(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物（１）と接触する接触子（２）を極めて低い摺動抵抗で被測定物へ向かい移動可能に支持しかつこれを被測定物に向けて微小荷重で付勢するプローブヘッド（１０）と、接触子の変位を非接触で高精度に計測する変位測定装置（２０）とを備え、
前記プローブヘッド（１０）は、一端（１２ａ）に接触子が取り付けられ段差部（１１ａ）を有する細長いプローブシャフト（１２）と、プローブシャフトを支持する第１および第２の気体軸受（１４ａ，１４ｂ）と、前記段差部に第２の加圧気体を供給することで前記プローブシャフト（１２）を被測定物に向けて前進方向に付勢する第１の気体供給手段（１６ａ）と、を備え、
第１および第２の気体軸受は、半径方向の剛性が高く、かつ第１の加圧気体によりプローブシャフトを浮遊させて摺動抵抗を低減するようになっており、
第１の気体軸受（１４ａ）は第２の気体軸受（１４ｂ）よりもプローブシャフト（１２）の前方側に位置しており、前記段差部（１１ａ）は第１の気体軸受（１４ａ）と第２の気体軸受（１４ｂ）との間に位置しており、
前記プローブシャフト（１２）は、第２の気体軸受（１４ｂ）よりも後方側において、プローブシャフト（１２）の軸径よりも大きい軸径を有する拡径部を有し、プローブシャフト（１２）と第２の気体軸受（１４ｂ）との間の径方向ギャップからプローブシャフトの後方側へ排気された第１の加圧気体が前記拡径部をプローブシャフトとともに後進方向へ付勢する戻り力を発生するように、前記プローブシャフト（１２）と第１および第２の気体軸受との間の径方向ギャップの差、および、前記拡径部の軸径が設定されている、ことを特徴とする触針式形状測定センサ。
【請求項２】
被測定物（１）と接触する接触子（２）を極めて低い摺動抵抗で被測定物へ向かい移動可能に支持しかつこれを被測定物に向けて微小荷重で付勢するプローブヘッド（１０）と、接触子の変位を非接触で高精度に計測する変位測定装置（２０）とを備え、
前記プローブヘッド（１０）は、一端（１２ａ）に接触子が取り付けられ第１および第２の段差部（１１ａ，１１ｂ）を有する細長いプローブシャフト（１２）と、前記プローブシャフトを支持する気体軸受（１４ａ，１４ｂ）と、前記第１の段差部（１１ａ）に第２の加圧気体を供給することでプローブシャフトを前進方向に付勢する第１の気体供給手段（１６ａ）と、前記第２の段差部（１１ｂ）に第３の加圧気体を供給することでプローブシャフトを後進方向に付勢する第２の気体供給手段（１６ｂ）と、を備え、
前記気体軸受は、半径方向の剛性が高く、かつ第１の加圧気体によりプローブシャフトを浮遊させて摺動抵抗を低減するようになっており、前記第１および第２の気体供給手段は、前記第１および第２の段差部に第２および第３の加圧気体をそれぞれ供給しその圧力によりプローブシャフトの被測定物へ向かう付勢力を微小荷重に保持する、ことを特徴とする触針式形状測定センサ。
【請求項３】
前記プローブシャフトの被測定物へ向かう付勢力は、約１０ｍｇｆ以上，約５００ｍｇｆ以下である、ことを特徴とする請求項１または２に記載の触針式形状測定センサ。
【請求項４】
前記変位測定装置（２０）は、プローブシャフトの他端（１２ｂ）に設けられた反射鏡（２１）と、該反射鏡に間隔を隔てて対向する放射端面（２２ａ）を有する光ファイバ（２２）と、該光ファイバを通してレーザー光を前記反射鏡に向けて放射し反射鏡と放射端面からの反射光から反射鏡の位置を測定するレーザ干渉変位計（２４）と、を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の触針式形状測定センサ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の触針式形状測定センサを搭載し、数値制御によりこれを被測定物に対して相対運動させ、これにより加工した被加工物を取り外すことなく形状測定を行う、ことを特徴とするＮＣ加工装置。
【請求項６】
前記ＮＣ加工装置は、各数値制御軸の座標値と触針式形状測定センサの出力信号をリアルタイムに機外に出力するインターフェースを備える、ことを特徴とする請求項５に記載のＮＣ加工装置。
【請求項７】
被測定物（１）と接触する接触子（２）を、段差部（１１ａ）を有する細長いプローブシャフト（１２）の一端（１２ａ）に取り付け、
第１および第２の気体軸受（１４ａ，１４ｂ）に第１の加圧気体を供給することで、該プローブシャフトを極めて低い摺動抵抗で軸方向に移動可能に支持しながら同時に半径方向に高い剛性で支持し、
前記段差部に第２の加圧気体を供給しその圧力によりプローブシャフトの被測定物へ向かう付勢力を微小荷重に保持し、接触子の被測定物へ向かう変位をレーザ干渉変位計（２４）を用いて非接触に計測し、
第１の気体軸受（１４ａ）は第２の気体軸受（１４ｂ）よりもプローブシャフト（１２）の前方側に位置しており、前記段差部（１１ａ）は第１の気体軸受（１４ａ）と第２の気体軸受（１４ｂ）との間に位置しており、
