特許 7405586 テーパ面の形状及び面性状検査装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-12-18

(45)【発行日】2023-12-26

(54)【発明の名称】テーパ面の形状及び面性状検査装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/24 20060101AFI20231219BHJP

   G01B 11/30 20060101ALI20231219BHJP

【ＦＩ】

G01B11/24 D

G01B11/30 102G

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2019220176

(22)【出願日】2019-12-05

(65)【公開番号】P2021089226

(43)【公開日】2021-06-10

【審査請求日】2022-10-21

(73)【特許権者】

【識別番号】390008235

【氏名又は名称】ファナック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002103

【氏名又は名称】弁理士法人にじいろ特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】沼津 匡俊

【審査官】櫻井 仁

(56)【参考文献】

【文献】特開２００４－０２０２１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－０８８５４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０６１２５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０３３１６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１６４８０１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ １１／００－１１／３０

Ｇ０１Ｂ ９／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光源と、
前記光源の光軸上に配置されるビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタの透過光路又は反射光路上に配置される、テーパ面を有する検査対象を載置するための載置台と、
前記ビームスプリッタの反射光路又は透過光路上に設置される、前記検査対象と同一の仕様に従って製造された製造物であって、テーパ面の面形状及び面性状が所定の規格を満足する比較対象と、
前記載置台に載置された前記検査対象及び前記比較対象に対して前記ビームスプリッタを介して対峙し、前記検査対象のテーパ面で反射された反射光と前記比較対象のテーパ面で反射された反射光とは前記ビームスプリッタで重ね合わされ、その位相差に応じた干渉画像を撮像する撮像部と、
前記ビームスプリッタと前記撮像部との間に配置されるテレセントリックレンズと、
前記干渉画像に基づいて、前記比較対象に対する前記検査対象の面形状及び面性状の一致の程度を表すスコアを計算する計算部と、
前記スコアを表示する表示部と、
を具備するテーパ面の形状及び面性状検査装置。

【請求項2】

前記光源と前記ビームスプリッタとの間には他のテレセントリックレンズが配置される、請求項１記載のテーパ面の形状及び面性状検査装置。

【請求項3】

前記ビームスプリッタから前記検査対象までの距離と、前記ビームスプリッタから前記比較対象までの距離とは同一である、請求項１又は請求項２に記載のテーパ面の形状及び面性状検査装置。

【請求項4】

前記載置台は、前記ビームスプリッタから前記検査対象までの光路長を調整するために前記透過光路又は前記反射光路と平行な方向に前記検査対象を移動する機構を有する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のテーパ面の形状及び面性状検査装置。

【請求項5】

前記光源は前記ビームスプリッタとともに同軸落射照明を構成する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のテーパ面の形状及び面性状検査装置。

【請求項6】

前記光源は白色光またはレーザ光を発生する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のテーパ面の形状及び面性状検査装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、テーパ面の形状及び面性状検査装置に関する。

【背景技術】

【0002】

工作機械の加工精度を向上させるためには、工作機械の主軸のテーパ孔と、ツーリングとの嵌め合いを高精度に調整する必要がある。例えば、特許文献１には、ワークのテーパ形状を正確に測定できる形状測定方法及び形状測定装置が開示されている（例えば特許文献１）。

【0003】

工作機械の主軸のテーパ孔が所定の規格を満たしているかの検査には、例えば、あたり検査が行われる。あたり検査では、規格に応じて高精度に仕上げられているテーパゲージを用いて、テーパ孔の内外径や直径の長さの比（テーパ比）、テーパ角（断面と母線の角度）が規格を満たしているかが検査される。検査結果として、主軸テーパ孔のテーパ面がテーパゲージの外周のテーパ面に対してどれだけ触れているかを示す「あたり率」が評価される。あたり率は高いほど、その製品は精度が高いと判断される。

