WO2015147095A1 - 寸法測定装置及び寸法測定方法 - Google Patents

Abstract

　寸法測定装置は、被測定物の載置台と、アーム部の先端部に変位検出部が配置された測定子と、測定子を一軸方向に移動させる直動機構と、測定子のアーム部の延出方向と一軸方向の直交面とのなす傾斜角を検出する傾斜検出部と、制御部とを備える。制御部は、アーム部の傾斜よって生じる一軸方向の位置ずれ量を、入力された傾斜角を用いて求め、測定距離の情報を位置ずれ量で補正した補正後距離の情報を出力する。

Description

寸法測定装置及び寸法測定方法

　本発明は、被測定物の寸法を測定する寸法測定装置及び寸法測定方法に関する。

　一般に、被測定物の寸法を測定する手法として、長尺状に形成され互いに平行な一対の測定子を被測定物の両脇側で相対移動させ、測定子の先端に被測定物を接触させて、そのときの測定子間の距離を検出することが広く知られている。この手法では、測定子が被測定物と接触した際、被測定物との接触力によって測定子が撓みやすく、測定子が傾いた状態のままで寸法測定することがある。例えば、軸長の長いリング状の被測定物に対して径方向肉厚を測定する場合は、測定子を被測定物のリング内に挿入するため、測定子を軸長以上に長くする必要がある。その場合、測定子の傾きが距離の検出結果に及ぼす影響が大きくなり、特に大型の被測定物に対しては高精度な測定が困難になる。

　そこで、被測定物の上方に、測定子の移動方向に沿って伸びるレールと、レールに移動自在に支持されるスライダとを有する測定子駆動ユニットを設け、測定子をスライダの下方に取り付けることで測定子長を最小限にした寸法測定装置が提案されている（特許文献１参照）。この装置によれば、測定子の長さを短くでき、傾きの影響を抑えることができる。しかしながら、被測定物が大きく、測定子を被測定物の深い位置まで挿入する必要がある場合には、測定子を長くせざるを得ず、測定子の傾きによる誤差が大きくなってしまう。

　また、測定子を直動移動させる直動機構によって被測定物の寸法の絶対値を測定するには、要求される精度よりも高い精度で測定子を移動、位置決めする必要がある。ところが、このような直動機構においては、位置決め誤差（リニアガイド等の直動ガイドには真直度誤差、ボールネジなどの送り機構には送り誤差）があり、これらの対策は、十分には考慮されていないのが実情である。

　上記のようなガイドに直結された測定子を被測定物に接触させる方法以外にも、測定子を弾性体によってフローティング可能な機構で支持することで、被測定物に対する測定圧を抑え、測定子の傾きを軽減する寸法測定装置が提案されている（特許文献２参照）。

日本国特開平１０－３０７０１８号公報 日本国特開２００７－２４０３３９号公報

　しかしながら、引用文献２の寸法測定装置は、測定子の傾きの原因となるガタの発生を防止しつつ、測定子をフローティングさせて支持する構造であるため、測定子の支持構造が複雑になる不利がある。そのため、設計自由度を高めにくく小型化しにくい構成となっている。
　そこで本発明は、長尺状の測定子を用いて大きな被測定物を寸法測定する場合であっても高精度に測定でき、しかも装置構成を複雑化することなく小型化に適した構造の寸法測定装置及び寸法測定方法を提供することを目的とする。

　本発明は下記構成からなる。
（１）　被測定物が載置される載置台と、
　前記載置台に向けて延出されるアーム部を有し、該アーム部の先端部に接触式の変位検出部が配置された測定子と、
　前記測定子の前記アーム部の基端部を支持し、前記測定子を一軸方向に移動させて前記変位検出部を前記被測定物に接触させる直動機構と、
　前記測定子の前記アーム部の延出方向と前記一軸方向の直交面とのなす傾斜角を検出する傾斜検出部と、
　前記変位検出部を前記被測定物に接触させた状態で、前記変位検出部から出力される距離検出信号、及び前記傾斜検出部から出力される傾斜角検出信号がそれぞれ入力され、前記変位検出部の前記延出方向における配置位置で前記アーム部の傾斜によって生じる前記一軸方向の位置ずれ量を、入力された前記傾斜角検出信号の傾斜角を用いて求め、前記変位検出部から出力された前記距離検出信号の測定距離を前記位置ずれ量で補正した補正距離の情報を出力する制御部と、
を備えることを特徴とする寸法測定装置。
（２）　前記変位検出部が、電気マイクロメータであることを特徴とする（１）に記載の寸法測定装置。
（３）　一対の前記測定子が、前記変位検出部の前記被測定物との接触側を対面させて前記一軸方向に並んで配置されており、
　前記直動機構が、一対の前記測定子をそれぞれ独立して前記一軸方向へ移動可能に支持することを特徴とする（１）又は（２）に記載の寸法測定装置。
（４）　一対の前記測定子が、前記一軸方向に沿って２組配置されたことを特徴とする（３）に記載の寸法測定装置。
（５）　前記傾斜検出部が、前記測定子の前記延出方向に沿った少なくとも２箇所における前記一軸方向の位置をそれぞれ検出し、該検出した一軸方向の位置と、前記少なくとも２箇所の前記延出方向の位置との関係から前記傾斜角を検出することを特徴とする（１）乃至（４）のいずれか一つに記載の寸法測定装置。
（６）　前記傾斜検出部が、前記一軸方向に沿って配置されたリニアスケールと、前記測定子に設けられ前記リニアスケールから位置情報を検出する検出ヘッドと、を有することを特徴とする（５）に記載の寸法測定装置。
（７）　（１）乃至（６）のいずれか一つに記載の寸法測定装置を用いて被測定物の寸法を測定する寸法測定方法であって、
　既知の寸法のマスター体を前記被測定物として前記補正距離を求め、当該補正距離を第１の距離とする工程と、
　寸法測定対象である前記被測定物を測定して前記補正距離を求め、当該補正距離を第２の距離とする工程と、
　前記第１の距離に対する前記第２の距離の差分を前記マスター体の既知の寸法に加算して前記被測定物の寸法を求める工程と、を含むことを特徴とする寸法測定方法。
（８）　前記被測定物が円筒形状であり、
　前記寸法が前記被測定物の径方向の寸法であることを特徴とする（７）に記載の寸法測定方法。
（９）　前記載置台を一定角度毎に回転させ、各回転位置で前記載置台に載置された前記被測定物の寸法を求めることを特徴とする（７）又は（８）に記載の寸法測定方法。