前記プローブシャフト（１２）は、第２の気体軸受（１４ｂ）よりも後方側において、プローブシャフト（１２）の軸径よりも大きい軸径を有する拡径部を有し、プローブシャフト（１２）と第２の気体軸受（１４ｂ）との間の径方向ギャップからプローブシャフトの後方側へ排気された第１の加圧気体が前記拡径部をプローブシャフトとともに後進方向へ付勢する戻り力を発生するように、前記プローブシャフト（１２）と第１および第２の気体軸受との間の径方向ギャップの差、および、前記拡径部の軸径が設定されている、ことを特徴とする形状測定方法。
【請求項８】
被測定物（１）と接触する接触子（２）を、第１および第２の段差部（１１ａ，１１ｂ）を有する細長いプローブシャフト（１２）の一端（１２ａ）に取り付け、
気体軸受（１４ａ，１４ｂ）に第１の加圧気体を供給することで、該プローブシャフトを極めて低い摺動抵抗で軸方向に移動可能に支持しながら同時に半径方向に高い剛性で支持し、
前記第１の段差部（１１ａ）に第２の加圧気体を供給することでプローブシャフトを前進方向に付勢し、前記第２の段差部（１１ｂ）に第３の加圧気体を供給することでプローブシャフトを後進方向に付勢し、
前記第１および第２の段差部に第２および第３の加圧気体をそれぞれ供給しその圧力によりプローブシャフトの被測定物へ向かう付勢力を微小荷重に保持し、接触子の被測定物へ向かう変位をレーザ干渉変位計（２４）を用いて非接触に計測する、ことを特徴とする形状測定方法。
【請求項９】
請求項１〜４のいずれかに記載の触針式形状測定センサをＮＣ加工装置内に搭載し、数値制御により触針式形状測定センサを被測定物に対して相対運動させ、これにより加工した被加工物を取り外すことなく形状測定を行う、ことを特徴とする形状測定方法。
【請求項１０】
前記形状測定方法は、前記ＮＣ加工装置の各数値制御軸から直接機外に出力された各軸の座標値と、前記触針式形状測定センサから出力された出力信号をリアルタイムで処理することにより、前記ＮＣ加工装置を静止させることなく被測定物の形状を測定する、ことを特徴とする請求項９に記載の形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
発明の背景発明の技術分野
本発明は、触針式形状測定センサとこれを用いたＮＣ加工装置および形状測定方法に関する。
関連技術の説明
加工機上で被加工物の形状を測定する技術、いわゆる機上計測技術は、高精度加工を行う上で必要不可欠である。この機上計測技術は、被加工物の着脱の際の位置決め誤差を無くすことで加工精度を向上させるばかりでなく、その際の段取りの手間を省いて加工能率の向上と自動化を同時に達成することができる。
被加工物の形状を測定する装置として、測定プローブの先端を被加工物の表面に接触させてその形状を測定する触針式形状測定センサが、従来から知られている。かかる触針式形状測定センサは、測定プローブの位置検出手段により、アナログ式とデジタル式に大別することができる。
アナログ式の形状測定センサ、例えば電気マイクロメータは、測定プローブの変位量を、差動トランスの電圧変化、静電容量変化、歪ゲージの抵抗変化等によりアナログ式に電気量に変換するものである。しかし、アナログ式であるため、電気的ドリフトが大きく、かつ検出出力の直線性が悪いため、１００μｍ程度の移動距離において０．１μｍ程度のサブミクロン精度は到底得られない欠点がある。
これに対して、デジタル式の形状測定センサ、例えばデジタルマイクロメータは、測定プローブの変位量を、光学式スケール、磁気スケール、或いは干渉測長光学系によってデジタル式に測定するものであり、最高で１０ｎｍ程度の高分解能が可能である利点がある。
しかし、デジタル式の形状測定センサであっても、その測定プローブはリニアボールベアリング又はエアースライドで軸方向に移動可能に支持され、かつバネや空気圧でプローブを被測定物に向けて予圧を加えるようになっている。そのため、プローブの位置変化により測定圧が変動し、かつその測定圧が大き過ぎ、更にその測定圧を自由に調整することができない問題点があった。
すなわち、バネによる予圧は最小で約１０ｇｆ程度であり高精度を得るためには大きすぎ、かつプローブ変位によりバネ力が変化して測定圧が変動するので、測定誤差が大きくなる問題点があった。また、空気圧による予圧では空気圧を下げて測定圧を下げることができるが最小でも約１ｇｆ程度にすぎず、かつ空気圧を下げるとエアースライドの剛性自体が低下してしまい、プローブの傾きが大きくなり、測定誤差が増大する問題点がある。そのため、デジタル式であっても、０．１μｍ程度のサブミクロン精度は得られなかった。
なお、サブミクロンの高精度を得るためには、測定圧が低いほど望ましく（好ましくは、約５００ｍｇｆ以下）、一方測定時の飛び跳ねによる精度低下を防ぐためには、測定圧を任意に調整できることが望ましい、ことが解析の結果明らかになった。
