JP2008241527A - 表面粗さ測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】表面粗さ測定装置において、小型化を図りやすくすることである。
【解決手段】表面粗さ測定用の触針５８の軸方向変位に対応する角度変位を検出可能な角度検出センサ３６と、検出した角度変位から触針５８を押し付ける測定面の表面粗さを求める制御部とを備える。触針５８を有するアーム部３４を、ケース１６に対し触針５８の軸方向に対し直交する方向の変位を可能に支持した変位部材３２に、揺動中心軸５６を中心とする揺動変位を可能に支持する。角度検出センサ３６は、アーム部３４の揺動中心軸５６を中心とする角度変位を検出可能とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、表面粗さ測定用の触針を備える表面粗さ測定装置に関する。

従来から、被測定物の表面粗さを測定する方法が種々考えられている。例えば、特許文献１には、先端に触針を有する触針アームを有する検出器をケースに対し進退させるとともに、触針を測定面に追従して上下動させる表面粗さ測定機が記載されている。触針アームの上下動はインダクタンス変位検出器で検出するようにしている。

また、特許文献２には、触針を有するアームと、アームの触針に測定力を発生させるコイルばねとを備え、アームを構成するスタイラス保持部材を支持するピボット軸受とバランスウェイトとの間に、触針の揺動変位を検出する差動変圧器を設けた表面性状測定機が記載されている。

特許第３６４０２０１号公報 特開２００４−７７４３７号公報

一方、近年、自動車のインストルメントパネル、シート地、トリム等の内装部品の表面粗さを測定することが考えられている。これに対して、従来から、アームに設けられた触針を測定面に追従して上下動させるとともに、アームの触針と反対側にロードセルを設け、ロードセルにより触針を測定面に対し一定荷重により押し付けるように制御し、触針の上下動の変位を差動トランス検出器により検出可能とする表面粗さ測定装置が考えられている。また、この表面粗さ測定装置として、従来から、移動の困難な大型の設置型表面粗さ測定装置を使用することが考えられている。この場合、測定面を有する対象であるサンプルを一定方向に移動させることにより、サンプルを表面粗さ測定装置に対し相対変位させるようにする。また、表面粗さの指標としては、人の触感により近い評価に対応する、すなわち、触感と相関の高いＳＭＤと呼ばれる指標が用いられている。

ただし、このような大型の設置型表面粗さ測定装置により内装部品の表面粗さを測定する場合、内装部品の一部を切り出して、それを測定する必要がある。このため、部品の購入費や、測定に要する時間がかかり、表面粗さを測定したい場合に迅速に測定結果を得ることができない。このため、携帯型の表面粗さ測定装置の実現が望まれている。携帯型の表面粗さ測定装置が得られれば、自動車の内装部品の表面粗さを自動車に設置したままの状態で測定することを容易に行える。ただし、携帯型の表面粗さ測定装置を実現するためには、小型化を図る必要がある。これに対して、従来から、触針の変位を検出するために、特許文献１，２に記載されているように、インダクタンス変位検出器、差動変圧器、差動トランス検出器等の変位検出器を使用することが考えられており、触針を有するアームに対して、触針と反対側に変位検出器を設ける必要があった。このため、携帯型の表面粗さ測定装置を実現すべく、小型化を図るためには改良の余地がある。

本発明は、表面粗さ測定装置において、小型化を図りやすくすることを目的とする。

本発明に係る表面粗さ測定装置は、表面粗さ測定用の触針を備える表面粗さ測定装置であって、触針の軸方向変位に対応する角度変位を検出可能な角度検出センサと、検出した角度変位から触針を押し付ける測定面の表面粗さを求める制御部とを備えることを特徴とする表面粗さ測定装置である。

また、好ましくは、静止部材と、静止部材に対し触針の軸方向に対し直交する方向の変位可能に支持された変位部材と、変位部材に固定された揺動中心軸を中心とする揺動変位可能に支持され、触針を有するアーム部と、を備え、角度検出センサは、アーム部の揺動中心軸を中心とする角度変位を検出可能とする。

