JP2008304332A - 表面粗さ／形状測定装置及び表面粗さ／形状測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】触針を被測定物の表面にて摺動させて表面形状を測定する表面粗さ／形状測定において、外部から被測定物や測定装置に加えられた振動が、測定データに与える影響を除去する。
【解決手段】触針７を測定面にて摺動させ触針７の変位を検出することにより測定面の表面形状を測定する表面粗さ／形状測定装置１は、触針７の変位量を検出する変位検出器６と、変位検出器６が出力する変位信号を周波数領域信号へ変換する第１の信号変換部１３と、触針７を測定面にて摺動させないときの変位信号を第１の信号変換部１３で変換して得られる測定前周波数成分を、触針７を測定面にて摺動させているときの変位信号を第１の信号変換部１３で変換して得られる測定スペクトル信号から除去するスペクトル成分除去部１５と、測定スペクトル信号から測定前周波数成分を除去した信号を時間領域信号へ変換する第２の信号変換部１６と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、表面粗さ／形状測定装置及び表面粗さ／形状測定方法に関する。より詳しくは、触針を被測定物の表面にて摺動させて表面形状を測定する表面粗さ／形状測定において、外部から被測定物や測定装置に加えられた振動が測定データに与える影響を除去する技術に関する。

表面粗さ／形状測定装置は、被測定物（ワーク）の測定面に沿って、触針を有する変位検出器（ピックアップ）を移動させ、触針の変位量を電気信号に変換してコンピュータ等の計算機に読み取ることで、被測定物（ワーク）の表面の粗さ又は形状を測定する（例えば、下記特許文献１）。図１に、従来の表面粗さ／形状測定装置の基本構成を示す。

表面粗さ／形状測定装置１は、ワークテーブル８の上に載置されたワークＷの表面を触針７でＸ軸方向に走査し、その触針７のＺ軸方向の変位を変位検出器（ピックアップ）６で検出してワークＷの表面粗さ又は形状を測定する。
水平に設置された定盤２の上には、支柱３が垂直に立設されている。支柱３にはＸ軸駆動部４が摺動自在に支持されており、図示しないＸ軸駆動部駆動手段に駆動されて垂直に上下動する。

Ｘ軸駆動部４には、Ｘアーム５が水平に支持されている。Ｘアーム５は、Ｘ軸駆動部４に駆動されてＸ軸方向に進退移動する。変位検出器６は、このＸアーム５の先端に設けられている。そして、このＸアーム５がＸ軸方向に進退移動することにより、触針７がＸ軸に沿って往復動する。
ここで、定盤２の表面をＸ−Ｙ平面とし、このＸ−Ｙ平面において、触針７が移動する直線をＸ軸とする。そして、このＸ−Ｙ平面において、Ｘ軸に直交する直線をＹ軸とし、このＹ軸とＸ軸との交点（原点Ｏ）を通り、Ｘ−Ｙ平面に直交する直線をＺ軸とする。このように設定された空間直交座標系をＯ−ＸＹＺ座標系とする。

触針７を一定の力でワークＷの表面に押し付けながらＸ軸に沿って移動させると、ワークＷの凹凸によって触針７がＺ方向に変位する。変位検出器６は、内蔵したセンサ、例えば差動トランスなどにより触針７の変位量を電気信号に変換する。この電気信号はＡ／Ｄ変換器によってディジタル信号に変換され、コンピュータ等のデータ処理装置（図示せず）に入力される。これにより、データ処理装置によってワークの表面粗さを示す測定データが取得される。
ワークテーブル８は、図示しないワークテーブル駆動手段に駆動されてＹ軸方向に移動する。ワークテーブル８がＹ軸方向に移動することによって、触針７によるワークＷの表面の走査位置を変えＸ−Ｙ平面内におけるワークＷの表面粗さ又は形状を測定することができる。

