JP2010223915A - 回転中心線の位置変動測定方法および装置 - Google Patents

回転中心線の位置変動測定方法および装置 Download PDF

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Abstract

【課題】被検体の回転に伴う回転中心線の位置変動を高精度に測定することが可能な回転中心線の位置変動測定方法および装置を得る。
【解決手段】位置指標３２を有する測定用治具３を被検体５と一体的に回転し得るように設置し、被検体５が回転する過程の複数の時点において、顕微鏡１により形成される位置指標３２の拡大像を撮像カメラ１７によりそれぞれ撮像する。撮像された各々の拡大像の移動軌跡を求め、求められた移動軌跡に基づき、被検体５の回転中心線Ａの位置変動量を算定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械や電子機器等に用いられる種々の回転体の回転中心線の位置変動（振れ）を測定する方法および装置に関し、特に、精密工作機械の主軸等の高い回転精度が要求される回転体の回転中心線の位置変動を測定するのに好適な回転中心線の位置変動測定方法および装置に関する。
研削機等の精密工作機械においては、主軸の回転中心線の位置（主軸の径方向の位置）が大きく変動すると加工精度が著しく低下するので、出荷時やメンテナンス時において、回転中心線の位置変動量をチェックする必要がある。
このような主軸等の回転体の回転中心線の位置変動量を測定する手法として、２点法または３点法というものが知られている。これは、回転体の外周面に沿って複数個の変位計を配置し（変位計を２個配置するものが２点法、３個配置するものが３点法と称される）、回転体の回転に伴う主軸外周面の位置変動量を各変位計において測定するものであり、各変位計による測定データに基づき、回転体の回転中心線の位置変動量を算出するように構成されている（下記特許文献１〜３参照）。
特開平０６−２２９７５１号公報 特開平０６−２３５４２２号公報 特開平１０−０１５７０５号公報
上述の従来手法によれば、回転体の回転中心線の位置変動量を２次元的に測定することが可能となるが、複数の変位計を用いる必要があるため、各変位計の間で特性（例えば、温度特性）の相違がある場合には各変位計の測定データ間で特性の相違に起因した誤差が生じてしまい、高精度な測定結果を得ることが困難となるという問題がある。
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、被検体の回転に伴う回転中心線の位置変動を高精度に測定することが可能な回転中心線の位置変動測定方法および装置を提供することを目的とする。
本発明に係る回転中心線の位置変動測定方法は、被検体の回転に伴う該被検体の回転中心線の位置変動を測定する回転中心線の位置変動測定方法であって、
顕微鏡を、該顕微鏡の対物レンズの光軸が前記回転中心線と平行となるように、かつ該回転中心線が該顕微鏡の被観察領域内に位置するように配置し、
前記顕微鏡により拡大して観察される位置指標を、該位置指標が前記被観察領域内において前記被検体と一体的に回転し得るように該被検体に設置し、
前記被検体が回転する過程の複数の時点において、前記対物レンズを介して形成された、前記位置指標の拡大像をそれぞれ撮像し、
撮像された各々の前記拡大像の撮像座標系内における移動軌跡を求め、求められた該移動軌跡に基づき、前記回転中心線の位置変動量を算定する、ことを特徴とするものである。
また、本発明に係る回転中心線の位置変動測定装置は、被検体の回転に伴う該被検体の回転中心線の位置変動を測定する回転中心線の位置変動測定装置であって、
対物レンズの光軸が前記回転中心線と互いに平行となるように、かつ該回転中心線が被観察領域内に位置するように配置される顕微鏡と、
前記被観察領域内において前記被検体と一体的に回転し得るように該被検体に設置され、前記顕微鏡により拡大して観察される位置指標と、
