(57)【要約】【課題】  真円度、真直度、直径、円筒度等の深穴精度の測定を行うことのできる深穴測定装置および深穴測定方法を提供する。【解決手段】  本発明の深穴測定装置は、上記の課題を解決するために、被測定物である深穴の内部に設置された測定装置の回転の中心軸から被加工物の内壁までの半径方向の距離を測定する変位検出手段を回転可能に構成すると共に、この変位検出手段を含めた測定装置本体の回転角度、傾きを検出する。さらに、変位検出手段からの検出信号を用いて被測定物である深穴の真円度、真直度、直径、円筒度等の深穴形状精度を一度に演算して出力する手段を有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物である深穴内面の真円度、真直度、直径、円筒度等の深穴形状精度を測定するための深穴測定装置において、被測定物である深穴の内部に設置された測定ヘッドの回転の中心軸から被加工物の内壁までの径方向の距離を測定する変位検出手段を回転可能に構成すると共に、この変位検出手段を含めた測定装置本体の回転角度、傾きを検出し、変位検出手段からの検出信号を用いて穴の精度を一度に演算して出力する手段を有し、測定装置内部のスタイラスに設置されたミラーの角度変化を用いて、回転の中心軸から被加工物の内壁までの径方向の距離を測定する変位検出手段を備えていることを特徴とする深穴測定装置。
【請求項２】
請求項１記載の深穴測定装置の前方に設置された受光用光学系のレンズの焦点距離を変化させることにより、測定装置内部のスタイラスの測定範囲、分解能等の自由な設定手段を備えていることを特徴とする深穴測定装置。
【請求項３】
請求項１記載の深穴測定装置において、測定ヘッドの回転軸線上に配置されたミラーからの反射光を請求項３記載の受光用光学系内部に設置されているＣＣＤで受光して位置を検出することで測定装置主軸の回転角度を測定する回転角度測定手段を備えていることを特徴とする深穴測定装置。
【請求項４】
請求項１記載の深穴測定装置において、測定ヘッドの回転軸線上に配置されたミラーからの反射光を請求項３記載の受光用光学系内部に設置されているＣＣＤで受光して位置を検出することで測定ヘッドの傾きを検出する傾き検出手段と、その検出手段により検出された値を用いて測定ヘッドの傾きによる測定装置内部のスタイラス位置変位、角度変化に起因する測定値誤差を補正する傾き補正手段とを備えていることを特徴とする深穴測定装置および深穴測定方法。
【請求項５】
請求項１記載の深穴測定装置の前方に設置された受光用光学系において、測定装置の発光手段から照射された光軸の傾きの変化量のみを測定する光軸傾き測定手段を備えていることを特徴とする深穴測定装置。
【請求項６】
請求項１記載の深穴測定装置において、穴壁を連続して測定し、その測定値から被加工物の真円度、真直度、直径、円筒度等の穴の精度を一度に演算して出力する演算手段を有した深穴測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、深穴加工後の穴形状精度測定を行うための深穴測定方法および測定装置に関するものである。深穴の加工例としては、射出成形機のシリンダー穴、航空機用ジェットエンジンの回転軸、新幹線の車軸、加速管、原子炉試験片照射用キャプセル等がある。
【背景技術】
【０００２】  様々な工業分野で直径５０ｍｍ以上、深さ数ｍから十数ｍの高精度な深穴が加工されている。最近の加工の要求精度は高く、それに伴い高精度測定が必要とされている。しかし、穴深さが、１ｍ以上の深穴になると従来の測定器では対応できず、確立された方法は存在しない。現状では、真直度はオートコリメータまたは超音波厚み計で穴壁の厚みを測ることにより、真円度は真円度測定器（例えば、非特許文献１参照。穴深さ１ｍ以下で穴の内周に測定子の挿入が可能な場合に限る）で、直径はシリンダーゲージで測定している。実際の加工現場ではこれらの器具を用いて手動測定しているが、ポイント測定の為に穴形状の正確な評価ができない。