(57)【要約】【課題】  非接触で球面形状を高精度に測定できる球面形状測定装置および球面形状測定方法を提供する。【解決手段】  被測定物支持手段１０と、被測定物回転手段２０と、非接触変位計３１および変位計回動手段３２を有する球面形状測定手段３０と、変位計位置調整手段および被測定物位置調整手段８０とを備え、この被測定物位置調整手段８０は、非接触変位計３１の回動中心に非測定物１の軸部１ｂの中心軸を位置調整する。【選択図】      図２
2010085341.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸部の一端に球面形状部を有する被測定物を、前記軸部の中心軸回りに回転自在に支持する被測定物支持手段と、
前記被測定物をその軸部の中心軸回りに回転させる被測定物回転手段と、
前記球面形状部の表面位置を非接触で測定する非接触変位計、およびこの非接触変位計の中心軸上の所定位置を回動中心として非接触変位計を前記被測定物の軸部の中心軸を含む平面内で回動させる変位計回動手段を有する球面形状測定手段と、
前記非接触変位計を少なくともその軸方向に位置調整する変位計位置調整手段、及び前記非接触変位計の回動中心に前記被測定物の軸部の中心軸を位置調整する被測定物位置調整手段とを備えた球面形状測定装置。
【請求項２】
請求項１において、前記被測定物の軸部は円柱状であり、前記被測定物支持手段は前記被測定物をその球面形状部が上位置となる垂直姿勢で支持し、前記変位計回動手段は前記非接触変位計を前記被測定物の軸部の中心軸を含む垂直面内で回動させるものとし、前記被測定物支持手段および前記被測定物回転手段を搭載した水平移動可能なベース移動台を設け、前記被測定物支持手段は、前記被測定物の円柱状軸部の外周面における同一円周上の２点を支持し、被測定物への対向方向を前記非接触変位計が回動する垂直面に対して直交する方向とした周面支持体を有し、前記ベース移動台を前記周面支持体の前記被測定物への対向方向に水平移動させて、前記被測定物支持手段に支持される前記被測定物の位置を調整する被測定物位置調整手段を設けた球面形状測定装置。
【請求項３】
請求項２において、前記変位計位置調整手段は、前記非接触変位計をその軸方向に位置調整する軸方向位置調整手段の他に、前記球面形状測定手段の全体を垂直方向および水平方向に移動させる垂直・水平移動手段を有し、前記被測定物支持手段に前記被測定物が支持されて装置の稼働が始まると、前記変位計位置調整手段を制御して上方に退避させていた前記非接触変位計を所定の検出出力が得られる高さとなる前記被測定物における球面形状部の表面の上まで下降させる変位計位置調整制御手段と、この変位計位置調整制御手段による位置調整制御の後に、前記被測定物位置調整手段を制御して前記非接触変位計の出力が最大値となる位置に前記ベース移動台を位置決めすることで、被測定物における球面形状部の最大径部に前記非接触変位計の測定点を位置決めする被測定物位置調整制御手段と、前記被測定物回転手段および前記変位計回動手段を制御することにより、前記被測定物を回転方向にインデックス又は連続回転させながら前記非接触変位計を連続的に回動又は回動方向にインデックスさせて、前記球面形状部の表面形状測定を行う測定制御手段とを設けた球面形状測定装置。
【請求項４】
請求項３において、前記非接触変位計は、測定スポット径が100μｍ以下のレーザ変位計である球面形状測定装置。
【請求項５】
請求項３において、前記球面形状測定手段の変位計回動手段は、垂直に配置されたモータ保持板と、出力軸が前記モータ保持板に垂直な向きとなるようにモータ保持板に取付けられたモータと、このモータの出力軸に連結されて前記モータ保持板と平行な垂直姿勢で回転する変位計支持板とでなり、前記非接触変位計は、その軸線が前記モータの出力軸と直交する姿勢とされて前記変位計支持板に前記軸線方向に進退可能に取付けられ、前記変位計位置調整手段の垂直・水平移動手段は、前記モータ保持板を垂直方向に移動させる上下移動テーブルとこの上下移動テーブルを水平方向に移動させる水平移動テーブルとでなり、前記変位計位置調整手段の軸方向位置調整手段が前記変位計支持板に設けられている球面形状測定装置。
【請求項６】
請求項５において、前記変位計位置調整制御手段は、前記被測定物における球面形状部の最大径部に前記非接触変位計の測定点が設定された状態において、前記球面形状測定手段の変位計回動手段を制御して前記非接触変位計を回動させ、回動中の変位計出力が被測定物における球面形状部の頂点における値から変化する量を形状測定誤差として検出し、その検出値および検出値の正負符号から非接触変位計の回動中心と非測定物の中心との相対高さを推定し、その推定値に基づき前記上下移動テーブルを垂直方向に移動させることで非接触変位計の回動中心と被測定物の中心の高さを一致させるものとした球面形状測定装置。
【請求項７】
請求項６において、装置が被測定物における球面形状部の形状を測定しうる状態に位置調整された後、前記測定制御手段の制御による測定動作で得られた測定出力の一定値からのずれに基づき、被測定物における球面形状部の中心と非接触変位計の回動中心との高さの差を算出し、その算出値により球面形状部の実際の測定結果を補正する測定値補正手段を設けた球面形状測定装置。
【請求項８】
