DE112012006115T5 - Kontur-und Oberflächentextur-Messinstrument und Kontur- und Oberflächentextur-Messverfahren - Google Patents

Kontur-und Oberflächentextur-Messinstrument und Kontur- und Oberflächentextur-Messverfahren Download PDF

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Abstract

Es wird ein Kontur- und Oberflächentextur-Messinstrument zum Messen der Kontur und der Oberflächentextur einer Oberfläche eines Werkstücks W offenbart, dessen Konfiguration einfach ist und das zu geringen Kosten realisiert werden kann, und das ein Verlagerungssignal mit hoher Auflösung und hoher Linearität in einem weiten Messbereich erzeugt, wobei das Kontur- und Oberflächentextur-Messinstrument einen Messteil 13 mit einer Sonde 7, die dazu konfiguriert ist, mit der Oberfläche des Werkstücks W in Kontakt zu kommen und ihre Position vertikal zu verändern, einen Bewegungsmechanismus 14, der dazu konfiguriert ist, das Werkstück relativ zur Sonde zu bewegen, einen Arm 12 mit dem Messteil an einem Ende und der dazu konfiguriert ist, eine Verlagerung der Sonde zu übertragen und sich mit einem Drehpunkt 16 als Mittelpunkt zu drehen, und einen Detektionsmechanismus 51 vom Differentialtransformator-Typ und einen Detektionsmechanismus 52 vom Skalen-Typ, die an dem Arm oder an einer gegenüber dem Arm festen Position befestigt und dazu konfiguriert sind, eine Verlagerung der Sonde zu erfassen, aufweist.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kontur- und Oberflächentextur-Messinstrument und auf ein Kontur- und Oberflächentextur-Messverfahren.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Oberflächentextur-Messinstrumente zum Messen der Oberflächentextur eines Werkstücks und Kontur-Messinstrumente zum Messen eines Oberflächenprofils (einer Kontur) eines Werkstücks sind weit verbreitet. Das Oberflächentextur-Messinstrument erfasst sehr kleine Vertiefungen und Erhöhungen auf der Werkstückoberfläche und erfasst eine Höhenveränderung entlang einer sehr kleinen Länge auf der Werkstückoberfläche, d. h. eine Höhenveränderung in einer sehr kurzen Periode. Dagegen erfasst das Kontur-Messinstrument eine Höhenveränderung auf der Werkstückoberfläche mit einer vergleichsweise langen Periode. Mit anderen Worten liegt der Unterschied zwischen dem Oberflächentextur-Messinstrument und dem Kontur-Messinstrument in der zu detektierenden Genauigkeit der Verlagerung des erfassenden Stifts, d. h. im zu erfassenden Periodenbereich der Zeitkomponente entsprechend der Länge des Detektionssignals, das man erhält, wenn die Detektionseinheit mit einer festgelegten Geschwindigkeit relativ zum Werkstück bewegt wird. Daher ist es notwendig, dass der Verlagerungsdetektor (Sensor), der im Oberflächentextur-Messinstrument verwendet wird, sehr reaktionsschnell ist und in der Lage ist, eine sehr kleine Verlagerung zu erfassen, d. h. eine hohe Auflösung zu haben. Jedoch ist es nicht notwendig, eine derartig strikte Erfassungsgenauigkeit mit Bezug auf den Absolutwert der Verlagerung in einer langen Periode zu haben, d. h. mit Bezug auf die Linearität des Detektionssignals in einem weiten Erfassungsbereich. Mit anderen Worten darf die Linearität des Detektionssignals in einem weiten Erfassungsbereich eine vergleichsweise geringe Genauigkeit haben. Im Gegensatz dazu muss der in dem Kontur-Messinstrument verwendete Verlagerungsdetektor (Sensor) nicht so sehr reaktionsschnell sein wie im Fall des Oberflächentextur-Messinstruments, und er muss nicht in der Lage sein, eine sehr kleine Verlagerung (hohe Auflösung) zu erfassen. Er muss jedoch eine hohe Genauigkeit mit Bezug auf den Absolutwert der Verlagerung in einer langen Periode haben, d. h. mit Bezug auf die Linearität in einem weiten Erfassungsbereich des Detektionssignals.
  • Im Allgemeinen ist, wenn man die Merkmale der oben beschriebenen Messung berücksichtigt, die Bewegungsgeschwindigkeit beim relativen Bewegen der Detektionseinheit gegenüber dem Werkstück in dem Fall, dass die Oberflächentextur gemessen wird, und dem Fall, dass die Kontur gemessen wird, unterschiedlich. Insbesondere ist die Bewegungsgeschwindigkeit in dem Fall, dass die Oberflächentextur gemessen wird, niedrig im Vergleich mit der Bewegungsgeschwindigkeit in dem Fall, dass die Kontur gemessen wird.
  • Das Kontur-Messinstrument und das Oberflächentextur-Messinstrument haben ähnliche Konfigurationen, und es besteht ein Bedarf an einem Messinstrument, das sowohl das Oberflächenprofil (die Kontur) als auch die Oberflächentextur messen kann.
  • 1 ist eine Außen-Darstellung eines Kontur- und Oberflächentextur-Messinstruments.
  • Wie in 1 gezeigt, weist ein Kontur- und Oberflächentextur-Messinstrument 1 ein Unterteil 2, einen Ständer 3 auf dem Unterteil 2, eine auf dem Ständer 3 in einer Z-Achsen-Richtung verschiebbar gehaltene X-Achsen-Antriebseinheit 4, einen von der X-Achsen-Antriebseinheit 4 in einer X-Achsen-Richtung beweglich gehaltenen X-Arm 5, ein Messteil 6 am Spitzenende des X-Arms und einen Montagetisch 8 auf dem Unterteil 2 auf.
  • Wenn eine Messung durchgeführt wird, wird bewirkt, dass ein Stift 7 am Sptizenende des Verlagerungsdetektors 6 mit der Oberfläche des auf dem Montagetisch 8 montierten Werkstücks W mit einer festgelegten Kraft in Kontakt kommt. In diesem Zustand, wenn die Armträgereinheit 5 und der Verlagerungsdetektor 6 durch die X-Achsen-Antriebseinheit 4 entlang der X-Achse bewegt werden, verändert der Stift 7 seine Position in der Z-Achsen-Richtung gemäß dem Profil der Oberfläche des Werkstücks W. Der Verlagerungsdetektor 6 gibt ein elektrisches Signal gemäß der Verlagerung des Stifts 7 über einen eingebauten Sensor aus, z. B. einen Differentialtransformator.
  • 2 ist ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel des Verlagerungsdetektors 6 in dem Fall, dass ein Differentialtransformator eingesetzt wird, und ein Beispiel eines Detektionssignals zeigt: in 2(A) ist ein Konfigurationsbeispiel dargestellt, und in 2(B) ist ein Beispiel eines Detektionssignals dargestellt.
  • Wie in 2(A) gezeigt, umfasst der Verlagerungsdetektor 6 einen Halter 14, der drehbar an einem an einem Gehäuse angeordneten Drehpunkt 16 gelagert ist, einen am Halter 14 anbringbar und abnehmbar befestigten Arm 12, den Stift 7 am Spitzenende des Arms 12 und einen Detektionsmechanismus (Sensor) 15 vom Differentialtransformator-Typ, der zum Ausgeben eines Signals gemäß der Verlagerung des Halters 14 konfiguriert ist. Der Stift 7 und der Arm 12 werden zusammen als Sonde 13 bezeichnet. Der Detektionsmechanismus (Sensor) 15 vom Differentialtransformator-Typ weist einen festen Teil mit einer Mehrzahl von am Verlagerungsdetektor 6 befestigten Spulen und einen am Halter 14 befestigten Eisenkernteil auf, und die Position des Eisenkernteils verändert sich relativ zur Mehrzahl der Spulen des festen Teils aufgrund der Drehung des Halters 14, und die Intensität eines Wechselspannungssignals (Detektionssignal), das in den Spulen auftritt, verändert sich. Der Sensor vom Differentialtransformator-Typ ist gut bekannt, und daher wird von weiteren Erläuterungen abgesehen.
  • Wenn die Sonde 13 am Halter 14 befestigt ist, und der Stift 7 unter einem vorgegebenen Druck in Kontakt mit der Werkstückoberfläche gebracht wird, drehen Sonde 13 und Halter 16 sich gemäß der Kontaktposition, d. h. gemäß der Höhe und den Vertiefungen und Erhöhungen der Werkstückoberfläche, verändert der Eisenkernteil des Sensors vom Differentialtransformator-Typ seine Position und wird ein Detektionssignal gemäß der Verlagerung ausgegeben. Die Intensität des Detektionssignals des Sensors vom Differentialtransformator-Typ verändert sich im Wesentlichen proportional zur Verlagerung und verändert sich gemäß einer sehr kleinen Verlagerung, jedoch verändert sich die Intensität nicht perfekt proportional zur Verlagerung und wie in 2(B) dargestellt, und eine Differenz zum Wert bei perfekter Proportionalität nimmt auf beiden Seiten des erfassbaren Bereichs zu, d. h. die Linearität wird dort schlechter.
  • Daher wird bei Oberflächentextur-Messinstrumenten, die eine sehr kleine Verlagerung erfassen sollen, d. h. eine hohe Auflösung haben sollen, aber nicht eine derartig hohe Genauigkeit mit Bezug auf den Absolutwert einer Verlagerung in einer langen Periode haben müssen, in vielen Fällen der Sensor vom Differentialtransformator-Typ eingesetzt.
  • Im Fall, dass der Sensor vom Differentialtransformator-Typ im Kontur-Messinstrument eingesetzt wird, wird die Kalibrierung des Sensors vom Differentialtransformator-Typ vorab vorgenommen, und durch Anfertigen einer Korrekturtabelle, welche zwecks Ausführen der Korrektur eine Abweichung zwischen der Verlagerung und dem Detektionssignal speichert, wird die Linearität verbessert. Jedoch ist der Sensor vom Differentialtransformator-Typ auf Temperaturveränderungen empfindlich, und es ist schwierig, allein durch diese Korrektur eine ausreichende Linearität zu erzielen.
  • Andererseits ist ein Detektionsmechanismus (Sensor) vom Skalen-Typ als Verlagerungsdetektor mit hoher Linearität in einem weiten Erfassungsbereich bekannt. Der Sensor vom Skalen-Typ weist eine Einteilungen aufweisende Skala auf und erfasst den Betrag der Einteilungsänderung beim Bewegen oder die Position, auf die die Skala sich bewegt hat. Die Skalen sind von verschiedener Art: optische Skala, magnetische Skala, etc.
  • 3 ist ein Diagramm, das einen Detektionsmechanismus (Sensor) vom Skalen-Typ erläutert. In 3(A) ist ein Beispiel von Einteilungen der Skala bei einem Sensor mit optischer Skala dargestellt, in (B) ist ein Konfigurationsbeispiel der Detektionseinheit des Sensors mit optischer Skala dargestellt, und in (C) ist ein Beispiel des Detektionssignals dargestellt.
  • Wie in 3(A) dargestellt, bilden die Einteilungen einer Skala 21 ein Schwarz-Weiß-Muster auf einer Glasplatte etc., und die schwarzen Bereiche davon werden durch eine Dampfabscheidung von Chrom etc. gebildet.
  • Wie in 3(B) gezeigt, ist eine Detektionseinheit vorgesehen, um die sich bewegende Skala 21 beidseitig zu umgeben. In der Detektionseinheit sind eine Lichtquelle 22, wie z. B. eine LED oder ein Laser, sowie eine Linse 23, die das Licht von der Lichtquelle 22 auf die Oberfläche fokussiert, auf der die schwarzen und weißen Bereiche der Skala 21 gebildet sind, auf einer Seite der Skala 21 vorgesehen, und eine Linse 24, die das durch die Skala 21 gelaufene Licht sammelt, sowie ein Lichtempfängerelement 25, das das von der Linse 24 gesammelte Licht erfasst, sind auf der anderen Seite der Skala 21 vorgesehen.
