JP2009250665A - 計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 被検物の計測時に要する計測時間を短縮する。
【解決手段】 被検物を保持するとともに、被検物を識別する際に用いられる識別部が備えられた保持部材と、被検物の形状を測定するとともに、保持部材に保持された識別部の形状を測定する測定手段と、被検物の形状を示す第１形状データが複数記憶された記憶手段と、測定された識別部の形状に基づいて、記憶手段に記憶された複数の第１形状データから、測定手段によって測定された識別部の測定データに対応する第１形状データを読み出す読出手段と、読出手段によって読み出された第１形状データに基づいて、被検物の測定時における測定手段の測定動作を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図６

Description

本発明は、被検物の三次元形状を非接触で測定する計測装置に関するもので、特に、被検物の自動測定に関するものである。

従来、被検物の三次元形状を非接触で測定する計測装置が考案されている。この計測装置は、治具を介して被検物が固定されたベースと、被検物を測定する形状センサーとを備えており、ベース又は形状センサーの何れか一方をベースの上面に平行な方向、又はベースの上面に直交する方向に移動させながら、ベースに固定された被検物の三次元形状を計測している。
特開平１１−１２５５０８号公報

しかしながら、このような計測装置においては、被検物の計測前に被検物の概略形状を装置自体で自動的に識別することができないため、オペレータが事前に図面等を用いて被検物の形状を示す形状データを被検物の計測前に入力し、入力された形状データを用いて被検物の形状を自動的に計測している。このため、被検物の設計データを入力する作業に手間がかかり、１つの被検物に対する計測時間が長くなるという問題がある。

本発明は、上述した課題を解決するために発明されたものであり、被検物の計測時に要する計測時間を短縮することができるようにした計測装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、被検物を保持するとともに、前記被検物を識別する際に用いられる識別部が備えられた保持部材と、前記被検物の形状を測定するとともに、前記保持部材に保持された前記識別部の形状を測定する測定手段と、前記被検物の形状を示す第１形状データが複数記憶された記憶手段と、前記測定された前記識別部の形状に基づいて、前記記憶手段に記憶された複数の第１形状データから、前記測定手段によって測定された前記識別部の測定データに対応する第１形状データを読み出す読出手段と、前記読出手段によって読み出された前記第１形状データに基づいて、前記被検物の測定時における前記測定手段の測定動作を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記識別部の形状を示す第２形状データと前記被検物に対して割り当てられた識別番号とが対応付けられたテーブルデータを備えるとともに、前記記憶手段に記憶される前記複数の第１形状データは、前記識別番号とそれぞれ対応付けられており、前記読出手段は、前記識別部の測定データと前記テーブルデータとから前記被検物の識別番号を特定し、特定された識別番号に対応する第１形状データを読み出すことを特徴とする。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記保持部材は、前記被検物の形状に合わせた保持凹部を備えており、前記識別部は、前記保持凹部に合わせた形状からなることを特徴とする。

第４の発明は、第３の発明において、前記識別部は、前記保持凹部に固有に対応する凹凸形状からなることを特徴とする。また、第５の発明は、第３の発明において、前記識別部は、少なくとも球体の一部を用いることで形成されていることを特徴とする。

第６の発明は、第１〜第５の発明のいずれかにおいて、前記制御手段は、前記読出手段によって読み出された前記第１形状データに基づいて、前記被検物の測定時における前記測定手段の移動経路を決めることを特徴とする。

本発明によれば、治具に設けられた識別部の形状を計測するだけで、被検物の形状を示す第１形状データを読み出すことができる。この第１形状データを読み出すことで、被検物の形状を測定する際の測定手段の測定動作の駆動制御を容易に行わせることができ、結果的に被検物の形状を計測する際の計測時間を従来よりも短縮することができる。