この要望を満たすために、図１に例示する高精度形状測定装置が開発されている。この形状測定装置は、測定力が最小で約５０ｍｇｆと極めて小さく、かつ測定プローブの変位をレーザ干渉計により測定することにより、約０．１μｍの測定精度を達成している。しかし、この装置では、図に示すように、可動ミラー、プリズム等の多数の光学素子を必要とし、形状測定装置自体が非常に大型でデリケートなものとなるため、機上計測のために加工機上に取り付けることができない問題点があった。
また、上述した触針式形状測定センサを従来のＮＣ加工装置に取り付けた場合、パーソナルコンピュータ等でＮＣ制御装置へ測定点毎に位置指令を出し、その指令点で一定時間静止させ位置決めが安定したと思われるところで形状測定センサからの出力を取り込んで被測定物の形状を測定することになる。しかし、この手段では、指令点での静止・位置決めのための待ち時間の累積により、その中間点の測定ができず、多数の指令点を必要とし、測定に多くの時間がかかる問題点があった。
発明の要約
本発明は上述した種々の問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、電気的ドリフトが少なく、検出出力の直線性が良く、プローブの位置変化による測定圧の変動が少なく、プローブの軸受剛性を低下させることなく測定圧を微小荷重に一定に調整することができ、かつ測定圧を自由に変化させることができ、これにより０．１μｍ程度のサブミクロン精度を得ることができ、かつ小型化が可能であり容易に機上計測に適用できる触針式形状測定センサとこれを用いたＮＣ加工装置および形状測定方法を提供することにある。
また、本発明の別の目的は、上述した触針式形状測定センサを用いて、待ち時間を低減し、かつ指令点間の測定ができ、これにより必要な指令点を低減し測定時間を短縮することができるＮＣ加工装置および形状測定方法を提供することにある。
本発明によれば、被測定物（１）と接触する接触子（２）を極めて低い摺動抵抗で被測定物へ向かい移動可能に支持しかつこれを被測定物に向けて微小荷重で付勢するプローブヘッド（１０）と、接触子の変位を非接触で高精度に計測する変位測定装置（２０）とを備え、前記プローブヘッド（１０）は、一端（１２ａ）に接触子が取り付けられ段差部（１１ａ）を有する細長いプローブシャフト（１２）と、プローブシャフトを支持する第１および第２の気体軸受（１４ａ，１４ｂ）と、前記段差部に第２の加圧気体を供給することで前記プローブシャフト（１２）を被測定物に向けて前進方向に付勢する第１の気体供給手段（１６ａ）と、を備え、第１および第２の気体軸受は、半径方向の剛性が高く、かつ第１の加圧気体によりプローブシャフトを浮遊させて摺動抵抗を低減するようになっており、第１の気体軸受（１４ａ）は第２の気体軸受（１４ｂ）よりもプローブシャフト（１２）の前方側に位置しており、前記段差部（１１ａ）は第１の気体軸受（１４ａ）と第２の気体軸受（１４ｂ）との間に位置しており、前記プローブシャフト（１２）は、第２の気体軸受（１４ｂ）よりも後方側において、プローブシャフト（１２）の軸径よりも大きい軸径を有する拡径部を有し、プローブシャフト（１２）と第２の気体軸受（１４ｂ）との間の径方向ギャップからプローブシャフトの後方側へ排気された第１の加圧気体が前記拡径部をプローブシャフトとともに後進方向へ付勢する戻り力を発生するように、前記プローブシャフト（１２）と第１および第２の気体軸受との間の径方向ギャップの差、および、前記拡径部の軸径が設定されている、ことを特徴とする触針式形状測定センサが提供される。
また、本発明によれば、被測定物（１）と接触する接触子（２）を極めて低い摺動抵抗で被測定物へ向かい移動可能に支持しかつこれを被測定物に向けて微小荷重で付勢するプローブヘッド（１０）と、接触子の変位を非接触で高精度に計測する変位測定装置（２０）とを備え、前記プローブヘッド（１０）は、一端（１２ａ）に接触子が取り付けられ第１および第２の段差部（１１ａ，１１ｂ）を有する細長いプローブシャフト（１２）と、前記プローブシャフトを支持する気体軸受（１４ａ，１４ｂ）と、前記第１の段差部（１１ａ）に第２の加圧気体を供給することでプローブシャフトを前進方向に付勢する第１の気体供給手段（１６ａ）と、前記第２の段差部（１１ｂ）に第３の加圧気体を供給することでプローブシャフトを後進方向に付勢する第２の気体供給手段（１６ｂ）と、を備え、前記気体軸受は、半径方向の剛性が高く、かつ第１の加圧気体によりプローブシャフトを浮遊させて摺動抵抗を低減するようになっており、前記第１および第２の気体供給手段は、前記第１および第２の段差部に第２および第３の加圧気体をそれぞれ供給しその圧力によりプローブシャフトの被測定物へ向かう付勢力を微小荷重に保持する、ことを特徴とする触針式形状測定センサが提供される。
プローブヘッド（１０）により、接触子（２）を極めて低い摺動抵抗で移動可能に支持しかつこれを被測定物に向けて付勢することにより、接触子を被測定物の表面に微小荷重（約５００ｍｇｆ以下）で接触させながらその表面に沿って正確に倣うことができる。更に、変位測定装置（２０）により接触子の変位を非接触で高精度に計測することにより、０．１μｍ程度のサブミクロン精度を得ることができる。
