(57)【要約】【課題】  複数の部材の相対的位置を、簡単な構成で光学的に測定できるようにすること。【解決手段】  光源１０３及びコーンミラー１０４を有する光出力部１０１からは複数の方向に面状の測定用光１３０、１３１が出力される。第１光偏向部１０７は光出力部１０１からの測定用光１３０を第１の方向に偏向し第１測定用光として対象物１１２及び対象物１１２の穴１１３に挿入された対象物１１４に向けて出力する。第２光偏向部１０９は光出力部１０１からの測定用光１３１を第２の方向に偏向し第２測定用光として対象物１１２、１１４に向けて出力する。光検出部１１５は対象物１１２、１１４によって反射した第１、第２測定用光１３０、１３１を検出し、演算制御部１１６は光検出部１１５によって検出した測定用光に基づいて三角測量法によって対象物１１２、１１４間の間隙を算出する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の方向に測定用光を出力する光出力部と、
前記光出力部からの測定用光の一部を第１の方向に偏向し第１測定用光として対象物に向けて出力する第１光偏向部と、
前記光出力部からの測定用光の一部を、前記第１の方向とは異なる第２の方向に偏向し第２測定用光として前記対象物に向けて出力する第２光偏向部と、
前記対象物によって反射した前記第１、第２測定用光を検出して前記対象物の位置を測定する測定手段とを備えて成ることを特徴とする光学式測定装置。
【請求項２】
前記第１、第２光偏向部は、前記第１、第２測定用光が相互に直交するように、前記光出力部からの測定用光を偏向することを特徴とする請求項１記載の光学式測定装置。
【請求項３】
前記光出力部は、前記測定用光を生成する光源と、前記光源からの測定用光を反射して放射状光を発生し面状の測定用光を前記第１、第２光偏向部へ出力するコーンミラーとを備えて成ることを特徴とする請求項１又は２記載の光学式測定装置。
【請求項４】
前記光出力部は、前記測定用光を生成する光源と、前記光源からの測定用光を２つに分けて各測定用光を前記第１、第２光偏向部へ出力するハーフミラーとを備えて成ることを特徴とする請求項１又は２記載の光学式測定装置。
【請求項５】
前記第１、第２測定用光は面状光であり、前記対象物を線状に照射することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の光学式測定装置。
【請求項６】
前記対象物は、円形状穴を有する第１対象物と、前記円形状穴に挿入された第２対象物とを備え、
前記測定手段は前記第１対象物と第２対象物間の間隙を測定することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一に記載の光学式測定装置。
【請求項７】
円形状穴を有する第１対象物と前記円形状穴に挿入された第２対象物間の間隙を測定する光学式測定装置と、前記光学式測定装置が測定した前記間隙が所定値以下になるように前記第１、第２対象物の少なくとも一方の位置を制御する位置合わせ手段とを備え、
前記光学式測定装置として請求項６記載の光学式測定装置を用いて成ることを特徴とする位置合わせシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物の位置等を光学的に測定する光学式測定装置、及び、前記光学式測定装置を用いた位置合わせシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、複数の部材の相対的な位置関係を所定関係に合わせるようにした位置合わせ装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
前記特許文献１に記載された発明では、複数の部材を位置合わせするために、所定の位置合わせ用マークを用いて、前記マークの位置が一致するようにして複数の部材の位置合わせを行っている。
【０００３】
特許文献１に記載の発明によって、位置合わせマークを用いた簡単な構成の部材であれば位置合わせを容易に行うことが可能になる。
しかしながら、ロボットや工作機械等では、ハンドやチャック等をワーク等の部材に位置合わせを行うような複雑な位置合わせ処理が行われるが、特許文献１記載の発明ではこれらに対応することが困難であるという問題がある。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−９６０６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、複数の部材を位置合わせする場合、複雑な位置合わせであっても簡単な構成で精度良く行えるようにすることを課題としている。
