三次元測定装置
【課題】 ある点の測定後のスタイラス（測定ヘッド）のセンター（原位置）への復帰を瞬時に自動的に正確に行える三次元測定装置を提供すること。
【解決手段】 スタイラス（測定ヘッド）を原位置に復帰せしめるべくプローブユニット内に配設される、スタイラスと同軸上に延在するセンターピンと同一部材から製造されるとともにセンターピンと平行に延在する一対のストッパーピンを挟持して前記センターピンの外径と同一間隔を規定する、相対向し水平移動する一対のリミッタと、該リミッタをその背面から押圧付勢する圧縮ばねからなるセンターピンＸ方向復帰機構およびＹ方向復帰機構をＺ軸方向に二層に配設したセンターピン復帰機構を有してなる三次元測定装置。
【解決手段】 スタイラス（測定ヘッド）を原位置に復帰せしめるべくプローブユニット内に配設される、スタイラスと同軸上に延在するセンターピンと同一部材から製造されるとともにセンターピンと平行に延在する一対のストッパーピンを挟持して前記センターピンの外径と同一間隔を規定する、相対向し水平移動する一対のリミッタと、該リミッタをその背面から押圧付勢する圧縮ばねからなるセンターピンＸ方向復帰機構およびＹ方向復帰機構をＺ軸方向に二層に配設したセンターピン復帰機構を有してなる三次元測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定範囲内における任意点或いは点群の三次元座標を測定できるとともに、測定対象の形状測定ができる三次元測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、たとえば機械加工部品の形状、寸法を検査、測定すべく、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸それぞれの方向への直線移動機構をもつ駆動軸を有し、これらの軸によって任意の空間に移動できるプローブで測定対象表面の三次元座標をμｍ単位で測定できるようにした三次元測定器が知られている。
【０００３】
一方、門型のフレームで構成される触針式三次元測定装置におけるコラムの静的および動的な回転運動によって発生する測定誤差をリアルタイムに補正すべく、コラムの回転運動をコラムの上部に設けたジャイロセンサで検出し、この角度から補正量ベクトルを求め、測定座標をリアルタイムに補正するようにした三次元測定機における測定誤差補正装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
また、測定環境温度変動によるＺステージおよびプローブユニット構成部材の熱膨張に起因する誤差を補正すべく、Ｘ−Ｙ平面で走査しつつ被測定面のＺ軸方向の高さを逐次測定し、測定対象の形状を出力する三次元測定補法において、第１の軌跡（直線軌跡）と第２〜第ｎの軌跡とが交叉するよう面形状を測定する座標データ取得工程と、第ｉ（ｉ＝２〜ｎ）の軌跡について、第１の軌跡とのＸ−Ｙ平面における交点を求める交点算出工程と、全ての交点における第１の軌跡と第ｉ軌跡のＺ座標の差を求めるＺ座標の算出工程と、このＺ座標の差算出工程で求めた各Ｚ座標の差から第ｉ軌跡座標データを補正するようにした三次元形状測定方法が提案されている（特許文献２参照）。
【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、これら従来の触針式三次元測定装置は何れも１μｍ単位での高精度測定を実現するために測定装置の構成部品がきわめて高い精度で製作されておりまた、熱膨張を低く抑えるべくセラミックスなどの特殊な材質の構成部品を用いさらに、測定環境の温度変動に起因する測定精度の低下を回避すべく恒温室内での測定を要する等の問題があった。
【０００６】
而して、測定装置は高価となるのみならず、特許文献２に開示の先行技術によるときは、第１の方向の少なくとも１本の軌跡とＸ−Ｙ平面で前記第１の軌跡と交叉する方向の複数本の軌跡とを測定すべく走査手段を動作させる軌跡制御手段や、座標測定手段の出力とプローブ装置の出力と時計が出力する時刻とから、被測定面の座標と時刻を複数記録する記録手段、記録手段に記録された座標データから第１の軌跡と、第１の軌跡に交叉する全ての軌跡との交点のＸ−Ｙ平面内での座標を求める交点算出手段、前記交点の全てにおける各軌跡のＺ座標を求め、第１の軌跡とこれに交叉する全ての軌跡のＺ方向の差を求める交点算出手段、各交点のＺ軸座標の差から第１の軌跡と交叉する全ての軌跡のＺ方向座標を補正する座標補正手段を要する等、装置および測定操作が複雑精緻となる問題がある。
【０００７】
また、一般的な工業部品等の加工にあっては、三次元測定装置は１０μｍ単位での測定精度で十分であるにも拘わらず、その測定精度に対応する装置がない。さらに、迅速かつ能率的な三次元測定を遂行するには、スタイラス（測定ヘッド）のセンター（原位置）への復帰が瞬時に自動的に行える三次元測定装置である必要がある。
【０００８】
本発明は、簡単な装置構成で一般的な工業部品等の三次元測定に好適な、ある点の測定後のスタイラス（測定ヘッド）のセンター（原位置）への復帰を瞬時に自動的に正確に行える三次元測定装置を提供することを目的とする。
【０００９】
本発明の他の目的は、ある点の測定後のスタイラス（測定ヘッド）のセンター（原位置）への復帰を瞬時に自動的に正確に行えるとともに、装置の構成部品の幾何学的誤差や組み立て誤差を補正できさらに、測定環境の温度変化に起因する誤差を補正できる、１０μｍ単位の精度の三次元測定装置を提供することである。また、用途に合わせた自社専用プログラムの開発や拡張に対応しやすい実用的で安価な三次元測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、スタイラス（測定ヘッド）を具備するプローブユニットと、該プローブユニットをＸ方向、Ｙ方向、およびＺ方向に変位せしめるＸステージ、Ｙステージ、およびＺステージからなる移動ステージと、マシンベース上に載置される定盤とからなる三次元測定装置であって、スタイラス（測定ヘッド）を原位置に復帰せしめるべく前記プローブユニット内に配設される、スタイラスと同軸上に延在するセンターピンと同一部材から製造されるとともにセンターピンと平行に延在する一対のストッパーピンを挟持して前記センターピンの外径と同一間隔を規定する、相対向し水平移動する一対のリミッタと、該リミッタをその背面から押圧付勢する圧縮ばねからなるセンターピンＸ方向復帰機構およびＹ方向復帰機構をＺ軸方向に二層に配設したセンターピン復帰機構を有してなる三次元測定装置である。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、スタイラス（測定ヘッド）を具備するプローブユニットと、該プローブユニットをＸ方向、Ｙ方向、およびＺ方向に変位せしめるＸステージ、Ｙステージ、およびＺステージからなる移動ステージと、マシンベース上に載置される定盤とからなる三次元測定装置であって、
ａ．スタイラス（測定ヘッド）を原位置に復帰せしめるべく前記プローブユニット内に配設される、スタイラスと同軸上に延在するセンターピンと同一部材から製造されるとともにセンターピンと平行に延在する一対のストッパーピンを挟持して前記センターピンの外径と同一間隔を規定する、相対向し水平移動する一対のリミッタと、該リミッタをその背面から押圧付勢する圧縮ばねからなるセンターピンＸ方向復帰機構およびＹ方向復帰機構をＺ軸方向に二層に配設したセンターピン復帰機構と、
ｂ．前記Ｘステージ、Ｙステージ、およびＺステージの変位方向と前記定盤面との平行度を調整すべく前記マシンベース上の４本の支柱それぞれの上部に配設される、ベアリングユニットのフレームに螺合され手動またはモータによって回転駆動されて昇降するとともにその上部に逆円錐形のボール受け座を有する調整スクリューと、該調整スクリュー上に載置されるとともにＸステージおよびＹステージのガイドロッドの端部が水平方向に挿通されており、その上面から前記ベアリングユニットのフレームに収蔵されている圧縮ばねによって下方に付勢されているボールとからなるステージ平行度調整機構と、
