JPH01500293A - 機械で使用される光学測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 機械で使用される光学測定装置 技　術　分　野 本発明は、例えば、座標測定機械や工作機械などの機械の精度を検査するための 光学測定装置に関する。

背　景　技　術 座標測定機械は、ワークピースがその上に装着される基台と、測定プローブを運 ぶ機械的構造物と、基台と測定プローブとの間に相互に直交する３方向に相対的 運動を発生することによって、測定プローブをＸ。

ｙおよび２方自として知られている３つのすべての方向に正確に位置付けること を可能にする手段とから構成されている。基台および機械的構造物に接続され、 ｘ、ｙおよびＺ方向に沿って設けられたスケールは光電式読取ヘッドによって読 み取られ、その読取りによって得た情報により、基台上に配置されたワークピー ス上の、測定プローブによって順次に接触されるｘ、ｙおよびＺの点座標をコン ピュータが計算できるようになっている。

同様に、工作機械では、バイトを３座標軸に沿って位置付けてワークピースに対 し切削操作を行なうこと、あるいは切削操作を終えたあと生産過程の一部として ワークピースを測定するための測定プローブを位置付けることが要求されている 。相対的に移動可能な機械部品の動きはスケールと読取ヘッドにより公知の方法 で読み取られる。

測定装置を使用して得られるワークピースの測定精度は、スケール読取ヘッドに よって読み取られた読取値が測定プローブの空間位置にどれだけ近似しているか に依存する。しかし、スケール読取値は、前記相対的運動中に機械のすべり面に おけるゆるみによって、あるいは機械的構造物の部品の物理的臼りやねじれによ って起こる機械的構造物の部品の相対的ピッチング、ローリング、ヨーイングお よび横の動きを表していない。これらのピッチング、ローリング、ヨーイングお よびその他の動きを最小にするためには、機械の構造物を相対的に頑丈にする必 要があり、また構造物の相対的動きがそれに沿って行なわれるすべり面を高精度 に工作する必要があり、相対的に頑丈にした構造物と基台との間の動きを容易に するためにすべり面に空気軸受を使用する必要がある。

工作機械の部品の相対的動きのときも、切削操作の精度および工作後ワークピー スを測定するために工具ホルダに取り付けられた測定プローブによって行なわれ る測定に影響を与える類似の精度低下が起こっている。

このような機械の精度を向上させると費用がかかるので、これに代わる方法とし て、プローブの位置をスケール読取りから独立して測定するための光学的手法の 使用が増加している。この方法によると、機械フレームの測定においてピッチン グ、ローリング、ヨーイングおよび横の動きによって生じる誤差を識別すること ができ、機械ソフトウェアで測定読取値に補正を加えることによって除去するこ とができる。

このような独立測定装置の１例は米国特許第４．２６１，１０７号に記載されて いる。この装置では、機械に複数のレーザー・システムを設けて、ｘ、ｙおよび ２の動きに加えて、機械の動きのローリング、ピッチングおよびヨーイング成分 を測定している。このシステムには、誤差のすべてを測定するためには、３軸の 各々に複数のレーザーとビーム・ベンダーが必要になるという問題がある。

機械および工作機械の測定誤差を検査する光学的手法の他の例は、米国特許第３ ，８６１，４６３号と第４．２７６．６９８号に示されている。

米国特許第３，６６１，４６３号は、単一のレーザー・ビームを機械の３軸すべ てに沿フて順次に偏向させることにより、レーザーの個数を少なくするシステム を記載しているが、このシステムは、可動部品の移動中にそのローリング、ピッ チングまたはヨーイングを測定する機能を備えていないので、これらの誤差に対 する機械読取値を補正しない。

米国特許第４．２７６Ｊ９Ｂ号は、機械部品のピッチング、ヨーイングおよロー リングを認めているが、これらの動きの多くによる誤差を重要でないものとして 無視しているシステムを記載している。しかし、大きな機械では、これらの誤差 は無視できない。また、光学的測定を行なう記載方法では、レーザーはある場合 には機械の可動部品上に取り付けられている。しかし、かかるシステムによって 得られる測定値は、可動軸上のレーザー装置のピッチング、ローリングおよびヨ ーイングのために、一度に一軸について測定を行なうのでなければ、それ自体不 正確である。

発　明　の　開　示 これらの問題は、木明紬書に付属の特許請求の範囲に記載の通り、本発明による 光学装置を使えば、軽減される。つまり、本発明に係る光学装置によれば、相互 に直交する方向に相対的に移動可能な部品からなる機械において、機械の可動部 品の１つの上に位置付けられた少なくとも１つの直角偏向器が設けられ、光ビー ム発生器からの光ビームが前記方向のうちの第１方向に沿って直角偏向器に送ら れたとき、直角偏向器はビームを前記方向の第２方向に偏向するようになってお り、また光ビームの軸を中心に直角偏向器がローリングする動ぎを測定する手段 が設けられている。

本明細書全体を通して、「直角偏向器」という用語は、第１方向に走行する光ビ ームをある角度（公称的には、直角）だけ偏向する光学装置という息味と解すべ きである。この角度は入射ビーム軸を中心に装置がローリング運動することによ り入射ビーム軸を中心にしてずれる可能性があるが、入射ビーム軸を中心とした 装置のピッチングまたはヨーイング運動にもかかわらず、一定の角度のままにあ る。「ペンタキューブ」または「ペンタプリズム」として知られている装置がこ の特性を備えている。

本発明の光学装置の１つの利点は、ビーム発生器、好ましくはレーザー・ビーム 発生器を、機械の固定構造物に取り付けることができるので、それ自身のピッチ ング、ローリングおよびヨーイング運動に起因する不正確さを除去できることで ある。

本発明の光学装置のもう１つの利点は、機械の可動部品上に直角偏向器を使用す ることにより、偏向光ビームが偏向器のローリングとヨーイングに起因して第２ 方向から角偏差するのが防止されることである。

