JP4584029B2 - ３次元測定機の校正治具及び校正方法 - Google Patents

Description

本発明は、機械部品又は光学部品の形状を測定する３次元測定機の測定データの検証方法に関し、機械部品又は光学部品をその上方から形状測定するプローブを有する形状測定機、若しくは、その上方から光を当てその反射光より機械部品又は光学部品の形状を測定する３次元形状測定機において、３次元測定機の直角度及び長さを校正するための校正治具及び校正方法に関するものである。

従来、３次元測定機のＸＹＺ座標の直角度校正方法としては、１つの基準球を用いるものが知られている（例えば特許文献１及び２参照）。この方法では、図１１に示すように、ＸＹＺ方向に移動可能な原子間力プローブ１０２の先端に取り付けられたルビースタイラス１０３により、基準球１０１の表面が走査されて形状測定され、そして、その測定値と基準球１０１の設計上の値との差が、図１２のグラフにあらわされるように出力され、基準球１０１からの誤差より３次元測定機のＸＺ又はＹＺ座標の直角度が評価されていた。

また、従来、３次元測定機の長さを校正する方法としては、複数の球が直線状に配列された専用の治具を用いるものが知られている（例えば特許文献３参照）。図１３の（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、特許文献３に開示された従来の３次元測定機の治具の平面図及びその端面を示す図である。これらの図において、符号１１１は球、１１２は球を支える構造体、１１３は構造体に開けられた球１１１を支える孔をあらわしている。この方法では、構造体１１２が測定機のＸ軸又はＹ軸方向に沿って設置され、構造体１１２により支えられた球１１１の表面が形状測定され、球１１１の中心座標が算出され、複数の球１１１の中心間距離が求められ、これにより、３次元測定機の座標が校正されていた。更に、この方法では、構造体１１２が測定機のＸ軸又はＹ軸に対して＋４５°をなす方向及び−４５°をなす方向に設置され、各々の位置での所定の２球間の距離の差が測定されることにより、測定機のＸ軸及びＹ軸の直角度が校正されていた。

また、更に、従来、別の校正方法としては、複数の球が台形状の台に設けられた治具を用いるものが知られている（例えば特許文献４参照）。図１４は、特許文献４に開示された従来の３次元測定機の治具の平面図、また、図１５の（ａ）〜（ｄ）は、各種の方向に沿って設置される治具の斜視図である。図１４において、符号Ｓ１〜Ｓ１０は測定対象となる球で、これらの球Ｓ１〜Ｓ１０が台形状の台１２１の一対の傾斜面１２２，１２３に沿って配置されている。この方法では、図１５の（ａ）〜（ｄ）に示すように、台１２１が各方向に設置された状態で、球Ｓ１〜Ｓ１０の表面が形状測定され、球Ｓ１〜Ｓ１０の中心間距離が求められることにより、測定機の座標が校正されていた。

また、更に、従来、別の校正方法としては、ブロックゲージが積層され段差が設けられた治具を用いるものが知られている（例えばＪＩＳ Ｂ７４４０−２号の附属書３、図３参照）。図１６は、この文献に開示された従来の３次元測定機の治具の側面図である。図１６において、符号１３１〜１３５は段付きのブロックゲージ、１３７は測定用のプローブである。この方法では、プローブ１３７が所定の移動手段（不図示）により移動させられ、ブロックゲージ１３１〜１３５の間隔が順次測定されることにより、測定機の座標が校正されていた。

特許第２７４８７０２号公報（特に第５頁，図１及び３） 特許第２８９２８２６号公報（特に第４頁，図１及び３） 特開２００１−４３５８号公報（特に第６，８頁，図１，９及び１０） 特開２００３−３２９４０２号公報（特に第８頁，図６）

しかしながら、図１１及び１２に示すような従来の校正方法では、球の直径が１０ｎｍ台の精度で校正されることはなく、球面を走査式に形状測定し、最適な球半径を求めても、球の半径を１０ｎｍオーダのトレーサビリティを確保しつつ校正することはできない。また、球の半径５ｍｍ程度のエリア内でしか有効な直角度校正ができず、これより、大きなエリアでの高精度の校正を行うには、被測定物である球として、半径が大きくかつ真球度が高い球が必要であるが、かかる球は入手が容易でなく、この方法では校正が難しいという課題があった。

