JP2019120633A - 表面形状測定機 - Google Patents

Abstract

【課題】触針を破損することなくワークの内面の表面形状を測定することができる表面形状測定機を提供する。【解決手段】揺動支点を中心として揺動自在に支持されるアームと、アームの先端部に設けられた棒状の測定子と、測定子の先端部に設けられ、測定子の長手方向に垂直又は斜め方向に延びる触針と、揺動支点を中心とする回転方向のうち、測定子が触針の形成側に回転する第１回転方向に向かって、アームを第１付勢力で付勢する第１付勢部材と、揺動支点を中心とする回転方向のうち、第１回転方向とは反対側である第２回転方向に向かって、アームを第２付勢力で付勢する第２付勢部材と、第２付勢部材を、第２付勢力が第１付勢力よりも大きくなる状態と、第２付勢力が第１付勢力よりも小さくなる状態とに切り替える付勢力切替部材と、を備える。【選択図】図６

Description

本発明は、ワークの表面形状を測定する表面形状測定機に関する。

ワーク（被測定物）の表面の輪郭形状及び表面粗さ等の表面形状を測定する表面形状測定機が知られている。この表面形状測定機は、揺動支点を支点として揺動自在に取り付けられたアームと、アームの先端に設けられた測定子（スタイラス）であって且つ触針（下向き触針）を有する測定子と、を備える。

このような表面形状測定機では、触針をワーク表面に接触させた状態で、測定子とワークとを水平方向に相対移動させることにより、触針でワーク表面をトレースしながら測定子の揺動による変位を検出し、この変位検出結果に基づきワーク表面の表面形状を測定する（特許文献１参照）。

特開２０１７−１６１５４８号公報

ところで、ワークに形成された穴の内面等のワークの内面の表面形状（表面粗さ等）を表面形状測定機により測定する回数が増えている。この場合、測定子の触針を穴の内面から離した状態で測定子を穴の奥側（例えば右から左側）に挿入する。そして、触針が穴の奥の測定開始位置に到達した後、この触針を穴の内面に接触させてから、測定子を測定方向（例えば左から右側）に水平移動させることにより、穴の内面の表面形状を測定する。

しかしながら、近年ではワークに形成される穴が小径化されているため、穴の内部に挿入された測定子の先端をオペレータが目視することができない。従って、触針の破損を防止するため、上記測定方法は穴の内面に段差部（障害物）が形成されていない場合に限定されていた。

一方、穴の内面に段差部が形成されている場合、例えば表面形状測定機として測定子の位置決め精度を高精度化（高精度ガイド及びスケールを備える）している自動測定機を用いて、測定子の触針を穴の内面に接触しないように測定開始位置まで移動させる方法が考えられる。しかし、この場合には、測定子の触針を測定開始位置まで移動させるプログラムを予め作成する必要があり、このプログラムの作成時に触針を段差部に誤って接触させて破損させるおそれがある。

また、穴の内面に段差部が形成されている場合には、例えば穴の中心軸に沿ってカットされたワーク（カットワーク）を作成して、このカットワークを用いて穴の内面の表面形状を測定する方法も考えられる。しかし、この場合には、実際の製品（ワーク）の穴の内面の表面形状を測定することができない。さらに、ワークが量産品ではなく試作品等の一品物である場合にも穴の内面の表面形状を測定することができない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、触針を破損することなくワークの内面の表面形状を測定することができる表面形状測定機を提供することを目的とする。

本発明の目的を達成するための表面形状測定機は、揺動支点を中心として揺動自在に支持されるアームと、アームの先端部に設けられた棒状の測定子と、測定子の先端部に設けられ、測定子の長手方向に垂直又は斜め方向に延びる触針と、揺動支点を中心とする回転方向のうち、測定子が触針の形成側に回転する第１回転方向に向かって、アームを第１付勢力で付勢する第１付勢部材と、揺動支点を中心とする回転方向のうち、第１回転方向とは反対側である第２回転方向に向かって、アームを第２付勢力で付勢する第２付勢部材と、第２付勢部材を、第２付勢力が第１付勢力よりも大きくなる状態と、第２付勢力が第１付勢力よりも小さくなる状態とに切り替える付勢力切替部材と、を備える。

この表面形状測定機によれば、第２付勢部材の第２付勢力を第１付勢部材の第１付勢力よりも大きくすることにより、揺動支点を中心としてアーム及び測定子を第２回転方向に付勢することができるので、ワークの内面上の被測定領域の測定開始位置まで測定子の先端部を移動させる際に、測定子の触針が被測定領域に接触することが防止される。

本発明の他の態様に係る表面形状測定機において、第２付勢部材は弾性部材であり、且つ付勢力切替部材は第２付勢部材のアームとは反対側に設けられ、付勢力切替部材は、第２付勢部材を押圧した状態で第２付勢力を第１付勢力よりも大きくする押圧位置と、第２付勢部材の押圧を解除した状態で第２付勢力を第１付勢力よりも小さくする押圧解除位置との間で移動する。これにより、第２付勢部材の第２付勢力を、第１付勢力よりも大きくすることで揺動支点を中心としてアーム及び測定子を第２回転方向に付勢したり、第１付勢力よりも小さくすることで揺動支点を中心としてアーム及び測定子を第１回転方向に付勢したりすることができる。

本発明の他の態様に係る表面形状測定機において、測定子の先端部で且つ触針の形成側とは反対側が、凸曲面で構成されている。これにより、測定子の先端部をワークの内面（穴等）に挿入する場合に、揺動支点を中心としてアーム及び測定子が第２回転方向に付勢されている状態でも、測定子の先端部が穴の内面に形成された段差部等の障害物に引っ掛かることが防止される。

本発明の他の態様に係る表面形状測定機において、凸曲面は、測定子の先端部で且つ触針の形成側とは反対側に転動自在に取り付けられたガイドボールの外面により構成される。これにより、測定子の先端部をワークの内面（穴等）に挿入する場合に、測定子の先端部が穴の内面に形成された障害物に引っ掛かることが防止される。

本発明の他の態様に係る表面形状測定機において、揺動支点、アーム、第１付勢部材、第２付勢部材、及び付勢力切替部材を保持するケースと、ワークがセットされる測定台と、測定台に対してケースを、揺動支点の軸方向に垂直な水平方向のうち、測定子が設けられている側の第１水平方向に相対移動させる第１移動処理と、第１水平方向とは反対側の第２水平方向に相対移動させる第２移動処理とを行う水平移動部と、を備える。これにより、第１移動処理でワークの被測定領域の測定開始位置まで測定子の先端部を移動させ、第２移動処理で触針により被測定領域をトレースすることができる。

