JP4923441B2 - 形状測定器 - Google Patents

Description

本発明は、接触式の測定プローブを備える形状測定器に関し、好適には、加工機に搭載される機上形状測定器に関するものである。

従来より、光学レンズ等の表面形状を測定する形状測定器は、被測定物に傷を付けないように、接触圧を極力小さくしている。係る接触圧を小さくした形状測定器として、例えば、特許文献１、特許文献２等がある。

特許文献１の形状測定器について、図６を参照して説明する。
特許文献１では、重力方向に測定プローブを保持し、バネ等で重力を釣り合わせて接触圧を調整している。即ち、被測定物１８０に対して、垂直上方から接触する測定プローブ３２と、測定プローブ３２の重力分を調整するバネ１５２と、測定プローブの位置を検出する位置検出器１５４とを備える。

また、特許文献２では、図７に示すように測定プローブ３２を支持手段１３４により傾斜させて保持することにより、被測定物１８０への接触圧を小さくしている。この接触圧の調整は、傾斜調整手段１３６により、測定プローブ３２の傾斜角度を調整することで行っている。
特開平７−２６０４７１号公報 特表２００５−５０２８７６号公報

しかしながら、特許文献１の形状測定器では、上方から測定プローブ３２を被測定物１８０に当てる方式であるため、切屑排出が容易な横型の超精密加工機に搭載することが困難である。また、バネの非線形性から測定圧のコントロールが難しく、測定プローブのストローク位置により測定圧が変化するという課題がある。

一方、特許文献２の形状測定器では、測定圧を、測定プローブ３２の傾斜角度を変えることで調整しているため、容易に変えることができなかった。例えば、図５に示す形状の被測定物を測定する際に、Ｐ１で示す平面（測定プローブ３２に対して垂直面）位置を測定する場合に対して、Ｐ２で示す傾斜面を測定する際には、測定プローブ３２に偶力が加わり撓みが生じて測定誤差となるため、測定圧を下げることが望ましい。しかし、特許文献２では、測定中に測定圧を下げることが難しく、また、傾斜調整手段１３６で測定プローブ３２の傾斜角度を変えて測定圧を調整すると、測定プローブ１３２が被測定物１８０に当たっている箇所が変わり、誤差となってしまう。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、接触力を変えながら小さな接触力で被測定物の表面形状を測定できる形状測定器を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の形状測定器３０は、
被測定物の表面に接触する測定プローブ３２と、
前記測定プローブ３２が取り付けられたシリンダを、軸方向であって、自重で被測定物Ｗから離れて後退するように水平方向に対して所定の傾斜θを持たせて支持する支持手段４２と、
前記シリンダを、所定の傾斜θに沿い前記測定プローブが前記被測定物Ｗ側へ突出するように付勢する付勢手段４０と、
前記測定プローブ３２の進退位置を測定する位置検出器４４とを備えることを技術的特徴とする。

請求項４の発明は、エアシリンダ４０により水平方向に対して所定の傾斜θに沿い被測定物Ｗ側へ付勢される主動軸３４と、
前記主動軸３４に連動され、測定プローブ３２を備える従動軸３６と、
前記主動軸３４と従動軸３６とを、前記エアシリンダ４０の付勢方向の反対方向へ、自重で前記被測定物Ｗから離れて後退するように前記所定の傾斜θを持たせて支持するエアベアリング４２と
前記従動軸の進退位置を測定するリニアスケール４４と、を備えることを技術的特徴とする。

請求項１の形状測定器３０は、支持手段４２で、測定プローブ３２が取り付けられたシリンダを自重で被測定物Ｗから離れて後退するように傾斜θを持たせて支持する。一方、付勢手段４０で、シリンダを所定の傾斜に沿い測定プローブ３２が被測定物Ｗ側へ突出するように付勢する。このため、被測定物Ｗへの測定プローブ３２の接触力は、支持手段４２で傾斜を持たせて支持された測定プローブ３２の自重により被測定物Ｗから離れる方向に作用する後退力と、付勢手段４０の付勢力との差分になるので、接触力を非常に小さくなるように調整することが可能である。また、付勢手段４０の付勢力を変えることで、接触力を連続的に変えることができる。

請求項２の形状測定器３０では、付勢手段は、供給される空気圧により測定プローブを被測定物側へ付勢することで突出させるエアシリンダであって、空気圧を発生する空圧機器と、エアシリンダに対して空圧機器からの空気圧を供給する際にその供給気圧を調整する給気圧制御機器と、を備える。このため、容易に測定プローブ３２へ加える付勢力を調整することができる。