特開２００２−１０７１４４号公報

表面粗さ／形状測定装置１は、触針７でワークＷの表面をなぞり０．１μｍオーダーの微細な形状をサンプリングするものである。したがって触針７をワークＷの表面上で摺動させている間に、外部要因によってワークＷ又は測定装置１に振動が加わると、この影響がサンプリングしたデータに加わり正確な測定結果が得られないという問題があった。

このため従来の測定装置では、エアー式除振装置などを用いることによりワークＷ及び測定装置１の振動そのもの防止していたが、完全に除去するには至っていない。また可搬型の表面粗さ／形状測定装置などのように現場に持ち込んで使用するタイプの装置では、こうした除振手段を設けられないといった事情もあった。
上記問題点に鑑み、本発明では、触針を被測定物の表面にて摺動させて表面形状を測定する表面粗さ／形状測定において、外部から被測定物や測定装置に加えられた振動が、測定データに与える影響を除去することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明では、触針を被測定物の測定面にて摺動させないときに触針に現れる振動の周波数領域信号を取得し、測定時に触針を測定面にて摺動させて得られる触針の変位信号の周波数領域信号からこれを除くことにより、外部から触針に加わった振動成分を測定データから除去する。

本発明の第１形態によれば、触針を測定面にて摺動させ測定面の凹凸により生じる触針の変位を検出することにより測定面の表面形状を測定する表面粗さ／形状測定装置が提供される。本表面粗さ／形状測定装置は、触針の変位量を検出する変位検出器と、変位検出器が出力する変位信号を周波数領域信号へ変換する第１の信号変換部と、触針を測定面にて摺動させないときの変位信号を第１の信号変換部で変換して得られる測定前周波数成分を、触針を測定面にて摺動させているときの変位信号を第１の信号変換部で変換して得られる測定スペクトル信号から除去するスペクトル成分除去部と、測定スペクトル信号から測定前周波数成分を除去した信号を時間領域信号へ変換する第２の信号変換部と、を備える。

本発明の第２形態によれば、触針を測定面にて摺動させ測定面の凹凸により生じる触針の変位を検出することにより測定面の表面形状を測定する表面粗さ／形状測定方法が提供される。本方法では、触針を測定面にて摺動させないときの触針の変位量を示す変位信号を周波数領域信号へ変換して測定前周波数成分を生成し、触針を測定面にて摺動させているときの触針の変位量を示す変位信号を周波数領域信号へ変換して測定スペクトル信号を生成し、測定スペクトル信号から測定前周波数成分を除去し、測定スペクトル信号から測定前周波数成分を除去した信号を時間領域信号へ変換する。

本発明によって、従来の除振装置では完全に除去するには至らなかった外部からの振動による測定データへの影響を、測定データを信号処理することによって除去することが可能となる。
可搬型装置などのように除振手段を設けることができない表面粗さ／形状測定装置においても、外部からの振動による測定データへの影響を除去することができる。

以下、添付する図面を参照して本発明の実施例を説明する。図２は、本発明の実施例による表面粗さ／形状測定装置の全体構成を示す。表面粗さ／形状測定装置１は、図１を参照して説明した従来の表面粗さ／形状測定装置と同様に、定盤２と、定盤２に垂直に立設された支柱３と、支柱３に摺動自在に支持されるＸ軸駆動部４と、Ｘ軸駆動部４に水平に支持されるＸアーム５と、Ｘアーム５の先端に設けられる変位検出器６と、変位検出器６によってＺ軸方向の変位が検出される触針７と、定盤２の上に設けられワークＷが載置されるワークテーブル８を備えている。

表面粗さ／形状測定装置１は、更にＸ軸駆動部４、Ｘアーム５及びワークテーブル８といった各移動機構を駆動する駆動手段へ駆動信号を出力して、表面形状測定装置１による測定動作を制御するとともに、変位検出器６からの検出信号に基づいてワークＷの測定面の表面粗さデータ又は形状データを生成する測定制御部１０を備える。

