JP6500560B2 - 光学式センサーの校正方法、及び三次元座標測定機 - Google Patents

Description

本発明は光学式センサーの校正方法、及び三次元座標測定機に関する。

光学式センサーを利用して、非接触で被測定物（ワーク）の形状を測定することが行われている。例えば、光学式センサーは、ワークに光を照射する光源と、ワークからの散乱光を検出する光検出器とから構成されている。この光学式センサーによりワークの形状を正確に測定するため、光学式センサーに対して校正が行われる（特許文献１．２）。

特開平６−１０２０１３号公報 特開平９−３２９４１７号公報

ところで、光学式センサーの校正では、光学式センサーの製造業者が、光学式センサーの特性（焦点距離、歪み、画像中心等）に応じた校正を、あるいは、光学式センサーの使用者が、光学式センサーの製造業者の指定する基準ワークを用いて光学式センサーの使用における条件（位置、姿勢等）に応じた校正を行っている。

しかしながら、上述の製造業者、又は使用者の校正は、実際に測定するワークとは関係のない基準ワークで行われている。そのため、使用者が、光学式センサーを利用して、任意のワークの形状を測定した場合、光学式センサーでは測定範囲内において、測定誤差が生じる懸念があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、精度の高い光学式センサーの校正方法、及び三次元座標測定機を提供することを目的とする。

本発明の一態様によると、光学式センサーの校正方法は、基準位置を持つ三次元座標測定機の接触式センサーで基準ワークを測定することで第１測定データを取得するステップと、前記基準位置を持つ前記三次元座標測定機の光学式センサーで前記基準ワークを測定することで第２測定データを取得するステップと、前記第１測定データと前記第２測定データとに基づいて前記光学式センサーに対する校正値を算出するステップと、を少なくとも有する。

好ましくは、前記第２測定データを取得するステップにおいて、前記光学式センサーと前記基準ワークとの高さ方向の距離を変えて測定することを含む。

好ましくは、前記第１測定データを取得するステップ、及び前記第２測定データを取得するステップにおいて、前記基準ワークの二次元形状を測定することを含む。

好ましくは、前記基準ワークの表面の性質が、測定対象のワークと同じ表面の性質を有する。

本発明の他の態様によると、三次元座標測定機は、光学式センサーと接触式センサーとを交換可能に取り付け可能な三次元座標測定機において、接触式センサーで基準ワークを測定することで第１測定データを取得し、かつ光学式センサーで前記基準ワークを測定することで第２測定データを取得する演算部と、前記第１測定データと前記第２測定データとに基づいて前記光学式センサーに対する校正値を算出する校正部とを有する。

本発明によれば、光学式センサーに対して精度の高い校正を行うことができる。

光学式センサーを備える三次元座標測定機の外観図である。 光学式センサーの概略構成を示す図面である。 誤差要因を示す説明図である。 他の誤差要因を示す説明図である。 接触式センサーを備える三次元座標測定機の外観図である。 接触式センサーの概略構成を示す図面である。 三次元座標測定機の構成を示すブロック図である。 校正方法を示すフローチャートである。 基準ワークの一次元形状を測定している状態を示す図面である。 測定可能範囲内において一次元形状測定した、接触式センサーの測定データと光学式センサーの測定データとを比較した図である。 測定可能範囲内における、接触式センサーの測定データとＺ軸方向に等間隔で測定して光学式センサーの測定データとを比較した図である。 校正値の算出方法を説明するための図である。 一次元形状における校正値の線形補間を説明するための図面である。 基準ワークの二次元形状を測定している状態を示す図面である。 測定可能範囲内において二次元形状測定した、接触式センサーの測定データと光学式センサーの測定データとを比較した図である。 二次元形状における校正値の線形補間を説明するための図面である。 光学式センサーと接触式センサーとの偏差を示すグラフである。 ワーク表面のマップ図である。

以下、添付図面にしたがって本発明の好ましい実施の形態について説明する。本発明は以下の好ましい実施の形態により説明される。本発明の範囲を逸脱すること無く、多くの手法により変更を行うことができ、本実施の形態以外の他の実施の形態を利用することができる。したがって、本発明の範囲内における全ての変更が特許請求の範囲に含まれる。

