JP2021522497A - 表面仕上げスタイラス - Google Patents

Abstract

測定される表面に接触するための細長いスタイラスシャフト（５２；１００）と、前記細長いシャフトから突出する接触要素（５６；１０２）とを含む表面仕上げスタイラス（５０）が記載されている。前記接触要素（５６；１０２）は変形可能であり、前記スタイラスシャフトは、前記接触要素（５６；１０２）を保持するためのクランプを含み、前記接触要素（５６；１０２）は、クランプによって変形される。前記接触要素（５６；１０２）は、クロム鋼またはニチノールなどの金属を含み得る。前記接触要素（５６；１０２）は、前記クランプによって保持されたときに必要な変形を引き起こすための１つまたは複数の弱点（８２）の領域を含む。前記表面仕上げスタイラス（５０）は、表面仕上げ測定プローブ（２０）などと共に使用することができる。

Description

本発明は、表面仕上げスタイラス、特に、細長いスタイラスシャフトにクランプされた変形可能な接触要素を有する表面仕上げスタイラスに関する。

一般に、加工後のワークを測定し、一定の基準を満たしていることを確認することが行われる。特に、工作機械で機械加工されたワークの形状および／または表面仕上げを測定することが知られている。機械加工された部品の形状は、ワークの切削に使用された工作機械のスピンドルによって運ばれる走査プローブを用いて「オンマシン」で決まった方法で測定されるが、 そのような部品の表面仕上げ（表面粗さなど）は、通常、専用の表面形状測定装置（profilometer）を用いて「オフマシン」で測定される。

典型的な表面形状測定装置は、シャフトの遠位端から垂直に延びるワークピースに接触するための堅い先端を有する細長いシャフトを含む。先端は、測定される表面と接触して配置され、その表面に沿って押したり引いたりすることで、表面の細かい特徴（谷や山など）を追跡する。センサは、先端が水平面を横切って移動するときの先端の垂直偏向を監視し、それによって表面粗さの測定値を提供する。異なる表面仕上げ測定タスクのためにシャフトに取り付けることができる、複数の異なる先端、例えば、ダイヤモンド先端の金属棒またはセラミックディスクを提供することが知られている。

ＵＳ２０１６／０２３１１０８は、従来から用いられているタイプの多方向走査プローブを使用して形状測定を取得する、工作機械の表面仕上げを測定するための装置について記載している。特に、シャフトから直交して突出する回転対称ディスクを運ぶ細長いシャフトを備えた表面仕上げスタイラスが提供される。ディスクの最大直径の領域は、測定される表面に対して垂直に保持される接触検知表面として機能する。したがって、ＵＳ２０１６／０２３１１０８の装置は、「オンマシン」表面仕上げ測定（例えば、ボアの内面の測定）に使用できる。

本発明者らは、形状測定値も取得するために使用されるタイプの工作機械走査プローブの使用には、いくつかの欠点があることを見出した。例えば、スタイラスを中立位置に戻すために通常提供される高いばね力により、スタイラスによって測定対象の表面に高い接触力が加えられる可能性がある。これにより、測定対象の表面が損傷する可能性がある（例えば、マークや引っかき傷がつく可能性がある）。

ＵＳ２０１６／０２３１１０８号公報

本発明の第１の態様によれば、細長いスタイラスシャフト、および、測定される表面に接触するための細長いシャフトから突き出ている接触要素を備え、前記接触要素は変形可能であり、前記スタイラスシャフトは前記接触要素を保持するためのクランプを含み、前記接触要素はクランプによって変形されることを特徴とする、以下を含む表面仕上げスタイラスが提供される。

したがって、本発明は、細長いスタイラスシャフトと、測定される表面に接触するための細長いシャフトから突出する接触要素とを含む表面仕上げスタイラスを提供する。表面仕上げスタイラスは、表面仕上げ（例えば、表面粗さや表面うねり）を測定するために走査型プローブまたはプロフィロメーターとともに使用できるが、工作機械の走査型プローブでの使用に特に適している。本発明の表面仕上げスタイラスは、変形可能な接触要素を含むことを特徴とし、スタイラスシャフトは、接触要素を保持するためのクランプを含む。接触要素は、例えば、接触要素の所望の形状を提供するため、または接触要素がスタイラスシャフトにしっかりと固定されることを保証する機能を提供するために、クランプされるときに、そのクランプによって変形される。この配置により、所望の形状の接触要素をクランプによってその場で形成することが可能になり、また、接触要素を必要に応じて取り外して交換することができる。以下に説明するように、スタイラスに比較的高い戻り力を加える工作機械測定プローブとともにスタイラスを使用すると、変形可能な材料によって表面への損傷も軽減される可能性がある。

接触要素は、表面仕上げの任意の所望の側面を測定するように寸法を決めることができる。本明細書で使用される表面仕上げという用語は、標準的な工作機械の走査型プローブスタイラスを使用して測定された表面の形態よりも表面のより細かい詳細を指すことに留意されたい。接触要素は、表面のうねりを測定するように構成することができる。接触要素は、表面粗さを測定するように構成することができる。表面のうねりや表面粗さは、表面仕上げの例である。

