JP4073484B2 - トートワイヤー式アラインメント装置における軸方向偏位を測定する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、トートワイヤー（taut wire。ぴんと張ったワイヤー）式アラインメント装置における軸方向偏位を測定する方法に関する。本発明は、また、上記方法を用いた測定装置、並びに、斯る測定装置を備えたトートワイヤー式アラインメント装置に関する。
粒子物理学の研究に使用するリニアーコライダーのような大型装置においては、磁石セクションのような重量物を数百メートルにも及ぶ距離にわたって正確にアラインメント（整線）させる必要がある。このため、アラインメントさせるべき部材に沿って張られたワイヤーと、光学式又は電気式、特に容量式技術を用いた偏位測定装置とを用いた非接触型のアラインメント装置が開発されている。本発明は、容量式測定技術を用いたトートワイヤー式アラインメント装置の範囲に属する。この点に関し、ナノ秒の時定数をもった短いパルスを導電性ワイヤーに送出するようになったトートワイヤー式アラインメント装置は既に知られている。このパルスは誘導により２枚の金属プレート間に静電荷を誘起する。電荷の差を測定すれば、２枚のプレート間の中央面からのワイヤーの偏位（ずれ）について定量的な情報が得られる。
また、他のトートワイヤー式アラインメント装置も知られており、この装置では、４０Ω．ｍの抵抗をもった直径１２５μｍのタングステンワイヤーに高周波の交番電圧が印加される。接地された保護セグメント間に容量式センサーリングが配置してある。これらのリングと電子装置はシールドケース内に配置されている。
このアラインメント装置においては、トートワイヤーの導電性を利用して軸方向偏位の測定を行うので、高い電気抵抗を有する材料を用いてワイヤーを形成することができない。
本発明の目的は、如上の不便を解消し、ワイヤー式偏位計に現在使用されている材料よりも高い機械特性を有する材料で形成することの可能な抵抗をもったトートワイヤーを備えたアラインメント装置における軸方向偏位測定方法を提供することにある。
本発明に従えば、この方法は、
保護電極を備えた測定電極に交番電圧信号を印加すること（但し、前記測定電極は、測定面内において、アラインメントさせるべき部材に固定された支持体に配置してあると共に、トートワイヤーの近傍に配置してあり、前記トートワイヤーは接地してある）、
測定電極とワイヤーからなる第１容量と所定の第２容量とを備えた容量ブリッジによる測定をして、測定面に垂直な第１測定軸線に沿ってのトートワイヤーに対する測定電極の軸方向位置を表す測定信号を供給すること、および、
前記測定信号を処理して、所定のアラインメント位置に対するアラインメントさせるべき部材の軸方向偏位を表す情報を供給すること、
を特徴とする。
従って、本発明の測定方法によれば、充分に導電性のワイヤーを用いる必要のあった従来技術の方法とは異なり、より大きな電気抵抗を有するがしかしながらより高い機械特性を有する材料で形成したワイヤーを使用するのが可能となり、その結果、ワイヤーにより大きな張力を加えてより良好に緊張させることが可能となる。こうして、数拾ｋΩの総抵抗を有することがある強力なワイヤーを使用しながらも、測定精度を大幅に向上させることができる。
本発明の方法の好ましい実施態様においては、保護電極を夫々備え基準軸線の両側に位置する第１測定面および第２測定面に夫々配置された第１測定電極および第２測定電極に第１および第２の交番電圧信号が夫々印加され、前記方法は、更に、各測定電極毎に、容量ブリッジによる測定をして、前記測定電極とワイヤーとの間の容量を表す信号を供給する工程と、第１および第２測定電極に夫々対応する容量を表す第１および第２の信号を差分処理して、所定のアラインメント位置に対するアラインメントさせるべき部材の第１測定軸線に沿った軸方向偏位を表す情報を出力する工程を包含する。
好ましくは、第１および第２測定面はほぼ平行であり、所定のアラインメント位置に対するアラインメントさせるべき部材の軸方向偏位情報は前記第１および第２測定面に垂直な測定軸線に沿って得る。
垂直軸線のような他の軸線に沿って軸方向偏位を測定する必要がある場合には、本発明の方法は、更に、第１測定面に平行でない他の測定面内においてトートワイヤーの近傍に配置した少なくとも１つの他の測定電極に交番電圧信号を少なくとも印加する工程と、容量ブリッジによる測定をして、前記他の測定面に垂直な他の測定軸線に沿っての前記他の測定電極の軸方向偏位を表す少なくとも１つの他の測定信号を供給する工程と、前記他の測定信号を処理して、所定のアラインメント位置に対するアラインメントさせるべき部材の前記他の測定軸線に沿った軸方向偏位を表す情報を供給する工程、を包含する。
