JP6928982B1 - 非接触真円度及び直径測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークの真円度測定と直径の測定を一度に測定することができる非接触真円度及び直径測定方法を提供する。【解決手段】事前に基準球を利用して回転ステージの回転中心を求めているため、ワークの円周を測定した極座標を直交座標に変換すれば、中心座標を有する円周データが得られる。そして得られた円周データから事前に求めた回転ふれ偏差を除くことにより、ワークの真円度を高精度に測定することができると共に直径も求めることができる。【選択図】 図１

Description

本発明は非接触真円度及び直径測定方法に関する。

従来、鋼球やシャフト等のワークの真円度や直径を測定する方法として接触式測定器を用いた方法が一般的であるが、接触式測定方法は接触式プローブを用いるためワークの表面に傷がついたり、あるいは所定の触針圧を必要とするため接触圧を加えることができない小さなワークの測定を行えない等の課題があった。

そこで、真円度などを測定するためにレーザプローブ式の非接触式測定方法が期待されている。この測定方法はワークに対してレーザプローブによるオートフォーカスをかけながらワークを回転させたり、直動させてワークの側面をスキャンし、オートフォーカス光学系の対物レンズの移動量からワークの外周形状を測定する方法である（例えば、特許文献１参照）。

特許第３９２３９４５号公報

しかしながら、このようなレーザプローブ式の非接触測定方法にあっても、ワークの真円度と直径はそれぞれ別個の測定方法で行う必要があり、その両方を一度に測定することはできなった。

本発明は、このような関連技術に着目してなされたものであり、ワークの真円度測定と直径測定の両方を一度に測定することができる非接触真円度及び直径測定方法を提供することを目的としている。

本発明の第１の技術的側面によれば、三次元座標軸ＸＹＺとして、鉛直なＺ軸を中心にθ方向に回転自在な回転ステージ上にホルダを介して球面状或いは円筒面状の側面をもつワークを載置し、該ワークの側面に対して、オートフォーカス光学系からレーザをＸＺ面内の光路に沿って照射するオートフォーカスをかけながら、ワークをレーザに対して、またはレーザをワークに対して、Ｙ方向、Ｚ方向、θ方向にそれぞれ移動させることにより、ワークの側面を各方向に沿ってスキャン自在で、オートフォーカス光学系においてワークの側面からのレーザの戻り光が合焦時にＡＦセンサの中心で受光されるように対物レンズの位置が制御され、対物レンズのＸ方向での移動量からワークの円周データを取得して、ワークの真円度と直径を求める非接触真円度及び直径測定方法であって、前記ホルダに真円度及び直径が既知の基準球をセットして、回転ステージの３点以上の角度位置において、それぞれ基準球の側面における最大外径部にレーザを照射しながらＹ方向にスキャンして、その測定データから３点以上の基準球の中心位置を求め、得られた複数の中心位置を通る円を求め、その円の中心を回転ステージのθ方向での回転中心として事前に求める工程と、該工程で求めた回転中心を通るＸ方向での軸上にオートフォーカス機構を配置し、レーザを基準球の側面に照射しながら回転ステージを３６０°回転させて基準球の最大外径部における円周データを取得し、得られた円周データから基準球の既知の真円度データを差分して回転ステージの回転ふれ偏差を事前に求める工程と、ホルダにワークをセットして、ワークの側面に照射しながら回転ステージを３６０°回転させてワークの最大外径部における円周データを極座標として取得する工程と、該工程で得られた極座標の円周データを測定点の回転角度に応じて直交座標に変換する工程と、該工程により変換されたワークの円周データを事前に求めた回転ふれ偏差で補正してワークの真円度を求める工程と、該工程により真円度を求めた円周データとその中心座標からワークの直径を求める工程と、を有することを特徴とする。
本発明の第２の技術的側面によれば、基準球の最大外径部における円周データから基準球の直径（Ｄ１）を求め、ワークの最大外径部における円周データからワークの直径（Ｄ２）を求め、基準球の直径（Ｄ１）と基準球の既知の直径データ（Ｄ０）との差を補正値（Ｄ１−Ｄ０）とし、ワークの直径（Ｄ２）に補正値（Ｄ１−Ｄ０）を足して、測定時の環境温度における補正直径（Ｄｆ）を求めることを特徴とする。
本発明の第３の技術的側面によれば、ホルダの一部に基準球が一体的に組み付けられていることを特徴とする。

