変位検出器２７によって検出される測定アーム２４の円弧運動量を監視しながら、ボイスコイル６２に通電する電流を調整し、測定アーム２４の円弧運動量が予め設定した設定値になった段階でバランス調整を完了させるバランス調整手段を構成している。

＜測定方法の説明＞
（孔の内周面の上下面を測定する場合）
例えば、図９に示すように、被測定物Ｗ１の穴Ｈの内周面のうち、下面と上面とを測定する場合、相対移動機構４０を駆動させて、測定アーム２４のスタイラス２６Ａ，２６Ｂを被測定物Ｗ１の穴Ｈ内に位置させたのち、制御装置１０１から、下向切替動作指令および測定力指令を出力する。すると、測定姿勢・測定力制御回路７０によって、測定アーム２４の先端が下向きに付勢されるとともに、指令測定力に応じた電流が、測定アーム姿勢切替機構６０のボイスコイル６２に与えられる。
これにより、測定アーム姿勢切替機構６０によって、測定アーム２４の先端が例えば下方向に付勢される方向へ予め設定された速度で測定アーム２４が動作され、下向きスタイラス２６Ｂが指令測定力で穴Ｈの下面に接触される。この状態において、相対移動機構４０によりスタイラス変位検出手段２０とステージ１０とを穴Ｈの軸方向（Ｘ軸方向）へ相対移動させると、変位検出器２７によって測定アーム２４の円弧運動量が検出され、この円弧運動量から穴Ｈの下面の表面性状が測定される。

次に、制御装置１０１から、上向切替動作指令および測定力指令を出力する。すると、測定アーム姿勢切替機構６０によって、測定アーム２４の先端が上方向に付勢される方向へ予め設定された速度で測定アーム２４が動作され、上向きのスタイラス２６Ａが穴Ｈの上面に指令測定力で接触される。
この状態において、相対移動機構４０によりスタイラス変位検出手段２０とステージ１０とを穴の軸方向（Ｘ軸方向）へ相対移動させると、変位検出器２７によって測定アーム２４の円弧運動量が検出され、この円弧運動量から穴Ｈの上面の表面性状が測定される。

（板状の被測定物の厚みを測定する場合）
図１０に示すように、板状の被測定物Ｗ３の厚みを測定する場合、同様にして、制御装置１０１からの指令により、相対移動機構４０を駆動させて、測定アーム２４のスタイラス２６Ａ，２６Ｂを被測定物Ｗ３の下面側に位置させたのち、測定アーム姿勢切替機構６０によって測定アーム２４の先端が円弧運動方向の上方向に付勢される姿勢に切り替えて、上向きスタイラス２６Ａを被測定物の下面に接触させる。この状態において、相対移動機構４０によりスタイラス変位検出手段２０とステージ１０とをＸ軸方向へ相対移動させると、変位検出器２７によって測定アーム２４の円弧運動量が検出され、この円弧運動量から被測定物Ｗ３の下面の表面性状が測定される。

次に、制御装置１０１からの指令により、相対移動機構４０を駆動させて、測定アーム２４のスタイラス２６Ａ，２６Ｂを被測定物Ｗ３の上面側に位置させたのち、測定アーム姿勢切替機構６０によって測定アーム２４の先端が円弧運動方向の下方向に付勢される姿勢に切り替えて、下向きスタイラス２６Ｂを被測定物Ｗ３の上面に接触させる。この状態において、相対移動機構４０によりスタイラス変位検出手段２０とステージ１０とをＸ軸方向へ相対移動させると、変位検出器２７によって測定アーム２４の円弧運動量が検出され、この円弧運動量から被測定物Ｗ３の上面の表面性状が測定される。
このようにして得られた被測定物Ｗ３の下面表面性状と、被測定物Ｗ３の上面表面性状とから、被測定物Ｗ３の厚みｔや段差ｄなどを正確に求めることができる。