　本発明によれば、長尺状の測定子を用いて大きな被測定物を寸法測定する場合であっても高精度に測定でき、しかも装置構成を複雑化することなく小型化に適した構造にできる。

本発明の実施形態を説明するための図で、寸法測定装置の全体構成図である。 測定子を移動させるＸ方向直動機構、及び傾斜検出部の構成を示す部分構成図である。 寸法測定装置の制御ブロック図である。 ワークの寸法測定手順を示すフローチャートである。 測定子に接触力が負荷されない中立状態における電気マイクロメータ、第１の検出ヘッド、第２の検出ヘッドの位置関係を示す説明図である。 測定子に接触力が負荷された状態における電気マイクロメータ、第１の検出ヘッド、第２の検出ヘッドの位置関係を示す説明図である。

　以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
　図１は本発明の実施形態を説明するための図で、寸法測定装置の全体構成図である。
　寸法測定装置１００は、架台１１と、架台１１上に設けられ被測定物であるワークＷが載置される載置台１３と、一対の測定子１５Ａ、１５Ｂ、及び一対の測定子１７Ａ，１７Ｂと、取付板１９に設けたＸ方向直動機構２１と、フレーム２３に設けたＺ方向直動機構２５と、架台１１上に設けたＹ方向直動機構２７とを有する。また、寸法測定装置１００は、詳細は後述するが、各測定子１５Ａ，１５Ｂ，１７Ａ，１７Ｂの傾斜角度を測定する傾斜検出部を備えている。

　載置台１３は、架台１１内部に設置された図示しない回転軸に直結され、ワークＷを回転可能に支持する。例えば、ワークＷが円筒状であれば、載置台１３に固定したワークＷの円筒中心を回転中心とする任意の回転角度にワークＷを回転できる。

　一対の測定子１５Ａ，１５Ｂ及び一対の測定子１７Ａ，１７Ｂは、それぞれの基端部がＸ方向直動機構２１に接続され、各測定子がそれぞれ独立してＸ方向（一軸方向）に移動自在に支持されている。これら２組の測定子の対は、互いに等しい構造となっている。

　Ｘ方向直動機構２１は、ボールネジナット部３１と、リニアガイド部３３とを有する。ボールネジナット部３１は、取付板１９にＸ方向に沿って配置されたボールネジ３５と、ボールネジ３５を回転駆動するサーボモータ３７と、ナット部３９Ａ，３９Ｂとを有する。ナット部３９Ａは測定子１５Ａを支持し、ナット部３９Ｂは測定子１７Ａを支持する。これらナット部３９Ａ，３９Ｂは、共にボールネジ３５に挿通され、ボールネジ３５の回転によってＸ方向に移動する。

　リニアガイド部３３は、ガイドレール４１と、ガイドレール４１に沿ってＸ方向に移動するスライダ４３Ａ，４３Ｂ，４５Ａ，４５Ｂとを有する。スライダ４３Ａには測定子１５Ａが固定され、スライダ４３Ｂには測定子１５Ｂが固定されている。また、スライダ４５Ａには測定子１７Ａが固定され、スライダ４５Ｂには測定子１７Ｂが固定されている。

　ここで、測定子１５Ａ，１５Ｂの対、及び測定子１７Ａ，１７Ｂの対は、それぞれ同一の構成であるため、以降は測定子１５Ａ，１５Ｂの対を例に説明することにする。

　図２は、測定子１５Ａ，１５Ｂを移動させるＸ方向直動機構２１、及び詳細を後述する傾斜検出部を示す部分構成図である。ワークＷが円筒形状である場合、測定子１５Ａは外径測定用の測定子、測定子１５Ｂは内径測定用の測定子となって寸法測定を行う。

