JPH01501090A - レーザ・プローブ - 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】 レーザ・プローブ 発明の背景 本発明の分野は、試験物体の表面までの距離ン測定する高精度のプローブである 。より特定的には、本発明はレーザに基づ（高精度の測定システム並びに、試験 物体の表面に関連するこのような距離測定を実施する関連の光学系および電子回 路に関する。

装置の好ましい実施例は、現在製造されている座標測定機械（Ｃｏｏｒｄｉｎａ ｔｅ　Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　Ｍａｃｈｉｎｅ　：　ＣＭＡＩ　）と共に使用され るように設計されている。ＣＭＭは、製造された部品が公差を満足しているかど うかχ正確に判断するため、世界中の多（のメーカで使用されている。

部品の表面、穴、ネジ山などの位置（１ｏｃａｔｉｏｎ　）は、ＣＭＭを使用す る事によって正確に決められ５る。先端がルビーでできていて、試験表面に接触 する機械式のプローブの先端メーカは、英国のＲｅｎｔｓ五ａｗ　Ｅｌｅｃｔｒ ｉｃａｌ。

Ｌｔｄ、である。

操作の際、センサの先端は、それ′？：ｃＭＭのアームに取り付けることによっ て、空間内で移動される。このアームによって、センサは、３次元全てにわたっ て自由に走行でき、更にアームに内臓されているエンコーダによってプローブの 先端が空間のどこに位置しているかが正確に分かる。ＣＭＨの代表的な解像力は ０．０００１インチ、−すなわち０．１ミル（２，５マイクロメータ）である。

座標測定は次のように行われる。３次元部品を測定テーブル上に取り付ける。接 触式プローブが降下してその部品の表面に接触するように、ＣＭＨのアームが移 動する。部品に接触したら、プローブの先一端はわずかに偏向して電気的接点ｔ オープンする。この接点が開かれると、たとえアームが行き過ぎても読み取り値 が保持されるようＩＣｌＣＭλｆアーム中のエンコーダが電子的にロックされる 。するとコンピュータは、この部品の表面が遭遇した３つの軸方向の座標値を読 み取る。この手段によって、物体の１点の正確な位置、すなわち空間におけるそ の点のｘ、ｙ、ｚ座標値が決められる・その部品が公差を満足していることｔ確 認するため、充分な数の点が測定され、部品の臨界パラメタが決定されるまで、 他の点も次々と同様に測定される。

ラスティック、全ての液体のようなフレキシブルな部品、又は測定プロセスにお いて変形され得る泡製品もしくは粘土のよ５な柔らかい変形可能素材には通用し ない、ということである。

接触式の別の不利点は、プローブの先端が、小さなルビーの球体をその端部に取 り付けている、ということである。このような球体の直径は周知であるので、そ の半径は測定プロセスにおいては補償可能であるが、それでもなおこの球体の半 径は元来大きい（例えばｏ、ｏｓｏインチ）。これは、プローブの先端が大きい ため、複雑な物体の細かい機鷹１τは到達で２な℃・ので、非常（Ｃ微寂な詳石 部乞持った物体は、標準プローブの先端では流走不可能である、ということン意 味する。小さな隙間や同様な領域に達するためにより小さなプローブの先端乞作 成すると、鋭利な先端が部品に及ぼす圧力によって、その部品は測定点にお（・ てひどくへこんだり歪んだつして、間違った値が読み取られることになる。

接結式プローブｔτは更に別の不利点カニある。接触プローブは部品に機械的（ （接触するので、プローブの先端がその部品の表面に沿って引きずられることが ないようにとプローブ乞横方向に移動できる以前にプローブを引き込まなければ ならない。

これら不利点の全ては、μ出した、レーザに基づいた、非接融センサ・システム 乞使用することによって克服される。

発明の云約 本発明は、現在製造されているＣＭＭ（座標測定機械）およびこれも現在製造さ れている接触プローブと物理的にプラグ・コンパティプルであるよう番τ設計さ ｎている。

本発明は、光学的トリガ信号を発生し、この信号はＣＡＩＨによって受信される とルビー先端の機械式プローブによる接点片と電気的に等価である。

検矧機樽は、レーザ・ダイオードのようなレーザ光源、および物体の表面上＋Ｃ 光を焦点合わせする１つ以上のレンズによってつくられる。

受光レンズは、レーザの反射光乞送出し、個体（εｏｌｉｄｓｔａｔｅ）の光検 出器の対乞走査するようにそのレーザ光乞集束さぜる。これら対の最初の検出器 に反射光が焦点合わせさｎるにつｎで、”有効範囲内（ｉｎ　ｒａｎｇｅ　）” 信号が関連の電子回路によって発生され、更に、トリガ点や測定点に到達しよう としていることンオペレータに警告７発するための、例えばＬＥＤ　（Ｌイｇｈ ｔ　Ｅ毒１ｔｔｉ？ＩｇＤｉｏｄｅ　：発光ダイオード）のような視聴覚表示が オペレータ用に発生される。このような手段は機械式のプローブでは不可能であ る。この焦点合わせされた光が等量づつ又は予め決められた比率で、これら対に なっている検出器に入ってい（につれて、トリガ点に到達し更に、座標測定をす べきであるとする信号がＣＭＨにたいして発生され、これによって本発明の第一 の機能が達成される。