本発明の特定の実施態様においては、他の測定面は第１測定面に平行ではなく、例えば第１測定面に直交させることができる。
本発明の他の観点においては、本発明は前記方法を用いてトートワイヤー式アラインメント装置における軸方向偏位を測定する装置を提供するもので、この装置は基準軸線に沿ってアラインメントさせるべき部材に固定された支持体を備え、この装置は：
接地された導電性トートワイヤーの近傍に位置する測定面内に配置され保護電極を備えた少なくとも１つの測定電極と、
保護電極に対する交番電圧信号を発生して前記測定電極に印加するための手段と、
前記測定面に垂直な測定軸線に沿ってのトートワイヤーに対する測定電極の軸方向位置を表す測定信号を供給するための容量ブリッジ手段と、
前記測定信号を処理して、所定のアラインメント位置に対するアラインメントさせるべき部材の軸方向偏位を表す情報を出力する手段、
とを備えていることを特徴とする。
本発明の好ましい実施態様においては、測定装置はほぼ直交する２つの測定面内に夫々配置された少なくとも２つの測定電極を備えている。
最良の精度を得るため、本発明の測定装置は、基準軸線の両側に位置するほぼ平行な２つの測定面内に夫々配置された少なくとも２つの測定電極を備えている。
本発明の測定装置の効果的な実施態様においては、この測定装置は、トートワイヤーを受け入れる中央開口を備え、前記トートワイヤーの周りには複数の測定素子が配置してあり、各測定素子は絶縁性支持体を備え、前記支持体上には薄層の形の測定電極が配置してある。
具体的実施態様においては、各測定素子は金属支持体に固定された絶縁材料製部材を備え、この部材の外側面には測定電極が設けてあり、前記金属支持体は測定電極を保護する機能を備え、測定電極は多用な幾何学形状を有する。
発生手段と容量ブリッジ手段は測定電極の直近において装置内に収容することができ、少なくとも部分的にシールド筺体内に配置することができ、シールド筺体は浮動電位式に担持することができる。
しかし、或る種の用途や困難な環境（特に、照射された環境）においては、電子装置の全体を数メートル離し、測定装置をパッシブにする。
本発明の他の特徴や効果は以下の記載から更に明らかとなろう。非限定的な実施例を示す添付図面において：
第１図は本発明の軸方向偏位測定装置を用いたアラインメント装置の概念図；
第２図は本発明の測定装置の第１実施例の断面図；
第２Ａ図は第２図に示した装置の容量モジュールの部分図；
第３図は本発明の測定装置の第２実施例の断面図；
第４図は本発明の測定装置の容量モジュールに関連する電子処理ユニットのブロック図である。
次に、第１図を参照にしながら、本発明の軸方向偏位測定装置をトートワイヤー式アラインメント装置に用いた実施例を説明する。
本発明のトートワイヤー式アラインメント装置１は、１組の偏位測定装置１０、１１（以下、偏位計と言う）と、好ましくは炭素繊維で形成されたワイヤー２（このワイヤーは高い電気抵抗を有し、例えばプーリと錘りからなる緊張装置５、６によってその両端において張ってある）と、電子処理装置１００、１１０と、各偏位計１０、１１から出力された軸方向偏位情報を収集すると共に求めるアラインメントを得るべく位置決め用アクチュエータ（図示せず）に制御指令１３０を出力するための中央処理ユニット１２０を備えている。
偏位計１０、１１はアラインメントを要する部材３、７の例えば垂直な側面４、８に強固に固定してある。ワイヤー２は基準軸線ＡＲに沿って張ってあるが、実際にはその自重により懸垂線を描く。しかしながら、本発明の方法によれば密度の小さな炭素繊維ワイヤーを使用することが可能になるので、懸垂線の影響を大幅に低減することができる。ワイヤー２は、直接に或いは容量結合を介して動的に、アース又は基準アースに電気接続してある。例えば、プーリ６のところでアースへの接続１２を設けることができる。
次に、第２図および第２Ａ図を参照しながら、本発明の偏位測定装置（偏位計）の第１実施例を説明する。
