JPH0311642B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 物体の表面特性を検出する装置において、該
装置は、 第１軸線を有するハウジング部材と； 前記第１軸線の周囲に配置された複数のユニツ
トとを備え、各々の該ユニツトは前記第１軸線に
対して所定の角度をなす第２軸線を有するもので
あつて； 各々の該ユニツトはさらに、以下のものを含
む。

前記第２軸線に沿つて光を放射するための放射
端を有する光放射部； 前記第２軸線上に位置する焦点に対して前記放
射された光を収束させるための手段であつて、該
焦点はその他の前記ユニツトの各々の焦点とは離
れた位置にある； 前記放射端に隣接して設けられた受光手段であ
つて、前記物体が前記放射された光に照らされる
とき、前記物体から反射された光は該受光手段を
照らす；および 前記各々のユニツトに属する前記受光手段を照
らす種々の光を検出するための検出手段。

２ 請求の範囲第２項において、前記第２軸線の
各々が共通の交差領域に収束するように、前記複
数のユニツトを配置したことを特徴とする装置。

３ 請求の範囲第２項において、前記第２軸線の
各々は前記共通の交差領域から前記ユニツトと反
対の方向に離れるに従つて発散していき、所定の
発散領域を形成し、該発散領域内に前記各々のユ
ニツトの焦点が位置するようにしたことを特徴と
する装置。

４ 請求の範囲第２項において、前記各々のユニ
ツトの焦点は同一の円周上に位置することを特徴
とする装置。

５ 請求の範囲第１項において、前記各々のユニ
ツトの焦点は、前記第１軸線を横切る共通平面上
に位置することを特徴とする装置。

６ 請求の範囲第１項において、前記各々のユニ
ツトの第２軸線は、前記第１軸線上の共通ポイン
トにて交差し、前記各々のユニツトの焦点は、該
共通ポイントから離れた所において、前記第１軸
線を中心とする円上に位置することを特徴とする
装置。

７ 物体の第１表面および第２表面がなすエツジ
を検出する装置において、該装置は、 第１軸線を有するハウジング部材と； 前記第１軸線の周囲に対称的に配置された複数
のユニツトとを備え、各々の該ユニツトは前記第
１軸線に対して所定の角度をなす第２軸線を有す
るものであつて； 各々の該ユニツトは、さらに以下のものを含
む。

前記第２軸線に沿つて光を放射するために単一
の放射端を有する光放射部； 前記第２軸線上の焦点に対して前記放射された
光を収束させるための手段； 複数の受光部であつて、各々の受光部はそれぞ
れ単一の受光端を有し、前記第２軸線を横切る平
面上においてこれら受光端は前記単一の放射端に
隣接して配置され、さらに該受光端は前記第２軸
線の周囲に隔散的に配置され、このことにより、
前記放射された光により前記物体の第１表面が照
らされるとき、該第１表面から反射された光は前
記受光端を照らす；および 前記ユニツトの各受光端上における平均化した
照射量を検出する検出手段であつて、該手段によ
り前記第１表面および前記第２表面がなすエツジ
の存在を検出する； ここで、複数ある前記ユニツトの第２軸線は前
記第１軸線上の共通ポイントにて交差し、これら
前記ユニツトの各焦点は該共通ポイントから離れ
た所において前記第１軸線を中心とする円周上に
位置される。

明細書 本発明は、座標位置決め装置におけるワークピ
ース（work piece）の寸法を測定する装置に関
する。典型的な寸法測定装置には、ワークピース
の表面を検知するプローブと、ワークピースに対
してプローブを移動させ、もつて、ワークピース
表面上の特定位置にまでプローブを移動させる手
段と、プローブ移動中に基準面に対するプローブ
の位置を連続して測定する手段と、プローブが上
述の表面を検知するときプローブから得られる信
号出力に応答してプローブの瞬時位置を決定する
手段とが含まれている。かかる装置は、いわゆる
全般的な測定に用いられている。すなわち、かか
る装置は種々な形および大きさを有するワークピ
ースを測定するために用いられ、あるいは、外部
寸法および内部寸法を測定するために通常用いら
れている。この全般的な測定を行うためには、プ
ローブに融通性を備えていることが必要である。
すなわち、検知すべき表面の方向にかかわりな
く、プローブが表面の意義ある範囲にわたつて検
知し得ることが必要である。また、自動制御の下
に、ある表面から次の表面に向つてプローブをか
なりのスピードで移動させる必要がしばしば生じ
る。

