特許 7422678 表面仕上げスタイラス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-18

(45)【発行日】2024-01-26

(54)【発明の名称】表面仕上げスタイラス

(51)【国際特許分類】

   G01B 5/00 20060101AFI20240119BHJP

   G01B 5/28 20060101ALI20240119BHJP

【ＦＩ】

G01B5/00 B

G01B5/28

【請求項の数】 17

(21)【出願番号】P 2020559463

(86)(22)【出願日】2019-04-23

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-08-30

(86)【国際出願番号】 GB2019051130

(87)【国際公開番号】W WO2019207293

(87)【国際公開日】2019-10-31

【審査請求日】2022-03-04

(31)【優先権主張番号】1806828.8

(32)【優先日】2018-04-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(73)【特許権者】

【識別番号】391002306

【氏名又は名称】レニショウ パブリック リミテッド カンパニー

【氏名又は名称原語表記】ＲＥＮＩＳＨＡＷ ＰＵＢＬＩＣ ＬＩＭＩＴＥＤ ＣＯＭＰＡＮＹ

(74)【代理人】

【識別番号】110001243

【氏名又は名称】弁理士法人谷・阿部特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】スティーブン エドワード ラムズ

(72)【発明者】

【氏名】マーク ジェームズ アンドリュー ホームズ

【審査官】信田 昌男

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１６－５３６６０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－２６１７４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６２－１８１３５４（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特表平０３－５０２６０３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ ５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

多方向走査プローブ用の表面仕上げスタイラスであって、
縦軸を有する細長いスタイラスシャフトと、
測定される表面に接触するための、前記細長いシャフトから突き出ている接触要素と、を備え、
前記接触要素が、縦軸に平行でない測定方向に沿った、表面に対する前記スタイラスシャフトの運動中の表面仕上げの測定を可能にするように構成され、
前記接触要素は、中空の円錐要素を含むことを特徴とする表面仕上げスタイラス。

【請求項2】

前記接触要素は、前記縦軸に対して斜めの角度で方向付けられていることを特徴とする請求項１に記載の表面仕上げスタイラス。

【請求項3】

前記中空の円錐要素は、前記縦軸に対して斜めの角度で、前記細長いスタイラスシャフトから突出する周縁部を有し、前記周縁部は、測定される表面に接触することを特徴とする請求項１または２に記載の表面仕上げスタイラス。

【請求項4】

前記斜めの角度は約４５°であることを特徴とする請求項２または３に記載の表面仕上げスタイラス。

【請求項5】

前記接触要素は、前記スタイラスシャフトに対して複数の異なる向きを有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の表面仕上げスタイラス。

【請求項6】

前記スタイラスシャフトは、前記接触要素を保持するための１つまたは複数のクランプを備えることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の表面仕上げスタイラス。

【請求項7】

前記接触要素は金属ディスクを含むことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の表面仕上げスタイラス。

【請求項8】

前記金属ディスクは曲げられることを特徴とする請求項７に記載の表面仕上げスタイラス。

【請求項9】

前記金属ディスクは、当該金属ディスクの複数の領域を曲げて当該金属ディスクの平面から突出する接触要素を形成することを可能にする、当該金属ディスクの中に形成された複数のスリットを含むことを特徴とする請求項７または８に記載の表面仕上げスタイラス。

【請求項10】

前記接触要素は剛性が低い材料によって形成されることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の表面仕上げスタイラス。

【請求項11】

前記接触要素の有効半径は、３００μｍ未満であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の表面仕上げスタイラス。

【請求項12】

表面仕上げ測定値を取得するための多方向走査プローブであって、プローブ本体と、前記プローブ本体に移動可能に取り付けられたスタイラスホルダーと、前記プローブ本体に対するスタイラスホルダーの偏移を測定するための偏移センサと、を含み、請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の表面仕上げスタイラスが前記スタイラスホルダーに取り付けられることを特徴とする多方向走査プローブ。

【請求項13】

工作機械走査プローブを含む、請求項１２に記載の多方向走査プローブ。

【請求項14】

表面仕上げスタイラスを含む多方向走査プローブを使用して対象物の表面仕上げを測定する方法であって、前記表面仕上げスタイラスは、縦軸を有する細長いシャフトと、前記細長いシャフトから突出し測定される表面に接触するための接触要素と、を含み、前記接触要素は、中空の円錐要素を含み、前記縦軸に非平行である測定方向に沿って、表面に対してスタイラスシャフトを動かすことによって表面仕上げを測定するステップによって特徴付けられる方法。

【請求項15】

前記表面仕上げを測定するステップは、前記スタイラスシャフトが前記測定方向に沿って前記表面に対して移動する間、前記接触要素と局所表面法線との整列を維持するように前記表面仕上げスタイラスを表面に対して配向することを含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。

【請求項16】

多方向走査プローブ用の表面仕上げスタイラスであって、縦軸を有する細長いシャフトと、前記縦軸に対して斜めの角度で前記細長いシャフトから延びる接触要素と、を含み、前記接触要素は、中空の円錐要素を含むことを特徴とする表面仕上げスタイラス。

