(57)【要約】  座標位置決め装置（２４）上に取り付けられた表面測定プローブ（２６）により物体（１０）を走査する方法および装置。座標位置決め装置（２４）の並進運動は、プローブを、物体（１０）を横切る軸（１４）まわりに少なくとも部分的に公称上螺旋状の経路に沿って動かすのに使用される。プローブ（２６）のサーボ方向ベクトル（１６）は、少なくとも部分的に公称上螺旋状の経路の軸（１４）の方に公称上向けられる。プローブ（２６）のサーボ方向ベクトル（１６）は、公称上螺旋状の経路の前記軸（１４）に対してある角度をなし、かつ少なくとも部分的に公称上螺旋状の経路の前記軸に垂直な平面に対してある角度をなしており、それによってプローブが物体表面から滑り落ちることなく軸に平行な平面および垂直な平面の両方の走査が可能になる。
2007529734.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
座標位置決め装置上に取り付けられ定義可能なサーボ方向ベクトルを有する表面測定プローブにより物体を走査する方法であって、
前記プローブを前記物体を横切る軸まわりに少なくとも部分的に公称上螺旋状の経路に沿って動かすために前記座標位置決め装置の並進運動を用いるステップを含み、
前記プローブのサーボ方向ベクトルは、前記少なくとも部分的に公称上螺旋状の経路の前記軸に公称上向けられ、
前記プローブのサーボ方向ベクトルは、前記公称上螺旋状の経路の前記軸に対してある角度をなし、かつ前記少なくとも部分的に公称上螺旋状の経路の前記軸に垂直な平面に対してある角度をなすことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記物体の表面プロファイルは未知であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記物体は自由形状の表面を有することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記表面測定プローブは、撓み可能なスタイラスを有する接触プローブを備えることを特徴とする前記請求項１ないし３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記プローブをプローブ撓みを制御するためにその前記プローブサーボ方向ベクトルの方向に平行に動かすステップをさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記表面測定プローブは、非接触プローブを備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記プローブをプローブのオフセットを制御するためにその前記プローブサーボ方向ベクトルの方向に平行に動かすステップをさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記プローブは、前記少なくとも部分的に公称上螺旋状の経路に沿って動くとき、その見通し線が前記物体を横切る前記軸の方に向き続けるように回転されることを特徴とする請求項６または７に記載の方法。
【請求項９】
前記プローブの前記サーボ方向ベクトルの方向に垂直な前記プローブの運動によって、前記プローブを前記公称上螺旋状の経路上に維持するステップを含むことを特徴とする前記請求項１ないし８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
プローブを、前記物体を横切る軸まわりに少なくとも部分的に公称上螺旋状の経路に沿って動かす前記座標位置決め装置の並進運動は、
前記プローブサーボ方向ベクトルがそれに沿って平行であり前記物体を横切る前記軸に対してある角度をなしている第２の軸を画定し、
前記第２の軸を、前記第１の軸まわりに少なくとも部分的に回転させ、かつ前記第２の軸を前記第１の軸に平行な方向に並進させ、
前記表面測定プローブを前記軸上に維持するように前記表面測定プローブを動かすことによって達成されることを特徴とする前記請求項１ないし９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記第２の軸は、測定対象の前記物体の前記表面を横切ることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
前記プローブの前記サーボ方向ベクトルは、前記部分を横切る前記軸に対して４５°に角度が付けられることを特徴とする前記請求項１ないし１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
前記プローブ方向ベクトルと前記物体を横切る前記軸との角度は走査中に変えられることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
