(57)【要約】【課題】長尺の真直形状や大型の平面形状を測定するために水準器に代わる道具として、被測定面に接する点と変位センサあるいは角度センサの組み合わせで多点方を実現するために、被測定面上を走査移動可能なセンサホルダを提供する。【解決手段】被測定面に対して相対的に移動可能なセンサホルダを、被測定面に対して少なくとも２点の接点を有する形態にして、センサホルダと被測定面との２つの接点とセンサホルダの保持するセンサの測定点との３点によって、真直形状測定のための３点法と動揺の差動出力を得て、その出力から形状を求める。【選択図】図１
2009145152.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定面に対してそれぞれが当接する当接点の間隔が既知である２個の凸部を有するセンサホルダと、前記センサホルダに取り付けられ、前記凸部の２つの当接点を結ぶ直線上の前記当接点から既知の距離にある被測定面の形状高さを測定する変位センサと、前記変位センサの出力に影響を及ぼすことなく前記センサホルダを所望の直線に沿って位置を検出しながら移動させるためのガイドとからなることを特徴とする面形状測定装置。
【請求項２】
前記被測定面との当接点が３点あり、前記センサホルダが自立して被測定面上で姿勢維持ができることを特徴とする請求項１に記載の面形状測定装置。
【請求項３】
前記被測定面と当接する前記凸部が前記センサホルダに取り付けられた回転可能な球または円筒であって、前記センサホルダが前記被測定面に対して相対移動を滑らかに連続的に行うための軸受けや車輪の役割を果たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記センサホルダに取り付ける変位センサを用いて、２次元の形状測定を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記球または円筒が所定の量だけ回転したことを検出する装置を有していて、前記球または円筒が所定の量を回転する間に採取された変位センサの出力の平均をとることで、前記球または円筒の真円形状誤差の影響を平均効果で低減することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定技術に関し、特に真直形状、面形状の測定を簡易に高精度に行う測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
面形状や断面直線形状の測定をするためには、基準となる直定規との比較測定を実施することが多い。また、基準定規が使えないときには、水準器を用いて、水準器下面が被測定面に当接する点の間の傾斜を被測定面上の必要な箇所で測定し、その測定結果より直線形状あるいは面形状を算出する方法が用いられる。原理的には、重力の方向（水平面の法線方向）を基準にして2点間の傾斜を測定する接触式の2点法や多点法が主として用いられる。尚、測定方法の一例として、非特許文献１に示すような３点法が知られている。
【非特許文献１】小尾誠，古川進：逐次点測定法による真直度測定の考察（第１報，逐次点測定法の表現式と誤差の理論解析）日本機械学会論文集C,57,542,(1991)85−89
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
測定対象が大型化するのにともない、基準定規が長尺化し、基準直定規の作成が困難になるだけでなく、高精度の定規を運搬する際にも困難が生じ、また、大型の基準定規は使用時の弾性変形、熱変形が基準精度を低下させるなどの問題がある。
【０００４】
このことは、市販されている高級ストレートエッジ(直定規)JISＡ級のものでは、１ｍ長で６μｍ、４ｍ長で１８μｍまでしか真直度が保証されず、高精度の工作機械の測定基準には一桁以上の精度不足となっている現状にも表れている。
【０００５】
これに対して、水準器では、外乱振動の影響で感度が上げられないことと、高感度のものほど応答速度が遅くなり、大平面での多数の点の傾斜測定にかかる時間も長くなるという難点がある。
【０００６】
本発明は、かかる問題点に鑑み、断面直線形状や面形状の測定における水準器による多点法と類似の接触式多点法を、変位センサや角度センサを実現することを目的として、大面積の被測定面を迅速に高精度に実施する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、被測定面に対してそれぞれが当接する当接点の間隔が既知である２個の凸部を有するセンサホルダと、前記センサホルダに取り付けられ、前記凸部の２つの当接点を結ぶ直線上の前記当接点から既知の距離にある被測定面の形状高さを測定する変位センサと、前記変位センサの出力に影響を及ぼすことなく前記センサホルダを所望の直線に沿って位置を検出しながら移動させるためのガイドとからなることを特徴とする。
