JP4931867B2 - 可変端度器 - Google Patents

Description

本発明は、長さ測定機器の精度校正用の端度器に係り、特に、端度器の校正用寸法を任意に可変とした技術に関する。

マイクロメータやノギスに代表される測長工具類や三次元座標計測機（Coordinate Measuring Machine：以下「ＣＭＭ」という）に代表される測長装置は、その実用上の精度保証手段として、実用標準による校正を必須としている。そして、校正のための実用標準としては、端度器が知られている。具体的には、ブロックゲージ及びその組合せにより構成された校正用基準器が、一般には、広く用いられている。

従来、マイクロメータやノギスの校正に当たっては、代表的且つ断続的な幾通りかの長さのブロックゲージを用いて、それらを測定した結果（測定値）から、各ブロックゲージの長さの公称値を引き、更に、当該ブロックゲージの器差（公称値に対する誤差）を加えることによって、その測定値の誤差、即ち、ブロックゲージの長さの公称値に対する誤差（実際には真値に対する誤差であるが、校正では慣例的に公称値に対する誤差として扱う）を求め、それらの誤差同士の補間により、他の長さの測定値に対する誤差を推定するというのが、一般的であった。

ところが、一方で、昨今におけるＣＭＭの普及によって、ＣＭＭの長さ測定の精度についてもその校正が必要となった。
ＣＭＭは、三次元空間に存在する離散した点（群）のＸ，Ｙ，Ｚ座標値を用いてコンピュータの支援により寸法及び形状を測定する装置である。より具体的には、定盤上に載置した被測定物と、ＣＭＭにおいてＺ軸先端に取り付けたプローブとを、Ｘ，Ｙ，Ｚの三次元方向へ相対移動させ、プローブが被測定物に接触した瞬間に発する電気的トリガー信号によってＸ，Ｙ，Ｚの各送り軸方向の座標値を読み取り、それら座標値をコンピュータで演算処理することによって寸法及び形状を測定するものである。

上記のようなＣＭＭは、本来、三次元のその測定空間内において、あらゆる方向のあらゆる長さを測定できる装置であることから、その精度検査に際しては、『校正は実用に即した条件と方法によること』とする校正の原則に即した、プローブを三次元的に移動させることにより、その寸法測定精度を評価できるような校正方法と校正用基準器とが必要である。それ故に、従来のマイクロメータやノギスに対する上記の校正方法の応用として、主には、特定の基準長さ（例えば、１０ｍｍ）のブロックゲージを、多数、櫛歯状に凸凹を繰り返すように配列した所謂組合せブロックゲージを用いて、それを幾通りかの空間姿勢に設置し、それらの組み合わされたブロックゲージによって実現される幾つかの長さに対する測定値から、当該長さの公称値を引き、更に、当該長さにおける器差を加えることによって、その測定値の誤差を求め、それらの誤差同士の補間により、他の長さの測定値に対する誤差を推定するというのが、現状での一般的な校正方法となっている。

また、最近は、球体の測定による方法も考案され、球体をどのような形態で配置するかが現下の問題となっており、球体を同一平面内にどのように配置するのか、又は立体的に配置するのか等、種々検討されている。
一例としては、ＣＭＭが本質的にはその三次元の測定座標空間内の任意点の位置座標を測定する装置であることに鑑みて、プレート状のフレームに複数の基準球を固定配列させることにより構成される所謂ボールプレートを実用標準として、精度的により上位の測定手段によって校正された、それら基準球同士の中心間距離の測定による校正法も、次第に普及しつつある。

これは、ＣＭＭが、元来、それに装着されたタッチトリガープローブの利用によって、ワーク上の複数の点の三次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を検出し、それらを演算処理することによって所定の寸法や形状を測定するものであることから、タッチトリガープローブにおけるトリガー時のスタイラス変位の異方性が、ＣＭＭでの測定結果の誤差因子として介在することを考慮し、そのスタイラス変位の異方性による誤差ができるだけランダムに関与するような測定による校正法の方が、更に実際的であろうとの考え方に立った時、その端的な場合が、球の測定による校正法であったからと思われる。

