JP7138283B2 - 校正ユニット、及び形状測定機校正装置 - Google Patents

Description

本発明は、被測定物の形状を測定する形状測定機の校正に関する。

特許文献１は、触針を用いて基準ゲージをトレースし、得られた測定データを基準ゲージのマスター形状部の既知形状寸法値と比較し、演算して、アームの長さ、触針高さ、及び触針の先端半径の校正を行う測定機の校正方法が記載されている。同文献に記載の校正方法では、平面に球を固着した基準ゲージ、平面に大小二つの球を固着した基準ゲージ、及び平面に円柱を固着した基準ゲージが用いられる。

特許文献２は、段差ゲージ、及びボールゲージを用いて、アームの長さ、触針高さ、及び触針の先端半径の校正を行う測定機の校正方法が記載されている。同文献に記載の校正方法は、ボールゲージの測定結果を用いて、アーム長さ、及び触針高さの仮校正を行い、その後、段差ゲージの測定結果を用いて、アーム長さ、触針高さ、及び触針の先端半径の校正を行う。

一方、同文献に記載の校正方法のように、ボールゲージ、及び段差ゲージを適用した校正では、触針の円弧運動の誤差が測定結果に重畳されるという課題が存在していた。

特許文献３は、段差ゲージ、第一ボールゲージ、及び第二ボールゲージを用いて、アームの長さ、触針高さ、及び触針の先端半径の校正を行う測定機の校正方法が記載されている。同文献に記載の校正方法は、触針の円弧運動に起因する誤差を小さくするために、第一ボールゲージに比べて半径が小さい第二ボールゲージを用いて、触針の先端半径を校正している。

特許文献４は、触針の先端の加工精度を測定する際の治具が記載されている。同文献に記載の治具は、刃先の角度が３０度以下の剃刀刃を備えている。

特開平０９－３２９４０２号公報 特開平１０－３３２３０４号公報 特開２０１５－１７５７０４号公報 実開平０５－０５９２０８号公報

校正方法、及び校正精度は日々進歩している。それに伴い、形状測定機に求められる測定精度も高くなってきている。また、測定対象のワークも小型化が進んでおり、僅かな測定誤差が測定結果に影響を及ぼしてしまう。

特許文献１から特許文献３に記載の発明では、小型化された被測定物を測定する場合に、測定精度が足りなくなることが懸念される。特許文献４に記載の治具は、触針の先端の加工精度の測定に使用されるものであって、触針の先端半径の校正に使用されるものではない。仮に、触針の先端半径の校正に使用した場合、剛性の不足、及び耐久性の不足等が懸念される。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、高精度の校正を行うことを可能とする校正ユニット、及び形状測定機校正装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、次の発明態様を提供する。

第１態様に係る校正ユニットは、Ｘ軸方向について移動自在に支持され、ＸＺ平面について回転支点を用いて回転可能に支持されたアームの先端部に具備される触針を用いて、被測定物の形状を測定する形状測定機を校正する形状測定機校正装置であって、互いに平行な二面を有し、二面の段差が既知の段差ゲージと、半径が既知のボールゲージと、Ｘ軸方向、及びＺ軸方向と直交するＹ軸方向に沿うエッジを頂辺とるす三角柱形状を有し、エッジを挟む第一傾斜面、及び第二傾斜面を含むエッジ部を備え、エッジがボールゲージの半径未満の先端半径を有するエッジゲージと、備えた校正ユニットである。

第１態様によれば、エッジゲージを測定して得られたエッジ測定データ、及びエッジの設計値を用いて触針の先端半径が校正される。これにより、ボールゲージを用いて触針の先端半径を校正する際に問題となるボールゲージの真球度の影響を受けることがなく、触針の先端半径を高精度に校正し得る。

エッジは、Ｙ軸方向に規定の長さを有しいてもよい。規定の長さは、エッジゲージの製造条件、及びエッジゲージの使用条件から規定してもよい。

Ｙ軸方向について、段差ゲージ、エッジゲージ、及びボールゲージの位置を移動させる移動機構を備えてもよい。Ｙ軸方向について段差ゲージ、及びエッジゲージを一括して移動させる移動機構を備えてもよい。

第２態様は、第１態様の校正ユニットにおいて、第一傾斜面と第二傾斜面とは、８０度以下の角度を有する構成としてもよい。

第２態様によれば、溝形状の接触角を測定する際に、触針の先端半径の校正誤差の重畳に起因する接触角の測定誤差を抑制し得る。

第３態様は、第１態様又は第２態様の校正ユニットにおいて、エッジの先端半径は、０．１マイクロメートル以下である構成としてもよい。

第３態様によれば、触針の先端半径に重畳されるエッジの形状に起因する校正誤差を抑制し得る。

第４態様は、第１態様から第３態様のいずれか一態様の校正ユニットにおいて、Ｙ軸方向におけるエッジの長さは、ボールゲージの半径未満である請求項１から３のいずれか一項に記載の形状測定機校正装置。

