JPH11505919A - 精密角度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 平行四辺形（６２）の枢動可能に接続された交辺（４０、５０）の間の角度を測定するための装置は、基板（８８）に形成される平行で直線的な複数の格子線（８６）から成るパターン（８４）を有する格子（７８）と、読取りヘッド（８０）とを備えている。上記格子は、上記平行四辺形の第１の辺（５０）に関して固定された位置に取り付けられる。上記読取りヘッドは、センサ（９０）を備えており、このセンサは、上記平行四辺形の交辺の間の角度変化に応答して格子線（８６）の変位を感知し目盛の読取り値を発生するように位置決めされている。上記読取りヘッドは、上記第１の辺に平行な上記平行四辺形の第２の辺（５２）に関して固定された位置に取り付けられている。一実施例においては、上記格子は、複数の格子線から成る単一のパターンを有していて、上記平行四辺形の交辺の間の角度変化の絶対値を測定するために使用される。本精密角度測定装置（７２）は、座標測定機械に特に有用であるが、そのような用途に限定されない。

Description

【発明の詳細な説明】 精密角度測定装置 発明の分野 本発明は、精密角度測定装置に関し、より詳細に言えば、平行で直線的な格子 線を用いて平行四辺形の隣接する辺の間の角度を測定するための装置に関する。 本角度測定装置は、座標測定機械に特に有用であるが、そのような用途に限定さ れるものではない。 発明の背景 座標測定機械は、機械加工された部品の如き加工物の寸法検査を行うために使 用されている。加工物は、一般的に、テーブルに固定されており、測定プローブ が、測定空間の中で運動可能である。測定目盛が、測定空間の中のプローブの位 置を監視する。加工物の周囲のある点の座標を測定するために、プローブをその 点に接触させ、機械のＸ、Ｙ及びＺ方向の測定目盛を読み取る。２つの点の間の 距離を測定するために、これら点に順次接触させ、これら両方の点の座標を読み 取って、これら座標から距離を計算する。従来技術の座標測定機械は、高分解能 システム、電気的な接触プローブ、モータによる駆動装置、コンピュータによる 制御装置、及び、コンピュータによるデータ収集処理装置の如き手段を備えてい る。 通常の移動ブリッジ式座標測定機械（ＣＭＭ）は、該ＣＭＭのテーブルの上の 案内路に沿ってＹ方向に動くブリッジを備えている。キャリッジが、上記ブリッ ジの案内路に沿ってＸ方向に動く。下方端にプローブが取り付けられているラム が、上記キャリッジの軸受を通って、垂直方向に動く。上記ブリッジと上記テー ブルとの間の目盛系、上記キャリッジと上記ブリッジとの間の目盛系、及び、上 記ラムと上記キャリッジとの間の目盛系が、直交する３つの方向に運動可能な要 素の位置を指示する。移動ブリッジ式ＣＭＭは、例えば、米国特許第４，９３９ ，６７８号（発行日：１９９０年７月３日、発明者：Beckwith，Jr.）に開示さ れている。別の従来技術の座標測定機械は、水平アーム式の機械であって、この 機械においては、水平ラムが、Ｚ方向レールの上のＺ方向キャリッジによって支 持されている。 従来技術の座標測定機械は、精度及び信頼性の両方の意味において、極めて満 足すべき性能を提供する。しかしながら、そのような装置は、比較的高価である 。その理由は、この装置は複雑であり、また、精密空気軸受を介してキャリッジ 又はラムを担持する案内路の如き精密機械部品を必要とするからである。精度及 び信頼性が極めて高く、尚かつ、構造が簡単で低コストの座標測定機械を提供す ることが望ましい。 種々の枢動マニピュレータ及び関節アームが、従来技術において開示されてい る。日本国出版物Ｎｏ．３−１００４１６（発行日：１９９１年４月２５日）は 、枢動リンク機構を利用した、検知プローブの位置を決定するための装置を開示 している。米国特許第４，３４１，５０２号（発行日：１９８２年７月２７日、 発明者：Makino）は、加工物の位置及び姿勢を制御するための四辺形リンク機構 を備えた組立ロボットを開示している。米国特許第５，１８０，９５５号（発行 日：１９９３年１月１９日、発明者：Karidis et al.）は、マルチバー駆動リン ク機構を備えた位置決め装置を開示している。米国特許第４，３２９，１１１号 （発行日：１９８２年５月１１日、発明者：Schmid）は、第１の枢動軸線に枢動 可能に接続された第１の部材と、第２の枢動軸線において上記第１の部材に枢動 可能に接続された第２の部材とを有する関節アームを備えた、機械的なマニピュ レータを開示している。米国特許第４，８９４，５９５号（発行日：１９９０年 １月１６日、発明者：Sogawa et al.）