JP2019045312A - スタイラス及び表面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置を複雑化することなく輪郭形状測定と表面粗さ測定を行なうことができる表面形状測定装置を提供する。【解決手段】当該表面形状測定装置１の測定ユニット１０は、スタイラス１４と、スタイラス１４の変位を測定する変位測定部２４と、測定力を変更する測定力変更部２６と、を備える。スタイラス１４は、スタイラス本体１８の側方にそれぞれ突出する第１触針２０及び第２触針２２を有し、第２触針２２の先端の曲率半径は第１触針２０の先端の曲率半径よりも大きくなっている。測定力変更部２６は、第１触針２０で測定を行なうときには測定力を微小な第１測定力とし、第２触針２２で測定を行なうときには測定力を第１測定力よりも大きい第２測定力とする。【選択図】図２

Description

本発明は、被測定物の表面形状測定を行なうためのスタイラス、及び該スタイラスを備えた表面形状測定装置に関する。

１つの被測定物に対して、真円度やうねりなどの輪郭形状の測定と、表面粗さの測定とを両方とも行ないたい場合がある。表面粗さ測定において使用されるスタイラスは、被測定物の表面の極細かい凹凸に追従するように先端の曲率半径が数μｍ程度のものが通常は使用される。また、表面粗さ測定における測定力は、鋭利なスタイラスで表面に傷を付けないようにするために、1ｍＮ程度の微小な力とされる。一方で輪郭形状測定において使用されるスタイラスは、比較的に広い領域を高速で移動させて測定ができるように先端の曲率半径が数十から数百μｍ程度の比較的に大きなものが通常は使用される。また、輪郭形状測定における測定力は、数十から数百ｍＮの比較的に大きな力とされる。このように、表面粗さ測定と輪郭形状測定とでは使用されるスタイラスの形状および測定時の好ましい測定力が大きく異なるため、１つの測定装置において同一の触針を使用して両方の測定を行なうことは不可能であるか、又は可能であったとしても精度や効率が悪くなる。そのため、多くの場合は表面粗さ測定と輪郭形状測定はそれぞれ別の装置で個別に行なわれていた。

異なる測定装置で表面粗さ測定と輪郭形状測定を行なう場合、被測定物をまず１つ目の測定機（例えば表面粗さ測定装置）上に正確に位置決めして載置し、またスタイラスの位置決め等の各種設定を行なって最初の測定（表面粗さ測定）を行なう。その測定が終わると、被測定物を２つ目の測定機（例えば真円度測定装置）上に改めて正確に位置決めして載置した上で各種設定を行ってから次の測定（真円度測定）を行なうことになる。このように、複数の測定装置を使用する場合には、被測定物の設置や各種設定がその都度必要となるため、測定作業は非常に煩雑であり時間のかかるものとなる。また、２つの測定装置での被測定物の測定箇所を正確に合わせる必要がある場合には、スタイラスの位置決め作業はさらに煩雑なものとなる。

このような測定作業の煩雑さを解消するために、１つの測定装置に表面粗さ測定用の測定ユニットと輪郭形状測定用の測定ユニットを設けた測定装置が開発されている（特許文献１）。

特開２０１６−１９１６６４号公報

しかしながら、２つの測定ユニットを有する測定装置においては、被測定物の載せ替え作業は軽減されるものの、測定ユニットが増えることに加えて測定ユニットの移動機構も増えるために装置全体が複雑な構造となり、装置が大型化し、また高価なものとなってしまう。

そこで本発明は、１つの測定装置で輪郭形状測定と表面粗さ測定などの異なる表面形状測定を容易に行なうことを可能とするスタイラス、及び該スタイラスを備え、装置を複雑化することなく異なる種類の表面形状測定を容易に行なうことを可能とする表面形状測定装置を提供することを目的とする。

