JP7308402B2 - 異常検出方法及び三次元測定機 - Google Patents

Description

本発明は異常検出方法及び三次元測定機に係り、特にスタイラスの異常を検出する異常検出方法及び三次元測定機に関する。

測定対象物の表面にスタイラスの先端に設けられた接触子を接触させ、スタイラスの変位を検出することで、測定対象物の複数の位置の三次元座標を取得し、測定対象物の形状を測定する三次元測定機が知られている。このような三次元測定機において、基準球の形状を測定することでスタイラスの位置を校正する技術が知られている（特許文献１参照）。また、スタイラス校正時のデータを利用することで、接触子の摩耗、接触子の汚れ、スタイラスの取り付けの緩みなどの異常を検出することができる。

特開２００２－０７１３４３号公報

しかしながら、従来の三次元測定機では、プローブヘッドの回転精度の低下、スタイラスシステム交換時に予期しない力が加わっている、スタイラスシステム交換皿の不良、及びスタイラス校正の頻度が少なすぎるため、期待する精度が出ていない、などの要因の異常を検出することができなかった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、校正履歴からスタイラスの異常を検出する異常検出方法及び三次元測定機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異常検出方法の一の態様は、スタイラスの校正履歴を用いてスタイラスの異常を検出する異常検出方法であって、スタイラスを用いて校正用の測定対象物を測定し、Ｎを整数とすると（Ｎ＋１）回目の校正データを取得する校正工程と、スタイラスの過去の校正データを取得する校正履歴取得工程と、（Ｎ＋１）回目の校正データと（Ｎ＋１）回目の１回前の校正データであるＮ回目の校正データとの第１差分を算出する第１算出工程と、第１差分が第１閾値を超えている第１条件を満たすか否かを判定する第１比較工程と、（Ｎ＋１）回目の校正データと最初の校正データである１回目の校正データとの第２差分を算出する第２算出工程と、第２差分が第２閾値を超えている第２条件を満たすか否かを判定する第２比較工程と、第１条件及び第２条件の少なくとも一方を満たす場合にスタイラスの異常と判定する判定工程と、を備える異常検出方法である。

本態様によれば、（Ｎ＋１）回目の校正データとＮ回目の校正データとの第１差分が第１閾値を超えている第１条件を満たすか否かを判定し、（Ｎ＋１）回目の校正データと１回目の校正データとの第２差分が第２閾値を超えている第２条件を満たすか否かを判定し、第１条件及び第２条件の少なくとも一方を満たす場合にスタイラスの異常と判定するようにしたので、校正履歴からスタイラスの異常を検出することができる。

校正履歴取得工程は、１回目の校正データからＮ回目の校正データまでを取得し、Ｍを整数とすると、Ｍが２からＮまでについて、Ｍ回目の校正データと（Ｍ－１）回目の校正データの差分である前回値差分をそれぞれ算出し、前回値差分のばらつきを表す指標を算出する前回値差分ばらつき算出工程を備え、第１閾値は、前回値差分のばらつきを表す指標に基づいた値を含むことが好ましい。これにより、スタイラスの異常を適切に判定することができる。

前回値差分のばらつきを表す指標は前回値差分の標準偏差であることが好ましい。これにより、前回値差分のばらつきを適切に算出することができる。

ユーザがユーザ閾値を入力する閾値設定工程を備え、第１閾値はユーザ閾値を含むことが好ましい。これにより、スタイラスの異常を適切に判定することができる。

上記目的を達成するために三次元測定機の一の態様は、測定対象物の表面に接触する接触子を支持するスタイラスと、スタイラスの変位を検出する測定部と、スタイラスの過去の校正データを記憶する記憶部と、スタイラスを用いて校正用の測定対象物を測定し、Ｎを整数とすると（Ｎ＋１）回目の校正データを取得する校正部と、（Ｎ＋１）回目の校正データと（Ｎ＋１）回目の１回前の校正データであるＮ回目の校正データとの第１差分を算出する第１算出部と、第１差分が第１閾値を超えている第１条件を満たすか否かを判定する第１比較部と、（Ｎ＋１）回目の校正データと最初の校正データである１回目の校正データとの第２差分を算出する第２算出部と、第２差分が第２閾値を超えている第２条件を満たすか否かを判定する第２比較部と、第１条件及び第２条件の少なくとも一方を満たす場合にスタイラスの異常と判定する判定部と、を備える三次元測定機である。

本態様によれば、（Ｎ＋１）回目の校正データとＮ回目の校正データとの第１差分が第１閾値を超えている第１条件を満たすか否かを判定し、（Ｎ＋１）回目の校正データと１回目の校正データとの第２差分が第２閾値を超えている第２条件を満たすか否かを判定し、第１条件及び第２条件の少なくとも一方を満たす場合にスタイラスの異常と判定するようにしたので、校正履歴からスタイラスの異常を検出することができる。

