(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースと、
相互に異なる複数のマーカーが設けられ、前記ベースに移動自在に支持されたステージと、
前記ステージを駆動するステージ移動装置と、
前記ステージの上方に設けられ、前記ステージを撮影する少なくとも２つの撮影装置と、
前記各撮影装置によって撮影された前記ステージの画像から前記各マーカーを検出し、前記検出された各マーカーに基づいて、前記ステージの位置および姿勢を特定する制御装置と、を備え、
前記各撮影装置から前記ステージを見たときに、前記各マーカーの位置は、前記ステージの位置および姿勢によって異なり、
前記撮影装置は、前記ステージ上に配置された三次元物体を撮影し、
前記制御装置は、
前記撮影装置によって撮影された三次元物体の画像に基づいて、前記ステージ上に配置された三次元物体の表面形状を特定する形状特定部と、
前記ステージ上に前記三次元物体を配置した状態で前記ステージを駆動するときに、前記三次元物体が前記ベースに接触するか否かを判定する第１判定部と、
前記第１判定部により、前記三次元物体が前記ベースに接触すると判定されると、前記ステージの移動を停止する第２停止部と、を備えている、ステージ機構。
【請求項２】
前記制御装置は、
前記撮影された前記ステージの画像から前記マーカーを検出する検出部と、
前記検出されたマーカーの中心点の座標である第１の座標を求める座標検出部と、
前記求められた第１の座標を前記ステージが原点位置に配置されているときの前記マーカーの中心点の座標である第２の座標に変換するための変換行列を算出する算出部と、
前記算出された変換行列に基づいて、前記ステージの位置および姿勢を特定する特定部と、を備えている、請求項１に記載のステージ機構。
【請求項３】
前記ステージ移動装置は、
昇降自在な第１〜第６のガイド部と、
それぞれ第１〜第６のガイド部を昇降させる第１〜第６のアクチュエータと、
一端部が第１自在継手を介して前記ステージに接続され、他端部が第２自在継手を介してそれぞれ第１〜第６のガイド部に接続された第１〜第６のロッドと、を備える、請求項２に記載のステージ機構。
【請求項４】
前記制御装置は、
前記特定部によって特定された前記ステージの位置および姿勢と、前記第１〜第６のアクチュエータの回転角度から導かれる前記ステージの制御上の位置および姿勢とが一致しているか否かを判断する判断部と、
前記判断部により、前記特定部によって特定された前記ステージの位置および姿勢と、前記第１〜第６のアクチュエータの回転角度から導かれる前記ステージの制御上の位置および姿勢とが異なると判断されると、前記第１〜第６のアクチュエータの回転角度から導かれる前記ステージの制御上の位置および姿勢が、前記特定部によって特定された前記ステージの位置および姿勢となるように、前記第１〜第６のアクチュエータの回転角度を補正する補正部を備えている、請求項３に記載のステージ機構。
【請求項５】
前記ステージは、その下面に設けられた第１導通部材を備え、
前記ステージ移動装置は、前記第１導通部材と接触可能に構成され、前記第１〜第６のロッドにそれぞれ設けられた複数の第２導通部材を備え、
前記制御装置は、前記第１導通部材と前記複数の第２導通部材の少なくとも一つとが接触したことを検知する検知部と、前記検知部により、前記第１導通部材と前記第２導通部材とが接触したことが検知されると、前記ステージの移動を停止する第１停止部と、を備えている、請求項３または４に記載のステージ機構。
【請求項６】
前記第１〜第６のロッドの少なくともいずれかと前記ステージとが平行になったときに、前記第１導通部材と前記第２導通部材とが接触する、請求項５に記載のステージ機構。
【請求項７】
前記第１〜第６のロッドの少なくともいずれかと前記ステージとが平行となる前に、前記第１導通部材と前記第２導通部材とが接触する、請求項５に記載のステージ機構。
【請求項８】
前記ステージは、三次元物体が載置される載置部と、前記載置部の外方に配置され、前記複数のマーカーが設けられた外縁部と、を備えている、請求項１から７のいずれか一項に記載のステージ機構。
【請求項９】
前記撮影装置は、受像部を備え、
前記受像部の中心位置と前記ステージの上面の中心位置とを結ぶ直線と、水平面とのなす角度は、前記ステージの位置に関わらず前記ステージが最も大きく傾いたときの前記ステージの上面と水平面とのなす角度よりも大きい、請求項１から８のいずれか一項に記載のステージ機構。
【請求項１０】
３つの前記撮影装置を備え、
前記各撮影装置は、前記ステージが原点位置に配置されているときの前記ステージの上面の中心位置を中心とする仮想円の周方向に等間隔に配置されている、請求項１から９のいずれか一項に記載のステージ機構。
【請求項１１】
前記ステージ上に配置された三次元物体に水平方向のグレイコードパターンおよび垂直方向のグレイコードパターンを投影する投影装置を備え、
前記撮影装置は、前記投影装置から前記三次元物体に投影された水平方向のグレイコードパターンおよび垂直方向のグレイコードパターンを撮影し、
前記形状特定部は、前記撮影装置によって撮影された水平方向のグレイコードパターンの画像および垂直方向のグレイコードパターンの画像に基づいて、前記三次元物体の三次元座標を演算することによって、前記三次元物体の表面形状を特定する、請求項１から１０のいずれか一項に記載のステージ機構。
【請求項１２】
樹脂材料を硬化して所定の断面形状の樹脂を順次積層することにより造形物を三次元造形する三次元造形装置であって、
ベースと、
相互に異なる複数のマーカーが設けられ、前記ベースに移動自在に支持されたステージと、
前記ステージを駆動するステージ移動装置と、
前記ステージの上方に設けられ、前記ステージを撮影する少なくとも２つの撮影装置と、
前記各撮影装置によって撮影された前記ステージの画像から前記各マーカーを検出し、前記検出された各マーカーに基づいて、前記ステージの位置および姿勢を特定する制御装置と、
前記ベースの上方に配置され、樹脂材料を吐出するノズルを備えた造形ヘッドと、を備え、
前記ノズルから吐出される前記樹脂材料は、前記ステージの上面で保持され、
前記各撮影装置から前記ステージを見たときに、前記各マーカーの位置は、前記ステージの位置および姿勢によって異なり、
前記撮影装置は、前記ステージ上に配置された三次元物体を撮影し、
前記制御装置は、
前記撮影装置によって撮影された三次元物体の画像に基づいて、前記ステージ上に配置された三次元物体の表面形状を特定する形状特定部と、
前記特定された三次元物体の表面形状に基づいて前記ステージ上に造形物を三次元造形するときに、前記造形物が前記ベースに接触するか否かを前記造形物の三次元造形を開始する前に判定する第２判定部と、
前記第２判定部により、前記造形物が前記ベースに接触すると判定されると、前記造形物の造形中に前記造形物が前記ベースに接触することを作業者に通知する通知部と、を備えている、三次元造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステージ機構に関する。詳しくは、ステージを所望の位置および姿勢に移動可能なステージ機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、精密加工の分野や三次元造形の分野等において、ステージ機構が用いられている。ステージ機構は、加工ツールを取り付け可能なステージや造形物を保持可能なステージを備えている。ステージ機構は、ステージを移動させるステージ移動装置を備えている。
【０００３】
