JP2007183184A - 倣いプローブの校正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】短時間でかつ高精度に倣いプローブの校正を行う倣いプローブの校正方法を提供する。
【解決手段】半径および中心座標値が既知の真球であるマスターボール７の表面を倣い測定する測定経路として第１測定経路７１と第２測定経路７２とを設定する（測定経路設定工程）。次に、測定経路設定工程において設定された第１測定経路７１および第２測定経路７２を倣い測定する（測定工程）。測定工程における倣いプローブの検出センサの出力値を測定経路７１、７２上の座標値と対比して、この検出センサの出力値を補正する補正データを算出する（補正データ算出工程）。ここで、測定経路設定工程にて設定される第１測定経路７１および第２測定経路７２は、マスターボール７の表面において螺旋形状である。そして、２つの測定経路７１、７２の起点７１１、７２１は赤道上において互いに９０度ずれている。
【選択図】図３

Description

本発明は、倣いプローブの校正方法に関する。

被測定物表面を倣い走査して被測定物の表面性状や立体的形状を測定する表面倣い測定装置が知られ、例えば、粗さ測定機、輪郭形状測定機、真円度測定機、三次元測定機などが知られている。
図６に、倣いプローブを利用した表面倣い測定装置としての測定システムの構成を示す。
この測定システム１００は、倣いプローブ２を移動させる三次元測定機１と、手動操作するジョイスティック３１を有する操作部３と、三次元測定機１の動作を制御するモーションコントローラ４と、モーションコントローラ４を介して三次元測定機１を動作させるとともに三次元測定機１によって取得した測定データを処理して被測定物Ｗの寸法や形状などを求めるホストコンピュータ５と、を備えている。

倣いプローブ２は、図７に示されるように、先端に接触部（測定子）２２を有するスタイラス２１と、スタイラス２１の基端を一定の範囲内でＸｐ方向、Ｙｐ方向、Ｚｐ方向にスライド可能に支持する支持部２３とを備えている。
支持部２３は、互いに直交する方向に移動可能なｘｐスライダ、ｙｐスライダおよびｚｐスライダを有するスライド機構（不図示）と、スライド機構の各軸方向の変位量を検出するとともに検出した変位量を出力するプローブセンサ２４（図１参照）とを備えている。
スタイラス２１はスライド機構によって支持部２３に対して一定の範囲内でスライド可能に支持されている。
なお、このような倣いプローブの構成は、例えば特許文献１に記載されている。

このような構成において、接触部２２を基準押込量Δｒで被測定物表面に当接させた状態で、倣いプローブ２を被測定物表面に沿って倣い移動させる。このとき、三次元測定機１の駆動量から倣いプローブ２の移動軌跡が得られる。そして、倣いプローブ２の移動軌跡は、すなわち、接触部２２の移動軌跡となるところ、接触部２２の中心点の移動軌跡に対して接触部２２の半径ｒ分だけオフセットした位置に被測定物表面と接触部２２との接触点が存在する。

ただし、基準押込量Δｒで押し込まれた状態で接触部２２は倣い走査する。
図８は、接触部２２を被測定物Ｗに基準押込量Δｒだけ押し込んだ状態を説明する図である。まず、図８（Ａ）は、接触部２２が被測定物Ｗに接触した状態で、基準押込量Δｒがゼロの状態を示す。
この状態では、接触部２２の中心Ｐ１から被測定物Ｗの当接点までの距離は、接触部２２の半径ｒに等しい。この場合、基準押込量Δｒがゼロであるために、倣いプローブ２の接触部２２が、被測定物Ｗに接触しているか否かの判断が行えない。この状態から倣いプローブ２の接触部２２を被測定物Ｗに対して、基準押込量Δｒが所定値となるまで押し込んだ状態を、図８（Ｂ）に示す。この状態においては、被測定物Ｗに対して接触部２２が測定圧で決まる圧力で押圧されるため、スタイラス２１にたわみが生じる。

その結果、接触部２２の中心Ｐ２から被測定物Ｗの当接点までの距離が接触部２２の半径ｒに等しいことは、図８（Ａ）と同一であるが、プローブセンサ２４の検出位置（図８（Ａ）に対して、基準押込量Δｒだけシフトした位置＝見かけ上の接触部中心Ｐ３）から被測定物Ｗの当接点まで距離はＱ（オフセット値）となり、接触部２２の半径ｒとは異なる値となる。このようにオフセット値Ｑが接触部２２の半径ｒと異なる値をとる原因としては、既に説明したスタイラス２１のたわみの影響の他、接触部２２の真球度の影響が考えられる。
このように、見かけ上の接触部中心Ｐ３が描く移動軌跡から被測定物表面方向へオフセット値Ｑだけ補正されると、被測定物表面の形状が求められる。

