特開 2024-85170 ローリング角度測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024085170

(43)【公開日】2024-06-26

(54)【発明の名称】ローリング角度測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/26 20060101AFI20240619BHJP

【ＦＩ】

G01B11/26 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022199554

(22)【出願日】2022-12-14

(71)【出願人】

【識別番号】000151494

【氏名又は名称】株式会社東京精密

(74)【代理人】

【識別番号】100083116

【弁理士】

【氏名又は名称】松浦 憲三

(74)【代理人】

【識別番号】100170069

【弁理士】

【氏名又は名称】大原 一樹

(74)【代理人】

【識別番号】100128635

【弁理士】

【氏名又は名称】松村 潔

(74)【代理人】

【識別番号】100140992

【弁理士】

【氏名又は名称】松浦 憲政

(72)【発明者】

【氏名】大野 祥希

【テーマコード（参考）】

2F065

【Ｆターム（参考）】

2F065AA39

2F065BB15

2F065GG04

2F065HH05

2F065JJ02

2F065JJ16

2F065JJ25

2F065LL08

2F065MM03

2F065PP02

2F065QQ18

2F065QQ31

(57)【要約】

【課題】移動軸の軸方向に制約を受けることなく、移動体のローリング角度を測定可能なローリング角度測定装置を提供する。
【解決手段】第１方向に配置された移動軸Ｓに沿って第１方向に移動される移動体２０と、移動体２０に第２方向に離間して設けられたシリンドリカルレンズ５０と、移動体２０とシリンドリカルレンズ５０との間に設けられたＰＳＤ６０と、シリンドリカルレンズ５０の入射面５２に向けて第１方向に広がった線状の光Ｅを出射する照明装置８０と、移動体２０が第１方向に移動した場合におけるＰＳＤ６０に受光される光Ｅの受光位置の変位量Δに基づいて移動体２０のローリング角度を算出するデータ処理装置９０と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１方向に配置された移動軸に沿って前記第１方向に移動される移動体と、
前記移動体に前記第１方向に直交する第２方向に離間して設けられ、前記移動体と共に前記第１方向に移動される集光レンズであって、入射面と出射面とを有し、前記出射面が前記移動体に対向配置された集光レンズと、
前記移動体と前記集光レンズとの間に設けられ、前記移動体と共に前記第１方向に移動される受光手段であって、前記出射面から出射された光を受光する受光手段と、
前記入射面に向けて前記第１方向に広がった線状の前記光を出射する照明手段と、
前記移動体が前記第１方向に移動した場合における前記受光手段に受光される前記光の受光位置の変位量に基づいて、前記移動体のローリング角度を算出する角度算出手段と、
を備える、ローリング角度測定装置。

【請求項2】

前記集光レンズは、前記移動体の外表面を構成する面のうち第１面に設けられる第１集光レンズと、前記面のうち前記第１面に対向する第２面に設けられる第２集光レンズと、を含み、
前記受光手段は、前記第１集光レンズの出射面から出射された光を受光する第１受光手段と、前記第２集光レンズの出射面から出射された光を受光する第２受光手段と、を含み、
前記照明手段は、前記第１集光レンズの入射面に向けて前記第１方向に広がった線状の第１光を出射する第１照明手段と、前記第２集光レンズの入射面に向けて前記第１方向に広がった線状の第２光を出射する第２照明手段と、を含み、
前記角度算出手段は、前記移動体が前記第１方向に移動した場合における、前記第１受光手段に受光される前記第１光の受光位置の変位量と、前記第２受光手段に受光される前記第２光の受光位置の変位量と、に基づいて、前記移動体のローリング角度を算出する、
請求項１に記載のローリング角度測定装置。

【請求項3】

前記集光レンズは、前記入射面が凸円柱面であり前記出射面が平面であるシリンドリカルレンズであり、
前記シリンドリカルレンズを前記第１方向及び前記第２方向にそれぞれ直交する第３方向から見た場合に前記出射面が前記移動軸の軸心に対して平行に配置される、
請求項１又は２に記載のローリング角度測定装置。

【請求項4】

前記受光手段は、前記第３方向に延びた帯状の受光面を有する一次元の位置検出素子であり、
前記角度算出手段は、前記位置検出素子からの出力信号値に基づいて前記変位量を算出する、
請求項３に記載のローリング角度測定装置。

【請求項5】

前記照明手段は、前記第２方向に沿って前記光を前記軸心に向けて出射する、
請求項４に記載のローリング角度測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ローリング角度測定装置に係り、特に移動軸に沿って直線移動する移動体のローリング角度を測定するローリング角度測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