【0004】

従来のあたり検査では、ブリューペーストを塗布したテーパゲージをテーパ孔に挿し込むことにより、テーパゲージに塗布されたブリューペーストがテーパ孔のテーパ面に転写され、テーパ面に転写されたブリューペーストを目視で確認することによって「あたり率」を判断していた。しかしながら、あたり検査では、「テーパゲージにブリューペーストを速やかに一様に塗布しなければならない」、「テーパゲージを他の部分に接触させないようにテーパ孔に挿入しなければならない」、「テーパゲージをテーパ孔に一様な力で押し付けながら回転させなければならない」など、あたり検査に係る作業自体の難易度が高いものであった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００４－０６１２４８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

テーパ面の形状及び面性状の検査を安定的に行えることが望まれている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の一態様に係るテーパ面の形状及び面性状検査装置は、光源と、光源の光軸上に配置されるビームスプリッタと、ビームスプリッタの透過光路又は反射光路上に配置される、テーパ面を有する検査対象を載置するための載置台と、ビームスプリッタの反射光路又は透過光路上に設置される、検査対象と同一の仕様に従って製造された製造物であって、テーパ面の面形状及び面性状が所定の規格を満足する比較対象と、載置台に載置された検査対象及び比較対象に対してビームスプリッタを介して対峙し、検査対象のテーパ面で反射された反射光と比較対象のテーパ面で反射された反射光とはビームスプリッタで重ね合わされ、その位相差に応じた干渉画像を撮像する撮像部と、ビームスプリッタと撮像部との間に配置されるテレセントリックレンズと、干渉画像に基づいて、比較対象に対する検査対象の面形状及び面性状の一致の程度を表すスコアを計算する計算部と、スコアを表示する表示部と、を具備する。

【発明の効果】

【0008】

本態様によれば、テーパ面の形状及び面性状の検査を安定的に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、本実施形態に係るテーパ面の形状及び面性状検査装置の外観を示す斜視図である。

【図2】図２は、図１のテーパ面の形状及び面性状検査装置の検査対象となる工作機械の主軸をツーリングとともに示す斜視図である。

【図3】図３は、図１のテーパ面の形状及び面性状検査装置の検査原理を説明するための補足図である。

【図4】図４は、図１のテーパ面の形状及び面性状検査装置から出力される干渉画像の一例を示す図である。

【図5】図５は、図１のテーパ面の形状及び面性状検査装置から出力される干渉画像の他の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照しながら本実施形態に係るテーパ面の形状及び面性状検査装置（以下、単に検査装置と称する）を説明する。以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

【0011】

本実施形態に係る検査装置は、テーパ面の面形状及び面性状を検査するための装置である。図１、図２に示すように、ここでは、検査対象をテーパ形状の孔６０１を有する工作機械の主軸６０（以下、単に検査対象６０と称する）とする。検査対象６０のテーパ孔６０１のテーパ面６０３は、所定の規格、例えばＪＩＳ規格やＩＳＯ規格において、その面形状（テーパ比又はテーパ角）及び面性状（表面粗さ）が規定されている。検査対象６０のテーパ面６０３の良否を判定するための比較対象は、面形状、面性状及び素材に関して検査対象６０と同一の仕様に従って製造された工作機械の主軸５０（以下、単に比較対象５０と称する）とする。なお、比較対象５０のテーパ面５０３は所定の規格を満たすものであって、三次元座標測定機や真円度測定機、輪郭形状測定機、表面粗さ計などの精密測定機により、テーパ面の形状や、面性状が正確に値付けされていることが望ましい。本実施形態に係る検査装置は、所定の規格を満たす比較対象５０のテーパ面５０３に対して検査対象６０のテーパ面６０３を直接的に比較し、その比較結果を画像として出力することを１つの特徴としている。検査装置から出力される画像には、比較対象５０のテーパ面５０３に対する検査対象６０のテーパ面６０３の細かい寸法差が干渉縞の歪みとしてあらわれる。検査員は、干渉縞を確認することで、検査対象６０のテーパ面６０３の良否を判定することができる。

