JP2013117417A - 測定補助器具、レーザトラッカー、およびこれらを用いた直径測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザトラッカーから遠い場所にある測定対象物に対しても、追尾に失敗することなくターゲットを設置することができ、レーザトラッカーから見て反対側の面の空間座標を測定することを可能にする測定補助器具を提供する。
【解決手段】 測定補助器具２０Ａは、測定対象物Ｗの上端面に接触させる上端面接触部２１と、上端面接触部２１から下方に延びて設けられ測定対象物Ｗの周面に接触させる周面接触部２２と、上端面接触部２１の上部に設けられ、測定対象物測定用にターゲットＴｇが設置される第１のターゲット設置部２３と、上端面接触部２１の上部で第１のターゲット設置部２３から既知の距離に設けられ、レーザトラッカー１から第１のターゲット設置部２３に設置されたターゲットＴｇまでの絶対距離計算用にターゲットＴｇが設置される第２のターゲット設置部２４とを備える。
【選択図】 図１

Description

この発明は、産業、計測分野において、生産物や建築物、自然物等の物体の空間的座標を測定する際に補助的に使用される測定補助器具、上記測定を行うレーザトラッカー、およびこれらを用いた直径測定方法に関する。

ガイドとなるレーザ光の方向を、２軸のモータで制御し、移動するターゲットに追従させ、ターゲットの空間座標（３次元位置情報）を得るレーザトラッキング技術が古くから知られている。このレーザトラッキング技術では、それぞれモータに取付けられた２軸のエンコーダを用いて、移動するターゲットの空間的な方向（角度）を知ることができる。ターゲットは、レトロリフレクタあるいは単にリフレクタと呼ばれる、それぞれ直交する３枚の鏡を使用した反射鏡を用いるのが一般的である。このリフレクタは、どのような場合でも、入射した方向に光を返すことができる。
また、レーザで距離を測る技術は確立されており、例えばレーザ干渉計では、数メートルの距離を、ナノメートル単位の分解能で測定することができる。

上記２つの技術を組み合わせた装置がレーザトラッカー（例えば特許文献１）であり、このレーザトラッカーは、その装置からターゲットまでの距離と空間的な角度とを、レーザ干渉計とエンコーダとでそれぞれ測定し、その測定値から、装置を基準としたターゲットの空間位置を特定する。このレーザトラッカーを用いて、軸受の内輪や外輪の直径等を測定することが試みられている。測定は、以下の手順で行う。

（１）測定対象物（軸受の内輪、外輪等）の近傍にレーザトラッカーを設置する。
（２）ターゲットを測定対象物の外周面や内周面に接触させる。
（３）レーザトラッカーからレーザ光をターゲットに向け出射し、ターゲットで反射した光を再びレーザトラッカーで受け取る。このときのエンコーダの値とレーザ干渉計の値とから、ターゲットの空間座標（３次元位置情報）を得る。
（４）上記（２）、（３）の操作を最低３回繰り返し、３点以上の空間座標を求め、それらから測定対象物の直径を演算する。

特開２００９−２７２８号公報

しかし、測定対象物の形状によっては、測定対象物にターゲットを安定して設置できないことがある。また、ターゲットがレーザトラッカーから見て測定対象物の反対側（裏側）にある場合、レーザトラッカーから出射したレーザ光が測定対象物に遮断されてターゲットに届かないため、測定を行えない。つまり、レーザトラッカーから見て、測定対象物の手前側の面の空間座標は測定できるが、反対側の面の空間座標が測定できない。そこで、本件出願人は、測定対象物にターゲットを安定して設置することができ、かつ反対側の面の空間座標も測定可能とするために、レーザトラッカーと組み合わせて使用する測定補助器具を提案した（特願２０１１−３８３６７）。

図９〜図１１に示すように、提案の測定補助器具４０は、測定対象物Ｗの上端面に接触させる上端面接触部４１と、この上端面接触部４１から下方に延びて設けられ測定対象物Ｗの周面に接触させる周面接触部４２と、前記上端面接触部４１の上部に設けられてターゲットＴｇが設置されるターゲット設置部４３とを備える。ターゲット設置部４３の中心は、周面接触部４２の中心軸Ｏ上に位置する。ターゲット設置部４３は、上面に形成された円すい状の凹部４３ａを有し、この凹部４３ａにターゲットＴｇを載せるだけで、ターゲットＴｇを正確に位置決めして設置できる。

ところで、前記空間座標とは、レーザトラッカー１におけるレーザ光Ｌｂが放たれる点Ａ（ミラー１３の反射点）からの絶対距離と、点Ａから見た２軸方向の角度とで表わされる座標のことである。しかし、レーザトラッカー１に設けられているレーザ干渉型の測長器２ｂ（図９）は、絶対距離計ではないため、点Ａから測定対象物Ｗに設置したターゲットＴｇまでの絶対距離を直接測定することはできない。そこで、図９のように、例えばレーザトラッカー１の上面等の点Ａから既知の距離ｂにある位置に基準位置部材４５を設置し、この基準位置部材４５に設置したターゲットＴｇの位置座標（距離値と角度値）を基準として、測定対象物Ｗに設置したターゲットＴｇまでの絶対距離を算出する。

上記絶対距離の算出の原理を、図１１を用いて説明する。実際には３次元空間の話であるが、簡略化のため２次元として説明する。レーザ干渉型の測長器２ｂにより基準位置部材４５に設置されたターゲットＴｇを測定した位置座標の距離値をｘ、測定補助器具４０のターゲット設置部４３に設置されたターゲットＴｇを測定した位置座標の距離値をｙとすると、点Ａからターゲット設置部４３に設置されたターゲットＴｇまでの絶対距離ｚは、ｚ＝（ｙ−ｘ）＋ｂで表わされる。

