JP2002048536A - 電子式水準器およびそれを用いた水平ステージ - Google Patents

電子式水準器およびそれを用いた水平ステージ

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Abstract

(57)【要約】 【課題】被測定面の傾斜・角度を測定し得る電子式水準
器を提供することである。 【解決手段】電子式水準器は,被測定面6に接するベー
ス3と、ベース3上に固定ねじ9によって固定された2個
の固定ブロック4の間に回転自在に取り付けられたおも
り2と、このおもりの変位を検出する光学式変位センサ1
と、光学式変位センサ1からの出力信号から傾斜量を表
示するディジタルパネルコントローラ5とを有してい
る。光学式変位センサにもおもり11が設けられており、
光学式変位センサの光源としては発光ダイオードを用い
ている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、被測定面の傾斜や
角度を測定する電子式水準器およびそれを用いた水平ス
テージに関する。
【0002】
【従来の技術】従来、傾斜や角度の測定には、通常気泡
式、磁気式、光学式の水準器を利用する方法が採用され
ている。しかしながら、これらの水準器を利用する方法
では、測定範囲の制限、複雑化した構造、測定時間がか
かる等の問題も多く残されている。このため、傾斜・角
度の測定作業として、十分とは言えない。
【0003】従来技術として、例えば実開昭63−10
5810号公報には、支軸を介して回動自在に垂下保持
したおもりと、支軸に関しておもりの回動方向で略対称
でかつおもりの回動により出力が変化する位置に配設し
た一対のセンサ部と、この一対のセンサ部の出力差から
傾斜状態を算定する演算部とからなる傾斜計が記載され
ている。そして一対のセンサ部として光センサを用いる
例が示されている。
【0004】また、特開平11−94546号公報に
は、いずれの方向にも振れる振り子体の外周面にあっ
て、位置的に90度の角度差のある2つの位置にそれぞ
れ標点を設定し、この各標点に対して間隙を介して対向
しこの間隙の変位に感応して信号を出力する変位センサ
を設けて傾斜角度を測定する傾斜計が記載されている。
【0005】また例えば、実開昭64−2106号公報
には、磁気を使って角度を測定する水準器が記載されて
いる。すなわち、導体振り子を揺動自在にワイヤでつり
下げ、導体振り子に対向して振り子の揺動角度を検出す
る変位検出センサを設け、導体振り子に発生する渦電流
の変化を検出して揺動角度を測定するものである。
【0006】また、実開昭61−84808号公報に
は、ワイヤで吊った磁性体製の逆T字型のおもりが、供
試体の傾きに比例して位置を変位させ、その位置の変位
量を2個の磁気センサにより検出・比較しメーターによ
り指示させる電子式水準器が記載されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかし、実開昭63−
105810号公報の傾斜計では、光センサを2個用い
ていること、また光センサにはおもりは全く用いられて
おらず固定されており、1個の光学式変位センサを用
い、また光学式変位センサにもおもりを設け回転するよ
うにしている本発明とは構成が明らかに異なっている。
また、構成も2個の光センサを用いているので本発明の
ものより複雑になるという欠点がある。
【0008】また、特開平11−94546号公報の傾
斜計では、固定された2個の変位センサを用い振り子体
と変位センサの間隙の変動から傾斜角度を測定してお
り、回転可能な光学式変位センサを1個用いる本発明に
比べ構成が複雑で、また傾斜角度の測定方法も異なって
いる。
【0009】上記実開昭64−2106号公報では磁気
を使って角度を測定しているが、構造上、おもりの中心
をワイヤで吊っているため、回転運動が生じることで検
出センサまでの距離が変化し、正確なおもりの位置を検
出することが出来ないようになっている。後述するよう
に、ベアリング2個を使用し回転運動を無くした本発明
と比べると、測定対象物であるおもりの回転運動が発生
する点でおとっている。
【0010】また、実開昭61−84808号公報は、
実開昭64−2106号公報と同様におもりをワイヤで
吊るしているが、回転を考慮し反転した位置にもう一つ
の磁気センサを取付け、コンパレータを介しインピーダ
ンスの違いを計算しているが、その分センサや電気部品
を多く使わなければならず、回転を無視しセンサを1個
使用する本発明に比べコストがかかる。
【0011】本発明の主な目的の一つは、傾斜・角度を
簡単かつ迅速に測定し数値化した測定値が得られる電子
式水準器を提供することにある。
【0012】本発明の主な他の目的は、あらかじめ設定
された値の傾斜・角度になれば出力を発生し、変化を知
らせる予知機能を有する電子式水準器を提供することに
ある。
【0013】本発明のさらに他の目的は、常にステージ
