JP2001021304A - 変位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 周囲の温度環境が変化しても、常に高精度な
測定を可能にする。 【解決手段】 測定空間内に配置されたワーク１９の変
位を、その変位の方向に沿うように支持部材に支持され
たＸ，Ｙ，Ｚ軸スケールで読み取ることにより測定する
変位測定装置において、各軸スケールは、それ自身及び
支持部材の熱膨張による測定位置での誤差が最も少なく
なる特定の部位で支持部材に固定され、その他の部位は
支持部材に対して変位の方向に移動可能に支持されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、三次元測定機な
どの変位測定装置に関し、特に三次元測定空間の各軸方
向の熱的な変化による誤差を極力少なくするようにした
変位測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】三次元測定機では、三次元測定空間を構
成する各軸に沿って配置されたスケールを基準とするス
ケール座標系の中で、種々の測定子が使用されて測定が
行われる。この種の三次元測定機では、測定子の交換前
後の測定子間の偏差量による測定誤差が生じないよう
に、スケール座標系の中に機械座標系を構築する。図１
１は、この様子を示す図である。三次元測定機の測定機
座標系Ｘs，Ｙs，Ｚsには、マスターボール１００が配
置されており、このマスターボール１００の先端球の中
心位置が機械座標系Ｘm，Ｙm，Ｚmの基準原点Ｏmとして
定義される。各測定子による測定に先立って、その測定
子によりマスターボール１００を球測定してその中心座
標Ｏmを求める。そして、測定機座標系の原点Ｏsと機械
座標系の原点Ｏmとの間のオフセット量Ｖsm（ベクト
ル）を記憶して、スケールの読み取り座標値からオフセ
ット量を補正することによって測定子の交換前後の偏差
量による測定誤差を取り除く。

【０００３】実際の測定においては、機械座標系Ｘm，
Ｙm，Ｚmの中に、更に測定物（ワーク１０１）の設計図
面情報に対応させて測定物座標系Ｘw，Ｙw，Ｚwが構築
される。以下、これら機械座標系、測定物座標系を合わ
せて「測定座標系」と呼ぶことにする。測定物座標系を
構築することにより、機械座標系の原点Ｏmと測定物座
標系の原点Ｏwとのオフセット量Ｖmw（ベクトル）につ
いても補正され、測定物座標系に基づく測定値が求めら
れる。いま、図１１における測定物座標系（Ｘw，Ｙw，
Ｚw）を基準として得られる測定点Ｐの座標Ｖwp（ベク
トル）は、下記数１のように表すことができる。

【０００４】

【数１】

【０００５】従来の三次元測定機では、精密な三次元測
定を可能にするために、例えば２０℃に正確に制御され
た測定室で測定作業を行うのが一般的であるため、一度
設定された機械座標系及び測定物座標系による測定は、
温度変化がないことが前提となっていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年、
より高精度の加工を可能にするため、製造ラインの中で
加工された製品を逐次測定して、その測定値を加工条件
の補正値にフィードバックしていくような、いわゆるイ
ンライン型の計測システム等が採用されるに至り、従来
のような理想的な温度条件の中での測定が困難になりつ
つある。このため、測定環境の温度変化が、高精度測定
において無視できない測定誤差を招来し、測定精度の低
下につながるという問題が生じるようになってきた。

【０００７】本発明は、このような点に鑑みなされたも
ので、周囲の温度環境が変化しても、常に高精度な測定
を行うことができる変位測定装置を提供することを目的
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明に係る第１の変
位測定測定装置は、所定の測定空間内に配置された測定
対象の変位を、その変位の方向に沿うように支持部材に
支持されたスケールで読み取ることにより測定する変位
測定装置において、前記スケールは、それ自身及び前記
支持部材の熱膨張による測定位置での誤差が最も少なく
なる特定の部位で前記支持部材に固定され、その他の部
位は前記支持部材に対して前記変位の方向に移動可能に
支持されていることを特徴とする。

【０００９】本発明によれば、測定対象の変位を読み取
るスケールと、これを支持する支持手段の熱膨張による
測定位置の変動が最も少なくなるように、スケールが固
定手段に固定される。具体的には、スケールの特定の部
位のみが固定手段に固定される。これにより、熱による
影響を効果的な排除することができる。

