JPS61189405A - 非接触形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 る非接触形状測定装置に関する。

に伴い、物体形状の測定にレーザ光等を利用した光セン
サ（光距離計）を用いた装置が開発されている。例えば
、センサ技術１９８３年２月号の′″光点検出センサに
よる物体形状の測定”、特開昭５９−１５４３０８号公
報にもその一例が記載されている。

この種の測定装置における重要な課題の一つは、センサ
と被測定物体（ワーク）との干渉を防止することである
。すなわち、ワークに触針子（スタイラス）を接触させ
て物体形状を測定する接触式の三次元測定機とは異なり
、非接触式ではセンサとワークとの干渉（接触、衝突）
は、とりもなおさず異常事態を意味し、その発生を極力
防止する必要があるからである。

〔発明の目的〕 きる非接触形状測定装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、物体との距離を高精度で測定できるとワーク
との間隔をその都度監視できるようにしたものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を、図面を引用して説明する。

第２図はその全体構成を示したものである。三次元駆動
機構１のＸ方向移動部上に載置された被測定物体２に相
対して、レーザ光等を利用した光センサ３が配置され、
光センサ３は角度変化機構４を介して三次元駆動機構１
のＺ方向移動部に取り付けられている。また、この２方
向移動部は、三次元駆動機構１のＹ方向移動部上に載置
されている。従って、光センサ３は被測定物体２の周り
で三次元駆動機構１によってその位置（Ｘ。

Ｙ、Ｚ座標）を変化でき、角度変化機構４により図中の
破線の矢印で示した照射光の方向を変更できるようにな
っている。また、光センサ３の上面には、補助センサと
して図示例では超音波センサ５が配置されている。

次いで、−声３図は光センサ３の概略構造を示したもの
である。本実施例では光としてレーザ光を用いており、
光源１１より射出されたレーザ光は、ｆＮ、レンズ１２
を通って照射光軸り上を進み、被′　　） 測定物体２の表面上の点Ｐを照射する。点Ｐからの反射
光は、照射光軸と一定の角度をなす受光光軸上に配置さ
れた集光レンズ１３により集光され、受光器１４により
検出される。距離測定の原理は、被測定物体２と光セン
サとの距離Ｑが変化すると、受光器１４上の受光位置が
変化するので、この変化を電気的に検出することによっ
ている。

しかし、受光面の大きさの制約等から測定できる距離に
はおのずと制約があり、第３図で点Ｐ′〜点Ｐ″″間が
その範囲となる０本センサは、この範囲内では高精度で
距離測定が可能であるが、この範囲を外れた遠、近いず
れの領域でも距離の測定値が得られない。

さらに、第４図は補助センサとして本実施例で用いてい
る超音波センサ５の距離測定の原理を示したものである
０本図示例では送信用と受信用とが分離したタイプを示
すが、送信センサ２１から発信された超音波は、被測定
物体２の表面のＰ点を中心とする領域で反射する。反射
後の超音波は、常信センサ２２により受信され、これら
送、受信に要した時間間隔から、物体との距離Ｑｓを測
定することができる。本実施例では、取り付は金具２３
により取り付ける構造としている。

さて、本センサは、その検出原理がら、光センサで測定
できないような比較的長距離（数百〜数千ｍｍ）の計測
に好適であるが、送信波の周波数を上げることにより、
比較的近距離（数十ｍｍ以上）の距離測定も可能である
６ただし、超音波の性質上、送信される超音波は数度の
拡がり角をもっていること等の影響で、距離の測定精度
は光センサには及ばない。

第１図は、本発明の一実施例における光センサと超音波
センサの配置の状況を示したものである。

光センサ３は、モータ６及び減速機７より成る角度変化
機構４により、図中の回転軸Ａ廻りで実線の矢印で示す
照射光軸りの向きを変更可能に結合されている。なお、
データ処理の簡単さを考慮して、照射光軸りの反対側の
延長線は１回転軸Ａと交点Ｃ工をもたせる構成をとって
いる。一方、超音波センサ５は、取り付は金具２３を介
して光センサ３の上面に取り付けられているが、図中破
線の矢印で示す送信超音波の中心線Ｓが、光軸り及び回
転軸Ａとから成る断面図内となるように超音波センサ５
を配置している。なお、超音波センサの前縁は、光セン
サの前縁よりも図示のＨ寸法（数十ｍｍ）だけ後退して
いるので、本超音波センサの距離の測定可能範囲は、光
センサの前縁から数千１１Ｉ１１の間となっている。

次に、このように構成された本実施例における効果を、
第５図を用いて説明する。第５図の（ａ）、（ｂ）及び
（Ｃ）は、被測定物体２と光センサ３との距離が、それ
ぞれ光センサの距離測定範囲よりも近い場合、測定範囲
内及び測定範囲よりも遠い場合を示す、光センサ３では
、図中（ｂ）の場合しか距離の測定値が求まらないのに
対し、併用している超音波センサ５では、（ａ）〜（Ｃ
）いずれの場合に対しても測定精度は低いとはいえ距離
の測定値が求まることがわかる。従って１本実施例では
以下の効果を期待できる。

