(57)【要約】【課題】上方の基準面から後退した内壁面を有する測定対象の内壁面形状を上方から測定可能とする。【解決手段】シャンク軸３２と、その先端に装着された、前記シャンク軸３２を回転対称軸とし、該シャンク軸３２を底面とする三角形断面の回転対称体でなる複円錐型チップ３４とを備えた複円錐型スタイラス３０を提供する。更に、先端に複円錐型スタイラス３０が装着されたタッチプローブ２８を備えた座標測定機のスタイラスチップ３４の寸法を校正するに際して、前記座標測定機上に校正値付きマスターボール４０を設置し、前記タッチプローブ２８で該マスターボール４０をタッチ測定して、該マスターボール４０の中心位置と半径を取得し、水平方向のスタイラスチップ半径を計算し、前記タッチプローブ２８で前記マスターボール４０の頂点位置をタッチ測定して、該マスターボール４０の頂点の高さを取得し、高さ方向のスタイラスチップ半径を計算する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャンク軸と、
その先端に装着された、前記シャンク軸を回転対称軸とし、該シャンク軸を底面とする三角形断面の回転対称体でなる複円錐型チップと、
を備えたことを特徴とする複円錐型スタイラス。
【請求項２】
請求項１に記載の複円錐型スタイラスを備えたことを特徴とする座標測定用のタッチプローブ。
【請求項３】
先端に複円錐型スタイラスが装着されたタッチプローブを備えた座標測定機のスタイラスチップの寸法を校正するに際して、
前記座標測定機上に校正値付きマスターボールを設置し、
前記タッチプローブで該マスターボールをタッチ測定して、該マスターボールの中心位置と半径を取得し、水平方向のスタイラスチップ半径を計算し、
前記タッチプローブで前記マスターボールの頂点位置をタッチ測定して、該マスターボールの頂点の高さを取得し、高さ方向のスタイラスチップ半径を計算することを特徴とする複円錐型スタイラスの校正方法。
【請求項４】
前記水平方向のスタイラスチップ半径の計算に際して、
まず前記マスターボールの頂点近傍の測定値を用いて、マスターボールの中心位置を仮測定し、
次いで、該仮測定した中心位置から求めた前記マスターボールの赤道付近の上下方向に設けた探索線に沿ってマスターボールを測定して、マスターボールの中心位置と半径を本測定し、
該本測定で求めたマスターボール半径を用いてスタイラスチップの水平方向半径を計算し、
前記マスターボールの中心位置でマスターボールの頂点位置をタッチ測定して、スタイラスチップの高さ方向半径を計算することを特徴とする請求項３に記載の複円錐型スタイラスの校正方法。
【請求項５】
先端に複円錐型スタイラスが装着されたタッチプローブと画像プローブを備えた座標測定機のスタイラスチップの寸法と、タッチプローブと画像プローブ間のオフセットを校正するに際して、
前記座標測定機上に校正値付きマスターボールとリングゲージを設置し、
前記タッチプローブと画像プローブを用いて前記マスターボールとリングゲージを順次測定することにより、
前記スタイラスチップの寸法と、タッチプローブと画像プローブ間のオフセットを校正することを特徴をする複円錐型スタイラスの校正方法。
【請求項６】
前記画像プローブとタッチプローブで前記リングゲージを順次測定して前記タッチプローブと画像プローブ間のオフセット距離を計算することを特徴とする請求項５に記載の複円錐型スタイラスの校正方法。
【請求項７】
前記画像プローブにより前記リングゲージの円中心位置を測定し、
前記タッチプローブにより前記リングゲージの円中心位置を測定して、
前記画像プローブとタッチプローブ間の水平方向のオフセット距離を計算することを特徴とする請求項６に記載の複円錐型スタイラスの校正方法。
【請求項８】
前記画像プローブにより前記リングゲージの上面位置を測定し、
前記タッチプローブにより前記リングゲージの上面をタッチしたときの高さを測定して、
前記画像プローブとタッチプローブ間の高さ方向のオフセットを計算することを特徴とする請求項６に記載の複円錐型スタイラスの校正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複円錐型スタイラス、タッチプローブ、及び、複円錐型スタイラスの校正方法に係り、特に、上方の基準面から後退した内壁面を有する被測定物の内壁面形状を上方から測定する際に用いるのに好適な複円錐型スタイラス、該複円錐型スタイラスが装着されたタッチプローブ、及びスタイラスチップの寸法を校正するための複円錐型スタイラスの校正方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