更に、図１３の（ａ），（ｂ）及び図１４に示すような治具を用いた校正方法では、複数の球の中心間距離を工作機械の加工精度で出すため、治具自体を別の３次元測定機により校正する必要があり、直接的なトレーサビリティを確保し得る校正治具にはならず、間に異なる測定機による測定結果が関与する、間接的な校正結果となる。

また、更に、図１５に示すようなブロックゲージが積層された治具を用いた校正方法では、段差を形成すべくブロックゲージを積層する場合に、油膜，ゴミ等を間に挟み、治具に誤差が含まれ、１０ｎｍオーダの高精度の測定が行えなくなる、という問題があった。また、球を上方からのみ測定するプローブを有する形状測定機、あるいは、上面から光を当てその反射光より形状を測定する光学式測定機では、垂直な面の測定は行えず、座標測定の高精度の校正が行えない、という問題があった。

本発明は、上記技術的課題に鑑みてなされたもので、上面からのみ測定するプローブを有する形状測定機、あるいは、上面から光を当てその反射光より形状を測定する３次元形状測定機において、長レンジでの高精度の直角度校正及び座標校正を実現する校正治具及び校正方法を提供することを目的としたものである。

そこで、本願の請求項１に係る発明は、長さ標準器であるブロックゲージと、それぞれ所定の基準径をもつ少なくとも３つの基準球と、上記ブロックゲージの側端面に一定の力で上記各基準球を当接させる付勢手段とを備え、上記基準球は、少なくとも１つが上記ブロックゲージの第一の側端面側に配置され、少なくとも２つが上記第一の側端面と反対側の第二の側端面側に配置されていることを特徴としたものである。

また、本願の請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、上記ブロックゲージを保持する台部材と、上記台部材上に設けられた上記ブロックゲージを複数点で支持するための少なくとも３つの支持手段とを備えたことを特徴としたものである。

また、更に、本願の請求項４に係る発明は、長さ標準器であるブロックゲージと、それぞれ所定の基準径をもつ少なくとも３つの基準球と、上記ブロックゲージの側端面に一定の力で上記各基準球を当接させる付勢手段とを備え、上記基準球は、少なくとも１つが上記ブロックゲージの第一の側端面側に配置され、少なくとも２つが上記第一の側端面と反対側の第二の側端面側に配置されている校正治具を設置し、上記各基準球の表面形状を測定して上記各基準球の中心点を求め、上記各基準球の中心点間距離と上記基準径より上記ブロックゲージの長さを算出し、上記算出されたブロックゲージの長さと上記ブロックゲージの標準長さとの差に基づいて３次元測定機の座標を校正することを特徴としたものである。

また、更に、本願の請求項５に係る発明は、請求項４に係る発明において、上記ブロックゲージの長さの算出は、上記ブロックゲージの第二の側端面に当接する少なくとも２つの基準球の中心点情報に基づいて上記第二の側端面に沿って平行に延びる線分を算出し、上記ブロックゲージの第一の側端面に当接する少なくとも１つの基準球の中心若しくは該基準球が当接する側端面上の点から、前記算出された線分に下ろされる垂線を算出して上記垂線の長さを算出し、上記垂線の長さに基づいて上記ブロックゲージの長さを算出することを特徴としたものである。

本発明によれば、垂直な面が測定不可能である場合にも、長さ標準器としてのブロックゲージ及び３つの基準球を用いて、ブロックゲージの側端面の座標を決定することができるので、トレーサビリティを確保し得る高精度の校正を行うことができる。また、ブロックゲージの両側端面に一定の力で各基準球が当接するように該基準球を付勢させる付勢手段が設けることにより、該付勢手段により一定の力で基準球をブロックゲージに付勢させることができるため、ブロックゲージに対する基準球の接触による歪みを一定にすることができる。更に、校正治具における３つの基準球として、それぞれ直径が等しいものを用いることにより、測定時の走査等の工程が簡潔化されより容易に校正することが可能となる。

