JP3800541B2

JP3800541B2 - Beam tracking type laser interferometric length measuring device by swinging optical lever using spherical motor and coordinate measuring method using the device

Info

Publication number: JP3800541B2
Application number: JP2003043117A
Authority: JP
Inventors: 利之高辻; 智昭矢野; 尊光大澤; 健生鈴木; 洋一本村
Original assignee: Yaskawa Electric Corp; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: Yaskawa Electric Corp; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-02-20
Filing date: 2003-02-20
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2023-02-20
Also published as: JP2004251785A

Description

【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記載の発明は、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に関するもので、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、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において、前記球面モータが、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特徴としている。
また、請求項２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において、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記載の発明は、上記光線追尾式レーザ干渉測長装置を用いた座標測定方法に関するもので、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４記載の発明は、上記光線追尾式レーザ干渉測長装置を用いた座標測定方法に関するもので、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】
１２軸アクチュエータ
２２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
１３４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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a beam tracking laser interference length measuring device that measures the coordinates of a retroreflector while tracking the retroreflector moving in a three-dimensional space.
[0002]
[Prior art]
As a conventional beam tracking laser interferometer for measuring the coordinates of a retroreflector while tracking a retroreflector moving in a three-dimensional space, for example, there is an apparatus as shown in FIG. This tracking laser interferometer is configured so that the last-stage reflection mirror 610 can rotate about the X axis and the Y axis via the rotators 614 and 616, respectively. As a result, the laser beam can be applied to the retroreflector provided on the moving body. That is, the rotating body 614 that supports the reflection mirror 610 is supported by the rotating body 616 so as to be rotatable around the X axis via the bearings 612 and 612, and the rotating body 616 is supported by the bearing 620 with respect to the fixed base 618. , 620, and is supported rotatably around the Y axis.
[0003]
A laser beam oscillated from a laser light source (not shown) is split by the polarization beam splitter 622, and one laser beam is incident on the corner cube 624, and the reflected light is transmitted to the detection unit 626 via the beam splitter 622. Incident. On the other hand, the other divided laser beam is bent on the same axis as the Y axis by the prism 628, and then bent on the same axis as the X axis via the prisms 630 and 632 supported by the rotating body 616. 610 is incident. Therefore, the laser beam emitted from the reflection mirror 610 turns when the rotating body 616 rotates around the Y axis, and moves up and down when the rotating body 614 rotates around the X axis. By controlling the rotation of 616 and 616, the laser beam can be emitted toward the retroreflector provided on the moving body. Reflected light from the retroreflector provided on the moving body passes through the reflection mirror 610, the prisms 632, 630, and 628 in this order as measurement light, and enters the detection unit 626 via the polarization beam splitter 622. The The detection unit 626 measures the movement of the moving body based on the interference between the reference light reflected by the corner cube 624 and the measurement light reflected from the retroreflector.
[0004]
However, in recent years, there has been an increasing demand for higher resolution of the apparatus. With this apparatus, it has been difficult to maintain the eccentricity of the measurement origin that is currently required with an accuracy of 1 μm or less. The reason for this will be described with reference to FIG. 7 which is a schematic diagram of FIG. 6. One is a virtual axis of a cylinder in which the laser optical axis 601 of the laser beam emitted from the reflecting mirror 610 has a certain cross-sectional area. Therefore, mechanical contact is impossible, and the other is that it is difficult to match the three axes of the XY gimbal rotation center line 602 with the laser optical axis 601 together.
[0005]
As an improvement of this, there is a “light beam tracking laser interferometer using a swing motion optical lever” disclosed in Patent Document 1. This device is provided with a swing motion optical lever mechanism in the optical path, and the swing motion A laser beam is incident on the center of the reflecting surface of the light lever so that the reflected beam can be changed in an arbitrary direction. As shown in FIG. The eccentricity of the surface is suppressed to about 0.1 to 0.25 μm so that the required eccentricity of the measurement origin can be maintained at 1 μm or less. The hemisphere 202 is made up of three steel balls 241 of a three-sphere spherical seat by the tension of the two left and right tension springs 207 inclined from the vertical direction so as to come into contact with the V-shaped surface of the V plate 205 fixed to the upper surface. And the spherical contactor 204 is the same as the V-shaped surface. It has a structure that sometimes makes pressure contact.