従って、測定アーム２４の先端には円弧運動方向に向かってそれぞれ突出する一対のスタイラス２６Ａ，２６Ｂが設けられているから、測定アーム姿勢切替機構６０によって、測定アーム２４が付勢される方向を切り替えれば、つまり、測定アーム２４が円弧運動方向の一方向（上方向）へ付勢される姿勢および他方向（下方向）に付勢される姿勢に切り替えれば、例えば、穴Ｈの上下面の表面性状や、板状被測定物Ｗ３の表裏面の表面性状を測定することができる。

また、上述した測定動作において、測定アーム２４が動作されると、例えば、測定アーム２４の先端が下方向から上方向へ切替動作されると、測定姿勢・測定力制御回路７０によって測定アーム２４の動作速度が予め設定された速度に制御される。
つまり、測定アーム姿勢切替機構６０によって、測定アーム２４の先端が、例えば下方向から上方向へ切替動作されると、変位検出器２７から測定アーム２４の円弧運動量に対応した数のパルス信号が出力される。すると、周波数電圧コンバータ７４により、変位検出器２７からのパルス信号を基に測定アーム２４の動作速度に対応した電圧Ｂが検出される。そして、この測定アーム２４の動作速度に対応した電圧Ｂと指令信号発生手段７２から出力される指令速度信号に応じた電圧Ａとの差電圧Ｃが求められ、この差電圧Ｃに基づいてボイスコイル６２に流す電流が制御されるから、測定アーム２４の切替動作速度を指令信号発生手段７２から出力される指令速度信号に保つことができる。

従って、測定アーム２４の動作速度を一定速度以下に抑えることができるから、スタイラス２６Ａ，２６Ｂが穴Ｈの内面に衝突したときの衝撃を抑えることができる。そのため、スタイラス２６Ａ，２６Ｂや被測定物Ｗ１の損傷を少なくすることができる。
また、測定アーム２４の動作速度を任意の指令速度に保つことができるから、測定アーム２４の動作速度を被測定物の材質などに適した速度に設定することができる。
しかも、測定姿勢・測定力制御回路７０は、測定アーム２４の円弧運動量、つまり、スタイラス２６Ａ，２６Ｂの変位を検出する変位検出器２７からのパルス信号を利用しているから、測定アーム２４の切替動作速度を検出する速度検出手段を特別に設けなくてもよく、安価にかつコンパクトに構成できる。

（測定動作時の作用）
これらの測定時などにおいて、スタイラス変位検出手段２０の変位検出器２７は、スケール２７Ａと検出ヘッド２７Ｂとを含んで構成され、スケール２７Ａの検出面が測定アーム２４の軸線上でかつ円弧運動面に配置されているから、オフセットなどによる誤差を低減して高精度な測定が期待できる。

また、これらの測定時において、もし、スタイラス２６Ａ，２６Ｂや測定アーム２４に磁石９５の吸着力よりも大きな外力が作用すると、第１プレート８１と第２プレート８２との結合が外れる。すると、それ以上の外力がスタイラス２６Ａ，２６Ｂや測定アーム２４、スタイラス変位検出手段２０の内部機構に作用しないから、これらの破損も未然に防ぐことができる。
このとき、第１プレート８１と第２プレート８２との結合が外れようとした場合でも、係合孔９１，９２に係合ピン９３，９４が引っ掛かるため、第２測定アーム２４Ｂが落下する虞が少なく、しかも、着脱機構２５がケーシング２８内に配置されているから、測定アーム２４やスタイラス２６Ａ，２６Ｂに外力が作用して第２測定アーム２４Ｂが着脱機構２５から外れても、第２測定アーム２４Ｂが落下する虞を少なくできる。従って、測定アーム２４やスタイラス２６Ａ，２６Ｂの破損を防止できる。更に、着脱機構２５がケーシング２８の内部にあるため、着脱機構２５が被測定物に衝突する虞もないから、被測定物との衝突による着脱機構２５の破損や、外部環境による汚れも低減できる。