また、基準球の配設により構成された実用標準の別の例として、図４に示すようなボールステップゲージＧが用いられている。
このボールステップゲージＧを使用する際には、このボールステップゲージＧを定盤Ｂ上に載置固定し、最初、例えば図中右側のボールｂの位置を測定するに際しては、ＣＭＭのプローブで少なくともこのボールｂの球面上の４点の座標を測定し、それらからボールｂの中心座標を算出する。そして、同様に、順に全てのボールｂの位置を測定し、更に、それらの位置の間隔を演算処理によって求める。各ボール同士の間隔は、予め精度的に上位のＣＭＭ等で値付けられており、それらの値と上記の測定によって求められた結果とを比較して、当該ＣＭＭの校正を行っている。

更に、このようなボールステップゲージにおいては、各ボール同士の間隔値は、精度的に充分上位のＣＭＭ等による校正結果なので、本来の精度はある程度高いものの、熱的外乱により枠体の上下温度差や左右温度差を生じた場合には、その温度差による熱膨張の差によって、枠体がバイメタル効果により曲がりを発生し、その精度が低下するという問題点があった。そこで、特開２００１−４３３３号公報の図８に示すようなボールステップゲージ構造とすることにより、全てのボール５の中心をゲージ枠体１の断面二次モーメントの中立線上に配置することで、熱的外乱による枠体の上下温度差や左右温度差が原因の熱膨張差によって、枠体にバイメタル効果による曲がりが発生しても、ボール間隔の変化を発生し難くすることもできる。

また、一方では、このように構成したボールステップゲージのボール間隔を、長さ標準としての光の波長を直接使用する光波干渉による校正手段を用いて、正確且つ迅速に校正できる、ボールステップゲージのボール間隔測定方法も提案されている。
特開２００１−４３３３号公報 特開２００４−３４７３８８号公報 特許第３９０５７７１号公報

然るに、上記のＣＭＭの現状の校正方法は、改めて『校正は実用に即した条件と方法によること』とする校正の原則に照らしてみれば、まだまだ、実際的にその校正対象と為し得る測定空間内の点の数において不充分この上ないものである。
言い換えれば、上記で説明した従来の方法では、いずれも、特定の寸法のブロックゲージ及びそれを組み合わせたもの（例えば、特開２００４−３４７３８８号公報）や、所定間隔に配置したボールとボールとの間隔、例えば、２０ｍｍ毎といった間隔での校正のみ可能であって、連続的又は充分に細かい間隔での校正が不可能である。

また、それにも拘らず、その校正に用いる実用標準は、その校正要素（ブロックゲージや基準球等）の数に限ってみても、構成的に膨大な規模のものである。
更に、このような校正方法では、本質的に、器差表による器差補正が必須であるが、組み合わせブロックゲージやボールステップゲージは、構造的にそれ自体の校正が難しく、往々にして、その器差の信頼性が不充分であるという問題点を有している。

本来、ＣＭＭは、測定空間内における各点の座標位置を測定することから、連続的又は充分に細かい間隔での校正ができれば、測定空間内におけるより緻密で信頼性の高い座標位置の測定を保証することができるが、それを実現できるような校正装置は未だ開発されていない。
従って、現今、ＣＭＭの実用に即した校正方法とそのための実用標準の確保は、ＣＭＭのユーザーにとっては、極めて切実な要望となっている。

また、翻って、従来のマイクロメータやノギスに対する校正方法と実用標準についても、ＣＭＭの出現等により、『精密な計測による品質保証は付加価値』とも言われ始めている時代の要請と向き合わざるを得ない現況においては、より精密な計測データに基づくより信頼性の高い品質管理を実現するための、新たな校正方法とそのための実用標準の提案が求められ始めている。

また、予め校正したＣＭＭを基準測定機として被校正用ＣＭＭのベース上へ設置し、両者を同じ測定空間において、基準測定機のＺ軸スピンドル先端へタッチプローブを設け、被校正用ＣＭＭのＺ軸スピンドル先端の基準器の球体を測定することによって、双方の空間座標を求めて比較測定を行なうものが、特許第３９０５７７１号公報に開示されている。
しかし、このようにＣＭＭ同士を組み合わせて校正する方式は、例えばＣＭＭメーカ等であれば可能であるが、通常、ＣＭＭのユーザである企業において簡単に採用できる校正方法とは言えず、経済効率からも実現が困難である。

