JP2008026128A

JP2008026128A - 表面追従型測定器

Info

Publication number: JP2008026128A
Application number: JP2006198516A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kojima; 健司小島
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2006-07-20
Filing date: 2006-07-20
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2026-07-20
Also published as: JP5009564B2

Abstract

【課題】軽量で簡単な構造により触針の測定力を検出して、触針の追従性を向上させ、測定速度の高速化を可能とする。
【解決手段】測定対象面（ワーク表面１０）に接触して変位する触針１４と、該触針１４が先端に保持されたスタイラス１２と、該スタイラス１２の変位を検出するピックアップ１８と、測定力Ｆを検出する手段と、測定力Ｆを調整するアクチュエータ４０とを備え、前記触針１４に加わる測定力Ｆが目標値となるようフィードバック制御しつつ、前記ピックアップ１８により触針１４の変位を検出する表面追従型測定器において、前記触針１４とスタイラス１２の間に圧電素子３０を挿入し、該圧電素子３０により測定力Ｆを検出してフィードバック制御する。
【選択図】図３

Description

本発明は、表面追従型測定器に関する。特に、表面粗さ測定機、輪郭測定機、段差測定機等に用いるのに好適な、触針を測定対象面に接触させ、この状態で触針と測定対象面を相対移動させながら測定対象面の表面粗さや、輪郭、段差等を測定する表面追従型測定器に関する。

被測定物の表面粗さを測定するための測定器として、触針式表面粗さ測定器が知られている。この触針式表面粗さ測定器は、測定器本体と、この測定器本体に揺動可能に支持され先端に触針を有するスタイラス（測定子とも称する）と、このスタイラスの触針が測定対象面に接するようにスタイラスを付勢する付勢手段と、前記スタイラスを触針に対して略直交する方向へ移動させる移動手段と、前記スタイラスの揺動変位量を検出するピックアップとを備えている。

測定に際しては、スタイラスの触針を測定対象面に接触させた状態において、移動手段によってスタイラスを測定対象面に沿って移動させ、このときのスタイラスの揺動変位量をピックアップによって検出する。このスタイラスの揺動変位量と移動量から、測定対象面の表面粗さを求めることができる。

このような表面粗さ測定器は、図１に示す如く、ワーク表面１０などの測定対象面の形状によってスタイラス１２先端の触針１４が変位し、スタイラス１２の支点１６を中心とする揺動変位量をピックアップ１８で電気信号に変換している。現在の多くの表面粗さ検出器が、ほぼ同様のてこ型の構成をとっている。図において、２０は、測定圧を付与するためのばね、２２はカウンターバランスである。

このような表面粗さ検出器においては、ワーク表面粗さの振幅が大きいほど、又、粗さの周期が短いほど、触針１４はワークの表面１０に追従できなくなり、ワークから浮き上がってしまう限界点がある。そのため、触針１４の送り速度を上げて測定時間を短縮するためには、この触針１４の追従性を向上する必要がある。例えばスタイラス１２の重心と支点１６が一致し、測定力Ｆがばねなどの外力で与えられる図２の例では、強制振動Ａ*sinωtに追従できず、触針１４が浮いてしまう限界条件のとき、次の式が成り立つ（非特許文献１参照）。

Ａω^２＝Ｆ*ｌ／Ｉ・・・（１）

ここで、Ｆは、ばねなどによる測定力、ｌは、触針１４と支点１６間の距離、Ｉは慣性モーメントである。

従って、追従性を向上するためには、支点１６回りの慣性モーメントＩの低減が有効で、具体的には、スタイラス１２と触針１４の質量軽減、スタイラス１２の短縮があげられる。

しかし、質量を大きく低減することは困難であり、スタイラス１２の短縮は応用範囲が制限されてしまう。同様に（１）式より、測定力Ｆの増加も効果があるが、一般に測定力は規格化されていること、及び、ワークのダメージが増加することから、測定力をむやみに増加させることはできない。

一方、測定力Ｆが低下したときに、測定力Ｆが大きくなるようにフィードバックする方法も効果がある。出願人は、特許文献１で、大きな振幅の変化にも追従させ測定レンジを拡大するために、スタイラスの後端に設けた歪みゲージで測定力を検出し、歪みゲージの抵抗が一定になるようにボイスコイルでスタイラスの上下動を制御して、測定力を補正する方法を提案し、輪郭形状と表面粗さの一括測定解析を可能とした、いわゆるハイブリッド表面性状測定機で実用化している。

又、特許文献２では、表面追従型測定器ではないが、触針の両側面に一対の圧電素子を貼り付けて被測定物との接触状態を検出し、測定力の調整を可能にしたタッチセンサを提案している。

特開２０００−７４６１６号公報特開２００３−１２１１３６号公報味岡成康「精密測定器の機構設計」１９７６年

しかしながら、歪みゲージで測定力を検出する特許文献１の技術は、測定力検出部とフィードバック系がスタイラスに機械的に連動するため、慣性モーメントＩが増加し高速化には不利である。

又、触針の両側面に一対の圧電素子を貼り付ける特許文献２の技術は、測定力を直接検出することができず、測定力を高感度で検出することはできないという問題点を有していた。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、軽量でかつ高感度で測定力を検出することができ、測定速度を向上することが可能な表面追従型測定器を提供することを課題とする。

