JP2006194909A - 表面性状測定機 - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的構造が簡単で、加工精度の管理が簡単で、比較的長い寿命が得られる長さ測定機を得るにある。
【解決手段】 被測定物に接触できる検出子を一方向に伸びたガイドに沿って移動できるスライダに取付け、前記ガイドに平行な送りねじで駆動されるボールナットにより前記スライダをガイドの長さ方向に移動させて測定を行う長さ測定機において、矩形断面の剛性ガイドを前記送りねじ及びガイドが支持される機体フレームに固定して同剛性ガイドに沿い移動できるコ字リテーナに前記ボールナットを固定し、前記前記ガイドをヤング率の大きな矩形断面のセラミック製棒状体で構成し、前記ガイドに略平行な状態に保った直線状ピアノ線片の両端部を前記スライダの前記コ字リテーナに面した部分に固定し、前記コ字リテーナに基端部を固定した連結ピンの先端部を前記ピアノ線片の略中間部に固定した表面性状測定機。
【選択図】 図３

Description

本発明は、被測定物の表面粗さ、表面うねり、真円度、二次元や三次元の表面形状を測定する、表面粗さ測定機、形状測定機、真円度測定機、三次元測定機、画像測定機などの表面性状測定機に関し、特にガイドに対して摺動可能に支持されたスライダの駆動機構に関する。

周知のように、被測定物の粗さやうねりを測定する粗さ測定機、輪郭形状を測定する形状測定機、真円度を測定する真円度測定機、三次元形状を測定する三次元測定機などの表面性状測定機おいては、幾何学的な直線状態にあるガイドに対してスライダを摺動可能に支持し、ガイドの長さ方向の同スライダの位置及びこの長さ方向に直角な面内での変位を検出器により厳密に検出して、測定を行う。
つまり、これらの表面性状測定機においては、ガイド方向にスライダを移動させるには、同ガイドに対して平行関係とされた送りねじを設け、駆動モータまたは手動で駆動される同送りねじに螺合されるボールナットを前記スライダに機械的に結合し、送りねじの回転運動をボールナット及びスライダの直線運動に変換している。

ところで、このような目的に用いる送りねじは、厳密に加工されたものであっても、僅かの偏心や長さ方向の曲がりがあるから、送りねじの回転に伴って、ボールナットが送りねじの長さ方向に対して直角な面内で共回り現象を起し、この共回り現象の結果、スライダがガイドの表面から浮動され、測定誤差の原因となるおそれがある。
ボールナットの共回りによるスライダ位置の不安定さを解消するため、従来では、振れ止め機構が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２）。
即ち、「測定機の駆動連結装置」と題された振れ止め機構においては、スライダとボールナットの間に自動調心軸受を介装することにより、ボールナットからの共回り運動のスライダへの伝達を阻止し、送りねじの長さ方向へのボールナットの運動のみをスライダへ伝達しようとするものである。

そして、他の振れ止め機構では、表面にボールナット字溝を形成した変位板をスライダとボールナットの間に介在させ、前記スライダ及びボールナットにそれぞれ固定する２つのジョイントピースのＹ方向及び同Ｙ方向に直角なＸ方向ピンを前記ボールナット字溝に係合させ、ボールナットの共回り運動の伝達を防止する。

特開平５−１５７５０４号公報 特許第２５７２８５３号公報

しかしながら、これらの従来の振れ止め機構は、多数の部材から構成されるので、製造原価が高くなるばかりでなく、各構成部品の加工精度が直接に共回り現象の防止やスライダの位置精度に影響を与えるから、加工精度の管理がやっかいで、各部材間に摺動部が多いため、寿命が比較的短い問題がある。
本発明の目的は、以上に述べたような従来の振れ止め機構の問題に鑑み、比較的構造が簡単で、加工精度の管理が簡単で、比較的長い寿命が得られる表面性状測定機を得るにある。