ｃ．測定環境温度変化に起因する誤差を補正する演算処理手段
とを有してなる三次元測定装置である。
請求項２に記載の発明におけるステージ平行度調整機構によれば、その組み立ての際或いは平行度調整の際に応力を発生することがない。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、プローブユニットが、下部フレームに回転自在に水平な周方向上等間隔に固定、支承される少なくとも３箇のサポートボール上にその球体下部を支持されるとともに、押圧ロッドを介して圧縮ばねによって下方に付勢される回転半球中心Ｚ軸方向にセンターピンおよびスタイラス（測定ヘッド）を同軸上に固定しさらに、前記回転半球の上水平面上にスタイラス（測定ヘッド）と一体的なタッチプレートを載置し、スタイラス先端の測定対象表面への接触によって前記回転半球のサポートボール上での傾動に対応してタッチプレートを傾斜せしめる如く構成し、タッチプレートの傾斜を接触式高精度変位センサで測定し、該接触式高精度変位センサの変位量が設定値となった時点でのスタイラス（測定ヘッド）先端部球体中心の三次元座標をＸ、Ｙ、Ｚステージの移動量から計測可能に構成したものである請求項１または請求項２に記載の三次元測定装置である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、一般的な工業部品等の三次元測定に好適で実用的な、スタイラス（測定ヘッド）のセンター（原位置）復帰を迅速かつ正確に行える、１０μｍ単位の精度の三次元測定装置を安価に提供できる。また、構造が簡単である処からメインテナンスが容易でありまた、自社製品の測定の特徴に合わせて機能拡張等が可能である。
【００１４】
請求項２に記載の発明によるときは上記効果に加え、部品の製作誤差、組み立て誤差、装置の動的誤差を補正できるとともに、測定環境の温度変化に起因する誤差をも補正でき、恒温室を要することのない実用的な三次元測定を可能にする。この発明のベアリングユニットを用いたステージ平行度調整機構によれば、三次元測定装置の組立てや調整による応力の発生がない長所を有するとともに、自動制御対応ができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、一定の範囲内即ち、接触式高精度変位センサの変位量の設定値以下の範囲内でスタイラス（測定ヘッド）先端部球体中心の三次元座標を連続的に計測可能となり測定対象の連続的な三次元測定ができる。而して、Ｘ、Ｙ、Ｚ空間において、測定範囲内における任意点或いは点群の三次元座標値を測定でき、それを拡張して形状測定や指定した形式の出力もできる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施例に係る三次元測定装置の全体構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施例に係る三次元測定装置におけるプローブユニットの外観を示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施例に係る三次元測定装置におけるプローブユニットの内部構造を示す縦断面斜視図である。
【図４】本発明の一実施例に係る三次元測定装置におけるスタイラス（測定ヘッド）のセンター（原位置）復帰機構を示す斜視図である。 （ａ）スタイラス（測定ヘッド）のセンター（原位置）復帰機構を示す全体斜視図 （ｂ）内部構造を示す縦断面斜視図（ｃ）内部構造を示す縦断面斜視図である。
【図５】本発明の一実施例に係る三次元測定装置におけるステージ平行度調整機構の配置を示す斜視図である。
【図６】本発明の一実施例に係る三次元測定装置におけるステージ平行度調整機構のベアリングユニットを示す斜視図である。 （ａ）外観斜視図 （ｂ）内部構造を示す縦断面斜視図
【図７】本発明の一実施例に係る三次元測定装置を用いて三次元測定を行うときのアルゴリズムを示すブロック図である。
【図８】本発明の一実施例に係る三次元測定装置を用いて三次元測定を行うに際し測定環境の温度変化に対する補正のアルゴリズムを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態をその好ましい実施例に則して説明する。本発明の三次元測定装置は、主に、プローブユニット、移動ステージ、マシンベース、およびコントローラシステムから構成される。プローブユニットには接触式の高精度変位センサが組込まれ、その先端部のスタイラス（測定ヘッド）が測定対象に接触してその位置を感知し、三次元座標を読み取るタイミングを決定する。移動ステージ（Ｘ、Ｙ、Ｚステージ）はプローブユニットの搬送機能を有する。
【００１８】
マシンベースは、測定テーブルとなる定盤および移動ステージを載せる構造体である。マシンベースの４つの柱の上に、高さ調整可能なベアリングユニットを固定し、このベアリングユニットによって、移動ステージの定盤に対する平行度を調整する。また、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の各移動ステージには高精度の非接触式のレーザ変位センサが配設され、各移動ステージの移動距離を正確に測定する。
【００１９】
コントローラシステムは、主に、各移動ステージを作動させるコントローラおよびデータ処理用コンピュータから構成される。三次元測定装置の動作指令および処理プログラムは、コントローラシステムによって供給される。
【実施例】
【００２０】
図１に、本発明の一実施例に係る三次元測定装置を示す。図１において、１は三次元測定装置、２は基台、３は支柱、４は連結部材、６はフレームであって、これら基台２、支柱３、連結部材４、およびフレーム６でマシンベースを構成し、基台２およびフレーム６によって定盤５を載置、固定している。７はＸステージであって、その一端が図１に示すように、Ｙステージ１７のボールねじ２０に螺合しＹ軸方向に変位せしめられる。８はレーザ変位センサであり、レーザ反射プレート９との間の距離を測定する。１０はボールねじであって、モータ１２によって回転駆動され、Ｚステージ２７をＸ軸方向へ変位せしめる。１１はガイドロッドであり、その両端をベアリングユニット５０に支承され、Ｘステージ７のＹ軸方向への変位を案内すべく機能する。而して、Ｘステージ７は、ベアリングユニット５０にその両端を支承されるガイドロッド１１にその一端を支持され、応力を発生することがなく、自動制御に対応できる。
【００２１】
Ｙステージ１７は、モータ２２によるボールねじ２０の回転駆動によってＸステージ７をＹ軸方向へ変位せしめる。１８はレーザ変位センサであって、レーザ反射プレート１９との間の距離を測定する。１１はガイドロッドであり、その両端をベアリングユニット５０に支承され、Ｙステージ１７を支持している。
【００２２】
Ｚステージ２７は、モータ３２によるボールねじ３０の回転駆動によってヨーク支持フレーム３４をＺ軸方向に変位せしめる。２８はレーザ変位センサであって、レーザ反射プレート２９との間の距離を測定する。ヨーク支持フレーム３４はヨーク３５を固定、把持しており、このヨーク３５にプローブユニット３６が固設されている。３７は接触式高精度変位センサ、３８はスタイラス（測定ヘッド）である。３３はウエイトブロック台であり、Ｚステージ２７の鉛直方向の荷重が偏倚することなくＸステージ７に負荷されるように、プローブユニット３６とバランスさせるべく、図示しないウエイトブロックが固定される。
【００２３】