加工や造形の際には、高い精度での作業が求められる。このため、ステージを正確な位置および姿勢に確実に移動させる必要がある。ステージは、例えば、ステッピングモータを用いて移動される。かかる場合には、ステージが正確な位置および姿勢であるかを特定する方法として、ステージの原点位置からのステッピングモータのステップ数をカウントする方法がある。また、ステージの可動部分にエンコーダを取り付けて、エンコーダのパルス数をカウントすることによってステージの位置および姿勢を特定する方法がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ステッピングモータのステップ数をカウントすることによって、ステージの位置および姿勢を特定する場合、ステッピングモータとステージとの間で生じるギア同士のバックラッシュなどの機械的な誤差が生じたり、ステッピングモータが脱調したりすることにより、ステージの制御上の位置および姿勢とステージの実際の位置および姿勢とに差がでてしまう。このため、ステージの正確な位置および姿勢を特定することができない。また、エンコーダのパルス数をカウントすることによって、ステージの位置および姿勢を特定する場合、エンコーダとコントローラ部分とを配線で接続する必要がある。このため、ステージの可動部分が可動した際に生じる応力に耐え得る配線を用いたり、配線とステージとが干渉しないようなレイアウトにしたりする必要があり、構造が複雑化する。
【０００５】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ステージの正確な位置および姿勢を確実に特定することが可能なステージ機構をシンプルな構造で実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るステージ機構は、ベースと、相互に異なる複数のマーカーが設けられ、前記ベースに移動自在に支持されたステージと、前記ステージを駆動するステージ移動装置と、前記ステージの上方に設けられ、前記ステージを撮影する少なくとも２つの撮影装置と、前記各撮影装置によって撮影された前記ステージの画像から前記各マーカーを検出し、前記検出された各マーカーに基づいて、前記ステージの位置および姿勢を特定する制御装置と、を備え、前記各撮影装置から前記ステージを見たときに、前記各マーカーの位置は、前記ステージの位置および姿勢によって異なる。
【０００７】
本発明のステージ機構によれば、制御装置は、各撮影装置によって撮影されたステージの画像からステージに設けられた各マーカーを検出し、検出された各マーカーに基づいて、ステージの位置および姿勢を特定する。各撮影装置から見える各マーカーの位置は、ステージの位置および姿勢によって異なるため、各撮影装置によって撮影されたステージの画像中の各マーカーの位置によって、ステージの位置および姿勢が一義的に決定される。撮影装置によって撮影された各マーカーの画像は、実際のステージに設けられたマーカーの画像であるため、制御装置は、該マーカーの位置からステージの正確な位置および姿勢を確実に特定することができる。このように、本発明によれば、ステージの可動部分にエンコーダを用いなくとも、簡単な構造によってステージの正確な位置および姿勢を確実に特定することができる。また、例えばステッピングモータを用いてステージを可動する場合に、ステッピングモータとステージとの間で生じるギア同士のバックラッシュなどの機械的な誤差が生じたり、ステッピングモータが脱調したりしたとしても、ステージの正確な位置および姿勢を確実に特定することができる。
【０００８】
本発明の一態様によれば、前記制御装置は、前記撮影された前記ステージの画像から前記各マーカーを検出する検出部と、前記検出された各マーカーの中心点の座標である第１の座標を求める座標検出部と、前記求められた第１の座標を前記ステージが原点位置に配置されているときの前記各マーカーの中心点の座標である第２の座標に変換するための変換行列を算出する算出部と、前記算出された変換行列に基づいて、前記ステージの位置および姿勢を特定する特定部と、を備えている。
【０００９】
上記態様によれば、各撮影装置によって撮影されたステージの画像中の各マーカーの中心点の座標に基づいて、ステージの位置および姿勢が一義的に決定される。
【００１０】
本発明の一態様によれば、前記ステージ移動装置は、昇降自在な第１〜第６のガイド部と、それぞれ第１〜第６のガイド部を昇降させる第１〜第６のアクチュエータと、一端部が第１自在継手を介して前記ステージに接続され、他端部が第２自在継手を介してそれぞれ第１〜第６のガイド部に接続された第１〜第６のロッドと、を備える。
【００１１】
上記態様によれば、ステージ移動装置は、第１〜第６のガイド部を適宜に昇降させることにより、ステージをＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向、Ｘ軸回り、Ｙ軸回り、およびＺ軸回りに移動させることができる。Ｘ軸方向に移動可能なアクチュエータ付テーブルと、Ｙ軸方向に移動可能なアクチュエータ付テーブルと、Ｚ軸方向に移動可能なアクチュエータ付テーブルと、Ｘ軸回りに回転可能なアクチュエータ付テーブルと、Ｙ軸周りに回転可能なアクチュエータ付テーブルと、Ｚ軸周りに回転可能なアクチュエータ付テーブルとを組み合わせたステージ移動装置に比べて、アクチュエータの出力を抑えることができる。また、小型のアクチュエータを利用可能なので、ステージ移動装置を小型化することができる。また、ステージ移動装置はステージを６自由度で駆動し、ステージの位置および姿勢を自在に変更することができるため、ステージの位置および姿勢の組み合わせがより複雑化するが、制御装置は、ステージに設けられたマーカーに基づいて、ＸＹＺ軸上のステージの正確な位置および姿勢を確実に特定することができる。
【００１２】
本発明の一態様によれば、前記制御装置は、前記特定部によって特定された前記ステージの位置および姿勢と、前記第１〜第６のアクチュエータの回転角度から導かれる前記ステージの制御上の位置および姿勢とが一致しているか否かを判断する判断部と、前記判断部により、前記特定部によって特定された前記ステージの位置および姿勢と、前記第１〜第６のアクチュエータの回転角度から導かれる前記ステージの制御上の位置および姿勢とが異なると判断されると、前記第１〜第６のアクチュエータの回転角度から導かれる前記ステージの制御上の位置および姿勢が、前記特定部によって特定された前記ステージの位置および姿勢となるように、前記第１〜第６のアクチュエータの回転角度を補正する補正部を備えている。
【００１３】
アクチュエータが例えばステッピングモータから構成されている場合、ステッピングモータが脱調したときに、ステージの制御上の位置および姿勢とステージの実際の位置および姿勢とに差がでることがある。しかし、上記態様によれば、ステッピングモータが脱調した場合であっても、ステージの正確な位置および姿勢を特定できると共に、補正部によって、ステッピングモータの脱調を補正することができる。
【００１４】
本発明の一態様によれば、前記ステージは、その下面に設けられた第１導通部材を備え、前記ステージ移動装置は、前記第１導通部材と接触可能に構成され、前記第１〜第６のロッドにそれぞれ設けられた複数の第２導通部材を備え、前記制御装置は、前記第１導通部材と前記複数の第２導通部材の少なくとも一つとが接触したことを検知する検知部と、前記検知部により、前記第１導通部材と前記第２導通部材とが接触したことが検知されると、前記ステージの移動を停止する第１停止部と、を備えている。
【００１５】
