JPH06254748A

JPH06254748A - 工作機械の変位測定装置

Info

Publication number: JPH06254748A
Application number: JP4413293A
Authority: JP
Inventors: Makoto Sagara; 良誠相; Sadamu Baba; 場定馬; Mitsuoki Hatamoto; 本光興畑
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 1993-03-04
Filing date: 1993-03-04
Publication date: 1994-09-13

Abstract

(57)【要約】【目的】工作機械の主要素の変位を精度よく測定す
る。【構成】テーブル２にステー８を取付け、ステー８の
両側に、位置センサＳ₁，Ｓ₂をそれぞれ取付ける。サ
ドル１に、光源Ｏ、ハーフミラーＭ₁、および３枚の反
射鏡Ｍ₂，Ｍ₃，Ｍ₄をそれぞれ固定する。光源Ｏから
出力された平行光線の光ビームＢ_Lは、その一部がハー
フミラーＭ₁を透過して位置センサＳ₁で受光される。
ハーフミラーＭ₁で反射した反射光は、反射鏡Ｍ₂，Ｍ
₃，Ｍ₄で順次反射されて位置センサＳ₂で受光され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、工作機械のコラムある
いはベッド等の主要素の変形を測定するための変位測定
装置に係り、特に光の直進性を利用した工作機械の変位
測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、光を用いた変位測定装置として
は、例えば特公昭５１−１５２６７号公報に示されてい
るように、単一のレーザ干渉計を用いるとともに、照射
レーザを反射光（復光）と干渉させるために、光軸上に
反転反射器を配設したもの、あるいは特開昭６２−２１
３９４５号公報に示されているように、移動体に光源を
取付けるとともに、途中に集光レンズを配置し、この集
光レンズにより、光を位置検出器上に集光して変位を測
定するようにしたものが知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記従来の変位測定装
置において、単一のレーザ干渉計を用いる前者は、光軸
に平行な変位を測定しているため、光軸に対し直角方向
の変位は検出できないとともに、干渉計や反転反射器等
を必要とするため、構造が複雑になるという問題があ
る。また、往光と復光との２本の光軸があり、その２本
で干渉作用を行わせるのに高精度な光軸合せが必要なた
め、光軸の調整が容易でないという問題もある。

【０００４】一方、途中に結像用の集光レンズを配置す
る後者は、拡散光源を用い受光側に集光レンズを配置し
ているため、集光後の焦点位置が変わって位置検出器上
のスポット光エリアが変化し、これが誤差、不安定さの
要因となるという問題がある。また、光源が移動するた
め、焦点位置が変化するとともに、位置検出器の受光量
が変化し、測定精度が低下するという問題もある。

【０００５】本発明は、このような点を考慮してなされ
たもので、工作機械の主要素の変位を、簡単な構造で精
度よく、しかも安定して測定することができる工作機械
の変位測定装置を提供することを目的とする。

【０００６】本発明の他の目的は、少ない光源数でＸ
軸，Ｙ軸およびＺ軸の各変位を検出することができる工
作機械の変位測定装置を提供するにある。

【０００７】本発明のさらに他の目的は、光路上の空気
の温度斑による屈折率のばらつきに伴なう検出誤差を低
減することができる工作機械の変位測定装置を提供する
にある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
成する手段として、工作機械の固定部に取付けられ、平
行光線ビームを送出する光源と；工作機械の移動部に取
付けられ、前記光源からの光線ビームを法線として受光
する位置センサと；をそれぞれ設けるようにしたことを
特徴とする。

【０００９】そして、本発明においては、位置センサ
を、工作機械のＸ軸，Ｙ軸およびＺ軸の各方向位置にそ
れぞれ配設することが好ましく、また光源と位置センサ
とを結ぶ光軸上に、この光軸に対し４５度傾斜するハー
フミラーを配置するとともに、このハーフミラーからの
射光を受光する位置センサを設けることがより好まし
い。

【００１０】また、光源と位置センサとを結ぶ光軸上
に、この光軸に対し４５度傾斜するハーフミラーを配置
するとともに、このハーフミラーからの反射光の光軸上
に、この光軸に対し４５度傾斜する反射鏡を配置し、こ
の反射鏡からの反射光を、別途配置された光学系を用い
て前記位置センサと同一光軸上に受光面を前記位置セン
サとは１８０°反対方向に向けて配置された他の位置セ
ンサで受光するようにすることが好ましい。

