JP5502102B2 - 表面粗さ測定センサを有する装置および関連方法 - Google Patents

Description

本発明は、表面粗さ測定センサを有する装置および関連方法に関する。

数多くの技術分野において、構成部品または構成材料の表面構造は、重要な品質特性である。

表面粗さおよび表面高さを迅速に測定するための表面測定デバイスが複数種類ある。通常、機械的に走査して測定する際、プローブ（探針）の先端部は表面に沿って案内される。その結果、走査した経路における高さ信号、すなわち表面形状プロファイルが記録される。

図１Ａおよび図１Ｂに概略的に示すように、いわゆるランナセンサ１および基準面センサ５には相違点がある。ランナセンサ１は、測定対象領域に比して大きい、または小さいランナであって、スライド部材として機能するランナ２を有する。ランナセンサ１のスキャナ３は、ランナ２で測定すべき表面Ｆの上に載置され、スキャナ３のプローブ先端部４を用いて、ランナ２の走査経路に沿った表面プロファイルを測定する。測定の際、ランナ２は、表面Ｆの巨視的な不均一性（大まかな表面粗さ）、すなわち、うねりおよび巨視的な形状に伴って変動する。これに対し、プローブ先端部４は、微小半径を有する先端部で表面粗さを検出し、ランナ２なら跨ってしまう溝の形状を検出する。すなわちランナ２は、一種のハイパスフィルタのように機能する。

より正しく表面Ｆのうねりを測定するために、２つのランナを有するランナセンサが存在する。

基準面センサ５は、基準面Ｅに固定されている点に特徴がある。基準面Ｅは、ほとんどの場合、スキャナ３のヘッド部６に配置されている。基準面センサ５を用いた測定は、ランナセンサ１との比較により行われ、表面粗さの他、構成部品の形状やうねりを検出することができ、より正確でより複雑な測定を行うことができる。

たとえば、うねりや３次元形状に関する正確な測定結果を必要としない場合には、ランナセンサ１が用いられる。ランナセンサ１の利点は、さほど正確に位置合わせする必要なく、迅速な測定が可能であるため、取り扱いが簡便である点である。

図２Ａおよび図２Ｂにおいて、ランナセンサ１（図２Ａ）と、基準面センサ５（図２Ｂ）の検出結果を示す。基準面センサ５は、表面の真の経路が変化しない限り、これに沿って記録され、基準面センサ５はできるだけ手を加えることなく、真の高低を記録するものであるため、図２Ｂに示す検出結果は現実のものに最も近い。とりわけ、深い溝がある場合、または独立した高いピークＳ１，Ｓ２がある場合、差動式ランナセンサの誤差は顕著なものとなる。たとえばピーク１の前のランナセンサ１の挙動は特徴的である。プローブ先端部４よりも先にランナ２がピークに到達する。よってスキャナ３の全体が持ち上げられ、プローブピン４が周りのスキャナケーシングから下方へ移動する。図２Ａにおいて、これがピークＳ１に到達する前に表面Ｆの凹部に入り込むような挙動として、領域Ｂ１で示すように記録される。ピークＳ２に到達する前においても、同様のことが当てはまる。

またランナセンサは、別の状況においても誤差を含む測定結果を示す場合がある。たとえば、ランナ２とプローブ先端部４が強調し合うように変動する場合、極めて大きな出力信号が生じ、ランナ２とプローブ先端部４が全体的または部分的に相殺し合うように変動する場合、非常に小さい信号しか得られない。こうした問題は、表面が周期的に変化する場合に起こる。従来から知られた表面粗さ検出システムの詳細については、たとえば専門書「表面粗さ測定：理論と実践」（Raimund Volk著、Beuth Verlag出版、2005, ISBN 3410159185, 9783410159186）に記載されている。

独国特許第19501178号公報 独国特許第19721015号公報 欧州特許出願公開第1589317号

専門書「表面粗さ測定：理論と実践」（Raimund Volk著、Beuth Verlag出版、2005, ISBN 3410159185, 9783410159186）

３次元の構造物要素に関し、局在的な一致の上に結論を出すことがしばしば重要であり、すなわち一連の表面粗さは、異なる構造物要素それぞれに対し、正確に同一の位置で測定する必要があるということを意味する。

表面粗さを検出することの他、たとえば表面の曲率（ギアホイールの歯車の湾曲形状等）の３次元形状、あるいは形態について検出することができる。

本発明の１つの目的は、改善された表面粗さ測定を実現する、適当な測定スキャナを有する測定装置を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、正確に予め設定された同一位置において、構造的要素に対する表面粗さ測定を行うことにある。