本発明によれば、校正履歴からスタイラスの異常を検出することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る三次元測定機を示す図である。 図２は、他の態様のプローブヘッド及びスタイラスを示す拡大図である。 図３は、異常検出方法を示すフローチャートである。 図４は、異常系動作を示すフローチャートである。 図５は、警告動作を示すフローチャートである。 図６は、スタイラスの１００回分の校正データの履歴を示すグラフである。 図７は、図６の横軸及び縦軸のスケールを変更したグラフである。 図８は、図６に示した校正データのＸ軸方向の前回値差分の出現回数の分布を示すグラフである。 図９は、図６に示した校正データのＹ軸方向の前回値差分の出現回数の分布を示すグラフである。 図１０は、図６に示した校正データのＸ軸方向の校正回数と前回値差分との関係を示すグラフである。 図１１は、図６に示した校正データのＹ軸方向の校正回数と前回値差分との関係を示すグラフである。 図１２は、異常１が発生したスタイラスのＹ軸方向の校正データの校正回数と前回値差分との関係の一例を示すグラフである。 図１３は、図１２に示したスタイラスの校正データを示すグラフである。 図１４は、異常２が発生したスタイラスの校正データを示すグラフである。 図１５は、図１４に示したスタイラスのＹ軸方向の校正データの校正回数と前回値差分との関係の一例を示すグラフである。

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詳説する。

＜三次元測定機＞
図１は、本発明の一実施形態に係る三次元測定機１を示す図（斜視図及びブロック図）である。三次元測定機１は、測定対象物であるワークの各測定ポイント（測定位置）の三次元座標（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向の座標値）を測定して、ワークの形状を演算する。ここでいうワークの形状とは、ワークの三次元形状、二次元形状、表面形状、輪郭形状、及び長さ又は径などの各種の寸法形状などが含まれる。

なお、図１中のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は、三次元測定機１に固有の機械座標原点に基づいて定められる座標系である機械座標系である。本明細書において「三次元座標」とは、三次元測定機１の機械座標原点に基づく座標である。

図１に示すように、三次元測定機１は、測定機本体１０と、コントローラ１００と、データ処理装置１１０とを備えている。コントローラ１００は、測定機本体１０の各部を制御する装置である。データ処理装置１１０は、三次元測定機１による測定処理及び校正処理に係るデータ処理を行う装置である。

〔測定機本体〕
測定機本体１０は、架台１２と、架台１２上に設けられたテーブル１４（定盤）と、テーブル１４の両端部に立設された右Ｙキャリッジ１６Ｒ及び左Ｙキャリッジ１６Ｌと、右Ｙキャリッジ１６Ｒ及び左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とにより門型フレーム１９が構成される。

テーブル１４の上面には、ワーク（図示せず）が配置される。また、テーブル１４の両端部の上面と側面とには、Ｙ軸方向に沿って右Ｙキャリッジ１６Ｒ及び左Ｙキャリッジ１６Ｌが摺動する摺動面が形成されている。なお、右Ｙキャリッジ１６Ｒ及び左Ｙキャリッジ１６Ｌには、テーブル１４の摺動面に対向する位置にエアベアリング（図示せず）が設けられている。これにより、右Ｙキャリッジ１６Ｒ及び左Ｙキャリッジ１６Ｌは、Ｘガイド１８と共にＹ軸方向に移動自在となる。

Ｘガイド１８には、Ｘキャリッジ２０が取り付けられている。このＸガイド１８には、Ｘキャリッジ２０が摺動する摺動面がＸ軸方向に沿って形成されている。また、Ｘキャリッジ２０には、Ｘガイド１８の摺動面に対向する位置にエアベアリング（図示せず）が設けられている。これにより、Ｘキャリッジ２０はＸ軸方向に移動自在となる。

Ｘキャリッジ２０には、Ｚキャリッジ（Ｚスピンドルともいう）２２が取り付けられている。また、Ｘキャリッジ２０には、Ｚキャリッジ２２をＺ軸方向に案内するＺ軸方向案内用のエアベアリング（図示せず）が設けられている。これにより、Ｚキャリッジ２２は、Ｘキャリッジ２０によってＺ軸方向に移動可能に保持されている。このＺキャリッジ２２の下端には、プローブヘッド２４が取り付けられている。

三次元測定機１には、Ｘキャリッジ２０をＸ軸方向に、門型フレーム１９をＹ軸方向に、Ｚキャリッジ２２をＺ軸方向に、それぞれ移動させる駆動部（図示せず）が設けられている。これにより、プローブヘッド２４を、互いに直交する３軸方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）に移動させることができる。

テーブル１４の右Ｙキャリッジ１６Ｒ側の端部には、Ｙ軸方向の座標値を検出する目盛りであるＹ軸リニアスケール（図示せず）が設けられている。また、Ｘガイド１８にはＸ軸方向の座標値を検出する目盛りであるＸ軸リニアスケール（図示せず）が設けられ、Ｚキャリッジ２２にはＺ軸方向の座標値を検出する目盛りであるＺ軸リニアスケール（図示せず）が設けられている。

