JP4520240B2 - 測定装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、物体を検出するために放射ビームの遮断または回復を用いる測定装置の操作に関し、排他的ではないけれども、特に放射ビームを伝搬させる放射線送出器と、この送出器から間隔をあけられて放射ビームを検出する放射線検出器とを有する切削工具検出器として使用するための測定装置に関する。

上述した形式の測定装置が知られている。このような装置の１つが特許文献１に記載されている。この記載された光学装置は、工作機械に対する切削工具の検出に使用するために主に設計され、極めて正確な測定が可能である。

上の特許に示された装置の汎用性を増大するため、光送出器および光検出器はさまざまな距離にて間隔をあけられなければならない。大きい工具は、これを送出器と検出器との間に取り付けることができるように、小さな工具のために必要とされる間隔よりも送出器と検出器との間により大きな距離を必要とする。大きな工作機械は、工具が特定の測定箇所まで長い工具移動距離を横切る必要なく、これがビームのどこにあっても測定できるように、送出器と検出器との間に大きな間隔を必要する可能性がある。小さな工作機械は、送出器と検出器との間の大きな距離を持った長い測定装置を包含するための空間を有していない。

米国特許第６，４９６，２７３号明細書

送出器と検出器との間にさまざまな距離がある場合、検出器にて増幅器の利得に関する必然的な調整を行わなければならない。実際には、カバーを取り外して検出器ハウジング内のスイッチにアクセスし、検出器と送出器との間の距離に基づいて利得が調整され、必要とされる利得が選択されるように取り扱われる。

使用者がカバーを元通りに正しく取り付けし損ねたり、またはハウジング内の汚染を除去し損ねた場合、問題が生ずる。同様に、使用者がハウジングの内部の回路を損傷させたり、またはスイッチを間違ってセットする可能性がある。商業的に利用可能な他の周知のシステムは、利得を調整するスイッチの代わりにポテンショメーターを使用しているが、このようなシステムは同じ欠点をこうむる。

従って、恒久的に密閉されたシステムが有利であるが、検出器の増幅利得の一般的な調整を不可能にしよう。

本発明は、放射ビームを遮断し、機械に用いられる物体を検出するための測定装置を提供し、この装置は、放射ビームを発するための発光体を有する発光体と、放射ビームを検出するための放射検出器を有する検出器とを具え、前記発光体または検出器の少なくとも一方は、前記検出器に達する放射ビームの量を制限する放射ビーム絞りを有し、この放射絞りは、前記検出器に達する放射ビームの量を変更するために調整可能であり、放射ビーム絞りが発光体および／または検出器にそれぞれ嵌合可能な複数のキャップを具え、これらキャップは空気が通過する細長い開口をそれぞれ有し、これらの開口は、それぞれ放射ビームに対し所定角度だけ傾斜して検出器に達する種々の量の放射ビームを通すことを可能にし、これらキャップの開口は、当該キャップを通過した後の放射ビームがほぼ円形の断面を有するように形成されている。

好ましくは、放射ビームの量が前記放射ビームの伝搬距離に依存している。

従って、このように特徴付けられた本発明の実施形態は、発光体および検出器をあらゆる実用的な距離に間隔をあけることができ、キャップを一方または両方に嵌合させることができ、発光体と検出器との間の距離に対して適切な放射ビーム（例えば光）の量が通ることを可能にするという利点を有する。

好ましくは、放射ビームが光である。

都合が良いことに、送出器および検出器の両方にキャップが嵌合されるハウジングを有し、それぞれのキャップが他方に対して交換可能であり、これら２つのハウジング間の間隔を拡げた場合により多くの光を通すことを可能とするか、あるいはこれら２つのハウジングを相互により近づけた場合、より少ない光が通ることを可能とする。

好ましくは、少なくとも一方のハウジングが使用中にハウジング外の圧力よりも大きな圧力に加圧される内部キャビティを有し、開口はキャビティと流体連通状態にあり、流体流動がキャビティから開口を介してハウジングの外へともたらされるようになっている。

