JP2017198796A - 保持装置、計測装置、および物品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】保持される物体の位置の再現性の点で有利な保持装置を提供する。
【解決手段】光学素子２２を保持する保持装置であって、光学素子２２の互いに隣接する第１側面２２１および第２側面２２２を位置決めする位置決め部５１と、位置決め部５１に支持され、第１側面２２１に対向する光学素子２２の第３側面に付勢力を加える第１弾性部５２ａと、位置決め部５１に支持され、第２側面２２２に対向する光学素子２２の第４側面に付勢力を加える第２弾性部５２ｂと、第１弾性部５２ａと光学素子２２との間の線膨張量の差と、第２弾性部５２ｂと光学素子２２との間の線膨張量の差とが、ともに閾値以下になるように、第１弾性部５２ａと第２弾性部５２ｂとが構成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、保持装置、計測装置、および物品の製造方法に関する。

物体の形状を計測する装置として、パターン投影法を用いた計測装置が知られている。パターン投影法では、パターンを物体に投影して撮像し、得られた画像におけるパターンを検出し、三角測量の原理から各画素位置における距離情報を得て、物の形状を得ている。

投影されるパターンは、例えば、光の透過率または反射率を空間的に制御する機能を有する素子を照明光学系により照明することで生成される。生成されたパターンは、投影光学系を介して物体に投影される。投影されたパターンは、環境温度の影響で照明光学系、素子および投影光学系の間の位置関係が変化することにより、変化しうる。そのため、特許文献１の保持装置は、収納部内における素子の移動方向を一方向に規定して、温度変化に対する素子の位置の安定性を高めている

特開２００２−３６５６１２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の保持装置は、素子と収納部との間の摩擦の影響を考慮しておらず、温度変化により素子と収納部とが膨張や収縮をした場合、それらの間に作用する摩擦力により、素子の位置の再現性の点で不利となりうる。

本発明は、例えば、保持される物体の位置の再現性の点で有利な保持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、光学素子を保持する保持装置であって、光学素子の互いに隣接する第１側面および第２側面を位置決めする位置決め部と、位置決め部に支持され、第１側面に対向する光学素子の第３側面に付勢力を加える第１弾性部と、位置決め部に支持され、第２側面に対向する光学素子の第４側面に付勢力を加える第２弾性部と、第１弾性部と光学素子との間の線膨張量の差と、第２弾性部と光学素子との間の線膨張量の差とが、ともに閾値以下になるように、第１弾性部と第２弾性部とが構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、例えば、保持される物体の位置の再現性の点で有利な保持装置を提供することができる。

一実施形態に係る保持装置を用いた計測装置の図である。 パターン生成部を保持する保持装置の構成を示す図である。 パターン生成部を固定部へ当接させて固定した様子を示す図である。 パターン生成部を付勢する弾性部の一例を示す図である。 パターン生成部の一例を示す図である。 保持装置の適用例としての制御システムを説明する図である。

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。

図１は本発明の第１実施形態に係る保持装置を用いた計測装置の図である。計測装置１００は、パターン投影法を用いて、被検面に配置された被計測物（物体）の形状（例えば、３次元形状、２次元形状、位置及び姿勢など）を計測する。計測装置１００は、図１に示すように、投影部２０と、撮像部３０と、処理部４０とを有する。

投影部２０は、例えば、光源部２１と、パターン生成部２２と、投影光学系２３とを含み、所定のパターンを被計測物に投影する。光源部２１は、光源から射出された光で、パターン生成部２２で生成されたパターンを均一に照明する（例えば、ケーラー照明）。パターン生成部２２は、被計測物に投影するパターン（パターン光）を生成する。本実施形態では、任意のパターンを生成可能なＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）を用いる。その他、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）、ガラス基板をクロムめっきすることによってパターンが形成されたマスク等を用いることもできる。投影光学系２３は、パターン生成部２２で生成されたパターンを被計測物に投影する光学系である。

