JP5936199B2 - 位置検出器 - Google Patents

Description

この発明は、揺動可能に支持された検出針を対象物に接触させることにより、検出針を装着した部材と当該対象物との位置関係を計測する位置検出器に関し、対象物に接触させた後の検出針の復帰位置の精度を向上させる技術に関する。

この種の位置検出器は、工作機械で加工されるワーク（対象物）と刃物台（検出針を装着した部材）との位置関係を計測する際に多く用いられている。例えば、マシニングセンタで金型を加工する際に、位置検出器でワークの位置を計測することにより、ワークに対する工具の原点位置の設定やワークの加工精度の計測などを行っている。

金型加工用の高精度のマシニングセンタでは、制御器からの０．１μｍ単位の指令で加工を行う機械が実現されている。しかし、現在一般的な位置検出器の繰り返し計測の精度は、±１μｍ程度であり、マシニングセンタの加工精度に追従できていない。

位置検出器の繰り返し計測の精度は、検出針の支持構造（検出針の基端を揺動可能に支持している部分の構造）を改良することによって改善できる。本願の出願人が特許文献１、２などで提案した支持構造を採用することにより、３０〜４０ｍｍ程度の長さの検出針を備えた位置検出器において、±０.１μｍの繰り返し計測精度を実現している。

図４及び５は、特許文献１で提案した位置検出器における検出針１の支持構造の一例を示した図である。この支持構造は、検出針１の軸心を中心とする円周上に配置した２個一組の３組６個の球体５で、検出針１の基端２に放射状に設けた３本の円筒体３を支持する構造である。

すなわち、先端１３を検出端とした検出針１の基端２に３本の円筒体３を互いに１２０度の間隔で放射方向に設け、各円筒体３をハウジング４の受座１２に固定した２個一組の球体５の間に形成される凹部１５で支持する構造である。球体５は、検出針１の軸心を中心とする円周上に１２０度の間隔で２個ずつ配置されている。３本の円筒体３の総てがそれぞれを支持する２個の球体の表面に当接することにより、検出端１３の静止位置（復帰位置ないし安定位置）が規定される。

すなわち、円筒体３をこれらの球体５に向けて押し付けるばね１６を設けることにより、検出針の検出端１３の三次元空間内での３軸方向の位置及び当該３軸回りの位相（角度）が円筒体３と球体５との６個の支持点１０によって規定される。検出端１３と計測対象物との接触により検出針１が揺動したときは、いずれかの球体と円筒体との当接が離れる。検出針１に作用する外力がなくなったときは、検出端１３は、常に上記の静止位置に復帰する。

６個の球体５は、位置検出器のハウジング４に設けた半球形ないし円錐形の凹形の受座１２で位置決めされている。ハウジング４には、６個の球体５に向くねじ孔８が設けられ、このねじ孔のそれぞれに先端を凸円錐面１１としたねじ９が螺合されている。ねじ９を均一な力でねじ込むことにより、ねじ９の先端は、対向する球体５をそれぞれの受座１２に押圧して固定する。この構造により、球体５と受座１２との間に接着剤層などを介在させることなく、受座１２上での球体５の位置が正確に設定され、位置検出器の計測精度の向上を図ることができる。

検出針１と対象物との接触は、対象物が導電体であるときは、当該対象物の表面と検出針との接触点を接点（外部接点）とする電気回路により検出できる。対象物が導電体でないときは、球体５と円筒体３の支持点１０を接点（内部接点）とする電気回路により検出できる。内部接点を備えた電気回路は、たとえば図６に模式的に示すように、円筒体３と球体５との６個の支持点を直列接続する電気回路１７である。検出針１の静止位置からの離隔、すなわちいずれかの球体５と円筒体３との離隔は、電気回路１７が遮断されることで検出することができる。

国際公開第ＷＯ２００８／１０４９２号パンフレット 国際公開第ＷＯ２００９／１１２６２号パンフレット 実公平６−３１３６３号公報 特開２００１−９９６３７号公報 特開２００６−２０１１０５号公報