すなわち本発明は、
被測定物の表面形状測定を行なうためのスタイラスであって、
細長いスタイラス本体と、
該スタイラス本体から該スタイラス本体の側方に突出し、先端が第１曲率半径を有する第１触針と、
該スタイラス本体から該第１触針とは異なる向きで側方に突出し、先端が該第１曲率半径よりも大きい第２曲率半径を有する第２触針と、
を備え、
表面形状測定時に該第１触針と該第２触針とのうちの一方が被測定物の表面に選択的に接触されるようにされたスタイラスを提供する。

当該スタイラスにおいては、曲率半径の異なる２つの触針を備えていて、表面形状測定時に２つの触針のうちの一方を選択して使用することができるようになっている。そのため、例えば第１触針の第１曲率半径を表面粗さの測定に適した大きさとし、第２触針の第２曲率半径を真円度やうねりなどの輪郭形状の測定に適した大きさとすることにより、表面粗さ測定と輪郭形状測定とを一つのスタイラスで行なうことが可能となる。したがって、表面粗さ測定と輪郭形状測定などの異なる表面形状測定を一つの測定装置で行なうようにすることが可能となり、またその際にはスタイラスを含む測定ユニットを複数設ける必要もない。

具体的には、該第１触針と該第２触針とが、該スタイラス本体の長手軸線に略直交する方向で互いに反対向きに該スタイラス本体から突出しているようにすることができる。

さらに具体的には、該第１曲率半径が１μｍから１０μｍであり、該第２曲率半径が１０μｍから１０００μｍであるようにすることができる。

また本発明は、
上述のスタイラスと、
表面形状測定時の該スタイラスの変位を測定する変位測定部と、
該第１触針又は該第２触針が被測定物の表面を押圧する測定力を変更する測定力変更部であって、該第１触針で表面形状測定を行なうときには該測定力を第１測定力とし、該第２触針で表面形状測定を行なうときには該測定力を該第１測定力よりも大きい第２測定力とするようにされた、測定力変更部と、
を備える表面形状測定装置を提供する。

当該表面形状測定装置においては、使用する触針に合せて測定力を変更できるようになっているため、例えば、第１触針で表面粗さ測定をするときにはそれに適した大きさの測定力とし、第２触針で輪郭形状測定をするときにはそれに適した大きさの測定力に変更することができる。これにより、表面粗さ測定と輪郭形状測定とを適切な条件でより精確に行なうことが可能となる。

好ましくは、該変位測定部及び該測定力変更部を保持するとともに該スタイラスを揺動可能に支持するハウジングをさらに備え、該ハウジングは、該スタイラス本体の長手軸線の周りで該スタイラスを回転させる回転部を有するようにすることができる。

このような構成により、第１触針及び第２触針の向きを被測定物の形状に合わせて変更して、被測定物の様々な方向に面した表面の測定をすることが可能となる。

好ましくは、
該スタイラスはスタイラス基部をさらに有し、該スタイラス本体は、該スタイラス本体の長手軸線に直交する枢動軸線の周りで該スタイラス基部に対して枢動可能とされ、
表面形状測定時に、該スタイラス本体は該スタイラス基部に対して枢動しないように保持されて、該スタイラス基部が該スタイラス本体とともに変位するようにされ、
該変位測定部は、該スタイラス基部において該スタイラスの変位を測定するようにすることができる。

スタイラス本体が枢動するようにすることにより、第１触針及び第２触針の向きを被測定物の形状に合わせて変更して、被測定物の様々な方向に面した表面の測定をすることが可能となる。

また、表面形状測定時に、該スタイラスが被測定物の表面形状変化に応じて該枢動軸線の周りで揺動するようにすることができる。

好ましくは、該変位測定部及び該測定力変更部を保持するとともに該スタイラスを揺動可能に支持するハウジングをさらに備え、該ハウジングは、該枢動軸線に対して垂直な回転軸線の周りで該スタイラスを回転させる回転部を有するようにすることができる。

