測定装置

【課題】高能率かつ高精度で直角度などを測定する測定装置を提供する。
【解決手段】測定装置１０は、ベース１１に立設された支柱１２と、測定装置１３と、ネジ部材１５の回転に応じて昇降する移動台１７と、レール部材２１に取り付けられたガイド２２と、先端に駒部材２３ａが付設され、各ガイド２２に沿って水平方向に移動するスライド部材２３と、４個の端子保持具２５の先端に取り付けられた測定端子２６と、測定端子開閉用のドーム２７とを備えている。４個の測定端子２６により、ワークＷの内面や外面の直角度，テーパ角などを、高能率かつ高精度に測定する構成となっている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基準面に対する直角度やテーパ角などの形状パラメータを測定するための測定装置に係り、特に作業効率や測定精度の向上対策に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車部品など各種産業機器の高精度化と製造コストの削減とが求められている。そのためには、各種産業機器の部品について、高能率に精度を測定する手段が必要となる。また、部品の精度としては、寸法だけでなく、基準面に対する直角度やテーパ角などの形状パラメータも重要である。
【０００３】
図７は、特許文献１の図９として開示されている，従来の直角度を測定するための測定装置である。同図に示すように、従来の測定装置１０２は、定盤１０１上を水平方向に移動する台本体１０３と、台本体１０３に直交する支柱１０４と、支柱１０４に沿って昇降するスライダ１０５と、スライダ１０５に取り付けられたインジケータなどの測定器１０６とを備えている。測定に際しては、ワークＷの第１面Ｗ１をブロックゲージ１０７に載置し、台本体１０３のストッパ１０３Ａをブロックゲージ１０７に突き当てて、支柱１０４とワークＷとの間隔を一定に保った状態で、測定器１０６の測定端子１０６ＡをワークＷの第２面Ｗ２に接触させて、測定器１０６を支柱１０４に沿って昇降させて、直角度を測定する。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２４３３５１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、従来の測定装置を用いた場合、測定器１０６を支柱１０４に沿って移動させるので、直角度の精度が測定器１０６の移動精度に依存し、高精度な測定が期待できない。また、筒状の部品の内面と端面との直角度の測定や、内外面のテーパの測定には、この測定装置１０２の利用が困難である。さらに、作業能率も悪い、という不具合もあった。
【０００６】
そこで、特許文献１では、被測定物の相直交する２つの面における各１対の点の座標を測定して、各１対の点を結ぶ直線同士の直角度を測定する構成としている。しかしながら、このような装置では、筒状製品の内面と端面との直角度を測定することはできず、各種製品への応用性に欠けている。
【０００７】
本発明の目的は、各種製品の直角度やテーパ角などの形状パラメータを高精度かつ高能率で測定可能な測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の測定装置は、被測定面に接触する複数の測定端子を備え、縦移動部材により各測定端子を縦方向に移動させて、被測定物の形状パラメータを測定するものである。
【０００９】
これにより、各種製品に対して、複数の測定端子を同時に縦方向に移動しながら、複数の測定位置のデータが得られるので、測定能率の向上を図ることができ、かつ、複数のデータによって縦移動方向の垂直方向からの傾きを較正することができるので、高精度の測定が可能である。
【００１０】
複数の測定端子が、３個以上設けられていることにより、迅速に縦移動の傾きを補正しながら、被測定物の測定を高精度で行うことができる。
【００１１】
３個以上の測定端子が、実質的に同一円周上に配置されていることにより、補正のための測定およびデータ処理が容易になる。
【００１２】