前記被検体が回転する過程の複数の時点において、前記対物レンズを介して形成された、前記位置指標の拡大像をそれぞれ撮像する撮像手段と、
撮像された各々の前記拡大像の撮像座標系内における移動軌跡を求め、求められた該移動軌跡に基づき、前記回転中心線の位置変動量を算定する解析手段と、を備えてなることを特徴とするものである。
本発明に係る回転中心線の位置変動測定装置において、前記位置指標は前記被観察領域内において複数配置される、とすることができる。
本発明において回転中心線とは、空間に固定されるものではなく、被検体に固定されるものとして定義する。
本発明に係る回転中心線の位置変動測定方法および装置によれば、上述の構成を備えたことにより、以下のような効果を奏する。
すなわち、被検体に設置された位置指標の移動軌跡は、回転中心線の位置変動が無い場合には円形となり、位置変動が有る場合にはその変動量に応じて円形から外れた形状となる。本発明では、顕微鏡を用いて位置指標の拡大像を撮像し、この拡大像により位置指標の移動軌跡を求めるので、移動軌跡の微小な変動をも捉えることができる。したがって、回転中心線の位置変動量を高精度に求めることが可能となる。
また、複数の変位計を各測定系として用いる必要のある従来手法とは異なり、本発明では顕微鏡を唯一の測定系として用いればよいので、各測定系間の特性の相違に起因する誤差が生じる虞はない。
一実施形態に係る回転中心線位置変動測定装置の概略構成図である。 図１に示す解析装置の概略構成を示すブロック図である。 測定用治具の一態様を示す平面図である。 他の態様の測定用治具を示す平面図である。 撮像される拡大像の強度分布を示す模式図である。 拡大像の移動軌跡の一例を示す模式図である。 回転中心線の位置変動量の求め方の概要を示す模式図である。
以下、本発明に係る実施形態について、上記図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実施形態の説明に使用する各々の図は、詳細な形状や構造を示すものではなく、各部材の大きさや部材間の距離等は適宜変更してある。
図１に示す回転中心線位置変動測定装置（以下「本実施形態装置」と称することがある）は、被検体５（例えば、旋盤機の主軸）の回転に伴うその回転中心線Ａの位置変動量を測定解析するものであり、顕微鏡１と、解析手段としての解析装置２と、被検体５の先端面５ａに載置固定される測定用治具３とを備えてなる。なお、被検体５の回転中心線Ａは、被検体５に固定されたものとして扱い、被検体５の先端面５ａは、回転中心線Ａに対し垂直に形成されているものとする。
上記顕微鏡１は、図１に示すように、落射照明光学系１０Ａと観察光学系１０Ｂとからなる。このうち落射照明光学系１０Ａは、光源部１１、コレクタレンズ１２、開口絞りＡＳ、視野絞りＦＳ、視野レンズ１３、ハーフミラー１４および対物レンズ１５からなり、光源部１１から出力された光束を照明光として上記測定用治具３に照射するように構成されている。一方、観察光学系１０Ｂは、落射照明光学系１０Ａに兼用される対物レンズ１５と、結像レンズ１６と、撮像手段としての撮像カメラ１７とからなり、顕微鏡１の被観察領域内の観察対象物（本実施形態装置では、後述する位置指標３２）の拡大像を、対物レンズ１５および結像レンズ１６によって撮像カメラ１７の２次元イメージセンサ１８（ＣＣＤやＣＭＯＳ等からなる）上に形成し、この拡大像を撮像カメラ１７により撮像するように構成されている。
上記解析装置２は、画像処理や各種演算処理を行うコンピュータ等により構成され、各種プログラムを格納したハードディスク等の記憶装置や、各種演算処理を行うＣＰＵを備えるとともに、これらＣＰＵおよびメモリ内のプログラム等により構成される移動軌跡算出部２１および位置変動量算定部２２を備えてなる（図２参照）。
