JP6577816B2 - 測定プローブ、及び測定プローブシステム - Google Patents

Description

本発明は、測定プローブ、及び測定プローブシステムに係り、特に、相対的に回転可能とされたワークの側面の所定の位置を高精度に測定可能な測定プローブ、及び測定プローブシステムに関する。

従来、特許文献１に示されるような測定プローブが用いられている。この測定プローブは、円筒カムのカム溝に挿入される測定子（スタイラス）を備え、回転される円筒カムのカム溝の上下面に接触し上下動することで、ワークの側面形状である円筒カムのプロファイルを測定する構成となっている。

特開２０１０−２３９２号公報

しかしながら、特許文献１は、円筒カムの回転によってカム溝から測定子に力が加わり測定プローブが上下動する構成である。このため、測定子が確実にカム溝の所望する所定の位置に接触するとは限らず、その所定の位置の測定を高精度に行えないおそれがあった。

本発明は、前記の問題点を解決するべくなされたもので、相対的に回転可能とされたワークの側面の所定の位置を高精度に測定可能とする測定プローブ、及び測定プローブシステムを提供することを課題とする。

本願の請求項１に係る発明は、相対的に回転可能とされたワークの側面形状を測定する測定プローブであって、前記ワークの側面に接触する先端部を有するスタイラスと、該スタイラスを該ワークの軸心に向かう方向に変位可能に支持する径方向変位機構と、該スタイラスを該軸心の軸方向に変位可能に支持する軸方向変位機構と、該径方向変位機構と該軸方向変位機構とによる該スタイラスの変位を検出するセンサと、を備え、前記径方向変位機構が、前記スタイラスに一体的に設けられた径方向変位部材と、該径方向変位部材に接続され、該スタイラスの変位に対応して変形する複数の第１ヒンジ部材と、該複数の第１ヒンジ部材を介して該径方向変位部材を支持する径方向ハウジングと、を備えたことにより、前記課題を解決したものである。

本願の請求項２に係る発明は、前記軸方向変位機構に、前記径方向ハウジングを支持する軸方向変位部材と、該軸方向変位部材に接続され、前記スタイラスの変位に対応して変形する複数の第２ヒンジ部材と、該複数の第２ヒンジ部材を介して該軸方向変位部材を支持する軸方向ハウジングと、を備えるようにしたものである。

本願の請求項３に係る発明は、前記第１、第２ヒンジ部材の変形量に対応して増大する復元力をそれぞれ低減可能な緩衝機構を備えるようにしたものである。

本願の請求項４に係る発明は、前記径方向変位機構に、前記径方向変位部材を前記径方向ハウジングに対して一時的にクランプするクランプ機構を備えるようにしたものである。

本願の請求項５に係る発明は、前記複数の第２ヒンジ部材が、円板形状であり、第２中心部と該第２中心部の外周に設けられた第２周辺部を備え、該第２中心部で前記軸方向変位部材を支持し、該第２周辺部を前記軸方向ハウジングで支持するようにしたものである。
本願の請求項６に係る発明は、前記複数の第１ヒンジ部材が、円板形状であり、第１中心部と該第１中心部の外周に設けられた第１周辺部を備え、該第１中心部で前記径方向変位部材を支持し、該第１周辺部を前記径方向ハウジングで支持するようにしたものである。
本願の請求項７に係る発明は、前記先端部を複数とし、互いの該先端部の位置を相対的に調整可能としたものである。

本願の請求項８に係る発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載の測定プローブを備える測定プローブシステムであって、前記ワークの前記測定プローブに対する相対的な回転を可能とする回転機構と、該回転機構を制御し、且つ該測定プローブの出力を処理する信号処理装置と、を備えるようにしたものである。

本願の請求項９に係る発明は、前記信号処理装置に前記測定プローブの出力を処理することで該ワークの実側面形状を求める処理部を備え、前記回転機構に前記ワークの相対的な回転角度を出力するロータリーエンコーダを備え、該処理部で、該回転機構の回転開始位置をそれぞれ異ならせた状態を初期状態とする複数の実側面形状を求め、該複数の実側面形状同士の演算を行うことで、該回転機構に起因する測定誤差を低減するようにしたものである。

本願の請求項１０に係る発明は、前記回転機構による回転に従って前記測定プローブを前記軸方向に移動可能に支持するプローブ支持機構を備え、該プローブ支持機構が前記測定プローブの該軸方向における位置を出力するリニアエンコーダを備え、前記処理部で、前記実側面形状を求める際に、前記測定プローブ、該リニアエンコーダ、及び前記ロータリーエンコーダの出力応答特性を校正するようにしたものである。

本発明によれば、相対的に回転可能とされたワークの側面の所定の位置が高精度に測定可能となる。

本発明の第１実施形態に係る測定プローブシステムの一例を示す模式図 図１の測定プローブの模式図（機能図（Ａ）、断面図（Ｂ）、第１ヒンジ部材の図（Ｃ）） ねじ溝の形状誤差を説明する図（ねじ溝のゴシックアーチ形状と接触点との図（Ａ）、溝径むらの図（Ｂ）、リードむらの図（Ｃ）） スタイラスでねじ溝を測定した際の課題を示す模式図（２点でスタイラスがねじ溝に接触している状態の図（Ａ）、１点でスタイラスがねじ溝に接触している状態の図（Ｂ）） 本発明の第２実施形態に係る測定プローブの模式図 図５の測定プローブの緩衝機構について説明する図（緩衝機構にかかる複数の力を示す図（Ａ）、Ｘ方向でかかる力を示す図（Ｂ）、Ｚ方向でかかる力を示す図（Ｃ）、スタイラスの変位領域とＸＺ座標における力との関係を示す図（Ｄ）） 本発明の第３実施形態に係る測定プローブの模式図 本発明の第４実施形態に係る測定プローブの模式図 本発明の第５実施形態に係る測定プローブの模式図（機能図（Ａ）、スタイラスの先端部とねじ溝とを示す図（Ｂ）、事前回転角度θi＝０度で測定した際の接触部とボールねじとの初期位置の図と接触点の変位の図（Ｃ１）、事前回転角度θi＝１２０度で測定した際の接触部とボールねじとの初期位置の図と接触点の変位の図（Ｃ２）、事前回転角度θi＝２４０度で測定した際の接触部とボールねじとの初期位置の図と接触点の変位の図（Ｃ３）） 図９に示したボールねじの形状と回転機構の回転精度との関係を示す図(本発明の第５実施形態に係る測定プローブの模式図（事前回転角度θi＝０度の図（Ａ）、事前回転角度θi＝１２０度の図（Ｂ）、事前回転角度θi＝２４０度の図（Ｃ）、全て加算した際の図（Ｄ）、全てで平均した際の図（Ｅ）） 本発明の第６実施形態に係る測定プローブの模式図（機能図（Ａ）、ワークであるフリックスタンダードの上面図（Ｂ）、測定プローブにおける出力指令時のＸ方向変位と実際に遅れて出力されるＸ方向変位の図（Ｃ１）、測定プローブにおける出力指令時のＺ方向変位と実際に遅れて出力されるＺ方向変位の図（Ｃ２）、ロータリーエンコーダにおける出力指令時の回転角度と実際に遅れて出力される回転角度の図（Ｃ３）、リニアエンコーダにおける出力指令時のＺ方向変位と実際に遅れて出力されるＺ方向変位の図（Ｃ４））