表面測定プローブで物体を走査する方法であって、
前記物体の第１の軸を画定するステップと、
前記第１の軸に対してある角度をなす第２の軸を画定するステップと、
前記第２の軸を、前記第１の軸まわりに少なくとも部分的に回転させかつ前記第２の軸を前記第１の軸に平行な方向に並進させるステップと、
前記表面測定プローブを前記第２の軸上に維持するようにそれを動かすステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
前記プローブは、前記プローブが前記物体から所望の距離に維持されるように前記第２の軸の方向にサーボ機構で制御されることを特徴とする請求項１４に記載の物体を走査する方法。
【請求項１６】
前記プローブは、前記第２の軸上に維持されるように前記第２の軸に垂直な方向にサーボ機構で制御されることを特徴とする請求項１４または１５に記載の方法。
【請求項１７】
プローブを複数の軸の方向に並進するように動かすことができる駆動手段を有する座標位置決め装置上に取り付けられる表面測定プローブと、
前記プローブを前記物体を横切る軸まわりに少なくとも部分的に公称上螺旋状の経路に沿って動かすように前記駆動手段を制御する制御器とを備え、
前記制御器は、前記プローブの前記サーボ方向ベクトルが前記少なくとも部分的に公称上螺旋状の経路の前記軸の中心に公称上向けられるように前記駆動手段を制御し、
前記制御器は、前記プローブの前記サーボ方向ベクトルが前記少なくとも部分的に公称上螺旋状の経路の前記軸に対してある角度をなし、かつ前記少なくとも部分的に公称上螺旋状の経路の前記軸に垂直な平面に対してある角度をなすように、前記駆動手段を制御することを特徴とする物体を走査する装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、座標位置決め装置上に取り付けられた表面測定プローブを用いて物体を走査する方法および装置に関する。座標位置決め装置は、例えば、座標測定機（ＣＭＭ）、工作機械、手動座標測定アーム、走査機および検査ロボットを含む。
【０００２】
本発明の方法および装置は、歯および歯科用部品（ｄｅｎｔａｌ  ｐａｒｔｓ）の走査に適する。
【背景技術】
【０００３】
物体を測定するには、座標位置決め装置例えば座標測定機上に取り付けられた表面測定プローブを用いることが知られている。こうして測定された物体表面の測定データにより、物体表面の３Ｄマップがもたらされる。
【０００４】
物体表面を走査する既知の第１の方法は、表面測定プローブを単一方向例えばｘ軸に沿って動かし、その軸に沿ってプローブで物体表面をなぞることを含む。この走査により単一平面に沿った測定データがもたらされる。隣接平面の測定データを得るには、表面測定プローブを止め、次の平面および次に続く平面において走査を繰り返すように逆進させ、表面全体にわたってラスタ走査を行わなければならない。この方法には、各平面の端部で表面測定プローブを止めて逆進させる必要があるので時間がかかるという不利な点がある。
【０００５】
物体表面を走査する他の方法は、表面測定プローブを物体表面まわりにｘｙ平面上に動かし、ｚ方向に並進された物体の隣接部分についてそのステップを繰り返すことを含む。この方法も時間がかかる。この方法には、プローブフォース（ｐｒｏｂｅ  ｆｏｒｃｅ）がｘｙ平面にあるとき、さらに上面が水平である場合、プローブが水平面に滑り載るとき同じ走査プロファイル（ｐｒｏｆｉｌｅ）を用いて測定することができないというさらに不利な点がある。これを克服するには、上面について別個の走査プロファイルが必要である。
【０００６】
取り付け台およびサンプルが螺旋状の経路内を回転するように、サンプルが全体的に螺旋状のねじ山を備える取り付け台上に位置決めされる、サンプルの走査方法が開示されている（例えば、出願人らが以前出願した国際特許出願である特許文献１を参照）。プローブは、取り付け台の回転中にサンプルの螺旋状走査がもたらされるように、サンプル表面上の適当な位置に位置決めされる。
【０００７】
【特許文献１】国際公開第０３／０４６４１２号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この方法には、特別な機械セットアップが必要であるというようなその機械的性質により、例えばねじ山のピッチを調整することができないという制限がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、座標位置決め装置上に取り付けられ定義可能（ｄｅｆｉｎａｂｌｅ）なサーボ方向ベクトルを有する表面測定プローブにより物体を走査する方法であって、
