三次元測定機
【課題】常に高精度な補正パラメータを算出できる三次元測定機を提供する。
【解決手段】三次元測定機を構成する補正パラメータ算出装置１０は、測定子２１１Ａに当接する当接面６１１を有し、当接面６１１に測定子２１１Ａが当接することで測定子２１１Ａの中心を回転中心とする回転変位を拘束することなく測定子２１１Ａの並進変位を拘束する拘束手段６と、駆動機構の動作を制御してプローブを移動させることで、当接面６１１に近接する方向に測定子２１１Ａを移動させる移動制御手段と、プローブの移動量、及び駆動機構の移動量を取得する情報取得手段と、情報取得手段にて取得されたプローブ２１の移動量、及び駆動機構の移動量に基づいて、補正パラメータを算出する補正パラメータ算出手段とを備える。当接面６１１は、測定子２１１Ａが当接した際に測定子２１１Ａと１点で点接触する。
【解決手段】三次元測定機を構成する補正パラメータ算出装置１０は、測定子２１１Ａに当接する当接面６１１を有し、当接面６１１に測定子２１１Ａが当接することで測定子２１１Ａの中心を回転中心とする回転変位を拘束することなく測定子２１１Ａの並進変位を拘束する拘束手段６と、駆動機構の動作を制御してプローブを移動させることで、当接面６１１に近接する方向に測定子２１１Ａを移動させる移動制御手段と、プローブの移動量、及び駆動機構の移動量を取得する情報取得手段と、情報取得手段にて取得されたプローブ２１の移動量、及び駆動機構の移動量に基づいて、補正パラメータを算出する補正パラメータ算出手段とを備える。当接面６１１は、測定子２１１Ａが当接した際に測定子２１１Ａと１点で点接触する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元測定機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被測定物に接触する球状の測定子を有するプローブと、プローブを保持するとともにプローブを移動させる駆動機構と、プローブの座標系を補正するための補正パラメータを算出する補正パラメータ算出装置とを備えた三次元測定機が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の補正パラメータ算出装置では、補正パラメータの算出に掛かる時間を短縮させる等を目的として、拘束手段にて測定子を拘束した状態で、プローブを移動させている。そして、補正パラメータ算出装置は、当該移動させた時のプローブの移動量、及び駆動機構の移動量に基づいて、補正パラメータを算出している。
【０００３】
ところで、測定子の中心を回転中心とする回転変位（以下、測定子の回転変位と記載）を拘束した状態でプローブを移動させた場合には、プローブの移動量に誤差が生じ、適切な補正パラメータを算出することができない。
このため、特許文献１に記載の拘束手段は、測定子の回転変位を拘束することなく並進変位を拘束することを目的として、以下に示すように構成されている。
拘束手段は、測定子を挟んで対向して配設され、対向方向に沿って測定子を押圧する２つの押圧部材を備える。
各押圧部材には、対向方向と直交するとともに、互いに平行する軸方向を有し、測定子に向って突出する円柱状に形成される２つの柱状部がそれぞれ設けられている。
また、一方の押圧部材における各柱状部、及び他方の押圧部材における各柱状部は、軸方向が互いに直交するように設けられ、測定子に当接する。
すなわち、特許文献１に記載の拘束手段は、測定子に対して４つの柱状部にて４点で接触することとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１４５２１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の拘束手段では、各押圧部材による押圧力が大きい場合には、測定子の並進変位のみならず、測定子の回転変位をも拘束してしまう。すなわち、測定子の回転変位も拘束してしまうことで、プローブを移動させた場合にプローブの移動量に誤差が生じるため、適切な補正パラメータを算出できない。
一方、各押圧部材による押圧力が小さい場合には、測定子の回転変位及び並進変位のいずれも拘束できない。すなわち、測定子の並進変位を拘束できないため、プローブを移動させた場合にプローブの移動量を適切に取得できず、適切な補正パラメータを算出できない。
したがって、特許文献１に記載の補正パラメータでは、各押圧部材の押圧力によっては、測定子の回転変位を拘束することなく並進変位のみを拘束することができず、すなわち、常に高精度な補正パラメータを算出することが難しい、という問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、常に高精度な補正パラメータを算出できる三次元測定機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の三次元測定機は、被測定物に接触する球状の測定子を有するプローブと、前記プローブを保持するとともに前記プローブを移動させる駆動機構と、前記プローブの座標系を補正するための補正パラメータを算出する補正パラメータ算出装置とを備えた三次元測定機であって、前記補正パラメータ算出装置は、前記測定子に当接する当接面を有し、前記当接面に前記測定子が当接することで前記測定子の中心を回転中心とする回転変位を拘束することなく前記測定子の並進変位を拘束する拘束手段と、前記駆動機構の動作を制御して前記プローブを移動させることで、前記当接面に近接する方向に前記測定子を移動させる移動制御手段と、前記プローブの移動量、及び前記駆動機構の移動量を取得する情報取得手段と、前記情報取得手段にて取得された前記プローブの移動量、及び前記駆動機構の移動量に基づいて、前記補正パラメータを算出する補正パラメータ算出手段とを備え、前記当接面は、前記測定子が当接した際に前記測定子と１点で点接触することを特徴とする。
【０００８】
本発明では、三次元測定機を構成する補正パラメータ算出装置は、拘束手段、移動制御手段、情報取得手段、及び補正パラメータ算出手段を備えるので、以下に示すように、補正パラメータを算出できる。
先ず、移動制御手段は、駆動機構の動作を制御してプローブを移動させることで、拘束手段の当接面に近接する方向に測定子を移動させる。
そして、プローブは、測定子が当接面に当接した状態（当接面にて測定子の回転変位が拘束されることなく並進変位が拘束された状態）で、上記方向へと移動することとなる。
ここで、情報取得手段は、上述したように当接面にて測定子が拘束された状態で、プローブの移動量、及び駆動機構の移動量を取得する。
そして、補正パラメータ算出手段は、情報取得手段にて取得されたプローブの移動量、及び駆動機構の移動量に基づいて、補正パラメータを算出する。
【０００９】
また、当接面は、測定子と１点で点接触する。
すなわち、当接面は、測定子に対して唯一、１点で点接触するため、測定子を拘束する際に、回転変位を拘束することなく並進変位のみを拘束できる。
したがって、常に高精度な補正パラメータを算出でき、当該補正パラメータを用いることで、三次元測定機による測定精度を十分に高めることができる。
【００１０】
本発明の三次元測定機では、前記移動制御手段は、前記当接面の法線方向に沿って前記測定子を移動させることが好ましい。
本発明では、移動制御手段が駆動機構の動作を制御して上述した方向に測定子を移動させるので、測定子が当接面に当接している間、プローブの接触力は、当接面に垂直に作用することとなる。すなわち、当接面からの垂直抗力によって、測定子の並進変位を確実に拘束できる。
したがって、測定子の回転変位を拘束することなく並進変位のみを確実に拘束でき、常に高精度な補正パラメータを算出できる。
【００１１】
本発明の三次元測定機では、前記補正パラメータ算出装置は、前記プローブの移動量と所定の閾値とを比較する比較手段を備え、前記情報取得手段は、前記比較手段にて前記閾値以上であると判定された場合に、前記プローブの移動量、及び前記駆動機構の移動量を取得することが好ましい。
【００１２】
本発明では、補正パラメータ算出装置は、プローブの移動量と所定の閾値とを比較する比較手段を備える。
このことにより、比較手段にてプローブの移動量と所定の閾値とを比較し、プローブの移動量が所定の閾値以上となった場合に、測定子の並進変位が拘束手段にて実際に拘束されていることを判定できる。
そして、情報取得手段は、比較手段にてプローブの移動量が所定の閾値以上であると判定された場合に、プローブの移動量、及び駆動機構の移動量を取得する。言い換えれば、補正パラメータ算出手段は、測定子の並進変位が拘束手段にて実際に拘束されている時のプローブの移動量、及び駆動機構の移動量に基づいて、補正パラメータを算出する。
したがって、補正パラメータをさらに高精度に算出できる。
【００１３】
本発明の三次元測定機では、前記移動制御手段は、前記比較手段にて前記閾値以上であると判定されてからの前記駆動機構の移動量の変位が所定値に達するまで、前記当接面に近接する方向に前記測定子を移動させた後、前記当接面から離間する方向に前記測定子を移動させることが好ましい。
【００１４】
本発明では、移動制御手段が駆動機構の動作を制御して上述したように測定子を移動させるので、情報取得手段は、以下に示すプローブの移動量、及び駆動機構の移動量を取得できる。