図１は、非接触式の光学式センサーを備える三次元座標測定機の外観図である。三次元座標測定機１０は、プローブヘッド２４に取り付けられた光学式センサー３４を移動させることより、被測定物（ワーク）の表面上の空間座標を決定する装置で座標測定機、形状測定装置とも称される。ワークの表面上の空間座標からワークの形状（輪郭）を測定することができる。

三次元座標測定機１０においては、マシン座標系を用いる方法もあるが、ワークの姿勢をマシン座標系に厳密に合わせる必要があり作業能率がよくないため、通常は任意の姿勢でテーブル１４（定盤）上にセットされたワーク上に設定されたワーク座標系が用いられる。

図１に示すように、三次元座標測定機１０は、架台１２と、架台１２の載置されたテーブル１４と、テーブル１４の両側に立設された右Ｙキャリッジ１６Ｒおよび左Ｙキャリッジ１６Ｌと、右Ｙキャリッジ１６Ｒと左Ｙキャリッジ１６Ｌの上部を連結するＸガイド１８とを備えている。右Ｙキャリッジ１６Ｒと左Ｙキャリッジ１６ＬとＸガイド１８とにより、いわゆる門型フレーム２６が構成されている。

テーブル１４の両側の上面と側面とにはＹ軸方向に摺動面が形成され、かつ右Ｙキャリッジ１６Ｒと左Ｙキャリッジ１６Ｌにはこれに対抗するエアベアリングが設けられているので、右Ｙキャリッジ１６Ｒと左Ｙキャリッジ１６ＬとはＸガイド１８と共にＹ軸方向に移動自在となっている。

Ｘガイド１８にはＸ軸方向の摺動面が形成され、エアベアリングが内蔵されたＸキャリッジ２０がＸ軸方向に移動自在に設けられている。Ｘキャリッジ２０にはＺ軸方向案内用のエアベアリングが内蔵されている。Ｚ軸方向案内用のエアベアリングに沿ってＺスピンドル２２がＺ軸方向に移動自在に設けられている。

Ｚスピンドル２２の下端には、プローブヘッド２４が取り付けられている。

プローブヘッド２４には、光学式センサー３４が交換自在の状態で取り付けられている。この光学式センサー３４により非接触でワークの形状を測定することができる。

三次元座標測定機１０は、プローブヘッド２４を互いに直交する３軸方向（ＸＹＺ方向）へ移動させる第２駆動部（例えばモーター。図示せず）を備えている。第２駆動部により門型フレーム２６、Ｘキャリッジ２０及びＺスピンドル２２を各軸方向に移動させることにより、プローブヘッド２４を互いに直交する３軸方向（ＸＹＺ方向）へ移動させることができる。

テーブル１４のＹ軸方向、Ｘガイド１８、Ｚスピンドル２２にはスケールが設けられている。右Ｙキャリッジ１６ＲにはＹ軸方向の検出ヘッドが、Ｘキャリッジ２０にはＸ軸方向及びＺ軸方向の検出ヘッドが取り付けられているので、プローブヘッド２４の三次元座標位置を検出することができる。

三次元座標測定機１０には、三次元座標測定機１０とプローブヘッド２４の動きを制御するコントローラ２８が接続されている。コントローラ２８には、ＬＡＮ（ＴＣＰ／ＩＰ）等の通信インターフェイス３０を介して、コンピュータ３２が接続されている。コントローラ２８には、プローブヘッド２４の動きを遠隔操作するためのジョイスティック（図示せず）が接続されている。なお、ジョイスティックは、操作ボックス（図示せず）に設けられている。

制御装置であるコンピュータ３２は、これにインストールされたソフトウエアプログラム３２ａを実行する。コンピュータ３２は、第１駆動部、第２駆動部の動作を制御し、また光学式センサー３４を制御し、光学式センサー３４により測定される測定データを演算、記憶等を行う。

コンピュータ３２が第１駆動部、及び／又は第２駆動部（ＣＮＣ制御：Computer Numeric Control）の動作、及び光学式センサー３４を制御することにより、ワークを自動で測定することができる。

