JPH01501016A - 位置決定装置 - 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】 位置決定装置 技術分野 本発明は、位置決定装置に関するものである。

背景技術 このような装置は、輪郭追従動作を行うために構成され、機械部材の位置は対象 の表面輪郭の変化に従って決定される。比較的重量のある前記機械部材の慣性を 、特に突然に輪郭が変化したり、あるいは高い勾配の輪郭がが入り組んでいるよ うな所では、迅速な輪郭追従動作に調和させるのが困難である。

本発明の目的は、かかる困難を低減もしくは解消することにある。

同様な困難は、機械部材を移動させ、特定位置に正確に停止させるような位置決 めを行うべく構成された位置決定装置においても存在する０部材の慣性が、かか る位置決めの迅速性および正確性に調和しないからである。

本発明の目的は、位置決め動作時における慣性の問題を低減もしくは解決するこ とにある。

発明の開示 本発明は、前記機械部材上に検出点を有するプローブが設けられ、機械部材の慣 性によって輪郭の正確な検出あるいは検出点の正確な位置決めが困難となるよう な座標測定機械において行われる輪郭追従動作あるいは位置決め動作に対して適 用される。

図面の簡単な説明 本発明に係る装置の実施例を添附の図面を参照して説明する。ここに、 第１図は第１位置決めシステムとした座標測定機械の正面図、 Ｎ２図は第１図示のプローブの詳細を示す拡大断面図、 第３図は第２図におけるＩＩＩ　−ＩＩＩ線断面を拡大して示す図、 第４図は第２図におけるｒＶ−ＴＶ線断面を拡大して示す図、 第５図は第１図示の機械および第２図示のプローブの動作を制御するためのコン ピュータシステムを示す線図、 第６図は第１図および第２図の構成の下で用いられる第１および第２位置決めシ ステムを示す制御回路第７図は上記コンピュータシステムにおいて用いられるプ ログラムの流れ図、 第８図は第３の位置決めシステムの正面図、菓９図は第８図におけるＸＩ−ＸＩ 線断面を拡大して示す図、 第１Ｏ図は第３位置決めシステムの制御回路図である。

発明を実施するための最良の形態 第１位置決めシステム 第１図ないし第６図を参照するに、座標測定機械（第１図）は、コラム３３を支 持するテーブル３６を具え、直交座標系におけるＸ、ＹおよびＺの３方向で相対 的変位が行われる。コラム３３はキャリッジ３４に支持されてＺ方向上での移動 がなされ、キャリッジ３４はトラック３５に支持されてＸ方向上での移動がなさ れ、そしてトラック３５がテーブル３６に支持されてＹ方向上での移動がなされ る。従って、３方向におけるいかなる組合せの変位も可能である。モータ３２Ｚ はコラム３３をＺ方向に移動させるのに設けられる。対応したモータ３２Ｘおよ び３２Ｙは、それぞれ、キャリッジ３４をＸ方向に、およびトラック３５をＹ方 向に移動させるために設けられている。キャリッジ３４に対するコラム３３の位 置は、位置センサ３７Ｚによって測定される。この位置センサ３７Ｚは、それ自 体公知のスケールおよびスケールリーダであり、出力３８２を有する。対応する センサ３７×および３７Ｙは、出力３８Ｘおよび３８Ｙを有し、ＸおよびＹ方向 について設けられている。以上述べた機械は、ここにおいて第１位置決めシステ ム２８としても参照される。

第２位置決めシステムおよびスキャニング動作コラム３３は、自由端を有し、そ こに２方向に延在した軸１０Ａを有するベースすなわちハウジング１０（第２図 ）を具備したプローブ９を固着する。ハウジング内部には、軸１０Ａに沿って検 知部材すなわちチューブ１５が設けられる。チューブ１５は一対の平面状ばね１ ３．１４によってハウジングに接続される。これらによってチューブの限られた 軸方向変位が許容され、他のいかなる変位も抑制される。チューブの上端にはレ ーザ光源１６が固着され、ビームスプリッタ１７を介し、コリメートされた光の ビームをレンズ１８に照射する。レンズ１８はチューブの下端に設けられ、プロ ーブ９の検知点を定めるスポット１９に光の焦点を合せるのに用いられる。