第４態様によれば、高精度にエッジゲージを製作し得る。

第５態様は、第１態様から第４態様のいずれか一態様の校正ユニットにおいて、エッジ部の材料はダイヤモンドが用いられる構成としてもよい。

第５態様によれば、エッジ部を製作する際に高精度の微細加工が可能である。また、エッジ部は一定の剛性が得られる。

第６態様に係る校正ユニットは、Ｘ軸方向について移動自在に支持され、ＸＺ平面について回転支点を用いて回転可能に支持されたアームの先端部に具備される触針を用いて、被測定物の形状を測定する形状測定機を校正し、校正ユニット、及び信号処理部を備えた形状測定機校正装置であって、校正ユニットは、互いに平行な二面を有し、二面の段差が既知の段差ゲージと、半径が既知のボールゲージと、Ｘ軸方向、及びＺ軸方向と直交するＹ軸方向に沿うエッジを頂辺とるす三角柱形状を有し、エッジを挟む第一傾斜面、及び第二傾斜面を含むエッジ部を備え、エッジがボールゲージの半径未満の先端半径を有するエッジゲージと、を備え、信号処理部は、段差ゲージの設計値、ボールゲージの設計値、及びエッジゲージの設計値を取得する設計値取得部と、触針を用いて段差ゲージを測定した段差測定データを取得する段差測定データ取得部と、触針を用いてボールゲージを測定したボール測定データを取得するボール測定データ取得部と、触針を用いてエッジゲージを測定したエッジ測定データを取得するエッジ測定データ取得部と、段差測定データ、ボール測定データ、段差ゲージの設計値、及びボールゲージの設計値を用いて、アームがＸ軸方向と平行となる水平状態における回転支点から触針の先端までのＺ軸方向における距離である触針高さ、及び回転支点から触針までのＸ軸方向における距離であるアーム長さを校正し、エッジ測定データ、及びエッジゲージの設計値を用いて、触針の先端半径を校正する校正部と、を備えた形状測定機校正装置である。

第６態様によれば、第１態様と同様の効果を得ることができる。

第６態様において、第２態様から第５態様で特定した事項と同様の事項を適宜組み合わせることができる。その場合、校正ユニットにおいて特定される処理や機能を担う構成要素は、これに対応する処理や機能を担う形状測定機校正装置の構成要素として把握することができる。

第７態様は、第６態様の形状測定機校正装置において、校正部は、エッジ測定データ、及びエッジゲージの設計値を用いて、触針の先端半径を仮校正し、仮校正された触針の先端半径を用いてアーム長さ、及び触針高さを校正する構成としてもよい。

第７態様によれば、エッジゲージを測定して得られたエッジ測定データ、及びエッジの設計値を用いて触針の先端半径が仮校正される。仮校正された触針の先端半径を用いてアーム長さ、及び触針高さが校正される。これにより、アーム長さ、及び触針高さを高精度に校正し得る。

本発明によれば、エッジゲージを測定して得られたエッジ測定データ、及びエッジの設計値を用いて触針の先端半径が校正される。これにより、ボールゲージを用いて触針の先端半径を校正する際に問題となるボールゲージの真球度の影響を受けることがなく、触針の先端半径を高精度に校正し得る。

図１は校正ユニットの全体構成を示す斜視図である。 図２はエッジゲージの正面図である。 図３はエッジゲージの側面図である。 図４は図２に示したエッジ部の拡大図である。 図５は図３に示したエッジ部の拡大図である。 図６はエッジゲージの測定の模式図である。 図７はエッジゲージの測定結果を表す模式図である。 図８は校正装置の機能ブロック図である。 図９はアーム長さ、触針高さの説明図である。 図１０は校正方法の手順を示すフローチャートである。 図１１は形状測定装置の一例を示す輪郭形状測定機の全体構成図である。 図１２は課題の説明図である。 図１３は課題の説明図である。 図１４は課題の説明図である。

以下、添付図面に従って本発明の好ましい実施形態について説明する。本明細書では、先に説明した構成と同一の構成には同一の符号を付し、説明を適宜省略することとする。

［課題の説明］
まず、本実施形態に示す形状測定機校正装置が解決しようとする課題について詳細に説明する。なお、本実施形態では、形状測定機校正装置を、単に校正装置と記載することがある。

直動ガイド、及びボールネジ等、輪郭形状測定機の測定対象の小型化が進んでいる。これは、低コスト化の要請、並びに低消費電力化、及び低燃費化等の環境への配慮の要請に応えるものである。ボールネジ等の低消費電力化、及び低燃費化のため、モータ等の動力側も小型化される。

ボールネジ等が小型化された場合、軌道面の粗さ、及び軌道面の形状の測定精度が重要となる。軌道面の粗さ、及び軌道面の形状の測定精度が一定の基準を満たさない場合、負荷変動の原因となり、動力側を小型化することが困難となる。また、異音の発生など性能への影響、及びボールの磨耗等の耐久性への影響が懸念される。

