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    公开号:WO1990001142A1
    申请号:PCT/JP1989/000732
    申请日:1989-07-21
    公开日:1990-02-08
    发明作者:Yukio Ibe
    申请人:Kabushiki Kaisha Ksp；
    IPC主号:G01B11-00
    专利说明:
    [0001] 明 ホ 表面状態の測定 '法及び奘 分野
    [0002] 本発明は、 物体の表面状態の測定方法及びこれを実施 するための装置に関し、 例えば、 研磨加工された物体の 表面の凹凸状況、 即ち表面粗さの如き表面状況の測定、 確認、 更には判別を行ない、 同様に又、 例えば鏡面に研 磨加工された物体の表面に発生した傷の検知とか、 物質 表面の酸化の程度や汚れの程度の確認や判別等を行なう 方法及び装置に関するものである。
    [0003] 物体表面の凹凸、 粗さ等を測定又は判別する方法とし ては、 種々のものがあるが、 被測定面に投射した光束の 反射光束を検知して判別するものが、 簡便かつ安価なた め多用されている。
    [0004] 斯種のものとしては、 例えば第 1 図の断面図で示すよ うに、 カ ップ状の筐体 3 の内面に、 光束 l aを発する光源 1 と、 反射光束 l bを検知する受光素子 2 とが一定の角度 で固定してあり、 被測定体 4 の被測定.面 4 aに上記筐体 3 をセ ッ ト したとき、 筐体 3 の作用により光源 1及び受光 素子 2 と被測定面 4aとの距離 Lが一定になるように構成 されている。
    [0005] これは、 第 2図のグラフ、 即ち、 光源 1及び受光素子 2 と被測定面 4aとの間の距離 L (關）と受光素子 2の出力 V (mV)との特性曲線図に示すように、 受光素子 2 の出力 は、 筐体 3を被測定体 4上にセッ ト したときに、 平坦な 被測定面 4aが光源 1 の光軸と受光素子 2の光軸の交点 P と一致するときに最大となることに鑑み、 そのときの受 光素子 2による検出信号値を、 予め実験等で求めた表面 状態に関する既知の測定値と比較することによって被測 定面 4aの表面状態を判別するようにしたものである。
    [0006] 然しながら、 第 3図 _ ( a ) に示すように被測定面 4aに 投射光束 l aの柽ょり大きな凹凸 4bが存在する場合には、 光源 1及び受光素子 2から被測定面 4aまでの前記距離 L が変わってしまう。 又、 第 3図 （ b ) に示すように投射 光束 laの投射箇所が傾斜面 4cとなっているような場合等 には、 投射光束 l aと反射光束 l bのなす角度が変わり、 受 光素子 lbへの入射光量が大幅に減少する。 そのため、 被 測定面 4aが平坦であることを前提とした場合と条件が異 なることになり、 受光素子 2 の検出出力についての評価 や基準値との比較等を行なうには複雑.な補正等が必要と なり、 斯種の光束を利用した表面状態の測定方法の利点 である簡便さが損なわれる結果となっていた。 発明の開示
    [0007] 本発明は、 上記の問題点を解決するためになされたも のであり、 その目的とするところは、 被測定面の凹凸や 傾斜の有無等、 表面状態の如何にかかわらず常にほぼ同 一の条件で、 即ち上記光源及び受光素子と被測定面との 間の距離を一定値に保つと共に、 被測定面に対する光束 の投射及び反射角度を一定に保って所期の測定を行ない 得る比較的簡単な方法及び装置を提供することにある。
    [0008] 上記の目的は、
    [0009] 光源から被測定面に光束を投射しその反射光束を上記 光源に対して一定位置に配置した受光素子により検出し て表面状態を測定する方法において、
    [0010] 上記光束として赤外領域の光線を所定の周期でパルス 状にオン · オフして成る光束を用いると共に、