【請求項17】

前記円錐要素は、前記縦軸に対して４５°の斜めの角度で突出することを特徴とする請求項１６に記載の表面仕上げスタイラス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、表面仕上げスタイラスに関し、特に、機械加工部品の表面粗さまたは表面うねりを測定するための、多方向の工作機械走査プローブと共に使用する表面仕上げスタイラスに関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、加工後の加工物を測定し、一定の基準を満たしていることを確認することが行われる。特に、工作機械で機械加工された加工物の形状および／または表面仕上げを測定することが知られている。機械加工された部品の形状は、ワークの切削に使用された工作機械のスピンドルによって保持移動される走査プローブを用いて「オンマシン」で決まった方法で測定されるが、そのような部品の表面仕上げ（表面粗さなど）は、通常、専用の表面形状測定装置を用いて「オフマシン」で測定される。

【0003】

一般的な表面形状測定装置は、シャフトの遠位端から垂直に延びるワークピース接触先端を有する細長いシャフトを含む。先端は、測定される表面と接触するよう配置され、その表面に沿って押したり引いたりすることで、表面の細かい特徴（谷や山など）を追跡する。センサは、先端が水平面を横切って移動するときの先端の垂直偏移を監視し、それによって表面粗さの測定値を与える。留意すべきは、表面形状測定装置は、スタイラス先端の偏移の垂直成分（つまり、先端がそれに沿って移動する表面に垂直な方向の先端の偏移）のみを測定するように構成されているため、一方向の機器であることである。したがって、測定対象物と先端との間の相対移動は、測定処理中に先端が常に表面に対して垂直に保たれるように、表面測定装置において注意深く制御する必要がある。部品の製造に使用される工作機械に加えて別個の表面形状測定器が必要であることから、費用と時間が製造プロセスに追加されることになる。

【0004】

物体の形状を測定するために従来から使用されている多方向プローブを備えた座標測定機（ＣＭＭ）が、特許文献１に記載されている。また、特許文献１には、このような多方向プローブに、回転継ぎ手を介して表面仕上げスタイラスを取り付ける方法についても記載されている。この構成は、回転継ぎ手を用いて、走査プローブに対して表面仕上げスタイラスを適切に回転させることにより、異なる方向の表面で表面仕上げ測定値を取得することを可能にする。したがって、特許文献１は、表面形状測定装置と同様の方法で表面仕上げを測定するように適合された専用のＣＭＭ（すなわち、工作機械ではない）を記載していることになる。このようなＣＭＭは、表面形状測定装置よりも柔軟性があるものの、表面形状測定装置よりもかなり高価であり、製造プロセスの速度を向上させることはほとんどない。

【0005】

特許文献２は、従来から用いられているタイプの多方向走査プローブを使用して形状測定を取得する、工作機械の表面仕上げを測定するための装置について記載している。特に、シャフトから直交して突出する回転対称ディスクを保持移動する細長いシャフトを備えた表面仕上げスタイラスが提供される。ディスクの最大直径の領域は接触検知面として機能し、ディスクの回転対称性により、その表面に対してシャフトがその縦軸に沿って移動したときに、細長いシャフトの縦軸に平行に整列した任意の面の表面仕上げを測定することが可能となる。このようにして、穴の内壁面の異なる領域の表面仕上げを、走査型プローブの向きを変えることなく測定することができる。特許文献２の装置は、限られた数の「オンマシン」表面仕上げ測定（たとえば、穴の内壁面の測定）に適している場合があるが、一般的な機械加工部品には、単純にそのような装置を使用して測定することはできない、多くの異なる表面配向が依然として存在する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】米国特許第５７７８５５１号明細書

【文献】米国特許公開２０１６／０２３１１０８号公報

【発明の概要】

【0007】

本発明の第１の態様によれば、多方向走査プローブ用の表面仕上げスタイラスであって、縦軸を有する細長いスタイラスシャフトと、測定される表面に接触するための、前記細長いシャフトから突き出ている１つまたは複数の接触要素と、を備え、前記１つまたは複数の接触要素が、縦軸に平行でない測定方向に沿った、表面に対する前記スタイラスシャフトの運動中の表面仕上げの測定を可能にするように構成されることを特徴とする表面仕上げスタイラスが提供される。

【0008】

したがって、本発明は、多方向走査型プローブ用の表面仕上げスタイラスに関する。以下で説明するように、多方向プローブは、従来技術の表面形状測定装置の一方向測定センサによって感知できる単一の偏移方向ではなく、取り付けられたスタイラスの複数の方向の偏移を測定することができる。本発明のスタイラスはまた、細長いシャフトから突出する１つまたは複数の接触要素を備えた縦軸を有する細長いスタイラスシャフトを有する。各接触要素は、測定される表面に接触するように配置され、表面に沿って移動するときに表面仕上げ（例えば、表面粗さおよび／または表面うねりなど）を測定することを可能にする。特に、接触要素は、それが移動する表面に追従し、それによって表面に垂直な方向の接触要素の動きが、スタイラスシャフトが取り付けられている多方向プローブによる測定を可能とする。

【0009】

上述した従来技術の表面仕上げ測定装置では、スタイラスシャフトは、シャフトから垂直に突出するスパイクまたはディスクが測定される表面に接触するように配置される。表面仕上げの測定値を集めるため、突き出たスパイクまたはディスクが表面の法線に揃うように、スタイラスを表面に対して配置する。そして、スタイラスシャフトを表面の面に平行に移動して、スパイクまたはディスクが表面上を引きずられる間、スパイクまたはディスクと表面の法線との整列を維持する。スパイクまたはディスクの表面法線方向の偏移を測定して、表面が表面に沿ってどのように変化するかを定める。このようにして、従来技術の表面仕上げ測定値は、スタイラスシャフトがスタイラスシャフトの縦軸に平行な方向に沿って表面に対して移動される間に収集される。相対的な向きと動きに対するこの制限は、測定デバイスおよび／または測定対象が向きを変えて、異なる面（水平面や垂直面など）で対象物の表面を測定する必要があることを意味し、これには時間がかかるか、あるいは工作機械の特定のモデルを使用する場合は不可能でさえある。

