表面形状测量装置转让专利
申请号 : CN200610126498.1
文献号 : CN1924521B
文献日 : 2010-06-09
发明人 : 松宫贞行 , 伊贺崎史朗 , 山县正意
申请人 : 株式会社三丰
摘要 :
本发明提供一种表面形状测量装置，包括：测量部(210)，由具有检测作用于接触部(212)的测量力的测量力检测电路(219)的振荡式接触探头构成；移动单元(三维驱动机构(300)、上下驱动机构(220))，使测量部(210)相对于被测量物表面(S)进行移动；以及驱动控制部(400)，根据从测量力检测电路(219)输出的测量力的大小控制移动单元。驱动控制部(400)，包括：仿形测量控制部(410)，使接触部沿着被测量物表面(S)进行仿形移动，使得测量力成为仿形指定测量力；和触碰测量控制部(420)，连续地进行触碰测量被测量物表面(S)的动作，以使接触部(212)以触碰检测测量力断续地接触被测量物表面(S)。
权利要求 :
1.一种表面形状测量装置，包括：
测量部，具有在前端有接触被测量物表面的接触部的触针、和检测上述接触部抵接被测量物表面时的测量力的测量力检测单元；
移动单元，使上述测量部相对于上述被测量物表面移动；以及驱动控制部，根据由上述测量力检测单元所检测的测量力的大小来控制上述移动单元，上述表面形状测量装置使上述接触部与上述被测量物表面接触来测量被测量物表面，其特征在于：上述驱动控制部包括：
仿形测量控制部，控制上述移动单元，使得上述测量力成为预先设定的仿形指定测量力，使上述接触部沿着被测量物表面进行仿形移动来进行仿形测量；和触碰测量控制部，控制上述移动单元，使得以被设定为比上述仿形指定测量力小的值的触碰检测测量力使上述接触部与上述被测量物表面接触之后使上述接触部从上述被测量物表面离开，反复进行对被测量物表面进行触碰测量的动作，上述测量力检测单元能够在预定的测量力检测方向上检测测量力，当上述接触部在沿着上述测量力检测方向的方向上接触被测量物表面时，由上述仿形测量控制部进行仿形测量，当上述接触部在从上述测量力检测方向偏移了的方向上接触上述被测量物表面时，由上述触碰测量控制部进行触碰测量。
2.根据权利要求1所述的表面形状测量装置，其特征在于：包括位移检测单元，该位移检测单元检测上述接触部的位移并输出位移检测信号，上述触碰测量控制部包括接触检测部，该接触检测部在上述测量力达到了上述触碰检测测量力时输出触碰检测信号，上述驱动控制部包括：
计数器，对上述位移检测信号进行计数并计算上述接触部的位置；
锁存计数器，接收上述触碰检测信号并锁存由上述计数器计算出的上述接触部的位置；以及形状分析部，根据由上述锁存计数器锁存的上述接触部的位置来计算被测量物表面形状。
3.根据权利要求1所述的表面形状测量装置，其特征在于：上述驱动控制部包括切换部，该切换部进行切换选择，以使上述仿形测量控制部和上述触碰测量控制部中的任意一者进行动作，上述切换部，按照上述被测量物表面的形状，通过用户的选择进行切换操作。
4.根据权利要求1所述的表面形状测量装置，其特征在于：上述驱动控制部包括：
切换部，进行切换选择，以使上述仿形测量控制部和上述触碰测量控制部中的任意一者进行动作；和切换控制部，控制上述切换部的切换动作，上述切换控制部根据由上述测量力检测单元所检测的测量力的变化来切换控制上述切换部。
5.根据权利要求1所述的表面形状测量装置，其特征在于：上述驱动控制部包括：
切换部，进行切换选择，以使上述仿形测量控制部和上述触碰测量控制部中的任意一者进行动作；和切换控制部，控制上述切换部的切换动作，上述切换控制部根据上述被测量物的表面形状来切换控制上述切换部。
6.根据权利要求1至权利要求5中任一项所述的表面形状测量装置，其特征在于：上述仿形测量控制部按照上述被测量物表面相对于上述测量力检测方向的夹角来变更上述仿形指定测量力。
7.根据权利要求1至权利要求5中任一项所述的表面形状测量装置，其特征在于：上述触碰测量控制部按照上述被测量物表面相对于上述测量力检测方向的夹角来变更上述触碰检测测量力。
8.根据权利要求1至权利要求5中任一项所述的表面形状测量装置，其特征在于：上述移动单元包括：
微动机构，使上述测量部进行细微的移动；和粗动机构，使上述测量部与上述微动机构一起进行比上述微动机构大的移动。
说明书 :
技术领域
本发明涉及表面形状测量装置。例如，涉及用接触式探头检测被测量物表面来测量被测量物表面的形状的表面形状测量装置。
背景技术
对被测量物表面进行扫描来测量被测量物的表面性状、立体形状的测量装置，例如，光洁度测量仪、轮廓形状测量仪、圆度测量仪、三维测量仪等已为人们所知。
在像这样的测量装置中，使用作为位移传感器的探头，该位移传感器根据接触部接触到被测量物表面时的接触部的微小位移，检测被测量物表面(文献：日本特开2004-61322号公报)。
图9表示利用了探头的形状测量装置100的结构。
形状测量装置100，包括探头200、和作为使上述探头200沿被测量物表面S进行三维移动的移动机构的三维驱动机构300。
探头200是振动型接触式探头，如图10所示，包括：在前端具有接触部212的触针(stylus)211、支承上述触针211的触针座213、使设于上述触针座213的触针211在轴方向以固有频率进行稳定振动的激振单元214、以及检测触针211的振动变化并输出检测信号检测单元217。
激振单元214，由设置于触针座213使触针211振荡的压电元件215、和向上述压电元件215施加预定频率的输出信号(脉冲或者正弦波信号等)的振荡电路216构成。
检测单元217，由对触针211的振动进行电压变换的压电元件218、和检测来自上述压电元件218的电压并输出检测信号的检测电路219构成。
三维驱动机构300，利用在以往的三维测量装置中使用的具有X、Y、Z方向滑动机构的三维驱动机构。
在三维驱动机构300的各轴上，设有检测驱动量的线性编码器(linear encoder)。
在像这样的结构中，如图11所示，在使接触部212沿着被测量物表面S移动时，根据接触部212与被测量物表面S之间的位置关系，产生如图12D所示那样的检测信号的变化。从接触部212自由的状态(图12A)，接触部212开始与被测量物表面S接触(图12B)，当接触部以预定的测量力接触到被测量物表面S时(图12C)，接触部212的振动受到抑制，检测信号达到预先设定的参照值(level)。
在此，参照值是作为从接触部212在自由状态(非接触状态)下检测的检测信号值中减去了接触部212被以预定测量力压入时的信号变化量后的值而预先设定的。
另外，测量力指的是在使接触部212与被测量物表面S接触来检测被测量物表面S时，将接触部212压在被测量物表面S时的力。
在将接触部212压在被测量物表面S使得检测信号值为参照值的状态下，使接触部沿着被测量物表面S进行仿形移动，从三维驱动机构300的X、Y、Z轴滑动量中，对检测信号达到了参照值时的探头200的位置信息进行取样。通过由所取样的探头200的位置信息计算接触部212与被测量物表面S的接点，能够得知被测量物表面S的形状。
在此，检测信号的衰减的方法，根据接触部212与被测量物表面S接触的角度的不同而不同。
即、触针212在轴方向振动地进行振荡，因此，接触部212从触针211的轴方向抵接被测量物表面S时，与接触部212在从触针211的轴方向偏移了的方向上抵接被测量物表面S时，抑制触针211的振动的程度是不同的。
因此，振荡式接触探头200，以从触针211的轴方向与被测量物接触为前提，设定了检测信号的参照值。
因此，在使接触部212从触针211的轴方向与被测量物表面S接触的情况下，能够使振荡式接触探头200进行仿形移动使得检测信号成为参照值，从而以恒定的测量力对被测量物表面S进行扫描。
但是，根据被测量物表面S的倾斜状态，接触部212可能不是从触针轴方向，而是在从触针211的轴方向偏移了的方向上抵接被测量物表面S。
在这种情况下，检测信号的变化只反映了从被测量物表面S施加到探头200的力中的触针轴方向的分力。为此，要想将检测信号控制为参照值，接触部212对被测量物的压入就变强，从而不能将测量力保持为恒定。
在像这样不能将测量力保持为恒定时，由于较强的压入而使被测量物表面S受到损伤，或者触针211弯曲而不能正确地检测被测量物表面S。为此，振荡式接触探头200进行的被测量物表面S的测量，限定为表面为近似平面的被测量物。
在像这样的测量装置中，使用作为位移传感器的探头，该位移传感器根据接触部接触到被测量物表面时的接触部的微小位移，检测被测量物表面(文献：日本特开2004-61322号公报)。
图9表示利用了探头的形状测量装置100的结构。
形状测量装置100，包括探头200、和作为使上述探头200沿被测量物表面S进行三维移动的移动机构的三维驱动机构300。
探头200是振动型接触式探头，如图10所示，包括：在前端具有接触部212的触针(stylus)211、支承上述触针211的触针座213、使设于上述触针座213的触针211在轴方向以固有频率进行稳定振动的激振单元214、以及检测触针211的振动变化并输出检测信号检测单元217。
激振单元214，由设置于触针座213使触针211振荡的压电元件215、和向上述压电元件215施加预定频率的输出信号(脉冲或者正弦波信号等)的振荡电路216构成。
检测单元217，由对触针211的振动进行电压变换的压电元件218、和检测来自上述压电元件218的电压并输出检测信号的检测电路219构成。
三维驱动机构300，利用在以往的三维测量装置中使用的具有X、Y、Z方向滑动机构的三维驱动机构。
在三维驱动机构300的各轴上，设有检测驱动量的线性编码器(linear encoder)。
在像这样的结构中，如图11所示，在使接触部212沿着被测量物表面S移动时，根据接触部212与被测量物表面S之间的位置关系，产生如图12D所示那样的检测信号的变化。从接触部212自由的状态(图12A)，接触部212开始与被测量物表面S接触(图12B)，当接触部以预定的测量力接触到被测量物表面S时(图12C)，接触部212的振动受到抑制，检测信号达到预先设定的参照值(level)。
在此，参照值是作为从接触部212在自由状态(非接触状态)下检测的检测信号值中减去了接触部212被以预定测量力压入时的信号变化量后的值而预先设定的。
另外，测量力指的是在使接触部212与被测量物表面S接触来检测被测量物表面S时，将接触部212压在被测量物表面S时的力。
在将接触部212压在被测量物表面S使得检测信号值为参照值的状态下，使接触部沿着被测量物表面S进行仿形移动，从三维驱动机构300的X、Y、Z轴滑动量中，对检测信号达到了参照值时的探头200的位置信息进行取样。通过由所取样的探头200的位置信息计算接触部212与被测量物表面S的接点，能够得知被测量物表面S的形状。
在此，检测信号的衰减的方法，根据接触部212与被测量物表面S接触的角度的不同而不同。
即、触针212在轴方向振动地进行振荡，因此，接触部212从触针211的轴方向抵接被测量物表面S时，与接触部212在从触针211的轴方向偏移了的方向上抵接被测量物表面S时，抑制触针211的振动的程度是不同的。
因此，振荡式接触探头200，以从触针211的轴方向与被测量物接触为前提，设定了检测信号的参照值。
因此，在使接触部212从触针211的轴方向与被测量物表面S接触的情况下，能够使振荡式接触探头200进行仿形移动使得检测信号成为参照值，从而以恒定的测量力对被测量物表面S进行扫描。
但是，根据被测量物表面S的倾斜状态，接触部212可能不是从触针轴方向，而是在从触针211的轴方向偏移了的方向上抵接被测量物表面S。
在这种情况下，检测信号的变化只反映了从被测量物表面S施加到探头200的力中的触针轴方向的分力。为此，要想将检测信号控制为参照值，接触部212对被测量物的压入就变强，从而不能将测量力保持为恒定。
在像这样不能将测量力保持为恒定时，由于较强的压入而使被测量物表面S受到损伤，或者触针211弯曲而不能正确地检测被测量物表面S。为此，振荡式接触探头200进行的被测量物表面S的测量，限定为表面为近似平面的被测量物。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种表面形状测量装置，用接触式探头测量具有倾斜面的被测量物表面的形状。
本发明的表面形状测量装置，包括测量部，具有在前端有接触被测量物表面的接触部的触针、和检测上述接触部抵接被测量物表面时的测量力的测量力检测单元；移动单元，使上述测量部相对于上述被测量物表面移动；以及驱动控制部，根据由上述测量力检测单元所检测的测量力的大小来控制上述移动单元，上述表面形状测量装置使上述接触部与上述被测量物表面接触来测量被测量物表面，上述表面形状测量装置的特征在于，上述驱动控制部包括：仿形测量控制部，控制上述移动单元，使得上述测量力成为预先设定的仿形指定测量力，使上述接触部沿着被测量物表面进行仿形移动来进行仿形测量；和触碰测量控制部，控制上述移动单元，使得以被设定为比上述仿形指定测量力小的值的触碰检测测量力使上述接触部与上述被测量物表面接触之后使上述接触部从上述被测量物表面离开，重复进行对被测量物表面进行触碰测量的动作，上述测量力检测单元，能够在预定的测量力检测方向上检测测量力，当上述接触部在沿着上述测量力检测方向的方向上接触被测量物表面时，由上述仿形测量控制部进行仿形测量，当上述接触部在从上述测量力检测方向偏移了的方向上接触上述被测量物表面时，由上述触碰测量控制部进行触碰测量。