    [0011] 相互に一定位置に配置された上記光源と受光素子の両 光蚰の交点に被測定面が合致するよう上記光源及び受光 素子と被測定面間の距離を調整しっ ゝ、 かつ上記光源及 び受光素子を上記交点を中心とする球面に沿って所定の 範囲内で移動させつ ゝ上記受光素子による反射光束の検 出信号のピークホールドを行ない、 得られた検出信号の 最大値を、 表面状態に関する既知の信号値と比較するこ とを特徴とする表面状態の測定方法によって達成し得る, 又、 上記の測定方法は、
    [0012] 赤外領域の光線を所定の.周期でパルス状にォン · オフ して成る光束を被測定面に向けて投射する光源と、
    [0013] 被測定面からの反射光束を受光する受光素子と、 上記光源及び受光素子を両者の光軸が所定の角度で交 差するよう固定して成る筐体と、
    [0014] ' 上記筐体を被測定面に対して近接、 開離せしめる駆動 機構と、
    [0015] 上記筐体を上記光源及び受光素子の両光蚰の交点を通 る水平な U軸を中心に回動させる第 1 の回動機構と、 上記筐体を上記交点において上記 u軸と直角に交差す る水平な V軸を中心に回動させる第 2の回動機構と、 上記筐体自体を、 上記光源及び受光素子の両光軸のな す角度の 2等分線を軸として回転させる機構と、
    [0016] 上記光源の上記所定の周期でのォン · オフ動作と、 上 記受光素子からの検出信号を通過させるゲー ト画路の動 作を同期させて制御するパルス発生器と、
    [0017] 上記ゲー ト回路を通過した受光素子の検出信号のビー ク値を保持するピークホール ド回路と、 上記ビークホール ド回路のホール ド値を表示する表示 器と、
    [0018] 上記ビークホールド面路にホールドされるビーク値の 更新速度が所定値以上のとき所望の報知器を作動させる ビーク更新検知回路と、
    [0019] を設けたことを特徴とする表面状態の測定装置によつ て実施し得る。
    [0020] このような本発明にか ^ る測定方法及び装置であれば、 光源及び受光素子と被測定面との間の距離を一定に保ち、 かつ被測定面に対する光束の投射及び反射角度を一定に 保つことができ、 被龅定面の凹凸や傾斜の有無等、 表面 状態の如何にかかわらず常に同一の条件で測定が行なわ れ得るから、 同一物体の既知の測定値と比較することに より、 表面状態の測定、 判別が従来に比べて格段に正確 に行なわれるようになるものである。 図面の簡単な説明
    [0021] 第 1 図は従来の表面状態の測定装置の説明図、 第 2図 は第 1図に示した従来の測定装置による測定結果の特性 曲線を示すグラフ、 第 3図 （ a ) 及び （ b ) は第 1 図に 示した従来の測定装置の問題点を示すための説明図、 第 4図は本発明にかゝ る測定方法を実施するための装置の 要部の概要を示す説明図、 筹 5図は本発明にかゝる測定 方法の原瑪を示す説明図、 第 6図は本発明にか ^る測定 方法を実施するための装置の電気回路の一実施例を示す ブロ ック図、 第 7図は本発明にかゝ る方法による測定結 果の一例を示すグラフ、 第 8図は本発明にか ^る測定方 法を実施するための装置の一実施例を示す正面図、 第 9 図はその側面図である。 発明を実施するための最良の形餽
    [0022] 以下、 第 4図ないし第 9図を参照しつ ^ 発明の詳細 を具体的に説明する。
    [0023] 第 4図は、 本究明にか、 る測定方法を実施するための 装置の要部を示しており、 カ ップ状の筐体 3Aの内壁に光 源 1及び受光素子 2が一定の角度で固定されていること は第 1図に示した実施例のものと同様であるが、 筐体 3A のフー ドの長さを前記 Lより も £だけ短く構成してあつ て、 光源 1 の光軸と受光素子 2の光軸の交点 P、 即ち受 光素子 2における検出出力が最大になるときの光源 1 か らの投射光束 laの軸と被測定面 4aからの反射光束 l bの軸 との交点 Pがフー ド先端より更に前方に形成されるよう に構成されている。
