JP2008268000A - Displacement measuring method and device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、変位測定方法および装置に係り、特に、移動機構の再現性のある幾何的な運動誤差である真直誤差、回転誤差などの計測に用いるのに好適な、測定対象のz方向変位およびx軸、y軸の少なくとも一方の軸回りの回転角度を同時に測定可能な変位測定方法および装置に関する。 The present invention relates to a displacement measuring method and apparatus, and more particularly to a z-direction displacement of a measurement object suitable for use in measuring a straightness error, a rotation error, etc., which are geometric motion errors with reproducibility of a moving mechanism. The present invention relates to a displacement measuring method and apparatus capable of simultaneously measuring a rotation angle around at least one of an x-axis and a y-axis.
近年、「3次元」測定機として、測定対象のz軸方向(高さ方向)の分解能や精度が、測定対象のx、y軸方向(水平2軸方向)の分解能、精度と比べて高い測定機が市場に多く投入されている。なお、これらは測定対象のz軸方向(高さ方向)の測定レンジが狭いため、「2.5次元測定機」と呼ばれることがある。また、このような測定機に対しては移動機構を設置し、測定対象のx、y軸方向に測定範囲を拡大する装置も販売されている。このような移動機構にとって重要なことは、移動機構のx、y軸方向に移動したときのz軸方向の真直誤差(z方向変位ともいう)及びピッチング、ローリング(x、y軸回りの回転傾き、あるいは角度誤差ともいう)が前記測定機の測定分解能より小さいか、あるいはそれらの誤差が補正可能であることである。 In recent years, as a “three-dimensional” measuring instrument, the resolution and accuracy of the measurement target in the z-axis direction (height direction) are higher than the resolution and accuracy of the measurement target in the x- and y-axis directions (horizontal two-axis directions). Many machines are put on the market. These are sometimes called “2.5-dimensional measuring machines” because the measurement range in the z-axis direction (height direction) of the measurement target is narrow. For such a measuring machine, there is also a device that installs a moving mechanism and expands the measurement range in the x and y axis directions of the measurement target. What is important for such a moving mechanism is that the straight error in the z-axis direction (also referred to as z-direction displacement) and pitching and rolling (rotational inclination about the x and y axes) when the moving mechanism moves in the x and y axis directions. (Also referred to as angle error) is smaller than the measurement resolution of the measuring instrument, or the error can be corrected.
これに対し、一般に、移動機構は意図しない運動誤差を持っている。その運動誤差には、真直誤差、回転(傾き)誤差(ピッチング、ローリング、ヨーイング)、リニアリティ誤差、複数軸間の角度誤差(直角度誤差など)が含まれる。そして、これらの誤差は再現性のある幾何的な運動誤差であるため、これらを効率よく測定することで補正は可能である。 On the other hand, in general, the moving mechanism has an unintended motion error. The motion error includes a straightness error, a rotation (tilt) error (pitching, rolling, yawing), a linearity error, and an angle error between a plurality of axes (such as a squareness error). Since these errors are reproducible geometric motion errors, they can be corrected by measuring them efficiently.
上記運動誤差を測定する方式としては、接触式と非接触式の2つがある。接触式は、信頼性が高い反面、測定対象に傷をつけることになる。特に、高精度な基準器を移動機構に設置して測定を行なうのであれば、繰り返し測定することは避けることが必要となる。一方、非接触式は、測定対象に傷をつけず、高精度な基準面を用いて十分に制御された環境で測定する場合には信頼性の高い測定結果が得られるので、接触式より望ましい場合も多い。 There are two methods for measuring the motion error, a contact type and a non-contact type. The contact type is highly reliable, but damages the measurement object. In particular, if measurement is performed with a highly accurate reference device installed in the moving mechanism, it is necessary to avoid repeated measurement. On the other hand, the non-contact type is preferable to the contact type because a measurement result with high reliability can be obtained when measuring in a well-controlled environment using a high-precision reference plane without damaging the measurement target. There are many cases.
