JP6476957B2 - 形状測定装置および構造物の測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、光切断法を用いて被検物の三次元形状を測定する形状測定装置に関する。

非接触に工業製品等の被検物の輪郭を検出し、三次元形状を測定する方法として、光切断法が知られている。

被検物の様々な形状に対応して効果的に測定するため、例えば特許文献１のような、スリット光が投影された被検物の像を検出する撮像素子を備えた形状測定装置が提案されている。

特開２００８−２５６４８４号公報

様々な方向に溝が形成された被検物に対し、溝の表面の一部が検出できないという問題がある。

本発明の形状測定装置は、被検物に向けてスリット状の光を出射、またはスリット状に光束を走査する投光部と、前記スリット状の光束またはスリット状に走査したときに前記光束が通過する平面に沿った基準面に対して、相反する側にそれぞれ配置された第１および第２の撮像部とを備え、 前記第１の撮像部の撮像光学系の光軸と前記第２の撮像部の撮像光学系の光軸とを前記投光部の光軸に垂直な平面上に射影した時のそれぞれの前記撮像光学系の光軸の射影がなす角度が、１８０度未満であり、前記角度を、前記基準面と、前記投光部の光軸に垂直な平面との交線で２分割した場合に、前記第１の撮像部がある側の角度を第１の角度とし、前記第２の撮像部がある側の角度を第２の角度とし、前記第１の角度および／または前記第２の角度は可変である。
本発明による構造物の製造方法においては、構造物の形状に関する設計情報を作成し、設計情報に基づいて構造物を作成し、作成された構造物の形状を、本発明の形状測定装置を用いて計測して形状情報を取得し、取得された形状情報と設計情報とを比較する。

本発明の第１の実施形態の形状測定装置の斜視図である。 本発明の第１の実施形態の形状測定装置の上面図である。 本発明の第１の実施形態の形状測定装置の構成を説明するブロック図である。 本発明の第１の実施形態の形状測定装置を用いた測定の説明図である。 本発明の第１の実施形態の形状測定装置を用いた測定の説明図である。 本発明の第１の実施形態の形状測定装置を用いた測定の説明図である。 本発明の第２の実施形態の形状測定装置の斜視図である。 本発明の第２の実施形態の形状測定装置の上面図と側面図である。 本発明の第２の実施形態における回動機構を説明するための投光部外側の断面図である。 本発明の第３の実施形態における構造物製造システムの構成を説明するブロック図である。 本発明の第３の実施形態の構造物の製造方法のフローチャートである。

＜第１の実施形態＞
図面を参照しながら、本発明の第１の実施形態による形状測定装置について説明する。本発明の第１の実施形態による形状測定装置は、光切断法により被検物の三次元形状を測定する。光切断法とは、被検物に特定のパターンの光を投影して、被検物表面に投影されたパターンを投影方向とは別方向から撮影する撮像装置により撮像し、撮像された像からパターンの位置を求め、求められたパターンの位置に基づき、パターンの投影方向と撮影方向から、被検物のパターンが照射された位置を測定する方法である。被検物に照射する光のパターンはスリット状か、スポット状であるのが一般的である。本発明の第１の実施形態による形状測定装置は、投光部と撮像部を備え、投光部からスリット光を被検物に向けて照射することで被測定物上にパターンを投影し、撮像部が投影されたパターンの像を撮像する構成を有する。
なお、本書において以下で説明される実施形態は、発明の趣旨の理解のために具体的に説明するためのものであり、特に指定の無い限り、本発明を限定するものではない。

図１は、第１の実施形態による形状測定装置１００を用いて、載置台９の上面に載置された被検物９０の表面形状を測定する様子を示す斜視図である。光切断センサー１は、投光部１０、第１の撮像部２０ａ、第２の撮像部２０ｂ、第１の支持部材８０ａおよび第２の支持部材８０ｂを備える。以下の説明においては、第１の撮像部２０ａおよび第２の撮像部２０ｂを総称する場合には、単に撮像部２０と呼び、第１の支持部材８０ａおよび第２の支持部材８０ｂを総称する場合には、単に支持部材８０と呼ぶ。投光部１０は、図示しない投射光学系と光源とを有し、光源から発した光束が平面に向けて投影された時にスリット状の照野が形成されるような光束を投射光学系が形成するようにしている。それにより、載置台９の上に載置された被検物９０に向けて、スリット状の光（以降、スリット光という）５０を照射する。被検物９０の表面においてスリット光５０が照射された部分では散乱光が発生する。なお、スリット光の長手方向は、投射光学系による投射方向の光軸と撮像部２０が有する撮像光学系の光軸と主平面の交点とを結ぶ方向に対して、スリット光が投影される平面上において、直交する方向に設定される。図１においては説明の都合上、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる三次元座標系を、ＺＸ平面がスリット光５０と平行になるように設定する。この散乱光は、被検物９０の表面においてＸ軸の方向に延びる輝線５１として観察される。