[0006]
FIG. 9 is a cross-sectional view of a laser interferometer that uses such a swing motion optical lever. Like the optical axis of the laser beam indicated by a two-dot chain line, the return light from the retroreflector 100 is reflected in the neck. The light is reflected at the center 220 of the upper surface of the hemisphere 202 of the swinging light lever 201, passes through the plane reflecting mirror 104 and the right-angle prism 105, and reaches the beam splitter 106. About 1/2 of the return light is reflected here and enters the quadrant light receiving element 107. The quadrant light receiving element 107 drives the swinging movement light lever 201 by the X moving table 110 and the motor 115, the Y table 111 and the motor so as to accurately irradiate the reflection center point 101 of the retroreflector 100 with the laser beam. In the adjustment method, when the retroreflector 100 is stationary, the electric outputs abcd are all adjusted to be equal, and the movement of the retroreflector 100 is followed to make (a + c) − (b + d) = 0 as a target X The position of the retroreflector 100 can be tracked by performing axial position control and performing Y-axis control with the target of (a + b) − (c + d) = 0.
[0007]
On the other hand, in FIG. 9, a portion 108 surrounded by an alternate long and short dash line is a configuration of a length measuring interferometer, and the optical path length from the center 109 to the upper surface center 220 of the swinging movement light lever 201 is constant. The distance L2-L0 of the retroreflector 100 from the center 101 of the retroreflector 100 to the upper surface center 220 of the swinging optical lever 201 is measured by measuring the optical path length from the center of the retroreflector 100 to the center 101 of the retroreflector 100. Interferometry can be performed based on the laser wavelength.
[0008]
[Patent Document 1]
JP 2002-98510 A (paragraph numbers [0004] to [0008] and [0012] to [0018], FIG. 1, FIG. 3, FIG. 8, FIG. 9)
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above prior art, the spherical contact 204 at the lower end moves upward as the hemispherical mirror 202 of the swing motion light lever 201 rotates. Therefore, the rotation angle of the hemispherical mirror is limited within a range in which the contact between the spherical contactor 204 and the V plate 205 is maintained, and the beam scanning range of the beam tracking laser interference length measuring device is narrowed. there were.
[0010]
Therefore, the present invention uses a spherical motor for the driving mechanism of the swing motion light lever, and even when the rotation angle of the hemispherical mirror increases, the rotation angle of the hemispherical mirror is not limited, and the beam tracking is performed. It is an object of the present invention to provide a beam tracking laser interference length measuring device using a swinging beam lever using a spherical motor and a coordinate measuring method using the device, which can expand the beam scanning range of the laser interference length measuring device.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention described in claim 1 relates to a beam tracking type laser interference length measuring device using a swinging motion light lever using a spherical motor, and the object light irradiation direction in the interference length measuring optical system is determined. A beam tracking type laser interference length measuring device using a swinging motion optical lever using a spherical motor with a swinging mechanism that uses a swinging motion optical lever as the mechanism to change and is driven by a spherical motor to expand the irradiation angle range. The spherical motor is characterized in that the tilt axis drive is an arc-shaped linear motor and the twist axis drive is a rotary motor .
According to a second aspect of the present invention, there is provided a beam tracking type laser interferometric length measuring apparatus using a swinging-motion optical lever using the spherical motor according to the first aspect, wherein the interference optical measurement system is different from that for interference measurement in the return optical path of the interference optical system. A beam splitter is provided, and a part of the return light is guided to the quadrant light-receiving element, and the electrical output obtained by the light-receiving element is used as an input to the control device to feedback control the rotation angle of the spherical motor, thereby swinging motion It is characterized by the ability to control the lever position and automatically track the retro-reflector.
A third aspect of the present invention relates to a coordinate measuring method using the beam tracking type laser interference length measuring apparatus, and a beam tracking type laser interference using a swing motion light lever using the spherical motor according to the first aspect. A retroreflector viewed from the laser interference length measuring device measured by using the distance data from the laser interference length measuring device to the retroreflector to be measured and the angle of the two axes of the spherical motor using one set of length measuring device. The position of the retroreflector can be determined from the direction data .
