JP2004501368A - サンプルのサイズを検出するための測定装置 - Google Patents

Abstract

測定装置（４）はサンプルのサイズを検出するために使用し、工具（１）に組み込み可能であり、または工具の代わりに工具受容部に固定可能である。光源（１０）は光線を発生させ、光線はビームスプリッター（１８）により参照光線（２７）と測定光線（２８）とに分割される。測定光線（２８）はサンプルの測定部位（８）に供給され、参照光線（２７）は参照ミラー（１４）に供給される。測定部位（８）と参照ミラー（１４）とで反射した、時間的に非干渉性の光線は、ビームスプリッター（１８）で再び統合されて受光器（１３）に供給される。参照ミラー（１４）と受光器（１３）とは測定装置（４）の光軸に関し横方向にずれている。ビームスプリッター（１８）は光軸に対し傾斜して配置されていてもよい。これにより高精度の測定が可能である。

Description

【０００１】
本発明は、請求項１または５の前提概念に記載の、サンプルのサイズを検出するための測定装置に関するものである。
【０００２】
工作物に穴、嵌め合い部等を形成させる場合、穴が正確な径を有している必要がある。このため、穿孔工程後に適当な測定器具を用いて穴が測定される。この場合寸法が不正確であれば後加工が必要である。
【０００３】
本発明の課題は、高精度の測定が可能であるように測定装置を構成することである。
この課題は、この種の測定装置において、本発明によれば請求項１または５の特徴部分の構成により解決される。
【０００４】
請求項１に記載の本発明による測定装置によれば、サンプルのサイズ、たとえば工作物の穴の径を高精度に且つ簡単に検出することができる。光源から放射された光線はビームスプリッターにおいて参照光線と測定光線とに分割される。測定光線がサンプルの測定部位に誘導されるのに対し、参照光線は参照ミラーへ誘導される。両光線は測定部位または参照ミラーで反射した後再び統合され、受光器へ供給される。光線が重畳されるので干渉コントラストが生じ、この干渉コントラストに基づいてサンプルの測定サイズに関する所望の情報を得ることができる。
【０００５】
参照ミラーと受光器とが測定装置の光軸に関し横方向にずれているので、参照ミラーと受光器とは前記光軸上にあるのではなく、光軸の横に配置されている。このような構成により極めて高い測定精度を得ることができる。
【０００６】
請求項５に記載の測定装置では、ビームスプリッターは測定装置の光軸に対し傾斜している。この場合には参照ミラーだけが測定装置の光軸の横に配置され、他方光源および（または）受光器は光軸上にあってよい。
【０００７】
本発明の他の特徴は他の請求項、以下の説明および図面から明らかである。
次に、本発明の実施形態を添付の図面を用いて詳細に説明する。
工具を用いて工作物のサイズ、有利には穴のサイズを簡単に且つ正確に検出することができる。このために設けられる測定装置は工具の中に収納されている。工具はたとえば穿孔工具或いはねじ切りフライス工具である。測定装置を用いて工作物の溝の深さ或いは穴の深さを測定することができる。測定はすでに加工中に工具により行うことができる。測定に基づいて工具および（または）加工される工作物をオンラインで目標とする結果になるまで追値制御することができる。測定結果、たとえば穴の真円性或いは径は加工中に直接測定され評価されるので有利である。これにより加工ミスを即座に検知して修正することができる。加工を終了した工作物をさらに検査する必要はない。加工中に修正を行うことができるので、加工時間が著しく短縮され、とりわけ結果的に優れた加工品質が得られる。加工中にオンライン測定および評価を行うので、工具を長期間にわたって最適に使用でき、工具の寿命も最適に活用される。
【０００８】
工具を用いて工作物の加工を行って、その直後に加工結果を測定し評価することもできる。加工結果が所望の要求事項に対応していなければ、直後に工具の運動および（または）工作物の運動を必要量修正し、後処理を行なう。
【０００９】
