JP2010044039A - 計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 オイルミストや塵などの付着から装置を保護して測定精度の劣化を防止し、加工機械のそばでも測定が行える計測装置を提供すること。
【解決手段】被検物Ｍの形状を測定する計測装置であって、前記被検物Ｍの形状情報を採取する検出手段（形状センサ２０、投影ユニット２１、撮像ユニット２２）と、前記計測部の周囲に気体流を形成する気体流形成手段（エアーポンプ３０、エアーホース３１、エアーダクト２１ｄ、２２ｃ）とを備え、気体流形成手段は、帯電した不活性ガスを前記気体流形成手段に供給される気体に前記気体の流れに略直交又は逆らう方向から吹き付けて、前記不純物を帯電させる帯電機構（不活性ガス供給部４７、イオン化ガス発生部４８、導入路４１）と、前記帯電させた不純物の帯電極性とは、逆の極性に帯電させた集塵機構（網目部材４２）とを有した集塵手段４０を備え、前記集塵手段を介して前記検出手段の外界の雰囲気よりも不純物の少ない気体を流して、前記検出手段を前記雰囲気から隔てる気体流形成手段である。
【選択図】 図１

Description

本発明は被検物の３次元形状を測定する計測装置に関する。

被検物の３次元形状を測定する計測装置として、例えば基盤上に水平一方向に移動するＸステージとこれと直交する水平他方向に移動するＹステージからなる移動テーブルを設け、また基盤上に垂直方向に移動するＺステージにセンサヘッドを設けて、このセンサヘッドに移動テーブル上に載置された被検物に向けて測定光を発する光源と被検物から反射した測定光の反射光画像を取得するテレビカメラを内蔵した装置が提案されている（特許文献１）。

上記装置では、被検物に対して測定光源から測定光を照射し、被検物から反射する測定光の反射光画像を、測定光が照射される方向とは異なる方向からテレビカメラで観察し、反射光画像中の測定光の形状と、光源の位置と、テレビカメラの位置とから、被検物の３次元形状を非接触で測定する。
特開平１１−１２５５０８号公報

この種の計測装置は、通常、被検物（機械加工物）を機械加工する旋盤などから離れた場所、例えば測定室内に設置されている。機械加工後に一旦被検物を加工現場から測定室に持ち込み、測定を行い、測定結果から再度機械加工が必要な場合には被検物を加工現場に戻している。

このように被検物を加工現場と測定室との間で行き来することは時間の大きなロスにつながり、生産性の向上などの観点から被検物の加工現場（旋盤のすぐそば）で測定を行うことが提案されている。

しかし、加工現場では切削屑や切削油などが塵やオイルミストとして飛び散っていることから、これらオイルミストなどから計測装置を保護するために遮蔽する必要がある。また、計測装置の周囲に遮蔽物を設置したとしてもオイルミストや塵などが計測装置の心臓部である測定光源やテレビカメラに付着することがある。

オイルミストや塵などの装置心臓部（測定光源やテレビカメラなどの直接計測にかかわる部位）への付着を放置しておくと、被検物への測定光の照射量の変化（減少）やテレビカメラに入射する反射光量の変化（減少）などが起こり、これに起因して測定精度が劣化する課題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、オイルミストや塵などの付着から装置を保護して測定精度の劣化を防止し、加工機械のそばでも測定が行える計測装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の請求項１に記載の計測装置は、被検物の形状を測定する計測装置であって、前記被検物の形状情報を採取する検出手段と、前記検出手段の周囲に気体流を形成する気体流形成手段とを備え、前記気体流形成手段は、帯電した不活性ガスを前記気体流形成手段に供給される気体に前記気体の流れに略直交又は逆らう方向から吹き付けて、前記不純物を帯電させる帯電機構と、前記帯電させた不純物の帯電極性とは、逆の極性に帯電させた集塵機構とを有した集塵手段を備え、前記集塵手段を介して前記検出手段の外界の雰囲気よりも不純物の少ない気体を流して、前記検出手段を前記雰囲気から隔てる気体流形成手段であることを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の計測装置は、請求項１に記載の計測装置において、前記集塵機構は、前記帯電させた不純物を含む気体の流路を囲む網目構造を有し、該網目に引き寄せられた前記帯電した不活性ガス及び不純物を吸引排気することを特徴とする。

本発明の請求項３に記載の計測装置は、請求項１または２に記載の計測装置において、前記検出手段は光学系を備え、前記気体流は前記光学系から射出した光の光路に沿って該光学系を構成する光学部品を囲むように形成されることを特徴とする。

