JP3035589B2 - 測定子交換式測定ヘッド及びそれを備えた自動寸法測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は被測定物（以下、「ワー
ク」という）の寸法を測定する測定ヘッド及びそれを備
えた測定装置に係わり、特に測定子を交換することによ
って多種類の寸法を１個の測定ヘッドで測定できる測定
子交換式測定ヘッドに関し、さらに、それを備えて自動
的にワークの寸法を測定する自動寸法測定装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ワークの穴径・軸径・穴の心間距離・穴
深さ等の寸法を自動的に測定する測定装置として、該当
するワークに専用に設計された専用測定機や、各種の測
定ヘッドを自動的に交換することによってある程度の種
類のワークの測定ができる測定ヘッド交換式測定機、さ
らに、１個の測定ヘッドで多種類のワークの測定ができ
る座標測定機が知られている。

【０００３】この場合、専用測定機や測定ヘッド交換式
測定機の測定ヘッドとしては、一般的に差動トランス等
のアナログセンサーを用い、マスターゲージを基準とす
る比較測定方式が採用されているが、差動トランス等の
アナログセンサーの測定精度は一般的に測定範囲に反比
例するので、測定精度を高くするために測定範囲はあま
り広くとることができない。

【０００４】また、図１９及び図２０に示すように、測
定子のワークへの当接姿勢がマスターゲージ測定時に対
して変化すると姿勢誤差が発生する。図１９及び図２０
はいずれも穴径を測定する場合の例で、図１９は測定子
１０１が半径方向にずれた場合、図２０は測定子１０１
が軸方向に傾いた場合である。図１９で測定径Ｕ、ずれ
量εとすると、測定値Ｕａは次のようになる。 Ｕａ²＝Ｕ²−４ε² 図２０で測定径Ｖ、傾きθとすると、測定値Ｖａは次の
ようになる。 Ｖａ＝Ｖ／cosθ このため、例えば穴径を測定する場合には穴径の公差下
限値より僅かに小さい外径のガイドシャフトを測定子１
０１の近傍に設けて、測定子１０１とともにワークに挿
入する。

【０００５】したがって、測定範囲が広くとることがで
きないことと、ガイドシャフトを必要とすることから、
測定ヘッドは測定内容に合わせて専用に設計される。な
お、これらの測定ヘッドは一般的に２個の測定子１０１
がワークに同時に当接し１回の動作（穴径であれば穴へ
の挿入）で測定ができる機構になっている。以下、ここ
で述べた測定ヘッドを専用測定ヘッドと呼ぶ。

【０００６】専用測定機は、前述した専用測定ヘッドが
すべての測定位置に取り付けられるので、前述した３種
類の測定機の中では測定時間を一番短くできる。

【０００７】測定ヘッド交換式測定機の例としては、当
出願人から開示されている「特開平４−００５５１０号
（計測機）」や、他の出願人から開示されている「特開
平４−７４９０２号（自動内径測定装置及びその零点設
定方法）」及び「特開平４−７４９０３号（自動測定装
置）」がある。

【０００８】「特開平４−００５５１０号」で開示され
ているものは、検出器装着部をホリゾンタルアーム形の
三次元移動機構に水平方向に設けて、３軸方向移動自在
に支持するとともに、複数の検出器を格納する検出器チ
ェンジャを設け、検出器チェンジャから対象ワークの測
定内容に該当する検出器を取り出し、検出器装着部に取
り付けて測定する。この場合、用いられている検出器、
つまり測定ヘッドは前述した専用測定ヘッドであり、穴
径だけでなく穴の心間距離等についても、それだけで測
定できる専用測定ヘッドを用いている。

【０００９】また、「特開平４−７４９０２号」及び
「特開平４−７４９０３号」で開示されているものは、
着脱装置を固定ブリッジ形（テーブル移動形）等の三次
元移動手段（３軸の測長手段が内蔵されたもの）に下向
きに設けて、３軸方向移動自在に支持するとともに、測
定ヘッド（内径測定ゲージヘッドや接触式プローブ）を
格納するストッカを設け、ストッカから対象ワークの測
定内容に該当する測定ヘッド（内径測定ゲージヘッドや
接触式プローブ）を取り出し、着脱装置に取り付けて測
定する。この場合、測定ヘッドのうち内径測定ゲージヘ
ッドは前述した専用測定ヘッドで、これによってワーク
の内径を測定し、接触式プローブは次に述べるタッチプ
ローブであり座標測定機と同様にして穴の心間距離等を
測定する。

【００１０】座標測定機は、測定ヘッドとしてタッチプ
ローブ（ワークに当接した瞬間に信号を出力する電子プ
ローブ）を直交する２軸方向、または互いに直交する３
軸方向に移動自在に支持するとともに、タッチプローブ
の座標位置を検出する測長手段を各軸に備え、ワークの
測定位置にタッチプローブを当接したときのタッチプロ
ーブの座標位置のデータを演算することによって、ワー
クの寸法を測定する。この場合はマスターゲージを基準
とする比較測定方式ではなく、測長手段そのものが基準
となる絶対測定方式である。汎用性があり専用測定機や
測定ヘッド交換式測定機に比べて一般的に低価格であ
る。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、専用測
定機は測定内容（測定項目の種類や測定寸法の種類）が
変わると新たに設計製造しなければならないため、測定
内容の変更に対応しにくいとともに、測定位置の数だけ
測定ヘッドの駆動手段が必要であるため高価格になると
いう問題がある。

【００１２】また、測定ヘッド交換式測定機の例として
紹介した「特開平４−００５５１０号」や、「特開平４
−７４９０２号」及び「特開平４−７４９０３号」は、
測定内容分の数だけ測定ヘッドが必要であるため、座標
測定機に比べて高価格になるとともに、測定ヘッドの交
換を頻繁に行う必要があるため専用測定機に対して測定
時間がかかるという問題がある。