テーブル３６上に載置され、スキャニングすなわち輪郭追従動作によフて測定さ れるべき表面すなわち輪郭１２を有する対象１１に関連して、プローブ１９を示 しである。輪郭追従動作には、表面に対しＸ方向に、所謂前進を行わせるべくプ ローブを移動させることと、適切なインターバルで２方向すなわち測定方向上の 輪郭の部分的な高さをサンプリングすることとが含まれる。

かかるスキャニングの目的でコラム３３を位置決めし、軸１０Ａが適切な開始点 、例えば輪郭１２の点１２＾で輪郭と交差するようにする。そして、起動条件は 、スポット１９が点！２Ａで対象の表面に置かれたとみなされたときとする。点 １２Ａへのスポット１９の正確な位置決めについては後述する。

点１２Ａからの反射光はレンズ１８によって再コリメートされ、ビームスプリッ タ１７によって軸１０Ａを横切る方向に導かれ、焦点合せレンズ２０（第２図〜 第４図）を介して位置センサ２３に導かれる。そこで、収束ビームは、プリズム ２１によって２つのビーム２２Ａおよび２２Ｂに分けられる。今、表面１２がレ ンズ１８の焦点にあるときには、ビーム２２Ａは２つのトランスジューサ２２＾ １，２２Ａ２の接合点で焦点を結び、ビーム２２Ｂは２つのトランスジューサ２ ２８１．２２Ｂ２の接合点で焦点を結ぶ。

スキャニング動作の目的で、キャリッジ３４がトラック３５に沿って移動したと きに、軸１０Ａが例えば相対的に高い位置１２Ｂと交差する。そこではレンズ１ ８によって焦点が合わなくなる。ここで、点１２Ｂがレンズ１８に極めて接近し ているので、ビーム２２Ａ、２２Ｂに離隔が生じ、外側のトランスジューサ２２ Ａ１．２２Ｂ１の照度が増し、反対に内側のトランスジューサ２２Ａ２．２２８ ２の照度は低下する。点１２Ｂが相対的に低いものであれば、ビーム２２Ａ、２ ２Ｂは互いに近づき、内側のトランスジュー。

す２２Ａ２．２２Ｂ２の方が大きい照度をもつことになる。外側のトランスジュ ーサ２２Ａ１，２２Ｂ１は総和器２４に接続され、他方内側のトランスジューサ ２２Ａ２，２２Ｂ２は総和器２５に接続される。総和器２４．２５の出力は差動 増幅器２６に接続される。差動増幅Ｍ２δは、表面１２とレンズ１８との間の距 ９１９Ａが増加するか減少するかに従って、その出力が正または負となるように 構成されている。チューブ１５とセンサ２３との相対移動に適応させるために、 プリズム２１およびトランスジューサ２２Ａ１，２２ＢＩ。

２２＾２，２２Ｂ２をチューブ】５の移動の方向に長くしである（第３図）。

増幅器２６の出力は、チューブ１５を取り巻くリニアモータ２７（第２図、第６ 図）に接続される。リニアモータ２７は、距ｌ１１１９Ａが減少傾向にあるとき 、すなわち表面１２がレンズ１８に向って隆起するときに、チューブ１５を上昇 させて表面１２に焦点を合せるように構成される。同様に、距１１１９Ａが増加 傾向にあると、きにはチューブが下降させられる。従って、トランスジューサシ ステム２３とモータ２７との間の接続は閉ループをなし、距１ｉ１９Ａがレンズ １８の一定の焦点距離の値を保持するように動作する。このループは、第２位置 決めシステム２９としても参照される。システム２９に対する位置デマント信号 が、輪郭１２の位置であるのは、第６図に示すように明らかであろう。