座標測定機（Ｃ，ＭＭ）の操作において、測定点の行き過ぎがあり得るような場 合には、この対になっている第２の検出器に焦点合わせされた光は、センサのヘ ッドがいまだ測定位置の”有効範囲内”であることを示し続ける。

この焦点合わせされた光ビームがこの対になっている第２の検出器ン通過するに つれて、オペレータが表面に接触しないように、有効範囲内光線は消滅する。

その結果、レーザ・トリガ式の光学プローブは、トリガ信号乞発生するために部 品に接触する必要が全く無いことを除けば、機能という点で、機械式の接触型プ ローブと類似している。有効範囲内信号を発生させるという更なる能力１てよっ て、オペレータは自身が部品の表面に近づいていることが分かる。

更に、レーザ・ビーム（レーザ光線）が焦点合わせされるスポットの寸法は、約 ０．００１インチに過ぎない。

従って、極めて小さなプローブのポイントが用℃・られるので、非常に複雑で、 微小で詳細な物体乞ブロービング（探索）することが可能である。このレーザ・ ビームは、もちろん、何等の引きも無しで表面上を横方向に移動させることも可 能であり、これは輪郭付げされた面乞検出する代替手段となる。この能力によっ て、座標測定器（ＣＭＭ）のデータ収集速度が少なくとも倍にすることも可能で ある。更に、レーザ・ビームは、測定プロセスを通じて、試験物体聚面になにも 摂動（ｐｅｒｔｘデｂａｔｉｏ＊）を引き起こすことはなく、これによって粘土 や薄いシートのような柔らかくそして変形しやす〜・物質の測定に適している。

レーザに基づくセンサはその応答速度も極めて速く、そのシステムは正確である 。応答速度はトリガ信号の場合で約１００マイクロ秒でらつ、精度は０．０００ １インチ台である。

本発明の上記の目的ならびに他の目的および利点は、゛不発明の好ましい実施例 ”、”付図”および゛請求の範囲”乞再論盃すれば、関連の技術に熟標している 人には９弓らかになるであろう。

図面の簡単な説明 第１図は光学システム、光ν、およびトリガ信号を発生させるために物体の位置 ？：検知する検出器の対の略図である。

第２図は、センサ・ヘッドをよりコンパクトにする、第１図とは少し異なった光 学的配置を示す第１図と類似の機械的略図でちる。

第３図は、本発明の１つの実施例の電子回路のブロック図である。

第４図は、第４α図から第４ｅ図乞含むが、本発明に用いられる電子回路を示す 。第４ａ図及び第４ｂ図は、装置が作動するために通常最小限必要な回路７示し 、他の回路は、本発明による他の異なった特徴および桜能乞向上させるための回 路である。

第５α図及び第５ｂ図は、本発明の好ましい実施例の作動７確認する真理値表で ある。

好ましい実施例の説明 第１図に、不発明の１形態の翫拡的略図乞示す。現行の座標測定機械（ＣＡ（邊 ｆ）で使用される好ましい実施例においては、そのコンピュータが測定準備がで きたことを示すＣＭＭからのアーミング（ａｒｍｉ％ｇ）信号を受信すると測定 が始動される。レーザ・ダイオード２０は、赤外線７主（Ｃ放射するとはいえ、 むしろ可視スペクトル内の光も放射するので、オペレータには目標点が見えるこ と（′−なる。光源レンズ２４−従来の成造方法によれば３つのエレメント・レ ンズから成ることもあり得るが−１／ｃよって光は、試験されるキフ体３０の表 面（て集束され、直径が約１０００分の１インチの焦点を形仄する。次ンこ光線 は、物体３０の表面から反射され、受光レンズ３４（でよって、センサ・ヘッド １５内に位置する検出器対３８α及び３８ｂ上に結像される。この２つの検出器 ３８σ及び３８ｂは、ｊめて近接していなければならず、事実Ｕｎｉｔｅｄ　Ｄ ｅｔｅｃｔｏｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社等の会社では従来、シリコンの単体上 に約ｏ、ｏｏｓインチ分離して作成されている。勿険、１つのチップ上に作成さ れた対のものではなく、分離した２つの検出器？使用することは可能である。

第１９乞参照すると分かるように、レンズ３４の中心乞通過する光は偏角してい ない。この原則を利用すｎば、物体３０が余り遠くに位置している場合、受光光 学システム３４に入力する光線は、検出器セグメン）４１の３８ｃＬ乞越えた位 置に集束され、従って検出器３８αにも３８ｂにも集束される光はほとんど無い ことになる。

このような染件下（ておいては、有効範囲内信号は母も点く、従ってセンサ１５ は起動されないままである。レーザ２０の出力は、検出器３８ａが信号を受信で きるように、最大の強度にまで上げても差し叉丸な（・。

センサ１５が物体３０（（近づくにつれて、レーザ・スポットの像（＝、かなり の量の光線が最初に検出器屑１である３８α上Ｋｉ４りさぐように移動する。こ の検出器３８αの表面に充分な量の光線が集束された時に、゛有効範囲内”信号 が起動さｎる。センサ１５がさら（て続いて、物体３０に近づ（とレーザ・スポ ットの像は検出器Ａ６１乞慣切り、検出器１ｒ６１及びＡ６２である３８ａ及び ３８ｂ間の接合に近接する。

