JPS60237310A - 微細形状測定器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ａ１発明の目的 （産業上の利用分野） 本発明に係る微細形状測定器は、鏡面仕上を施した金属
表面の表面粗さ測定等、各種高精度の測定に使用される
。

（従来の技術） 金属表面の表面粗さ等、各種精密形状測定を行なうため
に、光挺子式、電気式の微細形状測定器、或は比較的精
度の粗いものとしてはミクロケータ、ダイヤルゲージ等
が使用されている。

このうち、電気式の精密形状測定器について説明する。

電気式の精密形状測定器は、第３図に示すように、被測
定面ｌの凹凸に追従して昇降する触針２の途中に固定し
た鉄芯３と、この鉄芯３を囲んで設けたコイル４とによ
り差動トランスを構成したもので、上下対となった互い
に平行なばね５．５により支承された触針２が被測定面
１の凹凸に従ってＲ降すると、コイル４の出力電圧が触
針２の変位量に比例して変化する。このため、この電圧
変化分から被測定面■の凹凸形状を知ることができる。

６は測定圧調整用のばねである。

一方、触針等の測定子を被測定面に接触させることなく
被測定面の形状を測定するため、レーザ光を用いた光学
式の微細形状測定器が各種知られている。次に、この光
学式微細形状測定器の原理について簡単に説明する。

第４〜６図は、光学式微細形状測定器の原理の第１例を
示している。この原理は、昭和５８年度精機学会秋季大
会学術講演会論文集の第３９１〜３９２頁及び工業技術
院機械技術研究所発行の機械研ニュース１９８３年Ｍ、
９の第１〜２頁に記載されたものである。シーザ゛ダイ
オード７かも送り出されたレーザ光は、第４図に示した
コリメータレンズ８、偏光ビームスプリッタ９．４分の
１波長板１０、対物レンズ１１を通って被測定面１に照
射され、更にこのレーザ光はこの被測定面ｌで反射して
再び対物レンズ１１．４分の１波長板１０を通り、偏光
ビームスプリッタ９で反射してハーフミラ−１２に送ら
れる。このハーフミラ−１２で反射したレーザ光は第一
の臨界角プリズム１３を通って第一、第二のフォトタイ
オード１４．１６に送られ、ハーフミラ−１２を透過し
たレーザ光は第二の臨界角プリズム１５を通って同じく
第一、第二のフォトダイオード１４．１６に送られる。

測定ヘッドに固定の対物レンズ１１と被測定面ｌとの距
離が変化すると、この被測定面で反射してから第一、第
二の臨界角プリズム１３．１４内に進入するレーザ光の
入射角度が変化し、その結果第一、第二のフォトダイオ
ード１４．１６に達する光の強さが変化するため、第一
、第二のフォトダイオード１４．１６の出力差の変化を
検出すれば被測定面の凹凸を知ることができる。臨界角
プリズムの原理を示す第５図により更に説明すると、被
測定面がＢ位置にあった場合、被測定面で反射したレー
ザ光は同図に実線で示すような経路で第一、第二のフォ
トダイオード１４．１６に入り、両フォトタイオードか
ら同じ大きさの出力か出る（電位差Ｏ）。被測定面がＡ
位置にまで近付くと、反射レーザ光は同図に鎖線で示す
ような経路で臨界角プリズム１３．１５に入る。この状
態に於いてはレーザ光の一部がプリズム内で反射せずに
そのまま透過してしまうため、第一、ｆｆｉ二のフォト
ダイオード１４．１６に入るレーザ光が弱くなるが、こ
の弱くなる度合は第二のフォトダイオード１６に比べて
第一のフォトダイオードＩ４の方か犬きくなるため、両
ダイオード１４．１６の出力に差が出る。反対に被測定
面がＣ位置にまで遠ざかると、反射レーザ光は同図に破
線で示すような経路で臨界角プリズム１３．１５に入り
、上述したＡ位置の場合と逆の電位差が第一、第二のフ
ォトダイオード１４．１６の間に生じる。被測定面の変
位量と出力電位差ａとの間には第６図に示すような関係
があるため、この電位Ｖから被測定面の微細な形状をめ
ることができる。なお、第４図に於いて臨界角プリズム
を第一、第二の２個用意し、第一、第二のフォトタイオ
ード１４．１６を２組設けたのは、被測定面ｌの傾斜に
基〈誤差をキャンセルするためである。