請求項６または請求項７において、前記被測定物は軸部の下端に軸部の他部よりも大径のフランジを有し、このフランジの前記軸部と同心の円周上に等配された複数の孔と、前記フランジに対して垂直方向に所定間隔を隔てて配置された平面上の前記複数の孔の配列円と同一円周上に所定間隔を隔てて設けられ前記孔の有無を検出する２個以上の反射型光電センサと、その反射型光電センサのアナログ出力と任意の値に設定し得る閾値との差からハイ・ロー信号を発生させるデジタル波形整形回路と、そのハイ・ロー信号の立ち上がり、立ち下りのタイミングにパルスを発生させるパルス発生回路からなり、そのパルス発生回路からの立ち上がりおよび立ち下りをタイミングパルスとして入力し、被測定物の回転角を算出する回転角算出手段を設けた球面形状測定装置。
【請求項９】
請求項８において、前記フランジの前記軸部と同心の円周上に等配された複数の孔と、前記フランジに対して垂直方向に所定間隔を隔てて配置された平面上の前記複数の孔の配列円と同一円周上に所定間隔を隔てて設けられ前記孔の有無を検出する２個以上の反射型光電センサとを有する回転角検出手段を設け、前記被測定物回転手段は、前記被測定物のフランジの外周に押し当てられる回転ローラと、この回転ローラを前記フランジとの間に滑りの生じない所定低速回転で回転させるモータとでなり、このモータには回転に伴い前記回転角検出手段の出力パルスよりも十分パルス間隔の短いパルスを発生するパルス発生器を設け、前記回転角検出手段の出力パルスと前記パルス発生器の出力パルス数とを対応させて記憶する記憶部を有し、この記憶部の記憶データに基づき前記回転角算出手段の算出する被測定物の回転角を補正する回転角補正手段を設けた球面形状測定装置。
【請求項１０】
請求項８において、前記フランジに同心円周上に等配された孔間隔をＬ、反射型光電センサの数をＮとするとき、各反射型光電センサからの出力の立ち上がりタイミングをＬ／Ｎの間隔でずらすように反射型光電センサの円周上の間隔を設定し、前記デジタル波形整形回路の出力波形の立ち上がりをタイミングパルスとして集計し、被測定物の回転角を算出する回転角算出手段を設けた球面形状測定装置。
【請求項１１】
請求項８において、前記フランジに同心円周上に等配された孔間隔をＬ、反射型光電センサの数をＮとするとき、前記デジタル波形整形回路の閾値を調整して、ハイの波形の長さがＬ／２Ｎとなるように設定し、前記波形の立ち上がり、立ち下りのタイミングパルスを前記パルス発生回路から発生させ、前記回転角算出手段はこれらのタイミングパルスを集計して被測定物の回転角を算出するものとした球面形状測定装置。
【請求項１２】
請求項１において、被測定物の垂直方向位置とその直径を同時に測定する直径測定手段を設けたことを特徴とする球面形状測定装置。
【請求項１３】
軸部の一端に球面形状部を有する被測定物を、前記軸部の中心回りにインデックスまたは一定速度で回転させながら、前記軸部の中心軸を含む平面内において、前記球面形状部の表面位置を非接触で測定する非接触変位計を、その軸線が前記球面形状部の中心に向く姿勢で球面形状部の中心を回動中心として連続的に回動または回動方向にインデックスさせることにより、被測定物の表面形状を測定することを特徴とする球面形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、軸端に球面形状部を有する被測定物の球面形状を測定する球面形状測定装置および球面形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非球面を含む複雑な３次元形状を測定する従来の装置として、特許文献１に開示の３次元座標測定機が知られている。この測定機は、測定対象球を１軸回りに回転保持する回転保持機構と、進退可能に構成したプローブ先端球の位置を検出する位置検出手段と、各回転位置の測定対象球にプローブ先端球が触れた位置の座標により測定対象球の真球からのずれを表す球面形状データを取得する手段とを備える。
【特許文献１】特開２００３−２７９３４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記構成の３次元座標測定機では、接触を検知するプローブ先端球の形状の不確かさや、接触によってプローブがたわむことによる座標読み取り誤差等、その測定精度に限界がある。このため、特許文献１ではその補正法が提案されているが、その補正のための新たな測定作業が必要となり、また接触式の測定である限り、プローブ球の使用中における摩耗による形状変化等も問題となる。
【０００４】
この発明の目的は、非接触で球面形状を高精度に測定できる球面形状測定装置および球面形状測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明の球面形状測定装置は、軸部の一端に球面形状部を有する被測定物を、前記軸部の中心軸回りに回転自在に支持する被測定物支持手段と、前記被測定物をその軸部の中心軸回りに回転させる被測定物回転手段と、前記球面形状部の表面位置を非接触で測定する非接触変位計と、この非接触変位計の中心軸上の所定位置を回動中心として非接触変位計を前記被測定物の軸部の中心軸を含む平面内で回動させる変位計回動手段を有する球面形状測定手段と、前記非接触変位計を少なくともその軸方向に位置調整する変位計位置調整手段、及び前記非接触変位計の回動中心に前記非測定物の軸部の中心軸を位置調整する被測定物位置調整手段とを備える。
