JP2011523705A - 部品の単軸断面走査の方法及び装置 - Google Patents

Abstract

部品の断面走査の改良された方法及び装置であって、走査装置の焦平面が上下方向、すなわち、部品／ポッティング複合物のステージが移動する方向に移動することがない走査ステーションを用いる。材料除去及び走査の区別されたステップが、表面層が除去された後に前記部品／ポッティング複合物を上下方向に移動させる中間ステップと交互に行われ、これによって、次の走査ステップのために、新たに生成された表面が、動かない焦平面に戻される。走査ステップ間に、除去ステーション（前記部品／ポッティング複合物を担持するステージではない）が、前記走査ステーションの視野の内外に繰り返し移動する。これまでの実用化の独立環境特性を必要とせずに、前記材料除去ステーションは、前記部品／ポッティング複合物の所望の表面層及び生成された砕片を除去するように特に構成されている。
【選択図】 図１

Description

部品の断面走査、及び、それによって生成されるデータの処理（processing）は、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４及び特許文献５に記載されている。これらの技術は、概して、ポッティング材で覆われた部品の反復光走査を含み、これにより、部品／ポッティング複合物（part/potting combination）の逐次層（successive layers）が除去され、前の層が除去された後に残存するそれぞれの次の表面（each successive surface）の画像の走査データを処理するコンピュータによって、部品の寸法に関するデータが生成される。ポッティング材による表面部分と部品の材料による表面部分との間の光学的コントラストによって、部品自体の寸法が特定される。取得後データ処理技術（post-acquisition data processing techniques）によって、種々の用途へのデータの有用性が向上する。これらの技術の１つが、特許文献６に記載されている。

米国特許第５１３９３３８号明細書 米国特許第５２６１６４８号明細書 米国特許第５８８０９６１号明細書 米国特許第６０９１０９９号明細書 米国特許第６４０７７３５号明細書 米国特許第６４０７７３５号明細書

上記に列挙した特許に開示された技術及びシステムの商業的実施の形態は、ステージ又はシャトルが、独立した走査ステーションと材料除去ステーションとの間の軸に沿って直線的に前後に、部品／ポッティング複合物を搬送することを意味する「Ｘ軸」アプローチと呼ぶことが可能なものを一般に含む。

本願は、いわゆる「Ｚ軸」アプローチを用いた、部品の断面走査の改良された方法及び装置の種々の実施の形態を開示する。これらの実施の形態は、上下方向又はＺ方向、すなわち、部品／ポッティング複合物のステージが移動する方向に走査装置の焦平面が移動することがない走査ステーションを用いる。材料除去及び走査の区別されたステップと、表面層が除去された後に部品／ポッティング複合物をＺ方向に移動させる中間ステップとが交互に行われ、従って、次の走査ステップのために、新たに生成された表面が焦平面に戻される。これを達成するため、走査ステップ間に、除去ステーション（部品／ポッティング複合物を担持するステージではない）が＋／−Ｘ方向に繰り返し移動する。すなわち、除去ステーションが走査ステーションの視野の内外に移動する。実用化（商用アプリケーション）においてＸ軸アプローチの使用をこれまで要求していた独立環境を必要とせずに、材料除去ステーションは、部品／ポッティング複合物の所望の表面層及び生成された砕片を除去するように特に構成されている。

図１は、以下の詳細な説明におけるシステムの概略側面図である。 図２は、図１の一部のプロトタイプ実施の形態の拡大上部斜視図である。 図３は、図２の一部の拡大下部斜視図である。

大まかに言えば、本願は、特許文献１、特許文献２、特許文献３及び特許文献４に開示された断面走査の方法及び装置の実質的に改良された方法及び装置に関する。これらの文献の各々は援用されており、以下の説明においては、これらの文献の各々で教示されている基本的動作原理は熟知されているものと仮定する。従って、部品／ポッティング複合物の逐次層の除去、部品の寸法に関するデータの生成（前の層が除去された後に残存するそれぞれの次の表面の画像の走査データのコンピュータ処理を含む）、及び、種々の用途へのデータの有用性を向上させる取得後データ処理技術に関連するものなどの、当技術分野において公知の詳細は理解されるであろう。