従って、起点からの偏向器の距離を、偏向器の入射ビームとローリングの直線性 と共に連続的に測定することにより、直角偏向器における偏向ビームのベクトル とその起点の両方を、可動部材の移動中にいつでも正確に測定できる。従って、 直角偏向器は、その方向が妥当な精度で既知であるビームの第２方向における起 点として働く。

かかる光学装置を機械の直交座標軸のすべてに、またはそれに平行に設け、直角 偏向器を使用して入射ビームをある方向から次の方向に偏向することにより、す べての軸における機械部品のローリングとヨーイングに起因する角偏差を除去で きるので、必要とされる測定回数が減少し、また光学測定装置が単純化される。

偏向器がローリングおよびヨーイング運動すると、偏向ビームがビームの直線性 の誤差と同じオーダーの横方向または前後方向の変位が若干発生するが、これら は、必要ならば、偏向ビームの終端で直線性測定装置によって考慮に入れること ができる。

本発明の好適実施例においては、単一のレーザー光発生源は１つのビームを発生 し、このビームは機械のすべての直交座標軸の方向における、またはこれら方向 に平行な光路を通るように直角偏向器で偏向される。また、ビームは他のビーム を得るために分割され、これらの他のビームは、光路を通り抜けるビームのロー リングと横方向の偏差（直線性）の測定値を発生するために使用される。従って 、本発明によれば、ビームを直角偏向に向けて送る手段は、事実上、前の光路に おける直角偏向器であってもよい。

しかし、光学測定装置に非常に多数のビーム分割器が必要であり、そのため、単 一のレーザー発生器では不適切である場合には、追加のレーザー発生器を設けて 、追加の光パワーを光路に送り込むことができる。

この場合、レーザー用の適当な固定構造物が見つからない場合に測定装置の精度 上必要な場合には、追加の光ビーム発生器のピッチング、ローリングおよびヨー イングを追加測定する必要がある。

ローリング誤差の中には、測定装置の設計とその装置に要求される精度によって は、重要度が二次的なものもある。従って、これらの誤差の中には、機械の１ま たは２以上の部品の動きを誤差マツピングすることにより、無視または考慮でき るものがある。従って、これらの誤差のいくつかを除去する本発明の光学装置を 使用することにより、そしてどの誤差を直接測定し、およびどの誤差を静的また は動的誤差マツピングの対象にすべきかを選択することにより、比較的少ない部 品点数で高い精度が得られる機械測定システムを製造できるので、システムのコ ストと複雑度を減少することができる。

本発明の他の形態によれば、ある対象物が軸に沿って移動するときに、その軸を 中心にしてローリングする運動を測定する手段は、光ビームを前記軸に沿って送 る手段と、各々が対象物に固定され、光ビームの−部を受光するように位置付け られると共に、対のサイド・ビームを発生するように配置された対のビーム分割 器と、各々が対象物に固定され、サイド・ビームを受光するように位置付けられ ると共に、前記光ビームに平行または逆平行の方向にサイド・ビームを反射して 、対象物が前記軸を中心にローリング運動することにより発生する２つの反射サ イド・ビームの偏差を検出するように位置付けられた検出器に送るように配置さ れた２つの反射器とから構成される。

測定に高精度が要求される場合には、２つのビーム分割器の双方および２つの反 射器の双方を直角偏向器とするのが好ましい。

図面の簡単な説明 以下、本発明の実施例について添付図面を参照して詳述する。

第１図は、本発明の光学装置が組み込まれた座標測定機械の概略配置図である。

第２図は、ローリング、ピッチングおよびヨーイングの定義図である。

第３ａ図は、ｙ−ｚ面における光学装置と光ビームのうちｙ軸の測定値を発生す る部分を示す概要図である。

第３ｂ図は、第３ａ図の光学装置のｘ−ｙ面における拡大展開図であり、光学系 ｓ１を詳細に示したものである。

第４ａ図は、装置のｘ−ｚ面における展開図であり、光学系Ｓ２からなる光学装 置を詳細に示したものである。

第４ｂ図は、第４ａ図に図示の光学系ｓ２の側面図である。

第５図は、光学系ｓ３からなる光学装置のｙ−ｚ面における展開図である。

第６図は、光学系Ｓ４からなる光学装置のｙ−ｚ面における展開図である。

第７図は、Ｓ４に代わる代替光学系のｙ−ｚ面における展開図である。

発明を実施するための最良の形態 図面を参照するに、第１図は、基台１１と、基台上にＸ座標軸方向に延在するト ラック１３上を移動可能な機械的構造物１２とをもつ座標測定機械１ｏを示して いる。トラック上の構造物１２の支持物はそれ自体公知の空気軸受であることが 好ましいが、例えば、スライドやホイールのように、トラック１３に密接に適合 する支持物ならば、どれにしてもよい。これに代わる構造物として、フレームを 床面に固定し、基台をトラック上を移動させることも可能であることは勿論であ る。

構造物１２は、Ｘ座標軸方向に延在された横梁１７を支持する２本の柱１５．１ ６からなり、横梁１７は２座標軸方向に延在するスピンドル１８を固定支持する ようになフている。スピンドル１８は、測定チップまたはプローブ２０をもつ測 定ヘッド１９を備え、この測定チップまたはプローブはワークピースと接触する ことにより、その表面上の点座標を測定する。スピンドル１８は横梁１７上のト ラック（図示せず）内のキャリッジ２５により、適当な手段、好ましくは空気軸 受を介して支持され、横梁に沿って移動することにより、スピンドルのＸ座標軸 方向の位置決めを行なうようになっており、さらにスピンドル１８を軸受（図示 せず）内で公知の方法で上下動させることにより、測定チップまたはプローブの ２座標軸方向の位置決めを行なうようになっている。従って、これらの動きの和 により、測定チップまたはプローブを、機械の測定体積内のどこにでも配置する ことができる。基台１１、梁１７およびスピンドル１８上に設けたスケール（図 示せず）は支柱１５とキャリッジ２５上の読取ヘッドと組み合わさって、それ自 体公知の方法で、構造物の相対的に移動可能な部品の位置読取りが行なわれ、ま た公知方法で、これらの読取値は、読取値を測定チップまたはプローブの２座標 として計算して表示するコンピュータ２９に入力される。

