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    公开号:WO1988005152A1
    申请号:PCT/JP1988/000012
    申请日:1988-01-08
    公开日:1988-07-14
    发明作者:Yoshio Sugita
    申请人:Mitoh Co., Ltd.；Ys-Denshi Industry Co., Ltd.；
    IPC主号:G01B9-00
    专利说明:
    [0001] 明 光学式測定装置 技 術 分 野
    [0002] この発明はワ ークの輪郭や形状、 平行度、 その他の測定を 自動的に行なう ための光学式測定装置に関する。 背 景 技 術
    [0003] 周知のとおり 、 ワ ーク の寸法を測定するには通常接触方式 と非接触方式があり 、 本発明は主に座標交換方式を利用 した 非接触方式を採用する ものである。 然しながら、 この非接触 方式においては測定機の基準ラ イ ンと測定しょ う とする ヮ — クの基準ラ ィ ンとは非接触の故に一致させる こ とが難し く 、 一方正確な測定を行う には出来るだけ両者の基準線を一致さ せる必要がある。 従ってこの基準ラ イ ン合せ作業は正確さが 要求されるのである。 更にこの方法においては測定しょ う と する寸法が測定する毎に変る こ とを避けるため、 橾返し精度 にも優れている こ とが必要である。
    [0004] 従来この種の光学式測定装置と しては、 投影機と、 デジタ ル表示の可能な変換器を備えたエ ッ ジセ ンサと、 C P Uを内 蔵した制御およびデータ処理装置とを有する ものが知られて い c
    [0005] この従来例において、 上記投影機は回転ス ク リ ー ンと、. 投 影レ ンズと、 光源を有する光学系と、 ワ ー クを搭載して X軸 一 Y軸方向にワークを移動させるテーブルとを有している ο そこでワ ーク はこのテーブルに搭載され、 X铀- Υ軸方向、 に沿って平行出し （ワークの基準線を X軸または Υ蝕に平行 になるようにすること） された上、 その輪郭や形状、 平行度、 その他の測定を受けるのであるが従来例においてはこの平行 出しを、 見かげの上で計算して行なっていた。 すなわち、 第 7図に示すように、 当初テーブルに搭載されたワークは、 X 軸および Υ軸に対して通常角度 6 の傾きを持っている。
    [0006] しかしながら、 従来のテーブルは X軸および Y軸方向にの み駆動するものであったため、 デ―タ処理装置においてコ ン ピュータを利用して計算上、 見かけの X軸および Y軸をヮー ク 3 0 に対して描き （例えば測定結果に t -a n をかける）、 この X軸および Y軸を基準にして、 ワーク 3 0 の輪郭や形状、 平行度、 その他の測定を行なっていた。 ところが上述のよう に、 従来のテーブルが X軸および Υ軸方向にのみ駆動するも のであるため、 実際にワーク 3 0 に対して光学系およびセ ン ザで走査するのば、 図面中の矢印 3 1方向に沿って行なわれ る。
    [0007] このとき、 例えば矩形の長辺に対してはそれほど誤差が生 じることはない力；、 短辺に対しては、 ワーク 3 0 の短辺が走 查する方向に対して大き く傾いており、 非常に誤差が出やす い。 このことはミ クロ ン単位の測定を行なう上で、 単にセン ザの精度を向上させればすむという問題ではなかつた。
    [0008] 又、 上記のように傾き角 eを計測した後、 ワークをこの計 測値に合うよう人手により旋回させて基準の X軸又は γ軸に 一致せしめて各ワ ー ク の部分に関する寸法を測定する こ と も 行われていた。 然しながら人手に頼る方法は、 バラ ツキが大 き く 精密な測定結果が得られず又測定にかなり の時間を要す る ものでもあった。
    [0009] 本発明の目的は、 上記のよ う な従来技術の欠点を解消し、 ワー ク 自体を基準線に沿って X軸或は Y軸方向に.人手に頼る こ とな く 極めて迅速にかつ正確に平行出しが出来るのみなら ず、 繰返し操作においても精度が変る こ とがな く しかもヮ ー ク の寸法形状を同時に測定しう る光学測定装置を提供する も のである。 発 明 の 開 示
    [0010] 本発明に関する光学測定装置は上記目的を達成するため基 本的には
