JP4291394B1 - 接触式計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】接触式計測装置のプローブの接触力を微調整可能とし、また、プローブの自重の影響を無くす機構を有する接触式計測装置を提供すること。
【解決手段】プローブ２の接触子３と計測対象の面が接触した状態でプローブの変位により計測を行う接触式計測装置において、プローブ２を流体軸受面４で支持するプローブ本体１と、プローブ２に引張り力あるいは押し出し力を付与するためにプローブ本体１内の流体圧力を制御する流体圧力制御手段９、１０、１１、６、６ａと、プローブ本体１に取り付けられた可動部（スピンドル）８ａを有する距離調整手段（マイクロメータ）８と、距離調整手段８の可動部（スピンドル）８ａに取り付けられた永久磁石７と、永久磁石７との間に斥力または引力を生じるプローブ２の接触子３と反対側端部に取り付けられる磁性体や永久磁石からなる部材５と、を備えた接触式計測装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、接触式計測装置に関し、特に、プローブの接触力調整装置を備えた接触式計測装置に関する。

加工機上で被加工物の３次元形状を計測することは、高精度の加工を行う上で非常に重要である。被加工物の形状を計測する技術として、形状プローブの先端を被加工物の表面に接触させて、被加工物の３次元形状を計測する触針式形状計測センサが従来から知られている。

触針式形状計測センサの計測プローブは、ベアリングやエアースライドでプローブシャフトの軸方向に移動可能に支持され、かつ、バネや空気圧でプローブを被計測物に向けて予圧を加えるようになっている。そのため、プローブの位置変化により接触圧が変動し、かつ、その接触圧が大きすぎ、更に、その接触圧を自由に調整することが困難である。

特許文献１には、被計測物体に接触させるプローブの接触力を調整するためにプローブの軸受部に付勢空間を設け、その空間に圧縮空気を供給するように構成した接触式計測装置の技術が開示されている。この接触式計測装置は、付勢空間へ圧縮空気を供給し被計測物へ向けてプローブシャフトに付勢力を与えプローブシャフトを付勢移動させる付勢装置と、接触子と被計測物との微小接触圧を検出する微小力計測装置と、微小力計測装置により検出された接触圧に基づいて付勢装置の付勢力を制御する制御部と、被計測物に接触している接触子の位置を計測する変位量計測装置とを備えている。

特開２００７−１５５４４０号公報

背景技術で説明した特許文献１に開示された接触式計測装置の技術では、微小な接触力の調整のために微小空気圧力の制御が必要であるが、空気圧の微小な脈動も影響されやすい。
圧縮空気による技術の他に、電磁石と永久磁石とを用いた技術も公知である。接触力調整のためには、プローブの前方と後方の電磁石の電流を別々に制御する必要があり、電流制御のための付加的な装置が必要となる。その上、電磁石は発熱し易く、この発熱によるプローブの膨張が起きるため、サブミクロン以下の微小な計測を必要とする計測装置には利用することが困難である。

プローブによる接触式計測装置において、計測対象に対するプローブの接触力はプローブの移動速度、計測対象の形状および材質によって調整を行う必要がある。また、プローブを鉛直方向に取り付ける場合には、プローブ自体の重さの影響を無くさなければ、微小な接触力を得ることができない。

そこで本発明の目的は、接触式計測装置のプローブの接触力を微調整可能とし、また、プローブの自重の影響を無くす機構を有する接触式計測装置を提供することである。

本願の請求項１に係る発明は、プローブの接触子と計測対象の面が接触した状態でプローブの変位により計測を行う接触式計測装置において、プローブを流体軸受で支持するプローブ本体と、前記プローブに引張り力あるいは押し出し力を付与するために前記プローブ本体内の流体圧力を制御する流体圧力制御手段と、前記プローブ本体に取り付けられた可動部を有する距離調整手段と、前記距離調整手段の可動部に取り付けられた永久磁石と、前記永久磁石との間に斥力または引力を生じる前記プローブの接触子と反対側端部に取り付けられる部材と、を備えた接触式計測装置。

