JP2016035430A

JP2016035430A - ステージ機構

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Publication number: JP2016035430A
Application number: JP2014158860A
Authority: JP
Inventors: 山本　明広; Akihiro Yamamoto; 明広山本
Original assignee: Roland DG Corp
Current assignee: Roland DG Corp
Priority date: 2014-08-04
Filing date: 2014-08-04
Publication date: 2016-03-17
Anticipated expiration: 2034-08-04
Also published as: JP6362954B2

Abstract

【課題】ステージの正確な位置および姿勢を確実に検出することが可能なステージ機構をシンプルな構造で実現することである。
【解決手段】ステージ機構３０は、ベース４０と、パターンが設けられ、ベース４０に移動自在に支持されたステージ５０と、ステージ５０を駆動するステージ移動部６０と、ステージ５０に設けられたパターンを撮影するカメラ７０と、カメラ７０によって撮影されたパターンの画像に基づいて、ステージ５０の位置および姿勢を検出するコンピュータ７５と、を備え、カメラ７０からパターンを見たときに、パターンは、ステージ５０の位置および姿勢によって異なる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステージ機構に関する。詳しくは、ステージを所望の位置および姿勢に移動可能なステージ機構に関する。

従来から、精密加工の分野や３次元造形の分野等において、ステージ機構が用いられている。ステージ機構は、加工ツールを取り付け可能なステージや造形物を保持可能なステージを備えている。ステージ機構は、ステージを移動させるステージ移動部を備えている。

加工や造形の際には、高い精度での作業が求められる。このため、ステージを正確な位置および姿勢に確実に移動させる必要がある。ステージは、例えば、ステッピングモータを用いて移動される。かかる場合には、ステージが正確な位置および姿勢であるかを検出する方法として、ステージの原点位置からのステッピングモータのステップ数をカウントする方法がある。また、ステージの可動部分にエンコーダを取り付けて、エンコーダのパルス数をカウントすることによってステージの位置および姿勢を検出する方法がある。

しかしながら、ステッピングモータのステップ数をカウントすることによって、ステージの位置および姿勢を検出する場合、ステッピングモータとステージとの間で生じるギヤ同士のバックラッシュなどの機械的な誤差が生じたり、ステッピングモータが脱調したりすることにより、ステージの制御上の位置および姿勢とステージの実際の位置および姿勢とに差がでてしまう。このため、ステージの正確な位置および姿勢を検出することができない。また、エンコーダのパルス数をカウントすることによって、ステージの位置および姿勢を検出する場合、エンコーダとコントローラ部分とを配線で接続する必要がある。このため、ステージの可動部分が可動した際に生じる応力に耐え得る配線を用いたり、配線とステージとが干渉しないようなレイアウトにしたりする必要があり、構造が複雑化する。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ステージの正確な位置および姿勢を確実に検出することが可能なステージ機構をシンプルな構造で実現することである。

本発明に係るステージ機構は、ベースと、パターンが設けられ、前記ベースに移動自在に支持されたステージと、前記ステージを駆動するステージ移動部と、前記ステージに設けられた前記パターンを撮影する撮影装置と、前記撮影装置によって撮影された前記パターンの画像に基づいて、前記ステージの位置および姿勢を検出する検出装置と、を備え、前記撮影装置から前記パターンを見たときに、前記パターンは、前記ステージの位置および姿勢によって異なる。

本発明に係るステージ機構によれば、検出装置は、撮影装置によって撮影されたパターンの画像に基づいて、ステージの位置および姿勢を検出する。撮影装置から見えるパターンは、ステージの位置および姿勢によって異なっている。このため、撮影装置によって撮影されたパターンの画像によって、ステージの位置および姿勢が一義的に決定される。撮影装置によって撮影されたパターンの画像は、実際のステージに設けられたパターンの画像であるため、検出装置は、該パターンの画像からステージの正確な位置および姿勢を確実に検出することができる。このように、本発明によれば、ステージの可動部分にエンコーダを用いなくとも、簡単な構造によってステージの正確な位置および姿勢を確実に検出することができる。また、例えばステッピングモータを用いてステージを可動する場合に、ステッピングモータとステージとの間で生じるギヤ同士のバックラッシュなどの機械的な誤差が生じたり、ステッピングモータが脱調したりしたとしても、ステージの正確な位置および姿勢を確実に検出することができる。

本発明の一態様によれば、前記パターンに外接する仮想四辺形を備え、前記パターンは、目印を備える。

上記態様によれば、撮影装置によって撮影された画像における、パターンに外接する仮想四辺形および目印の位置に基づいて、ステージの位置および姿勢が一義的に決定される。

本発明の一態様によれば、前記パターンは、それぞれ同一の長さの長辺と同一の長さの短辺とを備えた長方形状の第１〜第４のサブパターンを備え、前記第１〜第４のサブパターンのいずれか一つには、前記目印が形成され、前記仮想四辺形は、前記第１〜第４のサブパターンのそれぞれの一頂点を第１〜第４の頂点とし、前記第１〜第４のサブパターンは、前記仮想四辺形の内方に配置され、前記第１のサブパターンと前記第２のサブパターンとは前記第１のサブパターンの長辺および前記第２のサブパターンの長辺が延びる方向に離間して配置され、前記第１のサブパターンと前記第３のサブパターンとは前記第１のサブパターンの短辺および前記第３のサブパターンの短辺が延びる方向に離間して配置され、前記第３のサブパターンと前記第４のサブパターンとは前記第３のサブパターンの長辺および前記第４のサブパターンの長辺が延びる方向に離間して配置され、前記第２のサブパターンと前記第４のサブパターンとは前記第２のサブパターンの短辺および前記第４のサブパターンの短辺が延びる方向に離間して配置されている。

上記態様によれば、撮影装置によって撮影された画像における、４つのサブパターンの形状および目印の位置に基づいて、ステージの位置および姿勢が一義的に決定される。

本発明の一態様によれば、前記ステージ移動部は、前記ステージを６自由度で駆動するように構成され、前記検出装置は、前記撮影装置によって撮影された前記パターンの画像から前記目印を検出し、前記検出された目印の位置に基づいて前記ステージのＺ軸回りの回転角度を算出する第１算出部と、前記撮影装置によって撮影された前記パターンの画像において、前記第１の頂点から前記第２の頂点までの第１長さと、前記第３の頂点から前記第４の頂点までの第２長さと、前記第１の頂点から前記第３の頂点までの第３長さと、前記第２の頂点から前記第４の頂点までの第４長さと、を算出する、第２算出部と、前記第１長さと前記第２長さとの比から前記ステージのＸ軸回りの回転角度を算出する第３算出部と、前記第３長さと前記第４長さとの比から前記ステージのＹ軸回りの回転角度を算出する第４算出部と、前記算出されたＸ軸回りの回転角度、Ｙ軸回りの回転角度およびＺ軸回りの回転角度に基づいて、前記ステージの姿勢を検出し、かつ前記算出されたＸ軸回りの回転角度、Ｙ軸回りの回転角度、Ｚ軸回りの回転角度および第１〜第４長さ、ならびに原点位置で算出された前記第１〜第４長さに基づいて、前記第１の頂点と前記第４の頂点とを結ぶ第１の線分と前記第２の頂点と前記第３の頂点とを結ぶ第２の線分との交差点を前記ステージの位置として検出する検出部と、を備えている。

上記態様によれば、検出装置は、撮影装置によって撮影された画像における第１〜第４のサブパターンを備えたパターンの画像の位置と大きさから、ＸＹＺ軸上のステージの正確な位置および姿勢を確実に検出することができる。

本発明の一態様によれば、前記ステージ移動部は、昇降自在な第１〜第６のガイド部と、それぞれ第１〜第６のガイド部を昇降させる第１〜第６のアクチュエータと、一端部が第１自在継手を介して前記ステージに接続され、他端部が第２自在継手を介してそれぞれ第１〜第６のガイド部に接続された第１〜第６のロッドと、を備える。