図２に、プローブユニット３６の外観を示す。図２において、３７は接触式高精度変位センサ、３８はスタイラス（測定ヘッド）であって、この実施例においては、その先端球形部はルビーで形成されている。３９はタッチプレートである。
【００２４】
図３に、プローブユニット３６の内部構造を示す。図３に示すように、接触式高精度変位センサ３７の下部はタッチプレート３９に接しており、タッチプレート３９の傾動に対応して接触式高精度変位センサ３７がその軸方向に変位する。接触式高精度変位センサ３７は、この実施例においては、図３に示すように、Ｘ軸方向に２箇、Ｙ軸方向に２箇の計４箇配設されているが、Ｘ軸方向において１箇、Ｙ軸方向において１箇の計２箇の配設であってもタッチプレート３９の傾動を計測することができる。その場合は、タッチプレート３９のバランスをとるために押さえが必要となる。また、接触式高精度変位センサ３７は、図３に示すように、ヨーク３５の水平アーム部および接触式高精度変位センサ支持フレーム４１に把持されている。
【００２５】
タッチプレート３９は、図３および図４（ａ）に示すように、スタイラス３８とセンターピン４６の結合部材と一体的に固定され、前記結合部材が回転半球４２の上部水平面における中心部の孔に摺動自在に嵌合されており、而して回転半球４２の傾動のＸ軸方向成分およびＹ軸方向成分に対応してタッチプレート３９が傾動するとともに、スタイラス（測定ヘッド）３８と一体的に構成されているタッチプレート３９は回転半球４２に対し回転半球４２上面中心に穿設されている貫通孔の軸方向に変位自在である。回転半球４２はその下部が球面状を呈しており、この球面部分は、図３に示すように、プローブユニット３６の下部フレームに回転自在に、水平な周方向上等間隔に固定、支承される少なくとも３箇のサポートボール４３に転動自在に支承される。
【００２６】
回転半球４２は、図３に示すように、その上部から回転半球押圧ロッド４４を介して圧縮ばね４５によって下方に付勢され、サポートボール４３上に載置されている。而して、スタイラス（測定ヘッド）３８の先端が測定対象表面上を接触、変位すると、スタイラス（測定ヘッド）３８が傾き、これによって回転半球４２がサポートボール４３上である角度転動する。その結果、タッチプレート３９が傾動し、これを接触式高精度変位センサ３７で検出する。
【００２７】
スタイラス（測定ヘッド）３８のＺ軸方向の変位はＺステージ２７におけるレーザ変位センサ２８で検出され、上記接触式高精度変位センサ３７の設定変位量（たとえば２０μｍ）以上でプローブユニットがコントローラから移動停止指令を受け、この時点のスタイラス（測定ヘッド）３８の先端部球体（ルビー）の中心点の空間座標をＸステージ、Ｙステージ、およびＺステージの移動量から読み取る。図３において、４０はセンター復帰ユニットである。
【００２８】
本発明の三次元測定装置において、スタイラス（測定ヘッド）３８の先端部球体（ルビー）のＺ方向における座標値の測定は、以下の動作手順になる。
１）スタイラス（測定ヘッド）３８が測定対象表面に接触する前に、スタイラス（測定ヘッド）３８と一体になっているタッチプレート３９は、この実施例においては、４箇の接触式高精度変位センサ３７の初期圧力および図４に示すセンター復帰機構によって、水平かつ最下限を保っている。
２）プローブユニット３６が下降してスタイラス（測定ヘッド）３８の先端が測定対象表面に接触する際にタッチプレート３９が回転半球４２に対して持ち上げられ、接触式高精度変位センサ３７にさらなる変位を生ぜしめる。同時に、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すセンター復帰機構によって、各接触式高精度変位センサ３７の変位による反力に微小な差が存在していてもスタイラス（測定ヘッド）３８の鉛直方向移動を確保する。
【００２９】
３）タッチプレート３９が回転半球４２に対して上昇する際、回転半球４２の上部水平面における中心部の孔の軸方向のみの相対移動となる。回転半球４２は、図３に示すように、その上部から回転半球押圧ロッド４４を介して圧縮ばね４５によって下方に付勢され、サポートボール４３上に載置されている。
４）スタイラス（測定ヘッド）３８および連動するタッチプレート３９がの移動量が、設定値、たとえば５μｍとなった瞬間にレーザ変位センサ２８が測定した値をオフセット等の変換処理を行って、被測定点の三次元座標値を割り出す。
５）Ｚ方向の測定停止の指令を出す。信号伝達の遅れや慣性などによる一定量の移動が継続した後、スタイラス（測定ヘッド）３８が被測定点から離れ、一点においての測定動作が終了する。
【００３０】
図４（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）に、本発明の一実施例に係るスタイラス（測定ヘッド）３８のセンター復帰機構を示す。図４（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）において、４０はセンター復帰ユニット、３８はスタイラス（測定ヘッド）、３９はタッチプレート、４２は回転半球である。４６はセンターピンであって、図３に示すように、スタイラス（測定ヘッド）３８と同軸上に回転半球４２中心部にＺ軸方向に延在する如く、嵌装、固定されている。
【００３１】
センター復帰ユニット４０は、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、ストッパーピン４７、リミッタ４９、圧縮ばね４５から構成されている。ストッパーピン４７はセンターピン４６と同一部材で製造されており、同一の外径を有している。而して、スタイラス（測定ヘッド）３８が測定対象表面から離脱すると、圧縮ばね４５によって押圧されているリミッタ４９がセンターピン４６の軸心を指向して水平に変位し、ストッパーピン４７を挟持する。
【００３２】
圧縮ばね４５、ストッパーピン４７，リミッタ４９の組は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向とでＺ軸方向において重層構造となっており、Ｘ軸方向およびＹ軸方向においてそれぞれ独立に一対のストッパーピン４７をリミッタ４９の対で挟持する。而して、スタイラス（測定ヘッド）３８がフリーな状態になると、瞬時に、Ｘ軸方向およびＹ軸方向においてそれぞれ独立に一対のストッパーピン４７を挟持した２組のリミッタ４９の対によって、センターピン４６の外径に合致する、水平方向における正方形が現出する。この正方形にセンターピン４６が拘束されることによって、スタイラス（測定ヘッド）３８のセンター（原位置）復帰が瞬時にかつ正確になされる。
【００３３】
図５に、本発明の一実施例に係る三次元測定装置におけるステージ平行度調整機構を示す。既に説明した、図１におけると同一の符号の構成要素の説明は省略する。図５において、５０はベアリングユニット、５５はボール、５７は圧縮ばねである。ステージ平行度調整機構は、図１に示す定盤５の上面とＸステージ７，Ｙステージ１７を平行にすべく機能する。
【００３４】
図６（ａ）、（ｂ）に、ステージ平行度調整機構におけるベアリングユニット５０の構造を示す。図６（ａ）はベアリングユニット５０の外観を示す斜視図、図６（ｂ）は内部構造を示す縦断面図である。 図６（ａ）、（ｂ）において、５１はフレーム、５２は調整スクリュー、５３は調整スクリュー回転用六角孔、５４はボール受け座であって、調整スクリュー５２の上部に形成される。５５はボール、５６は固定用ねじ孔、５７は圧縮ばねである。図６（ａ）、（ｂ）において、１１はＸステージ７のガイドロッド、２１はＹステージ１７のガイドロッドである。
【００３５】
