(57)【要約】【課題】球面モータで駆動できる首振り運動光てこを有するレーザ干渉測長装置を提供する。【解決手段】干渉測長光学系における物体光の照射方向を変化させる機構に首振り運動光てこを用いた光線追尾式レーザ干渉測長装置において、球面モータ１により駆動することにより照射角範囲を拡大できる首振り機構３を備えたものである。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
干渉測長光学系における物体光の照射方向を変化させる機構に首振り運動光てこを用いた光線追尾式レーザ干渉測長装置において、
球面モータにより駆動することにより照射角範囲を拡大する首振り機構を備えたことを特徴とする球面モータを用いた首振り運動光てこによる光線追尾式レーザ干渉測長装置。
【請求項２】
干渉光学系の戻り光路中に干渉計測用とは別のビームスプリッタを設け、戻り光の一部を四分割受光素子に導き、該受光素子により得られる電機的出力を制御装置への入力として、球面モータの回転角をフィードバック制御することにより首振り運動てこの姿勢を制御し、レトロリフレクタを自動追尾できることを特徴とする請求項１記載の球面モータを用いた首振り運動光てこによる光線追尾式レーザ干渉測長装置。
【請求項３】
前記球面モータは、チルト軸駆動を円弧型リニアモータで、ツイスト軸駆動を回転型モータで構成したことを特徴とする請求項１記載の球面モータを用いた首振り運動光てこによる光線追尾式レーザ干渉測長装置。
【請求項４】
請求項１記載の球面モータを用いた首振り運動光てこによる光線追尾式レーザ干渉測長装置を１セット使用して、該レーザ干渉測長装置から計測対象であるレトロリフレクタまでの距離データと、球面モータの２軸の角度により計測した前記レーザ干渉測長装置から見たレトロリフレクタの方向データから、前記レトロリフレクタの位置を決定可能とすることを特徴とする球面モータを用いた首振り運動光てこによる光線追尾式レーザ干渉測長装置を用いた座標測定方法。
【請求項５】
請求項１記載の球面モータを用いた首振り運動光てこによる光線追尾式レーザ干渉測長装置を４セット使用して、計測対象であるレトロリフレクタの位置を所定回数追尾計測することにより、前記光線追尾式レーザ干渉測長装置の互いの位置関係および前記光線追尾式レーザ干渉測長装置とレトロリレレクタとの距離が測定できない場合にも前記レトロリフレクタの位置を決定可能とすることを特徴とする球面モータを用いた首振り運動光てこによる光線追尾式レーザ干渉測長装置を用いた座標測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、三次元空間内を移動するレトロリフレクタを追尾しつつ、該レトロリフレクタの座標を計測する光線追尾式レーザ干渉測長器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の三次元空間内を移動するレトロリフレクタを追尾しつつ、該レトロリフレクタの座標を計測する光線追尾式レーザ干渉測長装置としては、例えば、図６に示すような装置がある。この追尾式レーザ干渉測長器は、最終段の反射ミラー６１０が回転体６１４、６１６を介してＸ軸及びＹ軸の周りに夫々回転できるように構成されている。これによって移動体に設けられている逆反射体にレーザビームを照射できるようになっている。すなわち、反射ミラー６１０を支持する回転体６１４は、回転体６１６に対して軸受け６１２、６１２を介してＸ軸の周りに回動自在に支持され、回転体６１６は固定台６１８に対して軸受け６２０、６２０を介してＹ軸の周りに回動自在に支持されている。
【０００３】