ハウジング】０には、はぼ線形の出力信号３０Ｚを有する位置センサ３０（第２ 図）が設けられ、ハウジング１゜に対するチューブ１５の変位を測定するように 構成される。これにより、キャリッジ３４がトラック３５に沿って移動する際の 表面１２の高さの変化は、これらの変化がチューブ１５の変位しうる範囲以上の 範囲１５Ａ以内にある限り、プローブ９によって連続的に測定される。信号３０ ２は、チューブ１５が図示のように範囲１５Ａの中心１５ＢにあるときにＯとな るようにされている。センサ２３は輪郭１２の偏位（ｅｘｃｕｒｓｉｏｎ）　１ ９Ｂに応答する。この偏位は極めて小さく、例えば範囲１５Ａが±５ｍｌ１１で あるのに比較して±０．００１■である。

信号３０２は、コンピュータ５１を有し次のような動作を行うために用いられる コントローラ５０（第５図、第６図）に接続される。信号３０２のＯからの変化 に応答して、コンピュータ５１は対応するほぼ線形の信号５１Ｚを関数発生器５ ２に出力する。関数発生器５２は、２次関数あるいは信号５１Ｚと同様の関数で ある信号５２ｚを発生するのに用いられる。すなわち、信号５２Ｚは、初めはゆ るやかなレートで立上り、信号５１Ｚの大きさが増すにつれて次第にレートを増 すものである。信号５２Ｚは第１位置決めシステム２８のモータ３２２を駆動す べく接続される。かかる構成では、チューブ１５が範囲１５Ａの中点に対して上 昇または下降するので、モータ３２２が駆動されるとそれに従ってコラム３３が 上昇または下降する。そして開数発生器５２の作用により、コラム３３はチュー ブ１５の小さな偏位に対してはゆるやかに応答し、チューブ１５が範囲１５Ａの 限界に近づくにつれてより速やかに応答する。これにより、比較的重いコラム３ ３を大きく動かすことなく、プローブ９を輪郭１２の小さな変化に応答させるこ とが可能となる。しかしながら、輪郭１２が比較的大きく変化すると、コラム３ ３はより迅速に応答し、従ってチューブ１５は範囲１５Ａの限界に到達すること はない。

コンピュータ５０はまた、モータ３２Ｘの速さ、すなわちＸ方向のキャリッジ３ ４の速さを規定するべく予め定めた信号ＳＩＸを発生するのに用いられる。信号 ５１Ｘは、モータ３２Ｘを駆動するために接続される信号５３Ｘを発生するのに 用いる関数発生器５３に接続される。関数発生器５３は、信号５２Ｚとは反転し た関係にある信号５３Ｘを形成するのに用いられ、従りてコラムが輪郭１２の勾 配の増加に伴って速度を増すときにはキャリッジ３４が減速される。チューブ１ ５がその範囲１５Ａの限界に近づくような条件下では、キャリッジ３４は結果と して停止させられる。これによると、輪郭１２の勾配が増して前進方向Ｘにおけ る速度が低下する間は測定方向Ｚにおける速度が増すという意味で、第１システ ム２８の速度は輪郭１２に関連づけられる。逆も同様である。

さらに、第１位置決めシステム２８は、第２システム２９よりゆるやかに輪郭１ ２の勾配の変化に応答するので、輪郭１２の真の瞬間の高さは、任意の瞬間にお ける信号３０Ｚと３８１との和となる。これに関連してコンピュータ５１を適切 にプログラムして、クロック５５によって作成される選択された時間間隔で、お よび信号３８２゜３０Ｚの和としての信号５６Ｚを演算部５６によって決定する ことにより、信号３８Ｘあるいはもしも適用可能であれば信号３８Ｙをサンプソ ングする。第７図はサンプリングプログラムの詳細を示すものである。