図１はシャンク３４を備えたフライス工具１の概略図である。このフライス工具を用いて工作物２内に穴３が公知の態様でフライス削りされる。フライス工具１は中空体として構成され、その中に測定装置４が収納されている。測定装置４はケーシング５を有し、該ケーシング５内に測定装置の個々の構成要素の大部分が保護されて収納されている。測定装置４はリニア駆動部６を用いてフライス工具１の軸線方向へ移動させることができる。フライス工具１はその自由端付近に少なくとも１つの窓７を有し、この窓７を通じて後述する態様で測定光線をフライス工具１から射出させて、測定部位８に到達させることができる。測定部位８は図示の実施形態では穴３の壁９に設けられている。
【００１０】
測定装置４は光源１０を有している。光源１０は広帯域に構成され、有利にはＬＥＤによって形成される。他方光源１０はたとえばハロゲンランプ、スーパー発光ダイオード、レーザーダイオード等であってもよい。光源１０の下流側にはビームスプリッター１１が配置され、ビームスプリッター１１により、光源１０から放射された光はレンズ系１５へ転向せしめられる。レンズ系１５はコリメータ１６と、対物レンズ１７と、その間にあるビームスプリッター１８とから構成される。レンズ系１５で光線の一部は参照ミラー１４のほうへ反射する。レンズ系１５は測定装置４の軸線上にある。参照ミラー１４と光源１０とビームスプリッター１１とは測定装置４の光軸外にある。
【００１１】
レンズ系１５は簡潔に概略的に図示した。レンズ系１５内部の光路は光軸からずれていてもよい。
レンズ系１５の下流側には転向ミラー１９が配置され、転向ミラー１９により、ビームスプリッター１８を透過した光線２８は工具１の窓７を通じて穴壁９の測定部位８へ誘導される。
【００１２】
図１に示したように測定装置４は干渉計３１を有しており、干渉計３１はケーシング５内に収納されている。転向ミラー１９はケーシング５の外側にある。ケーシング５は少なくとも１つのリニアベアリング２０を介して工具１内を軸線方向に変位可能に支持されている。
【００１３】
光源１０から放射された光はビームスプリッター１１においてレンズ系１５のほうへ偏向する。ビームスプリッター１８で光線２７は参照ミラー１４のほうへ反射し、参照ミラー１４においてこの光線２７は反射してビームスプリッター１８へ戻る。ビームスプリッター１８を透過した光線２８は転向ミラー１９へ誘導され、転向ミラー１９はこの光線を測定部位８へ誘導する。測定部位８で光線は反射して転向ミラー１９へ戻る。転向ミラー１９から光線２８はビームスプリッター１８へ転向する。
【００１４】
ビームスプリッター１８において、参照ミラー１４から反射した光線２７と転向ミラー１９から来る光線２８とが再び統合され、受光器１３に供給される。受光器１３は光電的に構成され、たとえばフォトダイオードによって形成されている。受光器１３は測定装置４の光軸の外側にある。これに対応して、統合された光線２７，２８はビームスプリッター１１での干渉光線として受光器１３へ転向する。
【００１５】
受光器１３によって受容された光線２７，２８はアナログ・デジタル変換器２１へ送られ、その変換デジタル信号は次のコンピュータ２２（図５）によって評価される。信号評価はアナログ方式で行ってもよい。
【００１６】
受光器１３は信号処理部（たとえばＡ／Ｄ変換部および（または）信号増幅部）を備えたインテリジェントフォトセンサアレイとして構成してもよい。得られた信号はその後直接コンピュータへ転送される。
【００１７】
穴壁９をその周方向において干渉測定法により測定する場合には、干渉計３１を有している測定装置４を回転させる。測定装置４を工具１の内部で回転させてよく、この場合所望の測定制度に応じて測定装置４を一定の回転角だけ回転させる。次に上記干渉測定を行う。測定結果がコンピュータで評価されると、測定装置４を次の角度ステップだけ回転させる。このようにして穴壁９の全周を段階的に測定することができる。このケースに対しては適当数の窓７が設けられる。
【００１８】
工具１全体を測定装置４とともに一定速度で回転させて、連続的に測定を行ってもよい。
アナログ・デジタル変換器２１は角度検知器２５とその下流側のクロック発振器２６とを介して対応するクロック信号を得る。角度位置と角速度とを工作機械により予め正確に設定できる場合には、角度検知器２５は省略してもよい。
