JP2004245634A - Rotation angle measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転角度測定装置に係り、特に、工作機械や半導体製造装置等のように精密な回転角度を検出することが求められる技術分野に好適に使用できる回転角度測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、工作機械や半導体製造装置等の技術分野においては、回転テーブル等の回転角度を高い精度で検出することが求められていた。すなわち、工作機械等における被加工物を載置するテーブルの回転角度は加工精度に直接影響するため、テーブルの回転角度は高い精度が要求される。これに対応する構成としては、たとえば、ロータリーエンコーダ、櫛歯状のインデックステーブル(俗称:カービック)等が一般的であった。
【0003】
これらのテーブルの回転精度を測定する技術として、本願出願人による回転角度測定方法が提案されている(特許文献1参照。)。この技術は、ビーム干渉合成ユニットと、このビーム干渉合成ユニットから出射された第1及び第2のレーザビームが入射され、入射した第1及び第2のレーザビームを逆方向に反射する第1及び第2の反射手段を備える角度検出用反射手段とで構成されるレーザ干渉計を使用した回転角度測定における初期入射角測定方法である。
【0004】
この技術によれば、レーザ干渉計を利用して回転量を測定する場合の、レーザビームの反射ユニットの入射角を測定して、角度測定の精度が向上する効果が得られる。
【0005】
【特許文献1】
特開2000−111325号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の特許文献1の提案では、ステージが1回転して戻ってきた際に、回転がどれだけずれているかを測定して、ステージの回転精度を求めるため、回転途中での任意の角度における角度測定ができないという不具合が存在し、この改善が要求されていた。
【0007】
本発明は、上記課題を解決すべくなされたものであり、高精度であり、かつ、回転テーブル等の任意の角度における角度測定が容易な回転角度測定装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するために、回転する物体に固定される平面鏡と、前記回転する物体とは別体の躯体に固定される、投光部と受光部とを備える検出部であって、前記投光部より前記平面鏡にレーザ光を照射し、前記平面鏡で反射されたレーザ光を前記受光部で受光し、前記回転する物体の回転角度を測定する検出部と、を備える回転角度測定装置において、前記検出部は、前記受光部で受光したレーザ光を一次光とマイナス一次光とに分割する光分割手段と、分割された前記一次光とマイナス一次光とを干渉させるビーム干渉合成ユニットとを備えており、該ビーム干渉合成ユニットにより前記回転する物体の回転角度の誤差が求められることを特徴とする回転角度測定装置を提供する。
【0009】
本発明によれば、投光部より平面鏡にレーザ光を照射し、この平面鏡で反射されたレーザ光を受光部で受光する。この受光部で受光したレーザ光が光分割手段により分割される。分割された2つのビームは、回折スケールにより回折し、一方のビームの一次光と他方のビームのマイナス一次光とがビーム干渉合成ユニットにより干渉され、その結果回転する物体の回転角度の誤差が求められる。したがって、この回転角度測定装置によれば、高精度の測定が可能であり、かつ、回転テーブル等の任意の角度における角度測定が容易となる。
【0010】
本発明において、前記平面鏡がポリゴンミラーの1面であることが好ましい。このように、複数の平面鏡が合わさって構成されるポリゴンミラーが使用されれば、所定回転角度毎に同様の測定が切れ目なく行え、回転角度測定装置として望ましいからである。たとえば、36面のポリゴンミラーを使用した場合、ポリゴンミラーの各面では10度の回転角度を分担することにより全周(360度)の回転角度が測定できる。
【0011】
また、本発明において、更に回折格子スケールと、複数の光検出素子とを備え、分割された前記一次光とマイナス一次光とが前記回折格子スケールに照射されるとともに、該照射された前記一次光とマイナス一次光の前記回折格子スケールの位置におけるそれぞれの反射光が、前記ビーム干渉合成ユニットを経由して前記光検出素子で読み取られることが好ましい。
【0012】