このとき、接触検知回路１００において、いずれかの着座センサ９７，９８，９９が離間したことが検知されると、駆動停止手段を構成する制御装置１０１によって相対移動機構４０の駆動が停止されるから、例えば、第２測定アーム２４Ｂが着脱機構２５から外れてしまった場合でも、相対移動機構４０の駆動が停止されるから、測定作業を安全に行うことができる。

（第２測定アームの交換作業）
被測定物の測定部位に応じて、異なるスタイラスを有する第２測定アーム２４Ｂに交換する場合、まず、磁石９５の吸着力よりも大きな力で、第２測定アーム２４Ｂの第２プレート８２を第１測定アーム２４Ａの第１プレート８１から引き離したのち、新たに使用するスタイラスを有する第２測定アーム２４Ｂの第２プレート８２を第１プレート８１に対向させる。
すると、磁石９５とこれに吸着される磁性体９６とによって、第１プレート８１と第２プレート８２とが吸着される。このとき、各係合球部８８，８９，９０が各着座部８５，８６，８７を構成する一対の円柱状位置決め部材８４Ａ，８４Ｂにガイドされながらこれらの間の正しい位置に嵌り込むため、目視確認できなくても、第１プレート８１に対して第２プレート８２を概略一致する位置に対向させるだけのワンタッチ操作で、新たな第２測定アーム２４Ｂを装着することができる。
従って、被測定物の測定部位形状に応じた最適なスタイラスを有する第２測定アーム２４Ｂに交換して測定することができる。

この際、第２プレート８２に形成された係合孔９１，９２に、第１プレート８１に配置され係合ピン９３，９４も係合されるが、係合ピン９３，９４が係合孔９１，９２に係合し始めてから、磁石９５に磁性体９６が吸着されるように、係合ピン９３，９４の突出量が設定されているから、目視確認できなくても、第１プレート８１に対して第２プレート８２が正しい位置で結合されたことを、磁石９５の吸着力を利用して感触として把握することができる。
また、接触検知回路１００によって、着座センサ９７，９８，９９の接触、離間を検知することができるので、第２測定アーム２４Ｂの交換時においては、第２測定アーム２４Ｂが適切に交換できたか否かを確認することができる。

また、着脱機構２５がケーシング２８内に配置されているため、つまり、着脱機構２５がケーシング２８の外側に配置されている場合よりも、着脱機構２５が測定アーム２４の支点である回転軸２３に近くなるため、第２測定アーム２４Ｂの着脱時において、支点にかかるモーメントを低減でき、支点の軸受けの負荷低減、破損防止効果が期待できる。

この状態、つまり、第１プレート８１と第２プレート８２とが吸着された状態では、第３着座部８７によって測定アーム２４の軸方向の位置規制が、また、第１着座部８５および第２着座部８６によって第１着座部８５に係合する係合球部８８を中心とする回転方向の規制が行われるから、第１プレート８１と第２プレート８２とを所定の関係に正確に位置決めできる。しかも、この状態では、第１着座部８５と第２着座部８６とは測定アーム２４の軸方向に離間して設けられているから、比較的コンパクトな構成で、かつ、小さな力で測定アーム２４を保持することができる。なお、第１着座部８５と第２着座部８６との間の距離は長い方がよく、本実施形態のごとく、第１着座部８５と第２着座部８６とを、第１プレート８１において測定アーム２４の軸方向に離れた両端部に配置するのが好ましい。