本発明のさらなる目的は、表面粗さ測定センサをできるだけ簡便に手作業で交換することを可能にすることにある。

さらなる目的は、着脱可能な測定スキャナを含むデバイスを有する測定装置を設計して、置換する毎に新規に較正する必要を排除できるものとすることである。さらに、走査システムへの障害を回避できるものでなければならない。

これらの目的は、請求項１に係る装置および請求項９に係る方法により解決することができる。

本発明に係る装置は、表面粗さ検出システムおよび表面粗さ測定センサを備え、スライド部品およびプローブ先端部が協働して作動する装置である。スライド部品は、走査スライド部品の形態として、プローブピンの最端部に配置される。プローブ先端部は、プローブピンの内部に配置され、走査スライド部品とプローブ先端部との間の距離は予め設定されている。表面粗さ検出システムは、平行四辺形構造体を有する１次元、２次元、または３次元の走査システムである。この装置は、走査スライド部品およびプローブ先端部とともにプローブピンを、走査すべき面上で一体的に搬送する搬送デバイスを備えるものである。

本発明に係る面を走査する方法は以下のステップを有する。プローブピンは、その最端部に配置された走査スライド部品を含み、走査スライド部品から距離だけ離間したプローブ先端部を有し、このプローブピンを搬送する。搬送の際、走査スライド部品を面の一点に当接させる。そしてプローブピンを面に沿って少なくとも１つの座標方向に移動させることにより、走査スライド部品およびプローブ先端部を、面上において距離を離間させた状態で移動させる。これと同時に、走査スライド部品に付随する１次元、２次元、または３次元のトランスデューサからの第１の出力信号を収集する。さらに、プローブ先端部に付随するトランスデューサからの第２の出力信号を収集する。そして、第１の出力信号と第２の出力信号とを関連付ける。

本発明に係る装置の有利な実施形態は、請求項２〜８の主題を構成するものである。本発明に係る方法の有利な実施形態は、請求項９〜１３の主題を構成するものである。

本発明は、１次元、２次元、または３次元の測定装置に関連して用いることができる。

走査スライド部品の形状は、必ずしも理想的な球面形状である必要はない。走査スライド部品は、楕円形状、円筒形状、または曲率半径の大きい任意の他の形状を有していてもよい。走査スライド部品は、軸方向および半径方向において異なる半径を有していてもよい。

好適な実施形態では、表面粗さセンサは置換することができる。さらに好適な実施形態では、択一的にまたは追加的に、表面粗さセンサは長手方向軸の周りを回転させることができる。

本発明の１つの利点は、この装置により、面に関して、基準面センサで得られる情報に匹敵するか、むしろより正確な情報が得られる点にある。

本発明の１つの利点は、走査スライド部品が理想的な直線から、あるいは理想的な基準面から逸脱しても完全に修正することができる点にある。これは、１次元、２次元、または３次元のトランスデューサの偏向を収集することにより実現される。本発明によれば、これは、走査スライド部品の移動の逸脱と、正確に直線的な基準系が得られるように、プローブ先端部により同時に収集される（信号ｆ３で表される）表面粗さ曲線とを関連付けて、計算で求めることにより実現することができる。従来式のランナセンサで知られた誤差を排除することができる。

既知のランナ測定装置の概略図である。 既知の基準面測定装置の概略図である。 図１Ａのランナ測定装置により得られた概略的な信号曲線を示す。 図１Ｂの基準面測定装置により得られた概略的な信号曲線を示す。 既知の基準面測定装置の機能概念図である。 図３Ａに示す基準面測定装置により得られた概略的な（基準）信号曲線を示す。 本発明に係る、対比可能に図示された測定装置の機能概念図である。 既知のＣＮＣ測定装置の斜視図である。 本発明に係る、水平方向に主軸を有する３次元走査ヘッドの基本的構成を示し、より明確となるように離間した走査ヘッドの機械的構成が図示されている。 本発明に係る、表面粗さ測定センサを有する１次元走査ヘッドの基本的構成を示す。 図４に示す本発明に係る測定装置のプローブ先端部により得られた概略的な信号曲線を示す。 図４に示す本発明に係る測定装置の走査スライド部品により得られた概略的な信号曲線を示す。 図８Ｂの信号曲線を距離Ａだけずらした信号曲線を示す。 概略的に示す図８Ａの信号曲線および図８Ｃの信号曲線について、重ね合わせ処理した信号曲線を示す。

添付図面を参照しながら、本発明に係る例示的な実施形態をより詳細に説明する。
本明細書においては、関連する技術文献および特許文献で用いられる用語を用いる。ただし、これらの用語は、より十分に理解されるものとして用いられる。本発明の概念や特許クレームの範囲は、選択的に用いられた特定の用語に限定されるものではない。本発明は、別段の労力を課すことなく、他の専門用語で表されるシステムや、他の技術分野におけるシステムに転用することができる。本発明の概念を、他の技術分野において等しく適用することができる。