このように、回折格子スケールを備え、この回折格子スケールに照射された一次光とマイナス一次光との位置が読み取られれば、高精度の測定が可能であり、かつ、回転テーブル等の任意の角度における角度測定が一層効果的に行えるからである。
【0013】
また、本発明において、前記回転する物体の回転中心の心振れが非接触方式の位置センサで検出されるとともに、検出された該心振れの値により前記回転する物体の回転角度の誤差が補正されることが好ましい。回転テーブル等が偏心してセットされている場合には、本発明の回転角度測定装置であっても、この影響による誤差を生じる。この場合であっても、このように、物体の回転中心の心振れが非接触方式の位置センサで検出されるとともに、この結果がフィードバックされるのであれば上記のような不具合は解消できるからである。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に従って、本発明に係る回転角度測定装置の好ましい実施の形態について詳説する。図1は、本発明の回転角度測定装置が使用される回転テーブルの概要を示す正面図である。
【0015】
回転する物体である、工作機械等の回転テーブル12の回転中心に設けられる軸13にはポリゴンミラー14が同心に固定されている。回転テーブル12とは別体の躯体(図示略)に固定される検出部16がポリゴンミラー14に近接して配置されている。そして、検出部16の投光部18よりポリゴンミラー14にレーザ光を照射し、ポリゴンミラー14で反射されたレーザ光を受光部20で受光できるようになっている。
【0016】
また、検出部16にはセンサ保持腕58を介して位置センサ56が固定されている。この位置センサ56は静電容量方式のセンサであり、先端部が回転テーブル12の軸13と所定の距離をおいて相対するように配されている。これにより、軸13(すなわち、回転テーブル12)の回転中心の心振れが高精度で検出できるようになっている。なお、位置センサ56としては、静電容量方式以外のもの、たとえば、渦電流方式のもの等も使用できる。
【0017】
図2は、本発明の回転角度測定装置10の構成を示す概念図であり、平面図により示してある。回転テーブル12に固定されているポリゴンミラー14は、6面のポリゴンよりなるもので、各ポリゴンが回転角60度をそれぞれ分担する構成が採用されている。なお、ポリゴンミラー14の面数は、各種の値が採用できる。たとえば、36面のポリゴンミラーの場合には、各ポリゴンが回転角10度をそれぞれ分担する構成となる。
【0018】
検出部16の投光部18には、レーザ光源18Aが配され、レーザ光源18Aの前方にはコリメートレンズ18Bがレーザ光源18Aと光軸を一致させて配されている。投光部18から照射されるレーザ光は、ポリゴンミラー14の手前側の面(図で下側の面)を照射するように位置調整される。レーザ光源18Aとしては、たとえば半導体レーザが使用できる。
【0019】
検出部16の受光部20には、ポリゴンミラー14で反射されたレーザ光を受光し、平行なビームにするFΘレンズ22が設けられている。FΘレンズ22の後方には、受光部20で受光したレーザ光を2光路、すなわちビーム50とビーム52とに分割する光分割手段24が設けられている。この光分割手段24は、複数のプリズムを組み合わせることにより構成されている。
【0020】
より詳細には、受光部20に入射しFΘレンズ22を透過したレーザ光は、光分割手段24において、ハーフミラー面24Aを透過してビーム50となるものと、ハーフミラー面24Aで反射し、ミラー面24Bで更に反射してビーム52となるものとに分割される。このビーム50とビーム52とは相互に平行であり、光路長がMだけ異なっている。
【0021】
ビーム50とビーム52とが照射される位置には回折格子スケール32(通称、アブソリュートスケール)が固定されている。ビーム50とビーム52とは、回折格子スケール32に入射するとともに回折され、また、回折格子スケール32の裏面の反射コーティングにより反射される。ビーム50の回折反射光のうち、一次回折光がビーム干渉合成ユニット30(以下、干渉ユニットと言う)に入るようにビーム干渉合成ユニット30が配置される。また、ビーム52の回折反射光のうち、マイナス一次回折光がビーム干渉合成ユニット30に入るようにビーム干渉合成ユニット30が配置される。
【0022】
