JP2010286430A - 校正装置及び真直形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】３点法プローブのゼロ点校正を３点法の環境に対するロバスト性を維持しながら、迅速に、精度よく、かつ簡便に実現できる校正装置及び真直形状測定装置を提供する。
【解決手段】校正対象となる３つの変位センサＳＳ１〜ＳＳ３を円板ＣＰ１〜ＣＰ３に対して相対的に固定し、回転角θ＝０度において３つの円板ＣＰ１〜ＣＰ３の円周を、各変位センサセンサＳＳ１〜ＳＳ３を用いて測定して第１の測定値を求め、且つ回転角θ＝１８０度において３つの円板ＣＰ１〜ＣＰ３の円周を、変位センサセンサＳＳ１〜ＳＳ３を用いて測定して第２の測定値を求め、第１の測定値と第２の測定値とに基づいて、前記変位センサを校正できる
【選択図】図１

Description

本発明は、真直形状を測定するための３点法プローブのゼロ点校正技術に関する。

３つの変位センサを用いた３点法プローブにより被測定対象を精度良く形状測定を行うためには、３つの変位センサのうち１つの変位センサのゼロ点が、残りの変位センサのゼロ点を結ぶ直線からずれることによる放物線誤差を取り除くために、ゼロ点を校正する必要がある。ここで、そのゼロ点を校正する手法として、既知の直線形状を基準にする方法、３点法による測定と改良型反転法による測定を併用してゼロ点誤差を求める方法、既知の幅を基準にして、その幅を構成する２本の直線を、３点法プローブを反転させることで２回測定して得られる幅の長手方向の変化形状を得て、既知の幅と比較してゼロ点を決める方法がある。これらは、別の方法で得た直線や幅の基準を用いている。

また、測定しようとする円筒の直線母線を２組の３点法プローブを円筒の中心に向けて対向させて同時に真直度を３点法で測定し、円筒を１８０度回転させてもう一度同じ母線を測定することで真直形状測定データからゼロ点も求める手法なども開発されている。かかる手法によれば、ゼロ点をリアルタイムで求めることができる。なお、上記の既知の幅基準を用いる方法でも、被測定面と対向させてダミーの面を設置しその場で幅を測定しながら、プローブを反転して３点法で幅を構成する両側の直線母線を測定する方法もあり、これは準リアルタイムのゼロ点調整方法といえる。

その他に，水準器を用いて、走査運動軌跡の両端の傾斜の差を測定して、３点法で得た走査運動軌跡の両端での傾斜の差と比較して、ゼロ点を算出する方法も知られている。水準器の代わりにオートコリメータと反射鏡を用いて走査運動軌跡の両端の傾斜の差を測定する方法も成立する。代表的なゼロ点校正方法を特許文献１に示す。

特開２００５−３０８７０３号公報

ここで、既知の基準を用いてゼロ点誤差を校正する方法では、校正後に被測定対象を測定する場所にプローブを移動して実際の測定を行うまでのゼロ点の変化が問題になる。幅を基準にしてプローブを反転させる方法でも、反転前後の３点法での測定中のゼロ点変化が影響して正確なゼロ点が決め難い。

一方、リアルタイムでゼロ点を決めることのできる測定対象の円筒を回転する方法では、円筒を回転しながら１８０度で対向する２本の円筒の直線母線を測定するならプローブのゼロ点のドリフトの影響は小さくなるが、円筒以外には簡単には適用できないことと、重力によるたわみが存在する方向については、反転法固有の問題が生じて正しい形状が得られないことが難点である。さらに２対の３点法プローブを必要とするため合計６個の変位センサが必要となり費用対効果の観点からも問題がある。

これに対し、走査運動軌跡の両端の傾斜を補正する方法は環境が整えば精度の高い方法となる。しかし、水準器では、３点法プロープでは除去できる機械的な外乱振動が測定誤差になり、オートコリメータでは空気の揺らぎが誤差要因になるなど、３点法の要求する以外の環境の整備がゼロ点検出のために必要になるという難点がある．