図２は、光学式センサー３４の概略構成図である。図２に示すように、光学式センサー３４は、ワークに光を照射する光源３４ａと、ワークからの散乱光の一部を検出する光検出器３４ｂと、光源３４ａと光検出器３４ｂとを囲むハウジング３４ｃと、プローブヘッド２４との接続部材であるジョイント３４ｆと、を備えている。光源３４ａからの光（レーザー光）を搖動ミラー３４ｄにより走査させ、ワークＷから散乱光の一部を、結像レンズ３４ｅを通過させて、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサー等の光検出器３４ｂで受光する。

光学式センサー３４では、三角測量法の原理により光源３４ａから、ワークＷの照射点までの距離を検出することでワークＷの表面の形状を測定することができる。

光学式センサー３４では、非接触であり１秒当たり数万点のワークＷの表面形状の測定データを得ることができるので、接触式センサーを利用した場合に比較して、高速でワークＷの形状測定が可能となる。

しかしながら、発明者が光学式センサーを利用したワークの形状測定の精度について検討したところ、光学式センサーで測定した測定データは実際のワークの測定値に対して測定誤差を含むことが分かった。さらに、鋭意検討したところ、発明者は、いくつかの要因が測定誤差を引き起こしているとの知見を得た。

その一つの測定要因である、測定の幅方向の誤差について図３を参照して説明する。図３（Ａ）は、光源３４ａからワークＷまでの好ましい推奨距離Ｌ１と、測定可能範囲Ｌ２（測定深度ともいう）と、ワークＷの位置を示している。平面度が低い、いわゆる平坦面を有するワークＷを、推奨距離Ｌ１に、セットする。この状態で、光源３４ａから光をワークＷの幅方向に走査して、測定データを得た。図３（Ｂ）は、実際のワークＷの形状と光学式センサーから得た測定データとを比較したグラフである。このグラフによれば、平坦面を持つワークＷの測定可能範囲Ｌ２内にセットした場合でも、測定幅方向において中心と端との間でＺ座標に差が生じた。中心に対して端の測定値が低くなる、上側に凸のかまぼこ型の測定データが得られた。

Ｚ座標に関して、中心と端とで差が生じる原因は明確ではないが、光学式センサーの光源、光検出器、又はレンズを含む光学系が、測定誤差に影響を与えていると推定される。

次に、別の測定誤差の要因である、高さ方向の測定に起因する誤差について図４を参照して説明する。図４（Ａ）は、光源３４ａからワークＷまでの好ましい距離Ｌ１と、測定可能範囲Ｌ２（測定深度ともいう）と、ワークＷの位置を示している。図４（Ａ）では、測定可能範囲Ｌ２において、光源３４ａとワークＷとの距離を変化させて、ワークＷの幅方向の中央を測定した。光源３４ａをＺ軸方向に移動させて、光源３４ａとワークＷとのワーク距離Ｌ３を変化させた。

図４（Ｂ）は、高さ方向における測定結果を示すグラフである。このグラフによれば、ワークＷの同じ平面を測定した場合であっても、測定可能範囲Ｌ２内において、光源３４ａとワークＷとのワーク距離Ｌ３の違いによって、平面の高さ差（Ｚ座標の差）が生じた。横軸はワーク距離を示しており、ワークＷが推奨距離Ｌ１に位置している場合を０とし、推奨距離Ｌ１に対して光源３４ａとワークＷとの距離が小さくなる場合を正とし、推奨距離Ｌ１に対して光源３４ａとワークＷとの距離が大きくなる場合を負とした。つまり、７ｍｍは推奨距離Ｌ１に対して光源３４ａとワークＷの距離が７ｍｍ短くなったことを意味し、−７ｍｍは推奨距離Ｌ１に対して光源３４ａとワークＷの距離が７ｍｍ長くなったことを意味する。

図４（Ｂ）によれば、光源３４ａとワークＷとの距離が短くなると、測定データのおけるフィット面（測定の基準面）のＺ軸高さの値は、実際のワークＷの基準面に対して小さくなった。また、光源３４ａとワークＷとの距離が長くなると、測定データのおけるフィット面（測定の基準面）のＺ軸高さの値は、実際のワークＷの基準面に対して大きくなった。

