JP2017053793A - 計測装置、および物品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】未計測領域の計測に有利な計測装置を提供する。
【解決手段】第１光軸をもって物体に光を投影し、該光を投影された物体Ｗを、第２光軸をもって撮像する計測部を有し、該計測部の出力に基づいて物体を計測する計測装置であって、計測部を制御する制御部１１０を有し、制御部１１０は、計測部の出力に基づいて物体Ｗの未計測領域を推定し、推定により得られた未計測領域に基づいて、該未計測領域を計測部が計測する計測条件を設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、計測装置、および物品の製造方法に関する。

物体の３次元形状を計測する計測装置として、投影装置と撮像装置とを含むものが知られている。この計測装置では、投影装置により光が照射された物体を撮像装置により撮像し、当該撮像により得られた画像データに基づいて３次元形状を得る。しかしながら、物体の形状や、投影装置の光軸の角度、撮像装置の光軸の角度などの要因により、得られる３次元形状に未計測領域部分（欠損部分）が生じうる。

そのような未計測部分への対処を目的として、撮像装置（受光系）を別途用意して未計測領域を計測する計測装置（特許文献１）や、物体を回転させて再計測する計測装置（特許文献２）がある。

特開２００２−２２４２４号公報 特開２００３−３１５０２８号公報

上記特許文献の発明は、いずれも、未計測領域が生じる特定の要因に対処したものに過ぎず、それ以外の要因への対処は困難となりうる。

本発明は、例えば、未計測領域の計測に有利な計測装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、第１光軸をもって物体に光を投影し、該光を投影された物体を、第２光軸をもって撮像する計測部を有し、該計測部の出力に基づいて物体を計測する計測装置であって、計測部を制御する制御部を有し、制御部は、計測部の出力に基づいて物体の未計測領域を推定し、推定により得られた未計測領域に基づいて、該未計測領域を計測部が計測する計測条件を設定する、ことを特徴とする。

本発明によれば、例えば、未計測領域の計測に有利な計測装置を提供することができる。

第１実施形態に係る計測装置の構成を示す概略図である プローブの構成を示す概略図である。 制御部の構成を示すブロック図である。 第１実施形態に係る計測動作の流れを示すフローチャートである。 欠損の有無を判定するステップの詳細を示すフローチャートである。 物体の表面の位置座標を表わす計測点を示す図である。 図６の物体を上から見た図である。 欠損部の発生要因を特定するステップの詳細を示すフローチャートである。 欠損部を含む領域に評価面を重ねた状態を示す図である。 欠損部を含む領域に評価面を重ねた状態を示す図である。 欠損部の発生要因を特定する方法を説明するフローチャートおよび表である。

以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る計測装置の構成を示す概略図である。本実施形態に係る計測装置は、部品、または部品を製造するための金型などを対象物（被計測物）とし、この対象物の形状や位置を非接触で計測（３次元計測）する産業装置である。図１は、本実施形態に係る計測装置１００の構成を示す概略図である。なお、以下の各図において、対象物（物体）Ｗが載置された状態での平面内に互いに直交するＸ軸およびＹ軸を取り、このＸＹ平面に直交する方向（本実施形態では鉛直方向）にＺ軸を取っている。また、以下、計測装置１００は、一例として、計測子である非接触式プローブ１０１を物体Ｗに対して移動させながら３次元計測するものとする。なお、この移動は、連続動作に限らず、計測時に一旦停止するもの（間欠動作）としてもよい。また、非接触式プローブ１０１を固定して物体Ｗを移動しながら計測してもよいし、両方を相対的に移動しながら計測してもよい。

