JPH0478929B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、テーブル上の測定対象物と支柱に変
位可能に支持された検出子とを三次元方向に相対
移動させつつ形状、寸法等を測る三次元測定機の
改良に関する。

〔背景技術とその問題点〕

テーブルに載置された測定対象物と、基台に固
定されまたは移動可能とされた支柱にＸ軸および
Ｚ軸方向に変位可能に支持された検出子とを三次
元方向に相対移動させつつその測定対象物の形状
や寸法を測るいわゆる三次元測定機が知られ、高
精度測定可能なことから多くの産業分野で利用さ
れている。

かかる三次元測定機の一般的構造は、検出子を
支持しかつそれを三次元方向（Ｘ、ＹおよびＺ軸
方向）に移動させるための移動機構とテーブルと
から形成される機械部と、検出子からの信号を所
定処理し形状等を求めるデータ処理装置を含む電
子部とから構成されている。

ここに、従来三次元測定機の上記機械部につい
て第６図を参照しながら説明すると、この支柱固
定型は、基台１上にテーブル７と支柱２，２が設
けられ、支柱２，２上をＹ軸方向に移動可能とさ
れたＹスライダ１９，１９、このＹスライダ１
９，１９に渡架された横桁部材３上をＸ軸方向に
移動可能とされたＸスライダ４およびこのＸスラ
イダ４に支持されたＺ案内ボツクス５内をＺ軸方
向に移動可能なスピンドル６とから移動機構を形
成し、そのスピンドル６の先端側に検出子１０を
取り付けて機械部を構成していた。したがつて、
テーブル７に載置した測定対象物（図示省略）に
対しスピンドル６を把持して検出子１０を接触等
させつつそのスピンドル６の三次元的座標値を順
次検出し図示省略の電子部で所定処理することに
よつて測定対象物の形状、寸法等を測ることがで
きた。

しかしながら、上記従来の三次元測定機には次
のような問題点があつた。

三次元測定機の普及に伴いその測定対象物も
拡大され、検出子１０をタツチ信号プローブ等
に限定していたのではその接触子が妥当関与で
きず（たとえば、プリント配線基盤の電子部品
取付穴等の穴径、穴間ピツチを測る場合、その
穴に接触子が入らない）測定不能ということが
生じた。そこで、従来、タツチ信号プローブ等
の検出子１０に代えて工具顕微鏡をスピンドル
６に取り付けて測る方法が採られる場合があつ
た。しかし、この場合には検出子１０を代える
ごとにいわゆる零合わせ作業を行わなければな
らず極めて作業能率の悪いものであつた。

また、測定対象物の適応性拡大は、上記の場
合でいうタツチ信号プローブと工具顕微鏡との
いずれか一方では全点測定を行うことができな
い場合が多く生じたが、スピンドル６へそれら
検出子１０を交換取付すること自体が接触子等
の位置ずれを起こさせてしまうため、結果とし
て測定精度が低くなり、測定作業の限定がされ
てしまうという問題があつた。しかも、作業者
ごとのねじ締付け等の差異も精度に大きな影響
を残し統一的管理、生産ができないという欠点
もあつた。

また、上記両検出子１０の交換は、その作業
の煩雑化、位置づれ誤差の発生等のみならず、
測定工程中に手作業が入るためのコンピユータ
制御いわゆるCNC三次元測定機の達成が困難
であるという致命的欠陥を有するという問題も
あつた。

〔発明の目的〕

本発明は、上記従来問題点を除去し、検出子交
換作業をすることなく迅速かつ高精度で測定対象
の広い２つの検出子を備えた三次元測定機の提供
を目的とする。

〔問題点を解決するための手段および作用〕

本発明は、相互に一定の関連を持たせた２つの
検出子を備えることによつて煩雑作業をすること
なく高速で高精度の測定をできるようにするので
ある。これがため、テーブル上の測定対象物と、
検出手段を有する変位部材とを互いに直交するＸ
軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に相対移動させつつ測定対象
物の寸法、形状等を測る三次元測定機において、
前記検出手段を、前記測定対象物への接触によつ
てタツチ信号を出力する接触式検出子と、前記測
定対象物の表面寸法等を非接触で測定する非接触
式検出子とから構成するとともに、これらの両検
出子を前記変位部材にＺ軸方向へ変位可能かつＸ
軸及びＹ軸方向に変位不能に設け、前記両検出子
を前記Ｚ軸方向へ一体的に変位させる第１駆動手
段を設けるとともに、一方の検出子に対して他方
の検出子をＺ軸方向に相対変位させる第２駆動手
段を設けたことを特徴とし前記目的を達成するの
である。