図面は好ましい実施の形態を示し、特に記載のない限り、形状、比率、寸法などの小さな変更は、開示の範囲にとって重要なものではないと理解されるべきである。

図１〜図３に示すように、プロトタイプ断面走査器システム１０は、上下動ステージ１１と、固定焦平面走査器１２とを備えている。好ましい実施の形態において、走査器１２は、システム１０に対して固定されており、従って、ステージ１１の上下動のみを明確に考慮すればよい。しかし、好ましくはないが、走査器１２がステージ１１に対して移動するようにしてもよい。しかし、本説明の残りの部分では、ステージ１１のみが上下方向に移動すると仮定するが、好ましくない方法（approach）も含まれると理解されたい。

ステージ１１は、ステージ１１の上下動によって部品／ポッティング複合物１３が走査器１２に向かって上下方向に進むように、部品／ポッティング複合物１３を支持する。初動により、部品／ポッティング複合物１３の上面は、走査器１２の焦平面の固定位置Ｆよりも上の、除去される材料の１層分の厚みの高さに対応する位置に設置される。次いで、以下でさらに説明する切削サブシステム１４によって、上記厚みが部品／ポッティング複合物１３の上面（走査器側）から除去される。これにより、このようにして得られた上面が走査器１２の固定焦平面の位置に正確に配置され、従来技術にしたがって走査が行われる。除去される材料の厚みに対応する距離の段階的移動の反復と、材料の除去及びそれに続く新しく生成された上面の走査とが交互に行われる。従って、各走査ステップは、固定焦平面の位置で生じる。部品／ポッティング複合物が、Ｘ方向又はＹ方向に移動することはない。

一般に、走査器１２は、マルチピクセル走査器、カメラ、又はＣＣＤアレイ、線走査カメラもしくは面走査カメラなどの類似する光学撮像デバイスである。高解像度（１平方センチメートル当たり１５５，０００画素以上）（１平方インチ当たり百万画素以上）の撮像設備が走査器１２には好ましい。この場合、各片（each slice）の厚みは、２５．４マイクロメートル（１０００分の１（０．００１）インチ）であるのが好ましいが、その限りではない。この複合物（combination）から、３つの直交主方向の各々において２５．４マイクロメートル［１０００分の１（０．００１）インチ］のスケールで測定されたデータ点がもたらされる。

厚みの測定に対する言及は、部品／ポッティング複合物１３の表面に対して垂直に行われる測定のことを意味していると理解されるべきである。部品自体は、通常、ポッティング材内に非直交の角度で配向されており、そのため、主要なＸ、Ｙ及びＺ面で測定される距離によって、測定位置での部品の表面に対して垂直に測定される厚みよりも大きい、又は小さい部品の量が示される可能性がある。

図示されているように、部品／ポッティング複合物１３の３つの主方向の各々における断面は、一般に、矩形を呈する。部品／ポッティング複合物１３の寸法は、最大約４４．４ミリメートル×６３．５ミリメートル×８８．９ミリメートル（１・３／４インチ×２・１／２インチ×３・１／２インチ）であるのが好ましいが、必須ではない。これは、好ましいだけである。

