JP2004077267A

JP2004077267A - 位置検出装置

Info

Publication number: JP2004077267A
Application number: JP2002237523A
Authority: JP
Inventors: Toru Shimizu; 清水　徹; Katsushi Goto; 後藤　克志
Original assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Current assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Priority date: 2002-08-16
Filing date: 2002-08-16
Publication date: 2004-03-11

Abstract

【課題】非接触測定の手段として光ビームが用いられる場合に生じる、空気の揺らぎや擾乱による測定誤差を低減し、２点間の位置ズレを高精度で検出することのできる位置検出手段を提供すること。
【解決手段】位置検出手段１０を、光源１２から照射された光をコーナーキューブ２２に向けて円形に走査し、コーナーキューブ２２の稜線部２２Ａにおける反射光量の低下ポイントを受光手段２８で検出し、データー処理手段３２によって走査円の中心Оとコーナーキューブの中心２２Ｃとのズレ量を算出して、対象物の位置ズレを求めるように構成した。
【選択図】　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は測定対象物の位置の検出装置に関するものであり、特に工作機械や半導体製造装置等の精密な位置決めを要するテーブル等の位置ズレを非接触で検出する位置検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、工作機械や半導体製造装置等の精密位置決めがなされる装置において、例えば工作機械では、刃物台とワーク台との相対位置は常に所定の値に精密に位置決めされる。ところがこの刃物台やワーク台は、内部に組込まれたモータ等の自己発熱により部材が熱膨張し、長時間の運転の間に位置ズレが生じて、目標とする精度で加工することができないといった問題があった。
【０００３】
このため、例えば、特開平９−１０８９９２号公報に記載された、刃物台やワーク台の温度を温度センサを用いて測定し、刃物台やワーク台の素材の線膨張係数から熱膨張量を計算することで位置ズレの量を推定して、そのズレ量を補正する方法や、特開平１−０５７１１０号公報及び特開平１−０５７１１１号公報に記載された、レーザー光等の光を移動体に設けた反射手段に投射し、反射光を２次元位置検出素子等で受光して位置ズレを検出する方法等が試みられてきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この特開平９−１０８９９２号公報に記載された方法では実際の位置ズレを直接測定していないため、誤差が大きい。また、特開平１−０５７１１０号公報及び特開平１−０５７１１１号公報に記載された方法では、レーザー光の通過する空間の空気の揺らぎや擾乱により測定値に誤差が生じる、といった問題があった。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、非接触測定の手段として光ビームが用いられる場合に生じる、空気の揺らぎや擾乱による測定誤差を低減し、２点間の位置ズレを高精度で検出することのできる位置検出手段を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、対象物の基準位置からのズレ量を検出する位置検出装置において、光源と、前記基準位置側又は対象物側に設けられ、前記光源から発光された光を円形に走査する走査手段と、前記対象物側又は基準位置側に設けられ、前記走査手段によって円形に走査された光を反射するコーナーキューブと、該コーナーキューブで反射された光を受光する受光手段と、該受光手段で受光された受光データを解析するデーター処理手段と、を有し、前記データー処理手段では、円形に走査された光が前記コーナーキューブの稜線部又はコーナーキューブ前面に形成された遮光線において反射光量が低下することを利用して、前記走査される円の中心と前記コーナーキューブの中心とのズレ量を求めることによって、対象物の位置のズレ量を検出することを特徴としている。
【０００７】
