JP2001041732A - 可搬式測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ラップ定盤をラップ盤に搭載した状態で、一つ
の装置で全体面形状と表面微細形状の両方を容易かつ正
確に計測する可搬式測定装置を提供する。またラップ定
盤等の表面状態を容易に管理できる装置を提供する。更
にラップ定盤面加工装置の加工精度を管理できる装置を
提供する。 【解決手段】ガイドレールと該ガイドレールに左右に移
動可能に係合させたテーブルとからなるＲ軸と、前記テ
ーブルに係合し上下に移動可能なＺ軸とを有し持ち運び
できる測定装置において、前記Ｚ軸下端に非接触センサ
を具備し前記Ｚ軸が曲面を含む平面状の測定物上を距離
をおいて移動することとした。また前記可搬式測定装置
によって得られた測定物の表面形状データについて、デ
ータ解析機能を有することとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、曲面を含む平面状
の測定物を測定する可搬式測定装置に係り、特に、脆性
材料を精密加工するラップ盤で使用される、ラップ定盤
の形状精度測定に好適な可搬式測定装置に関する。さら
に好ましくは、特にＧＭＲ（巨大磁器抵抗効果）ヘッド
のような高精度な曲面加工に使用するラップ定盤の形状
精度測定に好適な可搬式測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、曲面を含む平面状の測定物、特に
表面に溝を有し表面全体が曲面形状となるラップ定盤の
形状を測定するのには以下の方法が一般的であった。

【０００３】平面度・真球度などの全体面形状 スパンゲージでの測定 三次元測定機での測定 定盤上でコンパレータ・ダイアルゲージなどで測定

【０００４】溝形状・加工表面形状などの表面微細形状 表面粗さ計で測定 レプリカをとり、走査型電子顕微鏡で観察

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の測定装置による
測定方法では、以下の問題がある。 スパンゲージ：点の測定であるため、部分的な形状精度
の劣化を見落とす可能性が高い。 三次元測定機・コンパレータなど：ラップ定盤をラップ
盤から外して測定装置に搭載しなければならず、ラップ
定盤をラップ盤に取り付けたときの変形などを計測する
ことが出来ない。 表面粗さ計：一般的な表面粗さ計はＺ方向の測定可能範
囲は１ｍｍ未満であり球面の測定には適さない。 走査型電子顕微鏡：計測するのに時間がかかうえ、広範
囲な計測に不向き。

【０００６】加えてスパンゲージ、三次元測定機、表面
粗さ計、コンパレータなどの接触測定はラップ定盤がス
ズなどの軟質金属である場合、正確な計測が出来ないば
かりか、表面に傷をつけてしまう可能性が高い。また、
ラップ定盤の表面形状の微細な違いによりラップ加工時
の加工精度にばらつきを生じる。今後更に厳しい加工精
度が必要となった場合、ラップ定盤の表面微細形状を正
確に把握する必要がある。ラップ定盤面加工機の繰り返
し加工精度についても管理できていないのが現状であ
る。

【０００７】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたもので、本発明の目的は、曲面を含む平面状の測定
物を測定物が装置に搭載した状態で、一つの可搬可能な
測定装置で、全体面形状と表面微細形状の両方を、容易
かつ正確に計測する可搬式測定装置を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、 ガイドレールと該ガイドレールに左右に
移動可能に係合させたテーブルとからなるＲ軸と、前記
テーブルに係合し上下に移動可能なＺ軸とを有し持ち運
びできる測定装置において、前記Ｚ軸下端に非接触セン
サを具備し前記Ｚ軸が曲面を含む平面状の測定物上を距
離をおいて移動することを特徴とする。本可搬式測定装
置は、被測定物である曲面を含む平面状の測定物上を、
上下に移動するＺ軸が移動し、さらに上下方向変位を計
測する非接触センサを具備しているので、被測定物を装
置に搭載した状態で計測でき、基準面であるＲ軸が被測
定物の直径にわたって存在する上、測定精度・分解能の
高いセンサの問題である測定範囲の不足も球面にＺ軸が
追従することで正確に計測することができる。