ここで、プローブセンサによるスタイラス２１の変位量検出には誤差が生じる。すると、押込量に誤差が生じるので、測定誤差につながる。そこで、プローブセンサの検出誤差を補正するために補正係数が設定される（例えば、特許文献２）。
例えば、補正係数としては、（Ｋｘｐ、Ｋｙｐ、Ｋｚｐ）が設定され、プローブセンサによる検出値（Ｘｐ、Ｙｐ、Ｚｐ）が次の式により補正される。Ｘｄ、ＹｄおよびＺｄは、プローブセンサ出力値を補正係数によって補正した値である。

Ｘｄ＝Ｋｘｐ・Ｘｐ
Ｙｄ＝Ｋｙｐ・Ｙｐ
Ｚｄ＝Ｋｚｐ・Ｚｐ

このようにプローブセンサの検出値を補正して求められた接触部２２の見かけ上の中心に対し、さらに、被測定物表面方向へ向けてオフセット値Ｑを補正すると、被測定物表面位置が求められる。

ここで、被測定物に対して接触部２２が接触する方向によってスタイラス２１のたわみや接触部２２が被測定物表面に接触する位置が異なってくるので、測定誤差は、接触部２２が被測定物表面に接触する方向によって異なってくる。そのため、高精度の補正を行うためには、複数の接触方向において測定値と真値との差を求め、複数のデータに基づいて補正係数が設定されなければならない。

そこで、補正係数を設定するにあたっては、半径既知の真球を校正基準（マスターボール７）として用意し、このマスターボール７の表面上を複数の軌道に沿って多点測定することにより、複数の接触方向におけるデータを取得することが行われている。

従来、マスターボール７を多点測定するにあたっては、例えば、図９に示す軌道が知られている。図９では、マスターボール表面の赤道（ＸＹ平面）に沿った経路７６１と、さらに、経度０度（ＸＺ面内）においてマスターボールの半球部を測定する経路７６２と、経度９０度（ＹＺ面内）においてマスターボールの半球部を測定する経路７６３と、の３つの経路が設定される。そして、各経路７６１〜７６３を測定するにあたっては、大きい押込量と小さい押込量との二種類の押込量で測定を行い、さらに、各経路は行きと戻りの往復で測定が行われる。
このときのサンプリングピッチについては、校正の精度に応じて適宜設定される。上述のマスターボール７の多点測定によって取得されたデータに基づいて補正係数が算出される。
なお、補正係数は、軸（Ｘｐ方向、Ｙｐ方向、Ｚｐ方向）ごとに設定されてもよく、接触部２２が被測定物表面に接触する接触方向ごとに設定されてもよく、補正係数の設定の仕方は補正の精度に応じて適宜選択されるものである。

特開平０５−２５６６４０号公報 特開２００３−１１４１１２号公報

しかしながら、マスターボール７を多点測定するにあたり、従来（図９）のように横方向の経路（赤道の経路７６１）と縦方向の経路（経線の経路７６２、７６３）とが設定されていては、横方向の経路（７６１）を測定した後に続いて縦方向の経路（７６２、７６３）を測定する場合に、次の経路へ移るのに時間がかかるという問題があった。

さらに、横方向の経路（７６１）と縦方向の経路（７６２、７６３）とが別々に独立しているので、マスターボール表面を満遍なく測定するには複数の経路を横方向および縦方向に設定せねばならず、全体として経路が長くなるという問題がある。特に、マスターボール７の直径が小さい（例えば、直径２０ｍｍ前後）のでマスターボール表面の曲率が大きく、マスターボール表面を倣い測定する際には非常に低速で倣い走査が行われる。そのため、経路が長いとマスターボール７を表面倣い走査するのに非常に時間がかかっていた。

また、図９のごとく、赤道（ＸＹ平面）に沿った経路７６１、経度０度（ＸＺ面内）の経路７６２および経度９０度（ＹＺ面内）の経路７６３を設定したとしても、例えば、経度４５度（ＸＺ面に対して４５度の面内）の経路のデータが取得できていないなど校正データの空白領域が生じており、接触方向ごとに補正係数を設定する場合にはデータ不足となるので高精度の校正を行うことが難しいという問題がある。もちろん、経度４５度や経度１３５度の経路を設定するなどにより経路の本数を増やせばよいとも考えられるが、経路増やせばそれだけ測定にかかる時間が増大するので現実的ではない。このような問題により、倣いプローブの校正を短時間でかつ高精度に行うことはできなかった。

本発明の目的は、従来の問題を解消し、短時間でかつ高精度に倣いプローブの校正を行う倣いプローブの校正方法を提供することにある。

本発明の倣いプローブの校正方法は、被測定物表面に近接あるいは当接される測定子、および、前記測定子と被測定物表面との相対位置を検出する検出センサを有し、前記測定子と前記被測定物表面との相対位置を予め設定された基準位置範囲に保って倣い走査する倣いプローブの前記検出センサから出力されるセンサ出力を補正するための補正データを作成する倣いプローブの校正方法であって、半径および中心座標値が既知の真球であるマスターボールの表面を倣い測定する測定経路を設定する測定経路設定工程と、前記測定経路設定工程において設定された前記測定経路を倣い測定する測定工程と、前記測定工程における前記検出センサの出力値を前記測定経路上の座標値と対比して、この検出センサの出力値を補正する補正データを算出する補正データ算出工程と、を備え、前記測定経路設定工程にて設定される測定経路は、マスターボールの表面において螺旋形状であることを特徴とする。

