JP2001074441A - 表面性状測定プローブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 表面性状測定プローブのスタイラスを支持す
る軸受部分の摩擦力および遊びを低減する。 【解決手段】 アーム１４の先端にスタイラス１２が取
り付けられている。アーム１４にはアーム軸１６が設け
られ、アーム軸１６に係合するピボットベアリング２０
を介してフレーム１８に回動可能に支持されている。フ
レーム１８には、圧電素子３４が貼付されている。圧電
素子３４に交流電圧を印加するとピボットベアリング２
０に微小振動が発生し、これによって軸受の摩擦力が低
減する。摩擦力が低減されるので、通常であれば摩擦力
の増加につながる遊びをつめることも可能となる。摩擦
力低減、遊びの縮小により、スタイラスの変位と、この
変位の検出値の間の直線性が向上し、測定精度が向上す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、真円度測定機、輪
郭測定機、表面粗さ測定機などの表面性状測定機に用い
られ、スタイラスと、このスタイラスを測定対象面に接
触させる、または等距離を保つ機構を含む表面性状測定
プローブに関する。

【０００２】

【従来の技術】表面性状測定プローブは、測定対象面に
接触する、または等距離を保つスタイラスを有してい
る。前者の接触式のスタイラスは測定対象面に対して付
勢され、測定対象面の形状に倣（なら）いながら移動で
きるように支持されている。また、後者のスタイラス
は、測定対象面から一定の距離を保ちつつ、この対象面
に沿って移動できるように支持されている。これらのス
タイラスの測定対象面鉛直方向の動きを変位計などによ
り検出して、測定対象面の形状が測定される。スタイラ
スの支持の方法には、弾性部材を介するもの、軸受を介
するものがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記スタイラス支持方
法のうち弾性部材を介するものは、摩擦力を０とするこ
とができる。しかし、測定対象方向以外の方向にもスタ
イラスの動きを許容するため、スタイラスの動きを忠実
に検出器に伝達できない場合がある。このため、実際の
スタイラスの変位と、この変位を検出した値との間の直
線性が劣化し、測定精度を高めることが困難であるとい
う欠点を有する。

【０００４】これに対し、軸受を介して支持する場合、
測定対象方向以外の方向について剛性を極めて高くする
ことができる。しかし、部材間の隙間、いわゆる遊びが
必ず存在する。遊びを小さくすれば検出精度は高まるが
摩擦力が大きくなる。摩擦力が大きいとスタイラスの変
位と検出値の関係がヒステリシス特性を有するようにな
り、検出精度の低下を招く。以上のように、軸受におけ
る摩擦力と遊びは相反する関係にあり、従来双方を同時
に低減することができず、測定精度が高められないとい
う問題があった。

【０００５】なお、軸受の摩擦力とヒステリシス特性に
ついては、特に転がり軸受に関して、１９９８年度精密
工学会秋季大会学術講演会論文集のＭ０９（５２２ペー
ジ）の論文「ボールベアリング支持型検出器のヒステリ
シス特性について」に詳述されている。

【０００６】本発明は、前述の問題点を解決するために
なされたものであり、表面性状測定プローブの軸受の摩
擦力と遊びを低減することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、本発明の表面性状測定プローブは、測定対象面に
倣って移動するスタイラスと、前記スタイラスを保持す
る保持手段と、前記スタイラスの測定対象面に倣った動
きを許容するように前記保持手段を支持する支持手段
と、前記支持手段の前記保持手段との接触部および前記
保持手段の前記支持手段との接触部の少なくとも一方
に、前記スタイラスと前記測定対象面の測定点における
前記測定対象面の略接平面内の振動を与える加振手段
と、を有している。

【０００８】これによれば、支持手段と保持手段の接触
部に相対的な振動が発生し、摩擦力が低減される。ま
た、この振動は、スタイラスと測定対象面の測定点にお
ける測定対象面の略接平面内、すなわち表面性状検出に
係るスタイラスの変位の方向に直交する平面内のもので
ある。よって、加えた振動がスタイラスの変位に影響を
及ぼすことがなく、または少なく、振動による測定精度
の低下を抑制することができる。

【０００９】また、好適には、前記保持手段は、前記支
持手段に回動可能に支持され、前記加振手段は、前記回
動の軸の方向に振動を与えるものとすることができる。

【００１０】さらに具体的には、前記保持手段は、前記
支持手段に軸受を介して回動可能に支持されるアーム軸
を有するものとでき、前記加振手段は、前記アーム軸に
配置される圧電素子を含むものとすることができる。

