JP5485676B2 - 表面性状測定機 - Google Patents

Description

本発明は、被測定物の表面粗さを測定する表面性状測定機に関する。詳しくは、測定面の偏芯量や変位量が大きい被測定物、例えば、板カム（平面カム）の外周カム面や端面カム（立体カム）の端面カム面などの表面粗さを測定する表面性状測定機に関する。

例えば、板カム（平面カム）の外周カム面の表面粗さを測定する際、真円度測定機を用いて測定を行う場合がある。
一般に、真円度測定機は、ベースと、このベース上に垂直軸線を中心に回転可能に設けられ上面に被測定物を載置する回転テーブルと、ベース上に立設されたコラムと、このコラムに沿って上下方向へ昇降可能に設けられた昇降スライダと、この昇降スライダに垂直軸線に対して直交する方向へスライド可能に設けられたスライドアームと、このスライドアームの先端に取り付けられ被測定物に接するスタイラスの変位を電気信号として出力する粗さ検出器とを備える（例えば、特許文献１参照）。

真円度測定機を用いて板カムの外周カム面の表面粗さを測定する場合、回転テーブル上に板カムを位置決めするとともに、板カムの外周カム面にスタイラスが接触するように、粗さ検出器を位置決めし、この状態において、回転テーブルを回転させる。すると、板カムの外周カム面の輪郭形状や表面粗さに応じて、スタイラスが変位するので、その変位のうち、表面粗さに相当する変位のみを取り出せば、外周カム面の表面粗さを測定することができる。

特開２００７−１５５６９６号公報

ところが、真円度測定機を用いてカム面の表面粗さを測定する場合、次のような問題がある。
真円度測定機を用いてカム面の表面粗さを測定する場合、図１０に示すように、カムＫの偏芯量に比べて粗さ検出器３０の測定範囲が小さいため、つまり、粗さ検出器３０のスタイラス３３の変位可能範囲が小さいため、粗さ検出器３０がオーバーレンジしてしまい、カム面全周を連続的に測定することができない。
そのため、従来では、カム面の全周を複数の区間に分割し、各分割区間毎に粗さ検出器を位置決めし直して測定をしなければならないため、測定や解析に多くの時間を必要としていた。

本発明の目的は、カムなど偏芯量等が大きい測定面の表面粗さを効率的に測定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、被測定物を回転させる回転駆動装置と、検出器本体およびこの検出器本体の先端に変位可能に設けられ前記被測定物の測定面に接するスタイラスを有する粗さ検出器と、この粗さ検出器を保持した検出器ホルダを含み、この検出器ホルダを前記回転駆動装置に対して接近、離間する方向へ駆動させる検出器駆動装置とを有する表面性状測定機において、前記粗さ検出器は、前記検出器本体の先端かつ前記スタイラスの近傍に前記被測定物の測定面に接するスキッドを有し、このスキッドを基準とする前記スタイラスの変位を電気信号として出力し、前記検出器ホルダは、前記検出器駆動装置によって駆動されるガイド部材と、前記粗さ検出器を保持するとともに前記ガイド部材に対して前記スタイラスの変位方向へスライド可能に設けられたスライド部材と、前記ガイド部材と前記スライド部材との間に設けられ、前記スキッドが被測定物の測定面に常時接するように前記スライド部材を付勢する付勢手段とを含んで構成されている、ことを特徴とする。

このような構成によれば、検出器駆動装置によって粗さ検出器を被測定物の近傍まで移動させるとともに、被測定物の測定面に粗さ検出器のスタイラスおよびスキッドが接した状態に粗さ検出器をセットしたのち、回転駆動装置によって被測定物を回転させる。すると、スキッドを基準としたスタイラスの変位、つまり、スキッドが接する被測定物の測定面の表面粗さが検出される。
本発明では、検出器ホルダが、ガイド部材と、粗さ検出器を保持したスライド部材と、このスライド部材を付勢する付勢手段とを含んで構成されているから、付勢手段によってスキッドが被測定物の測定面に常時接するようにスライド部材が付勢される。従って、測定面の偏芯量等が大きい被測定物、例えば、カムなどであっても、カム面に沿ってスライド部材が追従動作され、スキッドがカム面に常時接した状態で連続的に測定することができるから、カムなどのカム面の表面粗さを効率的に測定できる。