    [0024] 筐体 3Aの支持輪 5 は、 第 8図及び第.9図を参照しつ 、 後述するように、 所定の回動機構を介してスタ ン ド体へ ッ ドに保持されており、 被測定体 4 は上記へッ ドの直下 に設けたスタ ン ド体べッ ドの X Y軸ク ロススライ ドテー ブル上に載置され、 X Y蚰ク ロススライ ドテーブルの 2 軸方向の移動位置決め操作により被測定体 4 の所望の測 定部位を筐体 3Aと相対向せしめ得るよう になっている。 上記スタン ド体において、 上記筐体 3 Aを取り付けたへ ッ ドとク ロススライ ドテーブルとは上下方向 （ Z軸方向） に近接、 開離可能なよう構成され、 更に必要に応じて上 記ク ロススライ ドテーブルと被測定体 4間又はク ロス'ス ライ ドテーブルとべッ ド間に回転位置決めテーブルが設 けられる。
    [0025] 而して、 本発明においでは、 測定時に上記交点 Pが被 測定面 4a上に位置するように筐体 3 Aと被測定体 4 との Z 轴方向における位置決めを行なう と共に、 筐体 3 A自体を 上記交点 Pを中心とする球面に沿って所定範囲内で移動 させるものであり、 これにより上記交点 Pを通る筐体 3 A の中心軸 Aが常に被測定面 4 a部分の法線方向を向く よう に位置決めし、 これによ つて被測定面 4 aに対して光源 1 からの光束が常に一定の入射角度で投射され、 従って被 測定面 4 aからの反射角度も常に一定となつて、 常時一定 の条件で測定がなされるように構成されるものである。 上記交点 Pを中心とする球面に沿った筐体 3 Aの移動は 望ましく は第 5図に示すように、 筐体 3Aを、 交点 Pを通 る X軸 （若しく はこれと平行な U軸） を中心に矢符 Mに 沿って面動させると共に、 交点 Pにおいて X軸と直交す る Y軸 （若し く はこれと平行な V軸） を中心に矢符 Nに 沿って回動させることによって達成される。
    [0026] このように測定時には、 筐体 3Aを被測定面 4aに近接、 開離させながら、 同時に矢符 M及び Nに沿つて筐体 3 Aを 面動させ、 その操作期間中常時受光素子 2 の出力を検知 し、 その最大値を検知するようにすれば、 その最大値が 得られた時点において交点 Pは被測定面 4aと一致し、 か つ筐体 3Aの中心線 Aが被測定面 4a部分の法線と合致して いることを示しているから、 その最大値を同一物体の既 知の測定値と比較することにより、 常に一定条件で表面 状態の測定、 判別がなされるものである。
    [0027] 即ち、 被測定面 4aに光束の径以上の凹凸があるとか、 傾斜部分があるとか等々、 種々の異なった状況下にあつ ても、 同一条件での測定が可能となるものであり、 同一 物体における表面粗さとか傷の有無等表面状態の比較検 計が立体面においてもできるようになる。
    [0028] なお、 筐体 3Aのフー ドを、 光源 1及び受光素子 2 とそ れらの光軸の交点 P との距離 Lより短.く したのは、 筐体 3 Aの上記の如き回動操作時にフ一ドの先端が被測定面 4 a と衝突しないようにするためである。
    [0029] 尤も、 上記の場合、 被測定面 4 a上の光束投射点 Pの部 分は、 周囲の環境光に曝されるから、 光源 1 からの測定 用の光束の波長を赤外領域のものに設定したり、 その他 の配盧を施すことが必要なことは勿論である。
    [0030] 次に、 第 6図を参照しっ ゝ、 本発明にかゝ る測定方法 を実施するための装置の電気回路の一実施例を説明すれ ば、 図中、 6 は前記光源 1及び受光素子 2 を取り付けた 筐体 3Aから成るセンサ部であり、 光源 1 は前記の赤外領' 域の波長の光束を発するもので、 更にバルス発生器 7に よって所定の周波数、 即ち商用周波数及びその高調波と は異なる例えば 270 Hz等の周波数でスィ ツチング素子 8 をオン · オフしてパルス状の光線を発するよう になって いる。
    [0031] 光源 1 から発せられ、 被測定面で反射された上記パル ス状の光束を受光素子 2 により検出し、 その検出信号を バッファ回路 9を経て、 上記パルス発生器 7 によって制 御されるゲー ト画路 10を経て出力することにより、 前述 の環境光による検出波形の乱れや、 検出矩形波のオーバ ーシユー トゃアンダーシユー トを除去するようになって いる。 この結果、 本発明においては、 筐体 3 Aは光源 1 と 受光素子 2 とを所定の投射及び受光角度位置に設定し得 るものであれば足り、 環境光に対する格別の遮光体とし ての機能を有するものでな く ても差支えない。
