JP7201208B2 - 校正ゲージ及び校正方法 - Google Patents

Description

本発明は、校正ゲージ及び校正方法に関し、特に非接触式三次元測定機に好適に用いられるものである。

三次元測定機は、機械部品等の三次元形状、寸法や幾何偏差などを測定するために広い分野で利用され、ものづくりにおいて品質評価を行う際に重要な役割を担う測定機である。三次元測定機の検査は、ＪＩＳＢ ７４４０－２に準拠した方法で実施されている。この方法はブロックゲージ等を多数並べて測定するため、各ゲージの厳密な位置決め等が必要であるなど高度な技術が必要であり、また検査に数日を費やすという問題があった。さらに、このような検査は、たとえば年に１回程度専門の業者によって行われることが多く、気づかないうちに測定誤差が発生していることがあった。そのため、三次元測定機の性能をユーザ自身が常に適性に維持管理できるように中間検査や使用前点検の意味合いで、短時間に簡便な操作で三次元測定機の寸法等の検査を行えることが望まれていた。

特許文献１には、基台と、前記基台上に設けられる半球状の本体と、それぞれ一方の端部に保持具を介して球体が取り付けられ、もう一方の端部が前記本体に固定される複数本のシャフトからなり、該複数本のシャフトのうち、１本のシャフトは前記本体の極から鉛直方向に延びるように取り付けられ、残りのシャフトは平面視したときに隣のシャフトと一定の角度をなすように且つ斜め上方向に延びるように取り付けられている三次元測定機簡易検査用ゲージが開示されている。

特開２０１２－１３７３０１号公報

しかしながら、上記特許文献１の検査用ゲージは、ある球体が他の球体の陰に隠れてしまう場合があるため、測定光を測定対象物に照射して測定対象物からの反射光を検出器で受光して測定する、非接触式三次元測定機に適用することが難しいという問題があった。

本発明は、非接触式三次元測定機に用いることができる校正ゲージ及び校正方法を提供することを目的とする。

本発明に係る校正ゲージは、板状のベースと、前記ベースに設けられた第１測定対象部と、前記第１測定対象部に対し一列に前記ベース上に配置された１又は２以上の第２測定対象部とを備え、前記第１測定対象部は、前記ベース表面に垂直に支持された第１軸部と、前記第１軸部の先端に設けられた第１球体とを有し、前記第２測定対象部は、前記ベース表面に垂直に支持された第２軸部と、前記第２軸部の先端に設けられた第２球体とを有し、前記ベースの表面から前記第２球体の中心までの高さは、前記ベースの表面から前記第１球体の中心までの高さより低く、前記第１測定対象部及び前記第２測定対象部は、回転可能に前記ベースに支持されている。

本発明に係る校正方法は、上記校正ゲージを用いた非接触式三次元測定機の校正方法であって、前記ベースを回転させ、所定の角度ごとに前記第１球体及び前記第２球体の、直径と、真円度と、中心間距離と、を測定するステップと、測定した前記直径、前記真円度及び前記中心間距離を校正値と比較するステップとを備える。

本発明によれば、校正ゲージは、第２球体の高さが、第１球体の高さより低いことによって、ベース表面に対し平行な方向からみて第１球体が第２球体に隠れない。したがってベース表面に対し平行な方向から照射された測定光によって第１球体及び第２球体を測定することができるので、非接触式三次元測定機に用いることができる。

本実施形態に係る校正ゲージを示す斜視図である。 本実施形態に係る校正ゲージの正面図である。 本実施形態に係る校正ゲージの使用状態を示す模式図であり、図３Ａは使用状態（１）、図３Ｂは使用状態（２）である。 本実施形態に係る校正ゲージを用いて測定した結果（１）を示すグラフである。 本実施形態に係る校正ゲージを用いて測定した結果（２）を示すグラフである。 本実施形態に係る校正ゲージを用いて測定した結果（３）を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

（全体構成）
図１に示す非接触式三次元測定機の校正ゲージ１０は、ベース１２と、複数の測定対象部と備える。ベース１２は、矩形の板状部材である。ベースは、アルミニウムを主成分とする金属、又はセラミックスなどで形成される。複数の測定対象部は、ベース１２の長手方向に一列に配置されている。本図の場合、測定対象部は、ベース１２の中央に配置された第１測定対象部１３と、前記第１測定対象部１３を挟んで両側に配置された一対の第２測定対象部１５とを有し、合計３個である。