撮像部３０は、例えば、撮像素子３１と、撮像光学系３２とを含み、被計測物を撮像して画像を取得する。撮像光学系３２は、被計測物に投影されたパターンを撮像素子３１に結像するための結像光学系である。撮像素子３１は、パターンが投影された被計測物を撮像するための複数の画素を含むイメージセンサであって、例えば、ＣＭＯＳセンサやＣＣＤセンサなどで構成されている。

処理部４０は、撮像部３０で取得された画像に基づいて、被計測物の形状を求める。処理部４０は、制御部４１と、演算部４２とを含む。制御部４１は、投影部２０や撮像部３０の動作、具体的には、被計測物へのパターンの投影やパターンが投影された被計測物の撮像などを制御する。演算部４２は、取得した画像から輝度分布を求め、距離情報の算出を行う。輝度分布は、撮像部３０が求めてもよい。算出方法は、例えば、空間符号化法を用いる。

図２は、パターン生成部（光学素子）２２を保持する保持装置の構成を示す図である。本実施形態では、薄い直方体のような形状のパターン生成部２２を用いる。保持装置５０は投影部２０内において、パターン生成部２２、光源部２１および投影光学系２３が所定の位置関係となるように配置される。保持装置５０は、固定部（位置決め部）５１と弾性部５２とを有する。固定部５１には、パターン生成部２２の側面が当接する当接面（突き出し部、凸部）が少なくともひとつ突設されている。本実施形態では、パターン生成部２２の角近傍にて突き出し部が当接している。弾性部５２は、固定部５１に取り付けられ、パターン生成部２２が突き出し部に当接するようにパターン生成部２２を付勢する。本実施形態では、弾性部５２は、板ばね５２ａ、５２ｂを含む。また、保持装置５０は、投影部２０に設けられた支持部６０に固定される。支持部６０は、パターン生成部２２のパターン領域が露出するような形状の開口部ＯＰを当該パターン領域に対応する位置に有する。なお、本実施形態では、板ばね５２ａおよび５２ｂの固定部５１への取り付けや固定部５１（保持装置５０）の支持部６０への固定は、ねじを用いて行う。

固定部５１、弾性部５２、および支持部６０は、コストと加工性の観点から、例えば、アルミニウム（線膨張係数：２３×１０^−６／℃）で形成する。ＳＵＳ３０４等のオーステナイト系ステンレス鋼を用いることができる。また、パターン生成部２２は非金属、例えば、アルミナセラミックス（線膨張係数：７×１０^−６／℃）で形成する。

図３は、パターン生成部２２の角近傍を弾性部５２により付勢して固定部５１へ当接させて固定した様子を示す図である。板ばね５２ａは、パターン生成部２２の側面２２１が固定部５１の突き出し部に当接するように、当該突き出し部と対向する対向面にある点Ｐ_１にてパターン生成部２２を付勢する。同様に、板ばね５２ｂは、パターン生成部２２の側面２２２が固定部５１の突き出し部に当接するように、点Ｐ_２にてパターン生成部２２を付勢する。図示したように側面２２１と側面２２２とは互いに隣接する。この構成によれば、固定部５１が弾性部５２による付勢力を、該付勢力が作用する点と対向する面で受けるため、モーメントによりパターン生成部２２が回転することが防止される。また、弾性部５２による付勢力以外にも計測装置外部からの衝撃などによりモーメントが発生しうる。本実施形態では、点Ｐ_１近傍のパターン生成部２２の角を点Ｐ_１と挟むような位置と、点Ｐ_２近傍のパターン生成部２２の角を点Ｐ_２と挟むような位置とにそれぞれ突き出し部を設けることで外部からの衝撃による回転を防止している。

装置が設置される環境温度の変化等による、固定部５１、弾性部５２、支持部６０、およびパターン生成部２２の変形量は、板ばね５２ａおよび５２ｂの弾性変形により吸収される。これにより、パターン生成部２２の保持精度は維持される。また、パターン生成部２２の破損も防止できる。しかしながら、上記各部材の線膨張係数の差により、各部材間で摩擦力が発生しうる。この摩擦力により、各部材の変形量が板ばね５２ａおよび５２ｂの弾性変形に吸収されなくなりうる。例えば、環境温度が初期温度からある温度まで変化した後、初期温度に戻った場合に各部材が初期温度における位置に戻らなくなる。これは、パターン生成部２２の保持精度（保持される物体の位置の再現性）の低下につながる。