検出器３８の信号が等しく・時（すなわち、対１ｃなっている検出器腐１と４２ 上に、等しい量のエネルギが降り注いでいる場合）または予め設定された比率で 与えられている時、トリガ点に遅しＣＭＭは信号を受信して座標測定値を記憶す る。

プローブ１５の精度に与える環境的な効果を指し示すため、多くの手段が用いら れ、また用℃・ることか可能である。例えば、オペレータに目標点が見えるよう に、レーザ２０によって好ましくは可視光線を放射したつする。

しかしながら、放射される主たるエネルギは、赤外線の領域に近いものであるこ とが好ましく、更にセンサ３８が周辺照明にたいしてブラインド（ｂｌｉ？Ｓｄ ）　であるように全ての可視光線を遮断するフィルタ４０を用いることが好まし ℃・。発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ　Ｅ常ｉｔｔｉ−ｎｇ　Ｄｉｏｄｅ 　）のような分離した可視光線光源を物体表面上に焦点合わせさせて、オペレー タがトリガ点を識別しやすいようにすることも可能である。このような実施例に おいては、全ての可視光線がフィルタ４０によって測定・分析から除外されてい て、ＬＥＤ光源とレーザ光源からの可視スペクトルとが集束する時にトリガ点が 示されることが好ましい。螢光灯−こちらの方が望ましいのであるが−ではなく 白熱電球による周辺照明２用いる灸件下において、又はシステムの夛どまりにお ける雑音が２つの検出器３８ａと３８ｂ上の信号とほとんど等しくなる程に生ず るように物体３０の表面が大−にピントが外れている場合、トリガ点乞得るため に検出器３８ａおよび３８ｂ上における信号が等量である必要はないが、この理 由はトリガ点は、検出器３８上に降り注ぐ等量の白熱光、又は雑音によってトリ ガしてもさしつかえないからである。他のどんな信号比の固定値も、第４図に引 用されているオペアンプ（演算増幅器）の基準電位を調整して選択することが可 能である。

光学システムへ強化することによって、焦点距離７変えた９レーザ光線ビームの 焦点ン最大にしたつすることが可能である。更に、ある種の物体表面の場合、光 線ビームの入射角および反射角を変化させることが可能である。例えば、光線の 放射角と反射角が共に４５°−反射角の合計値は個々に９０°になるが−とじて もさしつかえない。周辺照明に起因する測定誤差にたいする別の防止策乞、レー ザ光源７ある周波数（例えば１００　＆７７ｇ）で急速に変調させ、更に非常に 低い変調周波数−もしあれば−をもつ周辺光線ではな（変調された光線だけン検 出する検出器の後に適切な電子フィルタ馨内臓させることによって得ることが可 能である。

トリガ信号が与えられると、その結果アーミング光線４２が、２つの信号が等し くなるか又は予め設定された比になる点において（Ｃ）ｆλｆのソフトウェアに よって）消される。そしてセンサヘッド１５が物体３０に近接し過ぎると、像は 主として検出器腐２すなわち３８ｂの方に降り注ぐ。センサが近接し過ぎて０る ため、トリガが与えられている間は、有効範囲内信号４４はオンのままである。

物体が近接し過ぎると、光線は検出器Ａ６２すなわち３８１＋の方に降り注ぎ、 有効範囲内信号４４は消滅する。

レーザ２０のパワーは、満足すべきレベルの信号が検出器対３８に降り注ぐよう に維持される。光線は、極端に明るい物体の場合には、検出器３８に余りに多量 の光乞入力するのでその強度を下げ、色が鈍く、拡散的に反射したり吸収したり する物体の場合には、検出器３８に余り多量の光線乞帰還させないのでそのレベ ル２上げたつしてもさしつかえない。

円柱レンズ４５Ｙセンサ１５にオプションとして追加してもさしつかえなく、こ うてれは吻体上の点の代わりに、例えばアスペクト・レジ第１０対ｌで照明パタ ーンを小さなストライプ（５ｔｒｉｐｅ　）Ｋする働き乞する。このストライプ は、その長い軸が、図面内の略図にたいして垂直になるように（図面から只出す るように）方向２定めることが好ましい。このようにする利点は、試験界面にた いして小量の１平均化”が可能となり、こうすることによって、レーザに基づい た非接触範囲センサの精度を常に制限する要因である表面上の微細構造、掻き偏 、または他の頁面の荒れの幾分か乞補償することが可能である。ラインがかたつ 短かくても、センサ１５はそれでもやはり物体３０上の小さな領域’ｋ　Ｑｉ＋ 定する。従って、円柱レンズ４５が発生するラインの長さにたいしてはある程度 の妥協がなされ得る。長さ約０．０１０インチのライン・セグメント（この場合 レーザ・ビームは１×１０ミルである）の寸法が、穏当な値である。

センサ・ヘッド１５の全体は、レーザ・ビームにたいして軸方向に整列されたロ ッド（ｒｏｄ）　５０’を介して取り付けられている。センサ・ヘッド上には、 ３つのインジケータ・ランプ４２−４４が取っ付けられている。その内の１つラ ンプ４３は、連邦法によって必要とされる”レーザ・オン”表示でア９、別のラ ンプ４２は赤の”アーミングされた”信号であり、３番目のランプ４４は緑色の ゛有効範囲内”信号でちる。