  • Die von dem Lichtempfängerelement 25 empfangene Lichtmenge verändert sich je nachdem, ob die weißen Bereiche oder die schwarzen Bereiche der Skala 21 sich in dem Bereich des von der Linse 23 gesammelten Lichtflusses befinden, wenn die Skala 21 sich bewegt. Daher wird ein Detektionssignal erhalten, das sich wie in 3(C) gezeigt verändert. Durch Verarbeiten dieses Detektionssignals ist es möglich, den Betrag der Bewegung der Skala 21 oder die Position, zu der sich die Skala 21 bewegt hat, zu erfassen.
  • 4 ist ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Verlagerungsdetektors darstellt, der den optischen Sensor vom Skalen-Typ verwendet. Wie in 4 gezeigt, weist der Verlagerungsdetektor einen parallelen Verbindungsmechanismus auf, bei dem Verbindungsteile 34 und 35 über zwei Verbindungen 36 und 37 verbunden sind. Die Verbindungen 36 und 37 sind in Eingriff mit vier Drehwellen der Verbindungsteile 34 und 35, und es ist möglich, dass die Verbindungsteile 34 und 35 und die Verbindungen 36 und 37 einen Zustand einnehmen, in dem die Verbindungsteile 34 und 35 parallel sind und auch die Verbindungen 36 und 37 parallel sind, d. h. ein Parallelogramm bilden. Eine Drehwelle 38 der vier Drehwellen ist mit einem Gehäuse des Verlagerungsdetektors in Verbindung, und die Verbindung 36 ist an der Drehwelle 38 als Drehpunkt drehbar gelagert. Ein Arm 32, an dessen Sptizenende ein Stift 7 vorgesehen ist, ist an der Verbindung 36 befestigt. Folglich sind der Arm 32 und die Verbindung 36 an der Drehwelle (Drehpunkt) 38 in der gleichen Weise wie der Arm 12 an dem Halter 14 in 3 drehbar gelagert.
  • Auf einer Seite des Verbindungsteils 35 ist ein optischer Sensor 39 vom Skalen-Typ vorgesehen, der eine Verlagerung des Verbindungsteils 35 erfasst. In 4 ist die Skala mit den Einteilungen am Gehäuse befestigt, und eine Indexskala, die weiter unten beschrieben wird, ist am Verbindungsteil 35 vorgesehen. Es ist auch möglich, eine Skala am Verbindungsteil 35 und die Detektionseinheit am Gehäuse vorzusehen.
  • Im Verlagerungsdetektor nach 4 bewegt sich das Verbindungsteil 35 um einen kleinen Betrag in der Querrichtung, jedoch bewegt es sich parallel, und daher ist es möglich, den optischen Sensor vom Skalen-Typ unter Verwendung der Skala mit Einteilungen wie in 3(A) dargestellt einzusetzen. Jedoch erfordert der parallele Verbindungsmechanismus nach 4 viel Raum.
  • Daher ist, wie in 5(A) dargestellt, in dem Verlagerungsdetektor nach 2 eine Skala 17, bei der die Muster radial gebildet sind, an dem Halter 14 vorgesehen, und durch Erfassen des Betrags der Drehung (der Drehposition) des Halters 14 unter Verwendung der Skala 17 wird die Verlagerung des Stifts 7 erfasst. In der Skala 17 sind, wie in 5(B) gezeigt, Schwarz-Weiß-Muster mit dem Drehpunkt 16 als Mittelpunkt in einer Bogenform gebildet. Im Fall, dass der Betrag der Bewegung des Musters in der Bogenform ebenfalls erfasst wird, ist es möglich, dasselbe Verfahren einzusetzen wie in 3 erläutert. Ferner ist auch ein Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem die Fläche auf der rückwärtigen Endseite des Halters 14 als zylindrische Fläche mit dem Drehpunkt 16 als Mittelpunkt ausgebildet ist, und Muster in regelmäßigen Intervallen darauf gebildet sind, wodurch der Betrag der Bewegung (Drehung) des Musters optisch erfasst wird.
  • Die Auflösung des Sensors vom Skalen-Typ wird im Grunde genommen durch den Abstand der Einteilung gegeben, und zahlreiche Verfahren zum Verbessern der Auflösung durch Verwendung einer Indexskala etc. sind vorgeschlagen worden. Ferner ist ein Verfahren, bei dem die Einteilung der Skala 21 als Beugungsgitter gebildet wird, und die Auflösung durch Laserinterferenz verbessert wird, ebenfalls vorgeschlagen worden. Jedoch erfordern die Bildung der Einteilung in einem Beugungsgitter und das Verbessern der Auflösung durch Laserinterferenz eine großflächige Ausbildung, und die Abmessungen werden somit groß, und daher ist es schwierig, dieses Verfahren bei dem Verlagerungsdetektor des Kontur- und Oberflächentextur-Messinstruments einzusetzen. Es besteht auch ein Problem darin, dass die Konfiguration zum Realisieren dieses Verfahrens kompliziert und somit teuer ist.
  • Bei jedem Verfahren verwendet der Sensor vom Skalen-Typ die Skala als Referenz, und daher ist die Erfassung der Verlagerung mit hoher Genauigkeit in einem weiten Bereich möglich. Aber es ist schwierig, eine so hohe Auflösung wie bei dem Sensor vom Differentialtransformator-Typ zu erhalten.
  • Ein Laser-Interferometer-System ist als Verlagerungsdetektor bekannt, das zur Erfassung der Verlagerung mit hoher Genauigkeit über einen weiten Bereich und mit hoher Auflösung in der Lage ist.
  • 6 ist ein Diagramm, das die Konfiguration eines Verlagerungsdetektors darstellt, der das Laser-Interferometer-System verwendet. Wie in 6 gezeigt, ist in dem Verlagerungsdetektor nach 2 der Halter 43 mit einem Eck-Kubus 43 versehen, der ein Laser-Interferometer bildet, jedoch nicht mit dem Detektionsmechanismus (Sensor) vom Differentialtransformator-Typ versehen. Das Laser-Interferometer weist eine Lichtquelle (Laser) 41, einen Strahlteiler 42, den Eck-Kubus 43, einen Eck-Kubus 44, zwei Reflexionsspiegel 45 und 46 am Strahlteiler 42 und ein Lichtempfängerelement 47 auf.
  • Der von der Lichtquelle 41 emittierte Laserstrahl wird durch den Strahlteiler 42 in zwei Strahlen aufgeteilt. Einer der geteilten Strahlen wird vom Eck-Kubus 43 reflektiert und nochmals vom Reflexionsspiegel 42 reflektiert und läuft zum Eck-Kubus 43 zurück, wird dann nochmals reflektiert und tritt in den Strahlteiler 42 ein und wird reflektiert und läuft zum Lichtempfängerelement 47. Der andere geteilte Strahl wird vom Eck-Kubus 44 reflektiert und weiter vom Reflexionsspiegel 46 reflektiert und läuft zum Eck-Kubus 44 zurück, wird dann nochmals reflektiert und tritt ein in und durchläuft den Strahlteiler 42 und läuft zum Lichtempfängerelement 47. Die beiden vom Strahlteiler 42 zum Lichtempfängerelement 47 laufenden Laserstrahlen interferieren miteinander. Wenn der Halter 14 seine Position verändert, und der Eck-Kubus 43 seine Position verändert, verändert sich die Strahlenweglänge eines der Laserstrahlen um vier Mal den Betrag der Verlagerung des Eck-Kubus 43. Daher verändert sich die Differenz zwischen den Strahlenweglängen der beiden auf das Lichtempfängerelement 47 auffallenden Laserstrahlen, und der Zustand der Interferenz verändert sich. Eine Hell/Dunkel-Änderung bei der Interferenz im Lichtempfängerelement 47 entspricht einer Wellenlänge des Laserstrahls. Daher ist es durch Erfassen der einen Veränderung des Detektionssignals des Lichtempfängerelements 47 möglich, die Verlagerung des Eck-Kubus 43 zu erfassen, welche 1/4 einer Wellenlänge des Laserstrahls ist. Falls eine Wellenlänge des Laserstrahls mit 800 nm angenommen wird, ist es möglich, eine Verlagerung von 200 nm zu erfassen, und dies ist eine sehr hohe Auflösung. Ferner ist auch der Erfassungsbereich sehr groß, und die Linearität ist gut.
  • Wie oben beschrieben, hat der das Laser-Interferometer verwendende Verlagerungsdetektor eine hohe Auflösung und eine gute Linearität, ist aber sehr teuer, und Zusammenbau und Einstellung sind sehr kompliziert.
  • Literatur des Stands der Technik
  • Patentliteratur
    • Patentdokument 1: Japanische nicht geprüfte Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 2008-304332
    • Patentdokument 2: Japanische nicht geprüfte Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 2004-069510
    • Patentdokument 3: Japanische nicht geprüfte Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 2000-018935
    • Patentdokument 4: Japanische nicht geprüfte Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 2004-077437
    • Patentdokument 5: Japanische nicht geprüfte Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. H6-507706
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Aufgabe der Erfindung
  • Wie weiter oben erläutert, ist es notwendig, dass der für die Oberflächentextur-Messung eingesetzte Verlagerungsdetektor (Sensor) sehr reaktionsschnell ist und in der Lage ist, eine sehr kleine Verlagerung zu erfassen, d. h. eine hohe Auflösung hat. Andererseits muss der beim Kontur-Messinstrument eingesetzte Verlagerungsdetektor (Sensor) nicht derart reaktionsschnell sein und muss nicht in der Lage sein, eine sehr kleine Verlagerung zu erfassen (muss keine hohe Auflösung haben). Jedoch muss er eine hohe Genauigkeit mit Bezug auf den Absolutwert einer Verlagerung in einer langen Periode haben, d. h. mit Bezug auf die Linearität in einem weiten Bereich des Detektionssignals. Einige teure und baulich große Verlagerungsdetektoren (Sensoren) mit dem Lasersystem etc. erfüllen beide Anforderungen, aber unter den gegenwärtigen Umständen kann kein preiswerter und kompakter Verlagerungsdetektor (Sensor) beide Anforderungen erfüllen.
  • Daher besteht ein Bedarf an einem Kontur- und Oberflächentextur-Messinstrument, das in der Lage ist, sowohl die Oberflächentextur als auch das Oberflächenprofil (die Kontur) eines Werkstücks zu messen, und das eine hohe Auflösung und eine gute Linearität in einem weiten Messbereich aufweist.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kontur- und Oberflächentextur-Messinstrument zu schaffen, dessen Konfiguration einfach ist und zu geringen Kosten realisiert werden kann, und welches eine hohe Auflösung und eine gute Linearität aufweist.
  • Lösung der Aufgabe
  • Um die oben genannte Aufgabe zu lösen, sind in dem Kontur- und Oberflächentextur-Messinstrument gemäß der vorliegenden Erfindung sowohl ein Detektionsmechanismus vom Skalen-Typ als auch ein Detektionsmechanismus vom Differentialtransformator-Typ in einer Verlagerungs-Detektionseinheit vorgesehen, die konfiguriert ist, die Verlagerung eines Stifts zu erfassen, wodurch die Auswahl eines für ein zu messendes Objekt geeigneten Detektionssignals (Inhalt der Messung) ermöglicht wird.
  • Mit anderen Worten ist das Kontur- und Oberflächentextur-Messinstrument gemäß der vorliegenden Erfindung ein Kontur- und Oberflächentextur-Messinstrument zum Messen der Kontur und der Oberflächentextur der Oberfläche eines Werkstücks und umfasst ein Messteil mit einer Sonde, die dazu konfiguriert ist, mit der Oberfläche des Werkstücks in Kontakt zu kommen und ihre Position vertikal zu verändern, einen Vorschubmechanismus, der dazu konfiguriert ist, das Werkstück relativ zur Sonde zu bewegen, einen Arm, der an einem Ende das Messteil aufweist und dazu konfiguriert ist, eine Verlagerung der Sonde zu übertragen und sich um einen Drehpunkt als Mittelpunkt zu drehen, und einen Detektionsmechanismus vom Differentialtransformator-Typ und einen Detektionsmechanismus vom Skalen-Typ, die an dem Arm oder an einer gegenüber dem Arm festen Position angebracht und dazu konfiguriert sind, die Verlagerung der Sonde zu erfassen.
