(57)【要約】  空間にある物体の座標を測定する可搬型の関節アーム座標測定機が提供される。ＡＡＣＭＭは、基部、ならびに互いに反対にある第１の端部および第２の端部を有するアーム部を含む。アーム部は、複数の連結されたアームセグメントを含む。各アームセグメントは、位置信号を生成する少なくとも１つの位置トランスデューサを含む。少なくとも１つの位置トランスデューサからの位置信号を受信する電子回路が提供される。プローブ部材は、第１の端部に配置され結合される。非接触測定デバイスは、プローブ部材に結合され、電磁放射送信器を有し、出射され反射される光線の伝搬時間に少なくとも一部基づいて物体までの距離を決定するように構成される。
2015522805.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間にある物体の３次元座標を測定する可搬型関節アーム座標測定機であって、
基部と、
位置信号を生成する少なくとも１つの位置トランスデューサをそれぞれ含む複数の連結されたアームセグメントを含み、手動で位置決めすることができ、互いに反対にある第１の端部および第２の端部を有し、前記基部に回転可能に結合されるアーム部と、
前記少なくとも１つの位置トランスデューサからの前記位置信号を受信する電子回路と、
前記第１の端部に結合されるプローブ部材と、
前記プローブ部材に結合され、少なくとも１つの測定光線を送るように構成される電磁放射送信器および少なくとも１つの反射光線を受けるように構成される受光器を有し、前記少なくとも１つの測定光線だけでなく前記少なくとも１つの反射光線も反射するように配置されるミラーを有し、前記少なくとも１つの測定光線と前記少なくとも１つの反射光線の合算された伝搬時間および空気中の光の速度に少なくとも一部基づいて前記物体までの距離を決定するように構成されるコントローラをさらに有する非接触３次元測定デバイスと、
前記電子回路に電気的に接続され、前記位置トランスデューサからの前記位置信号の受信および前記コントローラからの測定された距離の受信に応答して、前記物体上の点についての一組の３次元座標を決定するように構成されるプロセッサと、
を備えることを特徴とする可搬型関節アーム座標測定機。
【請求項２】
請求項１に記載の可搬型関節アーム座標測定機であって、
前記非接触３次元測定デバイスが、
ある期間にわたって複数の測定光線を送り、
前記期間にわたって複数の反射光線を受け、
前記複数の測定光線の送出および前記複数の反射光線の受光に応答して複数の組の３次元座標を決定する、
ように構成されることを特徴とする可搬型関節アーム座標測定機。
【請求項３】
請求項１に記載の可搬型関節アーム座標測定機であって、
前記ミラーが、軸まわりに動くことができることを特徴とする可搬型関節アーム座標測定機。
【請求項４】
請求項３に記載の可搬型関節アーム座標測定機であって、
前記非接触３次元測定デバイスが、前記ミラーに結合されるロータと、前記ロータを前記軸まわりに回転させるように構成される駆動装置とをさらに含むことを特徴とする可搬型関節アーム座標測定機。
【請求項５】
請求項３に記載の可搬型関節アーム座標測定機であって、
前記ミラーが、ガルバノメータミラーであることを特徴とする可搬型関節アーム座標測定機。
【請求項６】
請求項５に記載の可搬型関節アーム座標測定機であって、
前記ガルバノメータミラーが、第１のガルボデバイスと、第２のガルボデバイスとを含み、前記第１のガルボデバイスおよび前記第２のガルボデバイスが、前記ミラーを２つの軸まわりに動かすように直交配置にあることを特徴とする可搬型関節アーム座標測定機。
【請求項７】
請求項３に記載の可搬型関節アーム座標測定機であって、
前記ミラーが、微小電気機械システムミラーであることを特徴とする可搬型関節アーム座標測定機。
【請求項８】
請求項７に記載の可搬型関節アーム座標測定機であって、
前記微小電気機械システムミラーが、２つの直交する軸まわりに動くように構成されることを特徴とする可搬型関節アーム座標測定機。
【請求項９】
請求項１に記載の可搬型関節アーム座標測定機であって、
前記電磁放射送信器が、レーザであることを特徴とする可搬型関節アーム座標測定機。
【請求項１０】
請求項１に記載の可搬型関節アーム座標測定機であって、
前記プローブ部材に結合される接触測定デバイスをさらに備えることを特徴とする可搬型関節アーム座標測定機。
【請求項１１】
請求項１０に記載の可搬型関節アーム座標測定機であって、
前記プロセッサが、非接触測定デバイス内に配置されることを特徴とする可搬型関節アーム座標測定機。
【請求項１２】
請求項１に記載の可搬型関節アーム座標測定機であって、
前記非接触３次元測定デバイスが、前記プローブ部材に着脱可能に結合されることを特徴とする可搬型関節アーム座標測定機。
【請求項１３】
空間にある物体の３次元座標を測定する可搬型の関節アーム座標測定機の動作方法であって、
位置信号を生成する少なくとも１つの位置トランスデューサをそれぞれ含む複数の連結されたアームセグメントを含み、手動で位置決めすることができ、互いに反対にある第１の端部および第２の端部を有するアーム部を用意するステップと、
前記位置トランスデューサからの前記位置信号を電子回路で受信するステップと、
前記電子回路に電気的に接続され、電磁放射送信器、センサおよび可動の第１のミラーを有する非接触測定デバイスを用意するステップと、
前記第１のミラーを動かすステップと、
前記第１のミラーにより電磁放射の測定光線を前記物体に向けて反射するステップと、
前記第１のミラーにより電磁放射の反射光線を受けそれを前記センサに伝達するステップと、
前記センサによって受けられた前記電磁放射の反射光線から、前記測定光線と前記反射光線の合算された伝搬時間および空気中の光の速度の少なくとも一部に基づいて、前記物体までの距離を決定するステップと、
前記決定された距離および前記位置信号の少なくとも一部に基づいて、前記物体上の点の３次元座標を決定するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法であって、
前記第１のミラーを動かすステップが、前記第１のミラーを第１の軸まわりに回転させることを含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法であって、
前記第１のミラーを第２の軸まわりで移動させるステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１４に記載の方法であって、
可動の第２のミラーを用意するステップと、
前記第２のミラーを第２の軸まわりに回転させるステップと、
前記第２のミラーにより前記電磁放射の測定光線を前記第１のミラーに向けて反射するステップと、
前記第１のミラーにより前記反射光線を受け、それを前記第２のミラーに送るステップと、
をさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１４に記載の方法であって、
ガルボデバイスを用いて前記第１のミラーを回転させることをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１３に記載の方法であって、
前記ミラーが、微小電気機械システムミラーであることを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１３に記載の方法であって、
前記第１の端部に結合される接触測定デバイスを用意するステップと、
前記接触測定デバイスにより、前記物体上の第２の点の３次元座標を測定するステップと、
をさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１３に記載の方法であって、
前記電磁放射送信器を用意するステップにおいて、前記電磁放射送信器が、レーザデバイスであることを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１３に記載の方法であって、
測定光線を反射する前に、前記手動で位置決めすることができるアーム部から前記非接触測定デバイスを分離することをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
空間にある物体の３次元座標を測定する可搬型関節アーム座標測定機であって、
基部と、