「ＤＬＣの応用技術―進化するダイヤモンドライクカーボンの産業応用と未来技術」 (新材料・新素材シリーズ) 、大竹 尚登 (監修)、出版社: シーエムシー出版、発売日： 2008年1月、p.77以下 「高機能化のためのＤＬＣ成膜技術」池永 勝（監修）日刊工業新聞社、2007年9月28日、p.161以下

深い凹所を有する対象物の加工精度を計測する際には、長い検出針１を備えた位置検出器が必要である。例えば、自動車のバンパーやボンネット用の金型の加工精度を計測する際には、少なくとも長さ１５０ｍｍ程度の検出針を備えた位置検出器が必要である。

位置検出器を用いた計測では、計測時に検出針の微小な揺動動作が伴うため、検出針の長さが長くなると、検出端の移動量に対する検出針の揺動量が小さくなり、計測精度が低下する。前述したように、検出針の長さが３０〜４０ｍｍ程度の位置検出器では、マシニングセンタで加工した一般的な高精度金型のようなワークの計測に対応できるが、検出針の長さが８０〜１００ｍｍ以上の位置検出器では、そのようなワークの計測に対応できないという問題があった。

この発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、検出針の長さが８０〜１００ｍｍ以上の位置検出器において、±０.１μｍ前後の計測精度を実現できる位置検出器を得ることを課題としている。

本願の発明者らの研究の結果、検出針の長さが長くなると計測精度が低下するのは、検出端が対象物から離れた後の検出針の復帰位置にばらつきが生ずることが主たる原因であると推察された。

図４、５に示した支持構造の検出針１は、３本の円筒体３と６個の球体５とで形成される６個の支持点１０の当接で、検出針１の三次元空間内における直交３軸方向の位置と、当該３軸回りの位相（角度）とが、規定されている。このようにして静止位置を保持された検出針の先端１３が対象物に接触すると、その対象物との接触点が第７番目の支持点となり、検出針の姿勢を規定するための支持点が１個過剰になるため、円筒体３と球体５による６個の支持点の内の少なくとも１個が離隔して、残る５個の支持点と対象物との１個の接触点との６点で検出針１の姿勢が規定される。このとき、検出針１は、その静止位置から僅かに揺動する。

計測を終了して検出針１を対象物から離隔すると、ばね１６の付勢力によって検出針１は元の６個の支持点１０で規定される姿勢に復帰する。この静止位置への復帰が不完全であると、検出針の静止位置に揺動の後の角度誤差が残り、その誤差が次の計測時の計測誤差となる。残っている角度誤差が同じであっても、検出針が長いほど検出針の先端１３の位置の誤差が大きくなり、計測誤差が大きくなる。このため、検出針の長い位置検出器において、計測精度が低下するという現象を生じていたのである。

本願の発明者は、上記の知見から、支持点１０における円筒体３と球体５との間の摩擦抵抗を小さくすることにより、ばね１６の付勢力による検出針１の静止位置へのより完全な復帰が行われると考え、これによって検出針の長い位置検出器においても±０.１μｍ前後の繰り返し計測精度が実現できるのではないかと考えて実証試験を行うことにより、この発明を完成させた。

この発明の位置検出器は、検出針１を支持している球体と球体、球体と円筒体、球体と平面の接触による６個の支持点１０がＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）コーティングされており、かつ支持点１０に作用する押圧力を制限することにより、８０ｍｍの長さを有する検出針の先端１３における繰り返し計測精度が±０.１μｍの精度を実現していることを特徴とする。従来、検出針の先端にＤＬＣコーティングをすることは、特許文献４、５などにより提案されているが、検出針の静止位置を規定する支持点にＤＬＣコーティングをすることやその必要性についての認識はなかった。上記の繰り返し計測精度を実現するには、６個の支持点１０で互いに押圧されている両方の部材表面をＤＬＣコーティングし、かつ、ばね１６による各接点における押圧力を１０Ｎ（ニュートン）以下、特に好ましくは３Ｎ以下にすることが望ましい。