本発明はこのような状況に鑑みて為されたものであり、マイクロメータやノギスに代表される測長工具類からＣＭＭに代表される測長装置に亘る、長さ測定機器全般の精度校正用として、校正寸法を連続的に変化させることを可能にする寸法可変式の端度器を提案することを目的とする。

本発明の別の目的は、ＣＭＭを導入しているユーザが、製造現場に設置してあるＣＭＭの校正を比較的容易に且つコストパフォーマンス上からも実現可能で、しかも従来のブロックゲージ的端度器と同様で且つ測定所定間隔を可変にすることが可能な寸法可変式の端度器を提供することにある。

本発明に係る可変端度器は、二つの互いに平行な対向又は背向するゲージ基準面と、それら二つのゲージ基準面の距離間隔をその平行な状態を維持しながら任意に変更し得る、少なくとも一方のゲージ基準面の可動手段と、その際の二つのゲージ基準面の距離間隔を随時測定して出力し得る測定手段と、その測定手段を校正した結果から得られた器差データを記憶する記憶手段と、測定手段により得られた測定値を記憶手段に記憶された器差データを用いて補正する器差補正手段とを備えている。

そして、長さ測定機器、中でも特にＣＭＭの校正に際しては、その測定空間全域に亘って、有意な長さ間隔での十分に緻密な校正寸法（群）を、連続的且つ効率的に実現せしめると共に、構造的にそれ自体の校正が容易であることから、実用標準としての信頼性が高く、事前に電子的に登録された器差データにより、器差補正も容易に行える。

１．長さ測定機器の校正を従来よりも充分に細かい長さ間隔で緻密且つ連続的に行えるので、校正結果の精度と正確さを更に向上できる。特に、ＣＭＭの校正をより効果的にできる。
２．可変端度器の器差データを予めコンピュータ等へ記憶させることにより、従来は相応の手作業に拠らざるを得なかった器差補正を、コンピュータ・プログラムによって自動的に処理させることができる。
３．可変端度器自体の校正が、コンピュータ・コントロールにより、自動的且つ容易に行えるから、その校正結果が、従来の実用標準（校正用基準器）におけるよりも、信頼性の高いものになる。

以下、本発明を図面に示す実施形態に基づいて説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る可変端度器Ｋは、エアベアリングガイド装置１０を主構成要素としている。このエアベアリングガイド装置１０は、レール１１と、レール１１の長手方向にエアベアリングを介して移動可能なスライダ１３とから構成されている。更に、スライダ１３のレール１１の長手方向の相対的な変位を検出するために、リニアスケール１４と、スライダ１３をレール１１の長手方向へ相対的に変位させるためのリニアモータ１５とがそれぞれ配設されている。そして、レール１１の一端には、基準端面１６が設けられ、それに対向して、スライダ１３の一端に移動端面１７が設けられている。基準端面１６と移動端面１７とは、それぞれ、レール１１の長手方向軸線に垂直且つ互いに平行に設けてある。即ち、移動端面１７は、スライダ１３がリニアモータ１５での駆動によりレール１１に沿って移動することで、基準端面１６に対して平行状態を保ちながら距離間隔（リニアスケール１４による読み取り値）が可変とされている。

尚、リニアスケール１４とリニアモータ１５との構成は、従来から公知の技術であるから、格別取り上げて説明することは省略する。リニアスケール１４（光学／磁気）は、例えば、可動側であるスライダ１３に配置された検出ユニット１８に対向して、固定側であるレール１１に配置されている。また、リニアモータ１５は、例えば、スライダ１３にマグネット（図示せず）を配置するとともに、レール１１に固定子コイル（図示せず）を長手方向に配置することによって構成されている。
このような構成を有するエアベアリングガイド装置１０の基準端面１６と移動端面１７との距離間隔は、適宜、電装系１９を介してコンピュータ２０に読み込まれる。ここで、電装系１９は、アクチュエータ（リニアモータ等）の駆動制御を司るものであり、そのために、必然的にリニアエンコーダの読取機能（カウンタ機能）も有する。