この目的を達成するため、本発明は、被測定物を測定する検出器を取付けた測定スライダと、この測定スライダを一方向にガイドする測定ガイドと、前記測定スライダを前記一方向に駆動する測定スライダ駆動手段とを備えた表面性状測定機であって、前記測定スライダ駆動手段は、駆動スライダと、この駆動スライダを前記一方向にガイドする駆動ガイドと、この駆動スライダを前記一方向に駆動する駆動スライダ駆動手段と、前記測定スライダと前記駆動スライダを連結する連結手段とを備え、前記連結手段は、両端を前記測定スライダの２個所の係合点にそれぞれ係合した牽引部材と、この牽引部材の略中間点と前記駆動スライダとを連結する連結部材とを備え、
前記測定スライダは前記測定ガイドに対して複数のガイドポイントでガイドされ、この複数のガイドポイントを、前記一方向に直交して前記係合点を含む面内に投影した場合に、前記複数のガイドポイントの投影点の重心位置が前記係合点に略一致させた表面性状測定機を提案するものである。

後述する本発明の好ましい実施例の説明においては、
１）前記スライダの２個所の係合点は前記一方向に並んで前記スライダに設けられ、前記牽引部材は前記一方向に真直ぐ伸びた状態で前記スライダの係合点に係合する構造、
２）前記牽引部材の前記略中間点は前記一方向に直交する方向に変位可能な構造、
３）前記牽引部材としてワイヤ状部材を用いた構造、
４）前記駆動スライダ駆動手段は、送りねじとボールナットを含み、前記駆動スライダはこのボールナットに結合される構造、
５）前記測定ガイドと前記測定スライダと前記駆動ガイドと前記駆動スライダの少なくとも一つはセラミック製部材を含む構造、
６）測定機ベースに立設されたガイドと、このガイドに設けられた上下動ガイドにガイドされて上下動可能に支持された上下可動台を更に備え、前記測定ガイドと前記駆動ガイドは前記上下可動台に固定され、前記上下動ガイドはセラミック製部材を含む構造、が説明される。

本件発明によれば、比較的簡単で、厳密な加工精度管理を必要としない構造により、送りねじの回転によるボールナットの共回り運動を完全に吸収して、送りねじの長さ方向の送り運動のみをスライダに伝達できる長さ測定機を得ることができる。
また、連結ピンの移動量がスライダの重心位置でスライダに伝達されるため、スライダの姿勢が安定し測定精度の向上を期待でき、更にセラミック部材でガイドを構成することによって、その測定精度の向上を達成できる。

以下、被測定物の二次元的な形状を測定する表面性状測定機に本発明を施した実施例の詳細を説明する。
図１に示すように、本発明による表面性状測定機は測定機ベースＡの表面のテーブルＢ上に被測定物を位置し、同被測定物の表面に検出子Ｃの先端を接触させることにより、二次元的な形状や表面粗さを測定するのに用いられる。

前記測定機ベースＡの右側寄りの後部には垂直方向に伸びた剛性の高いＶ軸コラムＤが据え付けられ、図示の場合、ヤング率の大きな矩形断面のセラミック製棒状体で構成される同Ｖ軸コラムＤには、図示を省略するＶ軸駆動モータまたは図１のＶ軸手動つまみ１で上下方向に移動される上下可動台Ｅが支持される。
即ち、図４から理解されるように、前記上下可動台Ｅは前記Ｖ軸コラムＤを包囲する矩形枠状のスライド部２及びＶ軸コラムＤの略前方に張り出された可動台フレーム３からなり、この可動台フレーム３中には前記検出子Ｃを備えた検出器をＸ軸方向（図１において左右方向）に駆動する後述の駆動機構が組み込まれる。

前記上下可動台Ｅのスライド部２は基準案内面であるＶ軸コラムＤの前面及び左側面に摺接する複数のターカイト４，５を備え、同スライド部２の後壁及び右側壁（図示せず）には前記ターカイト４，５を対応基準案内面に押圧するプッシュユニット７，８が取り付けられる。これらのプッシュユニット７，８はスライド部２にねじ込み固定される取付ブッシュ７ａ，８ａを備え、この取付ブッシュ７ａ，８ａの内部には押圧ヘッド７ｂ，８ｂをＶ軸コラムＤの表面に押圧する押圧スプリング７ｃ，８ｃが内蔵してある。
また、前記Ｖ軸コラムＤの前面中央に形成された上下方向の収容溝９中には、前記Ｖ軸駆動モータで回転駆動される垂直方向のＶ軸送りねじ１０が位置され、このＶ軸送りねじ１０の中間部に螺合される送りナット１１のブラケット１１ａは前記スライド部２に強固に固定される。

