JP2023520520A - 測定装置及び方法 - Google Patents

Abstract

工作機械用のブレークビーム工具セッティング装置（２）などの光学的測定装置のための、保護部材（１２６）が記載される。保護部材（１２６）は、光及び空気が通過し得る、導管（１４０）を備える。導管（１４０）は、使用時に、光ビームが、光軸（Ｏ）に沿って、前記導管を通過させられ、空気の流れが、空気流軸（Ａ）に沿って、導管から外へ案内されるように構成される。光軸（Ｏ）は、気流軸（Ａ）に対して非平行であり、導管（１４０）は、空気流軸（Ａ）に沿って変化する断面プロファイルを有する。改善された測定の再現性が提供される。

Description

本発明は、光学式（非接触式）測定装置に関し、特に、排出される空気の流れが、工作機械環境で一般的に見られるタイプの汚染物質から、様々な光学部品を保護するために使用される、そのような装置に関する。

工作機械によって行われる加工作業から発生する汚染物質（例えば、冷却剤、切削屑など）から、非接触工具測定装置などの非接触測定装置を保護することが知られる。そのような非接触工具測定装置の一例は、工作機械によって保持された工具が、細いレーザービームを遮断するときを検出し、それによって工具の長さや直径などの工具測定値が取得されることを可能にする、レーザーツールセッターである。

特許文献１、及び、特許文献２は、レーザービームが自由空間の領域を介して、送信部分から受信部分に通過させられる、そのようなレーザーツールセッターの例を記載する。レーザービームは、送信部及び受信部の各々において、狭いチャネル又は導管を介して、装置に出入する。そのような装置では、各チャネルは、それに沿って送信部と受信部の間をレーザービームが通過する光軸に対して、斜角に（例えば、ドリル加工によって）形成される。従って、排出された空気は、レーザービームによって横切られる自由空間光路から離れるように方向づけられる（角度をつけられる）。これらの角度のついた空気流路は、例えば、特許文献１の図４ｃ、及び、特許文献２の図４に示される。英国、ワットン－アンダー－エッジのレニショウ パブリック リミテッド カンパニーによって販売される、ＮＣ４非接触工具セッティングシステムは、そのような角度のつけられた開口を含む装置の一例である。その光軸に沿って空気を排出するブレークビームツールセッター装置の一例は、特許文献３に記載される。特許文献４は、レーザービームが通過する中央開口を囲む空気ノズルのアレイから、管状の空気シールドが提供される代替装置を記載する。

欧州特許第１０５０３６８号明細書 欧州特許第１５０２６９９号明細書 米国特許出願公開第２０１８／１１１２４０号明細書 米国特許出願公開第２０１０／０２０６３８４号明細書

上述のタイプの既知の装置は、レーザービームによって横切られる、自由空間光路における空気の乱れを低減させるが、本発明者らは、いくつかの空気の乱れの影響が依然として存在し、それによって測定再現性を劣化させることを発見した。

本発明によれば、光学的測定装置用の保護部材が提供され、保護部材は、光及び空気が通過し得る導管を備え、導管は、使用時に、光ビームが、光軸に沿って導管を通過させられ、空気の流れが、空気流軸に沿って導管の外へ案内されるように構成され、光軸は、空気流軸に対して非平行であり、導管は空気流軸に沿って変化する断面プロファイルを有することを特徴とする。

したがって、本発明は、非接触工具測定装置などの光学的測定装置用の保護部材に関する。保護部材は、使用時に、そこを通って、光ビームと空気の流れ（ストリーム）の両方が通過させられる、導管又は通路を備える。使用中、光は、保護部材の外面に垂直であり得る光軸に沿って、導管を通過させられる。導管を通って案内される空気は、光軸に対して傾斜するか、又は、角度がつけられる空気流軸に沿って、導管から排出される。したがって、排出された空気は、光ビームの自由空間経路に沿った空気流の乱れを防止するように、光ビームから離れる方向に向けられる。

