(57)【要約】【課題】形状測定中は移動機構部を固定することができる形状測定装置を提供する。【解決手段】光学式センサ４０により、静止した状態で被測定物体５１の表面を測定して測定情報を出力するプローブ１２と、アーム部１１ａ及び少なくとも２以上の関節部１１ｂを有し、所定の空間内でプローブ１２を移動可能に支持する移動機構部１１と、関節部１１ｂに設けられ、アーム部１１ａ間、若しくは、アーム部１１ａとプローブ１２との角度情報を検出するエンコーダ２１と、関節部１１ｂを被測定物体５１に対して静止させるロック機構部１５と、光学式センサ４０により測定情報を取得し、エンコーダ２１から角度情報を取得して、被測定物体５１の形状情報を算出する制御部２０と、を有する形状測定装置１００において、制御部２０は、光学式センサ４０により被測定物体５１を測定するときに、ロック機構部１５を作動させて関節部１１ｂを静止させるように構成される。【選択図】図１
2011112577.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学式センサにより、静止した状態で被測定物体の表面を測定して、当該被測定物体の形状の測定情報を出力するプローブと、
アーム部、及び、前記アーム部間、若しくは、前記アーム部と前記プローブとを回転可能に接続する少なくとも２以上の接続部を有し、所定の空間内で前記プローブを移動可能に支持する移動機構部と、
前記接続部に設けられ、当該接続部が接続する前記アーム部間、若しくは、前記アーム部と前記プローブとの角度情報を検出する角度情報検出部と、
前記接続部を前記被測定物体に対して静止させるロック機構部と、
前記光学式センサにより前記測定情報を取得し、前記角度情報検出部から前記角度情報を取得して、前記被測定物体の形状情報を算出する制御部と、を有し、
前記制御部は、前記光学式センサにより前記被測定物体を測定するときに、前記ロック機構部を作動させて前記接続部を静止させるように構成された形状測定装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記測定中の前記プローブの変位を検出する変位検出部を有し、前記変位検出部から出力される変位情報に基づいて、前記測定情報が正常に取得されたか否かを判定するように構成された請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記変位検出部から出力された前記変位情報により前記測定情報を補正して、前記形状情報を算出するように構成された請求項２に記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記変位検出部は、前記測定の前後において前記位置情報を取得し、当該位置情報を比較して得られた変位量を前記変位情報として出力するように構成された請求項２または３に記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記プローブに取り付けられ、当該プローブの移動を検出する加速度センサをさらに有し、
前記変位検出部は、前記測定中の前記加速度センサからの出力値を前記変位情報として出力するように構成された請求項２〜４いずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項６】
前記光学式センサより取得された前記測定情報は位相の異なる複数の光で前記被測定物体を照射したときに得られる当該被測定物体の画像であって、
前記変位検出部は、前記位相の異なる前記画像を比較して得られた変位量を前記変位情報として出力するように構成された請求項２〜５いずれか一項に記載の形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多関節型アームの先端に光学式の非接触センサを有するプローブを取り付けた形状測定装置であって、測定者が手動で操作することにより被検査物体の形状を測定するように構成された装置（以下、「マニュアル測定機」と呼ぶ）が開発されている（例えば、特許文献１参照）。このような形状測定装置に用いられる光学式の非接触センサによる測定方式としては、位相シフト法が知られている。この位相シフト法では、正弦波状の強度分布を持つ縞パターンを被測定物体の表面に複数回投影して正弦波の位相を求め、その情報を元に三次元形状を復元する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１９２４０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このようなマニュアル測定機により、位相シフト法を用いて被検査物体の形状を測定する場合、プローブを取り付けた移動機構部の姿勢を走査中に固定することができず、被検査物体がぶれて正確な測定を行うことができないという課題があった。