回折格子スケール32は、図4に概念図で示されるような構成のものであり、表面が格子パターン面となっており、裏面がミラー面となっている。図示の回折格子スケール32には、ポリゴンミラー14の回転(反時計回り)に伴い、一次光50とマイナス一次光52とが左から右へ走査されるように照射される。また、回折格子スケール32には、左右方向の中心Cから左方の位置に原点Zが印されており(Z相)、走査される一次光50が原点Zの位置を通過した際に、後述するカウンタがインクリメントできるようになっている。
【0023】
光分割手段24と回折格子スケール32との間には、分割された一次光50とマイナス一次光52とを干渉させる既述のビーム干渉合成ユニット30が配置されている。すなわち、ビーム干渉合成ユニット30は、回折格子スケール32に照射された一次光50とマイナス一次光52とを取り込み、これを干渉させ、干渉した光を光検出素子(フォトダイオードPD)へ出力する。
【0024】
以下、図3によりビーム干渉合成ユニット30の構成を説明する。ビーム干渉合成ユニット30は、第一の偏光ビームスプリッタ34と、第二の偏光ビームスプリッタ36と、無偏光ビームスプリッタ38と、1/2波長板40、42と、1/4波長板44とで構成される。
【0025】
第一の偏光ビームスプリッタ34、第二の偏光ビームスプリッタ36及び無偏光ビームスプリッタ38は、いずれも断面が矩形で、矩形の対角線の位置が接合面(無偏光ビームスプリッタ面)となっている2個の断面三角形のプリズムより構成される。図3において、第一の偏光ビームスプリッタ34及び第二の偏光ビームスプリッタ36は、接合面(偏光ビームスプリッタ面)が水平になるように配され、一方、無偏光ビームスプリッタ38は、接合面(無偏光ビームスプリッタ面)が垂直になるように配されている。各ビームスプリッタの接合面は、入射した光線を透過光と反射光とに分割する役割を果たす。
【0026】
図3における、無偏光ビームスプリッタ38の下側の隣接する2面には、1/2波長板40、42がそれぞれ取り付けられている。そして、無偏光ビームスプリッタ38の上側の隣接する2面には、第一の偏光ビームスプリッタ34と第二の偏光ビームスプリッタ36の1面がそれぞれ対向して配されている。但し、無偏光ビームスプリッタ38と左側の第二の偏光ビームスプリッタ36との間には1/4波長板44が挿入されている。
【0027】
ビーム干渉合成ユニット30の出力が取り出される面は4面であり、これらの面に相対する位置には光検出素子である4個のフォトダイオードPDが配されている、これらによりビーム干渉合成ユニット30の出力が検出される。
【0028】
以下、回折格子スケール32に照射され、出射した一次光50とマイナス一次光52とがビーム干渉合成ユニット30に取り込まれ、ビーム干渉合成ユニット30よりフォトダイオードPDへ出力するまでの光線の流れに従って、ビーム干渉合成ユニット30の構成を補強説明する。
【0029】
図3において、回折格子スケール32に照射されて反射した一次光50は、左斜下約45度の位置より1/2波長板40に略垂直に入射する。次いで、無偏光ビームスプリッタ38に入射し、無偏光ビームスプリッタ面38Aを透過して無偏光ビームスプリッタ38から出射し、次いで、第一の偏光ビームスプリッタ34に入射し、偏光ビームスプリッタ面34Aを透過して第一の偏光ビームスプリッタ34から出射し、フォトダイオードPD1に入射する。
【0030】
同時に、回折格子スケール32に照射されて反射したマイナス一次光52は、右斜下約45度の位置より1/2波長板42に略垂直に入射する。次いで、無偏光ビームスプリッタ38に入射し、無偏光ビームスプリッタ面38Aで反射されて無偏光ビームスプリッタ38から出射し、次いで、第一の偏光ビームスプリッタ34に入射し、偏光ビームスプリッタ面34Aを透過して第一の偏光ビームスプリッタ34から出射し、フォトダイオードPD1に入射する。
【0031】
フォトダイオードPD1は、このように干渉させた一次光50とマイナス一次光52とを同時に取り込むものであり、光の強度変化(位相)のずれが0度の干渉光を受光する。受光された光によるフォトダイオードPD1の出力信号は、図5(a)に示されるような波形となる。
【0032】
同じく図3において、回折格子スケール32に照射されて反射した一次光50は、左斜下約45度の位置より1/2波長板40に略垂直に入射する。次いで、無偏光ビームスプリッタ38に入射し、無偏光ビームスプリッタ面38Aを透過して無偏光ビームスプリッタ38から出射し、次いで、第一の偏光ビームスプリッタ34に入射し、偏光ビームスプリッタ面34Aで反射されて第一の偏光ビームスプリッタ34から出射し、フォトダイオードPD2に入射する。
【0033】