ステージと第１〜第６のロッドとを備えるパラレルメカニズムのステージ移動装置では、ステージが特異点に陥らないように動作計画を立てるが、ステッピングモータの脱調や機構上の誤差等によって、動作計画に反してステージが特異点に陥ることがある。ステージが特異点に陥ってしまうと、ステージの動作が正常に行われなくなる。上記態様によれば、第１停止部は、検知部によって第１導通部材と第２導通部材とが接触したことが検知されると、ステージの移動を停止する。このため、作業者はステージが特異点に陥ったことを認識することができる。なお、特異点とは、ステージが所定の位置に移動したとき、または、ステージが所定の姿勢となったときに、ステージの動作が正常に行われなくなる点である。
【００１６】
本発明の一態様によれば、前記第１〜第６のロッドの少なくともいずれかと前記ステージとが平行になったときに、前記第１導通部材と前記第２導通部材とが接触する。
【００１７】
ステージと第１〜第６のロッドとを備えるパラレルメカニズムのステージ移動装置では、各ロッドの少なくともいずれかとステージとが平行になったときに、ステージは特異点に陥る。上記態様によれば、第１〜第６のロッドの少なくともいずれかとステージとが平行になったときに、第１停止部がステージの移動を停止するため、作業者はステージが特異点に陥ったことを認識することができる。
【００１８】
本発明の一態様によれば、前記第１〜第６のロッドの少なくともいずれかと前記ステージとが平行となる前に、前記第１導通部材と前記第２導通部材とが接触する。
【００１９】
上記態様によれば、第１〜第６のロッドの少なくともいずれかとステージとが平行になる前に、第１停止部がステージの移動を停止するため、ステージが特異点に陥ることを未然に防止することができる。
【００２０】
本発明の一態様によれば、前記ステージは、三次元物体が載置される載置部と、前記載置部の外方に配置され、前記複数のマーカーが設けられた外縁部と、を備えている。
【００２１】
上記態様によれば、複数のマーカーは載置部の外方に配置された外縁部に設けられているため、ステージの載置部上に三次元物体が載置されている場合であっても、各撮影装置によって撮影されたステージの画像から各マーカーが容易に検出される。
【００２２】
本発明の一態様によれば、前記撮影装置は、受像部を備え、前記受像部の中心位置と前記ステージの上面の中心位置とを結ぶ直線と、水平面とのなす角度は、前記ステージの位置に関わらず前記ステージが最も大きく傾いたときの前記ステージの上面と水平面とのなす角度よりも大きい。
【００２３】
上記態様によれば、ステージが大きく傾いた場合であっても、各撮影装置によって撮影されたステージの画像から各マーカーが容易に検出される。
【００２４】
本発明の一態様によれば、３つの前記撮影装置を備え、前記各撮影装置は、前記ステージが原点位置に配置されているときの前記ステージの上面の中心位置を中心とする仮想円の周方向に等間隔に配置されている。
【００２５】
上記態様によれば、各撮影装置によって撮影されたステージの画像から各マーカーが容易に検出される。
【００２６】
本発明の一態様によれば、前記撮影装置は、前記ステージ上に配置された三次元物体を撮影し、前記制御装置は、前記撮影装置によって撮影された三次元物体の画像に基づいて、前記ステージ上に配置された三次元物体の表面形状を特定する形状特定部を備えている。
【００２７】
上記態様によれば、ステージ上に配置された三次元物体の表面形状が取得される。また、ステージを任意の位置および姿勢にすることによって、三次元物体の測定が多角的に行われるため、三次元物体の表面形状の測定精度が向上する。さらに、ステージ機構の他に別に設けられたスキャナーを用意する必要がない。
【００２８】
本発明の一態様によれば、前記ステージ上に配置された三次元物体に水平方向のグレイコードパターンおよび垂直方向のグレイコードパターンを投影する投影装置を備え、前記撮影装置は、前記投影装置から前記三次元物体に投影された水平方向のグレイコードパターンおよび垂直方向のグレイコードパターンを撮影し、前記形状特定部は、前記撮影装置によって撮影された水平方向のグレイコードパターンの画像および垂直方向のグレイコードパターンの画像に基づいて、前記三次元物体の三次元座標を演算することによって、前記三次元物体の表面形状を特定する。
【００２９】
上記態様によれば、三次元物体の表面形状の測定精度がより高くなる。
【００３０】
本発明の一態様によれば、前記制御装置は、前記ステージ上に前記三次元物体を配置した状態で前記ステージを駆動するときに、前記三次元物体が前記ベースに接触するか否かを判定する第１判定部と、前記第１判定部により、前記三次元物体が前記ベースに接触すると判定されると、前記ステージの移動を停止する第２停止部と、を備えている。
【００３１】
上記態様によれば、第１判定部により、ステージ上に配置された三次元物体がベースに接触すると判定されると、第２停止部は、ステージの移動を停止する。このため、ステージ上に配置された三次元物体とベースとの接触を未然に防止することができる。
【００３２】
本発明に係る三次元造形装置は、樹脂材料を硬化して所定の断面形状の樹脂を順次積層することにより造形物を三次元造形する三次元造形装置であって、前記ステージ機構と、前記ベースの上方に配置され、樹脂材料を吐出するノズルを備えた造形ヘッドと、を備え、前記ノズルから吐出される前記樹脂材料は、前記ステージの上面で保持され、前記制御装置は、前記特定された三次元物体の表面形状に基づいて前記ステージ上に造形物を三次元造形するときに、前記造形物が前記ベースに接触するか否かを前記造形物の三次元造形を開始する前に判定する第２判定部と、前記第２判定部により、前記造形物が前記ベースに接触すると判定されると、前記造形物の造形中に前記造形物が前記ベースに接触することを作業者に通知する通知部と、を備えている。
【００３３】
上記態様によれば、三次元造形したい造形物について、三次元造形装置で三次元造形をすることができない場合は、通知部が予めその旨を作業者に通知する。このため、作業者は、動作計画の修正等を行うことができる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、ステージの正確な位置および姿勢を確実に特定することが可能なステージ機構をシンプルな構造で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】一実施形態に係るステージ機構を備えた三次元造形装置の構造を示す側面図である。
【図２】一実施形態に係る三次元造形装置の構造を示す平面図である。
【図３】一実施形態に係る複数のマーカーが設けられたステージを示す平面図である。
【図４】一実施形態に係るステージの一部を拡大した斜視図である。
【図５】一実施形態に係るステージの一部を拡大した側面図である。
【図６】一実施形態に係る第１導通部材と第２導通部材とが接触した状態を示す側面図である。
【図７】一実施形態に係るカメラの配置を模式的に示す平面図である。
【図８】一実施形態に係るステージが最も大きく傾いたときの状態を示す側面図である。
【図９】一実施形態に係るステージ機構の主要要素のブロック図である。
【図１０】一実施形態に係るカメラによって撮影されたステージの撮影画像を示す模式図である。
【図１１】撮影画像からマーカーの外形以外の画素を消去した状態を示す模式図である。
【図１２】細線化された点の集合体を取得した状態を示す模式図である。
【図１３】円の最小二乗法によってマーカーの中心点の座標である第１の座標を求めた状態を示す模式図である。
【図１４】他の一実施形態に係るステージ機構を備えた三次元造形装置の構造を示す側面図である。