この球面形状測定装置では、被測定物支持手段で回転自在に支持された被測定物を、その軸部の中心軸回りに被測定物回転手段で回転させながら、前記軸部の中心軸を含む平面内で、非接触変位計をその中心軸上の所定位置を回動中心として回動させることで、被測定物の球面形状部の球面形状を測定する。
変位計位置調整手段で、非接触変位計の軸方向位置を調整し、かつ被測定物位置調整手段によって前記非接触変位計に対する前記被測定物の相対的な水平位置を調整し、非接触変位計の回動中心を被測定物の球面形状部の中心に位置合わせし、非接触変位計が前記球面形状部の表面位置を測定できるようにする。これにより、接触式の測定装置の場合のようなプローブ摩耗による形状変化等の誤差を解消して、非接触で球面形状を高精度に測定できる。特に、非接触変位計の回動中心に、前記被測定物の軸部の中心軸を位置調整する被測定物位置調整手段をさらに備えたため、被測定物の直径等を測定する手段が不要となり、且つ複数の被測定物を測定する場合において軸径が変化しても、常に非接触変位計の回動面を被測定物の球面形状部における最大径部に合わせることができる。前記被測定物の直径等を測定する手段が不要となる分、球面形状測定装置の製造コストの低減を図り、装置全体の小形化を図ることができる。
【０００６】
この発明においては、前記被測定物の軸部は円柱状であり、前記被測定物支持手段は前記被測定物をその球面形状部が上位置となる垂直姿勢で支持し、前記変位計回動手段は前記非接触変位計を前記被測定物の軸部の中心軸を含む垂直面内で回動させるものとし、前記被測定物支持手段および前記被測定物回転手段を搭載した水平移動可能なベース移動台を設け、前記被測定物支持手段は、前記被測定物の円柱状軸部の外周面における同一円周上の２点を支持し、被測定物への対向方向を前記非接触変位計が回動する垂直面に対して直交する方向とした周面支持体を有し、前記ベース移動台を前記周面支持体の前記被測定物への対向方向に水平移動させて、前記被測定物支持手段に支持される前記被測定物の位置を調整する被測定物位置調整手段を設ける。
この構成の場合、被測定物支持手段は、前記被測定物の円柱状軸部の外周面における同一円周上の２点を支持し、その被測定物への対向方向を前記非接触変位計が回動する垂直面に対して直交する方向とした周面支持体を有し、被測定物支持手段および前記被測定物回転手段を搭載したベース移動台を、前記周面支持体の支持方向に水平移動させることで、被測定物の位置を調整するようにしている。このため、非接触変位計の回動中心と球面形状部の中心軸とを一致させるための機構を簡単に構成でき、その位置調整も容易に行うことができる。
【０００７】
この発明においては、前記のようにベース移動台および被測定物位置調整手段を設け、この変位計位置調整手段は、前記非接触変位計をその軸方向に位置調整する軸方向位置調整手段の他に、前記球面形状測定手段の全体を垂直方向および水平方向に移動させる垂直・水平移動手段を有し、前記被測定物支持手段に前記被測定物が支持されて装置の稼働が始まると、前記変位計位置調整手段を制御して上方に退避させていた前記非接触変位計を所定の検出出力が得られる高さとなる前記被測定物における球面形状部の表面の上まで下降させる変位計位置調整制御手段と、この変位計位置調整制御手段による位置調整制御の後に、前記被測定物位置調整手段を制御して前記非接触変位計の出力が最大値となる位置に前記ベース移動台を位置決めすることで、被測定物における球面形状部の最大径部に前記非接触変位計の測定点を位置決めする被測定物位置調整制御手段と、前記被測定物回転手段および前記変位計回動手段を制御することにより、前記被測定物を回転方向にインデックス又は一定速度で回転させながら、前記非接触変位計を連続的に回動又は回動方向にインデックスさせて、前記球面形状部の表面形状測定を行う測定制御手段とを設けている。
この構成の場合、被測定物が被測定物支持手段で支持されると、変位計位置調整制御手段が、非接触変位計を退避位置から被測定物の球面形状部表面を測定し得る位置に移動させる。次に、被測定物位置調整制御手段が、非接触変位計の出力を測定制御手段に取り込みつつベース移動台を水平移動させ、非接触変位計の出力が最大値となる位置がその移動方向における被測定物の球面形状部の最大径位置と判断することで、位置調整が行なわれる。
【０００８】
この発明において、前記球面形状測定手段の変位計回動手段は、垂直に配置されたモータ保持板と、出力軸が前記モータ保持板に垂直な向きとなるようにモータ保持板に取付けられたモータと、このモータの出力軸に連結されて前記モータ保持板と平行な垂直姿勢で回転する変位計支持板とでなり、前記非接触変位計は、その軸線が前記モータの出力軸と直交する姿勢とされて前記変位計支持板に前記軸線方向に進退可能に取付けられ、前記変位計位置調整手段の垂直・水平移動手段は、前記モータ保持板を垂直方向に移動させる上下移動テーブルとこの上下移動テーブルを水平方向に移動させる水平移動テーブルとでなり、前記変位計位置調整手段の軸方向位置調整手段が前記変位計支持板に設けられている。
【０００９】