また、更に、上記校正治具においてブロックゲージを複数点支持する支持手段の頂点により規定される仮想平面と、該ブロックゲージの両側端面に当接する基準球の設置面の平面度を１０μｍ以下に加工することにより、該ブロックゲージの平面方向に対してほぼ平行に３つの基準球を配列させることができ、コサインエラーを生じさせることなく、より容易にナノの精度で３次元測定機を校正することができる。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。
（実施形態１）
図１及び２は、それぞれ、本発明の実施形態１における３次元測定機の治具の平面図及び側面図である。これらの図において、符号１は長さ標準器としてのブロックゲージ、２Ａ，２Ｂ及び２Ｃは、共に、サブミクロン以下の精度の真球度で加工された直径１０ｍｍ程度の３つの基準球、３は基準球２Ａ，２Ｂ及び２Ｃを所定方向に一定の弱い力で押える３つの押さえバネ機構（以下、「第１のバネ機構」という）、４はブロックゲージ１のたわみが最小になるベッセル点でブロックゲージ１をその上方から強い力で押える一対の板状押さえバネ４ａとそれらの押さえバネ４ａを支持する支持体４ｂとからなる押さえバネ機構（以下、「第２のバネ機構」という）、５はブロックゲージ１と基準球２Ａ，２Ｂ及び２Ｃと第１のバネ機構３と第２のバネ機構４とを固定支持する固定台をあらわしている。

固定台５上には、ブロックゲージ１の歪みを最小にすべく、ブロックゲージ１の両端よりその全長の０．２２１倍の間隔だけ内側の位置に規定される３点のベッセル点に対応する部位に、ブロックゲージ１をその下面側から支持する３つの突起部６が設けられている。また、固定台５上には、ブロークゲージ１の側面に当接することで、固定台５に対するブロックゲージ１をその幅方向（図１の上下方向）に位置規制する２つの規制部材７が設けられている。

第１のバネ機構３が、ブロックゲージ１の長手方向（図１及び２の左右方向）における両側端面（すなわち測定面）１ａ，１ｂ及び規制部材７に基準球２Ａ，２Ｂ及び２Ｃを一定の力で同時に付勢させることで、ブロックゲージ１に対して基準球２Ａ，２Ｂ及び２Ｃをおおまかに位置決めすることができ、これにより、測定を開始するにあたって、その先端側にスタイラス９ａを備えた測定用プローブ９（図２参照）のアプローチを容易化することができる。なお、本実施形態では、基準球２Ａ，２Ｂ及び２Ｃとして、共に同じ基準径（直径）を有する球が用いられ、図１からよく分かるように、球面の形状測定に際しては、基準球２Ａ及び２Ｂが、ブロックゲージ１の同じ測定面１ａに付勢させられ、また、基準球２Ｃが反対側の測定面１ｂに単独で付勢させられる。

図３及び４は、それぞれ、第１のバネ機構３の平面図及び側面図である。基準球２Ａ，２Ｂ及び２Ｃを付勢させる第１のバネ機構３はいずれも同様に構成されているため、ここでは、特に、基準球２Ａを付勢させる第１のバネ機構３を取り上げて説明し、それ以外の説明を省略する。第１のバネ機構３は、ブロックゲージ１の長手方向に沿って治具１０の外方から内方への付勢力をもたらすもので、基本的には、可動シャフト１１と、基準球２Ａに対向すべく可動シャフト１１の一端側に取り付けられた押さえプレート１２と、固定台５に対して固定され、可動シャフト１１をガイド支持するシャフト支持部材１３と、押さえプレート１２とシャフト支持部材１３との間で可動シャフト１１に取り付けられたバネ部材１４と、押さえプレート１２を治具１０の外方へ移動させる際に作業者が掴持するための、可動シャフト１１の一端側に取り付けられたノブ１５と、を有している。シャフト支持部材１３には、ブロックゲージ１の長手方向に沿って延びる貫通孔１３ａが形成され、貫通孔１３ａに可動シャフト１１を挿通させることにより、可動シャフト１１がガイド支持される。また、可動シャフト１１の動作に伴い、押さえプレート１２の姿勢を安定して保持すべく、可動シャフト１１に平行して延びる一対のガイドシャフト１６が設けられている。これらガイドシャフト１６に対応して、シャフト支持部材１３には、ブロックゲージ１の長手方向に沿って延びる一対の孔１３ｂが形成され、これらの孔１３ｂにガイドシャフト１６を挿通させることにより、ガイドシャフト１６がガイド支持される。