本明細書において「表面粗さ」なる用語は、面の表面品位を表すものである。「表面粗さ」の用語は、より微視的な意味合いで、選択的すなわち局在的な記述として限定的に用いられる。本明細書では、表面粗さに関連して、面Ｆの構造物、その要素、およびその特徴物は、通常、ナノメートルオーダから約５００マイクロメートルの範囲にある大きさを有するものに関する。

ここで形状（均一面とも云う）とは、２次元または３次元の平面、あるいは複数の平面が接続された空間上の３次元の物体を意味する。また形状について、構造物および構成要素は、通常、０．５ｍｍから約１０ｍｍの範囲にある大きさを有するものに関する。

幾何学的形態（単に形態とも云う）は、空間上にある連続する２次元的または３次元的な面、あるいは数学的手法により正確に記述できる複数の面が連続してなる空間上の３次元構造物を意味する。形態に関し、３次元構造物の構成部品または構成要素が連結し、数ｃｍから約１００ｃｍまたはそれ以上の大きさを有する。

たとえば歯車装置の歯の凸状面、階段または段差のコース、歯車装置の歯のフランクライン、平面の勾配などは、湾曲表面または均一平面の形状と見ることができる。こうした形状を評価し、測定するためには、通常、直線、曲線、または領域に沿った複数の測定ポイントにおいて測定する必要がある。したがって、この点に鑑み、巨視的にも説明を行う。

表面粗さは、形状の測定または検出より高い解像度で（より高い空間解像度で）測定する必要がある。

図３Ａおよび図４において、従来式の基準面センサ５および本発明に係る測定装置１０が、機能的な観点で比較されている。それぞれの構成部品がより十分に比較できるように意図して図示されている。図３Ａから分かるように、スキャナの前方部分にはレバーアーム３．１が配置されており、レバーアームはピボットベアリング３．２の周りを回転可能に支持されている。伸張ばね３．３がレバーアーム３．１の後方端部に設けられている。構成部品５．１および構成部品５．２は、互いに対して固定的に接続され、基準面Ｅを規定している。レバーアーム３．１の前方端部のプローブ先端部４が（双方向矢印Ｐ１で示すように）上下に移動することに伴い、レバーアーム３．１の後方端部が（双方向矢印Ｐ２で示すように）上下に移動する。このレバーアーム３．１の後方端部の上下移動をトランスデューサにより記録することができる。その検出結果は、（たとえば負のＹ方向において）距離の関数として、たとえば図３Ｂに示すような信号ｆ１として出力され、この信号が最も広範囲において実際の表面Ｆに呼応するものとなる。すなわち、信号ｆ１のコース（推移）が実際の表面Ｆのイメージを与えるものと考えられる。

図４において、本発明に係る装置１０は、表面粗さ測定センサ１５を有し、スライド部品１５．３は、プローブ先端部１５．４と協働して作動する。走査スライド部品１５．３は、プローブピン１５．２の最端部に配置され、スライド部品として機能する。プローブピン１５．２は、好適には、図４に示すように、中空すなわち管状の形状を有する。プローブ先端部１５．４は、プローブピン１５．２内に配置され、走査スライド部品１５．３とプローブ先端部１５．４との間の距離は予め設定されている。ピボットベアリング３．２の周りを回転可能に支持されているレバーアーム１３．１は、プローブピン１５．２の内部に配設されている。伸張ばね１３．３がレバーアーム１３．１の後方端部に設けられている。レバーアーム１３．１の前方端部にあるプローブ先端部１５．４が（双方向矢印Ｐ３で示すように）上下移動することに伴い、レバーアーム１３．１の後方端部が（双方向矢印Ｐ４で示すように）上下に移動する。

プローブピン１５．２および構成部品１５．５は、ヒンジ１５．６を介して互いに対して移動可能に接続されている。本発明に係る測定装置１０において、この移動可能な接続部は、後述するように、スプロケットチェーンとして機能するばね平行四辺形体構造体により実現される。この平行四辺形体構造体は、（たとえば図６に示すように）１次元、２次元、または３次元の走査測定システム１２の一部である。

本発明によれば、スライド部品１５．３を含むプローブピン１５．２、およびプローブ先端部１５．４は、検出面Ｆの上を協働して移動する。このとき、プローブピン１５．２を介して平行四辺形体構造体に連結された走査スライド部品１５．３が信号を出力するとともに（これを信号ｆ２という）、プローブピン１５．２の内部に配設されたプローブ先端部１５．４が信号を出力する（これを信号ｆ３という）。信号ｆ３の具体例を図８Ａに示し、信号ｆ２の具体例を図８Ｂに示す。