又、第７図は光学式微細形状測定器の別の原理を示して
いる。この原理は非点収差法と呼ばれ昭和５９年度精機
学会春季大会学術講演会論文集第３９３〜３９４頁に記
載されたもので、断面が楕円形の光束を蒲鉾型のレンズ
１７により集束させると、このレンズからの距離に応し
て光束の断面が直線状、縦長の楕円形、円形、横長の楕
円形に連続的に変化するのを利用して被測定面の微細な
形状を測定する。

レーザ光利用の測定器の原理としてはこの他にも、昭和
５８年年度様学会春季大会学術講演会論文集第５２３〜
５２６頁に記載のもの、同年同学会秋季大会学術講演会
論文集第４１３〜４１４頁に記載のもの等がある。いず
れの原理に基づいて製作された微細形状測定器に於いて
も、接触子等を被測定面に接触させることなくこの被測
定面の微細な形状を測定することができる。

（発明が解決しようとする問題点） ところが、上述のような従来の微細形状測定器に於いて
は、次に述べるような不都合を生じる。

まず触針式の測定器に於いては、測定作業の間融針と被
測定面とが摺れ合うことになり、被測定面を傷付ける原
因となる。特にアルミニウム等の比較的軟質な材質を仕
上げた鏡面を測定する場合、硬い（通常ダイヤモンド酸
）触針が被測定面を深く傷付けてしまい、極端な場合に
は被測定物を使用不能にするため使用できない。

光学式の微細形状測定器の場合、非接触式であるためこ
のような不都合はないが、被測定面の反射を利用するた
め表面が黒色等反射率の低い被測定面を測定することが
できないだけでなく、被測定面が油膜で覆われていた場
合、この油膜表面で光が反射するため、油膜の厚さ分だ
け測定誤差が生じることが避けられない。更に、レーザ
利用の測定器の場合、被測定面上の照射範囲は直径２ル
ｍ程度しかなく、しかも波長が可視範囲から外れている
ため、肉眼では勿論測定台に付属の拡大鏡でも見ること
ができず、測定点を確認することが困難である。

本発明は上述のような不都合のない微細形状測定器を提
供することを目的としている。

ｂ、　考案の構成 （問題を解決するだめの手段） 本発明の微細形状測定器に於いては、被測定物をｉｔす
る測定台の上方に、上下動自在な触針と光学式変位検出
器の測定ヘッドとを互いに平行に設け、測定台と触針及
び測定ヘッドとを互いに水平方向の移動自在に構成して
いる。この触針と測定ヘッドとは水平方向に移動自在な
位置変換装置により、上記測定台の上面に選択的に対向
自在としている。

光学式変位検出器の測定ヘッドと交替して測定台の上面
に対向する触針を触針式形状測定器の触針とした場合、
触針な測定台の上面に対向させた状態で触針式の表面形
状測定を行ない、光学式変位検出器の測定ヘッドを測定
台の上面に対向させた状態で非接触式の表面形状測定を
行なう。