すなわち、情報取得手段は、測定子の並進変位が拘束手段にて実際に拘束されている状態で、測定子が当接面に押し込まれている時のプローブの移動量、及び駆動機構の移動量と、測定子が当接面から離脱される時のプローブの移動量、及び駆動機構の移動量とを取得できる。
したがって、補正パラメータ算出手段は、上述したように取得されたプローブの移動量、及び駆動機構の移動量に基づいて補正パラメータを算出するので、補正パラメータをさらに高精度に算出できる。
【００１５】
本発明の三次元測定機では、前記拘束手段は、内面が前記当接面とされる多角形断面の空洞を有する容器状に形成されていることが好ましい。
本発明では、拘束手段が上述した形状を有しているので、測定子の回転変位を拘束することなく並進変位のみを拘束する当接面を容易に形成できる。
【００１６】
本発明の三次元測定機では、前記拘束手段は、内面が前記当接面とされる円形断面の空洞を有する容器状に形成されていることが好ましい。
本発明では、拘束手段が上述した形状を有しているので、当接面は、球面状に形成されることとなる。
このことにより、当該当接面の法線方向が無数に設定されることとなるため、移動制御手段にて駆動機構の動作を制御する際に、当接面の法線方向に沿って測定子を容易に移動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施形態に係る三次元測定機の概略構成を示すブロック図。
【図２】第１実施形態における三次元測定機本体を示す全体模式図。
【図３】第１実施形態におけるプローブの拡大模式図。
【図４】第１実施形態における拘束手段の構造を示す図。
【図５】第１実施形態における補正パラメータの算出方法を説明するフローチャート。
【図６】第１実施形態における補正パラメータの算出方法を説明するための図。
【図７】第２実施形態における拘束手段の構造を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
[第１実施形態]
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
〔三次元測定機の概略構成〕
図１は、第１実施形態における三次元測定機１の概略構成を示すブロック図である。
三次元測定機１は、図１に示すように、三次元測定機本体２と、三次元測定機本体２の駆動制御を実行するモーションコントローラ３と、操作レバー等を介してモーションコントローラ３に指令を与え、三次元測定機本体２を手動で操作するための操作手段４と、モーションコントローラ３に所定の指令を与えるとともに、演算処理を実行するホストコンピュータ５と、補正パラメータを算出する際に用いられる拘束手段６（図４参照）とを備える。
【００１９】
〔三次元測定機本体の構成〕
図２は、三次元測定機本体２を示す全体模式図である。なお、図２では、上方向を＋Ｚ軸方向とし、このＺ軸に直交する２軸をそれぞれＸ軸、及びＹ軸として説明する。以下の図面においても同様である。
三次元測定機本体２は、図２に示すように、被測定物Ｗを測定するための球状の測定子２１１Ａを有するプローブ２１と、プローブ２１の基端側を保持するとともに、プローブ２１を駆動する駆動機構２２と、駆動機構２２が立設される定盤２３とを備える。
駆動機構２２は、プローブ２１の基端側を保持するとともに、プローブ２１の移動を可能とするスライド機構２４と、スライド機構２４を駆動することでプローブ２１を駆動する駆動部２５とを備える。
【００２０】
スライド機構２４は、定盤２３におけるＸ軸方向の両端から＋Ｚ軸方向に延出し、Ｙ軸方向に沿ってスライド移動可能に設けられる２つのコラム２４１と、各コラム２４１にて支持され、Ｘ軸方向に沿って延出するビーム２４２と、Ｚ軸方向に沿って延出する筒状に形成され、ビーム２４２上をＸ軸方向に沿ってスライド移動可能に設けられるスライダ２４３と、スライダ２４３の内部に挿入されるとともに、スライダ２４３内をＺ軸方向に沿ってスライド移動可能に設けられるラム２４４とを備える。したがって、駆動機構２２は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の各軸方向にプローブ２１を駆動する複数の駆動軸を備えている。そして、ラム２４４は、−Ｚ軸方向側の端部においてプローブ２１の基端側を保持している。なお、プローブ２１としては、複数の種類のプローブが用意されており、これらのプローブの中から選択してラム２４４に保持させることができる。
【００２１】
駆動部２５は、図１または図２に示すように、各コラム２４１のうち、−Ｘ軸方向側のコラム２４１を支持するとともに、Ｙ軸方向に沿って駆動するＹ軸駆動部２５１Ｙと、ビーム２４２上をスライドさせてスライダ２４３をＸ軸方向に沿って駆動するＸ軸駆動部２５１Ｘ（図２において図示略）と、スライダ２４３内をスライドさせてラム２４４をＺ軸方向に沿って駆動するＺ軸駆動部２５１Ｚ（図２において図示略）とを備える。
【００２２】
Ｘ軸駆動部２５１Ｘ、Ｙ軸駆動部２５１Ｙ、及びＺ軸駆動部２５１Ｚには、図１に示すように、スライダ２４３、各コラム２４１、及びラム２４４の各軸方向の位置を検出するためのＸ軸スケールセンサ２５２Ｘ、Ｙ軸スケールセンサ２５２Ｙ、及びＺ軸スケールセンサ２５２Ｚがそれぞれ設けられている。なお、各スケールセンサ２５２は、スライダ２４３、各コラム２４１、及びラム２４４の移動量に応じたパルス信号を出力する位置センサである。
【００２３】
図３は、プローブ２１の拡大模式図である。
プローブ２１は、図３に示すように、測定子２１１Ａを先端側に有するスタイラス２１１と、スタイラス２１１の基端側を支持する支持機構２１２とを備える。
支持機構２１２は、スタイラス２１１をＸ，Ｙ，Ｚ軸の各軸方向に付勢することで所定位置に位置決めするように支持するとともに、測定子２１１Ａに外力が加わった場合、すなわち測定子２１１Ａが被測定物Ｗに当接した場合には、スタイラス２１１を一定の範囲内でＸ，Ｙ，Ｚ軸の各軸方向に移動可能としている。この支持機構２１２は、図１に示すように、スタイラス２１１の各軸方向の位置を検出するためのＸ軸プローブセンサ２１３Ｘ、Ｙ軸プローブセンサ２１３Ｙ、及びＺ軸プローブセンサ２１３Ｚを備える。なお、各プローブセンサ２１３は、各スケールセンサ２５２と同様にスタイラス２１１の各軸方向の移動量に応じたパルス信号を出力する位置センサである。
【００２４】
〔モーションコントローラの構成〕
モーションコントローラ３は、図１に示すように、操作手段４、またはホストコンピュータ５からの指令に応じて駆動部２５を制御する駆動制御部３１と、各スケールセンサ２５２、及び各プローブセンサ２１３から出力されるパルス信号を計数するカウンタ部３２とを備える。
カウンタ部３２は、各スケールセンサ２５２から出力されるパルス信号をカウントしてスライド機構２４の移動量を計測するスケールカウンタ３２１と、各プローブセンサ２１３から出力されるパルス信号をカウントしてプローブ２１の移動量を計測するプローブカウンタ３２２とを備える。そして、スケールカウンタ３２１、およびプローブカウンタ３２２にて計測されたスライド機構２４の移動量、及びプローブ２１の移動量は、ホストコンピュータ５に出力される。
【００２５】
〔ホストコンピュータの構成〕
ホストコンピュータ５は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)や、メモリ等を備えて構成され、モーションコントローラ３に所定の指令を与えることで三次元測定機本体２を制御するものであり、指令部５１と、移動量取得部５２と、測定値算出部５３と、補正パラメータ算出部５４と、ホストコンピュータ５で用いられるデータを記憶する記憶部５５とを備える。
【００２６】
指令部５１は、モーションコントローラ３の駆動制御部３１に所定の指令を与え、三次元測定機本体２のスライド機構２４を駆動する。具体的に、指令部５１は、測定子２１１Ａを駆動するための位置指令値を出力する。なお、被測定物Ｗの輪郭データは、記憶部５５に記憶されている。
移動量取得部５２は、カウンタ部３２にて計測されたプローブ２１の移動量（ｘｐ，ｙｐ，ｚｐ）、及び駆動機構２２（スライド機構２４）の移動量（ｘｍ，ｙｍ，ｚｍ）を取得する。ここで、移動量取得部５２は、プローブ２１に規定された直交座標系に基づいて、プローブ２１の移動量を取得し（図３参照）、駆動機構２２に規定された直交座標系に基づいて、駆動機構２２の移動量を取得する（図２参照）。
【００２７】
測定値算出部５３は、移動量取得部５２にて取得されたプローブ２１の移動量、及び駆動機構２２の移動量に基づいて測定値、すなわち測定子２１１Ａの位置を算出する。なお、駆動機構２２の移動量は、支持機構２１２内におけるスタイラス２１１の移動が全く生じていない場合、すなわちプローブ２１の移動量が０の場合における測定子２１１Ａの位置を示すように調整されている。
具体的に、測定値算出部５３は、移動量取得部５２にて取得されたプローブ２１の移動量、及び駆動機構２２の移動量を合成することで、以下の式（１）に示すように、測定値（ｘ，ｙ，ｚ）を算出する。
【００２８】
〔数１〕
【００２９】
