JP2016023990A - 球形状測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】球全体の形状を高精度に測定可能とする。
【解決手段】被測定球１０を自在に回転可能とし、各々の回転位置において互いに隣り合う測定領域と重複する領域を有するように設定した測定領域毎に部分的な球面形状を測定し、これら重複領域の形状をもとに各々の部分的な球面形状をスティッチング演算によって接合することにより、面形状を測定する球形状測定方法において、被測定球１０を自由に着脱できる球保持機構５０から被測定球１０を脱着している状態において球を球支持台５２で保持できるようにし、球を保持する位置を持ち替えることにより、球全体の形状を測定可能とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、球形状測定方法及び装置に係り、特に、球全体の形状を高精度に測定することが可能な球形状測定方法及び装置に関する。

ベアリングの球や測定機の基準となる参照球、レンズなど、球や部分的に球形状を有する部品が産業界で広く利用されている。これらの球形状を有する部品の形状を測定するために多くの面形状測定方法や装置が提案されている。干渉計装置はその代表的な例であり、これら球の表面形状を高精度かつ高密度に測定することができる。更に、面形状測定装置の測定可能な面内領域を超える球面の形状を測定するために、面形状測定手段と、測定対象の球面を保持しかつ測定位置を変更するための位置変更手段とを備えた装置も提案されている（特許文献１及び非特許文献１）。

これらの装置は、位置変更手段によって測定対象の球面を移動させることによって測定位置を変更するとともに、複数の部分領域の形状を面形状測定手段によって測定する。それらの複数の領域の測定形状をスティッチングと呼ばれる演算によって接続することにより、広範囲の球面形状を測定している。

ここで、非特許文献１に示される球形状測定装置の概要を説明する。装置の構成を表す側面図を図１に示す。測定装置は面形状測定手段をなす、例えばフィゾー干渉計でなるレーザ干渉計２０の部分と、位置変更手段である位置変更機構４０の部分とからなる。この装置に用いるレーザ干渉計２０は、球面形状を持つ参照球面２２を用い、レーザ光源２４で発生されたレーザ光線２６の波長をものさしとして参照球面２２と比較することにより、被測定球１０の表面形状を測定する装置である。図において、２８は、ビームスプリッタ、３０は、レーザ光線２６を平行光線化するためのコリメータレンズ、３２は、ビームスプリッタ２８で合成された干渉光を検出するための撮像素子である。

被測定球（以下、単に球とも称する）１０は参照球面２２の焦点位置に設置される。レーザ干渉計２０によって測定される領域は、レーザ光線２６が照射される球１０の表面上の一部分であるため、より広い領域を測定するためにはレーザ干渉計２０本体もしくは被測定球１０の位置を移動する手段が必要である。非特許文献１に示す装置は、被測定球１０と支持シャフト１２が固定された、軸を有する球を対象にしており、被測定球１０を支持シャフト１２を介して保持しつつ、θ回転軸４２及びθ回転軸４２と直交するφ回転軸４４の２軸の回転機構によって球１０の任意の面をレーザ干渉計２０の測定範囲へと移動する位置変更機構４０を備えている。

非特許文献１の装置の上面図を図２に示す。φ回転軸４４は測定光軸と直角をなし（図２における紙面垂直方向）、その軸上に参照球面２２の焦点が一致するよう調整されている。φ回転軸４４を回転させると、θ回転軸４２を支持するブラケット４６をφ軸回りに回転させることができる。θ回転軸４２は、この上で３６０度以上回転することができる。このとき、被測定球１０の中心位置がφ回転軸４４上になるよう支持シャフト１２やブラケット４６の腕の長さを調整することによって、被測定球１０は参照球面２２の焦点位置において任意の角度に回転することができる。このような構成において、被測定球１０の半球に及ぶ領域をレーザ干渉計２０により測定するためには、θ回転軸４２回りに３６０度、φ回転軸４４回りに支持シャフト１２が測定光軸と直交する位置から測定光軸と平行になる位置まで９０度の範囲で被測定球１０を回転させればよい。

