JPH03144301A - 測定システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、光源で発生した光ビームを用いて、例えばロ
ボットのアーム、軌道（トラック）に沿って移動可能な
車両、あるいは座標位置決め機のヘッド等の被測定物の
空間位置を測定する測定システムに関する。

（以下余白） ［従来の技術］ このような測定システムの一例としてレーザ干渉計があ
り、座標位置決め機（例えば、座標測定機あるいは工作
機械）のヘッドの位置を測定するのに用いられている。

一般的には、この干渉計はミクロンのオーダの精度でヘ
ッド位置を測定する。したがって、例えば温度変化、ビ
ーム角度のわずかなずれ、空気の屈折率のわずかな局部
的変化、あるいは、ヘッドの振動等の現象が干渉計によ
るいずれの測定精度にも大きな影響を与えることになる
。

［発明が解決しようとする課題］ 周囲環境状態の監視をし、必要な場合には測定結果を補
正可能とするために、光学測定系の近辺に測候部（気象
観測手段）を設けることが知られている。しかしながら
、このような測候部はそのごく近辺の周囲環境状態に影
響を及ぼすパラメータの値を決定するに過ぎない。要求
された程度の精度を得るため、及び／又は被測定物の位
置を複数の異なる位置で測定すべき場合には、このよう
なパラメータ（更にｌ又はそれ以上の上述のパラメータ
も）をいろいろな箇所でモニタすることが必要となる。

そこで、本発明の目的は上述の点に鑑み、機械に取り付
けられた被測定物の位置を周囲環境に影響されずに高精
度に測定し、この被測定物を位置決めすることの可能な
測定システムを提供することにある。

［課題を解決するための手段］ かかる目的を達成するため、この発明の測定システムは
、光ビームを発生する光源を備え、この光ビームからの
光が被測定物に入射し、これにより被測定物がそのビー
ムと相互作用し、更に、この相互作用の結果を検出して
これに対応した検出信号を発生する検出器と、この検出
信号を受けてこの検出信号から被測定物の位置を測定す
る中央制御装置と、光ビームにより作動可能で、被測定
物の位置の測定に影響する物理的パラメータを感知する
少くとも１つのセンサ及びこのパラメータの値を示す無
線信号を中央制御装置に送信する送信手段を有するセン
サモジュールとを備えることを特徴とする。

［作　用］ したがって、本発明によれば、例えば被測定物が座標位
置決め機のヘッドであり、このヘッドの位置な一定方向
に沿って測定すべきものである場合には、ヘッド上にセ
ンサアレイが設けられ、定方向に沿って種々のパラメー
タがこれらのセンサアレイで測定され、測定値に悪影響
を与え及び／又はヘッドの自由な移動を全体的に阻害す
る可能性のあるヘッドからひき延されるケーブルは送信
手段からの無線信号により不要となる。

［実施例］ 以下、添付図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明
する。

第１図は本発明の第１実施例の全体の構成を示す。

第１図を参照すると、レーザ１０はほぼ完全に平行な光
ビーム１２を放出する。このビーム１２は複数の光学要
素からなる干渉計システム１６に利用される。特に干渉
計システム１６はビームスプリッタミラー１８を備え、
このビームスプリッタミラー１８はビーム１２の一部を
据付けの再帰反射器２０に向けて、干渉計システム１６
の参照アームを形成する。偏向されることなくビームス
プリッタミラー１８を直進したこのビーム１２の残りの
部分は、再帰反射器２２（位置を測定される被測定物に
結合されている）に入射して、干渉計システム１６の検
知アームを形成する。再帰反射器２０および２２からの
戻りビームはビームスプリッタミラー１８で再結合され
、これにより生ずる干渉縞が検出器２４で検出される。

この検出器２４は検出信号をマイクロプロセッサ４６に
伝送し、このマイクロプロセッサ４６はこの検出信号か
ら再帰反射器２２の位置を測定する。

測定精度を決定するパラメータの１つは、干渉計システ
ム１６の構成部品に対する光ビーム１２のアライメント
（整合）である、測定するためと、必要あらば発生の可
能性の何らがのミスアライメント（例えば、レーザに対
する干渉計の移動によるミスアライメント）を補償する
ために、干渉計１６に対するビームのアライメントを検
出し、調整する調整装置が設けられている。この調整装
置は、ビーム１２を干渉計システム１６に向ける平面鏡
１４と、干渉計の出射側（ｄｏｗｎｂｅａｍ　）でビー
ム１２の光路内に配置されたビームスプリッタミラー２
６とを有する。ビームスプリッタミラー２６は、ビーム
１２の成分２７をビーム１２の伝搬方向を検出する電子
ターゲットへ向ける。この電子ターゲットは本事例では
４分割セル２８（注：電荷結合素子アレイ（ＣＣＤアレ
イ）あるいは位置感知検出器も用いることもできる）で
ある、４分割セル２８の４つの出力（Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄ）
は論理回路部３２の入力を供給し、この論理回路部３２
は入力信号（Ａ、Ｂ。

