JP2004117225A

JP2004117225A - 三次元座標計測装置

Info

Publication number: JP2004117225A
Application number: JP2002282106A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Ogura; 小倉　一朗
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-09-27
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2004-04-15

Abstract

【課題】三次元座標計測装置によりマイクロパーツを計測可能なタッチトリガ式プローブは、接触が検出できても接触方向がわからないため、複雑形状を有した測定対象を精度良く検出することが困難であった。
【解決手段】接触検出式プローブ１をｘ、ｙ、ｚ方向に各々移動可能なアクチュエータ３、４、５を備えたプローブ駆動装置６を駆動することにより、三次元空間座標のいずれか２軸からなる平面に垂直で残りの１軸まわりに自由に傾き角が設定可能な平面内で回転させ、測定対象７と接触したときの回転している平面の傾き角θと回転運動の位相ψからプローブに対する接触方向角を検出する。また、プローブ先端球の半径と円運動半径により、プローブが測定対象に接した座標を検出する。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、三次元座標計測装置に用い、被測定物体に接触させるプローブに関し、特にプローブに対する接触方向角を検出することができるようにした三次元座標計測装置用プローブに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
工作物の形状測定装置には三次元座標計測装置（ＣＭＭ）が広く用いられている。これらの三次元座標計測装置には一般的に接触式の測定プローブが採用されている。三次元座標計測装置による形状計測は、ｘ・ｙ・ｚステージを用いてプローブと測定対象の相対位置を変化させ、接触を検出したときのステージ座標を記録することによって行われる。
【０００３】
プローブの先端には通常、適度な半径を有した球が取り付けられている。測定対象がこの先端球に対して十分に大きい場合、形状データは接触検出座標で表現することができる。しかしながら高い測定精度が必要な場合や微小部品を測定する場合は、検出した座標からプローブ先端球の影響を取り除く必要がある。たとえば穴の内径の測定を行うときは、＋方向の検出座標に先端球の半径値を加え、一方向の検出座標からこれを差し引くことによって接触検出座標を修正し、内径値を求めている。
【０００４】
３次元空間において任意の傾斜角を有しているような形状を測定する場合、接触検出座標の修正はより複雑になる。このときは、プローブに対する接触方向角度を同時に測定する必要がある。
【０００５】
測定対象への接触方向角度は図９に示すような測定面の法線ベクトルに等しくなる。測定点Ｐにおける法線ベクトルｎはｚ−ｘ平面をｚ軸まわりにθ回転させた平面（以下ｚ−θ平面と呼ぶ）内で角度ψの向きを持っている。法線ベクトルの向きはこの２つの角度で定義できる。
【０００６】
従来の三次元座標計測装置では、スキャニング式プローブを用いることでこの法線ベクトルの向き、したがって接触方向角を求めることが可能である。スキャニング式プローブは接触検出用にｘ・ｙ・ｚ３軸の差動トランスを備えており、接触反力が各軸に分解されて検出される。原理的に３軸の各成分が法線ベクトルの各成分に一致する。
ｘ＝Ａ_ｘｃｏｓωｔ＝Ａｃｏｓθｃｏｓωｔ
ｙ＝Ａ_ｙｃｏｓωｔ＝Ａｓｉｎθｃｏｓωｔ
【０００７】
なお、プローブを振動させて変位を測定する三次元座標測定装置としては、下記の特許文献１が存在する。
【０００８】
【特許文献１】
