JP2006098201A - 測定治具及び測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 汎用の非接触３次元計測器により金型の基準面と自由曲面との相対位置を計測する。
【解決手段】 治具６は、自由曲面を有している金型であって２つの側面を基準面とする当該金型の当該基準面に各々接する計測基準面７と、当該自由曲面と当該基準面とがなす設計角度で計測基準面７に交差する平面であるＺ基準面８と、を具備している。当該金型をこの治具６に嵌め込んだ状態で、Ｚ基準面８に対する平面計測の結果に基づいて基準平面を定義し、計測基準面７とＺ基準面とが交差してなす直線９に対する直線計測の結果に基づいて当該基準平面上にＸＹ座標系を定義し、当該ＸＹ座標系における座標原点を測定原点としたときの当該自由曲面に対する自由曲面計測の結果に対してフィッティングを施し、当該フィッティングの結果として得られた値から当該相対位置の測定結果を得る。
【選択図】 図２Ａ

Description

本発明は、偏芯の測定技術に関し、特に、成形法による光学素子の製造に使用される金型等の被測定物における自由曲面の面内偏芯の測定技術に関する。

近年生産される光学素子などの超精密部品は、更なる高精度な光学上の偏芯精度が要求されており、光学素子を成形法により製造する場合には、金型の転写面である自由曲面に対して高い偏芯精度が求められる。

高精度な形状の加工面を得る技術として、例えば特許文献１には、（１）演算手段が工具軌跡を算出し、（２）数値制御手段が加工を実行し、（３）形状検出手段が被加工物の一部または全域をサンプリング測定し、（４）演算手段が（３）の測定結果に基づいて形状誤差量を算出し、（５）判断手段が、（４）にて算出された形状誤差量が目標値以下であるか否かを判断し、（６）目標値以上であると判断した場合には、演算手段が（３）の形状測定結果に基づいて工具軌跡の原点、工具半径の寸法誤差を修正する、という３次元自由曲面の加工方法が開示されている。この技術においては、工具軌跡の原点の誤差量が偏芯量となる。

また、例えば特許文献２には、（１）治具本体上に基準とするための３つの球体を配置し、（２）計測金型を当てつける底面及び側面を基準として、３つの球体の中心位置を３次元測定機により計測し、（３）自由曲面用測定機により、３つの球体を測定し、この計測結果を基準として自由曲面を計測し、（４）上記（２）と（３）とでの計測結果により、金型の基準面と自由曲面との位置を算出する、という技術が開示されている。
特開平７−１３６９０３号公報 特開２００１−２５５１３８号公報

上掲した特許文献１に開示されている技術では、加工機上で被加工物の計測を行うため、計測中には加工が行えず、生産上効率が悪くなる。また、最終評価を加工機で行うということは加工と計測とが同一スケールで行うことであるため、品質保証上問題となる。

また、上掲した特許文献２に開示されている技術では、治具の金型取り付け面と３つの球体の中心とを３次元測定機で計測すると共に、３つの球体と自由曲面との位置関係を自由曲面計測器で計測し、双方の計測結果より金型基準面と自由曲面との相対位置を算出するため、相異なる２つのスケール系で評価することとなり、誤差が累積される可能性がある。

本発明は上述した問題に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、汎用の非接触３次元計測器により金型の基準面と自由曲面との相対位置を計測することを可能とすることである。

本発明の態様のひとつである測定治具は、自由曲面を有している金型であって２つの側面を基準面とする当該金型の当該基準面に各々接する計測基準面と、当該自由曲面と当該基準面とがなす設計角度で当該計測基準面に交差する平面であるＺ基準面と、を具備し、当該Ｚ基準面を計測基準平面とすることを特徴とするものであり、この特徴によって前述した課題を解決する。

なお、上述した本発明に係る測定治具において、上述のＺ基準面に、計測基準とする穴を設けるようにしてもよい。
また、前述した本発明に係る測定治具において、前述のＺ基準面に平行な底面を有するようにしてもよい。