スケール読取りからは、測定チップ２０のｘ、ｙおよびＺ座標の公称読取値が得 られるが、可動部品の各々は、その移動中にその軸を中心にピッチング、ローリ ングまたはヨーイングする可能性があり、あるいは例えば、トラックのゆるみに より物理的に変位する可能性があるので、測定チップ２０の位置決めにはある程 度の不確実さが生じる。本発明は、測定チップ２０の位置測定をスケールの読取 りから独立して正確に行なうことができ、あるいはスケールの各々に対して別個 に誤差補正信号を出力できる光学測定装置を提供するものである。

本明細書において、可動部品のいずれか１つに対するローリング、ピッチングお よびヨーイングという用語は、第２図との関係において、次のように定義する。

移動方向がＸ軸に沿うものと想定すると、（ｉ）矢印Ａは、Ｘ軸を中心にした部 品の回転であるローリングを示す。

（ｉｔ）矢印Ｂは、上下動、つまり、Ｚ方向の移動（これはｙ軸を中心とする回 転と同じである）であるピッチングを示す。

（ｔｉｔ）矢印Ｃは、横方向の変位、つまり、ｙ軸方向の移動（これはＺ軸を中 心とする回転と同じである）であるヨーイングを示す。

装置に要求される条件は、機械の３つの主要直交軸ｘ、ｙおよびＺの方向に沿っ ていくつかの主要光学ビームを提供することと、機械の可動部品がこれらの主要 軸を中心にローリングする動きを、９動の直線性および移動距離と一緒に測定で きる測定ビームを提供することにある。

光学系はいろいろな形態が可能であり、可動構造物の偏差のすべて、またはスケ ール読取りによって測定されるスタイラス・チップの最大位置誤差を発生するも のと考えられるものだけを測定する機能を、装置に持たせることかできる。また 、光学系は各軸において同じにすることも、異なるものにすることもできる。

例えば、固定または可動構造物を使用して光学系の部品、例えば、レーザーや検 出器を取り付ける必要がある場合、あるいはある任意の軸で偏差の一部が無視で きるほど重要でないような機械の構造物である場合には、いろいろな考慮が可能 である。

第１図に示す装置は機械の概略図であり、同図においては、異なる軸周の光学的 配置を適切に選んで、可能な限りの各種考慮を包含する本発明の種々の形態を示 すようにしている。しかし、どの機械においても、その最良の解決方法は、得ら れる測定精度を妥協してまで、部品点数の減少が可能であるどうか、あるいは部 品の性能とコストの低下が可能であるかどうかにかかっている。

第１図は、レーザー・ビーム発生器２０と、機械構造物の周囲の１または２以上 のレーザー・ビームを受光して、方向づける複数の光学装置（Ｓｌ−Ｓ４）を示 している。図示のように、複数の光ダイオード検出器が機械構造物の各所に設け られ、ビーム位置の測定を行なうようになっている。例えば、２個の検出器Ｄ２ ２．Ｄ２３は、これらの検圧器を支持するために機械のｙ軸上の柱２７と２８で 示す適当な固定構造物に取り付けられている。

検出器は、ビームがこれらに当たったとき電気信号を出力するように配置され、 これらの電気信号はコンピュータ２９に人力され、スケール読取りを補正する補 正信号として使用して、プローブ・チップ２０に対し、正確なｘ、ｙおよび２座 標を出力することができる。検出器には、公知の分割型光ダイオード、つまり、 並置された対の光ダイオードを使用できるが、Ｚ方向以上で測定を行なう場合に は、直角位相検出器、つまり、直角に配置した４個の光ダイオードを使用するこ とも可能である。別の方法として、ホトダイオード・アレイや位置感応検出器（ ＰｓＤｓ）や干渉直線性測定装置の使用も可能である。

各種光学装置の機能について、第３図ないし第７図を参照して個々の軸の各々の ビーム路図を用いて以下説明する。

第３ａ図は、支柱２７に装着され、機械のｙ軸方向に送られるレーザー光の主ビ ームＢ１を発生するように配置されたレーザー・ビーム発生器３０を示している 。主ビームＢ１は干渉計４０を通過して、可動支柱１５に取り付けられた光学系 Ｓ１に送られる。光学系Ｓ１は、主ビームＢ１に直角にｙ−ｚ面に第２主ビーム Ｂ２を、同じく支柱１５にある光学系Ｓ２（第４図）に向けて発生するように配 置されている。

第３ｂ図から明らかなように、光学系Ｓ１は、ビームＢ１に沿う軸列上に、リフ レックスリフレクタＲ１，３個のペンタキューブＰＩＡ、ＰＩＢ、ＰＩＣおよび ホトダイオード検出器Ｄ１からなる、いくつかの光学装置を備えている。これら の光学装置はすべて、所要に応じて、その背面反射面上にプリズムを設け、これ らのプリズムはビームＢ１を分割するためのビーム分割面を備え、（ペンタキュ ーブＰＩＣからの）主ビームＢ２と（ペンタキューブＰＩＡとＰＩＢからの）所 要本数のサイド・ビームの双方を提供して、測定機能を実行する。

２つのサイド・ビーム５ＢＩＡとＳＢＩ　ＢはそれぞれペンタキューブＰＩＡと ＰＩＢからさらに別のペンタキューブＰＩＤとＰＩＥに向けられる。これらのペ ンタキューブの方は、それぞれ測定ビームＭＢＩＩとＭＢ１２を発生し、これら は、それぞれが支柱２７に装着された検出器ＤＯＩとＤＯ２に向かって、ビーム Ｂ１と逆平行に送り返されて、ビームＢ１を中心とする光学系Ｓ１のローリング を測定する。