そこで、本実施形態では、線膨張係数の差による摩擦力を考慮して、パターン生成部２２を付勢する位置を規定している。点Ｐ_１の位置を、側面２２２と板ばね５２ａが付勢力を与える側面とが接続する位置（パターン生成部２２の角）から距離Ｙだけ離れた位置とする。同様に、点Ｐ_２の位置を、パターン生成部２２の角から距離Ｘ離れた位置とする。例えば、環境温度の変化量をΔｔ℃とした場合、パターン生成部２２の線膨張係数をα、支持部６０、固定部５１、板ばね５２ａおよび５２ｂの線膨張係数をβとする。点Ｐ_１でのパターン生成部２２の線膨張量δｐ、板ばね５２ａの線膨張量δｓは、それぞれ、δｐ＝α×Δｔ×Ｙ、δｓ＝β×Δｔ×Ｙで示される。したがって、点Ｐ_１では、パターン生成部２２と板ばね５２ａとの間で、｜δｐ−δｓ｜＝｜α−β｜×Δｔ×Ｙの相互ずれ量が発生する。パターン生成部２２と板ばね５２ａとの間の摩擦係数が大きい場合、この相互ずれ量が板ばね５２ａの弾性変形に吸収されなくなりうる。

摩擦力の影響により、最大で上記相互ずれ量に対応した変形量が弾性変形に吸収されず残留する。例えば、Δｔ＝４５℃、α＝７×１０^−６／℃、β＝２３×１０^−６／℃とし、変形量の許容値Ｚを３μｍとする。相互ずれ量が許容値（閾値）Ｚ以下となる距離Ｙを算出すると、｜δｐ−δｓ｜＝｜α−β｜×Δｔ×Ｙ≦Ｚ、すなわち、Ｚ／（｜α−β｜×Δｔ）＝３×１０^−６ｍ／１６×１０^−６×４５≧Ｙ より、Ｙ≦４．１６ｍｍとなる。つまり、点Ｐ_１を角から４．１６ｍｍ以下の距離となる位置に規定することで、保持精度（保持される物体の位置の再現性）を許容範囲内（閾値以下）にすることができる。この位置は、Δｔ＝０、すなわち温度の変化前における位置（初期位置）である。点Ｐ_２に関しても同様である。

なお、固定部５１、弾性部５２、および支持部６０の線膨張係数がそれぞれ異なる場合は、例えば、環境温度の変化前後の点Ｐ_１の位置変化量と環境温度の変化量から線膨張係数に相当する値を求めて、上記と同様に点Ｐ_１の適切な位置を算出することができる。

以上のように、本実施形態の保持装置は、パターン生成部２２を付勢する位置を、パターン生成部２２と弾性部５２との線膨張係数差および環境温度の変化量から求めた位置とすることで所定の保持精度を得ることができる。本実施形態によれば、保持される物体の位置の再現性の点で有利な保持装置を提供することができる。

なお、弾性部５２として、図４に示すような、パターン生成部２２の側面に接する押圧部５２１ａを備えた圧縮ばね５２２ａ、および押圧部５２１ｂを備えた圧縮ばね５２２ｂを用いることもできる。また、パターン生成部２２は、薄い直方体のような形状の部材に限られず、例えば、図５に示すプリズムのような多面体の部材であってもよい。この場合は、矢印の方向に当該部品を付勢する。弾性部５２がパターン生成部２２を面で付勢する場合は、当該面の中心または重心を付勢位置とする。