ここで、測定値算出部５３は、駆動機構２２の座標系にプローブ２１の座標系を一致させるように補正することでプローブ２１の座標系を補正する。具体的に、プローブ２１の座標系を補正するための補正パラメータをＡ（Ａ１１〜Ａ３３）とすれば、補正後のプローブ２１の移動量（ｘｐ´,ｙｐ´,ｚｐ´）は、以下の式（２）によって算出される。なお、補正パラメータＡは、後述する補正パラメータ算出部５４にて算出され、記憶部５５に記憶されている。
【００３０】
〔数２〕
【００３１】
したがって、測定値算出部５３は、補正後の測定値（ｘ´,ｙ´,ｚ´）を、以下の式（３）によって算出する。
【００３２】
〔数３〕
【００３３】
補正パラメータ算出部５４は、補正パラメータＡを算出するものであり、図１に示すように、移動制御手段５４１と、比較手段５４２と、情報取得手段５４３と、補正パラメータ算出手段５４４とを備える。
移動制御手段５４１は、指令部５１に位置指令値を出力させることで、駆動機構２２の動作を制御し、プローブ２１を移動させる。
【００３４】
比較手段５４２は、移動量取得部５２にて取得されたプローブ２１の移動量と第１閾値とを比較するとともに、移動量取得部５２にて取得された駆動機構２２の移動量の変位と第２閾値とを比較する。
情報取得手段５４３は、比較手段５４２にてプローブ２１の移動量が第１閾値以上であると判定された場合に、移動量取得部５２にて取得されたプローブ２１の移動量、及び駆動機構２２の移動量を、補正パラメータＡの算出に用いる情報として取得する。
補正パラメータ算出手段５４４は、情報取得手段５４３にて取得された補正パラメータＡの算出に用いる情報（プローブ２１の移動量、及び駆動機構２２の移動量）に基づいて、補正パラメータＡを算出する。
【００３５】
〔拘束手段の構成〕
図４は、拘束手段６の構造を示す図である。
拘束手段６は、補正パラメータＡを算出する際に用いられるものであり、定盤２３（図２参照）上に設置される。
そして、拘束手段６は、図４に示すように、測定子２１１Ａに当接する当接面６１１を有し、当接面６１１に測定子２１１Ａが当接することで測定子２１１Ａの回転変位を拘束することなく並進変位を拘束する。
【００３６】
具体的に、拘束手段６は、図４に示すように、直方体状の部材において、上面から下面に向けて、平面視正方形状の凹部６１を設けたものである。
そして、凹部６１の内側面が当接面６１１として機能する。
すなわち、拘束手段６は、内面が当接面６１１とされる矩形断面の空洞を有する容器状に形成されている。
以上説明した補正パラメータ算出部５４及び拘束手段６が本発明に係る補正パラメータ算出装置１０（図１及び図４）に相当する。
【００３７】
〔補正パラメータの算出方法〕
図５は、補正パラメータＡの算出方法を説明するフローチャートである。
図６は、補正パラメータＡの算出方法を説明するための図である。具体的に、図６は、プローブ２１の移動量を縦軸とし、補正パラメータＡの算出を開始してからの経過時間を横軸としたグラフと、当該グラフ中の各時間Ｔ１〜Ｔ７での測定子２１１Ａと当接面６１１との位置関係とを示している。
【００３８】
先ず、三次元測定機１の使用者は、以下に示す準備を行う。
すなわち、使用者は、図４に示すように、凹部６１の四方の内側面（当接面６１１）がＸ軸及びＹ軸に対して直交するように拘束手段６を定盤２３上に設置する。
また、使用者は、操作手段４を操作することにより、図４に示すように、測定子２１１Ａを拘束手段６の凹部６１内に位置付ける。
以上の準備を行った後に、補正パラメータＡの算出を開始する。
【００３９】
補正パラメータＡの算出を開始すると、移動制御手段５４１は、指令部５１を介して駆動機構２２の動作を制御し、第１の方向Ｒ１（図４及び図６）へのプローブ２１の移動を開始する（ステップＳＴ１）。
なお、第１の方向Ｒ１は、図４または図６に示すように、測定子２１１Ａが当接面６１１に近接する方向であり、より具体的には、当接面６１１の法線方向に沿う方向（Ｘ軸方向）である。
第１の方向Ｒ１へのプローブ２１の移動が開始されると、比較手段５４２は、移動量取得部５２にて取得されたプローブ２１の移動量と、第１閾値Ｓ１（図６）とを比較し、プローブ２１の移動量が第１閾値Ｓ１以上となったか否かを判定する（ステップＳＴ２）。
なお、第１閾値Ｓ１は、測定子２１１Ａを被測定物Ｗや当接面６１１に当接させていない状態で移動量取得部５２にて取得されるプローブ２１の移動量（ノイズ）の最大値よりも若干大きい値に設定されたものである。
【００４０】
ステップＳＴ２において、「Ｙ」と判定された時点から、情報取得手段５４３は、補正パラメータＡの算出に用いる情報の取得を開始する（ステップＳＴ３）。そして、情報取得手段５４３は、取得した情報を順次、記憶部５５に記憶させる。
例えば、時間Ｔ１の時点では、図６に示すように、プローブ２１の移動量は、第１閾値Ｓ１未満である。言い換えれば、時間Ｔ１の時点では、測定子２１１Ａは、当接面６１１に当接していない。そして、情報取得手段５４３は、時間Ｔ１の時点では、補正パラメータＡの算出に用いる情報の取得を開始しない。
【００４１】
一方、時間Ｔ２の時点では、図６に示すように、プローブ２１の移動量は、第１閾値Ｓ１以上である。言い換えれば、時間Ｔ２の時点で、測定子２１１Ａは、当接面６１１に当接したこととなる。そして、情報取得手段５４３は、時間Ｔ２の時点から、補正パラメータＡの算出に用いる情報の取得を開始する。
なお、測定子２１１Ａが球状に形成されており、凹部６１が上述した形状を有している。このため、時間Ｔ２の時点では、拘束手段６は、当接面６１１にて測定子２１１Ａと１点で点接触し、測定子２１１Ａの回転変位を拘束することなく並進変位のみを拘束することとなる。
ここで、情報取得手段５４３による補正パラメータＡの算出に用いる情報の取得開始後の当該情報の取得タイミングは、例えば、時間Ｔ２から一定時間毎で取得するように構成してもよく、あるいは、時間Ｔ２からの駆動機構２２の移動量の一定変位毎で取得するように構成してもよい。
【００４２】
ステップＳＴ３の後、比較手段５４２は、駆動機構２２の移動量の変位と第２閾値（図示略）とを比較し、当該変位が第２閾値以上となったか否かを判定する（ステップＳＴ４）。
より具体的に、比較手段５４２は、時間Ｔ２の時点で移動量取得部５２にて取得された駆動機構２２の移動量と、現時点で移動量取得部５２にて取得された駆動機構２２の移動量との差分（変位）と、第２閾値とを比較する。
すなわち、上記比較により、測定子２１１Ａが当接面６１１に当接してから、予め定められた設定値だけ駆動機構２２の動作を制御して、プローブ２１を当接面６１１に押し込んだか否かを判定している。
【００４３】
ステップＳＴ４において、「Ｙ」と判定された場合には、移動制御手段５４１は、指令部５１を介して駆動機構２２の動作を制御し、プローブ２１の移動方向を第１の方向Ｒ１から第２の方向Ｒ２（図４及び図６）に切り替える（ステップＳＴ５）。
なお、第２の方向Ｒ２は、図４または図６に示すように、測定子２１１Ａが当接面６１１から離間する方向であり、より具体的には、第１の方向Ｒ１の逆方向である。
【００４４】
例えば、移動制御手段５４１は、時間Ｔ３の時点では駆動機構２２の移動量の変位が第２閾値未満であるため、図６に示すように、第１の方向Ｒ１へのプローブ２１の移動を継続している。
一方、移動制御手段５４１は、時間Ｔ４の時点で駆動機構２２の移動量の変位が第２閾値以上となったため、図６に示すように、プローブ２１の移動方向を第２の方向Ｒ２に切り替えている。
【００４５】
ステップＳＴ５の後、比較手段５４２は、移動量取得部５２にて取得されたプローブ２１の移動量と、第１閾値Ｓ１とを比較し、プローブ２１の移動量が第１閾値Ｓ１未満となったか否かを判定する（ステップＳＴ６）。
ステップＳＴ６において、「Ｙ」と判定された場合には、移動制御手段５４１は、指令部５１を介して駆動機構２２の動作を制御し、第２の方向Ｒ２へのプローブ２１の移動を終了する（ステップＳＴ７）。
同様に、ステップＳＴ６において、「Ｙ」と判定された場合には、情報取得手段５４３は、補正パラメータＡの算出に用いられる情報の取得を終了する（ステップＳＴ８）。
【００４６】
例えば、時間Ｔ５の時点では、図６に示すように、プローブ２１の移動量は、第１閾値Ｓ１以上である。このため、第２の方向Ｒ２へのプローブ２１の移動、及び補正パラメータＡの算出に用いられる情報の取得が継続される。
一方、時間Ｔ６の時点では、図６に示すように、プローブ２１の移動量は、第１閾値Ｓ１未満である。このため、時間Ｔ６の時点で、第２の方向Ｒ２へのプローブ２１の移動、及び補正パラメータＡの算出に用いられる情報の取得が終了する。
【００４７】
ステップＳＴ８の後、補正パラメータ算出手段５４４は、記憶部５５に記憶された情報に基づいて、以下に示すように、補正パラメータＡを算出する（ステップＳＴ９）。
なお、上記記憶部５５に記憶された情報とは、情報取得手段５４３にて取得された情報（プローブ２１の移動量、及び駆動機構２２の移動量）であり、より具体的には、時間Ｔ２〜Ｔ６の間（測定子２１１Ａの並進変位が拘束されている間）に情報取得手段５４３にて取得された情報（取得数ｎ）である。
【００４８】
ところで、測定子２１１Ａの並進変位が拘束されている時には、拘束後の駆動機構２２の移動量の変位と補正パラメータＡによる座標変換後のプローブ２１の移動量は、絶対値が等しく、符号が反転するはずである。すなわち、以下の式（４）を満たすはずである。