上記態様によれば、ステージ移動部は、第１〜第６のガイド部を適宜に昇降させることにより、ステージをＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向、Ｘ軸回り、Ｙ軸回り、およびＺ軸回りに移動させることができる。Ｘ軸方向に移動可能なアクチュエータ付テーブルと、Ｙ軸方向に移動可能なアクチュエータ付テーブルと、Ｚ軸方向に移動可能なアクチュエータ付テーブルとを組み合わせたステージ移動部に比べて、アクチュエータの出力を抑えることができる。また、小型のアクチュエータを利用可能なので、ステージ移動部を小型化することができる。また、ステージ移動部はステージを６自由度で駆動し、ステージの位置および姿勢を自在に変更することができるため、ステージの位置および姿勢の組み合わせがより複雑化するが、検出装置は、パターンの画像の位置および大きさから、ＸＹＺ軸上のステージの正確な位置および姿勢を確実に検出することができる。

本発明の一態様によれば、前記撮影装置は、前記ステージの下方に配置されている。

６自由度パラレルリンク機構によって構成されたステージ移動部では、ステージの下方には空間が形成されている。このため、ステージの下方に撮影装置を配置したとき、撮影装置とステージとの間には、撮影装置がステージに設けられたパターンを撮影することを妨げるものが存在しない。すなわち、上記態様によれば、撮影装置はパターンを確実に撮影することができる。

本発明の一態様によれば、前記検出装置は、前記検出部によって検出された前記ステージの位置および姿勢と、前記第１〜第６のアクチュエータの回転角度から導かれる前記ステージの制御上の位置および姿勢とが一致しているか否かを判断する判断部と、前記判断部により、前記検出部によって検出された前記ステージの位置および姿勢と、前記第１〜第６のアクチュエータの回転角度から導かれる前記ステージの制御上の位置および姿勢とが異なると判断されると、前記第１〜第６のアクチュエータの回転角度から導かれる前記ステージの制御上の位置および姿勢が前記検出部によって検出された前記ステージの位置および姿勢となるように前記第１〜第６のアクチュエータの回転角度を補正する補正部と、を備えている。

アクチュエータが例えばステッピングモータから構成されている場合、ステッピングモータが脱調したときに、ステージの制御上の位置および姿勢とステージの実際の位置および姿勢とに差がでることがある。しかし、上記態様によれば、ステッピングモータが脱調した場合であっても、ステージの正確な位置および姿勢を検出できると共に、補正部によって、ステッピングモータの脱調を補正することができる。

本発明の一態様によれば、前記検出装置は、前記検出部によって検出された前記ステージの位置および姿勢と、前記第１〜第６のアクチュエータの回転角度から導かれる前記ステージの制御上の位置および姿勢とが一致しているか否かを判断する判断部と、前記判断部により、前記検出部によって検出された前記ステージの位置および姿勢と、前記第１〜第６のアクチュエータの回転角度から導かれる前記ステージの制御上の位置および姿勢とが異なると判断されると、前記第１〜第６のアクチュエータの動作を停止させる停止部と、を備えている。

アクチュエータが例えばステッピングモータから構成されている場合、ステッピングモータが脱調したときに、ステージの制御上の位置および姿勢とステージの実際の位置および姿勢とに差がでることがある。しかし、上記態様によれば、ステッピングモータが脱調した場合であっても、ステージの正確な位置および姿勢を検出できると共に、停止部によって、ステッピングモータの動作が停止され、ステージの駆動を停止することができる。

本発明の一態様によれば、前記撮影装置は、２以上のカメラから構成され、前記各カメラは、相互に異なる位置から前記パターンを撮影する。

上記態様によれば、ステージが大きく傾いたときに一のカメラではステージに設けられたパターンを撮影できない場合であっても、他の一のカメラでパターンを撮影できるように、カメラを配置することができる。すなわち、ステージの可動領域をより広げた場合であっても、ステージの正確な位置および姿勢を確実に検出することができる。

本発明の一態様によれば、前記各カメラのうち少なくとも２以上の前記カメラによって前記パターンがそれぞれ撮影されたとき、前記検出装置は、撮影された前記パターンの画像のうち前記パターンが最も大きく撮影された画像に基づいて、前記ステージの位置および姿勢を検出する。

上記態様によれば、検出装置は、パターンが最も大きく撮影された画像に基づいて、ステージの位置および姿勢を検出するため、ステージの正確な位置および姿勢をより確実に検出することができる。

本発明に係る３次元造形装置は、樹脂材料を硬化して所定の断面形状の樹脂を順次積層することにより造形物を３次元造形する３次元造形装置であって、前記ステージ機構と、前記ベースの上方に配置され、樹脂材料を吐出するノズルを備えた造形ヘッドと、を備え、前記ノズルから吐出される前記樹脂材料は、前記ステージの上面で保持され、前記パターンは、前記ステージの下面に設けられ、前記撮影装置は、前記ステージの下方に配置されている。

ノズルから吐出された樹脂材料がパターンを覆うことによってパターンが汚れてしまうと、検出装置は、撮影されたパターンの画像に基づいてステージの位置および姿勢を検出できなくなる。しかし、本発明に係る３次元造形装置によれば、ノズルから吐出される樹脂材料はステージの上面に保持され、パターンが設けられたステージの下面には樹脂材料は吐出されない。このため、パターンは樹脂材料に覆われることがない。この結果、検出装置は、撮影されたパターンの画像からステージの正確な位置および姿勢を確実に検出することができる。

本発明によれば、ステージの正確な位置および姿勢を確実に検出することが可能なステージ機構をシンプルな構造で実現することができる。

一実施形態に係るステージ機構を備えた３次元造形装置の構造を示す斜視図である。一実施形態に係るステージ機構を備えた３次元造形装置の構造を示す側面図である。一実施形態に係る３次元造形装置の構造を示す平面図である。一実施形態に係るパターンが設けられたステージを示す底面図である。一実施形態に係るパターンが設けられたステージを示す底面図である。一実施形態に係るステージ機構の主要要素のブロック図である。一実施形態に係るステージがＺ軸回りに回転したときの状態を表す模式図である。一実施形態に係るステージがＸ軸回りに回転したときの状態を表す模式図である。一実施形態に係るステージがＹ軸回りに回転したときの状態を表す模式図である。一実施形態に係るステージ機構におけるステージの位置および姿勢の検出処理並びに補正処理のフローチャートである。他の一実施形態に係るステージ機構を備えた３次元造形装置の構造を示す側面図である。他の一実施形態に係るステージ機構の構造を示す平面図である。他の一実施形態に係るステージ機構の主要要素のブロック図である。他の一実施形態に係るステージ機構におけるステージの位置および姿勢の検出処理並びに停止処理のフローチャートである。他の一実施形態に係るパターンが設けられたステージを示す底面図である。他の一実施形態に係るパターンが設けられたステージを示す底面図である。

＜第１実施形態＞
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態に係る３次元造形装置１０は、ステージ機構３０を備えている。３次元造形装置１０は、樹脂材料を硬化して所定の断面形状の樹脂を順次積層することにより造形物を３次元造形する。樹脂材料としては、熱可塑性樹脂、光硬化性樹脂および紫外線硬化性樹脂等が挙げられる。以下の説明では、ステージ機構３０が３次元造形装置１０に用いられる場合を例に説明するが、本発明の適用対象をかかる種類の装置に限定することを意図したものではない。

以下の説明において、特に断らない限り、図２の左、右、上、下をそれぞれ３次元造形装置１０の左、右、上、下とする。図３の左、右、上、下をそれぞれ３次元造形装置１０の前、後、左、右とする。図面中の符号Ｆ、Ｒｒ、Ｌ、Ｒ、Ｕｐ、Ｄｎは、それぞれ前、後、左、右、上、下を表す。図面中の符号Ｘは、Ｘ軸を示し、左右方向を表す。図面中の符号Ｙは、Ｙ軸を示し、前後方向を表す。図面中の符号Ｚは、Ｚ軸を示し、上下方向を表す。符合θ_Ｘ、θ_Ｙ、θ_Ｚは、それぞれＸ軸回り、Ｙ軸回り、Ｚ軸回りの回転方向を表す。本実施形態では、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、いずれか一つの軸が他の二つの軸に対して直交するように設定されている。ただし、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、いずれか一つの軸が他の二つの軸に対して交差するように設定されていればよい。また、これらは説明の便宜上の方向に過ぎず、３次元造形装置１０の設置態様を何ら限定するものではない。

図１に示すように、３次元造形装置１０は、ステージ機構３０と、ホルダ１５と、造形ヘッド２０と、を備えている。

図１に示すように、ステージ機構３０は、ベース４０と、ステージ５０と、ステージ移動部６０と、撮影装置としてのカメラ７０と、検出装置としてのコンピュータ７５と、を備えている。