【００１０】この発明に係る第２の変位測定装置は、互
いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる三次元測定空
間が設定され、ベース面がＸ軸及びＹ軸と平行な水平面
と一致するように配置された、測定対象を載置するベー
ス部材と、このベース部材に対してＸ軸方向に延びるビ
ーム部材と、このビーム部材を前記ベース部材に対して
Ｙ軸方向に相対的に移動させるＹ軸駆動機構と、前記ビ
ーム部材に支持されてＸ軸方向に移動するコラム部材
と、このコラム部材に支持されてＺ軸方向に移動するス
ピンドル部材と、このスピンドル部材に取り付けられて
前記測定対象の測定個所を指示する測定子と、前記ビー
ム部材にＸ軸方向に沿って一部のみが固定されるように
取り付けられて前記ビーム部材に対する前記コラム部材
のＸ軸方向の変位を検出するＸ軸スケールと、前記ベー
ス部材にＹ軸方向に沿って一部のみが固定されるように
取り付けられて前記ベース部材に対する前記ビーム部材
のＹ軸方向の変位を検出するＹ軸スケールと、前記コラ
ム部材又はスピンドル部材にＺ軸に沿って一部のみが固
定されるように取り付けられて前記コラム部材に対する
前記スピンドル部材のＺ軸方向の変位を検出するＺ軸ス
ケールとを備えた変位測定装置において、前記Ｘ軸スケ
ール、Ｙ軸スケール及びＺ軸スケールが、熱膨張による
測定個所での誤差が最も少なくなる特定の部位で固定さ
れていることを特徴とする。

【００１１】例えば、前記ビームの熱膨張係数をα、前
記Ｘ軸スケールの熱膨張係数をβ、前記ベース部材の熱
膨張係数をγとし、α＞β、γであるとき、前記Ｘ軸ス
ケールは、前記ビーム部材の前記ベース部材における支
持位置に近い方の端部で前記ビーム部材に固定される。

【００１２】また、例えば前記ビームの熱膨張係数を
α、前記Ｘ軸スケールの熱膨張係数をβ、前記ベース部
材の熱膨張係数をγとし、α＝β＝γであるとき、前記
Ｘ軸スケールは、前記ビーム部材の任意の位置で固定さ
れていれば良い。

【００１３】同様に、前記Ｙ軸スケールは、例えば、前
記ベース部材の中心に近い位置で前記ベース部材に固定
される。

【００１４】また、前記Ｙ軸スケールの熱膨張係数を
β、前記ベース部材の熱膨張係数をγとし、β＝γであ
るとき、前記Ｙ軸スケールは、前記ベース部材の任意の
位置で固定されていれば良い。

【００１５】前記コラム又はスピンドルの熱膨張係数を
α、前記Ｚ軸スケールの熱膨張係数をβとし、α＞２β
であるとき、前記Ｚ軸スケールは、前記コラム又はスピ
ンドルの下端部に近い位置で固定されるようにすればよ
い。

【００１６】また、前記コラム又はスピンドルの熱膨張
係数をα、前記Ｚ軸スケールの熱膨張係数をβとし、α
≦２βであるとき、前記Ｚ軸スケールは、前記コラム又
はスピンドルの上端部に近い位置で固定されるようにす
ればよい。

【００１７】この発明によれば、各軸スケールの取付形
態や熱膨張係数に応じた各スケールの適切な取付形態を
選択することにより、測定誤差を抑制して高精度の測定
が可能になる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の好ましい実施の形態について説明する。図１は、この
発明の一実施例に係るＣＮＣ（Computerized Numerical
Control）三次元測定システムの構成を示すブロック図
である。このＣＮＣ三次元測定システムは、三次元測定
機１と、この三次元測定機１を駆動制御すると共に三次
元測定機１から必要な測定値を取り込むためのコントロ
ーラ２と、このコントローラ２を介して取り込まれた測
定値を処理するホストコンピュータ３と、三次元測定機
１の測定環境の温度を測定して、その温度データをコン
トローラ２に供給する一又は複数の温度センサ４とによ
り構成されている。

【００１９】三次元測定機１は、例えば図２に示すよう
に構成されている。除振台１１の上には、定盤１２がそ
の上面をベース面として水平面と一致するように載置さ
れ、この定盤１２の両側端から立設されたビーム支持体
１３ａ，１３ｂの上端でＸ軸方向に延びるビーム１４を
支持している。ビーム支持体１３ａは、その下端がＹ軸
駆動機構１５によってＹ軸方向に駆動される。また、ビ
ーム支持体１３ｂは、その下端がエアーベアリングによ
って定盤１２にＹ軸方向に移動可能に支持されている。
ビーム１４は、垂直方向（Ｚ軸方向）に延びるコラム１
６を支持する。コラム１６は、ビーム１４に沿ってＸ軸
方向に駆動される。コラム１６には、スピンドル１７が
コラム１６に沿ってＺ軸方向に駆動されるように設けら
れている。スピンドル１７の下端には、接触式のプロー
ブ１８が装着されている。このプローブ１８が、定盤１
２上に載置されたワーク１９に接触したときに、プロー
ブ１８からコントローラ２にタッチ信号が出力され、そ
のときのＸＹＺ座標値をコントローラ２が取り込むよう
になっている。また、定盤１２上の所定位置には、後述
する機械座標系を構築するためのマスターボール２０が
装着されている。