本発明の他の態様に係る表面形状測定機において、ケースに設けられ、ケースから第１水平方向に延びた棒状のストッパを備え、ストッパの先端部は、第１水平方向において測定子の先端部とケースとの間に位置する。これにより、第１移動処理で測定子の先端部をワークの穴等に挿入する場合に、ストッパの先端部がワークに当接して更なる第１移動処理を規制することで、ワークの被測定領域の測定開始位置への測定子の先端部の位置決めと、過剰挿入による触針の破損防止とが図れる。

本発明の他の態様に係る表面形状測定機において、ストッパは、第１水平方向に伸縮自在である。これにより、ストッパを、ワークの種類に応じて、測定子の測定開始位置への位置決め及び過剰挿入防止の双方が可能な長さに調整することができる。

本発明の表面形状測定機は、触針を破損することなくワークの内面の表面形状を測定する。

表面形状測定機の概略図である。 表面形状測定機の測定対象物であるワークの断面図である。 検出ユニットの正面図である。 検出ユニットのＸ軸方向に沿った断面図である。 測定子先端部の拡大図である。 符号６Ａは姿勢変更機構による付勢解除状態を説明する説明図であり、符号６Ｂは姿勢変更機構による付勢状態を説明する説明図である。 演算装置の機能ブロック図である。 表面形状測定機によるワークの小穴の被測定領域の表面形状測定の流れを示すフローチャートである。 図８に示したフローチャートのステップＳ２からステップＳ４を説明するための説明図である。 図９の符号９Ｚに示した測定子先端部の拡大図である。 図８に示したフローチャートのステップＳ６を説明するための説明図である。 図８に示したフローチャートのステップＳ８からステップＳ９を説明するための説明図である。 他実施形態のワークの側面図（符号１３Ａ参照）及び正面図（符号１３Ｂ参照）である。 他の実施形態の測定子先端部の側面図である。 他実施形態の小穴の断面図である。

［表面形状測定機の構成］
図１は、表面形状測定機１０の概略図である。図２は、表面形状測定機１０の測定対象物であるワークＷの断面図である。なお、図中のＸＹＺ軸は互いに直交し、且つＸＹ軸は水平方向に平行な軸である。

図１及び図２に示すように、表面形状測定機１０は、ワークＷに形成された略長穴形状の小穴９の内面の表面形状（輪郭形状又は表面粗さ等）を測定する。なお、小穴９とは、例えば直径が１ｍｍ〜２ｍｍの穴であるが、その直径については特に限定はされない。

ワークＷの一面には小穴９の開口部９Ａが形成されている。そして、小穴９の直径は、小穴９の奥方向側に向かって２段階（１段階、又は３段階以上でも可）で段階的に小さくなるように形成されている。これにより、小穴９の略円筒形状の内面９Ｂには、小穴９の直径が異なる領域間の境界ごとに段差部Ｄが形成されている。各段差部Ｄは、小穴９の奥方向側に向かうに従って小穴９の中心に次第に近づく傾斜面（テーパー面）として形成されている。

小穴９の内面９Ｂの中で、小穴９の長手方向（図２ではＸ軸方向）に沿った領域で且つＺ軸方向下方側に位置する領域が、表面形状測定機１０により表面形状の測定を行う被測定領域ＭＲとなる。また、内面９Ｂの中で、被測定領域ＭＲに対向する領域（小穴９の長手方向に沿った領域で且つＺ軸方向上方側に位置する領域）が対向領域ＣＲとなる。従って、小穴９は本発明の空間に相当する。

表面形状測定機１０は、平板状の測定台１２と、コラム１４と、送り装置１６と、Ｘ軸方向検出器１８と、検出ユニット２０と、コンピュータ２２と、を有している。

測定台１２の上面には、ワークＷが不図示のワークホルダに保持された状態でセットされる。ワークホルダを用いることで、検出ユニット２０に対するワークＷの小穴９の姿勢（向き）を任意に調整することができる（図９等参照）。なお、ワークホルダを介さずに、ワークＷを測定台１２の上面に直接セットしてもよい。

また、測定台１２の上面には、Ｚ軸方向（上下方向）に延びたコラム１４が設けられている。このコラム１４には、送り装置１６がＺ軸方向に移動自在に取り付けられている。

送り装置１６は、本発明の水平移動部に相当するものであり、ホルダ１７をＸ軸方向に移動自在に保持する。また、送り装置１６にはＸ軸方向検出器１８が設けられている。

Ｘ軸方向検出器１８は、例えばＸ軸方向（左右方向）に延びたリニアスケールと、このリニアスケールを光学的又は磁気的等の各種方法で読み取る読取ヘッドとを有する。Ｘ軸方向検出器１８は、送り装置１６によりＸ軸方向に移動されるホルダ１７のＸ軸方向の変位（変位方向及び変位量）を検出することで、後述の検出ユニット２０（測定子３０等）のＸ軸方向の変位を検出する。そして、Ｘ軸方向検出器１８が検出した検出信号は、Ｘ軸方向検出器１８からコンピュータ２２へ出力される。なお、Ｘ軸方向検出器１８として、スケール型検出器以外の検出器を用いてもよい。

ホルダ１７には、検出ユニット２０が設けられている。これにより、検出ユニット２０は、ホルダ１７を介して送り装置１６にＸ軸方向に移動自在に保持される。また、検出ユニット２０は、ホルダ１７及び送り装置１６を介して、コラム１４によりＺ軸方向に位置調整自在に保持される。

図３は検出ユニット２０の正面図である。図４は検出ユニット２０のＸ軸方向に沿った断面図である。図３及び図４に示すように、検出ユニット２０は、揺動支点２６と、アーム２８と、測定子３０と、付勢部材３２と、Ｚ軸方向検出器３４と、姿勢変更機構３６と、ストッパ３８と、これら各部を収納又は保持するケース４０と、を備える。