接触要素は、好ましくは、表面仕上げの必要な側面を測定するために寸法が決められている。例えば、接触要素の遠位端（または先端）は、２ｍｍ未満の有効半径を有し得る。有効半径は、接触要素が表面上を移動した方向に平行な寸法で表面に接触する接触要素の部分の厚さである。したがって、有効半径が小さいほど、表面に沿って移動するときに、より細かい表面（例えば、表面の谷や溝の側壁を上下の移動）に追従することができる。好都合なことに、接触要素は、１ｍｍ未満の有効半径を有し得る。好都合なことに、接触要素は、０．５ｍｍ未満の有効半径を有し得る。好都合なことに、接触要素は、３００μｍ未満の有効半径を有し得る。有利には、接触要素は、２００μｍ未満の有効半径を有し得る。有利なことに、接触要素は、１００μｍ未満の有効半径を有する。有利なことに、接触要素は、５０μｍ未満の有効半径を有する。接触要素の対象物接触端または先端が小さいほど、測定できる表面組織の解像度は細かくなる（ただし、接触要素は使用中に摩耗または損傷しやすくなる）。表面粗さの場合、表面組織の測定された変動を使用して、「Ｒａ」表面粗さ値を生成することができる。

有利には、接触要素は、材料の薄いシートを含む。例えば、接触要素は、１ｍｍ未満の厚さを有する材料のシートを含み得る。有利なことに、材料のシートは、０．５ｍｍ未満の厚さを有する。好ましくは、材料のシートは、０．２５ｍｍ未満の厚さを有する。好ましくは、材料のシートの厚さは約０．１ｍｍを有する。材料のシートは、先細のエッジを有する場合がある。したがって、物体の表面に接触するための領域（エッジ）は、薄いシートの大部分よりも薄くして、上記の寸法の有効半径を提供することができる。

１つまたは複数の接触要素は、任意の適切な材料から形成することができる。例えば、セラミックまたはガラス材料を用いることができる。あるいは、１つまたは複数の接触要素は、金属から形成され得る。

１つまたは複数の接触要素を形成する材料は、好ましくは、（測定される表面への損傷を最小限にするため）剛性が低いものである。有利には、１つまたは複数の接触要素のヤング率（Ｅ）は、２５０ＧＰａ未満である。より好ましくは、１つまたは複数の接触要素のヤング率は、１５０ＧＰａ未満である。より好ましくは、１つまたは複数の接触要素のヤング率は、１００ＧＰａ未満である。より好ましくは、１つまたは複数の接触要素のヤング率は、５０ＧＰａ未満である。

有利なことに、材料は機械的にも硬い（つまり、摩耗を減らすため）。したがって、１つまたは複数の接触要素を形成する材料は、好ましくは、高い硬度を有する。有利には、１つまたは複数の接触要素の硬度（Ｈ）は、１ＧＰａよりも大きい。好都合には、１つまたは複数の接触要素の硬度（Ｈ）は２ＧＰａよりも大きい。好ましくは、１つまたは複数の接触要素の硬度（Ｈ）は５ＧＰａよりも大きい。

１つまたは複数の接触要素のヤング率（Ｅ）および硬度（Ｈ）の特性はそれぞれ、それ自体が重要であるが、接触要素に適した材料を選択する場合、剛性と硬度の比（「Ｅ／Ｈ」比）を用いることもできる。特に、Ｅ／Ｈ比は可能な限り低いことが好ましい。例えば、Ｅ／Ｈ比は、好ましくは５０未満である。より好ましくは、Ｅ／Ｈ比は２０未満である。より好ましくは、Ｅ／Ｈ比は１５以下である。より好ましくは、Ｅ／Ｈ比は１０未満である。

１つまたは複数の接触要素は、任意の適切な材料（例えば、上で概説した特性を有する）を含み得る。接触要素は、複数の材料から形成することができる。有利には、接触要素は単一の材料を含む。好都合には、接触要素は金属を含み、例えば、金属ディスクまたは金属シートの材料が接触要素を形成し得る。接触要素は鋼を含み得る。例えば、接触要素は、スウェーデン、ストックホルムのサンドビックＡＢによって製造されたマルテンサイトクロム鋼「クロムフレックス」などのクロム鋼を含み得る。クロムフレックスは２１０ＧＰａのヤング率（Ｅ）で、５．８ＧＰａの硬度（Ｈ）である（したがって、Ｅ／Ｈ=３６）。あるいは、接触要素は、ジルコニア（Ｅ＝２００ＧＰａ、Ｈ＝１１．８ＧＰａおよびＥ／Ｈ＝１７）を含み得る。あるいは、接触要素は、ステアタイト（Ｅ＝１２０ＧＰａ、Ｈ＝５．８ＧＰａおよびＥ／Ｈ＝２ｌ）を含み得る。あるいは、接触要素は、Ｎ−ＢＫ７ホウケイ酸ガラス（Ｅ＝８２ＧＰａ、Ｈ＝５．６ＧＰａおよびＥ／Ｈ＝１５）を含み得る。有利には、接触要素は、ニチノール（Ｅ＝４５ＧＰａ、Ｈ＝５．５ＧＰａおよびＥ／Ｈ＝８）を含み得る。

