(57)【要約】【課題】マイクロエンドミル等の微小工具の位置を、非接触で繰り返し精度が高く、工具刃先形状の違いによる測定誤差を受けにくく、工具刃先と被削材の位置を直接測定可能な工具位置測定方法と装置を提供する。【解決手段】マイクロエンドミル等の刃先を有する切削加工用の工具１２と被削材２２との隙間を照明可能なインコヒーレントな光源と、光源により照明された工具１２と被削材２２及びその間隙を撮像するカメラ３２を備える。工具１２と被削材２２の距離により光強度が変化するような、工具１２と被削材２２との間隙の領域で、その光強度を検出して工具１２の位置を測定する演算手段を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
刃先を有する切削加工用の工具と被削材との間隔を非接触で測定する工具位置測定方法において、前記工具と被削材との隙間をインコヒーレントな光により照明して、前記工具と被削材及びその隙間を撮像して前記工具と被削材との間隙の光強度を測定し、前記工具を前記被削材に近づけて行くに従い、前記光強度が減少するような前記工具と被削材との間隙の領域で、前記光強度の測定値を基に前記被削材に対する前記工具の位置を測定することを特徴とする工具位置測定方法。
【請求項２】
刃先を有する切削加工用の工具と被削材との間隔を非接触により測定する工具位置測定装置において、前記工具と被削材との隙間を照明可能なインコヒーレントな光源と、前記光源により照明された前記工具と被削材及びその隙間を撮像する撮像装置と、前記工具と前記被削材の距離により前記光強度が変化するような前記工具と被削材との間隙の領域で、前記光強度の測定値を基に前記被削材に対する前記工具の位置を測定する演算手段を備えたことを特徴とする工具位置測定装置。
【請求項３】
前記演算手段は、前記工具と前記被削材の距離により前記光強度が変化する領域の光強度と前記距離の対応を記憶し、前記光強度により前記距離を出力するコンピュータである請求項２記載の工具位置測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、いわゆるマイクロエンドミル等の微小工具の位置を非接触で検出する工具位置測定方法と装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マイクロレンズアレイなどの光学部品の金型や、マイクロ流体機械の切削加工には、直径φ＝０．０１ｍｍ〜０．２mm程度のマイクロエンドミル等の微小な工具を用いることが多い。このような工具を使用する際、高精度な加工を行うために、工具と被削材との距離を正確に測定しなければならない。
【０００３】
工具位置の検出には種々の方法があり、一般的には特許文献１に開示されているように、工具に接触する摺動体を設けて、工具への接触を電気的に検知して、工具位置の検出を行っている。また、特許文献２に開示されているように透過型レーザ測定装置と電気マイクロメータ、及び顕微鏡等を用いて工具の測定を行う装置もある。その他、特許文献３に開示されているように、ＣＣＤカメラにより工具先端を撮像して、工具の位置合わせを行う方法もある。
【０００４】
また、非特許文献１に開示されているように、レーザ光の回折を利用して微小工具の測定を行う方法も提案されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−７５９０８号公報
【特許文献２】特開平６−１０９４４０号公報
【特許文献３】特開２００６−１４２４１２号公報
【非特許文献１】パナート  カチョーンルンルアン  レーザ回折を用いたマイクロ工具オンマシン計測ユニットの試作，2007年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集，(2007)305
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されている接触式の工具位置測定装置では、現実的には被削材に対して０．３Ｎ程度の測定力が加わり、極小径の工具の場合、切れ刃を破損することがしばしばある。また、特許文献２に開示されたような非接触式の工具位置測定装置のレーザ光透過方式の場合、工具刃先形状の違いによる測定誤差があるという問題があった。さらに、ＣＣＤカメラ方式では、工具刃先とベッド面の距離を直接測定することができず、タッチセンサを介する必要があるため、それに起因する誤差要因が増える。
【０００７】
また、非特許文献１に開示されたレーザ光回折方式では、測定対象が工具とナイフエッジであり、工具と被削材ではない。さらに、それらのすき間は、数十μｍのオーダーになるため、それ以下の精度で工具位置を検出することはできず、マイクロエンドミル等の微小工具の位置を正確に検出することができないものである。
【０００８】
