JP2008064471A - レーザ干渉追尾測長方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ干渉追尾測長の高精度化、信頼性向上を図る。
【解決手段】測定の基準をなす基準球１４と、測定対象に配設される測定側反射体１５と、該測定側反射体１５との距離の増減に応じて測定値を出力するレーザ干渉計３２と、該レーザ干渉計３２からの出射ビームを前記基準球１４を中心として回動するための円弧運動機構とを用いて、前記基準球１４の中心座標を基準とし、前記円弧運動機構に載ったレーザ干渉計３２からの出射光と戻り光の光軸が平行となる測定側反射体１５との距離を測定するレーザ干渉追尾測長方法において、前記レーザ干渉計３２の本体部２６から分離され、前記基準球１４と接触して、その表面をなぞりつつ測定光の方向に変位するようにされた参照側反射体３３を設け、該参照側反射体３３から測定側反射体１５迄の距離を測定する。
【選択図】図６

Description

本発明は、測定の基準をなす基準球と、測定対象に配設される測定側反射体と、該測定側反射体との距離の増減に応じて測定値を出力するレーザ干渉計と、該レーザ干渉計からの出射ビームを前記基準球を中心として回動するための円弧運動機構とを用いて、前記基準球の中心座標を基準とし、前記円弧運動機構に載ったレーザ干渉計からの出射光と戻り光の光軸が平行となる測定側反射体との距離を測定するレーザ干渉追尾測長方法及び装置に係る。特に、３次元座標測定機の空間補正手段、ロボットアーム先端の軌跡の履歴追跡手段、工作機械の刃物台の運動追跡手段、非直交型座標測定システムを構成する追尾ステーション等に用いるのに好適な、基準球に対するレーザ干渉計本体の回転運動誤差がリアルタイムで確実に除去され、高信頼性のレーザ干渉追尾測長が実現可能なレーザ干渉追尾測長方法及び装置に関する。

測定対象に配設される測定側反射体（再帰的反射手段又はレトロリフレクタとも称する）に向けてレーザ干渉測長機（以下レーザ干渉計と称する）からレーザビーム（測定光ビームと称する）を照射し、前記測定側反射体によって戻り方向に反射されたレーザビームの干渉を利用して前記測定側反射体の変位を検出すると共に、２軸回転機構による前記測定光ビームの光軸の位置の変化を用いて、トラッキングを行うようにした追尾式レーザ干渉計（光軸偏向型レーザ干渉計とも称する）が知られている。

例えば特許文献１には、逆反射体１とターゲットである逆反射体（レトロリフレクタ）２との相対的な変位を測定するための追尾式レーザ干渉計が記載されている。

その内容は、図１の光学系のように、第１の逆反射体１と、移動反射体に配設された第２の逆反射体２と、前記第１の逆反射体１を中心に直交するＸ軸及びＹ軸の周りにそれぞれ回転自在な回転部３と、レーザ光源（図示省略）から発振されたレーザビームを前記回転部３の回動に拘らず、該回転部３に導く手段と、前記回転部３に固定配設された複数の光学部品（１／４波長板４、５、プリズム６、７、８、９、１０、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）１１）からなる光学系と、を備える。

この光学系は、回転部３に導かれたレーザビームをＰＢＳ１１で分割し、分割した一方のレーザビームを前記Ｘ軸と直交する光路を経由して前記第１の逆反射体１に入射させると共に、他方のレーザビームを前記光路の延長上に出射して前記第２の逆反射体２に入射させ、前記第１及び第２の逆反射体１、２からの反射体１、２からの反射光を、それぞれ得ることができるようにされている。

更に、前記光学系を介して得られる２つの反射光の干渉に基づいて、前記第２の逆反射体２の移動量を検出する検出部（図示省略）と、前記回転部３に固定配設され、前記第２の逆反射体２からの反射光の一部が入射され、前記第２の逆反射体２に入射するレーザビームのずれ量に応じた位置信号を出力する位置検出手段としての４分割フオトダイオード（ＰＤ）１２と、該位置検出手段からの位置信号に基づいて前記ずれ量がゼロになるように前記回転部３のＸ軸及びＹ軸周りの回転位置を制御する制御手段（図示省略）と、を備えている。

しかしながら、特許文献１に記載された技術においては、
（１）ＰＢＳ１１の所で参照光と測定光とを直角に分離し、第１と第２の逆反射体１と２のそれぞれからの反射光を再びＰＢＳ１１で重ねあわせ、干渉状態を作り、測長する干渉計として、一般的なマイケルソン干渉計を用いているため、２軸に回転できるジンバル機構における光学部品の配置が極めて複雑且つ部品点数が多く、高価になること、（２）第１の逆反射体１の中心位置と前記回転部３に配置されるレーザビームのレベル出しやアライメント調整が極めて複雑且つ困難であること、（３）逆反射体が球形キャッツアイの場合、屈折率が約２の軟らかい光学材料で作られる特注品となるため、一般には市販されておらず、高価になること、（４）球型キャッツアイの表面に少しでも傷や埃があると反射光が乱れ、干渉測長が実行できなくなること、など実現上の問題点を有する。

このような問題点を克服するため、非特許文献１では、特殊な配置のレーザ干渉計（以後、特殊レーザ干渉計）を用いて解決を図っている。即ち、この特殊レーザ干渉計の原理は特許文献２のＦｉｇ．６に示されているが、レーザ干渉測長に関係する部分のみを抜書きした概略を図２に示す。

