JP4689988B2 - 表面性状測定機の校正標本 - Google Patents

Description

本発明は、表面性状測定機を校正するために用いられる校正標本に関する。

従来、被測定物の表面粗さ、うねり、輪郭形状、真円度、真直度などの表面性状を測定する表面性状測定機が知られている。
表面性状測定機は、ワークの表面に当接した状態でワークの表面を走査するスタイラスと、ワーク表面の形状に応じたスタイラス変位を検出する変位検出手段と、を備える。ここで、表面性状測定機によって得られた測定値が真値になるように、得られた測定値を校正するための方法がいくつか知られている（この点に関して、例えば、非特許文献１、２参照）。
ここで、表面性状測定機の測定値を校正する場合には、校正の対象とすべきパラメータが複数あり、例えば、スタイラスの先端径、スタイラスのｚ方向変位（ワーク法線方向）についての変位検出手段による検出値、スタイラスのｘ方向変位（ワーク表面に沿った方向）についての変位検出手段による検出値、などである。
従来は、スタイラス先端径やスタイラスのｚ方向変位についての検出値などの校正対象となるパラメータに応じた校正標本をそれぞれ用意し、一つ一つの標本を測定してみることにより、測定パラメータを校正していた。このような異なるパラメータを校正するための種々の校正標本を組み合わせた一組のセットなどが知られている（非特許文献３）。

ISO 3274:1996, ‘Nominal characteristics of contact(stylus) instruments’ ISO/DIS 12179. ‘Calibration of contact(stylus)instruments’ Silicon Standards for Assessment and Calibration of Stylus Probes, J. Fruhauf, H. Trumpold (1), STC S, 51/1/2002, p.475

しかしながら、複数の校正標本を測定するためには、標本の取り替えを何度も行わなければならないので、校正作業が非常にわずらわしいものになるという問題がある。
また、校正標本のセッティングを何度も行うにあたり、セッティングの誤差が生じる可能性もある。すると、スタイラス先端径の校正を行った後に、校正されたスタイラス先端径に基づいて他のパラメータ、例えば、ｚ方向変位の検出値についての校正を行うなどのように、前に行った校正に基づいて次の校正を行う場合では、途中のセッティング誤差による校正の不正確さが他のパラメータにも及んでしまうという問題につながる。

本発明の目的は、従来の問題を解消するために、表面性状測定機の校正作業を単純化するとともに校正作業にかかる時間の短縮を可能とする校正標本を提供することにある。

本発明の表面性状測定機の校正標本は、ワークの表面に当接した状態でワークの表面を所定方向へ走査するスタイラスの変位を検出することによりワークの表面性状を測定する表面性状測定機を校正する際に用いる校正標本であって、前記表面性状測定機が単一の軌跡として測定できるラインに沿って、異なる幾何学的形状が連続して配設され、前記幾何学的形状として、略平坦な平面部と、所定の周期および振幅を有する正弦波形状に形成された正弦波部と、所定の深さを有する溝部と、前記スタイラスの当接圧によって弾性的にしなる弾性片部とが配設されていることを特徴とする。

この構成によれば、一回の測定動作で走査できるラインに沿って、各種のパラメータを校正するための種々異なる幾何学的形状が配設される。よって、この校正標本を表面性状測定機に一旦セッティングすれば、表面性状測定機が自動的に次々と異なる幾何学的形状を走査する。そして、一回の測定において異なる幾何学的形状を走査した結果に基づいて校正したいパラメータが総て校正される。
異なる幾何学的形状が一のライン上に設けられているので、校正標本のセッティングは一回だけでよい。その結果、何度も標本を取り替えるなどの手間が必要なくなり、校正作業を簡単かつ迅速に行うことができる。
また、複数の標本を取り替える作業が必要になると、標本のセッティングの際にセッティング誤差が生じ、この誤差が校正の誤差になる可能性も高くなると考えられるが、この点、本発明では校正標本のセッティングが一度だけでよいので、校正標本のセッティング誤差に起因する校正誤差が生じる可能性を低減することができ、その結果、校正が精密に行われることとなる。
一つの校正標本により各種のパラメータを校正することができるので、複数の標本を保管する場合に比べて校正標本の管理が非常に簡単になる。

