JP4875180B2 - 微細接触力調整機構を有する接触式計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、微細接触力調整機構を有する接触式計測装置に関する。

超精密加工において、ナノメートル単位の形状精度を実現するためには、工作機械上に機上計測装置を設置し、機上計測した結果に基づいた補正加工が必要不可欠である。
対象物に接触して計測するプローブを備えた接触式計測装置において、計測対象に対するプローブの接触力はプローブの移動速度、測定対象の形状および材質によって調整を行う必要がある。また、プローブを鉛直方向に取付ける場合は、プローブの自重の影響を無くさなければ、微小な接触力を得ることができない。

特許文献１には、微小な接触力を実現するため、圧縮空気の空圧と永久磁石によりプローブの接触力を調整する技術が開示されている。また、特許文献２には、プローブの接触力を調整するため、プローブの軸受部に多数の付勢空間を設け、その空間に圧縮空気を供給する。付勢空間により、付勢力の方向を異ならせて、押出す方向の付勢力で増大させ、引き込む方向の付勢力でプローブの自重を相殺する技術が開示されている。

図１１は、流体軸受により支持される摩擦のないプローブを備えている機上計測装置において、空気圧力と永久磁石による接触力調整の一例として、受圧面に対する空気の圧力の調整と、磁性体に対する永久磁石の引力の調整による力の釣り合いで、プローブの測定対象の面に対する接触力を調整し、排気弁の排気量の調整により接触力の微調整を行う特許文献１に開示されている技術を説明する図である。

流体軸受（流体軸受面３０）により支持された機械的摩耗の無いプローブ１ｂを備えているプローブ本体１ａにおいて、測定子の棒１ｅの先端に取付けられた球型測定子１ｆと接触力測定装置３００が接触した状態で、レギュレータ３６と排気弁３２ａによるプローブ１ｂへの供給空気の圧力の調整と、磁性体３１に対する永久磁石３３の引力の調整を行い、プローブ１ｂの接触力測定装置３００の計測対象面３００ａに対する接触力ｆ１の微調整を行うことができる。接触力測定装置３００として、例えば、力センサや電子天秤を使用することができる。

特開２００９−２１６６６７号公報 特開２００７−１５５４４０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、プローブの接触力を変更するには、接触力を電子天秤などの接触力測定装置を用いて測定しながら、レギュレータの空圧（圧縮空気の圧力）、または永久磁石の位置、排気弁の絞り具合などを微調整する必要があり、手間がかかる上に、手動調整であるので再現性に困難を伴う。また、特許文献２に開示された技術では、微小な接触力の調整のために微小空気圧力の制御が必要であるが、空気圧の微小な脈動にも影響されやすい。

圧縮空気による方法の他に、電磁石と永久磁石による方法もある。プローブの接触力の調整には、プローブの前方と後方の電磁石の電流を別々に制御する必要がある。しかし、電流制御のための付加装置を用いる必要がある上に、電磁石による発熱によってプローブが熱膨張し、マイクロメートル単位以下の微小な計測を必要とする装置に適用することは困難である。

そこで本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、空圧と永久磁石による接触力調整において、微細な接触力を自動的にかつ正確に調整することが可能な微細接触力調整機構を有する接触式計測装置を提供することである。
より具体的には、プローブの角度変化による重力の影響の変化を打ち消し、プローブの計測対象の面に対する接触力を所定の接触力に維持することが可能な微細接触力調整機構を有する接触式計測装置を提供することである。

本願の請求項１に係る発明は、３軸以上の直動軸と１軸以上の回転軸で構成され、プローブがいずれかの回転軸に該プローブの軸方向が重力方向に対して任意の角度で取付けられ、該３軸以上の直動軸と該１軸以上の回転軸が計測プログラムに従って制御されプローブに取付けられた接触子と計測対象の面が接触した状態でかつ該プローブの中心軸と該計測対象の面とが垂直となるように該計測対象の面の位置と該プローブの接触子の位置とを相対移動させプローブの変位により該計測対象の面の形状計測を行う接触式計測装置であって、プローブを流体軸受で支持するプローブ本体と、前記プローブに引っ張り力あるいは押し出し力を付与するために電空レギュレータにより前記プローブ本体内の流体圧力を制御する流体圧力制御部と、前記プローブ本体に取付けられた可動部を有する距離調整部と、前記距離調整部に備わった可動部に取り付けられた永久磁石と、前記永久磁石との間に斥力または引力を生じる前記プローブに取付けられた接触子と反対側端部に取付けられる部材と、重力方向と前記プローブの軸の方向のなす角度を求める角度演算部と、予め測定しておいた重力方向と前記プローブの軸の方向のなす角度と前記プローブの変位と前記流体圧力と前記接触力の関係のデータを記憶しておく記憶部と、前記角度演算部により求めた角度から前記記憶部に記憶したデータに基づいて、プローブの自重による接触力の変化をキャンセルする流体圧力の値を求めて、前記流体圧力の値となるように前記流体圧力制御部を制御するか、あるいは、前記角度演算部により求めた角度から前記記憶部に記憶したデータに基づいて、流体圧力が一定の場合にプローブの自重による接触力の変化をキャンセルするプローブの変位の値を求めて、前記プローブの変位の値となるように前記プローブを前記角度の方向に移動制御する接触力制御部と、を備え、前記プローブの角度変化による重力の影響の変化を打ち消し、前記プローブの前記計測対象の面に対する接触力を所定の接触力に維持するようにしたことを特徴とする微細接触力調整機構を有する接触式計測装置である。