在像这样的结构中，由移动单元使接触部与被测量物表面接触，而对被测量物表面进行测量。此时，切换进行使接触部沿着被测量物表面进行移动的仿形测量，与使接触部对被测量物表面接触或离开而检测被测量物表面的触碰测量。即、在被测量物表面与测量力检测方向大致垂直，接触部能够从测量力检测方向接触到被测量物表面的情况下，进行仿形测量。此外，当被测量物表面从大致垂直于测量力检测方向的方向偏移，且接触部在从测量力检测方向偏移了的方向上抵接到被测量物表面的情况下，进行触碰测量。
在仿形测量时，为了使触针和被测量物的变形量恒定以保证测量精度，必须使施加到接触部与被测量物表面之间的测量力恒定且为预先设定的仿形指定测量力地使接触部沿着被测量物表面移动。
在此，检测施加到接触部与被测量物表面的测量力的测量力检测单元，具有能够检测测量力的方向。在接触部从能检测测量力的方向抵接被测量物表面的情况下，能够通过测量力检测单元准确地检测施加到接触部的测量力，因此，能根据上述所检测的测量力，进行使测量力恒定且为仿形指定测量力的仿形测量。
但是，在被测量物表面倾斜等的情况下，不能使接触部从测量力检测方向与被测量物表面接触。
此时，仅能检测被测量物表面与接触部之间产生的测量力中的测量力检测方向的分力，因此，要想使所检测的测量力为仿形指定测量力，就需要将接触部非常强地向被测量物表面压入，因而不能进行使测量力恒定的仿形测量。为此，以往，在像接触部与被测量物表面的接触方向从测量力检测方向偏移的情况下，不能高精度地测量表面形状，可测量的被测量物表面的形状受到限制。
这一点，在本发明中，在由于被测量物表面的倾斜等造成接触部与被测量物表面的接触方向从测量力检测方向偏移时，从仿形测量切换为触碰测量。在触碰测量中，设定触碰检测测量力，该触碰检测测量力为比仿形指定测量力小的值，通过检测微小的测量力来检测接触部已接触到被测量物表面。虽然在接触部与被测量物表面的接触方向从测量力检测方向偏移时，在所有测量力中能够用测量力检测单元检测的是测量力检测方向的分力，但在该分力达到了为小的值的触碰检测测量力的时刻，检测出接触部触碰到了被测量物表面，因此，不会使接触部向被测量物表面强力地压入。而且，在触碰测量中，由于不使接触部与被测量物表面强力抵接，触针、被测量物的变形小，因此，能够高精度地检测被测量物表面。
这样，根据本发明，不仅能够进行仿形测量来测量被测量物表面，而且能够通过触碰测量高精度地测量具有在仿形测量中不能测量的形状的被测量物的表面。
另外，测量力检测单元，也可以使触针在轴方向以固有频率振动，并且根据接触部抵接被测量物表面时的振动值的变化检测测量力。在这种情况下，测量力检测方向与触针的轴方向平行。或者，测量力检测单元也可以具有检测出触针的应变的应变器，根据由应变仪所检测的应变量检测测量力。在这种情况下，测量力检测方向为应变仪检测出应变的方向。
在本发明中，优选的是，包括位移检测单元，检测上述接触部的位移，并输出位移检测信号，上述触碰测量控制部包括接触检测部，该接触检测部在上述测量力达到了上述触碰检测测量力时输出触碰检测信号，上述驱动控制部，包括计数器，对上述位移检测信号进行计数，并计算上述接触部的位置；锁存计数器，接收上述触碰检测信号，并锁存由上述计数器所计算的上述接触部的位置；以及形状分析部，根据由上述计数器所计算的上述接触部的位置和由上述锁存计数器锁存的上述接触部的位置，计算被测量物表面形状。
在像这样的结构中，通过位移检测单元检测测量部的位移，由计数器对来自该位移检测单元的位移检测信号进行计数，求测量部的实际的位置。在对被测量物表面进行触碰测量的情况下，在接触部从离开了被测量物表面的位置向被测量物表面接近最终与被测量物表面接触，由测量力检测单元检测的测量力为触碰检测测量力时，从接触检测部输出触碰检测信号。锁存计数器在接收触碰检测信号时，对计数器的计数值进行锁存。
根据像这样的结构，接触部与被测量物表面接触而检测到触碰检测测量力时的接触部的位置被锁存，因此，能够根据该被锁存的数据求出被测量物表面形状。
在本发明中，优选的是，上述驱动控制部包括切换部，该切换部切换选择上述仿形测量控制部与上述触碰测量控制部中进行动作的一者，上述切换部，按照上述被测量物表面的形状，通过用户的选择进行切换操作。
在像这样的结构中，用户视被测量物表面的倾斜、曲率，在被测量物表面中选择进行仿形测量的部分与进行触碰测量的部分。而且，由于用户能够任意切换切换部来选择测量模式，因此，例如与装置自身一边重复仿形测量与触碰测量来反复尝试，一边自动选择最佳的测量模式的情况相比，能够迅速并且准确地进行测量模式的选择，能够高效率地确保测量。
在本发明中，优选的是，上述驱动控制部，包括切换部，切换选择上述仿形测量控制部与上述触碰测量控制部中进行动作的一者；和切换控制部，控制上述切换部的切换动作，上述切换控制部，根据由上述测量力检测单元检测的测量力的变化切换控制上述切换部。
在此，以如下结构的测量力检测单元为例进行列举，即、使触针在轴方向振动，并且根据触针的轴方向的振动值的变化检测接触部与被测量物表面之间的测量力。
在像这样的结构中，当接触部接触被测量物表面，触针的振动受到抑制时，振动值变小，因此，能够根据该振动的差检测从被测量物表面施加到接触部的测量力。但是，由于触针在轴方向进行振动，因此，在接触部从触针的轴方向抵接被测量物表面的情况下，由从被测量物表面施加到接触部的力抑制触针的振动，而在接触部与被测量物在相对于触针的轴方向偏移了的方向上接触的情况下，仅从被测量物表面作用于接触部的力中触针轴方向的分力对抑制触针的振动有贡献。
为此，当接触部与被测量物表面在相对于触针的轴方向偏移了的方向上接触的情况下，不能正确地检测出接触部与被测量物表面之间的测量力，而且，所检测的触针的振动值也变小。因此，在接触部与被测量物表面从触针轴方向接触因而能够正确检测测量力的情况下能够进行仿形测量，而在接触部与被测量物表面从自触针轴方向偏移了的方向接触的情况下不能进行仿形测量，因此，需要切换成触碰测量。
这一点，在本发明中，切换控制部根据由测量力检测单元检测的测量力切换控制切换部，因此，不需要用户进行判断并切换这样的操作，更为简便。而且，通过自动切换，即使是在仿形测量中不能测量的表面形状，也能够自动地通过触碰测量进行形状测量。
在本发明中，优选的是，上述驱动控制部，包括切换部，切换选择上述仿形测量控制部与上述触碰测量控制部中进行动作的一者；和切换控制部，控制上述切换部的切换动作，上述切换控制部，根据上述被测量物的表面形状切换控制上述切换部。
在此，所谓切换控制部根据被测量物的表面形状切换控制切换部，列举了以下例子，例如，将在根据已测量完成的测量数据计算了被测量物表面形状之后，根据上述所计算的被测量物表面的曲率、被测量物表面相对于测量力检测方向的夹角等，选择并切换仿形测量和触碰测量。或者，也可以是从被测量物的设计数据获得被测量物表面的形状，从该设计数据求被测量物表面的曲率、倾斜等。
在像这样的结构中，在被测量物的表面形状具有大的曲率，或者具有大的倾斜角的情况下，接触部与被测量物表面在从触针轴方向偏移了的方向上接触。这样，不能通过测量力检测单元正确地检测作用在接触部与被测量物表面之间的测量力，因此，不能使测量力恒定且为仿形指定测量力地进行仿形测量。
这一点，在本发明中，对被测量物的表面形状进行分析，例如，根据曲率、倾斜等进行切换为触碰测量的切换控制，因此，不需要用户进行判断并切换这样的操作，更为简便。而且，通过自动切换，即使是在仿形测量中不能测量的表面形状，也能够自动地通过触碰测量进行形状测量。
在本发明中，上述仿形测量控制部，优选按照上述被测量物表面相对于上述测量力检测方向的夹角，变更上述仿形指定测量力。
在像这样的结构中，按照被测量物表面与测量力检测方向的夹角变更仿形测量中的仿形指定测量力。例如，在接触部从自测量力检测方向偏移了的方向接触被测量物表面的情况下，将仿形指定测量力变更为小的值。当接触部与被测量物在相对于测量力检测方向偏移了的方向上接触的情况下，仅有从测量物表面作用于接触部的力中的测量力检测方向的分力成为检测的测量力。为此，当控制探头的压入使得测量力检测方向的分力为仿形指定测量力时，作用于接触部与被测量物表面之间的力为比仿形指定测量力大的值，从而不能进行使测量力恒定的仿形测量。
这一点，在本发明中，按照被测量物表面与测量力检测方向的夹角变更仿形指定测量力，结果是能够进行使作用于接触部与被测量物表面之间的测量力恒定，能够高精度地进行使测量力恒定的仿形测量。
此外，在本发明中，根据同样的原理，上述触碰测量控制部，优选按照上述被测量物表面相对于上述测量力检测方向的夹角，变更上述触碰检测测量力。
在本发明中，上述移动单元，优选包括微动机构，使上述测量部进行微小移动；和粗动机构，使上述测量部与上述微动机构一起进行比上述微动机构大的移动。
在此，例如，作为微动机构优选响应速度快的驱动机构，例如，作为例子列举出使用了压电元件的压电驱动器(actuator)。
此外，作为粗动机构，作为例子列举出使用电磁驱动器的情况。
根据像这样的结构，由于具备微动结构和粗动机构，因此，在仿形测量中，对于被测量物表面的微小凹凸，能够通过响应速度快的微动机构迅速地使接触部进行微小移动，对于被测量物表面的大的形状变化(起伏等)可以通过能够允许大的位移的粗动机构来处理。结果是能够使接触部高精度并且高速地沿着被测量物表面进行仿形移动。
本发明的表面形状测量装置，包括测量部，具有在前端有接触被测量物表面的接触部的触针、和检测上述接触部抵接被测量物表面时的测量力的测量力检测单元；移动单元，使上述测量部相对于上述被测量物表面移动；以及驱动控制部，根据由上述测量力检测单元所检测的测量力的大小来控制上述移动单元，上述表面形状测量装置使上述接触部与上述被测量物表面接触来测量被测量物表面，上述表面形状测量装置的特征在于，上述驱动控制部包括：仿形测量控制部，控制上述移动单元，使得上述测量力成为预先设定的仿形指定测量力，使上述接触部沿着被测量物表面进行仿形移动来进行仿形测量；和触碰测量控制部，控制上述移动单元，使得以被设定为比上述仿形指定测量力小的值的触碰检测测量力使上述接触部与上述被测量物表面接触之后使上述接触部从上述被测量物表面离开，重复进行对被测量物表面进行触碰测量的动作，上述测量力检测单元，能够在预定的测量力检测方向上检测测量力，当上述接触部在沿着上述测量力检测方向的方向上接触被测量物表面时，由上述仿形测量控制部进行仿形测量，当上述接触部在从上述测量力检测方向偏移了的方向上接触上述被测量物表面时，由上述触碰测量控制部进行触碰测量。
在像这样的结构中，由移动单元使接触部与被测量物表面接触，而对被测量物表面进行测量。此时，切换进行使接触部沿着被测量物表面进行移动的仿形测量，与使接触部对被测量物表面接触或离开而检测被测量物表面的触碰测量。即、在被测量物表面与测量力检测方向大致垂直，接触部能够从测量力检测方向接触到被测量物表面的情况下，进行仿形测量。此外，当被测量物表面从大致垂直于测量力检测方向的方向偏移，且接触部在从测量力检测方向偏移了的方向上抵接到被测量物表面的情况下，进行触碰测量。
在仿形测量时，为了使触针和被测量物的变形量恒定以保证测量精度，必须使施加到接触部与被测量物表面之间的测量力恒定且为预先设定的仿形指定测量力地使接触部沿着被测量物表面移动。
在此，检测施加到接触部与被测量物表面的测量力的测量力检测单元，具有能够检测测量力的方向。在接触部从能检测测量力的方向抵接被测量物表面的情况下，能够通过测量力检测单元准确地检测施加到接触部的测量力，因此，能根据上述所检测的测量力，进行使测量力恒定且为仿形指定测量力的仿形测量。
但是，在被测量物表面倾斜等的情况下，不能使接触部从测量力检测方向与被测量物表面接触。
此时，仅能检测被测量物表面与接触部之间产生的测量力中的测量力检测方向的分力，因此，要想使所检测的测量力为仿形指定测量力，就需要将接触部非常强地向被测量物表面压入，因而不能进行使测量力恒定的仿形测量。为此，以往，在像接触部与被测量物表面的接触方向从测量力检测方向偏移的情况下，不能高精度地测量表面形状，可测量的被测量物表面的形状受到限制。
这一点，在本发明中，在由于被测量物表面的倾斜等造成接触部与被测量物表面的接触方向从测量力检测方向偏移时，从仿形测量切换为触碰测量。在触碰测量中，设定触碰检测测量力，该触碰检测测量力为比仿形指定测量力小的值，通过检测微小的测量力来检测接触部已接触到被测量物表面。虽然在接触部与被测量物表面的接触方向从测量力检测方向偏移时，在所有测量力中能够用测量力检测单元检测的是测量力检测方向的分力，但在该分力达到了为小的值的触碰检测测量力的时刻，检测出接触部触碰到了被测量物表面，因此，不会使接触部向被测量物表面强力地压入。而且，在触碰测量中，由于不使接触部与被测量物表面强力抵接，触针、被测量物的变形小，因此，能够高精度地检测被测量物表面。