また、より好ましくは、アーム部は、変位部材とアーム部との間に設けられたぜんまいにより、表面粗さを測定する測定面に向かう方向に弾力を付与される。

また、より好ましくは、角度検出センサは、角度変位に対応する電気抵抗の違いに基づいて触針の角度変位を検出可能とする。

本発明に係る表面粗さ測定装置によれば、表面粗さ測定用の触針の軸方向変位に対応する角度変位を検出可能な角度検出センサと、検出した角度変位から触針を押し付ける測定面の表面粗さを求める制御部とを備えるので、触針を有するアーム部等の部材に対して触針と反対側に触針の変位を検出する変位検出器を設ける必要がなくなり、表面粗さ測定装置の小型化を図りやすくできる。

また、静止部材と、静止部材に対し触針の軸方向に対し直交する方向の変位可能に支持された変位部材と、変位部材に固定された揺動中心軸を中心とする揺動変位可能に支持され、触針を有するアーム部と、を備え、角度検出センサは、アーム部の揺動中心軸を中心とする角度変位を検出可能とする構成によれば、表面粗さ測定装置をより有効に小型化しやすくできる。変位部材とアーム部との間に弾力付与手段を設けることにより、測定面が曲面である場合でも、触針の移動にかかわらず触針を曲面の接線方向に対し直交する方向に押し付けやすくできる。このため、曲面である測定面の表面粗さを精度よく測定しやすくできる。また、測定値に対応する信号を制御部に出力し、制御部は、曲面の曲率に対応する触針の所定以上の大きな変位をキャンセルする、すなわち、曲面に対応する触針の大きな変位自体は触針の上下動変位が０となるように演算処理する構成を備えることにより、触針が曲面上を移動する場合でも、曲面の細かい凹凸に対応する面粗さのみを精度よく測定することが可能となる。

また、アーム部は、変位部材とアーム部との間に設けられたぜんまいにより、表面粗さを測定する測定面に向かう方向に弾力を付与される構成によれば、測定面が水平面だけでなく、あらゆる方向に向いた面、例えば立ち壁の側面、天井の下面、垂直方向に対し傾斜した傾斜面等である場合でも、触針を測定面に対し安定してほぼ一定の力で押し付け続けることが可能となり、測定面の向きにかかわらず高精度の測定結果を有効に得られる。このため、自動車の内装部品の表面粗さを、内装部品を自動車に設置したままの状態で高精度に測定しやすくできる。ぜんまいは、例えば、針金状の金属、板ばね等により構成するものを使用できる。これに対して、アーム部に測定面に押し付ける力を付与するためにコイルばねを使用している従来から知られている構成の場合、コイルばねの自重が測定精度に大きく影響を与える可能性があり、測定面の向きが変わると、高精度の測定結果を有効に得られない可能性がある。上記のぜんまいを備える構成によれば、このような不都合をなくして、測定面の向きにかかわらず高精度の測定結果を有効に得られる。

また、角度検出センサは、角度変位に対応する電気抵抗の違いに基づいて触針の角度変位を検出可能とする構成によれば、表面粗さ測定装置をより有効に小型化しやすくできる。角度検出センサは、例えば、マグネットと磁気抵抗素子とを備えるものとし、非接触形とすることにより、メカロス等の損失が極小になり、摺動接触部がある場合の磨耗をなくして、高精度の測定可能な構成とすることができる。

以下において、図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。図１は、本実施の形態の１例の表面粗さ測定装置１０を、本体部１２と演算表示装置１４とを接続した状態で示しており、図２から図４は、本体部１２をより詳しく示している。