ここで、図２における特殊レーザ干渉計とは、基準球１４、対物レンズ２０、破線で囲った干渉計本体部２６、測定側反射体（標的）１５から成るレーザ干渉光学系を指す。

図２に示す、特殊レーザ干渉計の大きな特長は、前述の一般的なマイケルソン干渉計と違って、測長の起点Ｑ、即ちＰＢＳ１３を測長方向のレーザビームに沿って移動させても、空間的に固定した基準球１４の中心Ｏから測定側反射体（例えば図３に示す半球レトロリフレクタ）１５（特許文献３）のＰ点までの距離が変化しない限り、即ち図２でＬ_１又はＬ_２が変化してもＬ＝Ｌ_１＋Ｌ_２に変化がない限り、何ら測長に影響を及ぼさないという点にある。なお、この特殊レーザ干渉計を活用した例としては、すでに「サーボ制御方式の端度器の開発」（非特許文献２と非特許文献３）や「ギャップセンサ」（非特許文献４）がある。

非特許文献１では、この特殊レーザ干渉計の特長をうまく利用し、上記の問題点を克服している。即ち、図２の特殊レーザ干渉計の機能を詳述すると次のようになる。

レーザ光源（図示せず）より偏波面保存ファイバ１６を通って射出したレーザビームは、レンズ１７を通過し、直交する２つの直線偏光（Ｐ偏光とＳ偏光）を持つ平行光１８にされ、ＰＢＳ１３へ向かう。ＰＢＳ１３では、紙面に平行なＰ偏光は、そのままＰＢＳ１３を通過し、干渉計の参照光となる。

一方、紙面に直角の振動面をもつＳ偏光はＰＢＳ１３で反射され、１／４波長板１９を通過して円偏光となり、レンズ２０で、その焦点位置が基準球１４の中心Ｏに対応するように絞られる。基準球１４の表面での反射光２１は再びレンズ２０で平行光にされ、１／４波長板１９を通過するとＰ偏光となってＰＢＳ１３、１／４波長板２２を通過して円偏光の状態で測定側反射体１５へ向かう。測定側反射体１５での反射光が再び１／４波長板２２を通過すると、今度はＳ偏光となり、ＰＢＳ１３で反射され、干渉計の測定光となる。

前述の干渉計の参照光と測定光が重なった状態で偏光板２３を通過すると、干渉光２４が得られる。干渉光２４は、干渉光信号として光ファイバ２５を伝播し、電装部装置（図示せず）から測長結果が出力される。

なお、図２において、破線部分は、特殊レーザ干渉計の干渉計本体部２６及び測定側反射体１５の位置ずれ量を検出し、制御装置（図示せず）によって追尾するための追尾光学系２９（ビームスプリタ２７と４分割光検出器２８から成る）を表している。但し、追尾光学系２９は、測長を目的とする特殊レーザ干渉計の構成とは直接関係ない。

特許文献２及び非特許文献１に見られる他の特長は、前述の特殊レーザ干渉計の特長を生かし、図４に示すとおり、特殊レーザ干渉計の干渉計本体部２６とレンズ２０をキャリッジ３０に固定し、レンズ２０の焦点を基準球１４の中心Ｏに合致させつつ、Ｘ軸を回転軸としてキャリッジ３０を基準球１４の周りに回動させるというものである。これによって基準球１４に対するキャリッジ３０の回転運動誤差を光学的に除去しつつ、高精度な測長を実現している。言い換えると、図２において、Ｌ_１が変化しても測長すべきＬは変化せず、高精度な測長ができる。

しかしながら、前述の方法で高精度な測長を狙おうとする場合、空間的に固定した基準球１４の周りを回動するキャリッジ３０の回転精度はそれなりに高くなければならない。なぜなら、レンズ２０でレーザビームを絞り、その焦点を基準球１４の中心に合致させる方法では、実用上、キャリッジ３０の回転精度が悪いと回転方向によって干渉光２４に干渉縞のビジビリティ（Visibility）変動が激しく現れる。このことが測長時における干渉縞のミスカウントの原因となり、信頼性の高い測長を妨げる。おおよその目安でいえば、回転運動誤差はレンズ２０の焦点深度から推測して約５０μｍ以下に抑えなければならないという厳しいキャリッジ３０の設計や組み立て・調整が必要となる。

更に発明者らの理論的検討によれば、この特殊レーザ干渉計が測長方向に沿ったレーザビームとは直角の方向に横ずれを起こすと、光路長の変化によってレーザビームの断面全体で形成する干渉縞のビジビリティを低下させる。因みに、この特殊レーザ干渉計が測長方向とは直角の方向に１００μｍの横ずれを起こしたとすると、光路長の変化が約２０μｍ生じ、干渉縞のビジビリティ低下となり、干渉縞信号のリサージュ波形を縮減させる。ひどいときには干渉縞の計数を不可能にしてしまう。

この問題点を解決するため、出願人は、特願２００５−２１６１１０（本件出願時未公開）で、追尾式レーザ干渉計を提案している。この先行発明では、基準球１４に対し測長誤差となるキャリッジ３０の回転運動誤差を補正するため、変位センサ３１、例えば平板電極を持った静電容量式非接触センサ、を別に備える。

