JP2010169633A

JP2010169633A - 形状測定装置

Info

Publication number: JP2010169633A
Application number: JP2009014500A
Authority: JP
Inventors: Norio Tsuburaya; 寛夫圓谷; Fusao Shimizu; 房生清水; Yasuo Suzuki; 康夫鈴木; Haruhiko Fujisawa; 晴彦藤澤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2009-01-26
Filing date: 2009-01-26
Publication date: 2010-08-05

Abstract

【課題】高い測定精度を有する形状測定装置を提供する。
【解決手段】形状測定装置１００は、被測定物体１５の形状を測定して測定値を出力するプローブ１２と、所定の空間内でプローブ１２を移動させる移動機構部であるアーム部１１に、プローブ１２を着脱する取付部１６と、空間内におけるプローブ１２の空間座標を測定する空間座標測定部３０と、プローブ１２により測定された被測定物体１５の測定値を、空間座標測定部３０により測定されたプローブ１２の空間座標により補正する制御部２０，５０と、を有して構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、形状測定装置に関する。

近年、ロボットアームや多関節アームなどの先端に、角度検出器やレーザエンコーダなどの種々の非接触センサ（以下、「プローブ」と称する）を装着して、被測定物体の三次元形状などを測定する形状測定装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許２７６４４８５号公報

しかしながら、このロボットアームや多関節アームのように、回転機構を組み合わせた構造では、回転機構の回転誤差や機械的なガタが原因で、プローブの空間座標を正確に取得することが困難となるため、被測定物体の高精度な測定ができないという課題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、例えばロボットアーム等の先端の位置（空間座標）を高精度に測定可能な空間座標測定部を備えることにより、被測定物体の形状測定を高精度に行える形状測定装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る形状測定装置は、被測定物体の形状を測定して測定値を出力するプローブと、所定の空間内でプローブを移動させる移動機構部に、プローブを着脱する取付部と、この空間内におけるプローブの空間座標を測定する空間座標測定部と、プローブにより測定された被測定物体の測定値を、空間座標測定部により測定されたプローブの空間座標により補正する制御部と、を有する。

このような形状測定装置において、空間座標測定部は、プローブに設けられたマーカと、空間内に所定の間隔を有して配置された２以上の光学ユニットであって、光源、この光源からの光を集光してマーカに照射する集光レンズ、及び、マーカからの反射光を検出する受光部を有する光学ユニットと、光学ユニットが反射光を検出可能となるように駆動する駆動部と、光学ユニットの向きによりプローブの空間座標を算出する制御部と、を有することが好ましい。

このとき、光学ユニットは、移動機構部の基端部が取り付けられた基台と一体的に設けられていることが好ましい。

あるいは、このような形状測定装置において、空間座標測定部は、プローブに設けられ、信号を発信する基準信号発信器と、空間内の所定の位置に配置され、信号を受信する複数の受信部と、受信部で受信された信号により、プローブの空間座標を算出する制御部と、を有することが好ましい。

あるいは、このような形状測定装置において、空間座標測定部は、空間内の所定の位置に配置され、信号を発信する複数の基準信号発信器と、プローブに設けられ、信号を受信する受信部と、この受信部で受信された信号により、プローブの空間座標を算出する制御部と、を有することが好ましい。

あるいは、このような形状測定装置において、移動機構部は、複数のアームとこのアームを揺動自在に接続する関節部とから構成され、空間座標測定部は、関節部の少なくとも１つを揺動中心としてアームの基端部に対する先端部の移動方向及び移動量を検出する角速度検出器と、角速度検出器の検出値に基づいて、移動機構部の先端に取り付けられたプローブの空間座標を算出する制御部と、を有することが好ましい。

本発明に係る形状測定装置を以上のように構成すると、目標物（プローブ）の空間座標を正確に測定することができ、これにより被測定物体の形状を高精度に測定することができる。

第１の実施形態に係る形状測定装置の構成を示す説明図である。第２の実施形態に係る形状測定装置の構成を示す説明図である。第３の実施形態に係る形状測定装置の構成を示す説明図である。第４の実施形態に係る形状測定装置の構成を示す説明図である。第５の実施形態に係る形状測定装置の構成を示す説明図である。