接触要素は、最初は、クランプによって変形される実質的に平面または平坦な要素として形成され得る（すなわち、クランプ力が加えられたとき）。与えられた変形は、クランプする前に接触要素の部分を適切に弱めることによって制御することができ、それにより、接触要素がスタイラスにクランプされた後に所望の形状が得られる。例えば、接触要素は、クランプによって保持されたときに必要な変形を引き起こすために、弱さの１つまたは複数の領域（例えば、より薄い領域）を含み得る。

クランプによって提供される接触要素の変形は、様々な目的に使用することができる。有利なことに、クランプは、接触要素の一部を変形させて、接触要素をクランプに不動に固定する。例えば、接触要素の内部部分またはセグメントは、クランプによって変形されて、突出したリップまたはリムを形成し得る。次に、このリップは、クランプ内の接触要素の横方向の動きを防止し、それによって、使用中に接触要素が所定の位置に留まるようにするために必要なクランプ力を低減することができる。

接触要素は、任意の適切な形状であり得る。好ましくは、接触要素は円形または卵形である。有利には、接触要素はディスクを含む。接触要素は、表面に接触するための複数の異なる領域を含み得る。例えば、接触要素は、接触要素の平面から突出する複数の領域がその中に形成された複数のスリットを含み得るようにする。

好ましい実施形態では、クランプは、ディスクを変形させて、表面に接触するための周縁を有する中空円錐を形成する。中空円錐の周縁は、長手方向軸に対して斜めの角度で細長いスタイラスシャフトから突出し得る。有利には、傾斜角は約４５°である。周縁部は、好ましくは、円錐の基部を形成することができ、円錐の頂点は、スタイラスシャフトの縦軸と一致し得る。周縁部は、測定される表面に接触するように構成されることが好ましく、例えば、中空円錐の周縁部は丸みを帯びて、表面仕上げ測定に適した有効半径を有することができる。中空円錐は、完全な中空円錐（スタイラスの円周の全３６０°の周りに周辺エッジを有する）または部分的な中空円錐（スタイラスシャフトの円周の一部のみの周りに周辺エッジを有する）を含み得る。使用においては、円錐要素がスタイラスシャフトから延びる方向が表面の法線と局所的に整列するように、スタイラスが適切に向きを付けられた状態で、周辺エッジが物体の表面と接触する。次に、スタイラスを移動して、表面の法線との局所的な位置合わせを維持しながら、円錐要素を表面に沿って移動させることができる。表面仕上げ情報は、表面に垂直な方向の中空円錐の動きから決定できる。

したがって、上記のように、円錐の周縁は、４５°の斜めの角度でスタイラスシャフトから突き出る可能性がある。この例では、スタイラスを垂直に対して４５°に向けることで、水平面と垂直面の両方の表面粗さを測定できる。つまり、周辺エッジの正反対の部分は、垂直面と水平面の両方の表面法線方向に位置合わせすることができる。次に、スタイラスは、並進運動のみによって対象物の垂直面と水平面に沿って移動（プッシュまたはプル）できる（つまり、スタイラスに対して対象物の向きを変える必要がない）。

クランプは、任意の適切な方法で形成することができる。クランプは、一対のクランプ要素またはジョー（jaws）と、クランプ要素を互いに向かって駆動するために締め付けることができるアクチュエータ（例えば、ボルトまたはねじ）とを含み得る。次に、一対のクランプ要素の間に配置された接触要素をクランプによって保持することができる。クランプは、接触要素を所望の形状に変形するように成形された一対の対向するクランプ面を含み得る。例えば、相補的な円錐形の要素を使用して、平らなディスクを中空の円錐に変形させることができる。

クランプは、それによって保持された接触要素を恒久的に保持するように配置することができる。有利なことに、クランプは、接触要素をシャフトに解放可能に取り付けることを可能にする。このようにして、スタイラスの残りの部分を交換することなく、摩耗または損傷した接触要素を交換することができる。これにより、接触要素を簡単に交換できるため、弾力性の低い材料で形成することができる。

スタイラスは、単一の接触要素と単一のクランプを含むことができる。有利には、追加の接触要素をクランプするために追加のクランプを提供することができる。このようにして、スタイラスは、複数の接触要素と、複数の接触要素のそれぞれを保持するための複数のクランプとを備えることができる。複数の接触要素は、好ましくは、スタイラスシャフトに対して複数の異なる向きを有する。換言すると、複数の接触要素は、シャフトから異なる方向に突出しおよび／またはシャフトに対して異なる角度で整列され得る。好ましい実施形態では、１つの接触要素は、長手方向軸に沿ってスタイラスシャフトの遠位端から突出することができ、他の接触要素は、シャフトの側面から突出し得る。そして、スタイラスシャフトに対して異なる方向の表面の表面仕上げを、異なる接触要素を使用して測定することができる。例えば、スタイラスが垂直に保持されている場合、水平面は、スタイラスシャフトの遠位端から突き出ている接触要素を使用して測定することができ、一方、垂直面は、他の接触要素を使用して測定され得る。