本発明の表面性状測定機において、前記スキッドは、前記スタイラスを挟んでかつ前記スタイラスの突出方向に突出して設けられた一対のスキッドから構成されている、ことが好ましい。
例えば、真円度測定機を用いてカムＫのカム面の表面粗さを測定する場合、図１１に示すよう、粗さ検出器３０の先端にスキッド３７を取り付ける。すると、スキッド３７は、スタイラス３３に対してテーブル回転軸方向へオフセットされているため、カム面の軸方向全域を測定しようとすると、カム面の端縁では、スキッド３７がカム面から脱落し軸方向の全域を測定することができない。つまり、測定不能領域が生じる。カム面の軸方向全域を測定する必要がある場合、カムＫの再位置決め（カムを表裏逆に位置決め）が必要となるため、位置決め作業に多くの時間が必要となる。
本発明によれば、スキッドは、スタイラスを挟んでかつスタイラスの突出方向に突出して設けられた一対のスキッドから構成されているから、粗さ検出器をスタイラスとスキッドとの並設方向へ移動させながら表面粗さを測定するとき、測定領域の境界近傍において、必ず片方のスキッドが測定面に接触しているから、測定不能領域が生じるのを防止できる。従って、被測定物の再位置決めを行うことなく、測定領域を拡大できる。

本発明の表面性状測定機において、前記一対のスキッドのうちいずれか一方のスキッドの先端は、いずれか他方のスキッドの先端よりも、前記スタイラスの変位方向にずれている、ことが好ましい。
例えば、同じ位置に２つのスキッドが存在すると、測定中に２つのスキッドの先端（接触点）が被測定物の測定面に対してシフトして測定波形に影響を与える恐れがある。
本発明によれば、いずれか一方のスキッドの先端は、いずれか他方のスキッドの先端よりも、前記スタイラスの変位方向にずれているから、測定中は必ず片方のスキッドのみが被測定物の測定面に接触することになるから、測定波形に悪影響を与えるのを防止できる。

本発明の表面性状測定機において、前記検出器ホルダには、前記スライド部材のスライド量を検出するスライド量検出器が設けられている、ことが好ましい。
このような構成によれば、スライド部材のスライド量を検出するスライド量検出器が設けられているから、このスライド量検出器で検出されたスライド部材のスライド量から、被測定物の測定面の輪郭形状を求めることができる。従って、被測定物がカムの場合には、カム面の表面粗さとカム面の輪郭形状とを同時に測定することができる。

本発明の一実施形態に係る表面性状測定機の正面図。 同上実施形態の粗さ検出器の平断面図。 同上実施形態の粗さ検出器の正面図。 同上実施形態の粗さ検出器及び検出器ホルダを示す斜視図。 同上実施形態において、検出器ホルダのスライド機構を示す断面図。 同上実施形態の制御装置およびその周辺機構を示すブロック図。 同上実施形態において、測定時の状態を示す図。 同上実施形態において、測定結果を示す図。 本発明の他の実施形態の要部を示す斜視図。 真円度測定機を用いてカムの表面粗さを測定する際の平面図。 真円度測定機を用いてカムの表面粗さを測定する際の問題点を示す図。

＜表面性状測定機＞
図１は、本実施形態の表面性状測定機を示す斜視図である。
本実施形態の表面性状測定機は、一般的な真円度測定機１において、粗さ検出器３０に被測定物Ｗの測定面に接するスキッド３７Ａ，３７Ｂが付設され、更に、この粗さ検出器３０を検出方向へスライドさせるスライド機構５３が搭載されている点に特徴がある。

真円度測定機１は、ベース１０と、このベース１０の上面一側に垂直軸線Ｌを中心に回転可能に設けられ上面に被測定物Ｗ（ここでは、多数の板カムが軸方向に重なって形成されたカム軸）を載置する回転テーブル２０と、粗さ検出器３０と、この粗さ検出器３０を垂直軸線Ｌ方向（Ｚ軸方向）および垂直軸線Ｌに対して直交する方向でかつ回転テーブル２０に対して接近、離間する方向（Ｘ軸方向）へ駆動させる検出器駆動装置４０と、制御装置６０（図６参照）とを備える。

回転テーブル２０は、ベース１０の内部に設けられた回転テーブル駆動機構２１によって垂直軸線Ｌを中心に回転可能に設けられている。回転テーブル駆動機構２１は、回転テーブル２０を回転駆動するモータ、あるいは、モータからの回転を減速器を介して回転テーブル２０に伝達する機構などで構成されている。ここで、回転テーブル２０および回転テーブル駆動機構２１によって、被測定物Ｗを回転させる回転駆動装置が構成されている。