このような構成により、第１触針及び第２触針の向きの自由度がさらに大きくなり、被測定物の更に多くの面の測定を行なうことが可能となる。

具体的には、
被測定物を保持する被測定物保持部と、
該スタイラスの該第１触針又は該第２触針が該被測定物保持部に保持された被測定物の表面と接触しながら該表面上を移動するように、該スタイラスと該被測定物保持部とを相対的に移動させる移動機構と、
該スタイラスの向きが変更されたときに、該第１測定力又は該第２測定力を維持するように該測定力変更部を制御する制御部と、
をさらに備えるようにすることができる。

以下、本発明に係るスタイラス及び表面形状測定装置の実施形態を添付図面に基づき説明する。

本発明の一実施形態に係る表面形状測定装置の全体外観図である。 図１の表面形状測定装置の測定ユニットを示す図であり、該測定ユニットによる第１の測定状態を示す図である。 図１の表面形状測定装置の測定ユニットを示す図であり、該測定ユニットによる第２の測定状態を示す図である。 図１の表面形状測定装置の測定ユニットを示す図であり、該測定ユニットによる第３の測定状態を示す図である。 図１の表面形状測定装置の測定ユニットを示す図であり、該測定ユニットによる第４の測定状態を示す図である。 本発明の別の実施形態に係る表面形状測定装置の測定ユニットを示す図である。

本発明の一実施形態に係る表面形状測定装置１は、図１に示すように、装置本体部２と、被測定物Ｏを保持するためのステージ（被測定物保持部）３と、測定ユニット１０とを備える。また、測定ユニット１０を被測定物Ｏに対して相対的に移動させるための移動機構として、測定ユニット１０を３軸方向に直線移動させる直動機構４と、ステージ３を回転させる回転機構５とを備える。当該表面形状測定装置１は、後述するように、円柱状の被測定物Ｏの真円度やうねりなどの輪郭形状の測定と表面粗さの測定とを行なうことが可能となっている。

測定ユニット１０は、図２に示すように、直動機構４に固定されるハウジング１２と、ハウジング１２から図で見て下方に延出するスタイラス１４とを備える。スタイラス１４は、ハウジング１２内に位置するスタイラス基部１６と、スタイラス基部１６に対して枢動可能に連結された細長いスタイラス本体１８と、スタイラス本体１８からその側方にそれぞれ突出する第１触針２０及び第２触針２２とを有する。第１触針２０及び第２触針２２は、スタイラス本体１８の長手軸線Ｌに直交する方向で互いに反対向きに突出するように設けられている。また、第２触針２２の先端の曲率半径（第２曲率半径）は第１触針２０の先端の曲率半径（第１曲率半径）よりも大きくなっている。第１触針２０と第２触針２２の各先端の曲率半径は適宜変更可能であり、好ましくは第１触針２０の曲率半径は１μｍから１０μｍ、第２触針２２の曲率半径は１０μｍから１０００μｍである。なお本実施形態においては、第１触針２０は被測定物Ｏの表面粗さを測定する際に使用され、その先端の曲率半径は２μｍとなっており、第２触針２２は被測定物Ｏの真円度又はうねりを測定する際に使用され、その曲率半径は８００μｍとなっている。第１触針２０及び第２触針２２の各曲率半径は、測定対象物、測定項目、要求される測定精度等によっては上記範囲外の大きさとしてもよい。

測定ユニット１０のハウジング１２内にはさらに、スタイラス１４の変位を測定するための変位測定部２４と、スタイラス１４の測定力を変更するための測定力変更部２６とが設けられている。具体的には、変位測定部２４は、差動トランスにより構成され、スタイラス基部１６においてスタイラス１４の変位を測定して第１触針２０又は第２触針２２の変位量を求めるようになっている。また測定力変更部２６は、ボイスコイルにより構成され、スタイラス基部１６に対して力を加えて第１触針２０又は第２触針２２での測定力を変更するようになっている。なお、測定力とは表面形状測定時に第１触針２０又は第２触針２２が被測定物Ｏの表面を押圧する力をいう。

