(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光放射ユニットおよび光検出ユニットを具え、座標位置決めを利用した機械用位置決定装置であって、
前記光放射ユニットは、使用中に前記光検出ユニットに向けて伝搬する光束を放射するための光源を有し、
前記光検出ユニットは、前記光束に合わせて配置される光チャンネルと、当該光チャンネルに合わせて配置されて前記光放射ユニットから伝搬する前記光束を検出するための光検出素子とを有し、
前記光検出ユニットに形成されるスポットの寸法が前記光検出ユニットにおける前記光チャンネルの寸法よりも実質的に大きくなるように、前記光束がコリメートされず、
前記光放射ユニットおよび前記光検出ユニットの一方または両方は、前記光束が通過する開口を含むハウジングを有し、前記開口は当該ハウジングに供給される加圧空気が該ハウジング内からその外部に通過可能な管路の形態にあり、
当該管路が前記光束の伝搬方向に対して斜めに延在していることを特徴とする位置決定装置。
【請求項２】
前記光放射ユニットの前記ハウジングが光チャンネルをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の位置決定装置。
【請求項３】
前記光チャンネルまたは前記開口が０.８mm２以下の断面積を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の位置決定装置。
【請求項４】
光放射ユニットおよび光検出ユニットを具え、座標位置決めを利用した機械用位置決定装置であって、
前記光放射ユニットは、使用中に前記光検出ユニットに向けて伝搬する光束を放射するための光源を有し、
前記光検出ユニットは、前記光放射ユニットから伝搬する前記光束を検出するための光検出素子を有し、
前記光放射ユニットおよび前記光検出ユニットの一方または両方は、前記光束用の光チャンネルを管路の形態で含むハウジングを有し、前記光チャンネルを通って前記ハウジングに供給される加圧空気が前記ハウジング内からその外部に通過可能であり、
前記管路が前記光束の伝搬方向に対して斜めに延在していることを特徴とする位置決定装置。
【請求項５】
前記光チャンネルが０.８mm２以下の断面積を有することを特徴とする請求項４に記載の位置決定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基準点に対する対象物の位置を工作機械などの座標位置決め機器が決定できるようにする機器に関し、例えば工作機械における工具設定作業で用いることができる。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械において使用するための周知の工具設定装置は、検出器に入射する細い光束を発生させる光源を有する。工作機械は、工具設定作業中に工具の一部分が光束を遮断して通過するまで、工具が光束の伝搬方向に対して横切って移動するように操作される。この光束遮断を検出した結果、検出ユニットのトリガ信号が発生し、このトリガ信号は工作機械で使用され、工具の寸法を決定するために工作機械の移動部品の相対的位置を確立する。このような装置は、例えばドイツ特許ＤＥ４２３８５０４号，同ＤＥ４２４４８６９号，フランス特許第２３４３５５５号，欧州特許第９８９３０号，および米国特許第４５１８２５７号から周知である。これらの装置は、工具の長さまたは直径を測定してこれらの破損または摩耗を監視するために付加的に使用可能である。
【０００３】
上記特許明細書に開示された装置は、工具に入り込むかまたは工具を通過する細い光束を使用している。検出ユニットは、検出ユニットに入射する光束の強度低下から、工具が光束を遮る時点を検出している。
【０００４】
これらの装置が工具の位置を測定できる精度は、レ−ザ光束の直径に依存し、この直径が小さいほど測定の精度は高い。
【０００５】
例えばフランス特許第２３４３５５５号は、レーザーが直径０.７mmから０.８mm程度のコヒーレント光束を発生させるシステムを記載している。欧州特許第９８９３０号は、レーザーが高い測定精度のために厳密に規定された光束を与えるので、レーザー光源を使用することを提案している。米国特許第４５１８２５７号は、すべての測定が行われる小さな検査領域にレーザー光束を集束させるシステムを記載している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
