WO2007023605A1 - 表面粗さ／輪郭形状測定装置 - Google Patents

Abstract

表面粗さ／輪郭形状測定装置(1)は、カンチレバー(7)の長手方向に直交する方向を回動軸としてカンチレバー(7)を回動可能に支持する回動支持部(62、64、71a、71b)をカンチレバー(7)の長手方向を回転軸として回転させてカンチレバー(7)の先端に設けられた触針(11)の方向を変更する触針方向変更部(9)と、回動支持部(62、64、71a、71b)の回転に伴って回転するカンチレバー(7)に作用する重力の影響を除去するために上記回動軸を支点とするカンチレバー(7)の重量バランスをとるバランス部材(63)と、を備える。

Description

技術分野

本発明は、 表面粗さ Z輪郭形状測定装置に関し、 特に触針を被測 定物 （ワーク） の表面に沿って移動させ触針の変位量を検出するこ とにより、 被測定物表面の粗さ又は輪郭形状を測定する表面粗さ/ 輪郭形状測定装置に関する。 背景技術

表面粗さ/輪郭形状測定装置は、 被測定物 （ワーク） 表面に沿つ て、 触針を有するピックアップを移動させ、 触針の変位量を電気信 号に変換してコンピュータ等の計算機に読み取ることで、 被測定物 (ワーク） 表面の粗さ又は輪郭形状を測定する。 このような表面粗 さ Z輪郭形状測定装置は、 例えば日本国公開特許公報特開平 2 0 0 2 — 1 0 7 1 4 4号に開示される。 図 1 に、 従来の表面粗さ/輪郭 形状測定装置の基本構成を示す。

表面粗さ/輪郭形状測定装置 1 には、 ワークを載置するための X Y平面に沿ったテーブル 2が設けられ、 テーブル 2にはコラム 3が 立設される。 そしてコラム 3 には可動部 4が取り付けられる。 コラ ム 3には図示しないモータが内蔵されており、 このモータによって 可動部 4をコラム 3に沿って （ Z方向に沿って） 上下に移動するこ とが可能である。 可動部 4には、 腕部 1 0 を介してピックアップ 6 を支持するホルダ 5が設けられる。 可動部 4もまた図示しないモー 夕を内蔵しており、 ホルダ 5を X方向に駆動することが可能である 腕部 1 0の先端には、 テ一ブル 2上に載置されたワークの表面粗 さを測定するための測定子 （ピックアップ） 6が設けられ、 このピ ックアップ 6は、 一端に触針 1 1 を有するカンチレバー 7 を備える 。 カンチレバー 7は、 その長手方向が可動部 4の駆動方向である X 方向に沿うように方向付けられてピックアップ 6 に設けられており 、 ピックアップ 6は、 このカンチレバー 7 を、 触針 1 1が設けられ る一端と反対側の他端において、 カンチレバー 7の長手方向と触針 1 1 の突出方向 （Z方向） と直交する方向 （Y方向） を回動軸とし て、 回動可能に支える。

したがって、 触針 1 1 を測定表面に接触させながら駆動部 4によ つて X方向に移動させたとき、 触針 1 1 は測定表面の凹凸量にした がって Z方向に微動する。 この変位量はカンチレバ一 7 によって回 転運動に変換されて、 ピックアップ 6に内蔵された差動インダクタ ンスゃ作動卜ランス （図示せず） に伝えられ、 電気信号に変換され る。 そして、 この電気信号を A Z D変換器 （図示せず） によってデ ィジタル信号に変換する。

そして、 測定表面の全域に亘つて触針 1 1 を移動させて、 そのと きに A / D変換器から順次出力される信号を、 コンピュータ等で構 成されるデータ処理装置 （図示せず） で収集することにより、 ヮー クの表面粗さを示す測定データが取得される。 発明の開示

従来の表面粗さ/輪郭形状測定装置 1では、 触針 1 1 の突出方向 (もしくは、 触針 1 1の微動に伴うカンチレバ一 7の回転運動の回 転軸方向） が特定の方向に固定されている （通常は、 触針 1 1の突 出方向は鉛直下方 （ Z軸方向） に設定され、 カンチレバー 7 の回転 運動の回転軸は Y軸方向に設定される） 。 これは、 表面粗さ/輪郭形状測定では、 測定力 （触針 1 1 を測定 対象表面に押しつける力） が各規格 （例えば J I S規格 B 0 6 5 1 ) によって定められており、 重力に影響されずに測定力を一定に 保つには、 触針 1 1の方向を固定した方が好適であるとの事情によ る。