工作機械装置又は形状測定装置（例えば、三次元座標測定装置）のように移動軸を備える装置では、移動軸に沿って直線移動する移動体の位置決め精度を高めることが要求される。位置決め精度を高めるために、上記装置の制御コントローラには補正機能が搭載されており、位置決め偏差の他、移動体の回転角度（ローリング角度、ピッチング角度及びヨーイング角度）等に基づいて補正量が計算される。

【0003】

特許文献１には、レーザ測長機を用いて移動体の移動軸周りの揺動運動、すなわち、ローリング角度を測定するローリング角度測定装置が開示されている。

【0004】

特許文献１によれば、レーザヘッドの光軸上にターニングミラーを介して直交配置され、かつ上記の光軸に対して平行に移動する移動体上に設置された角度干渉計と、角度干渉計から出射されるレーザ光線を受けて、角度干渉計側に反射する角度ターゲットプリズムと、を備えており、角度干渉計と角度ターゲッドプリズムのいずれか一方の上端を他方に対して揺動自在に連結設置し、揺動自在に設置された一方の下端に制動用のダンパを設置するとともに、他方側を移動体上に固定配置した構成が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平９－１０１１２７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１のローリング角度測定装置は、角度ターゲットプリズムを鉛直方向に吊り下げ支持し、移動軸である水平軸にローリング成分が存在した場合に、角度ターゲットプリズムをそれ自身の自重を利用して水平軸の軸周りに揺動させる構成を有している。このため、特許文献１のローリング角度測定装置は、水平軸を移動軸とする移動体のローリング角度は測定可能であるが、鉛直軸を移動軸とする移動体のローリング角度は、角度ターゲットプリズムの自重を利用できないため測定することができないという問題がある。

【0007】

このように、従来のローリング角度測定装置は、移動軸の軸方向によってはローリング角度を測定できないという問題がある。このため、移動軸の軸方向に制約を受けることなく、移動体のローリング角度を測定可能なローリング角度測定装置を実現することが望まれている。

【0008】

本発明は、このような問題に鑑みて成されたものであり、移動軸の軸方向に制約を受けることなく、移動体のローリング角度を測定可能なローリング角度測定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】

【0009】

本発明のローリング角度測定装置は、本発明の目的を達成するために、第１方向に配置された移動軸に沿って第１方向に移動される移動体と、移動体に第１方向に直交する第２方向に離間して設けられ、移動体と共に第１方向に移動される集光レンズであって、入射面と出射面とを有し、出射面が移動体に対向配置された集光レンズと、移動体と集光レンズとの間に設けられ、移動体と共に第１方向に移動される受光手段であって、出射面から出射された光を受光する受光手段と、入射面に向けて第１方向に広がった線状の光を出射する照明手段と、移動体が第１方向に移動した場合における受光手段に受光される光の受光位置の変位量に基づいて、移動体のローリング角度を算出する角度算出手段と、を備える。

【0010】

本発明の一形態は、集光レンズは、移動体の外表面を構成する面のうち第１面に設けられる第１集光レンズと、面のうち第１面に対向する第２面に設けられる第２集光レンズと、を含み、受光手段は、第１集光レンズの出射面から出射された光を受光する第１受光手段と、第２集光レンズの出射面から出射された光を受光する第２受光手段と、を含み、照明手段は、第１集光レンズの入射面に向けて第１方向に広がった線状の第１光を出射する第１照明手段と、第２集光レンズの入射面に向けて第１方向に広がった線状の第２光を出射する第２照明手段と、を含み、角度算出手段は、移動体が第１方向に移動した場合おける、第１受光手段に受光される第１光の受光位置の変位量と、第２受光手段に受光される第２光の受光位置の変位量と、に基づいて、移動体のローリング角度を算出する、ことが好ましい。

【0011】

本発明の一形態は、集光レンズは、入射面が凸円筒面であり出射面が平面であるシリンドリカルレンズであり、シリンドリカルレンズを第１方向及び第２方向にそれぞれ直交する第３方向から見た場合に出射面が移動軸の軸心に対して平行に配置されることが好ましい。

【0012】

本発明の一形態は、受光手段は、第３方向に延びた帯状の受光面を有する一次元の位置検出素子であり、角度算出手段は、位置検出素子からの出力信号値に基づいて変位量を算出することが好ましい。

【0013】

本発明の一形態は、照明手段は、第２方向に沿って光を軸心に向けて出射することが好ましい。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、移動軸の軸方向に制約を受けることなく、移動体のローリング角度を測定することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】実施形態に係るローリング角度測定装置の全体斜視図である。