請求項３の形状測定器３０では、位置検出器がリニアスケール４４からなるため、正確に測定プローブ３２の位置を測定することができる。

請求項４の形状測定器では、エアベアリング４２で、測定プローブ３２を備える従動軸３６及び主動軸３４をその自重で被測定物Ｗから離れて後退するように傾斜θを持たせて支持する。一方、エアシリンダ４０で、測定プローブ３２を所定の傾斜θに沿い被測定物Ｗ側へ突出させるように付勢する。このため、被測定物Ｗへの測定プローブ３２の接触力は、エアベアリング４２で傾斜θを持たせて支持された従動軸３６及び主動軸３４の自重により被測定物Ｗから離れる方向に作用する後退力と、エアシリンダ４０の付勢力との差分になるので、接触力を非常に小さくなるように調整することが可能である。また、エアシリンダ４０の付勢力（エアー圧力）を変えることで、接触力を連続的に変えることができる。

以下、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る形状測定器を搭載する超精密加工機の構成を示している。
超精密加工機１０は、ワークＷを固定するワーク固定台１２と、工具１６を保持する砥石軸１４と、砥石軸１４をＸ方向へ送るサーボモータ２２と、Ｙ軸方向へ送るサーボモータ２４と、Ｚ軸方向へ送るサーボモータ２６とを備える。ワークＷの形状を測定プローブ３２により測定する形状測定器３０が、砥石軸１４と併設されている。

形状測定器３０の構成について、図２の平面図を参照して説明する。
形状測定器３０は、エアシリンダ４０により付勢される主動シリンダ３４と、該主動シリンダ３４にブラケット３８により連結された従動シリンダ３６とを備える。従動シリンダ３６には、測定プローブ３２が取り付けられている。主動シリンダ３４及び従動シリンダ３６は、エアベアリング４２により傾斜状態で支持されている。即ち、エアベアリング４２で、主動シリンダ３４及び従動シリンダ３６の自重で後退する（図中左方向に向かう）ように微少な傾斜を持たせて支持している。従動シリンダ３６には位置検出器としてリニアスケール４４が設けられている。形状測定器３０は、従動シリンダ３６のストロークが１０mmに設定され、後述するように測定圧を、数１０mgf〜数１００mgfの範囲で調整可能に構成されている。なお、この実施形態では、主動シリンダ３４と従動シリンダ３６とを設けることで、円柱状のシリンダの回り止めがなされる。

形状測定器３０の制御構成について図３を参照して説明する。
形状測定器３０には、空気圧を発生する空圧機器５０と、形状測定器３０のエアシリンダ４０への供給気圧を調整するシリンダ給気圧制御機器５２とが接続されている。空圧機器５０からの気圧は、エアベアリング４２へ直接供給されるように構成されている。リニアスケール４４からの出力は、位置検出部５４へ入力され、検出された位置は、演算部５６側へ出力される。

図４を参照して実施形態の形状測定器３０での測定プローブ３２の接触力（測定圧）について説明する。
本実施形態の形状測定器３０では、エアベアリング４２で、測定プローブ３２を備える従動シリンダ３６及び主動シリンダ３４の自重ｍで後退するように傾斜θを持たせて支持する。エアシリンダ４０の摩擦力は非常に小さい。ここで、従動シリンダ３６及び主動シリンダ３４の後退する力は、エアベアリングでの傾斜θによって生じ、自重ｍに比べて遙かに小さいｍｇsigθとなる。一方、エアシリンダ４０で、測定プローブ３２をワークＷ側へ突出させるように押出力Ｆcで付勢する。このため、ワークＷへの測定プローブ３２の接触力Ｆは、エアベアリング４２で傾斜を持たせて支持された従動シリンダ３６及び主動シリンダ３４の自重ｍによる後退力（測定子自重傾斜成分）ｍｇsigθと、エアシリンダ４０の押出力Ｆcとの差分（Ｆ＝Ｆc−ｍｇsigθ）になるので、接触力Ｆを非常に小さく調整することが可能である。このため、アルミニューム製品、樹脂製品等の甦生変形し易い被測定物の表面を変形させることなく測定できる。なお、傾斜θは図４中では理解のために大きく傾けてあるが、実際には肉眼では水平と区別できない程微少角度である。

本実施形態の形状測定器３０では、空気圧により測定プローブ３２を付勢するエアシリンダ４０を用いるため、容易に測定プローブ３２へ加える付勢力を調整することができる。また、エアシリンダ４０への供給気圧を発生させる空圧機器５０によって、エアベアリング４２を動作させることができ、駆動源を共用できる。更に、本実施形態の形状測定器では、位置検出器がリニアスケール４４からなるため、正確に測定プローブ３２の位置を測定することができる。