本発明の請求項４に記載の計測装置は、請求項３に記載の計測装置において、前記光学系は、前記被検物に光を照射する照明部と、該光の照射によって前記被検物から反射する反射光を検出する受光部とを備えることを特徴とする。

本発明の請求項５に記載の計測装置は、請求項３に記載の計測装置において、前記光学系は、前記被検物から反射する反射光を検出する受光部を備えていることを特徴とする。

本発明の請求項６に記載の計測装置は、請求項１または２に記載の計測装置において、前記検出手段は前記被検物に接触する測定子を備え、前記気体流は前記測定子を囲むように形成されることを特徴とする。

本発明の請求項７に記載の計測装置は、請求項１から６のいずれか１項に記載の計測装置において、前記気体流形成手段は、前記検出手段の前記被検物が載置された方向に向けて面した領域の外周部に設けられ、前記気体流を形成する気体を噴出する射出口を備えていることを特徴とする。

本発明の請求項８に記載の計測装置は、請求項１から６のいずれか１項に記載の計測装置において、前記気体流は、該気体流と前記気体流形成部と前記検出手段を支持する支持部材とによって前記検出手段の周囲を取り囲む閉じ空間を形成することを特徴とする。

本発明によれば、オイルミストや塵などの付着から装置を保護して測定精度の劣化を防止し、加工機械のそばでも測定が行える。

以下本発明の計測装置の一実施形態について図１乃至図６を参照して説明する。

本発明の計測装置は被検物の３次元形状を計測する装置で、塵やオイルミストが浮遊する雰囲気の中、例えば旋盤のそばに設置される。

図１は本発明の計測装置の一実施形態を示す概略図である。

本実施形態の計測装置には、被検物Ｍの形状情報を採取する検出手段としての形状センサ２０を装備した計測装置本体１０と、形状センサ２０の周囲に気体流を形成する気体流形成手段を構成するエアーポンプ３０と、エアーポンプ３０から形状センサ２０に供給される気体を浄化する集塵手段４０が設けられている。エアーポンプ３０は、その駆動時に発生する振動が計測装置本体１０に伝わるのを可及的に少なくするため、計測装置本体１０を設置した床１１の該計測装置本体１０から離して設置される。

計測装置本体１０は、床１１に設置された除振台１２上にベース１３を配置し、このベース１３上にＸステージ１４とＹステージ１５とＺステージ１６とを配置して構成されている。

除振台１２は、エアーポンプ３０で発生して床１１を通じてベース１３に伝わる振動の殆どを吸収する装置である。したがって、計測装置本体１０はエアーポンプ３０が発生する振動の影響を殆ど受けることがない。

Ｘステージ１４は、被検物Ｍを載置する機構で、載置した被検物Ｍをベース１３上で水平一方向（図１の矢印Ｘ方向参照）に平行移動させる。

Ｙステージ１５は、ベース１３上でＸステージ１４と直交する水平他方向（図１の矢印Ｙ方向参照）に移動する水平部分１５ａと、この水平部分１５ａ上に垂直に起立して設けられた垂直部分１５ｂとを有している。この垂直部分１５ｂにはＺステージ１６が移動可能に支持されている。

Ｚステージ１６は、Ｙステージ１５の垂直部分１５ｂに沿いベース１３に対して垂直方向（図１の矢印Ｚ方向参照）に移動可能な基部１６ａと、この基部１６ａからベース１３に対して平行に延びるアーム部１６ｂとを有している。アーム部１６ｂの先端部には被検物Ｍと対向するようにして形状センサ２０が取り付けられる。

形状センサ２０は、Ｙステージ１５とＺステージ１６によってベース１３に対して水平方向（矢印Ｙ方向）及び垂直方向（矢印Ｚ方向）に移動可能である。形状センサ２０は、被検物Ｍの形状を光切断法によって計測する装置で、図２に示すように、測定光を被検物Ｍに投影する投影ユニット２１と、被検物Ｍからの反射光を受光し、被検物Ｍの測定光が照射された位置を撮像する撮像ユニット２２とを有する。図４に示すように、これらユニット２１，２２を支持する筐体２０ａの内部には、各ユニット２１，２２に設けられた気体流供給部２０ｂを有する。なお、この筐体２０ａに前述のアーム部１６ｂが接続されている。

投影ユニット２１と撮像ユニット２２には、それらの周囲にそれぞれ設けた上述の気体流供給部２０ｂに接続されたエアーホース３１を介してクリーンエアー（計測装置本体１０が設置されている雰囲気に含まれるオイルミストや塵などの不純物が雰囲気よりも少ないエアー）が集塵手段４０から供給される。