図５に示す本発明に係る好適な実施形態において、完全自動化されたＣＮＣ制御測定装置１０が図示されている。この測定装置は、たとえば、スプールギアの歯車および切削歯車、ワームおよびワームギア、ホブ、バッフルギアなどの表面粗さ、形状、または形態、ゲージの通常のずれ、ならびに曲率測定およびカムシャフト測定や、回転測定のための回転対称的な構成部品の形状または位置を検査するために適しており、使用に関するオプションについて言及する。

測定装置１０は、駆動可能な捕獲部１３と（障害物の反対側に配置されているため視認されず）、中央配置手段１４とを有し、測定対象要素１１が、定型の円柱状ホイールの支援により、捕獲部１３および中央配置手段１４の間に同軸上に把持できるように、捕獲部１３および中央配置手段１４は配置されている。

測定装置１０は、図５に示すように、これにより把持された測定対象部品の３つの寸法（３次元座標測定システム）を測定するための少なくとも１つのトランスデューサ１５を有する。好適には、ＸＹＺ座標系のＺ座標軸で示す高さ方向に沿って、移動させることができる走査測定システム１２が配置される。さらにトランスデューサ１５は、互いに対して垂直な座標軸Ｘおよび座標軸Ｚに示す方向に沿って移動することができる（好適には、４軸移動制御が可能である。）。

図６は、図５に一例として示す走査測定システム１２と同一または類似の構成を有する、測定装置１０の３次元（３Ｄ−）走査測定システム１２の斜視図である。したがって、同様の部品については同様の符号を用いる。以下において、本発明の理解に不可欠な構成部品だけを説明する。このような測定装置１０の詳細については、特許文献の独国特許第19721015号（３次元走査測定ヘッド）および独国特許第19501178号（２次元走査測定ヘッド）を参照することができる。

水平方向に配置された走査測定システム１２があり、これは上述のように、数値制御による測定装置１０の一部であって、複数の自由度で自らを平行に偏向させる（変位する）ことができる偏向可能なプローブピン１５．２を有するものである。プローブピン１５．２は、互いに対して機能的に垂直配置された複数のばね平行四辺形システム３１，３８を介して、固定式走査ベッドベース３４にヒンジ固定されている。これらのばね平行四辺形システム３１，３８は、上述の平行四辺形構造体を構成し、その上にトランスデューサ１５が支持されている。プローブピン１５．２を含む走査スライド部品１５．３の偏位は、走査ベッドベース３４に連結された２つまたは３つの（１次元、２次元、または３次元の）トランスデューサ（図示せず）により検出される。これらのトランスデューサが信号ｆ２を出力する。

図６に示す走査測定ヘッドは、測定スキャナ１５および走査システム１２を有する。走査システム１２は、（Ｌ字状の）角度を有する走査ヘッドベース３４を有し、走査ヘッドベースは図５に示す測定装置１０の塔部１８に連結されている（図示せず）。第１のばね平行四辺形構造体３１は、走査ヘッドベース３４の前半部分に対して移動可能に連結されている。これは、対をなし、同じ長さを有する２つの構成部品３３，３５を有し、これらの構成部品は、垂直軸（Ｚ軸に平行に延びる軸）を有する４つのばねヒンジ３２．１を用いて、互いに連結され、前方部品３５がＸ方向に平行に移動できるようにするものである。第１のばね平行四辺形構造体３１は、それ自体が別のばねヒンジ３２．２の水平軸（Ｘ軸に平行に延びる軸）の周りに回転することを可能にするものである。平行四辺形構造体３１は、板ばね（図示せず）を用いて安定化させることが好ましい。調整可能な張力ばねが必要な状量バランスを与えることにより、第１のばね平行四辺形構造体３１が偏向しない状態の走査測定ヘッドのＸ−Ｙ平面の水平方向の位置を決定する。図６において、張力ばね３７は概略的にのみ図示されている。

第１のばね平行四辺形構造体３１とプローブピン担持部１７．４との間に、連結部品３６が配設される。連結部品は、前方部品３５の上端部におけるばねヒンジ３２．２に平行に配置されたばねヒンジ３２．３と、下端部におけるばねヒンジ３２．２に平行に配置された別のばねヒンジ３２．４とを介して、プローブピン担持部１７．４に移動可能に連結される。この連結部品３６を用いてもなお、プローブピン担持部１７．４は十分に支持されていない。そのため、プローブピン担持部１７．４に対して、垂直バーに当接する２つの二重ヒンジロッド２６，２７を追加的に取り付けてもよい。このバーは、第２のばね平行四辺形構造体３８の一部をなすものである。第２のばね平行四辺形構造体は、同一の長さを有し、水平軸を有する４つのばねヒンジにより互いに対して一対のものとして連結配置される構成部品２１，２２により構成される。第２のばね平行四辺形構造体３８は、上側部分２２がＹ方向に平行に変位できるように、走査ヘッドベース３４上の下側部分２２に固定される。垂直バー２５は、この上側部分２２に固定される。この構成配置により、プローブピン担持部１７．４は、長手方向軸Ａ２に平行に変位し、Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向に同時に偏向することが可能となる。２つの二重ヒンジロッド２６、バー２５、および走査ピン担持部１７．４は、Ｚ方向の移動を可能にするための平行四辺形を構成する。Ｙ軸周りのねじり剛性は、平行四辺形３１と、２つの板ばねと協働する連結部品３６とにより実現することができる。