【図2】形状測定装置が備える移動軸を示した説明図である。

【図3】図１のローリング角度測定装置をＺ軸方向から見た説明図である。

【図4】図１の照明装置の構成をＺ軸方向から見た説明図である。

【図5】図１のデータ処理装置の構成を示す機能ブロック図である。

【図6】ローリング角度測定装置の初期設定完了状態をＸ軸方向から見た説明図である。

【図7】移動体にローリングが発生した状態をＸ軸方向から見た説明図である。

【図8】第２実施形態のローリング角度測定装置をＸ軸方向から見た説明図である。

【図9】移動体にローリングが発生した状態をＸ軸方向から見た説明図である。

【図10】式４の内容を補足説明するための説明図である。

【図11】移動軸に沿って移動体が移動される状態をＹ軸方向から見た模式図である。

【図12】ローリングが存在しない条件で移動体を移動させた場合の集光座標の変化を示したグラフである。

【図13】移動体にローリングが発生した場合の集光座標のプロット図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、添付図面に従って本発明に係るローリング角度測定装置の実施形態について説明する。

【0017】

〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態に係るローリング角度測定装置１０の全体構成を示した斜視図である。図２は、一例として、三次元座標測定装置等の形状測定装置（不図示）が備える移動軸Ｓを示した説明図である。図２では、移動軸Ｓに沿って移動される移動体２０の各測定要素であるローリング角度（Ｘ軸周りの角度）、ピッチング角度（Ｙ軸周りの角度）及びヨーイング角度（Ｚ軸周りの角度）が模式的に示されている。

【0018】

図１に示すローリング角度測定装置１０は、図２に示した移動軸Ｓの各測定要素のうちローリング角度、すなわち、図１に示す移動軸Ｓの軸心Ｐ回りの移動体２０の揺動角度を測定する装置である。ここで、本明細書においては、移動軸として水平方向に配設された移動軸Ｓを例示し、水平方向のうち移動軸Ｓの軸心Ｐ方向をＸ軸方向とし、Ｘ軸方向に直交する水平方向をＹ軸方向とし、Ｘ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ直交する鉛直方向をＺ軸方向として説明する。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向は、それぞれ本発明の第１方向、第２方向及び第３方向に相当する。

【0019】

なお、本例のローリング角度測定装置１０は、後述するように移動体２０の自重を利用することなくローリング角度を測定するものなので、移動軸の方向に制約を受けることなく、本例のように水平方向に配設された移動軸Ｓに限らず、鉛直方向に配設された移動軸であっても移動体のローリング角度を測定可能である。以下、本例のローリング角度測定装置１０について詳しく説明する。

【0020】

図１に示すように、ローリング角度測定装置１０は、移動体２０と、シリンドリカルレンズ５０と、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector：位置検出素子）６０と、照明装置８０と、データ処理装置９０と、を備えている。

【0021】

図１に示す移動体２０は、移動軸Ｓに沿ってＸ軸方向に移動される部材であり、本例では説明を容易にするために、直方体形状に構成されたものを例示している。移動体２０は外表面を有し、外表面は、Ｙ軸方向において互いに対向する第１面２２及び第２面２４と、Ｘ軸方向において互いに対向する第３面２６及び第４面２８と、Ｚ軸方向において互いに対向する上面３０及び下面３２と、を有している。移動体２０は、本発明の移動体の一例であり、ステージとも称される。

【0022】

シリンドリカルレンズ５０は、移動体２０の第１面２２にＹ軸方向（第２方向）に離間して設けられている。シリンドリカルレンズ５０は、例えば、ブラケット等の連結具（不図示）を用いて移動体２０に固定され、移動体２０と共にＸ軸方向に移動される。

【0023】

図３は、図１に示したローリング角度測定装置１０をＺ軸方向から見た場合の説明図である。図３に示すように、シリンドリカルレンズ５０は、凸円柱面である入射面５２と、平面である出射面５４とを有し、出射面５４が移動体２０に対向配置されている。具体的に説明すると、図３の如くシリンドリカルレンズ５０をＺ軸方向から見た場合、Ｙ軸方向において照明装置８０に対向する入射面５２は円弧状に構成され、Ｙ軸方向において移動体２０に対向する出射面５４は直線状に構成されている。また、図３の如くシリンドリカルレンズ５０をＺ軸方向（第３方向）から見た場合に出射面５４が移動軸Ｓ（図２参照）の軸心Ｐに対して平行に配置されている。なお、シリンドリカルレンズ５０は、本発明の集光レンズの一例である。

【0024】

図１及び図３に示すように、ＰＳＤ６０は、移動体２０とシリンドリカルレンズ５０との間に設けられている。ＰＳＤ６０は、移動体２０の第１面２２に取り付けられており、移動体２０及びシリンドリカルレンズ５０と共にＸ軸方向に移動される。