スタイラス本体１８は、スタイラス基部１６との連結部２８において、長手軸線Ｌに直交する枢動軸線Ｍの周りでスタイラス基部１６に対して左右におよそ９０度ずつ枢動するようになっている。またスタイラス１４は、連結部２８において枢動軸線Ｍの周りで揺動可能なようにハウジング１２に支持されている。スタイラス本体１８は、スタイラス本体１８の自重や表面形状測定時の測定力程度の大きさの力によっては枢動しないが作業者が手で力を加えれば容易に枢動するような大きさの静摩擦力により、連結部２８でスタイラス基部１６に保持されている。したがって、表面形状測定時においては、スタイラス本体１８がスタイラス基部１６に対して枢動することは基本的にはなく、スタイラス基部１６は被測定物Ｏの表面形状の変化に合わせてスタイラス本体１８とともに枢動軸線Ｍの周りで揺動する。

ハウジング１２は、直動機構４に固定されるハウジング固定部３０と、スタイラス１４を揺動可能に支持するハウジング本体３２と、ハウジング固定部３０とハウジング本体３２との間の回転部３４とを有し、回転部３４によりハウジング本体３２はハウジング固定部３０に対して回転可能となっている。ハウジング本体３２は、枢動軸線Ｍに対して垂直な回転軸線Ｎの周りで回転するようになっている。なお、回転軸線Ｎは、図２のようにスタイラス本体１８が真下に延びているときのスタイラス本体１８の長手軸線Ｌと同一直線上にある。

上述のようなスタイラス本体１８の枢動及びハウジング本体３２の回転により、第１触針２０又は第２触針２２を様々な方向に向けることができるようになっている。これにより、第１触針２０又は第２触針２２を被測定物Ｏの任意の表面に選択的に接触させることができるようにしている。

当該表面形状測定装置１による輪郭形状測定と表面粗さ測定の方法について以下に説明する。

例えば図示のような円柱状の被測定物Ｏの側周面Ｏ−１の表面形状測定を行なう場合には、まず図１に示すように、被測定物Ｏを回転機構５の回転中心と被測定物Ｏの中心軸線とが一致するように回転機構５のステージ３上に載置する。次に被測定物Ｏの表面粗さ測定を行なうために、図２に示すようにスタイラス１４の第１触針２０が被測定物Ｏの側周面Ｏ−１に接触するように測定ユニット１０を直動機構４によって移動させる。そして、回転機構５によって被測定物Ｏを回転させて、第１触針２０を被測定物Ｏの側周面Ｏ−１上で相対的に移動させる。このとき、第１触針２０が被測定物Ｏの表面を押圧する力、すなわち測定力は、測定力変更部２６によって所定の値となるように制御されている。本実施形態においては、第１触針２０に対する測定力（第１測定力）は、０．７５ｍＮ以下となっている。第１触針２０が側周面Ｏ−１上を相対的に移動するとスタイラス１４は表面の凹凸に応じて揺動する。このスタイラス１４の変位は変位測定部２４によってスタイラス基部１６において測定され、表面粗さの測定データとして記録される。次に被測定物Ｏの真円度測定を行うために、図３に示すようにハウジング本体３２を回転軸線Ｎの周りで１８０度回転させてスタイラス１４の第２触針２２を被測定物Ｏの側周面Ｏ−１に向け、直動機構４により測定ユニット１０を移動させて第２触針２２を側周面Ｏ−１に接触させる。このとき、測定力は測定力変更部２６によって第１触針２０による表面粗さ測定の時よりも大きな値に変更される。本実施形態においては、第２触針２２に対する測定力（第２測定力）は、２５０ｍＮ程度となっている。次に、回転機構５によって被測定物Ｏが回転され、第２触針２２が被測定物Ｏの側周面Ｏ−１上で相対的に移動すると、スタイラス１４は表面の形状に応じて揺動する。このスタイラス１４の変位は変位測定部２４によって測定され、真円度の測定データとして記録される。