本実施形態の形状測定器３０では、エアシリンダ４０の付勢力（押出力Ｆc）を変えることで、測定プローブ３２の測定圧を連続的に変えることができ、これにより複雑な形状のワークの表面形状を正確に測定することができる。図５は、ワークの形状を示す説明図である。図５に示す形状のワークＷを測定する際に、Ｐ１で示す平面（測定プローブ３２に対して垂直面）位置を測定する場合は、エアシリンダ４０の付勢力（押出力Ｆc）を高め、例えば、１００mgfの測定圧を用いることで、低測定圧で生じ易くなる機械振動に起因するノイズの重畳を防ぐ。

一方、Ｐ２で示す傾斜面を測定する際には、エアシリンダ４０の付勢力（押出力Ｆc）を下げ、例えば半分の５０mgfの測定圧を用いることで、傾斜面から偶力が掛かり測定プローブ３２に撓みが生じて測定誤差となるのを防ぐ。なお、この際に、低測定圧で生じる機械振動に起因するノイズが重畳し易くなるが、この誤差は、測定プローブ３２の撓みによる誤差分よりも遙かに小さい。また、本実施形態の形状測定器は、図７を参照して上述した特許文献２の形状測定器と異なり、測定中に測定圧を変えても、測定プローブ３２が被測定物１８０に当たっている位置が変わることがない。

本実施形態の形状測定器では、走査用の移動ステージ（加工機制御軸）を駆動し測定プローブ３２をワークＷに押し付けた状態で、更に走査用の移動ステージ（加工機制御軸）を駆動して測定面を走査する。測定プローブ３２は、ワークＷの形状に倣って移動するため、そのときの測定プローブ３２の軌跡が、ワークＷの形状となる。

高精度な形状測定が要求される場合、常に一定な測定圧が必要となる。本実施形態の形状測定器では、特許文献１のように非線形要素が含まれないため、測定プローブのストローク位置により測定圧が変化しない。

測定プローブを支持する従動シリンダ３６及び主動シリンダ３４は、摩擦力の非常に小さなエアベアリング４２で支持され、測定圧は、測定子自重傾斜成分（ｍｇsigθ）とエアシリンダ４０の押出力Ｆcとの差分（Ｆ＝Ｆc−ｍｇsigθ）になるので、本実施形態の形状測定器では、接触力を非常に小さすることが可能である。

上述した実施形態では、測定プローブをワークＷの形状の倣うように動作させたが、測定プローブ位置を一定に保ち、機械制御軸を加工プログラムに応じて倣わせるように動作させることも可能である。このときは、測定プローブ位置の変動が、加工誤差に相当することになる。

上述した実施形態では、位置検出器としてリニアスケールを用いたが、この代わりに、レーザ干渉計、うず電流式、静電容量式等の多種の検出器が利用可能である。さらに、上述した実施形態では、形状測定器を主動シリンダと従動シリンダとの２本のシリンダにより構成したが、１本のシリンダで構成することも可能である。

本発明の一実施形態に係る形状測定器を搭載する超精密加工機の構成を示す構成図である。 形状測定器の平面図である。 形状測定器の制御構成を示すブロック図である。 形状測定器での接触圧の説明図である。 形状測定器でのワーク測定の説明図である。 従来技術の形状測定器の説明図である。 従来技術の形状測定器の説明図である。

符号の説明

１０ 超精密加工機
３０ 形状測定器
３２ 測定プローブ
３４ 主動シリンダ
３６ 従動シリンダ
４０ エアシリンダ
４２ エアベアリング
Ｗ ワーク（被測定物）

Claims (4)

1. 被測定物の表面に接触する測定プローブと、
   前記測定プローブが取り付けられたシリンダを、軸方向であって、自重で前記被測定物から離れて後退するように水平方向に対して所定の傾斜を持たせて支持する支持手段と、
   前記シリンダを、前記所定の傾斜に沿い前記測定プローブが前記被測定物側へ突出するように付勢する付勢手段と、
   前記測定プローブの進退位置を測定する位置検出器とを備えることを特徴とする形状測定器。
2. 前記付勢手段は、供給される空気圧により前記測定プローブを前記被測定物側へ付勢することで突出させるエアシリンダであって、
   前記空気圧を発生する空圧機器と、
   前記エアシリンダに対して前記空圧機器からの空気圧を供給する際にその供給気圧を調整する給気圧制御機器と、
   を備えることを特徴とする請求項１の形状測定器。
3. 前記位置検出器は、リニアスケールからなることを特徴とする請求項１又は請求項２の形状測定器。
4. エアシリンダにより水平方向に対して所定の傾斜に沿い被測定物側へ付勢される主動軸と、
   前記主動軸に連動され、測定プローブを備える従動軸と、
   前記主動軸と従動軸とを、前記エアシリンダの付勢方向の反対方向へ、自重で前記被測定物から離れて後退するように前記所定の傾斜を持たせて支持するエアベアリングと
   前記従動軸の進退位置を測定するリニアスケールと、を備えることを特徴とする形状測定器。

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