従来から知られているプローブは、表面と機械
的なスタイラス（stylus）とを接触させることに
より、その表面を検知している。このスタイラス
は球状端を有している。かかる球状の形により、
スタイラスに対して表面が如何なる角度（かなり
の大きな範囲内における）をなしても、スタイラ
スはその表面と容易に接触することができる。従
つて、多くの典型的動作においては、表面の方向
に適合させるためにスタイラスの方向を変更をす
る必要がない。しかし、測定せんとする第１表面
に向つて機械的な構成を有するスタイラスを移動
させる場合、第１表面との接触がなされた時点に
おいてスタイラスを実質上停止させる必要があ
る。その後に、スタイラスを第１表面から退かせ
る。そして、測定せんとする次の表面に至るスタ
イラスの経路を決定する際には、第１表面に隣接
すると共にこの第１表面に対してある角度をなす
第２表面と、第１表面とによつて限界される妨害
突出部をスタイラスが避けるよう配慮しなければ
ならない。このような突出部を回避することは、
装置の動作速度を低下させることになり、とりわ
け、多数の測定を自動的に且つ高速にて行おうと
する場合には、その速度低下は著しいものとな
る。

本発明に係る方法は、上述した困難さに打ち勝
ち、あるいは、この困難さを減少させるものであ
る。すなわち、本発明に係る方法では、第１表面
および第２表面により限界される突出部を回避す
るために、この突出部から離れてプローブ・ハウ
ジングを通過させるので、プローブを停止させる
必要がない。かかる方法は、比較的平担な第２表
面における凹所（recess）の側壁により限界され
る第１表面が多数存在する場合に特に有用とな
る。このような場合にも、第１表面から少しだけ
離れている第２表面を横切つて、そのプローブ・
ハウジングを移動させるだけでよい。これによ
り、プローブの動きに従つて第１表面の測定を行
うことができる。

本発明に係る装置は、上述した方法を実施する
のに最適である。軸対称な収束性放射は、軸線の
全方向において、その軸線と同一の角度をなす放
射を提供する。従つて、装置の作動範囲内におい
て、前記第１表面の方向にかかわりなく、少なく
とも前記放射のある部分が前記第１表面と相交わ
る。

本発明を遂行するための実施例は、添付した図
面を参照して述べられる。ここで、： 第１図は、座標測定機構の概略立面図である。

第２図は、第１図の拡大断面詳細図であり、検
知装置すなわち本機構に包合されるプローブを示
す。

第３図は、第２図における線−から見た拡
大図である。

第４図は、第２図の拡大詳細図であり、異なつ
た作動位置を示す。

第５図は、第４図における矢印〓の方向から見
た図である。

第６図は、光強度すなわち電圧と、プローブの
変位との関係を示す図表である。

第７図は、システム図である。

第８図は、プローブの第２実施例を示す断面図
である。

第９図は、第８図における線−から見た図
である。

第１０図は、第８図における線−から見た
拡大断面図である。

第１図を参照するに、図示した測定機構は各々
のキヤリツジ１１，１２および１３によつて直交
座標系の３方向Ｘ，ＹおよびＺに移動可能なよう
支持されているヘツド１０を有する。このヘツド
１０には、テーブル１６上に置かれているワーク
ピース１５の表面における位置を検知するプロー
ブ１４が取り付けられている。これらキヤリツジ
１１，１２および１３はモータ１１Ａ，１２Ａお
よび１３Ａにより、それぞれＸ方向、Ｙ方向およ
びＺ方向に駆動される。このようにして各々のキ
ヤリツジ１１，１２および１３が動き、もつて、
予め決められている基準面（datum）に対するプ
ローブ１４の移動距離が電子式測定装置（それ自
体は公知）により測定される。この電子式測定装
置から送出される出力信号は連続カウンタ１１
Ｂ，１２Ｂおよび１３Ｂに伝達され、各々のキヤ
リツジ１１，１２および１３に関する測定値を表
示する。

