鳥取県産業技術センター研究報告 No.13 (2010)

スキャニング測定における測定精度向上に関する研究
Study on the Improvement in Measurement Accuracy in Scanning Measurement.

外径スキャニング測定における測定精度に影響を及ぼす要因の特定
Specification of the Factor which Affects the Measurement Accuracy in Outer Diameter Scanning Measurement

木村勝典・野嶋賢吾
Katsunori Kimura and Kengo Nojima
スキャニング速度と測定力の組み合わせおよび測定軸方向により、測定値への影響が異なることがわかった。最適な測定条件を選択すれば、ポイント測定と同様の測定精度により測定できることも確認した。
The combination of scanning speed, measurement force and the direction of the measurement axis showed that theinfluences on measured values differed. When choosing the optimal measurement conditions, it was also checked if it
could measure with the same measurement accuracy as point measurement.

1.

はじめに

近年、国内で生産される製品は高精度な加工を必要としながらも、機能性やデザイン性を求められていることから複雑な形状加工品が増加している。また、これまで加工されてきた製品では、製品開発の短サイクル化により、設計から加工・評価・納品までの期間の短縮化が要求されている。そのような状況において、複雑な形状評価に合った測定方法の見直しや製品の信頼性を確保するための計測評価時間

図１

ＣＭＭ外観の高速化も求められ始めている。
そこで本研究では、測定時間の短縮化が難しい従2.2

測定方法１）として使用したスタイラス、スキャニ

来のポイント測定から三次元測定機（以下ＣＭＭ）を用いたスキャニング測定における測定精度の向上

測定方法

ング速度および測定力を表２に示す。

を目指して実施した。測定形状に合った測定方法の
表２

測定技法

見直しを行うとともに、スキャニング測定による測定値への影響や測定精度について検証したので報告する。

ｽﾀｲﾗｽ

ｽﾀｲﾗｽ 1

ｽﾀｲﾗｽ 2φφ5mm

L 75mm

2.

測定方法

2.1

測定機器

表１

測定機の概要指示精度

ｼｬﾌﾄ径 φ3.5mm

ｼｬﾌﾄ径 φ6.0mm

速度 150mm/s

速度２10mm/s

測定力 1200mN

測定力 2100mN

測定力

高精度三次元測定機（Zeiss 製）
式

114.5mm

ｽｷｬﾆﾝｸﾞ速度

測定機の概要を表１に、外観図を図１に示す。

型

L8mm

UPMC 550 CARAT（門移動型）（0.5+L /900）μm

スタイラスは通常最も使用頻度の高い２つのタイプ- 11 -を選定した。測定速度については影響度を把握する

また、座標系の構築は、円筒上部面を基準平面とため、推奨値（直径の 1/10）と 50 mm/s の 2 種類として円筒中心を原点、円筒上面の穴Ａ、Ｂを結ぶ線した。そして、測定力については、装置で通常設定をＸ軸とし、軸の方向は、Ａ→Ｂの方向とした。実できる範囲で２倍の差をつけた。

際にセッティングした状態の写真を図５に示す。
Ｘ軸方向

2.3

Ｚ軸方向

測定中のワーク温度及び温度測定方法

測定中の温度測定は、白金測温抵抗体（㈱チノー製）を用いて行った。ワークの温度は測定室に十分放置してあるため測定室内温度と同等とした。温度計測器は CMM 定盤上の測定領域付近に配置し、測定開始時と終了時に温度計測器の表示値を読み取り、図５座標系の構築その読み取り値の平均値を測定時の温度とした。

2.4

2.6

測定対象物

測定対象物は上面から 5 mm 刻みで異なる円筒面を持っている２種類（S35C、SKS3）の円筒ワーク（外径 約φ100 mm）を用いた。図２に写真を示す。

測定内容

S35C 及び SKS3 の２種類のワークに対して、以下の測定を実施した。
１） 図４に示す２つのセッティング
２） 表２に示す２種類のスタイラス
３） 表２に示す２種類のスキャニング速度４） 表２に示す２種類の測定圧力
以上 32 通りのスキャニング測定を実施し、スキャニ