電気的には、このセンサは、アーミング信号の等価電圧乞センサ１５およびトリ ガの出力値に維持することによって、Ｒｇｉｎａｈａｓｎ社の氷械式トリガ・プ ローブとピン・コンパチブルにすることが可能である。

第２因は、レーザ光源２０、検出器３８および光学システムの物理的レイアウト の代替実施例の第２の機械的略図を示す。第２図に示す配置を用いることによっ て、光学システム全体乞１．５インチ×３インチ未満の寸法のハウジング部分に 取容できるように、２つの集束レンズ３４及び３５ならびに反射鏡５２’＆使用 して、コンパクトなセンサ・ヘッド１５乞講成することが可能である。

このコンパクトなセンサ・ヘッド１５の主たる動作および取り付けは、落１の笑 旅例に付いての説明と実質的に同一である。

検出器対３８乞越えた所に集束された層ビームの走査する速度ン最大にするため 、受光レンズ３４の角度ｔ４５°と図示しているが、本発明の目的を達成するに は、他の角度を採用してもさしつかえないことが理解されるだろう。

第３図は、センサ・システムの電子回路のブロック図を示す。検出器対３８が中 心的機構である。この検出器対３８のいずれか一方に充分な強度の信号が存在す る場合、有効範囲内しきい値６０に達し、その結果“有効範囲内”信号６２が与 えられる。

レーザのパワーもまた、検出器対３８から充分な強度の信号を与えるため、レー ザ・パワー制御回ｗ８６４によって設定される。２つの検出器３８上に集束され た／ぐワーを互いに比較し、もし両者の信号が等しければ、以下に説明するよう にランチ７０によってラッチされ得る比較器（コンパレータ）回路によってトリ ガ信号７５が与えられる。センサがソフトウェアによってアーミングされている 場合には、内部でラッチされたトリガ信号は、赤のアーミング／トリガ光ン消す ために、アーミング信号７２と論理結合することが可能である。

第４図は光学的トリガの路線図ン示す。第４ａ図は、レーザ・ダイオード２０の パワー出力を制御する回路である。第４ｂ図の路線図は、デュアル光検出器３８ からパワー２受は取つ、トリガ信号７５並びに有効範囲内信号および有効範囲外 信号６２を発生させる回路である。

第４α図を参照すると、パワー・レベル回路はそのフィードバック信号としてダ イオードＤ−１の出力を用いているが、このダイオードはレーザ・ダイオード２ ０の一部として実装されている。この信号は、相互コンダクタンス増幅器である オペアンプ４１０１によって増幅され、更に積分器であるオペアンプ１０２に入 力される。

この積分器の出力は、オペアンプ１０３及びトランジスタＴ−１によってバッフ ァリング及び増幅され、制御され７’Ｃｔ流乞レーザ・ダイオードＤ−２に提供 する。この電流は、電位差計Ｒ−１上で調節された基準レベルによって決定され （それは、オペアンプ１０１からの信号と比較される）、レーザ・ダイオードＤ −２が放射した光量に比例する。もし信号の強度が増大したり減少したりすると 、光の電流の増減と逆方向であり、電位差計Ｒ−１上で調節された設定レベルに 状態乞訂正して戻す、積分子であるオペアンプ１０２の出力に誤差信号が発生さ れる。負電圧ｈｗ器１２０は、ホトダイオードＤ−１用にバイアス電圧を提供し 、更に単一１２ボルトの電源からのこの回路の動作乞可能にするために使用され る。

第４ｂ図の検出器３８の回路は、トリガ７５信号および範囲（ｒａｎｇｅ　）　 ６２信号を実際に測定するために使用されるが、２つのトランスインピーダンス 増幅器であるオペアンプ１０４及びｉｏｓ’ｖ用いている。これら２つの”ｆｌ ’ｌ器１０４及び１０５からの出力は、抵抗Ｒ−２及びＲ−３並びにコンデンサ （’−１及びＣ−２から成る低域フィルタを介して戸波される。Ｆ波されたこれ ら２つの信号は差動コンパレータであるオペアンプ１０６に入力される。このコ ンパレータ・オペアンプ１０６の出力は、オペアンプ１０４及び１０５からのそ の２つの入力電圧の相対的な大きさが、ホトダイオード対３８α及び３Ｂｂ上に 入る光線の移動によって変化するにつれて、その状態が変化する。コンパレータ ・オペアンプ１０６の出力は、第４ｂ図に示すように直接に、又は第４Ｃ図に示 すように、座標測定機械（ＣＭＭ）にトリガ信号７５を提供するランチ７０ｙ！ ’介してオープン・コレクタのトランジスタＴ−’２ｚニドライブする。

オペアンプ１０７は、ホトダイオード対３８中の２つのホトダイオード３５ａ及 び３５ｂの出力の算術平均２調べる。この平均電圧は、ホトダイオード対３８上 の光の量に対応して、該平均電圧は基準レベルと比較され、有効範囲内信号およ び有効範囲外信号６２７発生するのに使用される。有効範囲外信号６２は、トラ ンジスタＴ−３のベースｔドライブし、次にこのトランジスタはＴ−３は、トラ ンジスタＴ−４のベースをドライブして、コンパレータ・オペアンプ１０６のス トローブ入力ヲ禁止する。この禁止動作は、センサ１５が有効範囲外であつホト ダイオード対３８α及び３８ｂＶＣ照射される光量が迫寛さ１するほど光分でな い場合に、トリガ信号を使用不能にするために実行される。