請求項２に係る発明は、プローブの接触子と計測対象の面が接触した状態でプローブの変位により計測を行う接触式計測装置において、プローブを流体軸受で支持するプローブ本体と、前記プローブに引張り力あるいは押し出し力を付与するために前記プローブ本体内の流体圧力を制御する流体圧力制御手段と、前記プローブ本体に取り付けられた可動部を有する距離調整手段と、前記距離調整手段の可動部に取り付けられる部材と、前記部材との間に斥力または引力を生じる前記プローブの接触子と反対側端部に取り付けられる永久磁石と、を備えた接触式計測装置である。

請求項３に係る発明は、前記部材は、磁性体の金属、または、永久磁石が組み込まれた板状部材であることを特徴とする請求項１または２のいずれか一つに記載の接触式計測装置である。

請求項４に係る発明は、前記流体圧力制御手段は、前記プローブ本体内へ供給する流体圧力を調整する圧力調整手段、または、前記プローブ本体内の真空度を調整する真空度調整手段と、弁により前記プローブ本体内への流体の流入または流出を微調整する圧力微調整手段とを有する、請求項１〜３のいずれか一つに記載の接触式計測装置である。

請求項５に係る発明は、前記圧力調整手段は、レギュレータによる圧力調整により前記プローブの磁性体の金属、または、永久磁石が組み込まれている板状部材の存在する空間へ供給される流体圧力を調整することを特徴とする請求項４に記載の接触式計測装置である。

請求項６に係る発明は、前記真空度調整手段は、真空ポンプにより前記プローブの磁性体の金属、または、永久磁石が組み込まれている板状部材の存在する空間の真空度の調整を行うことを特徴とする請求項４に記載の接触式計測装置である。

請求項７に係る発明は、前記圧力微調整手段は、前記レギュレータにより調整された流体圧力を排気弁の開閉具合による排気量の調整で微調整を行うこと、または、真空ポンプによる真空度を吸気弁の開閉具合による吸気量の調整で微調整を行うことを特徴とする請求項２〜請求項５のいずれか一つに記載の接触式計測装置である。

請求項８に係る発明は、前記距離調整手段は、微小な変位調整を行うマイクロメータの可動部先端に永久磁石が取り付けられ、変位方向がプローブの移動方向と同一方向のマイクロメータ可動部の変位調整により前記プローブの磁性体の金属または永久磁石が組み込まれている板状部材と永久磁石の距離を調整し、永久磁石のプローブへの引張り力、または、押し出し力の調整を行うことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の接触式計測装置である。

請求項９に係る発明は、プローブの接触子の計測対象面に対する接触力を、前記圧力調整手段と前記圧力微調整手段または前記真空度調整手段と前記圧力微調整手段によるプローブへの押し出し力または引張り力の調整と、前記距離調整手段による引張り力または押し出し力の調整と、の組み合わせにより調整することを特徴とする請求項４〜請求項８のいずれか一つに記載の接触式計測装置である。

請求項１０に係る発明は、前記プローブの自重が計測対象の面に対するプローブの接触力に影響する場合には、自重の方向と反対をなす前記押し出し力または前記引張り力によりプローブの自重をキャンセルすることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の接触式計測装置である。

本発明により、接触式計測装置のプローブの接触力を微調整可能とし、また、プローブの自重の影響を無くす機構を有する接触式計測装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は、プローブの先端が計測対象面に接触したまま移動し計測を行うことを説明する図である。図１は、流体軸受（図１では図示を省略）により支持されたプローブ２に取り付けられた接触子３が、計測対象物１００の計測対象面１００ａに接触したまま計測対象面１００ａに沿ってなぞっていくことにより、計測対象物１００の表面形状を計測することを説明する図である。

プローブ２の接触子３が計測対象面１００ａに沿って計測方向に移動するに従い、プローブ２は図１に示されるプローブの移動方向に移動する。なお、計測方向の移動は、プローブ本体１を移動させるか、計測対象物１００を移動させるかにより実行できる。