第１測定対象部１３は、第１軸部１４と、第１軸部１４に設けられた第１球体２０とを有する。一対の第２測定対象部１５は、第２軸部１６，１８と、第２軸部１６，１８に設けられた第２球体２２，２４とを有する。一対の第２測定対象部１５の間の距離は、測定対象である非接触式三次元測定機のステージに対し２／３程度とすることができる。一対の第２測定対象部１５と、第１測定部１３の間の距離は、等間隔であるのが好ましい。第１軸部１４と第２軸部１６，１８を区別しない場合、総称して「軸部」と呼ぶ。同様に、第１球体２０と第２球体２２，２４を区別しない場合、総称して「球体」と呼ぶ。

軸部は、ベース１２表面に垂直に設けられている。軸部の基端は、ベース１２に支持されている。本実施形態の場合、軸部は、回転可能にベース１２に支持されるのが好ましい。「垂直」とはベース１２表面に対し完全な垂直と、完全な垂直から若干ずれている場合とを含む。

球体は、軸部の先端に設けられている。球体は、適用する三次元測定機の測定光に合わせて選択される。球体の材質は、測定光が白色光の場合、炭素工具鋼、セラミックスなどを用いることができ、測定光がレーザー光の場合、上記に加え、ガラス、ダイヤモンド、ルビーなどを用いることができる。検査ゲージには、球体の直径、真円度、及び中心間距離の校正値が付されている。校正値は、例えば、高精度の接触式三次元測定機で測定された測定値を用いることができる。第１球体２０と第２球体２２，２４の直径は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。第２球体２２，２４の直径は、互いに異なっていてもよい。

図２に示すように、一対の第２測定対象部１５は、ベース１２表面から、第２球体２２，２４の中心までの高さが、Ｈ１で実質的に同じである。すなわち、一方の第２球体２２の高さＨ１と、他方の第２球体２４の高さＨ１は、実質的に同じである。「実質的に」とは、一対の第２測定対象部１５の第２球体２２，２４を測定する際、検出器の高さを変える必要がない程度であることをいう。高さＨ１は、第１球体２０の中心までの高さＨ２より低い。高さＨ１は、ベース１２表面に対し平行な方向から照射された測定光によって第１球体２０を測定する際、第１球体２０が第２球体２２，２４に隠れない程度の高さである。

ベース１２は、上板部２６と、上板部２６に対向して配置された下板部２８とを有する。上板部２６と下板部２８の間には、第１歯車３２と、第１歯車３２の両側に配置された一対の第２歯車３４，３６が配置されている。上板部２６と下板部２８は、間に第１歯車３２と、一対の第２歯車３４，３６を挟んで、ねじ３０で固定されている。

第１歯車３２は、上板部２６に形成された貫通穴（図示しない）を通じて第１測定対象部１３の第１軸部１４の基端に連結されている。第２歯車３４，３６は、上板部２６に形成された貫通穴（図示しない）を通じて第２測定対象部１５の第２軸部１６，１８にそれぞれ連結されている。第２歯車３４，３６は、それぞれ第１歯車３２とかみ合っている。第１歯車３２は、第１軸部１４に連結している側と反対側において、回転軸３８に連結されている。回転軸３８は、下板部２８に形成された貫通穴（図示しない）を通じて下板部２８から突出しており、駆動軸（図示しない）に連結される。

回転軸３８を回転させることによって第１歯車３２を介して連結された第１軸部１４が回転する。したがって当該第１軸部１４に設けられた第１球体２０が回転する。同時に第１歯車３２にかみ合っている第２歯車３４，３６が、第１歯車３２に連動して回転する。第２歯車３４，３６を介して連結された第２軸部１６，１８が回転する。したがって当該第２軸部１６，１８に設けられた第２球体２２，２４が回転する。上記のようにして第２球体２２，２４が、第１球体２０に連動して回転する。

（校正方法）
次に上記校正ゲージ１０を用いた非接触式三次元測定機の校正方法について説明する。本実施形態では、プローブ４０の光路ＬがステージのＸ軸に対し平行な方向に配置された、非接触式三次元測定機に適用する場合について説明する。

まず図３に示すように、非接触式三次元測定機のプローブ４０の光路Ｌに対し所定角度αだけ傾けて、校正ゲージ１０を配置する。校正ゲージ１０のベース１２は、ブラケット（図示しない）などを介して非接触式三次元測定機のステージ４２から分離して固定される。回転軸３８は、ステージ４２の駆動軸（図示しない）に連結されている。上記の様にして、校正ゲージ１０の第１測定対象部１３及び第２測定対象部１５は、軸部の長手方向がＺ方向に略平行となるように配置される。第１測定対象部１３は、ステージ４２の中心と一致している。プローブ４０は、測定光を光路Ｌに沿って測定対象物に照射する光源と、測定対象物からの反射光を検出する検出器とを有し、図示しない演算装置と電気的に接続されている。

