JP4230408B2 - 深穴計測装置および深穴計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、深穴の各種加工精度を計測する深穴計測装置および深穴計測方法に関するものであり、特に、航空機のエンジンやランディングギア、加速器、新幹線の車軸、プラスチック射出成形機、印刷機の巻取りシリンダ、火器、ドリルカラ等のように、精度を要する深穴加工全般に好適に適用することができる深穴計測装置および深穴計測方法に関するものである。

近年、各種産業用機器、輸送機は高機能化が進んでいるため、これら機器やその部品等においては、その高機能化に伴い、高精度の製造や加工が要求されている。このような機械加工のうち、深穴加工（穴深さ／穴径の比が大きい穴の加工）では、深穴の加工精度を向上させるために、形成される穴の真円度や真直度等を計測することが重要となる。

上記深穴加工において、加工精度を計測する技術としては、例えば、本発明者らによって提案されている深穴評価装置および深穴評価方法を挙げることができる（特許文献１参照）。

上記技術では、先端部分を被加工物に対して回転させ、該回転の中心軸から被加工物の内壁までの半径方向の距離を計測する深穴評価プローブを用いている。すなわち、この技術で用いられている深穴評価装置は、被加工物の深穴内部に存在し、深穴の形成方向に回転して移動可能な深穴評価プローブと、被加工物の外部に存在し、深穴評価プローブから得られた計測データを計測結果として生成し出力する本体部とを備える構成であるということができる。

上記深穴評価装置では、上記平面における深穴評価プローブの位置ずれと中心軸を中心とする円方向における深穴評価プローブの傾きとをそれぞれ検出するようになっている。ここで、上記位置ずれおよび傾きを示す成分にお互いの干渉成分が含まれているため、実際の深穴評価プローブの位置ずれ、傾きとは異なる検出結果となる。それゆえ、上記技術では、中心軸方向に対する垂直な平面上に位置する２点において、正常位置からの位置ずれと、中心軸を中心とする円方向における正常位置からの傾きとを検出し、検出結果に含まれる干渉成分を除去している。これにより、正確に検出された位置ずれおよび傾きを修正することで、従来よりも高精度な深穴精度計測を実現することが可能となる。

なお、上記技術では、それまで知られていた深穴評価・計測技術とは異なり、真直度、真円度、円筒度、直径等を包括的に計測することが可能となっている。従来技術では、真円度は真円度測定器、真直度はオートコリメータ、直径はシリンダゲージにより計測している。

また、レーザを用いた変位計測技術としては、三角測量法を応用したレーザ変位計が知られている（非特許文献１参照）。この技術では、レーザの使用により変位を高精度に計測するが可能となっている。

ところで、上記のような深穴評価装置や深穴計測装置の構成は、一般に、深穴評価プローブ等の回転体と、上記本体部等の静止体とからなっている。上記回転体から静止体へ各種信号を送付する技術としては、無線式のものが知られている。具体的には、例えば、非特許文献２に開示されている無線式電子マイクロインジケーターでは、約１８ＭＨｚの搬送周波数帯域で信号を送信している。なお、この技術では有線による送信も可能となっている。
特開２００３−１５９６０７（平成１５（２００３）年６月３日公開） KEYENCE、測定器総合カタログ’９２、４８頁（１９９２年発行） 株式会社小笠原小型ホブ研究所、無線式電子マイクロインジケーターＥＳＭ−０５Ｌ型カタログ（１９８０年頃発行、改訂なし）

しかしながら、上記従来の技術では、より深い深穴について、その加工精度を高倍率で計測することが困難となっている。

具体的には、従来技術では、個別の測定器で深穴の加工精度を測定している。例えば、真直度はオートコリメータで測定したり、超音波測定器で穴壁の厚みを計測することで測定したりしている。また、真円度は真円度測定器で測定している。真円度測定器の最大測定長は１ｍ程度となっている。したがって、従来技術では、１ｍ以上になると、真円度、円筒度等の精密測定は非常に困難か不可能になる。１ｍ以上の深さの深穴になると、サンプルを切断せざるをえなくなる。

また、上記非特許文献１に開示されているような三角測量法を用いる技術では、高倍率での測定が可能であるが、測定時に測定器の傾きや偏心量も拡大する。それゆえ、真円度等の加工精度を高倍率で計測することはほとんど不可能であった。また、この測定器は、偏心量等の拡大に加えて形状も大きいため、例えば、深穴の直径が１１０ｍｍ程度であっても、測定ユニットとして深穴に挿入して使用することはできない。なお、非特許文献１には、測長器方法の変位計も開示されているが、分解能が低く、±０．５ｍｍ程度となっている。

さらに、上記非特許文献１に開示されている技術では、レーザ光を測定面に直接照射するようになっている。このように、レーザ光を穴壁に直接当てて穴壁までの距離を測る方法では、穴壁の材質、表面粗さ、油膜等の汚れにより、計測精度に大きな影響が生じる。したがって、やはり深穴の深さがより一層大きい場合や、より高倍率で加工精度を計測したい場合には十分に対応できない。

また、回転体により得られた計測データを本体部に送信するとき、上記非特許文献２に開示されているような無線方式を採用する場合、すなわち、計測データを信号として電波で送信する場合には、穴の深さ（長さ）がより深いと、当該電波が深穴の内壁に吸収されてしまう。そのため、実用上は、回転体の送信アンテナと静止体の受信アンテナとの間距離を数ｃｍ程度しか離すことができない。

ここで、上記特許文献１に開示されている技術では、包括的な深穴評価・計測が可能であるとともに、従来よりも高精度な深穴精度計測を実現することが可能となっている。しかしながら、特許文献１の技術では、回転体により得られた計測データを本体部に送信するときに、電波で計測データを送信しているとともに、電気マイクロメータ（無線式マイクロメータ）で変位を測定している。そのため、深穴の深さがある程度までであれば、深穴の評価・計測を有効に行うことができるものの、深穴の深さがより一層大きい場合や、より高倍率で加工精度を計測したい場合には十分に対応できない場合がある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、より深い深穴について、その加工精度を高倍率で計測することが可能な深穴計測装置および深穴計測方法を提供することにある。

