(57)【要約】表面粗さ／輪郭形状測定装置（１）は、カンチレバー（７）の長手方向に直交する方向を回動軸としてカンチレバー（７）を回動可能に支持する回動支持部（６２、６４、７１ａ、７１ｂ）をカンチレバー（７）の長手方向を回転軸として回転させてカンチレバー（７）の先端に設けられた触針（１１）の方向を変更する触針方向変更部（９）と、回動支持部（６２、６４、７１ａ、７１ｂ）の回転に伴って回転するカンチレバー（７）に作用する重力の影響を除去するために上記回動軸を支点とするカンチレバー（７）の重量バランスをとるバランス部材（６３）と、を備える。【特許請求の範囲】
【請求項１】
カンチレバーと、該カンチレバーの一端に設けられる触針と、該カンチレバーの長手方向に直交する方向を回動軸として該カンチレバーを回動可能に支持する回動支持部と、該カンチレバーを前記触針の向きに回動させる方向に付勢する付勢部材と、前記触針をワークの測定面に接触させたまま移動させたときに前記カンチレバーに生じる回転変位を検出する検出器と、を備える表面粗さ／輪郭形状測定装置であって、
前記カンチレバーの長手方向を回転軸として前記回動支持部を回転させることにより、前記触針の方向を変更する触針方向変更部と、
前記回動軸を支点とする前記カンチレバーの重量バランスをとるバランス部材と、
を備えることを特徴とする表面粗さ／輪郭形状測定装置。
【請求項２】
前記触針方向変更部によって前記触針の先端が測定面に接触する方向に該触針を方向づけて、該測定面の表面形状を測定することを特徴とする請求項１に記載の表面粗さ／輪郭形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面粗さ／輪郭形状測定装置に関し、特に触針を被測定物（ワーク）の表面に沿って移動させ触針の変位量を検出することにより、被測定物表面の粗さ又は輪郭形状を測定する表面粗さ／輪郭形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
表面粗さ／輪郭形状測定装置は、被測定物（ワーク）表面に沿って、触針を有するピックアップを移動させ、触針の変位量を電気信号に変換してコンピュータ等の計算機に読み取ることで、被測定物（ワーク）表面の粗さ又は輪郭形状を測定する。このような表面粗さ／輪郭形状測定装置は、例えば日本国公開特許公報特開平２００２−１０７１４４号に開示される。図１に、従来の表面粗さ／輪郭形状測定装置の基本構成を示す。
表面粗さ／輪郭形状測定装置１には、ワークを載置するためのＸＹ平面に沿ったテーブル２が設けられ、テーブル２にはコラム３が立設される。そしてコラム３には可動部４が取り付けられる。コラム３には図示しないモータが内蔵されており、このモータによって可動部４をコラム３に沿って（Ｚ方向に沿って）上下に移動することが可能である。可動部４には、腕部１０を介してピックアップ６を支持するホルダ５が設けられる。可動部４もまた図示しないモータを内蔵しており、ホルダ５をＸ方向に駆動することが可能である。
腕部１０の先端には、テーブル２上に載置されたワークの表面粗さを測定するための測定子（ピックアップ）６が設けられ、このピックアップ６は、一端に触針１１を有するカンチレバー７を備える。カンチレバー７は、その長手方向が可動部４の駆動方向であるＸ方向に沿うように方向付けられてピックアップ６に設けられており、ピックアップ６は、このカンチレバー７を、触針１１が設けられる一端と反対側の他端において、カンチレバー７の長手方向と触針１１の突出方向（Ｚ方向）と直交する方向（Ｙ方向）を回動軸として、回動可能に支える。