【０００５】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、形状測定中は移動機構部を固定することができる形状測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために、本発明に係る形状測定装置は、光学式センサにより、静止した状態で被測定物体の表面を測定して、当該被測定物体の形状の測定情報を出力するプローブと、アーム部、及び、このアーム部間、若しくは、アーム部とプローブとを回転可能に接続する少なくとも２以上の接続部を有し、所定の空間内でプローブを移動可能に支持する移動機構部と、接続部に設けられ、当該接続部が接続するアーム部間、若しくは、アーム部とプローブとの角度情報を検出する角度情報検出部と、接続部を被測定物体に対して静止させるロック機構部と、光学式センサにより測定情報を取得し、角度情報検出部から角度情報を取得して、被測定物体の形状情報を算出する制御部と、を有し、この制御部は、光学式センサにより被測定物体を測定するときに、ロック機構部を作動させて接続部を静止させるように構成される。
【０００７】
このような形状測定装置において、制御部は、測定中のプローブの変位を検出する変位検出部を有し、この変位検出部から出力される変位情報に基づいて、測定情報が正常に取得されたか否かを判定するように構成されることが好ましい。
【０００８】
このとき、制御部は、変位検出部から出力された変位情報により測定情報を補正して、形状情報を算出するように構成されることが好ましい。
【０００９】
また、このような形状測定装置において、変位検出部は、測定の前後において位置情報を取得し、当該位置情報を比較して得られた変位量を変位情報として出力するように構成されることが好ましい。
【００１０】
また、このような形状測定装置は、プローブに取り付けられ、当該プローブの移動を検出する加速度センサをさらに有し、変位検出部は、測定中の加速度センサからの出力値を変位情報として出力するように構成されることが好ましい。
【００１１】
また、このような形状測定装置において、光学式センサより取得された測定情報は位相の異なる複数の光で被測定物体を照射したときに得られる当該被測定物体の画像であって、変位検出部は、位相の異なる画像を比較して得られた変位量を変位情報として出力するように構成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る形状測定装置を以上のように構成すると、形状測定中は移動機構部を固定することができるので、被測定物体の形状を正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】形状測定装置の構成を示す説明図である。
【図２】位置情報からプローブの変位を検出するように構成された制御部を示すブロック図である。
【図３】プローブに設けられた光学式センサの構成を示す説明図である。
【図４】形状測定装置による形状測定処理を示すフローチャートである。
【図５】加速度センサからプローブの変位を検出するように構成された制御部を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図１〜図３を用いて、本実施形態に係る形状測定装置の構成について説明する。この形状測定装置１００は、例えば、ステージ５０上に載置された被測定物体５１の形状を測定する形状測定部１０と、この形状測定部１０から出力される角度情報及び測定情報に基づいて被測定物体５１に関する形状情報を算出する制御部２０と、算出された形状情報を、例えば、３次元画像にして出力するための表示部３０と、を有して構成される。なお、被測定物体５１は、ステージ５０上に載置されていなくても測定可能である。また、この形状測定装置１００は、測定者が形状測定部１０を操作して被測定物体５１の形状情報を取得するように構成されたマニュアル測定機である。
【００１５】
形状測定部１０は、複数のアーム部１１ａを複数の関節部（接続部）１１ｂで接続した多関節構造の移動機構部１１と、この移動機構部１１の先端部（最も先端側に位置するアーム部１１ａの先端部）に対して取付部１４を介して着脱可能に構成されたプローブ１２と、移動機構部１１の基端部（最も基端側に位置するアーム部１１ａの基端部）が取り付けられた基台１３と、を有して構成される。なお、関節部１１ｂは、アーム部１１ａ同士を繋ぎ、一方のアーム部１１ａに対して他方のアーム部１１ａを回転させる（揺動させる）ものや、基台１３に対して基端側のアーム部１１ａを接地面に垂直方向の軸を中心に回転させるもの、若しくは、取付部１４に取り付けられたプローブ１２を、先端側のアーム部１１ａに対して揺動させたり、回転させたりするものがある。
【００１６】
関節部１１ｂの回転軸の各々には、基台１３や基端側に位置するアーム部１１ａに対して、この関節部１１ｂに接続された先端側に位置するアーム部１１ａ若しくはプローブ１２のなす角度を検出するためにこの回転軸の回転量を計測するエンコーダ（角度情報検出部）２１が取り付けられており、これらのエンコーダ２１による計測値（以下、「角度情報」と呼ぶ）は、図２に示すように、制御部２０に出力される。また、関節部１１ｂには、制御部２０からの指令により、この関節部１１ｂに接続されたアーム部１１ａ若しくはプローブ１２の回転を規制する（関節部１１ｂを固定する）ことにより移動機構部１１を固定するためのロック機構部１５が設けられている。このようなロック機構部１５としては、例えば、機械式若しくは電磁式で回転軸を固定するものが用いられる。