【０００９】本発明の好ましい態様として、Ｚ軸が、非
接触センサの検出値により、非接触センサと曲面を含む
平面状の測定物との距離が一定になるよう上下すること
を特徴とする。非接触センサの検出値により、非接触セ
ンサと被測定物である曲面を含む平面状の測定物の表面
との距離が一定になるよう上下するようにしたので、高
精度の分解能を持ちながら、有功な測定範囲が微少なた
め球面や曲面等の測定範囲が範囲外となり、測定に用い
られなかったセンサーでも測定可能となった。

【００１０】本発明の好ましい態様として、非接触セン
サの変位出力とＺ軸変位データを加算することで得られ
た曲面を含む平面状の測定物の表面形状データに、Ｒ軸
上下方向の移動真直度を加算補正することを特徴とす
る。非接触センサから得られたラップ定盤の表面形状デ
ータに、Ｒ軸上下方向の移動真直度を加算補正すること
により、ガイドレールのテーブル移動荷重によるたわみ
や、加工精度からくる移動真直度に左右されず、測定精
度を向上することが出来る。

【００１１】本発明の好ましい態様として、非接触セン
サにレーザ変位センサを使用したことを特徴とする。測
定スポット径が小さいレーザ変位計を使用することによ
り、全体面形状ならびに表面微細形状の両方を非接触で
高精度に計測できる。

【００１２】本発明の好ましい態様として、Ｒ軸もしく
はＺ軸、あるいはその両方に静圧空気軸受を使用したこ
とを特徴とする。測定精度を長期にわたって高精度に保
つために、静圧空気軸受を軸受部に採用したもので、こ
れによりころがり軸受などに見られるような転動・ステ
ィックスリップなどによる振動がないため測定精度は飛
躍的に向上し、長期的にも摺動面の劣化による測定精度
の劣化をまねくことがない。

【００１３】本発明の好ましい態様として、Ｒ軸の案内
となるガイドレールをセラミックス製としたことを特徴
とする。Ｒ軸の案内となるガイドレールをセラミックス
製としたことで、Ｚ軸を搭載したＲ軸テーブルの移動に
より発生するピッチング、ローリングによる測定誤差を
低下でき、また軽量であるため、可搬性を向上すること
が出来る。

【００１４】本発明の好ましい態様として、可搬式測定
装置が少なくとも１つ以上の記憶部と演算処理部とを備
え、前記記憶部に記憶されたデータと後から測定したデ
ータについて解析を行い、測定物表面形状の管理を容易
に行えることを特徴とする。

【００１５】本発明の好ましい態様として前記解析とし
て、曲面を含む平面状の測定物の設定表面形状データ
と、測定された測定表面形状データとの形状差から測定
物表面の摩耗度、傷、取替え寿命などの管理を行えるこ
とを特徴とする。曲面を含む平面状の測定物の設定表面
形状と、測定された表面形状データとの形状差を解析す
ることで、測定物表面の摩耗度、傷、取替え寿命などを
管理することが出来る。

【００１６】本発明の好ましい態様として、ラップ定盤
の測定表面形状データから該ラップ定盤に対して面加工
を施した装置の加工精度を知ることを特徴とする。これ
によりラップ定盤に対して面加工を施した装置の加工精
度を管理することが出来る。

【００１７】本発明の好ましい態様として予め設定され
前記記憶部に記憶された設定表面形状データと測定表面
形状データを比較し、予め設けた管理幅を超えるとＮＧ
を知らせることを特徴とする。測定表面形状データを予
め設定され前記記憶部に記憶された設定表面形状データ
と比較することで、ラップ定盤表面の傷や摩耗度を知る
ことができ、ラップ加工の取替え寿命を管理できる。ラ
ップ加工時の加工精度を把握できる。また、予め管理幅
を設けることでラップ定盤取替えの目安にすることが出
来る。

