JP2008002844A

JP2008002844A - 変位測定装置

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Publication number: JP2008002844A
Application number: JP2006170330A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Yokoyama; 和宏横山
Original assignee: Niigata University NUC
Current assignee: Niigata University NUC
Priority date: 2006-06-20
Filing date: 2006-06-20
Publication date: 2008-01-10

Abstract

【課題】光検出素子の設置場所が限定されることなく、正確で比較的安価な被測定物の変位測定装置を提供する。
【解決手段】工具２と、レーザ光11，11Ａを出射する発光部たるレーザ光源部５，５Ａと、レーザ光11，11Ａにより変位を検出するＰＳＤ６，６Ａと、これらＰＳＤ６，６Ａの出力信号を処理するＰＳＤ信号処理回路７とを備える。光検出素子を複数設け、それら複数の光検出素子がＰＳＤ６，６Ａであるから、比較的安価に、工具と加工物との間の変位を離れた位置から実用的な精度で測定できる。
【選択図】図６

Description

本発明は、加工における製品精度を向上させるために、移動体及び回転体の変位を加工中にリアルタイムで測定する変位測定装置に関する。

高精度な加工を行うためには、工作機械、測定機械の性能だけでなく、これらの工具、加工物または検出素子の空間位置決め精度が必要となる。

空間位置決め精度とは、工具または加工物を空間移動させ、位置決めを行う際の精度のことである。空間位置決め精度を高めることによって加工精度を高めることができるが、実際は、工作機械の運動による誤差及び加工機械・工具・加工物の熱変形による誤差によって、加工精度が低下してしまう。

加工精度低下の原因である工作機械の運動による誤差及び加工機械・工具・加工物の熱変形による誤差などを低減し、加工精度を向上させるためには、加工機械・工具・加工物などの変位を精密に測定し、誤差を補正する必要がある。

工具または加工物の変位を高精度で測定し、精密に位置補正制御をする方法として、レーザ測長を用いた工作機械の精度を向上させるシステム（例えば、特許文献１）などが提案されている。また、変位測定用センサを用いた回転体の変位測定システム（例えば、特許文献２）などが提案されている。
特開平７−８０７５７号公報特開平８−２３３５６５号公報

従来技術では、被測定物の変位を実用的な精度で測定するために必要となるレーザ測長器は非常に高価なため、一般の加工システムには適用しにくかった。また、特に回転体の変位を測定するためには、回転体から約０．１ｍｍのギャップを隔てて変位測定用センサを取り付ける必要があることから、加工システムには適用しにくかった。

そこで、本発明は上記問題点に着目し、加工機械・工具・加工物などの被測定物の変位を離れた位置から実用的な精度で測定する比較的安価な被測定物の変位測定装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載の変位測定装置は、被測定物と、光を出射する発光部と、前記光を受光する光検出素子とを備え、前記光検出素子の出力により前記被測定物の変位を検出する変位測定装置において、前記光検出素子がＰＳＤであることを特徴とする。

本発明の請求項２記載の変位測定装置は、請求項１において、前記被測定物を挟んで前記発光部と前記ＰＳＤを配置し、前記被測定物の基準部の一側を通過した前記光を前記ＰＳＤで受光することを特徴とする。

本発明の請求項３記載の変位測定装置は、請求項１において、前記被測定物を挟んで、一方と他方に前記発光部と前記ＰＳＤを配置すると共に、他方と一方に前記発光部と前記ＰＳＤを配置し、前記一方の発光部と前記他方の発光部の光は逆向きで略平行をなし、前記一方の発光部の光を前記被測定物の基準部の一側を通過して前記他方のＰＳＤで受光し、前記他方の発光部の光を前記被測定物の基準部の他側を通過して前記一方のＰＳＤで受光することを特徴とする。

本発明の請求項４記載の変位測定装置は、請求項２又は３において、前記基準部は溝状のスリット部であることを特徴とする。

本発明の請求項５記載の変位測定装置は、請求項２又は３において、前記基準部は円柱の一部であることを特徴とする。

本発明の請求項６記載の変位測定装置は、請求項２又は３において、前記基準部は円形リング状の突出部であることを特徴とする。

本発明の請求項７記載の変位測定装置は、請求項３において、前記一方のＰＳＤより得られた出力と、前記他方のＰＳＤより得られた出力とにより変位を算出することを特徴とする。

本発明の請求項８記載の変位測定装置は、請求項１〜７のいずれかの１項において、前記発光部及び前記ＰＳＤが、前記被測定物から離れた位置に配置されることを特徴とする。

本発明のＰＳＤ（Position Sensitive Detector）を用いた変位測定装置によれば、比較的安価なＰＳＤを用いて加工機械・工具・加工物などの被測定物の変位測定装置の変位を離れた位置から実用的な精度で測定できる。

請求項１の構成によれば、前記光検出素子としてＰＳＤを用いることにより、前記光検出素子の設置場所が限定されることなく、比較的安価な変位測定装置を提供することができる。

また、請求項２の構成によれば、前記被測定物に設けた基準部の一側を通過した前記光を前記ＰＳＤで受光することにより、被測定物の軸心方向及び軸心直交方向の変位を測定することができる変位測定装置を提供することができる。

