JP4735865B2 - 円筒状工具計測用治具およびこれを備えた形状精度計測機器 - Google Patents

Description

本発明は、ドリルやエンドミルなど、円筒状の保持部を備えた切削工具（このような工具を一般に「円筒状工具」と称する）の刃先検査、刃径測定、円心度測定、若しくは円筒度の測定などをおこなうための治具、およびこの治具が組み込まれた形状精度計測機器に関するものである。

ドリルやエンドミルなどの円筒状工具の刃先検査や刃径測定などを精度良くおこなうためには、被測定物を、その軸心を中心に安定させた状態で回転をさせる必要がある。

従来の形状精度計測機器においては、被計測物を回転させるために次のような方式が用いられてきた。すなわち、（１）回転駆動力を備えたコレットチャックなどにより被計測物を保持するための円筒側面部（切削工具の場合は、一般に「シャンク」と称される部分であり、本明細書においては、この「被計測物を保持するための円筒側面部」を以下「シャンク」と表記する。）を固定し、被計測物を回転させる方法（例：特許文献１）、（２）シャンクをＶ字形の治具の上、若しくはベアリングの上に配置したうえ、軸心が被計測物の回転軸と平行となるような回転機構を持つローラーをシャンクと面接触させることで、ローラーとシャンクの摩擦力で被計測物を回転させる方法である。
特開昭６２−１７２２０６号公報

図４は、前記（１）の方式を示す側面図である。この方式では、被計測物１のシャンク１ａを、回転駆動力を備えたコレットチャック２が保持し、該コレットチャックの回転により被計測物１が回転する。

このようなコレットチャックを用いた方式は、回転の安定性、すなわち、駆動源の回転力をロスすることなく伝達し、また、回転時に被計測物の振れがないという点では優れた方法である。しかしその一方で、（イ）回転駆動力を備えたコレットチャックの構造そのものが複雑であり、その結果、勢い高価となること、（ロ）被計測物の脱着とその後の調整に煩雑な手間が掛かること、さらに、（ハ）多種多様な被測定物に対応するためには種類の異なるコレットチャックを準備し、交換する必要があることなどの問題点がある。本発明が属する計測技術という分野は、基本的に非生産的な性格を帯びているものであり、その実用化に向けてコストの低減という課題を十分に考慮しなければならないという点に鑑みると、これら大きな経済的課題を本質的に回避できないこの方式は、検査や測定を目的とした分野への適用には適さない。

図５は、前記（２）の方法、すなわち、ローラーを用いた従来技術に係る円筒状工具計測用治具に、被計測物１を設置した状態を示す正面図（ａ）と側面図（ｂ）である。被計測物１のシャンク１ａは、それを保持する手段であるＶ字形の治具３の上に配置され、軸心が被計測物の回転軸と平行となるような回転機構（図示外）を持つローラー４の回転軸Ｘａと平行な面４ａをシャンク１ａの任意の箇所で面接触させる。そして、ローラーが回転すると、面４ａとシャンク１ａの間で発生する摩擦力で被計測物も回転するという仕組みである。

このようなローラーを用いた方式は、構造が単純で安価に製造することができるため、検査や測定を目的とした分野に好適である。しかし、従来の技術では、ローラーの回転軸と被計測物の回転軸とを完全に平行になるようにしなければ、被計測物は、前記シャンクの保持手段の上で安定せず、シャンク底面１ｃまたは被計測部分１ｂいずれかの回転軸方向に移動してしまうという課題があった。

図６および図７は、ローラーを用いた従来技術の課題を説明するための正面図（ａ）、上面図（ｂ）および被測定物に作用する力の方向を示す模式図（ｃ）である。

例えば、ローラーの回転軸Ｘａ、回転方向Ｄｒおよび被計測物の回転軸Ｘｂが図６（ａ）および（ｂ）に示すような関係になった場合、被計測物１にはシャンク底面１ｃの方向に移動する。これは、図６（ｃ）の模式図に示すように、ローラーの面とシャンクとの間の摩擦により発生する駆動力Ｆが、被計測物の回転軸Ｘｂと垂直な方向の成分Ｆｔ、すなわち被計測物１を回転させるトルク力だけでなく、回転軸Ｘｂと平行で、かつ被計測物１のシャンク底面１ｃの方向に働くスラスト力Ｆｓも含むためである。