前記上下可動台Ｅの上下方向の位置を検出するため、前記Ｖ軸コラムＤの左側面には垂直方向（上下方向）に延長した反射型スケール１２が固定され、この反射型スケール１２に臨んだスライド部２の内面には発光部と受光部を備えたＶ軸検出器１３が固定してある。
なお、後述する駆動機構を含んだ上下可動台Ｅの重量は、前記Ｖ軸コラムＤの前側に設けられる一対のガイドロッド１４に嵌めたリテーナスプリング１５，１６の力で平衡され、上下可動台Ｅの重量による大きな前後方向の曲げモーメントがＶ軸コラムＤに加わるのが防止される。

図３及び図４は前記検出子ＣのＸ軸方向（図３の左右方向）の送りを担当する駆動機構の詳細を示し、上下可動台Ｅの可動台フレーム３の内部には左右方向に延長した測定ガイドとなるＸ軸ガイド１７の両端部が固定され、図示実施例の場合、同Ｘ軸ガイド１７は例えばアルミナセラミックなどの加工性が高く、ヤング率の大きな矩形断面のセラミック製棒状体で構成してある。
図４から理解されるように、前記Ｘ軸ガイド１７を取り囲む矩形枠として製作されて測定スライダとなるスライダ１８がＸ軸ガイド１７に沿ってＸ軸方向（左右方向）に移動可能に支持される。同スライダ１８は例えばアルミナセラミック製である。

このスライダ１８には基準案内面であるＸ軸ガイド１７の上面及び後側面に摺接する複数のターカイト２１，２２，２３を備え、同Ｘ軸ガイド１７の下壁及び前側壁には前記ターカイト２１，２２，２３を対応基準案内面に押圧するプッシュユニット２４，２５が取り付けられる。これらのプッシュユニット２４，２５は、スライド部２について前述したプッシュユニット７，８と同様に、ねじ込み固定される取付ブッシュを備え、この取付ブッシュの内部には押圧ヘッドをＸ軸ガイド１７の表面に押圧する押圧スプリングが内蔵される構造である。
また、前述したスライダ１８の下部には箱状の検出器取付部２６が垂下され、この検出器取付部２６中には取り付けられた検出子Ｃの先端の微小な上下変位（Ｚ軸変位）を電気信号に変換する変位検出器２７（図２）が内蔵される。

図３に示すように、前記可動台フレーム３の左右側壁には前記Ｘ軸ガイド１７と平行な方向に延長するＸ軸送りねじ３１が一対の軸受３２，３３を用いて回転可能に支持され、このＸ軸送りねじ３１はその軸端に固定するＸ軸手動つまみ３４で手動で回転できる。
また、このＸ軸送りねじ３１は、図４に示すＸ軸駆動モータ３５により、Ｘ軸駆動モータ３５の駆動軸に設ける主動プーリ３６、Ｘ軸送りねじ３１の軸端の従動プーリ３７、これらの主動プーリ３６と従動プーリ３７との間に掛けられるＶベルト３８を介して回転駆動できる。
同Ｘ軸送りねじ３１の長さ方向中間部にはＸ軸送りねじ３１のねじ溝内で循環運動される多数のボールを内蔵するボールナット４１が螺合され、このボールナット４１によってＸ軸送りねじ３１の回転運動が左右方向の送り運動に変換される。

図４に示すように、前記可動台フレーム３の後側壁の前面には前記Ｘ軸送りねじ３１と平行な方向に延長して、駆動ガイドとなる矩形断面の剛性ガイド４２が固定され、ヤング率の大きなセラミックで棒状に作られる同剛性ガイド４２には前記ボールナット４１に固定されるコ字リテーナ４３のコ字部が嵌められ、Ｘ軸送りねじ３１の回転に伴うボールナット４１の上下方向の共回り運動が抑制される。このコ字リテーナ４３は例えばアルミナセラミックから作られる。