図２に示すように、ベース４０は、第１ベース４２と、６つの支柱４４と、第２ベース４６とを備えている。第１ベース４２は、円板状に形成されている。支柱４４は、第１ベース４２から上方に延びている。第２ベース４６は、円板状に形成されている。図３に示すように、第２ベース４６には、開口４７が形成されている。図２に示すように、第２ベース４６は、第１ベース４２の上方に配置されている。第２ベース４６は、６つの支柱４４の上に配置されている。第１ベース４２の直径と、第２ベース４６の直径は実質的に同一である。

図１に示すように、ステージ５０は、円板状に形成されている。ステージ５０は、ベース４０に移動自在に支持されている。ステージ５０は、造形ヘッド２０の下方に配置されている。ステージ５０は、第１ベース４２の上方かつ第２ベース４６の下方に配置されている。なお、ステージ５０は、造形ヘッド２０の下方に配置される限りにおいて、第２ベース４６の上方に配置されてもよい。ステージ５０は、後述する造形ヘッド２０のノズル２２から吐出された樹脂材料を保持する。詳細には、樹脂材料は、ステージ５０の上面５０Ｕで保持される。造形物はステージ５０の上面５０Ｕで造形される。ステージ５０には、後述のパターン８０（図４参照）が設けられている。詳細には、ステージ５０の下面５０Ｂ（図２参照）には、パターン８０が設けられている。ステージ５０の形状は予めコンピュータ７５に記憶されている。

図１に示すように、ステージ移動部６０は、ベース４０に配置されている。ステージ移動部６０は、ステージ５０を６自由度で駆動する。ステージ移動部６０は、ステージ５０を並進３自由度および回転３自由度で駆動する。すなわち、ステージ移動部６０は、ステージ５０をＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向に並進移動させるとともに、Ｘ軸回り、Ｙ軸回り、およびＺ軸回りに回転移動させるように構成されている。

図２に示すように、ステージ移動部６０は、６自由度パラレルリンク機構によって構成されている。ステージ移動部６０は、ステージ５０に連結された６本のロッド６２と、それぞれロッド６２に連結され、支柱４４に沿って昇降自在な６つのガイド部６４（図２では２つのみ図示している）と、ガイド部６４を昇降させる６つのアクチュエータ６５（図２では２つのみ図示している）とを備えている。ロッド６２、ガイド部６４、およびアクチュエータ６５は、ベース４０に配置されている。ロッド６２は、その一端６２Ａに第１自在継手６３Ａを備えている。ロッド６２は、その他端６２Ｂに第２自在継手６３Ｂを備えている。第１自在継手６３Ａは、ステージ５０を支持する。第１自在継手６３Ａは、ロッド６２の一端６２Ａとステージ５０とを連結している。

ガイド部６４は、支柱４４にスライド自在に係合したスライダにより構成されている。図２に示すように、第２自在継手６３Ｂは、ガイド部６４に接続されている。第２自在継手６３Ｂは、ロッド６２の他端６２Ｂとガイド部６４とを連結している。支柱４４には溝が形成されており、この溝の内方には、上下に延びるボールねじ６６が配置されている。ボールねじ６６の上端部には、ボールねじ６６を回転させるアクチュエータ６５が配置されている。アクチュエータ６５の種類は何ら限定されないが、例えば、サーボモータを用いることができる。ガイド部６４には、上下に延びる図示しないねじ孔が形成されている。ガイド部６４のねじ孔にはボールねじ６６が挿入されており、ガイド部６４のねじ孔は、ボールねじ６６と噛み合っている。そのため、ボールねじ６６が回転するとガイド部６４は上昇し、ボールねじ６６が逆回転するとガイド部６４は下降する。ガイド部６４が昇降することにより、ロッド６２が移動する。

各アクチュエータ６５は独立して動作可能であり、各アクチュエータ６５は各ロッド６２を相互に独立して移動させる。アクチュエータ６５は、ベース４０の上方に配置された回路基板６８と電気的に接続されている。回路基板６８は、第２ベース４６の上に配置されている。６本のロッド６２が相互に独立して移動することにより、ステージ５０は、ベース４０内において、Ｘ軸方向の並進移動、Ｙ軸方向の並進移動、Ｚ軸方向の並進移動、Ｘ軸回りの回転移動、Ｙ軸回りの回転移動、およびＺ軸回りの回転移動が可能である。６本のロッド６２が相互に独立して移動することにより、ステージ５０の位置および姿勢を自由に設定することができる。

図１に示すように、カメラ７０は、ステージ５０に設けられたパターン８０（図４参照）を撮影する。カメラ７０は、パターンを撮影することが可能な位置に配置されている。カメラ７０は、ベース４０に配置されている。カメラ７０は、ステージ５０の下方に配置されている。カメラ７０は、第１ベース４２上に配置されている。カメラ７０は、第１ベース４２の中心に配置されている。カメラ７０のレンズ７２の中心７２Ｃは、第１ベース４２の中心に配置されている。カメラ７０は、第１ベース４２に対して傾斜して配置されてもよい。カメラ７０によって撮影されたパターン８０の画像は、コンピュータ７５に出力される。

図４に示すように、パターン８０は、ステージ５０に設けられている。パターン８０は、ステージ５０の下面５０Ｂに設けられている。パターン８０は、第１のサブパターン８１と、第２のサブパターン８２と、第３のサブパターン８３と、第４のサブパターン８４と、を備えている。第１〜第４のサブパターン８１〜８４は、長方形状に形成されている。第１〜第４のサブパターン８１〜８４は、それぞれ同一の長さの長辺８５Ｌと同一の長さの短辺８５Ｓとを備えている。本実施形態では、長辺８５Ｌの長さはＬであり、短辺８５Ｓの長さはＳである。

図４に示すように、第２のサブパターン８２には、目印８６が形成されている。目印８６は、長方形状に形成されているが、目印８６の形状および大きさは特に限定されない。なお、本実施形態では第２のサブパターン８２に目印８６が形成されているが、第１のサブパターン８１、第３のサブパターン８３、または第４のサブパターン８４のいずれかに形成されていてもよい。目印８６は、カメラ７０から目印８６を見たときに、ステージ５０の位置および姿勢によって異なる。即ち、カメラ７０から目印８６を見たときの目印８６の形状および位置は、ステージ５０の位置および姿勢によって異なる。目印８６とは、カメラ７０によって撮影されたパターン８０の画像において、コンピュータ７５がパターン８０を認識するためのしるしである。本実施形態では、パターン８０が備える第１のサブパターン８１、第２のサブパターン８２、第３のサブパターン８３および第４のサブパターン８４をコンピュータ７５が識別して認識するためのしるしである。

図５に示すように、パターン８０は、第１のサブパターン８１の頂点８１Ｔ、第２のサブパターン８２の頂点８２Ｔ、第３のサブパターン８３の頂点８３Ｔ、および第４のサブパターン８４の頂点８４Ｔを頂点とする仮想四辺形８８を備えている。仮想四辺形８８は、パターン８０に外接する。仮想四辺形８８の内方には、第１〜第４のサブパターン８１〜８４が配置されている。仮想四辺形８８は、第１〜第４のサブパターン８１〜８４に外接する。頂点８１Ｔは、第１のサブパターン８１の各頂点のうち、第４のサブパターン８４から最も離れた頂点である。頂点８２Ｔは、第２のサブパターン８２の各頂点のうち、第３のサブパターン８３から最も離れた頂点である。頂点８３Ｔは、第３のサブパターン８３の各頂点のうち、第２のサブパターン８２から最も離れた頂点である。頂点８４Ｔは、第４のサブパターン８４の各頂点のうち、第１のサブパターン８１から最も離れた頂点である。パターン８０は、カメラ７０からパターン８０を見たときに、ステージ５０の位置および姿勢によって異なる。即ち、カメラ７０からパターン８０を見たときのパターン８０の形状は、ステージ５０の位置および姿勢によって異なる。