請求項２に係る発明は、前記部材は、磁性体の金属あるいは永久磁石が組み込まれており、前記プローブは流体軸受に支持されることを特徴とする請求項１に記載の微細接触力調整機構を有する接触式計測装置である。

請求項３に係る発明は、前記記憶部に記憶しておくデータは、所定の前記流体圧力と所定の前記可動部の永久磁石の位置において、前記接触子を１００ｍｇｆ以下の分解能を有する力センサに接触させて、重力方向と前記プローブの軸の方向のなす角度を９０度にして前記９０度方向に直線移動させながら、前記プローブの変位と前記力センサによる接触力の関係を求めることと前記プローブの自重の前記接触力への影響と前記角度との関係を求めることで、前記データを得ることを特徴とする請求項１または２のいずれか１つに記載の微細接触力調整機構を有する接触式計測装置である。

本発明により、空圧と永久磁石による接触力調整において、微細な接触力を自動的にかつ正確に調整することが可能な微細接触力調整機構を有する接触式計測装置を提供できる。
より具体的には、プローブの角度変化による重力の影響の変化を打ち消し、プローブの計測対象の面に対する接触力を所定の接触力に維持することが可能な微細接触力調整機構を有する接触式計測装置を提供できる。

Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の直動軸を有し、Ｘ軸上に回転軸であるＢ軸と、Ｙ軸上に回転軸であるＣ軸を配置した工作機械の要部を説明する図である。 機上計測装置の可動部であるプローブの移動変位検出の手段として、リニアスケールとレーザヘッドを有し、計測対象面に沿って相対的に移動させ、プローブの変位により計測対象物の形状計測を行うことを示す図である。 機上計測装置を備えた工作機械と該工作機械を制御する数値制御装置を有するシステムを説明する図である。 機上計測装置が回転軸に取付けられ、曲面を有するワーク面の計測のため、球型測定子であるルビー球を曲面に接触させ、各軸の同時制御により機上計測装置を走査して、機上計測装置の可動軸であるプローブの変位により、機上計測を行うことを説明する図である。 加工装置が回転軸に取付けられ、球面と工具軸が垂直になるように工作機械の各軸が同時制御されながら加工を行うことを説明する図である。 加工装置と同じ回転軸上に取付けられた機上計測装置において、図５による加工の後、加工プログラムを元に作成された計測プログラムにより球面とプローブの中心軸が垂直となるように工作機械の各軸が同時制御されながら計測を行うことを説明する図である。 一定のレギュレータ圧力、一定の永久磁石の位置、一定の排気弁の絞り具合の状態とプローブの姿勢が重力方向と垂直になり重力による接触力の影響がない状態で、数値制御装置に連結された機上計測装置のプローブ変位と数値制御装置の電空レギュレータ制御により接触力を変動して、そのときのプローブ変位と接触力をパソコンなどの外部記憶装置に同時に保存することを説明する図である。 図７の保存の結果として、接触力とプローブ変位の関係が明確になることを示す図である。 機上計測装置が図１においてＣ軸に取付けられ、なおかつ計測対象物の表面に常にプローブの中心軸が垂直になるように制御されながら計測を行うことを説明する図である。 機上計測装置が図１においてＣ軸に取付けられ、なおかつ計測対象物の表面に常にプローブの中心軸が垂直となるように制御されながら計測する際に、電空レギュレータの出力は一定にして、回転角度変化によりプローブの自重の影響が増加する場合、プローブを機上計測装置の中へ引っ込ませて、磁力増大により自重の影響を常に打ち消すことを説明する図である。 流体軸受により支持される摩擦のないプローブを備えている機上計測装置において、空気圧力と永久磁石による接触力調整の一例として、受圧面に対する空気の圧力の調整と、磁性体に対する永久磁石の引力の調整による力の釣り合いで、プローブの測定対象の面に対する接触力を調整し、排気弁の排気量の調整により接触力の微調整を行う方法を説明する図である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。なお、従来技術と同一または類似する構成については同じ符号を用いて説明する。
図１は、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の直動軸を有し、Ｘ軸上に回転軸であるＢ軸と、Ｙ軸上に回転軸であるＣ軸を配置した工作機械の要部を説明する図である。図１に要部を示す工作機械は数値制御装置によって制御され、３軸以上の直動軸と１軸以上の回転軸で構成されている工作機械の一例として、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の直動軸を有し、Ｘ軸上に回転軸であるＢ軸と、Ｙ軸上に回転軸であるＣ軸を有し、５軸同時制御が可能な工作機械について示している。