【００４９】
〔数４〕
【００５０】
また、式（４）を変形すると、以下の式（５）となる。
【００５１】
〔数５〕
【００５２】
上述した式（５）において、補正パラメータＡの未知数は９個であるので、これらの未知数を算出することができる十分な数（ｎ）のプローブ２１の移動量、及び駆動機構２２の移動量を情報取得手段５４３にて取得すれば、補正パラメータ算出手段５４４は、最小二乗法で演算することにより、補正パラメータＡを算出することができる。
そして、補正パラメータ算出手段５４４は、算出した補正パラメータＡを記憶部５５に記憶させる。
【００５３】
上述した第１実施形態によれば、以下の効果がある。
本実施形態では、補正パラメータ算出装置１０は、拘束手段６と、移動制御手段５４１と、情報取得手段５４３と、補正パラメータ算出手段５４４とを備える。
そして、拘束手段６は、測定子２１１Ａと一点で点接触する当接面６１１を備え、当接面６１１に測定子２１１Ａが当接することで、測定子２１１Ａの回転変位を拘束することなく並進変位を拘束する。
すなわち、当接面６１１は、測定子２１１Ａに対して唯一、１点で点接触するため、測定子２１１Ａを拘束する際に、回転変位を拘束することなく並進変位のみを拘束できる。
したがって、常に高精度な補正パラメータＡを算出でき、当該補正パラメータＡを用いることで、三次元測定機１による測定精度を十分に高めることができる。
【００５４】
また、移動制御手段５４１は、駆動機構２２の動作を制御することで当接面６１１の法線方向に沿って測定子２１１Ａを移動させる。
このことにより、測定子２１１Ａが当接面６１１に当接している間、プローブ２１の接触力は、当接面６１１に垂直に作用することとなる。すなわち、当接面６１１からの垂直抗力によって、測定子２１１Ａの並進変位を確実に拘束できる。
したがって、測定子２１１Ａの回転変位を拘束することなく並進変位のみを確実に拘束でき、常に高精度な補正パラメータＡを算出できる。
【００５５】
さらに、補正パラメータ算出装置１０は、比較手段５４２を備える。
このことにより、比較手段５４２にてプローブ２１の移動量と第１閾値Ｓ１とを比較し、プローブ２１の移動量が第１閾値Ｓ１以上となった場合に、測定子２１１Ａの並進変位が拘束手段６にて実際に拘束されていることを判定できる。
そして、情報取得手段５４３は、比較手段５４２にてプローブ２１の移動量が第１閾値Ｓ１以上であると判定された場合に、補正パラメータＡの算出に用いる情報（プローブ２１の移動量、及び駆動機構２２の移動量）を取得する。言い換えれば、補正パラメータ算出手段５４４は、測定子２１１Ａの並進変位が拘束手段６にて拘束されている時のプローブ２１の移動量、及び駆動機構２２の移動量に基づいて、補正パラメータＡを算出する。
したがって、補正パラメータＡをさらに高精度に算出できる。
【００５６】
また、移動制御手段５４１は、駆動機構２２の動作を制御してプローブ２１を第１，第２の方向Ｒ１，Ｒ２に移動させる。
このことにより、情報取得手段５４３は、測定子２１１Ａの並進変位が拘束手段６にて実際に拘束されている状態で、測定子２１１Ａが当接面６１１に押し込まれている時（第１の方向Ｒ１へ移動時）の補正パラメータＡの算出に用いる情報と、測定子２１１Ａが当接面６１１から離脱される時（第２の方向Ｒ２への移動時）の補正パラメータＡの算出に用いる情報とを取得できる。
したがって、補正パラメータ算出手段５４４は、上述したように取得されたプローブ２１の移動量、及び駆動機構２２の移動量に基づいて補正パラメータＡを算出するので、補正パラメータＡをさらに高精度に算出できる。
【００５７】
さらに、拘束手段６は、内面が当接面６１１として機能する平面視正方形状の凹部６１を有する。
すなわち、拘束手段６を上述した形状で構成することで、測定子２１１Ａの回転変位を拘束することなく並進変位のみを拘束する当接面６１１を容易に形成できる。
【００５８】
[第２実施形態]
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
なお、以下では、前記第１実施形態と同様の構成には同一の符号を付し、その詳細な説明については省略する。
図７は、第２実施形態における拘束手段６の構造を示す図である。
本実施形態では、図７に示すように、前記第１実施形態に対して、拘束手段６の構造が異なるのみである。その他の構成は、前記第１実施形態と同様のものである。
具体的に、第２実施形態における拘束手段６は、図７に示すように、直方体状の部材において、上面から下面に向けて、半球状の凹部６１を設けたものである。
そして、凹部６１の内側面が当接面６１１として機能する。
すなわち、拘束手段６は、内面が当接面６１１とされる円形断面の空洞を有する容器状に形成されている。
【００５９】
上述した第２実施形態によれば、前記第１実施形態と同様の効果の他、以下の効果がある。
本実施形態では、拘束手段６は、内面が当接面６１１として機能する半球状の凹部６１を有する。すなわち、拘束手段６を上述した形状で構成することで、当接面６１１を球面状に形成できる。
このことにより、当接面６１１の法線方向が無数に設定されることとなるため、移動制御手段５４１にて駆動機構２２の動作を制御する際に、当接面６１１の法線方向に沿って測定子２１１Ａを容易に移動させることができる。
【００６０】
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、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ものである。
前記各実施形態において、拘束手段６の構造は、前記各実施形態で説明した構造に限らない。例えば、拘束手段としては、直方体状の部材において、上面から下面に向けて、平面視多角形状（例えば、五角形状、六角形状等）の凹部を設け、当該凹部の内側面を当接面として機能させても構わない。
前記各実施形態では、プローブ２１を第１，第２の方向Ｒ１，Ｒ２に移動させている際に取得した情報（プローブ２１の移動量、及び駆動機構２２の移動量）に基づいて、補正パラメータＡを算出していたが、これに限らない。例えば、プローブ２１を第１の方向Ｒ１に移動させている際に取得した情報のみに基づいて、補正パラメータＡを算出しても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、被測定物に接触する球状の測定子を有するプローブと、プローブを保持するとともにプローブを移動させる駆動機構と、プローブの座標系を補正するための補正パラメータを算出する補正パラメータ算出装置とを備えた三次元測定機に利用できる。
【符号の説明】
【００６２】
１・・・三次元測定機
６・・・拘束手段
１０・・・補正パラメータ算出装置
２１・・・プローブ
２２・・・駆動機構
２１１Ａ・・・測定子
５４１・・・移動制御手段
５４２・・・比較手段
５４３・・・情報取得手段
５４４・・・補正パラメータ算出手段
６１１・・・当接面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元測定機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被測定物に接触する球状の測定子を有するプローブと、プローブを保持するとともにプローブを移動させる駆動機構と、プローブの座標系を補正するための補正パラメータを算出する補正パラメータ算出装置とを備えた三次元測定機が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の補正パラメータ算出装置では、補正パラメータの算出に掛かる時間を短縮させる等を目的として、拘束手段にて測定子を拘束した状態で、プローブを移動させている。そして、補正パラメータ算出装置は、当該移動させた時のプローブの移動量、及び駆動機構の移動量に基づいて、補正パラメータを算出している。
【０００３】
ところで、測定子の中心を回転中心とする回転変位（以下、測定子の回転変位と記載）を拘束した状態でプローブを移動させた場合には、プローブの移動量に誤差が生じ、適切な補正パラメータを算出することができない。
このため、特許文献１に記載の拘束手段は、測定子の回転変位を拘束することなく並進変位を拘束することを目的として、以下に示すように構成されている。
拘束手段は、測定子を挟んで対向して配設され、対向方向に沿って測定子を押圧する２つの押圧部材を備える。
各押圧部材には、対向方向と直交するとともに、互いに平行する軸方向を有し、測定子に向って突出する円柱状に形成される２つの柱状部がそれぞれ設けられている。
また、一方の押圧部材における各柱状部、及び他方の押圧部材における各柱状部は、軸方向が互いに直交するように設けられ、測定子に当接する。
すなわち、特許文献１に記載の拘束手段は、測定子に対して４つの柱状部にて４点で接触することとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１４５２１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の拘束手段では、各押圧部材による押圧力が大きい場合には、測定子の並進変位のみならず、測定子の回転変位をも拘束してしまう。すなわち、測定子の回転変位も拘束してしまうことで、プローブを移動させた場合にプローブの移動量に誤差が生じるため、適切な補正パラメータを算出できない。