特開平７−２４３８４６号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような三次元座標計測装置を用い、近年の微細加工技術の発達によりサブミリメートルのオーダーに達しているマイクロパーツの形状を測定する場合、プローブもそれにあわせてマイクロ化することが要求されている。このようなマイクロプローブでは、測定力が微小であることも重要である。３軸にわたって差動トランスを必要とする従来のスキャニング式では微小な測定力を精度良く検出する装置を作製することは極めて困難である。
【００１０】
一方、電気導通検出方法に代表されるタッチトリガ式プローブは簡便で検出力を小さくとることができる。しかしこの方法では接触が検出できても接触方向がわからないため、複雑形状を有した測定対象を精度良く測定することは難しい。
【００１１】
このような現状に鑑み、本発明は方向性を持たない接触検出式プローブを用いて測定対象との接触を検出する時に接触方向も同時に検出する手段を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる三次元座標計測装置は、物体の表面に接触させるプローブと、前記プローブを測定対象に接離し、且つ任意の平面内で回転駆動するプローブ駆動手段と、プローブが測定対象と接触した状態を検出するプローブ接触検出手段とを備え、前記プローブ駆動手段は、前記プローブを三次元空間座標のいずれか２軸からなる平面に垂直で、残りの１軸まわりに自由に傾き角が設定可能な平面内で回転駆動し、前記接触検出手段は、前記プローブが測定対象と接触したときの回転している平面の傾き角と回転運動の位相から、プローブに対する接触方向角を検出するようにしたものであり、それにより、あらゆるタッチトリガ式接触プローブに接触と同時に接触方向の検出の能力を持たせることができ、形状計測の精度をこれまで以上に高めることが可能となる。
【００１３】
更に、前記三次元座標計測装置における前記プローブ接触検出手段は、プローブ先端球の半径と円運動半径の値により、プローブが測定対象に接した座標を検出することができるようにし、また、前記三次元座標計測装置における前記プローブ駆動手段は、プローブが測定対象に接触する前から作動し、前記接触検出手段で接触検出迄、プローブのステージ送りを行うようにしたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明による三次元座標計測装置のプローブを用いて形状測定を行う概要図を図１に示している。同図において、接触式プローブ１が、ｘ、ｙ、ｚの各軸方向に沿って駆動する３つのアクチュエータ３、４、５からなるプローブ駆動装置６の先に取り付けられている。接触式プローブ１の先端には半径ｒのプローブ先端球２が取り付けられている。このプローブ先端球２が測定対象７に接触すると接触信号が発生する。
【００１５】
この三次元座標計測装置の測定原理は次のとおりである。
まずｘ、ｙのアクチュエータを
ｘ＝Ａ_ｘｃｏｓωｔ＝Ａｃｏｓθｃｏｓωｔ
ｙ＝Ａ_ｙｃｏｓωｔ＝Ａｓｉｎθｃｏｓωｔ
のような同位相の単振動で駆動すると、プローブは図２に示すようにｘ軸からθ傾いた直線上で振幅Ａの単振動を行う。ここでωは単振動の角周波数、ｔは時間である。角度θはｘ、ｙに与える単振動の振幅によって任意に設定することができる。
【００１６】
この状態でさらにｚ方向にｘ、ｙとはπ／２位相のずれた単振動、すなわち
ｚ＝Ａｓｉｎωｔ
を加えると、プローブは図３のように、ｚ−θ平内で半径Ａの回転運動を行う。
【００１７】
この状態で各座標値が検出できるｘ、ｙ、ｚステージを用いて、プローブと測定対象を接近させる。プローブが測定対象に接触したときの様子を図４（ａ）（ｂ）に示す。図４（ａ）はｘ−ｙ平面を紙面として見たものであり、図４（ｂ）はｚ−θ平面を紙面としたものである。プローブ先端球は図中のプローブ軌跡に沿って回転運動する。図４（ｂ）においてプローブと測定対象が重なる所で接触信号が検出される。実際にはプローブもしくは測定対象はこの重なりに応じて発生する測定力によって変形している。
【００１８】
接触がプローブ回転運動の一部で生じるため、接触信号は図５に示すように間欠信号となる。接触信号が生じる時間幅Δｔはプローブが測定対象と接触している時間を意味する。
【００１９】
