2 次元パターン測定による画像測定機の性能評価＊
和合健**、米倉勇雄**

ISO10360-7 として規格が審議されている画像測定機の性能評価方法を検証するために、計測 分 科 会 形 状計 測 研 究 会 の持 ち 回 り 測 定と し て 13 機 関 に よ る ２ 次元 ゲ ー ジ の 持ち 回り 測 定 を 行 った 。実 験 の 結果 、実験項目１～４での繰り返し５回の標準偏差の最大値は1.円測定及び 2.四角測定の 0.14μm となり、この画像測定機は幾何学的誤差が小さく、測定性能が十分高いことが証明された。
キーワード：画像測定機、２次元ゲージ、性能評価

Evaluation of Performance on Video Measuring Machine by
2 Dimension Pattern Gauge
WAGO Takeshi and YONEKURA Isao
Round robin test on an evaluation of performance of Video Measuring Machine were experimented
using 2 dimension pattern gauge by 13 institutions belong to feature measurement study group inmeasurement division, this experiment was performed in order to verify evaluation of performance
method on Video Measuring Machine proposed by ISO 10360-7 standard. As a result, maximum
standard deviation of measurement was 0.14μm in case of target feature as circle and square and 5
repeat times, therefore it was proved that Video Measuring Machine had capable high measuringperformance.
key words : Video Measuring Machine, 2 dimension pattern gauge, evaluation of performance
１

緒言

２

参加機関

測定物の微細化や低剛性化のために有接触法で寸法

持 ち 回 り 測定 の 参 加 機 関は 、NMIJ/AIST を 主 導 と測定ができない製品が多くなっており、画像処理支援にし て 岩 手 県 工業 技 術 セ ン ター 、福 島 県 ハイ テ ク プ ラ

よる測定顕微鏡（以下、画像測定機という）が多く活用

ザ 、群 馬 県 産業 技 術 セ ン ター ／ 東 毛 産 業技 術 セ ン タ

されている。非接触法による測定は照明や測定物形状のー、長野県工業総合センター、石川県工業試験場、影響から誤差の増大が予想され、定量的な誤差の算出が鳥 取 県 産 業 技術 セ ン タ ー 、広 島 県 立 東 部工 業 技 術 セ

課題になっている。当工技センターが実施している技術

ン タ ー 、山 口県 産 業 技 術 セン タ ー 、熊 本県 工 業 技 術

者受入型開発支援事業においても、工具摩耗評価が要点

セ ン タ ー 、(株)ソ キ ア 、(株 )ニ コ ン イ ン スト ル メ ン ツになっており、そこで使用する画像測定機の測定誤差を

カ ン パ ニ ー 、(株 )ミ ツ ト ヨの 全 13 機 関 で あ る 。

明らかにすることが重要となっている。
ここでは、独 立 行 政 法 人 産 業 技 術 総 合 研 究 所 計 量

３

標 準 総 合 セ ンタ ー（ 以 下 、NMIJ/AISTという）が提示

３－１

1)

実験方法及び装置実験装置

する実験プロトコル に従い産 業 技 術 連 携 推 進 会 議 知

測定実験には図１、図２に示すミツトヨ製の的基盤部会計測分科会形状計測研究会の持ち回り

HyperQV404-PRO を使用した。測定機の主な仕様を表１に測 定 と し て 13 機 関 に よ る２ 次 元 ゲ ー ジの 持 ち 回 り示す。HyperQV はミツトヨ社における画像測定機の中で測 定 を 行 い 、 岩手県工業技術センターで保有する画像

UltraQV の次の精度等級に位置する高精度型である。両測定機の測定誤差の傾向及び大きさを求めた。照明影響者の違いは測定台移動ガイドの機構が静圧軸受けとボーと形状誤差が小さい２次元ゲージを測定することによりル軸受けの違いのようである。レンズ倍率に関する視野

画像測定機の本来性能による指示誤差を求めることがでと分解能を表２に示す。測定では（対物レンズ×１－タきると推測して実験を進めた。

***

産 技 連 計測 分 科 会形 状計 測 研 究会 共同 実 験
電子機械技術部

第 14 号（2007）
表１

測定範囲

画像測定機の主な仕様

XYZ

400
400
2500.02μm
反射型リニアエンコーダ
DCサーボモータ＋ボールネジ（クルーズドループ位置決め方式）
直動式ハードベアリング
CCDカメラ方式
白色合成LED
３段階ターレット(×1, ×2, ×6)
0.8+2L/1000μm
3+2L/1000μm
1.4+3L/1000μm
30Kg
20℃