【図１５】他の一実施形態に係るステージ機構の主要要素のブロック図である。
【図１６】他の一実施形態に係るステージ機構の主要要素のブロック図である。
【図１７】他の一実施形態に係る第１導通部材と第２導通部材とが接触した状態を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
＜第１実施形態＞
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態に係る三次元造形装置１０は、ステージ機構３０を備えている。３次元造形装置１０は、樹脂材料を硬化して所定の断面形状の樹脂を順次積層することにより造形物を三次元造形する。樹脂材料としては、熱可塑性樹脂および光硬化性樹脂等が挙げられる。以下の説明では、熱可塑性樹脂を用いる三次元造形装置１０がステージ機構３０を備える場合を例に説明するが、本発明の適用対象をかかる種類の装置および樹脂材料に限定することを意図したものではない。
【００３７】
以下の説明において、特に断らない限り、図１の左、右、上、下をそれぞれ三次元造形装置１０の左、右、上、下とする。図２の左、右、上、下をそれぞれ三次元造形装置１０の前、後、左、右とする。図面中の符号Ｆ、Ｒｒ、Ｌ、Ｒ、Ｕｐ、Ｄｎは、それぞれ前、後、左、右、上、下を表す。図面中の符号Ｘは、Ｘ軸を示し、左右方向を表す。図面中の符号Ｙは、Ｙ軸を示し、前後方向を表す。図面中の符号Ｚは、Ｚ軸を示し、上下方向を表す。符合θＸ、θＹ、θＺは、それぞれＸ軸回り、Ｙ軸回り、Ｚ軸回りの回転方向を表す。本実施形態では、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、いずれか一つの軸が他の二つの軸に対して直交するように設定されている。ただし、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、いずれか一つの軸が他の二つの軸に対して交差するように設定されていればよい。また、これらは説明の便宜上の方向に過ぎず、三次元造形装置１０の設置態様を何ら限定するものではない。
【００３８】
図１に示すように、三次元造形装置１０は、ステージ機構３０と、ホルダ１５と、造形ヘッド２０と、を備えている。
【００３９】
図１に示すように、ステージ機構３０は、ベース４０と、ステージ５０と、ステージ移動装置６０と、撮影装置としてのカメラ７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃと、制御装置としてのマイクロコンピュータ７５と、を備えている。なお、マイクロコンピュータ７５は、三次元造形装置１０が備えていてもよい。
【００４０】
図１に示すように、ベース４０は、第１ベース４２と、６つの支柱４４と、第２ベース４６とを備えている。第１ベース４２は、円板状に形成されている。支柱４４は、第１ベース４２から上方に延びている。第２ベース４６は、円板状に形成されている。第２ベース４６は、第１ベース４２の上方に配置されている。第２ベース４６は、６つの支柱４４の上に配置されている。第１ベース４２の直径と、第２ベース４６の直径は実質的に同一である。図２に示すように、第２ベース４６には、開口４７が形成されている。
【００４１】
図１に示すように、ステージ５０は、ベース４０に移動自在に支持されている。ステージ５０は、造形ヘッド２０の下方に配置されている。ステージ５０は、第１ベース４２の上方かつ第２ベース４６の下方に配置されている。ステージ５０は、後述する造形ヘッド２０のノズル２２から吐出された樹脂材料を保持する。樹脂材料は、ステージ５０の上面５０Ｕで保持される。三次元造形物はステージ５０の上面５０Ｕで造形される。ステージ５０には、三次元物体を配置することができる。
【００４２】
図３に示すように、ステージ５０は、円板状に形成されている。ステージ５０は、載置部５２と外縁部５４とを備えている。載置部５２には、ノズル２２から樹脂材料が吐出される。載置部５２は、樹脂材料を保持する。載置部５２には、三次元物体が載置される。外縁部５４は、載置部５２の外方に配置されている。外縁部５４は、載置部５２の外周に沿って配置されている。外縁部５４は、載置部５２を囲う。
【００４３】
ステージ５０には、相互に異なる１６個のマーカー５６Ａ〜５６Ｐが設けられている。マーカー５６Ａ〜５６Ｐは、円の内部に１〜１６の数字がそれぞれ描かれた形状を有している。マーカー５６Ａ〜５６Ｐは、ステージ５０の上面５０Ｕに設けられている。マーカー５６Ａ〜５６Ｐは、外縁部５４に設けられている。マーカー５６Ａ〜５６Ｐは、外縁部５４の周方向に等間隔で設けられている。マーカー５６Ａ〜５６Ｐ同士の間隔は、等間隔に限定されず任意である。マーカー５６Ａ〜５６Ｐの形状は予めマイクロコンピュータ７５に記憶されている。マーカー５６Ａ〜５６Ｐは、各カメラ７０Ａ〜７０Ｃからステージ５０を見たときに、ステージ５０の位置および姿勢によって異なる。即ち、各カメラ７０Ａ〜７０Ｃからステージ５０を見たときに、マーカー５６Ａ〜５６Ｐの位置は、ステージ５０の位置および姿勢によって異なる。なお、本実施形態では、ステージ５０には１６個のマーカー５６Ａ〜５６Ｐが設けられているが、マーカーの数は１６個に限定されない。マーカー５６Ａ〜５６Ｐは、円の内部に１〜１６の数字がそれぞれ描かれた形状であるが、相互に異なっている限り、円でなくてもよいし、数字でなくてもよい。
【００４４】
図４に示すように、ステージ５０は、第１導通部材５８を備えている。第１導通部材５８は、ステージ５０の下面５０Ｂに設けられている。第１導通部材５８は、後述する各第１自在継手６３Ａの外方に設けられている。第１導通部材５８は、第１自在継手６３Ａを囲う。第１導通部材５８は、円環状に形成されている。
【００４５】
図１に示すように、ステージ移動装置６０は、ベース４０に配置されている。ステージ移動装置６０は、ステージ５０を６自由度で駆動する。ステージ移動装置６０は、ステージ５０を並進３自由度および回転３自由度で駆動する。すなわち、ステージ移動装置６０は、ステージ５０をＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向に並進移動させるとともに、Ｘ軸回り、Ｙ軸回り、およびＺ軸回りに回転移動させるように構成されている。
【００４６】
図１に示すように、ステージ移動装置６０は、６自由度パラレルリンク機構によって構成されている。ステージ移動装置６０は、ステージ５０に連結された６本のロッド６２と、それぞれロッド６２に連結され、支柱４４に沿って昇降自在な６つのガイド部６４（図１では２つのみ図示している）と、ガイド部６４を昇降させる６つのアクチュエータ６５（図１では２つのみ図示している）とを備えている。ロッド６２、ガイド部６４、およびアクチュエータ６５は、ベース４０に配置されている。ロッド６２は、その一端６２Ａに第１自在継手６３Ａを備えている。ロッド６２は、その他端６２Ｂに第２自在継手６３Ｂを備えている。第１自在継手６３Ａは、ステージ５０を支持する。第１自在継手６３Ａは、ロッド６２の一端６２Ａとステージ５０とを連結している。
【００４７】
