JP7369603B2

JP7369603B2 - ３次元位置決め装置

Info

Publication number: JP7369603B2
Application number: JP2019213962A
Authority: JP
Inventors: 岳見浅井; 敏幸一二三
Original assignee: Mitsui Seiki Kogyo Co Ltd
Current assignee: Mitsui Seiki Kogyo Co Ltd
Priority date: 2019-11-27
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2023-10-26
Anticipated expiration: 2039-11-27
Also published as: JP2021085726A

Description

本発明は、３次元位置決め装置に関し、特に、一つのレーザツールセッタを用いた３次元位置決め装置に関する。

従来、レーザ光を用いた光学式ツールセッタにおいては、レーザ光源から光検出器に向けてレーザ光を投影しておき一定以上光が遮られたら信号をあげるものが多かったが、最近レーザツールセッタについても光の遮蔽割合に応じて出力レベルが多段階に変化する装置が市販されるようになっており、例えば、このような装置においては、光源から出た光が一旦集光されて再度拡散していく光を検出器側レンズなどに通し検出器に導くようになっている。
工作機械等において、レーザツールセッタを用いて工具の位置決めを行う場合には、通常は光軸方向の位置決めには使用しない。そのため、X-Y-Z３次元的な位置決めには２セット用意するか、１つを回転可能に設置する必要があった。これに対して、上記のような光学系では集光点付近がもっとも光エネルギー密度が高く、遠ざかるほどエネルギー密度が低くなる。以下の特許文献１及び非特許文献１では、この特性を使用して光軸方向も含めて位置決めできることが示されている。特に非特許文献１では、位置決め対象を一定周期で位置制御に微小振動を重畳させ、出力信号から同期検波により検出できる重畳した周波数成分の増減を使用して位置決めを行っている。

特開２００７－８５９３６号公報

ダイヤモンド切削工具の機上ナノ計測に関する研究 -光プローブを用いた位置合わせ機構-（元木健順、青木純、高偉、清野慧・2003年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集、(2003)、358頁）

上述したように、レーザツールセッタを用いて工具の位置決めを行う場合には、通常は光軸方向の位置決めには使用しないため、X-Y-Z３次元的な位置決めには２セット用意するか、１つを回転可能に設置する必要があり、システムの複雑化やコストアップを免れなかった。

本発明の目的は、一つのレーザツールセッタを用いるだけで高精度な３次元位置決めが可能な装置を提供することにある。

本発明者は、一つのレーザツールセッタを用いるだけで高精度な３次元位置決めが可能な装置の構成等について、鋭意研究した結果、以下の方法を案出した。即ち、本発明では、位相変化により、位置決めを行う。光軸方向とそれに垂直な方向に対しそれぞれ異なる周期でそれぞれ微小運動をさせ、且つ前記垂直な方向の微小運動は微小円運動に限定する。集光点付近に接近した位相で遮光割合が最も大きくなるので、光軸および集光点に対する３次元上の座標に応じてツールセッタ側から得られる信号レベルと重畳させた微小運動の指令の位相差が変化する。光軸方向とそれに垂直な方向でそれぞれ別々に同期検波を行い位相差を検出していくことで、今、工具先端がある位置と集光点の差の方向が分かる。これを用いて集光点付近に位置決めを行う。もちろん光軸方向は若干性能が落ちるが３次元位置決めが行える。

即ち、本発明の様相によれば、１つのレーザツールセッタを用い、位相変化により位置決めを行う３次元位置決め装置であって、光軸方向とそれに垂直な方向に対しそれぞれ異なる周期でそれぞれ微小運動をさせ、且つ前記垂直な方向の微小運動は微小円運動に限定される第１の手段と、集光点付近に接近した位相で遮光割合が最も大きくなるので、光軸および集光点に対する３次元上の座標に応じて前記１つのレーザツールセッタ側から得られる信号レベルと重畳させた微小運動の指令の位相差が変化することに鑑み、光軸方向とそれに垂直な方向でそれぞれ別々に同期検波を行い位相差を検出していく第２の手段とを有することを特徴とする３次元位置決め装置が得られる。この構成により、今、工具先端がある位置と集光点の差の方向が分かり、これを用いて集光点付近に位置決めを行うことが可能である。