図４に示すように、第１のサブパターン８１と第２のサブパターン８２とは第１のサブパターン８１の長辺８５Ｌおよび第２のサブパターン８２の長辺８５Ｌが延びる方向に離間して配置されている。第１のサブパターン８１と第２のサブパターン８２とは、長辺８５Ｌの長さＬだけ離間して配置されている。第１のサブパターン８１の長辺８５Ｌと第２のサブパターン８２の長辺８５Ｌとは平行に配置されている。第１のサブパターン８１と第３のサブパターン８３とは第１のサブパターン８１の短辺８５Ｓおよび第３のサブパターン８３の短辺８５Ｓが延びる方向に離間して配置されている。第１のサブパターン８１と第３のサブパターン８３とは、短辺８５Ｓの長さＳだけ離間して配置されている。第１のサブパターン８１の短辺８５Ｓと第３のサブパターン８３の短辺８５Ｓとは平行に配置されている。第３のサブパターン８３と第４のサブパターン８４とは第３のサブパターン８３の長辺８５Ｌおよび第４のサブパターン８４の長辺８５Ｌが延びる方向に離間して配置されている。第３のサブパターン８３と第４のサブパターン８４とは、長辺８５Ｌの長さＬだけ離間して配置されている。第３のサブパターン８３の長辺８５Ｌと第４のサブパターン８４の長辺８５Ｌとは平行に配置されている。第２のサブパターン８２と第４のサブパターン８４とは第２のサブパターン８２の短辺８５Ｓおよび第４のサブパターン８４の短辺８５Ｓが延びる方向に離間して配置されている。第２のサブパターン８２と第４のサブパターン８４とは、短辺８５Ｓの長さＳだけ離間して配置されている。第２のサブパターン８２の短辺８５Ｓと第４のサブパターン８４の短辺８５Ｓとは平行に配置されている。

図５に示すように、第１のサブパターン８１の第１の頂点８１Ｔと第４のサブパターン８４の第４の頂点８４Ｔとを結ぶ線分を第１の線分８９Ａとし、第２のサブパターン８２の第２の頂点８２Ｔと第３のサブパターン８３の第３の頂点８３Ｔとを結ぶ線分を第２の線分８９Ｂとしたとき、第１の線分８９Ａと第２の線分８９Ｂとの交差点８９Ｃは、ステージ５０の位置および姿勢を示す基準点である。交差点８９Ｃは、ステージ５０の下面５０Ｂの中心に設けられている。

図４に示すように、第１のサブパターン８１と第２のサブパターン８２とは、長辺８５Ｌの長さＬだけ離間して配置され、第３のサブパターン８３と第４のサブパターン８４とは、長辺８５Ｌの長さＬだけ離間して配置されているが、これに限定されない。第１のサブパターン８１と第２のサブパターン８２との間隔と、第３のサブパターン８３と第４のサブパターン８４との間隔と、が同じである限り、長辺８５Ｌの長さＬとは異なる長さであってもよい。第１のサブパターン８１と第３のサブパターン８３とは、短辺８５Ｓの長さＳだけ離間して配置され、第２のサブパターン８２と第４のサブパターン８４とは、短辺８５Ｓの長さＳだけ離間して配置されているが、これに限定されない。第１のサブパターン８１と第３のサブパターン８３との間隔と、第２のサブパターン８２と第４のサブパターン８４との間隔と、が同じである限り、短辺８５Ｓの長さＳとは異なる長さであってもよい。

図１に示すように、ホルダ１５は、ベース４０の上方に配置されている。ホルダ１５は、第２ベース４６の上に配置されている。ホルダ１５は、第２ベース４６の開口４７を跨ぐように配置されている。ホルダ１５は、造形ヘッド２０を支持する第１壁１３および第２壁１４を備えている。第１壁１３と第２壁１４との間には、造形ヘッド２０が配置されている。

図１に示すように、造形ヘッド２０は、ベース４０の上方に配置されている。造形ヘッド２０は、ホルダ１５に固定されている。造形ヘッド２０は、樹脂材料を吐出するノズル２２を備えている。図３に示すように、ノズル２２は、平面視で第２ベース４６の開口４７と重なる。

図１に示すように、３次元造形装置１０は、樹脂材料を収容するタンク２４と、樹脂供給路２６とを備えている。タンク２４は、ベース４０の上方に配置されている。タンク２４は、ホルダ１５に配置されている。タンク２４は、交換可能である。樹脂供給路２６は、タンク２４と造形ヘッド２０とに接続されている。樹脂供給路２６を介して、タンク２４内の樹脂材料は造形ヘッド２０に供給される。樹脂供給路２６としては、例えば、可撓性を有するチューブが挙げられる。樹脂供給路２６は、金属製の管であってもよい。ホルダ１５には、モータ２８が配置されている。モータ２８を駆動させることによって、樹脂供給路２６内の樹脂材料を造形ヘッド２０に供給することができる。モータ２８は、後述の回路基板６８と電気的に接続されている。モータ２８は、コンピュータ７５により制御される。

コンピュータ７５は、カメラ７０によって撮影されたパターン８０の画像に基づいて、ステージ５０の位置および姿勢を検出する。コンピュータ７５は、ステージ機構３０に通信可能に接続されている。ステージ機構３０は、コンピュータ７５に常時接続されていてもよく、適宜に接続されていてもよい。また、ステージ機構３０とコンピュータ７５との接続は、有線による接続に限らず、無線による接続であってもよい。コンピュータ７５は、中央演算処理装置（以下、ＣＰＵという）と、ＣＰＵが実行するプログラムなどを格納したＲＯＭと、ＲＡＭなどを備えていてもよい。コンピュータ７５は、ステージ機構３０のための専用のコンピュータであってもよく、パーソナルコンピュータのような汎用的なコンピュータであってもよい。

図６に示すように、コンピュータ７５は、第１算出部９１と、第２算出部９２と、第３算出部９３と、第４算出部９４と、検出部９５と、判断部９６と、補正部９７と、を備えている。

第１算出部９１は、カメラ７０によって撮影されたパターン８０の画像から目印８６を検出する。第１算出部９１は、検出された目印８６の位置に基づいてステージ５０のＺ軸回りの回転角度α（図７参照）を算出する。図７において、二点鎖線は、パターン８０が原点位置に存在する状態を表している。実線は、パターン８０が原点位置に対してＺ軸回りに角度α回転したときの状態を表している。

本実施形態の原点位置は、以下の（１）から（５）に基づいて決定される。（１）第１ベース４２とステージ５０とが平行に配置されている。（２）カメラ７０のレンズ７２の中心７２Ｃが第１ベース４２の中心に配置されている。（３）パターン８０の交差点８９Ｃがステージ５０の下面５０Ｂの中心に設けられている。（４）レンズ７２の中心７２Ｃを通る垂線Ｕ（図２参照）上にパターン８０の交差点８９Ｃが配置されている。（５）目印８６が所定の位置に配置されている。本実施形態の原点位置は、ステージ５０と第１ベース４２とが平行に配置され、ステージ５０がＸ軸回り、Ｙ軸回りおよびＺ軸回りに回転しておらず、カメラ７０からパターン８０を見たときに、第１〜第４のサブパターン８１〜８４の長辺８５ＬがＸ軸と平行に延びかつ短辺８５ＳがＹ軸と平行に延びるときのステージ５０の位置である。なお、原点位置は任意に定めることができる。原点位置に関する情報としては、パターン８０が原点位置にある状態でカメラ７０によって撮影されたパターン８０の画像における、後述の第１〜第４長さＬ１〜Ｌ４の長さ情報が、ステージ５０の回転角度の検出および位置の検出に必要である。パターン８０が原点位置にある状態でカメラ７０によって撮影されたパターン８０の画像における、第１〜第４長さＬ１〜Ｌ４の長さは予め算出される。これら原点位置に関する情報は、予めコンピュータ７５に記憶されている。目印８６の位置と、回転角度αとの関係は予めコンピュータ７５に記憶されている。

第２算出部９２は、カメラ７０によって撮影されたパターン８０の画像において、図５に示すように、第１のサブパターン８１の頂点８１Ｔと、第２のサブパターン８２の頂点８２Ｔと、第３のサブパターン８３の頂点８３Ｔと、第４のサブパターン８４の頂点８４Ｔと、を検出する。第２算出部９２は、カメラ７０によって撮影されたパターン８０の画像において、第１の頂点８１Ｔから第２の頂点８２Ｔまでの第１長さＬ１と、第３の頂点８３Ｔから第４の頂点８４Ｔまでの第２長さＬ２と、第１の頂点８１Ｔから第３の頂点８３Ｔまでの第３長さＬ３と、第２の頂点８２Ｔから第４の頂点８４Ｔまでの第４長さＬ４と、を算出する。第２算出部９２は、第１〜第４長さＬ１〜Ｌ４をサブピクセル精度で算出するとよい。第１〜第４長さＬ１〜Ｌ４は、ステージ５０の位置および姿勢によって異なる。第２算出部９２は、パターン８０が原点位置にある状態でカメラ７０によって撮影されたパターン８０の画像における、第１〜第４長さＬ１〜Ｌ４の長さを算出する。