这样，根据本发明，不仅能够进行仿形测量来测量被测量物表面，而且能够通过触碰测量高精度地测量具有在仿形测量中不能测量的形状的被测量物的表面。
另外，测量力检测单元，也可以使触针在轴方向以固有频率振动，并且根据接触部抵接被测量物表面时的振动值的变化检测测量力。在这种情况下，测量力检测方向与触针的轴方向平行。或者，测量力检测单元也可以具有检测出触针的应变的应变器，根据由应变仪所检测的应变量检测测量力。在这种情况下，测量力检测方向为应变仪检测出应变的方向。
在本发明中，优选的是，包括位移检测单元，检测上述接触部的位移，并输出位移检测信号，上述触碰测量控制部包括接触检测部，该接触检测部在上述测量力达到了上述触碰检测测量力时输出触碰检测信号，上述驱动控制部，包括计数器，对上述位移检测信号进行计数，并计算上述接触部的位置；锁存计数器，接收上述触碰检测信号，并锁存由上述计数器所计算的上述接触部的位置；以及形状分析部，根据由上述计数器所计算的上述接触部的位置和由上述锁存计数器锁存的上述接触部的位置，计算被测量物表面形状。
在像这样的结构中，通过位移检测单元检测测量部的位移，由计数器对来自该位移检测单元的位移检测信号进行计数，求测量部的实际的位置。在对被测量物表面进行触碰测量的情况下，在接触部从离开了被测量物表面的位置向被测量物表面接近最终与被测量物表面接触，由测量力检测单元检测的测量力为触碰检测测量力时，从接触检测部输出触碰检测信号。锁存计数器在接收触碰检测信号时，对计数器的计数值进行锁存。
根据像这样的结构，接触部与被测量物表面接触而检测到触碰检测测量力时的接触部的位置被锁存，因此，能够根据该被锁存的数据求出被测量物表面形状。
在本发明中，优选的是，上述驱动控制部包括切换部，该切换部切换选择上述仿形测量控制部与上述触碰测量控制部中进行动作的一者，上述切换部，按照上述被测量物表面的形状，通过用户的选择进行切换操作。
在像这样的结构中，用户视被测量物表面的倾斜、曲率，在被测量物表面中选择进行仿形测量的部分与进行触碰测量的部分。而且，由于用户能够任意切换切换部来选择测量模式，因此，例如与装置自身一边重复仿形测量与触碰测量来反复尝试，一边自动选择最佳的测量模式的情况相比，能够迅速并且准确地进行测量模式的选择，能够高效率地确保测量。
在本发明中，优选的是，上述驱动控制部，包括切换部，切换选择上述仿形测量控制部与上述触碰测量控制部中进行动作的一者；和切换控制部，控制上述切换部的切换动作，上述切换控制部，根据由上述测量力检测单元检测的测量力的变化切换控制上述切换部。
在此，以如下结构的测量力检测单元为例进行列举，即、使触针在轴方向振动，并且根据触针的轴方向的振动值的变化检测接触部与被测量物表面之间的测量力。
在像这样的结构中，当接触部接触被测量物表面，触针的振动受到抑制时，振动值变小，因此，能够根据该振动的差检测从被测量物表面施加到接触部的测量力。但是，由于触针在轴方向进行振动，因此，在接触部从触针的轴方向抵接被测量物表面的情况下，由从被测量物表面施加到接触部的力抑制触针的振动，而在接触部与被测量物在相对于触针的轴方向偏移了的方向上接触的情况下，仅从被测量物表面作用于接触部的力中触针轴方向的分力对抑制触针的振动有贡献。
为此，当接触部与被测量物表面在相对于触针的轴方向偏移了的方向上接触的情况下，不能正确地检测出接触部与被测量物表面之间的测量力，而且，所检测的触针的振动值也变小。因此，在接触部与被测量物表面从触针轴方向接触因而能够正确检测测量力的情况下能够进行仿形测量，而在接触部与被测量物表面从自触针轴方向偏移了的方向接触的情况下不能进行仿形测量，因此，需要切换成触碰测量。
这一点，在本发明中，切换控制部根据由测量力检测单元检测的测量力切换控制切换部，因此，不需要用户进行判断并切换这样的操作，更为简便。而且，通过自动切换，即使是在仿形测量中不能测量的表面形状，也能够自动地通过触碰测量进行形状测量。
在本发明中，优选的是，上述驱动控制部，包括切换部，切换选择上述仿形测量控制部与上述触碰测量控制部中进行动作的一者；和切换控制部，控制上述切换部的切换动作，上述切换控制部，根据上述被测量物的表面形状切换控制上述切换部。
在此，所谓切换控制部根据被测量物的表面形状切换控制切换部，列举了以下例子，例如，将在根据已测量完成的测量数据计算了被测量物表面形状之后，根据上述所计算的被测量物表面的曲率、被测量物表面相对于测量力检测方向的夹角等，选择并切换仿形测量和触碰测量。或者，也可以是从被测量物的设计数据获得被测量物表面的形状，从该设计数据求被测量物表面的曲率、倾斜等。
在像这样的结构中，在被测量物的表面形状具有大的曲率，或者具有大的倾斜角的情况下，接触部与被测量物表面在从触针轴方向偏移了的方向上接触。这样，不能通过测量力检测单元正确地检测作用在接触部与被测量物表面之间的测量力，因此，不能使测量力恒定且为仿形指定测量力地进行仿形测量。
这一点，在本发明中，对被测量物的表面形状进行分析，例如，根据曲率、倾斜等进行切换为触碰测量的切换控制，因此，不需要用户进行判断并切换这样的操作，更为简便。而且，通过自动切换，即使是在仿形测量中不能测量的表面形状，也能够自动地通过触碰测量进行形状测量。
在本发明中，上述仿形测量控制部，优选按照上述被测量物表面相对于上述测量力检测方向的夹角，变更上述仿形指定测量力。
在像这样的结构中，按照被测量物表面与测量力检测方向的夹角变更仿形测量中的仿形指定测量力。例如，在接触部从自测量力检测方向偏移了的方向接触被测量物表面的情况下，将仿形指定测量力变更为小的值。当接触部与被测量物在相对于测量力检测方向偏移了的方向上接触的情况下，仅有从测量物表面作用于接触部的力中的测量力检测方向的分力成为检测的测量力。为此，当控制探头的压入使得测量力检测方向的分力为仿形指定测量力时，作用于接触部与被测量物表面之间的力为比仿形指定测量力大的值，从而不能进行使测量力恒定的仿形测量。
这一点，在本发明中，按照被测量物表面与测量力检测方向的夹角变更仿形指定测量力，结果是能够进行使作用于接触部与被测量物表面之间的测量力恒定，能够高精度地进行使测量力恒定的仿形测量。
此外，在本发明中，根据同样的原理，上述触碰测量控制部，优选按照上述被测量物表面相对于上述测量力检测方向的夹角，变更上述触碰检测测量力。
在本发明中，上述移动单元，优选包括微动机构，使上述测量部进行微小移动；和粗动机构，使上述测量部与上述微动机构一起进行比上述微动机构大的移动。
在此，例如，作为微动机构优选响应速度快的驱动机构，例如，作为例子列举出使用了压电元件的压电驱动器(actuator)。
此外，作为粗动机构，作为例子列举出使用电磁驱动器的情况。
根据像这样的结构，由于具备微动结构和粗动机构，因此，在仿形测量中，对于被测量物表面的微小凹凸，能够通过响应速度快的微动机构迅速地使接触部进行微小移动，对于被测量物表面的大的形状变化(起伏等)可以通过能够允许大的位移的粗动机构来处理。结果是能够使接触部高精度并且高速地沿着被测量物表面进行仿形移动。
附图说明
图1是表示本发明的表面形状测量装置的第1实施方式的结构的图。
图2是表示在第1实施方式中进行仿形测量时的振动值的变化的图。
图3是表示在第1实施方式中进行触碰测量时的振动值的变化与触碰检测信号的输出时序的图。
图4是表示在第1实施方式中测量被测量物表面的情况的图。
图5是表示变形例1的结构的图。
图6是表示在变形例1中，测量力信号与测量模式的切换之间的关系的图。
图7是表示第2实施方式的结构的图。
图8是表示通过微动机构和粗动机构对被测量物表面进行仿形扫描的情况的图。
图9是表示利用了探头的形状测量装置的结构的图。
图10是表示振动型接触式探头的结构的图。
图11是表示用探头对被测量物表面进行仿形测量的情况的图。
图12A、12B、12C、12D是表示探头接触到被测量物表面时的检测信号的变化的图。
图2是表示在第1实施方式中进行仿形测量时的振动值的变化的图。
图3是表示在第1实施方式中进行触碰测量时的振动值的变化与触碰检测信号的输出时序的图。
图4是表示在第1实施方式中测量被测量物表面的情况的图。
图5是表示变形例1的结构的图。
图6是表示在变形例1中，测量力信号与测量模式的切换之间的关系的图。
图7是表示第2实施方式的结构的图。
图8是表示通过微动机构和粗动机构对被测量物表面进行仿形扫描的情况的图。
图9是表示利用了探头的形状测量装置的结构的图。
图10是表示振动型接触式探头的结构的图。
图11是表示用探头对被测量物表面进行仿形测量的情况的图。
图12A、12B、12C、12D是表示探头接触到被测量物表面时的检测信号的变化的图。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式进行图示，并且参照赋予图中各要素的标号对本发明的实施方式进行说明。
(第1实施方式)
对本发明的表面形状测量装置的第1实施方式进行说明。
图1是表示本发明的表面形状测量装置100的第1实施方式的结构的图。
作为第1实施方式，说明将表面大致平坦的被测量物呈大致水平地配置，使探头200从该被测量物表面S的上方接近(approach)被测量物表面S进行测量的情况。
表面形状测量装置100，包括：利用上下驱动机构220使抵接被测量物表面S的测量部210移动的同时检测被测量物表面S的探头200；使上述探头200进行三维移动的三维驱动机构300；控制驱动上下驱动机构220的上下驱动机构控制部400；以及进行整体的动作控制的控制器部500。
探头200，包括：与被测量物S接触以检测对被测量物表面S的测量力的测量部210；按照被测量物表面S的形状使测量部210上下动的上下驱动机构220；以及检测测量部210的上下位移量的位移量检测传感器230。
测量部210，是在背景技术中说明过的振动型接触式探头200，包括：在前端具有接触部212的触针211；支承上述触针211的触针座213；设置于上述触针座213，使触针211在轴方向以固有频率稳定振动的激振单元214；以及检测触针211的振动变化并输出检测信号的检测单元217。
激振单元214，由压电元件215、和振荡电路216构成，其中，该压电元件215设置于触针座213，使触针211振荡；该振荡电路216向上述压电元件215施加预定频率的输出信号(脉冲或者正弦波信号等)。
检测单元217，由压电元件218、和检测电路219构成，其中，该压电元件218对触针211的振动进行电压变换；检测电路219检测来自上述压电元件218的电压并输出检测信号。
测量力检测电路219，在检测来自压电元件218的电压时，将在接触部212为自由振动的状态下所检测的电压与在接触部212接触被测量物表面S而受到抑制的状态下所检测的电压的差，作为接触部212从被测量物表面S受到的测量力的信息输出。例如，参照图2，根据从非接触时的电压值L1中减去了参照值L2后的值，由测量力检测电路219检测测量力，其中，上述参照值L2是以预定测量力将接触部212压入到被测量物表面S时的电压值。
上下驱动机构220，是使测量部210上下动的机构，例如，利用压电元件的伸缩、电磁驱动器的可动线圈的上下动，在上下方向驱动测量部210。
另外，上下驱动机构220安装于三维驱动机构300，该三维驱动机构300使探头200在X、Y、Z各个方向上移动。
此处，由三维驱动机构300和上下驱动机构220构成移动单元。
由激振单元214和检测单元217构成测量力检测单元。
位移量检测传感器230，由包括标尺(scale)231和检测头232的线性编码器构成，其中，该标尺231与测量部210构成为一体地上下动；该检测头232检测标尺231的位移。
三维驱动机构300，与在背景技术中说明的结构相同，利用具有X、Y、Z方向滑动机构的三维驱动机构。
上下驱动机构控制部400，包括仿形测量控制部410、触碰测量控制部420、探头计数器430、切换部440、以及驱动电路450。
仿形测量控制部410，控制上下驱动机构220，以使测量部210的接触部212以预先设定的预定的仿形指定测量力对被测量物表面S抵接的同时对被测量物表面S进行仿形测量。
仿形测量控制部410，包括测量力比较部411。
向测量力比较部411输入由测量力检测电路219所检测的测量力信号和来自外部的仿形指定测量力信号，测量力比较部411，对来自测量力检测电路219的测量力信号和来自外部的仿形指定测量力进行比较，向驱动电路450输出驱动信号使得测量力恒定且为仿形指定测量力。
例如，在所检测的测量力比仿形指定测量力大时，使测量部210朝上方移动以减轻接触部212的压入，在所检测的测量力小时，使测量部210向下方移动以将接触部212压入到被测量物表面S，使测量力恒定且为仿形指定测量力。