本発明は、空気流軸の長さに沿って変化する（すなわち、変わる）断面プロファイルを有する導管によって特徴づけられる。特に、導管の断面積、及び／又は、断面形状は、そこから排出される空気の乱れを低減するために、その長さに沿って変化させられる。これは、例えば、空気流軸に沿って、ブランクの保護部材を貫通する穴を開ける（それによって、空気流軸の長さに沿って不変の断面プロファイルを有する導管を作製する）ことにより形成される、特許文献１、及び、特許文献２の導管とは異なる。変化する形状の導管は、排出される空気の全体的な気流の乱れを減少させ、それによって、自由空間ビーム経路に存在する乱れの量を減少させることが見出された。また、変化する形状は、外部の汚染物質に対する、一定レベルの保護を提供するために排出される必要がある、空気の量を減らすために使用され得る。これらの改善の両方は、測定の再現性における改善を提供することが見出された。

導管は、また、光ビームが、光軸（すなわち、空気流軸に対して角度をつけられた軸）に沿って通過することを可能にするように構成されることが、再び、留意されるべきである。導管を通過する光ビームは、導管によって制限（例えば、減衰又は成形）され得、又は、導管を、妨げられることなく通過し得る。したがって、保護部材の光学性能に影響を与えることなく、空気流特性に対する上述した改善が達成され得る。

有利には、導管は、空気を受け入れるための入口開口と、空気を排出するための出口開口とを有する。入口開口は、好都合には、出口開口とは異なる断面積を有する。好ましくは、入口開口の断面積は、出口開口の断面積よりも大きい。換言すれば、導管の入口は、出口よりも広いものであり得る。導管に沿った断面積のこの変化（例えば、減少）は、空気が排出される前に、導管内の空気の乱れを減少させ、それによって、排出される空気の乱れを減少させる。入口開口は、また、少なくとも部分的に溝の付いたプロファイルを有し得る。例えば、どの「鋭い」エッジも、平らにされ、より滑らかで、より乱れの少ない空気の流れを提供し得る。好ましい実施形態では、導管を形成するために、孔が、開けられ、次に、レーザー切断プロセスを用いて、幅が広げられ、適切に形づくられ得る。この２段階のプロセスは、さもなければ、何らかの空気の乱れを引き起こし得るであろう、バリを、最小限にする。

有利には、導管の少なくとも一部は、非対称の断面プロファイルを有する。例えば、先行技術の導管の円形又は楕円形の断面は、非対称の断面に置き換えられ得る。従って、導管は、非円筒形であり得る。好都合には、導管は、光軸に沿って見たときに実質的にＤ字形である、出口開口を有する。

有利なことに、導管は、光軸に沿って、そこを通過する光に対して、実質的に円形の断面を呈する。言い換えれば、導管は、実質的に円形の光ビームが、光軸に沿って、それを通過し得るように形成される。導管は、光ビームを制限し、又は、成形し得る。あるいは、実質的に全ての入射光ビームが、光軸に沿って、導管をまっすぐに通過し得る。

保護部材は、導管を通る空気の流れを方向づけるのを助けるための、及び／又は、光ビームと相互作用する、さらなる構成要素を含み得る。例えば、保護部材は、光軸に沿って通過させられる光ビームを収縮させるための、光学的開口（すなわち、導管とは別体の開口）を含み得る。光学的開口は、光ビームを、成形、及び／又は、減衰させ得る。光軸に沿って見たときの、光に対する導管の断面は、関連する光学的開口よりもわずかに大きいものであり得る。例えば、光軸に沿った導管の有効半径は、そのような光学的開口の半径よりも０．１ｍｍ大きいものであり得る。また、保護部材を介して排出される空気の全てが、光学的開口を通過し得る。あるいは、空気の一部が通過し得る（すなわち、光学的開口を通過することなく）、他の孔又は通路が存在し得る。

導管を出る全ての空気は、実質的に同じ方向に（すなわち、空気流軸に沿って）方向づけられ得る。例えば、導管から排出される全ての空気流は、光軸の上、下、又は、側部のいずれかに向けられ得る。空気流軸は、光軸に対して非平行（例えば、傾斜又は斜角）であり、その結果、空気の流れは、光軸に沿って通過する光に対して、起こり得る最小の影響を及ぼす。特に、空気の保護流は、好ましくは、非常に局所的な領域で、一方向においてのみ、光路を横切る。これは、測定の再現性を向上させる、安定した気流の配置を提供する。有利には、光軸に沿った方向、又は、光軸に平行な方向に移動する、導管から排出される空気の流れの実質的な部分は、存在し得ない。換言すれば、空気は、好ましくは、軸外の方向に排出される。