（１）光センサによる形状測定の途中で、何らかの原因
で光センサの距離測定範囲を外れた場合でも、超音波セ
ンサにより物体との距離が把握できるので、物体とセン
サの過度の接近による干渉を防止することができる。

また、図の（ａ）、（ｃ）の場合には、超音波センサの
距離測定値を用いて、光センサの位置を距離測定範囲内
に戻す操作を自動的に行うこともできる。

（２）光センサにより形状測定を開始する場合、最初は
光センサを遠方から近づけ、被測定物体との距離を測定
範囲内の値にする操作が必要となるが、超音波センサに
よる距離の測定値が得られるので本操作を容易に行える
。

なお、本実施の場合には、光センサの照射光軸りと超音
波センサの送信波の中心線Ｓとが、角度変化機構の回転
軸Ａを含む断面内にあるため、両センサによる距離の計
算式が簡単になるという効果も期待できる。但し、スペ
ーサ的な制約等がある場合には、必ずしもこのように配
置する必要はなく、例えば、超音波センサを光センサの
両側面、ないし、下面へ配置すること、送信波の中心線
Ｓと照射光軸りとを同−断面内としない配置、さらに、
照射光軸りと回転軸Ａとが交点を持たない配置１等も可
能である。

第６１！ｌは本発明の他の実施例を示したものである１
図中の（、）は、超音波センサ５の送信波の中心線Ｓの
向きを、光センサの照射光軸りに対し角度αだけ傾け、
図中の太い矢印で示した移動方向に対して、測定点Ｐよ
りも前方の点Ｑに向けた場合を示す、この場合、光軸り
と中心線Ｓとは角度変化機構の回転軸Ａで交点を持つよ
うに配置されている。一方、図中の（ｂ）は、光軸りと
中心線Ｓとを、所定の間隔Ｅだけ離して、中心線Ｓの向
きを（ａ）と同様測定点Ｐの前方の点Ｑに向は双場合を
示す。

これらのいずれの場合にも、被測定物体２のこれから測
定しようとする点の近傍の情報が、超音波センサの距離
測定値から得られるので、この情報を利用することによ
り、干渉を未然に防止できるばかりでなく、光センサが
距離測定範囲から外れることを防止することができる。

さて、上述の二側は、補助センサとして送信部と受信部
が分離した超音波センサを、唯一っ設けた場合を示した
が、第７図には超音波センサを複数個配置した実施例を
示す。本実施例では、送信部と受信部が一体に構成され
た超音波センサ５゜５′及び５″を、それぞれ照射光軸
りと同一方向Ｓ、光センサのコーナの方向Ｓ′及び光セ
ンサ側面で移動方向Ｓ″に向けて配置している。

本実施例では、送信波の中心軸Ｓを光軸りと同方向とし
た超音波センサ５を用いることにより、第５図の実施例
と同様の効果が期待できるばかりでなく、追加した二つ
の超音波センサ５′　と５″により、第６図の実施例と
同様の効果も併せ期待できる。なお、当然のことではあ
るが、必要に応じて別の超音波センサを、移動方向と反
対方向ないし照射光軸りと反対方向に向けるように配置
し、その方向での物体とセンサとの干渉を防止すること
も可能である。

上述の二側は光センサに対する補助センサの距離測定の
方向が固定されている場合を示したが。

第８図には補助センサの距離測定の方向を可変とした実
施例を示す。本実施例では、角度変化機構４の回転軸Ａ
と、補助センサとして用いた超音波センサ５の駆動用モ
ータ２３の回転軸Ｂとを、同一直線上に配置すると共に
、モータ２３により超音波センサの送信波の中心線Ｓの
方向を、回転軸Ｂ廻りに回転可能としている。

本実施例では、送信波を意図する方向に向けることがで
きるので、光センサの照射光軸と同一方向の距離測定、
駆動方向の障害物の検出、被測定物体の形状の事前確認
等の操作を、唯一の超音波センサで行えるという効果が
ある。なお、回転軸Ｂの位置及び向き、また、使用する
超音波センサの構造及び個数には、種々の変形例ないし
応用例があることは勿論のことである。

次に、第９図は、光センサ３と超音波センサ５の配置が
、既述の例とは異なった実施例を示す。

本実施例では光センサ３を直立させて角度変化機構４に
取り付けると共に、超音波センサ５を取り付は金具２３
を用いて光センサ３の上面に取り付ける構造をとってい
る。また、光センサの照射光軸り及び超音波センサの送
信波の中心軸Ｓは、角度変化機構の回転軸Ａを含む断面
内に設定されている。

