(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光の送光部と干渉光の受光部とを内蔵したレーザヘッドと、
前記送光部及び受光部の光軸上に配置され、かつ入射したレーザ光を、少なくとも直交する２つの方向に分光させて出射させる分光機構とその出射方向を、３軸方向のいずれかに切り替え可能な切替え機構とを内蔵した多軸干渉計と、
被測定物側の測定位置に固定されて、前記分光機構から出射したレーザ光を受けて前記多軸干渉計側に反射する反射ターゲットと、
前記切替え機構を制御するコントローラとを備えたことを特徴とする多軸測長機。
【請求項２】
前記多軸干渉計は、前記レーザヘッドに対向する入出射窓部を開口したケーシングと、
前記ケーシング内にあって、前記レーザヘッドの光軸に直交する方向に移動可能にガイドされるステージと、
前記入出射窓部に対向して、前記ステージ上に一列状に配置され、かつ、入射したレーザ光を、少なくとも直交する２つの方向に向けて出射すべく組合わされた複数の分光機構を有する干渉計本体と、
前記ステージを直線移動させて前記各分光機構のうちのいずれか一つを前記入出射窓部に対面させる移動機構と、
前記ステージの停止位置を検出する検出手段とを備えたことを特徴とする請求項１記載の多軸測長機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多軸測長機に関し、特に、複数の軸に対する測長が１回のセットで可能になる測長機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
Ｘ，Ｙテーブルや各種のＮＣ工作機などの各軸毎の移動距離を高精度に測定する装置として、レーザ測長機が知られている。この種のレーザ測長機は、レーザ光の送光部と干渉光の受光部を備えたレーザヘッドと、送光部から出射したレーザ光を反射するターゲットプリズム（コーナキューブ）と、これらの間に設置される干渉計とを基本構成として備えている。
【０００３】
ところで、この種の測長機を使用して、例えば、ＮＣ工作機の移動距離を測定する際には、ターゲットプリズムが移動するテーブルや主軸などに固設される。この場合、ＮＣ工作機の動作方向は、通常、ｘ，ｙ，ｚの３軸方向であり、例えば、図９に示すように、ひざ型縦フライス盤Ａの移動テーブルの測長を行う場合には、作業者により先ず、ｘ軸方向に向けて三脚上にレーザヘッド１を固定し、レーザヘッドの光軸に一致させてフライス盤Ａの主軸位置に干渉計２を固定配置するとともに、これの延長上において移動テーブル上にターゲットプリズム３を固定配置する。
【０００４】
通常、この準備作業をアライメントと称しており、それぞれの光軸あわせなどのために１５分程度の作業時間となる。
このｘ軸アライメント作業の後、実際にテーブルをｘ軸方向に移動させつつ測長が行われ、移動精度の確認などが実行される。そして、ｘ軸方向の測定が終了すると、前記と同様な手順によって作業者により、レーザヘッド１、干渉計２、ターゲットプリズム３をｙ軸方向に向けて配置し、このｙ軸方向アライメント作業の後、同様な操作により、ｙ軸方向の測長が行われ、次いで、ｚ軸方向アライメント作業を行い、同様に測長が実行される。
【０００５】
しかしながら、このような従来の測長方法には、以下に説明する技術的な課題が指摘されていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、上述した従来の測長方法では、各軸（ｘ，ｙ，ｚ）毎に、光軸あわせを行わなければならないので、アライメント作業に時間がかかるとともに、煩雑な作業を複数回繰り返すことになり、その改善が強く望まれていた。