更に、直動ガイドは、高剛性化、及び高精度化を目的として、単位長さあたりの転動溝を増やした製品、及び転動ボールを小さくした製品等が実用化されている。

ボールネジにおける溝の接触角の評価等の測定精度に関して、被測定物の小型化に伴い、測定精度が足りなくなってきている。なお、接触角とは、軌道面とボールとの接触点と軌道面の中心とを通る直線と、軌道面の中心から鉛直方向に下ろした垂線とのなす角度を表す。接触点は符号５、符号６、符号７、及び符号８を用いて図１２に図示する。接触角は符号α、及び符号βを用いて図１２に図示する。

測定精度が足りなくなる理由として、被測定物の小型化に起因して測定点数が減少し、解析誤差が大きくなっていることが考えられる。また、接触角の評価では、測定子の校正における触針の先端半径の算出精度が影響していることが考えられる。

図１２から図１４を用いて、接触角の評価において測定精度が足りなくなる原因について説明する。以下に、特許文献１から３に記載の発明と同様のボールゲージを適用して先端半径が校正された触針を用いて、ボールネジの溝の接触角を導出する例を示す。

図１２から図１４は課題の説明図である。図１２にはボールネジの溝の断面を示す。図１２では、軌道面が小さい場合と軌道面が大きい場合とを、軌道面の中心Ｏを一致させて図示した。

符号１は軌道面が小さい場合の軌道面を表す。符号２は軌道面が大きい場合の軌道面を表す。符号３は軌道面１のサンプル円を示す。符号４は軌道面２のサンプル円を示す。サンプル円３は、軌道面１の全ての測定点における測定値に最小二乗法を適用して算出された円である。サンプル円４も同様である。例えば、サンプル円３の半径を２．０マイクロメートルとする。サンプル円４の半径を１０．０マイクロメートルとする。

符号５、及び符号６は、解析結果として導出された軌道面１の接触点を示す。符号７、及び符号８は、解析結果として導出された軌道面２の接触点を示す。符号α、及び符号βは接触点から導出された接触角を表す。

符号９は触針を表す。符号１０、符号１１、及び符号１２は、それぞれ、サンプル円３、及びサンプル円４において、中心Ｏから下ろした垂線１３からの角度が４４度、４５度、及び４６度の場合の、中心Ｏと円弧とを結ぶ線分である。

図１３は図１２に示した軌道面１における接触点５の付近の拡大図である。符号１Ａは、触針９の仮の先端半径が適用された軌道面１の測定結果を表す。図１４は図１２に示した軌道面２における接触点７の付近の拡大図である。符号２Ａは、触針９の仮の先端半径が適用された軌道面２の測定結果を表す。

図１３、及び図１４に示した符号１４は、触針９の先端半径の校正誤差に起因する測定結果のゆらぎを表す。このように、測定結果には、触針９の先端半径の校正誤差が重畳され得る。ここで、図１３に図示した符号５Ａは、本来、接触点として特定されるべき点を示す。符号５は実際に特定された接触点を表す。

図１３に示す例では、軌道面１の測定結果に触針９の先端半径の誤差が重畳された結果、本来、接触点５Ａが導出されるべきはずが、１度程度の誤差を生じた接触点５が導出されてしまう。

一方、図１４に示す例では、図１３に示す例と同様に、触針９の先端半径の誤差に起因する測定結果のゆらぎが生じ、軌道面２の測定結果に触針９の先端半径の誤差が重畳されているものの、本来、導出されるべき接触点７が導出されている。仮に、測定結果と設計値データとを照合した偏差が０．１マイクロメートルであったとしても、接触角にすると１度程度の誤差となってしまう。

従来技術に係る校正方法は、図１４に示した例のような測定であれば問題とならないものの、図１３に示した例のように、小型化されたボールネジの溝等を測定する場合に問題となり得る。

特許文献１から３に記載の発明は、ボールゲージが真球であることを前提としているが、発明者らは、完全な真球を製作することが現実に困難であることに着目し、現実のボールゲージにおける真球からのずれが、触針９先端半径の校正誤差になり得ると考えた。そして、図１３に示したように、小型化されたワークの形状測定では、触針９の先端半径の校正誤差の影響が顕在化し得ることを見出した。

以下に説明する校正装置、及び校正方法は、従来技術に係る校正では顕在化していない新たな技術課題に発明者らが着目し、かかる技術課題を解決するものである。

［校正ユニットの構成例］
図１は校正ユニットの全体構成を示す斜視図である。本実施形態に係る校正装置は、図１に示した校正ユニット２０を備える。校正ユニット２０は、段差ゲージ２２、エッジゲージ２４、及びボールゲージ２６を備える。校正ユニット２０は、段差ゲージ２２、エッジゲージ２４、及びボールゲージ２６が第一方向に沿って配置される。