一方、右Ｙキャリッジ１６Ｒには、Ｙ軸リニアスケールを読み取るＹ軸検出部（図示せず）が設けられている。また、Ｘキャリッジ２０には、Ｘ軸リニアスケール及びＺ軸リニアスケールをそれぞれ読み取るＸ軸検出部（図示せず）とＺ軸検出部（図示せず）とが設けられている。Ｘ軸検出部、Ｙ軸検出部、及びＺ軸検出部の検出結果は、コントローラ１００を介してデータ処理装置１１０へ出力される。

Ｚキャリッジ２２にはプローブヘッド２４が設けられている。また、プローブヘッド２４には、スタイラスシステム交換皿２６を介してスタイラス３０が着脱自在に保持されている。

スタイラス３０は、剛性が高い軸状の部材である。このスタイラス３０の材料としては、例えば、超硬質合金、チタン、ステンレス、セラミック、カーボンファイバー等を使用することができる。

スタイラス３０の先端部には、測定子３２（接触子の一例）が設けられている。測定子３２は、硬度が高く、耐摩耗性に優れた球状の部材である。測定子３２の材料としては、例えば、ルビー、窒化珪素、ジルコニア、セラミック等を使用することができる。測定子３２の直径（以下、スタイラス径という。）は一例で４．０ｍｍである。

測定対象物の測定を行う場合には、データ処理装置１１０（測定部の一例）は、コントローラ１００を介して駆動部（図示せず）によりＸキャリッジ２０、門型フレーム１９、及びＺキャリッジ２２をそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に移動させて、測定子３２を測定対象物に接触させる。そして、データ処理装置１１０は、測定子３２を測定対象物の外形に沿って走査させながら、測定子３２の変位量等を測定する。データ処理装置１１０は、この変位量の測定値等のデータを取得する。データ処理装置１１０は、汎用測定プログラムを使用してこのデータを処理することにより、測定対象物の形状（輪郭）及び寸法等を求めることが可能となっている。

テーブル１４の上面のＹ軸方向の一端部側には、スタイラスチェンジャ３４が載置されている。スタイラスチェンジャ３４は、複数種類のスタイラス３０をそれぞれ個別に支持するスタイラス支持部３４ａを有している。なお、スタイラス支持部３４ａによるスタイラス３０の支持方式は特に限定されない。

プローブヘッド２４は、スタイラスチェンジャ３４に支持されている複数種類のスタイラス３０を選択的に着脱自在に保持する。本実施形態では、プローブヘッド２４は、マグネットによってスタイラス３０に設けられたスタイラスシステム交換皿２６を着脱自在に保持する。なお、スタイラス３０を保持する方法は、コネクター方式などの各種方式を採用可能である。

スタイラスチェンジャ３４の各スタイラス支持部３４ａの三次元位置情報は、事前にデータ処理装置１１０にインプットされている。データ処理装置１１０は、ユーザの指示或いは事前に作成されたプログラムに従って、駆動部（図示せず）を制御してプローブヘッド２４をワークの測定に使用するスタイラス３０（スタイラス支持部３４ａ）まで移動させた後、プローブヘッド２４にスタイラス３０を着脱自在に保持させる。

また、データ処理装置１１０は、プローブヘッド２４が保持しているスタイラス３０を交換する場合には、駆動部（図示せず）を制御してプローブヘッド２４を対応するスタイラス支持部３４ａまで移動させた後、プローブヘッド２４によるスタイラス３０の保持を解除してこのスタイラス３０を元のスタイラス支持部３４ａへ戻す。次いで、データ処理装置１１０は、駆動部（図示せず）を制御して、次に使用するスタイラス３０（スタイラス支持部３４ａ）までプローブヘッド２４を移動させた後、プローブヘッド２４にスタイラス３０を着脱自在に保持させる。これにより、プローブヘッド２４のスタイラス３０の交換を自動で行うことができる。

図２は、他の態様のプローブヘッド２４及びスタイラス３０を示す拡大図である。図２に示すプローブヘッド２４は、例えば無段階位置決め機構を備えた５軸同時制御測定ヘッドである。プローブヘッド２４には、スタイラス３０をそれぞれ互いに直交する２つの回転軸Ｒ１及び回転軸Ｒ２の軸周りに回転自在に保持及び回転させるモータなどのスタイラス駆動部（図示せず）が設けられている。スタイラス駆動部により、プローブヘッド２４は、スタイラス３０を回転軸Ｒ１の軸周りの回転角φと、回転軸Ｒ２の軸周りの回転角θとをそれぞれ無段階に調整することができる。その結果、プローブヘッド２４は、スタイラス３０の姿勢を任意に変位（回転）させることができる。

なお、プローブヘッド２４には、スタイラス３０の回転角θ，φをそれぞれ検出するロータリエンコーダ等の回転角検出部（図示せず）が設けられている。回転角検出部による検出結果は、コントローラ１００を介してデータ処理装置１１０へ出力される。

