JP4570437B2 - 表面粗さ／輪郭形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、表面粗さ／輪郭形状測定装置に関し、特に被測定物を移動させることなく、２軸方向に沿った３次元の被測定物の表面粗さ及び輪郭形状を測定する表面粗さ／輪郭形状測定装置に関する。

表面粗さ／輪郭形状測定装置は、被測定物（ワーク）表面に沿って、触針を有する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）表面の粗さ又は輪郭形状を測定する（例えば、下記特許文献１）。図１に、従来の表面粗さ／輪郭形状測定装置の基本構成を示す。

表面粗さ／輪郭形状測定装置１は、テーブル２上に載置されたワークの表面粗さを測定する測定子（ピックアップ）６を有し、このピックアップ６は駆動部４に固定されるホルダ５に支持されている。
ピックアップ６は、先端に触針７を有し、この触針７の変位量がピックアップ６に内蔵された差動トランス（図示せず）によって電圧に変換される。そして、この電圧値は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。
図１に示すとおり、駆動部４は、テーブル２に立設されたコラム３に取り付けられ、上記のデータ処理装置からの指示に従ってモータが駆動されることにより、駆動部４はホルダ５をワークが載置されるテーブル面上の所定の１方向である左右方向（Ｘ方向）に移動させることが可能であり、駆動部４全体もまた、ワークの高さにあわせて、コラム３に沿ってテーブル面に垂直な上下方向（Ｚ方向）に移動させることが可能である。

このような従来の表面粗さ／輪郭形状測定装置１では、ワークの測定面に沿った駆動部４によるピックアップ６の移動可能方向は図のＸ方向のみであった。これは、粗さ測定に関する各規格（例えばＪＩＳ規格、ＩＳＯ規格）が、直線上で測定した粗さのみを規定していることに起因する。
したがって、Ｘ−Ｙ面内の表面粗さ／輪郭形状を評価する様な（特殊の）場合は、ピックアップ６をテーブル面に水平な面内方向（ＸＹ方向）に沿ってワークと相対移動させるために、テーブル面上のＸ方向と異なる他の１方向（Ｙ方向）にワークを移動させるＹ軸駆動用ユニットをテーブル上に載置して測定を行っていた。

従来、このような３次元表面粗さ／輪郭形状測定装置は、例えば塗装面の光沢評価、フィルム膜の表面性状評価、液晶塗膜面の平坦度などの測定に専ら使用されており、測定範囲が広く測定機の汎用性が高い装置であることが重要な課題であった。

特開２００２−１０７１４４号公報

しかしながら、上記測定対象物は、生産歩留まりの向上により表面粗さ／輪郭形状測定装置の対象から除々に外れ、その代わりにマイクロマシン周辺の小型高精度パーツの形状測定が増大してきている。これらは何れも三次元的に精度を管理し、且つサブミクロン以下の精度を要求している。
しかしながら、測定面上の１方向（Ｙ方向）におけるピックアップ６とワークとの相対移動をワークを駆動する駆動部によって実現する従来の表面粗さ／輪郭形状測定装置には、下記の問題があった。

すなわち、上記のようにワークのＹ軸駆動用ユニットを使用する場合には、その積載可能重量に限界があるため、その積載可能重量を超えるワークを測定することができず、表面粗さ／輪郭形状測定装置自体の測定対象が限定される。
また、重心位置により移動テーブルの変形や駆動に影響するため、ワークの重心や載置場所により撓み量が変化し、測定精度への影響があった。

また、一定の積載可能重量を確保するためにはワークのＹ軸方向駆動部もこれに応じて余力のある機構や動力を採用する必要があり、その結果として表面粗さ／輪郭形状測定装置自体が大きくかつ高価になる。
さらに、上記のようにＹ軸駆動用ユニットをテーブル上に載置する場合には、ワークのＹ軸駆動ユニットと、駆動部４との間にコラムが介在するため、温度変化や振動などの影響を受け、上記駆動部４に正確に直角に設置することが困難である。

上記問題点を鑑みて、本発明は比較的安価な構成によって、上記直交ＸＹ面内において測定子とワークとを相対移動させることが可能な表面粗さ／輪郭形状測定装置を提供することを目的とする。
また、比較的安価な構成によって、上記直交ＸＺ面内や傾斜面においてワークの表面形状を測定可能な表面粗さ／輪郭形状測定装置を提供することをも目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、表面粗さ／輪郭形状測定装置の測定子と、かかる測定子を所定の１方向に駆動する駆動部と、の間を、上記駆動部に対して所定の１方向に上記測定子を移動することが可能な連結部材により連結する。

