球面形状測定装置および球面形状測定方法
【課題】 非接触で球面形状を高精度に測定できる球面形状測定装置および球面形状測定方法を提供する。
【解決手段】 軸部１ｂの一端に球面形状部１ａを有する被測定物１を、被測定物支持手段１０により軸部１ｂの中心軸回りに回転させる。球面形状部１ａの表面位置を非接触で測定する非接触変位計３１を、その中心軸上の所定位置を回動中心として軸部１ｂの中心軸を含む平面内で、変位計回動手段３２により回動させる。被接触変位計３１の軸方向位置は軸方向位置調整手段４１で調整する。これにより、被測定物１を回転させながら、その軸部１ｂの中心軸を含む平面内で前記球面形状部１ａの中心を回動中心として非接触変位計３１を回動させて、球面形状部１ａの球面形状測定を行う。
【解決手段】 軸部１ｂの一端に球面形状部１ａを有する被測定物１を、被測定物支持手段１０により軸部１ｂの中心軸回りに回転させる。球面形状部１ａの表面位置を非接触で測定する非接触変位計３１を、その中心軸上の所定位置を回動中心として軸部１ｂの中心軸を含む平面内で、変位計回動手段３２により回動させる。被接触変位計３１の軸方向位置は軸方向位置調整手段４１で調整する。これにより、被測定物１を回転させながら、その軸部１ｂの中心軸を含む平面内で前記球面形状部１ａの中心を回動中心として非接触変位計３１を回動させて、球面形状部１ａの球面形状測定を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、軸端に球面形状部を有する被測定物の球面形状を測定する球面形状測定装置および球面形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非球面を含む複雑な３次元形状を測定する従来の装置として、特許文献１に開示の３次元座標測定機が知られている。この測定機は、測定対象球を１軸回りに回転保持する回転保持機構と、進退可能に構成したプローブ先端球の位置を検出する位置検出手段と、各回転位置の測定対象球にプローブ先端球が触れた位置の座標により測定対象球の真球からのずれを表す球面形状データを取得する手段とを備える。
【特許文献１】特開２００３−２７９３４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記構成の３次元座標測定機では、接触を検知するプローブ先端球の形状の不確かさや、接触によってプローブがたわむことによる座標読み取り誤差等、その測定精度に限界がある。このため、特許文献１ではその補正法が提案されているが、その補正のための新たな測定作業が必要となり、また接触式の測定である限り、プローブ球の使用中における摩耗による形状変化等も問題となる。
【０００４】
この発明の目的は、非接触で球面形状を高精度に測定できる球面形状測定装置および球面形状測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明の球面形状測定装置は、軸部の一端に球面形状部を有する被測定物を、前記軸部の中心軸回りに回転自在に支持する被測定物支持手段と、前記被測定物をその軸部の中心軸回りに回転させる被測定物回転手段と、前記球面形状部の表面位置を非接触で測定する非接触変位計、およびこの非接触変位計の中心軸上の所定位置を回動中心として非接触変位計を前記被測定物の軸部の中心軸を含む平面内で回動させる変位計回動手段を有する球面形状測定手段と、前記非接触変位計を少なくともその軸方向に位置調整する位置調整手段とを備える。
この球面形状測定装置では、被測定物支持手段で回転自在に支持された被測定物を、その軸部の中心軸回りに被測定物回転手段で回転させながら、前記軸部の中心軸を含む平面内で、非接触変位計をその中心軸上の所定位置を回動中心として回動させることで、被測定物の球面形状部の球面形状を測定する。被接触変位計の回動中心は、被測定物の球面形状部の中心に位置合わせする。位置調整手段で、非接触変位計の軸方向位置を調整して、被接触変位計が前記球面形状部の表面位置を測定できるようにする。これにより、接触式の測定装置の場合のようなプローブ摩耗による形状変化等の誤差誤差を解消して、非接触で球面形状を高精度に測定できる。
【０００６】
この発明において、前記被測定物支持手段は前記被測定物をその球面形状部が上位置となる垂直姿勢で支持し、前記変位計回動手段は前記非接触変位計を前記被測定物の軸部の中心軸を含む垂直面内で回動させるものとし、前記位置調整手段は、前記非接触変位計をその軸方向に位置調整する軸方向位置調整手段の他に、前記球面形状測定手段の全体を垂直方向および水平方向に移動させる垂直・水平移動手段を有し、前記球面形状部の赤道高さ位置および直径を非接触で測定する直径測定手段と、この直径測定手段の測定結果に基づき前記位置調整手段を制御することにより、前記非接触変位計の回動中心を前記球面形状部の中心に位置合わせする位置調整制御手段と、前記被測定物回転手段および前記変位計回動手段を制御することにより、前記被測定物を回転させながら前記非接触変位計を回動させて、前記球面形状部の表面形状測定を行う測定制御手段とを設けても良い。
この構成の場合、直径測定手段の測定結果に基づき、位置調整制御手段が位置調整手段を制御することにより、非接触変位計の回動中心が前記球面形状部の中心に自動的に位置合わせされる。また、測定制御手段が被測定物回転手段および変位計回動手段を制御することにより、被測定物を回転させながら非接触変位計を回動させて、自動的に前記球面形状部の表面形状測定を行うことができる。
【０００７】
この発明において、前記被測定物の軸部は円柱状であり、前記被測定物支持手段は、固定状態で設けられ前記被測定物の円柱状軸部の外周面における同一円周上の２点を支持する周面支持体を有し、前記非接触変位計が回動する垂直面は、平面視で、前記周面支持体の被測定物への対向方向に対して所定の角度となるように設定され、前記直径測定手段は被測定物における円柱状軸部の直径も測定するものとし、前記位置調整制御手段は、前記被測定物支持手段に対して被測定物を取り替えた時に、前記直径測定手段が測定する前記円柱状軸部の直径の変化量に基づき、前記位置調整手段の垂直・水平移動手段を制御して、被測定物取り替え前と同一水平面内で、前記直径の変化量相当分だけ前記球面形状測定手段を移動させ前記非接触変位計の回動中心を補正するものとしても良い。
被測定物支持手段に対して被測定物を取り替えた時に、円柱状軸部の直径に変化があると、非接触変位計の回動中心は球面形状部の中心からずれる。この場合に、位置調整制御手段は、前記位置調整手段の垂直・水平移動手段を制御して、前記直径測定手段が測定する前記円柱状軸部の直径の変化量相当分だけ前記球面形状測定手段を移動させる。そのため、非接触変位計の回動中心の球面形状部の中心からのずれを補正することができる。これにより、被測定物を取り替えた時にも測定精度低下をきたさず、球面形状を高精度に測定できる。
【０００８】
この発明において、前記非接触変位計は、測定スポット径が10０μｍ以下のレーザ変位計であっても良い。
この構成の場合、被測定物の球面形状部の表面に形成される溝（すなわち真球面より凹んだ部分）やランド（すなわち真球面より突出した部分）の測定や、溝とランドの幅比率測定なども行うことができる。
【０００９】
この発明において、前記球面形状測定手段の変位計回動手段は、垂直に配置されたモータ保持板と、出力軸が前記モータ保持板に垂直な向きとなるようにモータ保持板に取付けられたモータと、このモータの出力軸に連結されて前記モータ保持板と平行な垂直姿勢で回転する変位計支持板とでなり、前記非接触変位計は、その軸線が前記モータの出力軸と直交する姿勢とされて前記変位計支持板に前記軸線方向に進退可能に取付けられ、前記位置調整手段の垂直・水平移動手段は、前記モータ保持板を垂直方向に移動させる上下移動テーブルとこの上下移動テーブルを水平方向に移動させる水平移動テーブルとでなり、前記位置調整手段の軸方向位置調整手段が前記変位計支持板に設けられていても良い。
【００１０】