【００１３】さらに、座標測定機は、ワークの測定位置
を１点ずつしか測定できないため、専用測定ヘッドを用
いた専用測定機や測定ヘッド交換式測定機に比べて測定
時間がかかる（例えば穴径を決定するためには３点以上
の点が必要であるので、タッチプローブを３回以上当接
しなければならない）という問題がある。

【００１４】本発明はこのような事情を鑑みてなされた
もので、多数の測定内容に低価格で対応できる測定ヘッ
ドを提供するとともに、その測定ヘッドを用いて測定時
間が短く低価格の自動寸法測定装置を提供することを目
的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
成するために、測定子を穴径測定用や点測定用等の測定
子ユニットにまとめ、検出センサーは交換せず、測定子
ユニットを交換するとともに、測定範囲の広い検出セン
サーを用いて１種類の測定子の測定範囲を広くする。

【００１６】すなわち、測定ヘッドを、（イ）検出セン
サーが内蔵された測定ヘッド本体と、（ロ）一方の端が
ワークに当接し、他方の端が検出センサーに当接する測
定子を備えた測定子ユニットと、（ハ）測定ヘッド本体
に対する測定子ユニットの取付位置を決める位置決め手
段と、（ニ）測定ヘッド本体に測定子ユニットを固定す
るとともに測定ヘッド本体から測定子ユニットを解放す
る着脱手段と、から構成した。

【００１７】この場合、位置決め手段を、測定ヘッド本
体と測定子ユニットが係合する２つの係合面のうち、一
方の面の絶縁部分に２個１組で３組の導電性の球体を同
一円周上中心角約１２０度間隔で固着し、他方の面の絶
縁部分に３個の導電性の円筒体を３組の球体に対応する
位置に固着するとともに、３組の球体と３個の円筒体と
で構成する３箇所すべての接触点が接触した場合に、３
組の球体が導通して信号を出力する接点回路を設けて構
成した。

【００１８】また、検出センサーをディジタル測長セン
サーとし、同一円周上中心角約９０度間隔で４個設け
た。

【００１９】また、測定子を測定方向と反対方向に移動
する逃がし手段を、測定ヘッド本体の検出センサー近傍
４箇所に設けた。

【００２０】さらに、測定子ユニットの１つの種類（測
定子ユニット４０）を、位置決め手段及び着脱手段によ
って測定ヘッド本体に位置決めされるとともに着脱自在
に構成されたユニットベースに、測定子を揺動自在に支
持する４個の支持機構を同一円周上中心角約９０度間隔
で設け、測定子を、一方の端がワークに当接し他方の端
が検出センサーに当接するとともに、直交する２方向の
互いに離れる方向に測定方向を有するようにし、さら
に、測定子を測定方向に付勢する付勢手段を設けて構成
した。

【００２１】また、測定子ユニットの他の種類（測定子
ユニット６０）を、位置決め手段及び着脱手段によって
測定ヘッド本体に位置決めされるとともに着脱自在に構
成されたユニットベースに、測定子を揺動自在に支持す
る１個の板バネ支持機構を設け、１個の測定子を、一方
の端がワークに当接し他方の端が検出センサーに当接す
るように構成した。

【００２２】さらに、本発明は、前記目的を達成するた
めに、自動寸法測定装置を、（イ）測定子交換式測定ヘ
ッドを互いに直交する３軸方向に移動自在に支持すると
ともに自動的に駆動し、さらに、測定子交換式測定ヘッ
ドの三次元座標位置を検出する測長手段を備えた三次元
座標測定機と、（ロ）三次元座標測定機に支持された測
定子交換式測定ヘッドの測定ヘッド本体と、（ハ）少な
くとも１個の測定子ユニット４０と、（ニ）少なくとも
１個の測定子ユニット６０と、（ホ）三次元座標測定機
の固定部分に設けられ、複数の測定子ユニットを格納す
る測定子格納ラックと、（ヘ）三次元座標測定機の固定
部分に設けられ、測定子交換式測定ヘッドを校正する基
準となるマスターゲージと、から構成した。

【００２３】

【作用】本発明に係る測定子交換式測定ヘッドによれ
ば、測定子が備えられた測定子ユニットが、検出センサ
ーを内蔵した測定ヘッド本体に着脱自在に構成され、測
定内容が変わると測定子ユニットのみが交換される。こ
の場合、測定子ユニットと測定ヘッド本体は、係合する
一方の面に固着された２個１組で３組の球体と、他方の
面に固着された３個の円筒体とによって位置決めされる
とともに、着脱手段によって固定または解放され、さら
に、３箇所すべての接触点が接触した場合に位置決めの
確認信号が出力される。

【００２４】また、測定子が４個の測定子ユニット４０
は主として穴径測定に、測定子が１個の測定子ユニット
は１点測定（端面、穴深さ等）に使用される。検出セン
サーは４個備えられているが、測定子が１個の測定子ユ
ニット６０の場合は、１個の検出センサーのみが使用さ
れる。検出センサーにはディジタル測長センサーが用い
られているので、１種類の測定子ユニットで広い範囲の
測定ができる。

【００２５】さらに、本発明に係る自動寸法測定装置に
よれば、予め複数の測定子ユニットを格納ラックに格納
しておくが、測定する寸法や測定位置が変わっても、ワ
ークの測定項目と測定寸法がその測定子ユニットの測定
対象範囲内にあるうちはそのままの測定子ユニットで測
定が継続される。測定項目が変わったり測定寸法がその
測定子ユニットの測定対象範囲から外れた場合は測定子
ユニットが交換される。測定ヘッドは各測定子ユニット
ごとにマスターゲージによって校正される。ワークの各
測定値は、測定ヘッドの検出センサーによって検出され
た値と三次元座標測定機の測長手段によって検出された
値から算出される。