本発明の第１の技術的側面によれば、事前に基準球を利用して回転ステージの回転中心を求めているため、ワークの円周を測定した極座標を直交座標に変換することにより、中心座標を有する円周データが得られる。従って、得られた円周データから事前に求めた回転ふれ偏差を除くことにより、ワークの真円度を高精度に測定することができると共に直径も求めることができる。

本発明の第２の技術的側面によれば、基準球を測定してその温度環境下における直径の補正値を求め、その補正値を利用して温度変化による直径の誤差を補正するため、温度変化による直径測定への影響を排除することができる。

本発明の第３の技術的側面によれば、ホルダに基準球が一体的に組み込まれているため、ホルダにワークと基準球を一緒にセットすることができ、ホルダに対してワークと基準球を置き換える必要がなく、直径補正のための基準球とワークの測定を短時間で行うことができる。

非接触真円度及び直径測定装置を示す概略図。 ホルダを示す側面図。 回転中心を求める説明図。 θ方向の回転ふれ偏差を求める説明図。 回転中心とワークの測定点を示す説明図。 極座標変換後のワークの円周データを示す説明図。

図１〜図６は、本発明の好適な実施形態を示す図である。

図１は、この実施形態に係るレーザプローブ式の非接触真円度及び直径測定装置を示す図である。図１において、ＸＹは水平面上で直交する二方向で、Ｘはオートフォーカス（ＡＦ）方向で、Ｙはスキャン方向である。Ｚは鉛直方向である。θはＺ軸を中心とした水平方向での回転方向である。
測定対象であるワーク１は直径約５ｍｍの鋼球である。ワーク１はホルダ２の頂部に載置された状態で、θ方向へ回転自在な回転ステージ３上にセットされている。ホルダ２の途中には真円度データと直径データが既知の真球である基準球４が一体的に組み込まれている。

回転ステージ３はＹ方向にスライド自在なＹ軸ステージ５に載っており、Ｙ軸ステージ５は定盤６の上に載っている。

このワーク１に対して、オートフォーカス光学系７として、Ｘ方向に沿う光軸上に、対物レンズ８、ビームスプリッタ９、結像レンズ１０、ＡＦセンサ１１が備えられている。オートフォーカス光学系７は全体がＸ方向へスライド自在なＸ軸ステージ１２の上に載っており、Ｘ軸ステージ１２はオートフォーカス光学系７を載置した状態で上下動自在なＺ軸ステージ１３に載せられている。

半導体レーザ照射装置１４からのレーザＬをビームスプリッタ９により反射し、対物レンズ８を介して、ワーク１に照射する。このワーク１に照射されるレーザＬがいわゆる「レーザプローブ」である。

レーザＬはＸ軸及びＺ軸を含む垂直面内の光路に沿って対物レンズ８において光軸からずれた位置を通るため、対物レンズ８からワーク１の側面に対して斜め上方から照射され斜め下方へ反射される。対物レンズ８の焦点位置との関係でワーク１の側面に照射されるレーザＬの照射点のＺ方向の位置が変動する。

ワーク１の側面で反射されたレーザＬの戻り光は、再度対物レンズ８からビームスプリッタ９を通過した後、結像レンズ１０を経て、ＡＦセンサ１１に至る。

ＡＦセンサ１１は対物レンズ８の光軸を中心に上下に二分割されたセンサ部ａ、ｂから構成されている。２つのセンサ部ａ、ｂからの出力は比較器１５を介してＡＦコントローラ１６に入力される。ＡＦコントローラ１６からは２つのセンサ部ａ、ｂからの信号がメインコントローラ１７に出力される。