また、請求項３の構成によれば、前記被測定物に設けた基準部の一側及び他側をそれぞれ通過した前記光を前記ＰＳＤで受光することにより、被測定物の軸心方向及び軸心直交方向の変位を２方向より測定することができる変位測定装置を提供することができる。

また、請求項４の構成によれば、前記基準部として溝状のスリット部を設けることにより、回転体の軸心方向及び軸心直交方向の両方向の変位を測定することができる変位測定装置を提供することができる。

また、請求項５の構成によれば、前記基準部として円柱の一部を利用することにより、回転体の軸心方向及び軸心直交方向の両方向の変位を測定することができる変位測定装置を提供することができる。

また、請求項６の構成によれば、前記基準部として円形リング状の突出部を設けることにより、回転体の軸心方向及び軸心直交方向の両方向の変位を測定することができる変位測定装置を提供することができる。

また、請求項７の構成によれば、被測定物に対する発光部とＰＳＤの相対変位に伴う測定誤差を補正し、測定精度を向上させることができる変位測定装置を提供することができる。

また、請求項８の構成によれば、前記発光部及び前記ＰＳＤを前記被測定物から離れた位置に配置でき、一般の加工システムに適用することができる変位測定装置を提供することができる。

以下、本発明によるＰＳＤを用いた変位測定装置の実施形態について、説明する。

本発明の被測定物の変位測定装置は、測定対象となる被測定物と、光を出射する発光部と、この発光部を駆動するための駆動装置と、光により変位を検出する光検出素子と、光検出素子の出力信号を処理する信号処理装置とを有する変位測定装置であって、前記光検出素子がＰＳＤであることを特徴とするものである。

本発明に用いる被測定物としては、特定のものに限定されるものではないが、例えば、移動体及び回転体となる加工機械・工具・加工物が好ましい。光検出素子に変位を検出させるための光を出射する発光部としては、特定のものに限定されるものではないが、例えば、レーザダイオード、発光ダイオードなどが好ましい。

また、発光部を駆動するための駆動装置としては、特定のものに限定されるものではないが、例えば、パルス変調駆動装置、リニア変調駆動装置、ＲＦ重畳変調駆動装置などが好ましい。

本発明に用いる光により変位を検出する光検出素子としては、ＰＳＤが最も好ましい。また、光もレーザ光以外でも紫外光、赤外光、可視光などでもよく、さらに、光検出素子から出力される出力信号を処理する信号処理装置としては、特定のものに限定されるものではないが、信号処理回路、Ａ／Ｄコンバータ及び演算用コンピュータから構成される処理装置が最も好ましい。

まず、本発明の参考例について図１〜図４を参照して説明する。図１は、本発明の参考例による被測定物の変位測定装置を説明するための概略図である。

同図に示すように、本参考例は、工作機械の主軸ヘッド３が上下に移動する場合、主軸ヘッド３の傾斜Δθ、及び上下動と直交する方向（前後方向）の変位Δｘを検出する例であり、工作機械の本体１は、工具２を取り付ける主軸ヘッド３を備え、この主軸ヘッド３の回転中心４より一側に前記工具２が設けられ、その主軸ヘッド３の回転中心より他側に、２つのレーザ光源部５，５Ａを設けている。これら光源部たるレーザ光源部５，５Ａは、主軸ヘッド３の長さ方向に所定間隔をおいて配置され、前記工具２の軸心方向と平行にレーザ光を出射するものである。なお、前記回転中心４は、主軸ヘッド３の基準点である。

また、それら工具２及びレーザ光源部５，５Ａの軸心は前記主軸ヘッド３の軸心と直交し、前記回転中心４から距離Ｌ_０の位置に前記工具２の軸心が位置し、前記回転中心４から距離Ｌ_１，Ｌ_２の位置にレーザ光源部５，５Ａの中心が位置し、それら工具２及びレーザ光源部５，５Ａは、主軸ヘッド３の長さ方向に一直線上に並んで配置されている。また、前記工具２の先端たる刃先は、主軸ヘッド３の軸心から距離Ｌ_ｔだけ離れている。

また、前記本体１には、前記レーザ光源部５，５Ａに対向して、これらの下方に光検出素子たるＰＳＤ６，６Ａが固設され、ＰＳＤ６はＰＳＤ６Ａより高さｈ_ｄだけ高い位置にある。また、図１の実線に示す主軸ヘッド３が水平な工具基準位置で、前記主軸ヘッド３の軸心とＰＳＤ６とは基準高さｈ_ｒだけ離れ、主軸ヘッド３の軸心とＰＳＤ６Ａは高さ（ｈ_ｒ＋ｈ_ｄ）だけ離れている。なお、これらの高さはＰＳＤ６，６Ａの受光面を基準としている。そして、基準位置において、レーザ光源部５，５Ａのレーザ光は、ＰＳＤ６，６Ａに直交して入射する。なお、この例のＰＳＤは、２次元半導体位置検出素子が用いられる。

また、前記ＰＳＤ６，６Ａには、これらＰＳＤ６，６Ａの出力電圧をアナログ信号として処理するＰＳＤ信号処理回路７が接続され、そのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ８と、そのデジタル信号から変位を算出して算出結果を表示することに加えて工具２の位置補正制御するためのコンピュータ９とを備える。また、レーザ光源部５，５Ａには駆動装置たるＬＤ変調器10が接続されている。