【００２６】

【実施例】以下、本発明に係る測定ヘッドの好適な実施
例を説明する。 測定ヘッドの実施例１ 図１から図５に本発明に係る測定ヘッドの実施例１を示
す。実施例１では、測定ヘッドは測定ヘッド本体２０に
主として穴径測定用の測定子ユニット４０が装着されて
いる。図１は、測定子ユニット４０が測定ヘッド本体２
０に装着された状態を示す図、図２は図１のＡ矢視図
（正面図）でカバー５５が外された状態、図３は図１の
Ｂ−Ｂ断面に相当する部分で、位置決め部分を展開して
接点回路を模式的に表現した図、図４は測定子ユニット
４０を測定ヘッド本体２０から取り外した状態を示す
図、図５は測定子ユニット４０が装着されていない状態
の測定ヘッド本体２０を示す図である。

【００２７】まず、測定ヘッド本体２０について説明す
る。図１・図３・図５において、外形が円形で脚２１ａ
が形成された取付台２１に外形が円形の本体ベース２２
がネジ等で固定され、本体ベース２２の外周近傍には同
一円周上中心角約９０度間隔で４箇所に４個の検出セン
サー３６が取り付けられている。検出センサー３６はデ
ィジタル測長センサーである。この明細書でいうディジ
タル測長センサーとはスケールに光学的または磁気的目
盛りが設けられ、その目盛りを計数することによって測
定長さを得るセンサーをいい、これらのセンサーは測定
距離が長くなっても精度はほとんど変わらないので、三
次元座標測定機の測長手段にも用いられている。

【００２８】本体ベース２２の測定子ユニット４０側
（以下、「Ｆ方向」または「Ｆ側」という）には、検出
センサー３６より内側の同一円周上中心角約１２０度間
隔に、２個１組で後述する円筒体４２を挟む導電性の球
体２３が３組固着されている。球体２３が固着されてい
る部分は他と電気的に絶縁されており、図３に示すよう
に、６個の球体２３には円筒体４２を挟む２個同士を除
いて隣同士の球体２３間に電線２４ａが接続されるとと
もに、電源２４ｂと信号出力部２４ｃが接続されて接点
回路２４が構成されている。

【００２９】また、本体ベース２２の中央には着脱シリ
ンダー２５が固着され、着脱シリンダー２５の一端はキ
ャップ２６で覆われ、キャップ２６側から圧縮空気が供
給される。着脱シリンダー２５内には着脱ピストン２７
が摺動自在に設けられるとともに、着脱ピストン２７は
圧縮バネ２８によって後述する三次元座標測定機１０の
Ｙスピンドル１５側（以下、「Ｇ方向」または「Ｇ側」
という）に付勢されている。また、着脱ピストン２７の
先端の同一円周上に少なくとも２個形成された穴に、チ
ャック球体２９が着脱ピストン２７の半径方向移動自在
で内側には抜けないように設けられている。

【００３０】さらに、本体ベース２２には検出センサー
３６と同一中心角方向の内側４箇所に、逃がしシリンダ
ー３１が４個固着され、逃がしシリンダー３１の一端は
キャップ３２で覆われ、キャップ３２側から圧縮空気が
供給される。逃がしシリンダー３１内にはピストン３３
が摺動自在に設けられるとともに、ピストン３３は圧縮
バネ３４によってＧ方向に付勢されている。取付台２１
と本体ベース２２の外周にはカバー３７が設けられてい
る。

【００３１】次に、測定子ユニット４０について説明す
る。図１・図２・図３・図４において、ユニットベース
４１は外形が円形で、Ｇ側には本体ベース２２に固着さ
れた３組の球体２３に対応する位置に、３個の導電性の
円筒体４２が軸方向をユニットベース４１の中心に向け
て固着されている。球体２３と同様に、円筒体４２が固
着されている部分も他と電気的に絶縁されている。ただ
し、この例では円筒体４２は半円筒形状のものが用いら
れている。

【００３２】ユニットベース４１の外周の１箇所には、
測定子ユニット４０が後述する測定子格納ラック７０に
格納されたときに姿勢が変わらないようにするために、
切り欠き４１ａが形成されている。また、Ｇ側の中央に
は軸部４１ａが形成され、軸部４１ａには軸部４１ａの
半径方向に移動自在であるが軸方向には抜けないように
支持されたチヤックリング４３が取り付けられている。

【００３３】ユニットベース４１のＦ側には、軸受けベ
ース４４が固着され、軸受けベース４４には中央付近に
同一円周上中心角約９０度間隔で４箇所に軸受け部４４
ａが形成されている。軸受け部４４ａには支軸４６が深
溝玉軸受け４５に揺動自在に支持され、支軸４６には略
Ｌ字形の測定子４８が固定されている。深溝玉軸受け４
５は支軸４６に設けられた皿バネ４７及びナット４６ａ
によって軸方向に予圧がかけられて内外輪と鋼球のすき
まが押さえられている。

【００３４】また、軸受けベース４４の側面４箇所に
は、側面の一端に固着された軸４９に回転自在にプーリ
５０が支持され、測定子４８のフック部４８ａに取り付
けられたワイヤ５２がプーリ５０を介して引っ張りバネ
５３に取り付けられている。引っ張りバネ５３の他端
は、軸受けベース４４の側面の他端に設けられたバネ掛
け５１に掛けられている。さらに、測定子４８の一方
（検出センサー３６側）の先端には先端球４８ｂが固着
され、他方（ワークに当接する側）の先端には先端球４
８ｃが固着されているとともに、フック部４８ａの近傍
にはストッパー５４が取り付けられている。５５は測定
子ユニット４０のカバーである。

【００３５】次に、このように構成された測定ヘッドの
測定ヘッド本体２０と測定子ユニット４０の取付関係及
び作用について説明する。測定子ユニット４０は測定ヘ
ッド本体２０から解放されると、測定子４８がストッパ
ー５４によって拘束されるまで開いて図４のようにな
り、この状態で測定子格納ラック７０に格納されている
が、測定ヘッド本体２０が図５に示す状態（着脱シリン
ダー２５に圧縮空気が供給され、逃がしシリンダ３１に
は圧縮空気が供給されていない）でＦ方向に移動する
と、測定子ユニット４０のチャックリング４３が測定ヘ
ッド本体２０のチャツク球体２９を外側に押し退け、着
脱ピストン２７先端の穴２７ａに入る。