したがって、触針１１を測定表面に接触させながら駆動部４によってＸ方向に移動させたとき、触針１１は測定表面の凹凸量にしたがってＺ方向に微動する。この変位量はカンチレバー７によって回転運動に変換されて、ピックアップ６に内蔵された差動インダクタンスや作動トランス（図示せず）に伝えられ、電気信号に変換される。そして、この電気信号をＡ／Ｄ変換器（図示せず）によってディジタル信号に変換する。
そして、測定表面の全域に亘って触針１１を移動させて、そのときにＡ／Ｄ変換器から順次出力される信号を、コンピュータ等で構成されるデータ処理装置（図示せず）で収集することにより、ワークの表面粗さを示す測定データが取得される。
【発明の開示】
【０００３】
従来の表面粗さ／輪郭形状測定装置１では、触針１１の突出方向（もしくは、触針１１の微動に伴うカンチレバー７の回転運動の回転軸方向）が特定の方向に固定されている（通常は、触針１１の突出方向は鉛直下方（Ｚ軸方向）に設定され、カンチレバー７の回転運動の回転軸はＹ軸方向に設定される）。
これは、表面粗さ／輪郭形状測定では、測定力（触針１１を測定対象表面に押しつける力）が各規格（例えばＪＩＳ規格  Ｂ０６５１）によって定められており、重力に影響されずに測定力を一定に保つには、触針１１の方向を固定した方が好適であるとの事情による。
しかしながら、触針１１の方向が固定された従来の表面粗さ／輪郭形状測定装置１によってワークの様々な面の表面粗さ／輪郭形状を測定するには、各測定面に触針１１を接触させるために、ワークをテーブル２に載置する向きを変えて対応しなければならない。この作業はワークが重量物である場合に多大な労力を要するものとなる。
さらに、例えば図２Ａに示すエンジンのシリンダーブロック１００のシリンダー１０１の内面の表面形状を測定する場合に以下の問題が生じる。
図２Ｂは、図２Ａに示すシリンダー１０１の開口部の拡大断面図である。図２Ｂに示す例では、シリンダー１０１の開口部にテーパー部分（１０２、１０３）が形成されている。
このテーパー部分のうち、表面が上方を向いている１０２部分の表面粗さ／輪郭形状を計測するためには、例えば図３に示すように、図のＹ軸を回転軸としてテーパー角θ分だけワーク１００全体を傾けてテーパー部分１０２を水平にして、触針１１を表面に沿わせればよい。
一方で、表面が下方を向いているテーパー部分１０３部分の表面粗さ／輪郭形状を計測するためには、まずワーク１００全体を図のＸ軸を回転軸として１８０度回転させて、テーパー部分１０３部分の表面を上方に向ける必要がある。
ところで、表面粗さ／輪郭形状を測定する場合には、テーブル２上に載置されたワーク１００の位置が既知である必要がある。特に上述のように測定に際してワーク１００を回転させる必要がある場合には、ワーク１００を回転させる回転軸の位置及び方向が既知である必要がある。実際の回転軸が想定された回転軸から狂っていると、測定面の位置及び方向にズレが生じて誤差原因となるからである。
しかしながら、例えば図２Ａに示すシリンダーブロック１００のようないわゆる角物ワークの場合には、柱状ワークなどの場合と異なり回転軸を定めるための目標がなく、ワーク１００を回転させるための回転治具の回転軸を、想定した回転軸通りに定める作業が困難になる。したがって、従来のような触針１１の方向が固定された表面粗さ／輪郭形状測定装置１によっては、図２Ａに示すような角物ワーク各部の表面粗さ／輪郭形状を測定する作業が非常に煩雑なものとなる。
上記問題点を鑑みて、本発明は、測定面の方向に合わせて触針の方向を変えることにより、ワークの載置方向を変えることなく様々な方向の測定面を測定可能な表面粗さ／輪郭形状測定装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明による表面粗さ／輪郭形状測定装置は、カンチレバーの長手方向に直交する方向を回動軸としてカンチレバーを回動可能に支持する回動支持軸部材を、カンチレバーの長手方向を回転軸として回転させて、カンチレバーの先端に設けられた触針の方向を変更する。