図２ング測定時のサンプリング数は 100 点とした。

測定対象物

マスター球の測定も２通りのスタイラス、姿勢、また、ワーク測定結果の測定力、測定速度にて合計 16 通りの測定を行った。

検証を実施するために、校また同時にポイント測定も実施し、１周 100 点程

正 球 （ 校 正 値 φ 29.9981

度の測定で、スタイラスはφ5 mm タイプ、測定力はmm：Retter 製200 mN とした。このデータを参照値とした。

以下 マスター球）を比較のため測定した。図３に写真を示す。

これらの測定は全て３回繰り返した。
図３ 校正球3.
2.5

測定結果と考察

測定対象物の姿勢および座標系の構築

測定物や円筒面の違いによる測定結果について比測定方向は図 4 に示す２つの方向とした。

較を行った結果、ほぼ同様の結果であったことから
S35C で Z=-2.5 mm での測定結果について述べる。

3.1

直径値

直径値について、Ｘ軸方向の結果を図６、Ｚ軸方向を図７に示す。また、図６、７でポイント測定結
Ｘ軸方向
図４

Ｚ軸方向
測定対象物の姿勢

果と比べて値の大きく異なった２つのデータを除いた結果を再解析結果として図８、９に示す。

- 12 -

直径（X軸方向

Z=-2.5mm

直径値については、スタイラスのサイズに関係な

S35C）

く測定速度が速く、測定力が低い条件の結果が悪か

φ8-10mm/ｓ-100ｍN
φ8-10mm/ｓ-200ｍNった。またその傾向はＺ軸方向と比べてＸ軸方向にφ8-50mm/ｓ-100ｍN大きく現れていた。測定速度については速くても測

φ8-50mm/ｓ-200ｍN
φ5-10mm/ｓ-100ｍN定力を上げることで、ある程度は測定精度を上げる

φ5-10mm/ｓ-200ｍN
φ5-50mm/ｓ-100ｍNことは出来ることも確認出来た。測定速度が遅い場

φ5-50mm/ｓ-200ｍN

合はスタイラスのタイプや測定力にほとんど影響をPoint測定99.90

100.40100.90101.40

101.90(mm)

図６

受けることなく、ポイント測定と同等の測定結果をX 軸方向の直径値測定結果得ることが出来た。この結果から、測定中のスタイラスへの遠心力が影響していると考えられることか
直径（Z軸方向 Z=-2.5mmS35C）

ら、測定速度の設定に注意が必要であることがわか
φ8-10mm/ｓ-100ｍNった。

φ8-10mm/ｓ-200ｍN
φ8-50mm/ｓ-100ｍN
φ8-50mm/ｓ-200ｍN
φ5-10mm/ｓ-100ｍN

3.2

真円度

φ5-10mm/ｓ-200ｍN

真円度について、Ｘ軸方向の結果を図 10、Ｚ軸方

φ5-50mm/ｓ-100ｍN
φ5-50mm/ｓ-200ｍN向を図 11 に示す。

Point測定99.90

100.40100.90101.40

また、図 10、11 でポイント測定結果と比べて値の101.90(mm)

図７

大きく異なった２つのデータを除いた結果を再解析

Z 軸方向の直径値測定結果

結果として図 12、13 に示す。
直径再解析（X軸方向

Z=-2.5mmS35C）

真円度（X軸方向

Z=-2.5mm S35C）

φ8-10mm/ｓ-100ｍN

φ8-10mm/ｓ-100ｍN

φ8-10mm/ｓ-200ｍN

φ8-10mm/ｓ-200ｍN

φ8-50mm/ｓ-100ｍN

φ8-50mm/ｓ-200ｍN

φ8-50mm/ｓ-200ｍN

φ5-10mm/ｓ-100ｍN

φ5-10mm/ｓ-100ｍN
φ5-10mm/ｓ-200ｍN

φ5-10mm/ｓ-200ｍN

φ5-50mm/ｓ-100ｍN
φ5-50mm/ｓ-200ｍN

φ5-50mm/ｓ-200ｍN

Point測定

Point測定100.005

100.015100.025100.035

0.00

0.50

図８1.502.00

図 10 X 軸方向の真円度測定結果

X 軸方向の直径値測定結果（再解析）

直径1.00(mm)(mm)