しかしながら、 触針 1 1の方向が固定された従来の表面粗さ Z輪 郭形状測定装置 1 によってワークの様々な面の表面粗さ/輪郭形状 を測定するには、 各測定面に触針 1 1 を接触させるために、 ワーク をテーブル 2に載置する向きを変えて対応しなければならない。 こ の作業はワークが重量物である場合に多大な労力を要するものとな る。

さらに、 例えば図 2 Aに示すエンジンのシリンダ一ブロック 1 0 0のシリンダー 1 0 1の内面の表面形状を測定する場合に以下の問 題が生じる。

図 2 Bは、 図 2 Aに示すシリンダー 1 0 1の開口部の拡大断面図 である。 図 2 Bに示す例では、 シリンダー 1 0 1 の開口部にテーパ —部分 （ 1 0 2、 1 0 3 ) が形成されている。

このテーパー部分のうち、 表面が上方を向いている 1 0 2部分の 表面粗さ Z輪郭形状を計測するためには、 例えば図 3に示すように 、 図の Y軸を回転輔としてテーパー角 0分だけワーク 1 0 0全体を 傾けてテーパー部分 1 0 2 を水平にして、 触針 1 1 を表面に沿わせ ればよい。

一方で、 表面が下方を向いているテーパー部分 1 0 3部分の表面 粗さ 輪郭形状を計測するためには、 まずワーク 1 0 0全体を図の X軸を回転軸として 1 8 0度回転させて、 テーパー部分 1 0 3部分 の表面を上方に向ける必要がある。

ところで、 表面粗さ 輪郭形状を測定する場合には、 テーブル 2 上に載置されたワーク 1 0 0の位置が既知である必要がある。 特に 上述のように測定に際してワーク 1 0 0 を回転させる必要がある場 合には、 ワーク 1 0 0 を回転させる回転軸の位置及び方向が既知で ある必要がある。 実際の回転軸が想定された回転軸から狂っている と、 測定面の位置及び方向にズレが生じて誤差原因となるからであ る。

しかしながら、 例えば図 2 Aに示すシリンダ一ブロック 1 0 0の ようないわゆる角物ワークの場合には、 柱状ワークなどの場合と異 なり回転軸を定めるための目標がなく、 ワーク 1 0 0を回転させる ための回転治具の回転軸を、 想定した回転軸通りに定める作業が困 難になる。 したがって、 従来のような触針 1 1の方向が固定された 表面粗さ/輪郭形状測定装置 1 によっては、 図 2 Aに示すような角 物ワーク各部の表面粗さ/輪郭形状を測定する作業が非常に煩雑な ものとなる。

上記問題点を鑑みて、 本発明は、 測定面の方向に合わせて触針の 方向を変えることにより、 ワークの載置方向を変えることなく様々 な方向の測定面を測定可能な表面粗さ/輪郭形状測定装置を提供す ることを目的とする。

上記目的を達成するために、 本発明による表面粗さ Z輪郭形状測 定装置は、 カンチレバーの長手方向に直交する方向を回動軸として 力ンチレバーを回動可能に支持する回動支持軸部材を、 カンチレバ 一の長手方向を回転軸として回転させて、 カンチレバーの先端に設 けられた触針の方向を変更する。

さらに、 回動支持部の回転に伴って回転するカンチレバーに作用 する重力の影響を除去するために、 カンチレバーの回動軸を支点と する力ンチレバーの重量バランスをとるバランス部材を設ける。 そして、 回動支持部を回転させて触針の先端が測定面に接触する 方向に触針を方向づけ、 その状態で測定面に触針を沿わせて表面形 状を測定する。

本発明の上述した及び他の目的及び特徴は、 添付図面を参照しな がら以下に示される好適実施例についての説明を読むことによって 、 より明らかになるであろう。 図面の簡単な説明

図 1 は、 従来の表面粗さ Z輪郭形状測定装置の基本構成図である 図 2 Aは、 表面粗さ/輪郭形状測定装置のワークの例示となるシ リンダ一ブロックを示す図である。

