JP2005043203A

JP2005043203A - 回転軸の回転精度測定装置

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Publication number: JP2005043203A
Application number: JP2003277271A
Authority: JP
Inventors: Kimiyuki Mitsui; 公之三井
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; Keio University
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; Keio University
Priority date: 2003-07-22
Filing date: 2003-07-22
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2023-07-22
Also published as: JP4188173B2

Abstract

【課題】
光学式回転精度測定において、測定感度を容易にあげることができ、かつ、測定基準の反射面の傷や反射率のむら等の影響を除去した測定が可能な測定装置を提供する
【解決手段】
回転軸１２に固定された測定基準２１と、測定基準２１に光を照射する光照射装置と、第一と第二の二つの４分割受光装置と、光結像した光点が基準位置から変位したときの変位量から測定基準２１のラジアルモーションを演算する演算装置とを備え、第一の受光装置１７と第二の受光装置１８は相対回転角度αだけ回転して配置されており、第一及び第二の受光装置の測定基準の性状成分を含む出力成分から性状成分を検出して区別し、第一の受光装置１７の変位出力信号を性状成分について補正することによって測定基準２１のラジアルモーションを求め、回転軸１２の回転精度を測定する
【選択図】図１

Description

この発明は微小なボールレンズ等を用いるマイクロスピンドル用等の光学式回転精度測定装置に関するものである。光学式回転精度測定技術は、電気的なノイズの影響を受けにくいという利点がある。また、使用するボールレンズが微小であるので、マイクロ工作機械用の高速回転スピンドルの評価に適合する。

従来の工作機械、精密測定機器などの回転軸の回転精度測定では直径１インチ程度の高精度鋼球等を測定基準として使用し、静電容量型変位計を用いて基準球の振れにより回転誤差を求めている。
この際に高精度鋼球の形状誤差が問題となるような、超精密回転軸の評価には３点法のアルゴリズムにより測定基準の形状誤差を補正する手法が用いられている。
しかしマイクロ工作機械やＨＤＤ、各種光ディスクドライブ装置のスピンドルのように、シャフトが細く、高速回転する軸の評価には、このような大きな鋼球を軸端に取り付けることは不可能であり、また、使用する鋼球の直径を小さくすると静電容量型変位計での測定に支障が生じることになり、マイクロスピンドルの回転精度評価は困難な課題となっている。

そこで静電容量型変位計を使用しない回転精度測定技術として、光学式回転精度測定技術が注目される。
光学式回転精度測定技術は非接触測定技術で、光源から光を回転軸端の測定基準に照明し、測定基準からの反射光を分割ダイオード等の受光素子の受光領域上に結像させ、光点の変位を計測して測定基準すなわち回転軸の回転精度を測定するものである。

特開平５−２４０６１０号

しかし、この従来の光学式回転精度測定技術では、測定感度を簡単に上げる技術が確立されていないし、また、測定基準の反射面の傷や反射率のむら等の測定基準の性状の影響が測定結果に入ってしまう。
この発明は上記の如き事情に鑑みてなされたものであって、光学式回転精度測定において、測定感度を容易にあげることができ、かつ、測定基準の反射面の傷や反射率のむら等の影響を除去した測定が可能な測定装置を提供することを目的とするものである。

この目的に対応して、この発明の回転軸の回転精度測定装置は、被測定対象の回転軸に固定された測定基準と、前記測定基準に光を照射する光照射装置と、複数の分割受光領域を所定の分布に配置して構成した集合受光領域が前記測定基準からの反射光を受光する受光素子を有する第一と第二の二つの受光装置と、前記集合受光領域上の前記反射光の光結像した光点の変位量を前記複数の分割受光領域からの出力信号に基づいて演算し、前記変位量から前記測定基準のラジアルモーションを演算する演算装置とを備え前記第一の受光装置と第二の受光装置のそれぞれの集合受光領域は仮想の同一面内において同心状に位置していて中心の周りに相対回転角度αだけ回転して配置されているのと等価の前記反射光との相対関係を持つように設定されており、前記第一及び第二の受光装置の測定基準の性状成分を含む出力成分から前記性状成分を検出して区別し、前記第一の受光装置の変位出力信号を前記性状成分について補正することによって前記測定基準のラジアルモーションを求め、回転軸の回転精度を測定することを特徴としている。

