JPH0521405B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

(イ) 発明の目的 ［産業上の利用分野］ この発明は工作物等の表面の粗さを高感度に測
定するための光学式粗さ計に関するものである。 工作物の表面の粗さは、寸法精度、形状精度と
ともに、機械加工の特性を評価するための重要な
因子である。表面品位の良否は単に外見的な問題
にとどまらず、加工部品の機能とも密接に関連し
ている。個々の部品に要求される表面粗さの程度
を満たすように機械加工を行うことは、加工能率
並びに、使用工具や工作機械の状態とも関連して
くるため、品質管理の一端として表面粗さに注目
することが、機械加工の高度の自動化を達成する
うえで、益々重要な課題になつてきている。 ［従来の技術］ 表面粗さ測定法としては、従来より触針式表面
粗さ測定法が広く用いられている。 ［発明が解決しようとする問題点］ しかるに触針式表面粗さ測定法は、信頼性が高
く、測定精度の面でも優れているが、測定速度が
低いこと、被測定物を測定装置に取付けることが
必要なこと、軟質金属に対しては表面を傷つける
可能性があること等が難点となつている。一方、
本件発明の発明者の一人らは、加工サイクル中に
おいて非接触で表面粗さを測定するための方法を
開発し、切削中における測定、加工後ではある
が、オンマシンでの測定の可能性を示すととも
に、開発の目的の一つである工作機械の振動と表
面粗さの関連を明らかにするための実験に適用
し、多くの知見を得た。 しかし、機械加工部品が多様化している現在、
超精密加工や研削加工における、上に述べたよう
な課題に対処するためにはより高速、高精度な測
定をインプロセスで行い得るとともに、測定対象
である機械加工部品の種類に応じて精度と測定範
囲を選択し得る粗さ計の開発が必要になつてきて
いる。 この発明は上記の如き事情に鑑みてなされたも
のであつて、被測定面に対して非接触で、従つ
て、被測定面を傷つけることがなく、高速、高精
度でインプロセス測定が可能であり、かつ、測定
対象である機械加工部品の種類に応じて精度と測
定範囲を選択し得る粗さ計を提供することを目的
とするものである。 (ロ) 発明の構成 ［問題を解決するための手段］ この目的に対応して、この発明の光学式粗さ計
は、少なくとも、光源とビームスプリツタと一方
の円柱レンズと他方の円柱レンズと対物レンズと
プリズム群と一方の分割受光素子と及び他方の分
割受光素子とをフレームに取付けて備え、両円柱
レンズは母線方向が直交するように配置され、両
分割受光素子のそれぞれの２本の分割交差線は母
線方向と45°をなす方向に伸びており、光源から
の光線束を被測定面上で反射させ、反射した光線
束をビームスプリツタで２分割し、分割された一
方の光線束を円柱レンズを通して一方の分割受光
素子上に入射し、分割された他方の光線束を他方
の円柱レンズを通して他方の分割受光素子上に入
射し、一方の分割受光素子の出力と他方の分割受
光素子の出力との差動出力を出力として取り出す
ように構成し、かつ、対物レンズから両方の円柱
レンズに到る光路中に複数のプリズムからなるプ
リズム群を配設し、プリズムを変位させることに
よつて光路の光路長を変化させるように構成した
ことを特徴としている。 以下、この発明の詳細を一実施例を示す図面に
ついて説明する。 まず、この発明の光学式粗さ計による表面粗さ
の測定原理を第１図について説明する。 光により非接触で測定物表面の断面形状を求め
る方法は幾つか発表されているが、レンズにより
測定物表面に結像した光点の焦点位置からのずれ
を知ることにより断面形状を推定する方法が、測
定精度、装置の小型化の可能性などの面から有力
である。光点の変動の検出方法には数種類あり、
すでに非接触の表面粗さ、ないし平面度の測定に
応用されているものもある。本発明ではこれらの
うち、円柱レンズで非点収差を与えることにより