【００２０】図３、図４及び図５は、上記三次元測定機
１の各軸のスケールを示す図である。図３〜図５におい
て、ビーム１４の下面、定盤１２の左縁部及びスピンド
ル１７の前面には、それぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ
軸方向の変位を測定するためのＸ軸スケール２１、Ｙ軸
スケール２２及びＺ軸スケール２３が配置されている。
温度センサ４は、ビーム１４、定盤１２、各軸スケール
２１，２２，２３、ワーク１９などに配置される。各ス
ケール２１，２２，２３は、それが取り付けられる固定
要素との間の熱膨脹差による熱応力や歪みの発生を防止
するため、その一部のみを固定し、他の部分は固定要素
に対してフリー状態となるように装着される。

【００２１】スケール２１〜２３のこのような装着方法
は、例えば図６に示すような構成によって実現できる。
即ち、スケール２１（２２，２３）は、その複数個所
で、ビーム１４（定盤１２，スピンドル１７）のような
固定要素に固定された挟持部３１によって支持される。
挟持部３１には、針状又は球状のコロ軸受（ニードル・
ローラー・ベアリング）３２が配置されており、これに
よりスケール２１（２２，２３）は、挟持部３１に対し
てその長手方向の移動に対する摩擦係数の低減を図った
状態で支持される。そして、スケール２１（２２，２
３）の一端は、固定部材３３によって固定される。

【００２２】次に、このように構成された、このシステ
ムの動作について説明する。図７は、コントローラ２に
よって実現される測定処理のフローチャートである。ま
ず、測定に先立って、機械座標系の設定処理が実行され
る（Ｓ１）。機械座標系の設定は、プローブ１８によっ
てマスターボール２０を球測定することによって行う。
マスターボール２０の中心位置が機械座標系の原点にな
る。次に、測定物座標系の設定を行う（Ｓ２）。測定物
座標系は、プローブ１８によってワーク１９の基準位置
を測定し、ワーク１９の設計図面に対応させることによ
り設定する。測定座標系の設定後、座標系設定フラグを
０にリセットする（Ｓ２）。次に割り込みタスクで使用
するデータＴＰｎ，Ｔ１，Ｈ１を初期化して、割り込み
タスクを起動する（Ｓ３）。

【００２３】続いて、測定が開始される。パートプログ
ラムの１ラインに対応した測定コマンドの実行（Ｓ４）
毎に、測定終了のチェックをする（Ｓ５）。測定終了で
ない場合には、座標系設定フラグをチェックし（Ｓ
６）、座標系設定フラグが１でなければ、次の測定コマ
ンドを実行する。座標系設定フラグは、温度変化有りの
場合、後述する割り込み処理によってセットされる。し
たがって、この座標系設定フラグが１になっていれば、
測定座標系の再設定を行うべく、プローブ１８を現在位
置から座標系再設定の安全位置、即ち機械座標系設定及
び測定物座標系設定を行ってもプローブ１８がワーク１
９と干渉しないと思われる安全な位置まで退避し（Ｓ
７）、機械座標系の設定（Ｓ８）と、測定物座標系の設
定（Ｓ９）とを行って、割り込みを禁止してから（Ｓ１
０）、座標系設定フラグを０にリセットし（Ｓ１１）、
温度データＴ１と時間データＨ１とを更新する（Ｓ１
２，Ｓ１３）。そして、これら２つの座標系設定フラグ
のリセットとデータの更新が終了したら割り込みを許可
して（Ｓ１４）、次の測定を継続する。

【００２４】次に、割り込みタスクである座標系設定フ
ラグの設定処理を図８に基づき説明する。まず、温度セ
ンサ４からの温度測定値を監視して、温度勾配Ｇを算出
する（Ｓ２１）。具体的には、ｔを割込みタスクの周期
時間としたときに、ｎタスク前の温度ＴＰｎと現在の温
度ＴＣより、温度勾配Ｇを次式により求める（Ｓ２
１）。