最後に、コンピュータ５１は信号５６Ｚを格納装置５７に送るのに用いられる。

ここでは、あらゆるサンプリング時点の信号の値５６１．３８Ｎ、３ＢＹが、輪 郭１２を示すテーブル５８の形態で格納されている。

第１および第２位置決めシステムの構成によって、比較的大質量の部材３３．３ ４の慣性による影響をほぼ除去すると同時に比較的小さいプローブ９の動作範囲 １５Ａを、コラム３３の動作範囲、すなわち１０００ｍ＋ｎ程度にまで拡大する 。

プローブの変形として、光源１６、ビームスプリッタ１７およびレンズ２０をハ ウジング１０に対して固定することもできる（不図示）。この結果、プリズム２ １およびトランスジューサ２２Ａ１．２２Ｂ１．２２Ａ２．２２Ｂ２は、プロー ブ９の要求に応じた長さを必要とせず（第３図）、モータ２７およびトランスジ ューサ３０はともに比較的短いチューブ１５に設けられる。そのようなプローブ の他の部分は、プローブ９と同様とすることができる。

位置デマンド°動作 さらに第２図ないし第６図を参照するに、本装置は輪郭のスキャニングに用いら れるものであるが、選択位置、例えば輪郭１２上の開始点１２Ａへ検知点すなわ ちスポット１９を駆動するためにも用いられる。そのために、コンピュータ５１ に保持され、決定された所定の位置デマンド信号４０を第２位置決めシステム２ ９に接続し、位置デマンド動作を導入する。信号４２Ｚは、本例では、点１２Ａ とテーブル３６上の表面データとの距離４２Ｚａ　（第２図）を示すものである 。信号４２Ｚおよび出力３８Ｚは、加算ジャンクション４１Ｚ（第２図、第６図 ）に供給され、その誤差出力４３Ｚはジャンクション４４Ｚを介してシステム２ ９に接続される。他方、ジャンクション４１２にアクセスさせるべく信号３８Ｚ をイネーブルにするために、オープンスイッチ（不図示）を閉成する。

かかる構成において、信号４３Ｚは位置デマンドとしてモータ２７に加えられ、 この結果チューブ１５の対応した変位と出力３０Ｚとが生じる。誤差信号４３Ｚ がシステム２９の比較的感度の高い応答を越えるので、これに応じてデマンドが 信号３０２によってモータ３２Ｚに伝達され、それに応じてコラム３３を位置決 めする。誤差４３Ｚは、出力３８Ｚがデマンド４２Ｚと等しくなり、同時に信号 ３０Ｚが０に近づくときにＯとなる。信号３０２はスレッショルド増幅器すなわ ち不感帯装置４５（第６図）を通過させてもよく、こわによりモータ３２Ｚは信 号３０Ｚが所定の大きさを越えたときにのみ付勢される。このような場合、デマ ンド４２Ｚの大きさが低い程度であることのみがチューブ１５の変位によって表 わされ、こねに対して高い程度であることがコラム３３の変位によって表わされ る。これにより極めて高い分解能の位置決めが達成される。

検知点１９が輪郭１２の所望の位置に到達したとき、誤差信号４１２の指示値は ０となるので、点１９がプローブ９の検知範囲内に程よく入ったことが期待され る。コンピュータ５１は、この段階で信号４２Ｚをスイッチオフしてスイッチ４ ５を開放するようにプログラムされ、しかして第２システム２９が動作状態とな る。

第３位置決めシステム 点１２＾の位置は３次元で与えられるので、３次元的に位置決めを行うことが必 要である。このために、さらにはＸまたはＹ方向の位置決めの精度を改善するた めに、第３位置決めシステム６０（第８図）を設けることができる。これは、コ ラム３３とプローブ９のハウジング１０を支持している部材６７との間に配設さ れる。システム６０には、本願人の英国特許第１，５５１，２１７号に示される ように、はぼ直列に接続した３対の平面状ばね６３．６４．６５が設けられる。