焦点ずれを検知する方式を採用して、インプロセ
ス粗さ測定を行うこととしている。 第１図が測定の原理図である。対物レンズ１に
より結像される表面の光点の像位置をＱとする。
非点収差を与えるために、対物レンズ１の後方に
円柱レンズ２を置く。円柱レンズ２による結像位
置をＰとすると、PQ間では、ＰからＱに向かう
につれて、光線束の断面は長軸が鉛直な楕円か
ら、長軸が水平な楕円へと変化する。この間Ｓで
は光線束の断面形状は円となる。Ｓ点における光
線束の断面形状は、表面の位置により、図に示し
たように変化するから、これを４分割フオトダイ
オードで光電変換し、演算することにより、表面
位置に対応して出力信号を得ることができる。 第２図にはこの発明の一実施例に係る光学式粗
さ計１０が示されている。光学式粗さ計１０は被
測定面１１を証明するためのレーザ光源１２を備
える。レーザ光源１２としてはHe−Neレーザ、
半導体レーザ等を使用することができる。 被測定面１１とレーザ光源１２との間にはコリ
メータレンズ１３、偏光ビームスプリツタ１５、
（λ／４）板１６、及び対物レンズ１を配置する。 偏光ビームスプリツタ１５の透過側にはビーム
スプリツタ１７を配置し、ビームスプリツタ１７
の透過側に円柱レンズ２及び第１の分割受光素子
１８を配設する。この円柱レンズ２としては円柱
凸レンズまたは円柱凹レンズのいずれをも使用す
ることができる。またビームスプリツタ１７の反
射側には第２の分割受光素子２１を配設する。第
１の分割受光素子１８及び第２の分割受光素子２
１は等角度で配置された４個の独立した受光面
（第１の分割受光素子１８については受光面A₁，
A₂，A₃，A₄、第２の分割受光素子２１について
は受光面B₁，B₂，B₃，B₄）を持つ受光素子で、
このような受光素子としては４分割フオトダイオ
ードを用いることができる。 ビームスプリツタ１７と第２の分割受光素子２
１の間には必要に応じてレンズまたは円柱レンズ
２２を配設することができる。円柱レンズ２２を
配設する場合に、円柱レンズ２と円柱レンズ２２
の両方に円柱凸レンズ若しくは円柱凹レンズを使
用する場合は、両円柱レンズの母線方向を90°回
転して配置する必要がある。従つて第１３図ａに
示す配置のほか、第１３図ｂに示す配置も可能で
ある。このとき両円柱レンズの母線方向はビーム
スプリツタの面の対角線に一致してなくてもよ
い。また、コリメータレンズ１３と偏光ビームス
プリツタ１７との間に必要に応じてピンホール１
４を配設してもよい。 偏光ビームスプリツタ１５とビームスプリツタ
１７との間の光路中に反射素子群２３が配設され
ている。反射素子群２３を構成する反射素子とし
て、この実施例ではプリズム２４、プリズム２５
及びプリズム２６を使用している。プリズム２
４、プリズム２５、及びプリズム２６はそれぞれ
の反射面の角度が、入射光の方向と反射光の方向
とが直角をなすように配置されている。 プリズム２４は斜面を反射面とし、偏光ビーム
スプリツタ１５からの入射光を斜面上のａ点で反
射してプリズム２５に入射する。プリズム２５は
直交２面を反射面とし、プリズム２４からの入射
光を直交面のｂ点及びｃ点で２度反射してプリズ
ム２６に入射する。プリズム２６は直交２面を反
射面とし、プリズム２５からの入射光を直交面の
ｄ点及びｅ点で２度反射してプリズム２５に入射
する。プリズム２５ではプリズム２６からの入射
光を直交面のｆ点及びｇ点で２度反射してビーム
スプリツタ１７に入射する。従つて、いずれかの
プリズム２５または２６を入射光及び反射光の方
向が変らない方向に変位させることによつて、反
射素子群２３内の光路長が変化することになる。 以上の光学式粗さ計１０の構成要素はフレーム
２７に取り付けられているのであるが、特に対物
レンズ１はフレーム２７に対して取外し可能であ
る。即ちフレーム２７には窓２８が形成されてお
り、この窓２８に雌ねじが形成されている。一
方、対物レンズ１の取付け基部３１には雄ねじが