一方、前記ボールナット４１に面した前記Ｘ軸ガイド１７の頂面にはＸ軸ガイド１７の長さ方向に伸びる頂面溝４４が形成され、前記スライダ１８の左右端に基部を固定する一対の取付ブラケット４５，４６の下端取付部４５ａ，４６ａが同頂面溝４４中に挿入され、これらの下端取付部４５ａ，４６ａ間にはＸ軸方向に伸びる真直ぐなピアノ線片５１の両端部が固定される。即ち、このピアノ線片５１は長さ方向には大きな坑張力を示し、同長さ方向に対して直角な方向の荷重で容易に変形する性質があるから、ピアノ線片５１の長さ方向に対して直角な平面内で生じるボールナット４１の共回り運動を吸収できる。すなわちこのピアノ線片５１の略中間部はＸ軸に対して直交する方向には容易に変位してボールナット４１の共回り運動を吸収できる。
また、前記コ字リテーナ４３の下部には連結ブロック５２が取付ねじ５３，５４で固定され、この連結ブロック５２に基端部６１ａを固定される垂直方向の連結ピン６１の下端部６１ｂが前記ピアノ線片５１の略中間部に固定される。

ピアノ線片５１に対する連結ピン６１の結合位置は、前記検出器取付部２６を含んだスライダ１８の重心のＸ軸方向の位置を選んでその下端部をピアノ線片５１の略中間部に固定するから、ボールナット４１の移動時にスライダ１８に重心回りの重量モーメントが作用すること、つまり同重量モーメントによりＸ軸送りねじ３１に沿って移動されるスライダ１８の姿勢が不安定になるのを防止できる。
図６は、Ｘ軸に直交し、ピアノ線片５１の一端を固定する取付ブラケット４６の下端取付部４６ａ（係合点）を含む面において、Ｘ軸ガイド１７、ターカイト２１、２２、２３、プッシュユニット２４、２５の配置位置関係を示している。この図において、ターカイト２１、２２、２３にそれぞれ対向するするＸ軸ガイド１７の基準案内面の中心位置（３個所）と、プッシュユニット２４、２５の押圧位置（２個所）の計５個所のガイドポイントで形成される５角形の重心位置はピアノ線片５１の係合点に一致している。従って、ボールナット４１の移動時にスライダ１８はピアノ線片５１によってガイドポイントに関する重心位置で牽引されるので、スライダ１８はその姿勢が変化することなく、正確にＸ軸方向に移動することが可能である。
尚、剛性ガイド４２は、送りねじ３１の回転に伴うボールナット４１の回転止めを兼ねている。

前述したＸ軸ガイド１７に対するスライダ１８の厳密な位置は、Ｘ軸ガイド１７とスライダ１８の間に設けるレーザホログラムユニットで検出できる。即ち、このレーザホログラムユニットはＸ軸ガイド１７の前面下部に固定されるＸ軸方向の透明ホログラムスケール７１を有し、同透明ホログラムスケール７１に臨ませてスライダ１８の下壁に固定したコ字ブロック７２には透明ホログラムスケール７１の下部を挟むレーザ素子７３及びＸ軸検出器７４（回折受光素子）が支持される。

図示実施例による表面性状測定機は、以上のような構成であるから、Ｖ軸コラムＤに対する上下可動台Ｅの垂直方向の位置調整で、テーブルＢ上の被測定物の表面に検出子Ｃの先端を接触させた状態とし、スライダ１８をＸ軸方向に送りながら、検出子Ｃの微小なＺ軸変位を検出することにより、被測定物の二次元的な表面形状または表面粗さなどの表面性状を測定できる。