図５は先行発明の基本を表す図である。図５で用いられるレーザ干渉計３２は、前記の特殊レーザ干渉計ではなく、一般的なマイケルソン干渉計で、市販されているタイプのものである。

この先行発明によれば、図５において基準球１４の中心Ｏから測定反射体１５のＰ点までの距離Ｌを測ることは、Ｌ’を測ることに他ならない。Ｌ’＝Ｌ_１＋Ｌ_２＋Ｌ_３であるが、キャリッジ３０と基準球１４とのギャップＬ_１が＋ΔＬ変化すると、Ｌ_３が−ΔＬ変化する。即ち、キャリッジ３０の回転運動誤差によってＬ_１＋ΔＬとなれば、Ｌ_３−ΔＬとなり、両者はプッシュ・プルの関係で変化する。結果としてキャリッジ３０に回転運動誤差があっても、測長すべき長さＬ’＝Ｌ_１＋Ｌ_２＋Ｌ_３には何ら影響がない、というのがこの先行発明の特長である。

確かに基準球１４に対するキャリッジ３０の回転誤差を非接触センサで検出し、補正すれば、測長方向に沿ったレーザビームのずれ量や、それと直角方向の横ずれに対する制限は、図４（特許文献２）の場合に比べ、緩和される。

特許第２６０３４２９号公報 米国特許第６１４７７４８号明細書 米国特許第４８８９４０９号明細書 H.Schwenke, M.Franke, J.Hannaford:Error mapping of CMMs and machine tools by a single tracking interferometer, Annals of the CIRP Vol.54/1/2005, 475/478. 横山、他４名「真空波長追従端度器の開発」第46回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集（1999.3 東京理科大学） 横山、他３名「真空レーザ干渉計内在の超精密端度器の開発（第２報）」2001年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集 谷中、他３名「三面合わせ真直度測定用レーザ干渉計の開発」2005年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集

しかし、変位センサ３１を別に設けるため、新たに次のような実現上の問題点が発生する。即ち、（１）余計な非接触センサを導入しなければならないため、高価になること、（２）用いる非接触センサはアナログ式センサであり、レーザ干渉計による測長値を補正するためにはディジタル量に変換しなければならないこと、（３）非接触センサを組み込むためのスペースを確保しなければならない機構設計上の制約が出ること、（４）非接触センサとして静電容量センサを用いれば、それは非線形特性を有しており、正しい長さ量で校正する必要があること、（５）組み立て時には静電容量式変位センサの感度特性を考え、平板電極と基準球１４との間隙Ｌ_１を１ｍｍ以下に調整しなければならないこと、即ち、静電容量式変位センサの測定能力範囲内に納める必要があること、（６）その調整のため、予め基準球１４の位置をキャリッジ３０の回転軸に対し、Ｘ／Ｙ／Ｚの方向に約１００μｍ以下で合わせ込む厄介な調整が必要であり、基準球微調整装置を組み込まなければならないこと、などの問題が相変わらず残る。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、（１）干渉計本体部等を搭載した円弧運動機構の回転誤差を、機械的に確実に除去し、補正すること、（２）基準球に対して円弧運動機構の回転誤差を補正する目的の非接触センサを無くし、機構設計上の負担と費用を低減すること、（３）許容できる測長誤差を考慮して、レンズ光学系や静電容量式変位センサの能力範囲内に円弧運動機構の回転誤差を納めなければならないという精度上の制限を取り払い、設計や製作・組み立て・調整上の負担を大幅に低減することを課題とする。

本発明は、測定の基準をなす基準球と、測定対象に配設される測定側反射体と、該測定側反射体との距離の増減に応じて測定値を出力するレーザ干渉計と、該レーザ干渉計からの出射ビームを前記基準球を中心として回動するための円弧運動機構とを用いて、前記基準球の中心座標を基準とし、前記円弧運動機構に載ったレーザ干渉計からの出射光と戻り光の光軸が平行となる測定側反射体との距離を測定するレーザ干渉追尾測長方法において、前記レーザ干渉計の本体部から分離され、前記基準球と接触して、その表面をなぞりつつ測定光の方向に変位するようにされた参照側反射体を設け、該参照側反射体から測定側反射体迄の距離を測定するようにして、前記課題を解決したものである。

本発明は、又、測定の基準をなす基準球と、測定対象に配設される測定側反射体と、該測定側反射体との距離の増減に応じて測定値を出力するレーザ干渉計と、該レーザ干渉計からの出射ビームを前記基準球を中心として回動するための円弧運動機構とを有し、前記基準球の中心座標を基準とし、前記円弧運動機構に載ったレーザ干渉計からの出射光と戻り光の光軸が平行となる測定側反射体との距離を測定するレーザ干渉追尾測長装置において、前記レーザ干渉計の本体部から分離された参照側反射体と、該参照側反射体と干渉計本体部を結合し、参照側反射体が基準球と接触して、その表面をなぞりつつ測定光の方向に変位するようにするための伸縮可能な直動案内機構を設け、前記参照側反射体から測定側反射体迄の距離を測定するようにして、前記課題を解決したものである。

前記直動案内機構が圧縮状態となるようにするため、位置固定の基準球とその中心の周りに干渉計本体部を円弧運動させる前記円弧運動機構との間隔を調整し、それによって直動案内機構のシューが基準球の表面と常に適当な力で接触状態を保つようにすることができる。