【０００８】
更に、本発明は、被測定面に対してそれぞれ当接する当接点の間隔が既知である２つの凸部と、その凸部が等接する点を結ぶ線上にある変位センサまたは角度センサにより接触式の多点法測定を実施するプローブを構成することを特徴とする。また、本発明は、被測定面に当接する３点と一つ以上の変位センサ又は角度センサによって、平面測定のための多点法プローブを構成することを特徴とする。
【０００９】
本発明は、真直形状や平面形状を測定するときの多点法プローブにおいて、必要とするセンサの一部を被測定面に当接する凸部によって代替することで、必要なセンサの数を低減することを特徴とする。
【００１０】
本発明はまた、被測定面と当接する凸部が回転可能となっていて、被測定物と多点法プローブを被測定面に沿って移動する走査を容易にすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のセンサホルダは、当接する２点を結ぶ直線が被測定面の２点の傾斜を示すので、その中間にある変位センサの読みが、前記傾斜直線からの被測定面の高さ方向の変位を示すことになる。これは、真直形状測定のための変位３点法の出力と等価な情報を与えることが出来る。また、センサが、角度センサであれば、角度２点法や、混合法と等価な情報を与えることになる。
【００１２】
前記センサホルダに取り付ける変位センサが２個であるか、２次元の角度センサであるか、あるいは角度センサと変位センサであり、２方向に走査移動することで、２次元の形状測定ができる。センサの被測定面に当接する点とセンサの配置が２次元的な広がりを持てば、センサの出力からは、面形状測定のための多点法出力と等価な情報が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図と式を使って本発明について説明する。図１（ａ）は、本発明の基本となる３点法による真直形状測定用のセンサホルダＳＨの側面の模式的構造を示し、図１（ｂ）は、センサホルダＳＨの裏側（被測定面に対向する側）の模式的構造を示すもので、凸部としての球（被測定面接触用球）ＳＰが、細長い板状のセンサホルダＳＨの裏面にＸ軸方向に当接点（頂点）間隔Ｌｘで２個配置され、更に両球ＳＰの頂点を結ぶ、X軸に平行な直線上に被測定面の形状高さを検出する変位センサＳＮが配置されている。センサＳＮは電磁式、光学式などの非接触センサでも、電気マイクロメータなどと呼ばれる接触式のプローブにより、対向する被測定面の高さ変位を電気的に読み取るものでも、ダイヤルゲージのような機械式の接触式変位センサでもよい。
【００１４】
簡単のために、Ls＝Lx/２の場合を例にとると、間隔Ｌxである２個の球ＳＰの頂点における座標で、（ｘ−Ls）、（ｘ＋Ls）の２点を結ぶ直線は、両方の球ＳＰの接点の（Ｚ軸方向の）形状高さの差から決まる。この傾斜をもとに点ｘにあるセンサＳＮの原点の移動を評価して、センサ出力値ms(x)と断面直線形状ｆ(x)との関係は次式のようになる。
ms(x)=f(x)−{f(x−Ls) +f(x+ Ls) }/2          （１）
【００１５】
このセンサの出力は、いわゆる３点法（非特許文献１参照）に従い、３本のセンサから走査運動誤差を取り除いて、形状に関する量だけで表現したときの差動出力と同じ形になる。
【００１６】
ただし、式（１）において、αは３点法におけるセンサ間のゼロ点誤差に相当し、形状既知の直線に沿ってセンサホルダＳＨの２点を当接させたときのセンサＳＮの読みから校正できる。図１（ｂ）に示すように、直線状の剛体であるガイドＧＤに沿って、センサホルダＳＨを移動させながら、センサＳＮの値を読み取ってゆくことで、球ＳＰの頂点を結ぶ直線に沿った被測定面の形状を精度良く測定することができる。このとき、例えばリニアエンコーダ等により、ガイドＧＤに対するセンサホルダＳＨの相対移動量を検出できると好ましい。
【００１７】
なお、図１ではセンサＳＮは２つの接点の中間に置かれているが、センサＳＮの位置は両接点を結ぶ直線上にあれば、両接点の間にあっても、外側にあっても構わない。また、式を導くとき、２Ｌｓ＝Ｌｘ、Ｌｓ＝ｘｓの条件を与えたが、Ｌｓ＝ｘｓが成立しないときは、逐次３点法でなく、一般的な３点法としてデータ処理をすればよい。より一般的な形としては、２Ｌｓ＝Ｌｘも必須の条件ではない。
【００１８】