請求項１の発明によれば、光源から照射された光はコーナーキューブに向けて円形に走査され、コーナーキューブからの反射光が受光手段で受光される。この円形走査中のコーナーキューブの稜線部又はコーナーキューブ前面に形成された遮光線における反射光量の低下ポイントが検出され、データー処理手段によって走査円の中心とコーナーキューブの中心とのズレ量が算出されて対象物の位置ズレが求められるので、空気の揺らぎや擾乱による測定誤差が低減され、対象物の位置ズレを高精度で検出することができる。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１の位置検出装置において、前記データー処理手段では、前記コーナーキューブの稜線部又はコーナーキューブ前面に形成された遮光線において反射光量が低下する複数のポイント間の走査１周期内の時間比率を求め、この時間比率を基に前記走査される円の中心と前記コーナーキューブの中心とのズレ量を求めることを特徴としている。
【０００９】
請求項２の発明によれば、コーナーキューブの稜線部又はコーナーキューブ前面に形成された遮光線における複数の反射光量低下ポイント間の走査１周期内の時間比率を求め、これを解析して走査される円の中心とコーナーキューブの中心とのズレ量を算出しているので、対象物の位置ズレを高精度で検出することができる。
【００１０】
更に、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２の位置検出装置において、前記コーナーキューブの１つの反射面には、前記円形に走査された光の反射を遮る目印が形成されていることを特徴としている。
【００１１】
請求項３の発明によれば、コーナーキューブの１つの反射面に形成された目印によって、その位置において光が遮られるので、走査１周期の開始ポイントが判別でき、求めるズレの方向を検出することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下添付図面に従って、本発明に係る位置検出装置の好ましい実施の形態について詳説する。尚各図において、同一の部材については同一の番号又は符号を付している。本実施の形態では、位置検出装置によって工作機械の刃物台のワーク台に対する位置ズレを検出する。
【００１３】
図１は、本発明に係る位置検出装置の概念を示す構成図である。位置検出装置１０は、図１に示すように、位置ズレ検出の対象物である工作機械の刃物台のツールスピンドル１にツールホルダ２が取付けられ、ツールホルダ２にはコーナーキューブ２２が固定されている。
【００１４】
コーナーキューブ２２は、入射する光束を入射光と平行に、且つ入射方向と逆方向に反射するもので、コーナーキューブプリズムやコーナーキューブミラーに代表されるコーナーキューブリトロリフレクタである。
【００１５】
工作機械の刃物台側には検出ヘッド１１が取付けられている。検出ヘッド１１は、光源であるレーザーダイオード１２、コリメートレンズ１４、及び１６、傾斜ミラー１８、傾斜ミラー１８を回転する回転駆動手段２０、ビームスプリッタ２４、集光レンズ２６、受光手段であるフォトダイオード２８等から構成されている。フォトダイオード２８の受光出力信号は、増幅回路３０で増幅されてデーター処理手段３２に送られる。
【００１６】
レーザーダイオード１２から出射されたレーザービームは、コリメートレンズ１４によって平行にされ、コリメートレンズ１６の中心を通過し傾斜ミラー１８に照射される。傾斜ミラー１８の中心がコリメートレンズ１６の焦点に配置されているので、傾斜ミラー１８で反射されコリメートレンズ１６に戻ったレーザービームは、コリメートレンズ１６の光軸と平行に出射されてビームスプリッタ２４を通りコーナーキューブ２２に照射される。
【００１７】
傾斜ミラー１８と傾斜ミラー１８を回転する回転駆動手段２０とで、コーナーキューブ２２に照射されるレーザービームを円形に走査する走査手段を構成しており、照射ビームは円形に回転される。この回転駆動手段２０にはステッピングモータ等、回転ムラの少ない高精度モータが使用されている。
【００１８】
コーナーキューブ２２から反射されたレーザービームは、再びビームスプリッタ２４に入り、直角の反射成分が集光レンズ２６からフォトダイオード２８に入射される。フォトダイオード２８での受光出力は、増幅回路３０で増幅されてデーター処理手段３２に送られ、データが解析されて走査円の中心とコーナーキューブ２２の中心とのズレ量が算出される。
【００１９】
検出ヘッド１１は工作機械の刃物台側に取付けられ、コーナーキューブ２２は刃物台側に取付けられているので、検出ヘッド１１の走査手段により走査される円の中心とコーナーキューブ２２の中心とのズレが、求めるワーク台に対する刃物台のズレに相当する。
【００２０】
次に、レーザービームで走査される円の中心とコーナーキューブ２２の中心とのズレを求める方法について説明する。コーナーキューブ２２は、図２に示すように互いに直角に交わる３つの反射面２２Ｂ、２２Ｂ、２２Ｂを有しており、各反射面２２Ｂの接続部は３本の稜線部２２Ａ、２２Ａ、２２Ａになっている。尚、説明の都合上、コーナーキューブ２２がコーナーキューブプリズムでなくコーナーキューブミラーの場合も、各反射面２２Ｂの接続部を稜線部２２Ａ、２２Ａ、２２Ａと称することにする。
【００２１】
