JP2002503339A - フィーラ部材を備えた座標測定装置及びフィーラ部材の位置測定のための光学センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、座標測定装置に設けられたフィーラ部材によって、対象物の構造を測定する方法及び装置に関する。このフィーラ部材は対象物と接触し、それにより、その位置が間接又は直接に決定される。座標測定装置によって小さい測定物の構造を高い精度で再現して決定するために、フィーラ部材（５８）又はターゲットの位置が光学センサ（６６）によって決定される。

Description

【発明の詳細な説明】 フィーラ部材を備えた座標測定装置及びフィーラ部材の 位置測定のための光学センサ 本発明は、座標測定装置に備えられたフィーラ部材によって測定すべき対象物 の構造を測定する方法に係り、ここにおいて、該フィーラ部材は対象物に対して 接触し、それによって位置が定められる。本発明は更に、座標測定装置に備えら れたフィーラ部材と、更に好ましくはフィーラ延出部とよりなるフィーラの手段 によって対象物の構造を測定する装置に関する。 対象物の構造を測定するために、電気機械的作動のフィーラを備えた座標測定 装置か用いられ、それによって、構造の位置が間接的に定められる。すなわち、 センサ部材（球）の位置がフィーラピンを介して伝達される。実際に生じる摩擦 力に関連して、その結果として付随的にフィーラピンの変形が生じる。強い力の 伝達のために、その結果、一般に１０ニュートン（Ｎ）を超える測定時の押圧力 が発生する。従って、このようなフィーラシステムの幾何学的設計において球体 の直径は０．３mmよりも大のものに制限される。このため、１ミリメートルの数 十分の１の範囲に入る小さな構造物の三次元測定及び容易に変形し得るテストピ ースの検出は困難であり、場合によっては不可能である。フィーラピンとフィー ラ部材の変形に起因して生じる完全には把握されないエラーの影響及び例えばス ティックスリップの効果に起因して生じる把握されない検出時の押圧力の結果、 一般に１μmを超える測定の不確実さが起こる。 例えば、ドイツ特許公開ＤＥ４３２７２５０Ａ１公報には、機械的フィーラを 備えた座標測定装置が開示されている。ここにおいては、モニターするために、 ビデオカメラでフィーラヘッドを監視することによって機械的検出プロセスの視 覚的チェックを行うことができる。このフィーラヘッドは、必要に応じて、いわ ゆる振動結晶のフィーラの形状に構成し得、該フィーラは測定対象物としてのワ ークピースの表面にクッション状態で接触する。従って、ビデオカメラによって 、ワークピース又は測定されるべき孔と相対的にフィーラの球体の位置をモニ ター上で追跡するとともに該孔内への進入に際して検出過程を手動で監視して制 御することができる。しかし、その測定は電気機械的になされるものであり、依 然として上述の問題が存在する。 又、ドイツ特許公開ＤＥ３５０２３８８Ａ１公報にも、座標測定装置における フィーラヘッドの光学的監視の態様が開示されている。 座標測定装置の機械の軸線の正確な位置を決定するために、ドイツ特許公開Ｄ Ｅ４３ｌ２５７９Ａ１公報に開示の構成によれば、少なくとも６つのセンサが測 定ヘッドないしはスリーブに取り付けられており、これによって、基準面からの 距離を決定し得る。対象物の幾何学的形状についての検出の詳細はここでは言及 されず、これに代えて、古典的な増分的路程計測システムの代替としての非接触 型の方法が記載されている。 米国特許第４，９７２，５９７号には、１つのフィーラを備えた座標測定装置 が開示され、そのフィーラの延出部はその位置においてバネにより前もって引張 力が付与されている。ハウジング内を通るフィーラ延出部の部分には互いに離間 した位置におかれた２つの発光素子が設けられ、この発光素子はセンサ部材によ ってフィーラ延出部の位置を決定するとともに該フィーラ延出部の外端に配置さ れたフィーラ部材の位置を間接的に決定する。 ここにおいても又、光学システムが電気機械的フィーラシステムの古典的路程 計測システムにとって代わっている。検出方法は、フィーラ部材からフィーラピ ンへ伝達され、又、バネ部材を介してセンサに伝達される力によって得られる。 曲がり及び検出時の力の上述の問題はここでも依然として残っている。この方法 は間接的検出方法である。 航空機の構成部品などの大型の対象物を測定するために、光源又は反射ターゲ ットを備えたフィーラピンであって、その位置が光学的に測定されるものが知ら れている。（ドイツ特許公開ＤＥ３６２９６８９Ａ１及びＤＥ２６０５７７２Ａ １各公報及びドイツ特許ＤＥ４００２０４３Ｃ２公報）これらのフィーラは手動 又はロボットを用いて、測定すべき対象物の表面に沿って移動する構成である。 上記の方法において、フィーラ部材の位置は、三角測量法又はそれに類似の 方法により立体的に決められる。測定システム全体の精度は、従って、センサの 精度によって直接的に制約される。このため、このようなシステムの使用は、測 定領域と精度との関係において比較的条件が低い場合にのみ可能となる。従って 、実際上、この使用は大型の部品の測定に限られる。 顕微鏡を用いてフィーラ部材の位置を定めることも公知である。この例におい て、光伝達法が用いられるので、全て貫通した孔等の構造についてのみ、その直 径の測定が可能である。顕微鏡による目視の観察、フィーラ部材の離間配置及び 光学的観察システムの観点において、より複雑な構造（複雑な幾何学的形状の距 離、角度等）の測定や自動的測定は不可能である。従って、この種のシステムは 結果として測定ミスを招きがちであるため、市場には提供できないものである。 本発明は、上述した問題に鑑みなされたものであり、冒頭に述べた種類の方法 及び装置において、高い測定精度を有し、対象物と接触するフィーラ部材の位置 を正確に決定し得る方法及び装置を提供することを目的とする。特に、貫通孔、 凹陥穴、アンダーカット等の測定を少なくとも±０．５μmの測定精度をもって 、５０〜１００ｐmの範囲で行って、その構造を決定することが可能である。 