JP5735336B2 - 表面性状測定機 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1では、ベースに立設されたコラムと、このコラムに調整装置を介して昇降可能に設けられたホルダと、このホルダに設けられたハウジングと、このハウジング内にリニアモータを介して水平方向へ移動可能に設けられたシーソーと、ハウジングの外側において連結手段を介してシーソーに連結された測定アームと、この測定アームの先端に設けられたスタイラスとを備え、ハウジングの外側において測定アームを交換できるようにした輪郭測定機が提案されている。
また、測定アームを着脱可能とする連結手段がハウジングの外側にあるため、測定アームやスタイラスに外力が作用して測定アームが連結手段から外れると、測定アームが落下しやすい。すると、測定アームやスタイラスの破損を招く。更に、連結手段がハウジングの外側に露出しているため、測定時において、連結手段が被測定物に干渉し、連結手段が破損される虞もあるうえ、使用している外部環境によっては汚れやすい。
また、先端にスタイラスを有する第2測定アームが着脱機構を介して着脱可能に構成されているから、被測定物の測定部位形状に応じた最適なスタイラスを有する測定アームに交換して測定することができる。
この際、着脱機構がケーシング内に配置されているから、測定アームやスタイラスに外力が作用して測定アームが着脱機構から外れても、測定アームが落下する虞を少なくできる。従って、測定アームやスタイラスの破損を防止できる。更に、着脱機構がケーシングの内部にあるため、着脱機構が被測定物に衝突する虞もないから、被測定物との衝突による着脱機構の破損や、外部環境による汚れも低減できる。
しかも、着脱機構がケーシング内に配置されているため、つまり、着脱機構が測定アームの支点に近くなるため、測定アームの着脱時において、支点にかかるモーメントを低減でき、支点の軸受けの負荷低減、破損防止効果が期待できる。
この点、上記構成によれば、第1プレートに対して第2プレートを概略一致する位置に対向させると、磁石とこれに吸着される磁性体とによって、第1プレートと第2プレートとが吸着される。このとき、第1プレートに対して第2プレートを所定の位置に位置決めする位置決め機構が、一対の円柱状位置決め部材を所定間隔あけて平行に配置した第1着座部、第2着座部および第3着座部と、これらにそれぞれ対応して設けられた係合球部とを含んで構成されているから、各係合球部が各着座部を構成する一対の円柱状位置決め部材にガイドされながらこれらの間の正しい位置に嵌り込むため、目視確認できなくても、第1プレートに対して第2プレートを概略一致する位置に対向させるだけのワンタッチ操作で、測定アームの交換作業を正確に行うことができる。
更に、測定時などにおいて、スタイラスや測定アームに磁石の吸着力よりも大きな外力が作用すると、第1プレートと第2プレートとの結合が外れる。すると、それ以上の外力がスタイラスや測定アーム、検出手段内部の機構に作用しないから、これらの破損も未然に防ぐことができる。
また、測定時などにおいて、スタイラスや測定アームに磁石の吸着力よりも大きな外力が作用し、第1プレートと第2プレートとの結合が外れようとした場合でも、係合孔に係合ピンが引っ掛かるため、外れにくい。
本実施形態に係る表面性状測定機は、図1に示すように、ベース1と、このベース1上に載置され上面に被測定物を載置するステージ10と、被測定物の表面に接触されるスタイラス26A,26Bを有するスタイラス変位検出手段20と、このスタイラス変位検出手段20とステージ10とを相対移動させる相対移動機構40とを備える。
X軸駆動機構45は、図2に示すように、Zスライダ43に固定された駆動機構本体46と、この駆動機構本体46にX軸方向と平行に設けられたガイドレール47と、このガイドレール47に沿ってX軸方向へ移動可能に設けられたXスライダ48と、このXスライダ48のX軸方向位置を検出するX軸位置検出器49と、Xスライダ48をガイドレール47に沿って移動させる送り機構50とを備える。
送り機構50は、駆動機構本体46にガイドレール47と平行に設けられXスライダ48に螺合された送りねじ軸51と、駆動源としてのモータ52と、このモータ52の回転を送りねじ軸51に伝達する回転伝達機構53とから構成されている。回転伝達機構53は、例えば、歯車列や、ベルトおよびプーリなどの機構によって構成されている。