そこで、非接触式で変位あるいは回転傾きを測定するセンサを、移動機構の誤差補正をするために使用することができる。例えば、静電容量式変位センサや光ファイバセンサ、干渉計、オートコリメータなどである。特に、特許文献1、2では、非接触式で、走査機構の案内面の精度に影響されることがなく、精度の高い真直度測定を行うことができる簡単な真直度測定法が示されている。また、特許文献3では、非接触式で、変位計測系の回転傾きを、計測に適した傾斜にする機能を備えた変位計測装置が記載されている。そして、特許文献4においても、非接触式で、測定対象が変位したときの変位量と回転傾きが求められる光学式変位測定装置について記載がなされている。
Therefore, a sensor that measures displacement or rotational tilt in a non-contact manner can be used to correct the error of the moving mechanism. For example, there are a capacitance type displacement sensor, an optical fiber sensor, an interferometer, an autocollimator and the like. In particular,
しかしながら、一般には静電容量式変位センサや光ファイバセンサ、干渉計などは、変位のみが対象となる。そのため測定対象の回転傾きを測定するには、複数の変位センサを用い、変位の差から求めることが必要となり、装置や計測制御が複雑となる。なお、干渉計については面形状を測定することにより回転傾き評価も可能なものが存在するが、機械的な位相シフトが必要で複雑となることや、CCDカメラのビデオレートなどの制限により高速な測定には適していない。 However, in general, capacitance displacement sensors, optical fiber sensors, interferometers, and the like are only subject to displacement. Therefore, in order to measure the rotational inclination of the measurement object, it is necessary to use a plurality of displacement sensors and obtain the difference from the displacement, which complicates the apparatus and measurement control. Some interferometers can be evaluated for rotational tilt by measuring the shape of the surface. However, the interferometer requires high speed due to the complexity of the mechanical phase shift and restrictions on the video rate of the CCD camera. Not suitable for measurement.
また、オートコリメータも、回転傾きのみが対象であり、測定速度は遅く、変位を同時に測定する用途には向かないものが多い。 In addition, the autocollimator is intended only for the rotation inclination, the measurement speed is slow, and many are not suitable for the purpose of simultaneously measuring the displacement.
特許文献1、2に記載の発明は、真直度(変位)のみが対象であり、回転傾きを測定するには更に複数の変位センサを用いるため、装置や計測制御が複雑となる。特許文献3に記載の発明は、回転傾きを変位測定に適した傾斜とするものであり、回転傾きを同時測定することはできない。特許文献4に記載の発明は、変位と回転傾きを同時に測定可能であるが、測定対象への光照射を切替えるための液晶シャッタなどの構造と複雑な制御が必要となるなどの問題点を有していた。
The inventions described in
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、簡便な構成で、真直度(z方向変位)と、ピッチングとローリング(x、y軸周りの回転傾き)のうち少なくとも一方とを、同時に測定する装置を提供することを課題とする。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and has a simple configuration and at least one of straightness (displacement in the z direction) and pitching and rolling (rotational inclination about the x and y axes). It is an object of the present invention to provide an apparatus for simultaneously measuring the above.
本発明は、光源から導かれた光を測定対象上の互いに異なる2以上の方向に出射し、前記測定対象に照射され、反射された複数の光の受光位置の変化を計測することで、該測定対象の変位を求めることにより、前記課題を解決したものである。 The present invention emits light guided from a light source in two or more directions different from each other on a measurement object, and measures the change in the light receiving position of a plurality of lights irradiated and reflected on the measurement object. The problem is solved by obtaining the displacement of the measurement object.
測定対象上に基準平面を設け、光源から導かれた光を該基準平面の互いに異なる2以上の方向に出射し、該基準平面で反射された複数の光の受光位置の変化を計測することで、該測定対象の変位を求めることができる。 By providing a reference plane on the measurement target, emitting light guided from the light source in two or more different directions on the reference plane, and measuring changes in the light receiving positions of the plurality of lights reflected on the reference plane The displacement of the measurement object can be obtained.
又、前記光を反射する面について予め校正値を収集し、その校正値を用いて測定対象の変位測定結果を補正することができる。 Further, a calibration value can be collected in advance for the light reflecting surface, and the displacement measurement result of the measurement object can be corrected using the calibration value.