【００１８】本発明の好ましい態様として過去に測定し
前記記憶部に記憶された測定表面形状データと、新たな
測定表面形状データを、比較し、予め設けた管理幅を超
えるとＮＧを知らせることを特徴とする。測定表面形状
データを過去の測定データと比較することでラップ定盤
表面の傷や摩耗の進行状況を知ることができ、ラップ加
工の取替え寿命を予測できる。また、予め管理幅を設け
ることでラップ定盤取替えの目安にすることが出来る。

【００１９】本発明の管理方法として表面が溝と凸部分
からなるラップ盤の表面形状データの内、前記溝部分ま
たは前記凸部分の長さを解析することで該ラップ定盤の
精度管理を行うことを特徴とする。該ラップ定盤の溝
幅、溝深さ、凸部の幅構造を解析することでラップ加工
時の加工精度や加工スピード、加工精度の劣化によるラ
ップ定盤の取替え寿命など管理することが出来る。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を、ラップ定盤を測定する例にて説明する。図１は、ラ
ップ盤８上に本発明の可搬式測定装置を載置した図であ
る。装置全体は可搬式でありラップ定盤７をまたぐ形で
ラップ盤８のフレーム上に載置されている。２本の支柱
１０の裏には、フレーム上に載置した際に、ぐらつかな
いように、片方の支柱に２個、もう一方の支柱に１個の
突起（図示せず）が設けられている。これらの突起に
は、測定装置の水平を出すために、アジャスターを付加
してもよい。ガイドレール１はＲ軸の案内面であり、Ｒ
軸テーブル４はガイドレール１にならってラップ盤の半
径方向にＲ軸モータ（図示せず）により移動する。この
際、ガイドレール１はテーブル４の移動荷重と自重のた
わみが発生するため、測定精度を向上するためにガイド
レール１は剛であることが望ましい。その点、単位質量
あたりの縦弾性係数が高いアルミナセラミックス、炭化
珪素などが好ましい。なお、特公平６―３１７３６に示
されるように断面構造を中空状にすればその効果は倍増
する。加えて線膨張係数が他の構造材量に比べて低いた
め、測定環境温度の変化に対しても安定な精度を保つこ
とが可能となる。

【００２１】また、Ｒ軸テーブル４を静圧空気軸受で軸
受を構成することによりころがり軸受などに見られるよ
うな転動・スティックスリップなどによる振動がないた
め測定精度は飛躍的に向上し、長期的にも摺動面の劣化
による精度劣化をまねくことがなく、摺動抵抗が非常に
低いため、テーブルを移動させる駆動モータの発熱量を
小さくすることができ、結果として高精度なシステムを
構築することができる。

【００２２】変位センサ９は、Ｒ軸テーブル４の上に上
下方向に移動可能に係合されたＺ軸ステージ３の下端に
取り付けられ、Ｚ軸モータ５によって変位センサ９の出
力、つまり変位センサ９とラップ定盤７との距離を一定
になるよう上下する。

【００２３】この際、変位センサ９は、測定精度が高く
微細な表面形状を測定するのに十分小さい測定スポット
径を持つものでなければならない。また、接触測定はラ
ップ定盤７がスズなどの軟質金属である場合、正確な計
測が出来ないばかりか、表面に傷をつけてしまう可能性
が高いうえ、ラップ定盤表面にダイヤモンドがチャージ
されている場合、接触プローブ先端の磨耗による精度劣
化が発生する。

【００２４】このため、非接触の変位センサを選定する
必要があるが、非接触センサとしては、静電容量セン
サ、渦電流センサ、ファイバーセンサなどがあるがスポ
ット径の小さいものとしてはレーザ変位計が好適であ
る。

【００２５】図２に本発明の実施例である装置のブロッ
ク図を示す。Ｒ軸テーブル４が移動により、Ｒ軸リニア
スケール２から位置パルスが発振され、カウンタ回路に
入力される。カウンタ回路は、あらかじめ設定されてい
る測定位置に達すると、変位データ入力回路に、データ
取り込み用測定トリガをかける。変位データ入力回路に
は、変位センサ９のセンサ変位データとＺ軸リニアスケ
ール６のＺ軸座標位置データが入力される。