図２は、機上計測装置の一例を説明する図である。機上計測装置は図１に示すような工作機械に取付けられ、その場計測を行うことができる。
機上計測装置１は、可動部であるプローブ１ｂを流体軸受けによって支持しプローブ本体１ａに内蔵して備えている。プローブ１ｂは流体軸受けによって支持されることによって、摩擦がないか摩擦を無視でき、プローブ１ｂの中心軸方向に移動可動である。流体軸受けとしては例えば空気軸受を用いることができる。

プローブ１ｂの一端には、細い棒状の部材である測定子の棒１ｅが取付けられている。測定子の棒１ｅの一端はプローブ１ｂの一端に固定され、他端には球型測定子１ｆ取り付けられている。球型測定子１ｆは、計測対象物１００の計測対象面１００ａに接触し、計測対象物の形状計測を行うことができる。球型測定子１ｆは、従来の接触式計測装置で用いられているように、例えば、球形のルビー球が用いられ、計測対象面１００ａとの摩擦係数を低減し、かつ、摩耗を防止する。

機上計測装置１は、移動変位の検出手段として、レーザヘッド１ｃおよびリニアスケール１ｄを備える。機上計測装置１内のプローブ１ｂの部位にリニアスケール１ｄを配置し、プローブ本体１ａ内にプローブ１ｂのリニアスケール１ｄに対抗するようにレーザヘッド１ｃを備える。当該レーザヘッドとリニアスケールを備えた移動変位検出手段は高精度な位置検出を行えるものとして公知の手段である。そして、図２に示されるように、機上計測装置１を計測対象物１００の計測対象面１００ａに沿って移動させ、プローブ１ｂの変位を前記移動変位の検出手段により検出する。前記移動変位の検出手段はプローブ１ｂの変位を示す移動変位検出信号を出力する。この移動変位検出信号は、機上計測装置１からの計測信号ｉｐｆとして、後述するパーソナルコンピュータ１１に入力し、機上計測装置１からのプローブ１ｂの位置情報として格納される。

図２を用いて説明した接触式計測装置を工作機械の機上計測装置として適用し工作機械システムを構成することができる。数値制御装置と測定子を備えたプローブを有する機上計測装置を有し、１軸以上の直線軸と１軸以上の回転軸とから構成される工作機械の可動軸の位置を検出する位置検出装置から出力される軸位置検出信号と前記機上計測装置から出力される計測信号とを外部装置に転送することにより、計測対象物の表面形状を計測する前記工作機械システムにおいて、前記数値制御装置は、前記軸位置検出信号と前記計測信号とをインタフェースを介して受けるように構成し、前記インタフェースは、工作機械の各可動軸のモータを駆動するアンプが有するインタフェースであり、前記数値制御装置は、前記工作機械を駆動するモータが接続されていない前記アンプが有するインタフェースを介して前記機上計測装置からの計測信号を受け、前記機上計測装置は、前記回転軸上に取付けられ、前記測定子と前記計測対象物の面が接触した状態で前記プローブの変位により計測を行う接触式計測装置であって、前記プローブへの空気圧力と前記プローブと永久磁石との距離の調整により接触力を調整する手段を有し、前記数値制御装置により前記空気圧力を制御する。

図３は、上述した機上計測装置を備えた工作機械と該工作機械を制御する数値制御装置を有するシステムを説明する図である。図３では、機上計測装置１からの計測信号ｉｐｆが数値制御装置を介してパーソナルコンピュータ１１に入力することを示している。この例では、工作機械の各軸と、回転軸であるＢ軸に取付けられた機上計測装置１が同じインタフェースを持つことにより、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸，Ｂ軸，Ｃ軸の各軸の位置検出信号と機上計測装置１の計測信号を簡単に同期しながら数値制御装置８に取り込むことができる。
数値制御装置８は、加工プログラムに従って工作機械を駆動制御しワークを加工する装置であって、演算装置、記憶装置、表示装置などを備えている公知の装置である。インタフェース２として、各軸に備わったモータを駆動するアンプが有するインタフェースを用いることにより、工作機械の各軸の位置検出信号と機上計測装置からの計測信号とを簡単に同期させて数値制御装置８内に取り込むことができる。そして同期して取りこまれた前記信号は位置情報として数値制御装置８内の図示しない記憶装置に格納される。