【００１１】また、光源と位置センサとの間を、筒状の
遮蔽体で遮蔽することが好ましく、遮蔽体を、入れ子状
に組合わされる複数の筒状体で構成することがより好ま
しい。そして、遮蔽体は、少なくとも一部を網状体で構
成したり、あるいは内部を真空室にすることがさらに好
ましい。

【００１２】

【作用】本発明に係る工作機械の変位測定装置において
は、工作機械の固定部に光源が取付けられ、この光源か
らの平行光線ビームは、工作機械の移動部に取付けられ
た位置センサで受光される。そして、光軸に直角な変位
が測定される。このため、変位を、簡単な構造で精度よ
く、しかも安定して測定することが可能となる。

【００１３】そして、本発明において、位置センサを、
工作機械のＸ軸，Ｙ軸およびＺ軸の各方向位置にそれぞ
れ配設することにより、すべて方向の変位を測定するこ
とが可能となる。

【００１４】また、光源と位置センサとを結ぶ光軸上
に、この光軸に対し４５度傾斜するハーフミラーを配置
するとともに、このハーフミラーからの反射光を受光す
る位置センサを設けることにより、少ない光源数でＸ
軸，Ｙ軸およびＺ軸の各変位を検出することが可能とな
る。

【００１５】また、光源と位置センサとを結ぶ光軸上
に、この光軸に対し４５度傾斜するハーフミラーを配置
するとともに、このハーフミラーからの反射光の光軸上
に、この光軸に対し４５度傾斜する反射鏡を配置し、こ
の反射鏡からの反射光を、前記位置センサとは別の位置
センサで受光するようにすることにより、光源が熱の蓄
積等によって回転、平行移動した場合であっても、これ
を補正して誤差を少なくすることが可能となる。

【００１６】また光源と位置センサとの間を、筒状の遮
蔽体で遮蔽することにより、空気の温度斑（密度斑）に
よる屈折率の乱れを緩和することが可能になる。

【００１７】また遮蔽体を、入れ子状に組合わされる複
数の筒状で構成することにより、工作機械の移動部とと
もに移動する位置センサの全移動範囲に亘って遮蔽する
ことが可能となる。

【００１８】そしてこの際、遮蔽体の少なくとも一部を
網状体で構成することにより、遮蔽体内部の均温化をよ
り向上させることができるとともに、内部空気の乱流に
伴なう光線ビームの乱れも防止することが可能となる。

【００１９】また、遮蔽体の内部を真空室にすることに
より、内部空気によって光線ビームが乱されることがな
くなり、より精度を向上させることが可能となる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明を図面を参照して説明する。図
１は、本発明の第１実施例に係る工作機械の変位測定装
置を示すもので、図中、符号１はベッド３上にＺ軸方向
に移動可能に搭載されたサドルであり、このサドル１上
にテーブル２がＸ軸方向に摺動可能に搭載されている。

【００２１】ベッド３の一端部には、図２に示すように
Ｙ軸方向にコラム４が立設されており、このコラム４に
は、図示しない主軸頭がＹ軸方向に移動可能に装着され
ている。

【００２２】サドル１とテーブル２との間には、Ｘ軸用
変位測定装置５が設けられ、またサドル１とコラム４と
の間には、Ｚ軸用変位測定装置６が設けられ、さらにコ
ラム４と図示しない主軸頭との間には、Ｙ軸用変位測定
装置７が設けられている。

【００２３】Ｘ軸用変位測定装置５は、図１に示すよう
に、固定部としてのサドル１に取付けられる光源Ｏ、ハ
ーフミラーＭ₁、３枚の反射鏡Ｍ₂、Ｍ₃、Ｍ₄と、移
動部としてのテーブル２にステー８を介してその両側面
に取付けられた一対の位置センサＳ₁、Ｓ₂とを備えて
おり、これらは、光源Ｏとステー８およびミラーＭ₃、
Ｍ₄との間をそれぞれ遮蔽する遮蔽体９および１０とに
よって遮蔽されている。

【００２４】光源Ｏは、レーザ発振器やＬＥＤチップ等
で構成され、平行光線ビームを位置センサＳ₁に向けて
出力するようになっており、位置センサＳ₁は、この光
線ビームを法線として受光する位置に取付けられてい
る。

【００２５】光源Ｏと位置センサＳ₁とを結ぶ光軸上に
は、この光軸に対し４５度傾斜するハーフミラーＭ₁が
配置されており、このハーフミラーＭ₁からの反射光の
光軸上には、この光軸に対し４５度傾斜する反射鏡Ｍ₂
が配置されている。そして、この反射鏡Ｍ₂からの反射
光の光軸上には、この光軸に対し４５度傾斜する反射鏡
Ｍ₃が配置され、さらにこの反射鏡Ｍ₃からの反射光の
光軸上には、この光軸に対し４５度傾斜する反射鏡Ｍ₄
が配置されている。そして、この反射鏡Ｍ₄からの反射
光は、この反射光を法線として受光する位置センサＳ₂
に照射されるようになっている。

