JP2012047603A - エアマイクロメータの測定ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】ヘッド表面の摩耗を低減できると共に、ワークの被測定面への傷付きを防止することができるエアマイクロメータの測定ヘッドを提供する。
【解決手段】ヘッドに設けた噴出孔からワークの被測定面に対しエアを噴出し、その背圧または差圧に基づき、ワークの内径、外径、或いは厚さなどを測定するエアマイクロメータの測定ヘッドである。ヘッド本体１０の噴出孔３，３の近傍を除き、少なくともヘッド本体１０の先端面１１と外周面１２に、ＤＬＣ膜２がＰＶＤ法またはプラズマＣＶＤ法によりコーティングされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ワークの被測定面に対しエアを噴出し、その背圧または差圧に基づき、ワークの内径、外径、或いは厚さなどを測定するエアマイクロメータの測定ヘッドに関する。

ワークの内径、外径などを測定するエアマイクロメータとして、下記特許文献１に示すような、背圧・差圧式のエアマイクロメータが知られている。

このエアマイクロメータは、空気源から供給される空気を、固定オリフィス付きの２系統の管路に供給し、一方の管路を測定ヘッド用管路とし、他方の管路には別の固定オリフィスを設けて排気用管路とし、測定ヘッド用管路と排気用管路間を、差圧センサを設けたセンサ用管路で接続し、測定ヘッド用管路にはノズル孔を設けた測定ヘッドを接続して構成される。

特開２００５−１１４５１１号公報 特開２００５−２３３６９７号公報

この種のエアマイクロメータは、原理的にはワークに対し非接触の状態で配置した測定ヘッドから空気を噴出してワークの測定を行なうが、一般に、測定ヘッドは、ワークの内径を測定する場合、ワークの孔内に挿入され、或いはワークの外径を測定する場合、ワークの外周面を覆う位置に進入させることから、ワークの被測定面と測定ヘッドの外面が接触しやすく、それが繰り返されると、接触面に摩耗が生じやすい。

そこで、上記特許文献２において、測定ヘッドの表面に、ショットピーニング処理を施して硬化層を形成することが提案されている。

しかし、ショットピーニング処理により測定ヘッドの表面に硬化層を形成した場合、測定ヘッドの耐摩耗性は向上するものの、例えば、アルミニウム製のワークを測定する場合、ワークの被測定面と測定ヘッドの硬化層が接触し、特にショットピーニング処理によって測定ヘッドの表面にエンボス模様を形成した場合には、ワークの被測定面に非常に傷が付きやすくなる。また、ワークの孔の内面などが砥石により研磨され、砥粒がワーク内面に付着しているような場合、特にショットピーニング処理された測定ヘッドを使用すると、ワーク内面にアグレッシブ摩耗が発生し、ワークを傷付け易いという課題があった。

本発明は、上述の課題を解決するものであり、ヘッド表面の摩耗を低減できると共に、ワークの被測定面への傷付きを防止することができるエアマイクロメータの測定ヘッドを提供することを目的とする。

本発明に係るエアマイクロメータの測定ヘッドは、ヘッド本体に設けた噴出孔からワークの被測定面に対しエアを噴出し、その背圧または差圧に基づき、ワークの内径、外径、或いは厚さなどを測定するエアマイクロメータの測定ヘッドにおいて、
該ヘッド本体の該噴出孔の近傍を除き、少なくともヘッド本体の表面におけるワークとの接触可能な部分に、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜が蒸着によりコーティングされていることを特徴とする。

この発明によれば、ヘッド表面におけるワークとの接触可能な部分に、ＤＬＣ膜が形成されるので、ＤＬＣ膜が持つ低摩擦性と高い耐摩耗性から、測定時に測定ヘッドの表面をワークの被測定面に接触させたとしても、測定ヘッドの摩耗は低減され、ワークの被測定面の傷付きも防止することができる。また、ＤＬＣ膜は噴出孔の近傍を除いて形成されるので、測定精度の高いエアマイクロメータの測定ヘッドであっても、ＤＬＣ膜がその測定に悪影響を与えることはない。