数値制御装置８は、外部装置である例えばパーソナルコンピュータ１１にイーサネット（登録商標）１２経由でＬＡＮ通信を行い、工作機械の各軸からの位置情報と機上計測装置１からの計測情報とをパーソナルコンピュータ１１に接続された記憶装置１１ａを出力する。パーソナルコンピュータ１１は、数値制御装置８からの位置情報および計測情報を記憶装置１１ａに格納する。

パーソナルコンピュータ１１には、計測用ソフトウェアが格納されており、数値制御装置８を介して読み込まれた位置情報および計測情報を用いて、被加工物の形状計測などの所要の演算処理を実行することができる。形状計測などの所要の演算処理は従来技術と同様である。また、パーソナルコンピュータ１１には、計測用ＮＣプログラム、加工用ＮＣプログラム、加工用補正ＮＣプログラムが格納されている。これらのプログラムも従来公知のプログラムである。

図４は、機上計測装置が回転軸に取付けられ、曲面を有するワーク面の計測のため、球型測定子であるルビー球を曲面に接触させ、各軸の同時制御により機上計測装置を走査して、機上計測装置の可動軸であるプローブの変位により、機上計測を行うことを説明する図である。この場合は、プローブ１ｂの中心軸とワーク２００のワーク面２００ａとが常に垂直となるように工作機械の各軸が同時制御されるため、プローブ１ｂの中心軸と球型測定子１ｆの先端と交わる点のみが理想的にはワーク面に接触するため、従来では不可能であって９０度以上の角度に対しても計測が可能である。また、常に一点で計測を行うため、球型測定子１ｆの形状誤差を最小化することができる。

次に、図５と図６とを用いて、機上計測装置と加工工具とが同じ回転軸に搭載された場合の加工および計測の様子を説明する。
図５は、加工装置が回転軸に取付けられ、ワーク２００の球面と工具軸が垂直になるように工作機械の各軸が同時制御されながら加工を行うことを説明する図である。機上計測装置１とスピンドルのような加工装置２０とを回転軸に備えた場合、加工装置２０が、ワークの球面と工具軸とが垂直になるように工作機械の各軸が同時制御されながら加工を行う。ワークの加工面に対して工具軸を垂直となるように指令して工作機械に加工させることは従来から行われており、この加工を実行する加工プログラムそれ自体も従来から用いられている加工プログラムである。よって図３に示される工作機械の加工用ＮＣプログラムとして、ワーク２００の表面に対して垂直方向から加工する加工用プログラムを用いることができる。

図６は、加工装置と同じ回転軸上に取付けられた機上計測装置において、図５による加工の後、加工プログラムを元に作成された計測プログラムにより球面とプローブの中心軸が垂直となるように工作機械の各軸が同時制御されながら計測を行うことを説明する図である。
図５に示された加工後、加工プログラムを元に作成された計測プログラムにより、ワーク２００の球面とプローブ１ｂの中心軸とが垂直となるように工作機械の各軸（図１参照）が同時制御されながら計測を行うことを説明している。なお、加工プログラムを利用して、機上計測装置１による機上計測を行う際には、工具刃先に対するプローブ１ｂの中心軸が球型測定子１ｆと交わる点のオフセット量を加工プログラムに反映して、計測プログラムを作成する。加工プログラムを活用できることから、計測プログラムを最初から作成する手間を省くことができる。

図７は、従来技術として説明した図１１の一例において、さらに、電空レギュレータを追加し、一定のレギュレータ圧力、一定の永久磁石の位置、一定の排気弁の絞り具合の状態とプローブの姿勢が重力方向と垂直になり重力による接触力の影響がない状態で、数値制御装置に連結された機上計測装置のプローブ変位と数値制御装置の電空レギュレータ制御により接触力を変動して、そのときのプローブ変位と接触力をパソコンなどの外部記憶装置に同時に保存することを説明する図である。

