Top > Search of Japanese Patents > LINEAR LINE GENERATION METHOD AND LINEAR LINE GENERATION DEVICE > Specification

Specification :(In Japanese)直線発生方法及び直線発生装置

Country (In Japanese)日本国特許庁(JP)
Gazette (In Japanese)公開特許公報(A)
Publication number P2019-200176A
Date of publication of application Nov 21, 2019
Title of the invention, or title of the device (In Japanese)直線発生方法及び直線発生装置
IPC (International Patent Classification) G01B  11/00        (2006.01)
FI (File Index) G01B 11/00 G
Number of claims or invention 9
Filing form OL
Total pages 10
Application Number P2018-096085
Date of filing May 18, 2018
Inventor, or creator of device (In Japanese)【氏名】辻 龍介
Applicant (In Japanese)【識別番号】504203572
【氏名又は名称】国立大学法人茨城大学
Representative (In Japanese)【識別番号】110001922、【氏名又は名称】特許業務法人 日峯国際特許事務所
Request for examination (In Japanese)未請求
Theme code 2F065
F-term 2F065AA03
2F065AA07
2F065AA17
2F065BB07
2F065DD03
2F065FF04
2F065FF48
2F065FF51
2F065GG04
2F065HH04
2F065HH13
2F065JJ03
2F065JJ09
2F065JJ26
2F065QQ28
2F065TT02
Abstract (In Japanese)【課題】コヒーレント光の直線位置を精度良く取得する方法及びその装置を提供する。
【解決手段】本発明である直線発生方法は、コヒーレント光を球体に照射し、前記球体の陰の縁の外周から回折した光が干渉することで前記球体の影内に生じた輝点の位置によって、前記コヒーレント光が照射された方向の直線位置を取得する方法であって、前記コヒーレント光の射出位置における径よりも前記球体の直径を大きくすることにより、前記コヒーレント光を直接に到達位置まで照射したときの径よりも小さい範囲で前記直線位置を特定する、ことを特徴とする。
【選択図】図1
Scope of claims (In Japanese)【請求項1】
コヒーレント光を球体に照射し、前記球体の陰の縁の外周から回折した光が干渉することで前記球体の影内に生じた輝点の位置によって、前記コヒーレント光が照射された方向の直線位置を取得する方法であって、
前記コヒーレント光の射出位置における径よりも前記球体の直径を大きくすることにより、前記コヒーレント光を直接に到達位置まで照射したときの径よりも小さい範囲で前記直線位置を特定する、
ことを特徴とする直線発生方法。
【請求項2】
コヒーレント光を発生するコヒーレント光発生手段と、
前記コヒーレント光発生手段で発生させたコヒーレント光が照射される球体と、
前記球体の陰の縁の外周から回折した光が干渉することで前記球体の影内に生じた輝点の位置によって、前記コヒーレント光が照射された方向の直線位置を取得する検出器と、を有し、
前記検出器は、前記コヒーレント光の射出位置における径よりも前記球体の直径を大きくすることにより、前記コヒーレント光を直接に到達位置まで照射したときの径よりも小さい範囲で前記直線位置を特定する、
ことを特徴とする直線発生装置。
【請求項3】
前記コヒーレント光は、ビーム拡大機で拡大された上で前記球体に照射される、
ことを特徴とする請求項2に記載の直線発生装置。
【請求項4】
前記コヒーレント光は、発散光にされて前記球体に照射される、
ことを特徴とする請求項2又は3に記載の直線発生装置。
【請求項5】
前記球体は不透明である、
ことを特徴とする請求項2乃至4の何れか一に記載の直線発生装置。
【請求項6】
前記球体を円板に変えて前記コヒーレント光が前記円板に照射される、