図６（ｂ）に示すように、ボール５５には、球心をガイドロッド１１，２１の軸心が通るように、水平にガイドロッド１１，２１の端部が挿通されている。ボール５５は、フレーム５１にその上端を固定される圧縮ばね５７によって、調整スクリュー５２の上部に形成されている逆円錐状（擂り鉢状）のボール受け座５４に押圧されている。而して、Ｘステージ７およびＹステージ１７の、定盤５上面との間の平行度を所望の精度たとえば３μｍ以内に収めるには、調整スクリュー回転用六角孔５３に断面六角形のドライバ（棒レンチ）を挿入し、手動またはモータ駆動で回転し、ボール５５を昇降させて調整を行う。ベアリングユニット５０は、マシンベースの上部４箇所に配設され、それぞれ独立に昇降され得る。
【００３６】
図７に、本発明の一実施例に係る三次元測定装置を用いて三次元測定を行うときのアルゴリズムを示す。本発明の三次元測定装置は、通常の室温の環境や生産現場において用いられることを前提にしている。測定開始後、先ず、温度や測定範囲などのパラメータを初期値として入力する。次いで、ＸＹ方向の基準となる定盤５の上平面に対してＸステージ、Ｙステージ稼働平面の平行度をテストする。その結果、設定した許容値ε（たとえば３μｍ）以内であれば、ＸＹＺ方向の幾何学的誤差の補正手順に進む。Ｘステージ、Ｙステージ稼働平面の平行度がεを超えていれば、支柱３の上部に取り付けられている４つのベアリングユニットにおける調整スクリュー５２を回転させることによって、順次、繰り返し調整を行ってε以内となるようにキャリブレーションを行う。
【００３７】
次いで、三次元測定装置が稼働するときの空間的誤差を補正する。基準となるブロックゲージを定盤５の上に載置する。その寸法および幾何学的形状を参照し、三次元測定装置のスケールを校正する。
【００３８】
三次元測定装置のキャリブレーションを遂行した後に、実際のワーク（測定対象）の三次元測定が可能となる。プローブユニット３６は、スタイラス（測定ヘッド）３８の先端球形部が被測定点に接触するまで移動を続ける。接触を始めると、タッチプレート３９に微小な傾きが生じ始める。設定した変位量ε２（たとえば２０μｍ）以上になるとプローブユニット３６が移動停止の指令を受け、この瞬間におけるスタイラス（測定ヘッド）３８の先端球形部中心の空間位置をＸステージ、Ｙステージ、およびＺステージの移動量から読み取る。ステージが移動し、スタイラス（測定ヘッド）３８の先端球形部が被測定点から離れると、センター復帰ユニット４０が作動し、スタイラス（測定ヘッド）３８は瞬時にセンター復帰を行う。次の測定点があれば、その点までの移動を行う。複数点を測定する場合、上記と同様な繰り返しを遂行する。
【００３９】
得られた空間座標のデータをＡＤボートを経由してデータ処理用パソコンに送る。寸法或いは幾何学的形状、たとえば長さ、平面度、真円度等によって対応する計算や座標変換を行い、必要な結果を指定された形式で出力する。
【００４０】
図８に、本発明の一実施例に係る三次元測定装置を用いて三次元測定を行うときの、環境の温度変化による誤差を補正するアルゴリズムを示す。本発明の三次元測定装置にあっては、指定した基準温度たとえば２３℃における座標システムを基準座標システムとして設定し、環境の温度が変化した場合、温度差によって発生する誤差を補正する。三次元測定装置の構成によって、単純な線形的な熱膨張（収縮）量ではなく、システム組み立て状態の複合変化量をデータベース化し、使用現場の温度に応じて動的に補正する。
【符号の説明】
【００４１】
１ 三次元測定装置
２ 基台
３ 支柱
４ 連結部材
５ 定盤
６ フレーム
７ Ｘステージ
８ レーザ変位センサ
９ レーザ光反射プレート
１０ ボールねじ
１１ ガイドロッド
１２ モータ
１７ Ｙステージ
１８ レーザ変位センサ
１９ レーザ光反射プレート
２０ ボールねじ
２１ ガイドロッド
２２ モータ
２７ Ｚステージ
２８ レーザ変位センサ
２９ レーザ光反射プレート
３０ ボールねじ
３１ ガイドロッド
３２ モータ
３３ ウエイトブロック台
３４ ヨーク支持フレーム
３５ ヨーク
３６ プローブユニット
３７ 接触式高精度変位センサ
３８ スタイラス（測定ヘッド）
３９ タッチプレート
４０ センター復帰ユニット
４１ 支持フレーム
４２ 回転半球
４３ サポートボール
４４ 回転半球押圧ロッド
４５ 圧縮ばね
４６ センターピン
４７ ストッパーピン
４８ 圧縮ばね
４９ リミッタ
５０ ベアリングユニット
５１ フレーム
５２ 調整スクリュー
５３ 調整スクリュー回転用六角孔
５４ ボール受け座
５５ ボール
５６ 固定用ねじ
５７ 圧縮ばね
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４２】
【特許文献１】特開平０８−２４７７５６号公報
【特許文献２】特開２００４−２８６５０７号公報
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定範囲内における任意点或いは点群の三次元座標を測定できるとともに、測定対象の形状測定ができる三次元測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、たとえば機械加工部品の形状、寸法を検査、測定すべく、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸それぞれの方向への直線移動機構をもつ駆動軸を有し、これらの軸によって任意の空間に移動できるプローブで測定対象表面の三次元座標をμｍ単位で測定できるようにした三次元測定器が知られている。
【０００３】
一方、門型のフレームで構成される触針式三次元測定装置におけるコラムの静的および動的な回転運動によって発生する測定誤差をリアルタイムに補正すべく、コラムの回転運動をコラムの上部に設けたジャイロセンサで検出し、この角度から補正量ベクトルを求め、測定座標をリアルタイムに補正するようにした三次元測定機における測定誤差補正装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
また、測定環境温度変動によるＺステージおよびプローブユニット構成部材の熱膨張に起因する誤差を補正すべく、Ｘ−Ｙ平面で走査しつつ被測定面のＺ軸方向の高さを逐次測定し、測定対象の形状を出力する三次元測定補法において、第１の軌跡（直線軌跡）と第２〜第ｎの軌跡とが交叉するよう面形状を測定する座標データ取得工程と、第ｉ（ｉ＝２〜ｎ）の軌跡について、第１の軌跡とのＸ−Ｙ平面における交点を求める交点算出工程と、全ての交点における第１の軌跡と第ｉ軌跡のＺ座標の差を求めるＺ座標の算出工程と、このＺ座標の差算出工程で求めた各Ｚ座標の差から第ｉ軌跡座標データを補正するようにした三次元形状測定方法が提案されている（特許文献２参照）。
【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、これら従来の触針式三次元測定装置は何れも１μｍ単位での高精度測定を実現するために測定装置の構成部品がきわめて高い精度で製作されておりまた、熱膨張を低く抑えるべくセラミックスなどの特殊な材質の構成部品を用いさらに、測定環境の温度変動に起因する測定精度の低下を回避すべく恒温室内での測定を要する等の問題があった。
【０００６】
而して、測定装置は高価となるのみならず、特許文献２に開示の先行技術によるときは、第１の方向の少なくとも１本の軌跡とＸ−Ｙ平面で前記第１の軌跡と交叉する方向の複数本の軌跡とを測定すべく走査手段を動作させる軌跡制御手段や、座標測定手段の出力とプローブ装置の出力と時計が出力する時刻とから、被測定面の座標と時刻を複数記録する記録手段、記録手段に記録された座標データから第１の軌跡と、第１の軌跡に交叉する全ての軌跡との交点のＸ−Ｙ平面内での座標を求める交点算出手段、前記交点の全てにおける各軌跡のＺ座標を求め、第１の軌跡とこれに交叉する全ての軌跡のＺ方向の差を求める交点算出手段、各交点のＺ軸座標の差から第１の軌跡と交叉する全ての軌跡のＺ方向座標を補正する座標補正手段を要する等、装置および測定操作が複雑精緻となる問題がある。