又、移動機構における、移動方向と垂直な方向の、真直誤差と少なくとも1軸角度誤差とを、測定可能とすることができる。 Further, it is possible to measure the straightness error and at least one axis angle error in the direction perpendicular to the moving direction in the moving mechanism.
本発明は、又、光源から導かれた光を測定対象上の互いに異なる2以上の方向に出射する光出射手段と、該光出射手段により出射された光が前記測定対象に照射され、反射された光を受光して受光位置の変化を計測可能な2以上の受光手段と、を有することを特徴とする変位測定装置を提供するものである。 The present invention also provides light emitting means for emitting light guided from a light source in two or more directions different from each other on the measurement object, and the light emitted by the light emission means is applied to the measurement object and reflected. A displacement measuring device comprising: two or more light receiving means capable of receiving the received light and measuring a change in the light receiving position.
又、前記光源から導かれた光が、1つに想定可能な出射口から前記光出射手段に導かれており、該光源から導かれた光が、前記測定対象の法線に対して所定の角度を有して該測定対象に照射されることができる。 Further, the light guided from the light source is guided to the light emitting means from one possible emission port, and the light guided from the light source is a predetermined amount with respect to the normal line of the measurement target. The measurement object can be irradiated with an angle.
又、前記光出射手段から出射される光が、測定対象の3方向以上に照射されることで、真直誤差と2軸角度誤差とを測定可能とすることができる。 Further, the light emitted from the light emitting means is irradiated in three or more directions to be measured, so that the straightness error and the biaxial angle error can be measured.
又、前記光出射手段が、先端が錐形状とされた光ファイバを有することができる。 The light emitting means may have an optical fiber having a cone-shaped tip.
本発明によれば、簡便な構成で、変位及び、少なくとも1軸の回転傾きを同時に測定することが可能となる。このため、移動機構の補正のために用いた場合には、運度誤差を効率よく測定することができる。また、基準平面を測定対象に設けた場合には、高精度な測定が可能となる。 According to the present invention, it is possible to simultaneously measure the displacement and the rotational inclination of at least one axis with a simple configuration. For this reason, when used for correction of the moving mechanism, it is possible to efficiently measure the handling error. In addition, when the reference plane is provided on the measurement target, high-precision measurement is possible.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
まず、本発明の第1実施形態について図1から図5を用いて説明する。図1は本実施形態に係るz方向変位とy軸回りでの回転傾きを計測可能な変位測定装置の概略構成図、図2は本実施形態の光出射手段の断面図、図3はz方向変位の測定原理図、図4はy軸回りでの回転傾きの測定原理図、図5は本実施形態により移動機構を校正する際の概略図を、それぞれ示している。 First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a displacement measuring apparatus capable of measuring a z-direction displacement and a rotational tilt around a y-axis according to the present embodiment, FIG. 2 is a cross-sectional view of a light emitting means of the present embodiment, and FIG. 3 is a z-direction. FIG. 4 is a diagram showing the principle of measuring displacement, FIG. 4 is a diagram showing the principle of measuring the rotational tilt around the y axis, and FIG. 5 is a schematic diagram when calibrating the moving mechanism according to this embodiment.
最初に、本実施形態の構成について、図1、2を用いて詳細に説明する。 First, the configuration of the present embodiment will be described in detail with reference to FIGS.