第１の支持部材８０ａおよび第２の支持部材８０ｂは、それぞれ第１の撮像部２０ａおよび第２の撮像部２０ｂを支持するための部材である。第１の支持部材８０ａの一方の端部は投光部１０に固定され、投光部１０の投射光学系による光軸を起点として所定の方向に延在する。第１の支持部材８０ａの他方の端部近傍には、第１の撮像部２０ａが固定される。第２の支持部材８０ｂの一方の端部は投光部１０に固定され、投光部１０の投射光学系による光軸を起点として、第１の支持部材８０ａとは異なる所定の方向に延在する。第１の支持部材８０ａの端部と投光部１０とを結んだとき、または第２の支持部材８０ｂの端部と投光部とを結んだときにおけるＸＹ平面に平行な面上で形成する角度、すなわち第１の支持部材８０ａが延在する方向８０ａ−ａｘと第２の支持部材８０ｂが延在する方向８０ｂ−ａｘとがなす角度については、詳細を後述する。第２の支持部材８０ｂの他方の端部近傍には、第２の撮像部２０ｂが固定される。

なお、図１では、第１の支持部材８０ａおよび第２の支持部材８０ｂは直方体形状を有するように描いているが、この例に限定されず、スリット光像の撮影中に投光部１０と撮像部２０との相対位置関係が変わらない程度に剛性を有していればよく、台形柱や円柱状であってもよい。また、第１の支持部材８０ａの端部８０ａ-ｚ近傍に固定された第１の撮像部２０ａのＺ軸方向の位置と第２の支持部材８０ｂの端部８０ｂ−ｚ近傍に固定された第２の撮像部２０ｂのＺ軸方向の位置とが同一であってもよいし、異なっていてもよい。撮像部２０がそれぞれの支持部材８０の投光部１０と逆側の端部近傍に固定されるものに限定されない。例えば、撮像部２０が支持部材８０の投光部１０側の端部と逆側の端部との中間付近に固定されてもよい。

第１の撮像部２０ａおよび第２の撮像部２０ｂは、図示しない、撮像素子と、撮像素子の撮像面上に被測定物の表面に投影されたスリット光の像を形成する撮像光学系を有する。それぞれの撮像光学系の光軸の向きが投光部１０から照射されるスリット光の投射光学系の光軸と交差するか、または、接近するように調整されている。また、撮像素子の撮像面を含む面が、投射光学系の光軸とスリット光の長手方向を含む面と、撮像光学系の主平面とが交差する線を含むように配置されている。さらに、撮像素子の撮像面の中心に、撮像光学系の光軸の延長線が交差するように配置されている。これにより、第１の撮像部２０ａおよび第２の撮像部２０ｂは、撮像光学系によりスリット光の像が形成されることによって、撮像面に表れる輝線５１をそれぞれ良好に撮像することができる。

被検物９０は、ＸＹ平面に平行に配置された載置台９の上面に載置される。載置台９は、例えば図３に示すように、載置台９の上面に対して直交する方向に回転中心軸を有した回転機構を備える。この回転機構により被検物９０を回転可能に保持することができる。また、光切断センサー１は、図示されないマニピュレータにより移動可能に保持されている。マニピュレータは、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向のいずれの方向にも移動可能な可動軸を有している。また、光切断センサー１によりライン光の投射方向を任意の向きに設定できるように、光切断センサー１の向きを変えるチルト機構を有している。この載置台９とマニピュレータを協調動作させることにより、被検物９０と光切断センサー１が相対的に移動できるため、被検物９０の測定対象領域に全てスリット光５０を走査しながら、形状の測定が逐次可能となる。とくに、載置台９には回転機構を備えているため、回転対称形状の被検物９０に対して光切断センサー１による走査を効率的に行うことができる。
なお、本願明細書で形状測定装置と称した場合は、このマニピュレータや載置台９などの被検物９０と光切断センサー１とが相対的に移動できる機構を含める構成とする。

図２は、第１の実施形態による光切断センサー１の上面図である。投光部１０はＺ軸−方向（図２においては紙面に向かって垂直方向）にスリット光（図２には不図示）を出射する。すなわち、スリット光５０のスリット中心１１はＺ軸に平行である。従って、スリット光５０の光束が通過する面を含む平面５は紙面に垂直であり、かつ、ＸＹ平面に垂直である。第１の撮像部２０ａおよび第２の撮像部２０ｂは、平面５を挟んで対向して配置される。なお、図２において、２０ａ-Ｏは、第１の撮像部２０ａを構成するレンズ要素であり、２０ｂ−Ｏは第２の撮像部２０ｂを構成する撮像光学系のレンズ要素である。

第１の撮像部２０ａの撮像光学系の光軸と投光部の投射光学系の光軸を含みＸＹ平面に垂直な平面を平面６とする。また、第２の撮像部２０ｂの撮像光学系の光軸と投光部の投射光学系の光軸を含みＸＹ平面に垂直な平面を平面７とする。平面６と平面５の交差角度を第１の角度θ１とし、平面７と平面５の交差角度を第２の角度θ２とする。θ１とθ２とは平面５を挟んで互いに反対方向になす角度である。すなわち、ＸＹ平面上に第１の撮像部２０ａの撮像光学系の光軸を射影した場合、投影した光軸とＸＹ平面に投影されたライン光とのなす角度がθ１であり、また、第２の撮像部２０ｂの撮像光学系の射影した場合における投影した光軸とライン光とのなす角度がθ２である。なお、それぞれ平面５に対して、それぞれの平面６と平面７のなす角度は反対方向になっており、ライン光の像を違った撮像方向から撮像可能な構成となっている。しかし、第１の交線５６および第２の交線５７は、いずれか一方がスリット中心１１に一致していてもよいし、共にスリット中心１１とは一致していなくてもよい。
なお、上述の例では、ＸＹ平面上に撮像部２０の光軸を射影したが、投光部１０の光軸（または、スリット光５０の中心軸）に垂直な平面や、想定される載置台９の上面を含む平面等に射影して第１の角度θ１や第２の角度θ２を定義してもよい。また、他にも、光軸間のなす角を評価する面については、投光部から投射された光束がその評価する面に投射されたときに、基準面とその評価する面とが交差する位置に形成される線分と平行な方向に、長手方向となるスリット状のパターンが形成される面であれば、何れの面でも良い。
また、第１の撮像部２０ａの光軸および第２の撮像部２０ｂの光軸を、共通の平面に射影した際、基準面と該共通の平面との交線が、２つの撮像部の光軸を射影した直線同士の交点を通らないときがある。この場合は、該交線と平行な直線で該交点を通るものを挟んだ両側の角度として第１の角度θ１と第２の角度θ２とを定義すればよい。θ１とθ２は、例えば、その間の直線を０度として、両側にそれぞれ０度から１８０度の範囲で定義することができる。