好都合には、空気流軸は、光軸に対して５°以上で、角度をつけられ得る。空気流軸は、光軸に対して１０°以上で、角度をつけられ得る。空気流軸は、光軸に対して１５°以上で、角度をつけられ得る。空気流軸は、光軸に対して２０°以上で、角度をつけられ得る。空気流軸は、光軸に対して４５°未満で、角度をつけられ得る。好ましくは、空気流軸は、光軸に対して約３０°で、角度をつけられ得る。より大きな角度は、自由空間光ビームの経路からさらに遠くに空気を向けるが、それは、導管がより大きいものであることを必要とし（すなわち、ビームが、依然として、光軸に沿って通過し得ることを確実にするため）、したがって、減少した侵入防止が存在し、及び／又は、より多くの空気が排出されねばならない。

保護部材は、好ましくは、単一の導管のみから構成される。単一の導管は、空気が排出される、単一の出口開口のみを有し得る。単一の導管の物理的形状は、空気流の方向を画定し得る。好ましくは、保護部材を通して排出されるすべての空気は、単一の導管を通過する。したがって、特許文献４に記載されたタイプの、複数の空気ノズルの複雑な配置が、回避され得る。また、汚染物質の侵入に対して、一定レベルの保護を提供するために必要とされる空気の消費量が、低減させられる。

保護部材は、光学的測定装置と一体的に形成され得る。例えば、保護部材は、そのような装置のケーシング又は外殻の一部を形成し得る。好都合には、保護部材は、光学的測定装置の送信機又は受信機への解放可能な取り付けのための、１つ又は複数の構造を含み得る。例えば、保護部材は、光学的測定装置に取り付けられ、光学的測定装置から取り外される、キャップとして形成され得る。そして、様々なそのようなキャップが、光学的測定装置の異なる構造に設けられ得る。そのようなキャップは、先行技術の測定装置に適合するように構成され得る（すなわち、それらは後付け可能であり得る）。光学的測定装置の光学部品（例えば、レンズ／検出器）は、好ましくは、装置内に（すなわち、保護部材の導管の背後に）後退させられる。

本発明は、また、少なくとも１つの上記のような保護部材を備える、光学的測定装置に及ぶ。光学的測定装置は、保護部材を有する送信機、及び／又は、保護部材を有する受信機を備え得る。そのような例では、保護部材は、名目上同じであり得、又は、それらは、異なり得る。例えば、異なる大きさの導管、及び／又は、異なる大きさの光学的開口を備える保護部材が、送信機及び受信機に対して設けられ得る。送信機で発生させられる空気の乱れは、受信機で発生させられる空気の乱れよりも小さいものであり得る。また、必要に応じて、測定装置が構成されることを可能にするために、異なるサイズの導管及び／又は光学的開口を備える、複数の保護部材のキットが提供され得る。

光学的測定装置は、他の光学部品（レンズ、光源、受光器など）を含み得る。光学的測定装置は、他の空気流制御装置（制御弁、流れ制限器、一方向弁など）を含み得る。有利には、光学的測定装置は、各保護部材の導管に隣接する内部空気室を含み得る。そのような内部空気室は、保護部材の導管に入る空気の乱れを減少させるのに役立ち、それによって、排出される空気の乱れを減少させ得る。また、内部空気室を通る空気の流れは、空気室を通る光路を避けるように配置され得る。また、室を通る空気流は、導管で収束し得る。これは、光ビームが空気室を通過する際、光ビームに対する乱流の影響を低減させ得る。

導管サイズは、再現性及び空気消費量に対する精度の最も良いバランスを与えるように選択され得る。例えば、光学的開口の大きさが維持され、再現性が向上させられ得る。あるいは、光学的開口の大きさは、再現性を維持しながら計測性を向上させるために、増大させられ得る。したがって、適切に寸法決めされた保護部材は、要求される各用途に使用され得るであろう。