段差ゲージ２２は、基準ベース３０の上にブロックゲージ３２が取り付けられた構造を有する。ブロックゲージ３２の厚さは既知であり、基準ベース３０の上面３０Ａとブロックゲージ３２の上面３２Ａとの距離である段差寸法Ｈ０が既知となっている。なお、基準ベース３０の上面３０Ａとブロックゲージ３２の上面３２Ａとは、互いに平行な二面の一例に相当する。

エッジゲージ２４は、図示しないホルダを用いて支持される。エッジゲージ２４は、校正ユニット２０の上面２０Ａからエッジ部４０が露出する構造を有している。段差ゲージ２２、及びエッジゲージ２４は、第一移動機構２８を用いて第二方向について移動可能に支持される。

ボールゲージ２６は、支柱５０の上端に支持される。ボールゲージ２６の真球度、及び半径は予め正確に導出されている。ボールゲージ２６は、第二移動機構２９を用いて第二方向について移動可能に支持される。

ここで、第一方向は、校正ユニット２０が形状測定機に配置された場合のＸ軸方向に相当する。第二方向は、校正ユニット２０が形状測定機に配置された場合のＹ軸方向に相当する。

［エッジゲージの構造例］
図２はエッジゲージの正面図である。図３はエッジゲージの側面図である。図２、及び図３に示すようにエッジゲージ２４は、エッジ部４０、エッジ支持部４１、及び固定部４２を備える。

エッジ部４０は、固定部４２の先端に配置される。エッジ支持部４１は、エッジ部４０の下部を支持する。固定部４２は、エッジ支持部４１に支持されたエッジ部４０を支持し、図示しないホルダを用いて、図１に示した校正ユニット２０に支持される。

図４は図２に示したエッジ部の拡大図である。図４ではエッジ４８を更に拡大して図示する。エッジ部４０は、第一傾斜面４４、第二傾斜面４６、及びエッジ４８を備える。エッジ部４０は、エッジ４８を頂辺とする三角柱形状を有する。

エッジ部４０は、エッジ４８が延在する第一方向と直交する第二方向について、エッジ４８を挟んで、エッジ４８の一方の側に第一傾斜面４４を備え、エッジ４８の他方の側に第二傾斜面４６を備える。

第一傾斜面４４と第二傾斜面４６とは規定の角度をなす。図４の紙面に平行な正面断面におけるエッジ部４０の断面形状は三角形である。エッジ部４０の正面断面の断面形状は二等辺三角形、又は正三角形が好ましい。

第一傾斜面４４と第二傾斜面４６との規定の角度θは８０度以下である。触針の先端半径の校正の観点から、角度θは小さければ小さいほどよい。エッジゲージ２４の製造条件、及び使用条件に基づいて、角度θの下限値を規定してもよい。

エッジ４８の先端半径Ｒはボールゲージ２６の半径未満とし得る。エッジ４８の先端半径Ｒが小さければ小さいほど、触針の先端半径の校正誤差を小さくすることが可能である。エッジ４８の先端半径Ｒは０．１マイクロメートル以下が好ましい。なお、触針は図６に符号４９を付して図示する。

図５は図３に示したエッジ部の拡大図である。図５は、図４に示した第一傾斜面４４の側からエッジ部４０を見た図である。図５に示すように、エッジ４８は、第二方向について規定の長さを有する。第二方向におけるエッジ４８の長さは、エッジ部４０の製造上の制約、及び耐久性上の制約等を考慮して規定される。

第二方向におけるエッジ４８の長さを長くすると、高精度にエッジ部４０を製作することが困難である。例えば、第二方向におけるエッジ４８の長さがボールゲージ２６の半径未満であれば、エッジ部４０を高精度に製作し得る。

図５に示すように、第一方向について見たエッジ部４０の平面形状は台形である。なお、第一方向について見たエッジ部４０の平面形状は長方形等の台形以外の四角形とし得る。

エッジ部４０の材料の例としてダイヤモンドが挙げられる。エッジ部４０にダイヤモンドを使用することで、エッジ４８の先端半径Ｒを０．０５マイクロメートル以下とすることが可能である。

小型のワークを測定する触針の先端は球ではなく、先端半径が小さい円錐形状となる。なお、ここでいう小型のワークは、転動ボールの直径が１．０ミリメートル程度の直動ガイド、及びボールネジ等を想定している。なお、ワークは被測定物の一例に相当する。

測定の際にワークと触針の先端との接触位置は連続的に変化する。先端の直径が０．５ミリメートルから１．０ミリメートル程度の触針を用いて小型のワークを測定した場合、測定位置が連続的に変化せず、接触点のばらつき、及び複数の接触点が検出される等が発生し得る。

そこで、小型のワークを測定する触針の先端半径は、２．０マイクロメートル、及び５．０マイクロメートル等とされる。先端半径が２．０マイクロメートル等の場合、触針の先端の材料はダイヤモンドが適用される。