エアコンプレッサ３５から、供給空気圧調整手段３６ａを有するレギュレータ３６を介して一次降圧し、更に、電空レギュレータ４０を介して２次降圧して圧縮空気を機上計測装置１のプローブ本体１ａ内に供給する。レギュレータ３６から排出される圧縮空気の圧力は固定されている。電空レギュレータ４０は、電気信号を空気圧力に変換し空気の流量を精密に制御する装置である。電空レギュレータ４０は従来公知の装置である。プローブ本体１ａに供給された圧縮空気は、プローブ１ｂをプローブ本体１ａ内から押し出す方向の力（押出し力ｆ３）を、プローブ１ｂに取付けられた磁性体３１に与える。プローブ本体１ａに供給された圧縮空気は、排気口３２や流体軸受面３０からプローブ本体１ａの外部に放出される。排気弁３２ａの絞り具合を固定している。なお、流体軸受面３０へは、図示省略した軸受用流体供給手段から軸受用流体が供給されてもよい。

プローブ１ｂの端部に取付けられている磁性体３１としては鉄などの金属、あるいは、磁性体にかえて永久磁石を用いることもできる。永久磁石の場合には、永久磁石３３と引力が作用するように両者の極性を選択する。また、プローブ本体１ａには可動部（スピンドル３４ａ）を備えたマイクロメータ３４（図１１参照）が取り付けられており、可動部であるスピンドル３４ａの先端には、磁性体３１に対向するように永久磁石３３が取り付けられている。マイクロメータ３４は、例えば極めて精密なネジのピッチを応用した測定器であって、永久磁石３３のプローブ１ｂにおける位置を精密に行うことででき、磁性体３１と永久磁石３３との距離を精密に調整することができる。これによって、永久磁石３３と磁性体３１との間に働く引力を高精度に調整することができる。

プローブ１ｂに取付けられた磁性体３１には、圧縮空気に起因する押出し力ｆ３と、磁性体３１とマイクロメータ３４のスピンドル先端に取付けられた永久磁石３３との間に働く引力である引張力ｆ２が作用する。押し出し力ｆ３は、プローブ１ｂをプローブ本体１ａ内から外側へ押出す力であり、引張り力ｆ２は、プローブ１ｂをプローブ本体１ａの内側へ引き込む力である。従って、プローブ１ｂに取付けられた測定子の棒１ｅに取付けられた球型測定子１ｆが接触力測定装置３００に及ぼす力である接触力ｆ１は、ｆ１＝ｆ３−ｆ２の式で表すことができる。この関係式より、引張り力ｆ２や押し出し力ｆ３の大きさや向きを調節することにより、球型測定子１ｆの接触力ｆ１を自在に調整することができる。

流体軸受（流体軸受面３０）により支持された機械的摩耗の無いプローブ１ｂを備えているプローブ本体１ａにおいて、測定子の棒１ｅの先端に取付けられた球型測定子１ｆと接触力測定装置３００とが接触した状態で、レギュレータ３６と排気弁３２ａによるプローブ１ｂへの供給空気の圧力の調整と、磁性体３１に対する永久磁石３３の引力の調整を行い、プローブ１ｂの接触力測定装置３００の計測対象面３００ａに対する接触力ｆ１の微調整を行うことができる。接触力測定装置３００として、例えば、力センサや電子天秤を使用することができる。

機上計測装置１に備わったプローブ１ｂの計測対象物に対する接触力ｆ１が重力の影響を受けないように、プローブ１ｂの姿勢を鉛直方向と垂直な方向にとる。プローブ１ｂに取付けられた測定子の棒１ｅの先端に固定された球型測定子１ｆを接触力測定装置３００の計測対象面３００ａに接触させることによって、接触力を測定する。測定された接触力ｆ１の接触力データは、接触力測定装置３００からパーソナルコンピュータ１１に出力される。

工作機械を制御する数値制御装置８から電空レギュレータ４０へ電圧の微調整指令を行って、電空レギュレータの空気圧を微調整し、その時のプローブ１ｂの変位と接触力ｆ１との関係を同時に取得しパーソナルコンピュータ１１に備わった記憶装置に格納する。
数値制御装置８による電空レギュレータ４０の制御は、例えば、数値制御装置においてマクロ変数、または、機上計測装置が取付けられた回転軸の座標の変化を元に、数値制御装置の記憶装置に格納されたデータから、電空レギュレータ４０に指令する電圧に変換し、数値制御装置８に接続された電空レギュレータ４０の圧力の調整を行う。電空レギュレータ４０を用いることにより、レギュレータ３６により絞られた１次降圧された圧縮空気を電空レギュレータ４０において再度絞って２次降圧する。このように、２段階にわたって降圧することにより、空気圧力の微圧調整だけでなく、脈動も最小化することができる。

図７において、数値制御装置８からパーソナルコンピュータ１１へは、機上計測装置１のプローブ１ｂの変位が位置検出信号として数値制御装置８に入力したデータが、数値制御装置８を介してパーソナルコンピュータ１１に保存される。