本発明の偏位計１０は、アラインメントを要する部材３の外側面４に固定されたアースされた導電性の支持体２８０と、絶縁性材料の部材２９０と、Ｕ字形断面の金属製保護部材２００を備え、この金属製保護部材２００の内側面２６１、２６２には容量式測定素子２６０、２７０が収容してあり、適当な電気接続１２によってアースに電気接続されたトートワイヤー２はこれらの容量式測定素子２６０、２７０の間に延長している。２つの容量式測定素子２６０、２７０は、スペーサ部材２０１によって離間されており、保護部材２００の２つの内側面に互いに対向して配置してある。夫々の容量式測定素子２６０、２７０は、第２Ａ図に示したように、例えば、アルミナなどの絶縁材の層２６、２７の上に配置した測定電極２０、２２を備え、これらの絶縁材層２６、２７は内側面２６１、２６２に配置してあり、これらの内側面２６１、２６２は２つの測定電極２０、２２を保護する役目をもっている。図示した実施例では、測定電極はほぼ矩形であり、保護部材は円形である。しかし、測定電極と保護部材は他の幾何学形状にすることもできる。
非限定的な実施例として、測定電極はスクリーン印刷又は他の任意の金属薄膜被着技術により形成することができる。夫々の容量式測定素子２６０、２７０は測定電極２０、２２を含む測定面Ｐ、Ｐ’を画定している。２つの測定面Ｐ、Ｐ’は好ましくは平行であり、これらの測定面には、一方において、測定面に垂直な第１の測定軸線Ｘを関連させると共に、他方において、測定面に平行な第２の測定軸線Ｚを関連させる。第２図に示したような平行な２つの測定面を備えた構成においては、第１測定軸線Ｘに沿った軸方向偏位だけが測定される。求める所定のアラインメント位置としては、２つの測定面Ｐ、Ｐ’から等距離にある中央軸線Ａにトートワイヤー２がほぼ一致するような部材３の位置を選ぶことができる。偏位計１０は、高い測定精度を保証するべく支持体２００に内蔵された電子式励起処理ユニット２４を備えることができる。更に、偏位計１０の基部には、基部の熱膨張を計算により補償するための温度センサー２４０を設けるのが好ましい。
また、電子処理装置の全体を偏位計１０、１１から離れたコンディショニングケース又はラック１００、１１０内に持ち込み、シールドケーブル２５によってそれらに接続することができる。この配置は偏位計が電子機器の作動に悪影響を与えるような環境（例えば、強照射領域）に設置されている場合には必須である。
本発明の偏位測定装置の第２実施例は互いに直交する２つの軸線に関して偏位を測定することを可能にするもので、この第２実施例においては、偏位測定装置（偏位計）３０は、第３図に示したように、アラインメントを要する部材３のアクセス可能面４に電気絶縁性の支持体を介して固定されたフレーム３００を備えている。このフレーム３００は導電性材料で形成され、中央開口３５０を備えており、この中央開口内をトートワイヤー２が延長している。中央開口の内壁には容量式測定素子３１２、３２２、３３２、３４２が配置してある。これらの容量式測定素子は前述したものと同様の幾何学形状を有することができる。第１および第２の容量式測定素子３２２、３３２は第１測定軸線Ｘに沿った軸方向偏位ｘを測定するべく平行な２つの測定面Ｐ、Ｐ’に沿って配置してあり、これに対して、第３および第４の容量式測定素子３１２、３４２は第１測定軸線に垂直な第２測定軸線Ｚに沿った軸方向偏位ｚを測定するべく平行な他の２つの測定面Ｐ”、Ｐ”’に沿って配置してある。夫々の容量式測定素子３１２、３２２、３３２、３４２は絶縁材料製（例えば、セラミック製）の支持体３１、３２、３３、３４を備え、この支持体の上に例えばスクリーン印刷により中央測定電極３１０、３２０、３３０、３４０と保護電極３１１、３２１、３３１、３４１が被着してある。測定電極は例えば矩形であり、矩形の枠の形の保護電極によって囲繞されている。本発明の偏位計の実施例においては、遠隔のケース３７０は夫々の容量式測定素子に連携する電子処理ユニット４０を備え、これらの電子処理ユニットはシールドケーブル３７１、３７２によって容量式測定素子に接続されている。これらのケーブルは少なくとも同軸ケーブルであり、そのコアは測定電極に接続され、外皮は対応する保護電極に接続されている。また、アースされた追加的シールドを備えた３軸ケーブルを使用してもよい。