これらの装置のすべてに付随する１つの問題点は、レーザー光束が小さいほど、レーザー光束と検出システムとのアラインメント作業が困難になるということである。
【０００７】
欧州特許第９８９３０号に例示された従来技術によるシステムに付随する他の問題点は、レシーバによって受光される光の強度を低下させて検出器からの信号を早く発信させてしまう可能性がある光学部品に対する汚染物の蓄積を防ぐため、光学系を清浄に保たなければならないことである。このことは、光束に対する極めて小さな妨害によって生ずる強度低下に依存して測定信号を発生させる装置の場合、特に配慮する必要がある。
【０００８】
欧州特許第９８９３０号は、光学系を清浄に保つための２つの方法を記載しており、その１つはエミッタおよびレシーバのハウジングの外部ガラス面に空気の噴流を当てることに関し、他の１つは可動の機械的シャッタを使用することに関する。これらの方法では、装置に対する追加のコストと機構の複雑化とを必然的に伴う。
【０００９】
米国特許第４５１８２５７号におけるように、光集束式システムに伴う１つの問題点は、工具が小さな検査領域においてのみ測定できることである。非集束式システムではこの問題はないが、光束を工作機械の移動軸と正確にアラインメントさせ、光路に沿ってどこにおいても正確な測定ができるようにしなければならない。従来の非集束式システムでは、光路の方向に調整を行う度に光束の位置を光路に沿った２つの異なる位置で確認しなければならず、その後に調整作業を必要に応じてさらに行わなければならず、アラインメント作業が極めて手間のかかるものであった。
【００１０】
【発明の目的】
本発明の目的は、工作機械における工具設定、または他の座標位置決め機械における対象物の設定に適した位置決定装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の形態は、光放射ユニットおよび光検出ユニットを具え、座標位置決めを利用した機械用位置決定装置であって、前記光放射ユニットは、  使用中に前記光検出ユニットに向けて伝搬する光束を放射するための光源を有し、前記光検出ユニットは、前記光束に合わせて配置される光チャンネルと、当該光チャンネルに合わせて配置されて前記光放射ユニットから伝搬する前記光束を検出するための光検出素子とを有し、前記光検出ユニットに形成されるスポットの寸法が前記光検出ユニットにおける前記光チャンネルの寸法よりも実質的に大きくなるように、前記光束がコリメートされず、前記光放射ユニットおよび前記光検出ユニットの一方または両方は、前記光束が通過する開口を含むハウジングを有し、前記開口は当該ハウジングに供給される加圧空気が該ハウジング内からその外部に通過可能な管路の形態にあり、当該管路が前記光束の伝搬方向に対して斜めに延在していることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の第２の形態は、光放射ユニットおよび光検出ユニットを具え、座標位置決めを利用した機械用位置決定装置であって、前記光放射ユニットは、使用中に前記光検出ユニットに向けて伝搬する光束を放射するための光源を有し、前記光検出ユニットは、前記光放射ユニットから伝搬する前記光束を検出するための光検出素子を有し、前記光放射ユニットおよび前記光検出ユニットの一方または両方は、前記光束用の光チャンネルを管路の形態で含むハウジングを有し、前記光チャンネルを通って前記ハウジングに供給される加圧空気が前記ハウジング内からその外部に通過可能であり、前記管路が前記光束の伝搬方向に対して斜めに延在していることを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の形態による位置決定装置において、光放射ユニットのハウジングが光チャンネルをさらに有するものであってもよい。
【００１６】
また、光チャンネルまたは開口が０.８mm2以下の断面積を有するものであってもよい。
【００１７】
本発明の第２の形態による位置決定装置において、光チャンネルが０.８mm２以下の断面積を有するものであってよい。
【００１９】
【実施例】
本発明による座標位置決め機械用位置決定装置の実施例について、図１〜図１６を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこのような実施例に限らず、これらをさらに組み合わせたり、この明細書の特許請求の範囲に記載された本発明の概念に包含されるべき他の技術にも応用することができる。
【００２０】