在此，仿形指定测量力，如图2所示那样，设定为从非接触时的电压值L1中减去了第1参照值L2后的值，其中，上述第1参照值L2是以预定测量力将接触部212压入到被测量物表面S时的电压值。即、在以仿形指定测量力进行仿形测量的情况下，来自压电元件218的电压值恒定且为第1参照值L2。
触碰测量控制部420，在进行触碰测量时，检测出接触部212接触到了被测量物表面S，上述触碰测量为交替重复接触部212对被测量物表面S的离开和接触(触碰)。
触碰测量控制部420，包括接触检测部421。
接触检测部421，在来自测量力检测电路219的测量力信号达到了触碰检测测量力时，检测出测量部210接触(触碰)到了被测量物表面S，并输出触碰检测信号。
在此，触碰检测测量力，如图3所示那样，设定为比仿形指定测量力小的值。即、通过比第1参照值L2高的电压(第2参照值L3)设定触碰检测测量力。
另外，触碰测量在交替重复地进行接触部212对被测量物表面S的离开和接触(触碰)时，像这样的触碰测量的动作由三维驱动机构300实施。即、在进行触碰测量的过程中，从触碰测量控制部420向驱动电路450输出停止上下驱动机构220的动作的驱动信号。由此，输入到驱动电路450的驱动信号被固定为预定值，上下驱动机构220在预定的位置停止。在这种情况下，也可以是将位移量检测传感器230的输出用作反馈信号，通过所谓的伺服锁定(servo lock)使上下驱动机构220停止在预定的位置。并且，将来自接触检测部421的触碰信号输出到控制器部500，由控制器部500进行驱动控制，使得三维驱动机构300根据触碰信号进行触碰测量。
探头计数器430，对来自位移量检测传感器230的信号进行计数，并对由上下驱动机构220引起的测量部210的Z方向位移量进行计数。
切换部440将来自测量力检测电路219的测量力信号的输出目的地在仿形测量控制部410、和触碰测量控制部420之间切换。切换部440，具有仿形测量侧端子441、和触碰测量侧端子442，用户通过切换操作部443用手动进行切换操作。
驱动电路450，根据驱动信号输出控制上下驱动机构220的上下动的控制信号。
例如，在启动了仿形测量控制部410的情况下，输出用于进行使测量力恒定且为仿形指定测量力的仿形测量的控制信号。
此外，在启动了触碰测量控制部420的情况下，输出用于进行触碰测量动作的控制信号，具体来说，在进行触碰测量期间，使上下驱动机构220的动作停止。另外，在进行触碰测量时，探头仅通过三维驱动机构300来进行移动。
控制器部500，包括三维驱动机构控制部510、计数器部520、形状分析部530、以及CPU(Central Processing Unit)540。
三维驱动机构控制部510，驱动控制三维驱动机构300，使探头200向X方向、Y方向和Z方向移动。例如，在进行仿形测量的情况下，使探头200朝预定的仿形方向移动。
另外，接触部212对被测量物表面S的细微凹凸的微小位移，通过上下微动机构220来处理，因此，三维驱动机构300，只需使探头200向仿形方向移动即可。
此外，在进行触碰测量的情况下，交替重复探头200对被测量物表面S的接近和离开。
此时，使接触部212朝被测量物表面S接近，在接收接触部212接触到被测量物表面S时的来自接触检测部421的触碰信号之前，压入接触部212。在接收到触碰信号时，使接触部212从被测量物表面S离开，在下一个取样点使接触部212向被测量物表面S接近。另外，触碰测量中的下一个取样点，根据已测量完成的取样点的测量数据进行预测。
在此，由上下驱动机构控制部400和控制器部500构成驱动控制部。
计数器部520，包括三维计数器521、和锁存计数器522(latchcounter)。
三维计数器521，对未图示的线性编码器的输出进行计数，该未图示的线性编码器在X方向、Y方向、Z方向分别检测三维驱动机构300的驱动量。
锁存计数器522，接收从接触检测部421输出的触碰信号，对三维计数器521的计数值进行锁存。即、对接触部212以触碰检测测量力接触(触碰)到被测量物表面S时的三维驱动机构300的驱动量进行锁存。
在此，由分别检测X方向、Y方向、Z方向的驱动量的线性编码器与位移量检测传感器230构成位移检测单元，由三维计数器521和探头计数器430构成计数器。
形状分析部530，根据由探头计数器430和计数器部520计数的探头位移和三维驱动机构300的位移，计算被测量物表面形状。
例如，在进行了仿形测量的情况下，合成由探头计数器430计数的探头位移与由三维计数器521计数的三维驱动机构300的驱动量，计算接触部212的移动轨迹。
该接触部212的移动轨迹为被测量物表面形状。
此外，在进行了触碰测量的情况下，根据由锁存计数器522锁存的三维驱动机构300的位移标定(plot)被测量物表面S的位置，分析测量物表面S的形状。
另外，无论是进行仿形测量的情况，还是进行触碰测量的情况，形状分析部530都从已测量完成的取样点预测下一个被测量物表面形状，向仿形测量控制部410和三维驱动机构控制部510输出预测结果。
另外，CPU540，控制控制器部500，并且朝测量力比较部411输出仿形指定测量力的命令。
对具有像这样的结构的第1实施方式的动作进行说明。
例如，对图4所示的测量被测量物表面S的形状的情况进行说明。
首先，在图4中，当从左向右进行测量时，首先，由于被测量物表面S是与触针211正交的水平面，因此，进行仿形测量。
这样，手动操作切换操作部443，将切换部440连接到仿形测量侧端子441。
在进行仿形测量时，探头200由三维驱动机构300向仿形方向(在图4中为从左到右)移动。当接触部212抵接到被测量物表面S时，由测量力检测电路219检测从被测量物表面S作用于接触部212的测量力，经由切换部440输入到仿形测量控制部410的测量力比较部411。
来自测量力检测电路219的测量力信号，在测量力比较部411中与仿形指定测量力进行比较。根据该比较结果，从测量力比较部411向驱动电路450输出驱动信号使得测量力恒定且为仿形指定测量力。
上下驱动机构200由来自驱动电路450的信号驱动而上下动，使得接触部212以恒定的测量力抵接被测量物。于是，进行对应于被测量物表面S的凹凸的仿形测量。由位移量检测传感器230检测进行仿形测量时的测量部210的上下动位移，用探头计数器430对来自该传感器的传感器信号进行计数，计算由上下驱动机构220引起的接触部212的位移量。
此外，由三维驱动机构300引起的探头200的位移，由三维计数器521计数。通过形状分析部530合成由探头计数器430计数的上下驱动机构220的位移与由三维计数器521计数的三维驱动机构300的位移，求出接触部212的移动轨迹，求出被测量物表面形状。
当从左向右测量图4所示的被测量物表面S时，被测量物表面S从水平逐渐变倾斜，倾斜角逐渐变大。
这样，当被测量物表面S从水平开始倾斜的倾斜角比预定值大时，接触部212接触被测量物表面S的方向从作为测量力检测方向的触针轴方向偏移，因而不能正确地检测测量力。而且，当被测量物表面S的倾斜变大时，在由上下驱动机构220引起的微小位移下，使接触部212沿着被测量物表面S移动变得困难。为此，在被测量物表面S的倾斜变大的情况下，继续仿形测量是不合适的。
在用户判断出进行仿形测量不合适的情况下，手动操作切换操作部443，将切换部440连接到触碰测量侧端子442，将测量模式从仿形测量变更为触碰测量。
在进行触碰测量时，上下驱动机构220的驱动停止，进行利用三维驱动机构300使接触部212向被测量物表面S接近和从被测量物表面S离开的触碰测量。
利用三维驱动机构330使接触部212朝被测量物表面S移动，当接触部212接触到被测量物表面S时，由测量力检测电路219检测从被测量物表面S作用于接触部212的测量力。来自测量力检测电路219的测量力信号被输入到接触检测部421，在接触检测部421中与触碰检测测量力进行比较。在测量力信号达到触碰检测测量力之前，向被测量物表面S压入接触部212，在达到触碰检测测量力时，从接触检测部421输出触碰信号(参照图3)。另外，触碰检测测量力，是比仿形指定测量力小的值，因此，当接触部212轻微接触被测量物表面S时输出触碰信号。
触碰信号被输入到三维驱动机构控制部510，当接收到触碰信号时，接触部212从被测量物表面S离开，然后在下一个取样点进行接触部212的接触和离开。触碰信号被输入到锁存计数器522，锁存计数器522接收锁存信号而锁存三维计数器521的计数值，输出到形状分析部530。
由形状分析部530标定输出了触碰信号时的接触部212的位置，求出被测量物表面形状。
根据像这样的第1实施方式，能够取得如下的效果。
(1)在由于被测量物表面S的倾斜等，接触部212与被测量物表面S的接触方向从测量力检测方向偏移时，从仿形测量切换为触碰测量，在触碰测量中，设定比仿形指定测量力小的触碰检测测量力，从而能通过检测小的测量力来检测出接触部212接触到了被测量物表面S。在进行触碰测量时，由于在达到作为小的值的触碰检测测量力的时刻，检测出接触部212触碰到了被测量物表面S，因此，不会将接触部212强力地压入到被测量物表面S。而且，在触碰测量中，因为不使接触部212与被测量物表面S强力抵接，所以能够减小触针211和被测量物表面S的变形，从而高精度地检测被测量物表面S。即、即使是不能进行仿形测量的区域，也能够通过触碰测量高精度地测量被测量物表面S。
(2)在对被测量物表面S进行触碰测量的情况下，当锁存计数器522接收到检测信号时，锁存三维计数器521的计数值，因此，将接触部212与被测量物表面S接触而检测出触碰检测测量力时的接触部212的位置锁存。从而能够根据该被锁存的数据求出被测量物表面形状。
(3)用户视被测量物表面S的倾斜、曲率，选择被测量物表面S中的进行仿形测量的部分与进行触碰测量的部分，通过切换操作部443，用户能够任意地切换切换部440来选择测量模式，因此，例如，与装置自身一边重复仿形测量与触碰测量地反复尝试，一边自动选择最佳的测量模式的情况相比，能够迅速并且准确地进行测量模式的选择，能够高效率地确保测量。
(变形例1)
接着，参照图5对本发明的变形例1进行说明。
变形例1的基本结构与第1实施方式相同，其特征在于，包括切换控制切换部440的切换控制部444，根据测量力信号自动进行切换控制。
在图5中，变形例1，取代切换操作部443，具有切换控制部444。
来自测量力检测电路219的测量力信号被输入到切换控制部444，切换控制部444按照该测量力信号的变化进行切换部440的切换控制。即、在仿形测量中将接触部212向被测量物表面S压入，使得测量力恒定且为预定的仿形指定测量力时，通过使接触部212在触针211的轴方向振动而在沿着触针211的轴方向的方向上进行测量力的检测。
但是，当被测量物表面S从水平开始倾斜，从与触针轴方向大致正交的方向倾斜时，接触部212不从触针轴方向抵接被测量物表面S，因此，来自测量力检测电路219的测量力信号发生紊乱。
例如，如图6所示，当被测量物表面S出现倾斜时，在仿形测量中不能将测量力信号保持为恒定值，测量力信号出现大的振动。切换控制部444，在测量力信号的振幅超出了预定值时，将切换部440连接到触碰测量侧端子442而转移至触碰测量。这样，检测触碰信号的同时进行触碰测量。
根据像这样的变形例1，能够取得如下的效果。
(4)切换控制部444根据由测量力检测电路219检测出的测量力切换控制切换部440，因此，不需要用户进行判断并切换这样的操作，更为简便。而且，通过自动切换，即使是在仿形测量中不能测量的表面形状，也能够自动地通过触碰测量进行形状测量。
(变形例2)
在上述变形例1中，对根据来自测量力检测电路219的测量力信号利用切换控制部444进行切换部440的切换控制的情况进行了说明，除此之外，切换控制部444还可以根据被测量物表面S的形状进行切换部440的切换控制。
在根据被测量物表面S的形状进行仿形测量与触碰测量的切换时，也可以根据已测量的最近一次的测量数据推测被测量物表面S，选择是仿形测量还是触碰测量。例如，还可以从已经取得的最近一次的多个点的数据计算被测量物表面S的曲率或者倾斜角，将该曲率、倾斜角与预定的阈值进行比较来切换仿形测量与触碰测量。如果被测量物表面S的曲率非常小，则能够进行仿形测量，反之，如果曲率大，则切换为触碰测量。此外，如果被测量物表面S的倾斜角为从水平到预定范围内，则能够进行仿形测量，反之，在被测量物表面S的倾斜角超过预定范围的情况下，则切换为触碰测量。
或者，例如也可以是，首先通过触碰测量大致测量整个被测量物表面，从该测量数据计算被测量物表面S的各处的曲率或者倾斜，根据曲率或者倾斜的数据，切换仿形测量与触碰测量，并且再次测量被测量物表面形状。
此外，还可以是根据被测量物的设计数据计算被测量物表面S的曲率、倾斜角，切换仿形测量与触碰测量。
根据像这样的变形例2，能够取得如下的效果。
(5)对被测量物的表面形状进行分析，例如，根据曲率、倾斜等进行切换为触碰测量的切换控制，因此，不需要用户进行判断并切换这样的操作，更为简便。而且，通过自动切换，即使是在仿形测量中不能测量的表面形状，也能够自动地通过触碰测量进行形状测量。
