(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定ヘッドと、
前記測定ヘッドと離間して設けられたコントローラと、
前記測定ヘッドと前記コントローラとの間に設けられた光伝送部と、
を備え、
前記測定ヘッドは、
測定対象物に向けて光を集束させる投光用レンズと、
前記測定対象物から前記測定ヘッドに向かう光を集束させる受光用レンズと、
を有し、
前記コントローラは、
発光部と、
前記発光部を制御する発光回路と、
受光部と、
前記受光部で受けた光の位置を検出して、前記測定対象物の位置を演算する演算部へ位置情報を出力する画素データ処理回路と、
を有し、
前記光伝送部は、
前記発光部から出射された光を前記投光用レンズまで伝達する光ファイバと、
入射端面及び出射端面を有し、前記入射端面及び前記出射端面において複数のコアの端面が２次元配列されたイメージファイバであって、前記受光用レンズで集束された光を前記受光部まで伝達するイメージファイバと、
を有し、
前記投光用レンズ、前記受光用レンズ及び前記入射端面は、シャインプルーフの法則に従った配置及び角度で設けられることを特徴とする位置計測装置。
【請求項２】
前記演算部は前記コントローラに設けられたことを特徴とする請求項１記載の位置計測装置。
【請求項３】
前記コントローラは、前記イメージファイバと前記受光部との間に設けられ前記イメージファイバから前記受光部に向かう光を前記受光部に結像させる結像レンズを有することを特徴とする請求項１または２に記載の位置計測装置。
【請求項４】
前記入射端面には、前記投光用レンズと前記測定対象物との光軸上の距離に応じて前記入射端面上の異なる位置に光が入射され、
前記出射端面からは、前記入射端面上の前記光の入射位置に対応した出射位置から前記光が出射されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の位置計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物の表面に照射したレーザ光の反射光や散乱光を受けて位置を求める位置計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、測定対象物の表面にレーザ光を照射して、反射光や散乱光をイメージセンサで受け、測定対象物の表面の位置を三角測量法によって演算する位置計測装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図４は、三角測量法を用いた非接触式の位置計測装置を例示する模式図である。
図４に表したように、この位置計測装置は、測定ヘッド１０と、コントローラ２０と、を備える。測定ヘッド１０内には、測定対象物であるワークＷに向けてレーザ光ＬＳ１を放出する光源２１と、レーザ光ＬＳ１の光軸とは非平行な光軸上に設けられたイメージセンサ２５と、が設けられる。また、測定ヘッド１０には、光源２１から出射されたレーザ光ＬＳ１を集束させる投光用レンズ１１や、ワークＷで反射及び散乱したレーザ光等をイメージセンサ２５に結像させる受光用レンズ１２が設けられる。投光用レンズ１１、受光用レンズ１２及びイメージセンサ２５のそれぞれの配置及び角度は、シャインプルーフの法則に従って決定される。さらに、測定ヘッド１０には、発光回路２２、画素データ処理回路２６及び演算部２７が設けられる。これらは図示しない電子基板上に実装される。
【０００４】