又、直動変位が可能なボールブッシュの構造を持ち、参照側反射体を納めた内側円筒ハウジングと外側円筒とを、互いに基準球と干渉計本体部の間で突っ張らせるようにするため、圧縮ばね要素部品を内在させる直動ボール案内機構を有するようにすることができる。

又、前記直動ボール案内機構のシューは基準球と幾何学的には１点接触であるが、干渉計本体部に対し参照側反射体を納めた内側円筒ハウジングが、より確実に傾かないようにするため、シューに正三角形の配置からなる小球３個で小さな固定座を作り、基準球と接触させ、その表面を安定になぞるようにすることができる。

又、前記干渉計本体部が前記円弧運動機構に固定されていて、前記円弧運動機構それ自体が基準球と中心を共有して回転するようにし、標的である測定側反射体を追尾装置によってレーザ干渉測長できるようにすることができる。

又、前記円弧運動機構が、方位角と仰角の互いに独立した２つの回転機構を有し、干渉計本体部が仰角回転機構に搭載され、該仰角回転機構が方位角回転機構に搭載されているようにすることができる。

又、前記基準球と中心を共有した前記円弧運動機構が固定されていて、干渉計本体部が、それに沿って自走しつつ円弧運動できるようにすることができる。

又、前記円弧運動機構が、基準球を中心に円形フレームを水平軸の回りに回動する第一の仰角回転機構と、前記円形フレームに沿って干渉計本体部を自走させながら回動させる第二の仰角回転機構を有するようにすることができる。

又、前記円弧運動機構が、基準球を中心に円形フレームを垂直軸の回りに回動する方位角回転機構と、前記円形フレームに沿って干渉計本体部を自走させながら回動させる仰角回転機構を有するようにすることができる。

又、前記円弧運動機構の仰角を与える機構として、外輪と内輪からなる２つのベアリング機構を用いることができる。

本発明によれば、前記の特殊レーザ干渉計の特長を最大限に利用しつつ、特殊レーザ干渉計をなす一部が、基準球に対し接触式となる方法を取るようにしたので、レーザ干渉追尾測長の高精度化、信頼性向上を図ることができる。即ち、（１）干渉計本体部等を搭載した円弧運動機構の回転誤差を、例えば直動案内機構の伸縮により、機械的に確実に除去し、補正することができる。又、（２）基準球に対して円弧運動機構の回転誤差を補正する目的の非接触センサであるレンズ光学系（特許文献２、非特許文献１）や、静電容量式変位センサ（先行発明）を無くして、機構設計上の負担と費用を軽減することができる。更に、（３）許容できる測長誤差を考慮して、レンズ光学系や静電容量式変位センサの能力範囲内に円弧運動機構の回転誤差を収めなければならないという精度上の制限を取り払い、設計や製作・組み立て・調整上の負担を大幅に軽減することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

まず、本発明の基準球接触式レーザ干渉追尾測長方法の原理を図６に示す実施形態に基づき、説明する。

図６において、２つの直線偏光（Ｐ偏光とＳ偏光）を持つ平行光１８がＰＢＳ１３に入射する。ＰＢＳ１３では、紙面に平行なＰ偏光は、そのままＰＢＳ１３及び偏光板２３を通過して干渉計の参照光となる。

一方、紙面に直角の振動面を持つＳ偏光は、ＰＢＳ１３で反射され、１／４波長板２２を通過して円偏光となり、標的である測定側反射体（例えば、図３の半球レトロリフレクタ）１５へ向かう。測定側反射体１５での反射光が再び１／４波長板２２を通過すると、今度はＰ偏光となり、ＰＢＳ１３及び１／４波長板１９を通過して円偏光の状態で参照側反射体（例えば、コーナーキューブプリズム）３３に入射する。参照側反射体３３で反射したレーザビームが再び１／４波長板１９を通過すると、今度はＳ偏光となってＰＢＳ１３に入射し、そのビームスプリッタ面で反射され、偏光板２３を通過して干渉計の測定光となる。測定光は先の参照光と重なり、干渉光２４になる。干渉光２４は干渉光信号となって、例えば図２に示される光ファイバ２５を伝播し、電装部装置（図示せず）から測長結果として出力される。

本発明の測長方法によれば、特許文献２、非特許文献１及び先行発明で問題となった特殊レーザ干渉計の基準球１４に対する回転誤差は常に機械的に確実に除去され、高精度な測長ができる構造となっている。即ち、図６では、図４で示したように特殊レーザ干渉計を成す干渉計本体部２６とレンズ２０を一体化せず、参照側反射体３３を干渉計本体部２６から分離し、その距離が自由に変化できるように、図７に拡大して示す直動ボール案内機構３４で結合する。従って、本発明で言う特殊レーザ干渉計とは、干渉計本体部２６、参照側反射体３３を納めた直動（ボール）案内機構３４及び測定側反射体１５の主な３点からなる部分を指す。

図７の直動ボール案内機構３４は、その名の通り、内側円筒ハウジング３５と外側円筒３６の間に鋼球３７を任意の円筒面状に配置し、リテーナ３８で保持して挟み込み、両者が円筒軸方向、即ち測定光方向にのみ滑らかに直動できるボールブッシュの構成を成すものである。内側円筒ハウジング３５には参照側反射体３３が納められ、その一端のシュー３９は基準球１４と接し、外側円筒３６の一端は干渉計本体部２６のハウジング４０にしっかりと固定される。内側円筒ハウジング３５とハウジング４０の間に圧縮コイルばね４１を挿入し、両者が一定の力で互いに突っ張り合った状態を実現する。圧縮コイルばね４１を、どれだけ圧縮させ、シュー３９を、どれだけの力で基準球１４に押し当てるかは、設計時において、ばね定数と図６のＯ点からＰＢＳ１３のＱ点までの距離の設定で決める。