発明者は、光学式センサー３４の誤差を小さくするため、光学式センサー３４の校正について鋭意検討した。そこで、光学式センサーが取り付けられる三次元座標測定機を利用することで、精度の高い校正を行うことができることを見出し、本発明を完成するにいたった。

本発明は、基準位置を持つ三次元座標測定機の接触式センサーで基準ワークを測定することで第１測定データを取得するステップと、同じ基準位置で、同じ基準ワークを光学式センサーで測定することで第２測定データを取得するステップと、第１測定データと第２測定データとに基づいて校正値を算出するステップを有することを主たる構成とする。

このように、接触式の三次元座標測定機で光学式センサーを校正することによる有利な点は、次のとおりである。

第１に、接触式のプローブで校正の基準とするワーク（基準ワーク）の形状を測定するので、光学式センサー比較して、ワークの形状を高精度で決定することができる。したがって、形状が既知である特殊なワークを準備する必要がなくなる。

第２に、基準ワークと光学式センサーとの位置関係を、高精度で容易に知ることができる。接触式センサーでの基準ワークの測定と、光学式センサーでの基準ワークの測定とを、同一基準位置を基準座標とするので、基準ワーク、光学式センサーの位置関係を新たに調整する必要がない。

第３に、接触式センサーと同じ座標系で、光学式センサーのデータを取得できる。したがって、接触式センサーの点群データと、光学式センサーの点群データを容易に比較することができる。

第４に、基準ワークの三次元形状を測定することで、基準ワークの面の法線ベクトルが算出できるため、法線方向の偏差を知ることができる。したがって、高さ方向だけではなく、横方向、センサー進行方向の座標についても変換できる。

次に、基準ワークを測定するための接触式センサーを備える三次元座標測定機について説明する。図５は、接触式センサー４０を備える三次元座標測定機１０の外観図である。なお、図１に示した三次元座標測定機１０の構成と同様の構成には同一符号を付して説明を省略する場合がある。

三次元座標測定機１０は、プローブヘッド２４に取り付けられた接触式センサー４０を有している。図１の三次元座標測定機１０と図５の三次元座標測定機１０とは、基本的には、プローブヘッド２４に取り付けられる光学式センサー３４と接触式センサー４０とが相違している。

図５に示すように接触式センサー４０はプローブヘッド２４に取り付けられている。上述したように、接触式センサー４０は、スタイラス４０ａと、スタイラス４０ａの先端に設けられた球状の接触子４０ｂと、プローブヘッド２４とプローブヘッド２４との接続部材であるジョイント４０ｃと、を備えている。

プローブヘッド２４により、接触式センサー４０を互いに直交する２つの回転軸ＡまたはＢの周りに回転させることができる。

テーブル１４のＹ軸方向、Ｘガイド１８、Ｚスピンドル２２にはスケールが設けられている。右Ｙキャリッジ１６ＲにはＹ軸方向の検出ヘッドが、Ｘキャリッジ２０にはＸ軸方向及びＺ軸方向の検出ヘッドが取り付けられているので、スタイラス４０ａの先端の接触子４０ｂがワークに当接した瞬間、三次元座標位置を検出することができる。

コンピュータ３２は、第１駆動部、第２駆動部の動作を制御し、また接触式センサー４０を制御し、接触式センサー４０により測定される測定データを演算、記憶等を行う。

図５の三次元座標測定機１０は、さらに、テーブル１４の上に、プローブ自動交換機５０が設置されている。プローブ自動交換機５０には光学式センサー３４がセットされている。プローブ自動交換機５０により、プローブヘッド２４に対して、接触式センサー４０と光学式センサー３４とを自動で交換することが可能となる。

図６は、接触式センサー４０の概略構成図である。プローブヘッド２４は、Ｚスピンドル２２に接続されている。図６（Ａ）に示すように、接触式センサー４０は、回転軸Ａ（紙面に垂直な軸）に対して、垂直角±θの範囲で、無段階に移動させることができる。接触子４０ｂが最下点の位置を０°とし、例えば仰角−１１５°（−θ）から仰角＋１１５（＋θ）まで回転軸Ａを中心に回転移動させることができる。

