JPH05164525A - レーザ式座標測定装置の測定ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 大きく被測定面の向きが変化する被測定物で
も連続的にかつ精度よく測定できる、レーザ式座標測定
装置の測定ヘッドを提供する。 【構成】 直交３軸移動装置１０の先端に固定された
Ｘ，Ｙ，Ｚ座標軸に沿って移動可能なアーム基台３０に
対して、回転アーム４０，５０が回転可能に取付けられ
ている。回転アーム４０，５０の先端にレーザ発光素子
５６と受光素子５８を備えたレーザセンサ５４が取付け
られ、レーザ発光素子５６のレーザ光出射方向はアーム
基台３０に対する回転中心軸に対して傾斜している。こ
の傾斜角と回転中心軸からレーザ光出射位置までの距離
とで決まる所定の点の位置は、レーザセンサ５４の向き
が変わっても変化しないので、直交３軸移動装置１０で
アーム基台３０を移動させて測定点を常に上記所定の点
に位置させることによって、測定点の位置を移動させる
ことなくレーザセンサ５４の向きを変化させられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、レーザ光の反射を利
用した三角測量方式によって、物体の表面形状を直交座
標系の座標値として測定するレーザ式座標測定装置の測
定ヘッドに関し、特に自動車のクレーモデルのようにオ
ーバーハングを有する物体の表面形状を測定するのに適
した測定ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車の生産工程等において、物体の表
面形状をＸ，Ｙ，Ｚの三次元の座標値として測定する三
次元測定機が用いられる。かかる三次元測定機として、
近年、レーザ光の反射を利用して表面形状を測定する非
接触式の三次元測定機が開発されている。この装置で
は、Ｘ，Ｙ，Ｚの三軸方向に移動可能な移動機構の先端
に、レーザ光源とアレイ型の受光素子とを備えたレーザ
センサが設けられている。このレーザセンサを被測定面
に沿って移動させ、被測定面にレーザ光を照射して反射
されたレーザ光を受光素子で受光する。そして、受光素
子アレイ上の反射光が受光される位置の変化から三角測
量方式に基づいてレーザセンサと各測定点の距離を算出
し、この距離の値を直交座標系における各測定点の座標
値に変換することによって、被測定面の形状を求めるも
のである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のレーザ式三次元
測定機においては、正確な測定を行うためには、レーザ
光ビームを被測定面に対して垂直に近く照射する必要が
ある。しかしながら従来の三次元測定機の移動機構は、
レーザセンサをＸ，Ｙ，Ｚの三軸方向に平行移動させる
ことしかできなかった。このため、自動車のクレーモデ
ルやボンネットのようにオーバーハングを有していて、
被測定面の向きが大きく変化する被測定物の場合には、
連続的に測定することができない。このような場合に
は、測定点の位置を何らかの方法で記憶した上でレーザ
センサの向きを変え、レーザ光のスポットを測定を中断
した点に合わせ直してから再び測定する必要がある。こ
のため一回の測定に多くの時間と手数を要し、しかも高
精度の測定が困難であるという問題点があった。そこで
本発明においては、大きく被測定面の向きが変化する被
測定物でも連続的にかつ精度よく測定できる、レーザ式
座標測定装置の測定ヘッドを提供することを目的とす
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】そこで本発明において
は、上記の課題を解決するために、直交座標系の座標軸
に沿って移動可能なアーム基台に取付けられたレーザ発
光素子および受光素子を備えた測定ヘッドと、該測定ヘ
ッドの被測定面に沿った移動を被測定面の座標値に変換
する座標変換機構とを備えたレーザ式座標測定装置用の
測定ヘッドであって、前記レーザ発光素子および前記受
光素子が該レーザ発光素子のレーザ光出射方向に対して
略垂直な方向に所定長さだけ離れて固定されたレーザセ
ンサと、前記アーム基台に対して回転可能に取付けられ
た回転アームとを有し、該回転アームの先端に前記レー
ザセンサが前記レーザ発光素子のレーザ光出射方向が前
記アーム基台に対する前記回転アームの回転中心軸に対
して傾斜するように固定されていることを特徴とするレ
ーザ式座標測定装置の測定ヘッドを創出した。

【０００５】

【作用】さて、上記の構成を備えた本発明のレーザ式座
標測定装置の測定ヘッドによると、アーム基台に対して
回転アームが回転可能に取付けられ、この回転アームの
先端にレーザ発光素子と受光素子とを備えたレーザセン
サが取付けられている。ここで、レーザ発光素子のレー
ザ光出射方向は、アーム基台に対する回転アームの回転
中心軸に対して傾斜している。この傾斜の角度と前記回
転中心軸からレーザセンサのレーザ光出射位置までの距
離とによって決まる所定の点は、レーザセンサの向きが
変わってもその位置が変化しない。従って、アーム基台
を直交座標系の座標軸に沿って移動可能させることによ
って、被測定面上のレーザ光が照射される位置すなわち
測定点を常に上記所定の点に位置させれば、該測定点の
位置を移動させることなくレーザセンサの向きを変化さ
せることができる。これによって、被測定面の向きが大
きく変化する場合にも被測定面の向きの変化点で測定点
の位置を記憶する必要がなく、単にレーザセンサの向き
を変えるだけでそのまま連続的に測定を行うことができ
る。このようにして、大きく被測定面の向きが変化する
被測定物についても、測定点を不連続にすることなく、
連続的にかつ精度よく測定することができる。

【０００６】

【実施例】次に、本発明に係るレーザ式座標測定装置の
測定ヘッドを具現化した一実施例について、図１〜図７
を参照して説明する。図１は、本発明の測定ヘッドの一
実施例を用いたレーザ式座標測定装置の全体構成と、こ
のレーザ式座標測定装置を用いた表面形状の測定方法を
示した説明図である。参照符号１はレーザ式座標測定装
置であり、このレーザ式座標測定装置１は、測定ヘッド
２、直交３軸移動装置１０、および座標変換ユニット２
０を中心として構成されている。直交３軸移動装置１０
は、Ｚ軸シャフト１２、Ｙ軸シャフト１４、Ｘ軸シャフ
ト１８と、これら三本のシャフトを接続するＺ−Ｙ移動
機構１３およびＹ−Ｘ移動機構１６とから構成されてい
る。前記Ｘ軸シャフト１８の先端には、接続ピン３２に
よって、前記測定ヘッド２が回転可能に取付けられてい
る。