また、作業時間の増大を招く、測定に熟練が要求される、穴が深くなると測定器具の設置が困難になり測定不可能になる等の問題が生じる。【０００３】  従来、これらの問題点解決のため、深穴測定方法が提案されている。例えば、変位の検出手段に複数の非接触式変位計を用いたものがある（例えば特許文献１参照）。また、測定子にローラ測定子を用いたもの（例えば特許文献２参照）、変位の検出手段にレーザ式距離計等の非接触式センサを用いたもの（例えば特許文献３参照）、変位の検出手段に電気マイクロメータを用いたものがある（例えば特許文献４参照）。【０００４】  上記特許文献１に開示された真円度測定器は、測定器を穴内壁に沿って移動させ、任意の位置で固定し測定子を穴内壁に沿って回転させることにより真円度を測定する。特許文献２では、ストレートゲージに複数の非接触式変位計を設置し、それを穴に挿入することにより穴の真直度を測定する。特許文献３に開示された深穴測定装置は、測定プローブを被加工物の穴内壁に沿って回転させ、被加工物を固定した送り台を深さ方向に送ることにより深穴精度を測定する。また、上記特許文献４も同様の方法で深穴精度を測定する。特許文献３ではプローブのスタイラスにレーザ式距離計等の非接触式センサを用いており、特許文献４では電気マイクロメータを用いている。特許文献３、４では、深穴評価プローブによる高精度な深穴評価を可能にするために、圧電アクチュエータによって適正な姿勢に修正するように制御する制御装置とを備えている。
【非特許文献１】「ミツトヨ  精密測定機器・総合カタログ  ＮＯ．１３」
【特許文献１】特開平６−２１３６７
【特許文献２】特開２０００−２９２１６１
【特許文献２】特許３３３７９９６
【特許文献３】特開２００３−１５９６０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  しかしながら、特許文献１では測定子にローラ測定子を用いているために真円度のみの測定しかできない。特許文献２ではストレートゲージに設置されている複数の非接触センサの検出値およびゲージ長により穴精度を計算するために真直度のみの測定となる。特許文献３では穴壁の検出手段に非接触式のセンサを用いているために、穴壁の材質、反射率、粗さ、油の付着等による表面状態に測定値が大きく影響する可能性がある。また、穴壁の周方向の横分解能は、センサの測定スポット径に依存するために高精度な測定が難しくなる。特許文献４では、電気マイクロメータで穴壁を走査しているが、検出信号を回転する検出ユニットの送信アンテナから、測定プローブ前方の受信アンテナへ電波で送信している為に送信アンテナと受信アンテナの距離に制限がある。また、電気マイクロメータの測定倍率をあげる際に、穴に偏心または傾きがある場合これが大きく拡大されスケールアウトになる等の問題が発生する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】    上記の課題を解決するための請求項１の発明は、被測定物である深穴の真円度、真直度、直径、円筒度等の深穴形状精度を測定するための深穴測定装置において、被測定物である深穴の内部に設置された測定ヘッドの回転の中心軸から被加工物の内壁までの半径方向の距離を測定する変位検出手段を回転可能に構成すると共に、この変位検出手段を含めた測定装置本体の回転角度、傾きを検出し、変位検出手段の検出信号を用いて穴の精度を一度に演算して出力する手段を有するものである。また、測定装置内部のスタイラスに設置されたミラーの角度変化を用いて、回転の中心軸から被加工物の内壁までの半径方向の距離を測定する変位検出手段を備えていてもよい。【０００７】  請求項２の発明は、請求項１記載の深穴測定装置の前方に設置された受光用光学系のレンズの焦点距離を変化させることにより、測定装置内部のスタイラスの測定範囲、分解能等の自由な設定手段を備えていてもよい。【０００８】  請求項３の発明は、請求項１記載の深穴測定装置において、測定ヘッドの回転軸線上に配置されたミラーからの反射光を請求項３記載の受光用光学系内部に設置されているＣＣＤで受光して位置を検出することで測定装置主軸の回転角度を測定する回転角度測定手段を備えていてもよい。