【００３６】この状態から着脱シリンダー２５の圧縮空
気を解放すると圧縮バネ２８によって着脱ピストン２７
がＧ方向に移動するので、チャツク球体２９は着脱シリ
ンダー２５の大径部２５ａから小径部２５ｂに移動して
チャックリング４３のテーパ部４３ａに当接しチャック
リング４３をＧ方向に引き込む。これによって、本体ベ
ース２２に固着された３組の球体２３とユニットベース
４１に固着された３個の円筒体４２が当接して、測定ヘ
ッド本体２０に測定子ユニット４０が固定される。この
結果、図３に示すように、接点回路２４が閉回路になる
ので信号出力部２４ｃから信号が出力される。

【００３７】測定ヘッド本体２０に測定子ユニット４０
が固定されると、検出センサー３６のスピンドル３６ａ
が測定子４８の先端球４８ｂに当接されるので測定可能
状態となるが、測定子４８は外側に開いた状態（図１で
仮想線）になっているので、逃がしシリンダ３１に圧縮
空気を供給しピストン３３によって測定子４８を閉じた
状態（図１で実線）にした後、測定対象の穴に挿入す
る。次に、逃がしシリンダ３１の圧縮空気を解放すると
ピストン３３がＧ方向に移動し、測定子４８が開いて先
端球４８ｃが測定位置に当接する。

【００３８】この場合、測定子４８の揺動支点から検出
センサー３６までの距離をＣ、測定子４８の先端球４８
ｃまでの距離をＤとすると、検出センサー３６のスピン
ドル３６ａの変位量は測定寸法のおよそ「Ｃ／Ｄ」倍と
なるが、厳密には円弧誤差が生じるので、後述するよう
にマスターゲージ８０により校正する。この例ではＣ／
Ｄ＝１／３程度にとっており、前述したように検出セン
サー３６にはディジタル測長センサーが用いられ測定可
能範囲が広くなっているので、この測定子ユニット４０
でＥａからＥｂ（例えば１０mm程度から５０mm程度）ま
での穴径寸法が測定できる。

【００３９】なお、測定対象の穴径や穴位置深さの範囲
が広い場合は、測定子ユニット４０の測定子４８の形状
（Ｄ寸法やＥａからＥｂの範囲）をいくつかの範囲に区
分して測定子ユニット４０を準備しておく。

【００４０】また、測定子ユニット４０は主として穴径
測定に用いるが、測定子４８を１つずつ使用することも
できる。例えば、測定可能最大径Ｅｂより大きい穴径を
測定する場合、測定子４８の先端球４８ｃが穴の測定面
に当接して検出センサー３６から所定の値が検出される
まで測定ヘッドを４方向に移動させ、三次元座標測定機
で検出された測定ヘッドの移動量と検出センサー３６か
らの検出値を演算して穴径を算出する。軸径等について
も、同様にすれば測定子ユニット４０を装着した測定ヘ
ッドで測定することができる。

【００４１】測定ヘッドの実施例２ 図６及び図７に本発明に係る測定ヘッドで、測定子が１
個の測定子ユニット６０を示す。図６が側面図で測定ヘ
ッド本体２０に装着されている状態、図７が正面図でカ
バー６９が外された状態である。

【００４２】図６及び図７において、ユニットベース６
１はユニットベース４１と同じ形状寸法で、Ｇ側には本
体ベース２２に固着された３組の球体２３に対応する位
置に３個の円筒体４２が固着されているとともに、ユニ
ットベース６１の外周の１箇所には切り欠き６１ａが形
成されている。また、図には現れないがユニットベース
６１のＧ側の中央には軸部６１ａが形成されチヤックリ
ング４３が取り付けられている。

【００４３】ユニットベース６１のＦ側には、支点ブロ
ック６２が固着され、支点ブロック６２にはＬ字形の板
バネ６３がバネ押さえ６４によって両端が固定されてい
る。板バネ６３の角部分には測定子６５がバネ押さえ６
６とで板バネ６３を挟んで取り付けられており、測定子
６５にはバー６５ａが固着されて略Ｌ字形に形成される
とともに、検出センサー３６側の先端には先端球６５ｂ
が固着され、バー６５ａの先端（ワークに当接する側）
には先端球６５ｃが固着されている。また、測定子６５
にはバネガイド６７が取り付けられ、バネガイド６７に
支持されて圧縮バネ６８が設けられている。６９は測定
子ユニット６０のカバーである。

【００４４】次に、このように構成された測定子ユニッ
ト６０の作用について説明する。ただし、測定ヘッド本
体２０に対する測定子ユニット６０の位置決め及び固定
方法は測定子ユニット４０の場合と同様であるので説明
は省略する。

【００４５】前述した測定子ユニット４０で穴径を測定
する場合は、４個の検出センサー３６で検出された値を
演算して穴径を算出し、三次元座標測定機で検出された
測定ヘッドの座標値は、検出センサー３６で検出された
値の補正や測定された穴と穴との心間距離の測定等に用
いられるが、測定子ユニット６０の場合は、基本的な測
定値は三次元座標測定機で検出された測定ヘッドの座標
値で、従来から三次元座標測定機に用いられている変位
プローブ（ある範囲の測定が可能な電子プローブで、な
らいプローブともいわれている）と同じように用いられ
る。

【００４６】したがって、測定子６５の変位量は測定子
ユニット４０の測定子４８に比べて非常に小さくてよい
ので、測定ヘッド本体２０に固定された状態で測定子６
５の先端球６５ｃが所定の位置になるように圧縮バネ６
８の圧力が調整される。当然、逃がしシリンダ３１によ
る逃がしは必要なく、ピストン３３は後退したままの状
態にする。