好ましい実施形態において、光学的測定装置は、ブレークビーム工具測定装置のような工具測定装置である。工具測定装置は、工作機械のベッドに取り付け可能であり得る。空気、又は別の気体が、装置に供給され得る（例えば、機械工場の圧縮空気供給装置から）。空気の供給は、実質的に一定の流量であり得る。あるいは、空気の流量は、使用中に（例えば、必要とされる保護レベルに基づいて）変更可能であり得る。例えば、低流量及び高流量が使用され得る。空気の供給は、例えば、空気の保護が必要とされない場合、完全に停止させられ得る。また、保護部材は、本出願人の特許出願ＰＣＴ／ＧＢ２０２０／０５０５８１に記載された、シャッターアセンブリの一部を形成し得る。

また、本明細書には、光学的測定装置のための保護部材が説明される。保護部材は、光及びガス（例えば、空気）が通過し得る、導管を含み得る。導管は、使用時に、光ビームが光軸に沿って導管を通過するように構成され得る。導管は、使用時に、空気（又は他の気体）の流れが、空気流軸に沿って、導管の外へ案内されるように構成され得る。光軸は、空気流軸に対して非平行であり得る。導管は、空気流軸に沿って変化する断面プロファイルを有し得る。導管は、実質的に滑らかな空気力学的導管であり得る。実質的に滑らかな空気力学的導管は、ベンチュリー状であり得る。導管は、（例えば、製造中に、円弧を、面取り、又は、ブレンディングすることによって）実質的に平滑であり得る。部材は、本明細書に記載される他の特徴のいずれかを、単独で又は組み合わせて含み得る。

本発明は、次に、添付の図面を参照して、例のみとして説明されるであろう。

非接触工具セッティング装置を示す図である。 非接触工具セッティング装置用の先行技術のキャップを示す図である。 非接触工具セッティング装置で使用するための、本発明に係るキャップの縦断形象を示す図である。 図３のキャップの正面図である。 追加の空気流インサートを備える、本発明によるキャップの縦断形象を示す図である。 図３に示された構造に従って作製されたキャップの写真である。 先行技術のキャップに関連する、ｘ－ｙ平面における空気の乱れを示す図である。 本発明のキャップに関連する、ｘ－ｙ平面における空気の乱れを示す図である。 先行技術のキャップに関連する、ｙ－ｚ平面における空気の乱れを示す図である。 本発明のキャップに関連する、ｙ－ｚ平面における空気の乱れを示す図である。

図１を参照すると、先行技術のツールセッター装置２の部分分解図が示される。装置は、光ビーム１２を生成するための、レーザダイオードと適切な光学系（不図示）とを含む、送信ユニット１０を備える。また、受信された光ビーム１２の強度を検出するために、フォトダイオード（不図示）を備える受信ユニット１４が設けられる。送信ユニット１０と受信ユニット１４は、共に、共通のベース２０に固定され、それによって、互いに対する一定の間隔と向きを維持する。そして、ベース２０は、工作機械のベッド、又は、実際に、任意の適切な部分に、直接取り付けられ得る。また、送信機と受信機を取り付けるための様々な代替構造が使用され得るであろうことが留意されるべきである。例えば、送信機と受信機のための共通のハウジングが設けられ得るであろうし、送信機と受信機のユニットが、工作機械に別々に取り付けられ得るであろう。電気ソケット２２は、電力を供給し、受信ユニット１４の検出器からビーム強度信号を受信する、関連インターフェース（不図示）への、ケーブルを介した接続のために、ベース２０に設けられる。

ツールセッター装置２は、工作機械の厳しい環境下で動作するように設計され、冷却剤の加圧流、冷却剤ミスト、切削屑などが、しばしば存在する。いわゆる空気保護システムを使用することにより、そのような厳しい条件下で、長期的かつ信頼性の高い装置の動作が可能である。したがって、送信ユニット１０及び受信ユニット１４は、光ビーム１２が通過させられる、通路又は導管２８を備える、エアキャップ２６を含む。図１では、エアキャップ２６は、説明目的のために、それぞれの送信ユニット及び受信ユニットから取り外されて示される（しかし、使用中は、そのようなユニットに取り付けられるであろう）。使用時には、圧縮空気が、空気入口３０から装置の本体に供給される。装置は、そのような空気の少なくとも一部が、光が通過するキャップ２６内の同じ導管４０を介して、装置から外へ流出させられるように配置される。この継続的な空気の流出は、汚染物質が装置内に入るのを防ぐ一方で、光が、なお、必要に応じて、装置に入出射することを可能にし、その結果、測定が実行され得る。