すなわち本発明によれば、被測定物の表面に接触させる測定子と、この測定子を所定の１方向に移動可能に支持する駆動部とを備え、駆動部の移動方向に沿って被測定物の表面形状を測定する表面粗さ／輪郭形状測定装置であり、かつこの測定子と駆動部との間に、測定子を駆動部に対して所定の１方向に移動する連結部材を設けたことを特徴とする表面粗さ／輪郭形状測定装置が提供される。

この連結部材は、駆動部が測定子を移動する方向と異なる方向に、測定子を移動するように駆動部と測定子の間に取り付けられることとしてよく、また駆動部が測定子を移動する方向と同じ方向に、測定子を移動するように駆動部と測定子の間に取り付けられることとしてもよい。

上記の本発明に係る連結部材を使用して上記駆動部と上記測定子とを連結することにより、ワークを移動させることなく、測定面において被測定物に対して測定子を面内移動させることが可能となる。
これにより、ワーク移動テーブルなどのワーク駆動部の最大積載量に制限されることなく測定面内におけるワークの表面形状測定が可能となる。さらに連結部材が駆動する測定子は比較的軽量な部材であるので、小型な装置でよく、高い精度で駆動可能な機構を簡易かつ安価に実現可能である。
また、被測定物の重心や載置場所により、精度に影響することもない。

駆動部が測定子を移動する方向と異なる方向に測定子を駆動するように連結部材を取り付けることにより、直交ＸＹ平面や、直交ＸＺ平面は勿論、これら直交平面以外の様々な傾斜面における測定が可能となる。なお、ここにＸ方向とは、被測定物が載置される載置面上の所定の１方向であり、上記駆動部が上記測定子を駆動する方向であり、Ｙ方向とは、上記載置面上におけるＸ方向と異なる他の１方向であり、Ｚ方向とは上記載置面の垂直方向をいう。

また駆動部が測定子を移動する方向と同じ方向に測定子を駆動するように連結部材を取り付けることにより、駆動部が測定子を移動する方向（Ｘ方向）における、測定可能範囲を伸ばすことが可能となる。
また、Ｘ−Ｚ方向傾斜面の、鋸刃状面の連続測定や高分解能での測定が可能となる。

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、本発明の実施例に係る表面粗さ／輪郭形状測定装置の基本構成図である。表面粗さ／輪郭形状測定装置１の基本構成は、図１に示した構成に類似した構成を有しており、これらの図と同一の機能部分に同一の参照番号を付して表し説明を省略する。

図示するように、表面粗さ／輪郭形状測定装置１において、このピックアップ６を支持するホルダ５と駆動部４とは、連結部材８を介して連結されている。
図２の例では、連結部材８は、駆動部４によるピックアップ６の駆動方向であるテーブル面ＸＹ方向上の所定の１方向であるＸ方向と垂直なＹ方向に沿って、ピックアップ６を移動することが可能である。このような連結部材８の拡大図を図３（Ａ）に示す。

図３（Ａ）に示すように、連結部材８は、本体８１と、この本体８１に固定されるとともに駆動部側アタッチメント４１（図３（Ｃ）参照）に係合保持され、本体８１を駆動部４に対して固定する第１アタッチメント８２と、本体８１に対してＹ方向に移動することが可能な可動部８３と、可動部８３を駆動するためのモータ８４と、可動部８３に固定され、ホルダ５を係合保持する第２アタッチメント８５を備えて構成される。モータ８４は、上記のデータ処理装置（図示せず）からの指示にしたがって駆動される。

可動部８３は、本体８１の所定の面８１Ａ上をＹ方向に摺動することができるように本体８１に取り付けられている。可動部８３が、本体８１の所定の面８１Ａ上をＹ方向に摺動した様子を図３（Ｂ）に示す。