【００２６】前記各位置センサＳ₁、Ｓ₂は、例えばＰ
ＳＤ（Position Sensing Device)が用いられ、光点の位
置検出分解能は最小０．１μｍに設定されている。この
ＰＳＤは、一次元位置検出用と二次元位置検出用とがあ
り、使用目的に合わせ適宜選択されるようになってい
る。

【００２７】一方、各遮蔽体９，１０は図１および図２
に示すように、入れ子状に組合わされて多段伸縮状をな
す複数本の筒状体９ａ，１０ａでそれぞれ構成されてい
る。この多段伸縮構造により、テーブル２の移動全範囲
に亘って光線ビームＢ_Lの外周部が完全に覆われ、光路
の安定化が図られる。

【００２８】Ｚ軸用変位測定装置６は、図２に示すよう
に、光源Ｏの近傍位置に設置されたＺ軸用の位置センサ
Ｓ_ZとＺ軸用の光源Ｏ_Zと、これらの間を外部から遮蔽
する遮蔽板１１とを備えている。位置センサＳ_Zは、ベ
ッド３の光源Ｏ_Zからの平行光線ビームを法線として受
光する位置に固定されている。

【００２９】この光源Ｏ_Zおよび位置センサＳ_Zは、前
記Ｘ軸用の光源Ｏおよび位置センサＳ₁，Ｓ₂と同一構
成をなしており、また遮蔽体１１は、入れ子状に組合わ
されて多段伸縮状をなす複数本の筒状体１１ａで構成さ
れ、その先端は、遮蔽体９に連結固定されている。

【００３０】また、Ｙ軸用変位測定装置７は、図２に示
すように、光源Ｏ_Zの近傍位置に設置されたＹ軸用の光
源Ｏ_yと、コラム４にそってＹ軸方向に移動する主軸頭
に固定されたＹ軸用の位置センサ（いずれも図示せず）
と、これらの間を外部から遮蔽する遮蔽体１２とを備え
ており、図示しない位置センサは、光源Ｏ_yからの平行
光源ビームを法線として受光する位置に配設されてい
る。この光源Ｏ_yおよび位置センサは、Ｘ軸用の光源Ｏ
および位置センサＳ₁、Ｓ₂と同一構成をなしており、
また遮蔽板１２は、入れ子状に組合わされて多段伸縮状
をなす複数本の筒状体１２ａで構成され、その先端は、
前記遮蔽板１１に連結固定されている。

【００３１】次に、本実施例の作用について説明する。
Ｘ軸用変位測定装置５の光源Ｏから出力された平行光線
ビームは、２つの位置センサＳ₁、Ｓ₂で受光され、ま
たＺ軸用変位測定装置６の光源Ｏ_Zから出力された平行
光線ビームは、位置センサＳ_Zで受光され、さらにＹ軸
用変位測定装置の光源Ｏ_yから出力された平行光線ビー
ムは、図示しないＹ軸用の位置センサで受光される。し
たがって、これらの平行光線ビームを基とする直交３光
軸を設定し、各光軸の相対関係を測定して誤差を明確に
しておけば、これら３光軸を基準軸として変位を正確に
測定することができる。

【００３２】ところで、Ｘ軸用変位測定装置５は、テー
ブル２とサドル１との間に設けられているが、テーブル
２のサドル１に対する移動距離は極めて長いため、光源
Ｏが熱の蓄積等によりわずかでも移動すると誤差が大き
くなり、工作機械の基準軸として用いることが困難とな
る。

【００３３】そこで、本実施例においては、光源Ｏから
の平行光線ビームを２つの位置センサＳ₁、Ｓ₂で受光
し、光源Ｏの回転や平行移動に伴なう誤差を補正できる
ようにしている。

【００３４】以下、この誤差補正方法を、図３ないし図
６を参照して説明する。図３において、光源Ｏから出力
されたビームは、ハーフミラーＭ₁と光点Ｍ₁₁で交わる
とともに、位置センサＳ₁に光点Ｐ₁を照射する。ま
た、ハーフミラーＭ₁で反射した光は、反射鏡Ｍ₂、Ｍ
₃、Ｍ₄の各光点Ｍ₂₁、Ｍ₃₁、Ｍ₄₁で順次反射し、位置
センサＳ₂に光点Ｐ₂を照射する。

