WO2003048683A1 - Procede et equipement de mesure de forme de trou - Google Patents

Description

穴の形状測定方法及び装置

技術分野

本発明は、 ワークに形成された穴の形状を測定する穴の形状測定方法及び装置に関 する。

明 田

背景技術

穴の形状を測定する測定装置の一つとして、 空気マイクロメータがある。 従来の空 気マイクロメ一タは、 測定へッドを穴に挿入し、 測定へッドのノズルから穴の壁面に 向けて圧縮空気を噴射し、 ノズルの背圧を検出する。 ノズルの背圧は、穴の内壁とノ ズルとの間隔に依存するので、予め求めたマスタ一の基準値と比較することによって、 前記検出値を穴の内径寸法に換算することができる。 従来の空気マイクロメータは、 測定へッドを穴に出し入れしながら連続的に内径を測定することにより、 穴の形状を 求めることができる。

しかしながら、 従来の空気マイクロメータは、 屈曲或いは湾曲された穴に測定へッ ドを出し入れできないので、 屈曲或いは湾曲された穴の形状を測定できなかった。 本発明はこのような事情に鑑みて成されたもので、 様々な穴の形状を測定できる穴 の形状測定方法及び装置を提供することを目的とする。

発明の開示

上記目的を達成するために、本発明による穴の形状測定方法は、 穴の内径を前記穴 の奥行き方向に沿つて複数箇所で測定して前記穴の形状を取得する穴の形状測定方法 であって、前記穴に流体を供給し、前記穴に浮子を挿入し、 該浮子を前記穴の奥行き 方向に沿つて移動させながら、前記流体が前記穴の内壁と前記浮子との隙間を通過す る際の背圧、流量、及び前記浮子が受ける抗力の少なくとも一つを複数箇所で検出し、 該検出値を基準値と比較して前記穴の内径に換算することを特徴とする。 また本発明による穴の形状測定装置は、 穴の内径を前記穴の奥行き方向に沿って複 数箇所で測定して前記穴の形状を取得する穴の形状測定装置であつて、前記穴に流体 を供給する流体供給手段と、前記穴に挿入される浮子と、該浮子を前記穴の奥行き方 向に沿つて移動させる移動手段と、前記流体が前記穴の内壁と前記浮子との隙間を通 過する際の背圧、 流量、 及び前記浮子が受ける抗力の少なくとも一つを複数箇所で検 出する検出手段と、 該検出手段で検出した検出値を基準値と比較して前記穴の内径に 換算する換算手段と、 を備えることを特徴とする。

本発明によれば、流体を供給した穴に浮子を挿入して移動させながら、流体の背圧、 流量、 浮子が受ける抗カを複数箇所で検出することにより、 穴の内径を穴の奥行き方 向に複数箇所で測定できる。 これにより、一定径でない穴、 例えばテ一パが形成され た穴の形状も測定できる。

また本発明による穴の形状測定方法は、 穴の中心線を測定して前記穴の形状を取得 する穴の形状測定方法であって、前記穴に流体を供給し、前記穴に浮子を挿入し、 該 浮子を前記穴の奥行き方向に沿つて移動させながら前記浮子の位置を複数箇所で検出 し、 該検出値から前記穴の中心線を求め、該中心線に基づいて前記穴の形状を取得す ることを特徴とする。 .

また本発明による穴の形状測定装置は、 穴の中心線を測定して前記穴の形状を取得 する穴の形状測定装置であって、前記穴に流体を供給する流体供給手段と、 前記穴に 挿入される浮子と、 該浮子を前記穴の奥行き方向に沿って移動させる移動手段と、前 記浮子の位置を複数箇所で検出する位置検出手段と、 を備えることを特徴とする。 本発明によれば、 流体を供給した穴に浮子を挿入すると、 浮子は自動求心作用を受 けて穴の中心に移動するので、 浮子の中心位置の軌跡は穴の中心線に一致する。 した がって、 浮子の位置を複数箇所で検出することにより穴の中心線を求めることができ る。 図面の簡単な説明 図 1は、 本発明に係る穴の形状測定装置の第 1の実施の形態の構造を示すプロック 図であり ；

