JP3210965B2 - ボールステップゲージのボール間隔測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、三次元測定機用や
マシニングセンタなどの工作機械の測長の精度を校正ま
たは測定検査する基準器として用いられる、複数のボー
ルを設けたボールステップゲージのボールの間隔を正確
に計測するためのボール間隔測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】三次元測定機は、三次元空間に存在する
離散したＸ、Ｙ、Ｚの座標点を用いて計算機の支援によ
り寸法及び形状を測定するための装置であり、より具体
的には、定盤上に載置した被測定物と、測定機において
Ｚ軸先端に取り付けたプローブを、被測定物に対して
Ｘ、Ｙ、Ｚの三次元方向へ相対移動させ、プローブが被
測定物に接触した瞬間をとらえ、この瞬間を電気的トリ
ガとして各送り軸方向の座標値を読みとり、計算機によ
り寸法及び形状を計測するものである。

【０００３】上記のような三次元測定機は特に高精度を
要求されることが多く、高精度の測定を保証する意味か
ら、精度検査を逐次行い、その後この三次元測定機を用
いて測定する際には、精度検査の結果を補正値として用
いて指示値を補正し、或いは調整手段により三次元測定
機の指示値の微調整を行う。この三次元測定機の精度検
査に際しては、基準となるゲージが必要であり、このゲ
ージとしては、プローブを三次元的に移動させることに
よりその検出値を評価できるようにしなければならな
い。

【０００４】三次元測定機の各軸の誤差をどのように調
べるかということは多くの研究者の重大な課題であっ
た。そこで、まず三次元測定機の誤差を求める目的にあ
ったゲージの考案がなされ、基本的には球体の測定を行
ってなされるべきであることは周知の事実となってい
る。そして、球体をどのような形態で配置した測定評価
ゲージとするかが次の問題となり、球体を同一平面内に
どのように配置するのか、或いは立体的に配置するのか
など、種々検討されている。

【０００５】上記球体を用いたボールゲージとしては、
複数のボールを一直線上に並べたボールステップゲージ
が広く用いられており、例えば図９及び図１０に示すよ
うなものが知られている。図９において（ａ）は平面
図、（ｂ）は右側面図、（ｃ）は前記平面図の中央断面
図である。図９において、ゲージ枠体８０には図中３個
の円形の穴８１が形成され、その中心底部にボール受部
８２を形成するとともに、このボール受け部８２の周囲
に、枠体の長手方向に対向して設けたプローブ挿入溝８
３、８３と、これと直角方向に対向してプローブ挿入溝
８４，８４とを設けている。このボール受部８２には高
精度の球形のボール８５を載置しており、それによりボ
ールステップゲージ８６が構成されている。

【０００６】例えば三次元測定機の校正にこのボールス
テップゲージ８６を使用する際には、このボールステッ
プゲージ８６を定盤上に載置固定し、最初、例えば図中
右側のボールの位置を測定するに際しては三次元測定機
のプローブを少なくともこのボール８５の外周の４カ所
に当ててボールの中心位置を計算して測定し、同様にし
て順にすべてのボールの位置を測定する。ボールの位置
から得られる各ボールの間隔は、予め高精度の三次元測
定機で値付けられており、その値と前記測定結果とを比
較して、この三次元測定機の校正を行っている。

【０００７】また、図１０（ａ）に示す従来の他のボー
ルステップゲージにおいては、基枠体９1の上に図中３
個のボール９２を固定した支柱９３を固定している。支
柱９３の一部は薄く剃ぎ落とされていて板ばね的効果を
発揮するように構成され、それにより先端に支持したボ
ール９２が左右に移動できるようにしている。中央のボ
ールと左右のボールとの間には連結管９４が配置され、
その連結管９４の両端部分はボール９２の外径形状及び
寸法に合致し、密着するように形成している。左右のボ
ールの両側には加圧管９５が配置され、外側からは基枠
体９１に立設した支持枠体９６に螺合するねじ９７によ
り押圧され、連結管９４のもっている有効的長さに従っ
てボール間隔を決定することがきるようになっている。

【０００８】図１０（ｂ）は上記（ａ）部分平面図であ
り、この図に示されるように、連結管９４及び加圧管９
５がボールと当接する部分にプローブ挿入溝９８が形成
され、前記図８に示すボールステップゲージ８６のプロ
ーブ挿入溝８３と同様の機能をなす。この図１０に示す
ボールステップゲージ９９の各ボール９２の間隔も高精
度の三次元測定機によって値付けられており、このボー
ルステップゲージ９９の使用に際しては、前記図９に示
すものと同様に使用する。