ＤＬＣコーティングは、検出針の支持点１０に必要な硬度と耐摩耗性とを付与するが、耐剥離性や耐スクラッチ性を良好にする上でＰＶＤ法、好ましくはスパッタリング法、特にプラズマブースタスパッタリング法（"Plasma booster Sputtering"、"Plasma Enhanced Magnetron Sputtering"とも言う。例えば非特許文献１）で支持点のＤＬＣコーティング（ＤＬＣ薄膜形成）を行うのが好ましい。

図４、５に示した検出針１の支持構造は、円筒体３を２個の球体５で支持する２点支持部を３個設けた構造であるが、１個の球体を３個の球体で支持する３点支持部と、１個の円筒体を２個の球体で支持する２点支持部と、平面を１個の球体で支持する１点支持部とで６個の支持点を形成した位置検出器も知られている（特許文献３参照）。このような支持構造を備えた位置検出器においても、支持点にＤＬＣ薄膜を形成し、各支持点における押圧力を１０Ｎ、特に好ましくは３Ｎ以下とした支持構造を採用することにより、本願発明の課題を解決することができる。

一般的なＤＬＣ薄膜は導電性を備えていない。従って、検出針１の支持点１０にＤＬＣ薄膜を形成すると、支持点１０を内部接点とすることができなくなる。支持点を内部接点とする場合は、支持点１０の表面にリチウム（Ｌｉ）などの導電性金属原子を分散したＤＬＣ薄膜を形成すればよい。このようなＤＬＣ薄膜は、リチウムその他の導電性金属原子を内包したフラーレン（Ｃ６０）をイオンビームなどによって素材金属表面に照射することによって形成できる（例えば非特許文献２）。フラーレンは、周知のように６０個の炭素原子からなる中空の原子で、このフラーレン内にリチウム原子などの導電性金属原子を封じ込めた状態で素材表面に照射すると、素材表面との衝突の際にフラーレンが崩壊して、内包した導電性金属原子が分散し、導電性を備えたＤＬＣ薄膜が形成される。これにより、図６に示したような電気回路１７で検出端１３と対象物との接触を検出することができる。

検出針の支持点を形成する部材表面にＤＬＣ薄膜を形成し、かつこの支持点における部材相互の押圧力を３Ｎとし、検出針の長さを１５０ｍｍとした位置検出器において、±０.１μｍの繰り返し計測精度を実現することができた。

ＤＬＣ薄膜は、位置検出器が必要とする検出針の復帰位置での正確な姿勢の保持と耐久性とを得るのに十分な硬度と耐摩耗性とを備えており、ＤＬＣ薄膜を形成する方法により、必要な耐剥離性を付与することができる。

そして、本願発明により、マシニングセンタで加工された高精度金型の形状計測に必要な高い繰り返し計測精度を備えた位置検出器であって、自動車のバンパーやボンネットを成形する金型のような深い凹部を備えた金型の計測も可能な長い検出針を備えた位置検出器を提供することができる。

この発明によれば、支持点の部材相互を押圧するばね１６の付勢力を小さくすることにより、検出針の長さが２５０ｍｍ程度の位置検出器であっても、検出端における±０.１μｍ程度の繰り返し計測精度を実現することが可能であり、比較的簡便な位置検出器を用いた種々のワークに対する高い精度の形状計測が可能になるという効果がある。

支持点の押圧力を１ＮとしたときのＤＬＣ薄膜を形成した部材相互の動摩擦係数を示すグラフ 支持点の押圧力を５Ｎとしたときの図１と同様の図 支持点の押圧力を１０Ｎとしたときの図１と同様の図 検出針の支持構造の一例を示す斜視図 図４の支持構造における支持点の断面図 接触検出回路の一例を示す模式図