触針の先端がダイヤモンドの場合、触針の先端を測定するエッジゲージ２４は、触針の先端と同等以上の硬度が必要となるので、図２に等に示したエッジゲージ２４のエッジ部４０の材料はダイヤモンドが適用される。

なお、上記した小型のワークは例示であり、測定の際に、１．０ミリメートル程度の溝形状、及び穴形等、先端半径が２．０マイクロメートル等の触針が適用されるワークは、ここでいう小型ワークの概念に含まれ得る。

［エッジゲージを用いて触針の先端半径を校正する利点］
図６はエッジゲージの測定の模式図である。図６は、触針４９を用いたエッジゲージ２４の測定が模式的に図示されている。図６に示すように、触針４９をＸ軸方向に移動させ、触針４９の先端４９Ａを、第一傾斜面４４、エッジ４８、及び第二傾斜面４６の順に接触させて、エッジゲージ２４を測定する。

図７はエッジゲージの測定結果を表す模式図である。図７に示す結果波形６０は、第一傾斜面４４の測定結果である第一波形要素６２、エッジ４８の測定結果である第二波形要素６４、及び第二傾斜面４６の測定結果である第３波形要素６６が含まれる。

図７に示した結果波形６０には、エッジ４８を測定した触針４９の先端４９Ａの半径が現れるが、測定対象がエッジ４８のため、エッジ４８の先端半径Ｒの影響をほぼ受けない。

［機能ブロック図］
図８は校正装置の機能ブロック図である。本実施形態に係る校正装置は、信号処理部７０を備える。信号処理部７０は、測定値取得部７１、及び設計値取得部７２を備える。測定値取得部７１は、形状測定機の検出部から出力される段差ゲージ２２、エッジゲージ２４、及びボールゲージ２６の測定データを取得する。ここでいうデータとは、１つ以上の測定値が含まれる。

測定値取得部７１は、段差ゲージ２２の測定データを取得する段差測定データ取得部、エッジゲージ２４の測定データを取得するエッジ測定データ取得部、及びボールゲージ２６の測定データを取得するボール測定データ取得部を備えてもよい。取得した測定データは、図示しない測定データ記憶部を用いて記憶される。

設計値取得部７２は、段差ゲージ２２、エッジゲージ２４、及びボールゲージ２６の設計値を取得する。測定値取得部７１と同様に、設計値取得部７２は段差ゲージ２２、エッジゲージ２４、及びボールゲージ２６のそれぞれの設計値を個別に取得してもよい。取得した設計値は、図示しない設計値記憶部を用いて記憶される。設計値取得部７２は、予め記憶されている各設計値を読み出すことで、設計値を取得してもよい。

信号処理部７０は、処理部７４、データ記憶部７６、校正部７８、校正データ記憶部８０、及び校正データ出力部８２を備える。処理部７４は、設計値、及び測定値を用いて、演算等の信号処理を実行する。処理部７４を用いた信号処理の結果は、データ記憶部７６に記憶される。

校正部７８は、処理部７４を用いた信号処理の結果を用いて、アーム長さの校正データ、触針高さの校正データ、及び触針先端半径の校正データを生成する。校正部７８は、段差測定データ、ボール測定データ、段差設計値、及びボール設計値を用いて、アーム長さの校正データ、及び触針高さの校正データを生成し得る。

アーム長さの校正データ、及び触針高さの校正データを生成する際に、校正部７８は、エッジ測定データ、及びエッジ設計値を用いて触針先端半径の仮の校正データを生成してもよい。

また、校正部７８は、エッジ測定データ、及びエッジ設計値を用いて触針先端半径の校正データを生成し得る。校正部７８を用いて生成された各種の校正データは校正データ記憶部８０へ記憶される。

校正部７８は、校正データ出力部８２を介して、形状測定装置の制御部へ、アーム長さの校正データ、触針高さの校正データ、及び触針先端半径の校正データを送信する。形状測定装置は、校正装置の信号処理部７０から送信された各種校正データを用いて、ワークの測定を実施し得る。

図８に示した校正装置の信号処理部７０の機能は、ハードウェアを用いてプログラムを実行することで実現し得る。ハードウェアは、プロセッサ、メモリ、記憶装置、及び通信インターフェイスを用いて構成し得る。プロセッサの例として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）が挙げられる。

メモリの例として、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びＲＡＭ（Random Access Memory）が挙げられる。記憶装置の例として、ハードディスク装置、及びストレージ装置が挙げられる。

［校正方法の説明］
〔校正方法に適用されるパラメータ〕
図９は校正方法に適用されるパラメータの説明図である。図９には形状測定機に具備される検出器１００の概略構成を模式的に図示する。符号１０２は触針を示す。符号１０２Ａは触針１０２の先端を示す。なお、図９に示した触針１０２は、図６に示した触針４９に相当する。

