JPS6247506A - 曲面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、曲面形状測定装置に係り、特に、軸対称の非
球面形状を高精度に測定するのに好適な曲面形状測定装
置に関するものである。

〔発明の背景〕

軸対称の非球面形状のものとして、超音波顕微鏡用レン
ズや、ビデオカメラ用レンズ、あるいはその製造用金型
などの測定精度の向上が望まれている。

従来から、非球面形状を接触方式によシ測定する方法と
しては、３次元測定機を用いるのが一般的であるが、測
定精度１μｍ程度が通例である。

まだ、測定精度の高い、真円変針を利用して、非球面形
状を測定しようとしても、測定範囲がせまいため、球面
からのずれの大きな非球面は、測定が困難であった。

従来の曲面形状測定上の問題を、第、７図ないし第９図
を参照して説明する。

第７図は、一般的な凹曲面ワークの斜視図、第８図は、
従来の曲面形状測定方法の説明図、第９図は、第８図の
測定方法による記録紙上の測定結果を示す説明図である
。

第７図に示す被測定体に係るワーク１は、凹面形状を有
する非球面からなり、この曲面ＡＯＢは軸Ｃ−Ｃに対し
て対称な形状である。

第８図には、前記ワーク１の曲面ＡＯＢを真円度計を用
いて測定する状況を示している。すなわち、測定子に係
るスタイラス２を曲面上の点Ｏに接触させ、曲面の軸Ｃ
−Ｃとスタイラス２０針中心線を一致させる。このよう
にしてスタイラス２を回転軸心３を中心として回転させ
る。

これにより得られた記録紙４上の測定結果を第９図に示
す。

スタイラス２を回転接触させ、その回転角度がθ度まで
は、曲面形状５が記録されているが、ワーク１の非球面
の程度が大きいため、両端のＡとＢの近傍では、測定範
囲Ｗを越えておシ、測定データが得られない。

スタイラス２の測定倍率を高くすればするほど、測定範
囲がせまくなる。たとえば、倍率を５万倍とすれば測定
分解能０．０２μｍ／ｄｉｖが可能となるが、測定範囲
は１μｍとせまくなる。

このため、上記の真円度計では、球面に近い曲面しか高
精度測定ができなかった。

また、曲面形状測定装置の先行技術として、例えば特開
昭５８−９０１２号公報記載のものがある。

一般に、形状測定装置の測定子の回転中心とテーブル上
の円弧の中心とを一致させることは実際の作業としては
面倒なものであり、当該公報には、測定されるべき円弧
を有するワークをテーブル上に仮にセントしたとき、こ
れをＸ、Ｙ方向および検出器の測定子半径方向の調整を
どのようにすれば良いのか、それを指示する補正値を表
示できる円弧形状測定装置が開示されている。

しかし、非球面の程度の大きい非球面形状の接触測定に
ついては十分配慮されていなかった。

〔発明の目的〕

本発明は、前述の従来技術の実状に鑑みなされたもので
、スタイラスを回転接触させる手段で、非球面量の大き
な曲面を高精度に、かつ、自動的に測定することの可能
な曲面形状測定装置の提供を、その目的としている。

〔発明の概要〕

本発明に係る曲面形状測定装置の構成は、測定子先端を
被測定体に回転接触させて、その変位検出値から被測定
体の曲面形状を測定する曲面形状測定装置において、測
定子からの変位検出値が、画数測定子の通常の測定可能
範囲である所定レベルの値に達したときに測定子の回転
を停止させる手段と、測定子の回転停止中に、前記測定
子の変位検出値が中立レベルとなるように前記測定子を
一方向に移動させる。駆動手段と、前記測定子の回転、
停止、および一方向移動を繰返して被測定体の曲面形状
を測定せしめる制御手段とを備えたものである。

出力電圧が測定範囲を越えないように、スタイラスの回
転角と、ラジアル方向への送り制御量とを組合わせ、こ
の間に得られたスタイラスからの変位出力電圧、回転角
およびスタイラスのラジアル方向送シ量を総合して、広
範囲の非球面形状を測定するようにしだものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図ないし第６図を参照し
て説明する。

ここに第１図は、本発明の一実施例に係る曲面形状測定
装置の外観を示す斜視図、第２図は、第１図の装置のよ
シ詳細な構成を示す構成図である。

まず、第１図を参照して装置の全体構成を説明する。

第１図に示す本実施例の曲面形状測定装置は、測定機本
体、制御装置、およびデータ処理装置から構成されてい
る。

図において、１は、例えば先の第７図に示したような軸
対称の非曲面形状を有する被測定体（以下ワークム（Ａ
ら）−’）Ｉｔ＋刑１１中工ｒ探スズクメ→フ６は、ス
タイラス２をワーク曲面の半径方向へ移動させるだめの
テーブル、７はベッド、８は、ベッド７上にあシ、ワー
ク１を載置して位置を調整するためのｘ　−ｙテーブル
、９は、ワークの取付治具、１０は、前記スタイラス２
の回転用スピンドル、１１は、そのスピンドル１０を支
持するスピンドルサポート、１３ば、スピンドル１０を
回転させるスタイラス回転用モータ、１４ば、前記モー
タ１３の回転数を減速させる減速機構部、１５は、前記
スピンドル１０の回転角、すなわちスタイラス２の回転
角を検出するためのロータリエンコーダであり、これら
で測定機本体を構成している。