なお、上述の配置関係を別の表現で表すと、第１の角度θ１と第２の角度θ２との和は１８０度未満である。換言すると、第１の支持部材８０ａが延在する方向と、第２の支持部材８０ｂが延在する方向とのなす角度は１８０度未満である。これにより、第１の撮像部２０ａの撮像方向と第２の撮像部２０ｂの撮像方向が正対して向かい合わないため、様々な形状の被検物９０に対して効率的に測定できる。特に、線対称な表面構造をもつ被検物９０に対して、第１の撮像部２０ａと第２の撮像部２０ｂが対称面に対し異なる角度から撮像するため、短い走査時間でより多くの情報を得ることができる。

図３は、第１の実施形態の光切断センサー１を用いた形状測定装置において、被検物９０としてのヘリカルギヤ（はすば歯車）の歯面検査を説明する図である。図３（ａ）は、載置台９の上面に対して直交した方向からヘリカルギヤを眺めたときのヘリカルギヤの図と、そのヘリカルギヤを測定する光切断センサー１の主要構成部を図示した図である。図３（ｂ）は、ヘリカルギヤをＹ方向から眺めたときの図である。光切断センサー１を具備した形状測定装置は、第１の撮像部２０ａおよび第２の撮像部２０ｂが撮像した撮像データ、マニピュレータから得られる光切断センサー１の位置情報と姿勢情報、及び載置台９の回転角度を基に、被検物９０の形状を算出する処理部３０と、インターフェース部４０や処理部３０からの情報を基に、撮像に適した撮像部２０を選択する選択部３５と、算出結果や撮像データを表示するとともに、ユーザからの情報の入力を受けるインターフェース部４０を有している。第１の撮像部２０ａおよび第２の撮像部２０ｂは、それぞれ撮像光学系２１ａ、２１ｂ、撮像素子２２ａ、２２ｂを備える。ヘリカルギヤ９０は不図示の載置台９に備えられた回転機構により回転軸９１の周りを回転する。

投光部１０は被検物９０にスリット光５０を照射する。投射方向からスリット光５０が照射された部分を見ると、ちょうど回転軸９１に平行な輝線５１が被検物９０の表面に投射される。第１の撮像部２０ａおよび／または第２の撮像部２０ｂの撮像光学系２１ａおよび／または２１ｂは、ヘリカルギヤの歯筋の方向に沿った方向から輝線５１の像を撮影するようなレイアウトになっている。すなわち、第１の撮像部２０ａおよび／または第２の撮像部２０ｂは輝線５１を撮像する。撮像された画像データは処理部３０に転送され、公知の画像処理方法により被検物９０の表面の輝線５１に対応する部分の形状が算出される。被検物９０を所定の回転速度で回転させながら、上記の手順を繰り返すことにより、被検物９０の表面全体の３次元形状が得られる。すなわち、図３の場合においては、被検物９０としてのヘリカルギヤの歯面の形状が得られる。これにより、歯面の凹凸やキズ等の表面状態を検査することができる。

本光切断センサー１においては、撮像部２０ａに関して、光学系２１ａの主平面と撮像素子２２ａの撮像面、およびライン光を投影する方向は、公知のシャインプルーフの条件を満たすことが好ましい。これにより、輝線５１全体が撮像素子２２ａの撮像面に合焦する。そのため、輝線の像を鮮明に撮像できるため、より高精度に被検物９０の表面の三次元形状を得ることができる。
撮像部２０ｂについても、撮像部２０ａに関しての上記説明と同様に、光学系２１ｂ、撮像素子２２ｂ、および輝線５１は、シャインプルーフの条件を満たすことが好ましい。

被検物９０の表面の三次元形状は、インターフェース部４０に設けられた表示部に表示される。ユーザは、インターフェース部４０により、第１の撮像部２０ａおよび第２の撮像部２０ｂの撮像条件を入力することができる。

図４は、図３(b)を参照して説明したヘリカルギヤの歯面検査をより詳しく説明する図である。被検物であるヘリカルギヤ９０Ａは、不図示の載置台に備えられた回転機構に設置され、回転軸９１を中心に定速回転する。回転軸９１はＸ軸に平行な方向に設置される。図４において、９２および９３は、それぞれヘリカルギヤ９０Ａの歯先および歯底を示す。すなわち、９２および９３により表される方向がヘリカルギヤ９０Ａの歯筋の方向である。図４に示す通り、ヘリカルギヤ９０Ａは左ねじれのヘリカルギヤである。投光部１０からヘリカルギヤ９０Ａに向けて照射されたスリット光５０は、ヘリカルギヤ９０Ａのいくつかの歯先を連ねて照射される。その照射されたスリット光の像を第１の撮像部２０ａおよび第２の撮像部２０ｂは、それぞれ紙面に対して左側斜め手前および右側斜め手前から輝線５１を撮影するように設定されている。すなわち、第１の角度θ１および第２の角度θ２は共に９０度より小さくなるように設定されている。