【0010】

本発明は、縦軸に平行でない測定方向に沿った表面に対するスタイラスシャフトの移動中に表面仕上げの測定を可能にするように構成された１つまたは複数の接触要素を含むことを特徴とする。換言すれば、１つまたは複数の接触要素は、スタイラスシャフトがスタイラスシャフトの縦軸に平行な方向に沿って表面に対して移動することを確実にしなければならないという従来技術のシステムの制約によって妨げられない表面仕上げの測定を可能にする。以下でより詳細に説明するように、本発明のスタイラスの１つまたは複数の接触要素は、縦軸に対して斜めの角度でシャフトから突出し得るか、または複数の異なる方向でシャフトから突出しおよび／または異なる向きを有する複数の接触要素が提供され得る。この接触要素の構成により、スタイラスを動かして、対象物に対してプローブの向きを変えることなく、対象物の向きの異なる複数の表面（たとえば、水平面と垂直面）の表面仕上げを感知できる。

【0011】

有利なことに、１つまたは複数の接触要素は、縦軸に対して斜めの角度で方向付けられている。このように、１つまたは複数の接触要素は、好ましくは、従来技術のスタイラスのようにシャフトから垂直に延びるのではなく、代わりに、スタイラスシャフトに対して非垂直ないし斜めの角度で突出する。したがって、スタイラスシャフトは、表面に対して傾斜し、その縦軸に平行でない方向に移動して、接触要素がその表面に沿って移動するときにその表面の法線との整列を維持することができる。複数の接触要素が提供される場合、これらは、対象物に対してプローブを再配向する必要なしに、異なる配向面を測定することを可能にする角度でシャフトから延びることができる。

【0012】

好ましい実施形態では、１つまたは複数の接触要素は中空の円錐要素を含む。円錐要素は、縦軸に対して斜めの角度で、細長いスタイラスシャフトから突出する周縁部を有し得る。周縁部は、好ましくは、円錐の庭部を形成し、円錐の頂点は、スタイラスシャフトの縦軸と一致し得る。周縁部は、測定される表面に接触するように構成されることが好ましく、例えば、中空円錐の周縁部は丸みを帯びて、表面仕上げ測定に適した有効半径を有することができる。円錐要素は、完全な中空円錐（すなわち、円周の全３６０°の周りに周縁部を有する）または部分的な中空円錐（すなわち、スタイラスシャフト円周の一部のみの周りに周縁部を有する）を含み得る。使用においては、円錐要素がスタイラスシャフトから延びる方向が表面の法線と局所的に整列するように、スタイラスが適切に向き付けられた状態で、周縁部が物体の表面と接触する。次に、スタイラスを移動して、表面の法線との局所的な整列を維持しながら、円錐要素を表面に沿って移動させることができる。表面仕上げ情報は、表面に垂直な方向の接触要素の動きから決定できる。

【0013】

有利には、斜めの角度は約４５°である。したがって、円錐要素の周縁部は、４５°の斜めの角度でスタイラスシャフトから突出し得る。垂直に対して４５°に向けられたそのようなスタイラスは、水平面と垂直面の両方の表面粗さを測定するのに使用することができる。すなわち、周縁部における正反対の部分は、垂直面と水平面の両方の表面法線方向に整列させることができる。そして、スタイラスは、並進運動のみで対象物の垂直面と水平面に沿って移動（押すまたは引く）できる（つまり、対象物のスタイラスに対する向きを変える必要がない）。

【0014】

有利には、１つまたは複数の接触要素は、複数の接触要素を含む。複数の接触要素は、好ましくは、スタイラスシャフトに対して複数の異なる向きを有する。換言すれば、複数の接触要素は、シャフトから異なる方向に突出しおよび／またはシャフトに対して異なる角度で整列され得る。例えば、１つの接触要素は、縦軸に沿ってスタイラスシャフトの遠位端から突出し得、他の接触要素は、シャフトの側面から突出し得る。そして、スタイラスシャフトに対して異なる方向の表面の表面仕上げを、異なる接触要素を使用して測定することができる。例えば、スタイラスが垂直に保持されている場合、水平面は、スタイラスシャフトの遠位端から突き出ている接触要素を使用して測定され得、一方、垂直面は、他の接触要素を使用して測定され得る。

【0015】

１つまたは複数の接触要素は、スタイラスシャフトと一体に形成され得る。あるいは、１つまたは複数の接触要素をスタイラスシャフトに（永久的または取り外し可能に）取り付けることができる。好ましい実施形態では、スタイラスシャフトは、１つまたは複数の接触要素を保持するための１つまたは複数のクランプを備える。このようにして、１つまたは複数の接触要素をスタイラスシャフトに固定することができる。