このような構成において、測定経路設定工程により設定した測定経路に沿ってマスターボールの表面上を倣い測定してマスターボール表面の複数点の測定データを取得する（測定工程）。このとき、測定経路は、マスターボールの表面を螺旋形に倣う経路であるので、この螺旋形の起点から終点まで測定子を倣い移動させる。ここで、マスターボールは、半径および中心点が既知であるので、マスターボールの表面に設定した測定経路の座標は既知である。そこで、測定工程により取得した測定データと測定経路の既知の座標点とを対比して、検出センサの出力値を補正する補正データを得る（補正データ算出工程）。
このような構成によれば、測定経路は螺旋形であるので、螺旋の起点から終点までを一連の倣い測定動作によって測定することができる。

従来は、マスターボールの表面を倣い測定して校正用の測定データを得る場合に、測定経路は、赤道方向の周回と経線方向の周回とで分離していた。このように赤道方向と経線方向とで分離した測定経路を設定した場合、十分な校正精度が得られる程度にマスターボールを複数の方向から測定するためには、複数の経路を設定しなければならず、測定経路が全体として長くなっていた。そのため長い測定経路を測定するために時間を要していた。

この点、本発明では、測定経路を螺旋形状とし、この螺旋に沿って測定子を高さ方向と周回方向とで同時に移動させることとするので、螺旋の起点、終点およびピッチを適切にとれば螺旋の長さをそれほど長くとらなくてもマスターボールの表面全体をほぼ満遍なく総ての方向から測定することができる。よって、測定経路を短くできることにより倣いプローブの校正にかかる時間を短くすることができる。

また、従来は、赤道方向と経線方向とで分離して多数の経路を設定していたために一つの経路を測定した後に次の経路へ移るのに時間を要していた。この点、本発明では、測定経路を螺旋形状とし、高さ方向と周回方向の移動を同時にできるので、経路を多数設定しなくても一本の螺旋の長さを長めにしてマスターボール表面の全体をほぼ満遍なく総ての方向から測定することができる。よって、測定経路を複数設定する必要がないので、一つの経路から次の経路に移る時間を削減することができ、倣いプローブの校正に要する時間を短くすることができる。

本発明では、前記測定経路は、赤道上の任意の点を起点とし、極を終点とする螺旋形状であって、高さ方向に前記マスターボールの半径分だけ変位する間に少なくとも３６０度の回転角変化があることが好ましい。

このような構成によれば、螺旋形状の測定経路はマスターボールの半球部分に設定され、さらに、赤道上の点から極まで間で螺旋が一回転以上する。よって、測定経路を最も少なくして一本とする場合でも、マスターボールの半球部分について十分に複数の方向から測定することができ、校正用の補正データを取得することができる。測定経路の本数が少なくても校正用の測定データを十分に取得することができるので、測定経路の本数を少なくすることができる。その結果、一の経路から他の経路に測定子を移動させる時間を削減し、倣いプローブの校正に要する時間を短縮することができる。

本発明では、前記螺旋形状の測定経路は複数本設定され、それぞれの測定経路の起点は、赤道上において異なる位置であることが好ましい。

このような構成によれば、それぞれの起点が異なる測定経路を設定することにより、一の測定経路と他の測定経路とでマスターボール表面上の異なる点を測定することになる。よって、マスターボールの表面上をより多くの点で測定することにより、校正用の測定データを十分に取得することができる。

ここで、それぞれの測定経路の起点は赤道上において異なる位置であるが、終点については総て極で一致しているので、一の経路を測定したあとに次の経路を測定する場合には、一の測定経路を赤道上の起点からスタートして極の終点に至ったのち、次の測定経路は極にある終点から赤道上の起点に向けて逆向きに測定してもよい。すると、一の測定経路から次の測定経路に移る時間を要しないので、倣いプローブの校正を短時間に行うことができる。

ここで、それぞれの測定経路の起点を赤道上において異なる位置とする場合には、例えば、９０度ずつずれた位置にすることが例として挙げられる。

以下、本発明の実施の形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
（第１実施形態）
本発明の倣いプローブの校正方法について説明する。
まず、校正対象となる倣いプローブを備えた測定システムの構成について簡単に説明する。
図１は、測定システムの全体構成を示す図である。
図２は、接触部と被測定物との接触方向（Ｄ１〜）ごとに設定された補正係数および補正半径を格納した補正テーブルの構成を示す図である。

測定システム１００の概略構成は、背景技術で説明した構成に同様であり、三次元測定機１と、三次元測定機１の動作を手動操作する操作部３と、三次元測定機１の駆動制御を実行するモーションコントローラ４と、モーションコントローラ４に所定の指令を与えるとともに被測定物Ｗの形状解析等の演算処理を実行するホストコンピュータ５と、測定条件等を入力する入力手段６１と、測定結果を出力する出力手段６２と、を備えている。