    [0032] 11は所定の倍率でゲー ト回路 10の出力を増幅する演算 増幅器、 12は上記増幅器 11の出力の入力端子及びリ セ ッ ト入力端子を有するビークホール ド回路で、 ホール ドキ 一を有する A Z Dコ ンバータ 13を介して、 受光素子 2で 得られた検出信号のビーク値を所望のアナログメータ、 又はディ ジタルの L C D表示器 14に表示させ、 他方、 微 分回路及びコ ンパレータ回路を有するピーク更新検知回 路 15によつて、 ビークホール ド回路 12の前記パルス発生 器 7 による周波数毎の検出ピーク値の増加速度が所定値 以上のとき、 光、 音又は振動等による報知器 16により報 知せしめ、 セ ンサ部 6 (筐体 3A ) の手動その他による被 測定面 に対する距離調整及び筐体 3Aの支持軸の傾斜角 度調整を表示器 14を見な くても行なえるようにしたもの である。
    [0033] 17は測定及びホール ドの切換操作スィ ツチで、 オ ンす るこ とによって測定し、 即ち光源 1 より被測定面 4aに投 射した光の受光素子 2 による反射光検出値が最大となる ように筐体 3Aの被測定面 4aに対する距離及び傾きを調整 した上で、 オフホール ドする こ とによ.り、 ピークホール ド画路の検出ビーク値は A / Dコ ンバータ 13にホール ド され、 図示しない遅延回路を介して入力したホール ド信 号により ビークホール ド回路 12はリ セ ッ トされ、 L C D 表示器 14は前記ホール ド したビーク値を表示し続けるこ とになる。
    [0034] このよう に、 本発明にかゝ る測定装置は、 光源 1 と受 光素子 2 の光軸の交点 Pを中心とする球面に沿って所定 範囲内で移動可能に支持されたセ ンサ部 6を有する筐体 3Aに対し、 その被測定面 4aに対する距離を上記交点 Pが ^'測定面上に く るように調整する操作と'、 筐体 3Aの中心 軸 Aを被測定面の法線方向と一致するようにする角度調 整操作とを、 被測定位置で相前後してそれぞれ行なうに 際して、 セ ンサ部 6 の受光素子の検出信号が最大になる ように表示器 14又は報知器 16により検知しっ ゝ行なう こ とにより、 光源及び受光素子から被測定面までの距離、 並びに被測定面における光束の入射角度及び反射角度が 常に一定した条件において測定値 （反射光の強度、 即ち 受光素子の検出出力値） が得られ、 これを同一物質につ いて既知の測定値と比較するこ とにより表面状態の測定、 判別がより正確な状態で可能となるものである。
    [0035] 第 7図は、 本発明にか ゝ る測定方法による測定結果の 一例を示す特性曲線図で、 S K D材の放電加工面 （加工 面粗さ // m R max ) を測定したものであり、 縦軸に検出 出力 （ V ) を等間隔目盛で、 横軸に面粗さ （ rn R m ax) を対数目盛で目盛ったもので、 ほぼ反比例の関係となつ ている。
    [0036] 'そしてこの特性曲.線からも、 本発明の測定方法によれ ば、 鏡面に研磨加工された物質の表面に発生したサブミ クロンオーダ以上の大きさのクラ ックその他の傷の検知 が可能なことが明らかであり、 本発明を一般的に簡易な 測定方法として適用する範囲においては、 触針式面粗さ 計で、 1 mの面粗さを持つものと、 2 mの面粗さを 持つものとに有意な差を見出すことができるものとして 使用することができる。