複数の測定端子のデータを処理演算する演算装置をさらに備えることにより、補正のための演算や良否判定を迅速に行うことができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の測定装置によると、直角度やテーパ角などの形状パラメータを高能率かつ高精度で測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態における測定装置１０の要部を示す側面図である。図１には、見やすくするために部分的に破断した部分や断面図が記載されている。また、図２は、測定装置１０を含む測定システム全体を概略的に示す斜視図である。
【００１５】
測定装置１０は、水平方向に設けられたベース１１と、ベース１１に立設された支柱１２と、ベース１１に取り付けられた，ワークＷを保持するための測定装置１３と、支柱１２に取り付けられたネジ部材１５と、ネジ部材１５の回転に応じ、支柱１２の案内面に沿って昇降する移動台１７と、ネジ部材１５を回転駆動するモータ１８とを備えている。すなわち、測定時には、ワークＷを測定装置１３に取り付けた状態で、移動台１７を下降させて、移動台１７に取り付けられた測定部をワークＷに接近させる一方、測定終了時には、移動台１７に取り付けられた測定部を上昇させるように構成されている。
【００１６】
測定部には、互いに直交する２個のレール部材２１と、各レール部材２１ごとに１対ずつ取り付けられた合計４個のガイド２２と、先端に駒部材２３ａが付設され、各ガイド２２に沿って水平方向に移動する４個のスライド部材２３と、各スライド部材２３に取り付けられた端子保持具２５と、各端子保持具２５の先端に取り付けられた測定端子２６とが設けられている。一方、移動台１７におけるワークＷの直上に延びる部位には、内面が傘状に形成された，測定端子開閉用のドーム２７と、ドーム２８を昇降させるためのシリンダ２８とが設けられている。なお、図示されていないが、スライド部材２３は、レール部材２１との間に設けられたスプリングにより、ドーム２７の内面およびワークＷの内面に密着するように付勢されている。
【００１７】
測定部において、シリンダ２８によってドーム２７が下降すると、スライド部材２３の先端に取り付けられた４つの駒部材２３ａが相対的に縮む方向に移動するので、ワークＷの内面測定に対して退避した位置に移動することになる。この状態で、移動台２３を下降させて、測定端子２６をワークＷの下端付近に位置させ、その後、シリンダ２８によりドーム２７を上昇させると、各測定端子２６がワークＷの内面に当接した状態になる。
次に、移動台１７を上昇させると、測定端子２６がワークＷの内面に接触しながら縦方向に移動することにより、ワークＷの内面の基準面（下端面）に対する直角度やテーパ角などが測定される。
【００１８】
ここで、４個のガイド２２のうち各２個のガイド２２は同じ直線上にあり、各２個のガイド２２同士は直交する関係にある。つまり、中心位置に対して、４個のガイド２２が実質的に同一円周上に９０°間隔で等分配置され、４個の測定端子２６により、ワークＷの内面の直角度やテーパ角などが９０°間隔で測定される。「実質的に同一円周上に配置されている」とは、許容される誤差内で同一円周にあればよい意味である。
【００１９】
測定端子２６の基部は、端子保持具２５に内蔵されたバネ部材（図示せず）によって付勢されており、この付勢力により、測定端子２６に測定圧が与えられるとともに、測定端子２６の移動幅が広く確保されている。ドーム２７は、ワークＷの形状や大きさに応じて交換することができる。
【００２０】
図２に示すように、測定装置１０全体が設置されるベンチ３５には、空調ダクト３４を介して、空調装置３３から温度が一定（たとえば２５°Ｃ±０．２°Ｃ）の清浄空気が供給されている。そして、コンピュータ３１により、移動台１７，ドーム２７の動作が制御されるとともに、測定端子２６の変位からワークＷの直角度，テーパなどの形状パラメータに関する情報が整理される。
【００２１】
図３は、測定装置１０に付設された制御システムのブロック回路図である。演算装置を内蔵するコンピュータ３１には、測定端子２６の変位信号をＡ／Ｄ変換するためのＡ／Ｄボード、モータ１８の垂直方向位置を制御するためのモーターコントロールボード、シリンダ２８のストローク位置を制御するためのＰＩＯボードが配置され、モニタによって各種情報が表示される。コンピュータ３１と、アンプ３２，モータ１８のドライバー，およびシリンダ２８とは、ベース１１を通過する信号配線によって電気的に接続されている。
【００２２】