また、図６（Ｂ）に示すように、接触式センサー４０は、回転軸Ｂを中心に水平角±φの範囲で、無段階に回転させることができる。水平角±φは±１８０°でるので、自由に回転させることができる。

本実施形態について図７、及び図８を参照して説明する。図７は、三次元座標測定機１０の構成を示すブロック図である。三次元座標測定機１０は、コンピュータ３２を備え、コンピュータ３２は、制御部１００、記憶部１０２、演算部１０４、及び校正部１０６を少なくとも含んでいる。

コンピュータ３２の制御部１００は、三次元座標測定機１０の動作全体を管理する。演算部１０４は、光学式センサー３４、及び接触式センサー４０を含むセンサー部１２０と接続されている。センサー部１２０はプローブヘッド２４に取り付けられる複数のセンサーの集合体を意味する。センサー部１２０における光学式センサー３４、及び接触式センサー４０は交換可能な状態でプローブヘッド２４に取り付けられている。

センサー部１２０の光学式センサー３４、及び接触式センサー４０から測定データを取得する。接触式センサー４０からの測定データを第１測定データ、光学式センサー３４からの測定データを第２測定データとする。

演算部１０４は、光学式センサー３４、及び接触式センサー４０を含むセンサー部１２０からの信号を受信して、第１測定データ、及び第２測定データを算出する。

第１測定データ、及び第２測定データは演算部１０４から制御部１００に伝えられ、制御部１００は第１測定データ、及び第２測定データを記憶部１０２に記憶する。

校正部１０６は、記憶部１０２に記憶された第１測定データ、及び第２測定データに基づいて、測定位置における第１測定データと第２測定データ測定データとの差を算出する。第１測定データと第２測定データ測定データとの差を偏差データとして取得する。偏差データから、光学式センサー３４で測定する際の変換パラメータである校正値を算出する。校正部１０６は校正値を制御部１００に出力し、制御部１００は校正値を記憶部１０２に記憶する。

コンピュータ３２は通信インターフェイス３０を介してコントローラ２８に接続されている。コントローラ２８は第１駆動部１２４と第２駆動部１２６とで構成される駆動機構１２２の駆動を制御する。第１駆動部１２４は、プローブヘッド２４を互いに直交する２つの回転軸ＡまたはＢの周りに回転させる駆動部を構成し、第２駆動部１２６はプローブヘッド２４を互いに直交する３軸方向（ＸＹＺ方向）へ移動させる駆動部を構成する。駆動機構１２２によりセンサー部１２０の位置、及び姿勢が制御される。

図８は、本実施形態の光学式センサーの校正方法のフローチャートを示している。最初に基準ワークを三次元座標測定機の定盤の上に設置する（ステップＳ１）。

次に、基準ワークを接触式センサーでその表面形状を測定する（ステップＳ２）。図５に示す三次元座標測定機１０の接触式センサー４０でワークを測定する。接触式センサー４０を移動させながら、接触式センサー４０の接触子４０ｂを基準ワークに接触させる。

次に、第１測定データを取得する（ステップＳ３）。ステップＳ３では接触式センサー４０の信号に基づいて演算部１０４が第１測定データを算出する。

次に、基準ワークを光学式センサーでその表面形状を測定する（ステップＳ４）。図１に示す三次元座標測定機１０の光学式センサー３４で基準ワークを測定する。光学式センサー３４を移動させながら、基準ワークからの散乱光を検出する。

次に、第２測定データを取得する（ステップＳ５）。ステップＳ５では光学式センサー３４の信号に基づいて演算部１０４が第２測定データを算出する。

上述の説明では、最初に接触式センサーで基準ワークを測定し、次に光学式センサーで基準ワークを測定する順で説明したが、最初に光学触式センサーで基準ワークを測定し、次に接触式センサーで基準ワークを測定する順であってもよい。

第１測定データ、及び第２測定データの取得を終えると、第１測定データと第２測定データ測定データとの差を算出する（ステップＳ６）。次に、算出された差に基づいて偏差データを取得する（ステップＳ７）。