プローブ２に取り付けられている接触子３の先端（接触部）には、従来の接触式計測装置で行われているように、例えば、球形のサファイアボールが取り付けられ、計測対象面１００ａとの摩擦係数を低減し、かつ、磨耗を防止する。

図２（ａ）は、本発明の接触式計測装置におけるプローブの接触力調整を、圧縮空気による力と永久磁石と磁性体との引力とにより行う第１の実施形態を示す図である。図２（ａ）は、流体軸受（流体軸受面４）により支持された機械的摩擦の無いプローブ２を備えているプローブ本体１において、プローブ２の接触子３と接触力測定装置２００とが接触した状態で、レギュレータ１０と排気弁６ａによるプローブ２への供給空気の圧力の調整と、磁性体５に対する永久磁石７の引力の調整を行い、プローブ２の計測対象面１００ａに対する接触力の微調整を行う方法について説明する図である。接触力測定装置２００として、例えば、力センサや電子天秤を使用することができる。

プローブ本体１は、プローブ２、排気弁６ａを備えた給排気口６、マイクロメータ８、圧縮空気供給口を備えている。プローブ本体１は、図２ではプローブ２が重力の影響が及ばない（換言すれば、自重の影響が無い）水平方向に配置されている。プローブ２は、プローブ本体１内に流体軸受面４を有する流体軸受によりプローブ２の軸方向に、機械的摩擦が発生しない状態に摺動自在に支持されている。

プローブ２の一方端には接触子３が組み付けられており、接触子３の先端には前述したとおり球形部材を取り付けられている。また、プローブ２の他端には板状の磁性体５が取り付けられている。可動部を有する距離調整手段として用いられるマイクロメータ８は、プローブ２の移動方向線上にマイクロメータ８の可動部であるスピンドル８ａが位置するように、プローブ本体１に取り付けられている。マイクロメータ８のスピンドル先端部に永久磁石７が取り付けられている。マイクロメータ８は例えば極めて精密なネジのピッチを応用した測定器であって、永久磁石７と磁性体５との距離を精密に調整することができる。マイクロメータ８により永久磁石７の位置を調整し永久磁石７と磁性体５との距離を調整することができ、両者間に働く引力を調整することができる。

エアーコンプレッサ９は、供給空気圧調節手段１０ａを有するレギュレータ１０を介して圧縮空気供給口から圧縮空気をプローブ本体１内に供給する。圧縮空気供給口から供給された圧縮空気は、プローブ２をプローブ本体１から押し出す方向の力をプローブ２に組み付けられた板状の磁性体５に与える。なお、プローブ本体１内にエアーコンプレッサ９から供給された圧縮空気は、給排気口６や流体軸受面４からプローブ本体１の外部に放出される。給排気口６には排気弁６ａが設けられており、給排気口６から単位時間あたりに流出する圧縮空気の量を調節する。なお、流体軸受面４には、図示を省略した軸受用流体供給手段から軸受用流体が供給されてもよいし、エアーコンプレッサ９からの圧縮空気を圧力調整手段を介して軸受用流体として使用してもよい。

プローブ２に組み付けられた磁性体５には、圧縮空気に起因する押し出し力ｆ３と、磁性体５とマイクロメータ８のスピンドル先端に取り付けられた永久磁石７との間に働く引力である引張り力ｆ２が作用する。押し出し力ｆ３は、プローブ２をプローブ本体１の外側へ押し出す力であり、引張り力ｆ２は、プローブ２をプローブ本体１の内側へ引っ張り込む力である。従って、プローブ２に取り付けられた接触子３が、接触力測定装置２００に及ぼす力である接触力ｆ１は、数式１で表すことができる。

ｆ１＝ｆ３−ｆ２ （数式１）
数式１の関係から、引張り力ｆ２や押し出し力ｆ３の大きさを調節することにより、接触子３の接触力ｆ１を自在に調節することができる。

図２（ｂ）には、接触式計測装置の接触力を接触力測定装置２００である力センサや電子天秤で測定して表示した一例である。表示されている接触圧は０．３００ｇである。この数値は一例であって、この数値に特別な意味があるわけではない。