図８は、図７の保存の結果として、接触力とプローブ変位の関係が明確になることを示す図である。横軸はプローブ１ｂの変位量、縦軸は接触力を表している。ここで、プローブ１ｂの変位は、プローブ１ｂが最も機上計測装置１のプローブ本体１ａから押し出された状態を０［ｍｍ］として、そこの位置から機上計測装置のプローブ本体１ａの中へ引き込まれた相対量を表している。

図８のグラフは、図７において機上計測装置１に所定の流体圧力を付与し、可動部であるスピンドル３４ａに取付けられた永久磁石３３の位置において、測定子の棒１ｅの球型測定子１ｆを１００ｍｇｆ以下の分解能を有する接触力測定装置３００に接触させて、鉛方向である重力方向とプローブ１ｂの軸方向のなす角度を９０度（つまり、プローブ１ｂを水平方向）にして、前記９０度方向にプローブ１ｂを直線移動させながら、プローブ１ｂの変位と接触力測定装置３００との接触力の関係を求め、プローブ１ｂの自重の接触力への影響と角度（重力方向とプローブ１ｂの軸方向とのなす角度）との関係を求めることで得られる。

接触力測定装置３００による接触力の測定は、プローブ１ｂが水平（前記角度が９０度）であって重力の影響がない時の１回行えばよい。そして、既知の情報であるプローブ１ｂの自重が接触力に及ぼす影響を後述する数１式によって求める。この２つのデータにより図８に示されるプローブ１ｂの鉛直方向（重力方向）からの角度に対して動くべき変位を決めることができる。

図９は、機上計測装置が図１においてＣ軸に取付けられ、なおかつ計測対象物の表面に常にプローブの中心軸が垂直になるように制御されながら計測を行うことを説明する図である。この場合、Ｃ軸の回転角度によりプローブ１ｂの自重が接触力ｆ１（計測対象面に垂直な方向）へ及ぼす影響が変化する。重力方向を基準としたＣ軸の回転角度は前述した数値制御装置８によって算出することができる。

ここで、空圧によるプローブ１ｂの押し出し力をＦ_A、永久磁石による引張り力をＦ_MG、プローブ１ｂの自重をＭ_PR、プローブ１ｂが完全に垂直（鉛直方向に平行）な時を基準にした際の回転角度をθ、プローブ自重による接触力への影響をＦ_PR（θ）、総合押出し力をＦ_PS、総合プローブ接触力をＦ_Tと記載する。なお、ここでは、プローブ１ｂの自重は、図２において、プローブ１ｂ、リニアスケール１ｄ、測定子の棒１ｅ、および球型測定子１ｆを含めた重さを意味する。
上述の変数の定義を用いて、機上計測装置１を取り付けた回転軸の回転角度が変化することで変動する接触力を数１式〜数３式の関係式を用いて表すことができる。図９を参照すると理解し易い。なお、θ₁＜θ₂とする。
数１式は、プローブ自重による接触力への影響分を表す式である。数２式は、プローブ１ｂの回転角度がθ₁とθ₂の時のプローブ自重による接触力への影響Ｆ_PR（θ）への影響を説明する式である。プローブ自重による接触力への影響Ｆ_PR（θ）はθが０度の時が最大となる。そして、プローブ１ｂの総合プローブ接触力Ｆ_Tは数３式によって表すことができる。

電空レギュレータ４０によって圧縮空気の空気圧を調整し、数３式から数１式で表されるプローブ自重による接触力への影響Ｆ_PR（θ）をキャンセルすればよく、数４式にその関係を示す。

そうすると、総合プローブ接触力Ｆ_Tは、数５式によって表すことができる。

以上説明したように、機上計測装置１が取付けられた回転軸の回転角度に合わせて、数値制御装置８から電空レギュレータ４０の電圧を調整して、自重の影響を常に打ち消すことができる。

プローブ１ｂの自重が接触力に影響を及ぼし、なおかつ機上計測装置１の取付けられた回転軸の角度変化に伴い、接触力に及ぼす影響の大きさが変動する場合、数値制御装置で演算された前記回転軸の角度変化による前記変動の値を打ち消すように、数値制御装置８により電空レギュレータ４０の電圧を制御する。図７において、接触力に対するプローブ１ｂの自重の影響が大きくなるとその分を打ち消すために、角度に合わせて数値制御装置８から電空レギュレータ４０への電圧指令を微調整し、電圧を低下し、電空レギュレータ４０から機上計測装置１に圧縮空気供給管路３７を通して供給される圧縮空気の圧力を下げる。

