JP2010169635A - 形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定物体の形状を高精度に測定することができる形状測定装置を提供する。
【解決手段】形状測定装置１００を、被測定物体１５の形状を測定して検出値を出力するプローブ１２と、所定の空間内でプローブ１２を移動可能に保持する保持機構部（アーム部１１）と、プローブ１２を移動させて、プローブ１２により検出された被測定物体１５の検出値及びアーム部１１の位置情報から測定値を算出する制御部２０と、互いの距離の真値が既知の複数の基準器３１と、基準器３１間の距離をプローブ１２で測定し、基準器３１間の距離の測定値と基準器３１間の距離の真値とから、この測定値が真値に一致するように補正する演算部３２と、から構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、形状測定装置に関する。

近年、関節部分に角度検出器などを備えるロボットアームや多関節アームなどの先端に、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、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、被測定物体近傍に設置された既知の目標物体（以下「基準器」と呼ぶ）を用いて、形状測定装置の固有誤差を除去するための校正値や測定時に発生するため誤差を除去するため、被測定物体の測定値の精度を向上させた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、第１の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検出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可能に保持する保持機構部と、プローブを移動させて、プローブにより検出された被測定物体の検出値及び保持機構部の位置情報から、被測定物体の測定値を算出する制御部と、距離の真値が既知の基準部と、当該基準部の距離の真値が既知の間の距離をプローブで測定し、当該基準部の距離の真値が既知の間の距離の測定値と距離の真値とから、この測定値が真値に一致するように補正する演算部と、を有する。

このような第１の本発明に係る形状測定装置において、基準部は、被測定物体を取り囲むように配置された測定基準点を示す基準器を備えるように構成されることが好ましい。

また、前記課題を解決するために、第２の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検出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可能に保持する保持機構部と、プローブを移動させて、プローブにより検出された被測定物体の検出値及び保持機構部の位置情報から、被測定物体の測定値を算出する制御部と、測定基準点間の距離の真値が既知の基準器と、を有し、制御部は、被測定物体を測定するときに、基準器の測定基準点が被測定物体の測定箇所を挟むように基準器を被測定物体に設置して、測定基準点の距離を測定し、基準点間の距離の測定値と基準点間の距離の真値とから、この測定値を真値に一致させる補正値を算出し、この補正値により被測定物体の測定値を補正するように構成される。

また、前記課題を解決するために、第３の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検出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可能に保持する保持機構部と、プローブを移動させて、このプローブにより検出された被測定物体の検出値及び保持機構部の位置情報から、被測定物体の測定値を算出する制御部と、２点間の距離の真値が既知の基準部と、プローブの検出値及び保持機構部の位置情報から得られた距離の真値が既知の２点間の距離測定値と、当該２点間の距離の真値に基づき、制御部で算出された被測定物体の測定値を補正する演算部と、から構成される。

また、前記課題を解決するために、第４の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検出値を非接触で出力するプローブと、所定の空間内でプローブを移動可能に保持する保持機構部と、プローブを移動させて、このプローブにより検出された被測定物体の検出値及び保持機構部の位置情報から、被測定物体の測定値を算出する制御部と、被測定物体の近傍に配置され、位置が既知の基準器と、制御部からの基準器の位置の測定値と、基準器の既知の位置情報とから補正値を取得し、被測定物体の測定値を補正する演算部と、から構成される。

本発明に係る形状測定装置を以上のように構成すると、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主要部の構成を示す説明図であって、（ａ）はこの主要部の平面図であり、（ｂ）はこの主要部の側面図である。

（第１の実施形態）
以下、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の形状測定を行う形状測定部１７が内蔵されたプローブ１２、及び、このプローブ１２を所定の空間内で移動可能に保持する保持機構部（以下、「アーム部１１」と呼ぶ）を有する形状測定部１０と、この形状測定部１０から出力された被測定物体１５の検出値や、アーム部１１の関節に配置されたエンコーダからの出力に基づきプローブ１２の位置を算出し、その算出された位置情報から、被測定物体１５の形状に関する各位置の情報（以下「測定値」と呼ぶ）を算出する制御部２０と、制御部２０で算出された測定値を補正する調整部３０と、を有して構成される。

