(57)【要約】      （修正有）【課題】接触式変位センサなどを用いた微小対象物の表面形状の計測において、センサ接触部分と測定対象物との間の接触力を調整し、接触力を一定に保持した状態で計測できる方法及び装置を提供する。【解決手段】測定装置１１において、スタイラス２０の先端を被測定物２２表面に接触させた状態で走査し、このときのスタイラス２０の変位を計測することで被測定対象物２２の表面形状を取得する。そして、測定中のスタイラス２０と被測定物２２の間の接触力は釣り合いおもりにより調整され、接触力を著しく減少させた状態を一定に保ったまま被測定対象物２２の表面形状を正確に測定・評価する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超精密加工が施された構造物の接触式形状測定機による表面形状の測定方法であって、被測定対象物の表面に接触させるスタイラスおよび、スタイラスの接触力を調整するための釣り合いおもりから構成され、スタイラスと釣り合いおもりの質量はほぼ同等であり、これらは定滑車を介して連結され、被測定対象物に加わるスタイラスの重力荷重による接触力は釣り合いおもりの質量をスタイラス部分と同等もしくはわずかに小さく調節することで減少可能なことを特徴とする表面形状測定方法。
【請求項２】
精密金型や光学機器等の作製において精密加工が施された構造物の表面形状の測定方法であって、スタイラスをエアベアリングにより支持されたシャフトに取り付け、スタイラス先端を被測定対象物との接触状態を維持した状態において、水平方向に走査させ、この時のスタイラスが固定されたシャフトの長軸方向の移動変位を光学式リニアエンコーダ等の非接触型変位計測センサを用いて計測することにより、被測定対象物表面の形状の計測を行う請求項１に記載の測定方法を実施することを特徴とする表面形状測定装置。
【請求項３】
前記エアベアリングにより保持されたスタイラスは、釣り合いおもりにより保持されているため、スタイラスの変位や傾斜に関わらず接触力を一定に保つことを特徴とする請求項２に記載の表面形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接触式変位センサを用いた表面形状測定において、スタイラスが被測定対象物に加える荷重を減少させ、接触力を一定に保持する測定方法とその装置に関するもので、輪郭形状側測定器や三次元の精密形状測定機だけでなく、工作機械上に搭載する機上形状測定器としても適用できる。
【背景技術】
【０００２】
精密金型や光学機器等において精密加工が施された表面形状は、その性能を決定する重要な要素であり、形状測定は加工精度の評価や性能を保証する上で不可欠である。
【０００３】
従来、表面形状計測には、鋭利な先端を有するスタイラスによる接触式形状測定機や触針式形状測定機などが用いられてきた。従来の接触式形状測定装置および触針式粗さ計では、スタイラス先端と被測定対象物の表面との接触を維持した状態のままスタイラスを被測定対象物上において走査し、その時のスタイラスの変位をセンサにより計測することで、被測定対象物の表面形状の計測を行う。
【０００４】
前記、従来の接触式形状測定機および触針式粗さ計では、表面形状を測定する場合において、スタイラス先端と被測定対象物の表面との間の接触はスタイラスの自重（例えば、特許文献１）によって保たれる。しかしながら、スタイラス自重による被測定対象物との接触状態維持では、被測定対象に加わる荷重はスタイラス質量に依存し、接触力を調整することは困難である。
【０００５】
上記、従来の接触式形状測定機および触針式粗さ計では、ばねによって加えられる荷重を用いてスタイラス先端と測定表面との接触が維持されている（例えば、非特許文献１）。これらはスタイラスの一端をばねにより固定することで、スタイラスに荷重を加えて、被測定対象表面に接触させており、ばね定数を変化させることによって接触力を調整することができる。しかしながら、ばねによって被測定対象物との接触状態を維持するスタイラスでは、スタイラスの変位の増加に伴って接触力が増加するために被測定対象物の変形やダメージが問題となる。
【０００６】
上記、従来の接触式形状測定機および触針式粗さ計による形状測定では、測定対象物に加わる接触力を減少する方法として、スタイラスをスライドベアリングにより保持し、先端を鉛直方向から傾斜させることが提案されている（例えば、非特許文献２参照）。スタイラスを傾斜させることによって、被測定対象物に加わる重力荷重を減少できる。しかしながら、スタイラスを傾斜させる角度によって被測定対象物に加わる接触力が変化するため、接触力を一定に保つことは困難となる。
【０００７】