図１及び図２は、本実施形態の計測装置の構成を示す概略図である。この計測装置１０は、被検物３５の立体形状を計測する装置である。この計測装置１０は、ベース１５、形状センサー１６、ＸＹステージ１７及びＺステージ１８を備えている。ベース１５は除振台１９を介して床面に保持される。このベース１５は、その上面（以下、試料面）１５ａの所定位置に被検物３５が保持された治具２５が載置される。

形状センサー１６は、後述する治具２５に設けられた識別マーク３０の形状や被検物３５の形状を非接触で測定する。なお、形状を非接触で測定する方法としては、光切断法が挙げられる。なお、光切断法については、周知であることから、ここではその詳細を省略する。

この形状センサー１６は、Ｚステージ１８に設けられている。この形状センサー１６は、照明部２１及び撮像部２２を備えた構成からなる。照明部２１は、治具２５に設けられた識別マーク３０や被検物３５に向けてスリット状のパターン光（以下、スリット光と称する）を照射する。撮像部２２は、識別マーク３０や被検物３５により反射されたスリット光を受光することで映像信号を取得する。

ＸＹステージ１７は、ベース１５の試料面１５ａ上に設けられている。このＸＹステージ１７は、後述するＸ軸駆動機構４２によりＸ軸方向（以下では、ｘ方向と称する）に、Ｙ軸駆動機構４３によりＹ軸方向（以下では、ｙ方向と称する）にそれぞれ移動する。このＸＹステージ１７のｘ方向又はｙ方向の移動に合わせて、形状センサー１６もｘ方向又はｙ方向に移動する。

Ｚステージ１８は、ＸＹステージ１７に設けられ、後述するＺ軸駆動機構４４により、Ｚ軸方向（以下では、ｚ方向と称する）に移動する。このＺステージ１８のｚ方向の移動に供って、形状センサー１６もｚ方向に移動する。

図３に示すように、ベース１５の試料面１５ａに載置される治具２５は、その上面の略中央に保持凹部２６が設けられている。この保持凹部２６は、保持する被検物３５の形状に合わせた凹部からなり、この保持凹部２６に被検物３５を嵌合させることで、被検物３５が治具２５に安定して保持される。なお、この計測装置１０で計測される被検物３５は複数あることから、これら被検物３５に合わせた保持凹部２６を有する治具２５が複数用意されている。

治具２５は、その上面に識別マーク３０を備えている。この識別マーク３０は、治具２５に保持された被検物３５を識別するために設けられている。なお、治具２５に設けられる識別マーク３０は、いずれの治具２５をベース１５の試料面１５ａ上に固定した場合であっても、治具２５の種類に関係なくベース１５上において同位置となるように、それぞれの治具２５に設けられている。以下では、治具２５において、識別マーク３０が設けられる領域２７を、配置領域２７と称して説明する。

図４（ａ）、（ｂ）に示すように、識別マーク３０は、凹凸形状からなる。本実施形態では、識別マーク３０を凹凸形状とする例として、複数の識別ブロック３１を配置する場合について説明する。識別マーク３０は、例えば高さが同一となる矩形の識別ブロック３１を、治具２５の上面２５ａに設けられた配置領域２７に、例えば最大横３個縦３個の計９個配置することで形成される。つまり、識別マーク３０の測定により、識別ブロック３１の有無（或いは凹凸状態）が測定される。この識別マーク３０として配置される識別ブロック３１の配置状態は、治具２５に設けられた保持凹部２６の形状に対応付けられており、識別ブロック３１の配置状態を保持凹部２６の形状に対応付けることで、結果的に治具２５に保持される被検物３５の形状を識別することができる。また、この識別マーク３０を治具２５にそれぞれ形成することで、例えばバーコードなどを治具２５に貼付したときに生じるバーコードのはがれや逸脱を防止することができる。また、バーコードを被検物３５に貼付することで生じる汚れを防止することができる。

なお、識別ブロック３１は、高さが同一である必要はなく、各マス目に配置される識別ブロック３１の高さをそれぞれ異なるようにしてもよい。また、識別マーク３１は、凹凸形状とすればよいことから識別ブロック３１を配置することで識別マーク３０を形成する他に、治具２５の上面２５ａに深さの異なる凹部を複数設けることで識別マークとすることも可能である。