【０００９】図９及び図１０に示すボールステップゲー
ジにおいては、各ボール間隔は高精度の三次元測定機に
より測定され、その精度はある程度高いものの、熱的外
乱により、枠体の上下温度差や左右温度差を生じたとき
には、その温度差による熱膨張によって枠体のバイメタ
ル的効果を生じ、曲がりが発生し、このボールステップ
ゲージの精度が低下する問題点があった。

【００１０】その対策として、本発明者らは図８に示す
ようなボールステップゲージを開発し、特許出願を行っ
ている。同図にて（ａ）は平面図、（ｂ）は右側面図、
（ｃ）は斜視図である。ゲージ枠体１は左右の垂直枠
２，３と、両垂直枠２，３の中間部を連結する水平枠４
とからなり、図（ｂ）及び図（ｃ）に示すように断面が
Ｈ型をなしている。

【００１１】図８において、ゲージ枠体１の水平枠４の
中心には、その軸線方向に沿って所定間隔毎にボール５
を挿入する穴６が加工されており、ボール５はその穴６
に圧入されてゲージ枠体１と一体になっている。ボール
５はその中心が、上下方向も左右方向も共に、H型断面
をなすゲージ枠体１の断面二次モーメントの中立軸とな
る軸線Ｌに合致するように、ゲージ枠体１に圧入されて
固定されている。

【００１２】ゲージ枠体１の穴６には、図中４個の溝７
が、ボール５の周囲に設けられている。この溝７は三次
元測定機等を使用して、このボールステップゲージ１０
のボール間隔を測定する際に、三次元測定機のプローブ
をボール５に接触するために必要な移動空間である。

【００１３】図８（ａ）において、軸線Ｌは上記のよう
にゲージ枠体１の断面二次モーメントの中立軸であり、
この軸線Ｌ上に全てのボール２の中心が位置し、したが
って上記軸線Ｌはボール５の配列中心線ともなってい
る。

【００１４】ゲージ枠体１において、上記軸線Ｌに平行
であり、その使用状態において左右の垂直枠２，３の上
側の面となる上下方向端面１１，１２、及び水平枠４の
壁面１３は、後述する本発明のボールステップゲージ測
定用光波干渉ステッパのローリング防止面として機能す
る面である。このローリング防止面はどの1面を採用し
てもよく、H型の断面寸法と前記干渉ステッパの形状、
寸法等、あるいは設計構造上の観点から、適当な1面を
選択すればよい。

【００１５】上記のような構造のボールステップゲージ
１０は、全てのボール５の中心がゲージ枠体１の断面二
次モーメントの中立線上に存在するので、熱的外乱によ
り、枠体の上下温度差や左右温度差が原因で発生する熱
膨張による枠体のバイメタル的効果により曲がりが発生
しても、ボール間隔の寸法変化が発生しにくくなる。ま
た、ボールステップゲージ１０の枠体は弾性支持ばりで
あるので、静的加重によってはりとしての弾性変形が発
生するが、この変形が発生しても、ボール間隔の変化は
微小なものとすることができる。したがって、極めて正
確なボールステップゲージとすることができ、このボー
ルステップゲージを用いた三次元測定機の校正を正確に
行うことができる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】上記のようなボールス
テップゲージを製造した後には、ボールの位置を特定す
る作業が必要となるが、従来は、できる限り高精度の三
次元測定機を用い、ボールの位置を計測することによっ
て行っていた。しかしながら、いかに高精度の三次元測
定機を用いても、それによって得られる精度はその三次
元測定機自身がもつ精度の範囲内のものであり、このボ
ールステップゲージで校正される三次元測定機は、前記
三次元測定機より下位の精度の三次元測定機の校正のた
めの基準器としてのみ有効である。

【００１７】一般的に測定機器を校正するための基準器
の精度は、被校正機器の精度の１／５から１／１０くら
いの精度で校正されていることが望ましい。近年、三次
元測定機の精度の向上は目覚ましく５００mm 測長で１
μm以下のものも出現している。しかし、この1μmの１
／５の０．２μmの精度の三次元測定機は実在しない。
１μm精度の基準器で１μm精度の三次元測定機を校正し
たのでは長さのトレーサビリテイに関して矛盾を生じる
こととなる。

【００１８】したがって本発明の目的は、ボールステッ
プゲージの寸法を、長さ標準としての光の波長を直接使
用する光波干渉測定手段を用い、正確且つ迅速に校正を
行うことができるようにしたボールステップゲージのボ
ール間隔測定方法を提供することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、ボールステップゲージの２個のボールから
なる１組にボールステップゲージ測定用光波干渉ステッ
パを馬乗的に載置し、該光波干渉ステッパのローリング
を防止して１意的に位置決めされた左右２個の反射鏡の
位置を光波干渉測定することにより、ボールステップゲ
ージのボール間隔を測定することを特徴とするボールス
テップゲージのボール間隔測定方法としたものである。