計測装置１００は、上述のように非接触式プローブ（プローブ）１０１を備える。ここで、プローブ１０１は、第１光軸をもって物体Ｗに光を投影し、当該光を投影された物体Ｗを、第２光軸をもって撮像する計測部としうる。さらに、計測装置１００は、Ｚスピンドル１０２と、Ｘビーム１０３と、Ｚバランサーブラケット１０４と、Ｙコラム１０５と、サポーター１０６と、モータ１０７と、計測用テーブル１０８と、設置台１０９と、制御部１１０とを備える。Ｚスピンドル１０２は、プローブ１０１を保持し、計測用テーブル１０８上に載置された物体Ｗに対して、プローブ１０１をＺ軸方向に移動可能とする。Ｘビーム１０３は、Ｚバランサーブラケット１０４を介してＺスピンドル１０２を支持し、Ｚスピンドル１０２をＸ軸方向に移動可能する。Ｚバランサーブラケット１０４は、Ｚスピンドル１０２の自重補償を行う。Ｙコラム１０５は、Ｘビーム１０３を支持し、Ｚスピンドル１０２をＹ軸方向に移動可能する。

サポーター１０６は、Ｙコラム１０５を支持する。モータ１０７は、Ｙコラム１０５を移動させるための駆動部であり、例えばリニアモーターである。なお、不図示であるが、Ｚスピンドル１０２およびＸビーム１０３も同様の駆動部により移動される。このように、Ｚスピンドル１０２、Ｘビーム１０３、およびＹコラム１０５は、それぞれプローブ１０１を移動（走査）させるための駆動機構を構成している。

計測用テーブル１０８は、上記のとおり物体Ｗを保持するものであり、設置台１０９上に支持されている。制御部１１０は、計測部（非接触式プローブ１０１、Ｚスピンドル１０２、Ｘビーム１０３、およびＹコラム１０５の各動作）を制御する。なお、制御部１１０の詳細については後述する。

なお、上記説明した計測装置１００の構成は、一例であり、以下のような変形も可能である。物体Ｗは、計測用テーブル１０８上に直接載置されるものに限られず、例えば、保持用の雇い（治具や工具）、または物体Ｗの位置、回転角および姿勢のうちの少なくとも一つを変更可能とするテーブル上に載置される構成としてもよい。また、計測装置１００は、物体Ｗに対して、Ｚスピンドル１０２、Ｘビーム１０３、およびＹコラム１０５が移動する構成に限らない。すなわち、計測装置１００は、計測用テーブル１０８に駆動機構を設けることで、プローブ１０１に対して計測用テーブル１０８が移動する構成としてもよい。

図２は、プローブ１０１の構成を示す概略図である。この図２に例示するプローブ１０１は、光（レーザー光）を投受光することで計測を行う非接触式のプローブであり、計測原理として光切断方式（スリット光を投影する三角測量方式）を利用するものとする。なお、計測装置１００に採用し得るプローブ１０１は、光切断方式を利用するものに限らず、焦点法、光波干渉法またはＴｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ法などを利用するものでもよい。プローブ１０１は、半導体レーザ光源２０１およびシリンドリカルレンズ２０２を含む投光ユニット（投光部）と、第１撮像レンズ２０３、第２撮像レンズ２０４およびイメージセンサー（光検出器）２０５を含む撮像ユニット（撮像部）とを備えうる。イメージセンサー２０５は、物体Ｗからの反射光を受光する。ここで、イメージセンサー２０５の受光面、物体Ｗの物体面、および第１撮像レンズ２０３と第２撮像レンズ２０４とで構成される結像レンズの主平面は、シャインプルーフ光学系の条件を満足する（同一直線上で交わる）ことが望ましい。

投光ユニットは、半導体レーザ光源２０１から射出した光をシリンドリカルレンズ２０２に通過させることにより、スリット光（ライン光）を物体Ｗに投影する。半導体レーザ光源２０１が射出するレーザ光の強度は、外部からの指令に基づいて調整が可能である。撮像ユニットは、投光ユニットが投光する角度とは異なる角度から、物体Ｗに投影されたライン光をイメージセンサー２０５上に結像して撮像する。