被測定物の表面に沿ってタッチプローブのスタイラスチップ（以下、単にチップとも称する）を連続的に所定間隔で移動させると共にポイント測定を行い、被測定物の表面形状を測定する３次元座標測定機（以下単に３次元測定機とも称する）が知られている。タッチプローブに用いられるスタイラスとしては、図１に例示するように、（Ａ）シャンク軸１２の先端（下端）に球状のスタイラスチップ１４が装着されたストレートスタイラス、（Ｂ）シャンク軸１２の先端に円盤状のスタイラスチップ１６が装着されたディスクスタイラス、（Ｃ）シャンク軸１２の先端に筒状のスタイラスチップ１８が装着されたシリンダースタイラス等、各種存在している。又、出願人は、特許文献１で、ディスクスタイラスの変形として、先端が平面のスタイラスを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３８１９２５０号公報（図８（ａ）、段落００６０）
【特許文献２】特開２００３−９７９３７号公報
【特許文献３】特開２００４−３１７１５９号公報
【特許文献４】特開２０１１−８５３９９号公報
【特許文献５】特開２０１１−８５４０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のスタイラスは、図２（Ａ）にストレートスタイラスで例示するように、（Ａ）被測定物８の基準面８Ａ（図では上面）に対して垂直又は下方が出てくる穴の内壁面８Ｂの測定は可能であるが、図２（Ｂ）に例示するような、下方で後退した内壁面８Ｃや、図２（Ｃ）に例示するような、穴奥の角８Ｄや、図２（Ｄ）に例示するような、穴下方の凹凸面８Ｅは測定できないという問題があった。更に、特許文献１で提案したような先端が平面のディスクスタイラスでは、基準面を測定できないという問題があった。
【０００５】
又、前記ストレートスタイラス、ディスクスタイラス、シリンダースタイラス等の校正に関しては、様々な方法が提案されており、例えば、特許文献２や３には、基準球を用いたストレートスタイラスの校正方法が記載されているが、出願人が今回提案する複円錐型スタイラスに適した校正方法は、考えられていなかった。
【０００６】
一方、近年、被測定物の微細化、細線化の流れの中で、被測定物や測定箇所が微細化している今日、スタイラスのセッティング作業は、非常に困難で且つ、時間がかかることから、測定者への負担も大きい。又、被測定物によっては、スタイラスと被測定物とが干渉（衝突）し、スタイラスや被測定物の破損を招く可能性もある。
【０００７】
そこで、出願人は、被測定物の表面に接触されるスタイラスを有するタッチプローブの他に、被測定物の表面画像を撮像する画像プローブを設けた座標測定機を開発している。
【０００８】
これは、最初に画像プローブによって被測定物の画像を取り込み、この取り込んだ被測定物の画像から測定開始位置を指定すると、タッチプローブのスタイラスが被測定物の測定開始位置に接するように、相対移動機構の移動軌跡が算出、記憶される。測定が終了されると、記憶された移動軌跡に従って相対移動機構が動作され、タッチプローブのスタイラスが被測定物の測定開始位置に自動的に接触される。
【０００９】
従って、タッチプローブのスタイラスを被測定物の測定開始位置に自動的にセッティングできるから、従来のように、測定者が、目視でスタイラスの先端と被測定物の測定開始位置の相対位置を調整しながら、スタイラスの先端を被測定物の測定開始位置にセッティングする必要が無く、測定者への負担を軽減できると共に、スタイラスと被測定物との干渉（衝突）を防止できる。
【００１０】
ところが、図３に例示する如く、画像プローブ２４とスタイラスを有するタッチプローブ２６とは、物理的・構造的な理由から、同一測定ヘッド２２上において、オフセットして配置される。図において、８は被測定物、２０は測定機である。
【００１１】
そのため、画像プローブ２４からタッチプローブ２６への切替時、あるいはタッチプローブ２６から画像プローブ２４への切替時に、タッチプローブと画像プローブとのオフセット量を補正した制御を行なわなければならないため、タッチプローブと画像プローブとのオフセット量を正確に把握しておくことが、高精度測定を実現する上で重要となる。
【００１２】
そこで出願人は、特許文献３や４でオフセット量を正確に求めることができるオフセット量校正方法を提案しているが、複円錐型スタイラスには対応できなかった。
【００１３】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、上方の基準面から後退した内壁面を有する測定対象に用いるのに適した複円錐型スタイラスを提供することを第１の課題とする。
【００１４】
本発明は、又、座標測定用のタッチプローブを提供することを第２の課題とする。
【００１５】