揺動支点２６は、水平で且つＹ軸方向に平行な回転軸（揺動軸）を備える。この揺動支点２６は、アーム２８を揺動自在に支持する。

アーム２８は、揺動支点２６に揺動自在に支持されるアーム本体部２８ａと、アーム本体部２８ａからケース４０外に向けてＸ軸方向の左方向側（測定子３０側或いはワークＷ側）に延びたアーム先端部２８ｂと、アーム本体部２８ａからＸ軸方向の右方向側に延びたアーム基端部２８ｃと、を備える。アーム先端部２８ｂの先端側には、測定子３０が設けられている。また、アーム基端部２８ｃには、後述のＺ軸方向検出器３４の一部を構成するコア４２が設けられている。

測定子３０は、略棒状に形成されており、その基端部である測定子基端部３０ａと、その先端部である測定子先端部３０ｂとを有している。測定子基端部３０ａはアーム先端部２８ｂの先端に保持される。

図５は、測定子先端部３０ｂの拡大図である。図５に示すように、測定子先端部３０ｂには触針４４及びガイドボール４６が設けられている。具体的に測定子先端部３０ｂには、測定子３０が小穴９内に挿入された場合において、既述の被測定領域ＭＲに対向する側に触針４４が設けられ、且つ既述の対向領域ＣＲに対向する側（触針４４の形成側とは反対側）にガイドボール４６が設けられている。

触針４４は、測定子３０の長手方向に対して垂直又は斜め方向（Ｚ軸方向の略下方側）に突出した下向き触針である。なお、触針４４の突出方向は、図５に示した例に限定されず、適宜調整可能である。また、触針４４の長さについても、小穴９内に挿入可能な長さであれば特に限定はされない。

ガイドボール４６は、測定子先端部３０ｂに転動自在に取り付けられている。このガイドボール４６の外面により、測定子先端部３０ｂの触針４４の形成側とは反対側が凸曲面で構成される。そして、詳しくは後述するが、ガイドボール４６は対向領域ＣＲに接触して転動（対向領域ＣＲ上を滑動）する。

図３及び図４に戻って、測定子３０は、アーム２８を介して揺動支点２６に揺動自在に支持される。これにより、小穴９内に挿入された測定子３０は、揺動支点２６を中心する回転方向のうち、触針４４の形成側（被測定領域ＭＲ側）に回転する第１回転方向ＳＷ１と、第１回転方向ＳＷ１とは反対側（ガイドボール４６が対向領域ＣＲに向けて変位する側）に回転する第２回転方向ＳＷ２とに揺動される。

また、検出ユニット２０のケース４０は、ホルダ１７を介して送り装置１６によりＸ軸方向（揺動支点２６の軸方向に垂直な水平方向）に水平移動される。具体的に送り装置１６は、ケース４０をＸ軸方向のうち、測定子３０が設けられている側の第１水平方向ＨＲ１に水平移動させる第１移動処理と、第１水平方向ＨＲ１とは反対側の第２水平方向ＨＲ２とに水平移動させる第２移動処理と、を行う。第１水平方向ＨＲ１は、ワークＷの小穴９内に測定子３０を挿入する挿入方向であり、本実施形態ではＸ軸方向の左方向である。また、第２水平方向ＨＲ２は、ワークＷの小穴９内に挿入された測定子３０を小穴９から引き抜く引抜方向であり、本実施形態ではＸ軸方向の右方向である。

従って第１移動処理は、測定子先端部３０ｂ（触針４４）を小穴９の奥側に位置する被測定領域ＭＲの測定開始位置まで移動させるための処理である。また、第２移動処理は、測定開始位置に移動された測定子先端部３０ｂの触針４４により被測定領域ＭＲをトレースさせるための処理である。

付勢部材３２は、本発明の第１付勢部材に相当するものであり、アーム基端部２８ｃをＺ軸方向の上方側に第１付勢力で付勢する。この付勢部材３２としては、例えばコイルバネ及び板バネ等の各種バネが用いられる。なお、バネ以外の公知の付勢方法でアーム基端部２８ｃの付勢を行ってもよい。これにより、アーム２８及び測定子３０は、揺動支点２６を中心として、付勢部材３２により第１回転方向ＳＷ１に第１付勢力で付勢される。

Ｚ軸方向検出器３４は、線形可変差動変圧器（Linear Variable Differential Transformer：ＬＶＤＴ）であり、既述のアーム基端部２８ｃに設けられたコア４２と、ケース４０内に設けられたコイル４８とにより構成される。

コア４２は、アーム基端部２８ｃの下面側に固定され、且つＺ軸方向の略下方側に延びた形状の鉄心である。コイル４８は、ケース４０内においてアーム基端部２８ｃの下面に対向する位置に設けられている。コイル４８にはその内部にコア４２が非接触で挿入される。コイル４８は、図示は省略するが、一次コイルと、２種類の二次コイルとにより構成されている。コイル４８の一次コイルが後述のコンピュータ２２の制御の下で励磁されると、２種類の二次コイルからコア４２のＺ軸方向の位置（変位）を示す信号が出力される。その結果、揺動支点２６、測定子３０（触針４４）、及びコア４２の位置関係と、Ｚ軸方向検出器３４で検出されたコア４２のＺ軸方向の位置とに基づき、アーム２８及び測定子３０（触針４４）の揺動によるＺ軸方向の変位を検出することができる。

Ｚ軸方向検出器３４が検出した検出信号は、このＺ軸方向検出器３４からインタフェース５０を介してコンピュータ２２へ出力される。なお、Ｚ軸方向検出器３４としてＬＶＤＴ以外の公知の検出器を用いてもよい。

図６の符号６Ａは姿勢変更機構３６による付勢解除状態を説明する説明図であり、符号６Ｂは姿勢変更機構３６による付勢状態を説明する説明図である。図６に示すように、姿勢変更機構３６は、アーム２８及び測定子３０を第２回転方向ＳＷ２に付勢する付勢状態（符号６Ｂ参照）と、この付勢を解除した付勢解除状態（符号６Ａ参照）とに切替可能である。

姿勢変更機構３６は、アーム本体部２８ａに突き当てられる突き当てピン５２と、コイルバネ５４（本発明の弾性部材）と、押圧部５６と、を備える。突き当てピン５２及びコイルバネ５４は本発明の第２付勢部材に相当し、押圧部５６は本発明の付勢力切替部材に相当する。

突き当てピン５２は、アーム本体部２８ａの中でアーム２８を第２回転方向ＳＷ２に回転可能な位置に突き当てられている。また、突き当てピン５２は、アーム本体部２８ａに突き当てられた状態で、ケース４０によりピン長手軸方向（本例ではＸ軸方向）に変位自在に保持されている。