リフレックスリフレクタＲ１は、別の測定ビームＭＢｔ３（第３ａ図）を発生し 、このビームもビームＢ１と逆平行に、かつその下を通って、支柱２７に装着さ れた干渉計４０に送り返される。ビームＭＢ１３とビームＢ１から発生した基準 ビームとの間の干渉を干渉計で利用すると、干渉計からのりフレックスリフレク タＲ１の距離が正確に測定できる。従って、ペンタキューブＰＩＣにおけるビー ムＢ２の起点の距離が計算できるが、これは、実際には、光学系Ｓ１におけるリ フレックスリフレクタとペンタキューブのすべてが剛固に結合されているからで ある。

支柱１５の９動の直線性を測定するために、光学系の終端にホトダイオード直角 位相検出器Ｄ１が設けられている。従って、光学系Ｓ１は、ビームＢ２の起点位 置に関する非常に正確な情報を出力し、および支柱１５が９動するときに光学系 Ｓ１のピッチングとヨーイングに起因して発生する角度誤差は一切送ることなし に、ビームＢ２をＺ方向に偏向する。従って、ビームＢ２のベクトルは少なくと も１次の精度であることが知られている。

ビームＢ１から分割されたビームの本数を減らし、光学部品の点数を減らす必要 がある場合は、リフレックスリフレクタと干渉計は除去しても良く、別のペンタ キューブまたはビーム分割器を光学装置Ｓ１に組み入れて、ビームを読取ヘッド （またはその延長上に）に向けて送り、読取ヘッド上のホトダイオードに突き当 ることにより、ビームＢ２の実際の位置と読取ヘッドから出力されたスケール読 取値とを比較するようにしてもよい。

上述した光学系Ｓ１のローリングを測定する方法に代わる方法として、ビームＢ ２が垂直方向からどれだけずれているかを、光学系ｓ１に接続された電子傾斜計 （これ自体は公知）で測定すれば、ホトダイオード検出器（ＤｏｌとＤＯ２）を 除去できる。光学系ｓ２は、第４ａ図と第４ｂ図に展開図で示すように、支柱１ ５の上端に配置され、Ｘ軸に沿フてスピンドル１８にビームを送れるようになっ ている。この光学系は、主ビームＢ２に沿う輸列上に、５個のペンタキューブＰ ２Ａ、Ｐ２Ｂ、Ｐ２Ｃ，Ｐ２Ｄ、Ｐ２Ｅを備えており、これらは、所要に応じて 、背面反射面上に、次の軸に対する主ビームＢ５と各種測定ビームを発生するた めのビーム分割面をもつプリズムをもっている。

ホトダイオード直角位相検出器Ｄ２１はペンタキューブＰ２Ｅに接続されている 。この検出器は主ビームＢ２を受けて、例えば、支柱１５のピッチングやヨーイ ングによって起こるビームの直線性偏差（つまり、Ｘとｙの平行移動）を検出す る。

主ビームＢ２の方向は比較的２次的な横偏差の場合を除き、光学系Ｓ１から分か るので、直線性の誤差が識別されれば、主ビームＢ２の方向は完全に明確化され る。光学系Ｓ１とＳ２は支柱１５に剛固に接続されているので、ペンタキューブ ＰＩＣとＰ２Ｄとの間の距離、従って、Ｐ２Ｄの位置をあらかじめ非常に正確に 測定できる。

明らかなように、ペンタキューブＰ２ＡとＰ２ＢはビームＢ２に直交し、相互に 反対の方向に検出器Ｄ２２とＤ２３に向かって送られる２つの測定ビームＭＢ２ １とＭＢ２２を発生する。これらのビームは、支柱１５がねじれた場合、それぞ れ相反方向に走行してｙ−ｚ面に入り込み、またそこから出ていき、光学系Ｓ１ に対する光学、ＧＳ２のローリングを発生する。かかる動きはいかなるものも２ つの検出器Ｄ２２とＤ２３によって検出され、Ｘ方向における２検比器の読取値 の代数差を計算することにより、ビーム軸Ｂ２を中心とする光学系Ｓ１に対する 光学系ｓ２のローリングが測定される。ペンタキューブＰ２Ｄは光学系Ｓ３に向 かってＸ方向に送られる主ビームＢ３を発生する。ペンタキューブを使用すると 、主ビームＢ２を中心とする光学系Ｓ２のピッチングとヨーイングに起因する角 度誤差が確実に除去される。従って、主ビームＢ３のベクトルを定義するために 測定の必要のある唯一の誤差は、ビームＢ２の軸を中心とする光学系Ｓ２のロー リングだけである。上述したように、これは検出器Ｄ２２とＤ２３から決定され る。

従って、主ビームＢ３のベクトルの起点とＸ方向に沿うその方向は、光学系Ｓ２ のピッチングとヨーイングに起因するビームＢ３における２次的な直線性誤差で さえも検出器Ｄ２１から測定できるので、正確に定義することができる。

光学系Ｓ１と５２の上述の説明は、検出器Ｄ２２とＤ２３を固定構造物に設置で きるときの可能な測定システムを示したものである。これが実用的であるのは、 光学系と検出器を結ぶ線を横切る大きな平行移動がないと籾だけであり、そうで ない場合には、検出器を少なくとも平行移動と同じ長さにする必要がある。

主ビームＢ３の軸（つまり、Ｘ軸）を中心とする次の光学系Ｓ３のローリングを 測定する問題を検討すると、かかるローリングの測定のために主ビームに逆平行 になっている発生ビームは、支柱１５の上端に支持された検出器にしか指向させ ることができないことがわかる。別の方法として、支柱１５は支柱１６と一定の 関係があるので、ビームＢに平行であって、支柱１６の上端に支持された検出器 に指向されるビームを発生することができる。支柱１５または１６は光学系Ｓ３ に対してピッチング、ローリングおよびヨーイング運動を受けるので、検出器か ら発生した信号がこれらの運動に起因するものなのか、それとも測定の必要があ るものである光学系Ｓ３のローリングに起因するものなのかが、ある程度不確実 になる。

この確実性を向上するために、２つの２面分割ホトダイオード検出器Ｄ２４とＤ ２５の背面に指向されるサイド・ビーム５Ｂ２Ａと５８２Ｂを発生するためのペ ンタキューブＰ２ＣとＰ２Ｅを設けて、逆平行ビームＭＢ３２およびＭＢ３３　 （第５図も参照のこと）と比較できる基準を得ている。