図３は、図２に示す測定制御部１０の概略構成を示すブロック図である。測定制御部１０は、Ｘ軸駆動部４、Ｘアーム５及びワークテーブル８といった各移動機構を駆動する駆動手段への駆動信号を生成する移動機構駆動部１１と、変位検出器６が検出した触針７の変位信号を所定のサンプリング周期でディジタル形式の信号へ変換するアナログディジタル変換器（ＡＤＣ）１２と、ＡＤＣ１２が逐次出力する信号列にフーリエ変換処理を施すことにより周波数領域信号へ変換する高速フーリエ変換器（ＦＦＴ）１３と、触針７がワークＷの測定面上で摺動していない所定期間の間に変位検出器６から出力された変位信号の信号列を周波数領域信号へ変換して生成された周波数成分（以下、「測定前周波数成分」と記す）を記憶するためのメモリ１４と、ＦＦＴ１３から出力される周波数領域信号からメモリ１４に記憶された測定前周波数成分を除去する所定の処理を行うノイズ成分除去部１５と、ノイズ成分除去部１５の出力信号にフーリエ逆変換処理を施すことにより時間領域信号へ変換する高速フーリエ逆変換器（ＩＦＦＴ）１６と、ＦＦＴ１３、ノイズ成分除去部１５及びＩＦＦＴ１６を制御する検出信号処理制御部１７を備える。

検出信号処理制御部１７は、ＩＦＦＴ１６により時間領域信号へ変換されたディジタル変位信号が示す各時刻における触針７の変位量と、それぞれの時刻における移動機構（Ｘ軸駆動部４、Ｘアーム５及びワークテーブル８）の位置情報とを対応付けて、ワークＷの測定面におけるＺ軸方向位置を示す測定データを生成する処理も行う。

図４は、測定制御部１０の動作を説明する本発明の実施例による表面粗さ／形状測定方法を示すフローチャートである。
ステップＳ１において、移動機構駆動部１１は、Ｘ軸駆動部４、Ｘアーム５及びワークテーブル８を駆動することにより、触針７をワークＷの測定面に接触させる。
ステップＳ２において、触針７を測定面上で摺動させない状態のまま、所定の期間において変位検出器６が出力する触針７の変位信号の信号をＡＤＣ１２へ入力し、所定のサンプリング周期でサンプリングしディジタル形式の信号列に変換する。

ステップＳ３において、ＦＦＴ１３はステップＳ２で変換されたディジタル信号列にフーリエ変換処理を施すことにより周波数領域信号へ変換する。この変換によって、触針７がワークＷの測定面上で摺動していない時に変位検出器６から出力された変位信号の周波数成分である測定前周波数成分が算出される。測定前周波数成分は、触針７の摺動に関係のない振動成分すなわち外乱により触針７に生じる振動成分の周波数成分を示す。ステップＳ４において、検出信号処理制御部１７は測定前周波数成分を示す信号データをメモリ１４へ記憶する。

ステップＳ５において、移動機構駆動部１１は、Ｘ軸駆動部４、Ｘアーム５及びワークテーブル８を駆動することにより、触針７をワークＷの測定面で摺動させ、測定面の表面粗さ測定又は形状測定を開始する。
ステップＳ６において、触針７をワークＷの測定面で摺動させている間、変位検出器６が逐次出力する触針７の変位信号をＡＤＣ１２へ入力し、ディジタル形式の信号列へ変換する。

ステップＳ７において、ＦＦＴ１３はステップＳ６で変換されたディジタル信号列にフーリエ変換処理を施すことにより周波数領域信号へ変換する。この変換によって、触針７がワークＷの測定面上で摺動している間に変位検出器６から出力された変位信号の周波数信号（以下、「測定スペクトル信号」と示す）を算出される。測定スペクトル信号はノイズ成分除去部１５へ出力される。
ステップＳ８において、検出信号処理制御部１７は、ステップＳ４で記憶した測定前周波数成分をメモリ１４から取り出しノイズ成分除去部１５へ出力する。ノイズ成分除去部１５は、測定スペクトル信号から測定前周波数成分を除去する処理を行う。