図 2は、 図 1に示した穴の形状測定装置の特徴部分を示す側面断面図であり ； 図 3は、 本発明に係る穴の形状測定装置の第 2の実施の形態の構造を示すプロック 図であり ；

図 4は、 図 3に示した穴の形状測定装置の特徴部分を示す側面図であり ；

図 5は、 図 4の 5— 5線に沿う断面図であり ；

図 6は、 図 3に示した穴の形状測定装置の作用を示す説明図であり

図 7は、 図 3に示した穴の形状測定装置の作用を示す説明図であり

図 8は、 図 3に示した穴の形状測定装置の作用を示す説明図であり

図 9は、本発明に係る穴の形状測定装置の第 3の実施の形態の構造を示すプロック 図であり ；

図 1 0は、 図 9と異なる測定球の支持構造を示す側面図であり ；

図 1 1は、 図 1 0の 1 1一 1 1線に沿う断面図である。 発明を実施するための最良の形態

以下添付図面に従って本発明に係る穴の形状測定方法及び装置の実施の形態につい て説明する。

図 1は、 第 1の実施の形態の測定装置 1 0の構成を示すブロック図である。 測定装' '置 1 0は、 ワーク 2 2の穴 2 2 Aの内径を穴 1 2 Aの軸方向に複数箇所で測定する装 ¾である。

図 1に示すように、 空気源 1 2から供給される圧縮空気は、 フィルタ 1 4で除塵さ れ、 レギユレ一タ 1 6で一定圧力に調整された後、 A/E変換器 1 8 (空気/電気変 換器） 内に設置された絞りを通り、 コネクタ 3 3を介して測定台 2 8内の送気路 2 8 Bに送気される。

測定台 2 8の上面には、 送気路 2 8 Bに連通される供給口 2 8 Aが形成されるとと もに、 ワーク 2 2が載置される。 ワーク 2 2には、 穴 2 2 Aが形成されており、 この 穴 2 2 Aが供給口 2 8 Aに連通される。 供給口 2 8 Aの回りには、 エア漏れ防止シー ル （0リング） 3 4が配設され、 このエア漏れ防止シール 3 4によって測定台 2 8と ワーク 1 2との隙間から空気が洩れることが防止される。 これにより、前記送気路 2 8 Bに供給された圧縮空気は、 漏れることなく、供給口 2 8 Aから穴 2 2 Aに噴射さ れる。

穴 2 2 Aに噴射された圧縮空気は、 穴 2 2 Aの内壁と測定球 （浮子に相当） 3 0と の隙間を通って外部に吹き出される。 A/ E変換器 1 8は、 このときの圧力を、 内蔵 するベローズと差動変圧器とによって電気信号に変換し、 管制部 2 0に出力する。 穴 2 2 Aの径が異なる場合、 圧力が微小変ィ匕し、管制部 2 0は、 後述するように、 変ィ匕 した電気信号に基づいてワーク 1 2の内径を算出し、 算出したデ一夕を例えば管制部 2 0のモニタ上に表示する。

前記測定球 3 0は、 セラミツク、樹脂、 鋼、軽合金等の材料を用いて、高い加工精 度で球状に形成される。 図 2に示すように、測定球 3 0の直径 dは、測定する穴 2 2 Aの内径 （内径が一定でない場合には最小径） Dと、 要求される感度とによって設定 し、例えば、 Dと dとの差 （D— d ) が 1 0〃m〜l 0 0〃m程度になるように設定 する。 この Dと dとの差 ( D - d ) が小さいほど感度が良くなり、 穴 2 2 Aの内径 D が少し変ィ匕しただけでも、 A/ E変換器 1 8の検出値が大きく変化するようになる。 また、 測定球 3 0は、 図 1に示すように、 弾性体 （例えばピアノ線等） から成る支 持部材 3 2を介してアーム 3 6に取り付けられる。 アーム 3 6は、 スライダ 3 8、 3 8を介して架台 4 0に摺動自在に取り付けられるとともに、 モータ 4 2の回転軸に連 結された送りねじ 4 4が螺合される。 これにより、 モータ 4 2を駆動すると、送りね じ 4 4が回動し、 アーム 3 6が昇降する。