三次元測定機１は、定盤１１と、定盤１１に立設されて倣いプローブ２を三次元的に移動させる駆動機構（移動手段）１２と、駆動機構１２の駆動量を検出する駆動センサ１３（図１参照）とを備えて構成されている。
駆動機構１２は、定盤１１の両側端から定盤１１に略垂直方向であるＺｍ方向に高さを有するとともに定盤１１の側端に沿ったＹｍ軸方向へスライド可能に設けられた二本のビーム支持体１２１と、ビーム支持体１２１の上端に支持されてＸｍ方向に長さを有するビーム１２２と、ビーム１２２にＸｍ方向にスライド可能に設けられＺｍ軸方向にガイドを有するコラム１２３と、コラム１２３内をＺｍ軸方向にスライド可能に設けられ下端にて倣いプローブ２を保持するスピンドル１２４と、を備える。

駆動センサ１３は、図１に示されるように、ビーム支持体１２１のＹｍ方向への移動を検出するＹｍ軸センサ１３１と、コラム１２３のＸｍ方向への移動を検出するＸｍ軸センサ１３２と、スピンドル１２４のＺｍ方向への移動を検出するＺｍ軸センサ１３３と、を備えている。駆動センサ１３による検出結果はモーションコントローラ４を経由してホストコンピュータ５に出力される。

倣いプローブ２は、先端に接触部（測定子）２２を有するスタイラス２１と、
スタイラス２１の基端を一定の範囲内でＸｐ方向、Ｙｐ方向、Ｚｐ方向にスライド可能に支持する支持部２３と、を備えている。接触部２２は、半径ｒの略真球に加工されている。支持部２３は、互いに直交方向に移動可能なｘｐスライダ、ｙｐスライダおよびｚｐスライダを有するスライド機構（不図示）と、スライド機構の各軸方向の変位量を検出するとともに検出した変位量を出力するプローブセンサ（検出センサ）２４とを備えている。スタイラス２１はスライド機構によって支持部２３に対して一定の範囲内でスライド可能に支持されている。

プローブセンサ２４は、図１に示されるように、スタイラス２１のＸｐ方向への移動を検出するＸｐ方向センサ２４１と、スタイラス２１のＹｐ方向への移動を検出するＹｐ方向センサ２４２と、スタイラス２１のＺｐ方向への移動を検出するＺｐ方向センサ２４３と、を備えている。プローブセンサ２４によって検出されたスタイラス２１の変位量はモーションコントローラ４を経由してホストコンピュータ５に出力される。

操作部３は、操作盤に揺動可能に設けられ倣いプローブ２の移動を手動で操作する手動操作部材としてのジョイスティック３１を備えている。

モーションコントローラ４は、駆動センサ１３およびプローブセンサ２４からの検出信号を計数するカウンタ部４１と、ホストコンピュータ５および操作部３からの指令に応じて駆動機構１２を駆動制御する駆動制御回路（駆動制御手段）４２と、を備えて構成されている。

カウンタ部４１は、駆動センサ１３から出力されるパルス信号をカウントして駆動機構１２の駆動量を計測する駆動カウンタ４１１と、プローブセンサ２４から出力されるパルス信号をカウントしてスタイラス２１のスライド量を押込量として計測するプローブカウンタ４１５と、を備えている。
駆動カウンタ４１１は、Ｙｍ軸センサ１３１からの出力を計数するＹｍ軸カウンタ４１２と、Ｘｍ軸センサ１３２からの出力を計数するＸｍ軸カウンタ４１３と、Ｚｍ軸センサ１３３からの出力を計数するＺｍ軸カウンタ４１４と、を備えている。
プローブカウンタ４１５は、Ｘｐ方向センサ２４１からの出力を計数するＸｐ方向カウンタ４１６と、Ｙｐ方向センサ２４２からの出力を計数するＹｐ方向カウンタ４１７と、Ｚｐ方向センサ２４３からの出力を計数するＺｐ方向カウンタ４１８と、を備えている。
駆動カウンタ４１１によるカウント値（Ｘｍ、Ｙｍ、Ｚｍ）およびプローブカウンタ４１５によるカウント値（Ｘｐ、Ｙｐ、Ｚｐ）はそれぞれホストコンピュータ５に出力される。

ホストコンピュータ５は、入力手段６１によって設定入力される測定条件等を記憶するメモリ（記憶装置）５１と、被測定物表面に倣う移動方向および移動速度の倣いベクトルを指令する倣いベクトル指令部５２と、倣いプローブ２が被測定物Ｗに接触する方向に関して設定された補正データを格納した補正テーブル５３と、測定データに基づいて被測定物Ｗの形状を解析するとともに校正モードにおいて補正テーブル５３の補正データを算出する形状解析部５４と、演算装置および記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ）を有し所定プログラムの実行やデータ処理等を行う中央処理部（ＣＰＵ）５５と、メモリ５１、倣いベクトル指令部５２、補正テーブル５３、形状解析部５４および中央処理部５５を接続するバス５６と、を備えている。