【0025】

ＰＳＤ６０は、シリンドリカルレンズ５０の出射面５４から出射された照明装置８０からの光Ｅを受光する機能を有する。ＰＳＤ６０は、ＰＩＮ型フォトダイオードと同様の構造を有し、光起電力効果により、光Ｅの入射位置における光電流を測定して光Ｅの重心位置（光強度が一番高い部分）の計測を実現する。また、本例のＰＳＤ６０としては、図１に示すように、帯状の受光面（検出面とも言う。）６２を備えた一次元ＰＳＤが用いられており、受光面６２の長手方向がＺ軸方向に一致する姿勢で移動体２０に取り付けられている。照明装置８０から出射された光Ｅは、シリンドリカルレンズ５０によって集光されてＰＳＤ６０の受光面６２で受光される。ＰＳＤ６０は、本発明の受光手段の一例である。

【0026】

図４は、図１に示した照明装置８０の構成をＺ軸方向から見た説明図である。図４に示すように、照明装置８０は、レーザ光源８２と、ロッドレンズ８４と、コリメートレンズ８６と、を有している。

【0027】

レーザ光源８２、ロッドレンズ８４及びコリメートレンズ８６は、Ｙ軸方向に沿って配置されている。また、レーザ光源８２は、レーザ光源８２の出射端８２Ａから出射されるレーザ光が、Ｙ軸方向に沿って出射され、且つ移動軸Ｓ（図１参照）の軸心Ｐに向けて出射される位置に配置されている。換言すれば、レーザ光源８２の出射端８２Ａと軸心Ｐとは、同一のＸＹ平面上に配置されている。

【0028】

上記構成の照明装置８０によれば、レーザ光源８２の出射端８２ＡからＹ軸方向に出射されたレーザ光は、ロッドレンズ８４に入射され、ロッドレンズ８４によりＸ軸方向に広がった線状の光Ｅに変換される。この光Ｅはコリメートレンズ８６に入射され、コリメートレンズ８６により平行光に変換される。そして、この光Ｅはシリンドリカルレンズ５０（図３参照）の入射面５２に向けて出射される。

【0029】

したがって、照明装置８０によれば、シリンドリカルレンズ５０の入射面５２に向けてＸ軸方向に広がった線状の光Ｅを出射することができ、且つＹ軸方向に沿って光Ｅを移動軸Ｓの軸心Ｐに向けて出射することができる。照明装置８０は、本発明の照明手段の一例である。

【0030】

ここで、図３のシリンドリカルレンズ５０に入射した光Ｅは、シリンドリカルレンズ５０によって集光され、ＰＳＤ６０の受光面６２にスポット光として受光される。また、シリンドリカルレンズ５０に入射される光Ｅは、移動体２０の移動方向であるＸ軸方向に沿って帯状に存在している。このため、移動体２０の移動範囲において移動体２０にローリングが発生しないと仮定した場合、シリンドリカルレンズ５０によって集光される光Ｅは、移動体２０の移動位置（Ｘ座標位置）に関係なく常に同一のＹＺ座標位置に集光する。

【0031】

図５は、図１に示したデータ処理装置９０の構成を示す機能ブロック図である。図５に示すように、データ処理装置９０は、ＣＰＵ（central processing unit）等のプロセッサを含む演算処理回路９２、及びＲＯＭ（Read Only Memory）又はＲＡＭ（Random Access Memory）等のメモリ９４を有している。データ処理装置９０は、メモリ９４に記憶されたプログラムを演算処理回路９２が実行し、データ処理装置９０の各部の機能である受光位置の変位量算出機能とローリング角度の角度算出機能とが実現される。また、演算処理回路９２は、ＰＳＤ６０の出力信号を取得し、出力信号に応じたローリング角度を示す測定データを取得する。この測定データは、データ処理装置９０の出力回路９６によりモニタ９８に出力され、モニタ９８に表示される。

【0032】

次に、データ処理装置９０によって実現される上記の変位量算出機能及び角度算出機能の一例について、図６及び図７を参照して説明する。図６は、ローリング角度を測定する前に行われる初期設定の状態をＸ軸方向から見た説明図である。図７は、ローリングが生じた移動体２０のローリング角度の測定状態をＸ軸方向から見た説明図である。

【0033】

図６に示す初期設定では、ＰＳＤ６０の受光面６２のうち予め設定された基準位置Ｓ１である受光位置６４に光Ｅが受光されるようにローリング角度測定装置１０の各部材の位置調整が行われる。一例として、Ｚ軸方向におけるＰＳＤ６０の取り付け位置を調整することで上記の位置調整がなされる。以下、初期設定が完了した図６の状態を、移動体２０にローリングが発生していない状態（移動体２０のローリング角度が０度の状態）とも言う。