図１の説明に戻り、テーブル１４の上面のＸ軸方向の一端部側には、スタイラス３０の校正用の測定対象物である校正球３６が設けられている。校正球３６は、真球度と直径が保証された球状の部材である。校正球３６は、硬度が高く、耐摩耗性に優れた材料により形成することができる。校正球３６としては、その形状誤差が測定機本体１０による測定精度よりも小さいもの（一例で１０分の１以下のもの）を使用することができる。

スタイラス３０の校正を行う場合には、データ処理装置１１０は、駆動部（図示せず）を制御して測定子３２を校正球３６に接触させる。データ処理装置１１０は、測定子３２を校正球３６の外形に沿って走査させながら、測定子３２のＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向の変位量等を測定する。データ処理装置１１０は、この変位量から求めた校正球３６の形状（輪郭）及び寸法等の測定結果と、真の値である校正球３６の形状（輪郭）及び寸法等のデータとを比較することにより、スタイラス３０の校正を行う。

また、三次元測定機１は、スタイラス３０の校正データを用いてスタイラス３０の異常の発生を検出することができる。三次元測定機１における異常検出方法の詳細については後述する。

〔コントローラ〕
コントローラ１００は、データ処理装置１１０と測定機本体１０との間で送受信するデータの変換処理を行う。コントローラ１００は、データ処理装置１１０から測定機本体１０に送信されるデジタルの指令をアナログ信号に変換するためのＤ／Ａ（digital-to-analog）変換器と、測定機本体１０からデータ処理装置１１０に送られる測定値等のデータをデジタルデータに変換するためのＡ／Ｄ（analog-to-digital）変換器とを含んでいて
もよい。

〔データ処理装置〕
データ処理装置１１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１１２と、操作部１１４と、記憶装置１１６と、表示装置１１８とを備えている。データ処理装置１１０は、例えばパーソナルコンピュータにより構成される。

データ処理装置１１０は、操作部１１４からの操作入力に応じて測定機本体１０に指令を送信して、測定機本体１０による測定対象物の測定を行う。同様に、データ処理装置１１０は、スタイラス３０の校正、及び異常検出を行う。

ＣＰＵ１１２は、測定機本体１０及びデータ処理装置１１０の各部の動作を制御する。ＣＰＵ１１２は、操作部１１４を介してユーザからの操作入力を受け付け、コントローラ１００を介してこの操作入力に応じた制御信号を、測定機本体１０及びデータ処理装置１１０の各部に送信して各部の動作を制御する。

操作部１１４は、ユーザからの操作入力を受け付ける操作部材を含んでいる。この操作部材としては、例えば、文字入力のためのキーボード、ポインティングデバイス、マウス等を用いることができる。

記憶装置１１６は、ＣＰＵ１１２による演算に使用されるプログラム、及び測定機本体１０から取得した測定結果等のデータを記憶する。記憶装置１１６としては、例えば、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の磁気ディスクを含む装置、ｅＭＭＣ（embedded Multi Media Card）、ＳＳＤ（Solid State Drive）等のフラッシュメモリを含む装置等を用いることができる。図１は、記憶装置１１６に記憶されるプログラムの例として、汎用測定プログラム及び異常検出プログラムを示しており、記憶装置１１６に記憶されるデータの例として、校正データ情報、閾値情報及び設定情報を示している。

表示装置１１８は、文字情報、画像、ＧＵＩ（Graphical User Interface）等を表示するための装置である。表示装置１１８としては、例えば、液晶ディスプレイを用いることができる。表示装置１１８には、測定機本体１０から取得した測定値等のデータ、スタイラス３０の校正の結果、及びスタイラス３０の異常検出の結果を表示させることができる。

なお、ユーザに対して通知を行う装置としては、表示装置１１８に加えて、又は表示装置１１８の代わりに、音声を出力するためのスピーカ等を備えていてもよい。

＜異常検出方法＞
次に、三次元測定機１における異常検出方法について説明する。三次元測定機１は、スタイラス校正の履歴である校正データを用いて異常検出処理を行う。異常検出処理は、ＣＰＵ１１２が記憶装置１１６に記憶された異常検出プログラムを実行することで行われる。

本実施形態に係る異常検出方法では、プローブヘッドの回転精度の低下、スタイラスシステム交換時に予期しない力が加わっている、スタイラスシステム交換皿の不良、及びスタイラス校正の頻度が少なすぎるため、期待する精度が出ていない、などの要因の異常を検出する。これらの異常を検出するために、測定スタイラスの微小な位置ずれ、又は測定スタイラスの急激な位置ずれを検出する。

〔メイン処理〕
図３は、異常検出方法のメイン処理を示すフローチャートである。図３に示すように、異常検出方法は、閾値設定工程（ステップＳ１）と、校正工程（ステップＳ２）と、校正履歴取得工程（ステップＳ３）と、前回値差分ばらつき算出工程（ステップＳ４）と、第１算出工程（ステップＳ５）と、第２算出工程（ステップＳ６）と、判定工程（ステップＳ７）と、を有する。