は、サポート要素を有する可動アームを 備えていて、上記アームの運動範囲全体にわたって平行四辺形の形状を維持する 産業用ロボットを開示している。米国特許第３，７０３，９６８号（発行日：１ ９７２年１１月２８日、発明者：Uhrich et al.）は、台形リンク機構と組み合 わされる２つの平行四辺形リンク機構を備えたマニピュレータアームを開示して いる。本件出願人が承知している限りにおいて、従来技術の座標測定機械は、測 定プローブの位置決めを行うために機械的な枢動構造を用いていない。 機械的な枢動構造を座標測定機械のプローブを位置決めするために応用する際の 重要な問題は、そのような枢動構造の角度を必要な精度で且つ許容可能なコスト で行うことである。 発明の概要 本発明によれば、枢動可能に接続された平行四辺形の交差する辺（交辺）の間 の角度変化を測定するための装置が提供される。本装置は、基板に形成された平 行で直線的な複数の格子線のパターンを有する格子と、読取りヘッドとを備えて いる。この格子は、上記平行四辺形の第１の辺に関して固定された位置に取り付 けられるようになっている。上記読取りヘッドは、上記平行四辺形の交辺の間の 角度変化に応答して上記格子線の変位を感知するように位置決めされた、上記角 度変化を表す目盛の読取り値を発生するセンサを備えている。上記読取りヘッド は、上記第１の辺に平行な上記平行四辺形の第２の辺に関して固定された位置に 取り付けられるようになっている。 好ましい実施例においては、上記格子線は、上記平行四辺形の上記第１の辺に 関してある角度をなして配列されると共に均等に隔置されている。格子線のパタ ーンは、上記平行四辺形がその形状を変化させる際に、上記センサが上記パター ンを追従するように、弧状の形状とすることができる。本装置は、上記目盛の読 取り値に応答して上記平行四辺形の交辺の間の角度を表す値を発生する回路を備 えることができる。 本発明の別の特徴によれば、枢動可能に接続された平行四辺形の交辺の間の角 度を測定するための装置が提供される。この装置は、基板に形成された第１の格 子パターン及び第２の格子パターンを有する格子と、読取りヘッドとを備えてい る。上記第１の格子パターンは、平行で直線的な複数の格子線を含んでいる。上 記格子は、上記平行四辺形の第１の辺に関して固定された位置に取り付けられる ようになっている。上記読取りヘッドは、上記平行四辺形の上記交辺の間の角度 変化に応答して上記第１及び第２の格子パターンのそれぞれの変位を感知しする と共に、上記角度を表す第１及び第２の目盛の読取り値を発生する第１及び第２ のセンサを備えている。上記読取りヘッドは、上記第１の辺に平行な上記平行四 辺形の第２の辺に関して固定された位置に取り付けられるようになっている。 第１の実施例においては、上記第２の格子パターンは、上記第１の格子パター ンの格子線に対してある角度をなして配列される平行で直線的な複数の格子線を 含んでいる。第２の実施例においては、上記第２の格子線は、基準点からの変位 を表すマーキングパターンを含んでいる。本装置は、更に、上記第１及び第２の 目盛の読取り値に応答して上記角度を表す値を発生する回路を備えることができ る。 上記第１の格子パターンの格子線は、上記平行四辺形の上記第１の辺に関して ある角度をなして配列されるのが好ましい。上記ある角度は、このある角度と測 定される角度との和が約９０°に等しくなるように、選択されるのが好ましい。 本発明の別の特徴によれば、枢動可能に接続された第１及び第２の要素の間の 角度変化を測定するための装置が提供される。この装置は、上記第１の要素に対 する上記第２の要素の角運動を、上記第１の要素に対する第３の要素の直線運動 に変換する手段と、基板に形成された平行で直線的な複数の線から成るパターン を有する格子と、読取りヘッドとを備えている。上記格子は、上記第１の要素に 関して固定された位置に取り付けられるようになっている。上記読取りヘッドは 、上記第１及び第２の要素の間の角度変化に応答して上記格子線の変位を感知し 、上記角度変化を表す信号を発生するセンサを備えている。上記読取りヘッドは 、上記第３の要素に関して固定された位置に取り付けられるようになっている。 図面の簡単な説明 本発明をより良く理解するために、本明細書に参考として組み込まれている添 付図面を参照するが、図面において、 図１は、左側前方且つ上方から見た座標測定機械の斜視図であり、 図２は、右側前方且つ上方から見た図１の座標測定機械の斜視図であって、別 のプローブ取付具と共に使用されている状態を示しており、 図３は、図１の座標測定機械の平面図であり、 図４は、図１の座標測定機械の分解斜視図であり、 図５は、プローブが任意の点に示されている図１の座標測定機械の概略平面図 であり、 図６は、図５の線６−６に沿って取った角度センサ７２の概略断面図であり、 図７は、座標測定機械に使用される角度測定装置の概略的な線図であり、 図８は、上記角度測定装置の別の実施例の概略的な線図であり、 図９は、本座標測定機械においてプローブ座標を決定するための測定アセンブ リのブロック図であり、 図１０は、座標測定機械の別の実施例の概略平面図である。 