【００３５】ここで、光源Ｏが△θだけ回転したとする
と、位置センサＳ₁上の光点Ｐ₁は、光点Ｐ′₁の位置
までδ₁移動するとともに、ハーフミラーＭ₁の交点Ｍ
₁₁が交点Ｍ₁₂に、また各反射鏡Ｍ₂、Ｍ₃、Ｍ₄の交点
Ｍ₂₁、Ｍ₃₁、Ｍ₄₁が交点Ｍ₂₂、Ｍ₃₂、Ｍ₄₂にそれぞれ移
動し、位置センサＳ₂上の光点Ｐ₂が光点Ｐ′₂の位置
までδ₂だけ移動することになる。

【００３６】光源ＯからハーフミラーＭ₁までの距離を
ａ、ハーフミラーＭ₁から位置センサＳ₁までの距離を
ｌ、ハーフミラーＭ₁から反射鏡Ｍ₂までの距離をｂ、
反射鏡Ｍ₂、Ｍ₃間の距離をｃ、反射鏡Ｍ₃、Ｍ₄間の
距離をｄ、反射鏡Ｍ₄から位置センサＳ₂までの距離を
ｅとすると、図３は図４のように書替えることができ
る。るため、

【００３７】

【数１】となる。なくても、△ＯＰ₁Ｐ₁′と△ＯＰ₂Ｐ₂′とは近似的
に相似と見做すことができる。

【００３８】ところで、実際にテーブル２が上下動して
検出される値をδ₁、δ₂とすると、図３からも明らか
なように、光源Ｏが回転したときの光点Ｐ₁、Ｐ₂の移
動方向は逆になっているため、テーブル２が上にｋだけ
変位したときには、 δ₁′＝δ₁＋ｋ δ₂′＝δ₂−ｋ …(2) となる。したがって、となる。前記数１に上記の計算式(3) を入れて整理する
と、となり式(2) よりとなり、テーブル２の移動量ｋは式(5) から求められ
る。

【００３９】なお、工作機械の摺動面の真直度による傾
斜は通常数秒以内であり、悪くてもそれを少し越える程
度なので、位置センサＳ₁、Ｓ₂が取付けられているス
テー８の傾斜による上下方向の微少変化は、実際上無視
できる程度に小さい。

【００４０】次に、光源Ｏが回転および平行移動した場
合について説明する。位置センサＳ₁、Ｓ₂で受光する
総変位および回転変位を、各々δ₁″、δ₁、δ″₂、
δ₂とすると、光ビームの平行移動による変位は、回転
変位方向に同相で、かつ両位置センサＳ₁、Ｓ₂ともに
同じ値をとるので、 δ₁″＝δ₁＋ｉ＋ｋ δ₂″＝δ₂＋ｉ−ｋ …(6) ただしｉ：光ビームの平行移動変位となる。

【００４１】ところで、図３に示す構成では、δ₁ある
いはδ₂とｉとの分離が式(6) のδ₁あるいはδ₂とｉ
との分離が式(6) のδ₁″およびδ₂″（センサによる
検出値）だけからはテーブル２の変位ｋを求めることが
できない。このため、次の２つの方法のいずれかによっ
て、光源Ｏの光ビームに垂直な方向の変位を検出する必
要がある。

【００４２】その第１番目は、図３に示すように、光源
Ｏに変位検出器Ｔを設け、この変位検出器Ｔによって光
源Ｏの光ビームに垂直な方向の変位を検出する方法であ
る。この変位検出器Ｔは、光源Ｏの形体によって、接触
式（例えば電気マイクロ等）と非接触式（例えば静電容
量式変位計、光反射式変位計等）とを使い分ける。

【００４３】また、第２番目は計算によって求める方法
である。計算で求めるには、未知数が１つ多いのでもう
１つ変位を測定する必要がある。このため、図５のよう
な構成を考える。

【００４４】すなわち、図５に示す構成は、図３に示す
構成において、反射鏡Ｍ₂をハーフミラーＭ₂′に偏光
し、ハーフミラーＭ₂′の透過光の光軸上に直角に位置
センサＳ₃を設置した構成となっており、その変位量と
光源Ｏからの距離との関係を図４のように書替えたもの
が図６である。なお、図５、図６において、符号ｎはハ
ーフミラーＭ₁から位置センサＳ₃までの距離である。