ステップＳ１では、データ処理装置１１０は、判定工程で使用する閾値を設定する。ここで設定する閾値は、標準偏差の倍数Ｋ、及びユーザ閾値Ｄ［ｍｍ］である。

標準偏差の倍数Ｋは、記憶装置１１６に閾値情報として記憶されている。データ処理装置１１０は、標準偏差の倍数Ｋを記憶装置１１６から読み出す。一例として、標準偏差の倍数Ｋ＝３である。データ処理装置１１０は、標準偏差の倍数Ｋをユーザに入力させてもよい。

ユーザ閾値Ｄは、ユーザが所望の値に設定することができる。データ処理装置１１０は、ユーザ閾値Ｄをユーザに操作部１１４から入力させて取得する。なお、データ処理装置１１０は、ユーザが入力したユーザ閾値Ｄを記憶装置１１６に記憶させておいてもよい。記憶装置１１６にユーザ閾値Ｄが記憶されている場合は、データ処理装置１１０は、閾値設定工程においてユーザ閾値Ｄを記憶装置１１６から読み出せばよい。

ステップＳ２では、データ処理装置１１０（校正部の一例）は、スタイラス３０の校正を行う。ここでの校正は、Ｎを整数とすると、スタイラス３０の（Ｎ＋１）回目の校正であるとする。

スタイラス３０の校正を行うには、データ処理装置１１０は、スタイラスチェンジャ３４にセットされている複数のスタイラス３０から所望のスタイラス３０を選択し、プローブヘッド２４に保持させる。

次に、データ処理装置１１０は、スタイラス３０の測定子３２を校正球３６に接触させ、測定子３２を校正球３６の外形に沿って走査させて、測定子３２の変位量等を測定する。これにより、データ処理装置１１０は、校正球３６の形状及び寸法等の測定結果を（Ｎ＋１）回目の校正データとして取得する。
ステップＳ３では、データ処理装置１１０は、記憶装置１１６（記憶部の一例）から今回校正を行っているスタイラス３０の１回目～Ｎ回目までのＮ回分の校正データ（校正履歴の一例）を読み込む。Ｎは４以上であることが好ましい。

ステップＳ４では、データ処理装置１１０は、ステップＳ３で読み込んだ過去Ｎ回分の校正データから、各軸の前回値との差分値（前回値差分）の標準偏差（Ｓｘ、Ｓｙ、Ｓｚ）を算出する。

Ｍ回目の校正データを（Ｘ_Ｍ、Ｙ_Ｍ、Ｚ_Ｍ）、Ｍ回目の前回である（Ｍ－１）回目の校正データを（Ｘ_{（Ｍ－１）}、Ｙ_{（Ｍ－１）}、Ｚ_{（Ｍ－１）}）とすると、Ｍ回目の校正データの前回値差分は（Ｘ_Ｍ－Ｘ_{（Ｍ－１）}、Ｙ_Ｍ－Ｙ_{（Ｍ－１）}、Ｚ_Ｍ－Ｚ_{（Ｍ－１）}）と表すことができる。Ｍ＝２～Ｎにおける差分値の標準偏差が、前回値差分の標準偏差（Ｓｘ、Ｓｙ、Ｓｚ）となる。

ここでは前回値差分のばらつきを表す指標として標準偏差を用いているが、分散、又はその他の指標であってもよい。

ステップＳ５では、データ処理装置１１０（第１算出部の一例）は、ステップＳ２で取得した（Ｎ＋１）回目の校正データと、ステップＳ３で読み込んだ校正データであって、（Ｎ＋１）回目の１回前の校正データであるＮ回目の校正データとの第１差分（Ｄｎｘ、Ｄｎｙ、Ｄｎｚ）を算出する。第１差分（Ｄｎｘ、Ｄｎｙ、Ｄｎｚ）は、（Ｘ_{（Ｎ＋１）}－Ｘ_Ｎ、Ｙ_{（Ｎ＋１）}－Ｙ_Ｎ、Ｚ_{（Ｎ＋１）}－Ｚ_Ｎ）と表すことができる。

ステップＳ６では、データ処理装置１１０（第２算出部の一例）は、ステップＳ２で取得した（Ｎ＋１）回目の校正データと、ステップＳ３で読み込んだ校正データであって、最初の校正データである１回目の校正データとの第２差分（Ｄ１ｘ、Ｄ１ｙ、Ｄ１ｚ）を算出する。第２差分（Ｄ１ｘ、Ｄ１ｙ、Ｄ１ｚ）は、（Ｘ_{（Ｎ＋１）}－Ｘ_１、Ｙ_{（Ｎ＋１）}－Ｙ_１、Ｚ_{（Ｎ＋１）}－Ｚ_１）と表すことができる。

ステップＳ７では、データ処理装置１１０（第１比較部の一例、第２比較部の一例）は、ステップＳ４～ステップＳ６で求めた値が、下記の条件１、条件２、及び条件３のうちのいずれかの条件に該当するか否かを判定する（第１比較工程の一例、第２比較工程の一例）。