ここで、撮像部による輝線５１の撮像について説明する。図４においては、矢印Ａ１が第１の撮像部２０ａの光軸を表し、矢印Ａ２が第２の撮像部２０ｂの光軸を表す。図４に示した通り、ヘリカルギヤ９０Ａの歯筋の方向は、第１の撮像部２０ａの光軸Ａ１とは交差する。従って、ヘリカルギヤ９０Ａの表面に形成される輝線５１を第１の撮像部２０ａにより撮像しようとすると、歯底９３の一部または全部が歯先９２により遮られた状態（オクルージョン（occlusion）という）となって撮像されないことがある。一方、第２の撮像部２０ｂの光軸Ａ２は、ヘリカルギヤ９０Ａの歯筋の方向とほぼ一致するように設定されるので、歯底９３が歯先９２により遮られて撮像されないという問題は起こらない。従って、このような場合は、第２の撮像部２０ｂにより輝線５１を撮像して、ヘリカルギヤ９０Ａの歯面の三次元形状を取得する。ヘリカルギヤ９０Ａは定速回転しながらＸ軸方向（たとえば、Ｘ軸＋方向）に所定の速度で移動する。これにより、輝線５１はヘリカルギヤ９０Ａの歯面全体を走査することができる。

なお、輝線５１が形成される位置を相対的に移動させて被検物９０の表面全体を測定するには、歯面上で輝線５１の短手方向と、被検物９０の相対的な移動方向との間の角度が小さい方が測定時間が少なくて済み、両者が一致した場合に検査時間は最短にできる。図４の例では、歯面上で輝線５１の短手方向に垂直な方向と回転軸９１とが平行である場合に、スリット光に対して垂直な方向と相対移動方向がほぼ一致するため、被検物を１回転する間に、測定する領域を最大限に広くすることができ、それゆえ、被検物全体に掛かる測定時間を最短にできる。

図５は、図４と同様のヘリカルギヤの歯面検査を詳しく説明する図である。図５と図４とは、図４における測定対象がヘリカルギヤ９０Ａであるのに対して、図５における測定対象がヘリカルギヤ９０Ｂである点が異なるのみで、それ以外の点については同様である。ヘリカルギヤ９０Ｂは、歯筋の傾きの大きさは、ヘリカルギヤ９０Ａの歯筋の傾きの大きさと同じであるが、傾きの方向が逆である。すなわち、ヘリカルギヤ９０Ｂは左ねじれのヘリカルギヤである。

ヘリカルギヤ９０Ｂの歯筋の方向は、第２の撮像部２０ｂの光軸とは交差する。従って、ヘリカルギヤ９０Ｂの表面に形成される輝線５１を第２の撮像部２０ａにより撮像しようとすると、歯底９３が歯先９２により遮られて撮像されないことがある。すなわち、オクルージョンが発生することがある。一方、第１の撮像部２０ａの光軸は、ヘリカルギヤ９０Ｂの歯筋の方向とほぼ一致するように設定されるので、歯底９３が歯先９２により遮られて撮像されないという問題は起こらない。従って、このような場合は、第１の撮像部２０ａにより輝線５１を撮像して、ヘリカルギヤ９０Ｂの歯面の三次元形状を取得する。

図６は、光切断センサー１を用いて燃料電池のセパレータの三次元形状の測定を説明する図である。被検物である燃料電池のセパレータ９０は、その表面９０ｓに一定の深さを有する溝部９４を備える。溝部９４は、図６の左上から右下の方向に延びる第１溝部９４ａと、右上から左下の方向に延びる第２溝部９４ｂを含む。第１の撮像部２０ａおよび第２の撮像部２０ｂは、それぞれの光学系の光軸Ａ１およびＡ２が、それぞれ第２溝部９４ｂの延伸方向および第１溝部９４ａの延伸方向とほぼ一致するように設定される。すなわち、第１の撮像部２０ａは第２溝部９４ｂの延伸方向の手前斜め上方から輝線５１を撮像するように設定され、第２の撮像部２０ｂは第１溝部９４ａの延伸方向の手前斜め上方から輝線５１を撮像するように設定される。輝線５１の方向は、第１溝部９４ａおよび第２溝部９４ｂの両方とほぼ同じ角度で交わるように設定する。セパレータ９０を図６に白抜きの矢印Ａ３で示された方向に移動させながら、第１の撮像部２０ａおよび第２の撮像部２０ｂにより輝線５１を撮像し、両者が撮像した撮像データを用いて、セパレータ９０の表面の３次元形状を取得する。

撮像部による撮像に関して詳しく説明する。溝部９４を構成する壁面は、溝部９４の底面に対してほぼ垂直である。このため、溝部９４を第１の撮像部２０ａにより撮像しようとする場合、第２溝部９４ｂの底面に形成される輝線５１は良好に撮像できるのに対して、第１溝部９４ａの底面に形成される輝線５１の一部は、手前の表面９０ｓに遮られて撮像できない。すなわち、オクルージョンが発生する。一方、溝部９４を第２の撮像部２０ｂにより撮像しようとする場合、第１溝部９４ａの底面に形成される輝線５１は良好に撮像できるのに対して、第２溝部９４ｂの底面に形成される輝線５１の一部は、手前の表面９０ｓに遮られて撮像できない。すなわち、オクルージョンが発生する。