かかる構成によれば、バネ部材１４の弾性力により、押さえプレート１２が治具１０の内方へ弱い力で押し付けられることになる。なお、押さえプレート１２における基準球２Ａに接する側の面は、バネ部材１４の弾性力に応じて、ブロックゲージ１に基準球２Ａを付勢させるのに加え、規制部材７に基準球２Ａを付勢させるべく、治具１０の幅方向に対して傾斜するように（図３参照）、また、固定台５に基準球２Ａを付勢させるべく治具１０の高さ方向に対して傾斜するように（図４参照）構成されている。

基準球２Ａ，２Ｂ及び２Ｃをセットするにあたっては、ブロックゲージ１を第２のバネ機構４により固定台５上に保持した後、ノブ１５を治具１０の外方へ引っ張ることにより、押さえプレート１２をブロックゲージ１から遠ざかる方向に移動させた状態で、基準球２Ａ，２Ｂ及び２Ｃをブロックゲージ１と規制部材７とに接するように設置し、その後、押えプレート１２が基準球２Ａ，２Ｂ及び２Ｃに接するまで、ノブ１５をゆっくりと治具１０の内方へ戻す。押えプレート１２は、バネ部材１４の弾性力により一定の力で与圧を付与するように治具１０の内方へ付勢させられ、これに伴い、前述したように治具１０の幅方向及び高さ方向に対して傾斜するよう構成されるため、ブロックゲージ１に加え、固定台７及び規制部材７に対し基準球２Ａ，２Ｂ及び２Ｃを安定して押さえ付けることができる。

また、ブロックゲージ１を固定台５上で保持する際には、まず、固定台５上に設けられたピン８（図１参照）に対して、ブロックゲージ１の一方の測定面１ａを当接させることで、ブロックゲージ１を治具１０の長手方向において位置決めする。そして、ブロックゲージ１を、その重力による設置たわみを最小にすべく、ベッセル点に対応して設けられた３つの突起部６により支持されるように設置する。この状態で、第２のバネ機構４により、ブロックゲージ１を上方から押さえつける。なお、前述したように、ブロックゲージ１の両端側では、３つの基準球２Ａ，２Ｂ及び２Ｃが第１のバネ機構３により一定の弱い力で押さえ付けられるため、ブロックゲージ１と基準球２Ａ，２Ｂ及び２Ｃとの接触による歪みを一定にすることができる。

ここでは、固定台５上でブロックゲージ１を支持する３つの突起部６の頂点により規定される仮想平面、及び、固定台５上で３つの基準球２Ａ，２Ｂ及び２Ｃが設置される面５ａの平面度が１０μｍ以下程度に加工されている。例えば、２つの面の平面度が確保されず、１０μｍより大きく加工されている場合には、図５の（ｂ）に示すように、ブロックゲージ１の両側に配置される基準球２Ａ（又は２Ｂ）及び２Ｃの中心Ｃ１（又はＣ２）及びＣ３がブロックゲージ１の平面方向に対して平行に配列されず、ずれが生じる。符号Ｑは、ブロックゲージ１の平面方向に沿って延びる基準線をあらわす。この場合には、ブロックゲージの両側端面１ａ，１ｂに対して、各基準球２Ａ（又は２Ｂ）及び２Ｃが当接する点間の距離が、ブロックゲージ１の実際の長さ（以下、「ブロックゲージ１の標準長さ」という）より長くなるコサインエラーが生じ、結果として、ブロックゲージ１の両側で各測定面１ａ，１ｂに当接する基準球２Ａ（又は２Ｂ）及び２Ｃの中心間の距離Ｄ２が、ブロックゲージ１の標準長さと各基準球２Ａ（又は２Ｂ）及び２Ｃの半径との和より長くなり、正しい測定が実行できない。例えば、ブロックゲージ１の標準長さが２０ｍｍである場合、ブロックゲージ１の両側で、基準球２Ａ（又は２Ｂ）及び２Ｃの中心が互いに５０μｍ程度ずれていると、ブロックゲージ１の標準長さに対して７０ｎｍ程度の測定誤差が生じてくる。