サイド・ビーム５Ｂ２Ａと５Ｂ２Ｂは相当の長さをもつものとして示されている が、実際には、上述の例では、図示の光学系のすべては剛固に固着されるので、 ビーム５Ｂ２Ａと５８２Ｂの長さは短くなる。

従って、ペンタキューブはサイド・ビームを発生することによって、光学系ペン タキューブのＰ２ＣとＰ２Ｅのピッチングとヨーイング運動に起因するこれらの サイド・ビームの角度誤差を除去するものとして説明してきたが、実際には、こ れらの運動が検出器Ｄ２４とＤ２５でのこれらのサイド・ビームを変位させても 、無視できる程度であるので、ペンタキューブＰ２ＣとＰ２Ｈ４を単純なビーム 分割器で置き換えることが可能である。

最後に、光学系Ｓ２の一部として、主ビームＢ３の光路に干渉計４４が挿入され ているので、ペンタキューブＰ２Ｄと光学系との間の距離を測定できる。

次に、第５図から明らかなように、光学系ｓ３は、ビームＢ３の軸に沿う輸列上 に、リフレックスリフレクタＲ３と４個のペンタキューブＰ３Ａ、Ｐ３Ｂ。

Ｐ３Ｃ，Ｐ３Ｄからなる、いくつかの光学装置を備え、ホ］・ダイオード直角位 相検出器Ｄ３１が最終ペンタキューブＰ３Ｄに接続されている。

光学装置のすべては、所要に応じて、背面反射面上にプリズムを設け、そのプリ ズムにより、（ペンタキューブＰ３Ｂからの）次の主ビームＢ４と必要どされる サイドおよび測定ビームの双方を発生するためのビーム分割面を形成する。光学 装置の機能は次の通りである。

リフレックスリフレクタＲ３は、主ビームＢ３の一部を測定ビームＭＳ３１とし て、主ビームＢ３と逆平行に光学系Ｓ２の干渉計４４に返すことによって、光学 系Ｓ２からのりフレックスリフレクタの距離が測定される。

ペンタキューブＰ３Ａはホトダイオードの背面に送られるサイド・ビームＳＢ３ １を発生する。このビームは、光学系Ｓ２に関連して説明したのと同じように、 検出器が装着されている光学系Ｓ３のピッチング、ローリングおよびヨーイング 運動に起因する検出器の位置がある程度不備かであるので、光学系Ｓ４からの測 定ビームＭ８４３が比較される基準として使用される。ペンタキューブＰ３Ｂは 、スピンドル１８に平行のＺ軸に沿って別のペンタキューブＰ３Ｅを経由して送 られる主ビームＢ４を発生する。ペンタキューブを使用すると、主ビームＢ３の 方向にキャリッジが９動するときに起こる光学系のピッチングとヨーインク運動 によって、主ビームの角度誤差が生じない。主ビームはＺ軸に主ビームＢ３と直 交したままである。

従って、光学系のローリングを測定するだけで、直線性誤差は別どして、主ビー ムのベクトルを知ることができる。

ペンタキューブＰ３Ｅは、光学系Ｓ２にある検出器Ｄ２４の前面に主ビームと逆 平行に送り返される測定ビームＭＢ３２を発生する。

ペンタキューブＰ３Ｃは、別のペンタキューブＰＢＦ向けのサイド・ビーム５Ｂ ３２を発生する。このペンタキューブＰ３ＦはペンタキューブＰ３Ｅと同様に、 光学系Ｓ２の検出器Ｄ２５の前面に主ビームＢ３と逆平行に送られる測定ビーム ＭＢ３３を発生する。検出器Ｄ２４とＤ２５の前面での測定ビームＭＢ３２とＭ Ｂ３３がｙ方向に動いたときの読取値の差を、２つの検出器の背面からの読取値 と比較して、補正することにより、光学系Ｓ３のローリングが正確に測定される 。

ペンタキューブＰ３Ｄは、ホトダイオード検出器Ｄ３３の背面に向けられるサイ ド・ビームを発生し、これは光学系Ｓ２の検出器Ｄ２４とＤ２５に関連して説明 したように使用されて、検出器Ｄ３３の位置を見つける。検出器Ｄ３１はキャリ ッジ２５のｙ、ｚ方向の横運動を測定する。

従って、この場合も、主ビームの起点は、光学系Ｓ２の干渉計４４から得た距離 測定と主ビームＢ３のベクトルからその位置が見つけられ、ローリング誤差が検 出器Ｄ２４と０２５によって測定されたとき補正することができ、主ビームＢ４ の位置は光学系Ｓ４に通じるその光路に沿って正確に計算することができる。

光学系Ｓ３において最後の部品が１つ必要になるが、それは干渉計４６であり、 これを通って主ビームＢ４が送られる。この干渉計４６は光学系Ｓ４からの戻り 測定ビームＢＭ４１を受光して、光学系Ｓ３からの光学系Ｓ４の距離を測定する ように配置されている。

次に、第６図を参照するに、光学系Ｓ４は、光学系Ｓ３の光学装置の多くを備え ていることは明らかである。ただし、主ビームＢ４をさらに別の方向に偏向する ペンタキューブは、スピンドル１８の下端では必要がないことは明らかであるの で、除かれていることに注目すべきである。従って、光学系Ｓ４は簡単に説明す るだけにする。

光学系Ｓ４は、主ビームＢ４の軸に沿って輸列上に３個の光学装置からなり、主 ビームＢ４の一部が取り出されて、所要のサイドビームおよび測定ビームが得ら れるビーム分割面を備えている。光学系Ｓ４は、光学系Ｓ３の干渉計４６に向け られる戻り測定ビームＭＢ４１を出力するりフレックスリフレクタＲ４と、サイ ド・ビーム５Ｂ４１と５Ｂ４２を発生するように配置された第１および第２ペン タキユーブＰ４ＡとＰ４Ｂとを含んでいる。サイド・ビーム５Ｂ４１と５Ｂ４２ は別のペンタキューブＰ４ＣとＰ４Ｄに送られ、ペンタキューブＰ４ＣとＰ４Ｄ は、それぞれ検出器Ｄ３３とＤ３２の前面に突き当る２つの測定ビームＭＢ４２ とＭＢ４３を発生し、スピンドル１８のローリングが測定される。ホトダイオー ド直角位相検出器Ｄ４１はペンタキューブＰ４Ｂに接続されている。

