(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を対象物に投光し、その反射光を受光して前記対象物の形状を測定する形状測定装置において、
前記対象物に投光するレーザ光を偏向させる偏向手段と、
前記レーザ光の光軸から離れた位置にて前記偏向手段を回転させることによってレーザ光の偏向角を変える偏向角変更手段を備えていることを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の形状測定装置を用い、対象物の上面、底面の少なくとも一方を最初に測定することを特徴とする形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は形状測定装置および形状測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、対象物形状を測定する方法として、主に対象物に接触する接触測定子方式、接触しないレーザ方式がある。前者の場合、測定子の接触圧により正確な測定ができない、測定時間がかかる等の問題があり、後者が多く使われるようになっている。ただし、レーザ方式では、投・受光部によるセンサスペースの必要性より、円筒形状対象物の内面など狭い空間での測定が困難となる。
【０００３】
そこでこの問題を解決するため、センサ部を外部に配置したまま、ミラー反射により狭い空間を測定する方式が考えられている。
【０００４】
従来技術１として、特開平４−１６０３０３号公報には、プリズムを用いてレーザ光を偏向させて内径を測定する装置が開示されている。
【０００５】
従来技術２として、特開平６−２８１４１５号公報には、複数のミラーを用いてレーザ光を偏向させて変位を測定する装置が開示されている。
【０００６】
従来技術３として、特開平７−４３１１９公報には、一つのミラーを管体の管軸方向を回転軸として回転させて管体の寸法を測定する装置が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術１はプリズムが固定され、従来技術２はミラーが固定されていて、レーザ光の偏向角は投光レーザ方向と直角になっている。また従来技術３は、ミラーが管体の管軸方向を回転軸として回転するが、レーザ光の偏向角は投光レーザ方向と直角になっている。
【０００８】
いずれの従来技術も、プリズムまたはミラーで反射されるレーザ光の偏向角が投光レーザ方向と直角であるため、対象物内部底面などレーザ投光できない部位が発生し、測定不可能な領域が存在する。また、内面形状に凹凸があり、対象面に投光されたレーザ投光角度が対象面に対し浅い場合、反射光を受光できず測定不可能となる問題があった。
【０００９】
本発明は上記課題を解決したもので、内面を死角なく測定し、かつ外形についても測定可能とした形状測定装置及び形状測定方法を提供する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項１において講じた技術的手段（以下、第１の技術的手段と称する。）は、レーザ光を対象物に投光し、その反射光を受光して前記対象物の形状を測定する形状測定装置において、前記対象物に投光するレーザ光を偏向させる偏向手段と、前記レーザ光の光軸から離れた位置にて前記偏向手段を回転させることによってレーザ光の偏向角を変える偏向角変更手段を備えていることを特徴とする形状測定装置である。
【００１１】
上記第１の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００１２】
すなわち、レーザ光の偏向角を自由に変えることができるので、対象物の形状を死角なく測定することができる。
【００１８】
また、偏向手段をレーザ光の光軸からはずすことができるので、投光レーザ光が偏向手段を介せず対象物に投光できるため、対象物の上面および底面を測定することができる。