こうして内側円筒ハウジング３５のシュー３９を常に一定の力で基準球１４の表面に接触させつつ、高精度な測長ができる。即ち、シュー３９を常に基準球１４の表面に一定の力で押し当て、接触させながら基準球１４の表面をなぞる方式でレーザ干渉測長を行うことができる。

図６に示す本発明の光学系において、図２の追尾光学系２９を干渉計本体部２６と測定側反射体１５の間の測定光中に挿入し、その信号を制御すれば、追尾測長ができる。追尾測長時には、図６の特殊レーザ干渉計を成す干渉計本体部２６（ＰＢＳ１３、１／４波長板１９、２２、偏光板２３）及び直動ボール案内機構３４は、一体となって、円弧運動機構（図示せず）の運動の軌跡４２に沿ってＹ軸（中心Ｏ）周りに回動する。更に、Ｘ軸周りにも回動させることにより、測定側反射体１５が空間のいかなる所に移動してもレーザ干渉方式で追尾測長できる。

円弧運動機構の運動の軌跡４２に含まれる回転誤差や、基準球１４に対する偏心量は、直動ボール案内機構３４の測定光方向への伸縮によって常に吸収され、測定側反射体１５までの信頼性の高い測長ができる。言い換えると、図６において、基準球１４のＯ点から測定側反射体１５のＰ点までの距離Ｌを測ることは、参照側反射体３３のＯ’点から測定側反射体１５のＰ点までの距離Ｌ’＝Ｌ_１＋Ｌ_２を測ることに他ならない。なぜならば、内側円筒ハウジング３５のシュー３９が常に基準球１４の表面と一定の力で接触し、その表面をなぞっているからである。運動の軌跡４２に含まれる回転誤差や基準球１４に対する偏心量でＬ_１（又はＬ_２）の距離が微妙に変わっても、特殊レーザ干渉計の特長から、トータルのＬ_１＋Ｌ_２＝Ｌ’の測長には何の影響も発生しない。

図６に示す実施形態の効果は、次の通りである。

（１）基準球１４に対する干渉計本体部２６の回転運動誤差は、直動ボール案内機構３４の伸縮によって直接機械的に除去され、リアルタイムで補正され、基準球１４から空間の１点までの距離が信頼性高く測長できる。

（２）基準球１４に対する干渉計本体部２６を搭載した円弧運動機構の回転精度の制限は、直動ボール案内機構３４の伸縮によって大幅に緩和され、厄介な回転精度向上の調整は、実質上いらなくなる。普通の機械精度で仕上げられ、組み立てられた円弧運動機構であれば１００μｍ以下の回転精度は十分に達成できる。たとえそれが仮に数１００μｍから１０００μｍであっても、直動ボール案内機構の機械的伸縮で十分に吸収できる。

（３）上記の効果は、基準球１４に対する円弧運動機構の設計、組み立て、調整を大幅に容易なものとし、経済的な装置実現をもたらす。又、商品化に際しては高効率な生産性をもたらす。

（４）接触による参照側反射体３３を納めた内側円筒ハウジング３５と一体になったシュー３９の磨耗が心配される。しかし、基準球１４の表面をなぞる参照側反射体３３、内側円筒ハウジング３５、シュー３９などの全体質量は小さく、又、なぞる速さも実用上、高々１０ｍｍ／秒と一般に遅い。基準球固有の真球度（真球からの狂いの大きさ）を補正する値に比べれば、毎回の測定時での磨耗量の値は微々たるもので、無視できる。

（５）干渉計本体部２６に対する内側円筒ハウジング３５の傾きが心配される。しかしその場合は、基準球１４とシュー３９を１点接触とせず、シュー３９の表面に小さな３つの球を正三角形に配置（図示せず）して固定し、基準球表面と接触させることで内側円筒ハウジング３５の傾きを抑止することができる。

図８（正面図）及び図９（平面図）に示す実施例１は、方位角と仰角の互いに独立した２つの回転機構を有し、図６に示す本発明の基準球接触式の特殊レーザ干渉計を仰角回転機構に搭載し、方位角回転機構と共に一体化したレーザ干渉追尾測長機構を示す実施例である。

この実施例１の仰角回転機構は、図６の干渉計本体部２６を主体に、そのハウジング４０とフレーム４３、円形フレーム４４と仰角回転軸４５とを結合するためのジョイント４６と４７、干渉計本体部２６及び直動ボール案内機構３４とモーメントを打ち消す目的で円形フレーム４４に取り付けたバランスウエイト４８と４９、仰角回転軸４５を回転するためのモータ５０と減速機５１、仰角回転軸４５を軸受けで支えるプレート５２と５３、基準球１４を避けて２分割された仰角回転軸４５を互いに連結するためのリング５４、などから成る。

一方、方位角回転機構は、固定テーブル５５、その上に載った回転テーブル５６、それを回転させるためのモータ５７とホイール５８、などからなる。回転テーブル５６の上に仰角回転機構一式が搭載される。