本発明は上記構成とされているから、一方検出
子を用いた測定と他方検出子を用いた測定並びに
両検出子のＸ軸方向およびＹ軸方向の相対変位が
不能とされているから原点合わせ等を都度しなく
とも、両検出子を両用した測定が検出子を交換す
ることなく迅速かつ精度よく行うことができる。
また、検出手段を接触式検出子と非接触式検出子
とから構成しているので、接触式検出子による立
体物の形状測定とともに、非接触式検出子による
立体物中の小穴やプリント基板の小穴等について
も一括して測定することができ、測定機としての
用途を飛躍的に拡大できる。

〔実施例〕

本発明に係る２つの検出子を備えた三次元測定
機の一実施例を図面を参照しながら詳細に説明す
る。

まず、第１図〜第３図をもつて三次元測定機の
概略全体構成を説明すると、基台１のＸ軸方向の
両側に一対の支柱２，２が立設され、この支柱
２，２の上側にＸスライダ４をＸ軸方向に摺動自
在に案内する横桁部材３が渡架されている。Ｘス
ライダ４に一体的に設けられたＺ案内ボツクス５
には、Ｚ軸方向に変位可能な変位部材たるスピン
ドル６及び角柱体２５が支持され、スピンドル６
には検出手段１０の一方検出子たるタツチ信号プ
ローブ１１が、角柱体２５にはその他方検出子た
るビデオカメラ２１にＺ軸を合わせる鏡筒２２が
それぞれ設けられている。この鏡筒２２には拡大
レンズ（図示省略）が倍率切替可能に内蔵されて
いる。そして、測定対象物（図示省略）を取り付
けるためのテーブル７は基台１に対しＹ軸方向に
移動可能とされている。したがつて、測定対象物
に対して検出手段１０をＹ軸方向に相対移動させ
る場合には、測定対象物が載置されているテーブ
ル７をＹ軸方向に移動すればよいことになる。こ
のため、検出手段１０をＹ軸方向に変位不能なＺ
案内ボツクス５、つまりＹ軸方向への移動機構を
有しないＺ案内ボツクス５に取付けても何ら不都
合はない。これにより、Ｚ案内ボツクス５の構造
が簡素化され、Ｚ案内ボツクス５の小型、軽量化
を図ることが可能となる。

なお、基台１にはＹ軸方向に沿つて断面コ字状
の凹所１４が設けられ、ここに図示省略したテー
ブル７の基台１に対するＸ軸位置規制手段、Ｚ軸
位置規制手段、Ｙ軸方向変位検出手段等が収容で
きるようされており、蛇腹８，８等による防塵装
置によりそれら手段に塵埃等が侵入しないよう構
成されている。

次に、第４図を参照して両検出子の相互関係を
示す構造を説明する。これはＺ案内ボツクス５に
収容されており、第２図の−矢視線に基づく
側断面図である。第４図に見られるように先端側
に接触子１２を有するタツチ信号プローブ１１が
設けられたスピンドル６は、Ｘスライダ４に支持
されたエアベアリング９にＺ軸方向に摺動自在に
支持されるとともに、同じくＸスライダ４に支柱
部材８４で支持された保持部材８３に回動可能と
されたローラ８２，８２に渡架された吊ひも８０
でバランスウエイト８１とウエイトバランスされ
ている。したがつて、スピンドル６は微力でＺ軸
方向に移動させることができる。

そして、このスピンドル６は、第１駆動手段３
０によつて自動運転あるいはCNC運転できるよ
う構成されている。第１駆動手段３０は、Ｘスラ
イダ４に一体的に設けられた支持台３６に上端面
側に固着されたモータ３１、このモータ３１で駆
動されるギヤ３２，３３、このギヤ３３で回動駆
動されるねじ軸３４およびこのねじ軸３４に螺合
されスピンドル６に一体化形成されたナツト部材
３５とから形成されている。これにより、スピン
ドル６は、モータ３１を駆動制御することによつ
てＺ軸方向に定量的に移動制御できるようになつ
ている。