またＡＦコントローラ１６は、Ｘ軸ステージ１２により、ＡＦセンサ１１の２つのセンサ部ａ、ｂからの出力が等しくなるように、対物レンズ８（オートフォーカス光学系７全体）をフォーカス方向（Ｘ方向）へ移動させる。その時のＸ方向での移動量からワーク１の側面のフォーカス方向での位置情報を検出する。

この実施形態ではオートフォーカス光学系７全体をＸ軸ステージ１２によりＸ方向に移動させる例を示したが、オートフォーカス光学系７をＺ軸ステージ１３に直接載せて、対物レンズ８だけをオートフォーカス光学系７内に設けた別のＸ軸ステージによりＸ方向（フォーカス方向）へ移動させるようにしても良い。

オートフォーカス光学系７はＺ軸ステージ１３により上下動自在となっているため、全体を下げてホルダ２の途中に組み込まれた基準球４に高さを合わせてレーザＬを当てることができる。そしてワーク１及び基準球４にそれぞれ高さを合わせた状態で、レーザＬによりそれらの側面をＺ方向へスキャンし、Ｚ方向でのＲ輪郭測定を行うことができる。

回転ステージ３、Ｙ軸ステージ５、Ｚ軸ステージ７はステージコントローラ１８により制御される。ステージコントローラ１８は各ステージそれぞれの方向へ移動させる信号を出力する共にワーク１及び基準球４のθ方向、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向での位置をメインコントローラ１７に出力する。
次にこの装置によりワーク１の真円度と直径を同時に測定する手順を説明する。

(回転中心Ｐａを求める)
ワーク１の測定をするために、まず回転ステージ３の回転中心Ｐａを検出して、基準球４とオートフォーカス光学系７との相対的関係を求めておく。

オートフォーカス光学系７はＺ軸ステージ１３で下げておき、レーザＬをホルダ２に組み込まれた基準球４の側面に当てる。そしてレーザＬをＹ方向及びＺ方向にスキャンして、基準球４の側面のＲ輪郭測定を実施し、そのプロファイルから基準球４の最大外径部を演算して求める。次にＺ軸ステージ１３によりオートフォーカス光学系７を求めた最大外径部の高さに移動させる。

図３は基準球４の中心位置が回転ステージ３上の回転中心Ｐａから外れた状態を示した図である。

まず回転ステージ３を０°の回転位置にして、レーザＬのＹ方向スキャンにより基準球４の側面の最大外径部におけるＲ輪郭を測定し、そのＲ輪郭から回転位置０°における基準球４の中心位置Ｐ１を求める。

次に回転ステージ３を回転させて１２０°位置にし、その回転位置にてＹ方向スキャンを行い基準球４のＲ輪郭を測定して、そのＲ輪郭から回転位置１２０°における基準球４の中心位置Ｐ２を求める。最後に回転ステージ３を２４０°位置にして、同様に基準球４の中心位置Ｐ３を求める。そして求められた中心位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の３点（３点以上でも可）を通る円を求め、その円の中心を回転ステージ３の回転中心Ｐａとして求める。

（回転ふれ偏差を求める）
次に回転ステージ３の機構上発生する回転ふれ偏差を基準球４の測定から求める。

図４に示すようにオートフォーカス光学系７を先に求めた回転ステージ３の回転中心Ｐａを通るＸ方向での軸上に配置して、回転ステージ３を０°から３６０°まで回転させながら基準球４の最大外径部における円周測定を行う。そして得られた円周データから基準球４の既知の真円度データを差分することにより、回転角度に対する回転ステージ３の回転ふれ偏差が求められる。
以上が基準球４を用いた事前測定である。次にワーク１の真円度と直径の測定について説明する。

（真円度と直径の測定）
ワーク１である鋼球を基準球４が一体的に組み込まれたホルダ２の頂部に載せる。そしてオートフォーカス光学系７の位置をＺ軸ステージ１３で上げて、レーザＬをワーク１の側面に当てる。

