ボールステップゲージ

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【発明の名称】	ボールステップゲージ
【発明者】	【氏名】高辻利之【氏名】大澤尊光【氏名】黒澤富蔵【氏名】野口宏徳
【要約】	【課題】従来の三次元測定機を校正するためのボールステップゲージは、熱的外乱による変形や、静的荷重による変形等を生じ、必ずしも正確な測定を行うことはできなかった。【解決手段】ゲージ枠体１をＨ形に形成し、その水平枠４の中心軸線でありＨ型のゲージ枠体の断面二次モーメントの中立軸である軸線Ｌに沿って穴６を複数個設け、各穴６にボール５を圧入して固定する。穴６のボール５の周囲には４個の溝７を形成している。このボールステップゲージ１０はこのままでも従来と同様に使用することができるが、隣接する２つのボールに５点拘束され、枠体の端面１２あるいは水平枠４でローリング防止される光波干渉ステッパを用いることにより、より正確なボールステップゲージとすることができる。

【特許請求の範囲】
【請求項１】 H型断面をなすゲージ枠体の、左右方向及び上下方向の断面二次モーメントの中立軸上に中心が一致するように複数個のボールを固定し、該ボールの周囲に複数の溝を成形したことを特徴とするボールステップゲージ。
【請求項２】ボール間隔測定用光波干渉ステッパのロ一リング防止面を、ボール配列軸に平行な方向に設けてなる請求項１記載のボールステップゲージ。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は三次元測定機やマシニングセンタなどの工作機械の測長の精度を校正又は測定検査する基準器としてのボールステップゲージに関する。
【０００２】
【従来の技術】三次元測定機は、三次元空間に存在する離散したＸ、Ｙ、Ｚの座標点を用いて計算機の支援により寸法及び形状を測定するための装置であり、より具体的には、定盤上に載置した被測定物と、測定機においてＺ軸先端に取り付けたプローブとを、被測定物に対してＸ、Ｙ、Ｚの三次元方向へ相対移動させ、プローブが被測定物に接触した瞬間をとらえ、この瞬間を電気的トリガとして各送り軸方向の座標値を読みとり、計算機により寸法及び形状を計測するものである。
【０００３】上記のような三次元測定機は特に高精度を要求されることが多く、高精度の測定を保証する意味から、精度検査を逐次行い、その後この三次元測定機を用いて測定する際には、精度検査の結果を補正値として用いて指示値を補正し、或いは調整手段により三次元測定機の指示値の微調整を行う。この三次元測定機の精度検査に際しては、基準となるゲージが必要であり、このゲージとしては、プローブを三次元的に移動させることによりその検出値を評価できるようにしなければならない。
【０００４】三次元測定機の各軸の誤差をどのように調べるかということは多くの研究者の重大な課題であった。そこで、まず三次元測定機の誤差を求める目的にあったゲージの考案がなされ、基本的には球体の測定を行ってなされるべきであることは周知の事実となっている。そして、球体をどのような形態で配置した測定評価ゲージとするかが次の問題となり、球体を同一平面内にどのように配置するのか、或いは立体的に配置するのかなど、種々検討されている。
【０００５】上記球体を用いたボールゲージとしては、複数のボールを一直線上に並べたボールステップゲージが広く用いられており、例えば図９及び図１０に示すようなものが知られている。図９において（ａ）は平面図、（ｂ）は右側面図、（ｃ）は前記平面図の中央断面図である。図９において、ゲージ枠体８０には図中３個の円形の穴８１が形成され、その中心底部にボール受部８２を形成するとともに、このボール受け部８２の周囲に、枠体の長手方向に対向して設けたプローブ挿入溝８３、８３と、これと直角方向に対向してプローブ挿入溝８４，８４とを設けている。このボール受部８２には高精度の球形のボール８５を載置しており、それによりボールステップゲージ８６が構成されている。