スタイラスは横滑りしないことが好ましい（すなわち、横滑りを含まず、接触要素のみが測定される表面に係合することが好ましい）。スタイラスシャフトは、好ましくは、走査型プローブのスタイラスホルダーに直接取り付けることができるものである。スタイラスシャフトもまた、好ましくは剛質である。有利には、スタイラスシャフトは、それが取り付けられている走査プローブのスタイラスホルダーに対する接触要素の向きを変更するための回転（ナックル）継ぎ手などを含まない。このように、接触要素の位置および方向は、それが取り付けられている走査プローブのスタイラスホルダーに対して不変である。

本発明は、上記の表面仕上げスタイラスを含む多方向走査プローブにも及ぶ。有利なことに、走査型プローブは、工作機械の走査型プローブである（つまり、工作機械環境での使用に適した走査型プローブである）。その結果、多方向走査プローブを使用して、表面仕上げ測定値を取得することができる。走査型プローブは、多方向走査型プローブであり得る。多方向プローブは、従来技術の表面形状測定装置の一方向測定センサーによって感知できる単一の偏位方向ではなく、取り付けられたスタイラスの複数の方向の偏位を測定することができる。多方向走査プローブは、好ましくは、プローブ本体と、プローブ本体に移動可能に取り付けられたスタイラスホルダーとを含む。スタイラスは、走査型プローブのハウジングに対して、相互に垂直な２つの方向のいずれか、または相互に垂直な３つの方向のいずれかにおいて撓むことが可能であり得る。プローブ本体に対するスタイラスホルダーの撓みを測定するために、少なくとも１つの撓みセンサーを設けることができる。上述の表面仕上げスタイラスは、（例えば、標準のネジ山取り付け具によって）スタイラスホルダーに取り付けることができる。

工作機械走査プローブは、好ましくは、スタイラスの撓みを測定するための少なくとも１つの撓みセンサーを含む。測定されたスタイラスの撓みは、本明細書ではプローブデータと呼ばれ、走査型プローブによって（例えば、有線または無線リンクを介して）出力することができる。走査プローブは、スタイラスの撓みの大きさ（方向ではない）のみを測定できる撓みセンサーを含むことができる。すなわち、走査プローブは、スタイラスの撓みの大きさのみを示すプローブデータを生成する多方向の単一出力走査プローブを含み得る。例えば、走査型プローブは、ドイツのＢｌｕｍ Ｎｏｖｏｔｅｓｔ ＧｍｂＨによって製造されるＴＣ７６-ＤｉｇｉｌｏｇまたはＴＣ６４-Ｄｉｇｉｌｏｇの走査型プローブ、またはイタリアのＭａｒｐｏｓｓによって販売されるモデルＧ２５プローブを含み得る。あるいは、走査プローブは、スタイラスの撓みの大きさと方向の両方を測定できるセンサーを備えていてもよい。例えば、アナログ走査プローブは、３つの相互に直交する方向へのスタイラス先端の撓みに関連する３つの出力信号を生成し得る。英国ウォットンアンダーエッジのＲｅｎｉｓｈａｗ ｐｉｃによって製造されたＳＰＲＩＮＴ（ＯＳＰ-６０）プロービングシステムは、そのような走査型プローブの例である。

本発明の第２の態様によれば、測定される表面に接触するための細長いスタイラスシャフトおよび細長いシャフトから突出する接触要素を含む表面仕上げスタイラスを形成する方法であって、前記接触要素を前記細長いシャフトにクランプするステップにより特徴づけられ、前記クランプステップは前記接触要素を変形させる、方法が提供される。このようにして、接触要素（変形した場合）を表面仕上げ測定の方法で使用できる。

また、本明細書には、以下を含む表面仕上げスタイラスが記載されており、細長いスタイラスシャフト、および測定される表面に接触するために細長いシャフトから突き出ている接触要素であって、接触要素は、１ｍｍ未満の厚さを有する金属シートを含む。スタイラスは、本明細書にも記載されている他の特徴のいずれか１つまたは複数を含み得る。

また、本明細書には、以下を含む表面仕上げスタイラスが記載されており、細長いスタイラスシャフト、および測定される表面に接触するために細長いシャフトから突き出ている接触要素であって、接触要素は、１５０ＧＰａ未満のヤング率を有する材料から形成されている。スタイラスは、本明細書にも記載されている他の特徴のいずれか１つまたは複数を含み得る。

また、本明細書には、以下を含む表面仕上げスタイラスが記載されており、細長いスタイラスシャフト、および測定される表面に接触するために細長いシャフトから突き出ている接触要素であって、接触要素は、変形したディスクを含む。スタイラスは、本明細書にも記載されている他の特徴のいずれか１つまたは複数を含み得る。