コーナーキューブ２２上で円形に走査されたレーザービームは、コーナーキューブ２２の中心に対し入射した位置と点対称の位置から入射角度と平行に反射される。その際、コーナーキューブ２２の稜線の影響で円形走査６０°毎にビームに筋状の影が入り、反射光量が低下する。即ち、稜線部２２Ａに直接入射した時、及び反射面２２Ｂから稜線部２２Ａに反射した時の合計６個のポイントで反射光量低下がみられる。
【００２２】
図２、及び図３はこの状態を表わしている。図２において、外側の円はコーナーキューブ２２の外形を表わし、内側の円は走査される円１９を表わしている。走査される円１９上で反射光量低下ポイントは夫々Ｓ１、Ｓ２、…、Ｓ６で表わされている。また、反射面２２Ｂの内の１つに光の反射を遮る目印２２Ｄが形成されている。ここでは反射光量出力は零となる。
【００２３】
図３に示すように、この目印信号から走査出力信号の反射光量低下ポイントＳ１が判断される。また、各反射光量低下ポイントＳ１、Ｓ２、…、Ｓ６のタイミングは微分回路等で決定される。更に、極短パルス信号により各反射光量低下ポイント間の時間ｔ１、ｔ２、…、ｔ６、及び周期Ｔが算出される。
【００２４】
コーナーキューブ２２が微小距離移動すると、コーナーキューブ２２に入射する円形走査ビームの位置がずれ、稜線を通過するタイミングがずれるため、周期Ｔは変化しないが、各反射光量低下ポイント間の時間ｔ１、ｔ２、…、ｔ６は移動方向と移動量に応じて変化する。これをデーター処理手段３２で解析することにより、移動量を２次元的に求めることができる。
【００２５】
図２はこの状態を表わしており、図２の左上部の図は走査される円１９の中心とコーナーキューブの中心２２Ｃとが一致している状態を示し、右上の図は、左右方向にずれた場合を表わし、右下の図は上下方向にずれた場合を表わしている。
【００２６】
図４は、前述の解析の手法を説明するためのものである。先ず最初に図４（ａ）に示すように、周期Ｔのサークルを想定し、そのサークルを走査される円１９とみなす。次にサークル上のスタート点を反射光量低下ポイントＳ１に振り当て、各反射光量低下ポイント間の時間ｔ１、ｔ２、…、ｔ６により反射光量低下ポイントＳ２、…、Ｓ６をサークル上に割り振る。
【００２７】
次に図４（ｂ）に示すように、反射光量低下ポイントＳ１とＳ４を結ぶ直線を引き、これをＹ軸方向とする。尚この直線を以下直線Ｓ１−Ｓ４と称する。同じく反射光量低下ポイントＳ２とＳ５を結ぶ直線（直線Ｓ２−Ｓ５）及び反射光量低下ポイントＳ３とＳ６を結ぶ直線（直線Ｓ３−Ｓ６）を引く。
【００２８】
直線Ｓ１−Ｓ４、直線Ｓ２−Ｓ５、及び直線Ｓ３−Ｓ６の３本の直線の交点がコーナーキューブの中心２２Ｃであるが、実際は測定誤差があるため、３本の直線の交点は１点に収束しない。図４（Ｃ）はこの様子を表わしている。即ち走査される円１９の中心Оを原点とするＸＹ座標上にサークルが描かれ、サークル上に反射光量低下ポイントＳ１、Ｓ２、…、Ｓ６が配置されており、直線Ｓ１−Ｓ４、直線Ｓ２−Ｓ５、及び直線Ｓ３−Ｓ６が描かれている。
【００２９】
３本の直線は夫々他の２本の直線と交わり、交点ＣＰ１、ＣＰ２、及びＣＰ３を有している。交点ＣＰ１の座標は、走査される円１９の中心Оを原点とするＸＹ座標上の直線Ｓ１−Ｓ４を表わす方程式と、直線Ｓ３−Ｓ６を表わす方程式との連立方程式を解くことによって求められる。また、交点ＣＰ２の座標は、直線Ｓ２−Ｓ５を表わす方程式と、直線Ｓ３−Ｓ６を表わす方程式との連立方程式を解くことによって求められ、交点ＣＰ３の座標は、直線Ｓ１−Ｓ４を表わす方程式と、直線Ｓ２−Ｓ５を表わす方程式との連立方程式を解くことによって求められる。
【００３０】
この交点ＣＰ１、ＣＰ２、及びＣＰ３の３点の平均位置Ｐの座標（ａ、ｂ）を算出し、この３点の平均位置Ｐをコーナーキューブの中心２２Ｃとする。これにより、走査される円１９の中心Оに対するコーナーキューブの中心２２Ｃの位置が求められる。このようにして、走査される円１９の中心Оに対するコーナーキューブの中心２２Ｃの位置の時間的変化を求めることによって、対象物である工作機械の刃物台の熱変形等に起因するズレ量を求めることができる。
【００３１】
また、交点ＣＰ１、ＣＰ２、及びＣＰ３の３点で形成される三角形の大きさが測定誤差を表わしているので、この三角形の面積を算出し、この面積が予め設定された閾値を超える場合には再度データを取り直すようにすることによって、コーナーキューブの中心２２Ｃの位置を正確に求めることができる。
【００３２】
更に、フォトダイオード２８で受光するレーザービームの強度に閾値を設けておき、レーザービームの強度が閾値以下の場合には再度データを取り直すようにすることによって、レーザービームの通過する空気の揺らぎや擾乱による測定誤差を低減することができる。
【００３３】
図５は、本発明に係る位置検出装置１０の実施形態の変形例を表わす概念構成図である。この変形例では検出ヘッド１１がツールホルダ２内に組込まれ、ツールスピンドルによって回転される。また、ワーク台側にはコーナーキューブ２２が取付けられている。