また、識別マーク３０は、例えば最大数である９個の識別ブロック３１を配置したときに、横３個縦３個、つまり３×３のマトリクス状に配置されるようにしているが、これに限定される必要はなく、全ての識別ブロック３１を配置したときに、配置された識別ブロック３１がライン状に配置されることで識別マーク３０が形成されるようにしてもよい。

図５は、計測装置１０の電気的構成を示す機能ブロック図である。この計測装置１０は、ＣＰＵ４０を備えており、このＣＰＵ４０によって、計測装置１０の各部が統括的に制御される。

ステージ駆動回路４１は、ＸＹステージ１７及びＺステージ１８の動作を制御する。ＸＹステージ１７は、Ｘ軸駆動機構４２及びＹ軸駆動機構４３を備えており、ステージ駆動回路４１は、これらの駆動機構の少なくともいずれか一方を駆動制御することで、ＸＹステージ１７をｘ方向、又はｙ方向に移動させる。また、Ｚステージ１８は、Ｚ軸駆動機構４４を備えており、ステージ駆動回路４１は、Ｚ軸駆動機構４４を駆動制御することで、Ｚステージ１８をｚ方向に移動させる。なお、Ｘ軸駆動機構４２、Ｙ軸駆動機構４３及びＺ軸駆動機構４４の構成は、それぞれ省略するが、例えばモータ及び複数のギヤからなる機構や、モータ、プーリ及びベルトからなる機構などが挙げられる。

このステージ駆動回路４１は、上述したＸ軸駆動機構４２、Ｙ軸駆動機構４３或いはＺ軸駆動機構４４の駆動制御を実行したときに、ＸＹステージ１７又はＺステージ１８の位置情報を、後述する形状計測回路４７に出力する。

照明回路４５は、形状センサー１６の照明部２１の制御を行う。形状センサー１６の照明部２１の制御としては、上述したスリット光のオン・オフの制御の他に、スリット光の光量調節の制御などが挙げられる。

撮像回路４６は、形状センサー１６の撮像部２２から出力される映像信号を被検物３５の形状を表す点群データに変換する。なお、この点群データは、形状計測回路４７に出力される。

形状計測回路４７は、入力される位置情報と、撮像回路４６から出力された点群データとから、識別マーク３０の測定データ、又は被検物３５の測定データを作成する。例えば識別マーク３０の測定データを作成した場合には、該測定データを形状識別回路４８に出力する。一方、被検物３５の測定データを作成した場合には、該測定データをＣＰＵ４０に出力する。

形状識別回路４８は、形状計測回路４７から出力された測定データから識別マーク３０を識別する。詳細には、上述した測定データを用いて、識別マーク３０を構成する識別ブロック３１の配置状態（識別ブロック３１の有無等）を識別する。この識別結果はＣＰＵ４０に出力される。

テーブルデータ４９は、識別マーク３０における識別ブロック３１の配置状態と、被検物３５を特定するために被検物３５に割り当てられる被検物番号とが、それぞれ対応付けられたデータである。なお、被検物番号とは、被検物３５を識別するために割り振られるものであり、例えば英数字を組み合わせた識別番号からなる。ＣＰＵ４０は、形状識別回路４８から識別マーク３０を識別した結果が入力されたときに、このテーブルデータ４９を参照して、被検物３５の被検物番号を読み出す。

設計値記憶部５０は、被検物３５の形状を示す形状データ５１が複数記憶されている。この形状データ５１としては、例えば被検物３５を製造する際に作成された図面データなどが挙げられ、それぞれの形状データ５１に対して被検物番号が対応付けられている。ＣＰＵ４０は、識別した結果を用いて被検物３５の被検物番号を特定した後、設計値記憶部５０に記憶された複数の形状データ５１から、特定された被検物番号に対応する形状データ５１を読み出す。なお、この設計値記憶部５０としては、ＲＡＭ等のメモリや、データベースなどが挙げられる。