【０００７】
また、一般的な工業部品等の加工にあっては、三次元測定装置は１０μｍ単位での測定精度で十分であるにも拘わらず、その測定精度に対応する装置がない。さらに、迅速かつ能率的な三次元測定を遂行するには、スタイラス（測定ヘッド）のセンター（原位置）への復帰が瞬時に自動的に行える三次元測定装置である必要がある。
【０００８】
本発明は、簡単な装置構成で一般的な工業部品等の三次元測定に好適な、ある点の測定後のスタイラス（測定ヘッド）のセンター（原位置）への復帰を瞬時に自動的に正確に行える三次元測定装置を提供することを目的とする。
【０００９】
本発明の他の目的は、ある点の測定後のスタイラス（測定ヘッド）のセンター（原位置）への復帰を瞬時に自動的に正確に行えるとともに、装置の構成部品の幾何学的誤差や組み立て誤差を補正できさらに、測定環境の温度変化に起因する誤差を補正できる、１０μｍ単位の精度の三次元測定装置を提供することである。また、用途に合わせた自社専用プログラムの開発や拡張に対応しやすい実用的で安価な三次元測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、スタイラス（測定ヘッド）を具備するプローブユニットと、該プローブユニットをＸ方向、Ｙ方向、およびＺ方向に変位せしめるＸステージ、Ｙステージ、およびＺステージからなる移動ステージと、マシンベース上に載置される定盤とからなる三次元測定装置であって、スタイラス（測定ヘッド）を原位置に復帰せしめるべく前記プローブユニット内に配設される、スタイラスと同軸上に延在するセンターピンと同一部材から製造されるとともにセンターピンと平行に延在する一対のストッパーピンを挟持して前記センターピンの外径と同一間隔を規定する、相対向し水平移動する一対のリミッタと、該リミッタをその背面から押圧付勢する圧縮ばねからなるセンターピンＸ方向復帰機構およびＹ方向復帰機構をＺ軸方向に二層に配設したセンターピン復帰機構を有してなる三次元測定装置である。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、スタイラス（測定ヘッド）を具備するプローブユニットと、該プローブユニットをＸ方向、Ｙ方向、およびＺ方向に変位せしめるＸステージ、Ｙステージ、およびＺステージからなる移動ステージと、マシンベース上に載置される定盤とからなる三次元測定装置であって、
ａ．スタイラス（測定ヘッド）を原位置に復帰せしめるべく前記プローブユニット内に配設される、スタイラスと同軸上に延在するセンターピンと同一部材から製造されるとともにセンターピンと平行に延在する一対のストッパーピンを挟持して前記センターピンの外径と同一間隔を規定する、相対向し水平移動する一対のリミッタと、該リミッタをその背面から押圧付勢する圧縮ばねからなるセンターピンＸ方向復帰機構およびＹ方向復帰機構をＺ軸方向に二層に配設したセンターピン復帰機構と、
ｂ．前記Ｘステージ、Ｙステージ、およびＺステージの変位方向と前記定盤面との平行度を調整すべく前記マシンベース上の４本の支柱それぞれの上部に配設される、ベアリングユニットのフレームに螺合され手動またはモータによって回転駆動されて昇降するとともにその上部に逆円錐形のボール受け座を有する調整スクリューと、該調整スクリュー上に載置されるとともにＸステージおよびＹステージのガイドロッドの端部が水平方向に挿通されており、その上面から前記ベアリングユニットのフレームに収蔵されている圧縮ばねによって下方に付勢されているボールとからなるステージ平行度調整機構と、
ｃ．測定環境温度変化に起因する誤差を補正する演算処理手段
とを有してなる三次元測定装置である。
請求項２に記載の発明におけるステージ平行度調整機構によれば、その組み立ての際或いは平行度調整の際に応力を発生することがない。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、プローブユニットが、下部フレームに回転自在に水平な周方向上等間隔に固定、支承される少なくとも３箇のサポートボール上にその球体下部を支持されるとともに、押圧ロッドを介して圧縮ばねによって下方に付勢される回転半球中心Ｚ軸方向にセンターピンおよびスタイラス（測定ヘッド）を同軸上に固定しさらに、前記回転半球の上水平面上にスタイラス（測定ヘッド）と一体的なタッチプレートを載置し、スタイラス先端の測定対象表面への接触によって前記回転半球のサポートボール上での傾動に対応してタッチプレートを傾斜せしめる如く構成し、タッチプレートの傾斜を接触式高精度変位センサで測定し、該接触式高精度変位センサの変位量が設定値となった時点でのスタイラス（測定ヘッド）先端部球体中心の三次元座標をＸ、Ｙ、Ｚステージの移動量から計測可能に構成したものである請求項１または請求項２に記載の三次元測定装置である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、一般的な工業部品等の三次元測定に好適で実用的な、スタイラス（測定ヘッド）のセンター（原位置）復帰を迅速かつ正確に行える、１０μｍ単位の精度の三次元測定装置を安価に提供できる。また、構造が簡単である処からメインテナンスが容易でありまた、自社製品の測定の特徴に合わせて機能拡張等が可能である。
【００１４】
請求項２に記載の発明によるときは上記効果に加え、部品の製作誤差、組み立て誤差、装置の動的誤差を補正できるとともに、測定環境の温度変化に起因する誤差をも補正でき、恒温室を要することのない実用的な三次元測定を可能にする。この発明のベアリングユニットを用いたステージ平行度調整機構によれば、三次元測定装置の組立てや調整による応力の発生がない長所を有するとともに、自動制御対応ができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、一定の範囲内即ち、接触式高精度変位センサの変位量の設定値以下の範囲内でスタイラス（測定ヘッド）先端部球体中心の三次元座標を連続的に計測可能となり測定対象の連続的な三次元測定ができる。而して、Ｘ、Ｙ、Ｚ空間において、測定範囲内における任意点或いは点群の三次元座標値を測定でき、それを拡張して形状測定や指定した形式の出力もできる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施例に係る三次元測定装置の全体構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施例に係る三次元測定装置におけるプローブユニットの外観を示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施例に係る三次元測定装置におけるプローブユニットの内部構造を示す縦断面斜視図である。
【図４】本発明の一実施例に係る三次元測定装置におけるスタイラス（測定ヘッド）のセンター（原位置）復帰機構を示す斜視図である。 （ａ）スタイラス（測定ヘッド）のセンター（原位置）復帰機構を示す全体斜視図 （ｂ）内部構造を示す縦断面斜視図（ｃ）内部構造を示す縦断面斜視図である。
【図５】本発明の一実施例に係る三次元測定装置におけるステージ平行度調整機構の配置を示す斜視図である。
【図６】本発明の一実施例に係る三次元測定装置におけるステージ平行度調整機構のベアリングユニットを示す斜視図である。 （ａ）外観斜視図 （ｂ）内部構造を示す縦断面斜視図
【図７】本発明の一実施例に係る三次元測定装置を用いて三次元測定を行うときのアルゴリズムを示すブロック図である。
