JP7203312B2 - 測定装置 - Google Patents
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Description
c=(1+αΔT)/{1+(β-γ)ΔT}
(測定装置)
まず、本発明の第1の実施形態に係る測定装置の構成について、図1を参照して説明する。図1は、本発明の第1の実施形態に係る測定装置を示す図である。以下の説明では、XY平面を水平面とし、Z方向を垂直方向(鉛直方向)とする3次元直交座標系を用いる。
(アーム部16とスケール22の熱膨張係数が等しい場合(β=γ))
次に、環境温度が測定結果に及ぼす影響を抑制するための構成について説明する。まず、アーム部16とスケール22の熱膨張係数が等しい場合(β=γ)、すなわち、本実施形態の条件β=α+γを満たさない例について、図2を参照して説明する。
熱膨張を考慮せずに式(1)を一般化すると、触針部14の先端部14Eの変位xFの計算式は、下記の式(2)により表される。
図2(c)に示すように、環境温度TがT=T0+ΔTに変化すると、触針部14、アーム部16及びスケール22は、熱膨張によりそれぞれ符号14RE、16RE及び22REに示すようになる。この場合、先端部14Eから揺動部18の揺動中心20Cまでの距離Lは、下記の式(3)のように変化する。
このとき、触針部14の先端部14Eの実際の変位xTは、下記の式(4)により表される。
式(2)及び式(4)から、環境温度TがT=T0+ΔTに変化したことによる触針部14の先端部14Eの変位の真の値xTと計算値xFとの誤差xerrは、下記の式(5)により表される。
xerr=L0・αΔT・sinθ ・・・(5)
(アーム部16とスケール22の熱膨張係数が異なる場合(β≠γ))
次に、アーム部16とスケール22の熱膨張係数が異なる場合(β≠γ)の熱膨張の影響について、図3を参照して説明する。図3は、アーム部16とスケール22の熱膨張係数が異なる場合(β≠γ)の熱膨張の影響を説明するための図である。
一方、スケール22の位置は、スケール22の取付位置を基準にスケール22の熱膨張係数γで膨張する。よって、アーム部16のスケール取付位置16Bから角度基準中心22C間での距離Rは、下記の式(7)により表される。
揺動中心20Cと角度基準中心22Cとの間の距離をΔMとすると、式(6)及び式(7)から下記の式(8)が得られる。
ΔM=M0(β-γ)ΔT ・・・(8)
図3に示すように、角度ρを定義すると、角度θ、φ及びρは、φ=θ+ρの関係を満たす。M1=M-ΔMcosθであるので、下記の式(9)が得られる。
tanρ=ΔM・sinθ/(M-ΔM・cosθ) ・・・(9)
ρ及びθが微小角の近似を用いると、下記の式(10)が得られる。
式(10)を用いて、触針部14の先端部14Eの変位xFの計算式(2)を変形すると、下記のようになる。
xF=L0・sin(θ+ρ)
xF=L0(sinθcosρ+cosθsinρ)
ρが微小角の近似を用いると、下記の式(11)が得られる。
xF≒L0・sinθ{1+(β-γ)ΔT・cosθ} ・・・(11)
一方、実際の変位xTは式(4)により求められるため、誤差xerrは、下記の式(12)により表される。
xerr=L0・sinθ(1+αΔT)-L0・sinθ{1+(β-γ)ΔT・cosθ}
xerr=L0ΔT・sinθ{α-(β-γ)cosθ} ・・・(12)
ここで、β=α+γの条件を満たすとすると、下記の式(13)が得られる。
したがって、本実施形態の条件β=α+γを満たさない場合(式(5))の誤差xerrは、xerr=L0・αΔT・sinθ(β=γの場合)であるのに対して、上記の条件を満たす場合のxerrは、xerr=L0ΔTα・sinθ{1-cosθ}となる。
触針部14の材料として、カーボンファイバー(CFRP:Carbon Fiber Reinforced Plastics)、スケール22の材料として鉄、アーム部16の材料としてガラスを用いた場合、熱膨張係数α、β及びγは、α=3.6×10-6、γ=8.5×10-6、β=12.1×10-6となる。上記の材料の組み合わせによれば、β=α+γの条件を満たすことができる。
なお、本実施形態では、触針部14、アーム部16及びスケール22の熱膨張係数α、β及びγが、β=α+γの条件を満たすようにしたが、本発明はこれに限定されない。
式(5)と式(14)とを比較すると、式(14)における誤差xerrは、式(5)に{1-{(β-γ)/α}cosθ}を乗算した値となる。
ここで、測定装置10における検出範囲は、θ=0°近傍であることから、cosθ≒1と近似すると、下記の式(15b)が得られる。
式(15b)をβについて解くと、下記の式(16)が得られる。
