JP2018194430A - ステップゲージ - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化等による寸法変動を抑制可能なステップゲージを提供する【解決手段】基準測定面１１３を有する測定ブロック１１と、一対の測定ブロック１１間に設けられて一対の測定ブロック１１間の距離を所定間隔に維持する間隔ブロック１２と、が一方向に沿って交互に配置されるステップゲージ１であって、測定ブロック１１及び間隔ブロック１２は、線膨張係数が０．０３×１０−６（１／Ｋ）未満であり、一方向に沿った貫通孔１１４，１２２を有し、ステップゲージ１は、各貫通孔１１４，１２２に挿通されるタイロッド１３と、タイロッド１３の両端部にそれぞれ固定される皿ねじ１４と、を備え、タイロッド１３は、線膨張係数が０．５×１０−６（１／Ｋ）未満となる素材により構成される。【選択図】図２

Description

本発明は、複数の端度器を連結したステップゲージに関する。

従来、被測定物の表面性状や寸法等を測定する測定装置において、所定間隔毎に基準測定面が設けられたステップゲージを用いて校正処理を行う測定装置が知られている（特許文献１）。このような測定装置では、ステップゲージの定間隔で配置された各基準測定面を測定することで、寸法較正を行うことができる。
このようなステップゲージは、一般に、基準測定面を有する測定ブロック（端度器）と、一対の測定ブロック間に配置されて基準測定面間の距離を厳密に設定寸法に維持するための間隔ブロックと、を交互に配置して連結することで構成される。

特開２００４−１２５６６５号公報

ところで、上述したようなステップゲージは、測定装置の較正を行うものであるため、使用環境の変化や経年による寸法変動が極めて小さいことが求められる。
近年では、測定ブロックや間隔ブロックの温度変化による寸法変動を抑制するために、これらのブロックを極低膨張素材により構成したステップゲージも用いられている。

しかしながら、各ブロックを上記にように極低膨張素材にて形成しても、これらのブロックを連結するための連結具の線膨張係数が大きい場合、温度変化によって各ブロックを連結するための応力が変動し、ステップゲージ全体の寸法が変化してしまう場合がある。

本発明は、温度変化等による寸法変動を抑制可能なステップゲージを提供することを目的とする。

本発明のステップゲージは、基準測定面を有する測定ブロックと、一対の前記測定ブロック間に設けられて一対の前記測定ブロック間の距離を所定の間隔に維持する間隔ブロックと、が一方向に沿って交互に配置されるステップゲージであって、前記測定ブロック及び前記間隔ブロックは、線膨張係数が０．０３×１０^−６（１／Ｋ）未満であり、前記一方向に沿った貫通孔を有し、前記ステップゲージは、前記測定ブロック及び前記間隔ブロックの各前記貫通孔に挿通され、前記一方向に沿って配置される前記測定ブロック及び前記間隔ブロックの両端部間に亘って配置され、前記一方向に長手となる軸素材と、前記軸素材の両端部にそれぞれ固定され、前記一方向に沿って配置された前記測定ブロック及び前記間隔ブロックのうちの前記一方向の両端部に配置されたブロックに当接される止め部と、を備え、前記軸素材は、線膨張係数が０．５×１０^−６（１／Ｋ）未満となる素材により構成されることを特徴とする。

本発明では、ステップゲージは、測定ブロックと間隔ブロックとが一方向に交互に配置されている。これらの測定ブロック及び間隔ブロックに一方向に沿って形成された貫通孔に軸素材が挿通され、この軸素材の両端部に固定された止め部により一方向に並ぶブロック（測定ブロック及び間隔ブロック）の両端部に位置するブロックが当接している。すなわち、一方向に並ぶブロックが軸素材の両端部に固定された止め部により挟持され、互いに近接する方向に応力が付与される、つまり軸素材の軸力により各ブロックが固定されている。
そして、本発明では、各ブロックは、線膨張係数が０．０３×１０^−６（１／Ｋ）未満となる低膨張素材により構成されており、軸素材は、線膨張係数が０．５×１０^−６（１／Ｋ）未満となる低膨張素材により構成されている。
軸素材は、両端部に固定された止め部とともに、各ブロックを挟み込む方向に応力を付与して固定する。このため、軸素材には軸力が係るため、例えばセラミック等を用いると、軸力の大きさによっては破損してしまうおそれがある。一方、軸素材として、鉄や銅等の金属を用いた場合、軸素材の破損は抑制されるが、環境温度の変化によって熱膨張してしまい、各ブロックを固定するための軸力が低下してしまう。この場合、ステップゲージの全体の長さ寸法が変動する。これに対して、本発明では、上記のような軸素材を用いることで、軸力の破損がなく、かつ、環境温度の変化による軸力の低下も抑制でき、ステップゲージの環境温度の変化による寸法変動を抑制できる。

