JP7111479B2

JP7111479B2 - エアマイクロ

Info

Publication number: JP7111479B2
Application number: JP2018037192A
Authority: JP
Inventors: 幸夫池村
Original assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Current assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Priority date: 2018-03-02
Filing date: 2018-03-02
Publication date: 2022-08-02
Anticipated expiration: 2038-03-02
Also published as: JP2019152505A

Description

本発明は、ノズルからワークに向けて圧縮エアを噴き出してワークの内径又は外径寸法を測定するエアマイクロに関し、特に工作機械等に取り付けて自動測定するのに好適である。

家庭電化製品、自動車、通信機器等産業で使用される部品の高精度化が進んでいる。高精度測定が容易で、誤差がほとんどでないシンプルな構造を持つ測定機器が要求され、空気の流量で物の寸法を測る測定器であるエアマイクロ（空気マイクロメータ）が広く用いられている。

また、製品の多様化、商品寿命の短期化といった市場の流れに対応する生産設備の手段として加工機のフレキシブル化、自動化については、小中量、大量生産に関わらず、加工品質の維持、監視など、インライン計測が必要となる。インライン計測は、加工現場での環境下で信頼性の高い、高精度かつ高能率な測定が必要とされる。

従来のエアマイクロは、測定ヘッドのヘッド本体に、ワーク測定用のエアノズルが形成されると共に、このエアノズルに連通するノズル取付孔が形成されている。測定ヘッドでワークの内径又は外径を測定する場合には、ガイドを介してワークを位置決めして測定ヘッドを挿入する。

そして、噴出口であるエアノズルからワークに向けて圧縮空気を吹き出して、噴出口とワークとの隙間から流出する空気の流量等を測定することによりワークの内径又は外径寸法を測定する。そして、測定時において、ワークはガイドで振れを規制されることにより、ワークを安定して測定できることが知られ、例えば、特許文献１に記載されている。

また、簡単かつ正確にワークの寸法を測定することができるエアマイクロとするため、噴出孔を有したノズル部を設けた可動ヘッド部を摺動可能に取り付け、微細調整機構によって、可動ヘッド部を微細移動させることが知られ、例えば、特許文献２に記載されている。

さらに、高い測定精度を得るため、測定対象物を配置する測定基台と測定手段の相対的な位置関係を正確（高精度）かつ容易に所定の相対位置に調整するため、測定対象物を配置する測定基台と、エア噴出ノズルを有する空気マイクロメータと、エア噴出ノズルと測定対象物とを所定の位置関係に配置するために、エア噴出ノズルを寸法が変位する方向に移動することが知られ、特許文献３に記載されている。

特開平１０－３３２３５７号公報特開２０１２－１３２７８４号公報特開２０１６－９９１２８号公報

上記特許文献１に記載のようにワークの振れをガイドで規制するものでは、高精度に測定するには、被測定物であるワークの精密な位置決めが必要となる。つまり、ガイドに被測定物を挿入する場合、隙間量が少ないことが必要とされる。具体的には、ガイドにワークを挿入する場合、高精度に測定するためには、ワークとガイドとの隙間量を少なくとも片側２０～３０μｍ程度と小さくしなければならない。

そのため、自動機の場合は、搬入出設備に精密な位置決め機構、フローティング機構、リリービング機構が必要となる。フローティング機構は、構造が複雑になり小型化が難しく、かつ部品点数が増加し、コスト増や信頼性の低下を招く恐れがある。

また、製造ラインでは、ワークを横置き姿勢（中心軸を水平方向に延ばした状態）にして搬送することが一般的である。このため、ワークの径を測定するときには、測定時に一旦ワークを縦置き姿勢にし、測定後に横置き姿勢に戻している。したがって、高精度の内径又は外径測定には、測定機を構成する部品に高精度が必要となり、コスト高となる。

さらに、特許文献２、３に記載のような測定位置調整を行うものでは、精密な位置決めを不要とするためにガイドとワークとの隙間量を大きくすると、調整に要する時間が長くなる。したがって、製造ラインでの作業性が悪くなり、加工されるワークの生産性が劣化し、コスト高となる。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、ワークの位置決めを容易にすると共に、測定においては安定した測定精度、繰り返し精度を確保することにある。それによって、測定機本体のコスト低減、手作業機の搬入出の作業性向上、自動機の搬入出設備の簡素化による生産物であるワークのコスト低減を行うことにある。