次に、本実施形態に係る可変端度器Ｋを、実際にＣＭＭの校正に使用する場合を例にとって、それによる校正方法他について、図３に示す主にデータフローを概説するためのフローチャートに従って更に説明する。
先ず、図３に示すフローチャートの範囲外ではあるが、可変端度器Ｋ自体についても、その使用の準備として、（導入）初期及び定期の校正が必要である。
一般的には、基準端面１６と移動端面１７との間の距離間隔を変化させながら、リニアスケール１４によって指示される所定の距離間隔毎に、波長安定化レーザ測長システム等の上位基準による校正値を求めてコンピュータ２０に入力し、更に、その都度のリニアスケール１４の指示値との関係の下に当該指示値から前記校正値を差引いて求められる器差を、コンピュータ２０に登録保存、若しくは、更新保存する。
図３に示すフローチャートにおいては、必然的に、可変端度器Ｋに対して上記の校正が施されていることが前提となっている。

次に、ＣＭＭの校正に当たっては、図２に示すように、被校正用ＣＭＭ１００のワークベース１０１上に、上記のように校正した可変端度器Ｋを設置する。
そして、ＣＭＭ用コンピュータ１０２と可変端度器Ｋのコンピュータ２０とを通信可能とし、相互のデータやコマンドのやり取りを可能にする。
更にその上で、基準端面１６と移動端面１７との間の距離間隔が所定の校正長さとなる様に、コンピュータ２０のキーボード等から当該校正長さを入力指示することによって、電装系１９を介してリニアモータ１５とリニアスケール１４によりスライダ１３を制御駆動し、基準端面１６と移動端面１７との間の距離間隔を前記所定の校正長さに設定する（ステップＳ１〜Ｓ４）。

上記の準備を経て、ＣＭＭ１００の校正作業に入る。定法に従って、最初に、可変端度器Ｋの基準端面１６を、ＣＭＭ１００のプローブ１０３で検知することにより「面」として測定し、ＣＭＭ用コンピュータ１０２にそのデータ即ち所定の測定座標空間における位置と姿勢を記憶させる。次に、スライダ１３を駆動させ、任意の所定間隔毎にプローブ１０３で検知することにより移動端面１７上の「点」を測定し、その際の検知信号をトリガー信号として、ＣＭＭ用コンピュータ１０２にそのデータを記憶させ、更に、ＣＭＭ用コンピュータ１０２において、前記「面」と各「点」の距離を算出し、それらを、被校正用ＣＭＭ１００による基準端面１６と移動端面１７の各距離間隔の測定値として、コンピュータ２０へ送出して記憶させる（ステップＳ５〜Ｓ８）。尚、ＣＭＭの校正作業は、例えば、特開２００８−８２７４５号公報の段落０００２に記載のように、公知であり、また、トリガー信号を用いることも、例えば、特開平９−１４５３５４号公報の段落００１６〜００１７に記載のように、公知であるから、本実施形態においては、これら公知例に従って操作を行った。

また、一方で、上記の被校正用ＣＭＭ１００による測定と同時に、可変端度器Ｋにおいても、基準端面１６と移動端面１７との各距離間隔を、プローブ１０３の検知信号をＣＭＭ用コンピュータ１０２がトリガー信号として出力すると同時に、基準端面１６と移動端面１７との各距離間隔をリニアスケール１４で読み取り、その指示値をコンピュータ２０に記憶させ、更に、予めコンピュータ２０に保存してある可変端度器Ｋの器差を差引かせることにより、校正のための真値を得る（ステップＳ９）。
最後に、被校正用ＣＭＭ１００による基準端面１６と移動端面１７との各距離間隔を各距離間隔の測定値と、上記の真値から、コンピュータ２０により、誤差＝測定値−真値（真値＝指示値−器差）を計算して出力させる（ステップＳ１０〜Ｓ１１）。即ち、この誤差が被校正用ＣＭＭ１００の校正結果である。
尚、前記校正結果を計算して出力させるのは、前記真値を可変端度器Ｋのコンピュータ２０からＣＭＭ用コンピュータ１０２へ送出して記憶させれば、ＣＭＭ用コンピュータ１０２であっても良い。