測定端子２６の変位は、端子保持具２５に内蔵された変位センサにより電気信号に変換され、アンプ３２によって増幅されて、コンピュータ３１（Ａ／Ｄボード）に送られる。そして、モニタに表示されたデータから、できあがり製品の良否判定を行ない、あるいは、自動的に良否判定を行なって良否をモニタに表示することができる。
【００２３】
次に、測定装置１０の移動台１７や基準ブロックの理想形状からのずれを検出する例について説明する。本実施の形態のごとく、４個（少なくとも３個）の測定端子２６を有していることにより、移動台１７の理想垂線からのずれや、基準ブロックの理想形状からのずれを簡単に求めることができる。なお、直角度，テーパ角などは、実際のデータ処理上は、一定の測定距離（たとえば２１ｍｍ）に対する測定端子の下端位置からの変位（μｍ）として表すことが多い。
【００２４】
図４は、移動台の理想直線からのずれを補正するためのテーパ付き基準ブロックの断面図である。挿図に示すように、テーパ付き用基準ブロックＢＬは、上方に向かって拡大するを有する内面（水平面からの傾き角α）を有している。そして、端子保持具２５および測定端子２６を下端から上端まで移動させて、縦方向移動量ｖに応じた、測定端子２６の基準位置からの水平方向変位量ｈを測定する。
【００２５】
図５は、このときに得られる測定データを示す図である。同図に示すように、移動台１７が理想的に直線的に移動する場合には、傾き角αの理想直線Ｌｉに一致する測定データが得られるはずである。しかし、実際には、測定装置１３の各部の誤差に起因して、測定線Ｌｄに示すような測定データが得られる。そこで、測定線Ｌｄの理想直線Ｌｉからのずれ量を補正値Ｃｐとして、コンピュータ３１内のメモリに格納しておく。このとき、傾き角αにも誤差があるが、この時点では、最小自乗法により測定データから算出される直線Ｌｉを求め、この直線Ｌｉからのずれ量だけを補正値Ｃｐとして算出する。そして、ワークＷの測定時には、測定台１７の垂直方向移動量ｖに応じた補正値Ｃｐにより、測定データを補正するのである。なお、テーパ付き基準ブロックＢＬに代えて、直円筒の内面を有する基準ブロックを用いてもよいが、テーパ付き基準ブロックＢＬを用い、複数の測定端子２６を同一円周上に配置することにより、誤差が同じである場合に、水平方向移動量ｈが拡大されるので、より高精度の測定を実現することができる。
【００２６】
図６（ａ）〜（ｄ）は、測定端子による測定位置を入れ換えて測定を行なった結果、得られる直角度データの例を示す図である。この例では、ワークＷと同じ直円筒状の基準ブロックの４カ所の測定位置ｘ、ｙ，ｚ，ｗを、測定端子ａ，ｂ，ｃ，ｄにより測定するものとする。そして、図６（ａ）〜（ｄ）に示すように、基準ブロックを時計回りに９０°ずつ回転させて、それぞれ４個ずつの直角度の実測値Ｒｘａ〜Ｒｗｄ，Ｒｘｂ〜Ｒｗａ，Ｒｘｃ〜Ｒｗｂ，Ｒｘｄ〜Ｒｗｃが得られたとする。測定データは、縦方向移動量ｖに対する測定端子２６の水平方向変位量ｈとして求められる。
【００２７】
このとき、ベース１１上の測定装置１３の底面と、移動台１７の縦方向移動を案内する支柱１２の案内面とは、厳密には互いに垂直ではないので、移動台１７の移動方向は、測定装置１３の底面に垂直な方向に対してある傾きをもっている。この傾きに起因して、各測定端子ａ〜ｄには一定の測定誤差Ｅａ〜Ｅｄが現れる。
【００２８】
そこで、各測定位置ｘ，ｙ，ｚ，ｗにおける直角度の誤差をＥｘ，Ｅｙ，Ｅｚ，Ｅｗとする。この誤差は、基準ブロックを回転させて図６（ａ）〜（ｄ）に示す４カ所にセットしても、測定位置ｘ，ｙ，ｚ，ｗにおいては共通の値Ｅｘ，Ｅｙ，Ｅｚ，Ｅｗとなっている。
【００２９】
一方、測定端子が入れ換わっても各測定位置ｘ，ｙ，ｚ，ｗにおける真の直角度（求めているデータ）は不変でなければならないから、各測定位置ｘ，ｙ，ｚ，ｗにおける真の直角度をＴｘ，Ｔｙ，Ｔｚ，Ｔｗとすると、図６（ａ）〜（ｄ）に示す測定から、以下の関係が得られる。
【００３０】
図６（ａ）に示す測定により、下記式（１）〜（４）
Ｔｘ＝Ｒｘａ−Ｅｘ−Ｅａ（１）
Ｔｙ＝Ｒｙｂ−Ｅｙ−Ｅｂ（２）
Ｔｚ＝Ｒｚｃ−Ｅｚ−Ｅｃ（３）
Ｔｗ＝Ｒｗｄ−Ｅｗ−Ｅｄ（４）
が得られる。ただし、Ｅｘ〜は、基準ブロックを回転させる前の初期値であるので、０とすることができる。
【００３１】
図６（ｂ）に示す測定により、下記式（５）〜（８）
Ｔｘ＝Ｒｘｂ−Ｅｘ−Ｅｂ（５）
Ｔｙ＝Ｒｙｃ−Ｅｙ−Ｅｃ（６）