本発明者は、上記課題に鑑み鋭意検討した結果、レーザ光を用いて深穴の各種加工精度を計測する際に、回転体に加工精度を物理的に読み出す手段を設け、この手段の位置をレーザ光で検出することにより、回転体から静止体へ計測データを効率的かつ確実に送信するとともに、加工精度そのものの計測に必ずしもレーザ光を用いないことで、穴壁の材質や表面粗さ等による計測精度の影響を回避し得ることを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明にかかる深穴計測装置は、上記課題を解決するために、被加工物に形成された穴に挿入された状態で、当該穴の加工精度を計測する深穴計測プローブを備えている深穴計測装置において、上記深穴計測プローブの端部には、被加工物に対して回転可能に設けられ、回転の中心軸方向に対して交差する方向に突出し、かつその先端が穴壁に接触した状態で、穴壁の表面に沿って交差方向に可動する針状部材が備えられているとともに、さらに、上記針状部材へのレーザ光の照射により当該針状部材の動きを検出するレーザ照射検出手段が、上記穴の外部に設けられていることを特徴としている。

上記深穴計測装置においては、上記針状部材には、上記レーザ光を受光して入射側へ反射するレーザ光反射部材が設けられており、上記レーザ照射検出手段は、レーザ光反射部材からの反射光から、上記針状部材の動きを検出することが好ましい。また、上記深穴計測プローブの端部の前面には、上記レーザ光を受光して上記レーザ光反射部材側にレーザ光の進路を曲げるとともに、当該レーザ光反射手段により反射されたレーザ光を受光して入射側にレーザ光の進路を曲げるレーザ光中間受光部材が設けられていることが好ましい。

上記深穴計測装置においては、上記針状部材（例えばスタイラス）は、上記中心軸方向に対して直交する方向に突出しており、上記レーザ光中間受光部材およびレーザ光反射部材により形成されるレーザ光の入反射の経路は、全ての曲げ方向が直角方向となっている例を挙げることができる。このとき、上記針状部材は、リニアブシュにより交差方向に可動するように支持されており、上記レーザ光中間受光部材が直角プリズムミラーであり、上記レーザ光反射部材がコーナーキューブプリズムである例を挙げることができる。

上記深穴計測装置においては、さらに、上記針状部材の動きを数値化して、加工精度情報として生成するレーザ検出結果解析手段を備えていることが好ましい。このレーザ検出結果解析手段は、上記穴の横断面の中心を通過して横断する方向をＸ方向、このＸ方向に直交する方向をＹ方向とし、上記針状部材の動きをこれらＸ方向および／またはＹ方向への移動距離として数値化することが可能になっており、さらに、穴の深さ方向をＺ方向として、上記針状部材の位置をＺ方向への移動距離として数値化することも可能になっている。したがって、上記レーザ光検出結果解析手段は、針状部材の動きを、Ｘ、ＹおよびＺ方向のうち少なくとも１方向についての軌跡として表示可能とするように、加工精度情報を生成することができる。

上記深穴計測装置においては、計測される加工精度は特に限定されるものではないが、具体的には、例えば、穴の真直度、横断面の真円度、円筒度、横断面の直径、および穴の深さの少なくとも何れかを挙げることができる。

上記深穴計測装置においては、さらに、深穴計測プローブの姿勢を検出する姿勢検出手段と、当該姿勢検出手段により検出された深穴計測プローブの姿勢の乱れを修正する姿勢修正手段とを備えていることが好ましい。

本発明にかかる深穴計測方法は、被加工物に形成された穴に深穴計測プローブを挿入した状態で、当該穴の加工精度を計測する方法において、上記深穴計測プローブの端部に、被加工物に対して回転可能に設けられ、回転の中心軸方向に対して交差する方向に突出し、かつその先端が穴壁に接触した状態で、穴壁の表面に沿って交差方向に可動する針状部材を設けるとともに、この針状部材にレーザ光を照射することで当該針状部材の動きを検出して数値化することにより加工精度を計測することを特徴としている。

上記深穴計測方法においては、穴の横断面の中心を通過して横断する方向をＸ方向としたときに、このＸ方向に直交する方向をＹ方向とし、上記針状部材の動きをこれらＸ方向および／またはＹ方向への移動で数値化することが好ましく、さらに、穴の深さ方向をＺ方向として、上記針状部材の位置をＺ方向への移動で数値化することがより好ましい。また、上記加工精度としては、穴の真直度、横断面の真円度、円筒度、横断面の直径、および穴の深さの少なくとも何れかを計測することが可能となっている。

また、本発明にかかる他の深穴計測装置は、上記深穴計測プローブの端部には、被加工物に対して回転可能に設けられ、レーザ光を受光して回転の中心軸方向に対して交差する方向に当該レーザ光の進路を曲げて、レーザ光を穴壁に照射するとともに、穴壁から反射されたレーザ光を受光して入射側にレーザ光の進路を曲げるレーザ光中間受光部材が備えられているとともに、さらに、上記レーザ光中間受光部材へのレーザ光の照射および反射光の受光により、穴の加工精度を計測するレーザ照射検出手段が、上記穴の外部に設けられている構成を挙げることができる。したがって、本発明には、上記深穴計測プローブの端部に、被加工物に対して回転可能に設けられるレーザ光中間受光部材により、レーザ光を受光して回転の中心軸方向に対して交差する方向に当該レーザ光の進路を曲げて、レーザ光を穴壁に照射するとともに、穴壁から反射されたレーザ光を受光して入射側にレーザ光の進路を曲げることで、穴の加工精度を計測する深穴計測方法も含まれる。