また、図中には示していないが、アクチュエータとしての役割を果たすピエゾ素子を工具の位置制御部に組み込んでもよい。

図１において、鎖線で示す主軸ヘッド３が該主軸ヘッド３の移動位置を示し、この移動位置の回転中心４と前記ＰＳＤ６とは高さｈ_ｔだけ離れており、移動位置と基準位置の回転中心４の水平方向変位はΔｘである。

以上のような構成において、移動体たる主軸ヘッド３に設置したレーザ光源部５，５ＡをＬＤ変調器10により駆動し、任意の波長の光を出射させる。出射されたレーザ光11，11Ａは下方に対向して設置されたＰＳＤ６，６Ａに投射される。主軸ヘッド３の変位に応じて、ＰＳＤ６，６Ａに投射されるレーザ光11，11Ａの投射位置及び投射角度が変化する。さらに、レーザ光11，11Ａの投射位置及び投射角度が変化することにより、ＰＳＤ６，６Ａの出力電圧が変化する。ＰＳＤ６，６Ａの出力電圧をアナログ信号のままＰＳＤ信号処理回路７により処理した後に、Ａ／Ｄコンバータ８によりデジタル信号に変換する。変換されたデジタル信号をコンピュータ９に取り込み、演算を行うことで、移動体の変位が得られる。さらに、得られる変位情報に基づいて、ピエゾ素子により工具２の位置補正制御を行うことによって、工具２の位置を制御し、加工精度を向上させることができる。

ここで、本参考例においてＰＳＤが出力する水平方向変位及び垂直方向変位を、測定システムの構成部品の幾何学的な空間配置及び空間距離、光の投射位置変化及び投射角度変化により示す。移動体の水平方向変位及び垂直方向変位は、以下のように求めることができる。

図１において、基準高さｈ_ｒから、高さｈ_ｔへ移動する間のレーザ光源部５の水平方向変位Δｘ及び角度変化ΔθによるＰＳＤ５上の光点移動は、それぞれ数式１、数式２で表すことができる。

なお、Δf_１Ｘは、ＰＳＤ６におけるレーザ光11の投射位置の水平方向変位であり、Δf_１θは、移動後の角度変化に応じて変化した水平方向変位である。

数式１及び数式２を合成して得られるＰＳＤ６上での光点移動は、数式３のように表される。

同様に、レーザ光源部５Ａから出射されるレーザ光11ＡのＰＳＤ６Ａ上での光点移動は数式４、数式５、数式６で表される。

なお、Δf_２Ｘは、ＰＳＤ６Ａにおけるレーザ光11Ａの投射位置の水平方向変位であり、Δf_２θは、移動後の角度変化に応じて変化した水平方向変位である。

数式４及び数式５を合成して得られるＰＳＤ６Ａ上での光点移動は、数式３のように表される。

数式３、数式６より、回転中心４のΔθ及びΔｘ（水平方向変位）は、次式により求められる。

さらに、工具２の先端の水平方向変位ΔＸ_ｔ、高さ方向変位ΔＺ_ｔは数式９、数式１０で表される。

また、本発明に用いるＰＳＤの出力安定性及び傾斜変位測定システムの位置検出精度を評価した。

ＰＳＤの出力安定性を以下の方法により評価した。

レーザ光源部とＰＳＤ間の距離が一定となるようにレーザ光源部とＰＳＤを設置し、ＰＳＤの出力安定性を評価した。ＰＳＤの出力安定性は、レーザ光源部とＰＳＤの動作開始直後から５時間にわたってＰＳＤの出力変位を測定することにより評価した。室内光による出力変位の誤差を除去するために、レーザ光源部の出射するレーザ光線の波長と同じ６３５ｎｍ付近の波長のみを通す干渉フィルターをＰＳＤの前面に設置した。図２は、ＰＳＤの出力安定性を示すグラフである。同グラフより、ＰＳＤの出力変位は、動作開始直後から約１時間４５分後までの間に初期変動を起こすが、連続動作を通じたエージングを行うことによって、初期変動が抑えられ、出力変位が安定することを確認した。最終的なＰＳＤの出力変位の変動は約±２．３μｍであり、測定分解能は０．６μｍ（１ＬＳＢ：ＬｅａｓｔＳｉｇｎｉｆｉｃａｎｔＢｉｔ）であることを確認した。

そして、本参考例による変位測定装置による位置検出精度を以下の方法により評価した。

図示しないが、ベースに固定したレーザ光源部から、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）方式の可動テーブル上に設置したＰＳＤに向けてレーザ光を投射することにより、ＰＳＤの位置検出精度を評価した。ＰＳＤの位置検出精度を評価する前に、レーザ光源部とＰＳＤを３時間程度エージングした。ＰＳＤの位置検出精度の評価は、前記可動テーブルを移動した際のレーザ測長器より得られる可動テーブル変位に対するＰＳＤの出力変位及び出力変位精度によって行われた。図３は、ｙ軸方向の変位が−０．９から＋０．９である時のｘ軸方向のレーザ測長器の変位に対するＰＳＤの出力変位を示すグラフである。同グラフより、ｘ軸方向に対するＰＳＤの測定可能範囲は、測定中心より約±１．０ｍｍであることが確認された。この測定可能範囲は、ＰＳＤの信号処理に用いるＡ／Ｄコンバータの入力電圧範囲を広げることにより拡張することが可能である。図３において、ｘ軸方向のレーザ測長器の変位が−１．０から＋１．０までの実測値を直線近似し、実測値と近似直線より得られた値との差を算出した。実測値と近似直線より得られた値との差をｘ軸方向に対するＰＳＤの出力変位精度とした。図４は、ｘ軸方向におけるレーザ測長器の変位に対するＰＳＤの出力変位精度のグラフを示す。グラフより、ＰＳＤの出力変位精度は、−１６．０μｍから＋１５．２μｍであることが確認された。