(变形例3)
接着，对本发明的变形例3进行说明。
变形例3的基本结构与第1实施方式相同，其特征在于，在仿形测量中，使仿形测量力为可变的。
当被测量物表面S的曲率或者倾斜角在预定范围时进行仿形测量，此时，按照被测量物表面S的曲率或者倾斜角变更仿形指定测量力。例如，在进行仿形测量的过程中，当被测量物表面S的曲率或者倾斜角大时，按照曲率、倾斜将仿形指定测量力变更为小的值。
当被测量物表面S的曲率或者倾斜角大时，接触部212与被测量物表面S接触的方向从作为测量力检测方向的触针211的轴方向偏移。此时，由测量力检测电路219检测被测量物表面S施加到接触部212的测量力中的触针轴方向的分力。因此，在被测量物表面S倾斜着的情况下，在将由测量力检测电路219检测出的测量力控制为仿形指定测量力时，接触部212与被测量物表面S之间的测量力并不成为仿形指定测量力，从而将接触部212过于强力地压入到被测量物表面S。
这一点通过按照被测量物表面S的曲率或者倾斜来变更仿形指定测量力，就能够进行将被测量物表面S与接触部212之间的测量力高精度地保持为恒定的仿形测量。
(第2实施方式)
参照图7对本发明的第2实施方式进行说明。
第2实施方式的基本结构，与第1实施方式相同，其特征在于，探头200的上下驱动机构600，包括使测量部210进行细微的移动的微动机构610、和使测量部210与上述微动机构610一起进行大的移动的粗动机构620。
即、由响应速度快的微动机构610、和可动范围大的粗动机构620构成上下驱动机构600，在进行仿形测量时，对于被测量物表面的凹凸，对细微的凹凸通过微动机构610迅速地处理，对于波动等大的变化通过粗动机构620处理，在进行仿形测量时，使接触部高精度并且迅速地沿着被测量物表面进行仿形移动。
以下，对第2实施方式的结构进行具体说明。
在图7中，表面形状测量装置100，包括探头200、三维驱动机构300、上下驱动机构控制部700、以及控制器部500。
探头200，包括测量部210、上下驱动机构600、以及位移量检测传感器230。测量部210和位移量检测传感器230的结构，与第1实施方式相同。
上下驱动机构600，包括使测量部210在微小范围移动的微动机构610、和使测量部210与上述微动机构610一起大范围移动的粗动机构620。微动机构610包括固定于粗动机构620的可动部643的微动固定部611、和设置于上述微动固定部611的压电元件612。在压电元件612的下端侧设置有测量部210。
粗动机构620由电磁驱动器640构成，该电磁驱动器640包括固定于作为框体的外壳(housing)630的永久磁铁641、和在由上述永久磁铁形成的磁场中向上下方向移动的可动线圈642。在可动线圈642的下端设置有与可动线圈642一体地移动的可动部643。可动部643，由空气轴承660保持为可相对于与外壳630构成为一体的粗动固定部650滑动。另外，外壳630安装于三维驱动机构300，探头200通过X、Y，Z驱动轴进行三维移动。
位移量检测传感器230，由线性编码器构成，该线性编码器包括：标尺231，保持于设置在微动机构610的下端与测量部210的上端之间的可动部分613上，在与微动机构610和粗动机构620的位移方向平行的方向上移动；和检测头232，设置于粗动固定部650，检测标尺231的位移量。位移量检测传感器230，检测测量部210相对于外壳630的位移量。即、位移量检测传感器230，检测粗动机构620和微动机构610的合成位移量。位移量检测传感器230的检测结果被作为位移量信号输出。
上下驱动机构控制部700，包括驱动控制微动机构610的微动机构控制部710、和驱动控制粗动机构620的粗动机构控制部720。
微动机构控制部710，包括：测量力比较部711，对预先设定的仿形指定测量力与来自测量力检测电路219的测量力信号进行比较，输出测量力的差；微动位移信息计算部712，根据从测量力比较部711输出的测量力的差，计算微动机构610的微动位移信息；微动机构驱动放大器713，根据来自微动位移信息计算部712的位移量信息，驱动微动机构610的压电元件612；接触检测部714，通过来自测量力检测电路219的测量力信号检测测量部210与被测量物表面S的接触，并输出触碰信号；第1切换部715，在测量力比较部711与接触检测部714之间切换来自测量力检测电路219的测量力信号的输出目的地；以及第2切换部716，设置于微动位移信息计算部712与微动机构驱动放大器713之间。
测量力比较部711，对预先设定的仿形指定测量力与来自测量力检测电路219的测量力信号进行比较，计算并输出实际作用于测量部210的测量力与所指定的仿形指定测量力的差。
微动位移信息计算部712，根据从测量力比较部711输出的信号(仿形指定测量力与测量力信号的差)，计算为了将测量力保持为仿形指定测量力所需要的微动机构610的位移量，并作为微动位移信息输出。由微动位移信息计算部712计算的微动位移信息，经由第2切换部716向微动机构驱动放大器713输出，其中，该微动机构驱动放大器713驱动微动机构610的压电元件612。
微动机构驱动放大器713，由用于驱动压电元件612的驱动放大器构成，根据由微动位移信息命令的位移量计算施加于压电元件612的电压，将该电压施加到压电元件612上。
接触检测部714，根据来自测量力检测电路219的测量力信号检测测量部210接触到了被测量物表面S。
在此，在接触检测部714，以作为比仿形指定测量力小的测量力的触碰检测测量力检测接触并输出触碰信号，这一点与第1实施方式相同。
第1切换部715，具有仿形测量侧端子715a和触碰测量侧端子715b。仿形测量侧端子715a与测量力比较部711连接，触碰测量侧端子715b与接触检测部714连接。
第2切换部716，具有仿形测量侧端子716a和触碰测量侧端子716b。仿形测量侧端子716a与微动位移信息计算部712连接。此外，在触碰测量侧端子716b上，没有输入任何信号。即、在进行触碰测量时微动机构610处于固定状态。
粗动机构控制部720，包括：粗动位移控制部730，控制粗动机构620的位移量；粗动速度控制部740，控制粗动机构620的驱动速度；以及粗动机构驱动放大器750，控制赋予粗动机构620的电流值。
粗动位移控制部730，包括生成粗动机构620的速度命令值的位置补偿器731、位置比较器732、以及第3切换部733。
位置补偿器731，根据经由第3切换部733输入的信号生成粗动机构620的速度命令值。位置补偿器731，例如，包括相位补偿器、PI补偿器、以及滤波器等。来自位置补偿器731的输出，作为粗动机构620的速度命令值被发送到下一个粗动速度控制部740。
在位置比较器732中输入了触碰测量中粗动机构620的固定位置的命令与当前的粗动机构620的位移量信息。在触碰测量中，当粗动机构620未被驱动而被固定在预定的位置时，粗动机构620被固定于固定的命令位置。从由探头计数器741计数的粗动机构620与微动机构610的合成位移中减去微动位移信息之后的值，即粗动机构620的位移量输入到位置比较器732，位置比较器732，将固定位置的命令与粗动机构620的位移量的差输出到触碰测量侧端子733b。
第3切换部733，在进行仿形测量时与进行触碰测量时，在仿形测量侧端子733a与触碰测量侧端子733b之间切换对位置补偿器731的输入信号。仿形测量侧端子733a，被输入了由微动位移信息计算部712计算的微动位移信息。
粗动速度控制部740，包括：探头计数器741；位移比较器742，比较由探头计数器741计数的位移信息和由微动位移信息计算部712计算的微动位移信息，并输出它们的差；微分电路743，对由位移比较器742计算的结果进行微分，得到速度信息；速度比较器744，比较来自微分电路743的速度信息与来自粗动位移控制部730的粗动速度命令值，计算它们的差(速度偏差)；以及速度补偿器745，根据来自速度比较器744的信号值生成电流命令值。
位移比较器742，比较由微动位移信息计算部712计算的微动位移信息与由探头计数器741计算的测量部210的位移量，计算它们的差。微分电路743，计算来自位移比较器742的输出值的微分值。在此，微动位移信息的微分值代表微动机构610的驱动速度，测量部210的位移量的微分值代表微动机构610和粗动机构620的合成驱动速度。因此，来自微分电路743的输出值，代表粗动机构620的速度。通过具有该速度反馈的环路(loop)，能够使粗动机构620的速度稳定。
速度比较器744，比较来自粗动位移控制部730的粗动速度命令值和来自微分电路743的速度信息，计算它们的差，输出要进一步对粗动机构620施加的驱动速度的信号。
速度补偿器745，对来自速度比较器744的信号进行特性补偿，并且根据来自速度比较器744的信号(速度信息)，求出为了实现由速度比较器744所得的速度而要对粗动机构620施加的电流值。速度补偿器745，包括例如相位补偿器、PI补偿器、滤波器等，用于改善频率特性。由速度补偿器745所得的电流命令值，被发送到粗动机构驱动放大器750。
粗动机构驱动放大器750，由驱动作为粗动机构620的电磁驱动器640的线圈放大器构成，向可动线圈642施加电流，该电流与要根据来自速度补偿器745的电流命令值进一步对粗动机构620施加的速度相适合。
控制器部500的结构，与第1实施方式相同，包括计数器部520、形状分析部530、三维驱动机构控制部510、以及CPU540，其中，该计数器部520具有三维计数器521和锁存计数器522。
对具有像这样的结构的第2实施方式的动作进行说明。
首先，对进行仿形测量的情况进行说明。。
在进行仿形测量的情况下，将从第1到第3切换部715、716、733切换至仿形测量端子715a、716a、733a。然后，将仿形指定测量力输入到测量力比较部711。由上下驱动机构控制部700控制上下驱动机构600(微动机构600、粗动机构620)以达到该仿形指定测量力。
使接触部212与被测量物表面S接触，通过安装了上下驱动机构600的三维驱动机构300的X轴或者Y轴、即使测量部210沿着被测量物表面S进行扫描的驱动轴使探头200移动。当接触部212接触到被测量物表面S时，由测量力检测电路219检测此时从被测量物表面S作用于接触部212的测量力，经由第1切换部715输入到测量力比较部711。测量力比较部711，对仿形指定测量力与测量力信号进行比较，计算它们的差(测量力偏差)，输出到微动位移信息计算部712。
在微动位移信息计算部712中，计算为了消除仿形指定测量力与所检测的测量力的偏差所需要的接触部212的移动量，并作为微动位移信息输出。
从微动位移信息计算部712输出的微动位移信息被分路，一路被发送至微动机构驱动放大器713，来驱动微动机构610，另一路被发送至粗动机构控制部720，用于粗动机构620的驱动控制。微动机构驱动放大器713，向微动机构610的压电元件612施加电压值，该电压值是以由微动位移信息所命令的位移量驱动微动机构610所需要的值。由此，测量部210进行移动使得测量力恒定且为仿形指定测量力。
由微动位移信息计算部712计算的微动位移信息，在粗动机构控制部720的内部进一步分路，一路被发送至位置比较器732，形成进行粗动机构620的位移量的控制的环路，另一路被发送至位移比较器742，形成粗动机构620的速度控制的环路。
微动位移信息，经由第1切换部715的仿形测量侧端子715a被发送至位置补偿器731，作为为了补偿微动机构610的位移而将微动机构610的位移控制在预定的微小范围所需要的速度命令，输出到速度比较器744。
接触部212的位移，由位移检测传感器检测，作为位移量信号发送至探头计数器741。通过探头计数器741对位移量信号进行计数，计算作为粗动机构620与微动机构610的合成位移的接触部212的位移。由探头计数器741计数的接触部212的位移量被发送至位移比较器742。另一方面，来自探头计数器741的接触部212的实际位移量，被发送至形状分析部530，成为测量数据。
通过位移比较器742比较微动位移信息和从探头计数器741输出的位移信息，计算它们的差。来自位移比较器742的输出被发送至微分电路743进行微分，并作为速度信息发送至速度比较器744。
在速度比较器744中，比较来自位置补偿器731的输出值和来自微分电路743的速度信息，计算它们的差。计算结果代表要进一步对粗动机构620施加的速度，通过速度补偿器745，转换成要进一步对粗动机构620施加的电流值。来自速度补偿器745的输出，代表要进一步对粗动机构620施加的电流值，输出至粗动机构驱动放大器750。粗动机构驱动放大器750，根据从速度补偿器745输入的电流值，向粗动机构620的可动线圈642施加电流。这样，可动线圈642在永久磁铁641的磁场中移动，粗动机构620被驱动。当可动线圈642进行移动时，可动部643进行移动，此时微动机构610与测量部210进行移动。
如此，测量部210通过微动机构610和粗动机构620进行移动。