【０００６】例えば三次元測定機の校正にこのボールステップゲージ８６を使用する際には、このボールステップゲージ８６を定盤上に載置固定し、最初、例えば図中右側のボールの位置を測定するに際しては三次元測定機のプローブを少なくともこのボール８５の外周の４カ所に当ててボールの中心位置を計算して測定し、同様にして順にすべてのボールの位置を測定する。ボールの位置から得られる各ボールの間隔は、予め高精度の三次元測定機で値付けられており、その値と前記測定結果とを比較して、この三次元測定機の校正を行っている。
【０００７】また、図１０（ａ）に示す従来の他のボールステップゲージにおいては、基枠体９1の上に図中３個のボール９２を固定した支柱９３を固定している。支柱９３の一部は薄く剃ぎ落とされていて板ばね的効果を発揮するように構成され、それにより先端に支持したボール９２が左右に移動できるようにしている。中央のボールと左右のボールとの間には連結管９４が配置され、その連結管９４の両端部分はボール９２の外径形状及び寸法に合致し、密着するように形成している。左右のボールの両側には加圧管９５が配置され、外側からは基枠体９１に立設した支持枠体９６に螺合するねじ９７により押圧され、連結管９４のもっている有効的長さに従ってボール間隔を決定することがきるようになっている。
【０００８】図１０（ｂ）は上記（ａ）部分平面図であり、この図に示されるように、連結管９４及び加圧管９５がボールと当接する部分にプローブ挿入溝９８が形成され、前記図８に示すボールステップゲージ８６のプローブ挿入溝８３と同様の機能をなす。この図１０に示すボールステップゲージ９９の各ボール９２の間隔も高精度の三次元測定機によって値付けられており、このボールステップゲージ９９の使用に際しては、前記図９に示すものと同様に使用する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】図９及び図１０に示すボールステップゲージにおいては、各ボール間隔は高精度の三次元測定機により測定され、その精度はある程度高いものの、熱的外乱により、枠体の上下温度差や左右温度差を生じたときには、その温度差による熱膨張によって枠体のバイメタル的効果を生じ、曲がりが発生し、このボールステップゲージの精度が低下する問題点があった。
【００１０】本発明は上記問題点を解決し、高精度のボールステップゲージを得ることを目的とし、より具体的には、熱的外乱により、枠体の上下温度差や左右温度差が原因で発生する熱膨張による枠体のバイメタル的効果により曲がりが発生しても、ボール間隔の寸法変化が発生しにくく、かつ、ボールステップゲージの枠体は弾性支持ばりとしての静的荷重によって、はりとしての弾性変形が発生しても、ボール間隔の変化が微小な構成のボールステップゲージを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解決するため、H型断面をなすゲージ枠体の、左右方向及び上下方向の断面二次モーメントの中立軸上に中心が一致するように複数個のボールを固定し、該ボールの周囲に複数の溝を成形したことを特徴とするボールステップゲージとしたものであり、また、更に、ボール間隔測定用光波干渉ステッパのロ一リング防止面を、ボール配列軸に平行な方向に設けたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１には本発明のボールステップゲージの実施例を示しており、同図にて（ａ）は平面図、（ｂ）は右側面図、（ｃ）は斜視図である。ゲージ枠体１は左右の垂直枠２，３と、両垂直枠２，３の中間部を連結する水平枠４とからなり、図（ｂ）及び図（ｃ）に示すように断面がＨ型をなしている。
【００１３】ゲージ枠体１の水平枠４の中心には、その軸線方向に沿って所定間隔毎にボール５を挿入する穴６が加工されており、ボール５はその穴６に圧入されてゲージ枠体１と一体になっている。ボール５はその中心が、上下方向も左右方向も共に、H型断面をなすゲージ枠体１の断面二次モーメントの中立軸となる軸線Ｌに合致するように、ゲージ枠体１に圧入されて固定されている。
【００１４】ゲージ枠体１の穴６には、図中４個の溝７が、ボール５の周囲に設けられている。この溝７は三次元測定機等を使用して、このボールステップゲージ１０のボール間隔を測定する際に、三次元測定機のプローブをボール５に接触するために必要な移動空間である。