逆に、ローラーの回転軸Ｘａ、回転方向Ｄｒおよび被計測物の回転軸Ｘｂが図７（ａ）および（ｂ）に示すような関係になった場合には、被計測物１には被計測部分１ｂの方向に移動する。これは図６で説明した場合とは逆に、図７（ｃ）に示すように、被計測物１を回転させる駆動力Ｆが、回転軸Ｘｂと平行で、かつ被計測物１の被計測部分１ｂの方向に働くスラスト力Ｆｓを含むためである。

なお、図６の場合でローラーの回転方向だけを逆にすれば、被計測物に働くスラスト力は、図７の場合と同方向になり、逆に、図７の場合でローラーの回転方向だけを逆にすれば、被計測物に働くスラスト力は、図６の場合と同方向になる。

このようなことから、ローラーを用いた方式における従来技術では、この被計測物に働くスラスト力を逆に利用することで、被計測物の安定した回転を得る方法が採用されてきた。

例えば、図８に示すように、ローラーの回転軸Ｘａ、回転方向Ｄｒおよび被計測物の回転軸Ｘｂが図６（ａ）および（ｂ）に示すような関係になるように恣意的に調整し、かつ、被計測物１のシャンク底面１ｃをその位置を決めるためのピン５に押し当てるという手法である。この手法では、図６で説明した通り、被計測物１が回転するときに、被計測物１にシャンク底面１ｃの方向に移動させようとするスラスト力が働き、シャンク１の底面１ｃが常にピン５に接触するため、安定した回転を得ることができる。

しかし、この方法では、ローラーの回転方向を逆にすれば、被計測物に働くスラスト力も逆になるため、その場合、被計測物がピンから離れてしまうという致命的な欠点があった。これでは、正転と反転を繰り返すという操作が全くできず、例えば、ドリルやエンドミルなどの切削工具の刃先検査や刃径測定を精度良く、かつ効率的におこなうことが不可能であった。

本願発明者は、上記課題、すなわち、ローラーを用いた方式において、ローラーの回転方向に係らず被計測物を安定して回転させるという課題について試行錯誤を積み重ね、その成果として次のような画期的な技術を開発した。すなわち、本発明による円筒状工具計測用治具は、円筒状工具の形状精度計測機器に用いられる治具であって、被計測物の円筒側面の少なくとも二箇所を保持する手段と、被計測物の底面の位置を決める手段と、被計測物の回転軸と平行な回転軸を有する回転手段に取り付けられた該被計測物を回転させるためのローラーとを備えた治具において、ローラーが弾性体からなり、かつその形状が、被計測物の計測部分側のローラー径よりも計測部分とは反対側のローラー径が大きい円錐台形を有していることを特徴とするものである。

さらに、ローラーを構成する弾性体はゴムであることが望ましい。

本発明の構成を採用することにより、従来、ローラーを用いた方式では不可能であった、ローラーの回転方向に係らず被計測物を安定して回転させることが可能となり、その結果、円筒状工具の刃先検査や刃径測定などを精度良く、かつ効率的におこなうことができる。例えば、画像認識などを用い、刃先先端を検出する場合において、被計測物を高速で回転させ、先端位置を検出したあと、低速で反転することにより正確な位置を検出するといった精密な測定をすることがが可能になる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

