鳥取県産業技術センター研究報告 No.14 (2011)

形状測定機の精度評価法検証実験
Verification Experiment of the Form Measurement Machine Accuracy Appraisal Method

木村勝典
Katsunori Kimura
機械素材研究所 生産システム科

形状測定における解析手法は１つのプロファイルの評価から面での評価に変わりつつある。また、サイズの大きな形状について面での評価が望まれてきている。そこで、微細形状の評価装置として利用されている輪郭形状測定機での測定結果を参照値として利用し、サイズの大きな形状の評価に利用できる三次元測定機での面評価の可能性を探った。その結果、微細形状凹部での測定値のばらつきが大きかったが、面形状評価に適した測定条件を見出すことができた。

1.

はじめに

2. 測定方法

形状測定における評価は、従来から接触式測定機

2.1

測定機器を用いて測定物のサイズや加工精度に応じて実施さ測定には CMM UPMC550 CARAT（ZEISS）と輪郭れてきたが、サイズの小さなものに十分対応するこ形状測定機フォームタリサーフ PGI プラス（Taylorとができなかった。これからの形状測定は１つのプHobson）（以下 PGI）の 2 機種を使用した。それぞ

ロファイル（断面曲線）だけの評価から、評価した

れ測定中の写真を図 1、2 に示す。

い形状全体を検証できるように面としての評価が望まれてきている。近年、三次元測定機（以下 CMM）の普及が進み、面での形状データを多点測定により取得する方法が用いられているが、時間がかかることが最大の欠点であった。そのため、倣いプローブを有する CMM を利用できる場合には、スキャニン

図１

CMM

図２

PGI

グ測定によりプロファイルデータを測定する方法が取られるようになり、測定時間を飛躍的に短縮させ2.2

測定方法ることができるようになった。しかし、スキャニン

各測定機での測定条件を表１に示す。

グ測定における形状評価においては、特に微小部分

CMM については、外形スキャニング測定におけにおける測定精度について十分な検証が行われておる特性把握を通じて 1）使用するプローブに最適な測らず、CMM により測定されたプロファイルデータ定条件を設定した。特に微細な形状のスキャニングの信頼性は把握されていなかった。

測定について検証を行うために、測定子は使用でき

そこで CMM を用いたスキャニング測定データのる最小のチップ径であるφ0.3 mm のタイプを選定

精度評価を行うため、2 種類のゲージを用いて CMMした。PGI については、測定条件はデフォルトとし、による測定を実施し、輪郭形状測定機での測定デーサンプリング数においてのみ、参照値とし利用するタとの比較を行うことで、形状測定における精度評ために CMM の 2 倍の条件に設定した。

価法について検討を行ったので報告する。

それぞれの使用プローブについてキャリブレーシ- 25 -

ョンを実施した後に、測定を開始した。

2.4

測定対象物のアライメント測定の際には、測定物のセット時の傾きによる測表１定値への影響を最小限に抑えるために、測定機のス

測定条件

CMM

PGI

キャニング方向と測定物の軸方向を合わせる必要が使用プローブ0.3mm 球

R2μm60°円錐ある。そのため、図 5 に示すアライメント用のポイ

測定速度0.5mm/sec

0.5mm/sec

ントに対して表 2 に示すアライメント条件を満たす測定圧

50mN

1mN≧

ように、位置合わせ用治具 2）を用いてアライメントプローブ向き-z-zを行った。その際の写真を図 6 に示す。回転テーブ

サンプリング

100pts/mm

200pts/mm

ルと一軸テーブルの機能を持つ治具を傾斜ステージ上にセットしゲージの Z 軸回りを合わすためにシャ2.3

フトを用いて調整した。また、X,Y 軸回りについて測定対象物（独）産業技術総合研究所により製作された四分は、ゲージをこの治具にセット後、図 3 の 4 つのポの一円弧（凸×6、凹×6 を交互に配置）の組み合わせ

イントでの座標差が指定条件を満たすように傾斜スからなる丸形ゲージと、データム面より 30°の斜面テージにて調整を行った。

（凸×6、凹×6 を交互に配置）からなる角形ゲージの2 種類を用いた。丸型、角型ともに凹凸の形状を交互に配し、徐々にサイズが大きくなる形状に製作されており、サイズが小さい方から大きくなるに従って凸 1、凹 1・・・凸 6、凹 6 とした。ゲージの断面を図 3 に、写真を図 4 に示す。

図３ ゲージ断面（上：丸形、下

図５

ゲージアライメントポイント

表２

ゲージのアライメント条件

X,Y 軸回り用

4 点の Z 座標値の差が 0.01≧

Z 軸回り用2 点の Y 座標値の差が 0.01≧

角型）

図６2.5

シャフトを用いたアライメント方法

測定内容

Z 軸回り用に利用したポイントを設定した面をデ丸形ゲージ
図４角形ゲージ
測定対象物ータム面に設定、X 座標原点については、丸形ゲー
ジでは凸 4 の円の中心座標に、角形ゲージでは凸 4- 26 -の左右斜面の交点に設定した。そして、丸形および角形ゲージとも凹凸形状のサイズの小さい方を左側に見た際の正面の端面を y=0 mm の座標とし、y=3mm、5 mm、7 mm の断面についてそれぞれ 3 回測定を実施し、凸 1～凹 6 を横断するプロファイルデー
タから表 3 に示す測定量を算出した 3）。

表３被測定量

丸形ゲージ
1233.

