JPH0431323B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 共通の３軸直角座標系（ｘ、ｙ、ｚ）内で所
定の初期位置に関して相互に離間して装着される
２つの装置３，４または装置部分の平行変位およ
び角度変位を確認する装置からなり、この装置内
には、１つの装置３；４または装置部分に固定さ
れた計測指示計器Ｌが別の装置４；３または装置
部部分上に位置しかつ固定された関連要素７，
８，９へ向けて指向可能に取付けられており、そ
して指示計器と関連要素との間の変位に関する信
号が前記変位の大きさおよび方向に対応して発生
するよう構成したものにおいて、 観測されるべき装置３，４または装置部分の相
互平行変位および相互角度変位における座標系
（ｘ、ｙ、ｚ）の各３座標系方向であつて、少な
くとも２座標系方向に関して、 (a) 両装置３，４または両装置部分の一方には、
関連要素として作用する直角反射プリズム７，
８，９などの光学系を、その頂上線Ｓが座標系
方向の特定の１つに平行な両座標系平面の一方
にほぼ直立しかつ直角三角形斜辺面Ｈが前記座
標系方向に平行な他方の座標系平面にほぼ平行
するようにして固定し、 (b) 他方の装置４；３または他方の装置部分に
は、 (aa) 測定指示計器として作用する鋭く結束さ
れた光線Ｌを対応するプリズム７，８，９の
直角三角形斜辺面Ｈ上にほぼ垂直に投射する
光発生器１０と、 (bb) プリズム７，８，９から反射された光線
L′を受光して、固定基準点からの光線入射点
のずれの大きさおよび方向に対応する信号を
発生する受光器１１とを固定する ことを特徴とする平行変位および角度変位を確認
する確認装置。

２ 光発生器１０がレーザーダイオードを備える
ことを特徴とする請求の範囲第１項記載の装置。

３ 受光器１１が二軸アナログ型の光電半導体位
置検出装置であることを特徴とする請求の範囲第
１項または第２項記載の装置。

４ 軸を備える複数の回転装置からなり、前記軸
５，６は初期位置において正確に整合結合され、
そして各軸５，６が座標系（ｘ、ｙ、ｚ）の１つ
の座標方向へ延在されているものにおいて、プリ
ズム７，８などの光学システム、光発生器１０お
よび受光器１１が、装置３，４に対して別の座標
系方向のみに配設されていることを特徴とする請
求の範囲第１項乃至第３項のいずれかに記載の装
置。

５ 回転装置３，４の軸５，６が延在する座標軸
方向を、平行移動についてのみ監視可能であるこ
とを特徴とする請求の範囲第４項記載の装置。

６ 装置または装置部分の初期位置からの相対的
実変位を永久表示しかつ前記変位が所定値を越え
た際に必要に応じて直ちに警告信号を発生する装
置を受光器１１に接続したことを特徴とする請求
の範囲第１項乃至第５項のいずれかに記載の装
置。

７ 装置３，４または装置部分の配置点の相対的
位置および受光器１１から発生する位置信号の種
類および大きさにつき修正値を計算するための装
置を設けたことを特徴とする請求の範囲第１項乃
至第６項のいずれかに記載の装置。

明細書 本発明は請求の範囲第１項の上位概念に示した
目的に対する装置に関するものである。

離間して別途に組立てられた装置の相対的位置
変化は、しばしば種々異なる理由により重大な操
作状態をもたらしうる。たとえば、これは軸が互
いに連結されているような回転装置の場合であ
る。この種の装置は始動前に正確に整列され、操
作に際し生ずる初期整列の各変化はベアリングに
対し重大な損傷を引起こし、かつ場合によつては
他の装置部分の損傷をももたらす。従来、この種
の装置は、たとえば軸上に載置した計測装置を用
いる軸整列の経時的点検、或いはベアリング温度
の経時的測定、或いは装置振動の経時的測定など
種々異なる方法によつて監視されていた。

本発明は、重要な装置をその相対位置に関し所
定の初期位置に対する相対位置変化の経時的確認
によつて監視することを目標とし、本発明の主た
る目的は上記目標を達成するため、ほとんど構造
上の要求なしにかつほとんど故障なしに高度の機
能性と測定精度とを与えると共に平行移動および
角度変位の後に整列誤差を検知しうるような装置
を提供するにある。