また、本発明は、複数の部材の相対的位置を、簡単な構成で光学的に測定できるようにすることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、複数の方向に測定用光を出力する光出力部と、前記光出力部からの測定用光の一部を第１の方向に偏向し第１測定用光として対象物に向けて出力する第１光偏向部と、前記光出力部からの測定用光の一部を、前記第１の方向とは異なる第２の方向に偏向し第２測定用光として前記対象物に向けて出力する第２光偏向部と、前記対象物によって反射した前記第１、第２測定用光を検出して前記対象物の位置を測定する測定手段とを備えて成ることを特徴とする光学式測定装置が提供される。
【０００７】
ここで、前記第１、第２光偏向部は、前記第１、第２測定用光が相互に直交するように、前記光出力部からの測定用光を偏向するように構成してもよい。
また、前記光出力部は、前記測定用光を生成する光源と、前記光源からの測定用光を反射して放射状光を発生し面状の測定用光を前記第１、第２光偏向部へ出力するコーンミラーとを備えて成るように構成してもよい。
【０００８】
また、前記光出力部は、前記測定用光を生成する光源と、前記光源からの測定用光を２つに分けて各測定用光を前記第１、第２光偏向部へ出力するハーフミラーとを備えて成るように構成してもよい。
また、前記第１、第２測定用光は面状光であり、前記対象物を線状に照射するよう構成してもよい。
また、前記対象物は、円形状穴を有する第１対象物と、前記円形状穴に挿入された第２対象物とを備え、前記測定手段は前記第１対象物と第２対象物間の間隙を測定するように構成してもよい。
【０００９】
また、本発明によれば、円形状穴を有する第１対象物と前記円形状穴に挿入された第２対象物間の間隙を測定する光学式測定装置と、前記光学式測定装置が測定した前記間隙が所定値以下になるように前記第１、第２対象物の少なくとも一方の位置を制御する位置合わせ手段とを備え、前記光学式測定装置として前記光学式測定装置を用いて成ることを特徴とする位置合わせシステムが提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る光学式測定装置によれば、複数の部材の間隙等の相対的位置を、簡単な構成で光学的に測定することが可能になる。
また、本発明に係る位置合わせシステムによれば、複数の部材を位置合わせする場合、複雑な位置合わせであっても簡単な構成で精度良く行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る光学式測定装置及び位置合わせシステムについて説明する。尚、以下の説明で使用する各図において、同一機能を有する部分には同一符号を付している。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光学式測定装置を用いた位置合わせシステムの概略構成を示す斜視図である。
図２は、本発明の第１の実施の形態に係る光学式測定装置を用いた位置合わせシステムの概略構成を示す平面図である。
【００１２】
図１において、光学式測定装置は、測定用の光（測定用光）を異なる複数の方向に出力する光出力部１０１、光出力部１０１からの測定用光の各異なる部分を反射して偏向する第１光偏向部１０７、第２光偏向部１０９、対象物によって反射した測定用光を検出する光検出部１１５、光検出部１１５によって検出した測定用光に基づいて三角測量法によって対象物の位置（例えば複数の対象物１１２、１１４の間隙等の相対的位置）を算出する演算制御部１１６を有している。ここで、演算制御部１１６は測定手段を構成している。
【００１３】
第１、第２光偏向部１０７、１０９は各々、反射ミラーによって構成されているが、プリズム等の光の進行方向を変える光偏向機能を有する他の光学要素によっても構成することができる。
光出力部１０１、第１光偏向部１０７、第２光偏向部１０９及び光検出部１１５は支持体１１１の所定位置に一体に設けられている。光検出部１１５は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）等によって構成することができる。演算制御部１１６は、相対的位置関係を算出する機能のみならず、位置合わせシステムにおける後述する制御機能を併せ持っている。
【００１４】
光出力部１０１は、レーザやＬＥＤ（発光ダイオード）等によって構成され、測定用光を発生する光源１０３、その頂部１０５を含む所定領域に反射部１０６を有する円錐形状のコーンミラー（円錐ミラー）１０４、光源１０３及びコーンミラー１０４を一体に保持する透光性のケース１０２を備えている。