角形ゲージ

各円弧最小

各凹凸斜面

二乗円半径二直線の成す角

各円弧最小

各凹凸斜面

二乗円中心二直線の交点

各円弧最小

各凹凸斜面

二乗真円度

最小二乗真直度

図８丸形ゲージ凹部測定値の差

測定結果

3 断面の 3 回測定結果の合計 9 データについて測

図９ 丸形ゲージ半径値の標準偏差（PGI）定精度の検証として、PGI 測定結果を参照値として、CMM 測定結果との差を求めた。
丸形ゲージについて、凹凸部の測定結果の差を図7、8 に、またバラツキの大きかった半径値についてはその標準偏差を算出し繰り返し測定精度について調べた結果を図 9、10 に示す。
角形ゲージについて、測定結果を図 11～13 に示す。

図 10 丸形ゲージ半径値の標準偏差（CMM）

図７

丸形ゲージ凸部測定値の差

図 11 角型ゲージ凸部の座標値、真直度の差- 27 -

形状でのばらつきは大きく、繰り返し精度が悪くなることが確認できた。

3.2角形ゲージ

図 11 より角型ゲージ凸部の差は，全てのサイズで±0.004mm 以下であり、良好な測定結果を得ることができた。また、図 12 ではサイズが大きくなるに従い CMM での座標測定値が大きくなる傾向がわかったが，最大でも 0.01 mm 以下の値であり、通常の測図 12 角型ゲージ凹部の座標値、真円度の差定では十分利用できることがわかった。
図 13 に示す斜面の成す角については、凸、凹部ともにサイズが大きくなるに従い CMM での測定値がPGI のデータに近づいていることがわかるが、凹部形状の微小部分の差は非常に大きかった。

4.

おわりに

2 つのゲージを用いた形状測定における測定機精度評価試験を実施した。その結果、形状やサイズに

図 13 角形ゲージの斜面成す角度の差よる座標値・幾何公差・角度等の測定結果への影響
3.1

や PGI の測定結果を参照値とした際の CMM におけ丸形ゲージ

丸型ゲージについて、図 7、8 から凹凸部のサイズが大きくなるに従って、凸部では半径値は小さくなる測定結果への影響度やバラツキの程度を把握することができた。っているが、凹部ではサイズとは関係なく大きな値

特に小さな形状では測定ピッチの関係から解析にであった。また凸部では Z 座標値は大きくなっても利用できる測定ポイント数が少なくなり、各測定ポ半径は小さくなる傾向であったが、凹部では半径値イントのバラツキの影響が直接解析結果に反映されと Z 座標値は PGI と CMM 測定値との差が同程度でている結果となった。
また円弧形状の凹部での測定値のバラツキが大き推移していることがわかった。
円弧中心の X 座標値および真円度については、凹く信頼性に影響する結果となることを確認すること

凸形状方向による影響はほとんど無かったが、サイができたが、これは直線箇所からプローブ先端が急ズが大きくなる程差も広がる傾向が確認できた。まに離れる方向に形状が存在しているため、測定圧がた、Z 座標値については凸部ではサイズが大きくな低下することが影響していると考えられる。
角度についても、サイズの小さい形状での評価はる程に差も広がってくるが、凹部ではサイズには関CMM では難しいことも確認できたが、ある程度の係なく大きな値であった。
次に図 9、10 から半径値の標準偏差を見てみると、PGI では円弧サイズによる測定値への影響があるこ

測定長を確保できる形状については、PGI と同等の結果を出せることもわかった。とがわかったが、バラツキの程度は非常に小さく繰

実製品の形状評価を行う際には、今回の結果を踏り返し測定結果が安定していることが確認できた。

まえた測定機の選択や測定条件の検討を行うことで、CMM では凹凸形状方向の影響が大きく、特に凹より高精度な測定が実施できると考える。

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謝辞

センター 北川剛弘 氏、機械振興協会 坂本将也 氏、

本研究は、（独）産業技術総合研究所が実施した計測分科会主催の「形状測定機精度評価法検証実験」(株)東京精密 荒井正敏 氏、(株)ニコン 長沼義広 氏、(株)メトロテック 榎本幹雄 氏。
また，今回の測定で測定機専用のソフトでの解析に参加した結果である。この持ち回り測定に参加した以下の機関の方に感謝します。

ができない幾何公差の算出について、（独）産業技術（独）産業技術総合研究所 佐藤 理 氏、岩手県工業総合研究所の佐藤理様にスクリプトの作成等お世話技術センター 和合健 氏、福島県ハイテクプラザになりました。感謝申し上げます。

吉田智 氏、群馬県立群馬産業支援センター東毛産業
技術センター 鏑木哲志 氏、群馬県立群馬産業技術

参考文献センター 横山 靖 氏、栃木県産業技術センター 藤1)

木村勝典,野嶋賢吾;スキャニング測定における沼誠人 氏、茨城県工業技術センター 青木邦知 氏、

測定精度向上に関する研究,鳥取県産業技術セ

埼玉県産業技術総合センター 宇野彰一 氏、埼玉県

ンター研究報告 No13,p.11-16(2010).

産業技術総合センター北部研究所 大木健司 氏、東2) 木村勝典;特願 2006-345209,シャフト用治具

京都立産業技術研究センター 中村弘史 氏、山梨県3)

知的基盤部会 計測分科会 形状計測研究会

形

工業施術センター 高尾清利 氏、山梨県富士工業技状測定機精度評価法検証実験プロトコル

術センター 西村通喜 氏、静岡県浜松工業技術支援

Final(2010).

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