　各測定子１５Ａ，１５Ｂは、Ｘ方向直動機構２１側からワークＷに向けて垂下して延設される長尺状のアーム部４７Ａ，４７Ｂを有する。アーム部４７Ａ，４７ＢのワークＷ側の先端部には、ワークＷとの距離を測定する変位検出部としての電気マイクロメータ（electric micrometer）４９Ａ，４９Ｂが配置されている。各電気マイクロメータ４９Ａ，４９Ｂの触子５１，５１は、アーム部４７Ａ，４７Ｂの互いに対面し合う、ワークＷとの接触側に配置される。

　電気マイクロメータ４９Ａ，４９Ｂは、接触式の触子５１を有し、触子５１の微小変位を電気的量に変換して測定する比較測長器である。触子５１は、距離の検出方向に沿って電気マイクロメータ４９Ａ，４９Ｂの本体部から突出して設けられ、突出する向きに弾性付勢されて支持される。この電気マイクロメータ４９Ａ，４９Ｂは、所定長の検出可能ストローク内における触子５１の位置を距離情報として出力する。

　また、測定子１５Ａのナット部３９Ａとスライダ４３Ａとの間には、測定子１５Ｂの基端部に接続される電動アクチュエータ５３の一端が接続されている。電動アクチュエータ５３は、測定子１５Ｂに設けられ、測定子１５Ｂを測定子１５Ａに対してＸ方向に沿って相対的に接近又は離反させる。

　取付板１９上におけるガイドレール４１のボールネジ３５側には第１のリニアスケール５５が配置され、ワークＷ側には第２のリニアスケール５７が配置されている。そして、測定子１５Ａの第１のリニアスケール５５に対面する位置には第１の検出ヘッド５９が配置され、第２のリニアスケール５７に対面する位置には第２の検出ヘッド６１が配置されている。また、測定子１５Ｂの第１のリニアスケール５５に対面する位置には第１の検出ヘッド６３が配置され、第２のリニアスケール５７に対面する位置には第２の検出ヘッド６５が配置されている。

　測定子１５Ａの第１の検出ヘッド５９は、対面する第１のリニアスケール５５からアーム部４７ＡのＸ方向位置を検出し、第２の検出ヘッド６１は、対面する第２のリニアスケール５７からアーム部４７ＢのＸ方向位置を検出する。同様に、測定子１５Ｂの第１の検出ヘッド６３は、対面する第１のリニアスケール５５からアーム部４７ＢのＸ方向位置を検出し、第２の検出ヘッド６５は、対面する第２のリニアスケール５７からアーム部４７ＢのＸ方向位置を検出する。

　リニアスケールの位置検出方式としては、光学式又は磁気式が好ましい。また、リニアスケール以外にも、測定レンジの長いレーザ距離計や電気マイクロメータを用いて構成してもよい。これらの第１のリニアスケール５５，第２のリニアスケール５７と、第１の検出ヘッド５９、６３、第２の検出ヘッド６１，６３，６５は、傾斜検出部を構成する。

　また、測定子１５Ｂの第１のリニアスケール５５に対面する位置には第１の検出ヘッド６３が配置され、第２のリニアスケール５７に対面する位置には、第２の検出ヘッド６５が配置されている。これら第１の検出ヘッド６３、第２の検出ヘッド６５は、対面する第1，第２のリニアスケール５５，５７からアーム部４７ＢのＸ方向位置をそれぞれ検出する。

　上記構成の寸法測定装置１００は、測定子１５Ａ，１５Ｂの先端部がワークＷの外周面７３と内周面７５とを挟み込み、ワークＷに接触した状態でワークＷのＸ方向位置を検出する。その際、測定子１５Ａ，１５Ｂの先端部がワークＷから受ける接触力によって、アーム部４７Ａ，４７Ｂが撓むことがある。アーム部４７Ａ，４７Ｂが撓むと、電気マイクロメータ４９Ａ，４９Ｂの出力にＸ方向位置の撓み誤差が含まれて、ワークＷの正確なＸ方向位置を検出できなくなる。

　そこで、測定子１５Ａにおいては、アーム部４７Ａに設けた第１の検出ヘッド５９と第２の検出ヘッド６１により、Ｘ方向の直交面に対するアーム部４７Ａの延出方向の傾斜角を求める。そして、この傾斜角測定値に基づいて、アーム部４７Ａの先端部の電気マイクロメータ４９Ａが配置される位置（Ｚ軸方向の位置）で生じるＸ方向のずれ量δ_ｘＡを求める。このずれ量δ_ＸＡを用いて電気マイクロメータ４９Ａからの距離出力信号を補正する。

　測定子１５Ｂについても同様に、アーム部４７Ｂの撓みによるＸ方向のずれ量δ_ｘＢを求め、このずれ量δ_ｘＢを用いて電気マイクロメータ４９Ｂからの距離出力信号を補正する。これにより、アーム部４７Ａ，４７Ｂの傾斜によらず、ワークＷのＸ方向距離を高精度で検出できる。なお、ワークＷの詳細な寸法測定手順については後述する。