詳細な説明 座標測定機械が、図１乃至図５に示されている。本座標測定機械の主要な要素 は、測定する加工物１１を保持するための任意のテーブル１０と、柱すなわちサ ポート構造１２と、関節アーム１４と、Ｚ方向ラムアセンブリ１６とを含む。テ ーブル１０を用いない場合には、サポート構造１２は、定盤、又は、加工物を保 持するための他の適宜な面の上に、あるいは、そのような定盤又は面に隣接して 取り付けられる。座標測定機械は、後に説明するように座標を決定するための測 定アセンブリも備えている。サポート構造１２は、垂直な柱の形態とすることが でき、関節アーム１４の一端部のためのサポートとして機能する。サポート構造 １２は、テーブル１０に対して適所に固定されており、テーブル１０に取り付け ることができる。関節アーム１４は、サポート構造１２に対して枢動可能に取り 付けられている。より詳細に言えば、関節アーム１４は、サポート構造１２に対 して枢動可能に接続された第１のアームアセンブリ２０と、該第１のアームアセ ンブリに対して枢動可能に取り付けられた第２のアームアセンブリ２２とを備え ている。これら第１及び第２のアームアセンブリ２０、２２は、垂直軸線の回り で枢動し、これにより、関節アーム１４の端部２４が、水平面に沿って運動する ことができる。 Ｚ方向ラムアセンブリ１６は、理解を容易にするために、図１乃至図５に概略 的に示されている。Ｚ方向ラムアセンブリ１６は、関節アーム１４の端部２４に 取り付けられていると共に、Ｚ方向ラムハウジング３１に関して垂直方向に運動 可能なＺ方向ラム３０を備えている。Ｚ方向ラムハウジング３１は、関節アーム １４の端部２４に固定的に取り付けられている。プローブ２８が、Ｚ方向ラム３ ０に対して着脱自在に取り付けられている。従って、Ｚ方向ラムハウジング３１ に関するプローブ２８の垂直方向の運動、及び、水平面に沿う関節アーム１４の 運動によって、プローブ２８は、本座標測定機械の三次元測定空間の中で運動す ることができる。プローブの運動のＸ、Ｙ及びＺ方向が図１に示されている。プ ローブ２８の運動は、一般的に、機械のオペレータによって手動操作で制御され る。Ｚ方向ラムアセンブリ１６は、Ｚ方向ラム３０とＺ方向ラムハウジング３１ との間に設けられていてＺ方向ラム３０の垂直方向の運動を許容する軸受３５と 、Ｚ方向ラム３０を所望の垂直方向の位置に保持するための釣合いおもり（図示 せず）とを備えるのが好まし。 測定空間の寸法は、水平面においては、関節アーム１４の運動範囲によって規 定され、また、垂直方向においては、Ｚ方向ラムハウジング３１に関するプロー ブ２８の運動範囲によって規定される。サポート構造１２に関する第１のアーム アセンブリ２０の角度、第１のアームアセンブリ２０に関する第２のアームアセ ンブリ２２の角度、及び、ハウジング３１に関するプローブ２８の垂直方向の位 置を決定することにより、測定アセンブリは、測定空間の中のプローブ２８の座 標を決定する。 第１のアームアセンブリ２０は、第１のアーム部材３６と、第２のアーム部材 ３８と、第１のリンク部材４０とを備えている。第１のアーム部材３６は、第１ の枢動軸線４２においてブラケット４５に枢動可能に接続されており、また、第 ２のアーム部材３８は、第２の枢動軸線４４において上記ブラケット４５に枢動 可能に接続されている。ブラケット４５は、サポート構造１２に堅固に取り付け られている。第１のアーム部材３６及びリンク部材４０は、第３の枢動軸線４６ において枢動可能に接続されており、また、第２のアーム部材３８及びリンク部 材４０は、第４の枢動軸線４８において枢動可能に接続されている。アームアセ ンブリ２０の枢軸運動が、図３の矢印４９によって示されている。アームアセン ブリ２０の運動範囲は、図５に矢印４７で示されている。 第２のアームアセンブリ２２は、第３のアーム部材５０と、第４のアーム部材 ５２と、第２のリンク部材５４とを備えている。第３のアーム部材５０は、第３ の枢動軸線４６において、第１のアーム部材３６及びリンク部材４０に接続され ている。第４のアーム部材５２は、第４の枢動軸線４８において、第２のアーム 部材３８及びリンク部材４０に枢動可能に接続されている。第３のアーム部材５ ０は、第５の枢動軸線５６においてリンク部材５４に枢動可能に接続されており 、第４のアーム部材５２は、第６の枢動軸線５８においてリンク部材５４に枢動 可能に接続されている。アームアセンブリ２２の枢軸運動は、図３に矢印５９で 示されている。