ガイド部６４は、支柱４４にスライド自在に係合したスライダにより構成されている。図１に示すように、第２自在継手６３Ｂは、ガイド部６４に接続されている。第２自在継手６３Ｂは、ロッド６２の他端６２Ｂとガイド部６４とを連結している。支柱４４には溝が形成されており、この溝の内方には、上下に延びるボールねじ６６が配置されている。ボールねじ６６の上端部には、ボールねじ６６を回転させるアクチュエータ６５が配置されている。アクチュエータ６５の種類は何ら限定されないが、例えば、サーボモータを用いることができる。ガイド部６４には、上下に延びる図示しないねじ孔が形成されている。ガイド部６４のねじ孔にはボールねじ６６が挿入されており、ガイド部６４のねじ孔は、ボールねじ６６と噛み合っている。そのため、ボールねじ６６が回転するとガイド部６４は上昇し、ボールねじ６６が逆回転するとガイド部６４は下降する。ガイド部６４が昇降することにより、ロッド６２が移動する。
【００４８】
各アクチュエータ６５は独立して動作可能であり、各アクチュエータ６５は各ロッド６２を相互に独立して移動させる。アクチュエータ６５は、マイクロコンピュータ７５に制御される。６本のロッド６２が相互に独立して移動することにより、ステージ５０は、ベース４０内において、Ｘ軸方向の並進移動、Ｙ軸方向の並進移動、Ｚ軸方向の並進移動、Ｘ軸回りの回転移動、Ｙ軸回りの回転移動、およびＺ軸回りの回転移動が可能である。６本のロッド６２が相互に独立して移動することにより、ステージ５０の位置および姿勢を自由に設定することができる。
【００４９】
図１に示すように、ステージ移動装置６０は、複数の第２導通部材６８を備えている。第２導通部材６８は、６本のロッド６２にそれぞれ設けられている。第２導通部材６８は、ロッド６２の全周に亘って形成されている。図４に示すように、第２導通部材６８は、ステージ５０の下面５０Ｂに設けられた第１導通部材５８と接触可能に構成されている。
【００５０】
図５に示すように、ステージ移動装置６０が通常に作動しているとき、第１導通部材５８と第２導通部材６８とは接触しない。図６に示すように、６本のロッド６２の少なくともいずれかとステージ５０とが平行になったときに、第１導通部材５８と第２導通部材６８とが接触する。第１導通部材５８と第２導通部材６８とが接触すると通電し、マイクロコンピュータ７５が該電流を検知する。第１導通部材５８と第２導通部材６８とが接触したとき、マイクロコンピュータ７５は、ステージ５０の移動を停止する。
【００５１】
図１に示すように、カメラ７０Ａ〜７０Ｃは、ステージ５０を撮影する。カメラ７０Ａ〜７０Ｃによって撮影されたステージ５０の画像は、マイクロコンピュータ７５に出力される。カメラ７０Ａ〜７０Ｃは、ステージ５０を撮影することが可能な位置に配置されている。カメラ７０Ａ〜７０Ｃは、ベース４０に配置されている。カメラ７０Ａ〜７０Ｃは、ステージ５０の上方に配置されている。カメラ７０Ａ〜７０Ｃは、第２ベース４６の下面４６Ｂに配置されている。カメラ７０Ａ〜７０Ｃは、ノズル２２の下端２２Ｂより上方に配置されている。図７に示すように、カメラ７０Ａ〜７０Ｃは、ステージ５０が原点位置に配置されているときのステージ５０の上面５０Ｕの中心位置Ｐ０を中心とする仮想円Ｃ１の周方向に等間隔に配置されている。なお、カメラ７０Ａ〜７０Ｃの配置は上記態様に限定されない。本実施形態では、ステージ機構３０は、撮影装置として３つのカメラ７０Ａ〜７０Ｃを備えていたが、カメラは２つもしくは４つ以上でもよい。
【００５２】
図８に示すように、カメラ７０Ａ〜７０Ｃは、それぞれ受像部としてのレンズ７２Ａ〜７２Ｃを備えている。レンズ７２Ａの中心位置７３Ａとステージ５０の上面５０Ｕの中心位置Ｐ０とを結ぶ直線Ｌ１と、水平面とのなす角度αは、ステージ５０が最も大きく傾いたときのステージ５０の上面５０Ｕと水平面とのなす角度θ０よりも大きい。すなわち、カメラ７０Ａは、角度αが角度θ０よりも大きくなる位置に配置されている。レンズ７２Ｂの中心位置７３Ｂと中心位置Ｐ０とを結ぶ直線Ｌ２と、水平面とのなす角度βは、角度θ０よりも大きい。すなわち、カメラ７０Ｂは、角度βが角度θ０よりも大きくなる位置に配置されている。レンズ７２Ｃの中心位置７３Ｃと中心位置Ｐ０とを結ぶ直線Ｌ３と、水平面とのなす角度γは、角度θ０よりも大きい。すなわち、カメラ７０Ｃは、角度γが角度θ０よりも大きくなる位置に配置されている。なお、上述した例では、ステージ５０が原点位置に配置されている場合について説明しているが、ステージ５０の位置に関わらず（即ちステージ５０がその可動領域のいかなる位置に配置されていても）カメラ７０Ａは、角度αが角度θ０よりも大きくなる位置に配置されている。カメラ７０Ｂおよびカメラ７０Ｃについても同様である。また、本実施形態では、カメラ７０Ａ〜７０Ｃは、受像部としてレンズ７２Ａ〜７２Ｃを備えているが、受像部はレンズに限定されない。図８において、説明の便宜上、造形ヘッド２０およびノズル２２等の図示を省略している。
【００５３】
ステージ機構３０では、ステージ５０を駆動させるのに先立って、カメラ７０Ａ〜７０Ｃ自体のキャリブレーション（以下、「カメラのキャリブレーション」と適宜に称する。）が行われる。カメラのキャリブレーションでは、カメラ７０Ａ〜７０Ｃの焦点距離、画像中心座標、せん断係数およびレンズ歪みなどを表す内部パラメータと、カメラ７０Ａ〜７０Ｃが配置された三次元空間上における位置や向きを表す外部パラメータが算出される。なお、カメラのキャリブレーションの具体的な方法については、従来公知の方法を用いることができるため、その詳細な説明は省略することとする。
【００５４】
図１に示すように、ホルダ１５は、ベース４０の上方に配置されている。ホルダ１５は、第２ベース４６の上に配置されている。ホルダ１５は、第２ベース４６の開口４７を跨ぐように配置されている。図２に示すように、ホルダ１５は、造形ヘッド２０を支持する第１壁１３および第２壁１４を備えている。第１壁１３と第２壁１４との間には、造形ヘッド２０が配置されている。
【００５５】
図１に示すように、造形ヘッド２０は、ベース４０の上方に配置されている。造形ヘッド２０は、ホルダ１５に固定されている。造形ヘッド２０は、樹脂材料を吐出するノズル２２を備えている。図２に示すように、ノズル２２は、平面視で第２ベース４６の開口４７と重なる。
【００５６】
図１に示すように、三次元造形装置１０は、樹脂材料２６を収容するタンク２４を備えている。タンク２４は、ベース４０の上方に配置されている。タンク２４は、ホルダ１５に配置されている。タンク２４は、交換可能である。タンク２４内の樹脂材料２６は造形ヘッド２０に供給される。図２に示すように、ホルダ１５には、モータ２８が配置されている。モータ２８を駆動させることによって、ギア２７が駆動され、タンク２４内の樹脂材料２６が造形ヘッド２０に供給される。モータ２８は、マイクロコンピュータ７５により制御される。
【００５７】
マイクロコンピュータ７５は、各カメラ７０Ａ〜７０Ｃによって撮影されたステージ５０の画像からマーカー５６Ａ〜５６Ｐを検出する。マイクロコンピュータ７５は、検出されたマーカー５６Ａ〜５６Ｐに基づいて、ステージ５０の位置および姿勢を特定する。マイクロコンピュータ７５は、ステージ機構３０に通信可能に接続されている。ステージ機構３０は、マイクロコンピュータ７５に常時接続されていてもよく、適宜に接続されていてもよい。また、ステージ機構３０とマイクロコンピュータ７５との接続は、有線による接続に限らず、無線による接続であってもよい。マイクロコンピュータ７５には、中央演算処理装置（以下、ＣＰＵという）と、ＣＰＵが実行するプログラムなどを格納したＲＯＭと、ＲＡＭなどを備えた公知のマイクロコンピュータを利用することができる。
【００５８】
図９に示すように、マイクロコンピュータ７５は、記憶部７８と、検出部８０と、座標検出部８２と、算出部８４と、特定部８６と、判断部８８と、補正部９０と、検知部９２と、第１停止部９４と、を備えている。
【００５９】