さらに図６から明らかなように、プローブピン１５．２は（置換）ディスク１５．１のようなものの上に設置されている。走査測定システムのプローブピン担持部１７．４にディスク１５．１を固定することができる。図６には図示されないが、たとえばレバー装置により固定することができる。特に好適なレバー装置は、「着脱可能な測定センサを有する装置および当該装置を有する測定デバイス」と題する２００４年４月２３日付けで出願された欧州特許出願公開第1589317号に記載されている。

本発明に係る好適な実施形態において、プローブピン１５．２は、長手方向軸Ａ２の周りに回転できるように、ディスク１５．１に連結されている。長手方向軸Ａ２の周りに回転することにより、プローブ先端部１５．４は異なる方向に配向することができる。すなわち、ＸＹ面上にある表面Ｆだけでなく、別の表面を走査測定することができる。

上述の平行四辺形システムは、測定センサ１５に対して、ねじれ剛性を有し、ほとんど抵抗のないベースを構成するという利点を有する。測定センサ１５が走査測定システム１２に連結された際のその動的挙動は、すべての偏向方向（座標方向）において実質的に等しい。平行四辺形の構造物は、空間上を移動する測定センサ１５と走査ヘッドベース３４との間のスプロケットチェーンとして機能する。走査測定システム１２の個々の構成部品を上記のように構成することにより、これに平行に変位しつつ、測定センサ１５がＸ方向、Ｙ方向、およびＺ方向に同時に偏向することができる。

また本発明に係る別の走査測定ヘッドのさらなる詳細が図７から明らかである。この走査測定ヘッドは、図６に示す走査測定ヘッドと同様に構成されているが、１次元の走査測定ヘッドに関するものである。よって同一の参照符号を用いて説明する。ただし図７は、概略的に図示するものである。測定センサ１５は、走査スライド部品１５．３を含むプローブピン１５．２を有する。この点に関して、走査スライド部品１５．３の形状は、必ずしも理想的な球面形状ではなくともよいということに留意されたい。走査スライド部品１５．３は、楕円形状、円筒形状、または大きい曲率を有する別の好適な形状を有するものであってもよい。本発明によれば、走査スライド部品１５．３は、名前が示すとおり、ランナ部品であって、ランナ測定デバイス１のランナ部品と同様のものである。表面粗さを測定する際、走査スライド部品１５．３は、走査測定すべき面Ｆ上を引きずりながら移動するものであり、十分に大きな曲率半径を有する必要がある。好適な実施形態では、走査スライド部品１５．３は、軸方向（Ａ２の方向）に１０ｍｍの半径を有し、半径方向に１ｍｍの半径を有する。当然に、大きい半径が好ましい。プローブ先端部１５．４までの距離を短くすべく、ランナとして機能する走査スライド部品１５．３の一部は、半径から一部領域のみを含むものであるが、このランナの端部が面Ｆの上方をスライドするリスクがあるため、半径を必要以上に大きくするように選択すべきではない。端部の半径があまりにも小さいとき、誤差が生じる。

好適には、プローブ先端部１５．４の先端部半径は、数マイクロメートルである。約２〜１０マイクロメートルの範囲の先端部半径を有するプローブ先端部１５．４が特に好ましい。

走査スライド部品に加え、測定センサ１５は、上述のような一体化されたプローブ先端部１５．４を有する。このプローブ先端部１５．４は、走査スライド部品１５．３の底部より微小距離Ａだけ後方に配置されている。距離Ａは０であることが理想である。しかし、そうすると、２つの方向においてドーム状に形成された走査スライド部品１５．３を配置することはできない。球面形状を有する走査スライド部品１５．３において、プローブ先端部１５．４を受容するための孔を設けることに意味はない。そうすると、孔の端部が面Ｆに当接するためである。図示された実施例では、距離Ａは、１．５ｍｍである。一般に、距離Ａは、１．５ｍｍ〜５ｍｍの間である。このプローブ先端部１５．４は、図４でも示すように、浮動状態で支持され、これによりナノメートルから約５００マイクロメートルの大きさを有する面Ｆ上の構造体、構成要素および特徴物を検知または測定することができる。