信号処理部２０６は、Ａ/Ｄ変換機能を有し、イメージセンサー２０５により光電変換して得られたアナログ光強度データ（アナログ信号）をデジタル光強度データ（デジタル信号）に変換する。また、信号処理部２０６は、光強度計測レンジにおける光強度データの範囲を判定する機能も有している。例えば、当該判定は、光強度を基準値と比較して行いうる。信号処理部２０６は、ピーク検出を介して、物体Ｗの形状に応じて生じるラインの歪量を得る。光切断方式は、ラインの歪量に基づいて三角測量の原理により物体Ｗまでの距離情報を得る。なお、三角測量は、光切断方式によるものには限定されず、ポイント光投影方式によるものや、二次元パターン投影方式（パターン投影法）によるものでもよい。

図３は、制御部１１０の構成を示すブロック図である。制御部１１０は、主制御部３００と、各ユニットを制御対象とする各制御部３０１ないし３０４と、記憶部（メモリ）３０５と、生成部３０６とを含む。主制御部３００は、物体Ｗを計測するために生成部３０６で生成された計測プロファイル（計測条件または計測経路）に基づいて、各制御部３０１ないし３０４を制御する。計測プロファイルは、メモリ３０５に記憶されている。

生成部３０６は、プローブ１０１で物体Ｗの形状を計測するためにプローブ１０１を走査する経路（計測経路）、つまりＸビーム１０３、Ｙコラム１０５およびＺスピンドル１０２の駆動プロファイルを生成する。この計測経路は、操作者（ユーザ）に指示された領域に基づいて生成されうる。また、計測経路は、物体Ｗの事前情報が無い場合でも、プローブ１０１やＺスピンドル１０２が物体Ｗに衝突しないようにするための事前情報に基づいて生成されうる。

主制御部３００は、計測プロファイルに基づいて、各制御部３０１ないし３０４を介して各ユニットを制御する。Ｘビーム用制御部３０１は、Ｘビーム１０３用のモータドライバに駆動信号を送信し、不図示のモータを駆動させることにより、Ｘビーム１０３に係る動作を制御する。また、Ｘビーム用制御部３０１は、Ｘビーム１０３に係る現在位置を計測させるトリガーを不図示の位置センサーに送信し、この位置センサーから位置データを取得する。

Ｙコラム用制御部３０２は、Ｙコラム１０５用のモータドライバに駆動信号を送信し、モータ１０７を駆動させることにより、Ｙコラム１０５の動作を制御する。また、Ｙコラム用制御部３０２は、Ｙコラム１０５の現在位置を計測させるトリガーを不図示の位置センサーに送信し、この位置センサーから位置データを取得する。さらに、Ｚスピンドル用制御部３０３は、Ｚスピンドル１０２用のモータドライバに駆動信号を送信し、モータを駆動させることにより、Ｚスピンドル１０２の動作を制御する。また、Ｚスピンドル用制御部３０３は、Ｚスピンドル１０２の現在位置を計測させるトリガーを不図示の位置センサーに送信し、この位置センサーから位置データを取得する。なお、上記各位置センサーとしては、例えばエンコーダを採用可能である。主制御部３００は、各制御部３０１〜３０３を介して、プローブ１０１の位置データを得る。

プローブ用制御部３０４は、トリガーをイメージセンサー２０５に送信し、信号処理部２０６を介して、デジタル光強度データを取得する。光強度が計測範囲外の場合、光強度が計測範囲の上限値より大きいことを示すデータ、または光強度が計測範囲の下限値より小さいことを示すデータを、光強度データとして取得する。また、プローブ用制御部３０４は、プローブ１０１に含まれる半導体レーザ光源２０１の光量調整やＯＮ／ＯＦＦ制御なども行う。

デジタル光強度データのピーク位置検出により、三角測量の原理から、計測対象物までの距離のデータを得ることができる。Ｘビーム位置、Ｙコラム位置、Ｚスピンドル位置の組合せごとに、計測対象物上の計測点の３次元位置データを得られる。得られた物体Ｗの３次元位置データの集合を計測データ（点群データ）と呼ぶことにする。