また、一端（１２ａ）に接触子が取り付けられた細長いプローブシャフト（１２）を気体軸受（１４ａ，１４ｂ）で支持し、かつこの気体軸受の半径方向の剛性を高くし、第１加圧気体（例えば圧縮空気）でプローブシャフトを浮遊させることにより、接触子の摺動抵杭によるプローブシャフトの傾きを防止しながら、極めて低い摺動抵抗で被測定物へ向けて移動可能に支持することができ、計測誤差の増大を防止することができる。また、プローブシャフトに段差（１１ａ，１１ｂ）を設け、気体供給手段（１６ａ，１６ｂ）で段差部に第２又は第３又はその両方の加圧気体（例えば別の圧縮空気）を供給することにより、段差部の面積差により発生する被測定物へ向かう付勢力を所定範囲の微小荷重に一定に保持することができる。
従って、段差部の面積差により被測定物へ向かう付勢力を発生させるので電気的ドリフトがまったくない。また、プローブシャフトを浮遊させる第１加圧気体とは独立して被測定物へ向かう付勢力を発生させるための第２又は第３又はその両方の加圧気体を供給するので、プローブの軸受剛性を低下させることなく測定圧を微小荷重に一定に調整することができる。更に、被測定物へ向かう付勢力が段差部の圧力に比例し、またバネ等を用いないのでプローブの位置変化による測定圧の変動をなくすることができ、検出出力の直線性が良くなりかつ第２又は第３又はその両方の加圧気体の圧力により測定圧を自由に変化させることができる。
前記プローブシャフトの被測定物へ向かう付勢力は、約１０ｍｇｆ以上，約５００ｍｇｆ以下であることが好ましい。被測定物へ向かう付勢力が約５００ｍｇｆを超えると、被測定物との摺動抵抗が増大し、プローブシャフトの傾きが大きくなって０．１μｍ程度のサブミクロン精度が得られなくなる。また、約１０ｍｇｆ未満になると、接触子の飛び跳ねが起こりやすくなり、計測速度が大幅に遅くなる。
前記変位測定装置（２０）は、プローブシャフトの他端（１２ｂ）に設けられた反射鏡（２１）と、該反射鏡に間隔を隔てて対向する放射端面（２２ａ）を有する光ファイバ（２２）と、該光ファイバを通してレーザー光を前記反射鏡に向けて放射し反射鏡と放射端面からの反射光から反射鏡の位置を測定するレーザ干渉変位計（２４）と、を備える。
この構成により、レーザ干渉変位計（２４）により反射鏡（２１）の位置を０．１μｍの高精度で測定することができる。また、光ファイバ（２２）を通してレーザー光を反射鏡に向けて放射するので、プローブヘッド（１０）及びレーザ干渉変位計（２４）の可動部分を小型にできる。またプローブシャフト（１２）を軽量化することが可能であるため、測定時の応答速度が向上し高速に測定することができる。
また、レーザ干渉変位計本体をプローブヘッドから離して設置することが可能であるため、発熱による計測器の変形を抑えることができ、高精度測定が可能となる。
また、本発明によれば、上述した触針式形状測定センサを搭載し、数値制御によりこれを被測定物に対して相対運動させ、これにより加工した被加工物を取り外すことなく形状測定を行う、ことを特徴とするＮＣ加工装置が提供される。
この構成によれば、０．１μｍ程度のサブミクロン精度を得ることができかつ小型化が可能な触針式形状測定センサをＮＣ加工装置の機上に備えるので、機上計測が可能となり、被加工物の着脱の際の位置決め誤差を無くして加工精度を向上させ、かつその際の段取りの手間を省いて加工能率の向上と自動化を同時に達成することができる。
本発明の好ましい実施形態によれば、前記ＮＣ加工装置は、各数値制御軸の座標値と触針式形状測定センサの出力信号をリアルタイムに機外に出力するインターフェースを備える。
上記構成により、触針式形状測定センサを被測定物に倣って移動させながら、インターフェースを介して各数値制御軸の座標値と触針式形状測定センサの出力信号をリアルタイムに機外のコンュピータ等に取り込むことができ、ＮＣ制御装置の指令点での静止・位置決めをなくし、かつ指令点を低減して測定時間を短縮することができる。
更に本発明によれば、被測定物（１）と接触する接触子（２）を、段差部（１１ａ）を有する細長いプローブシャフト（１２）の一端（１２ａ）に取り付け、第１および第２の気体軸受（１４ａ，１４ｂ）に第１の加圧気体を供給することで、該プローブシャフトを極めて低い摺動抵抗で軸方向に移動可能に支持しながら同時に半径方向に高い剛性で支持し、前記段差部に第２の加圧気体を供給しその圧力によりプローブシャフトの被測定物へ向かう付勢力を微小荷重に保持し、接触子の被測定物へ向かう変位をレーザ干渉変位計（２４）を用いて非接触に計測し、第１の気体軸受（１４ａ）は第２の第２の気体軸受（１４ｂ）よりもプローブシャフト（１２）の前方側に位置しており、前記段差部（１１ａ）は第１の気体軸受（１４ａ）と第２の気体軸受（１４ｂ）との間に位置しており、前記プローブシャフト（１２）は、第２の気体軸受（１４ｂ）よりも後方側において、プローブシャフト（１２）の軸径よりも大きい軸径を有する拡径部を有し、プローブシャフト（１２）と第２の気体軸受（１４ｂ）との間の径方向ギャップからプローブシャフトの後方側へ排気された第１の加圧気体が前記拡径部をプローブシャフトとともに後進方向へ付勢する戻り力を発生するように、前記プローブシャフト（１２）と第１および第２の気体軸受との間の径方向ギャップの差、および、前記拡径部の軸径が設定されている、ことを特徴とする形状測定方法が提供される。