    [0011] 移動可能なステー ジ、 該ステ —ジに設けられたワ ー クを搭 載する回転テーブル、 該ワ ー ク に光を照射する光学系、 該光 学系で輪郭づけられたワ ー ク の形状を読み取るェ ッ ジセ ンサ 及び該ェ ッ ジセ ンサの情報に基づ く 該ステ一 ジの移動制御と 該回転テーブルの回転制御並にワ ーク の測定結果の表示の少 く と も 1 つの作業を実行するデータ処理部とから構成されて いる ものである。 更に本発明にあっては、 該光学系の光源の 光量変化を補償する回路を有しており こ れによつて光源の光 量が何らかの原因によ つて変化してもェ ッ ジセ ンサの測定デ ータに変化を与える こ とがな く 常に正確なデー タを得る こ と が出来る。 図面の簡単な説明
    [0012] 第 1図はこの発明の光学式測定装置の一実施例を示す斜視 図、 第 2図は第 1図における移動ステ -ジと回転テーブルの 閬係を示す要部拡大断面図、 第 3図は光量補償回路を舍むェ ッジを判定回路のダイ アグラムを示す概略図、 第 4図は平行 出しの場合の走査を示す平面図、 第 5図は平行出しの操作を 示す座標図、 第 6図は測定結果の印字例を示す概略図、 第 7 図ば従来例における座標とワークの位置閬係を示すグラフで ある。 第 8図および第 9図は従来例における光源の光量変化 を示すグラフである。
    [0013] 第 1 0図から第 1 5面は本発明装置を用いたワークの測定 の適用例を示す図である。 発明を実施するための最良の形態
    [0014] 次に本発明に係る光学式測定装置について、 図面を参照し ながらより詳細に説明する。- 本発明においてば、 従来公知であった光学式測定装置が単 に移動ステージのみであったのに対し、 移動ステージと、 回 転テ一ブルとを組合せ、 更にこの両者をコ ンピュータ等を利 用した制御手段により制御することにより正確でかつ迅速に ワークの平行岀しと形扰、 寸法等の測定を行えるようにした ものである。 本発明においては、 ワークは上記回転テーブル に搭載されかつ固定されるものである。 又本発明にあっては 光源より照射された光により形成された影により輪郭づけら れるワークの形伏をヱ ッジセンサにより追跡しつつ輪郭部分 の位置を計測しその結果をコ ンピュ ータ等による計算機に送 つてデータ処理を行い、 ワ ー ク の基準線 （ X軸或は Y軸） と の傾き を算出する。 次でかかる算出結果に基づき回転テ— ブルを回転させるよ う に制御して平行出しを行う ものである , 以下本発明の実施例を説明する。
    [0015] 第 1 図において、 1 は、 ワ ークを搭載して三次元に移動可 能な回転テーブルである。 こ の回転テー ブル 1 は装置基台 1 1 上に搭載された移動ステー ジ 2 に取付けられている。 そ して移動ステー ジ は X軸方向に駆動する ステ ツ ピ ングモ一 タ 3 と、 移動ステージ 2 を Y軸方向に駆動するステ ッ ピング モータ 4 とによ り 、 X軸— Y軸方向に駆動制御される。 移動 ステー ジ 2 に取り付けられた回転テ ー ブル 1 は、 移動ス テー ジ 2 に付設されたステ ッ ピ ングモータ 5 で、 第 2 図に示すタ ィ ミ ングベル ト 6 を介して回転制御される。
    [0016] ステ ッ ピ ングモータ 3 , 4及び 5 はいずれも後述する コ ン ピュ ータに記憶された適宜のプロ グ ラ ムによ り制御される も のである。 . 一方本発明における光学系と しては、 ズーム機能をもつ投 影レンズ 9 と、 回転テーブル 1 の下面に収納され、 回転テー ブル 1 に搭載されたワ ー ク部分に照射する光源 2 2 (図示せ ず） と、 光源 2 2 から照射されてズー ム機能をもつ投影レ ン ズ 9 を通過してきた光を、 投影画面 2 0 に送る反射鏡 （図示 せず） とから主に構成されており 、
    [0017] 7 は、 装置基台 1 丄 に立設された支柱 8 を介して上記回転 テー ブル 1 上に保持された反射鏡及び投影レ ンズ 9 を有する 投影機である。