一方、他方の検出子たるビデオカメラ２１に主
軸を一致させる鏡筒２２を支持する角柱体２５は
スピンドル６に一体化形成された下支持板１７に
設けられたエアベアリング２９にＺ軸方向に摺動
自在に支持されるとともに、第２駆動手段４０で
さらにＺ軸方向に相対移動可能とされている。こ
の第２駆動手段４０は、スピンドル６と一体的な
上支持板１６と下支持板１７とに回動可能に支持
されたねじ軸４２と、このねじ軸４２に螺合され
たナツト部材２３およびねじ軸４２を駆動するた
めのモータ４１とから構成されている。なお、４
３はロータリーエンコーダであつて、スピンドル
６に対する角柱体２５のＺ軸方向移動変位量を検
出するためのものである。ここに、角柱体２５す
なわち他方の検出子たるビデオカメラ２１、鏡筒
２２は第２駆動手段４０によつてスピンドル６す
なわち一方の検出子たるタツチ信号プローブ１１
に対し相対変位可能とされかつ、第２駆動手段４
０を駆動させないときはスピンドル６と一体的
に、すなわち同期的にＺ軸方向に変位可能と構成
されている。

また、この実施例における電子部は、第５図に
見られるようにビデオ測定回路５０、タツチ測定
回路６０、データ処理装置７０等から構成されて
いる。

タツチ測定回路６０は、検出手段１０の一方の
検出子であるタツチ信号プローブ１１の接触子１
２が測定対象物（図示省略）に当接されたときに
タツチ信号プローブ１１から発せられるタツチ信
号に基づいて測定対象物の当該測定面の座標
（Ｘ、ＹおよびＺ軸方向の基準点に対する当該位
置）データを特定するデータ特定回路６１とこの
データ特定回路６１で特定せた座標データを測定
プログラムに基づいて所定処理し、寸法形状を求
める測定部６２とからなつている。したがつて、
データ特定回路６１には、Ｘ軸方向変位検出器６
５、Ｙ軸方向変位検出器６６およびＺ軸方向変位
検出器６７の各出力が入力され、また、後記ビデ
オ測定回路５０のためのロータリーエンコーダ４
３も接続されている。

また、ビデオ測定回路５０は、鏡筒２２から入
射された測定対象物の測定面からの反射光を受け
てその測定面を観察するビデオカメラ２１からの
出力信号を白、黒の二値化信号に変換する信号変
換回路５１と、この二値化信号を画像蓄積する記
憶回路５２と、その二値化信号された画像を写す
モニタ７２と、このモニタ７２に写された画像の
計測すべきポイント、線あるいは面積を特定する
ためにエツジ検出するためのエツジ検出手段５３
およびこのエツジ検出手段５３で検出した、例え
ば、ポイント−ポイント間の長さをビデオカメラ
２１で決定されているピクセルの数との関係から
求める測定部５４とから形成されている。測定部
５４には、上記のポイント−ポイントの両ポイン
トがモニタ７２に同時的に写し出せない場合には
その間の比較的大きい距離をも勘案して全長を測
らなければならないことからデータ特定回路６１
からＸ軸方向およびＹ軸方向の座標データが入力
され、また装置形成便宜上Ｚ軸方向の座標データ
も入力されている。

データ処理装置７０は、CPU７３、キーボー
ド７１、モニタ７２およびプリンタ、CRT等の
出力手段７４とから形成されており、CPU７３
は、ビデオ測定回路５０、タツチ測定回路６０の
双方またはいずれか一方を利用して測定するため
の測定プログラム、駆動プログラムさらに出力手
段７４をコントロールすべき出力プログラム等に
基づきそれら回路、手段等を制御、監視等するも
のとされている。また、キーボード７１は、両測
定回路５０，６０を制御するための指令信号を出
力、特定するほか前記エツジ検出手段５３のすべ
てまたはその一部と兼用し、モニタ７２も各メツ
セージを表示するほか、上記の画像を表示するも
のとされている。