このような構成の装置によって測定可能な領域と、θ及びφの二つの回転軸の関係を図３に示す。本図は図１に示す装置を上面から見た図である。はじめに支持シャフト１２がレーザ干渉計２０の測定光軸と直交する位置にあるときのφ回転軸４４の角度を第一支持角度φ１と定義する。この状態を図３の（ａ）に示す。支持シャフト１２の中心軸を被測定球１０の極軸と定義すれば、この極軸と直交する位置にある球の表面の輪郭は球の緯線と考えることができ、直径が最大となる位置の輪郭は赤道（第一測定緯線）となる。第一支持角度φ１においてθ回転軸４２を回転させることにより、球面の第一測定緯線上の任意の点をレーザ干渉計２０に向けることができる。その位置において測定を実施すれば、任意のθ回転軸４２の位置における単一測定領域の形状を測定することができる。後に行うスティッチング演算のために、隣り合う単一測定領域が重複領域を有するようにθ回転軸４２の回転ステップを決定することが望ましい。この重複領域は、例えばおおよそレーザ干渉計２０の視野角の半分程度とすればよい。ここでは第一支持角度φ１を測定光軸と支持シャフト１２が直交する位置として説明したが、必ずしもその必要はなく、第一支持角度φ１を任意の位置に設定してもよい。

続いて、φ回転軸４４を回転させ、第一支持角度φ１と異なる位置に設定する。この位置を第二支持角度φ２とする。この状態を図３の（ｂ）に示す。その位置においてθ回転軸４２を回転させると、レーザ干渉計２０の測定光軸と交わる球面上の点はある軌跡を描く。この軌跡により表される輪郭を第二測定緯線とする。第一支持角度φ１における操作と同様にθ回転軸４２を回転させることにより、球面の第二測定緯線上において、任意のθ回転軸４２の位置における単一測定領域の形状を測定することができる。第一支持角度φ１と第二支持角度φ２の間隔は、θ回転軸４２のステップと同様に、例えばおおよそレーザ干渉計２０の視野角の半分程度とすればよい。

φ回転軸４４の回転範囲において支持角度φを複数設定し、それぞれの位置においてθ回転軸４２を操作し、対応する位置の単一測定領域が被測定球１０の半球部分を網羅するまでこの手順を実行する。こうして得られる多数の単一測定領域の形状を、θ回転軸４２及びφ回転軸４４の位置情報を参照してスティッチング演算によってつなぎ合わせることにより、被測定球１０の表面形状を測定することができる。φ回転軸４４の回転範囲は図２に示した９０度の範囲に限られるものではなく、レーザ干渉計２０と位置変更機構４０との物理的な衝突等が発生しなければ、任意の範囲に設定することができる。複数の単一測定領域により被測定球１０の半球を網羅するための必要条件が、φ回転軸４４の回転範囲９０度となる。

位置変更機構４０を構成する各部品の寸法が設計値と異なっていたり運動誤差があったりすると、θ回転軸４２やφ回転軸４４の回転に伴い被測定球１０が参照球面２２の焦点位置からずれる場合がある。球面を測定する干渉計装置において、この位置ずれは測定誤差を生じさせる。そのため非特許文献１の装置に、例えば図４に示す、ステージ４８ｘ、４８ｙ、４８ｚでなる直交３軸の並進移動機構４８を備えることも可能である。レーザ干渉計２０の干渉縞画像を頼りに、干渉縞本数が極力少なくなるように被測定球１０を移動させることにより、この位置ずれを修正することができる。

米国特許６，９５６，６５７Ｂ２号公報

「光波干渉による真球度の測定」、2011年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集 P868-869

特許文献１及び非特許文献１に示す先行技術は、レンズのような部分的な球形状、または固定された軸により保持された球を測定するものであり、軸の周辺や保持部分の周辺の領域を測定することは難しく、その測定範囲はおよそ半球までに限られる。レーザ干渉計の視野範囲の大きさや位置変更手段の移動範囲によって半球を超える領域を測定することは可能であるが、球を保持する部位を測定することはできない。そのため、球全体の形状を高精度に測定する装置及びその測定方法が望まれる。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、球全体の形状を高精度に測定することを課題とする。