ｖ−’ｙ２ｏのパワーの調型用に使用するためのコンパレータ１０９が、第４ｃ 図に示されている。素面は、検出中においては、非常に暗い状態から非常に明る い状態まで変化し得るので、レーザ・ビームのパワーは、異なった複数の物体ま たは反射の度合が変化する物体を測定する際には調整する必要があり得る。

パワー調整回路は、検出器３８の第一の検出器３８ｃの出力を測定するオペアン プ１０５の出力およびレーザ２０用のパワー回路６４への基準電圧に接続されて いるオペアンプ１０９から成る。センサ１５回路がアーミング（ａｒｍｉ＞ｇ） 又は起動されるにしたがって、第一の検出器３８αはレーザ２０のビーム乞検出 することン止め、従ってパワー調整回路６４は暗い表面が検出されていないこと ｔ確認するためにレーザのパワーを上げる。もしこのレーザのパフ−を余つに上 げ過ぎたために充分すぎる量の信号が検出される場合又は非常に強い反射性の表 面が横細された場合には、逆のプロセスが起こり、レーザのパワーは下がる。こ のようにして、システムは、もつとも正確な検出がなされるように最適化するこ とが可能である。

第４ｅ図に、センサ用のＣλｆノｆアーミング回路乞示す。

第４−図に示す回路においては、ＣＭＭから受け取られた可視光線の表示だけが 用いられている。この回路においては、汐、ｊ定の準備がなったことを示す、Ｃ 、Ｓｆ　、Ｓｆから受信された信号は、トランジスタ７５に接続されているが、 このトランジスタはオン１（なると、赤のＬＥＤ４２乞点灯すせて、オペレータ に洪」定を告げる。

ｇＪｄ図に示すラッチ回路７０乞使用して、プローブ１５が第５ａ図に示す”Ｃ ”領域１（入るまで測定するために“オン状態”にラッチされる内部トリガ信号 ｒＴＳ乞発生させることが可能である。プローブが１遠過ぎる領域”であるＣ又 はＤに達すると、イベント・トリガ信号（ｅｖｅｎｔ　ｔｒｉｇ（Ｈｒ　ｓｉｇ ｎａｌ　）が、そのプローブが領域Ｂに戻つセンサ・システムがリセットするま でラッチされる。従って内部ラッチは、センサ１５が物体３０から（領域Ｂの内 部にまで）遠ざかり、２回目の測定？するためにランチがリセットさｎるまで、 トリガ信号Ｙｍ持する。このラッチは、遠過ぎるのではなく近過ぎる有効範囲外 信号間を識別するために使用される。例えば、トリガ・イベントが発生した後に 、センサ１５が物体３０に更に近づくと、受光されたビームは検出器Ａ２である ３８ｂ上において優勢になり、“有効範囲内”という表示がなされるが、ランチ ７０を用いれば、回路はトリガが発生したことン記憶している。センサ１５が物 体３０の方向に移動し萩けると、受光されたレーザ・ビームは、検出器腐２であ る３８ｂ乞通過し、”有効範囲外”表示が存在することになる。ラッチ回路がこ のような状態にある場合、センサは自身が近過ぎるか遠過ぎるか乞知り。

そしてオペレータは最新の発生イベントが、センサ１５が物体３０に近過ぎたイ ベントであることｔ知る。

いているーは、センサ１５ｉ；物体に余りに近づき過ぎて有効範囲から外れた後 に、トリガ・イベン）Ｙ記憶すベントの発生直後にランチ２０１をセットし、そ の後で、センサ１５が再度正しい範囲、すなわち遠過ぎる状態に入った時に、第 一のラッチ２０１乞クリアするため、ワン・ショットとしてランチ２０２７使用 することによって遂行される。次にこの回路は、ラッチされた信号ビ取り出して この信号を対応する組合せに理と共に用いて、ＣＭＨのユーザが希望する状態を 得る。この状態ビ達成するためには、センサ１５が遠過ぎる状態から有効範囲の 外に存在している間およびトリガ・イベントが発生する以前の有効範囲内に存在 する間の双方において、トランジスタ２が閉じた９オンになったりすることが必 要である。この状態は、２つのＡ　ＮＤゲート２０６及び２０７並びにトランジ スタＴ２のベース乞ドライブするＯＲグー）２０９によって論理的に決定される 。更にこの回路は、センサ１５が測定中の部分３０に近過ぎる時、センサ１５が 有効範囲内または有効範囲外にある限りいつでも、トリガが発生した後において 、ＣＭＭシステムにたいしてゼロ信号またはオーブン・コレクタ信号を与える。

最後に、トリガ、イベントは、（１）内部ラッチが・測定するように回路Ｖ＋件 付けする後までは、そして（２）ＣＭＭからのアーミング信号が受信される後ま では、起こることはないでの、アーミング信号および内部ラッチ信号に接続され ているＡ　Ａ’　Ｄゲート（図示されていない）を用いることによって、センサ １５の完全なフェイル・セーフ動作が保証される。

