JP2004333397A

JP2004333397A - 液面計を用いた測定装置

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Publication number: JP2004333397A
Application number: JP2003132310A
Authority: JP
Inventors: Tsukasa Horiuchi; 宰堀内
Original assignee: Nagase Integrex Co Ltd
Current assignee: Nagase Integrex Co Ltd
Priority date: 2003-05-09
Filing date: 2003-05-09
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2023-05-09
Also published as: JP4220300B2

Abstract

【課題】高い測定精度を得ることができる液面計を用いた測定装置を提供する。
【解決手段】研削盤にはテーブル、砥石ヘッド及びワークの各上面に液面計１１が載置されている。また、研削盤の近傍に位置する基準液面計スタンドの各載置板には各液面計１１ａ〜１１ｃと群をなす液面計１９ａ〜１９ｃが載置されている。これら液面計１１，１９は液体連通管３３ａ，３３ｂを介して連結されている。液面計１１，１９は液体容器２１とフロート２２とからなり、液体容器２１の内面とフロート２２の外面との間には液体容器２１の内部にエアを供給することで静圧軸受２７が形成されている。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定物の鉛直高さを求めることにより被測定物の形状精度や運動精度及び位置精度を測定する液面計を用いた測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、工作機械の形状精度や運動精度及び位置精度を測定する方法として、ストレートエッジを用いた微小変位計、光ビームを用いたオートコリメータ、同じく光ビームを用いた光干渉計、重力方向を基準として計測する傾き計等が採用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、これら測定器は測定精度が低く、例えば測定精度０．１μｍを得ることが難しいという問題が生じていた。また、大型工作機械やワークの各部の相対変位、平面度、運動真直度、平行度を測定する場合、これら計測器を用いると複雑な配置系の構築や計測器の再配置が必要となり、測定時間も長時間化するので、測定精度の信頼性が低下する可能性があった。
【０００４】
本発明は前記の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、高い測定精度を得ることができる液面計を用いた測定装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため請求項１に記載の発明では、液体を貯留する液体容器と、前記液体容器の内部に収容され上下動可能なフロートと、前記フロートの高さを検出するための検出手段とを有する液面計を複数備え、群をなす前記液面計が流路を介して連結された液面計を用いた測定装置において、前記液体容器の内面と前記フロートの外面との間に静圧軸受を介在させ、前記液面計の各々の前記検出手段から出力される検出値に基づき、群をなす複数の液面計のうち一方側を基準として他方側の液面計の高さを測定することを要旨とする。
【０００６】
この発明によれば、群をなす液面計は互いの相対高さが変わると液面高さが変位するものであり、これら液面計のうち一方を被測定物に配置し他方を基準位置に配置し、液面高さの変位量を検出手段によって測定することで被測定物の鉛直高さが測定される。また、その液面計では液体容器の内面とフロートの外面との間に静圧軸受を設けているので、フロートが液体容器内でスムーズに動き易くなり、液面計を用いた測定装置の測定精度が高まる。
【０００７】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、前記液面計を複数群用い、群をなす複数の液面計のうち基準側となる液面計の各群間の相対高さを検出するための相対高さ検出手段を備え、前記検出手段からの検出値と前記相対高さ検出手段からの検出値とに基づき、各群間の相対高さを測定することを要旨とする。この発明によれば、請求項１の発明の作用に加え、複数の箇所で被測定物の高さを測定可能になる。