【００４７】この場合、測定子６５の揺動支点（角部
分）から検出センサー３６までの距離をＨ、先端球６５
ｃまでの距離をＩ及びＪとすると、検出センサー３６の
スピンドル３６ａの変位量は、Ｋ及びＬ方向で測定寸法
のおよそ「Ｈ／Ｊ」倍、Ｇ方向で測定寸法のおよそ「Ｈ
／Ｉ」倍となる。なお、測定子ユニット６０の測定方向
はＧ・Ｋ・Ｌの方向であるが、支点ブロック６２関係や
測定子６５の向きをＫ・Ｌと直角方向にした測定子ユニ
ットを構成すると、Ｋ・Ｌと直角方向及びＧ方向に測定
できる測定子ユニットとなる。

【００４８】図８及び図９に本発明に係る測定ヘッドの
測定子ユニット４０や測定子ユニット６０を格納する測
定子格納ラック７０の要部を示す。図８が正面図、図９
が側面図で、測定子ユニット４０が格納されている状態
である。図８及び図９において、格納ベース７１は測定
ヘッド出し入れ自在に略半円形の切り欠き部７１ａが所
定の間隔で形成されている。また、切り欠き部７１ａに
は測定子ユニット４０のユニットベース４１の外径及び
幅より一回り大きい溝７１ｂが形成されるとともに、切
り欠き部７１ａの周辺近傍には圧縮バネ７３で付勢され
たピン７２が複数設けられ、ユニットベース４１を溝７
１ｂの端面に押しつけている。さらに、溝７１ｂの１箇
所Ｎ方向に向け位置決めピン７５が固着され、ユニット
ベース４１に形成された切り欠き４１ａと係合してい
る。

【００４９】このように構成された測定子格納ラック７
０に測定子ユニット４０を格納する場合、測定子ユニッ
ト４０は測定ヘッド本体２０に固定された状態で図８の
Ｍ方向から溝７１ｂにユニットベース４１が所定の位置
まで挿入され、ユニットベース４１の切り欠き４１ａが
位置決めピン７５に係合する。次に、着脱シリンダー２
５に圧縮空気が供給されて着脱ピストン２７がＦ方向に
移動し、チャツク球２９が小径部２５ｂから大径部２５
ａに移動して、ユニットベース４１のチャックリング４
３がチャック球体２９から解放される。この後、測定ヘ
ッド本体２０がＧ方向に移動して、測定子ユニット４０
から離れ測定子ユニット４０の格納が完了する。

【００５０】また、測定子格納ラック７０から測定子ユ
ニット４０を取り出す場合は、測定ヘッド本体２０の中
心と測定子ユニット４０の中心が概略一致した位置で、
測定ヘッド本体２０がＦ方向に移動し、測定子ユニット
４０のチャックリング４３が測定ヘッド本体２０のチャ
ツク球体２９を外側に押し退け、着脱ピストン２７先端
の穴２７ａに入る。次に、着脱シリンダー２５から圧縮
空気が解放され着脱ピストン２７がＧ方向に移動して、
ユニットベース４１のチャックリング４３がチャック球
体２９によってＧ方向に引き込まれ、測定ヘッド本体２
０に測定子ユニット４０が固定される。この後、測定ヘ
ッド本体２０を図８のＮ方向に移動して測定子ユニット
４０を測定子格納ラック７０から取り出す。測定子ユニ
ット６０を格納あるいは取り出す場合も同様である。

【００５１】なお、測定子ユニット４０、６０は格納さ
れている状態ではピン７２に押圧されて溝７１ｂのＧ側
に当接しているが、格納あるいは取り出すときは、測定
ヘッド本体２０の目標位置を溝７１ｂとユニットベース
４１、６１との幅隙間の半分程度Ｆ方向に設定する。こ
れによって、測定子格納ラック７０に対する測定ヘッド
本体２０のＦ及びＧ方向の位置決め誤差が吸収される。
また、測定子格納ラック７０に対する測定ヘッド本体２
０のＭ及びＮ方向と直角な方向は、溝７１ｂとユニット
ベース４１、６１との半径方向隙間で吸収する。

【００５２】次に、本発明に係る測定ヘッドを自動三次
元座標測定機に組み込んだ自動寸法測定装置の例を説明
する。図１０（正面図）及び図１１（側面図）に示す三
次元座標測定機１０はホリゾンタルアーム形の三次元座
標測定機で、ベース１１に載置されたＸ軸案内部１２上
にＸキャリッジ１３がＸ軸方向移動自在に支持されてい
る。Ｘキャリッジ１３にはＺ軸案内部が設けられてい
て、Ｚ軸案内部に沿ってＺキャリッジ１４がＺ軸方向移
動自在に支持され、Ｚキャリッジ１４に内蔵されたＹ軸
案内部に沿ってＹスピンドル１５がＹ軸方向移動自在に
支持されている。また、各案内部には自動駆動機構及び
測長手段が内蔵されており、これによって、Ｙスピンド
ル１５の先端は互いに直交するＸＹＺの３軸方向に移動
自在となり自動的に駆動されるとともに、座標位置が検
出される。

【００５３】Ｙスピンドル１５の先端には本発明に係る
測定ヘッドの測定ヘッド本体２０が取り付けられてお
り、測定ヘッド本体２０には測定子ユニット６０が装着
されている。また、ベース１１には測定子ユニット４０
や測定子ユニット６０を格納する測定子格納ラック７０
及びマスターゲージ８０が設けられている。ワークは図
示していないが、ベース１１上またはベース１１の前方
に設けられた搬送ラインのテーブル上に載置される。

【００５４】このように構成された自動寸法測定装置で
ワークを測定する場合、まず、測定子ユニット４０や６
０が装着された状態でマスターゲージ８０を測定して、
測定ヘッドの校正（マスターゲージ８０に対する測定子
ユニットの位置関係、測定子４８や６５の位置と検出セ
ンサー３６の検出値の関係等）を行う。マスターゲージ
８０は図１２に示すように角形リング形状をしていて中
央の穴８１ａの直径Ｐ及び中心８１ｂから４面（８１ｃ
・８１ｄ・８１ｅ・８１ｆ）までの距離Ｑａ・Ｑｂ・Ｑ
ｃ・Ｑｄが既知であり、支持台８２を介してベース１１
に固定されている。