光源１０３の光軸はコーンミラー１０４の中心軸と一致している。前記中心軸は頂部１０５を通り、コーンミラー円形底面の中心を通る線分である。
【００１５】
光源１０３が発生した細いビーム状の測定用光は、コーンミラー１０４の頂部１０５に向けて照射される。前記ビーム状の光は、反射部１０６の頂部１０５を含む所定領域によって光生成部１０３の光軸と交差する方向（本実施の形態では前記光軸と直交する方向）に反射されて偏向され、薄い円板状の放射状光として出力される。コーンミラー１０４によって偏向された面状光のうち相互に異なる一部の面状光１３０、１３１は、各々、対象物１１２、１１４上に線状の光（光切断ライン）を形成するように光偏向部１０７、１１９を照射する。
【００１６】
このようにして、コーンミラー１０４によって偏向された一部の面状光（第１面状光）１３０は、第１光偏向部１０７の反射面１０８によって反射されて偏向され、第１対象物１１２、第２対象物１１４の部位（第１部位）を線状に照射する。
また、コーンミラー１０４によって偏向された一部の面状光（第２面状光）１３１は、第２光偏向部１０９の反射面１１０によって反射されて偏向され、第１対象物１１２、第２対象物１１４の前記第１部位とは異なる部位（第２部位）を線状に照射する。第１面状光１３０及び第２面状光１３１は各々測定用光として測定用に用いられる。
第１対象物１１２は円形の穴１１３を有しており、第２対象物１１４は間隙をおいて穴１１３に挿入された状態にある。
【００１７】
コーンミラー１０４からの光を光偏向部１０７、１０９が反射する角度は適宜設定できるが、本実施の形態では後述する計算処理を簡単に行えるように、各々４５度に設定している。即ち、第１面状光１３０と第２面状光１３１が対象物１１２、１１４を相互に直交するように照射するように、光源１０１、第１、第２光偏向部１０７、１０９が配置されている。
これにより、第１対象物１１２及び第２対象物１１４は、直交する方向からの線状光によって照射されることになる。
【００１８】
第１面状光１３０、第２面状光１３１が第１対象物１１２、第２対象物１１４によって反射した光は、光検出部１１５によって検出される。光検出部１１５からは検出した測定用光に対応する検出信号が電気ケーブル１２０を介して演算制御部１１６に出力され、演算制御部１１６は光検出部１１５によって検出した測定用光に基づいて、三角測量法により複数の対象物１１２、１１４間の相対位置（本実施の形態では間隙）を算出する。演算制御部１１６が算出した間隙は、複数（本実施の形態では２つ）の面状光１３０、１３１に沿った方向（相互に直交する方向：Ｙ方向及びＸ方向）に測定した複数の間隙である。
【００１９】
位置合わせ手段１１７は、演算制御部１１６、アーム部１１８及びハンド部１１９を備えている。位置合わせ手段１１７は、演算制御部１１６の制御によってハンド部１１９により第２対象物１１４を保持し、且つアーム部１１８を制御することによってハンド部１１９を移動制御して、演算制御部１１６が算出した間隙の各値が各々所定値以内になるように第２対象物１１４の位置合わせを行う。尚、第１、第２対象物の構成に応じて、いずれか一方を相対的に移動制御するように構成することができる。
【００２０】
図３〜図５は、本発明の第１の実施の形態の動作を説明するための説明図であり、図３は斜視図、図４は平面図、図５は部分側面図である。
図３〜図５において、Ｒは第１対象物１１２の円形穴１１３の半径、ｒは円柱体である第２対象物１１４の半径、ａ０は穴１１３の中心、ｂ０は第２対象物１１４の中心である。ｍは中心ａ０に対する測定用光１３１のＹ方向のオフセット値である。ｎは中心ａ０に対する測定用光１３０のＸ方向のオフセット値である。ここで、半径Ｒ、ｒ及びオフセット値ｍ、ｎは既知の長さであり又、穴１１３の中心ａ０のＸＹ座標値は既知である。
【００２１】
第１対象物１１２及び第２対象物１１４によって反射した測定用光を光検出部１１５によって検出し、演算制御部１１６は光検出部１１５が検出した測定用光に基づいて三角測量法によって第１対象物１１２と第２対象物１１４間の間隙δｘ、δｙを算出する。尚、測定値δｘは、第２面状光１３１に沿った第１対象物１１２と第２対象物１１４間の間隙である。また、測定値δｙは、第１面状光１３０に沿った第１対象物１１２と第２対象物１１４間の間隙である。
【００２２】
演算制御部１１６は、下記２つの式（１）によって算出した誤差（Ｘ方向誤差をΔｘ、Ｙ方向誤差をΔｙとする）が、予め定めた許容値（Ｘ方向許容値の絶対値とＹ方向許容値の絶対値を各々等しく｜δ０｜とする）以下になるようにアーム部１１８を制御する。これにより、所定値δ０以下の誤差範囲内で、第１対象物１１２の穴１１３の中心と第２対象物１１４の中心が位置合わせされる。