一方、各押圧部材による押圧力が小さい場合には、測定子の回転変位及び並進変位のいずれも拘束できない。すなわち、測定子の並進変位を拘束できないため、プローブを移動させた場合にプローブの移動量を適切に取得できず、適切な補正パラメータを算出できない。
したがって、特許文献１に記載の補正パラメータでは、各押圧部材の押圧力によっては、測定子の回転変位を拘束することなく並進変位のみを拘束することができず、すなわち、常に高精度な補正パラメータを算出することが難しい、という問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、常に高精度な補正パラメータを算出できる三次元測定機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の三次元測定機は、被測定物に接触する球状の測定子を有するプローブと、前記プローブを保持するとともに前記プローブを移動させる駆動機構と、前記プローブの座標系を補正するための補正パラメータを算出する補正パラメータ算出装置とを備えた三次元測定機であって、前記補正パラメータ算出装置は、前記測定子に当接する当接面を有し、前記当接面に前記測定子が当接することで前記測定子の中心を回転中心とする回転変位を拘束することなく前記測定子の並進変位を拘束する拘束手段と、前記駆動機構の動作を制御して前記プローブを移動させることで、前記当接面に近接する方向に前記測定子を移動させる移動制御手段と、前記プローブの移動量、及び前記駆動機構の移動量を取得する情報取得手段と、前記情報取得手段にて取得された前記プローブの移動量、及び前記駆動機構の移動量に基づいて、前記補正パラメータを算出する補正パラメータ算出手段とを備え、前記当接面は、前記測定子が当接した際に前記測定子と１点で点接触することを特徴とする。
【０００８】
本発明では、三次元測定機を構成する補正パラメータ算出装置は、拘束手段、移動制御手段、情報取得手段、及び補正パラメータ算出手段を備えるので、以下に示すように、補正パラメータを算出できる。
先ず、移動制御手段は、駆動機構の動作を制御してプローブを移動させることで、拘束手段の当接面に近接する方向に測定子を移動させる。
そして、プローブは、測定子が当接面に当接した状態（当接面にて測定子の回転変位が拘束されることなく並進変位が拘束された状態）で、上記方向へと移動することとなる。
ここで、情報取得手段は、上述したように当接面にて測定子が拘束された状態で、プローブの移動量、及び駆動機構の移動量を取得する。
そして、補正パラメータ算出手段は、情報取得手段にて取得されたプローブの移動量、及び駆動機構の移動量に基づいて、補正パラメータを算出する。
【０００９】
また、当接面は、測定子と１点で点接触する。
すなわち、当接面は、測定子に対して唯一、１点で点接触するため、測定子を拘束する際に、回転変位を拘束することなく並進変位のみを拘束できる。
したがって、常に高精度な補正パラメータを算出でき、当該補正パラメータを用いることで、三次元測定機による測定精度を十分に高めることができる。
【００１０】
本発明の三次元測定機では、前記移動制御手段は、前記当接面の法線方向に沿って前記測定子を移動させることが好ましい。
本発明では、移動制御手段が駆動機構の動作を制御して上述した方向に測定子を移動させるので、測定子が当接面に当接している間、プローブの接触力は、当接面に垂直に作用することとなる。すなわち、当接面からの垂直抗力によって、測定子の並進変位を確実に拘束できる。
したがって、測定子の回転変位を拘束することなく並進変位のみを確実に拘束でき、常に高精度な補正パラメータを算出できる。
【００１１】
本発明の三次元測定機では、前記補正パラメータ算出装置は、前記プローブの移動量と所定の閾値とを比較する比較手段を備え、前記情報取得手段は、前記比較手段にて前記閾値以上であると判定された場合に、前記プローブの移動量、及び前記駆動機構の移動量を取得することが好ましい。
【００１２】
本発明では、補正パラメータ算出装置は、プローブの移動量と所定の閾値とを比較する比較手段を備える。
このことにより、比較手段にてプローブの移動量と所定の閾値とを比較し、プローブの移動量が所定の閾値以上となった場合に、測定子の並進変位が拘束手段にて実際に拘束されていることを判定できる。
そして、情報取得手段は、比較手段にてプローブの移動量が所定の閾値以上であると判定された場合に、プローブの移動量、及び駆動機構の移動量を取得する。言い換えれば、補正パラメータ算出手段は、測定子の並進変位が拘束手段にて実際に拘束されている時のプローブの移動量、及び駆動機構の移動量に基づいて、補正パラメータを算出する。
したがって、補正パラメータをさらに高精度に算出できる。
【００１３】
本発明の三次元測定機では、前記移動制御手段は、前記比較手段にて前記閾値以上であると判定されてからの前記駆動機構の移動量の変位が所定値に達するまで、前記当接面に近接する方向に前記測定子を移動させた後、前記当接面から離間する方向に前記測定子を移動させることが好ましい。
【００１４】
本発明では、移動制御手段が駆動機構の動作を制御して上述したように測定子を移動させるので、情報取得手段は、以下に示すプローブの移動量、及び駆動機構の移動量を取得できる。
すなわち、情報取得手段は、測定子の並進変位が拘束手段にて実際に拘束されている状態で、測定子が当接面に押し込まれている時のプローブの移動量、及び駆動機構の移動量と、測定子が当接面から離脱される時のプローブの移動量、及び駆動機構の移動量とを取得できる。
したがって、補正パラメータ算出手段は、上述したように取得されたプローブの移動量、及び駆動機構の移動量に基づいて補正パラメータを算出するので、補正パラメータをさらに高精度に算出できる。
【００１５】
本発明の三次元測定機では、前記拘束手段は、内面が前記当接面とされる多角形断面の空洞を有する容器状に形成されていることが好ましい。
本発明では、拘束手段が上述した形状を有しているので、測定子の回転変位を拘束することなく並進変位のみを拘束する当接面を容易に形成できる。
【００１６】
本発明の三次元測定機では、前記拘束手段は、内面が前記当接面とされる円形断面の空洞を有する容器状に形成されていることが好ましい。
本発明では、拘束手段が上述した形状を有しているので、当接面は、球面状に形成されることとなる。
このことにより、当該当接面の法線方向が無数に設定されることとなるため、移動制御手段にて駆動機構の動作を制御する際に、当接面の法線方向に沿って測定子を容易に移動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施形態に係る三次元測定機の概略構成を示すブロック図。
【図２】第１実施形態における三次元測定機本体を示す全体模式図。
【図３】第１実施形態におけるプローブの拡大模式図。
【図４】第１実施形態における拘束手段の構造を示す図。
【図５】第１実施形態における補正パラメータの算出方法を説明するフローチャート。
【図６】第１実施形態における補正パラメータの算出方法を説明するための図。
【図７】第２実施形態における拘束手段の構造を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
[第１実施形態]
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
〔三次元測定機の概略構成〕
図１は、第１実施形態における三次元測定機１の概略構成を示すブロック図である。
三次元測定機１は、図１に示すように、三次元測定機本体２と、三次元測定機本体２の駆動制御を実行するモーションコントローラ３と、操作レバー等を介してモーションコントローラ３に指令を与え、三次元測定機本体２を手動で操作するための操作手段４と、モーションコントローラ３に所定の指令を与えるとともに、演算処理を実行するホストコンピュータ５と、補正パラメータを算出する際に用いられる拘束手段６（図４参照）とを備える。
【００１９】
〔三次元測定機本体の構成〕
図２は、三次元測定機本体２を示す全体模式図である。なお、図２では、上方向を＋Ｚ軸方向とし、このＺ軸に直交する２軸をそれぞれＸ軸、及びＹ軸として説明する。以下の図面においても同様である。
三次元測定機本体２は、図２に示すように、被測定物Ｗを測定するための球状の測定子２１１Ａを有するプローブ２１と、プローブ２１の基端側を保持するとともに、プローブ２１を駆動する駆動機構２２と、駆動機構２２が立設される定盤２３とを備える。
駆動機構２２は、プローブ２１の基端側を保持するとともに、プローブ２１の移動を可能とするスライド機構２４と、スライド機構２４を駆動することでプローブ２１を駆動する駆動部２５とを備える。
【００２０】