  • Das Kontur- und Oberflächentextur-Messverfahren zum Messen der Kontur und der Oberflächentextur einer Oberfläche eines Werkstücks gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Kontur- und Oberflächentextur-Messverfahren zum Messen der Kontur und der Oberflächentextur eines Werkstücks, wobei das Verfahren umfasst: Vorsehen sowohl eines Detektionsmechanismus vom Differentialtransformator-Typ als auch eines Detektionsmechanismus vom Skalen-Typ, die dazu konfiguriert sind, eine Verlagerung einer an einem Ende eines Arms angebrachten Sonde als Verlagerung des Arms zu erfassen, wobei die Sonde dazu konfiguriert ist, in Kontakt mit der Oberfläche des Werkstücks zu kommen und ihre Position vertikal zu verändern, wobei der Arm sich um einen Drehpunkt als Mittelpunkt dreht, und Messen der Kontur und der Oberflächentextur des Werkstücks auf Basis von Detektionsergebnissen des Detektionsmechanismus vom Differentialtransformator-Typ und des Detektionsmechanismus vom Skalen-Typ durch relatives Bewegen des Werkstücks in den Zustand, in dem die Sonde in Kontakt mit der Oberfläche des Werkstücks ist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Verlagerung desselben Arms gleichzeitig sowohl von dem Detektionsmechanismus vom Differentialtransformator-Typ als auch von dem Detektionsmechanismus vom Skalen-Typ erfasst. Daher ist es möglich, gleichzeitig Oberflächentextur-Daten, die vom Detektionsmechanismus vom Differentialtransformator-Typ erfasst werden, und Konturdaten, die vom Detektionsmechanismus vom Skalen-Typ erfasst werden, durch einmalige Messung zu erhalten. Ferner werden die Oberflächentextur-Daten und die Kontur-Daten gleichzeitig erhalten. Daher ist es möglich, ein geeignetes Detektionssignal gemäß dem Inhalt der Messung auszuwählen, d. h. ob die Kontur des Werkstücks gemessen wird oder ob die Oberflächentextur des Werkstücks gemessen wird. Wie oben beschrieben, ist es möglich, die Kontur und die Oberflächentextur mit einem einzigen Messinstrument angemessen zu messen.
  • Der Detektionsmechanismus vom Differentialtransformator-Typ erfasst eine Hochfrequenz-Komponente entsprechend einer sehr kleinen Verlagerung, welche der Rauigkeit der Oberfläche des Werkstücks entspricht, wenn das Werkstück relativ zur Sonde bewegt wird. Der Detektionsmechanismus vom Skalen-Typ erfasst eine Niederfrequenz-Komponente einer Verlagerung entsprechend der Welligkeit der Oberfläche des Werkstücks, wenn das Werkstück relativ zur Sonde bewegt wird.
  • Die Skala hat eine Bogenform, und die Abstände der Skala sind kontinuierlich markiert. Daher ist es möglich, die Linearität der Skala insgesamt zu überprüfen. Die lineare Differenz der Höhe eines zu messenden Objekts wird gemessen, jedoch wird im vorliegenden Erfassungssystem die Differenz in eine Bogenbewegung mit einem Drehpunkt als Mittelpunkt umgewandelt, und die Bewegung wird durch die bogenförmige Skala ausgelesen.
  • In einem derartigen Fall tritt, um genau zu sein, eine Abweichung von sin θ/θ auf (auf Basis des Folgenden). Mit anderen Worten, wenn der Abstand des Drehpunkts des Arms zur Sonde als R angenommen wird, ist die Höhendifferenz durch die Verlagerung, wenn der Arm sich um θ dreht, gegeben durch R sin θ. Andererseits ist, wenn der Abstand vom Drehpunkt des Arms zur Skala als r angenommen wird, die Länge auf der Skala als Ergebnis der Verlagerung, wenn der Arm sich um θ dreht, durch rθ gegeben. Wenn θ nahe 0 Grad ist, ist der Fehler sehr klein, wenn jedoch θ zunimmt, nimmt auch der Fehler von sin θ/θ zu.
  • Es ist möglich, einen solchen Fehler durch kontinuierliches Abschätzen eines theoretischen Werts der Abweichung auf Grund eines Winkels auf Basis der obigen Beziehung zu finden. Ferner wird im Fall der Skala ermöglicht, die Einteilungen kontinuierlich zu interpolieren, was weiter unten beschrieben wird, and daher ist es selbst im Fall der Bogenskala möglich, wegen der Kontinuität der Einteilungen eine Interpolation auszuführen und mit hoher Genauigkeit Korrekturen zu machen.
  • Andererseits ist es im Fall des Differentialtransformators schwierig zu bewirken, dass die Differenz mit hoher Genauigkeit einer Bogenbewegung entspricht. Im Fall der Bogenbewegung in einem weiten Bereich ist es im Prinzip schwierig, das Auftreten einer sehr kleinen Abweichung in der Linearität zu vermeiden. Falls der Arm auf der Seite der Sonde verlängert wird, tritt ein Fall auf, in dem nur eine sehr kleine Bogenbewegung auftritt. Jedoch wird es in einem derartigen Fall schwierig, auf Grund des Einflusses des Trägheitswiderstands wegen der Länge des Arms eine Messung mit hoher Empfindlichkeit durchzuführen. Um den Trägheitswiderstand des Arms zu verringern, ist es notwendig, die Länge des Arms so weit wie möglich zu verringern, jedoch ist einem derartigen Fall die Notwendigkeit der Korrektur der Bogenbewegung noch dringender.
  • In diesen Punkten ist die Korrektur der Bogenbewegung durch den Detektionsmechanismus vom Skalen-Typ besser, was die Beibehaltung der Linearität betrifft, und eine Korrektur mit hoher Genauigkeit wird ermöglicht.
  • Im Fall, dass der Detektor vom Differentialtransformator-Typ und der Detektor vom Skalen-Typ kombiniert werden, werden die Reaktionseigenschaften des Detektors vom Differentialtransformator-Typ als wichtig angesehen, und hauptsächlich werden eine sehr kleine Verlagerung und eine Hochfrequenz-Rauigkeitskomponente gemessen. Daher ist es bevorzugt, den Detektor vom Differentialtransformator-Typ näher zum Drehpunkt der Drehung als den Detektor vom Skalen-Typ zu positionieren.
  • Da es andererseits möglich ist, dass der Detektor vom Skalen-Typ auch die Bogenbewegung des Arms mit hoher Genauigkeit korrigiert, ist es wünschenswert, den Detektor vom Skalen-Typ weiter vom Armdrehpunkt weg als den Detektionsmechanismus vom Differentialtransformator-Typ zu positionieren, auch weil der Detektor vom Skalen-Typ eine sehr kleine Verlagerung vergrößert und auswertet, wobei die Linearität als wichtig angesehen wird.
  • Das Kontur- und Oberflächentextur-Messinstrument weist eine Auswahleinheit auf, die dazu konfiguriert ist, eines von dem Detektionssignal des Detektionsmechanismus vom Differentialtransformator-Typ und dem Detektionssignal des Detektionsmechanismus vom Skalen-Typ auszuwählen und auszugeben.
  • Das Kontur- und Oberflächentextur-Messinstrument weist einen Korrekturkreis auf, der dazu konfiguriert ist, ein Korrektur-Detektionssignal durch Kombination des Detektionssignals des Detektionsmechanismus vom Differentialtransformator-Typ und Detektionssignals des Detektionsmechanismus vom Skalen-Typ zu erzeugen.
  • Der Korrekturkreis korrigiert die Linearität in einem weiten Bereich des Detektionssignals des Detektionsmechanismus vom Differentialtransformator-Typ auf Basis des Detektionssignals des Detektionsmechanismus vom Skalen-Typ.
  • Die Korrektureinheit erzeugt ein Detektionssignal mit hoher Auslösung und guter Linearität in einem weiten Messbereich durch Korrektur der Linearität des Detektionssignals des Detektionsmechanismus vom Differentialtransformator-Typ, dessen Linearität nicht ausreichend ist, mit Hilfe des Detektionssignals des Detektionsmechanismus vom Skalen-Typ.
  • Wirkungen der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Kontur- und Oberflächentextur-Messinstrument geschaffen, das in der Lage ist, die Kontur eines Werkstücks und die Oberflächentextur eines Werkstücks angemessen mit einem Gerät zu messen.
  • Ferner ist es in dem Kontur- und Oberflächentextur-Messinstrument mit dem Korrekturkreis möglich, durch Korrektur der Linearität in einem weiten Bereich des Detektionssignals des Detektionsmechanismus vom Differentialtransformator-Typ auf Basis des Detektionssignals des Detektionsmechanismus vom Skalen-Typ die Kontur und die Oberflächentextur eines Werkstücks mit hoher Auflösung und hoher Linearität in einem weiten Messbereich zu messen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Außenansichtsdiagramm eines Oberflächentextur/Profil-Messinstruments.
  • 2 ist ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Verlagerungsdetektors und ein Beispiel eines Detektionssignals zeigt.
  • 3 ist ein Diagramm, das einen optischen Detektionsmechanismus (Sensor) vom Skalen-Typ zeigt.
  • 4 ist ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Verlagerungsdetektors unter Verwendung eines optischen Sensors vom Skalen-Typ zeigt.
  • 5 ist ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Verlagerungsdetektors unter Verwendung eines optischen Sensors vom Skalen-Typ mit einem radialen Muster zeigt.
  • 6 ist ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Verlagerungsdetektors unter Verwendung eines Laser-Interferometer-Systems zeigt.
  • 7 ist ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Verlagerungsdetektors eines Kontur- und Oberflächentextur-Messinstruments in einer ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 8 ist ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Teils zeigt, der zum Verarbeiten eines Signals nach der ersten Ausführungsform konfiguriert ist.
  • 9 ist ein Diagramm, das die Erzeugungs-Verarbeitung der Kalibrierdaten einer Verarbeitungseinheit für ein Skalensignal erläutert.
  • 10 ist ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Teils, der zum Verarbeiten eines Signals konfiguriert ist, und einer Auswahleinheit in einer zweiten Ausführungsform zeigt.
  • 11 ist ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Teils, der zum Verarbeiten eines Signals konfiguriert ist, und einer Auswahleinheit und einer Auswahlsteuerungsverarbeitung in einer dritten Ausführungsform zeigt.
  • 12 ist ein Diagramm, das ein Beispiel von zweiten Verlagerungsdaten (Oberflächentextur-Daten) und ersten Verlagerungsdaten (Kontur-Daten) in dem Fall zeigt, dass die Verlagerung sich in einem kleinen Bereich verändert.
  • 13 ist ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Teils, der zum Verarbeiten eines Signals konfiguriert ist, und einer Korrektureinheit in einer vierten Ausführungsform zeigt.
  • 14 ist ein Diagramm, das die Signalverarbeitung und die Korrekturverarbeitung in der vierten Ausführungsform zeigt.
  • 15 ist ein Diagramm, das die Signalverarbeitung und die Korrekturverarbeitung in der vierten Ausführungsform zeigt.
  • 16 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die Signalverarbeitung und für die Korrekturverarbeitung in der vierten Ausführungsform zeigt.
  • 17 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die Signalverarbeitung und für die Korrekturverarbeitung in der vierten Ausführungsform zeigt.
  • 18 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines optischen Detektionsmechanismus vom Skalen-Typ zeigt, der dazu konfiguriert ist, eine Verlagerung diskret mit hoher Genauigkeit zu erfassen.
  • 19 ist ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Verlagerungsdetektors zeigt, bei dem ein Detektionsmechanismus vom Differentialtransformator-Typ auf der gleichen Seite einer Sonde vorgesehen ist.
  • BESTE ART ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
  • Im Folgenden wird ein Kontur- und Oberflächentextur-Messinstrument gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. Das Kontur- und Oberflächentextur-Messinstrument gemäß der Ausführungsform hat zum Beispiel eine äußerliche Erscheinungsform wie in 1 gezeigt, und die Konfiguration eines Verlagerungsdetektors 6 ist von der bei einem konventionellen Beispiel verschieden. Jedoch sind die äußerliche Erscheinungsform und die Gesamt-Konfiguration nicht auf die in 1 gezeigte Form und Konfiguration beschränkt.