√（Ｒ２−ｍ２）−√（ｒ２−ｍ２）−δｘ＝Δｘ≦｜δ０｜      ・・・（１）
√（Ｒ２−ｎ２）−√（ｒ２−ｎ２）−δｙ＝Δｙ≦｜δ０｜
【００２３】
第１、第２対象物１１２、１１４間の間隙Ｇ（図３及び図４におけるδｘ、δｙに対応する。）は、第２対象物１１４が第１対象物１１２の穴１１３の中心軸５０１に対して傾斜している場合を考慮して、図５に示すようにして算出する。
図５において、Ｈ１は光検出部１１５の位置（基準点）の高さである。Ｈ２は、基準点と第１対象物１１２の（換言すれば穴１１３の）エッジ５０２とを結ぶ線分が第２対象物１１４と交差する交点と、基準点から第２対象物１１４への垂線が第２対象物１１４と交差する交点との間の距離である。
【００２４】
Ｓ１は、基準点から第１対象物１１２への垂線が第１対象物１１２と交差する交点と、エッジ５０２との間の距離である。Ｓ２は、基準点とエッジ５０２を通る線分が第２対象物１１４と交差する交点と、基準点Ｈ１から第２対象物１１４への垂線が第２対象物１１４と交差する交点との間の距離である。Ｓ３は、基準点から第１対象物１１２への垂線が第１対象物１１２と交差する交点と、基準点Ｈ１から第２対象物１１４への垂線が第２対象物１１４と交差する交点との間の距離である。
【００２５】
Φは、穴１１３の中心軸５０１に対する第２対象物１１４の傾斜角である。Θは、基準点とエッジ５０２を通る線分と、軸５０１とがなす角度である。
第１、第２対象物１１２、１１４間の間隙Ｇは、エッジ５０２と、第１対象物１１２の上面を当該面と平行な方向に延長した線分が第２対象物１１４表面と交差する交点との距離に相当する。
【００２６】
Ｈ１は既知の値、Ｈ２、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は測定によって得られる測定値であり、第１、第２対象物１１２、１１４間の間隙Ｇは下記３つの式（２）によって算出される。
Θ＝ｔａｎ−１（Ｓ１／Ｈ１）
Φ＝ｓｉｎ−１（（Ｓ３−Ｓ２）／Ｈ２）          ・・・（２）
Ｇ＝（Ｓ２−Ｓ１）（１＋ｔａｎΦ／ｔａｎΘ）
【００２７】
演算制御部１１６が、前記式（２）によって得た間隙Ｇを式（１）のδｘ、δｙとして使用して、δｘ、δｙが所定値δ０以下になるようにアーム部１１８をフィードバック制御することにより、所定値δ０以下の誤差範囲内で、第１対象物１１２の穴１１３の中心と第２対象物１１４の中心を位置合わせすることができる。
【００２８】
以上のように、本第１の実施の形態に係る光学式測定装置によれば、光源１０３及びコーンミラー１０４を有する光出力部１０１からは複数の方向に面状の測定用光１３０、１３１が出力される。第１光偏向部１０７は光出力部１０１からの測定用光１３０を第１の方向に偏向し第１測定用光として対象物１１２及び対象物１１２の穴１１３に挿入された対象物１１４に向けて出力する。第２光偏向部１０９は光出力部１０１からの測定用光１３１を第２の方向に偏向し第２測定用光として対象物１１２、１１４に向けて出力する。これにより、相互に所定角度（本実施の形態では直交する角度）を有する複数（本実施の形態では２つ）の光切断ラインによって対象物１１２、１１４を線状に照射して測定を行う。光検出部１１５は対象物１１２、１１４によって反射した第１、第２測定用光１３０、１３１を検出し、演算制御部１１６は光検出部１１５によって検出した測定用光に基づいて三角測量法によって対象物１１２、１１４間の間隙を算出するように構成されている。
【００２９】
したがって、複数の部材（本実施の形態では第１対象物１１２と第２対象物１１４）の間隙等の相対的位置を、光学的に測定することが可能である。また、光出力部１０１は１つの光源１０３とコーンミラー１０６を用いた構成のため、簡単な構成で光学的に測定することが可能になるという効果を奏する。
また、本第１の実施の形態に係る位置合わせシステムによれば、位置合わせ手段１１７は、演算制御部１１６が算出した間隙が所定の許容値以内になるように複数の対象物のいずれかの位置を制御するようにしているため、複数の対象物を位置合わせする場合、複雑な位置合わせであっても簡単な構成で精度良く行うことが可能になる。
【００３０】
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る光学式測定装置の概略構成を示す平面図である。本第２の実施の形態に係る光学式測定装置は、前記第１の実施の形態と同様に位置合わせ手段１１７とともに用いることにより、位置合わせシステムを構成することができる。