これに対して、２つの面の平面度が約１０μｍ以下に加工されている場合には、図５の（ａ）に示すように、ブロックゲージ１の測定面１ａ，１ｂに当接する基準球２Ａ（又は２Ｂ）及び２Ｃの中心Ｃ１（又はＣ２）及びＣ３がブロックゲージ１の平面方向に対して平行に配列される。この場合には、ブロックゲージの両側端面１ａ，１ｂに対して、各基準球２Ａ（又は２Ｂ）及び２Ｃが当接する点間の距離が、ブロックゲージ１の標準長さに等しく、結果として、ブロックゲージ１の両側で各測定面１ａ，１ｂに当接する基準球２Ａ（又は２Ｂ）及び２Ｃの中心間の距離Ｄ１が、ブロックゲージ１の標準長さとブロックゲージ１の両側に配置される各基準球の半径との和に等しくなり、正しい測定が実行可能である。例えば、ブロックゲージ１の両側における基準球２Ａ（又は２Ｂ）及び２Ｃの中心のずれが１０μｍである場合には、ブロックゲージ１の標準長さに対する測定誤差は２ｎｍとなり、Ｋ級の２０ｍｍ長さのブロックゲージの製造公差６０ｎに対して、十分に高い精度での測定が可能である。

３次元測定機のＸＹＺ座標校正は、このような高精度の測定が実現可能である条件下で、以下の手順で行われる。まず、プローブ９（図２参照）を用いて、ブロックゲージ１の同じ測定面１ａに当接し、互いに等しい直径を有する基準球２Ａ，２Ｂの表面、及び、ブロックゲージ１の反対側の測定面１ｂに当接する基準球２Ｃの表面が、ＸＹ軸上あるいはＸＹ面内で形状測定され、その測定データから基準球２Ａ，２Ｂ及び２Ｃの中心のＸＹＺ座標が算出される。

次に、図６に示すように、既に算出された基準球２Ａの中心Ｃ１と基準球２Ｂの中心Ｃ２とを結ぶ仮想線Ｓが設定される。仮想線Ｓは、ブロックゲージ１の一方の側端面に沿って平行に延びる測定用の基準線となる。続いて、基準球２Ｃの中心Ｃ３から仮想線Ｓに対して垂線Ｔが引かれ、垂線Ｔの長さＤ０が求められる。その後、垂線Ｔの長さＤ０から、ブロックゲージ１の当接面１ａ，１ｂに当接する基準球２Ａ（又は２Ｂ）及び２Ｃの既知の半径が減算されることで、ブロックゲージ１の長さが測定される。そして、その測定結果と既知のブロックゲージ１の標準長さとの差が求められ、その差に基づき、３次元測定機のＸＹＺ座標が校正される。なお、かかる校正で行われる各種算出処理やプローブ９の動作制御処理等は、コンピュータ（不図示）を用いて行われる。

以上のように、ブロックゲージ１の同じ測定面１ａに当接する直径の等しい２つの基準球２Ａ及び２Ｂの中心Ｃ１及びＣ２を結ぶ仮想線Ｓを測定用の基準線として用いることにより、治具１０におけるブロックゲージ１の各側端面が３次元測定機のＸＹＺ軸に対して平行に保持されていない場合にも、また、ブロックゲージ１の各側端面がＸＹＺ軸に対して平行に保持されるものの、基準球２Ａの中心Ｃ１と基準球２Ｃの中心Ｃ３がＸＹＺ軸に対して１０μｍ以下の精度で保持されていない場合にも、ブロックゲージ１の厚さを計算により求めることができるため、ＸＹＺ軸に対するコサインエラーの発生を回避することができ、高精度の測定が実現可能である。

なお、前述したような測定に加え、ブロックゲージ１とは異なる標準長さを有するブロックゲージに関して、前述した基準球２Ａ，２Ｂ，２Ｃを同じ位置関係に配置して異なる標準長さを有するブロックゲージの長さの測定を行い、それらの測定結果に基づき、３次元測定機のＸＹＺ座標校正を行うことにより、サブミクロン以下の精度で長さ座標を校正することができる。

また、前述した実施形態１では、基準球２Ａの中心Ｃ１と基準球２Ｂの中心Ｃ２とを結ぶ仮想線Ｓ、及び、基準球２Ｃの中心Ｃ３から仮想線Ｓに延びる垂線Ｔが設定され、垂線Ｔの長さから各基準球２Ａ又は２Ｂ及び２Ｃの半径が減算されることで、ブロックゲージ１の長さが測定されたが、これに限定されることなく、例えば、基準球２Ａの中心Ｃ１と基準球２Ｂの中心Ｃ２とを結ぶ仮想線Ｓの代わりに、ブロックゲージ１の一方の側端面１ａにおいて基準球２Ａ及び２Ｂが当接する２点を結ぶ仮想線が設定され、この仮想線に対して、ブロックゲージ１の他方の側端面１ｂにおいて基準球２Ｃが当接する点から延びる垂線が設定され、この垂線の長さが算出されることで、ブロックゲージ１の長さが測定されてもよい。