コイルバネ５４は、アーム本体部２８ａに突き当てられる突き当てピン５２の先端側とは反対の基端側に設けられている。

押圧部５６は、コイルバネ５４に対して突き当てピン５２側（アーム本体部２８ａ側）とは反対側に設けられており、後述のコンピュータ２２の制御の下、コイルバネ５４を突き当てピン５２に向けて押圧する押圧位置（符号６Ｂ参照）と、この押圧を解除した押圧解除位置（符号６Ａ参照）との間で移動する。押圧部５６が押圧位置に移動すると、この押圧部５６によりコイルバネ５４がＸ軸方向に圧縮され、その弾性復元力により突き当てピン５２がアーム本体部２８ａ（測定子３０）を第２回転方向ＳＷ２に付勢する。

この際に姿勢変更機構３６では、コイルバネ５４によりアーム２８及び測定子３０を第２回転方向ＳＷ２に付勢する第２付勢力が、既述の付勢部材３２による第１付勢力よりも大きくなるように、コイルバネ５４のバネ定数及び圧縮量等を調整している。これにより、押圧部５６が押圧位置に移動された場合、すなわち姿勢変更機構３６が付勢状態に切り替えられた場合、姿勢変更機構３６による第２付勢力が付勢部材３２による第１付勢力よりも大きくなるため、揺動支点２６を中心としてアーム２８及び測定子３０が第２回転方向ＳＷ２に回転される（符号６Ｂ参照）。その結果、測定子先端部３０ｂのガイドボール４６が対向領域ＣＲに当接し、且つ測定子先端部３０ｂの触針４４が被測定領域ＭＲから離間する。

一方、押圧部５６が押圧解除位置に移動された場合、すなわち姿勢変更機構３６が付勢解除状態に切り替えられた場合、姿勢変更機構３６による第２付勢力は、付勢部材３２による第１付勢力よりも小さくなる（第２付勢力が零となる場合を含む）。このため、付勢部材３２による第１付勢力よって、アーム２８及び測定子３０が揺動支点２６を中心として第１回転方向ＳＷ１に回転される（符号６Ａ参照）。その結果、測定子先端部３０ｂの触針４４が被測定領域ＭＲに当接する。

図３及び図４に戻って、ケース４０のワークＷに対向する前面（正面）には、アーム２８の揺動を妨げない位置にストッパ３８が設けられている。ストッパ３８は、検出ユニット２０（測定子３０）と一体にＸ軸方向に移動可能であり、Ｘ軸方向に平行で且つケース４０から第１水平方向ＨＲ１に延びた棒形状を有している。このストッパ３８の先端部は、第１水平方向ＨＲ１において測定子先端部３０ｂとケース４０との間に位置する。

具体的に、ストッパ３８の先端部の位置、すなわちストッパ３８の長さは、小穴９内に挿入された測定子先端部３０ｂ（触針４４）が被測定領域ＭＲの測定開始位置に到達した場合に、ストッパ３８の先端部がワークＷの例えば小穴９の開口周辺部に当接するように調整されている。これにより、測定子先端部３０ｂの測定開始位置への位置決めを行うことができ、且つ測定子先端部３０ｂを必要以上に小穴９の奥に挿入することが規制される。

また、ストッパ３８は、図示は省略するがＸ軸方向に伸縮自在な構造を有している。これにより、ストッパ３８を、ワークＷの種類及び小穴９の種類（小穴９の長さ）等に応じて、測定子先端部３０ｂの測定開始位置への位置決め及び小穴９内への過剰挿入防止の双方が可能な長さに調整することができる。

図１に戻って、コンピュータ２２は、表面形状測定機１０の各部の動作を統括制御すると共に、Ｘ軸方向検出器１８及びＺ軸方向検出器３４の双方の検出信号に基づき小穴９の被測定領域ＭＲの表面形状の解析を行う。また、コンピュータ２２は、測定子３０を小穴９の奥に挿入する際に、測定子先端部３０ｂの位置を検出する。このコンピュータ２２は、演算装置５８と、モニタ６０と、キーボード及びマウス等の操作部６２と、を有する。

演算装置５８は、ＣＰＵ（central processing unit）を含む各種演算処理回路とメモリ等の記憶媒体とを有し、操作部６２の入力操作に応じた表面形状測定機１０の各部の動作制御と、被測定領域ＭＲの表面形状の解析と、測定子先端部３０ｂの位置の解析と、を行う。モニタ６０は、被測定領域ＭＲの表面形状の検出結果と、測定子先端部３０ｂの位置検出結果とを表示する。

［演算装置の機能］
図７は、演算装置５８の機能ブロック図である。図７に示すように、演算装置５８は、予め記憶された所定の制御プログラムを実行することで、記憶部６４、移動制御部６６、姿勢変更制御部６８、検出結果取得部７０、及び解析処理部７２として機能する。

記憶部６４には、上述の制御プログラムが記憶されている他、設計値記憶部６４ａ及び測定データ記憶部６４ｂが設けられている。

設計値記憶部６４ａには、測定対象のワークＷの既知の設計情報、すなわち、小穴９の設計情報が予め記憶されている。この小穴９の設計情報には、例えば、被測定領域ＭＲ及び対向領域ＣＲの平坦部（平滑部）の設計情報（幅寸法等）と、各段差部Ｄの設計情報（幅寸法、高さ寸法、及び傾斜角度等）とが含まれている。この設計値記憶部６４ａに記憶されている小穴９の設計情報は、解析処理部７２による測定子先端部３０ｂの位置解析に用いられる。

移動制御部６６は、操作部６２への測定準備操作の入力に応じて、送り装置１６を制御して、検出ユニット２０（ケース４０）を第１水平方向ＨＲ１に水平移動させる第１移動処理を行う。この第１移動処理は、操作部６２への停止操作の入力がなされるまで継続する。なお、この停止操作は、後述するが、測定子先端部３０ｂが小穴９の奥側にある被測定領域ＭＲの測定開始位置まで到達した場合に実行される。

また、移動制御部６６は、操作部６２への測定開始操作の入力に応じて、送り装置１６を制御して、検出ユニット２０を第２水平方向ＨＲ２に水平移動させる第２移動処理を行う。この第２移動処理についても、操作部６２への停止操作の入力がなされるまで継続する。