上記目的を達成するため、本発明は、被測定物が挿入される、あるいは該被測定物へ挿入する測定ヘッドと、該測定ヘッドに対して前記被測定物の位置決めを行うガイドと、を有し、前記測定ヘッドに形成されたエアノズルから圧縮空気を噴射して前記被測定物の内径又は外径の測定を行うエアマイクロにおいて、前記ガイドの上端に円筒形が分割された形状として設けられ、前記被測定物の位置決めを行う挿入部と、前記被測定物の搬入出において、前記被測定物と前記挿入部との隙間を測定時に比べて大きくなるように前記挿入部を変形させる変形機構と、を備えたものである。

また、上記において、前記エアマイクロは前記被測定物の内径を測定する内径エアマイクロとされ、前記挿入部を内側に変形する前記変形機構を備えたことが望ましい。

さらに、上記において、前記エアマイクロは前記被測定物の外径を測定する外径エアマイクロとされ、前記挿入部を外側に変形する前記変形機構を備えたことが望ましい。

さらに、前記挿入部を下面で一体化し円盤状の形状とされた前記ガイドと、前記円盤状の形状の中央部に下向きに設けられたシャフトと、を備え、前記変形機構は前記シャフトを下側へ引き込むことが望ましい。

さらに、前記測定ヘッドを固定するトップガイドと、前記トップガイドに設けられたガイド穴と、を備え、前記挿入部は前記ガイド穴を通って下面から上面へ突き出され、前記ガイド穴の径方向の寸法は、前記挿入部の径方向の厚さより大きくされたことが望ましい。

さらに、前記変形機構は、圧縮空気を利用して前記挿入部を変形させることが望ましい。

さらに、上端が太くなったつば状部を有し、該つば状部が前記ガイドの上面中央に突き出されているシャフトと、前記シャフトの下端に設けられたカム面と、高さ方向の略中央部に穴が設けられた内リングと、前記穴に回動可能として嵌め込まれたボールと、前記内リングの外周側に上下スライド可能として勘合する外リングと、前記外リングに設けられ、前記ボールを前記カム面へ押圧する傾斜面と、を備え、前記変形機構は前記外リングが上に移動することによって、前記挿入部を変形させることが望ましい。

さらに、前記内リング及び前記外リングの下面には、圧縮空気が流入される空間である加圧室が設けられたことが望ましい。

また、上記において、前記ガイドの材質は、ＨＰＭ材（プリハードン鋼）を用いたことが望ましい。

さらに、前記変形機構による前記被測定物と前記挿入部との隙間は、測定時が５～２０μｍとされ、前記被測定物の搬入出には２００～５００μｍとしたことが望ましい。

本発明によれば、被測定物であるワークの位置決めを行うガイドとなる挿入部を設け、被測定物の搬入出において、被測定物と挿入部との隙間を測定時に比べて大きくなるように挿入部を変形させるので、被測定物の精密な位置決めを不要とすることができる。また、測定時においては、被測定物とガイドとの隙間量を小さくするので、高精度で、安定した測定精度、繰り返し精度を確保できる。

本発明による一実施形態に係るエアマイクロの構成を示す側面図（被測定物であるワーク５０をガイド５１に装着した測定時の状態）図１の上面図図２において、被測定物をガイドに装着する前の状態を示す上面図（ワーク５０を取り外した状態）被測定物をガイドに装着するときの状態を示す側面図被測定物をガイドに装着したとき、測定時の挿入部の状態を示す部分拡大図被測定物をガイドに装着するとき、装着時の挿入部を変形した状態を示す部分拡大図測定時におけるガイド本体内の変形機構を示す断面図搬入出時におけるガイド本体内の変形機構を示す断面図

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、一実施形態であるエアマイクロの測定部の構成を示す側面図（ワーク５０をガイド５１に装着した測定時の状態、一部断面図）、図２はその上面図、図３はワーク５０をガイド５１に装着する前の状態を示す上面図である。

エアマイクロは、例えば、内径測定の場合、図１に示すように、ワーク５０を円柱状に形成された測定ヘッド１０に挿入する。あるいは、測定ヘッド１０をワーク５０に挿入する。そして、その測定ヘッド１０の先端部外周に形成された２～４個のエアノズル１０－１、１０－２、１０－３、１０－４から圧縮空気を噴射して測定を行う。

そして、ワーク５０を測定ヘッド１０に挿入してエアノズル１０－１、１０－２、１０－３、１０－４から圧縮空気を噴射すると、ワーク５０と測定ヘッド１０との隙間の大きさに応じてエアノズル１０－１、１０－２、１０－３、１０－４の背圧が変化するので、このエアノズルの背圧変化を検出することによってワーク５０の内径を測定する。