本発明によれば、上述の問題は以下の構成によって実質的に解決される。すな わち、構造測定のために光学センサを備えてフィーラ部材に直接設けられた少な くとも１つのターゲットの位置又は直接的にフィーラ部材の位置が決められる。 ここにおいて、フィーラ部材ないし少なくとも１つのターゲットは光学センサの 領域から測定位置に移動する。換言すれば、フィーラは、センサに対面する側か ら対象物に向って移動する。フィーラとセンサは座標測定装置内においてユニッ トとして調整移動可能であり、その共通位置は高精度で測定することができる。 従って、結果において不確実の程度が低い結合された運動が得られる。ここにお いて特に、フィーラ部材ないし、少なくとも１つのターゲットの位置は、フィー ラ部材又はターゲットからの光ビームや対象物を貫通した光ビームあるいは反射 した光ビームによって、光学センサを用いて決定される。 本発明によれば、対象物との接触の結果としてのフィーラ部材の位置はフィー ラ部材自体の位置又はターゲットの位置から直接、構造の形状を測定するために 、光学的に決定される。ここにおいて、フィーラ部材の偏位は、電子カメラを 用いる電子イメージ処理システムの検出領域上でのイメージの偏位によって決定 することができる。又、フィーラ部材の偏位は、イメージのコントラスト機能を 評価することによっても決定できる。更に又、ターゲットのイメージサイズの変 化からも偏位の決定を行い得る。そのサイズの変化の結果として対象物の離間距 離と拡大との間の幾何光学的関係が生じる。又、フィーラ部材の偏位は、焦点の ボケによるコントラストの喪失に起因するターゲットの見掛け上のサイズ変化に よっても決めることができる。基本的にいって、電子カメラの光学軸に対して縦 方向の偏位はここで決定される。あるいは又、フィーラ部材又は、これに設けら れた少なくとも１つのターゲットの位置は、写真測量法によるシステムによって 決定し得る。もし、複数のターゲットがある場合、これらの位置は光学的に測定 され、次いでフィーラ部材の位置が算出される。これはフィーラ部材とターゲッ トの間には明確に固定した関係があるからである。 本発明においては、従来の公知技術とは異なり、対象物の構造を決定するため に、フィーラ部材又はそれに設けたターゲットの位置の直接的測定を行うもので ある。ここにおいて、フィーラ部材及びターゲットは明確な離間位置関係を有し 、相対的な運動が行われず、その間に、わずかな間隙が維持される。ここでは、 そこからターゲット又はフィーラ部材が延出するフィーラ延出部が測定中に変形 するか否かは重要な問題でない。これは、本発明にはフィーラ部材又はターゲッ トが公知技術のように間接的に測定されるのでなく、直接、測定されるからであ る。本発明の測定方法によれば、貫通孔、めくら穴、凹陥部あるいはアンダーカ ットあるいはその他の形状部分が少なくとも５０〜１００μmの範囲において少 なくとも±０．５μmの精度で測定可能である。これによって、極めて小さな対 象物（ワークピース）を３次元的に測定することができ、今まで十分に満足の行 く解決方法がなかった、例えば微小範囲の手術のための医療技術やマイクロセン サシステム、あるいはインジェクションノズルに関連する自動車技術において長 年にわたり期待されていた測定を可能にするものである。フィーラ部材の位置又 はそのフィーラ部材に対して相対運動しない状態で設けられたターゲットの位置 を直接、測定するようにしたので、たとえ測定中にフィーラ延出部が変形する場 合にも測定結果ミスを招くことなく高精度の測定を可能とした座標測定 装置を用いた直接的な機械的／光学的測定方法を提供し得る。 対象物の構造を測定する本発明の装置は以下の構成によって特徴づけられる。 すなわち、座標測定装置は、フィーラ部材ないしはそれに直接設けられた少なく とも１つのターゲットの光学的位置測定のための光学センサと、評価ユニットと を備え、該評価ユニットによって一方において座標測定装置の座標系に対して光 学センサの位置から構造が算出されるとともに、他方において、光学センサを用 いて測定されたフィーラ部材ないしは少なくとも１つのターゲットの位置から構 造が算出される。又、該センサは少なくともフィーラ部材とともに１つの共通し た調整可能なユニットを構成する。そして、ここにおいて、フィーラ部材ないし は少なくとも１つのターゲットは、自己発光型のもの、あるいは反射板として構 成し得る。 フィーラ部材ないしターゲットは、ビームを空間中に発射するか反射する球体 又はシリンダのごときもので構成されるのが好ましい。 本発明の更なる具体例において、フィーラ部材はフィーラ延出部に連結され、 該フィーラ延出部は弾性的に曲げ得るシャフトなどで構成される。上記連結は接 着、溶接あるいは他の適宜の形式の固定方法により行い得る。又、フィーラ部材 ないしはターゲットはフィーラ延出部自体の一部分としても構成し得る。特に、 フィーラ延出部又はシャフトは、フィーラ部材ないしターゲットに対して必要な 光を供給する光ガイドとして構成し得る。 シャフト自体はその端部にフィーラを構成するか、該フィーラを包含するよう に構成し得る。特に、フィーラ部材ないしターゲットはシャフトのようなフィー ラ延出部に交換可能に連結される。 任意の殆どの構造を決定するために、フィーラは５度の自由度をもって調整可 能なホルダから延出するように構成される。このホルダ自体は、センサとともに １つのユニットを構成するか、あるいはセンサに連結することができる。 又、フィーラ部材ないしはターゲットをＬＥＤ（発光ダイオード）などの自己 発光型の電子部品で構成するか、あるいは一部にそれを含む構成とし得る。 本発明によれば、座標測定装置のためのフィーラシステムは、光学的フィーラ システムと機械的フィーラシステムの利点を組合せたものであり、又、特に、 慣用のフィーラシステムでは適用し得なかった極めて微小な構造についての機械 的測定に用い得るものである。しかし又、機械的測定のために光学的測定装置の 取付や交換も容易になし得るものである。 