そして図示していないレーザ光源から発振されたレーザビームは、偏光ビームスプリッタ６２２により分割されて、一方のレーザビームはコーナーキューブ６２４へ入射し、その反射光はビームスプリッタ６２２を介して検出部６２６へ入射する。一方、分割された他方のレーザビームはプリズム６２８によってＹ軸と同軸上に折り曲げられ、その後回転体６１６に支持されたプリズム６３０、６３２を介してＸ軸と同軸上に折り曲げられ最終段の反射ミラー６１０に入射する。従って、反射ミラー６１０から出射されるレーザビームは、回転体６１６がＹ軸の周りに回動すると旋回し、回転体６１４がＸ軸の周りに回動すると上下方向に移動するため、回転体６１４及び６１６の回動を夫々制御することにより移動体に設けられている逆反射体に向けてレーザビームを出射することができる。移動体に設けられている逆反射体からの反射光は、測定光として、先の反射ミラー６１０、プリズム６３２、６３０、６２８の順に通過して偏光ビームスプリッタ６２２を介して検出部６２６に入射される。検出部６２６では、コーナーキューブ６２４によって反射された参照光と、逆反射体から反射された測定光との干渉に基づいて移動体の移動を測定する。
【０００４】
しかし、近来、益々装置の高分解能化が要望されてきて、この装置では、現在求められる計測原点の偏心を１μｍ以下の精度に保持することが困難だった。その理由を図６を模式化した図７を参照して説明すると、１つは反射ミラー６１０から出射されるレーザビームのレーザ光軸６０１が或る断面積を持った円筒の仮想的軸線であるので機械的接触が不可能であること、もう１つはＸ−Ｙジンバル回転中心線６０２を、共にレーザ光軸６０１に合致させる３軸合致が困難であったためである。
【０００５】
これを改善したものとしては、特許文献１に開示の「首振り運動光てこによる光線追尾式レーザ干渉測長器がある。この装置は光路中に首振り運動光てこ機構を設け、首振り運動光てこの反射面の中心にレーザ光線を入射して、反射光線を任意の方向へ変化可能にしたもので、図８に示すように、首振り運動光てこ２０１の構造は、半球２０２の反射面の偏心精度を０．１〜０．２５μｍ程度に抑えて、要求される計測原点の偏心を１μｍ以下に保持できるようにしたもので、その構造は、球状接触子２０４がＸ移動テーブル２１０の上面に固定されたＶ板２０５のＶ形面に接触するようになっていて、垂直方向から傾斜した左右２本の引張りバネ２０７の張力で半球２０２が三球球面座の３個の鋼球２４１と、球状接触子２０４がＶ形面と同時に加圧接触する構造になっている。
【０００６】
図９は、このような首振り運動光てこを用いたレーザ干渉測長器の断面図であり、２点鎖線で示すレーザ光の光軸のように、レトロリフレクタ１００からの戻り光は、首振り運動光てこ２０１の半球２０２の上面中心２２０で反射して、平面反射鏡１０４、直角プリズム１０５を通過し、ビームスプリッタ１０６に達する。この戻り光の約１／２はここで反射して四分割受光素子１０７に入射する。四分割受光素子１０７は、Ｘ移動テーブル１１０とモータ１１５、Ｙテーブル１１１とモータにより首振り運動光てこ２０１を駆動して、レーザ光をレトロリフレクタ１００の反射中心点１０１に正確に照射するように調整する方法で、レトロリフレクタ１００が静止している時に、各電気出力ａｂｃｄが全て等しくなるように調整され、レトロリフレクタ１００の移動に追尾して（ａ＋ｃ）−（ｂ＋ｄ）＝０を目標にＸ軸方向の位置制御を行い、（ａ＋ｂ）−（ｃ＋ｄ）＝０を目標にＹ軸制御を行って、レトロリフレクタ１００の位置追尾が可能になる。
【０００７】
一方、図９中、一点鎖線で囲まれた部分１０８は、測長用干渉計の構成で、中心１０９から首振り運動光てこ２０１の上面中心２２０までの光路長は一定であるから、中心１０９からレトロリフレクタ１００の中心１０１までの光路長を計測することにより、レトロリフレクタ１００の中心１０１と、首振り運動光てこ２０１の上面中心２２０までの、レトロリフレクタ１００の移動距離Ｌ２−Ｌ０の値をレーザ波長を基準に干渉計測できる。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−９８５１０号公報（段落番号［０００４］〜［０００８］及び［００１２］〜［００１８］、図１、図３、図８、図９）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術では、首振り運動光てこ２０１の半球ミラー２０２の回転に伴って、下端の球状接触子２０４が上方へ移動する。従って、球状接触子２０４とＶ板２０５の接触が保たれる範囲内に半球ミラーの回転角が制限されてしまい、光線追尾式レーザ干渉測長装置の光線走査範囲が狭くなってしまうという問題があった。