の傾斜・角度を測定し、変動が生じた場合にそれを修正
する機能をもつ水平ステージを提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明の電子式水準器
は、ベースと、このベース上に固定された2個の固定ブ
ロックのの間に回転自在に取り付けられたおもりと、こ
のおもりの変位を検出する変位センサと、変位センサか
らの出力信号から傾斜量を表示するディジタルパネルコ
ントローラとを有する。おもりは、ベース上に設けられ
た2個の固定ブロックの上部にベアリングを介して取り
付けられたおもり用シャフトに装着されている。また、
変位センサは、光源と、この光源からの光を前記おもり
の測定面へ集光する投光レンズと、前記おもりの測定面
からの反射光を位置検出素子上に集光する受光レンズ
と、2つの出力端子を備え反射光を受光する位置検出素
子とを有しており、光源としては発光ダイオード(LE
D)を用いる。変位センサにもおもりが取り付けられて
いるので、おもりの測定面と変位センサの投光面は常に
平行を保ち、おもりの測定面に対する投光軸と受光軸の
角度は一定に保たれている。さらに、おもりはベースの
中央、すなわちベースの両端部からおもりの測定面まで
の距離をA,Bとしたとき、A=Bとなる位置に設けら
れている。
【0015】本発明によれば、水平テーブルと、その裏
面側に配設した互いに直角方向を向いたX方向電子式水
準器およびY方向電子式水準器と、前記X、Y方向電子
式水準器の出力が規格内に入るまで前記水平テーブルを
上下動させるX方向リニアステッピングモータ及びY方
向リニアステッピングモータと、前記X、Y方向電子式
水準器の検出した傾斜角度の測定結果の出力に基づき前
記X、Y方向リニアステッピングモータを制御するコン
トローラとを有する水平ステージが得られる。
【0016】
【発明の実施の形態】次に本発明について図面を参照し
て詳細に説明する。図1(a)、(b)は、本発明の第
1の実施の形態を示す背面図と側面図である。図1
(a)、(b)に示すように本発明の電子式水準器は、
被測定面6に接するベース3と重心を保つおもり2と、
そのおもり2の移動量(変位)を検出する光学式変位セ
ンサ1と、デジタルパネルコントローラ5とから構成さ
れ、いたって、シンプルな構造になっている。図1から
わかるように、おもり2はベース3に固定ねじ9によっ
て固定された2個の固定ブロック4の上部に取り付けら
れたおもり用シャフト8に装着されている。そしておも
り用シャフト8の両端部は、おもり用ベアリング7を介し
て固定ブロック4に回転可能に取り付けられている。こ
のため図6に示すように、ベース3が傾いた場合には、
ベース3に固定されている固定ブロック4は傾くが、お
もり2はその重心が常に真下に向くようにおもり用ベア
リング7によって回転する。
【0017】次に、光学式変位センサ部について説明す
ると、図1に示すように、ベース3に固定された軸受け
箱15の上部に光学式変位センサ用ベアリング13を介
して光学式変位センサ用シャフト12が設けられてお
り、このシャフト12に光学式変位センサ1が光学式変
位センサ固定ブロック14を介して装着されている。こ
の光学式変位センサ1にも光学式変位センサ用おもり1
1が設けられている。このためベース3が傾いた場合に
は、図6に示すように、光学式変位センサ用おもり11
はその重心が常に真下に向くように回転する。これによ
りおもり2の測定面aと光学式変位センサ1の投光面b
は常時平行を保てる。すなわち、光学式変位センサ1も
光学式変位センサ用おもり11により常に重心は水平面
に直角を保ち、おもり2の測定面に対する投光軸18と
受光軸20(図2参照)の角度を一定に保ち誤差の少な
い測定が出来ることが特徴である。
【0018】本実施の形態では、光学式変位センサの支
点が上のほうにあるので、傾くに従って光学式変位セン
サ1の入出力部分が水平方向に移動するが、使用前にス
パン調整するので実用上問題無い。また、支点と変位セ
ンサとの位置を同じ高さにすれば、傾いても変位センサ
の入出力部分の位置が移動せずに変位センサ入出力部分
の角度が変化するだけなので、変動要因が減り精度が向
上する。投光軸と受光軸の角度は常に一定に保たれ、そ
れらの角度変化による読み取り誤差を無くすことが可能
となる。
【0019】図2は光学式変位センサ1の具体的構成を
示している。光源(LED)16から発せられた光が投
光レンズ17により集光され、対象物体19に照射され
ると、対象物体19から反射光が受光レンズ21により
一次元の位置検出素子22上に集光する。対象物体19
の位置(距離)が変化すれば位置検出素子22上の結像
位置が異なり、二つの出力23a、23bのバランスが
変化する。この二つの出力23a、23bから変位量が
求まる。ここで対象物体19は、図1のおもり2に対応
するものである。また光源としては、レーザダイオード
や発光ダイオード(LED)などを用いることができる
が、LEDが価格やサイズの点から一番適している。な