位置信号を生成する少なくとも１つの位置トランスデューサをそれぞれ含む複数の連結されたアームセグメントを含み、手動で位置決めすることができ、互いに反対にある第１の端部および第２の端部を有し、前記基部に回転可能に結合されるアーム部と、
前記少なくとも１つの位置トランスデューサからの前記位置信号を受信する電子回路と、
前記アーム部に着脱可能に結合され、光源および光受光器を有し、前記光源から出射された第１の光線を反射し前記物体に反射した第２の光線を反射するように構成されるミラーを有し、前記第１の光線と前記第２の光線の合算された伝搬時間および空気中の光の速度の少なくとも一部に基づいて前記物体までの距離を決定するように構成される非接触測定デバイスと、
電子回路に電気的に接続され、前記位置トランスデューサからの前記位置信号の受信および測定された距離の受信に応答して、前記物体上の点についての３次元座標を決定するように構成されるプロセッサと、
を備えることを特徴とする可搬型関節アーム座標測定機。
【請求項２３】
請求項２２に記載の可搬型関節アーム座標測定機であって、
前記ミラーが、前記光源に対して４５度の角度に配置され、前記第１の光線と実質的に同一直線上にある軸まわりに回転することを特徴とする可搬型関節アーム座標測定機。
【請求項２４】
請求項２２に記載の可搬型関節アーム座標測定機であって、
前記ミラーが、２つの直交する軸まわりに回転することを特徴とする可搬型関節アーム座標測定機。
【請求項２５】
請求項２２に記載の可搬型関節アーム座標測定機であって、
前記ミラーがガルバノメータミラーであることを特徴とする可搬型関節アーム座標測定機。
【請求項２６】
請求項２２に記載の可搬型関節アーム座標測定機であって、
前記ミラーが、微小電気機械システムミラーであることを特徴とする可搬型関節アーム座標測定機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、座標測定機に関し、より詳細には、座標測定機のプローブ部材が、出射され反射される光線の伝搬時間に一部基づいて距離を測定するアクセサリデバイスの結合を可能にするコネクタを有する、可搬型の関節アーム座標測定機に関する。
【背景技術】
【０００２】
可搬型の関節アーム座標測定機（ＡＡＣＭＭ）は、部品の製造または生産（例えば、機械加工）の様々な段階の間に部品の寸法を迅速かつ正確に確認する必要がある、部品の製造または生産に広く使用されている。可搬型のＡＡＣＭＭは、コストが高く使用が比較的難しい既知の据え付け式または固定式の測定設備に比べて、特に、比較的複雑な部品の寸法の測定を実施するのにかかる時間という点で、大きな改善がみられる。通常、可搬型のＡＡＣＭＭのユーザは、測定対象の部品または物体の表面に沿ってプローブをただ単に誘導する。そして、測定データが記録され、ユーザに提供される。場合によっては、データは、視覚的な形態、例えば、コンピュータスクリーン上の３次元（３Ｄ）の形態でユーザに提供される。その他の場合、データは、数字の形態でユーザに提供され、例えば、穴の直径の測定の場合、テキスト「直径＝１．００３４」がコンピュータスクリーン上に表示される。
【０００３】
先行技術の可搬型の関節アームＣＭＭの一例が、同一出願人による米国特許第５，４０２，５８２（‘５８２）号に開示されている。‘５８２号特許には、一方端に支持基部を有し他方端に測定プローブを有する手動操作式の関節アームＣＭＭからなる３Ｄ測定システムが開示されている。本願の譲受人に譲渡された米国特許第５，６１１，１４７（‘１４７）号には、類似の関節アームＣＭＭが開示されている。‘１４７号特許において、関節アームＣＭＭは、プローブ部材における追加の回転軸を含み、アームに２−２−２軸構成または２−２−３軸構成（後者は７軸アームである）のどちらかをもたらす、いくつかの特徴を有する。
【０００４】
３次元表面は、同様に、非接触技術を用いて測定され得る。非接触デバイスの一種は、往々にしてレーザラインプローブと称され、スポット上かラインに沿ってかのどちらかでレーザ光を出射する。レーザの近くには、例えば電荷結合素子（ＣＣＤ）などの撮像装置が配置され、表面からの反射光の画像を撮る。測定される物体の表面によって拡散反射が起こる。センサ上の画像は、センサと表面変化の間の距離に応じて変わることになる。撮像センサとレーザとセンサ上のレーザ画像の位置との間の関係を知ることによって、三角測量を使用して表面上の点を測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５，４０２，５８２号明細書
【特許文献２】米国特許第５，６１１，１４７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
既存のＣＭＭは、それらの本来の目的には適しているが、本発明の実施形態のいくつかの特徴を有する可搬型のＡＡＣＭＭが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施形態によれば、空間にある物体の３次元座標を測定する可搬型の関節アーム座標測定機（ＡＡＣＭＭ）が提供される。ＡＡＣＭＭは、基部を含む。互いに反対にある第１の端部および第２の端部を有し、基部に回転可能に結合される、手動で位置決めすることができるアーム部が提供される。アーム部は、位置信号を生成する少なくとも１つの位置トランスデューサをそれぞれ含む複数の連結されたアームセグメントを有する。少なくとも１つの位置トランスデューサからの位置信号を受信する電子回路が提供される。プローブ部材は、第１の端部に結合される。非接触３次元測定デバイスは、プローブ部材に結合され、少なくとも１つの測定光線を送るように構成される電磁放射送信器、および少なくとも１つの反射光線を受けるように構成される受光器を有する。非接触３次元測定デバイスは、少なくとも１つの測定光線だけでなく少なくとも１つの反射光線も反射するように配置されるミラーを有する。非接触３次元測定デバイスは、さらに、少なくとも１つの測定光線と少なくとも１つの反射光線の合算された伝搬時間および空気中の光の速度に少なくとも一部基づいて物体までの距離を決定するように構成されるコントローラを有する。プロセッサは、電子回路に電気的に接続され、位置トランスデューサからの位置信号の受信およびコントローラからの測定された距離の受信に応答して、物体上の点についての３次元座標を決定するように構成される。
【０００８】
本発明の一実施形態によれば、空間にある物体の３次元座標を測定する可搬型の関節アーム座標測定機の動作方法が提供される。方法は、互いに反対にある第１の端部および第２の端部を有し、位置信号を生成する少なくとも１つの位置トランスデューサをそれぞれ含む複数の連結されたアームセグメントを含む、手動で位置決めすることができるアーム部を用意することを含む。位置トランスデューサからの位置信号は、電子回路で受信される。３次元測定デバイスは、電子回路に電気的に接続され、電磁放射送信器、センサ、および可動の第１のミラーを有する。第１のミラーは、動かされる。電磁放射の測定光線は、第１のミラーにより物体に向けて反射される。第１のミラーにより電磁放射の反射光線が受けられそれがセンサに送られる。センサによって受光された電磁放射の反射光線から、測定光線と反射光線の合算された伝搬時間および空気中の光の速度に少なくとも一部基づいて、物体までの距離が決定される。決定された距離および位置信号に少なくとも一部基づいて、物体上の点の３次元座標が決定される。
【０００９】
本発明の他の実施形態によれば、空間にある物体の３次元座標を測定する可搬型の関節アーム座標測定機（ＡＡＣＭＭ）が提供される。ＡＡＣＭＭは、基部を有する。互いに反対にある第１の端部および第２の端部を有する手動で位置決めすることができるアーム部は、基部に回転可能に結合される。アーム部は、位置信号を生成する少なくとも１つの位置トランスデューサをそれぞれ含む複数の連結されたアームセグメントを含む。電子回路は、少なくとも１つの位置トランスデューサからの位置信号を受信する。非接触３次元測定デバイスは、アーム部に着脱可能に結合され、光源および光受光器を有する。ミラーは、光源から出射された第１の光線を反射し物体に反射した第２の光線を反射するように構成される。非接触３次元測定デバイスは、第１の光線と第２の光線の合算された伝搬時間および空気中の光の速度に少なくとも一部基づいて物体までの距離を決定するように構成される。プロセッサは、電子回路に電気的に接続され、位置トランスデューサからの位置信号の受信および測定された距離の受信に応答して、物体上の点についての３次元座標を決定するように構成される。