切削サブシステム１４は、一般に、部品／ポッティング複合物の上面の量を除去する任意の手段である。例示した実施の形態において、具体的には、ニューヨーク州アマーストのナイアガラ・カッターから調達した同社指定の同社型式番号Ａ３７７の回転式シングルエンド・センターカット・エンドミルを含む。このデバイスは、３枚刃３７°右ねじれで、寸法（刃径×シャンク径×刃長×全長）９．５ミリメートル×９．５ミリメートル×３８．１ミリメートル×８２.６ ミリメートル（３／８インチ×３／８インチ×１・１／２インチ×３・１／４インチ）である。上記デバイスは、製造元からの入手状況に応じて、コーティングなしでも、ありでもよく、好ましいコーティングはＴｉＣＮである。より滑らかな表面を作り出すためには、３枚刃の使用が好ましいが、刃の枚数自体は重要なパラメータではない。好ましい回転速度は１２００ｒｐｍである。（デバイスの先端で観察され、図２の曲線状の矢印によって図示されている通り）右ねじれで反時計回りに回転するため、刃先は、前進するフードと同方向に、すなわち、＋Ｘ方向にワーク内に前進する。高速回転する切削面によって、部品／ポッティング複合物１３の表面を滑らかにして精度をさらに高めるために、フード１５を（−Ｘ方向に）後
退させてエンドミルの回転を継続することも可能であるが、必須ではない。

部品／ポッティング複合物１３の全幅を１パスで切削できるようにするため、切削サブシステム１４の切削長は、部品／ポッティング複合物１３の幅よりも長くするとよい。部品／ポッティング複合物１３の位置に対する切削サブシステム１４の位置も、しかるべく調整されている。

フード１５は、切削サブシステム１４が部品／ポッティング複合物１３の層を除去するときに、それによって生成される砕片１８が、従来の吸引システム１６によってチャンバー１７から迅速かつ効率的に除去され得るようにする。フード１５の正確な形状は重要でない。フード１５の機能は、吸引を集中させ、封じ込められた容積内に砕片を保つことである。例示された実施の形態において、フード１５は実質的に切削サブシステム１４を取り囲んでいるが、部品／ポッティング複合物の上面に面して相対的に小さな開口スロートがあり、そこから吸引によって砕片が捕集される（特に図３を参照）。

切削サブシステム１４の切削長と同様に、全幅を１パスで切削できるようにするため、フード１５の幅（Ｙ方向に測定）は、部品／ポッティング複合物１３の幅よりも大きい。フード１５は、切削サブシステム１４と共に両方が（Ｘ方向に）部品／ポッティング複合物１３の面に沿って前進して、材料の表面層を除去する（これによって、砕片が生じる）ように、切削サブシステム１４の位置に機械的に取り付けられているか、又は他の方法で調整されている。

上記除去によって生成された砕片１８は、従来の吸引システム１６に取り付けられた吸引フード１５を介して回収される。本実施の形態において例示されているように、システム１０は、必要に応じてシステム１０をさらに大きなシステムのサブシステムとして組み込むことができるという意味で任意的である、作業チャンバー１７をさらに備えている。

これにより、システム１０の種々の構成要素に必要な移動の量は、先行する商業的実施の形態に比べ、実質的に低減される。要約して言えば、焦平面Ｆは常に固定されたままになり、テーブル１１（及びそれに伴って部品／ポッティング複合物１３）がＺ方向にのみ移動し、Ｘ方向又はＹ方向にはまったく移動しない。フード／吸引システム１５、１６は＋／−Ｘ方向にのみ移動し、Ｙ方向又はＺ方向には移動しない。（例示された好ましい実施の形態において）切削サブシステム１４は回転式エンドミルを備え、この回転式エンドミルは、部品／ポッティング複合物１３のＺ位置と調整され、軸が＋／−Ｘ方向にのみ移動し、Ｙ方向又はＺ方向には移動せず、それによって材料の必要かつ所望の量のみを除去するように位置付けられた対称軸を有している。サブアセンブリを移動させる量を実質的に低減することにより、システム１０の全体的なサイズが実質的に低減される。なぜなら、全体的な構造、機械、及び電気補助設備を低減させることとなるからである。これによって、システム１０は、上述した非限定的寸法を有するものなどの、小さな部品／ポッティング複合物１３への使用に非常に適したものとなる。