【００１１】さらに好適には、前記保持手段は、アーム
軸から略軸直交方向に延びて取り付けられ先端に前記ス
タイラスが取り付けられたアームを有するものとするこ
とができ、前記加振手段は、アーム軸が軸受と接触して
いる部分に振動の腹が、またアーム軸のアームが取り付
けられている部分に振動の節が、位置するように振動を
与えるものとすることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態（以下
実施形態という）を、図面に従って説明する。図１は、
本実施形態の表面性状測定プローブ１０の概略構成を示
す斜視図である。測定対象表面に接触するスタイラス１
２は、長尺の部材、アーム１４の先端に固定されてい
る。アーム１４のスタイラス１２が固定された端の反対
側の端近傍には、アーム１４の左右に突出するようにア
ーム軸１６が設けられている。アーム１４は、このアー
ム軸１６を中心に回動可能にフレーム１８に支持されて
いる。また、アーム１４のスタイラス１２が固定された
端の反対側の端には、スタイラス１２が測定対象表面に
倣うように付勢するばねなどの付勢手段（不図示）が設
けられている。

【００１３】フレーム１８はコの字形の形状を有し、コ
の字形の両端には、転がり軸受、本実施形態においては
ピボットベアリング２０が設けられている。ピボットベ
アリング２０は、そのボール２０ａがアーム軸１６の円
錐面１６ａと接触し、アーム１４を回動可能に支持す
る。また、フレーム１８は、ピボットベアリング２０が
設けられた端部２２と、このプローブを表面性状測定機
の他の部材に固定するための基部２４を有している。端
部２２と基部２４との間には、切り欠き２６が設けられ
ている。端部２２には、これからアーム１４と略平行に
突出するセンサアーム２８が設けられ、この先端に変位
センサ３０が配置される。また、センサアーム２８が端
部２２に取り付けられている部分は、構造上剛性を低下
させており、本実施形態においてはアームの幅よりやや
広い孔３２が設けられている。

【００１４】変位センサ３０は、アーム１４の、スタイ
ラス１２が取り付けられた部分との距離を検出するもの
で、静電容量型、渦電流型や光学式のものを用いること
ができる。したがって、測定対象の表面の形状は、スタ
イラス１２を測定対象面に沿って移動させるときに、こ
の面に倣って動くスタイラス１２の変位を変位センサ３
０によって連続的に、または複数箇所において検出する
ことにより測定される。

【００１５】フレームの端部２２の、コの字形の中の辺
の内側には、圧電素子３４が設けられている。圧電素子
３４に適切な交流電圧を印加すると圧電素子３４が伸縮
し、これによってフレーム１８、特にその端部２２が振
動する。

【００１６】図２は、圧電素子３４の機能を説明するた
めの図である。圧電素子３４に発信器３６より交流電圧
を印加すると伸縮し、これによって端部２２は、図中矢
印Ａで示すようにコの字形の先端を開閉するように微小
に振動する。この振動は、アーム軸１６の軸にほぼ沿っ
た方向の振動であり、スタイラス１２の測定に係る方向
の変位への影響は極小さい。この振動により軸受部が振
動し、軸受の互いに相対運動を行う部分に相対的な微小
振動を生じさせる。本実施形態においては、アーム軸の
円錐面１６ａに対し、ピボットベアリング２０のアウタ
リングが微小に変位し、円錐面１６ａとボール２０ａ、
およびボール２０ａとアウタリングの間の摩擦力を小さ
くする。このように摩擦力が小さくなるので、軸受の遊
びを小さくすることが可能となる。

【００１７】フレームの端部２２の振動を許容するため
に、端部２２と基部２４の境界部分には切り欠き２６が
設けられている。また、端部２２の振動がセンサアーム
２８に伝わらないように、センサアーム２８の付け根部
分に孔３２が設けられている。切り欠き２６や孔３２に
よって、これらの部分の結合剛性が低下され、端部２２
が他の部分に対する影響や、他の部分から受ける影響を
小さくしている。