図６において、前記第１の実施の形態では光源１０３が発生したビーム状測定用光を２方向の測定用光に分けるためにコーンミラー１０６を用いたが、本第２の実施の形態では、光源１０３が発生したビーム状測定用光を２方向の測定用光に分けるためにハーフミラー６０１を用いている。
光源１０３は、ラインレーザ、即ち、図６の紙面の法線方向に所定の幅を持つ帯状レーザであり、照射面では線状プロファイルを示す。測定用光１３０、１３１は図６の紙面の法線方向に所定の幅を持つ帯状の光であり、面状光である。尚、帯状光を発生する光源としては、ラインレーザ以外にも、コーンミラーによって作成した放射状ビームであっても良く又、レンズ計で作成したものでも良く、又、スリットを用いて作成したものでも良い。
【００３１】
光源１０３、ハーフミラー６０１、反射ミラーによって構成した光偏向部１０７、１０９、光検出部１１５は支持体１１１に一体に設けられている。ここで、光源１０３及びハーフミラー６０１は光出力部を構成している。
光源１０３が発生したビーム状測定用光は、ハーフミラー６０１によって２方向に帯状の測定用光１３０、１３１に分けられ、光偏向部１０７、１０９によって相互に直交する角度に偏向された後、対象物１１２、１１４を照射する。
【００３２】
本第２の実施の形態においても、前記第１の実施の形態と同様に、第１測定用光１３０、第２測定用光１３１を用いて対象物１１２、１１４間の間隙を測定し、位置合わせ手段（図示せず）を用いて対象物１１２、１１４間の位置合わせを行うことができる。
前記位置合わせ手段として、図１に示した位置合わせ手段１１７を使用することも可能である。
本第２の実施の形態では線状の測定用光を使用しているため、ＸＹ方向と直交方向（Ｚ方向）の測定が必要な場合には、測定用光を前記Ｚ方向に走査するように光源１０３を制御して測定するように構成する。
本第２の実施の形態においても前記第１の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００３３】
尚、前記各実施の形態では、対処物の間隙を測定する例で説明したが、対象物の３次元形状、所定位置から対象物上の任意の位置までの距離、対象物上の任意の位置の座標等、対象物の距離に関する特性を測定する光学式測定装置に利用可能である。
また、本実施の形態に係る位置合わせシステムは、ロボットや工作機械をはじめとして種々の分野で使用する位置合わせシステムに利用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
対象物の距離に関する特性を測定する光学式測定装置に利用可能である。また、ロボットや工作機械をはじめとして種々の分野で使用する位置合わせシステムに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光学式測定装置を用いた位置合わせシステムの概略構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る光学式測定装置を用いた位置合わせシステムの概略構成を示す平面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態の動作を説明するための斜視図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態の動作を説明するための平面図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態の動作を説明するための部分側面図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る光学式測定装置の概略構成を示す平面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０１・・・光出力部
１０２・・・ケース
１０３・・・光源
１０４・・・コーンミラー
１０５・・・頂部
１０６・・・反射部
１０７・・・第１光偏向部
１０８・・・第１反射部
１０９・・・第２光偏向部
１１０・・・第２反射部
１１２・・・第１対象物
１１３・・・穴
１１４・・・第２対象物
１１５・・・光検出部
１１６・・・演算制御部
１１７・・・位置合わせ手段
１１８・・・アーム部
１１９・・・ハンド部
１２０・・・電気ケーブル
１３０・・・第１測定用光
１３１・・・第２測定用光
５０１・・・中心軸
５０２・・・エッジ
６０１・・・ハーフミラー
【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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