【0034】

演算処理回路９２は、図６の初期設定が完了した状態でＰＳＤ６０からの出力信号値から求められる光Ｅの受光位置６４を基準位置Ｓ１としてメモリ９４（図５参照）に記録する。

【0035】

この後、移動体２０を移動軸Ｓに沿ってＸ軸方向に移動させてローリング角度の測定を行う。すなわち、移動体２０が図６の位置（初期設定が完了した位置）からＸ軸方向に移動して図７に示す測定ポイントに到達すると、演算処理回路９２は、ＰＳＤ６０から入力される出力信号値から光Ｅの受光位置６６を求め、その受光位置６６を検知位置Ｄ１としてメモリ９４（図５参照）に記録する。

【0036】

つまり、図７に示すように、測定ポイントで移動体２０にローリングが発生した場合には、シリンドリカルレンズ５０の入射面５２に入射する光Ｅの入射位置が変化し、入射位置が変化することによって受光位置が受光位置６４（図６参照）から受光位置６６（図７参照）に変化（変位）する。なお、受光位置の変位量と移動体２０のローリング角度とは相関関係がある。

【0037】

次に、演算処理回路９２は、メモリ９４から基準位置Ｓ１と検知位置Ｄ１とを読み出し、基準位置Ｓ１と検知位置Ｄ１とに基づいて受光位置の変位量Δ（図７参照）を算出する。変位量Δは、ＰＳＤ６０の受光面６２における基準位置Ｓ１から検知位置Ｄ１までの距離である。

【0038】

次に、演算処理回路９２は、上記の変位量Δと、移動体２０の軸心ＰからＰＳＤ６０までの距離Ｌ（図６参照）、すなわち、軸心Ｐから受光面６２までの距離Ｌとに基づいて下記の式１により移動体２０のローリング角度θを算出する。なお、距離Ｌは、メモリ９４（図５参照）に予め記憶されているデータである。

【0039】

式１：θ＝ａｒｃｔａｎ（Δ／Ｌ）
これにより、第１実施形態のローリング角度測定装置１０は、移動体２０のローリング角度θを測定することができる。データ処理装置９０は、本発明の角度算出手段の一例である。

【0040】

したがって、第１実施形態のローリング角度測定装置１０によれば、第１方向（例えばＸ軸方向）に配置された移動軸Ｓに沿って第１方向に移動される移動体２０と、移動体２０に第２方向（例えばＹ軸方向）に離間して設けられたシリンドリカルレンズ５０と、移動体２０とシリンドリカルレンズ５０との間に設けられたＰＳＤ６０と、シリンドリカルレンズ５０の入射面５２に向けて第１方向に広がった線状の光Ｅを出射する照明装置８０と、移動体２０を第１方向に沿って移動させた場合にＰＳＤ６０に受光される光Ｅの受光位置の変位量Δに基づいてローリング角度θを算出するデータ処理装置９０と、を備えたので、移動軸の軸方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向）に制約を受けることなく、ローリング角度θを測定することが可能となる。

【0041】

つまり、第１実施形態のローリング角度測定装置１０は、移動体２０の自重を利用することなくローリング角度を測定することが可能であって、単純に移動体２０の軸心Ｐ周りの揺動角度を測定する装置であるので、移動軸の軸方向に制約を受けず、移動軸が鉛直方向に配設された場合であってもローリング角度を測定することが可能となる。

【0042】

なお、ローリング角度測定装置１０によるローリング角度の取得方法としては、例えば、移動軸Ｓの軸心Ｐ方向において複数の測定ポイントを設定し、それらの測定ポイントにてローリング角度をそれぞれ取得することが好ましい。これにより、軸心Ｐ方向におけるローリング角度の遷移状況を把握することができる。このように取得されたローリング角度は、例えば、形状測定装置の制御コントローラにおいて形状測定値を補正するための補正値として用いられる。

【0043】

〔第２実施形態〕
図８は、第２実施形態に係るローリング角度測定装置１００をＸ軸方向から見た場合の説明図である。また、図８には、ローリング角度測定装置１００の初期設定が完了した状態（移動体２０のローリング角度が０度の場合の状態）が示されている。

【0044】

図８に示すように、第２実施形態のローリング角度測定装置１００は、Ｙ軸方向における移動体２０の両側に、第１実施形態のローリング角度測定装置１０と同一構成のローリング角度測定装置１０Ａ、１０Ｂを配置することによって構成されている。また、２つのローリング角度測定装置１０Ａ、１０Ｂは移動体２０を挟んで対称位置に配置されている。以下、ローリング角度測定装置１００について説明するに際し、第１実施形態のローリング角度測定装置１０と同一の部材については、同一の符号を付して符号の末尾に「Ａ」又は「Ｂ」を付して説明する場合がある。

