(57)【要約】【課題】保持される物体の位置の再現性の点で有利な保持装置を提供する。【解決手段】光学素子２２を保持する保持装置であって、光学素子２２を位置決めする位置決め部５１と、位置決め部５１に対して光学素子２２に付勢力を加える弾性部５２と、を有し、付勢力の方向に交差する方向における弾性部５２と光学素子２２との間の線膨張量の差が閾値以下になるように、位置決め部５１と弾性部５２とが構成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子を保持する保持装置であって、
前記光学素子を位置決めする位置決め部と、
前記位置決め部に対して前記光学素子に付勢力を加える弾性部と、を有し、
前記付勢力の方向に交差する方向における前記弾性部と前記光学素子との間の線膨張量の差が閾値以下になるように、前記位置決め部と前記弾性部とが構成されていることを特徴とする保持装置。
【請求項２】
前記光学素子の線膨張の方向に前記付勢力の方向を合わせるように前記位置決め部と前記弾性部とが構成されていることを特徴とする請求項１に記載の保持装置。
【請求項３】
前記弾性部は、前記位置決め部に固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の保持装置。
【請求項４】
前記弾性部は、前記差が閾値以下になるような前記位置決め部の位置に固定されていることを特徴とする請求項３に記載の保持装置。
【請求項５】
前記弾性部による前記付勢力の作用点の位置を調整する第１調整部を有することを特徴とする請求項１ないし４のうちいずれか１項に記載の保持装置。
【請求項６】
前記光学素子の線膨張の方向を前記付勢力の方向に合わせるように前記光学素子と前記位置決め部との間に配置された第２調整部を有することを特徴とする請求項１ないし５のうちいずれか１項に記載の保持装置。
【請求項７】
前記弾性部は、板バネまたは圧縮バネを含むことを特徴とする請求項１ないし６のうちいずれか1項に記載の保持装置。
【請求項８】
光学素子を有し、前記光学素子を介してパターンを物体に投影し、前記パターンを投影された前記物体を撮像することにより前記物体の計測を行う計測装置であって、
前記光学素子を保持する請求項１ないし７のうちいずれか１項に記載の保持装置を有することを特徴とする計測装置。
【請求項９】
請求項８に記載の計測装置と、
前記計測装置による計測を行われた前記物体の移動を行うロボットと、
を有するシステム。
【請求項１０】
請求項８に記載の計測装置により計測を行われた物体の移動をロボットにより行う工程と、
前記工程で前記移動を行われた前記物体を処理する工程と、
を含むことを特徴とする物品製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、保持装置、計測装置、および物品製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体の位置および姿勢の計測（認識）を行う装置として、パターン投影法を用いたものが知られている。パターン投影法は、パターンを物体に投影し、当該パターンを投影された物体を撮像して得られた画像に基づいて、三角測量の原理から物体の複数点に係る距離情報を得る。
【０００３】
投影されるパターンは、例えば、光の透過率または反射率を空間的に制御する機能を有する素子を照明光学系により照明することで生成される。生成されたパターンは、投影光学系を介して物体に投影される。投影されたパターンは、環境温度の影響で照明光学系、素子および投影光学系の間の位置関係が変化することにより、変化しうる。特許文献１の照明装置は、ロッドレンズを接触部に対してバネ部材により押付けて当該ロッドレンズを保持する
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１６１７０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の保持装置は、ロッドレンズの熱膨張の方向と、バネ部材がロッドレンズを押付ける方向とが一致していない。そのため、当該保持装置は、温度変化によりロッドレンズとバネ部材とが膨張や収縮をした場合、それらの間に作用する摩擦力により、ロッドレンズの位置の再現性の点で不利となりうる。
【０００６】
本発明は、例えば、保持される物体の位置の再現性の点で有利な保持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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、光学素子を保持する保持装置であって、光学素子を位置決めする位置決め部と、位置決め部に対して光学素子に付勢力を加える弾性部と、を有し、付勢力の方向に交差する方向における弾性部と光学素子との間の線膨張量の差が閾値以下になるように、位置決め部と弾性部とが構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、例えば、保持される物体の位置の再現性の点で有利な保持装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係る保持装置を用いた計測装置の図である。