実際の測定は、以下のように行う。
（１）ターゲットＴｇを基準位置部材４５に設置し、その位置座標（距離値ｘ、角度値θ１、角度値ψ１）を取得する。
（２）その後、基準位置部材４５から測定対象物Ｗに設置された測定補助器具４０のターゲット設置部４３まで、レーザ光ＬｂでターゲットＴｇを追尾させながら、作業者がターゲットＴｇを移動させる。そして、ターゲット設置部４３に設置されたターゲットＴｇの位置座標（距離値ｙ、角度値θ２、角度値ψ２）を取得する。
（３）基準位置部材４５およびターゲット設置部４３の２箇所の距離値ｘ，ｙと、点Ａから基準位置部材４５までの距離ｂとを用いて、点Ａから測定補助器具４０のターゲット設置部４３に設置されたターゲットＴｇまでの絶対距離ｚを算出する。こうして算出された絶対距離ｚと、（１）で取得した角度値θ１，ψ１と（２）で取得した角度値θ２，ψ２の差とから、ターゲット設置部４３に設置されたターゲットＴｇの空間座標（３次元位置情報）が決定する。なお、
（４）上記（２）、（３）の操作を最低３回繰り返し、３点以上の空間座標を求め、それらから測定対象物の直径を演算する。

上記測定方法では、基準位置部材４５から測定対象物Ｗのターゲット設置部４３までの距離が遠い場合でも、両者間でターゲットＴｇを移動させる間、レーザ光ＬｂによるターゲットＴｇの追尾を継続しなければならない。作業者には、ターゲットＴｇのミラー反射面を常にレーザトラッカー１に向けた状態で、ターゲットＴｇを移動させることが要求される。しかし、ターゲットＴｇの移動中に、誤ってミラー反射面の向きがレーザトラッカー１から外れてしまったり、異物等によりレーザ光Ｌｂが遮断されてしまったりして、追尾を失敗する可能性が高かった。途中で追尾を失敗した場合、最初からやり直す必要がある。

この発明の目的は、レーザトラッカーから遠い場所にある測定対象物に対しても、追尾に失敗することなくターゲットを設置することができ、レーザトラッカーから見て反対側の面の空間座標を測定することを可能にする測定補助器具を提供することである。
この発明の他の目的は、上記測定補助器具を用いて測定対象物の直径を容易にかつ精度良く測定できるレーザトラッカーを提供することである。
この発明の他の目的は、円形である測定対象物の直径を容易にかつ精度良く測定できる直径測定方法を提供することである。

以下の各発明の測定補助器具は、測定対象物に設置されたターゲットにレーザ光を照射し、その反射光からターゲットの位置を追尾しながらターゲットの空間座標を求めるレーザトラッカーの補助として用いられる。
この発明における第１の測定補助器具は、測定対象物の上端面に接触させる上端面接触部と、この上端面接触部から下方に延びて設けられ測定対象物の周面に接触させる周面接触部と、前記上端面接触部の上部に設けられ、測定対象物測定用に前記ターゲットが設置される第１のターゲット設置部と、前記上端面接触部の上部で前記第１のターゲット設置部から既知の距離に設けられ、前記レーザトラッカーから前記第１のターゲット設置部に設置されたターゲットまでの絶対距離計算用に前記ターゲットが設置される第２のターゲット設置部とを備えることを特徴とする。

この構成の測定補助器具は、上端面接触部を測定対象物の上端面に接触させ、かつ周面接触部を測定対象物の周面における定められた高さ位置に接触させて設置される。その状態で、一旦、第２のターゲット設置部にターゲットを設置してから、レーザトラッカーによりターゲットを追尾させながら、第２のターゲット設置部から第１のターゲット設置部へターゲットを移動させる。レーザトラッカーによるターゲットの追尾は、ターゲットに対しレーザ光を照射し、その反射光を受けてターゲットの位置確認をして行う。第１のターゲット設置部と第２のターゲット設置部とは、測定補助器具上の互いに近い距離にあるので、容易に追尾させながらターゲットを移動させることができる。

そして、第２のターゲット設置部で取得したターゲットの位置座標における距離値と、第１のターゲット設置部で取得したターゲットの位置座標における距離値と、既知の値である第１および第２のターゲット設置部間の距離から、レーザトラッカーから第１のターゲット設置部に設置されたターゲットまでの絶対距離を算出する。レーザトラッカーに設けられている測長器は、例えばレーザ干渉型の測長器であって、レーザトラッカーからターゲットまでの絶対距離を計測するものではないため、上記の手法で絶対距離を求める。

さらに、前記算出された絶対距離と、第１、第２ターゲット設置部間の２軸方向の角度情報とから、第１のターゲット設置部に設置されたターゲットの空間座標を求める。ここで言う「空間座標」は、レーザトラッカーからの絶対距離と、レーザトラッカーから見た２軸方向の角度とで表わされる座標のことである。また、第１のターゲット設置部と周面接触部との位置関係は予め分かっているので、第１のターゲット設置部に設置されたターゲットの空間座標から、測定対象物の周面における周面接触部の接触箇所の空間座標が求められる。

測定対象物の上端面に接触されられる上端面接触部よりも上に位置する第１および第２のターゲット設置部にターゲットが設置されるため、レーザトラッカーから見て測定対象物の反対側に測定補助器具が位置する場合でも、レーザトラッカーから出射されるレーザ光が、測定対象物によって遮断されることなく、ターゲットに当たる。そのため、レーザトラッカーにより、このレーザトラッカーから見て手前側の面だけでなく反対側の面の空間座標も測定することができる。