【００２５】

【数２】Ｇ＝｜ＴＰｎ−ＴＣ｜／ｎ＊ｔ

【００２６】次に、現在の温度ＴＣと前回座標系変更時
の温度Ｔ１とにより、温度変化ΔＴを下記のように求め
る（Ｓ２２）。

【００２７】

【数３】ΔＴ＝｜ＴＣ−Ｔ１｜

【００２８】また、現在の時刻ＨＣと前回座標系変更時
の時刻Ｈ１とにより、時間経過ΔＨを下記のように求め
る（Ｓ２３）。

【００２９】

【数４】ΔＨ＝ＨＣ−Ｈ１

【００３０】そして、温度勾配として、例えば３℃／ｈ
（０．０５℃／ｍ）未満であれば「温度変化小」とし、
それ以外であれば「温度変化大」とする（Ｓ２４）。も
し、温度変化が小であれば、前回座標系変更時との温度
変換ΔＴが、例えば０．１℃以上であれば、温度が変化
したものとする（Ｓ２５）。また、温度変化大のとき
は、前回座標系変更時との時間経過ΔＨが、例えば５分
以上経過した場合に「座費用変更が必要」とする（Ｓ２
６）。以上のように、温度変化有りの条件が満たされた
場合には、座標系設定フラグが０であるかどうかを判定
する（Ｓ２７）。座標系設定フラグが１であれば、座標
系設定中であるため割り込み処理を終了するが、座標系
設定フラグが０であれば、座標系設定フラグを１にセッ
トする（Ｓ２８）。

【００３１】上記の割り込みタスクによる座標系の再設
定処理によれば、監視中の温度勾配が例えば３℃／ｈ未
満のようになだらかな場合、指定された温度変化（例え
ば０．１℃の変化）が観測された時に割り込み座標系再
設定処理が行われる。また、温度勾配が例えば３℃／ｈ
以上と急な場合には、指定された間隔（例えば、５分）
を待って割り込み座標系再設定を行う。これにより、温
度勾配がなだらかな場合には、所定の温度変化が観測さ
れた時点で測定座標系の再設定がなされ、温度勾配が激
しい場合には５分毎に座標系設定フラグが１になって測
定座標系の再設定がなされることになる。

【００３２】以上のシステムによれば、測定環境におい
て温度変化が生じたときに、測定座標系の再設定を行う
ので、温度変化による影響は、スケール２１，２２，２
３とワーク１９の熱的な寸法変化のみになる。そこで、
温度変化に対するスケール２１〜２３及びワーク１９の
指示精度の変化を予め求めて関数化しておいて、測定値
を補正することにより、温度変化が激しい環境にあって
も、極めて高精度の測定が可能になる。

【００３３】また、上述したようなスケールの支持構成
を採用しない一般的な場合では、スケール、その支持部
材、測定物等の複数の要素の熱的特性を全て勘案した上
で、各温度におけるスケール２１，２２，２３の位置や
指示精度等を予め求めておいて、これをテーブル化して
おいて、補正値として使用すれば良い。

【００３４】監視する温度としては、測定空間内の任意
の位置における温度、測定空間内の１０〜２０個所の位
置における温度の平均値、機械の温度、測定物の温度等
で最も有効なものを予め決めておけばよい。

【００３５】なお、測定座標系の再設定処理は、マスタ
ーボール２０に対する測定を含む実際の測定による測定
座標値の再設定処理の他に、温度に応じてスケール２
１，２２，２３の取付位置変化や寸法変化を考慮した補
正値ＶＸ，ＶＹ，ＶＺを算出し、演算処理によって測定
座標値を再設定するようにしても良い。

【００３６】以下、この補正値ＶＸ，ＶＹ，ＶＺとこれ
を最小化するスケール２１，２２，２３の好ましい固定
位置と、各部材の好ましい熱膨張係数について説明す
る。いま、マスターボール２０の取付位置が任意である
とした場合、スケール２１，２２，２３の固定位置とし
て最も合理的な位置を考慮すると、次のようになる。

【００３７】（１）Ｘ軸スケール２１ 図３に示すように、測定機座標系のＸ軸方向の基準位置
ｘ0からＸ軸スケール２１の固定位置ｘ1までの距離をＬ
１、固定位置ｘ1から実際の測定位置ｘ2までの距離をＬ
Ｘとし、ビーム１４の熱膨張係数をα、スケール２１の
熱膨張係数をβ、定盤１２の熱膨張係数をγとし、基準
温度（２０℃）と現在の温度との温度差をΔＴととする
と、温度差ΔＴのときのＸ軸方向の寸法補正値ＶＸは、
下記数５のように表すことができる。

