(57)【要約】【課題】  ヒステリシスの影響を排して測定精度を向上させる変位測定装置を提供する。【解決手段】  接触子３によって被測定物表面１０１を走査するときの接触子３の変位量から被測定物表面１０１の表面凹凸等を測定する変位測定装置１０において、被測定物１００に当接する接触子３を先端２１に有し被測定物１００からの応力に従った歪みを生じるスタイラス２と、スタイラス２に貼設され歪み量に従った抵抗率変化を生じる歪みゲージ４と、接触子３を被測定物１００に当接させた状態からスタイラス２の歪みを増大あるいは減少させる向きへスタイラス２を一時的に変位させる歪み増減手段６と、を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接触子によって被測定物表面を走査するときの前記接触子の変位量に基づいて被測定物表面の表面凹凸等を測定する変位測定装置において、
被測定物に当接する前記接触子を先端に有し被測定物からの応力に従った歪みを生じるスタイラスと、
前記スタイラスに貼設され歪み量に従った抵抗率変化を生じる歪みゲージと、
前記接触子を前記被測定物に当接させた状態から前記スタイラスの歪みを増大あるいは減少させる向きへ前記スタイラスを一時的に変位させる歪み増減手段と、を備えた
ことを特徴とした変位測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の変位測定装置において、
前記歪み増減手段は、
前記スタイラスの変位方向への移動が規制された基体と、
前記基体に対して前記スタイラスの変位方向へ変位可能に設けられ前記スタイラスの基端を支持する可動支持体と、
前記可動支持体を変位させる変位発生手段と、を備える
ことを特徴とした変位測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の変位測定装置において、
前記変位発生手段は、
前記基体と前記可動支持体との間に配設された圧電素子を備えている
ことを特徴とした変位測定装置。
【請求項４】
請求項１に記載の変位測定装置において、
前記歪み増減手段は、
前記スタイラスを前記接触子が前記被測定物から離れる方向へ変位させる変位発生手段を備える
ことを特徴とした変位測定装置。
【請求項５】
請求項４に記載の変位測定装置において、
前記変位発生手段は、
一端が固定されているとともに他端が前記スタイラスに接離する位置に配置された圧電素子を備える
ことを特徴とした変位測定装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の変位測定装置と、
前記接触子が前記被測定物表面の所定サンプリング点に向かう方向に前記変位測定装置を移動させる移動手段と、
前記変位測定装置の移動量および前記接触子の変位量に基づく演算処理によって前記被測定物表面の形状を求める演算処理手段と、を備える
ことを特徴とする表面形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変位測定装置および表面形状測定装置に関する。例えば、被測定物からの応力によってスタイラスが歪む量を歪みゲージで検出することにより接触子の変位量を算出し、被測定物の表面凹凸等を測定する変位測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被測定物からの応力によってスタイラスが歪む量を歪みゲージで検出することにより接触子の変位量を算出し、被測定物の表面凹凸等を測定する変位測定装置が知られている（例えば、特許文献１）。
この変位測定装置１は、図５に示されるように、被測定物１００に当接する接触子３を先端２１に有し被測定物１００からの応力に従った歪みを生じるスタイラス２と、スタイラス２に貼設され歪み量に従った抵抗率変化を生じる歪みゲージ４と、スタイラス２の基端２２を支持する基体５と、を備えて構成されている。
このような構成において、接触子３を被測定物表面１０１に当接させると、図６に示されるように、被測定物１００からの応力によってスタイラス２が歪んで接触子３に変位ｄが生じる。スタイラス２の歪みによって歪みゲージ４が歪曲される。すると、歪みゲージ４には歪み量に従った抵抗率変化（ゲージ率Ｋｓ）が生じる。
ここで、接触子３の変位量ｄは、歪みゲージ４の出力電圧ｅ、接触子３から歪みゲージ４までの距離Ｌ、スタイラス２の縦弾性係数Ｅおよびスタイラス２の厚みｈを用いた次の式で表される。
【０００３】
【数１】
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【０００４】