図 2 Bは、 図 2 Aに示すシリンダー 1 0 1 の開口部の拡大断面図 である。

図 3は、 従来の表面粗さノ輪郭形状測定装置による測定方法の説 明図である。

図 4は、 本発明の実施例による表面粗さ/輪郭形状測定装置の基 本構成図である。

図 5 Aは、 図 4に示すピックアップの X Z断面図である。

図 5 Bは、 図 5 Aの A— A， 断面図である。

図 5 Cは、 図 5 Aに示す固定部の斜視図である。

図 6 Aは、 図 4に示すピックアップ回転部の斜視図である。

図 6 Bは、 図 6 Aに示すピックアツプ回転部の X Z断面図である 図 7 Aは、 図 4の表面粗さ/輪郭形状測定装置による測定方法に より測定面 1 1 0 を測定する状態を示す図である。

図 7 Bは、 図 4の表面粗さ/輪郭形状測定装置による測定方法に より測定面 1 1 1 を測定する状態を示す図である。 図 7 Cは、 図 4の表面粗さノ輪郭形状測定装置による測定方法に より測定面 1 1 2 を測定する状態を示す図である。

図 7 Dは、 図 4の表面粗さ/輪郭形状測定装置による測定方法に より測定面 1 1 3 を測定する状態を示す図である。

図 8 Aは、 図 4の表面粗さ Z輪郭形状測定装置による測定方法に よりテ一パ一部分 1 0 2を測定する状態を示す図である。

図 8 Bは、 図 4の表面粗さ/輪郭形状測定装置による測定方法に よりテーパー部分 1 0 3 を測定する状態を示す図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 添付する図面を参照して本発明の実施例を説明する。 図 4 は、 本発明の実施例に係る表面粗さ Z輪郭形状測定装置の基本構成 図である。

図示するように、 表面粗さ Z輪郭形状測定装置 1 には、 ワークを 載置するための X Y平面に沿ったテーブル 2が設けられ、 テーブル 2にはコラム 3が立設される。 そしてコラム 3には第 1可動部 4が 取り付けられる。 コラム 3には図示しないモー夕が内蔵されており 、 このモータによって第 1可動部 4をコラム 3に沿って （Z方向に 沿って） 上下に移動することが可能である。

第 1可動部 4には第 2可動部 8が設けられる。 第 1可動部 4も図 示しないモー夕を内蔵しており、 第 2可動部 8 を X方向に駆動する ことが可能である。 さらに第 2可動部 8には、 腕部 1 0を介してピ ックアップ 6 を支持するピックアップ回転部 9が設けられる。 第 2 可動部 8 も図示しないモータを内蔵しており、 ピックアップ回転部 9 を Y方向に駆動することが可能である。

腕部 1 0の先端には測定子 （ピックアップ） 6が設けられ、 この ピックアップ 6は、 一端に触針 1 1 を有するカンチレバ一 7 を備え る。 カンチレバー 7は、 その長手方向が可動部 4の駆動方向である X方向に沿うように方向付けられてピックァップ 6 に設けられる。 カンチレバー 7 の一端には、 カンチレバーの長手方向と略直交する 方向に突出する触針 1 1が設けられる。

ピックアップ 6は、 このカ ンチレパー 7 を、 触針 1 1が設けられ る一端と反対側の他端において、 カンチレバー 7の長手方向と触針 1 1 の突出方向と直交する方向を回動軸として回動可能に支える。 図 5 Aは、 図 4に示すピックアップ 6の X Z平面側断面図であり 、 図 5 Bは図 5 Aの A— A ' 断面図である。 ピックアップ 6はその ケース 6 1 の内部に、 ケース 6 1 に固定される固定部 6 2 と、 Y方 向に沿うピポッ 卜軸 6 4を回転軸として固定部 6 2に回動可能に支 持されるバランス可動部 6 3 と、 を備える。 図 5 Cは、 図 5 Aに示 す固定部 6 2の形状を説明する斜視図である。

図 5 Cに示すとおり、 固定部 6 2には、 バランス可動部 6 3のピ ポッ ト軸 6 4を両端から挟持するための腕部分 7 2 a及び 7 2 bが 形成され、 この腕部分 7 2 a及び 7 2 bのそれぞれに、 ピボッ ト軸 6 4を支持する軸受け 7 1 a、 7 l bが取り付けられる。