本発明は、このような問題を解決するために案出されたものであって、その目的とするところは、一回のアライメント作業によって複数軸の測長が可能になる多軸測長機を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、レーザ光の送光部と干渉光の受光部とを内蔵したレーザヘッドと、前記送光部及び受光部の光軸上に配置され、かつ入射したレーザ光を、少なくとも直交する２つの方向に分光させて出射させる分光機構とその出射方向を、３軸方向のいずれかに切り替え可能な切替え機構とを内蔵した多軸干渉計と、被測定物側の測定位置に固定されて、前記分光機構から出射したレーザ光を受けて前記多軸干渉計側に反射する反射ターゲットと、前記切替え機構を制御するコントローラとで構成した。
この構成を有する多軸測長機によれば、多軸干渉計と、反射ターゲットの光軸合わせを１回だけ行えば、切替え機構を作動させて多軸干渉計の出射方向を切り換えることにより、少なくとも直交する２つの方向での測長が可能になる。
このような機能を有する多軸干渉計は、前記レーザヘッドに対向する入出射窓部を開口したケーシングと、前記ケーシング内にあって、前記レーザヘッドの光軸に直交する方向に移動可能にガイドされるステージと、前記入出射窓部に対向して、前記ステージ上に一列状に配置され、かつ、入射したレーザ光を、少なくとも直交する２つの方向に向けて出射すべく組合わされた複数の分光機構を有する干渉計本体と、前記ステージを直線移動させて前記各分光機構のうちのいずれか一つを前記入出射窓部に対面させる移動機構と、前記ステージの停止位置を検出する検出手段とで構成することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。図１から図６は、本発明にかかる多軸測長機の一実施例を示している。同図に示す測長機は、図１にその全体構成を示すように、送，受光部内蔵型のレーザヘッド１２と、多軸干渉計１４と、複数の反射ターゲット１６と、レーザヘッド１２に接続されたディスプレイ１８と、多軸干渉計１４のコントローラ２４とから構成されている。
【０００９】
レーザヘッド１２には、所定波長のレーザ光線を発射する送光部と、干渉計１４で干渉させられた干渉光を受光する受光部とが内蔵されていて、受光部で受けた干渉光の干渉縞を計数することにより、干渉計１４から反射ターゲット１６までの距離が演算され、その演算結果がディスプレイ１８に表示される。
多軸干渉計１４の詳細構造を、図２〜図６に示している。図２は多軸干渉計１４の全体構造の分解斜視図であり、図３は、その一部断面構造を示している。
【００１０】
本実施例の多軸干渉計１４は、ボックス型に形成されており、角箱状のハウジング３０と、ハウジング３０内に収装されたＬ字型の取付け基板３２と、取付け基板３２の水平部３２ａの上面に平行に配置された一対のリニアガイド３４にスライダ３６を介して平行移動可能に設置されるステージ３８と、ステージ３８上に取付け台４０を介して設置された干渉計本体４２とから概略構成されている。
【００１１】
ステージ３８の下面には、リニアガイド３４と平行するようにしてラック４１が設けられている。このラック４１は、水平部３２ａの下面に設けた超音波モータ４４の出力軸に取付けたピニオン４６に歯合し、モータ４４の正逆転に応じてステージ３８が、リニアガイド３４に沿って移動可能になっている。また、ステージ３８の端部と取付け基板３２との間には、引張りコイルバネ４８が懸架され、この引張りコイルバネ４８の付勢力によりラック４１，ピニオン４６機構のバックラッシを防止している。
【００１２】
取付け基板３２の垂直部３２ｂの内側には、複数の位置検出用フォトインタラプタ５０が、同一直線上に固定されており、ステージ３８の側面に配置された検出子３８ａが、インタラプタ５０の発光部と受光部との間を遮断すると、その位置が検出される。
また、水平部３２ａの長手方向両端（図では片側のみに示されている）には、ステージ３８に接触することにより、ステージ３８の移動始端及び終端の各位置を検出するリミットスイッチ５２が固定されている。
【００１３】
これらモータ４４、フォトインタラプタ５０及びリミットスイッチ５２のリード線は、ハウジング３０の一側部に配置されたコネクタ５４を介して前述のコントローラ２４に接続される。