【００１８】図３は、他の実施形態の表面性状測定プロ
ーブ４０の概略構成を示す斜視図である。前述の実施形
態と同様の構成については、同一の符号を付しその説明
を省略する。本実施形態においては、フレーム３８に設
けられ、アーム１４を支持する転がり軸受としてボール
ベアリング４２を有している。また、この軸受に対応し
てアーム軸４４は円柱形状となっている。アーム軸４４
の、アーム１４と結合している部分とベアリングに支持
されている部分の間の部分には、圧電素子４６が挟み込
まれている。さらに、図４に示すように、アーム１４と
アーム軸４４の間には、絶縁部材４８が介在しており、
これらを電気的に絶縁している。

【００１９】二つの圧電素子４６に、同相で発信器３６
により交流電圧を印加すると、これらの圧電素子４６の
伸張、収縮が同期し、間の部分すなわちアーム１４と結
合している部分が振動しない節となり、これらの圧電素
子４６の外側の部分すなわち軸受に支持されている部分
が軸方向（図中矢印の方向）に微小振動する。この微小
振動によってボールベアリング４２のインナリングおよ
びボールが振動し、インナリングとボールおよびボール
とアウタの間の摩擦力が低減される。このため、ボール
ベアリング４２の遊びを小さくし、測定精度を向上させ
ることができる。

【００２０】また、前述のように二つの圧電素子４６に
同相の電圧を印加することは、二つの圧電素子４６のボ
ールベアリング側をアースし、アーム１４側に電圧を印
加することによって達成される。また、アーム軸４４の
アーム１４と結合している部分を振動の節とすることに
より、スタイラス１２に振動が伝達されることを防止で
きる。本実施形態においては、フレーム３８は振動しな
いので、フレーム３８の構成は簡易なものとなる。

【００２１】図５および図６は、さらに他の実施形態を
説明するための図である。前述の実施形態と同様の構成
については、同一の符号を付しその説明を省略する。図
５は、スタイラス１２、アーム１４、アーム軸５０およ
びフレームに取り付けられる軸受２０が示されている。
この軸受は、図１に示す実施形態と同様のピボットベア
リング２０である。ピボットベアリング２０は、図３に
示されるフレーム３８に、ボールベアリング４２に替え
て取り付けることが可能である。

【００２２】アーム軸５０は、その中央部に二つの圧電
素子５２が設けられている。アーム軸５０とアーム１４
の間には、絶縁部材４８が設けられており、圧電素子５
２とアーム１４を電気的に絶縁している。アーム軸５０
の両端は、図１の実施形態の場合と同様に、ピボットベ
アリング２０に当接する円錐面を有している。

【００２３】二つの圧電素子５２に、同相で発信器３６
により交流電圧を印加すると、これらの圧電素子５２の
伸張、収縮が同期し、これらの圧電素子５２の結合部分
が、振動の節となり、これらの圧電素子４６の外側の部
分すなわち軸受に支持されている部分が軸方向（図中矢
印の方向）に微小振動する。この微小振動によってアー
ム軸の円錐面とピボットベアリング２０のボールが振動
し、円錐面とボールおよびボールとアウタの間の摩擦力
が低減される。このため、ピボットベアリング２０の遊
びを小さくし、測定精度を向上させることができる。

【００２４】また、二つの圧電素子５２に同相の電圧を
印加することは、二つの圧電素子５２のピボットベアリ
ング側をアースし、二つの圧電素子５２の結合部に電圧
を印加することによって達成される。また、圧電素子５
２の結合部を振動の節とすることにより、スタイラス１
２に振動が伝達されることを防止できる。本実施形態に
おいては、フレーム３８は振動しないので、フレーム３
８の構成は簡易なものとなる。

【００２５】以上の三つの実施形態において、いずれも
がボールベアリングを用いることも、ピボットベアリン
グを用いることも可能である。さらに他の形式の転がり
軸受を用いることもできる。

【００２６】さらに、すべり軸受を用いてアーム軸を支
持することもできる。図７には、その例が示されてい
る。アーム１４に固定されるアーム軸５４は、その両端
に円錐面５４ａを有している。フレーム（不図示）に取
り付けられる軸受５６は、底を有する円筒形状を有し、
底の中央には軸受穴５６ａが設けられている。軸受穴５
６ａには、円錐面５４ａの先端が当接している。また、
軸受５６の円筒内面と、アーム軸の円柱部分の面が接触
している。圧電素子の配置は、前述の三つの実施形態の
いずれの配置も適用することができる。