Ｃ，Ｄ）に基づいて２軸モ一タ列３４を駆動して、平面
鏡１４のアライメントを再調整する。したがって、ビー
ム１２がずれると、４分割セル２８の各部に入る光の強
さの比がビームの適正なアライメントに対応する現在の
比のレベルから変化することになる。この変化は、論理
回路部３２がモータ３４を作動させて、入力信号３０の
信号比が上記現在レベルに戻るまで平面鏡１４のアライ
メントを調整することを生じさせる。この作動について
は後でさらに詳述する。更に、論理回路部３２はＬＥＤ
　（発光ダイオード；図示しない）を接続してもよく、
また符号化信号を受信器４４を通じてマイクロプロセッ
サ４６に送信して、測定値に必要とされる補正を行うこ
とができるようにしてもよい。このように、このミスア
ライメント（整合ずれ）に関する情報は、正確な測定を
行うために使用される情報を得るためにも用いることが
できる。

論理回路部３２およびモータ３４は再充電可能な電池３
６から電力を供給され、この電池３６によりアライメン
ト感知兼調整装置１３の外部の電源から論理回路部に電
力を供給する必要がなくなる。ビーム成分２７の光路内
に配置されたビームスプリッタミラー３８はビーム成分
２７の一部を光電池に偏向する０本実施例では、この電
池は硫化カドミウム（ＣｄＳ）の太陽電池４０であり、
この太陽電池が再充電可能な電池３６を充電する。この
電池３６は４分割セル２８で変換された電力から直接充
電することが可能なことはもちろんであるが、この点に
関しては４分割セル２８の効率は太陽電池４０よりも低
い。これに代り、作動寿命に匹敵する寿命を有する電池
は論理回路部およびモータ３４の電力供給に用いること
ができ、論理回路部は４分割セル２８へのビーム２７の
入射で作動される。

概して、アライメント調整を必要としない時間がほとん
どであるので、太陽電池４０に入射する光のレベルが低
くても電池３６を充電するには十分である。論理回路部
３２は一般的にはＣＭＯＳ回路であり、したがってその
作動に要する電力は極めて小さい０周囲の光（例えば日
光）のレベルが高い場所のシステムでは、太陽電池４０
はこの光を用いて電池を充電することもできる。しかし
、有効な電力が不十分な場合には、太陽電池４０の充電
促進を目的とするためだけの第２光源を設けることもで
きる。この第２光源はコヒーレント光（可干渉性光）あ
るいは周波数を安定化した光である必要はなく、したが
ってレーザ１０よりもより低価格で設けることができる
。

以下、論理回路部および２軸モータ３４の作動について
第２図および第３図を参照してさらに詳細に説明する。

４分割セル２８は４つの感知領域Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄを備え
、各感知領域は入射光の強度に比例した電気信号を生起
するようになっている。出力Ａ、Ｂおよび出力Ｃ，Ｄは
加算回路４２．４５に送出され、これらの加算回路はそ
れぞれＡ＋ＢおよびＣ＋Ｄの値に相当した信号を出力す
る。これらの各出力は減算回路４７に送出され、この減
算回路はＡ＋ＢとＣ＋Ｄの値の差に相当する公知の差動
出力を生成する。この差動出力は、領域Ａ＋Ｂで限定さ
れた４分割セルの半片、および領域Ｃ＋Ｄで限定された
その４分割セルの残りの半片に入射した光の強度の差を
表す。この差動出力は比較器４８に送出され、この比較
器は差動出力の値を設定値Ｘと比較する。このＸの値は
ビームが完全に整合しているときの差動出力の値である
。（注：ビームが完全に整合されたときに、４分割セル
の４つの領域の各に入射する強度が均一のレベルにある
場合には、比較器４８は省略することができるが、装置
を組立てるときに適応性をより大きくするために、比較
器を用いることが好ましい）。比較器４８の出力信号Ｅ
１は増幅器５１（この増幅器は他の全ての論理回路部品
と同様に再充填可能な電池３６から電力を供給されろ）
に送出され、この増幅器５１の出力はモータ列３４の駆
動モータＭ１に使用されて、ミラーを適切な方向に再整
合する。同様な動作が、加算回路４２’　、４５’　と
、減算回路４７′と、設定値Ｙとの比較で得られる誤差
信号Ｅ２を駆動モータＭ２に供給する比較器４８′とを
用いて、ビームのアライメントと４分割セル２８の半片
Ａ、　Ｂおよびその残りの半片Ｃ，Ｄに関しても実行さ
れる。