１６は、スタイラス２の変位出力電圧を検出し、スタイ
ラス２の回転、停止制御と、スタイラス２をワーク曲面
の半径方向へ移動させる移動量を制御するだめの制御装
置である。

さらに、スタイラス２の回転角に対応してスクイラス２
が出力する変位検出値をデータ処理し、曲面形状として
表示し、かつプリントアウトするデータ処理装置として
、パーソナルコンピュータ１７、モニターテレビ１８、
フロンピー１９、プリンタ２０を備えている。

第２図に、測定機本体のスタイラス回転駆動部とスタイ
ラス移動部の詳細構成を示すとともに、これら各部と制
御装置、データ処理装置との制御系の構成を示す。なお
、第１図と同一符号のものは同一部分を示している。

第２図に示すように、スピンドル１０の下部て取付けだ
スタイラス２を回転させるため、スピンドル１０の上部
に設けたウオームホイル２４と、スタイラス回転用モー
タ１３のモータ軸に直結するウオーム２２とが噛み合っ
て減速機構部１４を構成している。

マタ、スピンドル１０とロータリエンコーダ１５とは、
カンプリフグ２３で直結されている。

スタイラス２からの変位検出値に係る出力電圧が通常の
測定範囲を越えた場合に、スタイラスを中立レベルに係
る一定出力電圧（ＯＶ）となるように移動させるためス
タイラス移動用モータ１２および圧電素子２１がテーブ
ル６の側面に配設されているっ 上記のような構成であるから、ワーク１の表面にスタイ
ラス２を接触させ、スタイラス回転用モータ１３を回転
させると、スタイラス２の回転角度θに対応して、スタ
イラス２から変位検出値として変位δが検出される。

その変位δが、スタイラス２の通常の測定可能範囲を越
えるような、非球面形状のワークの場合には、制御装置
１６内の制御回路２６によって、スタイラス回転用モー
タ１３を停止させ、スタイラス２の回転接触を停止させ
る。

また、スタイラス２の回転停止中に、制御回路２６によ
って、スタイラス移動用モータ１２および圧電素子２１
を作動させて、スタイラス２を取付けだテーブル６を、
スタイラス２からの変位検出値である出力電圧Ｅが中立
レベルであるＯＶとなるように矢印の一方向、すなわち
ワーク１の曲面の半径方向に移動させる。

なお、制御装置１６内の２５は増幅器を示す。

スタイラス２からの出力電圧ＥがＯｖとなったところで
、制御回路２６により、再びスタイラス回転用モータ１
３を回転させ、上記と同様の操作をくりかえす。

ここで、スタイラス２の回転角度θと、スタイラス２の
出力電圧Ｅを記憶させ、一定の手順にもとすいてデータ
処理をする。２７は、そのデータ処理部、２８は表示と
プリントアウト部を示す。

このような本実施例の曲面形状測定装置の動作を第３図
ないし第６図を参照して説明する。

ここに第３図は、第２図の制御回路のブロック図、第４
図は、その制御回路の制御対ｉｔとスタイラス出力電圧
との関係を示すタイムチャート、第５図は、スタイラス
回転角と変位との関係を示すデータ線図、第６図は、第
５図のデータをつなぎ処理した線図である。

第３図において、２９はスタイラス変位信号、２５は増
幅器、３０はレベル比較回路、３１は、スタイラス回転
、停止リレー回路、３２ば、スタイラス移動、停止リレ
ー回路を示し、本図は、スタイラス回転用モータ１３と
、スタイラス移動用モータ１２および圧電素子２１を制
御する回路のフローを示すものである。

このように、スタイラス２からの変位検出値に係る変位
δの信号２９は、増幅器２５を経て変位出力電圧Ｅとし
て出力され、その変位出力電圧Ｅを通常の測定可能範囲
である限界レベル電圧Ｅ０とレベル比較回路３０で比較
し、変位出力電圧Ｅが所定の限界レベル電圧Ｅ、Ｂに達
する場合には、スタイラス回転、停止リレー回路３１に
よりスタイラス回転用モータ１３を停止させる。合わせ
て、スタイラス移動、停止リレー回路３２によシスタイ
ラス移動用モータ１２および圧電素子２１を作動させ、
出力電圧Ｅが中立レベルの０■となるようにスタイラス
２を移動させる。