座標位置決め装置の並進運動を用いてプローブを物体を横切る軸まわりに少なくとも部分的な公称上（ｎｏｍｉｎａｌｌｙ）螺旋状の経路に沿って動かすステップを含み、
プローブのサーボ方向ベクトルは、少なくとも部分的に公称上螺旋状の経路の軸の方に公称上向けられ、
プローブのサーボ方向ベクトル（ｓｅｒｖｏ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ  ｖｅｃｔｏｒ）は、公称上螺旋状の経路の前記軸に対してある角度をなし、かつ少なくとも部分的に公称上螺旋状の経路の前記軸に垂直な平面に対してある角度をなす、物体を走査する方法を提供する。
【００１０】
プローブのサーボ方向ベクトルが、公称上螺旋状の経路の軸および前記軸に垂直な平面の両方に対してある角度をなしているので、それによってプローブが物体表面から滑り落ちることなく前記軸に平行な平面および垂直な平面の両方の走査が可能になる。これは、上面および側面両方からの情報が必要である歯などの物体について特に重要である。サーボ方向ベクトルは、プローブの滑りを防ぐように公称上螺旋状の経路の軸の方に公称上向けられる。
【００１１】
物体の表面プロファイルは未知であってよい。物体は、自由形状の表面を有することができる。
【００１２】
この方法には、螺旋プロファイルにより連続的な高速走査が可能になるという利点がある。
【００１３】
さらに、この方法は、螺旋状の走査プロファイルを形成するのに機械部品が必要ないので、どんな座標位置決め装置においても実施することができる。
【００１４】
螺旋状走査プロファイルが機械部品によって画定されないので、螺旋のピッチおよび第２の軸の角度などプロファイルの寸法を簡単に調整することができる。
【００１５】
表面測定プローブは、撓み可能なスタイラス（ｄｅｆｌｅｃｔａｂｌｅ  ｓｔｙｌｕｓ）を有する接触プローブを備えることができる。この場合、本方法は、プローブをプローブ撓みを制御するためにプローブサーボ方向ベクトルの方向に平行に動かすステップをさらに含むことができる。
【００１６】
表面測定プローブは、非接触プローブを備えることができる。本方法は、プローブをプローブのオフセットを制御するために前記プローブのプローブサーボ方向ベクトルの方向に平行に動かすステップをさらに含むことができる。非接触プローブが少なくとも部分的に公称上螺旋状の経路に沿って動くとき、その見通し線が物体を横切る軸の方に向き続けるように回転されることができる。
【００１７】
本方法は、プローブのサーボ方向ベクトルの方向に垂直な運動によって、プローブを公称上螺旋状の経路上に維持するステップを含むことができる。
【００１８】
一実施形態において、プローブを物体を横切る軸まわりに少なくとも部分的に公称上螺旋状の経路に沿って動かす座標位置決め装置の並進運動は、プローブサーボ方向ベクトルがそれに沿って平行であり物体を横切る軸に対してある角度をなしている第２の軸を画定し、第２の軸を、第１の軸まわりに少なくとも部分的に回転させかつ第１の軸に平行な方向に並進させ、表面測定プローブを軸上に維持するように表面測定プローブを動かすことによって達成される。第２の軸は、測定対象の物体の表面を横切ることができる。
【００１９】
プローブのサーボ方向ベクトルは、部分を横切る軸に対して４５°に角度が付けられることができる。
【００２０】
プローブ方向ベクトルと物体を横切る軸との間の角度は、走査中に変更されてもよい。
【００２１】
表面測定プローブは、非接触プローブ例えば光学プローブ、静電容量プローブまたはインダクタンスプローブ（ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ  ｐｒｏｂｅ）を含むことができる。
【００２２】
本発明の第２の態様は、表面測定プローブで物体を走査する方法であって、
物体の第１の軸を画定するステップと、
第１の軸に対してある角度をなす第２の軸を画定するステップと、
第２の軸を、第１の軸まわりに少なくとも部分的に回転させかつ第２の軸を第１の軸に平行な方向に並進させるステップと、
表面測定プローブを第２の軸上に維持するようにそれを動かすステップとを含む方法を提供する。
【００２３】
プローブは、物体から所望の距離に維持されるように第２の軸の方向にサーボ機構で制御（ｓｅｒｖｏ）されることができる。プローブは、第２の軸上に維持されるように第２の軸に垂直な方向にサーボ機構で制御されることができる。
【００２４】
好ましくは、第２の軸は、測定対象の物体の表面を横切る。
【００２５】
本発明の第３の態様は、
プローブを複数の軸の方向に並進するように動かすことができる駆動手段を有する座標位置決め装置上に取り付けられる表面測定プローブと、
プローブを物体を横切る軸まわりに少なくとも部分的に公称上螺旋状の経路に沿って動かすように駆動手段を制御する制御器とを備え、