【００３８】

【数５】ＶＸ＝(ΔＴ・α・Ｌ１)＋(ΔＴ・β・ＬＸ)−[Δ
Ｔ・γ・(Ｌ１＋ＬＸ)]

【００３９】上記数５において、ビーム１４はステンレ
ス、スケール２１はガラス、定盤１２は花崗岩で構成さ
れるものとすれば、それらの熱膨張係数α、β、γは、
それぞれ、

【００４０】

【数６】α＝２３．４×１０^-6／℃ β＝ ８．０×１０^-6／℃ γ＝ ８．０×１０^-6／℃

【００４１】となるので、αがβ、γの約３倍近くにな
る。従って、温度補正値ＶＸを小さくするためには、測
定機座標系の基準位置ｘ0からスケール２１の固定位置
ｘ1までの距離Ｌ１ができるだけ短い方がよい。つま
り、Ｘ軸スケール２１に関しては、図中左端部をビーム
１４に対する固定部２４とし、その他の部分は、ビーム
１４に対して移動可能とするのが望ましい。但し、もし
三次元測定機１の各部の材料の選定によってα＝β＝γ
とすることができるのであれば、Ｘ軸スケール２１の取
付位置に拘わらず、ＶＸ＝０となるので、固定部２４
は、Ｘ軸スケール２１に対して任意の位置とすることが
できる。

【００４２】（２）Ｙ軸スケール２２ また、図４に示すように、測定機座標系のＹ軸方向の基
準位置ｙ0から実際の測定位置ｙ1までの距離をＬＹとす
ると、Ｙ軸方向の寸法補正値ＶＹは、下記数７のように
表すことができる。

【００４３】

【数７】ＶＹ＝(ΔＴ・β・ＬＹ)−(ΔＴ・γ・ＬＹ)

【００４４】ワーク１９は定盤１２のどの位置に載置さ
れるか不明であるが、通常は中心に配置されるものと思
われるので、上記数７より、温度補正値ＶＹを小さくす
るためには、スケール２２の固定位置は定盤１２の中央
部とした方が良い。つまり、Ｙ軸スケール２２に関して
は、その中央部を固定部２５とし、その他の部分は定盤
１２に対して移動可能とするのが望ましい。但し、もし
三次元測定機１の各部の材料の選定によってβ＝γとす
ることができるのであれば、Ｙ軸スケール２２の取付位
置に拘わらず、ＶＹ＝０となるので、固定部２５は、Ｙ
軸スケール２２に対して任意の位置とすることができ
る。

【００４５】（３）Ｚ軸スケール２３ また、図５に示すように、測定機座標系のＺ軸方向の基
準位置（定盤１２の上面位置）ｚ0からビーム１４の位
置ｚ1までの長さをＬ５、ビーム位置ｚ1からＺ軸スケー
ル２３の０点（上端）位置ｚ2までの長さをＬＺ、Ｚ軸
スケール２３の０点位置ｚ2からＺ軸スケール２３の下
端位置ｚ3までのスケール長さをＬＳ、Ｚ軸スケール２
３の下端位置ｚ3から実際の測定位置ｚ4までの距離をＬ
６、測定機座標系の基準位置ｚ0からマスターボール２
０の中心までの距離をＬ７とし、更にビーム支持体１３
ａ，１３ｂ及びスピンドル１７の熱膨張率をビーム１４
の熱膨張率と等しいαとし、プローブ１８及びマスター
ボール２０の熱膨張率をδとすると、Ｚ軸方向の寸法補
正値ＶＺは、次のように表すことができる。

【００４６】

【数８】 Ｚ軸スケール２３を下端で固定とした場合 ＶＺ＝Ｗ＋Ｐ ここで、 Ｗ＝(ΔＴ・α・Ｌ５)−(ΔＴ・δ・Ｌ６)＋(ΔＴ・δ・Ｌ７) Ｐ＝−[ΔＴ・α・(ＬＳ−ＬＺ)]＋[ΔＴ・β・(ＬＳ−ＬＺ)] ＝−ΔＴ・(α−β)・(ＬＳ−ＬＺ)

【００４７】この場合、Ｗは、Ｚ軸スケール２３の固定
位置には関係しない値であり、Ｐは、スケール２３が下
端で固定された場合に特有の値である。そこで、Ｐに着
目すると、ＬＺ＝０のときにＰの最小値−ΔＴ・(α−
β)・ＬＳが得られ、ＬＺ＝ＬＳのときに、最大値０が得
られる。ここで、ΔＴ＝１℃とし、ＬＳを４００mm程度
として前述した数６の数値を用いてＰの取りうる範囲を
求めると、次のようになる。