最小表示量
スケール
図１

測定機の外観図２

測定テーブル

図４

持ち回り付属品

駆動方式
ガイド方式
画像検出方式
透過照明
拡大方式
指示精度(U1) X,YZ
指示精度(U2) XY面
積載最大重量
精度保証温度表２
図３2 次元ゲージ

対物レンズ倍率
ターレット倍率
視野(H×Vmm)
分解能(μm)

レンズ倍率に関する視野と分解能
1×2.5×5×
1×2×6×1×2×6×1×2×6×6.27× 3.13× 1.04× 2.5× 1.25× 0.41× 1.25× 0.62× 0.2×4.7
2.35 0.78 1.88 0.94 0.31 0.94 0.47 0.152.50 1.30 0.40 1.00 0.50 0.18 0.50 0.25 0.07

表３
測定項目
低倍率測定
高倍率測定
座標測定-0°座標測定-45°

測定中の温度変動

Avg
20.8
20.9
20.7
21.1

Max
21.0
21.0
20.821.3

Y axis200mm

岩手県工業技術センター研究報告

Min
20.5
20.6
20.7
20.8

（単位：℃）
Range Time(h,m)
0.54h39m
0.4
1h32m
0.115m0.515m

250mm

X axis

図５２D ゲージ（NPL 製）の模様パターン
Front

図６ーレット×２、以下低倍率設定という）と（対物レンズ測定台上のゲージ位置×2.5－ターレット×２、以下高倍率設定という）の二つの倍率を使用して測定した。測定機は標準仕様機であり独自の改造は行っていない。持ち回り測定で使用した２次元ゲージを図３、持ち回り付属品を図４に示した。２次元ゲージは図５のとおりガラス表面にパターンが蒸着されているもので材質は合成石英、線膨張係数は 0.51×

表４水準
12345

実験項目 1.円測定の因子と水準a)照明強度
通常1%暗2%暗b)走査方向
明から暗暗から明c)測定項目
直径
真円度
Ｘ座標値
Ｙ座標値d)繰り返し
1回目
2回目
3回目
4回目
5回目

10-6(/K)、大きさは 100mm×100mm×1.5mmである。測定テーブル上への固定方法は専用治具プレートを使用し３個のクランプで固定する。２次元ゲージは図４に示した木箱に収納して輸送される。
３－２

実験方法

測定プログラムは１．円測定から４．円測定まではミツトヨから提供された二つの測定プログラムを使用した。
5．座標測定は独自にプログラミングした測定プログ

表５水準
12345

実験項目 2.四角測定の因子と水準a)照明強度
通常1%暗2%暗b)走査方向
明から暗暗から明c)測定項目
対角距離1対角距離2d)繰り返し
1回目
2回目
3回目
4回目
5回目

2 次元パターン測定による画像測定機の性能評価
表６水準
123

実験項目 3.線幅測定の因子と水準a)照明強度
通常1%暗2%暗b)走査方向
明から暗暗から明c)線色
黒白d)ステージ移動
なし
あり

４

実験結果及び考察

プロトコルに指示された繰り返し５回の標準偏差を測定誤差とした。標準偏差の工程平均を因子毎に求め、要因効果図 2) に因子の効果を表した。実験項目毎の因子の水準を表４～表８に示し、要因効果図を図７

表７
水準
1234

実験項目 4.円測定の因子と水準a)照明強度
通常1%暗2%暗b)走査方向
明から暗暗から明c)測定項目
直径
真円度
Ｘ座標値
Ｙ座標値d)直径
φ1mm
φ0.707mm～図１１に示す。実験項目が 1.円測定、2.四角測定、
3.線幅測定、4.円測定、5.座標測定でのそれぞれの全標準偏差の平均値は 0.14μm、0.14μm、0.07μm、0.07μm、0.09μmとなった。実験項目１～４において因子の 効 果 を 考 察 し た 結 果 、 4. 円 測 定 （ 視 野 1.3mm ×表８

水準12

実験項目 5.座標測定の因子と水準a)座標回転
0度45度b)座標軸X軸Y軸0.95mm）で因子：照明強度において小さい設置値の場合で標準偏差が小さい。1.円測定の視野 3.1mm×2.3mm
では因子：照明強度の影響が表れないことから倍率の高い測定では照明の効果が測定分解能に反映した効果であると推測した。図１０から 45°回転した場合でラムを使用した。ミツトヨから提供された低倍率設定測ばらつきが大きく、座標軸ではY軸でばらつきが大き定プログラムを使用して１．円測定から３．線幅を測定い。