図１に示すように、表面粗さ測定装置１０は、静止部材であるケース１６から導出したケーブル１８を、演算表示装置１４に接続している。ケース１６は、人が手で保持可能な保持部２０を有する。また、ケース１６は、図２に示すように、保持部２０の下側に底板部２２を固定している。図２は、本体部１２の略透視図である。なお、図３は、図２のＡ−Ａ略断面図で、図４は、図２を右方から左方に見た略透視図である。図２に示す本体部１２は、一対の支持台２４と、動力源であるモータ２６と、動力伝達部２８と、送りねじ機構３０と、変位部材３２と、アーム部３４と、角度検出センサ３６と、弾力付与手段であるぜんまい３８とを備える。一対の支持台２４は、底板部２２の上側に互いに対向するように固定している。一対の支持台２４にねじ軸４０の両端部を回転可能に支持している。ねじ軸４０の一端部（図２の右端部）に第１歯車４２を固定し、第１歯車４２と第２歯車４４（図３）とを噛合させている。第２歯車４４は、モータ２６により回転駆動を可能としている。モータ２６を構成するモータ用ケース４６は、ケース１６に支持部を介して固定している。モータ２６の回転軸の先端部に第２歯車４４を固定している。動力伝達部２８は、第１歯車４２および第２歯車４４により構成している。

また、ねじ軸４０の中間部にナット部材４８を設けている。すなわち、ねじ軸４０の中間部を、ナット部材４８に形成したねじ孔５０に螺合している。ナット部材４８は、ねじ軸４０の軸方向のみの変位を可能としている。このために、ナット部材４８にねじ孔５０と平行に形成した通孔５２に、ステンレス鋼等の金属製のガイド軸５４を挿通している。ガイド軸５４の両端部は、一対の支持台２４に固定している。したがって、ナット部材４８は、ねじ軸４０の軸方向のみの変位が可能となる。送りねじ機構３０は、ナット部材４８とねじ軸４０とガイド軸５４とにより構成している。

モータ２６が一定回転速度で回転駆動されると、第１歯車４２、第２歯車４４を介してねじ軸４０にモータ２６の動力が伝達される。この結果、ねじ軸４０が回転し、ナット部材４８がねじ軸４０の軸方向に一定速度で変位する。

また、変位部材３２（図２）は、ナット部材４８の下側に固定している。したがって、変位部材３２は、ケース１６に対し、ねじ軸４０の軸方向と平行な方向に変位可能となる。

図５は、図２の一部を模式的に示す断面図である。図５に示すように、アーム部３４は、変位部材３２に、揺動中心軸５６を中心とする揺動変位、すなわち、図５の矢印ａ方向の揺動変位を可能に支持している。揺動中心軸５６は、ねじ軸４０の軸方向に対し直交する方向と平行な方向（図５の表裏方向）に向いている。アーム部３４は、先端部（図５の左端部）が略Ｌ字形に形成されており、その先端部に触針５８を有する。触針５８の先端部に直径または半径１〜２ｍｍ等の直径１ｍｍ以上の球状の測定子６０を結合している。このような直径１ｍｍ以上の大きさの測定子６０を使用することにより、人の触感に、より適した表面粗さの評価を得やすくなる。これに対して、μｍのオーダーの測定子を使用する、機械加工の面粗さを測定することを目的とする従来から知られている表面粗さ測定装置の場合には、測定子が小さすぎ、触感との相関が高い評価を得ることが難しい。本実施の形態によれば、このような点を改良できる。

また、本実施の形態の場合、アーム部３４の基端部（図５の右端部）にバランス用錘６２を固定している。バランス用錘６２は図示しないねじによりアーム部３４にねじ結合により固定している。そして、図２に示す変位部材３２を、ケース１６に対し、触針５８の軸方向（図２の上下方向）に対し直交する方向、すなわち図２の左右方向の変位を可能に支持されるようにしている。また、図３に示すモータ２６の駆動により、変位部材３２（図２）を、触針５８の軸方向に対し直交する方向（図２の左右方向）に移動させることが可能となる。また、バランス用錘６２は異なる重量を有するものに交換可能である。