上記測定用治具３は、図３に示すように、基板３１と、該基板３１の中心点Ｃの近傍に形成された位置指標３２とからなる。この位置指標３２は、例えば、基板３１上に蒸着等により形成された、金，アルミニューム，クロム等の金属膜から構成される。また、この位置指標３２の大きさは、顕微鏡１の観察倍率や照明光の波長等に応じて適宜設定することが可能であるが、本実施形態装置では、例えば、顕微鏡１の観察倍率を２０００倍、照明光の中心波長を４０５ｎｍとし、位置指標３２の径を略３００ｎｍに設定する。また、基板３１の表面の、位置指標３２が形成された領域を除く他の領域には反射防止膜が形成されており、照明光の反射が抑制されるようになっている。
なお、測定用治具３に替えて、図４に示す測定用治具３Ａを用いることもできる。この測定用治具３Ａは、基板３１Ａの中心点Ｃ´の近傍に３個の位置指標３２Ａ〜３２Ｃが形成されている点が、上記測定用治具３と異なっている。また、３個の位置指標３２Ａ〜３２Ｃは、中心点Ｃ´までの各距離が互いに異なる位置に形成されている。
次に、本発明の一実施形態に係る回転中心線の位置変動測定方法（以下「本実施形態方法」と称する）について説明する。なお、本実施形態方法は、上述の回転中心線位置変動測定装置を用いて行われる。
〈１〉図１に示す顕微鏡１を、対物レンズ１５の光軸Ｌが被検体５の回転中心線Ａと平行となるように、かつ該回転中心線Ａが顕微鏡１の被観察領域内に位置するように配置する。なお、本実施形態方法では、上記光軸Ｌと上記回転中心線Ａとが互いに重なるように顕微鏡１の位置調整が行われる（本発明の必須要件ではない）。
〈２〉図３に示す測定用治具３を、位置指標３２が上記被観察領域内において被検体５と一体的に回転し得るように該被検体５の先端面５ａに載置固定する（図１参照）。なお、本実施形態方法では、測定用治具３の基板３１の中心点Ｃが上記光軸Ｌ上に位置するように測定用治具３の位置調整が行われる（本発明の必須要件ではない）。
〈３〉被検体５を回転させるとともに、該被検体５が回転する過程の複数の時点において、上記対物レンズ１５および上記結像レンズ１６により２次元イメージセンサ１８上に形成された、上記位置指標３２の拡大像を上記撮像カメラ１７によりそれぞれ撮像する。撮像回数は、被検体５の回転速度に応じて適宜設定することが可能であるが、本実施形態方法では、例えば、毎分１００００回の割合で撮像を行う。
〈４〉上記複数の時点毎に撮像された各々の拡大像の移動軌跡Ｐ（図６参照）を、上記２次元イメージセンサ１８に応じて適宜設定された撮像座標系内において求める。この移動軌跡Ｐの求め方の概要は、以下の通りである。
（ａ）まず、撮像された各画像データを２値化して、拡大像の中心位置を特定し易くする。２値化する際の閾値としては、拡大像の大きさと２次元イメージセンサ１８の画素密度との関係に応じて適宜設定することができるが、高めに設定した方が拡大像の中心位置の特定が容易となる。例えば、拡大像を円形のスポット像とし、その光強度分布が図５に示すようなガウス分布（２次元的に示す）になるとした場合、閾値を、最大強度ＩＭの１／ｅ２（ｅはネイピア数）となるＩ１に設定したときよりも、最大強度ＩＭの１／ｅとなるＩ２に設定したときの方が、さらには、最大強度ＩＭの８／９となるＩ３に設定したときの方が、２値化後の拡大像の径がより小さくなる（ｄ３＞ｄ２＞ｄ１）ので、その中心位置の特定が容易となる。
（ｂ）次に、撮像座標系内において、２値化後の拡大像の中心位置（重心位置としてもよい）の座標値を上記画像データ毎に求め、それらの座標値を撮像順に結ぶことにより、上記移動軌跡Ｐを求める。なお、この移動軌跡Ｐの算出は、上述の移動軌跡算出手段２１において実行される。
〈５〉上記手順〈４〉において求められた移動軌跡Ｐに基づき、被検体５の回転中心線Ａの位置変動量δ（図７参照）を算定する。この位置変動量δの求め方の概要は、以下の通りである。
［ａ］まず、上記移動軌跡Ｐにフィッティングする最小自乗円Ｓ０を求めるとともに、その中心点Ｔ０を特定する。
［ｂ］次に、上記最小自乗円Ｓ０と同心（中心点Ｔ０）の、上記移動軌跡Ｐと外接する大円ＳＭおよび内接する小円Ｓｍを求める。
［ｃ］次いで、上述の大円ＳＭおよび小円Ｓｍの半径の差を、上記位置変動量δとして算定する。なお、この位置変動量δの算定は、上述の位置変動量算定手段２２において実行される。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、種々に態様を変更することが可能である。