即ち、垂直方向のＶ軸コラムＤに沿った上下可動台Ｅの位置、つまりスライダ１８の上下方向の高さはスライド部２のＶ軸検出器１３（反射型検出器）で知ることができ、同スライダ１８のＸ軸方向の変位即ち検出子ＣのＸ軸変位はＸ軸検出器７４（回折受光素子）で厳密に知ることができる。
したがって、スライダ１８のＸ軸変位に対する検出子ＣのＺ軸方向の微小変位を変位検出器２７で観測することにより、被測定物の表面形状や表面粗さを測定できるわけである。

図２は本発明による表面性状測定機の信号系統のブロックダイヤグラムであり、前述したＶ軸検出器１３、変位検出器２７、Ｘ軸検出器７４の各出力信号は、マイクロコンピュータなどで構成する制御装置CPU に入力され、同制御装置CPUにおいて測定目的に応じた演算が行われる。この演算結果は、上下可動台ＥのＶ軸位置、スライダ１８のＸ軸位置、（Ｚ軸方向の）微小変位などのデジタル量として表示器８１に表示されるが、この表示器８１とは別に、測定データを解析するコンピュータ及びその処理結果をグラフ化表示できるＣＲＴ表示器を用いる場合もある。

被測定物の表面形状の測定や表面粗さの測定の場合、図示実施例の構造では、Ｘ軸送りねじ３１の回転に伴ったボールナット４１の共回りの悪影響で測定精度が劣化するのを回避できる。
Ｘ軸手動つまみ３４やＸ軸駆動モータ３５でＸ軸送りねじ３１を回転させると、同Ｘ軸送りねじ３１の偏心や長さ方向の曲がりなどでボールナット４１がＸ軸送りねじ３１の長さ方向に対して直角な面内で揺れ動く共回り現象を起すが、ある程度以上のこの共回り運動は、剛性ガイド４２によるコ字リテーナ４３の位置規制により抑制されることになる。

したがって、ボールナット４１及びコ字リテーナ４３は、厳密な意味では、若干の共回り運動が残留するが、ピアノ線片５１による牽引機構によってこの共回り運動によりスライダ１８のＸ軸方向の位置が変化したり、スライダ１８の運動が不安定になってＸ軸ガイド１７から浮きあがり不安定な測定を余儀なくされることはない。
つまり、ボールナット４１の共回りによって連結ピン６１もＸ軸送りねじ３１の長さ方向に対して直角な面内で若干の共回り運動を行うが、同共回り運動はピアノ線片５１が変形し易い中間部の曲げ変形で吸収され、スライダ１８に対しては、連結ピン６１のＸ軸方向への変位のみがピアノ線片５１を介して伝えられる。このため、仮にボールナット４１が共回り運動を起こしても、同共回り運動がスライダ１８に伝達されるのを確実に防止できる。勿論、この共回り防止構造は、構成が非常に簡単であるので、製造原価が高くなったり、製造上の加工精度管理がやっかいになる不都合もなくなる。

本件発明は、以上の実施例の他に、駆動スライダ駆動手段としてリニヤモータを使用することもできる。この場合、ボールナットに代るリニヤモータの可動子を駆動スライダに結合させ、リニヤモータの直進ガイドを駆動ガイドとすれば良く、このようにすれば、リニヤモータの磁界変動や直進ガイドの真直度誤差に起因する可動子の微少な姿勢変化の影響を抑制することができる。
更に、この実施例においては、駆動ガイドと駆動スライダは１組のみを使用する構成を示したが、この他に直交するそれぞれの面（例えば、ＸＹ平面とＸＺ平面）に各１組の駆動ガイドと駆動スライダを設け、第１の駆動スライダとボールナットを直結し、第１の駆動スライダによって第２の駆動スライダをワイヤ牽引し、第２の駆動スライダによって測定スライダをワイヤ牽引する構成としてもよい。