アーム 3 6の上方には、 リニアスケール 4 6が設けられている。 リニアスケール 4 6は、 アーム 3 6の昇降量を検出し、 その検出信号を管制部 2 0に出力する。 管制部 2 0は、 この検出信号に基づいてモータ 4 を駆動制御し、 アーム 3 6の昇降量、 即 ち、 ワーク 2 2の上下方向の位置を調節する。

次に上記の如.く構成された測定装置 1 0の作用について説明する。 まず、空気源 1 2から圧縮空気を供給し、測定台 1 8の供給口 2 8 Aから穴 2 2 A に圧縮空気を噴射する。 次いで、 モー夕 4 2を駆動してアーム 3 6を一定速度で下降 させ、 測定球 3 0を穴 2 2 Aに挿入するとともに、挿入した測定球 3 0を穴 3 0に沿 つて下降させる。 そして、 圧縮空気が測定球 3 0と穴 2 2 Aの内壁との隙間を通過す る際の背圧を、所定の間隔ごとに複数箇所で （或いは連続して） 検出する。 前記背圧 は、測定球 3 0と穴 2 2 Aの内壁との隙間の大きさに依存するので、 背圧の検出値を 管制部 2 0でマスタ一の基準値と比較することによって穴 2 2 Aの内径に換算できる。 これにより、 穴 2 2 Aの内径を複数箇所で測定することができ、 穴 2 2 Aの形状を求 めることができる。 ここで、 マス夕一の基準値とは、測定に先立って、測定時と同じ 条件でマスタ一を測定した値であり、測定条件を変える度に行われる。

測定時における測定球 3 0には、 穴 2 2 Aの内壁と測定球 3 0との隙間を通り抜け る圧縮空気によって自動求心作用 （又は自動調芯作用） が働く。 したがって、 支持部 材 3 2が弾性変形して測定球 3 0が穴 2 2 Aの中心に自動的に配置される。 これによ り、 圧縮空気は、 ワーク 2 2の回りに略均等に形成された隙間を通り抜けることにな り、このときの背圧を検出することによってワーク 1 2の外径を精度良く測定できる。 このように本実施の形態の測定装置 1 0によれば、 測定球 3 0を穴 2 2 Aに沿って 移動させながら背圧を複数箇所で測定するので、 穴 2 2 Aの内径を穴 2 2 Aの奥行き 方向に所定の間隔ごとに複数箇所で求めることができる。 したがって、 穴 2 2 Aの形 状を取得することができ、 一定径でない穴 2 2 Aの形状も求めることができる。 例え ば、 穴 2 2 Aにテーパが形成されていた場合、 そのテーパの角度を求めることができ る。 また、 図 7に示すように、 穴 2 2 Aに縮径部ゃ拡径部がある場合であっても、 縮 径部ゃ拡径部の形状を求めることもできる。 さらに、 測定装置 1 0は、 穴 2 2 Aの径 が一定であるかどうかの検査を行うこともできる。

.なお、 上述した実施の形態は、 アーム 3 6を一定速度で下降させたが、 一定速度で なくてもよい。 その場合には、 A/E変換器 1 8で背圧を検出すると同時に、 リニア スケール 4 6によって測定球 3 0の位置を検出する。 これにより、 穴 2 2 Aの内径の 測定と、 その測定位置の記録とを同時に行うことができる。 したがって、 穴 2 2 Aの 形状を求めることができる。

また、 上述した実施の形態では、 圧縮空気の背圧を検出したが、 これに限定するも のではなく、 圧縮空気が穴 2 2 Aの内壁と測定球 3 0との隙間を通過する際の圧縮空 気の流量を検出してもよい。この場合も上述した実施の形態と同様に、管制部 2 0が、 検出値をマスターの基準値と比較することによって穴 2 2 Aの内径を精度良く測定で きる。

さらに、 本発明は、 圧縮空気の背圧や流量の検出に限定されるものではなく、測定 球 3 0が受ける抗カを圧電ピックアップや歪みゲージで検出し、 穴 2 2 Aの内径に換 図 3は、第 1の実施の形態の測定装置 5 0の構造を示すプロック図であり、図 4は、 アーム 3 6と支持部材 3 2との連結機構を示す側面図である。 これらの図に示す測定 装置 5 0は、 穴 2 2 Aの中心線を測定する装置である。