【０００９】  請求項４の発明は、請求項１記載の深穴測定装置において、測定ヘッドの回転軸線上に配置されたミラーからの反射光を請求項３記載の受光用光学系内部に設置されているＣＣＤで受光して位置を検出することで測定ヘッドの傾きを検出する傾き検出手段と、その検出手段により検出された値を用いて測定ヘッドの傾きによる測定装置内部のスタイラス位置変位、角度変化に起因する測定値誤差を補正する傾き補正手段とを備えていてもよい。【００１０】  請求項５の発明は、請求項１記載の深穴測定装置の前方に設置された受光用光学系において、測定装置の発光手段から照射された光軸の傾きの変化量のみを測定する光軸傾き測定手段を備えていてもよい。【００１１】  請求項６の発明は、請求項１記載の深穴測定装置において、穴壁を連続して測定し、その測定値から被加工物の真円度、真直度、直径、円筒度等の穴の精度を一度に演算して出力する演算手段を有する。
【発明の効果】
【００１２】  以上の構成を有する請求項１の発明においては、移動手段に取り付けられた測定装置が、移動手段により所望の測定位置まで移動し、測定装置が所望の測定位置に達すると、主軸駆動手段により主軸を回転させ、変位検出手段を回転させる。変位検出手段は各方向における被測定物である深穴内面の半径方向の変位を検出する。さらに、回転角度検出手段により主軸の回転角度、傾き量検出手段により測定装置の傾き量を検出する。これらのデータから、被測定物である深穴内面の真円度、真直度、直径、円筒度等の深穴形状精度を一度に高精度に求めることができる。【００１３】  さらに、測定ヘッドが取り付けられた主軸の回転によって測定ヘッドが回転すると、被測定物である深穴内面の変位に応じてスタイラスに取り付けられた反射ミラーの傾きが変化するため、受光用光学系によって反射ミラーの傾き量が変化する。このようにして、各方向における被測定物である深穴内面の半径方向の変位を容易に検出でき、高い精度で被測定物内面の真円度、真直度、直径、円筒度等の穴の複数の精度を測定することができる。また、受光用光学系は反射ミラーの傾きのみを検出するために、測定する被測定物の深穴の深さが変化した場合においても、深穴内面の半径方向の変位が変化しない限り受光用光学系の検出値は変化することはない。つまり、穴の深さに関係なく高精度な測定が可能となる。さらに、スタイラスに取り付けられているのは薄い反射ミラーのみであり軽量に構成することが可能で、スタイラスと反射ミラーは回転軸を重心としているため応答性が良い構成にすることが可能である。【００１４】  以上の構成を有する請求項２の発明においては、受光用光学系内に設置されているレンズの焦点距離を変化させることにより、スタイラスに取り付けられたミラー角度の検出範囲を変えることが可能である。これにより、測定対象である深穴の直径、要求精度に応じたスタイラスの測定範囲および分解能を設定することができる。【００１５】  以上の構成を有する請求項３の発明においては、回転軸線上に取り付けられたミラーをあらかじめ受光用光学系に対して傾けて設置しておくことにより、測定ヘッドが取り付けられた主軸の回転によって測定ヘッドが回転すると、回転軸線上に取り付けられたミラーの傾きが連続して変化し、受光用光学系に設置されているＣＣＤ上の検出値も連動して変化する。その変化量から測定ヘッドが取り付けられた主軸の回転角度を検出することが可能になる。これにより、被測定物である深穴内面の円周方向の測定位置の検出ができ、真円度、真直度、円筒度などの穴精度を正確に求めることができる。また、測定ヘッドが取り付けられた主軸に、エンコーダ等の回転角度検出装置を設置する必要がないため、シンプルな装置構成が可能になる。【００１６】  以上の構成を有する請求項４の発明においては、被測定物である深穴の深さが大きくなると測定ヘッドの自重により、測定ヘッドが取り付けられた主軸がたわみことで測定ヘッドが深穴内面に対して傾くことが想定されるが、回転軸線上に配置されたミラーの傾きを受光用光学系で検出することにより、測定ヘッドの傾き量を検出することが可能である。