以上に説明したように、本発明による変位測定装置は、被測定物たる工具２と、光たるレーザ光11，11Ａを出射する発光部たるレーザ光源部５，５Ａと、レーザ光11，11Ａにより変位を検出する光検出素子たるＰＳＤ６，６Ａと、ＰＳＤ６，６Ａの出力信号を処理する信号処理装置たるＰＳＤ信号処理回路７と、デジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ８と、変換されたデジタル信号を演算するコンピュータ９とを有する被測定物の変位測定装置であって、光検出素子がＰＳＤであるから、比較的安価に、工具及び加工物の変位を離れた位置から実用的な精度で測定できる。

このように本参考例は、被測定物たる主軸ヘッド３と、光たるレーザ光11，11Ａを出射する発光部たるレーザ光源部５，５Ａと、レーザ光11，11Ａを受光する光検出素子たるＰＳＤ６，６Ａとを備え、ＰＳＤ６，６Ａの出力により主軸ヘッド３の変位を検出する変位測定装置において、光検出素子がＰＳＤ６，６Ａであるから、光検出素子としてＰＳＤ６，６Ａを用いることにより、ＰＳＤ６，６Ａの設置場所が限定されることなく、比較的安価な被測定物の変位測定装置を提供することができる。

また、このように本参考例では、被測定物たる主軸ヘッド３に複数の発光部たるレーザ光源部５，５Ａを設け、これら複数のレーザ光源部５，５Ａに対応して複数のＰＳＤ６，６Ａを配置したから、主軸ヘッド３の変位を測定することができる。

また、このように本参考例では、発光部たるレーザ光源部５，５Ａ及びＰＳＤ６，６Ａが、被測定物たる主軸ヘッド３とこの主軸ヘッド３に設けた工具２から離れた位置に配置されるから、一般の加工システムに適用することができる被測定物の変位測定装置を提供することができる。

図５は本発明の実施例１を示し、上記参考例と同一部分に同一符号を付し、その詳細な説明を省略して詳述する。図５は、回転体である主軸の軸心方向と軸心直交方向の（熱変位＋相対変位を含む）全ての変位の測定を説明するための概略図である。図５（Ａ）は、回転体である主軸を軸心方向と直角な方向から見た図であり、図５（Ｂ）は、回転体である主軸を軸心方向から見た図である。

図５において、回転体たる主軸21の外周には、基準部たる溝状のスリット部22が形成されており、このスリット部22の底部は前記主軸21の径小部23になっている。すなわち、スリット部22は、径小部23とこの径小部23の軸方向両側の壁面部24，24の間に形成されている。

前記主軸21を挟んで離間した両側に、前記レーザ光源部５と前記ＰＳＤ６が配置され、それらレーザ光源部５，主軸21及びＰＳＤ６は、略直線上に並ぶように設置され、前記レーザ光源部５からは前記主軸21の軸心と直交方向にレーザ光11が出射される。

そして、前記レーザ光源部５と前記ＰＳＤ６は、それぞれレーザ光11がスリット部22の一側を通過してＰＳＤ６に到達するように水平に設置されている。なお、レーザ光源部５とＰＳＤ６は、工具（図示せず）と主軸21間の相対変位を直接測定するために、工具固定部に直接設置又はテーブルやサドルなどに固定してもよい。また、図示しないが、アクチュエータとしての役割を果たすピエゾ素子を工具の位置制御部に組み込んでもよい。

また、図５に示すように、レーザ光源部５から出射するレーザ光11は、主軸21の軸心方向の寸法及び軸心直交方向の寸法が、前記スリット部22より大きく、したがって、レーザ光源部５から出射したレーザ光11は、スリット部22により一部が切り取られ、ＰＳＤ６に入射する。

以上のような構成において、レーザ光源部５より出射されたレーザ光11は、主軸21に形成されたスリット部22の一側を通過した後にＰＳＤ６に投射される。このＰＳＤ６は、ＰＳＤ６に投射されるレーザ光11の投射位置に応じた電圧を出力する。ここで、主軸21の運動時に生じる変位又は加工時及び機械駆動時に生じる熱による変位が生じた場合、それらの変位に応じて、スリット部22を通過したレーザ光11の投射位置が変化する。従って、レーザ光11のＰＳＤ６における投射位置が変化することにより、ＰＳＤ６の出力電圧が変化し、このＰＳＤ６の出力変化をリアルタイムで測定することにより、加工中の相対変位及び熱変位情報を得ることができる。さらに、得られる変位情報に基づいて、ピエゾ素子により工具の位置補正制御を行うことによって、工具の切込み量を制御し、加工精度を向上させることができる。