本発明は、測定対象面に接触して変位する触針と、該触針が先端に保持されたスタイラスと、該スタイラスの変位を検出するピックアップと、測定力を検出する手段と、測定力を調整するアクチュエータとを備え、前記触針に加わる測定力が目標値となるようフィードバック制御しつつ、前記ピックアップにより触針の変位を検出する表面追従型測定器において、前記触針とスタイラスの間に圧電素子を挿入し、該圧電素子により測定力を検出してフィードバック制御するようにして、前記課題を解決したものである。

本発明によれば、触針とスタイラスの間に圧電素子を挿入する簡易な構造であるので、検出部を軽量に構成することができ、スタイラスの慣性モーメントの増加も少ない。又、圧電素子が触針に直接接触しているため、測定力が減衰されずに伝達され、測定対象面の変位以外の外乱による振動の影響も少なく、微小な測定力の変化を高精度に検出することが可能になる。

従って、圧電素子の電圧変化から計算された測定力変化分をアクチュエータで測定力にフィードバックすることで、粗さの振幅が大きかったり、粗さ周期が短い場合にも、触針が浮き上がらずに測定対象面に追従させることが可能となる。そのため、速い送り速度で測定を行うことができる。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本実施形態は、図１に示したと同様のてこ型の表面粗さ測定器において、図３（全体図）、図４（触針部の拡大図）及び図５（測定力フィードバック制御系のブロック図）に示す如く、触針１４とスタイラス１２の間に圧電素子（ＰＺＴとも称する）３０を挿入し、該圧電素子３０により測定力を検出してフィードバック制御するようにしたものである。

図において、３２は圧電素子の電極、３４は電圧増幅回路、３６は測定力計算回路、３８はアクチュエータ駆動量計算回路、４０は、例えばスタイラス１２に固定されたマグネット４２と測定器側に固定されたコイル４４でなるアクチュエータである。

以下、動作を説明する。

静止時の測定力から触針１４が受ける測定力が変化すると、圧電素子３０の出力電圧は、力の変化に比例した量だけ変化する。そこで、図５に示した如く、この電圧の変化から計算した測定力の変化分を、アクチュエータ４０で補正し、測定力が一定又は指定値以下にならないようにフィードバック制御する。

ここで、圧電素子３０は剛体と見倣すことができるので、測定力の変化による歪み量は無視できる大きさで、スタイラス１２には、触針１４の変位が、そのまま伝達される。

圧電素子３０と触針１４の部分を図６に示す。ここで、仮に測定力Ｆ＝０．７５ｍＮ、圧電素子３０の直径ｄ＝１．２ｍｍ、高さｈ＝２ｍｍ、圧電素子３０のヤング率Ｅ＝４９ＧＰａ（富士セラミック社Ｃ−６材の場合）としたときの圧電素子３０の変形量δＺは、次式で表わされる。

δＺ＝ｈ＊Ｆ／｛ｄ^２＊π／４｝＊Ｅ｝＝０．０２７ｎｍ・・・（２）

これは、現行の高分解能表面粗さ測定器の分解能０．１ｎｍよりも十分に小さく、測定に殆んど影響を与えないことがわかる。

又、圧電素子３０の出力電圧Ｖは、同圧電素子材料の電力出力係数ｇ_３３＝２５Ｖｍ／Ｎから、次式のように十分な信号レベルを得ることができる。

Ｖ＝ｇ_３３＊ｈ＊Ｆ／（ｄ^２＊π／４）＊Ｅ｝＝３．３ｍＶ・・・（３）

なお、前記実施形態においては、マグネット４２をコイル４４で駆動するアクチュエータ４０が例示されていたが、アクチュエータの種類はこれに限定されず、ボイスコイル型や静電アクチュエータなど、他の駆動原理によるアクチュエータを用いても良い。

又、アクチュエータ４０やピックアップ１８の配設位置や数も、前記実施形態に限定されず、例えば、アクチュエータをスタイラス１２の先端近傍に設けたり、支点１６の両側に設けてバランスをとったり、スタイラス１２の後端を駆動するようにしてもよい。

本発明の適用対象は、表面粗さ測定器に限定されず、輪郭測定器や段差測定器など表面追従型測定器一般に適用することができる。

てこ型の表面粗さ測定器の基本的な構成を示す側面図同じく応答性を計算する際のパラメータを示す側面図本発明の実施形態の基本構成を示す側面図同じく触針部の拡大図同じく測定力フィードバック制御系の構成を示すブロック図同じく圧電素子の変形量を計算するためのパラメータを示す蝕針部の側面図

符号の説明

１０…ワーク表面（測定対象面）
１２…スタイラス
１４…触針
１６…支点
１８…ピックアップ
２０…測定圧用ばね
３０…圧電素子（ＰＺＴ）
３４…電圧増幅回路
３６…測定力計算回路
３８…アクチュエータ駆動量計算回路
４０…アクチュエータ

Claims

測定対象面に接触して変位する触針と、
該触針が先端に保持されたスタイラスと、
該スタイラスの変位を検出するピックアップと、
測定力を検出する手段と、
測定力を調整するアクチュエータとを備え、
前記触針に加わる測定力が目標値となるようフィードバック制御しつつ、前記ピックアップにより触針の変位を検出する表面追従型測定器において、
前記触針とスタイラスの間に圧電素子を挿入し、
該圧電素子により測定力を検出してフィードバック制御するようにしたことを特徴とする表面追従型測定器。