上述した技術は、いわゆるＸ軸に沿って互いに分離した材料除去ステーション及び走査ステーションのための独立した専用の位置の使用を具体的に開示した、上記に列挙した特許の開示と対照をなす。部品／ポッティング複合物を支承するステージを、これらの物理的に独立したステーション間で前後に移動させるために必要な時間によって、上記の開示されたアプローチに比べ、プロセス全体のサイクル時間が短縮される。対照的に、上記アプローチの商業生産においては、約８〜１０秒という非常に短いサイクル時間が可能であると考えられる。

コンピュータを用いて、システムの動作及び位置を制御し、走査サブシステムによって生成されたデータを処理することは、周知である。好ましいが必須ではない走査データ変換技術が、参照により援用された上記特許、及び、同様に参照により援用された特許文献６において開示されている。

（断面走査システムへの応用）
上述した技術は、以下の一般設計の断面走査システムに用いられ得る。そのようなシステムの個々の実施の形態の詳細は、参照により援用された上記特許に記載されている。

上記システムは、対象物又は部品の電子データ表示（electronic data representations）を生成する。上記システムの主な構成要素は、（１）部品の表面に対して位置が相対的に固定された焦平面を有するデータ収集ステーションと、（２）部品の表面よりも上の位置の内外に移動する材料除去ステーションと、（３）部品の垂直な相対的移動のみを提供し、表面を焦平面の位置に配置するテーブルとである。データ収集ステーションは、通常、必ずしも必要ではないが、（１）所定の輪郭を除去した後の部品の画像を逐次取得する画像データ取得デバイスと、（２）画像データ取得デバイスに動作可能に接続され、画像を受け取り格納する電子デバイスとを備えている。材料除去ステーションは、通常、必ずしも必要ではないが、（１）部品から材料の所定の輪郭を除去するように構成され配置されたツールと、（２）ツールと部品との間の相対的移動を提供するように構成され配置された駆動機構とを備えている。上記テーブルは、部品を保持し、テーブルの上下の相対的移動のみを提供するように構成され配置された駆動機構と、垂直方向での部品及び焦平面の相対的位置を測定する手段とによって移動させられる。

上記システムの典型的な構成の動作は、以下の通りである。画像データ取得デバイスが、所定の輪郭を除去した後の部品の画像を逐次取得する。ツールが、部品との相対的材料除去係合状態（relative material removing engagement）に入ったり出たりするように移動する。パスに沿ったテーブルとツールとの間の相対的移動とは、部品及びツールの、部品から材料の所定の輪郭を除去する材料除去配列（material removal alignment）における移動、及び、所定の輪郭を除去した後の画像データ取得デバイスへの撮像配列（imaging alignment）における移動である。位置測定装置は、ツールに対する部品の所定の位置で画像データ取得デバイスを作動させる。例えば、センサとスケールとの間の相対的移動に応答してコンピュータに信号を送信するために、スケールを有するリニアエンコーダと、センサと、コンピュータとを配置してもよい。上記コンピュータは、センサから受信した信号に応答してセンサに対するスケールの位置を測定するようにプログラムされている。これによって、スケール及びセンサは互いに動作可能に接続されているため、パスに沿ったツールに対する部品の位置がコンピュータによって追加的に測定される。

上記システムの商業的実施の形態は、５５０ｎｍを中心とした波長を有する、照明及び光に敏感な走査器用の可視光（波長４００〜７００ｎｍ）を用いる。しかし、選定された検出波長において十分なコントラストが提供される限り、上記値は重要でない。同様に、直接照明及び表面に対して直角の走査が例示されているが、商業上一般的であるように、さらに複雑な位置関係（geometries）は可能であるが、好ましくない。

説明のために、上述した内容では多くの具体的な詳細を参照しているが、特許請求の範囲に明示的に含まれている場合を除き、限定するものとしてこれらの詳細を解釈すべきではない。

Claims (31)