【図２】パターン生成部を保持する保持装置の構成を示す図である。
【図３】第２実施形態に係る保持装置の構成を示す図である。
【図４】第３実施形態に係る保持装置の構成を示す図である。
【図５】第４実施形態に係る保持装置の構成を示す図である。
【図６】第５実施形態に係る保持装置の構成を示す図である。
【図７】保持装置を含む計測装置が備え付けられた把持装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る保持装置を用いた計測装置の図である。計測装置１００は、パターン投影法を用いて、被検面に配置された被計測物（物体）の形状（例えば、３次元形状、２次元形状、位置及び姿勢など）を計測する。計測装置１００は、図１に示すように、投影部２０と、撮像部３０と、処理部４０とを有する。
【００１２】
投影部２０は、例えば、光源部２１と、パターン生成部２２と、投影光学系２３とを含み、所定のパターンを被計測物に投影する。光源部２１は、光源から射出された光で、パターン生成部２２で生成されたパターンを均一に照明する（例えば、ケーラー照明）。パターン生成部２２は、被計測物に投影するパターン（パターン光）を生成する。本実施形態では、任意のパターンを生成可能なＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）を用いる。その他、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）、ガラス基板をクロムめっきすることによってパターンが形成されたマスク等を用いることもできる。投影光学系２３は、パターン生成部２２で生成されたパターンを被計測物に投影する光学系である。
【００１３】
撮像部３０は、例えば、撮像素子３１と、撮像光学系３２とを含み、被計測物を撮像して画像を取得する。撮像光学系３２は、被計測物に投影されたパターンを撮像素子３１に結像するための結像光学系である。撮像素子３１は、パターンが投影された被計測物を撮像するための複数の画素を含むイメージセンサであって、例えば、ＣＭＯＳセンサやＣＣＤセンサなどで構成されている。
【００１４】
処理部４０は、撮像部３０で取得された画像に基づいて、被計測物の形状を求める。処理部４０は、制御部４１と、演算部４２とを含む。制御部４１は、投影部２０や撮像部３０の動作、具体的には、被計測物へのパターンの投影やパターンが投影された被計測物の撮像などを制御する。演算部４２は、取得した画像から輝度分布を求め、距離情報の算出を行う。輝度分布は、撮像部３０が求めてもよい。算出方法は、例えば、空間符号化法を用いる。
【００１５】
図２は、パターン生成部（光学素子）２２を保持する保持装置の構成を示す図である。本実施形態では、薄い直方体のような形状のパターン生成部２２を用いる。中心にはパターン領域が設けられている。保持装置５０は投影部２０内において、パターン生成部２２、光源部２１および投影光学系２３が所定の位置関係となるように配置される。保持装置５０は、固定部（位置決め部）５１と弾性部５２とを有し、計測装置１００の基本構造体とネジ締結により一体化している。固定部５１は、パターン生成部２２の側面２２１が当接する保持面５１１と、パターン生成部２２の側面２２２が当接する保持面５１２とを有する。保持面５１２と平行な方向をＸ方向、保持面５１１と平行な方向をＹ方向とする。
【００１６】
弾性部５２は、固定部５１に固定点でネジ締結され、該固定点と、パターン生成部２２に接触する作用点との間での変形量に応じた押圧力（付勢力）を発生させる。本実施形態では、板バネを弾性部５２として用いる。付勢力の方向と直交する方向の板バネの剛性は、付勢力よりも大きい。弾性部５２は、例えば、パターン生成部２２の光軸に直交する２つの側面が交わる点（パターン生成部２２の角）から、側面２２１が保持面５１１に当接し、側面２２２が保持面５１２に当接するようにパターン生成部２２を押付ける。この構成により、パターン生成部２２は外力に対して安定して保持装置５０に保持される。
【００１７】
固定部５１、弾性部５２は、コストと加工性の観点から、例えば、アルミニウムで形成される。パターン生成部２２は非金属、例えば、アルミナセラミックスで形成される。これらは、互いに線膨張率が異なるため、各々の線膨張量に差が生じる。側面２２１および２２２は、それぞれ保持面５１１および５１２に押しつけられているので、温度変化があると、弾性部５２がパターン生成部２２と接する点（作用点）が移動しうる。作用点が押圧力と交差する方向（例えば、直交する方向）にずれると、位置ずれが小さくても、大きな摩擦力が発生する。そして、静止限界を超えれば、すべりが発生してしまう。
【００１８】