この発明の回転軸の回転精度測定装置では、回転軸の回転精度を非接触で測定することができ、かつ測定感度を容易にあげることができ、かつ、測定基準の反射面の傷や反射むらの影響を除去した測定が可能な測定技術を得ることができる。
本測定法において測定基準として使用するのは直径数ｍｍ以下のボールレンズ等であり、小型・軽量であることから微小なスピンドルの軸端に取り付けて高速回転しても、測定対象に与える影響は小さい。このため、微細な回転軸の回転精度評価に適している。しかし、ボールレンズの表面の形状誤差、微小な傷、部分的な反射率の差違による影響が生じるが、４分割フォトダイオードを２個使用する光学系を導入することにより、純粋に軸の回転誤差成分のみを評価することが可能である。また、従来の測定法で使用する静電容量型変位計は高価であるが、本測定装置は光源と簡単な光学系により構成することが可能であり、安価な測定系を構成することが可能である。

以下この発明の実施の形態を図面について説明する。
図１において１１は回転精度測定装置である。回転精度測定装置１１は測定対象である回転軸２２の端面に測定基準２１が取り付けられている。回転軸２２と同芯状にレーザー光源１３と第一のビームスプリッタ１４と対物レンズ１５が配置され、第一のビームスプリッタ１４の反射側に第二のビームスプリッタ１６が配置され、第二のビームスプリッタ１６の透過側に第一の受光素子１７が配置されまた反射側に第二の受光素子１８が配置されている。

第一の受光素子１７と第二の受光素子１８は共に図２に示すように、４個や６個などの複数の分割受光領域２２を所定の分布に配置して構成した集合受光領域２３を有する受光素子である。集合受光領域２３は後に述べる測定基準２１からの反射光の光結像した光点２４が形成される大きさを有する。
これらの受光素子１７、１８は４分割フォトダイオードやＣＣＤで構成することができる。ＣＣＤを使用する場合は分割受光領域２２や集合受光領域２３の領域はソフトウェアによって設定される。
第一の受光素子１７と第二の受光素子１８とは同じ構造のハードウェアで構成してもよいし、異なった構造のハードウェアで構成してもよい。この実施例では第一の受光素子１７も第二の受光素子１８も共に４分割フォトダイオードで構成している。
但し第一の受光素子１７と第二の受光素子１８とは図６ａ、ｂに示すようにそれぞれの集合受光領域は仮想の同一面内において同心状に位置していて中心（全分割受光領域の境界）Ｏの周りに相対回転角度αだけ回転しているのと等価の反射光との相対関係を持つように設定されている。

測定基準２１はボールレンズ、鋼球、凹面鏡、凸面鏡、凹レンズまたは凸レンズを使用することができるが、マイクロボールレンズが取り扱いが容易で最も好適であり、この実施態様では測定基準２１として直径５ｍｍ程度のマイクロボールレンズを使用している。
このように構成された回転精度測定装置１１において回転軸２２の回転精度の測定は次のようにしてなされる。

（測定原理）
レーザ光源１３からの光は、第一のビームスプリッタ１４を透過し、対物レンズ１５を介して回転軸２２端に取り付けられたボールレンズ２１で反射される。反射光は再び対物レンズ１５を通過し、第一のビームスプリッタ１４により反射され４分割フォトダイオードで構成される第１の受光素子１７上に光点２４を結像する。

上記の測定系において、光軸２５とボールレンズ２１の中心とが一致するときには反射光は図２に示すように第一の受光素子１７中心部に結像する。その時、光点２４の強度分布を一様とすると、分割受光領域２２の出力は各分割受光領域に当たる光の面積に比例することになり、４つの分割受光領域２２の出力電圧は等しくなる。ここで、各分割受光領域２２に当たる光の面積をＳ₁〜Ｓ₄とすると、ボールレンズの横移動によって生じる光点２４の移動を以下の式により評価することができる。

ここで、上式を用いＶ_xとボールレンズのＸ方向変位量との関係をグラフに表すと図３のようなグラフが得られる。
図３のグラフにおいて線形範囲は約±３μｍであり、これを出力Ｖ_xと変位εの変換に利用することにより回転誤差を求めることが可能となる。ここで、線形範囲における傾きの絶対値を測定感度と呼ぶことにする。

（測定感度に影響を及ぼすパラメータ）
測定感度に影響を及ぼす光学系の主なパラメータとしては以下のものを挙げることができる。単位はｍｍとする。
（１）対物レンズの焦点距離ｆ
（２）ボールレンズの半径Ｒｍ
（３）対物レンズとボールレンズ中心間の距離Ｚｔ
（４）第一の受光素子１７と対物レンズ間の距離ａ
図５は測定装置を簡略化して描いたものである。ここで座標系のＹ軸は紙面表から裏方向に向かう方向を正方向に設定している。