【００１０】
次に、図面を参照すると、図面には例示的な実施形態が示されているが、それらは本開示の範囲全体に関して限定的であると解釈されるべきではない。いくつかの図面を通して、要素には同様に番号が付けられている。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】本発明の様々な態様の実施形態を中に有する可搬型の関節アーム座標測定機（ＡＡＣＭＭ）の斜視図である。
【図１Ｂ】本発明の様々な態様の実施形態を中に有する可搬型の関節アーム座標測定機（ＡＡＣＭＭ）の斜視図である。
【図２】図２Ａ〜２Ｄをまとめた図である。
【図２Ａ】一実施形態による、図１のＡＡＣＭＭの一部として使用される電子機器の構成図である。
【図２Ｂ】一実施形態による、図１のＡＡＣＭＭの一部として使用される電子機器の構成図である。
【図２Ｃ】一実施形態による、図１のＡＡＣＭＭの一部として使用される電子機器の構成図である。
【図２Ｄ】一実施形態による、図１のＡＡＣＭＭの一部として使用される電子機器の構成図である。
【図３】図３Ａおよび３Ｂをまとめた図である。
【図３Ａ】一実施形態による、図２の電子データ処理システムの詳細な特徴を示す構成図である。
【図３Ｂ】一実施形態による、図２の電子データ処理システムの詳細な特徴を示す構成図である。
【図４】図１のＡＡＣＭＭのプローブ部材の等角図である。
【図５】ハンドルが結合されている、図４のプローブ部材の側面図である。
【図６】ハンドルが取り付けられた図４のプローブ部材の側面図である。
【図７】図６のプローブ部材の境界部の拡大部分側面図である。
【図８】図５のプローブ部材の境界部の他の拡大部分側面図である。
【図９】図４のハンドルの断面の一部を示す等角図である。
【図１０】図１のＡＡＣＭＭのプローブ部材に取り付けられた非接触距離測定デバイスの概略図である。
【図１１】本発明の一実施形態による、図１０の非接触距離測定デバイスの側面図である。
【図１２】図１１の非接触距離測定デバイスの斜視図である。
【図１３】図１１の非接触距離測定デバイスの他の斜視図である。
【図１４】本発明の一実施形態による、ガルボミラー装置を有する非接触距離測定デバイスの概略図である。
【図１５】本発明の一実施形態による、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）を有する非接触距離測定デバイスの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
可搬型の関節アーム座標測定機（「ＡＡＣＭＭ」）は、物体の測定値を得るために様々な用途で使用される。本発明の実施形態は、投射光を用いて３次元物体の非接触測定を行うアクセサリデバイスを、オペレータがＡＡＣＭＭのプローブ部材に簡単かつ迅速に結合することができるようになるという利点を提供する。本発明の実施形態は、さらに、アクセサリによって測定される物体までの距離を表すデータの通信を可能にするという利点を提供する。本発明の実施形態は、さらに、外部の接続または配線なくして着脱可能なアクセサリとの電力およびデータ通信を可能にするという利点を提供する。
【００１３】
図１Ａ、１Ｂは、本発明の様々な実施形態によるＡＡＣＭＭ１００の斜視図であり、関節アームは、座標測定機の一種である。図１Ａ、１Ｂに示されるように、例示的なＡＡＣＭＭ１００は、ＡＡＣＭＭ１００のアーム部１０４の一方端に結合された測定プローブ筺体１０２を含むプローブ部材４０１（図４）を有する、６または７軸関節の測定デバイスを含むことができる。アーム部１０４は、軸受カートリッジ（例えば、２つの軸受カートリッジ）の第１の群１１０によって第２のアームセグメント１０８に結合される第１のアームセグメント１０６を備える。軸受カートリッジ（例えば、２つの軸受カートリッジ）の第２の群１１２は、第２のアームセグメント１０８を測定プローブ筺体１０２に結合する。軸受カートリッジ（例えば、３つの軸受カートリッジ）の第３の群１１４は、第１のアームセグメント１０６を、ＡＡＣＭＭ１００のアーム部１０４の他方端に配置された基部１１６に結合する。軸受カートリッジの各群１１０、１１２、１１４は、関節式に動く複数の軸を提供する。さらに、プローブ部材４０１は、ＡＡＣＭＭ１００の回転軸のシャフト（例えば、ＡＡＣＭＭ１００の回転軸における、例えばプローブ１１８である、測定デバイスの動作を決定するエンコーダシステムを含むカートリッジ）を含む、測定プローブ筺体１０２を含むことができる。この実施形態では、プローブ部材４０１は、測定プローブ筺体１０２の中心を通って延在する軸まわりに回転することができる。ＡＡＣＭＭ１００を使用する際、基部１１６は、通常、作業台に固定される。
【００１４】
各軸受カートリッジの群１１０、１１２、１１４の各軸受カートリッジは、通常、エンコーダシステム（例えば、光学式の角度エンコーダシステム）を含む。エンコーダシステム（すなわち、トランスデューサ）は、それぞれのアームセグメント１０６、１０８および対応する軸受カートリッジの群１１０、１１２、１１４の位置を示し、それらが全部まとめられることで、基部１１６に対するプローブ１１８の位置（したがって、特定の基準系−例えば、局所または大域規準系におけるＡＡＣＭＭ１００によって測定されている物体の位置）が示されることになる。アームセグメント１０６、１０８は、これらに限定されないが、例えば、炭素複合材料などの適当な硬質材料で作製され得る。関節式に動く６つまたは７つの軸（すなわち、自由度）を有する可搬型のＡＡＣＭＭ１００は、オペレータが基部１１６まわりに３６０°の領域内の所望の位置にプローブ１１８を配置することができるようにし、さらにオペレータが簡単に扱うことができるアーム部１０４を提供するという利点をもたらす。しかし、２つのアームセグメント１０６、１０８を有するアーム部１０４の例は、例示を目的とするものであり、特許請求される本発明はそのように限定されるべきではないと理解されたい。ＡＡＣＭＭ１００は、軸受カートリッジによって互いに結合されるあらゆる数のアームセグメント（したがって、関節式に動く６つもしくは７つよりも多いまたはそれ未満の軸すなわち自由度）を有することができる。
【００１５】
プローブ１１８は、軸受カートリッジの群１１２に連結される測定プローブ筺体１０２に取り外し可能に取り付けられる。ハンドル１２６は、例えばクイック接続インターフェース（ｑｕｉｃｋ−ｃｏｎｎｅｃｔ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）により測定プローブ筺体１０２に対して着脱可能である。以下により詳細に説明するように、ハンドル１２６は、物体の非接触距離測定を行うように構成される他のデバイスに置き換えられてよく、それによって、オペレータが同じＡＡＣＭＭ１００を用いて接触測定も非接触測定もできるようになるという利点が提供される。例示的な実施形態では、プローブ１１８は、接触式の測定デバイスであり、着脱可能である。プローブ１１８は、これらに限定されるわけではないが、ボール形のタッチセンシティブな湾曲した伸長式のプローブを含む、測定対象物体に物理的に接触する様々なチップ１１８を有することができる。他の実施形態では、測定は、例えば、レーザスキャナデバイスなどの非接触式のデバイスによって実施される。一実施形態では、ハンドル１２６は、クイック接続インターフェースを用いてレーザスキャナデバイスに置き換えられる。追加の機能を提供するために、着脱可能なハンドル１２６が他のタイプの測定デバイスに置き換えられてもよい。そうした測定デバイスの例には、これらに限定されるわけではないが、例えば、１つ以上の照明ライト、温度センサ、熱スキャナ、バーコードスキャナ、プロジェクタ、ペイントスプレーヤおよびカメラなどがある。
【００１６】
図１Ａおよび１Ｂに示されるように、ＡＡＣＭＭ１００は、軸受カートリッジの群１１２から測定プローブ筐体１０２を取り外さなくてもアクセサリまたは機能を変更することができるという利点をもたらす、着脱可能なハンドル１２６を含む。図２に関して以下により詳細に説明するように、着脱可能なハンドル１２６は、やはりまた、電気コネクタを含み、それによってハンドル１２６とプローブ部材４０１に配置された対応する電子機器の間での電力およびデータのやりとりが可能になる。
【００１７】