【００４８】

【数９】−６．１６≦Ｐ≦０

【００４９】

【数１０】 Ｚ軸スケール２３を上端で固定とした場合 ＶＺ＝Ｗ＋Ｑ ここで、 Ｑ＝(ΔＴ・α・ＬＺ)−(ΔＴ・β・ＬＺ)−[ΔＴ・α・(ＬＳ−ＬＺ)] ＝[ΔＴ・(α−β)・ＬＺ]−[ΔＴ・α・(ＬＳ−ＬＺ)]

【００５０】Ｑに着目すると、ＬＺ＝０のときにＱの最
小値−ΔＴ・α・ＬＳが得られ、ＬＺ＝ＬＳのときに、最
大値ΔＴ・(α−β)・ＬＳが得られる。そこで、前述と同
様にＱの取りうる範囲を求めると、

【００５１】

【数１１】−９．３６≦Ｑ≦６．１６

【００５２】

【数１２】 Ｚ軸スケール２３を中央部で固定とした場合 （ａ）ＬＺ≦ＬＳ／２のとき ＶＺ＝Ｗ＋Ｒ１ ここで、 Ｒ１＝−[ΔＴ・α・(ＬＳ／２−ＬＺ)]＋[ΔＴ・β・(ＬＳ／２−ＬＺ)] −(ΔＴ・α・ＬＳ／２) ＝−[ΔＴ・(α−β)・(ＬＳ／２−ＬＺ)]−(ΔＴ・α・ＬＳ／２)

【００５３】Ｒ１に着目すると、ＬＺ＝０のときにＲ１
の最小値−ΔＴ・α・ＬＳ＋ΔＴ・β・ＬＳ／２が得られ、
ＬＺ＝ＬＳ／２のときに、最大値−ΔＴ・(α−β)・ＬＳ
／２が得られる。前述と同様にＲ１の取りうる範囲を求
めると、

【００５４】

【数１３】−７．７６≦Ｒ１≦−４．６８

【００５５】

【数１４】 （ｂ）ＬＺ≧ＬＳ／２のとき ＶＺ＝Ｗ＋Ｒ２ ここで、 Ｒ２＝[ΔＴ・α・(ＬＺ−ＬＳ／２)]−[ΔＴ・β・(ＬＺ−ＬＳ／２)] −[ΔＴ・α・(ＬＳ−ＬＺ)] ＝[ΔＴ・(α−β)・(ＬＺ−ＬＳ／２)]−[(ΔＴ・α・(ＬＳ−ＬＺ)]

【００５６】Ｒ２に着目すると、ＬＺ＝ＬＳ／２のとき
にＲ２の最小値−ΔＴ・α・ＬＳ／２が得られ、ＬＺ＝Ｌ
Ｓのときに、最大値ΔＴ・(α−β)・ＬＳ／２が得られ
る。前述と同様にＲ１の取りうる範囲を求めると、

【００５７】

【数１５】−４．６８≦Ｒ１≦３．０８

【００５８】よって、全体としては、下記数１６のよう
になる。

【００５９】

【数１６】−７．７６≦Ｒ≦３．０８

【００６０】ここで、Ｌ５＝６９５mm、Ｌ６＝４００m
m、ＬＳ＝４００mm、Ｌ７＝１９０mm、α＝２３．４×
１０^-6／℃、δ＝１１．０×１０^-6／℃として、Ｗを求
めると、

【００６１】

【数１７】 Ｗ＝(１×２３．４×６９５−１×１１×４００＋１×１１×１９０)×１０^-6 ＝１３．９５３μｍ

【００６２】となる。従って、この場合のように、α≒
２δであれば、Ｐ，Ｑ又はＲが最小のときにＶＺも最小
になる。また、仮にα＝δ＝２３．４×１０^-6／℃であ
るとした場合でも、Ｗ＝１１．３４９μｍとなるので、
Ｐ，Ｑ又はＲが最小のときにＶＺも最小になる。

【００６３】数値代入時のＰ，Ｑ，Ｒを図示すると、図
９のようになる。図の交点のＬＺは、βＬＳ／α≒１３
７（mm）であり、ＬＳの約１／３であるので、この場合
には、下固定の場合が最も有利である。ちなみに、Ｐと
Ｑを比較すると、

【００６４】

【数１８】 Ｐ−Ｑ＝−[ΔＴ・(α−β)・(ＬＳ−ＬＺ)]−[ΔＴ・(α−β)・ＬＺ] ＋[ΔＴ・α・(ＬＳ−ＬＺ)] ＝ΔＴ・(βＬＳ−αＬＺ)