従って、歪みゲージ４からの出力電圧ｅを検出することによって、接触子３の変位量ｄを式（１）から算出することができる。そして、接触子３を被測定物表面１０１に当接させた状態で接触子３を被測定物表面１０１に沿って走査するとき、接触子３の変位量から被測定物表面１０１の表面凹凸等を測定することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−０７４６１６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、歪みゲージ４の歪み量と出力電圧ｅとの関係にはヒステリシスが生じる。つまり、歪み量を増やしていく場合と、歪み量を減少させていく場合とでは同じ歪み量であるにも関わらず出力電圧が異なる。すると、図７に示されるように、横軸に実際の接触子の変位量をとり、縦軸に出力電圧から算出される測定結果をとると、同じ変位量であっても変位を増大させる経路Ａで測定するか変位を減少させる経路Ｂで測定するかによって測定結果に差が生じてしまい、測定精度が低減されるという問題が生じる。
【０００７】
本発明の目的は、ヒステリシスの影響なく測定精度を向上させる変位測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の変位測定装置は、接触子によって被測定物表面を走査するときの前記接触子の変位量に基づいて被測定物表面の表面凹凸等を測定する変位測定装置において、被測定物に当接する前記接触子を先端に有し被測定物からの応力に従った歪みを生じるスタイラスと、前記スタイラスに貼設され歪み量に従った抵抗率変化を生じる歪みゲージと、前記接触子を前記被測定物に当接させた状態から前記スタイラスの歪みを増大あるいは減少させる向きへ前記スタイラスを一時的に変位させる歪み増減手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
このような構成によれば、接触子を被測定物表面に当接させた状態で被測定物表面上を走査させる。すると、被測定物表面の凹凸に従って接触子を介してスタイラスに応力が作用し、スタイラスに歪みが生じる。そして、被測定物の表面形状をサンプリングしたい点でスタイラスの歪みを歪みゲージの出力電圧から算出して接触子の変位量を測定する。
このとき、まず、歪み増減手段によってスタイラスの歪み量を一旦増大させるかあるいは一旦減少させてから被測定物の応力に従った元の歪み量に戻して測定する。例えば、測定に当たってスタイラスの歪み量を常に一旦増大させてから元の歪みに戻すとすれば、歪み量が減少する経路で歪みゲージの出力電圧の検出が行われることになる。その結果、同じ変位量であれば同じ出力電圧となるので、歪みが次第に減少していく経路で変位量と出力電圧との関係を校正しておけば、ヒステリシスによる測定誤差を排して測定精度を向上させることができる。
【００１０】
請求項２に記載の変位測定装置は、請求項１に記載の変位測定装置において、前記歪み増減手段は、前記スタイラスの変位方向への移動が規制された基体と、前記基体に対して前記スタイラスの変位方向へ変位可能に設けられ前記スタイラスの基端を支持する可動支持体と、前記可動支持体を変位させる変位発生手段と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
このような構成によれば、変位発生手段によって可動支持体が変位される。すると、可動支持体ととともにスタイラスの基端が変位される。スタイラスの基端が変位されることによって、スタイラスの歪み量が増大あるいは減少される。
スタイラスの基端側を変位させるので接触子の位置は移動されず、所定のサンプリング点における接触子の変位量を測定することができる。
【００１２】
請求項３に記載の変位測定装置は、請求項２に記載の変位測定装置において、前記変位発生手段は、前記基体と前記可動支持体との間に配設された圧電素子を備えていることを特徴とする。
【００１３】
このような構成によれば、圧電素子に印加電圧を印加すれば圧電素子が伸縮する。圧電素子であれば印加電圧を停止すれば元の長さに戻るので、スタイラスの歪みを一旦増大あるいは減少させた後、被測定物からの応力に従ったスタイラスの歪みに応じて変位量を測定することができる。
なお、圧電素子への印加電圧を停止しただけでは圧電素子が正確に元の長さに戻らない場合、圧電素子への印加電圧値や印加電圧の交流周波数等を制御して圧電素子の長さを制御する圧電素子（圧電アクチュエータ）の駆動制御手段を備えた構成としてもよい。
【００１４】
請求項４に記載の変位測定装置は、請求項１に記載の変位測定装置において、前記歪み増減手段は、前記スタイラスを前記接触子が前記被測定物から離れる方向へ変位させる変位発生手段を備えることを特徴とする。
このような構成によれば、変位発生手段によってスタイラスが変位される。すると、接触子が被測定物から離隔する方向に変位されて、スタイラスの歪み量が増大される。