スタイラス26A,26Bは、第2測定アーム24Bに対して円弧運動方向に突出して設けられている。つまり、第2測定アーム24Bに対して上向きのスタイラス26Aと下向きのスタイラス26Bとが上下方向に直角に突出して設けられている。
バランスウエイト29は、回転軸23を支点として第1測定アーム24A側の重量と、第2測定アーム24B側の重量とがバランスするように、測定アーム24の軸方向へ位置調整可能に設けられている。具体的には、バランスウエイト29は、止めねじにより測定アーム24の所望位置に固定される。あるいは、測定アーム24に雄ねじを形成し、この雄ねじにバランスウエイト29を位置調整可能に螺合してもよい。
ここに、測定アーム姿勢切替機構60は、測定アーム24を回転軸23を支点として円弧運動方向へ付勢するボイスコイル62を含み、測定アーム24を円弧運動方向へ付勢しスタイラス26A,26Bに測定力を付与する測定力付与手段を兼ねている。
ここで、指令信号発生手段72から発生される電圧A(指令速度信号)は、スタイラス26A,26Bが被測定物に接触した際に、スタイラス26A,26Bや被測定物が損傷することがない速度に設定されている。
係合球部88,89,90および係合孔91,92は、第2プレート82に配置されている。つまり、第1プレート81に対して第2プレート82を所定位置に位置決めしたときに、第2プレート82において、第1プレート81の第1着座部85、第2着座部86、第3着座部87に対応する位置に係合球部88,89,90が、係合ピン93,94に対応した位置に係合孔91,92が、磁石95に対応した位置に磁性体96がそれぞれ配置されている。
接触検知回路100は、着座センサ97,98,99の接触、離間を検知し、その状態をランプの点灯や消灯、表示部への表示、あるいは、ブザーなどの音などで報知する。
また、係合ピン93,94の突出量は、これら係合ピン93,94が係合孔91,92に係合し始めてから、磁石95に磁性体96が吸着されるように設定されている。
ここで、制御装置101は、接触検知回路100においていずれかの着座センサ97,
98,99が離間したことが検知されたときに、相対移動機構40(Y軸駆動機構41、Z軸駆動機構44、X軸駆動機構45)の駆動を停止させる駆動停止手段を構成している。また、制御装置101は、第2測定アーム24Bの交換後に、測定アーム姿勢切替機構60のボイスコイル62に通電する電流を調整して測定アーム24のバランスを調整するバランス調整手段を構成している。具体的には、変位検出器27によって検出される測定アーム24の円弧運動量を監視しながら、ボイスコイル62に通電する電流を調整し、測定アーム24の円弧運動量が予め設定した設定値になった段階でバランス調整を完了させるバランス調整手段を構成している。
(孔の内周面の上下面を測定する場合)
例えば、図9に示すように、被測定物W1の穴Hの内周面のうち、下面と上面とを測定する場合、相対移動機構40を駆動させて、測定アーム24のスタイラス26A,26Bを被測定物W1の穴H内に位置させたのち、制御装置101から、下向切替動作指令および測定力指令を出力する。すると、測定姿勢・測定力制御回路70によって、測定アーム24の先端が下向きに付勢されるとともに、指令測定力に応じた電流が、測定アーム姿勢切替機構60のボイスコイル62に与えられる。
これにより、測定アーム姿勢切替機構60によって、測定アーム24の先端が例えば下方向に付勢される方向へ予め設定された速度で測定アーム24が動作され、下向きスタイラス26Bが指令測定力で穴Hの下面に接触される。この状態において、相対移動機構40によりスタイラス変位検出手段20とステージ10とを穴Hの軸方向(X軸方向)へ相対移動させると、変位検出器27によって測定アーム24の円弧運動量が検出され、この円弧運動量から穴Hの下面の表面性状が測定される。
この状態において、相対移動機構40によりスタイラス変位検出手段20とステージ10とを穴の軸方向(X軸方向)へ相対移動させると、変位検出器27によって測定アーム24の円弧運動量が検出され、この円弧運動量から穴Hの上面の表面性状が測定される。
図10に示すように、板状の被測定物W3の厚みを測定する場合、同様にして、制御装置101からの指令により、相対移動機構40を駆動させて、測定アーム24のスタイラス26A,26Bを被測定物W3の下面側に位置させたのち、測定アーム姿勢切替機構60によって測定アーム24の先端が円弧運動方向の上方向に付勢される姿勢に切り替えて、上向きスタイラス26Aを被測定物の下面に接触させる。この状態において、相対移動機構40によりスタイラス変位検出手段20とステージ10とをX軸方向へ相対移動させると、変位検出器27によって測定アーム24の円弧運動量が検出され、この円弧運動量から被測定物W3の下面の表面性状が測定される。