なお、この実施例では、選択によつてCPU７
３からの測定プログラム、駆動プログラムに基づ
いて、第１および第２駆動手段３０，４０を駆動
制御し全自動測定を行うことができるようされて
おり、このためのビデオカメラ２１はＺ軸方向に
ついてオートフオーカス回路（図示省略）が内蔵
されている。なお、３８，４８はモータ３１，４
１を駆動するためのドライバーである。

このように構成された本実施例では次のような
運転、測定をすることができる。

〔準備〕

テーブル７上に測定対象物（図示省略）を取り
付け、検出手段１０とこの測定対象物との相対位
置関係すなわち基準位置合わせを公知の方法で完
了しておく。

そして、タツチ測定回路６０による測定、ビデ
オ測定回路５０による測定、両回路５０，６０の
併用測定か否かをキーボード７１で選択してお
く。

〔タツチ測定回路による測定〕

データ処理装置７０のCPU７３の指令に基づ
いて、図示省略したＸ軸方向駆動手段、基台１の
凹所１４に内蔵されたＹ軸方向駆動手段並びに第
１駆動手段３０が自動運転され、検出手段１０と
測定対象物とは、Ｘ、ＹおよびＺ軸方向すなわち
三次元方向に自動的に連続的または／および間歇
的に移動運転される。ここで、第１駆動手段３０
は、CPU７３からの指令に基づいてドライバー
３８を介しモータ３１を駆動する。するとギヤ３
２，３３の回動によりねじ軸３４、ナツト部材３
５とを介することによつて、スピンドル６をＺ軸
方向に移動させることができる。この場合、第２
駆動手段４０は駆動されないが予め手動により角
柱体２５を第４図で最上端に位置づけすることが
でき、鏡筒２２は、タツチ信号プローブ１１によ
る測定を防げないものとされている。

したがつて、タツチ信号プローブ１１の接触子
１２が順次測定対象物の測定面に当接され、当接
されるごとに出力されるタツチ信号に基づいてデ
ータ特定回路６１で各座標データを検出し、測定
部６２によつてその形状、寸法等が自動測定され
る。この測定値は、出力手段７４たるプリンタ等
に表示記録される。このようにして、タツチ測定
回路６０、データ処理装置７０により自動測定を
行うことができる。

〔ビデオ測定回路による測定〕

このビデオ測定回路５０による測定の場合にも
検出手段１０の他方検出子たるビデオカメラ２１
（鏡筒２２）と測定対象物とは前記タツチ測定回
路６０の場合と同様に自動的に相対移動される。
なお、この場合は前記場合と逆に一方検出子たる
タツチ信号プローブ１１側をＺ軸方向の最上位と
しておくのがよい。また、ビデオカメラ２１のＺ
軸方向はその鏡筒２２が測定面と一定の距離とな
るよう、つまり鮮明画像を検出できるようドライ
バー４８、モータ４１を介し第２駆動手段４０
（または／および第１駆動手段３０）によつてオ
ートフオーカスされる。

したがつて、測定対象物の測定面とビデオカメ
ラ２１とが所定の関係に位置づけされたときに捉
えた画像を二値化信号に変換された信号変換回路
５１からの出力に基づいて所定位置でのエツジ検
出とその寸法等測定をエツジ検出手段５３、測定
部５４の作用によつて行うことができる。なお、
測定面の画像が例えば、拡大倍率によつて一度に
モニタ７２の有効映像域に表示されない比較的大
きな寸法等を測るときは、先の画像が記憶回路５
２に記憶されかつ先のエツジ検出値が測定部５４
に記憶されるよう形成されているから、データ特
定回路６１を介し入力されたＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方
向座標データを利用して測定することができる。
ここに、ビデオ測定回路５０による測定は測定対
象物に非接触であつて、また、ビデオカメラ２１
の最小画素であるピクセルの数によつて分解能が
決定されるから1μｍ以下の高精度で測定できる。

なお、この精度をより高くする便法として、特
定の場合に、モータ７２に写し出された測定面の
拡大画像にエツジ検出手段５３で、たとえば、モ
ニタ７２上の電子表示型カーソルの位置と方向を
合わせることにより正確なエツジ検出ができるよ
う部分的、一時的マニユアル操作もできるよう形
成されている。これは、キーボード７１の操作に
よつて行うことができる。