また、本発明の別の態様のひとつである測定方法は、前述した本発明に係る測定治具を用いて行う前記金型の基準面と当該金型の自由曲面との相対位置の測定方法であって、当該Ｚ基準面に対する平面計測の結果に基づいて基準平面を定義し、当該計測基準面と当該Ｚ基準面とが交差してなす直線に対する直線計測の結果に基づいて当該基準平面上にＸＹ座標系を定義し、当該ＸＹ座標系における座標原点を測定原点としたときの当該自由曲面に対する自由曲面計測の結果に対してフィッティングを施し、当該フィッティングの結果として得られた値から当該相対位置の測定結果を得ることを特徴とするものであり、この特徴によって前述した課題を解決する。

また、本発明の更なる別の態様のひとつである測定方法は、前述した本発明に係る測定治具を用いて行う前記金型の基準面と当該金型の自由曲面との相対位置の測定方法であって、当該Ｚ基準面に対する平面計測の結果に基づいて基準平面を定義し、当該計測基準面と当該Ｚ基準面とが交差してなす直線に対する直線計測の結果に基づいて当該基準平面上に第一の基準軸を定義し、当該基準平面上における当該穴の位置の計測の結果に基づいて当該基準平面上に第二の基準軸を定義し、当該第一及び当該第二の基準軸によって定義される座標系における座標原点を測定原点としたときの当該自由曲面に対する自由曲面計測の結果に対してフィッティングを施し、当該フィッティングの結果として得られた値から当該相対位置の測定結果を得ることを特徴とするものであり、この特徴によって前述した課題を解決する。

本発明は、以上のような構造を有することにより、加工機上で計測することなく、また、特殊な計測装置を使用することなく、汎用の非接触３次元計測器により金型の基準面と自由曲面との相対位置を計測することが可能となるので、高精度に自由曲面の面内偏芯量を計測することができるようになるという効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

まず図１Ａ、図１Ｂ、及び図１Ｃの説明を行う。
図１Ａは面内偏芯の測定対象である自由曲面金型１（以下、単に「金型１」と称することとする）を示しており、同図における符号２は金型１の側面のうちの２つである基準面を示している。

図１Ｂは、図１Ａに示したＸＹ座標軸におけるＹ軸方向に金型１を見た図であり、図１Ｃは、図１Ａに示したＸＹ座標軸におけるＸ軸方向に金型１を見た図である。図１Ｂ及び図１Ｃにおいて、符号３は金型１の自由曲面を示している。図１Ｂに示されているように、金型１の自由曲面３は、Ｘ軸に対し（すなわち基準面２に対し）符号４として示す図面角度αで傾いている。また、図１Ｃに示されているように、自由曲面３はＹ軸に対し（すなわち基準面２に対し）符号５として示す図面角度βで傾いている。

次に図２Ａ、図２Ｂ、及び図２Ｃの説明を行う。
図２Ａは、本発明を実施する面内偏芯計測治具６を示している。同図において、符号７は計測基準面を示しており、符号８はＺ基準面を示している。また、符号９は計測基準面７とＺ基準面８との交差直線である。

図２Ｂは、図２Ａに示したＸＹ座標軸におけるＹ軸方向に面内偏芯計測治具６を見た図であり、図２Ｃは、図２Ａに示したＸＹ座標軸におけるＸ軸方向に面内偏芯計測治具６を見た図である。図２Ｂに示されているように、Ｚ基準面８は、金型１と同様に、Ｘ軸に対して符号４として示す図面角度αで傾斜させている。また、図２Ｃに示されているように、Ｚ基準面８は、Ｙ軸に対して符号５として示す図面角度βで傾斜させて計測基準面７と交差している。この２つの計測基準面７と金型１の２つの基準面２とが接するようにして、金型１を面内偏芯計測治具６に嵌め込むことができる。

なお、面内偏芯計測治具６は、固定ボルト穴１０に挿入される固定ボルト１１により金型１の基準面２と計測基準面７とを接触させた状態で金型１に固定することができる。
次に図３Ａ、図３Ｂ、及び図３Ｃの説明を行う。