本実施形態は、図1に示す如く、光出射手段10と、受光手段の1つである第1の受光素子30と、受光手段のもう1つである第2の受光素子40と、図示しない信号処理部と、を有する。
In this embodiment, as shown in FIG. 1, a light emitting means 10, a first
前記光出射手段10は1つの出射口20を有しており、そこから、2方向に分岐した光を出射させる機能を有している。詳しくは、図2に示す如く、例えば、光出射手段10は、光源から光が導かれる光ファイバ11と、第1および第2のファイバフォルダ12、13と、第1および第2のレンズホルダ14、15と、第1および第2のレンズ16、17と、筐体18とを有する。図2で示す如く、前記光ファイバ11の先端は所定の角度で研磨された錐形状をしており、出射口20において、導かれた光を2つの光に分けることができる。そして、筐体18に、第1および第2のファイバフォルダ12、13により光ファイバ11を固定し、第1のレンズホルダ14により第1のレンズ16を固定し、第2のレンズホルダ15により第2のレンズ17を固定する機能を有する。そして、光ファイバ11の出射口20から出射された2つの光を、第1のレンズ16と第2のレンズ17は2つの平行光とする機能を有している。このとき、平行光の光束の直径は、小さいことが望ましい。小さければ、受光される光の直径も小さくなるので、受光手段30、40はもちろん、変位計測装置自体も小型にできるという利点を有する。なお、前記2つの平行光はxz平面と一致するように調整されている。また、前記2つの光の2等分線をz軸とし、測定対象50はz軸と直交するx軸と一致させる(θ1=θ2でz軸は測定対象50の法線)ことで、容易に変位および回転傾きが求められる。
The light emitting means 10 has one
前記第1および第2の受光素子30、40は、z軸に対して対象位置に配置されており、例えば、2分割以上のフォトダイオードを用いることができる。
The first and second
前記信号処理部は、内部に記憶部を有し、前記第1および第2の受光素子30、40に接続されている。そして、記憶部の初期値を利用して、該第1および第2の受光素子30、40で検出された信号を処理して、z方向変位とy軸回りでの回転傾きを求め、求められた各値を記憶部に記憶する機能を有する。該信号処理部は、例えば、光出射手段10と前記受光手段とを同一の筐体に固定する場合には、その筐体内部に光出射手段へ光を供給する光源や、該両手段の制御手段と共に設けることにより小型化が可能である。
The signal processing unit has a storage unit therein and is connected to the first and second
このように、本実施形態では、変位計測装置を簡便で、小型化が容易な構成とすることが可能である。 Thus, in this embodiment, it is possible to make the displacement measuring device simple and easy to downsize.
次に、本実施形態の作用について説明する。 Next, the operation of this embodiment will be described.
図1に示す如く、光出射手段10から2方向に分岐した光は、測定対象50の異なる表面で反射され、第1および第2の受光素子30、40に入射する。第1および第2の受光素子30、40では、x軸方向の光の位置の変化を測定し、前記信号処理部において、後述する測定原理に従って、測定対象50のz方向変位とy軸回りでの回転傾きを同時に求めることが可能である。
As shown in FIG. 1, the light branched in two directions from the light emitting means 10 is reflected by different surfaces of the
なお、本実施形態の製造時には、平面度が必要な精度に対して十分良い基準器を測定対象50とし、図1に示す所定の位置(x5、z5)、(x1、z1)、それぞれに反射光がくるように、第1および第2の受光素子30、40を設置する。以下、この状態を「基準状態」と称する。この「基準状態」においては、図1において、z2=x3=z4=0であるので、z3=L、x4=R1、z5=F1とすると、x5は式(1)のように求められる。
At the time of manufacture of the present embodiment, a reference device that is sufficiently good for accuracy that requires flatness is set as the
x5=L*tanθ1+F1*tanθ1 ・・・・(1) x5 = L * tanθ 1 + F1 * tanθ 1 (1)
次に、z方向変位とy軸回りでの回転傾きを同時に求めるための測定原理について、詳細に説明する。 Next, the measurement principle for obtaining the z-direction displacement and the rotational tilt around the y-axis simultaneously will be described in detail.