図１に示すように、例えば工作機械での使用に適した工具設定装置は、光束１２を放射する光放射ユニット１０と、光束１２が検出される光検出ユニット１４とを有する。光放射ユニット１０および光検出ユニット１４の動力ケーブルおよび信号制御ケーブルは、導入ポート１６を介して引き込まれ、２つのユニット１０，１４は、これら両ユニット１０，１４が使用される工作機械のベースに直接、または両ユニット１０，１４が取り付けられる中間ベース２０を介するか、さらに支柱１８を介して具合よく取り付けられる。
【００２１】
工作機械の操作中において、工具設定のための工具設定装置は、この工作機械を操作することによって用いられ、工作機械に取り付けられて光束１２が伝搬する方向に対して横切るように工具を動かす。所定の光束遮蔽レベルに達すると、検出ユニット１４はトリガ信号を発し、このトリガ信号は工作機械によって用いられ、工作機械の相対可動部品の相対位置が決定され、これによって工具の寸法を決定することが可能になる。
【００２２】
前記トリガ信号の発生について以下に説明する。図２に示すように、光放射ユニット１０は、光束１２を発生させるレーザーダイオード３０を具えている。光束１２は光チャンネル、この場合はスクリーン３２によって設けられた開口２２を通過し、次いで光放射ユニットのハウジング３６内に設けられた半透明または透明な窓部材３４を通過する。レーザー光である光束１２は、ほぼ平行光束であるが、コリメートされない限り、一般的にはわずかな角度で拡散する拡散光束である。本実施例では、光束１２は意識的にコリメートされておらず、厳密な意味で発散させた状態となっている。
【００２３】
光検出ユニット１４は、スクリーン４２に設けられる開口２４に合わせて置かれた光検出ダイオード４０を有し、スクリーン４２は光検出ユニット１４のハウジング４６内における半透明窓部材４４の背後に取り付けられる。光束１２が光放射ユニット１０から伝搬して窓部材４４に入射すると、この入射によって作られるスポットは、スクリーン４２内の開口２２よりも実質的に大きい。一般的に、光放射ユニット１０と光検出ユニット１４との間の距離が１メートル以上の場合、スクリーン４２の開口２４が３００マイクロメートル以下であったとしても、光束１２の直径は検出ユニット１４において４mm程度になろう。
【００２４】
スクリーン３２／４２は、窓部材３４／４４にコーティング、例えばクロム被覆を施すことで可能であり、窓部材３４／４４にエッチング面を形成することでも可能である。
【００２５】
両窓部材３４，４４が汚染物のない外部表面を有することを保証するため、両窓部材３４，４４を空気の噴流に当てる。高圧空気が吸気ポート６０，６２を介してそれぞれ光放射ユニット１０および光検出ユニット１４に供給され、キノコ形部材７０を介して窓部材３４，４４の表面に向けられる。
【００２６】
本発明の他の実施例を表す図３〜図６に示すように、窓部材３４，４４の一方または両方を、もう１つのスクリーン１００の背後に配置するようにしてもよい。空気は、窓部材３４，４４とスクリーン１００との間に形成されたチャンバ１０２に、例えば１.５バールの圧力で供給され、スクリーン１００の管路１０４を介してチャンバ１０２から流出する。この場合、管路１０４は光チャンネルを形成し、光束１２の伝搬方向に対して横切るかまたは斜めに、例えば光束１２の主伝搬方向に対して１０〜２０°傾斜して延在するように構成され、従って光束伝搬に対する空気流の影響を最小にすることができる。これに対し、管路１０４が光束１２と平行な場合には、光路に沿った乱流が測定の精度に影響する可能性がある。
【００２７】
スクリーン１００の正面形状および外観ならびに断面形状を図４〜図６に示す。光束１２は、相互に部分的に合致するように配された管路１０４の内側開口１１０と外側開口１１２とによって管路１０４を通過する。管路１０４は、光束１２に対して平行に設定することも可能である。光放射ユニット１０または光放射ユニット１０における管路１０４の代わりに、類似の管路を検出ユニット１４に形成することもできる。一般的に、これらの管路１０４は、光束１２の主伝搬方向に対して１５°傾斜して延在するピンホールであって、直径が１mm以下または断面積が０.８mm2以下である。このピンホールが傾斜している場合には 、その有効断面積が小さくなり、またこれを通過する光束１２に非円形断面を与えることになる。
【００２８】