所定角度αは、プローブ４０から遠い側（奥側）の第２球体２２が第１測定対象部１３に隠れない程度の角度である。プローブ４０又はステージ４２をＺ方向に移動し、プローブ４０の高さを第１球体２０の高さＨ２に合わせる。

この状態での角度（以下、第１測定角度という）で、ステージ４２の駆動軸の回転力によって、第１球体２０を回転させながら、第１球体２０の座標を検出する。次いで、プローブ４０又はステージ４２をＺ方向に移動し、プローブ４０の高さを第２球体２２，２４の高さＨ１に合わせる。続いてプローブ４０に近い側（手前側）の第２球体２４の座標を検出する。この際、第１球体２０に連動して第２球体２４を回転させながら測定する。次いで、奥側の第２球体２２の座標を、同様に回転させながら測定する。

上記一連の手順によって得られた座標から、第１測定角度における第１球体２０及び第２球体２２，２４の直径、真円度、第１球体２０と第２球体２２，２４の中心間距離、及び第２球体２２，２４の中心間距離を測定することができる。

次いで、校正ゲージ１０をさらに所定角度θだけ回転させる。角度θは、例えば４５度とする。校正ゲージ１０の光路Ｌに対する角度は（θ＋α）である。

この状態での角度（以下、第２測定角度という）で、第１測定角度のときと同様に、手前側及び奥側の第２球体２４，２２の座標を順に検出する。次いで、プローブ４０の高さを第１球体２０の高さＨ２に合わせ、第１球体２０の座標を検出する。

上記一連の手順によって得られた座標から、第２測定角度における第１球体２０及び第２球体２２，２４の直径、真円度、第１球体２０と第２球体２２，２４の中心間距離、及び第２球体２２，２４の中心間距離を測定することができる。

さらに所定角度θずつ校正ゲージ１０を回転させた位置で、それぞれ第１球体２０及び第２球体２２，２４の座標を検出することによって、第３測定角度、及び第４測定角度における第１球体２０及び第２球体２２，２４の直径、真円度、第１球体２０と第２球体２２，２４の中心間距離、及び第２球体２２，２４の中心間距離を測定する。

上記のようにして非接触式三次元測定機で測定した値と、校正ゲージ１０に付された校正値とを比較することによって、非接触式三次元測定機の精度を評価することができる。すなわち、第１球体２０はステージの中心に一致していることから、第１球体２０の直径、真円度の測定結果によって、１軸の精度を校正することができる。また各測定角度における中心間距離を比較することによって、相対的な空間誤差を評価することができる。

第１球体２０を挟んで両側に配置された一対の第２球体２２，２４の高さが、第１球体２０の高さより低いことによって、ステージ４２のＸ－Ｙ平面に対し平行な方向からみて第１球体が第２球体に隠れることがない。したがって校正ゲージ１０は、ベース１２表面に対し平行な方向から照射された測定光によって第１球体２０及び第２球体２２を測定できるので、非接触式三次元測定機に用いることができる。

手前側の第２球体２４と奥側の第２球体２２の高さが実質的に同じ高さＨ１であることによって、第２球体２２，２４の座標を検出する際、プローブ４０又はステージ４２をＺ方向へ移動してプローブ４０の高さを調整する必要がないので、その分、工数を簡略化することができる。

第１測定対象部１３及び第２測定対象部１５は、回転可能にベース１２に支持されていることによって、第１球体２０及び第２球体２２，２４の全周の座標を容易に検出することができる。第２測定対象部１５は、第１測定対象部１３に連動して回転可能に支持されているので、第２球体２２，２４を回転させるための駆動源を省略することができる。

第１球体２０及び第２球体２２，２４がステージ４２上の三次元座標に空間配置されているので、第１球体２０及び第２球体２２，２４の中心間距離を測定することによって空間誤差を校正することができる。しかも校正ゲージ１０は、ステージ４２上を回転可能にテーブルに支持されているので、第１球体２０を中心とし、第２球体２２，２４で囲まれる領域の空間誤差を校正することができる。

（検証）
上記した校正ゲージを作製し、非接触式三次元測定機の誤差を検出することができるか、検証した。作製した校正ゲージの直径、真円度、各球体の中心間距離を、非接触式三次元測定機（三鷹光器（株）製、MLP-2、測定範囲φ80mm以下、分解能：軸方向0.01μm、円周方向0.1μm）及び接触式三次元測定機（（株）ミツトヨ製、LEGEX9106、最大許容指示誤差0.35+Ｌ/1000μm）で測定した結果を表１に示す。