図３（Ｃ）は、連結部材８が、駆動部４とピックアップ６を保持するホルダ５間との間に取り付けられた使用状態を示す図である。図示するように、連結部材８の第１アタッチメント８２は、駆動部４によってＸ方向に駆動される駆動部側アタッチメント４１に係合保持される。一方、ピックアップ６を保持するホルダ５は、本体８１に対してＹ方向に移動することが可能な可動部８３に固定された第２アタッチメント８５に係合保持される。
上記構成により、ピックアップ６は、駆動部４と連結部材８とによってＸ方向及びＹ方向に駆動されることが可能となる。

この連結部材８は、既存の表面粗さ／輪郭形状測定装置１にもともと備えられている駆動部側アタッチメント４１、及びホルダ５に応じて、これらと係合可能な第１アタッチメント８２及び第２アタッチメント８５をそれぞれ採用することにより、Ｙ方向駆動機構を有しない既存の表面粗さ／輪郭形状測定装置１に対しても容易に後付けすることが可能である。

また、第１アタッチメント８２の本体８１の面８１Ｂ（ＸＹ面）への取り付け角度を９０°変更することにより、連結部材８によるピックアップ６の駆動方向がＸ方向となるように連結部材８を駆動部側アタッチメント４１に係合することが可能となる。これにより連結部材８によるピックアップ６の駆動方向と、駆動部４による駆動部側アタッチメント４１の駆動方向とを等しくし、Ｘ方向へのピックアップ６の駆動範囲を広げることが可能となる。

さらに、第１アタッチメント８２を、本体８１のＸＺ平面（すなわちモータ８４の取り付け面と反対側の面）に取り付けることにより、連結部材８によるピックアップ６の駆動方向がＺ方向となるように連結部材８を駆動部側アタッチメント４１に係合することが可能となる。これにより、直交ＸＺ平面におけるワークの表面形状測定が可能となる。

このように、連結部材８は、連結部材８によるピックアップ６の駆動方向が、駆動部４による連結部材８の駆動方向に等しい方向又は直交する２方向いずれの方向となるように、駆動部側アタッチメント４１又はホルダ５に取り付けることが可能であり、さらに、第１アタッチメント８２の、本体８１への取り付け面と駆動部側アタッチメント４１への取り付け面との角度を変える（非平行にする）ことにより、連結部材８によるピックアップ６の駆動方向を、Ｘ方向に対して傾けて（傾斜角を持って）取り付けることが可能である。
さらに、連結部材８によるピックアップ６の駆動方向と、駆動部４による連結部材８の駆動方向との相対角度を調節するために、駆動部側アタッチメント４１又は第１アタッチメント８２に自由雲台のような角度調節機構を設けることとしてもよい。

このように、連結部材８によるピックアップ６の駆動方向を任意の方向に傾けて設定することを可能とすることで、以下の効果を奏する。
すなわち、例えば刃物の加工条痕のような加工物の表面粗さ測定は、測定物の加工方向に対して直角に測定子を移動させて行なうのが原則である。このような測定方向に応じた測定子の移動を、例えば通常のＸＹ軸移動機構などにより行なおうとすれば、この移動機構のＸＹ移動の分解能に起因して測定子が階段状に移動し、これにより測定誤差が生じてしまう。しかしながら、本発明の連結部材８によれば、該連結部材８の移動方向を、加工方向に応じて自由に設定できるので、例えば連結部材８の移動方向を上述の刃物の加工条痕に合わせて測定することにより上記測定誤差を防止することが可能となる。また任意の方向に傾いた測定面を効率よく測定することも可能となる。
また、図４に示すような鋸歯面を測定する場合には、連結部材８によるピックアップ６の駆動方向が、ＸＺ平面内の鋸歯面に沿う第２軸方向となるように取り付ける。
そして、図示するように、歯面Ａ部分を測定する間は、駆動部４が連結部材８を位置Ｃに固定した状態で、連結部材８がピックアップ６を位置Ｅ〜位置Ｆまで移動する。歯面Ａ部分の測定が終了したら、駆動部４が連結部材８を位置Ｄまで移動させる一方で、連結部材８がピックアップ６を位置Ｅ’まで復帰させ、その後、歯面Ａ部分の測定と同様に、ピックアップ６を位置Ｅ’〜位置Ｆ’まで移動させて歯面Ｂ部分の測定を行なう。このような動作を繰り返すことにより、鋸歯面を連続測定により高い分解能で測定することが可能となる。