第３算出部９３は、第２算出部９２によって算出された第１長さＬ１と第２長さＬ２との比からステージ５０のＸ軸回りの回転角度γ（図８参照）を算出する。図８において、二点鎖線は、パターン８０が原点位置に存在する状態を表している。実線は、パターン８０が原点位置に対してＸ軸回りに角度γ回転したときの状態を表している。第１長さＬ１と第２長さＬ２との比と、回転角度γとの関係は予めコンピュータ７５に記憶されている。

第４算出部９４は、第２算出部９２によって算出された第３長さＬ３と第４長さＬ４との比からステージ５０のＹ軸回りの回転角度β（図９参照）を算出する。図９において、二点鎖線は、パターン８０が原点位置に存在する状態を表している。実線は、パターン８０が原点位置に対してＹ軸回りに角度β回転したときの状態を表している。第３長さＬ３と第４長さＬ４との比と、回転角度βとの関係は予めコンピュータ７５に記憶されている。

検出部９５は、ステージ５０の姿勢を検出する。検出部９５は、第３算出部９３によって算出されたＸ軸回りの回転角度γ、第４算出部９４によって算出されたＹ軸回りの回転角度β、および第１算出部９１によって算出されたＺ軸回りの回転角度αに基づいて、ステージ５０の姿勢を検出する。検出部９５は、ステージ５０の位置を検出する。検出部９５は、第３算出部９３によって算出されたＸ軸回りの回転角度γ、第４算出部９４によって算出されたＹ軸回りの回転角度β、および第１算出部９１によって算出されたＺ軸回りの回転角度α、第２算出部９２によって算出された第１〜第４長さＬ１〜Ｌ４、および原点位置で算出された第１〜第４長さＬ１〜Ｌ４に基づいて、第１の頂点８１Ｔと第４の頂点８４Ｔとを結ぶ第１の線分８９Ａ（図５参照）と第２の頂点８２Ｔと第３の頂点８３Ｔとを結ぶ第２の線分８９Ｂ（図５参照）との交差点８９Ｃをステージ５０の位置として検出する。図８に示すように、ステージ５０に設けられたパターン８０（図５参照）の交差点８９Ｃとカメラ７０のレンズ７２の中心７２Ｃとの距離Ｍおよび交差点８９ＣのＸＹＺ座標即ちステージ５０の位置は、ステージ５０の姿勢、即ち回転角度α、回転角度βおよび回転角度γと、第２算出部９２によって算出された第１〜第４長さＬ１〜Ｌ４と、原点位置で算出された第１〜第４長さＬ１〜Ｌ４とに基づいて、算出される。ステージ５０の形状は予めコンピュータ７５に記憶されているため、交差点８９Ｃを検出することによって、ステージ５０の上面５０Ｕおよび下面５０Ｂの任意の位置を検出することができる。検出部９５によって検出されたステージ５０の位置および姿勢に関する情報は、判断部９６へと出力される。

判断部９６は、検出部９５によって検出されたステージ５０の位置および姿勢（以下、「実際の位置」ともいう。）と、各アクチュエータ６５の回転角度から導かれるステージ５０の制御上の位置および姿勢（以下、「制御上の位置」ともいう。）とが一致しているか否かを判断する。各アクチュエータ６５の回転角度に関する情報は、判断部９６へと常時出力される。判断部９６により、実際の位置と、制御上の位置とが異なると判断されると、判断部９６は、補正部９７に信号を出力する。なお、ステージ５０の制御上の位置および姿勢は、アクチュエータ６５のステップ数から導いてもよい。

補正部９７は、判断部９６から信号を受信したとき、すなわち、検出部９５によって検出されたステージ５０の位置および姿勢と、各アクチュエータ６５の回転角度から導かれるステージ５０の制御上の位置および姿勢とが異なる場合、各アクチュエータ６５の回転角度から導かれるステージ５０の制御上の位置および姿勢が、検出部９５によって検出されたステージ５０の位置および姿勢となるように各アクチュエータ６５の回転角度を補正する。

次に、図１０を参照しながら、本実施形態に係るステージ機構３０におけるステージ５０の位置および姿勢の検出並びに補正について説明する。図１０は、本実施形態に係るステージ機構３０におけるステージ５０の位置および姿勢の検出処理並びに補正処理のフローチャートである。

まず、３次元造形装置１０が造形物の３次元造形を開始すると、ノズル２２から吐出された樹脂材料を順次積層し、所定の断面形状の樹脂層を形成するためにステージ５０が移動する。これにより、ステージ機構３０において、ステージ５０の位置および姿勢の検出処理並びに補正処理が開始される。

ステップＳ１０において、カメラ７０は、ステージ５０に設けられたパターン８０を撮影する。撮影されたパターン８０の画像は、コンピュータ７５に出力される。

次に、ステップＳ２０において、第２算出部９２は、サブパターン８１〜８４の位置および姿勢を検出する。詳細には、第２算出部９２は、ステップＳ１０において撮影されたパターン８０の画像から黒い領域を抽出する。例えば、パターン８０の画像において、予め設定した閾値よりも画素の輝度が低い領域が黒い領域として抽出される。第２算出部９２は、抽出された各黒い領域の位置およびサイズをサブピクセル精度で検出する。第２算出部９２は、一の黒い領域の長辺の長さと、他の一の黒い領域の長辺の長さと、一の黒い領域と他の一の黒い領域との距離とが実質的に同じ長さのものを検出する。図４に示す例では、第１のサブパターン８１と第２のサブパターン８２とのペア、および第３のサブパターン８３と第４のサブパターン８４とのペアを検出する。第２算出部９２は、一の黒い領域の短辺の長さと、他の一の黒い領域の短辺の長さと、一の黒い領域と他の一の黒い領域との距離とが実質的に同じ長さのものを検出する。図４に示す例では、第１のサブパターン８１と第３のサブパターン８３とのペア、および第２のサブパターン８２と第４のサブパターン８４とのペアを検出する。このようにして、第２算出部９２は、パターン８０、即ち第１〜第４のサブパターン８１〜８４を検出する。

次に、ステップＳ３０において、第１算出部９１は、カメラ７０によって撮影されたパターン８０の画像から目印８６を検出する。詳細には、第１算出部９１は、第２算出部９２によって、検出された第１〜第４のサブパターン８１〜８４の中から、目印８６が形成されたサブパターンを検出し、検出された目印８６の位置に基づいてステージ５０のＺ軸回りの回転角度α（図７参照）を算出する。

次に、ステップＳ４０において、第２算出部９２は、カメラ７０によって撮影されたパターン８０の画像において、第１〜第４のサブパターン８１〜８４の各頂点８１Ｔ〜８４Ｔを検出する。第１〜第４のサブパターン８１〜８４は、各頂点８１Ｔ〜８４Ｔを頂点とする仮想四辺形８８の内方に配置されている。仮想四辺形８８は、第１〜第４のサブパターン８１〜８４に外接する。

次に、ステップＳ５０において、第２算出部９２は、検出された各頂点８１Ｔ〜８４Ｔに基づいて、第１の頂点８１Ｔから第２の頂点８２Ｔまでの第１長さＬ１と、第３の頂点８３Ｔから第４の頂点８４Ｔまでの第２長さＬ２と、第１の頂点８１Ｔから第３の頂点８３Ｔまでの第３長さＬ３と、第２の頂点８２Ｔから第４の頂点８４Ｔまでの第４長さＬ４と、を算出する。

次に、ステップＳ６０において、第３算出部９３は、第２算出部９２によって算出された第１長さＬ１と第２長さＬ２との比からステージ５０のＸ軸回りの回転角度γ（図８参照）を算出する。

次に、ステップＳ７０において、第４算出部９４は、第２算出部９２によって算出された第３長さＬ３と第４長さＬ４との比からステージ５０のＹ軸回りの回転角度β（図９参照）を算出する。