本発明では、以上のように、穴に挿入される回転体（深穴計測プローブまたはその先端の計測ユニット）に、穴の内壁（穴壁）に当接するように突出する針状部材を設け、この針状部材の動きをレーザ光により検出することで、穴の加工精度を計測する。すなわち、本発明では、深穴の形状を物理的な接触により読み出して一次情報とし、この一次情報をレーザ光により遠隔位置の静止体（レーザ照射検出手段）から検出することで、二次情報として読み出すことになる。

そのため、穴壁の材質や表面粗さ、汚れ等による影響をほとんど受けることなしに、一次情報を読み出すことができるとともに、読み出した一次情報を、レーザ光により検出して二次情報として読み出すので、電波による信号の送信で生じるような問題を有効に回避することができる。その結果、従来、困難または不可能であった回転体から静止体への有効な信号の伝達を可能にできるとともに、物理的接触による一次情報をレーザ光で読み出して二次情報化することから、計測時の倍率を上げても穴の傾きや偏芯等の拡大を有効に回避することができ、高倍率で深穴を計測・評価することが可能となる。しかも、加工精度はレーザ光により二次情報化されるため、サブミクロンレベルでの計測も可能となる。

それゆえ、本発明は、より深い深穴の加工精度をより精度良く計測・評価することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態について図１ないし図３に基づいて説明すると以下の通りである。なお、本発明はこれに限定されるものではない。

本発明にかかる深穴計測装置は、被加工物に形成された穴に挿入された状態で、当該穴の加工精度を計測する深穴計測プローブを備えているものであり、その具体的な一例を挙げると、図１に示すように、深穴計測プローブ５、テーブル（送り台）６、各種光学検出系、測長器１６等を備える構成の深穴計測装置１０を挙げることができる。

＜深穴計測プローブ＞
上記深穴計測プローブ５は、計測ユニット８と圧電アクチュエータ（姿勢修正手段）１５を備える圧電アクチュエータ保持部とを含んで構成される。圧電アクチュエータ保持部は回転することなく、深穴計測中において深穴計測プローブ５の姿勢（変位および傾き）を検出し、正常位置からのずれを修正する。なお、姿勢の検出や修正の詳細に関しては、各種光学検出系の項で詳述する。

上記圧電アクチュエータ１５は、本実施の形態では、深穴計測プローブ５の側面に３個１組として前後に２組備えられており、各組の圧電アクチュエータ１５は、深穴計測プローブ４の側面における、鉛直方向上頂点に１個、鉛直方向下底から左右に４５°ずつの位置に２個配置されている。これにより、両方の組みの圧電アクチュエータ１５を連動して動かすことにより、深穴計測プローブ５の中心軸方向からの変位と傾きとを修正することができる。

上記圧電アクチュエータ１５は、深穴計測プローブ５への取付け側から深穴３の半径方向に向かって伸縮することができ、計測中は、被加工物４の内壁へ当接することによって深穴計測プローブ５を深穴３の半径方向に移動させたり、前後両方の組みの圧電アクチュエータ１５を動作させて、深穴計測プローブ５を深穴３内において平行移動させたりすることができる。

なお、本実施の形態では、姿勢修正手段として上記圧電アクチュエータ１５を採用しているが、本発明は、これに限定されるものではなく、例えば、カムやリニアアクチュエータ等を用いることもできる。

上記深穴計測プローブ５は、当該深穴計測プローブ５を支持する計測バー１と接続されている。これら深穴計測プローブ５と計測バー１との接続手段は特に限定されるものではなく、本実施の形態では、フレックスカップリング２を介して接続されている。このフレックスカップリング２は、回転方向のトルクに対して十分剛性を有するものである。

具体的には、上記フレックスカップリングは、計測バー１と深穴計測プローブ５との距離を一定に保ちつつ、深穴計測プローブ５のアクチュエータ保持部に接続されている。接続手段としてフレックスカップリング２を用いることにより、圧電アクチュエータ保持部のローリングを防止することができるとともに、計測バー１の中心軸方向の荷重に対する剛性を計測バー１に持たせることが可能となる。なお、本実施の形態では、深穴計測プローブ５においては、計測中に計測バー１の位置と、深穴計測プローブ５との間隔は変化せず、フレックスカップリング２は移動しない。

上記深穴計測プローブ５の先端部分に取り付けられた計測ユニット８は、計測バー１の中心軸７に沿った誘導軸線を中心として回転する。なお、計測ユニット８の詳細については後述する。深穴計測プローブ５内にはステッピングモータ９が設けられており、ベルト１１を介してステッピングモータ９の回転駆動が計測ユニット８に与えられる。これにより、計測ユニット８を回転させることができる。なお、上記中心軸７は、実質的にはボーリングバーの中心軸に対応するため、本発明では、上記中心軸７をボーリングバーの中心軸と代替して表現してもよい。

本実施の形態では、深穴３を加工された被加工物４に対して、上記のようにして計測ユニット８を回転させながら、被加工物４を固定したテーブル６を、深穴計測プローブ５に向かって前進させることで深穴３の計測を行う。テーブル６の構成は特に限定されるものではなく、被加工物４を安定して固定しつつ深穴計測プローブ５に向かって移動させることができるものであればよい。したがって、被加工物４の材質や形状に応じて適切な構成の送り台を選択して用いればよい。

＜計測ユニット＞
上記深穴計測プローブ５には、その先端に計測ユニット８が設けられている。計測ユニット８は、図２に示すように、スタイラス（針状部材）３１、コーナーキューブプリズム３２、直角プリズムミラー３３、リニアブシュ３４等を備える構成となっている。上記スタイラス３１は、被加工物４に対して回転可能に設けられており、回転の中心軸（計測バーの中心軸７）方向に対して交差する方向に突出し、かつその先端が穴壁に接触した状態で、穴壁の表面に沿って交差方向に可動するようになっている。

スタイラス３１は、深穴３の穴壁（表面）に物理的接触することで当該深穴３の表面形状を物理的に読み出す針状部材となっている。このスタイラス３１の具体的な種類は特に限定されるものではなく、公知の針状部材を好適に用いることができる。また、被加工物４の材質によって異なる材質や形状のスタイラス３１を用いてもよい。例えば、スタイラス３１の先端として、被加工物４の材質に応じて鋭利なものを選択してもよいし、丸みを帯びたものを選択してもよい。