この位置計測装置によってワークＷの位置を計測するには、測定ヘッド１０をワークＷに向けて光源２１からワークＷに向けてレーザ光ＬＳ１を出射する。そして、このレーザ光ＬＳ１のワークＷでの反射光及び散乱光をイメージセンサ２５で取り込む。位置計測装置では、光源２１とイメージセンサ２５との間に視差Ｄが設けられているため、イメージセンサ２５で取り込んだ位置情報Δｘ、焦点距離ｆ及び視差Ｄに基づき三角測量法を用いてワークＷの変位Ｌを求めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１３９３１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の位置計測装置においては、測定ヘッド内に発光部、受光部、各種回路を実装した電子基板が組み込まれているため、これらが熱源となって測定の温度安定性を低下させる原因となる。例えば、測定ヘッドの筐体内には、発光部として用いられるレーザ光源から放出される熱や、膨大な画像データを処理する処理回路及びＣＰＵから放出される熱が蓄積される。そして、測定ヘッドを固定する際の放熱条件の違いにより、測定ヘッドの熱平衡温度や熱平衡までの時間が異なることから、測定ヘッドの熱膨張による影響の度合いが変わってしまう。
【０００７】
ここで、電子基板の発熱の影響を緩和するために、測定ヘッドに強制空冷用ファンを取り付けることもある。しかし、このような冷却機構による効果を得るためには測定ヘッドを密閉構造にすることができず、防塵、防滴性能の低下を招く。また、放熱用の空気がない真空中では使用できない。
【０００８】
さらに、電子基板に実装される回路では、膨大な画素データを高速処理するために高周波が発生しやすく、カバーでシールドする必要がある。しかし、測定ヘッドの筐体には、光の出射部分、受光部分に開口を設ける必要がある。このため、この開口部から電磁ノイズの出入りが発生し、外部電磁ノイズの影響を確実に防止することや、電磁ノイズの放射を十分に抑制することは難しい。
【０００９】
本発明の目的は、小型、軽量な測定ヘッドを実現するとともに、電磁ノイズの影響を抑制し、高い精度で測定対象物の位置を測定することができる位置計測装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明の位置計測装置は、測定ヘッドと、測定ヘッドと離間して設けられたコントローラと、測定ヘッドとコントローラとの間に設けられた光伝送部と、を備える。測定ヘッドは、測定対象物に向けて光を集束させる投光用レンズと、測定対象物から測定ヘッドに向かう光を集束させる受光用レンズと、を有する。コントローラは、発光部と、発光部を制御する発光回路と、受光部と、受光部で受けた光の位置を検出して、測定対象物の位置を演算する演算部へ位置情報を出力する画素データ処理回路と、を有する。光伝送部は、発光部から出射された光を投光用レンズまで伝達する光ファイバと、入射端面及び出射端面を有し、入射端面及び出射端面において複数のコアの端面が２次元配列されたイメージファイバであって、受光用レンズで集束された光を受光部まで伝達するイメージファイバと、を有することを特徴とする。
【００１１】
このような構成によれば、発光部、受光部、発光回路及び画素データ処理回路といった熱源となる部材がコントローラに設けられ、すなわち、測定ヘッドには熱源となる部材が設けられない。また、電磁ノイズの発生源となる回路がコントローラに設けられ、測定ヘッドには設けられない。したがって、測定ヘッドにおいて電磁ノイズの抑制を図るシールドを施す必要がなくなる。その一方、コントローラ側ではシールドを確実に施すことができる。
【００１２】
本発明の位置計測装置において、演算部はコントローラに設けられていてもよい。このような構成によれば、コントローラにおいて測定対象物の位置を求めることができ、装置全体の小型化が達成される。
【００１３】
本発明の位置計測装置において、コントローラは結像レンズを有していてもよい。結像レンズは、イメージファイバと受光部との間に設けられ、イメージファイバから受光部に向かう光を受光部に結像させる。このような構成によれば、イメージファイバから出射された光を受光部に確実に結像させて、精度の高い位置計測を行うことができる。
【００１４】