プローブ先端部１５．４は、同様に、走査スライド部品１５．３に直接的に一体化してもよい。ただし、これは、移動方向に対して垂直である半径を有する走査スライド部品１５．３に対してのみ機能するものである。しかし、このような走査スライド部品１５．３には問題がある。湾曲しない走査スライド部品１５．３の方向は、まさに面Ｆに平行な方向となるためである。

測定センサ５は、図７に示す実施形態と同様、平行四辺形構造体４０に取り付けられる。任意ではあるが、測定センサ１５は、置換ディスク１５．１および／または図６に示す構成部品１７．４、３２．４，３６、および３２．３を介してばね平行四辺形構造体４０に連結される。これらの構成部品は、図７の概略図には図示されていない。任意的な置換ディスク１５．１は破線で図示されている。

平行四辺形構造体４０は、２つの平行な構成部品４１と、これに対して垂直で別の２つの平行な構成部品４２とを有する。後方の構成部品４２は基準ベースとして機能してもよい。この場合、後方の構成部品は、たとえば塔部１８または走査ヘッドベース３４に連結される。指示部品４３またはジブを基準ベース上に取り付けてもよい。走査スライド部品１５．３は、プローブピン１５．２とともに、Ｚ方向に平行に偏向し、前方部分４２は、ＸＺ平面内をシフト移動する。ＸＺ平面内の横方向の移動は、１次元トランスデューサ４４に対する指示部品４３またはジブの相対的な位置を表示するものである。このトランスデューサ４４は、直線的スケールの形態で表示される。このトランスデューサ４４は、面Ｆの形状を記述する信号ｆ２を出力することができる。

測定装置１０は、テストすべき構造物要素１１（図５ではたとえば円筒状ホイール１１という）に対して、たとえば垂直方向または半径方向から接近するように走査スライド部品１５．３を案内して、プローブピン１５．２の長手方向軸Ａ２を水平状態とすることができる。さらに測定デバイス１０は、走査スライド部品１５．３が所定の面に当接するまで、構造物要素１１を回転させるか、移動させることができる。こうして、開始時より、たとえば構造物要素１１の湾曲した歯状面に当接させることができる。このために、搬送手段を用いて、測定センサ１５をＸＹＺ座標系において搬送することができ、上述のように、空間上の１つ、２つ、または３つすべての座標方向における平行四辺形構造体により、偏向することができる。

走査スライド部品１５．３は、始点から終点まで面Ｆの上方を移動する。好適には、走査スライド部品１５．３は、図７の矢印Ｐ５で示すように、面Ｆの上方を引きずられる。走査スライド部品１５．３が引きずられている間、プローブ先端部１５．４は先行する。走査スライド部品１５．３が面上を押されている場合、プローブ先端部１５．４は後に続く（後行する）。

本発明に係る測定装置１０は、互いに関連する２つの信号ｆ２，ｆ３を出力する。第１の出力信号ｆ２は、既知の１次元、２次元、または３次元の測定装置である走査スライド部品１５．３が面上を走査した際に得られた信号である。例示的な測定信号ｆ２が図８Ｂに図示されている。測定信号ｆ２は、走査スライド部品１５．３が面Ｆ上を−Ｙ方向に引きずられる間に生成されたものである。第２の出力信号ｆ３は、プローブ先端部１５．４から得られた信号である。この信号ｆ３は、プローブ先端部１５．４が面上を−Ｙ方向に引きずられる間に生成されたものである。第１の出力信号ｆ２および第２の出力信号ｆ３は、空間的にも時間的にも互いに対して関連するものである。

上述の測定構成において、本発明に係る測定装置１０は、（１次元測定の場合）直線に沿って、（２次元測定の場合）ＸＺ平面において、（３次元測定の場合）３つのＸＹＺ方向で走査した空間において、走査スライド部品１５．３のすべての偏向を検出する。たとえば図７に示すように、Ｚ面における偏向を１次元測定装置で測定することができる。３次元または２次元空間の偏向は、第１の出力信号ｆ２により表示される（図８Ｂを参照されたい。）。

本発明の第１の実施形態において、出力信号ｆ２（図８Ｂ）および出力信号ｆ３（図８Ａ）の２つの信号を互いに関連付けるために、空間的な関係のみを用いた。走査スライド部品１５．３は、走査される面Ｆにおいて、Ｙ軸の負の方向に平行な直線に沿って引きずられるとき、プローブ先端部１５．４の出力信号ｆ３は、走査スライド部品１５．３とプローブ先端部１５．４の距離Ａだけ正確に直線的にずれる。信号ｆ２の直線的なずれにより、図８Ｃに概略的に示す空間的にシフトした信号ｆ２^＊を生成する。そして信号ｆ２^＊およびｆ３を加算により重ね合わせ処理を行うことができる。重ね合わせ処理により、信号ｆ_ｅｆｆを得ることができ、単純な足し算（ｆ_ｅｆｆ＝ｆ２^＊＋ｆ３）で求めることができる。重ね合わせ処理において他の関数を用いることもできる。すなわち、信号ｆ３は、信号ｆ２^＊より強く重み付けすることができる。