例えば、ワークピースと機械的接触状態に至ると、電子カメラなどのセンサに よって、フィーラ部材、検出部材又はそれに設けられたターゲットの位置を決定 し得るように構成される。フィーラ部材自体又はこれに直接連結されたターゲッ トの位置が測定されるので、該フィーラを支持するシャフトの変形は測定信号に 何等の影響を与えない。測定において、シャフトが弾性を有することは考慮に入 れる必要がなく、又、フィーラ部材とセンサとの間の機械的連結における塑性変 形、ヒステリシス及びドリフトの現象は測定精度に悪い影響を及ぼさない。カメ ラ軸線等のセンサ軸線に対して縦方向に沿う偏位は、特に電子カメラの検出領域 内におけるイメージの偏位によって直接的に決定することができる。イメージの 評価は座標測定装置内にすでに設置されているイメージ処理システムで行うこと ができる。これによって、光学的評価ユニットに極めて容易に連結可能な２次元 で動作するフィーラシステムを実現し得る。 カメラ軸線等の光学センサの軸線の方向に沿う偏位の検出のために、本発明は 例えば以下のようないくつかの可能性を備えている。 １．センサ軸線（カメラ軸線）の方向におけるフィーラ部材の偏位は、ワークピ ース表面に焦点を当てるために光学的座標測定技術において既知のフォーカスシ ステムを用いて測定される。 ２．センサ軸線ないしカメラ軸線の方向におけるフィーラ部材の偏位は、評価さ れるべきターゲットのイメージサイズによって測定される。例えば、ターゲット が円形又は円環状のものである場合、イメージサイズの変化は直径の変化で把握 される。この効果は幾何学的光学イメージによるものであり、光学ユニットの構 成により最適に設定できる。座標測定技術において、いわゆるテレセントリック ・レンズがしばしば用いられる。これは焦点面から偏った場合でも一定した拡大 を実現する。そして、これは光学入力絞りを「無限」に移動させることにより得 られる。上述の評価のために、逆の状態での最適化が有効である：焦点面からの わずかな偏位でさえ、その結果、イメージスケールの明らかな変化か生じるべき である。例えば、光学入力絞りを対象物側の焦点レベルに移動させることにより 得られる。この場合、比較的広い距離範囲にわたってターゲットの高いコントラ ストイメージを可能とするために、出来れば高い焦点深度が実現される。上述の ような適用例の場合においてイメージの質に関して理想的な光学ユニットは、例 えば、孔カメラであろう。円環状のターゲットを用いることにより焦点ボケから 生じるサイズ変化を最小化することができる：これは最初の接近時の焦点ボケの ために変化する中間リング径でなく、リング幅のみである。 ３．第３の可能性においても、ターゲットのサイズ変化が評価されるが、この変 化は幾何学的光学イメージのサイズ変化と焦点ズレエッジによる見かけ上の拡大 との組合せから生じる。焦点ズレの作用の評価に比べて、この方法はターゲット の実際のサイズが変化しないという利点がある。 本発明においては、対象物の構造を決定するために、フィーラ部材の位置の直 接的測定の方法が用いられる。一般的にいって、この直接の測定のために種々異 なる物理的原理が問題となる。極めて大きな測定範囲におけるフィーラ部材の偏 位の測定は、例えば、連続的な走査動作を可能にするため、及び対象物の検出動 作の間に大きな超過ストロークを可能にするため（例えば、安定性の理由からで あるが、しかし正確な位置設定に必要な労力を減少させるために）、極めて正確 でなければならない。従って、写真測定法を用いることができる。互いに斜めを なす軸線を有する２つのカメラシステムを用い得る。一般に工業的写真測量から 知られる評価技術を用い得るものである。 例えば、フィーラ部材ないしは弾性により曲げ変形可能なシャフト等よりなる フィーラ延出部のフィーラ部材に向かう側の端部の長手方向に対して２つのカメ ラで斜め状態で「見る」ことにより、アンダーカットの背後においてフィーラ部 材が「見えなくなる」という問題を解消することができる。余分な数（例えば３ 台）のカメラを用いることにより対象物が急勾配の形状のものでも測定が可能と なる。小さい孔の測定の場合には、１台のカメラを用い得る。このカメラはフィ ーラ部材ないしはフィーラ延出部の長手方向に沿ってフィーラ部材を「見る」よ うに配置される。一般的原理として、２次元の測定（例えば孔の測定）の場合に は、フィーラ部材を支持するシャフト等のフィーラ延出部の長手方向に整合して 単一のカメラを配置すれば十分である。 本発明においてフィーラの使用に当たっては、アクティブ型の発光フィーラ部 材又はその他のアクティブ型のターゲットは必須ではない。発光フィーラ球やフ ィーラ延出部上の他の発光ターゲットでは特に高い精度が得られる。１つの光源 からの光が、球体よりなるフィーラ部材又はフィーラ延出部の他のターゲットに 対して、例えば、光ガイドファイバを介して供給される。この光ガイドファイバ は、それ自体がフィーラシャフトあるいはフィーラ延出部を構成し得る。光は、 例えばＬＥＤ（発光ダイオード）の光を含むならば、シャフトの内部又はターゲ ット内で発生させることができる。このように構成すると、特に顕微鏡的な微小 構造のために写真測量システムなどの電子的イメージシステムにおいて必要とさ れる高い光度を得ることができる。もし、この光が直接フィーラ部材にターゲッ トとして供給されると、必要とする光度が大幅に低下する可能性があり、従って 又、測定中における対象物の熱負荷も同様である。もし、フィーラ部材として球 体が用いられる場合、どの方向から見ても球状フィーラの理想的な高いコントラ ストで円形のイメージが結果として得られる。特に、体積分散（volume-dispers ing）の球体を用いた場合に得られる。対象物自体は、フィーラ球のごく近傍に おいて明るく照明されるのみであるから、対象物自体の構造のイメージからのエ ラーは避けられる。しかし、実際上、対象物上での反射の結果としてのフィーラ 球のイメージの明るさは常にフィーラ球自体よりも低いように思われる。その結 果、エラーは困難なく修正し得る。