A fourth aspect of the present invention relates to a coordinate measuring method using the beam tracking type laser interference length measuring apparatus, and a beam tracking type laser interference using a swinging motion optical lever using the spherical motor according to the first aspect. Using four sets of length measuring devices, the position of the retroreflector to be measured is tracked and measured a predetermined number of times, so that the positional relationship between the beam tracking laser interference length measuring devices and the beam tracking laser interference length measurement The position of the retroreflector can be determined even when the distance between the apparatus and the retroredirector cannot be measured .
[0012]
According to the beam tracking type laser interference length measuring device using the swinging optical lever using this spherical motor, the swinging optical lever is moved from the motor to the coupling, feed screw, XY table, V plate, spherical contact, etc. The optical lever connecting rod is directly fixed to the rotor of the linear arc motor and can be driven for rotation without the need for a rotation transmission mechanism. As a result, the beam scanning range of the beam tracking laser interferometer can be expanded, and the driving error is reduced as the mechanism is simplified.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view of a beam tracking laser interferometer using a swinging optical lever using a spherical motor according to an embodiment of the present invention.
2 is a cutaway perspective view of the biaxial actuator shown in FIG.
FIG. 3 is an explanatory diagram of the structure of the biaxial actuator shown in FIG.
FIG. 4 is a front view of the quadrant light receiving element shown in FIG.
In FIG. 1, FIG. 1 (b) is a side sectional view of a beam tracking type laser interferometer, and FIG. 1 (a) is a top view thereof. In the figure, reference numeral 1 denotes a biaxial actuator composed of a biaxial composite spherical motor. Reference numeral 2 denotes a mounting base for the biaxial actuator 1, and 4 denotes a hemispherical portion of a swinging light lever 3, which has a reflecting surface for irradiating the retroreflector with laser light on the upper surface.
[0014]
A connecting rod 5 is connected to the rotation shaft of the biaxial actuator 1. Reference numeral 6 denotes a spherical steel ball on which the hemispherical portion 4 is seated. Reference numeral 7 denotes a mirror for alignment of laser light. 8 is a laser beam for measurement, which is introduced from an external oscillation light source by an optical fiber. Reference numeral 9 denotes a laser interferometer, and reference numeral 10 denotes a laser interferometer mounting base on which the laser interferometer 9 is mounted and installed on the biaxial actuator 1. Reference numeral 11 denotes a beam splitter that separates the laser light 8 into irradiation light and reference light for measurement, and reference numeral 12 denotes a beam splitter that makes the return light incident on the four-track light receiving element 13 for tracking the direction. Reference numeral 14 denotes an optical fiber that takes in the interference signal between the return light and the reference light reflected from the retroreflector into the distance measuring circuit. Reference numeral 15 denotes a center point of the reflecting surface of the hemispherical portion 4. Reference numeral 16 denotes a polarizing plate for measurement.
[0015]
In FIG. 2, reference numeral 21 denotes a tilt shaft (upper and lower) rotor of a spherical motor, which is constituted by a permanent magnet having teeth. A tilt axis coil 24 drives the tilt axis rotor 21. The tilt axis rotor 21 and the tilt axis coil 24 constitute an arc-shaped linear motor. A tilt axis origin sensor 22 detects the origin position of the tilt axis. Reference numeral 25 denotes a twist shaft (horizontal direction) rotor composed of a rotary motor coaxial with the tilt shaft motor, 26 denotes a twist shaft coil of the stator, and 23 denotes a twist axis origin sensor for detecting the origin position of the twist axis. The connecting shaft 5 of the hemisphere 4 is connected to the rotating shaft of the tilt shaft rotor 21 by a connecting jig 27. 28 is an upper plate of the biaxial actuator 1, 29 is a tilt shaft frame portion, 30 is a twist shaft frame portion, and 32 is a slip ring having a shaft tube structure for preventing the wire bundle from being twisted by shaft rotation. . Reference numeral 33 denotes an ambient temperature detector for correcting the temperature of the laser wavelength.