最初に、測定対象50がz方向にHだけ変位したときの変位D1を、図3を用いて求める。すると、式(2)のように表すことができる。
First, the displacement D1 when the
H=-D1/2/tanθ1
D1=-2*H*tanθ1 ・・・・(2)
H = -D1 / 2 / tanθ 1
D1 = -2 * H * tanθ 1 (2)
次に、原点を中心に測定対象50が角度αだけ回転して傾いたときの変位D2を、図4を用いて求めていく。まずは、第1の受光素子30に入る光を考えるため、測定対象50上の反射位置の座標を(x41、z41)とする。すると各値は回転傾きαの関数として以下の式(3)、(4)のように表すことができる。
Next, the displacement D2 when the
x41=L*R1/(L+R1*tanα)=L*tanθ1/(1+tanα*tanθ1・・・・(3)
z41=L*R1*tanα/(L+R1*tanα)
=L*tanθ1*tanα/(1+tanα*tanθ1)・・・・(4)
x41 = L * R1 / (L + R1 * tanα) = L * tanθ 1 / (1 + tanα * tanθ 1 (3)
z41 = L * R1 * tanα / (L + R1 * tanα)
= L * tanθ 1 * tanα / (1 + tanα * tanθ 1 ) (4)
測定対象50上での反射位置が異なるため、第1の受光素子30上での受光位置は「基準状態」からずれた位置となる。このずれ量を計測することで回転傾きαを求めることができる。
Since the reflection position on the
反射光の直線の方程式は式(5)で表すことができる。 The equation of the straight line of the reflected light can be expressed by equation (5).
z-z41=tan(π/2-θ1+2*α)*(x-x41) ・・・・(5) z−z41 = tan (π / 2−θ 1 + 2 * α) * (x−x41) (5)
第1の受光素子30のz5の値はF1であるので、x方向における「基準状態」からの変位をD2とすると、式(5)は式(6)のように表される。
Since the value of z5 of the first
F1-z41=tan(π/2-θ1+2*α)*( x5+ D2-x41) ・・・・(6) F1−z41 = tan (π / 2−θ 1 + 2 * α) * (x5 + D2−x41) (6)
従って、D2は式(7)のように求められる。 Therefore, D2 is obtained as shown in Equation (7).
D2=(F1-z41)/tan(π/2-θ1+2*α)-x5+x41 ・・・・(7) D2 = (F1-z41) / tan (π / 2-θ 1 + 2 * α) -x5 + x41 (7)
従って、式(7)に式(1)のx5の値を代入し、式(3)、(4)とから、回転傾きαを求めることができる。このとき、αが小さいときは式(8)、(9)、(10)のように、
近似できるため、式(7)は式(11)のような近似式で表すことができる。
Therefore, by substituting the value of x5 in the equation (1) into the equation (7), the rotational inclination α can be obtained from the equations (3) and (4). At this time, when α is small, as in equations (8), (9), and (10),
Since it can be approximated, Expression (7) can be expressed by an approximate expression such as Expression (11).
この場合には、αは小さいことが前提であることから式(11)は式(12)と近似して、D2を求めることができる。 In this case, since it is assumed that α is small, Equation (11) can be approximated to Equation (12) to obtain D2.
上述してきたD1、D2の値を用いて、測定対象50のz方向変位とy軸回りでの回転傾きが同時に生じたときの変位を求める。その際に第1の受光素子30で求められる受光位置の変位M1は、D1とD2との和であるので、M1については式(2)、式(7)より式(13)が求められる。
Using the values of D1 and D2 described above, the displacement of the
M1=(F1-z41)/tan(π/2-θ1+2*α)-x5+x41-2*H* tanθ1
・・・・(13)
M1 = (F1-z41) / tan (π / 2-θ 1 + 2 * α) -x5 + x41-2 * H * tan θ 1
(13)
式(7)の近似後の式(12)を用いると式(14)が求められる。 Using equation (12) after approximation of equation (7), equation (14) is obtained.
このとき、上述してきた第1の受光素子30上の光の入射位置の変位を求めた方法を、第2の受光素子40に入る光についても適用すると、第2の受光素子40上の光の入射位置の変位M2は式(15)で表すことができる。
At this time, if the above-described method for obtaining the displacement of the incident position of the light on the first
よって、式(14)、式(15)を式(16)に示す如く、連立させることで、M1、M2の計測された変位から、y軸回りにおける回転傾きαとz方向変位Hを求めることができる。
Therefore, by calculating Equation (14) and Equation (15) as shown in Equation (16), the rotational inclination α and the z-direction displacement H about the y axis are obtained from the measured displacements of M1 and M2. Can do.
このように、2つの受光手段から得られた受光位置の変化量を用いることにより、z方向変位とy軸回りでの回転傾きを同時に求めることが可能である。 In this way, by using the amount of change in the light receiving position obtained from the two light receiving means, it is possible to simultaneously obtain the z-direction displacement and the rotational inclination about the y axis.