【0016】

有利には、１つまたは複数の接触要素は金属ディスクを含む。金属ディスクは成形されたものとすることができる。このディスクの成形は、金属ディスクを曲げることによって行うことができる。金属ディスクは、成形されることによって接触要素の所望の構成を提供できる（例えば、曲げられることによって、１つまたは複数の接触要素を提供でき、または中空円錐を形成することができる）。ディスクの成形／曲げを用いることはまた、スタイラスシャフトに対する一定の位置にディスクを固定することに役立ち得る。金属ディスクは、所望の形状への曲げを促進する弱い領域（例えば、より薄い領域）を含み得る。金属ディスクのそのような曲げは、（例えば、上記のクランプを使用して）それがスタイラスシャフトに固定されるときに実現され得る。金属ディスクはまた、ディスクの複数の領域を曲げて金属ディスクの平面から突出する接触要素を形成することを可能にする、そのディスクの中に形成された複数のスリットを含み得る。その結果、単一の材料片（例えば、単一の金属ディスク）は、複数の接触要素を提供し得る。あるいは、複数の別個の接触要素をスタイラスシャフトに取り付けることができる。

【0017】

１つまたは複数の接触要素は、任意の適切な材料から形成することができる。例えば、セラミックまたはガラス材料を用いることができる。あるいは、１つまたは複数の接触要素は、金属から形成され得る。

【0018】

１つまたは複数の接触要素を形成する材料は、好ましくは、（測定される表面への損傷を最小限にするため）剛性が低いものである。有利には、１つまたは複数の接触要素のヤング率（Ｅ）は、２５０ＧＰａ未満である。より好ましくは、１つまたは複数の接触要素のヤング率は、１５０ＧＰａ未満である。より好ましくは、１つまたは複数の接触要素のヤング率は、１００ＧＰａ未満である。より好ましくは、１つまたは複数の接触要素のヤング率は、５０ＧＰａ未満である。

【0019】

有利には、材料は機械的にも硬いものである（つまり摩耗を減らすため）。したがって、１つまたは複数の接触要素を形成する材料は、好ましくは、高い硬度を有する。有利には、１つまたは複数の接触要素の硬度（Ｈ）は、１ＧＰａよりも大きい。好都合には、１つまたは複数の接触要素の硬度（Ｈ）は２ＧＰａよりも大きい。好ましくは、１つまたは複数の接触要素の硬度（Ｈ）は５ＧＰａよりも大きい。

【0020】

１つまたは複数の接触要素のヤング率（Ｅ）および硬度（Ｈ）の特性はそれぞれ、それ自体が重要であるが、接触要素に適した材料を選択する場合、剛性と硬度の比（「Ｅ／Ｈ」比）を用いることもできる。特に、Ｅ／Ｈ比は可能な限り低いことが好ましい。例えば、Ｅ／Ｈ比は、好ましくは５０未満である。より好ましくは、Ｅ／Ｈ比は２０未満である。より好ましくは、Ｅ／Ｈ比は１５以下である。より好ましくは、Ｅ／Ｈ比は１０未満である。

【0021】

１つまたは複数の接触要素は、任意の適切な材料を含むことができる（例えば、上で概説した特性を有することができる）。接触要素は、複数の材料から形成することができる。有利には、接触要素は単一の材料を含む。好都合には、接触要素は金属を含み、例えば、金属ディスクまたは金属シートの材料が接触要素を形成し得る。接触要素は鋼を含み得る。例えば、接触要素は、スウェーデン、ストックホルムのサンドビックＡＢによって製造されたマルテンサイトクロム鋼「クロムフレックス」などのクロム鋼を含み得る。上記クロムフレックスのヤング率（Ｅ）は２ｌ０ＧＰａで、硬度（Ｈ）は５．８ＧＰａである（したがって、Ｅ／Ｈ＝３６）。あるいは、接触要素は、ジルコニア（Ｅ＝２００ＧＰａ、Ｈ＝１１．８ＧＰａおよびＥ／Ｈ＝１７）を含み得る。あるいは、接触要素は、ステアタイト（Ｅ＝１２０ＧＰａ、Ｈ＝５．８ＧＰａおよびＥ／Ｈ＝２ｌ）を含み得る。あるいは、接触要素は、Ｎ－ＢＫ７ホウケイ酸ガラス（Ｅ＝８２ＧＰａ、Ｈ＝５．６ＧＰａおよびＥ／Ｈ＝１５）を含み得る。有利には、接触要素は、ニチノール（Ｅ＝４５ＧＰａ、Ｈ＝５．５ＧＰａおよびＥ／Ｈ＝８）を含み得る。

【0022】

１つまたは複数の接触要素は、表面仕上げの任意の面を測定するように構成することができる。表面仕上げという用語は、標準的な走査型プローブによって測定される表面の形状よりも、表面のより細かい細部を指すことに注意する必要がある。１つまたは複数の接触要素は、表面のうねりを測定するように構成され得る。１つまたは複数の接触要素は、表面粗さを測定するように構成され得る。表面のうねりや表面粗さは、表面仕上げの例である。

【0023】

１つまたは複数の接触要素は、表面仕上げの必要な面を測定するために寸法が決められることが好ましい。例えば、１つまたは複数の接触要素の遠位端（または先端）は、３００μｍ未満の有効半径を有し得る。有効半径は、接触要素が表面上を移動する方向に平行な方向の接触要素の半径または寸法である（たとえば、接触要素ディスクの縁部の厚さ）。有利には、１つまたは複数の接触要素は、２００μｍ未満の有効半径を有し得る。有利には、１つまたは複数の接触要素は、１００μｍ未満の有効半径を有する。有利には、１つまたは複数の接触要素は、５０μｍ未満の有効半径を有する。接触要素の対象物接触端または先端が小さいほど、測定できる表面組織の解像度は細かくなる（ただし、接触要素は使用中に摩耗または損傷しやすくなる）。表面粗さの場合、表面組織の測定された変動を使用して、「Ｒａ」表面粗さ値を生成することができる。