記憶部７８は、カメラ７０Ａ〜７０Ｃによって撮影されたステージ５０の画像などの各種の情報を記憶する。記憶部７８は、マーカー５６Ａ〜５６Ｐと同じ形状の各テンプレート画像を予め記憶している。記憶部７８は、ステージ５０が原点位置に配置されているときのマーカー５６Ａ〜５６Ｐの中心点の座標（三次元座標）を予め記憶している。記憶部７８は、ベース４０の形状情報（即ち支柱４４等の三次元座標）を予め記憶している。
【００６０】
検出部８０は、カメラ７０Ａ〜７０Ｃによって撮影されたステージ５０の各画像（以下、「撮影画像」と適宜に称する。）からマーカー５６Ａ〜５６Ｐを検出する。より詳細には、検出部８０は、各撮影画像上において、記憶部７８に記憶された各テンプレート画像と一致するマーカーを検出する。以下の説明では、カメラ７０Ａ〜７０Ｃによって撮影された撮影画像からマーカー５６Ａの中心点５６ＡＣ（図３参照）の座標である第１の座標を求める場合を例に説明する。また、撮影画像の処理については、カメラ７０Ａによって撮影された撮影画像３２（図１０参照）を例に説明するが、カメラ７０Ｂによって撮影された撮影画像およびカメラ７０Ｃによって撮影された撮影画像についても同様の処理を行う。なお、マーカー５６Ｂ〜５６Ｐについても同様の方法で、各マーカー５６Ｂ〜５６Ｐの第１の座標を求めることができる。なお、検出部８０は、マーカー５６Ａ〜５６Ｐのうち少なくとも３点を検出するとよい。図１０に示すように、検出部８０は、撮影画像３２上において、記憶部７８に記憶されたテンプレート画像と一致するマーカー５６Ａを検出する。
【００６１】
座標検出部８２は、従来公知の方法によって、検出部８０によって検出されたマーカー５６Ａの中心点５６ＡＣ（図３参照）の座標である第１の座標を求める。図１１に示すように、座標検出部８２は、撮影画像３２（図１０参照）から、マーカー５６Ａの外形５７Ａ以外の画素５５Ａ（ここでは数字の１）を消去したグレースケール画像を作成する。座標検出部８２は、作成されたグレースケール画像の二値化を行う。即ち、座標検出部８２は、所定の閾値以上のグレー値を「白」、所定の閾値より小さなグレー値を「黒」とした差分二値画像を作成する。図１２に示すように、座標検出部８２は、作成された差分二値画像の細線化処理を行って、細線化された点の集合体５７ＡＸを取得する。図１３に示すように、座標検出部８２は、円の最小二乗法によって、細線化された点の集合体５７ＡＸの中心点５６ＡＣの座標を求める。座標検出部８２は、各カメラ７０Ａ〜７０Ｃによって撮影された撮影画像中の中心点５６ＡＣの座標の視差に基づいて、マーカー５６Ａの中心点５６ＡＣの座標である第１の座標ＭＲを求める。
【００６２】
算出部８４は、変換行列ＨＲ２Ｐ（４×４行列）を算出する。変換行列ＨＲ２Ｐは、下記の（１）式に示すように、求められた第１の座標ＭＲを、ステージ５０が原点位置に配置されているときの各マーカー５６Ａ〜５６Ｐの中心点の座標である第２の座標ＭＰに変換するための座標変換行列である。変換行列ＨＲ２Ｐは、下記の（２）式に示すように、回転行列Ｒ（３×３行列）と並進行列ｔ（３×１行列）とを含む。ここで、回転行列Ｒは、３×３の回転行列であり要素数は９であるが、回転行列Ｒは、３次元行列ｒ＝［ｒｘ，ｒｙ，ｒｚ］Ｔで表され、自由度は３である。並進行列ｔの自由度は３である。（１）式中、Ｔは転置を表す。
【００６３】
【数１】
0006576655.tif 000002
【００６４】
【数２】
0006576655.tif 000003
【００６５】
具体的には、下記の（３）式にｎ組のＭＲおよびＭＰを当てはめて、ＭＲとＭＰとの差が最小化するようなＨＲ２Ｐを、非線形最小二乗法（Levenberg-Marquardt法）により求める。このとき、Ｒについて最適化の対象となる要素は、ｒｘ、ｒｙおよびｒｚの３つであるため、下記の（４）式で表されるロドリゲス（Rodrigues）の公式により、ｒｘ、ｒｙおよびｒｚをＲに変換する。（４）式中、Ｉは３×３の単位行列である。
【００６６】
【数３】
0006576655.tif 000004
【００６７】
【数４】
0006576655.tif 000005
【００６８】
特定部８６は、求められた変換行列ＨＲ２Ｐに基づいて、ステージ５０の位置および姿勢を特定する。即ち、特定部８６は、ステージ５０が原点位置に配置されているときの各マーカー５６Ａ〜５６Ｐの中心点の座標である第２の座標ＭＰから、求められた変換行列ＨＲ２Ｐ（回転行列Ｒおよび並進行列ｔ）だけ移動した位置および姿勢が、現在のステージ５０の位置および姿勢であると特定することができる。
【００６９】
判断部８８は、特定部８６によって特定されたステージ５０の位置および姿勢（以下、「実際の位置」と適宜に称する。）と、第１〜第６のアクチュエータ６５の回転角度から導かれるステージ５０の制御上の位置および姿勢（以下、「制御上の位置」と適宜に称する。）とが一致しているか否かを判断する。第１〜第６のアクチュエータ６５の回転角度に関する情報は、判断部８８へと常時出力される。判断部８８により、実際の位置と、制御上の位置とが異なると判断されると、判断部８８は、補正部９０に信号を出力する。なお、ステージ５０の制御上の位置および姿勢は、アクチュエータ６５のステップ数から導いてもよい。
【００７０】
補正部９０は、判断部８８から信号を受信したとき、すなわち、特定部８６によって特定されたステージ５０の位置および姿勢と、第１〜第６のアクチュエータ６５の回転角度から導かれるステージ５０の制御上の位置および姿勢とが異なると判断部８８により判断されると、第１〜第６のアクチュエータ６５の回転角度から導かれるステージ５０の制御上の位置および姿勢が、特定部８６によって特定されたステージ５０の位置および姿勢となるように第１〜第６のアクチュエータ６５の回転角度を補正する。
【００７１】
検知部９２は、ステージ５０の下面５０Ｂに設けられた第１導通部材５８と各ロッド６２に設けられた複数の第２導通部材６８の少なくとも一つとが接触したことを検知する。検知部９２は、第１導通部材５８と第２導通部材６８とが接触したときに流れる電流を検知するように構成されている。検知部９２は、第１導通部材５８と第２導通部材６８とが接触したことを検知すると、第１停止部９４に信号を出力する。
【００７２】
第１停止部９４は、検知部９２から信号を受信したとき、すなわち、第１導通部材５８と第２導通部材６８とが接触したことが検知部９２により検知されると、ステージ５０の移動を停止する。第１停止部９４は、第１〜第６のアクチュエータ６５の動作を停止させる。これにより、ステージ５０の移動も停止される。
【００７３】
以上のように、ステージ機構３０によれば、マイクロコンピュータ７５は、各カメラ７０Ａ〜７０Ｃによって撮影されたステージ５０の画像からステージ５０に設けられた各マーカー５６Ａ〜５６Ｐを検出し、検出された各マーカー５６Ａ〜５６Ｐに基づいて、ステージ５０の位置および姿勢を特定する。各カメラ７０Ａ〜７０Ｃから見える各マーカー５６Ａ〜５６Ｐの位置は、ステージ５０の位置および姿勢によって異なるため、各カメラ７０Ａ〜７０Ｃによって撮影されたステージ５０の画像中の各マーカー５６Ａ〜５６Ｐの位置によって、ステージ５０の位置および姿勢が一義的に決定される。カメラ７０Ａ〜７０Ｃによって撮影された各マーカー５６Ａ〜５６Ｐの画像は、実際のステージ５０に設けられたマーカー５６Ａ〜５６Ｐの画像であるため、マイクロコンピュータ７５は、該マーカー５６Ａ〜５６Ｐの位置からステージ５０の正確な位置および姿勢を確実に特定することができる。このように、ステージ５０の可動部分にエンコーダを用いなくとも、簡単な構造によってステージ５０の正確な位置および姿勢を確実に特定することができる。また、例えばステッピングモータを用いてステージ５０を可動する場合に、ステッピングモータとステージ５０との間で生じるギア同士のバックラッシュなどの機械的な誤差が生じたり、ステッピングモータが脱調したりしたとしても、ステージ５０の正確な位置および姿勢を確実に特定することができる。
