JPH09196606A

JPH09196606A - 表面形状測定方法および装置

Info

Publication number: JPH09196606A
Application number: JP855096A
Authority: JP
Inventors: Norio Kimura; 紀夫木村; Yoshinori Murasugi; 芳徳村杉; Hiroshi Koibuchi; 弘鯉渕; Takashi Kosakai; 隆小堺
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-01-22
Filing date: 1996-01-22
Publication date: 1997-07-31

Abstract

(57)【要約】【課題】研削・研磨皿等の種々の測定対象物の粗面の
表面形状を高精度に測定することができ、しかも表面が
球面である場合には、その曲率半径をも精度良く測定す
ること。【解決手段】測定対象物としての研削・研磨皿の球状
の表面上にて、触針を連続的に走査して、その触針の変
位量から、研削・研磨皿の表面形状に対応する表面曲線
２００を作成し、その表面曲線２００において、一次微
分値が所定の基準値を越える部分２０１は、測定不要な
溝によるものと判断し、その部分のデータを除去し、残
りのデータから表面形状を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、研削・研
磨皿の粗面の形状精度等、種々の測定対象物の表面形状
を測定するための表面形状測定方法および装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の測定装置として、例え
ば、研削・研磨皿等の粗面、すなわち細かな凹凸を有す
る表面の形状精度（平坦度や平面度あるいは曲率半径）
等を測定する装置は、研削・研磨皿等の測定対象物の表
面を走査する触針と、この触針の上下方向の移動量を数
値化する計測部と、その計測データから測定対象物の表
面形状を演算する演算部等を有している。その演算部
は、測定対象物としての研削・研磨皿が粗面自体に凹凸
を含んだ球面皿である場合は、計測部の計測データか
ら、起伏（平坦度）を表す形状パラメータと曲率半径を
算出して、球面皿の表面形状を評価するのが一般的であ
る。

【０００３】また、触針としては、一般に、測定対象物
の表面粗さのパラメータを得る場合には、半径が２μｍ
程度のダイヤや鋼球等が用いられ、一方、測定対象物の
形状を得る場合には、半径が０．５ｍｍ程度のサファイ
ヤ・ルビーや超合金等が用いられている。このように、
粗さと形状の測定内容に応じて触針を使い分けるが、形
状測定においては、表面の凹凸の粗さによって触針径を
使い分けるようなことはしていない。

【０００４】また、研磨・研削皿の表面における触針の
走査の長さ、つまり測定する長さ（測定長）は、その皿
の大きさによって異なるが、それは測定者が任意に決め
ている。また、レンズ加工の特質上、レンズを加工する
ために用いる測定対象物の皿としては、その表面に溝を
入れたり、粒状の物質を貼ってあるものもあり、このよ
うな皿については、溝の無い部分や粒状の部分のみを測
定部位として、その溝や粒状外の部位を避けるように触
針を走査して測定する必要がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術のように、測定対象物における粗面の凹凸の大
きさに関係なく触針の半径を選択したり、また、皿など
の測定対象物の曲率半径に関係なく測定長を決めたり、
測定対象物の表面上における溝や、粒物質と粒物質との
間隙を避けて測定長を決める方法では、計測部の計測デ
ータから測定対象物の曲率半径を算出するときに、その
表面の粗さおよび測定長の影響を大きく受けてしまう。
測定対象物における粗面自体の凹凸を含めて、その曲率
半径を算出する方法は、曲率半径の絶対値や繰り返し測
定に著しい誤差が発生する。

【０００６】本発明の目的は、研削・研磨皿等の種々の
測定対象物の粗面の表面形状を高精度に測定することが
でき、しかも表面が球面である場合には、その曲率半径
をも精度良く測定することができる表面形状測定方法お
よび表面形状測定装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の表面形状測定方
法は、測定対象物の表面上にて触針を連続的に走査し
て、前記測定対象物の表面の起伏に対応する前記触針の
変位量を測定し、前記測定データから、前記測定対象物
の表面形状に対応する連続的な表面曲線の作成データを
求め、前記表面曲線において、一次微分値が所定の基準
値を越える部分を除去した残りの部分から前記測定対象
物の表面形状を測定することを特徴とする。