次に、また、図２を参照すると、先行技術のエアキャップ２６の構成が、より詳細に示される。各エアキャップ２６は、空気が流出させられる、斜めの通路又は導管４０を含む。この導管４０は、部材の最外面の表面法線に対して斜めの角度で、ブランクキャップを穿孔することによって形成される。導管４０のサイズと斜めの角度は、部材の最外面の法線方向に沿って（すなわち、光ビームの光軸に沿って）、光学的開口４２を通過する光ビームが、また、導管を通過し得るように選択される。導管４０は、また、任意に、空気流制限器４８を介し、一連の空気孔４６を通って、圧力下で、チャンバ４４内に押し進められた、空気を排出する。空気は、導管が形成される角度にほぼ平行な方向に排出される。言い換えれば、空気は、光ビームの光軸（Ｏ）に対して斜めの角度（θ）である、空気流軸（Ａ）に沿って排出される。特許文献１、及び、特許文献２で説明されるように、この配置は、ビームの自由空間光路（すなわち、光ビームによって横断される送信ユニットと受信ユニットの間の自由空間経路）から離れるように、空気の流れを向けるのに役立ち、それによって、そのような空気流が、装置の測定精度に及ぼすであろう影響を低減させる。

先行技術の配置は、汚染物質に対する信頼できる保護を提供するが、排出された空気流内の乱れは、ビームの自由空間光路に沿った空気流を依然として乱し、それによって装置の測定性能に有害な影響を及ぼすことが、本発明者らによって見いだされた。本発明は、次に、以下で説明されるように、排出された空気に関連する空気流の乱れを減少させることによって、装置の測定精度を向上させることを見出した。特に、導管に沿った（すなわち、空気流軸Ａに沿った方向の）断面プロファイルを変更することは、その長さに沿って不変の断面を有する先行技術の導管と比較して、そのような導管から排出される空気の乱れを著しく減少させ得ることが見出された。例えば、導管を通る空気流路における任意の鋭いエッジを除去すること、及び／又は、導管の断面積を、その長さに沿って（すなわち、空気流軸方向に）減少させることは、排出される空気の乱れを減少させることが見出された。

図３及び４を参照すると、本発明によるエアキャップ１２６が図示される。エアキャップは、一定の断面１４２の領域を有するが、増加する断面積を有する領域１４４を含む、導管１４０を含む。特に、図２のエアキャップ２６に見ることができる、鋭いエッジ９０は、図３に示される平坦化された部分１９０に置き換えられる。従って、導管１４０の開口の形状におけるこの変化は、図４に示されるように、表面法線の方向から（すなわち、光軸に沿って）見るときに、「Ｄ字形」の導管１４０を提供する。ツールセッター装置（例えば、図１に示されるような）に設置された場合、光ビームが光軸Ｏに沿って通過する間、空気は、空気流軸Ａに沿って排出される。空気流軸Ａは、光軸Ｏに対して、傾斜しているか、又は、角度がつけられる。

図５は、図３及び４を参照して説明されたエアキャップ１２６が、例えば、そこを通過する光ビームを制限し得る、光学的開口１５０をさらに含み得る仕様を示す。また、任意の空気流制限器１５２が提供され、均一な断面に続いて広がる開口を備える、そのような空気流制限器を提供することは、チャンバ１５４に通過する空気流の乱れをさらに低減するように作用することが見出された。この例では、空気流制限器１５２の開口の直径は、約１．７ｍｍであり、光学的開口１５０は、約０．５ｍｍの直径を有する。毎分約３０リットルの流量が、エアキャップ１２６を通過させられる。空気流制限器１５２の形状は、好ましくは、段差や断面の急激な変化がないものであり、これは空気の乱れの影響を軽減するのに役立つ。

図６は、図３及び図４の説明に従って製造された、エアキャップの写真である。Ｄ字形導管は、ブランクの表面法線方向に沿って、表面から孔を開け、残りのプロファイルをレーザー切断することで形成される。もちろん、他の製造技術が、可能であろう。