メモリ５１は、入力手段６１から設定入力される測定条件等を記憶し、例えば、倣い走査中に駆動機構１２の駆動量をサンプリングする間隔（サンプリングピッチ５１１）や、接触部２２を被測定物Ｗに対して押し込む量Δｒ（基準押込量５１２）や、被測定物Ｗの設計データなどによる輪郭データ５１３などを記憶する。
倣いベクトル指令部５２は、例えば、メモリ５１に設定された輪郭データ５１３に基づいて被測定物Ｗを倣い走査するベクトル指令を生成する。また、倣いベクトル指令部５２は、プローブカウンタ４１５の出力に基づいて押込量を基準押込量Δｒで所定範囲（基準位置範囲）にする押込方向のベクトル指令を生成する。倣いベクトル指令部５２で生成されたベクトル指令は、駆動制御回路４２に出力される。

補正テーブル５３は、図２に示されるように、倣いプローブ２と被測定物Ｗとが接触する方向（Ｄ１〜）に関して、プローブカウンタ４１５のカウンタ値を被測定物表面の座標値に補正する補正データを有する。補正テーブル５３は、補正データとして、プローブカウンタ４１５のカウンタ値を補正するための補正係数（Ｋｘｐ、Ｋｙｐ、Ｋｚｐ）と、接触部２２の（見かけの）中心座標値に対する被測定物表面までの補正半径ｒ（オフセット値Ｑ）と、を格納している。すなわち、補正テーブル５３には、プローブカウンタ４１５のカウンタ値（Ｘｐ、Ｙｐ、Ｚｐ）に乗算されて軸ごとのカウンタ値を補正する補正係数（Ｋｘｐ、Ｋｙｐ、Ｋｚｐ）が設定されている。また、補正テーブル５３には、接触部２２の（見かけの）中心座標値に対して被測定物表面の法線に沿って加算（あるいは減算）され、接触部２２の中心座標値を被測定物表面の座標値に補正する補正半径ｒ（オフセット値Ｑ）が設定されている。

ここで、補正テーブル５３は、補正係数（Ｋｘｐ、Ｋｙｐ、Ｋｚｐ）および補正半径ｒを予め設定された複数の方向（Ｄ１〜）に関して有している。複数の方向（Ｄ１〜Ｄ２９）は、接触部２２を被測定物表面に接触させる方向であり、このように補正テーブル５３に設定される方向としては、被測定物Ｗを測定する際に接触部２２を被測定物表面に接触させるすべての方向から均質に抽出されていることが望ましい。あるいは、互いに逆方向を向く方向に関しては補正係数および補正半径が略等しいとして、互いに逆を向く方向については一方のみについて補正係数および補正半径を有していてもよい。
なお、補正テーブル５３が作成される工程については、図３〜図５を参照して後述する。

形状解析部５４は、カウンタ部４１によるカウント値および補正テーブル５３に設定された補正データに基づいて被測定物表面の形状を解析する。
また、形状解析部５４は、校正モードにおいては、測定データに基づいて測定誤差を真値に補正する補正係数および補正半径を算出する。

次に、倣いプローブの校正方法として、補正テーブルの作成方法について説明する。この倣いプローブの校正は、校正モードにより実行される。
図３は、マスターボールの表面上に設定した校正用の測定経路を示す図である。
図４は、マスターボールを北極側（＋Ｚ方向）からみたときの測定経路を示す図である。
図５は、倣いプローブの校正方法の手順を示すフローチャートである。

まず、ＳＴ１において、マスターボール７を用意する。マスターボール７は、半径既知の真球に加工されて、例えば、図５中に示されるように定盤１１上に配設されることが例示される。

ＳＴ２において、マスターボール７の中心座標値および半径を決定する。
マスターボール７の中心座標値および半径を決定する方法としては、例えば、予め校正された別の倣いプローブによってマスターボール７を多点測定して中心および半径を決定してもよい。あるいは、タッチ信号プローブやレーザーのドップラー効果を利用した検出器などを用いてマスターボール７を多点測定して中心および半径を求めてもよい。このようにして求められたマスターボール７の中心座標値および半径は、ホストコンピュータ５に記憶される。
なお、マスターボール７は、予め半径既知の真球に加工されているので、この設計データから半径を知ることもできる。

ＳＴ３において、マスターボール７の球面上に測定経路を設定する。
先のＳＴ２において決定されたマスターボール７の中心座標値および半径を用いて、マスターボール７の球面上に測定経路を設定する。
ここで、測定経路としては、図３に示されるように螺旋状の２つの経路７１、７２が設定される。２つの螺旋状の測定経路７１、７２は、起点７１１、７２１が赤道上にあり、終点７３が北極点である。そして、２つの測定経路７１、７２の起点７１１、７２１は赤道上において互いに９０度ずれている。
ここで、螺旋の巻数は特に限定されるものではないが、本実施形態においては、図４に示されるように、各経路７１、７２は起点７１１、７２１から終点７３までで３６０度回転している。