測定装置 5 0は、 支持部材 3 2の上端に円盤 5 2が取り付けられ、該円盤 5 2が 4 個の圧電センサ 5 4、 5 4…を介してアーム 3 6に連結されている。支持部材 3 2は、 図 5に示すように、 円盤 5 2の中央に連結され、圧電センサ 5 4、 5 4…は、 円盤 5 2の周辺部に所定の間隔で配置される。 各圧電センサ 5 4は、 測定球 3 0力受ける抗 力を 4方向に分割して検出し、 該検出信号を管制部 2 0に出力する。 管制部 2 0は、 各圧電センサ 5 4から検出信号を受信すると、 各検出値の差から回転モーメントを算 出する。 そして、 この回転モーメントと、前記リニアスケール 4 6で検出したアーム 3 6の昇降量から、測定球 3 0の位置を求める。

上記の如く構成された測定装置 5 0は、 圧縮空気を供給した穴 2 2 Aに測定球 3 0 を挿入し、該測定球 3 0を穴 2 2 Aの奥行き方向に移動させながら、測定球 3 0の位 置を所定間隔ごとに複数箇所で （或いは連続して）検出する。 測定時における測定球 3 0は、前述したように、自動 心作用によって穴 2 2 Aの中心に自動的に移動する。 したがって、測定球 3 0を穴 2 2 Aに沿って下降させると、 測定球 3 0の中心の軌跡 は、 穴 2 2 Aの中心線に一致する。 例えば、 図 6に示すように、 穴 2 2 Aが湾曲して 形成されている場合、 測定球 3 0は、一点鎖線で示す穴 2 2 Aの中心線に沿って移動 する。 したがって、圧電センサ 3 8、 3 8…の検出値から回転モーメントを算出し、 測定球 3 0の中心位置の軌跡を求めることにより、 穴 2 2 Aの中心線を求めることが できる。 これにより、 穴 2 2 Aの曲率等を測定できる。 同様に、 穴 2 2 Aが屈曲して いる場合には、 その屈曲角度を求めることができ、 穴 2 2 Aが斜めに形成されている 場合には、 穴 2 2 Aの角度を求めることができる。

このように測定装置 5 0によれば、、 測定球 3 0を穴 2 2 Aに沿って移動させながら 圧電センサ 5 4、 5 4…で複数箇所で検出することによって、 穴 2 2 Aの中心位置を 複数箇所で測定することができ、 穴 2 2 Aの中心線を求めることができる。

ところで、測定装置 5 0は、圧電センサ 5 4、 5 4…の検出値を合算することによ つて測定球 3 0が受ける全抗カを算出できる。 したがって、 この算出値をマスターの 基準値と比較することにより、第 1の実施の形態と同様、 穴 2 2 Aの内径を求めるこ とができる。 例えば、 図 7に示すように、 穴 2 2 Aに縮径部ゃ拡径部がある場合、 穴 2 2 Aの内径を複数箇所で求めることにより、 縮径部ゃ拡径部の形状を求めることも できる。

さらに、 測定装置 5 0は、 各圧電センサ 5 4、 5 4…の検出値から測定球 3 0の中 心位置と穴 2 2 Aの内径とが同時に求まる。 したがって、 穴 2 2 Aが複雑な形状な場 合 （即ち、 穴 2 2 Aの中心線が非直線状で、 且つ一定径でない場合） であっても、 そ の形状を求めることができる。 例えば、 図 8に示すように穴 2 2 Aが形成されていた 場合、 穴 2 2 Aの奥行き方向に測定球 3 0を移動させると、 測定球 3 0は一点鎖線で 示す穴 2 2 Aの中心線に沿って移動する p このときの圧電センサ 5 4、 5 4…の検出 値から、 測定球 3 0の受ける抗力と回転モーメントを算出することにより、 穴 2 2 A の内径と中心位置が求まる。 この穴 2 2 Aの内径と中心位置とを複数箇所で求めるこ とによって、 穴 2 2 Aの形状を具体的に取得することができる。 このように測定装置 5 0は、 穴 2 2 Aの中心位置と内径とを複数箇所で求めることができるので、 様々な 穴の形状を求めることができる。