【0045】

図８に示すように、ローリング角度測定装置１００に用いられるシリンドリカルレンズは、シリンドリカルレンズ５０Ａとシリンドリカルレンズ５０Ｂとを含んでいる。シリンドリカルレンズ５０Ａは、ローリング角度測定装置１０Ａの構成要素の一つであり、第１実施形態と同様に、例えば、ブラケット等の連結具（不図示）を用いて移動体２０に固定され、移動体２０と共にＸ軸方向に移動される。シリンドリカルレンズ５０Ｂは、ローリング角度測定装置１０Ｂの構成要素の一つであり、第１実施形態と同様に、例えば、ブラケット等の連結具（不図示）を用いて移動体２０に固定され、移動体２０と共にＸ軸方向に移動される。シリンドリカルレンズ５０Ａとシリンドリカルレンズ５０Ｂは、Ｙ軸方向において移動体２０の軸心Ｐから等距離の位置にそれぞれ設けられている。シリンドリカルレンズ５０Ａは、本発明の第１集光レンズの一例であり、シリンドリカルレンズ５０Ｂは、本発明の第２集光レンズの一例である。

【0046】

また、ローリング角度測定装置１００に用いられるＰＳＤは、ＰＳＤ６０ＡとＰＳＤ６０Ｂとを含んでいる。ＰＳＤ６０Ａは、ローリング角度測定装置１０Ａの構成要素の一つであり、移動体２０の第１面２２に取り付けられている。ＰＳＤ６０Ａは、シリンドリカルレンズ５０Ａの出射面５４Ａから出射された光（第１光）ＥＡを受光する。ＰＳＤ６０Ｂは、ローリング角度測定装置１０Ｂの構成要素の一つであり、移動体２０の第２面２４に取り付けられている。ＰＳＤ６０Ｂは、シリンドリカルレンズ５０Ｂの出射面５４Ｂから出射された光（第２光）ＥＢを受光する。ＰＳＤ６０ＡとＰＳＤ６０Ｂは、各々の受光面６２Ａ、６２ＢがＹ軸方向において移動体２０の軸心Ｐから等距離Ｌの位置に設けられている。ＰＳＤ６０Ａは、本発明の第１受光手段の一例であり、ＰＳＤ６０Ｂは、本発明の第２受光手段の一例である。

【0047】

また、ローリング角度測定装置１００に用いられる照明装置は、照明装置８０Ａと照明装置８０Ｂとを含んでいる。照明装置８０Ａは、ローリング角度測定装置１０Ａの構成要素の一つであり、シリンドリカルレンズ５０Ａの入射面５２Ａに向けてＸ軸方向に広がった線状の光ＥＡを出射する。照明装置８０Ｂは、ローリング角度測定装置１０Ｂの構成要素の一つであり、シリンドリカルレンズ５０Ｂの入射面５２Ｂに向けてＸ軸方向に広がった線状の光ＥＢを出射する。照明装置８０Ａは、本発明の第１照明手段の一例であり、照明装置８０Ｂは、本発明の第２照明手段の一例である。

【0048】

次に、ローリング角度測定装置１００によるローリング角度測定方法の一例について説明する。

【0049】

演算処理回路９２は、図８の状態（初期設定が完了した状態）でＰＳＤ６０Ａからの出力信号値から求められる光ＥＡの受光位置６４Ａを第１基準位置Ｓ１Ａとしてメモリ９４（図５参照）に記録する。

【0050】

また、演算処理回路９２は、図８の状態（初期設定が完了した状態）でＰＳＤ６０Ｂからの出力信号値から求められる光ＥＢの受光位置６４Ｂを第２基準位置Ｓ１Ｂとしてメモリ９４（図５参照）に記録する。

【0051】

図９は、移動体２０が移動軸Ｓに沿ってＸ軸方向に移動して所定の測定ポイントに到達したときの状態をＸ軸方向から見た説明図である。図９によれば、移動体２０が図８の初期設定が完了した位置からＺ軸方向（図９上で上方向）に平行移動し、且つ移動体２０にローリングが生じている状態が示されている。なお、ここで言う移動体２０とは、シリンドリカルレンズ５０Ａ、５０Ｂ及びＰＳＤ６０Ａ、６０Ｂを含むものである。また、図８の初期設定が完了した位置とは、ローリング角度が０度であり、且つＹ軸方向における光ＥＡ、ＥＢの進行方向に軸心Ｐが存在している位置である。