【００１５】
請求項５に記載の変位測定装置は、請求項４に記載の変位測定装置において、前記変位発生手段は、一端が固定されているとともに他端が前記スタイラスに接離する位置に配置された圧電素子を備えることを特徴とする。
このような構成によれば、圧電素子に印加電圧を印加すると、圧電素子が伸びてスタイラスを押し、スタイラスの歪み量を増大させることができる。
圧電素子でスタイラスを押した後にスタイラスの歪み量を被測定物からの応力に応じた歪み量にする場合、圧電素子がスタイラスから離れるので、圧電素子が元の長さに戻るか否かに関わらず、被測定物の表面凹凸に応じたスタイラスの歪み量を正確に検出することができる。
ここで、歪みゲージと接触子との間が圧電素子によって押されると、スタイラスの歪みが増大するに従って歪みゲージの歪み量も増大する。一方、歪みゲージを間にして接触子とは反対側の位置が圧電素子によって押されると、スタイラスのうち歪みゲージから基端にわたる部分は歪みが増大するが、接触子から歪みゲージまでの部分では歪みが緩和されることになる。いずれの場合にあっても、歪みゲージの出力電圧を検出する前に、歪みゲージを一定の方向（歪み増大方向あるいは歪み減少方向）に変化させることによって、ヒステリシスの影響を排して精密な歪み量の測定を行うことができる。      
【００１６】
請求項６に記載の表面形状測定装置は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の変位測定装置と、前記接触子が前記被測定物表面の所定サンプリング点に向かう方向に前記変位測定装置を移動させる移動手段と、前記変位測定装置の移動量および前記接触子の変位量に基づく演算処理によって前記被測定物表面の形状を求める演算処理手段と、を備えることを特徴とする。
【００１７】
このような構成によれば、移動手段によって変位測定装置を移動させて接触子を所定のサンプリング点に位置させる。このサンプリング点において被測定物表面からの応力によってスタイラスに歪みが生じる。そして、歪み増減手段によってスタイラスの歪みを一旦増減させたあと、接触子の変位量を歪みゲージの出力電圧から測定する。サンプリング点への変位測定装置の移動量とサンプリング点での接触子の変位量とを演算処理することにより被測定物表面の形状解析を行うことができる。
ここで、移動手段としては例えば三次元測定機等に用いられるように駆動軸上をスライドするスライダ装置を用いて、変位測定装置をスライダに取り付けることが例示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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。
（第１実施形態）
本発明の変位測定装置に係る第１実施形態を図１に示す。
変位測定装置１０は、接触子３を先端２１に有し被測定物１００からの応力に従った歪みを生じるスタイラス２と、スタイラス２に貼設され歪み量に従った抵抗率変化を生じる歪みゲージ４と、接触子３を被測定物１００に当接させた状態からスタイラス２の歪みを減少させる向きへスタイラス２を一時的に変位させる歪み減少手段（歪み増減手段）６とを備えて構成されている。
【００１９】
接触子３は、スタイラス２の先端２１においてスタイラス２の長手方向とは直角方向の側面に設けられている。
スタイラス２は、金属等で細長い棒状に形成されており、接触子３を介して先端２１に掛かる応力に応じて曲がる弾性を有する。スタイラス２は、接触子３が設けられている側から被測定物１００に当接して、被測定物１００からの応力により接触子３が設けられている側とは反対方向へ曲がる。
歪みゲージ（ストレンゲージ）４としては、平板状の絶縁台部と、絶縁台部に貼り付けられた抵抗線とを備えた構成が利用でき、抵抗線は図示しない電圧計に接続される。歪みゲージ４は、スタイラス２に接着剤等で貼付固定される。
【００２０】
歪み減少手段６は、基体６１と、基体６１に対して変位可能に設けられスタイラス２の基端２２を支持する可動支持体６２と、可動支持体６２を変位させる変位発生手段６３と、を備えて構成されている。
基体６１は、接触子３を被測定物表面１０１に沿って移動させる場合には図示しない移動手段に連結されて所定の方向へ移動される。基体６１は、スタイラス２が曲がる方向への移動が規制された状態に位置固定可能であって、接触子３の変位量を測定する間は位置固定される。
可動支持体６２にはスタイラス２の基端２２が取り付け固定され、スタイラス２の基端２２と可動支持体６２は一体的に移動する。