一対のばね６３は部材６６と部材６７との間に接続され、位置決めモータ６１Ｙ および位置トランスジューサ６２Ｙが部材６６．６７間に設けられる。

対応する構成により、ばね対６４．６５においてモータ６１Ｘ、６１２およびト ランスジューサ６２Ｘ、６２Ｚを支持する。

第１０図の制御系の線図は、第１システムに関連した第３システムの用途を示す ものである。図示の第１閉ループ２８Ｘについてコンピュータ５１（第５図）が 発生した位置デマンド信号４２Ｘが加算ジャンクション４１Ｘに供給されてモー タ３２Ｘに対する誤差信号４３Ｘが生成され、フィードバック信号３８Ｘがジャ ンクション４１Ｘに供給される。誤差信号４３Ｚは、システム６０の第３閉ルー プ（６０Ｘ）に対し、デマンド信号として接続され、それによってＸ方向におけ るプローブ９の正確な位置決めがなされる。ループ６（ＩＸには、図示のように モータ６１Ｘ　ｍよびトランスジューサ６２Ｘが設けられる。第３システムのＹ および２方向の移動は、デマンド信号４２Ｙおよび前記デマンド信号４２Ｚに応 答して同様な方法で行われる。しかしながら、Ｚ方向の移動は、プローブ９が用 いられるのであれば、第１図および第６図について述べたように、モータ２７を 媒介として行われるようにしてもよい。

第３システムは、第１システムに関連してすなわち信号４２Ｘ、４２Ｙ、４２Ｚ のみを基準として用いられてもよく、あるいは第１および第２システムの双方に 関連して用いられてもよい。さらに、システム６０に関連したプローブ９を用い たが、表面１２があるときに検知手段が応答するときに信号を発生可能なプロー ブを設けてこれを用いてもよい。そのようなプローブはそれ自体公知であり、輪 郭１２に遭遇したときにパルス信号を発生するようなものとして、あるいはハウ ジング１０などのプローブハウジングと表面１２との近接の程度に応じて変化す るアナログ信号を発生するようなものとして構成できる。かかるプローブは、光 学的プローブであってもよく、あるいは表面と物理的接触を行うのに用いられる スタイラスを有する機械的プローブであってもよい。