この構成の場合に、前記変位計位置調整制御手段は、前記被測定物における球面形状部の最大径部に前記非接触変位計の測定点が設定された状態において、前記球面形状測定手段の変位計回動手段を制御して前記非接触変位計を回動させ、回動中の変位計出力が被測定物における球面形状部の頂点における値から変化する量を形状測定誤差として検出し、その検出値および検出値の正負符号から非接触変位計の回動中心と被測定物の中心との相対高さを推定し、その推定値に基づき前記上下移動テーブルを垂直方向に移動させることで非接触変位計の回動中心と被測定物の中心の高さを一致させる。
この構成の場合、変位計位置調整制御手段は、前記被測定物における球面形状部の最大径部に前記非接触変位計の測定点が設定された状態において、非接触変位計の出力を測定制御手段に取り込みつつ非接触変位計を所定角度回動させる。変位計位置調整制御手段は、このときの検出値の球面形状部の頂点での検出値からの変化量と、その変化量がプラスへの変化か、マイナスへの変化かによって、被測定物の球面形状部の中心位置と非接触変位計の回動中心位置との垂直方向のずれ量、およびその方向を判断し、その判断結果に基づき変位計位置調整手段を制御することで、非接触変位計の回動中心を球面形状部の中心に位置合わせする。
【００１０】
この発明において、装置が被測定物における球面形状部の形状を測定しうる状態に位置調整された後、さらに前記測定制御手段の制御による測定動作で得られた測定出力の一定値からのずれに基づき、被測定物における球面形状部の中心と非接触変位計の回動中心との高さの差を算出し、その算出値により球面形状部の実際の測定結果を補正する測定値補正手段を設けても良い。
被測定物の球面形状部に対して非接触変位計を回動させるとき、球面形状部の中心と回動中心が一致していれば、非接触変位計の出力は、回動する角度にかかわらず球面形状部頂点における変位計出力に対して常に一定値を示す。しかし、両者間の高さがずれていると、回動角に伴って変位計出力差が徐々に大きくなり、かつ球面形状部の中心と回動中心のずれ量が大きいほど変位計出力差も大きくなる。上記構成の場合、この現象を利用して、変位計出力の変化から逆に球面形状部の中心と回動中心との高さ方向のずれ量および方向を測定値補正手段が判断する。測定値補正手段は、これらの結果に基づいて、球面形状部の実際の測定データを補正する。これにより、測定値の精度をさらに高めることができる。
【００１１】
上記発明において、前記非接触変位計は、測定スポット径が100μｍ以下のレーザ変位計であっても良い。
この構成の場合、被測定物の球面形状部の表面に形成される溝（すなわち真球面より凹んだ部分）やランド（すなわち真球面より突出した部分）の測定や、溝とランドの幅比率測定なども行うことができる。
【００１２】
この発明において、前記被測定物は軸部の下端に軸部の他部よりも大径のフランジを有し、このフランジの前記軸部と同心の円周上に等配された複数の孔と、前記フランジに対して垂直方向に所定間隔を隔てて配置された平面上の前記複数の孔の配列円と同一円周上に所定間隔を隔てて設けられ前記孔の有無を検出する２個以上の反射型光電センサと、その反射型光電センサのアナログ出力と任意の値に設定し得る閾値との差からハイ・ロー信号を発生させるデジタル波形整形回路と、そのハイ・ロー信号の立ち上がり、立ち下りのタイミングにパルスを発生させるパルス発生回路からなり、前記孔間隔をＬ、反射型光電センサの数をＮとするとき、各反射型光電センサからの出力の立ち上がりタイミングをＬ／Ｎの間隔でずらすように反射型光電センサの円周上の間隔を設定し、前記デジタル波形整形回路の出力波形の立ち上がりをタイミングパルスとして集計し、被測定物の回転角を算出する回転角算出手段を設けても良い。
この構成によって、被測定物の回転角の分解能を高くすることができる。
【００１３】
この発明において、前記デジタル波形整形回路の閾値を調整して、ハイの波形の長さがＬ／２Ｎとなるように設定し、前記波形の立ち上がり、立ち下りのタイミングパルスを前記パルス発生回路から発生させ、前記回転角算出手段はこれらのタイミングパルスを集計して被測定物の回転角を算出するものとしても良い。
光電センサからの出力は、前記フランジにおける孔間の反射面の長さに対して光電センサのスポット径の比率が大きくなると、フランジの回転に伴うアナログ信号の出力波形が山形に近づく。この場合に、前記デジタル波形整形回路の閾値を高く設定することにより、ハイ信号波形幅を所定の短い長さに調整することができる。
【００１４】
この構成の場合に、前記フランジの前記軸部と同心の円周上に等配された複数の孔と、前記フランジに対して垂直方向に所定間隔を隔てて配置された平面上の前記複数の孔の配列円と同一円周上に所定間隔を隔てて設けられ前記孔の有無を検出する２個以上の反射型光電センサとを有する回転角検出手段を設け、前記被測定物回転手段は、前記被測定物のフランジの外周に押し当てられる回転ローラと、この回転ローラを前記フランジとの間に滑りの生じない所定低速回転で回転させるモータとでなり、このモータには回転に伴い前記回転角検出手段の出力パルスよりも十分パルス間隔の短いパルスを発生するパルス発生器を設け、前記回転角検出手段の出力パルスと前記パルス発生器の出力パルス数とを対応させて記憶する記憶部を有し、この記憶部の記憶データに基づき前記回転角算出手段の算出する被測定物の回転角を補正する回転角補正手段を設けても良い。この構成の場合、回転角度算出手段の算出する回転角に誤差があっても、その誤差を回転角補正手段で補正できるので、この点でも高精度の球面形状測定を行うことができる。
