(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物を保持しながら回転駆動する回転手段と、該回転手段により回転している被測定物の表面形状に関する測定データを検出する測定手段とを備えた形状測定装置において、
前記測定手段により検出された多数の測定データを履歴データとして順次格納する格納手段と、該格納手段に格納された前記多数の測定データの各位相ごとの平均値を算出する平均値算出手段と、前記測定手段により検出された今回の測定データから前記平均値算出手段により算出された平均値を減算することにより前記被測定物の形状データを算出する形状データ算出手段とを有し、
前記履歴データは、位相に対し定常成分である前記回転手段の回転誤差と、非定常成分である前記被測定物の形状データが合成されたものからなることを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
前記格納手段は、前記測定データの個数が前記所定個数を超えたときは、履歴の古い順に測定データを新しい測定データに書換えることを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
【請求項３】
回転手段により保持されながら回転駆動されている被測定物の表面形状に関する測定データを検出する測定ステップを備えた形状測定方法において、
前記測定ステップで検出された多数の測定データを履歴データとして順次格納手段に格納する格納ステップと、該格納手段に格納された前記多数の測定データの各位相ごとの平均値を算出する平均値算出ステップと、前記測定ステップで検出された今回の測定データから前記平均値算出ステップで算出された平均値を減算することにより前記被測定物の形状データを算出する形状データ算出ステップとを有し、
前記履歴データは、位相に対し定常成分である前記回転手段の回転誤差と、非定常成分である前記被測定物の形状データが合成されたものからなることを特徴とする形状測定方法。
【請求項４】
前記格納ステップは、前記測定データの個数が前記所定個数を超えたときは、履歴の古い順に測定データを新しい測定データに書換えることを特徴とする請求項３記載の形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は形状測定装置及びその方法に関し、より詳しくは、表面が球形形状又は円形形状の被測定物を回転手段に保持し、該回転手段により被測定物を回転させながら測定手段を介して真円度やウェービネス（表面うねり）等の形状データを計測する形状測定装置及びその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、転がり軸受の構成部品である軌道輪（内輪及び外輪）や転動体などの真円度誤差やウェービネス等、微小な形状変位を計測する形状測定装置としては、スピンドル（回転手段）上に被測定物を保持して該スピンドルを回転させ、被測定物の近傍に配設された測定子（測定手段）でもって該被測定物の形状データを計測する装置が知られている。
【０００３】
ところで、この種の形状測定装置では、スピンドルを回転させながら被測定物の形状データを測定しているため、測定子により検出される測定データには被測定物の形状データの他、スピンドルの回転誤差（軸芯の振れ）が含まれることとなり、したがって形状データのみを得るためには、前記測定データからスピンドルの回転誤差を分離して除去する必要がある。
【０００４】
そこで、測定データからスピンドルの回転誤差を除去する方法として、マルチステップ法と呼称される方法が既に提案されている（野口  昭治等、「超精密静圧エアスピンドルのラジアル方向回転精度の評価法」：精密工学会誌、１９９２年６月号、ｐｐ．１０５３〜１０５８）。
【０００５】
図３は前記マルチステップ法の原理を説明する図である。
【０００６】
まず、図３（ａ）に示すように、マスタボール１０１をスピンドル１０２上に保持し、マスタボール１０１をスピンドル１０２の基準位置（矢印Ａで示す）に対し、矢印Ｂで示す方位ηk（＝２π（ｋ−１）／２ｍ（ｋ＝１、２、…２ｍ；但し、ｍは整数））に設定し、２ｍ回の測定を行なう。すなわち、スピンドル１０２の基準位置である方位η1でマスタボール１０１の表面形状に関する測定データを測定子で検出し、該検出結果を記憶装置に記憶する。次いで、所定の治具を使用してマスタボール１０１をスピンドル１０２の基準位置に対し方位η2に設定し、方位η2での測定データを測定子で検出し、該検出結果を記憶装置に記憶する。以下同様、前記所定の治具を使用して方位ηkの設定を行ない、方位ηkでの測定データを測定子で逐次検出し、総計で２ｍ個の測定データを取得し、これら測定データを順次記憶装置に記憶してゆく。