また、本発明によれば、被測定物（１）と接触する接触子（２）を、第１および第２の段差部（１１ａ，１１ｂ）を有する細長いプローブシャフト（１２）の一端（１２ａ）に取り付け、気体軸受（１４ａ，１４ｂ）に第１の加圧気体を供給することで、該プローブシャフトを極めて低い摺動抵抗で軸方向に移動可能に支持しながら同時に半径方向に高い剛性で支持し、前記第１の段差部（１１ａ）に第２の加圧気体を供給することでプローブシャフトを前進方向に付勢し、前記第２の段差部（１１ｂ）に第３の加圧気体を供給することでプローブシャフトを後進方向に付勢し、前記第１および第２の段差部に第２および第３の加圧気体をそれぞれ供給しその圧力によりプローブシャフトの被測定物へ向かう付勢力を微小荷重に保持し、接触子の被測定物へ向かう変位をレーザ干渉変位計（２４）を用いて非接触に計測する、ことを特徴とする形状測定方法が提供される。
この方法により、接触子（２）を極めて低い摺動抵抗で移動可能に支持しかつこれを被測定物に向けて付勢することにより、接触子を被測定物の表面に微小荷重で接触させながらその表面に沿って正確に倣うことができる。また、レーザ干渉変位計（２４）により接触子の変位を非接触で高精度に計測することにより、０．１μｍ程度のサブミクロン精度を得ることができる。更に、プローブシャフトを浮遊させる第１加圧気体とは独立して被測定物へ向かう付勢力を発生させるための第２又は第３又はその両方の加圧気体を供給するので、プローブの軸受剛性を低下させることなく測定圧を微小荷重に一定に調整することができる。また、被測定物へ向かう付勢力が段差部の圧力に比例するので、プローブの位置変化による測定圧の変動をなくすることができ、検出出力の直線性が良くなりかつ第２又は第３又はその両方の加圧気体の圧力により測定圧を自由に変化させることができる。
更に、上述した触針式形状測定センサをＮＣ加工装置内に搭載し、数値制御により触針式形状測定センサを被測定物に対して相対運動させ、これにより加工した被加工物を取り外すことなく形状測定を行う、ことを特徴とする形状測定方法が提供される。
この方法により、機上計測が可能となり、被加工物の着脱の際の位置決め誤差を無くして加工精度を向上させ、かつその際の段取りの手間を省いて加工能率の向上と自動化を同時に達成することができる。
前記形状測定方法は、前記ＮＣ加工装置の各数値制御軸から直接機外に出力された各軸の座標値と、前記触針式形状測定センサから出力された出力信号をリアルタイムで処理することにより、前記ＮＣ加工装置を静止させることなく被測定物の形状を測定することが好ましい。
この方法により、触針式形状測定センサを被測定物に倣って移動させながら、ＮＣ加工装置の各数値制御軸の座標値と触針式形状測定センサの出力信号をリアルタイムに機外のコンュピータ等に取り込むことができ、ＮＣ加工装置を静止させることなく被測定物の形状を測定して測定時間を短縮することができる。
本発明のその他の目的及び有利な特徴は、添付図面を参照した以下の説明から明らかとなろう。
好ましい実施例の説明
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
図２は、本発明の触針式形状測定センサの全体構成図である。この図に示すように、本発明の触針式形状測定センサは、プローブヘッド１０と変位測定装置２０とを備える。プローブヘッド１０は、被測定物１と接触する接触子２を極めて低い摺動抵抗で水平に移動可能に支持し、かつこれを被測定物１に向けて水平に微小荷重で付勢するようになっている。また、変位測定装置２０は、接触子１の水平変位を非接触で高精度に計測するようになっている。接触子２の先端（接触部）には、この例では、球形のサファイヤボールが取り付けられ、被測定物１との摩擦係数を低減し、かつ摩耗を防ぐようになっている。
図３は、図２のプローブヘッド１０の部分断面図である。この図に示すように、プローブヘッド１０は、細長いプローブシャフト１２、気体軸受１４ａ，１４ｂ、及び気体供給手段１６、１７からなる。
細長いプローブシャフト１２は、一端１２ａ（この図で左端）に接触子２が取り付けられ、中間部に段差１１ａを有している。プローブシャフト１２は、接触子２を取り付ける側の大径部と、反対側の小径部からなり、その中間部に段差１１ａが設けられる。段差１１ａの大きさは、段差部の面積差により発生する水平付勢力が所定範囲の微小荷重（例えば、約５００ｍｇｆ以下）になるように設定されている。なお、この例ではプローブシャフトは矩形断面であるが、本発明はこれに限定されず、例えば円形断面であってもよい。