この利点は外部照明のターゲットには必要で ない。又、ターゲットを蛍光体で設計することも可能である。これによって、周 波数において入力光と出力光が分離されるので、複数のターゲットもイメージに おいて周囲部分からはっきりと区分される。これは、フィーラ部材自体について も同様である。 フィーラ部材が影になって複数のカメラでは測定できない場合に、小さな孔あ るいは極めて急勾配の構造の測定のために、本発明においてはセンサ又は写真測 量によって可視部分領域における光ガイドファイバの位置、方向及び曲率を測定 し得る。これから、フィーラ部材の位置を、例えば、一次項及び二乗項を有する 放物線の形態でファイバの湾曲を適用することにより算出することができる。 異なる過度のストローク（対象物の位置に対して多少外れた位置）での測定及び フィーラ部材の位置の平均が測定精度を高める。ファイバの光学的及び写真測量 的測定は、ファイバの一様な発光によって容易となる。そして、これは体積分散 のファイバ材料の使用やファイバ面上の拡散的に発する層の適用あるいはファイ バ成分及びファイバの幾何学的構造（例えば、比較的低い屈折率を有する材料を 用いた製品）によって改善される。 又、本発明においては、写真測量によってこれらのターゲットの位置を測定す るため、特に、フィーラ部材の位置を算出するために、光ガイドファイバ上に照 明された球体又は他のターゲットを取り何けることも可能である。球体は、そう でなければファイバ上に存在しない、比較的理想的で明確なターゲットである。 球体への光の良好な入射は、シャフトの光ガイド特性を阻害することにより、例 えば、貫通孔を有する体積分散球体をシャフト上に、すなわち、フィーラ延出部 に取り付けて接着することにより達成する。この体積分散の球体はシャフトの側 部に接着して取り付けることもできる。これは、シャフトがその表面にまで光を 導くこと、すなわち、接着部位に覆いを備えていないことを条件として光の入射 を可能にする。特に、フィーラ部材の位置がファイバ位置及びファイバの湾曲（ フィーラ部材からある程度離れたファイバ領域において）の関数として経験的に 測定（較正）されるとき、より高い精度が得られる。ここにおいても又、ファイ バそれ自体の測定に代えて、ファイバに沿って取り付けられたターゲットの測定 が可能である。 較正（キャリブレーション）は、例えば、種々異なる位置から及び異なる力（ 対象物の位置から多少外れた位置）での球体の検出によって、あるいはクランプ されたフィーラ球体に対するフィーラシステムの知られた相対位置によって、行 い得る。 フィーラ球体とターゲット等のフィーラ部材の分離は、対象物の表面上でのタ ーゲットの反射によって、フィーラ部材の位置測定が阻害される恐れは一層減少 する。 本発明においては、複数のフィーラを並べて使用可能である。例えば、複数の フィーラ部材ないしフィーラピンは、単純な切換ユニット（例えば複数のフィー ラを備えたターレット）で回転して視野に位置づけられる。又、本発明で可能な ことは、複数のフィーラ部材を同時に動作させることである。アクティブなフィ ーラ部材ないしフィーラピンは、非アクティブなフィーラピンの光を消すことに より、あるいは、例えばターゲットサイズ、光の色、フィーラ座標システムにお けるターゲットの位置、光の変調ないしは、取り付けられたモデルなどのその他 のコード化手段を介して特定される。古典的な座標測定技術において標準であっ たフィーラピン測定は、本発明におけるフィーラにおいて、もはや必要でない。 これは、フィーラ球体の位置及び直径が写真測量手段によって、十分な精度で測 定できるからである。 小さいフィーラ部材での測定は、しばしば多数の破損されたフィーラピン（フ ィーラ部材、フィーラ延出部）を引き起こす。本発明のシステムによれば、フィ ーラピンは安価で容易に交換できる。高価なセンサや移動軸は、フィーラ部材か らの距離が相当に大であるから、相互の衝突によって変形したり損傷をうけるこ とがない。例えば、シャフト長さはシステムの移動範囲よりも長くし得る。従っ て、衝突は起こらない。シャフト長に対する大きなフィーラないし球体の偏位は 困難なくなし得る。その結果、システムは高い固有の安全性及び良好な走査性を 発揮する。又、対象物表面を損傷させることなく高い検出速度を可能とする。 写真測量システム又はその他の光学作動のセンサシステムによって、レンズか らのイメージ情報に基づいて実際の測定開始前に対象物の数学的調整が可能であ る。これにより、実際の接触測定において対象物を正確に検出することができる 。 このシステムにおいては、測定の偏位を導く可能性のある以下の２つのタイプ の弾性的影響がある。 １．対象物自体の弾性（広い範囲において）；これからの影響は少なくとも２つ の検出力を伴う測定によりゼロと推定し得る。 ２．球体と対象物表面との間のヘルツ応力からの局部的弾性；この影響は、必要 な場合（すなわち、高精度測定又は弾性のある対象物の場合）少なくとも２つの 異なる検出力を伴う測定によって除去し得、見掛けの検出力「ゼロ」と推定され る。 上記第２の場合における「ゼロ」の力の推定は、ヘルツによる変形が定数に力 （検出力）の２／３乗を掛けた値に等しいので可能である。 Ｄ＝Ｋ・Ｆ^2/3 ここにおいて、 Ｄ：対象物とフィーラ球体との間の接触点における変形 Ｆ：力（ないしは検出力に比例する量） Ｋ：定数 Ｄ₁＝Ｋ・Ｆ₁ ^2/3 Ｄ₂＝Ｋ・Ｆ₂ ^2/3 Ｄ₁−Ｄ₂＝Ｋ・（Ｆ₁ ^2/3−Ｆ₂ ^2/3） 上記式から、差（Ｄ₁−Ｄ₂）が測定から知られるとともにＦ₁及びＦ₂の値が知ら れると、Ｋの値が引き出される。「ゼロ」の力を伴った検出に関連して変形値（ Ｄ₁−Ｄ₂）を算出し得る。力に比例した値は、例えば、最初に対象物に接触した 点からスタートして算出した移動距離である。又、これらは力を伴うセンサによ っても測定可能である。力を伴ったセンサは、例えば、ファイバ自体であり得る 。これは、その曲率が写真測量的に、あるいは光源に向って内部で反射／拡散し た光又は発射された光の変化に基づいて測定される場合である。