図２（ａ）は、請求項２の発明を具現化した形態のセンサホルダＳＨの側面の模式的構造を示し、図２（ｂ）は、センサホルダＳＨの裏側（被測定面に対向する側）の模式的構造を示すもので、センサホルダＳＨがＹ軸方向に傾斜するのを防ぐために、球ＳＰ３による接点を一つ増やした形態である。これによりセンサホルダＳＨは、３点支持され自立でき、安定した測定を行える。なお、図２（ａ）では、Ｘ軸方向に沿った直線上を走査するために、三角板形状のセンサホルダＳＨの一辺（球ＳＰの頂点を結ぶ直線に平行であると好ましい）を、直線状の剛体であるガイドＧＤに沿って摺動させれば、図１と同様の効果が得られる。尚、直線ガイドには位置決めの機能を持たせることも好ましい。直線ガイドの代わりに、複数の突起をセンサホルダＳＨに当接させてもよい。
【００１９】
図３は、別な形態にかかるセンサホルダＳＨの裏面を示すもので、Ｙ軸方向に配置した２つの球ＳＰの接点の中間の点Ｐ４と、第３の接点Ｐ３をむすぶ線上にセンサＳＮが配置されている。この配置では、Ｙ軸方向に並ぶ２個の接点Ｐ１，Ｐ２における形状高さが既知で無い限り、Ｘ軸方向の厳密な断面直線形状は測定できない。しかし、Ｙ軸方向への形状変化が少ない場合は、Ｘ軸方向の断面直線形状測定に関して、Ｙ軸方向の２点Ｐ１，Ｐ２の形状高さの平均値と、センサＳＮおよび第３の接点Ｐ３が通過する直線の断面形状とが近似的に一致するとすれば、３点法が成立する。ここで、安定な形で、かつ２点Ｐ１，Ｐ２の間隔が狭いほうがよい。一つの接触点Ｐ３とセンサＳＮの測定点を結ぶ線方向にセンサホルダＳＨを移動してその移動方向の真直形状が測れるが、残りの２個の接触点Ｐ１，Ｐ２の間隔が狭いほど測定の確からしさが増す。尚、図３ではガイドを図示していないが、センサホルダＳＨの上面に、中間の点Ｐ４と、第３の接点Ｐ３をむすぶ線に平行な壁を設け、不図示のガイド（図１，２参照）に当接させながら、センサホルダＳＨをスライドさせると良い。
【００２０】
図４は、別な形態にかかるセンサホルダＳＨの裏面を示すもので、Ｙ軸方向に配置した２つの接点Ｐ１，Ｐ２の中間点２個と、変位センサＳＮをむすぶ、Ｘ軸方向に沿う直線の断面形状に関して、図３と同様の理由で近似的な３点法が成立する。もちろんこの配置では、Ｙ軸方向に並ぶ２個の接点Ｐ１，Ｐ２における形状高さが既知で無い限り、Ｘ軸方向の厳密な断面直線形状は測定できない。しかし、Ｙ軸方向への形状変化が少ない場合は、Ｘ軸方向の断面直線形状測定に関して、Ｙ軸方向に配置した一組の２点の接点Ｐ１，Ｐ２の形状高さの平均値とセンサＳＮ、および、もう一組のＹ軸方向に配置した２点の接点Ｐ１，Ｐ２の形状高さの平均値とで３点法が成立する。
【００２１】
図５に請求項４を具現化するためのセンサホルダＳＨを示す。図５の形態では、図３と図４のセンサホルダの機能を併せ持たせた形になっている。より具体的には、Ｙ軸方向の２つの接点Ｐ１，Ｐ２の中間に第１センサＳＮ１を配置し、Ｙ軸方向における３点法を実現し、もうひとつの第２センサＳＮ２を、第３の接点Ｐ３と第１センサＳＮ１を結ぶ線上の点で、かつＹ軸方向の３点法で既知となった点の形状高さとで、Ｘ軸に沿う断面直線形状測定の３点法が成立する構造になっている。これによって２次元の面形状を測定することができる。センサホルダＳＨのガイドについては、図３の態様と同様である。
【００２２】
図６は、図１と類似の目的で用いることができるセンサホルダの斜視図であり、球の代わりに被測定面に当接する２つの円筒ＣＹを用いる形態を示す。円筒ＣＹは、固定されていても良いが、センサホルダＳＨに対して軸受（不図示）を介して回転可能とすることが望ましく、円筒ＣＹが回転することで、センサホルダＳＨは、別体のガイドを設けなくても被測定面に対して一方向（例えばＸ軸方向）に変位することができる。即ち、円筒ＣＹがガイドの機能を果たすことになる。本実施の形態によれば、球の代わりに円筒ＣＹを用いることで接点があいまいになり、厳密な意味での断面直線が定義出来なくなるが、Ｙ軸方向の形状変化が少ないときには接点があいまいになるという影響は小さく、センサホルダＳＨのＹ軸方向の傾きを抑制して安定して支持する上では有効である。
【００２３】
また、図６に示した2次元走査用のセンサホルダＳＨの接点構成のために円筒ＣＹを用いるときは、円筒ＣＹの回転軸を走査方向に合わせて変更できる構造にすることが好ましい。例えば、円筒ＣＹの回転軸を９０度変更すれば、ガイドを用いずにＹ軸方向にセンサホルダＳＨを変位させることができる。
【００２４】
また、図８(a)に示す例は、円筒の代わりに直径のそろった複数個の球ＳＰを直線上に並べる構造で、センサＳＮを保持するセンサホルダＳＨ側の一対のV溝ＶＧにはめ込まれたそれぞれ4個の球ＳＰが被測定面（不図示）の直線上の点で接することで、円筒と類似の接点構成となる。V溝ＶＧは球ＳＰを直線上に保持すると共に、センサホルダＳＨを被測定面上で滑らせるときに滑らかに球が回転できる構造とするのに有効である。もちろん、図6の円筒をこのようなV溝ＶＧで受けても良い。同様に、単独の球ＳＰであれば、図8(b)のように、センサホルダＳＨに三角錐状の穴ＴＡを開けて球ＳＰを保持するようにすれば、センサＳＮを保持するセンサホルダＳＨの被測定面上における移動が滑らかに行えて好ましい。