符号１０４はアームを示す。符号１０４Ａはアーム１０４の先端を表す。符号１０６は回転支点を表す。符号１０８はセンサを表す。図９に二点鎖線を用いて図示したアーム１０４は、Ｘ軸方向と平行にアーム１０４が支持された、アーム１０４の水平状態を表す。

触針１０２は、アーム１０４の先端部に固定される。アーム１０４は、ＸＺ平面について、回転支点１０６を用いて回転可能に支持される。アーム１０４の先端部は、アーム１０４の先端１０４Ａを含み、アーム１０４の先端１０４Ａから一定の長さを有する領域を表す。

ＬＨ１はアーム長さである。アーム長さＬＨ１は、回転支点１０６からアーム１０４の先端１０４Ａまでの距離である。ＬＶ１は触針高さである。触針高さＬＶ１は触針１０２の全長である。触針高さＬＶ１は、アーム１０４の水平状態における、回転支点１０６から触針１０２の先端１０２ＡまでのＺ軸方向の距離である。

ＬＨ２は、アーム１０４の水平状態における、回転支点１０６からセンサ１０８までのＸ軸方向の距離である。ＬＶ２は、回転支点からセンサ１０８までのＺ軸方向における距離である。θは、アーム１０４の水平状態を基準とする、アーム１０４の傾き角度を表す。

ｘ０ｉは、図示しないスケールの検出信号のｉ番目のサンプル点を表す。ｚ０ｉは、センサ１０８の検出信号のｉ番目のサンプル点を表す。（ｘ１ｉ，ｚ１ｉ）は、ｉ番目のサンプ点に対応する触針１０２の先端１０２Ａの位置の座標を表す。

θは下記の式１を用いて表される。ｘ１ｉは下記の式２を用いて表される。ｚ１ｉは下記の式３を用いて表される。

また、図９に示したＬ１は、下記の式４を用いて表される。Ｌ２は、下記の式５を用いて表される。θ１は、下記の式６を用いて表される。θ２は、下記の式７を用いて表される。

〔校正方法の手順〕
図１０は校正方法の手順を示すフローチャートである。測定値取得工程Ｓ１０では、図８に示した設計値取得部７２は、段差ゲージ２２の設計値、エッジゲージ２４の設計値、及びボールゲージ２６の設計値を取得する。取得した各設計値を記憶する設計値記憶工程を実行してもよい。測定値取得工程Ｓ１０の後に、ボールゲージ測定工程Ｓ１２へ進む。

ボールゲージ測定工程Ｓ１２では、測定値取得部７１は、ボールゲージ２６の測定データを取得する。取得した測定データを記憶する記憶工程を実行してもよい。ボールゲージ測定工程Ｓ１２の後に、段差ゲージ測定工程Ｓ１４へ進む。

段差ゲージ測定工程Ｓ１４では、測定値取得部７１は、段差ゲージ２２の測定データを取得する。取得した測定データを記憶する記憶工程を実行してもよい。段差ゲージ測定工程Ｓ１４の後に、エッジゲージ測定工程Ｓ１６へ進む。

エッジゲージ測定工程Ｓ１６では、測定値取得部７１は、エッジゲージ２４の測定データを取得する。取得した測定データを記憶する記憶工程を実行してもよい。エッジゲージ測定工程Ｓ１６の後に、触針先端半径仮校正工程Ｓ１８へ進む。

触針先端半径仮校正工程Ｓ１８では、校正部７８は、エッジ測定データを用いて、触針先端半径の仮の校正データを導出する。触針先端半径仮校正工程Ｓ１８の後に、評価関数値算出工程Ｓ２０へ進む。

評価関数値算出工程Ｓ２０では、処理部７４は、段差測定データ、及びボール測定データを用いて、規定の評価関数値を計算する。以下の項目の総和を評価関数として定義し得る。

〈１〉
段差測定データから算出される段差と既知の段差寸法Ｈ０との差の二乗
〈２〉
ボール測定データの真円度の二乗
真円度は、最小二乗円からの偏差の最大値とする。

〈３〉
ボール測定データの対称性
ボール測定データの対称性は、極座標データ（Ａ，Ｒ）において、Ａを９０度プラスマイナスγとした場合の、左右のＲ値の差の二乗を適用する。極座標は、最小二乗円の中心を原点とする。

なお、ボール測定データとして、Ｚ軸方向における測定範囲を変えた複数のボール測定データを適用してもよい。複数のボール測定データが得られた場合、評価関数は、ボール測定データ間の形状誤差を、上記した評価関数の項目としてもよい。

評価関数値算出工程Ｓ２０の後に、収束判定工程Ｓ２２へ進む。収束判定工程Ｓ２２では、校正部７８は、評価関数値算出工程Ｓ２０において算出された評価関数値が収束するか否かを判定する。評価関数値算出工程Ｓ２０において算出された評価関数値が収束しない場合は、Ｎｏ判定となる。Ｎｏ判定の場合は、最適化計算工程Ｓ２４へ進む。