  • 7 ist ein Diagramm, das die Konfiguration des Verlagerungsdetektors 6 eines Kontur- und Oberflächentextur-Messinstruments gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Wie in 7 gezeigt, umfasst der Verlagerungsdetektor 6 gemäß der ersten Ausführungsform einen Halter 14, der um einen Drehpunkt 16 am Gehäuse drehbar gelagert ist, einen am Halter 14 anbringbar und abnehmbar befestigten Arm 12, einen Stift 7 am Ende des Arms 12, einen Detektionsmechanismus (Sensor) 51 vom Differentialtransformator-Typ, der dazu konfiguriert ist, ein Signal gemäß einer Verlagerung des Halters 14 auszugeben, und einen Detektionsmechanismus (Sensor) 52 vom Skalen-Typ, der konfiguriert ist, ein Signal gemäß einer Verlagerung des Halters 14 auszugeben. Der mit dem Stift 7 versehene Arm 12 wird als Sonde 13 bezeichnet. Der Detektionsmechanismus 51 vom Differentialtransformator-Typ weist einen festen Teil mit einer Mehrzahl von am Gehäuse des Verlagerungsdetektors 6 befestigten Spulen und einen am Halter 14 befestigten Eisenkernteil auf. Durch Drehung des Halters 14 verändert sich die Position des Eisenkerns relativ zu der Mehrzahl von Spulen des festen Teils, und die Intensität eines Wechselspannungssignals (Detektionssignals) in der Spule verändert sich. Am Detektionsmechanismus 52 vom Skalen-Typ ist eine Skala am Halter 14 befestigt und weist ein radial angeordnetes Schwarz-Weiß-Muster mit dem Drehpunkt 16 als Mittelpunkt sowie eine Detektionseinheit auf, die dazu konfiguriert ist, eine Verlagerung (Betrag der Drehung) der am Gehäuse des Verlagerungsdetektors 6 befestigten Skala auszulesen. Wenn die Skala sich aufgrund der Drehung des Halters 14 dreht, liest die Detektionseinheit den Betrag der Drehung (die Position der Drehung) aus. Es ist auch möglich, eine Indexskala in der Detektionseinheit zu verwenden.
  • Der Detektionsmechanismus 51 vom Differentialtransformator-Typ und der Detektionsmechanismus 52 vom Skalen-Typ sind gut bekannt, und daher wird auf eine eingehendere Erläuterung verzichtet. Wie weiter oben beschrieben, hat der Sensor vom Differentialtransformator-Typ eine hohe Auflösung und ist in der Lage, eine sehr kleine Verlagerung zu erfassen, jedoch ist deren Linearität in einem weiten Erfassungsbereich nicht ausreichend. Andererseits ist der Sensor vom Skalen-Typ in der Lage, eine Verlagerung mit hoher Genauigkeit zu erfassen, aber es ist schwierig, eine ebenso hohe Auflösung wie beim Sensor vom Differentialtransformator-Typ zu erhalten.
  • Zum Beispiel können in geeigneter Weise als Detektionsmechanismus vom Skalen-Typ die FASTRACK-Reihe von Renishaw, die Bandskala wie z. B. ERA700 von HEIDENHAIN etc. verwendet werden. Weiterhin können eine normale Edelstahl-Skala oder eine auf einer Glasfläche gravierte Bogenskala akzeptiert werden.
  • Die oben erwähnte FASTRACK-Reihe von Renishaw wird mit einem doppelseitigen Klebeband auf einen gebogenen Flächenteil geklebt. Auf der Skale sind Einteilungen kontinuierlich in 20 μm-Abständen markiert. Im Fall eines derartigen Klebesystems mit dem doppelseitigen Band kann eine geringe Abweichung etc. wegen der Genauigkeit der Klebung auftreten. Aber es ist möglich, eine derartige Abweichung zu korrigieren, indem vorher eine große Anzahl von Blockmaßen mit unterschiedlichen Dicken gemessen wurde, und eine Kalibrierung durch Zeichnen einer Korrelationslinie zum Überprüfen des Betrags der Abweichung durchgeführt wurde. Der Vorteil der Verwendung einer derartigen Skala ist, dass die Korrektur einschließlich der Linearität auf Basis der Kontinuität erfolgen kann, da die Einteilungen kontinuierlich in regelmäßigen Intervallen an einer großen Anzahl von Punkten markiert sind.
  • Mit anderen Worten ist es im Fall der ursprünglich in einer gebogenen Form gestalteten Skala schwierig, die Einteilungen in sehr kleinen regelmäßigen Intervallen mit hoher Genauigkeit mit Bezug auf die Genauigkeit der Biegung der gebogenen Fläche zu markieren, und es ist sehr teuer, eine Skala mit strikter Linearität herzustellen.
  • Im Fall der Bandmaßskala, welche anfangs in einer geraden Linienform gefertigt wird, ist es möglich, eine Skala mit einer Einteilung zu fertigen, die in sehr kleinen Abständen und in regelmäßigen Intervallen mit hoher Genauigkeit durch lineare Kalibrierung mittels Laserlicht etc. markiert ist. Wenn die lineare Skala auf eine gekrümmte Fläche geklebt wird, gibt es den Fall, dass ein sehr kleiner Fehler zur Zeit des Klebens entsteht, aber es wird ermöglicht, den Betrag der Abweichung durch das Kleben wegen der hohen Genauigkeit und der Genauigkeit in der Kontinuität der Einteilung in regelmäßigen Intervallen wie für die Bandskala bezeichnend abzuschätzen.
  • Zum Beispiel kann in einer Umgebung, in der die Temperaturbelastung groß ist, ein Einfluss der thermischen Ausdehnung der Skala selbst vorhanden sein. Jedoch wird im Fall der thermischen Ausdehnung der Skala auf Grund der Umgebung angenommen, dass die thermische Ausdehnung insgesamt gleichförmig ist, und dass sich kein Teil der Skala lokal ausdehnt.
  • In einem solchen Zustand ist es möglich, eine für die Temperaturumgebung geeignete kontinuierliche Kalibrierung auszuführen, indem Kalibrierungsmustermessungen in diversen Stufen des Zustands durchgeführt werden, und an einer großen Anzahl von Punkten kalibriert wird.
  • Was andererseits die Linearität des Differentialtransformators betrifft, so variiert der Betrag der Abweichung, je nachdem um wie viel der Kernteil des Differentialtransformators von dem Spulenteil abweicht. Mit anderen Worten weicht die Linearität nicht gleichförmig ab, sondern die Linearität geht gemäß der relativen Position von Kern zu Spule verloren.
  • Folglich wird empfohlen, den Betrag der Abweichung der Linearität des Detektors vom Differentialtransformator-Typ vom Detektor des Skalen-Typs vorab im Zustand einer bestimmten Raumtemperatur auszuwerten und dann die Abweichung der Linearität des Detektors vom Differentialtransformator-Typ vom Detektor des Skalen-Typs in ähnlicher Weise bei einer anderen Temperatur auszuwerten.
  • Es ist möglich, den Einfluss der thermischen Ausdehnung der Skala im Detektor des Skalen-Typs auf Basis der Abweichung der Linearität des Differentialtransformators wegen der Umgebungstemperatur vom Detektor des Skalen-Typs zu einem bestimmten Grad auszuwerten.
  • Falls eine Skala mit einem Bereich von 5 mm mit 20 μm-Abständen angenommen wird, existiert eine Einteilung mit 250 Punkten in diesem Bereich. Auf Basis der Kontinuität der Einteilungsposition werden Blockmaße mit mehreren Dicken gemessen, und die Messwerte der zu messenden Objekte werden auf Basis einer Korrelationslinie berechnet. Deswegen ist die Ausführung von Interpolationen selbst innerhalb der Einteilung möglich. Mit anderen Worten wird durch die Kontinuität der Einteilung eine Messung mit höherer Genauigkeit ermöglicht.
  • Andererseits ist es bei der diskreten Messung schwierig, die Genauigkeit dazwischen zu erreichen. Mit anderen Worten, im Fall, dass die Kalibrierung an einem Punkt ausgeführt wird, geht, falls ein kleiner Fehler bei der absoluten Genauigkeit des einen Punkts auftritt, die Zuverlässigkeit der gesamten Linearität verloren, aber im Fall, dass eine große Zahl von Punkten in regelmäßigen Intervallen vorhanden ist, ist es möglich, den Zustand der partiellen Abweichung der Position von dem Gesamtabgleich zu überprüfen und die Genauigkeit der Linearität stabil zu sichern.
  • Jedoch entsteht bei längerem Gebrauch das Problem, dass das die Skala fixierende doppelseitige Band etwas verrutscht, und es gibt den Fall, dass die Genauigkeit insgesamt abnimmt. In solch einem Fall wird empfohlen, vorab die relative Abweichung der Genauigkeit vom Detektionsmechanismus vom Differentialtransformator-Typ zu beobachten.
  • Selbst beim Detektionsmechanismus vom Differentialtransformator-Typ wird im Fall, dass der Betrag der Verlagerung klein ist, die Linearität vergleichsweise gut beibehalten, insbesondere in der Nähe des Ursprungs. Im Fall, dass die Abweichung bei jedem Mechanismus in der Nähe des Ursprungs groß ist, oder im Fall, dass die Nullpunktsposition bei beiden Mechanismen abweicht, ist es möglich, den anderen Detektionsmechanismus zu überprüfen, indem der Einfluss der Abweichung wegen einer mit der Zeit auftretenden Veränderung der Skala oder des Differentialtransformators berücksichtigt wird. Im Fall, dass solch eine Überprüfungsfunktion nicht vorgesehen ist, oder im Fall, dass die Kalibrierung der Genauigkeit wegen ständiger Nutzung nicht durchgeführt werden kann, ist es nicht möglich zu überprüfen, ob die Genauigkeit abgewichen ist.
  • Gemäß der Kalibrierung der vorliegenden Anmeldung wird die Verlagerung, die in einem Arm auftritt, jederzeit durch zwei Sensoren mit unterschiedlichen Detektionsprinzipien überprüft. Daher ist es selbst im Fall, dass der Zustand eines der Sensoren nicht normal ist, möglich, eine Anomalität durch die relative Beziehung der Daten unmittelbar zu erfassen.
  • Folglich ist es ohne die Notwendigkeit, oft eine Kalibrierung durch Messen eines Standardmusters durchzuführen, möglich, die Genauigkeit des anderen Detektors automatisch zu diagnostizieren, indem die Konsistenz der Datenausgabe von beiden Sensoren überprüft wird. Im Ergebnis ist es möglich, eine Messung mit hoher Genauigkeit durchzuführen, wobei die Genauigkeit bei längerem Gebrauch beibehalten wird.
  • In der ersten Ausführungsform werden die vom Detektionsmechanismus 51 vom Differentialtransformator-Typ und vom Detektionsmechanismus 52 vom Skalen-Typ ausgegebenen Detektionssignale in der nicht dargestellten Signalverarbeitungseinheit verarbeitet. Es ist auch möglich, die Signalverarbeitungseinheit im Gehäuse des Verlagerungsdetektors 6, außerhalb des Gehäuses des Verlagerungsdetektors 6 oder mit einem Teil der Signalverarbeitungseinheit innerhalb des Gehäuses des Verlagerungsdetektors 6 und dem Rest außerhalb des Gehäuses des Verlagerungsdetektors 6 vorzusehen.
  • 8 ist ein Blockdiagramm, das Konfigurationen von Teilen zeigt, die konfiguriert sind, die Signalverarbeitung im Kontur- und Oberflächentextur-Messinstrument der ersten Ausführungsform durchzuführen: 8(A) zeigt die Gesamt-Konfiguration, (B) zeigt die Konfiguration einer Skalensignal-Verarbeitungseinheit 61 und (C) zeigt die Konfiguration einer Differentialtransformatorsignal-Verarbeitungseinheit 62.
  • Wie in 8A gezeigt, weist das Kontur- und Oberflächentextur-Messinstrument der ersten Ausführungsform die Skalensignal-Verarbeitungseinheit 61 und die Differentialtransformatorsignal-Verarbeitungseinheit 62 auf. Beim Kontur- und Oberflächentextur-Messinstrument wird die Messung durch Bewegen des Stifts 7 mit einer festgelegten Geschwindigkeit relativ zur Oberfläche des Werkstücks W durchgeführt. Daher entspricht die Zeitachse des vom Detektionsmechanismus 51 vom Differentialtransformator-Typ und vom Detektionsmechanismus 52 vom Skalen-Typ ausgegebenen Detektionssignals dem Weg auf der Oberfläche des Werkstücks W. Das wird bei der Signalverarbeitung in der Signalverarbeitungseinheit benutzt.
