JP2015219169A

JP2015219169A - 真円度測定用プローブ、真円度測定装置、及び真円度測定方法

Info

Publication number: JP2015219169A
Application number: JP2014104063A
Authority: JP
Inventors: 政光服部; Masamitsu Hattori; 庸介森元; Yasusuke Morimoto; 良文岸田; Yoshifumi Kishida
Original assignee: Ryoei Co Ltd
Current assignee: Ryoei Co Ltd
Priority date: 2014-05-20
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2015-12-07

Abstract

【課題】測定可能範囲が広く、細径で深い孔も測定可能であるうえ、被測定物が樹脂製品等の撓み易いものである場合にも真円度を精度よく測定することができる真円度測定用プローブ、真円度測定装置、及び真円度測定方法を提供する。【解決手段】中空のプローブ本体１９の先端に、先端部２２が被測定物の表面と接触する接触子２０を、中央の旋回軸２１を中心として揺動可能に軸支する。接触子２０の後端を光反射面２４とし、プローブ本体１９の内部には光反射面２４に光を投光する投光ファイバと、光反射面２４からの反射光を受光する受光ファイバとを、それらの先端部端面２５，２６を光反射面２４に対向させて配置し、受光量の変化により接触子２０の変位を検出する。真円度測定用プローブ１２を被測定物の半径方向に移動させて接触子２０を表面に接触させ、接触子２０の変位量から被測定物の表面位置を検出する動作を繰り返し、真円度を測定する。【選択図】図２

Description

本発明は、鋳造品や切削加工により形成された孔や、円形部材の真円度を精度よく測定するために用いられる真円度測定用プローブ、真円度測定装置、及び真円度測定方法に関するものである。

孔や円形部材の真円度を測定する装置として、特許文献１に示されるように、電気マイクロメータ機構を備えた電気マイクロピックアップを旋回させるか、ワークを旋回させ、電気マイクロピックアップの偏差を計測して真円度を測定する装置がある。

しかしながら、電気マイクロメータ機構の特性上、検出時に被測定ワーク面に強い圧力が発生する。そのため樹脂部品や肉厚の薄い部品では測定力による撓みにより正確な測定値が得られなかったり、ワーク面に疵を発生させたりすることがあった。

また、電気マイクロメータの機構上、スタイラスの長さは通常５０ｍｍ程度が限界となり、孔径が小さくて深い孔の真円度は測定不可能であった。

特開２０１２−１５４９４２号公報

従って本発明の目的は上記した従来の問題点を解決し、測定可能範囲が広く、細径で深い孔も測定可能であるうえ、被測定物が樹脂製品等の撓み易いものである場合にも真円度を精度よく測定することができる技術を提供することである。

上記の課題を解決するためになされた請求項１の真円度測定用プローブは、中空のプローブ本体の先端に、先端部が被測定物の表面と接触する接触子を中央の旋回軸を中心として揺動可能に軸支するとともに、この接触子の後端を光反射面とし、またプローブ本体の内部には、この光反射面に光を投光する投光ファイバと、光反射面からの反射光を受光する受光ファイバとを、それらの先端部端面を前記光反射面に対向させて配置し、反射受光量の変化により接触子の変位を検出することを特徴とするものである。

なお請求項２のように、接触子の後端の光反射面を平坦な鏡面とすることができる。また請求項３のように、接触子の後端の光反射面を球面とすることもできる。

請求項４の真円度測定装置は、請求項１記載の真円度測定用プローブを、昇降、回転、及び半径方向への往復移動可能な測定ヘッドに搭載したことを特徴とするものである。

請求項５の真円度測定方法は、請求項１記載の真円度測定用プローブを、被測定物の半径方向に移動させて接触子をその表面に接触させ、接触子の変位量から被測定物の表面位置を検出する動作を、被測定物の全周を等分割した方向に繰り返し行い、最小二乗法により基準マスター半径に基づいて被測定物の真円度を測定することを特徴とするものである。