本発明では、前記幾何学的形状として、既知の形状であってランダムな凹凸を有する擬似ランダム波部と、所定の傾斜角を有する斜面である傾斜面部と、高精度な平面に仕上げられた高精度平面部と、既知の高さを有するとともにその先端が先鋭である先鋭部とが配設されていることが好ましい。

この構成において、各幾何学的形状は、特定のパラメータを校正するために用いられるところ、必要に応じて取捨選択し、校正対象となるパラメータを校正するための幾何学的形状だけを配設してもよい。

本発明では、前記正弦波部は、振幅および周期が異なる複数のパターンの正弦波により構成されていることが好ましい。

この構成において、振幅および周期（波長）が段階的に異なる正弦波を次々と測定して、その結果から遮断長波長Ａｃ（cut-off long wavelength）および遮断短波長Ａｓ（cut-off short wavelength）、あるいはカットオフ周波数などを特定し、フィルタ特性を校正することができる。

本発明では、前記平面部、前記正弦波部、および前記溝部を一面に備えるメインブロックと、高精度な平面に仕上られた高精度平面部を有し、前記高精度平面部の反対側の端面が前記メインブロックの前記一面に対向する状態で前記メインブロックに取り付けられる扁平板状の高精度平面板と、前記弾性片部となる板ばねと、を備え、前記板ばねは、前記メインブロックの前記一面における端部において一端が固定支持され、他端が自由端となっていることが好ましい。

この構成によれば、メインブロックの一面における端部において板ばねを例えば片持ち梁状に保持すると、板ばねが弾性片部となる。そして、メインブロックには、平面部、正弦波部、溝部が設けられているところ、これらに連続して、板ばねを挟持する高精度平面板の一面にある高精度平面部が続き、さらに弾性片部が続く構成とすることができる。
メインブロック自体に正弦波部などの凹凸に加えて高精度の平面を形成するのは困難であるところ、高精度平面板をメインブロックとは別部材とすることにより高精度平面板の一面を高精度平面部として高精度に仕上げることができる。
また、例えば、高精度平面部とメインブロックとにて板ばねを挟んで挟持固定すれば、板ばねをメインブロックに固定するための取付部材を別途用意する必要がなく、部品点数を少なくすることができる。

本発明では、前記平面部、前記正弦波部、および前記溝部を一面に備えるメインブロックと、一辺が先鋭に形成された先鋭薄板と、前記メインブロックにおける前記一面に略垂直な面との間で、前記先鋭薄板の前記一辺が前記一面から突出した状態で前記先鋭薄板を挟持する押え板と、を備えることが好ましい。

この構成によれば、メインブロックの正弦波部等に続いて先鋭部を配設することができる。所定の高さの急峻なピークである先鋭部を正弦波部などと一緒にメインブロックに形成することは困難であるところ、別途、カミソリ刃のように一辺が先鋭な薄板をメインブロックの側面と押え板とにて挟持することにより、メインブロックの正弦波部等に続いて先鋭部を配設することができる。

以下、本発明の実施の形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
本発明の校正標本に係る一実施形態について説明する。
この校正標本は、ワークの表面粗さ、うねり、輪郭形状、真円度、真直度などの表面性状を測定する表面性状測定機の校正に用いられるものである。
このような表面形状測定機は、ワークの表面に当接した状態でワークの表面を走査するスタイラスと、このスタイラスを移動させる移動機構と、スタイラスの変位（ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の変位）を検出する変位検出手段と、変位検出手段からの検出値を演算処理してワークの形状解析を行う解析部と、を備える構成であればよい。
なお、解析部は、変位検出手段からの検出値を補正するための補正パラメータ（例えば、ｚ方向ゲイン、ｘ方向ゲインの補正パラメータ）や、検出値に含まれるノイズ等を低減するためのフィルタ特性を決めるパラメータ、スタイラスの先端形状の補正パラメータおよび粗さ解析用のフィルタ特性を決めるパラメータなどを記憶しており、このようなパラメータを用いて変位検出手段による検出値を補正（校正）してワークの形状解析を行うものである。
このような表面性状測定機としては、例えば、表面粗さ測定機、輪郭形状測定機、原子間力測定機（ＡＦＭ）などが例として挙げられる。