【００２５】
このように、センサホルダの凸部をセンサホルダに対して固定するだけでなく、請求項３に記載のように被測定面との接点を構成する凸部である球や円筒を、センサホルダにおける球面軸受けや円筒ころ軸受けの軸受け部で保持することにより、センサホルダを走査方向移動させながら被測定面に転がり接触する形式も好ましい。
【００２６】
この場合、球や円筒の真球度や真円度が形状測定結果に影響するが、球や円筒のおよそ一回転あるいは数回転の間のセンサの出力を平均することで、その間に被測定面上を操作移動した範囲の形状の移動平均値を用いて、前記真円度の影響を低減させることも出来る。
【００２７】
尚、センサホルダに球または円筒が所定の量だけ回転したことを検出する装置（例えばエンコーダ）を設け、球または円筒が所定の量を回転する間（即ちセンサホルダが例えばＸ軸方向に所定距離変位する間）に採取された変位センサの出力の平均をとることで、球または円筒の真円形状誤差の影響を平均効果で低減することができる。
【００２８】
なお、真直形状測定用多点法として、変位計を３つ用いる３点法のほかに、角度センサを２つ用いる角度２点法や角度センサと変位センサを同時に用いる方法も知られているが、図１でセンサＳＮをＸ軸方向の傾斜を計測する角度センサとすれば、２接点の傾斜と角度センサによる傾斜測定結果を用いて次式のような一種の角度２点法が成立する。センサＳＮを角度と変位を同時に測定する混合センサとしても真直形状測定用混合法が成立する。
【００２９】
また、図３におけるセンサＳＮを２次元角度センサとすれば、平面形状測定のための多点法が成立する。センサＳＮを、Ｙ軸方向の傾斜を検出する角度センサと、高さ方向を検出する変位センサにすれば２次元測定のための混合法が成立する。
【００３０】
また、２つの接点と変位センサよりなる３点法のゼロ点誤差を校正方法の一例を図７に示す。図７（ａ）では、面形状が既知となっている回転円板ＲＤの中心に、図１に示すセンサホルダＳＨの一方の接点Ｐ１を成す球ＳＰを置き、他方の接点Ｐ２を成す球ＳＰを両接点Ｐ１，Ｐ２間隔に等しい半径２Ｒの円周上に置く。かかる状態で、回転円板ＲＤを回転させながら、半径Ｒの円周上を変位センサＳＮで測定する。回転円板ＲＤの面形状が既知であれば、半径Ｒの円周上を測定する変位センサＳＮの出力から、変位センサＳＮのゼロ点誤差が決まる。続いて、図７（ｂ）に示すように、回転円板ＲＤの中心にセンサＳＮの測定点をおき、回転円板ＲＤを回転させながら、回転円板ＲＤの中心を変位センサＳＮで測定すると、接点Ｐ１，Ｐ２のＺ軸方向の平均値が求まる。校正値が半径Ｒ上の一点では偶然誤差などの影響が大きくなるが、回転円板ＲＤの一回転での平均値を用いることで、その影響は低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一例であるセンサホルダの例を示す図である。
【図２】本発明の別例であるセンサホルダの例を示す図である。
【図３】本発明の別例であるセンサホルダの例を示す図である。
【図４】本発明の別例であるセンサホルダの例を示す図である。
【図５】本発明の別例であるセンサホルダの例を示す図であり、球の代わりに円筒を用いている。
【図６】本発明の別例である２次元の形状測定のためのセンサホルダの例を示す図である。
【図７】センサホルダの接点と変位センサよりなる３点法プローブのゼロ点誤差を校正するための校正装置を示す図である。
【図８】センサホルダの別な例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３２】
ＣＹ 円筒
ＧＤ ガイド
Ｐ１ 接点
Ｐ２ 接点
Ｐ３ 接点
Ｐ４ 接点
Ｒ 半径
ＲＤ 回転円板
ＳＨ センサホルダ
ＳＮ センサ
ＳＮ１ センサ
ＳＮ２ センサ
ＳＰ 球
【図１】
2009145152.tif 000003
【図２】
2009145152.tif 000004
【図３】
2009145152.tif 000005
【図４】
2009145152.tif 000006
【図５】
2009145152.tif 000007
【図６】
2009145152.tif 000008
【図７】
2009145152.tif 000009
【図８】
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