以下、図１〜図４を参照して、本発明の第１実施形態の一例を詳細に説明する。

最初に、測定プローブシステムの概略について説明する。

測定プローブシステム１００は、図１に示す如く、ベース１０６と、回転機構１０８と、測定プローブ１２４と、プローブ支持機構１４２と、信号処理装置１６８と、を備える。

なお、本実施形態では、測定対象となるワークがボールねじ１０２とされている。ボールねじ１０２は、例えば、図３（Ａ）に示す如く、ナットＮＴに固定された直動ステージのスライダなど（図示せず）を、ボールＢＬを介して高精度に移動させるために用いられている。ボールねじ１０２の側面には、図３（Ａ）に示す如く、一定のリードピッチとなるように、スパイラル状のねじ溝１０２Ａ（ボールＢＬの転動面）が設けられている（即ち、ワークの側面形状は、ねじ溝１０２Ａとされている）。ねじ溝１０２Ａは、図３（Ａ）に示す如く、例えば、ボールＢＬの隙間の調整を容易とするために、断面が２つの円ＣＳの円弧（ねじ溝上面１０２Ｂの断面形状、ねじ溝下面１０２Ｃの断面形状）を重ね合わせたゴシックアーチ形状とされている。ボールＢＬは、ねじ溝上面１０２Ｂの１点とねじ溝下面１０２Ｃの１点の合計２点の接触点ＴＰでねじ溝１０２Ａに接触する。この円ＣＳに対して、実際のねじ溝１０２Ａには、図３（Ｂ）に示す如く、加工した際に溝径むらＥＧが生じる。このため、ねじ溝１０２Ａは、図３（Ｃ）に示す如く、相応のリードむら（接触点ＴＰの酔歩など）を生じさせる。従って、ボールねじ１０２には、その母材の形状誤差（外径誤差、軸心誤差、真円誤差など）に加え、更にねじ溝１０２Ａの形状誤差（リードピッチ誤差、リードむらなど）が相応に生じている。

前記ベース１０６は、図１に示す如く、回転機構１０８と、プローブ支持機構１４２と、を支持する土台である。同時に、ベース１０６は、ボールねじ１０２を支持している。

前記回転機構１０８は、図１に示す如く、ボールねじ１０２を回転させる機構である。つまり、回転機構１０８は、ボールねじ１０２の測定プローブ１２４に対する相対的な回転を可能としている。回転機構１０８は、コラム１１０と、ガイド１１２と、駆動源（モータ）１１８と、ロータリーエンコーダ１２０と、を備える（つまり、回転機構１０８は、ボールねじ１０２の相対的な回転角度を出力するロータリーエンコーダ１２０を備えている）。コラム１１０は、ベース１０６に立設されており、ガイド１１２を支持している。ガイド１１２は、一方のワーク支持部材１１４を、ベース１０６に直接配置されたもう一方のワーク支持部材１１４に対して接近・離間可能に支持している。ワーク支持部材１１４は、回転軸１０４を介して、ボールねじ１０２を回転可能に支持している。つまり、ガイド１１２に支持されるワーク支持部材１１４を移動させることで、２つのワーク支持部材１１４で様々な長さのボールねじ１０２を回転可能に支持することができる。

図１に示す如く、回転軸１０４は、ボールねじ１０２に脱着可能に取り付けられている（即ち、回転軸１０４の軸心Ｏは、ボールねじ１０２の軸心となる）。そして、回転軸１０４は、タイミングベルト１１６を介して、駆動源１１８で回転駆動される。また、回転軸１０４は、ロータリーエンコーダ１２０に直結されている（なお、回転軸１０４はボールねじ１０２に一体的に固定されていてもよい）。ロータリーエンコーダ１２０は、表示装置１２２に接続されている。このため、表示装置１２２の表示部１２２Ａにおいて、ボールねじ１０２の回転角度を確認することができる。なお、駆動源１１８と表示装置１２２とは、信号処理装置１６８に接続されている。

前記測定プローブ１２４は、図１に示す如く、ボールねじ１０２のねじ溝（側面）１０２Ａに対峙して配置され、回転機構１０８によって回転可能とされたボールねじ１０２の側面形状（ねじ溝１０２Ａ）を接触して測定することが可能とされている。測定プローブ１２４については、詳しく後述する。

前記プローブ支持機構１４２は、図１に示す如く、測定プローブ１２４をボールねじ１０２の側面に対峙可能に支持する機構である。プローブ支持機構１４２は、調整ステージ１４４と、コラム１４６と、Ｚステージ１４８と、リニアエンコーダ１５０と、バランス機構１５８と、を備える。調整ステージ１４４は、回転軸１０４の軸心Ｏに対する測定プローブ１２４の位置決めを行うために、ベース１０６上でＸ方向に移動可能とされている（Ｘ方向だけでなく、Ｘ方向と直交するＹ方向にも移動可能とされていてもよい）。コラム１４６は、調整ステージ１４４に立設されており、Ｚステージ１４８を支持している。Ｚステージ１４８は、測定プローブ１２４をＺ方向に移動可能に支持している。なお、コラム１４６には、リニアエンコーダ１５０が配置されている。即ち、プローブ支持機構１４２は、回転機構１０８による回転に従って測定プローブ１２４を軸方向（Ｚ方向）に移動可能に支持している。そして、プローブ支持機構１４２は、測定プローブ１２４の軸方向（Ｚ方向）における位置を出力するリニアエンコーダ１５０を備えている。