様々な実施形態において、軸受カートリッジの各群１１０、１１２、１１４によって、ＡＡＣＭＭ１００のアーム部１０４は複数の回転軸のまわりに動くことが可能になる。前述したように、各軸受カートリッジの群１１０、１１２、１１４は、例えばアームセグメント１０６、１０８の対応する回転軸と同軸上にそれぞれ配置される、例えば光学式の角度エンコーダなどの対応するエンコーダシステムを含む。光学式のエンコーダシステムは、本明細書において以下により詳細に説明するように、例えば、対応する軸のまわりにおけるアームセグメント１０６、１０８のそれぞれの回転（スイベル）動作または横方向（ヒンジ）動作を検出し、ＡＡＣＭＭ１００内の電子データ処理システムに信号を送信する。個々の未処理エンコーダのカウントが信号として電子データ処理システムに個別に送信され、そこで測定データへとさらに処理される。同一出願人による米国特許第５，４０２，５８２（‘５８２）号に開示されているような、ＡＡＣＭＭ１００自体から分離した位置計算機（例えば、シリアルボックス）は必要ない。
【００１８】
基部１１６は、装着デバイスまたは取り付けデバイス１２０を含むことができる。取り付けデバイス１２０によって、ＡＡＣＭＭ１００を、例えば、検査台、マシニングセンタ、壁、または床などの所望の場所に着脱可能に取り付けることが可能になる。一実施形態では、基部１１６は、ＡＡＣＭＭ１００を移動させるときにオペレータが基部１１６を持つのに都合の良い場所をもたらすハンドル部１２２を含む。一実施形態では、基部１１６は、折りたたむとディスプレイスクリーンなどのユーザインターフェースが見えるようになる可動式カバー部１２４をさらに含む。
【００１９】
一実施形態によれば、可搬型のＡＡＣＭＭ１００の基部１１６は、電子データ処理システムを有する電子回路を含むまたは収容する。電子データ処理システムは、２つの主要な構成要素である、ＡＡＣＭＭ１００内の様々なエンコーダシステムからのデータおよび３次元（３Ｄ）位置計算をサポートするその他のアームパラメータを表すデータを処理する基部処理システムと、比較的完全な計測機能が外部コンピュータへの接続を必要とせずにＡＡＣＭＭ１００内で実施され得るようにする、内蔵オペレーティングシステム、タッチスクリーンディスプレイおよび常駐アプリケーションソフトウェアを含むユーザインターフェース処理システムとを含む。
【００２０】
基部１１６にある電子データ処理システムは、基部１１６から離れて配置されるエンコーダシステム、センサおよびその他の周辺ハードウェア（例えば、ＡＡＣＭＭ１００の着脱可能なハンドル１２６に取り付けられ得る非接触距離測定デバイス）と通信することができる。これらの周辺ハードウェアデバイスまたは機能をサポートする電子機器は、可搬型のＡＡＣＭＭ１００に配置された軸受カートリッジの群１１０、１１２、１１４のそれぞれに配置されてもよい。
【００２１】
図２は、一実施形態による、ＡＡＣＭＭ１００で使用される電子機器の構成図である。図２Ａに示される実施形態は、基部処理システムを実装する基部プロセッサ基板２０４、ユーザインターフェース基板２０２、電力を供給する基部電源基板２０６、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）モジュール２３２および基部傾斜基板２０８を含む、電子データ処理システム２１０を含む。ユーザインターフェース基板２０２は、ユーザインターフェース、ディスプレイ、および本明細書において説明されるその他の機能を実行するアプリケーションソフトウェアを実行するコンピュータプロセッサを含む。
【００２２】
図２Ａに示されるように、電子データ処理システム２１０は、１つ以上のアームバス２１８を介して上述の複数のエンコーダシステムと通信する。図２Ｂ、２Ｃに示される実施形態では、各エンコーダシステムは、エンコーダデータを生成し、エンコーダアームバスインターフェース２１４、エンコーダデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）２１６、エンコーダ読み取りヘッドインターフェース２３４、および温度センサ２１２を含む。歪みセンサなどの他のデバイスをアームバス２１８につなげてもよい。
【００２３】
さらに、図２Ｄには、アームバス２１８と通信するプローブ部材電子機器２３０が示されている。プローブ部材電子機器２３０は、プローブ部材ＤＳＰ２２８、温度センサ２１２、一実施形態ではクイック接続インターフェースを介してハンドル１２６または非接触距離測定デバイス２４２に接続するハンドル／デバイスインターフェースバス２４０、およびプローブインターフェース２２６を含む。クイック接続インターフェースによって、非接触距離測定デバイス２４２および他のアクセサリによって使用されるデータバス、制御線、および電源バスへのハンドル１２６によるアクセスが可能になる。一実施形態では、プローブ部材電子機器２３０は、ＡＡＣＭＭ１００の測定プローブ筐体１０２内に配置される。一実施形態では、ハンドル１２６は、クイック接続インターフェースから取り外し可能であり、測定は、インターフェースバス２４０を介してＡＡＣＭＭ１００のプローブ部材電子機器２３０と通信する非接触距離測定デバイス２４２によって実施され得る。一実施形態では、電子データ処理システム２１０は、ＡＡＣＭＭ１００の基部１１６に配置され、プローブ部材電子機器２３０は、ＡＡＣＭＭ１００の測定プローブ筐体１０２内に配置され、エンコーダシステムは、軸受カートリッジの群１１０、１１２、１１４に配置される。プローブインターフェース２２６は、１−ｗｉｒｅ（登録商標）通信プロトコル２３６を実施する、Ｍａｘｉｍ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，Ｉｎｃ．から販売されている製品を含む、任意の適当な通信プロトコルによってプローブ部材ＤＳＰ２２８に接続することができる。
【００２４】
図３Ａは、一実施形態による、ＡＡＣＭＭ１００の電子データ処理システム２１０の詳細な機能を示す構成図である。一実施形態では、電子データ処理システム２１０は、ＡＡＣＭＭ１００の基部１１６に配置され、基部プロセッサ基板２０４、ユーザインターフェース基板２０２、基部電源基板２０６、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）モジュール２３２、および基部傾斜モジュール２０８を含む。
【００２５】
図３Ａに示される実施形態において、基部プロセッサ基板２０４は、図面にある様々な機能ブロックを含む。例えば、基部プロセッサ機能３０２は、ＡＡＣＭＭ１００からの測定データの収集をサポートするのに用いられ、アームバス２１８およびバス制御モジュール機能３０８を介して未処理アームデータ（例えば、エンコーダシステムのデータ）を受け取る。メモリ機能３０４は、プログラムおよび静的なアーム構成データを記憶する。基部プロセッサ基板２０４は、さらに、非接触距離測定デバイス２４２などの任意の外部ハードウェアデバイスまたはアクセサリと通信するための外部ハードウェアオプションポート機能３１０を含む。図３に示される基部プロセッサ基板２０４の実施形態における機能には、さらに、リアルタイムクロック（ＲＴＣ）およびログ３０６、バッテリパックインターフェース（ＩＦ）３１６、および診断ポート３１８が含まれる。
【００２６】
また、基部プロセッサ基板２０４は、外部デバイス（ホストコンピュータ）および内部デバイス（ディスプレイプロセッサ２０２）との全ての有線および無線のデータ通信を管理する。基部プロセッサ基板２０４は、（例えば、米国電気電子学会（ＩＥＥＥ）１５８８などのクロック同期規格を用いて）イーサネット（登録商標）機能３２０を介してイーサネットネットワークと、ＬＡＮ機能３２２を介して無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）と、およびパラレルシリアル通信（ＰＳＣ）機能３１４を介してＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）モジュール２３２と通信することができる。基部プロセッサ基板２０４は、さらに、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）デバイス３１２への接続を含む。
【００２７】