また、スライダのガイドポイントは５ケ所に限定されるものではなく、必要に応じて増減を行ってもよい。その場合でも、重心位置で牽引することにより、スライダ姿勢を一定に保つことができる。
さらに、本発明の表面性状測定機の各部は、剛性の強化あるいは耐摩耗性の改善のためにアルミナセラミック等のセラミック製としても良い。
また、本発明の実施形態では牽引部材としてワイヤ状のピアノ線を使用したが、牽引部材はこれに限らず、適度な弾性を有するコイルばねや、板ばねを使用しても良い。例えば板ばねを使用した場合、その中間部において板ばねを90度ひねった構造とすれば、板ばねの中間部は長手方向に対して直交する方向には任意方向へ変位可能となる。
なお、前記実施例においては、被測定物の二次元的な表面形状や表面粗さを測定する表面性状測定機に本発明を施した例を説明したが、本発明は、他の目的の３次元測定機などに適用することができるのは、改めて指摘するまでもない。

以上の説明から明らかなように、本件発明によれば、比較的簡単で、厳密な加工精度管理を必要としない構造により、送りねじの回転によるボールナットの共回り運動を完全に吸収して、送りねじの長さ方向の送り運動のみをスライダに伝達できる長さ測定機を得ることができる。
また、連結ピンの移動量がスライダの重心位置でスライダに伝達されるため、スライダの姿勢が安定し測定精度の向上を期待でき、更にセラミック部材でガイドを構成することによって、その測定精度の向上を達成できる。

本発明による表面性状測定機の正面図である。 同表面性状測定機のブロックダイヤグラムである。 同表面性状測定機の要部拡大断面図である。 同表面性状測定機の図１の４−４線に沿う要部拡大断面図である。 同表面性状測定機の要部分解拡大斜視図である。 同表面性状測定機の原理図である。

符号の説明

Ａ 測定機ベース
Ｂ テーブル
Ｃ 検出子
Ｄ Ｖ軸コラム
Ｅ 上下可動台
２ スライド部
３ 可動台フレーム
１３ Ｖ軸検出器
１７ Ｘ軸ガイド
１８ スライダ
２６ 検出器取付部
２７ 変位検出器
４１ ボールナット
４２ 剛性ガイド
４３ コ字リテーナ
５１ ピアノ線片
６１ 連結ピン
７４ Ｘ軸検出器

Claims (7)

1. 被測定物を測定する検出器を取付けた測定スライダと、この測定スライダを一方向にガイドする測定ガイドと、前記測定スライダを前記一方向に駆動する測定スライダ駆動手段とを備えた表面性状測定機であって、
   前記測定スライダ駆動手段は、駆動スライダと、この駆動スライダを前記一方向にガイドする駆動ガイドと、この駆動スライダを前記一方向に駆動する駆動スライダ駆動手段と、前記測定スライダと前記駆動スライダを連結する連結手段とを備え、
   前記連結手段は、両端を前記測定スライダの２個所の係合点にそれぞれ係合した牽引部材と、この牽引部材の略中間点と前記駆動スライダとを連結する連結部材とを備え、
   前記測定スライダは前記測定ガイドに対して複数のガイドポイントでガイドされ、この複数のガイドポイントを、前記一方向に直交して前記係合点を含む面内に投影した場合に、前記複数のガイドポイントの投影点の重心位置が前記係合点に略一致すること、
   を特徴とする表面性状測定機。
2. 前記スライダの２個所の係合点は前記一方向に並んで前記スライダに設けられ、前記牽引部材は前記一方向に真直ぐ伸びた状態で前記スライダの係合点に係合していることを特徴とする請求項１に記載の表面性状測定機。
3. 前記牽引部材の前記略中間点は前記一方向に直交する方向に変位可能であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の表面性状測定機。
4. 前記牽引部材はワイヤ状であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の表面性状測定機。
5. 前記駆動スライダ駆動手段は、送りねじとボールナットを含み、前記駆動スライダはこのボールナットに結合されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の表面性状測定機。
6. 前記測定ガイド、前記測定スライダ、前記駆動ガイド及び前記駆動スライダの少なくとも一つは、セラミック製部材を含むことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の表面性状測定機。
7. 測定機ベースに立設されたコラムと、このコラムに設けられ、セラミック製部材を含む上下動ガイドと、この上下動ガイドにガイドされて上下動可能に支持された上下可動台と、を更に備え、前記測定ガイドと前記駆動ガイドは前記上下可動台に固定されることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の表面性状測定機。
   

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