【００１０】
そこで、本発明は、首振り運動光てこの駆動機構に球面モータを用いることによって、半球ミラーの回転角が大きくなった場合においても、半球ミラーの回転角が制限されることがなく、光線追尾式レーザ干渉測長装置の光線走査範囲が拡大できる、球面モータを用いた首振り光線てこによる光線追尾式レーザ干渉測長装置および該装置を用いた座標測定方法を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求事項１に記載の発明は、干渉測長光学系における物体光の照射方向を変化させる機構に首振り運動光てこを用いた光線追尾式レーザ干渉測長装置において、球面モータにより駆動することにより照射角範囲を拡大する首振り機構を備えたことを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、干渉光学系の戻り光路中に干渉計測用とは別のビームスプリッタを設け、戻り光の一部を四分割受光素子に導き、該受光素子により得られる電機的出力を制御装置への入力として、球面モータの回転角をフィードバック制御することにより首振り運動てこの姿勢を制御し、レトロリフレクタを自動追尾できることを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は、前記球面モータは、チルト軸駆動を円弧型のリニアモータで、ツイスト軸駆動を回転型モータで構成したことを特徴としている。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１記載の球面モータを用いた首振り運動光てこによる光線追尾式レーザ干渉測長装置を１セット使用して、該レーザ干渉測長装置から計測対象であるレトロリフレクタまでの距離データと、球面モータの２軸の角度により計測した前記レーザ干渉測長装置から見たレトロリフレクタの方向データから、前記レトロリフレクタの位置を決定可能とすることを特徴としている。
また、請求項５に記載の発明は、請求項１記載の球面モータを用いた首振り運動光てこによる光線追尾式レーザ干渉測長装置を４セット使用して、計測対象であるレトロリフレクタの位置を所定回数追尾計測することにより、前記光線追尾式レーザ干渉測長装置の互いの位置関係および前記光線追尾式レーザ干渉測長装置とレトロリレレクタとの距離が測定できない場合にも前記レトロリフレクタの位置を決定可能とすることを特徴としている。
【００１２】
この球面モータを用いた首振り光てこによる光線追尾式レーザ干渉測長装置によれば、首振り運動光てこはモータからカップリング、送りネジ、Ｘ・Ｙテーブル、Ｖ板、球状接触子など中間の回転伝達機構を必要としないで、光てこの連結棒を直動型の円弧リニアモータのロータに直接固定して回転駆動できるので、球面モータの回転可能な範囲全部に亙って移動することが可能がなり、光線追尾式レーザ干渉測長装置の光線走査範囲が拡大できると共に、機構がシンプルになった分、駆動誤差が減少する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は本発明の実施の形態に係る球面モータを用いた首振り光てこによる光線追尾式レーザ干渉測長器の断面図である。
図２は図１に示す２軸アクチュエータの切欠き斜視図である。
図３は図２に示す２軸アクチュエータの構造説明図である。
図４は図１に示す４分割受光素子の正面図である。
図１において、図１（ｂ）は光線追尾式レーザ干渉測長器の側面断面図で、図１（ａ）はその上面図である。図中、１は２軸複合の球面モータで構成する２軸アクチュエータである。２は２軸アクチュエータ１の取付け台で、４は首振り光てこ３の半球部で上面にレーザ光をレトロリフレクタへ照射するための反射面を備えている。
【００１４】