ここで、上記ＤＬＣ膜は、第１層をＰＶＤ法によりコーティングし、第２層をＣＶＤ法によりコーティングして、ダブルコートすることができる。これにより、ＤＬＣ膜の低摩擦性と高い耐摩耗性を、より向上させることができる。

また、上記ヘッド本体は、ワークの内径を測定する内径用の円柱形のヘッド本体とすることができ、円柱形のヘッド本体の場合、ＤＬＣ膜は少なくともヘッド本体の先端面及び外周面に形成するとよい。

また、上記ヘッド本体は、ワークの外径を測定する外径用のリング状のヘッド本体とすることができ、リング状のヘッド本体の場合、ＤＬＣ膜は少なくともリング状のヘッド本体の内周面に形成することが好ましい。

また、上記ヘッド本体は、ワークの外径を測定する外径用の挟み式の二股状のヘッド本体とすることができ、二股状のヘッド本体の場合、ＤＬＣ膜は少なくとも二股状のヘッド本体の先端面及び二股内側面に形成することが好ましい。

本発明のエアマイクロメータの測定ヘッドによれば、ヘッド表面の摩耗を低減できると共に、ワークの被測定面への傷付きを防止することができる。

本発明の一実施形態を示すエアマイクロメータの測定ヘッドであって、（ａ）はワーク内径測定用の円柱状のヘッド本体の側面図、（ｂ）はその断面図である。 同測定ヘッドのヘッド本体の表面にＤＬＣ膜を成膜した状態の説明拡大断面図である。 同測定ヘッドの使用形態を示すは断面付き側面図である。 （ａ）はワーク外径測定用のリング状のヘッド本体の側面図、（ｂ）はその断面図である。 （ａ）はワーク外径測定用の挟み式の二股状のヘッド本体の側面図、（ｂ）はその断面図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は内径を測定するエアマイクロメータの測定ヘッド１の側面図と断面図を示しており、この測定ヘッド１は、円柱状のヘッド本体１０を有し、ワークの孔にその円柱状のヘッド本体１０を挿入し、その内径を測定するものである。

図１に示すように、ヘッド本体１０は、例えば特殊工具鋼ＳＫＳ３（超硬合金）により、その末端に設けた接続部１３と一体に、円柱形に形成される。接続部１３の外周には接続用のねじが形成される。さらに、ヘッド本体１０と接続部１３の内部中心軸上には、空気流路４が形成され、この空気流路４の先端部は、ヘッド本体１０の先端近傍の外周部に形成された２個の噴出孔３，３と連通接続されている。２個の噴出孔３，３は、ヘッド本体１０の外周円の直径位置に形成されている。

さらに、図１に示すように、２個の噴出孔３，３の周囲には、環状溝６，６が形成され、環状溝６，６は、その近傍を軸方向に通る軸方向溝５，５に接続されている。これにより、測定時、測定ヘッド１のヘッド本体１０をワークの孔に挿入し、噴出孔３，３から空気を噴出させたとき、環状溝６，６及び軸方向溝５，５を通して空気を円滑に排気できるようになっている。

さらに、ヘッド本体１０の先端面１１と外周面１２には、図２のように、ＤＬＣ膜（ダイヤモンドライクカーボン膜）２が蒸着によりコーティングされている。ここで、ＤＬＣ膜２は、噴出孔３，３の周囲近傍（環状溝６の内側）を除き、コーティングされている。つまり、ＤＬＣ膜は噴出孔３，３の周囲近傍には形成されていない。また、ＤＬＣ膜２は、ＰＶＤ法とプラズマＣＶＤ法のダブルコートにより、基材であるヘッド本体１０の表面に成膜され、第１層と第２層が重ねてコーティングされる。

第１層は、ＰＶＤ法であるアークイオンプレーティング法またはＵＢＭＳ（アンバランスドマグネトロンスパッタ）法により、ヘッド本体１０の先端面１１と外周面１２にコーティングする。例えばアークイオンプレーティング法により第１層をコートする場合、真空チャンバー内に、カーボン電極（カソード）を設置すると共に、カーボン電極と対向してアノードとなるヘッド本体を配置し、カーボン電極とヘッド本体（アノード）間に、アーク発生用の電源を接続する。このとき、ヘッド本体１０の噴出孔３，３の周囲近傍を除きＤＬＣ膜をコーティングするため、噴出孔３，３の周囲にマスキングを施しておく。