表１において第１球体を「球－２」（材質：ルビー）、一方の第２球体を「球－１」（材質：ガラス）、他方の第２球体を「球－３」」（材質：ガラス）で示す。球体の中心間距離は、第１球体「球－２」と一方の第２球体「球－１」間の中心間距離が「球―１－２」、第１球体「球－２」と他方の第２球体「球－３」間の中心間距離が「球―２－３」、一方の第２球体「球－１」と他方の第２球体「球－３」間の中心間距離が「球―１－３」である。

校正ゲージを非接触式三次元測定機のテーブルに取り付けた状態で、異なる日に同様の測定を２０日間繰り返し測定した測定値に基づく結果を図４に示す。測定の際、校正ゲージをテーブルから一旦取り外した後、再度テーブルに取り付けて、異なる日に同様の測定を２０日間繰り返し測定した測定値に基づく結果を図５に示す。接触式三次元測定機で測定した測定値（表１、接触式）を参照値とし、非接触式三次元測定機による測定値（表１、非接触式）との差に基づく結果を図６に示す。図４及び図５において、縦軸は標準偏差（μｍ）、横軸は測定項目を示す。図６において、縦軸は偏差（μｍ）、横軸は測定項目を示す。横軸において、第１球体を「球－２」、一方の第２球体を「球－１」、他方の第２球体を「球－３」で示す。本結果から、非接触式三次元測定機においても、接触式と同等の測定結果が得られ、さらに再現性も高いことから、当該校正ゲージを用いて、非接触式三次元測定機の測定誤差の校正に用いることが可能といえる。

（変形例）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。上記実施形態の場合、プローブ４０の光路ＬがステージのＸ－Ｙ平面に対し平行な方向に配置された、非接触式三次元測定機に適用する場合について説明したが、本発明はこれに限らない。例えば、本発明は、プローブの光路ＬがＺ軸に平行に配置された非接触式三次元測定機に適用することもできる。また、本発明は、プローブがステージ上を回転可能に配置された非接触式三次元測定機に適用することもできる。
上記実施形態の場合、第２測定対象部は、一対（２個）である場合について説明したが、本発明はこれに限らず、１個、又は３個以上であってもよい。

１０ 校正ゲージ
１２ ベース
１３ 第１測定対象部
１４ 第１軸部
１５ 第２測定対象部
１６，１８ 第２軸部
２０ 第１球体
２２，２４ 第２球体
２６ 上板部
２８ 下板部
３２ 第１歯車
３４，３６ 第２歯車
３８ 回転軸
４０ プローブ
４２ ステージ

Claims (5)

1. 非接触式三次元測定機の校正ゲージであって、
   板状のベースと、
   前記ベースに設けられた第１測定対象部と、前記第１測定対象部に対し一列に前記ベース上に配置された１又は２以上の第２測定対象部と
   を備え、
   前記第１測定対象部は、前記ベース表面に垂直に支持された第１軸部と、前記第１軸部の先端に設けられた第１球体とを有し、
   前記第２測定対象部は、前記ベース表面に垂直に支持された第２軸部と、前記第２軸部の先端に設けられた第２球体とを有し、
   前記ベースの表面から前記第２球体の中心までの高さは、前記ベースの表面から前記第１球体の中心までの高さより低く、
   前記第１測定対象部及び前記第２測定対象部は、回転可能に前記ベースに支持されている、校正ゲージ。
2. 前記第１測定対象部及び前記第２測定対象部は、互いに連動して回転可能である請求項１に記載の校正ゲージ。
3. 前記第２測定対象部は、前記第１測定対象部の両側に一対配置されており、前記ベースの表面から前記一対の第２球体の中心までの高さは、実質的に同じ高さである請求項１又は２に記載の校正ゲージ。
4. 前記ベースは、回転テーブル上に配置されている請求項１～３のいずれか１項に記載の校正ゲージ。
5. 非接触式三次元測定機の校正ゲージであって、
   板状のベースと、
   前記ベースに設けられた第１測定対象部と、前記第１測定対象部に対し一列に前記ベース上に配置された１又は２以上の第２測定対象部と
   を備え、
   前記第１測定対象部は、前記ベース表面に垂直に支持された第１軸部と、前記第１軸部の先端に設けられた第１球体とを有し、
   前記第２測定対象部は、前記ベース表面に垂直に支持された第２軸部と、前記第２軸部の先端に設けられた第２球体とを有し、
   前記ベースの表面から前記第２球体の中心までの高さは、前記ベースの表面から前記第１球体の中心までの高さより低い、校正ゲージ
   を用いて非接触式三次元測定機の校正を行う校正方法であって、
   前記ベースを回転させ、所定の角度ごとに前記第１球体及び前記第２球体の、直径と、真円度と、中心間距離と、を測定するステップと、
   測定した前記直径、前記真円度及び前記中心間距離を校正値と比較するステップと
   を備える、校正方法。

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