【０００８】本発明の表面形状測定装置は、測定対象物
の表面上にて触針を連続的に走査させる触針走査手段
と、前記測定対象物の表面の起伏に対応する前記触針の
変位量を測定する変位量測定手段と、前記変位量測定手
段の測定データから、前記測定対象物の表面形状に対応
する連続的な表面曲線の作成データを求めるデータ処理
手段と、前記表面曲線において、一次微分値が所定値を
越える部分を除去するデータ除去手段と、前記表面曲線
において、前記データ除去手段によって除去された残り
の部分から前記測定対象物の表面形状を測定する形状測
定手段とを備えてなることを特徴とする。

【０００９】本発明によれば、測定対象物の表面上にて
触針を連続的に走査し、その触針の変位量の計測値か
ら、測定対象物の表面形状に対応する連続的な表面曲線
を作成する。このようにして作成された連続的な表面曲
線を一次微分し、その微分値が所定の基準値を越える部
分は、測定対象物の表面上における測定不要の凹凸部に
よるものと判断して、その部分のデータを除去し、残り
のデータから測定対象物の表面形状を求める。

【００１０】このように、表面曲線において、測定不要
の部分に相当するデータを除去するため、その測定不要
の部分を含む範囲で触針を連続的に走査させて、測定精
度上において要求される走査長を充分に確保する。

【００１１】また、測定対象物の表面が粗くなるにした
がって、触針として、先端の半径が大径のものを用いた
り、要求される測定精度が高くなるにしたがって、触針
の走査距離を長くすることにより、高精度な測定を実現
する。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【００１３】図１は、本発明の一実施形態における表面
形状測定装置のブロック構成図である。図１において、
１は触針であり、測定対象物としての研削・研磨皿Ｇの
粗面である表面Ｇ１に対して、垂直方向（Ｚ軸方向）か
ら付勢されて、所定の走査方向（Ｘ軸方向）に表面Ｇ１
を一定長さの測定長Ｌだけ走査される。読み取り部２
は、触針１のＸ軸方向の位置と、その位置における触針
１のＺ方向の変位（上下動）を読み取る。演算部３は、
この読み取り部２から触針１のＸ軸方向とＺ軸方向のデ
ータを読み込んで皿Ｇの表面形状を演算する。その演算
結果は、表示部４にて表示され、またプリンタ５にてプ
リントされる。触針１の接触部は、ダイヤあるいはサフ
ァイヤ等で作られており、また演算部３、表示部４、お
よびプリンタ５は、キーボード６に入力された指令に基
づいて制御される。

【００１４】演算部３は、読み取り部２とデータのやり
取りを行うＩ／Ｏ３１と、制御・演算を司るＣＰＵ（中
央演算処理装置）３２と、ＣＰＵ３２が処理する際に必
要とする各種データを一時貯えるＲＡＭ（ランダムアク
セスメモリ）３３と、演算プログラムや制御プログラム
や制御プログラムを書き込んだＲＯＭ（リードオンリメ
モリ）３４と、キーボード６からの指令信号をＣＰＵ３
２に伝達するＩ／Ｏ３５と、ＣＰＵ３５の演算経過と結
果を表示用のデータに変換するためのＶＲＡＭ（ビデオ
メモリ）３６と、その出力をビデオ信号に変換するため
のインターフェイス３７と、ＣＰＵ３２の演算経過と結
果を印刷のための信号に変換するインターフェイス３８
とを有する。

【００１５】図２（ａ），（ｂ），（ｃ）は、測定対象
物としての研削・研磨皿の説明図である。

【００１６】図２（ａ）の皿１００は、ダイヤ砥粒等を
保持材で固めたペレット皿であり、通常、研削液の循環
と切り屑排出のための溝１０１が設けられている。一般
的に、砥粒の突き出し量は数μｍであり、溝１０１の幅
は皿径によって適切に決めるがほぼ数ｍｍ程度である。
図２（ｂ）の皿１０２は粒ペレット皿であり、鋳物から
なる皿の台金１０３に、ダイヤ砥粒を保持材で固めた粒
状の粒ペレット１０４が貼り付けられている。粒ペレッ
ト１０４は、さらの大きさに応じた直径とされて、貼り
付けられる枚数が決められる。１０５は、貼り付けた粒
ペレット１０４の相互間の間隙であり、部位によっても
異なるが、数ｍｍから数十ｍｍ程度である。