発明は、このような従来法の問題に鑑みなされたもので、３点法プローブのゼロ点校正を３点法の環境に対するロバスト性を維持しながら、迅速に、精度よく、かつ簡便に実現できる校正装置及び真直形状測定装置を提供する目的でなされたものである。

本発明の校正装置は、
校正対象となる３つの変位センサを保持するベースと、
直径が所定の一か所以上の回転角位置で校正されている３つ以上の円板と、
前記ベースに対して回転可能に支持され、所望の間隔で前記前記円板を取り付けた回転軸と、を有し、
校正対象となる３つの変位センサを前記円板に対して相対的に固定し、前記所定の回転角位置において前記３つ以上の円板の円周を、各変位センサを用いて測定して第１の測定値を求め、且つ前記所定の回転角位置から180度回転させた回転角位置において、前記３つ以上の円板の円周を、各変位センサを用いて測定して第２の測定値を求め、前記第１の測定値と前記第２の測定値とに基づいて、前記変位センサを校正できることを特徴とする。

本発明の原理について説明する。図１は本発明の数学的原理を説明するための図である。直径の相対差が既知の３つの円板ＣＰ１〜ＣＰ３が、一点鎖線で略図する回転軸ＳＨ上に３点法プローブのセンサＳＳ１〜ＳＳ３の間隔と等しい間隔で固定配置されており、センサＳＳ１〜ＳＳ３は円板ＣＰ１〜ＣＰ３の円周に対峙して、その位置を測定可能となっている。熱膨張係数が小さい素材からなる円板ＣＰ１〜ＣＰ３は、その直径が所定の回転角位置（図ではその直径が水平面内にあるときを回転角位置θ＝０としている）で予め校正されている。不図示の回転角センサが、回転軸ＳＨの回転位置を測定可能となっている。なお、図１では、原理の説明を簡単にするために円板直径差は省略し、センサの間隔(したがって円板の間隔)が等しい場合の３点法を示している。

回転角位置θ＝０度の状態を図１（ａ）に、回転角位置θ＝１８０度の位置に回転軸が回転した状態を図１（ｂ）に示す。図１（ａ）、（ｂ）では、変位センサＳＳ１〜ＳＳ３のプローブの感度軸方向は水平面内にあり、回転軸ＳＨの重力の影響によるたわみの影響は図では現れていない。

これに対し、変位センサＳＳ１〜ＳＳ３のプローブの感度軸方向を９０度回転させ鉛直方向にして、回転角位置θ＝９０度の位置に回転軸が回転した状態を図１（ｃ）に示し、回転角位置θ＝２７０度の位置に回転軸が回転した状態を図１（ｄ）に示す。従って、図１（ｃ）の状態では、図１（ａ）に示す位置と同じ円周の位置を変位センサが測定し、図１（ｄ）では、図１（ｂ）に示す位置と同じ円周の位置を変位センサが測定することになるが、回転軸ＳＨの重力の影響によるたわみの影響が加わることになる。

以下、変位センサのゼロ点校正について説明する。ここで、回転軸ＳＨに対する円板ＣＰ１〜ＣＰ３の取り付けの誤差により、中央の円板ＣＰ２が両側の円板ＣＰ１，ＣＰ２に対してΔＲだけ、図１（ａ）ではプローブ側に近寄り、図（ｂ）では同じ量だけ遠ざかっているものとする。また、両側の変位センサＳＳ１、ＳＳ３のゼロ点位置を結ぶ直線の位置に対して、中央の変位センサＳＳ２のゼロ点が、距離Ｐ０だけ回転軸ＳＨから遠ざかっているものとする。このとき，回転軸ＳＨの回転角度位置をθとして、３つの変位センサＳＳ１、ＳＳ２、ＳＳ３の出力を、それぞれｍＡ（θ），ｍＢ（θ），ｍＣ（θ）とする。

まず、図１（ａ）に示す状態では，３点法プローブの差動出力（第１の測定値）をｍ（０）とすると、幾何学的関係より、
ｍ（０）＝ｍＡ（０）−２ｍＢ（０）＋ｍＣ（０）＝ΔＲ＋Ｐ０ （１）
と表せる。