産業上の利用可能性 以上の説明から理解されるように、本発明の詳細な説明した形態によれば、直角 偏向器を使用してレーザー・ビームを軸から軸に偏向し、さらに入射ビームの軸 を中心とする直角偏向器のローリングを測定することにより、レーザー・ビーム を座標測定機械、あるいは工作機械の周囲に偏向させて、トレースすることがで きる。上述した例は、これがすべての軸でどのように達成されるかを示し、ロー リング測定のいろいろな問題を克服できる各種方法を示したものである。ある種 の機械の構造によっては、ある軸でのローリングが重要な誤差とならないように なっているので、すべての軸を測定する必要がないことは勿論である。しかし、 本発明は、それが１つの軸だけで使用される場合であっても、機械のまわりのビ ームのトレース作業を単純化する。

レーザーのパワーに制約があるので、ビーム偏向の回数は、可能な限り最小にす べきである。例えば、光学系Ｓ１を通る最初の偏向は、レーザー３０を支柱２７ の上端に装着し、例えば光学系Ｓ１で前述したのと同じ方法で光学系Ｓ２のロー リングを測定することにより、なくすことがで診る。

別の変形では、干渉計４６とりフレックスリフレクタＲ４は、第７図に示すよう に、それぞれがビームＢ４とＭＢ４３内に置かれ、光学系Ｓ３で剛固に結合され た対のペンタキューブＰ５ＡとＰ５Ｂによって置に換えることが可能であり、そ の場合には、ペンタキューブＰ５Ａは、ペンタキューブＰ５Ｂに直角に交差する ビームＭＢ４４として主ビームＢ４の一部を偏向し、ペンタキューブＰ５Ｂは基 準長さを設定し、ビームＭＢ４４をペンタキューブＰ５ＢにおけるビームＭＢ４ ３と干渉させる。その結果の干渉パターンは結合干渉ビームを受信するように装 着されたホトダイオード検出器で検出できる。

上述のシステムでは、ローリングを測定するために使用された検出器はすべて、 ローリング検出器の背面に取り付けられた追加の検出器に向けられた基準ビーム を用いてその位置を見つけていた。基準ビームおよび同じ方向から入射されるロ ーリング測定ビームにも同じ方式が有効である。このような例としては、光学系 Ｓ２の一部とするのではなく、Ｂ３を中心に光学系Ｓ３がローリングするのを測 定する検出器を支柱１６の上端に装着させる場合がある。

この例（第５図参照）では、測定ビームＭＢ３２とＭ２Ｂ５は入射ビームＢ３に 平行である。これを達成するために要求されることは、それぞれビームＢ４と５ Ｂ３２を中心にペンタキューブＰ３ＥとＰ３Ｆを１８０度回転させるだけである 。

平行または逆平行ビームと分割ホトダイオードを用いてローリングを測定するシ ステムについて説明してきたが、米国特許第３，７９０，２８４号に記載されて いるような直線性干渉計を用いて、ローリング測定用の各サイド・ビームを２つ のビームに分割することによって、ローリングを干渉測定することも可能である ことは勿論である。第４図と第５図において、ビームＢ３を中心とする光学系Ｓ ３のローリングを測定する場合、ビーム分割プリズムをペンタキューブＰ３Ｅと Ｐ３Ｆに接続しても良く、正しい向きにした直線性リフレクタでＤ２４とＤ２５ の前面検出器を置き換えることができる。精度を向上させるために望ましければ 、直線性リフレクタの位置を見つけるためにビーム５Ｂ２Ａと５Ｂ２Ｂは依然と して必要である。この例では、ペンタキューブＰ３ＥとＰ３Ｆにビーム分割面を 挿入し、適当な検出器を使用することによって変位干渉測定信号を得ることがで きる。

上述した例はすべて、レーザーを光ビーム発生器として使用し、長さと直線性測 定に干渉測定移動手法を使用できるようにした例である。しかし、長さと直線性 を測定する他の手段を使用する場合には、コヒーレントなレーザー光ビームとは 別のコリメートされた光ビームを使用することが可能である。

他にも変更が可能である。第３ｂ図ではビームＢ１、ＭＢＩＩおよびＭＢ１２が 同一平面上にあるものとして示しているが、必ずしもそうする必要がないことは 勿論である。ビームＢ１をビームＭＢＩＩおよびＭＢ１２と共面にする必要はな い。また、同図に示すように、ＭＢＩＩとＭＢ１２はビームＢ１に逆平行になっ ている。検出器を正しい位置に置くことができるならば、ビームＭＢＩＩとＭＢ １２がビームＢ１に平行にできないという理由はなく、あるいはまた、一方を平 行に、他方を逆平行にできないという理由はない。このような考慮は光学系Ｓ２ ．Ｓ３およびＳ４においても同じである。

さらに、ペンタキューブＰＩＡ、ＰＩＢは、所望により、単純なビーム分割器で 置き換えることが可能であり、またリフレクタＰＩＤとＰＩＥは、ピッチング誤 差が無視できるものであれば、単純なりフレフタで置き換えることが可能である 。また、対のビーム分割器ＰＩＡ、ＰＩＢ、対のりフレフタＰＩＤ、ＰＩＥおよ び対の検出器Ｄｏｔ、ＤＯ２を設けた理由は、ピッチング、ヨーイングおよび直 線性誤差の効果を打ち消すためである。これらの一部または全部が無視しうるも のならば、適当に装着したビーム分割器、リフレクタおよび検出器がそれぞれ１ つからなるシステムを作ることも可能である。この場合も、光学系Ｓ２．Ｓ３お よびＳ４について同様な考慮を払うことかで包る。