本発明の位置計測装置において、入射端面には、投光用レンズと測定対象物との光軸上の距離に応じて入射端面上の異なる位置に光が入射され、出射端面からは、入射端面上の光の入射位置に対応した出射位置から光が出射されるようにしてもよい。このような構成によれば、投光用レンズと測定対象物との距離に応じて変化する受光用レンズの集光位置の情報をイメージファイバによって受光部まで確実に伝達することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】（ａ）は、第１実施形態に係る位置計測装置の構成図、（ｂ）は、イメージファイバの構成図である。
【図２】（ａ）は、三角測量法を用いた変位計測の例を表す模式図、（ｂ）は、２次元輪郭計測の例を表す模式図である。
【図３】アーム式位置計測装置を例示する模式的斜視図である。
【図４】三角測量法を用いた非接触式の位置計測装置を例示する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。
【００１７】
〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態に係る位置計測装置を例示する図である。図１（ａ）には、第１実施形態に係る位置計測装置１の構成図が表され、図１（ｂ）には、イメージファイバ３２の構成図が表される。
【００１８】
図１（ａ）に表したように、本実施形態に係る位置計測装置１は、測定ヘッド１０と、コントローラ２０と、光伝送部３０と、を備える。位置計測装置１は、測定ヘッド１０から測定対象物であるワークＷに向けて光を照射し、その光の反射光及び散乱光を測定ヘッド１０で受けて、三角測量法に基づき測定ヘッド１０からワークＷまでの距離を非接触で計測する装置である。
【００１９】
測定ヘッド１０は、ワークＷに向けてレーザ光ＬＳ１を集束させる投光用レンズ１１と、ワークＷから測定ヘッド１０に向かう反射光及び拡散光（以下、これらを「検出光」と言う。）を集束させる受光用レンズ１２と、を有する。投光用レンズ１１及び受光用レンズ１２は、測定ヘッド１０の筐体１００内に配置される。受光用レンズ１２の光軸は、投光用レンズ１１の光軸と非平行である。
【００２０】
コントローラ２０は、測定ヘッド１０から離間して設けられる。コントローラ２０には、発光部である光源２１、発光回路２２、受光部であるイメージセンサ２５及び画素データ処理回路２６が設けられる。また、コントローラ２０には演算部２７が設けられていてもよい。
【００２１】
光源２１には、例えばレーザ光源が用いられる。光源２１は、発光回路２２によって制御される。発光回路２２は、図示しない電源に基づく電流を光源２１に供給する制御を行う。これにより、光源２１からレーザ光ＬＳ１が出射される。本実施形態では、光源２１から出射されたレーザ光ＬＳ１が、後述する光ファイバ３１によって測定ヘッド１０まで伝送される。
【００２２】
イメージセンサ２５には、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）などが用いられる。イメージセンサ２５は、受けた光の強度に応じた信号を出力する。画素データ処理回路２６は、イメージセンサ２５から出力された信号を処理し、イメージセンサ２５における受光量がピークとなる画素の位置を位置情報として出力する。本実施形態では、測定ヘッド１０からコントローラ２０まで後述するイメージファイバ３２によって伝送された検出光をイメージセンサ２５で受ける。
【００２３】
画素データ処理回路２６から出力された位置情報は、演算部２７に送られる。演算部２７では、三角測量法に基づく演算によって位置情報から測定ヘッド１０とワークＷとの距離を求める。なお、演算部２７は、コントローラ２０の外のコンピュータ（図示せず）等に設けられていてもよい。また、演算部２７はコンピュータで実行されるプログラムによって構成されていてもよい。
【００２４】
光伝送部３０は、光ファイバ３１と、イメージファイバ３２と、を有する。光ファイバ３１及びイメージファイバ３２は束ねられて、測定ヘッド１０とコントローラ２０との間に設けられる。
【００２５】