次に、ステップＳ８０において、検出部９５は、ステージ５０の姿勢および位置を検出する。検出部９５は、第３算出部９３によって算出されたＸ軸回りの回転角度γ、第４算出部９４によって算出されたＹ軸回りの回転角度β、および第１算出部９１によって算出されたＺ軸回りの回転角度αに基づいて、ステージ５０の姿勢を検出する。検出部９５は、回転角度γ、回転角度β、および回転角度α、第２算出部９２によって算出された第１〜第４長さＬ１〜Ｌ４、および原点位置で算出された第１〜第４長さＬ１〜Ｌ４に基づいて、第１の頂点８１Ｔと第４の頂点８４Ｔとを結ぶ第１の線分８９Ａ（図５参照）と第２の頂点８２Ｔと第３の頂点８３Ｔとを結ぶ第２の線分８９Ｂ（図５参照）との交差点８９Ｃをステージ５０の位置として検出する。図８に示すように、ステージ５０に設けられたパターン８０（図５参照）の交差点８９Ｃとカメラ７０のレンズ７２の中心７２Ｃとの距離Ｍおよび交差点８９ＣのＸＹＺ座標即ちステージ５０の位置は、ステージ５０の姿勢、即ち回転角度α、回転角度βおよび回転角度γと、第２算出部９２によって算出された第１〜第４長さＬ１〜Ｌ４と、原点位置で算出された第１〜第４長さＬ１〜Ｌ４とに基づいて、算出される。

次に、ステップＳ９０において、判断部９６は、検出部９５によって検出されたステージ５０の位置および姿勢（即ち実際の位置）と、各アクチュエータ６５の回転角度から導かれるステージ５０の制御上の位置および姿勢（即ち制御上の位置）とが一致しているか否かを判断する。ステップＳ９０において、実際の位置と、制御上の位置とが一致していると判断された場合、コンピュータ７５は、ステージ５０の位置および姿勢の検出処理並びに補正処理を終了する。一方、実際の位置と、制御上の位置とが一致していないと判断部９６により判断された場合、ステップＳ１００に進む。このとき、判断部９６は、補正部９７に信号を出力する。

ステップＳ１００において、補正部９７は、制御上の位置が、実際の位置となるように各アクチュエータ６５の回転角度を補正する。補正部９７が各アクチュエータ６５の回転角度を補正し、制御上の位置と実際の位置とが一致すると、コンピュータ７５は、ステージ５０の位置および姿勢の検出処理並びに補正処理を終了する。なお、このような、ステージ５０の位置および姿勢の検出処理並びに補正処理は、ステージ５０が移動する毎に行ってもよいし、一定時間毎に行ってもよい。

以上のように、ステージ機構３０によれば、コンピュータ７５は、カメラ７０によって撮影されたパターン８０の画像に基づいて、ステージ５０の位置および姿勢を検出する。カメラ７０から見えるパターン８０は、ステージ５０の位置および姿勢によって異なっている。このため、カメラ７０によって撮影されたパターン８０の画像によって、ステージ５０の位置および姿勢が一義的に決定される。カメラ７０によって撮影されたパターン８０の画像は、実際のステージ５０に設けられたパターン８０の画像であるため、コンピュータ７５は、該パターン８０の画像からステージ５０の正確な位置および姿勢を確実に検出することができる。このように、ステージ機構３０によれば、ステージ５０の可動部分にエンコーダを用いなくとも、簡単な構造によってステージ５０の正確な位置および姿勢を確実に検出することができる。また、例えばステッピングモータを用いてステージ５０を可動する場合に、ステッピングモータとステージ５０との間で生じるギヤ同士のバックラッシュなどの機械的な誤差が生じたり、ステッピングモータが脱調したりしたとしても、ステージ５０の正確な位置および姿勢を確実に検出することができる。

本実施形態のステージ機構３０によれば、図５に示すように、ステージ機構３０は、パターン８０に外接する仮想四辺形８８を備え、パターン８０は、目印８６を備える。これにより、カメラ７０によって撮影された画像における、パターン８０に外接する仮想四辺形８８および目印８６の位置に基づいて、ステージ５０の位置および姿勢が一義的に決定される。

本実施形態のステージ機構３０によれば、図６に示すように、コンピュータ７５は、検出部９５を備えている。検出部９５は、算出されたＸ軸回りの回転角度γ（図８参照）、Ｙ軸回りの回転角度β（図９参照）およびＺ軸回りの回転角度α（図７参照）に基づいて、ステージ５０の姿勢を検出する。検出部９５は、Ｘ軸回りの回転角度γ、Ｙ軸回りの回転角度β、Ｚ軸回りの回転角度α、第２算出部９２によって算出された第１〜第４長さＬ１〜Ｌ４、および原点位置で算出された第１〜第４長さＬ１〜Ｌ４に基づいて、第１の線分８９Ａと第２の線分８９Ｂとの交差点８９Ｃをステージ５０の位置として検出する。これにより、コンピュータ７５は、第１〜第４のサブパターン８１〜８４を備えたパターン８０の画像からステージ５０の正確な位置および姿勢を確実に検出することができる。

本実施形態のステージ機構３０によれば、図１に示すように、ステージ移動部６０は、各ガイド部６４を適宜に昇降させることにより、ステージ５０をＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向、Ｘ軸回り、Ｙ軸回り、およびＺ軸回りに移動させることができる。Ｘ軸方向に移動可能なアクチュエータ付テーブルと、Ｙ軸方向に移動可能なアクチュエータ付テーブルと、Ｚ軸方向に移動可能なアクチュエータ付テーブルとを組み合わせたステージ移動部に比べて、アクチュエータ６５の出力を抑えることができる。また、小型のアクチュエータを利用可能なので、ステージ移動部６０を小型化することができる。また、ステージ移動部６０はステージ５０を６自由度で駆動し、ステージ５０の位置および姿勢を自在に変更することができる。このため、ステージ５０の位置および姿勢のバリエーションがより複雑化するが、コンピュータ７５は、パターン８０の画像の位置および大きさから、ＸＹＺ軸上のステージ５０の正確な位置および姿勢を確実に検出することができる。

本実施形態のステージ機構３０によれば、図２に示すように、カメラ７０は、ステージ５０の下方かつ第１ベース４２に配置されている。６自由度パラレルリンク機構によって構成されたステージ移動部６０では、ステージ５０と第１ベース４２との間には空間が形成されている。このため、ステージ５０の下方かつ第１ベース４２にカメラ７０を配置したとき、カメラ７０とステージ５０との間には、カメラ７０がステージ５０に設けられたパターン８０を撮影することを妨げるものが存在しない。これにより、カメラ７０はパターン８０を確実に撮影することができる。

本実施形態のステージ機構３０によれば、図６に示すように、コンピュータ７５は、補正部９７を備えている。アクチュエータ６５が例えばステッピングモータから構成されている場合、ステッピングモータが脱調したときに、ステージ５０の制御上の位置および姿勢とステージ５０の実際の位置および姿勢とに差がでることがある。しかし、上記態様によれば、ステッピングモータが脱調した場合であっても、ステージ５０の正確な位置および姿勢を検出できると共に、補正部９７によって、ステッピングモータの脱調を補正することができる。

本実施形態の３次元造形装置１０によれば、図１に示すように、ノズル２２から吐出される樹脂材料は、ステージ５０の上面５０Ｕで保持され、パターン８０は、ステージ５０の下面５０Ｂに設けられ、カメラ７０は、ステージ５０の下方に配置されている。ノズル２２から吐出された樹脂材料がパターン８０を覆うことによってパターン８０が汚れてしまうと、コンピュータ７５は、撮影されたパターン８０の画像に基づいてステージ５０の位置および姿勢を検出できなくなる。しかし、３次元造形装置１０によれば、ノズル２２から吐出される樹脂材料はステージ５０の上面５０Ｕに保持され、パターン８０が設けられたステージ５０の下面５０Ｂには樹脂材料は吐出されない。このため、パターン８０は樹脂材料に覆われることがない。この結果、コンピュータ７５は、撮影されたパターン８０の画像からステージ５０の正確な位置および姿勢を確実に検出することができる。

＜第２実施形態＞
図１１は、第２実施形態に係るステージ機構３０を備えた３次元造形装置１０の構造を示す側面図である。図１２は、第２実施形態に係るステージ機構３０の平面図である。図１２において、説明の便宜上、ロッド６２および第２ベース４６の図示を省略している。