この発明において、前記被測定物は軸部の下端に軸部の他部よりも大径のフランジを有し、このフランジの前記軸部と同心の円周上に等配された複数の孔と、前記フランジに対して垂直方向に所定間隔を隔てて配置された平面上の前記複数の孔の配列円と同一円周上に所定間隔を隔てて設けられ前記孔の有無を検出する２個以上の反射型光電スイッチとでなる回転角検出手段を設け、この回転角検出手段の各光電スイッチの出力の立ち上がりおよび立ち下りをタイミングパルスとして入力し、被測定物の回転角を算出する回転角算出手段を設けても良い。この構成の場合、算出される被測定物の回転角の分解能を高めることができる。
【００１１】
この発明において、前記被測定物回転手段は、前記被測定物のフランジの外周に押し当てられる回転ローラと、この回転ローラを前記フランジとの間に滑りの生じない所定低速回転で回転させるモータとでなり、このモータには回転に伴い前記回転角検出手段の出力パルスよりも十分パルス間隔の短いパルスを発生するパルス発生器を設け、前記回転角検出手段の出力パルスと前記パルス発生器の出力パルス数とを対応させて記憶する記憶部を有し、この記憶部の記憶データに基づき前記回転角算出手段の算出する被測定物の回転角を補正する回転角補正手段を設けても良い。この構成の場合、回転角度算出手段の算出する回転角に誤差があっても、その誤差を回転角補正手段で補正できるので、この点でも高精度の球面形状測定を行うことができる。
【００１２】
この発明の球面形状測定方法は、軸部の一端に球面形状部を有する被測定物を、前記軸部の中心軸回りに一定速度で回転させながら、前記軸部の中心軸を含む平面面内において、前記球面形状部の表面位置を非接触で測定する非接触変位計を、その軸線が前記球面形状部の中心に向く姿勢で球面形状部の中心を回動中心として回動させることにより、被測定物の表面形状を測定するものである。
この測定方法によると、接触式の測定方法の場合のようなプローブ摩耗による形状変化等の誤差がなく、非接触で球面形状を高精度に測定できる。
【発明の効果】
【００１３】
この発明の球面形状測定装置は、軸部の一端に球面形状部を有する被測定物を、前記軸部の中心軸回りに回転自在に支持する被測定物支持手段と、前記被測定物をその軸部の中心軸回りに回転させる被測定物回転手段と、前記球面形状部の表面位置を非接触で測定する非接触変位計、およびこの非接触変位計の中心軸上の所定位置を回動中心として非接触変位計を前記被測定物の軸部の中心軸を含む平面内で回動させる変位計回動手段を有する球面形状測定手段と、前記非接触変位計を少なくともその軸方向に位置調整する位置調整手段とを備えるため、非接触で球面形状を高精度に測定することができる。
この発明の球面形状測定方法は、軸部の一端に球面形状部を有する被測定物を、前記軸部の中心回りに一定速度で回転させながら、前記軸部の中心軸を含む平面面内において、前記球面形状部の表面位置を非接触で測定する非接触変位計を、その軸線が前記球面形状部の中心に向く姿勢で球面形状部の中心を回動中心として回動させることにより、被測定物の表面形状を測定する方法であるため、非接触で球面形状を高精度に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】
この発明の一実施形態を図１〜図５と共に説明する。図１は、この実施形態の球面形状測定装置における機構部の平面図と制御装置のブロック図とを組み合わせた図を示す。図２および図３は、図１の平面図を矢印IIの方向から見た正面図および III− III矢視断面図をそれぞれを示す。この球面形状測定装置は、被測定物１を支持する被測定物支持手段１０、被測定物１を回転させる被測定物回転手段２０、球面形状測定手段３０、位置調整手段４０、直径測定手段５０、位置調整制御手段６１、および測定制御手段６３を備える。
【００１５】
被測定物１は、図２のように、円柱状の軸部１ｂの一端に球面形状部１ａを有し、その軸部１ｂの他端は軸部１ｂの他部よりも大径としたフランジ１ｃとされている。なお、ここでは、被測定物１の軸部１ｂを、外径の異なる複数段の円柱部からなる形状としているが、これに限らず、少なくとも一部に、前記被測定支持手段１０の周面支持体１２と押し当てローラ１３とで回転自在に支持可能で、球面形状部１ａと同軸の円柱部を有する形状であれば、他の部分の形状は問わない。
被測定物支持手段１０は、前記被測定物１を、その球面形状部１ａが上位置となる垂直姿勢で軸部１ｂの中心軸回りに回転自在に支持する手段であり、図２に示す下端支持体１１と、図１，図３に示す周面支持体１２および押し当てローラ１３とを有する。下端支持体１１は、前記軸部１ｂの下端中心において被測定物１を回転自在に支持する部材であり、先端が円錐状とされ、その円錐状先端部を前記軸部１ｂの下端面の図示しないセンタ孔に係合させることで被測定物１を支持する。周面支持体１２は、図１のように直交する２つの平面からなるＶ字状の凹部を有する平面形状が左右対称で二股状の部材であり、前記下端支持体１１の近傍に立向きに設けられた支持部材１４に固定され、被測定物１の円柱状の軸部１ｂの外周面における同一円周上の２点を支持する。押し当てローラ１３は、被測定物１の軸部１ｂの外周面に押し当てられて、前記周面支持体１２とで軸部１ｂを挟んで支持する。
【００１６】
被測定物回転手段２０は、被測定物支持手段１０で支持された被測定物１をその軸部１ｂの中心軸回りに回転させる手段である。図３のように、被測定物１の軸部１ｂの下端は、軸部１ｂの他部よりも大径のフランジ１ｃとされている。被測定物回転手段２０は、被測定物１のフランジ１ｃの外周に押し当てられる回転ローラ２１と、この回転ローラ２１に直結されて回転ローラ２１を前記フランジ１ｃとの間に滑りの生じない所定の低速回転で回転させるモータ２２とでなる。
【００１７】
球面形状測定手段３０（図１）は、被測定物１における球面形状部１ａの表面位置を非接触で測定する非接触変位計３１と、この非接触変位計３１の中心軸上の所定位置を回動中心として、非接触変位計３１を被測定物１の軸部１ｂの中心軸を含む平面（垂直面）内で回動させる変位計回動手段３２とで構成される。非接触変位計３１が回動する垂直面は、図１のように平面視で、被測定物支持手段１０の周面支持体１２の被測定物１への対向方向に対して所定の角度αとなるように設定されている。ここでは、非接触変位計３１として、測定スポット径が１００μｍ以下のレーザ変位計が用いられており、その光軸中心線が被接触変位計３１の軸線３１ａとなる。非接触変位計３１としては、そのほか静電容量方式や渦電流方式の変位計を用いても良い。
【００１８】
球面形状測定手段３０の変位計回動手段３２は、図１および図２に示すように、垂直に配置されたモータ保持板３３と、出力軸３４ａがモータ保持板３３に垂直な向きとなるようにモータ保持板３３に取付けられたモータ３４と、このモータ３４の出力軸３４ａに連結されてモータ保持板３３と平行な垂直姿勢で回転する変位計支持板３５とでなる。非接触変位計３１は、その軸線３１ａがモータ３４の出力軸３４ａと直交する姿勢とされて、前記変位計支持板３５に前記軸線３１ａの方向に進退可能に取付けられる。
【００１９】
位置調整手段４０は、非接触変位計３１をその軸線３１ａ方向における測定可能な位置に位置調整する軸方向位置調整手段４１（図１）と、前記球面形状測定手段３０の全体を垂直方向および水平方向に移動させる垂直・水平移動手段４２とでなる。非接触変位計３１がレーザ変位計からなるこの実施形態の場合、測定可能な軸方向位置とは、球面形状部１ａの表面での被接触変位計３１の測定スポット径が１００μｍ以下となる軸方向位置である。
【００２０】
位置調整手段４０の垂直・水平移動手段４２は、前記変位計回動手段３２のモータ保持板３３を垂直方向に移動させる上下移動テーブル４３と、この上下移動テーブル４３を水平方向に移動させる水平移動テーブル４４とでなる。図２のように、上下移動テーブル４３は、前記モータ保持板３３を支持するボールナット４３ａ、およびこのボールナット４３ａが螺合する垂直姿勢のボールねじ軸４３ｂからなるボールねじと、上記ボールねじ軸４３ｂを回転駆動するモータ４３ｃなどで構成される。水平移動テーブル４４は、前記上下移動テーブル４３を支持する支持板４４ａ、この支持板４４ａに連結されたボールナット４４ｂ、このボールナット４４ｂが螺合する水平姿勢のボールねじ４４ｃ、このボールねじ４４ｃを回転駆動するモータ４４ｄなどで構成される。水平移動テーブル４４の固定部である筐体４４ｅは、支柱４５に支持される。この場合の水平移動テーブル４４の移動方向は、図１に示すように、非接触変位計３１が回動する垂直面と平行な方向である。
【００２１】