【図８】本発明の一実施例に係る三次元測定装置を用いて三次元測定を行うに際し測定環境の温度変化に対する補正のアルゴリズムを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態をその好ましい実施例に則して説明する。本発明の三次元測定装置は、主に、プローブユニット、移動ステージ、マシンベース、およびコントローラシステムから構成される。プローブユニットには接触式の高精度変位センサが組込まれ、その先端部のスタイラス（測定ヘッド）が測定対象に接触してその位置を感知し、三次元座標を読み取るタイミングを決定する。移動ステージ（Ｘ、Ｙ、Ｚステージ）はプローブユニットの搬送機能を有する。
【００１８】
マシンベースは、測定テーブルとなる定盤および移動ステージを載せる構造体である。マシンベースの４つの柱の上に、高さ調整可能なベアリングユニットを固定し、このベアリングユニットによって、移動ステージの定盤に対する平行度を調整する。また、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の各移動ステージには高精度の非接触式のレーザ変位センサが配設され、各移動ステージの移動距離を正確に測定する。
【００１９】
コントローラシステムは、主に、各移動ステージを作動させるコントローラおよびデータ処理用コンピュータから構成される。三次元測定装置の動作指令および処理プログラムは、コントローラシステムによって供給される。
【実施例】
【００２０】
図１に、本発明の一実施例に係る三次元測定装置を示す。図１において、１は三次元測定装置、２は基台、３は支柱、４は連結部材、６はフレームであって、これら基台２、支柱３、連結部材４、およびフレーム６でマシンベースを構成し、基台２およびフレーム６によって定盤５を載置、固定している。７はＸステージであって、その一端が図１に示すように、Ｙステージ１７のボールねじ２０に螺合しＹ軸方向に変位せしめられる。８はレーザ変位センサであり、レーザ反射プレート９との間の距離を測定する。１０はボールねじであって、モータ１２によって回転駆動され、Ｚステージ２７をＸ軸方向へ変位せしめる。１１はガイドロッドであり、その両端をベアリングユニット５０に支承され、Ｘステージ７のＹ軸方向への変位を案内すべく機能する。而して、Ｘステージ７は、ベアリングユニット５０にその両端を支承されるガイドロッド１１にその一端を支持され、応力を発生することがなく、自動制御に対応できる。
【００２１】
Ｙステージ１７は、モータ２２によるボールねじ２０の回転駆動によってＸステージ７をＹ軸方向へ変位せしめる。１８はレーザ変位センサであって、レーザ反射プレート１９との間の距離を測定する。１１はガイドロッドであり、その両端をベアリングユニット５０に支承され、Ｙステージ１７を支持している。
【００２２】
Ｚステージ２７は、モータ３２によるボールねじ３０の回転駆動によってヨーク支持フレーム３４をＺ軸方向に変位せしめる。２８はレーザ変位センサであって、レーザ反射プレート２９との間の距離を測定する。ヨーク支持フレーム３４はヨーク３５を固定、把持しており、このヨーク３５にプローブユニット３６が固設されている。３７は接触式高精度変位センサ、３８はスタイラス（測定ヘッド）である。３３はウエイトブロック台であり、Ｚステージ２７の鉛直方向の荷重が偏倚することなくＸステージ７に負荷されるように、プローブユニット３６とバランスさせるべく、図示しないウエイトブロックが固定される。
【００２３】
図２に、プローブユニット３６の外観を示す。図２において、３７は接触式高精度変位センサ、３８はスタイラス（測定ヘッド）であって、この実施例においては、その先端球形部はルビーで形成されている。３９はタッチプレートである。
【００２４】
図３に、プローブユニット３６の内部構造を示す。図３に示すように、接触式高精度変位センサ３７の下部はタッチプレート３９に接しており、タッチプレート３９の傾動に対応して接触式高精度変位センサ３７がその軸方向に変位する。接触式高精度変位センサ３７は、この実施例においては、図３に示すように、Ｘ軸方向に２箇、Ｙ軸方向に２箇の計４箇配設されているが、Ｘ軸方向において１箇、Ｙ軸方向において１箇の計２箇の配設であってもタッチプレート３９の傾動を計測することができる。その場合は、タッチプレート３９のバランスをとるために押さえが必要となる。また、接触式高精度変位センサ３７は、図３に示すように、ヨーク３５の水平アーム部および接触式高精度変位センサ支持フレーム４１に把持されている。
【００２５】
タッチプレート３９は、図３および図４（ａ）に示すように、スタイラス３８とセンターピン４６の結合部材と一体的に固定され、前記結合部材が回転半球４２の上部水平面における中心部の孔に摺動自在に嵌合されており、而して回転半球４２の傾動のＸ軸方向成分およびＹ軸方向成分に対応してタッチプレート３９が傾動するとともに、スタイラス（測定ヘッド）３８と一体的に構成されているタッチプレート３９は回転半球４２に対し回転半球４２上面中心に穿設されている貫通孔の軸方向に変位自在である。回転半球４２はその下部が球面状を呈しており、この球面部分は、図３に示すように、プローブユニット３６の下部フレームに回転自在に、水平な周方向上等間隔に固定、支承される少なくとも３箇のサポートボール４３に転動自在に支承される。
【００２６】
回転半球４２は、図３に示すように、その上部から回転半球押圧ロッド４４を介して圧縮ばね４５によって下方に付勢され、サポートボール４３上に載置されている。而して、スタイラス（測定ヘッド）３８の先端が測定対象表面上を接触、変位すると、スタイラス（測定ヘッド）３８が傾き、これによって回転半球４２がサポートボール４３上である角度転動する。その結果、タッチプレート３９が傾動し、これを接触式高精度変位センサ３７で検出する。
【００２７】
スタイラス（測定ヘッド）３８のＺ軸方向の変位はＺステージ２７におけるレーザ変位センサ２８で検出され、上記接触式高精度変位センサ３７の設定変位量（たとえば２０μｍ）以上でプローブユニットがコントローラから移動停止指令を受け、この時点のスタイラス（測定ヘッド）３８の先端部球体（ルビー）の中心点の空間座標をＸステージ、Ｙステージ、およびＺステージの移動量から読み取る。図３において、４０はセンター復帰ユニットである。
【００２８】
本発明の三次元測定装置において、スタイラス（測定ヘッド）３８の先端部球体（ルビー）のＺ方向における座標値の測定は、以下の動作手順になる。
１）スタイラス（測定ヘッド）３８が測定対象表面に接触する前に、スタイラス（測定ヘッド）３８と一体になっているタッチプレート３９は、この実施例においては、４箇の接触式高精度変位センサ３７の初期圧力および図４に示すセンター復帰機構によって、水平かつ最下限を保っている。
２）プローブユニット３６が下降してスタイラス（測定ヘッド）３８の先端が測定対象表面に接触する際にタッチプレート３９が回転半球４２に対して持ち上げられ、接触式高精度変位センサ３７にさらなる変位を生ぜしめる。同時に、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すセンター復帰機構によって、各接触式高精度変位センサ３７の変位による反力に微小な差が存在していてもスタイラス（測定ヘッド）３８の鉛直方向移動を確保する。
【００２９】
３）タッチプレート３９が回転半球４２に対して上昇する際、回転半球４２の上部水平面における中心部の孔の軸方向のみの相対移動となる。回転半球４２は、図３に示すように、その上部から回転半球押圧ロッド４４を介して圧縮ばね４５によって下方に付勢され、サポートボール４３上に載置されている。
４）スタイラス（測定ヘッド）３８および連動するタッチプレート３９がの移動量が、設定値、たとえば５μｍとなった瞬間にレーザ変位センサ２８が測定した値をオフセット等の変換処理を行って、被測定点の三次元座標値を割り出す。