次に、モータＭＬ、Ｍ２および偏向ミラー１４に対する
これらのモータとの関係について第３図を参照して説明
する。モータ列３４は装置支持材上に固定して搭載され
た第１モータＭ１を備え、このモータは軸線Ａ１の回り
に回転する。第２モータＭ２は第１モータＭ１を回転す
るために搭載され、軸線Ａ１に垂直な軸線Ａ２の回りに
回転する。ミラー１４は軸５３を介して第２モータＭ２
に結合され、それによりモータＭ２は軸線Ａ２の回りに
ミラー１４を回転することができ、かつ第１モータＭ１
の回転でミラー１４を軸線ＡＩの回りに回転させること
ができる。したがって、ミラー１４は両軸線Ａｌ、Ａ２
の回りに回転するため、その軸線の交差点（第３図に符
号Ｐで示す）でロータにより支持されている。装置を立
ち上げた時に、ミラー１４上に点Ｐでビーム１２が入射
するのが望ましい。軸線Ａｌ、Ａ２の回りにミラー１４
を回転することにより領域Ａ、Ｄ、領域Ｂ、Ｃ１領域Ａ
、Ｂ、領域Ｃ，Ｄをそれぞれ結合する線に平行な方向に
４分割セル２８の表面をビームが横断するようにモータ
３４の姿勢を調整すべきである。

２軸モ一タ列３４に代えて、平面ミラー１４の姿勢を調
整するためにコンデンサ列で駆動される一連の圧電素子
を設けてもよい。この配置の場合には、ミラー１４は２
軸のばね付勢されたラチェット装置上に搭載され、ラチ
ェット装置を介して圧電素子はミラーを“軽くつつく”
して一連のそれぞれ別個の姿勢とすることができる。

上述のように、干渉計に使用されるレーザは周囲環境の
変化に応じてその周波数を安定化させる必要があり、し
たがってこのような変化をモニタ（監視）することが望
ましい。再度第１図を参照すると、機械のヘッド（図示
しない）は温度センサ（例えばｐｔ抵抗温度計）５０を
携行している。温度計の出力はマイクロプロセッサ５２
に送られ、このマイクロプロセッサは符号化信号をＬＥ
Ｄ送信器／受信器５４．４４を通じて中央マイクロプロ
セッサ４６に送る。マイクロプロセッサ５２およびＬＥ
Ｄ送信器５４は再充電可能な電池５６から電力を供給さ
れる。ビームスプリッタミラー１８の出射側のビーム１
２の光路内に配置されたビームスプリッタミラー５８は
、ビーム１２の一部を太陽電池６０上に偏向し、この太
陽電池は再充電可能な電池５６を充電する。この構成は
、また干渉計測定における重要な補正ファクタを供給す
る遠隔圧力センサ、相対湿度ガスセンサおよび屈折率セ
ンサにも適用することができる。

更にまた１位置が測定される被測定物の振動及び／又は
撓みの存在を測定することは有益であり、このため加速
度計６２が被測定物上に配置されている。加速度計（例
えば、圧電素子でもよい）は、再帰反射器２２に作用す
る撓み及び／又は振動の程度を表す信号を出力する。こ
の情報は引続いて、測定計算が行われるときに振動によ
り生じた誤差を補正するように考慮される。同様に、温
度計５０から得られた温度情報もマイクロプロセッサ４
６に送られる。遠隔加速度計も、干渉計自体を振動計と
して使用して得られたデータと比較するために用いるこ
とができる。