    [0018] 該投影機 Ί の投影画面 2 0 にはその中央に光量の変化を検 出するエ ッ ジセ ンサ 1 0が取付けてあり、 エ ッジセ ンサ 1 0 は光学系で輪郭づけられたヮ一 の傾ぎや形状を読み取る。 このエ ッジセ ンサ 1 0 は第 3図に示すように、 後端に取付け た光ファィ 1 2を介して差動ァンプ 1 3 に連結されている < そしてこの差動アンプ 1 3 には、 第 3図に示すようにハロゲ ンラ ンプ等からなる光源 2. 2 の光量を測定する光源センサ 2 3 も接続され、 エ ッジセンサ 1 0 によつて投影画面 2 0 に おける光量の測定を行なうだけでなく 、 この光源セ ンサ 2 3 により光源 2 2の光量変化を補正できるようになっている。 すなわち、 第 8図に示すように交流電源によつて光量が強弱 変化を起こすのを防止するため、 A C - D C変換器により第 9図に示すように直流に変えているが、 それでもハロゲンラ ンプ自体の温度条件等による時間的な変化によつて光量にば らつきがでてしまうので、 上記光源セ ンサ 2 3 により光源 2 2 の光量変化を補正するのである。
    [0019] 光量調整の仕方としては、 第 3図に示すように例えば差動 ア ンプ 1 3を使用してエ ッ ジセ ンサ 1 0 のデータを光源セン サ 2 3 のデータで捕正して.、 エ ッ ジ判定回路 2 4に送り、 こ のエ ッ ジ判定回路 2 4でエ ッ ジを判定すればよい。
    [0020] また、 一定の時間間隔で光源 2 2 の光量の変化を読み取り 別途設けた安定化電源等で光源にかかる電圧を捕正したりす ることによつても行なう こうができる。
    [0021] エ ツ ジ判定回路 2 4 によつて読み取られ、 差動ァ ンプ 1 3 により光量調整された電気信号からなる ワ ー ク の傾きや形状 等の測定データは、 制御およびデータ処理部 1 4 において処 理される。 こ の制御およびデータ処理部 1 4 は、 上記データ を読み取るための入出力カ ー ド （ I / 0カ ー ド） 1 5 と、 コ ン ピュ ータ （以下 C P U という ） を内蔵したメ イ ンフ レーム 1 6 と、 計測結果をデジタル表示するカ ウ ンタ 1 7 と、 C R Tデ ィ スプ レイ 1 8 と、 キ—ボー ド 1 9 と、 計測結果等を印 字するためのプ リ ンタを有している。 メ イ ンフ レ ーム 1 6 に 内蔵した上記 C P Uは、 ワ ー ク の測定データを収集する とと もに、 測定データを演算してワ ー ク の傾きや形状を算出する , そして例えばワ ー ク の傾きを、 回転テー ブル 1 を制御して所 定角度回転する こ とによ り X軸ないし Y軸に沿う よ う に補正 する。
    [0022] 本発明の光学式測定装置は次のよ う に動作する。
    [0023] 先ず、 測定すべき ワ ー クを回転テーブル 1 に搭載する。 こ の回転テーブル 1 には所定の治具が取付けられており 、 ヮ一 ク は治具に保持される。 回転テーブル 1 上に保持された投影 機 7 には予め電源が入れられており 、 上記ワ ークには光が照 射される。 こ の状態で投影機 7 の投影レ ンズ 9 は、 そのズー ム機能によ り ワ ークに自動的に焦点が.合わされる。
    [0024] 光源 2 2 から照射されて投影レ ンズ 9 を通過してきた光 - 投影画面 2 0 に拡大投影される。 投影画面 2 0 に投影された ワ ー ク の画像は、 エ ッ ジセ ンサ i 0 によ り光量の変化を検出 して X軸ないし Y軸に対する傾きが測定される。
    [0025] 具体的には . 本発明のエ ッ ジセ ンサ 1 0 は固定されている ため投影西面の輪郭部の追跡は移動ステージを X軸及び Y軸 に移動させ がら行う。 '
    [0026] 即ち第 4図について説明するならば、 ワークの輪郭に対す る焦点の侈動が矢印 2 2 に沿って行われるように移動ステー ジをステッ ピングモータ 3 , 4を適宜のプログラムにより制 御回転せしめながら実行される e この場合の例として輪郭 P を計測することを考えると焦点はまず例えば 1 β X軸に沿つ て右方向に移動した後 Υ軸方向に上向きに移動されェ ッジセ ンサが輪郭を認識するまで移動する。 エ ッジセ ンサが輪郭を 認識するとその時点での X - Υ座標が C P Uに記録され次で 焦点は再び X軸方向に 1 β移動後 Υ軸方向に上向きに移動し ェツ ジセンサが輪郭を認識する迄移動を続け以下これを缲返 しながら輪郭部を測定するものである。 上記において焦点の X軸方向への移動間隔は要求される精度に従って定めればよ く 0 1 ^ 〜 5皿の範囲で決定することが出来る。