ステップゲージの温度変化による寸法変動を抑制でき、測定装置において高精度な較正処理を実施可能なステップゲージを提供できる。

本実施形態のステップゲージの概略斜視図。 本実施形態のステップゲージの長手方向に沿った断面図。 ステップゲージを基準温度から６０℃及び−２０℃に変化させた場合の、軸力の変化の有無を示す図。 図３の試験後の中央寸法比較を示す図。 本実施形態のステップゲージの製造方法を示すフローチャート。

以下、本発明に係る一実施形態のステップゲージについて説明する。
図１は、本実施形態のステップゲージの概略斜視図である。図２は、本実施形態のステップゲージの長手方向に沿った断面図である。
ステップゲージ１は、一方向（Ｘ方向）に沿って長手となる基準ゲージである。このステップゲージ１は、図１及び図２に示すように、複数の測定ブロック１１と、複数の間隔ブロック１２と、これらの測定ブロック１１及び間隔ブロック１２を連結するためのタイロッド１３（軸素材）と、タイロッド１３の両端部に設けられた皿ねじ１４（止め部）とを備える。

測定ブロック１１は、Ｘ方向に交差（本実施形態では直交）する平面に沿った第一側面１１１と、Ｘ方向に対して交差（本実施形態では直交）するＺ方向に突出したゲージ部１１２と、を備える。
第一側面１１１は、Ｘ方向に対して直交するＹＺ平面に沿った平滑な平面であり、後述する間隔ブロック１２の第二側面１２１に対して密接固定（リンギング）される。１つの測定ブロック１１における一対の第一側面１１１間の距離は、予め設定された所定寸法に形成されている。
ゲージ部１１２は、測定装置の較正処理を行う場合等に測定される基準測定面１１３を有する。基準測定面１１３は、Ｘ方向に対して直交するＹＺ平面に平行な平滑な平面であり、各ゲージ部１１２に対して一対設けられる。本実施形態では、間隔ブロック１２により各測定ブロック１１が厳密に等間隔に配置されているため、隣り合う測定ブロック１１におけるゲージ部１１２の対向する基準測定面１１３も等間隔となる。

また、測定ブロック１１は、Ｘ方向に沿った貫通孔１１４を備える。この貫通孔１１４には、タイロッド１３が挿通される。
貫通孔１１４の両端部には、それぞれ、ブロック内側から第一側面１１１に向かって拡径されて内面が略円錐面となる拡径部１１４Ａが設けられ、当該拡径部１１４Ａには、タイロッド１３と測定ブロック１１とを接着固定する接着剤が充填される場合もある。

間隔ブロック１２は、Ｘ方向に沿って並ぶ測定ブロック１１の間に設けられる。つまり、ステップゲージ１は、測定ブロック１１と間隔ブロック１２とがＸ方向に沿って交互に並ぶ構成となる。なお、本実施形態では、ステップゲージ１のＸ方向の両端部に測定ブロック１１が配置される例を示すが、一方端又は両端に間隔ブロック１２が配置されてもよい。
この間隔ブロック１２は、Ｘ方向に交差（本実施形態では直交）する平面に沿った第二側面１２１を備える。
第二側面１２１は、間隔ブロック１２のＸ方向の両側に配置された測定ブロック１１の第一側面１１１にリンギングされる。また、１つの間隔ブロック１２における一対の第二側面１２１間の距離は、予め設定された所定寸法に形成されている。これにより、測定ブロック１１は、間隔ブロック１２により予め設定された間隔で配置されることになる。