【００５５】まず、測定子ユニット４０を装着したとき
の校正は次のように行う。測定子４８をマスターゲージ
８０の穴８１ａに挿入したところ、図１２に示すよう
に、測定子ユニット４０の中心４８ｄ（同じ軸方向の測
定子４８の先端球４８ｃの中心を結んだ２つの線の交
点）が、Ｘ軸方向にα、Ｚ軸方向にβだけ偏心していた
と仮定する。この状態では先端球４８ｃは穴８１ａの直
径部分に当接していないので、検出センサー３６の検出
値が大きくなる方向に測定ヘッドを移動させ、検出セン
サー３６の検出値が最大になったところを、測定子ユニ
ット４０の中心４８ｄがマスターゲージ８０の中心８１
ｂと一致した位置とみなし、このときの測定ヘッドのＸ
軸及びＺ軸座標値をその測定ヘッドのＸ軸及びＺ軸座標
値基準とする。

【００５６】この後、各測定子４８の位置と検出センサ
ー３６の検出値の関係を校正するが、前述した測定子ユ
ニット４０の中心位置設定も含めて、Ｚ軸方向を例にし
て詳述する。図１３から図１５は測定子ユニット４０を
装着した測定ヘッドの校正方法を説明するため模式図で
ある。

【００５７】図１３は測定子ユニット４０の中心位置設
定を示す図で、マスターゲージ８０の穴８１ａを測定し
て検出センサー３６の検出値が最大になった状態を表し
ている。このときの検出センサー３６の検出値がＲｏ、
測定ヘッドの座標値がＺｏである。

【００５８】次に、測定ヘッドをマスターゲージ８０の
外側下側に出し、検出センサー３６の検出値がＲｏにな
るまで上側の測定子４８をマスターゲージ８０の面８１
ｆに当接させるとともに、このときの測定ヘッドの座標
値Ｚａを記憶する（図１４の左側）。この状態から測定
ヘッドをさらに上側に座標値Ｚｂまで移動させ、そのと
きの検出センサー３６の検出値Ｒａを読みとる（図１４
の右側）。これによって、上側の測定子４８の変位量に
対する検出センサー３６の検出値の変化量の比ｋａが次
のように求められる。 ｋａ＝（Ｒａ−Ｒｏ）／（Ｚｂ−Ｚａ） この操作を所定の間隔ごとに、また、下方向にも行う。

【００５９】なお、図１４の左側から明らかなように、 Ｚｏ−Ｚａ＝Ｑｄ＋Ｐ／２ であるから、三次元座標測定機１０で検出された座標値
（Ｚｏ−Ｚａ）をマスターゲージ８０の値（Ｑｄ＋Ｐ／
２）で校正することもできる。

【００６０】こうして測定ヘッドの校正を行った後、ワ
ークの穴径を測定した例が図１５で、上側の測定子４８
による検出センサー３６の検出値がＲｂ、測定ヘッドの
座標値がＺｃであったとすると、Ｚｃからワークの穴の
測定面までの距離Ｓａは次のように求まる。 Ｓａ＝（Ｒｂ−Ｒｏ）／ｋａ 同様にして、下側の測定子４８も校正しておくと、検出
センサー３６の検出値ＲｃによってＺｃからワークの穴
の測定面までの距離Ｓｂが求まるので、これからワーク
の穴径が「Ｓａ＋Ｓｂ」として求められる。

【００６１】また、このとき、ワークの穴の中心の座標
値は次のようになる。 Ｚｃ＋（Ｓａ−Ｓｂ）／２

【００６２】測定子ユニット６０を装着したときの校正
は次のように行う。この例の測定子ユニット６０ではＹ
の１方向及びＺの２方向の測定が可能であるので、マス
ターゲージ８０のＺ方向の２面（８１ｄ・８１ｆ）及び
端面８１ｇを測定し、測定子ユニット４０を装着したと
きと同様に測定子６５の先端球６５ｃの位置と検出セン
サー３６の検出値の関係を算出する。

【００６３】この場合、測定子ユニット４０でＹ軸方向
は測定しないので、Ｙ軸方向については測定子ユニット
６０を装着したときと測定子ユニット４０を装着したと
きの相関関係は不要であるが、Ｚ軸方向については測定
子ユニット４０を装着してマスターゲージ８０のＺ方向
の２面（８１ｄ・８１ｆ）の座標値を求めおき、この座
標値を用いて測定子ユニット６０を装着した測定ヘッド
の校正する。

【００６４】つまり、図１６の左側に示すように、測定
子ユニット４０を装着した測定ヘッドでマスターゲージ
８０の面８１ｆを測定したときの座標値をＺｃとし、測
定子ユニット６０を装着した測定ヘッドの測定子６５の
先端球６５ｃをマスターゲージ８０の面８１ｆに当接さ
せたとき（測定子６５を中立の状態から少し変位させた
状態）の検出センサー３６の検出値をＲｄ、測定ヘッド
の座標値をＺｄとすると、検出センサー３６の検出値が
Ｒｄと検出されたときの、先端球６５ｃの上側が当接し
ている面の座標値をＺｃに設定する。

【００６５】また、この状態から、図１６の右側に示す
ように、測定ヘッドを「Ｚｅ−Ｚｄ」だけ上方に移動
し、そのときの検出センサー３６の検出値をＲｅとする
と、先端球６５ｃの変位量に対する検出センサー３６の
検出値の変化量の比ｋｂは次のようになる。 ｋｂ＝（Ｒｅ−Ｒｄ）／（Ｚｅ−Ｚｄ）