なお、Ｘ軸上に起点を有する測定経路を第１測定経路７１とし、ｙ軸上に起点を有する測定経路を第２測定経路７２とする。
また、第１測定経路７１の起点を第１起点７１１とし、第２測定経路７２の起点を第２起点７２１とする。

ＳＴ４からＳＴ６において、第１測定経路７１の測定を行う。
まず、ＳＴ４において、倣いプローブ２の接触部２２を第１起点７１１に移動させる。そして、基準押込量Δｒまで接触部２２をマスターボール７に押し込んでいく。第１起点７１１から北極点にある終点７３まで第１測定経路７１に沿ってマスターボール７の表面を倣い測定する（ＳＴ５）。
このときのサンプリングピッチは、校正の精度に応じて適宜設定されていればよい。

ＳＴ５において、終点７３まできたら、次は、ＳＴ６において第１測定経路７１を北極点７３から第１起点７１１に向けて逆向きに測定する。

次に、ＳＴ７からＳＴ９において、第２測定経路７２を測定する。ＳＴ７において、倣いプローブ２の接触部２２を第２起点に移動させる。そして、基準押込量Δｒまで接触部２２をマスターボール７に押し込んでいく。第２起点７２１から北極点にある終点７３まで第２測定経路７２に沿ってマスターボール７の表面を倣い測定する（ＳＴ８）。

ＳＴ８において、終点７３まできたら、次は、ＳＴ９において第２測定経路７２を北極点から第２起点７２１に向けて逆向きに測定する。

このＳＴ５からＳＴ９によって取得された測定データは、形状解析部に出力される。

次に、ＳＴ１０において、補正係数および補正半径の算出を行う。
ここで、マスターボール７の表面上に設定された第１測定経路７１および第２測定経路７２上の各測定点については、球面上に設定された螺旋上の点であるので演算によって予め座標点を求めることができる。そこで、取得した測定データと演算的に求められた各座標点とを対比して、測定データを補正する補正係数および補正半径を算出する。算出された補正係数および補正係数は、各測定データを取得した接触方向ごとに補正テーブル５３に格納される（ＳＴ１１）。

このようにして作成された補正テーブル５３を備える第１実施形態において、実際に被測定物を測定する動作（実測モード）について簡単に説明する。
まず、測定に先だって測定条件を設定入力する。測定条件としては、サンプリングピッチ５１１、基準押込量５１２、被測定物の輪郭データ５１３などが挙げられる。次に、輪郭データ５１３に基づいて倣いベクトル指令部５２で生成される倣いベクトル指令が駆動制御回路４２に出力される。すると、駆動制御回路４２から駆動機構１２に制御信号が出力されて駆動機構１２が駆動される。駆動機構１２によって倣いプローブ２が被測定物表面に対して基準押込量Δｒまで押し込まれた状態で被測定物表面に沿って倣い移動される。また、倣い走査時にプローブカウンタ４１５から倣いベクトル指令部５２に出力されるプローブカウンタ値に基づいて、押込量が基準押込量Δｒに制御される。

倣いプローブ２で被測定物表面を走査するときの駆動機構１２の駆動量が駆動センサ１３で検出され、スタイラス２１の変位量がプローブセンサ２４で検出される。駆動センサ１３のセンサ出力は駆動カウンタ４１１でカウントされ、プローブセンサ２４のセンサ出力はプローブカウンタ４１５でカウントされる。
なお、このようなカウンタ部４１でカウントされたデータは、設定されたサンプリングピッチ５１１で取得される。カウンタ部４１（駆動カウンタ４１１およびプローブカウンタ４１５）でカウントされて取得されたカウント値は形状解析部５４で解析処理されて被測定物の表面形状が求められる。

形状解析部５４において、倣いプローブ２の変位（Ｘｐ、Ｙｐ、Ｚｐ）から接触方向単位ベクトルが算出され、接触部２２が被測定物Ｗに接触する方向が算出される。取得されたすべてのプローブカウンタ値について接触方向単位ベクトルが算出されると、これら接触方向単位ベクトルに基づいてプローブカウンタ値を補正する補正係数が補正テーブル５３から選択される。このとき、例えば、接触方向単位ベクトルと補正テーブル５３に設定された方向（Ｄ１〜）の単位ベクトルとの内積が算出されて、内積の絶対値が一番大きくなる方向が選択される。
ここで、内積の絶対値とするのは、方向が逆向きである場合に対応するためである。そして、その方向（Ｄ１〜）に対応する補正係数（Ｋｘｐ、Ｋｙｐ、Ｋｚｐ）が読み出される。