図１（ｂ）は、集塵手段４０の概略構成を示す断面図である。この図１（ｂ）に示すように、クリーンエアーはエアーポンプ３０から集塵手段４０を介して供給される。そして、集塵手段４０は、エアーポンプ３０で捕捉されたエアーに混在している不純物やエアーポンプ３０内で発生する不純物を取り除いている。

集塵手段４０は、エアーポンプ３０から供給される気体が導かれる導入口４９と、導入口４９に導入された気体を通過させる導入路４１と、その導入路４１に連結され、帯電された不活性ガスを導入路４１に供給するイオン化ガス発生部４８と、導入路４１の放出口５０側に設置された網目部材４２と、網目部材４２で引き寄せられた不純物を捕捉する不純物回収部４３と、排気口４４とを備えている。

この集塵手段４０は、エアーポンプ３０から供給される空気中に含まれる不純物を帯電させる帯電機構と、前記帯電させた不純物の帯電極性とは、逆の極性に帯電させた集塵機構とを有し、該集塵機構により前記帯電させた不純物を引き寄せる。

帯電機構は、不活性ガス供給部４７とイオン化ガス発生部４８からなり、イオン化ガス発生部４８で帯電された不活性ガスをエアーポンプ３０から供給される気体の流れに対して、略直交する方向から逆らう方向の間の方向に導入路４１に流すことで不純物への帯電が効率的になされる。図１の（ｂ）に図示しているように、本実施の形態では、図中右から左へ流れるエアーポンプ３０から供給される気体の流れに対して、図中右下から左上へ流れるようにイオン化ガス発生部４８からの帯電された不活性ガスを導入路４１に供給している。このように不純物を取り除く気体の流れに対して、略直交する方向から逆らう方向に掛けて、帯電された不活性ガスを流すことで、帯電された不活性ガスとエアーポンプ３０から供給される気体との間で攪拌作用が起こりやすくなり、エアーポンプ３０から供給される気体へ帯電された不活性ガスからの電荷の転移を起こりやすくしている。それゆえ、不純物の帯電効率が良くなる。

不活性ガス供給部４７は、一定圧力で不活性ガスをイオン化ガス発生部４８に供給している。

イオン化ガス発生部４８は図示していない放電電極が備えられている。また、イオン化ガス発生部４８は高周波電源４６から高周波電力の供給を受けている。イオン化ガス発生部４８は、高周波電力によりその内部で放電が行われ、供給された不活性ガスを電離させる。そして、電離された不活性ガスを導入路４１に供給する。このようにして、帯電した不活性ガスを前記気体に含まれる不純物に吹き付けて不純物を帯電させる。

また、集塵機構は網目部材４２と不純物回収部４３からなり、網目部材４２で引き寄せられた前記帯電した不活性ガス及び不純物を吸引排気し、不純物回収部４３で気体から不純物を分離する。

網目部材４２は、直流電源４５により帯電された不純物の逆の極性に帯電されている。網目部材４２は導入路４１を囲むように形成されている。これにより、帯電された不純物を漏れ少なく捕捉することができる。また排気口44は不図示の吸引ポンプに接続されているので、網目部材４２で引き寄せられた不純物や不活性ガスは不純物回収部４３に回収される。この不純物回収部４３にはフィルターや遠心分離部を備えており、気体と不純物を分離し、気体から不純物を取り除く。

一方、網目部材４２で引き寄せられなかった気体は、そのまま放出口５０に向かい、放出口５０に接続されたエアーホース３１に不純物の少ないクリーンエアーが供給される。

このように集塵手段４０では、不純物への帯電効率が向上し、かつ帯電した不純物の回収効率も良くなるので、集塵手段４０から供給されるクリーンエアーの浄化度が向上する。

エアーホース３１は弾性に富むゴムで構成され、自在に曲げられ、また、エアーポンプ３０が発生する振動を吸収する。

投影ユニット２１には、図３及び図４に示すように、レーザー発光素子２１ａと投影レンズ２１ｂとスリット２１ｃとエアーダクト２１ｄとが設けられている。レーザー発光素子２１ａは、レーザー光を放射する発光素子で、このレーザー光は投影レンズ２１ｂによってコリメートされる。コリメートされたレーザー光は、スリット２１ｃを通り抜けて、シート状の測定光に整形され、被検物Ｍに向かう。エアーダクト２１ｄは、スリット２１ｃと投影レンズ２１ｂとの周囲（投影ユニット２１の被検物Ｍが載置された方向に該当する領域以外の外周部）に投影レンズ２１ｂの光軸を中心に周方向に均等な間隔で複数配置された、クリーンエアーの射出口である。