【００６６】このようにして、マスターゲージ８０の面
８１ｆの座標値Ｚｃに対するＺｄとＲｄの関係及びｋｂ
を求めた後、図１７に示すようにワークの下面を測定す
ると、ワークの下面のＺ軸座標値Ｚｇは次のように求め
ることができる。このときの測定ヘッドのＺ軸座標値を
Ｚｆ、検出センサー３６の検出値をＲｆとすると、測定
子６５の変位量は、 （Ｒｆ−Ｒｄ）／ｋｂ であるから、 Ｚｇ＝Ｚｆ−Ｚｄ＋Ｚｃ−（Ｒｆ−Ｒｄ）／ｋｂ となる。

【００６７】マスターゲージ８０の位置に対する測定ヘ
ッドの位置関係の校正は三次元座標測定機１０に電源を
入れた後に必ず行う必要があるが、測定子の変位量と検
出センサー３６の検出値の変化量の比ｋａやｋｂの校正
は、測定前にまとめて行うか、測定子ユニット４０、６
０を交換する都度行うかいずれでもよい。

【００６８】測定ヘッドの校正が完了すると、次に、測
定子ユニット６０を装着した測定ヘッドでワークの基準
面等を測定して、三次元座標測定機１０のＸＹＺ座標基
準位置とワークの位置関係やＸＹＺ座標軸に対するワー
クの傾き量を得る。この後、ワークの端面や穴の深さ等
を測定する場合は測定子ユニット６０のままでよいが、
穴径を測定する場合は、測定子ユニット６０を測定子ユ
ニット４０に替えて測定する。

【００６９】穴径を測定する場合、従来の技術で説明し
たように、測定子のワークへの当接姿勢がマスターゲー
ジ測定時に対して変化すると姿勢誤差が発生する。ただ
し、本発明にかかる測定ヘッドでは穴の４方向を測定し
て４個の測定値から穴径を算出する（３つの測定値があ
れば穴径が特定できる）ので、従来の技術で説明したよ
うに測定子が半径方向にずれても（図１９）、正確に測
定できる。本発明にかかる測定子ユニット４０を装着し
た測定ヘッドで必要な補正は穴の測定面が三次元座標測
定機の座標軸に対して傾いた場合（図２０に示した例と
同じ）であり、これを図１８に示す。

【００７０】この場合は、あらかじめ測定子ユニット６
０でワークの基準面Ｗａを測定して三次元座標測定機の
座標軸に対する傾き量を求めておき、それを用いて補正
する。ただし、ワークの基準面Ｗａに対して穴の測定面
が直角になっていないことがあらかじめ分かっている穴
については、その傾き分も補正する。三次元座標測定機
の座標軸に対するワークの基準面Ｗａの傾きをγ゜、ワ
ークの基準面Ｗａに対すると穴の傾きをδ゜、２個の検
出センサー３６の値の演算値をＴａとすると、穴径Ｔは
次のようになる。 Ｔ＝Ｔａ×cos(γ＋δ−９０)

【００７１】なお、本発明は以上に説明した内容に限ら
ず、次の場合にも適用できる。

【００７２】位置決め手段を、測定ヘッド本体２０に２
個１組で３組の球体２３を固着し、測定子ユニット４０
や６０に３個の円筒体４２を固着して設けたが、これと
反対に設けてもよいし、２個１組で３組の球体２３の代
わりに２個１組で３組の円筒体をＶ字形に設けてもよ
い。

【００７３】測定ヘッド本体２０に４個の検出センサー
３６を設け、測定子ユニット４０に測定子を４個設けた
が、３個ずつとしてもよい。

【００７４】検出センサー３６を測定範囲が長くてもあ
まり精度が変わらないディジタル測長センサーとした
が、高い測定精度が要求されない場合は、測定子４８の
レバー比（Ｃ／Ｄ）を小さくして測定範囲が広くとれな
いセンサー（差動トランス等）を用いてもよい。

【００７５】測定子ユニット４０の測定子４８の支持機
構を深溝玉軸受け４５による軸受け部４４ａとしたが、
測定子４８の揺動角度が小さい場合は、測定子ユニット
６０のように板バネ支持機構としてもよい。

【００７６】測定子逃がしシリンダー３１を測定ヘッド
本体２０に設けたが、測定子ユニット４０に設けて、測
定ヘッド本体２０に固定された後に測定ヘッド本体２０
側から圧縮空気が供給される方法でもよい。

【００７７】測定子逃がしシリンダー３１は測定子ユニ
ット４０の着脱時には圧縮空気が供給されない状態とし
たが、圧縮空気が供給される状態としてもよい。

【００７８】測定子ユニット４０や６０と測定ヘッド本
体２０との着脱手段は従来から用いられている方法であ
り、他の方法でもよいことはいうまでもない。

【００７９】測定子格納ラック７０についても一つの例
であり、他の方法でもよい。測定子格納ラック７０の構
造によって、ユニットベース４１や６１の形状を変更す
れば本発明は適用できる。

【００８０】三次元座標測定機は実施例で示したホリゾ
ンタルアーム形以外にも、ブリッジ門移動形の三次元座
標測定機や他の構造形式のものについても、本発明に係
る測定ヘッドを用いてワークを測定することができる。
ただし、測定ヘッドを装着する軸が下向きの場合は、測
定子格納ラック７０を水平方向（Ｇ方向を上）に配設す
るとともに、マスターゲージ８０の姿勢も端面８０ｇを
上向きにする。

【００８１】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る測定子
交換式測定ヘッドによれば、測定子を穴径測定用や点測
定用等の測定子ユニットにまとめ、検出センサーは交換
せず、測定子ユニットを交換するとともに、測定範囲の
広い検出センサーを用いたので、多数の測定内容に低価
格で対応できる測定ヘッドを提供することができる。

【００８２】また、この測定ヘッドを自動三次元座標測
定機に装着して自動寸法測定装置を構成した。したがっ
て、多数の測定内容に対しても低価格であり、測定子の
交換も頻繁に行う必要がないので測定時間が短い自動寸
法測定装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る測定ヘッド実施例１の測定子ユニ
ット４０が測定ヘッド本体に固定された状態を示す図