５は連結棒で２軸アクチュエータ１の回転軸に連結される。６は半球部４が設座される球面座の鋼球である。７はレーザ光の位置合わせ用のミラーである。８は測定用のレーザ光で外部の発振光源から光ファイバーで導入される。９はレーザ干渉計の部分で、１０はレーザ干渉計９を取付け２軸アクチュエータ１に設置するレーザ干渉計取付け台である。１１はレーザ光８を照射光と測定用の参照光に分離するビームスプリッタで、１２は戻り光を方向追尾用の４分割受光素子１３へ入射するビームスプリッタである。１４はレトロリフレクタから反射した戻り光と参照光の干渉信号を距離測定回路へ取込む光ファイバーである。１５は半球部４の反射面の中心点である。１６は計測用の偏光板である。
【００１５】
図２において、２１は球面モータのチルト軸（上下）ロータで歯を有する永久磁石で構成されている。２４はチルト軸ロータ２１を駆動するチルト軸コイルであり、チルト軸ロータ２１とチルト軸コイル２４で円弧型のリニアモータを構成している。２２はチルト軸の原点位置を検出するチルト軸原点センサである。２５はチルト軸モータと同軸の回転型モータで構成するツイスト軸（水平方向）ロータで、２６はステータのツイスト軸コイルであり、２３はツイスト軸の原点位置を検出するツイスト軸原点センサである。半球４の連結軸５は連結治具２７によりチルト軸ロータ２１の回転軸に連結されている。２８は２軸アクチュエータ１の上板で、２９はチルト軸部フレーム部、３０はツイスト軸フレーム部、３２は配線束を軸回転によって撚れないようにするための軸管構造のスリップリングである。３３はレーザー波長の温度補正用の周囲温度検出部である。
【００１６】
つぎに動作について説明する。
先ず、２軸アクチュエータ１については、図３に示すように、首振り運動光てこ３の半球部４を支持する連結棒５を、チルト軸ロータ２１の回転軸４０と、連結治具２７により螺止・固定し連結しているので、従来例のような球状接触子とＶ板や、モータ出力を伝達するＸ・Ｙテーブル、送りネジなどによる伝達機構が無い分、回動伝達が直動型でロスが無く正確である。
リニアモータの永久磁石型ロータであるチルト軸ロータ２１は、ステータ４１に鋲止めされてロータ側の歯列と所定間隔を保持して配置されるチルト軸コイル２４によって駆動され、上下方向の円弧回転を行う。
【００１７】
一方、ツィスト軸ロータ２５と、それを駆動するステータ側のツイスト軸コイル２６で構成され、チルト軸モータと同軸上に配置された回転型モータは水平方向へ回転する。この２自由度のモータによって回転軸４０はＸ、Ｙの球面上の合成運動を行うので、これに連結する半球部４は球面上の駆動が可能になる。この場合の回転角度は、リニアモータのチルト軸ロータ２１の移動範囲による。
また、この装置では温度変化による変動を避けるために、図３（ｂ）に示すように、上下のモータ付近に夫々通風孔４２、４３を設けてモータによる発熱を冷却して温度上昇を抑えている。
【００１８】
このような２軸アクチュエータ（球面モータ）１により直接回動される首振り運動光てこによる光線追尾式レーザ干渉測長装置の被計測対象の位置追尾は、先ず、測定用レーザ光８をレトロリフレクタに照射して反射した戻り光は、首振り運動光てこ３の半球部４の反射面の中心１５で反射して、位置合わせ用ミラー７でＸ方向へ折り曲げられビームスプリッタ１２へ入射し、この戻り光の約１／２を反射して４分割受光素子１３へ入力する。４分割受光素子１３は、図４に示すように４つの受光面ＡＢＣＤで構成されていて、レトロリフレクタが静止している状態の時に、４つの電気出力ａｂｃｄが等しくなるように、２軸アクチュエータ１により首振り運動光てこ３の向きが調整され中心点１５で反射し、レトロリフレクタの中心点でレーザ光が正確に反射している状態を基準として、この状態からレトロリフレクタが移動したら、電気的出力ａｂｃｄのバランスが崩れるので、２軸アクチュエータ１の各モータの回転角を例えば、電気的出力がＸ軸方向が（ａ＋ｃ）−（ｂ＋ｄ）＝０、Ｙ軸方向が（ａ＋ｂ）−（ｃ＋ｄ）＝０になるように位置制御することによって、電気的出力ａｂｃｄのバランスを調整して、レトロリフレクタの移動位置を正確に追尾できる。
【００１９】