〔併用測定〕

タツチ測定回路６０とビデオ測定回路５０との
併用によつて測定する場合である。

この併用測定の場合にも、検出手段１０と測定
対象物とは前記二態様の場合と同様に三次元的に
自動的に相対移動が行なえる。但し、Ｚ軸方向に
付いては、一方検出子たるタツチ信号プローブ１
１と他方検出子たるビデオカメラ２１（鏡筒２
２）との相対位置が測定対象物の形状、位置等に
よつて測定に最適となるようCPU７３の指令に
よつて自動制御される。

すなわち、第１駆動手段３０と第２駆動手段４
０との駆動と停止およびこれらの組合せによつて
Ｚ軸方向の位置制御が行われ、各検出子を支持す
るスピンドル６と角柱体２５との相対移動がなさ
れる。この相対移動変位量はロータリエンコーダ
４３によつて検出されている。

したがつて、測定対象物の測定面の姿勢や形態
に応じ両測定態様を併用し広範囲に亘る自動測定
が実行される。特に、ある長さを測る場合その全
長的精度は結局その両側（両エツジ）の検出精度
によるから相当長い測定範囲でもビデオ測定回路
５０とタツチ測定回路６０と組み合わせ、併用に
よつて高精度で測定することができる。なお、両
検出子の軸線間寸法は予め設定され、その値は測
定部５４，６２で自動補正されるものとなつてい
る。

一方、タツチ信号プローブ１１とビデオカメラ
２１とは、Ｚ軸方向に一定の相対位置を保持した
まま、第１駆動手段３０によつて一体的に移動す
ることができる。従つて、例えば被測定物にＺ軸
方向に一定の段差をもつて複数の測定面が形成さ
れ、且つこの各測定面にタツチ信号プローブ１１
によつて測定される形状と、ビデオカメラ２１に
よつて測定される小穴とがＺ軸方向に一定の間隔
で存在する場合には、以下のように測定する。

先ず、タツチ信号プローブ１１とビデオカメラ
２１とのＺ軸方向の相対位置を第２駆動手段４０
によつて各々形状と小穴に対応する位置関係に保
持し、この状態で一つの測定面の形状及び小穴を
測定する。そして、次の測定面の測定の際に、タ
ツチ信号プローブ１１とビデオカメラ２１とのＺ
軸方向の相対位置を保持したまま、これらの検出
子を第１駆動手段３０によつてＺ軸方向に一体的
に移動して同様な測定を行う。つまり、このよう
なＺ軸方向に一定の段差で形成された複数の測定
面を各々の検出子によつて測定する場合に、タツ
チ信号プローブ１１とビデオカメラ２１とのＺ軸
方向の相対位置をその都度、設定する必要がない
ため、迅速な測定が可能となる。

この実施例によれば、検出手段１０としての一
方の検出子たるタツチ信号プローブ１１と他方の
ビデオカメラ２１（鏡筒２２）とをＺ案内ボツク
ス５内に一体的に収納させてあるからタツチ信号
プローブ１１によるタツチ測定とビデオカメラ２
１による非接触のビデオ測定とを各独立し又は両
者併用の測定ができるので立体物のみならず立体
物中の小穴やプリント基板の小穴をも一括的に自
動測定できるので測定対象物の著しい適用拡大を
図ることができる。このことは、従来、その小穴
等を測定できないがゆえに全体的なCNC達成を
できないとしていた欠点を除去しCNC三次元測
定機の普及を拡大できるという効果もある。

また、そのタツチ信号プローブ１１とビデオカ
メラ２１とはＸ軸方向およびＹ軸方向に一定位置
関係をもつて設けられ、両者を交換使用する必要
がないから、煩雑な交換作業を行わなくてすみ、
長時間作業の際の作業能率を飛躍的に向上させる
ことができるばかりか、着脱によるガタ等の誤差
がないので高精度測定が保障される。また、ビデ
オカメラ２１の分解能が1μｍ以下と高いので長
寸にあつてもその両エツジの超高精度検出ができ
るので全体として測定精度を向上させることがで
きる。