【００１７】図２（ｃ）の皿１０６は、厚さ０．５ｍｍ
程度のポリウレタンシートを、鋳鉄等でできた球面形状
の表面に貼って作られた皿であり、表面には、レンズ研
磨等のための研磨材を埋め込むための多数の研磨材保持
穴を有し、加えて、熱拡散等のための気孔１０７を備え
ている。一般的に、研磨材を埋め込むための研磨材保持
穴は直径数μｍから数十μｍ、熱拡散のための気孔１０
７は直径数百μｍ程度である。

【００１８】本例では、このような皿Ｇ（１００，１０
２，１０６）の粗さに応じて触針１の半径を選択し、そ
して後述するように、その触針によって上記の溝１０
１、および研磨材保持穴や気孔１０７を含め走査する。
その走査距離は、皿Ｇの表面の粗さや皿の曲率半径によ
って後述するように決定する。走査時における触針１の
変位は読み取り部２で読み取って表示部４に表示し、そ
して後述するように、表示された連続的な表面曲線を一
次微分し、その微分値のデータから、上記溝１０１、研
磨材保持穴や気孔１０７を判別して、それらの部位に対
応するデータをカットし、残されたデータに基づいて研
削・研磨皿Ｇの形状精度、すなわち起伏の最大値を表す
形状パラメータや曲率半径などを算出する。

【００１９】次に、上記の装置による表面形状の測定方
法について詳しく説明する。

【００２０】まず、研削・研磨皿Ｇを所定の測定位置に
セットし、キーボード６を操作して触針１を所定のスタ
ート位置へ移動させる。この際、皿Ｇの表面粗さおよび
曲率半径は概略分っており、研削・研磨皿Ｇの形状に必
要な測定精度は、９５％以上の確率で真値に対し±０．
５μｍの誤差であることから、標準偏差１μｍ以内とな
る。皿Ｇの曲率半径Ｒと測定長Ｌとを変えて、標準偏差
（μｍ）を測定した結果を下表１に示す。ここで、触針
１としては半径２ｍｍのものを用い、また皿Ｇの表面粗
さＲａ（中心線平均粗さ）を１μｍとした。

【００２１】

【表１】

【００２２】皿Ｇの標準偏差を１μｍ以内とするために
は、Ｌ≧Ｒとすればよい。また、皿Ｇの表面粗さＲａと
触針を変えて標準偏差（μｍ）を測定した結果を下表２
に示す。ここでは、皿Ｇの半径Ｒを５ｍｍ、測定長Ｌを
５ｍｍとした。

【００２３】

【表２】

【００２４】上表２から判るように、皿Ｇの表面粗さＲ
ａが１μｍ程度であれば、触針１の半径を２ｍｍ程度以
上とし、かつ測定長Ｌを皿Ｇの曲率半径Ｒ以上とする必
要がある。また、皿Ｇの表面粗さＲａが５μｍ程度であ
れば、触針１の半径を４ｍｍ程度以上とし、かつ測定長
Ｌを皿Ｇの曲率半径Ｒ以上とする必要がある。なお、表
面粗さＲａが１μｍより小さい場合は、触針１の半径を
２ｍｍ以下にすることも可能であり、また表面粗さＲａ
が５μｍよりも大きくなれば触針１の半径を４ｍｍ以上
とする必要がある。

【００２５】このような条件下において、触針１の触針
条件および走査範囲、研削・研磨皿Ｇの形状の種類等の
測定条件を入力してから、スタートキーを押して測定開
始を指令する信号をＣＰＵ３２に送る。したがって、触
針１の走査距離は任意に設定可能であり、また触針１は
先端の外径が異なるものと適宜交換となっている。触針
１はＸ軸方向に測定長Ｌだけ走査し、読み取り部２は触
針１のＸ軸方向の位置とＺ軸方向の変位を読み取ってＣ
ＰＵ３２に出力し、ＣＰＵ３２はそのデータをＲＡＭ３
３に一時保存する。