基部プロセッサ基板２０４は、上述の‘５８２号特許のシリアルボックスで開示されているようないかなる前処理も必要とせずに測定データへと処理するために、未処理測定データ（例えば、エンコーダシステムのカウント、温度の読み取り値）を送信および収集する。基部プロセッサ２０４は、処理済みデータを、ＲＳ４８５インターフェース（ＩＦ）３２６を介してユーザインターフェース基板２０２のディスプレイプロセッサ３２８に送る。一実施形態では、基部プロセッサ２０４は、さらに、未処理測定データを外部コンピュータに送る。
【００２８】
次に、図３Ｂのユーザインターフェース基板２０２に移ると、基部プロセッサが受け取った角度および位置のデータは、ＡＡＣＭＭ１００内の自律的な計測システムを提供するようにディスプレイプロセッサ３２８上で動作するアプリケーションによって利用される。アプリケーションは、これらに限定されないが、特徴の測定、手引きおよび訓練のグラフィックス、遠隔診断、温度の修正、様々な動作の特徴の制御、様々なネットワークへの接続、ならびに測定物体の表示などの機能をサポートするようにディスプレイプロセッサ３２８で実行され得る。ユーザインターフェース基板２０２は、ディスプレイプロセッサ３２８および液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）３３８（例えば、タッチスクリーンＬＣＤ）ユーザインターフェースとともに、セキュアデジタル（ＳＤ）カードインターフェース３３０、メモリ３３２、ＵＳＢホストインターフェース３３４、診断ポート３３６、カメラポート３４０、音声／映像インターフェース３４２、ダイヤルアップ／セルモデム３４４、および全地球測位システム（ＧＰＳ）ポート３４６を含む、いくつかのインターフェースオプションを含む。
【００２９】
図３Ａに示される電子データ処理システム２１０は、さらに、環境データを記録する環境レコーダを有する基部電源基板２０６を含む。また、基部電源基板２０６は、ＡＣ／ＤＣコンバータ３５８およびバッテリ充電器制御３６０を用いて、電子データ処理システム２１０に電力を供給する。基部電源基板２０６は、集積回路間（Ｉ２Ｃ）シリアルシングルエンドバス３５４を用いて、ならびにＤＭＡシリアル周辺インターフェース（ＤＳＰＩ）３５７を用いて基部プロセッサ基板２０４と通信する。基部電源基板２０６は、基部電源基板２０６に実装されている入力／出力（Ｉ／Ｏ）拡張機能３６４を介して傾斜センサおよび無線周波数識別（ＲＦＩＤ）モジュール２０８に接続される。
【００３０】
上述の構成要素は別個の構成要素として図示されているが、他の実施形態では、これらの構成要素の全てまたは一部は、図３とは異なる位置に物理的に配置されるおよび／または異なるやり方で組み合わされた機能であってよい。例えば、一実施形態において、基部プロセッサ基板２０４およびユーザインターフェース基板２０２は、１つの物理的な基板に組み合わされる。
【００３１】
次に図４〜９を参照すると、図面には、取り外して交換することができるデバイス４００のＡＡＣＭＭ１００への結合を可能にするクイック接続機械電気的インターフェースを有する測定プローブ筐体１０２を有するプローブ部材４０１の例示的な一実施形態が示されている。例示的な実施形態では、デバイス４００は、例えばピストルの握りのようにオペレータが手で握れるような寸法および形状のハンドル部４０４を含む、エンクロージャ４０２を含む。エンクロージャ４０２は、空洞４０６（図９）を有する薄壁構造物である。空洞４０６は、コントローラ４０８を受容するように構成され寸法設定される。コントローラ４０８は、例えばマイクロプロセッサを有するデジタル回路、またはアナログ回路であってよい。一実施形態では、コントローラ４０８は、電子データ処理システム２１０（図２、３）と非同期双方向通信する。コントローラ４０８と電子データ処理システム２１０の間の通信接続は、（例えば、コントローラ４２０を介した）有線接続、直接的もしくは間接的な無線接続（例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）もしくはＩＥＥＥ８０２．１１）、または有線接続と無線接続の組み合わせであってよい。例示的な実施形態では、エンクロージャ４０２は、例えば、射出成形プラスチック材料などから２つの半分部分４１０、４１２に形成される。半分部分４１０、４１２は、例えば、ねじ４１４などの締結具によって互いに固定され得る。他の実施形態では、エンクロージャの半分部分４１０、４１２は、例えば、接着剤または超音波溶接によって互いに固定され得る。
【００３２】
ハンドル部４０４は、さらに、オペレータが手動で作動させることができるボタンまたはアクチュエータ４１６、４１８を含む。アクチュエータ４１６、４１８は、プローブ筐体１０２内のコントローラ４２０に信号を送るコントローラ４０８に結合される。例示的な実施形態では、アクチュエータ４１６、４１８は、プローブ筐体１０２のデバイス４００とは反対側に配置されたアクチュエータ４２２、４２４の機能を実行する。デバイス４００は、デバイス４００もしくはＡＡＣＭＭ１００を制御するのに使用され得る追加的なスイッチ、ボタンもしくはその他のアクチュエータを有することができ、またはその逆であってもよいと理解されたい。また、デバイス４００は、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、音源、メータ、ディスプレイ、または計器などのインジケータを含むことができる。一実施形態では、デバイス４００は、点の測定と同時に口頭によりコメントを残すことができるデジタルボイスレコーダを含むことができる。さらに別の実施形態にでは、デバイス４００はマイクロホンを含み、それによってオペレータが音声による作動コマンドを電子データ処理システム２１０に送ることが可能になる。
【００３３】
一実施形態では、ハンドル部４０４は、オペレータのどちらの手でも使用できるように、または特定の手（例えば、左利きまたは右利き）用に構成され得る。ハンドル部４０４は、障害を持ったオペレータ（例えば、指の欠けたオペレータまたは義手を着けたオペレータ）を助けるように構成されてもよい。さらに、ハンドル部４０４は、空間的ゆとりが限られるときには取り外され、プローブ筐体１０２が単体で使用されてもよい。上述したように、プローブ部材４０１は、さらに、ＡＡＣＭＭ１００の回転軸のシャフトを含むことができる。
【００３４】
プローブ部材４０１は、プローブ筐体１０２の第２のコネクタ４２８と協働するデバイス４００の第１のコネクタ４２９（図８）を有する機械電気的インターフェース４２６を含む。コネクタ４２８、４２９は、デバイス４００のプローブ筐体１０２への結合を可能にする電気機械的特徴を含むことができる。一実施形態では、インターフェース４２６は、機械的結合部４３２および電気コネクタ４３４が上にある第１の表面４３０を含む。エンクロージャ４０２は、さらに、第１の表面４３０に近接して配置され第１の表面４３０から段差を付けられた第２の表面４３６を含む。例示的な実施形態では、第２の表面４３６は、第１の表面４３０から約０．５インチの段差が付いた平面である。この段差は、カラー４３８などの締結具を締めるまたは緩めるときにオペレータの指のためのゆとりをもたらす。インターフェース４２６は、コネクタピンの位置合わせの必要なしに、および別個のケーブルまたはコネクタを必要とせずに、デバイス４００とプローブ筐体１０２の間の比較的迅速で安定した電子的接続を提供する。
【００３５】
電気コネクタ４３４は、第１の表面４３０から延在し、例えば、１つ以上のアームバス２１８などを介して電子データ処理システム２１０（図２、３）と非同期双方向通信するように電気的に結合される１つ以上のコネクタピン４４０を含む。双方向通信接続は、（例えば、アームバス２１８を介した）有線、（例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）もしくはＩＥＥＥ８０２．１１である）無線、または有線接続と無線接続の組み合わせであってよい。一実施形態では、電気コネクタ４３４は、コントローラ４２０に電気的に結合される。コントローラ４２０は、例えば、１つ以上のアームバス２１８などを介して電子データ処理システム２１０と非同期双方向通信することができる。電気コネクタ４３４は、プローブ筐体１０２の電気コネクタ４４２と比較的迅速で安定した電子的接続を行うように配置される。電気コネクタ４３４、４４２は、デバイス４００がプローブ筐体１０２に取り付けられるときに互いに接続する。各電気コネクタ４３４、４４２は、電磁干渉からの遮蔽、ならびにコネクタピンの保護、およびデバイス４００をプローブ筐体１０２に取り付けるプロセス中のピンの位置合わせの補助を可能にする、金属で覆われたコネクタ筐体を備えることができる。