粗さ検出器３０は、図２および図３に示すように、円筒形状の検出器本体３１と、この検出器本体３１内に中間部が揺動可能に支持されたアーム３２と、このアーム３２の先端にアーム３２に対して直角にかつ検出器本体３１から突出して設けられ被測定物Ｗに接するスタイラス３３と、このスタイラス３３が検出器本体３１から突出する方向へアーム３２を付勢する付勢手段としてのスプリング３４と、スタイラス３３の変位（つまり、スタイラス３３の揺動量）を電気信号として検出する検出部３５とを含んで構成されている。

本実施形態では、更に、検出器本体３１の先端にノーズピース３６が取り付けられ、このノーズピース３６に被測定物Ｗの測定面に接するスキッド３７がスタイラス３３に近接して設けられている。そのため、粗さ検出器３０の検出部３５からは、スキッド３７を基準とするスタイラス３３の変位が電気信号として出力される。
スキッド３７は、スタイラス３３を挟んでかつスタイラス３３の突出方向に突出して設けられた一対のスキッド３７Ａ，３７Ｂから構成されている。これら一対のスキッド３７Ａ，３７Ｂのうち、いずれか一方のスキッド３７Ａの先端は、いずれか他方のスキッド３７Ｂの先端よりも、スタイラス３３の変位方向に所定量αずれて（後退して）配置されている。

検出器駆動装置４０は、ベース１０の上面他側に立設されたコラム４１と、このコラム４１に対して昇降スライダ４２を上下方向（Ｚ軸方向）へ駆動させるＺ軸駆動機構４３と、昇降スライダ４２に対してスライドアーム４４を垂直軸線Ｌに対して直交する方向でかつ回転テーブル２０に対して接近、離間する方向（Ｘ軸方向）へ駆動させるＸ軸駆動機構４５と、スライドアーム４４の先端に着脱可能に取付けられた検出器ホルダ５０とを含んで構成されている。

Ｚ軸駆動機構４３は、図示省略したが、昇降スライダ４２を上下方向へ駆動できる機構であれば、どのような構造でもよい。例えば、コラム４１に上下方向へ立設されたボールねじ軸と、このボールねじ軸を回転させるモータと、ボールねじ軸に螺合され昇降スライダ４２に連結されたナット部材とを有する送り機構などでもよい。
Ｘ軸駆動機構４５についても、図示省略したが、スライドアーム４４を垂直軸線Ｌに対して直交する方向および垂直軸線Ｌに対して直交しかつ回転テーブル２０に対して接近、離間する方向（Ｘ軸方向）へ駆動できる機構であれば、どのような構造でもよい。例えば、スライドアーム４４の長手方向に沿ってラックを形成し、このラックに噛み合うピニオンおよびこのピニオンを回転させるモータなどを昇降スライダ４２内に設けた構成であってもよい。

検出器ホルダ５０は、図４に示すように、スライドアーム４４の先端に着脱可能に取り付けられたホルダ本体５１と、粗さ検出器３０を取り付けた検出器取付部材５２と、この検出器取付部材５２とホルダ本体５１との間に設けられたスライド機構５３と、このスライド機構５３による検出器取付部材５２（つまり、粗さ検出器３０）のスライド量を検出するスライド量検出器５４とを含んで構成されている。

検出器取付部材５２は、取付ベース５２Ａと、この取付ベース５２Ａの先端にＹ軸方向（Ｘ，Ｚ軸方向に対して直交する方向）へ位置調整可能に固定された可動片５２Ｂとを含んで構成されている。可動片５２Ｂに粗さ検出器３０の後端が固定されている。つまり、粗さ検出器３０は、スタイラス３３およびスキッド３７Ａ，３７ＢがＸ軸に対して平行になる姿勢で可動片５２Ｂに取り付けられ、かつ、可動片５２Ｂの位置調整によってスタイラス３３およびスキッド３７Ａ，３７Ｂの先端位置がＹ軸方向に位置調整可能に固定されている。

スライド機構５３は、図５に示すように、ホルダ本体５１の上面に固定されたガイド部材５３Ａと、検出器取付部材５２を介して粗さ検出器３０を保持するとともにガイド部材に対してスタイラス３３の変位方向（Ｘ軸方向）へスライド可能に設けられたスライド部材５３Ｂと、ガイド部材５３Ａとスライド部材５３Ｂとの間に設けられスキッド３７Ａ，３７Ｂが被測定物Ｗの測定面に常時接する方向へスライド部材５３Ｂを付勢する付勢手段としての圧縮コイルばね５３Ｃとを含んで構成されている。

スライド量検出器５４は、ホルダ本体５１に固定されたスケール５４Ａと、このスケール５４Ａに対向してスライド部材５３Ｂに固定された検出ヘッド５４Ｂを含んで構成されている。なお、これらの変位検出方式は、光電式、静電容量式、電磁式などいずれでもよい。