【００２６】その際、測定対象物としての皿Ｇにおい
て、溝１０１や粒ペレット１０４の間隙１０５が大きい
場合にはそれらをテープ等で塞いでから、また、それら
が小さい場合にはそのままで、溝１０１、間隙１０５の
部位を含めて触針１を走査させる。

【００２７】走査終了後、ＣＰＵ３２は、ＲＡＭ３３に
保存されたデータに基づいて研削・研磨皿Ｇの表面形状
を算出し、表示部４に図３に示すような連続的な表面曲
線２００を表示させる。表面曲線２００は、溝１０１に
対応する凹部２０１を含んでいる。

【００２８】続いて、ＲＯＭ３４に設定された演算プロ
グラムにしたがって、表面曲線２００を一次微分し、そ
の微分値のデータから、図４のように座標変換して縦軸
の微分値の幅を±１以下に抑えたグラフ２１０を表示部
４に表示する。

【００２９】次に、グラフ２１０において予め設定され
た縦軸方向のスレッシュホールドレベル（＋α）と（−
α）を越える部分２１１を除去する。また、それが自動
で除去できない大きい部分（β）であるときは、それを
手動により選択して除去する。このようにして、研削・
研磨皿Ｇの溝１０１や粒ペレットの間隙１０５、研磨材
保持穴や気孔１０７の部位に対応する不要なデータをカ
ットし、残りのデータを元のＸＺ座標値に逆変換し、図
５のように、溝１０１や粒ペレットの間隙１０５、研磨
材保持穴や気孔１０７の部位を取り除いた断続的な表面
曲線２２０を得る。

【００３０】そして、図５の表面曲線２２０から、円の
最小二乗法によって皿Ｇの表面曲線の近似式を算出し、
その近似式によって得られたデータと図５のデータとを
比較して差分値を求め、その差分値を図６に示す起伏の
グラフ２３０として表す。図６のグラフ２３０のＺ軸方
向の最大値（最大山）と最小値（最深谷）の差を形状パ
ラメータＲｔとして求める。また、図５の表面曲線２２
０から、円の最小二乗法によって皿Ｇの表面曲線の近似
式を算出する際に、その皿Ｇの曲率半径が求まる。

【００３１】なお、図６のグラフ２３０の中断部分２３
１は、研削・研磨皿Ｇの溝１０１などの部位に対応する
不要なデータをカットした部分であり、この中断部分２
３１を図７のように直線２４１で結んで折れ線グラフ２
４０として表してもよい。この場合は、研削・研磨皿Ｇ
の表面Ｇ１の起伏がより明確に観察できるという利点が
ある。

【００３２】ＣＰＵ３２による上記の演算経過は、キー
ボード６の指令によって表示部４に表示され、随時プリ
ンタ５によって印刷することができる。

【００３３】また、皿Ｇの曲率半径や形状パラメータＲ
ｔによって、研削・研磨皿Ｇの表面形状を評価した後、
修正が必要であれば表面Ｇ１を研削して、製品としての
研削・研磨皿Ｇを完成する。なお、測定対象物として
は、皿Ｇのような凸球状の粗面に限らず、凹球面の粗面
でもよく、また材質は他のプラスチック材料や金属等で
もよい。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、測定対
象物の表面上を走査する触針の変位量から、測定対象物
の表面形状に対応する表面曲線を作成し、その表面曲線
において、一次微分値が所定の基準値を越える部分は測
定不要な部位によるものとして、その部分のデータを除
去し、残りのデータから測定対象物の表面形状を求める
ため、表面形状の測定に必要なデータのみから、正確な
測定を実施することができる。

【００３５】しかも、測定不要な部位を含む範囲で触針
を連続的に走査させて、測定精度上において要求される
測定長を充分に確保することができる。

【００３６】また、測定対象物の表面が粗くなるにした
がって、触針として、先端の半径が大径のものを用いた
り、要求される測定精度が高くなるにしたがって、触針
の走査距離を長くすることにより、高精度な測定を実現
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の表面形状測定装置の一実施形態を説明
するためのブロック構成図である。