【0012】

なお、検査対象は工作機構の主軸のテーパ面に限定されることはなく、例えば工作機械の主軸のテーパ孔に挿入され、取り付けられるツーリング１００のテーパ形状の凸部１０３であってもよい。もちろん、テーパ面を有するものであれば、面形状及び面性状を規定する統一規格のない製品であってもよい。この場合、比較対象は、検査対象と同一の仕様に従って製造され、社内規格、製品規格等の規格を満たす製造物とすることができる。

【0013】

（検査装置１０の概要）
図１、図３に示すように、検査装置１０は光源２０を有する。典型的には、光源２０としては白色光を発生するＬＥＤ又はレーザ光を発生する半導体レーザを使用することができる。なお、光源２０として半導体レーザを使用した場合、後述の第１テレセントリックレンズ３０に代わって、レーザを拡大するビームエキスパンダを使用してもよい。光源２０の光軸上にはビームスプリッタ４０を載置する載置台４１が配置される。ビームスプリッタ４０は、入射光を反射光と透過光とに分岐する。ビームスプリッタ４０は、透過光路が光源２０の光軸と平行になり、反射光路が光源２０の光軸と直交する向きに配置される。それにより、光源２０はビームスプリッタ４０とともに同軸落射照明を構成する。

【0014】

光源２０とビームスプリッタ４０との間には、光源２０からの照射光を平行光に変換する第１テレセントリックレンズ３０が配置される。第１テレセントリックレンズ３０は載置台３１に載置される。典型的には、第１テレセントリックレンズ３０としては、物体側（ここではビームスプリッタ４０側）のみテレセントリック構造を有する物体側テレセントリックレンズを使用することができる。なお、後述の撮像部８０により撮影された干渉画像で干渉縞を観測できるのであれば、第１テレセントリックレンズ３０は構成要素から除外してもよい。

【0015】

ビームスプリッタ４０の透過光路上には比較対象５０が配置される。比較対象５０は、そのテーパ面５０３（テーパ孔５０１の開口）がビームスプリッタ４０を向くように比較対象載置台５１に載置される。ビームスプリッタ４０の反射光路上には検査対象６０が配置される。検査対象６０は、そのテーパ面６０３（テーパ孔６０１の開口）がビームスプリッタ４０を向くように検査対象載置台６１に載置される。典型的には、比較対象載置台５１及び検査対象載置台６１としては、３軸移動ステージを使用することができる。検査員は、比較対象載置台５１を操作することで比較対象５０を透過光路と平行な向きなどに移動させることができる。同様に、検査員は、検査対象載置台６１を操作することで検査対象６０を反射光路と平行な向きなどに移動させることができる。

【0016】

ビームスプリッタ４０を挟んで検査対象載置台６１の反対側の、ビームスプリッタ４０の干渉光路上には撮像部８０としてのカメラ８０が配置されている。カメラ８０は、その光軸が干渉光路と平行になる向きに配置されている。カメラ８０とビームスプリッタ４０との間にはビームスプリッタ４０からの干渉光をカメラ８０に収束させるための第２テレセントリックレンズ７０が配置される。第２テレセントリックレンズ７０は直交３軸に沿って移動可能な機構を有する載置台７１に載置される。第２テレセントリックレンズ７０は、典型的には物体側及び像側がともにテレセントリック構造を有する両側テレセントリックレンズである。なお、第２テレセントリックレンズ７０は、物体側テレセントリックレンズであってもよい。また、各載置台３１，４１，５１，６１，７１は、載置物の位置及び向きを微調整可能な機構を有する移動ステージ、典型的には、直交３軸に沿って平行移動可能であって、ピッチ角とヨー角とが調整可能な５軸移動ステージを使用することができる。もちろん、各載置台３１，４１，５１，６１，７１のうち１つ又は複数が他の移動機構、例えば直交３軸に沿って平行移動可能な３軸移動ステージであってもよい。