又、光学式変位検出器による測定を行なう場合に於ける
測定点を確認できるようにするためには、触針と光学式
変位検出器の測定ヘッドとを互いに平行に装着した支持
部を水平移動自在とし、この支持部の水平移動に伴って
触針及び測定ヘッドが移動すると触針と測定ヘッドとが
同一の点に対向するようにしておく。このため、光学式
変位検出器による測定を行なうに先立って触針を測定台
上面に対向させ、この触針を測定台上面に載置した被測
定物の測定面に当接させて測定点を確認できる。測定作
業を開始する時は触針を上昇させてからこの触針と測定
ヘッドとの位置を変換すれば、測定ヘッドがそれまで触
針が当接していた点に対向する。但し、この場合に於け
る触針は測定ヘッドとの変換時に被測定面から離れるよ
うに昇降自在なものであれば良く、触針式変位検出器に
組込まれたものである必要はない。

（実施例） 次に、図示の実施例を説明しつつ本発明を更に詳しく説
明する。

第１図は本発明の第一実施例を示している。測定器のフ
レーム（図示せず）に固定された基板１７の前面には水
平方向に亘ってあり溝１８が形成されている。このあり
溝１８には取付板１９の背面に形成した突条２０を係合
させ、この取付板１９を水平方向の移動自在に支承して
いる。前記基板１７の左右両端部にはそれぞれストッパ
２１ａ、２１ｂを設けて上記取付板１９の左右方向に亘
る移動量を制限している。取付板１９の前面には、上下
動自在な触針２２を下方に突出させた触針式微細形状測
定器２３と、光学式変位検出器の測定ヘッド２４とを互
いに平行に設けている。

このように取付板１９の前面に互いに平行に設けた測定
器２３の触針２２の中心と測定ヘッド２４の中心（レー
ザ照射部分）との距離見、は、上記取付板１９の水平移
動自在又２と等しく。

（文、；文２）なるように構成している。

一方、このように取付板１９の前面に取付けられた触針
２２及び測定ヘッド２４の下方には、被Δ１１定物を載
置するためのＩＨ定台２５が設けられている。この測定
台の構造は従来から広く知られている微細形状測定器に
使用されているものと同様のものである。即ち、フレー
ムに対して上下動自在に支承された基台（図示省略）の
上面に、傾斜角度の調節自在に載置した基板２６の上面
に摺動板２７を矢印ａ方向の摺動自在に載せ、この摺動
板２７の上面に測定台２８を矢印す方向の摺動自在に設
けたもので、位置調節摘み２９ａ′、２９ｂを回転させ
ることにより、測定台を矢印ａ、ｂ方向に移動自在とし
ている。

上述のように構成される本発明の微細形状測定器により
被測定面の形状測定を行なう場合には次のようにして行
なう。

まず、被測定面を触針式微細形状測定器により測定する
場合、取付板１９を第１図に示した状態から左方に移動
させ、触針２２を測定台２８上に載置された被測定物の
被測定面に対向させ、測定台２８に付属の拡大鏡（図示
省略）で目視しつつ位置調節摘み２９ａ、２９ｂを回転
させて触針２２の先端を測定を開始すべき点に合わせる
。次いで、触針２２の先端を被測定面に当接させつつ触
針２２と測定台２８との位置を少しずつ平行移動させ（
いずれを移動させても良い。）、この移動範囲に於ける
被測定面の凹凸を測定する。このように触針２２と測定
台２８とを相対的に移動させる機構は従来の微細形状測
定器に使用しているものをそのまま利用できる。

次に、被測定面を光学式変位検出器により測定する場合
、まず取付台１９を第１図の左方に移動させた状態で触
針２２の先端を測定を開始すべき点に合致させる。この
作業は上述の触針式微細形状測定器ｔこよる測定を行な
う場合と同様である８触劃２２の先端と測定開始点とが
合致したならば触針を上昇させ、取付板１９を第１図に
示すように基板１７の右端にまで移動させる。触針２２
の中心と測定ヘッド２４の中心との距離は取付板、１９
の移動距離と等しく、しかも両中心の取付板１９の前面
からの距離は等しいため、この取付板１９の移動によっ
て測定ヘッド２４の中心がそれまで触針２２の先端が当
接していた点に対向するようになる。そこで、測定ヘッ
ド２４からレーザ光を照射しつつ測定ヘッド２４と測定
台２８とを相対的に平行移動させ、一定範囲の形状測定
を行なう。