さらに、回動支持部の回転に伴って回転するカンチレバーに作用する重力の影響を除去するために、カンチレバーの回動軸を支点とするカンチレバーの重量バランスをとるバランス部材を設ける。
そして、回動支持部を回転させて触針の先端が測定面に接触する方向に触針を方向づけ、その状態で測定面に触針を沿わせて表面形状を測定する。
本発明の上述した及び他の目的及び特徴は、添付図面を参照しながら以下に示される好適実施例についての説明を読むことによって、より明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
図１は、従来の表面粗さ／輪郭形状測定装置の基本構成図である。
図２Ａは、表面粗さ／輪郭形状測定装置のワークの例示となるシリンダーブロックを示す図である。
図２Ｂは、図２Ａに示すシリンダー１０１の開口部の拡大断面図である。
図３は、従来の表面粗さ／輪郭形状測定装置による測定方法の説明図である。
図４は、本発明の実施例による表面粗さ／輪郭形状測定装置の基本構成図である。
図５Ａは、図４に示すピックアップのＸＺ断面図である。
図５Ｂは、図５ＡのＡ−Ａ’断面図である。
図５Ｃは、図５Ａに示す固定部の斜視図である。
図６Ａは、図４に示すピックアップ回転部の斜視図である。
図６Ｂは、図６Ａに示すピックアップ回転部のＸＺ断面図である。
図７Ａは、図４の表面粗さ／輪郭形状測定装置による測定方法により測定面１１０を測定する状態を示す図である。
図７Ｂは、図４の表面粗さ／輪郭形状測定装置による測定方法により測定面１１１を測定する状態を示す図である。
図７Ｃは、図４の表面粗さ／輪郭形状測定装置による測定方法により測定面１１２を測定する状態を示す図である。
図７Ｄは、図４の表面粗さ／輪郭形状測定装置による測定方法により測定面１１３を測定する状態を示す図である。
図８Ａは、図４の表面粗さ／輪郭形状測定装置による測定方法によりテーパー部分１０２を測定する状態を示す図である。
図８Ｂは、図４の表面粗さ／輪郭形状測定装置による測定方法によりテーパー部分１０３を測定する状態を示す図である。
【符号の説明】
【０００５】
１…表面粗さ／輪郭形状測定装置
２…テーブル
３…コラム
４…第１可動部
６…ピックアップ
７…カンチレバー
８…第２可動部
９…ピックアップ回転部
１０…腕部
１１…触針
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、添付する図面を参照して本発明の実施例を説明する。図４は、本発明の実施例に係る表面粗さ／輪郭形状測定装置の基本構成図である。
図示するように、表面粗さ／輪郭形状測定装置１には、ワークを載置するためのＸＹ平面に沿ったテーブル２が設けられ、テーブル２にはコラム３が立設される。そしてコラム３には第１可動部４が取り付けられる。コラム３には図示しないモータが内蔵されており、このモータによって第１可動部４をコラム３に沿って（Ｚ方向に沿って）上下に移動することが可能である。
第１可動部４には第２可動部８が設けられる。第１可動部４も図示しないモータを内蔵しており、第２可動部８をＸ方向に駆動することが可能である。さらに第２可動部８には、腕部１０を介してピックアップ６を支持するピックアップ回転部９が設けられる。第２可動部８も図示しないモータを内蔵しており、ピックアップ回転部９をＹ方向に駆動することが可能である。
腕部１０の先端には測定子（ピックアップ）６が設けられ、このピックアップ６は、一端に触針１１を有するカンチレバー７を備える。カンチレバー７は、その長手方向が可動部４の駆動方向であるＸ方向に沿うように方向付けられてピックアップ６に設けられる。カンチレバー７の一端には、カンチレバーの長手方向と略直交する方向に突出する触針１１が設けられる。