【００１７】
一方、プローブ１２には、図３に示すように、光源４１と、この光源４１から放射された光にパターンを付与するパターン形成部４２と、パターンが付与された光（パターン光）をステージ５０上の被測定物体５１に投影する投影光学系４３と、被測定物体５１に投影された光の像（パターン像）を結像する撮像光学系４４と、この像を検出する撮像素子４５と、からなる光学式センサ４０が設けられている。また、図１に示すように、このプローブ１２には、測定者が、被測定物体５１の形状測定の開始を制御部２０に指示するための操作スイッチ２５が設けられている。
【００１８】
また、制御部２０には、図２に示すように、この形状測定装置１００による被測定物体５１の形状測定の処理を制御する処理部２２と、エンコーダ２１の各々から出力される角度情報を用いてプローブ１２の空間座標（測定空間内の予め決められた点を原点とする座標であって、以下、「位置情報」と呼ぶ。なお、位置情報にはプローブの姿勢も含む。）を演算する位置演算部２３と、撮像素子４５から出力されるパターン像（以下、「測定情報」と呼ぶ）及び位置演算部２３から出力される位置情報を用いて、被測定物体５１の形状情報を算出する形状演算部２４と、位置演算部２３から出力される位置情報を用いてプローブ１２の変位を検出する変位検出部２７と、を有して構成されている。なお、操作スイッチ２５からの出力（操作信号）は処理部２２に入力され、パターン形成部４２は処理部２２により制御される。また、形状演算部２４から出力された形状情報は、例えば、制御部２０に設けられた記憶部２６に記憶され、さらに、この形状情報は処理部２２で処理されて表示部３０に３次元画像として出力される。ここで、測定空間とは、この形状測定装置１００により、プローブ１２を移動させて被測定物体５１の空間座標を取得できる範囲（空間）を指している。また、制御部２０は、例えばコンピュータで実現され、処理部２２、位置演算部２３、形状演算部２４及び変位検出部２７は、このコンピュータで実行されるプログラムとして実装される。
【００１９】
ここで、アーム部１１ａの長さ等の情報は既知であるため、制御部２０の位置演算部２３は、エンコーダ２１から出力された角度情報に基づいて、基台１３や基端側に位置するアーム部１１ａに対する、先端側に接続されたアーム部１１ａ若しくはプローブ１２の角度を算出することにより、プローブ１２の空間上の３次元座標（空間座標）及び姿勢を求めることができる。また同様に、プローブ１２における光源４１、パターン形成部４２、投影光学系４３、撮像光学系４４及び撮像素子４５の位置（座標）も既知であるため、形状演算部２４は、三角測量の原理に基づいて撮像素子４５で取得された測定情報（パターン像）を処理することにより、撮像素子４５で撮像できる範囲内にある被測定物体５１の形状（パターン光が投影されている被測定物体５１の形状（例えば、この範囲の離散的に表される測定空間内での座標群として表現される））を演算して求めることができる。
【００２０】
ここで、位相シフト法による形状測定の原理について説明する。静止した被測定物体５１に、正弦波状の強度分布を持つ縞パターン（パターン光）を投影し、このパターン光の位相をパターン形成部４２を制御してπ／２ずつ移動させて被検査物体５１の像を４回撮像する。このようにして得られた４枚の撮像画像について、座標（ｘ，ｙ）での輝度値（Ｉ1，Ｉ2，Ｉ3，Ｉ4）に着目すると、それらの相対的な輝度差は必ずパターン光の位相差分の変化を示す。したがって、以下の式（１）によって、座標（ｘ，ｙ）における投影されたパターン光の位相φを求めることができる。
【００２１】
φ＝ｔａｎ-1｛（Ｉ4−Ｉ2）／（Ｉ1−Ｉ3）｝                （１）
【００２２】
そして、撮像画像の各位置で各位相φをそれぞれ求めた後に、位相φが等しい点を連結すると等位相線を得ることができる。この等位相線は、被測定物体５１を所定の平面で切断したときの断面形状を表している。そのため、上述のように投影光学系４３及び撮像光学系４４の位置関係が既知であるので、三角測量の原理によって、この等位相差線から被測定物体５１の各位置の高さを示す三次元的な距離画像のデータ（点群データ）を得ることができる。
【００２３】
次に、この形状測定装置１００を用いて被測定物体５１の形状を測定する方法について図４を用いて説明する。操作者は、形状測定装置１００のプローブ１２を操作し、被測定物体５１の測定位置にこのプローブ１２を移動させ、操作スイッチ２５を操作する。処理部２２は、操作スイッチ２５の操作を検知すると（ステップＳ１００）、ロック機構部１５を作動させてすべての関節部１１ｂを固定する（ステップＳ１１０）。この状態で、処理部２２及び変位検出部２７は、位置演算部２３から位置情報を取得する（ステップＳ１２０）。さらに、処理部２２は、パターン形成部４２を制御してパターン光の位相をπ／２ずつ移動させて設定し（ステップＳ１３０）、被測定物体５１の画像を撮像素子４５から取得する（ステップＳ１４０）という処理を４回繰り返す（ステップＳ１５０）。このようにして位相の異なる４枚の画像を取得すると、処理部２２は、変位検出部２７により、この測定処理の間にプローブ１２の位置が変化したか否かの変位情報を取得する（ステップＳ１６０）。具体的には、変位検出部２７は、再度、位置演算部２３から位置情報を取得し、ステップＳ１２０で取得した測定前（撮像前）の位置情報と比較し、その変位量（以下、「変位情報」と呼ぶ）を算出する。
