JP5171314B2 - 球面形状測定装置 - Google Patents
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この球面形状測定装置では、被測定物支持手段で回転自在に支持された被測定物を、その軸部の中心軸回りに被測定物回転手段で回転させながら、前記軸部の中心軸を含む平面内で、非接触変位計をその軸線上の所定位置を回動中心として回動させることで、被測定物の球面形状部の球面形状を測定する。被接触変位計の回動中心は、被測定物の球面形状部の中心に位置合わせする。位置調整手段で、非接触変位計の軸方向位置を調整して、被接触変位計が前記球面形状部の表面位置を測定できるようにする。これにより、接触式の測定装置の場合のようなプローブ摩耗による形状変化等の誤差を解消して、非接触で球面形状を高精度に測定できる。
この構成の場合、直径測定手段の測定結果に基づき、位置調整制御手段が位置調整手段を制御することにより、非接触変位計の回動中心が前記球面形状部の中心に自動的に位置合わせされる。また、測定制御手段が被測定物回転手段および変位計回動手段を制御することにより、被測定物を回転させながら非接触変位計を回動させて、自動的に前記球面形状部の表面形状測定を行うことができる。
被測定物支持手段に対して被測定物を取り替えた時に、円柱状軸部の直径に変化があると、非接触変位計の回動中心は球面形状部の中心からずれる。この場合に、位置調整制御手段は、前記位置調整手段の垂直・水平移動手段を制御して、前記直径測定手段が測定する前記円柱状軸部の直径の変化量相当分だけ前記球面形状測定手段を移動させる。そのため、非接触変位計の回動中心の球面形状部の中心からのずれを補正することができる。これにより、被測定物を取り替えた時にも測定精度低下をきたさず、球面形状を高精度に測定できる。
この構成の場合、被測定物の球面形状部の表面に形成される溝(すなわち真球面より凹んだ部分)やランド(すなわち真球面より突出した部分)の測定や、溝とランドの幅比率測定なども行うことができる。
また、前記被測定物支持手段は前記被測定物をその球面形状部が上位置となる垂直姿勢で支持し、前記変位計回動手段は前記非接触変位計を前記被測定物の軸部の中心軸を含む垂直面内で回動させるものとし、前記位置調整手段は、前記非接触変位計をその軸方向に位置調整する軸方向位置調整手段の他に、前記球面形状測定手段の全体を垂直方向および水平方向に移動させる垂直・水平移動手段を有し、前記球面形状部の赤道高さ位置および直径を非接触で測定する直径測定手段と、この直径測定手段の測定結果に基づき前記位置調整手段を制御することにより、前記非接触変位計の回動中心を前記球面形状部の中心に位置合わせする位置調整制御手段と、前記被測定物回転手段および前記変位計回動手段を制御することにより、前記被測定物を回転させながら前記非接触変位計を回動させて、前記球面形状部の表面形状測定を行う測定制御手段とを設ける。このため、直径測定手段の測定結果に基づき、位置調整制御手段が位置調整手段を制御することにより、非接触変位計の回動中心が前記球面形状部の中心に自動的に位置合わせされる。また、測定制御手段が被測定物回転手段および変位計回動手段を制御することにより、被測定物を回転させながら非接触変位計を回動させて、自動的に前記球面形状部の表面形状測定を行うことができる。
被測定物支持手段10は、前記被測定物1を、その球面形状部1aが上位置となる垂直姿勢で軸部1bの中心軸回りに回転自在に支持する手段であり、図2に示す下端支持体11と、図1,図3に示す周面支持体12および押し当てローラ13とを有する。下端支持体11は、前記軸部1bの下端中心において被測定物1を回転自在に支持する部材であり、先端が円錐状とされ、その円錐状先端部を前記軸部1bの下端面の図示しないセンタ孔に係合させることで被測定物1を支持する。周面支持体12は、図1のように直交する2つの平面からなるV字状の凹部を有する平面形状が左右対称で二股状の部材であり、前記下端支持体11の近傍に立向きに設けられた支持部材14に固定され、被測定物1の円柱状の軸部1bの外周面における同一円周上の2点を支持する。押し当てローラ13は、被測定物1の軸部1bの外周面に押し当てられて、前記周面支持体12とで軸部1bを挟んで支持する。