また、間隔ブロック１２は、Ｘ方向に沿った貫通孔１２２を備える。この貫通孔１２２は、測定ブロック１１の貫通孔１１４と同軸となり、タイロッド１３が挿通される。
また、測定ブロック１１の貫通孔１１４と同様、貫通孔１２２の両端部には、それぞれ、ブロック内側から第二側面１２１に向かって拡径された拡径部１２２Ａが設けられる。この拡径部１２２Ａは、測定ブロック１１の拡径部１１４Ａと同形状であり、タイロッド１３と間隔ブロック１２とを接着固定する接着剤が充填される場合もある。

上述したような測定ブロック１１及び間隔ブロック１２は、それぞれ、線膨張係数が０．０３×１０^−６（１／Ｋ）未満となる極低膨張素材により構成される。
なお、一般的に用いられるブロックゲージやステップゲージは、スチール製（線膨張係数１０．８×１０^−６（１／Ｋ））やジルコニアセラミックス製（線膨張係数９．３×１０^−６（１／Ｋ））である。このような素材により測定ブロック１１及び間隔ブロック１２が構成されると、各測定ブロック１１及び各間隔ブロック１２自体が温度変化により熱収縮する。したがって、測定装置において、当該素材のステップゲージを用いた較正処理を行ったとしても、不確かさが大きくなり、高精度な（信頼性の高い）較正を実施することができない。
これに対して、本実施形態では、上記のように、線膨張係数が０．０３×１０^−６（１／Ｋ）未満である極低膨張素材であり、例えば、２０℃における線膨張係数がほぼ０．０となるネクセラ（登録商標）等により構成されている。
このため、測定ブロック１１や間隔ブロック１２は、環境温度の変化による寸法変動がほぼなく、測定装置において信頼性の高い較正処理が実施できる。

図１，２に戻り、タイロッド１３は、測定ブロック１１の貫通孔１１４、及び間隔ブロック１２の貫通孔１２２に挿通される。また、タイロッド１３の長手方向の両端部には、その端面に皿ねじ１４が螺合されるねじ穴が設けられている。
このタイロッド１３は、ステップゲージ１のＸ方向の長さ寸法よりも短い。したがって、タイロッド１３の端部位置は、ステップゲージ１のＸ方向の端部に配置されるブロック（本実施形態では測定ブロック１１）の内部に位置する。ステップゲージ１の端部に配置される測定ブロック１１の第一側面１１１のうち、間隔ブロック１２に当接していない第一側面１１１と、タイロッド１３の端部との距離は、予め設定された距離となり、当該距離は、皿ねじ１４のねじ部１４１がタイロッド１３のねじ穴に螺合可能な距離となる。
また、タイロッド１３と各ブロック（測定ブロック１１や間隔ブロック１２）は、接着剤により接着固定される場合もある。

皿ねじ１４は、例えばＳＵＳ４１０等のスチール製であり、タイロッド１３のねじ穴に螺合されるねじ部１４１と、ねじ部１４１の一端部に設けられた頭部１４２とを有する。頭部１４２は、各ブロック１１，１２の拡径部１１４Ａ，１２２Ａに当接可能な略円錐状の斜面を有し、当該斜面が拡径部１１４Ａの内面に当接される。
そして、タイロッド１３の両端部から皿ねじ１４を締め付けることで、ステップゲージ１を構成する各ブロック１１，１２が、一対の皿ねじ１４により挟持される。つまり、皿ねじ１４の締め付けトルクによって、タイロッド１３は両端側に引っ張られ、軸力が付与される。この軸力によって、各ブロック１１，１２は、Ｘ方向に沿って互いに押し付けられ、第一側面１１１及び第二側面１２１がリンギングされた状態で固定される。