【００４５】図５および図６を用いた式の解法は、説明
を省略するが、式(1) 、式(2) と同様にして、δ、Ｓを
消去し、テーブル２の変位ｋを求めることができる。

【００４６】なお、前記両方法により、平行変位を検出
することができるが、光源Ｏの回転は、距離が長くなる
ため誤差が極端に大きくなるのに対し、平行変位誤差
は、誤差値そのものが検出誤差となるため、その値が小
さいとき（例えば機械の種類や大きさにもよるが２〜３
μｍ以下程度の平行変位）には、特に問題にする必要は
ない。

【００４７】このように、テーブル２等の工作機械の移
動部の変位を、簡単な構造で精度よく、しかも安定して
測定することができる。

【００４８】図７は、本発明の第２の実施例を示すもの
で、前記第１実施例における各遮蔽体９，１０，１１，
１２の筒状体９ａ，１０ａ，１１ａ，１２ａの一部を、
熱伝導率のよい素材で形成される網状体２０で構成する
ようにしたものである。

【００４９】なお、その他の点については、前記第１実
施例と同一構成となっており、作用も同一である。

【００５０】このように、網状体２０を用いることによ
り、遮蔽体９，１０，１１，１２の内部の均温化を促進
することができるとともに、均圧化を図って乱流を防止
することができる。すなわち、遮蔽体９，１０，１１，
１２が伸縮した際に、網状体２０内部の空気は、網目か
らほとんど出入りするため、網目を通過する空気の流路
抵抗により均圧化が期待でき、網状体内部の乱流を防止
することができる。また網状体２０の熱容量による熱伝
達のため、網状体２０内の均温化を促進することができ
る。さらに、網状体の外部空気の流れに対しても抵抗と
なり、網状体の内部の空気の安定化を図ることができ
る。

【００５１】図８は、本発明の第３実施例を示すもの
で、遮蔽体９，１０，１１，１２の内部を真空室３０と
して形成したものである。

【００５２】すなわち、各遮蔽体９，１０，１１，１２
を構成する各筒状体９ａ，１０ａ，１１ａ，１２ａの間
は、シール剤３１でシールされ、筒状体９ａ，１０，１
１ａ，１２ａの開口部３２には、真空度測定用の真空計
３３、バルブ３４，３５、および油回転ベーンポンプ等
の真空ポンプ３６がそれぞれ設けられている。そして、
真空ポンプ３６の駆動により、真空室３０が１／１００
気圧程度にまで真空引きされる。なお、バルブ３５は、
真空ポンプ３６が油回転ベーンポンプのような湿式タイ
プの場合、バルブ３４だけでは液が真空配管に逆流して
しまうため、大気に開放して逆流を防止するためのもの
である。

【００５３】なお、その他の点については、前記第１実
施例と同一構成となっており、作用も同一である。

【００５４】このように、遮蔽体９，１０，１１，１２
の内部を真空室３０とすることにより、空気による光ビ
ームへの影響がなくなり、測定精度をより向上させるこ
とができる。

【００５５】図９および図１０は、本発明の第４実施例
を示すもので、各変位測定装置５，６，７を完全に独立
して設置するようにしたものである。

【００５６】すなわち、図９および図１０において、符
号４１は、工作機械（横中ぐり盤）のサドルであり、こ
のサドル４１上には、Ｘ軸方向に移動するテーブル４２
が搭載されているとともに、サドル４１はベッド４３上
にＺ軸方向に移動可能に搭載されている。ベッド４３の
一端部には、Ｙ軸方向にコラム４４が立設され、このコ
ラム４４には、工具４６を保持する主軸頭４５がＹ軸方
向に移動可能に装着されている。

【００５７】サドル４１とテーブル４２との間には、図
９に示すように、Ｘ軸用変位測定装置５を構成するレー
ザ光源４７およびＰＳＤ４８が設置されているととも
に、サドル４１とベッド４３との間には、図１０に示す
ように、Ｚ軸用変位測定装置６を構成するレーザ光源４
９およびＰＳＤ５０が設置されており、またコラム４４
と主軸頭４５との間には、Ｙ軸用変位測定装置７を構成
するレーザ光源５１およびＰＳＤ５２が設置されてい
る。

【００５８】このように、各光源４７，４９，５１から
出力される光ビームＢ_Lを基とする直交３光軸を設定
し、各光軸の相対関係を測定して誤差を明確にしておけ
ば、各光軸を基準軸として法線方向の変位を測定するこ
とができる。

【００５９】図１１は、本発明の第５実施例を示すもの
で、レーザ光源の数を低減できるようにしたものであ
る。

【００６０】すなわち、前記第４実施例におけるレーザ
光源４９とＰＳＤ５０とを結ぶ光軸上には、図１１に示
すように、この光軸に対し４５度傾斜するハーフミラー
６１が設置されており、このハーフミラー６１からの反
射光をＰＳＤ５２で受光するようになっており、図１０
における光源５１を光源４９として共用した構成となっ
ている。