また、被測定物Ｏの上面Ｏ−２の表面粗さ測定を行なう場合には、図３の状態からスタイラス本体１８を９０度枢動させて第１触針２０が下方に向くようにし、図４に示すように該第１触針２０が被測定物Ｏの上面Ｏ−２に接触するように測定ユニット１０を直動機構４で移動させる。次に、測定力変更部２６により測定力を所定の値（例えば、０．７５ｍＮ）とする。次に、第１触針２０が該上面Ｏ−２に沿って移動するように測定ユニット１０を直動機構４で移動させて、そのときのスタイラス１４の変位を変位測定部２４で測定して表面粗さの測定データとして記録する。同様に被測定物Ｏの上面Ｏ−２のうねりなどの輪郭形状の測定を行なう場合には、図４の状態から、ハウジング１２の回転部３４を回転軸線Ｎの周りで１８０度回転させるとともにスタイラス本体１８を枢動軸線Ｍの周りで１８０度枢動させて第２触針２２が該上面Ｏ−２上で下方に向くようにし、図５に示すように該第２触針２２が被測定物Ｏの上面Ｏ−２に接触するように測定ユニット１０を直動機構４で移動させる。次に、測定力変更部２６により測定力を所定の値（例えば、２５０ｍＮ）に変更する。そして、第２触針２２が該上面Ｏ−２に沿って移動するように測定ユニット１０を直動機構４で移動させて、そのときのスタイラス１４の変位を変位測定部２４で測定してうねりの測定データとして記録する。

なお、スタイラス本体１８が枢動したことによりスタイラス１４には枢動軸線Ｍの周りで図２のときとは異なるモーメントが作用するようになるため、第１触針２０又は第２触針２２で同じ測定力を発生させるためには測定力変更部２６がスタイラス基部１６に対して図２のときとは異なる大きさの力を作用させる必要がある。当該表面形状測定装置１に内蔵された制御部（図示しない）は、このようにスタイラス本体１８の枢動角度が変更されたり又はスタイラス１４全体の向きが変更されたりしたときに、測定力が設定された所定の大きさに維持されるように測定力変更部２６を制御するようになっている。すなわち、スタイラス本体１８の枢動角度やスタイラス１４の向きが変化しても測定力が変化しないように、測定力変更部２６は制御部からの制御に基づいてスタイラス基部１６に付加する力の大きさ及び向きを適宜変更するようになっている。

このように当該表面形状測定装置１においては、スタイラス１４が表面粗さ測定用の第１触針２０と真円度測定又はうねり測定用の第２触針２２を備えているため、１つの測定装置で表面粗さ測定と真円度やうねりなどの輪郭形状測定とを容易に行なうことが可能となる。また、測定力変更部２６により、使用する触針に合せて適切な大きさの測定力を設定することができるため、通常は異なる大きさの測定力が必要とされる表面粗さ測定と輪郭形状測定を両方とも最適な条件で行なうことが可能となり高い測定精度を得ることができる。さらには、スタイラス本体１８の枢動及びハウジング本体３２の回転により第１触針２０及び第２触針２２を任意の方向に自在に向けられるようになっているため、被測定物Ｏの様々な面に第１触針２０と第２触針２２とのうちの一方を選択的に接触させて、その面の表面形状測定を行なうことが可能となる。

本発明の別の実施形態に係る表面形状測定装置においては、図６に示すように、測定ユニット１０が横向きに固定されている。測定ユニット１０をどのような向きで固定するかは、測定のしやすさを考慮して適宜変更可能である。

以上に本発明の実施形態について説明をしたが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態においては主として円柱状の被測定物Ｏの測定を行なうための装置としているが、平板などの他の形状の部材の測定を行なうための装置としてもよい。また、移動機構は、ステージ３を水平方向や垂直方向に移動させる別の直動機構や、測定ユニット１０の向きを変更する別の回転機構などの、他の機構を上記実施形態における移動機構に替えて又は追加して設けても良い。また、スタイラス本体１８が枢動する構成とハウジング本体３２が回転する構成は必ずしも必要ではなく、例えばスタイラス本体１８をスタイラス基部１６と一体の部材として構成してもよいし、ハウジング１２には回転部３４を設けずに移動機構に測定ユニット１０を回転させる機構を設けてスタイラス１４を回転させるようにしても良い。さらには、スタイラス１４に設けられる触針は２つに限られず、３つ以上の触針が設けられていても良い。