【００３６】
機械的結合部４３２は、ＡＡＣＭＭ１００のアーム部１０４の端部にあるデバイス４００の位置がずれないまたは動かないことが好ましい比較的厳密な用途をサポートするように、デバイス４００とプローブ筐体１０２の間の比較的強固な機械的結合を提供する。概して、あらゆるそうした動きは、測定結果の精度の望ましくない低下を招くことがある。所望の結果は、本発明の一実施形態のクイック接続機械電子的インターフェース（ｑｕｉｃｋ  ｃｏｎｎｅｃｔ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ａｎｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）の機械的取付構成部分の様々な構造的特徴を用いて達成される。
【００３７】
一実施形態では、機械的結合部４３２は、一方端４４８（デバイス４００の前縁または「最前部」）に配置された第１の凸部４４４を含む。第１の凸部４４４は、第１の凸部４４４から延びるへり４４６を形成する鍵形、切欠き付きまたは傾斜付きの境界面を含むことができる。へり４４６は、プローブ筐体１０２から延びる凸部４５２によって画定される溝４５０（図８）に受けられるように寸法設定される。第１の凸部４４４および溝４５０は、へり４４６が溝４５０内に位置決めされるとき、プローブ筐体１０２に取り付けられるときのデバイス４００の長手方向と横方向の両方の動きを制限するように溝４５０が使用され得るように、カラー４３８と相まって結合部構成を形成すると理解されたい。以下により詳細に説明するように、カラー４３８の回転を使用することで、へり４４６が溝４５０内に固定され得る。
【００３８】
機械的結合部４３２は、第１の凸部４４４の反対側に第２の凸部４５４を含むことができる。第２の凸部４５４は、鍵形、切欠き付きまたは傾斜付きの境界面４５６（図５）を有することができる。第２の凸部４５４は、例えば、カラー４３８などの、プローブ筐体１０２に連結された締結具に係合するように配置される。以下により詳細に説明するように、機械的結合部４３２は、インターフェース４２６のための支点をもたらす電気コネクタ４３４に近接するまたは電気コネクタ４３４まわりに配置される表面４３０から突出する、隆起表面を含む（図７、８）。これは、デバイス４００がプローブ筐体１０２に取り付けられるとき、デバイス４００とプローブ筐体１０２の間の３つの機械的接点のうちの第３の接点として機能する。
【００３９】
プローブ筐体１０２は、同軸上に配置されたカラー４３８を一方端に含む。カラー４３８は、第１の位置（図５）と第２の位置（図７）の間を動くことができるねじ部を含む。カラー４３８は、外部の道具の必要なしに、回転によりデバイス４００を固定するまたは取り外すのに使用され得る。カラー４３８が回転されると、比較的間隔の広い角ねじ山が切られた円筒４７４に沿ってカラー４３８が動く。そのような比較的大きな寸法の角ねじおよび外形表面を使用することで、最小限の回転トルクで非常に大きな締め付け力がもたらされ得るようになる。さらに、円筒４７４のねじのピッチが広いので、カラー４３８は最小限の回転で締められるまたは緩められ得るようになる。
【００４０】
デバイス４００をプローブ筐体１０２に結合するには、へり４４６を溝４５０に挿入し、第２の凸部４５４を矢印４６４（図５）で示されるように表面４５８に向かって回転させるように、デバイスを旋回させる。カラー４３８を回転させると、カラー４３８が矢印４６２によって示される方向に動くまたは平行移動し、表面４５６に係合する。角度付き表面４５６に対してカラー４３８を動かすことで、機械的結合部４３２が隆起表面４６０に押し付けられる。これは、デバイス４００をプローブ筐体１０２にしっかり設置するのを妨げる可能性がある境界面の歪みまたは境界表面の異物に関する潜在的な課題を克服するのに役立つ。カラー４３８によって第２の凸部４５４に力を加えることによって、機械的結合部４３２が前方に動かされ、へり４４６が押されてプローブ筐体１０２の座部に押込まれる。カラー４３８を締めつけ続けると、第２の凸部４５４がプローブ筐体１０２に向かって上向きに押され、支点に圧力が加わる。これによってシーソー型の構造が形成され、圧力を第２の凸部４５４、へり４４６、および中央の支点に加えることで、デバイス４００のずれまたは揺れが軽減または取り除かれる。支点は、プローブ筐体１０２の底を直接押し、その一方で、へり４４６は、プローブ筐体１０２の端部に下向きの力をかける。図５は、デバイス４００およびカラー４３８の動きの方向を示す矢印４６２、４６４を含む。図７は、カラー４３８が締められるときにインターフェース４２６に加えられる圧力の方向を示す矢印４６６、４６８、４７０を含む。デバイス４００の表面４３６の段差距離は、カラー４３８と表面４３６の間に間隙４７２（図６）をもたらすと理解されたい。間隙４７２は、オペレータがカラー４３８をよりしっかりと握れるようにし、さらに、カラー４３８が回転されるときに指を挟む危険性を軽減する。一実施形態では、プローブ筐体１０２は、カラー４３８が締められるときの変形を軽減または防止するのに十分なだけの剛性がある。
【００４１】
インターフェース４２６の実施形態によって、機械的結合部４３２および電気コネクタ４３４の適切な位置合わせが可能になり、さらに、保護しなかった場合にカラー４３８、へり４４６および表面４５６の締め付け動作によって生じる恐れがある加えられる応力から電子機器のインターフェースが保護される。これは、はんだ付けされた端子を有することができる回路基板４７６に取り付けられた電気コネクタ４３４、４４２への応力による損傷が軽減されるまたは取り除かれる、という利点を提供する。さらに、実施形態は、ユーザがデバイス４００をプローブ筐体１０２に連結するまたはそこから切り離すのに道具が必要ないという点で、既知の手法に優る利点を提供する。これによって、オペレータによるデバイス４００とプローブ筐体１０２の比較的簡単な手動での連結および切り離しが可能になる。
【００４２】
インターフェース４２６によって可能になる比較的多数の遮蔽された電気接続により、比較的多数の機能がＡＡＣＭＭ１００とデバイス４００の間で共有され得るようになる。例えば、ＡＡＣＭＭ１００に配置されたスイッチ、ボタンまたはその他のアクチュエータは、デバイス４００の制御に使用可能であり、またはその逆も可能である。さらに、コマンドおよびデータは、電子データ処理システム２１０からデバイス４００に送信され得る。一実施形態では、デバイス４００は、基部プロセッサ２０４のメモリに記憶されるべきまたはディスプレイ３２８に表示されるべき、記録された画像のデータを送信するビデオカメラである。別の実施形態では、デバイス４００は、電子データ処理システム２１０からデータを受信する画像プロジェクタである。さらに、ＡＡＣＭＭ１００またはデバイス４００のどちらかに配置される温度センサは、他方によって共有され得る。本発明の実施形態は、多種多様なアクセサリデバイス４００がＡＡＣＭＭ１００に迅速、簡単かつ確実に結合され得るようにするフレキシブルなインターフェースを提供するという利点をもたらすと理解されたい。さらに、ＡＡＣＭＭ１００とデバイス４００の間で機能を共有することができるので、重複がなくなり、したがってＡＡＣＭＭ１００の寸法、電力消費および複雑性の低減が可能になり得る。
【００４３】
一実施形態において、コントローラ４０８は、ＡＡＣＭＭ１００のプローブ部材４０１の動作または機能を変更することができる。例えば、コントローラ４０８は、デバイス４００が取り付けられているときかプローブ筐体１０２が単体で使用されるときかに、異なるときに異なる色の光を放出する、異なる強さの光を放出する、またはつく／消えるのいずれかを行うようにプローブ筐体１０２のインジケータライトを変更することができる。一実施形態では、デバイス４００は、物体までの距離を測定する測距センサ（図示せず）を含む。この実施形態では、コントローラ４０８は、物体がプローブチップ１１８からどのぐらい遠いかをオペレータに示すために、プローブ筐体１０２のインジケータライトを変更することができる。他の実施形態では、コントローラ４０８は、レーザスキャナデバイスによって得られる複数の画像に基づいてインジケータライトの色を変更することができる。これは、コントローラ４２０の要件を簡素化する利点を提供し、アクセサリデバイスの追加による機能のアップグレードまたは向上を可能にする。