上述の通り、測定前周波数成分は外乱により触針７に生じる振動成分の周波数成分を示すので、測定前周波数成分を測定スペクトル信号から除去することにより、測定スペクトル信号に含まれる外乱による影響が除去される。
測定スペクトル信号から測定前周波数成分を除去する処理を行う際に、ノイズ成分除去部１５は、例えば、測定前周波数成分が存在する周波数帯域を特定して、この特定された周波数帯域の周波数成分を測定スペクトル信号から除去するフィルタリング処理を行う。

例えば、図５の（Ａ）に示すように周波数ｆ１からｆ２に亘る周波数帯域Ｗに測定前周波数成分Ｎが存在すると仮定する。このときノイズ成分除去部１５は、周波数帯域Ｗに存在する信号の通過を阻止しそれ以外の帯域の信号通過を許可する帯域阻止フィルタリング処理を、測定スペクトル信号に施す。このフィルタリング処理は、例えば図５の（Ｂ）に示すような、周波数帯域Ｗの信号の通過を阻止する帯域阻止フィルタによるフィルタリング処理と同様である。
図５の（Ｃ）に示すように測定スペクトル信号に信号成分Ｓと測定前周波数成分Ｎが存在する場合には、このフィルタリング処理によって、測定スペクトル信号から測定前周波数成分Ｎが除去される。

図４に戻りステップＳ９において、ＩＦＦＴ１６は、ノイズ成分除去部１５により測定前周波数成分が除去された測定スペクトル信号にフーリエ逆変換を施して、触針７の変位信号の時間領域信号へ変換する。変換後の信号は検出信号処理制御部１７へ出力される。
ステップＳ１０において、検出信号処理制御部１７は、触針７の変位信号列が示す各時刻における触針７の変位量と、それぞれの時刻における移動機構（Ｘ軸駆動部４、Ｘアーム５及びワークテーブル８）の位置情報とを対応付けて、ワークＷの測定面の粗さ又は形状測定データを生成する。

以下、ノイズ成分除去部１５による測定前周波数成分の除去処理の他の例を示す。信号成分Ｓが存在している周波数帯域と測定前周波数成分Ｎが存在する帯域とは、測定スペクトル信号上で重複することがある。例えば、図６の（Ａ）のスペクトル分布図に示される測定前周波数成分は、周波数ｆ１及びｆ２にて強度Ｎ１及びＮ２をそれぞれ有し、図６の（Ｂ）のスペクトル分布図に示される測定スペクトル信号の信号成分は、同じ周波数ｆ１及びｆ２にて強度Ｓ１及びＳ２をそれぞれ有する。
測定中に変位検出器６から出力される変位信号のスペクトル分布はこれらの信号が重畳されるため、図６の（Ｃ）に示すように、周波数ｆ１において強度Ｓ１’＝Ｎ１＋Ｓ１を示し、周波数ｆ２において強度Ｓ２’＝Ｎ２＋Ｓ２を示す。

図５の（Ａ）から図５の（Ｃ）を参照して説明した測定前周波数成分の除去処理では、測定前周波数成分Ｎが存在する周波数帯域の信号成分を、測定スペクトル信号から除去する。したがって、信号成分Ｓが存在している周波数帯域と測定前周波数成分Ｎが存在する帯域とが重複すると、信号成分Ｓまで除去され正確な測定データを復元することができない。

そこでノイズ成分除去部１５は、測定前周波数成分の除去処理を行う際に、測定前周波数成分が存在する周波数を検出し、当該周波数における測定スペクトル信号の強度と測定前周波数成分の強度に基づいて、当該周波数における測定スペクトル信号の周波数成分に施すべき減少係数を算出し、当該周波数における測定スペクトル信号の周波数成分にこの減少係数を乗じることによって、測定前周波数成分を除去してもよい。