開口２２／２４を管路１０４よりも小径にすることも可能であり、開口２２／２４を完全に省略するようにしてもよい。図４は、開口の周壁に接触することなく、管路１０４を通って伝搬する細い光束１２を示している。この場合、開口２２は管路１０４よりも小さな径を有することになる。開口２２／２４を有する場合、これらは０.８mm2以下の断面積を有することになる。
【００２９】
上述した実施例は、すべて断面積が比較的小さな、例えば０.８mm2以下の断面積を有する光チャンネルを採用している。小さな断面積は、対象物が光束を遮る場合に、より高い位置決定精度をもたらす細い光束１２の形成を可能にする。小さな断面積の光チャンネルを少なくとも検出器において使用する場合、これが発散光を使用することによる位置決定精度の低下原因にはならない。従って、検出器は光源からの光の柱を「観察する」だけで、残留発散光を「観察しない」ので、このような位置決定装置ではその位置決定精度が維持される。この結果、光の柱のみが光検出器によって検出され、残留発散光は無視される。発散光の使用は、検出器が光放射ユニット１０と完全に同一線上にある必要がないという利点を有する。振動がわずかでも発生した場合には、多少なりともミスアラインメントの可能性がある。この情況においてもなお検出器は観察可能な光の細い柱を観察することができる。
【００３０】
図７に示すように、光検出ユニット１４は、環状フォトダイオード２１２に同心状に取り付けられた円形フォトダイオード２１０を具えた光検出器２００を有し、フォトダイオード２１０，２１２はこれらの表面積が同じになるように寸法決定されている。光検出器２００は、先の実施例における光検出ダイオード４０と等価である。フォトダイオード２１０，２１２は増幅器２２０，２２２に接続され、これら増幅器２２０，２２２は出力Ｐ，Ｑを発生し、これらの出力Ｐ，Ｑは、それぞれフォトダイオード２１０，２１２から発生する信号の和および差である。
【００３１】
さらに、図８に示すように、工具が光束１２を横切る場合の和出力Ｐおよび差出力Ｑの信号時間特性において、出力Ｐは最初、光束１２が遮られない場合の信号出力に相当する比較的高いレベルＬ１を有する特性を持っている。工具が光路を横断し始め、これによって光束１２の光電検出器２００への到達を遮ると、検出器２００が完全に遮られるまで信号強度が次第に低下し、これにより信号強度がＬ２に低下する。工具がさらに進むと、工具が光路を通り抜けてしまうので、この過程の逆の経過を辿り、信号強度Ｌ１がもう一度発現する。
【００３２】
一方、フォトダイオード２１０，２１２の差出力Ｑ、は、フォトダイオード２１０，２１２の感光領域がほぼ同じであるから、ノイズに左右されるけれども通常はほぼゼロであり、従って光電検出器２００全体が照明されると、出力信号の大きさは相応じて同じである。工具による光束１２の通過が光電検出器２００を遮り始めると、検出器２１２に入射する光の強度は、検出器２１０に入射する光強度と比較して低下し始め、従って出力Ｑが急に上昇し、ピーク値Ｒ１に達する。光電検出器２００に入射する光束１２の正確に半分が工具によって遮られると、出力Ｑはゼロを通り、この点Ｔはトリガ信号が発信される点である。工具がさらに光束１２を通過すると、出力Ｑがその低いレベルＲ２に低下し、このレベルＲ２は、フォトダイオード２１０が完全に遮られるが、光束１２はなおもフォトダイオード２１２の片側に入射している条件に対応する。類似の条件は、工具が光束１２から抜け出る際にも存在し、これによってさらなるトリガ信号Ｔが発生する。
【００３３】
フォトダイオード２１０，２１２からの出力信号が同じであるけれども、工具設定作業の結果として出力Ｑの変化が生じない、すなわちノイズの変動が原因で出力Ｑが繰り返し閾値Ｔを通過する場合、トリガ信号の発生を防ぐために出力Ｐを使用し、出力Ｐが信号強度Ｕ１，Ｕ２の間にある場合のみ、トリガ信号の発生を受け入れるようにするため、図示しないトリガ回路をラッチする。図８に示すように、出力Ｐ上の閾値Ｕ１，Ｕ２は出力Ｑ上の最大信号強度Ｒ１と最小信号強度Ｒ２とに対応する。
【００３４】
５０％の光束遮蔽が検出された場合にトリガ信号を発生させるための他の実施例を図９を参照して説明する。この実施例では、光検出ダイオード４０の出力は可変ゲイン増幅器５０に移され、この可変ゲイン増幅器５０の出力は５個のバーコードＬＥＤ４８のディスプレィ（図１参照）を駆動する。
【００３５】
検出器の閾値レベルは閾値検出器５２によって設定され、これに当たる光の強度が妨害されない光量の５０パーセントに低下すると、トリガ信号を発する。これと、光放射ユニット１０および光検出ユニット１４におけるピンホールの使用は、光束１２が延びても工具測定が光束１２に沿った任意の位置においても可能であるという利点を有する。