プローブ１４（第２図参照）は、スピゴツト１
８によりヘツド１０に接続されるハウジング１７
を有する。このハウジング１７は、収束光学系す
なわちレンズ１９を含み、入射光である発散錐
（divergent cone）２０を集めて光の収束錐
（convergent cone）２１を生じさせる。この発
散錐２０は、ハウジング１７に内蔵されている放
射光ガイド２３の出力端面２３Ａに源を発する。
この光学系における軸線Ｚ１はプローブの軸線と
しても考えることができ、本実施例ではＺ方向に
向いている。発散錐２０および収束錐２１は、軸
線Ｚ１のまわりに対称の形状をなしている。

放射光ガイド２３の端部は上述した出力端面２
３Ａに隣接し、軸線Ｚ１を中心とした円になつて
いる。光ガイド２３はハウジング１７から光源、
例えば固定構造物上に置かれたレーザ光源２４
（第１図および第２図参照）まで延びている。こ
の光ガイド２３は、ヘツド１０の移動に適応し得
るよう、可とう性を有している。なお、レーザ光
源または他の適当な光源をヘツド１０上に直接載
せ、あるいはハウジング１７内に載置することも
可能である。反射光を導き入れる受光ガイド２５
は、放射光ガイド２３と同様の方法により、ハウ
ジング１７の一端に納められている。

放射光ガイド２３の出力端面２３Ａと、受光ガ
イド２５の入力端面２５Ａとは、軸線Ｚ１と直交
する共通平面２２上にほぼ同じく配置されてい
る。受光ガイド２５は、固定構造物上に置かれた
制御システム（第１図および第７図参照）に導か
れる。

第３図は、１本の放射光ガイド２３と、この光
ガイド２３の周囲に軸対称となるよう配置された
８本の受光ガイド２５とを示している。入力端面
２５Ａと隣接している受光ガイド２５の端部は、
放射光ガイド２３の隣接端部と平行になつてい
る。受光ガイド２５としては、少なくとも４本設
けることが好適である。

すなわち、XZ平面内において放射光ガイド２
３の正反対側に対向させた２本のガイドと、YZ
平面内において同様に配置した２本のガイドとを
少なくとも設けることが好適である。共通平面２
２において、受光ガイド２５は放射光ガイド２３
と直接的に接していなければならない。

放射光ガイド２３の直径はかなり小さいので
（例えば、0.05ミリメータ程度）、出力端面２３Ａ
は事実上点光源として考えることができる。ここ
で「点」とは、出力端面２３Ａにおける周辺Ｐ
（第３図参照）の内側領域を示す。発散錐２０の
発散角は、放射光ガイド２３における内部反射の
最大角度によつて決定される。収束光学系（レン
ズ）１９は、収束錐２１の頂点部において、出力
端面２３Ａの像を形成する。２１Ａは収束錐２１
における側面の方向を示す。

周辺Ｐで囲まれた比較的小さな領域から十分な
照明用パワーを確実に得るために、レーザ光源２
４と放射光ガイド２３との接続は光増倍手段を介
して行う。光増倍手段として、本実施例では、単
にレンズ２４Ａを介してレーザ光源２４と収束錐
２４Ｂとを光学的に接続している。

軸線Ｚ１（第２図参照）と直交するワークピー
ス１５の表面１５Ｂ上に像２３Ｂが結像している
場合、表面１５Ｂからの反射光は出力端面２３Ａ
（周辺Ｐの内側領域）に到達し、受光ガイド２５
には何の反射光も到達しない。しかし、表面１５
Ｂが軸線Ｚ１の方向にずれて、像２３Ｂから離れ
た位置１５Ｂ１または１５Ｂ２にある場合、収束
錐２１により照らされる範囲は、像２３Ｂの直径
より大きな直径を有する円となる。そして、表面
１５Ｂからの反射光（例えば光線２５Ｂ）は入力
端面２５Ａに到達し、制御システム２６へ伝達さ
れる。