本発明は、更に、前記複円錐型スタイラスを校正可能とすることを第３の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、シャンク軸と、その先端に装着された、シャンク軸を回転対称軸とし、該シャンク軸を底面とする三角形断面の回転対称体でなる複円錐型チップとを備えた複円錐型スタイラスにより、前記第１の課題を解決したものである。
【００１７】
本発明は、又、前記複円錐型スタイラスを備えた座標測定用のタッチプローブにより、前記第２の課題を解決したものである。
【００１８】
本発明は、又、先端に複円錐型スタイラスが装着されたタッチプローブを備えた座標測定機のスタイラスチップの寸法を校正するに際して、前記座標測定機上に校正値付きマスターボールを設置し、前記タッチプローブで該マスターボールをタッチ測定して、該マスターボールの中心位置と半径を取得し、水平方向のスタイラスチップ半径を計算し、前記タッチプローブで前記マスターボールの頂点位置をタッチ測定して、該マスターボールの頂点の高さを取得し、高さ方向のスタイラスチップ半径を計算するようにして、前記第３の課題を解決したものである。
【００１９】
ここで、前記水平方向のスタイラスチップ半径の計算に際して、まず前記マスターボールの頂点近傍の測定値を用いて、マスターボールの中心位置を仮測定し、次いで該仮測定した中心位置から求めた前記マスターボールの赤道付近の上下方向に設けた探索線に沿ってマスターボールを測定して、マスターボールの中心位置と半径を本測定し、該本測定で求めたマスターボール半径を用いてスタイラスチップの水平方向半径を計算し、前記マスターボールの中心位置でマスターボールの頂点位置をタッチ測定して、スタイラスチップの高さ方向半径を計算することができる。
【００２０】
本発明は、又、先端に複円錐型スタイラスが装着されたタッチプローブと画像プローブを備えた座標測定機のスタイラスチップの寸法と、タッチプローブと画像プローブ間のオフセットを校正するに際して、前記座標測定機上に校正値付きマスターボールとリングゲージを設置し、前記タッチプローブと画像プローブを用いて前記マスターボールとリングゲージを順次測定することにより、前記スタイラスチップの寸法と、タッチプローブと画像プローブ間のオフセットを校正することにより、前記第３の課題を解決したものである。
【００２１】
ここで、前記画像プローブとタッチプローブで前記リングゲージを順次測定して前記タッチプローブと画像プローブ間のオフセット距離を計算することができる。
【００２２】
又、前記画像プローブにより前記リングゲージの円中心位置を測定し、前記タッチプローブにより前記リングゲージの円中心位置を測定して、前記画像プローブとタッチプローブ間の水平方向のオフセット距離を計算することができる。
【００２３】
更に、前記画像プローブにより前記リングゲージの上面位置を測定し、前記タッチプローブにより前記リングゲージの上面をタッチしたときの高さを測定して、前記画像プローブとタッチプローブ間の高さ方向のオフセットを計算することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、図４（Ａ）〜（Ｃ）に示す如く、複円錐型のスタイラスチップ３４により、上方の基準面８Ａから後退した内壁面を有する被測定物８の内壁面８Ｃ、穴奥の角８Ｄ、凹凸面８Ｅ等の形状を上方から測定することが可能となる。この際、スタイラスチップ３４の先端３４Ａにより、ディスクスタイラスや特許文献１で提案したようなスタイラスでは困難であった基準面８Ａの位置の上方からの測定が可能である。
【００２５】
又、本発明の校正方法によれば、複円錐型スタイラスのアプローチ方向（平面方向、高さ方向）により、スタイラスチップ径を正しく補正することができる。従って、複円錐型スタイラスを用いた測定で、正しい測定結果を得ることができる。又、オフセットの校正値により、画像プローブで測定した位置と同じ位置を、タッチプローブで測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来の各種スタイラスを示す正面図
【図２】従来のストレートスタイラスの問題を示す断面図
【図３】タッチプローブと画像プローブが併設された座標測定機のヘッド先端を示す斜視図
【図４】複円錐型スタイラスで測定している状態を示す断面図
【図５】本発明に係る複円錐型スタイラスの形状及び寸法を示す（Ａ）斜視図及び（Ｂ）正面図
【図６】本発明に係る校正方法の実施形態によりオフセットを測定している状態を示す正面図
【図７】本発明に係る校正方法の実施形態の手順を示す流れ図
【図８】前記実施形態で用いるマスターボールとリングゲージを示す斜視図
【図９】マスターボールの定義を示す図
【図１０】スタイラスチップ径の校正手順を示す流れ図
【図１１】マスターボール中心の仮測定手順を示す流れ図
【図１２】マスターボール中心を仮測定している状態を示す正面図