アームアセンブリ２２の運動範囲は、図５に矢印５７で示されて いる。Ｚ方向ラムアセンブリ１６は、第２のリンク部材５４に堅固に取り付けら れている。枢動軸線４２、４４、４６、４８、５６及び５８は、互いに平行であ って、一般的には、垂直方向に配向されている。 図３に示すように、関節アーム１４の枢動軸線４２、４４、４６、４８、５６ 及び５８は、相互に接続された２つの平行四辺形を画定している。より詳細に言 えば、枢動軸線４２、４４、４６及び４８は、第１のアームアセンブリ２０に関 係する第１の平行四辺形６０の頂点を画定しており、また、枢動軸線４６、４８ 、５６及び５８は、第２のアームアセンブリ２２に関係する第２の平行四辺形６ ２の頂点を画定している。図３においては、アーム部材３８、５２の形状が幾分 紛らわしいので、枢動軸線４４と４８との間、及び、枢動軸線４８と５８との間 にそれぞれ鎖線を引いて、平行四辺形を明らかに示している。関節アーム１４が 水平面に沿って動くと、平行四辺形６０、６２の交差する辺（交辺）の間の角度 が変化する。しかしながら、向かい合う辺すなわち対辺は平行のままである。 関節アームの平行四辺形の構造は、本座標測定機械の作用に重要な結果をもた らす。関節アーム１４の端部２４が水平面に沿って動くと、Ｚ方向ラムアセンブ リ１６も、水平面に沿って動くが、サポート構造１２に関して実質的に回転しな い。Ｚ方向ラムアセンブリ１６の上記実質的に非回転的な運動は、本座標測定機 械をプローブ延長部と共に使用する場合に、重要である。例えば、プローブ２８ の代わりに、プローブ延長部２９（図２及び図４に示す）をＺ方向ラム３０に取 り付けることができる。プローブ延長部２９は、Ｚ方向ラムアセンブリ１６の垂 直軸線から任意の方向に伸長する。プローブ延長部は、横穴又はこれと同様なも のの如き加工物の側方の特徴部を測定するために必要となることがある。プロー ブが測定空間を通って動く際に、Ｚ方向ラムアセンブリ１６が回転すると、上記 プローブ延長部は回転することになる。そのようなプローブの回転は、プローブ 延長部の座標を決定するために比較的複雑な計算を必要とする。プローブ延長部 ２９が測定空間を通って動く際に、該プローブ延長部が実質的に回転しないよう にすることによって、座標の計算が単純化され、プローブ延長部に関して一定の 補正を行うことができる。他の種々のプローブ及びプローブ延長部をＺ方向ラム ３０に取り付け、座標測定を行うために使用することができる。 図１及び図４に最も良く示すように、第２のアーム部材３８及び第４のアーム 部材５２は、関節アーム１４の比較的堅固な構造要素である。アーム部材３８、 ５２、及び、これらアーム部材の枢動接続部は、座標測定値に誤差を導入する恐 れのある曲げ、ねじれ又は他の変形が無視できるように、Ｚ方向ラムアセンブリ １６を測定空間を通して動かすに十分な剛性を有している。また、各要素の間の 枢動接続部は、枢動可能に接続された各要素の間の大きな相対運動（回転以外） を許容してはならない。対照的に、第１のアーム部材３６、第１のリンク部材４ ０、第３のアーム部材５０、及び、第２のリンク部材５４は、Ｚ方向ラムアセン ブリ１６の回転を実質的に阻止する制御要素であって、アーム部材３８、５２よ りも小さな構造的な剛性を有することができる。 本座標測定機械の必須的な要素は、測定空間の中のプローブ２８の位置を決定 する上記測定アセンブリである。ブローブの位置を決定するためには、関節アー ム１４の端部２４の水平面における位置、及び、Ｚ方向ラムハウジングに関する プローブ２８の垂直方向の位置を決定する必要がある。Ｚ方向ラムハウジング３ １に関するプローブ２８の垂直方向の位置は、周知の技術に従って、目盛及びセ ンサによって決定することができる。特に、目盛３３が、Ｚ方向ラム３０に取り 付けられており、また、センサ３２が、関節アーム１４の端部２４、又は、垂直 方向に動かない他の要素に取り付けられている。上記センサ３２は、目盛３３を 読み取って、関節アーム１４に関するプローブ２８の垂直方向の変位を表す信号 を発生する。 Ｚ方向ラムアセンブリ１６の水平面における位置を決定するためには、サポー ト構造１２に対する第１のアームアセンブリ２０の角度、及び、第１のアームア センブリ２０に対する第２のアームアセンブリ２２の角度を決定する必要がある 。これらの角度は、関節アーム１４に関係する平行四辺形６０、６２の交辺の間 の角度を決定することによって、決定することができる。一般的に、適宜な角度 測定装置を用いて、関節アーム１４の上記角度を測定することができる。例えば 、通常のロータリエンコーダを用いることができる。しかしながら、許容可能な 精度を有する入手可能なロータリエンコーダは、比較的高価である。 好ましい角度測定装置、あるいは、角度センサを、ここで説明する。好ましい 装置は、低コストで高精度の角度測定を行う。