[0016]
Next, the operation will be described.
First, for the biaxial actuator 1, as shown in FIG. 3, the connecting rod 5 that supports the hemispherical portion 4 of the swinging light lever 3 is screwed by the rotating shaft 40 of the tilt shaft rotor 21 and the connecting jig 27. Because it is fixed, fixed, and connected, there is no transmission mechanism such as the conventional spherical contactor and V plate, XY table that transmits motor output, and feed screw, so that rotation transmission is direct acting type It is accurate with no loss.
A tilt shaft rotor 21 that is a permanent magnet type rotor of a linear motor is driven by a tilt shaft coil 24 that is clamped by a stator 41 and arranged at a predetermined distance from a tooth row on the rotor side. I do.
[0017]
On the other hand, a rotary motor, which is composed of a twist shaft rotor 25 and a stator-side twist shaft coil 26 that drives the rotor, is arranged coaxially with the tilt shaft motor and rotates in the horizontal direction. Since the rotating shaft 40 performs a combined motion on the X and Y spherical surfaces by the two-degree-of-freedom motor, the hemispherical portion 4 connected to the rotary shaft 40 can be driven on the spherical surface. The rotation angle in this case depends on the movement range of the tilt shaft rotor 21 of the linear motor.
Further, in this apparatus, in order to avoid fluctuation due to temperature change, ventilation holes 42 and 43 are provided in the vicinity of the upper and lower motors, respectively, as shown in FIG. Yes.
[0018]
The position tracking of the measurement target of the beam tracking type laser interference length measuring device using the swing motion light lever that is directly rotated by such a biaxial actuator (spherical motor) 1 is performed by first using the retroreflector for the measurement laser beam 8. Is reflected at the center 15 of the reflection surface of the hemispherical portion 4 of the swinging movement light lever 3, is bent in the X direction by the alignment mirror 7, and enters the beam splitter 12. About half of the return light is reflected and input to the four-divided light receiving element 13. As shown in FIG. 4, the quadrant light receiving element 13 is composed of four light receiving surfaces ABCD. When the retroreflector is stationary, the four electric outputs abcd are equal to each other. If the retroreflector moves from this state with reference to the state where the direction of the swinging movement light lever 3 is adjusted and reflected at the center point 15 and the laser beam is accurately reflected at the center point of the retroreflector, Since the balance of the output abcd is lost, the rotation angle of each motor of the biaxial actuator 1 is, for example, the electrical output is (a + c) − (b + d) = 0 in the X axis direction and (a + b) − (c + d) in the Y axis direction. By controlling the position so that = 0, the balance of the electrical output abcd can be adjusted to accurately track the movement position of the retroreflector.
[0019]
Next, the distance measurement by the laser interferometer of the beam tracking type laser interferometer is performed by tracking the retroreflector moved as described above, and the laser beam 8 is irradiated with the reference laser beam and the irradiation beam by the beam splitter 11. The laser beam is divided into laser beams, the irradiation laser beam is irradiated to the center point of the retroreflector through the beam splitter 12, the mirror 7, the swing motion light and the reflection surface 15, and the reflected return wave is the swing motion light beam. The reflected wave 15 passes through the reflecting surface 15 and the mirror 7, and is divided for measurement by the beam splitter 12 to the four-divided light receiving element 13 and the measurement return wave interferes with the reference wave at the beam splitter 11, The interference wave is counted by a counter of a measurement circuit (not shown), and the distance to the retroreflector is calculated based on the wavelength of the laser beam.
[0020]
Although the distance to the retroreflector of the object to be measured moved as described above can be calculated, the three-dimensional position cannot be determined unless the direction can be specified.
Therefore, for example, the distance r from the measured origin (reflection center 15 of the hemispherical part 3) to the retroreflector of the object to be measured, the horizontal angle of the retroreflector viewed from the origin, and the angle in the vertical direction are tilted. The position of the three-dimensional retroreflector can be determined by obtaining the detection values of the axis origin sensor 22 and the twist axis origin sensor 23 and displaying the polar coordinates on the spherical surface having the radius r.