上述の通り、本発明に係る連結部材を付加することにより、表面粗さ／輪郭形状測定装置１は、テーブル面であるＸＹ面上に沿ったワークの表面粗さ／輪郭形状測定を、容易に行なうことが可能となる。
また、例えば、円筒形状のワークをテーブル２上に横にねかせて載置し、この円筒ワークの円筒面上をＸ及びＹ方向にピックアップを移動させて、円筒ワークの円筒面の各位置の座標及び高さを測定することにより、円筒ワークの延在方向の各位置における円筒面の頂点の座標及び高さの測定（頂点出し）を行なうことも容易である。

さらに、任意の方向に載置された円筒ワークの円筒面の２つの頂点を拾い出しておき、予め円筒面頂点の載置方向を求めておく事により、円筒ワーク側面の平行度を測定することが可能となる。このとき、円筒ワークの延在方向を上記Ｘ方向及びＹ方向に合致させて測定を容易にするために、テーブル２上に横にねかせて載置される円筒ワークを、Ｚ方向を回転軸として回転させるための回転テーブルを使用して、かかる回転テーブルに円筒ワークを載置して測定することとしてもよい。

本発明は、被測定物の表面に沿わせてこれに触針などの測定子を移動させ、表面形状を測定する測定装置に広く適用することが可能である。

従来の表面粗さ／輪郭形状測定装置の基本構成図である。 本発明の実施例に係る表面粗さ／輪郭形状測定装置の基本構成図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、図２に示す連結部材の拡大斜視図であり、（Ｃ）は、連結部材が駆動部とピックアップとを連結する使用状態を示す図である。 図２の表面粗さ／輪郭形状測定装置を用いた鋸歯面の測定の説明図である。

符号の説明

１ 表面粗さ／輪郭形状測定装置
２ テーブル
３ コラム
４ 駆動部
５ ホルダ
６ ピックアップ
７ 触針
８ 連結部材

Claims (4)

1. 被測定物の表面に接触させる測定子と、この測定子を所定の第１の方向に移動可能に支持する駆動部とを備え、前記駆動部は、前記測定子を保持するホルダを係合保持できるように構成された駆動部側アタッチメントを有し、前記駆動部の移動方向に沿って前記被測定物の表面形状を測定する表面粗さ／輪郭形状測定装置であって、
   前記ホルダと前記駆動部との間に、前記測定子を前記駆動部に対して所定の第２の方向に駆動する連結部材が設けられ、
   該連結部材は、該連結部材の第１面に設けられ前記駆動部側アタッチメントに係合可能な第１アタッチメントと、該連結部材の第１面と異なる面である第２面に設けられ前記所定の第２の方向にスライドするように駆動される可動部と、前記可動部を駆動するモータと、該可動部に設けられ前記ホルダに係合可能な第２アタッチメントと、前記第１の方向と前記第２の方向との間の相対角度を調節するための角度調節機構と、を有することを特徴とする表面粗さ／輪郭形状測定装置。
2. 前記連結部材が前記測定子を駆動する前記所定の第２の方向は、前記駆動部が前記測定子を駆動する前記所定の第１の方向と異なる方向であることを特徴とする請求項１に記載の表面粗さ／輪郭形状測定装置。
3. 前記連結部材が前記測定子を駆動する前記所定の第２の方向は、前記駆動部が前記測定子を駆動する前記所定の第１の方向と同じ方向であることを特徴とする請求項１に記載の表面粗さ／輪郭形状測定装置。
4. 被測定物の表面に接触させる測定子と、この測定子を所定の第１の方向に移動可能に支持する駆動部とを備え、前記駆動部は、前記測定子を保持するホルダを係合保持できるように構成された駆動部側アタッチメントを有し、前記駆動部の移動方向に沿って前記被測定物の表面形状を測定する表面粗さ／輪郭形状測定装置に付加される連結部材であって、
   該連結部材の第１面に設けられ前記駆動部側アタッチメントに係合可能な第１アタッチメントと、該連結部材の第１面と異なる面である第２面に設けられ所定の第２の方向にスライドするように駆動される可動部と、前記可動部を駆動するモータと、該可動部に設けられ前記ホルダに係合可能な第２アタッチメントと、前記第１の方向と前記第２の方向との間の相対角度を調節するための角度調節機構と、を有し、
   前記駆動部に前記測定子を取り付けるために前記ホルダと前記駆動部との間に設けられ、前記測定子を前記駆動部に対して前記所定の第２の方向に駆動することを特徴とする連結部材。

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