高精度な測定においては、ワーク５０を測定ヘッド１０に挿入する際、ワーク５０の精密な位置決めを行うガイド５１が必要とされる。ガイド５１は、ガイド本体２０に取り付けられ、上端がワーク５０の位置決めを行う挿入部５１－１、５１－２、５１－３、５１－４とされている。

挿入部５１－１、５１－２、５１－３、５１－４は、ガイド５１の一部において、円筒形が分割された形状となっている。また、ガイド本体２０には、挿入部５１－１、５１－２、５１－３、５１－４を変形する変形機構２０－１が設けられている。

図１、２に示すように、測定対象となるワーク５０は、ワーク５０の位置決めを行う円筒形の挿入部５１－１、５１－２、５１－３、５１－４の外側に挿入される。なお、図は内径エアマイクロとしているが、外径エアマイクロならばワーク５０は、測定ヘッド１０、挿入部５１－１、５１－２、５１－３、５１－４の内側に挿入される構造となる。

エアマイクロは、一般に測定範囲が最大１００μｍまで測定できるようにされており、このためワーク５０と測定ヘッド１０との間の隙間の大きさＨＣは測定範囲と同等程度の値となっている。

しかし、高精度の外径測定には、ワーク５０の精密な位置決めをガイド５１の挿入部５１－１、５１－２、５１－３、５１－４で行う必要があった。具体的には、内径測定を繰り返し精度が０．５μｍ以下の精度で測定するには、ワーク５０の位置決めを５～２０μｍの精度で行う必要がある。そのため、測定が手作業機の場合は、搬入出の作業性が悪く、自動機の場合は、搬入出設備に精密な位置決め機構、フローティング機構、リリービング機構が必要となっていた。

測定ヘッド１０は、超硬合金製の円盤状のトップガイド４０に固定され、その先端部外周には、４つのエアノズル１０－１、１０－２、１０－３、１０－４が等間隔に形成されている。このエアノズル１０－１、１０－２、１０－３、１０－４は、それぞれ測定ヘッド１０の最外周面から所定量だけ退避して形成されている。そして、エアノズル１０－１、１０－２、１０－３、１０－４は、圧縮空気を供給する空気源（図示せず）へ測定ヘッド１０の軸芯に沿って形成された連通路１０－５、エア流路１０－６を介して連通されている。

なお、ワーク５０が、軟質材の場合、超硬合金製のトップガイド４０を用いると、ワーク５０側が磨耗する恐れがある。そこで、その場合は、フッ素樹脂、ナイロン樹脂、ポリアセタール等の樹脂製のトップガイド４０を用いるのが好ましい。樹脂は摩擦が少ないので滑りが良くなり、挿入しやすくなると共に、適度な柔らかさを有しているのでワーク５０が傷つくのを効果的に抑制することができる。

ガイド５１の挿入部５１－１、５１－２、５１－３、５１－４は、トップガイド４０のガイド穴４０－１、４０－２、４０－３、４０－４を通って上面に突き出され、ワーク５０の位置決めを行う。ワーク５０の内径と挿入部５１－１、５１－２、５１－３、５１－４の外径との差は、高精度化を図るため、５～２０μｍとしている。

また、ガイド穴４０－１、４０－２、４０－３、４０－４の径方向の寸法は、挿入部５１－１、５１－２、５１－３、５１－４の径方向の厚さより大きくされ、挿入部５１－１、５１－２、５１－３、５１－４の径方向の変形を可能としている。つまり、図のような内径エアマイクロでは、ガイド穴４０－１、４０－２、４０－３、４０－４の半径方向の内側は、挿入部５１－１、５１－２、５１－３、５１－４との大きく隙間を持つように構成されている。これにより、挿入部５１－１、５１－２、５１－３、５１－４は、径方向の中心に向けて、つまり内側に向けて変形させることを可能としている。

図４はワーク５０をガイド５１に装着するときの状態を示す側面図である。ガイド５１の下面は、挿入部５１－１、５１－２、５１－３、５１－４を一体化して、円盤状の形状とされ、その中央にシャフト６０が下向きに設けられている。ワーク５０をガイド５１に矢印Ｗに示すように装着するとき、シャフト６０を矢印Ａ方向に、つまり円盤状のガイド５１の中心部を下側へ引き込む。引き込む力によって、挿入部５１－１、５１－２、５１－３、５１－４が内側へ変形する。