【０００７】
この後、前記２ｍ個の測定データについてその各位相ごとの平均値（測定平均値Ａｖｅ）を算出して該測定平均値Ａｖｅをスピンドルの回転精度とし、図３（ｂ）に示すように、基準位置（矢印Ａで示す）で測定された測定データから前記測定平均値Ａｖｅを減算してマスタボール１０１の形状データ１０４を算出する。
【０００８】
次いで、スピンドル１０２上に被測定物を保持し、該スピンドル１０２を回転させて測定子で測定データを検出する。そして、被測定物の測定データとスピンドルの回転精度との偏差に基づいて被測定物の形状誤差を算出している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の形状測定装置では、スピンドル１０２に対するマスタボール１０１の方位の位置決めを治具で行なっているため、スピンドル１０２の回転誤差を校正するためには特殊な治具が別途必要となり、また斯かる治具を使用してもマスタボール１０１を所望の方位に正確に位置決めするのは困難であるという問題点があった。
【００１０】
また、従来の形状測定装置では、マスタボール１０１を使用して別途スピンドルの回転誤差を計測しなければならず、しかもスピンドル１０２の回転誤差が経時変化した場合はマスタボール１０１と治具を使用して再度スピンドルの回転精度を計測しなければならず、所望の形状測定の迅速性が損なわれ、作業効率が悪いという問題点があった。
【００１１】
本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであって、表面が球形形状又は円形形状に形成された被測定物の形状データを容易且つ迅速に高精度でもって計測することのできる形状測定装置及びその方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の形状測定装置は、被測定物を保持しながら回転駆動する回転手段と、該回転手段により回転している被測定物の表面形状に関する測定データを検出する測定手段とを備えた形状測定装置において、前記測定手段により検出された多数の測定データを履歴データとして順次格納する格納手段と、該格納手段に格納された前記多数の測定データの各位相ごとの平均値を算出する平均値算出手段と、前記測定手段により検出された今回の測定データから前記平均値算出手段により算出された平均値を減算することにより前記被測定物の形状データを算出する形状データ算出手段とを有し、前記履歴データは、位相に対し定常成分である前記回転手段の回転誤差と、非定常成分である前記被測定物の形状データが合成されたものからなることを特徴としている。
【００１３】
請求項１記載の形状測定装置によれば、被測定物の表面形状に関する多数の過去の測定データが格納手段に履歴順に格納され、平均値算出手段により前記測定データの平均値が算出されるので、定常成分である回転手段の回転誤差と非定常成分である被測定物の形状データとが含まれる測定データから算出された平均値は前記多数の測定データによって被測定物の形状データが減衰された値となり、前記平均値は回転手段の回転誤差（軸心の振れ）と略一致することとなる。したがって、形状データ算出手段で前記測定データから前記平均値を減算することにより回転手段の回転誤差を含まない高精度な被測定物の形状データを容易に得ることができる。
【００１４】
しかも、従来のようにマスタボールを使用して回転手段の回転誤差を予め評価する必要がなく、測定手段で測定データを検出し該検出結果に対して簡単な演算を施すだけで所望の形状データを得ることができ、作業効率の向上を図ることができる。
【００１５】
請求項２記載の形状測定装置は、請求項１記載の形状測定装置において、前記格納手段は、前記測定データの個数が前記所定個数を超えたときは、履歴の古い順に測定データを新しい測定データに書換えることを特徴とする。
請求項２記載の形状測定装置によれば、格納手段に格納可能な測定データの個数を予め設定しておき、格納手段に格納されている測定データが所定個数を超えたときは、履歴の古い順番に測定データを新しい測定データに書換えることにより、格納手段の格納容量が大型化するのを回避することができ、且つ回転手段の経時変化にも追随した回転精度を容易に得ることができる。