このようにして得られた被測定物W3の下面表面性状と、被測定物W3の上面表面性状とから、被測定物W3の厚みtや段差dなどを正確に求めることができる。
つまり、測定アーム姿勢切替機構60によって、測定アーム24の先端が、例えば下方向から上方向へ切替動作されると、変位検出器27から測定アーム24の円弧運動量に対応した数のパルス信号が出力される。すると、周波数電圧コンバータ74により、変位検出器27からのパルス信号を基に測定アーム24の動作速度に対応した電圧Bが検出される。そして、この測定アーム24の動作速度に対応した電圧Bと指令信号発生手段72から出力される指令速度信号に応じた電圧Aとの差電圧Cが求められ、この差電圧Cに基づいてボイスコイル62に流す電流が制御されるから、測定アーム24の切替動作速度を指令信号発生手段72から出力される指令速度信号に保つことができる。
また、測定アーム24の動作速度を任意の指令速度に保つことができるから、測定アーム24の動作速度を被測定物の材質などに適した速度に設定することができる。
しかも、測定姿勢・測定力制御回路70は、測定アーム24の円弧運動量、つまり、スタイラス26A,26Bの変位を検出する変位検出器27からのパルス信号を利用しているから、測定アーム24の切替動作速度を検出する速度検出手段を特別に設けなくてもよく、安価にかつコンパクトに構成できる。
これらの測定時などにおいて、スタイラス変位検出手段20の変位検出器27は、スケール27Aと検出ヘッド27Bとを含んで構成され、スケール27Aの検出面が測定アーム24の軸線上でかつ円弧運動面に配置されているから、オフセットなどによる誤差を低減して高精度な測定が期待できる。
このとき、第1プレート81と第2プレート82との結合が外れようとした場合でも、係合孔91,92に係合ピン93,94が引っ掛かるため、第2測定アーム24Bが落下する虞が少なく、しかも、着脱機構25がケーシング28内に配置されているから、測定アーム24やスタイラス26A,26Bに外力が作用して第2測定アーム24Bが着脱機構25から外れても、第2測定アーム24Bが落下する虞を少なくできる。従って、測定アーム24やスタイラス26A,26Bの破損を防止できる。更に、着脱機構25がケーシング28の内部にあるため、着脱機構25が被測定物に衝突する虞もないから、被測定物との衝突による着脱機構25の破損や、外部環境による汚れも低減できる。
被測定物の測定部位に応じて、異なるスタイラスを有する第2測定アーム24Bに交換する場合、まず、磁石95の吸着力よりも大きな力で、第2測定アーム24Bの第2プレート82を第1測定アーム24Aの第1プレート81から引き離したのち、新たに使用するスタイラスを有する第2測定アーム24Bの第2プレート82を第1プレート81に対向させる。
すると、磁石95とこれに吸着される磁性体96とによって、第1プレート81と第2プレート82とが吸着される。このとき、各係合球部88,89,90が各着座部85,86,87を構成する一対の円柱状位置決め部材84A,84Bにガイドされながらこれらの間の正しい位置に嵌り込むため、目視確認できなくても、第1プレート81に対して第2プレート82を概略一致する位置に対向させるだけのワンタッチ操作で、新たな第2測定アーム24Bを装着することができる。
従って、被測定物の測定部位形状に応じた最適なスタイラスを有する第2測定アーム24Bに交換して測定することができる。
また、接触検知回路100によって、着座センサ97,98,99の接触、離間を検知することができるので、第2測定アーム24Bの交換時においては、第2測定アーム24Bが適切に交換できたか否かを確認することができる。
つまり、ステップ(以下、STと略す)1において、制御装置101から測定力0の設定指令を出力したのち、ST2において、変位検出器27の値監視を開始する。
ST3において、制御装置101からある測定力の設定指令を出力すると、ST4において、制御装置101は、ある時間内での変位検出器27の値変化量がある範囲以内であるかをチェックする。