最も望ましいの は、全ての正確な測定目的のために複数の検出力を伴って測定を行うことである 。これは、フィーラ部材と対象物との間の接触点における有効半径が局部的な波 形形状及び粗面の特性のために極めて大きく変化するからである。 ヘルツ及びリニアの弾性が同じ大きさである場合、少なくとも３つの力を伴っ て検出がなされる必要がある。そして、ヘルツとリニアの弾性の両方の定数は、 見掛けの力「ゼロ」と推定するために決定されなければならない。 フィーラとして用いる直径が０．１mmよりも小さい球体において理想的な球形 状からの偏りが無視できない場合、検出点の、方向に沿った修正による調整が必 要である。修正値を測定するために、以下の２つの方法が可能である。 １．特別な測定装置を備えたフィーラシステムとは無関係に実行され、フィーラ 部材の球形状からの偏位の測定、 ２．フィーラシステム自体を備えた参照球体の測定によって実行され、フィーラ 部材の球形状からの偏位の測定、 基本的にいって、フィーラ部材の幾何学的形状は、球体以外に、例えばシリン ダ状など種々の形状を選択し得、ファイバ自体を表すか、あるいはフィーラ延出 部としてのファイバの丸い端部を表す。 フィーラ部材（例えば球体）は、観察の方向に応じて、ほぼ完全にイメージさ れるので、汚れが大きな障害となる。従ってフィーラ部材の位置決定のためには 、いわゆるロバスト補償アルゴリズムを用いた決定が最も望ましい。このアルゴ リズムには、例えば、偏位量の合計の最小化（いわゆるＬ１規格）が含まれる。 上述した修正法は、しかしながら、特別な場合においてのみ必要であり、その 結果として本発明による教示が基本的に影響されることはない。 基本的にいって、フィーラ部材、ターゲット又はシャフトの照明はシャフトを 通して、その内部からなし得るのみに限らず、適宜の照明装置を用いて外部から もなし得る。 １つの可能な変形例においては、フィーラ部材ないしターゲットは再帰反射器 （三重反射器、キャッツアイ、反射球体）で構成され、カメラ観察角度から外方 に照明される。 本発明に係るフィーラは、基本的にいって測定対象物やフィーラ部材自体のサ イズに制約されない。又、単次元、２次元、あるいは３次元の構造の測定に用い 得る。特にフィーラ延出部は、光ガイドとして構成し得るとともに２０μmの直 径を有する。フィーラ球体等のフィーラ部材の直径は５０μmが望ましい。 特に、フィーラ部材の直径はフィーラ延出部の約１〜３倍大である。 光ガイドが用いられる場合に、フィーラ延出部の破壊強度を増すために、テフ ロン（商品名）又は他の破壊を抑制する物質による表面コーティングがなされる 。例えば、スパッタリングによって被覆処理が可能である。 フィーラ部材の空間位置は、それが少なくとも３つのターゲットを有するとき 、２次元の測定システムを用いて決定し得る。これらターゲットのイメージはフ ィーラ部材の空間位置を決定するために評価される。 又、本発明によれば、ワークピースの幾何学的形状を決定するために操作によ る検出方法を可能とする。特に、評価されるべきイメージは、位置感応型表面セ ンサによって発生させることができる。 純粋に機械的な測定フィーラシステムと比較して、本発明は以下のような利点 を有する： −機械的ホルダ及び検出シャフトの弾性及び塑性の影響及びクリープ現象の影響 が測定結果に悪影響を与えないこと、 −極めて小さい検出時のセンサ圧力（＜ＩＮ）が実現すること、 −精密な機構が必要でないこと、 −極めて小さいフィーラ部材及びシャフト径のものを用い得ること、 −フィーラシステムの位置は、光学システムを用いるオペレータによって好適に モニターし得ること、 −当該システムは座標測定装置の既存の光学システムに直接取り付けることがで きるとともにイメージ信号は既存のイメージプロセッサを用いて評価し得ること 、 −既存の光学座標測定装置に適応し得ることから、装置費用が安価になること。 純粋に光学的測定フィーラシステムと比較して、本発明は以下のような利点を 有する： −実際の機械的寸法（量）が測定される。色や反射などの表面の性質が測定結果 に悪影響を与えないこと、 −純粋に光学的なシステムではアクセスし得ない３次元構造における測定が可能 となること。例えば、孔の径及び形状の相違を種々異なる高さ部位で測定し得る こと。 本発明の更なる詳細、利点及び特徴は、請求の範囲の記載のみならず、以下に 図面を参照して説明される好ましい実施形態の記載から明白となる。 図において、 図１は、対象物の構造を測定するための装置の第１の実施形態を示す図、 図２は、対象物の構造を測定するための装置の第２の実施形態を示す図、 図３は、対象物の構造を測定するための装置の第３の実施形態を示す図、 図４は、対象物の構造を測定するための装置の第４の実施形態を示す図、 図５は、対象物の構造を測定するための装置の第５の実施形態を示す図、 図６は、対象物の構造を測定するための装置の第６の実施形態を示す図、 図７は、フィーラの第１の実施形態の部分図、 図８は、フィーラの第２の実施形態の部分図、 図９は、フィーラの第３の実施形態の部分図、 図１０は、対象物の構造を測定するための装置の第７の実施形態を示す図、 図１１は、対象物の構造を測定するための装置の第８の実施形態を示す図、 図１２は、ブロック図、 である。 図において、対象物の構造を測定する装置の種々の実施形態について同一の部 材には同一の参照番号を付してある。当該装置の実施形態は、座標測定装置に設 けられたフィーラの手段によって原理的に示されている。図１に示す第１の実施 形態において、測定される対象物１２の孔１０の構造が決定される。孔１０のエ ッジがフィーラ部材１４により検出される。このフィーラ部材１４はそこから延 出するとともに弾性によって曲げ変形可能なシャフトで構成されたフィーラ延出 部１６を有し、両者によってフィーラ１８が構成される。 フィーラ１８はホルダ２０から延出しでおり、このホルダ２０は少なくとも３ 度、好ましくは５度の自由度をもって調整可能となっている。座標測定装置２２ の光学システムは、好ましくはホルダ２０上に設けられる。しかし、その他の形 式の連結構成も可能である。