この目的は請求の範囲第１項の特徴部分に示し
た構成によつて達成される。

本発明は反射プリズムなどの光学装置における
特殊の光学特性を利用し、従来これら装置は精密
測定技術の光学分野において光学系での光線の平
行移動につき直角三角形斜辺面に対し平行に変位
しうる光学部材としてこの種のプリズムを使用す
る際垂線に対し平行な軸線を中心とする傾斜の不
感性のみを利用していた。

本発明は反射プリズムなどの光学装置における
他の性質をも利用し、すなわちプリズムが垂線に
対しほぼ垂直かつ直角三角形斜辺面に対しほぼ平
行な軸線を中心として回転する場合、結束した光
線の入射に際しこの反射光線につきプリズムの直
角三角形斜辺面に対しほぼ垂直にも方向変化を受
け、さらに反射光線における光線入射点の変位に
対するこの方向変化が光線に対しほぼ垂直な平面
上で、プリズムなどの変位に際し入射点が垂線に
対し平行に移動するような方向に対し垂直方向に
生ずるという性質を利用する。請求の範囲第１項
の特徴部分に示めしたプリズムの配向によれば、
光発生器において装置の位置変化に対応する平行
移動成分と角度変位成分とが互いに方向において
或いは立体座標系の軸に対しても分離成分として
簡単かつ明確に分離しうる。何故なら、これら光
線の成分は光線集中点の位置の直角座標にて所定
の基準点から互いに分離して読取りうるからであ
る。

監視すべき装置が２つの座標軸方向においての
み重要な位置を占める場合、第３の座標軸方向の
監視は回避することができる。この場合、本発明
はプリズムなどとそれに属する光発生器および受
光器との節約により構造上の要求を相応に減少さ
せるという利点を与える。本明細書における従属
クレームは主クレームの主題に対する好適実施態
様を示している。

以下、添附図面を参照して本発明を実施例につ
き詳細に説明する。

同図において、第１図および第２図は反射プリ
ズムの略側面図および平面図であり、 第３図は本発明による装置を備える２つの回転
装置と連結軸との斜視図であり、 第４図および第５図は第３図の装置における光
発生器の好適実施例の略平面図および正面図であ
り、 第６図は機能原理を説明するための光電半導体
位置検出器としての第３図の装置配置における受
光器の実施例を示す断面図であり、 第７図は第６図による位置検出器の２軸の実施
例の正面図であり、 第８図は第７図による検出器の−線断面図
である。

第１図および第２図は、異なる位置における直
角反射プリズム１を示している。入射する、好ま
しくは結束した光線Ｌが直角三角形斜辺面Ｈに対
し垂直にプリズム１に対し入射すると、この光線
は直角を挟む両辺の面Ｋに対し２回反射し、次い
でプリズムの直角三方形斜辺面Ｈに対し垂直な光
線L′として入射光線Ｌから所定間隔で再びプリズ
ムから放出される。プリズム１が第１図に点線で
示されているように垂線Ｓに対し平行な軸線を中
心として旋回すると、反射光線L′の方向には変化
が生ぜず、入射光線Ｌからの間隔が変化する。

他方、プリズム１が垂線Ｓに対し垂直かつ直角
三角形斜辺面Ｈに対し平行な軸線を中心として旋
回する際、第１図の図示面に対し垂直方向に反射
角度の変化が旋回に対し２倍の大きさで生ずる。
このことは、第１図の図示面に対し平行方向にお
ける光線に対しほぼ垂直な平面での光線L′の入射
点移動が第１図の図示面に対し平行なプリズム１
の変位のみに基因し、かつ垂直方向におけるこの
入射点の移動が垂線Ｓに対し垂直な軸線を中心と
するプリズムの旋回（第２図参照）のみに基因す
ることを意味する。

第１図および第２図に関し上記した直角反射プ
リズムなどの光学系の性質は、相対的装置位置の
連続監視装置の１部として第３図の装置配置に示
されている。第３図は２つの離間配置された回転
装置３および４を示しており、そのうちたとえば
一方をモータとし、他方をたとえば発電器とする
ことができ、それらの軸５および６が連結されて
いる。装置３および４の始動前に、これらは軸５
と６とが正確に整列するように互いに位置決定さ
れ、その後ずつとこの整列状態が維持されるよう
にし、或いは稼動中に生ずる整列誤差が僅かな程
度でも適時に検知されて重大な測置損傷が生じ得
ないように徐去される。