【００１９】
工具１または測定装置４が完全に１回転した後、測定装置４をリニア駆動部６を用いて、或いは工具１を工作機械の駆動部を用いて所望量だけ変位させる。その結果、工具１の窓７から出る光線は穴壁９の他の周面にぶつかる。測定装置４または干渉計３１の直線変位はコンピュータ２２の下流側に配置されたモータ６（図５）を介して行う。モータ６はコンピュータによりモータドライブ２４によって制御される。リニア駆動部６によって発生し、リニアベアリング２０内を誘導される、センサヘッド３３の直線運動は、測距システム３５により測定され、制御も行われる。測距システム３５は工具１内に収納されている。その後、前述した態様で工具１および（または）測定装置４をその軸線のまわりに回転させて、新たな軸線方向位置において穴壁９を測定する。このようにして穴壁９をその軸線方向の長さの一部分に関し測定でき、或いは軸線方向の全長に関し測定することもできる。
【００２０】
図５は回転式測定システムから定置のコンピュータ２２までのデータ伝送装置の概略図である。回転式測定システム４から定置のコンピュータ２２或いはモータドライブ２４までのデータ・エネルギー伝送は双方向で行われ、公知の態様で誘導結合部３２を介して送受信部および回転アンテナならびに固定アンテナを用いて行う。図１に図示した別のシステム位置に誘導結合部３２が設けられ、すなわち工具のシャンクに設けられる。
【００２１】
測定部位８がたとえば所望の径であれば、参照分岐光線２７と測定分岐光線２８の光路長は同じ長さである。この場合、図４に例示した測定信号は最大値を持つ。図４のグラフは強度と距離の関係を示したものである。干渉コントラストの最大値の位置から穴９の半径を決定することができる。測定信号の強度は公知のように次の式から得られる。
Ｉ（Δｓ）＝Ｉ_０｛１＋ｍγ_２１（Δｓ）ｃｏｓ（２π／λ・Δｓ＋φ）｝
ここで
ｍ＝変調度
γ_２１＝相互コヒーレンス係数
λ＝平均波長
Δｓ＝光路長の差
φ＝材料に依存する位相跳躍
である。
【００２２】
変調度ｍは光度と反射係数とに依存している。干渉信号が最大のとき（図４）、光路長の差Δｓはゼロである。測定装置４により測定光線２８の方向へビームスプリッター１８を変位させることによって参照光線２７と測定光線２８との光路長の差が変更され、このとき検出された干渉コントラスト（図４）を評価する。測定部位８がたとえば所望の径からずれていた場合には、測定光線２８は一定の長さの参照光線２７とは異なる長さを持つ。センサヘッド３３を全測定範囲にわたって変位させ、その際干渉信号を記録させる。次に、変位距離に依存する干渉最大値を決定する。これから穴の径を決定することができる。
【００２３】
形状誤差が比較的小さければ、参照ミラー１４を変位させ、その変位距離を記録することによりこの形状誤差を検出することができる。この場合も干渉信号を記録して、変位距離に依存する干渉最大値を評価する。
【００２４】
図３は測定装置４の作用原理を説明する図である。光源１０から放射された光は部分透過性ミラー１８によって反射光線２７と透過光線２８とに分割される。反射光線２７は前述した態様で参照ミラー１４に達し、参照ミラー１４で反射して再びスプリッターミラー１８へ戻る。透過光線２８は測定部位８に当たり、該測定部位８で再び反射する。部分的にコヒーレントな両光線２７，２８はスプリッターミラー１８で再び統合し、その際干渉する。次に、統合した両光線は受光器１３に達する。干渉コントラストの評価は１μｍ以下の解像度を可能にする。
【００２５】
図示していない他の実施形態では、ビームスプリッター１８は斜めに設置される。この場合には参照ミラー１４だけが光軸の横に配置される。光源１０と受光器１３とは測定装置の光軸上に配置してよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明による測定装置とともに図示した工具の概略断面図である。
【図２】
図１の測定装置の光学構成図である。
【図３】
本発明による測定装置の作用を説明する概略図である。
【図４】
本発明による測定装置が受信した測定信号を示すグラフである。
【図５】
工具内に収納された本発明による測定装置の情報流れ図である。