第４図は、スタイラス回転用モータ１３のＯＮ。

ＯＦＦ動作、スタイラス２の出力電圧Ｅ、スタイラス移
動用モータ１２のＯＮ、ＯＦＦ動作の各関連を横軸に時
間ｔをとって示したものである。

スタイラス回転用モータ１３を起動し、時間ｔ１までス
タイラス２を回転させるにつれて、スタイラス２が検出
する変位出力電圧が限界レベル電圧Ｅ、に近い電圧Ｅ１
まで増えると、スタイラス用モータ１３は停止する。そ
こで、スタイラス移動用モータ２１および圧電素子２１
を作動させるとｔＡ時間後てスタイラス２の出力電圧は
中立レベルのＯＶへ低下する。

次いで、スタイラス回転用モータ１３を時間ｔ２からｔ
３まで駆動するとスタイラス２の変位出力電圧はＥｌま
で増える。そこで、ｔ３の時点でスタイラス２の回転を
停止し、スタイラス移動用モータ１２を時間ｔＡ作動さ
せて、スタイラス出力電圧がＯＶへ低下するようにスタ
イラス２を移動させ、以下同様の動作を繰り返す。

以上の動作を、スタイラス２の回転角度θと、スタイラ
ス２の変位検出値である変位δとの対応で示したものが
第５図である。

δ１は、スタイラス２を時点ｔ１まで回転させたときの
回転角度、δ２は、スタイラス２を時点ｔ２からｔ３ま
で回転させたときの回転角度、δ３は、スタイラス２を
時点ｔ４からｔ５まで回転させたときの回転角度に相当
し、δ１．δ２゜δ３は、それぞれ回転角度θ１．θ２
．θ３に対応する変位である。

なお、本図で、変位δ１．δ２．δ３の変位出力電圧は
第４図に示すＥｌ、Ｅｌ、Ｅ３に対応する。

第５図のデータをもとに、ソフト的にデータをつなぎ合
わせた結果を第６図に示す。

第５図、第６図のデータ処理２衷示、およびプリントア
ウトは第１図で示したパーソナルコンピュータ１７、モ
ニターテレビ１８％　フロッピー１９１プリンタ２０等
で自動的に処理される。

なお、第６図に破線で示すδ１ば、つなぎ処理を行わな
いときのスタイラス２の通常の測定可能範囲を示すもの
で、図から明らかなように、本実施例によれば通常の測
定可能範囲を越えて測定データが得られるものである。

本実施例によれば、測定倍率を高くした状態でも、スタ
イラスの回転角と、スタイラスの移８帯をもとに、非球
面量の大きな曲面を自動的にかつ、高精度に測定が可能
となる。

例えば、中心部から外周部へ向うにつれ曲率半径１０ｍ
ｍからのずれ量２００μｍを有する非球面を、測定精度
０．１μｍ以内で測定可能となった。。

なお、従来の真円度針では、このような曲面は測定でき
なかったものである。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、スタイラスを回転
接触させる手段で、非球面量の大きな曲面を高精度に、
かつ、自動的に測定することの可能な曲面形状測定装置
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る曲面形状測定装置の
外観を示す斜視図、第２図は、第１図の装置のより詳細
な構成を示す構成図、第３図は、その制御回路のブロッ
ク図、第４図は、その制御回路の制御対象とスタイラス
出力電圧との関係を示すタイムチャート、第５図は、ス
タイラス回転角と変位との関係を示すデータ線図、第６
図は、第５図のデータをつなぎ処理した線図、第７図は
、一般的な凹曲面ワークの斜視図、第８図は、従来の曲
面形状測定方法の説明図、第９図は、第８図の測定方法
による記録紙上の測定結果を示す説明図である。 １・・・ワーク、２・・・スタイラス、６・・・テーブ
ル、１０・・・スピンドル、１２・・・スタイラス移動
用モータ、１３・・・スタイラス回転用モータ、１５・
・・ロータリエンコーダ、１６・・・制御装置、１７・
・・パーツナルコンピュータ、１８・・・モニターテレ
ビ、１９・・・フロッピー、２０・・・プリンタ、２１
・・・圧電素子、２５・・・増幅器、２６・・・制御回
路、３０・・・レベル比較回路、３１・・・スタイラス
回転、停止リレー回路、′ｌ・ （ほか１名） 罫、５　口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、測定子先端を被測定体に回転接触させて、その変位
   検出値から被測定体の曲面形状を測定する曲面形状測定
   装置において、測定子からの変位検出値が、当該測定子
   の通常の測定可能範囲である所定レベルの値に達したと
   きに測定子の回転を停止させる手段と、測定子の回転停
   止中に、前記測定子の変位検出値が中立レベルとなるよ
   うに前記測定子を一方向に移動させる駆動手段と、前記
   測定子の回転、停止、および一方向移動を繰返して被測
   定体の曲面形状を測定せしめる制御手段とを備えたこと
   を特徴とする曲面形状測定装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、測定子
   の回転、停止、および一方向移動を繰返して被測定体の
   曲面形状を測定せしめる制御手段は、被測定体に対する
   測定子の回転接触にともなう回転角と、その回転角にお
   ける変位検出値とを、前記測定子の回転、停止、および
   一方向移動の繰返しに応じて連続的につなぎ合わせるた
   めのデータ処理装置を備えたものである曲面形状測定装
   置。