【００７４】
本実施形態のステージ機構３０によれば、図９に示すように、マイクロコンピュータ７５は、座標検出部８２によって求められた第１の座標ＭＲをステージ５０が原点位置に配置されているときの各マーカー５６Ａ〜５６Ｐの中心点の座標である第２の座標ＭＰに変換するための変換行列ＨＲ２Ｐを算出する算出部８４と、算出された変換行列ＨＲ２Ｐに基づいて、ステージ５０の位置および姿勢を特定する特定部８６と、を備えている。このため、各カメラ７０Ａ〜７０Ｃによって撮影されたステージ５０の画像中の各マーカー５６Ａ〜５６Ｐの中心点の座標に基づいて、ステージ５０の位置および姿勢が一義的に決定される。
【００７５】
本実施形態のステージ機構３０によれば、図１に示すように、ステージ移動装置６０は、第１〜第６のガイド部６４を適宜に昇降させることにより、ステージ５０をＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向、Ｘ軸回り、Ｙ軸回り、およびＺ軸回りに移動させることができる。Ｘ軸方向に移動可能なアクチュエータ付テーブルと、Ｙ軸方向に移動可能なアクチュエータ付テーブルと、Ｚ軸方向に移動可能なアクチュエータ付テーブルと、Ｘ軸回りに回転可能なアクチュエータ付テーブルと、Ｙ軸周りに回転可能なアクチュエータ付テーブルと、Ｚ軸周りに回転可能なアクチュエータ付テーブルとを組み合わせたステージ移動装置に比べて、アクチュエータ６５の出力を抑えることができる。また、小型のアクチュエータを利用可能なので、ステージ移動装置６０を小型化することができる。また、ステージ移動装置６０はステージ５０を６自由度で駆動し、ステージ５０の位置および姿勢を自在に変更することができるため、ステージ５０の位置および姿勢の組み合わせがより複雑化するが、マイクロコンピュータ７５は、ステージ５０に設けられたマーカー５６Ａ〜５６Ｐに基づいて、ＸＹＺ軸上のステージ５０の正確な位置および姿勢を確実に特定することができる。
【００７６】
本実施形態のステージ機構３０によれば、図９に示すように、マイクロコンピュータ７５は、補正部９０を備えている。アクチュエータ６５が例えばステッピングモータから構成されている場合、ステッピングモータが脱調したときに、ステージ５０の制御上の位置および姿勢とステージ５０の実際の位置および姿勢とに差がでることがある。しかし、上記態様によれば、ステッピングモータが脱調した場合であっても、ステージ５０の正確な位置および姿勢を特定できると共に、補正部９０によって、ステッピングモータの脱調を補正することができる。
【００７７】
本実施形態のステージ機構３０によれば、図９に示すように、第１停止部９４は、第１導通部材５８（図４参照）と第２導通部材６８（図４参照）とが接触したことが検知されると、ステージ５０の移動を停止する。このため、作業者はステージ５０が特異点に陥ったことを認識することができる。
【００７８】
本実施形態のステージ機構３０によれば、図９に示すように、第１〜第６のロッド６２の少なくともいずれかとステージ５０とが平行になったときに、第１停止部９４がステージ５０の移動を停止する。このため、作業者はステージ５０が特異点に陥ったことを認識することができる。
【００７９】
本実施形態のステージ機構３０によれば、図３に示すように、複数のマーカー５６Ａ〜５６Ｐは、載置部５２の外方に配置された外縁部５４に設けられている。このため、ステージ５０の載置部５２上に三次元物体が載置されている場合であっても、各カメラ７０Ａ〜７０Ｃによって撮影されたステージ５０の画像から各マーカー５６Ａ〜５６Ｐが容易に検出される。
【００８０】
本実施形態のステージ機構３０によれば、図８に示すように、直線Ｌ１と、水平面とのなす角度αは、ステージ５０が最も大きく傾いたときのステージ５０の上面５０Ｕと水平面とのなす角度θ０よりも大きい。このため、ステージ５０が大きく傾いた場合であっても、カメラ７０Ａによって撮影されたステージ５０の画像から各マーカー５６Ａ〜５６Ｐが容易に検出される。
【００８１】
本実施形態のステージ機構３０によれば、図７に示すように、カメラ７０Ａ〜７０Ｃは、ステージ５０が原点位置に配置されているときのステージ５０の上面５０Ｕの中心位置Ｐ０を中心とする仮想円Ｃ１の周方向に等間隔に配置されている。このため、各カメラ７０Ａ〜７０Ｃによって撮影されたステージ５０の画像から各マーカー５６Ａ〜５６Ｐが容易に検出される。
【００８２】
＜第２実施形態＞
図１４は、第２実施形態に係るステージ機構３０を備えた三次元造形装置１０を示す側面図である。図１５は、第２実施形態に係るステージ機構３０の主要要素のブロック図である。
【００８３】
図１４に示すように、ステージ機構３０は、投影装置としてのプロジェクタ１８を備えている。プロジェクタ１８は、マイクロコンピュータ７５に制御される。ステージ５０上には三次元物体１２が配置されている。三次元物体１２としては、例えば加工対象物が挙げられる。プロジェクタ１８は、ステージ５０上に配置された三次元物体１２に水平方向のグレイコードパターンおよび垂直方向のグレイコードパターンを投影する。水平方向のグレイコードパターンおよび垂直方向のグレイコードパターンは、例えば８ビットである。
【００８４】
カメラ７０Ａ〜７０Ｃは、三次元物体１２に投影された水平方向のグレイコードパターンおよび垂直方向のグレイコードパターンを撮影する。撮影された各画像は、後述の形状特定部９６（図１５参照）に出力される。
【００８５】
図１５に示すように、マイクロコンピュータ７５は、形状特定部９６と、第１判定部９８と、第２停止部１００とを備えている。
【００８６】
形状特定部９６は、カメラ７０Ａ〜７０Ｃによって撮影された水平方向のグレイコードパターンの画像および垂直方向のグレイコードパターンの画像に基づいて、三次元物体１２の三次元座標を演算することによって、三次元物体１２の表面形状を特定する。
【００８７】
具体的には、撮影された各画像は、形状特定部９６において、カメラ７０Ａ〜７０Ｃの内部パラメータでレンズ歪みの補正がなされる。形状特定部９６は、補正された各画像から二値画像を作成する。形状特定部９６は、作成された二値画像から、縦方向にコード値が変化する空間コード画像Ａ（即ち縦方向に０〜２５５に輝度値が変化するグレースケール画像）と、横方向にコード値が変化する空間コード画像Ｂ（即ち横方向に０〜２５５に輝度値が変化するグレースケール画像）を作成する。
【００８８】
形状特定部９６は、空間コード画像Ａおよび空間コード画像Ｂから、空間コード境界線の交点座標（ｕ，ｖ）をサブピクセル精度で求める。形状特定部９６は、この交点座標（ｕ，ｖ）を、ワールド空間上での座標値に変換する。即ち、形状特定部９６は、下記の（５）式に示すように、交点座標（ｕ，ｖ）を正規化画像座標系（ｆ＝１）の値（ｘ，ｙ）に変換する。そして、形状特定部９６は、下記の（６）式に示すように、（ｘ，ｙ）をワールド座標系の値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に変換する。式（５）中、Ａ−１はカメラの内部パラメータであり、３×３の行列である。式（６）中、Ｒｅ２ｗは、正規化画像座標系からワールド座標系へ変換するための回転行列である。Ｔｅ２ｗは、正規化画像座標系からワールド座標系へ変換するための並進行列である。
【００８９】
【数５】