また、本明細書には、細長いスタイラスシャフトと、測定される表面と接触するための接触要素とを含むスタイラス（例えば、表面仕上げスタイラス）が記載されており、接触要素は、ニチノールを含む。スタイラスは、本明細書にも記載されている他の特徴のいずれか１つまたは複数を含み得る。

また、本明細書には、複数のクランプと、複数のクランプによって保持される複数の接触要素とを含む表面仕上げスタイラスが記載されている。スタイラスは、本明細書にも記載されている他の特徴のいずれか１つまたは複数を含み得る。

当業者は、上述した特徴のいずれも、以下に記載される特定の実施形態の任意の１つまたは複数の特徴と組み合わせることができることを理解するであろう。同様に、方法の文脈で説明された特徴は、装置の一部を形成することができ、逆もまた同様である。

ここで、添付の図面を参照して、単に一例として本発明を説明する。
図１は、従来技術のプロフィロメータ（profilometer）装置を示している。 図２は、従来技術の表面粗さ工作機械走査プローブを示している。 図３ａは、本発明の表面仕上げスタイラスを示している。 図３ｂは、本発明の表面仕上げスタイラスを示している。 図４ａは、図３を参照して説明したスタイラスの円錐形インサートディスクをより詳細に示している。 図４ｂは、図３を参照して説明したスタイラスの円錐形インサートディスクをより詳細に示している。 図５ａは、本発明のさらなる表面仕上げスタイラスを示している。 図５ｂは、そのような表面仕上げスタイラスの写真である。 図６ａは、図５ａおよび５ｂの表面仕上げスタイラスのディスクを示している。 図６ｂは、図５ａおよび５ｂの表面仕上げスタイラスのディスクを示している。 図７は、代替ディスクを示している。 図８は、表面仕上げの測定に対する有効なスタイラス半径の影響を示している。 図９は、図５ｂのスタイラスを使用して測定されたさまざまなサンプルの表面粗さ測定の誤差を示している。 図１０は、図５ｂのスタイラスを含む工作機械の走査プローブを使用して測定された表面粗さを参照測定と比較して示している。 図１１は、さまざまなスタイラスの材料と形状に加えられた力の関数としての接触圧力を示している。

図１を参照すると、従来技術の表面形状測定装置が模式的に示されている。プロフィロメータ（profilometer）は、長手方向軸Ｌを有する細長いシャフト４をそこから延ばすハウジング２を備える。接触要素６は、方向Ｐに沿ってシャフト４から垂直に延びる。ハウジング２は、方向Ｐに沿って前後に接触要素６の動きによって引き起こされるシャフト４の撓みを測定する一方向トランスデューサ（図示せず）を含む。

使用中、接触要素６は、物体１０の表面と接触させられ、表面に向かって軽くバイアスされる。次に、物体１０は、長手方向軸Ｌに平行な方向Ｍに動かされる。物体１０とプロフィロメータとの間のこの相対運動は、物体１０、プロフィロメータ、または物体とプロフィロメータの両方を動かすことによって与えることができる。相対運動の結果、接触要素６は、対象物１０の表面上の経路１２に沿って移動することになる（すなわち、押したり引いたりする）。接触要素６は、また、表面に追従するように上下に移動する。これは、接触要素６の先端および対象物の表面の拡大図を供する図１の挿入図に見ることができる。ハウジング２内の一方向変換器は、接触要素６の垂直偏移（すなわち、方向Ｐに沿った偏移）に関する偏移信号を出力する。経路１２を横断するときの偏移信号の変動の分析によって、対象物のその領域における表面仕上げの測定値が供される。例えば、平均表面粗さまたはＲａ値を計算することができる。

図２を参照して、ＵＳ２０１６／０２３１１０８の従来技術の表面粗さプローブ２０をより詳細に説明する。上述したように、ＵＳ２０１６／０２３１１０８の走査プローブは、工作機械のスピンドルに取り付けられて加工物の「オンマシン」測定を可能にする多方向走査プローブである。

走査プローブ２０は、プローブ本体２２とスタイラスを保持するためのスタイラスホルダー２１とを備える。スタイラスホルダー２１は、偏移機構（図示せず）によってプローブ本体２２に取り付けられ、変換器（transducer）２３もまたプローブ本体２２内に提供され、プローブ本体２２に対するスタイラスホルダー２１の偏移（すなわち、取り付けられたスタイラスの偏移によって引き起こされる偏移）の大きさ、を測定する。変換器２３によって取得された偏移測定値は、送信機ユニット２５によってプローブインターフェース２７に渡される。プローブ本体２２はまた、工具軸部（図示せず）を介して工作機械のスピンドルに取り付けることができる。したがって、プローブ２０は、工作機械の可動範囲の周辺で移動することができ、特に、プローブスタイラスを、測定される物体の表面と接触させることができる。