【００４４】
図１０〜１５は、関節アームＣＭＭに動作可能に結合される距離測定デバイスを示す。物体上のある点までの距離は、電磁放射がデバイスから物体上の点まで中を伝搬する空気中の光の速度に少なくとも一部基づいて決定される。空気中の光の速度は、空気の温度、大気圧、相対湿度および二酸化炭素濃度など、空気の特性に応じて決まる。そうした空気の特性は、空気の屈折率に影響を与える。空気中の光の速度は、真空中の光の速度ｃを屈折率で割ったものに等しい。すなわち、ｃａｉｒ＝ｃ／ｎである。本明細書に記載されるような距離測定デバイスは、空気中における光の飛行時間（デバイスから物体に行ってデバイスに戻る光の往復時間）に基づいている。光（または任意のタイプの電磁放射）の飛行時間に基づいて距離を測定する方法は、空気中の光の速度に依存し、したがって、三角測量に基づいた距離の測定方法と簡単に区別される。三角測量に基づいた方法は、光源から特定の方向に沿って光を投射し、次いで、その光を特定の方向に沿ってカメラの画素で遮ることを含む。カメラとプロジェクタの間の距離を調べ、投射角と受光角を合わせることで、三角測量法により、三角形の１つの既知の辺長と２つの既知の角度を用いて物体までの距離を決定することができる。したがって、三角測量法は、空気中の光の速度には直接的には依存しない。
【００４５】
図１０〜１３を参照すると、図には、レーザスキャナを使用した物体の非接触３次元測定が可能なデバイス５００が示されている。一実施形態では、デバイス５００は、結合機構およびインターフェース４２６を介してプローブ部材４０１に着脱可能に結合される。デバイス５００は、プローブ部材４０１から独立して動作するように構成され得る。他の実施形態では、デバイス５００は、プローブ部材４０１に一体に連結される。
【００４６】
デバイス５００は、オペレータがデバイス５００を握ってその向きを操作できるようにするハンドル５０４を有する本体５０２を含む。インターフェース４２６は、ハンドル５０４に近接して配置され、それによってデバイス５００がＡＡＣＭＭ１００に機械的かつ電気的に接続される。一方側には走査ヘッド５０６が延在する。走査ヘッド５０６は、光送信器５１０のための第１の筺体部５０８、光受光器５１２およびコントローラ５１４を有する。光送信器５１０は、例えばコヒーレントレーザ光など、光源に適した電磁放射エミッタである。レーザ光の波長は、可視または不可視スペクトル内であってよい。一実施形態では、デバイス５００は、レーザ検知測距デバイス（ＬＩＤＡＲ）である。コントローラ５１４は、電子データ処理システム２１０と非同期双方向通信する。一実施形態では、コントローラ５１４は、評価制御ユニット５１５、およびフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）５１７を含む。評価制御ユニット５１５は、ＦＰＧＡ５１７と双方向通信するコンピュータプロセッサベースの制御ユニットである。ＦＰＧＡ５１７は、変調された測定光線Ｌｓを生成するような方法で光送信器５１０を動作させる。光線Ｌｓは、ミラー５２２に反射して物体に向かう。評価制御ユニット５１５は、受光器５１２からの信号を受信し、距離「ｄ」および反射光線Ｌｒの光度を決定する。例示的な実施形態では、距離は、ターゲットまで往復する出射光の伝搬時間を使用して決定される。換言すると、距離は、測定光線Ｌｓと反射光線Ｌｒの合算した伝搬時間に基づいて決定される。図１０では、出射光Ｌｓは、点線で示されている。出射光は、コリメートされた平行光線であり、これは被測定物体に向かって外に進む光線は概ね平行であることを意味する。ターゲットは、協同または非協同のターゲットであってよい。協同ターゲットは、それに衝突する光の大部分を戻すように設計されるターゲットである。協同ターゲットの一般的な例は、金属球の中心に頂点があるキューブコーナー型再帰反射体などの再帰反射ターゲットである。非協同ターゲットは、光線パワーの大部分を戻すようには特に設計されていないものである。非協同ターゲットの一例は、例えば、金属表面またはプラスチック表面である、被測定体の表面である。光を散乱させる非協同ターゲットの場合、例えば、光は、比較的広い角度に広がり、通常、ミラー５２２いっぱいになる。光線Ｌｒのこの広がった態様は、図１０ではなく図１４に示されており、本明細書において以下に説明する。図１０に示される例の場合、光は、中央光源５１０から出射され、光受光器５１２の外側部分を通って戻ってくる。光受光器５１２の外側部分は、例えば、レンズの外側部分であってよい。再帰反射体のような協同ターゲットの場合、戻ってくる光はコリメートされる。
【００４７】
第１の筺体部５０８の近くには、駆動装置５１８のための第２の筺体部５１６、およびロータ５２０がある。ミラー５２２は、第１の筺体５０８と第２の筺体５１６によって画成されるギャップ５２６内にあるロータ５２０の光送信器５１０に対向する端部上に配置される。例示的な実施形態では、ミラー５２２は、光送信器５１０と光受光器５１２に対して４５度の角度に配置される。駆動装置５１８は、矢印５２６で示されるように、軸５２４まわりにロータ５２０を回転させるように構成される。一実施形態では、軸５２４は、光送信器５１０から出射される測定光線に平行すなわち同一直線上にある。一実施形態では、ギャップ５２７の片側には、一対の角度付き表面５２３、５２５が配置され、それによってスキャナのための視野がより広くなり得る。
【００４８】
動作において、例えばアクチュエータ４１６を押すなどのオペレータの動作に応答して、デバイス５００が光送信器５１０を作動させる。測定光線Ｌｓは、第１の筺体５０８から開口５０９を通って出てミラー５２２によって反射される。駆動装置５１８によりミラー５２２が回転しているので、測定光線Ｌｓは、「扇」形に出射され、したがって、測定光線Ｌｓは、ミラーの１回の回転で物体の概ね平面領域にある実質的に全ての点を照明することができる。オペレータがデバイス５００を動かすときにミラーが回転することによって、デバイスによる広い空間領域の測定が可能になる。個々の測定点について距離と強度の情報を相互に関連させるために、駆動装置５１８は、角度エンコーダ５２８などの角度トランスデューサを備える。コントローラ５１４は、距離とエンコーダデータから、各測定点の座標データを決定することができる。デバイス５００はＡＡＣＭＭ１００のプローブ部材４０１に結合されているので、電子データ処理システム２１０が、エンコーダ２１４のデータからデバイス５００の位置および向きを決定することができると理解されたい。一実施形態では、コントローラ５１４は、座標および強度のデータを、バス２４０を介してプローブ部材４０１に送信し、それが電子データ処理システム２１０に送信される。一実施形態では、電子データ処理システムは、アームエンコーダデータと距離データを組み合わせて、各測定対象物体の点ごとに、（ＡＡＣＭＭ１００に対する）Ｘ、Ｙ、Ｚ座標データを決定することができる。
【００４９】
一実施形態では、デバイス５００は、プローブ部材４０１から独立して動作可能である。この実施形態では、デバイス５００は、さらに、１つ以上の位置デバイス５３０を含むことができる。位置デバイス５３０は、例えば、ジャイロセンサ、全地球測位システム（ＧＰＳ）センサ、コンパスセンサまたは加速度計など、１つ以上の慣性航法センサを含むことができる。そうしたセンサは、コントローラ５１４に電気的に接続され得る。ジャイロセンサおよび加速度計センサは、単一軸または複数軸のデバイスであってよい。位置デバイス５３０は、デバイス５００がＡＡＣＭＭ１００から取り外されても、コントローラ５１４がデバイスの向きを測定または維持することができるように構成される。位置デバイス５３０のジャイロスコープは、ＭＥＭＳジャイロスコープデバイス、固体リングレーザデバイス、光ファイバデバイスまたは他のタイプの慣性デバイスであってよい。
【００５０】
デバイス５００がＡＡＣＭＭ１００から取り外される場合、複数の走査から得られた画像を組み合わせる方法が必要となる。デバイス７０４によって取り込まれた複数の画像を組み合わせる１つの方法は、点群の特徴が合わさるように、必ず、近接する画像の間に少なくとも多少のオーバーラップがあるようにすることである。この整合機能は、上述した慣性航法デバイスによって支援され得る。
【００５１】