位置調整制御手段61は、前記直径測定手段50の測定結果に基づき前記位置調整手段40を制御することにより、非接触変位計31の回動中心を被測定物1における球面形状部1aの中心に位置合わせする制御手段である。この位置調整制御手段61は、被測定物支持手段10に対して被測定物1を取り替えた時に、非接触変位計31の回動中心を補正する回動中心補正手段62を有する。詳しくは、この回動中心補正手段62は、被測定物1を取り替えた時に、前記直径測定手段50が測定する被測定物1における円柱状軸部1bの直径の変化量に基づき、前記位置調整手段40の垂直・水平移動手段41を制御して、被測定物取り替え前と同一水平面内で、前記直径の変化量相当分だけ前記球面形状測定手段30を移動させて被接触変位計31の回動中心を補正するものである。
L0=(L−L1)×1/3 ……(1)
となるように設定される。図5の(1)〜(3)の波形図は前記各光電スイッチ73の出力A〜Cの波形図を示す。その出力は、前記光電スイッチ73の前記フランジ1cとの間隔や感度調整によって、デューティ比50%の矩形波(ハイレベル幅とローレベル幅の比率が1:1)となるようにされている。回転角算出手段64は、前記各出力A〜Cの立ち上がりおよび立ち下りを、図5の(4)〜(9)の波形図のようなタイミングパルスとして入力し、図5の(10)のように合成したパルス信号として被測定物1の回転角を算出する。これにより、被測定物1の回転角の分解能が高められる。この例では、被測定物1の1回転に36個のタイミングパルスが入力される。すなわち、タイミングパルス1個の出力間隔は、回転角10°に相当する。
先ず、測定を始める前に、被測定物支持手段10に支持された被測定物1における球面形状部1aの赤道高さと直径、および円柱状軸部1bの直径が測定される。位置調整制御手段61は、被測定物支持手段10によって測定された前記赤道高さと直径とから、球面形状部1aの中心座標を求め、この中心に非接触変位計31の回動中心が位置合わせされるように位置調整手段40の垂直・水平移動手段42を制御する。
このようにして、非接触変位計31の回動中心が被測定物1における球面形状部1aの中心に位置合わせされると、作業者の手作業で軸方向位置調整手段41を操作することで、非接触変位計31が球面形状部1aの表面位置を測定可能な軸方向位置に調整される。なお、被接触変位計31の軸方向位置の調整は、前記直径測定手段50により測定される球面形状部1aの直径に基づき、位置調整制御手段61で軸方向位置調整手段41を制御することで、自動的に行うようにしても良い。
被測定物1の円柱状軸部1bの周面を支持する周面支持体12は支持部材14に固定されているため、被測定物1を取り替え時、軸部1bの直径寸法が変化すると、それに伴って軸部1bの中心の位置が、前記周面支持体12の支持面に対して支持方向に移動し、球面形状部1aの中心位置も変化する。図4には、非接触変位計31が回動する垂直面が軸部1bの支持方向に対してなす角α(図1)を45°とした場合の、球面形状部1aの中心位置の移動の例を示す。同図において、測定中心とは非接変位計31の回動中心を表す。被測定物1が取り替えられ、取替え前の軸部1b1よりも半径ΔR だけ大きい軸部1b2となると、取替え前の球面形状部1a1の中心O1に対して取替え後の球面形状部1a2の中心O2はΔh(=√2×ΔR )だけ移動する。その状態で、非接触変位計31の回動中心(測定中心)O1を補正せず球面形状を測定すると、その回動中心(測定中心)O1は実際の球面形状部1a2の中心O2から周面支持体12の支持面に沿ってΔR ずれているため、正常な測定が困難である。
そこで、位置調整制御手段61は、先ず前記直径測定手段50が測定する軸部1bの直径の変化量に基づき、その半径変化量ΔR を算出する。次に、位置調整手段40の垂直・水平移動手段42を制御して、前記半径変化量ΔR に相当する量だけ、非接触変位計31の軸方向31aに沿って球面形状測定手段30を水平移動させる。これにより、非接触変位計31の回動中心(測定中心)はO1からO3へと移動する。この場合、球面形状測定は、O3を回動中心として行うので、非接触変位計31は半径r1を測定することになり、真の球面形状半径r0を測定できない。ところで、これらの半径r0,r1の間には、 r0=√(r12 +ΔR2 ) ……(2)
の関係が成り立つので、測定データを上記(2)式に当てはめることにより、真の球面形状半径r0を割り出すことができる。
1a…球面形状部
1b…軸部
1c…フランジ
10…被測定物支持手段
12…周面支持体
20…被測定物回転手段
21…回転ローラ
22…モータ
30…球面形状測定手段
31…非接触変位計
32…変位計回動手段
40…位置調整手段
41…軸方向位置調整手段
42…垂直・水平移動手段
50…直径測定手段
61…位置調整制御手段
62…回動中心補正手段
63…測定制御手段
64…回転角算出手段
65…回転角補正手段
70…回転角検出手段