次に、図１（ａ）に示す状態から回転軸ＳＨが１８０度回転した図１（ｂ）に示す状態では，３点法プローブの差動出力（第２の測定値）をｍ（π）とすると、幾何学的関係より、
ｍ（π）＝ｍＡ（π）−２ｍＢ（π）＋ｍＣ（π）＝−ΔＲ＋Ｐ０ （２）
と表せる。

Ｐ０が両者の平均値であるから、（１）、（２）式よりΔＲを消去すると、以下の式でＰ０（位置ズレ）を求めることができる。
Ｐ０＝｛ｍ（０）＋ｍ（π）｝／２ （３）

求められたＰ０だけ、変位センサＳＳ２を移動させることで、両側の変位センサＳＳ１、ＳＳ３のゼロ点位置を結ぶ直線の位置に一致させることができる。このように、ズレ量Ｐ０を求めて変位センサの位置ズレを補正することを、３点プローブのゼロ点校正という。尚、式（１）、（２）では表現を簡単にするため３つの円板の直径差が無い場合を示しているが、実際には既知の直径差の校正値を用いて式（３）のP0を補正することになる。具体的には両側の円板の半径の平均値と中央の円板の半径の差だけP0を補正することになる。すなわち、校正の結果として中央の円板の直径を基準にして両側の円板の直径差がΔ１、Δ３であったとすると、センサの間隔が等しいことから、補正値は（Δ１＋Δ３）／４となるので、これを用いてＰ０を補正すればよい。

次に、変位センサＳＳ１〜ＳＳ３の感度軸が、鉛直方向に向いている場合について検討する。図１（ｃ）、（ｄ）に示す状態の場合、回転軸ＳＨの重力のたわみの影響が出る。このたわみによって、両側の円板ＣＰ１，ＣＰ３に対して中央の円板ＣＰ２が距離δだけ変位センサＳＳ２から遠ざかる。

まず、図１（ｃ）に示す状態では，３点法プローブの差動出力（第３の測定値）をｍ（０）とすると、幾何学的関係より、
ｍ（０）＝ｍＡ（０）−２ｍＢ（０）＋ｍＣ（０）＝２（ΔＲ＋Ｐ０＋δ） （４）
と表せる。

次に、図１（ｄ）に示す状態では，３点法プローブの差動出力（第４の測定値）をｍ（π）とすると、幾何学的関係より、
ｍ（π）＝ｍＡ（π）−２ｍＢ（π）＋ｍＣ（π）＝２（−ΔＲ＋Ｐ０＋δ） （５）
と表せる。

（４）、（５）式より、ΔＲを消去すると、以下の式でＰ０を求めることができる。
Ｐ０＝｛ｍ（０）＋ｍ（π）｝／４＋δ （６）
これは、中央の円板ＣＰ２の直径が見かけ上２δだけ小さくなったように見えることを示している。ズレ量Ｐ０は（３）式より既知であるため、これを（３）式に代入してδを求めることができる。以上の説明では直径が校正されている理想の場合で説明したが、半径法で真円形状が校正された円板を用いても同様の効果が得られる。円周を整数等分する回転角度位置での値から平均半径を算出することも類似の効果がある。

本発明によれば、変位センサの感度軸が水平面内にあるゼロ点を基準に、その感度軸を鉛直方向に設置した場合のゼロ点の移動（回転軸の撓み）δの影響を補正することができる。

以上の説明では、回転角度位置θ＝０を通る直径の3つの円板における相互差が校正済みという条件で原理を説明したが、複数の回転角度位置での直径の前記相互差が校正されていれば、複数の前記回転角度位置での直径差の校正値を使って変位センサ間のゼロ点の校正結果の平均値を校正値とすることもできる。その時、例えば式（３）の一つの直径に対応する2か所の回転角度位置でのセンサの読みの代わりに前記複数の回転角度位置での読みの平均値を用いる。前記直径の相互差が校正されている回転角度位置が十分に多くて、一回転にわたる平均の直径の3つの円板における相互差が校正されていれば、変位センサ間のゼロ点誤差の調整には、その平均直径差を用いることもできる。