なお、プローブ１２は、被測定物体１５の表面の像を撮影できる画像プローブからなる。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、プローブ１２は被測定物体１５に所定のパターン像を投影し、パターン像を投影した方向とは異なる方向から撮像する。そして、制御部２０により被測定物体１５の表面の各点の位置情報を算出して、その被測定物体１５の表面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）。ここで、本実施の形態のプローブ１２は画像プローブだけに限られるものではなく、接触式プローブについても同様に扱える。

このような形状測定装置１００において、制御部２０は、形状測定部１０の作動を制御するとともに、上述した被測定物体１５の検出値やアーム部１１の各関節における回転角度に基づくプローブ１２の位置情報、プローブ１２の測定位置ごとの補正値やプローブ走査方向ごとの補正値及び、被測定物体１５の測定値などを記憶する記憶部２１を有している。また、それぞれの位置及び間隔が既知の複数の基準器３１を、被測定物体１５が配置される場所の近傍に配置している。この第１の実施形態では、予め複数の基準器３１の位置測定を行い、各位置における測定誤差量を求め、かつ複数の基準器間の距離を測定して、プローブ１２の移動方向ごとに測定誤差量を求めている。これら求められた誤差量は、補正量として、記憶部２１に記憶し、被測定物体１５の形状測定の際に、これら記憶された補正量を用いてプローブ１２からの検出値とプローブ１２の位置情報とから被測定物体１５の形状に関する測定値を補正するよう構成されている。これにより、形状測定装置１００での高精度な形状測定を可能としている。

形状測定部１０の保持機構部であるアーム部１１は、複数の関節部１４を有する多関節構造を有しており、プローブ１２は、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ている。また、アーム部１１の基端部は、基台１３に取り付けられている。このアーム部１１の各関節にはアクチュエータが配置されており、関節の屈曲状態を変えることで、プローブ１２を自由に移動可能にしている。また、このアーム部１１は手動により関節の屈曲状態を変えられることもできる。このアーム部１１の各関節の角度や、プローブ１２による被測定物体１５の検出値は、上述のように、制御部２０により入力される。そして、プローブ１２から出力された被測定物体１５の検出値は、アーム部１１の各関節の角度情報から得られるプローブ１２の位置情報と合わせて、所定の変換式に基づいて、制御部２０により被測定物体１５の表面上の位置を示す測定値に変換される。なお、アーム部１１の位置情報は、例えば、関節部１４に内蔵されたエンコーダ等から取得された値（角度）と、アーム部１１を構成するアームの長さ等から構成されるものである。

調整部３０は、被測定物体１５が載置されるステージの外周に、互いの間隔（距離）と、この測定空間内の空間座標が予め高精度に測定され、既知となっている複数の基準器３１と、制御部２０内に設けられ、記憶部２１に記憶されている補正値を制御部２０で算出された測定値に反映させる演算部３２と、を有して構成される。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）。

複数の基準器３１は被測定物体１５を囲むように配置して、基準部を形成している。なお、それぞれの基準器３１間の３次元的な位置および、各基準器３１間の間隔はすべて既知である。

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、被測定物体１５の測定前後に、調整部３０により補正値を取得する処理を行う。具体的には、制御部２０は、アーム部１１によりプローブ１２を移動させ、複数の基準器３１の位置測定を行う。プローブ１２に内蔵された形状測定部１７により得られる検出値と、アーム部１１の関節の角度情報から得られるプローブ部１２の位置情報により、基準器３１の位置情報を算出する。次に、基準器３１の算出された位置情報と既知の位置情報との偏差量を求め、その偏差量をそれぞれの位置の補正値として、記憶部２１に記憶する。また、複数の基準器３１の中から測定時にプローブ１２が移動する方向に沿った方向にある２つの基準器３１を測定してこれらの基準器３１間の距離を算出する。基準器３１間の間隔は既知である（これを「真値」と呼ぶ）。そのため、演算部３２は、基準器３１の間隔の測定値と真値とを比較して、上記検出値及び位置情報から測定値が真値と一致するように補正量を算出し、記憶部２１に記憶する。

なお、複数の基準器３１のすべての２つの組み合わせの間隔が既知であるため、アーム部１１の動作方向によって誤差が変わるような場合であっても、アーム部１１の測定中の動作方向に合わせて最適な基準器３１の組み合わせを選定し、その組み合わせで得られた基準器３１間の距離の真値を基に校正が可能となる。また、複数の基準器３１のうち、アーム部１１の動作方向に近い方向の組み合わせの真値を基に内挿して、その方向に対応する真値を算出し、その真値を用いて校正を行っても良い。