この変形によって、ワーク５０の内径と挿入部５１－１、５１－２、５１－３、５１－４の外径との差が、変形前に５～２０μｍであるものを２００～５００μｍとすることができる。ガイド５１の変形によってガイドクリアランスを大きくした状態であれば、ワーク５０の搬入出において、精密な位置決めを不要にできる。

図５は、ワーク５０をガイド５１に装着したとき、測定時の挿入部５１－４（挿入部５１－１、５１－２、５１－３も同様）におけるガイドクリアランスの状態を示す部分拡大図、図６は、ワーク５０をガイド５１に装着するとき、装着時の挿入部５１－４（挿入部５１－１、５１－２、５１－３も同様）を変形した状態を示す部分拡大図である。

ワーク５０と測定ヘッド１０との間の隙間の大きさであるヘッドクリアランスＨＣは、測定ヘッド１０が固定されているので、図５の測定時、図６の装着時であっても変化はない。測定対象であるワーク５０の搬入と搬出のタイミングで挿入部５１－１、５１－２、５１－３、５１－４を図６に示すように内側へ変形させる。

測定時には、この変形を戻すことにより、測定時のガイドクリアランスＧＣ１に戻り、精密測定が可能なワーク５０の位置決めが行われる。これにより、装着時のガイドクリアランスＧＣ２＞測定時のガイドクリアランスＧＣ１となり、ワーク５０の高精度な位置決めと搬入出の作業性向上の両立を図ることができる。

次に、図７、図８を参照してガイド５１の変形機構２０－１（図１、図４）、円盤状のガイド５１の中心部を下側へ引き込む機構について説明する。図は被測定物の内径を測定する内径エアマイクロとして説明する。変形機構２０－１は、外部からの操作により、ガイド５１とワーク５０との隙間量を一時的に大きくすれば良い。したがって、機械的にシャフト６０をボルト、カム等を回転することによって矢印Ａ方向に引き込むことでも良い。しかし、エアマイクロは圧縮空気を用いるので、圧縮空気を利用してガイド本体２０内を加圧又は減圧して動作させることが構成を簡単にする上で望ましい。

図７は、測定時におけるガイド本体２０内の変形機構２０－１を示す断面図、図８は、ワーク５０の搬入出時の状態を示す断面図である。シャフト６０は、円柱体であり、上端が太くなったつば状部６０－２がガイド５１の上面中央に突き出されている。シャフト６０の下端は、先太となるようなカム面６０－１が設けられている。また、シャフト６０は、内リング２４と上下方向に摺動可能として嵌め合わされている。

内リング２４は、ガイド本体２０に固定され、高さ方向の略中央部に穴２４－１、２４－２が設けられている。穴２４－１、２４－２には、ボール２３－１、２３－２が回動可能として嵌め込まれている。ボール２３－１、２３－２及び内リング２４の外周側には外リング２２が上下スライド可能として勘合している。また、ボール２３－１、２３－２は、外リング２２の傾斜面２２－１、２２－２によってカム面６０－１へ押圧されている。

内リング２４及び外リング２２の下面には、圧縮空気が流入される空間である加圧室２１が設けられる。圧縮空気は加圧室２１へ矢印Ｃに示すように流入する。外リング２２は加圧室２１が加圧されることにより上に移動し、減圧されることで下に移動する。外リング２２の位置は、図７が測定時であり、図８は搬入出時であるので、図８では図７に比べて上昇している。

外リング２２の位置が上へ動くことにより、傾斜面２２－１、２２－２によって、ボール２３－１、２３－２を中心側へ押すことになる。この押す力は、カム面６０－１とボール２３－１、２３－２とによるクサビ構造によって、強い力でシャフト６０を下方向であるＡ方向へ引き込む。これにより、円盤状のガイド５１がたわみ、挿入部５１－１、５１－２、５１－３、５１－４が内側へ変形する。

加圧による円盤状のガイド５１のたわみ量は、シャフト６０の引き込み量Ｓとなり、たわみ量は、ガイド５１の円盤状部分の直径、板厚、ガイド５１の縦弾性係数、ポアソン比で決定される。

なお、被測定物の外径を測定する外径エアマイクロの場合は、シャフト６０のつば状部６０－２をガイド５１の下面中央に突き当てる。そして、下へ向かう程太くなるカム面６０－１を逆に下へ向かう程細くすれば良い。この場合、外リング２２の位置が上へ動くことにより、カム面６０－１とボール２３－１、２３－２とによるクサビ構造によって、強い力でシャフト６０を上方向へ移動する。これにより、円盤状のガイド５１がたわみ、挿入部５１－１、５１－２、５１－３、５１－４が外側へ変形する。