図３は、接触式計測装置におけるプローブの接触力調整を、真空引きによる力と永久磁石の反発力（斥力）とにより行う第２実施形態を示す図である。図３は、流体軸受（流体軸受面４）により支持された機械的摩擦の無いプローブ２を備えているプローブ本体１において、プローブ２の接触子３と接触力測定装置２００とが接触した状態で、接触力測定装置２００を使用して、永久磁石７ａと永久磁石７ｂとの反発力の調整と、真空ポンプ１２と吸気弁６ｂによる吸引力の調整を行い、プローブ２の計測対象面に対する接触力の微調整を行う方法を説明する図である。

図３に示される第２の実施形態が図２について説明した接触式計測装置の第１実施形態と異なる点は、プローブ２に永久磁石７ｂを磁性体５に換えて取り付ける点、真空ポンプ１２を用いてプローブ本体１内の空気圧を真空引きにより低下させプローブ２に引張り力ｆ５を発生させる点、及び、マイクロメータ８に取り付けられる永久磁石７ａとプローブ２に取り付けられる永久磁石７ｂとの間に斥力（反発力）が発生する点である。

真空度の調整は、真空ポンプ１２に備わった真空度調節手段１２ａや給排気口６に設けられた吸気弁６ｂの絞り具合によって行うことができる。

従って、プローブ２に取り付けられた接触子３が、接触力測定装置２００に及ぼす力である接触力ｆ１は、数式２で表すことができる。
ｆ１＝ｆ４−ｆ５ （数式２）
数式２の関係から、引張り力ｆ５や押し出し力ｆ４の大きさを調節することにより、接触子３の接触力ｆ１を自在に調節することができる。

図４は、本発明の接触式計測装置におけるプローブの接触力調整を、永久磁石の反発力（斥力）の調整と、供給空気の受圧面を変更することにより発生する引張り力とにより行う第３の実施形態を示す図である。図４は、流体軸受により支持された機械的摩擦の無いプローブ２を備えているプローブ本体１において、プローブ２の接触子３と接触力測定装置２００が接触した状態で、永久磁石７ａと永久磁石７ｂとの反発力の調整と、真空ポンプ１２（図３参照）による吸引力に換えて、供給空気の受圧面を変更することにより発生する引張り力と排気弁６ａの調整を行い、プローブ２の計測対象の面に対する接触力の微調整を行う方法を説明する図である。

図４に示される第３の実施形態では、プローブ２に及ぼす力が引張り力ｆ６となるように、圧縮空気がプローブ本体１に供給される。永久磁石７ａ，７ｂによる斥力（反発力）は、押し出し力ｆ４をプローブ２に及ぼす。従って、プローブ２に取り付けられた接触子３が、接触力測定装置２００に及ぼす力である接触力ｆ１は、数式３で表すことができる。
ｆ１＝ｆ４−ｆ６ （数式３）
数式３の関係から、引張り力ｆ６や押し出し力ｆ４の大きさを調節することにより、接触子３の接触力ｆ１を自在に調節することができる。

図５は、プローブ本体１が鉛直方向に取り付けられて、かつ、プローブ２の先端が鉛直上向きの場合に、プローブ２の自重より大きく向きが反対方向である、供給空気による押し出し力により、プローブの自重をキャンセルする方法について説明する図である。プローブ２が鉛直上向きに配置されていることから、プローブ２、接触子３、及び、磁性体５にかかる重力の影響を取り除くため、図５では、プローブ２、接触子３、及び磁性体５の合計の重さをキャンセルするために、圧縮空気をプローブ本体１に供給する。

図６は、プローブ本体１でプローブ２が鉛直方向に取り付けられて、かつ、プローブ２の先端が上向きの場合に、プローブ２の自重と同じ向きで向きが反対の永久磁石同士７ａ，７ｂによる押し出し力により、プローブ２の自重をキャンセルする方法について説明する図である。図６では、マイクロメータ８によりマイクロメータのスピンドル８ａに取り付けられた永久磁石７ａとプローブ２に取り付けられた永久磁石７ｂとの斥力（反発力）を用いて、プローブ２、接触子３、及び永久磁石７ｂの合計の重さをキャンセルしている。