そして、本実施形態において、上記のようなタイロッド１３は、線膨張係数が０．５×１０^−６（１／Ｋ）未満となる低膨張素材により構成されている。
つまり、タイロッド１３を、線膨張係数が大きい素材により形成すると、環境温度が変化した際にタイロッド１３が熱膨張し、皿ねじ１４の締め付けトルクが変動する（小さくなる）。このように、締め付けトルクが変動すると、タイロッド１３の軸力が減少する。また、ステップゲージ１を、基準温度（例えば室温等）から高温に変化させた後、再び基準温度に戻しても、皿ねじ１４の締め付けトルクは戻らない。このため、結果として、各ブロック１１，１２を挟持する力（リンギングを維持する力）が減少するため、各ブロック１１，１２単位で寸法変動が生じなくとも、ステップゲージ１の全体寸法が変動してしまう。
また、軸力に対してタイロッド１３の破損を防止するために、軸力に抗する強度が必要とされる。この点から、タイロッド１３としては、金属素材により形成されることが好ましい。しかしながら、一般的な金属素材によりタイロッド１３を形成すると、上記のように、線膨張係数が大きく、温度変化によるステップゲージ１の寸法変動が発生する。

図３に、ステップゲージ１を基準温度（２０℃）から６０℃及び−２０℃に変化させた場合の、軸力の変化の有無を示す。
図３に示すように、軸力は温度変化に追従して変化することが分かる。ステップゲージ１を含む周囲環境の温度が上昇すると軸力が減少し、逆に温度が低下すると軸力が増大する。タイロッド１３として、一般的な低膨張金属（線膨張係数１．３×１０^−６（１／Ｋ）〜２．０×１０^−６（１／Ｋ））を有するスーパーインバーを用いた場合、ステップゲージ１の軸力は最大で３５％程減少する。

これに対して、本実施形態では、タイロッド１３として、線膨張係数が０．５×１０^−６（１／Ｋ）未満の素材が用いられ、例えば、線膨張係数が０±０．２×１０^−６（１／Ｋ）である素材を用いる。
ここで、図３は、タイロッド１３として、上記の素材を使用したステップゲージ１を、基準温度から６０°及び−２０℃に変化させた後、再び基準温度に戻した場合の軸力の変化の有無を示す図であり、図４に、当該試験を実施した後の中央寸法比較を示す。
図３から、タイロッド１３として、線膨張係数が０．５×１０^−６（１／Ｋ）未満の素材を用いた場合に、軸力変動がほとんど発生していないことが確認できる。また、軸力変動の発生が抑制されているので、図４に示すように、基準温度に戻した場合の寸法変動も抑制できる。

［ステップゲージの製造方法］
次に上述のようなステップゲージ１の製造方法について説明する。
図４は、ステップゲージ１の製造方法を示すフローチャートである。
ステップゲージ１の製造では、リンギング工程Ｓ１、タイロッド挿入工程Ｓ２、及び固定工程Ｓ３を実施することで製造される。

まず、リンギング工程Ｓ１により、測定ブロック１１及び間隔ブロック１２を交互に配置し、測定ブロック１１の第一側面１１１と、間隔ブロック１２の第二側面１２１とを密接させてリンギングする。
この後、タイロッド挿入工程Ｓ２を行う。このタイロッド挿入工程Ｓ２では、リンギングされた測定ブロック１１及び間隔ブロック１２の貫通孔１１４，１２２の内径部に接着剤を充填する場合もある。これにより、各貫通孔１１４，１２２の両脇に設けられた拡径部１１４Ａ，１２２Ａに接着剤が入り込む。そして、タイロッド１３を貫通孔１１４，１２２に挿入する。タイロッド１３の挿入により、充填された接着剤がタイロッド１３を挿入した側とは反対側から排出されるが、拡径部１１４Ａ，１２２Ａには接着剤が残留したままとなる。

そして、タイロッド１３の両端側のねじ穴に皿ねじ１４を螺合して締め付ける。この際、タイロッド１３の軸力が予め設定された軸力（例えば４２０Ｎ）となる締め付けトルクで皿ねじ１４をタイロッド１３に螺合させる。これにより、各ブロック１１，１２が軸力により固定され、ステップゲージ１が形成される。