（第１の実施形態）
以下、空間座標測定部を備えた形状測定装置の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図１を用いて第１の実施形態に係る形状測定装置１００の構成について説明する。この形状測定装置１００は、被測定物体１５の形状を測定する形状測定部１０と、この形状測定部１０の作動を制御するための制御部２０と、形状測定部１０の基準となる位置（以下、「基準部」と呼ぶ）の空間座標を測定するための空間座標測定部３０と、この空間座標測定部３０の作動を制御するための制御部５０とから構成される。また、各制御部２０，５０は、互いに情報の授受を行うことで、形状測定部１０により測定された被測定物体１５の測定値を、空間座標測定部３０により測定された形状測定部１０におけるプローブ２の基準部の空間座標により補正して、被測定物体１５の形状の高精度な測定を可能としている。なおここで、空間座標は、形状測定装置１００において予め決められた位置を原点とする座標である（以降の説明においても同様である）。

形状測定部１０は、複数の関節部１４を有する多関節構造の移動機構部（以下、「アーム部１１」と呼ぶ）と、このアーム部１１の先端部に対して、取付部１６により着脱可能に取り付けられたプローブ１２と、アーム部１１の基端部が取り付けられた基台１３と、を有して構成される。このアーム部１１の動作や、プローブ１２による被測定物体１５の測定は、制御部２０により制御され、また、プローブ１２から出力される被測定物体１５の測定値も、制御部２０により処理される。被測定物体１５の測定の際に、この被測定物体１５の形状や測定位置に応じて、アーム部１１を駆動してプローブ１２による形状測定を行う。このプローブ１２による被測定物体１５の測定方法は、明視野画像を取得してコンピュータ解析により形状を測定する方法や、光切断・縞投影位相シフト・ステレオ画像等による三角測量方法、若しくは、干渉法等を用いることができる。例えば、被測定物体１５にレーザ光を照射し、その反射光を受光することで被測定物体１５の形状を測定することができる（以降の説明においても同様である）。

空間座標測定部３０は、形状測定部１０のプローブ１２に設けたマーカ（上述の基準部）３１と、このマーカ３１に向けてレーザビームを照射し、反射した反射光を受光することにより、マーカ３１の空間座標を測定する一組の光学ユニット（レーザトラッカー）３２ａ，３２ｂ（本発明の測定手段）とを備えて構成される。この光学ユニット３２ａ，３２ｂの動作等は、前述のように制御部５０により制御される。

光学ユニット３２ａ，３２ｂは、それぞれ、マーカ３１に向けてレーザビームを射出するレーザ光源３３ａ，３３ｂと、レーザビームの光路上に設けられたハーフミラー３５ａ，３５ｂ及びこのハーフミラー３５ａ，３５ｂを透過したレーザビームをマーカ３１上に集光する集光レンズ３４ａ，３４ｂと、マーカ３１で反射して、集光レンズ３４ａ，３４ｂを透過したレーザービーム（反射光）のうち、ハーフミラー３５ａ，３５ｂで反射されたレーザビームを受光する受光部としての撮像素子３６ａ，３６ｂ（例えば、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなど）と、を有している。また、アーム部１１の動きに応じて位置が変化するマーカ３１に対して光学ユニット３２ａ，３２ｂを（反射されたレーザビームを検出できるように）追跡させるように、駆動部３７ａ，３７ｂを備え、この駆動部３７ａ，３７ｂにより光学ユニット３２ａ，３２ｂの向きなどを変えることができ、この光学ユニット３２ａ，３２ｂの移動量（向き）は、図示しないエンコーダなどで測定して、その測定データをもとに制御部５０がマーカ３１の空間座標を算出する。なお、マーカ３１は、プローブ１２に設けられ、レーザビームの照射ターゲットとなるものであれば何れのものであっても良く、その形状も平面であっても球面であっても良い。

それでは、このような形状測定装置１００を用いた被測定物体１５の形状測定の手順を説明する。まず、空間座標測定部３０側では、一組の光学ユニット３２ａ，３２ｂからマーカ３１に向けてレーザビームが照射される。マーカ３１からの反射光が撮像素子３６ａ，３６ｂにより受光され、各撮像素子３６ａ，３６ｂで得られた２つの画像を基に、形状測定部１０におけるプローブ１２の位置（空間座標）や姿勢を測定することができる。このような構成とすることにより、形状測定部１０による形状測定の際に、アーム部１１の作動によりプローブ１２がいずれの位置に移動しても、空間座標測定部３０によりこのプローブ１２の位置等を正確に取得することができる。なお、基準測長部材を複数配置し、基準測長部材からの反射光とマーカ３１からの反射光との干渉を利用してマーカ３１の変位を求めてもよい。また、マーカ３１として複数のコーナーキューブプリズムを用いることができる。