校正標本について説明する。
図１は、校正標本の斜視図であり、図２は校正標本の分解斜視図であり、図３は校正標本の上面図であり、図４は校正標本の側面図である。
そして、図５は、校正標本の各種の幾何学的形状の特性と、幾何学的形状によって校正されるパラメータを示したテーブルであり、図６は、校正標本の正弦波部の構成を示したテーブルである。

校正標本１００は、図１に示されるように全体として略直方体形状であり、一面である上面の一端側から他端側にわたって各種の幾何学的形状が順次配列されている。
校正標本１００は、図２に示されるように、メインブロック２００と、高精度平面板３００と、板ばね４００と、先鋭薄板５００と、押え板６００と、を備えて構成されている。
メインブロック２００は、略直方体形状であって、その一面である上面２１０に各種の幾何学的形状を備えている。幾何学的形状の一つ一つは上面における短手方向の端から端まで形成され、上面２１０の長手方向に沿った方向で各種の幾何学的形状が順に配設されている。
メインブロック２００に設けられた幾何学的形状としては、上面２１０の一端側から他端側に向けて順に、平面部１、正弦波部２、溝部３、擬似ランダム波部４、傾斜面部５がある。
メインブロック２００の一端側から順に説明する。

メインブロック２００の上面２１０の一端側端部には、図３、図４に示されるように、略平坦に形成された平面部１が設けられている。この平面部１は、校正標本１００を表面性状測定機にセッティングする際の位置決めに用いられるものである。
メインブロック２００の上面２１０には、平面部１に隣接して正弦波部２が設けられている。この正弦波部２は、振幅および周期が段階的に異なる４つのパターンの正弦波２Ａ〜２Ｄにより構成されている。
正弦波部２としては、テーブル２に示されるように、パターン２Ａとして振幅が１０μｍで周期（波長）が０．８００ｍｍの正弦波と、パターン２Ｂとして振幅が８μｍで周期が０．４ｍｍの正弦波と、パターン２Ｃとして振幅が５μｍで周期が０．２５０ｍｍの正弦波と、パターン２Ｄとして振幅が２μｍで周期が０．０８０ｍｍの正弦波と、が設けられている。
この正弦波は、粗さ解析用のフィルタ特性の校正に用いられ、遮断長波長Ａｃ（cut-off long wavelength）および遮断短波長Ａｓ（cut-off short wavelength）、あるいはカットオフ周波数などを特定し、粗さ解析用のフィルタ特性を校正する目的で用いられるものである。

メインブロック２００の上面２１０には、正弦波部２に隣接して溝部３が設けられている。
溝部３は、深さが段階的に異なる３つの溝からなり、パターン３Ａとして深さ１０μｍの溝と、パターン３Ｂとして深さ２μｍの溝と、パターン３Ｃとして深さ０．５μｍの溝と、が設けられている。
溝部３は、表面性状測定機のｚ方向ゲインを校正するために用いられるものである。なお、ｚ方向とは、上面２１０の法線方向とする。

メインブロック２００の上面２１０には、溝部３に隣接して擬似ランダム波部４が設けられている。
擬似ランダム波部４は、形状が既知である凹凸の波形であり、表面粗さを評価するパラメータ（例えば、算術平均粗さＲａ）の算出精度の校正に用いられるものである。

メインブロック２００の上面には、擬似ランダム波部４に隣接して傾斜面部５が設けられている。
傾斜面部５は、所定の傾斜角をもって上面２１０の一端側から他端側に向けて直線的に高くなる斜面である。傾斜面部５は、直線的に高さが増加する斜面を測定した際におけるｚ方向の変位検出値の直線性（無歪性）を検査することにより、ｚ方向検出精度の直線性を校正するためのものである。