【０００７】前記Ｙ−Ｘ移動機構１６には、Ｘ軸シャフ
ト１８がスライド可能に嵌合する貫通穴１６ｂと、Ｙ軸
シャフト１４がスライド可能に嵌合する貫通穴１６ａが
設けられている。前記貫通穴１６ｂ部分には、Ｙ−Ｘ移
動機構１６とＸ軸シャフト１８の間に図示しないＸ軸ラ
ックアンドピニオン機構が設けられており、さらにＹ−
Ｘ移動機構１６中には図示しないＸ軸モータが取付けら
れている。このＸ軸モータの回転力が、Ｘ軸ラックアン
ドピニオン機構によってＹ−Ｘ移動機構１６に対するＸ
軸シャフト１８の図示左右方向への相対移動の推進力に
変えられる。これによって、Ｘ軸シャフト１８は、その
先端に取付けられた前記測定ヘッド２とともに、Ｙ−Ｘ
移動機構１６に対して図示左右方向にスライドする。

【０００８】同様に、貫通穴１６ａ部分には、Ｙ−Ｘ移
動機構１６と前記Ｙ軸シャフト１４の間に図示しないＹ
軸ラックアンドピニオン機構が設けられており、さらに
Ｙ−Ｘ移動機構１６中には図示しないＹ軸モータが取付
けられている。このＹ軸モータの回転力が、Ｙ軸ラック
アンドピニオン機構によって、Ｙ軸シャフト１４に対す
るＹ−Ｘ移動機構１６の図示前後方向（紙面に垂直な方
向）への相対移動の推進力に変えられる。これによって
Ｙ−Ｘ移動機構１６は、前記貫通穴１６ｂ部分において
嵌合したＸ軸シャフト１８とともに、Ｙ軸シャフト１４
に対して図示前後方向にスライドするのである。

【０００９】さらに、前記Ｚ−Ｙ移動機構１３には、Ｚ
軸シャフト１２がスライド可能に嵌合する貫通穴１３ａ
と、Ｙ軸シャフト１４が貫通して固定される図示しない
貫通穴（前記貫通穴１６ａの後方に位置している）が設
けられている。そして貫通穴１３ａ部分には、Ｚ−Ｙ移
動機構１３とＺ軸シャフト１２の間に、図示しないＺ軸
ラックアンドピニオン機構が設けられており、さらにＺ
−Ｙ移動機構１３中には図示しないＺ軸モータが取付け
られている。このＺ軸モータの回転力が、Ｚ軸ラックア
ンドピニオン機構によって、Ｚ−Ｙ移動機構１３のＺ軸
シャフト１２に対する上下移動の推進力に変えられる。
これによって、図示しない貫通穴に固定されたＹ軸シャ
フト１４とともに、Ｚ−Ｙ移動機構１３がＺ軸シャフト
１２に対して上下方向にスライドする。このようにし
て、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の３軸方向に移動可能な直交３軸
移動装置１０が構成されている。これによって、Ｘ軸シ
ャフト１８の先端に取付けられた測定ヘッド２が、直交
座標系の座標軸に沿って移動可能になっている。

【００１０】次に、前記測定ヘッド２について、図１お
よび図２を参照して説明する。図１に示されるように、
測定ヘッド２は、接続ピン３２によって前記Ｘ軸シャフ
ト１８の先端に回転可能に取付けられたアーム基台３０
と、同アーム基台３０の屈曲部に回転可能に取付けられ
た第一回転アーム４０、さらに同第一回転アーム４０の
屈曲部に回転可能に取付けられた第二回転アーム５０、
そして同第二回転アーム５０の屈曲部に固定されたレー
ザセンサ５４を中心として構成されている。前記アーム
基台３０と前記第一回転アーム４０との取付け部分に
は、両者の回転角度を測定するためのロータリーエンコ
ーダ３４が設けられている。同様に、前記第一回転アー
ム４０と前記第二回転アーム５０との取付け部分には、
両者の回転角度を測定するためのロータリーエンコーダ
４２が設けられている。

【００１１】前記レーザセンサ５４の内部には、レーザ
発光素子５６とアレイ型の受光素子５８が組み込まれて
いる。レーザ発光素子５６から出射されたレーザ光ビー
ムは、レーザセンサ５４の先端の開口部を通って被測定
面４ａ〜４ｃに対して照射され、被測定面４ａ〜４ｃに
おいて反射された散乱光は、レーザセンサ５４の先端に
設けられた結像レンズ６０で集光されて受光素子５８に
入射する。このとき散乱光の入射する位置によって、後
述するようにレーザセンサ５４から被測定面４までの距
離が検知される。さらにレーザセンサ５４の外面には、
レーザ発光素子５６および受光素子５８に作動電力を供
給する電源ケーブルと、受光素子５８の出力信号を取出
す信号ケーブルを接続するための、電源ケーブル接続部
５２が設けられている。

【００１２】この測定ヘッド２のさらに詳しい構造につ
いて、図２を参照して説明する。図２は、本実施例に係
る測定ヘッド２の構造を示す図である。アーム基台３０
は図２に示されるような形状を有する部材であり、接続
ピン３２によってＸ軸シャフト１８に対してＸ軸シャフ
ト１８の軸中心線Ｂ_axのまわりに回転可能に取り付けら
れるＸ軸接続部３０ａと、このＸ軸接続部３０ａに対し
て二段階に屈曲した第一回転アーム接続部３０ｂとを有
している。そして、アーム基台３０のＸ軸接続部３０ａ
には、アーム基台３０をＸ軸シャフト１８の軸中心線Ｂ
_axのまわりに回転させるための図示しない回転モータ機
構と、その回転角度を測定するための角度検知機構が設
けられている。本実施例においては、この角度検知機構
はホール素子によって構成されており、角度検知は０
度，９０度，１８０度，２７０度の９０度単位で行われ
る。なお、この角度検知機構としては、後述するロータ
リーエンコーダ等を用いても構わないし、９０度よりも
細かい単位で測定するようにしてもよいことは言うまで
もない。第一回転アーム４０も図２に示されるように屈
曲した形状をもち、アーム基台３０の第一回転アーム接
続部３０ｂに対して回転自在に取り付けられるアーム基
台接続部４０ａと、このアーム基台接続部４０ａに対し
て屈曲した第二回転アーム接続部４０ｂとを有してい
る。