【００１５】
この発明の球面形状測定方法は、軸部の一端に球面形状部を有する被測定物を、前記軸部の中心軸回りにインデックスまたは一定速度で回転させながら、前記軸部の中心軸を含む平面内において、前記球面形状部の表面位置を非接触で測定する非接触変位計を、その軸線が前記球面形状部の中心に向く姿勢で球面形状部の中心を回動中心として連続的に回動又は回動方向にインデックスさせることにより、被測定物の表面形状を測定するものである。
この測定方法によると、接触式の測定方法の場合のようなプローブ摩耗による形状変化等の誤差がなく、非接触で球面形状を高精度に測定できる。
【発明の効果】
【００１６】
この発明の球面形状測定装置は、軸部の一端に球面形状部を有する被測定物を、前記軸部の中心軸回りに回転自在に支持する被測定物支持手段と、前記被測定物をその軸部の中心軸回りに回転させる被測定物回転手段と、前記球面形状部の表面位置を非接触で測定する非接触変位計、およびこの非接触変位計の中心軸上の所定位置を回動中心として非接触変位計を前記被測定物の軸部の中心軸を含む平面内で回動させる変位計回動手段を有する球面形状測定手段と、前記非接触変位計を少なくともその軸方向に位置調整する変位計位置調整手段、及び前記非接触変位計の回動中心に前記被測定物の軸部の中心軸を位置調整する被測定物位置調整手段を備えるため、非接触で球面形状を高精度に測定することができる。
またこの発明の球面形状測定方法は、軸部の一端に球面形状部を有する被測定物を、前記軸部の中心回りにインデックスまたは一定速度で回転させながら、前記軸部の中心軸を含む平面面内において、前記球面形状部の表面位置を非接触で測定する非接触変位計を、その軸線が前記球面形状部の中心に向く姿勢で球面形状部の中心を回動中心として連続的に回動または回動方向にインデックスさせることにより、被測定物の表面形状を測定する方法であるため、非接触で球面形状を高精度に測定することができる。
さらに前記変位計が回動する面に対して直交する方向に、前記周面支持体によって被測定物の軸部外周が支持され、且つ上記支持方向に被測定物を移動し得る構成のため、被測定物を取替え時の軸径が変化しても、前記非接触変位計を固定して被測定物の表面を計測しつつ被測定物を移動させることにより容易に効率よく被測定物の軸部中心線を変位計の回動面に一致させることができ、複数の被測定物に対しても効率よく取り替えて、且つ正確な形状測定が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
この発明の第１の実施形態を図１〜図９と共に説明する。図１は、この実施形態の球面形状測定装置における機構部の平面図と制御装置のブロック図とを組み合わせた図を示す。図２および図３は、図１の平面図を 矢印Ａ−Ａ及びＢ−Ｂの方向から見た矢視断面図をそれぞれを示す。この球面形状測定装置は、被測定物１を支持する被測定物支持手段１０、被測定物１を回転させる被測定物回転手段２０、球面形状測定手段３０、変位計位置調整手段４０、変位計位置調整制御手段６１、被測定物位置調整制御手段６８および測定制御手段６３を備える。
【００１８】
図２に示すように被測定物１は、円柱状の軸部１ｂの一端に球面形状部１ａを有し、その軸部１ｂの他端は軸部１ｂの他部よりも大径としたフランジ１ｃとされている。
被測定物支持手段１０は、図２に示すように、前記被測定物１を、その球面形状部１ａが上位置となる垂直姿勢で軸部１ｂの中心軸回りに回転自在に支持する手段である。この被測定物支持手段１０は、下端支持体１１、周面支持体１２および押し当てローラ１３を有する。下端支持体１１は、前記軸部１ｂの下端中心において被測定物１を回転自在に支持する部材であり、先端が円錐状とされ、その円錐状先端部を前記軸部１ｂの下端面の図示しないセンタ孔に係合させることで被測定物１を支持する。周面支持体１２は、図１０のように直交する２つの平面からなるＶ字状の凹部を有する平面形状が左右対称で二股状の部材であり、前記下端支持体１１の近傍に立向きに設けられた支持部材８４に固定され、被測定物１の円柱状の軸部１ｂの外周面における同一円周上の２点を支持する。押し当てローラ１３はその外周面が弾性体とされ、被測定物１の軸部１ｂに対して前記周面支持体１２とは反対側に配置されて軸部１ｂの外周面に押し当てられ、周面支持体１２とで軸部１ｂを挟んで支持する。
【００１９】
被測定物回転手段２０は、被測定物支持手段１０で支持された被測定物１をその軸部１ｂの中心軸回りに回転させる手段である。図２のように、被測定物１の軸部１ｂの下端は、軸部１ｂの他部よりも大径のフランジ１ｃとされている。被測定物回転手段２０は、被測定物１のフランジ１ｃの外周に押し当てられる回転ローラ２１と、この回転ローラ２１に直結されて回転ローラ２１を前記フランジ１ｃとの間に滑りの生じない所定の低速回転で回転させるモータ２２とでなる。
【００２０】