表示部５２は、設計値記憶部５０から読み出された形状データ５１から割り出される形状を表示する他に、形状センサー１６によって測定された被検物３５の形状を表示する。操作部５３は、被検物３５の測定を行う際の測定位置や測定範囲を入力する場合や、計測を開始させる場合に操作される。

次に、計測装置１０における被検物３５の計測時の処理の流れを図６のフローチャートに基づいて説明する。オペレータが被検物３５を治具２５に保持させた状態でベース１５の試料面１５ａに固定した後、操作部５３により計測開始の操作を実行すると、ステップＳ１０１の処理が開始される。

ステップＳ１０１は、識別マーク３０を測定する処理である。上述したように、ベース１５に被検物３５が保持された治具２５を固定すると、治具２５の上面２５ａに設けられた識別マーク３０はベース１５に対して所定位置に保持されていることから、ＣＰＵ４０は、ステージ駆動回路４１を介してＸ軸駆動機構４２、Ｙ軸駆動機構４３或いはＺ軸駆動機構４４のいずれかの駆動機構を駆動させてＸＹステージ１７及びＺステージ１８を移動させる。これにより、形状センサー１６が図示しない初期位置から識別マーク３０の測定を開始する位置に向けて移動する。

形状センサー１６が識別マーク３０の形状の測定を開始する位置まで移動すると、ＣＰＵ４０は、ステージ駆動回路４１を介してＹ軸駆動機構４３のみを駆動してＸＹステージ１７をｙ方向に移動させる。この移動に合わせて、ＣＰＵ４０は、照明回路４５を介して照明部２１を制御する。つまり、照明部２１からのスリット光が識別マーク３０に向けて照射される。これにより、形状センサー１６がｙ方向に移動しながら、識別マーク３０の形状が測定されていく。

なお、形状センサー１６による識別マーク３０の形状の測定の際に、形状センサー１６による撮像部２２によって識別マーク３０によって反射したスリット光が受光される。このスリット光を受光することで、撮像部２２によって映像信号が取得され、撮像回路４６に順次出力される。撮像回路４６は、映像信号を点群信号に変換した後、形状計測回路４７に出力する。

また、上述したように、ステージ駆動回路４１は、各駆動機構を駆動制御したときに、ＸＹステージ１７及びＺステージ１８の位置情報を形状計測回路４７に出力している。上述した点群信号と位置情報とがそれぞれ形状計測回路４７に入力されることで、識別マーク３０の測定データを作成する。これにより、形状センサー１６を被検物３５の測定だけでなく、識別マーク３０の形状を測定することにも兼用できるので、装置構成を複雑にすることが防止できる。

なお、識別マーク３０の形状の測定が終わると、照明回路４５は、形状センサー１６の照明部２１を制御して、スリット光の照射を停止する。また、同時に、ステージ駆動回路４１は、測定が終了した位置で形状センサー１６を停止させる、又は形状センサー１６を初期位置まで移動させる。

ステップＳ１０２は、測定データを用いて識別マーク３０を識別する処理である。測定データは、識別マーク３０を構成する識別ブロック３１の配置状態を示すデータであることから、この測定データを用いて、識別マーク３０における各識別ブロック３１の配置状態を識別する。この識別マーク３０の識別結果は、ＣＰＵ４０に出力される。

ステップＳ１０３は、被検物３５の被検物番号を読み出す処理である。ステップＳ１０２において、識別マーク３０の識別結果がＣＰＵ４０に出力されていることから、ＣＰＵ４０はテーブルデータ４９を参照して、識別結果に対応した被検物３５の被検物番号を読み出す。