したがって、アーム部16の熱膨張係数βは、(α+γ)を基準として±1/2αの範囲にあれば、実用上、環境温度Tの変化に対して有意に耐性があるとすることができる。
なお、本実施形態では、触針部14、スケール22及び揺動軸固定部24をそれぞれ単一の材料からなるものとしたが、それぞれ複数の材料を組み合わせることにより、熱膨張係数α、γ及びβを調整することも可能である。
一般に、熱膨張係数は材料に固有の値であり、これを任意の値に調整することは困難である。そこで、複数の材料を組み合わせて、各材料の長さを調整することにより、触針部14、スケール22及び揺動軸固定部24の熱膨張係数を任意の値に調整することが可能になる。これにより、β=α+γの条件を満たす測定装置の作成が容易になる。
図5は、本発明の第2の実施形態に係る測定装置を示す図である。以下の説明において、上記の実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
したがって、満たすべき条件をβ=α+γとすると、下記の式(19)の条件を満たすようにすればよい。
本実施形態によれば、変形例2と同様に、交換式触針30を構成する部材の組み合わせ及びその長さにより熱膨張係数αを任意の値に調整することが可能になる。また、本実施形態によれば、交換式触針30のみにより熱膨張係数αを調整することができるので、既存の測定装置(γ及びβが調整されていない測定装置)においても、環境温度Tが測定結果に及ぼす影響を抑制することができる。なお、本実施形態において、変形例1と同様にβにマージンをつけてもよい。
上記の実施形態では、環境温度の変化が測定結果に及ぼす影響を抑制するために、触針部14の熱膨張係数α、アーム部16の熱膨張係数β及びスケール22の熱膨張係数γの満たすべき条件を求めたが、環境温度Tの温度変化量ΔTを測定し、温度変化量ΔTを用いて測定結果を補正することも可能である。
既述のように、熱膨張を考慮した場合の触針部14の先端部14Eの変位xFは、式(11)により求められる。
一方、触針部14の先端部14Eの実際の変位xTは、式(4)により求められる。
式(11)及び式(4)を式(20)に代入して、θを微小角とする近似(cosθ≒1)を用いると、下記の式(21)が得られる。
=(1+αΔT)/{1+(β-γ)ΔT・cosθ}
≒(1+αΔT)/{1+(β-γ)ΔT} ・・・(21)
すなわち、θを微小角とする近似を用いると、補正係数cは、触針部14の熱膨張係数α、アーム部16の熱膨張係数β及びスケール22の熱膨張係数γと、環境温度Tの温度変化量ΔTにより求められる。
Claims (5)
- 被測定物の表面の測定を行うための触針が設けられており、前記被測定物の表面の形状に応じて揺動中心の回りに揺動可能に取り付けられた触針部と、
前記触針部の揺動による変位を測定するためのスケールと、
前記スケールの目盛りを読み取るためのスケールヘッドと、
前記触針部が取り付けられ、前記触針部と一体的に前記揺動中心の回りに揺動可能に取り付けられたアーム部であって、前記スケールが取り付けられたアーム部とを備え、
前記触針部、前記アーム部及び前記スケールの熱膨張係数をそれぞれα、β及びγとした場合に、
(α+γ)-1/2α≦β≦(α+γ)+1/2α
の条件を満たす、測定装置。 - 前記触針部、前記アーム部及び前記スケールの熱膨張係数が、β=α+γの条件を満たす、請求項1記載の測定装置。
- 前記スケールは、前記アーム部の揺動方向に沿って円弧状に形成された円弧スケールである、請求項1又は2記載の測定装置。
- 前記触針部、前記アーム部及び前記スケールのうちの少なくとも1つが、熱膨張係数が異なる複数の部材により形成されており、前記条件を満たすように、前記複数の部材の材料及び長さが調整されている、請求項1から3のいずれか1項記載の測定装置。
- 被測定物の表面の測定を行うための触針が設けられており、前記被測定物の表面の形状に応じて揺動中心の回りに揺動可能に取り付けられた触針部と、
前記触針部の揺動による変位を測定するためのスケールと、
前記スケールの目盛りを読み取るためのスケールヘッドと、
前記触針部が取り付けられ、前記触針部と一体的に前記揺動中心の回りに揺動可能に取り付けられたアーム部であって、前記スケールが取り付けられたアーム部と、
環境温度を測定するための温度センサと、
前記触針部、前記アーム部及び前記スケールの熱膨張係数をそれぞれα、β及びγとし、前記触針部の先端部の変位の測定値をxF、前記測定値xFの測定時の前記環境温度の変化量をΔTとした場合に、下記の式により、前記触針部の先端部の実際の変位xTを算出する制御部と、
を備える測定装置。
xT=cxF
c=(1+αΔT)/{1+(β-γ)ΔT}
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