また、基準器３１は図１に図示した球体のような1点の位置を正確に示せる形状のものであっても良いし、ある方向に長さを持ち、基準点を少なくとも２つ以上有する形状のものであっても良い。

このようにアーム部１１の位置情報が、位置や移動方向ごとに異なる誤差を含んでいても、これら二つの補正値により被測定物体１５の形状測定精度をより向上させることができる。

なお、好ましくは、基準器３１ごとにその高さを変化させているほうが好ましい。このように基準器３１の高さを変えることにより被測定物体１５の載置面に対して垂直方向の補正も可能となる。

さらに、基準器３１の組み合わせに応じて、関節部１４に内蔵されているエンコーダ毎にその出力値に対応する補正量を設け、これらを補正することもできる。

このように本発明の第１の実施形態における形状測定装置１００は、アーム部１１の各関節の屈曲状態を変えながらプローブ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の表面上の各位置を算出して測定値を出力し二つの補正値も用いて、高精度に被測定物体１５の形状に関する測定値を得ることができる。これにより、アーム部１１のガタなどにより、この検出値やアーム部１１の位置情報に誤差が生じることがあるが、この検出値及び位置情報に、これら二つの補正値を記憶部２１から読み出して用いることにより、より正確な測定値を得ることができる。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。

なお、基準器３１の位置の実測値と基準器３１の既知の位置情報から得られた補正値と、アーム部１１により移動した方向上にある二つの基準器３１の間隔の実測値と既知の間隔値との偏差量より得られた補正値の二つの補正値を用いたが、どちらか一方の補正値のみを採用して補正しても、従来の形状測定装置より形状測定精度が向上するのは明らかである。

また、上述の説明では、二つの補正値を、プローブ１２により検出された被測定物体１５の検出値及び保持機構部（アーム部１１）の位置情報から算出された測定位置の補正用に用いたが、本発明はこれだけに限られず、プローブ１２により検出された被測定物体の検出値とアーム部１１の位置情報とを合成して位置情報を算出する際の変換式の変換係数などの変換条件に反映させて、基準器３１の位置の測定値又は２つの基準器３１間の距離の測定値が、既知である真値と一致するようにしても良い。

（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。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、図１に示す第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、測定基準点を示す基準球２３１を２つ保持する基準器２３０と、から構成される。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。そのため、図２には、この第２の実施形態に係る形状測定装置２００のうち、基準器２３０のみを示す。

この第２の実施形態に係る形状測定装置２００は、アーム部１１によりプローブ１２を移動させながら被測定物体１５の形状測定の際に、アーム部１１の移動方向に合わせて基準器２３０を配置し、基準器２３０の測定基準点を示す２つの基準球２３１間の距離も合わせて測定し、この２つの基準球２３１間の距離の測定値と真値を比較し、その差に応じて被測定物体１５の測定値を補正するものである。なお、上述の第１の実施形態では、被測定物体１５が載置されるステージの回りに基準器３１を配置した場合について説明したが、この第２の実施形態に係る基準器２３０は、被測定物体１５に取り付ける、平面視においてコの字状のスケール２３２の両端部に、２個の測定基準球２３１を配置している。ここで、スケール２３２の両端部の間隔（両端部の間に形成される空間の間隔）は、測定しようとする被測定物体１５の測定箇所の間隔よりも広くなるように構成される。また、スケール２３２上の２つの基準球２３１間の距離は予め測定されていて、既知である。このように構成することにより、スケール２３２を被測定物体１５上に載せたときに、図２に示すように、２つの基準球２３１を、被測定物体１５の測定箇所を挟むように配置することができる。もちろん、第１の実施形態のように、被測定物体１５の回りに基準器を配置する構成としても良い。

このような形状測定装置２００を用いた被測定物体１５の形状測定の手順を説明する。制御部２０はアーム部１１を作動させて、スケール２３２に設けられた２つの基準球２３１のいずれか一方にプローブ１２を移動させ、この基準球２３１を検出する。そして、プローブ１２を他方の基準球２３１の方向に移動させながら、被測定物体１５のエッジを検出し、このエッジからもう一方のエッジまでの距離を測定する。さらに、他方の基準球２３１を検出する。なお、２つの基準球２３１間の距離（測定値）と、被測定物体１５のエッジ間の距離（測定値）とは、第１の実施形態で説明したように、制御部２０によりプローブ１２に内蔵されている形状測定部１７の検出値と、アーム部１１の位置情報とから、算出される。