【００１３】さらに、第二回転アーム５０も図２に示さ
れる屈曲した形状を有しており、第一回転アーム４０の
第二回転アーム接続部４０ｂに対して回転自在に取り付
けられる第一回転アーム接続部５０ａと、レーザセンサ
５４が取り付けられるレーザセンサ接続部５０ｂとを有
している。前記第一回転アーム接続部３０ｂと前記アー
ム基台接続部４０ａとの取付け部分には、第一回転アー
ム４０をアーム基台３０に対して回転させるための回転
モータ機構３６，３８と、その回転角度を測定するため
のロータリーエンコーダ３４が設けられている。同様
に、前記第二回転アーム接続部４０ｂと前記第一回転ア
ーム接続部５０ａとの取付け部分には、第二回転アーム
５０を第一回転アーム４０に対して回転させるための回
転モータ機構４４と、その回転角度を測定するためのロ
ータリーエンコーダ４２が設けられている。

【００１４】そして、これらアーム基台３０、第一回転
アーム４０、および第二回転アーム５０の屈曲の角度
は、図２に示されるようにそれぞれ所定の角度とされて
いる。すなわち、Ｘ軸シャフト１８の軸中心線Ｂ_axに垂
直な平面を考えたとき、アーム基台３０の第一回転アー
ム接続部３０ｂの接続面は、この垂直な平面に対して角
度２αだけ傾斜している。従って、第一回転アーム接続
部３０ｂにおけるアーム基台３０と第一回転アーム４０
との回転中心軸Ｐ_axも、図２に示されるように、前記Ｘ
軸シャフト軸中心線Ｂ_axに対して角度２αだけ傾斜して
いる。また、第一回転アーム４０の屈曲部の屈曲角はα
であり、これによって第二回転アーム接続部４０ｂにお
ける第一回転アーム４０と第二回転アーム５０との回転
中心軸Ｑ_axも、前記回転中心軸Ｐ_axに対して角度αだけ
傾斜している。この結果、図２に示される測定ヘッド２
の原位置、すなわち後述する角度θ₁ ，θ₂ ，θ₃ がす
べてゼロの状態における回転中心軸Ｐ_axは、レーザ発光
素子５６のレーザ光出射方向と一致する。本実施例にお
いては、α＝２２．５°であり、従って回転中心軸Ｐ_ax
の軸中心線Ｂ_axに対する傾斜角は２α＝４５．０°であ
る。

【００１５】また、レーザセンサ５４内のレーザ発光素
子５６から出射されるレーザ光ビームが、作動範囲の中
央で反射された場合の散乱光の入射方向に沿った直線Ｌ
Ｒと、前記回転中心軸Ｐ_axとのなす角を、図２に示され
るようにβとしている。本実施例においては、β＝１８
°である。なお、後述するように、直線ＬＲと回転中心
軸Ｐ_axおよび回転中心軸Ｑ_axは、すべて同じ点Ｃで交わ
る。そして、前記アレイ型受光素子５８は、レーザ散乱
光入射軸線ＬＲ上にその受光中心点がくるように位置し
ている。また受光素子５８は、そのアレイがレーザ散乱
光入射軸線ＬＲと回転中心軸Ｐ_axを含む平面内に、回転
中心軸Ｐ_axに略垂直に向くようにして取付けられてい
る。

【００１６】そして先に述べたように、レーザ光ビーム
が被測定面で反射された散乱光は、結像レンズ６０によ
って集光されて受光素子アレイ５８に入射する。これに
よって、レーザセンサ５４に対して点Ｃよりも近い点で
のレーザ散乱光は、受光素子５８のアレイ上の受光中心
点よりもレーザ発光素子５６に対して遠い側に入射す
る。一方、レーザセンサ５４に対して点Ｃ₀ よりも遠い
点でのレーザ散乱光は、受光素子５８の受光中心点より
もレーザ発光素子５６に対して近い側に入射する。この
受光点の位置によって、測定点（レーザ光の反射される
点）が点Ｃよりもどちら側にどれだけずれているかが検
知される。このように散乱光を集光して、その受光位置
の変化によってレーザセンサ５４から被測定物４までの
距離を求める方法をとっているために、被測定面４ａ〜
４ｃに凹凸があっても、精度よく測定することができ
る。なお、結像レンズ６０の結像倍率が測定点の位置に
よって変化するために、上記の受光素子アレイ５８上の
受光位置と、被測定物４までの距離とは直線関係にな
い。そこで、この非直線性を補正して直線的な出力が得
られるようにするためのデータが、後述する座標変換ユ
ニット２０のメモリ中に記憶されている。これによっ
て、測定点の位置による結像倍率の違いに基づく非直線
性が補正されて、受光素子５８の受光位置はレーザセン
サ５４から被測定物４までの距離を直線的に示すデータ
となる。

【００１７】さらに図１に示されるように、前記Ｙ−Ｘ
移動機構１６には、直交３軸移動装置１０によるＸ，
Ｙ，Ｚの各軸に沿った変位の大きさと、前記アーム基台
３０のＸ軸シャフト１８に対する回転角を電気信号とし
て出力する信号ケーブル２２が接続されている。直交３
軸方向の変位の読み取りは、各軸ごとに設けられた光学
スケール（光学式リニアエンコーダ）によって行われ、
５／１００ｍｍの精度で読み取られる。前記信号ケーブ
ル２２は、座標変換ユニット２０に接続されている。ま
た、測定ヘッド２の第一回転アーム４０と第二回転アー
ム５０の各回転角のデータ、すなわちロータリーエンコ
ーダ３４，４２の出力信号も、Ｘ軸シャフト１８から信
号ケーブル２２を経て、座標変換ユニット２０に入力さ
れる。この座標変換ユニット２０は、中央処理装置（Ｃ
ＰＵ）、メモリ装置等を有するコンピュータシステムを
主体として構成されており、直交３軸移動装置１０によ
る移動距離および測定ヘッド２における回転角のデータ
を演算処理する。そしてこれらの各データから、測定ヘ
ッド２の被測定面４に沿った移動を被測定面４の座標値
に変換する装置である。