第１の角度測定装置７０を用いて 、サポート構造１２に関する第１のアームアセンブリ２０の角度を決定する。よ り詳細に言えば、上記角度測定装置７０は、枢動軸線４２、４６を通る線と枢動 軸線４２、４４を通る線との間の角度φ₁を測定するために使用される。第２の 角度測定装置７２を用いて、第１のアームアセンブリ２０と第２のアームアセン ブリ２２との間の角度を決定する。より詳細に言えば、上記角度測定装置７２は 、枢動軸線４６、５６を通る線と枢動軸線４６、４８を通る線との間の角度φ₂ を測定するために使用される。 第１の角度測定装置７０は、第１のアーム部材３６に取り付けられた格子７４ と、第２のアーム部材３８に取り付けられた読取りヘッド７６とを備えている。 関節アーム１４が水平面に沿って動くと、平行四辺形６０はその形状を変化させ 、読取りヘッド７６は、上記格子７４に対して相対的に移動する。第２の角度測 定装置７２は、第３のアーム部材５０に取り付けられた格子７８と、第４のアー ム部材５２に取り付けられた読取りヘッド８０とを備えている。関節アーム１４ が、水平面に沿って動くと、平行四辺形６２はその形状を変化させ、読取りヘッ ド８０は、格子７８に対して相対的に移動する。上記角度測定装置７０、７２は 、後に詳細に説明する。 角度測定装置７２は、図７に概略的に示されている。角度測定装置７０が同じ 形態を有するのが好ましいことは理解されよう。上述のように、アーム部材５０ 、５２、及び、リンク部材４０、５４は、平行四辺形６２を画定している。この 平行四辺形の各辺は、軸線４６、４８、５６、５８に枢動可能に取り付けられて いるので、リンク部材４０とアーム部材５２との間の角度φは、関節アーム１４ が水平面に沿って動くに連れて、変化することができる。これも上述したように 、格子７８は、アーム部材５０に堅固に取り付けられており、また、読取りヘッ ド８０は、アーム部材５２に堅固に取り付けられている。平行四辺形６２がその 形状を変化させると、角度φが変化して、アーム部材５０は、（この平行四辺形 の各対辺は、この平行四辺形がその形状を変化させる際に、平行状態を維持する ので）アーム部材５２に関して直線的に動く。 格子７８には、光透過性とすることのできる基板８８の上に設けられた平行で 直線的な格子線８６から成るパターン８４が設けられている。これら格子線は、 例えば、クロムの如き金属とすることができる。各格子線８６の幅及びその間の 間隔は、所望の角度測定分解能をもたらすように、選択される。角度測定装置の 一例においては、各格子線８６の幅は、２０マイクロメートルであり、また、隣 接する格子線８６の間の間隔は、２０マイクロメートルであって、リンク部材４ ０、５４は、１１０ミリメートルの長さを有している。この例においては、０． ３アークセカント（ｓｅｃ^-1（０．３））の平均角度測定分解能が得られる。図 ７に示すように、格子線８６のパターン８４は、角度φが変化するに連れて、該 パターン８４が読取りヘッド８０に確実に整合されるように、弧状にすることが できる。 図６及び図７に示すように、読取りヘッド８０は、センサ９０を備えており、 このセンサは、取り付けブロック９２又は他の適宜な構造によって、アーム部材 ５２に堅固に取り付けられている。センサ９０は、光源８９及び光電検出器９１ を含んでいて読取りヘッド８０に対する格子線８６の変位を感知するための電気 ／光学センサであるのが好ましい。 アーム部材５０が、アーム部材５２に関して直線的に動くに連れて、センサ９ ０は、読取りヘッド８０に対する格子線８６の変位を感知する。図７に示す単一 の格子パターンを有する角度測定装置７２を用いて、増分的な角度変化を決定す ることができる。角度φの絶対値を決定するためには、出発角度又は基準角度を 決定して、そこから上記増分的な角度変化を測定する必要がある。そのような基 準角度は、例えば、関節アーム１４の「ホームポジション」すなわち出発位置の 角度とすることができる。センサ９０の目盛の読取り値は、下式によって角度φ に関係づけられる。 Ａ＝Ｒ×ｃｏｓ（φ＋γ）＋Ａ₀ （１） 上式において、Ａは、角度φにおける目盛の読取り値であり、Ｒは、リンク部 材４０、５４の長さであり、γは、格子線８６とアーム部材５０との間の傾斜角 度であり、Ａ₀は、上記基準角度における目盛の読取り値である。この実施例に おいては、Ａ₀の値は、関節アームを基準角度まで動かして、センサ９０の目盛 の読取り値Ａ₀を記録することによって、決定される。次に、目盛の読取り値Ａ に関して、式（１）から角度φを決定する。 基準角度に対する増分的な角度変化ではなく、絶対角度φを測定するのが望ま しい場合がある。角度測定装置７２は、角度φの絶対値を決定するように構成す ることができる。