さらに、ビデオカメラ２１を支持する角柱体２
５とタツチ信号プローブ１１を支持するスピンド
ル６とは、第１駆動手段３０で一体的に移動され
るほか、第２駆動手段４０によつてＺ軸方向に相
対変位可能とされているから、両検出子６，２１
の各測定時に他方側の検出子が邪魔とならないの
で測定対象物に対する移動が容易となり、迅速、
確実な測定をすることができる。

また、検出手段１０が各分解能の異なる２つの
検出子すなわちタツチ信号プローブ１１とビデオ
カメラ２１とから形成されているから、徒らな必
要以上の超高精度測定を画一的に実行する必要が
なく、反面全体として精度の高い測定をすること
ができる。また、一方が接触型、他方が非接触型
とされているからプラスチツク等軟弱物にも検出
手段１０を交換することなく一連的測定ができ拡
大性を高めることができる。

さらにまた、三次元方向の一方向すなわちＹ軸
方向の相対移動は測定対象物を取り付けるテーブ
ル７を移動できるようしているから、２つの検出
子を設けてもその移動機構を簡素化できるので小
型、軽量化が達成されるほか、これにより構造の
撓み等を軽減でき、この点からも高精度測定が保
障される。

なお、以上の実施例では、非接触型はビデオカ
メラ利用の画像処理方式としたが光源とその反射
光を利用するいわゆる三角測量方式等の検出子と
してもよい。要は、２つの検出子を備えればよい
から検出手段の型種、方式は限定されないもので
ある。但し、一方を接触型、他方を非接触型とし
ておけば適用拡大性等が著しく向上できる。

また、一方検出子を取り付けるスピンドル６と
他方検出子を取り付ける角柱体２５とをＺ軸方向
に相対移動可能としたが、必ずしも相対移動させ
る必要はなく、検出子の形態や各軸線相互間の寸
法等により選択すべきである。但し、相対移動可
能としておけば、円滑な移動、有効測定範囲の拡
大、さらには、上記オートフオーカス等機能面を
より向上させることができる。

また、可動テーブル型の三次元測定機としたが
本発明が適用できる三次元測定機の、たとえば、
移動機構の構成、型種等は問われず、駆動方向も
全自動、半自動、手動あるいはこれらの組み合わ
せも任意に選択できるものである。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかの通り、本発明は、検出
手段を交換することなく２つの検出子によつて測
定対象物、測定態様を著しく拡大しつつ迅速かつ
高精度で測定できるという優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る２つの検出子を備えた三
次元測定機の全体構成図、第２図、第３図は同じ
く第１図に対応させた正面図、側面図、第４図は
同じく第２図の−矢視線に基づく要部側断
面、第５図は同じく電子部の回路図および第６図
は従来の三次元測定機の全体構成図である。 ７……テーブル、１０……検出手段、１１……
一方検出子であるタツチ信号プローブ、２１……
他方検出子であるビデオカメラ、３０……第１駆
動手段、４０……第２駆動手段、５０……ビデオ
測定回路、６０……タツチ測定回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ テーブル上の測定対象物と、検出手段を有す
   る変位部材とを互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸
   方向に相対移動させつつ測定対象物の寸法、形状
   等を測る三次元測定機において、 前記検出手段を、前記測定対象物への接触によ
   つてタツチ信号を出力する接触式検出子と、前記
   測定対象物の表面寸法等を非接触で測定する非接
   触式検出子とから構成するとともに、 これらの両検出子を前記変位部材にＺ軸方向へ
   変位可能かつＸ軸及びＹ軸方向に変位不能に設
   け、 前記両検出子を前記Ｚ軸方向へ一体的に変位さ
   せる第１駆動手段を設けるとともに、 一方の検出子に対して他方の検出子をＺ軸方向
   に相対変位させる第２駆動手段を設けた、 ことを特徴とする２つの検出子を備えた三次元測
   定機。 ２ 前記特許請求の範囲第１項の２つの検出子を
   備えた三次元測定機において、前記非接触式検出
   子は画像処理方式で前記測定対象物の拡大された
   表面状態を測定するためのビデオカメラを含み形
   成されていることを特徴とする２つの検出子を備
   えた三次元測定機。