また、角度検出センサ３６は、アーム部３４の、揺動中心軸５６を中心とする角度変位を検出可能としている。このために、変位部材３２に角度検出センサ３６を固定するとともに、揺動中心軸５６の回転角度を角度検出センサ３６により検出可能としている。角度検出センサ３６は、揺動中心軸５６の回転角度変位に対応する電気抵抗の違いに基づいて触針５８の角度変位を検出可能としている。このために、角度検出センサ３６は、非接触型磁気抵抗素子とマグネットとを有するものとする。例えば、角度検出センサ３６は、変位部材３２に固定の部材であるマグネットと対向させた磁気抵抗素子と、揺動中心軸５６に固定した磁性材製のヨークとを備え、ヨークと磁気抵抗素子とを非接触で対向させる。また、ヨークは、内周および外周の揺動中心軸５６からの距離が円周方向一方向に向かうにしたがって小さくなるスパイラル状、または揺動中心軸５６に対し偏心した形状を有する円形状とし、揺動中心軸５６の回転に伴い、ヨークの磁気抵抗素子と対向する部分の面積が徐々に変化するようにする。これにより、揺動中心軸５６が回転すると、磁気抵抗素子を含む回路の電気抵抗が変化するため、揺動中心軸５６の回転角度の変化に対応して、電気回路の抵抗を変化させ、回転角度の検出が可能となる。なお、回転側をマグネットまたは磁気抵抗素子とし、静止側を磁気抵抗素子またはマグネットとすることもできる。また、角度検出センサ３６は、変位部材３２に固定の部材である、円弧形、円形等の形状を有する図示しない導体の中心部に揺動中心軸５６を位置させ、揺動中心軸５６に固定の接点を導体に接触させることにより、揺動中心軸５６の回転角度の変化に対応して、電気回路の抵抗を変化させ、これにより回転角度の検出を可能とすることもできる。

角度検出センサ３６による検出値は、図１に示したケーブル１８を介して、演算表示装置１４が備える制御部に出力する。制御部は、ＣＰＵ、メモリ等を有するマイクロコンピュータであり、角度検出センサ３６（図２）からの検出値が表すアーム部３４の角度変位と、揺動中心軸５６中心から測定子６０までの距離Ｌ（図５）とに基づいて演算処理することにより、触針５８の軸方向、すなわち図５の上下方向の変位を求める。制御部は、この上下方向の変位と、変位部材３２のねじ軸４０方向（図５の左右方向）の変位とから、測定面６４の表面粗さを求める。変位部材３２のねじ軸４０方向の変位は、ポテンショメータ６６（図２、図３）により求める。すなわち、ポテンショメータ６６は、回転軸を有し、この回転軸の端部に第３歯車６８（図２、図４）を固定している。第３歯車６８は、第２歯車４２と噛合させている。このため、モータ２６が駆動すると、第２歯車４２、第３歯車６８を介して、ポテンショメータ６６（図２、図３）の回転軸が回転する。このため、その回転軸の回転量の検出値から、変位部材３２（図２）の変位を求めることができる。このように、制御部は、角度検出センサ３６から得られる、触針５８の軸方向変位に対応するアーム部３４の角度変位の検出値から、触針５８の測定子６０を押し付ける測定面６４（図５）の表面粗さを求める機能を有する。

また、図６に示すように、変位部材３２とアーム部３４の基端寄り部分（図６の右端寄り部分）とに、ぜんまい３８の両端を結合している。図６は、図５の一部を詳しく示す拡大相当図である。ぜんまい３８は、針金状のばね鋼等の金属により渦巻状の本体部７０を有する形状に構成し、本体部７０の中心寄り部分から外径側に取り出した端部を変位部材３２に結合し、同じく外径寄り部分を接線方向に取り出した端部をアーム部３４に結合している。すなわち、ぜんまい３８は、変位部材３２とアーム部３４との間に設けられる。これにより、アーム部３４は、ぜんまい３８により、表面粗さを測定する測定面６４に向かう方向に弾力を付与される。ぜんまいは、渦巻き状の板ばねにより構成することもできる。また、例えば、アーム部３４と変位部材３２との間からぜんまい３８を取り外した状態で、アーム部３４は、バランス用錘６２によりバランスがとられて、水平方向に保つことができるようにする。

また、変位部材３２の片面（図６の表面）に突出するように棒状のストッパ７２を固定している。ストッパ７２は、アーム部３４の揺動変位量を規制する役目を有する。アーム部３４が所定以上に揺動すると、ストッパ７２に突き当たるようにしている。ストッパ７２に突き当たった状態で、測定子６０（図２）は、ケース１６の脚部８０の下面から下側に例えば２ｍｍ程度突出する。