国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）対象（１１）の表面（１２）の位置を決定する装置において、支持体（３４ ）と、該支持体（３４）に支持されて相対移動する第１部材（３３）と、第１誤 差信号（３０Ｚ）に応答して前記支持体（３４）に対して前記第１部材（３３） の位置決めを行い、前記第１部材を前記表面（１２）から一定距離に保持する第 １位置決めシステム（２８）と、前記第１部材（３３）に支持されて相対移動す る第２部材（１５）であって、検知点（１９）を有し、前記第１部材（３３）に 対する第１の所定の関係および前記表面（１２）に対する第２の所定の関係（１ ９Ａ）をもつようにされる当該第２部材（１５）と、前記第１の関係を検知して 前記第１誤差信号（３０Ｚ）を発生するのに用いられる第１検知手段（３０）と 、前記第２の関係（１９Ａ）を検知する第２検知手段（１８）と、前記第２検知 手段（１８）に応答し、前記第２の関係（１９Ａ）を一定に維持させることによ り、前記第１部材（３３）に対する前記表面（１２）の位置に変化が生じたとき に前記第１の関係（１５Ｂ）を阻むようにする第２位置決めシステム（２９）と を具え、前記第１誤差信号（３０ｚ）を前記第１の関係（１５Ｂ）を再生するよ うに協働させるようにしたことを特徴とする装置。 ２）前記第２位置決めシステム（２９）は、前記第１部材（３３）に対して前記 第２部材（１５）を移動させるためのモータ手段（２７）を有し、該モータ手段 は第２誤差信号（２６Ａ）が減少して零となるように前記第２誤差信号（２６Ａ ）によって駆動されるべく接続され、前記第２検知手段（１８）を前記第２部材 （１５）と前記表面（１２）との間の変位（１９Ｂ）を検知し、これに応じて前 記第２誤差信号（２６Ａ）を発生するために用いるようにしたことを特徴とする 請求の範囲第１項記載の装置。 ３）前記第２位置決めシステム（２９）に接続可能で、前記第２位置決めシステ ム（２９）の介在により前記第１位置決めシステム（２８）に作用する位置デマ ンド信号（４３Ｚ）を発生するための手段（５０）を具えたことを特徴とする請 求の範囲第２項記載の装置。 ４）前記第１位置決めシステムは前記支持体（３４）に対して前記第１部材（３ ３）を移動させるモータ手段（３２Ｚ）と、前記支持体（３４）と前記第１部材 （３３）との間の変位を検知して対応する位置フィードバック信号（３８Ｚ）を 発生する検知手段（３７Ｚ）と、前記位置デマンド信号（４３Ｚ）とフィードバ ック信号（３８Ｚ）との差である誤差信号（４３Ｚ）を形成する手段（４１Ｚ） とを有し、前記第１誤差信号（４３Ｚ）を前記第２位置決めシステム（２９）の モータ手段（２７）に対する入力として接続したことを特徴とする請求の範囲第 ３項記載の装置。 ５）前記第１誤差信号（３０Ｚ，５１Ｚ）を整形して、前記第２の関係（１９Ａ ）を阻んだ結果として第１誤差信号（３０Ｚ，５１Ｚ）が零から立上るときに、 初期の低いレートから順次に増加するレートで立上る値（５２Ｚ）を発生する手 段（５２）を具えたことを特徴とする請求の範囲第１項ないし第４項のいずれか の項に記載の装置。 ６）第１および第２部材（３４，３３）の間の変位についての瞬間的に整形され た値（５２Ｚ，３８Ｚ）を前記第２および第３部材（３３，１５）の間の変位に ついての値（３０Ｚ）に加算する手段を具えたことを特徴とする請求の範囲第５ 項に記載の装置。 ７）前記第１部材（３３）に対して前記第２部材（１５）が移動可能な方向を横 切る方向に前記第２部材（３３）を駆動するために、前記第１位置決めシステム （２８）に対して位置デマンド信号（５１Ｘまたは５１Ｙ）を供給する手段（５ ０）と、位置デマンド信号（５１Ｘまたは５１Ｙ）を整形して、前記した第１の 整形手段（５２）によって生成される値（５２Ｚ）と反転した値〔５３Ｘまたは ５４Ｙ）を生成する整形手段（５３または５４）とを具えたことを特徴とする請 求の範囲第５項に記載の装置。 ８）前記第２検知手段（１８）は入射光を焦点合せして前記表面（２）上に置か れるべきスポット（１９）とするために前記第２部材（１５）に設けた光学手段 を有し、前記第２誤差信号が前記スポット（１９）が前記表面（１Ｚ）から変位 することによる距離（１９Ｂ）を規定するようにしたことを特徴とする請求の範 囲第２項記載の装置。 ９）前記第１部材（３３）と、前記第２部材（１５）を所定方向（Ｚ）に移動可 能とする支持体（６７）との間に配設された第３位置決めシステム（６０）を具 え、該システムは前記所定方向（Ｚ）を横切る方向（ＸまたはＹ）の少なくとも 一方向上で前記第２部材（１５）の位置決めを行う閉ループ（６８）を有するこ とを特徴とする請求の範囲第１項ないし第８項のいずれかの項に記載の装置。 １０）前記第１位置決めシステムは、閉ループで駆動され、該ループは、該ルー プのモータ手段（３２Ｘ）を駆動するために接続されるとともに、前記第３位置 決めシステムの閉ループ（６０Ｘ）にデマンド信号として接続される誤差信号（ ４３Ｘ）を有することを特徴とする請求の範囲第９項記載の装置。