【００２６】変位センサ９のセンサ変位データは、サー
ボコントローラにも入力され、センサ変位データが一定
になるよう、Ｚ軸モータ５にフィードバックされる。し
たがって、ラップ定盤７の上下方向変位が、変位センサ
９の有功測定長を超えてしまうような曲面であっても、
変位センサ９本体がラップ定盤７の表面形状にならって
上下するため、オーバレンジにならない。

【００２７】ラップ定盤７の形状精度を算出するデータ
演算処理部には、カウンタ回路からのＲ座標と、あらか
じめ記録されているＲ軸テーブル４の移動真直度から、
Ｒ座標に対応した上下変位データに、センサ変位データ
・Ｚ軸位置座標データを演算し、上下変位データとして
記憶する。

【００２８】以上のプロセスを、ラップ定盤７の直径に
わたって繰り返し、記憶されたＲ座標と上下変位データ
を呼び出して、ラップ定盤７の表面の断面形状とする。

【００２９】図３、図４に本発明の実施例である装置を
用いてラップ定盤７の表面形状を測定した結果図を示
す。図３中の上グラフはラップ定盤７の表面の断面形状
であり、ラップ定盤表面の曲面形状がわかる。図３中の
下グラフはラップ定盤表面の設定曲面形状と実際の曲面
形状との形状差を表示している。また図４中の上グラフ
よりラップ定盤７の表面微細構造を確認できる。設定曲
面形状と実際の曲面形状との形状差に管理幅を設けるこ
とで、ラップ定盤表面の加工精度を管理することが可能
である。また表面加工を施したラップ定盤７の表面形状
測定を行うことで、ラップ定盤表面を加工した装置の加
工精度も把握できる。

【００３０】得られたデータは、ラップ定盤７の２次元
断面形状であるので、必要に応じて、ラップ定盤７をラ
ップ盤８上で回転させて円周上数点計測し、加えて一定
のＲ座標にR軸テーブル４を静止させて、円周方向の計
測を行なうことで３次元測定も可能となる。

【００３１】図５に本発明の実施例である装置を用い
た、ラップ定盤7の３次元測定の一例を示す。測定毎に
ラップ定盤７を回転させて計４本の直径測定を行い、こ
れらの測定データを解析することでラップ定盤全体の表
面形状を推測できる。

【００３２】図６、図７は本発明の実施例である装置を
用いてラップ定盤を測定した、３次元測定の結果図であ
る。図６はラップ定盤全体の面形状を表示している。こ
れより、ラップ定盤全体の表面形状を把握することがで
きる。図７はラップ定盤７の設定曲面と測定結果の曲面
との凹凸差を表示している。これより、ラップ定盤７の
部分的な摩耗やキズなどがわかる。またラップ定盤７の
内周部と外周部での摩耗度合を比較できる。

【００３３】なお、断面プロファイルの円弧中心の不一
致(例：ドーナッツ状・ラグビーボール状)や平面の傾き
（例：テーパ状）を検知する必要ない場合は半径測定で
代用することも可能である。

【００３４】Ｒ軸テーブル4は必ずしも停止して計測す
る必要はなく連続動作で計測できるが、言うまでもなく
停止して計測してもかまわない。

【００３５】図８、図９にラップ定盤表面形状と加工精
度の相関性の一例を示す。図８はラップ定盤７の表面の
断面図である。ラップ定盤表面には研削された粉体、余
分な砥粒、ラップ液等の排出・除去のために螺旋状また
は円上の溝が設けられており、この溝部分を除いた凸部
のみが実際のラップ加工時の加工面となる。図９もラッ
プ定盤７の表面の断面図であるが、図８とは摩耗の度合
いが異なっている。

【００３６】ラップ加工を繰り返す毎にラップ定盤７の
凸部表面の摩耗が進み、加工面である凸部面積は摩耗度
合いによって変化する。凸部面積が変化すると加工面圧
が変化し、加工面の場所による加工スピード変化や加工
精度変化を生じる。