従って、半径法で真円度を測定する方法で得た平均半径を円板の直径の代わりの校正値に用いても、同様の校正装置が構成できることは言うまでもない。なお、これらの平均直径や平均半径を用いるときも円板の校正の際の直径または半径の読み取り角度位置を再現して同じ位置でのゼロ点を校正すべき変位センサの読みをとる方が精度の観点からは好ましい。

本発明によれば、測定の際に特別の基準を必要としない、円板間の直径の差だけを用いるので、精度の高い安定した3点法ローブのゼロ点校正装置が構成できる。また、本発明によれば、半径法による汎用の真円度測定機で得られる平均半径の円板間の差を平均直径の差に代用できるので、簡便に3点法プローブのゼロ点校正装置が構成できる。

従って本発明の校正装置は、前記3個以上の円板の平均直径あるいは平均半径の相互差が校正されていて、前記3つの変位センサの相互のゼロ点位置を前記平均直径あるいは平均半径の相互差を用いて校正することを特徴とする。

更に本発明の校正装置は、前記回転軸は２点で支持されており、重力により前記回転軸のたわみが生じたときに、重力方向のたわみが等しくなる３か所に前記円板をそれぞれ取り付けたことを特徴とする。

更に図１（ａ）〜（ｄ）に示すようにして、本発明の校正装置は、校正対象となる３つの変位センサを感度軸が水平方向に向くように前記円板に対して相対的に固定し、前記所定の回転角位置において前記３つ以上の円板の円周を、各変位センサを用いて測定して第１の測定値を求め、且つ前記所定の回転角位置に対して１８０度回転させた前記３つ以上の円板の円周を、各変位センサを用いて測定して第２の測定値を求め、前記第１の測定値と前記第２の測定値とに基づいて、１つの変位センサの位置ズレを求め、
更に校正対象となる３つの変位センサを感度軸が鉛直方向に向くように前記円板に対して相対的に固定し、前記所定の回転角位置において前記３つ以上の円板の円周を、各変位センサを用いて測定して第３の測定値を求め、且つ前記所定の回転角位置に対して１８０度回転させた前記３つ以上の円板の円周を、各変位センサを用いて測定して第４の測定値を求め、前記第３の測定値と前記第４の測定値と、前記１つの変位センサの位置ズレに基づいて、前記回転軸の撓みによる前記円板の変位量を求めることができることを特徴とする。尚、「感度軸」とは、変位センサならそのセンサが検出する点を通り、そのセンサが検出する変位の方向を指す軸を言う。変位センサは、デジタルマイクロメータのように接触式でも良いし、非接触式でも良い。

本発明の真直形状測定装置は、上述の校正装置によって構成された変位センサを用いていることを特徴とする。

本発明では、寸法の変化が小さい３個の円板，あるいは円筒の軸方向の定められた３箇所の直径を幅基準として用いることができる。必要なセンサの数を増やさないため３つの円板あるいは円筒状３か所の円断面の直径差を予め校正して用いると好ましい。本発明では、校正に用いる円筒の軸方向への走査はせず、必要最小限の長さの校正用回転軸を利用することができる。また、３点法が本来持つ振動や空気の揺らぎに対するロバスト性を保つため、水準器やオートコリメータの助けを借りずに校正を行うことができる。３点法プローブが校正用回転軸ヘ簡単に迅速にアクセスできるように，プローブの近傍へ校正装置を設置できる構造とすると好ましい。

本発明は、熱膨張係数が十分小さい素材で作られていて、その直径が所定の一か所以上の回転角位置で校正されている円板と、所望の間隔で３個以上の前記円板が取り付けられる一つの回転軸と、前記回転軸の前記所定の回転角位置を検知することのできる信号発生部とを備えていると好ましい。