次に、本実施形態により、移動機構のz方向変位とy軸回りの回転傾き(ピッチング)のみを測定して校正を行なう場合を、図5を用いて詳細に説明する。図5に示す如く、本実施形態の変位計測装置1は、移動機構のガイド5に固定された装置支持構造物2に固定される。一方、測定対象である移動機構のテーブル4上には、変位計測装置1から照射される光を反射するための基準平面3(例えばオプティカルフラット)が備えられている。
Next, a case where calibration is performed by measuring only the displacement in the z direction of the moving mechanism and the rotational inclination (pitching) about the y axis according to the present embodiment will be described in detail with reference to FIG. As shown in FIG. 5, the
このような構成により、移動機構のテーブル4を移動機構のガイド5に沿って所定の移動量で移動させ、基準平面3からの反射光を本実施形態である変位計測装置1で測定することで、上述した原理に基づいて、所定の移動量に対応したz方向変位およびy軸回りでの回転傾きを求めることが可能である。
With such a configuration, the table 4 of the moving mechanism is moved by a predetermined moving amount along the
このようにして、移動機構の所定移動量に対応してその運動誤差である、z方向変位およびy軸回りでの回転傾きを、同時に効率よく高精度に求めることが可能となる。また、これらの運動誤差を補正データとしてこの移動機構に適用することで、大掛かりで、高価である高精度な移動機構を使用しなくても、極めて簡易的且つ安価に、高精度な移動機構を利用したことと同等の移動を実現することができる。 In this way, it is possible to efficiently and accurately obtain the z-direction displacement and the rotational tilt around the y-axis, which are the movement errors corresponding to the predetermined movement amount of the moving mechanism. In addition, by applying these motion errors as correction data to this moving mechanism, a highly accurate moving mechanism can be obtained very simply and inexpensively without using a large-scale and expensive high-accuracy moving mechanism. The same movement as that used can be realized.
このとき、基準平面3について、移動機構のテーブル4に備える前に、事前に校正値を収集して、例えば、信号処理部内の記憶部に記憶しておけば、所定の移動量に対してz方向変位およびy軸回りでの回転傾きを求めた後、基準平面3の校正値で校正することにより、移動機構のテーブル4について、更に高精度にz方向変位およびy軸回りでの回転傾きを求めることができ、より高精度な移動制御が可能となる。 At this time, if the calibration value is collected in advance and stored in the storage unit in the signal processing unit before the reference plane 3 is prepared in the table 4 of the moving mechanism, for example, z is obtained with respect to a predetermined moving amount. After obtaining the directional displacement and the rotational inclination around the y-axis, the table 4 of the moving mechanism is calibrated with the calibration value of the reference plane 3 so that the displacement in the z-direction and the rotational inclination around the y-axis can be determined with higher accuracy. As a result, the movement control can be performed with higher accuracy.
次に、本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態は、図1に示す第1実施形態の概略構成とは同一である。しかし、光出射手段10が、図6に示される構成となる。 Next, a second embodiment of the present invention will be described. This embodiment is the same as the schematic configuration of the first embodiment shown in FIG. However, the light emitting means 10 has the configuration shown in FIG.
例えば、光出射手段10は、光源から光が導かれる第1および第2の光ファイバ11a、11bと、第1および第2の光ファイバ11a、11bを筐体18cにそれぞれ固定する第1および第2のファイバフォルダ12a、12b、13a、13bと、第1および第2のレンズホルダ14、15と、第1および第2のレンズ16、17と、筐体18cとを有する。すなわち、2本の光ファイバ11a、11bから構成され、それぞれが第1および第2のファイバフォルダ12a、12b、13a、13bにより、筐体18cに固定されることが第1実施形態とは異なる点である。なお、本実施形態では、図6で示す如く、第1および第2の光ファイバ11a、11bの先端が通常の端面研磨加工で実現できるものであり、第1実施形態の光ファイバ11で必要とされる形状加工研磨を必要としないので、より製作が容易という利点を有している。本実施形態では、光の出射口20は、図6に示す2つの光軸が交差する位置となる。他の構成要素については、第1実施形態で述べた機能と同一なので説明を省略する。
For example, the light emitting means 10 includes first and second
また、動作原理や移動機構への適用も同一となるので、説明を省略する。 Further, the operation principle and the application to the moving mechanism are the same, and thus the description thereof is omitted.