図７は、プローブ本体１が鉛直方向に取り付けられて、かつ、プローブ２の先端が下向きの場合に、プローブ２の自重と同じで向きが反対の永久磁石７による引張り力により、プローブ２の自重をキャンセルする方法について説明する図である。マイクロメータ８の永久磁石７とプローブ２の磁性体５との間には引力が働き、プローブ２、接触子３及び磁性体５の合計の重さをキャンセルしている。

図８は、プローブ本体１が鉛直方向に取り付けられて、かつ、プローブ２の先端が下向きの場合に、プローブ２の自重と同じで向きが反対の真空ポンプ１２（図３参照）による引張り力により、プローブ２の自重をキャンセルする方法について説明する図である。

図９は、ワークの加工後の形状を本発明の接触式計測装置を用いて工作機械上（以下、「機上計測」という）で計測を行うことを説明する図である。工作機械により加工されたワークを工作機械上で形状などを測定するために、本発明の接触式プローブ本体１を工作機械の移動軸に取り付ける。図９ではＸ軸のスライドテーブルに取り付けている。

ワークの形状測定は、工作機械でワークを加工する際に作成された加工プログラムや間引き処理された加工プログラム（工具の頻繁な加減速を避けるために、所定の誤差範囲を設定して加工ブロックを簡略化したプログラム）を利用して、ワーク表面を接触式プローブ本体１のプローブ２の接触子３でなぞりながら行うことができる。

振動や工具異常などの何らかの理由により、ワークの加工形状が加工プログラムにより求められるべき形状と異なる場合であっても、機上計測を必要とする超精密加工では、その誤差が数マイクロメートルの大きさでしかない。従って、接触式計測装置の接触力の微調整後、計測を行う際の接触力の変化は無視できるほど少ない。仮に、接触力に大きな変動が生じた場合には、プローブ２に相当大きな変位が生じたことを意味し、ワークへの加工自体が失敗であるとみなして、ワークの計測自体を中断する。この時には、レーザ干渉計、容量式センサ、などの変位量を測定可能なセンサを用いて測定されるプローブ２の変位において、設定値以上の変位が生じた場合に工作機械の数値制御装置（図９参照）に信号を送り、計測を停止する。
本発明の接触式計測装置は、力センサや電子天秤などの接触力測定装置を使用して、プローブ（接触子）の接触力を調整することで、機上計測を実行することが可能である。

プローブの先端が計測対象面に接触したまま移動し計測を行うことを説明する図である。 本発明の接触式計測装置におけるプローブの接触力調整を、圧縮空気による力と永久磁石と磁性体との引力とにより行う第１実施形態を示す図である。 本発明の接触式計測装置におけるプローブの接触力調整を、真空引きによる力と永久磁石の反発力（斥力）とにより行う第２実施形態を示す図である。 本発明の接触式計測装置におけるプローブの接触力調整を、永久磁石の反発力（斥力）の調整と、供給空気の受圧面を変更することにより発生する引張り力とにより行う第３の実施形態を示す図である。 供給空気による押し出し力により自重をキャンセルする方法を説明する図である。 永久磁石による押し出し力により自重をキャンセルする方法を説明する図である。 永久磁石による引張り力で自重をキャンセルする方法を説明する図である。 真空ポンプによる引張り力で自重をキャンセルする方法を説明する図である。 ワークの加工後の形状を工作機械上で計測を行うことを説明する図である。

符号の説明

１ プローブ本体
２ プローブ
３ 接触子
４ 流体軸受面
５ 磁性体
６ 給排気口
６ａ 排気弁
６ｂ 吸気弁
７ 永久磁石
７ａ 永久磁石（マイクロメータ側）
７ｂ 永久磁石（プローブ側）
８ マイクロメータ
８ａ スピンドル
９ エアーコンプレッサ
１０ レギュレータ
１０ａ 供給空気圧調節手段
１１ 圧縮空気供給管路
１２ 真空ポンプ
１２ａ 真空度調節手段
１３ 真空引き管路
１００ 計測対象物
１００ａ 計測対象面
２００ 接触力測定装置
ｆ１ 接触力
ｆ２ 引張り力
ｆ３ 押し出し力
ｆ４ 押し出し力
ｆ５ 引張り力
ｆ６ 引張り力