【0017】

（検査装置１０を用いた検査方法）
検査装置１０において、ビームスプリッタ４０から検査対象６０の所定の基準面までの光路長（検査対象側の光路長）とビームスプリッタ４０から比較対象５０の所定の基準面までの光路長（比較対象側の光路長）とが同一になるように、また、カメラ８０から出力される干渉画像上において検査対象６０のテーパ孔６０１の中心線と比較対象５０のテーパ孔５０１の中心線とが一致するように、比較対象載置台５１及び検査対象載置台６１が調整されている。なお、所定の基準面とは、典型的には比較対象５０のテーパ孔５０１の開口面及び検査対象６０のテーパ孔６０１の開口面とする。上記の事前調整は、例えば、検査対象６０と同一の仕様に従って製造された製造物であって、テーパ面が規格を満たす２つの製造物を比較対象載置台５１及び検査対象載置台６１にそれぞれ配置し、カメラ８０からの干渉画像が図４に示す干渉画像となるように行われる。

【0018】

図３に示すように、光源２０からの照射光は第１テレセントリックレンズ３０により平行光に変換されビームスプリッタ４０に照射される。第１テレセントリックレンズ３０からの平行光の一部はビームスプリッタ４０を透過し、透過光路上の比較対象５０に照射され、一部はビームスプリッタ４０で反射し、反射光路上の検査対象６０に照射される。

【0019】

比較対象５０のテーパ面５０３で反射された反射光（参照光）は、再びビームスプリッタ４０に照射され、その一部はビームスプリッタ４０で反射され、干渉光路に導かれる。同様に、検査対象６０のテーパ面６０３で反射された反射光（検査光）は、再びビームスプリッタ４０に照射され、その一部はビームスプリッタ４０を透過し、干渉光路に導かれる。このようにして、参照光と検査光とはビームスプリッタ４０により重ね合わされ、干渉光としてカメラ８０に入射される。カメラ８０は、第２テレセントリックレンズ７０を介してビームスプリッタ４０からの干渉光を受光し、参照光と検査光との位相差に応じた干渉画像のデータを発生する。干渉画像は図示しない表示部に表示され、検査員は干渉画像を観察して検査対象６０のテーパ面６０３の良否を判断することができる。

【0020】

検査対象６０の開口面からビームスプリッタ４０までの距離と、比較対象５０の開口面からビームスプリッタ４０までの距離を等しく配置し、かつ検査対象６０の中心軸と検査光の光軸が一致するように配置し、かつ比較対象５０の中心軸と参照光の光軸が一致するように配置したとき、参照光と検査光との位相差は、ビームスプリッタ４０から検査対象６０のテーパ面６０３の所定の位置までの距離及び比較対象５０のテーパ面５０３の所定の位置までの距離の差、つまり、光路長の差に対応する。

【0021】

上記のように比較対象５０及び検査対象６０が配置された状態で、比較対象５０のテーパ面５０３に対して検査対象６０のテーパ面６０３の面形状及び面性状が完全に一致している場合、参照光と検査光とは、その間の位相差がゼロであり、強め合うため、図４に示すように、干渉画像は、干渉画像を構成する各画素の輝度値が同一となり、一様に明るい画像として表れる。図４に示すように、干渉画像に干渉縞が表れていないとき、検査員は、検査対象６０のテーパ面６０３は、あたり率が１００％に相当する高精度な良品であると判断することができる。しかしながら、比較対象５０のテーパ面５０３に対して検査対象６０のテーパ面６０３の形状及び面性状の少なくとも一方が一致していないとき、干渉画像には干渉縞が発生する。