図１に示す如く、リニアエンコーダ１５０は、検出ヘッド１５２とリニアスケール１５４とを備える。検出ヘッド１５２は測定プローブ１２４に固定されており、リニアスケール１５４はコラム１４６に固定されている。リニアエンコーダ１５０には、表示装置１５６が接続されている。このため、表示装置１５６の表示部１５６Ａにおいて、測定プローブ１２４のＺ方向の位置を確認することが可能とされている。なお、図１に示す如く、調整ステージ１４４と表示装置１５６とは、信号処理装置１６８に接続されている。

図１に示す如く、バランス機構１５８は、測定プローブ１２４の移動を小さな力で実現するための機構である。つまり、バランス機構１５８により、駆動源１１８は小さなトルクで測定プローブ１２４を移動させることができるとともに、測定プローブ１２４のＺ方向の測定力を小さくすることができる。バランス機構１５８は、ワイヤ１６０と２つの滑車１６２、１６４とバランサ１６６とを備える。ワイヤ１６０は、測定プローブ１２４とほぼ同等の重さとされたバランサ１６６と、測定プローブ１２４と、を連結している。２つの滑車１６２、１６４は、コラム１４６に回転可能に固定されており、ワイヤ１６０を移動可能に支持している。しかし、このようなバランス機構は、必ずしも必要ではない。

前記信号処理装置１６８は、図１に示す如く、測定プローブ１２４の外部に配置されており、各種の初期値を記憶しておく記憶部と、記憶部に記憶された各種初期値を読み出し演算処理を行う処理部と、を備える。具体的に、処理部は、ボールねじ１０２の設計データを記憶部から読み出し、ねじ溝１２０Ａの形状を示す座標を求める。また、処理部は、駆動源１１８を制御し、ボールねじ１０２を回転させる。そして、処理部は、ロータリーエンコーダ１２０から出力されるボールねじ１０２の回転角度と、リニアエンコーダ１５０から出力される測定プローブ１２４のＺ方向の位置とを関連付けて、測定プローブ１２４の出力を処理する。つまり、処理部は、測定プローブ１２４の出力を処理することでボールねじ１０２の実側面形状（ねじ溝１０２Ａの実形状）を求めることができる。言い換えれば、信号処理装置１６８は、回転機構１０８を制御し、且つ測定プローブ１２４の出力を処理する。なお、信号処理装置１６８には、キーボードやマウスなどの入力装置が接続されており、適宜指令の入力、初期値の設定、処理方法の選択・決定が可能とされている。

次に、測定プローブ１２４について、主に図２（Ａ）〜（Ｃ）を用いて説明する。

測定プローブ１２４は、図２（Ａ）、（Ｂ）に示す如く、スタイラス１２６と、径方向変位機構１２７と、軸方向変位機構１３１と、センサ１３５、１３６と、を備えている。スタイラス１２６は、ねじ溝１０２Ａに接触する先端部１２６Ａと、先端部１２６Ａを支持するロッド部１２６Ｂと、を有する。先端部１２６Ａは、球形状であり、ボールＢＬとほぼ同一の大きさとされ、ねじ溝１０２Ａと２点（接触点ＴＰ）で接触する。このため、ボールＢＬのサイズに応じて先端部１２６Ａの大きさが変更されることとなる。ロッド部１２６Ｂは、棒状部材であり、径方向変位機構１２７に支持されている。

径方向変位機構１２７は、図２（Ａ）に示す如く、スタイラス１２６をボールねじ１０２の軸心Ｏに向かうＸ方向に変位可能に支持している。具体的には、径方向変位機構１２７は、図２（Ｂ）に示す如く、スタイラス１２６に一体的に設けられた径方向変位部材１２８と、径方向変位部材１２８に接続され、スタイラス１２６の（Ｘ方向）変位に対応して変形する２つの第１ヒンジ部材１２９と（第１ヒンジ部材１２９は２つ以上であればよい）、２つの第１ヒンジ部材１２９を介して径方向変位部材１２８を支持する径方向ハウジング１３０と、を備える。径方向変位部材１２８は、棒状部材であり、その両端付近が第１ヒンジ部材１２９に支持されている。

第１ヒンジ部材１２９は、図２（Ｃ）に示す如く、円板形状の部材である。第１ヒンジ部材１２９は、中心部１２９Ａと、リム部１２９Ｂと、周辺部１２９Ｃと、を備える。中心部１２９Ａは、径方向変位部材１２８を支持している。リム部１２９Ｂは、切り欠きにより２つの折り返し部ＴＲ１、ＴＲ２を軸Ｑに対称に備えている。リム部１２９Ｂの一端は中心部１２９Ａに接続され、もう一端は周辺部１２９Ｃに接続されている。リム部１２９Ｂは、周方向に等間隔に３つ配置されている。周辺部１２９Ｃは、リム部１２９Ｂを介して中心部１２９Ａを支持している。周辺部１２９Ｃは、円筒形状の径方向ハウジング１３０に支持されている。このため、先端部１２６ＡにＸ方向から外力が加わると、２つの折り返し部ＴＲ１、ＴＲ２で弾性変形する。その際には、径方向変位部材１２８と一体化されたスタイラス１２６が軸Ｐ周りに回転することなく、一定のばね定数でＸ方向に変位することとなる。

軸方向変位機構１３１は、図２（Ｂ）に示す如く、スタイラス１２６をボールねじ１０２の軸心Ｏの軸方向（Ｚ方向）に変位可能に支持している。具体的には、軸方向変位機構１３１は、図２（Ｂ）に示す如く、径方向ハウジング１３０を支持する軸方向変位部材１３２と、軸方向変位部材１３２に接続され、スタイラス１２６の（Ｚ方向）変位に対応して変形する２つの第２ヒンジ部材１３３（第２ヒンジ部材１３３も２つ以上であればよい）と、２つの第２ヒンジ部材１３３を介して軸方向変位部材１３２を支持する軸方向ハウジング１３４と、を備える。軸方向変位部材１３２は、棒状部材であり、その両端付近が第２ヒンジ部材１３３に支持されている。