図８に示すように、平行で直線的な格子線１０２から成る第２ のパターン１００が、格子線７８の基板８８の上に形成されている。これらの格 子線１０２は、パターン８４の格子線８６に対して直交している。この実施例に おいては、読取りヘッド８０は、センサ９０に加えて、取り付けブラケット９２ に取り付けられた第２のセンサ１０４を備えており、この第２のセンサは、角度 φが変化するに連れて、格子線１０２の変位を感知するように位置決めされてい る。角度φは、以下に述べるように、センサ９０、１０４の目盛の読取り値から 決定される。センサ９０が、目盛の読取り値Ａを与え、また、センサ１０４が、 目盛の読取り値Ｂを与えるものと仮定する。格子線１０２とアーム部材５０との 間の傾斜角度はγであり、また、リンク部材４０、５４の長さはＲである。この ようにすると、目盛の読取り値Ａ、Ｂは、下式によって、角度φに関係づけられ る。 Ａ＝ Ｒ×ｃｏｓ（φ＋γ）＋Ａ₀ （２） Ｂ＝ Ｒ×ｓｉｎ（φ＋γ）＋Ｂ₀ （３） 上式において、Ａ₀及びＢ₀は、ホームポジションにおける目盛の読取り値であ る。測定装置の感度は、上式（２）及び（３）を微分することにより、決定され る。 ｄＡ＝−Ｒ×ｓｉｎ（φ＋γ）×ｄφ （４） ｄＢ＝ Ｒ×ｃｏｓ（φ＋γ）×ｄφ （５） 直線的な分解能ｄＡ、ｄＢを与えると、角度φに関する感度は、（φ＋γ）＝ π／２において最大値を取り、このπ／２に関して対称的である。特定の用途に おいては、角度φを、π／２に関して非対称的にすることができる。この場合に は、傾斜角度γを用いて、差を形成することができる。 各々の目盛の読取り値Ａ、Ｂは、増分的であり、ｄφも未知であるので、角度 φ、付与値Ｒ、γ、並びにｄＡ及びｄＢを解くためには十分に独立していない。 しかしながら、上記目盛の読取り値の組み合わせを用いて、絶対角度φを決定す ることができる。目盛の読取り値の変化ΔＡ、ΔＢを生じさせる小さな動きに関 しては、式（４）及び（５）を組み合わせて、下式を得る。 φ＝ｔａｎ^-1（ΔＡ／ΔＢ）−γ （６） ΔＡ、ΔＢ及びγを与えると、角度φは、式（６）から計算することができる 。図１乃至図５に示し上に説明した関節アーム１４の例に関しては、角度φは、 ７０°に関して対称的であり、角度γは、約２０°であるのが好ましい。 角度φの絶対値を測定するための格子７８の第２の実施例をここで説明する。 この実施例においては、格子線の第２のパターン１００は、格子パターン８４に 沿う位置を表す。従って、例えば、格子線の間の間隔、あるいは、格子線のグル ープの間の間隔は、格子パターンの長さに沿って変化することができる。センサ ９０、１０４の読取り値を処理して、絶対角度を決定する。この手法の詳細は、 米国特許第３，９８２，１０６号（発行日：１９７６年９月２１日、発明者：st utz）に記載されており、上記米国特許の開示内容は、参考として本明細書に組 み込まれている。格子又は目盛は、均一に隔置されたマークを有する第１のパタ ーン（パターン８４）と、複数の絶対値のマークを有していて上記第１のパタ ーンに対して平行な第２のパターン（パターン１００）とを含んでおり、上記複 数の絶対値のマークの各々は、基準位置までのその距離の絶対値を特徴づける距 離だけ、後続するマークから隔置されている。 平行四辺形の交辺の間の角度φを測定することに関して、角度測定装置７２を 上に説明した。格子又は目盛は、平行四辺形の第１の辺に関して適所に固定され ており、読取りヘッドは、上記第１の辺に平行な四辺形の第２の辺に関して適所 に固定されている。枢動可能に接続された上記平行四辺形は、アーム部材５２に 関するリンク部材４０の角運動を、アーム部材５２に関するアーム部材５０の直 線運動に変換することが分かる。より一般的に言えば、図面に示しここに説明す る角度測定装置を用いて、角運動がある方向に沿う直線運動に変換される任意の 状況において角度測定を行うことができる。ここに説明する角度測定装置は、平 行で直線的な格子線を用いるために、従来技術の角度測定装置よりもかなり低コ ストで実施することができるという利点を有している。 本座標測定機械の測定アセンブリのブロック図が、図９に示されている。この 測定アセンブリは、ホーム角度すなわち基準角度からの増分的な角度を測定する 角度測定装置と共に実施される。角度測定装置７０のセンサ１１０が、図７に示 すセンサ９０に相当する。角度測定装置７２のセンサ１１２が、図７に示すセン サ９０に相当する。プローブ位置センサ３２は、図１に示されている。これらの センサ１１０、１１２、３２は、座標プロセッサ１２０に目盛の読取り値を与え る。座標プロセッサ１２０は、角度計算機１２２を備えており、この角度計算機 は、センサ１１０からの目盛の読取り値ΔＡ₁、並びに、定数Ａ₀₁、γ₁及びＲ₁ を、式（１）を用いて、サポート構造１２に関する第１のアームアセンブリ２０ の角度φ₁に変換する。