軸線Ｚ１と平行なワークピース１５の表面１５
Ａに像２３Ｂが位置する場合、すなわち表面１５
Ａが軸線Ｚ１上に位置する場合には、収束錐２１
の半分のみが表面１５Ｂに達する。それにもかか
わらず、その光は像２３Ｂの半分に集中する。そ
して表面１５Ａからの反射光は主として出力端面
２３Ａに到達し、入力端面２５Ａには何の有用な
光も到達しない。しかし、第４図に示すとおり、
像２３Ｂが結晶すべき位置から横方向（軸線Ｚ１
と直交する方向）にずれた位置に表面１５Ａが置
かれている場合には、収束錐２１により照明され
る範囲が限定されて、第５図に示すような双曲線
Ｈで含まれる部分となる。この双曲線Ｈは、主と
して曲線の頂上付近に光が集中している。そし
て、反射光、例えば光線２５Ｃが入力端面２５Ａ
に到達する。

曲線２７（第６図参照）は、受光ガイド２５か
ら得られる光の強度すなわち電圧と、プローブの
変化との関係を示す。この曲線２７が有する極小
値２７Ａは、表面１５Ａまたは１５Ｂが像２３Ｂ
の位置にある場合に生じる。また、それぞれの極
大値２７Ｂ１および２７Ｂ２に至る上昇曲線は、
表面１５Ａまたは１５Ｂが変化するときにおける
像２３Ｂの側部変化に依存している。

第７図は、第１図に示した制御システム２６の
詳細な構成を示す。

制御システム２６において（第７図参照）、受
光ガイド２５はフオトダイオード２９にそれぞれ
接続されている。フオトダイオード２９から得ら
れる出力信号２８は、曲線２７に示すような変化
をする。フオトダイオード２９は加算増幅器３０
に接続され、その出力はトリガ回路３１に接続さ
れる。そして、出力電圧が零バイアス線２７Ｃ
（極小値２７Ａと極大値２７Ｂ１，２７Ｂ２のほ
ぼ中間値）と交差したとき、パルス信号３２が送
出される。信号３２は、それ自体公知である方法
により、カウンタ１１Ｂ，１２Ｂ，１３Ｂに導入
される。そして、瞬時のカウンタ値をコンピユー
タに伝達する。

Ｘ軸上およびＹ軸上（第７図参照）にある４つ
の受光ガイド２５から得られる出力は、各々の増
幅器３４、および出力３６を有するトリガ回路３
５に接続される。この出力３６は軸線Ｚ１の各方
向に対応して＋Ｘ，−Ｘ，＋Ｙ，−Ｙと呼ばれる。
出力３６（＋Ｘ，−Ｘ）はコンピユータ３３およ
びカウンタ１１Ｂに接続される。そして、一方の
信号３６（＋Ｘ）または信号３６（−Ｘ）がカウ
ンタ１１Ｂおよびコンピユータ３３に送られる。
しかし、出力（＋Ｘ）および（−Ｘ）はコンピユ
ータにより分離して読み取られ、表面１５Ｂの面
している方向が決定される。信号３６（＋Ｙ）お
よび信号３６（−Ｙ）も、相応じてコンピユータ
３３およびカウンタ１２Ｂに送られる。表面１５
Ａを測定する方法は、以下に述べる通りである。
まず、キヤリツジ１３（第１図参照）を下げ、像
２３Ｂが表面１５Ｂより下面に結晶するようにす
る。しかし、ハウジング１７は表面１５Ｂより上
方に位置させる。いまプローブ１４が表面１５Ａ
の右側に予め位置されているものと仮定すると、
このプローブはＸ方向上を左方に移動される。こ
の移動中、ハウジング１７は表面１５Ａ，１５Ｂ
と交差するXZ平面内を移動し、もつてハウジン
グ１７は表面１５Ｂの上方を横切るように、Ｘ方
向内を移動する。かくして、収束錐２１の側壁を
限界する方角２１Ａ（第２図，第４図参照）のう
ち図の左側の部分（すなわち、第２図に２１Ａと
して示してある部分）が表面１５Ｂと交差するよ
うにハウジング１７が位置される。ハウジング１
７自体が表面１５Ｂから離れるようキヤリツジ１
３が位置されているならば、ワークピース１５と
の衝突による損傷の危険をハウジング１７に与え
ることなく、プローブ１４をＸ方向に移動させる
ことができる。