【００２０】また、前記左右２個の反射鏡が配置される
面を、ボールの中心を通るように設定したものであり、
また、前記光波干渉ステッパによりボールステップゲー
ジのボールの列に沿って順にボール間隔を測定し、次い
でボールステップゲージを反転して同様に逆側からボー
ル間隔を測定し、両測定結果によりボール間隔を測定し
たものである。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明の実施例を図面に基づいて
説明する。図１は本発明によるボールステップゲージ用
のボール間隔測定法法を適用する光波干渉ステッパ２０
の正面図であり、図中には前記したボールステップゲー
ジ１０のボール５、５’を２点鎖線で書き加えている。
図２はその底面図である。図３はステッパの右側面図で
あり、図４は左側面図であって、同様にボールステップ
ゲージ１０のH型枠体を２点鎖線で図示している。図５
は前記光波干渉ステッパ２０に用いられる反射光学系の
支持装置を示し、図６は前記光波干渉ステッパ２０に用
いられる軸の拡大側面図である。

【００２２】図１〜図４に示すように、光波干渉ステッ
パ２０は、上板２１に第１スベーサ２２が固定されてお
り、この第１スベーサ２２の下面に鋼球またはセラミッ
ク球等の球体２３が３個、同心円上に互いに１２０度の
角度間隔で固定されている。このような３個の球体２３
で構成され、ボール５や５’に係合する座面は３球球面
座と呼ばれ、ボール５に対して安定した支持を行うこと
ができる。

【００２３】光波干渉ステッパ２０の上板２１には第１
スペーサ２２とは別の第２スペーサ２４が固定されてお
り、この第２スペーサ２４の下部には円筒欠円穴が、相
互に、その穴の紬線が平行で、且つ、前記したボール配
列中心線となる軸線Ｌと平行な方向に、２個形成されて
いる。この欠円穴に円筒棒２５が２個圧入されている。
この円筒棒２５には転がり軸受用の円筒ころを採用する
ことが望ましい。この円筒棒２５は円筒穴の欠円部から
突出して、前記したボール５’に1点づつ合計２点で接
触する。

【００２４】この部分の構成としては、上記のように、
円筒棒２５を平行配列する以外に、平面をＶ字型に直交
配列したり、またはスペーサ２４の下部をＶ字状の交差
平面に成形しても、ボール５や５’に対して２点で接地
するように構成すると、上記効果と同様の効果を達成で
きる。しかしながら、円筒棒２５を前記したように転が
り軸受用円筒ころで構成するほうが、ボール球面との摩
擦力を少なくできる点で優れている。

【００２５】上記光波干渉ステッパ２０は、ボールステ
ップゲージ１０の隣接する２個のボール５，５’上に馬
乗り的にまたがり設置される。公知の通り、剛体の空間
における位置と姿勢の自由度は合計６自由度であるか
ら、ボールステップゲージ１０に対して、ステッパ２０
を完全に拘束するためには、３球球面で３点拘束し、ボ
ール５’に対して円筒棒２５で２点拘束しているのでこ
こまで５点拘束が成立している。最後の６点目の拘束
は、ボールステップゲージ１０のローリングを防止する
目的で、図示実施例では前記ボールステップゲージ１０
のローリング防止面としての垂直枠の端面に対して、上
板２１から下方に突出した小球２６を突き当て行う。小
球２６は調整ねじ２７の下端に固定されており、調整ね
じ２７は上板２１に螺合されて、上下方向に調整された
後、上板２１に対してナット２８によりロックされる。
なお、前記のように、このローリング防止面としては、
上記垂直枠の端面以外に、例えば水平枠の上面等を用い
ることもできる。

【００２６】以上のように光波干渉ステッパ２０を構成
することにより、２個のボール５，５’上にこの光波干
渉ステッパ２０を馬乗り状に載置するのみで、剛体の空
間の６自由度を完全に拘束することができ、容易に、且
つ正確に三次元測定機の校正の準備作業を行うことがで
きる。

【００２７】上記光波干渉ステッパ２０の上板２１の両
側にはミラー支持腕３０が突出しており、各ミラー支持
腕３０には、図５に詳細に示すようにミラーホルダ３１
が位置決めされ固定されている。図５において、（ａ）
は実施例の正面図の断面図であり、（ｂ）は左側面図、
（ｃ）は右側面図、（ｄ）はＶ溝と小球の接触状態を示
す部分平面図である。