立体的な直角座標系Ｘ、Ｙ、Ｚにより決定され
る空間における装置３および４の相対位置を連続
監視するため両装置３および４には３個のプリズ
ム７，８および９を配設して、そのそれぞれが３
つの座標軸方向Ｘ，ＹおよびＺにつきこれら軸方
向を中心とする装置３および４の相対回転に際し
或いはこれら軸方向におけるこれら装置の相対的
平行移動につき監視し、すなわち対応の軸方向に
関する平行移動および角度変化につき監視するよ
うにする。この目的で、座標系のＸ方向に位置せ
しめたプリズム８は、その垂線Ｓが対応の軸方向
ｘを含む座標平面ｘ−ｚにほぼ垂直となりかつそ
の直角三角形斜辺面Ｈがこの軸方向ｘを含む他方
の座標平面ｘ−ｙに対しほほ平行となるように装
置４に配置される。この配置は、下記に詳細に説
明するような光発生器および受光器を組合せた場
合にも可能であり、プリズム８の垂線Ｓはｘ−ｙ
面に対し垂直となりかつ直角三角形斜辺面Ｈはｘ
−ｚ面に対し平行となる。

同様にしてかつ垂線および直角三角形斜辺面Ｈ
の配向に関する同様な相関関係により、座標軸方
向ｙを監視する直角反射プリズム７を装置４にそ
の垂線Ｓが平面ｙ−ｚに対し垂直となりかつその
直角三角形斜辺面Ｈが平面ｘ−ｙに対し平行とな
るように装着する。

プリズム７および８とは異なりプリズム９は装
置３に取付け、しかもその垂線Ｓがｘ−ｚ平面に
対し垂直となりかつ直角三角形斜辺面Ｈがｙ−ｚ
面に対しほぼ平行となるような配向にする。『ほ
ぼ平行』という用語は個々のプリズムにつき正確
に90゜位置からの明確な変位を有する位置をも意
味する。何故なら、正確に90゜位置の近傍に存在
する『誤差位置』は完全には正確でないが、取付
けられたプリズムまたは装置がその座標軸方向を
中心として回転した際或いはこの方向に平行に移
動した際実用的には完全に充分な程度に角度変位
成分およびこれに垂直な平行移動成分における所
望の分離を可能にするからである。特別の精度を
要求する場合には、それぞれ対応の座標平面に関
し垂線に対し正確に90゜位置かつ直角三角形斜辺
面に対し正確に平行位置に整列させるのが好適で
あり、この場合装置３および４の整列出発位置に
おけるこの調整を行うべきである。

それぞれ他方の装置３もしくは４には各プリズ
ム７，８，９に対し光発生器を取付け、これは結
束した光線Ｌを対応プリズムの直角三角形斜辺面
Ｈに対しほぼ垂直に入射する。さらに、それぞれ
他方の装置における各プリズム７，８，９には受
光器１１を固定して、対応のプリズムから反射さ
れた光線L′を受光すると共に、固定基準点からの
光線入射点の大きさおよび方向に関するずれに対
応した信号を発生する。

光発生器および受光器の好適実施例につきさら
に以下説明する。

たとえば装置４が装置３に対し座標軸方向ｘに
平行な軸線を中心として回転する場合、プリズム
７および８はこの回転運動に附随する。プリズム
８の場合、その垂線Ｓに対し垂直な座標軸方向ｘ
を中心とするこの回転運動は受光器１１に対する
反射光線L′の入射点をｙ方向に変位させる一方、
プリズム７から反射された光線L′には作用しな
い。何故なら、これによりプリズム７はその垂線
Ｓを中心として旋回し、これは上記したように反
射特性の変化を伴わないからである。

他方、装置４が装置３に対し運転中に何らかの
理由で座標軸方向ｘに対し平行に移動すると、正
確に比例して光線L′からの入射光線Ｌの間隔が対
応して変化し、すなわち受光器１１に対する光線
L′の入射点は正比例して正確にｘ方向、すなわち
ｘ軸を中心とする旋回を示す方向に対し垂直に移
動する。何故なら、光発生器１０から出された光
線Ｌは装置３に対し空間的に固定されるからであ
る。装置３に対する装置４のこの平行移動は、こ
こでもプリズム７の反射特性に影響を与えない。
何故なら、この場合プリズム７はこの垂線Ｓの方
向に変位し、明らかにそれに対応する光線Ｌと
L′との間隔変化を生じないからである。