次に、偏差データに基づいて較正値を算出する（ステップＳ８）。校正値は、光学式センサーの変換パラメータとして算出される。

最後に算出された校正値がデータとして取り扱われる（ステップＳ９）。

ステップＳ６からステップＳ９では、図７に示す校正部１０６により実行され、校正値はデータとして記憶部１０２に記憶される。

光学式センサーを利用したワークの測定では、光学式センサーから取得された測定データに、記憶部１０２に記憶された校正値が加えられ、測定データとして出力される。

次に、校正値データの取得方法について説明する。最初に、接触式センサーで測定した一次元形状から、光学式センサーの校正値を取得する方法について説明する。図９に示すように、テーブル１４の上に基準ワークＷを設置する。光学式センサー３４の光源３４ａ、及び光検出器３４ｂを基準ワークＷの測定領域に配置する。測定領域は接触式センサーで測定される領域に一致させている。点線は基準ワークの表面に照射される光（レーザ光）を示している。

光源３４ａからの光を、基準ワークＷの幅方向に一ライン分だけ照射する。基準ワークＷの散乱光を光検出器３４ｂで受光する。この受光信号に基づいて、光が照射された基準ワークＷの一ライン分（１次元形状）の表面の第１測定データ、及び第２測定データが得られる。

なお、太線で囲まれた範囲は、光学式センサー３４の測定可能範囲を示している。

図１０は、測定可能範囲内における、接触式センサーと光学式センサーの測定データを比較した図である。接触式センサーは１〜３μｍの測定精度であるので、基準ワークの形状を正確に測定することができる。接触式センサーで測定された測定データから、基準ワークの表面形状をｇ（ｘ）と表現することができる。ワーク表面形状ｇ（ｘ）は実線で示されている。

また、光学式センサーで測定された測定データの点群をスプライン補完する。これにより、光学式センサーの測定データから基準ワークの測定表面形状をｆ（ｘ）と表現することができる。測定表面形状ｆ（ｘ）は破線で示されている。

図１０に示されるように、接触式センサーによるワーク表面形状ｇ（ｘ）と、光学式センサーによる測定表面形状ｆ（ｘ）と間に差が生じている。測定表面形状ｆ（ｘ）は、ｚの値が中央に比較すると端で小さくなっていることが理解できる。光学式センサーでは、この差が誤差の要因となる。

なお、光学式センサーのラ測定可能範囲の中心を原点、横方向をｘ、高さ方向をｚとする。ｚ方向の上方向が正であり、下方向が負である。

次に、ワーク距離Ｌ３を間隔ｄで変えながら（三次元座標測定機のＺ軸の値をｄの間隔で変えながら）、光学式センサーの測定可能範囲全体で、光学式センサーにより基準ワークの表面形状を測定する。

図１１は、ワーク距離Ｌ３を間隔ｄで変えながら測定して、測定可能範囲内における、接触式センサーと光学式センサーの測定データを比較した図である。図１１に示すように、間隔ｄごとに測定表面形状ｆ_ｉ（ｘ）を取得することができる。ここで、ｆ_ｉは、中心からｚ方向にｉ番目のデータであることを意味している。

図１１の如く、ワーク表面形状ｇ（ｘ）のｉ番目のデータは、一度測定したワーク表面形状ｇ（ｘ）にｚ方向に移動した間隔ｄ_ｉの値を加えたものである。

一方で、測定表面形状ｆ_ｉ（ｘ）は、光学式センサーで実際に測定した値を記載している。図１１に示すように、ワーク距離Ｌ３が短いほど、測定表面形状ｆ_ｉ（ｘ）＋ｄ_ｉは、ワーク表面形状ｇ（ｘ）＋ｄ_ｉより全的に小さい値となっている。

図１１に示すように、ワーク距離Ｌ３が長いほど、測定表面形状ｆ_ｉ（ｘ）＋ｄ_ｉは、ワーク表面形状ｇ（ｘ）＋ｄ_ｉに対して中央の値が大きくなる傾向にある。これは、測定表面形状ｆ_ｉ（ｘ）＋ｄ_ｉ全体として、ワーク距離Ｌ３が長いほど、値が大きくなる傾向を示している。