このタイプの走査プローブ２０は、従来、対象物の形状を測定することを可能にするスタイラスと共に使用され、例えば、そのようなスタイラスは、細長いシャフトの遠位端に取り付けられた直径数ミリメートルのルビー球を含み得るものである。スタイラスが表面に確実にかみ合うようにするために必要な力の量は比較的大きい。ＵＳ２０１６／０２３１１０８に記載されているさまざまな例では、代わりに、表面粗さスタイラス２４がプローブ２０に取り付けられている。表面粗さスタイラス２４は、細長いシャフト３０と、シャフト３０の縦軸Ｌから垂直なＰ方向に延びる接触要素２８とを備える。接触要素２８は、その円周の周りに丸みを帯びた周縁部２６（図２の挿入図に示されている）を備えた二重円錐形の形態を有する。

使用時には、接触要素２８がシャフト３０からその方向に沿って突出する垂直方向Ｐは、測定される表面の表面法線Ｎと平行になるように位置合わせされる。図２は、破線の輪郭で対象物３６の適切な垂直面３４を示している。接触要素２８の周縁部２６は、垂直面３４と接触させられ、次いで、プローブ２０は、方向Ｍに垂直上向きに移動させられる。接触要素２８の垂直突出方向Ｐの表面法線Ｎとの必要な位置合わせを維持するために、プローブ２０は、スタイラスシャフト３０の長手方向軸（縦軸）Ｌに平行であり、また表面３４の平面にも平行である方向Ｍに沿って垂直に移動される。走査プローブ２０の変換器２３は、スタイラスが表面３４に沿って引きずられるときのスタイラスの偏移の大きさを測定し、これらの測定された偏移の値は、表面粗さを特定するために用いられる。

本発明者らは、上記のタイプの既知の表面仕上げ測定装置に関連する多くの欠点を認識している。特に、プロフィロメータで通常使用される表面仕上げスタイラスの大部分は、工作機械の走査型プローブで使用すると、過度の接触圧を生成する。これは、表面の引っかき傷につながる可能性がある。ＵＳ２０１６／０２３１１０８に記載されているスタイラスディスクの形状を使用すると、有効曲率半径と楕円形の接触寸法が増加するため、接触圧が低下するが、記載されている測定プローブと併用した場合でも高いままである。これは、測定される技術の表面損傷につながる可能性があり、測定精度に影響を与える可能性がある。以下で説明するように、一態様では、本発明は、スタイラスシャフトにクランプされた変形可能な接触要素を提供する。これにより、接触要素を交換できる。また、接触要素の変形は、それがスタイラスシャフトにしっかりと固定されること、および／またはそれが必要な形状を採用することを確実にすることができる。

図３ａおよび３ｂは、本発明の表面仕上げスタイラス５０を示している。スタイラス５０は、長手方向軸（縦軸）Ｌを有する細長いスタイラスシャフト５２を備える。スタイラスシャフト５２の近位端は、スタイラスを多方向走査プローブ（不図示）のスタイラスホルダーに取り付けることを可能にするねじ山取り付け部材５４を含む。スタイラスシャフト５２の遠位端は、中空の円錐形の金属ディスク５６の形態の接触要素を含む。金属ディスク５６は、ボルト６２によってスタイラスシャフトに取り付けられたくさび形の保持部材６０によって、円錐台形のくぼみ５８内に保持される。したがって、凹部５８、保持部材６０、およびボルト６２は、スタイラスディスクを保持するためのクランプを形成する。従って、金属ディスク５６は、スタイラスシャフト５２の円周の周りに延在し、長手方向軸Ｌに対して４５°の角度が付いた方向Ｑに沿って突出するスカート状の接触要素である。

使用時には、表面仕上げスタイラス５０を使用して、走査プローブの向きを変えることなく、向きの異なる複数の表面の表面仕上げを測定することができる。例えば、図３ａに示されるように、表面仕上げスタイラス５０は、水平（および垂直）に対して４５°の角度で傾斜している。次に、水平面７０の表面仕上げを測定するために、表面仕上げスタイラス５０を方向Ｍ１に動かすことができ、すなわち、接触要素５６は、スタイラス５０を保持している走査プローブがスタイラスの偏移を測定している間、水平移動Ｍ１によって水平面７０に沿って引っ張られる。次に、表面仕上げスタイラス５０を方向Ｍ２に動かして、垂直面７２の表面仕上げを測定することができ、すなわち、接触要素５６の正反対の部分は、スタイラス５０を保持している走査プローブが再びスタイラスの偏移を測定している間、垂直移動Ｍ２によって垂直面７２に沿って引っ張られる。水平測定と垂直測定の両方で、突出した接触要素５６は、表面法線Ｎに対して垂直配向を維持する（すなわち、接触要素が細長いシャフトから突出する方向Ｑは、スタイラスが方向Ｍ１およびＭ２に沿って移動されるときに、局所表面法線Ｎに整列したままである。）。

図４ａおよび４ｂを参照して、図３ａおよび３ｂを参照して説明した表面仕上げスタイラス５０を作製するための手法を説明する。特に、クランプ動作を使用してスタイラスの接触要素を提供する金属ディスク５６を形成するための方法が説明される。