本実施例では、これまで説明した実施例に比べて１図中
の太い矢印で示したセンサの駆動方向に対する光センサ
の寸法が短かいため、干渉の機会が少なくなる。

次に、第１Ｏ図及び第１１図は、本発明の複合センサを
用いた場合の、比較的複数な形状の物体に対する測定方
法を示す。なお、本実施例でのこれらセンサの配置は、
第９図の実施例と同一とする。まず、第１０図に示すよ
うに、被測定物体２の測定したい断面の周囲を、光セン
サ３と被測定物体２とが干渉しない距離だけ離して倣い
つつ、被測定物体２の形状を超音波センサ５を用いて測
定する。図中の一点鎖線は、この場合の角度変化機構の
回転軸Ａの軌跡である。但し、こうして得られた形状は
、超音波センサを用いているため、精度の高いものでは
ない。

第１１図は、超音波センサによる形状の測定結果を用い
て、被測定物体２の図中の凹部の形状を、光センサによ
り高精度で測定する状況を示したものである０点Ａ工〜
Ａ４は、それぞれ被測定物体表面の点Ｐ４〜Ｐ４を測定
する際の回転中心Ａの位置、実線の矢印はその際の照射
光軸、また、一点鎖線の矢印は回転中心Ａの軌跡を示す
。

まず、点２．〜２２間の測定は、事前に超音波センサに
より点Ｐ３〜Ｐ、の概略の測定値が求まっているので、
この結果を用いて、点Ｐ２の測定の際に光センサと物体
とが干渉を起こさない照射角度の限界値を求め、この限
界値内となるように角度変化機構を回転させて照射角度
を設定し測定を行う。また１点Ｐ、〜Ｐ４の測定は、既
に求まった光センサによる点Ｐ１〜Ｐ２の測定結果を用
いて、干渉を起こさない角度に照射角度を設定して測定
を行う。

従って１本実施例の方法を用いれば、比較的複雑な被測
定物体の形状を、干渉を起こすことなく高精度で測定で
きる。

なお、本実施例では点２０〜２２間及び点Ｐ。

〜Ｐ４間の測定に際し照射光軸の向きを同一としている
が、この条件は必ずしも必要ではなく、干渉が起きる可
能性のある部分に対してのみ、照射光軸の向きを回転さ
せることも可能である。

また、上述の実施例における補助センサとしては、全く
超音波センサを用いているが、本発明は必ずしも超音波
センサに限定されるものではなく、例えば、光距離計、
工業用テレビカメラ、エアマイクロ、過電流式センサ、
等を補助センサとして用いることも考えられる。

〔発明の効果〕

本発明によれば複合センサの情報を有効に利用するので
、センサと被測定物体との干渉を防止しながら、物体形
状を自動的に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図は本発
明の一実施例の全体構成図、第３図は光センサの構造図
、第４図は超音波センサの説明図。 第５図、第１０図および第１１図は本発明の詳細な説明
図、第６図は本発明の第二の実施例の説明図、第７図な
しい第９図は本発明の第三の実施例を示す説明図である
。 １・・・３次元駆動機構、３・・・光センサ、４・・・
角度変化機構、５・・・超音波センサ、６・・・モータ
、７・・・減速機、２１・・・送信センサ、２２・・・
受信センサ、幣３図 率４図 （ｂ） （Ｃ） 帛６図 （α） （ｂ） 口） 高ｑ図 灸）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光を用いて物体との距離を測定する光センサと、こ
   の光センサの光の照射角度を変化させる角度変化機構と
   、この角度変化機構を取り付けて前記光センサを三次元
   的に駆動する三次元駆動機構と、前記光センサによる距
   離の測定値と前記光センサの照射角度及び前記三次元駆
   動機構の駆動量とを入力して演算し、前記三次元駆動機
   構の動きを制御する演算制御装置とを備えた非接触形状
   測定装置において、 前記光センサ以外に物体との距離を測定できる複数個の
   非接触補助センサを備えたことを特徴とする非接触形状
   測定装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の形状測定装置において
   、 前記光センサの照射光軸の向きと前記非接触補助センサ
   の距離測定の方向とを、前記角度変化機構の回転軸を含
   む同一断面内としたことを特徴とする非接触形状測定装
   置。 ３、特許請求の範囲第１項記載の測定装置において、 他の非接触補助センサの距離測定の方向を、前記光セン
   サの照射光軸の方向と異ならせたことを特徴とする非接
   触形状測定装置。 ４、特許請求の範囲第１項記載の測定装置において、 複数個の前記非接触補助センサの距離測定の方向をそれ
   ぞれ異ならせたことを特徴とする非接触形状態測定装置
   。 ５、特許請求の範囲第１項記載の測定装置において、 前記非接触補助センサの距離測定の方向を、前記光セン
   サの前記角度変化機構とは独立の駆動機構を用いて変化
   させることを特徴とする非接触形状測定装置。 ６、特許請求の範囲第１項記載の測定装置において、 前記非接触補助センサとして光距離計、超音波距離計、
   過電流式変位計、工業用テレビカメラ、エアマイクロ等
   を用いたことを特徴とする非接触形状測定装置。