Ｔｚ＝Ｒｚｄ−Ｅｚ−Ｅｄ（７）
Ｔｗ＝Ｒｗａ−Ｅｗ−Ｅａ（８）
が得られる。
【００３２】
図６（ｃ）に示す測定により、下記式（９）〜（１２）
Ｔｘ＝Ｒｘｃ−Ｅｘ−Ｅｃ（９）
Ｔｙ＝Ｒｙｄ−Ｅｙ−Ｅｄ（１０）
Ｔｚ＝Ｒｚａ−Ｅｚ−Ｅａ（１１）
Ｔｗ＝Ｒｗｂ−Ｅｗ−Ｅｂ（１２）
が得られる。
【００３３】
図６（ｄ）に示す測定により、下記式（１３）〜（１６）
Ｔｘ＝Ｒｘｄ−Ｅｘ−Ｅｄ（１３）
Ｔｙ＝Ｒｙａ−Ｅｙ−Ｅａ（１４）
Ｔｚ＝Ｒｚｂ−Ｅｚ−Ｅｂ（１５）
Ｔｗ＝Ｒｗｃ−Ｅｗ−Ｅｃ（１６）
が得られる。
【００３４】
Ｒｘａ〜Ｒｗｄ，Ｒｘｂ〜Ｒｗａ，Ｒｘｃ〜Ｒｗｂ，Ｒｘｄ〜Ｒｗｃは実測値であり、未知数は、Ｔｘ〜Ｔｗ，Ｅｘ−Ｅｗ，Ｅａ〜Ｅｄの１２個であるので、一度、基準ブロックについて、４箇所での測定を行っておくことにより、上記１６個の関係式から各測定位置における真の直角度や移動台１７の縦移動方向の傾きも求まることになる。このとき、基準ブロックを図６（ａ）〜（ｄ）に示す４カ所で測定しなくても、原理的には３箇所だけで移動台１７の縦移動方向の傾きを求めることができるはずであるが、移動方向の傾き方によっては、正確に求められない場合もあるので、４カ所での測定を行なって、誤差をできるだけ小さくしておくことが望ましい。
【００３５】
この例では、直円筒状のブロックを用いて、直角度を測定する例について説明したが、テーパ付きワークのテーパ面を測定する場合には、テーパ付き基準ブロックを用いて、式（１）〜（１６）に基づくテーパの誤差や移動台１７の傾きを求めることができる。そして、製品の測定や良否判定には、１カ所での測定結果を用いて、真の直角度やテーパを求めることができる。
【００３６】
本実施の形態によると、４個の測定端子２６により、ワークＷの内面や外面の端面に対する直角度，テーパなどを、一回の測定で、迅速かつ高精度で検知することができる。従来のように単一の測定端子を用いて、本発明と同じデータを得ようとすると、１つの測定端子で４つの測定位置を測定するしかないが、その方法に比べると、本発明では、作業能率が向上するのに加えて、以下の効果を奏することができる。
【００３７】
たとえば、単一の測定端子を用い、基準ブロックを回転させて、図６（ａ）〜（ｄ）に示す４つの測定位置で測定しても、式（１），（８），（１１），（１４）の関係式しか得られない。したがって、基準ブロックには誤差がないと仮定したとしても、４個の関係式から、５つの未知数Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ，Ｔｗ，Ｅａを求めることはできない。したがって、別の面倒な測定により、測定装置１３の底面に対する移動台１７の移動方向の傾きを求めるか、この傾きを無視しうる程度に高精度の測定装置を製作する必要がある。ところが、当初は高精度であっても測定装置１０の経年変化や摺動部分の摩耗などにより、精度は劣化していく。以上のことから、従来のような単一の測定端子しか備えていない想定装置を用いても、常に高精度の測定を期待することはできない。
【００３８】
それに対し、本発明の測定装置では、まず、基準ブロックを用い、複数位置における複数の測定端子２６による測定データから、移動台１７の移動方向と測定装置１３との垂直関係からの傾きや、基準ブロックの誤差を取り除く処理を行うことができる。すなわち、補正後の測定データをＲｘａ’，Ｒｙｂ’，Ｒｚｃ’，Ｒｗｄ’とすると、式（１）〜（４）から、Ｔｘ＝Ｒｘａ’，Ｔｙ＝Ｒｙｂ’，Ｔｚ＝Ｒｚｃ’，Ｔｗ＝Ｒｗｄ’とすることができるので、１つの測定位置（たとえば図６（ａ）に示す位置）における測定データから、直角度やテーパ角を迅速かつ高精度で検知することができる。
【００３９】
しかも、基準ブロックの直角度などの誤差も検知しうるので、基準ブロックとして極めて高精度の高価なものを準備する必要がない。したがって、測定装置のコストが高くついても、ランニングコストを含め、トータルの検査コストの削減を図ることができる。さらに、移動台１７の垂直度が経年変化によって悪化しても、その都度、基準ブロックを用いた補正量の測定を行うことにより、測定精度を高く保持することができる。
【００４０】
また、本実施の形態の測定装置１０により、直角度だけでなく、テーパや、円筒度など、他の形状パラメータも測定することができる。テーパ角を測定する場合にも、ドーム２７の内面の形状を工夫することにより、スライド部材２３のストロークを拡大することが容易であるので、格別の付加的な設備を要しない。