【００２８】図５に示すように、反射鏡３２はミラーホ
ルダ３１に固定されている。ミラーホルダ３１にはばね
掛棒３３が固定されており、このばね掛棒３３に引張ば
ね３４のフックが掛けられている。また、ミラー支持腕
３０の背面に固定したばね掛アーム３５のばね止め３９
に、前記引張ばね３４の他端のフックが掛けられてお
り、ミラーホルダ３２を放射状に配置した下記のＶ溝３
６の放射中心に合致した位置で、図５（ａ）中において
左方向に引張っている。

【００２９】ミラーホルダ３１の反射鏡３２の取付面の
反対側の面には、図５（ｃ）に破線で示すように、Ｖ溝
３６が３本、放射状に１２０度の角配列で成形されてい
る。このＶ溝に小球３７が、１個づつ合計３個落ち込む
ように形成しており、前記引張ばねの張力により、Ｖ溝
３６と確実に接地している。各小球３７はＶ溝３６に２
点で接触しており、小球は３個あるので、この３個の合
計により、ミラーホルダ３１をミラー支持腕３０に対し
て安定的な６点拘束を実施している。小球３７はそれぞ
れの調整ねじ３８の先端に固定され、調整ねじ３８はミ
ラー支持腕３０に螺合している。

【００３０】以上のように反射光学系の支持調整装置を
構成したので、３本の調整ねじ３８を適宜ねじり、調整
することにより、図３に示す光波干渉ステッパ２０の３
球球面座の中心線A−Aに対して、反射鏡３２の反射面を
完全に合致させることができ、且つ後述する干渉光紬に
対して反射面を垂直にする姿勢に容易に調整することが
できる。なお、上記反射鏡の代わりに、光学用反射部材
として通常用いられているコーナキューブ等、各種の反
射部材を用いることができる。

【００３１】上記のような光波干渉ステッパ２０を用
い、前記ボールステップゲージ１０のボールの間隔を測
定するに際しては、図８の光学系原理図に示すように、
投光受光器４１、第１ハーフミラー４２、第２ハーフミ
ラー４３、第１反射プリズム４４、第２反射プリズム４
５を用いた公知の光干渉計測装置４０を用いる。この光
干渉計測装置４０により、第１ハーフミラー４２と第２
ハーフミラー４３からの光を、前記光波干渉ステッパ２
０の両側に位置する反射鏡３２、３２’に対して投光
し、その反射光を受け、両反射鏡３２，３２’の位置、
即ちボール５の中心位置を正確に測定する。

【００３２】ボールステップゲージ１０の第１番目のボ
ール５と第２番目のボール５’とで位置決めされて決定
される反射鏡３２，３２’の反射面の位置を測定原点の
零点とし、次に第２番目と第３番目のボールの位置に光
波干渉ステッパ２０を移動させ、図８中２点鎖線で示さ
れるように、前記と同様に位置測定を行う。この移動測
定を順次繰り返して、ボールステップゲージの各ボール
の位置を測定し、それによりボール間隔を測定すること
ができる。なお、最後の１組のボール間隔は、ボールス
テップゲージを反転して、前記と同様な干渉測定を実施
することによって測定を行うことができる。それによ
り、光の波長を直接測定標準として用い、全ボール間隔
を測定することができ、従来の三次元測定機を用いてボ
ール間隔を測定するものと比較して正確な測定を行うこ
とができ、極めて正確なボールステップゲージとするこ
とができる。

【００３３】更に必要ならば、ボールステップゲージ１
０を前後逆転させて状態で、前記と同様な干渉測定を順
に実施することにより、各ボール間隔を前後逆方向から
２回計測し、２つの計測値の平均をとる等によって、よ
り正確な測定を行うこともでき、更に精密なボールステ
ップゲージとすることができる。

【００３４】ボール５と光波干渉ステッパ２０の３球球
面座は、水平移動させる際に両者の位置の干渉を開放す
るため、光波干渉ステッパ２０を持ち上げるようにし
て、次のボール位置に移動する。この上下方向移動には
三次元測定機のＺ軸機能を使用して、軸５０をZ軸にチ
ャッキングして行うことができる。水平移動は同様に三
次元測定機のX軸機能を使用して、光波干渉ステッパ２
０を直接移動させることができる。また、テーブル移動
形三次元測定機を用いる場合は、そのX軸機能でボール
ステップゲージ１０そのものを移動して、水平移動を行
うこともできる。