姿勢変更制御部６８は、押圧部５６を押圧位置と押圧解除位置とに移動させることにより、姿勢変更機構３６を、図６に示した付勢状態（符号６Ｂ参照）と付勢解除状態（符号６Ａ）とに切替制御する。具体的に姿勢変更制御部６８は、送り装置１６による第１移動処理が実行される場合は、押圧部５６を押圧位置に移動させることにより、姿勢変更機構３６を付勢状態に切り替える。これにより、小穴９内の測定子３０は揺動支点２６を中心として第２回転方向ＳＷ２に回転されるため、測定子先端部３０ｂのガイドボール４６が小穴９の内面９Ｂの対向領域ＣＲに接触し、且つ測定子先端部３０ｂの触針４４が被測定領域ＭＲから離間する。

また、姿勢変更制御部６８は、送り装置１６による第２移動処理が実行される場合、例えば操作部６２への測定開始操作の入力に応じて、押圧部５６を押圧解除位置に移動させることにより、姿勢変更機構３６を付勢解除状態に切り替える。これにより、小穴９内の測定子３０は揺動支点２６を中心として第１回転方向ＳＷ１に回転されるため、測定子先端部３０ｂの触針４４が小穴９の内面９Ｂの被測定領域ＭＲに接触する。

検出結果取得部７０は、Ｘ軸方向検出器１８及びＺ軸方向検出器３４の作動を制御する。この検出結果取得部７０は、送り装置１６により第１移動処理と第２移動処理とがそれぞれ実行されている場合に、Ｘ軸方向検出器１８及びＺ軸方向検出器３４からそれぞれ検出信号を取得して、解析処理部７２へ出力する。

解析処理部７２は、測定子先端部３０ｂの位置の解析を行う位置解析部７２ａと、被測定領域ＭＲの表面形状の解析を行う表面形状解析部７２ｂとして機能する。

位置解析部７２ａは、例えば送り装置１６による第１移動処理が実行されている場合に、検出結果取得部７０から入力されるＸ軸方向検出器１８及びＺ軸方向検出器３４の双方の検出信号に基づき、既述の設計値記憶部６４ａを参照して、測定子先端部３０ｂの位置を解析する。

具体的に、送り装置１６による第１移動処理が実行されている場合、測定子３０は揺動支点２６を中心として第２回転方向ＳＷ２に回転されるため、測定子先端部３０ｂはガイドボール４６を介して対向領域ＣＲに接触する。そして、測定子３０の第１水平方向ＨＲ１の移動に応じてガイドボール４６が対向領域ＣＲ上を転動（滑動）することで、測定子先端部３０ｂが対向領域ＣＲに沿って小穴９の奥側に移動する。そこで、位置解析部７２ａは、Ｘ軸方向検出器１８及びＺ軸方向検出器３４の双方の検出信号から、対向領域ＣＲの表面に沿って移動する測定子先端部３０ｂの第１水平方向ＨＲ１の変位及びＺ軸方向の下方側への変位を検出する。

一方、設計値記憶部６４ａには、既述の通り小穴９の設計情報が記憶されている。このため、位置解析部７２ａは、小穴９の設計情報を参照することで、例えば測定子先端部３０ｂがＺ軸方向の下方側に急激に変位した場合に、この変位の原因が段差部Ｄによるものであると判別することができる。従って、位置解析部７２ａは、測定子先端部３０ｂの第１水平方向ＨＲ１の変位及びＺ軸方向の下方側への変位と、小穴９の設計情報とを比較することで、小穴９内での測定子先端部３０ｂの位置を解析することができる。

また、位置解析部７２ａは、例えば送り装置１６による第２移動処理が実行されている場合にも同様に、検出結果取得部７０から入力されるＸ軸方向検出器１８及びＺ軸方向検出器３４の双方の検出信号に基づき、既述の設計値記憶部６４ａを参照して、測定子先端部３０ｂの位置を解析することができる。

位置解析部７２ａによる測定子先端部３０ｂの位置の解析結果は、モニタ６０に表示される。これにより、オペレータは、モニタ６０に表示される測定子先端部３０ｂの位置解析結果に基づき、第１移動処理及び第２移動処理をそれぞれ停止させるための停止操作を行うタイミングを判別することができる。

なお、小穴９（ワークＷ）の設計情報については、設計値記憶部６４ａに記憶させる代わりに、外部（サーバ、他の表面形状測定機１０、メーカ）から各種情報記録媒体或いは通信ネットワークを介して取得してもよい。

表面形状解析部７２ｂは、送り装置１６による第２移動処理が実行されている場合に作動する。なお、送り装置１６による第２移動処理が実行されている場合、測定子３０は揺動支点２６を中心として第１回転方向ＳＷ１に回転されるため、測定子先端部３０ｂの触針４４が被測定領域ＭＲに接触する。そして、測定子３０の第２水平方向ＨＲ２の移動に応じて触針４４が被測定領域ＭＲをトレースする。従って、表面形状解析部７２ｂは、検出結果取得部７０から入力されるＸ軸方向検出器１８及びＺ軸方向検出器３４の双方の検出信号に基づき、触針４４がトレースした被測定領域ＭＲの表面形状（表面粗さ等）を公知の方法で解析する。

また、表面形状解析部７２ｂは、被測定領域ＭＲの表面形状の解析結果を、被測定領域ＭＲの表面形状の測定データとして測定データ記憶部６４ｂに記憶させると共に、モニタ６０に表示させる。

［表面形状測定機の作用］
図８は、表面形状測定機１０によるワークＷの小穴９の被測定領域ＭＲの表面形状測定の流れを示すフローチャートである。図９は、図８に示したフローチャートのステップＳ２からステップＳ４を説明するための説明図である。図１０は、図９の符号９Ｚに示した測定子先端部３０ｂの拡大図である。図１１は、図８に示したフローチャートのステップＳ６を説明するための説明図である。図１２は、図８に示したフローチャートのステップＳ８からステップＳ９を説明するための説明図である。

図８に示すように、最初に、測定対象のワークＷが不図示のワークホルダに保持された状態で測定台１２の上面にセットされる（ステップＳ１）。なお、本実施形態では、被測定領域ＭＲの表面形状測定時（第２移動処理時）に触針４４が被測定領域ＭＲに対して略垂直な姿勢で接触するように、ワークＷの姿勢を調整している。また、本実施形態では、姿勢変更機構３６が付勢状態に切り替えられた場合に、測定子先端部３０ｂが小穴９の開口部９Ａに対向するように、検出ユニット２０のＺ軸方向の位置が調整されている。