本発明は、被測定球を自在に回転可能とし、各々の回転位置において互いに隣り合う測定領域と重複する領域を有するように設定した測定領域毎に部分的な球面形状を測定し、これら重複領域の形状をもとに各々の部分的な球面形状をスティッチング演算によって接合することにより、面形状を測定する球形状測定方法において、被測定球を自由に着脱できる球保持機構から被測定球を脱着している状態において球を球支持台で保持できるようにし、球を保持する位置を持ち替えることにより、球全体の形状を測定可能とするようにして、前記課題を解決したものである。

ここで、前記球支持台を回転可能とすることができる。

又、被測定球と面形状測定手段の位置を調整可能とすることができる。

本発明は、又、球面の部分的な形状を測定する面形状測定手段と、被測定球を前記面形状測定手段に対して自在に回転させる位置変更手段と、を備え、各々の回転位置において互いに隣り合う測定領域と重複する領域を有するように設定した測定領域毎に部分的な球面形状を測定し、これら重複領域の形状をもとに各々の部分的な球面形状をスティッチング演算によって接合することにより、面形状を測定する球形状測定装置において、被測定球を自由に着脱できる球保持機構、及び、該球保持機構から被測定球を脱着している状態において球を保持する球支持台を有し、球を保持する位置を持ち替えることにより、球全体の形状を測定する手段と、を備えたことを特徴とする球形状測定装置を提供するものである。

ここで、前記面形状測定手段はレーザ干渉計であり、前記位置変更手段は、被測定球を第一の回転軸の回りと、該第一の回転軸と直交する第二の回転軸の回りに、被測定球を回転させるものとすることができる。

又、前記球支持台は、前記球保持機構から脱着された球を受け入れて支持するための受入用凹部を上面に有することができる。

又、前記球支持台を昇降させる機構を更に備えることができる。

又、前記球支持台を回転する機構を更に備えることができる。

又、前記球支持台を回転する機構の回転軸と前記位置変更手段の第二の回転軸を同軸とすることができる。

又、被測定球と面形状測定手段の相対位置を調整するための直交３軸方向への並進移動機構を更に備えることができる。

本発明によれば、球全体の形状を高精度に測定することが可能になる。

非特許文献１に示される球形状測定装置を示す側面図 同じく平面図 同じく測定手順を説明するための拡大平面図 同じく並進移動機構を備えた球形状測定装置を示す側面図 本発明の第１実施形態を示す側面図 同じく球全体の形状を測定する手順を示す流れ図 同じく球を持ち替える手順を示す流れ図 本発明の第２実施形態を示す側面図 同じく球を持ち替える手順を示す流れ図 本発明の第３実施形態を示す側面図 本発明の第４実施形態を示す側面図

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態及び実施例に記載した内容により限定されるものではない。又、以下に記載した実施形態及び実施例における構成要件には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態及び実施例で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。

図５に、本発明の第１実施形態の構成を示す。本実施形態は、非特許文献１に示された、レーザ干渉計２０と、θ回転軸４２、φ回転軸４４、ブラケット４６を有する位置変更機構４０とを備えた装置に、新たに球保持機構５０、球支持台５２、Ｚ昇降軸５４、それらを支持する台５６、及び、Ｒ調整軸６０を加えることにより、球を持ち替え、球全体の形状を測定可能にしたものである。

球保持機構５０は、被測定球１０を支持シャフト１２に対して任意に着脱する機構を有し、真空吸着または着磁性の球の場合には磁力などにより、自在に被測定球１０を吸着したりまたは脱着したりすることができる。

球支持台５２は、球保持機構５０から脱着された球を一時的に受け入れて支持するための受入用凹部５２Ａを上面に有する台である。球保持機構５０が被測定球１０を吸着している間、球支持台５２は被測定球１０に触れることがないようにＺ昇降軸５４により退避していることが望ましい。また、球を脱着している間、球保持機構５０も被測定球１０に触れることがないようにＲ調整軸６０により退避できることが望ましい。

なお、球１０を持ち替えるため、φ回転軸４４は、例えば±９０度＝１８０度回転可能とされている。

図において、３４は、レーザ干渉計２０用の干渉計用コンピュータ、６２は、位置変更機構４０のθ回転軸４２及びφ回転軸４４の回転、球保持機構５０の吸着、Ｚ昇降軸５４の昇降、Ｒ調整軸６０の伸縮等を制御するためのコントローラ、６４は、該コントローラ６２により位置変更機構４０及び球の持ち替えを制御しつつ、干渉計用コンピュータ３４から得られた情報を基に球形状を解析するための球形状解析用コンピュータである。