[0021]
Thus, although one set of laser interferometers can measure the three-dimensional position of the retroreflector, a method of using three to four sets of laser interferometers for precise and high-resolution measurement. There is.
As shown in FIG. 5, measurement units (laser interference length measuring devices) are installed at three locations 01, 02, and 03, and retro reflectors are installed at 100 locations. Distances L11, L12, and L13 from each measurement unit to the center 101 of the retroreflector 100 are measured. If the positional relationship between the measurement units 01, 02, 03 is measured in advance here, three-sided surveying (three-sided survey as seen in the recent paramel mechanism method, not the conventional triangulation method) The coordinates of the center position 101 can be uniquely determined by the principle of the method of obtaining the three-dimensional coordinates from the distance.
However, it is very difficult to accurately measure the positional relationship between the measurement units 01, 02, and 03 with an accuracy of 1 μm or less. In addition, when an incremental counter is used for the measurement unit, only the amount of movement of the retroreflector can be measured, and relative measurement by comparison is possible, but measurement of the absolute distance between the measurement unit and the retroreflector is possible. Is impossible.
However, according to the self-calibration method described below, it is possible to measure an absolute distance and thereby measure the coordinates of the center 101 of the retroreflector 100 based on the principle of triangulation.
[0023]
In the self-calibration method, the fourth measurement unit 04 is used in addition to the measurement units 01, 02, 03. First, the retroreflector 100 is installed at an arbitrary position, and the retroreflector 100 is measured with four measurement units while moving arbitrarily, and the measurement is repeated. That is, if the retro reflector 100 is moved n times, 4 × n measurement values can be obtained.
At this point, the unknown is first a three-dimensional coordinate of the measurement point 100, which is three unknowns. Since the measurement was performed n times, a total of 3 × n unknowns exist. Further, there are six unknowns regarding the positional relationship of the measurement units, and three unknowns regarding the initial position of the retroreflector. Therefore, the total of unknowns is 3 × n + 6 + 3.
[0024]
On the other hand, since there are 4 × n distance measurement values by the measurement units 01 to 04, the equation 3 × n + 6 + 3 = 4 × n is solved, and nine points are measured from n = 9 to obtain nine simultaneous equations. , All these unknowns can be determined mathematically and uniquely. The above is the principle of the self-calibration method. Once the positional relationship of the measurement unit and the initial distance to the retroreflector can be determined by this method, even if the retroreflector moves to any place after that, The position of the retroreflector can be determined from the measurement value of the equipped laser interferometer by the principle of triangulation. If 9 or more measurement points can be used for the calculation for determining the unknown, the equation becomes over-constrained and cannot be solved. In that case, the least square method may be used.
[0025]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in the beam tracking type laser interference length measuring device using the swing motion light lever as the mechanism for changing the irradiation direction of the object light in the interference length measuring optical system, it is driven by the spherical motor. A tilting mechanism that expands the irradiation angle range by guiding a part of the return light to the quadrant light receiving element, and using the electrical output obtained by the light receiving element as an input to the controller, the tilt axis is circular Controls the posture by swinging the head by controlling the rotation angle of a spherical motor that has a twisted shaft with a rotary motor and a rotary motor. The retroreflector can be automatically tracked, and a neck that uses a spherical motor. By using four sets of beam tracking laser interferometers with a swinging motion lever, the position of the retroreflector that is the object of measurement is tracked and measured a predetermined number of times. The distance between mutual positional relationship and light tracking type laser interferometer device and retro relay selector of the tracking type laser interferometer system has to be able to determine the position of the retroreflector in the case can not be measured,
There is an effect that the beam scanning range of the beam tracking type laser interference length measuring device can be expanded and the measurement range can be expanded as compared with the conventional one.
In addition, the degree of freedom of arrangement of the beam tracking type laser interferometer is increased, and in the case of the self-calibration method using four sets of measurement units, the measurement accuracy is greatly affected by the arrangement, so that the degree of freedom of arrangement increases. Has the effect of improving.