ここで、上記の主軸21に形成したスリット部22の効果について説明する。主軸21における変位は、該主軸21の軸心直交方向の変位と軸心方向の変位である。これに対し、主軸21の軸心方向の任意の位置で、該主軸21の外周に溝状のスリット部22を形成することにより、主軸21に軸心直交方向の変位が発生すると、レーザ光11に対して、スリット部22の底面である径小部23が変位し、スリット部22を通過するレーザ光11のＰＳＤ６におけるレーザ光５の投射位置が変化し、主軸21の軸心直交方向の変位測定が可能となり、また、主軸21が軸心方向に変位すると、スリット部22を通過するレーザ光11が両側の壁面部24，24により一部が切り取られ、ＰＳＤ６におけるレーザ光５の投射位置が変化し、主軸21の軸心方向の変位測定が可能となる。なお、レーザ光源部５より出射されたレーザ光11の一部が、径小部23とスリット部22の壁面部24，24に照射されるようにレーザ径及びレーザ照射位置を設定する。

このように本実施例では、被測定物たる主軸21を挟んで発光部たるレーザ発光部５とＰＳＤ６を配置し、主軸21の基準部たるスリット部22の一側を通過したレーザ光11をＰＳＤで受光するから、主軸21の軸心方向変位及び軸心直交方向変位を測定することができ、工具２、レーザ光源部５、ＰＳＤ６などの配置の自由度を向上させた被測定物の変位測定装置を提供することができる。

また、このように本実施例では、前記基準部は溝状のスリット部22であるから、回転体である主軸21の軸心方向変位及び軸心直交方向変位を測定することができるだけでなく、工具２、レーザ光源部５、ＰＳＤ６などを自由に配置することができる。

図６は本発明の実施例２を示し、上記実施例１と同一部分に同一符号を付し、その詳細な説明を省略して詳述する。図６は、回転体である主軸の軸心方向と軸心直交方向の（熱変位＋相対変位を含む）全ての変位の測定を説明するための概略図である。図６（Ａ）は、回転体である主軸を軸心方向と直角な方向から見た図であり、図６（Ｂ）は、回転体である主軸を軸心方向から見た図である。

本実施例の回転体の変位測定装置は、上記実施例１の測定精度を向上させるために、もう１組のレーザ光源部５ＡとＰＳＤ６Ａを追加した変位測定装置である。

上記実施例１で用いたレーザ光源部５とＰＳＤ６に加え、これらレーザ光源部５とＰＳＤ６を１８０°回転させた位置に逆方向になるようにレーザ光源部５ＡとＰＳＤ６Ａが設置される。なお、レーザ光源部５とＰＳＤ６及びレーザ光源部５ＡとＰＳＤ６Ａは、工具と主軸21間の相対変位を直接測定するために、工具を固定する固定部（図示せず）に直接設置又はテーブルやサドルなどに固定してもよい。

図６において、前記主軸21を挟んで離間した一方と他方（図中、右側と左側）に、前記レーザ光源部５と前記ＰＳＤ６が配置され、それらレーザ光源部５，主軸21及びＰＳＤ６は、略直線上に並ぶように設置され、前記レーザ光源部５からは前記主軸21の軸心と直交方向にレーザ光11が出射される。また、前記主軸21を挟んで離間した他方と一方（図中、左側と右側）に、前記レーザ光源部５Ａと前記ＰＳＤ６Ａが配置され、それらレーザ光源部５Ａ，主軸21及びＰＳＤ６Ａは、略直線上に並ぶように設置され、前記レーザ光源部５Ａからは前記主軸21の軸心と直交方向にレーザ光11Ａが出射される。

前記レーザ光源部５から出射されるレーザ光11が前記スリット部22の一側を通過してＰＳＤ６に到達するように設置されている。また、前記レーザ光源部５Ａから出射されるレーザ光11Ａが前記スリット部22の他側を通過してＰＳＤ６Ａに到達するように設置されている。また、図示しないが、アクチュエータとしての役割を果たすピエゾ素子を工具の位置制御部に組み込んでもよい。

また、図６に示すように、レーザ光源部５Ａから出射するレーザ光11Ａは、主軸21の軸心方向の寸法及び軸心直交方向の寸法が、前記スリット部22より大きく、したがって、レーザ光源部５Ａから出射したレーザ光11Ａは、スリット部22により一部が切り取られ、ＰＳＤ６Ａに入射する。

以上のような構成において、レーザ光源部５より出射されたレーザ光11は、スリット部22の一側を通過した後にＰＳＤ６に投射される。また、レーザ光源部５と１８０°の位置に設置したレーザ光源部５Ａより出射されたレーザ光11Ａは、スリット部22の他側を通過した後にＰＳＤ６Ａに投射される。ＰＳＤ６及びＰＳＤ６Ａは、ＰＳＤ６及びＰＳＤ６Ａに投射されるレーザ光11，11Ａの投射位置に応じた電圧を出力する。ここで、回転体の運動時に生じる変位又は加工時・機械駆動時に生じる熱による変位が生じた場合、それらの変位に応じて、スリット部22を通過したレーザ光11，11Ａの投射位置が変化する。従って、レーザ光11，11ＡのＰＳＤ６，６Ａにおける投射位置が変化することにより、ＰＳＤ６及びＰＳＤ６Ａの出力電圧が変化する。