形状測定部１０側では、制御部２０の制御により、アーム部１１を操作してプローブ１２を被測定物体１５に沿って移動させ、当該被測定物体１５の表面を走査することによりこの被測定物体１５の形状に関する測定値を得る。このとき、アーム部１１のガタなどにより、この測定値に誤差が生じることがあるが、本実施形態では、空間座標測定部３０により高精度に測定されたプローブ１２の空間座標を基に、制御部２０または制御部５０が、形状測定部１０で測定された被測定物体１５の形状に関する測定値を補正する。具体的には、関節部１４に内蔵されたエンコーダ等から取得された回転量から算出されるプローブ１２の位置（空間座標）と、空間座標測定部３０で測定されたプローブ１２の空間座標とを比較して、その差に基づいて形状測定部１０で測定された測定値を補正する。これにより、形状測定装置１００での被測定物体１５の形状測定を、高精度に行うことができる。

（第２の実施形態）
次に、図２を用いて第２の実施形態に係る形状測定装置２００について説明する。図２に示すように、この第２の実施形態に係る形状測定装置２００の基本構成は、第１の実施形態と同様の構成を有しており、形状測定部１０と、制御部２０と、形状測定部１０に設けられた基準部の空間座標を測定するための空間座標測定部２３０と、制御部５０と、を有して構成される。また、形状測定部１０の構成も、第１の実施形態と同様で、基台１３、複数の関節部１４を有する多関節構造のアーム部１１、及び、取付部１６によりアーム部１１の先端部に着脱可能なプローブ１２を有して構成される。

空間座標測定部２３０は、形状測定部１０のプローブ１２に設けられた基準信号発信器（上述の基準部に相当する）２３７と、この基準信号発信器２３７から発信された信号を受信する複数の受信部（本実施の形態では３つの受信部２３８ａ，２３８ｂ，２３８ｃを設けた場合を示している）と、を有して構成される。なお、これらの受信部２３８ａ〜２３８ｃは、この形状測定装置２００を囲むように、例えば、この形状測定装置２００を覆うケースの側面等に取り付けられる。また、この基準信号発信器２３７及び受信部２３８ａ〜２３８ｃの動作等は、制御部５０により制御される。このように、第２の実施形態では、プローブ１２に設けた基準信号発信器２３７からの信号を複数の受信部２３８ａ〜２３８ｃにより受信することで、当該プローブ１２の空間座標を、高精度に測定することができ、この測定値を基に、制御部２０または制御部５０により形状測定部１０での被測定物体１５の測定値を補正して、形状測定を高精度に行うことができる。補正方法は、第１の実施形態と同様である。

なお、基準信号発信器２３７は、受信部２３８に対して、信号を発信して、この信号に基づいてプローブ１２の空間座標を測定することができるものであれば、何れのものであってもよく、例えば、レーザビームや電波等の電磁波を用いることができる。なお、被測定物体１５の形状測定時にアーム部１１が移動することにより、基準信号発信器２３７と受信部２３８ａ〜２３８ｃとの経路上にアーム部１１などの障害物が移動し、信号が遮断されるのを防止するため、例えば、基準信号発信器２３７としてＸ線発生装置を用いることもできる。すなわち、アーム部１１などの障害物をＸ線が透過して、受信部２３８により確実に信号を受信することができる。なお、障害物を透過しないような信号であっても、基準信号発信器２３７を囲むように多数の受信部２３８を配置することにより、アーム部１１がいずれの姿勢となっていても、少なくとも複数の受信部２３８で信号を受信することができ、プローブ１２の空間座標の測定を、より高精度に行うことができる。

（第３の実施形態）
次に、図３を用いて第３の実施形態に係る形状測定装置３００について説明する。図３に示すように、この第３の実施形態に係る形状測定装置３００の基本構成は、第１の実施形態と同様の構成をしており、形状測定部１０と、制御部２０と、空間座標を測定するための空間座標測定部３３０と、制御部５０と、を有して構成される。また、形状測定部１０の構成も、第１の実施形態と同様で、基台１３、複数の間接部１４を有する多関節構造のアーム部１１、及び、取付部１６によりアーム部１１の先端部に着脱可能なプローブ１２を有して構成される。