図３Ａは自由曲面金型１が設置される設置台１２を示しており、図３Ｂは、図３Ａに示したＸＹ座標軸におけるＹ軸方向に設置台１２を見た図、そして図３Ｃは、図３Ａに示したＸＹ座標軸におけるＸ軸方向に設置台１２を見た図である。設置台１２も、面内偏芯計測治具６と同様に、Ｘ軸方向に符号４として示す図面角度αで傾斜させ、Ｙ軸方向に符号５として図面角度βで傾斜させている。

次に図４の説明を行う。同図は、金型１を設置台１２に組み付けた様子を示している。
まず、金型１に面内偏芯計測治具６を嵌め込んで自由曲面金型基準面２と計測基準面７とを接触させた状態で国定ボルト１１を締め付けて面内偏芯計測治具６を金型１に固定する。そして、面内偏芯計測時具６が取り付けられている金型１を、図４に示すように、自由曲面金型基準面２が接するように設置台１２に設置する。

次に、図４のように設置台１２に組み付けられた金型１の面内偏芯を計測する手順について、図５及び図６を参照しながら説明する。
まず、金型１が組み付けられている図４の設置台１２を非接触３次元計測器に設置する。そして、面内偏芯計測治具６のＺ基準面８に対し平面計測を行う。平面計測とは平面上の任意点のＺ値を計測することであり、図５に２つの矢印１３で示すように、Ｚ基準面８上の任意点のＺ値を計測する。

次に、この平面計測１３の計測結果に対して基準面の定義を行うことによって定義基準平面を作成する。基準面の定義とは、平面計測１３を行った全点に対し、Ｚ位置の誤差が最小となる平面を定義し、この平面を定義基準平面とすることである。自由曲面の偏芯計測のイメージを示す図６において、符号１５として示されている平面が定義基準平面である。

次に、面内偏芯計測治具６の２つの交差直線９を各々直線計測して基準軸の定義を行うことによって定義基準平面１５上に定義基準軸を作成する。直線計測とは、計測直線（ここでは交差直線９）に対して垂直にセンサを移動させ、センサの焦点が合わなくなる位置、つまり直線上のエッジ位置を複数点計測し、各点の位置誤差が最小となる直線を算出することである。図６において、符号１６として示されている２つの軸が定義基準軸（定義Ｘ軸及び定義Ｙ軸）である。

なお、ここで、２つの定義基準軸（定義Ｘ軸及び定義Ｙ軸）１６の交点を定義原点１７とし、ＸＹ座標系を定義する。
次に、定義原点１７を測定原点として、自由曲面金型１の自由曲面３に対し、自由曲面計測を行う。自由曲面計測とは、自由曲面３上の複数の任意点を計測して定義原点１７に対するＺ値を計測することであり、図５における符号１４がこの自由曲面計測を示している。この自由曲面計測の結果として得られた値が、自由曲面計測点１８として図６にプロットされている。

次に、この自由曲面計測点１８に対してフィッティングを施す。フィッティングとは、自由曲面３の形状定義関数の値に対し、計測結果との誤差が最小になるようなＸ、Ｙ、Ｚ軸方向移動量とＸ、Ｙ、Ｚ軸回りの回転量とを得ることである。このフィッティングにより得られた位置が、図６に符号１９として示す自由曲面光学基準点となる。

このようにして得られた自由曲面光学基準点１９のＸ軸位置及びＹ軸位置が、自由曲面金型１における基準面２からの位置となり、自由曲面金型１の面内偏芯量が得られる。
以上のように、本実施例によれば、本発明を実施する面内偏芯計測治具６を使用することにより、汎用の非接触式３次元計測器のみでの計測により、自由曲面金型１の面内偏芯量を計測することができる。

図７Ａ及び図７Ｂを参照しながら実施例２を説明する。
図７Ａに示す面内偏芯計測治具６−２は、Ｚ基準面８上に基準穴２０が１箇所設けられている点のみにおいて、図２Ａに示した面内偏芯計測治具６と異なっている。