球面形状測定手段３０は、図３に示すように、被測定物１における球面形状部１ａの表面位置を非接触で測定する非接触変位計３１と、この非接触変位計３１の中心軸上の所定位置を回動中心として、非接触変位計３１を被測定物１の軸部１ｂの中心軸を含む平面（垂直面）内で回動させる変位計回動手段３２（図２）とで構成される。ここでは、非接触変位計３１として、測定スポット径が１００μｍ以下のレーザ変位計が用いられており、その光軸中心線が被接触変位計３１の軸線３１ａ（図２）となる。非接触変位計３１としては、そのほか静電容量方式や渦電流方式の変位計を用いても良い。
【００２１】
（図２）に示すように、球面形状測定手段３０の変位計回動手段３２は、垂直に配置されたモータ保持板３３と、出力軸３４ａがモータ保持板３３に垂直な向きとなるようにモータ保持板３３に取付けられたモータ３４と、このモータ３４の出力軸３４ａに連結されてモータ保持板３３と平行な垂直姿勢で回転する変位計支持板３５とでなる。非接触変位計３１は、その軸線３１ａがモータ３４の出力軸３４ａと直交する姿勢とされて、前記変位計支持板３５に対して前記軸線３１ａの方向に進退可能に取付けられる。
【００２２】
変位計位置調整手段４０は、非接触変位計３１をその軸線３１ａに沿う方向における測定可能な位置に位置調整する軸方向位置調整手段４１（図２）と、前記球面形状測定手段３０の全体を垂直方向および水平方向に移動させる垂直・水平移動手段４２とでなる。非接触変位計３１がレーザ変位計からなるこの実施形態の場合、測定可能な軸方向位置とは、球面形状部１ａの表面での被接触変位計３１の測定スポット径が１００μｍ以下となる軸方向位置である。
【００２３】
変位計位置調整手段４０の垂直・水平移動手段４２は、前記変位計回動手段３２のモータ保持板３３を垂直方向に移動させる上下移動テーブル４３と、この上下移動テーブル４３を水平方向に移動させる水平移動テーブル４４とでなる。上下移動テーブル４３は、前記モータ保持板３３を支持する移動板４３ａ、およびこの移動板４３ａを駆動する垂直姿勢のボールねじ４３ｂと、このボールねじ４３ｂを回転駆動するモータ４３ｃなどで構成される。水平移動テーブル４４は、前記上下移動テーブル４３を支持する支持板４４ａ、この支持板４４ａに連結された移動板４４ｂ、この移動板４４ｂを駆動する水平姿勢のボールねじ４４ｃ、このボールねじ４４ｃを回転駆動するモータ４４ｄなどで構成される。水平移動テーブル４４の固定部である筐体４４ｅは、支柱４５に支持される。この場合の水平移動テーブル４４の移動方向は、図３に示すように、非接触変位計３１が回動する垂直面と平行な方向である。
【００２４】
変位計位置調整手段４０の軸方向位置調整手段４１（図２）は、球面形状測定手段３０における変位計支持板３５に設けられる。この軸方向位置調整手段４１は、例えば非接触変位計３１を直接支持する移動テーブルと、この移動テーブルを駆動するリニアモータとで構成したり、ボールねじと回転駆動モータ（いずれも図示せず）とで構成しても良い。      
【００２５】
図２に示すように、前記被測定物支持手段１０および前記被測定物回転手段２０は、支柱８４を介してベース移動台８６に搭載される。図５に平面図で示した前記被測定物支持手段１０の周面支持体１２の被測定物１を支持する支持方向（Ｖ字状の凹部が被測定物１に対向する方向）は、前記被接触変位計３１が回動する垂直面（図５には１点鎖線および破線で示す）に対して直交する方向とされる。
これにより、この装置を組み付けたときに、図５のように装置上方から見た状態で、周面支持体１２の支持方向に延びる中心線ＣＬが、被測定物１の軸部１ｂの中心軸を通るように設定しておけば、被測定物１が取り替えられたときに、その軸部１ｂの直径が変化しても、軸部１ｂの中心軸は被接触変位計３１が回動する垂直面に直交する周面支持体１２の中心線ＣＬ上を移動するだけとなる。
【００２６】
被測定物位置調整手段８０は、前記ベース移動台８６を前記周面支持体１２の支持方向に水平移動させて、被測定物支持手段１０に支持される被測定物１の位置を調整する手段である。この被測定物位置調整手段８０は、ベース移動台８６を駆動する水平姿勢のボールねじ８１、およびこのボールねじ８１を回転駆動するモータ８２などで構成される。
【００２７】
図５で説明したように、被測定物１が取り替えられたときに、その軸部１ｂの直径が変化していても、軸部１ｂの中心軸は周面支持体１２の中心線ＣＬ上を移動するだけとなることから、前記被測定物位置調整手段８０によりベース移動台８６を水平移動させることにより、周面支持体１２をその中心線ＣＬに沿った図１０に矢印Ｐで示す方向に移動させて、軸部１ｂの中心軸を非接触変位計３１の回動する垂直面に一致させることができる。したがって、被測定物１の取り替え前に、非接触変位計３１の回動中心と球面形状部１ａの中心とが一致してれば、被測定物１が取り替えられたときにも、上記位置調整を行うことにより、球面形状部１ａの中心を非接触変位計３１の回動中心に一致させることができる。
【００２８】
この球面形状測定装置を制御する図１の制御装置６０は、図示しない制御盤に設けられる。制御装置６０は、変位計位置調整制御手段６１、被測定物位置調整制御手段６８、測定制御手段６３、回転角算出手段６４、測定値補正手段６９、および測定データ記録手段６７を備える。
【００２９】
次に、上記構成の球面形状測定装置による測定動作を、制御装置６０の各制御手段の機能とともに説明する。