図１１に示すように、ステージ機構３０は、相互に異なる位置に配置された３つのカメラ７０を備えている。図１２に示すように、各カメラ７０は、第１ベース４２の周方向に等間隔を置いて配置されている。各カメラ７０同士の間隔は、等間隔に限定されず任意である。各カメラ７０は、相互に異なる位置からステージ５０に設けられたパターン８０を撮影する。カメラ７０の数は３つに限定されず、２つまたは４つ以上であってもよい。

コンピュータ７５は、各カメラ７０によって撮影されたパターン８０の画像のうちパターン８０が最も大きく撮影された画像に基づいて、ステージ５０の位置および姿勢を検出する。

第１算出部９１は、各カメラ７０によって撮影されたパターン８０の画像のうちパターン８０が最も大きく撮影された画像から目印８６を検出する。第１算出部９１は、検出された目印８６の位置に基づいてステージ５０のＺ軸回りの回転角度α（図７参照）を算出する。

第２算出部９２は、各カメラ７０によって撮影されたパターン８０の画像のうちパターン８０が最も大きく撮影された画像において、頂点８１Ｔ（図５参照）と、頂点８２Ｔ（図５参照）と、頂点８３Ｔ（図５参照）と、頂点８４Ｔ（図５参照）と、を検出する。第２算出部９２は、各カメラ７０によって撮影されたパターン８０の画像のうちパターン８０が最も大きく撮影された画像において、第１〜第４長さＬ１〜Ｌ４（図５参照）を算出する。

本実施形態に係るステージ機構３０によれば、図１１に示すように、カメラ７０は、２以上のカメラから構成され、各カメラ７０は、相互に異なる位置からパターン８０を撮影する。ステージ５０が大きく傾いたときに一のカメラ７０ではステージ５０に設けられたパターン８０を撮影できない場合であっても、他の一のカメラ７０でパターン８０を撮影できるように、カメラ７０を配置することができる。すなわち、ステージ５０の可動領域をより広げた場合であっても、ステージ５０の正確な位置および姿勢を確実に検出することができる。

本実施形態に係るステージ機構３０によれば、コンピュータ７５は、撮影されたパターン８０の画像のうちパターン８０が最も大きく撮影された画像に基づいて、ステージ５０の位置および姿勢を検出する。このように、パターン８０が最も大きく撮影された画像に基づいて、ステージ５０の位置および姿勢を検出するため、ステージ５０の正確な位置および姿勢をより確実に検出することができる。

＜第３実施形態＞
図１３は、第３実施形態に係るステージ機構３０の主要要素のブロック図である。なお、図１３において、第１実施形態の要素と同一の作用効果を奏する要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図１３に示すように、コンピュータ７５は、第１算出部９１と、第２算出部９２と、第３算出部９３と、第４算出部９４と、検出部９５と、判断部９６と、停止部９９と、を備えている。

判断部９６により、実際の位置と、制御上の位置とが異なると判断されると、判断部９６は、停止部９９に信号を出力する。

停止部９９は、判断部９６から信号を受信したとき、すなわち、検出部９５によって検出されたステージ５０の位置および姿勢と、各アクチュエータ６５の回転角度から導かれるステージ５０の制御上の位置および姿勢とが異なる場合、各アクチュエータ６５の動作を停止させる。これにより、ステージ５０の駆動も停止される。

図１４は、本実施形態に係るステージ機構３０におけるステージ５０の位置および姿勢の検出処理並びに補正処理のフローチャートである。なお、第１実施形態と同様の処理については、その説明を省略する。

ステップＳ９０において、判断部９６により、実際の位置と、制御上の位置とが一致していないと判断された場合、ステップＳ１２０に進む。このとき、判断部９６は、停止部９９に信号を出力する。

ステップＳ１２０において、停止部９９は、各アクチュエータ６５の動作を停止させる。この結果、ステージ５０の駆動が停止される。ステージ５０の駆動が停止されると、コンピュータ７５は、ステージ５０の位置および姿勢の検出処理並びに停止処理を終了する。

なお、本実施形態において、コンピュータ７５は、補正部９７をさらに備えていてもよい。この場合、ステップＳ９０において、判断部９６により、実際の位置と、制御上の位置とが一致していないと判断されると、判断部９６は、補正部９７に信号を出力する。そして、ステップＳ１２０において、停止部９９が各アクチュエータ６５の動作を停止させた後に、補正部９７は、制御上の位置が、実際の位置となるように各アクチュエータ６５の回転角度を補正する。これにより、例えば、ステージ５０上での３次元造形を継続して行うことができる。

本実施形態のステージ機構３０によれば、図１３に示すように、コンピュータ７５は、停止部９９を備えている。アクチュエータ６５が例えばステッピングモータから構成されている場合、ステッピングモータが脱調したときに、ステージ５０の制御上の位置および姿勢とステージ５０の実際の位置および姿勢とに差がでることがある。しかし、上記態様によれば、ステッピングモータが脱調した場合であっても、ステージ５０の正確な位置および姿勢を検出できると共に、停止部９９によって、ステッピングモータの動作が停止され、ステージ５０の駆動を停止することができる。特に、外部からの予期せぬ衝撃がステージ５０に加わることによって、ステージ５０上での３次元造形が失敗に終わったことが明らかになったとき等に有効である。

以上、本発明の実施形態について説明した。しかし、上述の実施形態は例示に過ぎず、本発明は他の種々の形態で実施することが可能である。

上述した実施形態では、パターン８０は、ステージ５０の下面５０Ｂに設けられていたが、ステージ５０の上面５０Ｕに設けてもよい。この場合、造形ヘッド２０のノズル２２から吐出された樹脂材料が配置されない部分に、パターン８０を設けるとよい。また、ステージ５０に取り付けた部材にパターン８０を設けてもよい。これにより、造形ヘッド２０のノズル２２から吐出された樹脂材料が配置されない部分に、パターン８０を設けることができる。なお、パターン８０の配置を変更しても、上述した実施形態において定義した原点位置からのパターン８０のオフセット量を考慮することによって、計算によりステージ５０の正確な位置および姿勢を確実に検出することができる。

上述した実施形態では、カメラ７０は、ステージ５０の下方に配置されていたが、ステージに５０に設けられたパターン８０を撮影することができる限りにおいて、ステージ５０の上方に配置してもよいし、ステージ５０の側方に配置してもよい。これにより、カメラ７０は、ステージ５０、ステージ５０上に配置された樹脂材料、およびロッド６２に妨げられることなくパターン８０を撮影することができる。なお、カメラ７０の配置を変更しても、カメラ７０のレンズ７２の中心７２Ｃのオフセット量を考慮することによって、ステージ５０の正確な位置および姿勢を確実に検出することができる。

上述した実施形態では、ステージ機構３０は、３次元造形装置１０に用いる場合について説明したが、これに限定されない。ステージ機構３０は、例えば、切削加工機に用いてもよい。この場合、加工ツールをステージ５０に取り付けて被切削物を加工したり、固定された加工ツールに対してステージ５０を移動させ、ステージ５０上に配置した被切削物を加工したりしてもよい。

上述した実施形態では、ステージ移動部６０は、ステージ５０を６自由度で駆動していたが、これに限定されない。ステージ５０を３自由度、４自由度または５自由度で駆動するステージ移動部を用いてもよい。

上述した実施形態では、原点位置は、カメラ７０のレンズ７２の中心７２Ｃが第１ベース４２の中心に配置され、パターン８０の交差点８９Ｃがステージ５０の下面５０Ｂの中心に設けられているときのものであったが、これに限定されない。例えば、レンズ７２の中心７２Ｃが第１ベース４２の中心からずれた位置に配置されていてもよいし、パターン８０の交差点８９Ｃがステージ５０の下面５０Ｂの中心からずれた位置に設けられていてもよい。かかる場合であっても、レンズ７２の中心７２Ｃおよびパターン８０の交差点８９Ｃに対するオフセット量を考慮することによって、ステージ５０の正確な位置および姿勢を確実に検出することができる。