最適化計算工程Ｓ２４では、校正部７８は、評価関数値算出工程Ｓ２０において算出された評価関数値が収束するまで、最適化計算が実行される。すなわち、収束判定工程Ｓ２２においてＹｅｓ判定となるまで、触針先端半径仮校正工程Ｓ１８から収束判定工程Ｓ２２までの各工程が繰り返し実行される。

すなわち、校正部７８は、評価関数値算出工程Ｓ２０において算出された評価関数値が収束するまで最適化計算を行い、アーム長さＬＨ１の最適な校正データ、及び触針高さＬＶ１の最適な校正データを算出する。

一方、収束判定工程Ｓ２２において、評価関数値が収束したと判定された場合はＹｅｓ判定となる。Ｙｅｓ判定の場合は、触針先端校正工程Ｓ２６へ進む。Ｙｅｓ判定の場合は、各校正データを記憶する記憶工程を実行してもよい。

触針先端校正工程Ｓ２６では、校正部７８は、エッジ測定データを用いて、触針先端半径仮校正工程Ｓ１８において仮校正された触針先端半径の最適な校正データを算出する。触針先端校正工程Ｓ２６の後に、触針先端半径の校正データを記憶する記憶工程を実行してもよい。

以上説明した校正方法を用いて、図９に示したＬＨ２、及びＬＶ２の校正データを導出し得る。なお、ここで説明した校正方法は一例であり、段差測定データ、ボール測定データを用いて、アーム長さＬＨ１の校正、及び触針高さの校正が実施され、かつ、エッジ測定データを用いて触針先端半径の校正が実施される他の校正方法を適用してもよい。

［作用効果］
上記の如く構成された校正装置、及び校正方法によれば、以下の作用効果を得ることが可能である。

〔１〕
エッジゲージを用いて触針先端半径が校正される。エッジゲージのエッジの先端は半径が０．１マイクロメートル以下とされる。これにより、ボールゲージを用いて触針先端半径を校正した場合における、ボールゲージの真円度に起因する校正誤差が抑制される。

〔２〕
エッジゲージの角度が８０度以下とされる。これにより、小型ボールネジの溝における接触角測定に好適である。

〔３〕
エッジゲージのエッジ部の材料は、ダイヤモンドが適用される。これにより、高精度の加工が施されたエッジ部の製作が可能である。また、エッジ部の一定の耐久性を確保し得る。更に、ダイヤモンドが適用された触針先端の校正が可能である。

［装置適用例］
上記した校正装置、及び校正方法を適用し得る形状測定装置について説明する。図１１は形状測定装置の一例を示す輪郭形状測定機の全体構成図である。図１１では、図９に示した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付している。

図１１に示した輪郭形状測定機１２０は、測定部１２２、データ処理部１２４を備える。測定部１２２は、送り装置１３０を備える。送り装置１３０は、ベース１３２に立設されたコラム１３４を用いて、Ｚ軸方向に移動自在に支持される。送り装置１３０はＸ軸方向の変位を検出するスケール１３６が内蔵される。

測定部１２２は、検出器１００を備える。検出器１００は、送り装置１３０を用いて、Ｘ軸方向に移動自在に支持される。検出器１００は、触針１０２、アーム１０４、及びセンサ１０８を備える。検出器１００の構造は図９を用いて説明したとおりである。ここでは検出器１００の説明は省略する。

輪郭形状測定機１２０は、図示しない制御装置を備える。制御装置は、測定プログラムを実行して、ワークＷの輪郭形状の自動測定を実施する。制御装置は、規定の測定手順に基づいて、Ｘ軸方向移動機構、及びＺ軸方向移動機構の動作を制御し得る。制御部は、データ処理部１２４とハードウェアを共通化してもよい。

データ処理部１２４は、コンピュータ１４０を備える。コンピュータ１４０は、キーボード１４２、及びマウス１４４を備える。コンピュータ１４０は、モニタ装置１４６と接続される。

コンピュータ１４０は、図示しない測定データ入力部を備える。測定データ入力部は、スケール１３６の検出信号を出力するスケール検出信号を出力するスケール検出信号、及びセンサ１０８の検出信号を出力するセンサ検出信号検出部と通信可能に接続される。

コンピュータ１４０は、図示しない設計値取得部を備える。設計値取得部は、ワークＷの設計値を取得する。コンピュータ１４０は、図示しない校正データ取得部、及び校正データ記憶部を備える。校正データ取得部は校正装置を用いて導出された各種校正データを取得する。校正データ記憶部は、取得した各種校正データを記憶する。各種校正データは、上記したアーム長さＬＨ１の校正データ、触針高さＬＶ１の校正データ、及び触針半径の校正データが含まれる。

すなわち、コンピュータ１４０は、ワークＷの輪郭形状測定において、各測定点における測定データを取得する。コンピュータ１４０は、取得した測定データに基づいて、ワークＷの輪郭形状を計算する。コンピュータ１４０は、モニタ装置１４６を用いて、ワークＷの測定データ、及びワークＷの輪郭形状を表示し得る。