位置調整手段４０の軸方向位置調整手段４１（図１）は、球面形状測定手段３０における変位計支持板３５に設けられる。この軸方向位置調整手段４２は、非接触変位計３１をその軸方向に進退可能に前記変位計支持板３５に拘束するガイド部材であっても良いし、例えば非接触変位計３１を直接支持するボールナット、およびこのボールナットが螺合されるボールねじ軸からなるボールねじと、そのボールねじ軸を回転駆動するモータなど（いずれも図示せず）で構成しても良い。軸方向位置調整手段４１がガイド部材からなる場合は、手作業で被接触変位計３１の軸方向位置を調整することになる。
【００２２】
直径測定手段５０は、前記被測定物支持手段１０で支持された被測定物１における球面形状部１ａの赤道高さ位置および直径を非接触で測定する手段であり、ここではこの他に被測定物１の円柱状軸部１ｂにおける被測定物支持手段１０の周面支持体１２で支持される周面での直径も測定する。この直径測定手段５０は、図１および図３に示すように、上下移動テーブル５１に保持板５２を介して保持されたスリット状投光器５３と受光器５４とでなり、スリット状投光器５３と受光器５４は前記被測定物支持手段１０で支持された被測定物１を挟んで互いに対向配置される。直径測定手段５０は、上下移動テーブル５１の上下移動により、被測定物１の球面形状部１ａの赤道高さ位置と、球面状軸部１ｂを測定可能な高さ位置に位置設定される。上下移動テーブル５１は、支柱５６に支持された昇降機構５７に連結されて昇降駆動される。昇降機構５７は、上下移動テーブル５１を支持するボールナット５７ａ、およびこのボールナット５７ａが螺合する垂直姿勢のボールねじ軸５７ｂからなるボールねじと、そのボールねじ軸５７ｂを回転駆動するモータ５７ｃなどで構成される。
【００２３】
この球面形状測定装置を制御する図１の制御装置６０は、図示しない制御盤に設けられる。制御装置６０は、位置調整制御手段６１、測定制御手段６３、回転角算出手段６４、回転角補正手段６５、および測定データ記録手段６７を備える。
位置調整制御手段６１は、前記直径測定手段５０の測定結果に基づき前記位置調整手段４０を制御することにより、非接触変位計３１の回動中心を被測定物１における球面形状部１ａの中心に位置合わせする制御手段である。この位置調整制御手段６１は、被測定物支持手段１０に対して被測定物１を取り替えた時に、非接触変位計３１の回動中心を補正する回動中心補正手段６２を有する。詳しくは、この回動中心補正手段６２は、被測定物１を取り替えた時に、前記直径測定手段５０が測定する被測定物１における円柱状軸部１ｂの直径の変化量に基づき、前記位置調整手段４０の垂直・水平移動手段４１を制御して、被測定物取り替え前と同一水平面内で、前記直径の変化量相当分だけ前記球面形状測定手段３０を移動させて被接触変位計３１の回動中心を補正するものである。
【００２４】
測定制御手段６３は、前記被測定物回転手段２０および前記球面形状測定手段３０における変位計回動手段３２を制御することにより、被測定物支持手段１０で支持された被測定物１を超低速で等速回転させながら、前記被接触変位計３１を前記変位計支持板３５と平行な垂直面内で回動させて、被測定物１における球面形状部１ａの表面形状測定を行う制御手段である。
【００２５】
回転角算出手段６４は、被測定物１の下端側に設けられた回転角検出手段７０（図３）から出力されるタイミングパルスを入力して、被測定物１の回転角を算出する手段である。測定データ記録手段６７は、非接触変位計３１の測定データを、前記回転角算出手段６４で算出される被測定物１の回転角に対応付けて記録する。前記回転角検出手段７０は、被測定物１における軸部１ｂの下端のフランジ１ｃの軸部１ｂと同心の円周上に等配された複数（ここでは６個）の透孔７１と、この透孔７１の有無を検出する２個以上（ここでは３個）の反射型光電スイッチ７３とでなる。光電スイッチ７３は、前記フランジ１ｃに対して所定間隔を隔てて配置された平面板材７２の上の前記複数の孔の配列円と同一円周上に所定間隔を隔てて設けられる。ここでは、前記透孔７１の配列ピッチを１周期として、電気角で６０°となる間隔で３個の光電スイッチ７３が前記円周上に配置される。具体的には、前記孔配列円上の隣り合う透孔７１の間の間隔をＬ、前記出力波形がローレベルとなる区間の長さをＬ１とするとき、各光電スイッチ７３間の間隔Ｌ０は、
Ｌ０＝（Ｌ−Ｌ１）×１／３ ……（１）
となるように設定される。図５の（１）〜（３）の波形図は前記各光電スイッチ７３の出力Ａ〜Ｃの波形図を示す。その出力は、前記光電スイッチ７３の前記フランジ１ｃとの間隔や感度調整によって、デューティ比５０％の矩形波（ハイレベル幅とローレベル幅の比率が１：１）となるようにされている。回転角算出手段６４は、前記各出力Ａ〜Ｃの立ち上がりおよび立ち下りを、図５の（４）〜（９）の波形図のようなタイミングパルスとして入力し、図５の（１０）のように合成したパルス信号として被測定物１の回転角を算出する。これにより、被測定物１の回転角の分解能が高められる。この例では、被測定物１の１回転に３６個のタイミングパルスが入力される。すなわち、タイミングパルス１個の出力間隔は、回転角１０°に相当する。
【００２６】
前記各光電スイッチ７３の出力がデューティ比５０％の矩形波とならない場合は、上記した合成パルス信号のパルス間隔は等間隔とはならず、回転角の精度が低下する。そこで、前記パルス間隔を回転角補正手段６５によって補正する。この回転角補正手段６５は、前記被測定物回転手段２０のモータ２２に設けられたパルス発生器７４（図３）が、モータ２２の回転に伴い発生するパルスの数を、前記回転角算出手段６４の出力パルスと対応させて記憶する記憶部６６を有する。この記憶部６６へのデータ書き込みは、測定開始の前に、被測定物回転手段２０を回転駆動させて行なわれる。パルス発生器７４として、前記回転角検出手段７０の出力Ａ〜Ｃよりも十分パルス間隔の短いパルス、例えば被測定物１の１回転あたり１０００相当のパルスを発生するロータリエンコーダが用いられる。回転角補正手段６５は、前記記憶部６６の記憶データに基づき、前記回転角算出手段６４の算出する被測定物１の回転角を補正する。
【００２７】
次に、上記構成の球面形状測定装置による測定動作について説明する。
先ず、測定を始める前に、被測定物支持手段１０に支持された被測定物１における球面形状部１ａの赤道高さと直径、および円柱状軸部１ｂの直径が測定される。位置調整制御手段６１は、被測定物支持手段１０によって測定された前記赤道高さと直径とから、球面形状部１ａの中心座標を求め、この中心に非接触変位計３１の回動中心が位置合わせされるように位置調整手段４０の垂直・水平移動手段４２を制御する。
このようにして、非接触変位計３１の回動中心が被測定物１における球面形状部１ａの中心に位置合わせされると、作業者の手作業で軸方向位置調整手段４１を操作することで、非接触変位計３１が球面形状部１ａの表面位置を測定可能な軸方向位置に調整される。なお、被接触変位計３１の軸方向位置の調整は、前記直径測定手段５０により測定される球面形状部１ａの直径に基づき、位置調整制御手段６１で軸方向位置調整手段４１を制御することで、自動的に行うようにしても良い。
【００２８】
このようにして位置調整が終了すると、測定制御手段６３が、被測定物回転手段２０および球面形状測定手段３０の変位計回動手段３２を制御する。これにより、被測定物１をその軸部１ｂの中心軸回りに超低速で等速回転させながら、非接触変位計３１が球面形状部１ａの中心を回動中心として、前記軸部１ｂの中心軸を含む垂直面内を回動し、球面形状部１ａの表面位置（具体的には、球面形状部１ａの表面位置の所定半径との誤差）を測定する。その測定データは、制御装置６０の測定データ記録手段６７に入力される。また、被測定物１の回転に伴い、回転角検出手段７０の各光電スイッチ７３からの出力Ａ〜Ｃ（図５（１）〜（３））が回転角算出手段６４に入力され、回転角算出手段６４はそれらの出力Ａ〜Ｃから図５（１０）に示すタイミングパルスを得て、このタイミングパルスから被測定物１の回転角を算出する。算出された回転角は、さらに回転角補正手段６５で補正されて、より精度の高い回転角とされ、前記測定データ記録手段６７に入力される。これにより、測定データ記録手段６７では、被測定物１の回転角に対応付けて被接触変位計３１による測定データが記録される。
【００２９】