【００１８】従ってレーザ式座標測定装置１は、直交座
標系の座標軸に沿って移動可能なアーム基台３０に取付
けられたレーザ発光素子５６および受光素子５８を備え
た測定ヘッド２と、測定ヘッド２の被測定面４に沿った
移動を被測定面４の座標値に変換する座標変換機構２０
とを備えたレーザ式座標測定装置である。また、第一回
転アーム４０および第二回転アーム５０は、アーム基台
３０に対して回転可能に取付けられ、アーム基台３０に
対する回転中心軸に対して傾斜した回転アームを構成し
ている。さらに、レーザセンサ５４は、回転アーム４
０，５０の先端に固定され、レーザ発光素子５６と受光
素子５８とを備えたレーザセンサを構成している。

【００１９】さて、以上のような構成を有する本実施例
の測定ヘッド２による、被測定面４上の測定点の座標の
決定方法について、図１および図２を参照して説明す
る。まず、測定点の座標を決定するための基準となる測
定ヘッド２の各点について、図２を参照して説明する。
直交３軸移動装置１０による平行移動に伴う、Ｘ軸シャ
フト１８の先端の点Ｂの座標値の算出は、従来の方法に
よって行うことができる。従って、ここでは点Ｂに対す
る測定ヘッド２の各点の相対位置を算出する方法を考え
ればよい。このため以下のように、測定ヘッド２の上に
基準となる幾つかの点を設定する。

【００２０】まず図２に示されるように、前記アーム基
台３０と第一回転アーム４０との回転中心軸Ｐ_ax上の点
Ｐを考える。この点Ｐは本実施例においては、第一回転
アーム４０のアーム基台接続部４０ａ内にとられてい
る。次に、この点Ｐから前記第一回転アーム４０と第二
回転アーム５０との回転中心軸Ｑ_axに対して垂直な直線
を引き（図３参照）、この直線と回転中心軸Ｑ_axとの交
点を点Ｑとする。さらに、この点Ｑから前記回転中心軸
Ｐ_axに対して垂直な直線を引き（図３参照）、この直線
と回転中心軸Ｐ_axとの交点を点Ｒとする。そして、回転
中心軸Ｐ_axと回転中心軸Ｑ_axとの交点を点Ｃとする。こ
の点Ｃは同時に、レーザ散乱光入射軸線ＬＲと回転中心
軸Ｐ_axあるいは回転中心軸Ｑ_axとの交点でもある。なお
前述の如く、測定ヘッド２の原位置、すなわち図２に示
される状態においては、前記回転中心軸Ｐ_axはレーザ発
光素子５６のレーザ光出射方向と一致している。

【００２１】次に、本実施例に係るレーザ式座標測定装
置１における、測定点の座標を決定する方法について説
明する。先に述べたように、図２に示される所定の点Ｃ
からレーザセンサ５４に対してより近くあるいはより遠
くずれた点を測定する場合には、散乱光が受光される受
光素子アレイ５８上の位置がずれる。このずれの量およ
び方向によって、レーザ散乱光入射軸線ＬＲ上の、測定
点の位置を検知することができる。この特長を生かし
て、レーザ式座標測定装置１においては、所定の点Ｃか
らずれた点についても、その座標を測定することができ
る。

【００２２】ここで所定の点Ｃについては、図１および
図２に示されるように、角度θ₁ ＝０の場合には、角度
θ₂ およびθ₃ が変化しても点Ｂに対する相対位置は変
化しない。従って、点Ｂを座標原点とする基本座標系ｘ
−ｙ−ｚにおける点Ｃの座標値（ｘ_c ，ｙ_c ，ｚ_c ）は
常に一定である。従って、アーム基台３０を直交３軸移
動装置１０によって直交座標系の座標軸に沿って移動さ
せて、被測定面４ａ〜４ｃの上の測定点を常に点Ｃに位
置させれば、角度θ₂ およびθ₃を変化させてレーザセ
ンサ５４の向きを変えても、測定点の位置は変化しな
い。

【００２３】しかし、図３に示される点Ｃからレーザセ
ンサ５４に対してより近くあるいはより遠くずれた点Ｓ
の、基準座標系における座標値（Ｓ_x ，Ｓ_y ，Ｓ_z ）
は、角度θ₁ ＝０の場合においても、角度θ₂ ，θ₃ に
伴って変化する。そこで、まず角度θ₁ ＝０において、
角度θ₂ およびθ₃ が変化したときの、所定の測定点Ｃ
とレーザ光出射口Ｔとを結ぶ直線上にある任意の点Ｓの
座標を、図３に示される基本座標系ｘ−ｙ−ｚについて
求める必要がある。そしてさらに、角度θ₁ が０でない
とき、すなわちアーム基台３０がＸ軸シャフト１８に対
して回転したときの、点Ｃおよび点Ｓの基本座標系ｘ−
ｙ−ｚにおける基本座標値を求める必要がある。

【００２４】なお、本実施例においては前述の如く、第
一回転アーム接続部３０ｂにおけるアーム基台３０と第
一回転アーム４０との回転中心軸Ｐ_axと、レーザ発光素
子５６のレーザ光出射方向とを一致させたために、以下
に説明するように、簡単な演算によって所定の点Ｃとレ
ーザ光出射口Ｔとを結ぶ直線上にある任意の点Ｓの座標
を算出することができる。これによって、２本の回転ア
ーム４０および５０を回転させた場合でも、レーザ光出
射方向にある任意の点Ｓの座標を簡単な演算で算出する
ことができる。この結果、レーザセンサ５４との距離が
所定の点より近くあるいは遠くずれた点についても、２
本の回転アームを回転させてレーザセンサの向きを変え
ながらでも測定することができる。以下に、各点の座標
を求める数学的な方法について、図３〜図７を参照して
説明する。