本発明の最後の実施例においては、内部ラッチ信号もアーミング信号も用いるこ とはなく、例えば基板（サブストレート）上の表面実装されたマイクロチップ等 の詳細な位置付げ作業の際の走置モードにおいて使用することが可能である。Ａ インチを越えるプロフィールンもつ一層大きな測定値の物体の場合には、有効範 囲内信号６２は、検出中の底部表面の上部に設定され、そのプロで検出すること が可能である。兄インチに満たないマイクロチップ及び他の測′定物体の場合、 範囲内信号は、底部表面において実現することが可能であり、更にマイクロチッ プのプロフィールは、トリガ信号７５乞出力させることによって検出可能である 。本発明の上記の使用例および他の様々な使用例は、関連技術に習熟した人々に とっては、不発明の構造および動作乞考慮すれば、明かになるでちろう。

動作中においては、センサ１５は次のように作動する。

センサ１５は、座標測定機械（ＣＭＭ）のアーム上に接触型プローブの代替物と して取り付けられる。レーザ・プローブは、センサのハウジングの外部約１イン チの所に焦点ｋ　ｆｉｓぷよう（てレーザ・ビーム乞放Ｈする。このレーザ・ビ ームは、部品３０の表面に降り注がれ、そして光線は、受光光学系３４の方向に 反射される。部品の表面が近づ（ｉＣつｎで、ＣＭ　、Ｉｆは最初にセンサ１５ から、それがトリガ点の近傍−例えばトリガ点がら約添インチ以内−に存在して ℃・るという指示を得る。この指示は゛有効範囲内”信号６２と呼ばれ、“貴方 は近い”ことを意味する。この信号は、機械式の接触型プローブには装備されて いない。次にオペレータは、物体の表面の位ｔを教えらｎてその表面に自動的に 近接するコンピュータ駆動式の座標測定機械（ＣＭＭ）の場合と同様に、物体表 面の方向に近づ（運度乞落としうる。

”有効範囲内”状態は、電気信号６２、及び適当な位置に近づいたこと乞オペレ ータに示す緑色のランプ４４によって示される。別の亦℃・ランプ４２はこの時 、既にオンになっていて、プローブがアーミングされていて測定値乞読み取る準 備ができており、しかし物体表面には接触していないこと乞示す。はとんどの座 標測定機械（ＣＭ、Ｓりにおいては、赤のランプ４２のアーミング信号は、ＣＭ Ｈに常駐しているソフトウェア及びハードウェアから供給される。

センサ１５が有効範囲内にあり、ある正確に売足された距離−Ｕ出したセンサか ら約１インチ−の所まで部品の表面ＩＣ近接した時、電気的トリガが、正確な範 囲が横切ら几伐呂されたことを示す。このトリガ信号は、座標測定＠椋（（：’ Ｍｕ）に送られ、このＣＭＭは次にＣＭＭのアーム上のエンコーダ乞電気的にロ ックし、センサ・ヘッド１５上の赤ランプ４２２オフにして、トリガが発生した こと？示す。従ってこの信号は、接触式プローブ内の接点？開閉するに等しい。

もし行き過ぎると（すなわち、部品に近接し過ぎると）、トリガ信号は低いレベ ルのままであり、機械式のプローブの場合における接点が解放されたと等価の状 態であること乞示す。部品に充分に近接すると、有効範囲内信号６２もオフする 。電流センサの場合には、この事態は、トリガ点が約兄インチはど行き過ぎた時 に起こる一第５図は、上記のトリガ動作【て関わる論理信号の線図でおる。第５ ａ図に示すように、明瞭に区別される４つ領域に用いられている。領域Ａは、プ ローブがトリガ点から余９に高過ぎるか遠過ぎる領域でおる。領域Ｂは、信号が 検出器、ぢ１に降り注がｎていて、センサカ吋り定の有効範囲内にちるが、なお かつ高過ぎる領域である。トリガ点は、中央に存在する。領域Ｃは、光線が主と して検出器、ぢ２上ＩＣ照射されて℃・て、プローブが物体に近接し過ぎている 領域である。領域りは、センサが近接し過ぎている場合を示す。

様々な電子的な信号および光線の様々な論理レベルは、第５ｂ図の論理図に示さ れている。

本発明によるレーザ・プローブの特定の実施例ならびにプローブの構造、動作双 方における多くの＜６正内オ６よび変更例に関する上記の説明から、関連技術に 習熟した人々２てとっては、上述の特定の実施例に多くの様々な変更、修正を施 して、本発明の様々な目的を達成することが可能であることが明らかであろう。

請求の範囲に含まれるこのような修正および変更は全て、本発明の意図の範囲内 である。

浄書（内容に変更なし） 浄書（内容に変更なし） 浄書（内容に変更なし） 補正書の翻訳文提出書 （特許法第１８４条の７第１項） 昭和６３年　５月　９日 １、特許出願の表示 ＰＣＴ／ＵＳ８７１０２２２４ ２、発明の名称 レーザ・プローブ ３、特許出願人 住　所　アメリカ合衆国ミネソタ州５５４１４．　ミネアポリス。