例えば、上記実施形態においては、図３に示す測定用治具３を用いているが、これに替えて図４に示す測定用治具３Ａを用いることも可能である。測定手順は、測定用治具３を用いた場合と同様であるが、測定用治具３Ａが３個の位置指標３２Ａ〜３２Ｃを有しているため、各位置指標３２Ａ〜３２Ｃに対応した３個の移動軌跡が求められることとなる。そこで、３個の移動軌跡毎に、上述の手順によって各位置変動量（δ１，δ２，δ３とする）を求め、これらを平均することにより位置変動量（＝（δ１＋δ２＋δ３）／３）を算定することができる。
また、測定用治具３，３Ａにおける位置指標３２，３２Ａ〜３２Ｃは照明光を反射する反射タイプのものであるが、照明光を透過する透過タイプのものを位置指標として用いることも可能である。このような透過タイプの位置指標は、中空の被検体の回転中心線の位置変動を測定する場合などに適用することが可能である。なお、透過タイプの位置指標を用いる場合には、上述の落射照明光学系１０Ａに替えて、顕微鏡用の照明系としては一般的な透過照明光学系（図示略）が用いられる。
また、被検体外周面の形状を測定する変位計（１個でも可。図示略）を組み合わせて用いることにより、被検体外周面の真円度の測定を行うことも可能となる。
１ 顕微鏡
２ 解析装置
３，３Ａ 測定用治具
５ 被検体
５ａ （被検体の）先端面
１０Ａ 落射照明光学系
１０Ｂ 観察光学系
１１ 光源部
１２ コレクタレンズ
１３ 視野レンズ
１４ ハーフミラー
１５ 対物レンズ
１６ 結像レンズ
１７ 撮像カメラ
１８ ２次元イメージセンサ
２１ 移動軌跡算出部
２２ 位置変動量算定部
３１，３１Ａ 基板
３２，３２Ａ〜３２Ｃ 位置指標
Ａ 回転中心線
Ｌ 光軸
Ｃ，Ｃ´ （基板の）中心点
ＡＳ 開口絞り
ＦＳ 視野絞り
ＩＭ 最大強度
Ｉ１〜Ｉ３ 閾値
ｄ１〜ｄ３ （拡大像の）径
Ｐ 移動軌跡
Ｓ０ 最小自乗円
ＳＭ 大円
Ｓｍ 小円
Ｔ０ （円の）中心点
δ 位置変動量

Claims (3)

  1. 被検体の回転に伴う該被検体の回転中心線の位置変動を測定する回転中心線の位置変動測定方法であって、
    顕微鏡を、該顕微鏡の対物レンズの光軸が前記回転中心線と平行となるように、かつ該回転中心線が該顕微鏡の被観察領域内に位置するように配置し、
    前記顕微鏡により拡大して観察される位置指標を、該位置指標が前記被観察領域内において前記被検体と一体的に回転し得るように該被検体に設置し、
    前記被検体が回転する過程の複数の時点において、前記対物レンズを介して形成された、前記位置指標の拡大像をそれぞれ撮像し、
    撮像された各々の前記拡大像の撮像座標系内における移動軌跡を求め、求められた該移動軌跡に基づき、前記回転中心線の位置変動量を算定する、ことを特徴とする回転中心線の位置変動測定方法。
  2. 被検体の回転に伴う該被検体の回転中心線の位置変動を測定する回転中心線の位置変動測定装置であって、
    対物レンズの光軸が前記回転中心線と互いに平行となるように、かつ該回転中心線が被観察領域内に位置するように配置される顕微鏡と、
    前記被観察領域内において前記被検体と一体的に回転し得るように該被検体に設置され、前記顕微鏡により拡大して観察される位置指標と、
    前記被検体が回転する過程の複数の時点において、前記対物レンズを介して形成された、前記位置指標の拡大像をそれぞれ撮像する撮像手段と、
    撮像された各々の前記拡大像の撮像座標系内における移動軌跡を求め、求められた該移動軌跡に基づき、前記回転中心線の位置変動量を算定する解析手段と、を備えてなることを特徴とする回転中心線の位置変動測定装置。
  3. 前記位置指標は前記被観察領域内において複数配置される、ことを特徴とする請求項２記載の回転中心線の位置変動測定装置。
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