そこで、第１溝部９４ａについては第２の撮像部２０ｂにより撮像し、第２溝部９４ｂについては第１の撮像部２０ａにより撮像することで、溝部９４の全ての部分について良好な撮像データが得られる。

なお、図４、図５および図６を参照した３次元形状の測定においては、第１の撮像部２０ａと第２の撮像部２０ｂのいずれか一方により被測定物９０の表面に形成された輝線を撮像するように説明した。しかし、第１の撮像部２０ａと第２の撮像部２０ｂの両方で撮像して、良好に撮像できた方の撮像部により撮像された画像データを用いて被検物９０の表面の３次元形状を取得するようにしてもよい。また、第１の撮像部２０ａと第２の撮像部２０ｂとが共に良好に撮像できた場合には、両方の撮像部により撮像された撮像データを合成して被検物９０の表面の３次元形状を取得するようにしてもよい。
また、被検物９の溝部の延設方向に応じて、第１の撮像部と第２の撮像部を選択可能にしてもよい。なお、被検物９のモデルデータ（例えば、ＣＡＤデータや歯車緒元データ）がある場合、ユーザインターフェース部４０を介して、入力することで、溝部の延設方向に応じて選択部３５によりどちらの撮像部を選択するかを判定させ、選択した撮像部の撮像データを基に、形状測定を行うようにしてもよい。

上述した第１の実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）第１の実施の形態に係る形状測定装置１は、スリット光５０に沿った平面の両側に第１の撮像部２０ａおよび第２の撮像部２０ｂを配置し、第１の角度θ１と第２の角度θ２との和が１８０度未満である。第１の撮像部２０ａの撮像方向と第２の撮像部２０ｂの撮像方向が正対して向かい合わないため、単一の撮像方向から計測を行う場合と比較して、被測定物９０の表面の形状に起因するオクル-ジョンの発生を避けるような撮像方向を選択し易くすることができる。また、これにより、適切な撮像方向から撮像することで、多重反射光を区別がしやすくなり、より精密な測定ができる。さらに、少ない計測時間で計測可能となる輝線５１の方向を選択することができる。従って、より精密な測定ができ、また計測時間を短縮し、作業効率を向上することができる。
さらに、単一の撮像方向の計測装置を用いた場合、被検物９０の形状によってはオクル-ジョンが発生し、被検物９０の全計測範囲を計測するためには、被検物９０の載置姿勢を変更して、複数回の計測を行う必要があった。これに対して、本実施の形態によれば、複数の撮像方向から計測を行うことができるので、被検物９０の載置姿勢の変更を不要とするか、仮に被検物９０の載置姿勢の変更が必要であっても、その回数を低減することができるので、作業効率を向上し、生産性向上に寄与することができる。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態による光切断センサーについて説明する。本発明の第２の実施形態による光切断センサー２は、本発明の第１の実施形態の光切断センサー１における第１の支持部材８０ａと第２の支持部材８０ｂとが、それぞれ投光部１０にある回転軸８を中心に回動可能にしたものである。本発明の第２の実施形態による光切断センサー２は、その他の基本的構成については第１の実施形態による光切断センサー１と同一である。該同一部分については第１の実施形態と同一の符号で参照し、場合に応じ説明を省略する。

図７は、本発明の第２の実施形態による光切断センサー２の斜視図である。光切断センサー２は、光切断センサー１と同様、投光部１０、第１の撮像部２０ａ、第２の撮像部２０ｂ、第１の支持部材８０ａおよび第２の支持部材８０ｂを備える。本実施形態では、第１の支持部材８０ａおよび第２の支持部材８０ｂは、投光部１０の光軸８を中心に回動可能に構成されている。なお、以下の説明においては、第１の支持部材８０ａと第２の支持部材８０ｂとが共通の回転軸を有するものとして説明するが、この例に限定されず、第１の支持部材８０ａと第２の支持部材８０ｂとが異なる回転軸にて回動可能であってもよい。この場合、第１の支持部材８０ａの回転軸と第２の支持部材８０ｂの回転軸とのうちの一方が投光部１０の光軸８と一致していても良いし、何れの回転軸も光軸８と一致していなくてもよい。

図８は、本発明の第２の実施形態による光切断センサー２の外観図であり、図８（ａ）は光切断センサー２の上面図、図８（ｂ）は光切断センサー２の側面図である。第１の角度θ１と第２の角度θ２は第１の実施形態と同様に定義される。第１の角度θ１は第１の支持部材８０ａの回転角でもある。同様に、第２の角度θ２は、第２の支持部材８０ｂの回転角でもある。

第１の支持部材８０ａおよび第２の支持部材８０ｂの可動域は、それぞれに固定された第１の撮像部２０ａおよび第２の撮像部２０ｂが互いの撮像を妨げない範囲で任意に定めることができる。例えば、平面５を挟んで一方の側（図８の（ａ）に示すＹ＋側）にて第１の支持部材８０ａが回動可能であり、他方の側（図８の（ａ）に示すＹ−側）にて第２の支持部材８０ｂが回動可能とすることができる。