以下、図６を参照して、球全体の形状を測定する手順を説明する。

まず、ステップ１００で被測定球１０を球保持機構５０に吸着し、ステップ１１０でφ回転軸４４を回転して所定角度に設定して、ステップ１２０のθ回転軸４２の回転、及び、ステップ１３０の単一測定領域の測定を、ステップ１４０で所定緯線上を網羅する測定が行われたと判定されるまで繰り返す。

次いで、ステップ１１０でφ回転軸４４を回転することにより緯線を変えて、ステップ１５０で第一半球を網羅する測定が行われたと判定されるまでステップ１２０〜１４０を繰り返す。

ステップ１５０で第一半球の測定が終了したと判定された時は、ステップ１６０で被測定球１０を持ち替える。具体的には、図７に示す如く、球保持機構５０に被測定球１０が吸着されている状態においてＺ昇降軸５４を上昇させ、球支持台５２と被測定球１０を接触させる（ステップ１６２）。次いで、球保持機構５０から被測定球１０を脱着させて、被測定球１０を球支持台５２によって支持する（ステップ１６４）。次いで、Ｒ調整軸６０を動作（図の右方に後退）させることにより球保持機構５０が被測定球１０に触れないように退避させる（ステップ１６６）。この状態では、位置変更機構４０はφ回転軸４４の回転によって任意の回転位置に移動することができる（ステップ１６８）。回転位置を移動した後に、Ｒ調整軸６０を動作（図の左方に前進）させて球保持機構５０を被測定球１０に密着させ（ステップ１７０）、再度吸着する（ステップ１７２）。その後、Ｚ昇降軸５４を動作させて球支持台５２を下降させる（ステップ１７４）。

この一連の操作により球を保持する位置が変更され、球を持ち替えることができる。具体的には、図２に示すθ回転軸４２が測定光軸と直交する位置からφ回転軸４４を１８０度回転させることにより、被測定球１０の１８０度反転した位置に持ち替えることができる。

持ち替えた後は、ステップ１１０〜１５０に対応するステップ２１０〜２５０により、第二半球の測定を行う。これによって、非特許文献１に示す装置では測定できなかった球を保持する部位をレーザ干渉計２０に向けて測定することができ、球全体を網羅する単一測定領域の測定結果を収集することが可能になる。持ち替えを行う前の測定を第一半球、持ち替え後に行う測定を第二半球とすれば、この二つの半球をステップ３００でスティッチング演算することによって、球全体の形状を測定することができる。第一半球と第二半球をそれぞれ測定する流れは、非特許文献１と同様である。この二つの測定の間に被測定球１０の持ち替えを行い、測定の最後に二つの半球を接続するスティッチング演算を行う流れとなる。

ここで、球１０を持ち替える動作におけるφ回転軸４４の動作範囲は１８０度に限られるものではなく、任意の角度位置で行っても良いが、１８０度の位置で持ち替えることによって半球ずつ測定することが、球全体の形状を測定するためには最も効率が良い方法である。

本実施形態においては、φ回転軸４４を利用して球１０の持ち替えを行っているので、構成が簡略である。

続いて、本発明における第２実施形態の構成を図８に示す。本実施形態は、第１実施形態に示す装置のＺ昇降軸５４と球支持台５２の間に更にφ２回転軸７０を備え、球支持台５２を回転可能にした構成になっている。φ２回転軸７０はφ回転軸４４と同軸とされている。ここで、φ回転軸４４の回転範囲は、図１に示した先行技術と同様に０度〜９０度であっても良い。なお、φ２回転軸７０を設ける位置はＺ昇降軸５４と球支持台５２の間に限定されず、Ｚ昇降軸５４と台５６の間でも良い。