本発明に係るさらなる実施形態において、空間的および時間的関係の両方を用いることができる。走査スライド部品１５．３は、プローブ先端部１５．４とともに面Ｆ上を所定または既知の速度ｖ（ｔ）で案内されるという事実から、時間的関係を知ることができる。走査スライド部品１５．３および上記すべてのプローブ先端部１５．４の慣性に起因して、速度ｖ（ｔ）に依存して、多少異なる結果を得ることができる。これは、移動速度ｖ（ｔ）が大きすぎると、走査スライド部品１５．３および／またはプローブ先端部１５．４が面Ｆ上の特徴物の上をジャンプする場合の具体例を考慮すれば明らかである。

測定センサ１５は極めて敏感なものであり、迅速な測定を行う場合、Ｘ座標軸、Ｙ座標軸、およびＺ座標軸に広がる空間内を移動する際、あるいは回転軸Ａ１の周りに構造体要素１１が移動する際に、測定センサ１５が構造体要素１１に衝突しないことが重要である。特定の測定プロトコルに依存して、異なる測定センサ１５を採用可能でなければならない。

プローブ先端部１５．４がスキャナの「パイプ」１５．２により多少なりとも保護されるということは、本発明の利点である。３次元測定センサにスキャナ１５を配置することにより、衝突に際して完全に保護することができる。

上述のとおり、好適には、置換可能な測定センサ１５が用いられる。置換機能は、好適には、置換ディスク１５．１に統合される。

１次元、２次元、または３次元の測定センサ１５が用いられ、プローブ先端部１５．４は、使用しないとき、収容された状態にしておくことができる。そのために、通電時において磁性引力がプローブ先端部１５．４の内側面またはレバーアーム１３．１に作用する電磁石を、たとえばプローブピン１５．２の内側に取り付けてもよい。こうしてプローブ先端部１５．４をプローブピン１５．２内に収容された状態にすることができる。必要に応じて、電磁石への通電を停止してプローブ先端部１５．４を作動状態にすることにより、走査スライド部品１５．３を用いて、たとえば従来式の１次元、２次元、または３次元のプローブ測定を実施することができる。

本発明のさらなる実施形態において、プローブ先端部１５．４は、レバーアーム１３．１ともに、走査スライド部品１５．３より水平方向後方に配置される。

装置１０の機能性に関する詳細については、「ギア測定のための汎用プローブヘッド」と題する独国特許第19721015号公報に記載されている。

１…ランナセンサ、２…ランナ、３…スキャナ、３．１…レバーアーム、３．２…ピボットアーム、３．３…張力ばね、４…プローブ先端部、５…基準面センサ、５．１，５．２…基準面センサの構成部品、６…支持部品；
１０…測定装置、１１…構造体要素、１２…走査測定システム、１３…捕獲部、１３．１…レバーアーム、１３．２…ピボットベアリング、１３．３…伸張ばね、１４…中央配置手段、１５…表面粗さ測定センサ、１５．１…置換ディスク、１５．２…プローブピン、１５．３…走査スライド部品、１５．４…プローブ先端部、１５．５…構成部品、１５．６…ヒンジ、１７．４…プローブピン担持部、１８…塔部；
２１…対配置される構成部品、２２…対配置される構成部品、２５…垂直バー、２６…二重ヒンジロッド、２７…二重ヒンジロッド；
３１…第１のばね平行四辺形構造体、３２．１， ３２．２， ３２．３， ３２．４， ３２．５…ばねヒンジ、３３…対配置される構成部品、３４…走査ヘッドベース、３５…対配置される構成部品、３６…接続部、３７…伸張ばね、３８…第２のばね平行四辺形構造体；
４０…平行四辺形構造体、４１…対配置される構成部品、４２…対配置される構成部品、４３…指示部品、４４…固定トランスデューサ；
Ａ…距離、Ａ１…回転軸、Ａ２…長手方向軸、Ｅ…基準面、Ｆ…面、ｆ１…基準面センサの信号、ｆ２…２次元または３次元の走査ヘッドの信号、ｆ２^＊…ｆ２のシフト信号、ｆ３…プローブ先端部の信号、信号ｆ_ｅｆｆ…重ね合わせ処理信号、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４…双方向矢印、Ｐ５…矢印、座標…Ｘ，Ｙ，Ｚ、速度…ｖ（ｔ）。