上述した実施形態では、パターン８０は、長方形状に形成された第１〜第４のサブパターン８１〜８４を備え、ステージ機構３０は、第１〜第４のサブパターン８１〜８４に外接する仮想四辺形８８を備えていたが、これに限定されない。例えば、図１５に示すように、ステージ機構３０は、三角形状のパターン８０と、パターン８０に外接する仮想四辺形８８とを備えていてもよい。仮想四辺形８８は、図５に示す仮想四辺形８８の４つの頂点８１Ｔ〜８４Ｔと、第１〜第４長さＬ１〜Ｌ４とを同様に備えている。また、仮想四辺形８８の頂点８１Ｔと頂点８４Ｔとを結ぶ線分を第１の線分８９Ａとし、頂点８２Ｔと頂点８３Ｔとを結ぶ線分を第２の線分８９Ｂとしたとき、第１の線分８９Ａと第２の線分８９Ｂとの交差点８９Ｃが、ステージ５０の位置および姿勢を示す基準点となる。また、図１６に示すように、ステージ機構３０は、円形状のパターン８０と、パターン８０に外接する仮想四辺形８８とを備えていてもよい。仮想四辺形８８は、図５に示す仮想四辺形８８の４つの頂点８１Ｔ〜８４Ｔと、第１〜第４長さＬ１〜Ｌ４とを同様に備えている。また、仮想四辺形８８の頂点８１Ｔと頂点８４Ｔとを結ぶ線分を第１の線分８９Ａとし、頂点８２Ｔと頂点８３Ｔとを結ぶ線分を第２の線分８９Ｂとしたとき、第１の線分８９Ａと第２の線分８９Ｂとの交差点８９Ｃが、ステージ５０の位置および姿勢を示す基準点となる。

ここに用いられた用語及び表現は、説明のために用いられたものであって限定的に解釈するために用いられたものではない。ここに示されかつ述べられた特徴事項の如何なる均等物をも排除するものではなく、本発明のクレームされた範囲内における各種変形をも許容するものであると認識されなければならない。本発明は、多くの異なった形態で具現化され得るものである。この開示は本発明の原理の実施形態を提供するものと見なされるべきである。それらの実施形態は、本発明をここに記載しかつ／又は図示した好ましい実施形態に限定することを意図するものではないという了解のもとで、実施形態がここに記載されている。ここに記載した実施形態に限定されるものではない。本発明は、この開示に基づいて当業者によって認識され得る、均等な要素、修正、削除、組み合わせ、改良及び／又は変更を含むあらゆる実施形態をも包含する。クレームの限定事項はそのクレームで用いられた用語に基づいて広く解釈されるべきであり、本明細書あるいは本願のプロセキューション中に記載された実施形態に限定されるべきではない。

３０ステージ機構
４０ベース
５０ステージ
６０ステージ移動部
７０カメラ
７５コンピュータ
８０パターン
９５検出部

Claims

ベースと、
パターンが設けられ、前記ベースに移動自在に支持されたステージと、
前記ステージを駆動するステージ移動部と、
前記ステージに設けられた前記パターンを撮影する撮影装置と、
前記撮影装置によって撮影された前記パターンの画像に基づいて、前記ステージの位置および姿勢を検出する検出装置と、を備え、
前記撮影装置から前記パターンを見たときに、前記パターンは、前記ステージの位置および姿勢によって異なる、ステージ機構。
前記パターンに外接する仮想四辺形を備え、
前記パターンは、目印を備える、請求項１に記載のステージ機構。
前記パターンは、それぞれ同一の長さの長辺と同一の長さの短辺とを備えた長方形状の第１〜第４のサブパターンを備え、
前記第１〜第４のサブパターンのいずれか一つには、前記目印が形成され、
前記仮想四辺形は、前記第１〜第４のサブパターンのそれぞれの一頂点を第１〜第４の頂点とし、
前記第１〜第４のサブパターンは、前記仮想四辺形の内方に配置され、
前記第１のサブパターンと前記第２のサブパターンとは前記第１のサブパターンの長辺および前記第２のサブパターンの長辺が延びる方向に離間して配置され、前記第１のサブパターンと前記第３のサブパターンとは前記第１のサブパターンの短辺および前記第３のサブパターンの短辺が延びる方向に離間して配置され、前記第３のサブパターンと前記第４のサブパターンとは前記第３のサブパターンの長辺および前記第４のサブパターンの長辺が延びる方向に離間して配置され、前記第２のサブパターンと前記第４のサブパターンとは前記第２のサブパターンの短辺および前記第４のサブパターンの短辺が延びる方向に離間して配置されている、請求項２に記載のステージ機構。
前記ステージ移動部は、前記ステージを６自由度で駆動するように構成され、
前記検出装置は、
前記撮影装置によって撮影された前記パターンの画像から前記目印を検出し、前記検出された目印の位置に基づいて前記ステージのＺ軸回りの回転角度を算出する第１算出部と、
前記撮影装置によって撮影された前記パターンの画像において、前記第１の頂点から前記第２の頂点までの第１長さと、前記第３の頂点から前記第４の頂点までの第２長さと、前記第１の頂点から前記第３の頂点までの第３長さと、前記第２の頂点から前記第４の頂点までの第４長さと、を算出する、第２算出部と、
前記第１長さと前記第２長さとの比から前記ステージのＸ軸回りの回転角度を算出する第３算出部と、
前記第３長さと前記第４長さとの比から前記ステージのＹ軸回りの回転角度を算出する第４算出部と、
前記算出されたＸ軸回りの回転角度、Ｙ軸回りの回転角度およびＺ軸回りの回転角度に基づいて、前記ステージの姿勢を検出し、かつ前記算出されたＸ軸回りの回転角度、Ｙ軸回りの回転角度、Ｚ軸回りの回転角度および第１〜第４長さ、ならびに原点位置で算出された前記第１〜第４長さに基づいて、前記第１の頂点と前記第４の頂点とを結ぶ第１の線分と前記第２の頂点と前記第３の頂点とを結ぶ第２の線分との交差点を前記ステージの位置として検出する検出部と、を備えている、請求項３に記載のステージ機構。
前記ステージ移動部は、
昇降自在な第１〜第６のガイド部と、
それぞれ第１〜第６のガイド部を昇降させる第１〜第６のアクチュエータと、
一端部が第１自在継手を介して前記ステージに接続され、他端部が第２自在継手を介してそれぞれ第１〜第６のガイド部に接続された第１〜第６のロッドと、を備える、請求項４に記載のステージ機構。
前記撮影装置は、前記ステージの下方に配置されている、請求項５に記載のステージ機構。
前記検出装置は、
前記検出部によって検出された前記ステージの位置および姿勢と、前記第１〜第６のアクチュエータの回転角度から導かれる前記ステージの制御上の位置および姿勢とが一致しているか否かを判断する判断部と、
前記判断部により、前記検出部によって検出された前記ステージの位置および姿勢と、前記第１〜第６のアクチュエータの回転角度から導かれる前記ステージの制御上の位置および姿勢とが異なると判断されると、前記第１〜第６のアクチュエータの回転角度から導かれる前記ステージの制御上の位置および姿勢が前記検出部によって検出された前記ステージの位置および姿勢となるように前記第１〜第６のアクチュエータの回転角度を補正する補正部と、を備えている、請求項５または６に記載のステージ機構。
前記検出装置は、
前記検出部によって検出された前記ステージの位置および姿勢と、前記第１〜第６のアクチュエータの回転角度から導かれる前記ステージの制御上の位置および姿勢とが一致しているか否かを判断する判断部と、
前記判断部により、前記検出部によって検出された前記ステージの位置および姿勢と、前記第１〜第６のアクチュエータの回転角度から導かれる前記ステージの制御上の位置および姿勢とが異なると判断されると、前記第１〜第６のアクチュエータの動作を停止させる停止部と、を備えている、請求項５または６に記載のステージ機構。
前記撮影装置は、２以上のカメラから構成され、
前記各カメラは、相互に異なる位置から前記パターンを撮影する、請求項１から８のいずれか一項に記載のステージ機構。
前記各カメラのうち少なくとも２以上の前記カメラによって前記パターンがそれぞれ撮影されたとき、前記検出装置は、撮影された前記パターンの画像のうち前記パターンが最も大きく撮影された画像に基づいて、前記ステージの位置および姿勢を検出する、請求項９に記載のステージ機構。
樹脂材料を硬化して所定の断面形状の樹脂を順次積層することにより造形物を３次元造形する３次元造形装置であって、
請求項１から１０に記載のステージ機構と、
前記ベースの上方に配置され、樹脂材料を吐出するノズルを備えた造形ヘッドと、を備え、
前記ノズルから吐出される前記樹脂材料は、前記ステージの上面で保持され、
前記パターンは、前記ステージの下面に設けられ、
前記撮影装置は、前記ステージの下方に配置されている、３次元造形装置。