【００２５】図３に示されるように、角度θ₁ ，θ₂ ，
θ₃ がすべてゼロの場合、すなわちアーム基台３０，第
一回転アーム４０および第二回転アーム５０がすべて原
位置にある場合から考える。このとき、軸中心線Ｂ_ax，
回転中心軸Ｐ_ax，回転中心軸Ｑ_ax，およびレーザ散乱光
入射軸線ＬＲは、すべて同一平面上にある。この平面に
平行にｘ−ｚ平面をとり、また軸中心線Ｂ_axとｘ軸とが
平行になるように、ｘ−ｙ−ｚ座標を設定する。このと
きの前記点Ｐ，点Ｑ，点Ｒ，点Ｃを、それぞれ点Ｐ₀ ，
点Ｑ₀ ，点Ｒ₀ ，点Ｃ₀ とする。なお、点Ｂの座標は角
度θ₁ ，θ₂ ，θ₃ が変化しても一定である。そして、
各点の座標をそれぞれ、Ｂ（ｘ_b ，ｙ_b ，ｚ_b ），Ｃ₀
（ｘ_c0，ｙ_c0，ｚ_c0），Ｐ₀ （ｘ_p0，ｙ_p0，ｚ_p0），Ｑ
₀ （ｘ_q0，ｙ_q0，ｚ_q0），Ｒ₀ （ｘ_r0，ｙ_r0，ｚ_r0）と
おく。

【００２６】このとき、ＡＢ＝ｈ，ＡＣ＝ｗ，とおけ
ば、明らかに次式（１）〜（３）が成り立つ。 ｘ_c0＝ｘ_b ＋ｗ …（１） ｙ_c0＝ｙ_b …（２） ｚ_c0＝ｚ_b −ｈ …（３） また、ＰＱ＝ｄ₁ ，ＱＲ＝ｄ₂ ，ＣＲ＝ｄ₃ ，α＝２
２．５°とすると、ｄ₁ ，ｄ₂ ，ｄ₃ の間には、次式
（４），（５）の関係が成り立つ。 cos α＝ｄ₂ ／ｄ₁ …（４） tan α＝ｄ₂ ／ｄ₃ …（５）

【００２７】次に、図３に示されるように、座標原点が
点Ｃ₀ に一致するように基本座標系ｘ−ｙ−ｚを移動さ
せる。このときの座標系を第１座標系と呼び、ｘ⁽¹⁾ −
ｙ⁽¹⁾ −ｚ⁽¹⁾ で表すことにする。また、第１座標系に
おける座標値を（ｘ⁽¹⁾ ，ｙ⁽¹⁾ ，ｚ⁽¹⁾ ）で表す。原
点の平行移動であるから、同一の点の基本座標系におけ
る座標値（ｘ，ｙ，ｚ）と第１座標系における座標値
（ｘ⁽¹⁾ ，ｙ⁽¹⁾ ，ｚ⁽¹⁾ ）との間には、次式（６）の
関係が成り立つ。

【００２８】

【数１】

【００２９】例えば、この第１座標系での点Ｑ₀ の座標
値（ｘ_q0 ⁽¹⁾ ，ｙ_q0 ⁽¹⁾ ，ｚ_q0 ⁽¹⁾ ）は、次式（７）で
与えられる。

【００３０】

【数２】

【００３１】他の各点の座標も同様になる。以後は、こ
の第１座標系における座標値（ｘ⁽¹⁾ ，ｙ⁽¹⁾ ，
ｚ⁽¹⁾ ）を中心に考えていく。

【００３２】次に、回転部Ｐをθ₂ だけ回転させたとき
の、点Ｑの第１座標系での座標値（ｘ_q0 ⁽¹⁾ ，
ｙ_q0 ⁽¹⁾，ｚ_q0 ⁽¹⁾ ）を求める。まず、図３に示される
ように、第１座標系ｘ⁽¹⁾ −ｙ⁽¹⁾ −ｚ⁽¹⁾ をｙ⁽¹⁾ 軸
の回りに−２α（＝−４５°）だけ回転した第２座標系
ｘ⁽²⁾ −ｙ⁽²⁾ −ｚ⁽²⁾ を考える。このとき、直線ＰＣ
がｚ⁽²⁾ 軸と一致し、第１座標系から第２座標系への座
標変換は、次式（８）で与えられる。

【００３３】

【数３】

【００３４】また、点Ｑ₀ は第２座標系のｘ⁽²⁾ −ｚ
⁽²⁾ 平面の第２象限に位置する。ここで、回転部Ｐを回
転させると、図４のように点Ｑ₀ はｚ⁽²⁾ 軸の回りに点
Ｒを中心とする半径ｄ₂ の円を描くので、点Ｑの第２座
標系での座標値（ｘ_q ⁽²⁾ ，ｙ_q ⁽²⁾ ，ｚ_q ⁽²⁾ ）は次
式（９）〜（１１）で与えられる。 ｘ_q ⁽²⁾ ＝−ｄ₂ cos θ₂ …（９） ｙ_q ⁽²⁾ ＝−ｄ₂ sin θ₂ …（１０） ｚ_q ⁽²⁾ ＝ ｄ₃ …（１１） 従って、θ₂ 回転後の点Ｑの第１座標系での座標値（ｘ
_q ⁽¹⁾ ，ｙ_q ⁽¹⁾ ，ｚ_q ⁽¹⁾ ）は、前式（８）の逆変換
で与えられ、次式（１２）によって求めることができ
る。

【００３５】

【数４】

【００３６】次に、回転部Ｐをθ₂ だけ回転させた後に
回転部Ｑをθ₃ だけ回転させたときの点Ｒの第１座標系
での座標値（ｘ_r ⁽¹⁾ ，ｙ_r ⁽¹⁾ ，ｚ_r ⁽¹⁾ ）を求め
る。まず、図５に示されるように、第２座標系ｘ⁽²⁾ −
ｙ⁽²⁾ −ｚ⁽²⁾ をｚ⁽²⁾ 軸の回りにθ₂ だけ回転した第
３座標系ｘ⁽³⁾ −ｙ⁽³⁾ −ｚ⁽³⁾ を考える。このとき、
点Ｑは第３座標系のｘ⁽³⁾ −ｚ⁽³⁾ 平面内の第２象限に
位置する。このときの座標変換は、次式（１３）で与え
られる。