この場合において、第１の回転角θ１および第２の回転角θ２が０度から１８０度の間の値をとるものとすることができる。あるいは、第１の支持部材８０ａおよび第２の支持部材８０ｂが互いに接触しないようあそびを設け、第１の回転角θ１および第２の回転角θ２が５度から１７５度の間の値をとるものとすることができる。これにより、第１の支持部材８０ａおよび第２の支持部材８０ｂが互いの撮像を妨げない範囲で、被検物の形状に応じて第１の撮像部２０ａおよび第２の撮像部２０ｂの撮像位置を決定することができる。

図９は、本発明の第２の実施の形態による形状測定装置１００の、回動機構を説明するためのＡ−Ａ断面図である。投光部１０の外周部には、第１の支持部材８０ａおよび第２の支持部材を回動するためのモーター１０４ａおよびモーター１０４ｂが固定されている。モーター１０４ａおよびモーター１０４ｂのそれぞれの回転軸には、それぞれ歯車１０３ａおよび歯車１０３ｂが固定され、モーター１０４ａおよびモーター１０４ｂの回転に伴って、歯車１０３ａおよび歯車１０３ｂは個別に回転する。

第１の支持部材８０ａの一部には歯車１０２ａが形成されており、歯車１０３ａと係合する。また、第１の支持部材８０ｂの一部には歯車１０２ｂが形成されており、歯車１０３ｂと係合する。これにより、モーター１０４ａが回転すると、歯車１０３ａおよび歯車１０２ａを介して第１の支持部材８０ａは光軸８を中心に回動する。同様に、モーター１０４ｂが回転すると、歯車１０３ｂおよび歯車１０２ｂを介して第２の支持部材８０ａは軸８を中心に回動する。なお、歯車１０２ａは第１の支持部材８０ａと一体でなくとも、別部材により構成されていてもよい。同様に、歯車１０２ｂは第２の支持部材８０ｂと一体でなくとも、別部材により構成されていてもよい。

第１のモーター１０４ａおよび第２のモーター１０４ｂはそれぞれいずれの方向にも回転可能であり、図８（ａ）の上面図において、第１の支持部材２０ａおよび第２の支持部材２０ｂのそれぞれを、時計回り、反時計回りのいずれの両方にも回動させることができる。すなわち、第１の支持部材８０ａの角度θ１および第２の支持部材８０ｂの角度θ２は、互いに独立に制御可能である。

ユーザは、インターフェース部４０（図３）からの入力により第１のモーターおよび第２のモーターの動作を制御することができる。従って、被検物の表面形状に応じて、第１の撮像部２０ａおよび第２の撮像部２０ｂの撮像位置を設定することができる。なお、第１のモーター１０４ａおよび第２のモーター１０４ｂとしてステッピングモーターあるいはロータリーエンコーダ付のモーターを用いることで、第１の支持部材８０ａおよび第２の支持部材８０ｂの第１の回転角θ１および第２の回転角θ２についての情報を知ることができる。

上述した実施の形態によれば、第１の実施の形態により得られる作用効果に加えて、次の作用効果が得られる。
（１）第１の支持部材８０ａと第２の支持部材８０ｂとは、投光部１０の光軸８を中心として回動可能に支持される。即ち、第１の支持部材８０ａに固定された第１の撮像部２０ａと、第２の支持部材８０ｂに固定された第２の撮像部２０ｂとは、輝線５１に対して位置を変更することができる。従って、スリット光５０に対する第１の撮像部２０ａの撮像方向と第２の撮像部２０ｂの撮像方向とを選択する際の自由度を向上させることができる。このため、ユーザは、被検物９０の表面形状に応じて、オクル-ジョンの発生を避けられ、それゆえ多重反射光の像との区別も容易になる一方、計測時間の短縮を可能とするために最適な撮像部２０の位置を選択できるため、様々な表面形状を有する被検物９０の計測に対応することが可能となる。
（２）本実施形態の形状測定装置２では、第１の支持部材８０ａと第２の支持部材８０ｂとを回動駆動させることにより、撮像部２０の位置を変更する。従って、ユーザは、光切断センサー２に直接触れることなく、撮像方向の調整をすることができるので、ユーザは測定系を遠隔制御可能となり、より広汎な条件下で形状測定装置１００を使用することができる。

−第３の実施の形態−
図面を参照して、本発明の実施の形態による構造物製造システムを説明する。本実施の形態の構造物製造システムは、たとえば自動車のドア部分、エンジン部分、ギヤ部分および回路基板を備える電子部品等の成型品を作成する。

図１０は、本実施の形態による構造物製造システム６００の構成の一例を示すブロック図である。構造物製造システム６００は、第１の実施の形態または変形例にて説明した光切断センサー１を具備した形状測定装置１００と、設計装置６１０と、成形装置６２０と、制御システム６３０と、リペア装置６４０とを備える。なお、光切断センサーは、第２の実施形態で説明した光切断センサー２または以下の変形例で説明したものでもよい。

設計装置６１０は、構造物の形状に関する設計情報を作成する際にユーザが用いる装置であって、設計情報を作成して記憶する設計処理を行う。設計情報は、構造物の各位置の座標を示す情報である。設計情報は成形装置６２０および後述する制御システム６３０に出力される。成形装置６２０は設計装置６１０により作成された設計情報を用いて構造物を作成、成形する成形処理を行う。この場合、成形装置６２０は、３Ｄプリンター技術で代表される積層加工、鋳造加工、鍛造加工および切削加工のうち少なくとも１つを行うものについても本発明の一態様に含まれる。