次にワーク１の最大径付近をＹ方向スキャン及びＺ方向スキャンして、ワーク１の側面のＲ輪郭測定を実施し、そのプロファイルからワーク１の正しい最大外径部を演算して求め、その最大外径部の高さにオートフォーカス光学系７を上下動させて合わせる。

次にオートフォーカス光学系７を回転ステージ３の回転中心Ｐａを通るＸ方向での軸上に配置する。この測定点を０°とする。

その測定点からワーク１の最大外径部における側面にオートフォーカスをかけながら、回転ステージ３を一回転させて回転中心Ｐａから測定点までの距離を回転角度毎に測定して、点群データＰｎ｛Ｐｉ｝を取得する。得られた点群データＰｎは回転中心座標ＸＹ＝（０，０）に対して測定時の回転角度、測定位置情報を持った極座標である。各データはＰｉ（θｉ，Ｘｉ，Ｙｉ）と表現される。測定は回転中心Ｐａに対してワーク１の中心が偏心した状態で測定されている（図５のΔＥ）ため、Ｙ＝０での各点はＰｉ（θｉ，Ｘｉ，０）となる。

そして得られた極座標である点群データＰｎを、回転中心Ｐａを中心とした直交座標に変換することにより、図６に示されるように、回転中心Ｐａに対して偏心した位置（ΔＥ）を中心にワーク１と同一の円周データＳが得られる。

このワーク１と同一の円周データＳは中心座標をもつ持つデータであるために、このデータから事前に求めた機械的な回転ふれ偏差を除くことにより、ワーク１の真円度を高精度に求めることができると共に直径値も同時に求めることができる。

（直径の補正）
以上の測定工程において、環境の温度変化や装置自体の温度変化により回転中心Ｐａの座標がずれていく温度ドリフトという現象が発生する場合がある。温度ドリフトが発生すると、測定したワーク１の直径値が変化してため、その誤差をなくすため、温度ドリフトが許容される時間毎に測定した直径値の補正を行う必要がある。
直径の補正は本来ならば基準球４を用いて回転中心Ｐａの測定（図３）を再度実施し、そのずれ量を補正しなくてはならないが、本実施形態ではその温度下での回転中心Ｐａを再度求めることなく、以下のような方法で直径値の補正を行うことができる。

まずＺ軸ステージ１３によりオートフォーカス光学系７の位置を基準球４の最大外径部に合わせる。そして基準球４を３６０°回転させ、基準球４の最大外径部における円周データを得る。そして得られた円周データから基準球４の直径（Ｄ１）を求める。すなわち先に求めた回転ステージ３の中心位置Ｐａから測定点までの距離が半径値ｒとなり（図４参照）、その半径から基準球４の直径（Ｄ１）を求めることができる。
この基準球４の直径（Ｄ１）は環境温度により変化するため、求めた直径（Ｄ１）と、基準球４の既知の絶対値である直径データ（Ｄ０）との差を、ワーク１の直径を補正するための補正値（Ｄ１−Ｄ０）として求めておく。

次にオートフォーカス光学系７の位置を測定ワーク１の最大外径部に合わせ、ワーク１を３６０°回転させて、ワーク１の円周データを得る。そして得られた円周データから、前記基準球４の場合と同様にワーク１の直径（Ｄ２）を求める。そしてこの求めたワーク１の直径（Ｄ２）に、先に求めた補正値（Ｄ１−Ｄ０）を足すことによりその温度環境下での補正直径（Ｄｆ）が、Ｄｆ＝Ｄ２＋（Ｄ１−Ｄ０）と求められる。

更にこの実施形態では、基準球４が一体的に組み込まれたホルダ２を用いたため、基準球４とワーク１の側面を測定する際に、基準球４が一体化されていない従来のホルダのように、ワーク１と基準球４をホルダの頂部に置き換える必要がない。置き換え作業があると、置き換えのために人が装置に近づいて作業者の体温がワーク１や環境に悪影響を与えるおそれがあった。またワーク１と基準球４の交換に手間がかかるなどの課題があった。