【００３６】
最大強度レベルおよび閾値強度レベルは、以下のように準備ルーチン中に得られる。すなわち、レーザーのスイッチをオンにすると、その出力は最大レベルに上昇し、このレベルで出力は高速制御システムによって安定化される。次に、レーザー光束は光検出ユニット１４とアラインメントされ、バーコードＬＥＤディスプレィ４８は、図１０を参照して以下に説明するように、適正なアラインメントが達成されたか否かに関する指示を出す。
【００３７】
バーコードＬＥＤディスプレィ４８は、例えば低い増幅器出力ではすべて赤を、増幅器出力が最大のときにはすべて緑を点灯するように配置された３原色ＬＥＤであることが好ましい。
【００３８】
増幅器のゲインは最大に設定されている。フォトダイオード４０に入射する光量が図１０に示すように増加すると、その増幅された出力は線形的に増加し、次いでバーコードＬＥＤ４８を点灯させる。増幅器電圧がその最大範囲の９５パーセントを超え、すべての緑色ＬＥＤが点灯すると、増幅器のゲインは低下する。これは点灯している緑色ＬＥＤの数を減少させ、増幅器がより大きな信号強度を受信できるようにする。アラインメント過程を続け、すべての緑色ＬＥＤが再び点灯した場合、より高い最大信号にあり、ゲインは再び低下する。この過程は適正なアラインメントが達成されるまで続けられ、より高い信号最大値に到達する。
【００３９】
いったん正確なアラインメントが達成され、こうして最大光量が確定されると、その光量が複数回測定され、測定値が平均化されて反復可能な光量を提供する。暗レベル、すなわちレーザー光が検出器に入射しない場合の検出器の出力も、トリガ信号に必要な５０パーセント閾値レベルを設定するために測定される。５０パーセント光量をトリガ閾値として使用することは、工具が光束１２に入る方向とは関係なく、正確で反復可能なトリガ位置を確実にする。
【００４０】
トリガ信号の精度は、５０パーセント光量が測定される精度に依存するので、位置決定装置のスイッチをオンにした時に光束１２が遮断される場合、位置決定装置は自動的に設定モードに初期設定される。あるいは、位置決定装置のスイッチをオンにした時に光束１２が遮断されない場合、最大光量と暗レベルとを測定するためのルーチンが作動可能となるので、位置決定装置のスイッチをオンにする度に正確な５０％光量が確定される。図１２はこのルーチンを図示する。
【００４１】
必要に応じて、５０パーセント閾値レベルを絶えず更新できるように、最大光量と暗レベルとを頻繁に更新することも可能である。
【００４２】
レーザーは一定光量で駆動されるが、検出器に到達する光の強度はさまざまな理由、例えばスクリーン４２と検出器４０との間の相対的移動や、大気の変動や、またはレーザーモードのホッピングによって変化する。従って、増幅器は自動ゲイン制御装置５４を備えており、結果として生じる出力が最大ＳＮ比を提供することを確実にする。
【００４３】
光束１２の強度が光束１２の幅を横切って変化する可能性があり、ピンホール使用のさらなる利点は、このためにもたらされる検出器への入射光強度のいかなる変化も、光束１２の中心を横切る変化に止まることである。
【００４４】
さらなる改良を電子機器に加えることも可能である。例えば、工具による光束１２の不明瞭化によって生ずる強度低下に加え、工作機械の加工液滴が光強度低下の原因となり、従って不正確なトリガ信号をもたらす可能性がある。この原因による信号のスパイクは短時間であるから、電子回路は各信号の前縁においてリセットされるタイマを有することもでき、プリセット間隔、例えば５ミリ秒の後になおも信号がある場合には、正しい信号であると想定される。
【００４５】
フォトダイオード４０の出力におけるノイズも、以下に説明するように工具が光束１２に入った場合に早期のトリガを生じさせる可能性がある。図１２に示すように、ノイズスパイクが閾値レベルの近くで見かけ強度を値Ａだけ減少させる場合、これはトリガ位置に誤差ｅを生じさせることがわかる。この原因による誤差は、ノイズ強度帯域が監視される場合には除去可能であり、帯域の半分の値を出力信号に加え、閾値レベルを下げる。類似の問題が、工具が光束１２を離れる時に増加する光強度を使用して第２トリガ信号を得る場合に生じ、類似の解決策を適用してこの誤差を防止することができる。
【００４６】