第２ヒンジ部材１３３は、第１ヒンジ部材１２９と同様の円板形状の部材である。このため、第２ヒンジ部材１３３の説明は省略する。軸方向ハウジング１３４は、円筒形状の部材であり、第２ヒンジ部材１３３を支持している。なお、軸方向ハウジング１３４は、径方向ハウジング１３０の位置が変化しても、径方向ハウジング１３０との非接触状態を保持可能な開口部１３４Ａ、１３４Ｂを備えている。本実施形態では、軸方向ハウジング１３４が、測定プローブ１２４のケーシング１２５と一体とされている。

センサ１３５、１３６はそれぞれ、図２（Ａ）に示す如く、径方向変位機構１２７と軸方向変位機構１３１とによるスタイラス１２６のＸ方向変位とＺ方向変位とを検出することが可能とされている。センサ１３５は、径方向変位部材１２８の反スタイラス側端部に設けられた基準部材１３５Ａと、基準部材１３５Ａに対峙して径方向ハウジング１３０に固定された検出部材１３５Ｂとを備える。センサ１３５は、例えば、光の反射を利用した三角測距方式で、検出部材１３５Ｂから光を基準部材１３５Ａに対して照射し、反射された光の位置の変化を検出することで、Ｘ方向における基準部材１３５Ａの位置を検出する構成とされている。センサ１３６は、センサ１３５と同様の構成であり、軸方向変位部材１３２の端部に設けられた基準部材１３６Ａと、基準部材１３６Ａに対峙して軸方向ハウジング１３４に固定された検出部材１３６Ｂとを備える。なお、センサとしては、リニアエンコーダや差動トランスや静電容量センサなどを用いてもよい。センサ１３５、１３６の出力は、信号処理装置１６８に入力され、スタイラス１２６の変位として処理される。

次に、測定プローブ１２４によるねじ溝１０２Ａの測定手順について説明する。

まず、測定対象であるボールねじ１０２を回転軸１０４で、ワーク支持部材１１４に回転可能に取り付ける。このとき、回転軸１０４の軸心Ｏがボールねじ１０２の中心軸となるべく同一となるように調整する。次に、プローブ支持機構１４２により、測定プローブ１２４の高さをボールねじ１０２の測定開始位置の高さに合わせ、測定プローブ１２４の軸Ｐが軸心Ｏと交差するように調整する。そして、ねじ溝１０２Ａの位置が測定プローブ１２４の軸Ｐ上に来るように、回転機構１０８でボールねじ１０２を調整する。そして、測定プローブ１２４のスタイラス１２６の先端部１２６Ａがねじ溝１０２Ａと適切に接触するように、プローブ支持機構１４２の調整ステージ１４４で、測定プローブ１２４のＸ方向の位置調整を行う。

次に、入力装置（図示せず）からの指令により、信号処理装置１６８で、ねじ溝１０２Ａの測定プログラムを開始させる。これにより、ボールねじ１０２を一定速度で回転させる。すると、スタイラス１２６の先端部１２６Ａが接触しているねじ溝１０２ＡのＺ方向の位置が変化し、測定プローブ１２４の高さが変化していく。そして、測定プローブ１２４、リニアエンコーダ１５０、ロータリーエンコーダ１２０から、リアルタイムで検出信号を出力させ、それらの出力を信号処理装置１６８で処理する。なお、この処理は、制御と同時でもよいし、制御終了後に処理を行ってもよい。

そして、測定プログラムの終了あるいは、入力装置からの指令により、ボールねじ１０２の測定を終了させる。

ここで、図４（Ａ）の比較例で示す如く、測定プローブにおいて第１ヒンジ部材ＨＧによりスタイラスＳＴがＸ方向のみに移動可能となっているとする。このとき、図４（Ｂ）に示す如く、ボールねじＷが回転してねじ溝にＸ方向への変位ΔＸだけでなく、Ｚ方向への変位ΔＺを含む変位ΔＲＲが生じた際には、スタイラスＳＴの先端部がねじ溝に２点接触せずに、１点接触となるおそれが出てくる。このときには、スタイラスＳＴのＸ方向への移動量は、本来検出すべき変位ΔＸではなく、変位ΔＸ１（＞ΔＸ）となる。つまり、このような測定プローブでは、本来検出すべき変位ΔＸを正確に測定することが困難となる。

なお、特許文献１の図７には、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すようなスタイラスＳＴの動きを可能とする構成が記載されている。即ち、特許文献１では、スタイラスＳＴのＸ方向への移動並びに検出を可能としているが、Ｘ方向への移動はあくまでもスタイラスＳＴを支持する測定プローブが行うようになっている。つまり、特許文献１では、第１ヒンジ部材ＨＧが測定プローブの外側にあるといえる。このため、上述の正確な測定という観点から、特許文献１の構成は、図４（Ａ）、（Ｂ）の構成の作用効果をも奏さないと言える。

これに対して、本実施形態では、測定プローブ１２４自体がスタイラス１２６をＸ方向及びＺ方向の２方向に移動可能に支持する径方向変位機構１２７及び軸方向変位機構１３１を備えている。つまり、スタイラス１２６の２方向への高い応答速度を実現でき、測定プローブ１２４においてねじ溝１０２Ａの微細な形状変化に追従することができる。このため、図４（Ｂ）のような変位ΔＲＲが生じても、スタイラス１２６は２点接触を保つことが可能となり、測定プローブ１２４は高精度な測定を実現することが可能である。

しかも、本実施形態では、測定プローブ１２４が、Ｘ方向とＺ方向それぞれに対して、個別に変位を検出するセンサ１３５、１３６を備えている。このため、Ｘ方向とＺ方向の変位を高精度に測定することができる。なお、これに限らず、Ｘ方向とＺ方向の両方の変位を同時に検出するセンサを用いてもよい。