ここで、図１に戻り、角度検出センサ３６（図２、図４から図６）に接続され、ケース１６（図１）から導出したケーブル１８の端部は、演算表示装置１４に接続している。演算表示装置１４は、テンキーを有する操作部７４と、表示部７６とを有する。表示部７６には、表面粗さの測定結果を数字で表示することを可能とするとともに、測定結果を図形、すなわち、表面粗さの細かい凹凸を拡大したような曲線、直線等の線を表示することを可能としている。演算表示装置１４は、角度検出センサ３６の検出値が表すアーム部３４（図２）の角度変位から表面粗さを求める機能を有する上記の制御部を備える。

また、図１の演算表示装置１４は、ＳＤメモリカード（商品名）等のメモリを有する記憶媒体を接続可能な図示しないスロットを有する。このスロットに接続した記憶媒体に、表面粗さの計測値を表すデータを記憶させた後、記憶媒体を演算表示装置１４から取り外して、図示しないコンピュータ等の外部の装置に接続し、この装置が有する外部の記憶装置にデータを記憶させることもできる。

また、本体部１２のケース１６の前面（図１の下側面）に動作スタートスイッチ７８を設けており、動作スタートスイッチ７８のオンにより、モータ２６（図３）が駆動し、表面粗さの測定が行われるようにしている。また、触針５８（図２）による測定面６４（図５）の１回の有効移動測定距離は、例えば１０ｍｍ等としている。また、ケース１６（図２）の上部にＬＥＤ等により構成する動作確認用点灯部８２を設けている。動作スタートスイッチ７８のオンにより、動作確認用点灯部８２が点灯するようにしている。

このような本実施の形態の表面粗さ測定装置１０によれば、表面粗さ測定用の触針５８の軸方向変位に対応する角度変位を検出可能な角度検出センサ３６と、検出した角度変位から触針５８を押し付ける測定面６４の表面粗さを求める制御部とを備えるので、触針５８を有するアーム部３４に対して触針５８と反対側に触針５８の変位を検出する変位検出器を設ける必要がなくなり、表面粗さ測定装置１０の小型化を図りやすくできる。

また、ケース１６と、ケース１６に対し触針５８の軸方向に対し直交する方向の変位可能に支持された変位部材３２と、変位部材３２に固定された揺動中心軸５６を中心とする揺動変位可能に支持され、触針５８を有するアーム部３４と、を備え、角度検出センサ３６は、アーム部３４の揺動中心軸５６を中心とする角度変位を検出可能といるので、表面粗さ測定装置１０をより有効に小型化しやすくできる。また、本実施の形態のように、変位部材３２とアーム部３４との間にぜんまい３８を設けることにより、測定面が例えば、図５から図６に示すように曲率半径Ｒを有する曲面である場合でも、測定子６０の移動にかかわらず触針５８を曲面の接線方向に対し直交する方向に押し付けやすくできる。このため、曲面である測定面６４の表面粗さを精度よく測定しやすくできる。また、測定値に対応する信号を制御部に出力し、制御部は、曲面の曲率に対応する大きな変位をキャンセルする、すなわち、曲面に対応する触針５８の大きな変位自体は触針５８の上下動変位が０となるように変換するように演算処理する構成を備えることにより、触針５８が曲面上を移動する場合でも、曲面の細かい凹凸に対応する面粗さのみを精度よく測定することが可能となる。

また、アーム部３４は、変位部材３２とアーム部３４との間に設けられたぜんまい３８により、表面粗さを測定する測定面６４に向かう方向に弾力を付与されるものとしているので、測定面６４が水平面だけでなく、あらゆる方向に向いた面、例えば立ち壁の側面、天井の下面、垂直方向に対し傾斜した傾斜面等である場合でも、触針５８を測定面６４に対し安定してほぼ一定の力で押し付け続けることが可能となり、測定面６４の向きにかかわらず高精度の測定結果を有効に得られる。このため、自動車の内装部品の表面粗さを、内装部品を自動車に設置したままの状態で高精度に測定しやすくできる。これに対して、アーム部に測定面に押し付ける力を付与するためにコイルばねを使用している従来から知られている構成の場合、コイルばねの自重が測定精度に大きく影響を与える可能性があり、測定面の向きが変わると、高精度の測定結果を有効に得られない可能性がある。本実施の形態のぜんまい３８を備える構成によれば、このような不都合をなくして、測定面６４の向きにかかわらず高精度の測定結果を有効に得られる。