（物品製造方法に係る実施形態）
上述の保持装置を備えた計測装置は、ある支持部材に支持された状態で使用されうる。本実施形態では、一例として、図６のようにロボットアーム３００（把持装置）に備え付けられて使用される制御システムについて説明する。計測装置１００は、支持台２００に置かれた被検物２１０にパターン光を投影して撮像し、画像を取得する。そして、計測装置１００の制御部が、又は、計測装置１００の制御部から画像データを取得した制御部３１０が、被検物２１０の位置および姿勢を求め、その結果、当該位置および姿勢の情報を制御部３１０が取得する。制御部３１０は、その位置および姿勢の情報（計測結果）に基づいて、ロボットアーム３００に駆動指令を送ってロボットアーム３００を制御する。ロボットアーム３００は先端のロボットハンドなど（把持部）で被検物２１０を保持して、並進や回転などの移動をさせる。さらに、ロボットアーム３００によって被検物２１０を他の部品に組み付ける（組立する）ことにより、複数の部品で構成された物品、例えば電子回路基板や機械などを製造することができる。また、移動された被検物２１０を加工することにより、物品を製造することができる。制御部３１０は、ＣＰＵなどの演算装置やメモリなどの記憶装置を有する。なお、ロボットを制御する制御部を制御部３１０の外部に設けても良い。また、計測装置１００により計測された計測データや得られた画像をディスプレイなどの表示部３２０に表示してもよい。

（その他の実施形態）
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。

２２ パターン生成部
５０ 保持装置
５１ 固定部（位置決め部）
５２ 弾性部
５２ａ、５２ｂ 板ばね

Claims (10)

1. 光学素子を保持する保持装置であって、
   前記光学素子の互いに隣接する第１側面および第２側面を位置決めする位置決め部と、
   前記位置決め部に支持され、前記第１側面に対向する前記光学素子の第３側面に付勢力を加える第１弾性部と、
   前記位置決め部に支持され、前記第２側面に対向する前記光学素子の第４側面に付勢力を加える第２弾性部と、
   前記第１弾性部と前記光学素子との間の線膨張量の差と、前記第２弾性部と前記光学素子との間の線膨張量の差とが、ともに閾値以下になるように、前記第１弾性部と前記第２弾性部とが構成されていることを特徴とする保持装置。
2. 前記光学素子の線膨張係数をα、前記第１弾性部の線膨張係数をβ、温度の変化の量をΔｔ、前記閾値をＺとして、前記第１弾性部が前記光学素子に前記付勢力を加える初期位置の前記第２側面からの距離は、
   Ｚ／（｜α−β｜×Δｔ）
   で得られる値以下であることを特徴とする請求項１に記載の保持装置。
3. 前記光学素子の線膨張係数をα、前記第２弾性部の線膨張係数をβ、温度の変化の量をΔｔ、前記閾値をＺとして、前記第２弾性部が前記光学素子に前記付勢力を加える初期位置の前記第１側面からの距離は、
   Ｚ／（｜α−β｜×Δｔ）
   で得られる値以下であることを特徴とする請求項１に記載の保持装置。
4. 前記位置決め部は、前記第１側面および前記第２側面のうちの少なくとも一方を位置決めするための凸部を有することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の保持装置。
5. 前記位置決め部は、前記第１弾性部が前記光学素子に前記付勢力を加える位置および前記第２弾性部が前記光学素子に前記付勢力を加える位置のうちの少なくとも一方に対向する位置に前記凸部を有することを特徴とする請求項４に記載の保持装置。
6. 前記弾性部は、前記位置決め部に固定されていることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の保持装置。
7. 前記弾性部は、板ばねまたは圧縮ばねを含むことを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の保持装置。
8. 光学素子を有し、前記光学素子を介してパターンを物体に投影し、前記パターンを投影された前記物体を撮像することにより前記物体の計測を行う計測装置であって、
   前記光学素子を保持する請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の保持装置を有することを特徴とする計測装置。
9. 請求項８に記載の計測装置と、
   前記計測装置による計測を行われた前記物体の移動を行うロボットと、
   を有するシステム。
10. 請求項８に記載の計測装置により計測を行われた物体の移動をロボットにより行う工程と、
    前記工程で前記移動を行われた前記物体を処理する工程と、
    を含むことを特徴とする物品の製造方法。

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