ピックアップ６は、このカンチレバー７を、触針１１が設けられる一端と反対側の他端において、カンチレバー７の長手方向と触針１１の突出方向と直交する方向を回動軸として回動可能に支える。
図５Ａは、図４に示すピックアップ６のＸＺ平面側断面図であり、図５Ｂは図５ＡのＡ−Ａ’断面図である。ピックアップ６はそのケース６１の内部に、ケース６１に固定される固定部６２と、Ｙ方向に沿うピボット軸６４を回転軸として固定部６２に回動可能に支持されるバランス可動部６３と、を備える。図５Ｃは、図５Ａに示す固定部６２の形状を説明する斜視図である。
図５Ｃに示すとおり、固定部６２には、バランス可動部６３のピボット軸６４を両端から挟持するための腕部分７２ａ及び７２ｂが形成され、この腕部分７２ａ及び７２ｂのそれぞれに、ピボット軸６４を支持する軸受け７１ａ、７１ｂが取り付けられる。
また、バランス可動部６３には、カンチレバー７をバランス可動部６３に固定するためのカンチレバー取り付けピン７０が設けられる。バランス可動部６３に固定されたカンチレバー取り付けピン７０が、カンチレバー７の取り付け端に設けられた取り付け孔に挿入されることによりカンチレバー７がバランス可動部６３に固定される。
さらに、バランス可動部６３には、カンチレバー７の取り付け端と反対側の端に設けられた触針１１がワークの表面に追従しながら接触するように、カンチレバー７が固定されたバランス可動部６３を、その回動方向に付勢するためのバネ等の付勢手段６５が設けられている。図５Ａの例では、付勢手段６５は、固定部６２のバネ受け凹部６６に取り付けられた圧縮ばね６５であり、この圧縮ばね６５によってバランス可動部６３及びこれに取り付けられたカンチレバー７は、触針１１の向き（突出方向）に回動させる方向に付勢される。
したがって、ピックアップ６が第１可動部４及び第２可動部８によって移動されたとき、その触針１１は、ワークの表面の凹凸に追従するようにワークの表面上で摺動することができる。そして、ワークの表面の凹凸により生じる触針１１の変位が、カンチレバー７を介してバランス可動部６３に伝わると、バランス可動部６３はピボット軸６４を回転軸として回動する。
また、ワークの表面上を摺動する触針１１が、ワーク表面の凹凸によって変位すると、その変位量はピックアップ６に設けられた差動インダクタンスセンサによって、電気信号に変換される。この差動インダクタンスセンサは、バランス可動部６３に設けられた磁性体コア６７と、バランス可動部６３が固定部６２に支持されたとき、磁性体コア６７を挿入するように固定部６２に設けられたコア挿入口６８と、このコア挿入口６８の周囲に、磁性体コア６７を囲うように設けられた２つのコイル６９から構成される。この差動インダクタンスセンサは、バランス可動部６３の回動に伴う磁性体コア６７の動きを、２つのコイル６９のインダクタンスの差の変化として検出して、バランス可動部６３の変位量を電気的信号に変換する。
そして、測定表面の全域に亘って触針１１を移動させて、そのときにコイル６９から順次出力される信号をＡ／Ｄ変換器（図示せず）にてディジタル信号に変換し、コンピュータ等で構成されるデータ処理装置（図示せず）で収集することにより、ワークの表面粗さを示す測定データが取得される。
ここで、後述するピックアップ回転部９がピックアップ６をカンチレバー７の長手方向を回転軸として回転し、ピボット軸６４の方向（すなわちカンチレバー７及びバランス可動部６３の回動軸の方向）と鉛直方向とがなす角が変化しても、付勢手段６５によって触針１１を測定対象表面に押しつける力（すなわち測定力）が変動しないように、前記バランス可動部６３は、ピボット軸６４を支点とする、カンチレバー７、バランス可動部６３及び磁性体コア６７の組立体の重量バランスを取るように、その形状とピボット軸６４の位置を定めて構成される。