【００１９】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項２において講じた技術的手段（以下、第２の技術的手段と称する。）は、請求項１に記載の形状測定装置を用い、対象物の上面、底面の少なくとも一方を最初に測定することを特徴とする形状測定方法である。
【００２１】
上記した技術的手段による効果は、対象物の上面、底面を最初に測定することにより、偏向手段を移動させる範囲を自動的に認識できるので、対象物高さ以上での余分な測定を省き、反射ミラーなどが対象物内部底面あるいは対象物を置いているテーブルへ衝突することを防ぎ、自動的に対象物の形状を測定することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施例の形状測定装置の構成を示す概略外観図である。本実施例では、円筒形状対象物の横断面の形状を測定している。
【００２３】
本実施例で使用した対象物１は、考古学の資料である出土された土器である。本形状測定装置は、前記対象物１にレーザ投光で距離情報を取得できるレーザ式変位センサ２、レーザ光を正反射可能な偏向手段である反射ミラー３、該反射ミラー３を任意の角度に回転し投光レーザ光の偏向角を変更する偏向角変更手段であるミラー回転機構部４、装置駆動部２０、センサ制御部１１、装置駆動制御部１２、装置制御部１３から構成されている。
前記装置駆動部２０は、回転テーブル５、Ｘ軸ステージ６、Ｚ軸ステージ７、センサアーム８、ミラーアーム９、ステージ１０から構成されている。前記ステージ１０は、前記回転テーブル５、Ｘ軸ステージ６、Ｚ軸ステージ７を支える台である。前記Ｘ軸ステージ６は対象物１を水平方向（Ｘ方向）に移動させる機能を有し、前記ステージ１０の上に設けられている。前記回転テーブル５は対象物１を回転させる機能を有し、前記Ｘ軸ステージ６の上に設けられている。この回転テーブル５の上に対象物１が置かれる。
【００２４】
前記Ｚ軸ステージ７は、センサアーム８を介してレーザ式変位センサ２、反射ミラー３、ミラー回転機構部４を昇降させる機能を有し、前記ステージ１０の上に垂直に立設されている。このＺ軸ステージ７に前記センサアーム８が横設され、該センサアーム８は昇降可能になっている。前記Ｚ軸ステージ７の長手方向と前記センサアーム８の長手方向のなす角は直角である。
【００２５】
前記センサアーム８の前記Ｚ軸ステージ７に連結する部分と反対の部分にレーザ式変位センサ２が設けられている。また前記センサアーム８のレーザ式変位センサ２取付部近くにミラーアーム９が垂設されている。該ミラーアーム９の前記センサアーム８取付部と反対の端にミラー機構保持部１４が設けられている。該ミラー機構保持部１４にはミラー回転機構部４が設けられ、該ミラー回転機構部４の回転軸１５に反射ミラー３が連結されている。本実施例では、ミラー回転機構部４として、回転手段であるパルスモータを使用し、エンコーダで偏向角を検出している。
【００２６】
前記回転軸１５の回転中心は、レーザ式変位センサ２から投光される光軸Ｌ１から離れた位置に設けられている。図２は、実施例の反射ミラーの位置関係を説明する概略説明図である。図１と同じ部位は同じ符号を使用し説明は省略する。
【００２７】
回転軸１５は、レーザ式変位センサ２から投光される光軸Ｌ１上から離れた位置に設けられている。一般的な場合、反射ミラー３は前記光軸Ｌ１に対し傾斜した状態で、該光軸Ｌ１と交差しレーザ光を反射して対象物１に投光される。
【００２８】
対象物１の上面や底面の形状を測定する場合、ミラー回転機構部４で反射ミラー３を回転し、該反射ミラー３を前記光軸Ｌ１に対し平行な状態（反射ミラー３’）にする。前記回転軸１５の中心は光軸Ｌ１から離れた位置に設けられているので、レーザ光は反射ミラー３に当たらずそのまま直進し、対象物１の上面や底面に投光される。