次に、図７に示される電空レギュレータ４０からの圧縮空気の圧力は一定（つまり、数値制御装置８から電空レギュレータ４０への電圧指令は一定とする）とした場合の、プローブ１ｂの自重による接触力への影響を除去する方法を、図１０を用いて説明する。
この方法は、プローブ１ｂの自重が接触力に影響を及ぼし、なおかつ機上計測装置１が取付けられた回転軸の角度変化に伴って接触力の影響の大きさが変動する場合に、数値制御装置８で演算された角度変化による変動の値を打ち消すように、プローブ１ｂの変位と
接触力測定装置３００による接触力の関係に基づいて、球型測定子１ｆと計測対象物の面が接触した状態で、数値制御装置８によりプローブ１ｂの変位を自動的に制御する。

図１０は、機上計測装置が図１においてＣ軸に取付けられ、なおかつ計測対象物の表面に常にプローブの中心軸が垂直となるように制御されながら計測する際に、電空レギュレータの出力は一定にして、回転角度変化によりプローブの自重の影響が増加する場合、プローブを機上計測装置の中へ引っ込ませて、磁力増大により自重の影響を常にキャンセルすることを説明する図である。

ここで、プローブ１ｂがθ分回転した際に、機上計測装置１へ変位ΔＰＲ（θ）分、引き込んだ場合の磁力増加による引張り力の増大をΔＦ_ΔPR(θ)とすると、数６式の関係が成り立つ。

そしてこの時の総合プローブ接触力Ｆ_Tは、数７式として表すことができる。

図８に示されるプローブ変位と接触力の関係から、ある回転角度でのプローブ１ｂの自重の影響を打ち消すため、プローブ１ｂを機上計測装置１（プローブ本体１ａ）の中へ引き込ませる変位量を決める。プローブ１ｂがプローブ本体１ａ内に引き込まれることにより、磁性体３１と永久磁石３３との距離が近づくことで磁力が増加し引張り力が強くなり、プローブ１ｂの自重を打ち消すことができる。

この関係は予め数値制御装置８に入力され記憶されており、機上計測装置が取り付けられている回転軸の角度変化によって自動的にプローブ変位量（引き込ませる量）が決まり、数値制御装置８による機上計測装置１を取り付けた工作機械の各軸の制御に反映される。機上計測装置１は、計測対象面に追従（理想的な形状では、プローブ変位が０になる）するのに対して、本発明のこの方法では、プローブ１ｂの自重を打ち消すためプローブ１ｂが移動してしまうが、そのプローブ変位量（引き込ませる量）を同時に保存し、計測対象面の計測の後に計測データからそのプローブ変位量（引き込ませる量）を差し引くことで、計測対象面に追従したようなデータが求められる。もしくは、計測プログラム作成の段階で、回転角度に対するプローブ変位量（引き込ませる量）を反映させたプログラム（引き込ませる量をプリセットさせ、座標系を再構成）する方法を採用することもできる。なお、この方法は、図７に示すような電空レギュレータを備えた工作機械システムや、図１１に示されるような電空レギュレータを備えない工作機械システムにおいても実施できる。

上述したように、本発明の実施形態によれば、空圧調整のためのレギュレータの後ろに電空レギュレータ４０を繋ぎ、数値制御装置８により電空レギュレータ４０の制御を行う。これによって、コンプレッサから出力される圧縮空気をレギュレータ３６で降圧し、さらに、電空レギュレータ４０で降圧することにより、空気の脈動を最小限に抑えて、空圧変動による接触力の変化を極力なくすことができる。また、電空レギュレータ４０の制御を数値制御装置８のマクロ変数とリンクすること、または、回転軸の座標とリンクすることで、計測プログラムの中で自在に接触力を調整することができる。また、機上計測装置が重力の影響を受ける方向に取付けられた場合の回転計測において、各角度において電空レギュレータ４０の出力を変えることができ、角度変化による重力の影響の変化を打ち消すことができる。

また、一定の永久磁石３３の位置、および、空圧において、機上計測装置１のプローブ１ｂを接触力測定装置３００に当てて押し込みながら接触力測定装置３００により接触力を計測し、そのときのプローブ変位量も同時に計測を行い、そのデータをグラフ化する。プローブ１ｂが押し込まれると、磁性体３１と永久磁石３３（または、磁石と磁石）の距離が近くなり、磁力が変動する。例えば、磁性体３１と永久磁石３３の場合、押し込まれると接触力が低減してある変位以上（接触力が０）になると、磁力が空圧に勝ることになる。このプローブが押し込まれる変位とそのときの接触力のグラフを一度作成しておけば、あとは、プローブ１ｂの押し込まれ具合で正確な接触力を微小に０まで調整することができる。