なお、 上述した実施の形態は、 回転モーメントを求めるために 4個の圧電センサ 5 4、 5 4…を設けたが、 3個以上の圧電センサ 5 4であればよい。 また、 圧電センサ 5 4の代わりにロードセルを用いてもよい。

図 9は、 第 3の実施の形態の測定装置 6 2の構造を示すブロック図である。

同図に示す測定装置 6 2は、 支持部材 3 2の上端の円盤 5 が、 3個以上の圧電素 子 （不図示） を介して X軸 Y軸ステージ 6 4に取り付けられ、 該 X軸 Y軸ステージ 6 4がアーム 3 6に取り付けられる。 X軸 Y軸ステージ 6 4は、 円盤 5 2を水平方向に スライド自在に支持するとともに、 内蔵するセンサ （不図示） によって円盤 5 2の位 置を検出する。

上記の如く構成された測定装置 6 2は、 各圧電素子の検出値が等しくなるまで、 X 軸 Y軸ステ一ジ 6 4で円盤 5 2の位置を調節する。 これにより、 測定球 3 0が受ける 抗力が穴 2 2 Aの軸方向と一致する。 したがって、 X軸 Y軸ステージ 6 4に内蔵する センサによって円盤 5 2の位置を検出することにより、測定球 3 0の中心位置が求ま る。 これにより、 穴 2 2 Aの中心線を求めることができる。

なお、 上述した第 3の実施の形態において、 支持部材 3 2を剛体で構成するととも に、 該支持部材 3 2を X軸 Y軸ステージ 6 4に直接連結してもよい。 この場合、 測定 球 3 0の位置に応じて支持部材 3 2の上端位置が変わるので、 X軸 Y軸ステージ 6 4 に内蔵するセンサによつて測定球 3 0の位置を検出できる。

また、 図 1 0に示すように、 フローティング機構を用いて支持部材 3 2をアーム 3 6に取り付けてもよい。 図 1 0に示す支持部材 3 2は、 剛体で構成されており、 該支 持部材 3 2の上端には、 円盤 5 2に取り付けられている。 円盤 5 2は、 静圧流体軸受 5 8によって水平方向にスライド自在に支持される。 前記静圧流体軸受 5 8は、 図 1 1に示すように、光学式エンコーダや磁気スケール等の位置検出センサ 6 0、 6 0を 備えており、 該位置検出センサ 6 0によって円盤 5 2の位置、 即ち測定球 3 0の水平 面上の位置を検出する。 この位置検出センサ 6 0で検出した測定球 3 0の水平面上の 位置と、 リニアスケール 4 6で検出した測定球 3 0の鉛直方向の位置とに基づいて、 測定球 3 0の位置が算出される。 これにより、 測定球 3 0を穴 2 2 Aに通過させた際 に測定球 3 0の中心位置の軌跡を求めることができ、 穴 2 2 Aの中心線を求めること ができる。 なお、 上述した第 1、 、 3の実施の形態では、圧縮空気の流れに逆らって測定球 3 0を移動させたが、 これに限定するものではなく、 圧縮空気の流れる方向に測定球 3 0を移動させながら測定してもよい。

また、 穴 2 2 Aの供給する流体は、 圧縮空気に限定するものではなく、 空気以外の 気体や液体を穴 2 2 Aに供給してもよい。

また、 穴 2 2 Aに供給する流体の温度を制御する温度制御手段を設けてもよい。 産業上の利用可能性

以上説明したように本発明に係る穴の形状測定方法及び装置によれば、 流体が供給 される穴の奥行き方向に沿って浮子を移動し、該浮子の位置と穴の内径を複数箇所で 検出するので、 様々な穴の形状を測定することができる。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 穴の内径を前記穴の奥行き方向に沿って複数箇所で測定して前記穴の形状を取得 する穴の形状測定方法であつて、

前記穴に流体を供給し、

前記穴に浮子を挿入し、

該浮子を前記穴の奥行き方向に沿って移動させながら、前記流体が前記穴の内壁と 前記浮子との隙間を通過する際の背圧、 流量、 及び前記浮子が受ける抗力の少なくと も一つを複数箇所で検出し、