光ファイバ３１は、例えば単一コアを有する。光ファイバ３１は、光源２１から出射されたレーザ光ＬＳ１を測定ヘッド１０の投光用レンズ１１まで伝達する。これにより、光源２１から出射されたレーザ光ＬＳ１は、光ファイバ３１を介してコントローラ２０から測定ヘッド１０まで送られ、投光用レンズ１１を介してワークＷの表面に照射される。
【００２６】
イメージファイバ３２は、測定ヘッド１０の受光用レンズ１２で集束された検出光をコントローラ２０のイメージセンサ２５まで伝達する光伝送路である。イメージファイバ３２は、入射端面３２ａ及び出射端面３２ｂを有する。測定ヘッド１０にはイメージファイバ３２の入射端面３２ａ側が挿入され、コントローラ２０にはイメージファイバ３２の出射端面３２ｂ側が挿入される。投光用レンズ１１、受光用レンズ１２及び入射端面３２ａのそれぞれの配置及び角度は、シャインプルーフの法則に従って決定される。
【００２７】
図１（ｂ）には、イメージファイバ３２の構成例が表される。説明の都合上、図１（ｂ）にはイメージファイバ３２の一方の端面（例えば、入射端面３２ａ）が表されるが、他方の端面（例えば、出射端面３２ｂ）も同様である。
【００２８】
イメージファイバ３２の入射端面３２ａには、複数のコア３２ｃの端面が２次元配列（例えば、六方最密配列）される。コア３２ｃの径は、約３μｍ〜５μｍ程度である。複数のコア３２ｃの数は、約３０００〜３００００程度である。複数のコア３２ｃを束ねた全体の径は、約０．４ｍｍ〜８ｍｍ程度である。
【００２９】
複数のコア３２ｃの端面の配列は、入射端面３２ａから出射端面３２ｂまで維持される。これにより、イメージファイバ３２は、入射端面３２ａから入射された２次元の像を、形状を維持したまま出射端面３２ｂまで伝達することができる。
【００３０】
コントローラ２０内において、イメージファイバ３２の出射端面３２ｂとイメージセンサ２５との間に結像レンズ２８が設けられていてもよい。結像レンズ２８を設けることで、イメージファイバ３２の出射端面３２ｂから出射された検出光をイメージセンサ２５の受光面上に確実に結像させることができる。
【００３１】
本実施形態に係る位置計測装置１を用いてワークＷの位置を計測するには、先ず、光源２１からレーザ光ＬＳ１を出射し、光ファイバ３１で測定ヘッド１０に送り、投光用レンズ１１を介してワークＷの表面（測定箇所）に照射する。
【００３２】
次に、ワークＷの表面に照射されたレーザ光ＬＳ１の検出光を受光用レンズ１２を介してイメージファイバ３２の入射端面３２ａで受けて、コントローラ２０へ伝送する。この際、例えば、ワークＷが第１の位置Ｄ１に配置されていた場合、レーザ光ＬＳ１による第１検出光ＬＳ２１は受光用レンズ１２を介してイメージファイバ３２の入射端面３２ａの位置ｐ１に結像する。また、ワークＷが第２の位置Ｄ２に配置されていた場合、レーザ光ＬＳ１による第２検出光ＬＳ２２は受光用レンズ１２を介してイメージファイバ３２の入射端面３２ａの位置ｐ２に結像する。すなわち、ワークＷの位置（測定ヘッド１０とワークＷとの距離）によって、第１検出光ＬＳ２１及び第２検出光ＬＳ２２の入射端面３２ａでの結像位置が変わることになる。
【００３３】
イメージファイバ３２は、入射端面３２ａから入射された検出光をコントローラ２０まで伝送する。入射端面３２ａの位置ｐ１から入射された第１検出光ＬＳ２１は、イメージファイバ３２を伝わり、出射端面３２ｂの位置ｐ１’から出射される。また、入射端面３２ａの位置ｐ２から入射された第２検出光ＬＳ２２は、イメージファイバ３２を伝わり、出射端面３２ｂの位置ｐ２’から出射される。
【００３４】
ここで、出射端面３２ｂから出射される第１検出光ＬＳ２１の位置ｐ１’は、入射端面３２ａの位置ｐ１と対応し、第２検出光ＬＳ２２の位置ｐ２’は、入射端面３２ａの位置ｐ２と対応する。なお、入射端面３２ａ及び出射端面３２ｂでの像の配置関係は左右反転になる。
【００３５】