投影ユニット２１にエアーホース３１を介して送り込まれたクリーンエアーは、図４に示すように、投影ユニット２１内に形成した気体流供給部２０ｂを通って複数のエアーダクト２１ｄから吹き出る。これらのエアーダクト２１ｄは、投影レンズ２１ｂの光軸に向かって僅かながら傾いていて、その光軸を中心に放射状に配置されているので、エアーダクト２１ｄから吹き出るクリーンエアーは、スリット２１ｃから射出した測定光に沿って流れ、投影レンズから離れた位置で他のエアーダクト２１ｄからのクリーンエアーとぶつかり合う。このとき、クリーンエアーはスリット２１ｃが設けられた面を底面とする円錐状の気体流の層（エアーカーテン 図４の点線で囲んだ部位）を形成するので、投影ユニット２１の周囲の雰囲気は、このクリーンエアーの気体流の層（エアーカーテン）やエアーダクト２１ｄと筐体２０ａに阻まれて、このエアーカーテンと筐体２０ａとで囲まれた内部の空間に入りにくくなっている。従って、この雰囲気中に浮遊する粉塵やオイルミストはスリット２１ｃと投影レンズ２１ｂに近づくことが困難である。スリット２１ｃの開口部と投影レンズ２１ｂの表面は常にクリーンエアーに曝されていて、曇りが発生するほどの塵やオイルミストの付着がない。

それ故、光量を増やさなくとも被検物Ｍの形状を計測する精度を常に高く維持することができる。

被検物Ｍに到達した測定光は、被検物Ｍの表面で反射して、その一部の反射光が撮像ユニット２２に向かう。

撮像ユニット２２には、図５及び図６に示すように、撮像レンズ２２ａと撮像素子２２ｂとエアーダクト２２ｃとが設けられている。撮像レンズ２２ａは、被検物Ｍの像を撮像素子２２ｂ上に結像するレンズで、撮像素子２２ｂは撮像レンズ２２ａが結像する像を画像データに光電変換する素子である。撮像ユニット２２（撮像素子２２ｂ）から出力される画像データは、図示しない計測回路によって、当該到達位置情報や各ステージの位置情報、測定光の射出方向に基づいて、被検物Ｍの形状を現す形状データに変換された後、ＣＡＤなどの装置に出力される。エアーダクト２２ｃは、撮像レンズ２２ａの周囲（撮像ユニット２２の被検物Ｍが載置された方向に向けて面した領域の外周部）に設けられ、撮像レンズ２２ａの光軸を中心に周方向に均等な間隔で複数配置されている。ここからクリーンエアーが射出される。

撮像ユニット２２にエアーホース３１を介して送り込まれたクリーンエアーは、図６に示すように、筐体２０ａ内に形成した気体流供給部２０ｂを通って複数のエアーダクト２２ｃから吹き出る。これらのエアーダクト２２ｃは、撮影レンズ２２ａの光軸に向かって僅かながら傾いていて、この光軸を中心に放射状に配置されているので、エアーダクト２２ｃから吹き出るクリーンエアーは、撮像レンズ２２ａの光軸に沿って流れ、撮影レンズ２２ａから離れた位置で他のエアーダクト２２ｃからのクリーンエアーとぶつかり合う。このとき、クリーンエアーは撮像レンズ２２ａの外周から発した気体流の層（エアーカーテン 図６の点線で囲んだ部位）を形成するので、撮像ユニット２２の周囲の雰囲気は、このクリーンエアーの気体流（エアーカーテン）やエアーダクト２２ｃや筐体２０ａに阻まれて、このエアーカーテンの内部の空間に入り難くなっている。従って、この雰囲気中に浮遊する塵やオイルミストは、撮像レンズ２２ａに近づくことが困難である。撮像レンズ２２ａの表面は常にクリーンエアーに曝されていて、塵やオイルミストによって曇ることがない。

それ故、長時間形状測定を行っても被検物Ｍの形状を計測する精度を常に高く維持することができる。また、被検物Ｍの入れ替えのために、防汚部材を開閉するなどの特別の操作も必要ないので、取り扱いが容易となる。

上述したように本実施形態の計測装置は、投影ユニット２１と撮像ユニット２２とがエアーポンプ３０からのクリーンエアーによって形成されるエアーカーテンにより計測装置本体１０が設置されている雰囲気から隔離することが出来ることから、測定精度の劣化について留意する必要がなく計測装置本体１０を旋盤などの金属加工機械のそばに設置することが可能となり、加工後の被検物Ｍを加工機械の設置場所から離れた箇所にある測定室で計測するために加工機械の設置場所と測定室との間を行き来する必要がなく、生産性を向上させることが可能となる。