距離測定も光ビームの振幅変調により行うことができる
。第４図を参照すると、ビーム発生器１１０は光ビーム
１１２を放出し、その光ビームの振幅はクロック１７０
で変調される。センサモジュールが位置を測定すべき被
測定物上に設けられ、このセンサモジュールはビーム１
１２の強度を検出し、この検出信号を位相比較器１７４
に伝送する光検出器１２４を備えている。比較器１７４
はその検出信号をクロック回路１７２の出力（この出力
はクロック回路１７０と同じ周波数を有し、このクロッ
ク回路１７０に対して既知の位相関係を有する）と比較
して、位相出力信号を発生し、これによりこの位相出力
信号はマイクロプロセッサ１８６に伝送され、このマイ
クロプロセッサはＬＥＤ１８４を作動して位相出力信号
に対応した符号化信号を発生させる。この符号化信号は
受信器（図示しない）が受けとり、中央マイクロプロセ
ッサ（図示しない）に伝送され、この中央マイクロプロ
セッサはこの位相出力信号から上記実施例と同様にビー
ム発生器１１０と光検出器１２４（したがって被測定物
）との間の距離を決定する。光検出器１２４とクロック
回路１７２と位相比較器１７４とマイクロプロセッサ１
８６とは全て太陽電池あるいはバッテリ（この電力は光
検出器１２４にビーム１１２が入射したときにのみ消費
されるだけである）から電力を供給されることができる
。

上述の配列はある程度位置を逆にして、位置を測定すべ
き被測定物に変調された光ビームを当てることもできる
。被測定物に設けられたビーム発生器は上記実施例と同
様にその場所で電力を供給され、中央制御装置からの被
測定物上に設けられた光検出器へのビームの入射で作動
される。この配列では特に異なる方向に移動する光ビー
ムを使用して他の物との間で被測定物の位置の２つの量
を測定することができる。

レーザ干渉計で測定するときに考慮すべき最も重要なパ
ラメータの１つはビームに垂直な温度勾配である。第５
図を参照すると、座標測定機械２００はＸ　＋　Ｖ　＋
　Ｚの方向に移動可能なヘッド２０２を有する。図示の
例におけるヘッド２０２の位置はｙ方向で測定すべきも
のであり、このヘッドの端部に向ってレーザ２０４はビ
ーム２０６を放出し、このビームは干渉計２０８（参照
アームを備える）を介して、ヘッド２０２に設けられた
再帰反射器（図示しない）に入射する。

温度センサ２１２のセンサアレイ２１０がヘッド２０２
に設けられ、Ｚ方向における温度勾配を測定する。上記
実施例と同様に、センサからのデータは、共にその場所
で局地的に電力を供給されるマイクロプロセッサと送信
器とを具備するモジュール２１４により中央制御装置（
図示しない）に送信される。

検出器と情報取得システムと送信器とが一定の光学シス
テムの種々のポイントに配置されるべき場合に、検出器
（あるいは検出器アレイ）および論理回路部（あるいは
マイクロプロセッサ）を適切な外部焦点調節兼整合用光
学系と共に１個の小型パッケージ内の単一の印刷基板に
配設することは本発明の有益な実施である。

必要な場合には、本発明の技術はレーザ（例えば３軸ス
テージに搭載することもできるレーザ）の姿勢を直接調
節するために用いることもできる。あるいは、光ビーム
は一対のプリズム状ウェッジ（（さび）の姿勢を調整す
ることによりレーザからのビーム放出点に近（に調節す
ることができる。レーザからの光が光ファイバの端部か
ら放出される場合は、光ファイバの姿勢を調整すること
によりアライメントを調整することもできる。