このように、この球面形状測定装置では、球面形状の誤差分を所定値からのずれ量として非接触で測定できるため、プローブの摩耗による形状変化等の誤差がなく、高精度の球面形状測定が可能となる。また、この実施形態では、非接触変位計３１として、測定スポット径が１００μｍ以下のレーザ変位計を使用しているので、例えば被測定球面上に形成されている溝（真球面から凹んだ部分）やランド（真球面から突出した部分）の測定、および溝とランドの幅比率の測定も可能である。
【００３０】
また、被測定物支持部材１０に対して被測定物１を取り替えた時には、位置調整制御手段６１の回動中心補正手段６２によって、以下のように非接触変位計３１の回動中心が補正される。
被測定物１の円柱状軸部１ｂの周面を支持する周面支持体１２は支持部材１４に固定されているため、被測定物１を取り替え時、軸部１ｂの直径寸法が変化すると、それに伴って軸部１ｂの中心の位置が、前記周面支持体１２の支持面に対して支持方向に移動し、球面形状部１ａの中心位置も変化する。図４には、非接触変位計３１が回動する垂直面が軸部１ｂの支持方向に対してなす角α（図１）を４５°とした場合の、球面形状部１ａの中心位置の移動の例を示す。同図において、測定中心とは非接変位計３１の回動中心を表す。被測定物１が取り替えられ、取替え前の軸部１ｂ１よりも半径ΔR だけ大きい軸部１ｂ２となると、取替え前の球面形状部１ａ１の中心Ｏ１に対して取替え後の球面形状部１ａ２の中心Ｏ２はΔｈ（＝√２×ΔR ）だけ移動する。その状態で、非接触変位計３１の回動中心（測定中心）Ｏ１を補正せず球面形状を測定すると、その回動中心（測定中心）Ｏ１は実際の球面形状部１ａ２の中心Ｏ２から周面支持体１２の支持面に沿ってΔR ずれているため、正常な測定が困難である。
そこで、位置調整制御手段６１は、先ず前記直径測定手段５０が測定する軸部１ｂの直径の変化量に基づき、その半径変化量ΔR を算出する。次に、位置調整手段４０の垂直・水平移動手段４２を制御して、前記半径変化量ΔR に相当する量だけ、非接触変位計３１の軸方向３１ａに沿って球面形状測定手段３０を水平移動させる。これにより、非接触変位計３１の回動中心（測定中心）はＯ１からＯ３へと移動する。この場合、球面形状測定は、Ｏ３を回動中心として行うので、非接触変位計３１は半径ｒ１を測定することになり、真の球面形状半径ｒ０を測定できない。ところで、これらの半径ｒ０，ｒ１の間には、 ｒ０＝√（ｒ１2 ＋ΔＲ2 ） ……（２）
の関係が成り立つので、測定データを上記（２）式に当てはめることにより、真の球面形状半径ｒ０を割り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明の一実施形態にかかる球面形状測定装置の機構部平面図と制御装置のブロック図とを組み合わせて示す図である。
【図２】図１の平面図における矢印II方向から見た正面図である。
【図３】図１の平面図におけるIII − III矢視断面図である。
【図４】被測定物取替え時における非接触変位計の回動中心補正の説明図である。
【図５】被測定物回転角を検出するためのパルスの波形図である。
【符号の説明】
【００３２】
１…被測定物
１ａ…球面形状部
１ｂ…軸部
１ｃ…フランジ
１０…被測定物支持手段
１２…周面支持体
２０…被測定物回転手段
２１…回転ローラ
２２…モータ
３０…球面形状測定手段
３１…非接触変位計
３２…変位計回動手段
４０…位置調整手段
４１…軸方向位置調整手段
４２…垂直・水平移動手段
５０…直径測定手段
６１…位置調整制御手段
６２…回動中心補正手段
６３…測定制御手段
６４…回転角算出手段
６５…回転角補正手段
７０…回転角検出手段
７１…透孔
７３…光電スイッチ
７４…パルス発生器
【技術分野】
【０００１】
この発明は、軸端に球面形状部を有する被測定物の球面形状を測定する球面形状測定装置および球面形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非球面を含む複雑な３次元形状を測定する従来の装置として、特許文献１に開示の３次元座標測定機が知られている。この測定機は、測定対象球を１軸回りに回転保持する回転保持機構と、進退可能に構成したプローブ先端球の位置を検出する位置検出手段と、各回転位置の測定対象球にプローブ先端球が触れた位置の座標により測定対象球の真球からのずれを表す球面形状データを取得する手段とを備える。
【特許文献１】特開２００３−２７９３４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記構成の３次元座標測定機では、接触を検知するプローブ先端球の形状の不確かさや、接触によってプローブがたわむことによる座標読み取り誤差等、その測定精度に限界がある。このため、特許文献１ではその補正法が提案されているが、その補正のための新たな測定作業が必要となり、また接触式の測定である限り、プローブ球の使用中における摩耗による形状変化等も問題となる。
【０００４】
この発明の目的は、非接触で球面形状を高精度に測定できる球面形状測定装置および球面形状測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明の球面形状測定装置は、軸部の一端に球面形状部を有する被測定物を、前記軸部の中心軸回りに回転自在に支持する被測定物支持手段と、前記被測定物をその軸部の中心軸回りに回転させる被測定物回転手段と、前記球面形状部の表面位置を非接触で測定する非接触変位計、およびこの非接触変位計の中心軸上の所定位置を回動中心として非接触変位計を前記被測定物の軸部の中心軸を含む平面内で回動させる変位計回動手段を有する球面形状測定手段と、前記非接触変位計を少なくともその軸方向に位置調整する位置調整手段とを備える。
この球面形状測定装置では、被測定物支持手段で回転自在に支持された被測定物を、その軸部の中心軸回りに被測定物回転手段で回転させながら、前記軸部の中心軸を含む平面内で、非接触変位計をその中心軸上の所定位置を回動中心として回動させることで、被測定物の球面形状部の球面形状を測定する。被接触変位計の回動中心は、被測定物の球面形状部の中心に位置合わせする。位置調整手段で、非接触変位計の軸方向位置を調整して、被接触変位計が前記球面形状部の表面位置を測定できるようにする。これにより、接触式の測定装置の場合のようなプローブ摩耗による形状変化等の誤差誤差を解消して、非接触で球面形状を高精度に測定できる。
【０００６】
この発明において、前記被測定物支持手段は前記被測定物をその球面形状部が上位置となる垂直姿勢で支持し、前記変位計回動手段は前記非接触変位計を前記被測定物の軸部の中心軸を含む垂直面内で回動させるものとし、前記位置調整手段は、前記非接触変位計をその軸方向に位置調整する軸方向位置調整手段の他に、前記球面形状測定手段の全体を垂直方向および水平方向に移動させる垂直・水平移動手段を有し、前記球面形状部の赤道高さ位置および直径を非接触で測定する直径測定手段と、この直径測定手段の測定結果に基づき前記位置調整手段を制御することにより、前記非接触変位計の回動中心を前記球面形状部の中心に位置合わせする位置調整制御手段と、前記被測定物回転手段および前記変位計回動手段を制御することにより、前記被測定物を回転させながら前記非接触変位計を回動させて、前記球面形状部の表面形状測定を行う測定制御手段とを設けても良い。
この構成の場合、直径測定手段の測定結果に基づき、位置調整制御手段が位置調整手段を制御することにより、非接触変位計の回動中心が前記球面形状部の中心に自動的に位置合わせされる。また、測定制御手段が被測定物回転手段および変位計回動手段を制御することにより、被測定物を回転させながら非接触変位計を回動させて、自動的に前記球面形状部の表面形状測定を行うことができる。
【０００７】
この発明において、前記被測定物の軸部は円柱状であり、前記被測定物支持手段は、固定状態で設けられ前記被測定物の円柱状軸部の外周面における同一円周上の２点を支持する周面支持体を有し、前記非接触変位計が回動する垂直面は、平面視で、前記周面支持体の被測定物への対向方向に対して所定の角度となるように設定され、前記直径測定手段は被測定物における円柱状軸部の直径も測定するものとし、前記位置調整制御手段は、前記被測定物支持手段に対して被測定物を取り替えた時に、前記直径測定手段が測定する前記円柱状軸部の直径の変化量に基づき、前記位置調整手段の垂直・水平移動手段を制御して、被測定物取り替え前と同一水平面内で、前記直径の変化量相当分だけ前記球面形状測定手段を移動させ前記非接触変位計の回動中心を補正するものとしても良い。
