JP2010271280A - 外径測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】繰り返し誤差１μｍ以下の高精度にて略円柱形状体の外径を測定するのに適した構造をもつ測定装置を提供する。
【解決手段】略円柱形状体である測定対象を両端により支持する支持部と、前記測定対象の軸を中心に前記測定対象を回転させ、前記支持部による前記測定対象の支持をなじませる回転なじみ部と、接触式の変位測定器を前記測定対象の軸方向および該軸方向に直交する方向に移動可能に配置する測定部と、を含み、前記測定部は、前記変位測定器の測定子が前記測定対象の軸方向に直交する方向にストロークするように配置することを特徴とする外径測定装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、略円柱形状体の外径を測定する装置に関し、とくに繰り返し誤差１μｍ以下の高精度にて外径を測定する装置に関する。

任意の寸法を、繰り返し誤差１μｍ以下の高精度にて、接触にて測定する場合は、ダイヤルゲージ、接触式変位センサを用いることが一般的である。ここで、接触式変位センサとは、例えば、非特許文献１に示す高精度接触式デジタルセンサを挙げることができる。

株式会社キーエンス 高精度接触式デジタルセンサ ＧＴ２シリーズカタログ ２００９年

繰り返し誤差１μｍ以下の高精度にて任意寸法を測定する際は、使用する計測器の精度以上に、計測対象や計測器を保持する機構の構造による繰り返し精度の向上が測定誤差の減少に欠かせない。しかしながら、測定対象を交換可能とし、かつ作業性の向上を考慮した測定装置の設計では、スライドテーブルや把持機構などの可動部分をどうしても含まなければならず、それら構成要素の可動部による誤差への影響をいかに減らすかが需要であり、かつ容易でない。
また、測定対象が略円柱形状体の外径である場合は、測定における基準位置および測定位置を、面にて取得することが困難であり、繰り返し誤差減少を目的として可動部分の遊びを面接触にて一定条件に落ち着かせることができないという難点がある。
また、使用する計測器にレーザの照射および反射を用いて変位を計測する光学式のセンサを用いた場合は、センサの測定精度が非常に高い一方、測定対象が、平面でなく円弧面や掘り込みなどの複雑な形状を持つものである場合に、測定ポイントが安定しにくく、安定して計測できない欠点がある。
すなわち、本発明の目的は、繰り返し誤差１μｍ以下の高精度にて略円柱形状体の外径を測定するのに適した構造をもつ測定装置を提供することにある。

第１の観点では、本発明は、略円柱形状体の外径を接触にて測定する装置であり、略円柱形状体である測定対象を両端により支持する支持部と、前記測定対象の軸を中心に前記測定対象を回転させ、前記支持部による前記測定対象の支持をなじませる回転なじみ部と、接触式の変位測定器を前記測定対象の軸方向および該軸方向に直交する方向に移動可能に配置する測定部と、を含み、前記測定部は、前記変位測定器の測定子が前記測定対象の軸方向に直交する方向にストロークするように配置することを特徴とする外径測定装置を提供する。
上記第１の観点による外径測定装置では、例えば、図１に示す構成とすることができる。図１は、略円柱形状体の測定対象１０１の両端を支持部１０２により挟み込んで固定し、接触式の変位測定器１０３ａが測定対象１０１の軸方向に移動可能なスライダ１０３ｂおよび軸の直交方向に移動可能なスライダ１０３ｃおよび１０３ｄを介してベース１０４に固定される測定部１０３により、測定対象１０１を挟み込む形で測定対象１０１の外径を測定する。このとき、スライダ１０３ｃは、凸断面の略直方体形状の基準板１０３ｅを垂直に立置して、１０３ｅの凸部が測定対象１０１に軽く接するようにバネやゴムなどの弾性体により予圧をかけることで外径測定における基準位置を設定することができる。また、スライダ１０３ｄは、スライダ１０３ｃの摺動方向と平行に摺動するようスライダ１０３ｃに配置し、測定器１０３ａの測定子が測定対象１０１の軸方向に直交した方向にストロークするように測定器１０３ａを配置し、測定対象１０１の方向へ測定器１０３ａがスライドする予圧をバネやゴムなどの弾性体で与えることで、測定器１０３ａの測定子を測定対象１０１に接触させることができる。このとき、スライダ１０３ｄは、測定対象１０１に向かう方向にストッパを設けることで、測定器１０３ａに測定の基準位置を与えて計測を成立させる。また、測定器１０３ａの測定子先端を、例えば基準板１０３ｅのような水平断面が垂直方向に同形状である先端にして測定子のストロークと同じ方向にスライドするスライドガイドの上に載置することや、測定器１０３ａの高さを微調整できる機構を追加することにより、測定対象１０１の外径となる位置の把握を容易にすることもできる。なお、図１では、測定器を１つ用いて基準板を設ける例を示したが、測定器を対向して２つ設けて測定する構造であっても良い。また、測定対象の略円柱形状体とは、表面に模様やネジ山を形成している棒や円筒であってもよく、断面形状についても楕円等の真円ではない形状でもよい。
また、回転なじみ部１０５は、支持部１０２が、例えば測定対象１０１を挟み込むために測定対象１０１の両端を内挿できる形状でバネやゴムなどの弾性体により測定対象１０１を挟み込む方向に予圧がかかっている構造である場合、予め規定しておく角度及び回数にて回転摺動することにより、測定対象すなわちワークのセット条件を一定に近づける役目をもつ。例えば、５〜１０°の範囲で回転なじみ部１０５を数回回転させ、予め決めておいた停止位置にて回転を終了することにより、ワークセット条件のばらつきを減らすことができる。また、ワークセット時に限らず、測定部１０３の測定子をワークに接触させてセットした後に、回転なじみ部１０５を規定の方法で回転させて規定の位置で停止することにより、測定子のワークへの接触条件を一定に近づけることができる。