【０００８】
請求項３に記載の発明では、請求項１又は２に記載の発明において、前記流路の経路上に配置され、該流路を開閉するための電磁弁を備えたことを要旨とする。この発明によれば、請求項１又は２に記載の発明の作用に加え、群をなす液面計を繋ぐ流路の経路上に電磁弁を設けたので、電磁弁を閉じておけば液面計の設置場所を変えるときに液体が液体容器から漏れ出難くなる。
【０００９】
請求項４に記載の発明では、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の発明において、前記フロートの外面は、撥水性塗料又は撥水性物質から構成されていることを要旨とする。この発明によれば、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の発明の作用に加え、フロートの外面が撥水性塗料または撥水性物質により構成されているので、フロートの外面への液体の付着が抑制される。従って、フロートの質量が変化せず、これに伴って液面計を用いた測定装置の測定精度が一層向上する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した液面計の一実施形態を図１〜図６に従って説明する。
【００１１】
図１，２に示すように、超精密平面研削盤（以下、研削盤と記す）１の機台２の上面にはＸ軸方向に沿って移動可能なテーブル３が設けられている。機台２の両側には左右一対のコラム４が立設され、コラム４にはクロスレール５が架設されている。クロスレール５にはＹ軸方向に沿って移動可能な支持板６を介して砥石ヘッド７が連結されている。
【００１２】
砥石ヘッド７は回転砥石８を有し、支持板６上のレールに沿ってＺ軸方向に移動可能となっている。テーブル３の上面にはワーク９が載置され、砥石ヘッド７の回転砥石８によってワーク９が加工される。なお、テーブル３、砥石ヘッド７及びワーク９が被測定物を構成する。
【００１３】
研削盤１にはその形状精度や運動精度及び位置精度を測定するための研削精度測定装置１０が設置されている。研削精度測定装置１０について以下に説明する。研削盤１には形状精度や位置精度及び運動精度を測定したい器具（部材）の上面に液面計（測定液面計）１１が設置されており、本例では砥石ヘッド７の上面に１個の液面計１１ａが、ワーク９の上面に例えば１５個の液面計１１ｂが、テーブル３の上面に例えば１２個の液面計１１ｃが配置されている。
【００１４】
図１に示すように、研削盤１の近傍には支柱１２ａに沿って移動可能な複数（本例は３つ）の載置板１３〜１５を有した基準液面計スタンド１２が設置されている。基準液面計スタンド１２には支柱１２ａに沿って延びる長尺光学スケール（最高分解能２０ｎｍ）１６が立設されている。各載置板１３〜１５の上面には、長尺光学スケール１６のスケールを読み取るとともにその検出値を計測器１７（図３参照）に出力するスケールセンサ１８ａ〜１８ｃが取り付けられている。なお、長尺光学スケール１６及びスケールセンサ１８ａ〜１８ｃが相対高さ検出手段を構成する。
【００１５】
基準液面計スタンド１２には研削盤１側の液面計１１と各々群（組）をなす液面計（基準液面計）１９が配置されている。即ち、載置板１３〜１５には研削盤１側の各液面計１１ａ〜１１ｃと群をなす液面計１９ａ〜１９ｃが設置されている。なお、本例では液面計１１ａ，１９ａをＡ群、液面計１１ｂ，１９ｂをＢ群、液面計１１ｃ，１９ｃをＣ群とする。Ｂ群及びＣ群は液面計が研削盤１側で複数配置されるが、基準液面計スタンド１２側には１つのみ設置されている。
【００１６】
Ａ群では砥石ヘッド７の高さが測定され、砥石ヘッド７がクロスレール５上をＹ軸方向に移動するときの運動真直度、ワーク加工面との相対高さ及び平行度、テーブル上面との相対高さ及び平行度などが測定される。Ｂ群ではワーク加工面の平面度、運動真直度、砥石ヘッド上面との相対高さ、テーブル上面との相対高さなどが測定される。Ｃ群ではテーブル上面の平面度、運動真直度、砥石ヘッド上面との相対高さ、砥石ヘッド７のＹ軸方向運動との平行度、ワーク加工面との相対高さ及び平行度などが測定される。
【００１７】
図３〜図５に示すように、液面計１１，１９は液体２０を貯留した液体容器２１と、液体２０に浮いた状態で液体容器２１の内部に収容されたフロート２２とを備えている。液体容器２１は温度影響を低減するために低熱膨張材料を材質とし、有底筒状をなす容器本体２１ａと、その容器本体２１ａの開口部を閉じる蓋部２１ｂとからなる。液体２０は常温で密度変化率が低い特性をもつ純水が使用されている。