【００３７】

【数５】

【００３８】この第３座標系ｘ⁽³⁾ −ｙ⁽³⁾ −ｚ
⁽³⁾ を、図５に示されるように、さらにｙ⁽³⁾ 軸の回り
に角度−αだけ回転した第４座標系ｘ⁽⁴⁾ −ｙ⁽⁴⁾ −ｚ
⁽⁴⁾ を考えると、点Ｑは第４座標系のｚ⁽⁴⁾ 軸上に位置
することになる。このときの座標変換は、次式（１４）
で与えられる。

【００３９】

【数６】

【００４０】この第４座標系ｘ⁽⁴⁾ −ｙ⁽⁴⁾ −ｚ⁽⁴⁾ に
おける点Ｒの座標値（ｘ_r ⁽⁴⁾ ，ｙ_r ⁽⁴⁾ ，ｚ_r ⁽⁴⁾ ）
は、図６より、次式（１５）〜（１７）で与えられる。 ｘ_r ⁽⁴⁾ ＝ｄ₃ sin α・cos θ₃ …（１５） ｙ_r ⁽⁴⁾ ＝ｄ₃ sin α・sin θ₃ …（１６） ｚ_r ⁽⁴⁾ ＝ｄ₃ cos α …（１７） 従って、式（１５）〜（１７）に対して、式（１４），
式（１３），式（８）のそれぞれの逆変換を順次行え
ば、点Ｒの第１座標系での座標値（ｘ_r ⁽¹⁾ ，
ｙ_r ⁽¹⁾ ，ｚ_r ⁽¹⁾ ）を求めることができる。すなわ
ち、次式（１８）〜（２０）のようになる。

【００４１】

【数７】

【００４２】次に、所定の測定点Ｃ₀ とレーザ光出射口
Ｔとを結ぶ直線上にある任意の点Ｓを考え、ＳＣ₀ ＝ｓ
とおく。このとき、点Ｓの第１座標系での座標値（ｘ_s
⁽¹⁾ ，ｙ_s ⁽¹⁾ ，ｚ_s ⁽¹⁾ ）は、点Ｓが原点Ｃ₀ を通る
直線ＲＣ₀ 上にあることから、次式（２１）〜（２３）
で与えられる。 ｘ_s ⁽¹⁾ ＝ｘ_r ⁽¹⁾ ×ｓ／ｄ₃ …（２１） ｙ_s ⁽¹⁾ ＝ｙ_r ⁽¹⁾ ×ｓ／ｄ₃ …（２２） ｚ_s ⁽¹⁾ ＝ｚ_r ⁽¹⁾ ×ｓ／ｄ₃ …（２３） 最後に、回転部Ｂを角度θ₁ だけ回転させたときの、点
Ｓの基本座標系ｘ−ｙ−ｚにおける座標値（Ｓ_x ，
Ｓ_y ，Ｓ_z ）を求める。図７において、θ₁ ＝０の場合
の点Ｓの第１座標系での座標値は上記の式（２１）〜
（２３）で与えられているので、このときの点Ｓの基本
座標系ｘ−ｙ−ｚにおける座標値（ｘ_s ，ｙ_s ，ｚ_s ）
は、前述の式（６）の逆変換を用いて次式（２４）で与
えられる。

【００４３】

【数８】

【００４４】ここで、点Ｂの回転軸Ｂ_axは基本座標系の
ｘ軸と平行であるので、基本座標系ｘ−ｙ−ｚの原点を
点Ｂに移動させた第５座標系ｘ⁽⁵⁾ −ｙ⁽⁵⁾ −ｚ⁽⁵⁾ を
考える。この第５座標系では点Ｓの座標値（ｘ_s ⁽⁵⁾ ，
ｙ_s ⁽⁵⁾ ，ｚ_s ⁽⁵⁾ ）は、次式（２５）で与えられる。

【００４５】

【数９】

【００４６】回転部Ｂを角度θ₁ だけｘ⁽⁵⁾ 軸の回りに
回転させれば、点Ｃ，Ｐ，Ｑ，Ｒ，Ｓは全てｘ⁽⁵⁾ 軸の
回りに回転する。従って、このときの点Ｓの第５座標系
での座標値（Ｓ_x ⁽⁵⁾ ，Ｓ_y ⁽⁵⁾ ，Ｓ_z ⁽⁵⁾ ）は、次式
（２６）で与えられる。

【００４７】

【数１０】

【００４８】ゆえに、回転部Ｂ，Ｐ，Ｑをそれぞれ角度
θ₁ ，θ₂ ，θ₃ だけ回転させたときの、点Ｓの基本座
標系での座標値（Ｓ_x ，Ｓ_y ，Ｓ_z ）は、次式（２７）
で与えられる。

【００４９】

【数１１】

【００５０】このようにして、角度θ₁ ，θ₂ ，θ₃が
変化したときの、所定の測定点Ｃとレーザ光出射口Ｔと
を結ぶ直線上にある任意の点Ｓの基本座標系ｘ−ｙ−ｚ
における座標値が、長さｗ，ｈ，ｄ₃ ，Ｌ，ｓ、および
角度θ₁ ，θ₂ ，θ₃ ，α、の各数値を用いて求められ
る。これにより角度θ₁ ＝０の場合、すなわちアーム基
台３０がＸ軸シャフト１８に対して回転しないときの、
点Ｃとレーザ光出射口Ｔとを結ぶ直線上にある任意の点
Ｓの座標は、上記の式（１）〜式（２７）において、θ
₁ ＝０とすることによって求められる。点Ｃの位置は、
前述の如く点Ｃ₀ のまま一定であり、その基本座標系ｘ
−ｙ−ｚにおける座標値は（ｘ_c0，ｙ_c0，ｚ_c0）であ
る。また、角度θ₁ が０でないとき、すなわちアーム基
台３０をＸ軸シャフト１８に対して回転させたときの、
点Ｃおよび点Ｓの基本座標系における座標値は、上記の
式（１）〜式（２７）によって求められる。以上説明し
た座標変換等の各演算は、すべて座標変換ユニット２０
のＲＯＭに記憶された演算プログラムに従って、座標変
換ユニット２０のＣＰＵ，ＲＡＭ，ＲＯＭ等において実
行される。