In addition, since the tilt axis motor is composed of a linear motion linear motor, the intermediate transmission mechanism such as the X, Y table, ball screw, V plate, and spherical contactor is deleted, and the direct connecting rod is fixed to the rotor for driving. Since the apparatus can be simplified, the operation error can be reduced, and the control can be simplified, there is an effect that more accurate measurement is possible.
In addition, when a retro reflector is attached to the end of the work axis of an industrial robot and tracking is performed with a laser interferometer, the robot positioning error can be detected. Program correction work performed at the actual work site is not required, and positioning programming work can be completed by desk-top programming work, so that there is an effect that significant work time can be saved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a beam tracking type laser interference length measuring apparatus using a swinging-motion light lever using a spherical motor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cutaway perspective view of the biaxial actuator shown in FIG.
FIG. 3 is an explanatory diagram of the structure of the biaxial actuator shown in FIG. 2;
4 is a front view of the quadrant light receiving element of FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is a principle diagram of three-side surveying by the laser interference length measuring apparatus shown in FIG. 1;
FIG. 6 is a cross-sectional view of a conventional laser interferometer.
7 is an explanatory diagram of a three-axis intersection of the laser interference length measuring device shown in FIG. 6. FIG.
FIG. 8 is a front view of a swing motion light lever used in a conventional laser interferometer.
FIG. 9 is a cross-sectional view of a conventional beam tracking laser interferometer using a swinging optical lever.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 2 axis | shaft actuator 2 2 axis | shaft actuator mount 3 Swing motion optical lever 4 Hemisphere part 5 Connecting rod 6 Steel ball 7 Alignment mirror 8 Laser beam 9 Laser interferometer 10 Laser interferometer mount 11, 12 Beam splitter 13 4 Divided light receiving element 14 Interference signal 15 Reflection center point 16 Polarizing plate 21 Tilt axis rotor 22 Tilt axis origin sensor 23 Twist axis origin sensor 24 Tilt axis coil 25 Twist axis rotor 26 Twist axis coil 27 Connecting jig 28 Upper plate 29 Tilt axis portion Frame 30 Twist shaft part frame 32 Slip ring 33 Ambient temperature sensor 41 Stator 42, 43 Ventilation hole 100 Retro reflector 101 Retro reflector center

Claims

「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、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において、
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。“Neck using a spherical motor with a swing mechanism that expands the irradiation angle range by using a swinging optical lever as a mechanism to change the irradiation direction of the object light in the interferometric measurement optical system. In the beam tracking type laser interferometer with a swinging motion lever ,
The spherical motor is a beam tracking type laser interference length measuring apparatus using a swinging-motion light lever using a spherical motor, wherein the tilt axis drive is constituted by an arc-shaped linear motor and the twist axis drive is constituted by a rotary motor .

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。 A beam splitter different from that for interference measurement is provided in the return optical path of the interference optical system, a part of the return light is guided to the four-divided light receiving element, and the electrical output obtained by the light receiving element is used as an input to the control device. 2. A beam tracking method using a swinging optical lever using a spherical motor according to claim 1, wherein the posture is controlled by feedback control of the rotation angle of the spherical motor to control this posture and the retroreflector can be automatically tracked. Laser interference length measuring device.

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。 Using one set of a beam tracking type laser interference length measuring device using a swinging motion optical lever using the spherical motor according to claim 1, distance data from the laser interference length measuring device to a retroreflector to be measured; Swing motion light using a spherical motor, wherein the position of the retroreflector can be determined from the direction data of the retroreflector viewed from the laser interference length measuring device measured by the angle of the two axes of the spherical motor Coordinate measurement method using a beam tracking laser interferometer with a lever.

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。 Using four sets of beam tracking type laser interference length measuring devices using a swing motion optical lever using the spherical motor according to claim 1, the position of the retroreflector as a measurement target is tracked and measured a predetermined number of times, thereby The position of the retroreflector can be determined even when the positional relationship between the tracking laser interferometer and the distance between the beam tracking laser interferometer and the retroredirector cannot be measured. A coordinate measuring method using a beam tracking type laser interferometric length measuring device using a swinging optical lever using a spherical motor.