従って、本発明の実施形態において、使用中における開口は、ここから流出する流体、例えば空気の流れを有し、開口に汚染物質がないように保つ。

本発明は、放射ビーム発光体と放射ビーム検出器とを有する測定装置内に与えられた放射ビームの量を調整する方法に拡張しており、前記発光体および検出器の少なくとも一方が非通過領域によって囲まれて放射ビームが通るのを可能とするための放射ビーム通過領域を包含する放射ビーム絞りを有し、この方法は、前記領域を通過可能な放射ビームの量を調整するステップを具え、この方法は、キャップの形態の適切な放射絞りを複数のキャップから選択するステップを具え、キャップのそれぞれは、異なる量の放射ビームの通過を可能にする大きさの異なる細長い開口を有し、空気が開口を通って流れると共に開口のそれぞれが放射ビームに対し所定角度だけ傾斜し、選択されたキャップの開口は放射ビームの伝搬距離によって決定された適切な量の光がここを通ってほぼ円形の断面を持った形態で伝えられることを可能にすることを特徴とする。

好ましくは、この方法は、放射ビーム検出器に関して間隔を置かれた放射ビーム発光体を位置決めするステップを包含する。

さて、本発明の種々の実施形態が例示として図面を参照しつつ記載されよう。

図１は、工作機械、例えば工作機械制御装置５６および自動工具交換装置５４とを有するコンピュータ制御の工作機械に使用して好適な工具測定装置５を示している。この装置５は作業中に光ビーム２０を発する。発光ユニット１２が光ビームを発し、光検出ユニット３２がこの光ビームを検出する。これら２つのユニットは、ハウジング１０および３０内にそれぞれ配置されると共にベース４０にそれぞれ取り付けられている。

使用中に、工具、例えば工具５０は、そのホルダ５２によって光ビーム２０の方に（または光ビームから離れて）これが光ビームを覆い隠す（または元に復帰する）まで動かされる。工具の測定は、光線が遮断または元に復帰した時点で行われる。一般に、光ビームが遮断または元に復帰したことを示すため、トリガー信号がこの装置から機械制御装置５６へと送信される。このトリガー信号は、検出器がある電圧を越えた場合に作り出される。

図２は、図１に示した形式の測定装置の中心を通る断面図を示している。この装置における発光ユニットは、そのハウジング１０内に密閉されている。この発光ユニットは、光ビーム２０を発するレーザーダイオード１６を有する。この光ビーム２０の幅は、多数の光絞りキャップ１４の１つによって制限可能である。光絞りキャップ１４は、より詳細に図３ａ，図３ｂおよび図３ｃに示されているが、基本的にこれらはここを通過する光量を制限するための開口１１を有している。開口１１は、加圧空気供給部４２によって加圧されるハウジング１０内の内部キャビティ１８に開口している。従って、開口１１からハウジング外へと空気が絶えず流出し、開口が汚染によって塞がれてしまうことはない。

光線は、ハウジング３０に収容された光検出ユニット３２に取り付けられるさらなるキャップ３４に伝搬することができる。フォトダイオード３６は、光ビームをこれが存在する場合に検出する。本実施形態では、光量、つまりフォトダイオードの電圧を光絞りキャップ１４の開口の大きさによって制御することができる。より少ない光絞りキャップ１４しか使えない場合のように、光量変化を考慮して自動利得回路が設けられている。

同様に、加圧されたキャビティ３８によってキャップ３４の開口３１から空気が流出する。加圧空気および電力，信号がベース４０内のそれぞれ供給部４２およびケーブル４４を介してもたらされる。この場合、ハウジング１０および３０も同様に、ベース４０にそれぞれ固定されている。しかしながら、これらのハウジングを機械の表面、例えば図１に示した工作機械の表面５８に直接固定することができる。

さて、汎用性のためにハウジング１０および３０間の間隔を変更することが可能である。これは、例えばハウジングをベース４０上の異なる位置に再固定することにより、あるいは異なる長さのベース４０を用いることによって達成可能である。数ミリメートルから５ｍ以上の引き離しが可能である。