他の構成は、第１実施形態と同じであるので説明は省略する。

本発明による測定方法において、被測定球１０を保持したまま半球を測定する手順では単一測定領域の被測定球面上における位置はθ回転軸４２及びφ回転軸４４のそれぞれの位置に対応している。しかし、被測定球１０の持ち替えを行うことによって位置変更機構４０と被測定球１０は一度切り離されるため、持ち替えの前後において単一測定領域の球面上の位置とθ回転軸４２及びφ回転軸４４の位置に連続性が失われることになる。そのため被測定球１０の持ち替えはなるべく位置ずれなどの誤差が生じないよう慎重に行う必要がある。第１実施形態に示す構成においては、支持シャフト１２の偏心があったりφ回転軸４４に触れ回りなどの機械的な誤差があったりする場合に、必ずしも位置変更機構４０の回転中心が被測定球１０の中心と一致せず、持ち替えにおける誤差を生じさせる可能性がある。

本実施形態は、φ回転軸４４と同軸のφ２回転軸７０により球支持台５２を回転させることによって球の持ち替えの操作を実現する。これにより、支持シャフト１２の偏心やφ回転軸４４に触れ回りがあった場合でも安定して球の持ち替えが行える。

以下、図９を参照して、本発明の第２実施形態で球を持ち替える手順を説明する。

球保持機構５０に被測定球１０が吸着されている状態においてＺ昇降軸５４を上昇させ、球支持台５２と被測定球１０を接触させる（ステップ１６２）。次いで、球保持機構５０から被測定球１０を脱着させて、被測定球１０を球支持台５２によって支持する（ステップ１６４）。次いで、Ｒ調整軸６０を動作（図８の右方に後退）させることにより球保持機構５０が被測定球１０に触れないように退避させる（ステップ１６６）。ここでφ回転軸４４と同軸になるよう調整されたφ２回転軸７０を回転させることにより、被測定球１０は位置変更機構４０に対して任意の回転位置に移動することができる（ステップ１８０）。回転位置を移動した後に、Ｒ調整軸６０を動作（図８の左方に前進）させて球保持機構５０を被測定球１０に密着させ（ステップ１７０）、再度吸着する（ステップ１７２）。その後、Ｚ昇降軸５４を動作させて球支持台５２を下降させる（ステップ１７４）。

この一連の操作により球を保持する位置が変更され、球を持ち替えることができる。持ち替え動作のステップ１８０を除く球面測定の手順は第１実施形態と同一であるので、説明を省略する。

本実施形態によれば、位置変更機構４０の運動誤差等があっても正確な持ち替えを実現し、球全体の形状を高精度に測定することが可能となる。又、φ回転軸４４を持ち替えに使わないので、φ回転軸４４の回転範囲は、従来と同様に０度〜９０度であっても良い。

続いて、本発明における第３実施形態の構成を図１０に示す。本実施形態は、第１実施形態の装置に対して、φ回転軸４４と台５６を台８０に載置し、該台８０をｘ、ｙ、ｚの直交する３軸方向に並進移動する並進移動機構８２を備えた構成となっている。図において、８２ｘは、ｘ軸方向移動機構、８２ｙは、ｙ軸方向移動機構、８２ｚは、ｚ軸方向移動機構である。

他の構成は、第１実施形態と同じであるので説明は省略する。

位置変更機構４０を構成する各部品の寸法が設計値と異なっていたり運動誤差があったりすると、θ回転軸４２やφ回転軸４４の回転に伴い被測定球１０が面形状測定手段の中心位置からずれる場合がある。この位置ずれは、面形状測定手段の測定誤差を生じさせる場合がある。例えば面形状測定手段に球面を測定するレーザ干渉計２０を用いた場合、被測定球１０と参照球面２２の中心にずれが生じ、測定誤差が発生する。そこで、この位置のずれを補正するために並進移動機構８２を備える。面形状測定手段にレーザ干渉計２０を用いる場合は、干渉縞画像を頼りに、干渉縞本数が極力少なくなるように被測定球１０を移動させることにより、この位置ずれを修正することができる。

本実施形態によれば、位置変更機構４０の運動誤差や構成部材の寸法が設計値と異なることによる被測定球１０と面形状測定手段の位置ずれに伴う測定誤差の影響を減少させ、球全体の形状を高精度に測定することが可能になる。