【0024】

スタイラスは横滑りしないことが好ましい（すなわち、横滑りを含まず、接触要素のみが測定される表面に係合することが好ましい）。スタイラスシャフトは、好ましくは、走査型プローブのスタイラスホルダーに直接取り付けることができるものである。スタイラスシャフトもまた、好ましくは剛性である。有利には、スタイラスシャフトは、それが取り付けられている走査プローブのスタイラスホルダーに対する接触要素の向きを変更するための回転（ナックル）継ぎ手などを含まない。このように、接触要素の位置および方向は、それが取り付けられている走査プローブのスタイラスホルダーに対して不変である。

【0025】

本発明は、上記の表面仕上げスタイラスを含む多方向走査プローブにも及ぶ。その結果、多方向走査プローブを使用して、表面仕上げ測定値を取得することができる。多方向走査プローブは、好ましくは、プローブ本体と、プローブ本体に移動可能に取り付けられたスタイラスホルダーとを含む。スタイラスは、走査型プローブのハウジングに対して、相互に垂直な２つの方向のいずれか、または相互に垂直な３つの方向のいずれかにおいて偏移することが可能であり得る。プローブ本体に対するスタイラスホルダーの偏移を測定するために、少なくとも１つの偏移センサを設けることができる。上述の表面仕上げスタイラスは、（たとえば、標準のネジ山取り付け具によって）スタイラスホルダーに取り付けることができる。好ましい実施形態では、走査プローブは、工作機械走査プローブ（すなわち、工作機械環境での使用に適した走査プローブ）を含む。

【0026】

上述のように、少なくとも１つの偏移センサを走査プローブ内に設けてスタイラスの偏移を測定し、それによって走査プローブが出力可能なプローブデータを生成することができる。走査プローブは、スタイラスの偏移の（方向ではない）大きさのみを測定できる偏移センサを含むことができる。すなわち、走査プローブは、スタイラスの偏移の大きさのみを示すプローブデータを生成する多方向の単一出力走査プローブを含み得る。例えば、走査型プローブは、ドイツのＢｌｕｍ Ｎｏｖｏｔｅｓｔ ＧｍｂＨによって製造されるＴＣ７６－ＤｉｇｉｌｏｇまたはＴＣ６４－Ｄｉｇｉｌｏｇの走査型プローブ、またはイタリアのＭａｒｐｏｓｓによって販売されるモデルＧ２５プローブを含み得る。あるいは、走査プローブは、スタイラスの偏移の大きさと方向の両方を測定できるセンサを備えていてもよい。例えば、アナログ走査プローブは、３つの相互に直交する方向でのスタイラス先端の偏移に関連する３つの出力信号を生成し得る。英国ウォットンアンダーエッジのＲｅｎｉｓｈａｗ ｐｉｃによって製造されたＳＰＲＩＮＴ（ＯＳＰ－６０）プロービングシステムは、そのような走査型プローブの例である。

【0027】

本発明の第２の態様によれば、表面仕上げスタイラスを含む多方向走査プローブを使用して対象物の表面仕上げを測定する方法が提供され、表面仕上げスタイラスは、縦軸を有する細長いシャフトと、細長いシャフトから突出し測定される表面に接触するための１つまたは複数の接触要素と、を含み、この方法は、縦軸に非平行である測定方向に沿って表面に対してスタイラスシャフトを動かすことによって表面仕上げを測定するステップによって特徴付けられる。

【0028】

有利には、表面仕上げを測定するステップは、スタイラスシャフトが測定方向に沿って表面に対して移動する間、接触要素と局所表面法線との整列を維持するように表面仕上げスタイラスを表面に対して配向することを含む。このようにして、表面の法線方向に沿ったスタイラスの偏移が測定される。この方法はまた、上述のスタイラスの機能または使用方法のいずれかを含み得る。

【0029】

本発明のさらなる態様によれば、縦軸を有する細長いシャフトと、細長いシャフトから延びる複数の接触要素とを備える多方向走査プローブ用の表面仕上げスタイラスが提供される。複数の接触要素は、好ましくは、スタイラスシャフトに対して複数の異なる向きを有する。有利には、複数の接触要素は、縦軸に沿って細長いシャフトの遠位端から突出する第１の接触要素を含む。好ましくは、複数の接触要素は、細長いシャフトから半径方向または斜めに突出する少なくとも１つの接触要素を含む。必要に応じて、さらに接触要素が提供され得る。スタイラスはまた、上述したスタイラスの特徴のいずれかを含み得る。

【0030】

本発明のさらなる態様によれば、縦軸を有する細長いシャフトと、縦軸に対する斜めの角度で細長いシャフトから延びる１つまたは複数の接触要素とを含む、多方向走査プローブ用の表面仕上げスタイラスが提供される。１つまたは複数の接触要素は、中空の円錐要素を含む。円錐要素は、縦軸に対して４５°の斜めの角度で突出し得る。スタイラスはまた、上述したスタイラスの特徴のいずれかを含み得る。

【0031】

当業者は、上述した特徴のいずれも、以下に記載される特定の実施形態の任意の１つまたは複数の特徴と組み合わせることができることを理解するであろう。同様に、方法の文脈で説明された特徴は、装置の一部を形成し得、逆もまた同様である。