具体的には、バランス可動部６３に設けられるピボット軸６４の貫通口は、ピボット軸６４に直交する平面において、カンチレバー７、バランス可動部６３及び磁性体コア６７の組立体の重心に設けられる。
このようにピボット軸６４の位置を決定することにより、ピックアップ６の回転によってピボット軸６４の方向と鉛直方向とがなす角が変化して、カンチレバー７、バランス可動部６３及び磁性体コア６７の組立体の姿勢が変化しても、組立体には重力によるモーメントが発生しないため、付勢手段６５による測定力を一定に維持することが可能となる。
なお、ピックアップ６が第２可動部８によりＹ方向に移動され、それに伴って移動する触針１１とワークの表面との間で生じるＹ方向の摩擦力によって、カンチレバー７にヨーイングさせる力が働いても、バランス可動部６３がスムーズに回動するように、ピボット軸６４の先端は略円錐形に形成され、また軸受け７１ａ、７１ｂは、ピボット軸６４の略円錐形の先端を球面によって支持するように構成されることとしてよい。
図６Ａはピックアップ回転部９の斜視図であり、図６Ｂはピックアップ回転部６のＸＺ断面図である。ピックアップ回転部９は、第２可動部８によってＹ方向に駆動可能に支持されるケース部９１と、先端にピックアップ６が取り付けられた腕部１０を固定する回転アタッチメント部９２と、回転アタッチメント部９２を腕部１０の長手方向（すなわちカンチレバー７の長手方向）を回転軸として回転させるための駆動力を供給するモータ９３と、回転アタッチメント部９２を腕部１０の長手方向を回転軸として回転可能にケース部９１に固定するベアリング９４と、モータ９３の回転シャフト９６の回転運動を回転アタッチメント部９２に伝達するギア９５及び９７と、を備える。
モータ９３が回転するとその回転シャフト９６に生じた回転力がギア９５及び９７を伝わって回転アタッチメント部９２を回転させる。この回転アタッチメント部９２は腕部１０を介してピックアップ６に連結されているため、回転アタッチメント部９２が回転することによって、ピックアップ６はカンチレバー７の長手方向を回転軸として回転する。
すると、ピックアップ６の固定部６２に回動可能に支持されたバランス可動部６３と、このバランス可動部６３に取り付けられたカンチレバー７もまた、カンチレバー７の長手方向を回転軸として回転し、その結果として図７Ａ〜図７Ｄに示すように、触針の向き（突出方向）が変わる。
例えば、図７Ａに示すように、ＸＹ平面に平行でありかつＺ軸の正方向に向く測定面１１０の測定を行う場合には、従来の測定方法と同様に触針１１の向きをＺ軸の負方向に向けた状態にしておく。
次に、ＺＸ平面に平行でありかつＹ軸の負方向に向く測定面１１１の測定を行う場合には、図７Ｂに示すように、ピックアップ６をカンチレバー７の長手方向（Ｘ方向）を回転軸として図の矢印の方向に９０度回転させることによって、触針１１の向きをＹ軸の正方向に向けて、先端を測定面１１１に接触できるようにし、この状態で触針１１を測定面１１１上で沿わせてその表面粗さ／表面輪郭形状を測定する。
さらに、ＸＹ平面に平行でありかつＺ軸の負方向に向く測定面１１２の測定を行う場合には、図７Ｃに示すように、ピックアップ６を図の矢印の方向にさらに９０度回転させて触針１１の向きをＺ軸の正方向に向けて、先端を測定面１１２に接触できるようにし、この状態で触針１１を測定面１１２上で沿わせてその表面粗さ／表面輪郭形状を測定する。
また、ＸＺ平面に平行でありかつＹ軸の正方向に向く測定面１１３の測定を行う場合には、図７Ｄに示すように、ピックアップ６を図の矢印の方向にさらに９０度回転させて触針１１の向きをＹ軸の負方向に向けて、先端を測定面１１３に接触できるようにし、この状態で触針１１を測定面１１３上で沿わせてその表面粗さ／表面輪郭形状を測定する。