次に、光線追尾式レーザ干渉測長装置のレーザ干渉計による距離測定は、以上のように移動したレトロリフレクタを追尾した状態で、レーザ光８はビームスプリッタ１１で参照用レーザ光ビームと照射用レーザ光ビームに分かれ、照射用レーザ光はビームスプリッタ１２、ミラー７、首振り運動光てこの反射面１５を通ってレトロリフレクタの中心点に照射され、反射した戻り波は首振り運動光てこの反射面１５、ミラー７を通過して、ビームスプリッタ１２で４分割受光素子１３への位置制御用と、測定用に分割され測定用の戻り波はビームスプリッタ１１で先の参照波と干渉し、干渉波は測定回路（図示していない）のカウンタでカウントされレーザ光の波長を基準にレトロリフレクタまでの距離が算出される。
【００２０】
以上によって移動した被測定対象物のレトロリフレクタまでの距離は算出できたが、方向を特定できないと３次元上の位置を決定できない。
従って、例えば、測定した原点（半球部３の反射中心１５）から被測定対象物のレトロリフレクタまでの距離ｒと、原点から見たレトロリフレクタの水平方向の角度、および垂直方向の角度を、チルト軸原点センサ２２、ツイスト軸原点センサ２３の検出値から求め、半径ｒの球面上に極座標表示により、３次元のレトロリフレクタの位置を決定することができる。
【００２１】
このようにレーザ干渉測長装置１セットでもレトロリフレクタの３次元位置の測定が可能であるが、更に、精密な高分解能の測定を行うにはレーザ干渉測長装置を３〜４セット使用する方法がある。
図５に示すように、０１、０２、０３の３ケ所に計測ユニット（レーザ干渉測長装置）を設置し、１００にはレトロリフレクタを設置する。各計測ユニットからレトロリフレクタ１００の中心１０１までの距離Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３を計測する。ここで計測ユニット０１、０２、０３の互いの位置関係を予め計測しておけば、三辺測量（従来の三角測量法ではなく、最近のパラメル・メカニズム方式等に見られるような、３辺の距離より３次元座標を求める方法）の原理により中心位置１０１の座標を一意に決定することができる
【００２２】
しかしながら、計測ユニット０１、０２、０３の互いの位置関係を１μｍ以下の精度で正確に測定することは非常に困難である。更に、計測ユニットにインクリメンタルなカウンタを用いた場合、レトロリフレクタの移動量のみが測定可能であり、比較による相対的な測定は可能であるが、計測ユニットとレトロリフレクタとの絶対的な距離の測定は不可能である。
但し、以下に説明する自己校正法によれば、絶対距離の測定が可能で、それによって三辺測量の原理によりレトロリフレクタ１００の中心１０１の座標を計測できる。
【００２３】
自己校正法では、計測ユニット０１、０２、０３に加えて第４の計測ユニット０４を使用する。先ず、レトロリフレクタ１００を任意の位置に設置し、任意に移動しながら、４台の計測ユニットで夫々レトロリフレクタ１００の測定を行って、それを繰返し計測する。つまり、レトロリフレクタ１００をｎ回移動すれば４×ｎ個の計測値が得られることになる。
この時点で未知数は、先ず、測定点１００の３次元座標であり、これは３個の未知数である。測定はｎ回行われたので、合計３×ｎ個の未知数が存在することになる。また、計測ユニットの位置関係の未知数は６個、レトロリフレクタの初期位置に関する未知数が３個、存在する。従って、未知数の合計は、３×ｎ＋６＋３個である。
【００２４】
一方、計測ユニット０１〜０４による距離測定値は、４×ｎ個存在するので、方程式３×ｎ＋６＋３＝４×ｎ、を解いて、ｎ＝９より９点の測定を行って９個の連立方程式を解けば、これらの未知数は全て数学的に一意に決定できる。以上が自己校正法の原理であり、この方法により、一旦、計測ユニットの位置関係とレトロリフレクタまでの初期距離が決定できれば、その後任意の場所にレトロリフレクタが移動した場合においても、各計測ユニットに装備されたレーザ干渉計の測定値から三辺測量の原理により、レトロリフレクタの位置を決定することができる。なお、未知数の決定のための計算に９点以上の測定点が利用できる場合は、方程式が過拘束の状態になり解くことができないので、その場合は最小二乗法を用いて決定すればよい。