この出力電圧値の変化は、回転体たる主軸21の運動時に生じる変位又は加工時・機械駆動時に生じる熱による変位によって生じるだけでなく、スリット部22とＰＳＤ６，６Ａ間の距離によっても生じる。ＰＳＤ６、ＰＳＤ６Ａ、レーザ光源部５、レーザ光源部５Ａは、工具固定部に直接設置した場合、工具が移動すると、主軸21と工具との相対距離が変化する。このような主軸21と工具との相対距離の変化にともない、レーザ光源部５，５Ａとスリット部22間の距離と、スリット部22とＰＳＤ６，６Ａ間の距離が変化する。特に、スリット部22とＰＳＤ６，６Ａ間の距離が変化することによって、スリット部22を通過した後の投射位置が変化してしまうと、ＰＳＤ６，６Ａの出力電圧も変化してしまうので、測定値に含まれる誤差が大きくなってしまう。この誤差を最小限にする方法として、複数のＰＳＤ６，６Ａの出力をリアルタイムで演算し、補正する方法がある。

本実施例において、リアルタイムで測定されるＰＳＤ６の出力及びＰＳＤ６Ａの出力を用いて、（ＰＳＤ６の出力＋ＰＳＤ６Ａの出力）／２を算出した値を用いることによって、工具と主軸21間の相対変位の測定における誤差を補正することができる。また、レーザ光11，11Ａが通過し測定している高さ位置は軸心から外れているが、この計算を採用することにより、まさに測定したい主軸21の軸心における変位を求めることが出来る。さらに、変位情報に基づいて、ピエゾ素子により工具の位置補正制御を行うことによって、工具の切込み量を制御し、加工精度を向上させることができる。具体的には、工具の切込み量を例えば１μｍの精度で制御した加工が実現できる。

以上のように、本発明によるＰＳＤを用いた変位測定装置は、比較的安価なＰＳＤを用いて、工具と回転主軸21に固定した加工物との間の相対変位を離れた位置から実用的な精度で測定できる効果があることが確認された。

このように本実施例では、実施例１の効果に加えて、被測定物たる主軸21を挟んで、一方と他方に発光部たるレーザ光源部５とＰＳＤ６を配置すると共に、他方と一方に発光部たるレーザ光源部５ＡとＰＳＤ６Ａを配置し、一方のレーザ光源部５と他方のレーザ光源部５Ａのレーザ光11，11Ａは逆向きで略平行をなし、一方のレーザ光源部５のレーザ光11を主軸21の基準部たるスリット部22の一側を通過して他方のＰＳＤ５で受光し、他方のレーザ光源部５Ａのレーザ光11Ａを主軸21のスリット部22の他側を通過して一方のＰＳＤ５Ａで受光するから、被測定物の軸心方向変位及び軸心直交方向変位を２方向より測定することができる被測定物の変位測定装置を提供することができる。

また、このように本実施例では、一方のＰＳＤ５Ａより得られた出力と、他方のＰＳＤ５より得られた出力とを、加算して得られる出力の半分を用いて変位を算出するから、主軸21と工具との相対距離の変化に伴うＰＳＤ５，５Ａの出力誤差を最小限に抑えることができ、測定精度を向上させることができる被測定物の変位測定装置を提供することができる。さらに、レーザ光11，11Ａが通過し測定している高さ位置は軸心から外れているが、この計算を採用することにより、まさに測定したい主軸21の軸心における変位を求めることが出来る。

図７は本発明の実施例３を示し、上記実施例１，２と同一部分に同一符号を付し、その詳細な説明を省略して詳述する。図７は、回転体である主軸の軸心直交方向の（熱変位＋相対変位を含む）変位の測定を説明するための概略図である。図７（Ａ）は、回転体である主軸を軸心方向と直角な方向から見た図であり、図７（Ｂ）は、回転体である主軸を軸心方向から見た図である。

本実施例の回転体の変位測定装置は、上記実施例１の変形例となる変位測定装置である。

上記実施例１と同様に主軸21を挟んで離間した両側に、レーザ光源部５とＰＳＤ６が設置される。なお、レーザ光源部５とＰＳＤ６は、工具と主軸21間の相対変位を直接測定するために、工具を固定する固定部（図示せず）に直接設置又はテーブルやサドルなどに固定してもよい。

図７において、前記主軸21を挟んで離間した一方と他方（図中、右側と左側）に、前記レーザ光源部５と前記ＰＳＤ６が配置され、それらレーザ光源部５，主軸21及びＰＳＤ６は、略直線上に並ぶように設置され、前記レーザ光源部５からは前記主軸21の軸心と直交方向にレーザ光11が出射される。

前記レーザ光源部５から出射されるレーザ光11が主軸21の基準部たる円柱の一部である外周面25を通過してＰＳＤ６に到達するように設置されている。また、図示しないが、アクチュエータとしての役割を果たすピエゾ素子を工具の位置制御部に組み込んでもよい。