ユニバーシティ・アベニュー・サウスイース）　２３３１名　称　サイバーオプ ティックス・コーポレーション４、代理人 住　所　東京都千代田区大手町二丁目２番１号新大手町ビル　２０６区 ６、添付書類の目録 （１）　補正書の翻訳文　１通　にニなものは追完５、前記プローブが更に、前 記複数の検出手段と前記物体との間に位置した反射手段であって、前記物体から 前記検出手段の方向に反射された光緑乞偏向する反射手段を備えることｔ特徴と する、請求の範囲第１項記載のレーザ・プローブ。

６、前記第二の集束手段が、前記物体と前記反射手段との間に位置されたレンズ ２少なくとも１つ含むことを特徴とする請求の範囲第５項記載のレーザ・プロー ブ。

７、前記第二の集束手段が、前記反射手段と前記検出手段との間に位置されたレ ンズン少な（とも１つ含むことを特徴とする請求の範囲第５項記載のレーザ　プ ローブ０ ８、前記第一の集束手段が、前記物体の表面上の前記ビームの照明パターンが、 前記検出手段によって衣面の不規則さが平均化されるように、不均一なアスペク ト・レシオ乞もつようンζ、前記物体上に前記レーザ、ビーム乞焦点合わせする 円柱レンズ２含むことを特徴とする請求の範囲第１項記載のレーザ・プローブ。

９、どの前記検出手段であっても、それに光線が焦点合わせされた時乞決めるた めの手段を、前記レーザ・プローブが更に含むこと乞特徴とする、請求の範囲第 １項記載のレーザ・プローブ。

ＩＱ、どの前記倹一手段であっても、それに光線が焦点合わせされた時、前記レ ーザ・プローブが有効範囲内にあることｔ示す手段を、更に含むこと乞特徴とす る、請求の範囲第９項記載のレーザ・プローブ。

１１、前記予め設定された比率が検出されたこと７示す手段が、前記範囲指示手 段が、前記センサが有効範囲内に存在することｔ示すまで禁止されることを特徴 とする請求の範囲第９項記載のレーザ・プローブ。

１２、前記レーザ手段が、前記予°め設定された比率が検出されたこと乞記鋒す るためのラッチ手段２含むことを特徴とする請求の範囲第１項記載のレーザ・プ ローブ。

１３、前記有効範囲内信号が受信され、更に前記予め設定された比率が検出され たことを前記比較手段が示した時に設定されるラッチ手段を更に含むことを特徴 とする請求の範囲第９項記載のレーザ・プローブ。

１４、前記レーザ・プローブが前記物体から引き戻され、次に有効範囲内に再度 入ったこと乞前記有効範囲内信号が示すまでは、前記ラッチ手段がリセットされ ないことを特徴とする請求の範囲第１３項記載のレーザ・プローブ。

１５、レーザ・ビームを発生させる手段をもつレーザ・プローブが、予め設定さ れた距離だけ物体から離れている時に距離測定ンする方法であって、 前記物体上に前記レーザ・ビーム乞焦点合わせし；複数の検出手段乞、前記レー ザ・ビームと予め設定された角度で位置付けし： 反射したレーザ・ビームをこれら複数の検出手段の方向に集束させ； 少なくとも２つの検出手段上に降り注ぐ光線の量乞比較し；更に 前記検出手段の内部なくとも２つに、予め設定された量の光線が焦点合わせされ た時、距離測定ｔするように指示するトリガ信号乞発生させるステップを備える ことを特徴とする方法。

１６、前記検出手段の内いずれかの上に光線が焦点合わせされた時、前記レーザ ・プローブが有効範囲内に存在すること乞示す信号を発生させるステップを更に 備えること’ａ−Ｗ徴とする、請求の範囲第１５項記載の方法。

１７、前記有効範囲信号が存在する時にトリガ信号ｔラッチし：更に 有効範囲内信号の状態が変化し第二の有効範囲内信号が発生された後でのみ、前 記ラッチ馨リセットするステップを更に備えることｔ％徴とする、請求の範囲第 １６項記載の方法。

迅、前記有効範囲内信号が発生されるまでは、前記トリガ信号の発生を禁止する ステップを更に備えることを特徴とする請求の範囲第１６項記載の方法。

手続補正書 昭和６３年　７月２ｆ日 特許庁長官　吉　１）文　毅　殿 ＰＣＴ／ＵＳ８７１０２２２４ ２、発明の名称 レーザ・プローブ ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住所 名　称　サイバーオプティックス・コーポレーション４、代理人 住　所　東京都千代田区大手町二丁目２番１号新大手町ビル　２０６区 ５、補正の対象 タイプ印書により浄書した補正書の翻訳文ＰＣＴ／ＵＳ８７１０２２２４ ２、発明の名称 レーザ・プローブ ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住所 名　称　サイバーオプティックス・コーポレーション４、代理人 住　所　東京都千代田区大手町二丁目２番１号（３）タイプ印書により浄書した 明細書及び請求の範囲の翻訳文（４）図面の翻訳文 ６、補正の内容 別紙の通り（尚、上記（３）　（４）の書面の内容には変更ない７、　榊゛ユ、 イｔイＣＱ　６イず　」トオに゛先、）／　叱１’ｌｆｊこ宰」９也ノ国際調査 報告