さらに、棒グラフ配列のＬＥＤ４８はかなりの電力を消費するため、検出器アレイを熱して誤差を起させるので、電子回路は、事前に選択されたマークスペース比（mark-space ratio）でＬＥＤ４８にパルス電力を印加するように配置されたタイマ５６を有してもよく、これによってＬＥＤ４８は十分急速にスイッチオンおよびスイッチオフされ、ちらつきのない良好な視認性をもたらすとともに、ＬＥＤ４８は大部分の時間に亙ってスイッチオフされることを確実にするようになっている。
【００４７】
この実施例は、高速工具遮断検出システムをさらに有する。すなわち、工具を工具ホルダに対して交換する場合、工具は光束１２を通過する。工作機械の制御装置は、これが受信する入力のすべてを常に監視する能力を持っていないことが多い。従って、工具交換装置の電子回路は、工具遮断監視のために選択されたラッチモードを有する。このモードでは、光束１２を遮断する工具によって生ずるトリガ信号がラッチされるので、制御装置によって実施される次の監視サイクル中に信号を検出することができる。
【００４８】
もう１つの新しい改良では、不正確に伝送される出力または装置を通過する過剰電流の他の原因に対してインタフェースを保護する電子ヒューズが組み込まれる。これは図１３に図示されている。
【００４９】
図１３に示すように、装置は２つのマイクロプロセッサＡ，Ｂによって制御される。装置から発せられる信号がない場合、マイクロプロセッサＡは０ボルトを受けているので、トランジスタＴ３はスイッチオフのままであり、抵抗器Ｒ２，Ｒ３に電流は流れない。このため、トランジスタＴ２はスイッチオンにならず、出力Ｃは低いままである。例えば、２ボルト以上の電圧がマイクロプロセッサＡに印加されると、トランジスタＴ３がスイッチオンになる。従って、電流は抵抗器Ｒ２，Ｒ３を通り、トランジスタＴ２に電流を供給し、トランジスタＴ２はスイッチオンになって抵抗器Ｒ４とツェナーダイオードＤ１を電流が流れるようにするので、出力Ｃは高くなる。
【００５０】
センサ回路は、トランジスタＴ１とマイクロプロセッサＢとを具える。正規の電流状態では、例えば電流による抵抗器Ｒ４の両端間の電圧は０.６ボルト以下であり、トランジスタＴ１はスイッチオンにならず、電流は抵抗器Ｒ１を流れず、マイクロプロセッサＢへの出力は低い。これに対し、何らかの理由で過剰電流が回路に発生すると、抵抗器Ｒ４の両端間の電圧は０.６ボルトより高くなり、トランジスタＴ１はスイッチオンになって電流が抵抗器Ｒ１を流れ、マイクロプロセッサＢへの出力が高くなる。
【００５１】
この出力は、マイクロプロセッサＢによって監視され、このマイクロプロセッサＢは直ちに操作するようにプログラミングされてマイクロプロセッサＡの出力を低い値に下げることができ、高速応答ヒューズをもたらす。あるいは、重大ではない急速な電流サージを収容する遅延を提供するように、マイクロプロセッサＢをプログラミングするようにしてもよい。
【００５２】
この形式のヒューズは、例えば構成部品に電流サージが予想される場合、始動中に時間遅延特性を与えるため、回路が安定した場合に急速ブロー（fast blow）に切り替えるように使用可能である。
【００５３】
なお、マイクロプロセッサＡ，Ｂを使用する代わりに、単安定ラッチまたはセット／リセットラッチを使用するようにしてもよい。
【００５４】
次に、図１４〜図１６による実施例を説明する。
【００５５】
図１４および図１５に示す光放射ユニットは、レーザーダイオード３０２とコリメートレンズ３０４とを収容するハウジング３００を具えている。同時に、本実施例は発散する光束ではなくコリメートされた光束を使用している。しかし、光束は集束されず、従って光束が工作機械の軸とアラインメントされたならば、工具設定作業が光束の長手方向に沿った任意の場所において可能である。前述のように、光束の直径は約１mm以下である。この結果、光放射ユニットから、または光検出ユニットへの光束の通過を可能にするために比較的大きな開口を形成する必要がない。
【００５６】
レーザーダイオード３０２およびレンズ３０４は、ともに調整ユニット３０６に取り付けられている。これは、球形支持面３０８を介してハウジング３００に調整可能に固定されている。これは本実施例においては調整ユニット３０６の表面として示されているが、調整ユニット３０６に合致するハウジング３００の表面でも同様である。
【００５７】
調整ユニット３０６は調整ねじ３１０を有する。レーザーダイオード３０２はレンズ３０４を介してその光学軸に沿ってレーザー光束を放射するが、この光学軸は、これらのねじ３１０を使用することによって、垂直方向および水平方向の両方にわずかではあるが、傾き調整を行うことができる。
【００５８】