  • Die Skalensignal-Verarbeitungseinheit 61 verarbeitet das vom Detektionsmechanismus 52 vom Skalen-Typ ausgegebene Detektionssignal und gibt erste Verlagerungsdaten aus. Zum Beispiel führt, wie in 8(B) gezeigt, die Skalensignal-Verarbeitungseinheit 61 eine A/D-Wandlung 64 aus, um ein Signal in ein digitales Signal auf das Skalensignal umzuwandeln, was das vom Detektionsmechanismus 52 vom Skalen-Typ ausgegebene Detektionssignal ist, und führt ferner eine erste Filterverarbeitung 65 aus, um Komponenten mit der Wellenlänge entsprechend der Verlagerungskomponente in einem großen Abstand oder mit einer kleineren Wellenlänge im digitalen Signal zu entfernen, und erzeugt die ersten Verlagerungsdaten.
  • Der Detektionsmechanismus 52 vom Skalen-Typ erfasst die Verlagerung in vertikaler Richtung der Sonde 12 durch Umwandeln der Verlagerung in einen Drehungsbetrag auf der Bogenskala des Arms 12. Daher wird die Veränderung des Betrags der Drehung in eine Höhenveränderung umgewandelt. Die Umwandlung kann im Grunde genommen durch eine Umwandlungsformel ausgeführt werden, aber beim vorliegenden Messinstrument liegen diverse Arten von Fehlern vor, und daher wird der Betrag der Drehung im Fall, dass die Position der Sonde 12 tatsächlich genau in vertikaler Richtung verändert wird, d. h. das Detektionssignal des Detektionsmechanismus 52 vom Skalen-Typ wird gemessen, und Kalibrierdaten werden aus den Beziehungen davon gebildet und gespeichert. Dann wird das aktuelle Detektionssignal auf Basis der Kalibrierdaten kalibriert.
  • Die Skalensignal-Verarbeitungseinheit 61 speichert eine Differenz zwischen dem vom Detektionsmechanismus 52 vom Skalen-Typ ausgegebenen Detektionssignal und der exakten Verlagerung, wenn eine exakte Verlagerung stattfindet, als Kalibrierdaten. Beim Erzeugen der ersten Verlagerungsdaten korrigiert die Skalensignal-Verarbeitungseinheit 61 auch die Kalibrierdaten.
  • 9 ist ein Diagramm, das die Erzeugungs-Verarbeitung der Kalibrierdaten der Skalensignal-Verarbeitungseinheit 61 erläutert. Wie in 9(A) gezeigt, ist an einem Ende des drehbar am Drehpunkt 16 gelagerten Arms 12 die Sonde 13 vorgesehen. An dem anderen Ende ist ein Teil des Detektionsmechanismus 52 vom Skalen-Typ vorgesehen, und die Verlagerung (oder der Betrag der Drehung) entlang dem Bogen des anderen Ende des Arms 12 wird erfasst.
  • Wie in 9(B) gezeigt, wird der Fall angenommen, dass der Drehradius vom Drehpunkt 13 zur Sonde 13 R1 ist, der Drehradius vom Drehpunkt 13 zur Bogenskala des Detektionsmechanismus 52 vom Skalen-Typ R2 ist, die Sonde 13 ihre Position in vertikaler Richtung verändert, und der Arm sich um einen Winkel θ dreht. In diesem Fall ist die Verlagerung in vertikaler Richtung der Sonde 13 durch R1·sinθ gegeben, und der Betrag der Verlagerung entlang dem Bogen auf der Bogenskala ist R2·θ. Folglich wird, falls der Betrag der Verlagerung entlang der Bogenskala des Detektionsmechanismus 52 vom Skalen-Typ als d angenommen wird, die Verlagerung D in vertikaler Richtung der Sonde 13 als D = R1·sin(d/R2) ausgedrückt.
  • Wie oben beschrieben, tritt bei dem vorliegenden Messinstrument, da diverse Arten von Fehlern existieren, eine Abweichung (ein Fehler) von der Berechnungsformel auf, und daher werden Kalibrierdaten gebildet, und eine Korrektur wird vorgenommen. Wie in 9(A) gezeigt, wird ein Blockmaß 54 auf einem Messtisch 53 montiert, der Drehpunkt 16 wird festgelegt, die Sonde 13 wird in Kontakt mit dem Blockmaß 54 gebracht, und das vom Detektionsmechanismus 52 vom Skalen-Typ ausgegebene Detektionssignal wird ausgelesen. Dieser Vorgang wird für Blockmaße 54 mit unterschiedlichen Höhen durchgeführt. Mit anderen Worten werden die Blockmaße mit unterschiedlichen Höhen von einem festen Beobachtungspunkt aus gemessen. Durch diese Messung werden die Kalibrierdaten, welche der Differenz zwischen dem vom Detektionsmechanismus 52 vom Skalen-Typ ausgegebenen Detektionssignal und der exakten Verlagerung entsprechen, wenn eine exakte Verlagerung stattfindet, erhalten und dann gespeichert. 9(C) ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Veränderung des ausgelesenen Werts des Detektionssignals des Detektionsmechanismus 52 vom Skalen-Typ zeigt, wenn Blockmaße mit unterschiedlichen Höhen gemessen werden.
  • Zurückkehrend zu 8, verarbeitet die Differentialtransformatorsignal-Verarbeitungseinheit 62 das vom Detektionsmechanismus 51 vom Differentialtransformator-Typ ausgegebene Detektionssignal und erzeugt die zweiten Verlagerungsdaten. Es ist möglich, dass die Differentialtransformatorsignal-Verarbeitungseinheit 62 die gleichen Verlagerungsdaten wie die konventionellen Daten als zweite Verlagerungsdaten ausgibt, indem die gleiche Verarbeitung durchgeführt wird wie die, die konventionell für das vom Detektionsmechanismus 51 vom Differentialtransformator-Typ ausgegebene Detektionssignal durchgeführt wird.
  • Wie in 8(C) dargestellt ist, führt die Differentialtransformatorsignal-Verarbeitungseinheit 62 zum Beispiel eine A/D-Wandlung 66 durch, um ein Signal in ein digitales Signal für das Differentialtransformatorsignal umzuwandeln, was das vom Detektionsmechanismus 51 vom Differentialtransformator-Typ ausgegebene Detektionssignal ist, und führt weiterhin eine zweite Filterverarbeitung 67 durch, um Störungen, Rauschen etc. des Stifts 7 aus dem digitalen Signal zu entfernen, und erzeugt die zweiten Verlagerungsdaten. Bei der zweiten Filterverarbeitung 67 werden im Fall, dass der Radius der Spitze des Stifts 7 zum Beispiel 2 μm ist, Komponenten von 2,5 μm oder kleiner entfernt. Weiterhin wird, wie in 2(B) erläutert, die Linearität des vom Detektionsmechanismus 51 vom Differentialtransformator-Typ ausgegebenen Detektionssignals schlechter, wenn die Verlagerung groß ist. Daher ist es wünschenswert, vorab Kalibrierdaten zu bilden und Korrekturen vorzunehmen, und diese dann als zweite Verlagerungsdaten (Oberflächentexturdaten) zu einzusetzen.
  • In der ersten Ausführungsform werden die ersten und die zweiten Verlagerungsdaten so ausgegeben, wie sie sind. Mit anderen Worten ist es in der ersten Ausführungsform möglich, gleichzeitig die durch die ersten Verlagerungsdaten angegebenen Konturdaten und die durch die zweiten Verlagerungsdaten angegebenen Oberflächentexturdaten durch eine einmalige Messung zu erhalten.
  • 10 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration eines Teils zeigt, der dazu konfiguriert ist, die Signalverarbeitung vorzunehmen und die Auswahl bei einem Kontur- und Oberflächentextur-Messinstrument gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu treffen.
  • Wie in 10 gezeigt, weist das Kontur- und Oberflächentextur-Messinstrument der zweiten Ausführungsform die Skalensignal-Verarbeitungseinheit 61, die Differentialtransformatorsignal-Verarbeitungseinheit 62 und eine Auswahleinheit 63 auf. Die Skalensignal-Verarbeitungseinheit 61 und die Differentialtransformatorsignal-Verarbeitungseinheit 62 sind die gleichen wie in der ersten Ausführungsform.
  • Die Auswahleinheit 63 wählt die von der Skalensignal-Verarbeitungseinheit 61 ausgegebenen ersten Verlagerungsdaten oder die von der Differentialtransformatorsignal-Verarbeitungseinheit 62 ausgegebenen zweiten Verlagerungsdaten aus und gibt sie aus, entsprechend dem Auswahlsignal, das angibt, ob die Kontur oder die Oberflächentextur gemessen wird. Insbesondere wird im Fall, dass die Kontur gemessen wird, ein Signal zum Auswählen der ersten Verlagerungsdaten als Auswahlsignal eingegeben, und die Auswahleinheit 63 gibt die ersten Verlagerungsdaten von der Skalensignal-Verarbeitungseinheit 61 als Detektionsdaten aus. Im Fall, dass die Oberflächentextur gemessen wird, wird ein Signal zum Auswählen der zweiten Verlagerungsdaten als Auswahlsignal eingegeben, und die Auswahleinheit 63 gibt die zweiten Verlagerungsdaten von der Differentialtransformatorsignal-Verarbeitungseinheit 62 als Detektionsdaten aus. Das Auswahlsignal wird zum Beispiel von einem Benutzer des Kontur- und Oberflächentextur-Messinstruments durch Bedienen eines Auswahlknopfes für die Verarbeitung am Instrument erzeugt.
  • In der zweiten Ausführungsform wählt die Auswahleinheit 63 die ersten Verlagerungsdaten oder die zweiten Verlagerungsdaten und gibt sie aus, entsprechend dem Auswahlsignal, aber es ist auch möglich, die Auswahl durch ein anderes Verfahren durchzuführen. In einer dritten Ausführungsform, die im Folgenden erläutert wird, wird die Auswahl in der Auswahleinheit 63 auf eine andere Weise gesteuert.
  • 11 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration eines Teils, der dazu konfiguriert ist, die Signalverarbeitung durchzuführen und eine Auswahl vorzunehmen, sowie ein Diagramm zur Erläuterung des Schaltens des Selektionssignals in einem Kontur- und Oberflächentextur-Messinstrument gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Wie in 11(A) gezeigt, weist die dritte Ausführungsform eine Konfiguration auf, bei der eine Auswahlsteuereinheit 69, die dazu konfiguriert ist, die Auswahl in der Auswahleinheit 63 nach Empfang der ersten Verlagerungsdaten und der zweiten Verlagerungsdaten zu steuern, weiterhin zusätzlich zu der Konfiguration der zweiten Ausführungsform nach 10 vorgesehen ist. In 11(A) ist beschrieben, dass die Auswahlsteuereinheit 69 sowohl die ersten Verlagerungsdaten als auch die zweiten Verlagerungsdaten empfängt, jedoch kann der Fall auftreten, dass nur ein Datenteilstück empfangen wird.
  • Wie weiter oben beschrieben, wird, wenn die Verlagerung groß wird, der Fehler der von der Differentialtransformatorsignal-Verarbeitungseinheit 62 ausgegebenen zweiten Verlagerungsdaten größer. 11(B) zeigt ein Beispiel einer Veränderung des Werts der zweiten Verlagerungsdaten mit Bezug auf die tatsächliche Verlagerung. Wie in 11(B) gezeigt, verändert sich, wenn die zweiten Verlagerungsdaten zum Beispiel in einem Bereich zwischen einem oberen Schwellenwert +Sh und einem unteren Schwellenwert –Sh liegen, der Wert der zweiten Verlagerungsdaten mit hoher Linearität (linear) mit Bezug auf die tatsächliche Verlagerung. Im Gegensatz dazu wird im Bereich des oberen Schwellenwerts +Sh oder darüber und im Bereich des unteren Schwellenwerts –Sh oder darunter die Linearität schlechter, und der Fehler wird größer. Natürlich kann dieser Fehler durch Kalibrieren korrigiert werden, aber der Fehler verändert sich über die Zeit ebenso wie durch Veränderungen in der Umgebung, wie z. B. bei einer Temperaturveränderung. Daher ist es schwierig, Korrekturen mit hoher Genauigkeit vorzunehmen. Deswegen steuert die Auswahlsteuereinheit 69 der zweiten Ausführungsform die Auswahleinheit 63 derart, dass die zweiten Verlagerungsdaten in dem Fall ausgewählt werden, dass die zweiten Verlagerungsdaten zwischen dem oberen und unteren Schwellenwert ±Sh liegen, mit anderen Worten, wenn die Verlagerung zwischen ±Th entsprechend ±Sh liegt, und die ersten Verlagerungsdaten in dem Fall ausgewählt werden, dass die zweiten Verlagerungsdaten außerhalb des Bereichs zwischen dem oberen und unteren Schwellenwert ±Sh liegen, mit anderen Worten, wenn die Verlagerung außerhalb des Bereichs zwischen ±Th liegt.