また、第２測定アーム２４Ｂが交換されたのち、制御装置１０１において、バランス指令を出力すると、図１１に示すフロー図に従って処理が行われ、測定アーム２４のバランスが自動的に調整される。
つまり、ステップ（以下、ＳＴと略す）１において、制御装置１０１から測定力０の設定指令を出力したのち、ＳＴ２において、変位検出器２７の値監視を開始する。
ＳＴ３において、制御装置１０１からある測定力の設定指令を出力すると、ＳＴ４において、制御装置１０１は、ある時間内での変位検出器２７の値変化量がある範囲以内であるかをチェックする。
ＳＴ４において、ある時間内での変位検出器２７の値変化量がある範囲以内でない場合には、つまり、交換した第２測定アーム２４Ｂを含む測定アーム２４のバランスが大きく崩れてしまった場合には、ＳＴ５へ進み、変位検出器２７の値が変化する方向とは逆の方向に測定力の設定指令を出力し、ＳＴ４において、ある時間内での変位検出器２７の値変化量がある範囲以内になるまでＳＴ５の処理を繰り返す。
ＳＴ４において、ある時間内での変位検出器２７の値変化量がある範囲以内になると、ＳＴ６において、測定アーム２４のバランスがとれたと判断し、処理を終了する。
なお、測定時において測定力を設定するには、バランスがとれた状態の測定力を０として、それから測定時に付加する測定力を加算して測定力を設定する。

従って、交換した新たな第２測定アーム２４Ｂの重量が前の第２測定アーム２４Ｂの重量と異なっていても、バランス調整手段を構成する制御装置１０１によって、ボイスコイル６２に通電する電流を調整して測定アーム２４のバランスを自動的に調整することができるので、第２測定アーム２４Ｂの交換に伴う測定誤差を少なくすることができるとともに、使い勝手および作業効率の向上が期待できる。
とくに、バランス調整手段は、変位検出器２７によって検出される測定アーム２４の円弧運動量を監視しながら、ボイスコイル６２に通電する電流を調整し、測定アーム２４の円弧運動量が予め設定した設定値になった段階でバランス調整を完了するから、測定アーム２４のバランス調整を正確に行うことができる。

＜変形例＞
本発明は、前述の実施形態に限定されるものでなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれる。

前記実施形態では、着脱機構２５を構成する第１着座部８５，第２着座部８６および第３着座部８７を第１プレート８１に、これに係脱する係合球部８８，８９，９０を第２プレート８２に設けたが、これらは逆でもよい。また、磁石９５を第１プレート８１に、磁性体９６を第２プレート８２に設けたが、これらも逆でもよい。更に、係合ピン９３，９４を第１プレート８１に、係合孔９１，９２を第２プレート８２に設けたが、これらも逆でもよい。

前記実施形態では、測定アーム姿勢切替機構６０を、測定アーム２４を回転軸２３と支点として円弧運動方向の一方向および他方向へ付勢するボイスコイル６２を含んで構成したが、これに限られない。例えば、リニアモータ機構を用いた機構であってもよい。
また、円弧運動方向については、上記実施形態では上下方向であったが、水平方向であってもよく、あるいは、上下方向や水平方向以外の斜め方向へ揺動する構造でもよい。

前記実施形態では、測定アーム２４の先端に一対のスタイラス２６Ａ，２６Ｂを有する第２測定アーム２４Ｂについて説明したが、必ずしも一対のスタイラスを有する構造でなくてもよい。測定部位に適したスタイラスを有する測定アームに交換できれば、どのような構造であってもよい。

前記実施形態では、測定指令・測定力制御回路７０を利用して、測定アーム２４のバランスを図１１に示すフロー図の手順に従って調整する方法を示したが、例えば、図１２に示すフロー図の手順に従って調整してもよく、あるいは、図１３に示すフロー図の手順に従って調整するようにしてもよい。