また、図７に示すように、レーザ光源部５から出射するレーザ光11は、円柱の外周面25により一部が切り取られ、ＰＳＤ６に入射する。

以上のような構成において、レーザ光源部５より出射されたレーザ光11は、主軸21の円柱の外周面25を通過した後にＰＳＤ６に投射される。このＰＳＤ６は、ＰＳＤ６に投射されるレーザ光11の投影位置に応じた電圧を出力する。ここで、主軸21の運動時に生じる変位又は加工時及び機械駆動時に生じる熱による変位が生じた場合、それらの変位に応じて、外周面25を通過したレーザ光11の投射位置が変化する。従って、レーザ光11のＰＳＤ６における投射位置が変化することにより、ＰＳＤ６の出力電圧が変化し、このＰＳＤ６の出力変化をリアルタイムで測定することにより、加工中の相対変位及び熱変位情報を得ることができる。さらに、得られる変位情報に基づいて、ピエゾ素子により工具の位置補正制御を行うことによって、工具の切込み量を制御し、加工精度を向上させることができる。

このように本実施例では、被測定物たる主軸21を挟んで発光部たるレーザ発光部５とＰＳＤ６を配置し、主軸21の基準部たる円柱の外周面25を通過したレーザ光11をＰＳＤ６で受光するから、主軸21の軸心直交方向変位を測定することができる変位測定装置を提供することができる。

また、このように本実施例では、前記基準部は円柱の一部である外周面25であるから、回転体である主軸21の軸心直交方向変位を測定することができる。

さらに、実施例２と同様に、もう１組のレーザ光源部５ＡとＰＳＤ６Ａを追加して測定精度を向上させることもできる。

図８は本発明の実施例４を示し、上記実施例１，２又は３と同一部分に同一符号を付し、その詳細な説明を省略して詳述する。図８は、回転体である主軸の軸心方向の（熱変位＋相対変位を含む）変位の測定を説明するための概略図である。図８（Ａ）は、回転体である主軸を軸心方向と直角な方向から見た図であり、図８（Ｂ）は、回転体である主軸を軸心方向から見た図である。

図８において、前記主軸21を挟んで離間した一方と他方（図中、右側と左側）に、前記レーザ光源部５と前記ＰＳＤ６が配置され、それらレーザ光源部５，主軸21及びＰＳＤ６は、略直線上に並ぶように設置され、前記レーザ光源部５からは前記主軸21の軸心と直交方向にレーザ光11が出射される。

前記レーザ光源部５から出射されるレーザ光11が主軸21の基準部たる円柱の一部である端面の壁部24Ａを通過してＰＳＤ６に到達するように設置されている。なお、レーザ光11は、主軸21の端面の壁部24Ａにおいて軸心と直交する場所を通過するように設置されてもよいが、軸心と直交する場所以外の場所を通過するように設置されてもよい。また、図示しないが、アクチュエータとしての役割を果たすピエゾ素子を工具の位置制御部に組み込んでもよい。

また、図８に示すように、レーザ光源部５から出射するレーザ光11は、円柱の端面の壁部24Ａにより一部が切り取られ、ＰＳＤ６に入射する。

以上のような構成において、レーザ光源部５より出射されたレーザ光11は、主軸21の円柱の端面の壁部24Ａを通過した後にＰＳＤ６に投射される。このＰＳＤ６は、ＰＳＤ６に投射されるレーザ光11の投影位置に応じた電圧を出力する。ここで、主軸21の運動時に生じる変位又は加工時及び機械駆動時に生じる熱による変位が生じた場合、それらの変位に応じて、端面の壁部24Ａを通過したレーザ光11の投射位置が変化する。従って、レーザ光11のＰＳＤ６における投射位置が変化することにより、ＰＳＤ６の出力電圧が変化し、このＰＳＤ６の出力変化をリアルタイムで測定することにより、加工中の相対変位及び熱変位情報を得ることができる。さらに、得られる変位情報に基づいて、ピエゾ素子により工具の位置補正制御を行うことによって、工具の切込み量を制御し、加工精度を向上させることができる。

このように本実施例では、被測定物たる主軸21を挟んで発光部たるレーザ発光部５とＰＳＤ６を配置し、主軸21の基準部たる円柱の端面の壁部24Ａを通過したレーザ光11をＰＳＤで受光するから、主軸21の軸心方向変位を測定することができる被測定物の変位測定装置を提供することができる。

また、このように本実施例では、前記基準部は円柱の一部である端面の壁部24Ａであるから、回転体である主軸21の軸心方向変位を測定することができる。

加えて、実施例２と同様に、もう１組のレーザ光源部５ＡとＰＳＤ６Ａを追加して測定精度を向上させることもできる。

さらに、本実施例の基準部となる円柱の一部である端面の壁部24Ａにおける主軸21の軸心方向変位測定に加え、実施例３の基準部となる円柱の一部である外周面25における主軸21の軸心直交方向変位測定を同時に行うことにより、主軸21の軸心方向変位及び軸心直交方向変位を測定することができる。

図９は本発明の実施例５を示し、上記実施例１，２，３又は４と同一部分に同一符号を付し、その詳細な説明を省略して詳述する。図９は、回転体である主軸の軸心方向及び軸心直交方向の（熱変位＋相対変位を含む）全ての変位の測定を説明するための概略図である。図９（Ａ）は、回転体である主軸を軸心方向と直角な方向から見た図であり、図９（Ｂ）は、回転体である主軸を軸心方向から見た図である。

図９において、前記主軸21を挟んで離間した一方と他方（図中、右側と左側）に、前記レーザ光源部５と前記ＰＳＤ６が配置され、それらレーザ光源部５，主軸21及びＰＳＤ６は、略直線上に並ぶように設置され、前記レーザ光源部５からは前記主軸21の軸心と直交方向にレーザ光11が出射される。