再解析（Z軸方向 Z=-2.5mm S35C）

真円度（Z軸方向 Z=-2.5mm S35C）
φ8-10mm/ｓ-100ｍN

φ8-10mm/ｓ-100ｍN

φ8-10mm/ｓ-200ｍN

φ8-10mm/ｓ-200ｍN

φ8-50mm/ｓ-100ｍN

φ8-50mm/ｓ-200ｍN

φ8-50mm/ｓ-200ｍN

φ5-10mm/ｓ-100ｍN

φ5-10mm/ｓ-100ｍN
φ5-10mm/ｓ-200ｍN

φ5-10mm/ｓ-200ｍN

φ5-50mm/ｓ-100ｍN

φ5-50mm/ｓ-200ｍN

φ5-50mm/ｓ-200ｍN

Point測定

Point測定100.005

100.015100.025100.0350.00(mm)

図９X 軸方向の直径値測定結果（再解析）

0.501.00(mm)1.50

図 11 Z 軸方向の真円度測定結果- 13 -2.00

真円度

再解析（X軸方向

中心位置（X軸方向 Z=-2.5mm S35C）

Z=-2.5mm S35C）

φ8-10mm/ｓ-100ｍN（mm ）
X座標値

-0.10

φ8-10mm/ｓ-200ｍN

0.100.300.50

Φ8-50mm/s-100mN

φ8-50mm/ｓ-200ｍN

Φ5-50mm/s-100mN

φ5-10mm/ｓ-100ｍN
φ5-10mm/ｓ-200ｍN
Y座標値

φ5-50mm/ｓ-200ｍN
Point測定0.00

図 120.01

0.02(mm)0.03-0.25

X 軸方向の真円度測定結果（再解析）

真円度 再解析（Z軸方向 Z=-2.5

図 15 Z 軸方向の直径値測定結果

S35C）

φ8-10mm/ｓ-100ｍN

大きく異なった２つのデータを除いた結果を再解析

φ8-10mm/ｓ-200ｍN

結果として図 16、17 に示す。

φ8-50mm/ｓ-200ｍN

中心位置

φ5-10mm/ｓ-100ｍN

再解析（X軸方向

Z=-2.5mmS35C） (mm)Y座標値

φ5-10mm/ｓ-200ｍN
φ5-50mm/ｓ-200ｍN
Point測定0.00

図 130.010.02(mm)0.03

X 軸方向の真円度測定結果（再解析）-0.00210.00000.0021

X座標値

真円度については、直径値よりも測定条件による測定値への影響が大きく出た。その他の結果は直径-0.0006

値と同様の結果であり、形状評価を行う場合も測定

図 16 X 軸方向の直径値測定結果（再解析）

速度と測定力の条件によっては、ポイント測定と同程度の評価が出来ることがわかった。

Z=-2.5mm S35C）

(mm)
Y座標値

3.3

中心位置 再解析（Z軸方向

中心位置

中心位置について直径値で示した結果と同様に各Ｘ軸方向の結果を図 14、Ｚ軸方向を図 15 に示す。
-0.0015

また、図 14、15 でポイント測定結果と比べて値の中心位置（X軸方向 Z=-2.5mm S35C）

0.100.300.00050.0015

X座標値

（mm ）
-0.0006

X座標値-0.10-0.00050.50

図 17 Z 軸方向の直径値測定結果（再解析）

中心位置についても、直径値・真円度と同様に測Y座標値

定速度が速く測定力の小さい測定条件ではその他のΦ5-50mm/s-100mN
Φ8-50mm/s-100mN測定結果と大きく異なっていた。また図 16、17 に示した丸の範囲は□で示したポイント測定結果と測定-0.25

図 14 X 軸方向の直径値測定結果

速度の遅い４つの測定条件での結果の範囲を示しており、測定速度を遅くする測定条件ではポイント測- 14 -

定結果で求めた中心位置と 0.5 μm 範囲内に抑えるる測定値への影響について、直径値、真円度ともにことがわかった。

測定速度を遅くすると校正値に近づいていった。測定速度の影響は比例ではなく、ある速度から急激に3.4測定値への影響が大きくなることがわかった。特にマスター球測定結果

マスター球についても同様にスキャニング測定を

真円度については、5 mm/s 以下の測定速度であれば実施した結果、円筒ワーク測定と同様の結果であっポイント測定と同程度の高精度な測定が行えることた。そこで、測定速度の変化による測定値への影響がわかった。の程度を把握するため、測定速度を 2 条件ではなく5 条件（30,25,20,5,2 mm/s）にて実施した。測定速4.