本発明によれば、１つのレーザツールセッタを用いるだけで高精度な３次元位置決めが可能な装置を提供することができる。

本発明の３次元位置決め装置が採用する基本原理を説明するための第1の図である。本発明の３次元位置決め装置が採用する基本原理を説明するための第２の図である。本発明の３次元位置決め装置が採用する基本原理を説明するための第３の図である。本発明の３次元位置決め装置が採用する基本原理を説明するための第４の図である。本発明の実施形態に係る３次元位置決め装置の基本構成を示す第１の図であり、出力レベルのモニタ用に光学系を追加する形態を示す。本発明の実施形態に係る３次元位置決め装置の要部を示す第１の図であり、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸方向とこれら３軸の移動の原点を示す図である。本発明の実施形態に係る３次元位置決め装置の要部を示す第２の図であり、（Ａ）は、位置合わせしたい物体を円で表現し、レーザビームの断面である円と重なることで、位置合わせしたい物体がある領域は光が通過しないとして評価する考え方（モデル）を示す。本発明の実施形態に係る３次元位置決め装置の要部を示す第３の図であり、（Ａ）は、対象物である位置合わせしたい物体を白抜きの矢印で示すＸ方向、Ｙ方向にそれぞれ動かし、それぞれの状態で光を遮ると、出力レベルが低下するようになることを示し、（Ｂ）は、位置合わせ対象の先端をＸ＝０、Ｙ＝０とする態様を示す。本発明の実施形態に係る３次元位置決め装置の要部を示す第４の図（グラフ）であり、図８（Ｂ）に示す条件で、Ｚ方向に対象を振幅1ｍｍにて８Hzで動かす場合の信号レベルがＺ平均に応じて変化することを示し、図９（Ａ）はＺ＝－0.5mm、（Ｂ）はＺ＝0mm、（Ｃ）はＺ＝0.3mm、（Ｄ）はＺ＝1.3mmの位置における８Hz周辺の周波数成分の位相を表す。本発明の実施形態に係る３次元位置決め装置の要部を示す第５の図であり、位置合わせ対象の先端を（x、y）Ｚ方向の動きの数倍から数十倍の周期で円運動させて、小さな真円度の問題を大きな動きで平均化する態様を示す。

まず、本発明の理解を容易にするため、本発明の基本原理について図面を参照して説明する。図１乃至図４は、本発明の３次元位置決め装置が採用する基本原理を説明するための第1乃至第４の図である。図１に示すように、本発明の３次元位置決め装置は、光学系１００を備える。光学系１００は、レーザダイオード等から成るレーザ光源１０２と、受光素子としてのフォトディテクタ１０４と、レーザ光源１０２とフォトディテクタ１０４の間に配置されるコリメータレンズ１０６、第1の集光レンズ１０８、第２の集光レンズ１１０とを有している。レーザ光源１０２から射出されたレーザ光は、コリメータレンズ１０６により平行光とされ、第1の集光レンズ１０８により集光されて、集光点１１２にて収束し、この集光点１１２より先は光束が拡がるが、第２の集光レンズ１１０により集光されたレーザ光がフォトディテクタ１０４に到達して受光されるように、各々の素子が配置されている。

図２に示すように、本発明の３次元位置決め装置では、位置合わせしたい物体１１４を集光点１１２に近づけていくが、この集光点１１２よりも第1の集光レンズ１０８側では、集光点１１２に近づくほど漸減する光の拡がりが存在する。

しかしながら、例えば、従来例では、図３に示すように、フォトディテクタ１０４よりの出力を信号処理装置１１６を介して検出しても、従来は、位置合わせしたい物体１１４が光を遮っているか、遮っていないかの２値レベルの出力しか得られなかった。

そこで、図４に示すように、本発明の３次元位置決め装置では、フォトディテクタ１０４よりの出力を信号処理装置１１６を介して検出した場合に、位置合わせしたい物体１１４が光を遮った割合に応じて、複数レベルの出力を得るようにしている。

次に、本発明の実施形態に係る３次元位置決め装置について説明する。図５は、本発明の実施形態に係る３次元位置決め装置の基本構成を示す第１の図であり、出力レベルのモニタ用に光学系を追加する形態を示す。図５に示すように、本実施形態に係る３次元位置決め装置では、上述した光学系１００に加えて、出力レベルのモニタ用の光学系２００を備える。光学系２００は、上述した光学系１００のコリメータレンズ１０６と第1の集光レンズ１０８との間に、上記の平行光に対して略４５度の角度に配置されるビームスプリッタ２０２と、このビームスプリッタ２０２で反射され、直行する光を集光する第３の集光レンズ２０４と、モニタ用のフォトディテクタ２０６を有している。尚、図５において、光学系１００の第1の集光レンズ１０８からフォトディテクタ１０４（図１乃至図４参照）までの構成は、図示を省略している。図５に示すように、本実施形態に係る３次元位置決め装置では、上述した光学系１００に加えて出力レベルのモニタ用の光学系２００を備えるので、通過した光の量を規格化することができる。但し、最近のレーザダイオードでは、レーザダイオードの出力をモニタするフォトダイオードまでパッケージ化されている場合が多いため、そのようなパッケージを採用する場合には、このような追加光学系２００の仕組みは不要である。