本発明は、被測定物に触れる接触子の動きを光学的に検出することにより測定面の偏差を測定することができ、接触子を極めて細径の旋回軸を中心に揺動させる機構とすれば、揺動に必要なトルクを０.０１Ｎ・ｃｍ以下にまで小さくすることができる。このため被測定物が樹脂製品等の撓み易いものである場合にも、測定面を疵付けたり撓ませたりすることなく、真円度を精度よく測定することができる。また接触子の揺動をその後端面に設けた光反射面の動きとして精度よく検出することができる。さらに、プローブ本体を細長い形状とすることにより、細径で深い孔の真円度も測定可能である。

また本発明の真円度測定方法によれば、基準マスター半径との差分を測定するため、測定半径の絶対値測定を、高価な測定器を導入することなく行うことができる。

本発明の真円度測定装置の要部を示す説明図である。第１の実施形態における真円度測定用プローブの内部構造を示す断面図である。要部の拡大図である。第１の実施形態における受光状態の変化を示す説明図である。システム構成の説明図である。孔の真円度測定の場合の動作説明図である。外周面の真円度測定の場合の動作説明図である。第２の実施形態における真円度測定用プローブの説明図である。受光量が最大の状態を示す拡大図である。受光量がゼロの状態を示す拡大図である。第２の実施形態における受光状態の変化を示す説明図である。ボール変位量と受光量との関係を示すグラフである。

以下に図面を参照しつつ本発明の好ましい実施形態を説明する。
図１は本発明の真円度測定装置の要部を示す説明図であり、１は装置本体に設けられた垂直ガイド、２はこの垂直ガイド１にＺ方向に昇降自在に支持された昇降テーブル、３はこの昇降テーブル２に取付けられたエアースピンドルである。４はエアースピンドル３によって回転自在に支持された垂直回転軸であり、その上部にはプーリー５が取付けられており、ステッピングモータ６によって垂直回転軸４を所定角度ずつ回転できるようになっている。なお７は測定中に垂直回転軸４が回転しないように固定するために、必要に応じて設けられる回転防止ピンである。

垂直回転軸４の下部には回転ベース８が水平に固定されており、その下面にＸステージ９が、図１における左右方向（Ｘ方向）に移動可能に取り付けられている。このＸステージ９は回転ベース８に取付けられたスキャンモータ１０によって、低速でＸ方向に往復駆動される。Ｘステージ９の端部には測定ヘッド１１が固定されている。このため測定ヘッド１１は昇降（Ｚ方向移動）、回転、Ｘ方向移動を行うことができる。

測定ヘッド１１には真円度測定用プローブ１２の上端が固定されている。真円度測定用プローブ１２は細径の中空金属管であり、その先端は被測定物１３の孔１４の内部に深く挿入できるよう、長く延びている。この実施形態では、孔１４の内径が５ｍｍの場合、１５０ｍｍの深さまで挿入可能となっている。なお、１５は投光用光ファイバ、１６は受光用光ファイバであり、これらは垂直回転軸４の内部を貫通して真円度測定用プローブ１２の内部に延びている。またこれらの上端には、投光手段１７であるＬＥＤと、受光手段１８である光検出器がそれぞれ設けられている。

図２に真円度測定用プローブ１２の内部構造を示す。１９は中空のプローブ本体であり、その先端側に接触子２０が設けられている。この接触子２０は中央の旋回軸２１を中心としてプローブ本体１９に揺動可能に軸支されている。この実施形態では接触子２０は先端側部分とレバー部とからなるが、一体構造としてもよい。接触子２０の先端部２２は被測定物１３の孔１４の表面と接触する。接触子２０は弱い復帰スプリング２３によって、常にその先端部２２が図２の下側に突出するように軽く弾発されている。

図３に示すように、この接触子２０の後端部は円柱状に突出され、その先端は光反射面２４となっている。この実施形態では光反射面２４は平坦な鏡面である。そして前記した投光用光ファイバ１５と受光用光ファイバ１６の先端部端面２５がこの光反射面２４に対向させて近接配置されている。両者の間隔をΔＴとし、ファイバ半径をｒ、ファイバの開口数をＮＡとしたとき、最適間隔は、ΔＴ=ｒ／ｔａｎ（ａｒｃ(ｓｉｎＮＡ）)である。