（光学系パラメータと各種特性との関係）
測定感度、反射光の対物レンズ上での半径ｒｅ、ボールレンズの半径Ｒｍと上記パラメータとの関係について図４に示す。ここで、対物レンズ焦点がボールレンズ内に入り第一の受光素子１７上で光結像するパターンを球内焦点、焦点が外にあり光結像するパターンを球外焦点と呼ぶことにする。以下の計算は入射光の半径が１．５ｍｍ、第一の受光素子１７上における光点半径が０．１ｍｍであるときの計算結果である。左列はｆ＝８ｍｍ、右列はｆ＝１０ｍｍにおけるグラフである。

（感度）
球内焦点において、Ｒｍを小さくするにつれて測定感度は増加し、ｒｅ、ｘ₁は減少する。球外焦点においては、Ｒｍを小さくするにつれて測定感度はわずかに増加するが、ｒｅも増加することから反射光が対物レンズに戻らない可能性がある。また、ｆが増加すると球内焦点では先程述べたメリットが増大し、球外焦点ではデメリットが増大する。よって、微小ボールレンズを用いた球内焦点による計測は、マイクロ工作機械用の高速回転スピンドルの評価に有効であると考えられる。

（光学系の計算式）
図５に示す構成において、対物レンズを出てボールレンズに向かう光の方向余弦（α、γ）は、

ボールレンズとの交点（Ｐ（ｘ１，ｚ１）は、
ｘ₁＝α・ｑ，ｚ₁＝γ・ｑ＋ａ＋ｆ
ただし、

点Ｐにおけるボールレンズ表面の法線の方向余弦（λ、ν）は

ボールレンズからの反射光の方向余弦（α´、γ´）は、
α´＝α−２λｃｏｓθ，γ´＝γ−２νｃｏｓθ
ただし、
ｃｏｓθ＝α・λ＋γ・ν
従って、ボールレンズからの反射光とｚ軸との交点と対物レンズとの距離Ｚｒは、

ボールレンズからの光がレンズと交わる点のｘ座標ｒ_eは、

対物レンズと点Ｒの距離ｂは、

従って、対物レンズを出た光と４分割フォトダイオードとの交点のｘ座標ｘ_dは

となる。
４分割フォトダイオード上に結像する光点の外周部分とｘ軸との交点をｘ_u、ｘ_dとすると、光点の強度分布を一様と考えると、４分割フォトダイオードの各受光素子（１〜４）の出力は各素子に対応する光スポットの面積に比例することになる。
４分割フォトダイオードの素子１及び４上の光点の面積の和（Ｓ₁＋Ｓ₄）は次のようになる。

ここで、ｒ_sは光点の半径で、ｘ_u、ｘ_dとの関係は、ｒ_s＝（ｘ_u−ｘ_d）／２となる。また、ｃは光点の中心のｘ座標であり、ｃ＝（ｘ_u＋ｘ_d）／２である。ｘ_uについては図に示されていないが、対物レンズに入射する照明光をｚ軸に対して反転した場合の計算を行うことにより求められる。素子２と素子３上での受光面積の和は、

と求められる。
従って、ボールレンズの横移動によって生ずる光スポットの移動を以下の式により評価することができる。

式（１１）では各受光素子上での光点の面積に基づき信号出力を求めていることから、正規化のために光点の面積を表す分母による除算を行っている。実際の測定装置では、上記Ｓ₁〜Ｓ₄を４分割フォトダイオードの各素子の出力電圧に置き換えることにより、ボールレンズの変位に対する信号出力を求めることができる。
また、ボールレンズのｙ方向変位に対しても全く同じ関係が成立することになり、次式によりｙ方向の信号出力が求められる。

（光による回転精度の測定−３点法の応用−）
既に述べたように、図６（ａ）に示す４分割フォトダイオードで、各素子からの出力信号をＳ₁、Ｓ₂、Ｓ₃、Ｓ₄とすると

により、ｙ方向における回転軸の変位を測定することができるので、これは図８のＡセンサと等価の役割をするものと考えることができる。しかし、回転軸端面に取り付けるボールレンズ、鋼球、凹面鏡等の、形状誤差、表面の微細な傷、反射膜のむらによる場所による光の反射率の差異が、図７に示すように、測定の際に軸の回転誤差成分に重畳することになるので、Ａセンサのみでは、回転軸の回転精度を正しく評価することはできない。これは、３点式主軸回転精度測定法における測定用の基準球などの真円度誤差が、回転精度測定の際の誤差要因となることと全く同じである。この誤差を補正するのに図９に示す角度で同一平面内に配置した少なくとも３個のセンサーが必要である。

そこで、図６（ｂ）に示すように、角度α傾けたもう一個の４分割フォトダイオードを用いることにする。その各素子の出力信号Ｓ_1α、Ｓ_2α、Ｓ_3α、Ｓ_4αとすると