実施例の位置検出器における検出針１の支持構造は、図４に示した従来構造と同様に、検出針の基端２に設けた放射方向に伸びる３本の円筒体３をハウジング４の円周上に配置した２個一組の３組の球体５で受ける構造である。

球体５は、ハウジング４にボールエンドミルで穿設した穴６の底部に挿入されており、対となる２個の球体の間に円筒体３を支持するＶ形の凹部１５が形成されている。ハウジング４には、穴６の底部に位置する球体５の頂部に向けて、ねじ孔８が設けられ、このねじ孔に先端を円錐状に尖らしたねじ９が螺入されている。穴６に球体５を挿入してからねじ９を締め付けることによって、ねじ先端の凸円錐面１１が球体５の頂部に当接し、６個の球体５が、楔作用により、穴６の底面と金属表面相互が直接当接した状態で、定位置に固定されている。

上記の支持構造における円筒体３には、ニードルベアリング用のニードルを用い、球体５には、ベアリング球を用い、その表面の支持点となる部分にＤＬＣコーティングを施した。ＤＬＣ薄膜の形成については、アークイオンプレーティング法が現在主流となっているが、摺動特性低下の原因となるドロップレットが発生しないように、プラズマブースタースパッタリング（ＰＢＳ）法で行った。ＰＢＳ法で作製したＤＬＣ皮膜表面の顕微鏡観察により、ドロップレットの発生のない平滑な表面が得られている。

上記方法でＤＬＣコーティングした円筒体３と球体５とを用い、円筒体３を球体５に押し付けているばね１６の付勢力が各支持点１０における法線方向の押圧力が１Ｎとなるばねを用い、支持点から検出針先端までの長さが１５０ｍｍの検出針を取り付けた位置検出器で計測試験を行ったところ、表１に示すように±０．１μｍの繰り返し計測精度を達成することができた。これは、検出針の静止位置を規定する支持点の摩擦係数が小さくなったことにより、ばね１６の付勢力を利用した検出針の静止位置への復帰精度が向上した結果と考えられる。

上記方法でＤＬＣコーティングした超硬合金チップと、ＤＬＣコーティングしたベアリング球（直径６ｍｍ）とを、１Ｎ、５Ｎ及び１０Ｎの荷重で無潤滑で摩擦試験した際の動摩擦係数の変化を図１ないし３に示す。測定には、ＣＳＥＭ杜（スイス）製トライボメータを使用した。

いずれの荷重でも摩擦係数は０．１以下であり、試験荷重５Ｎでは０．０５、試験荷重１Ｎでは０．００５Ｎ程度の非常に小さな摩擦係数で安定に推移している。このことより、検出針を支持している円筒体と球体の両方の支持点をＤＬＣコーティングし、各支持点における押圧力が１０Ｎ以下、特に好ましくは摩擦係数の低下が顕著になると考えられる３Ｎ程度となるようにばね１６の付勢力を設定することにより、繰り返し計測精度の飛躍的向上が期待できる。

上記の試験条件で、ＤＬＣコーティングをしていない焼入鋼（ＳＵＪ２）同士を無潤滑で摩擦試験した際の動摩擦係数は、０．６程度であった。また、ベアリング球のみにＤＬＣコーティングしたものでは、摩擦係数は０．１８に低下し、ＤＬＣコーティングによって低摩擦係数化が図られるが、各支持点での押圧力１０Ｎで１５０ｍｍ長さの検出針を備えた位置検出器における±０．１μｍ以下の繰り返し計測精度を達成することはできなかった。しかし、各支持点における押圧力をより小さくすることにより、±０．１μｍ以下の繰り返し計測精度を達成することが可能と考えられる。

以上のことから、位置検出器の検出針を微小揺動可能に支持する支持部における球体、円筒体ないし平面の支持点部分にプラズマブースタースパッタリング（ＰＢＳ）法でＤＬＣコーティングすることで、摺動特性低下の原因となるドロップレットのない平滑な表面が得られ、検出針の静止位置への正確な復帰が行われることから、位置検出器の繰り返し計測精度を大幅に向上させることが可能である。