気体軸受１４ａ，１４ｂは、段差１１ａの前後に設けられている。またこの気体軸受１４ａ，１４ｂは、半径方向（ラジアル方向）の剛性が高く構成されている。更に、この気体軸受１４ａ，１４ｂは、気体供給手段１７（例えば、空気源、レギュレータ、電空レギュレータ、プローブ本体１５に設けられた第１流路１５ａからなる）により供給される第１の加圧気体（例えば圧縮空気）によりプローブシャフト１２を浮遊させて摺動抵抗を低減するようになっている。なお、プローブシャフト１２を浮遊させたのち、第１加圧気体は、気体軸受１４ａ，１４ｂとプローブシャフト１２の隙間から前後に排気される。
気体供給手段１６は、例えば、空気源、レギュレータ、電空レギュレータ、プローブ本体１５に設けられた第２流路１５ｂからなり、プローブシャフト１２の段差部１１ａに第２の加圧気体（例えば別の圧縮空気）を供給する。この気体供給手段１６で段差部１１ａに供給する第２加圧気体の圧力を一定に保持することにより、段差部１１ａの面積差により発生する水平付勢力を所定範囲の微小荷重に一定に保持することができる。
図３において、水平戻り力はプローブシャフト１２と気体軸受１４ａ，１４ｂ間のギャップの差から発生するようになっている。そのためこの例では、プローブシャフト１２の他端１２ｂ（この図で右端）にプローブシャフトの軸径より大きい拡径部１３を有するがこれは無くてもよい。また、この戻り力を適正に設定することにより、本発明のセンサを水平のみならず垂直や斜めに設置して使用することも可能である。
図４は、本発明の別の触針式形状測定センサの全体構成図であり、図５は、図４の部分断面図である。
図３にしめした本発明のセンサを垂直方向など水平方向以外に設置して使用する場合は、プローブシャフト１２の自重が測定力に加わってしまい、微小荷重での測定が不可能となる。そのため、図４に示すように、第１および第２の加圧気体とは独立して、第３の加圧気体を気体供給手段１６ｂから供給し、この第３の加圧気体の圧力により、第２の加圧気体の付勢力とは逆方向に戻り力を発生させ、プローブシャフト１２の自重の影響を相殺させるようになっている。
図５において、戻り力は、プローブシャフト１２と気体軸受１４ａ，１４ｂ間のギャップの差から発生する付勢力と、気体供給手段１６ｂからプローブシャフト１２の段差部１１ｂに供給された第３の加圧気体の圧力を一定に保持することにより段差部１１ｂの面積差により発生する付勢力とからなる。この戻り力を適正に設定することにより、本発明のセンサを水平のみならず垂直や斜めに設置して、かつ微小荷重による測定が可能である。
また、図２、図３、図４および図５に示すように、変位測定装置２０は、反射鏡２１、光ファイバ２２、及びレーザ干渉変位計２４からなる。
反射鏡２１は、プローブシャフト１２の他端１２ｂに軸線に垂直に設けられた平面鏡である。光ファイバ２２は、反射鏡２１から間隔Ｌを隔てて対峙する放射端面２２ａを有する。光ファイバ２２は可撓性を有し、かつ十分な長さを有し、その反対側端面がレーザ干渉変位計２４に例えば光コネクタ等を介して接続されている。
レーザ干渉変位計２４は、例えば半導体レーザ、受光素子、光ファイバカプラ等を備え、光ファイバ２２を通してレーザー光を反射鏡２１に向けて放射し、反射鏡２１と放射端面２２ａからの反射光から反射鏡の位置を測定するようになっている。
この構成により、レーザ干渉変位計２４により反射鏡２１の位置を０．１μｍの高精度で測定することができる。また、光ファイバ２２を通してレーザー光を反射鏡に向けて放射するので、プローブヘッド１０及びレーザ干渉変位計２４の可動部分を小型にできる。
上述した構成により、プローブヘッド１０で接触子２を極めて低い摺動抵抗で移動可能に支持しかつこれを被測定物１に向けて付勢することにより、接触子２を被測定物１の表面に微小荷重（約５００ｍｇｆ以下）で接触させながらその表面に沿って正確に倣うことができる。更に、変位測定装置２０により接触子２の被測定物へ向かう変位を非接触で高精度に計測することにより、０．１μｍ程度のサブミクロン精度を得ることができる。
また、一端１２ａに接触子２が取り付けられた細長いプローブシャフト１２を気体軸受１４ａ，１４ｂで支持し、かつこの気体軸受１４ａ，１４ｂの半径方向の剛性を高くし、第１加圧気体（圧縮空気）でプローブシャフト１２を浮遊させることにより、接触子２の摺動抵杭によるプローブシャフト１２の傾きを防止しながら、極めて低い摺動抵抗で被測定物へ向かい移動可能に支持することができ、計測誤差の増大を防止することができる。また、プローブシャフトの中間部に段差１１ａ，１１ｂを設け、気体供給手段１６ａ，１６ｂで段差部１１ａ，１１ｂに第２又は第３又はその両方の加圧気体（別の圧縮空気）を供給することにより、段差部１１ａ，１１ｂの面積差により発生する被測定物へ向かう付勢力を所定範囲の微小荷重に一定に保持することができる。
【実施例】
以下、上述した触針式形状測定センサの実施例及び解析結果とこれを用いたＮＣ加工装置および形状測定方法を説明する。
１．傾斜測定時の測定プローブのすべり・傾き誤差解析