しかしこの実施形態ではワーク１を載せたホルダ２に基準球４が最初から一体的に組み込まれているため、Ｚ軸ステージ１３によりオートフォーカス光学系７の位置を上下させるだけで、基準球４とワーク１の測定の切り換えをすぐに行うことができる。従って、温度ドリフトによる直径の補正を高精度且つ短時間で行うことが可能となる。

以上説明したように、この実施形態によれば従来個別の測定方法で行われていた真円度と直径の測定を一度に測定することができる。また非接触式であるため、接触式では困難な小径なワーク（１ｍｍ以下）も測定することができる。

尚、実施形態では、ワーク１として球体を例にしたが、円筒側面を持つワークの真円度と直径も測定することができる。
更に基準球４を一体化したホルダ２を例にしたが、基準球４とワーク１の交換作業による温度の影響が少ない場合は基準球４を一体化しない通常のホルダを使用しても良い。

１ ワーク
２ ホルダ
３ 回転ステージ
４ 基準球
７ オートフォーカス光学系
８ 対物レンズ
Ｌ レーザ
Ｐａ 回転中心
Ｓ 円周データ

Claims (3)

1. 三次元座標軸ＸＹＺとして、鉛直なＺ軸を中心にθ方向に回転自在な回転ステージ上にホルダを介して球面状或いは円筒面状の側面をもつワークを載置し、該ワークの側面に対して、オートフォーカス光学系からレーザをＸＺ面内の光路に沿って照射するオートフォーカスをかけながら、ワークをレーザに対して、またはレーザをワークに対して、Ｙ方向、Ｚ方向、θ方向にそれぞれ移動させることにより、ワークの側面を各方向に沿ってスキャン自在で、
   オートフォーカス光学系においてワークの側面からのレーザの戻り光が合焦時にＡＦセンサの中心で受光されるように対物レンズの位置が制御され、対物レンズのＸ方向での移動量からワークの円周データを取得して、ワークの真円度と直径を求める非接触真円度及び直径測定方法であって、
   前記ホルダに真円度及び直径が既知の基準球をセットして、回転ステージの３点以上の角度位置において、それぞれ基準球の側面における最大外径部にレーザを照射しながらＹ方向にスキャンして、その測定データから３点以上の基準球の中心位置を求め、得られた複数の中心位置を通る円を求め、その円の中心を回転ステージのθ方向での回転中心として事前に求める工程と、
   該工程で求めた回転中心を通るＸ方向での軸上にオートフォーカス機構を配置し、レーザを基準球の側面に照射しながら回転ステージを３６０°回転させて基準球の最大外径部における円周データを取得し、得られた円周データから基準球の既知の真円度データを差分して回転ステージの回転ふれ偏差を事前に求める工程と、
   ホルダにワークをセットして、ワークの側面に照射しながら回転ステージを３６０°回転させてワークの最大外径部における円周データを極座標として取得する工程と、
   該工程で得られた極座標の円周データを測定点の回転角度に応じて直交座標に変換する工程と、
   該工程により変換されたワークの円周データを事前に求めた回転ふれ偏差で補正してワークの真円度を求める工程と、
   該工程により真円度を求めた円周データとその中心座標からワークの直径を求める工程と、
   を有することを特徴とする非接触真円度及び直径測定方法。
2. 基準球の最大外径部における円周データから基準球の直径（Ｄ１）を求め、ワークの最大外径部における円周データからワークの直径（Ｄ２）を求め、
   基準球の直径（Ｄ１）と基準球の既知の直径データ（Ｄ０）との差を補正値（Ｄ１−Ｄ０）とし、
   ワークの直径（Ｄ２）に補正値（Ｄ１−Ｄ０）を足して、測定時の環境温度における補正直径（Ｄｆ）を求めることを特徴とする請求項１記載の非接触真円度及び直径測定方法。
3. ホルダの一部に基準球が一体的に組み付けられていることを特徴とする請求項２記載の非接触真円度及び直径測定方法。

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