すなわち、ＤＬＣコーティングなしの摩擦係数が０．６程度であるのに対し、球体のみにＤＬＣコーティングすれば０．１８程度に低下する。さらに両方の部材表面にＤＬＣコーティングすると、摩擦係数は０．０５程度にまで低下し、検出針の長さが１５０ｍｍ以上の位置検出器において、±０．１μｍ以下の繰り返し計測精度を達成できる。なお、適正条件でコーティングされたＤＬＣ薄膜は、２０Ｎを超える荷重を与えて摺動しても剥離せず、薄膜の耐久性にも問題がない。

表１は、図４、５に示した支持構造を備えた位置検出器の復帰精度の測定結果を示した表である。表中、「超硬合金球」の欄は、支持点を形成する円筒体３及び球体５の基材をニッケルを含有する超硬合金としたもの、「スチール球」の欄は、これらを鋼としたものの測定値であり、「処理無し」が支持点にＤＬＣコーティング処理を行わなかったものについての測定値、「処理」がＤＬＣコーティング処理をしたものの測定値である。

使用した測定器は、カールマール・ファィンプリュー社製の指示誤差０．０２μｍのものである。支持点を押圧しているばね１６の力は３Ｎで、６個の支持点の円筒体３と球体５が３０度の角度で接触しているので、各支持点の法線方向の押圧力は１Ｎとなる。表中の数字は、静止位置に復帰した検出針先端の本来の静止位置からの誤差を示している。５０回の測定を２度行っている。

表から明らかなように、支持点をＤＬＣコーティングすることにより、非常に高い精度で検出針が静止位置に復帰していることが分かる。すなわち、ＤＬＣコーティングを行うことにより、−１〜２μｍの範囲で変動していた検出針の復帰誤差に基づく位置検出器の測定誤差を±０．１μｍ以下にすることができる。

１ 検出針
２ 検出針の基端
３ 円筒体
４ ハウジング
５ 球体
８ ねじ孔
９ ねじ
11 凸円錐面
12 受座
15 凹部
16 ばね

Claims (7)

1. 検出針の静止位置を規定するための複数の支持点と、検出針の基部を当該支持点に向けて付勢することにより検出針を前記静止位置に復帰させるばねとを備えた位置検出器において、前記支持点を形成する部材の表面にＤＬＣ薄膜を形成したことを特徴とする、位置検出器。
2. 検出針の静止位置を規定するための複数の支持点と、検出針の基部を当該支持点に向けて付勢することにより検出針を前記静止位置に復帰させるばねとを備えた位置検出器において、前記支持点で互いに押圧されている両方の部材の表面にＤＬＣ薄膜を形成すると共に、前記ばねの付勢力による当該支持点の押圧力を１０Ｎ以下としたことを特徴とする、位置検出器。
3. 検出針の静止位置を規定するための複数の支持点と、検出針の基部を当該支持点に向けて付勢することにより検出針を前記静止位置に復帰させるばねとを備えた位置検出器において、前記支持点で互いに押圧されている両方の部材の表面にＤＬＣ薄膜を形成すると共に、前記ばねの付勢力による当該支持点の押圧力を３Ｎ以下としたことを特徴とする、位置検出器。
4. 検出端となっている検出針の先端と、当該先端に最も近い支持点との距離が８０ｍｍないし２５０ｍｍである、請求項１、２又は３記載の位置検出器。
5. 支持点を形成している部材相互の動摩擦係数が０．１以下であることを特徴とする、請求項１、２又は３記載の位置検出器。
6. ＤＬＣ薄膜が、導電性金属原子を分散したＤＬＣ薄膜であることを特徴とする、請求項１、２又は３記載の位置検出器。
7. 導電性金属原子が、リチウム原子であることを特徴とする、請求項６記載の位置検出器。

Images