    [0037] 又、 本発明の測定方法によれば、 例えば歯科材料の義 歯のような複雑な形状のものにおいて、 各測定位置での 光沢の有無や異色状態の有無等を判別することができた, 第 8図及び第 9図は、 本発明にかゝ る測定方法を実施 する機械装置の一実施例の概略構成を示す正面図と側面 図で、 21は装置全体を支持するべッ ドであり、 22は Y軸 方向に移動可能なよう支持されたサ ドルである。 23は上 記サ ドル 22にその移動方向と直角方向 （ X軸方向） に滑 動可能なように支承されたテーブルである。 24はサ ドル 22の Y軸方向の駆動装置を示し、 又 25.はテーブル 23の X 軸方向の駆動装置である。 26はテーブル 23の上面に設け られたスィ ーベルであり、 このスィ ーベル 26には被測定 体 4が載置固定され、 スィ一ベル 26の中心を通りテープ ル 23に鉛直に交わる Z轴のまわり （例えば W軸） に回転 可能なようになされ、 駆動装置 37によって画動せしめら れるようになっている。 3 は前記センサ部の筐体であり、 27はこの筐体 3 の前記支持軸 5 を支持するへッ ドである c 28は前記筐体 3を支持軸 5 の蚰芯の回りに回転位置決め する装置、 29は前記のへッ ド 27を支持するへッ ド台であ り、 アーム 30上に移動可能なように保持されている。 こ のアーム 30は、 筐体 3 の上記交点 Pを通る U蚰 （前記 X 蚰に平行） を中心としてヘッ ド台 29が回動するような円 軌道の一部を形成し、 その円弧外周又は内周に例えば歯 形 （図では省略） を刻設して扇形ギヤとなし、 前記へッ ド台に設けた小ギヤ又はウ ォームと嚙み合わせ、 同様に へッ ド台 29に設けた駆動装置 31により前記小ギヤ又はゥ オームを回転させるこ とにより、 へッ ド台 29をアーム 30 の円弧軌道に沿って U轴を中心と して回動させるように なっている。
    [0038] 一方、 32はアーム 30を支持して滑動台 33に画動可能な ように支承された回転台であり、 この回転台 32の回転中 心 （ V軸） は Y蚰と平行で、 その延長線が前記光源 1 と 上記 2の光軸の交点 Pを通るように構成され、 アーム 30 全体はこの V軸の回りに回動するようになっている。 34 は面転台 32の駆動装置であり、 35は、 滑動台 33を、 X及 び γ軸を舍む水平面に対して直角に交わる鉛直軸 ( z ) 方向に滑動可能なように支持するコ ラムであり、 36は前 記滑動台 33を Z軸方向に移動せしめるための駆動装置で ある。
    [0039] また、 28は筐体 3をその中心軸 A (即ち、 上記光源及 び受光素子の両光軸のなす角度の 2等分線） の回りに回 転させる装置であり、· 被測定体 4 の表面が例えばその研 磨方向に起因して光の反射特性に異方性が生じているよ うな場合に、 筐体 3をその中心軸 Aの回りに面転させ、 受光素子が最大の光量を得るように位置決めするもので ある。
    [0040] 而して、 測定に際しては、 被測定体 4をスィ ーベル 26 上の所定の位置に位置決めして取り付け、 躯動装置 24 , 25及び 37を手動又は数値制御装置により驱動して被測定 体 4の 測定部位を通常原点位置にある筐体 3及びへッ ド 27の直下に位置せしめ、 次いで駆動装置 36の手動又は 数値制御装置による Z軸方向移動によって筐体 3 の被測 定面 4aに対する距離調整と、 駆動装置 31及び 34の手動又 は数値制御装置による U軸及び V軸躯動の傾斜角度調整 と、 画転装置 28による筐体 3 のその中心蚰の回りの回転 位置決めとを、 前記ピーク検知回路 15の検知による報知 を監視しつ 、行なう ものである。
    [0041] なお、 筐体 3 の上記 U軸及び V軸を中心とする回動機 構としては、 例えば特開昭 48— 2287号公報、 同 48— 2383 号公報に記載の軸の回転ゃリ ンク機構を利用したもの、 その他公知の構成を利用し得ること当然である。
    [0042] 以上のように、 本発明によれば、 光源及び受光素子と 被測定面との間の距離を所定の一定値に保持すると共に、 被測定面における光束の投射角度を被測定面に対して常 に一定となるように調整した状態 測定を行なうから、 常に一定の条件で受光素子の検出出力値である測定値が 得られ、 同一物質の既知の測定値と比較することにより、 表面状態の測定、 判別が従来に比べて格段に正確に行な われ得るものである。 、