基準球１４と、それを固定する支柱５９は、固定テーブル５５にしっかりと固定される。実施例１のレーザ干渉追尾測長機構では、干渉計本体部２６をハウジング４０及びフレーム４３で固定する。フレーム４３は円形フレーム４４に固定される。従って、モータ５０の回転を減速機５１に伝えることによって高トルクが得られ、円形フレーム４４とジョイント４６、４７で結合された仰角回転軸４５に高回転力が伝えられる。バランスウエイト４８、４９は、特殊レーザ干渉計全体の質量とモーメントバランスを取るため、円形フレーム４４の適当な位置に取り付けられる。

実施例１においては、特殊レーザ干渉計の全体質量による仰角回転軸４５に対するモーメントと、互いに１２０°を成す位置に配置したバランスウエイト４８及び４９によるモーメントが釣り合うように２つのバランスウエイトの合計質量を決める。

特殊レーザ干渉計が円形フレーム４４に固定されているので、モータ５０を駆動させることによって特殊レーザ干渉計に仰角の変化が与えられ、更にモータ５７の駆動で回転テーブル５６が回転し、方位角が与えられる。

その結果、特殊レーザ干渉計と測定側反射体１５との間に追尾光学系２９（図２及び図６参照）を挿入し、測定反射体１５からの反射光位置を制御すれば、測定側反射体１５が空間の任意の位置へ移動しつつ、追尾測長できる。

図６で示す特殊レーザ干渉計の特長は、ＰＢＳ１３のＱ点が測定光の方向に移動しても、目的とする測定側反射体１５のＰ点までの測長には何の影響も与えない、ということである。

この特長に加え、ＰＢＳ１３のＱ点が測定光と直角の方向へ移動しても、図６のＬ_１の長さには何の変化も現れない（干渉計の感度がゼロ）。即ち、参照側反射体３３にコーナーキューブプリズムを用いれば、そのコーナーポイントＯ’点が測定光方向にシフトしない限り、Ｌ即ちＬ’の長さには影響が生じない。結局、Ｑ点がＸ／Ｙ／Ｚのいかなる方向に微小量シフトしようとも測長したい距離Ｌ’を変化させない。この特長を踏まえた上で、実施例１の効果を説明する。

いま、図８の基準球１４の中心Ｏに対し、回転テーブル５６の回転誤差が数１００μｍあるいは、それ以上の値で変化しても、コーナーポイントＯ’点は、横ずれを起こすだけで、測定光方向に向かっての移動はない。従って、測定側反射体１５までの長さには影響を及ぼさない。

次に、仰角回転機構において、円形フレーム４４に取り付けた干渉計本体部２６（図６参照）が、仰角回転軸４５のフレや基準球１４の中心Ｏとの水平レベルのずれなどにより、コーナーポイントＯ’点からＰＢＳ１３のＱ点までの距離（図６に示すＬ_１）が数１００μｍあるいは、それ以上の値で微妙に変化しても、直動ボール案内機構３４の伸縮が生じるだけで、特殊レーザ干渉計の特長によるコーナーポイントＯ’点から測定側反射体１５のＰ点までの距離には変化がない。従って、この実施例１のレーザ干渉追尾測長機構で高精度な測長が実現できる。

この実施例１の構造の場合、レーザ干渉追尾測長機構として測定側反射体１５を追尾できる角度範囲は、方位角方向が３６０°の全域、仰角方向が約９０°又は約１３５°までである。即ち、リング５４を半円形として仰角回転軸４５の両側を結合すれば、約１３５°となる。

図１０（正面図）及び図１１（平面図）に示す実施例２は、実施例１と異なって、いわば２種類の仰角変化を与えるレーザ干渉追尾測長機構を示す実施例であり、実施例１よりも背丈を低くし、基準球１４を固定する支柱５９を回転テーブル５６の厚み分だけ短くし、基準球１４の位置の安定性を確保すること、全体を小さくコンパクトにすること、などの効果を狙った実施例である。

実施例１で説明した仰角回転機構を第一仰角回転機構と名づければ、一方、特殊レーザ干渉計が円形フレーム４４に沿って基準球１４の周りを自走しつつ回動する機構を第二仰角回転機構と名づけることができる。

この実施例２では、方位角を決める回転テーブルが無い代わりに、第二仰角回転機構を備えた機構となっている。即ち、第二仰角回転機構では、フレーム４３に納められた特殊レーザ干渉計が、円形フレーム４４の案内に沿って左右に自走できるように機能する。

特殊レーザ干渉計を円形フレーム４４に沿って左右に自走させるため、フレーム４３に小型モータ６０を搭載し、これと連結した小型ホイール６１を設置する。小型ホイール６１は、円形フレーム４４に沿って接触回転しながら特殊レーザ干渉計を滑らかに移動させる。

その結果、実施例１と同様に、特殊レーザ干渉計と測定側反射体１５の間に追尾光学系２９（図２及び図６参照）を挿入し、測定側反射体１５からの反射光の位置を制御すれば、測定側反射体１５が空間の任意の位置へ移動しても、追尾測長できる。

この実施例２の構造の場合、レーザ干渉追尾測長機構として測定側反射体１５を追尾することができる角度範囲は、第一仰角回転機構で約９０°又は約１３５°、第二仰角回転機構で約１２０°までである。