また、 ノ ランス可動部 6 3には、 カンチレバー 7 をバランス可動 部 6 3 に固定するためのカンチレバ一取り付けピン 7 0が設けられ る。 バランス可動部 6 3に固定されたカンチレバー取り付けピン 7 0が、 カンチレバー 7 の取り付け端に設けられた取り付け孔に挿入 されることによりカンチレバー 7がバランス可動部 6 3に固定され る。

さらに、 ノ ランス可動部 6 3には、 カンチレバー 7の取り付け端 と反対側の端に設けられた触針 1 1がワークの表面に追従しながら 接触するように、 カンチレバー 7が固定されたバランス可動部 6 3 を、 その回動方向に付勢するためのパネ等の付勢手段 6 5が設けら れている。 図 5 Aの例では、 付勢手段 6 5は、 固定部 6 2 のバネ受 け凹部 6 6に取り付けられた圧縮ばね 6 5であり、 この圧縮ばね 6 5によってバランス可動部 6 3及びこれに取り付けられたカンチレ バ一 7は、 触針 1 1 の向き （突出方向） に回動させる方向に付勢さ れる。

したがって、 ピックァップ 6が第 1可動部 4及び第 2可動部 8 に よって移動されたとき、 その触針 1 1 は、 ワークの表面の凹凸に追 従するようにワークの表面上で摺動することができる。 そして、 ヮ —クの表面の凹凸により生じる触針 1 1の変位が、 カンチレバー 7 を介してバランス可動部 6 3に伝わると、 バランス可動部 6 3はピ ポッ ト軸 6 4を回転軸として回動する。

また、 ワークの表面上を摺動する触針 1 1が、 ワーク表面の凹凸 によって変位すると、 その変位量はピックアップ 6 に設けられた差 動インダク夕ンスセンサによって、 電気信号に変換される。 この差 動イングクタンスセンサは、 バランス可動部 6 3に設けられた磁性 体コア 6 7 と、 バランス可動部 6 3が固定部 6 2に支持されたとき 、 磁性体コア 6 7 を挿入するように固定部 6 2に設けられたコア挿 入口 6 8 と、 このコア揷入口 6 8 の周囲に、 磁性体コア 6 7 を囲う ように設けられた 2つのコイル 6 9から構成される。 この差動イン ダク夕ンスセンサは、 バランス可動部 6 3の回動に伴う磁性体コア 6 7の動きを、 2つのコイル 6 9のインダクタンスの差の変化とし て検出して、 バランス可動部 6 3 の変位量を電気的信号に変換する そして、 測定表面の全域に亘つて触針 1 1 を移動させて、 そのと きにコイル 6 9から順次出力される信号を A / D変換器 （図示せず ) にてディ ジタル信号に変換し、 コンピュータ等で構成されるデー 夕処理装置 （図示せず） で収集することにより、 ワークの表面粗さ を示す測定データが取得される。

ここで、 後述するピックアップ回転部 9がピックアップ 6 をカン チレバー 7 の長手方向を回転軸として回転し、 ピポッ ト軸 6 4の方 向 （すなわちカンチレバー 7及びバランス可動部 6 3の回動軸の方 向） と鉛直方向とがなす角が変化しても、 付勢手段 6 5によって触 針 1 1 を測定対象表面に押しつける力 （すなわち測定力） が変動し ないように、 前記バランス可動部 6 3は、 ピボッ ト軸 6 4を支点と する、 カンチレバ一 7、 バランス可動部 6 3及び磁性体コア 6 7の 組立体の重量バランスを取るように、 その形状とピボッ ト軸 6 4の 位置を定めて構成される。

具体的には、 バランス可動部 6 3 に設けられるピポッ ト軸 6 4の 貫通口は、 ピボッ ト軸 6 4に直交する平面において、 カンチレバー 7、 バランス可動部 6 3及び磁性体コァ 6 7の組立体の重心に設け られる。

このようにピポッ ト軸 6 4の位置を決定することにより、 ピック アップ 6の回転によってピポッ ト軸 6 4の方向と鉛直方向とがなす 角が変化して、 カンチレバー 7、 バランス可動部 6 3及び磁性体コ ァ 6 7の組立体の姿勢が変化しても、 組立体には重力によるモーメ ントが発生しないため、 付勢手段 6 5による測定力を一定に維持す ることが可能となる。