　本構成では、距離検出器として電気マイクロメータ４９Ａ，４９Ｂを用いており、触子５１がワークＷに接触した際、触子５１が接触方向に沿って電気マイクロメータ内に押し込まれる。この押し込み力は一般に微小な力であるため、距離検出時におけるアーム部４７Ａ，４７Ｂの大きな撓みを防止できる。これにより、アーム部４７Ａ，４７Ｂの撓みを、接触力とアーム変位量との線形性が高い軽負荷領域内に収めることができ、発生したＸ方向のずれ量を高精度に求めることができる。

　図３は、上記構成の寸法測定装置１００の制御ブロック図である。
　寸法測定装置１００の全体制御を行う制御部７１は、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）やＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ）等で構成される。

　制御部７１は、入力部７７に入力される測定開始信号を受けて、Ｘ方向直動機構２１のボールネジナット部３１、電動アクチュエータ５３、Ｚ方向直動機構２５、Ｙ方向直動機構２７のそれぞれに駆動信号を出力して、測定子１５Ａ，５１Ｂを空間内の所望の位置に移動させる。

　そして、制御部７１は、触子５１をワークＷに接触させた状態にして、測定子１５Ａの電気マイクロメータ４９Ａが出力する距離検出信号と、第１の検出ヘッド５９及び第２の検出ヘッド６１が出力する傾斜角検出信号とを取り込む。また、測定子１５Ｂの電気マイクロメータ４９Ｂが出力する距離検出信号と、第１の検出ヘッド６３及び第２の検出ヘッド６５が出力する傾斜角検出信号とを取り込む。

　制御部７１は、取り込んだ傾斜角検出信号から各測定子１５Ａ，１５Ｂの傾斜角を求め、この傾斜角に応じて各測定子５１Ａ，１５Ｂの先端部に生じるＸ方向のずれ量を求める。そして制御部７１は、このずれ量を用いて、電気マイクロメータ４９Ａ，４９Ｂが出力する距離検出信号により得られる測定距離を補正する。

　補正後の補正距離の情報は、ワークＷの寸法測定に供する情報となり、所定の処理が施されて寸法測定結果の信号として出力部７９に出力される。なお、説明は省略するが、測定子１７Ａ，１７Ｂに対しても同様に、上記各信号が取り込まれ、補正距離情報に基づく寸法測定結果の信号が出力部７９に出力される。

　なお、複数回の測定を行って寸法の平均値を求める場合には、制御部７１は、各回の寸法測定結果を記憶部８１に一旦記憶して、記憶された各寸法測定結果を適宜演算処理する。

　次に、上記構成の寸法測定装置１００によるワークＷの具体的な寸法測定手順について、図４のフローチャートを用いて詳細に説明する。ここでも測定子１５Ａ，１５ＢによるワークＷの寸法測定について説明する。本寸法測定装置１００の寸法測定は、寸法が既知であるマスター体（以降、マスターワークと称する）とワークＷとの寸法相対差を求めること、つまり、マスターワークの寸法とワークＷの寸法とを測定し、双方の差分を求めることで行う。

　マスターワークとは、精密な測定器によって規定通りの寸法となっていることが測定済みのものであり、寸法測定対象の被測定物であるワークＷと同一形状又はこれに近い形状を有する。マスターワークの寸法情報は、予め記憶部８１に登録されているか、寸法測定前に別途に登録して、制御部７１が参照可能な状態にされている。

　まず、制御部７１は、図１に示すＸ方向直動機構２１、Ｚ方向直動機構２５、Ｙ方向直動機構２７を駆動して、測定子１５Ａ，１５Ｂを載置台１３から離間した待機位置に移動させる（Ｓ１１）。操作者は、この状態でマスターワークを載置台１３に固定する。

　操作者が載置台１３へのマスターワークの固定を完了すると、図示しないボタンの押下信号や外部機器からの信号によるマスターワーク測定開始信号を入力部７７に入力する。制御部７１は、このマスターワーク測定開始信号を受信することによりマスターワークの固定完了を判断して（Ｓ２）、マスターワークの寸法測定を開始する。

　制御部７１は、手動操作、又は予め登録されたアルゴリズムに基づいて、マスターワークの形状に応じてＸ方向直動機構２１、Ｚ方向直動機構２５、Ｙ方向直動機構２７を駆動して、各測定子１５Ａ，１５Ｂを所望の測定位置の近くに移動させる（Ｓ３）。測定位置とは、マスターワークの寸法から求めた、各測定子１５Ａ，１５Ｂの電気マイクロメータ４９Ａ，４９Ｂがマスターワークに接触する位置であり、計算により求めることができる。

　図２に示すように、制御部７１は、測定子１５Ａをマスターワークの寸法測定部分における外側面（図示例のワークＷの外周面７３に相当する面）の外側へ移動させる。このとき測定子１５Ｂも同時に、マスターワークの寸法測定部分における内側面（内周面７５に相当する面）の内側に移動させる。

　そして、制御部７１は、ボールネジナット部３１を駆動して、電気マイクロメータ４９Ａの触子５１がマスターワークに接触するまで測定子１５ＡをＸ方向に移動させる。また、制御部７１は、電動アクチュエータ５３を駆動して、電気マイクロメータ４９Ｂの触子５１がマスターワークに接触するまで測定子１５Ｂを測定子１５Ａ側に向けて移動させる。これら各触子５１，５１のマスターワークとの接触動作は、順次又は同時であってもよい。