また、従来の接触式形状測定機および触針式粗さ計では、被測定対象物の表面への荷重を減少させ、接触力を一定に保持するため方法として、スタイラスバイアスコイルを用いた磁気軸受により保持する方法（例えば、非特許文献３）や真空吸着により保持する方法（例えば、非特許文献４参照）が提案されている。これらは磁気力や真空吸着によってスタイラスを保持することによって、極めて微弱な接触力も検出することが可能である。しかしながら、これらのスタイラス保持機構の構成は複雑で大がかりなものであり、加工機上に搭載し、機上計測を行うことは困難である。
【０００８】
また前記、従来の接触式形状測定機および触針式粗さ計において、加工機上に形状測定機を搭載して測定対象物の機上計測を行う場合には、加工機上の空間的制約により、スタイラス先端を鉛直方向だけではなく、任意の角度に傾斜させた状態で計測を行えることが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−１４７７４６号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】K. W. Lee, Y. J. Noh, W. Gao, Y. Arai, Y. Shimizu, K. Tanaka, M. Fukuta, and Y. Kai: Experimental investigation of an air-bearing displacement sensor for on-machine surface form measurement of micro-structures, Int. J. Precis. Eng. Manuf., Vol. 12, pp. 671-678, 2011.
【非特許文献２】P. A. McKeown, W. J. Wills-Moren, and R. F. Read: In-Situ Metrology and Machine Based Interferometry for Shape Determination, Proc. SPIE, Vol. 802, 1987.
【非特許文献３】H. Shinno, H. Yoshioka, T. Gokan, and H. Sawano: A newly developed three-dimensional profile scanner with nanometer spatial resolution, CIRP Annals -Manufacturing Technology, Vol. 59, pp. 525-528, 2010.
【非特許文献４】オズワルト  ホリカワ、佐藤海二、下河辺明：ジャーナル型アクティブベアリング（第２報）  −形状特性および絶対回転運動精度の検討−、精密工学会誌、Vol. 58、 pp. 1047-1052、1992.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで本発明では、釣り合いおもりによりスタイラスを保持することによって、被測定対象物とスタイラス先端との間の接触力を減少させ、スタイラスの変位に関わらず接触力を一定に保つ表面形状測定手法を実現する。また、スタイラスの鉛直方向からの傾斜に関わらず、被測定対象物との接触力を一定に保たれる構成の装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、接触式センサを用いた表面形状の計測方法であって、表面形状の計測に用いるスタイラスと釣り合いおもりおよび変位を計測するセンサおよびから構成される形状測定装置が得られる。スタイラスはシャフトの一端に固定され、シャフトのもう一端はワイヤにより釣り合いおもりとつながれ、定滑車を介して支持される。この釣り合いおもりの質量は、シャフトの質量と同等もしくはわずかに軽く設定される。シャフトが釣り合いおもりにより支持されることにより、被測定対象物の表面に加わる接触力はスタイラス単体が鉛直方向に接触している場合と比較して軽減される。スタイラス先端と被測定対象物間の接触状態は、スタイラスおよびシャフトと釣り合いおもりの質量の差によって維持される。釣り合いおもりの質量はスタイラスを取り付けたシャフトよりもわずかに小さくすることによって、スタイラスを取り付けたシャフト自重の重力荷重によって、スタイラス先端は被測定対象表面との接触が維持される。スタイラスと被測定対象物の接触状態を維持したまま、被測定対象物の表面を水平方向に走査し、スタイラスの変位をセンサにより計測することで表面形状の計測を行う。
【００１３】