また、本実施形態では、径方向変位機構１２７がスタイラス１２６を支持し、軸方向変位機構１３１がその径方向変位機構１２７を支持する構成となっている。このため、ボールねじ１０２のＸ方向への微細な形状変化に、より高速応答することができる。同時に、スタイラス１２６がねじ溝１０２Ａに対峙してＸ方向に向いている関係上、結果的に、構成を簡素化でき、測定プローブ１２４をコンパクトにまとめることが可能である。なお、これに限らず、軸方向変位機構がスタイラスを支持し、径方向変位機構がその軸方向変位機構を支持する構成であってもよい。また、軸方向変位機構と径方向変位機構とは、本実施形態のような限定された構成ではなく、径方向変位機構がスタイラスをボールねじの軸心Ｏに向かうＸ方向に変位可能に支持する機構であり、軸方向変位機構がスタイラスをボールねじの軸心Ｏの軸方向（Ｚ方向）に変位可能に支持する機構であればよい。

また、本実施形態では、測定プローブシステム１００がボールねじ１０２の測定プローブ１２４に対する相対的な回転を可能とする回転機構１０８と、回転機構１０８を制御し、且つ測定プローブ１２４の出力を処理する信号処理装置１６８とを備える。このため、仮に、リニアエンコーダ１５０及びロータリーエンコーダ１２０の出力を利用しなくても、ボールねじ１０２の回転に伴うねじ溝１２０Ａの概略的なＸ方向及びＺ方向への形状変化を判別することが可能である。勿論、リニアエンコーダ１５０及びロータリーエンコーダ１２０の出力を利用することで、本実施形態では、ねじ溝１０２Ａの設計形状からの誤差を明確化でき、ねじ溝１０２Ａの比較的周期の長い誤差や接触点のばらつき（酔歩やリードむら）などを測定することが可能である。

即ち、本実施形態では、相対的に回転可能とされたボールねじ１０２のねじ溝１０２Ａの所定の位置を高精度に測定することが可能である。

本発明について第１実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。即ち本発明の要旨を逸脱しない範囲においての改良並びに設計の変更が可能なことは言うまでもない。

例えば、第１実施形態では、測定プローブ１２４のＸ方向及びＺ方向への測定力が第１ヒンジ部材１２９及び第２ヒンジ部材１３３のばね定数で変位に伴い増大する構成であったが、本発明はこれに限定されない。例えば、図５、図６（Ａ）〜（Ｄ）に示す第２実施形態の如くであってもよい。第２実施形態では、第１実施形態の測定プローブに緩衝機構が新たに備えられただけである。このため、緩衝機構に係る構成以外は、基本的に符号上位１桁を変更しただけとして説明は省略する。

本実施形態では、緩衝機構２３７は、第１ヒンジ部材２２９、第２ヒンジ部材２３３の変形量に対応して増大する復元力をそれぞれ低減可能とする機構である。具体的には、図５に示す如く、緩衝機構２３７は、２つの磁性構造体２３８、２３９から構成されている。磁性構造体２３８は、支持部２３８Ａと、磁性部材２３８Ｂと、永久磁石２３８Ｃ、２３８Ｄ、２３８Ｅと、を備える。磁性構造体２３９も、支持部２３９Ａと、磁性部材２３９Ｂと、永久磁石２３９Ｃ、２３９Ｄ、２３９Ｅと、を備える。

図５に示す如く、支持部２３８Ａは、径方向変位部材２２８の側面に固定され、径方向ハウジング２３０との非接触状態を保つように、径方向ハウジング２３０の開口部２３０Ａから外部に突出している。支持部２３８Ａの先端には、磁性部材２３８Ｂが固定されている。一方、支持部２３９Ａは、支持部２３８Ａの固定されている径方向変位部材２２８の反対側面に対称に固定され、径方向ハウジング２３０との非接触状態を保つように、径方向ハウジング２３０の開口部２３０Ｂから外部に突出している。支持部２３９Ａの先端にも、磁性部材２３９Ｂが固定されている。

図５に示す如く、磁性部材２３８Ｂ、２３９Ｂはそれぞれ、例えば直方体形状とされている。永久磁石２３８Ｃ、２３８Ｄ、２３８Ｅ、２３９Ｃ、２３９Ｄ、２３９Ｅは、板状に成形されており、軸方向ハウジング２３４と一体とされたケーシング２２５に固定されている。ここで、第１ヒンジ部材２２９、第２ヒンジ部材２３３が変形していない初期状態における磁性部材２３８Ｂ、２３９Ｂの中心位置（図６（Ａ）、（Ｄ）の黒丸に相当）に対して、Ｘ方向、Ｚ方向それぞれで、磁気的な吸着力が０に相殺されるように、永久磁石２３８Ｃ、２３８Ｄ、２３８Ｅ、２３９Ｃ、２３９Ｄ、２３９Ｅは配置されている。ここで、永久磁石２３８Ｃ、２３８Ｄ、２３９Ｃ、２３９Ｄの磁力が全て等しく、且つ永久磁石２３８Ｅ、２３９Ｅの磁力が永久磁石２３８Ｃの磁力の２倍と等しいとする。その場合には、Ｘ方向では、永久磁石２３８Ｃと磁性部材２３８Ｂとの距離が、永久磁石２３８Ｄと磁性部材２３８Ｂとの距離、永久磁石２３９Ｃと磁性部材２３９Ｂとの距離、永久磁石２３９Ｄと磁性部材２３９Ｂとの距離それぞれと等しくなる。同時に、Ｚ方向では、永久磁石２３８Ｅと磁性部材２３８Ｂとの距離が、永久磁石２３９Ｅと磁性部材２３９Ｂとの距離と等しくなる。

ここで、図６（Ａ）に、緩衝機構２３７の構成に対応する磁性部材ＭＢと永久磁石ＭＵ、ＭＤ、ＭＲ、ＭＬとの関係を簡略的に示す。図６（Ａ）では、磁性部材ＭＢが磁性部材２３８Ｂ、２３９Ｂ、永久磁石ＭＵが永久磁石２３８Ｅ、永久磁石ＭＤが永久磁石２３９Ｅ、永久磁石ＭＲが永久磁石２３８Ｄ、２３９Ｄ、永久磁石ＭＬが永久磁石２３８Ｃ、２３９Ｃそれぞれに相当する。