ことを特徴とする請求項2乃至5の何れか一に記載の直線発生装置。
【請求項7】
前記球体を陰の縁が円である障害物に変えて前記コヒーレント光が前記障害物に照射される、
ことを特徴とする請求項2乃至5の何れか一に記載の直線発生装置。
【請求項8】
前記障害物は、陰の縁の50%以上が円弧である、
ことを特徴とする請求項7に記載の直線発生装置。
【請求項9】
前記検出器の基準点と、前記検出器で特定された直線位置を比較することにより、前記球体の位置ズレを検出する、
ことを特徴とする請求項2乃至8の何れか一に記載の直線発生装置。
Detailed description of the invention (In Japanese)【技術分野】
【0001】
本発明は、コヒーレント光の直線位置を取得する直線発生方法及び直線発生装置に関する。
【背景技術】
【0002】
建築物の設計・施工、保守・点検などにおいては、直線位置に高い精度が求められている。例えば、リニアモーターカー事業では、鉄道のレールに相当するガイドウェイの地上コイルの位置について、長距離にわたり、数ミリ以下の精度が求められる。また、線形加速器では、ビームを制御する磁石などが、誤差50マイクロメートル以下の精度で設置されている。さらに、精密機器の製造ラインに導入される産業用ロボットでは、直線運動部について、直線運動部全体にわたって高精度にズレを修正できれば、製造ラインの品質向上に繋がる。
【0003】
土木建築の現場では、レーザ墨出し器などの測定器が利用されている。一般的には、使用距離10メートルで性能誤差は1ミリメートル程度の精度である。レーザ光は、レーザ発振器を用いて人工的に作られたビーム状の光であり、指向性や収束性に優れている。また、レーザ光は、干渉可能なコヒーレント光である。
【0004】
レーザ光を用いた測定器の問題点としては、ビームの広がり角とビームが照射されたときのスポット径の大きさがある。光の発生位置から照射位置までの距離が大きく延びれば、それに比例してビーム径も少しずつ拡がっていく。特許文献1に記載されているように、レーザ光照射器から照射位置までの距離が変化しても、近距離においてレーザ光のスポット径が変化しないようにする方法も開示されている。
【0005】
ビームの広がり角の影響を大幅に低減させつつスポット径の大きさを小さくする方法として、アラゴスポットの利用が検討されている。コヒーレント光を球体や円板などの障害物に照射すると、その影の中心に輝点が現れる。これは、アラゴスポット(ポアソンスポット)と呼ばれ、障害物の陰の縁の外周上の各点から影の中心までの距離が全て同じことから光が強め合うように干渉した結果であり、光の波動説を証明するものである。特許文献2に記載されているように、アラゴスポットを利用して球体の球径を測定する方法も開示されている。
【先行技術文献】
【0006】

【特許文献1】特開平6-15583号公報
【特許文献2】特許第5751514号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
特許文献1に記載の発明は、レーザ光の照射位置までの距離を測定し、それに合わせて照射器のレンズを動かすことでスポット径を一定に維持するものであるが、レーザ光の照射位置が遠くなればビーム径も広がることに変わりなく、直線位置を精度良く取得できる訳ではない。
【0008】
また、特許文献2に記載の発明では、球体を移動させたときのアラゴスポットの位置又は移動量を用いて球径を高精度に測定しているが、あくまで球径を測定するものであり、コヒーレント光の照射位置が遠くなったときの直線位置を精度良く取得することを目的とするものではない。
【0009】
そこで、本発明は、コヒーレント光の直線位置を精度良く取得する方法及びその装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記の課題を解決するために、本発明である直線発生方法は、コヒーレント光を球体に照射し、前記球体の陰の縁の外周から回折した光が干渉することで前記球体の影内に生じた輝点の位置によって、前記コヒーレント光が照射された方向の直線位置を取得する方法であって、前記コヒーレント光の射出位置における径よりも前記球体の直径を大きくすることにより、前記コヒーレント光を直接に到達位置まで照射したときの径よりも小さい範囲で前記直線位置を特定する、ことを特徴とする。
【0011】