本発明を実施するこの面内偏芯計測治具６−２を用いて自由曲面金型１の面内偏芯を計測する手順について説明する。
まず、実施例１と同様、図４に示したように、面内偏芯計測治具６−２を嵌め込んだ自由曲面金型１を設置台１２に組み付けて非接触３次元計測器に設置する。そして、面内偏芯計測治具６−２のＺ基準面８に対し平面計測１３を行い、この計測結果に対して基準面の定義を行うことによって定義基準平面１５を作成する。

次に、面内偏芯計測治具６−２の有する２つの交差直線８のうちＸ軸方向に延びているものを直線計測して基準軸の定義を行い、定義基準平面１５上に定義基準軸（定義Ｘ軸）を作成する。実施例２における自由曲面の偏芯計測のイメージを示す図７Ｂにおいて符号１６として示されている２つの直線のうち、同図に示されているＸＹ座標軸におけるＸ軸と平行な直線が定義Ｘ軸である。

次に、Ｚ基準面８上の基準穴２０を円計測する。円計測とは、円（ここでは基準穴２０）の外周から円中心方向にセンサを移動させ、センサの焦点が合わなくなる位置、つまり円のエッジ位置を複数点計測し、各エッジ計測点より当該円の中心点の定義基準平面１５上における座標を算出することである。

次に、この円計測によって位置が得られた基準穴２０の中心点から定義Ｘ軸へ垂線を下し、この垂線を基準軸として定義して定義基準軸（定義Ｙ軸）を定義基準平面１５上に作成する。図７Ｂにおいて符号１６として示されている２つの直線のうち、同図に示されているＸＹ座標軸におけるＹ軸と平行な直線が定義Ｙ軸である。

なお、ここで、２つの定義基準軸（定義Ｘ軸及び定義Ｙ軸）１６の交点を定義原点１７とし、ＸＹ座標系（Ｚ値がゼロの座標系）を定義する。
次に、面内偏芯計測治具６−２の有する２つの交差直線８のうちＹ軸方向に延びているものを直線計測する。

次に、定義原点１７を測定原点として、自由曲面金型１の自由曲面３に対し、自由曲面計測を行い、計測の結果として自由曲面計測点を得る。
次に、この自由曲面計測点１８に対してフィッティングを施す。このフィッティングにより得られた位置が、図７Ｂに符号１９として示す自由曲面光学基準点となる。

このようにして得られた自由曲面光学基準点１９のＹ軸位置が自由曲面金型１における基準面２からのＹ方向位置２１Ｙとなり、Ｘ軸位置とＹ軸方向交差直線９のＸ軸位置との差が、自由曲面金型１における基準面２からのＸ軸位置２１Ｘとなる。

以上のように、本実施例によれば、本発明を実施する面内偏芯計測治具６−２を使用することにより、汎用の非接触式３次元計測器のみでの計測により、自由曲面金型１の面内偏芯量を計測することができる上に、基準面２の直角度を同時に計測することができる。

図８Ａ及び図８Ｂを参照しながら実施例３を説明する。
図８Ａに示す面内偏芯計測治具６−３が図２Ａに示した面内偏芯計測治具６と異なる点は、自由曲面金型１が嵌め込まれている面内偏芯計測治具６−３をＸ軸方向に見た図である図８Ｂを参照するとよく分かるように、自由曲面金型１のＺ軸方向長さをｌ、面内偏芯計測治具６−３のＺ軸方向長さをＬとしたとき、ｌ＜Ｌが成立する形状に面内偏芯計測治具６−３が形成されている点、及び、面内偏芯計測治具６−３のＺ基準面８と面内偏芯計測治具６−３の底面２２とが平行な面として形成されている点である。

本発明を実施するこの面内偏芯計測治具６−３を用いて自由曲面金型１の面内偏芯を計測する場合には、設置台１２が不要であり、自由曲面金型１を嵌め込んで固定した状態の面内偏芯計測治具６−３を非接触３次元計測器に設置すれば実施例１と同様の手順で計測を行うことができる。

つまり、本実施例によれば、本発明を実施する面内偏芯計測治具６−３を使用することにより、汎用の非接触式３次元計測器のみでの計測により、設置台１２を使用することなく、自由曲面金型１の面内偏芯量を計測することができる。