形状測定装置１００は、成形装置６２０により成形された構造物の形状を測定する測定処理を行う。形状測定装置１００は、構造物を測定した測定結果である構造物の座標を示す情報（以後、形状情報と呼ぶ）を制御システム６３０に出力する。制御システム６３０は、座標記憶部６３１と、検査部６３２とを備える。座標記憶部６３１は、上述した設計装置６１０により作成された設計情報を記憶する。

検査部６３２は、成形装置６２０により成形された構造物が設計装置６１０により作成された設計情報に従って成形されたか否かを判定する。換言すると、検査部６３２は、成形された構造物が良品か否かを判定する。この場合、検査部６３２は、座標記憶部６３１に記憶された設計情報を読み出して、設計情報と形状測定装置１００から入力した形状情報とを比較する検査処理を行う。検査部６３２は、検査処理としてたとえば設計情報が示す座標と対応する形状情報が示す座標とを比較し、検査処理の結果、設計情報の座標と形状情報の座標とが一致している場合には設計情報に従って成形された良品であると判定する。設計情報の座標と対応する形状情報の座標とが一致していない場合には、検査部６３２は、座標の差分が所定範囲内であるか否かを判定し、所定範囲内であれば修復可能な不良品と判定する。

修復可能な不良品と判定した場合には、検査部６３２は、不良部位と修復量とを示すリペア情報をリペア装置６４０へ出力する。不良部位は設計情報の座標と一致していない形状情報の座標であり、修復量は不良部位における設計情報の座標と形状情報の座標との差分である。リペア装置６４０は、入力したリペア情報に基づいて、構造物の不良部位を再加工するリペア処理を行う。リペア装置６４０は、リペア処理にて成形装置６２０が行う成形処理と同様の処理を再度行う。

図１１に示すフローチャートを参照しながら、構造物製造システム６００が行う処理について説明する。
ステップＳ２０１では、設計装置６１０はユーザによって構造物の設計を行う際に用いられ、設計処理により構造物の形状に関する設計情報を作成し記憶してステップＳ２０２へ進む。なお、設計装置６１０で作成された設計情報のみに限定されず、既に設計情報がある場合には、その設計情報を入力することで、設計情報を取得するものについても本発明の一態様に含まれる。ステップＳ２０２では、成形装置６２０は成形処理により、設計情報に基づいて構造物を作成、成形してステップＳ２０３へ進む。ステップＳ２０３においては、形状測定装置１００は測定処理を行って、構造物の形状を計測し、形状情報を出力してステップＳ２０４へ進む。

ステップＳ２０４では、検査部６３２は、設計装置６１０により作成された設計情報と形状測定装置１００により測定され、出力された形状情報とを比較する検査処理を行って、ステップＳ２０５へ進む。ステップＳ２０５では、検査処理の結果に基づいて、検査部６３２は成形装置６２０により成形された構造物が良品か否かを判定する。構造物が良品である場合、すなわち設計情報の座標と形状情報の座標とが一致する場合には、ステップＳ２０５が肯定判定されて処理を終了する。構造物が良品ではない場合、すなわち設計情報の座標と形状情報の座標とが一致しない場合や設計情報には無い座標が検出された場合には、ステップＳ２０５が否定判定されてステップＳ２０６へ進む。

ステップＳ２０６では、検査部６３２は構造物の不良部位が修復可能か否かを判定する。不良部位が修復可能ではない場合、すなわち不良部位における設計情報の座標と形状情報の座標との差分が所定範囲を超えている場合には、ステップ２０６が否定判定されて処理を終了する。不良部位が修復可能な場合、すなわち不良部位における設計情報の座標と形状情報の座標との差分が所定範囲内の場合には、ステップＳ２０６が肯定判定されてステップＳ２０７へ進む。この場合、検査部６３２はリペア装置６４０にリペア情報を出力する。ステップＳ２０７においては、リペア装置６４０は、入力したリペア情報に基づいて、構造物に対してリペア処理を行ってステップＳ２０３へ戻る。なお、上述したように、リペア装置６４０は、リペア処理にて成形装置６２０が行う成形処理と同様の処理を再度行う。

上述した第３の実施の形態による構造物製造システムによれば、以下の作用効果が得られる。
（１）構造物製造システム６００の形状測定装置１００は、設計装置６１０の設計処理に基づいて成形装置６２０により作成された構造物の形状情報を取得する測定処理を行い、制御システム６３０の検査部６３２は、測定処理にて取得された形状情報と設計処理にて作成された設計情報とを比較する検査処理を行う。従って、構造物の欠陥の検査や構造物の内部の情報を非破壊検査によって取得し、構造物が設計情報の通りに作成された良品であるか否かを判定できるので、構造物の品質管理に寄与する。

（２）リペア装置６４０は、検査処理の比較結果に基づいて、構造物に対して成形処理を再度行うリペア処理を行うようにした。従って、構造物の不良部分が修復可能な場合には、再度成形処理と同様の処理を構造物に対して施すことができるので、設計情報に近い高品質の構造物の製造に寄与する。

次のような変形も本発明の範囲内であり、変形例の一つ、もしくは複数を上述の実施形態と組み合わせることも可能である。
（変形例１）
上述した実施の形態では、投光部１０は直線状のスリット光５０を出射する設定とした。ここで、投光部１０が出射するスリット光５０のパターンは直線状に限らない。例えば、ビームを直線上に走査（スキャン）することによりスリット状の光を形成してもよい。