　これにより、マスターワークの外周面と内周面とが、電気マイクロメータ４９Ａ，４９Ｂで挟まれた状態となる。制御部７１は、この測定位置でマスターワークを挟んだ状態で、電気マイクロメータ４９Ａ，４９Ｂによりマスターワークとの距離（触子５１が押し込まれた量）を検出する。また、第１の検出ヘッド５９，６３により第１のリニアスケール５５のＸ方向絶対位置を読み取り、第２の検出ヘッド６１，６５により第２のリニアスケール５７のＸ方向絶対位置を読み取る（Ｓ１４）。

　そして、制御部７１は、検出された電気マイクロメータ４９Ａ，４９Ｂからの出力値と、第１の検出ヘッド５９，６３及び第２の検出ヘッド６１，６５からの出力値とを基準値として記憶部８１に記憶させる（Ｓ１５）。このときの各出力値が、ワークＷを測定する際の基準点（原点）に相当する出力値となる。

　基準値の設定を完了すると、制御部７１は、Ｘ方向直動機構２１、Ｚ方向直動機構２５、Ｙ方向直動機構２７を駆動して、測定子１５Ａ，１５Ｂを退避位置に再び移動させる（Ｓ１６）。

　次に、操作者は、マスターワークを載置台１３から取り外し、被測定物であるワークＷを載置台１３に固定する。操作者が載置台１３へのワークＷの固定を完了すると、前述同様にワーク測定開始信号を入力部７７に入力する。制御部７１は、このワーク測定開始信号を受信すると、ワークＷの固定完了と判断して（Ｓ１７）、ワークＷの寸法測定を開始する。

　制御部７１は、マスターワークの測定と同様に、Ｘ方向直動機構２１、Ｚ方向直動機構２５、Ｙ方向直動機構２７を駆動して、各測定子１５Ａ，１５Ｂを所望の測定位置に移動させる（Ｓ１８）。そして、制御部７１は、測定子１５Ａ，１５Ｂがこの測定位置に移動した状態で、電気マイクロメータ４９Ａ，４９Ｂによりマスターワークとの距離（触子５１が押し込まれた量）を検出する。また、第１の検出ヘッド５９，６３により第１のリニアスケール５５のＸ方向絶対位置を読み取り、第２の検出ヘッド６１，６５により第２のリニアスケール５７のＸ方向絶対位置を読み取る（Ｓ１９）。

　制御部７１は、検出された電気マイクロメータ４９Ａ，４９Ｂからの出力値と、第１の検出ヘッド５９，６３及び第２の検出ヘッド６１，６５からの出力値とを記憶部８１に記憶させる（Ｓ２０）。

　次に、制御部７１は、検出された各出力値を用いて、マスターワーク測定時とワークＷ測定時における、測定子１５Ａ，５１Ｂのアーム部４７Ａ，４７Ｂの傾斜角をそれぞれ求め、この傾斜角に応じたＸ方向の補正値を求める（Ｓ２１）。そして、制御部７１は、検出された電気マイクロメータ４９Ａ，４９Ｂからの距離情報の出力値を、求めたＸ方向の補正値を用いて補正する（Ｓ２２）。

　ここで、Ｘ方向の補正値の求め方と、距離情報の基本的な補正方法を説明する。
　図５は測定子１５Ａに接触力が負荷されない中立状態における電気マイクロメータ４９Ａ、第１の検出ヘッド５９、第２の検出ヘッド６１の位置関係を示す説明図、図６は測定子１５Ａに接触力が負荷された状態における電気マイクロメータ４９Ａ、第１の検出ヘッド５９、第２の検出ヘッド６１の位置関係を示す説明図である。

　図５に示すように、第１のリニアスケールに対面する第１の検出ヘッド５９から第２のリニアスケールに対面する第２の検出ヘッド６１までのＺ方向距離をＬ_１、第２の検出ヘッド６１から電気マイクロメータ４９Ａの触子５１の中心軸までのＺ方向距離Ｌ_２とする。

　また、第１の検出ヘッド５９により検出されるＸ方向距離（リニアスケール原点から第１の検出ヘッド５９までのＸ方向距離）をＸ_ｓ１、第２の検出ヘッド６１により検出されるＸ方向距離（リニアスケール原点から第２の検出ヘッド６１までのＸ方向距離）をＸ_ｓ２とする。アーム軸Ａｘは、測定子５１Ａの移動方向であるＸ方向に直交する。

　電気マイクロメータ４９Ａに被測定物（ワークＷとして示す）が接触すると、図６に示すように、アーム部４７Ａの先端部には、ワークＷからの接触力Ｆが負荷されて、アーム部４７がスライダ４３Ａの中心位置Ｏを中心として傾斜する。このアーム部４７Ａの中立状態におけるアーム軸Ａｘと、傾斜した状態のアーム軸Ａｘｉとのなす角を傾斜角θとする。