この検出した傾き量から、測定ヘッドの傾き��起因する測定誤差を補正することができ、正確な穴の精度を求めることができる。【００１７】  以上の構成を有する請求項５の発明においては、受光用光学系にはレンズとＣＣＤが内蔵されており、発光手段から照射される光軸が傾くと、ＣＣＤ上の光スポット像が変位する。つまり、光軸に傾きが生じない限りはＣＣＤ上の光スポット像が変位しない構成にされている。これにより、測定する被測定物の深穴の深さが変化した場合においても、深穴内面の半径方向の変位や、測定装置の傾きによる反射ミラーの傾きが変化しない限り受光用光学系の検出値は変化することはない。【００１８】  以上の構成を有する請求項６の発明においては、変位検出手段、回転角度検出手段および測定ヘッドの傾き検出手段からの測定データを取り入れて、演算手段が被測定物である深穴の真円度、真直度、直径、円筒度等の複数の穴精度を自動的に算出し、表示手段が得られた結果を表示する。したがって、測定者は自らデータ処理を行うことがなく、被測定物である深穴の複数の穴精度を容易に把握することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】  以下には、本発明を適用した深穴の形状精度測定器の代表的な実施の形態について、図１、図２、図３、図４を参照しながら具体的に説明する。本実施の形態は請求項１〜６を包含するものであり、図１は深穴の形状精度測定器の断面、図２は変位検出手段の変位状態、図３は回転角度検出手段の変位状態、図４は傾き検出手段の変位状態を示している。また、図１〜４は説明のために、測定の対象となる被加工物である深穴は断面で示されている。【００２０】  図１に示すように、本実施の形態に係る深穴の形状精度測定器は、深穴加工機等の主軸１３に測定ヘッド１を取り付けて用いる。測定ヘッド１には、発光手段３、コリメートレンズ４、偏光フィルタ５、偏光ビームスプリッタ６、１／４λ波長板７ａ、７ｂ、測定スタイラス９ａに取り付けられた反射ミラー８ｂ、回転主軸軸線上に設置された反射ミラー８ａからなる光学系が内蔵されている。発光手段３としては、レーザ光源が使用され、好適には半導体レーザを使用する。【００２１】  受光用光学系１０は、レンズ１１、ＣＣＤ１２で構成されており、測定ヘッド１から照射されるレーザ光等を受光する。本実施の形態に係る深穴の形状精度測定器は、上記測定ヘッド、受光用光学系からなる。【００２２】  半導体レーザ等の発光手段３から主軸軸線に直交するように射出されたレーザ光はコリメートレンズ４によりコリメートされ偏向ビームスプリッタ６の偏光方向と偏光フィルタ５の偏光方向にある角度を持たせて設置された偏光フィルタ５により直線偏光される。直線偏光されたレーザ光を偏光ビームスプリッタ６に入射し、偏光ビームスプリッタ６を透過する透過レーザ光（反射ミラー８ｂの方向）及び偏光ビームスプリッタ６により反射される反射レーザ光（反射ミラー８ａの方向）の２方向に分割される。分割されたレーザ光は１／４λ波長板７ａ、７ｂにより円偏光に変換され、反射ミラー８ａ、反射ミラー８ｂで反射され、再度偏光ビームスプリッタ６に入射する。再入射したレーザ光の偏光方向は１／４λ波長板７ａ、７ｂを通過する前の偏光方向から９０度回転しているために、透過レーザ光は偏光ビームスプリッタ６により反射され、反射レーザ光は偏光ビームスプリッタ６を透過し、測定ヘッド前方（受光用光学系の方向）に設置された受光用光学系に照射される。【００２３】  受光用光学系は、レンズ１１、ＣＣＤ１２で構成されており、測定ヘッドから照射されるレーザ光を受光する。受光用光学系は、オートコリメータと同じ原理から構成されており、測定ヘッドから照射されるレーザ軸が傾くと、ＣＣＤ上のレーザスポット像が変位する（Ｄ１、Ｄ２）。ＣＣＤ上のレーザスポット像の座標の計算は次のように行う。ＣＣＤ上の座標（ｘ，ｙ）における画素値をＣ［ｘ］［ｙ］、全画素値の総和をＷとすると、画像の重心（ｇｘ，ｇｙ）は、（ｇｘ，ｇｙ）＝１／ｗ＊ΣΣＣ［ｘ］［ｙ］（ｘ，ｙ）で表すことができる。