電源の投入により、カーボン電極とヘッド本体（アノード）間にアーク放電を発生させ、アーク放電により、カーボン電極の表面から炭素をイオン化してカーボンを蒸発させる。このとき、蒸発した炭素イオンはアノードのヘッド本体の表面に向かって堆積する。これにより、ヘッド本体１０の先端面１１と外周面１２にＤＬＣ膜２の第１層がコーティングされる。噴出孔３，３の周囲近傍はマスキングされているので、噴出孔３，３の周囲近傍を除いて成膜される。ヘッド本体１０の先端面１１と外周面１２に、ＰＶＤ法によりコーティングされたＤＬＣ膜２の第１層は、その膜厚が例えば、約１μｍ〜〜約２μｍ程度であるが、良好な密着性を有し、さらに、その硬度は約２０００〜５０００Ｈｖを非常に高く、良好な耐摩耗性を有し、ＤＬＣ膜２の第１層としての優れた性能を発揮することができる。

一方、第１層の上に成膜される第２層は、プラズマＣＶＤ法によりコーティングする。ヘッド本体１０の先端面１１と外周面１２に、ＤＬＣ膜２の第２層をコーティングする場合、チャンバー内に原料ガスとしてメタンガスを供給するようにし、チャンバー内に上部電極と下部電極が対向して設置され、高周波電源が両電極間に接続され、ヘッド本体１０は下部電極上に配置される。上記と同様、ヘッド本体１０の噴出孔３，３の周囲近傍を除き、第２層をコーティングするため、噴出孔３，３の周囲にマスキングを施しておく。

プラズマＣＶＤ法により、ヘッド本体１０の先端面１１と外周面１２にＤＬＣ膜２の第２層をコーティングする場合、チャンバー内に、原料ガスのメタンガスを供給する一方、上部電極と下部電極間に高周波電流を供給し、電極間にプラズマアークを発生させる。この電極間に発生するプラズマアークにより、チャンバー内のメタンガスの炭化水素イオンが加速されて、下部電極上のヘッド本体１０の表面に衝突し、堆積する。

これにより、ヘッド本体１０の先端面１１と外周面１２に第２層が成膜され、第１層の上に第２層がダブルコーティングされる。第２層の膜厚は、第１層と同様に約１μｍ〜約２μｍであるため、ダブルコートされたＤＬＣ膜２の膜厚は約２μｍ〜約４μｍの厚さとなる。さらに、プラズマＣＶＤ法によるＤＬＣ膜２の第２層は、硬度が約１０００〜２０００Ｈｖと第１層に比較して低いものの、良好なユニフォーミティー性を有し、表面粗さは低く滑らかであるため、ＤＬＣ膜２の表面の摩擦係数は約０．１５と非常に小さいものとなる。

このように、ヘッド本体１０の先端面１１と外周面１２にＤＬＣ膜２がダブルコートでコーティングされた測定ヘッド１は、図示しない例えば背圧・差圧式のエアマイクロメータに接続用チューブを介して接続され、ワークＷ１の孔に図３のように挿入され、ヘッド本体１０の噴出孔３，３からワークＷ１の孔内に空気を噴出し、エアマイクロメータに内蔵された差圧センサにより２系統流路の差圧が検出され、その差圧からワークＷ１の内径が測定される。

測定ヘッド１は、原理的にはワークに対し非接触でワークの内径などを測定するが、ヘッド本体１０とワークＷ１内面との隙間は小さいため、ヘッド本体１０の外周面や先端面がワークＷ１の孔の内面と接触する場合がある。しかし、ヘッド本体１０の先端面と外周面に、ＤＬＣ膜２がコーティングされているので、ＤＬＣ膜２が持つ低摩擦性と耐摩耗性の高さから、測定時に測定ヘッド１の表面をワークＷ１の被測定面に接触させた場合でも、測定ヘッド１の摩耗は低減され、ワークＷ１の被測定面の傷付きも防止することができる。また、ＤＬＣ膜２は噴出孔３，３の周囲近傍を除いて形成されるので、ＤＬＣ膜が測定に悪影響を与えることはない。