　図６に示す状態においては、傾斜角θは（１）式で表される。
　θ ＝ ｔａｎ^－１｛（Ｘ_Ｓ２－Ｘ_ｓ１）／Ｌ_１｝　　・・・（１）

　そして、電気マイクロメータ４９ＡのＺ方向の位置において生じる、傾斜角θによるＸ方向のずれ量δｘは（２）式で表される。
　δｘ ＝ Ｘ_Ｓ２ ＋ Ｌ_２・ｔａｎθ　　　・・・（２）

　つまり、測定子１５Ａが傾斜することによって、電気マイクロメータ４９Ａの出力は、本来得られるべき検出値からδｘだけ小さくなる。そこで、電気マイクロメータ４９Ａの出力値Ｘａから、ずれ量δｘを減じた値を電気マイクロメータ４９Ａからの出力値とするように補正する。つまり、電気マイクロメータ４９Ａによる出力値Ｘａを補正した補正出力値Ｘｃは、（３）式で表される。
　Ｘｃ ＝ Ｘａ － δｘ　　　・・・（３）

　次に、上述したＸ方向補正値の求め方と、距離情報の補正方法に基づいて、測定子１５Ａの傾斜によるずれ量を求める具体的な手順（Ｓ２１）を説明する。
　ここで、前述のＳ１５で記憶部８１に記憶させたマスターワークに対する測定結果である基準値を次の通り定義する。
　測定子１５Ａの電気マイクロメータ４９Ａで検出される距離を基準距離Ｄ_Ｄａ、
　測定子１５Ａの第１の検出ヘッド５９で検出される距離を傾斜基準距離Ｘ_Ｄａ１、
　測定子１５Ａの第２の検出ヘッド６１で検出される距離を傾斜基準距離Ｘ_Ｄａ２、
　測定子１５Ｂの電気マイクロメータ４９Ｂで検出される距離を基準距離Ｄ_Ｄｂ、
　測定子１５Ｂの第１の検出ヘッド６３で検出される距離を傾斜基準距離Ｘ_Ｄｂ１、
　測定子１５Ｂの第２の検出ヘッド６５で検出される距離を傾斜基準距離Ｘ_Ｄｂ２とする。

　また、前述のＳ２０で記憶部８１に記憶させたワークＷに対する測定結果を次の通り定義する。
　測定子１５Ａの電気マイクロメータ４９Ａで検出される距離を検出距離Ｄ_Ｓａ、
　測定子１５Ａの第１の検出ヘッド５９で検出される距離を傾斜検出距離Ｘ_Ｓａ１、
　測定子１５Ａの第２の検出ヘッド６１で検出される距離を傾斜検出距離Ｘ_Ｓａ２、
　測定子１５Ｂの電気マイクロメータ４９Ｂで検出される距離を検出距離Ｄ_Ｓｂ、
　測定子１５Ｂの第１の検出ヘッド６３で検出される距離を傾斜検出距離Ｘ_Ｓｂ１、
　測定子１５Ｂの第２の検出ヘッド６５で検出される距離を傾斜検出距離Ｘ_Ｓｂ２とする。

　マスターワーク測定時における、測定子１５Ａの傾斜角度を基準傾斜角θ_Ｄａ、測定子１５Ｂの傾斜角度を基準傾斜角θ_Ｄｂとすると、基準傾斜角θ_Ｄａ，θ_Ｄｂは（４）、（５）式で表される。
　θ_Ｄａ ＝ ｔａｎ^－１｛（Ｘ_Ｄａ２－Ｘ_Ｄａ１）／Ｌ_１｝　　・・・（４）
　θ_Ｄｂ ＝ ｔａｎ^－１｛（Ｘ_Ｄｂ２－Ｘ_Ｄｂ１）／Ｌ_１｝　　・・・（５）

　ワークＷ測定時における、測定子１５Ａの傾斜角度を検出傾斜角θ_Ｓａ、測定子１５Ｂの傾斜角度を検出傾斜角θ_Ｓｂとすると、検出傾斜角θ_Ｓａ，θ_Ｓｂは（６）、（７）式で表される。
　θ_Ｓａ ＝ ｔａｎ^－１｛（Ｘ_Ｓａ２－Ｘ_Ｓａ１）／Ｌ_１｝　　・・・（６）
　θ_Ｓｂ ＝ ｔａｎ^－１｛（Ｘ_Ｓｂ２－Ｘ_Ｓｂ１）／Ｌ_１｝　　・・・（７）

　測定子１５Ａの電気マイクロメータ４９Ａが検出した基準距離Ｄ_Ｄａ、検出距離Ｄ_Ｓａ、及び測定子１５Ｂの電気マイクロメータ４９Ｂが検出した基準距離Ｄ_Ｄｂ、検出距離Ｄ_Ｓｂには、（２）式に示すように、上記傾斜角度に応じたＸ方向のずれ量が含まれる。そこで、基準距離Ｄ_Ｄａ、検出距離Ｄ_Ｓａ、及び基準距離Ｄ_Ｄｂ、検出距離Ｄ_Ｓｂに対して、（３）式に示すようにＸ方向のずれ量を補正した補正距離をそれぞれ求める。基準距離Ｄ_Ｄａ、検出距離Ｄ_Ｓａ、及び基準距離Ｄ_Ｄｂ、検出距離Ｄ_Ｓｂに対する各補正距離を、それぞれ補正基準距離ＣＤ_Ｄａ、補正検出距離ＣＤ_Ｓａ、補正基準距離ＣＤ_Ｄｂ、補正検出距離ＣＤ_Ｓｂとして、（８）～（１１）式で表す。