【図２】図１のＡ矢視図（正面図）

【図３】図１のＢ−Ｂ断面に相当する部分で、位置決め
部分を展開して接点回路を模式的に表現した図

【図４】本発明に係る測定ヘッド実施例１の測定子ユニ
ット４０を測定ヘッド本体から取り外した状態を示す図

【図５】本発明に係る測定子ユニットが装着されていな
い状態の測定ヘッド本体を示す図

【図６】本発明に係る測定ヘッド実施例２の測定子ユニ
ット６０が測定ヘッド本体に固定された状態を示す図
（側面図）

【図７】図６の正面図

【図８】本発明に係る測定ヘッドの測定子ユニットを格
納する測定子格納ラックの要部を示す図（正面図）

【図９】図８の側面図

【図１０】本発明に係る自動寸法測定装置の正面図

【図１１】本発明に係る自動寸法測定装置の側面図

【図１２】マスターゲージの概要図

【図１３】測定子ユニット４０の中心位置設定方法を説
明する図

【図１４】測定子ユニット４０の測定子の変位量に対す
る検出センサー検出値の変化量を求める方法を説明する
図

【図１５】測定子ユニット４０を装着した測定ヘッドで
ワークの穴径を測定する例を示す図

【図１６】測定子ユニット６０の測定子の変位量に対す
る検出センサー検出値の変化量を求める方法を説明する
図

【図１７】測定子ユニット６０を装着した測定ヘッドで
ワークの端面を測定する例を示す図

【図１８】本発明に係る測定ヘッドで三次元座標測定機
の座標軸に対して傾いた穴を測定した場合の補正を説明
する図

【図１９】従来の測定ヘッドで測定子が半径方向にずれ
た場合の誤差を説明する図

【図２０】従来の測定ヘッドで測定子が軸方向に傾いた
場合の誤差を説明する図

【符号の説明】

２０……測定ヘッド本体 ２２……本体ベース ２３……２個１組の球体 ２４……接点回路 ２５……着脱シリンダー ２７……着脱ピストン ２９……チャック球体 ３１……逃がしシリンダー ３３……ピストン ３６……検出センサー ３６ａ…スピンドル ４０……測定子ユニット ４１……ユニットベース ４２……円筒体 ４３……チャックリング ４６……支軸 ４８……測定子 ４８ｂ…先端球 ４８ｃ…先端球 ５３……引っ張りバネ ５４……ストッパー

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 21/00 - 21/32

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】検出センサーが内蔵された測定ヘッド本体
   と、 一方の端が被測定物に当接し、他方の端が前記検出セン
   サーに当接する測定子を備えた測定子ユニットと、 前記測定ヘッド本体に対する前記測定子ユニットの取付
   位置を決める位置決め手段と、 前記測定ヘッド本体に前記測定子ユニットを固定すると
   ともに、前記測定ヘッド本体から前記測定子ユニットを
   解放する着脱手段と、 から構成され、前記位置決め手段が、 前記測定ヘッド本体と前記測定子ユニットが係合する２
   つの係合面のうち、一方の面の絶縁部分に同一円周上中
   心角約１２０度間隔で固着された２個１組で３組の導電
   性の球体と、 前記係合面の他方の面の絶縁部分に前記球体に対応する
   位置に固着された３個の導電性の円筒体と、 前記３組の球体と前記３個の円筒体とで構成する３箇所
   すべての接触点が接触した場合に、前記３組の球体が導
   通して信号を出力する接点回路と、 から構成され、 前記検出センサーが、ディジタル測長センサーで、同一
   円周上中心角約９０度間隔で４個設けられ、 前記測定子を測定方向と反対方向に移動する逃がし手段
   を、前記測定ヘッド本体の前記検出センサー近傍４箇所
   に設け たことを特徴とする測定子交換式測定ヘッド。
2. 【請求項２】 前記測定子ユニットが、 前記位置決め手段及び前記着脱手段によって、前記測定
   ヘッド本体に位置決めされるとともに着脱自在に構成さ
   れたユニットベースと、 前記ユニットベースに同一円周上中心角約９０度間隔で
   設けられ、測定子を揺動自在に支持する４個の支持機構
   と、 前記支持機構に支持され、一方の端が被測定物に当接
   し、他方の端が前記検出センサーに当接するとともに、
   直交する２方向の互いに離れる方向に測定方向を有する
   ４個の測定子と、 前記４個の測定子を測定方向に付勢する付勢手段と、 から構成されたことを特徴とする請求項１に記載の測定
   子交換式測定ヘッド。
3. 【請求項３】 前記測定子ユニットが、 前記位置決め手段及び前記着脱手段によって、前記測定
   ヘッド本体に位置決めされるとともに着脱自在に構成さ
   れたユニットベースと、 前記ユニットベースに設けられ、測定子を揺動自在に支
   持する１個の板バネ支持機構と、 前記板バネ支持機構に支持され、一方の端が被測定物に
   当接し、他方の端が前記検出センサーに当接する１個の
   測定子と、 から構成されたことを特徴とする請求項１に記載の測定
   子交換式測定ヘッド。
4. 【請求項４】 前記測定子交換式測定ヘッドを互いに直交
   する３軸方向に移動自在に支持するとともに自動的に駆
   動し、さらに、前記測定子交換式測定ヘッドの三次元座
   標位置を検出する測長手段を備えた三次元座標測定機
   と、 前記三次元座標測定機に支持された前記測定子交換式測
   定ヘッドの測定ヘッド本体と、 少なくとも１個の請求項２に記載の測定子ユニットと、 少なくとも１個の請求項３に記載の測定子ユニットと、 前記三次元座標測定機の固定部分に設けられ、複数の前
   記測定子ユニットを格納する測定子格納ラックと、 前記三次元座標測定機の固定部分に設けられ、前記測定
   子交換式測定ヘッドを校正する基準となるマスターゲー
   ジと、 から構成されたことを特徴とする自動寸法測定装置。