図４は、外径を測定するエアマイクロメータの測定ヘッド１Ａの側面図と断面図を示しており、この測定ヘッド１Ａは、リング状（環状）のヘッド本体２０を有し、円柱状またはパイプ状のワークＷ２の外周部に、そのリング状のヘッド本体２０を外嵌させるように挿通させ、ワークＷ２の外径を測定するものである。

図４に示すように、ヘッド本体２０は、例えば特殊工具鋼ＳＫＳ３（超硬合金）により、その末端に設けた接続部２３と一体に、環状に形成される。接続部２３の外周には接続用のねじが形成される。さらに、ヘッド本体２０と接続部２３の内部には、空気流路２４が形成され、この空気流路２４の先端部は、ヘッド本体２０内で両側に分岐し、リング状のヘッド本体２０の円形孔の内面、つまりヘッド本体２０内の内側空間の内周面２１に形成された２個の噴出孔２２、２２と連通接続されている。内側に形成された２個の噴出孔２２、２２はリング状のヘッド本体２０の円形空気の直径位置に配置されている。

ヘッド本体２０の噴出孔２２，２２が開口する内周面２１には、上記と同様に、ＤＬＣ膜（ダイヤモンドライクカーボン膜）２が蒸着によりコーティングされている。ここで、ＤＬＣ膜２は、噴出孔２２，２２の周囲近傍を除き、コーティングされる。つまり、ＤＬＣ膜は噴出孔２２，２２の周囲近傍には形成されていない。ＤＬＣ膜２は、上記と同様、ＰＶＤ法とプラズマＣＶＤ法によりダブルコーティングされ、基材であるヘッド本体２０の表面に、第１層と第２層が重ねてダブルコートされる。

ヘッド本体２０の内周面２１に、上記と同様に、ＰＶＤ法によりコーティングされたＤＬＣ膜２の第１層は、その膜厚が、例えば約１μｍ〜〜約２μｍ程度であるが、良好な密着性を有し、さらに、その硬度は約２０００〜５０００Ｈｖと非常に高く、良好な耐摩耗性を有し、ＤＬＣ膜２の第１層としての優れた性能を発揮することができる。

さらに、ヘッド本体２０の内周面２１の第１層の上に、プラズマＣＶＤ法により第２層が成膜され、ダブルコーティングされる。第２層の膜厚は、第１層と同様に約１μｍ〜約２μｍであるため、ダブルコートされたＤＬＣ膜２の膜厚は約２μｍ〜約４μｍの厚さとなる。さらに、プラズマＣＶＤ法によるＤＬＣ膜（第２層）は、硬度が約１０００〜２０００Ｈｖと第１層に比較して低いものの、良好なユニフォーミティー性を有し、表面粗さは低く滑らかであるため、ＤＬＣ膜２の表面の摩擦係数は約０．１５と非常に小さいものとなる。

このように、ヘッド本体２０の内周面２１にＤＬＣ膜がコートされた測定ヘッド１Ａは、図示しない例えば背圧・差圧式のエアマイクロメータに接続用チューブを介して接続され、円柱またはパイプ状のワークＷ２を、ヘッド本体２０の円形内側空間に挿入するように、ヘッド本体２０をワークＷ２の外周部に挿通させる。そして、ヘッド本体２０の噴出孔２２，２２からワークＷ２の外周面に空気を噴出し、エアマイクロメータに内蔵された差圧センサにより２系統流路の差圧が検出され、その差圧からワークＷ２の外径が測定される。

測定ヘッド１ＡをワークＷ２に外嵌させるように挿通させる際、ヘッド本体２０の内周面２１がワークＷ２の外周面と接触する場合があるが、ヘッド本体２０の内周面２１に、ＤＬＣ膜がコーティングされるので、ＤＬＣ膜が持つ低摩擦性と耐摩耗性の高さから、測定時に測定ヘッド１Ａの表面をワークＷ２の被測定面に接触させた場合でも、測定ヘッド１Ａの摩耗は低減され、ワークＷ２の被測定面の傷付きも防止することができる。また、ＤＬＣ膜は噴出孔２２，２２の周囲近傍を除いて形成されるので、測定精度の高いエアマイクロメータの測定ヘッドとして使用された場合でも、ＤＬＣ膜がその測定精度に悪影響を与えることはない。