本発明は上記実施形態で示したものに限定されるものではない。例えば被検物Ｍの形状情報を採取する検出手段として投影ユニット２１と撮像ユニット２２とからなる形状センサ２０について説明したが、例えば被検物Ｍから反射する反射光を検出する受光部としての撮像ユニット２２のみを備えたものであってもよい。また、形状センサ２０のように非接触で被検物Ｍの形状情報を採取する他に、被検物Ｍに接触してその形状情報を採取する測定子（プローブ）などでもよい。この場合、測定子の周囲にその軸線方向に沿って気体流を形成する。

また、各エアーダクトから射出したクリーンエアーどうしがぶつかるように気体流の方向を設定しているが、これ以外にも、エアーダクトから吹き出たクリーンエアーが被検物Ｍや被検物Ｍを載置するステージまで到達するようにし、気体流と、各ユニットの筐体と、ステージ又は被検物Ｍとで計測装置が置かれた周囲の雰囲気と隔てられているようにしてもよい。

また、クリーンエアーを計測装置が置かれた雰囲気から採取するのではなく、異なる雰囲気、例えば旋盤などが置かれた建屋の外の雰囲気から採取した方が好ましい。このようにすることで集塵手段を介すことで、さらにクリーンエアーの浄化度を容易に向上することができる。

また、気体流は、更に形状センサ２０の光学系が設けられている部分だけに形成するのではなく、筐体２０ａ側にも形成すると、更に形状センサ２０への汚れの付着が難しくなり、汚染を防ぐことができる。

本発明の計測装置の一実施形態を示す概略図(a)と、集塵手段４０の一実施形態を示す概略図(ｂ)である。 図１の計測装置に装備される形状センサの概略図である。 図２の形状センサを構成する投影ユニットの正面図である。 図３のＢ−Ｂ´線に沿った縦断面図である。 図２の形状センサを構成する撮像ユニットの正面図である。 図３のＡ−Ａ´線に沿った縦断面図である。

符号の説明

１０ 計測装置本体
１１ 床
１２ 除振台
１３ ベース
１４ Ｘステージ
１５ Ｙステージ
１６ Ｚステージ
２０ 形状センサ
２１ 投影ユニット
２２ 撮像ユニット
３０ エアーポンプ
４０ 集塵手段

Claims (8)

1. 被検物の形状を測定する計測装置であって、
   前記被検物の形状情報を採取する検出手段と、
   前記検出手段の周囲に気体流を形成する気体流形成手段とを備え、
   前記気体流形成手段は、帯電した不活性ガスを前記気体流形成手段に供給される気体に前記気体の流れに略直交又は逆らう方向から吹き付けて、前記不純物を帯電させる帯電機構と、前記帯電させた不純物の帯電極性とは、逆の極性に帯電させた集塵機構とを有した集塵手段を備え、前記集塵手段を介して前記検出手段の外界の雰囲気よりも不純物の少ない気体を流して、前記検出手段を前記雰囲気から隔てる気体流形成手段であることを特徴とする計測装置。
2. 請求項１に記載の計測装置において、
   前記集塵機構は、前記帯電させた不純物を含む気体の流路を囲む網目構造を有し、該網目に引き寄せられた前記帯電した不活性ガス及び不純物を吸引排気することを特徴とする計測装置。
3. 請求項１または２に記載の計測装置において、
   前記検出手段は光学系を備え、
   前記気体流は前記光学系から射出した光の光路に沿って該光学系を構成する光学部品を囲むように形成されることを特徴とする計測装置。
4. 請求項３に記載の計測装置において、
   前記光学系は、前記被検物に光を照射する照明部と、該光の照射によって前記被検物から反射する反射光を検出する受光部とを備えることを特徴とする計測装置。
5. 請求項３に記載の計測装置において、
   前記光学系は、前記被検物から反射する反射光を検出する受光部を備えていることを特徴とする計測装置。
6. 請求項１または２に記載の計測装置において、
   前記検出手段は前記被検物に接触する測定子を備え、
   前記気体流は前記測定子を囲むように形成されることを特徴とする計測装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の計測装置において、
   前記気体流形成手段は、前記検出手段の前記被検物が載置された方向に向けて面した領域の外周部に設けられ、前記気体流を形成する気体を噴出する射出口を備えていることを特徴とする計測装置。
8. 請求項１から６のいずれか１項に記載の計測装置において、
   前記気体流は、該気体流と前記気体流形成部と前記検出手段を支持する支持部材とによって前記検出手段の周囲を取り囲む閉じ空間を形成することを特徴とする計測装置。