第２の観点では、本発明は、第１の観点による外径測定装置において、前記測定対象は、片端の一部が平面取りされており、前記支持部の測定対象を把持する部分の片側が、前記平面取りされた測定対象の片端を挿入し得る形状を成し、かつ、プランジャにより挿入時の遊びを減らす方向に前記測定対象の据わりが規制されることを特徴とする外径測定装置を提供する。
上記第２の観点による外径測定装置では、前記支持部を、例えば、図２に示す構成とすることができる。図２は例として２つの形状を上下に図示しており、上の図は測定対象１０１の片端形状が１面の平面取りの場合、下の図は平面取りが２面の場合である。上下の図ともに、支持部１０２は、それぞれの平面取りに合わせて測定対象１０１を内挿できる形に窪みが形成されており、かつ平面取り部分に該当する箇所にプランジャ１０２ａが埋め込まれている。上図では、２個のプランジャ１０２ａが１平面に埋め込まれ、下図では、１面に１個のプランジャ１０２ａが対角に対向する形で２面に埋め込まれる。プランジャを設けることで、測定対象１０１が支持部１０２に接する際に接する条件を一定に近づけることができ、測定における繰り返し精度を向上することができる。なお、この際も、回転なじみ部の回転摺動により、プランジャ１０２ａおよび支持部１０２が測定対象１０１の形状になじんで接することに有効となる。また、測定対象１０１の片端形状は、平面取り形状に限らず星型形状やアーチ形状による面取りにおいても同様の効果が得られると考える。また、測定対象１０１の両端は、例えば、中心に孔を設けて孔の縁を同芯上で面取りする形状とすれば、支持部１０２の他方を円錐形状とすることで同芯上に支持できるため、回転なじみによる支持状態のばらつきを容易に軽減することができる。

第３の観点では、本発明は、第１または第２の観点による外径測定装置において、前記測定部は、２つの変位測定器を対向した方向にて前記測定対象をはさんで配置することを特徴とする外径測定装置を提供する。
上記第３の観点による外径測定装置では、例えば、図３に示す構成とすることができる。図３は図１における基準板１０３ｅを接触式変位測定器１０３ｆに置き換えた図である。測定器１０３ｆは、図１における基準板１０３ｅのときと同様にスライダ１０３ｃに固定して設置できるほか、測定対象１０１を支持する作業性の向上を目的に、１０３ａにおけるスライダ１０３ｄの設置と同様にスライダを介して設置して、測定対象１０１の軸と直交する方向に摺動できるようにしても良い。このとき、測定器１０３ａと１０３ｆとは、測定子のストローク方向が一直線上もしくは平行な直線上に対向して配置する。また、例えば図４に示すように表面にネジ山を切っている測定対象１０１の谷部分の径を測定したい場合に、図１における基準板１０３ｅを用いた測定では、ねじ山に測定子が乗り上げる恐れがあるが、本発明は、ねじ山への乗り上げを回避しやすい構造であり、ねじ形状の測定対象に適している特徴がある。