次に、イメージファイバ３２の出射端面３２ｂから出射された検出光を結像レンズ２８を介してイメージセンサ２５で取り込む。出射端面３２ｂの位置ｐ１’から出射された第１検出光ＬＳ２１は、イメージセンサ２５の位置ｓ１の画素を中心として検出される。また、出射端面３２ｂの位置ｐ２’から出射された第２検出光ＬＳ２２は、イメージセンサ２５の位置ｓ２の画素を中心として検出される。
【００３６】
次に、画素データ処理回路２６によって、イメージセンサ２５で検出した信号を処理し、受光強度がピークとなる画素の位置情報を求める。この位置情報は演算部２７に送られ、演算部２７によって三角測量法に基づきワークＷの位置を求める。
【００３７】
図２は、位置計測の例を示す模式図である。図２（ａ）には三角測量法を用いた変位計測の例が表され、図２（ｂ）には２次元輪郭計測の例が表される。図２（ａ）に表した変位計測においては、測定ヘッド１０からワークＷにスポット光ＬＳ１−Ｓを照射する。ワークＷの表面に照射されたスポット光ＬＳ１−Ｓの検出光ＬＳ２−Ｓを受光用レンズ１２で集光すると、その集光位置はワークＷの高さ（測定ヘッド１０とワークＷとの距離）で変わることになる。この変位をイメージセンサ２５で取り込むことで、三角測量法によってワークＷの高さを求めることができる。
【００３８】
図２（ｂ）に表した２次元輪郭計測においては、測定ヘッド１０からワークＷにライン光ＬＳ１−Ｌを照射する。ワークＷの表面に照射されたライン光ＬＳ１−Ｌの検出光ＬＳ２−Ｌを受光用レンズ１２で集光すると、その集光位置はライン光ＬＳ１−Ｌが照射されたワークＷの輪郭の高さで変わることになる。この変位をイメージセンサ２５で取り込むことで、三角測量法によってワークＷの輪郭の高さ、すなわち断面形状を求めることができる。そして、ワークＷとライン光ＬＳ１−Ｌとの相対位置を、ライン光のライン方向と直交する方向ＤＲ１に移動させてワークＷの輪郭高さを計測すると、ワークＷの輪郭形状を計測することができる。
【００３９】
このような構成を備えた本実施形態に係る位置計測装置１では、光源２１、発光回路２２、イメージセンサ２５及び画素データ処理回路２６などの部材がコントローラ２０に設けられ、測定ヘッド１０には設けられていないことから、測定ヘッド１０が小型、軽量化される。
【００４０】
また、光源２１、発光回路２２、イメージセンサ２５及び画素データ処理回路２６といった熱源となる部材が測定ヘッド１０に設けられていないため、測定ヘッド１０の熱による影響を低減することができる。ここで、コントローラ２０に熱源となる部材が設けられることになるが、コントローラ２０は測定ヘッド１０に比べて筐体容量に余裕を持たせることができ、冷却機構を設けやすい。したがって、熱源となる部材が測定ヘッド１０に設けられている場合に比べて、熱による影響を低減できることになる。
【００４１】
本実施形態では、測定ヘッド１０の筐体１００に投光用レンズ１１、受光用レンズ１２及び光伝送部３０の一部のみが収納される。測定ヘッド１０に冷却機構を設ける必要がないため、筐体１００を密閉構造にしやすい。このため、測定ヘッド１０の防塵性及び防滴性を高めることができる。
【００４２】
また、高周波を発生する画素データ処理回路２６を測定ヘッド１０に設ける必要がないため、測定ヘッド１０に電磁ノイズを抑制するシールドを施す必要がなくなる。シールドを施す必要がないため、測定ヘッド１０の筐体１００の主要材料として金属を用いる必要はなく、樹脂等で筐体１００を構成することができる。これにより、測定ヘッド１０の更なる軽量化が達成される。
【００４３】
また、使用可能温度範囲の狭い光源２１、イメージセンサ２５及び各種回路を測定ヘッド１０に設けていないため、例えば１００℃を超える高温や−５０℃以下の低温といった厳しい温度環境下であっても測定ヘッド１０を持ち込んで測定を行うことが可能になる。
【００４４】
本実施形態では、測定ヘッド１０とコントローラ２０とが離れていても、これらの間で電気信号を伝送するためのケーブルが不要になる。したがって、測定ヘッド１０とコントローラ２０との間においてケーブルによる伝送ロスが発生しない。また、電気信号の伝送路を短くすることができ、データ処理の高速化を図ることができる。