【００４１】
また、本実施形態の測定端子２６は、極めて微細なものにできるので、レーザ測定器では困難な製品の内面の直角度などを測定することができる。具体的には、内径９０ｍｍ以下の内面を有する筒状の製品について、測定範囲（深さ）２１ｍｍについて、変位量の誤差が±１μｍ以内の高精度の測定を、約１０秒間の測定時間で行うことができた。
【００４２】
本実施の形態では、４個の測定端子を設けたが、少なくとも３個の測定端子を備えることにより、本実施の形態と同様に、基準ブロックを用いて測定装置１３の底面に対する，移動台１７の縦移動方向の傾きや基準ブロックの誤差を見込んだ補正量を簡単に算出することができる。
【００４３】
一方、測定端子が２個の場合には、たとえば本実施の形態における２個の測定端子ａ，ｂのように、スライド部材２３の移動方向を一直線上ではなく、互いに交差する関係にすれば、図６（ａ）〜（ｄ）の４つの測定位置でのデータから、上記式（１），（２），（５），（８），（１１），（１２），（１４）、（１５）の８個の式を用いることができる。したがって、基準ブロックに誤差がないとの仮定の下に、測定装置１３の底面に対する，移動台１７の縦移動方向の傾きを求めることは可能である。ただし、測定端子ａ，ｃのようにスライド部材２３の移動方向が平行である場合（平面上のベクトルが一次従属である場合）には、これに直交する縦移動方向の傾きに関する情報が得られないので、縦移動方向の傾きを補正できない場合も生じうる。
【００４４】
（他の実施の形態）
上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。
【００４５】
上記実施の形態においては、ワークＷを円筒形状のものとしたが、ワークの形状は、内面，外面を問わず異形のものでもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明の測定装置は、各種機械部品の直角度、真直度、円筒度、平行度、テーパ角、表面うねりなどの各種形状パラメータの測定に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施の形態における測定装置の要部を示す側面図である。
【図２】測定装置を含む測定システム全体を概略的に示す斜視図である。
【図３】測定装置に付設された制御システムのブロック回路図である。
【図４】移動台の理想直線からのずれを補正するためのテーパ付き基準ブロックの断面図である。
【図５】移動台の理想直線からのずれを補正するための測定データを示す図である。
【図６】（ａ）〜（ｄ）は、測定端子による測定位置を入れ換えて測定を行なった結果、得られる直角度データの例を示す図である。
【図７】特許文献１の図９として開示されている，従来の直角度を測定するための測定装置である。
【符号の説明】
【００４８】
Ｗワーク
ａ，ｂ，ｃ，ｄ測定端子
ｘ，ｙ，ｚ，ｗ測定位置
１０測定装置
１１ベース
１２支柱
１３測定装置
１５ネジ部材
１７移動台
１８モータ
２１レール部材
２２ガイド
２３スライド部材
２３ａ駒部材
２５端子保持具
２６測定端子
２７ドーム
２８シリンダ
３１コンピュータ
３２アンプ
３３空調装置
３４空調ダクト
３５ベンチ
２４固定部材

【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の被測定面に接触させるための複数の測定端子と、
被測定物を設置する保持部を有するベース部材と、
前記ベース部材に取り付けられた支柱と、
前記支柱に沿って縦方向に移動する縦移動部材と、
前記縦移動部材に取り付けられ、前記複数の測定端子を横方向に移動させるための同数の横移動部材と、
を備えている測定装置。
【請求項２】
請求項１記載の測定装置において、
前記複数の測定端子は、３個以上設けられている、測定装置。
【請求項３】
請求項２記載の測定装置において、
前記３個以上の測定端子は、平面的に見て実質的に同一円周上に配置されている、測定装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の測定装置において、
前記複数の測定端子のデータを処理演算する演算装置をさらに備えている、測定装置。

【図１】