図４ａに示すように、平らな金属ディスク５６‘が提供される。ディスク５６’は、中央開口８０と、ディスクのその他の部分よりも薄い材料の環状領域８２を含む。ここで図３ｂも参照すると、くさび形の保持部材６０がボルト６２上に配置されて、ねじ付きボルト上にすでに配置されている平らな金属ディスク５６’と係合する。中央開口８０の直径は、隙間を供するためにボルトねじの直径よりわずかに大きい。そして、ボルト６２がスタイラスシャフトにねじ込まれ、それにより、平らな金属ディスク５６’を円錐台形のくぼみ５８と係合させる。したがって、平らな金属ディスク５６’は、くさび形の保持部材６０と円錐台形のくぼみ５８との間に挟まれてクランプされ、ボルト６２を締めることによって平らな金属ディスク５６’が変形して、図４ｂおよび図３ｂに示される円錐形の金属ディスク５６が供される。これにより、金属ディスク５６がスタイラスシャフトにしっかりと取り付けられ、表面仕上げスタイラス全体を交換することなく、（例えば、摩耗または損傷した場合などに）金属ディスク５６を簡単に交換することができる。

図５ａは表面仕上げスタイラスの別の実施形態を示している。長手方向軸Ｌを有する細長いスタイラスシャフト１００は、その遠位端に金属ディスク１０２（すなわち、接触要素）を保持する。金属ディスク１０２は、スタイラスシャフト１００の遠位端に設けられた第１の部材１０４と、ボルト（図示せず）によってスタイラスシャフトに取り付けられた第２の部材１０６との間にクランプされる。金属ディスク１０２は、第１および第２の部材を超えて延在し、測定される表面に接触するように配置された円周エッジを有する。図５ａの挿入図に示すように、エッジの有効半径はＲ_eである。図５ｂは、図５ａのデザインで作成された表面仕上げスタイラスの写真である。図５ｂのスタイラス内の金属ディスク１０２の厚さは１００μｍであり、周辺エッジは２５μｍの有効半径Ｒ_eを有する。

図６ａおよび６ｂを参照して、上記の表面仕上げスタイラスの金属ディスク１０２が示されている。図６ａは、第１および第２の部材１０４と１０６との間にクランプされる前の、変形していない状態のディスク１０２’を示している。第１および第２の部材１０４’および１０６は、ボルトが締められたときに生じるクランプ作用によって、ディスク１０２の内側環状部分を変形（曲げ）して、図６ｂに示されるリップ１１０を形成するように配置される。リップ１１０は、ディスク１０２が第１および第２の部材１０４および１０６によって所定の位置にしっかりと保持されることを確実にするように機能し、すなわち、ディスク１０２の横方向の動きが表面仕上げ測定中に防止される。

図６ａおよび６ｂに示されるタイプの均一な厚さの平らな金属ディスクを使用することができるが、図７に示されるようにディスク１１４の残りの部分よりも薄い材料から形成された外縁領域１１６を有するディスク１１４を提供することも可能である。

図８と図９を参照して、図５ｂに示される表面仕上げプローブの接触要素（有効半径２５μｍのエッジを持つディスク、以下ではＲ２５μｍディスクとも称する）が様々な表面の表面粗さ（Ｒａ）をどれほど正確に測定できるかを予測するために理論モデルがどのように使用されたかを説明する。

図８は、表面プロファイル１２０を２次元でモデル化する方法を示している。スタイラスボールの半径（つまり、円１２２の半径）は２５μｍに設定されている。次に、スタイラスボールを、粗さ間隔ｄｘに等しい間隔で等間隔の垂直メッシュに分割することによって離散化される。スタイラスボールの形状は、円の方程式を使用して各メッシュポイントで計算される。最初に、スタイラスボール上の単一のメッシュポイントが表面プロファイル上のメッシュポイントと接触するように、アプローチ距離または間隔Ｓが調整される境界条件が最初の分離点Ｓ０に適用され、値は参照プロファイルと同様の高さに設定される。

時間ステップｔ₁で、ボール位置は１サンプル間隔ｄｘ移動され、分離Ｓは、単一のメッシュ点が表面プロファイルと接触するように調整され、分離および接触点の位置が保存される。このプロセスは、タイムステップｔＮまですべての位置で繰り返される。新しい表面プロファイル１２４は、式１に示されるように計算することができる。

図９は、図５ｂbに示す表面仕上げプローブの接触要素（すなわち、Ｒ２５μｍディスク）を使用して既知のＲａ（校正済みプロフィロメーターを使用して以前に測定されたサンプルのＲａ）のさまざまなＲｕｂｅｒｔサンプルを測定した結果、上記のモデルを使用して 予測されたＲａ値の誤差を示している。表面の大部分は５％以上の精度で測定でき、狭い垂直谷の特徴を持つ鋳造物でも１０％以内で測定できることがわかる。