５）Ｚ方向の測定停止の指令を出す。信号伝達の遅れや慣性などによる一定量の移動が継続した後、スタイラス（測定ヘッド）３８が被測定点から離れ、一点においての測定動作が終了する。
【００３０】
図４（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）に、本発明の一実施例に係るスタイラス（測定ヘッド）３８のセンター復帰機構を示す。図４（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）において、４０はセンター復帰ユニット、３８はスタイラス（測定ヘッド）、３９はタッチプレート、４２は回転半球である。４６はセンターピンであって、図３に示すように、スタイラス（測定ヘッド）３８と同軸上に回転半球４２中心部にＺ軸方向に延在する如く、嵌装、固定されている。
【００３１】
センター復帰ユニット４０は、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、ストッパーピン４７、リミッタ４９、圧縮ばね４５から構成されている。ストッパーピン４７はセンターピン４６と同一部材で製造されており、同一の外径を有している。而して、スタイラス（測定ヘッド）３８が測定対象表面から離脱すると、圧縮ばね４５によって押圧されているリミッタ４９がセンターピン４６の軸心を指向して水平に変位し、ストッパーピン４７を挟持する。
【００３２】
圧縮ばね４５、ストッパーピン４７，リミッタ４９の組は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向とでＺ軸方向において重層構造となっており、Ｘ軸方向およびＹ軸方向においてそれぞれ独立に一対のストッパーピン４７をリミッタ４９の対で挟持する。而して、スタイラス（測定ヘッド）３８がフリーな状態になると、瞬時に、Ｘ軸方向およびＹ軸方向においてそれぞれ独立に一対のストッパーピン４７を挟持した２組のリミッタ４９の対によって、センターピン４６の外径に合致する、水平方向における正方形が現出する。この正方形にセンターピン４６が拘束されることによって、スタイラス（測定ヘッド）３８のセンター（原位置）復帰が瞬時にかつ正確になされる。
【００３３】
図５に、本発明の一実施例に係る三次元測定装置におけるステージ平行度調整機構を示す。既に説明した、図１におけると同一の符号の構成要素の説明は省略する。図５において、５０はベアリングユニット、５５はボール、５７は圧縮ばねである。ステージ平行度調整機構は、図１に示す定盤５の上面とＸステージ７，Ｙステージ１７を平行にすべく機能する。
【００３４】
図６（ａ）、（ｂ）に、ステージ平行度調整機構におけるベアリングユニット５０の構造を示す。図６（ａ）はベアリングユニット５０の外観を示す斜視図、図６（ｂ）は内部構造を示す縦断面図である。 図６（ａ）、（ｂ）において、５１はフレーム、５２は調整スクリュー、５３は調整スクリュー回転用六角孔、５４はボール受け座であって、調整スクリュー５２の上部に形成される。５５はボール、５６は固定用ねじ孔、５７は圧縮ばねである。図６（ａ）、（ｂ）において、１１はＸステージ７のガイドロッド、２１はＹステージ１７のガイドロッドである。
【００３５】
図６（ｂ）に示すように、ボール５５には、球心をガイドロッド１１，２１の軸心が通るように、水平にガイドロッド１１，２１の端部が挿通されている。ボール５５は、フレーム５１にその上端を固定される圧縮ばね５７によって、調整スクリュー５２の上部に形成されている逆円錐状（擂り鉢状）のボール受け座５４に押圧されている。而して、Ｘステージ７およびＹステージ１７の、定盤５上面との間の平行度を所望の精度たとえば３μｍ以内に収めるには、調整スクリュー回転用六角孔５３に断面六角形のドライバ（棒レンチ）を挿入し、手動またはモータ駆動で回転し、ボール５５を昇降させて調整を行う。ベアリングユニット５０は、マシンベースの上部４箇所に配設され、それぞれ独立に昇降され得る。
【００３６】
図７に、本発明の一実施例に係る三次元測定装置を用いて三次元測定を行うときのアルゴリズムを示す。本発明の三次元測定装置は、通常の室温の環境や生産現場において用いられることを前提にしている。測定開始後、先ず、温度や測定範囲などのパラメータを初期値として入力する。次いで、ＸＹ方向の基準となる定盤５の上平面に対してＸステージ、Ｙステージ稼働平面の平行度をテストする。その結果、設定した許容値ε（たとえば３μｍ）以内であれば、ＸＹＺ方向の幾何学的誤差の補正手順に進む。Ｘステージ、Ｙステージ稼働平面の平行度がεを超えていれば、支柱３の上部に取り付けられている４つのベアリングユニットにおける調整スクリュー５２を回転させることによって、順次、繰り返し調整を行ってε以内となるようにキャリブレーションを行う。
【００３７】
次いで、三次元測定装置が稼働するときの空間的誤差を補正する。基準となるブロックゲージを定盤５の上に載置する。その寸法および幾何学的形状を参照し、三次元測定装置のスケールを校正する。
【００３８】
三次元測定装置のキャリブレーションを遂行した後に、実際のワーク（測定対象）の三次元測定が可能となる。プローブユニット３６は、スタイラス（測定ヘッド）３８の先端球形部が被測定点に接触するまで移動を続ける。接触を始めると、タッチプレート３９に微小な傾きが生じ始める。設定した変位量ε２（たとえば２０μｍ）以上になるとプローブユニット３６が移動停止の指令を受け、この瞬間におけるスタイラス（測定ヘッド）３８の先端球形部中心の空間位置をＸステージ、Ｙステージ、およびＺステージの移動量から読み取る。ステージが移動し、スタイラス（測定ヘッド）３８の先端球形部が被測定点から離れると、センター復帰ユニット４０が作動し、スタイラス（測定ヘッド）３８は瞬時にセンター復帰を行う。次の測定点があれば、その点までの移動を行う。複数点を測定する場合、上記と同様な繰り返しを遂行する。
【００３９】
得られた空間座標のデータをＡＤボートを経由してデータ処理用パソコンに送る。寸法或いは幾何学的形状、たとえば長さ、平面度、真円度等によって対応する計算や座標変換を行い、必要な結果を指定された形式で出力する。
【００４０】
図８に、本発明の一実施例に係る三次元測定装置を用いて三次元測定を行うときの、環境の温度変化による誤差を補正するアルゴリズムを示す。本発明の三次元測定装置にあっては、指定した基準温度たとえば２３℃における座標システムを基準座標システムとして設定し、環境の温度が変化した場合、温度差によって発生する誤差を補正する。三次元測定装置の構成によって、単純な線形的な熱膨張（収縮）量ではなく、システム組み立て状態の複合変化量をデータベース化し、使用現場の温度に応じて動的に補正する。
【符号の説明】
【００４１】
１ 三次元測定装置
２ 基台
３ 支柱
４ 連結部材
５ 定盤
６ フレーム
７ Ｘステージ
８ レーザ変位センサ
９ レーザ光反射プレート
１０ ボールねじ
１１ ガイドロッド
１２ モータ
１７ Ｙステージ
１８ レーザ変位センサ
１９ レーザ光反射プレート
２０ ボールねじ
２１ ガイドロッド
２２ モータ
２７ Ｚステージ
２８ レーザ変位センサ
２９ レーザ光反射プレート
３０ ボールねじ
３１ ガイドロッド
３２ モータ
３３ ウエイトブロック台
３４ ヨーク支持フレーム
３５ ヨーク
３６ プローブユニット
３７ 接触式高精度変位センサ
３８ スタイラス（測定ヘッド）
３９ タッチプレート
４０ センター復帰ユニット
４１ 支持フレーム
４２ 回転半球
４３ サポートボール
４４ 回転半球押圧ロッド
４５ 圧縮ばね
４６ センターピン
４７ ストッパーピン
４８ 圧縮ばね
４９ リミッタ
５０ ベアリングユニット
５１ フレーム
５２ 調整スクリュー
５３ 調整スクリュー回転用六角孔
５４ ボール受け座
５５ ボール
５６ 固定用ねじ
５７ 圧縮ばね