【００１８】
フロート２２は低熱膨張材料を材質とし、下側に向かうに従い段階的に径が大きくなる形状をなしている。フロート２２の外面と液体容器２１の内面との間には、フロート２２が液体容器２１内で上下動可能となるように隙間が形成されている。フロート２２は液面２０ａの高さ（鉛直高さ）に応じて上下動し、外周面のテーパ面３１が液体容器２１の内面の当接面２１ｃに当接するまで上動可能となっている。フロート２２の外面には撥水性塗料が塗布されている。
【００１９】
また、フロート２２の上部には光学スケール２３（有効測定長さが１０ｍｍ又は２５ｍｍで最高分解能２０ｎｍ）が取り付けられている。液体容器２１の内面には光学スケール２３と対向する位置にスケールセンサ２４が配置され、光学スケール２３及びスケールセンサ２４が検出手段を構成する。スケールセンサ２４は光学スケール２３を検出し、その検出値を計測器１７に出力する。なお、本例ではスケールセンサ２４ａを基準液面計１９側、スケールセンサ２４ｂを測定液面計１１側のセンサとする。
【００２０】
計測器１７は単一群内の鉛直高さを測定する場合、各液面計１１，１９のスケールセンサ２４ａ，２４ｂからの検出値に基づき差を演算し、単一群内の液面計１１，１９の相対高さを測定する。一方、計測器１７は各群間の相対高さを測定する場合、スケールセンサ１８，２４からの検出値に基づき、長尺光学スケール１６の読みと光学スケール２３の読みとを合算するとともに、各液面計１１，１９の高さの差を反映させることにより各群間の相対高さを測定する。
【００２１】
図３，図５に示すように、液体容器２１の各側壁にはエア供給装置２５からのエアを液体容器２１内に供給するためのエア供給通路２６が各々形成されている。また、液体容器２１の内面にはエア供給通路２６の出口付近にエアポケット２１ｄが凹設されている。エア供給装置２５からエアが液体容器２１の内部に供給されるとエアポケット２１ｄには静圧軸受２７が生じ、フロート２２は静圧軸受２７により液体容器２１内で傾かない状態で上下動可能となる。
【００２２】
液体容器２１の各側壁には静圧軸受２７を挟む両側に放出通路２９，３０が形成され、液体容器２１内に供給されたエアは放出通路２９，３０を介して外部に放出される。また、液体容器２１の下部には容器内部の液体２０が出入りする供給通路３２が形成されている。
【００２３】
測定液面計１１と基準液面計１９との間には、各群ごとに流路としての液体連通管３３ａ，３３ｂを介して電磁弁３４が接続されている。電磁弁３４が開くと液体連通管３３ａ，３３ｂが連通状態となり、閉じると遮断状態となる。また、測定液面計１１と基準液面計１９との間には電磁弁３４と並列にデジタル微差圧計３５が接続されている。微差圧計３５はダイヤフラム式であり、各液面計１１，１９の水圧を計測して群内における各液面計１１，１９の水圧をデジタル表示する。
【００２４】
さて、研削精度測定装置１０を用い研削盤１の形状精度や運動精度及び位置精度を測定するとき、液面計１１ａ，１９ａを基準液面計スタンド１２の載置板１３に、液面計１１ｂ，１９ｂを載置板１４に、液面計１１ｃ，１９ｃを載置板１５に各々載置する。これにより、同一高さの板上に載せられるので、液面計１１，１９は同じ高さとなり、電磁弁３４を開けたままにしておくことによって群をなす各液面計１１，１９の液面２０ａが同じ高さとなる。
【００２５】
続いて、各液面計１１，１９から液体２０が漏洩しないように電磁弁３４を閉状態にするとともに、液面計１９ａ〜１９ｃを基準液面計スタンド１２の載置板１３〜１５に各々設置したままにしておき、液面計１１ａ〜１１ｃを研削盤１の測定面（砥石ヘッド上面、ワーク上面、テーブル上面）に設置する。このとき、エア供給装置２５を駆動して液体容器２１とフロート２２との間に静圧軸受２７を発生させた状態にしておく。
【００２６】
そして、微差圧計３５の表示を見ながら基準液面計スタンド１２の載置板１３〜１５の高さを調節して群内の液面計１１，１９（即ち、載置板と被測定物）の設置高さを揃える。次いで、基準液面計１９の高さを測定して原点をセットする。ここでは、長尺光学スケール１６の読みと、基準液面計１９側の光学スケール２３ａの読みとを合算して求まる値を原点としてセットする。このとき、若干の液面変動が生じた場合には電磁弁３４を間欠的に開閉して液面変動を抑制するか、もしくは液面２０ａが安定するまで待ち、液面２０ａが安定した後、原点として基準液面計１９の高さを測定してセットする。
【００２７】