次に、本発明の第3実施形態について図7を用いて説明する。図7は、本実施形態に係るz方向変位とy軸回りとx軸回りの両方の回転角度を計測可能な変位測定装置の概略構成図である。 Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a displacement measuring apparatus capable of measuring the z-direction displacement and the rotation angles around the y-axis and the x-axis according to the present embodiment.
本実施形態の構成は、図7に示す如く、光出射手段10dと、受光手段を構成するx軸上における第1の受光素子30x、第2の受光素子40xと、y軸上における第1の受光素子30y、第2の受光素子40yと、を有する。すなわち、y軸上に2つの受光素子30y、40yを配置したことが第1実施形態とは異なる。また、光出射手段10dもx軸方向のみならず、y軸方向にも平行光を出射することが、第1実施形態とは異なる点である。他の構成要素と機能は同一なので、説明は省略する。
As shown in FIG. 7, the configuration of the present embodiment includes a
このような構成をとることで、第1実施形態にない、z方向変位とx軸およびy軸回りの回転角度を同時に高精度に求めることが可能となる。 By adopting such a configuration, it is possible to simultaneously obtain the z-direction displacement and the rotation angles around the x-axis and the y-axis, which are not in the first embodiment, with high accuracy.
なお、動作原理は同一となるので、説明を省略する。移動機構に本実施例を適用した場合については、y軸回りの回転傾きについても同時に求めることが可能となることで、移動機構の所定移動量に対応してその運動誤差である、z方向変位と、x軸およびy軸回りでの回転傾きを、同時に効率よく高精度に求めることが可能となる。 Since the operation principle is the same, the description is omitted. In the case where the present embodiment is applied to the moving mechanism, it is possible to obtain the rotational inclination about the y-axis at the same time, so that the displacement in the z direction, which is the movement error corresponding to the predetermined moving amount of the moving mechanism. In addition, the rotational inclination around the x-axis and the y-axis can be obtained efficiently and accurately at the same time.
なお、本実施形態では、z方向変位とx軸およびy軸回りの回転角度を同時に測定するために、X,Y軸上に4つの受光素子30x、30y、40x、40yを光出射手段10cの出射口20を中心として90度ごとに配置し、その方向に向けて4つの平行光を光出射手段10dから出射したが、xy平面上に3つの受光素子を、例えば、出射口20を中心として120度間隔で配置し、その方向に向けて3つの平行光を光出射手段から出射しすることでも、第3実施形態よりも簡便で小型になるという利点を有して、同一の作用効果を得ることが可能である。このような構成も本発明に含まれることはいうまでもない。また、5つ以上の平行光を光出射手段から出射して、出射された光に対応する受光手段を設けた場合でも、本実施形態と同様の作用効果を得られるので、そのような構成であっても本発明に含まれることはいうまでもない。
In the present embodiment, in order to simultaneously measure the z-direction displacement and the rotation angles around the x-axis and the y-axis, four
以上、第1から第3実施形態について述べてきたが、受光手段を構成する受光素子はフォトダイオードに限られるものではなく、例えば、光スポット位置検出素子(PSD)やCCDやCMOSカメラ(特に高速なライン型)であっても本発明に含まれる。又、光出射手段から出射される光の角度θ1とθ2とが同一でない場合でも本発明に含まれる。 As described above, the first to third embodiments have been described. However, the light receiving element constituting the light receiving means is not limited to the photodiode. For example, the light spot position detecting element (PSD), CCD, or CMOS camera (especially high speed) Even a line type) is included in the present invention. Further, the present invention includes the case where the angles θ1 and θ2 of the light emitted from the light emitting means are not the same.