本発明は、回転軸を２点支持し、そのとき重力によるたわみが等しくなる軸上の３か所に前記円板を取り付けることで重力によるたわみの影響を極小にすると好ましい。

本発明は、前記回転軸の回転中に生じる軸のたわみ変形の再現誤差を検出するために前記円板に向けて固定された一個以上の変位センサを備えると好ましい。

本発明は、前記３個の円板を回転軸に取り付けた状態で対向する２つのセンサで直径を測定する際に１８０度回転した２か所で測定して平均を出す方法で、鉛直方向と水平方向の見かけの直径の違いを校正しておき，３点法プローブのゼロ点校正の際のプローブの感度方向における重力によるたわみの影響を計算で補正することができると好ましい。

本発明は、被測定物の搭載されたテーブルと相対的に移動する３点法プローブを保持するコラムに取り付けられ、前記テーブルに対してプローブと一体的に相対移動すると好ましい。

本発明ではプローブが、重力によるたわみの影響を受けない水平面内に感度軸のある場合には、３点法プローブで１８０度対向した２か所で得た読みの３点法としての差動出力の平均値を用い、予め校正された３か所の直径の差から決まる理論上の前記差動出力を基準にしてゼロ点を校正するので校正中のセンサ出力のドリフトの影響は受け難い。

本発明では、水平方向以外にプローブの感度軸を置いた場合の重力による回転軸のたわみ量を水平方向で得たゼロ点との違いから検出しておきプローブ感度軸の方向の違いによる見かけの直径差の変化を修正して任意の方向でのゼロ点を校正することができる。

本発明では水準器やオートコリメータを必要としないので、外乱振動や空気の揺らぎの影響を受け難い３点法本来のロバスト性を保持できる。

本発明では被測定対象をゼロ点校正に用いないので、任意の形をした回転できない被測定対象にも３点法が適用でき、その形状を測定出来る。

本発明では、ゼロ点校正用の回転軸を３点法プローブの傍に比較的簡易に保持して用いることができるため、測定作業中でも必要に応じて迅速にゼロ点校正を繰り返すことができる。

以下、図面を参照して、本発明にかかる実施の形態を説明する。図２は本発明の実施形態にかかる校正装置を示す図である。図２において、ベースＢＳ上に、支持台ＳＰ１，ＳＰ２が固定されている。支持台ＳＰ１，ＳＰ２は上縁にＶ字状の切欠ＶＬ１、ＶＬ２を有している。切欠ＶＬ１、ＶＬ２内には、回転軸ＳＨが水平に載置されている。

回転軸ＳＨの外周には、熱膨張係数がゼロに近い３つの円板ＣＰ１〜ＣＰ３が固定されている。尚、切欠ＶＬ１、ＶＬ２の間隔及び位置は、３つの円板ＣＰ１〜ＣＰ３の固定点における回転軸ＳＨの重力によるたわみ量が等しくなる（つまり３つの固定点を結ぶと水平線になる）ように設定されている。

更にベースＢＳ上には、センサホルダＨＬが固定されている。センサホルダＨＬは、３つの変位センサＳＳ１〜ＳＳ３を保持したコラムＣＬを支持している。３つの変位センサＳＳ１〜ＳＳ３は、それぞれ３つの円板ＣＰ１〜ＣＰ３の外周に対向するように配置されている。図示していないが、回転軸ＳＨの回転角位置を検出する回転角センサを設けても良い。変位センサＳＳ１〜ＳＳ３の感度軸を鉛直方向とするには、ベースＢＳを鉛直方向に立てればよい。

本実施の形態によれば、図１を参照して説明した校正方法にて、３つの変位センサＳＳ１〜ＳＳ３について校正を行える。

回転軸ＳＨに回転を与えるための手段は手動でも、電動モータでも有効である。電動の場合連続的に回転する方式も、所定の回転角度間隔でステップ上に回転と停止を繰り返す方式でもよい。前者ではデータ収録のタイミングを決めるトリガ信号を別途発生する必要があるが、後者では静止時にサンプリングをするようにプログラムされていればよい。