スライド機構２４は、定盤２３におけるＸ軸方向の両端から＋Ｚ軸方向に延出し、Ｙ軸方向に沿ってスライド移動可能に設けられる２つのコラム２４１と、各コラム２４１にて支持され、Ｘ軸方向に沿って延出するビーム２４２と、Ｚ軸方向に沿って延出する筒状に形成され、ビーム２４２上をＸ軸方向に沿ってスライド移動可能に設けられるスライダ２４３と、スライダ２４３の内部に挿入されるとともに、スライダ２４３内をＺ軸方向に沿ってスライド移動可能に設けられるラム２４４とを備える。したがって、駆動機構２２は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の各軸方向にプローブ２１を駆動する複数の駆動軸を備えている。そして、ラム２４４は、−Ｚ軸方向側の端部においてプローブ２１の基端側を保持している。なお、プローブ２１としては、複数の種類のプローブが用意されており、これらのプローブの中から選択してラム２４４に保持させることができる。
【００２１】
駆動部２５は、図１または図２に示すように、各コラム２４１のうち、−Ｘ軸方向側のコラム２４１を支持するとともに、Ｙ軸方向に沿って駆動するＹ軸駆動部２５１Ｙと、ビーム２４２上をスライドさせてスライダ２４３をＸ軸方向に沿って駆動するＸ軸駆動部２５１Ｘ（図２において図示略）と、スライダ２４３内をスライドさせてラム２４４をＺ軸方向に沿って駆動するＺ軸駆動部２５１Ｚ（図２において図示略）とを備える。
【００２２】
Ｘ軸駆動部２５１Ｘ、Ｙ軸駆動部２５１Ｙ、及びＺ軸駆動部２５１Ｚには、図１に示すように、スライダ２４３、各コラム２４１、及びラム２４４の各軸方向の位置を検出するためのＸ軸スケールセンサ２５２Ｘ、Ｙ軸スケールセンサ２５２Ｙ、及びＺ軸スケールセンサ２５２Ｚがそれぞれ設けられている。なお、各スケールセンサ２５２は、スライダ２４３、各コラム２４１、及びラム２４４の移動量に応じたパルス信号を出力する位置センサである。
【００２３】
図３は、プローブ２１の拡大模式図である。
プローブ２１は、図３に示すように、測定子２１１Ａを先端側に有するスタイラス２１１と、スタイラス２１１の基端側を支持する支持機構２１２とを備える。
支持機構２１２は、スタイラス２１１をＸ，Ｙ，Ｚ軸の各軸方向に付勢することで所定位置に位置決めするように支持するとともに、測定子２１１Ａに外力が加わった場合、すなわち測定子２１１Ａが被測定物Ｗに当接した場合には、スタイラス２１１を一定の範囲内でＸ，Ｙ，Ｚ軸の各軸方向に移動可能としている。この支持機構２１２は、図１に示すように、スタイラス２１１の各軸方向の位置を検出するためのＸ軸プローブセンサ２１３Ｘ、Ｙ軸プローブセンサ２１３Ｙ、及びＺ軸プローブセンサ２１３Ｚを備える。なお、各プローブセンサ２１３は、各スケールセンサ２５２と同様にスタイラス２１１の各軸方向の移動量に応じたパルス信号を出力する位置センサである。
【００２４】
〔モーションコントローラの構成〕
モーションコントローラ３は、図１に示すように、操作手段４、またはホストコンピュータ５からの指令に応じて駆動部２５を制御する駆動制御部３１と、各スケールセンサ２５２、及び各プローブセンサ２１３から出力されるパルス信号を計数するカウンタ部３２とを備える。
カウンタ部３２は、各スケールセンサ２５２から出力されるパルス信号をカウントしてスライド機構２４の移動量を計測するスケールカウンタ３２１と、各プローブセンサ２１３から出力されるパルス信号をカウントしてプローブ２１の移動量を計測するプローブカウンタ３２２とを備える。そして、スケールカウンタ３２１、およびプローブカウンタ３２２にて計測されたスライド機構２４の移動量、及びプローブ２１の移動量は、ホストコンピュータ５に出力される。
【００２５】
〔ホストコンピュータの構成〕
ホストコンピュータ５は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)や、メモリ等を備えて構成され、モーションコントローラ３に所定の指令を与えることで三次元測定機本体２を制御するものであり、指令部５１と、移動量取得部５２と、測定値算出部５３と、補正パラメータ算出部５４と、ホストコンピュータ５で用いられるデータを記憶する記憶部５５とを備える。
【００２６】
指令部５１は、モーションコントローラ３の駆動制御部３１に所定の指令を与え、三次元測定機本体２のスライド機構２４を駆動する。具体的に、指令部５１は、測定子２１１Ａを駆動するための位置指令値を出力する。なお、被測定物Ｗの輪郭データは、記憶部５５に記憶されている。
移動量取得部５２は、カウンタ部３２にて計測されたプローブ２１の移動量（ｘｐ，ｙｐ，ｚｐ）、及び駆動機構２２（スライド機構２４）の移動量（ｘｍ，ｙｍ，ｚｍ）を取得する。ここで、移動量取得部５２は、プローブ２１に規定された直交座標系に基づいて、プローブ２１の移動量を取得し（図３参照）、駆動機構２２に規定された直交座標系に基づいて、駆動機構２２の移動量を取得する（図２参照）。
【００２７】
測定値算出部５３は、移動量取得部５２にて取得されたプローブ２１の移動量、及び駆動機構２２の移動量に基づいて測定値、すなわち測定子２１１Ａの位置を算出する。なお、駆動機構２２の移動量は、支持機構２１２内におけるスタイラス２１１の移動が全く生じていない場合、すなわちプローブ２１の移動量が０の場合における測定子２１１Ａの位置を示すように調整されている。
具体的に、測定値算出部５３は、移動量取得部５２にて取得されたプローブ２１の移動量、及び駆動機構２２の移動量を合成することで、以下の式（１）に示すように、測定値（ｘ，ｙ，ｚ）を算出する。
【００２８】
〔数１〕
【００２９】
ここで、測定値算出部５３は、駆動機構２２の座標系にプローブ２１の座標系を一致させるように補正することでプローブ２１の座標系を補正する。具体的に、プローブ２１の座標系を補正するための補正パラメータをＡ（Ａ１１〜Ａ３３）とすれば、補正後のプローブ２１の移動量（ｘｐ´,ｙｐ´,ｚｐ´）は、以下の式（２）によって算出される。なお、補正パラメータＡは、後述する補正パラメータ算出部５４にて算出され、記憶部５５に記憶されている。
【００３０】
〔数２〕
【００３１】
したがって、測定値算出部５３は、補正後の測定値（ｘ´,ｙ´,ｚ´）を、以下の式（３）によって算出する。
【００３２】
〔数３〕
【００３３】
補正パラメータ算出部５４は、補正パラメータＡを算出するものであり、図１に示すように、移動制御手段５４１と、比較手段５４２と、情報取得手段５４３と、補正パラメータ算出手段５４４とを備える。
移動制御手段５４１は、指令部５１に位置指令値を出力させることで、駆動機構２２の動作を制御し、プローブ２１を移動させる。
【００３４】
比較手段５４２は、移動量取得部５２にて取得されたプローブ２１の移動量と第１閾値とを比較するとともに、移動量取得部５２にて取得された駆動機構２２の移動量の変位と第２閾値とを比較する。
情報取得手段５４３は、比較手段５４２にてプローブ２１の移動量が第１閾値以上であると判定された場合に、移動量取得部５２にて取得されたプローブ２１の移動量、及び駆動機構２２の移動量を、補正パラメータＡの算出に用いる情報として取得する。
補正パラメータ算出手段５４４は、情報取得手段５４３にて取得された補正パラメータＡの算出に用いる情報（プローブ２１の移動量、及び駆動機構２２の移動量）に基づいて、補正パラメータＡを算出する。
【００３５】
〔拘束手段の構成〕
図４は、拘束手段６の構造を示す図である。
拘束手段６は、補正パラメータＡを算出する際に用いられるものであり、定盤２３（図２参照）上に設置される。
そして、拘束手段６は、図４に示すように、測定子２１１Ａに当接する当接面６１１を有し、当接面６１１に測定子２１１Ａが当接することで測定子２１１Ａの回転変位を拘束することなく並進変位を拘束する。
【００３６】
具体的に、拘束手段６は、図４に示すように、直方体状の部材において、上面から下面に向けて、平面視正方形状の凹部６１を設けたものである。
そして、凹部６１の内側面が当接面６１１として機能する。
すなわち、拘束手段６は、内面が当接面６１１とされる矩形断面の空洞を有する容器状に形成されている。
以上説明した補正パラメータ算出部５４及び拘束手段６が本発明に係る補正パラメータ算出装置１０（図１及び図４）に相当する。
【００３７】
〔補正パラメータの算出方法〕
図５は、補正パラメータＡの算出方法を説明するフローチャートである。
図６は、補正パラメータＡの算出方法を説明するための図である。具体的に、図６は、プローブ２１の移動量を縦軸とし、補正パラメータＡの算出を開始してからの経過時間を横軸としたグラフと、当該グラフ中の各時間Ｔ１〜Ｔ７での測定子２１１Ａと当接面６１１との位置関係とを示している。
【００３８】
先ず、三次元測定機１の使用者は、以下に示す準備を行う。
すなわち、使用者は、図４に示すように、凹部６１の四方の内側面（当接面６１１）がＸ軸及びＹ軸に対して直交するように拘束手段６を定盤２３上に設置する。
また、使用者は、操作手段４を操作することにより、図４に示すように、測定子２１１Ａを拘束手段６の凹部６１内に位置付ける。
以上の準備を行った後に、補正パラメータＡの算出を開始する。
【００３９】
補正パラメータＡの算出を開始すると、移動制御手段５４１は、指令部５１を介して駆動機構２２の動作を制御し、第１の方向Ｒ１（図４及び図６）へのプローブ２１の移動を開始する（ステップＳＴ１）。
なお、第１の方向Ｒ１は、図４または図６に示すように、測定子２１１Ａが当接面６１１に近接する方向であり、より具体的には、当接面６１１の法線方向に沿う方向（Ｘ軸方向）である。