図１２に示すフロー図の手順では、ＳＴ１１において、制御装置１０１から下向き最大測定力の設定指令を出力したのち、ＳＴ１２において、変位検出器２７の値監視を開始する。
ＳＴ１３において、制御装置１０１は、変位検出器２７の値がある値以下かをチェック、つまり、カウンタ値が振り切れているかのチェックを行う。
ＳＴ１３において、変位検出器２７の値がある値以下でない場合には、ＳＴ１４へ進み、最大値から最小値までの中央の測定力もしくは過去２回の測定力の中央の測定力を振り切れた方向とは逆の方向に設定指令し、ＳＴ１３において、変位検出器２７の値がある値以下になるまでＳＴ１４の処理を繰り返す。
ＳＴ１３において、変位検出器２７の値がある値以下である場合には、ＳＴ１５に進み、ある時間内での変位検出器２７の値変化量がある範囲以内であるかをチェックする。
ＳＴ１５において、ある時間内での変位検出器２７の値変化量がある範囲以内でない場合には、ＳＴ１６へ進み、最大値から最小値までの中央の測定力もしくは過去２回の測定力を、変位検出器２７の値が変化する方向とは逆の方向に設定指令し、ＳＴ１３に戻る処理を繰り返す。
ＳＴ１５において、ある時間内での変位検出器２７の値変化量がある範囲以内になると、ＳＴ１７において、測定アーム２４のバランスがとれたと判断し、処理を終了する。

図１３に示すフロー図の手順では、ＳＴ２１において、制御装置１０１から下向き最大測定力の設定指令を出力したのち、ＳＴ２２において、中間位置をホールドする。
ＳＴ２３において、測定力０の設定指令を出力したのち、ＳＴ２４において、下向きフリーとし、ＳＴ２５において、変位検出器２７の値監視を開始する。
ＳＴ２６において、制御装置１０１は、変位検出器２７の値がある値以下かをチェック、つまり、カウンタ値が振り切れているかのチェックを行う。
ＳＴ２６において、変位検出器２７の値がある値以下でない場合には、ＳＴ２７へ進み、振り切れた方向とは逆の方向にある値の測定力を設定指令し、ＳＴ２６において、変位検出器２７の値がある値以下になるまでＳＴ２７の処理を繰り返す
ＳＴ２６において、変位検出器２７の値がある値以下になると、ＳＴ２８に進み、ある時間内での変位検出器２７の値変化量がある範囲内であるかをチェックする。
ＳＴ２８において、ある時間内での変位検出器２７の値変化量がある範囲内でない場合、ＳＴ２９へ進み、過去２回の測定力の中央の測定力もしくは前回設定した測定力の半分の測定力を、変位検出器２７の値が変化する方向とは逆の方向に設定指令し、ＳＴ２６に戻る処理を繰り返す。
ＳＴ２８において、ある時間内での変位検出器２７の値変化量がある範囲内になると、ＳＴ３０において、測定アーム２４のバランスがとれたと判断し、処理を終了する。

前記実施形態では、測定姿勢・測定力制御回路７０は、図５に示す構成であったが、この構成に限られない。例えば、図１４に示す回路構成であってもよい。
図１４に示す測定姿勢・測定力制御回路７０は、変位検出器２７からのパルス信号（位置情報）を基に測定アーム２４の切替動作速度を演算するとともに、この演算された切替動作速度が予め設定された指令速度になるような電圧（制御信号）を発生する演算制御手段７７と、この演算制御手段７７からの電圧（制御信号）をアナログ信号に変換するデジタルアナログコンバータ７３と、このデジタルアナログコンバータ７３からの出力に基づいてボイスコイル６２に流す電流を発生させる定電流回路７６とを備えた構成である。

このような構成によれば、測定アーム姿勢切替機構６０によって、測定アーム２４が揺動方向の一方向から他方向へ切替動作されると、測定アーム２４の円弧運動量に対応した数のパルス信号（位置情報）が出力される。すると、演算制御手段７７は、移動開始からの時間を計測するとともに、この計測時間と変位検出器２７からのパルス信号（位置情報）とから現在の測定アーム２４の動作速度を演算し、この演算した動作速度と制御装置１０１から与えられる動作指令に対応した指令速度とを比較し、動作速度が指令速度になるような電圧（制御信号）を発生する。その結果、演算制御手段７７からの制御信号に基づいて、定電流回路７６からボイスコイル６２に流す電流が発生されるから、測定アーム２４の動作速度を指令速度に保つことができる。従って、上記例の効果と同様な効果が期待できる。