（実施形態２）
続いて、本発明の別の実施形態について説明する。なお、以下では、上記実施形態１における場合と同様のものについては同一の符号を付し、それ以上の説明を省略する。

この実施形態２では、図７に示すように、治具１０がＸＹ平面上で３次元測定機のＸ軸に対して＋４５°をなす方向に沿って配置され、この状態で、上記実施形態１について説明した手順で、ブロックゲージ１の測定長さＬ_＋４５が取得される。更に、図８に示すように、治具１０がＸＹ平面上で９０°回転させられ、３次元測定機のＸ軸に対して−４５°をなす方向に沿って配置され、この状態で、同じく上記実施の形態１について説明した手順で、ブロックゲージ１の測定長さＬ_−４５が取得される。ここで、３次元測定機のＸＹ軸が完全に直角で、かつ、ＸＹ座標位置の検出に誤差がない場合、ブロックゲージ１の測定長さＬ_＋４５及びＬ_−４５の値は一致するものの、３次元測定機のＸ軸及びＹ軸の直角度にずれがある場合には、同じ長さのブロックゲージ１が設置される治具１０を用いた測定が行われても、あたかもプローブ９の位置がずれたかのように測定されるため、ブロックゲージ１の測定長さＬ_＋４５及びＬ_−４５の値は一致しない。しかし、Ｘ軸に対して±４５°をなす方向に沿って配置された治具１０上に保持されるブロックゲージ１の長さについて、ＸＹ座標の直角度ずれに対して十分に高い精度の測定が可能である場合には、これら２つの測定結果の差を用いて、Ｘ軸及びＹ軸の直角度を校正することができる。

３次元測定機のＸ軸及びＹ軸の直角度校正は、このような高精度の測定が実現可能である条件下で、以下の手順で行われる。図９は、ブロックゲージ１が３次元測定機のＸ軸に対して＋４５°をなす方向に沿って位置するように治具１０上で保持された場合についての、直角度補正量の算出手順を説明する図である。３次元測定機のＹ軸が角度ｄθだけずれている場合、ブロックゲージ１の右上点ＰのＸ座標位置は距離ｄＸだけずれる。また、ブロックゲージ１の標準長さをＬとすると、Ｙ座標位置がＬ／√２であらわされるため、ｄＸは、このＬ／√２に対して、角度ずれｄθを乗算することにより、
ｄＸ＝ｄθ＊Ｌ／√２ （１）
として求まる。

Ｙ軸がずれた状態でのブロックゲージ１の測定長さをＬ’とし、Ｘ方向の測定長さをＸ，Ｙ方向の測定長さをＹとすると、ピタゴラスの定理より、
Ｌ’＝√((Ｘ＋ｄＸ）^２＋Ｙ^２）
となる。ここで、ｄＸは、Ｘに比べ十分に小さく、また、√（１＋Ａ）≒１＋Ａ／２の近似条件を用いれば、
Ｌ’≒√（Ｘ^２＋Ｙ^２＋２＊Ｘ＊ｄＸ）
＝Ｌ＊√（１＋２＊Ｘ＊ｄＸ／Ｌ^２）
≒Ｌ＋１／２＊２＊Ｘ＊ｄＸ／Ｌ^２
（４５°をなす方向に沿って設置されているのでＸ＝Ｌ／√２であり）
＝Ｌ＋ｄＸ／√２
と求まる。すなわち、直角度ずれによる全長の変化ｄＬと、Ｘ軸方向の位置ずれｄＸとの間には、
ｄＸ＝ｄＬ／√２ （２）
の関係がある。

よって、治具１０上に保持されるブラックゲージ１がＸ軸に対して＋４５°をなす方向及び−４５°をなす方向に沿って設置された場合における差は２＊ｄＬとなり、ブロックゲージ１の測定長さＬ_＋４５及びＬ_−４５の間には、
２＊ｄＬ＝Ｌ_＋４５−Ｌ_−４５ （３）
の関係がある。