また、本発明である直線発生装置は、コヒーレント光が照射される球体と、前記球体の陰の縁の外周から回折した光が干渉することで前記球体の影内に生じた輝点の位置によって、前記コヒーレント光が照射された方向の直線位置を取得する検出器と、を有し、前記検出器は、前記コヒーレント光の射出位置における径よりも前記球体の直径を大きくすることにより、前記コヒーレント光を直接に到達位置まで照射したときの径よりも小さい範囲で前記直線位置を特定する、ことを特徴とする。
【0012】
前記直線発生装置において、前記コヒーレント光は、ビーム拡大機で拡大された上で前記球体に照射される、ことを特徴とする。
【0013】
前記直線発生装置において、前記コヒーレント光は、発散光にされて前記球体に照射される、ことを特徴とする。
【0014】
前記直線発生装置において、前記球体は不透明である、ことを特徴とする。
【0015】
前記直線発生装置は、前記球体を円板に変えて前記コヒーレント光が前記円板に照射される、ことを特徴とする。
【0016】
前記直線発生装置は、前記球体を陰の縁が円である障害物に変えて前記コヒーレント光が前記障害物に照射される、ことを特徴とする。
【0017】
前記直線発生装置において、前記障害物は、陰の縁の50%以上が円弧である、ことを特徴とする。
【0018】
前記直線発生装置は、前記検出器の基準点と、前記検出器で特定された直線位置を比較することにより、前記球体の位置ズレを検出する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【0019】
本発明によれば、コヒーレント光の照射位置が遠くなっても、コヒーレント光を直接照射したときよりも小さいスポット径で直線位置を取得することができる。なお、スポット径の50分の1程度の測定誤差でスポットの中心位置を推定することができるので、コヒーレント光の直線位置を精度良く取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】本発明である直線発生装置の仕組みを説明する図である。
【図2】本発明である直線発生装置で利用するアラゴスポットについて説明する図である。
【図3】本発明である直線発生装置で利用するアラゴスポットを示す図である。
【図4】本発明である直線発生装置で利用するアラゴスポットの大きさを比較した図である。
【図5】本発明である直線発生装置の別実施例を示す図である。
【図6】本発明である直線発生装置を利用して球体の位置ズレを検出する方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
以下に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
【実施例1】
【0022】
まず、本発明である直線発生装置について説明する。図1は、直線発生装置の仕組みを説明する図である。図2は、直線発生装置で利用するアラゴスポットについて説明する図である。図3は、直線発生装置で利用するアラゴスポットを示す図である。図4は、直線発生装置で利用するアラゴスポットの大きさを比較した図である。
【実施例1】
【0023】
図1(a)に示すように、レーザ発生装置200から細いビーム状のレーザ光300を発射すると、距離に比例してビーム径が増加する。レーザ光300は、直進性が良いというものの、遠方ではビームが広がってしまう。
【実施例1】
【0024】
ここで、レーザ発生装置200の射出口の直径をd、射出口から照射場所400までの距離をL、ビームの広がり角をθ、レーザ光300の波長をλとすると、ビーム径の大きさは、
D1(L)=d+2Ltanθ=d+2Lθ=d+2L(λ/d) (式1)
と表される。
距離Lでの照射場所のビーム径D1(L)がレーザ発生装置200だけによるスポット径になる。
【実施例1】
【0025】
なお、ビーム径の増分は、2Ltanθとなるが、θが小さい場合はtanθ=θとみなすことができる。また、ビームの広がり角は、光の回折の観点からλ/dに比例し、これ以下の直線性は望めない。すなわち、レーザ光300は、波長が短いほど直線性が良く、射出口が大きいほど広がりにくい。
【実施例1】
【0026】
レーザ発生装置200だけでは、射出口径dを小さくしてもビームの広がり角が大きくなるので、距離Lの照射場所400におけるスポット径の大きさを小さくするには限界(正の値)があることが(式1)から分かる。そこで、アラゴスポットを利用した直線発生装置100により、ビームの広がり角の影響を低減させる。
【実施例1】
【0027】
図1(b)に示すように、直線発生装置100は、レーザ発生装置200から球体500にレーザ光300を照射したときに、球体500の先にある照射場所400において生じた球体500の影内に表れるアラゴスポット410によって、直線位置を取得する。