　ＣＤ_Ｄａ ＝ Ｄ_Ｄａ －（Ｘ_Ｄａ２ ＋ Ｌ_２・ｔａｎθ_Ｄａ）　　・・・（８）
　ＣＤ_Ｓａ ＝ Ｄ_Ｓａ －（Ｘ_Ｓａ２ ＋ Ｌ_２・ｔａｎθ_Ｓａ）　　・・・（９）
　ＣＤ_Ｄｂ ＝ Ｄ_Ｄｂ －（Ｘ_Ｄｂ２ ＋ Ｌ_２・ｔａｎθ_Ｄｂ）　　・・・（１０）
　ＣＤ_Ｓｂ ＝ Ｄ_Ｓｂ －（Ｘ_Ｓｂ２ ＋ Ｌ_２・ｔａｎθ_Ｓｂ）　　・・・（１１）

　次に、求めた補正基準距離ＣＤ_Ｄａ、補正検出距離ＣＤ_Ｓａ、補正基準距離ＣＤ_Ｄｂ、補正検出距離ＣＤ_Ｓｂにより、ワークＷの外周面７３と内周面７５（図２参照）との間の径方向の距離ＷＬを求める（Ｓ２３）。マスターワークにおける外周面７３と内周面７５との間の距離に対応する既知の距離をＷＬ_０とすると、距離ＷＬは（１２）式で求められる。
　ＷＬ ＝ ＷＬ_０ ＋ ｛（ＣＤ_Ｄａ－ ＣＤ_Ｓａ） ＋ （ＣＤ_Ｄｂ － ＣＤ_Ｓｂ）｝
　　・・・（１２）

　つまり、既知の寸法のマスターワークを測定して求めた補正距離である第１の距離ＣＤ_Ｄａ、ＣＤ_Ｄｂと、ワークＷを測定して求めた補正距離である第２の距離ＣＤ_Ｓａ、ＣＤ_Ｓｂとの差分（ＣＤ_Ｄａ－ ＣＤ_Ｓａ）及び（ＣＤ_Ｄｂ － ＣＤ_Ｓｂ）を求め、これら差分をマスターワークの既知の寸法ＷＬ_０に加算することで、ワークＷの寸法ＷＬが求められる。

　ワークＷが円筒形状である場合、距離ＷＬを周方向一箇所のみ測定することでは精度が不十分なことがある。その場合、図１に示す測定子１７Ａ，１７Ｂを用いて、測定子１５Ａ，１５Ｂの測定位置からワークＷの中心を挟んだ反対側の対応位置を同時に測定する。これら２箇所の測定部位の測定結果を平均することで、測定精度を向上できる。

　また、正確な寸法を求めるには、載置台１３を所定の一定角度毎に回転させ、ワークＷの異なる周方向位置をそれぞれ測定し、各測定結果を平均化する。例えば、互いに直交する周方向２箇所を測定して測定値を平均化する。

　さらに、ワークＷの各回転位置で測定することを繰り返し、これにより得られるワークＷの１回転分の測定値を平均化することでもよい。

　本構成の寸法測定装置１００によれば、ワークＷを回転させながら、ワークＷの直径を連続して測定することも可能である。その場合、１周を例えば１°ピッチで径方向の寸法測定を行い、得られた測定値の平均値を求めることで、高精度にワークＷの径を求めることができる。

　以上説明したように、本構成の寸法測定装置１００は、大きな被測定物を長尺状の測定子により寸法測定する場合であっても、測定子の撓みによる傾斜角を測定して求め、この傾斜角に応じて寸法測定結果を補正する。このため、測定子が撓んだ状態となっても、寸法測定装置の構造を複雑化することなく、高精度にワーク寸法の測定が可能となる。

　また、本構成では、測定子の先端部に電気マイクロメータを直接配置することにより、測定子を弾性支持する機構を別途に設ける必要がなく、装置構造の簡略化が図れる。また、小型の電気マイクロメータを使用することで、寸法測定時の測定圧が極めて小さくなり、測定子の撓みにより生じる傾斜を最小限に抑えることができる。さらに、複数のリニアスケールを用いて測定子の位置や姿勢を検出するため、リニアスケールの各部材を他の部材との干渉を気にすることなく配置できる。よって、寸法測定装置が小型化しやすくなり、設計自由度を高めることができる。

　また、本構成の寸法測定装置１００は、ワークＷの寸法をマスターワークとの比較によって求めている。そのため、被測定物が環境温度による熱膨張や収縮による影響を受ける場合でも、絶対寸法を測定する方式比べて寸法誤差をより小さくできる。即ち、マスターワークとワークＷとを同じ環境温度下に置けば、マスターワークがワークＷと同じ材質、形状であれば、熱膨張や収縮が同程度に生じる筈であり、マスターワークとワークＷとの相対的な寸法比較によって、温度によらない高精度な測定が可能となる。