デバイス５００によって収集された画像の正確な位置合わせを支援するのに使用可能な他の方法は、基準マーカを使用することである。一実施形態では、基準マーカは、１つ以上の測定対象物体上に配置される、例えば円形マーカである、裏が接着性または粘着性を有する小さな粘着性マーカである。特に測定対象物体において位置合わせに使用できる特徴の数が比較的少ない場合、そうしたマーカは、比較的少ない数でも多数の画像を位置合わせするのに有用であり得る。一実施形態では、基準マーカは、検査中の１つ以上の物体に、光のスポットとして投射され得る。例えば、複数の小さな小点を出射することができる小型の可搬プロジェクタが１つ以上の測定対象物体の前に配置され得る。小点を貼り付けるより優れた小点投射の利点は、小点を貼り付けて後で剥がさなくてよいことである。
【００５２】
一実施形態では、デバイス５００がＡＡＣＭＭ１００から取り外される場合、コントローラ５１４は、動作中のデータを記憶するメモリデバイス（図示せず）を含む。記憶されたデータは、次いで、デバイス５００がプローブ部材４０１に再び結合されたときに電子データ処理システム２１０に送信される。他の実施形態では、デバイスは、デバイス５００が距離および強度のデータを無線でＡＡＣＭＭ１００または他のコンピュータデバイスに送信することができるようにする通信デバイスを含む。
【００５３】
図１４には、非接触測定デバイス５００の他の実施形態が示されている。この実施形態では、ミラー５２２は、ガルバノメータミラーシステム５３２に置き換えられる。ガルバノメータは、ガルボ５３４Ａ、５３４Ｂとよく称され、電流に応答して動くデバイスである。第１のガルボ５３４Ａを第２のガルボ５３４Ｂに直交に配置することにより、ガルボ５３４Ａ、５３４Ｂは、２つの軸５３８、５４０まわりにミラー５３６Ａ、５３６Ｂをそれぞれ動かすことができる。一実施形態では、軸５３８、５４０は、互いに直交し、ミラー５３６Ａ、５３６Ｂも互いに直交する。その結果、測定光線Ｌｓは、径方向に扇形に広がった線ではなく、物体上の領域５４１内にある点を照明するように向けられ得る。一実施形態では、ガルボ５３４Ａ、５３４Ｂは、コントローラ５１４に電気的に接続される。一実施形態では、個々の測定点についての距離および強度の情報を相互に関連させるために、各ガルボは、関連のガルボ５３４の位置を測定する角度エンコーダ５２４などの角度トランスデューサを含む。他の実施形態では、角度は、各ガルボに印加される電流に基づいて決定される。ターゲット５４１は、協同または非協同タイプのターゲットであってよいが、図１４には、ターゲットが、光を散乱させるターゲットスポット５４１を有する非協同ターゲットである場合に起こる光線の広がりが示されている。そうした散乱は、例えば、拡散的に散乱させる面で起こる。この場合、光は、復路で広がり、受光器５１２の外側部分に入る。
【００５４】
一実施形態では、コントローラ５１４は、物体上の点までの距離を決定し、それをエンコーダ５４２のデータと相互に関連させてデバイス５００からの３次元座標データ（例えば、Ｘ、Ｙ、Ｚ）を決定する。この座標データは、強度データと一緒に、バス２４０を介してプローブ部材４０１に送信される。一実施形態では、電子データ処理システムは、アームエンコーダデータをガルボからの距離データおよび角度データと組み合わせて、各測定物体の点ごとに（ＡＡＣＭＭ１００に対する）Ｘ、Ｙ、Ｚの座標データを決定することができる。
【００５５】
一実施形態では、ガルボ５３４Ｂはなく、１つのガルボ５３４Ａしか使用されず、したがって、光線は二次元ではなく一次元に沿って動かされる。この場合、非接触測定デバイス５００は、オペレータによって、両方の次元に沿って３次元座標を得るように動かされる。
【００５６】
上述したように、デバイス５００は、デバイス５００がプローブ部材４０１から分離され独立して動作する場合でも座標データの取得を可能にする、例えば慣性航法デバイスのような位置デバイス５３０を含むことができる。
【００５７】
図１５には、非接触測定デバイス５００の他の実施形態が示されている。この実施形態では、ミラーは、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス５４４である。一実施形態では、ＭＥＭＳデバイス５４４は、半導体デバイス５４８に取り付けられたミラー５４６を含む。一実施形態では、ＭＥＭＳシステム５４４は、Ｍｉｒｒｏｒｃｌｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．の２４本のピンを有するチップ上に取り付けられた２軸走査ミラーである。ＭＥＭＳシステムは、容量性プレートの両端の高い電位差を使用して、ミラー５４６を２つの直交する軸５５０、５５２まわりに動かす。例示的な実施形態では、ＭＥＭＳシステムは、各軸について−１０°〜＋１０°の走査角度にミラー５４６を回転させることができる。上述したガルボミラーシステムと同様に、ＭＥＭＳシステム５４４は、線ではなく領域５４１内にある測定点の照明を可能にする。
【００５８】
例示的な実施形態では、ミラー５４６の向きは、印加された電圧に正比例する。これによって、コントローラ５１４が、距離および強度のデータを、印加された電圧に基づいたミラー５４６の角度と相互に関連させて測定物体の点の座標データ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を決定することができるので、エンコーダがなくてもよいという利点が提供される。この座標データは、強度データと一緒にバス２４０を介してプローブ部材４０１に送信される。一実施形態では、電子データ処理システムは、アームエンコーダデータと距離および強度のデータを組み合わせて、各測定物体の点ごとに（ＡＡＣＭＭ１００に対する）Ｘ、Ｙ、Ｚ座標データを決定することができる。
【００５９】
他の実施形態では、ＭＥＭＳデバイス５４６は、所望の方向に回転され得る小さなミラー要素のアレイを含む。
【００６０】
上述したように、デバイス５００は、プローブ部材４０１からデバイス５００が分離され独立して動作する場合でも座標データの取得を可能にする、例えば慣性航法デバイスのような位置デバイス５３０を含むことができる。
【００６１】
本明細書の実施形態では、デバイス５００の長手方向軸に直交する測定光線を出射するようなデバイス５００が例示されているが、これは例示を目的とするものであり、特許請求される本発明はそのように限定されるべきではないと理解されたい。他の実施形態では、測定光線は、デバイス５００の端部から（例えば、デバイス５００の長さに平行に）出射される。さらに他の実施形態では、測定光線は、デバイス５００の長手方向軸に対してある角度に出射される。
【００６２】
本発明を例示的な実施形態を参照して説明してきたが、本発明の範囲を逸脱することなく様々な変更が加えられてよく、本発明の構成要素が均等物に置き換えられてもよいことが当業者には理解されよう。さらに、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるために、本発明の本質的な範囲を逸脱することなく様々な変形が加えられよい。したがって、本発明は、本発明を実施するのに企図される最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲内に入る全ての実施形態を含むものとする。さらに、用語「第１の」、「第２の」などの使用は、いかなる順序または重要性も表す意図はなく、むしろ用語「第１の」、「第２の」などは一構成要素を他のものと区別するのに使用される。さらに、用語「ａ」、「ａｎ」などの使用は、量の限定を表す意図はなく、むしろ言及されるアイテムの少なくとも１つの存在を表している。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図４】
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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１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図５】
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【図１０】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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