【図１３】同じく平面図
【図１４】マスターボールの中心と半径の本測定手順を示す流れ図
【図１５】マスターボールの中心と半径を本測定している状態を示す平面図
【図１６】同じく正面図
【図１７】スタイラスチップの高さ方向半径の測定手順を示す流れ図
【図１８】スタイラスチップの高さ方向半径を測定している状態を示す正面図
【図１９】オフセットの校正手順を示す流れ図
【図２０】水平方向オフセットの測定手順を示す流れ図
【図２１】リングゲージを用いて水平方向オフセットを測定している状態を示す平面図
【図２２】高さ方向オフセットの測定手順を示す流れ図
【図２３】リングゲージを用いて高さ方向オフセットを測定している状態を示す正面図
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２８】
本実施形態の複円錐型スタイラス３０は、図５（Ａ）、（Ｂ）に示す如く、シャンク軸３２と、その先端（下端）に装着された、前記シャンク軸３２を回転対称軸とし、該シャンク軸３２を底面とする三角形断面の回転対称体でなる複円錐型スタイラスチップ３４を備えている。なお、スタイラスチップ３４は、上下対称でなくても良く、下端及び円周先端が少し丸められていてもよい。
【００２９】
以下、図６に例示する如く、画像プローブ２４と、複円錐型スタイラス３０が装着されたタッチプローブ（ＴＰ）２８が併設された画像測定機を例にとって、校正方法について説明する。
【００３０】
本発明により、オフセットを測定している状態を図６に示す。本実施形態におけるスタイラスの校正値は、図５に示したチップ半径Rtipxy、Rtipzと、画像プローブ２４とタッチプローブ２８のスタイラスチップ３４中心間のオフセットOffsetX、OffsetY、OffsetZである。ここで、オフセットは、画像プローブ２４の対物レンズ焦点位置を基準とする。
【００３１】
以下、図７を参照して、本実施形態の測定手順を説明する。
【００３２】
まずステップ１００で、校正前の準備を行なう。具体的には、図８に例示するような、球半径を値付けされた校正値付きマスターボール（ＭＢ）４０を用意し、測定機２０上に設置する。ここで、値付けされたマスターボール４０の球半径をRmbcalとする。又、リングゲージ４４を用意して、測定機２０上に設置する。図において、４２はマスターボール４０の支持ステー、４６は、リングゲージ４４の支持台、４８は、これらを固定するベースである。なお、ベース４８を省略して、両者を直接、測定機２０上に設置することも可能である。
【００３３】
次いでステップ２００に進み、マスターボール４０を用いてスタイラスチップ径の校正を行なう。以下の説明では、図９に示す如く、マスターボール４０を地球として、赤道・北半球・南半球を定義する。
【００３４】
具体的には、図１０に示すような手順に従って、まず、ステップ２１０で、マスターボール中心（Xmbtmp，Ymbtmp，Zmbtmp）を仮測定する。
【００３５】
更に具体的には、図１１のステップ２１２で、スタイラスチップ半径Rtipzの設計値Rtipznomを設定する。次いでステップ２１４で、タッチプローブ（ＴＰ）２８の手動モードで、図１２に示す如くマスターボール４０の頂点をタッチ測定する。このときのアプローチ方向は−Ｚ、タッチした測定点を（Xt，Yt，Zt）とする。
【００３６】
次いでステップ２１６に進み、図１３に示す如く、（Xt，Yt）を中心として、距離ｄＲだけ離れた４ヶ所の位置と、前回タッチした点と同じ位置の１ヶ所（合計５ヶ所）を、タッチ測定する。このときのアプローチ方向は−Ｚ、測定点は、（Xt-dR，Yt，Zt1）、（Xt+dR，Yt，Zt2）、（Xt，Yt-dR，Zt3）、（Xt，Yt+dR，Zt4）、（Xt，Yt，Zt）である。
【００３７】
次いでステップ２１８に進み、ステップ２１６での測定点を引用して、球要素を求め、その中心位置を（Xmbtmp0，Ymbtmp0，Zmbtmp0）とする。
【００３８】
これによりチップ半径Rtipzを補正して、仮のマスターボール中心（Xmbtmp，Ymbtmp，Zmbtmp）を次のように求める。
Xmbtmp ＝ Xmbtmp0                  …（１）
Ymbtmp ＝ Ymbtmp0                  …（２）
Zmbtmp ＝ Zmbtmp0 − Rtipznom      …（３）
【００３９】
次いで図１０のステップ２２０に進み、マスターボール４０の中心と半径を本測定する。具体的には、図１４のステップ２２２で、次の値を予め設定する。
・ＭＢ中心位置Ｚ探索の範囲 RangeZ
・ＭＢ中心位置Ｚ探索の測定ピッチ PitchZ
・ＭＢ中心位置の探索線の数（３以上） NumOfLine  （ここでは４とする。）