このように、本実施形態によれば、可変端度器Ｋを用いて被校正用ＣＭＭにおいて、簡便に連続的又は任意の充分に細かい間隔での長さ測定の校正という、従来は為し得なかった校正ができる上に、自動器差補正が可能になる。

尚、上記実施形態は、可変端度器ＫをＣＭＭの校正に使用する場合の例であったが、本発明はこれに限らず、例えば、マイクロメータやノギスに代表される測長工具類から、ＣＭＭ以外のタッチ式トリガーセンサによる測長装置や、光や電磁気や超音波等を応用した所謂非接触式の長さ測定機器であっても良い。
そして、その場合には、長さ測定機器が、その測定値を電子データとして可変端度器Ｋのコンピュータ２０に出力できるものであれば、また、更には、可変端度器Ｋのコンピュータ２０での校正結果を、精度補償用データとして入力できるものであれば、可変端度器Ｋによる校正は、従来の校正と比べて決定的に有利なものとなる。

また、特に、ＣＭＭも含めた接触式の長さ測定機器、即ち、可変端度器Ｋの基準端面１６や移動端面１７に所謂接触力を作用させる測長機器に対しては、基準端面１６や移動端面１７への接触力を検知して電気的なトリガー信号を発生するトリガー手段を更に設け、そのトリガー信号により、基準端面１６と移動端面１７との距離間隔を測定するように構成して、接触力の作用による基準端面１６と移動端面１７との距離間隔の変化が、基準端面１６と移動端面１７との距離間隔の測定値の誤差とはならないようにすることもできる。

上記実施形態に係る可変端度器Ｋでは、二つの互いに平行な対向するゲージ基準面１６，１７の距離間隔を長さ測定機器の校正基準としているが、二つの互いに平行な背向するゲージ基準面１６，１７の距離間隔を長さ測定機器の校正基準としても良い。ここで、二つの互いに平行な対向するゲージ基準面１６，１７とは、図１に示すように、各々ゲージ基準面１６，１７の外向き法線ベクトルが、互いに向かい合うように配された二つのゲージ基準面をいう。また、二つの互いに平行な背向するゲージ基準面１６，１７とは、各々ゲージ基準面１６，１７の外向き法線ベクトルが、互いに反対側を向くように配された二つのゲージ基準面をいう。

また、上記実施形態に係る可変端度器Ｋでは、二つの互いに平行な対向又は背向するゲージ基準面１６，１７の距離間隔を長さ測定機器の校正基準としているが、ＣＭＭの校正用に特化する場合を想定すると、ゲージ基準面１６，１７を基準球に替えて、基準球の中心間距離を校正基準としても良い。
また、可変端度器Ｋの校正については、現状では波長安定化レーザ測長システムによる校正が最も精度的に相応しいと考えられるので、本実施形態においてはその利用を例示したが、これは、他の可変端度器よりも精度的に充分上位の測長機器による校正に置換えても良い。

また、可変端度器Ｋの器差データは、可変端度器自体の校正の都度に更新可能であり、また、器差データの変化は、都度、更新されなければならない。
また、上記実施形態においては、水平方向の校正に限って説明したが、垂直方向の校正についても同ように対応可能である。但し、垂直方向の校正についても対応可能とする場合には、可変端度器Ｋの作動についても水平作動よりは負荷の大きい垂直作動への対応が求められるので、その駆動方式としては、本実施例でのリニアモータ方式に限定することなく、ボールねじ駆動方式等、各種の駆動方式を適宜採用することが考えられる。

尚、上記実施形態は、本発明の他の如何なる実施形態に対しても、その権利範囲を制限するものではない。

本発明の一実施形態に係る可変端度器を、タッチトリガープローブを有する測長装置の校正に用いる様子を例示する概要図である。 図１で抽象的に例示した可変端度器による校正のより具体的な事例の一つとして、ＣＭＭを校正する際に、そのワークベース上へ可変端度器を載置した状態を示す図である。 図１で抽象的に例示した可変端度器によるＣＭＭの校正時の主にデータフローを概説するためのフローチャートである。 従来のボールステップゲージを示す説明図である。