空間座標測定部３３０は、形状測定部１０を構成するアーム部１１の関節部１４に設けられた複数の角速度検出器３３９（図３においては、３つの角速度検出器３３９ｂ〜３３９ｄ）から構成される。なお、本第３の実施形態では、アーム部１１の先端部（関節部１４ｄ）を上述の基準部としている。また、アーム部１１は、３つのアーム１１ａ，１１ｂ，１１ｃと、各アーム１１ａ〜１１ｃ及びプローブ１２を回動可能に接続する４つの関節部１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄを有し、これらの関節部１４のうち、３つの関節部１４ｂ〜１４ｄに、それぞれ角速度検出器３３９ｂ〜３３９ｄを設けている。また、各角速度検出器３３９ｂ〜３３９ｄから出力される情報（測定値）は、制御部５０に入力される。そのため、制御部５０は、角速度検出器３３９ｂの測定値により、アーム部１１の基端部、すなわち、関節部１４ａから見た（関節部１４ａを回転軸とした）関節部１４ｂの移動方向及び移動量を取得でき、これらの測定値から、この関節部１４ｂの空間座標を取得することができる。同様に、角速度検出器３３９ｃの測定値により、関節部１４ｂから見た関節部１４ｃの移動方向及び移動量を取得でき、これらの測定値から、この関節部１４ｃの空間座標を取得することができ、角速度検出器３３９ｄの測定値から、関節部１４ｃから見た関節部１４ｄの移動方向及び移動量を取得でき、これらの測定値から、この関節部１４ｄの空間座標を取得することができ、結果として、アーム部１１の先端部に取り付けられたプローブ１２の正確な空間座標を高精度に取得することができる。そして、このプローブ１２の空間座標の測定値を基に、形状測定部１０での被測定物体１５の測定値を補正することで、形状測定装置３００での形状測定を高精度に行うことができる。補正方法は、第１の実施形態と同様である。また、角速度検出器３３９ｄで検出される角速度を、関節部１４ａ〜１４ｄを中心とする角速度として解析することにより簡易的にプローブ１２の変位を求めることもできる。また、角速度検出器３３９ｄとしてお互いに直交する３軸回りの角速度を検出できる角速度検出器を用いることによりプローブ１２の変位をより正確に求めることができる。

なお、角速度検出器としては、例えば、ジャイロスコープを用いることができ、このジャイロスコープの軸（コマ軸）を関節部１４の回転軸に一致するように配置することにより、正確な測定を行うことができる。また、角速度検出器に限らず、角加速度検出器を用いても良い。

（第４の実施形態）
次に、図４を用いて第４の実施形態に係る形状測定装置４００について説明する。図４に示すように、この第４の実施形態に係る形状測定装置４００の基本構成は、第１の実施形態と同様の構成をしており、形状測定部１０と、制御部２０と、形状測定部１０に設けられた基準部の空間座標を測定するための空間座標測定部４３０と、制御部５０と、を有して構成される。また、形状測定部１０の構成も、第１の実施形態と同様で、基台１３、複数の関節部１４を有する多関節構造のアーム部１１、及び、取付部１６によりアーム部１１の先端部に着脱可能なプローブ１２を有して構成される。

空間座標測定部４３０は、形状測定部１０のプローブ１２に取り付けられた受信器（上述の基準部に相当する）４３２と、形状測定部１０の外周に複数配置され、受信器４３２に対して信号を発信する基準信号発信器（本実施の形態では３つの基準信号発信器４３１ａ，４３１ｂ，４３１ｃを設けた場合を示している）と、を有して構成される。なお、これらの基準信号発信器４３１ａ〜４３１ｃは、この形状測定装置４００を囲むように、例えば、この形状測定装置４００を覆うケースの側面等に取り付けられる。そして、これらの基準信号発信器４３１ａ〜４３１ｃからの信号を受信器４３２が受信することにより、制御部５０は、例えば、受信した信号の位相の差からプローブ１２の空間座標を測定することができる。この測定値を基に制御部２０または制御部５０により、形状測定部１０での被測定物体１５の測定値を補正して、形状測定を高精度に行うことができる。補正方法は、第１の実施形態と同様である。

なお、基準信号発信器４３１ａ〜４３１ｃは、受信部４３２に対して、信号を発信して、この信号に基づいてプローブ１２の空間座標を測定することができるものであれば、何れのものであってもよく、例えば、レーザビームや電波等の電磁波を用いることができる。なお、被測定物体１５の形状測定時にアーム部１１が移動することにより、基準信号発信器４３１ａ〜４３１ｃと受信部４３２との経路上にアーム部１１などの障害物が移動し、信号が遮断されるのを防止するため、例えば、基準信号発信器４３１ａ〜４３１ｃとしてＸ線発生装置を用いることもできる。すなわち、アーム部１１などの障害物をＸ線が透過して、受信部４３２により確実に信号を受信することができる。なお、障害物を透過しないような信号であっても、受信部４３２を囲むように多数の基準信号発信器４３１を配置することにより、アーム部１１がいずれの姿勢となっていても、少なくとも複数の基準信号発信器４３１ａ〜ｃからの信号を受信部４３２で受信することができ、プローブ１２の空間座標の測定を、より高精度に行うことができる。