＜制御システム＞
制御システムは、図６に示すように、制御装置６０と、入力装置６１と、表示装置６２と、記憶装置６３などを含んで構成されている。
記憶装置６３には、測定プログラムや、測定時に取り込んだ測定データなどが記憶される。
制御装置６０には、入力装置６１、表示装置６２、記憶装置６３のほかに、回転テーブル駆動機構２１、Ｚ軸駆動機構４３、Ｘ軸駆動機構４５、スライド量検出器５４、粗さ検出器３０などが接続されている。なお、図示省略したが、回転テーブル駆動機構２１によって回転される回転テーブル２０の回転角を検出する角度検出器、Ｚ軸駆動機構４３およびＸ軸駆動機構４５によって駆動される昇降スライダ４２およびスライドアーム４４の変位量を検出する変位検出器なども接続されている。

また、制御装置６０は、記憶装置６３に記憶された測定プログラムに従って、回転テーブル駆動機構２１、Ｚ軸駆動機構４３、Ｘ軸駆動機構４５の駆動を制御するとともに、粗さ検出器３０およびスライド量検出器５４からの信号を取り込んで処理する。具体的には、粗さ検出器３０からの信号およびスライド量検出器５４からの信号を取り込み、これらの測定結果から表面粗さや輪郭形状を求める。

＜測定動作＞
まず、Ｚ軸駆動機構４３およびＸ軸駆動機構４５の駆動により、粗さ検出器３０を被測定物Ｗに接近する方向へ移動させ、粗さ検出器３０のスタイラス３３およびスキッド３７Ａを被測定物Ｗの測定面に接触させる。
この状態において、測定プログラムによって、測定指令が制御装置６０に与えられると、回転テーブル２０が回転駆動される。このとき、被測定物Ｗの偏芯量に応じてスキッド３７Ａ，３７Ｂのいずれかが被測定物Ｗの測定面に常時接するように、スライド機構５３が動作される。つまり、被測定物Ｗの輪郭形状に粗さ検出器３０が追従動作される。

すると、被測定物Ｗの表面粗さに応じて、粗さ検出器３０のスタイラス３３が被測定物Ｗの測定面に接したスキッド３７Ａまたはスキッド３７Ｂを基準に変位されるから、そのスタイラス３３の変位が検出部３５によって電気信号として検出されたのち、制御装置６０に取り込まれる。
制御装置６０は、取り込んだ測定データを記憶装置６３に記憶したのち、これらのデータから表面粗さを演算し、その結果を表示装置６２に表示し、かつ、必要に応じてプリントアウトする。

このようにして、被測定物Ｗの測定面の表面粗さを連続的に１周測定したのち、測定面の軸方向全域を測定する場合、図７に示すように、粗さ検出器３０を垂直軸線Ｌ（Ｚ軸方向）へ一定ピッチずつ移動させたのち、同じ動作を繰り返し行えば、測定面の軸方向全域を測定することができる。
このとき、本実施形態では、スキッド３７は、スタイラス３３を挟んでかつスタイラス３３の突出方向に突出して設けられた一対のスキッド３７Ａ，３７Ｂから構成されているから、粗さ検出器３０をスタイラス３３とスキッド３７Ａ，３７Ｂとの並設方向（Ｚ軸方向）へ一定ピッチずつ移動させながら表面粗さを測定するとき、測定領域の境界近傍において、必ず片方のスキッド３７Ａ，３７Ｂが測定面に接触しているから、測定不能領域が生じるのを防止できる。従って、被測定物Ｗの再位置決めを行うことなく、測定領域を拡大できる。

また、一対のスキッド３７Ａ，３７Ｂのうちいずれか一方のスキッド３７Ａの先端は、いずれか他方のスキッド３７Ｂの先端よりも、スタイラス３３の変位方向にずれているから、測定中は必ず片方のスキッドのみが被測定物Ｗの測定面に接触することになるから、測定波形に悪影響を与えるのを防止できる。

更に、これらの表面粗さの測定において、スライド機構５３によってスライドされる粗さ検出器３０のスライド量がスライド量検出器５４によって検出されたのち、制御装置６０に取り込まれる。
従って、制御装置６０は、このスライド量検出器５４からのスライド量データを基に、被測定物Ｗの輪郭形状を正確に求めることができる。つまり、本実施形態の表面性状測定機によれば、図８に示すように、粗さ検出器３０から得られるスタイラス先端位置データと、スライド量検出器５４から得られる粗さ検出器スライド量データとから、被測定物Ｗの測定面の表面粗さデータと測定面の輪郭形状とを同時に測定することができる。例えば、被測定物Ｗがカムの場合には、カム面の表面粗さとカム面の輪郭形状とを同時に測定することができる。