図１２に示す実施例３は、実施例１の方位角回転機構と実施例２の第二仰角回転機構を結合し、一体化したレーザ干渉追尾測長機構を示す実施例で、実施例１と実施例２の機構を折衷したものである。

基準球１４と、それを固定する支柱５９は、固定テーブル５５にしっかりと固定される。また一方、円形フレーム４４は、円筒型回転テーブル６２と固定用部品６３によってしっかりと固定される。

固定テーブル５５の上に搭載されたモータ５７のホイール５８は円筒型回転テーブル６２を回転させ、円形フレーム４４上にある特殊レーザ干渉計の方位を決める。特殊レーザ干渉計を円形フレーム４４に沿って移動させるため、フレーム４３に小型モータ６０（図１２の裏側で、図示せず）と連結した小型ホイール６１（図１２の裏側で、図示せず）を搭載する。その小型ホイール６１は、円形フレーム４４に沿って接触回転しながら特殊レーザ干渉計を移動させる。

その結果、実施例１と同様に、特殊レーザ干渉計と測定側反射体１５の間に追尾光学系２９を挿入し、測定側反射体１５からの反射光位置を制御すれば、測定側反射体１５が空間の任意の位置へ移動しつつ、追尾測長できる。

この実施例３の場合、実施例１や実施例２で用いた仰角回転機構のように、特殊レーザ干渉計とモーメントのバランスをとる目的のバランスウエイト４８や４９が要らないという特長が発揮できる。即ち、特殊レーザ干渉計が自走する円形フレーム４４の両端は方位角を決める円筒型回転テーブル６２と固定用部品６３によってしっかりと固定され、一方、水平面内で方位をきめる機能は固定テーブル５５の上に搭載されたモータ５７のホイール５８により円筒型回転テーブル６２を回転させるので、バランスウエイト４８や４９が要らなくなる。

またこの実施例３の構造であれば、レーザ干渉追尾測長機構として測定側反射体１５を追尾する場合、方位角方向の追尾角度範囲は３６０°の全域、仰角方向の追尾角度範囲は約１８０°カバーできるという有利さが発揮できる。

図１３は、実施例４の正面図、図１４は、図１３の正面図をＡ−Ａ’面で切断したときの断面図を表す。又、図１５は、同じ実施例４の平面図を表す。

実施例４の機構の特長は、仰角を与える機構として、外輪６４と内輪６５とから成る２つのベアリング機構６６、６７を用いる点にある。外輪６４を回転自由とし、内輪６５を固定する。この外輪６４に、ＰＢＳ１３、１／４波長板１９、２２、偏光板２３、ハウジング４０から成る干渉計本体部２６を固定することによって自由な仰角が設定できる。干渉計本体部２６は、ベアリング機構６６、６７の外輪６４同士に挟み込まれるようにしてフレーム４３で固定される。

一方、仰角を与える外輪６４の回転の邪魔にならないように、ベアリング機構６６、６７の内輪６５同士を固定用棒６８、６９、７０でしっかりと固定すると同時に、それらの固定用棒は、方位角を与える切り欠き円筒７１に固定される。よって、方位角を設定しようとするとき、干渉計本体部２６、ベアリング機構６６、６７の全体を水平面内で回転させることができる。

なお、干渉計本体部２６に仰角を与えるため、ウオームとウオームホイールの関係の機構が２組採用されている。即ち、２つのモータ７２と７３でウオーム７４と７５を回転させる。これと噛み合うウオームホイールは、ベアリング機構６６と６７のそれぞれの外輪６４に歯切りされた歯車が、その役割を担う。

水平面内での回転による方位角も、ウオームとウオームホイールの機構で与えられる。即ち、モータ７６でウオーム７７を回転させ、切り欠き円筒７１を固定し、外周が歯車になった回転テーブル５６がウオームホイールの役割を担う。

この実施例４の機構では、次のような特長が発揮できる。即ち、実施例１や実施例２のような干渉計本体部２６とモーメントの釣り合いを考慮したバランスウエイト４８や４９が不要である。また、実施例２や実施例３のように、干渉計本体部２６を円弧運動させながら自走させないので、自走中の干渉計本体部２６のゆれや微妙な回転による測長中の測長誤差が入らない。更に、切り欠き円筒７１を図１４に示すＣ−Ｃ’線の斜め方向に切断することによって仰角の設定範囲を広く取る工夫ができる。因みに、方位角方向の追尾範囲は３６０°の全域を、仰角方向の追尾範囲は１８０°以上を、カバーすることができる。

なお、実施例４は全体に機構を軽く作ることができる構造となっているので、モータの能力も小さくて済み、全体を小さく、コンパクトに纏め上げる上で最適な機構である。

なお、前記のいずれの実施例においても、直動案内機構３４は、ボールを用いたものに限定されない。

特許文献１に記載された追尾式レーザ干渉計の光学系の構成を示す断面図 特許文献２に記載された特殊レーザ干渉計の光学系の構成を示す光路図 特許文献３に記載された測定側反射体の例を示す断面図 特許文献２や非特許文献１に記載された特殊レーザ干渉計の要部構成を示す断面図 出願人が先行発明で提案した追尾式レーザ干渉計の要部構成を示す断面図 本発明の基本的な実施形態を示す断面図 図６の直動ボール案内機構部分を拡大して示す断面図 本発明の実施例１の構成を示す正面図 同じく平面図 本発明の実施例２の構成を示す正面図 同じく平面図 本発明の実施例３の構成を示す斜視図 本発明の実施例４の構成を示す正面図 図１３のＡ−Ａ’線に沿う断面図 実施例４の平面図