その他、本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良・変更が可能である。

自由曲面金型の該略図である。 図１Ａの自由曲面金型をＹ軸方向に見た図である。 図１Ａの自由曲面金型をＸ軸方向に見た図である。 実施例１に係る面内偏芯計測治具を示す図である。 図２Ａの面内偏芯計測治具をＹ軸方向に見た図である。 図２Ａの面内偏芯計測治具をＸ軸方向に見た図である。 自由曲面金型の設置台を示す図である。 図３Ａの設置台をＹ軸方向に見た図である。 図３Ａの設置台をＸ軸方向に見た図である。 自由曲面金型を設置台に組み付けた様子を示す図である。 自由曲面の面内偏芯の計測の手順を説明する図である。 自由曲面の偏芯計測のイメージを示す図である。 実施例２に係る面内偏芯計測治具を示す図である。 実施例２に係る自由曲面の偏芯計測のイメージを示す図である。 実施例３に係る面内偏芯計測治具を示す図である。 自由曲面金型が嵌め込まれている図８Ａの面内偏芯計測治具をＸ軸方向に見た図である。

符号の説明

１ 自由曲面金型
２ 自由曲面金型基準面
３ 自由曲面
４ Ｘ軸に対する自由曲面の傾斜角度
５ Ｙ軸に対する自由曲面の傾斜角度
６、６−２、６−３ 面内偏芯計測治具
７ 計測基準面
８ Ｚ基準面
９ 交差直線
１０ 固定ボルト穴
１１ 固定ボルト
１２ 設置台
１３ 平面計測
１４ 自由曲面計測
１５ 定義基準平面
１６ 定義基準軸
１７ 定義原点
１８ 自由曲面計測点
１９ 自由曲面光学基準点
２０ 基準穴
２１Ｘ 自由曲面金型基準面からのＸ方向位置
２１Ｙ 自由曲面金型基準面からのＹ方向位置
２２ 底面

Claims (5)

1. 自由曲面を有している金型であって２つの側面を基準面とする当該金型の当該基準面に各々接する計測基準面と、
   前記自由曲面と前記基準面とがなす設計角度で前記計測基準面に交差する平面であるＺ基準面と、
   を具備し、前記Ｚ基準面を計測基準平面とすることを特徴とする測定治具。
2. 前記Ｚ基準面に、計測基準とする穴を設けたことを特徴とする請求項１に記載の測定治具。
3. 前記Ｚ基準面に平行な底面を有することを特徴とする請求項１に記載の測定治具。
4. 請求項１又は３に記載の測定治具を用いて行う前記金型の基準面と当該金型の自由曲面との相対位置の測定方法であって、
   前記Ｚ基準面に対する平面計測の結果に基づいて基準平面を定義し、
   前記計測基準面と前記Ｚ基準面とが交差してなす直線に対する直線計測の結果に基づいて前記基準平面上にＸＹ座標系を定義し、
   前記ＸＹ座標系における座標原点を測定原点としたときの前記自由曲面に対する自由曲面計測の結果に対してフィッティングを施し、
   前記フィッティングの結果として得られた値から前記相対位置の測定結果を得る、
   ことを特徴とする測定方法。
5. 請求項２に記載の測定治具を用いて行う前記金型の基準面と当該金型の自由曲面との相対位置の測定方法であって、
   前記Ｚ基準面に対する平面計測の結果に基づいて基準平面を定義し、
   前記計測基準面と前記Ｚ基準面とが交差してなす直線に対する直線計測の結果に基づいて前記基準平面上に第一の基準軸を定義し、
   前記基準平面上における前記穴の位置の計測の結果に基づいて当該基準平面上に第二の基準軸を定義し、
   前記第一及び第二の基準軸によって定義される座標系における座標原点を測定原点としたときの前記自由曲面に対する自由曲面計測の結果に対してフィッティングを施し、
   前記フィッティングの結果として得られた値から前記相対位置の測定結果を得る、
   ことを特徴とする測定方法。
   
   

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