このように、測定面の方向に応じてピックアップ６を回転させ、触針１１の方向を変えることにより、従来の測定装置ではワークの向きを変えなければ測定することが不可能であった測定面を、ワークの向きを変えることなく測定することを可能とする。
また、図２及び図３を参照して上記説明した、シリンダーブロック１００のような角物ワークを測定する場合にも、測定に際してワーク１００を回転させる必要のある回転方向の数を減らし、ワーク１００を回転させるための回転治具の、回転軸の設定作業を省力化する。
例えば図２Ｂに示すシリンダー１０１の開口部のテーパー部分（１０２、１０３）の表面粗さ／輪郭形状を計測する場合を、図８Ａ及び図８Ｂを参照して説明する。
テーパー部分（１０２、１０３）のうち、表面が上方（Ｚ軸正方向）を向いている１０２部分の表面粗さ／輪郭形状を計測するためには、例えば従来の図３Ａと同様に、図のＹ軸を回転軸としてテーパー角θ分だけワーク１００全体を傾けてテーパー部分１０２を水平にして、触針１１を表面に接触させる（図８Ａ）。
一方で、表面が下方（Ｚ軸負方向）を向いているテーパー部分１０３部分の表面粗さ／輪郭形状を計測するためには、図８Ｂに示すように、図のＹ軸を回転軸としてテーパー角（−θ）分だけワーク１００全体を傾けてテーパー部分１０３を水平にするとともに、カンチレバー７を１８０度回転させて触針１１の向きをＺ軸正方向に向けることによって、触針先端がテーパー部分１０３に接触することを可能とする。
このように、従来複数方向を回転軸としてワーク１００を回転させつつ測定を行う必要があったワーク１００の表面粗さ／輪郭形状において、触針１１側の向きを変えることにより（回転させることにより）、ワーク１００の回転軸の方向を１次元減らすことが可能となる。
このように本発明によれば、カンチレバーの重量バランスをとるバランス部材を設けることにより、カンチレバーを回転させて触針の方向を変えてもカンチレバーに作用する重力の影響を除去することが可能となる。これにより触針の方向を様々な測定面の方向に合わせて変えることが可能となり、ワークの載置方向を変えることなく様々な方向の測定面を測定することが可能となる。
本発明は、表面粗さ／輪郭形状測定装置に利用可能であり、特に触針を被測定物（ワーク）の表面に沿って移動させ触針の変位量を検出することにより、被測定物表面の粗さ又は輪郭形状を測定する表面粗さ／輪郭形状測定装置に利用可能である。
以上、本発明の好適な実施態様について詳述したが、当業者が種々の修正及び変更をなし得ること、並びに、特許請求の範囲は本発明の真の精神および趣旨の範囲内にあるこの様な全ての修正及び変更を包含することは、本発明の範囲に含まれることは当業者に理解されるべきものである。
【図１】
2007023605.tif 000002
【図２Ａ】
2007023605.tif 000003
【図２Ｂ】
2007023605.tif 000004
【図３】
2007023605.tif 000005
【図４】
2007023605.tif 000006
【図５Ａ】
2007023605.tif 000007
【図５Ｂ】
2007023605.tif 000008
【図５Ｃ】
2007023605.tif 000009
【図６Ａ】
2007023605.tif 000010
【図６Ｂ】
2007023605.tif 000011
【図７Ａ】
2007023605.tif 000012
【図７Ｂ】
2007023605.tif 000013
【図７Ｃ】
2007023605.tif 000014
【図７Ｄ】
2007023605.tif 000015
【図８Ａ】
2007023605.tif 000016
【図８Ｂ】
2007023605.tif 000017
【国際調査報告】
2007023605.tif 000018
2007023605.tif 000019