【図面の簡単な説明】

【0032】

本発明は、以下の添付の図面を参照して、一例としてのみ説明される。

【図1】図１は、従来技術の表面形状測定装置を示す。

【図2】図２は、工作機械の従来技術の表面粗さ走査プローブを示す。

【図3a】図３ａは、本発明の表面仕上げスタイラスを示す。

【図3b】図３ｂは、本発明の表面仕上げスタイラスを示す。

【図4a】図４ａは、図３を参照して説明したスタイラスの円錐形インサートディスクの詳細に示す。

【図4b】図４ｂは、図３を参照して説明したスタイラスの円錐形インサートディスクの詳細に示す。

【図5】図５は、２つの接触要素ディスクを含む代替の表面仕上げスタイラスを示す。

【図6】図６は、複数の接触要素を含む表面仕上げスタイラスの代替実施形態を示す。

【図7】図７は、３つの直交配向接触要素を含む表面仕上げスタイラスの代替実施形態を示す。

【図8a】図８ａは、金属ディスクを折りたたんで複数の方向に接触要素を形成する様子を示す。

【図8b】図８ｂは、金属ディスクを折りたたんで複数の方向に接触要素を形成する様子を示す。

【図9】図９は、複数の接触要素を含む表面仕上げスタイラスのさらなる実施形態を示す。

【発明を実施するための形態】

【0033】

図１を参照すると、従来技術の表面形状測定装置が模式的に示されている。表面形状測定装置は、縦軸Ｌを有する細長いシャフト４をそこから延ばすハウジング２を備える。接触要素６は、方向Ｐに沿ってシャフト４から垂直に延びる。ハウジング２は、方向Ｐに沿った接触要素６の前後の動きによって引き起こされるシャフト４の偏移を測定する一方向変換器（図示せず）を含む。

【0034】

使用時には、接触要素６を対象物１０の表面に接触させる。次に、接触要素６は、縦軸Ｌに平行な方向Ｍで対象物１０に対して移動される。対象物１０と表面形状測定装置との間のこの相対運動は、表面形状測定装置（例えば、シャフト４を直線的に収縮／伸長することによって）、対象物１０、または対象物と表面形状測定装置の両方を動かすことによって与えられ得る。相対運動の結果、接触要素６は、対象物１０の表面上の経路１２に沿って移動することになる（すなわち、押したり引いたりする）。接触要素６は、また、表面に追従するように上下に移動する。これは、接触要素６の先端および対象物の表面の拡大図を与える図１の挿入図に見ることができる。ハウジング２内の一方向変換器は、接触要素６の垂直偏移（すなわち、方向Ｐに沿った偏移）に関する偏移信号を出力する。経路１２を横断するときの偏移信号の変動の分析によって、対象物のその領域における表面仕上げの測定値が与えられる。例えば、平均表面粗さまたはＲａ値を計算することができる。

【0035】

図２を参照して、特許文献２の従来技術の表面粗さプローブ２０をより詳細に説明する。上述したように、特許文献２の走査プローブは、工作機械のスピンドルに取り付けられて加工物の「オンマシン」測定を可能にする多方向走査プローブである。

【0036】

走査プローブ２０は、プローブ本体２２とスタイラスを保持するためのスタイラスホルダー２１とを備える。スタイラスホルダー２１は、偏移機構（図示せず）によってプローブ本体２２に取り付けられ、変換器２３もまたプローブ本体２２内に提供され、スタイラスホルダー２１の（すなわち、取り付けられたスタイラスの偏移によって引き起こされる）プローブ本体２２に対する、偏移の大きさを測定する。変換器２３によって取得された偏移測定値は、送信機ユニット２５によってプローブインターフェース２７に渡される。プローブ本体２２は、また、工具軸部（図示せず）を介して工作機械のスピンドルに取り付けることができる。したがって、プローブ２０は、工作機械の可動範囲の周辺で移動することができ、特に、プローブスタイラスを、測定される物体の表面と接触させることができる。

【0037】

このタイプの走査プローブ２０は、従来、対象物の形状を測定することを可能にするスタイラスと共に使用される。例えば、そのようなスタイラスは、細長いシャフトの遠位端に取り付けられた直径数ミリメートルのルビー球を含み得るものである。特許文献２に記載されているさまざまな例では、代わりに、表面粗さスタイラス２４がプローブ２０に取り付けられている。表面粗さスタイラス２４は、細長いシャフト３０と、シャフト３０の縦軸Ｌから垂直なＰ方向に延びる接触要素２８とを備える。接触要素２８は、その円周の周りに丸みを帯びた（図２の挿入図に示されている）周縁部２６を備えた二重切頭円錐の形態を有する。

【0038】

使用時には、接触要素２８がシャフト３０からその方向に沿って突出する垂直方向Ｐは、測定される表面の表面法線Ｎと平行になるように揃えられる。図２は、破線の輪郭で対象物３６の適切な垂直面３４を示している。接触要素２８の周縁部２６は、垂直面３４と接触させられ、次いで、プローブ２０は、方向Ｍで垂直上向きに移動させられる。接触要素２８の垂直突出方向Ｐの表面法線Ｎとの必要な整列を維持するために、プローブ２０は、スタイラスシャフト３０の縦軸Ｌに平行であり、また表面３４の平面にも平行である方向Ｍに沿って垂直に移動される。走査プローブ２０の変換器２３は、スタイラスが表面３４に沿って引きずられるときのスタイラスの偏移の大きさを測定し、これらの測定された偏移値は、表面粗さを特定するために用いられる。