Claims (19)

1. サンプル、特に中空体、有利には工作物の空所のサイズを検出するための測定装置において、
   測定装置（４）が工具（１）に組み込み可能であり、または工具の代わりに工具受容部に固定可能であり、且つ少なくとも１つの光源（１０）を有し、該光源（１０）の光線がビームスプリッター（１８）により参照光線（２７）と測定光線（２８）とに分割され、測定分岐光線を形成する測定光線（２８）がサンプルの測定部位（８）に供給可能で、参照分岐光線を形成する参照光線（２７）が参照ミラー（１４）に供給可能であること、
   測定部位（８）と参照ミラー（１４）とで反射した、時間的に非干渉性の光線が、ビームスプリッター（１８）で再び統合されて受光器（１３）に供給可能であること、
   参照ミラー（１４）と受光器（１３）とが測定装置（４）の光軸に関し横方向にずれていること、
   を特徴とする測定装置。
2. 光源（１０）と参照ミラー（１４）とが測定装置（４）の光軸に関し横方向にずれていることを特徴とする、請求項１に記載の測定装置。
3. ビームスプリッター（１８）が参照光線（２７）を直接参照ミラー（１４）に供給することを特徴とする、請求項１または２に記載の測定装置。
4. 参照光線（２７）の軸線がビームスプリッター（１８）と参照ミラー（１４）との間の領域において測定装置（４）の光軸に対し角度をなして延びていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一つに記載の測定装置。
5. サンプル、特に中空体、有利には工作物の空所のサイズを検出するための測定装置において、
   測定装置（４）が工具（１）に組み込み可能であり、または工具の代わりに工具受容部に固定可能であり、且つ少なくとも１つの光源（１０）を有し、該光源（１０）の光線がビームスプリッター（１８）により参照光線（２７）と測定光線（２８）とに分割され、測定分岐光線を形成する測定光線（２８）がサンプル（１）の測定部位（８）に供給可能で、参照分岐光線を形成する参照光線（２７）が測定装置（４）の光軸の側方にある参照ミラー（１４）に供給可能であること、
   測定部位（８）と参照ミラー（１４）とで反射した、時間的に非干渉性の光線が、ビームスプリッター（１８）で再び統合されて受光器（１３）に供給可能であること、
   ビームスプリッター（１８）が測定装置（４）の光軸に対し傾斜して配置されていること、
   を特徴とする測定装置。
6. 光源（１０）が測定装置（４）の光軸上にあることを特徴とする、請求項５に記載の測定装置。
7. 受光器（１３）が測定装置（４）の光軸上にあることを特徴とする、請求項５または６に記載の測定装置。
8. 測定分岐光線（２７）または参照分岐光線（２８）或いは両分岐光線の光路長の差（Δｓ）を変更可能であることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一つに記載の測定装置。
9. 受光器（１３）が該受光器の信号を評価するコンピュータ（２２）に接続されていることを特徴とする、請求項１から８３までのいずれか一つに記載の測定装置。
10. 受光器（１３）とコンピュータ（２２）との間にアナログ・デジタル変換器（２１）が設けられていることを特徴とする、請求項９に記載の測定装置。
11. 工具（１）が測定部位（８）に到達する測定光線（２８）用の少なくとも１つの貫通穴（７）を有していることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか一つに記載の測定装置。
12. 測定装置（４）がその軸線のまわりに、有利には工具（１）の内部で回転可能に駆動されていることを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか一つに記載の測定装置。
13. 測定装置（４）が工具（１）とともに回転可能であることを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか一つに記載の測定装置。
14. 測定装置（４）が工具（１）の内部においてケーシング（５）内に収納されていることを特徴とする、請求項１から１３までのいずれか一つに記載の測定装置。
15. 測定装置（４）の少なくとも一部分が該測定装置の軸線方向に変位可能であることを特徴とする、請求項１から１４までのいずれか一つに記載の測定装置。
16. リニア駆動部（６）がコンピュータ（２２）により駆動されることを特徴とする、請求項１５に記載の測定装置。
17. 測定装置（４）のケーシング（５）が工具（１）の内部で軸線方向に変位可能であることを特徴とする、請求項１５または１６に記載の測定装置。
18. 測定装置（４）が工具（１）とともに軸線方向へ変位可能であること、測定装置（４）の変位距離を検出するため、有利には工具（１）内に収納されている測距システム（３５）が設けられていることを特徴とする、請求項１５または１６に記載の測定装置。
19. 参照ミラー（１４）が測定装置（４）の回転軸線の外側または回転軸線上にあることを特徴とする、請求項１から１８までのいずれか一つに記載の測定装置。

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