この発明における第２の測定補助器具は、測定対象物の上端面に接触させる上端面接触部と、この上端面接触部から下方に延びて設けられ測定対象物の周面に接触させる周面接触部と、前記上端面接触部の上方に位置し、前記ターゲットが設置されるターゲット設置部と、このターゲット設置部を、測定対象物測定用の測定位置と、この測定位置から既知の距離にある絶対距離計算用の基準位置との間で移動自在に案内する案内部材とを備えることを特徴とする。

この構成の測定補助器具は、前記同様に、上端面接触部を測定対象物の上端面に接触させ、かつ周面接触部を測定対象物の周面における定められた高さ位置に接触させて設置される。その状態で、基準位置に位置するターゲット設置部にターゲットを設置してから、レーザトラッカーによりターゲットを追尾させながら、ターゲット設置部を測定位置へ移動させる。案内部材による案内でターゲット設置部ごとターゲットを移動させるため、ターゲットの移動が容易である。

そして、基準位置で取得したターゲットの位置座標の距離値と、測定位置で取得したターゲットの位置座標の距離値と、既知の値である第１および第２のターゲット設置部間の距離から、レーザトラッカーから第１のターゲット設置部に設置されたターゲットまでの絶対距離を算出する。算出手法は、前記同様である。また、測定対象物の空間座標の求め方も、前記同様である。

この発明において、前記案内部材は、前記ターゲット設置部を上下方向に移動自在に案内するものであり、その移動範囲の上端を前記基準位置とし、下端を前記測定位置としていても良い。

上記のようにターゲット設置部を移動自在に設ける場合、前記ターゲット設置部を前記基準位置と前記測定位置間で移動させる移動駆動源を設けると良い。
移動駆動源が設けられていると、人手でターゲットを移動させなくてよいので、測定作業が容易になる。

この発明のレーザトラッカーは、前記ターゲットに対する距離の測定および角度位置の検出に使用されるレーザ光を出射するレーザ光源と、このレーザ光源から出射されるレーザ光と同じ光軸で、かつ前記レーザ光よりも光束径が大きく、前記ターゲットに対する角度位置の検出のみに使用される光を出射する光出射源とを設けたことを特徴とする。

ターゲットの追尾を開始するためには、レーザ光等の追尾用の光をある程度精度良くターゲットに当てる必要があるが、追尾用の光の光束径が小さいと、精度良くターゲットに当てることが難しい。そこで、ターゲットに対する距離の測定および角度位置の検出に使用されるレーザ光源とは別に、このレーザ光源から出射されるレーザ光よりも光束径が大きい光を出射する光出射源を設け、この光出射源から出射される光によりターゲットを発見させるようにする。それにより、ターゲットの追尾を容易に開始することができる。

この発明のレーザトラッカーにおいて、前記光出射源は、半導体レーザを使用したものであっても良く、またはＬＥＤ照明を使用したものであっても良い。
追尾開始時のみに使用される光出射源は、レーザ光源ほど追尾の精度を要求されないので、比較的安価な半導体レーザを使用したものやＬＥＤ照明を使用したものとすることが可能である。それにより、低コスト化を実現できる。

この発明における第１の直径測定方法は、第１の測定補助器具および上記各レーザトラッカーのいずれかを用いて、外周または内周に円筒面状の測定対象周面を有する測定対象物の前記測定対象周面の直径を測定する方法であって、前記レーザトラッカーを測定対象物の近傍に設置した状態で、前記測定補助器具を、前記上端面接触部が測定対象物の上端面に接触し、かつ前記周面接触部が測定対象物の前記測定対象周面に接触するように設置する過程と、前記第２のターゲット設置部に前記ターゲットを設置する過程と、前記ターゲットを前記レーザトラッカーで追尾させながら前記第１のターゲット設置部へ移動させる過程と、前記第１のターゲット設置部に設置されている前記ターゲットの空間座標を前記レーザトラッカーにより取得する過程とを行い、前記ターゲットの空間座標を取得する過程を、測定対象物に対する測定補助器具の円周方向位置を変えて３回以上繰り返し、取得した３点以上の空間座標から前記測定対象周面の直径を演算することを特徴とする。

上記各過程を行うことにより、第１の測定補助器具で説明したように、レーザトラッカーによって、第１のターゲット設置部に設置されたターゲットの空間座標が求められ、さらにそのターゲットの空間座標から、測定対象物の周面における周面接触部の接触箇所の空間座標が求められる。測定対象物に対する測定補助器具の円周方向位置を変えて、上記接触箇所の空間座標を３点以上求めれば、測定対象周面の直径を演算で導き出すことができる。

この発明における第２の直径測定方法は、第２の測定補助器具および上記各レーザトラッカーのいずれかを用いて、外周または内周に円筒面状の測定対象周面を有する測定対象物の前記測定対象周面の直径を測定する方法であって、前記レーザトラッカーを測定対象物の近傍に設置した状態で、前記測定補助器具を、前記上端面接触部が測定対象物の上端面に接触し、かつ前記周面接触部が測定対象物の前記測定対象周面に接触するように設置する過程と、前記基準位置に位置する前記ターゲット設置部に前記ターゲットを設置する過程と、前記ターゲットを前記レーザトラッカーで追尾させながら前記ターゲット設置部を前記基準位置から前記測定位置へ移動させる過程と、前記測定位置に位置する前記ターゲット設置部に設置されている前記ターゲットの空間座標を前記レーザトラッカーにより取得する過程とを行い、前記ターゲットの空間座標を取得する過程を、測定対象物に対する測定補助器具の円周方向位置を変えて３回以上繰り返し、取得した３点以上の空間座標から前記測定対象周面の直径を演算することを特徴とする。