【0039】

本発明者らは、特許文献２に記載されている構成に関連する多くの問題点を認識している。例えば、走査プローブ２０は、スタイラスシャフト３０の縦軸Ｌに平行であり、また表面（例えば、表面３４）の面に平行である、方向Ｍに移動しなければならない。これらの制約は、測定されている表面の表面法線Ｎが、走査経路が横断される間、接触要素２８がシャフト３０から突出する垂直方向Ｐに平行なままであることを保証するために必要である。例えば、表面粗さは、プローブを垂直に上下に動かすことによって、垂直な穴内の任意の円周方向位置で測定することができる。しかしながら、スタイラスシャフトの縦軸Ｌに対して角度が付いた平面内の面（例えば、ブラインドボアの底面などの水平面）を、何らかの方法で走査プローブまたは対象物の方向を変えることなしに測定することは不可能である。例えば、走査プローブ２０は、垂直面と水平面の両方を測定するために、対象物に対して９０°だけ再配向されなければならないことになる。このような方向転換は、工作機械の特定のモデルでは単純に不可能であり、可能であっても、測定プロセスの遅延につながり、それによって製造コストが増加する可能性がある。

【0040】

特許文献２の構成の様々な問題点は、以下に説明するスタイラスの構成によって克服される。例えば、以下に説明するスタイラスは、表面仕上げを測定するために使用される接触要素が突き出るシャフトの縦軸に平行ではない面に向いた表面に沿う表面粗さの測定を可能にする。プローブまたはスタイラスを対象物に対して再配向する必要なしに、異なる向きの表面の測定を可能にするスタイラスについても記載される。

【0041】

図３ａおよび３ｂは、本発明の表面仕上げスタイラス５０を示している。スタイラス５０は、縦軸Ｌを有する細長いスタイラスシャフト５２を備える。スタイラスシャフト５２の近位端は、スタイラスを多方向走査プローブのスタイラスホルダー（不図示）に取り付けることを可能にするねじ込み取り付け部材５４を含む。スタイラスシャフト５２の遠位端は、中空の円錐形の金属ディスク５６の形態の接触要素を含む。金属ディスク５６は、ボルト６２によってスタイラスシャフトに取り付けられたくさび形の保持部材６０によって、円錐台形のくぼみ５８内に保持される。従って、金属ディスク５６は、スタイラスシャフト５２の円周の周りに延在し、縦軸Ｌに対して４５°の角度が付いた方向Ｑに沿って突出するスカート状の接触要素である。

【0042】

使用時には、表面仕上げスタイラス５０を使用して、走査プローブの向きを変えることなく、向きの異なる複数の表面の表面仕上げを測定することができる。例えば、図３ａに示されるように、表面仕上げスタイラス５０は、水平（および垂直）に対して４５°の角度で傾斜している。次に、水平面７０の表面仕上げを測定するために、表面仕上げスタイラス５０を方向Ｍ１に動かすことができる。すなわち、接触要素５６は、スタイラス５０を保持している走査プローブがスタイラスの偏移を測定している間、水平移動Ｍ１によって水平面７０に沿って引っ張られる。次に、表面仕上げスタイラス５０を方向Ｍ２に動かして、垂直面７２の表面仕上げを測定することができる。すなわち、接触要素５６の正反対の部分は、スタイラス５０を保持している走査プローブが再びスタイラスの偏移を測定している間、垂直移動Ｍ２によって垂直面７２に沿って引っ張られる。水平測定と垂直測定の両方で、突出した接触要素５６は、表面法線Ｎに対して垂直配向を維持する（すなわち、接触要素が細長いシャフトから突出する方向Ｑは、スタイラスが方向Ｍ１およびＭ２に沿って移動されるときに、局所表面法線Ｎに整列したままである。）。

【0043】

図２を参照して説明した従来技術の構成とは異なり、表面仕上げスタイラス５０は、スタイラスの移動の方向がスタイラスシャフトの縦軸に沿っていなければならないという制限によって制約されない。これにより、対象物に対して走査プローブの方向を変えることなく、異なる向きの表面を測定できるため、測定の柔軟性が高まり、測定時間を短縮することができる。

【0044】

図４ａおよび４ｂを手短に参照して、図３ａおよび３ｂを参照して説明した表面仕上げスタイラス５０を作製するための手法を説明する。特に、スタイラスの接触要素を与える金属ディスク５６を形成するための方法を説明する。

【0045】

図４ａに示すように、平らな金属ディスク５６’が提供される。ディスク５６’は、中央開口８０と、ディスクのその他の部分よりも薄い材料の環状領域８２を含む。ここで図３ｂも参照すると、くさび形の保持部材６０がボルト６２上に配置されて、ねじ付きボルト上にすでに配置されている平らな金属ディスク５６’と係合する。中央開口８０の直径は、隙間を供するためにボルトねじの直径よりわずかに大きい。そして、ボルト６２がスタイラスシャフトにねじ込まれ、それにより、平らな金属ディスク５６’を円錐台形のくぼみ５８と係合させる。このように、平らな金属ディスク５６’は、くさび形の保持部材６０と円錐台形のくぼみ５８との間に挟まれ、ボルト６２を締めることによって平らな金属ディスク５６’が変形して、図４ｂおよび図３ｂに示される円錐形の金属ディスク５６が供される。これにより、金属ディスク５６がスタイラスシャフトにしっかりと取り付けられ、表面仕上げスタイラス全体を交換することなく、（例えば、摩耗または損傷した場合などに）金属ディスク５６を簡単に交換することができる。中空の円錐接触要素を形成するこの手法は好都合であるが、他の製造技術も使用できることに留意されたい。