【００１５】図１（ａ）において、軸線Ｌは上記のようにゲージ枠体１の断面二次モーメントの中立軸であり、この軸線Ｌ上に全てのボール２の中心が位置し、したがって上記軸線Ｌはボール５の配列中心線ともなっている。
【００１６】ゲージ枠体１において、上記軸線Ｌに平行であり、その使用状態において左右の垂直枠２，３の上側の面となる上下方向端面１１，１２、及び水平枠４の上下の壁面１３は、後述するボールステップゲージ測定用光波干渉ステッパのローリング防止面として機能する面である。このローリング防止面はどの1面を採用してもよく、H型の断面寸法と前記干渉ステッパの形状、寸法等、あるいは設計構造上の観点から、適当な1面を選択すればよい。
【００１７】上記のような構造のボールステップゲージ１０は、全てのボール５の中心がゲージ枠体１の断面二次モーメントの中立線上に存在するので、熱的外乱により、枠体の上下温度差や左右温度差が原因で発生する熱膨張による枠体のバイメタル的効果によって曲がりが発生しても、ボール間隔の寸法変化が発生しにくくなる。また、ボールステップゲージ１０の枠体は弾性支持ばりであるので、静的加重によってはりとしての弾性変形が発生するが、この変形が発生しても、ボール間隔の変化は微小なものとすることができる。したがって、極めて正確なボールステップゲージとすることができ、このボールステップゲージを用いた三次元測定機の校正を従来と同様の方法によっても正確に行うことができる。
【００１８】上記のような構造のボールステップゲージ１０を製作した後、各ボールの位置を特定する必要があるが、従来はその作業に際してできる限り高精度の三次元測定機を用いてその位置の計測を行っている。しかしながら、その精度はその三次元測定機自身がもつ精度の範囲内のものであり、このボールステップゲージで校正される三次元測定機は、前記三次元測定機より下位の精度の三次元測定機の校正のための基準器としてのみ有効である。
【００１９】一般的に測定機器を校正するための基準器の精度は、被校正機器の精度の１／５から１／１０くらいの精度で校正されていることが望ましい。近年、三次元測定機の精度の向上は目覚ましく５００mm 測長で１μm以下のものも出現している。しかし、この1μmの１／５の０．２μmの精度の三次元測定機は実在しない。１μm精度の基準器で１μm精度の三次元測定機を校正したのでは長さのトレーサビリテイに関して矛盾を生じることとなる。
【００２０】したがって、上記矛盾を解決し、相隣る２個のボール間隔を測定する際に、測定の標準として、長さ標準としての光の波長を直接使用して光波干渉測定が可能であるとともに、その測定中にアッベの原理が順守することができ、より正確且つ迅速な校正を行うことができるようにするために、例えば図２～図８に示すような光波干渉ステッパ２０を用いることが好ましい。
【００２１】図２は光波干渉ステッパ２０の正面図であり、図中には前記したボールステップゲージ１０のボール５、５’を２点鎖線で書き加えている。図３はその底面図である。図４はステッパの右側面図であり、図５は左側面図であって、同様にボールステップゲージ１０のH型枠体及びボール５，５’を２点鎖線で図示している。図６は前記光波干渉ステッパ２０に用いられる反射光学系の支持装置を示し、図７は前記光波干渉ステッパ２０に用いられる軸の拡大側面図である。
【００２２】図２～図５に示すように、光波干渉ステッパ２０は、上板２１に第１スペーサ２２が固定されており、この第１スペーサ２２の下面に鋼球またはセラミック球等の球体２３が３個、同心円上に互いに１２０度の角度間隔で固定されている。このような３個の球体２３で構成され、ボール５や５’に係合する座面は３球球面座と呼ばれ、ボール５に対して安定した支持を行うことができる。
【００２３】光波干渉ステッパ２０の上板２１には第１スペーサ２２とは別の第２スペーサ２４が固定されており、この第２スペーサ２４の下部には円筒欠円穴が、相互に、その穴の軸線が平行で、且つ、前記したボール配列中心線となる軸線Ｌと平行な方向に、２個形成されている。この欠円穴に円筒棒２５が２個圧入されている。この円筒棒２５には転がり軸受用の円筒ころを採用することが望ましい。この円筒棒２５は円筒穴の欠円部から突出して、前記したボール５’に1点づつ合計２点で接触する。