この発明は、上記背景技術に鑑みて成されたもので、マイクロエンドミル等の微小工具の位置を、非接触で繰り返し精度が高く、工具刃先形状の違いによる測定誤差を受けにくく、工具刃先と被削材の位置を直接測定可能な工具位置測定方法と装置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】
【０００９】
本発明の方法では、工具刃先と被削材の接近を側面から直接観察し、そこを通過する光強度が隙間の二乗に比例することを利用して、それらの位置を高い繰り返し精度で検出できることを特徴とする。
【００１０】
この発明は、マイクロエンドミル等の刃先を有する切削加工用の工具と被削材との間隔を非接触で測定する工具位置測定方法であって、前記工具と被削材との隙間をインコヒーレントな光により照明して、前記工具と被削材及びその隙間を撮像して前記工具と被削材との間隙の光強度を測定し、前記工具を前記被削材に近づけて行くに従い、前記光強度が減少するような前記工具と被削材との間隙の領域で、前記光強度の測定値を基に前記被削材に対する前記工具の位置を測定する工具位置測定方法である。
【００１１】
またこの発明は、刃先を有する切削加工用の工具と被削材との間隔を非接触により測定する工具位置測定装置において、前記工具と被削材との隙間を照明可能なインコヒーレントな光源と、前記光源により照明された前記工具と被削材及びその隙間を撮像する撮像装置と、前記工具と前記被削材の距離により前記光強度が変化するような前記工具と被削材との間隙の領域で、前記光強度の測定値を基に前記被削材に対する前記工具の位置を測定する演算手段を備えた工具位置測定装置である。
【００１２】
前記演算手段は、前記工具と前記被削材の距離により前記光強度が変化する領域の光強度と前記距離の対応を記憶し、前記光強度により前記距離を出力するコンピュータである。
【発明の効果】
【００１３】
この発明の工具位置測定方法と装置によれば、マイクロエンドミル等の微小工具の位置を、非接触で繰り返し精度が高い測定が可能であるとともに、工具刃先形状の違いによる測定誤差を受けにくいものであり、工具刃先と被削材の位置を直接高精度に検出することができる。また、コヒーレントなレーザ光の回折を利用すると、干渉性が高いためにスペックルノイズが発生するが、この発明では、インコヒーレントな光の回折を利用して、工具と被削材の隙間の画像を撮像することにより、スペックルノイズの問題もない。さらに、光源としては、レーザ光源と比較して安価なＬＥＤやその他の一般的な光源を利用することができ、装置全体としても安価なものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、この発明の工具欠陥検査装置の一実施形態について、図１、図２を基にして説明する。この実施形態の工具位置測定装置１０は、図１に示すように、マイクロエンドミルである工具１２とそのチャック部１４を有し、チャック部１４は図示しない加工機の主軸に連結されるものであるが、この実施形態では実験用に取り付け台１６に固定されている。取り付け台１６は、位置決め用のＸＹステージ１８に固定され、ＸＹステージ１８には、水平方向であるＸＹ軸方向にＸＹステージ１８を位置合わせ可能なピエゾアクチュエータ２０が設けられている。
【００１５】
工具１２の先端側には、加工が施される被削材２２が対向して位置している。工具１２の側方には、図示しないハロゲンランプ等のインコヒーレントな光の光源に接続された光ファイバ２４を備え、光ファイバ２４からの光の出射端には、所定波長の光を通過させるバンドパスフィルタ２６、及び工具１２の側方に集光用のコンデンサーレンズ２８が設けられている。バンドパスフィルタ２６は、例えば波長４５０ｎｍの光を通過させるものである。
【００１６】
工具１２を挟んで反対側には、対物レンズ３０と結像レンズ３１が設けられている。さらに、工具１２の先端部を拡大して撮影する対物レンズ３０と、工具１２の像を撮像するＣＣＤ等の撮像素子を内蔵したカメラ３２が設けられ、カメラ３２の撮像データの出力はコンピュータ等の記憶装置に出力される。
【００１７】
この実施形態の工具欠陥検査装置１０は、光源から光ファイバ２４で導かれたインコヒーレントな光が、バンドパスフィルタ２６を通り、コンデンサーレンズ２８により集光され、被削材２２と工具１２の刃先の隙間を通過する。被削材２２と工具１２の刃先の隙間を通過した光は、対物レンズ３０と結像レンズ３１を介して、カメラ３２の撮像素子に結像される。撮像素子から得られた画像情報は、画像入力ボードを経由してコンピュータに取り込まれ、光強度の測定が行われる。
【００１８】
なお、この実施形態では、取り付け台１６に、工具１２の軸方向の位置を測定するための電気式マイクロメータ３４の検知部が接触している。これにより、ＸＹステージ１８に取り付けられたピエゾアクチュエータ１８により、工具１２が被削材２２に対して進退すると、その変位量を電気マイクロメータ３４により測定される。