【００２７】以上の説明では、圧電素子に発信器からの
伝達を印加して、振動を励起させるとしたが、他の方法
を用いて圧電素子を振動させることも可能である。例え
ば、圧電素子を２個備え、一方の素子の出力を他方の素
子に供給して振動を起こすことも可能である。その概略
構成を図８に示す。図８に示す表面性状測定用プローブ
５８において、図１のプローブと同様の構成について
は、同一の符号を付し、その説明を省略する。本装置に
おいて、特徴的なことは、１個の圧電素子３４に代え
て、２個の圧電素子６０，６２を備える点にある。圧電
素子６０，６２は、互いに並行に、かつそれぞれアーム
軸１６の軸方向に沿って配置されている。一方の圧電素
子（検出用圧電素子）６０からの出力を、振幅位相調整
回路６４により、振幅および位相を調整して、他方の圧
電素子（駆動用圧電素子）６２にこれを供給する。これ
によって、圧電素子６０，６２が自励振動的に発振す
る。

【００２８】また、特開平６−２２１８０６号公報に開
示されるような、一つの圧電素子に検出電極と駆動電極
を設けるように構成することもできる。これらの電極
は、圧電素子上に、互いに並行に、それぞれアーム軸１
６の軸方向に沿って配置されている。前述の２つの圧電
素子を備える場合と同様、検出電極からの出力を、振幅
と位相を調整して、駆動電極に供給する。これによって
圧電振動子が自励振動的に発振する。

【００２９】さらにまた、本発明は、前述の各実施形態
のような接触型スタイラスを有するプローブに限らず、
測定対象面からある距離を保って移動する非接触型のス
タイラスを有する公知のプローブに適用することができ
る。

【００３０】前述した各実施形態において、軸受部分に
振動を与えることで、この部分で発生される摩擦力の低
減が達成される。これは、摩擦力によって生じている、
スタイラスの変位と変位センサの出力との関係における
ヒステリシスを減じることとなる。さらに、従来であれ
ば、摩擦力が増加するため実行できなかった軸受部分の
遊びをつめることも可能となる。ヒステリシスの低減や
遊びの減少により、測定精度の向上が図られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施形態の概略構成を示す斜視図である。

【図２】 図１の実施形態の動作説明図である。

【図３】 他の実施形態の概略構成を示す斜視図であ
る。

【図４】 図３の実施形態の動作説明図である。

【図５】 他の実施形態の主要構成を説明するための図
である。

【図６】 図５の実施形態の動作説明図である。

【図７】 滑り軸受を用いる場合の概略構成図である。

【図８】 さらに他の実施形態の概略構成を示す図であ
る。

【符号の説明】

１０，４０，５８ 表面性状測定プローブ、１２ スタ
イラス、１４ アーム（保持手段）、１６，４４，５
０，５４ アーム軸（保持手段）、１８，３８フレーム
（支持手段）、２０ ピボットベアリング、３４，４
６，５２ 圧電素子（加振手段）、３６ 発信器（加振
手段）、４２ ボールベアリング、５６軸受。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象面に倣って移動するスタイラス
   と、 前記スタイラスを保持する保持手段と、 前記スタイラスの測定対象面に倣った動きを許容するよ
   うに前記保持手段を支持する支持手段と、 前記支持手段の前記保持手段との接触部および前記保持
   手段の前記支持手段との接触部の少なくとも一方に、前
   記スタイラスと前記測定対象面の測定点における前記測
   定対象面の略接平面内の振動を与える加振手段と、を有
   する表面性状測定プローブ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の表面性状測定プローブ
   において、 前記保持手段は、前記支持手段に回動可能に支持され、 前記加振手段は、前記回動の軸の方向に振動を与えるも
   のである、表面性状測定プローブ。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の表面性状測定プローブ
   において、 前記保持手段は、前記支持手段に軸受を介して回動可能
   に支持されるアーム軸を有し、 前記加振手段は、前記回動軸に配置される圧電素子を含
   む、表面性状測定プローブ。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の表面性状測定プローブ
   において、 前記保持手段は、アーム軸から略軸直交方向に延びて取
   り付けられ、先端に前記スタイラスが取り付けられたア
   ームを有し、 前記加振手段は、アーム軸が軸受と接触している部分に
   振動の腹が、またアーム軸のアームが取り付けられてい
   る部分に振動の節が、位置するように振動を与えるもの
   である、表面性状測定プローブ。
5. 【請求項５】 請求項２に記載の表面性状測定プローブ
   において、 前記加振手段は、前記支持手段に配置される圧電素子を
   含む、 表面性状測定プローブ。