ここで、図６（Ｂ）、（Ｃ）におけるＸ、Ｚ＝０の状態では、磁性部材ＭＢは、永久磁石ＭＵ、ＭＤ、ＭＲ、ＭＬから等しい距離に配置される。即ち、永久磁石ＭＵ、ＭＤ、ＭＲ、ＭＬによる力Ｆ２、Ｆ４、Ｆ１、Ｆ３（実線矢印）の影響は完全に相殺されている。一方、図６（Ａ）で示す破線位置から実線位置に磁性部材ＭＢが変位すると、永久磁石ＭＵ、ＭＤ、ＭＲ、ＭＬがない場合には、磁性部材ＭＢには、第１、第２ヒンジ部材（２２９、２３３）により元に戻ろうとして力Ｆ６（実線矢印）が生じる。しかし、磁性部材ＭＢが変位すると、磁性部材ＭＢは、いずれかの永久磁石（図６（Ａ）では永久磁石ＭＵ、ＭＬ）に近づく。このため、力Ｆ６とは反対方向に力Ｆ６を低減する力Ｆ５が生じる。結果的には、図６（Ｄ）に示す実線で示した変位領域ＡＲにスタイラス１２６が移動した際に、緩衝機構２３７が作動することとなる。

なお、図６（Ｂ）において、実線ＧＸ１は永久磁石ＭＬの磁力によって、実線ＧＸ５は永久磁石ＭＲの磁力によって、破線ＧＸ２は永久磁石ＭＬ、ＭＲの磁力の合力によって、実線ＧＸ３は第１ヒンジ部材（２２９）のばね力によって、実線ＧＸ４は永久磁石ＭＬ、ＭＲの磁力と第１ヒンジ部材（２２９）のばね力との合力によって、Ｘ方向で磁性部材ＭＢにかかる力をそれぞれ示している。同様に、図６（Ｃ）において、実線ＧＺ１は永久磁石ＭＵの磁力によって、実線ＧＺ５は永久磁石ＭＤの磁力によって、破線ＧＺ２は永久磁石ＭＵ、ＭＤの磁力の合力によって、実線ＧＺ３は第２ヒンジ部材（２３３）のばね力によって、実線ＧＺ４は永久磁石ＭＵ、ＭＤの磁力と第２ヒンジ部材（２３３）のばね力の合力によって、Ｚ方向で磁性部材ＭＢにかかる力をそれぞれ示している。なお、スタイラス２２６はねじ溝１０２Ａの測定時には、ゼロでない測定力でねじ溝１０２Ａに接触する。このため、測定時の最初の状態のスタイラス２２６の位置ＰＩは、図６（Ｂ）に示す如くＸ方向でオフセット値を有し、図６（Ｃ）に示す如くＺ方向でオフセット値を有さない状態となる。

従って、本実施形態では、緩衝機構２３７により、変位が増大しても、測定力を急激に大きくすることはない。このため、スタイラス２２６の変位量の変動が大きくても、精度を低下させることなく測定を行うことが可能である。なお、これに限らず、緩衝機構がＸ方向とＺ方向のそれぞれに分離され、径方向変位部材と軸方向変位部材の変位を径方向ハウジングと軸方向ハウジングのそれぞれに対して緩衝する構成であってもよい。

また、上記実施形態では、測定プローブにおけるスタイラスの変位を２方向に絶えず許容していたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図７に示す第３実施形態の如くであってもよい。第３実施形態では、第１実施形態の測定プローブにクランプ機構が新たに備えられただけである。このため、クランプ機構に係る構成以外は、基本的に符号上位１桁を変更しただけとして説明は省略する。

本実施形態では、図７に示す如く、径方向変位機構３２７が、径方向変位部材３２８を径方向ハウジング３３０に対して一時的にクランプするクランプ機構３３７を備えている。具体的には、径方向変位部材３２８には、凹部３２８Ａが設けられている。径方向ハウジング３３０に雌ねじが設けられ、そこにボルトＢＴが螺合し凹部３２８Ａに係止することでクランプ機構３３７が構成されている（ボルトＢＴの螺合状態の変更は手動でもよいし、電動でもよい）。

このように、本実施形態では、スタイラス３２６のＸ方向への変位を完全に停止させる（クランプする）ことで、測定プローブ３２４がＺ方向のみの変位を高精度に測定することが可能である。例えば、図７に示すように、ワークが円筒カム３０２であり、カム溝３０２Ａのカム溝上面３０２ＢのＺ方向への変位のみを高精度に測定したいといった場合に適用させることができる。このとき、このクランプ行為自体は一時的なので、クランプ状態を適宜解除しスタイラス３２６を２方向で変位可能とすることが可能である。なお、これに限らず、クランプするのが軸方向変位部材であってもよい。

また、上記実施形態では、測定プローブには１つの先端部だけが備えられていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図８に示す第４実施形態の如くであってもよい。第４実施形態では、第１実施形態の１つのスタイラスに対して２つの先端部が備えられただけである。このため、スタイラスに係る構成以外は、基本的に符号上位１桁を変更しただけとして説明は省略する。

本実施形態では、先端部４２６Ａ、４２６ＡＡが２つとされ、互いの先端部４２６Ａ、４２６ＡＡの位置が相対的に調整可能とされている。具体的には、スタイラス４２６は、先端部４２６Ａ、４２６ＡＡと、ロッド部４２６Ｂ、４２６ＢＢと、固定部４２６Ｃと、可変部４２６ＣＣと、を備える。先端部４２６Ａは、ロッド部４２６Ｂの先端に固定されている。そして、ロッド部４２６Ｂの後端は固定部４２６Ｃに固定され、図示せぬ径方向変位部材に支持されている。一方、先端部４２６ＡＡは、ロッド部４２６ＢＢの先端に固定されている。そして、ロッド部４２６ＢＢの後端は可変部４２６ＣＣに固定されている。可変部４２６ＣＣは、２方向に位置調整可能とするボルトＢＴ１、ＢＴ２（手動でも電動でもよい）を介して固定部４２６Ｃに支持されている。即ち、先端部４２６Ａに対する先端部４２６ＡＡの位置は、Ｚ方向へ調整可能とされている。