【００３４】
検出ヘッド１１は、光源としてのレーザーダイオード１２、ビームスプリッタ２４、ウエッジプリズム１７、コリメートレンズ１６、集光レンズ２６、増幅回路３０、及びトランスミッタ４０等から構成されている。
【００３５】
レーザーダイオード１２から出射されたレーザービームは、ビームスプリッタ２４に入り、直角の反射成分がウエッジプリズム１７によって曲げられてコリメートレンズ１６に入る。ウエッジプリズム１７の出射面の中心がコリメートレンズ１６の焦点位置になるように配置されているので、コリメートレンズ１６に入ったレーザービームは光軸と平行に進み、ツールホルダ２の回転によりワーク台側に取付けられているコーナーキューブ２２に入射し円形に走査される。
【００３６】
コーナーキューブ２２に入射したレーザービームは、入射角と平行に反射されて、コリメートレンズ１６、ウエッジプリズム１７、ビームスプリッタ２４を通り、集光レンズ２６で集光されて受光手段であるフォトダイオード２８に入射する。フォトダイオード２８で受光した光量データは増幅回路３０で増幅され、この信号がトランスミッタ４０から外部に設けられたデーター処理手段３２へ無線電送される。データー処理手段３２で行われる走査される円の中心Оとコーナーキューブ２２の中心とのズレ量の算出方法は、前述と同じであるのでここでは説明を省略する。
【００３７】
以上説明した実施の形態では、工作機械のワーク台に対する刃物台の位置ズレを求める例で説明したが、本発明はこれに限るものではなく、半導体製造装置等精密位置決めがなされる装置における２点間の位置ズレ検出に広く適用することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の位置検出装置によれば、光源から照射された光がコーナーキューブに向けて円形に走査され、コーナーキューブの稜線部における反射光量の低下ポイントが受光手段で検出され、データー処理手段によって走査円の中心とコーナーキューブの中心とのズレ量が算出されて対象物の位置ズレが求められるので、空気の揺らぎや擾乱による測定誤差が低減され、対象物の位置ズレを高精度で検出することができる。
【００３９】
また、コーナーキューブの稜線部における複数の反射光量低下ポイント間の走査１周期内の時間比率を求め、これを解析して走査される円の中心とコーナーキューブの中心とのズレ量を算出しているので、対象物の位置ズレを高精度で検出することができる。
【００４０】
更に、コーナーキューブの１つの反射面に形成された目印によって、その位置において光が遮られるので、走査１周期の開始ポイントが判別でき、求めるズレの方向を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る位置検出装置を表わす構成図
【図２】コーナーキューブの位置ズレ状態を示す概念図
【図３】コーナーキューブの稜線部における反射光量低下を示すグラフ
【図４】データ解析方法を説明する概念図
【図５】本発明の実施形態の変形例を表わす構成図
【符号の説明】
１０…位置検出装置、１１…検出ヘッド、１２…レーザーダイオード（光源）、１４、１６…コリメートレンズ、１８…傾斜ミラー、２０…回転駆動手段、２２…コーナーキューブ、２２Ａ…稜線部、２２Ｂ…反射面、２２Ｃ…コーナーキューブの中心、２２Ｄ…目印、２４…ビームスプリッタ、２６…集光レンズ、２８…フォトダイオード（受光手段）、３０…増幅回路、３２…データー処理手段

Claims

対象物の基準位置からのズレ量を検出する位置検出装置において、
光源と、
前記基準位置側又は対象物側に設けられ、前記光源から発光された光を円形に走査する走査手段と、
前記対象物側又は基準位置側に設けられ、前記走査手段によって円形に走査された光を反射するコーナーキューブと、
該コーナーキューブで反射された光を受光する受光手段と、
該受光手段で受光された受光データを解析するデーター処理手段と、
を有し、
前記データー処理手段では、円形に走査された光が前記コーナーキューブの稜線部又はコーナーキューブ前面に形成された遮光線において反射光量が低下することを利用して、前記走査される円の中心と前記コーナーキューブの中心とのズレ量を求めることによって、対象物の位置のズレ量を検出することを特徴とする位置検出装置。
前記データー処理手段では、前記コーナーキューブの稜線部又はコーナーキューブ前面に形成された遮光線において反射光量が低下する複数のポイント間の走査１周期内の時間比率を求め、この時間比率を基に前記走査される円の中心と前記コーナーキューブの中心とのズレ量を求めることを特徴とする、請求項１に記載の位置検出装置。
前記コーナーキューブの１つの反射面には、前記円形に走査された光の反射を遮る目印が形成されていることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の位置検出装置。