【００３７】ラップ定盤７の表面形状が図８、図９の場
合ともに、ラップ定盤７の摩耗が進むと溝深さは浅くな
り、凸部の面積は大きくなる。しかし図８の場合、ラッ
プ加工を繰り返しても凸部面積の場所によるばらつきは
少ないので、場所による部分的な加工精度のばらつきは
少ないが、全体的に加工スピードや加工精度が変化して
いくことが考えられる。これに対し図９の場合、ラップ
加工を繰り返していくと加工スピードや加工精度が場所
によって異なってくることが考えられる。

【００３８】このようにラップ定盤７の表面形状測定デ
ータを解析することにより、ラップ加工時の加工スピー
ドや取替え寿命などの管理を行うことが出来る。またラ
ップ定盤表面の加工精度の面内ばらつきなども予想でき
る。

【００３９】以上、実施例は、ラップ定盤の測定を例に
説明したが、ラップ定盤に限定されるものではなく、金
型、ミラー、レンズ、セラミック等、曲面を含む平面状
の測定物であれば、測定可能である。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように本発明の可搬式測定
装置を、被測定物である曲面を含む平面状の測定物が取
付けられた装置上に、載置することによって、被測定物
を装置に搭載した状態で、全体面形状と表面微細形状の
両方を容易かつ正確に計測することが可能となった。ま
た、被測定物を取外すことなく測定できるため、取外し
・取付による変形などの無い正確な測定ができる。さら
に、被測定物がラップ定盤の場合は、ラップ定盤をラッ
プ盤上で回転させて円周上数点計測し、加えて一定のＲ
座標にＲ軸テーブルを静止させて円周方向の計測を行な
うことで３次元測定も可能となる。

【００４１】また、Ｚ軸が、非接触センサの検出値によ
り、非接触センサと被測定物表面との距離が一定になる
よう上下するようにしたので、被測定物表面の高さ方向
変位が、非接触センサの有功測定長を超えてしまうよう
な曲面であっても、測定することが可能である。さら
に、これまで有功測定長が短いために使用できなかった
高精度なセンサーが使用できる。

【００４２】また、非接触センサから得られた被測定物
の表面形状データに、あらかじめ記録されているＲ軸テ
ーブルの移動真直度を加算補正することにより、ガイド
レールのテーブル移動荷重によるたわみや、加工精度か
らくる移動真直度に左右されない正確な値が得られる。

【００４３】また、非接触センサに、測定スポット径が
小さいレーザ変位計を使用することにより、全体面形状
ならびに表面微細形状の両方を非接触で高精度に測定で
きる。

【００４４】また、Ｒ軸・Ｚ軸に静圧空気軸受を使用し
たことにより、摺動面の劣化がなく長期にわたって測定
精度を高精度に保て、また、振動がないため正確な値を
測定することができる。

【００４５】また、Ｒ軸の案内となるガイドレールをセ
ラミックス製としたことで、Ｚ軸を搭載したＲ軸テーブ
ルの移動により発生するピッチング、ローリングによる
測定誤差を低下でき、さらに軽量であるため、可搬性の
よい可搬式測定装置が提供できる。

【００４６】また、可搬式測定装置を用いて得られた測
定表面形状データを解析することで、測定物の表面形状
管理を容易に行う装置が提供できる。また、解析方法と
して曲面を含む平面状の測定物の設定表面形状と、測定
表面形状データとの形状差を調べることで 測定物表面
の摩耗度、傷、取替え寿命などの管理を行える。

【００４７】また、測定表面形状データと予め設定され
た表面形状データを比較する際に、形状差に管理幅を設
けておくことで、管理幅を超えるとＮＧを知らせること
ができる。また、測定形状データと過去の測定形状デー
タを比較する際に、形状差に管理幅を設けておくこと
で、摩耗度合いを把握し管理幅を超えるとＮＧを知らせ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す構造図である。

【図２】本発明の測定データ処理を示すブロック図であ
る。

【図３】本発明の一実施例の測定結果図である。

【図４】本発明の一実施例の測定結果図である。

【図５】本発明の一実施例の３次元測定概要図である。

【図６】本発明の一実施例の３次元測定結果図である。

【図７】本発明の一実施例の３次元測定結果図である。

【図８】本発明の一実施例を示すラップ定盤表面の断面
図である。

【図９】本発明の一実施例を示すラップ定盤表面の断面
図である。

【符号の説明】

１：Ｒ軸ガイドレール ２：Ｒ軸リニアスケール ３：Ｚ軸ステージ ４：Ｒ軸テーブル ５：Ｚ軸モータ ６：Ｚ軸リニアスケール ７：ラップ定盤 ８：ラップ盤 ９：変位センサ １０：支柱