夫々の容量式測定素子４００は電子式励起処理ユニット４０に接続してあり、所定のアラインメント位置に対する、アラインメントさせるべき部材の軸方向偏位を表す情報を出力するようになっている。このユニット４０は、公知技術に従い、浮動発振回路４３と保護筺体５０を有することができる。この保護筺体は演算増幅器４２によって形成された容量ブリッジを有し、この演算増幅器の負の入力は浮動発振回路４３を介して測定電極２０に接続され、正の入力は接地され、その出力はフィードバックコンデンサ４１を介してその負入力に接続されている。保護筺体５０は接地してあり、同じく、増幅器４２の下流のレベル増幅器４４の出口に配置されたデモジュレータ４５と、デモジュレータ４５の下流の積分回路４６の出力に接続されたモジュレータ４７を備えている。モジュレータ４７の出力は基準コンデンサ４９を介して演算増幅器４２の負入力に印加される。モジュレータ４７とデモジュレータ４５は浮動発振回路４３により同期せられる。積分回路４６の出口で得られた出力電圧信号ｖ_sは一般に数値化され、例えば３次リニアー回帰を用いた処理の対象とされる。
第２図に示したような２つの容量式測定素子を備えた本発明の偏位計の有効な実施例においては、以下のような計測学的特性が実験により得られた：
軸線Ｘに沿った行程： ±１．２５ｍｍ（ゼロは２つの素子２６０、２７０の中央とする）；
軸線Ｚに沿った変位： ±２ｍｍ（ゼロはスペーサ２０１から１４ｍｍに設定する）；
平均感度： ４ｍＶ／μｍ；
測定ノイズ： ０．１μｍ／√Ｈｚピーク・ツー・ピーク；
通過帯域： ８０Ｈｚ；
この実施例に用いたワイヤーの直径は０．３ｍｍであり、総抵抗は５０ｋΩであった。
最大使用条件（軸線Ｘと軸線Ｚに沿った２種の変位の合計に対するワイヤーの偏位に対応する）では：
リニヤー性： ±８μｍ
３次回帰後の残留誤差： ±０．５μｍ
勿論、本発明は前述した実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の設計変更を加えることができる。即ち、測定電極や保護電極は前述したものとは異なる幾何学形状をとることができる。これらの電極は、また、印刷回路として若しくは機械的組立により形成することができる。本発明の偏位測定装置は任意の固定方法を使用してアラインメントさせるべき部材に関して配置することができる。

Claims (15)

1. トートワイヤー式アラインメント装置（１）において軸方向偏位（ｘ、ｚ）を測定する方法であって、前記アラインメント装置（１）は基準軸線（ＡＲ）に沿って張られアラインメントさせるべき部材（３、７）の近傍に配置された接地されたトートワイヤー（２）を備え、前記方法は以下の工程を包含することを特徴とする：
   保護電極（21、23；311、321、331、341）によって囲繞され、測定面（Ｐ、Ｐ’；Ｐ”、Ｐ”’）内においてアラインメントさせるべき部材（３、７）に固定された支持体（200、300）に配置され、かつ、トートワイヤー（２）の近傍に配置された、測定電極（20、22；310、320、330、340）に交番電圧信号を印加すること、
   測定電極（20、22；310、320、330、340）とトートワイヤー（２）からなる第１容量（400）と所定の第２容量（49）とを備えた容量ブリッジを用いて、測定面（Ｐ、Ｐ’；Ｐ”、Ｐ”’）に垂直な第１測定軸線（Ｘ、Ｚ）に沿ってのトートワイヤー（２）に対する測定電極（20、22；310、320、330、340）の軸方向位置を測定して、前記軸方向位置を表す測定信号を供給すること、および、
   前記測定信号を処理して、所定のアラインメント位置に対するアラインメントさせるべき部材（３、７）の軸方向偏位を表す情報を供給すること。
2. 第１および第２の測定電極を使用する請求項１に基づく方法であって、保護電極（21、23）を夫々備えトートワイヤー（２）の両側に位置する第１測定面（Ｐ）および第２測定面（Ｐ’）に夫々配置された第１測定電極（20）および第２測定電極（22）に第１および第２の交番電圧信号を夫々印加すること、および、前記方法は、更に、各測定電極（20、22）毎に、容量ブリッジによる測定をして、前記測定電極（20、22）とトートワイヤー（２）との間の容量を表す信号を供給する工程と、第１および第２測定電極（20、22）に夫々対応する容量を表す第１および第２の信号を差分処理して、所定のアラインメント位置に対するアラインメントさせるべき部材（３、７）の軸方向偏位（ｘ）を表す情報を出力する工程を包含することを特徴とする方法。
3. 前記第１および第２測定面（Ｐ、Ｐ’）はほぼ平行であり、所定のアラインメント位置に対するアラインメントさせるべき部材（３、７）の軸方向偏位情報は前記第１および第２測定面に垂直な測定軸線（Ｘ）に沿って得ることを特徴とする請求項２に基づく方法。