例えば、図５の（Ａ）及び図５の（Ｃ）に示すように、周波数ｆ１における測定前周波数成分及び測定スペクトル信号の強度がそれぞれＮ１及びＳ１’であり、また周波数ｆ２における測定前周波数成分及び測定スペクトル信号の強度がそれぞれＮ２及びＳ２’であるとする。

このとき各周波数ｆ１及びｆ２における測定スペクトル信号の周波数成分にそれぞれ乗じるべき減少係数ｋ１及びｋ２を、
ｋ１＝（Ｓ１’−Ｎ１）／Ｓ１’
ｋ２＝（Ｓ２’−Ｎ２）／Ｓ２’
により決定する。
そしてこれらの係数ｋ１及びｋ２を、周波数ｆ１及びｆ２における測定スペクトル信号の周波数成分にそれぞれ乗じることによって、測定スペクトル信号から測定前周波数成分を除去する。

触針を被測定物の表面にて摺動させて表面形状を測定する表面粗さ／形状測定に利用可能である。

従来の表面粗さ／形状測定装置の基本構成を示す図である。 本発明の実施例による表面粗さ／形状測定装置の全体構成を示す図である。 図２に示す測定制御部の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施例による表面粗さ／形状測定方法を示すフローチャートである。 （Ａ）は測定前周波数成分のスペクトル分布を示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）の測定前周波数成分を阻止する帯域阻止フィルタの周波数特性図であり、（Ｃ）は測定スペクトル信号のスペクトル分布を示す図である。 （Ａ）は測定前周波数成分のスペクトル分布を示す図であり、（Ｂ）は測定スペクトル信号の信号成分のスペクトル分布を示す図であり、（Ｃ）は測定スペクトル信号に測定前周波数成分が重畳した信号のスペクトル分布を示す図である。

符号の説明

１ 表面粗さ／形状測定機
２ 定盤
３ 支柱
４ Ｘ軸駆動部
５ Ｘアーム
６ 変位検出器
７ 触針
８ ワークテーブル
１０ 測定制御部
Ｗ ワーク

Claims (4)

1. 触針を測定面にて摺動させ前記測定面の凹凸により生じる前記触針の変位を検出することにより前記測定面の表面形状を測定する表面粗さ／形状測定装置であって、
   前記触針の変位量を検出する変位検出器と、
   前記変位検出器が出力する変位信号を周波数領域信号へ変換する第１の信号変換部と、
   前記触針を前記測定面にて摺動させないときの前記変位信号を前記第１の信号変換部で変換して得られる測定前周波数成分を、前記触針を前記測定面にて摺動させているときの前記変位信号を前記第１の信号変換部で変換して得られる測定スペクトル信号から除去するスペクトル成分除去部と、
   前記測定スペクトル信号から前記測定前周波数成分を除去した信号を時間領域信号へ変換する第２の信号変換部と、
   を備えることを特徴とする表面粗さ形状測定装置。
2. 前記測定前周波数成分は、前記触針を前記測定面に接触させたときの前記周波数領域信号である請求項１に記載の表面粗さ形状測定装置。
3. 触針を測定面にて摺動させ前記測定面の凹凸により生じる前記触針の変位を検出することにより前記測定面の表面形状を測定する表面粗さ／形状測定方法であって、
   前記触針を前記測定面にて摺動させないときの前記触針の変位量を示す変位信号を周波数領域信号へ変換して測定前周波数成分を生成し、
   前記触針を前記測定面にて摺動させているときの前記触針の変位量を示す変位信号を周波数領域信号へ変換して測定スペクトル信号を生成し、
   前記測定スペクトル信号から前記測定前周波数成分を除去し、
   前記測定スペクトル信号から前記測定前周波数成分を除去した信号を時間領域信号へ変換する、
   ことを特徴とする表面粗さ形状測定方法。
4. 前記触針を前記測定面にて摺動させないときの前記触針の変位量を示す前記変位信号を、前記触針を前記測定面に接触させた状態で検出する請求項３に記載の表面粗さ形状測定方法。

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