（第一実施形態）
図１は、本発明の第一実施形態に係る治具に、被計測物１を設置した状態を示す正面図（ａ）と側面図（ｂ）である。基本的な構成は、図５に示したものと同じである。すなわち、本発明は、被計測物１のシャンク１ａを保持する手段である治具３と、被計測物１の回転軸Ｘｂと平行な回転軸Ｘａを持つ回転手段（図示外）と、この回転手段に取り付けられ、被計測物１のシャンク１ａの任意の箇所で面接触することにより被計測物１を回転させるローラー４と、被計測物のシャンク底面１ｃの位置を決める手段であるピン５を備えている。

本発明では、ローラー４が弾性体からなり、かつその形状が、被計測部分１ｂの側のローラー径よりも、シャンク底面１ｃの側のローラー径が大きい円錐台形を有している。

ローラー４を構成する弾性体は、被計測物に直接接し、これを回転させるものであり、被計測物の保護の観点から、ゴムあるいはゴム類似物質であることが望ましい。具体的には、ゴム状弾性を示す合成高分子物質が好適であり、スチレンーブタジエンゴム、ブタジエンゴム、ブチルゴム、エチレンープロピレンゴム、ニトリルゴム、クロロプレンゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴムなどが挙げられる。

ローラー４の形状は、被計測部分１ｂの側のローラー径よりも、シャンク底面１ｃの側のローラー径が大きい円錐台形とすることにより、ローラー４の回転で被計測物１を回転させる際、ローラーの回転方向に係らず、被計測物に対して常にシャンク底面１ｃの方向へのスラスト力を付与することができる。

図２は、本発明の治具に係るローラーの作用を模式的に示す側面図（ａ）と上面図（ｂ）および上面図（ｃ）である。図２（ａ）で示すように、シャンク１ａに押し当てられたローラー４は、その弾性により変形するが、この際、被計測物１を回転させるトルク力Ｆｔについては、ローラー径が大きい部分側、つまりシャンク底面１ｃの側の方が、ローラー径が小さい側、つまり被計測部分１ｂの側よりも大きくなるため、被計測物１にかかる駆動力Ｆはトルク力Ｆｔの方向と一致せず、被計測物１には、より大きいトルク力のかかる方向であるシャンク底面１ｃの方向へのスラスト力Ｆｓが働くと考えられる（図２（ｂ））。また、回転方向が逆になった場合でも、被計測物１にかかる駆動力Ｆ’は、被計測物１の回転軸Ｘｂと左右対称の方向になるだけであるため、被計測物１にかかるスラスト力Ｆｓの方向は変わることがない（図２（ｃ））。

このように、被計測物を回転させる際に、常にシャンク底面の方向へのスラスト力を付与するためには、被計測部分側のローラー径よりも、シャンク底面側のローラー径が大きい円錐台形状にすることが最も簡便な手段であるが、前記説明で理解できるように、要するに、被計測部分側からシャンク底面側に向かってローラーの径が連続的に増大していれば同様の効果が得られる。つまり、ローラーの大径部と小径部は必ずしも直線的に変化している必要はなく、曲線的に凹状または凸状に変化し、その結果、幾何学用語としての円錐台形という定義を厳密に満足していなくても構わない。

ローラーの幅、大径及び小径の具体的な数値は、適宜設計に委ねられるが、具体的な設計指針の一例を次に挙げる。

例えば、本願発明者が設計した治具は、シャンク径が直径４乃至２０ｍｍの工具が計測できる仕様であり、ローラーは幅３ｍｍ、大径が２２ｍｍ、小径が２０ｍｍである。これらの具体的な数値は、前述の通り適宜設計することができるが、製作の簡易性なども考慮すれば、幅１乃至５ｍｍ、大径１０乃至３０ｍｍ、小径は大径の１乃至３ｍｍ小さくすることが推奨される。

本発明においては、ローラーの回転で被計測物を回転させる際、その回転方向に係らず、被計測物に対して常にシャンク方向へのスラスト力が付与される。そこで、被計測物のシャンク底面の位置を決める手段であるピンを配置し、シャンク底面が常にピンに接触するようにすることで、安定した回転を得ることができる。なお、この位置決め手段はピンに限られず、例えば板状の部材であっても構わないが、シャンク底面との接触面積が大きくなりすぎると摩擦力による回転力のロスが発生するため、被計測物の径などに鑑み、先端が球状のピンを用いることなどの手段を適宜採用することができる。