【００２４】この部分の構成としては、上記のように、円筒棒２５を平行配列する以外に、平面をＶ字型に直交配列したり、またはスペーサ２４の下部をＶ字状の交差平面に成形しても、ボール５や５’に対して２点で接地するように構成すると、上記効果と同様の効果を達成できる。しかしながら、円筒棒２５を前記したように転がり軸受用円筒ころで構成するほうが、ボール球面との摩擦力を少なくできる点で優れている。
【００２５】上記光波干渉ステッパ２０は、ボールステップゲージ１０の隣接する２個のボール５，５’上に馬乗り的にまたがり設置される。公知の通り、剛体の空間における位置と姿勢の自由度は合計６自由度であるから、ボールステップゲージ１０に対して、ステッパ２０を完全に拘束するためには、３球球面で３点拘束し、ボール５’に対して円筒棒２５で２点拘束しているのでここまで５点拘束が成立している。最後の６点目の拘束は、ボールステップゲージ１０のローリングを防止する目的で、図示実施例では前記ボールステップゲージ１０のローリング防止面としての垂直枠の端面に対して、上板２１から下方に突出した小球２６を突き当て行う。小球２６は調整ねじ２７の下端に固定されており、調整ねじ２７は上板２１に螺合されて、上下方向に調整された後、上板２１に対してナット２８によりロックされる。なお、前記のように、このローリング防止面としては、上記垂直枠の端面以外に、例えば水平枠の上面等を用いることもできる。
【００２６】以上のように光波干渉ステッパ２０を構成することにより、２個のボール５，５’上にこの光波干渉ステッパ２０を馬乗り状に載置するのみで、剛体の空間の６自由度を完全に拘束することができ、容易に、且つ正確に三次元測定機の校正を行うことができる。
【００２７】上記光波干渉ステッパ２０の上板２１の両側にはミラー支持腕３０が突出しており、各ミラー支持腕３０には、図６に詳細に示すようにミラーホルダ３１が位置決めされ固定されている。図６において、（ａ）は実施例の正面図の断面図であり、（ｂ）は左側面図、（ｃ）は右側面図、（ｄ）はＶ溝と小球の接触状態を示す部分平面図である。
【００２８】図６に示すように、反射鏡３２はミラーホルダ３１に固定されている。ミラーホルダ３１にはばね掛棒３３が固定されており、このばね掛棒３３に引張ばね３４のフックが掛けられている。また、ミラー支持腕３０の背面に固定したばね掛アーム３５のばね止め３９に、前記引張ばね３４の他端のフックが掛けられており、それにより引張ばね３４はミラー支持腕３０の通孔４７を貫通し、ミラーホルダ３２を放射状に配置した下記のＶ溝３６の放射中心に合致した位置で、図６（ａ）中において左方向に引張っている。
【００２９】ミラーホルダ３１の反射鏡３２の取付面の反対側の面には、図６（ｃ）に破線で示すように、Ｖ溝３６が３本、放射状に１２０度の角配列で成形されている。このＶ溝に小球３７が、１個づつ合計３個落ち込むように形成しており、前記引張ばねの張力により、Ｖ溝３６と確実に接している。各小球３７はＶ溝３６に２点で接触しており、小球は３個あるので、この３個の合計により、ミラーホルダ３１をミラー支持腕３０に対して安定的な６点拘束を実施している。小球３７はそれぞれの調整ねじ３８の先端に固定され、調整ねじ３８はミラー支持腕３０に螺合している。
【００３０】以上のように反射光学系の支持調整装置を構成したので、３本の調整ねじ３８を適宜ねじり、調整することにより、図３に示す光波干渉ステッパ２０の３球球面座の中心線A－Aに対して、反射鏡３２の反射面を完全に合致させることができ、且つ後述する干渉光紬に対して反射面を垂直にする姿勢に容易に調整することができる。なお、上記反射鏡の代わりに、光学用反射部材として通常用いられているコーナキューブ等、各種の反射部材を用いることができる。
【００３１】上記のような光波干渉ステッパ２０を用い、前記ボールステップゲージ１０のボールの間隔を測定するに際しては、図８の光学系原理図に示すように、投光受光器４１、第１ハーフミラー４２、第２ハーフミラー４３、第１反射プリズム４４、第２反射プリズム４５を用いた公知の光干渉計測装置４０を用いる。この光干渉計測装置４０により、第１ハーフミラー４２と第２ハーフミラー４３からの光を、前記光波干渉ステッパ２０の両側に位置する反射鏡３２、３２’に対して投光し、その反射光を受け、両反射鏡３２，３２’の位置、即ちボール５の中心位置を正確に測定する。