被測定物支持手段に対して被測定物を取り替えた時に、円柱状軸部の直径に変化があると、非接触変位計の回動中心は球面形状部の中心からずれる。この場合に、位置調整制御手段は、前記位置調整手段の垂直・水平移動手段を制御して、前記直径測定手段が測定する前記円柱状軸部の直径の変化量相当分だけ前記球面形状測定手段を移動させる。そのため、非接触変位計の回動中心の球面形状部の中心からのずれを補正することができる。これにより、被測定物を取り替えた時にも測定精度低下をきたさず、球面形状を高精度に測定できる。
【０００８】
この発明において、前記非接触変位計は、測定スポット径が10０μｍ以下のレーザ変位計であっても良い。
この構成の場合、被測定物の球面形状部の表面に形成される溝（すなわち真球面より凹んだ部分）やランド（すなわち真球面より突出した部分）の測定や、溝とランドの幅比率測定なども行うことができる。
【０００９】
この発明において、前記球面形状測定手段の変位計回動手段は、垂直に配置されたモータ保持板と、出力軸が前記モータ保持板に垂直な向きとなるようにモータ保持板に取付けられたモータと、このモータの出力軸に連結されて前記モータ保持板と平行な垂直姿勢で回転する変位計支持板とでなり、前記非接触変位計は、その軸線が前記モータの出力軸と直交する姿勢とされて前記変位計支持板に前記軸線方向に進退可能に取付けられ、前記位置調整手段の垂直・水平移動手段は、前記モータ保持板を垂直方向に移動させる上下移動テーブルとこの上下移動テーブルを水平方向に移動させる水平移動テーブルとでなり、前記位置調整手段の軸方向位置調整手段が前記変位計支持板に設けられていても良い。
【００１０】
この発明において、前記被測定物は軸部の下端に軸部の他部よりも大径のフランジを有し、このフランジの前記軸部と同心の円周上に等配された複数の孔と、前記フランジに対して垂直方向に所定間隔を隔てて配置された平面上の前記複数の孔の配列円と同一円周上に所定間隔を隔てて設けられ前記孔の有無を検出する２個以上の反射型光電スイッチとでなる回転角検出手段を設け、この回転角検出手段の各光電スイッチの出力の立ち上がりおよび立ち下りをタイミングパルスとして入力し、被測定物の回転角を算出する回転角算出手段を設けても良い。この構成の場合、算出される被測定物の回転角の分解能を高めることができる。
【００１１】
この発明において、前記被測定物回転手段は、前記被測定物のフランジの外周に押し当てられる回転ローラと、この回転ローラを前記フランジとの間に滑りの生じない所定低速回転で回転させるモータとでなり、このモータには回転に伴い前記回転角検出手段の出力パルスよりも十分パルス間隔の短いパルスを発生するパルス発生器を設け、前記回転角検出手段の出力パルスと前記パルス発生器の出力パルス数とを対応させて記憶する記憶部を有し、この記憶部の記憶データに基づき前記回転角算出手段の算出する被測定物の回転角を補正する回転角補正手段を設けても良い。この構成の場合、回転角度算出手段の算出する回転角に誤差があっても、その誤差を回転角補正手段で補正できるので、この点でも高精度の球面形状測定を行うことができる。
【００１２】
この発明の球面形状測定方法は、軸部の一端に球面形状部を有する被測定物を、前記軸部の中心軸回りに一定速度で回転させながら、前記軸部の中心軸を含む平面面内において、前記球面形状部の表面位置を非接触で測定する非接触変位計を、その軸線が前記球面形状部の中心に向く姿勢で球面形状部の中心を回動中心として回動させることにより、被測定物の表面形状を測定するものである。
この測定方法によると、接触式の測定方法の場合のようなプローブ摩耗による形状変化等の誤差がなく、非接触で球面形状を高精度に測定できる。
【発明の効果】
【００１３】
この発明の球面形状測定装置は、軸部の一端に球面形状部を有する被測定物を、前記軸部の中心軸回りに回転自在に支持する被測定物支持手段と、前記被測定物をその軸部の中心軸回りに回転させる被測定物回転手段と、前記球面形状部の表面位置を非接触で測定する非接触変位計、およびこの非接触変位計の中心軸上の所定位置を回動中心として非接触変位計を前記被測定物の軸部の中心軸を含む平面内で回動させる変位計回動手段を有する球面形状測定手段と、前記非接触変位計を少なくともその軸方向に位置調整する位置調整手段とを備えるため、非接触で球面形状を高精度に測定することができる。
この発明の球面形状測定方法は、軸部の一端に球面形状部を有する被測定物を、前記軸部の中心回りに一定速度で回転させながら、前記軸部の中心軸を含む平面面内において、前記球面形状部の表面位置を非接触で測定する非接触変位計を、その軸線が前記球面形状部の中心に向く姿勢で球面形状部の中心を回動中心として回動させることにより、被測定物の表面形状を測定する方法であるため、非接触で球面形状を高精度に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】
この発明の一実施形態を図１〜図５と共に説明する。図１は、この実施形態の球面形状測定装置における機構部の平面図と制御装置のブロック図とを組み合わせた図を示す。図２および図３は、図１の平面図を矢印IIの方向から見た正面図および III− III矢視断面図をそれぞれを示す。この球面形状測定装置は、被測定物１を支持する被測定物支持手段１０、被測定物１を回転させる被測定物回転手段２０、球面形状測定手段３０、位置調整手段４０、直径測定手段５０、位置調整制御手段６１、および測定制御手段６３を備える。
【００１５】
被測定物１は、図２のように、円柱状の軸部１ｂの一端に球面形状部１ａを有し、その軸部１ｂの他端は軸部１ｂの他部よりも大径としたフランジ１ｃとされている。なお、ここでは、被測定物１の軸部１ｂを、外径の異なる複数段の円柱部からなる形状としているが、これに限らず、少なくとも一部に、前記被測定支持手段１０の周面支持体１２と押し当てローラ１３とで回転自在に支持可能で、球面形状部１ａと同軸の円柱部を有する形状であれば、他の部分の形状は問わない。
被測定物支持手段１０は、前記被測定物１を、その球面形状部１ａが上位置となる垂直姿勢で軸部１ｂの中心軸回りに回転自在に支持する手段であり、図２に示す下端支持体１１と、図１，図３に示す周面支持体１２および押し当てローラ１３とを有する。下端支持体１１は、前記軸部１ｂの下端中心において被測定物１を回転自在に支持する部材であり、先端が円錐状とされ、その円錐状先端部を前記軸部１ｂの下端面の図示しないセンタ孔に係合させることで被測定物１を支持する。周面支持体１２は、図１のように直交する２つの平面からなるＶ字状の凹部を有する平面形状が左右対称で二股状の部材であり、前記下端支持体１１の近傍に立向きに設けられた支持部材１４に固定され、被測定物１の円柱状の軸部１ｂの外周面における同一円周上の２点を支持する。押し当てローラ１３は、被測定物１の軸部１ｂの外周面に押し当てられて、前記周面支持体１２とで軸部１ｂを挟んで支持する。
【００１６】
被測定物回転手段２０は、被測定物支持手段１０で支持された被測定物１をその軸部１ｂの中心軸回りに回転させる手段である。図３のように、被測定物１の軸部１ｂの下端は、軸部１ｂの他部よりも大径のフランジ１ｃとされている。被測定物回転手段２０は、被測定物１のフランジ１ｃの外周に押し当てられる回転ローラ２１と、この回転ローラ２１に直結されて回転ローラ２１を前記フランジ１ｃとの間に滑りの生じない所定の低速回転で回転させるモータ２２とでなる。
【００１７】
球面形状測定手段３０（図１）は、被測定物１における球面形状部１ａの表面位置を非接触で測定する非接触変位計３１と、この非接触変位計３１の中心軸上の所定位置を回動中心として、非接触変位計３１を被測定物１の軸部１ｂの中心軸を含む平面（垂直面）内で回動させる変位計回動手段３２とで構成される。非接触変位計３１が回動する垂直面は、図１のように平面視で、被測定物支持手段１０の周面支持体１２の被測定物１への対向方向に対して所定の角度αとなるように設定されている。ここでは、非接触変位計３１として、測定スポット径が１００μｍ以下のレーザ変位計が用いられており、その光軸中心線が被接触変位計３１の軸線３１ａとなる。非接触変位計３１としては、そのほか静電容量方式や渦電流方式の変位計を用いても良い。