【００２９】
センサ制御部１１は、レーザ式変位センサ２を制御する機能を有し、信号線で該レーザ式変位センサ２と連結されている。装置駆動制御部１２は、装置駆動部２０の回転軸テーブル５、Ｘ軸ステージ６、Ｚ軸ステージ７およびミラー回転機構部４を制御する機能を有し、これらと前記装置駆動部２０を介して信号線で連結されている。
【００３０】
装置制御部１３は、前記センサ制御部１１および装置駆動制御部１２を制御するとともに、レーザ式変位センサ２による距離情報と装置本体各駆動軸の角度・位置情報により三次元座標演算を行う機能を有し、前記センサ制御部１１および装置駆動制御部１２と信号線を介して連結されている。
【００３１】
なお、 Ｚ軸ステージ７の長手方向、センサアーム８の昇降方向、ミラーアーム９の長手方向、レーザ式変位センサ２から投光されるレーザ光の光軸Ｌ１、および回転テーブル５の回転軸はすべて平行でＺ方向になっている。かつ、回転テーブル５の回転軸、光軸Ｌ１、および対象物１に反射され反射ミラーで反射され前記レーザ式変位センサ２に入射されるレーザ光の光軸Ｌ４はすべてＸ方向とＺ方向で形成されるＸＺ平面上にある。
【００３２】
図３は、本発明の実施例の形状測定方法を説明する説明図である。図３中の図３（ａ）は対象物１の上面、内部底面を測定する説明図、図３（ｂ）、（ｈ）はセンサアーム８下降による対象物１の外側面を測定する説明図、図３（ｃ）、（ｉ）はセンサアーム８上昇による対象物１の外側面を測定する説明図、図３（ｄ）、（ｆ）はセンサアーム８下降による対象物１の内側面を測定する説明図、図３（ｅ）、（ｇ）はセンサアーム８上昇による対象物１の内側面を測定する説明図である。
【００３３】
２１〜３５は、それぞれの測定における測定箇所を表している。ＰはＸ軸方向のＺ軸ステージ７に向かう方向を、ＱはＺ軸方向の下降方向を、ＲはＺ軸方向の上昇方向を表している。１、３、Ｌ１は図１と同じ部位で、それぞれ対象物、反射ミラー、投光レーザ光の光軸を表している。
【００３４】
図４〜６は、本発明の実施例の形状測定方法のフローチャート図である。図４は形状測定方法のメインのフローチャート図、図５は対象物外側面の形状測定方法のフローチャート図、図６は対象物内側面の形状測定方法のフローチャート図である。
【００３５】
図１〜４を用いて実施例の形状測定方法を説明する。各工程で個別に説明していないが、ミラー回転機構４、回転テーブル５、Ｘ軸ステージ６、センサアーム８は、装置制御部１３からの命令により装置駆動制御部１２を介して制御されている。また、レーザ式変位センサ２は装置制御部１３からの命令によりセンサ制御部１１を介して制御されている。このレーザ式変位センサ２で測定された対象物１の距離情報は、センサ制御部１１を介して装置制御部１３に伝えられ、該装置制御部１３で記憶される。
【００３６】
まずステップＳ１０１でレーザ式変位センサ２、反射ミラー３、ミラー駆動部４が対象物１の頭上となるようにセンサアーム８を上昇させて初期位置にセットし、対象物１を回転テーブル５の上にセットする。
【００３７】
次にステップＳ１０２で反射ミラー３を回転し投光レーザ光の偏向角を０度にセットする。偏向角というのは、偏向前のレーザ光の進行方向と偏向後のレーザ光の進行方向のなす角度である。前記反射ミラー３は光軸Ｌ１と平行になり、かつ反射ミラー３の回転中心が光軸Ｌ１上から離れているので、投光レーザ光は前記反射ミラー３を介せず直進して対象物１に投光される。
【００３８】
次のステップＳ１０３で対象物１をＰ方向の逆方向に移動させる。すなわち、相対的に光軸Ｌ１がＰ方向に移動し、対象物１の右上面２１、底面２２、左上面２３を測定し、ステップＳ１０４に進む。
【００３９】
ステップＳ１０４では、前記ステップＳ１０３の測定結果からセンサアーム８の上下限値、Ｘ軸ステージ６の外側面測定位置Ｘ１、内側面測定位置Ｘ２をセットする。これにより、対象物１の高さ以上での余分な測定を省き、側面測定時でのセンサアーム８の下降限界が明確になり、反射ミラー３などが対象物内部底面へ衝突することを防ぐことができる。