接触部212的位移量，从探头计数器741输出至形状分析部530。由探头计数器741计数的接触部212的位移量连同三维驱动机构300的驱动量一起被处理，作为被测量物表面S的测量数据。
接着，对进行触碰测量的情况进行说明。
在进行触碰测量时，将从第1到第3切换部715、716、733连接到测量端子715b、716b、733b。然后，将粗动机构620的固定位置信息输入到位置比较器732。另外，从位移比较器742输出由探头计数器741计数的接触部位移与来自微动位移信息计算部712的微动位移信息的差，输入至第3切换部733的位置比较器732。这样，在位置比较器732中，输出用于使粗动机构620移动到固定位置的信号，从触碰测量侧端子733b，经由粗动速度控制部740、粗动机构驱动放大器750，向可动线圈642施加预定的电流，将粗动机构620的可动线圈642控制在固定位置。将粗动机构620固定在该固定位置。此外，当第2切换部716被切换至触碰测量侧端子716b时，触碰测量侧端子716b被输入例如0信号，因此，微动机构610不被驱动，成为压电元件612的自然的长度的状态。在这种情况下，也可以向触碰测量侧端子716b施加预定的信号，使压电元件612定位于固定位置。
在这种状态下，通过三维驱动机构300移动探头200，进行触碰测量。即、通过三维驱动机构300朝被测量物表面S移动接触部212，当接触部212接触到被测量物表面S时，由测量力检测电路219检测从被测量物表面S作用于接触部212的测量力。来自测量力检测电路219的测量力信号经由第1切换部715被输入到接触检测部714，在接触检测部714中，与触碰检测测量力进行比较。在测量力信号达到触碰检测测量力之前，向被测量物表面S压入接触部212，在达到触碰检测测量力时，从接触检测部714输出触碰信号。
触碰信号被输入到三维驱动机构控制部510，当接收到触碰信号时，接触部212从被测量物表面S离开，而且在下一个取样点进行接触部212的接触和离开。触碰信号被输入到锁存计数器522，锁存计数器522接收锁存信号，锁存三维计数器521的计数值，并输出到形状分析部530。由形状分析部530标定输出了触碰信号时的接触部212的位置，求出被测量物表面S形状。
根据具有像这样的结构的第2实施方式，能够取得如下的效果。
由于具有微动结构610和粗动机构620，所以在仿形测量中，对于被测量物表面S的微小凹凸，能够通过响应速度快的微动机构610使接触部212进行微小移动，对于被测量物表面S的大的形状变化(起伏等)，能够通过可允许大的位移的粗动机构620来处理(参照图8)。
(变形例4)
对本发明的变形例4进行说明。
在被测量物表面S倾斜的情况下，接触部212从相对于触针轴方向偏移了的方向抵接被测量物表面S。此时，在触针211上作用与轴交叉的力，因此，触针211发生弯曲。当触针211像这样发生弯曲时，接触部212与被测量物表面S的抵接位置偏移触针211弯曲的量。因此，对形状分析部530，在X、Y、Z方向分别设定以被测量物表面S的倾斜角和测量时的测量力确定的校正参数，通过该校正参数对所检测的测量数据进行校正。根据该结构，即使在被测量物表面S具有倾斜的情况下，也能高精度地求出被测量物表面S的形状。
另外，本发明不限于上述实施方式，在能够实现本发明的目的的范围内的变形、改进等都包含在本发明内。
例如，作为测量力检测单元，虽然说明了以激振单元和检测单元构成的例子，但除此之外，也可以是通过应变仪检测检测力的结构。
虽然在第2实施方式中没有对从第1至第3切换部715、716、733的切换动作进行说明，但既可以是像第1实施方式那样手动进行切换操作，也可以像变形例1或者变形例2那样自动进行切换。
虽然在各实施方式中，锁存计数器只描述了锁存三维计数器521的锁存计数器522，但不限于此，也可以设置锁存探头计数器430的探头锁存计数器，将锁存计数器522和探头锁存计数器构成为锁存计数器，根据由这2个锁存计数器锁存的接触部212的位置，计算被测量物表面形状。例如，在通过伺服锁定等使上下驱动机构220在预定的位置停止的情况下，如果进行触碰测量，则有时测量部210会产生微小位移(或者由于温度漂移(drift)产生细微位移)，因此，在进行高精度的测量的情况下，优选一并使用像这样的探头锁存计数器。
此外，虽然在各实施方式中，作为位移检测单元，表示了线性编码器，但不限于此，也可以是模拟检测器、模拟干涉仪等非接触式检测器。而且，计数器既可以是将模拟检测器的输出进行AD转换以数字量输出的，也可以是以模拟量输出的。
(第1实施方式)
对本发明的表面形状测量装置的第1实施方式进行说明。
图1是表示本发明的表面形状测量装置100的第1实施方式的结构的图。
作为第1实施方式，说明将表面大致平坦的被测量物呈大致水平地配置，使探头200从该被测量物表面S的上方接近(approach)被测量物表面S进行测量的情况。
表面形状测量装置100，包括：利用上下驱动机构220使抵接被测量物表面S的测量部210移动的同时检测被测量物表面S的探头200；使上述探头200进行三维移动的三维驱动机构300；控制驱动上下驱动机构220的上下驱动机构控制部400；以及进行整体的动作控制的控制器部500。
探头200，包括：与被测量物S接触以检测对被测量物表面S的测量力的测量部210；按照被测量物表面S的形状使测量部210上下动的上下驱动机构220；以及检测测量部210的上下位移量的位移量检测传感器230。
测量部210，是在背景技术中说明过的振动型接触式探头200，包括：在前端具有接触部212的触针211；支承上述触针211的触针座213；设置于上述触针座213，使触针211在轴方向以固有频率稳定振动的激振单元214；以及检测触针211的振动变化并输出检测信号的检测单元217。
激振单元214，由压电元件215、和振荡电路216构成，其中，该压电元件215设置于触针座213，使触针211振荡；该振荡电路216向上述压电元件215施加预定频率的输出信号(脉冲或者正弦波信号等)。
检测单元217，由压电元件218、和检测电路219构成，其中，该压电元件218对触针211的振动进行电压变换；检测电路219检测来自上述压电元件218的电压并输出检测信号。
测量力检测电路219，在检测来自压电元件218的电压时，将在接触部212为自由振动的状态下所检测的电压与在接触部212接触被测量物表面S而受到抑制的状态下所检测的电压的差，作为接触部212从被测量物表面S受到的测量力的信息输出。例如，参照图2，根据从非接触时的电压值L1中减去了参照值L2后的值，由测量力检测电路219检测测量力，其中，上述参照值L2是以预定测量力将接触部212压入到被测量物表面S时的电压值。
上下驱动机构220，是使测量部210上下动的机构，例如，利用压电元件的伸缩、电磁驱动器的可动线圈的上下动，在上下方向驱动测量部210。
另外，上下驱动机构220安装于三维驱动机构300，该三维驱动机构300使探头200在X、Y、Z各个方向上移动。
此处，由三维驱动机构300和上下驱动机构220构成移动单元。
由激振单元214和检测单元217构成测量力检测单元。
位移量检测传感器230，由包括标尺(scale)231和检测头232的线性编码器构成，其中，该标尺231与测量部210构成为一体地上下动；该检测头232检测标尺231的位移。
三维驱动机构300，与在背景技术中说明的结构相同，利用具有X、Y、Z方向滑动机构的三维驱动机构。
上下驱动机构控制部400，包括仿形测量控制部410、触碰测量控制部420、探头计数器430、切换部440、以及驱动电路450。
仿形测量控制部410，控制上下驱动机构220，以使测量部210的接触部212以预先设定的预定的仿形指定测量力对被测量物表面S抵接的同时对被测量物表面S进行仿形测量。
仿形测量控制部410，包括测量力比较部411。
向测量力比较部411输入由测量力检测电路219所检测的测量力信号和来自外部的仿形指定测量力信号，测量力比较部411，对来自测量力检测电路219的测量力信号和来自外部的仿形指定测量力进行比较，向驱动电路450输出驱动信号使得测量力恒定且为仿形指定测量力。
例如，在所检测的测量力比仿形指定测量力大时，使测量部210朝上方移动以减轻接触部212的压入，在所检测的测量力小时，使测量部210向下方移动以将接触部212压入到被测量物表面S，使测量力恒定且为仿形指定测量力。
在此，仿形指定测量力，如图2所示那样，设定为从非接触时的电压值L1中减去了第1参照值L2后的值，其中，上述第1参照值L2是以预定测量力将接触部212压入到被测量物表面S时的电压值。即、在以仿形指定测量力进行仿形测量的情况下，来自压电元件218的电压值恒定且为第1参照值L2。
触碰测量控制部420，在进行触碰测量时，检测出接触部212接触到了被测量物表面S，上述触碰测量为交替重复接触部212对被测量物表面S的离开和接触(触碰)。
触碰测量控制部420，包括接触检测部421。
接触检测部421，在来自测量力检测电路219的测量力信号达到了触碰检测测量力时，检测出测量部210接触(触碰)到了被测量物表面S，并输出触碰检测信号。
在此，触碰检测测量力，如图3所示那样，设定为比仿形指定测量力小的值。即、通过比第1参照值L2高的电压(第2参照值L3)设定触碰检测测量力。
另外，触碰测量在交替重复地进行接触部212对被测量物表面S的离开和接触(触碰)时，像这样的触碰测量的动作由三维驱动机构300实施。即、在进行触碰测量的过程中，从触碰测量控制部420向驱动电路450输出停止上下驱动机构220的动作的驱动信号。由此，输入到驱动电路450的驱动信号被固定为预定值，上下驱动机构220在预定的位置停止。在这种情况下，也可以是将位移量检测传感器230的输出用作反馈信号，通过所谓的伺服锁定(servo lock)使上下驱动机构220停止在预定的位置。并且，将来自接触检测部421的触碰信号输出到控制器部500，由控制器部500进行驱动控制，使得三维驱动机构300根据触碰信号进行触碰测量。
探头计数器430，对来自位移量检测传感器230的信号进行计数，并对由上下驱动机构220引起的测量部210的Z方向位移量进行计数。
切换部440将来自测量力检测电路219的测量力信号的输出目的地在仿形测量控制部410、和触碰测量控制部420之间切换。切换部440，具有仿形测量侧端子441、和触碰测量侧端子442，用户通过切换操作部443用手动进行切换操作。
驱动电路450，根据驱动信号输出控制上下驱动机构220的上下动的控制信号。
例如，在启动了仿形测量控制部410的情况下，输出用于进行使测量力恒定且为仿形指定测量力的仿形测量的控制信号。
此外，在启动了触碰测量控制部420的情况下，输出用于进行触碰测量动作的控制信号，具体来说，在进行触碰测量期间，使上下驱动机构220的动作停止。另外，在进行触碰测量时，探头仅通过三维驱动机构300来进行移动。
控制器部500，包括三维驱动机构控制部510、计数器部520、形状分析部530、以及CPU(Central Processing Unit)540。
三维驱动机构控制部510，驱动控制三维驱动机构300，使探头200向X方向、Y方向和Z方向移动。例如，在进行仿形测量的情况下，使探头200朝预定的仿形方向移动。
另外，接触部212对被测量物表面S的细微凹凸的微小位移，通过上下微动机构220来处理，因此，三维驱动机构300，只需使探头200向仿形方向移动即可。
此外，在进行触碰测量的情况下，交替重复探头200对被测量物表面S的接近和离开。
此时，使接触部212朝被测量物表面S接近，在接收接触部212接触到被测量物表面S时的来自接触检测部421的触碰信号之前，压入接触部212。在接收到触碰信号时，使接触部212从被测量物表面S离开，在下一个取样点使接触部212向被测量物表面S接近。另外，触碰测量中的下一个取样点，根据已测量完成的取样点的测量数据进行预测。
在此，由上下驱动机构控制部400和控制器部500构成驱动控制部。
计数器部520，包括三维计数器521、和锁存计数器522(latchcounter)。
三维计数器521，对未图示的线性编码器的输出进行计数，该未图示的线性编码器在X方向、Y方向、Z方向分别检测三维驱动机构300的驱动量。
锁存计数器522，接收从接触检测部421输出的触碰信号，对三维计数器521的计数值进行锁存。即、对接触部212以触碰检测测量力接触(触碰)到被测量物表面S时的三维驱动机构300的驱动量进行锁存。
在此，由分别检测X方向、Y方向、Z方向的驱动量的线性编码器与位移量检测传感器230构成位移检测单元，由三维计数器521和探头计数器430构成计数器。
形状分析部530，根据由探头计数器430和计数器部520计数的探头位移和三维驱动机构300的位移，计算被测量物表面形状。
例如，在进行了仿形测量的情况下，合成由探头计数器430计数的探头位移与由三维计数器521计数的三维驱动机构300的驱动量，计算接触部212的移动轨迹。