  • Es ist auch möglich, auf Basis der von der Skalensignal-Verarbeitungseinheit 61 ausgegebenen ersten Verlagerungsdaten festzustellen, ob die Verlagerung innerhalb oder außerhalb des Bereichs zwischen dem oberen und unteren Schwellenwert ±Sh liegt.
  • Der Fall einer derartigen Korrektur entspricht dem Fall, dass die Korrektur durch die ersten Verlagerungsdaten nicht auf Basis der Feststellung durchgeführt wird, dass die Linearität beibehalten ist. Selbst beim Detektionsmechanismus vom Differentialtransformator-Typ, der die zweiten Verlagerungsdaten ausgibt, wird davon ausgegangen, dass der Bereich, in dem die Linearität beibehalten ist, in der Nähe von Null liegt, und eine Korrektur auf Basis der ersten Verlagerungsdaten ist nicht notwendig. Welcher Bereich als Bereich für die Korrektur genommen wird, hängt davon ab, in welchem Bereich die Linearität der zweiten Verlagerungsdaten bei der Vorab-Kalibrierung als beibehalten angesehen wird.
  • Wenn die Kontur gemessen wird, gibt es den Fall, dass es notwendig ist, gleichzeitig auch die Oberflächentextur zu messen. In solch einem Fall wurde konventionell zum Beispiel nach dem Messen der Kontur die Oberflächentextur der gleichen Fläche gemessen, und daher hat sich die Messzeit verlängert. Im Gegensatz dazu werden in der zweiten Ausführungsform, wenn die Verlagerung innerhalb des Bereichs zwischen oberem und unterem Schwellenwert liegt, die Oberflächentexturdaten ausgegeben, und wenn die Verlagerung außerhalb des Bereichs zwischen oberem und unterem Schwellenwert liegt, werden die Konturdaten ausgegeben, und die Oberflächentexturdaten können auch als Konturdaten verwendet werden. Daher werden die Konturdaten über dem gesamten Messbereich erhalten, und gleichzeitig werden, wenn die Verlagerung innerhalb des Bereichs zwischen oberem und unterem Schwellenwert liegt, im Ergebnis auch die Oberflächentexturdaten erhalten.
  • 12 ist ein Diagramm, das Beispiele der zweiten Verlagerungsdaten (Oberflächentexturdaten) und der ersten Verlagerungsdaten (Konturdaten) im Fall zeigt, dass die Verlagerung sich in einem kleinen Bereich verändert. 12(A) zeigt ein Beispiel der Veränderung der zweiten Verlagerungsdaten (Oberflächentexturdaten), und 12(B) zeigt die Veränderung der zweiten Verlagerungsdaten (Oberflächentexturdaten) in vergrößerter Ansicht. 12(C) zeigt ein Beispiel der Veränderung der ersten Verlagerungsdaten (Konturdaten), und 12(D) zeigt die Veränderung der ersten Verlagerungsdaten in vergrößerter Ansicht.
  • Wie in 12(B) gezeigt, ist die Auflösung der zweiten Verlagerungsdaten (Oberflächentexturdaten) hoch, und daher ist die Veränderung stetig übergehend, selbst bei Vergrößerung. Die Auflösung der zweiten Verlagerungsdaten (Oberflächentexturdaten) ist zum Beispiel 1 nm. Im Gegensatz dazu ist, wie in 12(D) gezeigt, die Auflösung der ersten Verlagerungsdaten niedrig im Vergleich zu der der zweiten Verlagerungsdaten. Daher hat die Veränderung in der Vergrößerung die Form einer Stufe. Die Auflösung der ersten Verlagerungsdaten (Konturdaten) ist zum Beispiel 50 nm, und die Auflösung ist für die Angabe der Kontur ausreichend. Deswegen ist dies, wenn die Kontur angegeben wird, kein Problem, und selbst wenn die ersten Verlagerungsdaten als die Kontur angebende Daten ausgegeben werden, ergibt sich in der dritten Ausführungsform kein besonderes Problem in dem Fall, dass die Verlagerung außerhalb des Bereichs zwischen oberer und unterer Schwelle liegt. Weiterhin ist, wie in 12(B) und (D) gezeigt, die Auflösung der ersten Verlagerungsdaten (Konturdaten) als die Oberflächentextur angebende Daten nicht ausreichend. Wie weiter oben beschrieben, werden in der dritten Ausführungsform, wenn die Verlagerung innerhalb des Bereichs zwischen oberer und unterer Schwelle liegt, die zweiten Verlagerungsdaten (Oberflächentexturdaten) als die die Kontur angebenden Daten ausgegeben, und daher ist es auch möglich, die Oberflächentextur zu messen.
  • In der ersten bis dritten Ausführungsform werden die vom Detektionsmechanismus 52 vom Skalen-Typ und vom Detektionsmechanismus 51 vom Differentialtransformator-Typ ausgegebenen Detektionssignale jeweils verarbeitet und in die ersten und zweiten Verlagerungsdaten umgewandelt, und dann werden beide Stücke gleichzeitig oder ein Stück wird ausgewählt und ausgegeben, wobei die auszugebenden Daten das Skalensignal und das Differentialtransformatorsignal sind.
  • Obwohl das Skalensignal (erste Verlagerungsdaten) und das Differentialtransformatorsignal (zweite Verlagerungsdaten) in Auflösung und Sensitivität verschieden sind, sind sie jedoch Signale, die durch Messen desselben Teils eines Werkstücks erhalten werden, und stehen daher in Beziehung zueinander. Deswegen ist es wünschenswert, für eine Abfrage geeignete Messdaten zu erzeugen, indem das Skalensignal (erste Verlagerungsdaten) und das Differentialtransformatorsignal (zweite Verlagerungsdaten) mit Bezug aufeinander korrigiert werden. In einer weiter unten erläuterten Ausführungsform wird eine derartige Vorgehensweise bei der Korrektur gewählt.
  • Wie weiter oben beschrieben, hat das vom Detektionsmechanismus 52 vom Skalen-Typ angegebene Skalensignal zwar keine hohe Auflösung, aber es hat eine gute Linearität über einen weiten Erfassungsbereich. Andererseits hat das vom Detektionsmechanismus 51 vom Differentialtransformator-Typ ausgegebene Differentialtransformatorsignal zwar eine hohe Auflösung, aber es hat eine nicht ausreichende Linearität in einem weiten Erfassungsbereich. Folglich ist es die grundlegende Vorgehensweise bei der Korrektur, Korrekturdaten zu bilden, so dass die Komponente mit langer Periode des Differentialtransformatorsignals (zweite Verlagerungsdaten) mit der Komponente mit langer Periode des Skalensignals (erste Verlagerungsdaten) übereinstimmt, und das Differentialtransformatorsignal (zweite Verlagerungsdaten) durch den Betrag entsprechend den Korrekturdaten zu korrigieren.
  • Die Korrekturverarbeitung kann durch diverse Beispiele modifiziert werden. Erstens können zwei Fälle auftreten: wenn die auf Basis der vom Detektionsmechanismus 51 vom Differentialtransformator-Typ und vom Detektionsmechanismus 52 vom Skalen-Typ ausgegebenen Detektionssignale erzeugten Korrekturdaten ausgegeben werden, während der Stift 7 mit einer festgelegten Geschwindigkeit relativ zur Oberfläche des Werkstücks W zum Bewegen gebracht wird, d. h. die Daten in Echtzeit ausgegeben werden; oder wenn die Daten ausgegeben werden, nachdem die Bewegung des Stifts 7 relativ zur Oberfläche des Werkstücks W im Messbereich abgeschlossen ist. Zuerst wird der Fall erläutert, dass die Daten in Echtzeit ausgegeben werden.
  • 13 ist das Blockdiagramm eines Teils, der dazu konfiguriert ist, eine Signalverarbeitung in einem Kontur- und Oberflächentextur-Messinstrument in einer vierten Ausführungsform durchzuführen: in 13(A) ist die Gesamt-Konfiguration dargestellt, in 13(B) ist die Konfiguration der Differentialtransformatorsignal-Verarbeitungseinheit 62 dargestellt, und in 13(C) ist eine weitere Konfiguration der Differentialtransformatorsignal-Verarbeitungseinheit 62 dargestellt.
  • Wie in 13(A) gezeigt, weist der Teil, der dazu konfiguriert ist, eine Signalverarbeitung durchzuführen, die Skalensignal-Verarbeitungseinheit 61, die Differentialtransformatorsignal-Verarbeitungseinheit 62 und eine Korrektur-Verarbeitungseinheit 70 auf.
  • Die Skalensignal-Verarbeitungseinheit 61 weist die in 8(B) dargestellte Konfiguration auf und verarbeitet wie in der ersten bis vierten Ausführungsform das vom Detektionsmechanismus 52 vom Skalen-Typ ausgegebene Detektionssignal und gibt die ersten Verlagerungsdaten an die Korrektureinheit 70 aus. Die ersten Verlagerungsdaten werden zum Korrigieren der Linearität der von der Differentialtransformatorsignal-Verarbeitungseinheit 62 ausgegebenen zweiten Verlagerungsdaten benutzt, und die Korrektur erfolgt durch Verwendung der Verlagerungskomponente des Skalensignals in großem Abstand, d. h. der Komponente mit langer Periode (großer Wellenlänge) mit Bezug auf Abstand und Zeit. Deswegen ist, wie bei der ersten bis vierten Ausführungsform, die Verlagerungskomponente in kurzem Abstand, d. h. die Komponente mit kurzer Periode (kleiner Wellenlänge), nicht notwendig, und daher werden die Komponenten mit einer vorgegebenen Wellenlänge oder mit einer kürzeren Wellenlänge entfernt.
  • Die Differentialtransformatorsignal-Verarbeitungseinheit 62 verarbeitet das vom Detektionsmechanismus 51 vom Differentialtransformator-Typ ausgegebene Detektionssignal und erzeugt die zweiten Verlagerungsdaten und gibt sie an die Korrektureinheit 70 aus. Wie bei der ersten bis dritten Ausführungsform hat die Differentialtransformatorsignal-Verarbeitungseinheit 62 die in 8(C) gezeigte Konfiguration, und es ist möglich, die gleiche Verarbeitung wie die konventionelle Verarbeitung des vom Detektionsmechanismus 51 vom Differentialtransformator-Typ ausgegebenen Detektionssignals durchzuführen und die gleichen Verlagerungsdaten wie die konventionellen Daten als zweite Verlagerungsdaten auszugeben. Jedoch wird die Linearität durch die von der Skalensignal-Verarbeitungseinheit 62 ausgegebenen ersten Verlagerungsdaten korrigiert, mit anderen Worten wird die Komponente mit langer Periode (großer Wellenlänge) korrigiert, und daher werden die zweiten Verlagerungsdaten nicht benötigt. Deswegen ist es in der vierten Ausführungsform wünschenswert, die Komponente mit langer Periode (großer Wellenlänge) zu entfernen.