形成されており、対物レンズ１はフレーム２７の
窓２８に螺着して取付けられている。従つてこの
螺着を解くことによつて、対物レンズは交換可能
である。 コリメータレンズ１３はスライドフレーム３２
に取付けられており、スライドフレーム３２には
光路方向に長孔３３が形成され、この長孔３３に
挿通されたボルト３４によつてスライドフレーム
３２がフレーム２７に取付けられているので、ボ
ルト３４を弛めることによつて、コリメータレン
ズ１３を光路方向に変位させることができる。ま
た、プリズム２６はスライドフレーム３５に取付
けられており、ボルト３９で位置決めされ、スラ
イドフレーム３５には光路方向に長孔３６が形成
され、この長孔３６に挿通されたボルト３７によ
つてスライドフレーム３５がフレーム２７に取付
けられているので、ボルト３７を弛めることによ
つて、プリズム２６を光路方向に変位させ、光路
長を変位させることができる。 また、第１の分割受光素子１８及び第２の分割
受光素子２１はそれぞれフレーム２７の窓４１，
４２の枠４９にボルト４３，４４によつて取付け
られており、ボルト４３，４４を弛めることによ
つて交換可能である。 ［作用］ このように構成された光学式粗さ計１０におい
て被測定面１１の粗さを測定する場合には、レー
ザ光源１２からのレーザ光をプリズム４５によつ
て光路変更したのちコリメータレンズ１３を通
し、偏光ビームスプリツタ１５で反射させ、
（λ／４）板１６及び対物レンズ１を通して被測
定面１１を照明し、かつ被測定面１１からの反射
光を対物レンズ１、（λ／４）板１６、偏光ビー
ムスプリツタ１５、反射素子群２３に入射する。
反射素子群２３に入射した光束はａ点、ｂ点、ｃ
点、ｅ点、ｆ点及びｇ点で順次反射して、ビーム
スプリツタ１７に入射する。ビームスプリツタ１
７では入射光線束を２分割し、一方の光線束２０
ａを円柱レンズ２を通して第１の分割受光素子１
８に入射する。第１の分割受光素子１８では被測
定面１１の凹凸に応じて、第１図に示す原理によ
つて、受光面A₁〜A₄の受光量、従つて出力が異
なることとなり、被測定面１１の粗さを測定する
ことができる。 ただし、被測定面１１が旋削面などのように傾
斜の比較的大きな断面曲線や、鋭いエツジを持つ
段差の測定時には、回折像の影響により第１の分
割受光素子１８の特定の受光面に非常に強度の大
きい光が入射するために、断面曲線の振幅が実際
より数倍〜十数倍大きく測定される。そこで、こ
の発明ではビームスプリツタ１７で光路を２分割
し、第２の分割受光素子２１にも被測定面１１か
らの反射光２０ｂを入れ、第１の分割受光素子１
８の出力を第２の分割受光素子２１の出力で補正
し、回折光の影響を除去する。従つて、被測定面
１１の断面曲線に対応する信号は、A_i，B_iを分割
受光素子の各受光面からの出力信号として、 S_g＝｛（A₁＋A₃）−（A₂＋A₄）｝／₄ 〓ⁱ⁼¹ A_i−｛（B₁＋B₃）−（B₂＋B₄）｝／₄ 〓ⁱ⁼¹ B_i ……(1) で与えられる。 または₄ 〓ⁱ⁼¹ A_i，₄ 〓ⁱ⁼¹ B_iをフイードバツクしてレー
ザ光源１２の出力を変えて S_g＝（A₁＋A₃）−（A₂＋A₄） −（B₁＋B₃）＋（B₂＋B₄） ……(2) で与えられる。 但し、この実施例ではビームスプリツタ１７の
透過側を検出側とし、反射側を補正側としている
が、これとは反対に、透過側を補正側とし、反射
側を検出側として利用してもよい。 光学式粗さ計の測定感度をかえる場合には、対
物レンズ１と再結像点Ｑの間の光路長を変化させ
る。また必要に応じて対物レンズ１を交換し、ま
たは、円柱レンズ２と第１の分割受光素子１８と
の距離及び円柱レンズ２２と第２の分割受光素子
２１との距離を変化させ、または、円柱レンズ２
を交換する。 対物レンズ１と再結像点Ｑの間の光路長を変化
させるには、ボルト３７を弛めプリズム２６をボ
ルト３７及び長孔３６を案内として光路方向の位
置を変化させる。 対物レンズ１を交換するには対物レンズ１とフ