4. 前記方法は、更に、測定面（Ｐ、Ｐ’）に平行でない他の測定面（Ｐ”、Ｐ”’）内においてトートワイヤー（２）の近傍に配置した少なくとも１つの他の測定電極（310、340）に交番電圧信号を少なくとも印加する工程と、容量ブリッジによる測定をして、前記他の測定面（Ｐ”、Ｐ”’）に垂直な他の測定軸線（Ｚ）に沿っての前記他の測定電極（310、340）の軸方向偏位を表す少なくとも１つの他の測定信号を供給する工程と、前記他の測定信号を処理して、所定のアラインメント位置に対するアラインメントさせるべき部材（３）の前記他の測定軸線（Ｚ）に沿った軸方向偏位（ｚ）を表す情報を供給する工程、を包含することを特徴とする請求項１から３のいづれかに基づく方法。
5. 前記他の測定面（Ｐ”、Ｐ”’）は第１測定面（Ｐ、Ｐ’）に平行でないことを特徴とする請求項４に基づく方法。
6. 請求項１から５のいづれかに基づく方法を用いてトートワイヤー式アラインメント装置（１）における軸方向偏位を測定する装置（10、11、30）であって、基準軸線（ＡＲ）に沿ってアラインメントさせるべき部材（３）に固定された支持体（200）を備え、前記軸方向偏位を測定する装置は：
   接地されたトートワイヤー（２）の近傍に位置する測定面（Ｐ、Ｐ’；Ｐ”、Ｐ”’）内に配置され保護電極（21、23；311、321、331、341）によって囲繞された少なくとも１つの測定電極（20、22；310、320、330、340）と、
   アースに対する交番電圧信号を発生して前記測定電極（20、22；310、320、330、340）に印加するための励起手段と、
   前記測定面（Ｐ）に垂直な測定軸線（Ｘ）に沿ってのトートワイヤー（２）に対する測定電極（20）の軸方向位置を表す測定信号を供給するための容量ブリッジ手段と、
   前記測定信号を処理して、所定のアラインメント位置に対するアラインメントさせるべき部材（３）の軸方向偏位を表す情報を出力する処理手段、
   とを備えていることを特徴とする測定装置。
7. ほぼ直交する２つの測定面（Ｐ、Ｐ”；Ｐ、Ｐ”’；Ｐ’、Ｐ”；Ｐ’、Ｐ”’）内に夫々配置された少なくとも２つの測定電極（320、310；320、340；330、310；330、340）を備えていることを特徴とする請求項６に基づく測定装置（30）。
8. トートワイヤー（２）の両側に位置するほぼ平行な２つの測定面（Ｐ、Ｐ’；Ｐ”；Ｐ”’）内に夫々配置された少なくとも２つの測定電極（20、22；310、340；320、330）を備えていることを特徴とする請求項６又は７に基づく測定装置（10、30）。
9. 前記測定装置は、更に、トートワイヤー（２）を受け入れる中央スペース（250、350）と前記中央スペースの周りに配置された複数の測定素子（260、270；312、322、332、342）を備え、各測定素子（260、270；312、322、332、342）は絶縁性支持体（26、27；31、32、33、34）を備え、前記支持体上には薄層の形の測定電極（20、22；310、320、330、340）および保護電極（21、23；311、321、331、341）が配置してあることを特徴とする請求項６から８のいづれかに基づく測定装置（10、30）。
10. アラインメントされるべき部材（３）の外面（４）に電気絶縁性材料の支持体（36）を介して固定された導電性材料のフレーム（300）を更に備え、前記フレームの内側面に測定素子（312、322、332、342）を設けたことを特徴とする請求項９に基づく測定装置（30）。
11. 測定電極（20）はスクリーン印刷により形成されていることを特徴とする請求項６から１０のいづれかに基づく測定装置（10）。
12. 前記励起手段と容量ブリッジ手段（24）は測定電極と保護電極の近傍において装置（10）内に収容されていることを特徴とする請求項９から１１のいづれかに基づく測定装置（10）。
13. 前記励起手段と容量ブリッジ手段は測定装置（30）から離れて配置されており、シールドケーブル（371、372）によって測定装置（30）に接続されていることを特徴とする請求項９から１１のいづれかに基づく測定装置（30）。
14. 前記処理手段（40）はアースに接続されたシールド筺体（50）内に少なくとも部分的に配置されていることを特徴とする請求項９から１３のいづれかに基づく測定装置（10、30）。
15. 請求項６から１４のいづれかに基づく軸方向偏位測定装置（10、11、30）を備えたトートワイヤー式アラインメント装置（１）であって、トートワイヤー（２）は炭素繊維によって形成されていることを特徴とするトートワイヤー式アラインメント装置。

Images