（変形例２）
上述の第１の実施の形態では、第１の角度θ１と第２の角度θ２との和が１８０度未満になるようにしたが、第１の角度θ１および第２の角度θ２がそれぞれ９０度未満としてもよい。これにより、さらに多様な表面形状を有する被検物に対応可能となり、上述したように計測時間の短縮、作業効率の向上が図れる。同様の理由により、第２の実施の形態においても、可動域を第１の回転角θ１および第２の回転角θ２がそれぞれ０度から９０度の範囲とすることができる。
（変形例３）
上述の第２の実施の形態において、ユーザが被検物９０の形状を特徴づけるパラメータをインターフェース部４０を通じて入力するようにしてもよい。この場合、処理部３０は、被検物９０の形状を特徴づけるパラメータを受け取る。そして、処理部３０は、自動的に該被検物９０の測定に適した位置に第１の支持部材２０ａおよび第２の支持部材２０ｂが回動する構成とする。例えば、左ねじれと右ねじれのヘリカルギヤを交互に測定するような場合、ユーザは、歯面上において輝線５１と歯筋の方向とがなす角度をインターフェース部４０を通じて入力することができる。処理部３０は、該輝線５１と歯筋の方向とがなす角度に基づいて、第１の撮像部２０ａおよび第２の撮像部２０ｂの撮像方向が最適となるように、第１の支持部材８０ａおよび第２の支持部材８０ｂを設定することができる。

被検物９０の表面形状を解析する画像解析部をさらに設けてもよい。これにより、被検物の表面形状の特徴に基づいて、処理部３０は、自動的に該被検物９０の測定に適した位置に第１の支持部材８０ａおよび第２の支持部材８０ｂが回動する構成にしてもよい。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１、２…光切断センサ
５…基準面
６…第１の平面
７…第２の平面
８…投光部の光軸
１０…投光部
１１…スリット光の中心軸
２０ａ…第１の撮像部
２０ｂ…第２の撮像部
３０…処理部
３５…選択部
４０…インターフェース部
５０…スリット光
５１…輝線
８０ａ…第１の支持部材
８０ｂ…第２の支持部材
１００…形状計測装置

Claims (11)

1. 被検物に向けてスリット状の光を出射、またはスリット状に光束を走査する投光部と、
   前記スリット状の光束またはスリット状に走査したときに前記光束が通過する平面に沿った基準面に対して、相反する側にそれぞれ配置された第１および第２の撮像部とを備え、
   前記第１の撮像部の撮像光学系の光軸と前記第２の撮像部の撮像光学系の光軸とを前記投光部の光軸に垂直な平面上に射影した時のそれぞれの前記撮像光学系の光軸の射影がなす角度が、１８０度未満であり、
   前記角度を、前記基準面と、前記投光部の光軸に垂直な平面との交線で２分割した場合に、前記第１の撮像部がある側の角度を第１の角度とし、前記第２の撮像部がある側の角度を第２の角度とし、
   前記第１の角度および／または前記第２の角度は可変である形状測定装置。
2. 請求項１に記載の形状測定装置において、
   前記スリット状の光束またはスリット状に走査した前記光束により前記被検物に形成される輝線の像が前記被検物の一部に遮られないように、被検物の形状に関する情報に基づいて、前記第１の角度および／または前記第２の角度を調整する処理部を有する形状測定装置。
3. 請求項２に記載の形状測定装置において、
   前記被検物の形状に関する情報は、ユーザが入力した被検物の形状を特徴づけるパラメータである形状測定装置。
4. 請求項２に記載の形状測定装置において、
   被検物の形状を解析する画像解析部を備え、
   前記処理部は、前記画像解析部が解析した被検物の形状の特徴に基づいて、前記第１の角度および／または前記第２の角度を調整する形状測定装置。
5. 請求項１から４までのいずれか一項に記載の形状測定装置において、
   前記第１の角度および前記第２の角度がそれぞれ９０度未満である形状測定装置。
6. 請求項１から５までのいずれか一項に記載の形状測定装置において、
   前記形状測定装置は、
   前記第１の撮像部を支持する第１の支持部材と、
   前記第２の撮像部を支持する第２の支持部材とをさらに備え、
   前記第１および／または第２の支持部材は、前記投光部の光軸を中心として回動可能に支持される形状測定装置。
7. 請求項１から６までのいずれか一項に記載の形状測定装置において、
   前記被検物の形状に応じて、前記第１の撮像部と前記第２の撮像部とが選択可能である形状測定装置。
8. 請求項１から６までのいずれか一項に記載の形状測定装置において、
   前記被検物に形成された溝部の延設方向に応じて、前記第１の撮像部と前記第２の撮像部とが選択する選択部を有した形状測定装置。
9. 構造物の形状に関する設計情報を作成し、
   前記設計情報に基づいて前記構造物を作成し、
   作成された前記構造物の形状を、請求項１から８までのいずれか一項に記載の形状測定装置を用いて計測して形状情報を取得し、
   前記取得された前記形状情報と前記設計情報とを比較する構造物の製造方法。
10. 請求項９に記載の構造物の製造方法において、
    前記形状情報と前記設計情報との比較結果に基づいて実行され、前記構造物の再加工を行う構造物の製造方法。
11. 請求項１０に記載の構造物の製造方法において、
    前記構造物の再加工は、前記設計情報に基づいて前記構造物の作成を再度行う構造物の製造方法。

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