計測結果として、上記の点群データと、光強度データとのセットが得られる。計測条件は、投光部による投光角度（第１光軸の角度）および投影される光の量（投光量）、撮像部による撮像角度（第２光軸の角度）、計測部と物体との間の距離、撮像部における感度（光検出器２０５の感度）のうちの少なくとも一つに関するものとしうる。計測条件は、主制御部３００により計測プロファイルとして設定される。計測条件は、メモリ３０５に保存される。計測結果は、計測条件とともに、メモリ３０５に記憶される。計測条件は、前記第１光軸の角度、前記第２光軸の角度、前記計測部と前記物体との間の距離、前記光の量、および前記撮像の感度のうちの少なくとも一つに関する

図４は、本実施形態における計測動作（処理）の流れを例示するフローチャートである。ステップＳ１０１では、主制御部３００は、メモリ３０５に記憶された計測条件に基づいて各ユニットを制御して物体Ｗの形状を得る。主制御部３００は、点群データと光強度とを含む計測結果（の情報）をメモリ３０５に記憶させる。計測結果の情報は、計測条件に対応付けられて記憶される。ステップＳ１０２では、主制御部３００は、メモリ３０５から計測結果を読み出す。

ステップＳ１０３では、主制御部３００は、対象物の表面形状を得られない部分（欠損部）の有無を判断する。ステップＳ１０３の詳細は後述する。欠損部が無いと判断されれば（ＹＥＳ）、計測は終了となる。欠損部が有ると判断されれば（ＮＯ）、次のステップＳ１０４に進む。ステップＳ１０４では、主制御部３００は、欠損部の発生要因（未計測領域を未計測とする要因）を特定する。特定方法については後述する。

ステップＳ１０５では、主制御部３００は、ステップＳ１０４で特定された要因に基づいて、次の計測条件を設定する。ステップＳ１０６では、制御部３００は、次の計測条件に基づいて次の計測を実施するかを判断する。次の計測を実施する場合（ＹＥＳ）、ステップＳ１０１からのステップを繰り返す。次の計測を実施しない場合（ＮＯ）、計測は終了となる。このステップＳ１０６は、無限ループの回避及び計測時間の制限のために設けられており、実施するか否かの基準は、計測回数であってもよいし、経過時間であってもよい。また、被計測部分に対する欠損部の比率であってもよい。

図５は、図４のステップＳ１０３の詳細を示すフローチャートである。ステップＳ４０１では、主制御部３００は、点群データを構成する各点の間の距離を得る（算出する）。ステップＳ４０２では、主制御部３００は、ステップＳ４０１で得られた距離が所定の閾値以下となる点を特定する。ステップＳ４０３では、主制御部３００は、ステップＳ４０２で特定した点を接続した線図を生成する。ステップＳ４０４では、主制御部３００は、ステップＳ４０３で生成された線図から、空白領域の有無を判断する。空白領域ありと判断された場合（ＹＥＳ）、その空白領域を欠損部とする（ステップＳ４０５）。空白領域なしと判断された場合（ＮＯ）、欠損部なしとする（ステップＳ４０６）。

図６および図７により、欠損部の有無の判断について説明する。図６は、物体Ｗの表面の位置座標を表わす計測点（点群データ）を示したものである。物体Ｗの表面は、平坦面（水平部）６０１と、傾斜面（傾斜部）６０３ないし６０６からなる。黒いドットは、計測点６０２を示す。傾斜面６０３は、ステップＳ１０３での判断の結果、計測点がない部分（欠損部）とされる。計測点の図示は、一部省略している。

図７は、図６の対象物を上から（Ｚ軸方向から）見た図である。図６の平坦面６０１に相当するのは、平坦面７０１である。線分７０４は、隣接する複数の計測点７０２間の距離が、いずれも所定の閾値以下であることを示す。これに対して、一点鎖線７０５で結ばれた複数の計測点７０２のそれぞれは、隣接する任意の計測点との間の距離が閾値以下となるのではない（閾値より大きい）計測点を示す。よって、一点鎖線７０５は、欠損部７０３の外縁を表わしているといえる。このようにして、主制御部３００（制御部）は、欠損部７０３（未計測領域）を推定する。すなわち、隣接する任意の計測点との間の距離が閾値以下となるのではない計測点で囲まれた領域として未計測領域を推定する。