スタイラス３１の突出方向は、中心軸方向に交差する方向であればよい。すなわち、回転しながら深穴３の穴壁を全体的に走査できるように突出していればよい。一般的には、スタイラス３１は、上記中心軸方向に対して直交する方向（便宜上、直交方向と称する）に突出していることが好ましい。これにより、計測ユニット８の回転に伴い、穴壁の表面を中心軸周りに沿ってより正確に走査することができる。スタイラス３１を交差方向（特に直交方向）に可動させる手段については特に限定されるものではないが、例えば、本実施の形態では、リニアブシュ３４を採用している。

本発明では、深穴３の外部から上記スタイラス３１へレーザ光を照射することで当該スタイラス３１の動きを検出することにより、深穴３の加工精度を計測している。このとき、スタイラス３１の交差方向（特に直交方向）の動きをより効率的に検出するためには、上記スタイラス３１に対して上記レーザ光を受光して入射側へ反射するレーザ光反射部材を設けることが好ましい。このレーザ光反射部材は特に限定されるものではないが、本実施の形態では、コーナーキューブプリズム３２を採用している。

このように、レーザ光反射部材をスタイラス３１に設けることで、当該レーザ光反射部材からの反射光から当該スタイラスの動きを検出することになる。つまり、穴壁の凹凸によるスタイラス３１の変位がコーナーキューブプリズム３２の変位となり、この変位をレーザ光で計測することになる。そのため、大部分がリニアブシュ３４により支持されて隠れた状態となっているスタイラス３１に直接レーザ光を照射するよりも、効率的にスタイラス３１の動きを検出することが可能となる。

さらに本発明では、上記深穴計測プローブ５の端部の前面、すなわち計測ユニット８の全面に、上記レーザ光を受光して上記コーナーキューブプリズム３２側にレーザ光の進路を曲げるとともに、当該コーナーキューブプリズム３２により反射されたレーザ光を受光して入射側にレーザ光の進路を曲げる直角プリズムミラー３３が設けられている。この直角プリズムミラー３３は、レーザ光中間受光部材として機能する。

このようなレーザ光中間受光部材を設けることにより、光源（測長器１６）から出射されるレーザ光をより大きな受光面積で受け、これをコーナーキューブプリズム（レーザ光反射部材）３２に向けて反射させることになるので、より効率的にスタイラス３１の動きを検出することが可能となる。

なお、コーナーキューブプリズム３２等のレーザ光反射部材をスタイラス３１に固定化する手法は特に限定されるものではないが、直角プリズムミラー３３からの反射光を良好に受けることができるような位置に固定化することが好ましい。本実施の形態では、図２に示すように、平板状の固定部材３５を用いている。この固定部材３５は、一方の端部にスタイラス３１を貫通させるとともに、他方の端部にコーナーキューブプリズム３２を載置して固定した状態としている。これにより、上記スタイラス３１の軸方向に直交する方向で、かつ、上記中心軸方向に沿った方向に突出し、コーナーキューブプリズム３２の受光および反射部位を中心軸方向に向かうように配置することになり、直角プリズムミラー３３からの反射光を効率的に受けることができる。

本実施の形態では、図２に示すように、スタイラス３１が上記中心軸方向に対して直交する方向に突出しており、直角プリズムミラー（レーザ光中間受光部材）３３およびコーナーキューブプリズム（レーザ光反射部材）３２により形成されるレーザ光の入反射の経路は、全ての曲げ方向が直角方向となっている。

より具体的には、直角プリズムミラー３３は、レーザ光の進路を中心軸７から外部側へ直角方向に曲げ、かつ、直角方向に曲げられたレーザ光を上記コーナーキューブプリズム３２に直接入射させる。上記コーナーキューブプリズム３２は、入射したレーザ光を直角プリズムミラー３３側に反射し、直角プリズムミラー３３は、これを深穴３の外部に存在する受光部（測長器１６）側に反射する。これによって、測長器１６では、反射光からスタイラス３１の動きを検出する。

＜測長器・加工精度の計測＞
本実施の形態では、図１および図３に示すように、上記スタイラス３１へのレーザ光の照射により当該スタイラス３１の動き（変位）を、深穴３の外部に設けられている測長器（レーザ照射検出手段）１６で検出する。本実施の形態では、直角プリズムミラー３３を介してコーナーキューブプリズム（レーザ光反射部材）３２からの反射光から、上記スタイラス３１の動きを検出することになる。

上記測長器１６は、深穴３内部のスタイラス３１（本実施の形態では、直角プリズムミラー３３を介してコーナーキューブプリズム３２）に対してレーザ光を照射するとともに、これらから反射されるレーザ光を受光することで、スタイラス３１の動きを検出できるレーザ照射検出手段であれば特に限定されるものではないが、本実施の形態では、具体的には、例えば、（株）小野測器製、型式ＬＶ９１００Ａを採用している。

本実施の形態では、図３に示すように、上記測長器１６で検出されたスタイラス３１の動きを数値化して、加工精度情報として生成する検出結果解析部１７を備えている。この検出結果解析部１７の具体的な構成は特に限定されるものではないが、例えば、上記深穴３の横断面の中心を通過して横断する方向をＸ方向、このＸ方向に直交する方向をＹ方向とし、上記スタイラス３１の動きをこれらＸ方向およびＹ方向への移動距離として数値化する構成、並びに、穴の深さ方向をＺ方向として、穴の開口部を基準として上記針状部材の位置をＺ方向への移動距離として数値化する構成を挙げることができる。