71…透孔
73…光電スイッチ
74…パルス発生器
Claims (6)
- 軸部の一端に球面形状部を有する被測定物を、前記軸部の中心軸回りに回転自在に支持する被測定物支持手段と、前記被測定物をその軸部の中心軸回りに回転させる被測定物回転手段と、前記球面形状部の表面位置を非接触で測定する非接触変位計、およびこの非接触変位計の軸線上の所定位置を回動中心として非接触変位計を前記被測定物の軸部の中心軸を含む平面内で回動させる変位計回動手段を有する球面形状測定手段と、前記非接触変位計を少なくともその軸方向に位置調整する位置調整手段とを備え、
前記被測定物支持手段は前記被測定物をその球面形状部が上位置となる垂直姿勢で支持し、前記変位計回動手段は前記非接触変位計を前記被測定物の軸部の中心軸を含む垂直面内で回動させるものとし、前記位置調整手段は、前記非接触変位計をその軸方向に位置調整する軸方向位置調整手段の他に、前記球面形状測定手段の全体を垂直方向および水平方向に移動させる垂直・水平移動手段を有し、前記球面形状部の赤道高さ位置および直径を非接触で測定する直径測定手段と、この直径測定手段の測定結果に基づき前記位置調整手段を制御することにより、前記非接触変位計の回動中心を前記球面形状部の中心に位置合わせする位置調整制御手段と、前記被測定物回転手段および前記変位計回動手段を制御することにより、前記被測定物を回転させながら前記非接触変位計を回動させて、前記球面形状部の表面形状測定を行う測定制御手段とを設けた球面形状測定装置。 - 請求項1において、前記被測定物の軸部は円柱状であり、前記被測定物支持手段は、固定状態で設けられ前記被測定物の円柱状軸部の外周面における同一円周上の2点を支持する周面支持体を有し、前記非接触変位計が回動する垂直面は、平面視で、前記周面支持体の被測定物への対向方向に対して所定の角度となるように設定され、前記直径測定手段は被測定物における円柱状軸部の直径も測定するものとし、前記位置調整制御手段は、前記被測定物支持手段に対して被測定物を取り替えた時に、前記直径測定手段が測定する前記円柱状軸部の直径の変化量に基づき、前記位置調整手段の垂直・水平移動手段を制御して、被測定物取り替え前と同一水平面内で、前記直径の変化量相当分だけ前記球面形状測定手段を移動させ前記被接触変位計の回動中心を補正するものとした球面形状測定装置。
- 請求項1または請求項2において、前記非接触変位計は、測定スポット径が100μm以下のレーザ変位計である球面形状測定装置。
- 請求項1ないし請求項3のいずれか1項において、前記球面形状測定手段の変位計回動手段は、垂直に配置されたモータ保持板と、出力軸が前記モータ保持板に垂直な向きとなるようにモータ保持板に取付けられたモータと、このモータの出力軸に連結されて前記モータ保持板と平行な垂直姿勢で回転する変位計支持板とでなり、前記非接触変位計は、その軸線が前記モータの出力軸と直交する姿勢とされて前記変位計支持板に前記軸線方向に進退可能に取付けられ、前記位置調整手段の垂直・水平移動手段は、前記モータ保持板を垂直方向に移動させる上下移動テーブルとこの上下移動テーブルを水平方向に移動させる水平移動テーブルとでなり、前記位置調整手段の軸方向位置調整手段が前記変位計支持板に設けられている球面形状測定装置。
- 請求項1ないし請求項4のいずれか1項において、前記被測定物は軸部の下端に軸部の他部よりも大径のフランジを有し、このフランジの前記軸部と同心の円周上に等配された複数の孔と、前記フランジに対して垂直方向に所定間隔を隔てて配置された平面上の前記複数の孔の配列円と同一円周上に所定間隔を隔てて設けられ前記孔の有無を検出する2個以上の反射型光電スイッチとでなる回転角検出手段を設け、この回転角検出手段の各光電スイッチの出力の立ち上がりおよび立ち下りをタイミングパルスとして入力し、被測定物の回転角を算出する回転角算出手段を設けた球面形状測定装置。
- 請求項5において、前記被測定物回転手段は、前記被測定物のフランジの外周に押し当てられる回転ローラと、この回転ローラを前記フランジとの間に滑りの生じない所定低速回転で回転させるモータとでなり、このモータには回転に伴い前記回転角検出手段の出力パルスよりも十分パルス間隔の短いパルスを発生するパルス発生器を設け、前記回転角検出手段の出力パルスと前記パルス発生器の出力パルス数とを対応させて記憶する記憶部を有し、この記憶部の記憶データに基づき前記回転角算出手段の算出する被測定物の回転角を補正する回転角補正手段を設けた球面形状測定装置。
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