【実施例1】
【0028】
レーザ発生装置200は、発振器などを用いてレーザ光300など干渉可能なコヒーレント光を発生させる手段である。レーザ光300としては、例えば、直進性の良いヘリウムネオンレーザなどを用いて、フィルタで観測しやすい光強度に調整しても良い。また、レーザ光300は、ビーム拡大機600で拡大することにより平行光に変換したレーザ光300aにしても良い。
【実施例1】
【0029】
球体500は、レーザ発生装置200と照射場所400の間に配置する障害物である。球体500は、ベアリング等に使用する鋼球などを用いれば良い。図2(a)に示すように、球体500にレーザ光300が照射されたときに、レーザ発生装置200とは反対側にある照射場所400に球体500の影が生じれば良い。
【実施例1】
【0030】
レーザ光300は、球体500に照射された後、球体500の陰の縁の外周を回折して、回折光310が球体500の先に進む。球体500の陰の縁の外周上の任意の点から照射場所400における球体500の影の中心までは全て同じ距離である。そのため、球体500の影の中心に向かう全ての回折光310は、位相が揃っており強め合うように干渉するので、影の中心に明るい輝点となってアラゴスポット410が生じる。
【実施例1】
【0031】
ここで、図1(b)に示すように、球体500の直径をR、球体500の中心から照射場所400までの距離をL、レーザ光300の波長をλとすると、アラゴスポット410の大きさは、
D2(L)=2L(λ/R) (式2)
と表される。
(式2)から分かるように、アラゴスポットの大きさは、直径Rを大きくすればゼロに近づく。
【実施例1】
【0032】
球体500の中心と、照射場所400における球体500の影の中心とを結ぶ中心線510上においては、全ての回折光310が強め合うように干渉するので、照射場所400を球体500に近づけても遠ざけてもアラゴスポット410が現れる。すなわち、中心線510上に連続するアラゴスポット410によって、レーザ光300の直線位置が得られる。
【実施例1】
【0033】
照射場所400までの距離Lは、球体500の直径Rの数十倍以上が好ましい。例えば、球体500の直径Rが5ミリメートルの場合、距離Lは、直径Rの40倍として20センチメートル以上にすれば良い。レーザ光300は、球体500の陰の縁から角度を変えて回折光310となって奥側に進むので、距離Lが短すぎるとアラゴスポット410が現れにくくなる。
【実施例1】
【0034】
図2(b)に示すように、球体500の陰の縁の外周を回折した回折光310は、照射場所400における球体500の影の中心以外でも、強め合う場所においては明るくなり、弱め合う場所においては暗くなる。そのため、照射場所400における球体500の影内には輝点を中心とした同心円状に干渉縞が現れる。
【実施例1】
【0035】
図3(a)に、球体500から照射場所400までの距離Lを10メートル、球体500の直径Rを5ミリメートル、10ミリメートル、及び20ミリメートルとしたときの照射場所400の一辺2ミリメートルの正方形領域におけるアラゴスポット410を示す。中心が輝点、その周りが干渉縞である。
【実施例1】
【0036】
図3(b)に示すように、標準的な射出口径1ミリメートルのレーザ発生装置200から10メートル離れた照射場所400に直接レーザ光300を照射したとき、ビーム径の大きさは一辺40ミリメートルの範囲に収まる。それに対し、レーザ光300を直径20ミリメートルの球体500に照射したとき、10メートル離れた照射場所400に生じるアラゴスポット410の場合は、アラゴスポット410の大きさが一辺2ミリメートルの範囲に収まるくらい精度が向上する。
【実施例1】
【0037】
図4(a)に示すように、直接レーザ光300を照射したときは、レーザ発生装置200の射出口径dを1ミリメートルにすると、照射場所400までの距離Lが20メートルだと照射場所400におけるビーム径D1(L)の増分は20ミリメートルであり、距離Lが500メートルだとビーム径D1(L)の増分は500ミリメートルである。すなわち、距離Lに比例してビーム径D1(L)が増加する。
【実施例1】
【0038】
また、距離Lを20メートルにしたとき、射出口径dが1ミリメートルだと、ビーム径D1(L)の増分は20ミリメートルであり、射出口径dが5ミリメートルだと、ビーム径D1(L)の増分は4ミリメートルである。すなわち、射出口径dが大きいほどビーム径D1(L)の増分は抑えられる。
【実施例1】
【0039】