図８は、図４のステップＳ１０４の詳細を示すフローチャートである。ステップＳ２０１では、主制御部３００は、欠損部７０３の外縁上にある計測点７０２の座標データから評価面データ（未計測領域の推定データ）を生成する。ステップＳ２０２では、主制御部３００は、評価面データと欠損部の周囲の計測点における計測情報と（すなわち計測部の出力）に基づき、欠損部の発生要因（未計測領域を未計測とする要因）の特定を行う。

当該評価面（未計測領域）は、平面の領域として、数学的に容易に得る（推定する）ことができる。評価面は、上記外縁上にある任意の３点（３つ）以上の計測点の座標に基づいて生成（推定）されうる。４点（４つ）以上の計測点の座標を用いる場合、最小二乗法などを利用して生成（推定）されうる。欠損部を複数の領域に分割して、該複数の領域それぞれに関して評価面データを生成してもよい。図９は、図６に示した欠損部６０３を含む領域に、評価面データに係る評価面１００１を重ねた状態を示す図である。図１０は、図７に示した欠損部７０３を含む領域に評価面１００１を重ねた状態を示す図である。評価面１００１は、欠損部の発生要因を特定するために用いられる。

図９、図１１（Ａ）および（Ｂ）を参照して、欠損部の発生要因（未計測領域を未計測とする要因）の特定方法について説明する。図１１（Ａ）は、主制御部３００が行う欠損部の発生要因を特定する方法を説明するフローチャートである。図１１（Ｂ）は、欠損部の発生要因の種類を示している。ステップＳ３０１は、発生要因が図１１（Ｂ）のＪ１であるか、すなわち、評価面１００１に対するスリット光の入射角度が許容範囲外かを判断する。評価面１００１の面の傾きに基づいて、評価面１００１（欠損部）に対するスリット光の入射角度を求めることができる。入射角度が許容範囲外（ＹＥＳ）の場合、ステップＳ３０２へ進む。ステップＳ３０２では、主制御部３００は、欠損部の発生要因をスリット光の入射角度が許容範囲外であることと特定する。この判定により、この処理フローは終了する。入射角度が許容範囲内（ＮＯ）の場合、ステップＳ３０３に進む。

ステップＳ３０３では、発生要因が図１１（Ｂ）のＪ２であるか、すなわち、評価面１００１（欠損部）がヘッド１０１の測距範囲外にあるかを判断する。評価面１００１が測距範囲外（ＹＥＳ）の場合、ステップＳ３０４に進む。ステップＳ３０４では、主制御部３００は、欠損部の発生要因をヘッド１０１の測距範囲外に評価面があることと特定する。この特定により、この処理フローは終了する。評価面１００１が測距範囲内（ＮＯ）の場合、ステップＳ３０５に進む。

ステップＳ３０５では、発生要因が図１１（Ｂ）のＪ３であるか、すなわち、欠損部の光強度が計測レンジの上限より大きいかを判断する。ここで、当該上限は、信号処理部２０６を介してプローブ用制御部３０４に入力されている。光強度が計測レンジの上限より大きい場合（ＹＥＳ）、ステップＳ３０６に進む。ステップＳ３０６では、制御部３００は、欠損部の発生要因を光強度が計測レンジの上限より大きいことと特定する。この特定により、この処理フローは終了する。光強度が計測レンジの上限より大きくない場合（ＮＯ）、ステップＳ３０７に進む。

ステップＳ３０７では、発生要因が図１１（Ｂ）のＪ４であるか、すなわち、欠損部の光強度が計測レンジの下限より小さいかを判断する。光強度が計測レンジの下限より小さい場合（ＹＥＳ）、ステップＳ３０８に進む。ステップＳ３０８では、制御部３００は、欠損部の発生要因を光強度が計測レンジの下限より小さいことと特定する。この特定により、この処理フローは終了する。光強度が計測レンジの下限より小さくない場合（ＮＯ）、ステップＳ３０９に進む。ステップＳ３０９では、制御部３００は、欠損部の発生要因を不明（以上の要因以外）とする。以上により、この処理フローは終了する。