収束錐２１の軸対称性を考慮すると、プローブ
１４は軸線Ｚ１の周囲における全方向を検知する
ことができる。従つて、表面１５Ａが面する方向
にかかわりなく、プローブ１４は軸線Ｚ１に対し
て平行な、または傾斜したどんな表面をも検知す
ることができる。

第１図に示すとおり、ワークピース１５は数多
くの凹所を有し、表面１５Ａ１を限界している。
表面１５Ａ１は、表面１５Ａと類似した方向を向
いている。そして表面１５Ｂの上方を横切つてハ
ウジング１７を連続的に移動させることのみによ
り、表面１５Ａ１が測定されることは明らかであ
る。換言すれば、各々の表面１５Ａ１において機
械を停止させる必要がない。このことは、例えば
平板における数多くの孔の間隔を測定する場合な
どに、特に有用である。

上述した方法を実行するためには、像２３Ｂと
ハウジング１７との距離を比較的大きくし、もつ
て、表面１５Ｂから有効な間隔だけ離れた下方に
像２３Ｂを位置させることが必要である。この要
求を満たすために、レンズ１９をハウジング１７
の先端１７Ａに設けてワークピース１５と対向さ
せる。なお、ハウジング１７とワークピース１５
との不注意の衝突からレンズ１９を保護するため
に、短い囲い板１７Ｂを設けることができる。

第８図ないし第１０図において、図示されたプ
ローブ５０は第１軸線Ｚ２を有するハウジング
（サポート）５１を備え、且つ複数のより小さな
ハウジング（すなわち、ユニツト）５２を支持し
ている。これらユニツト５２は、第２軸線５４を
有する収束光ビーム５３を発するよう構成されて
いる。ユニツト５２は、第１軸線Ｚ２の周囲に対
称的に配置されている。各々の第２軸線５４は第
１軸線Ｚ２と角度αをなし、ポイント５４Ａにて
交差する。各々のユニツト５２は平面５６上に終
端をなす光ガイド５５を有し、レンズ５８に対し
て光の発散錐５７（第８図参照）を放射するよう
構成されている。レンズ５８は、収束光ビーム５
３を介して、その光を焦点６４に導く。焦点領域
（第１軸線Ｚ２と平行な表面５９のような領域）
から反射された光は、ほぼ光ガイド５５の端部に
戻る。もし表面５９上に焦点５８が一致していな
い場合には、その反射光は光ガイド５５の周辺を
取り囲む領域に広がり、受光ガイド６０（第１０
図参照）に到達する。受光ガイド６０は、反射光
を制御システムに導く。この制御システムは、所
定の光強度に達した反射光に応答して信号を送出
する手段を有している。射光システムおよび受光
システム、並びに各々のユニツト５２に関する信
号発生は、第２図、第３図、第４図および第７図
に関して述べたものと本質的に同じである。

焦点６４は、ハウジング５１から遠く離れてい
るポイント５４Ａの側部に対してわずかな距離に
ある平面６１上に位置している。よつて、第１軸
線Ｚ２を中心とする共通円６２（第９図参照）上
に焦点６４が事実上配列されることになる。かか
る配列により、各々のユニツト５２から得られる
複数の受光出力を弁別し得るようにプローブ５０
を構成することができる。これは、反射表面が面
する方向を検出するという目的のために有益のみ
ならず、特定の表面からの反射光を特定のユニツ
トに集中させ、もつて、漏れ反射光による干渉を
避け若しくは減させることができるという利点を
有する。第８図は４個のユニツト５２を示してい
るが、さらに多くのユニツトを設け、もつて共通
円６２上における焦点の密度を増大し得ることは
明らかである。共通円６２上に複数の焦点６４を
配置し且つ第２軸線５４を第１軸線Ｚ２に対して
傾斜させることにより、広範囲にわたつて面の方
向が変化する表面を検知することが可能となる。
さらに、第１軸線Ｚ２における外周の全方向を検
知し得るのみならず、少なくとも１個のレンズ５
８に対して表面が実質的に対向している限り、第
１軸線Ｚ２に対していかなる角度をとるようにも
表面を配置することが可能である。

プローブ１４に関して述べた方法は、プローブ
５０についても同様に適用することができる。