また、本発明によれば、接触式センサを用いた表面形状の計測方法であって、エアベアリングによって保持されたスタイラスから構成されることを特徴とする形状測定装置が得られる。スタイラスが固定されるシャフトはエアベアリングにより保持され、シャフトはケーシングとの間の接触による摩擦の影響を受けることなく、ケーシング内を移動することが可能となる。このシャフトはエアベアリングの圧縮空気によってケーシング内で浮上しているため、シャフトを傾斜させてもシャフトとケーシングとの間は非接触の状態を維持することができる。このため、スタイラスを傾斜させた状態においても、シャフトとケーシングとの摩擦の影響なくスタイラスは変位することができるため、スタイラスの傾斜時においても被測定対象物との接触状態を維持し、表面形状の計測を行うことが可能である。
【００１４】
さらに、本発明によれば、接触式センサを用いた表面形状の測定方法であって、スタイラスの変位は光学式リニアエンコーダ等の非接触型の変位センサにより計測を行うことで、スタイラスおよびシャフトの移動変位に干渉することなくスタイラス変位の計測が可能ということを特徴とする形状測定装置が得られる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、スタイラスと被測定対象物との接触力を一定に制御することで、スタイラス先端が被測定対象物に加える荷重を減少させることができ、スタイラスおよび測定対象物の損傷や変形無しに、光学式リニアエンコーダを用いた変位センサにより検出されたスタイラス変位を用いて、測定対象物表面の３次元表面を計測することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明にかかる釣り合いおもりを用いたスタイラス接触力の調整方法および装置の概略図。
【図２】本発明にかかる表面形状測定装置の概略図。
【図３】釣り合い重りの構成を表す模式図。
【図４】スタイラスの軸方向移動量と接触力との関係を表示した図。
【図５】スタイラスの移動変位より計測された形状を表示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明にかかる実施形態を、図１から図５を用いて詳細に説明する。図１は、本発明にかかるスタイラスの接触力の調整方法および装置の概略図を示している。スタイラス２０はシャフト２１の一端に固定されており、シャフト２１のもう一端はワイヤ２５によって釣り合いおもり２９と接続されている。釣り合いおもり２９の質量は、スタイラス２０およびシャフト２１の合計の質量と同等かわずかに少なく設定されている。シャフト２１と釣り合いおもり２９の間のワイヤ２５は定滑車２３に吊るされている。スタイラス２０は、自重によって被測定対象物２２の表面との接触が維持される。本発明では、スタイラス２０およびシャフト２１の自重は釣り合いおもり２９によって支えられるため、スタイラスによって被測定対象物に加えられる接触力は減少させることができる。また、スタイラスはワイヤ２５を介して釣り合いおもり２９によって保持されているため、ばねのように変位によって接触力が変化することはなく、Ｚ方向の変位に関わらずスタイラスによって被測定対象物に加わる接触力は一定とすることができる。
【００１８】
図２は、本発明にかかる表面形状測定装置１１の概略図である。スタイラス２０はシャフト２１の一端に固定されており、スタイラス２０の先端はまた被測定対象物２２の表面に接触させる。前述の図１０に示したスタイラス２０、シャフト２１およびエアベアリング２７は傾斜ステージ３３上に搭載される。このシャフト２１は、定滑車２３および定滑車３６を介してワイヤ２５により、釣り合いおもり１２とつながっている。シャフト２１はシャフトケーシング２６の内部に固定されたシャフト保持用エアベアリング２７によって保持される。シャフト２１はエアベアリングによって保持されることにより、摩擦の影響なく長軸方向に移動することができる。スタイラス２０の先端に荷重が加わり、シャフト２１が長軸方向に移動する。このシャフト２１の移動変位は光学式リニアエンコーダ２８によって計測される。
【００１９】
スタイラス２０およびシャフト２１を収めたシャフト保持ケーシング２６は傾斜ステージ３３に取り付けられる。これにより、スタイラス先端はＺ方向に対して任意の角度を傾斜させることが可能となり、鉛直方向だけでなく、斜め方向からもスタイラス２０の先端を被測定対象物２２の表面に接触させ、形状を計測することができる。定滑車２３は傾斜ステージ上に取り付けられており、シャフト２１の中心軸とワイヤ２５が常時一直線に配置されるようワイヤ２５の位置を保持している。
【００２０】