図１１（Ａ）の処理フローが終了すると、制御部３００は、図４のステップＳ１０５の計測条件の設定を行う。当該計測条件は、図１１（Ａ）で特定した要因に基づいて設定される。特定された要因が入射角度であれば、評価面１００１に対して有効な入射角度でスリット光が入射するような計測条件を設定する。特定された要因が測距範囲であれば、生成部３０６により、欠損部が測距範囲に入るような計測経路を生成する。特定された要因が光強度の大きさであれば、主制御部３００は、プローブ用制御部３０４を介して、半導体レーザ光源２０１の発光量を下げる。または、イメージセンサー２０５の不図示の増幅器の増倍率を下げるか、または、光信号を電気信号に変換する率を下げるかする。特定された要因が光強度の小ささであれば、主制御部３００は、プローブ用制御部３０４を介して、光源の発光量を上げる。または、イメージセンサー２０５の不図示の増幅器の増倍率を上げるか、または、光信号を電気信号に変換する率を上げるかする。

また、要因が不明（以上のもの以外）であれば、複数の計測条件の組合せを変化させたり、装置のユーザに計測条件を選択または設定させたりしうる。

本実施形態は、形状結果に基づいて、欠損部（欠損部分または欠損領域）を特定し、特定した欠損部の発生要因を特定し、当該要因に基づいて計測条件を変更または設定して再計測を行う。もって、欠損部（未計測部分または未計測領域）の計測に有利な計測装置を提供することができる。

（物品製造方法に係る実施形態）
以上に説明した実施形態に係る計測（検査）装置は、物品製造方法に使用しうる。当該物品製造方法は、当該計測（検査）装置を用いて物体の計測（検査）を行う工程と、当該工程で計測（検査）を行われた物体を処理する工程と、を含みうる。当該処理は、例えば、加工、切断、搬送、組立（組付）、検査、および選別のうちの少なくともいずれか一つを含みうる。本実施形態の物品製造方法は、従来の方法に比べて、物品の性能・品質・生産性・生産コストのうちの少なくとも１つにおいて有利である。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

Ｗ 対象物
１０１ プローブ
１１０ 制御部
３００ 主制御部
３０５ メモリ（記憶部）
３０６ 生成部

Claims (8)

1. 第１光軸をもって物体に光を投影し、該光を投影された前記物体を、第２光軸をもって撮像する計測部を有し、該計測部の出力に基づいて前記物体を計測する計測装置であって、
   前記計測部を制御する制御部を有し、
   前記制御部は、前記計測部の出力に基づいて前記物体の未計測領域を推定し、前記推定により得られた前記未計測領域に基づいて、該未計測領域を前記計測部が計測する計測条件を設定する、
   ことを特徴とする計測装置。
2. 前記制御部は、隣接する任意の計測点であって、互いの距離が閾値より大きい計測点により囲まれた領域を前記未計測領域として推定することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
3. 前記制御部は、前記未計測領域を平面の領域として推定することを特徴とする請求項２に記載の計測装置。
4. 前記制御部は、３つ以上の前記計測点に基づいて前記未計測領域を推定することを特徴とする請求項３に記載の計測装置。
5. 前記制御部は、前記計測部の出力に基づいて、前記未計測領域を未計測とする要因を特定することを特徴とする請求項１ないし請求項４のうちいずれか１項に記載の計測装置。
6. 前記制御部は、前記要因に基づいて前記計測条件を設定することを特徴とする請求項５に記載の計測装置。
7. 前記計測条件は、前記第１光軸の角度、前記第２光軸の角度、前記計測部と前記物体との間の距離、前記光の量、および前記撮像の感度のうちの少なくとも一つに関することを特徴とする請求項１ないし請求項６のうちいずれか１項に記載の計測装置。
8. 請求項１ないし請求項７のうちいずれか１項に記載の計測装置を用いて物体の計測を行う工程と、
   前記工程で前記計測を行われた前記物体の処理を行う工程と、
   を含むことを特徴とする物品製造方法。

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