该接触部212的移动轨迹为被测量物表面形状。
此外，在进行了触碰测量的情况下，根据由锁存计数器522锁存的三维驱动机构300的位移标定(plot)被测量物表面S的位置，分析测量物表面S的形状。
另外，无论是进行仿形测量的情况，还是进行触碰测量的情况，形状分析部530都从已测量完成的取样点预测下一个被测量物表面形状，向仿形测量控制部410和三维驱动机构控制部510输出预测结果。
另外，CPU540，控制控制器部500，并且朝测量力比较部411输出仿形指定测量力的命令。
对具有像这样的结构的第1实施方式的动作进行说明。
例如，对图4所示的测量被测量物表面S的形状的情况进行说明。
首先，在图4中，当从左向右进行测量时，首先，由于被测量物表面S是与触针211正交的水平面，因此，进行仿形测量。
这样，手动操作切换操作部443，将切换部440连接到仿形测量侧端子441。
在进行仿形测量时，探头200由三维驱动机构300向仿形方向(在图4中为从左到右)移动。当接触部212抵接到被测量物表面S时，由测量力检测电路219检测从被测量物表面S作用于接触部212的测量力，经由切换部440输入到仿形测量控制部410的测量力比较部411。
来自测量力检测电路219的测量力信号，在测量力比较部411中与仿形指定测量力进行比较。根据该比较结果，从测量力比较部411向驱动电路450输出驱动信号使得测量力恒定且为仿形指定测量力。
上下驱动机构200由来自驱动电路450的信号驱动而上下动，使得接触部212以恒定的测量力抵接被测量物。于是，进行对应于被测量物表面S的凹凸的仿形测量。由位移量检测传感器230检测进行仿形测量时的测量部210的上下动位移，用探头计数器430对来自该传感器的传感器信号进行计数，计算由上下驱动机构220引起的接触部212的位移量。
此外，由三维驱动机构300引起的探头200的位移，由三维计数器521计数。通过形状分析部530合成由探头计数器430计数的上下驱动机构220的位移与由三维计数器521计数的三维驱动机构300的位移，求出接触部212的移动轨迹，求出被测量物表面形状。
当从左向右测量图4所示的被测量物表面S时，被测量物表面S从水平逐渐变倾斜，倾斜角逐渐变大。
这样，当被测量物表面S从水平开始倾斜的倾斜角比预定值大时，接触部212接触被测量物表面S的方向从作为测量力检测方向的触针轴方向偏移，因而不能正确地检测测量力。而且，当被测量物表面S的倾斜变大时，在由上下驱动机构220引起的微小位移下，使接触部212沿着被测量物表面S移动变得困难。为此，在被测量物表面S的倾斜变大的情况下，继续仿形测量是不合适的。
在用户判断出进行仿形测量不合适的情况下，手动操作切换操作部443，将切换部440连接到触碰测量侧端子442，将测量模式从仿形测量变更为触碰测量。
在进行触碰测量时，上下驱动机构220的驱动停止，进行利用三维驱动机构300使接触部212向被测量物表面S接近和从被测量物表面S离开的触碰测量。
利用三维驱动机构330使接触部212朝被测量物表面S移动，当接触部212接触到被测量物表面S时，由测量力检测电路219检测从被测量物表面S作用于接触部212的测量力。来自测量力检测电路219的测量力信号被输入到接触检测部421，在接触检测部421中与触碰检测测量力进行比较。在测量力信号达到触碰检测测量力之前，向被测量物表面S压入接触部212，在达到触碰检测测量力时，从接触检测部421输出触碰信号(参照图3)。另外，触碰检测测量力，是比仿形指定测量力小的值，因此，当接触部212轻微接触被测量物表面S时输出触碰信号。
触碰信号被输入到三维驱动机构控制部510，当接收到触碰信号时，接触部212从被测量物表面S离开，然后在下一个取样点进行接触部212的接触和离开。触碰信号被输入到锁存计数器522，锁存计数器522接收锁存信号而锁存三维计数器521的计数值，输出到形状分析部530。
由形状分析部530标定输出了触碰信号时的接触部212的位置，求出被测量物表面形状。
根据像这样的第1实施方式，能够取得如下的效果。
(1)在由于被测量物表面S的倾斜等，接触部212与被测量物表面S的接触方向从测量力检测方向偏移时，从仿形测量切换为触碰测量，在触碰测量中，设定比仿形指定测量力小的触碰检测测量力，从而能通过检测小的测量力来检测出接触部212接触到了被测量物表面S。在进行触碰测量时，由于在达到作为小的值的触碰检测测量力的时刻，检测出接触部212触碰到了被测量物表面S，因此，不会将接触部212强力地压入到被测量物表面S。而且，在触碰测量中，因为不使接触部212与被测量物表面S强力抵接，所以能够减小触针211和被测量物表面S的变形，从而高精度地检测被测量物表面S。即、即使是不能进行仿形测量的区域，也能够通过触碰测量高精度地测量被测量物表面S。
(2)在对被测量物表面S进行触碰测量的情况下，当锁存计数器522接收到检测信号时，锁存三维计数器521的计数值，因此，将接触部212与被测量物表面S接触而检测出触碰检测测量力时的接触部212的位置锁存。从而能够根据该被锁存的数据求出被测量物表面形状。
(3)用户视被测量物表面S的倾斜、曲率，选择被测量物表面S中的进行仿形测量的部分与进行触碰测量的部分，通过切换操作部443，用户能够任意地切换切换部440来选择测量模式，因此，例如，与装置自身一边重复仿形测量与触碰测量地反复尝试，一边自动选择最佳的测量模式的情况相比，能够迅速并且准确地进行测量模式的选择，能够高效率地确保测量。
(变形例1)
接着，参照图5对本发明的变形例1进行说明。
变形例1的基本结构与第1实施方式相同，其特征在于，包括切换控制切换部440的切换控制部444，根据测量力信号自动进行切换控制。
在图5中，变形例1，取代切换操作部443，具有切换控制部444。
来自测量力检测电路219的测量力信号被输入到切换控制部444，切换控制部444按照该测量力信号的变化进行切换部440的切换控制。即、在仿形测量中将接触部212向被测量物表面S压入，使得测量力恒定且为预定的仿形指定测量力时，通过使接触部212在触针211的轴方向振动而在沿着触针211的轴方向的方向上进行测量力的检测。
但是，当被测量物表面S从水平开始倾斜，从与触针轴方向大致正交的方向倾斜时，接触部212不从触针轴方向抵接被测量物表面S，因此，来自测量力检测电路219的测量力信号发生紊乱。
例如，如图6所示，当被测量物表面S出现倾斜时，在仿形测量中不能将测量力信号保持为恒定值，测量力信号出现大的振动。切换控制部444，在测量力信号的振幅超出了预定值时，将切换部440连接到触碰测量侧端子442而转移至触碰测量。这样，检测触碰信号的同时进行触碰测量。
根据像这样的变形例1，能够取得如下的效果。
(4)切换控制部444根据由测量力检测电路219检测出的测量力切换控制切换部440，因此，不需要用户进行判断并切换这样的操作，更为简便。而且，通过自动切换，即使是在仿形测量中不能测量的表面形状，也能够自动地通过触碰测量进行形状测量。
(变形例2)
在上述变形例1中，对根据来自测量力检测电路219的测量力信号利用切换控制部444进行切换部440的切换控制的情况进行了说明，除此之外，切换控制部444还可以根据被测量物表面S的形状进行切换部440的切换控制。
在根据被测量物表面S的形状进行仿形测量与触碰测量的切换时，也可以根据已测量的最近一次的测量数据推测被测量物表面S，选择是仿形测量还是触碰测量。例如，还可以从已经取得的最近一次的多个点的数据计算被测量物表面S的曲率或者倾斜角，将该曲率、倾斜角与预定的阈值进行比较来切换仿形测量与触碰测量。如果被测量物表面S的曲率非常小，则能够进行仿形测量，反之，如果曲率大，则切换为触碰测量。此外，如果被测量物表面S的倾斜角为从水平到预定范围内，则能够进行仿形测量，反之，在被测量物表面S的倾斜角超过预定范围的情况下，则切换为触碰测量。
或者，例如也可以是，首先通过触碰测量大致测量整个被测量物表面，从该测量数据计算被测量物表面S的各处的曲率或者倾斜，根据曲率或者倾斜的数据，切换仿形测量与触碰测量，并且再次测量被测量物表面形状。
此外，还可以是根据被测量物的设计数据计算被测量物表面S的曲率、倾斜角，切换仿形测量与触碰测量。
根据像这样的变形例2，能够取得如下的效果。
(5)对被测量物的表面形状进行分析，例如，根据曲率、倾斜等进行切换为触碰测量的切换控制，因此，不需要用户进行判断并切换这样的操作，更为简便。而且，通过自动切换，即使是在仿形测量中不能测量的表面形状，也能够自动地通过触碰测量进行形状测量。
(变形例3)
接着，对本发明的变形例3进行说明。
变形例3的基本结构与第1实施方式相同，其特征在于，在仿形测量中，使仿形测量力为可变的。
当被测量物表面S的曲率或者倾斜角在预定范围时进行仿形测量，此时，按照被测量物表面S的曲率或者倾斜角变更仿形指定测量力。例如，在进行仿形测量的过程中，当被测量物表面S的曲率或者倾斜角大时，按照曲率、倾斜将仿形指定测量力变更为小的值。
当被测量物表面S的曲率或者倾斜角大时，接触部212与被测量物表面S接触的方向从作为测量力检测方向的触针211的轴方向偏移。此时，由测量力检测电路219检测被测量物表面S施加到接触部212的测量力中的触针轴方向的分力。因此，在被测量物表面S倾斜着的情况下，在将由测量力检测电路219检测出的测量力控制为仿形指定测量力时，接触部212与被测量物表面S之间的测量力并不成为仿形指定测量力，从而将接触部212过于强力地压入到被测量物表面S。
这一点通过按照被测量物表面S的曲率或者倾斜来变更仿形指定测量力，就能够进行将被测量物表面S与接触部212之间的测量力高精度地保持为恒定的仿形测量。
(第2实施方式)
参照图7对本发明的第2实施方式进行说明。
第2实施方式的基本结构，与第1实施方式相同，其特征在于，探头200的上下驱动机构600，包括使测量部210进行细微的移动的微动机构610、和使测量部210与上述微动机构610一起进行大的移动的粗动机构620。
即、由响应速度快的微动机构610、和可动范围大的粗动机构620构成上下驱动机构600，在进行仿形测量时，对于被测量物表面的凹凸，对细微的凹凸通过微动机构610迅速地处理，对于波动等大的变化通过粗动机构620处理，在进行仿形测量时，使接触部高精度并且迅速地沿着被测量物表面进行仿形移动。
以下，对第2实施方式的结构进行具体说明。
在图7中，表面形状测量装置100，包括探头200、三维驱动机构300、上下驱动机构控制部700、以及控制器部500。
探头200，包括测量部210、上下驱动机构600、以及位移量检测传感器230。测量部210和位移量检测传感器230的结构，与第1实施方式相同。
上下驱动机构600，包括使测量部210在微小范围移动的微动机构610、和使测量部210与上述微动机构610一起大范围移动的粗动机构620。微动机构610包括固定于粗动机构620的可动部643的微动固定部611、和设置于上述微动固定部611的压电元件612。在压电元件612的下端侧设置有测量部210。
粗动机构620由电磁驱动器640构成，该电磁驱动器640包括固定于作为框体的外壳(housing)630的永久磁铁641、和在由上述永久磁铁形成的磁场中向上下方向移动的可动线圈642。在可动线圈642的下端设置有与可动线圈642一体地移动的可动部643。可动部643，由空气轴承660保持为可相对于与外壳630构成为一体的粗动固定部650滑动。另外，外壳630安装于三维驱动机构300，探头200通过X、Y，Z驱动轴进行三维移动。
位移量检测传感器230，由线性编码器构成，该线性编码器包括：标尺231，保持于设置在微动机构610的下端与测量部210的上端之间的可动部分613上，在与微动机构610和粗动机构620的位移方向平行的方向上移动；和检测头232，设置于粗动固定部650，检测标尺231的位移量。位移量检测传感器230，检测测量部210相对于外壳630的位移量。即、位移量检测传感器230，检测粗动机构620和微动机构610的合成位移量。位移量检测传感器230的检测结果被作为位移量信号输出。
上下驱动机构控制部700，包括驱动控制微动机构610的微动机构控制部710、和驱动控制粗动机构620的粗动机构控制部720。
微动机构控制部710，包括：测量力比较部711，对预先设定的仿形指定测量力与来自测量力检测电路219的测量力信号进行比较，输出测量力的差；微动位移信息计算部712，根据从测量力比较部711输出的测量力的差，计算微动机构610的微动位移信息；微动机构驱动放大器713，根据来自微动位移信息计算部712的位移量信息，驱动微动机构610的压电元件612；接触检测部714，通过来自测量力检测电路219的测量力信号检测测量部210与被测量物表面S的接触，并输出触碰信号；第1切换部715，在测量力比较部711与接触检测部714之间切换来自测量力检测电路219的测量力信号的输出目的地；以及第2切换部716，设置于微动位移信息计算部712与微动机构驱动放大器713之间。