    [0043] 又、 本発明によれば、 前述の如く ピークホール ド回路 と組み合わせているため、 表示器における表示以下の出 力で動作することがな く 、 測定者は被測定位置でのセ ン サ部を有する筐体に対する 3次元の移動を最小限にする とができる I
    [0044] なお、 本発明は叙上の実施例に限 '定されるものでな く 本発明の目的の範囲内において上記の.說明から当業者が 容易に想到し得るすべての変更実施例を包摂するもので あって、 本発明の範囲は、 添付の請求の範面の記載に基 づいてのみ判断されなければならない。 上の利用可能性
    [0045] 本発明にかゝる表面状態の測定方法及び装置は、 例え ば研磨加工された様々な物体の表面の凹凸状況、 表面粗 さ、 傷の有無、 表面の酸化の程度、 污れゃ変色の程度の 確認や判別等を行なう場合に最も好適に且つ広く利用で さる。 .
    权利要求:
    Claims

    雲青： ¾ の 範 囲
    1 ) 光源から被測定面に光束を投射しその反射光束を 上記光源に対して一定位置に配置した受光素子により検 出して表面状態を測定する方法において、
    上記光束として赤外領域の光線を所定の周期でパルス 状にオ ン · オフして成る光束を用いると共に、
    相互に一定位置に配置された上記光源と受光素子の両 光軸の交点に被測定面が合致するよう上記光源及び受光 素子と被測定面間の距離を調整しっ ゝ、 かつ上記光源及 び受光素子を上記交点を中心とする球面に沿って所定の 範囲内で移動させつ ゝ上記受光素子による反射光束の検 出信号のピークホールドを行ない、 得られた検出信号の 最大値を、 表面状態に関する既知の信号値と比較するこ とを特徴とする表面状態の測定方法。
    2 ) 赤外領域の光線を所定の周期でパルス状にォン · オフ して成る光束を被測定面に向けて投射する光源と、 被測定面からの反射光束を受光する受光素子と、 上記光源及び受光素子を両者の光軸が所定の角度で交 差するよう固定して成る筐体と、
    上記筐体を被測定面に対して近接、 開離せしめる躯動 8 機構と、
    上記筐体を上記光源及び受光素子の両光軸の交点を通 る水平な U軸を中心に回動させる第 1 の面動機構と、 上記筐体を上記交点において上記 U軸と直角に交差す る水平な V軸を中心に回動させる第 2の画動機構と、 上記筐体自体を、 上記光源及び受光素子の両光軸のな す角度の 2等分線を軸として回転させる機構と、
    上記光源の上記所定の周期でのォン · オフ動作と、 上 記受光素子からの検出信号を通過させるゲー ト回路の動 作を同期させて制御するパルス発生器と、
    上記ゲー ト回路を通過した受光素子の検岀信号のピー ク値を保持するビークホールド回路と、
    上記ビークホール ド回路のホール ド値を表示する表示 器と、
    上記ビークホールド回路にホ一ルドされるビーク値の 更新速度が所定値以上のとき所望の報知器を作動させる ビーク更新検知画路と、
    を設けたことを特徴とする表面状態の測定装置。
    类似技术:
    公开号 | 公开日 | 专利标题
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    JPH0232206A|1990-02-02|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    1990-02-08| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): US |
    1990-02-08| AL| Designated countries for regional patents|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AT BE CH DE FR GB IT LU NL SE |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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