１ 表面形状測定装置 ２ 装置本体部
３ ステージ（被測定物保持部） ４ 直動機構
５ 回転機構 １０ 測定ユニット
１２ ハウジング １４ スタイラス
１６ スタイラス基部 １８ スタイラス本体
２０ 第１触針 ２２ 第２触針
２４ 変位測定部 ２６ 測定力変更部
２８ 連結部 ３０ ハウジング固定部
３２ ハウジング本体 ３４ 回転部
Ｌ 長手軸線 Ｍ 枢動軸線
Ｎ 回転軸線 Ｏ 被測定物
Ｏ−１ 側周面 Ｏ−２ 上面

Claims (9)

1. 被測定物の表面形状測定を行なうためのスタイラスであって、
   細長いスタイラス本体と、
   該スタイラス本体から該スタイラス本体の側方に突出し、先端が第１曲率半径を有する第１触針と、
   該スタイラス本体から該第１触針とは異なる向きで側方に突出し、先端が該第１曲率半径よりも大きい第２曲率半径を有する第２触針と、
   を備え、
   表面形状測定時に該第１触針と該第２触針とのうちの一方が被測定物の表面に選択的に接触されるようにされたスタイラス。
2. 該第１触針と該第２触針とが、該スタイラス本体の長手軸線に略直交する方向で互いに反対向きに該スタイラス本体から突出している、請求項１に記載のスタイラス。
3. 該第１曲率半径が１μｍから１０μｍであり、該第２曲率半径が１０μｍから１０００μｍである、請求項１又は２に記載のスタイラス。
4. 請求項１乃至３の何れか一項に記載のスタイラスと、
   表面形状測定時の該スタイラスの変位を測定する変位測定部と、
   該第１触針又は該第２触針が被測定物の表面を押圧する測定力を変更する測定力変更部であって、該第１触針で表面形状測定を行なうときには該測定力を第１測定力とし、該第２触針で表面形状測定を行なうときには該測定力を該第１測定力よりも大きい第２測定力とするようにされた、測定力変更部と、
   を備える表面形状測定装置。
5. 該変位測定部及び該測定力変更部を保持するとともに該スタイラスを揺動可能に支持するハウジングをさらに備え、該ハウジングは、該スタイラス本体の長手軸線の周りで該スタイラスを回転させる回転部を有する、請求項４に記載の表面形状測定装置。
6. 該スタイラスはスタイラス基部をさらに有し、該スタイラス本体は、該スタイラス本体の長手軸線に直交する枢動軸線の周りで該スタイラス基部に対して枢動可能とされ、
   表面形状測定時に、該スタイラス本体は該スタイラス基部に対して枢動しないように保持されて、該スタイラス基部が該スタイラス本体とともに変位するようにされ、
   該変位測定部は、該スタイラス基部において該スタイラスの変位を測定するようにされた、請求項４に記載の表面形状測定装置。
7. 表面形状測定時に、該スタイラスが被測定物の表面形状の変化に応じて該枢動軸線の周りで揺動するようにされている、請求項６に記載の表面形状測定装置。
8. 該変位測定部及び該測定力変更部を保持するとともに該スタイラスを揺動可能に支持するハウジングをさらに備え、該ハウジングは、該枢動軸線に対して垂直な回転軸線の周りで該スタイラスを回転させる回転部を有する、請求項６又は７に記載の表面形状測定装置。
9. 被測定物を保持する被測定物保持部と、
   該スタイラスの該第１触針又は該第２触針が該被測定物保持部に保持された被測定物の表面と接触しながら該表面上を移動するように、該スタイラスと該被測定物保持部とを相対的に移動させる移動機構と、
   該スタイラスの向きが変更されたときに、該第１測定力又は該第２測定力を維持するように該測定力変更部を制御する制御部と、
   をさらに備える、請求項４乃至８のいずれか一項に記載の表面形状測定装置。

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