読み出された補正係数（Ｋｘｐ、Ｋｙｐ、Ｋｚｐ）は、対応するプローブカウンタ値（Ｘｐ、Ｙｐ、Ｚｐ）に乗算される。プローブカウンタ値が補正されて、補正されたプローブカウンタ値（Ｘｄ、Ｙｄ、Ｚｄ）により被測定物Ｗに対する倣いプローブ２の押込量が正確に求められる。すると、接触部２２の（見かけの）中心座標値が求められる。

また、接触方向単位ベクトルに基づいて、接触部２２の（見かけの）中心座標を被測定物Ｗとの接触点座標値に補正する補正半径ｒが各カウンタ値に対して選択される。選択された補正半径ｒは、接触部２２の中心座標値に加算（あるいは減算）される。すると、接触部２２と被測定物表面との接触点の座標が算出される。算出された接触点の座標値と駆動カウンタ４１１でカウントされた駆動機構１２の移動量とが合成される。すると、被測定物表面の形状が求められる。

このような構成を備える第１実施形態によれば、次の効果を奏することができる。
（１）第１測定経路７１および第２測定経路７２を螺旋形状とし、螺旋に沿って接触部２２を高さ方向と周回方向とで同時に移動させることとするので、測定経路７１、７２の起点７１１、７２１を赤道上の点とし終点７３を極とし、さらに、起点７１１、７２１から終点７３までの間に一回転以上マスターボールを周回することにより、螺旋の長さをそれほど長くとらなくてもマスターボール７の半球部についてはほぼ満遍なく総ての方向から測定することができる。よって、測定経路７１、７２の長さを短くして、倣いプローブ２の校正にかかる時間を短くすることができる。

（２）第１測定経路７１および第２測定経路７２を螺旋形状とし、高さ方向と周回方向の移動を同時にできるので、経路を多数設定しなくても２つの測定経路７１、７２によりマスターボール７の半球部についてはほぼ満遍なく総ての方向から測定することができる。よって、測定経路を多数設定しなくてもよいので、一つの経路から次の経路に移る時間を削減することができ、倣いプローブ２の校正に要する時間を短くすることができる。

（３）２本の測定経路７１、７２はそれぞれの起点７１１、７２１が異なっているので、第１測定経路７１と第２測定経路７２とでマスターボール表面上の異なる点を測定できる。よって、マスターボール７の表面上をより多くの点で測定することにより、校正用の測定データを十分に取得することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、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。
補正テーブル５３には補正係数だけを設定しておいて、倣い走査中に押込量が正確に一定になるように制御してもよい。すると、接触部２２が真球であってオフセット値を常に一定値とみなせば、接触方向に応じてオフセット値を補正する必要はない。

測定経路はマスターボールの半球部分に設定しており、逆方向で平行な方向における接触点については、内積の絶対値を計算することにより選択するとしたが、マスターボール７の全表面に渡って螺旋形状の測定経路を設定して補正データを作成してもよい。
螺旋形状である測定経路の巻き数は１回転以上であってもよいことはもちろんであり、また、測定経路の本数も２本に限らず３以上の複数本であっても良いことはもちろんである。

接触部２２の形状は真球に限られず、算盤球形状や円板状であってもよい。

駆動機構１２によって倣いプローブ２が移動される場合について説明したが、倣いプローブ２とマスターボール７とは相対移動でよいので、倣いプローブ２を固定してマスターボールが移動してもよい。

測定子としては、被測定物の表面に当接する接触部２２を例とし、検出センサとしては、接触部２２が被測定物表面から押し込まれた変位量を測定するプローブセンサを例として説明したが、測定子は被測定物表面に当接する場合に限らず、例えば、被測定物表面に対してギャップを有する状態で被測定物表面に沿って倣い走査してもよい。
例えば、測定子として、被測定物表面と静電容量結合する電極を有し、この電極の電位を一定に保った状態で被測定物表面を倣い走査する静電容量式プローブであってもよい。この場合、一例として、検出センサとしては電極の電位を検出する電位センサを利用できる。あるいは、被測定物表面に光を照射するとともに被測定物表面からの反射光を検出する光学式プローブであってもよい。例えば、被測定物表面とのギャップを光学式プローブの対物レンズの焦点距離に保って倣い走査する光学式プローブが例として挙げられる。
このような場合でも、プローブを被測定物表面に近接させていく方向によって生じる検出誤差を本発明の補正テーブルによって補正できる。

上記実施形態においては、オフセット値としては、接触部２２の中心点から被測定物表面までの距離や、あるいは、見かけ上の接触部中心から被測定物表面までの距離であるとして説明したが、オフセット値の定義は特に限定されず、測定に使用する基準点のとり方によって適宜定義されればよい。例えば、測定の基準点としてプローブセンサ２４の原点をとってもよい。

また、プローブの温度を測定する温度センサをプローブに備え、プローブの温度を測定した結果に基づいて、基準温度（通常は２０℃）からの温度差を求め、この温度差によって補正データの温度補正を更に行うようにすれば、更に高精度な補正を行うことができる。