なお、 ピックアップ 6が第 2可動部 8により Y方向に移動され、 それに伴って移動する触針 1 1 とワークの表面との間で生じる Y方 向の摩擦力によって、 カンチレバ一 7 にョ一イングさせる力が働い ても、 バランス可動部 6 3がスムーズに回動するように、 ピボッ ト 軸 6 4の先端は略円錐形に形成され、 また軸受け 7 1 a、 7 l bは 、 ピボッ ト軸 6 4の略円錐形の先端を球面によって支持するように 構成されることとしてよい。 図 6 Aはピックアップ回転部 9 の斜視図であり、 図 6 Bはピック アップ回転部 6の X Z断面図である。 ピックアップ回転部 9は、 第 2可動部 8によって Y方向に駆動可能に支持されるケース部 9 1 と 、 先端にピックアップ 6が取り付けられた腕部 1 0 を固定する回転 アタッチメント部 9 2 と、 回転アタッチメント部 9 2 を腕部 1 0 の 長手方向 （すなわちカンチレバ一 7の長手方向） を回転軸として回 転させるための駆動力を供給するモータ 9 3 と、 回転アタッチメン ト部 9 2 を腕部 1 0の長手方向を回転軸として回転可能にケース部 9 1 に固定するベアリング 9 4と、 モー夕 9 3の回転シャフ ト 9 6 の回転運動を回転アタッチメント部 9 2に伝達するギア 9 5及び 9 7 と、 を備える。

モータ 9 3が回転するとその回転シャフ ト 9 6に生じた回転力が ギア 9 5及び 9 7を伝わって回転アタッチメント部 9 2を回転させ る。 この回転アタッチメント部 9 2は腕部 1 0を介してピックアツ プ 6に連結されているため、 回転アタッチメント部 9 2が回転する ことによって、 ピックアップ 6はカンチレバー 7の長手方向を回転 軸として回転する。

すると、 ピックアップ 6の固定部 6 2に回動可能に支持されたバ ランス可動部 6 3 と、 このバランス可動部 6 3に取り付けられた力 ンチレバー 7 もまた、 カンチレバー 7 の長手方向を回転軸として回 転し、 その結果として図 7 A〜図 7 Dに示すように、 蝕針の向き （ 突出方向） が変わる。

例えば、 図 7 Aに示すように、 X Y平面に平行でありかつ Z軸の 正方向に向く測定面 1 1 0の測定を行う場合には、 従来の測定方法 と同様に触針 1 1の向きを Z軸の負方向に向けた状態にしておく。 次に、 Z X平面に平行でありかつ Y軸の負方向に向く測定面 1 1 1の測定を行う場合には、 図 7 Bに示すように、 ピックアップ 6 を カンチレバー 7の長手方向 （X方向） を回転軸として図の矢印の方 向に 9 0度回転させることによって、 触針 1 1 の向きを Y軸の正方 向に向けて、 先端を測定面 1 1 1 に接触できるようにし、 この状態 で触針 1 1 を測定面 1 1 1上で沿わせてその表面粗さ/表面輪郭形 状を測定する。

さらに、 X Y平面に平行でありかつ Z軸の負方向に向く測定面 1 1 2 の測定を行う場合には、 図 7 Cに示すように、 ピックアップ 6 を図の矢印の方向にさらに 9 0度回転させて触針 1 1の向きを Z軸 の正方向に向けて、 先端を測定面 1 1 2に接触できるようにし、 こ の状態で触針 1 1 を測定面 1 1 2上で沿わせてその表面粗さ Z表面 輪郭形状を測定する。

また、 X Z平面に平行でありかつ Y軸の正方向に向く測定面 1 1 3 の測定を行う場合には、 図 7 Dに示すように、 ピックアップ 6 を 図の矢印の方向にさらに 9 0度回転させて触針 1 1 の向きを Y軸の 負方向に向けて、 先端を測定面 1 1 3に接触できるようにし、 この 状態で触針 1 1 を測定面 1 1 3上で沿わせてその表面粗さ Z表面輪 郭形状を測定する。