【００６１】なお、その他の点については、前記第４実
施例と同一構成となっており、作用も同一である。

【００６２】このように、ハーフミラー６１を用いるこ
とにより、Ｙ軸用のレーザ光源５１（図１０参照）を省
略し、光源数を削減することができる。ハーフミラー６
１に代えて、反射鏡やプリブムを用いても、同様の効果
が得られる。

【００６３】ところで、前記第４実施例および第５実施
例においては、主軸頭４５の変位検出を１つのＰＳＤ５
２で行なっているため、２次元用のものを用いても、コ
ラム４４のＸ，Ｚ各軸方向の倒れ変位しか検出できな
い。したがって、コラム４４の捩れや倒れ角の値が必要
な工具４６先端の位置補正を行なうには、捩れ検出セン
サや傾斜角センサが必要となる。

【００６４】図１２は、このような場合に通用される本
発明の第６実施例を示すもので、以下これについて説明
する。

【００６５】コラム４４の下端部には、基準光源７１お
よび補助光源７２がそれぞれ設置されており、基準光源
７１から出力される光ビーム７３は、主軸頭４５に取付
けた位置検出用センサ７４で受光され、補助光源７２か
ら出力される光ビーム７５は、主軸頭４５に取付けた捩
り検出用センサ７６で受光されるようになっている。

【００６６】基準光源７１と位置検出用センサ７４とを
結ぶ光軸上の基準光源７１側の位置には、この光軸に対
し４５度傾斜するハーフミラー７７が配設されており、
このハーフミラー７７で直角方向に反射される反射光７
８は、主軸頭４５に取付けた傾斜検出用センサ７９で受
光されるようになっている。これにより、コラム４４の
前後方向（Ｚ軸方向）の曲げ変位は位置検出用センサ７
４により検出されるとともに、コラム４４の捩れ変位
は、捩り検出用センサ７６および傾斜検出用センサ７９
により、Ｘ軸方向の変位として検出される。

【００６７】すなわち、位置検出用センサ７４は、２次
元用ＰＳＤで形成されてＸ軸およびＺ軸双方向の検出を
行なうようになっているとともに、捩り検出用センサ７
６は、１次元用ＰＳＤで形成されてＸ軸方向の検出を行
なうようになっており、また傾斜検出用センサ７９は、
１次元用ＰＳＤで形成され、ハーフミラー７７の反射光
７８の位置変位を検出することにより、コラム４４の前
後方向（Ｚ軸方向）の傾きを検出するようになってい
る。

【００６８】次に、本実施例の作用について説明する。
まず、主軸頭４５の傾斜による工具４６刃先の傾斜補正
（Ｙ軸方向補正）について説明する。なお、簡単化のた
め、ハーフミラー７７、傾斜検出用センサ、および光ビ
ーム７３の初期アライメントを、光ビーム７３のハーフ
ミラー７７へのの入射角を４５度、傾斜検出用センサ７
９の向きを光ビーム７３と平行とし、主軸頭４５が光ビ
ーム７３に対し変化した際のＹ軸方向の傾斜角を求める
場合につき、以下説明する。

【００６９】ハーフミラー７７と傾斜検出用センサ７９
とは、その間隔を保ったまま光ビーム７３に対して変化
するが、これはＺ軸方向の変化と回転（傾斜）の変化と
の合成として表現できる。これにつき、図１３を参照し
て説明する。

【００７０】最初入射した光ビーム７３は、ハーフミラ
ー７７の表面で反射して傾斜検出用センサ７９₁の落射
点Ｏ₁に落射している。この状態から、主軸頭４５がＺ
軸方向に水平に移動したとすると、ハーフミラー７７は
符号７７´で示す位置まで、また傾斜検出用センサ７９
₁は符号７９₂に示す位置まで移動する。一方、光ビー
ム７３の位置は不変であるため、ハーフミラー７７上の
光ビーム７３の反射点は、Ｐ₁からＰ₂になり、落射点
はＯ₁からＯ₂となる。

【００７１】ここで、ハーフミラー７７´が、反射点Ｐ
₂を支点として△θだけ回転して符号７７″で示すよう
になったとすると、傾斜検出用センサ７９₂も、ハーフ
ミラー７７″と一体的に回転して符号７９₃で示す位置
となり、したがって、光ビーム７３は、ハーフミラー７
７″の反射点Ｐ₂で反射した後、傾斜検出用センサ７９
₃上の落射点Ｏ₃に落射する。