レーム２７との螺着を解き、フレーム２７に倍率
の異なる他の対物レンズを螺着する。 円柱レンズ２と第１の分割受光素子１８との距
離を変化させるときは、ボルト４３を弛めて第１
の分割受光素子１８の位置を調整する。円柱レン
ズ２２と第２の分割受光素子２１との距離を変化
させるときは、ボルト４４を弛めて第２の分割受
光素子２１の位置を調整する。 〔実施例〕 測定表面の変位に対する出力電圧の特性を第７
図に示す。第７図より、合焦位置（出力OV）か
ら±10μmの範囲で出力特性はほぼ直線的に変化
していると見ることができる。 第８図は、圧電素子を用いて測定表面を微小振
幅で振動させ、その間における表面の変位を静電
容量式変位計（ADE3016A）と本測定装置によ
り同時に測定した結果を示したものである。測定
表面の振動振幅は0.02μmであるから、出力信号
に重畳した50Hzの電気的雑音成分を考慮しても、
測定分解能は、変位計としての特性でみる限り、
0.01μm以上であることがわる。 第９図は約0.9μmの段差のある表面粗さ計校正
用標準片を測定対象とした実験結果である。第９
図のａ），ｂ）に示した波形は４分割フオトダイ
オードＡ及びＢの出力信号である。両信号の差に
相当するのが、(1)式で与えられる測定信号であ
り、ｃ）で示されている。段差に対する測定値は
およそ0.96μmとなつており、実際の値とよく一
致しているが、段差の両端部で測定誤差が生じて
いる。これは表面の傾斜が急激に変化する段差の
端部で生ずる回折像の影響を第２図に示したよう
に、ビームスプリツタにより分割した２つの光学
系で除去しているのであるが、光学系のアライメ
ントの調整が十分でないために、これを完全にと
り除くことができなかつたことによる。 次に第１０図に示す光学系において、対物レン
ズ１の倍率（近似的には焦点距離f₁の短いものが
倍率が高いと考えられる。）、円柱レンズ２と第１
の分割受光素子の間の距離ｍ、円柱レンズ２の焦
点距離f₂、及び対物レンズ１と再結像点Ｑの間の
距離（b₁＝ｌ＋ｋ、これは位置可変プリズムによ
り変化できる）を変えることにより、測定感度の
変化を計算をしてみた。 以下の式に示すように、第１の分割受光素子の
位置での像形状で（第１１図）、楕円像の長軸、
短軸の比Ｒ＝r_x／r_yの測定面の微小移動に対する
変化率が感度の大小に対応する。従つて、以下の
式におけるdR／da₁が大なるほど、感度が高いこ
とになる。 （r_y／r_p）＝｛（ｋ−ｍ）／ｋ｝ （r_x／r_p）＝｛−（ｍ−_b）｝／b₂ Ｒ＝（r_x／r_y）＝｛−ｋ（ｍ−b₂）｝／｛b₂（ｋ−
ｍ）｝ ここで ｋ＝｛（a₁f₁）／（a1−f1）｝−ｌ b₁＝（a₁f₁）／（a₁f₁） b₂＝（kf₂）／（ｋ＋f₂） Ｒ＝｛−（a₁f₁−a₁ｌ＋f₁ｌ）×（mk＋mf₂−
kf₂）｝／〔kf₂・｛a₁f₁−（ｌ＋ｍ）×（a₁−f₁）｝〕
＝
｛a₁（f₁−ｌ）＋f₁ｌ｝×（kf₂−km−f₂ｍ）／〔kf₂・
｛a₁（f₁−ｌ−ｍ）＋lf₁＋mf₁｝〕 像が円となるセンサ位置ではＲ＝−１である。 （dR）／（da₁）＝（Ｂ−Ｃ）／Ａ ここで Ａ＝k²f₂ ²｛a₁（f₁−ｌ−ｍ）＋lf₁＋mf₁｝² Ｂ＝（f₁−ｌ）（kf₂−km−f₂ｍ）×kf₂｛a₁（f₁−ｌ
−ｍ）＋lf₁＋mf₁｝ Ｃ＝−｛（a₁（f₁−ｌ）＋f₁ｌ｝×（kf₂−km−f₂ｍ
）
×kf₂（f₁−ｌ−ｍ） Ｒ＝−１とするための条件 ｛a₁（f₁−ｌ）＋f₁ｌ｝（kf₂−km−f₂ｍ）＝−kf₂
｛a₁（f₁−ｌ−ｍ）＋lf₁＋mf₁｝ kf₂｛a₁（f₁−ｌ）＋f₁ｌ｝−ｍ（ｋ＋f₂）｛a₁（f₁
−
ｌ）＋f₁ｌ｝＝−kf₂｛a₁（f₁−ｌ）＋lf₁｝−mkf₂（f₁
−
a₁） ｍ＝〔−2kf₂｛a₁（f₁−ｌ）＋lf₁｝〕／〔kf₂（f₁−
a₁）−（ｋ＋f₂）×｛a₁（f₁−ｌ）＋lf₁｝〕 ［例］ f₁＝５ f₂＝40 ｌ＝100 b₁＝150 の場合 a₁＝5.1724 ｋ＝50 b₂＝22.222 ｍ＝30.769 Ｒ