お、18は投光軸、20は受光軸である。
【0020】図3は、本発明の第1の実施の形態におけ
る各部品の位置関係及び構成を示す図である。本実施の
形態では、ベース3の中心すなわちおもり2の測定面ま
での両端からの距離A及びBは等しいことが条件とな
る。図4及び図5を用いてその必要性を説明する。この
組み込み精度に狂いがある場合、すなわち距離AとBが
等しくない場合は、傾き方向の違い(180度反転)に
より、光学式変位センサ1からおもり2の測定面までの
変位量に差が生じるためである。又、おもり2の支点か
ら測定面までの距離Cは、図5からわかるように、距離
A及びBと同じにすることで測定面の傾きχの丁度半分
χ/2がDの寸法で移動(変位量)する。これにより、
例えば、ベースの長さが100mmでχ=4mmの変化
があっても、測定部ではD=2mmの変化となる。すな
わち、変位センサ測定範囲の2倍の傾き量χがあっても
測定することが可能となる。
【0021】図6は、電子式水準器が右上がりに傾いた
場合を示す図である。おもり2を支えるおもり用シャフ
ト8は、光学式変位センサ1を支えるシャフト12より
上方にあるので、水準器が図6のように右上がりに傾く
と、おもり2の測定面aと光学式変位センサ1の投光面
bは平行を保つが、両者の間隔は水平の場合より傾き角
度が大きくなるにつれて広がる。一方、左上がりに傾い
た場合には、おもり2の測定面aと光学式変位センサ1
の投光面bの間隔は逆に水平の時より狭くなる。
【0022】図7(a)、(b)に基準距離(水平な時
の測定面aと投光面bの距離)が5mmの場合の距離と
電圧の変化及びデジタルパネルコントローラ5の表示器
の関係示す図である。なお、図7(a)は電子式水準器
が右上がりに傾いた場合を示し、図7(b)は左上がり
に傾いた場合を示している。実際には、図6で説明した
ように光学式変位センサ1も傾くが簡略のため固定して
描いてある。図7(a)に示すように、測定面が基準距
離の5mmから最長測定距離である7mmになった場
合、光学式変位センサ1は5Vの出力をし、図7(b)
のように最短測定距離である3mmになった場合1Vの
出力を行う。光学式変位センサで検出された電圧(1〜
5V)の変化はデジタルパネルコントローラ5の表示器
によってスパン調整し表示させることでその傾きを認識
するものである。
【0023】本発明の電子式水準器に使用した光学式変
位センサの測定範囲は5±2mm、すなわち3mm〜7
mmの範囲を測定することが出来る。なお変位センサは
レーザ、超音波、接触式、渦電流方式など様々なものが
存在するが、価格、サイズ、測定範囲などを考慮する
と、本発明の変位検出部品としてはLEDを用いた光学
式変位センサが一番適している。
【0024】また、デジタルパネルコントローラ5の表
示器も出力を有しており、任意に設定した値に応じアラ
ームを発生させる。これにより、装置にセットした場
合、架台の経時変化や振動の有無を発見しトラブル発生
前に変化を予知する機能を持たせることが出来る。
【0025】次に本発明の第2の実施の形態について説
明する。この実施の形態は本発明の電子式水準器を用い
た水平ステージに関するもので、図8にその構成を示
し、図9にそれを水平にする動作のフローチャートを示
してある。図8に示すように、水平テーブル24の下部
に本発明の電子式水準器27a、27bを2個90度に
配置する。それぞれの電子式水準器は検出した角度又は
傾きの測定結果をコントローラ28に出力する。データ
を入力されたコントローラ28は水平テーブル24の傾
きを認識しそれぞれの角度・傾きについてのX方向電子
式水準器27AおよびY方向電子式水準器27Bの出力
が規格内に入るまで、X方向リニアステッピングモータ
26a、Y方向リニアステッピングモータ26bによっ
て水平テーブル24を上下動させる。常に水平テーブル
24はX方向およびY方向電子式水準器27a、27b
により監視されており、突発的な変化があってもそれを
とらえて水平テーブル24を水平に維持することが出来
る。この際、電子式水準器はベース3が上面に来るよう
に改造されており、おもりまたは光学式変位センサの取
り付けられた面とは、0.005mmほどの平行面を持
っていることが望ましい。
【0026】
【発明の効果】本発明の電子式水準器は、被測定面に接
するベースと、重心を保つおもりと、そのおもりの移動
量(変位)を検出する変位センサと、デジタルパネルコ
ントローラとにより構成され、いたって、シンプルな構
造になっている。特に傾斜・角度を光学式変位センサに
よって検出する構造を利用したことが特徴である。ま
た、おもりの測定面をベースの中心に設計することで傾
斜・角度の方向が変化しても同等の変位が現れることで
センサを1個に出来たことが特徴である。
【0027】また、光学式変位センサも光学式変位セン
サ用おもりにより常に重心は水平面に直角を保ち、おも
りの測定面に対する投光軸と受光軸の角度を一定に保ち
誤差の少ない測定が出来ることが特徴である。