【００１８】
球面形状測定手段３０の変位計回動手段３２は、図１および図２に示すように、垂直に配置されたモータ保持板３３と、出力軸３４ａがモータ保持板３３に垂直な向きとなるようにモータ保持板３３に取付けられたモータ３４と、このモータ３４の出力軸３４ａに連結されてモータ保持板３３と平行な垂直姿勢で回転する変位計支持板３５とでなる。非接触変位計３１は、その軸線３１ａがモータ３４の出力軸３４ａと直交する姿勢とされて、前記変位計支持板３５に前記軸線３１ａの方向に進退可能に取付けられる。
【００１９】
位置調整手段４０は、非接触変位計３１をその軸線３１ａ方向における測定可能な位置に位置調整する軸方向位置調整手段４１（図１）と、前記球面形状測定手段３０の全体を垂直方向および水平方向に移動させる垂直・水平移動手段４２とでなる。非接触変位計３１がレーザ変位計からなるこの実施形態の場合、測定可能な軸方向位置とは、球面形状部１ａの表面での被接触変位計３１の測定スポット径が１００μｍ以下となる軸方向位置である。
【００２０】
位置調整手段４０の垂直・水平移動手段４２は、前記変位計回動手段３２のモータ保持板３３を垂直方向に移動させる上下移動テーブル４３と、この上下移動テーブル４３を水平方向に移動させる水平移動テーブル４４とでなる。図２のように、上下移動テーブル４３は、前記モータ保持板３３を支持するボールナット４３ａ、およびこのボールナット４３ａが螺合する垂直姿勢のボールねじ軸４３ｂからなるボールねじと、上記ボールねじ軸４３ｂを回転駆動するモータ４３ｃなどで構成される。水平移動テーブル４４は、前記上下移動テーブル４３を支持する支持板４４ａ、この支持板４４ａに連結されたボールナット４４ｂ、このボールナット４４ｂが螺合する水平姿勢のボールねじ４４ｃ、このボールねじ４４ｃを回転駆動するモータ４４ｄなどで構成される。水平移動テーブル４４の固定部である筐体４４ｅは、支柱４５に支持される。この場合の水平移動テーブル４４の移動方向は、図１に示すように、非接触変位計３１が回動する垂直面と平行な方向である。
【００２１】
位置調整手段４０の軸方向位置調整手段４１（図１）は、球面形状測定手段３０における変位計支持板３５に設けられる。この軸方向位置調整手段４２は、非接触変位計３１をその軸方向に進退可能に前記変位計支持板３５に拘束するガイド部材であっても良いし、例えば非接触変位計３１を直接支持するボールナット、およびこのボールナットが螺合されるボールねじ軸からなるボールねじと、そのボールねじ軸を回転駆動するモータなど（いずれも図示せず）で構成しても良い。軸方向位置調整手段４１がガイド部材からなる場合は、手作業で被接触変位計３１の軸方向位置を調整することになる。
【００２２】
直径測定手段５０は、前記被測定物支持手段１０で支持された被測定物１における球面形状部１ａの赤道高さ位置および直径を非接触で測定する手段であり、ここではこの他に被測定物１の円柱状軸部１ｂにおける被測定物支持手段１０の周面支持体１２で支持される周面での直径も測定する。この直径測定手段５０は、図１および図３に示すように、上下移動テーブル５１に保持板５２を介して保持されたスリット状投光器５３と受光器５４とでなり、スリット状投光器５３と受光器５４は前記被測定物支持手段１０で支持された被測定物１を挟んで互いに対向配置される。直径測定手段５０は、上下移動テーブル５１の上下移動により、被測定物１の球面形状部１ａの赤道高さ位置と、球面状軸部１ｂを測定可能な高さ位置に位置設定される。上下移動テーブル５１は、支柱５６に支持された昇降機構５７に連結されて昇降駆動される。昇降機構５７は、上下移動テーブル５１を支持するボールナット５７ａ、およびこのボールナット５７ａが螺合する垂直姿勢のボールねじ軸５７ｂからなるボールねじと、そのボールねじ軸５７ｂを回転駆動するモータ５７ｃなどで構成される。
【００２３】
この球面形状測定装置を制御する図１の制御装置６０は、図示しない制御盤に設けられる。制御装置６０は、位置調整制御手段６１、測定制御手段６３、回転角算出手段６４、回転角補正手段６５、および測定データ記録手段６７を備える。
位置調整制御手段６１は、前記直径測定手段５０の測定結果に基づき前記位置調整手段４０を制御することにより、非接触変位計３１の回動中心を被測定物１における球面形状部１ａの中心に位置合わせする制御手段である。この位置調整制御手段６１は、被測定物支持手段１０に対して被測定物１を取り替えた時に、非接触変位計３１の回動中心を補正する回動中心補正手段６２を有する。詳しくは、この回動中心補正手段６２は、被測定物１を取り替えた時に、前記直径測定手段５０が測定する被測定物１における円柱状軸部１ｂの直径の変化量に基づき、前記位置調整手段４０の垂直・水平移動手段４１を制御して、被測定物取り替え前と同一水平面内で、前記直径の変化量相当分だけ前記球面形状測定手段３０を移動させて被接触変位計３１の回動中心を補正するものである。
【００２４】
測定制御手段６３は、前記被測定物回転手段２０および前記球面形状測定手段３０における変位計回動手段３２を制御することにより、被測定物支持手段１０で支持された被測定物１を超低速で等速回転させながら、前記被接触変位計３１を前記変位計支持板３５と平行な垂直面内で回動させて、被測定物１における球面形状部１ａの表面形状測定を行う制御手段である。
【００２５】
回転角算出手段６４は、被測定物１の下端側に設けられた回転角検出手段７０（図３）から出力されるタイミングパルスを入力して、被測定物１の回転角を算出する手段である。測定データ記録手段６７は、非接触変位計３１の測定データを、前記回転角算出手段６４で算出される被測定物１の回転角に対応付けて記録する。前記回転角検出手段７０は、被測定物１における軸部１ｂの下端のフランジ１ｃの軸部１ｂと同心の円周上に等配された複数（ここでは６個）の透孔７１と、この透孔７１の有無を検出する２個以上（ここでは３個）の反射型光電スイッチ７３とでなる。光電スイッチ７３は、前記フランジ１ｃに対して所定間隔を隔てて配置された平面板材７２の上の前記複数の孔の配列円と同一円周上に所定間隔を隔てて設けられる。ここでは、前記透孔７１の配列ピッチを１周期として、電気角で６０°となる間隔で３個の光電スイッチ７３が前記円周上に配置される。具体的には、前記孔配列円上の隣り合う透孔７１の間の間隔をＬ、前記出力波形がローレベルとなる区間の長さをＬ１とするとき、各光電スイッチ７３間の間隔Ｌ０は、
Ｌ０＝（Ｌ−Ｌ１）×１／３ ……（１）
となるように設定される。図５の（１）〜（３）の波形図は前記各光電スイッチ７３の出力Ａ〜Ｃの波形図を示す。その出力は、前記光電スイッチ７３の前記フランジ１ｃとの間隔や感度調整によって、デューティ比５０％の矩形波（ハイレベル幅とローレベル幅の比率が１：１）となるようにされている。回転角算出手段６４は、前記各出力Ａ〜Ｃの立ち上がりおよび立ち下りを、図５の（４）〜（９）の波形図のようなタイミングパルスとして入力し、図５の（１０）のように合成したパルス信号として被測定物１の回転角を算出する。これにより、被測定物１の回転角の分解能が高められる。この例では、被測定物１の１回転に３６個のタイミングパルスが入力される。すなわち、タイミングパルス１個の出力間隔は、回転角１０°に相当する。
【００２６】
前記各光電スイッチ７３の出力がデューティ比５０％の矩形波とならない場合は、上記した合成パルス信号のパルス間隔は等間隔とはならず、回転角の精度が低下する。そこで、前記パルス間隔を回転角補正手段６５によって補正する。この回転角補正手段６５は、前記被測定物回転手段２０のモータ２２に設けられたパルス発生器７４（図３）が、モータ２２の回転に伴い発生するパルスの数を、前記回転角算出手段６４の出力パルスと対応させて記憶する記憶部６６を有する。この記憶部６６へのデータ書き込みは、測定開始の前に、被測定物回転手段２０を回転駆動させて行なわれる。パルス発生器７４として、前記回転角検出手段７０の出力Ａ〜Ｃよりも十分パルス間隔の短いパルス、例えば被測定物１の１回転あたり１０００相当のパルスを発生するロータリエンコーダが用いられる。回転角補正手段６５は、前記記憶部６６の記憶データに基づき、前記回転角算出手段６４の算出する被測定物１の回転角を補正する。