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. １．物体とそれ自身との間の距離が予め設定された値に達したことを示すレーザ ・プローブであつて、レーザ・ビームを発生させる手段； レーザ・ビームを前記物体上に焦点合わせする第一の集束手段； 光線を検出する複数の検出手段； 前記物体から反射して前記複数の検出手段に向かう前記光線を集束するための前 記複数の検出手段と物体との間に位置する第二の集束手段；および 予め設定された比率が検出されたことを示す手段をその内部に含み、その予め設 定された比率の光線が、当該検出手段の内少なくとも２つの手段上に焦点合わせ されたときを決めるための前記検出手段に接続されている比較手段を備えること を特徴とするレーザ・プローブ。
2. ２．前記比較手段が少なくとも２つの前記検出手段上に、焦点合わせされた等し い光線が存在する時、前記予め設定された比率が検出されたことを示すことを特 徴とする、請求の範囲第１項記載のレーザ・プローブ。
3. ３．前記複数の検出手段が２つの検出手段を含み、前記比較手段が等しい光線が これら検出器上に焦点合わせされた時に、前記予め設定された比率が検出された ことを示すことを特徴とする、請求の範囲第１項記載のレーザ・プローブ。
4. ４．前記プローブが更に、前記物体の反射の度合が低い時には前記レーザ・ビー ムのパワーが増大し、前記物体の反射の度合が高い時には減少するように前記レ ーザ・パワーを調整する手段を含むことを特徴とする、請求の範囲第１項記載の レーザ・プローブ。
5. ５．前記プローブが更に、前記複数の検出手段と前記物体の間に位置する反射手 段であつて、前記物体から前記検出手段の方向に反射された光線を偏向する反射 手段を備えることを特徴とする、請求の範囲第１項記載のレーザ・プローブ。
6. ６．前記第二の集束手段が、前記物体と前記反射手段との間に位置するレンズを 少なくとも１つ含むことを特徴とする、請求の範囲第５項記載のレーザ・プロー ブ。
7. ７．前記第二の集束レンズが、前記反射手段と前記検出手段との間に位置するレ ンズを少なくとも１つ含むことを特徴とする、請求の範囲第５項記載のレーザ・ プローブ。
8. ８．前記第一の集束手段が、物体の表面の不規則さが前記検出手段によつて平均 化されるように、不均一なアスペクトを有する方法で前記レーザ・ビームを前記 物体上に焦点合わせする円柱レンズを含むことを特徴とする、請求の範囲第１項 記載のレーザ・プローブ。
9. ９．どの前記検出手段であつても、それに光線が焦点合わせされたときを決める ための手段を、前記レーザ・プローブが更に含むことを特徴とする、訴求の範囲 第１項記載のレーザ・プローブ。
10. １０．どの前記検出手段であつても、それに光線が焦点合わせされた時、前記レ ーザ・プローブが有効範囲内にあることを示す手段を更に含むことを特徴とする 、請求の範囲第９項記載のレーザ・プローブ。
11. １１．前記予め設定された比率が検出されたことを示す手段が、前記範囲表示手 段が、前記センサが有効範囲内に存在することを示すまで禁止されることを特徴 とする、請求の範囲第９項記載のレーザ・プローブ。
12. １２．前記レーザ手段が前記予め設定された比率が検出されたことを記録するた めのラツチ手段を含むことを特徴とする請求の範囲第１項記載のレーザ・プロー ブ。
13. １３．前記有効範囲内信号が受信され、更に前記予め設定された比率が検出され たことを前記比較回路が示した時に設定されるラツチ手段を更に含むことを特徴 とする請求の範囲第９項記載のレーザ・プローブ。
14. １４．前記レーザ・プローブが前記物体から引き戻され、次に再度このレーザ・ プローブが有効範囲内に入つたことを前記有効範囲内信号が示すまでは、前記ラ ツチ手段がリセツトされないことを特徴とする、請求の範囲第１３項記載のレー ザ・プローブ。
15. １５．レーザ・ビームを発生させる手段をもつレーザ・プローブが、予め設定さ れた距離だけ物体から離れたことを決める方法てあつて、 前記レーザ・ビームを前記物体上に焦点合わせし；複数の検出手段を、前記レー ザ・ビームと予め設定された角度で位置付けし； 反射したレーザ・ビームを前記複数の検出手段の方向に集束させ； 前記複数の検出手段の内少なくとも２つの手段の上に降り注ぐ光線の量を比較し ；更に 予め設定された量の光線が、前記複数の検出手段の内少なくとも２つの手段の上 に焦点合わせされるステップを備えることを特徴とする方法。
16. １６．前記検出手段であればいずれの手段であつても、その上に光線が焦点合わ せされた時、前記レーザ・プローブが有効範囲内にあることを示す信号を発生さ せるステツプを更に備えることを特徴とする、請求の範囲第１５項記載の方法。
17. １７．前記有効範囲内信号が存在する時にトリガ信号をラツチし；更に その範囲内信号の状態が変化し第二の有効範囲内信号が発生された後でのみ、前 記ラツチをリセツトするステツプを更に備えることを特徴とする、請求の範囲第 １６項記載の方法。
18. １８．前記有効範囲内信号が発生されるまでは、前記トリガ信号の発生を禁止す るステツプを更に備えることを特徴とする、請求の範囲第１５項記載の方法。