しかしながら、重要なことは、座標測定装置２２の センサないしは光学システムがＸ，Ｙ，Ｚ方向においてフィーラ部材１４と１つ のユニットとして調整できることである。又、これとは独立して光学軸線２４及 び焦点面に対するフィーラ部材１４の調整が行われる。ここにおいて、フィーラ 部材１４、すなわち、この実施形態における、フィーラ球体、を焦点面と光学軸 線２４との交点に位置づけるための種々の可能性がある。従って、図１に示す本 発明の実施形態において、フィーラ延出部１６をホルダ２０から光学軸線２４に 沿って横方向に挿入ことがきる。 図２に示す本発明の第２の実施形態において、ホルダ２０から取付アーム ２６，２８が突出し、これら取付アームは、その端部が焦点面の外側にあるとと もに側方から光学軸線２４に挿入された曲げ変形可能なフィーラ延出部１６のた めの支持体として用いられる。フィーラ延出部は連結部片３０によってフィーラ 部材３２に連結可能となっている。このフィーラ部材３２は、光学軸線２４に沿 って延出したロッド状部分３４を介して球体形状の実際のフィーラ部材１４と一 体に連結されている。このフィーラ部材１４を用いることにより孔１０のエッジ の構造が決定される。 図３に示す本発明の第３の実施形態において、Ｌ字形に湾曲した曲げ変形可能 なフィーラ延出部３８が支持体３６により支持され、その支持体３６は、ホルダ ２０から下方に突出している。この状態において、フィーラ延出部３８の光学軸 線２４に沿って直線状部分４０の端部はフィーラ球体よりなるフィーラ部材１４ に一体連結されている。 フィーラ部材１４が調整されると、座標測定装置の既存の光学システム又は適 宜のセンサを介して観察されるようになる。孔１２のエッジが検出されると、フ ィーラ部材１４はカメラ領域ないしセンサ領域においてその位置を変える。この 偏位は電子イメージ処理システムによって評価される。これにより、従来の測定 フィーラシステムに似た効果を有する動作モードが得られる。ここにおいて、座 標測定装置２２は、従来の機械的測定フィーラシステムと同様に制御される。 フィーラ部材１４の光学的測定を行うには、種々の可能な態様があり、これら が図４〜６及び図１０及び１１に原理的に示されている。 例えば、図４に示す本発明の第４の実施形態においては、伝達光による方法が 提案されている。ここにおいて、センサ又はカメラ領域上でフィーラ部材１４の 影が観察されるか、あるいは測定される。しかし、図４に示す伝達光による方法 において重要なことは、孔１０が貫通形状であり、対象物であるワークピース１ ２が完全に光を通過させる構造であることである。 図５に示す本発明の第５の実施形態において、フィーラ部材１４は、光学軸線 ２４に沿って反射した光を受ける。このために、座標測定装置２２の上方にミラ ー２が配置され、このミラーを介して反射された光が座標測定装置２２及びホル ダ２０内を通り光学軸線２４に沿って導かれる。 フィーラ延出部３０のために光ガイドファイバを用いるのが好ましい。これは 、図６に示す本発明の第６の実施形態で示すように、光をフィーラ部材１４にま で透過させる利点がある。光源自体は図５，６に参照番号４４で示してある。 これらの実施形態において、フィーラ部材１４は体積に応じた発光／反射（vo lume-emitting）の球体の形状を有する。フィーラ部材１４は、例えば接着又は 溶接などの方法によりフィーラ延出部３０に固着されている。しかし、両者を交 換可能に連結する構成も可能である。 図７に示すフィーラの第１の実施形態において、フィーラ部材１４はフィーラ 延出部３０の端部４０に接着され、図８に示すフィーラの第２の実施形態におい ては、フィーラ延出部３０の端部４０自体がフィーラ部材１４を一体に構成して いる。端部４０の末端がこのように構成されるのが望ましい。しかし、フィーラ 延出部３０の端面に反射カバーを設けてターゲットの機能を一層充足させるよう にすることも可能である。 フィーラ部材１４自体を観察するのに代えて、そのフィーラ部材１４に対して 固定した位置で適宜の球形のターゲット４６を図９及び１１に示すように設ける ことも可能である。このターゲット４６はフィーラ延出部３０の一部で構成して もよいし、そのフィーラ延出部上に設けてもよい。従って、フィーラ延出部３０ は、その一端フィーラ部材１４を備える態様である。更に、図１１に示すように 球形のターゲット４６，４８，５０をフィーラ延出部３０上で所定間隔をおいて 複数個配置する構成も可能である。この結果、フィーラ部材１４を直接観察する こともできるし、この上に設けられたターゲット４６ないし４６，４８ないし４ ６，４８，５０を観察することもできる。 フィーラ部材１４又はターゲット４６，４８，５０は、セラミック，ルビー又 はガラス等、種々の材料で形成し得る。更に、これら部材の光学的品質は、反射 層あるいは拡散層をこれら部材表面にコーティングすることにより改善される。 フィーラ延出部３０の直径は、１００μmより小さく、特に２０μmが望ましい。 フィーラ部材１４あるいはターゲット４６，４８，５０の直径は、光ガイドとし てのフィーラ延出部３０のケース本体よりも１．５〜３倍大であるのが望ましい 。 フィーラ延出部３０の覆いは光が透過する必要のない領域において、テフロン （商品名）又は他の破壊を抑制する物質による表面コーティングによって構成さ れる。 フィーラ部材１４又はその上に設けられたターゲット４６，４８，５０のイメ ージは、例えば、光学的座標測定機械のＣＣＤ領域上に表示することができる。 ＣＣＤ領域内での光ドットの偏位は、サブピクセル精度で測定し得る。本発明 の方法によれば、再現可能な測定値はμm範囲の精度で可能である。 図１０及び１１に示す本発明の第７及び第８の実施形態においては、写真測量 法が用いられる。フィーラ部材１４と整合したカメラ５２，５４などの２つの光 学イメージシステムが共通のホルダ２０から延出した態様を呈する。フィーラ部 材１４と光学的に整合したカメラ５２，５４によって、工業上の写真測量術から 知られた従来公知の評価技法を用いてフィーラ部材１４の空間的位置決定が可能 である。