上記のように、スタイラス３１の動きをＸ、ＹおよびＺ方向の３方向についてそれぞれ数値化することができれば、これら３方向のうち１方向を選択すれば、深穴３の直径や深穴３の深さ（長さ）を加工精度情報として生成することができ、２方向を選択することで、スタイラス３１の軌跡から深穴３の加工精度を２次元の加工精度情報として生成することができる。さらに、３方向全てを選択すれば、スタイラス３１の軌跡から深穴３の加工精度を３次元すなわち立体の加工精度情報として生成することができる。

本発明で計測する加工精度は特に限定されるものではないが、本実施の形態では、穴の真直度、横断面の真円度、円筒度、横断面の直径、および穴の深さの少なくとも何れかを挙げることができる。穴の真直度は、Ｘ−Ｚ方向および／またはＹ−Ｚ方向の２次元情報、さらには、Ｘ−Ｙ−Ｚ方向の３次元情報として生成することができる。また、横断面の真円度はＸ−Ｙ方向の２次元情報として生成することができる。円筒度もＸ−Ｙ−Ｚ方向の３次元情報として生成することができる。横断面の直径はＸ方向またはＹ方向のみの情報として生成することができる。また、穴の深さはＺ方向のみの情報として生成することができる（後述する実施例参照）。

上記検出結果解析部１７の具体的な構成は特に限定されるものではなく、従来公知の演算手段、具体的には、コンピュータの中央処理装置（ＣＰＵ）等であり、その動作はコンピュータプログラムにしたがって実行される構成であればよい。

本発明かかる深穴計測装置においては、他に出力部２２や図示しない入力部、記憶部等が設けられていてもよい。出力部２２としては、計測結果（加工精度情報）を何らかの形で出力できる手段であればよく、特に限定されるものではない。具体的には、例えば、公知のＣＲＴディスプレイや、液晶ディスプレイ等といった各種表示装置や、公知のインクジェットプリンタやレーザープリンタ等の画像形成装置を挙げることができる。

また、図示しない入力部としては、上記深穴計測装置１０の動作に関わる情報等を入力可能とするものであれば特に限定されるものではない。具体的には、キーボードやタブレット等、従来公知の入力手段を好適に用いることができる。同様に、図示しない記憶部としては、上記深穴計測装置１０で利用される各種情報を記憶する手段であれば特に限定されるものではない。具体的には、例えば、ＲＡＭやＲＯＭ等の半導体メモリ、フレキシブルディスクやハードディスク等の磁気ディスクやＣＤ−ＲＯＭ／ＭＯ／ＭＤ／ＤＶＤ等の光ディスクのディスク系、ＩＣカード（メモリカードを含む）／光カード等のカード系等、従来公知の各種記憶手段を好適に用いることができる。

＜各種光学検出系＞
本発明にかかる深穴計測装置は、上記のように、穴に挿入される回転体（深穴計測プローブ５）の端部に、深穴３の内壁（穴壁）に当接するように突出するスタイラス３１を設け、このスタイラス３１の動き（変位）をレーザ光により検出することで、深穴３の加工精度を計測している。さらに、本発明にかかる深穴計測装置においては、各種光学検出系を設け、深穴３の計測中において深穴計測プローブ５の姿勢（変位および傾き）を検出し、姿勢の正常位置からのずれを修正するようになっていることが好ましい。

具体的には、図１に示すように、本実施の形態では、深穴評価装置１０は、上記光学検出系として、深穴計測プローブ５そのものの姿勢（変位および傾き）を検出する姿勢検出用半導体レーザ（発光手段）１２および２次元ＰＳＤ（Position-Sensitive Detector、姿勢検出手段）１３・１４、ミラー１９、ビームスプリッタ２１を備えている。

深穴計測プローブ５の姿勢が乱れた場合、換言すれば、深穴計測プローブ５の回転の中心軸が、計測バー１の中心軸方向から深穴計測プローブ５に変位または傾きが生じた場合には、当該深穴計測プローブ５の側面に備えられた圧電アクチュエータ（姿勢修正手段）１５によって適正な姿勢、位置に修正される。

さらに、深穴計測装置１０は、上記光学検出系として、ローリング検出用半導体レーザ（発光手段）１８、１次元ＰＳＤ（姿勢検出手段）２０を備えており、深穴計測プローブ５のローリングを検出し、ローリングの値を測定し、補正することにより深穴計測プローブの真の姿勢を算出することができる。なお、フレックスカップリング２を含めたローリング防止装置は十分な剛性を有しており、アクチュエータ保持部にローリングはほとんど生じない。仮に、ローリングが発生しても上記のように補正することが可能である。

なお、ここでいうローリングとは、深穴計測プローブ５が計測中に姿勢の修正を行う際に、深穴計測プローブ５における圧電アクチュエータ保持部が、計測ユニット８の回転方向あるいはその反対方向にずれてしまうことを指す。そして、このローリングが原因となって、深穴計測プローブ５の姿勢を修正する際に、姿勢の検出にローリングに起因する誤差が含まれてしまうため、深穴計測プローブ５の姿勢を適正に修正できず、計測精度が低下してしまうことが知られている。

本実施の形態では、深穴計測プローブ５の先端部分の計測ユニット８を回転させて、深穴の加工精度を計測している間、姿勢の乱れ（変位・傾き等）を検出して深穴計測プローブ５を適正な位置に戻すように修正するが、このときに生じる深穴計測プローブ５のローリングも最小限に抑えることができる。これにより、ローリングによる誤差が検出された姿勢の乱れに混入しないため、圧電アクチュエータ１５によって適正な姿勢の修正が可能になり、従来の深穴計測装置よりも高精度の深穴計測が可能になる。

上記姿勢の乱れを検出する各種光学検出系の具体的な構成は特に限定されるものではなく、公知の様々な構成を利用することができる。また、本実施の形態において、各種光学検出系で用いられている上記半導体レーザ１２、２次元ＰＳＤ１３・１４、ローリング検出用半導体レーザ１８、ミラー１９、１次元ＰＳＤ２０、ビームスプリッタ２１等の各部材や手段の具体的な構成も特に限定されるものではなく、公知の半導体レーザやＰＳＤ、光学部材を好適に用いることができる。