図１０は、図５ｂに示す表面仕上げスタイラスを使用して垂直にフライス加工されたＲｕｂｅｒｔサンプルを測定したときに生成された実験結果を示している。特に、図１０の重なり合う実線１４０は、Ｒｕｂｅｒｔサンプルの表面上の同じ経路に沿って取られた３つの測定値を示している。これらの実験結果は、１．６７μｍのサンプル間隔、１００ｍｍ／ｍｉｎのフィード、および１０００ポイント／秒のサンプリングレートで生成された。図１０から、同じ場所で取得された３つのプロファイルが、１３．４６、１３．５、および１３．５Ｒａの一貫した値を示していることもわかる。したがって、プロファイルは互いによく一致しており、わずかな違いしか見られない。破線１４２は、スタイラス半径がはるかに小さいプロフィロメータを使用して測定された同じサンプルの表面粗さを示している。これにより、非常に類似したプロファイルで１３．１７Ｒａの低い値が得られるが、Ｔａｌｙｓｕｒｆプロファイルは実験結果と同じ場所で取得されたものではなく、違いの原因である可能性が高いことに注意する必要がある。したがって、図５ｂに示す表面仕上げスタイラスを使用して、信頼性の高い表面仕上げ測定を行うことができることがわかる。

図１１を参照すると、適用されたスタイラス力の関数としてサンプルに適用された接触圧力が示されている。専用のプロフィロメータによって加えられる標準的なスタイラス力の例は、破線１４４および１４６として示され、既存の工作機械プローブによって加えられる力は、破線１４８として示されている。曲線１５０、１５２、および１５４は、それぞれ半径２μｍ、５μｍ、および１０μｍの標準的な形状測定器の円錐形の先端のスタイリの接触圧力を示している。このような円錐形の先端のスタイリのヤング率（Ｅ）は、６１４ＧＰａであると想定されている。曲線１６０、１６１、１６２、および１６３は、それぞれ有効半径２μｍ、５μｍ、１０μｍ、および２５μｍのスチールディスク（２１０ＧＰａ）の接触圧力を示している。曲線１７５、１７６、１７７、および１７８は、それぞれＷＣ（６１４ＧＰａ）、ルビー（４３５ＧＰａ）、マコール（６７ＧＰａ）、およびニチノール（４５ＧＰａ）の２５μｍ有効半径ディスクの接触圧力を示している。したがって、Ｅが低い材料は、特定の力で表面に係合したときに、接触圧力が低くなることがわかる。したがって、そのような材料の選択はまた、所与の適用力に対する接触圧力を低下させることができる。

当業者は、上記が本発明の単なる例であることを認識するであろう。本発明によれば、別のスタイラス構造をも提供することができる。

Claims (15)

1. 細長いスタイラスシャフト、および、測定される表面に接触するための細長いシャフトから突き出ている接触要素を備え、
   前記接触要素は変形可能であり、前記スタイラスシャフトは前記接触要素を保持するためのクランプを含み、前記接触要素はクランプによって変形されることを特徴とする、表面仕上げスタイラス。
2. 前記接触要素は、１００μｍ未満の有効半径を有する、請求項１に記載の表面仕上げスタイラス。
3. 前記接触要素が、１ｍｍ未満の厚さを有する材料のシートを含む、請求項１または２に記載の表面仕上げスタイラス。
4. 前記接触要素が、１５０ＧＰａ未満のヤング率を有する材料から形成されている、請求項１から３のいずれか一項に記載の表面仕上げスタイラス。
5. 前記接触要素が金属を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の表面仕上げスタイラス。
6. 前記接触要素がクロム鋼およびニチノールのうちの少なくとも１つを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の表面仕上げスタイラス。
7. 前記接触要素は、前記クランプによって保持されたときに必要な変形を引き起こすために１つまたは複数の弱点の領域を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の表面仕上げスタイラス。
8. 前記クランプは、前記接触要素の一部を変形させて、前記接触要素を前記クランプに不動に固定する、請求項１から７のいずれか一項に記載の表面仕上げスタイラス。
9. 前記接触要素がディスクを含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の表面仕上げスタイラス。
10. 前記クランプは、前記ディスクを変形させて、表面に接触するための周縁を有する中空円錐を形成する、請求項９に記載の表面仕上げスタイラス。
11. 前記クランプは、前記接触要素を所望の形状に変形するように成形された一対の対向するクランプ面を含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載の表面仕上げスタイラス。
12. 前記クランプは、接触要素がシャフトに解放可能に取り付けられることを可能にする、請求項１から１１のいずれか一項に記載の表面仕上げスタイラス。
13. 複数の接触要素と、複数の接触要素のそれぞれを保持するための複数のクランプとを備える、請求項１から１２のいずれか一項に記載の表面仕上げスタイラス。
14. プローブ本体、プローブ本体に移動可能に取り付けられたスタイラスホルダー、およびプローブ本体に対するスタイラスホルダーの撓みを測定するための撓みセンサーを備えて、請求項１から１３のいずれか１項に記載の表面仕上げスタイラスが前記スタイラスホルダーに取り付けられている、工作機械走査プローブ。
15. 測定される表面に接触するための細長いスタイラスシャフトおよび細長いシャフトから突出する接触要素を含む表面仕上げスタイラスを形成する方法であって、前記接触要素を前記細長いシャフトにクランプするステップにより特徴づけられ、前記クランプステップは前記接触要素を変形させる、方法。

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