又、信号処理部は、光出射手段と受光手段と同一の筐体に設けられた場合のみならず、別体として設けられていても、例えば、汎用のパーソナルコンピュータに設けられていても、本発明に含まれる。 The signal processing unit is not only provided in the same housing as the light emitting means and the light receiving means, but may be provided as a separate body, for example, in a general-purpose personal computer. Included in the invention.
又、本発明の原理において、近似式(8)、(9)、(10)を用いずに、コンピュータを用いた数値計算により回転傾きと変位を求めることも本発明に含まれる。 Further, in the principle of the present invention, it is also included in the present invention to obtain the rotation inclination and displacement by numerical calculation using a computer without using the approximate expressions (8), (9), and (10).
又、移動機構の校正において、移動機構のテーブル表面からの反射光が受光手段に十分な光を入射させることができるなら、基準平面を使わないことも本発明に含まれ、前記テーブルの表面形状について予め校正値が収集され、その校正値を用いてz方向変位とx軸とy軸回りの回転傾きを補正することも本発明に含まれる。基準平面が移動機構以外の測定対象に設けられる場合も本発明に含まれるのはいうまでもない。 In the calibration of the moving mechanism, if the reflected light from the table surface of the moving mechanism can make sufficient light incident on the light receiving means, the present invention also includes that the reference plane is not used. It is also included in the present invention that calibration values are collected in advance and the z-direction displacement and the rotational tilt about the x-axis and y-axis are corrected using the calibration values. Needless to say, the present invention also includes a case where the reference plane is provided on a measurement object other than the moving mechanism.
又、本発明は、移動機構の校正についてのみ用いたが、本発明の変位測定装置と、測定対象との間を概略固定し、測定対象の動きを測定するためのセンサとすることも本発明に含まれる。例えば、本発明を3次元測定機のプローブに用いることにより、タッチプローブや倣いプローブとすることである。 Although the present invention is used only for the calibration of the moving mechanism, the present invention can also be used as a sensor for measuring the movement of the measurement object by roughly fixing the displacement measurement device of the present invention and the measurement object. include. For example, by using the present invention for a probe of a three-dimensional measuring machine, a touch probe or a scanning probe is obtained.
1…変位測定装置
2…装置支持構造物
3…基準平面
4…移動機構のテーブル
5…移動機構のガイド
10、10c、10d…光出射手段
20…出射口
30、30x、30y、40、40x、40y…受光素子
50…測定対象
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記測定対象に照射され、反射された複数の光の受光位置の変化を計測することで、
該測定対象の変位を求めることを特徴とする変位測定方法。 The light guided from the light source is emitted in two or more different directions on the measurement target,
By measuring a change in the light receiving position of a plurality of light irradiated and reflected on the measurement object,
A displacement measuring method characterized by obtaining a displacement of the measuring object.
光源から導かれた光を該基準平面の互いに異なる2以上の方向に出射し、
該基準平面で反射された複数の光の受光位置の変化を計測することで、
該測定対象の変位を求めることを特徴とする変位測定方法。 A reference plane is provided on the measurement object,
Light emitted from a light source is emitted in two or more directions different from each other on the reference plane;
By measuring the change in the light receiving position of the plurality of lights reflected by the reference plane,
A displacement measuring method characterized by obtaining a displacement of the measuring object.
該光出射手段により出射された光が前記測定対象に照射され、反射された光を受光して受光位置の変化を計測可能な2以上の受光手段と、
を有することを特徴とする変位測定装置。 Light emitting means for emitting the light guided from the light source in two or more different directions on the measurement object;
Two or more light receiving means capable of measuring the change in the light receiving position by irradiating the measurement object with the light emitted by the light emitting means and receiving the reflected light;
A displacement measuring apparatus comprising:
該光源から導かれた光が、前記測定対象の法線に対して所定の角度を有して該測定対象に照射されることを特徴とする請求項5に記載の変位測定装置。 The light guided from the light source is guided to the light emitting means from an emission port that can be assumed as one,
6. The displacement measuring apparatus according to claim 5, wherein the light guided from the light source is applied to the measuring object at a predetermined angle with respect to the normal line of the measuring object.
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- 2007-04-20 JP JP2007111773A patent/JP2008268000A/en active Pending
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