このように、 測定面の方向に応じてピックアップ 6 を回転させ、 触針 1 1の方向を変えることにより、 従来の測定装置ではワークの 向きを変えなければ測定することが不可能であった測定面を、 ヮー クの向きを変えることなく測定することを可能とする。

また、 図 2及び図 3 を参照して上記説明した、 シリンダープロッ ク 1 0 0のような角物ワークを測定する場合にも、 測定に際してヮ ーク 1 0 0 を回転させる必要のある回転方向の数を減らし、 ワーク 1 0 0 を回転させるための回転治具の、 回転軸の設定作業を省力化 する。

例えば図 2 Bに示すシリ ンダー 1 0 1の開口部のテーパー部分 （ 1 0 2、 1 0 3 ) の表面粗さ/輪郭形状を計測する場合を、 図 8 A 及び図 8 Bを参照して説明する。

テーパー部分 （ 1 0 2、 1 0 3 ) のうち、 表面が上方 （ Z軸正方 向） を向いている 1 0 2部分の表面粗さ/輪郭形状を計測するため には、 例えば従来の図 3 Aと同様に、 図の Y軸を回転軸としてテー パ一角 0分だけワーク 1 0 0全体を傾けてテーパー部分 1 0 2 を水 平にして、 触針 1 1 を表面に接触させる （図 8 A ) 。

一方で、 表面が下方 （ Z軸負方向） を向いているテーパー部分 1 0 3部分の表面粗さ Z輪郭形状を計測するためには、 図 8 Bに示す ように、 図の Y軸を回転軸としてテーパー角 (一 Θ ) 分だけヮ一ク 1 0 0全体を傾けてテーパー部分 1 0 3 を水平にするとともに、 力 ンチレバ一 7 を 1 8 0度回転させて触針 1 1 の向きを Z軸正方向に 向けることによって、 触針先端がテーパー部分 1 0 3 に接触するこ とを可能とする。

このように、 従来複数方向を回転軸としてワーク 1 0 0 を回転さ せつつ測定を行う必要があったワーク 1 0 0の表面粗さ/輪郭形状 において、 触針 1 1側の向きを変えることにより （回転させること により） 、 ワーク 1 0 0の回転軸の方向を 1次元減らすことが可能 となる。

このように本発明によれば、 カンチレバーの重量バランスをとる バランス部材を設けることにより、 カンチレバーを回転させて触針 の方向を変えてもカンチレバーに作用する重力の影響を除去するこ とが可能となる。 これにより触針の方向を様々な測定面の方向に合 わせて変えることが可能となり、 ワークの載置方向を変えることな く様々な方向の測定面を測定することが可能となる。

本発明は、 表面粗さ 輪郭形状測定装置に利用可能であり、 特に 触針を被測定物 （ワーク） の表面に沿って移動させ触針の変位量を 検出することにより、 被測定物表面の粗さ又は輪郭形状を測定する 表面粗さ/輪郭形状測定装置に利用可能である。

以上、 本発明の好適な実施態様について詳述したが、 当業者が種 々の修正及び変更をなし得ること、 並びに、 特許請求の範囲は本発 明の真の精神および趣旨の範囲内にあるこの様な全ての修正及び変 更を包含することは、 本発明の範囲に含まれることは当業者に理解 されるべきものである。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . カンチレバーと、 該カンチレバーの一端に設けられる触針と 、 該カンチレバーの長手方向に直交する方向を回動軸として該カン チレバーを回動可能に支持する回動支持部と、 該カンチレバーを前 記触針の向きに回動させる方向に付勢する付勢部材と、 前記触針を ワークの測定面に接触させたまま移動させたときに前記カンチレバ 一に生じる回転変位を検出する検出器と、 を備える表面粗さ 輪郭 形状測定装置であって、

前記カンチレバーの長手方向を回転軸として前記回動支持部を回 転させることにより、 前記触針の方向を変更する触針方向変更部と 前記回動軸を支点とする前記カンチレバーの重量バランスをとる バランス部材と、

を備えることを特徴とする表面粗さ/輪郭形状測定装置。

2 . 前記触針方向変更部によって前記触針の先端が測定面に接触 する方向に該触針を方向づけて、 該測定面の表面形状を測定するこ とを特徴とする請求項 1 に記載の表面粗さ Z輪郭形状測定装置。