発光ユニット１２と検出ユニット３２との間の距離を変更することは、検出ユニットでの入射光量が変わり、検出器における光の過多または不足をもたらす可能性がある。この問題は、図３ａ，図３ｂおよび図３ｃに示す光をある幅に制限するキャップを設け、検出される光ビームの幅を変えることにより克服される。加えて、より小さな工具を測定する場合に幅がより狭いビームがより有効である。様々なキャップは、ただ１種類の発光体および検出器に対して合致する適切な１つのキャップが作られることを可能にする。発光体および検出器の回路に対する調整を製造後に行う必要はない。

図３ａ，図３ｂおよび図３ｃは、絞りキャップ１４および３４の実施形態を示している。図３ａにおいて、例えば光ビームの発散による光路中での光の損失を小さくするため、より幅の狭いビーム２０ａを用いることができるように、キャップ間に短い距離「ａ」が存在している。

図３ｂは、キャップ１４ｂおよび３４ｂ間のより長い距離「ｂ」を示している。より長い距離「ｂ」は損失をもたらすので、より幅の広い光ビーム２０ｂがこのために必要である。この実施例では、より大きな開口１１ｂおよび３１ｂを設けることにより、これが達成される。

同様に、図３ｃはさらに長い距離「ｃ」と、さらに大きな開口１１ｃおよび３１ｃとを示している。

それぞれ図３ａ，図３ｂおよび図３ｃの側方には、個々の光ビーム２０ａ，２０ｂおよび２０ｃの軸線方向におけるキャップの図がそれぞれ示されている。異なる大きさの開口がこれらの図から明白である。

各開口の軸線を光ビーム２０の軸線に対して（図４に示す角度θだけ）オフセットしていることが認められよう。光ビームと同軸に空気を通した場合、検出器の信号にノイズが発生するのに対し、空気が斜めの開口を通過する場合、はるかに少ない影響を有することが知られている。

一般的に用いられる開口を図４に示す。従来では円形の開口を用いており、光ビームの方向から見た場合、まぶた形のビームを結果として生ずる。本発明は、主および副（例えばｘおよびｙ）軸を有する開口、すなわち別な光伝搬領域を提供し、この主軸は副軸よりも長く、開口、すなわち別な放射光束伝達領域は、使用中に開口を通って伝搬する放射光束の軸線に対して（例えば角度θだけ）斜めに延在し、同様に主軸も放射光束の軸線に対して斜めに（例えば９０度で）延在している。

角度θは好ましくは約５〜４５度、より好ましくは約１５〜３０度、さらにより好ましくは約３０度である。

本発明が特定の実施形態に関して記載および説明したけれども、本発明の変形が当業者にとって容易に認識されよう。

工作機械にて用いる工具検出器を記載および説明したが、本発明はあらゆる物体に対する検出器に拡張される。光検出ビームの使用を示しているが、あらゆる電磁放射ビーム、例えば赤外放射ビームを利用できることが認識されよう。一連のキャップにおける開口よりも、可変寸法の開口をむしろ用いることができる。代わりに光伝搬窓、例えばガラスを使用することができる。この窓は、異なる寸法の一連のキャップであってよく、および／または異なる光量がそれぞれの窓を通過できるような異なる光伝搬量を有するものであってよい。寸法可変の窓は、例えば寸法可変の光弁、例えばここを通過する光の量を増大または減少させるために操作可能な部分を有する液晶ディスプレイの形態にて使用可能である。

これらの実施形態は、キャップ１４および３９を有する２つのハウジングを共に示している。しかしながら、上述したような開口または窓は、検出器にて望ましい光量が得られるように、一方のハウジングにのみ設けることができる。図３ａ，図３ｂおよび図３ｃに示したキャップは、開口または窓を有する交換可能な平らな薄板と置き換えることができる。

ハウジング１０および３０間の距離の調整は、任意の適当な手段によって、例えばベース４０上の種々の場所にこれらのハウジングを固定することにより、または望ましい間隔で工作機械のベッド５８に直接固定することにより、あるいは望ましい間隔を有するベースを供給することによって達成可能である。