【００２７】
次に、上記構成の球面形状測定装置による測定動作について説明する。
先ず、測定を始める前に、被測定物支持手段１０に支持された被測定物１における球面形状部１ａの赤道高さと直径、および円柱状軸部１ｂの直径が測定される。位置調整制御手段６１は、被測定物支持手段１０によって測定された前記赤道高さと直径とから、球面形状部１ａの中心座標を求め、この中心に非接触変位計３１の回動中心が位置合わせされるように位置調整手段４０の垂直・水平移動手段４２を制御する。
このようにして、非接触変位計３１の回動中心が被測定物１における球面形状部１ａの中心に位置合わせされると、作業者の手作業で軸方向位置調整手段４１を操作することで、非接触変位計３１が球面形状部１ａの表面位置を測定可能な軸方向位置に調整される。なお、被接触変位計３１の軸方向位置の調整は、前記直径測定手段５０により測定される球面形状部１ａの直径に基づき、位置調整制御手段６１で軸方向位置調整手段４１を制御することで、自動的に行うようにしても良い。
【００２８】
このようにして位置調整が終了すると、測定制御手段６３が、被測定物回転手段２０および球面形状測定手段３０の変位計回動手段３２を制御する。これにより、被測定物１をその軸部１ｂの中心軸回りに超低速で等速回転させながら、非接触変位計３１が球面形状部１ａの中心を回動中心として、前記軸部１ｂの中心軸を含む垂直面内を回動し、球面形状部１ａの表面位置（具体的には、球面形状部１ａの表面位置の所定半径との誤差）を測定する。その測定データは、制御装置６０の測定データ記録手段６７に入力される。また、被測定物１の回転に伴い、回転角検出手段７０の各光電スイッチ７３からの出力Ａ〜Ｃ（図５（１）〜（３））が回転角算出手段６４に入力され、回転角算出手段６４はそれらの出力Ａ〜Ｃから図５（１０）に示すタイミングパルスを得て、このタイミングパルスから被測定物１の回転角を算出する。算出された回転角は、さらに回転角補正手段６５で補正されて、より精度の高い回転角とされ、前記測定データ記録手段６７に入力される。これにより、測定データ記録手段６７では、被測定物１の回転角に対応付けて被接触変位計３１による測定データが記録される。
【００２９】
このように、この球面形状測定装置では、球面形状の誤差分を所定値からのずれ量として非接触で測定できるため、プローブの摩耗による形状変化等の誤差がなく、高精度の球面形状測定が可能となる。また、この実施形態では、非接触変位計３１として、測定スポット径が１００μｍ以下のレーザ変位計を使用しているので、例えば被測定球面上に形成されている溝（真球面から凹んだ部分）やランド（真球面から突出した部分）の測定、および溝とランドの幅比率の測定も可能である。
【００３０】
また、被測定物支持部材１０に対して被測定物１を取り替えた時には、位置調整制御手段６１の回動中心補正手段６２によって、以下のように非接触変位計３１の回動中心が補正される。
被測定物１の円柱状軸部１ｂの周面を支持する周面支持体１２は支持部材１４に固定されているため、被測定物１を取り替え時、軸部１ｂの直径寸法が変化すると、それに伴って軸部１ｂの中心の位置が、前記周面支持体１２の支持面に対して支持方向に移動し、球面形状部１ａの中心位置も変化する。図４には、非接触変位計３１が回動する垂直面が軸部１ｂの支持方向に対してなす角α（図１）を４５°とした場合の、球面形状部１ａの中心位置の移動の例を示す。同図において、測定中心とは非接変位計３１の回動中心を表す。被測定物１が取り替えられ、取替え前の軸部１ｂ１よりも半径ΔR だけ大きい軸部１ｂ２となると、取替え前の球面形状部１ａ１の中心Ｏ１に対して取替え後の球面形状部１ａ２の中心Ｏ２はΔｈ（＝√２×ΔR ）だけ移動する。その状態で、非接触変位計３１の回動中心（測定中心）Ｏ１を補正せず球面形状を測定すると、その回動中心（測定中心）Ｏ１は実際の球面形状部１ａ２の中心Ｏ２から周面支持体１２の支持面に沿ってΔR ずれているため、正常な測定が困難である。
そこで、位置調整制御手段６１は、先ず前記直径測定手段５０が測定する軸部１ｂの直径の変化量に基づき、その半径変化量ΔR を算出する。次に、位置調整手段４０の垂直・水平移動手段４２を制御して、前記半径変化量ΔR に相当する量だけ、非接触変位計３１の軸方向３１ａに沿って球面形状測定手段３０を水平移動させる。これにより、非接触変位計３１の回動中心（測定中心）はＯ１からＯ３へと移動する。この場合、球面形状測定は、Ｏ３を回動中心として行うので、非接触変位計３１は半径ｒ１を測定することになり、真の球面形状半径ｒ０を測定できない。ところで、これらの半径ｒ０，ｒ１の間には、 ｒ０＝√（ｒ１2 ＋ΔＲ2 ） ……（２）
の関係が成り立つので、測定データを上記（２）式に当てはめることにより、真の球面形状半径ｒ０を割り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明の一実施形態にかかる球面形状測定装置の機構部平面図と制御装置のブロック図とを組み合わせて示す図である。
【図２】図１の平面図における矢印II方向から見た正面図である。
【図３】図１の平面図におけるIII − III矢視断面図である。
【図４】被測定物取替え時における非接触変位計の回動中心補正の説明図である。
【図５】被測定物回転角を検出するためのパルスの波形図である。
【符号の説明】
【００３２】
１…被測定物
１ａ…球面形状部
１ｂ…軸部
１ｃ…フランジ
１０…被測定物支持手段
１２…周面支持体
２０…被測定物回転手段
２１…回転ローラ
２２…モータ
３０…球面形状測定手段
３１…非接触変位計
３２…変位計回動手段
４０…位置調整手段
４１…軸方向位置調整手段
４２…垂直・水平移動手段
５０…直径測定手段
６１…位置調整制御手段
６２…回動中心補正手段
６３…測定制御手段
６４…回転角算出手段
６５…回転角補正手段
７０…回転角検出手段
７１…透孔
７３…光電スイッチ
７４…パルス発生器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸部の一端に球面形状部を有する被測定物を、前記軸部の中心軸回りに回転自在に支持する被測定物支持手段と、前記被測定物をその軸部の中心軸回りに回転させる被測定物回転手段と、前記球面形状部の表面位置を非接触で測定する非接触変位計、およびこの非接触変位計の中心軸上の所定位置を回動中心として非接触変位計を前記被測定物の軸部の中心軸を含む平面内で回動させる変位計回動手段を有する球面形状測定手段と、前記非接触変位計を少なくともその軸方向に位置調整する位置調整手段とを備えた球面形状測定装置。
【請求項２】
請求項１において、前記被測定物支持手段は前記被測定物をその球面形状部が上位置となる垂直姿勢で支持し、前記変位計回動手段は前記非接触変位計を前記被測定物の軸部の中心軸を含む垂直面内で回動させるものとし、前記位置調整手段は、前記非接触変位計をその軸方向に位置調整する軸方向位置調整手段の他に、前記球面形状測定手段の全体を垂直方向および水平方向に移動させる垂直・水平移動手段を有し、前記球面形状部の赤道高さ位置および直径を非接触で測定する直径測定手段と、この直径測定手段の測定結果に基づき前記位置調整手段を制御することにより、前記非接触変位計の回動中心を前記球面形状部の中心に位置合わせする位置調整制御手段と、前記被測定物回転手段および前記変位計回動手段を制御することにより、前記被測定物を回転させながら前記非接触変位計を回動させて、前記球面形状部の表面形状測定を行う測定制御手段とを設けた球面形状測定装置。
【請求項３】
請求項２において、前記被測定物の軸部は円柱状であり、前記被測定物支持手段は、固定状態で設けられ前記被測定物の円柱状軸部の外周面における同一円周上の２点を支持する周面支持体を有し、前記非接触変位計が回動する垂直面は、平面視で、前記周面支持体の被測定物への対向方向に対して所定の角度となるように設定され、前記直径測定手段は被測定物における円柱状軸部の直径も測定するものとし、前記位置調整制御手段は、前記被測定物支持手段に対して被測定物を取り替えた時に、前記直径測定手段が測定する前記円柱状軸部の直径の変化量に基づき、前記位置調整手段の垂直・水平移動手段を制御して、被測定物取り替え前と同一水平面内で、前記直径の変化量相当分だけ前記球面形状測定手段を移動させ前記被接触変位計の回動中心を補正するものとした球面形状測定装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記非接触変位計は、測定スポット径が10０μｍ以下のレーザ変位計である球面形状測定装置。