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４２】
【特許文献１】特開平０８−２４７７５６号公報
【特許文献２】特開２００４−２８６５０７号公報
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スタイラス（測定ヘッド）を具備するプローブユニットと、該プローブユニットをＸ方向、Ｙ方向、およびＺ方向に変位せしめるＸステージ、Ｙステージ、およびＺステージからなる移動ステージと、マシンベース上に載置される定盤とからなる三次元測定装置であって、
スタイラス（測定ヘッド）を原位置に復帰せしめるべく前記プローブユニット内に配設される、スタイラスと同軸上に延在するセンターピンと同一部材から製造されるとともにセンターピンと平行に延在する一対のストッパーピンを挟持して前記センターピンの外径と同一間隔を規定する、相対向し水平移動する一対のリミッタと、該リミッタをその背面から押圧付勢する圧縮ばねからなるセンターピンＸ方向復帰機構およびＹ方向復帰機構をＺ軸方向に二層に配設したセンターピン復帰機構を有してなる三次元測定装置。
【請求項２】
スタイラス（測定ヘッド）を具備するプローブユニットと、該プローブユニットをＸ方向、Ｙ方向、およびＺ方向に変位せしめるＸステージ、Ｙステージ、およびＺステージからなる移動ステージと、マシンベース上に載置される定盤とからなる三次元測定装置であって、
ａ．スタイラス（測定ヘッド）を原位置に復帰せしめるべく前記プローブユニット内に配設される、スタイラスと同軸上に延在するセンターピンと同一部材から製造されるとともにセンターピンと平行に延在する一対のストッパーピンを挟持して前記センターピンの外径と同一間隔を規定する、相対向し水平移動する一対のリミッタと、該リミッタをその背面から押圧付勢する圧縮ばねからなるセンターピンＸ方向復帰機構およびＹ方向復帰機構をＺ軸方向に二層に配設したセンターピン復帰機構と、
ｂ．前記Ｘステージ、Ｙステージ、およびＺステージの変位方向と前記定盤面との平行度を調整すべく前記マシンベース上の４本の支柱それぞれの上部に配設される、ベアリングユニットのフレームに螺合され手動またはモータによって回転駆動されて昇降するとともにその上部に逆円錐形のボール受け座を有する調整スクリューと、該調整スクリュー上に載置されるとともにＸステージおよびＹステージのガイドロッドの端部が水平方向に挿通されており、その上面から前記ベアリングユニットのフレームに収蔵されている圧縮ばねによって下方に付勢されているボールとからなるステージの定盤面に対する平行度調整機構と、
ｃ．測定環境温度変化に起因する誤差を補正する演算処理手段
とを有してなる三次元測定装置。
【請求項３】
プローブユニットが、下部フレームに回転自在に水平な周方向上等間隔に固定、支承される少なくとも３箇のサポートボール上にその球体下部を支持されるとともに、押圧ロッドを介して圧縮ばねによって下方に付勢される回転半球中心Ｚ軸方向にセンターピンおよびスタイラス（測定ヘッド）を同軸上に固定しさらに、前記回転半球の上水平面上にスタイラス（測定ヘッド）と一体的なタッチプレートを載置し、スタイラス先端の測定対象表面への接触によって前記回転半球のサポートボール上での傾動に対応してタッチプレートを傾斜せしめる如く構成し、タッチプレートの傾斜を接触式高精度変位センサで測定し、該接触式高精度変位センサの変位量が設定値となった時点でのスタイラス（測定ヘッド）先端部球体中心の三次元座標をＸ、Ｙ、Ｚステージの移動量から計測可能に構成したものである請求項１または請求項２に記載の三次元測定装置。
【請求項１】
スタイラス（測定ヘッド）を具備するプローブユニットと、該プローブユニットをＸ方向、Ｙ方向、およびＺ方向に変位せしめるＸステージ、Ｙステージ、およびＺステージからなる移動ステージと、マシンベース上に載置される定盤とからなる三次元測定装置であって、
スタイラス（測定ヘッド）を原位置に復帰せしめるべく前記プローブユニット内に配設される、スタイラスと同軸上に延在するセンターピンと同一部材から製造されるとともにセンターピンと平行に延在する一対のストッパーピンを挟持して前記センターピンの外径と同一間隔を規定する、相対向し水平移動する一対のリミッタと、該リミッタをその背面から押圧付勢する圧縮ばねからなるセンターピンＸ方向復帰機構およびＹ方向復帰機構をＺ軸方向に二層に配設したセンターピン復帰機構を有してなる三次元測定装置。
【請求項２】
スタイラス（測定ヘッド）を具備するプローブユニットと、該プローブユニットをＸ方向、Ｙ方向、およびＺ方向に変位せしめるＸステージ、Ｙステージ、およびＺステージからなる移動ステージと、マシンベース上に載置される定盤とからなる三次元測定装置であって、
ａ．スタイラス（測定ヘッド）を原位置に復帰せしめるべく前記プローブユニット内に配設される、スタイラスと同軸上に延在するセンターピンと同一部材から製造されるとともにセンターピンと平行に延在する一対のストッパーピンを挟持して前記センターピンの外径と同一間隔を規定する、相対向し水平移動する一対のリミッタと、該リミッタをその背面から押圧付勢する圧縮ばねからなるセンターピンＸ方向復帰機構およびＹ方向復帰機構をＺ軸方向に二層に配設したセンターピン復帰機構と、
ｂ．前記Ｘステージ、Ｙステージ、およびＺステージの変位方向と前記定盤面との平行度を調整すべく前記マシンベース上の４本の支柱それぞれの上部に配設される、ベアリングユニットのフレームに螺合され手動またはモータによって回転駆動されて昇降するとともにその上部に逆円錐形のボール受け座を有する調整スクリューと、該調整スクリュー上に載置されるとともにＸステージおよびＹステージのガイドロッドの端部が水平方向に挿通されており、その上面から前記ベアリングユニットのフレームに収蔵されている圧縮ばねによって下方に付勢されているボールとからなるステージの定盤面に対する平行度調整機構と、
ｃ．測定環境温度変化に起因する誤差を補正する演算処理手段
とを有してなる三次元測定装置。
【請求項３】
プローブユニットが、下部フレームに回転自在に水平な周方向上等間隔に固定、支承される少なくとも３箇のサポートボール上にその球体下部を支持されるとともに、押圧ロッドを介して圧縮ばねによって下方に付勢される回転半球中心Ｚ軸方向にセンターピンおよびスタイラス（測定ヘッド）を同軸上に固定しさらに、前記回転半球の上水平面上にスタイラス（測定ヘッド）と一体的なタッチプレートを載置し、スタイラス先端の測定対象表面への接触によって前記回転半球のサポートボール上での傾動に対応してタッチプレートを傾斜せしめる如く構成し、タッチプレートの傾斜を接触式高精度変位センサで測定し、該接触式高精度変位センサの変位量が設定値となった時点でのスタイラス（測定ヘッド）先端部球体中心の三次元座標をＸ、Ｙ、Ｚステージの移動量から計測可能に構成したものである請求項１または請求項２に記載の三次元測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−２８１７２９（Ｐ２０１０−２８１７２９Ａ）
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１３６１２２（Ｐ２００９−１３６１２２）
【出願日】平成２１年６月５日（２００９．６．５）
【出願人】（８０２００００３１）財団法人北九州産業学術推進機構 (187)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月５日（２００９．６．５）
【出願人】（８０２００００３１）財団法人北九州産業学術推進機構 (187)
【Ｆターム（参考）】
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