補正書の写しく翻訳文）提出書 （特許法第１８４条の７第１項） 昭和６３年３月４日 特許庁長官　小　川　邦　夫　殿 １、特許出願の表示 ＰＣＴ／ＧＢ８７１００４７０ ２、発明の名称 機械で使用される光学測定装置 ３、特許出願人 住　所　英国　ジーエル１２７デイーエヌグロスターシヤー州　ワラトン−アン ダー−エツジグロスターストリート（番地なし） 名　称　レニショウ　パブリック　リミテッド　カンパニー代表者　ウェイト、 ジョン。

国籍英国 ４、代理人 〒１０７ 東京都港区赤坂５丁目１番３１号 第６セイコービル　３階 １９８８年１月１０日 請　求　の　範　囲 ｌ）第１軸に沿って移動可能であり、かつ第１軸に直交する第２軸に沿って移動 可能な第２部品に支持された第１部品をもつ機械で使用される光学測定装置であ って、 コリメートされた光ビームを第２軸にほぼ平行な方向に第２機械部品に向けて指 向させる手段と、コリメートされた光ビームの通路において第２機械部品に装着 可能であって、および前記光ビームの少なくとも一部を偏向して第１軸にほぼ平 行に指向される偏向ビームを発生する直角偏向器と、第１機械部品に装着可能で あって、直角偏向器から偏向光ビームを受信し、およびその偏向光ビームから少 なくとも１つの測定ビームを発生させる測定ビーム発生手段と、 第１機械部品が第１軸を中心にローリング運動することによって起こる測定ビー ムの横方向の変位を示す信号を発生するような向きで、前記１つの測定ビームの 通路に位置付は可能な少なくとも１つの第１検出器を含む検出器手段と を組合わせ備えたことを特徴とする光学測定装置。

２）　前記直角偏向器はペンタキューブまたはペンタプリズムであることを特徴 とする請求の範囲第１項に記載の光学測定装置。

３）　前記コリメートされた光ビームを第２機械部品に指向させる手段はレーザ ー・ビーム発生器であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光学測定装 置。

４）　前記コリメートされた光ビームを第２機械部品に指向させる手段はさらに 別の直角偏向器であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光学測定装置 。

５）前記測定ビーム発生手段は２つの測定ビームを発生することを特徴とする請 求の範囲第１項に記載の光学測定装置。

６）前記測定ビーム発生手段は、サイド・ビームを発生する第１光学装置と、そ のサイド・ビームを受けて、それを前記第１軸にほぼ平行な方向に偏向する第２ 光学装置とを有し、前記検出器手段を第２機械部品上に位置付は可能となして、 偏向されたサイド・ビームを受信するようにしたことを特徴とする請求の範囲第 １項に記載の光学測定装置。

７）　前記第１光学装置は直角偏向器であることを特徴とする請求の範囲第６項 に記載の光学測定装置。

８）前記第１および第２光学装置は共に直角偏向器であることを特徴とする請求 の範囲第６項に記載の光学測定装置。

９）　前記コリメートされた光ビームの通路において前記第２機械部品に装着可 能となして、第１機械部品に指向される別の１または２以上のサイド・ビームを 発生する別の手段を設け、および前記検出器手段は第１検出器または各々の第１ 検出器に剛固にそれぞれ接続された少なくとも１つの別の検出器であって、別の サイド・ビームまたは各々の別のサイド・ビームがさらに別の検出器に入射して 、コリメートされた光ビームに対する検出器の横方向の変位を示す信号をそのサ イド・ビームから得るように位置付けが可能な少なくとも１つの別の検出器を含 むことを特徴とする請求の範囲第６項に記載の光学測定装置。

１０）前記別の手段は少なくとも１つの直角偏向器を有することを特徴とする請 求の範囲第９項に記載の光学測定装置。

１１）前記別の手段はさらに別の２つのサイド・ビームを発生することを特徴と する請求の範囲第９項に記載の光学測定装置。

１２）軸を中心とする機械の第１部品のローリング運動が、第１機械部品が前記 軸に沿って機械の第２部品に対して運動することによって引き起こされるときに 、そのローリング運動を測定する光学装置であって、 第２機械部品に装着可能であって、前記軸にほぼ平行なコリメートされた光ビー ムを第１機械部品に指向させる手段と、 第１機械部品に装着可能であって、コリメートされた光ビームを受け、およびそ の光ビームから少なくとも１つのサイド・ビームを発生する手段と、第１機械部 品に装着可能であって、そのサイド・ビームまたは各々のサイド・ビームを偏向 して、前記軸にほぼ平行な方向に機械の第２部品に指向されるそれぞれの１つま たは複数の測定ビームを発生する手段と、 機械の第２部品に装着可能であって、前記１つの測定ビームまたは複数の測定ビ ームを受け、および該１つの測定ビームまたは複数の測定ビームの、前記軸を横 切る方向の変位であって、前記軸を中心とする機械の第１部品のローリング運動 によって引き起される変位を示す信号を発生する向きに配置された検出器手段と を組合せ備えたことを特徴とする光学装置。

１３）前記１つの測定ビームまたは各々の測定ビームを発生する手段は少なくと も１つの直角偏向器を有することを特徴とする請求の範囲第１２項に記載の光学 装置。

１４）前記少なくとも１つのサイド・ビームを発生する手段は２つのサイド・ビ ームを発生することを特徴とする請求の範囲第１２項に記載の光学装置。

１５）前記１つのサイド・ビームまたは各々のサイド・ビームを偏向する手段は 少なくとも１つの直角偏向器を有することを特徴とする請求の範囲第１２項に記 載の光学装置。