＜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、改良などは本考案に含まれる。
前記実施形態では、板カム（平面カム）の外周カム面の表面粗さを測定する例について説明したが、被測定物Ｗとしては、端面カム（立体カム）の端面カム面などの表面粗さを測定する場合にも適用できる。
例えば、図９に示すように、被測定物Ｗとしての端面カム（立体カム）の端面カム面を上向きになるように回転テーブル２０（図示省略）にセットするとともに、スタイラス３３およびスキッド３７Ａ，３７Ｂが垂直軸線Ｌに対して平行となる姿勢に粗さ検出器３０をスライドアーム４４に取り付け、この状態において、回転テーブル２０を回転させれば、端面カム（立体カム）の端面カム面の表面粗さを測定することができる。

また、被測定物Ｗとしては、カムに限らず、他のものでも可能である。とくに、回転中心から測定面までの偏芯量が比較的大きな形状、例えば、測定面が楕円形状のピストンなどでも、測定することができる。あるいは、回転角に対して測定面の位置が大きく変動する形状の被測定物でも測定可能である。

前記実施形態では、真円度測定機を前提として、これにスキッド３７Ａ，３７Ｂやスライド機構５３を付加して表面性状測定機を構成したが、必ずしも、真円度測定機を前提としなくてもよい。
例えば、真円度測定機では回転テーブル２０の上面に被測定物Ｗを載置し、被測定物Ｗを垂直軸線Ｌを中心に回転させるようにしたが、被測定物を水平に支持し、この被測定物を水平軸線を中心に回転させる構成であってもよい。つまり、被測定物Ｗを回転させる回転駆動装置については、被測定物Ｗをどのような姿勢で回転させてもよい。

前記実施形態では、スライド機構５３において、ガイド部材５３Ａに対して、スライド部材５３Ｂを圧縮コイルばね５３Ｃによって付勢し、スキッド３７Ａ，３７Ｂが被測定物Ｗの測定面に常時接するように構成したが、スライド部材５３Ｂを付勢する付勢手段としては、圧縮コイルばね５３Ｃに限られない。例えば、引張コイルばねや板ばねなどでもよい。

本発明は、回転中心から測定面までの偏芯量が比較的大きな形状の被測定物の表面粗さの測定に利用できる。

２０…回転テーブル（回転駆動装置）、
２１…回転テーブル駆動機構（回転駆動装置）、
３０…粗さ検出器、
３１…検出器本体、
３３…スタイラス、
３７，３７Ａ，３７Ｂ…スキッド、
４０…検出器駆動装置、
５０…検出器ホルダ、
５３…スライド機構、
５３Ａ…ガイド部材、
５３Ｂ…スライド部材、
５３Ｃ…圧縮コイルばね（付勢手段）、
５４…スライド量検出器、
５４Ａ…スケール、
５４Ｂ…検出ヘッド。

Claims (4)

1. 被測定物を回転させる回転駆動装置と、検出器本体およびこの検出器本体の先端に変位可能に設けられ前記被測定物の測定面に接するスタイラスを有する粗さ検出器と、この粗さ検出器を保持した検出器ホルダを含み、この検出器ホルダを前記回転駆動装置に対して接近、離間する方向へ駆動させる検出器駆動装置とを有する表面性状測定機において、
   前記粗さ検出器は、前記検出器本体の先端かつ前記スタイラスの近傍に前記被測定物の測定面に接するスキッドを有し、このスキッドを基準とする前記スタイラスの変位を電気信号として出力し、
   前記検出器ホルダは、前記検出器駆動装置によって駆動されるガイド部材と、前記粗さ検出器を保持するとともに前記ガイド部材に対して前記スタイラスの変位方向へスライド可能に設けられたスライド部材と、前記ガイド部材と前記スライド部材との間に設けられ、前記スキッドが被測定物の測定面に常時接するように前記スライド部材を付勢する付勢手段とを含んで構成されている、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、
   前記スキッドは、前記スタイラスを挟んでかつ前記スタイラスの突出方向に突出して設けられた一対のスキッドから構成されている、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、
   前記一対のスキッドのうちいずれか一方のスキッドの先端は、いずれか他方のスキッドの先端よりも、前記スタイラスの変位方向にずれている、ことを特徴とする表面性状測定機。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載の表面性状測定機において、
   前記検出器ホルダには、前記スライド部材のスライド量を検出するスライド量検出器が設けられている、ことを特徴とする表面性状測定機。

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