各群で原点セットが完了した後、電磁弁３４を開状態にして液体連通管３３ａ，３３ｂを連通状態にし、全ての液面計１１，１９について光学スケール２３の値を読む。そして、各群の基準液面計１９の読みと測定液面計１１の読みとの差を求め、その差を原点に反映させることにより各群における全ての測定点の高さが得られる。このとき、Ｂ群及びＣ群では各群内の高さの比較から平面度や真直度が求まるとともに、両群の高さ比較により平行度が求まる。また、Ａ群、Ｂ群、Ｃ群の高さ比較により相対高さが求められる。
【００２８】
続いて、研削盤１を稼働させてテーブル３、ワーク９及び砥石ヘッド７の形状精度や運動精度及び位置精度を測定するが、これらは移動体であるので、移動中には液体２０が流動又は振動して正確に測定できない虞が生じる。その対策として、これら移動体が加減速中のときには測定を停止するとともに、測定開始時に液面２０ａが流動又は振動しないように電磁弁３４を予め閉じておく。そして、移動体が定速となったときに電磁弁３４を開き測定を行うこととする。
【００２９】
ここで、例えば砥石ヘッド７がＹ軸方向に移動したとき、その経路上で鉛直高さが変位量Ｘだけ下方に変位したとする。このとき、図６に示すように砥石ヘッド７の変位に応じて基準液面計１９ａのフロート２２ａが同図の変位量Ｘ／２だけ下方に移動するとともに、測定液面計１１ａのフロート２２ｂが同図の変位量Ｘ／２だけ上方に移動する。そして、それら逆向きの変位量Ｘ／２が計測器１７によって計測され、両値の差が砥石ヘッド７の変位量Ｘとして算出される。なお、この測定はテーブル３及びワーク９についても同様である。
【００３０】
従って、この実施形態では以下のような効果を得ることができる。
（１）液体容器２１の内面とフロート２２の外面との間に静圧軸受２７を設けたので、フロート２２が液体容器２１の内部でスムーズに動き易くなる。従って、微量な液面２０ａの高さ変化を検知することができ、研削精度測定装置１０の測定精度（形状精度や位置精度及び運動精度）を高めることができる。
【００３１】
（２）液面計１１，１９を繋ぐ液体連通管３３ａ，３３ｂの間に微差圧計３５を設けたので、液面計１１，１９の設置高さをほぼ同じ高さに揃えることができる。
【００３２】
（３）液面計１１，１９を繋ぐ液体連通管３３ａ，３３ｂの間に電磁弁３４を設けたので、電磁弁３４を閉じておけば液面計１１，１９の設置場所を変えたとしても液体２０が液体容器２１から漏れ出難くなる。
【００３３】
（４）フロート２２の外面が撥水性塗料が塗布されているので、フロート２２の外面への液体２０の付着が抑制される。従って、フロート２２の質量が変化せず、研削精度測定装置１０の測定精度が一層向上する。
【００３４】
（５）液面計１１，１９を複数用い、テーブル３、砥石ヘッド７及びワーク９に配置することによって、各個所で鉛直高さを同時に測定することができる。
なお、実施形態は前記に限定されず、例えば、次の態様に変更してもよい。
【００３５】
・フロート２２の液体容器２１内での高さを検知するセンサは光学スケール２３及びスケールセンサ２４を用いたスケール式に限定されない。例えば、図７に示すようにフロート２２の上方に投光部及び受光部を有するフォトセンサ４１を取り付け、フロート２２の上端面に反射面４２を設ける。そして、フォトセンサ４１から投光されて反射面４２で反射した光をフォトセンサ４１の受光部で受光し、その光量に基づきフロート２２の鉛直高さを測定する光変位計式でもよい。
【００３６】
・液体２０は純水に限らず、例えば粘性の低いオイル等の液体を用いてもよい。
・測定液面計１１と基準液面計１９とは液体容器２１の内部空間の断面積が同じであることに限らず、異なる面積でもよい。例えば、測定液面計１１の内部空間の断面積をＡ１、基準液面計１９の内部空間の断面積Ａ２とし、測定液面計１１が変位量Ｘだけ変位した場合での測定液面計１１のフロートの変位量をＸ１、基準液面計１９のフロートの変位量をＸ２とする。このとき、Ａ１×Ｘ１＝Ａ２×Ｘ２の関係が成り立つことから、測定液面計１１のフロートはＸ１＝（Ａ２／Ａ１）×Ｘ２だけ変位することとなる。
【００３７】
・液面計１１，１９の群数は３つに限らず、１つ（２つ）や４つ以上を採用してもよい。また、Ａ群〜Ｃ群の測定液面計１１ａ〜１１ｃの個数も適宜変更してもよい。
【００３８】
・液面計１１の研削盤１への取り付けは、ただ単に載置することに限定されない。例えば、専用の治具を用いて固定する方法や、磁石（マグネットチャック）により固定する固定手段を新たに設けてもよい。
【００３９】
・測定時に液体２０を恒温液体に置き換え、その恒温液体で測定を行う構成としてもよい。この場合、測定時に液体２０の温度変化が生じ難く、高い測定精度が得られる。