この重心をＣＣＤ上レーザスポット像の座標とする。【００２４】  続いて、変位検出の方法について図２を参照しながら具体的に説明する。測定ヘッド１が取り付けられた主軸１３の回転によって測定ヘッドが回転すると、被測定物である深穴内面の変位に応じて変位ｄが生じ、それに連動し��反射ミラー８ｂに傾きが生じ反射ミラー８ｃの状態になる。これにより、ＣＣＤ１２上のレーザスポット像が変位（Ｄ１＝２ｆθ１）するために、穴壁の変位ｄを求めることができる。【００２５】  続いて、回転角度検出の方法について図３を参照しながら具体的に説明する。回転主軸軸線上に取り付けられた反射ミラー８ｄはあらかじめ軸の回転面からθ２傾けた状態で設置する。この場合、反射ミラー８ｄから反射されたＣＣＤ１２上のレーザスポット像はＤ２変位した状態である。ここで、測定ヘッド１が取り付けられた主軸１３の回転によって測定ヘッドが回転すると、ＣＣＤ１２上のレーザスポット像はＣＣＤ１２上で半径Ｄ２の円を描きながら回転する。この検出値を用いて測定ヘッド１が取り付けられた主軸の回転角度を検出することができる。【００２６】  続いて、測定ヘッド１の傾き検出の方法について図４を参照しながら具体的に説明する。被測定物である深穴の深さが大きくなると測定ヘッド１の自重により、測定ヘッド１が取り付けられた主軸１３がたわみ測定ヘッド１が深穴内面に対してθ３傾くとする。これを、回転軸線上に配置された反射ミラー８ａの傾きを受光用光学系で検出することにより、測定ヘッドの傾き量θ３を検出することが可能である。この検出した傾き量から、測定ヘッドの傾きに起因する測定値誤差を補正することができ、正確な穴の精度を求めることができる。【００２７】  なお、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、他にも本発明の範囲内で適宜変更可能である。例えば、前記実施の形態では測定ヘッドを主軸に取り付けて使用しているが、主軸の代わりに回転駆動機構と移動機構を有するジグあるいは回転駆動機構を有するジグに取り付け可能な構成にすることも可能である。このように構成した場合には深穴加工機が設置されていない場所でも本測定ヘッドを使用することができ、携帯が可能となる。また、主軸の長さに関係なく無限に深い穴の測定ができる。【００２８】  同様に、変位検出手段の具体的な構成についても、スタイラス９ａと反射ミラー８ｂを使用した構成に限定されるものではなく、被測定物である深穴内面２の半径方向の変位を検出できる構成であれば、任意の手段を使用可能である。また、前記変位検出手段を半径方向に位置を調整可能な構成にすることも可能である。このように構成した場合には、広範囲の基準内径寸法に対して同じ測定器を使用することができ、実用性に優れている。【００２９】  また、本実施形態では、測定ヘッド内部に発光手段３を設ける実施例を示したが、外部に発光手段を設ける構成にしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】  本発明による代表的な実施の形態の係る深穴の形状精度測定器を示す側面図。
【図２】  変位検出手段の原理図。
【図３】  回転角度検出手段の原理図。
【図４】  測定ヘッドの傾き検出手段の原理図。
【符号の説明】
【００３１】１・・・測定ヘッド
２・・・深穴断面
３・・・発光手段（レーザ等）
４・・・コリメートレンズ
５・・・偏光フィルタ
６・・・偏光ビームスプリッタ
７ａ、７ｂ・・・１／４λ波長板
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ・・・反射ミラー
９ａ、９ｂ・・・スタイラス
１０・・・受光用光学系
１１・・・レンズ
１２・・・ＣＣＤ
１３・・・主軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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