符号の説明

１３…偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
１４…基準球
１５…測定側反射体（標的）
２６…干渉計本体部
２９…追尾光学系
３１…変位センサ
３２…レーザ干渉計
３３…参照側反射体
３４…直動ボール案内機構
３５…内側円筒ハウジング
３６…外側円筒
３９…シュー
４０…ハウジング
４４…円形フレーム
４５…仰角回転軸
４６、４７…ジョイント
５０…モータ
５１…減速機
５２、５３…プレート
５４…リング
５５…固定テーブル
５６…回転テーブル
５７…モータ
５８…ホイール
６０…小型モータ
６１…小型ホイール
６２…円筒型回転テーブル
６４…外輪
６５…内輪
６６、６７…ベアリング機構

Claims (11)

1. 測定の基準をなす基準球と、
   測定対象に配設される測定側反射体と、
   該測定側反射体との距離の増減に応じて測定値を出力するレーザ干渉計と、
   該レーザ干渉計からの出射ビームを前記基準球を中心として回動するための円弧運動機構とを用いて、
   前記基準球の中心座標を基準とし、前記円弧運動機構に載ったレーザ干渉計からの出射光と戻り光の光軸が平行となる測定側反射体との距離を測定するレーザ干渉追尾測長方法において、
   前記レーザ干渉計の本体部から分離され、前記基準球と接触して、その表面をなぞりつつ測定光の方向に変位するようにされた参照側反射体を設け、
   該参照側反射体から測定側反射体迄の距離を測定することを特徴とするレーザ干渉追尾測長方法。
2. 測定の基準をなす基準球と、
   測定対象に配設される測定側反射体と、
   該測定側反射体との距離の増減に応じて測定値を出力するレーザ干渉計と、
   該レーザ干渉計からの出射ビームを前記基準球を中心として回動するための円弧運動機構とを有し、
   前記基準球の中心座標を基準とし、前記円弧運動機構に載ったレーザ干渉計からの出射光と戻り光の光軸が平行となる測定側反射体との距離を測定するレーザ干渉追尾測長装置において、
   前記レーザ干渉計の本体部から分離された参照側反射体と、
   該参照側反射体と干渉計本体部を結合し、参照側反射体が基準球と接触して、その表面をなぞりつつ測定光の方向に変位するようにするための伸縮可能な直動案内機構を設け、
   前記参照側反射体から測定側反射体迄の距離を測定するようにしたことを特徴とするレーザ干渉追尾測長装置。
3. 前記直動案内機構が圧縮状態となるようにするため、位置固定の基準球とその中心の周りに干渉計本体部を円弧運動させる前記円弧運動機構との間隔を調整し、それによって直動案内機構のシューが基準球の表面と常に適当な力で接触状態を保つようにしたことを特徴とする請求項２に記載のレーザ干渉追尾測長装置。
4. 直動変位が可能なボールブッシュの構造を持ち、参照側反射体を納めた内側円筒ハウジングと外側円筒とを、互いに基準球と干渉計本体部の間で突っ張らせるようにするため、圧縮ばね要素部品を内在させる直動ボール案内機構を有することを特徴とする請求項２に記載のレーザ干渉追尾測長装置。
5. 前記直動ボール案内機構のシューは基準球と幾何学的には１点接触であるが、干渉計本体部に対し参照側反射体を納めた内側円筒ハウジングが、より確実に傾かないようにするため、シューに正三角形の配置からなる小球３個で小さな固定座を作り、基準球と接触させ、その表面を安定になぞるようにしたことを特徴とする請求項４に記載のレーザ干渉追尾測長装置。
6. 前記干渉計本体部が前記円弧運動機構に固定されていて、前記円弧運動機構それ自体が基準球と中心を共有して回転するようにし、標的である測長側反射体を追尾装置によってレーザ干渉測長できるようにしたことを特徴とする請求項２に記載のレーザ干渉追尾測長装置。
7. 前記基準球と中心を共有した前記円弧運動機構が固定されていて、干渉計本体部が、それに沿って自走しつつ円弧運動できるようにしたことを特徴とする請求項２に記載のレーザ干渉追尾測長装置。
8. 前記円弧運動機構が、方位角と仰角の互いに独立した２つの回転機構を有し、干渉計本体部が仰角回転機構に搭載され、該仰角回転機構が方位角回転機構に搭載されていることを特徴とする請求項２に記載のレーザ干渉追尾測長装置。
9. 前記円弧運動機構が、基準球を中心に円形フレームを水平軸の回りに回動する第一の仰角回転機構と、前記円形フレームに沿って干渉計本体部を自走させながら回動させる第二の仰角回転機構を有することを特徴とする請求項２に記載のレーザ干渉追尾測長装置。
10. 前記円弧運動機構が、基準球を中心に円形フレームを垂直軸の回りに回動する方位角回転機構と、前記円形フレームに沿って干渉計本体部を自走させながら回動させる仰角回転機構を有することを特徴とする請求項２に記載のレーザ干渉追尾測長装置。
11. 前記円弧運動機構の仰角を与える機構として、外輪と内輪からなる２つのベアリング機構を用いたことを特徴とする請求項２に記載のレーザ干渉追尾測長装置。

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