先ず、被測定物１が被測定物支持手段１０に支持されると、変位計位置調整制御手段６８が変位計位置調整手段４０を制御して、上方に退避させていた被接触変位計３１を軸方向に移動させ所定の検出出力が得られる高さとなる被測定物１における球面形状部１ａの表面の上まで下降させる。その状態で、被接触変位計３１の出力を制御装置６０Ａに取り込みながら、被測定物位置調整制御手段６８が被測定物位置調整手段８０を制御することで、非接触変位計３１の出力が最大値となる位置にベース移動台８６を水平移動させて位置決めする。これにより、被測定物１における球面形状部１ａの最大径部に非接触変位計３１の測定点が位置決めされる。
【００３０】
この状態で、被測定物１を静止状態として、非接触変位計３１の出力を制御装置６０に取り込みながら、測定制御手段６３が変位計回動手段３２を制御することで、非接触変位計３１を所定角度回動させる。このとき、図６のように、被測定物１における球面形状部１ａの中心Ｏ２に対して、非接触変位計３１の回動中心Ｏ１が上にＹ0 ずれた場合に、非接触変位計３１が回動する角度に従って、非接触変位計３１の出力は被測定物１における球面形状部１ａの頂点における値から変化する。図６には、この変化量を形状測定誤差Δｒとし、各寸法と形状測定誤差等の関係を示している。同図において、形状測定誤差Δｒはハッチング部分として示されている。ここで、
ｒ0 ：変位計測定部回動半径
Ｒ：被測定物球面形状半径
ｒ：変位計回動中心と被測定物球面形状部表面との距離
θ：測定部の球面形状頂点からの角度
とすると、
Δｒ＝ｒ−ｒ0   ……（３）
Ｒ＝ｒ0 ＋Ｙ0   ……（４）
ｒ2 ＝Ｒ2 ＋Ｙ02  −２・Ｒ・Ｙ0cosθ  ……（５）
の関係式が成立し、例えばθ＝６０°では、（５）式は
ｒ2 ＝Ｒ2 ＋Ｙ02  −Ｒ・Ｙ0
となる。これから、ｒ，ｒ0 を消去すると、ずれ量Ｙ0 は、
Ｙ0 ＝Δｒ・（Δｒ ＋２・Ｒ）／（２・Δｒ＋Ｒ）  ……（６）
より求められる。
このように、非接触変位計３１を所定角度回動させたときの非接触変位計３１の出力Δｒから、被測定物１における球面形状部１ａの中心と、変位計回動中心との垂直方向の位置ずれＹ0 が求められ、これに基づいて変位計位置調整制御手段６１は、非接触変位計３１の回動中心を被測定物１における球面形状部１ａの中心に位置合わせする。
【００３１】
上記位置決めによって測定準備が完了すると、正規の球面形状測定のステップに入る。この測定では、測定制御手段６３が被測定物回転手段２０および変位計回動手段３２を制御することにより、被測定物１を回転方向にインデックスさせながら非接触変位計３１を回動させて、被測定物１における球面形状部１ａの表面形状を測定する。つまり、被測定物１を所定の回転角だけ繰り返し回転させては停止させ（回転方向にインデックス）、その停止時毎に、非接触変位計３１を球面形状部１ａの略半周分だけ回動させて表面形状を測定するという動作を繰り返す。本実施形態では、被測定物１を所定の回転角だけ繰り返し回転させては停止させるインデックスを行っているが、非接触変位計３１を回動方向にインデックスさせつつ、被測定物１を連続回転させても良い。
【００３２】
測定結果に対して、測定値補正手段６９は以下の補正処理を施す。先ず、測定時の非接触変位計３１の出力を記憶し、被測定物１における球面形状部１ａの頂点部での出力と、所定回動位置での出力との差から、測定準備段階での場合と同様にして、球面形状部１ａの中心と非接触変位計３１の回動中心との高さの差を演算する。次に、その高さの差に基づいて測定結果を補正する。このように補正されてより高精度化された結果を、測定データ記録手段６７が測定値として記録・出力する。
【００３３】
このように、この球面形状測定装置では、球面形状を非接触で測定できるため、プローブの摩耗による形状変化等の誤差がなく、高精度の球面形状測定が可能となる。非接触変位計３１として、測定スポット径が１００μｍ以下のレーザ変位計を使用する場合には、その測定スポットを球面上の所定位置に固定した状態で被測定物１を回転させ、被測定物１における球面形状部１ａの表面に形成された縦溝（真球面から凹んだ部分）やランド（凹んでいない部分）の測定や、縦溝とランドの幅比率の測定なども行うことができる。また、横溝の場合には、逆に被測定物１を回転させずに、非接触変位計３１を回動させて測定できる。
【００３４】
回転角算出手段６４は、被測定物１の下端側に設けられた回転角検出手段７０（図４）から出力されるタイミングパルスを入力して、被測定物１の回転角を算出する手段である。測定データ記録手段６７は、非接触変位計３１の測定データを、前記回転角算出手段６４で算出される被測定物１の回転角に対応付けて記録する。
【００３５】
前記回転角検出手段７０は、被測定物１における軸部１ｂの下端のフランジ１ｃの軸部１ｂと同心の円周上に等配された複数（ここではｎ＝６個）の透孔７１と、上記同心円上からの反射光を検出する複数（ここでは３個）の反射型光電センサ７３と、そのアナログ出力を取り込み任意の値に設定し得る閾値とを比較し、ハイ、ローのデジタル波形を出力するデジタル波形整形回路７５と、この波形の立ち上がりまたは立ち下りのタイミングをとらえ、タイミングパルスを発生させるパルス発生回路７４Ａ（図４）とで構成されている。この回転角検出手段７０は、各光電センサ７３に対して被測定物１が回転すると、被測定物軸部１ｂの下端のフランジ１ｃの光電センサ７３に対向する部位において、光電センサ７３が透孔７１に対向する状態が終わり反射面に対向し始めるところから、アナログ信号を発生し始める。このアナログ信号に対して、デジタル波形整形回路７５の閾値を調整することにより、ローおよびハイの波形幅を調整することができる。