符号の説明

１０ エアベアリングガイド装置
１１ レール
１３ スライダ
１４ リニアスケール
１５ リニアモータ
１６ 基準端面
１７ 移動端面
１９ 電装系
２０ コンピュータ
１００ ＣＭＭ
１０１ ワークベース
１０２ ＣＭＭ用コンピュータ
１０３ プローブ
Ｋ 可変端度器

Claims (5)

1. 二つの互いに平行な対向又は背向するゲージ基準面と、
   前記二つのゲージ基準面の少なくとも一方のゲージ基準面に設けられ、前記二つのゲージ基準面の距離間隔をそれらの平行な状態を維持しながら任意に変更し得る可動手段と、
   前記二つのゲージ基準面の距離間隔を随時測定し得る測定手段と、
   前記測定手段を校正して得たその測定手段の器差データを記憶する第１の記憶手段と、
   前記測定手段により得られた測定値を前記第１の記憶手段に記憶された器差データを用いて補正して出力する補正手段と、
   前記補正手段からの出力値を長さ測定機器の校正用基準長さとして更に任意の形式で出力・表示し得る出力・表示手段と、
   校正対象とする長さ測定機器により前記二つのゲージ基準面の距離間隔を測定した結果として前記長さ測定機器から出力される測定値を入力して記憶する第２の記憶手段と、
   前記第２の記憶手段に記憶された測定値より前記二つのゲージ基準面の距離間隔と対応する前記補正手段からの出力値を差引いて当該測定値の誤差を求める演算手段と
   を備え、
   得られる誤差を前記校正対象とする長さ測定機器の校正結果として前記出力・表示手段により任意の形式で出力・表示し得るようにした
   ことを特徴とする寸法可変式の端度器。
2. 二つの互いに平行な対向又は背向するゲージ基準面と、
   前記二つのゲージ基準面の少なくとも一方のゲージ基準面に設けられ、前記二つのゲージ基準面の距離間隔をそれらの平行な状態を維持しながら任意に変更し得る可動手段と、
   前記二つのゲージ基準面の距離間隔を随時測定し得る測定手段と、
   前記測定手段を校正して得たその測定手段の器差データを記憶する第１の記憶手段と、
   前記測定手段により得られた測定値を前記第１の記憶手段に記憶された器差データを用いて補正して出力する補正手段と、
   前記補正手段からの出力値を長さ測定機器の校正用基準長さとして更に任意の形式で出力・表示し得る出力・表示手段と、
   前記二つのゲージ基準面の少なくとも一方に対するプロービングを検知して電気的なトリガー信号を発生するトリガー手段と
   を備え、
   前記トリガー信号により、前記測定手段が前記プロービングの瞬間の前記二つのゲージ基準面の距離間隔を測定するように構成することで、前記プロービング力の作用による前記二つのゲージ基準面の距離間隔の変化が当該測定値の誤差とはならないようにした
   ことを特徴とする寸法可変式の端度器。
3. 前記二つのゲージ基準面の少なくとも一方が光学的反射面であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の寸法可変式の端度器。
4. 前記二つのゲージ基準面の少なくとも一方に対するプロービングを検知して電気的なトリガー信号を発生するトリガー手段を設け、
   前記トリガー信号により、前記測定手段が前記プロービングの瞬間の前記二つのゲージ基準面の距離間隔を測定するように構成することで、前記プロービング力の作用による前記二つのゲージ基準面の距離間隔の変化が当該測定値の誤差とはならないようにした
   ことを特徴とする請求項１に記載の寸法可変式の端度器。
5. 前記可動手段が、駆動手段を備えたエアベアリング式ガイド装置であって、その相対関係としての固定部材と可動部材とのそれぞれへ、前記二つのゲージ基準面の各々を構成してなることを特徴とする、請求項１乃至請求項４の何れかに記載の寸法可変式の端度器。
   

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