ST4において、ある時間内での変位検出器27の値変化量がある範囲以内でない場合には、つまり、交換した第2測定アーム24Bを含む測定アーム24のバランスが大きく崩れてしまった場合には、ST5へ進み、変位検出器27の値が変化する方向とは逆の方向に測定力の設定指令を出力し、ST4において、ある時間内での変位検出器27の値変化量がある範囲以内になるまでST5の処理を繰り返す。
ST4において、ある時間内での変位検出器27の値変化量がある範囲以内になると、ST6において、測定アーム24のバランスがとれたと判断し、処理を終了する。
なお、測定時において測定力を設定するには、バランスがとれた状態の測定力を0として、それから測定時に付加する測定力を加算して測定力を設定する。
とくに、バランス調整手段は、変位検出器27によって検出される測定アーム24の円弧運動量を監視しながら、ボイスコイル62に通電する電流を調整し、測定アーム24の円弧運動量が予め設定した設定値になった段階でバランス調整を完了するから、測定アーム24のバランス調整を正確に行うことができる。
本発明は、前述の実施形態に限定されるものでなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれる。
また、円弧運動方向については、上記実施形態では上下方向であったが、水平方向であってもよく、あるいは、上下方向や水平方向以外の斜め方向へ揺動する構造でもよい。
ST13において、制御装置101は、変位検出器27の値がある値以下かをチェック、つまり、カウンタ値が振り切れているかのチェックを行う。
ST13において、変位検出器27の値がある値以下でない場合には、ST14へ進み、最大値から最小値までの中央の測定力もしくは過去2回の測定力の中央の測定力を振り切れた方向とは逆の方向に設定指令し、ST13において、変位検出器27の値がある値以下になるまでST14の処理を繰り返す。
ST13において、変位検出器27の値がある値以下である場合には、ST15に進み、ある時間内での変位検出器27の値変化量がある範囲以内であるかをチェックする。
ST15において、ある時間内での変位検出器27の値変化量がある範囲以内でない場合には、ST16へ進み、最大値から最小値までの中央の測定力もしくは過去2回の測定力を、変位検出器27の値が変化する方向とは逆の方向に設定指令し、ST13に戻る処理を繰り返す。
ST15において、ある時間内での変位検出器27の値変化量がある範囲以内になると、ST17において、測定アーム24のバランスがとれたと判断し、処理を終了する。
ST23において、測定力0の設定指令を出力したのち、ST24において、下向きフリーとし、ST25において、変位検出器27の値監視を開始する。
ST26において、制御装置101は、変位検出器27の値がある値以下かをチェック、つまり、カウンタ値が振り切れているかのチェックを行う。
ST26において、変位検出器27の値がある値以下でない場合には、ST27へ進み、振り切れた方向とは逆の方向にある値の測定力を設定指令し、ST26において、変位検出器27の値がある値以下になるまでST27の処理を繰り返す
ST26において、変位検出器27の値がある値以下になると、ST28に進み、ある時間内での変位検出器27の値変化量がある範囲内であるかをチェックする。
ST28において、ある時間内での変位検出器27の値変化量がある範囲内でない場合、ST29へ進み、過去2回の測定力の中央の測定力もしくは前回設定した測定力の半分の測定力を、変位検出器27の値が変化する方向とは逆の方向に設定指令し、ST26に戻る処理を繰り返す。
ST28において、ある時間内での変位検出器27の値変化量がある範囲内になると、ST30において、測定アーム24のバランスがとれたと判断し、処理を終了する。
図14に示す測定姿勢・測定力制御回路70は、変位検出器27からのパルス信号(位置情報)を基に測定アーム24の切替動作速度を演算するとともに、この演算された切替動作速度が予め設定された指令速度になるような電圧(制御信号)を発生する演算制御手段77と、この演算制御手段77からの電圧(制御信号)をアナログ信号に変換するデジタルアナログコンバータ73と、このデジタルアナログコンバータ73からの出力に基づいてボイスコイル62に流す電流を発生させる定電流回路76とを備えた構成である。
20…スタイラス変位検出手段、
22…ブラケット(本体)
23…回転軸(支持軸)、
24…測定アーム、
24A…第1測定アーム、
24B…第2測定アーム、
25…着脱機構、
26A,26B…スタイラス、
27…変位検出器、
27A…スケール、