接触を確認した後ｘ、ｙ、ｚステージを停止し、座標値を取得する。そのままｘ、ｙアクチュエータの単振動の振幅を変化させ、図６に示すようにｚ−θ面をｚ軸まわりにθ_１〜θ_２の範囲でスキャンさせる。プローブ軌跡の描く円盤が測定対象と重なる部分は、円盤が測定対象に対して垂直のときに最大となる。このときΔｔも最大となる。よってΔｔが最大になるスキャン角度を求めると測定対象の法線ベクトルθが検出できることになる。
【００２０】
接触測定力を微小化するため、図６のスキャン動作をプローブが測定対象に接触する前から行うことも考えられる。ある地点でθ_１〜θ_２のスキャンを行い、接触信号が検出されなければ、次の地点にステージを送る動作を繰り返す。スキャン中いずれかの角度で接触信号が検出されたときの座標値が接触点であり、そのスキャン角度が法線ベクトルのθとなる。
【００２１】
前記のようにθ角度検出がなされたｚ−θ面回転運動において、ｚ方向のアクチュエータ単振動と接触信号を比較すると図７の用になる。ここで接触信号の立ち上がり点と立ち下り点の中点がアクチュエータの単振動において位置する位相は、測定対象の法線ベクトルのｚ−θ面内角度ψに相当する。
【００２２】
以上によって測定対象の３次元空間における法線ベクトルの向きを定めることが可能となる。プローブ先端球の半径と円運動半径の値を用いて、プローブが測定対象に接した厳密な測定座標を求めることができる。
【００２３】
ここではｘ、ｙ　のアクチュエータに同相の単振動を加えたがこれをｙ、ｚとし、ｘにπ／２位相のずれた単振動を与えると、スキャンする面が図８に示すようにｘ−η平面になるモードとなる。ここでηはｙ、ｚのアクチュエータによる単振動がｙ−ｚ平面においてｙ軸に対して持つ傾きの角度である。同様にアクチュエータをｚ、ｘとｙの組にしたモードも考えられる。これらのモードはたとえばｘ−ｙ平面に近い傾斜を持つ面を測定する場合に有効である。
【００２４】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成したので、方向性を持たないあらゆる接触検出式プローブを用いて、測定対象との接触を検出する時に同時に接触方向も同時に検出することが可能となり、マイクロスケールの部材の計測に際しても形状計測の精度をこれまで以上に高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の測定状態を示す概要図である。
【図２】ｘ、ｙアクチュエータによってプローブがｘ−ｙ平面内に単振動する状態を示す説明図である。
【図３】図２のｘ−ｙ平面内単振動に、ｚ方向の単振動を加えることにより、プローブがｚ−θ平面内に回転運動する状態を示す説明図である。
【図４】プローブが測定対象に接触している状態を示す説明図である。
【図５】プローブの接触によって検出される信号の模式図である。
【図６】ｚ−θ平面をスキャンしている状態を示す説明図である。
【図７】ｚ軸のアクチュエータと接触信号の関係を示した説明図である。
【図８】ｙ、ｚアクチュエータに同相単振動を与え、ｘアクチュエータにπ／２位相のずれた単振動を与えた場合のプローブ軌跡を示した説明図である。
【図９】三次元座標計測装置における測定対象の面法線ベクトルを示す説明図である。
【符号の説明】
１　接触式プローブ
２　プローブ先端球
３、４、５　アクチュエータ
６　プローブ駆動装置
７　測定対象

Claims

物体の表面に接触させるプローブと、
前記プローブを測定対象に接離し、且つ任意の平面内で回転駆動するプローブ駆動手段と、
プローブが測定対象と接触した状態を検出するプローブ接触検出手段とを備え、
前記プローブ駆動手段は、前記プローブを三次元空間座標のいずれか２軸からなる平面に垂直で、残りの１軸まわりに自由に傾き角が設定可能な平面内で回転駆動し、
前記接触検出手段は、前記プローブが測定対象と接触したときの回転している平面の傾き角と回転運動の位相から、プローブに対する接触方向角を検出することを特徴とする三次元座標計測装置。
前記プローブ接触検出手段は、プローブ先端球の半径と円運動半径の値により、プローブが測定対象に接した座標を検出することを特徴とする請求項１記載の三次元座標計測装置。
前記プローブ駆動手段は、プローブが測定対象に接触する前から作動し、前記接触検出手段で接触検出迄、プローブのステージ送りを行うことを特徴とする請求項１記載の三次元座標計測装置。