角度計算機１２４が、センサ１１０からの目盛の読取り 値ΔＡ₂、並びに、定数Ａ₀₂、γ₂及びＲ₂を、式（１）を用いて、第１のアーム アセンブリ２０に関する第２のアームアセンブリ２２の角度φ₂に変換する。上 記定数Ａ₀₁及びＡ₀₂は、センサ１１０、１１２のそれぞれのホームポジションに おける目盛の読取り値を表している。上記定数γ₁及びγ₂は、格子線８６と測定 装置７０、７２のそれぞれのアーム部材５０（図７参照）との間の角度を表して いる。上記 定数Ｒ₁、Ｒ₂は、測定装置７０、７２のそれぞれのリンク部材４０、５４の長さ を表している。角度計算機１２２からの角度φ₁、角度計算機１２４からの角度 φ₂、及び、プローブ位置センサ３２からのプローブ垂直位置Ｐは、座標計算機 １２８に与えられる。この座標計算機は、下式に従って上記値を組み合わせる。 Ｘ＝ Ｌ₁・ｃｏｓ（φ₁＋γ₁）＋Ｌ₂・ｃｏｓ（φ₂＋γ₂） （７） Ｙ＝−Ｌ₁・ｓｉｎ（φ₁＋γ₁）＋Ｌ₂・ｓｉｎ（φ₂＋γ₂） （８） 上式において、Ｘ及びＹは、プローブ２８のＸ座標及びＹ座標を表しており、 Ｌ₁は、軸線４４、４８（図３）の間の距離を表しており、Ｌ₂は、軸線４８、５ ８の間の距離を表している。枢動軸線４４は、座標測定を行うためのＸ−Ｙ平面 の原点に指定されるのが好ましい。座標計算機１２８は、測定空間の中のプロー ブ２０のＸ座標、Ｙ座標及びＺ座標を決定する。座標プロセッサ１２０は、上述 の各式を解くようにプログラムされたマイクロプロセッサとして実施することが できる。 本発明の上記座標測定機械の一例においては、測定空間の一辺は、３００ミリ メートルの寸法を有している。そのような測定空間の中の測定精度は、約０．０ ２ミリメートルである。ここに開示する座標測定機械は、比較的低コストで高精 度の測定を行う。キャリッジ及びラムの如き機械の要素を懸架するための空気軸 受が全く必要とされないので、本機械には、空気供給ポンプは必要とされない。 本座標測定機械の別の実施例が、図１０に概略的に示されている。図示し且つ 上に説明したように、関節アーム１４の第１の端部は、サポート構造１２に枢動 可能に接続されており、また、関節アーム１４の第２の端部は、水平面に沿って 運動することができる。Ｚ方向ラムアセンブリ１６が、関節アーム１４の上記第 ２の端部に取り付けられている。上述のように、関節アーム１４は、第１のアー ムアセンブリ２０と、第２のアームアセンブリ２２とを備えている。図１０に示 す座標測定機械は、更に、第２の関節アーム１４’を備えており、この第２の関 節アームは、サポート構造１２に枢動可能に接続された第１の端部と、水平面に 沿って運動可能な第２の端部とを有している。Ｚ方向ラムアセンブリ１６は、関 節アーム１４’の第２の端部にも取り付けられている。関節アーム１４’は、関 節アーム１４と実質的に鏡像関係にある。従って、第１のアームアセンブリ２０ ’が、第１のアームアセンブリ２０と鏡像関係にあり、また、第２のアームアセ ンブリ２２’が、第２のアームアセンブリ２２と鏡像関係にある。図１０の実施 例は、図１乃至図５に示し且つ上に説明した実施例よりも、Ｚ方向ラムアセンブ リ１６を幾分堅固に支持する。 現時点において本発明の好ましい実施例であると考えられる実施例を図面に示 し且つ上に説明したが、添付の請求の範囲によって規定される本発明の範囲から 逸脱することなく、そのような実施例に種々の変形及び変更を加えることができ ることは、当業者には明らかであろう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 平行四辺形の枢動可能に接続された交辺の間の角度変化を測定するため の角度変化測定装置であって、 基板に形成される平行で直線的な複数の格子線から成るパターンを含み、前記 平行四辺形の第１の辺に関して固定された位置に取り付けられるようになってい る格子と、 前記平行四辺形の前記交辺の間の角度変化に応答して前記格子線の変位を感知 し、前記角度変化を表す目盛の読取り値を発生するセンサを含む読取りヘッドと を備えており、該読取りヘッドは、前記第１の辺に平行な前記平行四辺形の第２ の辺に関して固定された位置に取り付けられるようになっていることを特徴とす る、平行四辺形の枢動可能に接続された交辺の間の角度変化を測定するための角 度変化測定装置。 ２． 請求項１の角度変化測定装置において、前記複数の格子線から成る前記 パターンの前記格子線は、前記平行四辺形の前記第１の辺に関して角度をなして 配列されていることを特徴とする角度変化測定装置。 ３． 請求項１の角度変化測定装置において、前記センサは、前記格子線を読 み取るための電気／光学装置を含んでいることを特徴とする角度変化測定装置。 ４． 