遠隔に配置された個別のセンサと同様に、遠隔の屈折計
を整合させ、かつ作動させるためにこの光学的位置整合
技術を用いることもできる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、例えば被測定物
が座標位置決め機のヘッドであり、このヘッドの位置を
一定方向に沿って測定すべきものである場合には、ヘッ
ド上にセンサアレイが設けられ、一定方向に沿って種々
のパラメータがこれらのセンサアレイで測定され、測定
値に悪影響を与え及び／又はヘッドの自由な移動を全体
的に阻害する可能性のあるヘッドからひき延されるケー
ブルは送信手段からの無線信号により不要となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の全体の構成を示す構成図
、 第２図および第３図はそれぞれ第１実施例の構成部品の
詳細を示す回路図および正面図、第４図は本発明の第２
実施例の構成を示すブロック図、 第５図は本発明の実施例の座標位置決め機械の概略構成
を示す斜視図である。 １０．２０４・・・レーザ、 １２．１１２，２０６・・・光ビーム、１３・・・アラ
イメント感知兼調整装置、１４・・・平面鏡、 １６・・・干渉計システム、 １８．２６，３８．５８・・・ビームスプリッタミラー ２０．２２・・・再帰反射器、 ２４・・・検出器、 ２８・・・４分割セル（−次電池）、 ３２・・・論理回路部、 ３４・・・２軸モータ、 ３６．５６・・・バッテリ、 ４０．６０・・・太陽電池、 ２．４２’　、４５．４５’・・・加算回路、４・・・
受信器、 ６．５２，１８６・・・マイクロプロセッサ、７．４７
’・・・減算回路、 ８．４８’・・・比較器、 １．５１’・・・増幅器、 ０．２１２・・・温度センサ、 ３・・・軸、 ４・・・送信器、 ２・・・加速度計、 １０・・・ビーム発生器、 ２４・・・光検出器、 ７０．１７２・・・クロック回路、 ７４・・・位相比較器、 ８４・・・ＬＥＤ。 ００・・・座標測定機、 ０２・・・ヘッド、 ０８・・・干渉計、 １０・・・センサアレイ、 １４・・・モジュール。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）機械に取り付けられた被測定物の位置を測定し、こ
   の被測定物を位置決めするための測定システムであって
   、 光ビームを発生する光源を備え、この光ビームからの光
   が前記被測定物に入射し、これにより被測定物がそのビ
   ームと相互作用し、 更に、この相互作用の結果を検出して、これに対応した
   検出信号を発生する検出器と、 この検出信号を受けてこの検出信号から被測定物の位置
   を測定する中央制御装置と、 光ビームにより作動可能で、被測定物の位置の測定に影
   響する物理的パラメータを感知する少くとも１つのセン
   サ及びこのパラメータの値を示す無線信号を前記中央制
   御装置に送信する送信手段を有するセンサモジュールと を備える測定システム。 ２）前記センサモジュールは被測定物上に設けられてい
   る請求項１に記載の測定システム。 ３）前記センサモジュールのセンサは前記検出器であり
   、前記送信手段は前記検出信号を送信する請求項２に記
   載の測定システム。 ４）前記センサモジュールの各センサは、温度センサと
   圧力センサと湿度センサと屈折率センサとビームアライ
   メントセンサと振動センサとからなるグループから選定
   される請求項２に記載の測定システム。 ５）前記センサモジュールは電池で駆動される請求項１
   に記載の測定システム。 ６）前記電池は、光ビームによりエネルギを供給される
   光電池で充電される請求項５に記載の測定システム。 ７）前記光電池にエネルギを供給する補助光ビームを更
   に備える請求項６に記載の測定システム。 ８）前記被測定物は座標位置決め機のヘッドである請求
   項２に記載の測定システム。 ９）前記ビームに対して横方向に間隔をおいて、前記ヘ
   ッド上に設けられ、それによりこのビームを横切る温度
   勾配を測定する温度センサアレイを更に備える請求項８
   に記載の測定システム。 １０）前記センサは被測定物に対する光ビームのアライ
   メントを感知するビームセンサである請求項１に記載の
   測定システム。 １１）ビーム光路内に設けられ、このビームとの相対的
   な方向に応じた角度にわたってビームを偏向する偏向手
   段と、この偏向手段の方向を変えるモータとを更に備え
   る請求項１０に記載の測定システム。 １２）前記モータは電池で駆動される請求項１１に記載
   の測定システム。 １３）前記電池は、光ビームによりエネルギを供給され
   る光電池で充電される請求項１２に記載の測定システム
   。 １４）前記光電池にエネルギを供給する補助光ビームを
   更に備える請求項１３に記載の測定システム。 １５）前記被測定物上に設けられ、更に他の光ビームを
   発生する更に他の光源を備え、この光ビームを検出する
   更に他の検出器が前記中央制御装置に設けられている請
   求項１に記載の測定システム。 １６）ベッドに対して３方向に可動のヘッドと、このヘ
   ッドに設けられたセンサモジュールとを有する座標位置
   決め機であって、前記センサモジュールは周囲環境状態
   を感知する少なくとも１のセンサと、このセンサの各々
   で感知された環境状態を示す無線信号を送信する送信手
   段とを備える座標位置決め機。