なお、このヘッド本体２０では、内周面２１にＤＬＣ膜をコーティングしたが、ヘッド本体２０の外周面や外側平坦面にＤＬＣ膜を形成して、低摩擦性と耐摩耗性を付与することもできる。

図５は、外径を測定する別のエアマイクロメータの測定ヘッド１Ｂの側面図と断面図を示しており、この測定ヘッド１Ｂは、二股のヘッド本体３０を有し、円柱状またはパイプ状のワークＷ２の外周部に、その二股状に開口したヘッド本体３０の開口部を外嵌させるように位置させ、ワークＷ２の外径を測定するものである。

図５に示すように、ヘッド本体３０は、例えば特殊工具鋼ＳＫＳ３（超硬合金）により、その末端に設けた接続部３３と一体に、先端を二股状に開口して形成される。接続部３３の外周には接続用のねじが形成される。さらに、ヘッド本体３０と接続部３３の内部には、空気流路３４が形成され、この空気流路３４の先端部は、ヘッド本体３０の二股部分で両側に分岐し、ヘッド本体３０の二股状に開口した開口部の内面に形成された２個の噴出孔３２、３２と連通接続されている。二股開口部内側に形成された２個の噴出孔３２、３２はその内側に挿入される円柱状またはパイプ状のワークＷの直径位置に配置されている。

ヘッド本体３０の噴出孔３２，３２が開口する二股内側面３１及び先端面には、上記と同様に、ＤＬＣ膜（ダイヤモンドライクカーボン膜）２が第１層と第２層のダブルコートによりコーティングされる。ここで、ＤＬＣ膜２は、噴出孔３２，３２の周囲近傍を除き、コーティングされる。つまり、ＤＬＣ膜は噴出孔３２，３２の周囲近傍には形成されていない。

ＤＬＣ膜２は、上記と同様、ＰＶＤ法とプラズマＣＶＤ法のダブルコートにより、基材であるヘッド本体３０の表面に成膜され、第１層と第２層が重ねてコーティングされる。ヘッド本体３０の二股内側面３１及び先端面に、ＰＶＤ法によりコーティングされたＤＬＣ膜２の第１層は、その膜厚が例えば、約１μｍ〜約２μｍ程度であるが、良好な密着性を有し、さらに、その硬度は約２０００〜５０００Ｈｖと非常に高く、良好な耐摩耗性を有し、ＤＬＣ膜２の第１層としての優れた性能を発揮することができる。

さらに、ヘッド本体３０の二股内側面３１及び先端面の第１層の上に、第２層が、プラズマＣＶＤ法によりダブルコーティングされる。第２層の膜厚は、第１層と同様に約１μｍ〜約２μｍであるため、ダブルコートされたＤＬＣ膜２の膜厚は約２μｍ〜約４μｍの厚さとなる。プラズマＣＶＤ法によるＤＬＣ膜（第２層）は、硬度が約１０００〜２０００Ｈｖと第１層に比較して低いものの、良好なユニフォーミティー性を有し、表面粗さは低く滑らかであるため、ＤＬＣ膜２の表面の摩擦係数は約０．１５と非常に小さいものとなる。

このように、ヘッド本体３０の二股内側面３１及び先端面にＤＬＣ膜がコーティングされた測定ヘッド１Ｂは、図示しない例えば背圧・差圧式のエアマイクロメータに接続用チューブを介して接続され、円柱またはパイプ状のワークＷ２を、ヘッド本体３０の二股空間内に挿入するように、二股状のヘッド本体３０によりワークＷ２の外周部を挟むように適用する。そして、ヘッド本体３０の噴出孔３２，３２からワークＷ２の外周面に空気を噴出し、エアマイクロメータに内蔵された差圧センサにより２系統流路の差圧が検出され、その差圧からワークＷ２の外径が測定される。