    [0027] この操作はエッジセ ンサからのデータを C P Uの処理部に 伝え X , Υ座標を記憶しながらステ ップモータ 3 , 4を微少 回転させて実行されるが、 これ等の操作は瞬時に行う ことが 出来る。 かかる操作が輪郭 Ρの左端部から右端部まで行われ ると輪郭 Lの直線が記録され、 該直線を基準座標輔と比較し その傾き角 を C P Uのデータ処理部で箕出しその結果をス テ ツプモータ 5 に出力しこれを所定の角度回転させるこ とに より ワ ークの直線 Lを例えば X軸と平行になるように補正す る。 又本発明においてば平斤出しを行った後又はその前にヮ —クの直線 Pを X轴とー致させるために移動ステージ 2を X 軸ないし Y軸用ステ ッ ピ ングモータ 3 , 4を回転させて所定 の位置に移動させる こ とも出来る。 これ等の操作は自動的に 行われる ものであるがジ ョ イ ステ ィ ッ ク 2 1 により手動で実 行せしめるよ う に構成しても良い。
    [0028] 平行出しが終つた時点で、 投影機 7 の光学系で輪郭づけ ら れたワ ー ク の形状をエ ッ ジセ ンサ 1 0 で検出する。 尚本発明 にあっては上記したよう に輪郭 Ρ上の測定された各点に関す る座標データ既に C P U内に記億してあるので、 改めてェ ッ ジセ ンサで検出し直さな く と も適宜のプログラ ムを用いて計 算処理して求める こ と も出来る。
    [0029] こ のよ う な動作の間、 光源セ ンサ 2 3 で光源 2 2 の光量を 調整しているので、 ヱ ッ ジ判定回路 2 4 で読み取られる光源 2 2 の光量は常に一定である。
    [0030] このよ う に して得られたワ ークの形状等の測定データを制 御およびデータ処理部 1 4 において処理し得られた測定結果 は、 カ ウ ンタ 1 7 でデジタル表示する とと もに、 C R Τディ スプ レイ 1 8 に も表示され、 プ リ ンタ で印字される。 印字例 を第 6 図に示す。
    [0031] 尚本発明においてはワ ー ク の輪郭は必ずしも直線だけに限 定される ものではな く 曲線を有する輪郭をもつワ ー ク にも適 用 しう る ものである こ とは云う までもない。
    [0032] 以下に本発明の光学測定装置を利用 した応用例を示す。
    [0033] 第 1 0 図に リ —ル蚰ピ ンの フ ラ ン ジ部から例えば 8 0 β m 離れた位置 Eのピ ン径 （ P - Q ) を測定して金型及び製品の 管理を行う場合を示しており従来の方法では角 R部分が不明 のため測定精度が上らなかったが、 本装置において、 フ ラ ン ジ面を基準線にと り このフ ラ ンジ面上の 2点、 C , Dの Y軸 からの距離 γ c , Y d を測定して、 これが同じになるように 回転テ一ブルを回転させ、 しかる後 P Qを測定する。
    [0034] 又第 1 1図及び第 1 2図には精密リ一ドねじのピッチを.回転 角の推移とともに測定する場合を示している。 従来はねじ溝 に接触子を当てその接触子の変位 P t , P z 又は , Q. Z を測定しているが、 ねじ溝の研磨面は微妙な曲線のため接触 子の形状により誤差が生じたり、 接触圧も誤差の一因となつ ていた。 そこで本例では真球のボールベアリ ング Gを用いて ボール接触点 P の位置を平行出しされた基準線例えば基準ラ ィ ン B との関係で特定することにより リ一 ドピッチを正確に 測定することが出来る。 勿論基準ラ ィ ン Aを用いてもよい。 更に第 1 3図〜第 1 5図にはギアのピッチ角 を測定する場 合について示している。 （ここで 0 wはワークの中心であり Ο Μは測定機の回転中心とする。 ）
    [0035] 従来はシャ フ ト用穴 11に合う回転心棒にギヤをはめて割岀 し角より ピッチ角を求めていたが、 心振れ等の影響により正 確な測定が出来なかったが、 本装置においては、 これまで述 ベてきた基準ラィ ンの平行出しの応用として基準ポイ ン 卜の 一致 SH乍を行わせることにより正確なピッチ角を測定するも のである。 基準ボィ ン ト の求め方としては、 例えば第 1 4図 に示すように P ； P 2 の中線上に円の Φ心があるという定理 と第 1 5図に示すように 3点を通る円の中心は一義的に決る という定理に基づいて决めればよい。 即ち、 ワ ー ク （ギヤ） のシ ャ フ ト用穴 Hの中心座標を第 1 4図による方法で測定し これを O t と して記憶する。 次にワ ーク の載っている回転テ 一ブルを適当な角度回して同様の方法で中心座標を求め◦ 2 と して記憶し、 さ らにも う一度回転テー ブルを適宜に回して 同様の中心座標 0 3 を得る。 こ の 0 , , ◦ 2 , 0 3 から回転 テ一ブルの中心座標 0 4 が決定される ので最後に測定した 0 3 との座標上のずれを修正する こ とによ り ワ ーク の中心と回 転テーブルの中心とは一致させる こ とが出来る e