接触子２０が旋回軸２１を中心として微小角度揺動すると、図４に示すように投光用光ファイバ１５の先端部端面２５と接触子２０の光反射面２４との相対位置が変化し、投光用光ファイバ１５から光反射面２４に投光される光量が変化する。この投光用光ファイバ１５の隣接位置には受光用光ファイバ１６が配置（図２参照）されているので、光反射面２４から受光用光ファイバ１６の先端部端面２６への反射光量も変化する。このため受光用光ファイバ１６の他端に配置された受光手段１８によって受光量の変化を検出すれば、接触子２０の揺動角度を検出することができる。

図５は上記したシステム構成の説明図であり、３０は受光手段１８の出力を増幅するオペアンプ、３１はローカルマイコン、３２はローカルマイコンからパルス指令を受けるスキャンモータドライバ、１０はスキャンモータである。

このように構成された真円度測定装置を用いて被測定物１３の孔１４の真円度を測定するには、昇降テーブル２を下降させて真円度測定用プローブ１２を孔１４の中心に降下させたうえ、スキャンモータ１０によってＸステージ９及び測定ヘッド１１を駆動し、真円度測定用プローブ１２を被測定物の半径方向に移動させて接触子２０の先端部２２を孔１４の内表面に接触させる。孔１４の内径は予め入力されており、測定ヘッド１１を所定位置まで移動させたときの接触子２０の変位量を、受光用光ファイバ１６への反射光量の変化に基づいて検出する。

実際の測定においては、まず真円度加工精度が極めて高い、「マスターリング」と呼ばれているリングの内径を測定し、その次に被測定ワークを測定し、その測定差分を真円度の変位量とする。
マスターリングの測定では、受光手段１８の出力値を予め設定した値となるまで真円度測定プローブ１２を移動する。その位置を基準値としておき、被測定ワーク測定時にも同じ測定値となる位置まで、真円度測定プローブ１２を移動させる。その時の送り量とマスターリング測定時との差分を真円度の偏差とする。真円度測定プローブ１２は外形が細く長いため、測定圧力が０．０１Ｎｃｍといえども変形を起こすが、マスターリング測定時と被測定にも同じ変形量となるため、その変形量は相殺される。

その後、測定ヘッド１１は後退して接触子２０の先端部２２を孔１４の内表面から離したうえ、ステッピングモータ６によって垂直回転軸４を所定角度だけ回転させる。図６に示すように、この動作を被測定物１３の孔１４の全周を等分割した方向に繰り返し行い各点の座標（Ｘｉ，Ｙｉ）を求めたうえ、最小二乗法により基準マスター半径に基づいて被測定物の真円度を測定する。ここで各点の座標（Ｘｉ，Ｙｉ）とは、被測定物１３の孔１４を等分割した各方向における内表面の座標である。なお、孔１４の中心軸はＸ−Ｙ平面に対して垂直方向（Ｚ軸方向）に置かれるものとする。

具体的には、円の中心座標を（ａ,ｂ）、半径をｒとして、次のとおり円の一般式を作成する。
（Ｘ−ａ）^２＋（Ｙ−ｂ^２）−ｒ^２＝０
上記のようにして測定された各点の座標（Ｘｉ，Ｙｉ）をこの式に代入し、Σ{（Ｘｉ−ａ）^２＋（Ｙｉ−ｂ^２）−ｒ^２}を計算する。そしてこの式の値が最小となるａ、ｂ、ｒを決定すれば、最小二乗円が決定されるので、測定された各点の座標とこの最小二乗円の座標との偏差を計算すれば、真円度を求めることができる。

本発明によれば、被測定物１３への接触子２０の接触力を僅か１〜２ｇ程度と非常に小さくすることができるので、被測定物１３が樹脂製品のような撓み易いものである場合にも、測定面を疵付けたり撓ませたりすることなく、真円度を精度よく測定することができる。またその測定精度は０.５μｍであり、接触式電気マイクロメータと同等の精度を得ることができる。しかも接触式電気マイクロメータでは測定できなかった細径で深い孔の真円度も、測定可能である。