このため、本実施形態では、図８に示す如く、２つの先端部４２６Ａ、４２６ＡＡでねじ溝４０２Ａのねじ溝上面４０２Ｂ、ねじ溝下面４０２Ｃに接触するように調整できる。これにより、例えば、ボールＢＬ（図３（Ａ））と同等の大きさの先端部を備えるスタイラスに変更することなく、ねじ溝４０２Ａを正確に測定することが可能である。なお、これに限らず、先端部は、ワークに応じて、３つ以上とされていてもよい。

また、第１実施形態では、ねじ溝１０２Ａの測定を１回だけ行うことを示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図９（Ａ）〜（Ｃ３）、図１０（Ａ）〜（Ｅ）に示す第５実施形態の如くであってもよい。第５実施形態では、第１実施形態の測定プローブシステムと構成がほぼ同一で、ねじ溝１０２Ａの測定について新たな処理を行うようにしただけである。このため、構成については、符号を同一として説明は省略する。なお、図１０（Ａ）〜（Ｅ）において、符号ＥＥは回転むらを、符号ＦＧはねじ溝１０２Ａの形状を、符号ＲＥは回転機構１０８の回転精度を、それぞれ示している。また、図１０（Ａ）〜（Ｅ）においては、ねじ溝１０２Ａの形状と回転機構１０８の回転精度とは便宜上、分離して示す。

本実施形態では、図９（Ｃ）に示す如く、処理部が、回転機構１０８の回転開始位置をそれぞれ異ならせた状態を初期状態とする複数のねじ溝１０２Ａの実形状を求める。そして、処理部が複数のねじ溝１０２Ａの実形状同士の演算を行うことで、回転機構１０８に起因する測定誤差を低減することができる。例えば、測定を開始する前のボールねじ１０２の事前回転角度θｉを０度、１２０度、２４０度として予め回転させておく（図９（Ｃ１）〜（Ｃ３）のそれぞれの右図）。つまり、測定初期条件を一定の位相間隔（１２０度）でずらしている（位相差法とも称する）。その状態から、ねじ溝１０２Ａの測定を開始させて、Ｚ方向への変位を求める（図９（Ｃ１）〜（Ｃ３）のそれぞれの左図）。すると、測定対象としてのねじ溝１０２Ａの場所を同一とした場合に、図１０（Ａ）〜（Ｃ）に示す如く、回転機構１０８の回転精度に基づくＺ方向への異なる変位結果（リードむらＥＬ）をそれぞれ得ることができる。即ち、本実施形態では、これら３つの変位結果（図１０（Ａ）〜（Ｃ））を、例えば、処理部で加算（図１０（Ｄ））して平均を求める（図１０（Ｅ））ことで、回転むらＥＥに起因する測定誤差を低減することが可能である。即ち、本実施形態では、より高精度な測定を実現することが可能である。なお、これに限らず、２つの測定、あるいは、４つ以上の測定を行い、位相差法を適用してもよい。

また、第１実施形態では、測定プローブの出力とリニアエンコーダおよびロータリーエンコーダの応答特性について特に考慮していなかったが、本発明はこれに限定されない。例えば、図１１（Ａ）〜（Ｃ４）に示す第６実施形態の如くであってもよい。第６実施形態では、第１実施形態の測定プローブシステムと構成がほぼ同一で、ねじ溝１０２Ａの測定について新たな処理を行うようにしただけである。このため、構成については、符号を同一として説明は省略する。

本実施形態では、処理部が、ねじ溝１０２Ａの実形状である実側面形状を求める際に、測定プローブ１２４、リニアエンコーダ１５０、及びロータリーエンコーダ１２０の出力応答特性を校正している。実際にこの校正する際には、図１１（Ａ）、（Ｂ）に示す如く、ＪＩＳやＩＳＯで規定されている真円度測定機用のフリックスタンダード（倍率校正器）１０３をワークとして用いる。

本実施形態では、測定形状を求める際には、出力指令を処理部が出した際に、その応答速度が各構成要素で異なる。即ち、図１１（Ｃ１）〜（Ｃ４）それぞれに示す如く、測定プローブ１２４から出力されるＸ方向の変位ΔＸは時間遅れＴＳで、Ｚ方向の変位ΔＺは時間遅れＴＴで、それぞれ処理部で処理可能となる。また、ロータリーエンコーダ１２０から出力される回転角度の変位θは時間遅れＴＲＥで、リニアエンコーダ１５０から出力されるＺ方向の変位Ｚは時間遅れＴＬＥで、それぞれ処理部で処理可能となる。

このため、本実施形態では、これらの時間遅れＴＳ、ＴＴ、ＴＲＥ、ＴＬＥを考慮して、測定プローブ１２４、リニアエンコーダ１５０、及びロータリーエンコーダ１２０の出力応答特性を校正した上で、ねじ溝１０２Ａの実形状である実側面形状を求めることで、上記実施形態よりも更に高精度に測定を行うことが可能となる。

また、上記実施形態では、回転機構で、ワークが回転する構成とされていたが、本発明はこれに限定されず、ボールねじが固定され、測定プローブがボールねじの周りで回転する構成となっていてもよい。即ち、ワークが測定プローブに対して相対的に回転可能とされていればよい。