【００４０】
次にステップＳ１０５では、 Ｘ軸ステージ６を外側面測定位置Ｘ１にセットし、センサアーム８をＱ方向に下降およびＲ方向に上昇させて外側面を測定し、ステップＳ１０６に進む。該ステップＳ１０６では、 Ｘ軸ステージ６を外側面測定位置Ｘ２にセットし、センサアーム８をＱ方向に下降およびＲ方向に上昇させて外側面を測定し、ステップＳ１０７に進む。
【００４１】
該ステップＳ１０７では、回転テーブル５を回転させて、対象物１を１８０度回転し、ステップＳ１０８に進む。該ステップＳ１０８では前記ステップＳ１０６と同様に内側面を測定し、ステップＳ１０９に進む。該ステップＳ１０９では前記ステップＳ１０５と同様に外側面を測定し、ステップＳ１１０に進む。
【００４２】
ステップ１１０では、装置制御部１３は、記憶されている距離情報から対象物１の測定ポイント位置を演算し、それを合成してすることにより断面形状を求める。これで対象物１の一横断面の形状測定が完了する。
【００４３】
図５を用いてステップＳ１０５、Ｓ１０９の外側面測定方法を詳しく説明する。ここではステップＳ１０５について説明するが、Ｓ１０９も同様な測定方法である。
【００４４】
まず、ステップＳ２０１でＸ軸ステージ位置を外側面測定位置Ｘ１にセットし、次のステップＳ２０２で反射ミラー３を回転し投光レーザ光の偏向角を４５度にセットする。これにより、投光レーザ光の光軸が斜め下方の光軸Ｌ２に偏向され、対象物１の外側面に投光される。
【００４５】
次のステップＳ２０３では、対象物１の外側面までの距離を測定し、ステップＳ２０４に進む。該ステップＳ２０４では、センサアーム８をＱ方向にあらかじめ設定された所定距離移動し、ステップＳ２０５に進む。
【００４６】
ステップＳ２０５では、センサアーム８の位置がセンサアーム８の下限値より低いかどうか判断し、低くなければステップＳ２０３に戻り、ステップＳ２０３〜Ｓ２０５を繰り返す。これにより、対象物１の横向きおよび上向きの外側面下降時測定部２４の形状が測定できる。センサアーム８の位置がセンサアーム８の下限値より低ければステップＳ２０６に進む。このとき、センサアーム８の下限値が設定されているため、反射ミラー３などが回転テーブル５に衝突することを防ぐことができる。
【００４７】
ステップＳ２０６では反射ミラー３を回転し投光レーザ光の偏向角を１３５度にセットする。これにより、投光レーザ光の光軸が斜め上方の光軸Ｌ３に偏向され、対象物１の外側面に投光される。
【００４８】
次のステップＳ２０７では、対象物１の外側面までの距離を測定し、ステップＳ２０８に進む。該ステップＳ２０８では、センサアーム８をＲ方向にあらかじめ設定された所定距離移動し、ステップＳ２０９に進む。
【００４９】
ステップＳ２０９では、センサアーム８の位置がセンサアーム８の上限値より高いかどうか判断し、高くなければステップＳ２０７に戻り、ステップＳ２０７〜Ｓ２０９を繰り返す。これにより、対象物１の下向きの外側面上昇時測定部２５、２６の形状が測定できる。このとき、ステップＳ２０３で測定した外側面下降時測定部２４を測定する必要はない。センサアーム８の位置がセンサアーム８の上限値より高ければ、外側面測定を終了する。
【００５０】
図６を用いてステップＳ１０６、Ｓ１０８の内側面測定方法を詳しく説明する。ここではステップＳ１０６について説明するが、Ｓ１０８も同様な測定方法である。
【００５１】
まず、ステップＳ３０１でＸ軸ステージ位置を内側面測定位置Ｘ２にセットし、次のステップＳ３０２で反射ミラー３を回転し投光レーザ光の偏向角を４５度にセットする。これにより、投光レーザ光の光軸が斜め下方の光軸Ｌ２に偏向され、対象物１の内側面に投光される。
【００５２】