【００３２】ボールステップゲージ１０の第１番目のボール５と第２番目のボール５’とで位置決めされて決定される反射鏡３２，３２’の反射面の位置を測定原点の零点とし、次に第２番目と第３番目のボールの位置に光波干渉ステッパ２０を移動させ、図８中２点鎖線で示されるように、前記と同様に位置測定を行う。この移動測定を順次繰り返して、ボールステップゲージの各ボールの位置を測定し、それによりボール間隔を測定することができる。なお、最後の１組のボール間隔は、ボールステップゲージを反転して、前記と同様な干渉測定を実施することによって測定を行うことができる。それにより、光の波長を直接測定標準として用い、全ボール間隔を測定することができ、従来の三次元測定機を用いてボール間隔を測定するものと比較して正確な測定を行うことができ、極めて正確なボールステップゲージとすることができる。
【００３３】更に必要ならば、ボールステップゲージ１０を前後逆転させて状態で、前記と同様な干渉測定を順に実施することにより、各ボール間隔を前後逆方向から２回計測し、２つの計測値の平均をとる等によって、より正確な測定を行うこともでき、更に精密なボールステップゲージとすることができる。
【００３４】ボール５と光波干渉ステッパ２０の３球球面座は、水平移動させる際に両者の位置の干渉を開放するため、光波干渉ステッパ２０を持ち上げるようにして、次のボール位置に移動する。この上下方向移動には三次元測定機のＺ軸機能を使用して、軸５０をZ軸にチャッキングして行うことができる。水平移動は同様に三次元測定機のX軸機能を使用して、光波干渉ステッパ２０を直接移動させることができる。また、テーブル移動形三次元測定機を用いる場合は、そのX軸機能でボールステップゲージ１０そのものを移動して、水平移動を行うこともできる。
【００３５】このような光波干渉ステッパ２０を用いることにより、光波干渉ステッパが例えば図３及び図４において左右に傾斜したときでも、両反射鏡３２，３２’の中心を結ぶ直線は常に両ボール５，５’を通る軸線を中心に傾斜するため、アッベの原理が順守され、常に正確な計測を行うことができる。
【００３６】図７は光波干渉ステッパ２０の上板２１と、上記干渉測定時に光波干渉ステッパ２０を移動する軸５０の嵌合状況を示す説明図であり、軸５０の上板２１の穴２９とは図示するように、若干の嵌合すきま５１を有すると共に、上板２１の下面５２と軸５０の下端に設けたフランジ５３との間にも若干の隙間５４を有することが望ましい。これは、三次元測定機のZ軸下部と軸５０が、その上部５２で結合された場合、前記したボールステップゲージ１０の６点拘束以外の付加的拘束が発生しないための対策であり、上記のように干渉測定時に前記穴２９に対して半径方向にも、軸５０が上板４１に対してすきまを保持していることが必要である。なお、上記軸５０を上板２１に完全に固定した場合には、軸５０の上部５５が三次元測定機のZ軸端に対して、すきまを有する支持部材を設ける等の対策が必要となる。
【００３７】
【発明の効果】本発明によるボールステップゲージは上記のように構成したので、熱的外乱により、枠体の上下温度差や左右温度差が原因で発生する熱膨張による枠体のバイメタル的効果により曲がりが発生しても、ボール間隔の寸法変化が発生しにくいボールステップゲージとすることができる。また、ボールステップゲージの枠体は弾性支持ばりとしての静的荷重によって、はりとしての弾性変形が発生しても、ボール間隔の変化が微小な構成のボールステップゲージとすることができる。更に、相隣る２個のボール間隔を測定する際に、測定の標準として、長さ標準としての光の波長を直接使用することが容易なボールステップゲージとすることができる。

【出願人】	【識別番号】０００００１１４４【氏名又は名称】工業技術院長
【出願日】	平成１１年６月１８日（１９９９．６．１８）
【代理人】
【公開番号】	特開２００１－４３５８（Ｐ２００１－４３５８Ａ）
【公開日】	平成１３年１月１２日（２００１．１．１２）
【出願番号】	特願平１１－１７２２９０