ステップＳ１０４は、読み出された被検物３５の被検物番号が１つ、又は複数あるかを判定する処理である。このステップＳ１０４において、特定された被検物３５の被検物番号が１つの場合（フローチャート中Ｙｅｓとなる場合）には、ステップＳ１０６に進む。一方、特定された被検物３５の被検物番号が複数となる場合（フローチャート中Ｎｏとなる場合）には、ステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０５は、ステップＳ１０４において、被検物３５の被検物番号が複数となる場合に実行される処理であり、詳細には、表示された複数の被検物３５の被検物番号から１つの被検物番号が選択される処理である。ステップＳ１０３の処理において複数の被検物３５の被検物番号が特定されると、これら特定された被検物番号が表示部５２に表示されるので、オペレータは、操作部５３を操作して、表示された複数の被検物３５の被検物番号から、計測を行う被検物３５の被検物番号を選択する。なお、実際に計測する被検物３５の被検物番号は紙面等に印刷された図面等によりわかっていることから、表示された被検物３５の被検物番号から、計測する被検物３５の被検物番号を選択すればよい。これにより、例えば識別マーク３０にゴミや汚れが付着し、識別マーク３０が誤認識された場合等に対処することができる。

ステップＳ１０６は、被検物３５の被検物番号に対応する形状データ５１を読み出す処理である。ここでの被検物番号とは、ステップＳ１０３の処理を実行することで読み出された１つの被検物番号、又は、ステップＳ１０５の処理で選択された被検物番号のいずれかである。設計値記憶部５０には、被検物３５の形状データ５１が複数格納されていることから、被検物３５の被検物番号に該当する形状データ５１を読み出す。これにより、識別マーク３０の形状から被検物３５の形状データ５１を読み出すことができるので、図面等を用いて被検物３５の形状データをオペレータが入力する時間を省略することができるので、１回の測定動作にかかる時間を短縮することができる。

ステップＳ１０７は、読み出された形状データ５１に基づいた形状を表示部５２に表示する処理である。

ステップＳ１０８は、被検物３５の形状を測定する位置（以下、測定位置と称す）と範囲（以下、測定範囲と称す）とを入力する処理である。このステップＳ１０８の処理においては、オペレータが操作部５３を介して、被検物３５の測定位置と測定範囲とを入力する。なお、測定位置と測定範囲の入力は、例えばＸＹＺ座標で入力することが好ましい。

ステップＳ１０９は、設計値記憶部５０から読み出された形状データ５１と、入力された測定位置及び測定範囲とから、被検物３５の形状を測定する際の形状センサー１６の移動経路を算出する。

ステップＳ１１０は、被検物３５の形状を測定する処理である。この被検物３５の形状を測定する際には、ステップＳ１１０により算出された移動経路に沿って形状センサー１６が移動する。この移動の際に、入力された測定位置と測定範囲とに基づいて被検物３５の形状が測定される。つまり、入力された測定位置に形状センサー１６が移動してきたときに、発光部２１によるスリット光の照射、及び撮像部２２による、反射したスリット光の受光が実行される。そして、入力された測定位置まで、被検物３５の形状が測定されると、形状センサー１６による被検物３５の計測が終了し、形状センサー１６が初期位置まで移動する。なお、この測定の際に、撮像部２２によって撮像された映像信号は撮像回路４６に出力されており、撮像回路４６によって点群データに変換される。この変換された点群データは形状計測回路４７に出力され、ステージ駆動回路４１から出力された位置情報と関連付けられた測定データが作成される。なお、作成された測定データは、ＣＰＵ４０に出力される。

このように識別マーク３０の形状から形状センサー１６の移動経路を算出することから、形状センサー１６による被検物３５の形状の測定の際に、形状センサー１６が被検物３５と干渉することを防ぐことができる。

ステップＳ１１１は、作成された測定データを表示する処理である。被検物３５を計測することで得られた測定データを用いた表示を行うことで、オペレータは被検物３５の形状を認識することができる。