次のステップＳ３０３では、対象物１の内側面までの距離を測定し、ステップＳ３０４に進む。該ステップＳ３０４では、センサアーム８をＱ方向にあらかじめ設定された所定距離移動し、ステップＳ３０５に進む。
【００５３】
ステップＳ３０５では、センサアーム８の位置がセンサアーム８の下限値より低いかどうか判断し、低くなければステップＳ３０３に戻り、ステップＳ３０３〜Ｓ３０５を繰り返す。これにより、対象物１の横向きおよび上向きの内側面下降時測定部２７、２８の形状が測定できる。センサアーム８の位置がセンサアーム８の下限値より低ければステップＳ３０６に進む。このとき、センサアーム８の下限値が設定されているため、反射ミラー３などが対象物１の内部底面に衝突することを防ぐことができる。
【００５４】
ステップＳ３０６では反射ミラー３を回転し投光レーザ光の偏向角を１３５度にセットする。これにより、投光レーザ光の光軸が斜め上方の光軸Ｌ３に偏向され、対象物１の内側面に投光される。
【００５５】
次のステップＳ３０７では、対象物１の内側面までの距離を測定し、ステップＳ３０８に進む。該ステップＳ３０８では、センサアーム８をＲ方向にあらかじめ設定された所定距離移動し、ステップＳ３０９に進む。
【００５６】
ステップＳ３０９では、センサアーム８の位置がセンサアーム８の上限値より高いかどうか判断し、高くなければステップＳ３０７に戻り、ステップＳ３０７〜Ｓ３０９を繰り返す。これにより、対象物１の下向きの内側面上昇時測定部２９の形状が測定できる。このとき、ステップＳ３０３で測定した内側面下降時測定部２７、２８を測定する必要はない。センサアーム８の位置がセンサアーム８の上限値より高ければ、内側面測定を終了する。
【００５７】
なお、本実施例では、投光レーザ光の偏向角として４５度および１３５度であるが、特にこれに限定されず、対象物の形状により任意に選択することができる。
【００５８】
次に、測定した距離情報から対象物１の測定ポイントを演算する方法を説明する。ここでは反射ミラー３により投光レーザを斜め下向きに偏向した場合の内面測定を例に説明するが、他の場合も同様に演算することができる。
【００５９】
図７は距離情報から対象物１の測定ポイントを演算する方法を説明する説明図である。回転テーブル５の回転中心を原点とし、高さ方向にＺ座標軸、Ｘ軸ステージ６と平行にＲ座標軸とする。投光レーザ光の光軸Ｌ１はＺ座標軸と同じであり、レーザ式変位センサのセンサ位置の座標はＳ（０，ｚｓ）である。反射ミラー３を回転させる回転軸１５のミラー回転中心１５ａ位置の座標はＭ（―ｒｍ、ｚｍ）であり、このミラー回転中心１５ａと反射ミラー３の反射面との距離をｔとする。
【００６０】
前記反射ミラー３は斜め下向きになっており、投光レーザ光は偏向角２θで光軸Ｌ１から光軸Ｌ２に偏向され対象物１の測定ポイントに投光されている。前記反射ミラー３の反射面上のレーザ光反射位置の座標をＰ０（０，ｚ０）とし、対象物１の測定ポイントの座標をＰ（ｒ，ｚ）とする。レーザ式変位センサ２により測定され装置制御部１３に記憶される距離は、センサ位置、レーザ反射位置間の距離と該レーザ反射位置、測定ポイント間の距離の合計の距離Ｌである。この距離Ｌから対象物１の測定ポイントの座標Ｐ（ｒ，ｚ）が式（１）、（２）により求められる。
【００６１】
ｒ＝｛Ｌ−（ｚｓ−ｚ０）｝×ｓｉｎ２θ        ・・・（１）
ｚ＝ｚ０―｛Ｌ−（ｚｓ−ｚ０）｝×ｃｏｓ２θ  ・・・（２）
（但し、ｚ０＝ｚｍ−｛（ｒｍ×ｃｏｓθ−ｔ）／ｓｉｎθ｝）
すべての測定ポイントの座標を用いて合成すると、対象物１の断面形状が演算できる。なお、投光レーザ光の光軸Ｌ１と反射ミラー３が平行で、ミラー反射なしに測定する場合については、演算方法が容易であるため省略した。
【００６２】
本実施例では、対象物１の断面形状のみを測定しているが、回転テーブル５を任意の角度に回転することにより対象物１全体の形状を測定することができる。対象物１の内部の形状を測定するときには、ミラーアーム９を回転させて反射ミラー３を回転させて測定してもよい。