【0052】

演算処理回路９２は、図９のローリング角度測定位置でＰＳＤ６０Ａから入力される出力信号値から光ＥＡの受光位置６６Ａを求め、その受光位置６６Ａを第１検知位置Ｄ１Ａとしてメモリ９４（図５参照）に記録する。

【0053】

また、演算処理回路９２は、図９のローリング角度測定位置でＰＳＤ６０Ｂから入力される出力信号値から光ＥＢの受光位置６６Ｂを求め、その受光位置６６Ｂを第２検知位置Ｄ１Ｂとしてメモリ９４（図５参照）に記録する。

【0054】

次に、演算処理回路９２は、メモリ９４から第１基準位置Ｓ１Ａと第１検知位置Ｄ１Ａと読み出し、第１基準位置Ｓ１Ａと第１検知位置Ｄ１Ａとに基づいて、受光位置の変位量Δ１を算出する。変位量Δ１は、ＰＳＤ６０Ａの受光面６２Ａにおける第１基準位置Ｓ１Ａから第１検知位置Ｄ１Ａまでの距離である。

【0055】

また、演算処理回路９２は、メモリ９４から第２基準位置Ｓ１Ｂと第２検知位置Ｄ１Ｂと読み出し、第２基準位置Ｓ１Ｂと第２検知位置Ｄ１Ｂとに基づいて、受光位置の変位量Δ２を算出する。変位量Δ２は、ＰＳＤ６０Ｂの受光面６２Ｂにおける第２基準位置Ｓ１Ｂから第２検知位置Ｄ１Ｂまでの距離である。

【0056】

次に、演算処理回路９２は、上記の変位量Δ１及び変位量Δ２と、移動体２０の軸心Ｐから各受光面６２Ａ、６２Ｂまでのそれぞれの距離Ｌと、に基づいて下記の式２により移動体２０のローリング角度θを算出する。

【0057】

式２：θ＝ａｒｃｔａｎ（（Δ１－Δ２）／２Ｌ）
図１０は、上記の式２の内容を補足説明するための説明図である。図１０によれば、変位量Δ１と変位量Δ２との減算値（Δ１－Δ２）、及び距離２Ｌに基づいて、ローリング角度θが式２（θ＝ａｒｃｔａｎ（（Δ１－Δ２）／２Ｌ））よって算出されることが示されている。このように第２実施形態のローリング角度測定装置１００によれば、上記の減算値（Δ１－Δ２）を用いてローリング角度θを測定するので、移動体２０のＺ軸方向の平行移動成分αを除いてローリング角度θのみを測定することができる。

【0058】

したがって、第２実施形態のローリング角度測定装置１００は、第１実施形態のローリング角度測定装置１０と同一構成のローリング角度測定装置１０Ａ、１０Ｂを有するものなので、ローリング角度測定装置１０と同様に、移動軸の軸方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向）に制約を受けることなく、移動体２０のローリング角度θを測定することが可能となる。また、上記のように、移動体２０に平行移動成分αが発生した場合でも、その平行移動成分αを除いてローリング角度θのみを測定することができる。

【0059】

以下、本発明の変形例について説明する。

【0060】

第１乃至第２実施形態では、本発明の集光レンズとしてシリンドリカルレンズ５０を適用した形態を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、集光レンズとして、ロッドレンズ又はリニアフレネルレンズを適用してもよい。

【0061】

第１乃至第２実施形態では、本発明の受光手段として一次元ＰＳＤを適用した形態を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、受光手段として、複数の受光素子（画素）を線状に並べた構造のＣＣＤ（Charge Coupled Device）ラインセンサ又はＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）ラインセンサ等の一次元イメージセンサを適用してもよい。この場合、線状に配置された複数の受光素子のうちスポット光を検知した受光素子の受光位置に基づいて、受光位置の変位量を取得することが可能である。

【0062】

また、上記の一次元イメージセンサに限定されるものではなく、二次元イメージセンサを採用してもよい。但し、一次元ＰＳＤを含む一次元イメージセンサは、二次元イメージセンサよりも廉価であることからコスト面で有利である。

【0063】

第１乃至第２実施形態では、本発明の照明手段として、レーザ光源８２と、ロッドレンズ８４と、コリメートレンズ８６と、を有する構成の照明装置８０（８０Ａ、８０Ｂ）について説明したが、この構成に限定されるものではない。つまり、シリンドリカルレンズ５０の入射面５２に向けてＸ軸方向に広がった線状の光Ｅを出射することが可能な構成の照明装置であれば、本発明の照明手段に適用することができる。