【００６５】となる。上記のＷと対応させて、ΔＴ＝１
℃とし考えると、α＞βで且つＬＺ≦βＬＳ／αのとき
Ｐ≧Ｑ、ＬＺ＞βＬＳ／αのときＰ＜Ｑであり、図９と
も一致する。以上の点から、 ・α＞２βならばＬＺの大半でＰ＜Ｑ（下固定有利）で
ある。 ・β＜α＜２βならばＬＺの大半でＰ≧Ｑ（上固定有
利）である。 ・α≦βならば常にＰ≧Ｑ（上固定有利）である。

【００６６】これをまとめると、一般的に次のことが言
える。 ・α＞２βならば下固定が有利である。 ・α≦２βならば上固定が有利である。

【００６７】従って、もしα＝βであれば、Ｚ軸スケー
ル２３は、上固定とした方が有利であり、そのときに
は、

【００６８】

【数１９】 ＶＺ＝ΔＴ・α・Ｌ５−[ΔＴ・δ・(Ｌ６−Ｌ７)]−[ΔＴ・α・(ＬＳ−ＬＺ)] ＝ΔＴ・α・(Ｌ５−ＬＳ)−[ΔＴ・δ・(Ｌ６−Ｌ７)]＋ΔＴ・α・ＬＺ

【００６９】となる。上式の右辺第３項のΔＴ・α・ＬＺ
は、ＬＺが０〜ＬＳと変化するときに、０〜ΔＴ・α・Ｌ
Ｓと変化するので、第１項と第２項の和を−ΔＴ・α・Ｌ
Ｓ／２とするのが、Ｚ軸の全範囲を使用する場合に有利
である。このとき、

【００７０】

【数２０】δ／α＝(Ｌ５−ＬＳ／２)／(Ｌ６−Ｌ７)

【００７１】となるδを持つ材料を選定するのが望まし
い。

【００７２】なお、以上は、ＣＮＣ三次元測定システム
にこの発明を適用した例について説明したが、図１０
は、マニュアル型の三次元測定システムにこの発明を適
用した例を示している。この場合、三次元測定機１から
マニュアル操作によって得られたＸＹＺの各方向の変位
情報と温度センサ４からの温度情報とがカウンタ５を介
してホストコンピュータ３に取り込まれる。ホストコン
ピュータ３は、測定環境内に設置した温度センサ４によ
り温度を監視し、温度が変化したと判定された場合に、
オペレータに警告音又は警告表示を与える。そして必要
に応じて測定中断処理を実行する。オペレータは、警告
音又は警告表示がなされたときに、測定を中断して割り
込みの座標系再設定のタスクを起動して、測定座標系の
再設定を行う。以後、設定された新たな座標系により測
定が行われる。このような方法によっても高精度の測定
が可能である。

【００７３】

【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
測定対象の変位を読み取るスケールと、これを支持する
支持手段の熱膨張による測定位置の変動が最も少なくな
るように、スケールが固定手段に固定され、或いは最適
な熱膨張係数の材料が選定されるので、 測定環境内の温度が変動しても、測定誤差を抑制する
ことができ、常に精度の良い測定結果を得ることができ
る、 測定途中で温度変化が大きい実際の測定環境でも、高
精度測定が可能である、 という効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係るＣＮＣ三次元測定シ
ステムを示すブロック図である。

【図２】 同システムにおける三次元測定機の外観斜視
図である。

【図３】 同三次元測定機のＸ軸スケールを示す正面図
である。

【図４】 同三次元測定機のＹ軸スケールを示す上面図
である。

【図５】 同三次元測定機のＺ軸スケールを示す正面図
である。

【図６】 同スケールの支持構造の一例を示す側面図及
び平面図である。

【図７】 同システムの測定処理を示すフローチャート
である。

【図８】 同システムの割り込み座標軸設定タスクを示
すフローチャートである。

【図９】 Ｚ軸スケールの固定位置とＺ軸補正値との関
係を示すグラフである。

【図１０】 本発明の他の実施例に係るマニュアル型三
次元測定システムを示すブロック図である。

【図１１】 三次元測定機における測定座標系の設定処
理を説明する為の図である。

【符号の説明】

１…三次元測定機、２…コントローラ、３…ホストコン
ピュータ、４…温度センサ、５…カウンタ、１２…定
盤、１４…ビーム、１６…コラム、１７…スピンドル、
１８…プローブ、１９…ワーク、２０…マスターボー
ル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 茂呂澤 孝浩 栃木県宇都宮市下栗町2200番地 株式会社 ミツトヨ内 (72)発明者 横溝 信次 栃木県宇都宮市下栗町2200番地 株式会社 ミツトヨ内 (72)発明者 木村 哲郎 栃木県宇都宮市下栗町2200番地 株式会社 ミツトヨ内 Ｆターム(参考） 2F062 AA04 CC03 DD02 DD33 DD36 EE01 EE62 FF05 HH01 HH02 2F069 AA04 AA06 EE02 EE24 EE26 GG01 GG12 GG62 HH01 HH02 HH30 JJ08