上述した図２は、新たに開発した形状測定センサの概略図である。測定プローブ先端にはサファイヤボールが取り付けてあり、プローブシャフト１２はエアースライド（気体軸受１４ａ，１４ｂ）によって支えられている。反対面には反射鏡２１が取り付けてあり、光ファイバー式レーザ干渉変位計（変位測定装置２０）によってプローブの変位を測定することにより形状測定を行う原理となっている。測定時の測定圧はエアー圧を電空レギュレータにより制御することによって０〜５００ｍｇｆ程度まで変化させることができる。
図６は、開発したプローブヘッドの特性図であり、横軸は、段差部１１ａに供給する第２加圧気体（付勢用空気）の空気圧、縦軸は、付勢力の測定値である。この図に示すように、空気圧が約９．４ｋＰａ以下の場合には、水平付勢力は僅かに負の値を示している。また、付勢用空気の空気圧を約９．４ｋＰａを超えると、空気圧に比例して正確に水平付勢力が増大していることがわかる。従って、水平付勢力が段差部の圧力に正確に比例し、またバネ等を用いないのでプローブの位置変化による測定圧の変動をなくすることができ、検出出力の直線性が良くなりかつ第２加圧気体の圧力により測定圧を自由に変化させることができることがわかる。
ここで触針式の形状測定センサを用いた形状測定の場合、測定中のプローブのすべりおよび傾きが測定誤差となるため、センサの構造設計においてこの誤差量が測定精度以下となるように設計する必要がある。図７（Ａ）（Ｂ）は測定中の測定プローブの様子を模式化している。プローブシャフトの先端半径をｒとし、角度φの被測定斜面が一定速度ｖで移動しているものとする。測定中プローブシャフトには外力とてエアースライドからラジアル方向に力Ｆｘ、アキシャル方向にＦｙ、被測定物から垂直抗力Ｎと摩擦力μＮが働いているものとし、プローブシャフトは被測定物斜面に沿って距離ｐだけ滑り、プローブ先端球中心まわりに角度θ傾くとする。このときのプローブシャフトのラジアル方向およびアキシャル方向の釣り合い式およびプローブ先端球中心まわりのモーメントの釣り合い式を解くことによって、測定中のプローブシャフトのすべり・傾き誤差δは、以下の式で与えられる。
【数１】
0003932502.tif 000002
上式の第１項はプローブシャフトのすべりによる誤差を、また第２項は傾きによる誤差を示しており、被測定物斜面の傾斜角φが比較的大きな場合の測定プローブの幾何学的位置誤差による測定誤差は、エアースライド部のアキシャル方向とラジアル方向の剛性比ξが１次で作用するすべりによる誤差が支配的になることがわかる。
これらから、最大傾斜角φｍａｘ＝６０°、動摩擦係数μ＝０．３、空気軸受剛性ｋ＝０．１５Ｎ／μｍのもとで、測定誤差δ＜０．１μｍを実現するためには測定圧Ｆｙは以下のようになる。
【数２】
0003932502.tif 000003
ただし、センサ構造定数α＝２８．２ｍｍ／８．５ｍｍ＝３．３２、β＝４９．５ｍｍ／８．５ｍｍ＝５．８２、ζ＝１４．３ｍｍ／８．５ｍｍ＝１．６８を用いた。なおこれらの値をもとに製作した形状測定センサのエアースライド部の剛性をＸＹ正負の４方向に対して測定したところ０．１〜０．２１Ｎ／μｍとなり、ほぼ目標剛性値を満足することができた。
２．最大スキャンスピード解析
触針式で形状測定を行う場合、特に大型の被測定物に対しては測定スピードを上げたいという要求が生じる。そこで、最大振幅Ａの正弦波的なうねりをもつ面を質量ｍのプローブを用いて測定圧Ｆｙ、測定データピッチｄで測定した場合に、プローブが被測定物表面に追従して測定できる最大スキャンスピードｖｍａｘは次式で与えられる。
【数３】
0003932502.tif 000004
ただし、数値はｄ＝０．０１ｍｍ、Ａ＝１μｍ、ｍ＝２．１ｇ、Ｆｙ＝０．０６５ｇのときの値である。上式から高い測定精度を維持しながら最大スキャンスピードを上げるためには、プローブ質量ｍを小さくすることが有効であることがわかる。
３．データ入出力インターフェース設計
加工機上に形状測定センサを取り付けて測定を行う場合、従来はパソコンからＮＣデータをＮＣコントローラに送信し、加工機が指令位置に達したのを確認して、その位置における形状測定センサ変位をパソコンに取り込むという手法が一般的であった。しかしながらこの手法では測定点毎に加工機が止まって測定を行うため測定に多くの時間がかかっていた。そこで本発明では、図８に示すように、加工機から直接現在の位置情報を取り出し、同時に形状測定センサの変位をパソコンに取り込むことにより、加工機を測点毎に止めることなくリアルタイム測定を可能にした。これによって高精度かつ高速な測定を実現することができる。
４．センサ取付時の傾き補正とプローブ先端球形状補正
加工機上に形状測定センサを取り付ける際に加工機軸とセンサ軸との間に若干のずれが生じてしまう。このずれ量に起因する測定誤差は被測定物の傾斜角が大きくなるにつれて増大し、高精度測定のためにはデータ処理による補正が必要となる。そこで基準球を用いて機械座標変位とセンサ出力との直線性をもとに、センサ取付時の傾き誤差とプローブ先端球形状誤差を推定し補正を行った。