（第５の実施形態）
最後に、図５を用いて第５の実施形態に係る形状測定装置５００について説明する。図５に示すように、この第５の実施形態に係る形状測定装置５００の基本構成は、第１の実施形態と同様の構成をしており、形状測定部１０と、制御部２０と、形状測定部１０に設けられた基準部の空間座標を測定するための空間座標測定部５３０と、制御部５０と、を有して構成される。また、形状測定部１０の構成も、第１の実施形態と同様で、基台１３、複数の関節部１４を有する多関節構造のアーム部１１、及び、取付部１６によりアーム部１１の先端部に着脱可能なプローブ１２を有して構成される。

空間座標測定部５３０は、第１の実施形態で用いたものと同様の一組の光学ユニット（レーザトラッカー）５３２ａ，５３２ｂと、プローブ１２に設けたマーカ５３１とを有している。そして、第１の実施形態では、これらの光学ユニット５３２ａ、５３２ｂをプローブ１２の外周に配置していたが、この第５の実施形態では、光学ユニット５３２ａ，５３２ｂを形状測定部１０の基台１３に内蔵している。このような構成の第５の実施形態では、空間座標測定部５３０が、形状測定部１０の基台１３とプローブ１２との間の距離を測定し、この測定値を基にプローブ１２の空間座標や姿勢を把握することができる。このプローブ１２の空間座標等を基に、形状測定部１０で測定した被測定物体１５の形状測定値を補正することにより、形状測定装置５００における形状測定を高精度に行うことができる。補正方法は、第１の実施形態と同様である。

１１アーム部（移動機構部）１２プローブ１３基台
１６取付部２０，５０制御部
３０，２３０，３３０，４３０，５３０空間座標測定部
１００，２００，３００，４００，５００形状測定装置

Claims

被測定物体の形状を測定して測定値を出力するプローブと、
所定の空間内で前記プローブを移動させる移動機構部に、前記プローブを着脱する取付部と、
前記空間内における前記プローブの空間座標を測定する空間座標測定部と、
前記プローブにより測定された前記被測定物体の前記測定値を、前記空間座標測定部により測定された前記プローブの前記空間座標により補正する制御部と、を有する形状測定装置。
前記空間座標測定部は、
前記プローブに設けられたマーカと、
前記空間内に所定の間隔を有して配置された２以上の光学ユニットであって、光源、前記光源からの光を集光して前記マーカに照射する集光レンズ、及び、前記マーカからの反射光を検出する受光部を有する光学ユニットと、
該光学ユニットが前記反射光を検出可能となるように駆動する駆動部と、
前記光学ユニットの向きにより前記プローブの前記空間座標を算出する制御部と、を有する請求項１に記載の形状測定装置。
前記光学ユニットは、前記移動機構部の基端部が取り付けられた基台と一体的に設けられている請求項２に記載の形状測定装置。
前記空間座標測定部は、
前記プローブに設けられ、信号を発信する基準信号発信器と、
前記空間内の所定の位置に配置され、前記信号を受信する複数の受信部と、
前記受信部で受信された前記信号により、前記プローブの前記空間座標を算出する制御部と、を有する請求項１に記載の形状測定装置。
前記空間座標測定部は、
前記空間内の所定の位置に配置され、信号を発信する複数の基準信号発信器と、
前記プローブに設けられ、前記信号を受信する受信部と、
前記受信部で受信された前記信号により、前記プローブの前記空間座標を算出する制御部と、を有する請求項１に記載の形状測定装置。
前記移動機構部は、複数のアームと前記アームを揺動自在に接続する関節部とから構成され、
前記空間座標測定部は、
前記関節部の少なくとも１つを揺動中心として前記アームの基端部に対する先端部の移動方向及び移動量を検出する角速度検出器と、
前記角速度検出器の検出値に基づいて、前記移動機構部の先端に取り付けられた前記プローブの前記空間座標を算出する制御部と、を有する請求項１に記載の形状測定装置。