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の測定空間内に配置された測定対象
   の変位を、その変位の方向に沿うように支持部材に支持
   されたスケールで読み取ることにより測定する変位測定
   装置において、 前記スケールは、それ自身及び前記支持部材の熱膨張に
   よる測定位置での誤差が最も少なくなる特定の部位で前
   記支持部材に固定され、その他の部位は前記支持部材に
   対して前記変位の方向に移動可能に支持されていること
   を特徴とする変位測定装置。
2. 【請求項２】 互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸から
   なる三次元測定空間が設定され、 ベース面がＸ軸及びＹ軸と平行な水平面と一致するよう
   に配置された、測定対象を載置するベース部材と、 このベース部材に対してＸ軸方向に延びるビーム部材
   と、 このビーム部材を前記ベース部材に対してＹ軸方向に相
   対的に移動させるＹ軸駆動機構と、 前記ビーム部材に支持されてＸ軸方向に移動するコラム
   部材と、 このコラム部材に支持されてＺ軸方向に移動するスピン
   ドル部材と、 このスピンドル部材に取り付けられて前記測定対象の測
   定個所を指示する測定子と、 前記ビーム部材にＸ軸方向に沿って一部のみが固定され
   るように取り付けられて前記ビーム部材に対する前記コ
   ラム部材のＸ軸方向の変位を検出するＸ軸スケールと、 前記ベース部材にＹ軸方向に沿って一部のみが固定され
   るように取り付けられて前記ベース部材に対する前記ビ
   ーム部材のＹ軸方向の変位を検出するＹ軸スケールと、 前記コラム部材又はスピンドル部材にＺ軸に沿って一部
   のみが固定されるように取り付けられて前記コラム部材
   に対する前記スピンドル部材のＺ軸方向の変位を検出す
   るＺ軸スケールとを備えた変位測定装置において、 前記Ｘ軸スケール、Ｙ軸スケール及びＺ軸スケールは、
   熱膨張による測定個所での誤差が最も少なくなる特定の
   部位で固定されていることを特徴とする変位測定装置。
3. 【請求項３】 前記ビームの熱膨張係数をα、前記Ｘ軸
   スケールの熱膨張係数をβ、前記ベース部材の熱膨張係
   数をγとし、α＞β、γであるとき、 前記Ｘ軸スケールは、前記ビーム部材の前記ベース部材
   における支持位置に近い方の端部で前記ビーム部材に固
   定されていることを特徴とする請求項２記載の変位測定
   装置。
4. 【請求項４】 前記ビームの熱膨張係数をα、前記Ｘ軸
   スケールの熱膨張係数をβ、前記ベース部材の熱膨張係
   数をγとし、α＝β＝γであるとき、 前記Ｘ軸スケールは、前記ビーム部材の任意の位置で固
   定されていることを特徴とする請求項２記載の変位測定
   装置。
5. 【請求項５】 前記Ｙ軸スケールは、前記ベース部材の
   中心に近い位置で前記ベース部材に固定されていること
   を特徴とする請求項２〜４のいずれか１項記載の変位測
   定装置。
6. 【請求項６】 前記Ｙ軸スケールの熱膨張係数をβ、前
   記ベース部材の熱膨張係数をγとし、β＝γであると
   き、 前記Ｙ軸スケールは、前記ベース部材の任意の位置で固
   定されていることを特徴とする請求項２又は４記載の変
   位測定装置。
7. 【請求項７】 前記コラム又はスピンドルの熱膨張係数
   をα、前記Ｚ軸スケールの熱膨張係数をβとし、α＞２
   βであるとき、 前記Ｚ軸スケールは、前記コラム又はスピンドルの下端
   部に近い位置で固定されていることを特徴とする請求項
   ２又は３記載の変位測定装置。
8. 【請求項８】 前記コラム又はスピンドルの熱膨張係数
   をα、前記Ｚ軸スケールの熱膨張係数をβとし、α≦２
   βであるとき、 前記Ｚ軸スケールは、前記コラム又はスピンドルの上端
   部に近い位置で固定されていることを特徴とする請求項
   ２又は４記載の変位測定装置。