【００３５】図６は光波干渉ステッパ２０の上板２１
と、上記干渉測定時に光波干渉ステッパ２０を移動する
軸５０の嵌合状況を示す説明図であり、軸５０の上板２
１の穴２９とは図示するように、若干の嵌合すきま５１
を有すると共に、上板２１の下面５２と軸５０の下端に
設けたフランジ５３との間にも若干の隙間５４を有する
ことが望ましい。これは、三次元測定機のZ軸下部と軸
５０が、その上部５２で結合された場合、前記したボー
ルステップゲージ１０の６点拘束以外の付加的拘束が発
生しないための対策であり、上記のように、干渉測定時
に前記穴２９に対して半径方向にも、軸５０が上板４１
に対してすきまを保持していることが必要である。な
お、上記軸５０を上板２１に完全に固定した場合には、
軸５０の上部５５が三次元測定機のZ軸端に対して、す
きまを有する支持部材設ける等の対策が必要である。

【００３６】このような光波干渉ステッパ２０を用いる
ことにより、光波干渉ステッパが例えば図３及び図４に
おいて左右に傾斜したときでも、両反射鏡３２，３２’
は常に両ボール５，５’を通る軸線を中心に傾斜するた
め、アッベの原理が順守され、常に正確な計測を行うこ
とができる。

【００３７】また、このようなボール間隔測定方法は、
前記図８に示すようなボールステップゲージに対して適
用するのみならず、例えば図９に示すような従来のボー
ルステップゲージ等、２個のボール上に載置して６自由
度を拘束できる形式のボールステップゲージならば全て
のものに適用することができる。

【００３８】

【発明の効果】本発明によるボールステップゲージのボ
ール間隔を測定する測定方法は、ボールステップゲージ
の寸法を長さ標準としての光の波長を直接使用する光波
干渉測定により正確に測定することができる。またその
測定に際しては、アッベの原理を順守し極めて正確な測
定を行うことができ、更に、ボールステップゲージに光
波干渉ステッパを載置するのみで容易に、且つ迅速な測
定を行うことができる。また、光波干渉ステッパを移動
しても干渉縞の誤測定を防止することができ、正確な測
定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるボール間隔測定方法を適用する光
波干渉ステッパの実施例を示す正面図である。

【図２】同光波干渉ステッパの平面図である。

【図３】同光波干渉ステッパの右側面図である。

【図４】同光波干渉ステッパの左側面図である。

【図５】同光波干渉ステッパに用いるミラーホルダ部分
を示す図であり、（ａ）はその断面図、（ｂ）は同左側
面図、（ｃ）は同右側面図、（ｄ）は同ミラーホルダー
のＶ溝と小球との接触状態を示す部分平面図である。

【図６】同光波干渉ステッパに設ける軸部分の拡大側面
図である。

【図７】同光波干渉ステッパの使用時に適用する光干渉
計測の光学系の原理図である。

【図８】本発明のボール間隔測定方法により測定するボ
ールステップゲージであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は
側面図、（ｃ）は斜視図である。

【図９】従来のボールステップゲージを示し、（ａ）は
その平面図、（ｂ）は右側面図、（ｃ）は長手方向断面
図である。

【図１０】従来の他のボールステップゲージを示し、
（ａ）はその断面図、（ｂ）はその一部平面図である。

【符号の説明】

２０ 光波干渉ステッパ ２１ 上板 ２２ 第１スペーサ ２３ 球体 ２４ 第２スペーサ ２５ 円筒棒 ２６ 小球 ２７ 調整ねじ ３０ ミラー支持腕 ３１ ミラーホルダ ３２ 反射鏡

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 G01B 21/00 - 21/32

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ボールステップゲージの２個のボールか
   らなる１組にボールステップゲージ測定用光波干渉ステ
   ッパを馬乗的に載置し、該光波干渉ステッパのローリン
   グを防止して１意的に位置決めされた左右２個の反射鏡
   の位置を光波干渉測定することにより、ボールステップ
   ゲージのボール間隔を測定することを特徴とするボール
   ステップゲージのボール間隔測定方法。
2. 【請求項２】 前記左右２個の反射鏡が配置される面
   を、ボールの中心を通るように設定してなる請求項１記
   載のボールステップゲージのボール間隔測定方法。
3. 【請求項３】 前記光波干渉ステッパによりボールステ
   ップゲージのボールの列に沿って順にボール間隔を測定
   し、次いでボールステップゲージを反転して同様に逆側
   からボール間隔を測定し、両測定結果によりボール間隔
   を測定する請求項１記載のボールステップゲージのボー
   ル間隔測定方法。