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中川 修 福岡県北九州市小倉北区中島２丁目１番１ 号 東陶機器株式会社内 (72)発明者 大熊 章朗 福岡県北九州市小倉北区中島２丁目１番１ 号 東陶機器株式会社内 (72)発明者 内村 健志 福岡県北九州市小倉北区中島２丁目１番１ 号 東陶機器株式会社内 (72)発明者 鈴木 茂美 福岡県北九州市小倉北区中島２丁目１番１ 号 東陶機器株式会社内

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガイドレールと該ガイドレールに左右に移
   動可能に係合させたテーブルとからなるＲ軸と、前記テ
   ーブルに係合し上下に移動可能なＺ軸とを有し持ち運び
   できる測定装置において、前記Ｚ軸下端に非接触センサ
   を具備し前記Ｚ軸が曲面を含む平面状の測定物上を距離
   をおいて移動することを特徴とする可搬式測定装置。
2. 【請求項２】前記Ｚ軸が、前記非接触センサの検出値に
   より、該非接触センサと前記曲面を含む平面状の測定物
   との距離が一定になるよう上下することを特徴とする請
   求項１に記載の可搬式測定装置。
3. 【請求項３】前記非接触センサの変位出力と前記Ｚ軸変
   位データを加算することで得られた曲面を含む平面状の
   測定物の表面形状データに、Ｒ軸上下方向の移動真直度
   を加算補正することを特徴とする請求項１または２に記
   載の可搬式測定装置。
4. 【請求項４】前記非接触センサにレーザ変位センサを使
   用したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に
   記載の可搬式測定装置。
5. 【請求項５】前記Ｒ軸もしくは前記Ｚ軸、あるいはその
   両方に静圧空気軸受を使用したことを特徴とする請求項
   １〜４のいずれか１項に記載の可搬式測定装置。
6. 【請求項６】前記Ｒ軸の案内となる前記ガイドレール
   を、セラミックス製としたことを特徴とする請求項１〜
   ５のいずれか１項に記載の可搬式測定装置。
7. 【請求項７】前記請求項１〜６のいずれか１項に記載の
   可搬式測定装置が少なくとも１つ以上の記憶部と演算処
   理部とを備え、前記記憶部に記憶されたデータと後から
   測定したデータについて解析を行い、測定物表面形状の
   管理を容易に行えることを特徴とする可搬式測定装置。
8. 【請求項８】前記解析として、曲面を含む平面状の測定
   物の設定表面形状データと、測定された測定表面形状デ
   ータとの形状差から測定物表面の摩耗度、傷、取替え寿
   命などの管理を行えることを特徴とする、請求項７に記
   載の可搬式測定装置。
9. 【請求項９】前記測定物がラップ定盤であり、その面形
   状から該ラップ定盤の面加工を施した装置の加工精度管
   理を容易に行うことを特徴とする請求項７または８に記
   載の可搬式測定装置。
10. 【請求項１０】予め設定され前記記憶部に記憶された設
    定表面形状データと測定表面形状データを比較し、予め
    設けた管理幅を超えるとＮＧを知らせることを特徴とす
    る請求項７〜９のいずれか１項に記載の可搬式測定装
    置。
11. 【請求項１１】過去に測定し前記記憶部に記憶された測
    定表面形状データと、新たな測定表面形状データを、比
    較し、予め設けた管理幅を超えるとＮＧを知らせること
    を特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の可搬
    式測定装置。
12. 【請求項１２】表面が溝と凸部分からなるラップ盤の表
    面形状データの内、前記溝部分または前記凸部分の長さ
    を解析することで該ラップ定盤の精度管理を行うことを
    特徴とするラップ盤の精度管理方法。