第４の観点では、本発明は、第３の観点による外径測定装置において、前記測定対象がボールねじのねじ軸であり、前記変位測定器の測定子の先端が、前記ボールねじのボール形状に沿う形状であることを特徴とする外径測定装置を提供する。
上記第４の観点による外径測定装置では、図３における測定対象１０１と測定器１０３ａおよび１０３ｆを、例えば、図５に示す構成として実現できる。図５において測定対象１０１の表面にはボールねじのボールが走るための軌道が彫られており、測定器１０３ａおよび１０３ｆの測定子先端は、ボールねじのボール形状に合わせている。これにより、ボールねじのねじ軸の軌道径を、ボールが沿うという一定条件にて計測することができる。

第５の観点では、本発明は、第４の観点による外径測定装置において、前記測定部は、前記測定対象の軸上の直下に前記ボールねじのボール形状に沿う形状のプランジャを配置することを特徴とする外径測定装置を提供する。
上記第５の観点による外径測定装置では、例えば、プランジャを、図３で示す１０３ｂのスライダと同期して測定対象の軸方向にスライドするように設置し、測定対象の下部にプランジャの先端がボールねじのねじ部分のボール軌道に沿うように押し当てる構成とすることができる。図６および図７に本発明の解説図を示す。図６および図７は、測定対象１０１、測定器１０３ａ、測定器１０３ｆおよびプランジャ１０３ｇの位置関係を表した図であり、図６が、下方からの視野を模式的に示した図、図７が右側面からの視野を模式的に示した図である。図６では、位置関係がわかりやすいように、プランジャ１０３ｇについて先端のボール形状部分のみを示している。また、図７では、位置関係がわかりやすいように、測定対象１０１については断面を示している。図６に示すように、先端をボールねじのボール形状に沿う形状としたプランジャ１０３ｇを測定対象１０１のボール溝に沿うよう、図３でいうスライダ１０３ｂを測定対象１０１の軸方向にスライドさせて停止し、位置決めをする。このとき、プランジャ１０３ｇは、先端が測定対象１０１の同軸線上に位置することが望ましい。このとき、測定器１０３ａおよび１０３ｆが測定対象１０１の軸方向へ摺動する範囲を、測定対象１０１のねじ溝幅内に規制しておくと、測定器１０３ａおよび１０３ｆを測定対象１０１に向けて軽く押し当てたときに、測定器１０３ａおよび１０３ｆの先端がねじ溝に沿うように測定器１０３ａおよび１０３ｆがスライドする。これにより、測定器１０３ａおよび１０３ｆの測定子の先端がねじ山に乗り上げることや、隣のねじ溝に移ることを防ぐことができ、作業性を著しく向上し、測定ミスを防ぐことができる。

第６の観点では、本発明は、第１〜５のいずれかの観点による外径測定装置において、前記測定部の摺動部分に摺動による上下方向の波打ちが少ない有限ストロークタイプのスライドガイドを用いることを特徴とする外径測定装置を提供する。
上記第６の観点による外径測定装置では、前記測定部の摺動部分に、摺動させた際に波打つ摺動軌跡が波打つと、１μｍ以下の精度での測定では測定に与える影響が大きいため、ぶれが少なく高精度にスライドできる有限ストロークタイプのスライドガイドを用いる。有限ストロークタイプのスライドガイドは、例えば、クロスローラガイドを用いたスライドガイドや、リニアボールスライドを用いることができる。

第７の観点では、本発明は、第１〜６のいずれかの観点による外径測定装置において、前記変位測定器の変位検出部分に磁気センサを用いることを特徴とする外径測定装置を提供する。
上記第７の観点による外径測定装置では、例えば、図８に示す構成とすることができる。図８は、図３において測定器１０３ａおよび１０３ｆを、磁界を発生する発磁体１０３ｈおよび磁界を電気信号に変換する磁気センサ１０３ｉとした場合であり、スライダ１０３ｄにより発磁体１０３ｈが測定対象１０１と接触する測定子とともにスライドする。磁気センサ１０３ｉは磁界を検出する部分がスライダ１０３ｄの固定側に固定されており、スライダ１０３ｄがスライドするに伴って移動する発磁体１０３ｈによる磁界の変化を捉える。磁気センサ１０３ｉが捉えた磁界に応じた電気信号は、予め調べておいたセンサ特性の基準曲線と比較することで変位値に変換することができる。なお、磁気センサに株式会社マコメ研究所の高精度磁気センサＨシリーズを用いた場合は、センサ感度が０．１μｍオーダーにて検出可能なため、接触式センサの物理的限界まで測定できる。また、磁気センサは変位の検出部分が非接触であるため、回転対象と接触する測定子の磨耗以外は、半永久的に高精度の性能を維持できる利点がある。また、磁気センサを用いることで、センサ部分が測定対象へ与える押圧を自由に設定することができるようになるため、極めて弱い力で測定子を測定対象に接触させることが可能となり、過度の押圧による測定誤差を減らすことができる。また、磁気センサを用いた場合、発磁体１０３ｈは数ミリ角の大きさにて実現することが可能なため、測定子を載置するスライダ１０３ｄの大きさを最小限に抑えることができるとともに、発磁体１０３ｈよりも大きな寸法の磁気センサのセンサ部分１０３ｉをスライダ１０３ｄの固定側に設置することで済むので、装置構成を小さく簡単にできる利点がある。