（条件１）|Ｄｎｘ|＞Ｋ×Ｓｘ、又は|Ｄｎｙ|＞Ｋ×Ｓｙ、又は|Ｄｎｚ|＞Ｋ×Ｓｚ
（条件２）|Ｄｎｘ|＞Ｄ、又は|Ｄｎｙ|＞Ｄ、又は|Ｄｎｚ|＞Ｄ
（条件３）|Ｄ１ｘ|＞Ｋ×Ｓｘ×Ｎ^１／２、又は|Ｄ１ｙ|＞Ｋ×Ｓｙ×Ｎ^１／２、又は|Ｄ１ｚ|＞Ｋ×Ｓｚ×Ｎ^１／２
即ち、条件１は第１差分（Ｄｎｘ、Ｄｎｙ、Ｄｎｚ）の絶対値が閾値（Ｋ×Ｓｘ、Ｋ×Ｓｙ、Ｋ×Ｓｚ）を超えている条件である。条件２は第１差分（Ｄｎｘ、Ｄｎｙ、Ｄｎｚ）の絶対値が閾値（Ｄ、Ｄ、Ｄ）を超えている条件である。条件３は第２差分（Ｄ１ｘ、Ｄ１ｙ、Ｄ１ｚ）の絶対値が閾値（Ｋ×Ｓｘ×Ｎ^１／２、Ｋ×Ｓｙ×Ｎ^１／２、Ｋ×Ｓｚ×Ｎ^１／２）を超えている条件である。

条件１、条件２、及び条件３のいずれの条件にも該当しない場合は、ステップＳ８へ移行する。ステップＳ８では、ステップＳ２で取得した（Ｎ＋１）回目の校正データを記憶装置１１６に書き込み、本フローチャートの処理を終了する。

一方、条件１、条件２、及び条件３のうちいずれかの条件を満たす場合は、データ処理装置１１０（判定部の一例）は、スタイラス３０に異常が発生していると判断し、ステップＳ９へ移行する。ステップＳ９では、異常系動作処理を行い、その後、本フローチャートの処理を終了する。

〔異常系動作処理〕
図４は、異常系動作処理を示すフローチャートである。

ステップＳ１１では、データ処理装置１１０は、表示装置１１８に画面１を表示する。画面１は、ユーザに校正結果の変化が意図したものであるか否かを確認するための画面である。ステップＳ１２では、ユーザは、画面１の表示に従って操作部１１４から意図したものであるか否かを入力する。

ユーザが意図してスタイラス３０を交換した、又は測定子３２を洗浄したなどの場合は、校正データはこれまでの履歴とは異なってくる可能性がある。したがって、校正結果の変化がユーザの意図したものである場合は、ステップＳ１３へ移行する。ステップＳ１３では、データ処理装置１１０は、記憶装置１１６に記憶されたＮ回分の校正データをリセット（消去）し、本フローチャートの処理を終了する。

校正結果の変化が意図したものでない場合は、ステップＳ１４へ移行する。ステップＳ１４では、データ処理装置１１０は、Ｎ＋１回目の校正データのログを作成し、記憶装置１１６に記憶させる。また、データ処理装置１１０は、続くステップＳ１５において警告動作処理を行い、本フローチャートの処理を終了する。

〔警告動作処理〕
図５は、警告動作処理を示すフローチャートである。

ステップＳ２１では、データ処理装置１１０は、条件３に該当するか否かを判定する。条件３に該当する場合は、ステップＳ２２へ移行する。

ステップＳ２２では、データ処理装置１１０は、表示装置１１８に画面４を表示させる。条件３に該当するのは、１回目の校正データとＮ＋１回目の校正データとの差分が大きい場合であり、三次元測定機１（測定機本体１０）の故障の可能性がある。したがって、画面４では、一例として「測定機の故障の可能性があります。弊社サポートまでご連絡ください。」と表示する。

また、ステップＳ２１において条件３に該当しないと判定された場合は、ステップＳ２３へ移行する。

ステップＳ２３では、データ処理装置１１０は、条件２に該当するか否かを判定する。条件２に該当する場合は、ステップＳ２４へ移行する。

ステップＳ２４では、データ処理装置１１０は、表示装置１１８に画面３を表示させる。条件２に該当するのは、（Ｎ＋１）回目の校正データとＮ回目の校正データとの差分がユーザの入力したユーザ閾値Ｄより大きい場合であり、ユーザの期待している測定精度に達していない可能性がある。したがって、画面３では、一例として「期待している精度で測定するためには、スタイラスの校正頻度を増やす必要があります。」と表示する。

ステップＳ２３において条件２に該当しないと判定された場合は、条件１に該当していると判断し、ステップＳ２５へ移行する。

ステップＳ２５では、データ処理装置１１０は、表示装置１１８に画面２を表示させる。条件１に該当するのは、（Ｎ＋１）回目の校正データとＮ回目の校正データとの差分が前回値差分の標準偏差のＫ倍より大きい場合であり、スタイラス３０の故障の可能性がある。したがって、画面２では、一例として「スタイラスの故障の可能性があります。」と表示する。