数値制御装置８に１つの軸として認識される機上計測装置１において、重力の影響を受ける回転計測の場合、角度に対する重力変動、および作成したグラフの関係を予め数値制御装置に取り込んでおくことにより、回転角度が変わる際に自動的にプローブの出入り具合を制御し、連続スキャン計測時に常に一定の接触力を維持することが可能である。

１ 機上計測装置
１ａ プローブ本体
１ｂ プローブ
１ｃ レーザヘッド
１ｄ リニアスケール
１ｅ 測定子の棒
１ｆ 球型測定子
２ インタフェース
３ Ｘ軸
４ Ｙ軸
５ Ｚ軸
６ Ｂ軸
７ Ｃ軸
８ 数値制御装置
８ｂ サーボ制御部
１０ 基台
１１ パーソナルコンピュータ
１１ａ 記憶装置
１２ イーサネット（登録商標）
２０ 加工装置
３０ 流体軸受面
３１ 磁性体
３２ 排気口
３２ａ 排気弁
３３ 永久磁石
３４ マイクロメータ
３４ａ スピンドル
３５ エアコンプレッサ
３６ レギュレータ
３６ａ 供給空気圧調節手段
３７ 圧縮空気供給管路
４０ 電空レギュレータ
１００ 計測対象物
１００ａ 計測対象面
２００ ワーク
２００ａ ワーク面
３００ 接触力測定装置
ｉｐｘ，ｉｐｙ，ｉｐｚ，ｉｐｂ，ｉｐｃ 位置検出信号
ｉｐｆ 計測信号（位置検出信号）

Claims (3)

1. ３軸以上の直動軸と１軸以上の回転軸で構成され、プローブがいずれかの回転軸に該プローブの軸方向が重力方向に対して任意の角度で取付けられ、該３軸以上の直動軸と該１軸以上の回転軸が計測プログラムに従って制御されプローブに取付けられた接触子と計測対象の面が接触した状態でかつ該プローブの中心軸と該計測対象の面とが垂直となるように該計測対象の面の位置と該プローブの接触子の位置とを相対移動させプローブの変位により該計測対象の面の形状計測を行う接触式計測装置であって、
   プローブを流体軸受で支持するプローブ本体と、
   前記プローブに引っ張り力あるいは押し出し力を付与するために電空レギュレータにより前記プローブ本体内の流体圧力を制御する流体圧力制御部と、
   前記プローブ本体に取付けられた可動部を有する距離調整部と、
   前記距離調整部に備わった可動部に取り付けられた永久磁石と、
   前記永久磁石との間に斥力または引力を生じる前記プローブに取付けられた接触子と反対側端部に取付けられる部材と、
   重力方向と前記プローブの軸の方向のなす角度を求める角度演算部と、
   予め測定しておいた重力方向と前記プローブの軸の方向のなす角度と前記プローブの変位と前記流体圧力と前記接触力の関係のデータを記憶しておく記憶部と、
   前記角度演算部により求めた角度から前記記憶部に記憶したデータに基づいて、
   プローブの自重による接触力の変化をキャンセルする流体圧力の値を求めて、前記流体圧力の値となるように前記流体圧力制御部を制御するか、あるいは、前記角度演算部により求めた角度から前記記憶部に記憶したデータに基づいて、流体圧力が一定の場合にプローブの自重による接触力の変化をキャンセルするプローブの変位の値を求めて、前記プローブの変位の値となるように前記プローブを前記角度の方向に移動制御する接触力制御部と、
   を備え、
   前記プローブの角度変化による重力の影響の変化を打ち消し、前記プローブの前記計測対象の面に対する接触力を所定の接触力に維持するようにしたことを特徴とする微細接触力調整機構を有する接触式計測装置。
2. 前記部材は、磁性体の金属あるいは永久磁石が組み込まれており、前記プローブは流体軸受に支持されることを特徴とする請求項１に記載の微細接触力調整機構を有する接触式計測装置。
3. 前記記憶部に記憶しておくデータは、所定の前記流体圧力と所定の前記可動部の永久磁石の位置において、前記接触子を１００ｍｇｆ以下の分解能を有する力センサに接触させて、重力方向と前記プローブの軸の方向のなす角度を９０度にして前記９０度方向に直線移動させながら、前記プローブの変位と前記力センサによる接触力の関係を求めることと前記プローブの自重の前記接触力への影響と前記角度との関係を求めることで、前記データを得ることを特徴とする請求項１または２のいずれか１つに記載の微細接触力調整機構を有する接触式計測装置。

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