本発明では、上述したように、深穴３の形状をスタイラス３１による物理的な接触で読み出して一次情報とし、この一次情報をレーザ光により遠隔位置の静止体（測長器１６）で検出することで、二次情報として読み出している。そのため、穴壁の材質や表面粗さ、汚れ等による影響をほとんど受けることなしに、一次情報を読み出すことができるが、上記各種光学検出系を備えることにより、さらに正確な一次情報を読み出すことができる。すなわち、スタイラス３１が設けられている深穴計測プローブ５そのものの姿勢の乱れも検出し、圧電アクチュエータ１５等の姿勢修正手段により修正すれば、一次情報に深穴計測プローブ５の姿勢の乱れに伴う誤差が混入することを回避することが可能になるため、より正確な加工精度を計測することができる。

＜深穴計測方法＞
本発明にかかる深穴計測方法は、上述した深穴計測装置により実現される方法である。すなわち、本実施の形態では、上記深穴計測プローブ５の端部に、被加工物４に対して回転可能に設けられ、回転の中心軸方向に対して交差（好ましくは直交）する方向に突出し、かつその先端が穴壁に接触した状態で、穴壁の表面に沿って交差方向（好ましくは直交方向）に可動するスタイラス３１を設け、この深穴計測プローブ５を深穴３に挿入した状態で、当該深穴３の加工精度を計測する。このとき、上記スタイラス３１に、好ましくはコーナーキューブプリズム３２等を介して間接的にレーザ光を照射することで、当該スタイラスの動きを検出して数値化することにより加工精度を計測する。さらにこのとき、深穴３に挿入された深穴計測プローブの姿勢の乱れを検出し、これを修正することが好ましい。

本実施の形態における深穴計測方法について説明すると、まず、テーブル６に深穴３が加工形成された被加工物４を固定する。次に、テーブル６を深穴計測プローブ５に向かって前進させ、深穴３内に深穴計測プローブ５を挿入する。図１に示す構成の深穴計測装置１０では、前方の圧電アクチュエータ１５のサポーティングパッド（圧電アクチュエータと内壁とが接する個所）の距離は、後述の実施例では、深さ１３３ｍｍになっている。

挿入後に計測ユニット８を回転させるとともに、必要に応じてテーブル６を前進させることで深穴３の加工精度の計測を開始する。計測ユニット８には、上述したようにスタイラス３１が設けられており、穴壁に当接しているので、計測ユニット８の回転によりスタイラス３１も深穴３内を回転する。さらに、テーブル６を前進させた場合には、相対的に見れば、深穴３内を深穴計測プローブ５が進んでいく状態となる。

したがって、スタイラス３１は、少なくとも深穴３内で回転し、さらに奥に進む方向の動きも必要に応じて加えることになり、回転という２次元の動きだけでなく、奥への進入というもう１次元の動きを加えることも可能となる。それゆえ、深穴３の横断面の中心を通過して横断する方向をＸ方向としたときに、このＸ方向に直交する方向をＹ方向とし、上記スタイラス３１の動きはこれらＸ方向および／またはＹ方向への移動で数値化することができるとともに、深穴３の深さ方向（奥へ進入する方向）をＺ方向として、上記スタイラス３１の位置をＺ方向への移動で数値化することができる。その結果、深穴３の横断面の直径や穴の深さ等については、Ｘ、ＹまたはＺ方向の１次元情報として数値化でき、穴の真直度、横断面の真円度、円筒度等については、Ｘ−Ｙ、Ｙ−Ｚ、またはＸ−Ｚ方向の２次元情報、あるいはＸ−Ｙ−Ｚ方向の３次元情報として数値化することができる。

なお、加工精度の計測の基準は特に限定されるものではなく、深穴計測装置１０の構成や被加工物４、深穴３の形状等に応じて適宜設定すればよい。例えば、深穴計測プローブ５の計測をガイドブシュの位置から始めることで可能である。ガイドブシュの穴の形状を基準とし、計測対称となる深穴３の加工精度を計測することもできる。

＜本発明の他の構成＞
上述したように、本発明では、スタイラス３１により深穴３の加工精度を計測するようになっているが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、少なくとも、レーザ光を用いて、回転体から静止体へ計測データを効率的かつ確実に送信するようになっていればよい。

すなわち、前述したように、レーザ光を穴壁に直接当てて穴壁までの距離を測る方法では、穴壁の材質、表面粗さ、油膜等の汚れにより、計測精度に大きな影響が生じる場合が多い。しかしながら、例えば、穴壁の仕上げ面が光を反射できるような状態であれば、レーザ光を穴壁に直接当てても問題が生じない。そこで、本発明にかかる他の深穴計測装置としては、上記スタイラス３１（およびコーナーキューブプリズム３２）を備えない構成であってもよい。

具体的には図示しないが、例えば、図１に示す構成を参照して説明すると、深穴計測プローブ５の端部に設けられる計測ユニット８には、直角プリズムミラー（レーザ光中間受光部材）３３のみが設けられる構成であってもよい。この構成では、測長器１６から照射されるレーザ光を受光して回転の中心軸方向に対して交差する方向に当該レーザ光の進路を曲げて、レーザ光を穴壁に照射するとともに、穴壁から反射されたレーザ光を受光して入射側にレーザ光の進路を曲げるようになっている。そして、測長器１６では、直角プリズムミラー３３を経由して穴壁から反射される反射光の受光により、穴の加工精度を計測する。

上記構成では、レーザ光により読み出した一次情報をそのまま深穴３の外部に送信するので、電波による信号の送信で生じるような問題を有効に回避することができる。その結果、従来、困難または不可能であった回転体から静止体への有効な信号の伝達を可能にできるとともに、計測時の倍率を上げても穴の傾きや偏芯等の拡大を有効に回避することができ、高倍率で深穴を計測・評価することが可能となる。したがって、本発明では、物理的接触により穴の加工精度を計測する構成は必ずしもなくてもよい。