メインブロック２００の上面２１０には、傾斜面部５に隣接して高精度平面板３００が取付固定される取付面部２２０が設けられている。
取付面部２２０は、傾斜面部５の他端側に対して一段低くなった平面である。取付面部２２０の他端側には、取付面部２２０からさらに一段低い低面部２３０が設けられている。低面部２３０はメインブロック２００の上面２１０の末端であり、低面部２３０の他端側はメインブロック２００の他端側の端面となっている。

高精度平面板３００は、一面である上面がオプティカルフラットに仕上げられた高精度平面部６である短冊状の薄板であり、メインブロック２００の取付面部２２０に対しねじ３１０でねじ止めされる。高精度平面部６は、ノイズ除去のためのパラメータを校正するものである。ノイズとしては、例えば解析部の電子回路自体が発生する電圧ノイズなどが例として挙げられる。
板ばね４００は、弾性を有する扁平薄板の小片である。板ばね４００は、高精度平面板３００が取付面部２２０にねじ止めされる際に、取付面部２２０と高精度平面板３００との間で挟持されてメインブロック２００の他端側に固定される。このとき、板ばね４００の一端が取付面部２２０と高精度平面板３００とにて挟持される一方、板ばね４００の他端が低面部２３０から所定隙間をもって突き出た自由端となる。板ばね４００の自由端側がスタイラスからの測定圧によって弾性的にたわむ弾性片部７となる。弾性片部７は、スタイラスでワークを走査する際の測定圧を校正するためのものである。

先鋭薄板５００は、一辺が刃物状に鋭く加工されたカミソリ刃状の薄板であって、前記一辺が先鋭部８となる。
先鋭薄板５００は、メインブロック２００の端面においてメインブロック２００と押え板６００とにより挟持され、メインブロック２００の他端に取付固定される。これにより、先鋭部８は、校正標本の上面において弾性片部７に隣接して配設される。
なお、押え板６００は、先鋭薄板５００を挟んでメインブロック２００とは反対側からねじ６１０によりメインブロック２００にねじ止めされている。
先鋭部８は、この先鋭部８のピークをスタイラスが乗り越える際の変位からスタイラスの先端形状を校正するためのものである。

以上、このような構成による構成標本によれば、次の効果を奏することができる。
（１）校正標本１００の上面において、各種のパラメータを校正するための種々異なる幾何学的形状（平面部１〜先鋭部８）が順次配設されていることにより、表面性状測定機が単一の軌跡として測定できるラインに各種の幾何学的形状が配列されていることとなる。したがって、この校正標本１００を表面性状測定機に一旦セッティングすれば、表面性状測定機が自動的に次々と異なる幾何学的形状を走査する。その結果、一回の測定において異なる幾何学的形状を走査した結果に基づいて、校正対象となるパラメータが総て校正される。

（２）異なる幾何学的形状が校正標本１００の上面に順次配設され、校正標本１００の一度の測定だけで校正対象とするパラメータが総て校正されるので、校正標本１００のセッティングは一回だけでよい。その結果、何度も標本を取り替えるなどの手間が必要なくなり、校正作業を簡単かつ迅速に行うことができる。

（３）校正標本１００のセッティングが一度だけでよいので、校正標本１００のセッティング誤差に起因する校正誤差が生じる可能性を低減することができ、その結果、校正が精密に行われることとなる。
（４）一つの校正標本１００により各種のパラメータを校正することができるので、複数の標本を保管する場合に比べて校正標本の管理が非常に簡単になる。

（５）高精度平面板３００がメインブロック２００とは別部材とされているので、高精度平面板３００の一面を高精度平面部６として高精度に仕上げることができる。また、高精度平面部６とメインブロック２００とにて板ばね４００を挟むことにより板ばね４００をメインブロック２００に固定できるので、板ばね４００をメインブロック２００に固定するための取付部材を別途用意する必要がなく、部品点数を少なくすることができる。