また、角度検出センサ３６は、角度変位に対応する電気抵抗の違いに基づいて触針５８の角度変位を検出可能とするので、表面粗さ測定装置１０をより有効に小型化しやすくできる。

また、本実施の形態のように、表面粗さ測定装置１０を携帯型とすることにより、大型の設置型とする場合と異なり、安定を確保するための定番等、重量の大きい部材を使用する必要がなくなり、測定対象が表面粗さ測定装置１０の重量により過度に変形するのを防止できる。このため、自動車の内装部品等の軟質の部品の表面粗さを測定する場合でも、高精度の測定結果を得やすくできる。

なお、本実施の形態では、角度検出センサ３６を、可変抵抗器の構成を備えるものとしているが、本発明はこのような構成に限定するものではなく、例えば、角度検出センサ３６を、レゾルバ、エンコーダ等の軸の回転角度変位に伴う磁気的変化等により軸の回転角度変位を検出可能とする構成を使用することもできる。また、図４に示すように、ぜんまい３８、アーム部３４、変位部材３２の位置関係は、アーム部３４と変位部材３２との間にぜんまい３８が位置するような関係に限定するものではなく、種々の位置関係とすることができる。

本発明の実施の形態の１例の表面粗さ測定装置を、本体部と演算表示装置とを接続した状態で示す図である。 図１の本体部の略透視図である。 図２のＡ−Ａ略断面図である。 図２を右方から左方に見た略透視図である。 図２の一部を模式的に示す断面図である。 図５の一部を詳しく示す拡大相当図である。

符号の説明

１０ 表面粗さ測定装置、１２ 本体部、１４ 演算表示装置、１６ ケース、１８ ケーブル、２０ 保持部、２２ 底板部、２４ 支持台、２６ モータ、２８ 動力伝達部、３０ 送りねじ機構、３２ 変位部材、３４ アーム部、３６ 角度検出センサ、３８ ぜんまい、４０ ねじ軸、４２ 第１歯車、４４ 第２歯車、４６ モータ用ケース、４８ ナット部材、５０ ねじ孔、５２ 通孔、５４ ガイド軸、５６ 揺動中心軸、５８ 触針、６０ 測定子、６２ バランス用錘、６４ 測定面、６６ ポテンショメータ、６８ 第３歯車、７０ 本体部、７２ ストッパ、７４ 操作部、７６ 表示部、７８ 動作スタートスイッチ、８０ 脚部、８２ 動作確認用点灯部。

Claims (4)

1. 表面粗さ測定用の触針を備える表面粗さ測定装置であって、
   触針の軸方向変位に対応する角度変位を検出可能な角度検出センサと、
   検出した角度変位から触針を押し付ける測定面の表面粗さを求める制御部と、を備えることを特徴とする表面粗さ測定装置。
2. 請求項１に記載の表面粗さ測定装置において、
   静止部材と、
   静止部材に対し触針の軸方向に対し直交する方向の変位可能に支持された変位部材と、
   変位部材に固定された揺動中心軸を中心とする揺動変位可能に支持され、触針を有するアーム部と、を備え、
   角度検出センサは、アーム部の揺動中心軸を中心とする角度変位を検出可能としていることを特徴とする表面粗さ測定装置。
3. 請求項２に記載の表面粗さ測定装置において、
   アーム部は、変位部材とアーム部との間に設けられたぜんまいにより、表面粗さを測定する測定面に向かう方向に弾力を付与されていることを特徴とする表面粗さ測定装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１に記載の表面粗さ測定装置において、
   角度検出センサは、角度変位に対応する電気抵抗の違いに基づいて触針の角度変位を検出可能としていることを特徴とする表面粗さ測定装置。
   

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