【００４５】
〔適用例〕
次に、本発明の適用例について説明する。
図３は、アーム式位置計測装置を例示する模式的斜視図である。
図３に表したように、アーム式位置計測装置２００は多軸構造を有する位置計測装置である。アーム式位置計測装置２００は、第１アーム２１０と、第２アーム２２０と、レーザプローブ２３０と、ベース部２４０と、コントローラ２０と、を備える。
【００４６】
ベース部２４０は、図示しない定盤などに固定される。第１アーム２１０の下端はベース部２４０に取り付けられる。第１アーム２１０は、ベース部２４０に対して例えば２軸を中心に回転可能に取り付けられる。
【００４７】
第１アーム２１０の先端には第２アーム２２０の後端が取り付けられる。第２アーム２２０は、第１アーム２１０に対して１軸を中心に回転可能に取り付けられる。第２アーム２２０の先端にはレーザプローブ２３０が取り付けられる。レーザプローブ２３０は、第２アーム２２０に対して例えば２軸を中心に回転可能に取り付けられる。
【００４８】
レーザプローブ２３０は、測定ヘッド１０である。コントローラ２０は、レーザプローブ２３０から離間した位置に配置される。レーザプローブ２３０とコントローラ２０との間には光伝送部３０が設けられる。光伝送部３０は、レーザプローブ２３０から第２アーム２２０、第１アーム２１０及びベース部２４０の中を通り、コントローラ２０まで敷設される。
【００４９】
アーム式位置計測装置２００では、レーザプローブ２３０の第１窓Ｗ１からレーザ光ＬＳ１が放出される。ワークＷからの検出光は、レーザプローブ２３０の第２窓Ｗ２から取り込まれる。そして、光伝送部３０のイメージファイバ３２を介してコントローラ２０に送られる。
【００５０】
コントローラ２０に送られた検出光は、コントローラ２０に設けられたイメージセンサ２５で光量に応じた電気信号に変換される。画素データ処理回路２６はこの電気信号から位置情報を求め、そして、演算部２７によって三角測量法に基づきワークＷの位置を算出する。
【００５１】
このようなアーム式位置計測装置２００に本実施形態に係る位置計測装置１を適用することで、レーザプローブ２３０の小型化及び軽量化を達成することができる。アーム式位置計測装置２００では、使用者がレーザプローブ２３０を持って所定位置に移動させて測定を行うため、レーザプローブ２３０が小型化及び軽量化することで、使用者の負担を大幅に軽減できることになる。
【００５２】
以上説明したように、実施形態に係る位置計測装置によれば、小型、軽量な測定ヘッドを実現するとともに、電磁ノイズの影響を抑制し、高い精度で測定対象物の位置を測定することができる位置計測装置を提供することが可能になる。
【００５３】
なお、上記に本実施形態およびその適用例を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、前述の各実施形態またはその適用例に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
以上のように、本発明は、アーム式位置計測装置のほか、測定ヘッド１０がＸＹＺ軸のそれぞれに沿って直線的に移動する画像測定装置にも好適に利用できる。
【符号の説明】
【００５５】
１，１Ｂ…位置計測装置
１Ｂ…位置計測装置
１０…測定ヘッド
１１…投光用レンズ
１２…受光用レンズ
２０…コントローラ
２１…光源
２２…発光回路
２５…イメージセンサ
２６…画素データ処理回路
２７…演算部
２８…結像レンズ
３０…光伝送部
３１…光ファイバ
３２…イメージファイバ
３２ａ…入射端面
３２ｂ…出射端面
３２ｃ…コア
１００…筐体
Ｗ…ワーク
【図１】
0006420599.tif 000002
【図２】
0006420599.tif 000003
【図３】
0006420599.tif 000004
【図４】
0006420599.tif 000005