なお、円板３個の代わりに必要な長さの円筒を用いて円筒の軸方向の所定の３か所の相互直径差を校正して用いてもよいのは言うまでもない。また、円板外周上に回転角度目盛の役目をする切り込みを等間隔で刻み３点法プローブの一つの変位センサの出力からトリガ信号を得る形態も好ましい。円板は３つ以上あれば足りる。更に、回転軸上に円板を軸線方向に移動可能に取り付けて、隣接する円板の間にスペーサを挿入し、円板の間隔を任意に設定するようにしても良い。

図３は、このようにして校正された変位センサＳＳ１〜ＳＳ３を用いた真直形状測定装置を示す図である。図３に示すように、基台ＢＳＴに対して直進する移動ステージＳＴに直定規ＳＣを設置し、同時に、この直定規ＳＣの水平面内にある面に、校正した３点法プローブ（３本の並列したセンサＳＳ１〜ＳＳ３）を対向させて直定規ＳＣの表面形状と共に、移動ステージＳＴの移動の際のピッチングを測定する。

本発明の数学的原理を説明するための図である。 本発明の実施形態にかかる校正装置を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は上面図である。 校正された変位センサＳＳ１〜ＳＳ３を用いた真直形状測定装置を示す図である。

ＢＳ ベース
ＢＳＴ 基台
ＣＬ コラム
ＣＰ１〜ＣＰ３ 円板
ＨＬ センサホルダ
ＭＲ 反射鏡
ＳＣ 直定規
ＳＨ 回転軸
ＳＰ１，ＳＰ２ 支持台
ＳＳ１〜ＳＳ３ センサ
ＳＴ 移動ステージ
ＶＬ１、ＶＬ２ 切欠

Claims (5)

1. 校正対象となる３つの変位センサを保持するベースと、
   直径が所定の一か所以上の回転角位置で校正されている３つ以上の円板と、
   前記ベースに対して回転可能に支持され、所望の間隔で前記円板を取り付けた回転軸と、を有し、
   校正対象となる３つの変位センサを前記円板に対して相対的に固定し、前記所定の回転角位置において前記３つ以上の円板の円周を、各変位センサを用いて測定して第１の測定値を求め、且つ前記所定の回転角位置から１８０度回転させた回転角位置において、前記３つ以上の円板の円周を、各変位センサを用いて測定して第２の測定値を求め、前記第１の測定値と前記第２の測定値とに基づいて、前記変位センサの相互のゼロ点位置を校正できることを特徴とする校正装置。
2. 前記3個以上の円板の平均直径あるいは平均半径の相互差が校正されていて、前記3つの変位センサの相互のゼロ点位置を前記平均直径あるいは平均半径の相互差を用いて校正することを特徴とする請求項１に記載の校正装置
3. 前記回転軸は２点で支持されており、重力により前記回転軸のたわみが生じたときに、重力方向のたわみ量が等しくなる３か所に前記円板をそれぞれ取り付けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の校正装置。
4. 校正対象となる３つの変位センサを感度軸が水平方向に向くように前記円板に対して相対的に固定し、前記所定の回転角位置において前記３つ以上の円板の円周を、各変位センサを用いて測定して第１の測定値を求め、且つ前記所定の回転角位置に対して１８０度回転させた前記３つ以上の円板の円周を、各変位センサを用いて測定して第２の測定値を求め、前記第１の測定値と前記第２の測定値とに基づいて、１つの変位センサの位置ズレを求め、
   更に校正対象となる３つの変位センサを感度軸が鉛直方向に向くように前記円板に対して相対的に固定し、前記所定の回転角位置において前記３つ以上の円板の円周を、各変位センサを用いて測定して第３の測定値を求め、且つ前記所定の回転角位置に対して１８０度回転させた前記３つ以上の円板の円周を、各変位センサを用いて測定して第４の測定値を求め、前記第３の測定値と前記第４の測定値と、前記１つの変位センサの位置ズレとに基づいて、前記回転軸の撓みによる前記円板の変位量を求めることができることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の校正装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の校正装置によって構成された変位センサを用いていることを特徴とする真直形状測定装置。

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