請求項３記載の形状測定方法は、回転手段により保持されながら回転駆動されている被測定物の表面形状に関する測定データを検出する測定ステップを備えた形状測定方法において、前記測定ステップで検出された多数の測定データを履歴データとして順次格納手段に格納する格納ステップと、該格納手段に格納された前記多数の測定データの各位相ごとの平均値を算出する平均値算出ステップと、前記測定ステップで検出された今回の測定データから前記平均値算出ステップで算出された平均値を減算することにより前記被測定物の形状データを算出する形状データ算出ステップとを有し、前記履歴データは、位相に対し定常成分である前記回転手段の回転誤差と、非定常成分である前記被測定物の形状データが合成されたものからなることを特徴としている。
請求項３記載の形状測定方法によれば、被測定物の表面形状に関する多数の過去の測定データを格納手段に履歴順に格納し、平均値算出ステップで測定データの平均値を算出するので、定常成分である回転手段の回転誤差と非定常成分である被測定物の形状データとが含まれる測定データから算出された平均値は多数の測定データによって被測定物の形状データが減衰された値となり、平均値は回転手段の回転誤差（軸心の振れ）と略一致することとなる。したがって、形状データ算出ステップで測定データから平均値を減算することにより回転手段の回転誤差を含まない高精度な被測定物の形状データを容易に得ることができる。
しかも、従来のようにマスタボールを使用して回転手段の回転誤差を予め評価する必要がなく、測定ステップで測定データを検出し該検出結果に対して簡単な演算を施すだけで所望の形状データを得ることができ、作業効率の向上を図ることができる。
請求項４記載の形状測定方法は、請求項３記載の形状測定方法において、前記格納ステップは、前記測定データの個数が前記所定個数を超えたときは、履歴の古い順に測定データを新しい測定データに書換えることを特徴とする。
請求項４記載の形状測定方法によれば、格納手段に格納可能な測定データの個数を予め設定しておき、格納手段に格納されている測定データが所定個数を超えたときは、履歴の古い順番に測定データを新しい測定データに書換えることにより、格納手段の格納容量が大型化するのを回避することができ、且つ回転手段の経時変化にも追随した回転精度を容易に得ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図面に基づき詳説する。
【００１７】
図１は本発明に係る形状測定装置の一実施の形態を示すブロック構成図であって、該形状測定装置は、例えば、円筒形状に形成された軌道輪等の被測定物１に関する測定データを検出して出力する装置本体部２と、該装置本体部２からの測定データに基づいて真円度やウェービネス等の形状データを算出する制御部３とを備えている。
【００１８】
装置本体部２は、基台４と、該基台４に回転可能に取り付けられて不図示のマグネットやチャック等により被測定物１を拘束・保持するスピンドル５と、被測定物１に近接または接触して配置される測定子７と、該測定子７が先端に固着されて前記測定子７の測定結果を出力する測定ヘッド６とを備え、スピンドル５の下方には該スピンドル５を回転駆動させるための駆動モータ（不図示）と測定子７に対するスピンドル５の位相（方位）を検出するエンコーダ（不図示）とが設けられている。
【００１９】
また、制御部３は、測定ヘッド６からの測定データを増幅するセンサアンプ８と、センサアンプ８及び前記エンコーダからのアナログ信号をデジタル信号に変換し、センサアンプ８からの測定データをエンコーダで検出された位相と同期させて出力するＡ／Ｄコンバータ９と、Ａ／Ｄコンバータ９からの出力データを一時的に保存するＲＡＭ１０と、該ＲＡＭ１０に保存された測定データを順次記憶するハードディスクドライブ（ＨＤＤ）１１と、該ＨＤＤ１１に記憶された測定データの各位相ごとの平均値（測定平均値Ａｖｅ）を算出する平均値算出部１２と、前記ＲＡＭ１０に保存された測定データから前記平均値算出部１２の算出結果を減算する減算器１３と、減算器１３による減算結果を出力して表示する表示部１４とを有している。
【００２０】
上記ＨＤＤ１１は、予め定められた所定個数（例えば、２００）の過去の測定データが履歴データとして格納可能とされ、平均値算出部１２では斯かる所定個数の測定データを使用して測定平均値Ａｖｅが算出される。そして、ＨＤＤ１１に格納されている測定データが満杯になった場合は、履歴の古いデータから順番に消去されて新しい測定データに更新され、これによりＨＤＤ１１が大形化するのを回避可能とすると共に経時変化に追随した測定平均値Ａｖｅ（スピンドルの回転誤差）の算出を可能にしている。