この場合も、上記各過程を行うことにより、第２の測定補助器具で説明したように、レーザトラッカーによって、測定位置に位置するターゲット設置部に設置されたターゲットの空間座標が求められ、さらにそのターゲットの空間座標から、測定対象物の周面における周面接触部の接触箇所の空間座標が求められる。測定対象物に対する測定補助器具の円周方向位置を変えて、上記接触箇所の空間座標を３点以上求めれば、測定対象周面の直径を演算で導き出すことができる。

この発明の第１の測定補助器具は、測定対象物に設置されたターゲットにレーザ光を照射し、その反射光からターゲットの位置を追尾しながらターゲットの空間座標を求めるレーザトラッカーの補助として用いられるものであり、測定対象物の上端面に接触させる上端面接触部と、この上端面接触部から下方に延びて設けられ測定対象物の周面に接触させる周面接触部と、前記上端面接触部の上部に設けられ、測定対象物測定用に前記ターゲットが設置される第１のターゲット設置部と、前記上端面接触部の上部で前記第１のターゲット設置部から既知の距離に設けられ、前記レーザトラッカーから前記第１のターゲット設置部に設置されたターゲットまでの絶対距離計算用に前記ターゲットが設置される第２のターゲット設置部とを備えるため、レーザトラッカーから遠い場所にある測定対象物に対しても、追尾に失敗することなくターゲットを設置することができ、レーザトラッカーから見て反対側の面の空間座標を測定することが可能である。

この発明の第２の測定補助器具は、測定対象物に設置されたターゲットにレーザ光を照射し、その反射光からターゲットの位置を追尾しながらターゲットの空間座標を求めるレーザトラッカーの補助として用いられるものであり、測定対象物の上端面に接触させる上端面接触部と、この上端面接触部から下方に延びて設けられ測定対象物の周面に接触させる周面接触部と、前記上端面接触部の上方に位置し、前記ターゲットが設置されるターゲット設置部と、このターゲット設置部を、測定対象物測定用の測定位置と、この測定位置から既知の距離にある絶対距離計算用の基準位置との間で移動自在に案内する案内部材とを備えるため、レーザトラッカーから遠い場所にある測定対象物に対しても、追尾に失敗することなくターゲットを設置することができ、レーザトラッカーから見て反対側の面の空間座標を測定することが可能である。

この発明のレーザトラッカーは、前記ターゲットに対する距離の測定および角度位置の検出に使用されるレーザ光を出射するレーザ光源と、このレーザ光源から出射されるレーザ光と同じ光軸で、かつ前記レーザ光よりも光束径が大きく、前記ターゲットに対する角度位置の検出のみに使用される光を出射する光出射源とを設けたため、容易に追尾動作を開始することができる。

この発明の第１の直径測定方法は、第１の測定補助器具および上記いずれかのレーザトラッカーを用いて、外周または内周に円筒面状の測定対象周面を有する測定対象物の前記測定対象周面の直径を測定する方法であって、前記レーザトラッカーを測定対象物の近傍に設置した状態で、前記測定補助器具を、前記上端面接触部が測定対象物の上端面に接触し、かつ前記周面接触部が測定対象物の前記測定対象周面に接触するように設置する過程と、前記第２のターゲット設置部に前記ターゲットを設置する過程と、前記ターゲットを前記レーザトラッカーで追尾させながら前記第１のターゲット設置部へ移動させる過程と、前記第１のターゲット設置部に設置されている前記ターゲットの空間座標を前記レーザトラッカーにより取得する過程とを行い、前記ターゲットの空間座標を取得する過程を、測定対象物に対する測定補助器具の円周方向位置を変えて３回以上繰り返し、取得した３点以上の空間座標から前記測定対象周面の直径を演算するため、円形である測定対象物の直径を容易にかつ精度良く測定できる。

この発明の第２の直径測定方法は、第２の測定補助器具および上記いずれかのレーザトラッカーを用いて、外周または内周に円筒面状の測定対象周面を有する測定対象物の前記測定対象周面の直径を測定する方法であって、前記レーザトラッカーを測定対象物の近傍に設置した状態で、前記測定補助器具を、前記上端面接触部が測定対象物の上端面に接触し、かつ前記周面接触部が測定対象物の前記測定対象周面に接触するように設置する過程と、前記基準位置に位置する前記ターゲット設置部に前記ターゲットを設置する過程と、前記ターゲットを前記レーザトラッカーで追尾させながら前記ターゲット設置部を前記基準位置から前記測定位置へ移動させる過程と、前記測定位置に位置する前記ターゲット設置部に設置されている前記ターゲットの空間座標を前記レーザトラッカーにより取得する過程とを行い、前記ターゲットの空間座標を取得する過程を、測定対象物に対する測定補助器具の円周方向位置を変えて３回以上繰り返し、取得した３点以上の空間座標から前記測定対象周面の直径を演算するため、円形である測定対象物の直径を容易にかつ精度良く測定できる。

この発明の一実施形態にかかる測定補助器具、およびこの測定補助器具と組み合わせて使用されるレーザトラッカーの斜視図である。 同測定補助器具および同レーザトラッカーの使用状態を示す図である。 同測定補助器具および同レーザトラッカーによる空間座標の測定の原理を示す説明図である。 同レーザトラッカーによる測定対象物の外径を測定する方法を示す図である。 この発明の異なる実施形態にかかる測定補助器具の斜視図である。 この発明のさらに異なる実施形態にかかる測定補助器具の斜視図である。 この発明のさらに異なる実施形態にかかる測定補助器具の斜視図である。 この発明の異なる実施形態にかかるレーザトラッカー等の斜視図である。 従来のレーザトラッカーおよび測定対象物の斜視図である。 従来の測定補助器具の斜視図である。 従来の空間座標の測定の原理を示す説明図である。