取付け基板３２の垂直部３２ｂの一側部隅部は、球状支点５６を介してハウジング３０の前面内側に連結されているとともに、複数の引張りコイルバネ５７によりハウジング３０の前面内側に支持されている。
【００１４】
そして、ハウジング３０の前面上部には、前記球状支点５６の垂直方向の延長上にあって、垂直部３２ｂの前面に接する垂直方向調整つまみ５８が設けられ、調整つまみ５８のねじ込み操作によって垂直部３２ｂの上部を押圧すると、バネ５７のバネ圧に抗して取付け基板３２の鉛直方向の角度の微調整が行える。
また、ハウジング３０の前面下部には、球状支点５６の水平方向の延長上にあって、垂直部３２ｂの前面に接する平行度調整つまみ６０が配置され、この調整つまみ６０を操作することにより、取付け基板３２の平行度の微調整が行える。
【００１５】
さらに、ハウジング３０の前面中央の上部には、レーザヘッド１２から出射されるレーザ光の入射窓部６２と、この入射窓部６２の上方に位置し、干渉計１４からの干渉光を透過するための出射窓部６４が開口形成されている。また、ハウジング３０の上下面中央，背面及び一側面（コネクタ５４の取付け面とは反対側側面）には、それぞれｘ，ｙ，ｚ軸方向に向けたレーザ入出射窓部６６が開口されており、干渉計本体４２は、これら窓部に一致すべく移動されることになる。
【００１６】
図４〜図６は、干渉計本体４２の詳細構造を示している。干渉計本体４２は、ステージ３８の長手方向に沿って配置され、入射窓部６２に下部側面を対向させ、レーザ出射窓部６４に上部側面を対向させた偏光ビームスプリッタ６８を共用光学部品とし、その測定光出射面に長手方向に沿って１／４波長板７０のみを配置した部位［イ］と、光学屈折機構を構成するペンタプリズム７２の出射方向が下向きとなるように配置し、その出射面に１／４波長板７０を設けた部位［ロ］と、ペンタプリズム７２の出射方向が上向きになるように配置し、その出射面に１／４波長板７０を設けた部位［ハ］と、ペンタプリズム７２の出射方向が横向きとなるように配置し、その出射面に１／４波長板７０を設けた部位［ニ］とに区分されている。
【００１７】
また、これらの各部位の中心下部には、偏光ビームスプリッタ６８によって分光された参照光および測定光を、再び偏光ビームスプリッタ６８の上部側に反射する４つの固定コーナキューブ７４が、それぞれ１／４波長板７０を介して配置されている。
図６は、以上の干渉計本体４２の測定原理を示すものである。なお、この例では部位［イ］における光路の詳細を示しているが、他の部位でもペンタプリズム７２によって光路を曲げられるほかは、同一の測定原理である。
【００１８】
同図において、レーザヘッドから出射された４５°直線偏光の入射光Ｌは、偏光ビームスプリッタ６８により、固定コーナキューブ７４に向う参照光Ｒと、測定位置に配置された反射ターゲット１６に向う測定光Ｍに分けられ、参照および測定光Ｒ，Ｍは、その後、それぞれ１／４波長板７０を通過することによって円偏光となる。
【００１９】
反射ターゲットおよびコーナキューブ１６，７４で反射された参照および測定光Ｒ，Ｍは、逆回転の円偏光となり、再び、１／４波長板７０を通過することによって最初に通過した時とは、９０°の偏光角をもった直線偏光となる。
従って、最初に偏光ビームスプリッタ６８内を透過した測定光Ｍは、今度は、ビームスプリッタ６８で反射し、反射した参照光Ｒは、今度は、ビームスプリッタ６８を透過し、このときに、測定光Ｍと参照光Ｒとが相互に干渉する。干渉光（Ｍ＋Ｒ）は、入射光Ｌの上方を通過して、レーザ出射窓部６４を介して、レーザヘッド１２の受光部に受光される。
【００２０】
このとき、反射ターゲット１６の位置が前後に移動すると、干渉光（Ｍ＋Ｒ）の干渉縞の状態が変化するので、この変化の量を電気的に計数することより、ビームスプリッタ６８から反射ターゲット１６までの距離が測定され、その測定結果がディスプレイ１８に表示される。