該検出値を基準値と比較して前記穴の内径に換算することを特徴とする穴の形状測 定方法。

2 . 穴の内径を前記穴の奥行き方向に沿って複数箇所で測定して前記穴の形状を取得 する穴の形状測定装置であつて、 '

前記穴に流体を供給する流体供給手段と、

前記穴に挿入される浮子と、

該浮子を前記穴の奥行き方向に沿って移動させる移動手段と、

前記流体が前記穴の内壁と前記浮子との隙間を通過する際の背圧、 流量、 及び前記 浮子が受ける抗力の少なくとも一つを複数箇所で検出する検出手段と、

該検出手段で検出した検出値を基準値と比較して前記穴の内径に換算する換算手段 と、 '

を備えることを特徴とする穴の形状測定装置。

3 . 前記浮子は、弾性体で支持されていることを特徴とする請求項 2記載の穴の形状

4 . 穴の中心線を測定して前記穴の形状を取得する穴の形状測定方法であって、 前記穴に流体を供給し、

前記穴に浮子を挿入し、

該浮子を前記穴の奥行き方向に沿つて移動させながら前記浮子の位置を複数箇所で 検出し、 該検出値から前記穴の中心線を求め、

該中心線に基づいて前記穴の形状を取得することを特徴とする穴の形状測定方法。

5 . 穴の中心線を測定して前記穴の形状を取得する穴の形状測定装置であって、 前記穴に流体を供給する流体供給手段と、

前記穴に挿入される浮子と、

該浮子を前記穴の奥行き方向に沿つて移動させる移動手段と、

前記浮子の位置を複数箇所で検出する位置検出手段と、

を備えることを特徴とする穴の形状測定装置。

6 . 前記浮子は、 弾性体で支持されていることを特徴とする請求項 5記載の穴の形状 測定装置。

7 . 前記位置検出手段は、前記浮子が受ける抗カを 3以上の方向に分割して検出する ことを特徴とする請求項 5記載の穴の形状測定装置。

8 . 前記浮子は、弾性体で支持されていることを特徴とする請求項 7記載の穴の形状

9 . 穴の内径を前記穴の奥行き方向に沿って複数箇所で測定するとともに、 前記穴の 中心線を測定して、前記穴の形状を取得する穴の形状測定方法であって、

前記穴に流体を供給し、

前記穴に浮子を挿入し、

該浮子を前記穴の奥行き方向に沿つて移動させながら、前記流体が前記穴の内壁と 前記浮子との隙間を通過する際の背圧、 流量、 及び前記浮子が受ける抗力の少なくと も一つと、前記浮子の位置と、 を複数箇所で検出し、

前記背圧、 前記流量、 及び前記浮子が受ける抗力の前記少なくとも一つの検出値を 基準値と比較して前記穴の内径に換算し、

前記浮子の位置の検出値から前記穴の中心線を求め、

該穴の中心線と前記穴の内径とに基づいて前記穴の形状を取得することを特徴とす る穴の形状測定方法。

1 0 . 穴の内径を前記穴の奥行き方向に沿って複数箇所で測定するとともに、前記穴 の中心線を測定して、前記穴の形状を取得する穴の形状測定装置であつて、 前記穴に流体を供給する流体供給手段と、

前記穴に挿入される浮子と、

該浮子を前記穴の奥行き方向に沿つて移動させる移動手段と、

前記流体が前記穴の内壁と前記浮子との隙間を通過する際の背圧、 流量、 及び前記 浮子が受ける抗力の少なくとも一つを複数箇所で検出する検出手段と、

該検出手段で検出した検出値を基準値と比較して前記穴の内径に換算する換算手段 と、

前記浮子の位置を複数箇所で検出する位置検出手段と、

を備えることを特徴とする穴の形状測定装置。

1 1 . 前記浮子は、 弾性体で支持されていることを特徴とする請求項 1 0記載の穴の 形状測定装置。

1 2 . 前記位置検出手段は、前記浮子が受ける抗カを 3以上の方向に分割して検出す ることを特徴とする請求項 1 0記載の穴の形状測定装置。

1 3 . 前記浮子は、 弾性体で支持されていることを特徴とする請求項 1 2記載の穴の 形状測定装置。