広い範囲に亙るハウジング間の距離（数ミリメートルから５メートル以上）は、図示のように単に３つの異なるキャップ開口にて達成することができる。異なる間隔に対して同じキャップを用いた場合、動作電圧を修正するために自動利得回路が用いられる。この回路は、１つのキャップによって調整できる距離範囲を増大させるのに有効である。より少数またはより多くのキャップを使用することが可能である。同様に、３個未満またはそれ以上の光絞りも用いることができる。異なる大きさの光伝搬領域を用いることができ、これは２つの領域に使用可能である。あるいは、発光ユニット１０および光検出ユニットを同じハウジングに隣り合わせて配置することができる。この場合、光検出ユニットは、これが発光ユニット１０により発せられた光ビームを通しつつ、物体から反射した光または他の放射光束を検出しよう。従って、物体と発光体１０／検出器３０との間のおおよその距離に応じてビームの放射量を変更することが必要となる可能性がある。

それで、これは、単に発光および検出ユニットに関する２つのハウジング間の距離のみならず、必要とされるビームの放射量を規定する放射光束の伝搬距離である。

工作機械に取り付けられた本発明による測定装置を示している。 図１に示した形式の測定装置の中心を通る単純化された断面図を示している。 図２の測定装置に使用する光絞りを示している。 図２の測定装置に使用する光絞りを示している。 図２の測定装置に使用する光絞りを示している。 図３ａ，図３ｂおよび図３ｃに示した光絞りを通る開口を詳細に示している。

Claims (6)

1. 放射ビーム(２０)を遮断し、機械に用いられる物体(５０)を検出するための測定装置(５)であって、
   放射ビーム(２０)を発するための放射発光体を有する発光体(１２)と、
   放射ビーム(２０)を検出するための放射検出器を有する検出器(３２)とを具え、
   前記発光体または検出器の少なくとも一方は、前記検出器に達する放射ビームの量を制限する放射ビーム絞り(１４)を有し、この放射絞りは、前記検出器に達する放射ビームの量を変更するために調整可能であり、
   前記放射ビーム絞りは、前記発光体および／または検出器にそれぞれ嵌合可能な複数のキャップ(１４)を具え、これらキャップは空気が通過する細長い開口(１１)をそれぞれ有し、前記開口は、それぞれ前記放射ビームに対し角度(θ)だけ傾斜して前記検出器に達する種々の量の放射ビームを通すことを可能にし、
   前記キャップの開口は、当該キャップを通過した後の放射ビームがほぼ円形の断面を有するように形成されていることを特徴とする装置。
2. それぞれのキャップを通過可能な種々の放射ビームの量は、前記発光体と検出器との間の放射ビームの伝搬距離により決定されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記発光体および検出器は、少なくとも一方のハウジング(１０，３０)に収容され、この一方またはそれぞれのハウジングは、使用中に前記ハウジング外の圧力よりも大きな圧力に加圧される内部キャビティ(３８)を有し、前記開口は前記キャビティと流体連通状態にあり、流体流動が前記キャビティから前記開口を介して前記ハウジングの外へともたらされるようになっていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の装置。
4. 放射ビーム(２０)を遮断する物体(５０)を検出するために放射ビーム発光体(１０)と放射ビーム検出器とを有する装置(５)内に与えられた放射ビームの量を調整する方法であって、前記発光体(１０)および検出器(３０)の少なくとも一方は、前記検出器に達する放射ビームの量を制限する放射ビーム絞り(１４)を有し、前記発光体から前記検出器までの放射ビームの伝搬距離に応じて前記絞りを通過可能な放射ビームの量を調整するステップを具えた方法において、キャップ(１４)の形態の適切な放射絞りを複数のキャップから選択するステップを具え、前記キャップのそれぞれは、異なる量の放射ビームの通過を可能にする大きさの異なる細長い開口(１１)を有し、空気が前記開口(１１)を通って流れると共に前記開口のそれぞれが前記放射ビーム(２０)に対し角度(θ)だけ傾斜し、選択されたキャップの開口は適切な量の放射ビームがここを通ってほぼ円形の断面を持った形態で伝搬されることを可能にすることを特徴とする方法。
5. 前記放射ビーム検出器に対して間隔を置かれた放射ビーム発光体を位置決めするステップをさらに具えていることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記放射ビームが光であることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の方法。

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