＝−１ である。 このときの位置関係を第１２図に示す。 r₁：対物レンズの口径（半径） r₀：シリンドリカルレンズの入射光の半径位置 （r₀／r₁）＝｛ｋ／（ｌ＋ｋ）｝ r_y＝｛（ｋ−ｍ）／ｋ｝r₀＝｛（ｋ−ｍ）／
（ｌ＋ｋ）｝r₁ 像が円形となるセンサ位置ではr_x＝r_yである。 次に以上の式による感度の計算結果を示す。

【表】

【表】 この計算結果から以下の結論が得られる。 対物レンズの倍率が大きいほど感度が高い。 円柱レンズ２と第１の分割受光素子との間の
距離が短い方が感度が高い。 円柱レンズ２の焦点距離が長い方が感度が高
い。 対物レンズ１と再結像点Ｑの間の距離が長い
方が感度が高い。 特に対物レンズの倍率（近似的には焦点距離f₁
の短いものが倍率が高いと考える）が測定感度
dR／da₁に及ぼす影響が大きいので、光学式粗さ
計の測定感度を選択するためには、対物レンズが
交換可能であることが有効であることがわかる。 (ハ) 発明の効果 以上の説明から明らかな通り、この発明の光学
式粗さ計は、被測定面の光学的測定を可能にし、
被測定面を傷つけることなく高速、高精度、かつ
高信頼性の測定を可能にするとともに、被測定物
を工作機械等にとりつけたまま測定することがで
きるので、インプロセス粗さ測定が可能になる。
しかもプリズム２６の位置をずらすだけで測定精
度を変えることができるから、測定精度の選択が
きわめて容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図は粗さの測定原理を示す構成説明図、第
２図から第６図はこの発明の一実施例に係る光学
粗さ計を示すもので、第２図は横断面図、第３図
は側面図、第４図は第２図における−部断面
図、第５図は第２図におけるＶ−Ｖ部断面図、第
６図は第２図における−部断面図、第７図
は、変位−出力特性を示すグラフ、第８図は微小
変位に対する検出特性を示すグラフ、第９図は段
差測定結果を示す粗さ計の出力を示すグラフ、第
１０図は光学素子の位置を示す構成説明図、第１
１図は第１の分割受光素子の受光面上の像形状を
示す説明図、第１２図は光学素子の他の位置を示
す説明図、及び第１３図はビームスプリツタにお
ける円柱レンズの位置を示す斜視説明図である。 １……対物レンズ、２……円柱レンズ、１０…
…光学式粗さ計、１１……被測定面、１２……レ
ーザ光源、１５……偏光ビームスプリツタ、１７
……ビームスプリツタ、１８……第１の分割受光
素子、２１……第２の分割受光素子、２６……プ
リズム、２７……フレーム。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 少なくとも、光源とビームスプリツタと一方
   の円柱レンズと他方の円柱レンズと対物レンズと
   プリズム群と一方の分割受光素子と及び他方の分
   割受光素子とをフレームに取付けて備え、前記両
   円柱レンズは母線方向が直交するように配置さ
   れ、前記両分割受光素子のそれぞれの２本の分割
   交差線は前記母線方向と45°をなす方向に伸びて
   おり、前記光源からの光線束を被測定面上で反射
   させ、前記反射した光線束を前記ビームスプリツ
   タで２分割し、前記分割された一方の光線束を前
   記円柱レンズを通して前記一方の分割受光素子上
   に入射し、前記分割された他方の光線束を前記他
   方の円柱レンズを通して前記他方の分割受光素子
   上に入射し、前記一方の分割受光素子の出力と前
   記他方の分割受光素子の出力との差動出力を出力
   として取り出すように構成し、かつ、前記対物レ
   ンズから前記両方の円柱レンズに到る光路中に複
   数のプリズムからなる前記プリズム群を配設し、
   前記プリズムを変位させることによつて前記光路
   の光路長を変化させるように構成したことを特徴
   とする光学式粗さ計。