なお、本発明は前述の実施形態に限定されず、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
例えば、校正標本１００に設けられる各幾何学的形状は、それぞれ特定のパラメータを校正するために用いられるところ、必要に応じて取捨選択し、校正対象となるパラメータを校正するための幾何学的形状だけを配設してもよい。また、幾何学的形状の順番等もパラメータの校正の順序に制限されない限りは変更されてもよい。
上記実施形態において、校正標本１００は、メインブロック２００とは別体の高精度平面板３００、板ばね４００、先鋭薄板５００等を備えていたが、高精度平面部６、弾性片部７および先鋭部８がメインブロック２００に一体的に形成されていてもよい。あるいは逆に、平面部１、正弦波部２、溝部３などがそれぞれ別体のブロックに形成されたのち、これらのブロックを一つに連結することにより一つの校正標本としてもよい。

また、メインブロック上面２１０、高精度平面部６、弾性片部７、先鋭部８などはニッケルクロームコートを施してもよい。これによって校正標本表面を硬質化させるとともに、スタイラスがより滑らかに走査可能となる。つまり磨耗の低減が可能となる。さらに、マスターボールや校正済み表面性状測定機によって、本校正標本の幾何学的形状を予め同定しておいてもよい。
これによって本校正標本の加工精度などに起因する不確かさを低減することができ、本校正標本による表面性状測定機の校正がさらに高精度に行える。また、校正標本上に走査位置を示す走査マークを表示させてもよい。

本発明は、表面性状測定機等の校正に用いることができる。

校正標本の斜視図。 校正標本の分解斜視図。 校正標本の上面図。 校正標本の側面図。 各種の幾何学的形状の特性と、幾何学的形状によって校正されるパラメータを示したテーブル。 正弦波部の構成を示したテーブル。

符号の説明

１…平面部、２…正弦波部、３…溝部、４…擬似ランダム波部、５…傾斜面部、６…高精度平面部、７…弾性片部、８…先鋭部、１００…校正標本、２００…メインブロック、２１０…上面、２２０…取付面部、２３０…低面部、３００…高精度平面板、５００…先鋭薄板、６００…押え板。

Claims (5)

1. ワークの表面に当接した状態でワークの表面を所定方向へ走査するスタイラスの変位を検出することによりワークの表面性状を測定する表面性状測定機を校正する際に用いる校正標本であって、
   前記表面性状測定機が単一の軌跡として測定できるラインに沿って、異なる幾何学的形状が連続して配設され、
   前記幾何学的形状として、
   略平坦な平面部と、
   所定の周期および振幅を有する正弦波形状に形成された正弦波部と、
   所定の深さを有する溝部と、
   前記スタイラスの当接圧によって弾性的にしなる弾性片部とが配設されている
   ことを特徴とする表面性状測定機の校正標本。
2. 請求項１に記載の表面性状測定機の校正標本において、
   前記幾何学的形状として、
   既知の形状であってランダムな凹凸を有する擬似ランダム波部と、
   所定の傾斜角を有する斜面である傾斜面部と、
   高精度な平面に仕上げられた高精度平面部と、
   既知の高さを有するとともにその先端が先鋭である先鋭部とが配設されている
   ことを特徴とする表面性状測定機の校正標本。
3. 請求項１に記載の表面性状測定機の校正標本において、
   前記正弦波部は、振幅および周期が異なる複数のパターンの正弦波により構成されている
   ことを特徴とする表面性状測定機の校正標本。
4. 請求項１に記載の表面性状測定機の校正標本において、
   前記平面部、前記正弦波部、および前記溝部を一面に備えるメインブロックと、
   高精度な平面に仕上られた高精度平面部を有し、前記高精度平面部の反対側の端面が前記メインブロックの前記一面に対向する状態で前記メインブロックに取り付けられる扁平板状の高精度平面板と、
   前記弾性片部となる板ばねと、を備え、
   前記板ばねは、前記メインブロックの前記一面における端部において一端が固定支持され、他端が自由端となっている
   ことを特徴とする表面性状測定機の校正標本。
5. 請求項１に記載の表面性状測定機の校正標本において、
   前記平面部、前記正弦波部、および前記溝部を一面に備えるメインブロックと、
   一辺が先鋭に形成された先鋭薄板と、
   前記メインブロックにおける前記一面に略垂直な面との間で、前記先鋭薄板の前記一辺が前記一面から突出した状態で前記先鋭薄板を挟持する押え板と、を備える
   ことを特徴とする表面性状測定機の校正標本。

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