データ処理装置１１０は、画面２、画面３、又は画面４を表示した後、本フローチャートを終了する。

＜判定工程の条件の設定＞
図６は、三次元測定機１においてあるスタイラス３０の校正を１００回繰り返して取得した校正データの推移を示すグラフである。図６では、横軸をＸ軸方向、縦軸をＹ軸方向として１００回分のＸ軸方向及びＹ軸方向の校正データをプロットしている。ここでは、Ｚ軸方向の校正データは省略している。

図６に示すように、校正データはランダムウォークモデルに近い挙動を示している。したがって、校正データはランダムウォークモデルに従うと推測することができる。

ランダムウォークモデルにおいて、ある歩数の位置の標準偏差は、歩幅×歩数^１／２と表すことができる。本実施形態において、歩数は校正回数に相当する。したがって、各軸方向の校正データがＫ×歩幅×歩数^１／２を超えた場合に異常と判断する。ここでは歩幅の代表値としてステップＳ４で求めた前回値差分の標準偏差（Ｓｘ、Ｓｙ、Ｓｚ）を使用する。以上により、条件３を導くことができる。なお、製造業の慣例から、標準偏差の３倍を超える場合（Ｋ＝３）を異常として検出することができる。

図７は、図６の横軸及び縦軸のスケールを変更して表したグラフである。図７に示す楕円は、条件３に相当する異常検出の閾値を示している。

図７において、校正データのプロット位置が（ｘ，ｙ）の位置に存在する確率Ｐ（ｘ、ｙ）は、下記のように表すことができる。

ここで、ｒ^２、σ_ｒ ^２を下記の式１、式２のように定義する。

式１、式２より、確率Ｐ（ｘ、ｙ）は、

と表すことができる。即ち、ｒは正規分布に従う。

式１、式２より、閾値の式は下記になる。

したがって、閾値は楕円状になる。ここではＸ軸方向及びＹ軸方向の二次元について考えたが、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向の三次元の場合は、閾値は楕球状となる。

図８及び図９は、図６に示した校正データの、前回値差分の出現回数の分布を示すグラフである。それぞれ横軸は前回値差分（単位：１／１０μｍ）、縦軸は出現回数（単位：回）を表しており、図８はＸ軸方向の校正データ、図９はＹ軸方向の校正データを示している。図８及び図９に示すように、前回値差分は正規分布に近い挙動を示している。したがって、前回値差分は正規分布に従うと推測し、前回値差分の標準偏差のＫ倍（例えばＫ＝３）を超える場合を異常と検出する。これにより、条件１を導くことができる。

図１０及び図１１は、図６に示した校正データの、前回値差分の推移を示すグラフである。それぞれ横軸は校正回数（単位：回目）、縦軸は前回値差分（単位：ｍｍ）を表しており、図１０はＸ軸方向の推移、図１１はＹ軸方向の推移を示している。図１０及び図１１に示す実線は、条件１に相当する異常検出の閾値を示しており、ここでは標準偏差の３倍の値を示している。

また、前回値差分がユーザの入力値を超えた場合は、ユーザの意図した精度で測定できていない可能性がある。これにより、条件２を導くことができる。

＜異常の発生例と検出＞
〔異常１〕
スタイラスの相対位置が少しずつずれる異常（異常１）が発生する場合がある。異常１は、例えば、プローブヘッド２４に装着するスタイラス３０を交換する際に、スタイラス３０がスタイラスチェンジャ３４と接触することで、スタイラスシステムに予期せぬ力が加わり、スタイラス３０の相対位置がずれることで発生する。

図１２は、異常１が発生したスタイラスのＹ軸方向の校正データの前回値差分の推移の一例を示すグラフである。図１１と同様に、横軸は校正回数（単位：回）、縦軸は前回値差分（単位：ｍｍ）を表している。この例では、Ｎ＝９１回目まで前回値差分は０～０．０００４５［ｍｍ］の範囲にある。これは閾値より小さいため、条件１には該当しないと判断される。

このように、条件１では異常１の発生の判断ができない場合がある。

図１３は、図１２に示したスタイラスの校正データを示すグラフである。図６と同様に、横軸をＸ軸方向、縦軸をＹ軸方向としてＸ軸方向及びＹ軸方向の校正データをプロットしている。また、図１３に示す楕円は、異常検出の閾値を示している。

このスタイラスは、徐々に１回目の校正位置からずれが発生しており、途中から１回目の校正位置からの移動量が閾値を超えていることがわかる。このように、異常１の発生は条件３を用いて判断することができる。

〔異常２〕
一方、測定スタイラスの相対位置が急激にずれる異常（異常２）が発生する場合がある。異常２は、例えばスタイラスシステム交換皿２６の不良により、プローブヘッド２４とスタイラスシステム交換皿２６との接続に滑りが生じ、スタイラス３０が回転してずれることで発生する。また、スタイラス３０の校正の頻度が少ないために期待する精度が出ないことで発生する。また、図２に示すプローブヘッド２４の場合には、２つの回転軸Ｒ１及び回転軸Ｒ２の回転精度の低下によっても発生する。