本発明の外径測定装置を用いれば、従来繰り返し精度を出すことが容易でなかった、略円柱形状体の外径の高精度測定にて、容易に誤差１μｍ以下の高精度測定を実現できる。また、高精度な磁気センサを測定器の変位検出部分に用いる場合、長寿命で高精度な測定ができる。

図１は本発明の第１の観点による外径測定装置の概略を示した図である。 図２は本発明の第２の観点による外径測定装置の概略を示した図である。 図３は本発明の第３の観点による外径測定装置の概略を示した図である。 図４は本発明の第３の観点による外径測定装置の概略を示した図である。 図５は本発明の第４の観点による外径測定装置の概略を示した図である。 図６は本発明の第５の観点による外径測定装置の概略を示した図である。 図７は本発明の第５の観点による外径測定装置の概略を示した図である。 図８は本発明の第７の観点による外径測定装置の概略を示した図である。 図９は本発明の実施例１にて実施した外径測定装置の外観写真である。

発明を実施するための形態として、本発明の第５の観点による外径測定装置を実施した例を実施例１に示す。

図９に、実施例１として本発明の第５の観点による外径測定装置を実施した外径測定装置の外観写真を示す。図中の符号は図１〜図７と共通である。

１０１ 略円柱形状体の測定対象
１０２ 支持部
１０２ａ プランジャ
１０３ 測定部
１０３ａ 接触式の変位測定器
１０３ｂ 測定対象の軸方向に移動可能なスライダ
１０３ｃ 測定対象の軸の直交方向に移動可能なスライダ
１０３ｄ 測定対象の軸の直交方向に移動可能なスライダ
１０３ｅ 基準板
１０３ｆ 接触式の変位測定器
１０３ｇ プランジャ
１０３ｈ 発磁体
１０３ｉ 磁気センサ
１０４ ベース
１０５ 回転なじみ部

Claims (7)

1. 略円柱形状体の外径を接触にて測定する装置であり、
   略円柱形状体である測定対象を両端により支持する支持部と、
   前記測定対象の軸を中心に前記測定対象を回転させ、前記支持部による前記測定対象の支持をなじませる回転なじみ部と、
   接触式の変位測定器を前記測定対象の軸方向および該軸方向に直交する方向に移動可能に配置する測定部と、を含み、
   前記測定部は、前記変位測定器の測定子が前記測定対象の軸方向に直交する方向にストロークするように配置することを特徴とする外径測定装置。
2. 請求項１に記載の外径測定装置において、前記測定対象は、片端の一部が平面取りされており、前記支持部の測定対象を把持する部分の片側が、前記平面取りされた測定対象の片端を挿入し得る形状を成し、かつ、プランジャにより挿入時の遊びを減らす方向に前記測定対象の据わりが規制されることを特徴とする外径測定装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の外径測定装置において、前記測定部は、２つの変位測定器を対向した方向にて前記測定対象をはさんで配置することを特徴とする外径測定装置。
4. 請求項３に記載の外径測定装置において、前記測定対象がボールねじのねじ軸であり、前記変位測定器の測定子の先端が、前記ボールねじのボール形状に沿う形状であることを特徴とする外径測定装置。
5. 請求項４に記載の外径測定装置において、前記測定部は、前記測定対象の軸上の直下に前記ボールねじのボール形状に沿う形状のプランジャを配置することを特徴とする外径測定装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の外径測定装置において、前記測定部の摺動部分に摺動による上下方向の波打ちが少ない有限ストロークタイプのスライドガイドを用いることを特徴とする外径測定装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の外径測定装置において、前記変位測定器の変位検出部分に磁気センサを用いることを特徴とする外径測定装置。

Images