前記レーザ光源部５から出射されるレーザ光11が主軸21の基準部たる円形リング状の突出部26により一部が切り取られてＰＳＤ６に到達するように設置されている。また、図示しないが、アクチュエータとしての役割を果たすピエゾ素子を工具の位置制御部に組み込んでもよい。

また、図９に示すように、レーザ光源部５から出射するレーザ光11は、円形リング状の突出部26により一部が切り取られ、ＰＳＤ６に入射する。

以上のような構成において、レーザ光源部５より出射されたレーザ光11は、主軸21の円形リング状の突出部26により一部が切り取られた後にＰＳＤ６に投射される。このＰＳＤ６は、ＰＳＤ６に投射されるレーザ光11の投影位置に応じた電圧を出力する。ここで、主軸21の運動時に生じる変位又は加工時及び機械駆動時に生じる熱による変位が生じた場合、それらの変位に応じて、突出部26により一部が切り取られたレーザ光11の投射位置又は突出部26により遮られた部分の位置が変化する。従って、レーザ光11のＰＳＤ６における投射位置又は突出部26により遮られた部分の位置が変化することにより、ＰＳＤ６の出力電圧が変化し、このＰＳＤ６の出力変化をリアルタイムで測定することにより、加工中の相対変位及び熱変位情報を得ることができる。さらに、得られる変位情報に基づいて、ピエゾ素子により工具の位置補正制御を行うことによって、工具の切込み量を制御し、加工精度を向上させることができる。

このように本実施例では、被測定物たる主軸21を挟んで発光部たるレーザ発光部５とＰＳＤ６を配置し、主軸21の基準部たる円形リング状の突出部26により一部が切り取られたレーザ光11をＰＳＤで受光するから、主軸21の軸心方向変位及び軸心直交方向変位を測定することができ、工具２、レーザ光源部５、ＰＳＤ６などの配置の自由度を向上させた被測定物の変位測定装置を提供することができる。

また、このように本実施例では、前記基準部は円形リング状の突出部26であるから、回転体である主軸21の軸心方向変位及び軸心直交方向変位を測定することができる。

なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において、種々の変形実施が可能である。例えば、基準部は、実施例に限定されるものではなく、例えば、スリット部をＶ字状の溝にするなど各種の変形実施が可能である。

本発明の参考例を示す全体概略図である。同上、ＰＳＤの出力安定性を示すグラフである。同上、ｘ軸方向のレーザ測長器の変位に対するＰＳＤの出力変位を示すグラフである。同上、ｘ軸方向のレーザ測長器の変位に対するＰＳＤの出力変位精度を示すグラフである。本発明の実施例１を示すの回転体の変位を測定する図であり、図５（Ａ）は正面説明図、図５（Ｂ）は平面説明図である。本発明の実施例２を示すの回転体の変位を測定する図であり、図６（Ａ）は正面説明図、図６（Ｂ）は平面説明図である。本発明の実施例３を示すの回転体の変位を測定する図であり、図７（Ａ）は正面説明図、図７（Ｂ）は平面説明図である。本発明の実施例４を示すの回転体の変位を測定する図であり、図８（Ａ）は正面説明図、図８（Ｂ）は平面説明図である。本発明の実施例５を示すの回転体の変位を測定する図であり、図９（Ａ）は正面説明図、図９（Ｂ）は平面説明図である。

符号の説明

３主軸ヘッド（被測定物）
５レーザ光源部（光源部）
５Ａレーザ光源部（光源部）
６ＰＳＤ（光検出素子）
６ＡＰＳＤ（光検出素子）
11 レーザ光（光）
21 主軸（被測定物）
22 スリット部（基準部）
24Ａ端面（基準部）
25 外周面（基準部）
26 突出部（基準部）

Claims

被測定物と、光を出射する発光部と、前記光を受光する光検出素子とを備え、前記光検出素子の出力により前記被測定物の変位を検出する変位測定装置において、前記光検出素子がＰＳＤであることを特徴とする変位測定装置。
前記被測定物を挟んで前記発光部と前記ＰＳＤを配置し、前記被測定物の基準部の一側を通過した前記光を前記ＰＳＤで受光することを特徴とする請求項１記載の変位測定装置。
前記被測定物を挟んで、一方と他方に前記発光部と前記ＰＳＤを配置すると共に、他方と一方に前記発光部と前記ＰＳＤを配置し、前記一方の発光部と前記他方の発光部の光は逆向きで略平行をなし、前記一方の発光部の光を前記被測定物の基準部の一側を通過して前記他方のＰＳＤで受光し、前記他方の発光部の光を前記被測定物の基準部の他側を通過して前記一方のＰＳＤで受光することを特徴とする請求項１記載の変位測定装置。
前記基準部は溝状のスリット部であることを特徴とする請求項２又は３記載の変位測定装置。
前記基準部は円柱の一部であることを特徴とする請求項２又は３記載の変位測定装置。
前記基準部は円形リング状の突出部であることを特徴とする請求項２又は３記載の変位測定装置。
前記一方のＰＳＤより得られた出力と、前記他方のＰＳＤより得られた出力とにより変位を算出することを特徴とする請求項３記載の変位測定装置。
前記発光部及び前記ＰＳＤが、前記被測定物から離れた位置に配置されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の変位測定装置。