　このように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

　例えば、本寸法測定装置１００の構成では、傾斜検出部としてリニアスケールを用いたが、これに限らず、ＭＥＭＳ素子を用いた傾斜センサ等、他の方式の角度センサを用いてもよい。また、測定子の延出方向２箇所に限らず、更に複数の箇所の位置情報を検出してもよい。その場合、傾斜角の測定精度を更に向上できる。

　また、測定子の延出方向は、垂直方向に限らず水平方向や任意の傾斜角度に延出された構成としてもよい。

　また、本寸法測定装置１００では、一対の測定子によりワークＷの寸法を求めているが、単一の測定子だけで測定する構成であってもよい。その場合、ワークＷの一端部を突き当て部等に当接させ、他端部を測定子により距離検出する構成とすればよい。この構成であれば、単一の測定子でマスターワークとワークＷとの寸法差を測定することができ、より簡単に寸法測定が可能となる。

　本出願は２０１４年３月２７日出願の日本国特許出願（特願２０１４－６５８９２）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

　１３　載置台
　１５Ａ，１５Ｂ，１７Ａ，１７Ｂ　測定子
　２１　Ｘ方向直動機構
　３１　ボールネジナット部（直動機構）
　３３　リニアガイド部
　４１　ガイドレール
　４３Ａ，４３Ｂ、４５Ａ，４５Ｂ　スライダ
　４７Ａ，４７Ｂ　アーム部
　４９Ａ，４９Ｂ　電気マイクロメータ（変位検出部）
　５１　触子
　５３　電動アクチュエータ
　５５　第１のリニアスケール（傾斜検出部）
　５７　第２のリニアスケール（傾斜検出部）
　５９，６３　第１の検出ヘッド（傾斜検出部）
　６１，６５　第２の検出ヘッド（傾斜検出部）
　７１　制御部
１００　寸法測定装置
　Ｗ　ワーク 

Claims (9)

1. 　被測定物が載置される載置台と、
   　前記載置台に向けて延出されるアーム部を有し、該アーム部の先端部に接触式の変位検出部が配置された測定子と、
   　前記測定子の前記アーム部の基端部を支持し、前記測定子を一軸方向に移動させて前記変位検出部を前記被測定物に接触させる直動機構と、
   　前記測定子の前記アーム部の延出方向と前記一軸方向の直交面とのなす傾斜角を検出する傾斜検出部と、
   　前記変位検出部を前記被測定物に接触させた状態で、前記変位検出部から出力される距離検出信号、及び前記傾斜検出部から出力される傾斜角検出信号がそれぞれ入力され、前記変位検出部の前記延出方向における配置位置で前記アーム部の傾斜によって生じる前記一軸方向の位置ずれ量を、入力された前記傾斜角検出信号の傾斜角を用いて求め、前記変位検出部から出力された前記距離検出信号の測定距離を前記位置ずれ量で補正した補正距離の情報を出力する制御部と、
   を備えることを特徴とする寸法測定装置。
2. 　前記変位検出部が、電気マイクロメータであることを特徴とする請求項１に記載の寸法測定装置。
3. 　一対の前記測定子が、前記変位検出部の前記被測定物との接触側を対面させて前記一軸方向に並んで配置されており、
   　前記直動機構が、一対の前記測定子をそれぞれ独立して前記一軸方向へ移動可能に支持することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の寸法測定装置。
4. 　一対の前記測定子が、前記一軸方向に沿って２組配置されたことを特徴とする請求項３に記載の寸法測定装置。
5. 　前記傾斜検出部が、前記測定子の前記延出方向に沿った少なくとも２箇所における前記一軸方向の位置をそれぞれ検出し、該検出した一軸方向の位置と、前記少なくとも２箇所の前記延出方向の位置との関係から前記傾斜角を検出することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の寸法測定装置。
6. 　前記傾斜検出部が、前記一軸方向に沿って配置されたリニアスケールと、前記測定子に設けられ前記リニアスケールから位置情報を検出する検出ヘッドと、を有することを特徴とする請求項５に記載の寸法測定装置。
7. 　請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の寸法測定装置を用いて被測定物の寸法を測定する寸法測定方法であって、
   　既知の寸法のマスター体を前記被測定物として前記補正距離を求め、当該補正距離を第１の距離とする工程と、
   　寸法測定対象である前記被測定物を測定して前記補正距離を求め、当該補正距離を第２の距離とする工程と、
   　前記第１の距離に対する前記第２の距離の差分を前記マスター体の既知の寸法に加算して前記被測定物の寸法を求める工程と、を含むことを特徴とする寸法測定方法。
8. 　前記被測定物が円筒形状であり、
   　前記寸法が前記被測定物の径方向の寸法であることを特徴とする請求項７に記載の寸法測定方法。
9. 　前記載置台を一定角度毎に回転させ、各回転位置で前記載置台に載置された前記被測定物の寸法を求めることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の寸法測定方法。

Images