図１はこの発明の一実施形態にかかる測定補助器具の使用状態を示す図である。この測定補助器具２０Ａは、測定対象物Ｗの空間座標を測定するレーザトラッカー１Ａの補助として用いられる器具であり、特に測定対象物Ｗが円形である場合に、その測定対象物Ｗの直径を測定するのに好適である。

まず、レーザトラッカー１Ａについて説明する。レーザトラッカー１Ａは、測定対象物Ｗに設置されたターゲットＴｇの動きに追従し、測定対象物Ｗの空間座標を求める装置である。ターゲットＴｇとしては、例えば球状のレトロリフレクタが用いられる。ただし、球状のレトロリフレクタに限定されるものではない。

レーザトラッカー１Ａは、主に、レーザ光源２ａ、測長器２ｂ、受光部３、角度調整手段４、制御手段５、および演算手段６を有する。

レーザ光源２ａは、ターゲットＴｇにレーザ光Ｌｂを照射させるものであり、例えばＨｅ−Ｎｅレーザが用いられる。測長器２ｂは、前記ターゲットＴｇで反射したレーザ光Ｌｂを用いて前記ターゲットＴｇまでの距離値を検出するものであり、例えばレーザ干渉型のものが使用される。レーザ干渉型の測長器２ｂは、レーザトラッカー１からターゲットＴｇまでの絶対距離を測定するのではなく、上記距離値を用いてターゲットＴｇの変位量を測定する。この例では、レーザ光源２ａと測長器２ｂとが一体化されて、レーザ測長器２として構成されている。このレーザ測長器２は、筒状のケーシング７の内部に収容されている。

受光部３は、レーザ光Ｌｂの反射光の位置情報を認識するものであり、例えば、半導***置検出素子（略称ＰＳＤ）または４分割フォトダイオード等により構成される。前記反射光の位置情報とは、受光部３上での直交する２軸方向におけるレーザスポットの変位量を表す。この受光部３も、ケーシング７の内部に収容されている。

角度調整手段４は、ハーフミラー８、θ軸モータ９、θ軸エンコーダ１０、ψ軸モータ１１、ψ軸エンコーダ１２、およびミラー１３を有する。θ軸モータ９におけるθ軸、およびψ軸モータ１１におけるψ軸は互いに直交する軸である。θ軸は、前記ケーシング７の軸心と平行に配置される。

ケーシング７の上端部には、回転体１４がθ軸回りに角変位可能に支持されている。この回転体１４は、前記θ軸モータ９により回転駆動される。回転体１４の角変位は、前記θ軸エンコーダ１０に検出される。また、回転体１４の上部に、凹形状のフレーム１５を介して前記ψ軸モータ１１およびψ軸エンコーダ１２が支持されている。そして、ψ軸モータ１１で回転させられる回転軸１１に、前記ミラー１３が支持されている。ψ軸モータ１１の回転駆動により、ミラー１３が角変位される。ミラー１３の角変位は、ψ軸エンコーダ１２により検出される。なお、ケーシング７の上端部、回転体１４、およびフレーム１５には、レーザ光（反射光も含む）Ｌｂを通す孔ｈが形成されている。

レーザ光源２ａから発せられたレーザ光Ｌｂは、ハーフミラー８を透過し、ミラー１３で反射した後、前記ターゲットＴｇに到達する。このターゲットＴｇで反射したレーザ光Ｌｂつまり反射光は、略同じ経路を通り照射元のレーザトラッカー１に戻り、ケーシング７内の前記ハーフミラー８で反射されて、受光部３に到達する。

制御手段５は、受光部３からの信号に基づき、前記受光部３に到達した反射光が常に同受光部３の中心に戻るように、θ軸モータ９およびψ軸モータ１１の各ドライバ（図示せず）に指令を出す。この指令に基づき、θ軸モータ９およびψ軸モータ１１が、ミラー１３を互いに直交するθ軸、ψ軸回りに角変位させる。これにより、ミラー１３を常に適切な方向に向ける。

レーザトラッカー１に戻ったレーザ光Ｌｂの一部は、ハーフミラー８で反射されずに測長器２ｂに入る。測長器２ｂは、レーザ光Ｌｂの反射光を受光し、レーザ光源２ａの投光するレーザ光Ｌｂと受光した反射光とから、ターゲットＴｂの距離値を取得する。

演算手段６は、前記測長器２ｂが取得したターゲットＴｂの移動前と移動後の距離値と、θ軸エンコーダ１０およびψ軸エンコーダ１２の測定値とより、ターゲットＴｇの空間座標（３次元位置情報）を求める。

次に、図１〜図３と共に測定補助器具２０Ａについて説明する。測定補助器具２０Ａは、上端面接触部２１と、周面接触部２２と、第１および第２のターゲット設置部２３，２４とを備える。

上端面接触部２１は、その底面２１を測定対象物Ｗの上端面に接触させる部位であり、この例では、平面形状が小判形の板状とされている。周面接触部２２は、その外周面２２ａを測定対象物Ｗの周面に接触させる部位であり、上端面接触部２１よりも短径部の径よりも小径の円板状である。周面接触部２２は、上端面接触部２１から下方に延びる軸２５の下端に設けられている。