は、図８のＢセンサの出力信号と等価となる。また、

は、Ｂセンサと直角の位置にあるＣセンサの出力信号と等価となる。
ここで、回転軸端面に取り付けるボールレンズ、鋼球、凹面鏡等の、形状誤差、表面の微細な傷、反射膜のむらによる場所による光の反射率の差異の影響をｒ（θ）として、フーリエ級数で表す。

各変位センサの出力、Ｖ_A（θ）、Ｖ_B（θ）、Ｖ_C（θ）は次のようになる。

ここで、ｘ（θ）、ｙ（θ）は軸の回転誤差成分のＸ，Ｙ方向成分を表している。次に、Ｖ_A（θ）、Ｖ_B（θ）、Ｖ_C（θ）に係数１、ａ、ｂをそれぞれ乗じたうえで加え合わせると、合計出力は次のようになる。

このとき
（数２１）
ａｓｉｎα＋ｂｃｏｓα＝０、１＋ａｃｏｓα−ｂｓｉｎα - - - - - - - -（２１）
を満足するようにａ、ｂ、αを選択すれば式（２０）はｘ（θ）、ｙ（θ）と無関係になるから式（２０）は次のようになる。

Ｓ（θ）のフーリエ係数をＦ_k、Ｇ_kとおくと

と表される。さらに、

とおくと、ｒ（θ）のフーリエ係数Ａ_k，Ｂ_kは

と求められる。

従って、回転軸の回転誤差のＸ、Ｙ方向の成分は次のように求められる。

なお、ここでは４分割フォトダイオードを２個使用しているが、図１０に示すようにＣＣＤセンサを使用すれば、ＣＣＤ画面上に仮想的４分割フォトダイオードをソフトウェアにより設定することによって１個のＣＣＤにより、上記の原理の測定を行うことができる。

現在マイクロ施盤、マイクロフライス盤等が開発されており、将来的にマイクロファクトリ技術が産業界の多くの分野に受け入れられてゆくものと期待されている。このような分野において用いられるマイクロスピンドルの回転精度評価を通じて、高精度微細加工技術の発展に貢献することができる。また、ＨＤＤ、各種光ディスク装置に用いられるマイクロスピンドルの精度評価に使用することにより、これらの装置の高機能化に貢献することができる。

光学系の構成を示す説明図４分割フォトダイオードの受光領域を示す構成説明図Ｖｘとボールレンズの変位量の関係を示すグラフ光学系パラメータと各種特性との関係を示すグラフ光学系のボールレンズと対物レンズと受光素子との関係を示す構成説明図２個の４分割ファトダイオードの相対角度を示す説明図ボールレンズ等の傷、反射率のむらによる影響を示す説明図３点法の原理を示す説明図３点法の３個のセンサーの回転角度を示す説明図ＣＣＤカメラによる仮想的４分割ダイオードの構成を示す説明図

符号の説明

１１回転精度測定装置
１２回転軸
１３レーザー光源
１４ビームスプリッタ
１５対物レンズ
１６ビームスプリッタ
１７第一の受光素子
１８第二の受光素子
２１測定基準
２２分割受光領域
２３集合受光領域

Claims

被測定対象の回転軸に固定された測定基準と、
前記測定基準に光を照射する光照射装置と、
複数の分割受光領域を所定の分布に配置して構成した集合受光領域が前記測定基準からの反射光を受光する受光素子を有する第一と第二の二つの受光装置と、
前記集合受光領域上の前記反射光の光結像した光点の変位量を前記複数の分割受光領域からの出力信号に基づいて演算し、前記変位量から前記測定基準のラジアルモーションを演算する演算装置とを備え
前記第一の受光装置と第二の受光装置のそれぞれの集合受光領域は仮想の同一面内において同心状に位置していて中心の周りに相対回転角度αだけ回転して配置されているのと等価の前記反射光との相対関係を持つように設定されており、
前記第一及び第二の受光装置の測定基準の性状成分を含む出力成分から前記性状成分を検出して区別し、前記第一の受光装置の変位出力信号を前記性状成分について補正することによって前記測定基準のラジアルモーションを求め、回転軸の回転精度を測定することを特徴とする回転軸の回転精度測定装置
前記測定基準はボールレンズ、鋼球、凹面鏡、凸面鏡、凹レンズ、凸レンズであることを特徴とする請求項１記載の回転軸の回転精度測定装置
対物レンズの焦点が前記測定基準内に入りかつ反射光が前記集合受光領域上で光結像するように構成したことを特徴とする請求項１記載の回転軸の回転精度測定装置
対物レンズの焦点がボールレンズ内に入りかつ反射光が前記集合受光領域上で光結像するように構成したことを特徴とする請求項３記載の回転軸の回転精度測定装置