本発明は、相対的に回転可能とされたワークの側面形状を測定する測定プローブに広く適用することができる。

１００…測定プローブシステム
１０２、２０２、４０２…ボールねじ
１０２Ａ、４０２Ａ…ねじ溝
１０２Ｂ、４０２Ｂ…ねじ溝上面
１０２Ｃ、４０２Ｃ…ねじ溝下面
１０３…フリックスタンダード
１０４…回転軸
１０６…ベース
１０８…回転機構
１１０、１４６…コラム
１１２…ガイド
１１４…ワーク支持部材
１１６…タイミングベルト
１１８…駆動源
１２０…ロータリーエンコーダ
１２２、１５６…表示装置
１２２Ａ、１５６Ａ…表示部
１２４、２２４、３２４、４２４…測定プローブ
１２５、２２５、３２５、４２５…ケーシング
１２６、２２６、３２６、４２６、ＳＴ…スタイラス
１２６Ａ、３２６Ａ、４２６Ａ、４２６ＡＡ…先端部
１２６Ｂ、４２６Ｂ、４２６ＢＢ…ロッド部
１２７、２２７、３２７…径方向変位機構
１２８、２２８、３２８…径方向変位部材
１２９、２２９、３２９、４２９、ＨＧ…第１ヒンジ部材
１２９Ａ…中心部
１２９Ｂ…リム部
１２９Ｃ…周辺部
１３０、２３０、３３０…径方向ハウジング
１３１、２３１、３３１…軸方向変位機構
１３２、２３２、３３２…軸方向変位部材
１３３、２３３、３３３、４３３…第２ヒンジ部材
１３４、２３４、３３４…軸方向ハウジング
１３４Ａ、１３４Ｂ、２３０Ａ、２３０Ｂ…開口部
１３５、１３６、２３５、２３６、３３５、３３６、４３５、４３６…センサ
１３５Ａ、１３６Ａ…基準部材
１３５Ｂ、１３６Ｂ…検出部材
１４２…プローブ支持機構
１４４…調整ステージ
１４８…Ｚステージ
１５０…リニアエンコーダ
１５２…検出ヘッド
１５４…リニアスケール
１５８…バランス機構
１６０…ワイヤ
１６２、１６４…滑車
１６６…バランサ
１６８、４６８…信号処理装置
２３７…緩衝機構
２３８、２３９…磁性構造体
２３８Ａ、２３９Ａ…支持部
２３８Ｂ、２３９Ｂ、ＭＢ…磁性部材
２３８Ｃ、２３８Ｄ、２３８Ｅ、２３９Ｃ、２３９Ｄ、２３９Ｅ、ＭＵ、ＭＤ、ＭＲ、ＭＬ…永久磁石
３０２…円筒カム
３０２Ａ…カム溝
３０２Ｂ…カム溝上面
３２８Ａ…凹部
３３７…クランプ機構
４２６Ｃ…固定部
４２６ＣＣ…可変部
ＡＲ…スタイラスの変位領域
ＢＬ…ボール
ＢＴ、ＢＴ１、ＢＴ２…ボルト
ＣＳ…円
ΔＲＲ、ΔＸ、ΔＸ１、ΔＺ…変位
ＥＥ…回転むら
ＥＧ…溝径むら
ＥＬ…リードむら
ＦＧ…ねじ溝の形状
ＮＴ…ナット
Ｏ…軸心
Ｐ、Ｑ…軸
ＰＩ…測定時の最初の状態のスタイラスの位置
ＲＥ…回転精度
ＳＴ…スタイラス
Ｔ…時間
ＴＬＥ、ＴＲＥ、ＴＳ、ＴＴ…時間遅れ
ＴＰ…接触点
ＴＲ１、ＴＲ２…折り返し部
Ｘ、Ｙ、Ｚ…方向
Ｘ０、Ｚ０、Ｚ００、θ０…時間に対する指令時点の出力
Ｘ１、Ｚ１、Ｚ１１、θ１…時間に対する実際の出力
Ｗ…ワーク（ボールねじ）
θｉ…事前回転角度

Claims (10)

1. 相対的に回転可能とされたワークの側面形状を測定する測定プローブであって、
   前記ワークの側面に接触する先端部を有するスタイラスと、
   該スタイラスを該ワークの軸心に向かう方向に変位可能に支持する径方向変位機構と、
   該スタイラスを該軸心の軸方向に変位可能に支持する軸方向変位機構と、
   該径方向変位機構と該軸方向変位機構とによる該スタイラスの変位を検出するセンサと、
   を備え、
   前記径方向変位機構は、前記スタイラスに一体的に設けられた径方向変位部材と、該径方向変位部材に接続され、該スタイラスの変位に対応して変形する複数の第１ヒンジ部材と、該複数の第１ヒンジ部材を介して該径方向変位部材を支持する径方向ハウジングと、を備えることを特徴とする測定プローブ。
2. 前記軸方向変位機構は、前記径方向ハウジングを支持する軸方向変位部材と、該軸方向変位部材に接続され、前記スタイラスの変位に対応して変形する複数の第２ヒンジ部材と、該複数の第２ヒンジ部材を介して該軸方向変位部材を支持する軸方向ハウジングと、を備えることを特徴とする請求項１に記載の測定プローブ。
3. 前記第１、第２ヒンジ部材の変形量に対応して増大する復元力をそれぞれ低減可能な緩衝機構を備えることを特徴とする請求項２に記載の測定プローブ。
4. 前記径方向変位機構は、前記径方向変位部材を前記径方向ハウジングに対して一時的にクランプするクランプ機構を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の測定プローブ。
5. 前記複数の第２ヒンジ部材は、円板形状であり、第２中心部と該第２中心部の外周に設けられた第２周辺部を備え、
   該第２中心部で前記軸方向変位部材を支持し、該第２周辺部が前記軸方向ハウジングに支持されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の測定プローブ。
6. 前記複数の第１ヒンジ部材は、円板形状であり、第１中心部と該第１中心部の外周に設けられた第１周辺部を備え、
   該第１中心部で前記径方向変位部材を支持し、該第１周辺部が前記径方向ハウジングに支持されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の測定プローブ。
7. 前記先端部は複数とされ、互いの該先端部の位置が相対的に調整可能とされていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の測定プローブ。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の測定プローブを備える測定プローブシステムであって、
   前記ワークの前記測定プローブに対する相対的な回転を可能とする回転機構と、
   該回転機構を制御し、且つ該測定プローブの出力を処理する信号処理装置と、
   を備えることを特徴とする測定プローブシステム。
9. 前記信号処理装置は前記測定プローブの出力を処理することで該ワークの実側面形状を求める処理部を備え、前記回転機構は前記ワークの相対的な回転角度を出力するロータリーエンコーダを備え、
   該処理部は、該回転機構の回転開始位置をそれぞれ異ならせた状態を初期状態とする複数の実側面形状を求め、該複数の実側面形状同士の演算を行うことで、該回転機構に起因する測定誤差を低減することを特徴とする請求項８に記載の測定プローブシステム。
10. 前記回転機構による回転に従って前記測定プローブを前記軸方向に移動可能に支持するプローブ支持機構を備え、該プローブ支持機構は前記測定プローブの該軸方向における位置を出力するリニアエンコーダを備え、
    前記処理部は、前記実側面形状を求める際に、前記測定プローブ、該リニアエンコーダ、及び前記ロータリーエンコーダの出力応答特性を校正することを特徴とする請求項９に記載の測定プローブシステム。

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