  • Folglich führt in der vierten Ausführungsform, wie in 13(B) gezeigt, die Differentialtransformatorsignal-Verarbeitungseinheit 62 die A/D-Wandlung 66 durch, um ein Signal in ein digitales Signal für das Differentialtransformatorsignal umzuwandeln, was das vom Detektionsmechanismus 51 vom Differentialtransformator-Typ ausgegebene Detektionssignal ist und führt weiterhin die zweite Filterverarbeitung 67 durch, um Störungen, Rauschen etc. des Stifts 7 im digitalen Signal zu entfernen, und führt dann die dritte Filterverarbeitung 68 durch, um die Komponente mit einer Wellenlänge entsprechend dem Abstand zwischen den Korrekturpunkten oder mit einer längeren Wellenlänge zu entfernen, und erzeugt die zweiten Verlagerungsdaten. Die zweite Filterverarbeitung 67 ist zum Beispiel die gleiche wie die Verarbeitung in 8(C). Bei der dritten Filterverarbeitung 68 werden die Komponenten mit einer vorgegebenen Wellenlänge oder mit einer größeren Wellenlänge, wie z. B. 0,08 mm, 0,25 mm und 0,8 mm, entfernt. Mit anderen Worten wird bei der dritten Filterverarbeitung 68 wird eine Filterverarbeitung entgegengesetzt zur ersten Filterverarbeitung 65 in 8(B) durchgeführt. Folglich wird im Ergebnis in der vierten Ausführungsform eine Bandpass-Filterverarbeitung in der Differentialtransformatorsignal-Verarbeitungseinheit 62 durchgeführt.
  • Ferner gibt es, wie weiter unten beschrieben, den Fall, dass die Entfernung der kurzwelligen Komponenten für das Differentialtransformatorsignal wie für das Skalensignal durchgeführt wird, um Korrekturdaten zu erzeugen, und in einem derartigen Fall, wie in 13(C) gezeigt, wird die A/D-Wandlung 66 zum Umwandeln eines Signals in ein digitales Signal am Differentialtransformatorsignal durchgeführt und weiterhin wird die erste Filterverarbeitung 65 am digitalen Signal durchgeführt, und die Verarbeitung zum Erzeugen von Korrekturdaten wird separat durchgeführt.
  • Die Korrektureinheit 70 führt Korrekturen aus, um die Komponente der zweiten Verlagerungsdaten mit langer Periode an die ersten Verlagerungsdaten anzupassen. 14 ist ein Diagramm, das die Signalverarbeitung und die Korrekturverarbeitung in der vierten Ausführungsform erläutert.
  • 14(A) zeigt ein vom Detektionsmechanismus 52 vom Skalen-Typ ausgegebenes Skalensignal oder ein digitales Signal, das durch Ausführen der A/D-Wandlung erhalten wird. Durch Ausführen der ersten Filterverarbeitung 65 an diesem Signal werden die ersten Verlagerungsdaten, aus denen die kurzwellige Komponente entfernt ist, wie in 14(B) erhalten.
  • Andererseits zeigt 14(C) ein vom Detektionsmechanismus 51 vom Differentialtransformator-Typ ausgegebenes Differentialtransformatorsignal oder ein digitales Signal, das durch Ausführen der A/D-Wandlung davon erhalten wird. Durch Ausführen der zweiten Filterverarbeitung 67 und der dritten Filterverarbeitung 68 an diesem Signal werden die zweiten Verlagerungsdaten, bei denen nur die Komponente mit mittlerer Wellenlänge belassen ist und von denen andere kurz- und langwellige Komponenten entfernt sind, wie in 14(D) erhalten.
  • Die Korrektureinheit 70 führt Korrekturen derart aus, dass die Verlagerung der langen Wellenlänge der ersten Verlagerungsdaten in 14(B) und die der zweiten Verlagerungsdaten in 14(D) miteinander übereinstimmen. Insbesondere wird eine Korrektur derart vorgenommen, dass die Höhe und die Neigung der ersten Verlagerungsdaten in 14(B) und die der zweiten Verlagerungsdaten in 14(D) in jeder Position miteinander übereinstimmen. Die Korrektur kann kontinuierlich oder diskret erfolgen, um den Wert eines Korrekturpunkts (mit einem schwarzen Kreis markiert) der zweiten Verlagerungsdaten in 14(D) an den Wert des Korrekturpunkts in 14(B) anzupassen. Somit werden die in 14(E) gezeigten Korrektur-Verlagerungsdaten erhalten.
  • Die Korrektur erfordert das Auffinden der langwelligen Komponenten des Skalensignals und des Differentialtransformatorsignals. Daher ist es notwendig, in einem gewissen Grad eine Abtastung des Verlagerungssignals nach der Position durchzuführen, wo die Korrektur durchgeführt wird, und ferner benötigt die Verarbeitung der arithmetischen Operation einige Zeit. Deswegen werden die Korrekturdaten in Echtzeit ausgegeben, aber um eine gewisse Zeit verzögert.
  • Im oben beschriebenen Beispiel wird die langwellige Komponente durch die Filterverarbeitung des Skalensignals erzeugt, aber es ist auch möglich, Konturdaten, aus denen Stufen durch den sich bewegenden Durchschnitt der durch die A/D-Wandlung des Skalensignals erhaltenen Verlagerungsdaten entfernt wurden, zumindest Rechteckkurven, Splinekurven und dergleichen, von Daten einer vorgegebenen Anzahl von Abtastungen unmittelbar davor zu erzeugen.
  • 15 ist ein Diagramm, das die Signalverarbeitung und die Korrekturverarbeitung noch weiter erläutert. 15 ist ein Diagramm, das eine Erklärung anhand eines Falls liefert, bei dem die ersten Korrekturdaten (Skalensignal) monoton zunehmen, wie bei einem Fall, bei dem zum Beispiel eine leicht geneigte Ebene gemessen wird.
  • Wie in 15(A) gezeigt, nimmt der Wert der ersten Verlagerungsdaten (Skalensignal) linear zu. Im Gegensatz dazu wird angenommen, dass bei dem Differentialtransformatorsignal vor der dritten Filterverarbeitung 68, wie in 15(B) gezeigt, die Durchschnittswerte mit den ersten Verlagerungsdaten in der Nähe des Mittelpunkts übereinstimmen, aber in den Bereichen auf beiden Seiten sind die Werte kleiner als die ersten Verlagerungsdaten. In diesem Fall wird zum Beispiel, wenn die erste Filterverarbeitung am Differentialtransformatorsignal durchgeführt wird, wie in 13(C) dargestellt, die Veränderung des Durchschnittswerts wie in 15(B) gezeigt erhalten. Wenn die Differenz zwischen dem durch Durchführen der ersten Filterverarbeitung am Differentialtransformatorsignal erhaltenen Wert und den ersten Verlagerungsdaten berechnet wird, ergibt sich die in 15(C) durch A gezeigte Veränderung. Falls das Vorzeichen von A umgedreht wird, werden die durch B angegebenen Korrekturdaten erhalten, und Daher werden durch Addieren der Korrekturdaten zu den zweiten Verlagerungsdaten die in 15(D) erhaltenen Korrektur-Verlagerungsdaten erhalten.
  • 16 und 17 sind Diagramme, die spezielle Beispiele der Messung in der vierten Ausführungsform zeigen.
  • Bei dem zu messenden Werkstück W, wie in 16(A) dargestellt, ist die Oberfläche eine Ebene und hat eine gewisse Rauigkeit. 16(B) zeigt das Differentialtransformatorsignal oder die zweiten Verlagerungsdaten, erhalten durch Messen des Werkstücks W im horizontal gehaltenen Zustand. 16(C) zeigt das Skalensignal oder die ersten Verlagerungsdaten, erhalten durch Messen des Werkstücks W im horizontal gehaltenen Zustand.
  • 16(D) zeigt den Zustand, in dem das oben erwähnte Werkstück W geneigt gehalten ist. 16(E) zeigt das Differentialtransformatorsignal oder die zweiten Verlagerungsdaten, erhalten durch Messen des Werkstücks W im geneigt gehaltenen Zustand. 16(F) zeigt das Skalensignal oder die ersten Verlagerungsdaten, erhalten durch Messen des Werkstücks W im geneigt gehaltenen Zustand.
  • Wie in 16(B) gezeigt, stimmt eine Linie S0 der kleinsten Quadrate der zweiten Verlagerungsdaten, erhalten durch Messen des horizontal gehaltenen Werkstücks W, mit der Bezugslinie überein, die das Null-Niveau anzeigt. In ähnlicher Weise, wie in 16(C) gezeigt, stimmt eine Linie S1 der kleinsten Quadrate der ersten Verlagerungsdaten, erhalten durch Messen des horizont gehaltenen Werkstücks W, ebenfalls mit der Bezugslinie überein. Wie in 16(E) gezeigt, hat eine Linie S2 der kleinsten Quadrate der zweiten Verlagerungsdaten, erhalten durch Messen des geneigt gehaltenen Werkstücks W, einen Winkel entsprechend dem Neigungswinkel mit Bezug auf die Bezugslinie, ist aber keine perfekt gerade Linie. Wie in 16(F) gezeigt, ist eine Linie S3 der kleinsten Quadrate der zweiten Verlagerungsdaten, erhalten durch Messen des geneigt gehaltenen Werkstücks W, eine gerade Linie mit einem Winkel entsprechend dem Neigungswinkel mit Bezug auf die Bezugslinie.
  • Die Korrektureinheit 70 erzeugt die Korrekturdaten derart, dass die Linie S2 der kleinsten Quadrate in 16(E) mit der Linie S3 der kleinsten Quadrate in 16(F) übereinstimmt. Die durch die Korrekturdaten korrigierten ersten Verlagerungsdaten sind in 17 dargestellt. Somit wird ein Oberflächentextursignal mit hoher Linearität in einem weiten Bereich erhalten.
  • Wie oben beschrieben, können kontinuierliche Korrekturdaten berechnet werden, aber die langwellige Komponente wird korrigiert, und Daher entsteht kein Problem, selbst wenn die Korrektur diskret durchgeführt wird. Deswegen müssen zum Beispiel in 15(A) bis (D) nur die Korrekturpunkte mit schwarzen Kreisen korrigiert werden, so dass die ersten Korrekturdaten und die zweiten Korrekturdaten miteinander übereinstimmen, und der Teil zwischen Korrekturpunkten kann linear korrigiert werden. Das Intervall zwischen den Korrekturpunkten wird derart bestimmt, dass die Abweichung der Linearität des Differentialtransformatorsignals in dem Intervall ein vorgegebener Wert (Fehler in engem Bereich) oder weniger ist.
  • Insbesondere wird die Skala an konstanten Abstandsintervallen ausgelesen, und eine Neigung wird für jeden Abstand gefunden, und gleichzeitig wird das Differentialtransformatorsignal durch das Abstandsintervall geteilt und mit einem Koeffizienten multipliziert, so dass die mittlere Neigung zwischen den Abständen des Differentialtransformatorsignals mit der Neigung für jeden Abstand des Skalensignals übereinstimmt. Die mittlere Neigung zwischen den Abständen des Differentialtransformatorsignals wird mittels zum Beispiel einer Linie der kleinsten Quadrate, einer Splinekurve oder dergleichen berechnet. Dann werden zwei Datenteilstücke überlagert, so dass die Endpunkte zwischen den Abständen übereinstimmen, und damit sind die Korrektur-Verlagerungsdaten berechnet.
  • In einem weiteren Verfahren zum Erzeugen einer Ausgabe in Echtzeit wird die Differenz zwischen den langwelligen Komponenten des Detektionsmechanismus 51 vom Differentialtransformator-Typ und des Detektionsmechanismus vom Skalen-Typ vorab gemessen, die von der Korrektureinheit 70 gemessene Differenz wird als Korrekturdaten gespeichert, und die Korrektur-Verlagerungsdaten werden durch Addieren der Korrekturdaten zu den von der Differentialtransformatorsignal-Verarbeitungseinheit 62 ausgegebenen zweiten Verlagerungsdaten erzeugt. Es ist wünschenswert, die Messung der Differenz zwischen den langwelligen Komponenten des Detektionsmechanismus 51 vom Differentialtransformator-Typ und des Detektionsmechanismus vom Skalen-Typ durchzuführen, wenn nötig, um die Korrekturdaten auf neuesten Stand zu bringen.