そして、制御部２０は、図示していない演算部により、基準球２３１間の距離の測定値と真値とから補正値を算出し、この補正値を被測定物体１５の測定値に乗算することにより、補正された被測定物体１５の測定値を算出する。具体的には、基準球２３１間の距離の測定値をＸとし、真値をＸ０とし、被測定物体１５の測定値をＬとしたとき、補正された測定値Ｌ′は、式Ｌ′＝Ｌ×（Ｘ０／Ｘ）により算出される

このように、被測定物体１５を測定する際に、この被測定物体１５の測定箇所を挟む基準球２３１の間隔も合わせて測定して、この基準球２３１間の距離の測定値及び真値から被測定物体１５の測定値を補正することにより、形状測定装置２００による被測定物体１５の形状測定を、高精度に行うことができる。

なお、プローブ１２の移動方向を変えて測定する場合は、その方向に沿って２つの基準球２３１が並ぶにように基準器２３０を置き換えて、測定することが好ましい。

最後に、本発明の全ての実施形態における形状測定装置について、形状測定装置の工場出荷時に上述の二つの補正値を予め記憶部１８に記憶しておき、一方、測定時に改めて上述の基準器３１、２３０を測定し、基準球の位置や間隔を測定して、記憶部１８に記憶されている二つの補正値を補正する方法でも良い。

１１ アーム部（保持機構部） １２ プローブ １６ 取付部
２０ 制御部 ３１，２３０ 基準器 ３２ 演算部
１００，２００ 形状測定装置、２３１基準球

Claims (5)

1. 被測定物体の形状を測定して検出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可能に保持する保持機構部と、
   前記プローブを移動させて、前記プローブにより検出された被測定物体の検出値及び前記保持機構部の位置情報から前記被測定物体の測定値を算出する制御部と、
   距離の真値が既知の基準部と、
   前記基準部の距離の真値が既知の間の距離を前記プローブで測定し、前記基準部の距離の真値が既知の間の距離の測定値と前記距離の真値とから、前記測定値が前記真値に一致するように補正する演算部と、を備えたことを特徴とする形状測定装置。
2. 前記基準部は、前記被測定物体を取り囲むように配置された測定基準点を示す基準器を備えることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
3. 被測定物体の形状を測定して検出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可能に保持する保持機構部と、
   前記プローブを移動させて、前記プローブにより検出された被測定物体の検出値及び前記保持機構部の位置情報から、前記被測定物体の測定値を算出する制御部と、
   測定基準点間の距離の真値が既知の基準器と、を有し、
   前記制御部は、前記被測定物体を測定するときに、前記基準器の測定基準点が前記被測定物体の測定箇所を挟むように前記基準器を前記被測定物体に設置して、前記測定基準点の距離を測定し、前記基準点間の距離の測定値と前記基準点間の距離の真値とから、前記測定値を前記真値に一致させる補正値を算出し、前記補正値により前記被測定物体の測定値を補正することを特徴とする形状測定装置。
4. 被測定物体の形状を測定して検出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可能に保持する保持機構部と、
   前記プローブを移動させて、前記プローブにより検出された被測定物体の検出値及び前記保持機構部の位置情報から、前記被測定物体の測定値を算出する制御部と、
   ２点間の距離の真値が既知の基準部と、
   前記プローブの検出値及び前記保持機構部の位置情報から得られた前記距離の真値が既知の２点間の距離測定値と、当該２点間の距離の真値とに基づき、前記制御部で算出された前記被測定物体の測定値を補正する演算部と、を備えたことを特徴とする形状測定装置。
5. 被測定物体の形状を測定して検出値を非接触で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可能に保持する保持機構部と、
   前記プローブを移動させて、前記プローブにより検出された被測定物体の検出値及び前記保持機構部の位置情報から、前記被測定物体の測定値を算出する制御部と、
   前記被測定物体の近傍に配置され、位置が既知の基準器と、
   前記制御部からの前記基準器の位置の測定値と前記基準器の既知の位置情報とから補正値を取得し、前記被測定物体の測定値を補正する演算部と、を備えたことを特徴とする形状測定装置。

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