そこで、本実施形態では、作用点がずれる方向と弾性部５２の押圧力の方向とを一致させるような構成とする。作用点の移動方向は、熱膨張前の作用点と保持面５１１との間の距離、熱膨張前の作用点と保持面５１２との間の距離、および各部材の線膨張率から、計算により一意に決定される。また、弾性部５２と固定部５１との熱膨張率（線膨張率）に差がある場合、各熱膨張率に基づいて、当該差が所定の閾値以下になるように弾性部５２を固定する固定点の位置を決定する。
【００１９】
弾性部５２の押圧力の方向と作用点がずれる方向（線膨張の方向）とを一致させる精度について説明する。例えば、固定部５１と、弾性部５２は共にアルミで、外部環境温度が変化するときの作用点の移動量をδｓ［μｍ］とする。作用点の移動方向に対して、押圧力方向がθ［ｄｅｇ］ずれていた場合に、作用点の位置の押圧力と直交する方向のずれ（線膨張量の差）Ｇ［μｍ］は、Ｇ＝δｓ×ｓｉｎθとなる。ここでは、簡単のため直交する方向のずれを考えるが、これに限られず交差する方向のずれであっても同様である。また、押圧力をＦ［Ｎ］とし、作用点の摩擦係数をμとすると、静止限界の力は、μ×Ｆである。押圧力と直交する方向する方向の弾性部５２のバネ剛性をＫ［Ｎ］とすれば、摩擦力はＫ×Ｇであるから、Ｋ×Ｇ＜＝μ×Ｆを満たせば、摩擦力は静止限界を超えないので、すべりは発生しない。
【００２０】
δｓは２０μｍ程度なので、θを３ｄｅｇ以下とすれば、Ｇは１μｍ以下となる。Ｆが５［Ｎ］、Ｋが２×１０６［Ｎ／ｍ］、μが０．５であるならば、Ｋ×Ｇ＝２［Ｎ］、μ×Ｆ＝２．５［Ｎ］であり、Ｋ×Ｇ＜＝μ×Ｆとなる。摩擦力は静止限界を超えないので、すべりは発生しない。なお、Ｋ×Ｇ＜＝μ×ＦのＫ、μおよびＦに上記値を代入すると、Ｇ＜＝１．２５μｍとなり、これが閾値となる。固定部５１と弾性部５２とは、Ｇがこの閾値以下となるように構成される。
【００２１】
以上の構成によれば、温度変化があっても、作用点は、押圧力の方向に移動するのみであり、すべりの発生を抑えることができる。作用点の移動方向は、弾性部５２の主変形方向と一致し、バネの弾性変形により吸収される。また、温度が変化する前後において、パターン生成部２２の位置変化を抑えることができ、保持精度（保持される物体の位置の再現性）は保たれる。
【００２２】
以上のように、本実施形態の保持装置は、弾性部５２がパターン生成部２２に与える押圧力の方向を、パターン生成部２２の線膨張の方向と一致させるようにすることで所定の保持精度を得ることができる。本実施形態によれば、保持される物体の位置の再現性の点で有利な保持装置を提供することができる。
【００２３】
（第２実施形態）
図３は、本実施形態に係る保持装置の構成を示す図である。本実施形態では、弾性部５２とパターン生成部２２との間に作用点の位置を調整する調整部５３を配置している。調整部５３は、パターン生成部２２の所望の位置に接着等により固定される。弾性部５２は、調整部５３の角を作用点として第１実施形態と同様にパターン生成部２２の膨張方向に押圧力を与える。
【００２４】
押圧力の方向は、作用点と保持面との距離、および各部材の熱膨張率（線膨張率）に基づいて決定される。作用点の位置を変えることで適切な押圧力の方向も変わる。押圧力の方向は、側面２２１を押す力と側面２２２を押す力とを合成した力の方向となる。すなわち、押圧力の方向を変えることで各側面を押す力を変えることができる。計測装置１００に加わる外力の大きさ（加速度）が方向により偏る場合、外力が大きい方向に押圧力を大きくする必要がある。例えば、保持面５１１に直交する方向よりも、保持面５１２に直交する方向への加速度が大きい場合は、保持面５１２へ作用する力を、保持面５１１へ作用する力よりも大きくしなければならない。これは、調整部５３の固定位置を保持面５１１に近づけることで実現できる。調整部５３の位置が保持面５１１に近づくことで、Ｘ方向の熱膨張量がＹ方向の熱膨張量よりも小さくなり、適切な押圧力のＹ方向の成分は、Ｘ方向の成分よりも大きくなる。すなわち、保持面５１２へ作用する力を、保持面５１１へ作用する力よりも大きくすることができる。以上のように本実施形態の保持装置は、計測装置１００に加わる外力に方向によって偏りがある場合にも対応できる。
【００２５】
（第３実施形態）
図４は、本実施形態に係る保持装置の構成を示す図である。本実施形態では、パターン生成部２２と固定部５１との間に調整部５３を配置している。弾性部５２の押圧力を利用するので、パターン生成部２２に調整部５３を接着等で固定する必要がない。本実施形態の構成では、押圧力の方向は、調整部５３の熱膨張率も考慮して計算により一意に求められる。
【００２６】