ワークＷのセット後、オペレータは、操作部６２に対して測定準備操作の入力を行う（ステップＳ２）。この測定準備操作を受けて、演算装置５８の姿勢変更制御部６８は、押圧部５６を押圧位置に移動させることにより、姿勢変更機構３６を付勢状態に切り替える（ステップＳ３）。姿勢変更機構３６による第２付勢力が付勢部材３２による第１付勢力よりも大きくなるため、既述の図６の符号６Ｂに示したように、揺動支点２６を中心としてアーム２８及び測定子３０が第２回転方向ＳＷ２に回転される。また、測定準備操作を受けて、検出結果取得部７０がＸ軸方向検出器１８及びＺ軸方向検出器３４を作動させる。

姿勢変更機構３６が付勢状態に切り替えられると、移動制御部６６は、送り装置１６を制御して、検出ユニット２０（ケース４０）を第１水平方向ＨＲ１に水平移動させる第１移動処理を開始する（ステップＳ４）。これにより、測定子３０がその測定子先端部３０ｂから小穴９の内部に挿入される。この際に、付勢状態の姿勢変更機構３６により測定子３０は揺動支点２６を中心として第２回転方向ＳＷ２に回転付勢される。このため、図９の符号９Ｘに示すように、測定子先端部３０ｂは、ガイドボール４６を介して小穴９の内面９Ｂの対向領域ＣＲに接触する。また、測定子先端部３０ｂの触針４４は、被測定領域ＭＲから離間するため、触針４４と被測定領域ＭＲの段差部Ｄとの接触が防止される。その結果、触針４４の破損が防止される。

そして、送り装置１６による第１移動処理が継続すると、図９の符号９Ｙに示すように、ガイドボール４６が対向領域ＣＲ上を転動（滑動）することにより、測定子先端部３０ｂが対向領域ＣＲに沿って小穴９の奥側に移動する。これにより、測定子先端部３０ｂが、被測定領域ＭＲに沿って小穴９の奥側へ挿入される。

また、第１移動処理が開始されると、検出結果取得部７０は、Ｘ軸方向検出器１８及びＺ軸方向検出器３４からそれぞれ検出信号を取得して、解析処理部７２の位置解析部７２ａに出力する。そして、位置解析部７２ａは、検出結果取得部７０から入力されるＸ軸方向検出器１８及びＺ軸方向検出器３４の双方の検出信号に基づき、ワークＷに対応する設計値記憶部６４ａを参照して、測定子先端部３０ｂの位置を解析し、この解析結果をモニタ６０へ出力する（ステップＳ５）。これにより、オペレータは、小穴９内での測定子先端部３０ｂの位置を判別することができる。

以下、測定子先端部３０ｂ（触針４４）が小穴９内の被測定領域ＭＲの測定開始位置に到達するまで、既述のステップＳ４，Ｓ５の処理が繰り返し実行される（ステップＳ６でＮＯ）。なお、被測定領域ＭＲの測定開始位置は、揺動支点２６よりもＺ軸方向の下方側に位置するため、測定子先端部３０ｂが対向領域ＣＲに沿って測定開始位置に近づくのに従って、測定子３０（アーム２８）が姿勢変更機構３６の第２付勢力に抗して第１回転方向ＳＷ１に徐々に回転する。

この際に、図９の符号９Ｚ及び図１０に示すように、対向領域ＣＲには段差部Ｄが形成されているが、測定子先端部３０ｂはガイドボール４６を介して対向領域ＣＲに接触している。このため、ガイドボール４６が段差部Ｄに接触して転動（滑動）することで、測定子先端部３０ｂの段差部Ｄへの引っ掛かりが防止される。そして、ガイドボール４６が段差部Ｄに接触した状態で第１移動処理が継続すると、アーム２８及び測定子３０が姿勢変更機構３６の第２付勢力に抗して第１回転方向ＳＷ１に回転することにより、ガイドボール４６が段差部Ｄを乗り越えることができる。

図８及び図１１に示すように、測定子先端部３０ｂの位置が、被測定領域ＭＲの測定開始位置に到達したか否かは、モニタ６０に表示される測定子先端部３０ｂの位置、或いはストッパ３８の先端がワークＷに当接したか否かに基づき判別することができる。

この際に、測定子先端部３０ｂが被測定領域ＭＲの測定開始位置に到達するのに合わせてストッパ３８の先端部がワークＷに当接するように、ストッパ３８の第１水平方向ＨＲ１の長さを調整している。このため、測定子先端部３０ｂが被測定領域ＭＲの測定開始位置に到達した場合、ストッパ３８の先端部がワークＷに当接することにより、小穴９の奥への測定子先端部３０ｂの過剰挿入が防止される。これにより、触針４４の破損が防止される。

オペレータは、測定子先端部３０ｂが被測定領域ＭＲの測定開始位置に到達したと判断した場合（ステップＳ６でＹＥＳ）、操作部６２に対して第１移動処理の停止操作を行う。この停止操作を受けて送り装置１６は第１移動処理を停止させる。

次いで、図８及び図１２に示すように、オペレータが操作部６２に対して測定開始操作を行うと、姿勢変更制御部６８が押圧部５６を押圧解除位置に移動させることにより、姿勢変更機構３６を付勢解除状態に切り替える（ステップＳ７，Ｓ８）。これにより、付勢部材３２の第１付勢力によってアーム２８及び測定子３０が揺動支点２６を中心として第１回転方向ＳＷ１に回転される。その結果、触針４４が被測定領域ＭＲに接触する（ステップＳ９）。

次いで、移動制御部６６は、送り装置１６を制御して、検出ユニット２０の測定子３０を第２水平方向ＨＲ２に水平移動させる第２移動処理を開始する（ステップＳ１０）。これにより、触針４４が被測定領域ＭＲに接触した状態のまま測定子３０が第２水平方向ＨＲ２に水平移動される。その結果、測定開始位置から小穴９の開口部９Ａに向かって、触針４４による被測定領域ＭＲのトレースが開始される。