なお本発明は被測定物１３の孔１４の真円度のみならず、円形の被測定物１３の外周の真円度も測定可能である。この場合には図７に示すように外側から内側に向かって接触子２０を移動させればよい。

上記した第１の実施形態では、真円度測定用プローブ１２の接触子２０の光反射面２４を平坦な鏡面としたが、図８以下に示す第２の実施形態では接触子２０の光反射面２４を球面とした。この実施形態では金属球４０を接触子２０の後端部に保持させ、図８に示すように、投光用光ファイバ１５の先端から出た光が拡大コリメートレンズ４１と対物コリメートレンズ４２を介して金属球４０の表面で反射し、反射光は対物コリメートレンズ４２と拡大コリメートレンズ４１とを介して受光用光ファイバ１６の端面に入射するようにした。拡大コリメートレンズ４１の焦点距離をｆ１とし、対物コリメートレンズ４２の焦点距離をｆ２とし、金属球４０の動きをΔｈしたとき、ファイバ先端間の距離ΔＨは、ΔＨ=２（ｆ１／ｆ２）×Δｈとなる。ｆ１とｆ２を任意に選定することで（ｆ１／ｆ２）の倍率を自由に変更可能となり、測定感度を調整できる。

図９に拡大して示したように、金属球４０が中心位置にあるときには上記のとおり投光用光ファイバ１５の先端から出た光は金属球４０の表面で反射して受光用光ファイバ１６の端面に入射するので、受光量は最大となる。しかし図１０のように金属球４０の位置が中心位置から僅かにずれると、金属球４０の表面からの反射光は受光用光ファイバ１６の端面に入射せず、投光用光ファイバ１５の端面に戻る。このため図１０の状態では受光量はゼロとなる。図１１にこの変化を示した。

図１２はボール変位量と受光用光ファイバ１６の端面における受光面積との関係を示したグラフである。このようにボール変位に応じて受光面積が変化するので、第１に実施形態よりもさらに検出精度を高めることができる。

以上に説明したように、本発明によれば、被測定物が樹脂製品等の撓み易いものである場合にも真円度を精度よく測定することができる。また測定可能範囲が広く、細径で深い孔も測定可能であるから孔の真円度測定に好適であるが、外周面の真円度測定にも適用可能である。

１垂直ガイド
２昇降テーブル
３エアースピンドル
４垂直回転軸
５プーリー
６ステッピングモータ
７回転防止ピン
８回転ベース
９Ｘステージ
１０スキャンモータ
１１測定ヘッド
１２真円度測定用プローブ
１３被測定物
１４孔
１５投光用光ファイバ
１６受光用光ファイバ
１７投光手段
１８受光手段
１９プローブ本体
２０接触子
２１旋回軸
２２先端部
２３復帰スプリング
２４光反射面
２５先端部端面
２６先端部端面
３０オペアンプ
３１ローカルマイコン
３２スキャンモータドライバ
４０金属球
４１拡大コリメートレンズ
４２対物コリメートレンズ

Claims

中空のプローブ本体の先端に、先端部が被測定物の表面と接触する接触子を中央の旋回軸を中心として揺動可能に軸支するとともに、この接触子の後端を光反射面とし、またプローブ本体の内部には、この光反射面に光を投光する投光ファイバと、光反射面からの反射光を受光する受光ファイバとを、それらの先端部端面を前記光反射面に対向させて配置し、反射受光量の変化により接触子の変位を検出することを特徴とする真円度測定用プローブ。
接触子の後端の光反射面が、平坦な鏡面であることを特徴とする請求項１記載の真円度測定用プローブ。
接触子の後端の光反射面が、球面であることを特徴とする請求項１記載の真円度測定用プローブ。
請求項１記載の真円度測定用プローブを、昇降、回転、及び半径方向への往復移動可能な測定ヘッドに搭載したことを特徴とする真円度測定装置。
請求項１記載の真円度測定用プローブを、被測定物の半径方向に移動させて接触子を表面に接触させ、接触子の変位量から被測定物の表面位置を検出する動作を、被測定物の全周を等分割した方向に繰り返し行い、最小二乗法により基準マスター半径に基づいて被測定物の真円度を測定することを特徴とする真円度測定方法。