Claims (10)

1. プローブの接触子と計測対象の面が接触した状態でプローブの変位により計測を行う接触式計測装置において、
   プローブを流体軸受で支持するプローブ本体と、
   前記プローブに引張り力あるいは押し出し力を付与するために前記プローブ本体内の流体圧力を制御する流体圧力制御手段と、
   前記プローブ本体に取り付けられた可動部を有する距離調整手段と、
   前記距離調整手段の可動部に取り付けられる永久磁石と、
   前記永久磁石との間に斥力または引力を生じる前記プローブの接触子と反対側端部に取り付けられる部材と、
   を備えた接触式計測装置。
2. プローブの接触子と計測対象の面が接触した状態でプローブの変位により計測を行う接触式計測装置において、
   プローブを流体軸受で支持するプローブ本体と、
   前記プローブに引張り力あるいは押し出し力を付与するために前記プローブ本体内の流体圧力を制御する流体圧力制御手段と、
   前記プローブ本体に取り付けられた可動部を有する距離調整手段と、
   前記距離調整手段の可動部に取り付けられる部材と、
   前記部材との間に斥力または引力を生じる前記プローブの接触子と反対側端部に取り付けられる永久磁石と、
   を備えた接触式計測装置。
3. 前記部材は、磁性体の金属、または、永久磁石が組み込まれた板状部材であることを特徴とする請求項１または２のいずれか一つに記載の接触式計測装置。
4. 前記流体圧力制御手段は、前記プローブ本体内へ供給する流体圧力を調整する圧力調整手段、または、前記プローブ本体内の真空度を調整する真空度調整手段と、弁により前記プローブ本体内への流体の流入または流出を微調整する圧力微調整手段とを有する、
   請求項１〜３のいずれか一つに記載の接触式計測装置。
5. 前記圧力調整手段は、レギュレータによる圧力調整により前記プローブの磁性体の金属、または、永久磁石が組み込まれている板状部材の存在する空間へ供給される流体圧力を調整することを特徴とする請求項４に記載の接触式計測装置。
6. 前記真空度調整手段は、真空ポンプにより前記プローブの磁性体の金属、または、永久磁石が組み込まれている板状部材の存在する空間の真空度の調整を行うことを特徴とする請求項４に記載の接触式計測装置。
7. 前記圧力微調整手段は、前記レギュレータにより調整された流体圧力を排気弁の開閉具合による排気量の調整で微調整を行うこと、または、真空ポンプによる真空度を吸気弁の開閉具合による吸気量の調整で微調整を行うことを特徴とする請求項２〜請求項５のいずれか一つに記載の接触式計測装置。
8. 前記距離調整手段は、微小な変位調整を行うマイクロメータの可動部先端に永久磁石が取り付けられ、変位方向がプローブの移動方向と同一方向のマイクロメータ可動部の変位調整により前記プローブの磁性体の金属または永久磁石が組み込まれている板状部材と永久磁石の距離を調整し、永久磁石のプローブへの引張り力、または、押し出し力の調整を行うことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の接触式計測装置。
9. プローブの接触子の計測対象面に対する接触力を、前記圧力調整手段と前記圧力微調整手段または前記真空度調整手段と前記圧力微調整手段によるプローブへの押し出し力または引張り力の調整と、前記距離調整手段による引張り力または押し出し力の調整と、の組み合わせにより調整することを特徴とする請求項４〜請求項８のいずれか一つに記載の接触式計測装置。
10. 前記プローブの自重が計測対象の面に対するプローブの接触力に影響する場合には、自重の方向と反対をなす前記押し出し力または前記引張り力によりプローブの自重をキャンセルすることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の接触式計測装置。

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