【００２１】
次に、上記形状測定装置を使用した測定原理を説明する。
【００２２】
まず、スピンドル５の上面に被測定物１を載置して該被測定物１を不図示のマグネット機構等によりスピンドル５に拘束・保持し、スピンドル５を回転させると共に測定子７を被測定物１に近接させ、被測定物１に関する測定データ（被測定物１の形状データとスピンドル５の回転誤差（軸心の振れ）との合成値）を測定子７で検出する。そして、測定子７で検出された測定データは制御部３のセンサアンプ８で増幅した後、Ａ／Ｄコンバータ９に入力する。また、スピンドル５の基準位置に対する回転位相を該スピンドル５に付設されたエンコーダで検出し、その検出結果をＡ／Ｄコンバータ９に入力する。
【００２３】
次いで、Ａ／Ｄコンバータ９ではセンサアンプ８からのアナログ信号をデジタル信号に変換した後、前記測定データをエンコーダで検出された回転位相と同期させて出力し、Ａ／Ｄコンバータ９からの出力データ、すなわち被測定物１の形状データとスピンドル５の回転誤差の合成値をＲＡＭ１０に一時的に保存し、次いでＲＡＭ１０の保存データを、ＨＤＤ１１及び減算器１３に入力する。
【００２４】
そして、ＨＤＤ１１では、ＲＡＭ１０の保存データを履歴順に順次格納する。すなわち、ＨＤＤ１１では該ＨＤＤ１１の記憶容量に応じた所定個数ｎの測定データが履歴データとして格納される。具体的には、ＨＤＤ１１に格納可能な位相毎の測定データの個数ｎを、例えば、２００に予め設定しておく。そして被測定物１の測定データが検出される毎にＨＤＤ１１に測定データを順次格納してゆき、所定個数ｎを超えた場合は履歴の古い順番に測定データを削除し、最新の測定データを順次ＨＤＤ１１に格納する。これによりＨＤＤ１１が大形化するのを回避することができると共に、スピンドル５の回転誤差の経時変化を自動的に校正することが可能となる。
【００２５】
次いで、平均値算出部１２ではＨＤＤ１１に格納された所定個数ｎの測定データを各位相ごとに算術平均して測定平均値Ａｖｅを算出する。
【００２６】
そしてこの後、減算器１３でＲＡＭ１０に保存されている測定データから測定平均値Ａｖｅを減算し、その結果を表示部１４に表示し、これによりウェービネス等の被測定物１の形状データが得られる。
【００２７】
図２は、ＨＤＤ１１に格納される測定データ（履歴データ）の個数ｎと、履歴データを平均して求めたスピンドル５の回転精度の誤差との関係を示している。ここで、横軸は履歴データの個数ｎ、すなわちＨＤＤ１１に格納されている測定データの個数を示している。また、縦軸は母平均の誤差と６σ（σは標準偏差）との比率を示している。すなわち、縦軸は「履歴データを平均して求めた回転精度の誤差」を「履歴データのばらつきを６σで計算したもの」との比率で示している。
【００２８】
この図２から明らかなように、履歴データの個数ｎが大きくなると、回転精度の誤差は小さくなり、より正確に回転精度を求めることができるようになる。
【００２９】
すなわち、履歴データは、位相に対し定常成分であるスピンドル５の回転精度と、非定常成分である被測定物１の形状データが合成されたものからなるので、履歴データを位相ごとに平均すると非定常成分である形状データを減衰し、定常成分である回転精度だけが残る。
【００３０】
例えば、位相ごとの履歴データのばらつきが６σで１００ｎｍ、履歴データの個数ｎが２００の場合、グラフより±母平均の誤差６σは±２．５％以下になり、回転精度の測定誤差は±２．５ｎｍ以下になる。
【００３１】
したがって、エンコーダにより位相同期して出力される測定データ（測定子７で検出される）から測定平均値Ａｖｅを減算することにより、被害測定物１の形状データを正確に求めることができる。
【００３２】
このように本実施の形態では、被測定物１の表面形状に関する多数の過去の測定データがＨＤＤ１１に履歴順に格納され、平均値算出部１２により測定データの平均値、すなわち測定平均値Ａｖｅが算出されるので、算出された測定平均値Ａｖｅは前記多数の測定データによって被測定物１の形状データが減衰された値となり、前記測定平均値Ａｖｅはスピンドル５の回転誤差（軸心の振れ）と略一致することとなる。したがって、減算器１３で前記測定データから測定平均値Ａｖｅを減算することにより容易且つ高精度な形状データを得ることができる。
【００３３】
しかも、従来のようにマスタボールを使用してスピンドル５の回転誤差を予め評価する必要がなく、測定子７で測定データを検出し該検出結果に対して簡単な演算を施すだけで所望の形状データを得ることができ、作業効率の向上を図ることができる。