被測定物のある測定点におてる傾斜がＸＺ平面内でθ１、ＹＺ平面内でθ２、センサ取付時の傾きがＸＺ平面内でα１、ＹＺ平面内でα２、加工機をＺ軸に沿ってδ変位させたときのセンサ出力がηで与えられる場合、センサ出力ηと機械座標変位δとの比（直線性補正値）ｋは以下の式で与えられる。
【数４】
0003932502.tif 000005
このため、基準球を用いて複数の点においてセンサ出力ηと機械座標変位δを測定し、線形フィッテングにより傾きｋを求め、これらの複数の点におけるｋの値を上式に当てはめ、最小自乗フィッテングを用いてセンサ取付時の傾きα１，α２を求めた。Ｘ，Ｙ両方向において測定値は理論値と極めて一致した。このようにして得られたα１，α２の値をもとに測定データを補正したデータには基準球の形状誤差とプローブ先端球の形状誤差が重複して含まれているが、真球度が高く曲率半怪が高精度に評価されている基準球を用いることによりプローブ先端球の形状誤差を評価することができ、このようにして得られたプローブ先端球形状誤差マップをもとに測定データの補正を行うことができる。
５．形状測定センサの性能評価
製作した形状測定センサの性能を評価するためにＸ，Ｙそれぞれの方向で正負両方向に計４方向に対してそれぞれ３回ずつ基準球を用いて形状測定を行い平均値曲線からのデータのばらつきを標準偏差を用いて評価した。測定条件は、測定圧１００〜１５０ｍｇｆ、測定スピード５０〜１００ｍｍ／ｍｉｎにおいて比較的安定して測定を行うことができた。全方向において測定データの再現性は±３σ＜０．１μｍを実現することができた。測定データの絶対精度に関しては使用したレーザ干渉変位計の保証精度が３０ｍｍの範囲で±０．１μｍであるため、この値が精度限界となる。
６．まとめ
本発明では、新たに機上計測用高精度小型触針式形状測定センサの開発を行った。製作したセンサの特徴をまとめると以下のようになる。
・加工機に用意に搭載可能な大きさ（本体約１３０×４０×３０ｍｍ）である。
・測定圧を極めて小さく制御できるため高精度測定が可能である。
・レーザ干渉変位計を用いているため従来の差動トランス式に比べて長ストロークに対するデータの直線性が高く、また温度変化に対する安定性が高い。
・加工機から直接現在の位置情報を取り出すことによりリアルタイム測定ができるため、高速測定が可能である。
・測定データの再現性は４方向に対して±３σ＜０．１μｍを実現した。
上述したように本発明の触針式形状測定センサは、段差部の面積差により被測定物へ向かう付勢力を発生させるので電気的ドリフトがまったくない。また、プローブシャフトを浮遊させる第１加圧気体とは独立して被測定物へ向かう付勢力を発生させるための第２加圧気体を供給するので、プローブの軸受剛性を低下させることなく測定圧を微小荷重に一定に調整することができる。更に、被測定物へ向かう付勢力が段差部の圧力に比例し、またバネ等を用いないのでプローブの位置変化による測定圧の変動をなくすることができ、検出出力の直線性が良くなりかつ第２加圧気体の圧力により測定圧を自由に変化させることができる。
従って、本発明の触針式形状測定センサとこれを用いたＮＣ加工装置および形状測定方法により、電気的ドリフトが少なく、検出出力の直線性が良く、プローブの位置変化による測定圧の変動が少なく、プローブの軸受剛性を低下させることなく測定圧を微小荷重に一定に調整することができ、かつ測定圧を自由に変化させることができ、これにより０．１μｍ程度のサブミクロン精度を得ることができ、かつ小型化が可能であり容易に機上計測に適用できる。
更に、この触針式形状測定センサを用いて、待ち時間を低減し、かつ指令点間の測定ができ、これにより必要な指令点を低減し測定時間を短縮することができる。
また、本発明におけるＮＣ加工装置は、触針式形状測定センサに限定されず、別のセンサを搭載し、或いは搭載できるように構成したものも包含するものである。すなわち、本発明をいくつかの好ましい実施例により説明したが、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施例に限定されないことが理解できよう。反対に本発明の権利範囲は、添付の請求の範囲に含まれるすべての改良、修正及び均等物を含むものである。
【図面の簡単な説明】
図１は、従来の高精度形状測定装置の構成図である。
図２は、本発明の触針式形状測定センサの全体構成図である。
図３は、図２の部分断面図である。
図４は、本発明の別の触針式形状測定センサの全体構成図である。
図５は、図４の部分断面図である。
図６は、図２のプローブヘッドの特性図である。
図７は、測定中の測定プローブの模式図である。
図８は、本発明のＮＣ加工装置のシステム構成図である。
【図１】
0003932502.tif 000006
【図２】
0003932502.tif 000007
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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