【００４０】
・フロート２２の内部に、液体容器２１内で下側に送られるエアを上側の放出通路２９側に送るための内部通路を貫設してもよい。これにより、液体容器２１内で下側に送られるエアを外部に放出する通路が増え、液体容器２１内でエアが溜まり難くなって液面２０ａを押し下げる悪影響を除くことができる。また、放出通路３０を省略して、下側に抜けるエアを内部通路のみを用いて外部に放出する構成としてもよい。
【００４１】
・研削精度測定装置１０は一方の液面計１１を研削盤１に、他方の液面計１９を基準液面計スタンド１２に置く配置位置に限定されない。例えば、両方の液面計１１，１９を各測定面（テーブル３、ワーク９）に置いて測定してもよい。この場合、液面計１１，１９を流れる液体２０の高低差が生じ難くなり、温度分布の不均一が生じ難くなって測定精度が向上する。
【００４２】
・フロート２２は外面に撥水性塗料を塗布する構成に限らず、フロート２２自体が撥水性物質により構成されていてもよい。
・研削精度測定装置１０の測定対象は研削盤１に限らず、これ以外の加工装置等に採用してもよい。
【００４３】
前記実施形態及び別例から把握できる技術的思想を記載する。
（１）請求項１〜４において、前記流路の経路上に配置され、前記測定液面計と前記基準液面計との鉛直高さを設定するための微差圧計を備えた。
【００４４】
（２）請求項１〜４において、前記検出手段は前記液体容器及び前記フロートの一方に設けられた光学スケールと、前記光学スケールを検知可能に前記液体容器及び前記フロートの他方に設けられたスケールセンサとからなるスケール式である。
【００４５】
（３）請求項１〜４において、前記検出手段は前記液体容器及び前記フロートの一方に設けられた反射部と、前記反射部に光を投光可能で、かつ該反射部で反射した光を受光可能となるように前記液体容器及びフロートの他方に設けられたフォトセンサとからなる光変位計式である。
【００４６】
（４）請求項１〜４において、前記液面計を前記被測定物に配置したときに該液面計を前記被測定物に対して固定するための固定手段を備えた。
【００４７】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、高い測定精度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態に示す研削盤及び研削精度測定装置の概略構成図。
【図２】研削盤の正面図。
【図３】研削精度測定装置の概略を示す構成図。
【図４】図５のＩＩ−ＩＩ線模式断面図。
【図５】液面計の摸式断面図。
【図６】フロートが液体容器内で変位したときの説明図。
【図７】別例に示す液面計の模式断面図。
【符号の説明】
１０…液面計を用いた測定装置としての研削精度測定装置、１１…液面計（測定液面計）、１６…相対高さ検出手段を構成する長尺光学スケール、１８ａ〜１８ｃ…相対高さ検出手段を構成するスケールセンサ、１９…液面計（基準液面計）、２０…液体、２１…液体容器、２２，２２ａ，２２ｂ…フロート、２３…検出手段を構成する光学スケール、２４…検出手段を構成するスケールセンサ、２７…静圧軸受、３３ａ，３３ｂ…流路としての液体連通管、３４…電磁弁。

Claims

液体を貯留する液体容器と、前記液体容器の内部に収容され上下動可能なフロートと、前記フロートの高さを検出するための検出手段とを有する液面計を複数備え、群をなす前記液面計が流路を介して連結された液面計を用いた測定装置において、
前記液体容器の内面と前記フロートの外面との間に静圧軸受を介在させ、前記液面計の各々の前記検出手段から出力される検出値に基づき、群をなす複数の液面計のうち一方側を基準として他方側の液面計の高さを測定することを特徴とする液面計を用いた測定装置。
前記液面計を複数群用い、群をなす複数の液面計のうち基準側となる液面計の各群間の相対高さを検出するための相対高さ検出手段を備え，
前記検出手段からの検出値と前記相対高さ検出手段からの検出値とに基づき、各群間の相対高さを測定することを特徴とする請求項１に記載の液面計を用いた測定装置。
前記流路の経路上に配置され、該流路を開閉するための電磁弁を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の液面計を用いた測定装置。
前記フロートの外面は、撥水性塗料又は撥水性物質から構成されていることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の液面計を用いた測定装置。