第１のターゲット設置部２３は、上端面接触部２１の一部で構成され、上方に開口した円すい状の凹部２３ａを有する。この第１のターゲット設置部２３の中心と周面接触部２２の中心とは、軸の中心が一致する。つまり、第１のターゲット設置部２３の中心は、周面接触部２２の中心軸Ｏ上に位置する。第２のターゲット設置部２４は、上端面接触部２１の上面に固定されており、上方に開口した円すい状の凹部２４ａを有する。このように第１および第２のターゲット設置部２３，２４は、円すい状の凹部２３ａ，２４ａを有する形状であるため、ターゲットＴｇを載せるだけで、ターゲットＴｇを正確に位置決めして設置できる。第１のターゲット設置部２３と第２のターゲット設置部２４間の距離ｃは、既知である。

上記レーザトラッカー１と測定補助器具２０Ａとを使用して、円形である測定対象物Ｗの直径を測定する直径測定方法を説明する。図２に示すように、測定対象物Ｗは例えば軸受、または軸受の軌道輪である内輪や外輪であり、外周の直径ΦＤ２を測定するものとする。測定は、以下の方法で行う（図１参照）。

（１）レーザトラッカー１を測定対象物Ｗの近傍に設置する
（２）測定補助器具２０Ａを、上端面接触部２１の底面２１ａが測定対象物Ｗの上端面Ｗａに接触し、かつ周面接触部２２の外周面２２ａが測定対象物Ｗの外周面Ｗｂに接触するように設置する。
（３）測定補助器具２０Ａの第２のターゲット設置部２４にターゲットＴｇを設置する。このとき、作業者は、レーザトラッカー１から測定対象物ＷまでのターゲットＴｇをレーザ光Ｌｂで追尾させる必要がない。
（４）レーザ光ＬｂをターゲットＴｇに向けて照射し、追尾を開始する。
（５）第２のターゲット設置部２４でのターゲットＴｇの位置座標（距離値ｕ、角度値θ１，ψ１）を取得する。
（６）ターゲットＴｇを第２のターゲット設置部２４から第１のターゲット設置部２３へ移動させ、第１のターゲット設置部２３でのターゲットＴｇの位置座標（距離値ｖ、角度値θ２，ψ２）を取得する。ターゲットＴｇの移動はレーザ光Ｌｂにより追尾しながら行うが、第２のターゲット設置部２４と第１のターゲット設置部２３の距離は非常に短いので、追尾を失敗する可能性は極めて少ない。
（７）上記（５），（６）で取得した位置座標の距離値ｕ，ｖと、第１のターゲット設置部２３と第２のターゲット設置部２４間の距離ｃとから、点Ａ（ミラー１３）から第１のターゲット設置部２３に設置されたターゲットＴｇまでの絶対距離ｗを算出する。

上記絶対距離の算出の原理を、図３を用いて説明する。実際には３次元空間の話であるが、簡略化のため２次元で説明する。第２のターゲット設置部２４に設置されたターゲットＴｇをレーザ干渉型の測長器２ｂで測定した距離値をｕ、θ軸エンコーダ１０（ψ軸エンコーダ１２）の角度値をθ１（ψ１）、第１のターゲット設置部２３に設置されたターゲットＴｇをレーザ干渉型の測長器２ｂで測定した距離値をｖ、θ軸エンコーダ１０（ψ軸エンコーダ１２）の角度値をθ２（ψ２）とすると、三角形の余弦定理より、
ｃ^２＝ｗ^２＋（ｗ＋（ｖ−ｕ））^２−２×ｗ×（ｗ＋（ｖ−ｕ））×cos（θ）・・・式１
ここでθ＝θ２−θ１（ψ＝ψ２−ψ１）
の関係がある。この式１から、絶対距離ｗを計算することができる。

（８）（７）で算出した絶対距離ｗと（６）で測定した角度情報θ，ψから、第１のターゲット設置部２３に設置されたターゲットＴｇの空間座標が決定する。
（９）図４のように、測定対象物Ｗに対する測定補助器具２０Ａの円周方向位置を変えて、（６）〜（８）の操作を３回以上行う。
（１０）取得した３点以上の空間座標から、ターゲットＴｇの位置での直径ΦＤ１を演算する。
（１１）（１０）で求めた直径ΦＤ１から、測定対象物Ｗに対するターゲットＴｇの径方向のオフセット量Ｌを引いて、測定対象物Ｗの直径ΦＤ２を求める（式２）。
ΦＤ２＝ΦＤ１−（２×Ｌ）・・・式２

この直径測定方法では、レーザトラッカー１から測定対象物Ｗまでの距離が長くても、その間を追尾制御する必要がないため、測定に失敗する可能性が低く、作業者の熟練を必要としない。

周面接触部２２は円板状であり、その中心軸Ｏが上下方向に沿い、かつ第１のターゲット設置部２１を通るように配置されているため、周面接触部２２の外周面２２ａのどの円周方向箇所を測定対象物Ｗの外周面Ｗｂに接触させても良い。そのため、測定対象物Ｗに対する測定補助器具２０Ａの設置が容易である。

上端面接触部２１よりも上に位置する第１および第２のターゲット設置部２３，２４にターゲットＴｇが設置されるため、レーザトラッカー１から見て反対側に測定補助器具２０Ａが位置する場合でも、レーザトラッカー１から出射されるレーザ光Ｌｂが、測定対象物Ｗによって遮断されることなく、ターゲットＴｇに当たる。そのため、レーザトラッカー１により、このレーザトラッカー１から見て手前側の面だけでなく反対側の面の空間座標も測定することができる。

上記測定例では、リング形状である測定対象物Ｗの測定対象周面が外周面Ｗｂであり外周直径を測定する場合を示すが、測定対象周面を内周面Ｗｃとして内周直径を測定することもできる。その場合、測定補助器具２０Ａを、周面接触部２２の外周面２２ａが測定対象物Ｗの内周面Ｗｃに接触するように設置する。他は、外周直径を測定する場合と同じである。つまり、円柱形状やリング形状等の円形である測定対象物Ｗの外周直径や内周直径を測定する場合、本発明の測定補助器具２０Ａを使用することで、測定対象物Ｗの端面から指定された任意の位置での直径を測定することができる。