第１の方向Ｒ１へのプローブ２１の移動が開始されると、比較手段５４２は、移動量取得部５２にて取得されたプローブ２１の移動量と、第１閾値Ｓ１（図６）とを比較し、プローブ２１の移動量が第１閾値Ｓ１以上となったか否かを判定する（ステップＳＴ２）。
なお、第１閾値Ｓ１は、測定子２１１Ａを被測定物Ｗや当接面６１１に当接させていない状態で移動量取得部５２にて取得されるプローブ２１の移動量（ノイズ）の最大値よりも若干大きい値に設定されたものである。
【００４０】
ステップＳＴ２において、「Ｙ」と判定された時点から、情報取得手段５４３は、補正パラメータＡの算出に用いる情報の取得を開始する（ステップＳＴ３）。そして、情報取得手段５４３は、取得した情報を順次、記憶部５５に記憶させる。
例えば、時間Ｔ１の時点では、図６に示すように、プローブ２１の移動量は、第１閾値Ｓ１未満である。言い換えれば、時間Ｔ１の時点では、測定子２１１Ａは、当接面６１１に当接していない。そして、情報取得手段５４３は、時間Ｔ１の時点では、補正パラメータＡの算出に用いる情報の取得を開始しない。
【００４１】
一方、時間Ｔ２の時点では、図６に示すように、プローブ２１の移動量は、第１閾値Ｓ１以上である。言い換えれば、時間Ｔ２の時点で、測定子２１１Ａは、当接面６１１に当接したこととなる。そして、情報取得手段５４３は、時間Ｔ２の時点から、補正パラメータＡの算出に用いる情報の取得を開始する。
なお、測定子２１１Ａが球状に形成されており、凹部６１が上述した形状を有している。このため、時間Ｔ２の時点では、拘束手段６は、当接面６１１にて測定子２１１Ａと１点で点接触し、測定子２１１Ａの回転変位を拘束することなく並進変位のみを拘束することとなる。
ここで、情報取得手段５４３による補正パラメータＡの算出に用いる情報の取得開始後の当該情報の取得タイミングは、例えば、時間Ｔ２から一定時間毎で取得するように構成してもよく、あるいは、時間Ｔ２からの駆動機構２２の移動量の一定変位毎で取得するように構成してもよい。
【００４２】
ステップＳＴ３の後、比較手段５４２は、駆動機構２２の移動量の変位と第２閾値（図示略）とを比較し、当該変位が第２閾値以上となったか否かを判定する（ステップＳＴ４）。
より具体的に、比較手段５４２は、時間Ｔ２の時点で移動量取得部５２にて取得された駆動機構２２の移動量と、現時点で移動量取得部５２にて取得された駆動機構２２の移動量との差分（変位）と、第２閾値とを比較する。
すなわち、上記比較により、測定子２１１Ａが当接面６１１に当接してから、予め定められた設定値だけ駆動機構２２の動作を制御して、プローブ２１を当接面６１１に押し込んだか否かを判定している。
【００４３】
ステップＳＴ４において、「Ｙ」と判定された場合には、移動制御手段５４１は、指令部５１を介して駆動機構２２の動作を制御し、プローブ２１の移動方向を第１の方向Ｒ１から第２の方向Ｒ２（図４及び図６）に切り替える（ステップＳＴ５）。
なお、第２の方向Ｒ２は、図４または図６に示すように、測定子２１１Ａが当接面６１１から離間する方向であり、より具体的には、第１の方向Ｒ１の逆方向である。
【００４４】
例えば、移動制御手段５４１は、時間Ｔ３の時点では駆動機構２２の移動量の変位が第２閾値未満であるため、図６に示すように、第１の方向Ｒ１へのプローブ２１の移動を継続している。
一方、移動制御手段５４１は、時間Ｔ４の時点で駆動機構２２の移動量の変位が第２閾値以上となったため、図６に示すように、プローブ２１の移動方向を第２の方向Ｒ２に切り替えている。
【００４５】
ステップＳＴ５の後、比較手段５４２は、移動量取得部５２にて取得されたプローブ２１の移動量と、第１閾値Ｓ１とを比較し、プローブ２１の移動量が第１閾値Ｓ１未満となったか否かを判定する（ステップＳＴ６）。
ステップＳＴ６において、「Ｙ」と判定された場合には、移動制御手段５４１は、指令部５１を介して駆動機構２２の動作を制御し、第２の方向Ｒ２へのプローブ２１の移動を終了する（ステップＳＴ７）。
同様に、ステップＳＴ６において、「Ｙ」と判定された場合には、情報取得手段５４３は、補正パラメータＡの算出に用いられる情報の取得を終了する（ステップＳＴ８）。
【００４６】
例えば、時間Ｔ５の時点では、図６に示すように、プローブ２１の移動量は、第１閾値Ｓ１以上である。このため、第２の方向Ｒ２へのプローブ２１の移動、及び補正パラメータＡの算出に用いられる情報の取得が継続される。
一方、時間Ｔ６の時点では、図６に示すように、プローブ２１の移動量は、第１閾値Ｓ１未満である。このため、時間Ｔ６の時点で、第２の方向Ｒ２へのプローブ２１の移動、及び補正パラメータＡの算出に用いられる情報の取得が終了する。
【００４７】
ステップＳＴ８の後、補正パラメータ算出手段５４４は、記憶部５５に記憶された情報に基づいて、以下に示すように、補正パラメータＡを算出する（ステップＳＴ９）。
なお、上記記憶部５５に記憶された情報とは、情報取得手段５４３にて取得された情報（プローブ２１の移動量、及び駆動機構２２の移動量）であり、より具体的には、時間Ｔ２〜Ｔ６の間（測定子２１１Ａの並進変位が拘束されている間）に情報取得手段５４３にて取得された情報（取得数ｎ）である。
【００４８】
ところで、測定子２１１Ａの並進変位が拘束されている時には、拘束後の駆動機構２２の移動量の変位と補正パラメータＡによる座標変換後のプローブ２１の移動量は、絶対値が等しく、符号が反転するはずである。すなわち、以下の式（４）を満たすはずである。
【００４９】
〔数４〕
【００５０】
また、式（４）を変形すると、以下の式（５）となる。
【００５１】
〔数５〕
【００５２】
上述した式（５）において、補正パラメータＡの未知数は９個であるので、これらの未知数を算出することができる十分な数（ｎ）のプローブ２１の移動量、及び駆動機構２２の移動量を情報取得手段５４３にて取得すれば、補正パラメータ算出手段５４４は、最小二乗法で演算することにより、補正パラメータＡを算出することができる。
そして、補正パラメータ算出手段５４４は、算出した補正パラメータＡを記憶部５５に記憶させる。
【００５３】
上述した第１実施形態によれば、以下の効果がある。
本実施形態では、補正パラメータ算出装置１０は、拘束手段６と、移動制御手段５４１と、情報取得手段５４３と、補正パラメータ算出手段５４４とを備える。
そして、拘束手段６は、測定子２１１Ａと一点で点接触する当接面６１１を備え、当接面６１１に測定子２１１Ａが当接することで、測定子２１１Ａの回転変位を拘束することなく並進変位を拘束する。
すなわち、当接面６１１は、測定子２１１Ａに対して唯一、１点で点接触するため、測定子２１１Ａを拘束する際に、回転変位を拘束することなく並進変位のみを拘束できる。
したがって、常に高精度な補正パラメータＡを算出でき、当該補正パラメータＡを用いることで、三次元測定機１による測定精度を十分に高めることができる。
【００５４】
また、移動制御手段５４１は、駆動機構２２の動作を制御することで当接面６１１の法線方向に沿って測定子２１１Ａを移動させる。
このことにより、測定子２１１Ａが当接面６１１に当接している間、プローブ２１の接触力は、当接面６１１に垂直に作用することとなる。すなわち、当接面６１１からの垂直抗力によって、測定子２１１Ａの並進変位を確実に拘束できる。
したがって、測定子２１１Ａの回転変位を拘束することなく並進変位のみを確実に拘束でき、常に高精度な補正パラメータＡを算出できる。
【００５５】
さらに、補正パラメータ算出装置１０は、比較手段５４２を備える。
このことにより、比較手段５４２にてプローブ２１の移動量と第１閾値Ｓ１とを比較し、プローブ２１の移動量が第１閾値Ｓ１以上となった場合に、測定子２１１Ａの並進変位が拘束手段６にて実際に拘束されていることを判定できる。
そして、情報取得手段５４３は、比較手段５４２にてプローブ２１の移動量が第１閾値Ｓ１以上であると判定された場合に、補正パラメータＡの算出に用いる情報（プローブ２１の移動量、及び駆動機構２２の移動量）を取得する。言い換えれば、補正パラメータ算出手段５４４は、測定子２１１Ａの並進変位が拘束手段６にて拘束されている時のプローブ２１の移動量、及び駆動機構２２の移動量に基づいて、補正パラメータＡを算出する。
したがって、補正パラメータＡをさらに高精度に算出できる。
【００５６】
また、移動制御手段５４１は、駆動機構２２の動作を制御してプローブ２１を第１，第２の方向Ｒ１，Ｒ２に移動させる。
このことにより、情報取得手段５４３は、測定子２１１Ａの並進変位が拘束手段６にて実際に拘束されている状態で、測定子２１１Ａが当接面６１１に押し込まれている時（第１の方向Ｒ１へ移動時）の補正パラメータＡの算出に用いる情報と、測定子２１１Ａが当接面６１１から離脱される時（第２の方向Ｒ２への移動時）の補正パラメータＡの算出に用いる情報とを取得できる。
したがって、補正パラメータ算出手段５４４は、上述したように取得されたプローブ２１の移動量、及び駆動機構２２の移動量に基づいて補正パラメータＡを算出するので、補正パラメータＡをさらに高精度に算出できる。
【００５７】
さらに、拘束手段６は、内面が当接面６１１として機能する平面視正方形状の凹部６１を有する。
すなわち、拘束手段６を上述した形状で構成することで、測定子２１１Ａの回転変位を拘束することなく並進変位のみを拘束する当接面６１１を容易に形成できる。