0006576655.tif 000006
【００９０】
【数６】
0006576655.tif 000007
【００９１】
変換されたワールド座標系の値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、三次元物体１２の三次元座標である。形状特定部９６は、特定部８６によって特定されたステージ５０の位置および姿勢の情報に基づいて、任意の位置および姿勢のステージ５０において求められた三次元物体１２の三次元座標を組み合わせることによって、三次元物体１２の表面形状を特定する。なお、こうした空間コード画像におけるコード値のサブピクセル精度での三次元物体１２の三次元座標を算出する方法については、従来から公知の技術（例えば、特許４９１７３５１号公報を参照する。）を用いるため、その詳細な説明は省略する。
【００９２】
第１判定部９８は、ステージ５０上に三次元物体１２を配置した状態でステージ５０を駆動するときに、三次元物体１２がベース４０に接触するか否かを判定する。即ち、第１判定部９８は、ステージ移動装置６０によってステージ５０が駆動されるとき、特定部８６によって特定されたステージ５０の位置および姿勢の情報と、形状特定部９６によって特定された三次元物体１２の表面形状の情報とに基づいて、ステージ５０上の三次元物体１２の位置を把握する。そして、第１判定部９８は、把握された三次元物体１２の位置と、記憶部７８に予め記憶されているベース４０の形状の情報とに基づいて、三次元物体１２がベース４０に接触するか否かを常に判定する。第１判定部９８により、三次元物体１２がベース４０に接触すると判定されると、第１判定部９８は、第２停止部１００に信号を出力する。
【００９３】
第２停止部１００は、第１判定部９８から信号を受信したとき、すなわち、第１判定部９８により、三次元物体１２がベース４０に接触すると判定されると、各アクチュエータ６５の動作を停止させる。これにより、ステージ５０の駆動も停止される。
【００９４】
上述した実施形態では、カメラ７０Ａ〜７０Ｃは、プロジェクタ１８から三次元物体１２に投影された水平方向のグレイコードパターンおよび垂直方向のグレイコードパターンを撮影し、形状特定部９６は、撮影された画像に基づいて、三次元物体１２の表面形状を特定していたが、これに限定されない。例えば、カメラ７０Ａ〜７０Ｃは、三次元物体１２を撮影し、形状特定部９６は、該撮影された三次元物体１２の画像に基づいて、三次元物体１２の三次元座標を演算することによって、三次元物体１２の表面形状を特定してもよい。この場合、ステージ機構３０は、プロジェクタ１８を備えていなくてもよい。
【００９５】
本実施形態のステージ機構３０によれば、形状特定部９６によって、ステージ５０上に配置された三次元物体１２の表面形状が取得される。また、ステージ５０を任意の位置および姿勢にすることによって、三次元物体１２の測定が多角的に行われるため、三次元物体１２の表面形状の測定精度が向上する。さらに、ステージ機構３０の他に別に設けられたスキャナーを用意する必要がない。
【００９６】
本実施形態のステージ機構３０によれば、形状特定部９６は、カメラ７０Ａ〜７０Ｃによって撮影された水平方向のグレイコードパターンの画像および垂直方向のグレイコードパターンの画像に基づいて、三次元物体１２の三次元座標を演算することによって、三次元物体１２の表面形状を特定する。これにより、三次元物体１２の表面形状の測定精度がより高くなる。
【００９７】
本実施形態のステージ機構３０によれば、第１判定部９８により、ステージ５０上に配置された三次元物体１２がベース４０に接触すると判定されると、第２停止部１００は、ステージ５０の移動を停止する。このため、ステージ５０上に配置された三次元物体１２とベース４０との接触を未然に防止することができる。
【００９８】
＜第３実施形態＞
図１６は、第３実施形態に係るステージ機構３０の主要要素のブロック図である。図１６に示すように、マイクロコンピュータ７５は、形状特定部９６と、第２判定部１０２と、通知部１０４とをさらに備えている。
【００９９】
第２判定部１０２は、形状特定部９６によって特定された三次元物体１２の表面形状に基づいてステージ５０上に造形物を三次元造形するときに、造形途中の造形物がベース４０に接触するか否かを予め判定する。即ち、第２判定部１０２は、まず、形状特定部９６によって特定された三次元物体１２の表面形状に基づいてステージ５０上に造形物を三次元造形している途中のステージ５０の位置および姿勢を求める。次に、第２判定部１０２は、造形ヘッド２０のノズル２２（図１参照）から樹脂材料２６がステージ５０に吐出されることによって、ステージ５０上に造形物が三次元造形されるとき、造形物を三次元造形している途中のステージ５０の位置および姿勢の情報と、形状特定部９６によって特定された三次元物体１２の表面形状の情報とに基づいて、三次元造形中のステージ５０の各位置および姿勢における造形物の位置を把握する。そして、第２判定部１０２は、把握された造形物の位置と、記憶部７８に予め記憶されているベース４０の形状の情報とに基づいて、造形物がベース４０に接触するか否かを、造形物の三次元造形を開始する前に判定する。第２判定部１０２により、造形物がベース４０に接触すると判定されると、第２判定部１０２は、通知部１０４に信号を出力する。
【０１００】
通知部１０４は、第２判定部１０２から信号を受信したとき、すなわち、第２判定部１０２により、造形物がベース４０に接触すると判定されると、造形物の三次元造形中に造形物がベース４０に接触することを作業者に通知する。なお、通知方法は特に限定されず、例えば、視覚的な表示、音声等による通知が挙げられる。本実施形態では、表示装置１０６を通じて視覚的に作業者に対する通知を行う。
【０１０１】
本実施形態のステージ機構３０によれば、三次元造形したい造形物について、第２判定部１０２により三次元造形装置１０で三次元造形をすることができないと判定される場合は、通知部１０４が予めその旨を作業者に通知する。このため、作業者は、動作計画の修正等を行うことができる。
【０１０２】
上述の実施形態では、６本のロッド６２の少なくともいずれかとステージ５０とが平行になったときに、第１導通部材５８と第２導通部材６８とが接触するように構成されていたが、これに限定されない。図１７に示すように、６本のロッド６２の少なくともいずれかとステージ５０とが平行となる前に、第１導通部材５８と第２導通部材６８とが接触するようにしてもよい。ステージ５０とロッド６２とのなす角度θが、例えば５°以上１５°以下のときに、第１導通部材５８と第２導通部材６８とが接触するようにしてもよい。
【０１０３】
本実施形態のステージ機構３０によれば、図１７に示すように、第１〜第６のロッド６２の少なくともいずれかとステージ５０とが平行になる前に、第１停止部９４（図９参照）がステージ５０の移動を停止する。このため、ステージ５０が特異点に陥ることを未然に防止することができる。
【符号の説明】
【０１０４】
３０  ステージ機構
４０  ベース
５０  ステージ
５６Ａ〜５６Ｐ  マーカー
６０  ステージ移動装置
７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃ  カメラ（撮影装置）
７５  マイクロコンピュータ（制御装置）
８０  検出部
８２  座標検出部
８４  算出部
８６  特定部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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