輪郭形状測定機１２０は、図８に示した信号処理部を備えてもよい。例えば、図１１に示したコンピュータ１４０は、校正装置の信号処理部７０の機能を実現するハードウェア、及びソフトウェアを備えてもよい。

図１１に示した輪郭形状測定機１２０においてアーム長さＬＨ１、触針高さＬＶ１、及び触針先端半径を校正する際は、図１に示した校正ユニット２０をベース１３２の上面に載置する。その際に、エッジゲージ２４のエッジ４８をＹ軸方向と一致させる。ここでいう一致は、許容範囲の誤差が含まれてもよい。

本例では、輪郭形状測定機を例示したが、上記した校正装置は粗さ測定機、及び粗さ測定機と輪郭形状測定機との複合機にも適用可能である。

以上説明した本発明の実施形態は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜構成要件を変更、追加、削除することが可能である。本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で当該分野の通常の知識を有する者により、多くの変形が可能である。

２０…校正ユニット、２２…段差ゲージ、２４…エッジゲージ、２６…ボールゲージ、４０…エッジ部、４４…第一傾斜面、４６…第二傾斜面、４８…エッジ、７０…信号処理部、７１…測定値取得部、７２…設計値取得部、７４…処理部、７８…校正部、８２…校正データ出力部

Claims (7)

1. Ｘ軸方向について移動自在に支持され、ＸＺ平面について回転支点を用いて回転可能に支持されたアームの先端部に具備される触針を用いて、被測定物の形状を測定する形状測定機を校正する校正ユニットであって、
   互いに平行な二面を有し、前記二面の段差が既知の段差ゲージと、
   半径が既知のボールゲージと、
   前記Ｘ軸方向、及びＺ軸方向と直交するＹ軸方向に沿うエッジを頂辺とする三角柱形状を有し、前記エッジを挟む第一傾斜面、及び第二傾斜面を含むエッジ部を備え、前記エッジが前記ボールゲージの半径未満の先端半径を有するエッジゲージと、
   前記Ｙ軸方向について、前記エッジゲージを移動可能に支持する第一移動機構と、
   前記Ｙ軸方向について、前記ボールゲージを移動可能に支持する第二移動機構と、
   を備えた校正ユニット。
2. 前記第一傾斜面と前記第二傾斜面とは、８０度以下の角度を有する請求項１に記載の校正ユニット。
3. 前記エッジの先端半径は、０．１マイクロメートル以下である請求項１又は２に記載の校正ユニット。
4. 前記Ｙ軸方向における前記エッジの長さは、前記ボールゲージの半径未満である請求項１から３のいずれか一項に記載の校正ユニット。
5. 前記エッジ部の材料はダイヤモンドが用いられる請求項１から４のいずれか一項に記載の校正ユニット。
6. Ｘ軸方向について移動自在に支持され、ＸＺ平面について回転支点を用いて回転可能に支持されたアームの先端部に具備される触針を用いて、被測定物の形状を測定する形状測定機を校正し、校正ユニット、及び信号処理部を備えた形状測定機校正装置であって、
   前記校正ユニットは、
   互いに平行な二面を有し、前記二面の段差が既知の段差ゲージと、
   半径が既知のボールゲージと、
   前記Ｘ軸方向、及びＺ軸方向と直交するＹ軸方向に沿うエッジを頂辺とする三角柱形状を有し、前記エッジを挟む第一傾斜面、及び第二傾斜面を含むエッジ部を備え、前記エッジが前記ボールゲージの半径未満の先端半径を有するエッジゲージと、
   を備え、
   前記信号処理部は、
   前記段差ゲージの設計値、前記ボールゲージの設計値、及び前記エッジゲージの設計値を取得する設計値取得部と、
   前記触針を用いて前記段差ゲージを測定した段差測定データを取得する段差測定データ取得部と、
   前記触針を用いて前記ボールゲージを測定したボール測定データを取得するボール測定データ取得部と、
   前記触針を用いて前記エッジゲージを測定したエッジ測定データを取得するエッジ測定データ取得部と、
   前記段差測定データ、前記ボール測定データ、前記段差ゲージの設計値、及び前記ボールゲージの設計値を用いて、前記アームが前記Ｘ軸方向と平行となる水平状態における前記回転支点から前記触針の先端までの前記Ｚ軸方向における距離である触針高さ、及び前記回転支点から前記触針までの前記Ｘ軸方向における距離であるアーム長さを校正し、前記エッジ測定データ、及び前記エッジゲージの設計値を用いて、前記触針の先端半径を校正する校正部と、
   を備えた形状測定機校正装置。
7. 校正部は、前記エッジ測定データ、及び前記エッジゲージの設計値を用いて、前記触針の先端半径を仮校正し、仮校正された前記触針の先端半径を用いて前記アーム長さ、及び前記触針高さを校正する請求項６に記載の形状測定機校正装置。

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