【００５１】さて、以上のような構造と演算機能を有す
るレーザ式座標測定装置１を用いた座標測定の手順につ
いて、図１〜図７を参照して説明する。まず前述の如
く、測定点を常に所定の点Ｃに合わせることによって、
図１に示されるように上面４ａからコーナ４ｂを経て側
面４ｃへと大きく測定面の向きが変化する測定物４を、
連続的に測定する方法について説明する。最初に、直交
３軸移動装置１０によって測定ヘッド２を移動させ、被
測定物４の被測定面４ａの上方にレーザセンサ５４を位
置させる。そして、回転アーム４０，５０を回転させて
レーザセンサ５４の向きを変え、レーザ発光素子５６の
レーザ出射方向が被測定面４ａに対してほぼ垂直に向く
ようにする。続いて、レーザ発光素子５６からレーザ光
を出射させて、被測定面４ａでの反射散乱光が受光素子
５８で受光される位置によって、レーザセンサ５４と被
測定面４ａの距離を検出する。そして直交３軸移動装置
１０によって測定ヘッド２を上下させて、この距離が前
述の所定の点Ｃとレーザセンサ５４との距離に相当する
ように調節する。

【００５２】そして、被測定面４ａに対してレーザ光を
照射しながら、被測定面４ａに沿って、図１の右側から
左方に向かって直交３軸移動装置１０によって測定ヘッ
ド２を移動させる。この際、被測定面４ａの凹凸によっ
て、レーザセンサ５４との距離が所定の距離からずれた
場合には、受光素子５８で受光される位置のずれから判
別することができる。この場合には、直交３軸移動装置
１０によって測定ヘッド２を上下させ、レーザセンサ５
４と被測定面４ａが常に所定の距離を保つようにする。
このときレーザセンサ５４の位置を調節するための直交
３軸移動装置１０の変位量が、被測定面４ａ上の各測定
点の座標のデータとして、座標変換ユニット２０中に取
り込まれる。そして、レーザセンサ５４によるレーザ光
照射点が、上面４ａの左端すなわちコーナ４ｂにきた時
点で、直交３軸移動装置１０による測定ヘッド２の水平
方向の移動を停止させる。このときレーザセンサ５４
は、図１の５４Ａの位置にある。ここで、直交３軸移動
装置１０によって測定ヘッド２を上下させて、レーザセ
ンサ５４とコーナ４ｂとの距離を前記所定の距離に合わ
せる。

【００５３】この状態で、アーム基台３０に対して第一
回転アーム４０を回転させ、また第一回転アーム４０に
対して第二回転アーム５０を回転させることによって、
レーザセンサ５４の向きを変える。そして、レーザセン
サ５４中のレーザ発光素子５６のレーザ光出射方向が、
側面４ｃに対してほぼ垂直に向くようにする。このとき
レーザセンサ５４は、図１の５４Ｂの位置になる。ここ
で前述の如く、測定点４ｂとレーザセンサ５４との距離
を、前記所定の点Ｃとレーザセンサ５４との距離に一致
させている。このため、第一回転アーム４０および第二
回転アーム５０を回転させることによって、図３におけ
る角度θ₂ およびθ₃ を変化させても、レーザセンサ５
４と測定点４ｂとの距離は一定に保たれている。しかも
この回転によっても、レーザ照射点は測定点４ｂから動
くことがない。これによって、測定点を不連続にするこ
となく、測定を続行することができるのである。その
後、直交３軸移動装置１０によって、側面４ｃに沿っ
て、図１の５４Ｂの位置から下方に向かって測定ヘッド
２を移動させる。被測定面４ｃに対する測定も被測定面
４ａの場合と同様に行われる。このようにして、レーザ
センサ５４が図１の５４Ａの位置から５４Ｂ、さらに５
４Ｃの位置へと移動して、大きく測定面の向きが変化す
る測定物４の測定面４ａ〜４ｃの測定が、連続的に行わ
れるのである。

【００５４】次に、測定点を所定の点に合わせることな
く、単に直交３軸移動装置１０によって測定ヘッド２を
平行移動させるだけで、座標測定を行う方法について、
図１〜図７を参照して説明する。まず上記の場合と同様
に、直交３軸移動装置１０によって被測定面４ａの上方
にレーザセンサ５４を位置させ、回転アーム４０，５０
を回転させてレーザセンサ５４の向きを変え、レーザ発
光素子５６のレーザ出射方向を被測定面４ａに対してほ
ぼ垂直に向ける。次に、上記の場合とは異なり、レーザ
センサ５４と被測定面４ａとの距離を調節することな
く、レーザ光を照射しながら被測定面４ａに沿って直交
３軸移動装置１０でレーザセンサ５４を移動させること
によって測定を行う。このときの被測定面４ａ上の測定
点の座標は、以下のようにして算出される。

【００５５】レーザセンサ５４と被測定面４ａとの距離
は、先に述べたように、レーザ反射散乱光が受光素子５
８で受光される位置によって検出することができる。こ
の距離をＬとし、レーザセンサ５４と前記所定の点Ｃと
の距離をＴＬとすると、前記の式（２１）〜（２３）に
おける長さｓは、ｓ＝ＴＬ−Ｌ となる。図３における
長さｗ，ｈ，ｄ₃ および角度αの値は、装置固有のもの
として予め決められているので、上記長さｓとＬ、そし
て角度θ₁ ，θ₂ ，θ₃ の値を用いることによって、式
（１）〜（２７）に用いられている長さｗ，ｈ，ｄ₃ ，
Ｌ，ｓ、および角度θ₁ ，θ₂ ，θ₃ ，α、の各数値が
すべて決定される。ゆえに、これらの数値を用いて式
（１）〜（２７）の演算を行うことによって、図３に示
される定点Ｃとレーザ光出射口Ｔとを結ぶ直線上にある
任意の点Ｓの基本座標系ｘ−ｙ−ｚにおける座標値が求
められる。すなわち、図２におけるＸ軸シャフト１８の
先端の点Ｂに対する、被測定面上の測定点の座標が求め
られる。従って、あとは直交３軸移動装置１０によるＸ
軸シャフト１８の先端の点Ｂの移動量を加算すれば、図
１における被測定面４ａ〜４ｃ上の測定点の座標が算出
される。