変位発生手段６３は、基体６１と可動支持体６２との間に配設された圧電素子６４を備えて構成されている。圧電素子６４は、複数枚が積層されている。圧電素子６４は、可動支持体６２においてスタイラス２に接触子３が設けられているのと同じ側に設けられている。圧電素子６４は図示しない駆動回路に接続されており、駆動回路からの印加電圧によって伸縮する。
【００２１】
このような第１実施形態の動作について説明する。
接触子３を被測定物表面１０１に当接させた状態で被測定物表面１０１上を走査させる。すると、被測定物表面１０１の凹凸に従って接触子３を介してスタイラス２に応力が作用し、スタイラス２に歪みが生じる。
被測定物１００の表面形状をサンプリングしたい点で接触子３の変位量を測定する。このとき、まず、圧電素子６４に駆動回路（不図示）から印加電圧を一時的に印加する。すると、圧電素子６４は、図２に示されるように、一旦伸びたあとで元の長さに戻る。圧電素子６４が伸びると、可動支持体６２が変位する。可動支持体６２は基体６１から離隔する方向に移動するが、この移動方向はスタイラス２が被測定物１００からの応力で曲げられる方向に同じである。従って、スタイラス２の歪みが一旦緩和されて、圧電素子６４が元の長さに縮むとスタイラス２は再び被測定物１００からの応力に従った歪みになる。
この状態で、歪みゲージ４の出力電圧から式（１）により接触子３の変位量を算出する。そして、次の測定点においても同様に圧電素子６４の伸縮によってスタイラス２の歪みを一旦緩和してから接触子３の変位を測定する。
【００２２】
このような構成を備える第１実施形態によれば、次の効果を奏することができる。
（１）圧電素子６４を伸縮させることによってスタイラス２の歪みを一端減少させてから接触子３の変位量を測定する。よって、歪みゲージ４は常に歪み量が増大する経路（図７中のＡ）で出力電圧の検出が行われることになる。その結果、同じ変位量であれば同じ出力電圧となるので、歪みが次第に増加していく経路で変位量と出力電圧との関係を校正しておけば、ヒステリシスによる測定誤差を排して測定精度を向上させることができる。
【００２３】
（２）変位発生手段６３として圧電素子６４を利用すれば、印加電圧を停止することにより正確に元の長さに戻るので、スタイラス２の基端２２の位置を一旦変位させた後で正確に元の位置に戻すことができる。すると、変位発生手段６３の変位による測定誤差が生じるなどの不都合を排除することができる。
【００２４】
（第２実施形態）
本発明の変位測定装置に係る第２実施形態を図３に示す。
第２実施形態の基本的構成として、スタイラス２、接触子３および歪みゲージ４を備えている点は第１実施形態に同様であるが、第２実施形態は、歪み増大手段７を備えている点に特徴を有する。
【００２５】
図３において、歪み増大手段７は、スタイラス２の基端２２を支持する基体７１と、スタイラス２の先端２１側を接触子３が被測定物１００から離れる方向へ変位させる変位発生手段７２とを備えている。
基体７１は、スタイラス２の基端２２が取り付け固定される主体部７１１と、主体部７１１に一体的に設けられスタイラス２から所定の間隔をもってスタイラス２の中心よりも先端２１側の途中まで伸びる側体部７１２と、を備えている。
側体部７１２は、スタイラス２の接触子３が設けられる側に対向してスタイラス２に略平行に設けられている。
【００２６】
変位発生手段７２は、側体部７１２においてスタイラス２の先端２１側の所定位置に対向する位置に固定された圧電素子７３を備えて構成されている。圧電素子７３は複数枚が積層されている。圧電素子７３は、縮んでいる状態ではスタイラス２から離れている。圧電素子６４に駆動回路（不図示）から印加電圧を印加すると、圧電素子７３はスタイラス２の接触子３が設けられている側からスタイラス２に向けて伸びてスタイラス２に当接し、さらに接触子３が被測定物１００から離隔する方向にスタイラス２を押す。
なお、歪みゲージ４はスタイラス２の基端２２側に貼設されており、圧電素子７３は、接触部３と歪みゲージ４との間でスタイラス２を押す。
【００２７】
このような第２実施形態の動作について説明する。
図３に示されるように、被測定物１００に接触子３が当接してスタイラス２に歪みが生じる。ここで、圧電素子７３に駆動回路から電圧を一時的に印加する。すると、圧電素子７３は、スタイラス２に向けて伸びていき、図４に示されるように、接触部３が被測定物表面１０１から離隔する程度にスタイラス２を押す。そして、圧電素子７３への印加電圧を停止すると、図３に示されるように、圧電素子７３が元の長さに縮んでスタイラス２は再び被測定物１００からの応力に従った歪みになる。
この状態で歪みゲージ４からの出力電圧を検出して接触部３の変位量を測定する。そして、次の測定点においても同様に圧電素子７３の伸縮によってスタイラス２の歪みを一旦増大させてから接触子３の変位を測定する
【００２８】