【００３４】
また、ＨＤＤ１１に格納される測定データの個数を予め定めておき、ＨＤＤ１１に格納されている測定データが満杯になったときには、履歴の古い順番に測定データを新しい測定データに書換可能とすることにより、ＨＤＤ１１の記憶容量が大形化するのを回避することができ、且つスピンドル５の経時変化にも追随した回転精度を容易に得ることができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１記載の形状測定装置によれば、被測定物を保持しながら回転駆動する回転手段と、該回転手段により回転している被測定物の表面形状に関する測定データを検出する測定手段とを備えた形状測定装置において、前記測定手段により検出された多数の測定データを履歴データとして順次格納する格納手段と、該格納手段に格納された前記多数の測定データの平均値を算出する平均値算出手段と、前記測定手段により検出された今回の測定データから前記平均値算出手段により算出された平均値を減算することにより前記被測定物の形状データを算出する形状データ算出手段とを有しているので、定常成分である回転手段の回転誤差と非定常成分である被測定物の形状データとが含まれる測定データから算出された平均値は前記多数の測定データによって被測定物の形状データが減衰された値となり、前記平均値は回転手段の回転誤差（軸心の振れ）と略一致することとなる。したがって、形状データ算出手段で前記測定データから前記平均値を減算することにより回転手段の回転誤差を含まない高精度な被測定物の形状データを容易に得ることができる。
【００３６】
しかも、従来のようにマスタボールを使用して回転手段の回転誤差を予め評価する必要がなく、測定手段で測定データを検出し該検出結果に対して簡単な演算を施すだけで所望の形状データを得ることができ、作業効率の向上を図ることができる。
請求項２記載の形状測定装置によれば、格納手段に格納される測定データが所定個数を超えたときは、履歴の古い順番に測定データが新しい測定データに書換えられるので、格納手段の格納容量が大形化するのを回避することができ、且つ回転手段の経時変化にも追随した回転精度を容易に得ることができる。
請求項３記載の形状測定方法によれば、回転手段により保持されながら回転駆動されている被測定物の表面形状に関する測定データを検出する測定ステップを備えた形状測定方法において、測定ステップで検出された多数の測定データを履歴データとして順次格納手段に格納する格納ステップと、該格納手段に格納された多数の測定データの各位相ごとの平均値を算出する平均値算出ステップと、測定ステップで検出された今回の測定データから平均値算出ステップで算出された平均値を減算することにより被測定物の形状データを算出する形状データ算出ステップとを有しているので、定常成分である回転手段の回転誤差と非定常成分である被測定物の形状データとが含まれる測定データから算出された平均値は多数の測定データによって被測定物の形状データが減衰された値となり、平均値は回転手段の回転誤差（軸心の振れ）と略一致することとなる。したがって、形状データ算出ステップで測定データから平均値を減算することにより回転手段の回転誤差を含まない高精度な被測定物の形状データを容易に得ることができる。
しかも、従来のようにマスタボールを使用して回転手段の回転誤差を予め評価する必要がなく、測定ステップで測定データを検出し該検出結果に対して簡単な演算を施すだけで所望の形状データを得ることができ、作業効率の向上を図ることができる。
請求項４記載の形状測定方法によれば、格納手段に格納されている測定データが所定個数を超えたときは、履歴の古い順番に測定データを新しい測定データに書換えることにより、格納手段の格納容量が大型化するのを回避することができ、且つ回転手段の経時変化にも追随した回転精度を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る形状測定装置の一実施の形態を示すブロック構成図である。
【図２】測定数と母平均の誤差との関係を示す特性図である。
【図３】マルチステップ法の原理を説明する図である。
【符号の説明】
１    被測定物
５    スピンドル（回転手段）
７    測定子（計測手段）
１１  ＨＤＤ（保存手段）
１２  平均値算出部（平均値算出手段）
１３  減算器（形状データ算出手段）
【図１】
0003900234.tif 000002
【図２】
0003900234.tif 000003
【図３】
0003900234.tif 000004