【００５６】この方法による場合にも、レーザ光照射点
を上面４ａからコーナ４ｂを経て側面４ｃに移動させる
際には、レーザセンサ５４と被測定点４ｂとの距離を前
記所定の距離に調節した後に、回転アーム４０，５０の
回転でレーザセンサ５４の向きを変えることによって、
そのまま測定を続行することができる。本実施例におい
ては前述の如く、図２に示される第一回転アーム接続部
３０ｂにおけるアーム基台３０と第一回転アーム４０と
の回転中心軸Ｐ_axと、レーザ発光素子５６のレーザ光出
射方向とを一致させたために、簡単な演算によって所定
の点Ｃとレーザ光出射口Ｔとを結ぶ直線上にある任意の
点Ｓの座標を算出することができる。これによって、２
本の回転アーム４０および５０を回転させた場合でも、
レーザ光出射方向にある任意の点Ｓの座標を簡単な演算
で算出することができる。この結果、レーザセンサ５４
との距離が所定の点より近くあるいは遠くずれた点につ
いても、２本の回転アームを回転させてレーザセンサの
向きを変えながらでも測定することができる。従って、
単に直交３軸移動装置１０によって測定ヘッド２を平行
移動させるだけで、測定点を所定の点に合わせなくても
座標測定を行うことができるのである。

【００５７】本実施例では、回転アームとして２本の回
転アームを有する測定ヘッドの例について説明したが、
回転アームの本数は１本のみでもよく、また３本以上と
することもできる。また、回転アームとして屈曲した形
状のアームを用いたが、他の形状のものを用いることも
できる。また、本実施例においては、第一回転アーム接
続部３０ｂにおけるアーム基台３０と第一回転アーム４
０との回転中心軸Ｐ_axと、レーザ発光素子５６のレーザ
光出射方向とを一致させているが、これらは必ずしも一
致させなくてもよい。さらに本実施例では、２本の回転
アームの回転中心軸に対する傾斜角をいずれも２２．５
度として、測定ヘッドの回転可能角度を９０度とした
が、これらの傾斜角は任意に設定することができ、２本
の回転アームの回転中心軸に対する傾斜角を異なる大き
さとしても構わない。測定ヘッドを始めとするレーザ式
座標測定装置の他の部分の構造や配置、形状、大きさ、
材質、数等についても、本実施例に限定されるものでは
ない。

【００５８】さらに本実施例に固有の効果として、回転
アームとして２本の回転アームを有する測定ヘッドとし
たため、各アームの回転によって、測定ヘッドの回転可
能角度内が全て測定範囲としてカバーされる。これによ
って、被測定面の角度の変化に応じて、常にレーザ光ビ
ームがほぼ垂直に当たるように測定ヘッドの向きを変え
ることができ、測定精度が極めて高くなるという長所が
ある。また本実施例においては、アーム基台３０と第一
回転アーム４０との回転中心軸Ｐ_axとレーザ発光素子５
６のレーザ光出射方向とを一致させたために、２本の回
転アームを回転させた場合でも、レーザ光出射方向にあ
る任意の点Ｓの座標を簡単な演算で算出することができ
る。この結果、レーザセンサ５４との距離が所定の点よ
り近くあるいは遠くずれた点についても、２本の回転ア
ームを回転させてレーザセンサの向きを変えながらでも
測定することができる。

【００５９】

【発明の効果】本発明においては、被測定面上の測定点
を移動させることなく測定部の向きを変化させる測定方
向変化手段を有するレーザ式座標測定装置の測定ヘッド
を創出したために、大きく被測定面の向きが変化する被
測定物についても、連続的にかつ精度よく測定すること
ができる。これによって、あらゆる形状の被測定物を効
率的に測定できる極めて実用的なレーザ式座標測定装置
の測定ヘッドとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の測定ヘッドの一実施例を用いたレーザ
式座標測定装置の全体構成と測定方法を示した説明図で
ある。

【図２】本発明の測定ヘッドの一実施例を示す図であ
る。

【図３】測定ヘッドの一実施例による測定点の座標の決
定方法を説明する図である。

【図４】測定ヘッドの一実施例による測定点の座標の決
定方法を説明する図である。

【図５】測定ヘッドの一実施例による測定点の座標の決
定方法を説明する図である。

【図６】測定ヘッドの一実施例による測定点の座標の決
定方法を説明する図である。

【図７】測定ヘッドの一実施例による測定点の座標の決
定方法を説明する図である。

【符号の説明】

レーザ式座標測定装置 １ 測定ヘッド ２ 座標変換機構 ２０ アーム基台 ３０ 回転アーム ４０，５０ レーザセンサ ５４ レーザ発光素子 ５６ 受光素子 ５８

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直交座標系の座標軸に沿って移動可能な
   アーム基台に取付けられたレーザ発光素子および受光素
   子を備えた測定ヘッドと、該測定ヘッドの被測定面に沿
   った移動を被測定面の座標値に変換する座標変換機構と
   を備えたレーザ式座標測定装置用の測定ヘッドであっ
   て、 前記レーザ発光素子および前記受光素子が該レーザ発光
   素子のレーザ光出射方向に対して略垂直な方向に所定長
   さだけ離れて固定されたレーザセンサと、 前記アーム基台に対して回転可能に取付けられた回転ア
   ームとを有し、 該回転アームの先端に前記レーザセンサが前記レーザ発
   光素子のレーザ光出射方向が前記アーム基台に対する前
   記回転アームの回転中心軸に対して傾斜するように固定
   されていることを特徴とするレーザ式座標測定装置の測
   定ヘッド。