【００３６】
図７は、前記回転角度検出手段７０における各出力信号の波形図の一例を示す。この波形図の例では、回転角度検出手段７０は、光電センサ７３の個数をＮ個とし、前記透孔７１間の間隔をＬとするとき、Ｌ／Ｎ（ここではＬ＝６０°，Ｎ＝３個，Ｌ／Ｎ＝２０°）の間隔毎に透孔７１の終わり部に対応して次の光電スイッチ７３から立ち上がり信号が発生するように、光電センサ７３の円周上の位置を調整している。この立ち上がり部のタイミングパルスのみをパルス発生回路７４Ａで集計することで、円周をｎＮ分割し（ここでは１８分割）、高分解能化している。
【００３７】
図８は、前記回転角度検出手段７０における各出力信号の波形図の他の例を示す。この波形図の例では、各光電センサ７３からの立ち上がり信号のタイミングは図７の場合と同様である。この例では、各光電センサ７３のハイ信号の波形幅を、デジタル波形整形回路７５の閾値を調整することによってＬ／２Ｎに調整し、各光電センサ７３の立ち上がり信号および立ち下り信号のタイミングをとらえたパルスをパルス発生回路７４Ａで集計することにより、円周方向の角度分解能を図７の場合の半分にしている。
【００３８】
なお、この球面形状測定装置において、さらに前記回転角算出手段６４で算出された被測定物１の回転角を、例えば図９にブロック図で示す構成の回転角補正手段６５により補正するようにしても良い。この回転角補正手段６５は、前記被測定物回転手段２０のモータ２２に設けられたパルス発生器７４が、モータ２２の回転に伴い発生するパルスの数を、前記回転角算出手段６４の回転角と対応させて記憶する記憶部６６を有する。この記憶部６６へのデータの書き込みは、測定開始の前に、被測定物回転手段２０を回転駆動させて行なわれる。パルス発生器７４として、前記回転角検出手段７０の出力パルスよりも十分パルス間隔の短いパルス、例えば被測定物１の１回転あたり１０００相当のパルスを発生するロータリエンコーダが用いられる。
【００３９】
このように、上記構成の回転角補正手段６５を用いて、回転角算出手段６４で算出された被測定物１の回転角を補正すると、回転角算出手段６４の算出する回転角に誤差があっても、その誤差を回転角補正手段６５で補正できるので、この点でも高精度の球面形状測定を行うことができる。
【００４０】
なお上記測定装置には、球面形状測定部に加えて、垂直姿勢で支持された被測定物に並行に支柱を設け、その支柱に垂直方向に移動し得るテーブルを設置し、この移動テーブルに、常に移動位置を検知し得るリニアエンコーダを付加し且つスリット状投光器と受光器を搭載して直径測定手段を構成しても良い。(図示せず)
上記直径測定手段においてはスリット状投光器と受光器が上記被測定物１を挟み、保持板を介して互いに対向配置されて上記垂直方向移動テーブルに設置されている。
これによって、上記被測定物の球面形状測定に加えて、直径測定機の移動テーブルを垂直方向に移動しつつ被測定物の直径及びその垂直位置を同時に測定することによって、被測定物の概観形状を測定することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】この発明の一実施形態における球面形状測定装置の機構部平面図と制御装置のブロック図とを組み合わせて示す図である。
【図２】図１の平面図における矢印Ａ−Ａ方向から見た矢視断面図である。
【図３】図１の平面図におけるＢ−Ｂ矢視断面図である。
【図４】回転角検出手段のブロック図である。
【図５】被測定物位置調整手段の動作説明図である。
【図６】変位計位置調整制御手段による位置調整の説明図である。
【図７】回転角検出手段における各出力信号の一例の波形図である。
【図８】回転角検出手段における各出力信号の他の例の波形図である。
【図９】回転角補正手段のブロック図である。
【符号の説明】
【００４２】
１…被測定物
１ａ…球面形状部
１ｂ…軸部
１ｃ…フランジ
１０…被測定物支持手段
１２…周面支持体
２０…被測定物回転手段
２１…回転ローラ
２２…モータ
３０…球面形状測定手段
３１…非接触変位計
３２…変位計回動手段
３３…モータ保持板
３４…モータ
３５…変位計支持板
４０…変位計位置調整手段
４１…軸方向位置調整手段
４２…垂直・水平移動手段
４３…上下移動テーブル
４４…水平移動テーブル
６１…変位計位置調整制御手段
６２…回動中心補正手段
６３…測定制御手段
６４…回転角算出手段
６５…回転角補正手段
６８…被測定物位置調整制御手段
６９…測定値補正手段
７０…回転角検出手段
７１…透孔
７３…光電センサ
７４…パルス発生器
７４Ａ…パルス発生回路
７５…デジタル波形整形回路
８０…被測定物位置調整手段
８６…ベース移動台
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2010085341.tif 000008
【図７】
2010085341.tif 000009
【図８】
2010085341.tif 000010
【図９】
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