続いて、第２実施形態に示す装置に、第３実施形態に示した並進移動機構８２を加えた本発明の第４実施形態の構成を図１１に示す。

他の構成及び作用は、第１〜第３実施形態と同じであるので説明は省略する。

本実施形態によれば、位置変更機構４０の運動誤差等があっても正確な球の持ち替えを実現すると共に、位置変更機構４０の運動誤差や構成部材の寸法が設計値と異なることによる被測定球１０と面形状測定手段の位置ずれに伴う測定誤差の影響を減少させ、球全体の形状を高精度に測定することが可能になる。

ここで示した装置の構成はあくまで例示であり、装置の動作が等価であればこれ以外の構成を選択することもできる。例えば第２、第４実施形態におけるＺ昇降軸５４とφ２回転軸７０の位置は、φ２回転軸７０の上にＺ昇降軸５４を設ける構成を選択することも可能である。この例のように軸を構成する順番などは、装置の全体としての動作が等価であれば自由に変更可能である。更に、θ回転軸４２とφ回転軸４４の位置関係など、必ずしも直交していなくても等価な動作であれば変更可能である。

１０…被測定球
１２…支持シャフト
２０…レーザ干渉計
２２…参照球面
３４…干渉計用コンピュータ
４０…位置変更機構
４２…θ回転軸
４４…φ回転軸
４６…ブラケット
４８、８２…並進移動機構
５０…球保持機構
５２…球支持台
５２Ａ…受入用凹部
５４…Ｚ昇降軸
５６、８０…台
６０…Ｒ調整軸
６２…コントローラ
６４…球形状解析用コンピュータ
７０…φ２回転軸

Claims (10)

1. 被測定球を自在に回転可能とし、
   各々の回転位置において互いに隣り合う測定領域と重複する領域を有するように設定した測定領域毎に部分的な球面形状を測定し、これら重複領域の形状をもとに各々の部分的な球面形状をスティッチング演算によって接合することにより、面形状を測定する球形状測定方法において、
   被測定球を自由に着脱できる球保持機構から被測定球を脱着している状態において球を球支持台で保持できるようにし、球を保持する位置を持ち替えることにより、球全体の形状を測定可能とすることを特徴とする球形状測定方法。
2. 請求項１において、前記球支持台を回転可能としたことを特徴とする球形状測定方法。
3. 請求項１又は２において、被測定球と面形状測定手段の位置を調整可能としたことを特徴とする球形状測定方法。
4. 球面の部分的な形状を測定する面形状測定手段と、
   被測定球を前記面形状測定手段に対して自在に回転させる位置変更手段と、を備え、
   各々の回転位置において互いに隣り合う測定領域と重複する領域を有するように設定した測定領域毎に部分的な球面形状を測定し、これら重複領域の形状をもとに各々の部分的な球面形状をスティッチング演算によって接合することにより、面形状を測定する球形状測定装置において、
   被測定球を自由に着脱できる球保持機構、及び、該球保持機構から被測定球を脱着している状態において球を保持する球支持台を有し、球を保持する位置を持ち替えることにより、球全体の形状を測定する手段と、
   を備えたことを特徴とする球形状測定装置。
5. 請求項４において、前記面形状測定手段がレーザ干渉計であり、前記位置変更手段が、被測定球を第一の回転軸の回りと、該第一の回転軸と直交する第二の回転軸の回りに、被測定球を回転させるものであることを特徴とする球形状測定装置。
6. 請求項４において、前記球支持台が、前記球保持機構から脱着された球を受け入れて支持するための受入用凹部を上面に有することを特徴とする球形状測定装置。
7. 請求項４乃至６のいずれかにおいて、更に、前記球支持台を昇降させる機構を備えたことを特徴とする球形状測定装置。
8. 請求項４乃至７のいずれかにおいて、更に、前記球支持台を回転する機構を備えたことを特徴とする球形状測定装置。
9. 請求項８において、前記球支持台を回転する機構の回転軸と前記位置変更手段の第二の回転軸が同軸とされていることを特徴とする球形状測定装置。
10. 請求項４乃至９のいずれかにおいて、更に、被測定球と面形状測定手段の相対位置を調整するための直交３軸方向への並進移動機構を備えたことを特徴とする球形状測定装置。

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