図１４は、異常２が発生したスタイラスの校正データを示すグラフである。図６と同様に、横軸をＸ軸方向、縦軸をＹ軸方向としてＸ軸方向及びＹ軸方向の校正データをプロットしている。また、図１４に示す円は、異常検出の閾値を示している。この例では、全ての校正データが閾値より小さく、条件３には該当しないと判断される。このように、異常２が発生した場合、１回目の校正位置からの移動量が大きいとは限らず、条件３では異常２の発生の判断ができない場合がある。

図１５は、図１４に示したスタイラスのＹ軸方向の校正データの前回値差分の推移の一例を示すグラフである。図１１と同様に、横軸は校正回数（単位：回）、縦軸は前回値差分（単位：ｍｍ）を表している。この例では、９９回目の前回値差分が閾値より大きくなっており、条件１に該当すると判断される。このように、異常２の発生は条件１を用いて判断することができる。

以上のように、本実施形態によれば、条件１を用いて判断することで、スタイラスの相対位置が急激にずれる異常を検出することができる。したがって、プローブヘッドの回転精度の低下、スタイラスシステム交換皿の不良などの要因の異常を検出することができる。

また、条件２を用いて判断することで、ユーザの期待している測定精度に達していない異常を検出することができる。

さらに、条件３を用いて判断することで、スタイラスの相対位置が少しずつずれる異常を検出することができる。したがって、スタイラスシステム交換時に予期しない力が加わっているなどの要因の異常を検出することができる。

条件１及び条件２は、ともに第１差分（Ｄｎｘ、Ｄｎｙ、Ｄｎｚ）に対して判定を行う条件である。したがって、条件１を「第１条件」として条件１の閾値（Ｋ×Ｓｘ、Ｋ×Ｓｙ、Ｋ×Ｓｚ）を「第１閾値」としてもよいし、条件２を「第１条件」として条件２の閾値（Ｄ、Ｄ、Ｄ）を「第１閾値」としてもよい。また、条件１及び条件２の両方を「第１条件」としてもよい。

条件３は第２差分（Ｄ１ｘ、Ｄ１ｙ、Ｄ１ｚ）に対して判定を行う「第２条件」に相当し、閾値（３×Ｓｘ×Ｎ^１／２、３×Ｓｙ×Ｎ^１／２、３×Ｓｚ×Ｎ^１／２）が「第２閾値」に相当する。

＜その他＞
本発明の技術的範囲は、上記の実施形態に記載の範囲には限定されない。各実施形態における構成などは、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、各実施形態間で適宜組み合わせることができる。

１…三次元測定機
１０…測定機本体
１２…架台
１４…テーブル
１６Ｌ…キャリッジ
１６Ｒ…キャリッジ
１８…ガイド
１９…門型フレーム
２０…キャリッジ
２２…キャリッジ
２４…プローブヘッド
２６…スタイラスシステム交換皿
３０…スタイラス
３２…測定子
３４…スタイラスチェンジャ
３４ａ…スタイラス支持部
３６…校正球
１００…コントローラ
１１０…データ処理装置
１１２…ＣＰＵ
１１４…操作部
１１６…記憶装置
１１８…表示装置

Claims (4)

1. スタイラスを用いて校正用の測定対象物を測定し、Ｎを整数とすると（Ｎ＋１）回目の校正データを取得する校正工程と、
   前記スタイラスの過去の校正データを取得する校正履歴取得工程と、
   前記（Ｎ＋１）回目の校正データと最初の校正データである１回目の校正データとの差分を算出する算出工程と、
   前記差分が閾値を超えている条件を満たすか否かを判定する比較工程と、
   前記条件を満たす場合に前記スタイラスの異常と判定する判定工程と、
   を備える異常検出方法。
2. 前記校正履歴取得工程は、前記１回目の校正データからＮ回目の校正データまでを取得し、
   Ｍを整数とすると、Ｍが２からＮまでについて、Ｍ回目の校正データと（Ｍ－１）回目の校正データの差分である前回値差分をそれぞれ算出し、前記前回値差分のばらつきを表す指標を算出する前回値差分ばらつき算出工程を備え、
   前記閾値は、前記前回値差分のばらつきを表す指標及び校正回数Ｎに基づいた値を含む請求項１に記載の異常検出方法。
3. 前記前回値差分のばらつきを表す指標は前記前回値差分の標準偏差であり、
   前記閾値は、前記標準偏差とＮ^１／２との積に基づいた値である請求項２に記載の異常検出方法。
4. 測定対象物の表面に接触する接触子を支持するスタイラスと、
   前記スタイラスの変位を検出する測定部と、
   前記スタイラスの過去の校正データを記憶する記憶部と、
   前記スタイラスを用いて校正用の測定対象物を測定し、Ｎを整数とすると（Ｎ＋１）回目の校正データを取得する校正部と、
   前記（Ｎ＋１）回目の校正データと最初の校正データである１回目の校正データとの差分を算出する算出部と、
   前記差分が閾値を超えている条件を満たすか否かを判定する比較部と、
   前記条件を満たす場合に前記スタイラスの異常と判定する判定部と、
   を備える三次元測定機。

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