【0046】

図５は表面仕上げスタイラスの別の実施形態を示している。縦軸Ｌを有する細長いスタイラスシャフト１００は、第１の接触要素１０２および第２の接触要素１０４を保持する。第１の接触要素１０２は、スタイラスシャフト１００から垂直に延びるディスクであり、方向Ｍ１に移動したときに縦軸Ｌと整列した表面の表面粗さを感知することができる。第２の接触要素１０４もディスクであるが、第１の接触要素１０２の下側に配置され、第１の接触要素１０２に対して垂直に配向されている。第２の接触要素１０４は、縦軸上に位置し、方向Ｍ２に沿って表面に対して移動したときの表面粗さを測定することができる。方向Ｍ２は方向Ｍ１に垂直である。

【0047】

図６は表面仕上げスタイラスの別の実施形態を示している。縦軸Ｌを有する細長いスタイラスシャフト１２０が再び提供される。溝付き金属ディスク１２２は、シャフト１２０の遠位端に取り付けられる。金属ディスクの第１のセグメント１２４は、２本のねじ１２３によって、縦軸Ｌに平行な平面にある平らな支持面に取り付けられている。第１のセグメント１２４は、方向Ｍ２に沿った移動によって、垂直または水平の面の表面粗さを測定するのに用いることができる接触要素を提供する。ディスクの第２のセグメント１２６は、縦軸Ｌから垂直に延びるように曲げられ、縦軸Ｌに垂直な平坦な支持面に対してねじ１２７によって保持される。第２のセグメント１２６は、方向Ｍ１で移動するとき縦軸Ｌに整列する表面の粗さを測定するための接触要素を形成する。

【0048】

図７は表面仕上げスタイラスの別の実施形態を示している。縦軸Ｌを有する細長いスタイラスシャフト１４０は、その遠位端に卵形シェル１４２を備える。第１の接触要素１４４、第２の接触要素１４６、および第３の接触要素１４８は、シェル１４２の開口を通って突出している。第１の接触要素１４４は、縦軸に沿ってシェル１４２の底部から突出している。したがって、第１の接触要素１４４を使用して、スタイラスに垂直な面の表面粗さを測定することができる。例えば、縦軸Ｌが垂直面に整列している場合、第１の接触要素１４４は、水平面に沿って方向Ｍ３に移動することができる。第２の接触要素１４６は、シャフトから延在し、方向Ｍ２において表面粗さを測定するように配向されている。例えば、縦軸Ｌが垂直面に整列している場合、第２の接触要素１４６は、垂直面上の水平方向曲線に沿って表面粗さを測定することができる。第３の接触要素１４８は、方向Ｍ１において移動したときに縦軸Ｌと整列した面の粗さを測定するための接触要素を形成する。図７に示される実施形態の変形として、追加の接触要素または接触要素の別の構成を備えた表面仕上げスタイラスを提供することが可能となる。例えば、接触要素の対が、卵形シェル１４２の反対側に提供され得る。

【0049】

次に、図８ａおよび８ｂを参照すると、折り曲げ式金属シートを使用して、複数の異なる方向に沿って表面仕上げを測定することを可能にする複数の接触要素を提供できる表面仕上げスタイラスの形成の仕方について説明する。図８ａは、ディスクの選択された部分を折り曲げることを可能にする切り抜きを含むディスク１６０を形成するために切断された金属シートを示している。図８ｂは、領域１６２および１６４を上向きに折り曲げて、Ｍ２方向において表面仕上げを感知するための接触要素を提供する方法を示している。領域１６６は、下向きに折り曲げられて、Ｍ３方向における表面仕上げを感知するための接触要素を形成することができる。エッジ領域１６８は、方向Ｍ１に移動したとき縦軸Ｌに整列して表面の粗さを測定するための接触要素を（折り曲げることなく）提供することができる。図８ｂの折り曲げディスクは、図７に示されるのと同様の方法で、接触要素がシェルを通って突出するようにシェルに収容され得る。

【0050】

図９は、縦軸Ｌを有する細長いスタイラスシャフト１９２を有するさらなる表面仕上げスタイラス１９０を示している。シャフト１９２に取り付けられた担体部１９４は、第１の接触要素１９６および第２の接触要素１９８を保持する。図示の接触要素１９６および１９８は、日本国、神奈川県のミツトヨ株式会社によって販売されている、単一のベベルエッジ表面仕上げスタイラスである。第１の接触要素１９６は、スタイラスが縦軸Ｌに平行な方向Ｍ１に動かされたときに表面仕上げを測定するように配向されている。例えば、垂直面の上下の動きで表面仕上げを測定する。第２の接触要素１９８は、スタイラスが方向Ｍ２に動かされたときに表面仕上げを測定するように方向付けられている。例えば、垂直面の水平曲線に沿って表面仕上げを測定する。

【0051】

当業者であれば、上述のことが本発明の単なる例であることを認識するであろう。本発明によれば、別のスタイラス構造をも提供することができる。

【図1】

【図2】

【図3a】

【図3b】

【図4a】

【図4b】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8a】

【図8b】

【図9】