1. 外面を有する実質的に透明な部品を走査するシステムであって、
   データ収集ステーションと、材料除去ステーションと、上下パスに沿った前記データ収集ステーションに対する前記部品の上下動のみを提供するテーブルとを備え、
   前記部品は、ポッティング材で覆われてアセンブリを形成し、前記材料除去ステーションは、前記アセンブリの一部を除去して、表面を露出することを特徴とするシステム。
2. 前記データ収集ステーションは、所定の輪郭を除去した後の前記部品の画像を逐次取得する画像データ取得デバイス、及び、前記画像データ取得デバイスに動作可能に接続され、前記画像を受け取り格納する電子デバイスのうちの少なくとも１つを備えた、請求項１に記載のシステム。
3. 前記材料除去ステーションは、前記部品から材料の所定の輪郭を除去するように構成され配置されたツール、及び、前記ツールと前記部品との間の相対的水平移動を提供するように構成され配置された駆動機構のうちの少なくとも１つを備えた、請求項１に記載のシステム。
4. 前記テーブルは、前記部品を保持し、かつ、
   前記上下パスに沿った前記テーブルと前記データ収集ステーションとの間の上下動を提供するように構成され配置された駆動機構をさらに備えた、請求項１に記載のシステム。
5. 複数の表面を有する対象物の電子データ表示を生成する方法であって、
   前記対象物のすべての表面が被覆材で覆われ、かつ、前記被覆材が実質的に前記対象物の全内容量を満たすように、予め選択された前記被覆材で前記対象物を覆い前記被覆物を形成するステップと、
   除去される材料の各層が長さ、幅、奥行きの所定の寸法、及び所定の幾何学形状を有する材料の複数の層を、被覆物表面を露出させるように、前記被覆物から逐次除去し、かつ、各層に前記対象物内の当該層の高さを表す値を割り当てるステップと、
   所定の層が除去された後に、選択された露出被覆物表面の電子表示を取得するステップと、
   各電子表示を処理して、前記各被覆物表面の所定の電子表示を生成する（create）ステップとを含むことを特徴とする方法。
6. 前記選択された電子表示は、前記対象物のソリッドモデルであり、かつ、
   前記処理ステップは、各電子表示を前記対象物の層状点群表示（layered point cloud representative）に変換するステップを含む、請求項５に記載の方法。
7. サーフェス（a surface）を各層状点群（each layered point cloud）の上にロフトする（lofting）ステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
8. 前記各層をＣＡＤ空間にインポートすると共に、その割り当てられた高さの値（elevation value）にしたがって前記層を積み重ねるステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
9. 隣り合う層の間にソリッドを生成するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
10. 前記選択された電子表示は、前記対象物のソリッドモデルである、請求項５に記載の方法。
11. 前記選択された電子表示は、前記対象物のサーフェスモデルである、請求項５に記載の方法。
12. 前記輪郭除去ステップは、前記対象物の逐次露出された表面が、実質的に互いに平行となるように材料の輪郭を除去し、前記方法は、
    前記対象物における目的の特徴（feature of interest）を特定するステップと、
    前記対象物の露出面が当該目的の特徴に対して平行ではなく、少なくとも１つの露出面が当該目的の特徴を貫通して延びる（extend through）ように前記対象物を配向するステップとをさらに含む、請求項５に記載の方法。
13. 前記取得ステップは、走査器を用いて各被覆物表面を走査し、前記各被覆物表面の走査画像を生成するステップを含む、請求項５に記載の方法。
14. 前記選択された電子表示は、前記対象物のサーフェスモデルであり、かつ、
    前記処理ステップは、各電子表示を、前記対象物の内縁及び外縁の周縁を規定する線画図面に変換するステップを含む、請求項５に記載の方法。
15. 前記処理ステップは、前記線画図面を積み重ね、サーフェスをその上にロフトするステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記処理ステップは、前記線画図面をベクトル・データ・ファイルに変換するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