送り装置１６による第２移動処理が開始されると、検出結果取得部７０は、Ｘ軸方向検出器１８及びＺ軸方向検出器３４からそれぞれ検出信号を取得して、解析処理部７２の位置解析部７２ａ及び表面形状解析部７２ｂに出力する。

位置解析部７２ａは、第１移動処理時と同様に、Ｘ軸方向検出器１８及びＺ軸方向検出器３４の双方の検出信号に基づき、設計値記憶部６４ａを参照して、測定子先端部３０ｂの位置を解析し、この解析結果をモニタ６０へ出力する。これにより、オペレータは、小穴９内での測定子先端部３０ｂの位置を判別することができる。そして、オペレータは、測定子先端部３０ｂが被測定領域ＭＲの測定終了位置（例えば開口部９Ａの近傍）に到達した場合、操作部６２に対して第２移動処理の停止操作を行う。この停止操作を受けて送り装置１６は第２移動処理を停止させる。

一方、表面形状解析部７２ｂは、検出結果取得部７０から入力されるＸ軸方向検出器１８及びＺ軸方向検出器３４の双方の検出信号に基づき、触針４４がトレースした被測定領域ＭＲの表面形状（表面粗さ等）を公知の方法で解析する（ステップＳ１１）。そして、表面形状解析部７２ｂは、被測定領域ＭＲの表面形状の解析結果を、モニタ６０に出力すると共に、被測定領域ＭＲの表面形状の測定データとして測定データ記憶部６４ｂに記憶させる。

［本実施形態の効果］
以上のように本実施形態の表面形状測定機１０では、測定子３０の第１移動処理を行う場合に、揺動支点２６を中心としてアーム２８及び測定子３０を第２回転方向ＳＷ２に付勢するため、触針４４との小穴９の内面９Ｂ（被測定領域ＭＲ）とを接触させることなく、測定子先端部３０ｂを小穴９の奥に挿入することができる。その結果、触針４４と内面９Ｂの段差部Ｄ等との接触が防止されるため、触針４４を破損することなくワークＷの小穴９の内面９Ｂの表面形状を測定することができる。

また、測定子先端部３０ｂにガイドボール４６を設け、第１移動処理時にガイドボール４６を対向領域ＣＲに接触させることにより、小穴９の内面９Ｂの対向領域ＣＲに段差部Ｄが形成されている場合でも、測定子先端部３０ｂが段差部Ｄに引っ掛かることが防止される。このため、測定子先端部３０ｂを対向領域ＣＲに沿って小穴９の奥に挿入することができる。その結果、触針４４を破損することなく測定子先端部３０ｂを、ワークＷの小穴９の内面９Ｂにある被測定領域ＭＲの測定開始位置まで移動させることができる。

［その他］
上記実施形態では、付勢部材３２により揺動支点２６を中心としてアーム２８等を第１回転方向ＳＷ１に付勢しているが、付勢部材３２の構成及びその位置は図４等に示した例に限定されるものではなく、アーム２８等を第１回転方向ＳＷ１に付勢可能であれば適宜変更してよい。また、上記実施形態では、姿勢変更機構３６により揺動支点２６を中心としてアーム２８等を第２回転方向ＳＷ２に付勢しているが、姿勢変更機構３６の構成及びその位置は図４等に示した例に限定されるものではなく、付勢部材３２の第１付勢力よりも大きな第２付勢力でアーム２８等を第２回転方向ＳＷ２に付勢可能であれば適宜変更してよい。例えば、付勢部材３２及び姿勢変更機構３６として、バネ以外の弾性部材を用いたり、或いは磁石（電磁石を含む）の引力又は斥力を利用して付勢を行うものを用いたりしてもよい。

上記実施形態では、送り装置１６によりケース４０をＸ軸方向（第１水平方向ＨＲ１、第２水平方向ＨＲ２）に移動させることにより、測定台１２（ワークＷ）に対してケース４０（検出ユニット２０）をＸ軸方向に相対移動させているが、測定台１２をＸ軸方向に移動させることより、測定台１２に対してケース４０をＸ軸方向に相対移動させてもよい。なお、ケース４０及びワークＷの相対移動方法は特に限定されない。

上記実施形態の表面形状測定機１０による測定処理では、オペレータが第１移動処理及び第２移動処理の停止操作を行っているが、予め測定開始位置及び測定終了位置を移動制御部６６等に設定しておくことにより、位置解析部７２ａの解析結果を利用して、図８のステップＳ２からステップＳ１１までの処理を自動で行ってもよい。すなわち、オペレータが、ワークＷを測定台１２にセットした後、１回の操作開始操作を行うだけで測定が自動で行われるようにしてもよい。なお、同種のワークＷの２回目以降の測定については、公知の方法で作成した測定プログラムを実行することにより、自動で行ってもよい。

図１３は、他実施形態のワークＷＡの側面図（符号１３Ａ参照）及び正面図（符号１３Ｂ参照）である。上記実施形態では、表面形状測定機１０によりワークＷの小穴９の内面９Ｂの表面形状を測定する例を説明したが、例えば図１３に示すように、ワークＷＡに形成された溝８０の内面の被測定領域ＭＲの表面形状を測定してもよい。この場合も、溝８０の奥に測定子先端部３０ｂを挿入する際に、揺動支点２６を中心としてアーム２８等を第２回転方向ＳＷ２に揺動させてガイドボール４６を対向領域ＣＲに接触させる。これにより、溝８０の内面に段差部Ｄが形成されている場合でも、この段差部Ｄに触針４４を接触して破損させることなく、測定子先端部３０ｂを溝８０の奥に挿入することができる。このように表面形状測定機１０は、被測定領域ＭＲと対向領域ＣＲとを有する各種のワークＷの内面（被測定領域ＭＲ）の形状を測定することができる。

上記実施形態では、被測定領域ＭＲ及び対向領域ＣＲに段差部Ｄが形成されているが、段差部Ｄ以外の突起及び壁部等の各種障害物が形成されている場合であっても、障害物に触針４４を接触させることなく、測定子先端部３０ｂを被測定領域ＭＲの測定開始位置まで挿入することができる。

上記実施形態では、測定子先端部３０ｂにガイドボール４６を転動自在に設けているが、第１移動処理時に対向領域ＣＲに接触する凸曲面（球面及び円筒面等を含む）を有する各種形状の滑動部又は摺動部（球体、半球体、円筒体、及び半円筒体等）を測定子先端部３０ｂに設けてもよい。