図５には、上述した干渉計本体４２の４つの部位〔イ〕〜〔ニ〕の各光路の詳細を示している。同図（ａ）に示した部位〔イ〕では、入射光Ｌが偏光ビームスプリッタ６８を直進透過する測定光Ｍと、この測定光Ｍと直交するように下方に向かう参照光Ｒとに分けられ、干渉光（Ｍ＋Ｒ）が入射光Ｌの上方を逆方向に通過する。
【００２１】
部位〔ロ〕では、参照光Ｒと干渉光（Ｍ＋Ｒ）は、部位〔イ〕と同様な光路を辿るが、測定光Ｍは、ペンタプリズム７２により参照光Ｒと同じ方向で、かつ、平行になるように反射され、反射ターゲット１６側に向かう。
部位〔ハ〕では、参照光Ｒと干渉光（Ｍ＋Ｒ）は、部位〔イ〕と同様な光路を辿るが、測定光Ｍは、ペンタプリズム７２により参照光Ｒと逆方向で、かつ、平行になるように反射され、反射ターゲット１６側に向かう。
【００２２】
部位〔ニ〕では、参照光Ｒと干渉光（Ｍ＋Ｒ）は、部位〔イ〕と同様な光路を辿るが、測定光Ｍは、ペンタプリズム７２により入射光Ｌの光軸上で直交する方向に反射され、反射ターゲット１６側に向かう。
次に、このように構成された多軸測長機の使用方法の一例を図７〜図８に基づいて説明する。この使用例では、本発明の多軸測長機を使用して、ＮＣ工作機（具体的には、フライス盤Ａ）の３軸の移動精度を測定し、かつ、その精度を校正する場合の適用例であり、図７にその際の状態が示されている。
【００２３】
同図に示すように、被測定物であるフライス盤Ａの正面には、三脚１０上に支持された送受光部内蔵型のレーザヘッド１２が対向配置され、フライス盤Ａの固定部位である主軸位置に、例えば、スピンドル部に取り付けたり、マグネットを用いて、多軸干渉計１４が固設されている。
この干渉計１４に対向してフライス盤Ａの可動部分であるテーブルのｘ軸方向、ｙ軸方向及び多軸干渉計１４の真下であるｚ軸方向には、それぞれ反射ターゲット１６が固定配置される。
【００２４】
多軸干渉計１４は、この例では、上述した部位〔イ〕がｙ軸方向に一致し、部位〔ロ〕がｚ軸方向に、また、部位〔ニ〕がｘ軸方向に一致するようにセットされる。レーザヘッド１２の光軸は、多軸干渉計１４の入射およひ出射窓部６２，６４上にセットされ、測定時におけるこのようなアライメント作業は、最初の一回で完了し、後は、レーザヘッド１２、干渉計１４及び各反射ターゲット１６を固定したまま全自動によりフライス盤Ａの計測が行われることになる。
【００２５】
なお、測定時における作業者による最初のアライメント作業は、３軸方向の光軸合わせ及び３軸方向のホームポジション設定作業となるが、この作業は、概ね２５分程度で終了する。一方、コントローラ２４およびディスプレイ１８には、図１に示すように、コンピュータ２０が接続され、このコンピュータ２０には、ＮＣ工作機に付設されているＮＣコントローラ２２も接続される。
【００２６】
コンピータ２０には、これに搭載されるフロッピーディスク２０ａなどに計測プログラムが書き込まれていて、このプログラムに従って、自動的に測長および校正作業が行われる。
図８にその計測プログラムの一例を示している。同図に示した手順では、スタートすると、まず、ステップ１０１で、コントローラ２４に指令信号を送出して、モータ４４を駆動することにより、入射および出射窓部６２，６４に対向する位置に、干渉計本体４２の部位〔ニ〕が対応するようにセットされる。
【００２７】
続くステップ１０２では、ＮＣコントローラ２２に制御信号が送出され、この信号を受けたＮＣコントローラ２２は、フライス盤Ａを移動させて、ｘ軸のホームポジションに位置させる。ステップ１０３では、コンピュータ２０に搭載されているフロッピーディスク２０ａなどのソフトウエアの計測プログラム内容に沿ってフライス盤ＡのＮＣコントローラ２２に順次駆動指令を与え、フライス盤Ａを所定の手順により動作させる。
【００２８】
そして、これらの動作に応じて変化する測定結果のデータと、プログラム中に内蔵されている基準データとを比較し、この比較結果によりピッチ誤差などの補正データを算出し、その校正値をＮＣコントローラ２２に取込ませる。