17. 前記処理ステップは、前記ベクトル・データ・ファイルを３Ｄ ＣＡＤ空間にインポートすると共に、サーフェスをその上にロフトするステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記層は、実質的に互いに平行な上面及び下面と、実質的に均一な厚みとを有する、請求項５に記載の方法。
19. 前記電子表示は、ラスター平面像であり、かつ、
    前記処理ステップは、前記ラスター平面像を３Ｄ ＣＡＤ空間にインポートすると共に、前記インポートされた像を前記対象物のソリッドモデルに変換するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
20. 前記層は、実質的に互いに平行な上面及び下面を有し、かつ、
    前記各所定の輪郭を形成するために前記被覆物の逐次層が除去されるにつれて、前記層の厚みが増加する、請求項５に記載の方法。
21. 前記層は、実質的に互いに平行な上面及び下面を有し、かつ、
    前記各所定の輪郭を形成するために前記被覆物の逐次層が除去されるにつれて、前記層の厚みが減少する、請求項５に記載の方法。
22. 前記所定の輪郭は、実質的に均一な厚みを有する、請求項５に記載の方法。
23. 少なくとも１つの材料から形成された対象物の電子データ表示を生成する装置であって、
    材料除去ステーションと、
    固定位置焦平面（fixed position focal plane）を有するデータ収集ステーションと、
    前記固定位置焦平面に対して垂直な上下方向にのみ移動可能なステージとを備え、
    前記材料除去ステーションは、前記対象物から材料の所定の層を除去する手段を備え、
    前記データ収集ステーションは、所定の層を除去した後に前記対象物を逐次撮像する手段と、前記撮像手段によって収集されたデータを格納する手段とを備え、
    前記ステージは、前記対象物を保持するテーブルと、前記テーブルを一方向にのみ移動させて、前記材料の所定の層を前記対象物から除去する手段が材料の層を除去する位置の内外に移動する前後に前記対象物を逐次撮像する手段の撮像配列に前記対象物を維持する手段と、材料の所定の層を除去する相対的材料除去位置の内外に、Ｚ軸に実質的に垂直な第２の方向に前記材料除去ステーションを移動させる手段とを備えたことを特徴とする装置。
24. 前記データ収集ステーションは、前記対象物の三次元図面を生成するために、前記撮像手段によって収集され、前記データ格納手段に格納されたデータを処理する（manipulating）手段をさらに備えた、請求項２３に記載の装置。
25. 前記対象物は、被覆材内に覆われて被覆物を形成し、かつ、
    前記層除去手段は、前記被覆物の所定の層を除去する、請求項２３に記載の装置。
26. 前記材料の所定の層を除去する手段は、少なくとも１つの刃を含むエンドミルを備え、前記エンドミルは、前記エンドミルが回転すると前記少なくとも１つの刃によって前記対象物の平面表面が材料が除去されることによって露出するように、前記ステージの移動軸に対して実質的に垂直であり共通平面に対して実質的に平行である軸の周りを回転する、請求項２３に記載の装置。
27. 前記所定の層の除去によって対象物表面及び被覆材表面が露出し、かつ、
    前記対象物表面は前記被覆材表面に対してコントラストを有し、分界線（a line of demarcation）が前記表面の間で測定され得る、請求項２３に記載の装置。
28. 前記所定の層は、実質的に均一な厚みを有する、請求項２３に記載の装置。
29. 前記データ収集ステーションは、前記対象物の三次元図面を生成するために、前記撮像手段によって収集され、前記データ格納手段に格納されたデータを処理する手段をさらに備えた、請求項２３に記載の装置。
30. 部品を走査する方法であって、
    （ａ）前記部品をポッティング材で覆い、アセンブリを形成するステップと、
    （ｂ）前記アセンブリが移動していないときに、前記アセンブリの一部を漸進的に水平に除去して、表面を露出するステップと、
    （ｃ）固定位置焦平面の位置に対して実質的に垂直方向にのみ前記表面を移動させるステップと、
    （ｄ）前記表面を走査するステップとを含むことを特徴とする方法。
31. 前記（ｄ）の後に前記（ｂ）及び（ｃ）を繰り返すステップをさらに含む、請求項３０に記載の方法。

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