    [0036] こ の発明は上述のよ う にワ ークを回転テーブルで回転可能 に保持する こ とにより 、 エ ッ ジセ ンサがワ ークの輪郭と交わ る線を直角にする こ とができ るため、 非常に精度のよい測定 結果を得る こ とができた。 又測定操作を迅速に行う こ とがで きた。
    [0037] また、 ワ ークを回転テーブル上において治具等により垂直 方向に 9 0 ° 回転すれば、 ワ ーク の平面的な形状のみな らず. ワ ー ク の立体的な輪郭をも測定する こ とができ る。
    [0038] 更に本発明では上述のよ う に光源の光量を光源セ ンサで光 量調整しているので、 光源の光量変化による測定精度の誤差 が解消でき、 非常に精度のよい測定結果を得る こ とができ る < 以上のとおり本発明においては、 ワ ーク 自体を基準線に沿 つて X軸或は Y拿由方向に人手に頼る こ とな く 極めて迅速にか つ正確に平行出しが出来るのみな らず、 操返し操作において も精度が変る こ とがな く 、 しかもワ ー ク寸法形状を同時に測 定しえるのであって しかも単に測定作業の能率化、 省力化だ けでな く 誰が測定しても同じ結果が得られる という こ とが可 能となったのである
    权利要求:
    Claims請 求 の 範 囲
    1. 移動可能なステージ、 該ステ— ジに設けられたワ ーク を搭載する回転テーブル、 該ワ ークに光を照射する光学系、 該光学系で輪郭づけられたワーク の形状を読み取るエ ッ ジセ ンサ及び、 該エ ツ ジセ ンサの情報に基づく 該ス テー ジの移動 制御と該回転テ—ブルの回転制御並にワーク の測定結果の表 示の少 く と も 1 つの作業を実行するデータ処理部とから構成 される こ とを特徴とする光学式 3処理装置。
    2. 該光学系の光源の光量変化を補償する回路を有する こ とを特徴とする請求範囲第 1 項記載の光学処理装置。
    类似技术:
    公开号 | 公开日 | 专利标题
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    1988-07-14| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): KR US |
    1988-07-14| AL| Designated countries for regional patents|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): DE FR GB |
    1988-09-02| WWE| Wipo information: entry into national phase|Ref document number: 1988900791 Country of ref document: EP |
    1988-12-28| WWP| Wipo information: published in national office|Ref document number: 1988900791 Country of ref document: EP |
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    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    JP62/2471||1987-01-08||
    JP62002471A|JPS63169506A|1987-01-08|1987-01-08|Optical measuring instrument|KR1019880701083A| KR890700805A|1987-01-08|1988-09-07|광학식 측정장치|
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