【図２】測定対象物としての研削・研磨皿の斜視図であ
る。

【図３】図１の読み取り部の出力データに基づいて作成
された表面曲線の説明図である。

【図４】図３の表面曲線の一次微分によるデータを座標
変換した場合の説明図である。

【図５】図３の表面曲線から不要なデータを除去した場
合の説明図である。

【図６】図５のデータとこれから得られた近似式による
データとの差をグラフ化した説明図である。

【図７】図６のデータの中断部分を直線で結んでグラフ
化した説明図である。

【符号の説明】

１触針２読み取り部３演算部４表示部５プリンタ６キーボード１００ペレット皿（測定対象物）１０１溝１０２粒ペレット皿（測定対象物）１０３皿台金１０４粒ペレット１０５粒ペレット間隙１０６ポリ皿（測定対象物）１０７気孔２００表面曲線２０１溝による凹部２１０微分値のグラフ２１１カット部２２０表面曲線Ｇ研削・研磨皿（測定対象物）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小堺隆東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定対象物の表面上にて触針を連続的に
走査して、前記測定対象物の表面の起伏に対応する前記
触針の変位量を測定し、前記測定データから、前記測定対象物の表面形状に対応
する連続的な表面曲線の作成データを求め、前記表面曲線において、一次微分値が所定の基準値を越
える部分を除去した残りの部分から前記測定対象物の表
面形状を測定することを特徴とする表面形状測定方法。
【請求項２】前記測定対象物の表面上において、表面
形状の測定が不要な部位を含む範囲で前記触針を走査さ
せることを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定方
法。
【請求項３】前記表面曲線における残りの部分から、
前記測定対象物の表面の起伏の最大値を求めることを特
徴とする請求項１または２に記載の表面形状測定方法。
【請求項４】前記測定対象物の表面は球面であり、前記表面曲線における残りの部分から、前記球面の曲率
半径を求めることを特徴とする請求項１から３のいずれ
かに記載の表面形状測定方法。
【請求項５】前記測定対象物の表面粗さが大きくなる
にしたがって、前記触針として、先端が大径のものを用
いることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載
の表面形状測定方法。
【請求項６】前記測定対象物の表面形状の測定に要求
される測定精度が高くなるにしたがって、前記触針の走
査距離を長くすることを特徴とする請求項１から５のい
ずれかに記載の表面形状測定方法。
【請求項７】測定対象物の表面上にて触針を連続的に
走査させる触針走査手段と、前記測定対象物の表面の起伏に対応する前記触針の変位
量を測定する変位量測定手段と、前記変位量測定手段の測定データから、前記測定対象物
の表面形状に対応する連続的な表面曲線の作成データを
求めるデータ処理手段と、前記表面曲線において、一次微分値が所定値を越える部
分を除去するデータ除去手段と、前記表面曲線において、前記データ除去手段によって除
去された残りの部分から前記測定対象物の表面形状を求
める形状測定手段とを備えてなることを特徴とする表面
形状測定装置。
【請求項８】前記触針走査手段は、前記測定対象物の
表面上において表面形状の測定が不要な部位を含む範囲
で前記触針を走査させることを特徴とする請求項７に記
載の表面形状測定装置。
【請求項９】前記形状測定手段は、前記表面曲線にお
ける残りの部分から前記測定対象物の表面の起伏の最大
値を求めることを特徴とする請求項７または８に記載の
表面形状測定装置。
【請求項１０】前記測定対象物の表面は球面であり、前記形状測定手段は、前記表面曲線における残りの部分
から前記球面の曲率半径を求めることを特徴とする請求
項７から９のいずれかに記載の表面形状測定装置。
【請求項１１】前記触針は、前記測定対象物の表面粗
さが大きくなるにしたがって先端が大径のものと交換可
能であることを特徴とする請求項７から１０のいずれか
に記載の表面形状測定装置。
【請求項１２】前記触針走査手段は、前記測定対象物
の表面形状の測定に要求される測定精度が高くなるにし
たがって前記触針の走査距離を長く設定可能であること
を特徴とする請求項７から１１のいずれかに記載の表面
形状測定装置。
【請求項１３】前記変位量測定手段、前記データ処理
手段、および前記形状測定手段の内の少なくとも１つの
出力情報を表示する表示手段を備えたことを特徴とする
請求項７から１２のいずれかに記載の表面形状測定装
置。