【0064】

本発明の照明手段の一例として、長手軸がＸ軸方向に沿って配置された管状の光源と、長手軸（長辺）がＸ軸方向に沿って形成されたスリットを有する遮光板と、コリメートレンズ（実施形態のコリメートレンズ８６に相当）と、を備えた構成の照明装置を適用してもよい。この照明装置によれば、光源から出射された光のうち不要な光を遮光板によって遮光し、必要とする光をスリットからコリメートレンズに向けて照射する。このような構成の照明装置であってもシリンドリカルレンズ５０の入射面５２に向けてＸ軸方向に広がった線状の光Ｅを出射することができる。

【0065】

また、第１乃至第２実施形態では、本発明の照明手段として、Ｙ軸方向に沿って光Ｅを軸心Ｐに向けて出射する構成の照明装置８０（８０Ａ、８０Ｂ）について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、Ｙ軸方向から見た場合、Ｘ軸に対して傾斜した線状の光を出射する構成の照明装置であっても適用することができる。以下、図面を使用して説明する。

【0066】

図１１は、移動軸Ｓに沿って移動体２０が移動される状態をＹ軸方向から見た場合の模式図である。また、図１１では、Ｙ軸方向に沿って軸心Ｐに向けて出射される線状の光を光Ｅとして示し、Ｘ軸に対して傾斜した線状の光を光ＥＣとして示している。図１１によれば、ＰＳＤ６０の受光面６２上の光ＥＣの集光位置（Ｚ軸集光座標又は集光点データとも言う。）６３Ａ、６３Ｂ、６３Ｃが、移動体２０の移動位置によって変化することが示されている。

【0067】

図１２は、ローリングが存在しない条件で移動体２０を移動させた場合のＺ軸集光座標の変化を示したグラフであり、縦軸がＺ軸集光座標を示し、横軸が移動体２０の移動位置を示している。図１２によれば、線Ｒ１で示す光ＥのＺ軸集光座標は、移動体２０の移動位置に関係なく常に同一の座標となるが、線Ｒ２で示す光ＥＣのＺ軸集光座標は、移動体２０の移動位置に応じて直線的に変化する。

【0068】

図１３は、光ＥＣを出射する照明装置を使用した場合において、移動体２０にローリングが発生した場合のＺ軸集光座標を「〇」マークでプロットしたプロット図である。図１３に示すように、移動体２０にローリングが発生すると、Ｚ集光座標は、ローリングが存在しない場合の座標（線Ｒ２）に対して上下にずれる。

【0069】

ここで、図１３に示した「〇」マークの座標位置は、Ｘ軸に対する傾き量を含んだ座標位置であるので、ローリング角度を測定する場合には、上記の傾き量を算出し、「〇」マークの座標位置を傾き量で補正する必要がある。そして、傾き量は、得られた各位置での集光点データから最小二乗法を用いて算出することができる。これにより、「〇」マークの座標位置を傾き量で補正することができる。その結果、本例の照明装置によれば、Ｘ軸に対して傾斜した線状の光ＥＣに起因するローリング角度の測定誤差を軽減することができる。

【0070】

以上、本発明に係るローリング角度測定装置の一例について説明したが、本発明の技術は実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、いくつかの改良又は変形を行ってもよい。

【符号の説明】

【0071】

１０…ローリング角度測定装置、１０Ａ…ローリング角度測定装置、１０Ｂ…ローリング角度測定装置、２０…移動体、２２…第１面、２４…第２面、２６…第３面、２８…第４面、３０…上面、３２…下面、５０…シリンドリカルレンズ、５０Ａ…シリンドリカルレンズ、５０Ｂ…シリンドリカルレンズ、５２…入射面、５２Ａ…入射面、５２Ｂ…入射面、５４…出射面、５４Ａ…出射面、５４Ｂ…出射面、６０…ＰＳＤ、６０Ａ…ＰＳＤ、６０Ｂ…ＰＳＤ、６２…受光面、６２Ａ…受光面、６２Ｂ…受光面、６４…受光位置、６４Ａ…受光位置、６４Ｂ…受光位置、６６…受光位置、６６Ａ…受光位置、６６Ｂ…受光位置、８０…照明装置、８２…レーザ光源、８４…ロッドレンズ、８６…コリメートレンズ、９０…データ処理装置、９２…演算処理回路、９４…メモリ、９６…出力回路、９８…モニタ、１００…ローリング角度測定装置、Ｓ…移動軸、Ｐ…軸心、Ｅ…光、ＥＡ…光、ＥＢ…光、Ｓ１…基準位置、Ｓ１Ａ…第１基準位置、Ｓ１Ｂ…第２基準位置、Ｄ１…検知位置、Ｄ１Ａ…第１検知位置、Ｄ１Ｂ…第２検知位置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】