次に、校正値の算出方法について、図１２を参照して説明する。測定可能範囲全体で測定表面形状ｆ（ｘ）が、ワーク表面形状ｇ（ｘ）と一致するように、ｚ方向（三次元座標測定機のＺ軸に平行な方向）に校正値δ（ｘ,ｚ）を加える。

較正値は、下記の式で算出することができる。
δ_ｉ（ｘ）＝ｇ（ｘ）−ｆ_ｉ（ｘ）: δ_ｉはｉ番目の測定表面形状に加える校正値である。

上述したように、測定可能範囲内において間隔ｄごとに測定表面形状ｆ_ｉ（ｘ）＋ｄ_ｉを測定している。したがって、ｆ_ｉ（ｘ）＋ｄ_ｉとｆ_ｉ+1（ｘ）＋ｄ_ｉ+1との間隔ｄの間では、図１３に示すように線形補間が必要となる。以下の式で求めることができる。
δ（ｘ,ｚ）＝δ_ｉ（ｘ,ｚ）＋（（δ_ｉ+1（ｘ）−δ_ｉ（ｘ））／ｄ）×（ｚ−ｄ_ｉ）：δ（ｘ,ｚ）は座標（ｘ,ｚ）の点に加える校正値となる。

上述の校正方法により校正値を得ることができる。

光学式センサーで被測定物（ワーク）を測定した際、光学式センサーからの測定値（ｘ、ｚ）に対して、校正値が加えられ（ｘ,ｚ ＋δ（ｘ,ｚ））に変換され、光学式センサーの測定値として出力される。

次に、接触式センサーで測定した二次元形状から、光学式センサーの校正値を取得する方法について説明する。

図１４に示すように、接触式センサーで基準ワークをｘ方向に複数表面の形状を測定する。ｊ番目のワーク表面形状をｇ_ｉｊ（ｘ）と表現する。接触式センサーと同一座標系で、同じ領域をｙ方向に光学式センサー３４を移動させながら、基準ワークの表面形状を測定する。測定で得られた測定表面形状をｆ_ｉ（ｘ,ｙ）と表現する。

図１５は、測定表面形状ｆ_ｉ（ｘ,ｙ）とワーク表面形状をｇ_ｉｊ（ｘ）と比較した図面である。測定表面形状ｆ_ｉ（ｘ,ｙ）は破線で示され、ワーク表面形状ｇ_ｉｊ（ｘ）は実線で示されている。

図１５に示されるように、ワーク表面形状ｇ_ｉｊ（ｘ）に対して測定表面形状ｆ_ｉ（ｘ,ｙ）は、ｙ方向から見て、上に凸の形状を有している。これは、測定表面形状ｆ_ｉ（ｘ,ｙ）が、ｘ方向の原点（測定中央）と端とではＺ軸方向で差が生じていることを意味している。光学式センサーでは、この差が誤差の要因となる。図１５で示される測定を、光学式センサー３４のＺ軸方向に間隔ｄで移動させながら複数の高さで測定する。

次に、校正値の算出方法について説明する。光学式センサーで測定した測定表面形状ｆ_ｉ（ｘ,ｙ）を、ワーク表面形状ｇ_ｉｊ（ｙ）にｘ方向を固定してベストフィット補正する。図１６に示すように、移動量をベクトルδ_ｉｊをとし、δ_ｉ,ｊの間を線形補間したものをδ（ｘ,ｚ）とする。さらに、δ（ｘ,ｚ）のｙ成分をδ（ｘ,ｚ）_ｙ、ｚ成分をδ（ｘ,ｚ）_ｚとし、校正値が求められる。

光学式センサーで被測定物（ワーク）を測定した際、光学式センサーからの測定値（ｘ, ０, ｚ）に対して、校正値が加えられ（ｘ, δ（ｘ,ｚ）_ｙ,Ｚ＋δ（ｘ,ｚ）_ｚ）に変換され、光学式センサーの測定値として出力される。