図4(b)に示すように、アラゴスポット410の場合、球体500の直径Rを5ミリメートルにすると、球体500から照射場所400までの距離Lが20メートルだと輝点の径D2(L)は4ミリメートルであり、距離Lが500メートルだと輝点の径D2(L)は100ミリメートルである。距離Lとアラゴスポット410の大きさD2(L)の増分は比例するが、標準的な射出口径1ミリメートルのレーザ光300を直接照射したときよりも5分の1程度に小さくなる。
【実施例1】
【0040】
また、距離Lを20メートルにしたとき、球体500の直径Rが5ミリメートルだと輝点の径D2(L)は4ミリメートルであり、球体500の直径Rが20ミリメートルだと輝点の径D2(L)は1ミリメートルである。球体500の直径Rが大きいほどアラゴスポット410の大きさD2(L)は小さくなる。
【実施例1】
【0041】
上記(式1)と(式2)を比較すると、(式2)には項が一つしかなく、R>dとすることで、常にD2(L)<D1(L)となる。Lの大小によらず、D2(L)<D1(L)となるので、近距離でも遠距離でもスポット径を小さくすることができる。ビーム径の~1/50程度の測定誤差でビームの中心位置を推定できるので、直線を精度良く発生させることができる。
【実施例2】
【0042】
図5は、直線発生装置の別実施例を示す図である。図5(a)に示すように、直線発生装置100aでは、球体500の代わりに、円板500aなど球体500の一部にしても良い。アラゴスポット410は、回折光310が強め合う位置に現れるので、円板500aの中心から同じ距離にある円周縁から同位相でレーザ光300が回折すれば、円板500aの中心から法線方向に延びる線上に輝点が現れる。
【実施例2】
【0043】
また、照射場所400に検出器400aを設置して、レーザ光300が照射された方向の直線位置を取得すれば良い。直線位置を特定することで、アラゴスポット410による直線を精度良く発生させることができる。
【実施例2】
【0044】
図5(b)に示すように、直線発生装置100bでは、コヒーレント光であれば、平行光でなくても、発散光のレーザ光300bでも良い。レンズ610などを用いて発散させたレーザ光300bを球体500に照射しても、回折光310によりアラゴスポット410を検出することができる。発散光のレーザ光300bでは球体500の影の領域が拡大されるので、照射場所400でアラゴスポットが容易に見つけやすいという利点がある。
【実施例3】
【0045】
図6は、直線発生装置を利用して球体の位置ズレを検出する方法を説明する図である。図6に示すように、球体の位置ズレ検出装置100cでは、アラゴスポット410が発生した位置を見ることで、球体500の位置を確認する。
【実施例3】
【0046】
例えば、検出器400aにおいて、球体の位置が正確な場合のアラゴスポットを基準点420として予め設定しておく。測定対象の球体500にレーザ光300を照射して、検出器400aが取得したアラゴスポット410と基準点420のズレ方向及びズレ量を算出する。そして、アラゴスポット410が基準点420に合うように、球体500の位置を調整すれば良い。
【実施例3】
【0047】
ベアリングなど球体500を使用する装置等において、球体500の位置に正確性が求められる場合に、アラゴスポット410を用いて球体500の位置ズレを精度良く検出することができる。この原理により、球体500を固定した装置の位置ズレを精度良く検出することができる。
【実施例3】
【0048】
本発明によれば、コヒーレント光の照射位置が遠くなっても、コヒーレント光を直接照射したときよりも小さい径で直線位置を取得することができる。なお、スポット径の50分の1程度の測定誤差で中心位置を推定することができるので、コヒーレント光の直線位置を精度良く取得することができる。
【実施例3】
【0049】
以上、本発明の実施例を述べたが、これらに限定されるものではない。
【符号の説明】
【0050】
100:直線発生装置
100a:直線発生装置
100b:直線発生装置
100c:球体の位置ズレ検出装置
200:レーザ発生装置
300:レーザ光
300a:レーザ光
300b:レーザ光
310:回折光
400:照射場所
400a:検出器
410:アラゴスポット
420:基準点
500:球体
500a:円板
510:中心線
600:ビーム拡大機
610:レンズ
Drawing
(In Japanese)【図1】
0
(In Japanese)【図2】
1
(In Japanese)【図3】
2
(In Japanese)【図4】
3
(In Japanese)【図5】
4
(In Japanese)【図6】
5