１６）第１機械部品が第２機械部品に対し第１軸に沿って移動可能であり、第１ 軸に直交する第２軸に沿ってそれ自身穆動可能である第２部品に第１機械部品が 支持されている場合に、第１軸を中心とする第１機械部品のローリング運動を測 定する方法であって、 第２軸にほぼ平行な方向において第２機械部品に向けて、コリメートされた光ビ ームを指向させるステップと、 第２機械部品上の直角偏向器を、コリメー］・された光ビームの少なくとも一部 分を受けて、第１軸にほぼ平行な方向において第１機械部品に向けてその光ビー ム部分を偏向できるように位置付けるステップと、 コリメートされた光ビームの偏向された部分を第１機械部品上の光学装置で受け 、その光学装置から少なくとも１つの測定ビームを発生するステップと、 少なくとも１つの第１検出器を含む検出器手段を、第１軸を中心とする第１機械 部品のローリング運動によって引き起こされる測定ビームの横方向の変位を示す 信号を発生するように、１つのまたは各々の測定ビームの通路に位置付けるステ ップとを備えたことを特徴とするローリング運動測定方法。

１７）１つのまたは各々の第１検出器に剛固にそれぞれ接続された少なくとも１ つの別の検出器を前記検出器手段に設けるステップと、 前記検出器手段を第２機械部品上に位置付けるステップと、 前記第１機械部品に指向され、前記別の検出器のうちの１つに入射する少なくと も１つの別のサイド・ビームを、コリメートされた光ビームから発生し、当該別 の検出器のうちのひとつから、コリメートされた光ビームに対する前記検出器手 段の横方向の変位を示す信号を得るステップと、 第１機械部品上の光学装置からの１つのまたは各々の測定ビームが、第１検出器 のそれぞれに入射するように前記１つまたは各々の測定ビームを指向させるステ ップと をさらに備えたことを特徴とする請求の範囲第１６項に記載の測定方法。

１８）機械の軸に沿って第１機械部品の第２機械部品に対する運動により引き起 される、前記軸を中心とする第１機械部品のローリング運動を測定する方法であ って、 コリメートされた光ビームを、第２機械部品上に装着された指向手段から第１機 械部品に向けて前記軸に沿って指向させるステップと、 コリメートされた光ビームを第１機械部品で受け、その光ビームから少なくとも １つのサイド・ビームを発生するステップと、 第１機械部品に装着された偏向器によって１つまたは各々のサイド・ビームを偏 向して、軸にほぼ平行な方向において第２機械部品に向けて指向されるそれぞれ の１つまたは複数の測定ビームを発生するステップと、 Ｎ２機械部品上に装着された検出器であって、その検出器から、前記軸を中心と する第１部品のローリング運動によって引き起される、前記軸を横切る方向の１ つまたは複数の測定ビームの変位を示す信号を発生するように位置付けられた検 出器で１つまたは各々の測定ビームを受けるステップとを備えたことを特徴とす るローリング運動測定方法。

国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）相互に直交する方向に沿って相互に相対的移動可能な部品をもつ機械で使用 される光学装置であって、光ビームを発生して該光ビームを前記方向のうちの少 なくとも１つの方向に沿って指向させるための手段と、前記機械の可動部品の１ つに配置された直角偏向器であって、光ビーム発生器から取り出されて、前記方 向のうちの第１方向に沿って当該直角偏向器に指向される光ビームを受信し、前 記受信ビームを前記方向のうちの第２方向に偏向するように配置された少なくと も１つの直角偏向器と、受信光ビームの軸を中心にして直角偏向器のローリング 運動を測定するための手段とを具えたことを特徴とする光学装置。 ２）前記直角偏向器はペンタキユーブまたはベンタブリズムであることを特徴と する請求の範囲第１項に記載の光学装置。 ３）前記頂角偏向器は、光ビームを前記第１方向に沿って指向させるビーム発生 手段から直接に該光ビームを受信することを特徴とする請求の範囲第１項または 第２項に記載の光学装置。 ４）前記光ビーム発生装置は発生光ビームを前記方向のうちの第１方向に指向さ せ、前記直角偏向器は、前記方向のうちの第２方向に指向された光ビームを受信 するように配置されており、および、発生光ビームを前記方向のうちの前記第２ 方向に偏向して前記直角偏向器によって受信されるようにするための第２直角偏 向器が設けられていることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の 光学装置。 ５）前記直角偏向器の、受信ビームの軸を中心にした前記ローリング運動を測定 するための手段は、各々が頂角偏向器に固着され、受信光ビームの一部を受信す るように配置されると共に、受信光ビームに直交する反対方向に指向される一対 のサイド・ビームを発生するように配置された１対の別の直角偏向器と、各々が 直角偏向器に固着され、サイド・ビームを前記受信光ビームとは逆平行の方向に 直交して反射して、受信ビームと検出器を含む面からの２つの反射サイド・ビー ムのずれを検出するように配置された検出器に入射させるように配置された１対 の追加の直角偏向器とを有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光学 装置。 ６）軸を中心に対象物が運動するときに、その軸を中心に前記対象物がローリン グする運動を測定する装置であって、光ビームを前記軸に指向させるための手段 と、前記対象物に固着され、光ビームの一部を受信するように位置付けられてい ると共に、サイドビームを発生するように配置された少なくとも１つのビーム分 割器と、前記対象物に固着され、サイド・ビームを受信するように位置付けられ ていると共に、前記光ビームに平行または逆平行の方向にサイド・ビームを反射 して、前記軸を中心にした前記対象物のローリング運動による反射サイド・ビー ムのずれを検出するように位置付けられた検出器に入射させるように配置された リフレクタとを備えたことを特徴とする装置。 ７）１対の前記サイド・ビームを発生する１対の前記ビーム分割器を有し、それ ぞれの対の前記リフレクタと検出器が設けられたことを特徴とする請求の範囲第 ６項に記載の装置。 ８）前記検出器またはその各々に基準ビームを指向させて、検出器自体の運動を 決定できる基準を設けるようにしたことを特徴とする請求の範囲第６項または第 ７項に記載の装置。 ９）検出器は２面であり、検出器の、反射ビームとは反対側に基準ビームを指向 させることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の装置。 １０）基準ビームは、前記軸に沿って光ビームを発生するために使用されるビー ムから発生されることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の装置。