制御器は、プローブのサーボ方向ベクトルが少なくとも部分的に公称上螺旋状の経路の前記軸の中心に公称上向けられるように駆動手段を制御し、
制御器は、プローブのサーボ方向ベクトルが少なくとも部分的に公称上螺旋状の経路の前記軸に対してある角度をなし、かつ少なくとも部分的に公称上螺旋状の経路の前記軸に垂直な平面に対してある角度をなすように、駆動手段を制御する、物体を走査する装置を提供する。
【００２６】
次に、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態を一例として説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図１に示されるように、例えば歯である測定対象物体１０は、座標位置決め装置の取り付け台１２上に取り付けられる。座標位置決め装置は、そこに取り付けられているプローブ２４のｘ、ｙ、ｚ軸に沿った並進運動を可能にする駆動手段（図示せず）を有する。そのような運動は、機械制御器１５により制御される。物体の回転軸１４は、使用者によって指定される。これは、例えば、物体の部分座標系のｚ軸であってよい。物体１０を取り付け台に取り付けるとき回転軸１４に対して機械的に整列させることによって、この軸を取り付け台１２に対して画定することができる。回転軸１４に対する角度がφである物体１０の表面を横切る第２の軸１６が画定される。第２の軸１６は、回転軸１４に対して（平行でない）任意の角度をなしてよい。図１には、４５°の第２の軸が示されている。第２の軸１６は、回転軸１４まわりに回転されかつ回転軸１４に平行に並進され、それによって螺旋プロファイルが作り出される。図２には、第２の軸の回転軸まわりの運動によって作り出される螺旋プロファイル１８が示されている。以下により詳細に述べるように、プローブは、第２の軸の運動によって作り出される螺旋プロファイルに沿って動かされて物体をこの螺旋プロファイルに沿って走査する。図３には、第２の軸が回転軸まわりに部分的に回転されかつ回転軸に平行に並進運動されるときに作り出される走査プロファイル２０が示されている。この走査プロファイルは、図示のようにＴ字形スタイラス２２を有するプローブでの使用に適している。表面測定プローブ２４は、取り付け台１２に対して相対運動するように座標位置決め装置上に取り付けられる。プローブ２４は、表面接触先端部２８を有する撓み可能なスタイラス２６を有する。
【００２８】
プローブ２４は、第２の軸１６の運動によって作り出される螺旋プロファイルに追従し、したがって物体１０を螺旋プロファイルの追従により走査する。
【００２９】
プローブのサーボ方向ベクトルは、第２の軸に沿って方向付けられる。これは、プローブが、そのスタイラスの撓みを制御するように（または非接触プローブの場合、プローブのオフセットを制御するように）座標位置決め装置によってサーボ機構で制御される方向である。
【００３０】
プローブの運動は、２つの構成要素を有するアルゴリズムによって制御される。第１の構成要素は、プローブを第２の軸上に維持する。これは、プローブのスタイラス先端部の位置を求め、スタイラス先端部に最も近い第２の軸上の位置を求め、プローブを第２の軸に対して垂直な方向に第２の軸上に戻すように動かすことによって実施される。
【００３１】
アルゴリズム制御（ａｌｇｏｒｉｔｈｍ  ｃｏｎｔｒｏｌ）の第２の構成要素は、プローブ撓みを制御する。この場合、プローブは、所望のプローブ撓みを実現するように第２の軸に平行に動かされる。
【００３２】
両方のアルゴリズム構成要素は、位置要求（ｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｄｅｍａｎｄ）として算出される。
【００３３】
本実施例において、第２の軸の角度は４５°である。これは、たいていの用途に好都合である。というのも、第２の軸が側面および上面の両方と交差し、それによってそれらの面の両方が一回の走査で走査されることができるからである。これは、例えば歯の場合である上面の測定が重要である場合、特に重要である。回転軸１４に平行な面および垂直な面の両方を測定する場合、第２の軸は、回転軸および回転軸に垂直な平面に対してある角度をなしていなければならない。
【００３４】
本方法の利点は、第２の軸の角度が変えられることである。図４には、アンダーカット３２を有する物体３０が示されている。上記の実施形態において、（破線３４で示される）第２の軸は回転軸に対して４５°の角度をなしている。これによって、角度が４５°以下のアンダーカットの測定が可能になる。４５°より大きい角度のアンダーカットは、４５°の角度が付けられた第２の軸によって横切られず、したがってこのプロファイルを使用して走査することはできない。しかし、第２の軸の角度を例えば回転軸に対して９０°に変えると、この新しい第２の軸３６がそのアンダーカットを横切り、それによってその螺旋プロファイルを用いて走査することができるようになる。第２の軸の角度は、走査中に変えることができる。このように、単一の走査プロファイルで鋭角のアンダーカットがある物体が走査されることができ、これには高速走査可能という利点がある。これは、アンダーカットがある歯などの走査物体に特に関係する。