例えば、温度変化をΔＴ、パターン生成部２２の線膨張率をα、調整部５３の線膨張率をβ、Ｘ方向における、作用点から調整部５３との接触面までのパターン生成部２２の長さをＨ１、調整部５３の長さをＨ２とする。保持面５１１を基準とした作用点のＸ方向の相対的な移動量は、ΔＴ×α×Ｈ１＋ΔＴ×β×Ｈ２となる。また、Ｙ方向における、作用点から保持面５１２までのパターン生成部２２の長さをＶ１、調整部５３の長さをＶ２とする。保持面５１２を基準とした作用点のＹ方向の相対的な移動量は、ΔＴ×α×Ｖ１＋ΔＴ×β×Ｖ２となる。すなわち、作用点は、温度変化によって、Ｘ方向にΔＴ×α×Ｈ１＋ΔＴ×β×Ｈ２、Ｙ方向にΔＴ×α×Ｖ１＋ΔＴ×β×Ｖ２だけ相対的に移動する。Ｘ方向の移動量とＹ方向の移動量を合成して得られた作用点の移動方向が所望の方向になるように、調整部５３の寸法Ｖ２、Ｈ２を適切に選ぶ。さらに、計測装置１００本体に加わる外力に方向によって偏りがある場合にも調整部５３の寸法Ｖ２、Ｈ２を調整することで対応できる。本実施形態によっても、保持精度の点で有利な保持装置を提供することができる。
【００２７】
（第４実施形態）
図５は、本実施形態に係る保持装置の構成を示す図である。本実施形態の固定部５１は、パターン生成部２２の表面が接する保持面５１３と、当該表面を保持面５１３へ押し付けるようにパターン生成部２２の裏面から押付ける弾性部５４をさらに備える。パターン生成部２２の裏面には、大きな部品配置空間があり、弾性部５４として、弾性部５２に比べて大きな部品を選択できる。例えば、コイルバネ（圧縮バネ）などの押圧方向と垂直な方向の剛性が低いバネを用いうる。弾性部５４の押圧力の方向は弾性部５２の押圧力の方向と同様に計算により一意に求めることができる。本実施形態によれば、パターン生成部２２の光軸方向の変形にも対応ができ、保持される物体の位置の再現性の点で有利な保持装置を提供することができる。
【００２８】
（第５実施形態）
図６は、本実施形態に係る保持装置の構成を示す図である。本実施形態の保持対象は、上述の実施形態よりもＺ方向の寸法が大きい。このような場合でも、例えば、保持対象の角を作用点として弾性部５２が付勢力を与えることで保持することができる。その他プリズム等の多面体であっても保持することができる。押圧力の方向は上述の実施形態と同様に算出される。調整部５３を用いて付勢力を与えてもよい。本実施形態のような形状の保持対象も、良好な保持精度で保持することができる。
【００２９】
なお、上記では、弾性部５２として板バネを想定したため、押圧力の作用点において、弾性部５２または調整部５３の面と、パターン生成部２２の角（点）との接触関係となっている。しかしながら、これと逆の関係であってもよい。すなわち、パターン生成部２２の面と、弾性部５２の角とが接触する関係であってもよい。
【００３０】
また、パターン生成部２２の角は、弾性部５２との熱膨張差による摩擦の発生が問題とならない程度であれば、面取りやＲ加工されていてもよい。ただし、加工後の面は押圧力方向に垂直であることが望ましい。上記実施形態では、弾性部５２および固定部５１として、ともにアルミニウムで形成されたものを用いた。しかしながら、弾性部５２の固定部５１における固定点と、弾性部５２の作用点との距離が十分短く、弾性部５２と固定部５１との熱膨張差の影響が小さいならば、同じ材質である必要はなく、線膨張率が近い材質であればよい。
【００３１】
（物品製造方法に係る実施形態）
上述の保持装置を備えた計測装置は、ある支持部材に支持された状態で使用されうる。本実施形態では、一例として、図７のようにロボットアーム３００（把持装置）に備え付けられて使用される制御システムについて説明する。計測装置１００は、支持台２００に置かれた被検物２１０にパターン光を投影して撮像し、画像を取得する。そして、計測装置１００の制御部が、又は、計測装置１００の制御部から画像データを取得した制御部３１０が、被検物２１０の位置および姿勢を求め、求められた位置および姿勢の情報を制御部３１０が取得する。制御部３１０は、その位置および姿勢の情報（計測結果）に基づいて、ロボットアーム３００に駆動指令を送ってロボットアーム３００を制御する。ロボットアーム３００は先端のロボットハンドなど（把持部）で被検物２１０を保持して、並進や回転などの移動をさせる。さらに、ロボットアーム３００によって被検物２１０を他の部品に組み付ける（組立する）ことにより、複数の部品で構成された物品、例えば電子回路基板や機械などを製造することができる。また、移動された被検物２１０を加工（処理）することにより、物品を製造することができる。制御部３１０は、ＣＰＵなどの演算装置やメモリなどの記憶装置を有する。なお、ロボットを制御する制御部を制御部３１０の外部に設けても良い。また、計測装置１００により計測された計測データや得られた画像をディスプレイなどの表示部３２０に表示してもよい。
【００３２】
（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。
【符号の説明】
【００３３】
２２            パターン生成部
５０            保持装置
５１            固定部（位置決め部）
５２            弾性部
２２１、２２２  側面
５１１、５１２  保持面
【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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