図５は、測定補助器具の異なる実施形態を示す。この測定補助器具２０Ｂも、前記実施形態と同様の上端面接触部２１および周面接触部と２２を備える。前記実施形態と異なる点は、上端面接触部２１の上方にターゲット設置部２７を一つだけ有し、このターゲット設置部２７を、案内部材２８の案内により測定位置Ｐ１と基準位置Ｐ２間で移動自在としたことである。測定位置Ｐ１は測定対象物Ｗを測定するための位置であり、基準位置Ｐ２はレーザトラッカー１の点Ａと測定位置Ｐ１間の絶対距離を計算するための位置である。基準位置Ｐ２は、測定位置Ｐ１に対して既知の距離ｃにある。前記案内部材２８は、この例では、上端面接触部２１の上面に固定されたガイド部２８ａと、このガイド部２８ａに沿って移動自在な可動部２８ｂとからなるリニアガイドであり、可動部２８ｂにターゲット設置部２７が設けられている。

この構成の測定補助器具２０Ｂを用いた場合、前記直径測定方法における（３）〜（６）の過程に代えて、以下に示す（ａ）〜（ｄ）の過程を行う。
（ａ）測定補助器具２０Ｂのターゲット設置部２７を基準位置Ｐ２に位置させ、そのターゲット設置部２７にターゲットＴｇを設置する。前記同様、このときに作業者が、レーザトラッカー１から測定対象物ＷまでのターゲットＴｇをレーザ光Ｌｂで追尾させる必要がない。
（ｂ）レーザ光ＬｂをターゲットＴｇに向けて照射し、追尾を開始する。
（ｃ）ターゲット設置部２４が基準位置Ｐ２にあるときのターゲットＴｇの位置座標（距離値ｕ、角度値θ１，ψ１）を取得する。
（ｄ）ターゲット設置部２７を基準位置Ｐ２から測定位置Ｐ１まで移動させ、測定位置Ｐ１でのターゲットＴｇの位置座標（距離値ｖ、角度値θ２，ψ２）を取得する。ターゲット設置部２７の移動はターゲットＴｇをレーザ光Ｌｂにより追尾しながら行うが、基準位置Ｐ１と測定位置Ｐ２の距離は非常に短いので、追尾を失敗する可能性は極めて少ない。また、案内部材２８による案内でターゲット設置部２７ごとターゲットＴｇを移動させるため、ターゲットＴｇの移動が容易である。

そして、上記（ｃ），（ｄ）で取得した位置座標の距離値ｕ，ｖと、既知の値である基準位置Ｐ１と測定位置Ｐ２間の距離ｃから、レーザトラッカー１から測定位置Ｐ１にあるターゲットＴｇまでの絶対距離ｗを算出する。算出手法は、前記同様である。また、測定対象物Ｗの空間座標の求め方も、前記同様である。

図６の測定補助器具２０Ｃは、上記測定補助器具２０Ｂに、ターゲット設置部２７を基準位置Ｐ２と測定位置Ｐ１間で移動させる移動駆動源３０を付加したものである。移動駆動源３０は例えばモータであり、案内部材２８の案内部２８ａに固定した支持台３１の上に設置されている。移動駆動源３０の回転運動は運動変換機構３２により直進運動に変換されてターゲット設置部２７へ伝達される。運動変換機構３２は、例えばねじ軸３２ａとナット（図示せず）からなるボールねじ機構とされる。このように移動駆動源３０を設けると、人手でターゲットＴｇを移動させなくてよいので、測定作業が容易になる。

図７は、測定補助器具のさらに異なる実施形態を示す。この測定補助器具２０Ｄは、ターゲット設置部２７の下方に延びるロッド部２７ａを有し、このロッド部２７ａが案内部材３３により上下方向に案内される。そして、ターゲット設置部２７の移動範囲の上端が基準位置Ｐ２（同図（Ｂ））とされ、下端が測定位置Ｐ１（同図（Ａ））とされている。このように基準位置Ｐ２と測定位置Ｐ１を上下に配置しても、前記同様に、測定位置Ｐ１でのターゲットＴｇの位置座標を取得することができる。

図８は、レーザトラッカーの異なる実施形態を示す。このレーザトラッカー１Ａは、測長と追尾に用いられるレーザ光源２ａとは別に、レーザ光源２ａから出射されるレーザ光Ｌｂよりも出射される光５１の光束径が大きい追尾専用の光出射源５０が設けられている。光出射源５０としては、Ｈｅ−Ｎｅ等のレーザに比べて比較的安価な半導体レーザか、またはＬＥＤ照明等が利用される。光出射源５０はハウジング７の内部に設けられており、出射された光５１をレーザ光源２ａによるレーザ光Ｌｂと同じ光軸上を進むよう反射するミラー５２が設けられている。

光出射源５０から出射した光５１は、ミラー５２で反射して、レーザ光源２ａからのレーザ光Ｌｂとまったく同じ光軸に入り、その後ターゲットＴｇで反射して、同じ経路を通ってレーザトラッカー１に戻り、ハーフミラー８で反射され、受光部３に到達する。光出射源５０からの光５１は、レーザ光源２ａからのレーザ光Ｌｂよりも光束径が大きいため、ターゲットＴｇへの入射位置が多少ずれても、戻り光を受光部３で検出することができる。