【００２４】
そして、処理部２２はロック機構部１５を作動させてすべての関節部１１ｂの固定を解除し（ステップＳ１７０）、ステップＳ１６０で取得した変位情報から、被測定物体５１の画像取得が正常か否かを判断する（ステップＳ１８０）。具体的には、変位量が所定の値以上のときは、４回の撮影を行っている間にプローブ１２の位置が変化した可能性があり、このような画像から正確な形状情報を取得することはできないため、正常に取得できていないと判断し、表示部３０にエラー表示を行って測定を終了する（ステップＳ１９０）。一方、変位量が所定の値より小さいときは、上述した位相シフト法の原理により４枚の画像から被測定物体５１の形状情報を算出して記憶部２６に記憶し（ステップＳ２００）、さらに、この形状情報から被測定物体５１の測定範囲の３次元画像を生成し（ステップＳ２１０）、表示部３０に出力する（ステップＳ２２０）。このように、表示部３０に測定結果である３次元画像を表示することにより、形状情報を適切に取得できたか否かや、被測定物体５１のどの部分の形状情報を取得できたかなどを、測定者は、目視により、適宜確認することができる。
【００２５】
なお、ステップＳ１８０で変位が所定の値以上であったときも、４枚の画像から被測定物体５１の形状情報を算出し、エラーフラグとともに記憶部２６に記憶するように構成することも可能である。あるいは、変位検出部２７で取得される変位情報として、プローブ１２の変位量に加えてその方向を検出することにより、この変位情報（変位量及び方向）を用いて４枚の撮像画像（測定情報）を補正して被測定物体５１の形状情報を算出するように構成することも可能である。
【００２６】
このように、形状測定装置１００の関節部１１ｂにロック機構部１５を設けることにより、位相シフト法による形状測定の際にプローブ１２を被測定物体５１に対して固定することができるため、正確な形状情報を取得することができる。また、被測定物体５１の測定中のプローブ１２の位置のずれを変位情報として検出してエラー判定を行うため、形状情報の精度を向上させることができる。
【００２７】
ところで、関節部１１ｂに設けられたエンコーダ２１からの出力による位置情報では、アーム部１１ａの撓み等によるプローブ１２の位置の変化を検出することはできない。そこで、図５に示すようにプローブ１２に加速度センサ２８を設け、変位検出部２７を、この加速度センサ２８により測定中のプローブ１２の移動を検出することにより、変位を検出するように構成することも可能である。この場合、上述のステップＳ１６０における変位情報は、測定中の加速度センサ２８からの出力になる。すなわち、アーム部１１ａ等の撓みによる振動等でプローブ１２が移動したことを加速度センサ２８で検出するように構成する。そして、ステップＳ１８０における画像が正常に取得できたか否かの判定においては、加速度センサ２８からの出力が所定の値より小さいときに正常に取得できたと判断する。もちろん、変位検出部２７は、エンコーダ２１による位置情報の変位量と合わせて、この加速度センサ２８からの出力を用いて変位量を算出し、ステップＳ１８０での判断に使用するように構成しても良い
【００２８】
また、変位検出部２７は、位相の異なる画像を用いてプローブ１２の変位情報（変位量）を検出するように構成することも可能である。例えば、変位検出部２７を、０°と１８０°の位相での画像を比較して、変位量を検出するように構成する場合である。なお、加速度センサ２８の検出値である変位量、若しくは、異なる位相を比較して得られた変位量により、画像を補整して被測定物体５１の形状情報を算出するように構成することも可能である。また、以上の説明では、パターン光の位相をπ／２ずつ変化させた４回の画像を取得して形状情報を算出していたが、この位相差はπ／２に限定されることはない。また、加速度センサを角加速度センサとしてもよく、加速度や角加速度の検出軸は互いに直交する３軸とすることができる。
【符号の説明】
【００２９】
１１  移動機構部    １１ａ  アーム部    １１ｂ  関節部（接続部）
１２  プローブ    １５  ロック機構部    ２０  制御部
２１  エンコーダ（角度情報検出部）    ２８  加速度センサ
４０  光学式センサ    ５１  被測定物体    １００  形状測定装置
【図１】
2011112577.tif 000003
【図２】
2011112577.tif 000004
【図３】
2011112577.tif 000005
【図４】
2011112577.tif 000006
【図５】
2011112577.tif 000007