この調整の効果を図１６に見ることができる。この図１６は、光放射ユニット３００および光検出ユニット３２０を示している。球形支持面３０８は、光放射ユニット３００と光検出ユニット３２０との間のレーザー光路上に位置する点３１２を中心とする球面の一部であることがわかる。図１６は、調整ユニット３０６の３つの可能な調整位置のために３つの可能な光路３１４を示しており、これらの可能な光路３１４はすべて点３１２を通過する。
【００５９】
図１６に示すように、工具設定装置を次のように調整する。光を放射するレーザーダイオード３０２によって、検出ユニット３２０をまずレーザー光束を受光するように垂直方向（矢印３２２）および水平方向（図面の紙面に対して垂直な方向）の両方に調整する。次に、工作機械のスピンドル３３２に取り付けられた工具または他の作業対象物３３０によって、基準位置３１２における光束を探測する。光束の垂直位置および水平位置は、この基準位置３１２で示される。正確な工具設定のため、光束が工作機械の移動軸の１つと必ずアラインメントすることが必要である。これを確実にするため、さらに別の参照位置３１８において光束が基準位置３１２における垂直座標および水平座標と同じ垂直座標および水平座標に位置するように、光束のアラインメントを調整しなければならない。従って、破線で示すように工具３３０をスピンドル３３２と共に参照位置３１８に移動させ、この参照位置３１８において光束を再び探測する。
【００６０】
最初に光束が正しくアラインメントされてから、次に参照位置３１８における光束の垂直座標および水平座標が基準位置３１２にて探測した垂直座標および水平座標と合致しないことは、もちろん好ましくない。従って、ねじ３１０を使用して調整ユニット３０６を調整し、光束を再びアラインメントする。支持面３０８は、基準位置３１２を中心とする球面であるので、ねじ３１０を操作して光束の進行方向を傾けても、光束は確実に基準位置３１２を通過し続ける。従って、光束を調整する際に、単に参照位置３１８にて光束を再探測し、必要に応じてさらに調整を行って光束を機械軸にアラインメントすることのみ必要である。これらの調整中に、もちろん検出器３２０は光束を捕捉するために必要に応じて再度位置決めされる。
【００６１】
このように、球形支持面３０８を採用したことにより、アラインメントの調整方法が著しく簡単になる。これは、各調整の後に参照位置３１８でのみレーザー光束を再探測することが必要であって、各調整段階の後に基準位置３１２でレーザー光束を再探測する必要がないためである。しかし、希望に応じてすべての調整を実施した後に最終探測として基準位置３１２にて光束の再探測を行うことももちろん可能である。
【００６２】
図１４および図１５に示すように、調整ユニット３０６はレーザー光束用の出口管路３４０を有することがわかる。前述のように、これには加圧空気が供給される。また前述のように、管路３４０はレーザー光束に対して横切るかまたは斜めにに延在しているので、光束が検出器ユニット３２０に向けて伝搬する際に、空気流の光束に対する妨害は最小になる。
【００６３】
管路３４０への加圧空気は、ハウジング３００の前壁における通路を介して供給され、調整ユニット３０６とハウジング３００との間の環状空間３４２を通過する。加圧空気がこのように移動すると、加圧空気は調整ユニット３０６の本体３４４と接触し、調整ユニット３０６はレーザーダイオード３０２と熱接触する。この本体３４４は、アルミニウムなどの高伝熱材料で作られており、吸熱器として作用する。この結果、環状空間３４２を通過する加圧空気はレーザーダイオード３０２を冷却する。
【００６４】
調整ユニット３０６は、Ｏリング３４６，３４８を有する加圧空気を密封するための適切なＯリングを備えている。Ｏリング３４８は、ハウジング３００と球形支持面３０８との間を密封する。Ｏリング３４６は、密封を維持しながら調整ユニット３０６を水平方向および垂直方向に傾斜させるために十分な可撓性をもたらす。
【００６５】
上記実施例におけるように、レーザー光束は集束されずにそれ自体が小さな直径にコリメートされているので、単に小さな管路３４０が必要である。従って空気消費量が少ない。加圧空気は管路内が清浄なままであることを確実にするので、管路を覆うシャッタは、希望に応じて設けることが可能であるが、必然性を伴うものではない。
【００６６】
もちろん、図４および図１４〜図１６の両方の実施例において、検出ユニットの光電検出器に通じる横断または斜め管路を具え、光放射ユニットの場合と同様な方式で、加圧空気によってこれを清浄に保つことが可能である。