【００５８】
[第２実施形態]
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
なお、以下では、前記第１実施形態と同様の構成には同一の符号を付し、その詳細な説明については省略する。
図７は、第２実施形態における拘束手段６の構造を示す図である。
本実施形態では、図７に示すように、前記第１実施形態に対して、拘束手段６の構造が異なるのみである。その他の構成は、前記第１実施形態と同様のものである。
具体的に、第２実施形態における拘束手段６は、図７に示すように、直方体状の部材において、上面から下面に向けて、半球状の凹部６１を設けたものである。
そして、凹部６１の内側面が当接面６１１として機能する。
すなわち、拘束手段６は、内面が当接面６１１とされる円形断面の空洞を有する容器状に形成されている。
【００５９】
上述した第２実施形態によれば、前記第１実施形態と同様の効果の他、以下の効果がある。
本実施形態では、拘束手段６は、内面が当接面６１１として機能する半球状の凹部６１を有する。すなわち、拘束手段６を上述した形状で構成することで、当接面６１１を球面状に形成できる。
このことにより、当接面６１１の法線方向が無数に設定されることとなるため、移動制御手段５４１にて駆動機構２２の動作を制御する際に、当接面６１１の法線方向に沿って測定子２１１Ａを容易に移動させることができる。
【００６０】
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、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ものである。
前記各実施形態において、拘束手段６の構造は、前記各実施形態で説明した構造に限らない。例えば、拘束手段としては、直方体状の部材において、上面から下面に向けて、平面視多角形状（例えば、五角形状、六角形状等）の凹部を設け、当該凹部の内側面を当接面として機能させても構わない。
前記各実施形態では、プローブ２１を第１，第２の方向Ｒ１，Ｒ２に移動させている際に取得した情報（プローブ２１の移動量、及び駆動機構２２の移動量）に基づいて、補正パラメータＡを算出していたが、これに限らない。例えば、プローブ２１を第１の方向Ｒ１に移動させている際に取得した情報のみに基づいて、補正パラメータＡを算出しても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、被測定物に接触する球状の測定子を有するプローブと、プローブを保持するとともにプローブを移動させる駆動機構と、プローブの座標系を補正するための補正パラメータを算出する補正パラメータ算出装置とを備えた三次元測定機に利用できる。
【符号の説明】
【００６２】
１・・・三次元測定機
６・・・拘束手段
１０・・・補正パラメータ算出装置
２１・・・プローブ
２２・・・駆動機構
２１１Ａ・・・測定子
５４１・・・移動制御手段
５４２・・・比較手段
５４３・・・情報取得手段
５４４・・・補正パラメータ算出手段
６１１・・・当接面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物に接触する球状の測定子を有するプローブと、前記プローブを保持するとともに前記プローブを移動させる駆動機構と、前記プローブの座標系を補正するための補正パラメータを算出する補正パラメータ算出装置とを備えた三次元測定機であって、
前記補正パラメータ算出装置は、
前記測定子に当接する当接面を有し、前記当接面に前記測定子が当接することで前記測定子の中心を回転中心とする回転変位を拘束することなく前記測定子の並進変位を拘束する拘束手段と、
前記駆動機構の動作を制御して前記プローブを移動させることで、前記当接面に近接する方向に前記測定子を移動させる移動制御手段と、
前記プローブの移動量、及び前記駆動機構の移動量を取得する情報取得手段と、
前記情報取得手段にて取得された前記プローブの移動量、及び前記駆動機構の移動量に基づいて、前記補正パラメータを算出する補正パラメータ算出手段とを備え、
前記当接面は、
前記測定子が当接した際に前記測定子と１点で点接触する
ことを特徴とする三次元測定機。
【請求項２】
請求項１に記載の三次元測定機において、
前記移動制御手段は、
前記当接面の法線方向に沿って前記測定子を移動させる
ことを特徴とする三次元測定機。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の三次元測定機において、
前記補正パラメータ算出装置は、
前記プローブの移動量と所定の閾値とを比較する比較手段を備え、
前記情報取得手段は、
前記比較手段にて前記閾値以上であると判定された場合に、前記プローブの移動量、及び前記駆動機構の移動量を取得する
ことを特徴とする三次元測定機。
【請求項４】
請求項３に記載の三次元測定機において、
前記移動制御手段は、
前記比較手段にて前記閾値以上であると判定されてからの前記駆動機構の移動量の変位が所定値に達するまで、前記当接面に近接する方向に前記測定子を移動させた後、前記当接面から離間する方向に前記測定子を移動させる
ことを特徴とする三次元測定機。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の三次元測定機において、
前記拘束手段は、
内面が前記当接面とされる多角形断面の空洞を有する容器状に形成されている
ことを特徴とする三次元測定機。
【請求項６】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の三次元測定機において、
前記拘束手段は、
内面が前記当接面とされる円形断面の空洞を有する容器状に形成されている
ことを特徴とする三次元測定機。
【請求項１】
被測定物に接触する球状の測定子を有するプローブと、前記プローブを保持するとともに前記プローブを移動させる駆動機構と、前記プローブの座標系を補正するための補正パラメータを算出する補正パラメータ算出装置とを備えた三次元測定機であって、
前記補正パラメータ算出装置は、
前記測定子に当接する当接面を有し、前記当接面に前記測定子が当接することで前記測定子の中心を回転中心とする回転変位を拘束することなく前記測定子の並進変位を拘束する拘束手段と、
前記駆動機構の動作を制御して前記プローブを移動させることで、前記当接面に近接する方向に前記測定子を移動させる移動制御手段と、
前記プローブの移動量、及び前記駆動機構の移動量を取得する情報取得手段と、
前記情報取得手段にて取得された前記プローブの移動量、及び前記駆動機構の移動量に基づいて、前記補正パラメータを算出する補正パラメータ算出手段とを備え、
前記当接面は、
前記測定子が当接した際に前記測定子と１点で点接触する
ことを特徴とする三次元測定機。
【請求項２】
請求項１に記載の三次元測定機において、
前記移動制御手段は、
前記当接面の法線方向に沿って前記測定子を移動させる
ことを特徴とする三次元測定機。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の三次元測定機において、
前記補正パラメータ算出装置は、
前記プローブの移動量と所定の閾値とを比較する比較手段を備え、
前記情報取得手段は、
前記比較手段にて前記閾値以上であると判定された場合に、前記プローブの移動量、及び前記駆動機構の移動量を取得する
ことを特徴とする三次元測定機。
【請求項４】
請求項３に記載の三次元測定機において、
前記移動制御手段は、
前記比較手段にて前記閾値以上であると判定されてからの前記駆動機構の移動量の変位が所定値に達するまで、前記当接面に近接する方向に前記測定子を移動させた後、前記当接面から離間する方向に前記測定子を移動させる
ことを特徴とする三次元測定機。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の三次元測定機において、
前記拘束手段は、
内面が前記当接面とされる多角形断面の空洞を有する容器状に形成されている
ことを特徴とする三次元測定機。
【請求項６】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の三次元測定機において、
前記拘束手段は、
内面が前記当接面とされる円形断面の空洞を有する容器状に形成されている
ことを特徴とする三次元測定機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−１５４６４（Ｐ２０１３−１５４６４Ａ）
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４９５８７（Ｐ２０１１−１４９５８７）
【出願日】平成２３年７月５日（２０１１．７．５）
【出願人】（０００１３７６９４）株式会社ミツトヨ (979)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月５日（２０１１．７．５）
【出願人】（０００１３７６９４）株式会社ミツトヨ (979)
【Ｆターム（参考）】
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