【００３５】
第２の軸の角度は、角度を変えるときを求めるのにスタイラス撓みデータを用いて、自動的に変えられることができる。例えば、図４を参照すると、物体３０は、水平な第２の軸３６を用いて、その底部またはその付近から上方に走査されることができる。スタイラス先端部がアンダーカット３２の角３８に達すると、スタイラスは−Ｚに偏向され、第２の軸の角度はそれに応じて４５°に自動的に変えられる。あるいは、第２の軸の角度はＺの所定の位置で変えられることもできる。
【００３６】
次に、図５を参照してプローブ位置の制御に使用されるアルゴリズムを説明する。
【００３７】
第１のステップにおいて、次のフレーム（ｆｒａｍｅ）のための回転角度要求が算出される。（これは２Πを超えることができる。）
【００３８】
2007529734.tif 000003
【００３９】
次のステップにおいて、回転行列が作られる。
【００４０】
【数１】
2007529734.tif 000004
【００４１】
式中で、「回転」は回転行列である。
【００４２】
次のステップにおいて、センサ軸方向が算出される。
【００４３】
【数２】
2007529734.tif 000005
【００４４】
式中で、「方向」はセンサ軸方向である。
【００４５】
次に、ねじ山のピッチによるｚにおける原点移動（ｏｒｉｇｉｎ  ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ）が算出される。
【００４６】
【数３】
2007529734.tif 000006
【００４７】
式中で、「原点移動」はｚにおける原点移動、「ピッチ」はねじ山のピッチである。
【００４８】
次いで、走査位置要求が算出される。これは現時の機械位置に最も近い第２の軸上の位置である。式中で、「機械」は撓みがないときのスタイラスボールの中心位置である。
【００４９】
走査位置要求＝［（機械−原点移動）．撓み］．方向＋原点移動
プローブ撓み誤差は、
撓み誤差＝｜プローブ撓み｜−公称撓み
から算出される。
【００５０】
式中で、「プローブ撓み」は実際のプローブ撓み、「公称撓み（ｎｏｍｉｎａｌ  ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）」は所望のプローブ撓みである。
【００５１】
プローブ撓み誤差は、撓み制御ベクトルの計算に使用される。
【００５２】
プローブ位置要求＝撓み誤差．方向
式中で、「撓み誤差」はプローブ撓み誤差であり、「方向」はプローブがそれに沿って動かされる第２の軸に平行な方向である。
【００５３】
位置要求ベクトルは、撓み制御ベクトルおよび走査位置要求ベクトルからこのように求められる。
【００５４】
位置要求＝走査位置要求＋プローブ位置要求
速度要求はこのように算出されることができる。
【００５５】
【数４】
2007529734.tif 000007
【００５６】
上記では接触プローブの使用を説明したが、本方法は、非接触プローブ例えば光学プローブ、静電容量プローブまたはコイルプローブの使用にも適している。一次元の非接触プローブを使用する場合、プローブは、螺旋プロファイルに追従するように物体の表面に向き続けるように回転されなければならず、例えば、螺旋状の経路の回転軸の方に向けられることができる。しかし、この方法を使用すると、プローブが向くべき方向がわかる。非接触プローブのオフセットは、接触プローブの場合のプローブ撓みを調整するやり方と同様のやり方で、プローブを第２の軸に平行に動かすことによって調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】走査対象の物体の斜視図である。
【図２】螺旋状の走査プロファイルの図である。
【図３】第２の軸の一連の半回転の場合の走査プロファイルの図である。
【図４】アンダーカットを有する表面の測定の図である。
【図５】走査プロファイルの平面図である。
【図１】
2007529734.tif 000008
【図２】
2007529734.tif 000009
【図３】
2007529734.tif 000010
【図４】
2007529734.tif 000011
【図５】
2007529734.tif 000012
【国際調査報告】
2007529734.tif 000013
2007529734.tif 000014