【００６３】
また、本実施例ではＸ軸方向の移動はレーザ式変位センサ２を固定して対象物１を動かして測定しているが、逆に対象物１を固定してレーザ式変位センサ２を動かして測定してもよい。本実施例ではＺ軸方向の移動は対象物１を固定してレーザ式変位センサ２を動かして測定しているが、逆にレーザ式変位センサ２を固定して対象物１を動かして測定してもよい。
【００６４】
さらに、本実施例では、偏向手段として反射ミラーを用いたが、特にこれに限定されず、レーザ光の方向を変えることができる手段なら何でもよい。この偏向手段として、ガルバノ式、ポリゴンミラー、ホログラム式などの機械的偏向手段、超音波回折格子による光の回折現象を利用した音響光学的偏向手段、複屈折結晶の電解による屈折率変化を利用した電気光学的偏向手段などがある。
【００６５】
偏向角変更手段についても、パルスモータを使用したミラー回転機構以外に反射ミラーの一端を直線的に動かすなどの方法もある。また、上記の偏向手段ごとに適した偏向角変更手段がある。
【００６６】
本発明の形状測定装置および形状測定方法は、複雑な上面、外面および内面形状を死角領域なく測定可能とし、かつ最初に上面、内部底面を測定することにより、対象物高さ以上での余分な測定を省き、Ｚ軸下降限界が明確になり、反射ミラーなどの対象物内部底面あるいは回転テーブルへの衝突を防ぐことを可能とした。
【００６７】
なお最近は、長い動作距離、測定レンジのレーザ変位計が開発され、各方面に利用されているため、コストパフォーマンスも高く、利用するのは容易である。
【００６８】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、レーザ光を対象物に投光し、その反射光を受光して前記対象物の形状を測定する形状測定装置において、前記対象物に投光するレーザ光を偏向させる偏向手段と、該偏向手段によるレーザ光の偏向角を変える偏向角変更手段を備えていることを特徴とする形状測定装置および該形状測定装置を用い、対象物の上面、底面の少なくとも一方を最初に測定することを特徴とする形状測定方法であるので、内面を死角なく測定し、かつ外形についても測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の形状測定装置の構成を示す概略外観図
【図２】実施例の反射ミラーの位置関係を説明する概略説明図
【図３】本発明の実施例の形状測定方法を説明する説明図であり、図３（ａ）は対象物１の上面、内底面を測定する説明図、図３（ｂ）、（ｈ）はセンサアーム８下降による対象物１の外側面を測定する説明図、図３（ｃ）、（ｉ）はセンサアーム８上昇による対象物１の外側面を測定する説明図、図３（ｄ）、（ｆ）はセンサアーム８下降による対象物１の内側面を測定する説明図、図３（ｅ）、（ｇ）はセンサアーム８上昇による対象物１の内側面を測定する説明図である。
【図４】実施例の形状測定方法のメインのフローチャート図
【図５】実施例の対象物外側面の形状測定方法のフローチャート図
【図６】実施例の対象物内側面の形状測定方法のフローチャート図
【図７】距離情報から対象物の測定ポイントを演算する方法を説明する説明図
【符号の説明】
１…対象物
２…レーザ式変位センサ
３…反射ミラー（偏向手段）
４…ミラー回転機構部（偏向角変更手段）
５…回転テーブル
６…Ｘ軸ステージ
７…Ｚ軸ステージ
８…センサアーム
９…ミラーアーム
１１…センサ制御部
１２…装置駆動制御部
１３…装置制御部
Ｌ１…投光レーザ光の光軸
２０…装置駆動部
【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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