【0022】

例えば、比較対象５０のテーパ面５０３に対して検査対象６０のテーパ面６０３が部分的に粗い場合、図５に示すように、干渉画像において干渉縞が部分的に表れる。干渉画像上において干渉縞が表れている部分５０５、５０６，５０７の位置は、比較対象５０のテーパ面５０３に対して検査対象６０のテーパ面６０３に寸法差が生じている位置に対応する。検査員は、テーパ面の全体に対して干渉縞が表れた部分がどの程度の割合であるかを干渉画像を確認して判断し、検査対象６０の良否を判定することができる。

【0023】

本実施形態に係る検査装置１０は、検査員が干渉画像を一見して検査対象６０の良否を判断できないときのために、カメラ８０からの干渉画像のデータに基づいて自動的に検査対象６０のテーパ面６０３の比較対象５０のテーパ面５０３に対する一致度を計算する一致度計算部（処理装置）９０を備える。

【0024】

例えば、一致度計算部９０は、干渉画像において、テーパ面を構成する画素数に対する干渉縞が表れている部分の画素数の割合を一致度として計算する。一致度計算部９０により計算された一致度は、図示しない表示部に干渉画像とともに表示される。検査員は、図５に示すように、干渉画像を見ても検査対象６０の良否が判断できないような場合においても、一致度計算部９０により計算された一致度を確認して、検査対象６０の良否を判断することができる。

【0025】

なお、干渉画像において、比較対象５０のテーパ面５０３に対する検査対象６０のテーパ面６０３の寸法差が干渉縞や画像の濃淡として表れたとしても、その寸法差が、寸法公差や幾何公差等の形状や、表面粗さ等の面性状の規格を満たしている場合がある。一致度計算部９０は、位相シフト法などの既知の手法を応用して、干渉画像のデータから比較対象５０のテーパ面５０３に対する検査対象６０のテーパ面６０３の各位置の寸法差を計算する。計算した比較対象５０のテーパ面５０３に対する検査対象６０のテーパ面６０３の各位置の寸法差と、既知の比較対象５０のテーパ面５０３の寸法とに基づいて、検査対象６０のテーパ面６０３の各位置の寸法を計算する。そして、一致度計算部９０は、テーパ面の全体に対して、所定の規格を満たすテーパ部分の割合を一致度として計算するようにしてもよい。

【0026】

以上説明したテーパ面の形状及び面性状検査装置１０を用いることで、検査員は、カメラ８０で撮影された干渉画像を確認して検査対象６０の良否を判断することができる。また、検査員は、干渉画像を一見して検査対象６０の良否を判断できない場合であっても、干渉画像とともに数値で表示される一致度を補助的に活用することで、検査対象６０の良否を判断することができる。検査前に、検査装置１０を構成する各部品の位置及び向きを調整しておけば、検査中に検査員が実質的に行う作業は、検査対象載置台６１に検査対象６０を載置する作業だけである。この作業は、検査対象載置台６１に対して検査対象６０の位置を合わせるための治具等を用いることで、熟練した作業員ではなくても、検査対象載置台６１に対して検査対象６０を常に同じ位置に簡単に固定することができる。すなわち、本実施形態に係るテーパ面の形状及び面性状検査装置１０によれば、検査員は、テーパ面の面形状及び面性状の検査を、安定的に、且つ短時間で行うことができる。

【0027】

なお、検査装置１０は、比較対象５０が設置される位置と検査対象６０が設置される位置とを入れ替えて構成することができる。また、検査員が干渉画像を確認できればよいだけであれば、カメラ８０に代わって干渉画像が投影されるスクリーンを配置するようにしてもよい。また、本実施形態では、比較対象５０は検査対象６０と同一仕様に従って製造された製造物としたが、検査のために仕上げられたテーパ面を有する検査専用品であってもよい。

【0028】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0029】

１０…テーパ面の形状及び面性状検査装置、２０…光源、３０、７０…テレセントリックレンズ、３１、４１，５１，６１，７１…載置台、４０…ビームスプリッタ、５０…比較対象、６０…検査対象、８０…撮像部、９０…一致度計算部（処理装置）。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】