１次に、第２図は本発明の第二実施例を示している。本
実施例は、触針２２と測定ヘッド２４とを位置変換自在
とするのに、第１図に示した実施例がスライド式であっ
たのに対してロータリ式としている。即ち、垂直軸３０
を中心として回転自在な取付板３１（円形である必要は
ない。）に触針２２を昇降自在に装着するとともに測定
ヘッド２４を固定したもので、触針２・２の中心と測定
ヘッド２４の中心とは垂直軸３０を中心とする同一の円
弧上（図示の例は直径方向反対側に設けているが同一円
弧上であれば良い。）に位置している。このように構成
した第二実施例に於いては、取付板３１を垂直軸３０を
中心として回転させることにより触針２２と測定ヘッド
２４とを位置変換する。但し、取付板３１を回転させた
場合、触針２２と測定ヘッド２４とが所定位置で停止す
るように、取付板３１に適宜のクリンク機構を付設する
。

Ｃ１発明の効果 本発明の微細形状測定器は以上に述べた通り構成され作
用するので、従来の測定器に比較して次に述べるような
勝れた効果を発揮する。

（１）被測定物の材質、表面状態に応じて最良の測定を
行なえる。

（２）レーザ光利用による測定を行なう場合でも測定点
の確認を容易かつ確実に行なうことができ、信頼性の高
い測定を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一実施例を示す要部斜視図、第２図
は同第二実施例を示す取付板部分の横断面図、第３図は
触針式微細形状測定器の原理を示す略縦断面図、第４図
は光学式変位検出器の原理の第１例を示す略側面図、第
５図は臨界角プリズムの原理を示す略側面図、第６図は
臨界角プリズムにより生じる電位差と変位量との関係を
示す線図、第７図は光学式変位検出器の原理の第２例を
示す略側面図である。 ｌ：被測定面、２：触針、３：鉄芯、４：コイル、５．
６：ばね、７：レーザダイオード、８：コリメータレン
ズ、９：偏光ビームスプリッタ。 １０：４分の１波長板、１１：対物レンズ、１２：ハー
フミラ−，１３：第一の臨界角プリズム、１４：第一の
フォトダイオード、１５：第二の臨界角プリズム、１６
：第二のフォトダイオード、１７：基板、１８：あり溝
、１９：取付板、２０・突条、２１ａ、２１ｂ：ストッ
パ、２２：触針、２３：触針式微細形状測定器、２４：
測定ヘッド、２５：測定台、２６：基板、２７：摺動板
、２８：測定台、２９ａ、２９ｂ：位ＷｉｌＩ節摘み、
３０：垂直軸、３１：取付板。 特許出願人　株式会社　小坂研究所 代　理　人　小　山　欽　造（ほか１名）第１図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）」二下動自在な触針と被測定面上に投射した光の反
   射によりこの被測定面の凹凸を検出する光学式変位検出
   器の測定ヘッドとを具え、この測定ヘッドと前記触針と
   を被測定面上に選択的に位置させる位置変換装置を有す
   る微細形状測定器。 ２、特許請求の範囲第１項に於ける触針が、触針式形状
   測定器の触針であることを特徴とする微細形状測定器。 ３）上下動自在な触針と被測定面上に投射した光の反射
   によりこの被測定面の凹凸を検出する光学式変位検出器
   の測定ヘッドとを具え、この測定ヘッドと前記触針とを
   被測定面上に選択的に位置させる位置変換装置を有する
   微細形状測定器に於いて、変換操作の前後に於いて触針
   と測定ヘッドとが被測定面の同一の点上に位置するよう
   に構成したことを特徴とする微細形状測定器。 ４）特許請求の範囲第３項に於ける触針が光学式変位検
   出器のヘッドにより光が投射される点を示すためだけの
   触針であることを特徴とする微細形状測定器。