図１４は、他の実施形態の測定子先端部３０ｂの側面図である。図１４に示すように、測定子先端部３０ｂの先端面８６を略凸曲面に構成することで、この先端面８６を、対向領域ＣＲ上を滑動する滑動部（摺動する摺動部）として機能させるようにしてもよい。なお、先端面８６については、段差部Ｄとの接触により測定子３０に対して第１回転方向ＳＷ１に力を加えることを目的としているため、曲面状ではなく平面状（斜面状）に形成されていてもよい。

このように測定子先端部３０ｂの触針４４の形成側とは反対側、或いは測定子先端部３０ｂの先端面８６は、段差部Ｄ等の障害物を乗り越えることが可能な構造又は形状、すなわち、障害物との接触によりアーム２８等に対して第１回転方向ＳＷ１に力を加えることが可能な構造又は形状であれば特に限定はされない。

上記実施形態では対向領域ＣＲに段差部Ｄ等の障害物が形成されている場合を例に挙げて説明したが、対向領域ＣＲに障害物が形成されていない場合、或いは障害物が測定子先端部３０ｂの移動を妨げない程度の大きさである場合、測定子先端部３０ｂにガイドボール４６等を設けなくともよい。

上記実施形態では送り装置１６により測定子３０をＸ軸方向（第１水平方向ＨＲ１、第２水平方向ＨＲ２）に移動させているが、測定台１２等をＸ軸方向に移動させることにより、ワークＷに対して測定子３０をＸ軸方向に相対移動させてもよい。

上記実施形態の表面形状測定機１０は、ワークＷの内面の表面形状のみならず、ワークＷの外面（外表面）の表面形状の測定にも使用することができる。

上記実施形態では、送り装置１６による測定子３０の第１移動処理の際に、揺動支点２６を基準として第２回転方向ＳＷ２に回転された測定子３０の測定子先端部３０ｂが、ガイドボール４６を介して対向領域ＣＲに接触しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば測定子３０の揺動可能範囲に対して穴９の直径が十分に大きい場合には、ガイドボール４６が対向領域ＣＲに接触することなく、測定子３０が小穴９の奥に挿入される。

図１５は他実施形態の小穴９の断面図である。上記実施形態では、ワークＷの小穴９の直径が小穴９の奥方向側に向かって段階的に小さくなっているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば図１５に示すように、小穴９の少なくとも一部の領域ＡＲの直径が、その手前側（開口部９Ａ側）の直径よりも大きくなるように形成されていてもよい。この場合においても、測定子先端部３０ｂにガイドボール４６を設け、第１移動処理時にガイドボール４６を対向領域ＣＲに接触させているので、測定子先端部３０ｂが領域ＡＲに引っ掛かることが防止される。

上記実施形態では、コンピュータ２２により表面形状測定機１０の各部の動作の統括制御と、被測定領域ＭＲの表面形状の解析と、測定子先端部３０ｂの位置の解析と、を行っているが、コンピュータ２２と同様の機能を有する制御部が、表面形状測定機１０の本体（測定台１２及びコラム１４等）に設けられていてもよい。また、この場合、被測定領域ＭＲの表面形状の解析と、測定子先端部３０ｂの位置の解析との少なくとも一方を外部のコンピュータ２２等で行ってもよい。

９…小穴，
１０…表面形状測定機，
１６…送り装置，
１８…Ｘ軸方向検出器，
２０…検出ユニット，
２２…コンピュータ，
２６…揺動支点，
２８…アーム，
３０…測定子，
３２…付勢部材，
３４…Ｚ軸方向検出器，
３６…姿勢変更機構，
３８…ストッパ，
４４…触針，
４６…ガイドボール，
７２ａ…位置解析部，
７２ｂ…表面形状解析部

Claims (7)

1. 揺動支点を中心として揺動自在に支持されるアームと、
   前記アームの先端部に設けられた棒状の測定子と、
   前記測定子の先端部に設けられ、前記測定子の長手方向に垂直又は斜め方向に延びる触針と、
   前記揺動支点を中心とする回転方向のうち、前記測定子が前記触針の形成側に回転する第１回転方向に向かって、前記アームを第１付勢力で付勢する第１付勢部材と、
   前記揺動支点を中心とする回転方向のうち、前記第１回転方向とは反対側である第２回転方向に向かって、前記アームを第２付勢力で付勢する第２付勢部材と、
   前記第２付勢部材を、前記第２付勢力が前記第１付勢力よりも大きくなる状態と、前記第２付勢力が前記第１付勢力よりも小さくなる状態とに切り替える付勢力切替部材と、
   を備える表面形状測定機。
2. 前記第２付勢部材は弾性部材であり、且つ前記付勢力切替部材は前記第２付勢部材の前記アームとは反対側に設けられ、
   前記付勢力切替部材は、前記第２付勢部材を押圧した状態で前記第２付勢力を前記第１付勢力よりも大きくする押圧位置と、前記第２付勢部材の押圧を解除した状態で前記第２付勢力を前記第１付勢力よりも小さくする押圧解除位置との間で移動する請求項１に記載の表面形状測定機。
3. 前記測定子の先端部で且つ前記触針の形成側とは反対側が、凸曲面で構成されている請求項１又は２に記載の表面形状測定機。
4. 前記凸曲面は、前記測定子の先端部で且つ前記触針の形成側とは反対側に転動自在に取り付けられたガイドボールの外面により構成される請求項３に記載の表面形状測定機。
5. 前記揺動支点、前記アーム、前記第１付勢部材、前記第２付勢部材、及び前記付勢力切替部材を保持するケースと、
   ワークがセットされる測定台と、
   前記測定台に対して前記ケースを、前記揺動支点の軸方向に垂直な水平方向のうち、前記測定子が設けられている側の第１水平方向に相対移動させる第１移動処理と、前記第１水平方向とは反対側の第２水平方向に相対移動させる第２移動処理とを行う水平移動部と、
   を備える請求項１から４のいずれか１項に記載の表面形状測定機。
6. 前記ケースに設けられ、前記ケースから前記第１水平方向に延びた棒状のストッパを備え、
   前記ストッパの先端部は、前記第１水平方向において前記測定子の先端部と前記ケースとの間に位置する請求項５に記載の表面形状測定機。
7. 前記ストッパは、前記第１水平方向に伸縮自在である請求項６に記載の表面形状測定機。

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