また、本発明の治具を計測機器内に設置する方法として、被計測物を水平に配置する方法ではなく、これを垂直に設置する場合では、被計測物の自重による落下を防ぐため、これをシャンク底面で受ける必要があり、そのためのピンまたは板状の部材がシャンク底面の位置を決める手段を兼ねることとなる。この場合、ピンまたは板状の部材には被計測物が回転する際に発生するスラスト力に被計測物の自重も加わるため、被計測物を水平に配置した場合よりもシャンク底面との摩擦力が大きくなる。このため、この位置決め手段については、被計測物の径や重量などに鑑み、前記先端が球状のピンを用いるなどに加え、ピンをベアリングなどで保持することで被計測物とともに回転させる構造にするなどの手段を適宜採用することができる。

（第二実施形態）
図３は、本発明の第二実施形態に係る治具に、被計測物１とピン５を設置した状態を示す正面図（ａ）と側面図（ｂ）である。このように、被計測物１のシャンク１ａを保持する手段としては、前記治具３に示すようなＶ字型の治具の代わりに、ベアリング６の上に配置される態様であっても構わない。

なお、被計測物１のシャンク１ａの保持は、少なくとも二箇所であればよいが、これが三箇所以上になっても構わない。

また、ローラー４を取り付ける回転手段については、特に指定するものではなく、例えば、公知のモーターなど手動、自動に係らず、任意の公知技術を適宜採用することができる。

本発明の第一実施形態に係る治具に、被計測物とピンを設置した状態を示す正面図（ａ）と側面図（ｂ）である。 本発明の治具に係るローラーの作用を模式的に示す側面図（ａ）と上面図（ｂ）および上面図（ｃ）である。 本発明の第二実施形態に係る治具に、被計測物とピンを設置した状態を示す正面図（ａ）と側面図（ｂ）である。 コレットチャックを用いた従来技術に係る円筒状工具計測用治具の側面図である。 ローラーを用いた従来技術に係る円筒状工具計測用治具に、被計測物を設置した状態を示す正面図（ａ）と側面図（ｂ）である。 ローラーを用いた従来技術の課題を説明するための正面図（ａ）、上面図（ｂ）および被測定物に作用する力の方向を示す模式図（ｃ）である。 ローラーを用いた従来技術の課題を説明するための正面図（ａ）、上面図（ｂ）および被測定物に作用する力の方向を示す模式図（ｃ）である。 ローラーを用いた従来技術に係る円筒状工具計測用治具に、被計測物とピンを設置した状態を示す正面図（ａ）と上面図（ｂ）である。

符号の説明

１ 被計測物
１ａ 被計測物の保持部（シャンク）
１ｂ 被計測物の被計測部分
１ｃ 被計測物のシャンク底面
３ 被計測物の保持治具（Ｖ字治具）
４ ローラー
５ シャンク底面位置決めピン
６ 被計測物の保持治具（ベアリング）
Ｘａ ローラーの回転軸
Ｘｂ 被計測物の回転軸

Claims (3)

1. 円筒状工具の形状精度計測機器に用いられる治具であって、被計測物の円筒側面の少なくとも二箇所を保持する手段と、被計測物の底面の位置を決める手段と、被計測物の回転軸と平行な回転軸を有する回転機構に取り付けられた該被計測物を回転させるためのローラーとを備えた治具において、前記ローラーが弾性体からなり、かつその形状が、被計測物の計測部分側のローラー径よりも計測部分とは反対側のローラー径が大きい円錐台形を有していることを特徴とする円筒状工具計測用治具。
2. ローラーを構成する弾性体が、ゴムであることを特徴とする請求項１の円筒状工具計測用治具。
3. 請求項１または２のいずれかの円筒状工具計測用治具を備えた形状精度計測機器。

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