【請求項５】
請求項２ないし請求項４のいずれか１項において、前記球面形状測定手段の変位計回動手段は、垂直に配置されたモータ保持板と、出力軸が前記モータ保持板に垂直な向きとなるようにモータ保持板に取付けられたモータと、このモータの出力軸に連結されて前記モータ保持板と平行な垂直姿勢で回転する変位計支持板とでなり、前記非接触変位計は、その軸線が前記モータの出力軸と直交する姿勢とされて前記変位計支持板に前記軸線方向に進退可能に取付けられ、前記位置調整手段の垂直・水平移動手段は、前記モータ保持板を垂直方向に移動させる上下移動テーブルとこの上下移動テーブルを水平方向に移動させる水平移動テーブルとでなり、前記位置調整手段の軸方向位置調整手段が前記変位計支持板に設けられている球面形状測定装置。
【請求項６】
請求項２ないし請求項５のいずれか１項において、前記被測定物は軸部の下端に軸部の他部よりも大径のフランジを有し、このフランジの前記軸部と同心の円周上に等配された複数の孔と、前記フランジに対して垂直方向に所定間隔を隔てて配置された平面上の前記複数の孔の配列円と同一円周上に所定間隔を隔てて設けられ前記孔の有無を検出する２個以上の反射型光電スイッチとでなる回転角検出手段を設け、この回転角検出手段の各光電スイッチの出力の立ち上がりおよび立ち下りをタイミングパルスとして入力し、被測定物の回転角を算出する回転角算出手段を設けた球面形状測定装置。
【請求項７】
請求項６において、前記被測定物回転手段は、前記被測定物のフランジの外周に押し当てられる回転ローラと、この回転ローラを前記フランジとの間に滑りの生じない所定低速回転で回転させるモータとでなり、このモータには回転に伴い前記回転角検出手段の出力パルスよりも十分パルス間隔の短いパルスを発生するパルス発生器を設け、前記回転角検出手段の出力パルスと前記パルス発生器の出力パルス数とを対応させて記憶する記憶部を有し、この記憶部の記憶データに基づき前記回転角算出手段の算出する被測定物の回転角を補正する回転角補正手段を設けた球面形状測定装置。
【請求項８】
軸部の一端に球面形状部を有する被測定物を、前記軸部の中心軸回りに一定速度で回転させながら、前記軸部の中心軸を含む平面面内において、前記球面形状部の表面位置を非接触で測定する非接触変位計を、その軸線が前記球面形状部の中心に向く姿勢で球面形状部の中心を回動中心として回動させることにより、被測定物の表面形状を測定する球面形状測定方法。
【請求項１】
軸部の一端に球面形状部を有する被測定物を、前記軸部の中心軸回りに回転自在に支持する被測定物支持手段と、前記被測定物をその軸部の中心軸回りに回転させる被測定物回転手段と、前記球面形状部の表面位置を非接触で測定する非接触変位計、およびこの非接触変位計の中心軸上の所定位置を回動中心として非接触変位計を前記被測定物の軸部の中心軸を含む平面内で回動させる変位計回動手段を有する球面形状測定手段と、前記非接触変位計を少なくともその軸方向に位置調整する位置調整手段とを備えた球面形状測定装置。
【請求項２】
請求項１において、前記被測定物支持手段は前記被測定物をその球面形状部が上位置となる垂直姿勢で支持し、前記変位計回動手段は前記非接触変位計を前記被測定物の軸部の中心軸を含む垂直面内で回動させるものとし、前記位置調整手段は、前記非接触変位計をその軸方向に位置調整する軸方向位置調整手段の他に、前記球面形状測定手段の全体を垂直方向および水平方向に移動させる垂直・水平移動手段を有し、前記球面形状部の赤道高さ位置および直径を非接触で測定する直径測定手段と、この直径測定手段の測定結果に基づき前記位置調整手段を制御することにより、前記非接触変位計の回動中心を前記球面形状部の中心に位置合わせする位置調整制御手段と、前記被測定物回転手段および前記変位計回動手段を制御することにより、前記被測定物を回転させながら前記非接触変位計を回動させて、前記球面形状部の表面形状測定を行う測定制御手段とを設けた球面形状測定装置。
【請求項３】
請求項２において、前記被測定物の軸部は円柱状であり、前記被測定物支持手段は、固定状態で設けられ前記被測定物の円柱状軸部の外周面における同一円周上の２点を支持する周面支持体を有し、前記非接触変位計が回動する垂直面は、平面視で、前記周面支持体の被測定物への対向方向に対して所定の角度となるように設定され、前記直径測定手段は被測定物における円柱状軸部の直径も測定するものとし、前記位置調整制御手段は、前記被測定物支持手段に対して被測定物を取り替えた時に、前記直径測定手段が測定する前記円柱状軸部の直径の変化量に基づき、前記位置調整手段の垂直・水平移動手段を制御して、被測定物取り替え前と同一水平面内で、前記直径の変化量相当分だけ前記球面形状測定手段を移動させ前記被接触変位計の回動中心を補正するものとした球面形状測定装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記非接触変位計は、測定スポット径が10０μｍ以下のレーザ変位計である球面形状測定装置。
【請求項５】
請求項２ないし請求項４のいずれか１項において、前記球面形状測定手段の変位計回動手段は、垂直に配置されたモータ保持板と、出力軸が前記モータ保持板に垂直な向きとなるようにモータ保持板に取付けられたモータと、このモータの出力軸に連結されて前記モータ保持板と平行な垂直姿勢で回転する変位計支持板とでなり、前記非接触変位計は、その軸線が前記モータの出力軸と直交する姿勢とされて前記変位計支持板に前記軸線方向に進退可能に取付けられ、前記位置調整手段の垂直・水平移動手段は、前記モータ保持板を垂直方向に移動させる上下移動テーブルとこの上下移動テーブルを水平方向に移動させる水平移動テーブルとでなり、前記位置調整手段の軸方向位置調整手段が前記変位計支持板に設けられている球面形状測定装置。
【請求項６】
請求項２ないし請求項５のいずれか１項において、前記被測定物は軸部の下端に軸部の他部よりも大径のフランジを有し、このフランジの前記軸部と同心の円周上に等配された複数の孔と、前記フランジに対して垂直方向に所定間隔を隔てて配置された平面上の前記複数の孔の配列円と同一円周上に所定間隔を隔てて設けられ前記孔の有無を検出する２個以上の反射型光電スイッチとでなる回転角検出手段を設け、この回転角検出手段の各光電スイッチの出力の立ち上がりおよび立ち下りをタイミングパルスとして入力し、被測定物の回転角を算出する回転角算出手段を設けた球面形状測定装置。
【請求項７】
請求項６において、前記被測定物回転手段は、前記被測定物のフランジの外周に押し当てられる回転ローラと、この回転ローラを前記フランジとの間に滑りの生じない所定低速回転で回転させるモータとでなり、このモータには回転に伴い前記回転角検出手段の出力パルスよりも十分パルス間隔の短いパルスを発生するパルス発生器を設け、前記回転角検出手段の出力パルスと前記パルス発生器の出力パルス数とを対応させて記憶する記憶部を有し、この記憶部の記憶データに基づき前記回転角算出手段の算出する被測定物の回転角を補正する回転角補正手段を設けた球面形状測定装置。
【請求項８】
軸部の一端に球面形状部を有する被測定物を、前記軸部の中心軸回りに一定速度で回転させながら、前記軸部の中心軸を含む平面面内において、前記球面形状部の表面位置を非接触で測定する非接触変位計を、その軸線が前記球面形状部の中心に向く姿勢で球面形状部の中心を回動中心として回動させることにより、被測定物の表面形状を測定する球面形状測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−２０４４４０（Ｐ２００９−２０４４４０Ａ）
【公開日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−４６９９７（Ｐ２００８−４６９９７）
【出願日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
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