ここからは、スタイラス２０と被測定対象物２２との間の接触力の調整方法について説明を進める。スタイラス２０の先端の接触力はスタイラス２０のおよびシャフト２１の合計の質量と釣り合いおもり１２の質量との差によって調整することが出来る。図３は釣り合いおもり１２の構成の詳細を示している。釣り合いおもり１２は、釣り合いおもりシャフト３３と調整用おもり３４によって構成されている。釣り合いおもりシャフト３３の一端はワイヤ２５によってシャフト２１に連結されている。また釣り合いおもりシャフト３３の内部は中空構造を有しており、内部に調整用おもり３６を付加することによって釣り合いおもりの総質量を調整することができる。釣り合いおもりシャフト３４はまた、釣り合いおもり部分ケーシング３７内に固定された釣り合いおもり保持用エアベアリング３３によって保持され、釣り合いおもりの揺動を防ぎ、Ｚ方向に対して円滑に変位できるようになっている。
【００２１】
釣り合いおもりの質量を調整し、スタイラス２０の先端と被測定対象２２との間の接触力が調整された状態において、Ｘ−Ｙ−Ｚ軸位置決めステージ３０により被測定対象物２２をＸおよびＹ方向に走査し、その時のシャフト２１の移動変位をシャフト保持用ケーシング内に収容された光学式リニアエンコーダ２８により計測することによって、表面形状を精密に計測する。
【００２２】
スタイラス２０によって、非測定対象物２２に加わる荷重は、Ｘ−Ｙ−Ｚ軸位置決めステージ上に搭載されたロードセル３１によって計測される。図４は、Ｘ−Ｙ−Ｚ軸位置決めステージを用いてＺ軸方向に変位を加えたときに、ロードセル３１を用いて計測した荷重を示している。スタイラスの先端はＸ−Ｙ面に対して垂直に配置されている。Ｚ方向の変位が加えられても、ロードセル３１に加わる荷重は、ばねのように変位によって増加することなく、ほぼ一定に保たれていることが分る。図４中の矢印は、本発明のスタイラスの測定範囲を示しており、スタイラスの変位が被測定対象物との接触から１．５  ｍｍまでの範囲において接触力をほぼ一定に保つことができることを示している。しかしながら、スタイラスのＺ方向変位や測定回数ごとに接触力にばらつきが生じており、接触力を一定に保つためには、さらなる改良が必要である。
【００２３】
本発明の接触力調整法を用いたスタイラスにより形状測定を行った結果を図５に示す。図５は、直径４．７ｍｍのスチールボールを被測定対象物としてスタイラスにより、表面形状の計測を行った。スタイラスはＺ方向に垂直に配置され、スチールボールの表面に接触させた状態でＹ軸方向に被測定対象物を平行移動させたときの、スタイラスのＺ方向の移動変位をリニアエンコーダにより測定した。図５において、ステージのＹ方向変位が１．７５ｍｍの位置、すなわちスチールボールの頂点付近においてはスタイラス変位の測定結果は繰り返し性を示しているが、頂点付近から離れるに従ってスタイラス変位の測定結果にばらつきが生じていることが分る。この測定位置におけるばらつきは、今後の改善が必要である。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明を用いると、精密加工機上において加工面の表面形状のその場観察が可能になり、測定された加工形状の情報を加工機にフィードバックすることによって、リアルタイムで形状を補正しながら加工を行うことが可能となり、微細加工の精度や再現性の向上を実現することが出来る。
【符号の説明】
【００２５】
１０              本発明における釣り合いおもりによる接触力の調整方法の概要
１１              本発明で表面形状の計測に用いる測定機の構成
１２              釣り合いおもり
２０              スタイラス
２１              シャフト
２２              被測定対象物
２３              定滑車
２４              定滑車
２５              ワイヤ
２６              シャフト保持ケーシング
２７              シャフト保持用エアベアリング
２８              光学式リニアエンコーダ
２９              釣り合いおもり
３０              Ｘ−Ｙ−Ｚ軸位置決めステージ
３１              ロードセル
３２              粗動Ｚ軸ステージ
３３              傾斜ステージ
３４              釣り合いおもりシャフト
３５              釣り合いおもり保持用エアベアリング
３６              調整用おもり
３７              釣り合いおもり部分ケーシング
【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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