27B…検出ヘッド、
28…ケーシング、 40…相対移動機構、
60…測定アーム姿勢切替機構(測定力付与手段)、
61…磁石、
62…ボイスコイル、
70…測定姿勢・測定力制御回路(速度制御機構)、
81…第1プレート、
82…第2プレート、
83…位置決め機構、
84A,84B…円柱状位置決め部材、
85…第1着座部、
86…第2着座部、
87…第3着座部、
88,89,90…係合球部、
91,92…係合孔、
93,94…係合ピン、
95…磁石、
96…磁性体、
97,98,99…着座センサ、
100…接触検知回路、
101…制御装置(駆動停止手段、バランス調整手段)。
Claims (3)
- 本体に支持軸を支点として円弧運動可能に支持された測定アーム、この測定アームの先端に設けられたスタイラス、前記測定アームの円弧運動量を検出する変位検出器、および、前記本体を覆うケーシングを有する検出手段と、被測定物を載置するステージと、前記検出手段と前記ステージとを相対移動させる相対移動機構とを備え、前記スタイラスを被測定物の表面に接触させた状態において、前記相対移動機構により前記検出手段と前記ステージとを相対移動させながら前記変位検出器によって前記測定アームの円弧運動量を検出し、この円弧運動量から被測定物の表面性状を測定する表面性状測定機において、
前記測定アームは、前記ケーシング内において前記検出器本体に前記支持軸を支点として揺動可能に支持された第1測定アームと、この第1測定アームの先端に着脱機構を介して着脱可能に設けられ先端に前記スタイラスを有する第2測定アームとを含んで構成され、前記着脱機構が前記ケーシング内に配置され、
前記変位検出器は、前記本体および前記測定アームのいずれか一方に配置されたスケールと、前記本体および前記測定アームのいずれか他方に前記スケールに対向して配置された検出ヘッドとを含んで構成され、前記スケールの検出面が前記測定アームの軸線上でかつ測定アームの円弧運動面上に配置されており、
前記着脱機構は、前記第1測定アームの先端に設けられた第1プレートと、前記第2アームの基端に設けられた第2プレートと、前記第1プレートに対して前記第2プレートを対向させた際に前記第1プレートに対して前記第2プレートを所定の位置に位置決めする位置決め機構と、前記第1プレートおよび前記第2プレートのいずれか一方に設けられた磁石と、前記第1プレートおよび前記第2プレートのいずれか他方に設けられ前記磁石に吸着される磁性体とを備え、
前記位置決め機構は、一対の円柱状位置決め部材が前記測定アームの軸方向に沿って平行にかつ所定間隔あけて配置された第1着座部と、一対の円柱状位置決め部材が前記測定アームの軸方向に沿って平行にかつ所定間隔あけて配置されかつ前記第1着座部に対して前記測定アームの軸方向に離間して設けられた第2着座部と、一対の円柱状位置決め部材が前記測定アームの軸方向に対して直角にかつ所定間隔あけて配置された第3着座部と、これら第1着座部、第2着座部および第3着座部にそれぞれ対応して設けられこれらに係脱可能な係合球部とを備え、前記第1着座部、第2着座部および第3着座部が前記第1プレートおよび第2プレートのいずれか一方に配置され、前記係合球部が前記第1プレートおよび第2プレートのいずれか他方に配置されており、
前記位置決め機構は、前記第1プレートおよび第2プレートの片方に形成された少なくとも2以上の係合孔と、前記第1プレートおよび第2プレートのもう片方に配置され前記各係合孔に係合する少なくとも2以上の係合ピンとを含んで構成されており、
前記係合ピンの突出量は、当該係合ピンが前記係合孔に係合し始めてから、前記磁石に前記磁性体が吸着されるように設定されている、
ことを特徴とする表面性状測定機。 - 請求項1に記載の表面性状測定機において、
前記各着座部を構成する一対の円柱状位置決め部材および前記係合球部は、導電性材料によって形成され、各着座部を構成する一対の円柱状位置決め部材とこれに係脱される係合球部との接触、離間によって開閉される着座センサが形成され、
これらの着座センサの接触、離間を検知する接触検知回路を備えている、
ことを特徴とする表面性状測定機。 - 請求項2に記載の表面性状測定機において、
前記接触検知回路においていずれかの着座センサが離間したことが検知されたときに、前記相対移動機構の駆動を停止させる駆動停止手段を備えている、
ことを特徴とする表面性状測定機。
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