本実施形態では、同一の被検物において、複数箇所を測定する場合については述べていないが、被検物の形状計測においては、複雑な形状の被検物の複数箇所を測定したり、同一の被検物において異なる領域を測定する場合など、被検物の保持状態（被検物の向き等）を変えて測定を行うことがある。このようなときには、被検物における複数の保持状態に合わせた保持凹部をそれぞれ備えた複数の治具を用いる必要がある。このように被検物の向きを変えて測定を行う際に用いる治具に対しては、同じ被検物であっても異なる識別マークとすることが好ましい。

なお、本実施形態では、被検物の形状を計測する計測装置について説明したが、これに限定される必要はなく、本実地形態に挙げた被検物を計測する機能を備えた形状検査装置としてもよい。この場合、図５に示す機能ブロック図や、図６に示すフローチャートに、被検物の測定データと被検物の形状を示す形状データとを比較判定する機能を追加すればよい。

本実施形態では、識別マークとして矩形の識別ブロックをマトリクス状に配置する形態としているが、これに限定される必要はなく、図７に示すように、例えば球体６１、又は球体の一部を配置領域２７に配置することで識別マーク６０とすることも可能である。この場合、配置される球体６１の配置状態だけでなく、配置される球体６１、又は球体の一部の中心位置を利用して被検物の形状を示す被検物番号を特定させることが可能となる。つまり、球体、又は球体の一部を用いた識別マークの場合、球体の一部を計測できれば、球体の中心位置を求めることができることから、矩形の識別ブロックを並べた識別マークよりも容易に、また正確に識別マークの測定を行うことができる。

計測装置の構成一例を示す斜視図である。 計測装置の構成の一例を示す正面図である。 被検物及び被検物が保持される治具の形状の一例を示す斜視図である。 識別マークの構成を示す斜視図及び正面図である。 計測装置の電気的構成の一例を示す機能ブロック図である。 被検物の測定を行う流れを示すフローチャートである。 複数の球体を並べることで形成される識別マークを示す斜視図である。

符号の説明

１０…計測装置、１６…形状センサー、２５…治具、２６…保持凹部、３０…識別マーク、３１…識別ブロック、３５…被検物、４０…ＣＰＵ、４９…テーブルデータ、５０…設計値記憶部

Claims (6)

1. 被検物を保持するとともに、前記被検物を識別する際に用いられる識別部が備えられた保持部材と、
   前記被検物の形状を測定するとともに、前記保持部材に保持された前記識別部の形状を測定する測定手段と、
   前記被検物の形状を示す第１形状データが複数記憶された記憶手段と、
   前記測定された前記識別部の形状に基づいて、前記記憶手段に記憶された複数の第１形状データから、前記測定手段によって測定された前記識別部の測定データに対応する第１形状データを読み出す読出手段と、
   前記読出手段によって読み出された前記第１形状データに基づいて、前記被検物の測定時における前記測定手段の測定動作を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする計測装置。
2. 請求項１記載の計測装置において、
   前記識別部の形状を示す第２形状データと前記被検物に対して割り当てられた識別番号とが対応付けられたテーブルデータを備えるとともに、前記記憶手段に記憶される前記複数の第１形状データは、前記識別番号とそれぞれ対応付けられており、
   前記読出手段は、前記識別部の測定データと前記テーブルデータとから前記被検物の識別番号を特定し、特定された識別番号に対応する第１形状データを読み出すことを特徴とする計測装置。
3. 請求項１又は２記載の計測装置において、
   前記保持部材は、前記被検物の形状に合わせた保持凹部を備えており、
   前記識別部は、前記保持凹部に合わせた形状からなることを特徴とする計測装置。
4. 請求項３記載の計測装置において、
   前記識別部は、前記保持凹部に固有に対応する凹凸形状からなることを特徴とする計測装置。
5. 請求項３記載の計測装置において、
   前記識別部は、少なくとも球体の一部を用いることで形成されていることを特徴とする計測装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の計測装置において、
   前記制御手段は、前記読出手段によって読み出された前記第１形状データに基づいて、前記被検物の測定時における前記測定手段の移動経路を決めることを特徴とする計測装置。

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