なお、基準ワークとしては、測定対象のワークと同じ表面の性質（光沢度等）を持つ基準ワークを使用することが好ましい。光学式センサーでは、ワーク表面の性質が測定結果に影響を与えるからである。

最後に、本実施形態の校正方法により、光学式センサーの測定結果が改善されたことを説明する。図１７は、横軸にワークのＸ方向の距離、縦軸に接触式センサーと光学式センサーとの高さ方向の偏差をプロットしたグラフである。Ｘ方向の距離は、測定の中央を原点とした。

本実施形態では、接触式センサーで基準ワークの一ライン分（Ｘ方向）を測定し、同じ一ライン分を光学式センサーで測定し偏差を算出し、グラフにプロットした。プロットした値から近似曲線を描き校正値とした。近似曲線は点線で示されている。

図１８は光学式センサーでワークを測定した結果を表したマップ図である。図１８（Ａ）は、光学式センサーの測定データ（第２測定データ）に校正値を加えていないマップ図である。図１８（Ａ）では中央が薄く色で、端が濃い色で表示されている。薄色はＺ軸方向の高さが高いことを、濃い色はＺ軸方向の高さが低いことを示している。図１８（Ａ）では、平坦なワークに対してＺ軸方向の誤差を含んでいることが理解できる。

図１８（Ｂ）は、図１８（Ａ）の測定データに校正値を加えて、測定データとして出力したマップ図である。図１８（Ｂ）に示されるように、測定範囲全体において、測定データが均一化されたことが理解できる。

図１８（Ｂ）のマップ図は、図１７の校正値と、偏差点の間を補完した補間校正値を利用した。図１８（Ａ）で測定されたＸ方向のＺ座標値から、対応するＸ方向の校正値と補間校正値を引くことで求めた。

本実施形態によれば、光学式センサーが高精度に校正されているので、高精度にワークを測定することができる。

１０…三次元座標測定機、１２…架台、１４…テーブル、１６Ｌ、１６Ｒ…キャリッジ、１８…Ｘガイド、２０…Ｘキャリッジ、２２…スピンドル、２４…プローブヘッド、２６…門型フレーム、２８…コントローラ、３０…通信インターフェイス、３２…コンピュータ、３２ａ…ソフトウエアプログラム、３４…光学式センサー、３４ａ…光源、３４ｂ…光検出器、３４ｃ…ハウジング、３４ｄ…搖動ミラー、３４ｅ…結像レンズ、３４f…ジョイント、４０…接触式センサー、４０ａ…スタイラス、４０ｂ…接触子、４０ｃ…ジョイント、５０…プローブ自動交換機、１００…制御部、１０２…記憶部、１０４…演算部、１０６…校正部、１２０…センサー部、１２２…駆動機構、１２４…第１駆動部、１２６…第２駆動部

Claims (4)

1. 基準位置を持つ三次元座標測定機の接触式センサーで基準ワークを測定することで第１測定データを取得するステップと、
   前記基準位置を持つ前記三次元座標測定機の光学式センサーで前記基準ワークを測定することで第２測定データを取得するステップと、
   前記第１測定データと前記第２測定データとに基づいて前記光学式センサーに対する校正値を算出するステップと、
   を少なくとも有する光学式センサーの校正方法であって、
   前記第２測定データを取得するステップにおいて、前記光学式センサーと前記基準ワークとの高さ方向の距離を変えて測定することを含む光学式センサーの校正方法。
2. 前記第１測定データを取得するステップ、及び前記第２測定データを取得するステップにおいて、前記基準ワークの二次元形状を測定すること含む請求項１に記載の光学式センサーの校正方法。
3. 前記基準ワークの表面の性質が、測定対象のワークと同じ表面の性質を有する請求項１又は２に記載の光学式センサーの校正方法。
4. 光学式センサーと接触式センサーとを交換可能に取り付け可能な三次元座標測定機において、
   接触式センサーで基準ワークを測定することで第１測定データを取得し、かつ光学式センサーで高さ方向の距離を変えて前記基準ワークを測定することで第２測定データを取得する演算部と、
   前記第１測定データと前記第２測定データとに基づいて前記光学式センサーに対する校正値を算出する校正部とを有する三次元座標測定機。