度の影響が大きかった X 軸方向の直径値の結果を図18、真円度の結果を図 19 に示す。
直径値(校正球測定結果まとめ

測定結果からはスキャニング速度が速く、測定力が低い場合の測定値が、その他の測定結果と比較して大きく現れた。円筒ワーク及びマスター球の測定X軸方向）

Q_X_5mm_30S_100mNにおいて直径値、真円度、中心位置の全てにおいてQ_X_5mm_25S_100mN同様の結果であった。測定精度を上げるためには測

Q_X_5mm_20S_100mN定力を上げて測定速度を遅くする必要がある。ただ

Q_X_5mm_5S_100mNし、測定速度を遅くすればするほど測定精度が上がQ_X_5mm_2S_100mN
29.83030.230.4(mm)30.630.8

ることは確認出来なかった。

31

測定方向については、Z 軸方向の測定に比べて X

図 18 X 軸方向の直径値測定結果
真円度(校正球測定結果

軸方向の測定が測定値への影響が大きかった。

X軸方向）

中心位置については、大きく中心位置がずれてい
Q_X_5mm_30S_100mNた 2 つの結果以外はポイント測定で求めた中心位置

Q_X_5mm_25S_100mN
Q_X_5mm_20S_100mNとほぼ同等の結果であり、0.5 μm 範囲内に抑える

Q_X_5mm_5S_100mNことが出来た。

Q_X_5mm_2S_100mN

本研究でのスキャニング測定条件としては、通常
00.20.4(mm)0.60.81

良く使用するスタイラス径を用いて、特に測定速度において大きく異なる条件とし、測定力についても図 19 X 軸方向の真円度測定結果２倍の差をつける測定条件を設定した。その結果、また、図 19 で値が特に大きかった測定速度 30測定条件により測定結果に大きく影響を及ぼす要因

mm/s 及び 20 mm/s の２つのデータを除いた結果を再を特定できると共に、その影響度も把握することが解析結果として図 20 に示す。

出来た。

真円度 再解析(校正球測定結果使用するスタイラスにより、測定条件において測X軸方向）

定方向に加えてスキャニング速度と測定力の設定に

Q_X_5mm_20S_100mN

よりポイント測定と同等の測定が出来ることが把握
Q_X_5mm_5S_100mNでき、実際の測定で十分利用できることがわかった。
Q_X_5mm_2S_100mN
00.01

0.02
0.03(mm)0.040.05

図 20 X 軸方向の真円度測定結果（再解析）

マスター球の測定で実施した測定速度の変化によ- 15 -謝辞

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「CMM スキャニング測定評価」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。
（独）産業技術総合研究所 大澤尊光 氏、岩手県工業技術センター 和合健 氏、福島県ハイテクプラザ
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、栃木県産業技術センター

江面篤志 氏、茨城県工業技術センター

邦知 氏、埼玉県産業技術総合センター

青木宇野彰一氏、東京都立産業技術研究センター 中西正一 氏、神奈川県産業技術センター 阿部顕一 氏、山梨県工業施術センター 高尾清利 氏、富山県工業技術セン
ター 吉田勉 氏、石川県工業試験場 廣崎憲一 氏、
広 島 県立 総合 技 術研 究所 東 部工 業技 術 セン ター
佐々木秀和 氏、広島県立総合技術研究所西部工業技術センター 山下弘之 氏、福岡県工業技術センター
竹下朋春 氏、(株)東京精密 荒井正敏 氏、(株)ミツトヨ 阿部誠 氏

文献1) 知的基盤部会計測分科会形状計測研究会 CMM
スキャニング測定評価

Protocol Final(2009)- 16 -