  • Zum Messen der Differenz zwischen den langwelligen Komponenten des Detektionsmechanismus 51 vom Differentialtransformator-Typ und des Detektionsmechanismus vom Skalen-Typ können das Verfahren zum kontinuierlichen Erzeugen von Korrekturdaten, wie in 15 erläutert und weiter oben beschrieben, und das Verfahren zum diskreten Erzeugen von Korrekturdaten angewendet werden, aber es ist nicht notwendig, die Messung in Echtzeit durchzuführen, und daher ist es möglich, durch Aufwenden von Zeit Korrekturdaten mit hoher Genauigkeit zu erhalten. Weiterhin ist es auch möglich, die Korrekturdaten durch Berechnen der Differenz zwischen den langwelligen Komponenten des Detektionsmechanismus 51 vom Differentialtransformator-Typ und des Detektionsmechanismus vom Skalen-Typ durch die Daten der vorherigen Messung auf neuesten Stand zu bringen.
  • Im Fall, dass Korrekturdaten gespeichert werden, ist es notwendig, die Messdaten in dem gesamten Messbereich zu speichern, und daher wird zum Beispiel die geneigte Oberfläche eines Werkstücks mit einer guten Geradheit vorab gemessen und das Skalensignal und das Differentialtransformatorsignal werden erzeugt, wie in 15(A) und (B) gezeigt, und eine Verarbeitung, um nur die langwelligen Komponenten beizubehalten, wird an beiden Signalen durchgeführt, und damit wird die Differenz zwischen zwei Datenteilstücken berechnet. Auf Basis der berechneten Differenz wird ein Polynom zum Annähern der Differenz für den Wert des Differentialtransformatorsignals berechnet und gespeichert, oder eine durch Zuordnung der Differenz zu dem Wert des Differentialtransformatorsignals erhaltene Wertetabelle wird gebildet und gespeichert. Im Fall, dass die Messung tatsächlich durchgeführt wird, werden die Korrektur-Verlagerungsdaten durch Addieren der Differenz zum Wert des Differentialtransformatorsignals durch Berechnen der Differenz unter Verwendung des für den Wert des Differentialtransformatorsignals gespeicherten Polynoms oder durch Auslesen der in der Wertetabelle für den Wert des Differentialtransformatorsignals gespeicherten Differenz berechnet.
  • Im Fall, dass die Korrektur-Verlagerungsdaten nicht in Echtzeit, sondern nachdem auch die Bewegung des Stifts 7 über den gesamten Messbereich geendet hat, erzeugt werden, kann die gleiche Vorgehensweise wie oben beschrieben angewendet werden, aber es gibt eine Begrenzung für die Verarbeitungszeit, und daher wird eine Verarbeitung mit höherer Genauigkeit ermöglicht.
  • Im Fall, dass die Korrektur diskret an Korrekturpunkten vorgenommen wird, muss das Skalensignal nur in der Lage sein, die Verlagerung an den diskreten Punkten mit hoher Genauigkeit zu erfassen. Deswegen ist es bei dem optischen Detektionsmechanismus vom Skalen-Typ nicht notwendig, dass das Schwarz-Weiß-Muster kontinuierlich vorliegt, sondern es muss mit dem Korrekturpunkt korrespondieren.
  • 18 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des optischen Detektionsmechanismus vom Skalen-Typ zum diskreten Erfassen der Verlagerung mit hoher Genauigkeit zeigt.
  • Wie in 18(A) gezeigt, ist in einer Skala 81 eine Mehrzahl von schwarzen Linien 82 radial mit einem Abstand dazwischen gebildet, wobei der Drehpunkt 16 der Mittelpunkt ist. 18(B) ist ein Diagramm, das eine schwarze Linie 82 zeigt, deren Peripherie transparent ist.
  • 18(C) zeigt ein Lichtempfängerelement 85, und das Lichtempfängerelement 85 ist ein zweiteiliges Element und weist zwei Lichtempfängereinheiten 86 und 87 mit der gleichen Form und den gleichen Eigenschaften auf.
  • Wie in 18(D) gezeigt, ist eine Detektionseinheit vorgesehen, die die Skala 81 beidseitig umgibt, und die Detektionseinheit umfasst eine Lichtquelle 91, eine Linse 91, die dazu konfiguriert ist, das Licht von der Lichtquelle 91 in paralleles Licht umzuwandeln, wobei das Lichtempfängerelement 85 nahe an der Seite vorgesehen ist, auf der schwarze Linien 82 der Skala 81 gebildet sind, und eine Signal-Verarbeitungseinheit 90, die dazu konfiguriert ist, das Signal des Lichtempfängerelements 85 zu verarbeiten. Die Signal-Verarbeitungseinheit 90 weist einen analogen Schaltkreis auf, der dazu konfiguriert ist, eine arithmetische Operation zum Auffinden der Differenz zwischen den Ausgangssignalen der beiden Lichtempfängereinheiten 86 und 87 des Lichtempfängerelements 85 durchzuführen.
  • Wie in 18(E) gezeigt, haben die Ausgänge der beiden Lichtempfängereinheiten 86 und 87 die gleiche Intensität, wenn die schwarze Linie 82 sich nicht vor den beiden Lichtempfängereinheiten 86 und 87 befindet, und das Differenzsignal ist Null. Wenn die schwarze Linie 82 beginnt, mit einer der beiden Lichtempfängereinheiten 86 und 87 zu überlappen, wird der Ausgang einer der beiden Lichtempfängereinheiten 86 und 87 schwächer, und das Differenzsignal fängt zum Beispiel an, schwächer zu werden. Dann, wenn die schwarze Linie 82 mit einer der beiden Lichtempfängereinheiten 86 und 87 überlappt, erreicht das Differenzsignal ein Minimum. Danach, wenn sich die schwarze Linie 81 weiter bewegt, verringert sich die Überlappung mit einer der beiden Lichtempfängereinheiten 86 und 87, und der Ausgang wird stärker, und andererseits beginnt die schwarze Linie 81, mit der anderen Lichtempfängereinheit zu überlappen, und daher wird der Ausgang der anderen Lichtempfängereinheit schwächer, und das Differenzsignal nimmt abrupt zu. Dann, wenn die schwarze Linie 81 mit beiden Lichtempfängereinheiten 86 und 87 gleichermaßen überlappt, wird das Differenzsignal Null. Danach, wenn die schwarze Linie 82 sich weiter bewegt und mit der anderen der beiden Lichtempfängereinheiten 86 und 87 überlappt, erreicht das Differenzsignal ein Maximum, und danach wird das Differenzsignal schwächer und erreicht Null. Folglich kann der Nulldurchgang mit hoher Genauigkeit bestimmt werden, und der Punkt wird als Korrekturpunkt genommen. Durch Kalibrieren der Position, wo das Signal für die Skala 81, auf der die schwarzen Linien 82 gebildet sind, durch Null geht, ist es möglich, die absolute Verlagerung des Korrekturpunkts genau zu finden.
  • Die Position des Halters 14 und der Sonde 13 des Detektionsmechanismus 51 vom Differentialtransformator-Typ und des Detektionsmechanismus 52 vom Skalen-Typ kann beliebig eingestellt werden. Zum Beispiel sind in 7 der Detektionsmechanismus 51 vom Differentialtransformator-Typ und der Detektionsmechanismus 52 vom Skalen-Typ auf entgegengesetzten Seiten der Sonde 13 mit Bezug auf den Drehpunkt 16 vorgesehen, aber es ist auch möglich, den Detektionsmechanismus 51 vom Differentialtransformator-Typ auf der gleichen Seite der Sonde 13 vorzusehen, wie in 19 gezeigt. Deswegen ist es möglich, das Drehmoment der beiden Sensoren mit Bezug auf den Drehpunkt 16 und die Masse zu reduzieren, wodurch die Sonde 13 einen festgelegten Messdruck ausüben kann. Im Ergebnis ist es möglich, die Reaktionseigenschaft durch Reduzieren der Masse der drehbar am Drehpunkt gelagerten Kippeinheit zu verbessern.
  • Weiter oben sind Ausführungsformen beschrieben, aber natürlich gibt es zahlreiche Beispiele für Modifikationen.
  • Zum Beispiel ist es möglich, für den Detektionsmechanismus 52 vom Skalen-Typ diverse Typen und Formen einzusetzen, und es können auch zahlreiche Beispiele für Modifikationen der Signalverarbeitung verwendet werden.
  • INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
  • Die vorliegende Erfindung kann bei einem Kontur- und Oberflächentextur-Messinstrument verwendet werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 6
    Verlagerungsdetektor
    7
    Sonde
    8
    Montagetisch
    12
    Arm
    13
    Messteil
    14
    Halter
    16
    Drehpunkt
    51
    Detektionsmechanismus vom Differentialtransformator-Typ
    52
    Detektionsmechanismus vom Skalen-Typ

Claims (7)

  1. Kontur- und Oberflächentextur-Messinstrument zum Messen einer Kontur und Oberflächentextur einer Oberfläche eines Werkstücks, wobei das Instrument umfasst: ein Messteil mit einer Sonde, die dazu konfiguriert ist, mit der Oberfläche des Werkstücks in Kontakt zu kommen und ihre Position vertikal zu verändern; einen Vorschubmechanismus, der dazu konfiguriert ist, das Werkstück relativ zur Sonde zu bewegen; einen Arm, der an einem Ende das Messteil aufweist und dazu konfiguriert ist, eine Verlagerung der Sonde zu übertragen und sich um einen Drehpunkt als Mittelpunkt zu drehen; und einen Detektionsmechanismus vom Differentialtransformator-Typ und einen Detektionsmechanismus vom Skalen-Typ, die an dem Arm oder an einer gegenüber dem Arm festen Position angebracht und dazu konfiguriert sind, die Verlagerung der Sonde zu erfassen.
  2. Kontur- und Oberflächentextur-Messinstrument nach Anspruch 1, wobei der Detektionsmechanismus vom Differentialtransformator-Typ eine Hochfrequenzkomponente entsprechend einer sehr kleinen Verlagerung erfasst, welche der Rauigkeit der Oberfläche des Werkstücks entspricht, wenn das Werkstück relativ zur Sonde bewegt wird, und der Detektionsmechanismus vom Skalen-Typ eine Niederfrequenzkomponente entsprechend der Welligkeit der Oberfläche des Werkstücks erfasst, wenn das Werkstück relativ zur Sonde bewegt wird.
  3. Kontur- und Oberflächentextur-Messinstrument nach Anspruch 1, wobei der Detektionsmechanismus vom Skalen-Typ eine bogenförmige Skala aufweist.
  4. Kontur- und Oberflächentextur-Messinstrument nach Anspruch 1, umfassend eine Auswahleinheit, die dazu konfiguriert ist, eines von einem Detektionssignal des Detektionsmechanismus vom Differentialtransformator-Typ und einem Detektionssignal des Detektionsmechanismus vom Skalen-Typ auszuwählen und auszugeben.
  5. Kontur- und Oberflächentextur-Messinstrument nach Anspruch 1, umfassend eine Korrektureinheit, die dazu konfiguriert ist, ein Korrektur-Verlagerungssignal durch Kombination eines Detektionssignals des Detektionsmechanismus vom Differentialtransformator-Typ und eines Detektionssignals des Detektionsmechanismus vom Skalen-Typ zu erzeugen.
  6. Kontur- und Oberflächentextur-Messinstrument nach Anspruch 5, wobei die Korrektureinheit die Linearität in einem weiten Bereich eines Detektionssignals des Detektionsmechanismus vom Differentialtransformator-Typ auf Basis eines Detektionssignals des Detektionsmechanismus vom Skalen-Typ korrigiert.
  7. Kontur- und Oberflächentextur-Messverfahren zum Messen der Kontur und der Oberflächentextur einer Oberfläche eines Werkstücks, wobei das Verfahren umfasst: Vorsehen sowohl eines Detektionsmechanismus vom Differentialtransformator-Typ als auch eines Detektionsmechanismus vom Skalen-Typ, die dazu konfiguriert sind, eine Verlagerung einer an einem Ende eines Arms angebrachten Sonde als Verlagerung des Arms zu erfassen, wobei die Sonde dazu konfiguriert ist, in Kontakt mit der Oberfläche des Werkstücks zu kommen und ihre Position vertikal zu verändern, wobei der Arm sich um einen Drehpunkt als Mittelpunkt dreht; und Messen der Kontur und der Oberflächentextur des Werkstücks auf Basis von Detektionsergebnissen des Detektionsmechanismus vom Differentialtransformator-Typ und des Detektionsmechanismus vom Skalen-Typ durch relatives Bewegen des Werkstücks in den Zustand, in dem die Sonde in Kontakt mit der Oberfläche des Werkstücks ist.
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