本発明について、実施例および比較例、並びに図４ないし図６に基づいてより具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。当業者は本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変更、修正、および改変を行うことができる。

〔実施例１〕
まず、被加工物４としてジュラルミン材（ＪＩＳ ２０１７Ｔ−４）を用い、深穴加工装置を用いて深さ５００ｍｍの深穴３を形成した。この深穴３の曲がりの度合い、すなわち穴の曲がりを、前述し穴計測装置１０を用いて計測した。計測時の条件は、テーブル６の送り速度を１００ｍｍ／分とし、前方の圧電アクチュエータ１５のサポーティングパッドが、深穴の深さｈ＝１３３ｍｍの位置で深穴３の穴壁に当接するようにして、深穴計測プローブ５を当該深穴３に挿入した。

そして、深穴３の内壁について、＋Ｘ方向壁面と−Ｘ方向壁面とを走査してその動きをレーザ光で検出し、両者を平均して穴中心の曲がりＸとした。Ｙ方向についても同様とした。その結果を図４（ａ）・（ｂ）に示す。

〔比較例１〕
実施例１において、深穴計測プローブ５の先端に、本発明の計測ユニット８の代わりに、ダイヤルゲージスタンドおよび電気マイクロメータを取り付けた以外は同様にして、固定軸から深穴の中心位置Ｘの軌跡を計測し、深穴３の穴の曲がりを評価した。その結果を図４（ｃ）・（ｄ）に示す。

このように、本発明にかかる深穴計測装置による計測誤差を算出すると、ミクロンオーダーで対応しており、μｍ単位の高精度計測が可能になったことがわかる。

〔実施例２〕
被加工物４として工作物ＹＲ２および工作物Ｊ６を用いて、実施例１と同様の方法で深さ５００ｍｍの深穴３を形成した。これら各被加工物４の深穴について、前述した深穴計測装置１０を用いて真円度を計測・評価した。なお、計測は送りを止めて行った。工作物ＹＲ２の結果を図５（ａ）に、工作物Ｊ６の結果を図５（ｃ）に示す。工作物ＹＲ２に形成した深穴３の真円度は６３．３μｍであり、工作物Ｊ６の真円度は８．６μｍであった。

〔比較例２〕
市販の真円度測定器（テーラーホブソン社製、タリロンド１００型）を用いた以外は、実施例２と同様にして真円度を計測・評価した。なお、計測は送りを止めて行った。ＹＲ２の結果を図５（ｂ）に、Ｊ６の結果を図５（ｄ）に示す。ＹＲ２に形成した深穴３の真円度は７５．１μｍであり、Ｊ６の真円度は５．９μｍであった。

〔実施例３〕
実施例１で計測した深穴３について、さらに、前述した深穴計測装置１０を用いて誘導しながら穴壁をらせん状に走査した。その結果を図６（ａ）に示す。なお、同図に示す結果では、１００ｍｍまでの深さを表示しているが、実際の計測は４８７ｍｍ（工作物の全長）まで可能であった。また、図６（ｂ）に、ＺＹ面における計測結果を示す。＋Ｙの頂点をたどれば＋Ｙ方向の穴壁面の変位となり、−Ｙ方向をたどれば−Ｙ方向の穴壁面の変位となる。なお、実施例１の場合は、＋Ｙ方向、−Ｙ方向の壁面をＺ軸方向へ走査している。図６（ａ）のらせんピッチを小さくすれば、図４（ａ）・（ｂ）に示す結果と同じとなる。図６（ａ）・（ｂ）に示す結果から明らかなように、本発明にかかる深穴計測装置を用いれば、より高精度な深穴計測が可能になったことがわかる。

なお本発明は、以上説示した各構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態や実施例にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

以上のように、本発明では、より深い深穴の加工精度をより精度良く計測・評価することができるので、航空機のエンジンやランディングギア、加速器、新幹線の車軸、プラスチック射出成形機、印刷機の巻取りシリンダ、火器、ドリルカラ等、深穴の加工を行う各種機械加工分野に広く適用することができる。

本発明にかかる深穴計測装置の一例を示す部分断面図である。 図１に示す深穴計測装置の深穴計測プローブ５の先端に設けられている計測ユニットの構成の一例を示す部分断面図である。 図１に示す深穴計測装置の測長器の一例を示す模式図である。 （ａ）・（ｂ）は、図１に示す深穴計測装置の深穴計測プローブによる穴の曲がりの計測結果（（ａ）がＸ−Ｚ方向、（ｂ）がＹ−Ｚ方向）を示すグラフであり、（ｃ）・（ｄ）は、固定軸からの真直度の計測結果（（ｃ）がＸ−Ｚ方向、（ｄ）がＹ−Ｚ方向）を示すグラフである。 （ａ）・（ｃ）は、図１に示す深穴計測装置の深穴計測プローブによる真円度の計測結果（（ａ）が工作物ＹＲ２、（ｃ）が工作物Ｊ６）を示すグラフであり、（ｂ）・（ｄ）は、市販の真円度測定器による真円度の計測結果（（ｂ）が工作物ＹＲ２、（ｄ）が工作物Ｊ６）を示すグラフである。 （ａ）は、図１に示す深穴計測装置の深穴計測プローブに送りをかけてらせん状に走査した結果得られた穴壁の形状を３次元で示すグラフであり、（ｂ）は、（ａ）に示すグラフをＺＹ方向の２次元から見た結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 計測バー
２ カップリング
３ 深穴
４ 被加工物
５ 深穴計測プローブ
６ テーブル（送り台）
７ 計測バーの中心軸
８ 計測ユニット（回転体）
９ ステッピングモータ
１０ 深穴計測装置
１１ ベルト
１２ 半導体レーザ（発光手段）
１３ ２次元ＰＳＤ（Position-Sensitive Detector）（姿勢検出手段）
１４ ２次元ＰＳＤ
１５ 圧電アクチュエータ（姿勢修正手段）
１６ 測長器（レーザ照射検出手段、静止体）
１７ 検出結果解析部（レーザ検出結果解析手段）
１８ ローリング検出用半導体レーザ（発光手段）
１９ ミラー
２０ １次元ＰＳＤ
２１ ビームスプリッタ
２２ 出力部
３１ スタイラス（針状部材）
３２ コーナーキューブプリズム
３３ 直角プリズムミラー
３４ リニアブシュ
３５ 固定部材