上記数式（１），（２）及び（３）より、
２＊ｄＬ＝２＊ｄＸ／√２
＝２＊ｄθ＊Ｌ／√２／√２＝ｄθ＊Ｌ
となる。この式をまとめると、Ｙ軸の角度ずれｄθは、
ｄθ＝２＊ｄＬ／Ｌ （４）
となる。以上の計算処理はコンピュータ（不図示）を用いて行われ、Ｙ軸の角度ずれｄθが容易に求まる。

具体的に、Ｘ軸に対して±４５°をなす方向に沿って設置精度について考察すると、標準長さ５０ｍｍのブロックゲージを用い、３次元測定機のＸＹ座標の直角度が５μｒａｄだけずれ、治具１０が±４５°方向に対して５°だけずれている場合、計算シミュレーションによるブロックゲージ長さの測定誤差は２ｎｍ以下である。この結果によれば、実用上、±４５°をなす方向の設置の角度の誤差を±４５°に対して±３°程度以下に抑えておけば、長さ５０ｍｍのブロックゲージの公差６０ｎｍより十分に小さく、高精度の校正を行うことが可能である。

次に、Ｘ軸及びＺ軸、又は、Ｙ軸及びＺ軸の直角度校正方法について説明する。図１を参照して説明したように、治具１０において、ブロックゲージ１は、ブロックゲージ１のたわみが最小になるベッセル点に対応して固定台５上に設けられた３つの突起部６により支持されるとともに、上方から第２のバネ機構４により押さえられるため、図１０に示すように、治具１０が、傾斜台２０の傾斜面２０ａ上で、水平面に対して＋４５°をなす方向に沿って傾斜しつつ設置されても、ブロックゲージ１が重力により動くことがなく、また、第１のバネ機構３により一定の力で基準球２Ａ，２Ｂ及び２Ｃをブロックゲージ１に付勢させることができるため、ブロックゲージ１に対する基準球２Ａ，２Ｂ及び２Ｃの接触による歪みを一定にすることができる。これにより、プローブ９を用いて基準球２Ａ，２Ｂ及び２Ｃの表面を形状測定し、基準球２Ａ，２Ｂ及び２Ｃの中心を算出する上で、高精度の測定が実現可能である。なお、ここでは、治具１０が設置される角度の測定が、ブロックゲージ１の両側端面に当接させられた基準球の高さに基づき行われる。

図１０に示すように、治具１０がＸＹ平面に対し±４５°をなす方向に設置される状態で、ブロックゲージ１の両側で、各測定面に当接させられた基準球の表面を形状測定し、ブロックゲージ１の長さを測定して、これら２つのブロックゲージ測定長さの差を求め、上記ＸＹ面での直角度を校正したのと同様の手順で、上記（４）式を用いて校正することができる。

なお、本発明は、例示された実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計上の変更が可能であることは言うまでもない。例えば、前述した実施形態では、基準球２Ａ，２Ｂ及び２Ｃとして、同じ直径を有する球が用いられていたが、本発明を実施するには、少なくともブロックゲージ１の同じ測定面１ａに付勢させられる基準球２Ａ及び２Ｂのみが同じ直径を有していればよく、ブロックゲージ１の反対側の測定面１ｂに対して単独で付勢させられる基準球２Ｃは、基準球２Ａ及び２Ｂの直径と異なる直径を有するものであってもよい。

本発明の３次元測定機の治具及び校正方法によれば、ブロックゲージの長さの長ストロークで座標の測定を行うことができるので、１つの基準球の表面を形状測定することによる従来の校正方法（図１１参照）に比べて、長レンジでの長さと直角との校正を行うことができる。

また、従来の工作機械により部材が加工されることで、基準球の配置位置が決まる治具及び校正方法に比べて、本発明では、トレーサビリティのとれたブロックゲージの両側端面に基準球を配置させる構成が採用されるため、基準として用いる治具自体の高精度の加工は不必要で、別の測定機による治具の校正測定も不要であり、かつ、高精度の校正を行うことができる。

以上のように、本発明の３次元測定機の治具及び校正方法によれば、垂直な面を測定することができない場合にも、３つの基準球を用いてブロックケージの側端面座標を求めることができ、これにより、長さ標準器としてのブロックゲージを介してトレーサビリティのある高精度の校正を行うことができる。