光出射源５０からの光５１は、測長には使用されない。つまり、光５１は、レーザ光Ｌｂで位置を検出できなかったターゲットＴｇを発見し、追尾動作を開始する役割を担っている。ターゲットＴｇを発見した後は、レーザ光Ｌｂによる精密な追尾に切り替わる。このように、光束の直径が大きい追尾専用の光出射源５０を設けることにより、遠く離れた位置からでも、容易にレーザ光Ｌｂでの追尾を開始できるようになる。

１，１Ａ，１Ｂ…レーザトラッカー
２ａ…レーザ光源
２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ，４０…測定補助器具
２１…上端面接触部
２２…周面接触部
２３…第１のターゲット設置部
２４…第２のターゲット設置部
２７…ターゲット設置部
２８…案内部材
３０…移動駆動源
５０…光出射源
５１…光
Ｌｂ…レーザ光
Ｏ…中心軸
Ｐ１…測定位置
Ｐ２…基準位置
Ｔｇ…ターゲット
Ｗ…測定対象物
Ｗａ…上端面
Ｗｂ…外周面（測定対象周面）

Claims (9)

1. 測定対象物に設置されたターゲットにレーザ光を照射し、その反射光からターゲットの位置を追尾しながらターゲットの空間座標を求めるレーザトラッカーの補助として用いられる測定補助器具であって、
   測定対象物の上端面に接触させる上端面接触部と、
   この上端面接触部から下方に延びて設けられ測定対象物の周面に接触させる周面接触部と、
   前記上端面接触部の上部に設けられ、測定対象物測定用に前記ターゲットが設置される第１のターゲット設置部と、
   前記上端面接触部の上部で前記第１のターゲット設置部から既知の距離に設けられ、前記レーザトラッカーから前記第１のターゲット設置部に設置されたターゲットまでの絶対距離計算用に前記ターゲットが設置される第２のターゲット設置部とを備えることを特徴とする測定補助器具。
2. 測定対象物に設置されたターゲットにレーザ光を照射し、その反射光からターゲットの位置を追尾しながらターゲットの空間座標を求めるレーザトラッカーの補助として用いられる測定補助器具であって、
   測定対象物の上端面に接触させる上端面接触部と、
   この上端面接触部から下方に延びて設けられ測定対象物の周面に接触させる周面接触部と、
   前記上端面接触部の上方に位置し、前記ターゲットが設置されるターゲット設置部と、
   このターゲット設置部を、測定対象物測定用の測定位置と、この測定位置から既知の距離にある絶対距離計算用の基準位置との間で移動自在に案内する案内部材とを備えることを特徴とする測定補助器具。
3. 請求項２において、前記案内部材は、前記ターゲット設置部を上下方向に移動自在に案内するものであり、その移動範囲の上端を前記基準位置とし、下端を前記測定位置とした測定補助器具。
4. 請求項２または請求項３において、前記ターゲット設置部を前記基準位置と前記測定位置間で移動させる移動駆動源を設けた測定補助器具。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の測定補助器具と共に用いられ、前記ターゲットに対する距離の測定および角度位置の検出に使用されるレーザ光を出射するレーザ光源と、このレーザ光源から出射されるレーザ光と同じ光軸で、かつ前記レーザ光よりも光束径が大きく、前記ターゲットに対する角度位置の検出のみに使用される光を出射する光出射源とを設けたことを特徴とするレーザトラッカー。
6. 請求項５において、前記光出射源は、半導体レーザを使用したものであるレーザトラッカー。
7. 請求項６において、前記光出射源は、ＬＥＤ照明を使用したものであるレーザトラッカー。
8. 請求項１に記載の測定補助器具、および請求項５または請求項６に記載のレーザトラッカーを用いて、外周または内周に円筒面状の測定対象周面を有する測定対象物の前記測定対象周面の直径を測定する直径測定方法であって、
   前記レーザトラッカーを測定対象物の近傍に設置した状態で、前記測定補助器具を、前記上端面接触部が測定対象物の上端面に接触し、かつ前記周面接触部が測定対象物の前記測定対象周面に接触するように設置する過程と、
   前記第２のターゲット設置部に前記ターゲットを設置する過程と、
   前記ターゲットを前記レーザトラッカーで追尾させながら前記第１のターゲット設置部へ移動させる過程と、
   前記第１のターゲット設置部に設置されている前記ターゲットの空間座標を前記レーザトラッカーにより取得する過程とを行い、
   前記ターゲットの空間座標を取得する過程を、測定対象物に対する測定補助器具の円周方向位置を変えて３回以上繰り返し、取得した３点以上の空間座標から前記測定対象周面の直径を演算することを特徴とする直径測定方法。
9. 請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の測定補助器具、および請求項５または請求項６に記載のレーザトラッカーを用いて、外周または内周に円筒面状の測定対象周面を有する測定対象物の前記測定対象周面の直径を測定する直径測定方法であって、
   前記レーザトラッカーを測定対象物の近傍に設置した状態で、前記測定補助器具を、前記上端面接触部が測定対象物の上端面に接触し、かつ前記周面接触部が測定対象物の前記測定対象周面に接触するように設置する過程と、
   前記基準位置に位置する前記ターゲット設置部に前記ターゲットを設置する過程と、
   前記ターゲットを前記レーザトラッカーで追尾させながら前記ターゲット設置部を前記基準位置から前記測定位置へ移動させる過程と、
   前記測定位置に位置する前記ターゲット設置部に設置されている前記ターゲットの空間座標を前記レーザトラッカーにより取得する過程とを行い、
   前記ターゲットの空間座標を取得する過程を、測定対象物に対する測定補助器具の円周方向位置を変えて３回以上繰り返し、取得した３点以上の空間座標から前記測定対象周面の直径を演算することを特徴とする直径測定方法。

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