【００４０】
次いでステップ２２４で、前記の仮測定で求めたマスターボール４０の中心位置（仮）を（Xmbtmp，Ymbtmp，Zmbtmp）とする。
【００４１】
次いでステップ２２６に進み、入力された探索線の数（ここでは４）により、図１５に例示するような上下方向（高さ方向）の探索線１〜４の位置を決定する。
【００４２】
次いでステップ２２８に進み、図１６に例示する如く、探索線１の位置で、マスターボール赤道付近のＺ範囲（RangeZ）を上下方向にタッチ測定する。このときの測定ピッチはPitchZとする。
【００４３】
次いでステップ２３０に進み、探索線２、探索線３、探索線４の位置にて、ステップ２２８と同様の測定を行なう。
【００４４】
次いでステップ２３２に進み、ステップ２２８、２３０で測定した点を引用して、球要素を計算し、中心位置をマスターボール４０の球中心（Xmb，Ymb，Zmb）とする。又、球要素の半径をマスターボール半径Rmbmsrとする。
【００４５】
次いで図１０のステップ２４０に進み、スタイラスチップ半径Rtipxyを計算する。
【００４６】
具体的には、マスターボール４０の本測定で求めたマスターボール半径Rmbmsrを引用して、次式で計算する。
Rtipxy ＝ Rmbmsr − Rmbcal            …（４）
【００４７】
次いで図１０のステップ２５０に進み、水平方向スタイラスチップ半径Rtipzを測定する。具体的には、図１７のステップ２５２に進み、ステップ２３２で実測した、マスターボール４０の球中心位置（Xmb，Ymb，Zmb）で、図１８に示す如く、タッチプローブ２８によりマスターボール頂点位置をタッチ測定し、Ztopを実測する。次いでステップ２５４に進み、次式によりスタイラス半径Rzを計算する。
Rtipz ＝ Ztop − Zmb − Rmbcal            …（５）
【００４８】
次いで図７のステップ３００に進み、図１９に示す如く、リングゲージ４４を用いて、オフセットの校正を行なう。具体的には、まずステップ３１０で水平方向オフセットを測定する。更に具体的には図２０に示す如く、まずステップ３１２で、画像プローブ２４により、リングゲージ４４の円中心位置（Xv，Yv）を実測する。次いでステップ３１４で、図２１に示す如く、タッチプローブ２８によりリングゲージ４４の円中心位置（Xt，Yt）を実測する。次いでステップ３１６で、次式により、画像プローブ２４とタッチプローブ２８間のオフセット距離を計算する。
（OffsetX，OffsetY）＝（Xt−Xv，Yt−Yv）      …（６）
【００４９】
ステップ３１６終了後、図１９のステップ３２０に戻り、高さ方向オフセットを測定する。具体的には、図２２のステップ３２２で、画像プローブ２４により、リングゲージ４４上面４４Ａをオートフォーカス（ＡＦ）測定し、高さZvを実測する。次いでステップ３２４で、図２３に示す如く、タッチプローブ２８によりリングゲージ４４上面４４Ａをタッチ測定し、高さZtを実測する。次いでステップ３２６で、次式により、画像プローブ２４とタッチプローブ２８間の高さ方向オフセットOffsetZを計算する。
OffsetZ ＝ Zt−Zv ＋ Rtipz                  …（７）
【００５０】
以上のようにして、スタイラスチップ径の校正値とオフセットの校正値を得ることが可能となる。
【００５１】
なお、前記実施形態においては、座標測定機として画像測定機が用いられており、スタイラスチップの寸法だけでなく画像プローブとスタイラスのオフセットも校正されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、複円錐型スタイラスを搭載可能であれば、画像測定機以外の画像プローブなしの３次元測定機等、座標計測機器一般に適用可能であり、校正対象もスタイラスチップの寸法のみとすることができる。
【符号の説明】
【００５２】
８…被測定物
２０…測定機
２２…測定ヘッド
２４…画像プローブ
２８…タッチプローブ（ＴＰ）
３０…複円錐型スタイラス
３２…シャンク軸
３４…スタイラスチップ（チップ）
４０…マスターボール（ＭＢ）
４４…リングゲージ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
2014085162.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
2014085162.tif 000023
【図２２】
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【図２３】
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