装置３と４との間のｘ方向における平行移動お
よび角度変位に対するプリズム７の不感性に関す
る同じことが、プリズム９についてもこれを配置
した光発生器１０および受光器１１とに関しても
当はまる。

プリズム８に関連して説明した同じ基本原理に
より、プリズム７と光発生器１０と受光器１１と
から構成した光学装置についてはｙ方向に関して
のみ、またプリズム９と受光器と光発生器とを取
付けてなる光学装置についてはｚ軸方向にのみ平
行移動および角度変位が作用する。

第６乃至第８図は、第３図による装置配置にお
いて利用しうる受光器１１の好適実施例を示して
いる。この受光器は二軸型のアナログ式光電半導
体位置検出器であつて、金からなる被覆層１２と
その下の弱化領域１３とさらにその下の高低抗基
体１４とを備え、金被覆層１２は電流I₀が供給さ
れると共に高抵抗基体に対し側方並びに上方およ
び下方に接触片１５が基体のほぼ正方形断面に沿
つて配置され、これらに供給電流I₀を分流として
分配する。電流I₀の分配は光入射の位置の方向に
指向し、反射光線L′は金被覆層に対しほぼ垂直と
なる。二軸式位置検出器としての第７図および第
８図による実施例の場合、供給電流I₀は４つの分
流に分配されて個々の接触片１５に流れ、その大
きさは光線入射点が中心から離れた間隔に依存す
る。光線が弱化域と基体とを覆つた正方形の金被
覆層の中心に正確に入射すると（これは好適には
装置３および４の出発位置における配置の調整に
よつて行われる）、４つの分流が互いに同じ大き
さとなる。対向位置する対の接触片１５に生じた
電流差により座標中心からの偏心光入射点の間隔
における直角成分を読取ることができ、これによ
り座標軸方向の角度変化および平行移動につき運
転中に生じた出発位置からの相対的な装置位置の
ずれを読取ることができる。

上記型式の位置検出器は公知であり、市販され
ている。

第６図乃至第８図による受光器１１は、直角成
分の０点からの入射点変位におけるベクターの分
解が立体座標系の軸方向に一致するよう装置に配
置される。

第４図および第５図は光発生器１０の好適実施
例を示しており、ここではレーザー結晶１６と視
準レンズ１７とからなり、1mラドより小さい程
度の極めて僅かな発散を有する光線Ｌを発生し、
対向配置したプリズム７，８もしくは９に対し光
を放出する。他方の装置には光線Ｌが直角プリズ
ムに入射して、上記の受光器に対し反射する。

第４図および第５図による光発生器１０も同様
に公知であり、市販されている。

したがつて、光学監視装置は稼動中に装置３お
よび４の相対位置を出発位置に対して識別する永
久信号を発生すると共に、この信号を電子装置、
たとえばデジタル式データ処理装置に入力して、
整列状態を永久表示すると共に所定の大きさを越
えた誤整列が生じた際には警告信号を発生しう
る。基台に対する固定点の正確な相対位置を監視
装置データとして入力することにより、電子デー
タ処理装置は受光器から受けた信号によつて個々
設置点に対する修正の方法および大きさを計算す
ることができ、かくして生じた誤整列を除去する
ことができる。かくして、使用者は危険な誤整列
が生じた都度、他の測定手段なしに直ちにデータ
処理装置により与えれる相応の対策によつてこれ
を除去することができる。

しばしば、連結軸を備える離間設置した回転装
置の場合のように、所定の軸線（ここでは機械シ
ヤフトの中心軸線）に対し垂直な平面を設定する
座標軸方向についての誤整列のみに注意が払われ
る。この場合、２個のみのプリズム、すなわち第
３図の装置配置の場合プリズム７および８とそれ
ぞれ対応する光発生器１０と受光器１１とが必要
とされる。第３図および第４図の回転装置を操作
するのに殆んど危険でないｚ方向における軸方向
変位は、何らかの他の方法、たとえば計測器１８
によつて確認することができる。