【００１９】
次に、この発明における工具１２と被削材２２との距離の測定方法について説明する。ここでは、工具１２の刃先と被削材２２の隙間をスリットに見立て、図２に示すようにインコヒーレントな光源・レンズ・結像面が位置している場合、工具１２の刃先と被削材２２との距離ｗと、結像面中央でのフランホーファー回折による光強度との関係を求める。
【００２０】
ここで、物体面での座標系をξ、結像面での座標系をｘのそれぞれを一次元と考える。また、物体面から結像面までの距離をＬ、物体面での光の複素振幅をｕ０、結像面での光の複素振幅をｕ１、光源の波数をｋとすると、結像面での光強度分布Ｉ１（ｘ）は、
【数１】
2009178818.tif 000003
となり、スリット部での光の複素振幅は、
【数２】
2009178818.tif 000004
と記述でき、さらに、Ｘ≡ｋｘ／（２Ｌ）とすると、式（１）は、
【数３】
2009178818.tif 000005
となる。
【００２１】
さらに、結像面中央（ｘ＝０）での光強度は、sinc(ｗＸ)=1から、
【数４】
2009178818.tif 000006
となり、結像面中央でのフランホーファー回折による光強度Ｉ1(0)は、スリット部での光の複素振幅の二乗と、工具１２の刃先と被削材２２との距離ｗの二乗の積で表される。スリット部での光の複素振幅の二乗、つまり、スリット部での光強度を常に一定にすることによって、結像面中央での光強度は、工具１２の刃先と被削材２２の距離ｗの二乗に比例する。
【００２２】
上述の原理により、工具１２の刃先が被削材２２に接近した際に、その隙間の光強度を測定することにより、隙間の距離に対して急激に光強度が減少することを利用して、繰り返し精度の高い工具位置測定が可能となる。
【００２３】
図３に、この発明の実施形態において、Ｒ＝0.05ｍｍのボールエンドミルが被削材２２に近接している画像を示す。この時の工具１２の中心での光強度を図４に示す。工具１２の刃先と被削材２２の隙間が十分開いているときの最大光強度を1として、隙間からの光強度を正規化して表している。以降、正規化された光強度を単に光強度と呼ぶことにし、単位を無次元化して表す。矢印の１から６の破線で示した各光強度分布は、工具１２の刃先が被削材２２に近づく際の光強度分布を模式的に表したものである。図４の光強度分布の破線の左側のみが移動しているのは、工具１２の刃先側のみが移動していることを示している。また、図３の工具１２の刃先と被削材２２の距離での光強度分布は、図４の矢印４が指示する実線に対応する。
【００２４】
以上述べたように、この実施形態の工具位置測定方法と装置によれば、図４に示す矢印４の位置から矢印５，６の位置への変化を検知して、比較的簡単で安価な装置で光学的に非接触で、直接的に工具１２の刃先の位置を検出することができる。
【実施例１】
【００２５】
次に、この発明の工具位置測定方法と装置による工具位置の検出についての実験結果を説明する。ここでは、表１に示す２種類の工具を用い、図５に定義する３方向について実験を行った。観察される工具刃先の像を図６に示す。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
上記実施形態で説明した理論的なスリット形状での光強度の変化について、ナイフエッジおよび表１の工具刃先と、被削材とのスリット形状の違いによる光強度の変化を測定した。まず、上述の実施形態の方法で、工具刃先と被削材の接触位置を推定し、その位置から、徐々に工具刃先を被削材から遠ざけ、その際の光強度を測定する。得られた光強度曲線を図７〜図９に示す。図の横軸は工具刃先と被削材の距離を示し、縦軸は正規化された光強度を示す。得られた曲線を、図７〜図９のように、それぞれＡ、Ｂ、Ｃ領域に分けて定義する。
【００２８】
図７に示すナイフエッジの場合、図７のＡ領域でuS2=0.26μm-2の理論曲線とよく合致し、実際のボールエンドミル及びスクエアーエンドミルの場合は、図８および図９のＡ領域でuS2=0.6μm-2の理論曲線とよく合致している。ナイフエッジと、各エンドミルの各方向での測定結果で、それぞれ曲線が異なるのは、光の回折による要因が支配的と考えられる。
【００２９】
即ち、エンドミルの測定では、３次元的な形状の工具刃先と被削材をスリットに見立てて、スリット幅に対する光強度を測定したが、実際は図６に示したように、理想的なスリットと異なり、測定している中心部でスリット幅が０に近づいても、その周辺のスリット幅は広いため、周辺部からの光の回折による影響を受ける。このため、エンドミルによって得られた光強度曲線は、光の回折による影響のために光強度が押し上げられていると考えられる。よって、ナイフエッジのuS2は、実験で得られた光強度曲線に合致する値より小さい。この要因は、回転方向により各スリット周辺形状が変わることから、光強度曲線が回転方向により変化することによると考えられる。