【００６７】
上述した実施例では、光束１２を作り出す光源としてレーザーダイオードを採用したが、光検出ユニット１４において光束から充分大きなエネルギーが得られることを条件に、他の形態の電磁放射線を使用することも可能であり、同様に光束１２を作り出すために任意の光源を採用することができる。
【００６８】
【発明の効果】
本発明の座標位置決め機械用位置決定装置によると、光束をコリメートする必要がなく、セットアップがさらに容易で使用における変化に対する耐性がより高い装置を提供することができる。また、光検出素子および／または光源を、窓部材または中に開口を有するプロテクタによって汚染から防止することができる。さらに、開口または各開口を空気流のための管路にすることによって、管路または各管路を汚染のないように保つことが可能である。
【００６９】
セットアップが都合よく実施できるように光束の伝搬方向を動かすための調整器を設けた場合には、光束の位置を光路に沿った２つの異なる点において反復して測定することが必要なくなり、光束のアラインメントを簡単に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による座標位置決め機械用位置決定装置の一実施例の外観を表す斜視図である。
【図２】図１に示した実施例の概念図である。
【図３】本発明による座標位置決め機械用位置決定装置の他の実施例における主要部の概念図である。
【図４】図３に示した実施例におけるスクリーンの正面図である。
【図５】図４に示したスクリーンの斜視図である。
【図６】図４中のVI−VI矢視断面図である。
【図７】本実施例における光検出ユニットの概念図である。
【図８】図７に示す光検出ユニットにおける検出器の信号特性を表すグラフである。
【図９】本実施例における光検出ユニットの電子回路の構成を示すブロック図である。
【図１０】光量と増幅器ゲインとＬＥＤディスプレィの特性との関係を表すグラフである。
【図１１】本実施例における位置決定手順を示すフローチャートである。
【図１２】本実施例における光検出素子の出力特性を示すグラフである。
【図１３】本実施例における制御回路図である。
【図１４】本発明の別な実施例における光放射ユニットの縦断面図である。
【図１５】図１４中のXV−XV矢視断面図である。
【図１６】図１４および図１５に示した光放射ユニットを用いて工具の位置決定方法を説明するための作業概念図である。
【符号の説明】
１０  光放射ユニット
１２  光束
１４  光検出ユニット
１６  導入ポート
１８  支柱
２０  中間ベース
２２，２４  開口
３４  窓
３６  ハウジング
４０  光検出ダイオード
４２  スクリーン
４４  半透明窓
４６  ハウジング
６０，６２  吸気ポート
７０  キノコ形部材
１００  スクリーン
１０２  チャンバ
１０４  管路
１１０  内側開口
１１２  外側開口
２１０  円形フォトダイオード
２１２  環状フォトダイオード
２２０，２２２  増幅器
３００  ハウジング
３０２  レーザーダイオード
３０４  コリメートレンズ
３０６  調整ユニット
３０８  球形支持面
３１０  調整ねじ
３１２  基準位置
３１４  光路
３１８  参照位置
３２０  光検出ユニット
３３０  工具または他の対象物
３３２  工作機械スピンドル
３４０  出口管路
３４２  環状空間
３４４  調整ユニットの本体
３４６，３４８  Ｏリング
Ｒ  抵抗器
Ｔ  トランジスタ
【図１】
0004521094.tif 000002
【図２】
0004521094.tif 000003
【図３】
0004521094.tif 000004
【図４】
0004521094.tif 000005
【図５】
0004521094.tif 000006
【図６】
0004521094.tif 000007
【図７】
0004521094.tif 000008
【図８】
0004521094.tif 000009
【図９】
0004521094.tif 000010
【図１０】
0004521094.tif 000011
【図１１】
0004521094.tif 000012
【図１２】
0004521094.tif 000013
【図１３】
0004521094.tif 000014
【図１４】
0004521094.tif 000015
【図１５】
0004521094.tif 000016
【図１６】
0004521094.tif 000017