この場合の精度試験内容は、繰返し位置決め精度試験、繰返し反転位置決め精度試験、ＩＳＯ−２３０−２などであり、試験項目に応じてその作業時間が異なるものの、従来と同様に５０分程度である。
【００２９】
ｘ軸についての全ての試験項目が完了したとステップ１０４で判断されると、コンピュータ２０は、ステップ１０５でコントローラ２４の起動を指令し、多軸干渉計１４の切替え機構を切替え動作させ、その測定光軸をｙ軸に切替える。より具体的には、モータ４４を駆動することにより、入射および出射窓部６２，６４に対向する位置に、干渉計本体４２の部位〔イ〕が、選択されて対応するようにセットされる。
【００３０】
この切替え動作の確認後、前記と同様な手順によってｙ軸に関する各種精度試験が実行され（ステップ１０６〜１０８）、さらに、ｙ軸の測定がステップ１０８で終了したと判断されると、測定光軸をｚ軸に切替え、同様な手順を繰返し、ｚ軸の精度試験完了後システムを停止させる（ステップ１０９〜ステップ１１２）。
【００３１】
この全作業時間は１７５分程度であり、そのうち作業員による最初のアライメント時間を除けば、自動計測時間は１５０分であるため、作業員にとっては十分な空き時間を得られ、その間を他の作業に有効活用できることになるうえ、作業完了後放置しておいても、実質的に全ての作業が完了しているので、作業時間の管理に煩わされることがない。
【００３２】
なお、上記使用例では、本発明の多軸測長機をＮＣ工作機の測長および校正に適用した場合を例示したが、本発明の多軸測長機は、このような使用例に限定されることはなく、例えば、Ｘ，Ｙテーブルのように２軸方向に移動する被測定対象物にも使用することができ、この場合には、多軸干渉計１４の出射方向を直交する２軸方向で選択すればよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上実施例で詳細に説明したように、本発明にかかる多軸測長機によれば、一回のアライメント作業によって干渉計と反射ターゲットの光軸合わせを行えば、切替え機構をコントローラで作動させることにより、少なくとも直交する２つの方向での測長が可能になり、面倒なアライメント操作の回数を低減させつつ、測長能率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる多軸測長機の一実施例を示す全体構成図である。
【図２】同多軸測長機の多軸干渉計の全体構造の分解斜視図である。
【図３】同干渉計の断面図である。
【図４】同干渉計の干渉計本体の三面図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は、図４の平面図における各部位の断面図である。
【図６】干渉計本体の測定原理を示す模式図である。
【図７】本発明による多軸測長機をひざ型フライス盤の測定に適用した場合の配置を示す姿図である。
【図８】本発明の多軸測長機を用いた測定処理手順の一例を示すフローチャートである。
【図９】ひざ型縦フライス盤に対する従来の測長機の配置を示す姿図である。
【符号の説明】
１２    レーザヘッド
１４  多軸干渉計
１６  移動コーナキューブ（ターゲット）
２０  コンピュータ（制御部）
２４  コントローラ
３０  ハウジング
３４  リニアガイド
３６  スライダ
３８  ステージ
４２  干渉計本体（干渉計本体）
４２、４４、４６  移動機構
（４２  ラック、４４  超音波モータ、４６  ピニオン）
５０、５２  検出手段
（５０  フォトインストラブタ、５２  リミットスイッチ）
７２  ペンタプリズム（光学屈折機構）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003564205.tif 000009
【図９】
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