Claims (10)

1. 表面粗さ検出システム（１２）および表面粗さ測定センサ（１５）を備え、スライド部品およびプローブ先端部（１５．４）が協働して作動する装置（１０）であって、
   スライド部品は、走査スライド部品（１５．３）の形態として、プローブピン（１５．２）の最端部に配置され、
   プローブ先端部（１５．４）は、プローブピン（１５．２）の内部に配置され、
   走査スライド部品（１５．３）とプローブ先端部（１５．４）との間の距離（Ａ）は、０より大きく、予め設定され、
   この装置（１０）は、走査スライド部品（１５．３）およびプローブ先端部（１５．４）とともにプローブピン（１５．２）を、走査すべき面（Ｆ）上で一体的に搬送する搬送デバイスを備え、
   表面粗さ検出システム（１２）は、
   ・平行四辺形構造体（３１，３８，走査スライド部品４０）を有する１次元、２次元、または３次元の走査システムであり、
   ・走査スライド部品（１５．３）を用いて収集され、走査すべき面（Ｆ）の形状または形態を表すことができる第１の信号（ｆ２）を出力し、
   ・プローブ先端部（１５．４）を用いて収集され、走査すべき面（Ｆ）の表面粗さを表すことができる第２の信号（ｆ３）を第１の信号（ｆ２）の出力と同時に出力することを特徴とする装置。
2. 請求項１に記載の装置（１０）であって、
   第１の信号（ｆ２）および第２の信号（ｆ３）を空間的におよび／または時間的に関連付けて、走査すべき面（Ｆ）の特性に関する情報を得ることを特徴とする装置。
3. 請求項１または２に記載の装置（１０）であって、
   表面粗さ測定センサ（１５）は、複数の自由度に関して偏向可能であり、
   表面粗さ検出システム（１２）は、偏向に関する情報を表す信号（ｆ２）を生成することを特徴とする装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１に記載の装置（１０）であって、
   走査スライド部品（１５．３）およびプローブ先端部（１５．４）とともにプローブピン（１５．２）は、その長手方向軸（Ａ２）の周りに回転可能に支持されることを特徴とする装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１に記載の装置（１０）であって、
   プローブピン（１５．２）は、少なくとも部分的には中空に形成され、その内部にレバーアーム（１３．１）を受容し、レバーアームの一方の端部にプローブ先端部（１５．４）を設けたことを特徴とする装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１に記載の装置（１０）であって、
   プローブ先端部（１５．４）をプローブピン（１５．２）の内部に収容できるように、電磁石がプローブピン（１５．２）の内部に配設されることを特徴とする装置。
7. 平行四辺形構造体（３１，３８，４０）を有する１次元、２次元、または３次元の走査システムを用いて、面（Ｆ）を走査する方法であって、
   プローブピン（１５．２）の最端部に配置された走査スライド部品（１５．３）を含み、走査スライド部品（１５．３）から、０より大きい距離（Ａ）だけ離間したプローブ先端部（１５．４）を有し、平行四辺形構造体（３１，３８，４０）に取り付けられたプローブピン（１５．２）を搬送して、走査スライド部品（１５．３）が面（Ｆ）の一点と当接させるステップと、
   プローブピン（１５．２）を面（Ｆ）に沿って少なくとも１つの座標方向に移動させることにより、走査スライド部品（１５．３）およびプローブ先端部（１５．４）を、面（Ｆ）上において距離（Ａ）を離間させた状態で移動させるステップと、
   走査スライド部品（１５．３）に付随する１次元、２次元、または３次元のトランスデューサから、走査すべき面（Ｆ）の形状または形態を表すことができる第１の出力信号（ｆ２）を収集するステップと、
   プローブ先端部（１５．４）に付随するトランスデューサから、走査すべき面（Ｆ）の表面粗さを表すことができる第２の出力信号（ｆ３）を収集するステップと、
   第１の出力信号（ｆ２）と第２の出力信号（ｆ３）とを関連付けるステップとを有することを特徴とする方法。
8. 請求項７に記載の方法であって、
   関連付けるステップは、第１の出力信号（ｆ２）または第２の出力信号（ｆ３）を、距離（Ａだけ）空間的にずらした後に、重ね合わせ処理を行うことにより実行されることを特徴とする方法。
9. 請求項７に記載の方法であって、
   関連付けるステップは、第１の出力信号（ｆ２）または第２の出力信号（ｆ３）を、時間的にずらした後に、重ね合わせ処理を行うことにより実行されることを特徴とする方法。
10. 請求項７〜９のいずれか１に記載の方法であって、
    プローブピン（１５．２）が搬送されるとき、プローブピンの長手方向軸（Ａ２）の周りにプローブピンを回転させることを特徴とする方法。

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