又、余分な台数のカメラ（例えば３台）を用いることにより、もし３台 のカメラの内の１台が影になった場合でも対象物の測定が可能となる。対象物が 小さい孔の場合には１台のカメラで十分であり、フィーラ部材１４と光学的整合 がなされる。これとは別に、対象物の構造を決定するために、アクティブな光伝 達、光反射又は光シェーディングのフィーラ部材１４ないしはターゲット４６， ４８，５０が用いられる。ここにおいて光は光源４４からフィーラ部材１４ない しターゲット４６，４８，５０に、光ガイドファイバとして構成されたフィーラ 延出部３０を介して供給される。あるいは又、光自体をフィーラ延出部３０又は ターゲット４６，４８，５０又はフィーラ部材１４内で発生させるように、これ らの内部に電気的に照明するモジュール、例えばＬＥＤ（発光ダイオード）モジ ュールを包含させることができる。本発明によれば、フィーラ部材１４ないしは ターゲット４６，４８，５０は、それが球形状の場合、理想的な高コントラスト で、かつ理想的に円環状のイメージが得られる。更に、あるいは選択的に、フィ ーラ部材１４ないしターゲット４６，４８，５０を蛍光体で構成することができ る。これによって入力光と出力光が周波数で分離され、フィーラ部材１４ないし ターゲット４６，４８，５０により発生するイメージを周囲から区別するこ とができる。 フィーラ球体等よりなるフィーラ部材ないしはこれに空間的に明確に配置され たターゲットが、光学的に直接測定される構成を備えた本発明の座標測定装置に おいて、これらフィーラ部材ないしターゲットの直接的な光学的測定から対象物 の構造が決定される。この構造は、その大きさが１００μm以下、特に５０μmま でのもので、±０．５μmの測定の不確実さをもって測定し得る。座標測定装置 により、例えば、０．５×０．５×０．５ｍ³の測定標準体積のものにつき測定 ができる。 図１２に示すブロック図は、本発明において、フィーラ部材５８の位置を直接 的光学測定により、座標測定装置５６内で対象物の構造を決定するためのもので 、該対象物はＣＮＣコントローラを用いてフィーラ部材５８により検出される。 座標測定装置５６は標準的構成である。例えば、フィーラ部材５８はクロスピ ース６０に沿ってＸ方向に調整可能なスリーブ６２に取り付けられたホルダから 延出している。クロスピース６０はＺ方向に調整可能である。対象物自体はＹ方 向に可動な測定テーブル６４に取り付けられている。フィーラ部材５８か対象物 を検出すると、フィーラ部材５８の座標Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’は、イメージプロセッ サ６６によりフィーラ部材５８の位置に対応するビデオ信号から算出され、次い でこれが測定コンピュータ６８に供給され、ここで座標測定装置５６の座標値Ｘ ，Ｙ，Ｚと連結（リンク）され、これがカウンタ７０を用いて決定される。この ようにして算出された値から、一方においては対象物（ワークピース）の幾何学 的形状が決定され、他方においては、座標測定装置５６のＣＮＣ動作がＣＮＣコ ントローラ７２を用いて制御される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 １９８０５８９２．６ (32)優先日 平成10年２月13日(1998．2．13) (33)優先権主張国 ドイツ（ＤＥ） (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ， ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，Ｌ Ｓ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ， ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，Ｅ Ｅ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ，ＩＤ ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ， ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，Ｍ Ｇ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ， ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，Ｙ Ｕ，ＺＷ (72)発明者 シュベンケ，ハインリッヒ ドイツ連邦共和国 デー38118 ブラウン シュバイク ヘレネンシュトラーセ 30

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．座標測定装置に設けられるとともに対象物に接触し、その位置が間接又は直 接に決定されるフィーラ部材によって対象物の構造を測定する方法であって、 前記フィーラ部材の位置又は該フィーラ部材に直接設けられた少なくとも１つ のターゲットの位置が光学センサで直接決定され、該フィーラ部材ないしターゲ ットの、前記光学センサで決定された座標が、対象物の構造を測定するために、 座標測定装置の座標と結合されてなることを特徴とする方法。 ２．フィーラ部材ないし少なくとも１つのターゲットは、センサに対面する側か ら対象物に向って動かされてなることを特徴とする請求項１に記載の方法。 ３．フィーラ部材ないし少なくとも１つのターゲットの位置は、該フィーラ部材 ないしターゲットから反射する光ビーム、ないしこれによってシェーディングさ れた光ビーム、ないし、これから発射された光ビームによって決定されることを 特徴とする請求項１又は２に記載の方法。 ４．フィーラ部材はセンサとともに１つのユニットとして調整されることを特徴 とする前記請求項の少なくとも１つに記載の方法。 ５．対象物との接触によって結果として生じるフィーラ部材の偏位は光学的に決 定されることを特徴とする前記請求項の少なくとも１つに記載の方法。 ６．フィーラ部材の偏位は、検出領域における該フィーラ部材のイメージの移動 又はターゲットのイメージの移動によって検出されることを特徴とする前記請求 項の少なくとも１つに記載の方法。 ７．フィーラ部材の偏位は、コントラスト機能の評価によって決定されることを 特徴とする前記請求項の少なくとも１つに記載の方法。 ８．フィーラ部材の偏位は、対象物との距離及び拡大との間の幾何光学による修 正から結果するターゲットのイメージのサイズ変化から決定されることを特徴と する前記請求項の少なくとも１つに記載の方法。 ９．フィーラ部材の偏位は、焦点ズレに起因するコントラスト損失から結果する ターゲットの見掛けのサイズ変化から決定されることを特徴とする前記請求項の 少なくとも１つに記載の方法。 １０．電子的イメージ処理システムの光学軸線に対して縦方向の偏位は該電子的 イメージ処理システムによって決定されることを特徴とする前記請求項の少なく とも１つに記載の方法。 １１．フィーラ部材の空間位置は、該フィーラ部材に設けられた少なくとも３つ のターゲットにより、２次元の測定システムを用いて決定されることを特徴とす る前記請求項の少なくとも１つに記載の方法。 １２．フィーラ延出部又はその一部分が空間的に突出したターゲットとして用い られ、該ターゲットの位置は、自由に選択可能な横断面においてフィーラ本体と 相対的に測定されることを特徴とする前記請求項の少なくとも１つに記載の方法 。 １３．フィーラ部材の位置を決定するためにフィーラ延出部上に配置されたター ゲットは、写真測量（少なくとも２台のカメラ）によって測定されることを特徴 とする前記請求項の少なくとも１つに記載の方法。 １４．フィーラ部材の位置は、写真測量（少なくとも２台のカメラ）によって測 定されることを特徴とする前記請求項の少なくとも１つに記載の方法。 １５．フィーラ部材（１４）と好ましくはフィーラ延出部（１６，３８）とを有 し、座標測定装置に設けられたフィーラによって対象物（１２）の構造を測定す る装置であって、 座標測定装置（２２）は、フィーラ部材（１４）ないし該フィーラ部材に直接 設けられた少なくとも１つのターゲットの光学的位置決定のための光学センサと 、評価ユニットとを備え、前記評価ユニットにおいて、座標測定装置の座標系に 対する光学センサの位置及び該光学センサによって直接測定されるフィーラ部材 ないしターゲットの位置から対象物の構造が算出され、前記センサは少なくとも １つの調整可能なユニットとともに前記フィーラ部材を構成することを特徴とす る装置。 １６．フィーラ部材（１４）ないしターゲット（４６，４８，５０）は反射板と して構成されてなることを特徴とする前記請求項１５に記載の装置。 １７．フィーラ部材（１４）ないしターゲット（４６，４８，５０）は自己発光 体であることを特徴とする前記請求項の少なくとも１つに記載の装置。 １８．フィーラ部材（１４）ないしターゲット（４６，４８，５０）は、光ビー ムを空間上に発射又は反射する球体又はシリンダ状部材であることを特徴とする 前記請求項の少なくとも１つに記載の方法。 １９．フィーラ延出部（３８）は、少なくとも部分的に曲げ変形可能な弾性を有 するか、ないしは光ガイドとして構成され、又は光ガイドを含んでなることを特 徴とする前記請求項の少なくとも１つに記載の方法。 ２０．フィーラ延出部（３８，４０）又は、その少なくとも一部分が前記フィー ラ部材（１４）ないしはターゲット（４６，４８）であることを特徴とする前記 請求項の少なくとも１つに記載の装置。 ２１．複数個のターゲット（４６，４８）がフィーラ部材（１４）に設けられる とともに好ましくはフィーラ延出部（３０）又はその一部分から突出しているこ とを特徴とする前記請求項の少なくとも１つに記載の装置。 ２２．フィーラ延出部（３０）は光学軸線（２４）と整合するとともにＬ字形に 形成されていることを特徴とする前記請求項の少なくとも１つに記載の装置。 ２３．フィーラ延出部（３０）はフィーラ部材（１４）として端部に形成されて いることを特徴とする前記請求項の少なくとも１つに記載の装置。 ２４．フィーラ部材（１４）ないしターゲット（４６，４８，５０）は、フィー ラ延出部（３０）に交換可能に連結されていることを特徴とする前記請求項の少 なくとも１つに記載の装置。 ２５．フィーラ部材（１４）ないしターゲット（４６，４８，５０）は、フィー ラ延出部（３０）に接着又は溶接にて連結されていることを特徴とする前記請求 項の少なくとも１つに記載の装置。 ２６．フィーラ（１８）は、少なくとも３度、好ましくは５度の自由度をもって 調整可能なホルダ（２０）から交換可能に突出していることを特徴とする前記請 求項の少なくとも１つに記載の装置。 ２７．フィーラ（１８）は、センサとともにユニットを構成するか、又は該セン サと連結されたホルダ（２０）から突出していることを特徴とする前記請求項の 少なくとも１つに記載の装置。 ２８．フィーラ（１８）は、センサに対面する側から対象物に向って移動するこ とを特徴とする前記請求項の少なくとも１つに記載の装置。 ２９．フィーラ部材（１４）ないしターゲット（４６，４８，５０）は、ＬＥＤ 等で構成された自己発光型の電子素子よりなるか、又は該電子素子を備えている ことを特徴とする前記請求項のいずれか１つに記載の装置。 ３０．センサは、イメージ処理センサであることを特徴とする前記請求項の少な くとも１つに記載の装置。 ３１．センサは、位置感応型表面センサであることを特徴とする前記請求項の少 なくとも１つに記載の装置。 ３２．フィーラ部材（１４）の直径は、フィーラ延出部（３８）の直径の約１〜 ３倍の大きさであることを特徴とする前記請求項の少なくとも１つに記載の装置 。 ３３．フィーラ延出部（３０）は、その一端側にシリンダ形状部を有するととも にフィーラ部材（１４）として構成されていることを特徴とする前記請求項の少 なくとも１つに記載の装置。 ３４．フィーラ延出部（３０）は、フィーラ部材を形成する球形状部を有してい ることを特徴とする前記請求項の少なくとも１つに記載の装置。