ここで、図６を参照して、本発明の要部について述べる。図６に示すように、本実施形態に係る３次元位置決め装置では、上述した光学系１００（及び光学系２００）は、図示を省略したステージ上に支持されており、このステージの移動等により図６に示すＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向の移動操作が可能に構成されている。また、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸の移動の原点は、集光点１１２の真ん中に置かれている。図６の座標系において、集光点１１２でも1点で集光しているわけではなく、レイリー領域では、W₀を集光点１１２におけるレーザビーム径、λを波長、また、数式（１）として、

概ね、以下の数式（２）の関係が成立する。

勿論、現実には収差等があるので、多少ずれることはあるが、上記数式（２）自体は、レイリー領域の外でも円錐部を概ね近似可能であるので、本実施形態では、レーザビーム径の近似に用いることとした。

また、本実施形態では、レーザビーム径内の光強度分布を一定であると近似すると共に、図７に示すように、位置合わせしたい物体１１４を円で表現し、それがある領域は光が通過しないとする。図7において、７０２は、位置合わせしたい物体１１４を円で表現したものであり、７０４は、レーザビームの断面である。尚、実際上、位置合わせしたい物体１１４は多様な形状を有するが、この評価モデルにおいて、位置合わせしたい物体を微小な円の組合せと考えれば、一般性は失わないものと看做すことができる。

尚、本実施形態において、図６に示したＸ－Ｙ平面内の位置合わせにおいては、一般的なレーザツールセッタの使い方と同様に行うものとする。例えば、図７と同様に、７０２は位置合わせしたい物体を円で表現したものであり、７０４はレーザビームの断面とすると、図８に示すように、対象物である位置合わせしたい物体１１４を図８（Ａ）に白抜きの矢印で示すＸ方向、Ｙ方向にそれぞれ動かし、それぞれの状態で光を遮ると、出力レベルが低下するようになる。一方、Ｚ方向の位置合わせにおいては、Ｚ方向に正弦波で動かすようにする。例えば、W₀＝２１㎛、λ＝６３５nmとし、図８（Ｂ）に示すように、位置合わせ対象の先端８０２をＸ＝０、Ｙ＝０とする。ここで、Ｚ方向に対象を振幅1ｍｍで動かすと、信号レベルはＺ平均に応じて以下の図９に示すように変化する。

即ち、上述した図８（Ｂ）に示す条件で、Ｚ方向に対象を振幅1ｍｍにて８Hzで動かすと、信号レベルはＺ平均に応じて、図９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）に示すように変化する。それぞれ図９（Ａ）はＺ＝－0.5mm、（Ｂ）はＺ＝0mm、（Ｃ）はＺ＝0.3mm、（Ｄ）はＺ＝1.3mmの位置における８Hz周辺の周波数成分の位相を表したものである。図９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）を比較して分かるように、図９（Ａ）のＺ＝－0.5mmと図９（Ｃ）のＺ＝0.3mmで８Hz周辺の周波数成分の位相が略反転している。ここで、変化のレベルは小さいので、同期検波を行うか、周波数分析を行うようにすることは勿論である。

尚、現実には、Ｚ方向に動かした時には、真直度の問題でＸ－Ｙ方向にも変位するし、特に、ねじ送りを使用すると、周期的に変位するという問題が生じる。そこで、本実施形態では、図１０に示すように、位置合わせ対象の先端８０２を（x、y）Ｚ方向の動きの数倍から数十倍の周期で円運動させて、小さな真円度の問題を大きな動きで平均化してしまうようにした。これにより、円運動による信号レベル変化が重畳してしまうが、Ｚ方向に動かした周波数で同期検波をするか、周波数分析を行い、変化、特に位相の変化を追跡すると、光軸方向の位置決めを有効に行うことができる。

１００、２００光学系、１０２レーザ光源、１０４、２０６フォトディテクタ、１０６コリメータレンズ、１０８第1の集光レンズ、１１０第２の集光レンズ、１１２集光点、１１４位置合わせしたい物体、１１６信号処理装置、２０２ビームスプリッタ、２０４第３の集光レンズ、７０２位置合わせしたい物体を円で表現したもの、７０４レーザビームの断面

Claims

１つのレーザツールセッタを用い、位相変化により位置決めを行う３次元位置決め装置であって、光軸方向とそれに垂直な方向に対しそれぞれ異なる周期でそれぞれ微小運動をさせ、且つ前記垂直な方向の微小運動は微小円運動に限定される第１の手段と、集光点付近に接近した位相で遮光割合が最も大きくなるので、光軸および集光点に対する３次元上の座標に応じて前記１つのレーザツールセッタ側から得られる信号レベルと重畳させた微小運動の指令の位相差が変化することに鑑み、光軸方向とそれに垂直な方向でそれぞれ別々に同期検波を行い位相差を検出していく第２の手段とを有することを特徴とする３次元位置決め装置。