した。測定台のガラステーブルのチルト調整により２次実験項目毎の標準偏差の最大値は 0.14μmとなり、2元ゲージの四隅における Z 座標の最大差を 17μm 以内とσとしても 0.28μmとなり指示誤差U 1 の初項値 0.8μmした。４．円測定は高倍率設定測定プログラムを使用しを十分に満たす。実製品測定でのエッジ抽出誤差を除た。低倍率設定では機械座標における円１と円２の Y 座

く測定機本体の幾何学的誤差が小さく、測定性能が十標差を 33μm として２次元ゲージを設置した。高倍率設分高いことが証明された。

定では機械座標における円１と円２の Y 座標差を 21μm設定により測定を行った。回転無しのゲージ設置は高倍率設定測定の４.円測定からゲージを動かさず５.座標測定に移行したためゲージ設置の円１と円２の Y 座票差は33μm である。45°回転は円１と円４の X 座標の差を 88μm として２次元ゲージを設置した。ゲージを置く位置

0.25
標準偏差の平均値 (μm)

として２次元ゲージを設置した。５．座標測定は低倍率

円測定 (視野3.1mm×2.3mm)

0.200.150.10
6N
6R

0.050.00は、図６に示す測定台の右側中央部付近に設置した。測1 2 3照明強度

定中の部屋の蛍光灯照明はすべて消し、温度変動が小さ

1 2
走査方向

測定機校正に使用した参照標準

図７

測定機の校正は測定機メーカ（ミツトヨ）が行っており、メーカ校正を行い、校正に使用した参照標準はメーカが社内標準としているものを使用したようである。また、2006/7/7（持ち回り測定の３日前）に持ち回り測定を行う事前点検としてメーカが社内標準の参照標準を使用して測定機の精度確認を行った。
３－４

温度

温度計はエスペック製 RS-12 のデジタル集録型を使用

四角測定 (視野3.1mm×2.3mm)

0.200.150.10

6N
6R

0.050.00
1 2 3
照明強度

した。測定精度は 0.5℃であり、測定ではサンプリング周期を 10 分として平均値により温度を算出した。温度計の設置場所は持ち回り付属温度計と一緒に測定機の隣の机上に置いた。表３に各測定項目の温度と測定時間を示す。温度の変動幅は最大で 0.5℃であり温度変動による誤差は小さい。20℃からのかたよりは最大で 1.3℃みられ、熱膨張の影響を考慮する必要がある。測定時間は低倍率測定で 4 時間３９分の長時間測定となった。

実験項目 1.円測定の要因効果図

0.25
標準偏差の平均値 (μm)

校正周期は２年である。最も近い校正日は 2005/2/15 に

1 2 3 4 5繰り返し

因子

いと思われる夜間に測定した。
３－３

1 2 3 4測定項目

図８1 2
走査方向

1 2測定項目因子

12 3 4繰り返し

実験項目 2.四角測定の要因効果図5岩手県工業技術センター研究報告

0.12

線幅測定 (視野3.1mm×2.3mm)
0.080.060.046D
6S

0.02

標準偏差の平均値 (μm)

標準偏差の平均値 (μm)

0.100.00
123
照明強度

12走査方向

12線色

第 14 号（2007）

0.08
0.06
0.040.020.00

12
ステージ移動

1標準偏差の平均値 (μm)

12座標軸因子

実験項目 3.線幅測定の要因効果図

図１１５0.120.10

2座標回転

因子

図９座標測定(視野3.1mm×2.3mm)

0.10

実験項目 5.座標測定の要因効果図

まとめ

プロトコルに従い実験を行った結果、実験項目１～

円測定 (視野1.3mm×0.95mm)

４での繰り返し５回の標準偏差の最大値は 1.円測定

0.08及び 2.四角測定の 0.14μm となった。従って、測定機

0.06の幾何学的誤差は小さく、測定性能が十分高いことが

0.04
6N
6R

0.020.001 2 3
照明強度

1 2
走査方向

1

2 3 4
測定項目

因子

図１０

実験項目 4.円測定の要因効果図

1 2
直径証明された。
文

献1) NMIJ/AIST： 2次 元 パ ター ン 測 定 Draft A(2006)
2) 矢野宏：計測管理工学入門、工業調査会(1984)