圧縮空気による加圧が解放されて挿入部５１－１、５１－２、５１－３、５１－４の変形が戻ったときに、測定ヘッド１０との位置が変形前と比べて毎回０．１μｍも変化しないようにする必要がある。そのためには、ガイド５１の材質として塑性変形が極力少なく、高度が高く、被削性が良い材料であるＨＰＭ材（プリハードン鋼）が望ましい。

ワーク５０の搬入出において、内径エアマイクロならば、ガイド５１の挿入部５１－１、５１－２、５１－３、５１－４は、内側に変形してワーク５０がガイドされる径が小さくなる。外径エアマイクロならば、外側に変形してガイドされる径が大きくなる。これにより、測定対象であるワーク５０とガイドされる径との隙間を従来に比べて大きくすることができ、搬入出が容易となる。

搬入出時のワーク５０とガイド５１との隙間を大きくすることにより、手動ならば作業性が向上し、自動機ならば搬入出設備の位置決め精度を下げることができる。そして、測定機本体のコスト低減、搬入出設備の簡素化による生産物であるワークのコスト低減を行うことができる。

また、測定時には、ガイド５１の挿入部５１－１、５１－２、５１－３、５１－４は、変形が戻り、変形前と比べて変化しないようにすることで、高精度な測定が可能となる。

５０…ワーク（被測定物）
５１…ガイド
５１－１、５１－２、５１－３、５１－４…挿入部
１０…測定ヘッド
１０－１、１０－２、１０－３、１０－４…エアノズル
１０－５…連通路、１０－６…エア流路
２０…ガイド本体
２０－１…変形機構
２１…加圧室
２２…外リング
２２－１、２２－２…傾斜面
２３－１、２３－２…ボール
２４…内リング
２４－１、２４－２…穴
４０…トップガイド
４０－１、４０－２、４０－３、４０－４…ガイド穴
６０…シャフト
６０－１…カム面、６０－２…つば状部

Claims

被測定物が挿入される、あるいは該被測定物へ挿入する測定ヘッドと、該測定ヘッドに対して前記被測定物の位置決めを行うガイドと、を有し、前記測定ヘッドに形成されたエアノズルから圧縮空気を噴射して前記被測定物の内径又は外径の測定を行うエアマイクロにおいて、
前記ガイドは、円盤状部分、及び、円筒形が分割された形状として前記円盤状部分の上面に設けられ、前記位置決めを行う挿入部を有し、
前記被測定物の搬入出において、前記被測定物と前記挿入部との隙間を測定時に比べて大きくなるように前記円盤状部分を変形させる変形機構と、
前記円盤状部分の中央部に下向きに設けられたシャフトと、を備え、
前記変形機構は前記シャフトを、下側へ引き込んで、又は、突き当てて、前記円盤状部分をたわませる、ことを特徴とするエアマイクロ。
前記エアマイクロは前記被測定物の内径を測定する内径エアマイクロとされ、
前記被測定物の搬入出において、前記変形機構は、前記シャフトを下側へ引き込んで、前記円盤状部分をたわませて、前記挿入部によりガイドされる径を小さくすることを特徴とする請求項１に記載のエアマイクロ。
前記エアマイクロは前記被測定物の外径を測定する外径エアマイクロとされ、
前記被測定物の搬入出において、前記変形機構は、前記シャフトを突き当てて、前記円盤状部分をたわませて、前記挿入部によりガイドされる径を大きくすることを特徴とする請求項１に記載のエアマイクロ。
前記測定ヘッドを固定するトップガイドと、
前記トップガイドに設けられたガイド穴と、
を備え、
前記挿入部は前記ガイド穴を通って下面から上面へ突き出され、前記ガイド穴の径方向の寸法は、前記挿入部の径方向の厚さより大きくされたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のエアマイクロ。
前記変形機構は、圧縮空気を利用して前記円盤状部分を変形させることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のエアマイクロ。
前記ガイドの材質は、ＨＰＭ材（プリハードン鋼）を用いたことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のエアマイクロ。
前記変形機構による前記被測定物と前記挿入部との隙間は、測定時が５～２０μｍとされ、前記被測定物の搬入出には２００～５００μｍとしたことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のエアマイクロ。