測定ヘッド１ＢをワークＷ２に外嵌させるように挿通させる際、ヘッド本体３０の二股内側面や先端面がワークＷ２の外周面と接触する場合があるが、ヘッド本体３０の二股内側面３１及び先端面に、ＤＬＣ膜が形成されるので、ＤＬＣ膜が持つ低摩擦性と耐摩耗性の高さから、測定時に測定ヘッド１Ｂの表面をワークＷの被測定面に接触させた場合でも、測定ヘッド１Ｂの摩耗は低減され、ワークＷの被測定面の傷付きも防止することができる。また、ＤＬＣ膜は噴出孔３２，３２の周囲近傍を除いて形成されるので、測定精度の高いエアマイクロメータの測定ヘッドとして使用された場合でも、ＤＬＣ膜がその測定に悪影響を与えることはない。

なお、このヘッド本体３０では、二股内側面３１、先端面にＤＬＣ膜をコーティングしたが、ヘッド本体３０の外側面にＤＬＣ膜を形成して、低摩擦性と耐摩耗性を付与することもできる。

また、上記図１〜図５の実施形態では、ＤＬＣ膜２をコーティングする際、噴出孔３，２２、３２の周囲をマスキングし、噴出孔３，２２、３２の周囲近傍を除き、ワークと接触可能な部位にＤＬＣ膜をコーティングし、これにより、噴出孔の周囲近傍にＤＬＣ膜を形成せず、ＤＬＣ膜が測定に悪影響を与えないようにしたが、測定ヘッドを使用するエアマイクロメータの測定精度が、例えば±５０μｍと比較的ラフな場合、噴出孔の周囲近傍にコーティングされるＤＬＣ膜の測定精度への影響は少なく、噴出孔３，２２、３２の周囲をマスキングしてＤＬＣ膜２をコーティングする必要はない。

１ 測定ヘッド
２ ＤＬＣ膜
３ 噴出孔
４ 空気流路
５ 軸方向溝
６ 環状溝
１０ ヘッド本体
１１ 先端面
１２ 外周面
１３ 接続部
２０ ヘッド本体
２１ 内周面
２２ 噴出孔
２３ 接続部
２４ 空気流路
３０ ヘッド本体
３１ 二股内側面
３２ 噴出孔
３３ 接続部
３４ 空気流路
Ｗ ワーク

Claims (6)

1. ヘッド本体に設けた噴出孔からワークの被測定面に対しエアを噴出し、その背圧または差圧に基づき、ワークの内径、外径、或いは厚さなどを測定するエアマイクロメータの測定ヘッドにおいて、
   該ヘッド本体の噴出孔の近傍を除き、少なくとも該ヘッド本体の表面におけるワークとの接触可能な部分に、ＤＬＣ膜が蒸着によりコーティングされていることを特徴とするエアマイクロメータの測定ヘッド。
2. 前記ＤＬＣ膜は、第１層をＰＶＤ法によりコーティングされ、第２層をＣＶＤ法によりコーティングして、ダブルコートされていることを特徴とする請求項１のエアマイクロメータの測定ヘッド。
3. 前記ヘッド本体はワークの内径を測定する内径用の円柱形に形成され、前記ＤＬＣ膜が少なくとも該ヘッド本体の先端面及び外周面に形成されたことを特徴とする請求項１記載のエアマイクロメータの測定ヘッド。
4. 前記ヘッド本体はワークの外径を測定する外径用のリング状に形成され、前記ＤＬＣ膜が少なくとも該リング状のヘッド本体の内周面に形成されたことを特徴とする請求項１記載のエアマイクロメータの測定ヘッド。
5. 前記ヘッド本体はワークの外径を測定する外径用の挟み式の二股状に形成され、前記ＤＬＣ膜が少なくとも該ヘッド本体の先端面及び内側面に形成されたことを特徴とする請求項１記載のエアマイクロメータの測定ヘッド。
6. ヘッド本体に設けた噴出孔からワークの被測定面に対しエアを噴出し、その背圧または差圧に基づき、ワークの内径、外径、或いは厚さなどを測定するエアマイクロメータの測定ヘッドにおいて、
   該ヘッド本体の表面における少なくともワークとの接触可能な部分に、ＤＬＣ膜が蒸着によりコーティングされていることを特徴とするエアマイクロメータの測定ヘッド。

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