【００７２】ところで、光の反射の法則から、ハーフミ
ラー７７´が△θ回転したのであるから、反射光７８の
為す角Ｏ₂Ｐ₂Ｏ₃は角Ｏ₂Ｐ₂Ｏ₃＝２△θ となる。しかし、ハーフミラー７９₂も反射点Ｐ₂を中
心に△θ回転しているのであるから、落射点Ｏ₂からＯ
₃までは、２△θ−△θ＝△θ となって、△θだけの回転となる。これを、傾斜検出用
センサ７９₂上で示すと、

【００７３】

【数２】となる落射点Ｏ₃′となる。

【００７４】ここで、最初の入射角を４５度としている
ので、傾斜検出用センサ７９₁上の点Ｏ₁も、それを延
長して傾斜検出センサ７９₂と交わった落射点Ｏ₁′と
なる。

【００７５】以上のことから、主軸頭４５がＺ軸方向に
ζ移動し、さらに△θ回転して傾斜したとすると、傾斜
検出センサ７９上の落射点は傾斜検出用センサ７９₂上
のＯ₁′，Ｏ₂，Ｏ₃′と移動することになる。サ７４で検出できるので、

【００７６】

【数３】ただし、ζ：傾斜検出用センサ７９での検出量 ζ：位置検出用センサ７４での検出量ｍ：初期状態での反射距離（＝Ｐ₁Ｏ₁）となる。したがって、工具４６先端の傾斜によるＹ軸補
正量△Ｙは、

【００７７】

【数４】となる。

【００７８】次に、コラム４４の捩れによるＸ軸方向補
正について説明する。図１４には、図１２の位置検出用
センサ７４および捩り検出用センサ７６を主軸頭４５の
上方から見た概略図であり、図中点Ｘ₁′，Ｘ₂′およ
び点Ｘ₁″，Ｘ₂″は、各センサ７４，７６に投射され
た光点で、添字１は初期位置、添字２は変化後の位置を
それぞれ示している。

【００７９】ここで、光点Ｘ₁′，Ｘ₂′の差を△
χ′、光点Ｘ₁″，Ｘ₂″の差を△χ″とすると、△
χ′はコラム４４の倒れであるので、コラム４４の捩れ
角△ηは、

【００８０】

【数５】となり、補正量△χは、

【００８１】

【数６】となる。なお、式(11)において捩れ部が“−”となるの
は、図１４からも明らかなように、点Ｘ₂′を中心に点
Ｘ₂″とは±が逆になるからである。

【００８２】このように、捩り検出用センサ７６および
傾斜検出用センサ７９を用いることにより、コラム４４
の捩れ倒れ角を検出することができ、この値に基づき工
具４６先端の位置補正を行なうことができる。

【００８３】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、平行光線
ビームを送出する光源を工作機械の固定部に取付けると
ともに、この光源からの光線ビームを法線として受光す
る位置センサを工作機械の移動部に取付けるようにして
いるので、基準の光線位置が変わらず、変位測定を高精
度に行なうことができる。また、平行光線ビームを用い
ているので、センサまでの距離が変化しても減衰がな
く、またセンサ上のスポット光径が変わらないので、ス
ポット光径の差による光量分布の重みが変わらず、誤差
を少なくすることができる。また、センサ側に結像レン
ズがないので、センサ上の像の不安定さも皆無である。

【００８４】そして、本発明において、光源および位置
センサを、工作機械のＸ軸，Ｙ軸およびＺ軸の各方向位
置にそれぞれ配設することにより、すべての方向の変位
の変化を測定することができる。

【００８５】また、光源と位置センサとを結ぶ光軸上
に、この光軸に対し４５度傾斜するハーフミラーを配置
するとともに、このハーフミラーからの反射光を受光す
る位置センサを設けることにより、少ない光源数でＸ
軸，Ｙ軸およびＺ軸の各変位を検出することができる。

【００８６】また、光源と位置センサとを結ぶ光軸上
に、この光軸に対し４５度傾斜するハーフミラーを配置
するとともに、このハーフミラーからの反射光の光軸上
に、この光軸に対し４５度傾斜する反射鏡を配置し、こ
の反射鏡からの反射光を、前記位置センサとは別の位置
センサで受光するようにすることにより、光源が熱の蓄
積等によって回転、平行移動した場合であっても、これ
を補正して誤差を少なくすることができる。