次に、図７から図１０を参照すると、図２に示されるような先行技術のエアキャップと比較して、図３から図６を参照して説明されたようなエアキャップを使用するときに生成される、減少した空気の乱れを説明するために、空気の流れのモデリング結果が示される。特に、図７は、図２に示されるような先行技術のエアキャップについての、ＸＹ平面における空気の乱れを示す。空気の乱れは、光ビームが通過する光軸Ｏまで延びることが理解され得る。図８は、図３から図６を参照して説明されたような、本発明のエアキャップについての、ＸＹ平面における空気の乱れを示す。導管の形状に対する修正は、排出される空気に関連する全体の乱れを減少させ、光軸Ｏの近傍の空気の乱れの量が大幅に減少させられることが理解され得る。これは、また、先行技術のエアキャップについての図９と、本発明のエアキャップについての図１０に示されるような、ＹＺ平面プロットにおける空気の乱れから理解され得る。もちろん、エアキャップは、関連する測定装置又は工作機械の軸に対して、任意の所望の向きに配置され得るであろう。

上記は、本発明の単なる一例であり、当業者は、可能であろう変形例を理解するであろうことが記憶されるべきである。例えば、エアキャップは、反射装置の受信機又は送信機ユニットのうちの１つだけに装着され、また、組み合わせられた送信機／受信機ユニットに装着され得るであろう。また、ツールセッターに限らず、他の測定装置で、エアキャップを使用することが可能であるだろう。取り外し可能なエアキャップが説明されるが、導管などが、測定装置の一体部分として形成されることが、また、可能であるだろう。例えば、導管は、アクセスパネル又はハウジング部分の一部として提供され得るだろう。

Claims (14)

1. 光学的測定装置用の保護部材であって、前記保護部材は、光及び空気が通過可能な導管を備え、前記導管は、使用時に、光ビームが、光軸に沿って、前記導管を通過させられ、空気の流れが、空気流軸に沿って、前記導管から外へ案内されるように構成され、前記光軸は、前記空気流軸に対して非平行であり、前記導管は、前記空気流軸に沿って、変化する断面プロファイルを有することを特徴とする保護部材。
2. 請求項１に記載の保護部材であって、前記導管は、空気を受け入れるための入口開口と空気を排出するための出口開口とを有し、前記入口開口は、前記出口開口とは異なる断面積を有することを特徴とする保護部材。
3. 請求項２に記載の保護部材であって、前記入口開口の断面積は、前記出口開口の断面積よりも大きいことを特徴とする保護部材。
4. 請求項３に記載の保護部材であって、前記入口開口は、少なくとも部分的に溝の付いたプロファイルを有することを特徴とする保護部材。
5. 請求項１－４のいずれか一項に記載の保護部材であって、前記導管の少なくとも一部は、非対称の断面プロファイルを有することを特徴とする保護部材。
6. 請求項１－５のいずれか一項に記載の保護部材であって、前記導管は、前記光軸に沿って見る場合、実質的にＤ字形である出口開口を有することを特徴とする保護部材。
7. 請求項１－６のいずれか一項に記載の保護部材であって、前記導管は、前記光軸に沿って、そこを通過する光に対して、実質的に円形の断面を提示することを特徴とする保護部材。
8. 請求項１－７のいずれか一項に記載の保護部材であって、前記光軸に沿って通過させられる光ビームを収束させるための、光学的開口をさらに備えることを特徴とする保護部材。
9. 請求項１－８のいずれか一項に記載の保護部材であって、前記空気流軸は、前記光軸に対して、１０°以上で、角度をつけられることを特徴とする保護部材。
10. 請求項１－９のいずれか一項に記載の保護部材であって、前記保護部材は、光学的測定装置の送信機又は受信機への解放可能な取り付けのための、１つ又は複数の構造を含むことを特徴とする保護部材。
11. 光学的測定装置であって、請求項１－１０のいずれか一項に記載の保護部材の少なくとも１つを含むことを特徴とする光学的測定装置。
12. 請求項１１に記載の光学的測定装置であって、前記保護部材の前記導管に向けられた空気流の乱れを最小化するための、内部空気流制御部材を含むことを特徴とする光学的測定装置。
13. 請求項１１又は１２に記載の光学的測定装置であって、各保護部材の前記導管に隣接する内部空気室を備えることを特徴とする光学的測定装置。
14. 請求項１１－１３のいずれか一項に記載の光学的測定装置であって、前記測定装置は、ブレークビーム工具測定装置であることを特徴とする光学的測定装置。

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