Claims (16)

1. 被加工物に形成された穴に挿入された状態で、当該穴の加工精度を計測する深穴計測プローブを備えている深穴計測装置において、
   上記深穴計測プローブの端部には、回転の中心軸方向に対して直交する方向に突出し、かつその先端が穴壁に接触した状態で、穴壁の表面に対して直交方向に可動する針状部材が、前記被加工物に対して前記中心軸の周りに回転可能に備えられているとともに、
   さらに、上記針状部材へのレーザ光の照射により当該針状部材の動きを検出するレーザ照射検出手段が、上記穴の外部に設けられており、
   上記針状部材には、上記針状部材の可動方向に沿って入射する上記レーザ光を受光して上記可動方向に沿って反射するレーザ光反射部材が設けられており、
   上記深穴計測プローブの端部の前面には、上記レーザ光を受光して上記レーザ光反射部材側に向かって上記可動方向に沿って上記中心軸から離れる方向にレーザ光の進路を曲げるとともに、当該レーザ光反射部材により反射されたレーザ光を受光して入射側にレーザ光の進路を曲げるレーザ光中間受光部材が、上記針状部材と一体に前記中心軸の周りに回転可能に設けられていることを特徴とする深穴計測装置。
2. 上記レーザ照射検出手段は、レーザ光反射部材からの反射光から、上記針状部材の動きを検出することを特徴とする請求項１に記載の深穴計測装置。
3. 上記針状部材は、上記中心軸方向に対して直交する方向に突出しており、
   上記レーザ光中間受光部材およびレーザ光反射部材により形成されるレーザ光の入反射の経路は、全ての曲げ方向が直角方向となっていることを特徴とする請求項１に記載の深穴計測装置。
4. 上記針状部材は、リニアブシュにより回転の中心軸方向に対して直交する方向に可動するように支持されていることを特徴とする請求項３に記載の深穴計測装置。
5. 上記レーザ光中間受光部材が直角プリズムミラーであることを特徴とする請求項３または４に記載の深穴計測装置。
6. 上記レーザ光反射部材がコーナーキューブプリズムであることを特徴とする請求項３、４または５に記載の深穴計測装置。
7. さらに、上記針状部材の動きを数値化して、加工精度情報として生成するレーザ検出結果解析手段を備えていることを特徴とする請求項１ないし６の何れか１項に記載の深穴計測装置。
8. 上記レーザ検出結果解析手段は、上記穴の横断面の中心を通過して横断する方向をＸ方向、このＸ方向に直交する方向をＹ方向とし、上記針状部材の動きをこれらＸ方向および／またはＹ方向への移動距離として数値化することを特徴とする請求項７に記載の深穴計測装置。
9. 上記レーザ検出結果解析手段は、さらに、穴の深さ方向をＺ方向として、上記針状部材の位置をＺ方向への移動距離として数値化することを特徴とする請求項８に記載の深穴計測装置。
10. 上記レーザ光検出結果解析手段は、針状部材の動きを、Ｘ、ＹおよびＺ方向のうち少なくとも１方向についての軌跡として表示可能とするように、加工精度情報を生成することを特徴とする請求項８または９に記載の深穴計測装置。
11. 上記加工精度として、穴の真直度、横断面の真円度、円筒度、横断面の直径、および穴の深さの少なくとも何れかを計測することを特徴とする請求項１ないし１０の何れか１項に記載の深穴計測装置。
12. さらに、深穴計測プローブの姿勢を検出する姿勢検出手段と、当該姿勢検出手段により検出された深穴計測プローブの姿勢の乱れを修正する姿勢修正手段とを備えていることを特徴とする請求項１ないし１１の何れか１項に記載の深穴計測装置。
13. 被加工物に形成された穴に深穴計測プローブを挿入した状態で、当該穴の加工精度を計測する深穴計測方法において、
    上記深穴計測プローブの端部に、回転の中心軸方向に対して直交する方向に突出し、かつその先端が穴壁に接触した状態で、穴壁の表面に対して直交方向に可動する針状部材を、被加工物に対して前記中心軸の周りに回転可能に設けるとともに、
    この針状部材にレーザ光を照射することで当該針状部材の動きを検出して数値化することにより加工精度を計測する深穴計測方法であって、
    上記針状部材には、上記針状部材の可動方向に沿って入射する上記レーザ光を受光して上記可動方向に向かって反射するレーザ光反射部材が設けられており、
    上記深穴計測プローブの端部の前面には、上記レーザ光を受光して上記レーザ光反射部材側に向かって上記可動方向に沿って上記中心軸から離れる方向にレーザ光の進路を曲げるとともに、当該レーザ光反射部材により反射されたレーザ光を受光して入射側にレーザ光の進路を曲げるレーザ光中間受光部材が、上記針状部材と一体に前記中心軸の周りに回転可能に設けられていることを特徴とする深穴計測方法。
14. 穴の横断面の中心を通過して横断する方向をＸ方向としたときに、このＸ方向に直交する方向をＹ方向とし、上記針状部材の動きをこれらＸ方向および／またはＹ方向への移動で数値化することを特徴とする請求項１３に記載の深穴計測方法。
15. さらに、穴の深さ方向をＺ方向として、上記針状部材の位置をＺ方向への移動で数値化することを特徴とする請求項１４に記載の深穴計測方法。
16. 上記加工精度として、穴の真直度、横断面の真円度、円筒度、横断面の直径、および穴の深さの少なくとも何れかを計測することを特徴とする請求項１３、１４または１５に記載の深穴計測方法。

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