また、相対移動機構４０は、ステージ１０をＹ軸方向へ、スタイラス変位検出手段２０をＸ軸方向およびＺ軸方向へ移動可能に構成したが、これに限られない。要するに、ステージ１０とスタイラス変位検出手段２０とが三次元方向へ移動可能であれば、どちらが移動する構造であっても構わない。

本発明は、例えば、穴内面や、板状の被測定物の厚みなどを自動測定する場合に利用できる。

１０…ステージ、
２０…スタイラス変位検出手段、
２２…ブラケット（本体）
２３…回転軸（支持軸）、
２４…測定アーム、
２４Ａ…第１測定アーム、
２４Ｂ…第２測定アーム、
２５…着脱機構、
２６Ａ，２６Ｂ…スタイラス、
２７…変位検出器、
２７Ａ…スケール、
２７Ｂ…検出ヘッド、
２８…ケーシング、 ４０…相対移動機構、
６０…測定アーム姿勢切替機構（測定力付与手段）、
６１…磁石、
６２…ボイスコイル、
７０…測定姿勢・測定力制御回路（速度制御機構）、
８１…第１プレート、
８２…第２プレート、
８３…位置決め機構、
８４Ａ，８４Ｂ…円柱状位置決め部材、
８５…第１着座部、
８６…第２着座部、
８７…第３着座部、
８８，８９，９０…係合球部、
９１，９２…係合孔、
９３，９４…係合ピン、
９５…磁石、
９６…磁性体、
９７，９８，９９…着座センサ、
１００…接触検知回路、
１０１…制御装置（駆動停止手段、バランス調整手段）。

Claims (3)

1. 本体に支持軸を支点として円弧運動可能に支持された測定アーム、この測定アームの先端に設けられたスタイラス、前記測定アームの円弧運動量を検出する変位検出器、および、前記測定アームを円弧運動方向へ付勢し前記スタイラスに測定力を付与する測定力付与手段を有する検出手段と、被測定物を載置するステージと、前記検出手段と前記ステージとを相対移動させる相対移動機構とを備え、前記スタイラスを被測定物の表面に接触させた状態において、前記相対移動機構により前記検出手段と前記ステージとを相対移動させながら前記変位検出器によって前記測定アームの円弧運動量を検出し、この円弧運動量から被測定物の表面性状を測定する表面性状測定機において、
   前記測定アームは、前記本体に前記支持軸を支点として円弧運動可能に支持された第１測定アームと、この第１測定アームの先端に着脱機構を介して着脱可能に設けられ先端に前記スタイラスを有する第２測定アームとを含んで構成され、
   前記測定力付与手段は、前記測定アームを前記支持軸を支点として円弧運動方向へ付勢するボイスコイルを含んで構成され、
   前記第２測定アームの交換後に、前記ボイスコイルに通電する電流を調整して前記測定アームのバランスを調整するバランス調整手段を備え、
   前記バランス調整手段は、前記変位検出器によって検出される前記測定アームの円弧運動量を監視しながら、前記ボイスコイルに通電する電流を調整し、前記測定アームの円弧運動量が予め設定した設定値になった段階でバランス調整を完了する、
   ことを特徴とする表面性状測定機。
2. 請求項１に記載の表面性状測定機において、
   前記スタイラスは、前記測定アームの先端に前記円弧運動方向に向かってそれぞれ突出する一対のスタイラスを有し、
   前記ボイスコイルは、前記測定アームが前記円弧運動方向の一方向へ付勢される姿勢および他方向に付勢される姿勢に切り替える測定アーム姿勢切替機構を構成している、
   ことを特徴とする表面性状測定機。
3. 請求項２に記載の表面性状測定機において、
   前記測定アーム姿勢切替機構によって前記測定アームの姿勢が切替動作された際に、前記測定アームの切替動作速度を予め設定された速度に制御する速度制御機構を備える、
   ことを特徴とする表面性状測定機。

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