测量力比较部711，对预先设定的仿形指定测量力与来自测量力检测电路219的测量力信号进行比较，计算并输出实际作用于测量部210的测量力与所指定的仿形指定测量力的差。
微动位移信息计算部712，根据从测量力比较部711输出的信号(仿形指定测量力与测量力信号的差)，计算为了将测量力保持为仿形指定测量力所需要的微动机构610的位移量，并作为微动位移信息输出。由微动位移信息计算部712计算的微动位移信息，经由第2切换部716向微动机构驱动放大器713输出，其中，该微动机构驱动放大器713驱动微动机构610的压电元件612。
微动机构驱动放大器713，由用于驱动压电元件612的驱动放大器构成，根据由微动位移信息命令的位移量计算施加于压电元件612的电压，将该电压施加到压电元件612上。
接触检测部714，根据来自测量力检测电路219的测量力信号检测测量部210接触到了被测量物表面S。
在此，在接触检测部714，以作为比仿形指定测量力小的测量力的触碰检测测量力检测接触并输出触碰信号，这一点与第1实施方式相同。
第1切换部715，具有仿形测量侧端子715a和触碰测量侧端子715b。仿形测量侧端子715a与测量力比较部711连接，触碰测量侧端子715b与接触检测部714连接。
第2切换部716，具有仿形测量侧端子716a和触碰测量侧端子716b。仿形测量侧端子716a与微动位移信息计算部712连接。此外，在触碰测量侧端子716b上，没有输入任何信号。即、在进行触碰测量时微动机构610处于固定状态。
粗动机构控制部720，包括：粗动位移控制部730，控制粗动机构620的位移量；粗动速度控制部740，控制粗动机构620的驱动速度；以及粗动机构驱动放大器750，控制赋予粗动机构620的电流值。
粗动位移控制部730，包括生成粗动机构620的速度命令值的位置补偿器731、位置比较器732、以及第3切换部733。
位置补偿器731，根据经由第3切换部733输入的信号生成粗动机构620的速度命令值。位置补偿器731，例如，包括相位补偿器、PI补偿器、以及滤波器等。来自位置补偿器731的输出，作为粗动机构620的速度命令值被发送到下一个粗动速度控制部740。
在位置比较器732中输入了触碰测量中粗动机构620的固定位置的命令与当前的粗动机构620的位移量信息。在触碰测量中，当粗动机构620未被驱动而被固定在预定的位置时，粗动机构620被固定于固定的命令位置。从由探头计数器741计数的粗动机构620与微动机构610的合成位移中减去微动位移信息之后的值，即粗动机构620的位移量输入到位置比较器732，位置比较器732，将固定位置的命令与粗动机构620的位移量的差输出到触碰测量侧端子733b。
第3切换部733，在进行仿形测量时与进行触碰测量时，在仿形测量侧端子733a与触碰测量侧端子733b之间切换对位置补偿器731的输入信号。仿形测量侧端子733a，被输入了由微动位移信息计算部712计算的微动位移信息。
粗动速度控制部740，包括：探头计数器741；位移比较器742，比较由探头计数器741计数的位移信息和由微动位移信息计算部712计算的微动位移信息，并输出它们的差；微分电路743，对由位移比较器742计算的结果进行微分，得到速度信息；速度比较器744，比较来自微分电路743的速度信息与来自粗动位移控制部730的粗动速度命令值，计算它们的差(速度偏差)；以及速度补偿器745，根据来自速度比较器744的信号值生成电流命令值。
位移比较器742，比较由微动位移信息计算部712计算的微动位移信息与由探头计数器741计算的测量部210的位移量，计算它们的差。微分电路743，计算来自位移比较器742的输出值的微分值。在此，微动位移信息的微分值代表微动机构610的驱动速度，测量部210的位移量的微分值代表微动机构610和粗动机构620的合成驱动速度。因此，来自微分电路743的输出值，代表粗动机构620的速度。通过具有该速度反馈的环路(loop)，能够使粗动机构620的速度稳定。
速度比较器744，比较来自粗动位移控制部730的粗动速度命令值和来自微分电路743的速度信息，计算它们的差，输出要进一步对粗动机构620施加的驱动速度的信号。
速度补偿器745，对来自速度比较器744的信号进行特性补偿，并且根据来自速度比较器744的信号(速度信息)，求出为了实现由速度比较器744所得的速度而要对粗动机构620施加的电流值。速度补偿器745，包括例如相位补偿器、PI补偿器、滤波器等，用于改善频率特性。由速度补偿器745所得的电流命令值，被发送到粗动机构驱动放大器750。
粗动机构驱动放大器750，由驱动作为粗动机构620的电磁驱动器640的线圈放大器构成，向可动线圈642施加电流，该电流与要根据来自速度补偿器745的电流命令值进一步对粗动机构620施加的速度相适合。
控制器部500的结构，与第1实施方式相同，包括计数器部520、形状分析部530、三维驱动机构控制部510、以及CPU540，其中，该计数器部520具有三维计数器521和锁存计数器522。
对具有像这样的结构的第2实施方式的动作进行说明。
首先，对进行仿形测量的情况进行说明。。
在进行仿形测量的情况下，将从第1到第3切换部715、716、733切换至仿形测量端子715a、716a、733a。然后，将仿形指定测量力输入到测量力比较部711。由上下驱动机构控制部700控制上下驱动机构600(微动机构600、粗动机构620)以达到该仿形指定测量力。
使接触部212与被测量物表面S接触，通过安装了上下驱动机构600的三维驱动机构300的X轴或者Y轴、即使测量部210沿着被测量物表面S进行扫描的驱动轴使探头200移动。当接触部212接触到被测量物表面S时，由测量力检测电路219检测此时从被测量物表面S作用于接触部212的测量力，经由第1切换部715输入到测量力比较部711。测量力比较部711，对仿形指定测量力与测量力信号进行比较，计算它们的差(测量力偏差)，输出到微动位移信息计算部712。
在微动位移信息计算部712中，计算为了消除仿形指定测量力与所检测的测量力的偏差所需要的接触部212的移动量，并作为微动位移信息输出。
从微动位移信息计算部712输出的微动位移信息被分路，一路被发送至微动机构驱动放大器713，来驱动微动机构610，另一路被发送至粗动机构控制部720，用于粗动机构620的驱动控制。微动机构驱动放大器713，向微动机构610的压电元件612施加电压值，该电压值是以由微动位移信息所命令的位移量驱动微动机构610所需要的值。由此，测量部210进行移动使得测量力恒定且为仿形指定测量力。
由微动位移信息计算部712计算的微动位移信息，在粗动机构控制部720的内部进一步分路，一路被发送至位置比较器732，形成进行粗动机构620的位移量的控制的环路，另一路被发送至位移比较器742，形成粗动机构620的速度控制的环路。
微动位移信息，经由第1切换部715的仿形测量侧端子715a被发送至位置补偿器731，作为为了补偿微动机构610的位移而将微动机构610的位移控制在预定的微小范围所需要的速度命令，输出到速度比较器744。
接触部212的位移，由位移检测传感器检测，作为位移量信号发送至探头计数器741。通过探头计数器741对位移量信号进行计数，计算作为粗动机构620与微动机构610的合成位移的接触部212的位移。由探头计数器741计数的接触部212的位移量被发送至位移比较器742。另一方面，来自探头计数器741的接触部212的实际位移量，被发送至形状分析部530，成为测量数据。
通过位移比较器742比较微动位移信息和从探头计数器741输出的位移信息，计算它们的差。来自位移比较器742的输出被发送至微分电路743进行微分，并作为速度信息发送至速度比较器744。
在速度比较器744中，比较来自位置补偿器731的输出值和来自微分电路743的速度信息，计算它们的差。计算结果代表要进一步对粗动机构620施加的速度，通过速度补偿器745，转换成要进一步对粗动机构620施加的电流值。来自速度补偿器745的输出，代表要进一步对粗动机构620施加的电流值，输出至粗动机构驱动放大器750。粗动机构驱动放大器750，根据从速度补偿器745输入的电流值，向粗动机构620的可动线圈642施加电流。这样，可动线圈642在永久磁铁641的磁场中移动，粗动机构620被驱动。当可动线圈642进行移动时，可动部643进行移动，此时微动机构610与测量部210进行移动。
如此，测量部210通过微动机构610和粗动机构620进行移动。
接触部212的位移量，从探头计数器741输出至形状分析部530。由探头计数器741计数的接触部212的位移量连同三维驱动机构300的驱动量一起被处理，作为被测量物表面S的测量数据。
接着，对进行触碰测量的情况进行说明。
在进行触碰测量时，将从第1到第3切换部715、716、733连接到测量端子715b、716b、733b。然后，将粗动机构620的固定位置信息输入到位置比较器732。另外，从位移比较器742输出由探头计数器741计数的接触部位移与来自微动位移信息计算部712的微动位移信息的差，输入至第3切换部733的位置比较器732。这样，在位置比较器732中，输出用于使粗动机构620移动到固定位置的信号，从触碰测量侧端子733b，经由粗动速度控制部740、粗动机构驱动放大器750，向可动线圈642施加预定的电流，将粗动机构620的可动线圈642控制在固定位置。将粗动机构620固定在该固定位置。此外，当第2切换部716被切换至触碰测量侧端子716b时，触碰测量侧端子716b被输入例如0信号，因此，微动机构610不被驱动，成为压电元件612的自然的长度的状态。在这种情况下，也可以向触碰测量侧端子716b施加预定的信号，使压电元件612定位于固定位置。
在这种状态下，通过三维驱动机构300移动探头200，进行触碰测量。即、通过三维驱动机构300朝被测量物表面S移动接触部212，当接触部212接触到被测量物表面S时，由测量力检测电路219检测从被测量物表面S作用于接触部212的测量力。来自测量力检测电路219的测量力信号经由第1切换部715被输入到接触检测部714，在接触检测部714中，与触碰检测测量力进行比较。在测量力信号达到触碰检测测量力之前，向被测量物表面S压入接触部212，在达到触碰检测测量力时，从接触检测部714输出触碰信号。
触碰信号被输入到三维驱动机构控制部510，当接收到触碰信号时，接触部212从被测量物表面S离开，而且在下一个取样点进行接触部212的接触和离开。触碰信号被输入到锁存计数器522，锁存计数器522接收锁存信号，锁存三维计数器521的计数值，并输出到形状分析部530。由形状分析部530标定输出了触碰信号时的接触部212的位置，求出被测量物表面S形状。
根据具有像这样的结构的第2实施方式，能够取得如下的效果。
由于具有微动结构610和粗动机构620，所以在仿形测量中，对于被测量物表面S的微小凹凸，能够通过响应速度快的微动机构610使接触部212进行微小移动，对于被测量物表面S的大的形状变化(起伏等)，能够通过可允许大的位移的粗动机构620来处理(参照图8)。
(变形例4)
对本发明的变形例4进行说明。
在被测量物表面S倾斜的情况下，接触部212从相对于触针轴方向偏移了的方向抵接被测量物表面S。此时，在触针211上作用与轴交叉的力，因此，触针211发生弯曲。当触针211像这样发生弯曲时，接触部212与被测量物表面S的抵接位置偏移触针211弯曲的量。因此，对形状分析部530，在X、Y、Z方向分别设定以被测量物表面S的倾斜角和测量时的测量力确定的校正参数，通过该校正参数对所检测的测量数据进行校正。根据该结构，即使在被测量物表面S具有倾斜的情况下，也能高精度地求出被测量物表面S的形状。
另外，本发明不限于上述实施方式，在能够实现本发明的目的的范围内的变形、改进等都包含在本发明内。
例如，作为测量力检测单元，虽然说明了以激振单元和检测单元构成的例子，但除此之外，也可以是通过应变仪检测检测力的结构。
虽然在第2实施方式中没有对从第1至第3切换部715、716、733的切换动作进行说明，但既可以是像第1实施方式那样手动进行切换操作，也可以像变形例1或者变形例2那样自动进行切换。
虽然在各实施方式中，锁存计数器只描述了锁存三维计数器521的锁存计数器522，但不限于此，也可以设置锁存探头计数器430的探头锁存计数器，将锁存计数器522和探头锁存计数器构成为锁存计数器，根据由这2个锁存计数器锁存的接触部212的位置，计算被测量物表面形状。例如，在通过伺服锁定等使上下驱动机构220在预定的位置停止的情况下，如果进行触碰测量，则有时测量部210会产生微小位移(或者由于温度漂移(drift)产生细微位移)，因此，在进行高精度的测量的情况下，优选一并使用像这样的探头锁存计数器。
此外，虽然在各实施方式中，作为位移检测单元，表示了线性编码器，但不限于此，也可以是模拟检测器、模拟干涉仪等非接触式检测器。而且，计数器既可以是将模拟检测器的输出进行AD转换以数字量输出的，也可以是以模拟量输出的。