請求項１の角度変化測定装置において、前記パターンの前記格子線は、 均等に隔置されていることを特徴とする角度変化測定装置。 ５． 請求項１の角度変化測定装置において、格子線から成る前記パターンは 、弧状であって、前記センサは、前記平行四辺形がその形状を変化させる際に、 前記パターンを追従するように構成されたことを特徴とする角度変化測定装置。 ６． 請求項１の角度変化測定装置において、更に、前記目盛の読取り値に応 答して前記平行四辺形の前記交辺の間の角度を表す値を発生する回路を備えてい ることを特徴とする角度変化測定装置。 ７． 請求項６の角度変化測定装置において、 前記回路は、式Ａ＝Ｒ×ｃｏｓ（φ＋γ）＋Ａ₀に従って、前記値を発生し、 前 記式において、Ａは、前記目盛の読取り値であり、φは、前記角度であり、Ｒは 、前記第１及び第２の辺を相互に接続する平行四辺形の辺の長さであり、γは、 前記格子線と前記平行四辺形の第１の辺との間の傾斜角度であり、Ａ₀は、基準 角度の目盛の読取り値であることを特徴とする角度変化測定装置。 ８． 枢動可能に接続された平行四辺形の交辺の間の角度を測定するための角 度変化測定装置であって、 基板に形成される第１の格子パターン及び第２の格子パターンを有しており、 前記第１の格子パターンは、平行で直線的な複数の格子線を含んでおり、前記平 行四辺形の第１の辺に関して固定された位置に取り付けられるようになっている 格子と、 前記平行四辺形の前記交辺の間の角度変化に応答して前記第１及び第２の格子 パターンのそれぞれの変位を感知し、前記角度を表す第１及び第２の目盛の読取 り値を発生する第１及び第２のセンサを有する読取りヘッドとを備えており、該 読取りヘッドは、前記第１の辺に平行な前記平行四辺形の第２の辺に関して固定 された位置に取り付けられるようになっていることを特徴とする、枢動可能に接 続された平行四辺形の交辺の間の角度を測定するための角度変化測定装置。 ９． 請求項８の角度変化測定装置において、前記第２の格子パターンは、前 記第１の格子パターンの前記格子線に対してある角度をなす平行で直線的な複数 の格子線を含むことを特徴とする角度変化測定装置。 １０． 請求項９の角度変化測定装置において、前記第１の格子パターンの前記 格子線は、前記平行四辺形の前記第１の辺に関して角度γをなして配列されてい ることを特徴とする角度変化測定装置。 １１． 請求項１０の角度変化測定装置において、前記鋭角γは、該角度γと測 定される前記角度φとの和が約９０°に等しくなるように、選択されることを特 徴とする角度変化測定装置。 １２．請求項８の角度変化測定装置において、前記第２の格子パターンは、基準 点からの変位を表すマーキングパターンを含むことを特徴とする角度変化測定装 置。 １３． 請求項８の角度変化測定装置において、前記第１及び第２のセンサは各 々、前記格子線を読み取るための電気／光学装置を含むことを特徴とする角度変 化測定装置。 １４． 請求項８の角度変化測定装置において、前記第１の格子パターンの前記 格子線は、均等に隔置されていることを特徴とする角度変化測定装置。 １５． 請求項８の角度変化測定装置において、前記第１及び第２の格子パター ンは、弧状であって、前記第１及び第２のセンサは、前記平行四辺形がその形状 を変化させる際に、前記第１及び第２の格子パターンにそれぞれ整合された状態 を維持するように構成されたことを特徴とする角度変化測定装置。 １６． 請求項８の角度変化測定装置において、更に、前記第１及び第２の目盛 の読取り値に応答して前記角度を表す値を発生する回路を備えていることを特徴 とする角度変化測定装置。 １７． 請求項１６の角度変化測定装置において、 前記回路は、式φ＝ｔａｎ^-1（ΔＡ／ΔＢ）−γに従って、前記角度を計算し 、前記式において、ΔＡ及びΔＢは、前記第１及び第２の目盛の読取り値の変化 をそれぞれ示し、γは、前記第１の格子パターンの前記格子線と前記平行四辺形 の前記第１の辺との間の角度を表すことを特徴とする角度変化測定装置。 １８． 枢動可能に接続された第１及び第２の要素の間の角度変化を測定するた めの角度変化測定装置であって、 前記第１の要素に対する前記第２の要素の角運動を、前記第１の要素に対する 第３の要素の直線運動に変換する手段と、 基板に形成される平行で直線的な複数の格子線から成るパターンを含んでいて 、前記第１の要素に関して固定された位置に取り付けられるようになっている格 子と、 前記第１及び第２の要素の間の角度変化に応答して前記格子線の変位を感知し 、前記角度変化を表す信号を発生するセンサを含む読取りヘッドとを備えており 、該読取りヘッドは、前記第３の要素に関して固定された位置に取り付けられる ように構成されていることを特徴とする、枢動可能に接続された第１及び第２の 要 素の間の角度変化を測定するための角度変化測定装置。