このような構成を備える第２実施形態によれば、次の効果を奏することができる。
（３）圧電素子７３を伸縮させることによってスタイラス２の歪みを一旦増大させた後再び元の歪み量に戻してから接触子３の変位量を測定する。よって、歪みゲージ４は常に歪み量が減少する経路（図７中のＢ）で出力電圧の検出が行われることになる。その結果、同じ変位量であれば同じ出力電圧となるので、歪みが次第に減少していく経路で変位量と出力電圧との関係を校正しておけば、ヒステリシスによる測定誤差を排して測定精度を向上させることができる。
【００２９】
尚、本発明の変位測定装置１０は、上記実施形態にのみ限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
第１実施形態において、可動支持体６２を変位させる変位発生手段６３としては圧電素子６４を用いた構成を例示したが、圧電素子６４に限らず可動支持体６２を変位させることができればよい。例えば、電磁石の斥力で可動支持体６２を変位させてもよく、送りねじの螺合で可動支持体６２を変位させるとしてもよい。
【００３０】
第１実施形態において、スタイラス２の基端２２を変位させてスタイラス２の歪みを一旦減少させるとしたが、スタイラス２の基端２２を変位させてスタイラス２の歪みを増大させてもよい。例えば、スタイラス２の基端２２側を接触部３が設けられている側へ変位させればスタイラス２の歪み量が増大する。そして、スタイラス２の歪みを被測定物１００からの応力に従った歪みに戻せば、常に歪みが減少する経路（図７中の経路Ｂ）で歪みゲージ４の出力電圧を得ることになるので、ヒステリシスの影響を排除して接触子３の変位を正確に測定することができる。
このような構成としては、例えば、スタイラス２の基端２２側を接触部３が設けられる側へ押す押圧手段、スタイラス２の基端２２側を接触部３が設けられる側へ引張する引張手段、スタイラス２の基端２２側を接触部３が設けられる側へ付勢する付勢手段などを備えた構成が挙げられる。押圧手段としては、棒で押したり、押動操作するスイッチに付設されたレバーの一端でスタイラス２の基端２２を押したりしてもよい。引張手段としては、ひも等で引っ張ってもよく、電磁石の引力を利用してもよい。付勢手段としては、弾性体を利用し、ばね、ゴム等を用いてもよい。
【００３１】
第２実施形態においてスタイラス２を変位させる変位発生手段７２として圧電素子７３を用いる構成を例示したが、圧電素子７３に限らず、スタイラス２を接触子３の側から押圧する構成であればよい。例えば、棒で押してもよく、押動操作するスイッチに付設したレバーの一端でスタイラスの先端側を押してもよい。
第２実施形態において、スタイラス２を接触部３が設けられる側から押してスタイラス２の歪みを増大させるとしたが、スタイラス２を接触子３が設けられるのとは反対側から引っ張ってスタイラス２の歪みを増大させてもよい。例えば、ひもで引っ張ってもよく、電磁石の引力で引っ張ってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明の変位測定装置は、被測定物の表面形状を測定する表面形状測定装置の他、歪みゲージによる測定からスタイラスの歪み量を一定に制御して被測定物表面を倣い走査する表面倣い測定装置などに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の変位測定装置に係る第１実施形態を示す図である。
【図２】前記第１実施形態において、圧電素子の変位を示す図である。
【図３】本発明の変位測定装置に係る第２実施形態において、圧電素子がスタイラスから離れている状態を示す図である。
【図４】前記第２実施形態において、圧電素子でスタイラスを押圧している様子を示す図である。
【図５】従来の変位測定装置を示す図である。
【図６】従来の変位測定装置において接触子の変位量を算出するためのパラメータを示す図である。
【図７】歪みゲージのヒステリシスによって測定誤差が生じる関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３４】
１…変位測定装置、１０…変位測定装置、２…スタイラス、２１…スタイラスの先端、２２…スタイラスの基端、３…接触子、４…歪みゲージ、５…基体、６…歪み減少手段（歪み減少手段）、６１…基体、６２…可動支持体、６３…変位発生手段、６４…圧電素子、７…歪み増大手段（歪み増大手段）、７１…基体、７１１…主体部、７１２…側体部、７２…変位発生手段、７３…圧電素子、１００…被測定物、１０１…被測定物表面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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