【００８７】また、光源と位置センサとの間を、筒状の
遮蔽体で遮蔽することにより、周辺光を防止してセンサ
感度（Ｓ／Ｎ比）を上げることができるとともに、遮蔽
体内部の均温化を図り、空気の温度斑（密度斑）による
屈折率の乱れを緩和することができる。

【００８８】また、遮蔽体を、入れ子状に組合わされる
複数の筒体で構成することにより、位置センサの移動全
範囲に亘って遮蔽することができる。

【００８９】そしてこの際、遮蔽体の少なくとも一部を
網状体で構成することにより、遮蔽体内部の均温化をよ
り向上させることができるとともに、内部空気の乱流に
伴なう光線ビームの乱れも防止することができる。

【００９０】また、遮蔽体の内部を真空室にすることに
より、内部空気によって光線ビームが乱れることがなく
なり、精度をより向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る工作機械の変位測定
装置を示す要部断面図。

【図２】本発明の第１実施例の主要部を示す外観図。

【図３】光源が回転した場合の誤差補正方法を示す説明
図。

【図４】図３を簡略化して示した説明図。

【図５】光源が回転および平行移動した場合の誤差補正
方法を示す説明図。

【図６】図５を簡略化して示した説明図。

【図７】本発明の第２実施例を示す概略側面図。

【図８】本発明の第３実施例を示す概略側断面図。

【図９】本発明の第４実施例を適用した工作機械の正面
図。

【図１０】図９の右側面図。

【図１１】本発明の第５実施例を示す概略構成図。

【図１２】本発明の第６実施例の適用例を示す工作機械
の側面図。

【図１３】図１２において、主軸頭が傾斜した際の工具
刃先のＹ軸方向の補正方法を示す説明図。

【図１４】図１２において、コラムの捩れによるＸ軸方
向の補正方法を示す説明図。

【符号の説明】

１，４１サドル２，４２テーブル３，４３ベッド４，４４コラム５Ｘ軸用変位測定装置６Ｚ軸用変位測定装置７Ｙ軸用変位測定装置９，１０，１１，１２遮蔽体９ａ，１０ａ，１１ａ，１２ａ筒状体２０網状体３０真空室４５主軸頭４６工具４７，４９，５１レーザ光源４８，５０，５２ＰＳＤ６１，７７，Ｍ₁，Ｍ′ ハーフミラー７１基準光源７２補助光源７４位置検出用センサ７６捩り検出用センサ７９傾斜検出用センサＯ，Ｏ_Z，Ｏ_Y 光源Ｍ₂，Ｍ₃，Ｍ₄ 反射鏡Ｓ₁，Ｓ₂，Ｓ₃，Ｓ_Z 位置センサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】工作機械の固定部に取付けられ、平行光線
ビームを送出する光源と；工作機械の移動部に取付けら
れ、前記光源からの光線ビームを法線として受光する位
置センサと；を具備することを特徴とする工作機械の変
位測定装置。
【請求項２】光源および位置センサは、工作機械のＸ
軸，Ｙ軸およびＺ軸の各方向位置にそれぞれ配設されて
いることを特徴とする請求項１記載の工作機械の変位測
定装置。
【請求項３】光源と位置センサとを結ぶ光軸上に、この
光軸に対し４５度傾斜するハーフミラーを配置するとと
もに、このハーフミラーからの反射光を受光する位置セ
ンサを設けたことを特徴とする請求項１記載の工作機械
の変位測定装置。
【請求項４】光源と位置センサとを結ぶ光軸上に、この
光軸に対し４５度傾斜するハーフミラーを配置するとと
もに、このハーフミラーからの反射光の光軸上に、この
光軸に対し４５度傾斜する反射鏡を配置し、この反射鏡
からの反射光を別途配置された光学系を用いて、前記位
置センサと同一光軸上に受光面を前記位置センサとは１
８０°反対方向に向けて配置された他の位置センサで受
光することを特徴とする請求項１記載の工作機械の変位
測定装置。
【請求項５】光線と位置センサとの間を、筒状の遮蔽体
で遮蔽したことを特徴とする請求項１，２，３または４
記載の工作機械の変位測定装置。
【請求項６】遮蔽体は、入れ子状に組合わされる複数の
筒状体で構成されていることを特徴とする請求項５記載
の工作機械の変位測定装置。
【請求項７】遮蔽体は、その少なくとも一部が網状体で
構成されていることを特徴とする請求項５または６記載
の工作機械の変位測定装置。
【請求項８】遮蔽体は、その内部が真空室となっている
ことを特徴とする請求項５または６記載の工作機械の変
位測定装置。