【0028】本発明の特徴は、傾斜・角度の測定をおも
りの重心移動による測定面の変位を1個の光学式変位セ
ンサで、高分解能(0.01mm)でかつ広範囲(±4
mm/100mm)に測定出来るようにしたことであ
る。
【0029】さらに、光学式変位センサの出力をデジタ
ルパネルコントローラの表示部で表示させることで、測
定値を読み取りやすくしたことが特徴である。従って、
従来特別な知識を有する技術者のみ製作、使用されてい
た角度・傾斜測定器に比べ、簡単かつ正確な測定器の製
作、使用が実現できるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)、(b)は、本発明の第1の実施の形態
を示す背面図と側面図である。
【図2】本発明の変位センサの構成を示す図である。
【図3】本発明の電子式水準器のおもりをベースの中央
に取り付けることを説明する図である。
【図4】本発明において電子式水準器のおもりの取り付
け位置がベースの中央からずれている場合を表す図であ
る。
【図5】本発明の電子式水準器の傾きとおもりの測定面
までの距離との関係を説明する図である。
【図6】本発明の電子式水準器が傾いた場合のおもりと
変位センサの位置関係を表す図である。
【図7】(a)、(b)は電子式水準器が傾いた場合の
変位センサの出力の様子を示す図である。
【図8】(a)、(b)は本発明の第2の実施の形態で
ある水平ステージの構成を示す平面図と断面図である。
【図9】第2の実施の形態である水平ステージの動作を
示す図フローチャートである。
【符号の説明】
1 光学式変位センサ 2 おもり 3 ベース 4 固定ブロック 5 デジタルパネルコントローラ 6 測定面 7 おもり用ベアリング 8 おもり用シャフト 9 固定ねじ 10 セットスクリュー 11 光学式変位センサ用おもり 12 光学式変位センサ用シャフト 13 光学式変位センサ用ベアリング 14 光学式変位センサ固定ブロック 15 軸受け箱 16 光源 17 投光レンズ 18 投光軸 19 対象物体 20 受光軸 21 受光レンズ 22 位置検出素子 23a 出力A 23b 出力B 24 水平テーブル 25 基準柱 26a X方向リニアステッピングモータ 26b Y方向リニアステッピングモータ 27a X方向電子式水準器 27b Y方向電子式水準器 28 コントローラ 29 モータドライバ

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ベースと、このベース上に固定された2
    個の固定ブロックのの間に回転自在に取り付けられたお
    もりと、このおもりの変位を検出する変位センサと、変
    位センサの出力信号から傾斜量を表示するディジタルパ
    ネルコントローラとを有することを特徴とする電子式水
    準器。
  2. 【請求項2】 前記おもりは、ベース上に設けられた2
    個の固定ブロックの上部にベアリングを介して取り付け
    られたおもり用シャフトに装着されていることを特徴と
    する請求項1記載の電子式水準器。
  3. 【請求項3】 前記変位センサは、光源と、この光源か
    らの光を前記おもりの測定面へ集光する投光レンズと、
    前記おもりの測定面からの反射光を位置検出素子上に集
    光する受光レンズと、2つの出力端子を備え反射光を受
    光する位置検出素子とを有することを特徴とする請求項
    1記載の電子式水準器。
  4. 【請求項4】 前記光源として発光ダイオード(LE
    D)を用いることを特徴とする請求項3記載の電子式水
    準器。
  5. 【請求項5】 前記変位センサにもおもりが取り付けら
    れていることを特徴とする請求項1または3記載の電子式
    水準器。
  6. 【請求項6】 前記おもりの測定面と前記変位センサの
    投光面は常に平行を保ち、おもりの測定面に対する投光
    軸と受光軸の角度は一定に保たれていることを特徴とす
    る請求項1記載の電子式水準器。
  7. 【請求項7】 前記おもりは、前記ベースの中央、すな
    わちベースの両端部からおもりの測定面までの距離を
    A,Bとしたとき、A=Bとなる位置に設けられている
    ことを特徴とする請求項1記載の電子式水準器。
  8. 【請求項8】 水平テーブルと、その裏面側に配設した
    互いに直角方向を向いたX方向電子式水準器およびY方
    向電子式水準器と、前記X、Y方向電子式水準器の出力
    が規格内に入るまで前記水平テーブルを上下動させるX
    方向リニアステッピングモータ及びY方向リニアステッ
    ピングモータと、前記X、Y方向電子式水準器の検出し
    た傾斜角度の測定結果の出力に基づき前記X、Y方向リ
    ニアステッピングモータを制御するコントローラとを有
    することを特徴とする水平ステージ。
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