３次元測定機のＸＹＺ座標校正に用いられる、本発明の実施形態１に係る治具の平面図である。 上記実施形態１に係る治具の側面図である。 上記治具に組み込まれる第１のバネ機構を拡大して示す平面図である。 上記第１のバネ機構を拡大して示す側面図である。 （ａ）ブロックゲージの両側端面に当接する基準球がブロックゲージの平面方向に対して平行に配置された状態での、基準球の中心間の距離をあらわす図である。 （ｂ）ブロックゲージの両側端面に当接する基準球がブロックゲージの平面方向に対してずれた状態での、基準球の中心間の距離をあらわす図である。 ３つの基準球を用いたブロックゲージの長さの測定方法についての説明図である。 ３次元測定機のＸ軸に対して＋４５°だけ傾斜しつつＸＹ平面上に設置された治具を示す図である。 ３次元測定機のＸ軸に対して−４５°だけ傾斜しつつ設置されたＸＹ平面上に設置された治具を示す図である。 直角度補正量の計算手順についての説明図である。 治具がＸＺ平面又はＹＺ平面に設置された状態での直角度の検出方法についての説明図である。 ３次元測定機のＸＹＺ座標の直角度校正に用いられる従来の治具の一例を示す図である。 図１１に示す治具を用いた３次元測定機の誤差測定結果をあらわすグラフである。 （ａ）３次元測定機の長さ校正に用いられる、複数の球が直線状に配列された従来の治具の平面図である。 （ｂ）図１３の（ａ）に示す治具の側端面を示す図である。 複数の球が台形状の治具本体に取り付けられてなる従来の治具の平面図である。 各種の方向に沿って配置される図１５に示す治具の斜視図である。 ブロックゲージが積層され段差が設けられた従来の治具の側面図である。

符号の説明

１…ブロックゲージ，１ａ，１ｂ…ブロックゲージの側端面，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ…基準球，３…第１のバネ機構，４…第２のバネ機構，５…固定台，５ａ…基準球の設置面，６…突起部，７…規制部材，８…ピン，９…プローブ，１０…治具。

Claims (4)

1. 長さ標準器であるブロックゲージと、
   それぞれ所定の基準径をもつ少なくとも３つの基準球と、
   上記ブロックゲージの側端面に一定の力で上記各基準球を当接させる付勢手段とを備え、
   上記基準球は、少なくとも１つが上記ブロックゲージの第一の側端面側に配置され、少なくとも２つが上記第一の側端面と反対側の第二の側端面側に配置されていることを特徴とする３次元測定機の校正治具。
2. 上記ブロックゲージを保持する台部材と、上記台部材上に設けられた上記ブロックゲージを複数点で支持するための少なくとも３つの支持手段とを備えたことを特徴とする請求項１記載の３次元測定機の校正治具。
3. 長さ標準器であるブロックゲージと、それぞれ所定の基準径をもつ少なくとも３つの基準球と、上記ブロックゲージの側端面に一定の力で上記各基準球を当接させる付勢手段とを備え、上記基準球は、少なくとも１つが上記ブロックゲージの第一の側端面側に配置され、少なくとも２つが上記第一の側端面と反対側の第二の側端面側に配置されている校正治具を設置し、
   上記各基準球の表面形状を測定して上記各基準球の中心点を求め、
   上記各基準球の中心点間距離と上記基準径より上記ブロックゲージの長さを算出し、
   上記算出されたブロックゲージの長さと上記ブロックゲージの標準長さとの差に基づいて３次元測定機の座標を校正することを特徴とする３次元測定機の校正方法。
4. 上記ブロックゲージの長さの算出は、
   上記ブロックゲージの第二の側端面に当接する少なくとも２つの基準球の中心点情報に基づいて上記第二の側端面に沿って平行に延びる線分を算出し、
   上記ブロックゲージの第一の側端面に当接する少なくとも１つの基準球の中心若しくは該基準球が当接する側端面上の点から、前記算出された線分に下ろされる垂線を算出して上記垂線の長さを算出し、
   上記垂線の長さに基づいて上記ブロックゲージの長さを算出することを特徴とする請求項３記載の３次元測定機の校正方法。

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