【００３０】
また、各領域においては、Ａ領域では工具と被削材の距離ｗの二乗に比例する急激な光強度の変化が生じている。一方、Ｃ領域はカメラのＣＣＤに入射する光強度が大きいために、出力信号が飽和している。Ｂ領域では、Ａ領域のように理論曲線と一致せず、またＣ領域のように出力信号が飽和していない。
【００３１】
そこで、この要因として考えられるＣＣＤのγ値について検討した。上記実施形態の測定装置から工具と被削材を取り外し、可変式NDフィルターを用いて、使用したＣＣＤのγ曲線を求めた。その結果を図１０に示す。入力される光強度が0.8以上で、γ=1.0の直線から大きく外れ、入力に対して出力が小さい。よって、図７等のＢ領域は、全域でγ=1.0に補正した場合、理論で求められた曲線に近づく。しかし、急激な変化のあるＡ領域を用いて測定する場合は、特に補正などは入れずＡ領域のみをもいても良い。
【００３２】
次に、工具刃先が被削材に接触する直前で、高い繰り返し位置決め精度が得られることを確認した。上記実施形態の図１の装置で、光強度が0.5となる位置に表1の各工具刃先を移動させ、その位置を電気マイクロメータで測定した。これを２０回繰り返し、標準偏差σ、および全測定値の最大値から最小値の差を求めた。
【００３３】
表２に結果を示し、図１１、図１２に度数分布を示す。横軸は光強度0.5を検出した位置を示し、プラス側は被削材に接近、マイナス側は被削材から遠ざかっていることを示している。
【表２】
2009178818.tif 000008
【００３４】
繰り返し位置決め精度は、各々の工具で方向３が最も高く、順に方向２、方向１となった。測定方向により繰り返し位置決め精度に差が生じる要因を、光強度曲線との相関から考えると、おおよそ光強度曲線の合致するuS2が大きい測定方向ほど、測定感度が高くなるため、測定精度が高くなると推察される。
【００３５】
次に、上記実験で得られた繰り返し位置決め精度、および全測定値の最大値から最小値の差を、従来の接触式の刃先位置測定器（カタログ値2σ=±1μm）と比較した。まず、上述の実施形態の図１の測定装置を図１３に示すように再構成した。接触式の刃先位置測定器４０と工具１２の刃先を対向させ、工具１２を被削材２２に徐々に接近させ、接触式の刃先位置測定器４０が検出信号を出力したときの位置を電気マイクロメータ３４で測定した。これを２０回繰り返し、その結果を表３に示す。
【表３】
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【００３６】
この表３より、接触式の刃先位置測定器４０の繰り返し位置決め精度がσ=0.100μmであるのに対して、本測定装置の実験結果は表２よりσ≦0.048μmであり、本装置の精度が２倍程度良いことが分かった。
【００３７】
以上の実験結果より、この発明の工具位置測定方法と装置は、非接触でかつ工具刃先と被削材の距離を直接測る位置測定装置として、十分な繰り返し位置決め精度をもつ。また、工具刃先形状を直接観察することにより工具刃先形状の違いによる誤差を受けないものである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明の一実施形態の工具位置測定装置を示す全体構成図である。
【図２】この実施形態の工具位置測定装置の測定原理を示す図である。
【図３】ボールエンドミルと被削材とが近接した状態を撮影した画像である。
【図４】工具中心での光強度と被削材への工具の接近による光強度分布の変化を示すグラフである。
【図５】工具刃先の正面図である。
【図６】２種類の工具刃先を異なる方向から撮影した画像である。
【図７】被削材とナイフエッジとの隙間と光強度の変化示すグラフである。
【図８】被削材とボールエンドミルとの隙間と光強度の変化示すグラフである。
【図９】被削材とスクエアーエンドミルとの隙間と光強度の変化示すグラフである。
【図１０】撮像装置のＣＣＤのγ値の測定結果を示すグラフである。
【図１１】ボールエンドミルについて、光強度０．５での繰り返し位置決め精度を示す度数分布を表したグラフである。
【図１２】スクエアーエンドミルについて、光強度０．５での繰り返し位置決め精度を示す度数分布を表したグラフである。
【図１３】接触式の工具位置測定装置を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  工具位置測定装置
１２  工具
２２  被削材
２４  光ファイバ
３２  カメラ
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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