上記実施形態において、接触方向単位ベクトルに対して補正テーブルから補正データを選択して、この選択された補正データ（補正係数、補正半径）を用いて補正処理を行うとしたが、接触方向単位ベクトルと一致する方向が補正テーブルに存在しない場合には、補正テーブルに設定された補正データを補間して最適な補正データを求めてもよい。
例えば、接触方向単位ベクトルに近い方向を補正テーブルの測定方向からいくつか選択して、これら選択された測定方向の補正データを内挿することによって、最適な補正データを求めてもよい。

上記実施形態においては、校正用の測定データから接触方向ごとに補正係数および補正半径を算出して補正テーブルに格納する場合について説明したが、校正用の測定データを用いて作成する補正データの構造自体は何ら限定されるものではない。例えば、プローブセンサの出力値（Ｘｐ、Ｙｐ、Ｚｐ）に対して乗算される補正係数を上記実施形態のように（Ｋｘｐ、Ｋｙｐ、Ｋｚｐ）としてもよく、あるいは補正係数は座標変換行列で表されてもよい。

本発明は、倣いプローブの校正に利用でき、倣いプローブを利用した測定システムに利用できる。

第１実施形態において、測定システムの全体構成を示す図。 第１実施形態において、接触部と被測定物との接触方向ごとに設定された補正係数および補正半径を格納した補正テーブルの構成を示す図。 第１実施形態において、マスターボールの表面上に設定した校正用の測定経路を示す図。 第１実施形態において、マスターボールを北極側（＋Ｚ方向）からみたときの測定経路を示す図。 第１実施形態において、倣いプローブの校正方法の手順を示すフローチャート。 従来の倣いプローブを用いた表面倣い測定装置である測定システムを示す図。 倣いプローブの構成を示す図。 接触部を被測定物に基準押込量Δｒだけ押し込んだ状態で見かけ上の接触部中心から被測定物までのオフセット値Ｑを示す図。 マスターボールを多点測定するにあたり従来用いられていた測定経路を示す図。

符号の説明

１…三次元測定機、２…プローブ、３…操作部、４…モーションコントローラ、５…ホストコンピュータ、７…マスターボール、１１…定盤、１２…駆動機構、１３…駆動センサ、２１…スタイラス、２２…接触部、２３…支持部、２４…プローブセンサ、３１…ジョイスティック、４１…カウンタ部、４２…駆動制御回路、５１…メモリ、５２…倣いベクトル指令部、５３…補正テーブル、５４…形状解析部、５５…中央処理部、５６…バス、６１…入力手段、６２…出力手段、７１…第１測定経路、７２…第２測定経路、７３…終点、１００…測定システム、１２１…ビーム支持体、１２２…ビーム、１２３…コラム、１２４…スピンドル、１３１…Ｙｍ軸センサ、１３２…Ｘｍ軸センサ、１３３…Ｚｍ軸センサ、２４１…Ｘｐ方向センサ、２４２…Ｙｐ方向センサ、２４３…Ｚｐ方向センサ、４１１…駆動カウンタ、４１２…Ｙｍ軸カウンタ、４１３…Ｘｍ軸カウンタ、４１４…Ｚｍ軸カウンタ、４１５…プローブカウンタ、４１６…Ｘｐ方向カウンタ、４１７…Ｙｐ方向カウンタ、４１８…Ｚｐ方向カウンタ、５１１…サンプリングピッチ、５１２…基準押込量、５１３…輪郭データ、７１１…第１起点、７２１…第２起点、７６１、７６２、７６３…経路。

Claims (3)

1. 被測定物表面に近接あるいは当接される測定子、および、前記測定子と被測定物表面との相対位置を検出する検出センサを有し、前記測定子と前記被測定物表面との相対位置を予め設定された基準位置範囲に保って倣い走査する倣いプローブの前記検出センサから出力されるセンサ出力を補正するための補正データを作成する倣いプローブの校正方法であって、
   半径および中心座標値が既知の真球であるマスターボールの表面を倣い測定する測定経路を設定する測定経路設定工程と、
   前記測定経路設定工程において設定された前記測定経路を倣い測定する測定工程と、
   前記測定工程における前記検出センサの出力値を前記測定経路上の座標値と対比して、この検出センサの出力値を補正する補正データを算出する補正データ算出工程と、を備え、
   前記測定経路設定工程にて設定される測定経路は、前記マスターボールの表面において螺旋形状である
   ことを特徴とする倣いプローブの校正方法。
2. 請求項１に記載の倣いプローブの校正方法において、
   前記測定経路は、赤道上の任意の点を起点とし、極を終点とする螺旋形状であって、高さ方向に前記マスターボールの半径分だけ変位する間に少なくとも３６０度の回転角変化がある
   ことを特徴とする倣いプローブの校正方法。
3. 請求項２に記載の倣いプローブの校正方法において、
   前記測定経路は複数本設定され、
   それぞれの測定経路の起点は、赤道上において異なる位置である
   ことを特徴とする倣いプローブの校正方法。

Images