［本実施形態の作用効果］
上記のような本実施形態のステップゲージ１は、基準測定面１１３を有する測定ブロック１１と、間隔ブロック１２とがＸ方向に沿って交互に配置されてリンギングされている。測定ブロック１１に設けられた貫通孔１１４及び間隔ブロック１２に設けられた貫通孔１２２に、タイロッド１３が挿通されており、このタイロッド１３の両端部に皿ねじ１４が所定の締め付けトルクにて締め付けられることで、測定ブロック１１及び間隔ブロック１２がタイロッドの軸力により固定されている。
そして、このようなステップゲージ１において、測定ブロック１１及び間隔ブロック１２は、線膨張係数が０．０３×１０^−６（１／Ｋ）未満の素材により形成され、タイロッド１３は、線膨張係数が０．５×１０^−６（１／Ｋ）未満となる素材により構成されている。
このような構成では、環境温度の変化によってステップゲージ１が高温となった場合でも、各ブロック１１，１２の線膨張係数が小さいので、各ブロック１１，１２の寸法変動が抑制される。また、タイロッド１３の線膨張係数も小さいことで、ステップゲージ１の温度が高温となった場合でも、皿ねじ１４の締め付けトルクの変動を抑制でき、軸力の変動も抑えることができる。
したがって、ステップゲージ１の温度変化による寸法変動を抑制でき、測定装置において較正処理を実施する際に、不確かさを低減した信頼性の高い較正処理を実施することが可能となる。

［変形例］
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、上記実施形態では、第一側面１１１及び第二側面１２１が、Ｘ方向に直交するＹＺ平面に沿った平滑面となる例を示したが、これに限定されない。例えば、第一側面１１１がＸ方向に対して傾斜していてもよく、この場合、第二側面１２１もＸ方向に対して第一側面１１１と同じ傾斜角で傾斜していればよい。このような場合でも、第一側面１１１と第二側面１２１とをリンギングさせることが可能となる。
ただし、第一側面１１１や第二側面１２１の面方向（Ｘ方向に傾斜する方向）に軸力の分力が作用し、測定ブロック１１が当該傾斜方向に変位するおそれがある。この場合、タイロッド１３の外径寸法と貫通孔１１４，１２２の内径寸法とを厳密に合わせ込む等により、各ブロックの位置ずれを抑制することが可能となる。

上記実施形態において、止め部として皿ねじ１４を例示したが、これに限定されない。すなわち、止め部は、各ブロック１１，１２を両端側から挟持し、タイロッド１３に締め付けられることで、軸力を付与できるものであればよい。例えば、タイロッド１３からＸ方向に沿って雄ねじ軸が突出形成され、当該雄ねじ軸に対してナットが係合されていてもよい。この場合でも、ナットの締め付けトルクによりタイロッド１３に軸力を付与し、各ブロック１１，１２を強固に固定することができる。

その他、本発明の実施の際の具体的な構造は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等に適宜変更できる。

本発明は、測定装置の較正処理等に用いられるステップゲージに利用できる。

１…ステップゲージ、１１…測定ブロック、１２…間隔ブロック、１３…タイロッド（軸素材）、１４…皿ねじ（止め部）、１１１…第一側面、１１２…ゲージ部、１１３…基準測定面、１１４…貫通孔、１１４Ａ…拡径部、１２１…第二側面、１２２…貫通孔、１２２Ａ…拡径部、１４１…ねじ部、１４２…頭部。

Claims (1)

1. 基準測定面を有する測定ブロックと、一対の前記測定ブロック間に設けられて一対の前記測定ブロック間の距離を所定の間隔に維持する間隔ブロックと、が一方向に沿って交互に配置されるステップゲージであって、
   前記測定ブロック及び前記間隔ブロックは、線膨張係数が０．０３×１０^−６（１／Ｋ）未満であり、前記一方向に沿った貫通孔を有し、
   前記ステップゲージは、
   前記測定ブロック及び前記間隔ブロックの各前記貫通孔に挿通され、前記一方向に沿って配置される前記測定ブロック及び前記間隔ブロックの両端部間に亘って配置され、前記一方向に長手となる軸素材と、
   前記軸素材の両端部にそれぞれ固定され、前記一方向に沿って配置された前記測定ブロック及び前記間隔ブロックのうちの前記一方向の両端部に配置されたブロックに当接される止め部と、
   を備え、
   前記軸素材は、線膨張係数が０．５×１０^−６（１／Ｋ）未満となる素材により構成される
   ことを特徴とするステップゲージ。

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