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、干渉測長光学系における物体光の照射方向を変化させる機構に首振り運動光てこを用いた光線追尾式レーザ干渉測長装置において、球面モータにより駆動することにより照射角範囲を拡大する首振り機構を備えて、戻り光の一部を四分割受光素子に導き、該受光素子により得られる電気的出力を制御装置への入力として、チルト軸を円弧型リニアモータでツイスト軸を回転型モータで構成した球面モータの回転角を制御することにより首振り運動てこの姿勢を制御し、レトロリフレクタを自動追尾できるようにすると共に、球面モータを用いた首振り運動光てこによる光線追尾式レーザ干渉測長装置を４セット使用して、計測対象であるレトロリフレクタの位置を所定回数追尾計測することにより、光線追尾式レーザ干渉測長装置の互いの位置関係および光線追尾式レーザ干渉測長装置とレトロリレレクタとの距離が測定できない場合にもレトロリフレクタの位置を決定できるようにしたので、
光線追尾式レーザ干渉測長装置の光線走査範囲を拡大して、測定範囲を従来に比較して拡大できる効果がある。
また、光線追尾式レーザ干渉測長装置の配置の自由度が増し、計測ユニットを４セット使用する自己校正方式の場合測定精度が配置によって大きな影響を受けるため配置の自由度が増すことにより測定精度が向上するという効果がある。
また、直動型のリニアモータでチルト軸モータを構成したので、Ｘ、Ｙテーブル、ボールネジ、Ｖ板、球状接触子などの中間伝達機構を削除して、直接連結棒をロータに固定して駆動することが可能になり、装置が簡単化されて動作誤差が減少し、制御も簡単化できるので、より正確な計測が可能になるという効果がある。
また、工業用ロボットの作業軸端にレトロリフレクタを取付けて、レーザ干渉測長器で追尾させた場合にロボットの位置決め誤差の検出が可能になり、ロボットの位置決め誤差が検出できれば、現在、ロボットの実働現場で行われているプログラム修正作業が不要となり、机上のプログラミング作業で位置決めプログラミング作業を済ますことができるので、大幅な作業時間の節約が可能になる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る球面モータを用いた首振り運動光てこによる光線追尾式レーザ干渉測長装置の断面図である。
【図２】図１に示す２軸アクチュエータの切欠斜視図である。
【図３】図２に示す２軸アクチュエータの構造説明図である。
【図４】図１の４分割受光素子の正面図である。
【図５】図１に示すレーザ干渉測長装置による３辺測量の原理図である。
【図６】従来のレーザ干渉測長器の断面図である。
【図７】図６に示すレーザ干渉測長器の３軸交点の説明図である。
【図８】従来のレーザ干渉測長器に用いた首振り運動光てこの正面図である。
【図９】従来の首振り運動光てこによる光線追尾式レーザ干渉測長器の断面図である。
【符号の説明】
１  ２軸アクチュエータ
２  ２軸アクチュエータ取付け台
３  首振り運動光てこ
４  半球部
５  連結棒
６  鋼球
７  位置合わせ用ミラー
８  レーザ光
９  レーザ干渉計
１０  レーザ干渉計取付け台
１１、１２  ビームスプリッタ
１３  ４分割受光素子
１４  干渉信号
１５  反射中心点
１６  偏光板
２１  チルト軸ロータ
２２  チルト軸原点センサ
２３  ツイスト軸原点センサ
２４  チルト軸コイル
２５  ツイスト軸ロータ
２６  ツイスト軸コイル
２７  連結治具
２８  上板
２９  チルト軸部フレーム
３０  ツイスト軸部フレーム
３２  スリップリング
３３  周温センサ
４１  ステータ
４２、４３  通風孔
１００  レトロリフレクタ
１０１  レトロリフレクタ中心
【図１】
2004251785.tif 000003
【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】
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【図９】
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