同時に、回折格子スケール32に照射されて反射したマイナス一次光52は、右斜下約45度の位置より1/2波長板42に略垂直に入射する。次いで、無偏光ビームスプリッタ38に入射し、無偏光ビームスプリッタ面38Aで反射されて無偏光ビームスプリッタ38から出射し、次いで、第一の偏光ビームスプリッタ34に入射し、偏光ビームスプリッタ面34Aで反射されて第一の偏光ビームスプリッタ34から出射し、フォトダイオードPD2に入射する。
【0034】
フォトダイオードPD2は、このように干渉させた一次光50とマイナス一次光52とを同時に取り込むものであり、光の強度変化(位相)のずれが180度の干渉光を受光する。受光された光によるフォトダイオードPD2の出力信号は、図5(b)に示されるような波形となる。
【0035】
同じく図3において、回折格子スケール32に照射されて反射した一次光50は、左斜下約45度の位置より1/2波長板40に略垂直に入射する。次いで、無偏光ビームスプリッタ38に入射し、無偏光ビームスプリッタ面38Aで反射されて無偏光ビームスプリッタ38から出射し、次いで、1/4波長板44を経由して第二の偏光ビームスプリッタ36に入射し、偏光ビームスプリッタ面36Aを透過して第二の偏光ビームスプリッタ36から出射し、フォトダイオードPD3に入射する。
【0036】
同時に、回折格子スケール32に照射されて反射したマイナス一次光52は、右斜下約45度の位置より1/2波長板42に略垂直に入射する。次いで、無偏光ビームスプリッタ38に入射し、無偏光ビームスプリッタ面38Aを透過して無偏光ビームスプリッタ38から出射し、次いで、1/4波長板44を経由して第二の偏光ビームスプリッタ36に入射し、偏光ビームスプリッタ面36Aを透過して第二の偏光ビームスプリッタ36から出射し、フォトダイオードPD3に入射する。
【0037】
フォトダイオードPD3は、このように干渉させた一次光50とマイナス一次光52とを同時に取り込むものであり、光の強度変化(位相)のずれが90度の干渉光を受光する。受光された光によるフォトダイオードPD3の出力信号は、図5(c)に示されるような波形となる。
【0038】
同じく図3において、回折格子スケール32に照射されて反射した一次光50は、左斜下約45度の位置より1/2波長板40に略垂直に入射する。次いで、無偏光ビームスプリッタ38に入射し、無偏光ビームスプリッタ面38Aで反射されて無偏光ビームスプリッタ38から出射し、次いで、1/4波長板44を経由して第二の偏光ビームスプリッタ36に入射し、偏光ビームスプリッタ面36Aで反射されて第二の偏光ビームスプリッタ36から出射し、フォトダイオードPD4に入射する。
【0039】
同時に、回折格子スケール32に照射されて反射したマイナス一次光52は、右斜下約45度の位置より1/2波長板42に略垂直に入射する。次いで、無偏光ビームスプリッタ38に入射し、無偏光ビームスプリッタ面38Aを透過して無偏光ビームスプリッタ38から出射し、次いで、1/4波長板44を経由して第二の偏光ビームスプリッタ36に入射し、偏光ビームスプリッタ面36Aで反射されて第二の偏光ビームスプリッタ36から出射し、フォトダイオードPD4に入射する。
【0040】
フォトダイオードPD4は、このように干渉させた一次光50とマイナス一次光52とを同時に取り込むものであり、光の強度変化(位相)のずれが270度の干渉光を受光する。受光された光によるフォトダイオードPD4の出力信号は、図5(d)に示されるような波形となる。
【0041】
図5に示される、各フォトダイオードPD1〜4が検出した4種の信号波形は、光量の変動等をキャンセルできるように合算されて、図6に示されるような2種の波形に整理される。図6(a)の信号波形は、図5(a)の信号波形より図5(b)の信号波形を減算したものであり、光の強度変化(位相)のずれが0度の信号波形を示している。図6(b)の信号波形は、図5(c)の信号波形より図5(d)の信号波形を減算したものであり、光の強度変化(位相)のずれが90度の信号波形を示している。
【0042】
光の強度変化(位相)のずれが0度の信号波形と90度の信号波形を得る理由は、分周カウントのためと光の走査方向の判別のためである。図6で得られた信号波形より、光の走査された距離が得られ、これにより回転テーブル12の回転角度の誤差が算出できる。
【0043】
以下、信号処理の詳細について説明する。図7は、回折格子の変位と出力信号位相との関係を示すグラフであり、図8は、回折格子スケールによる測長機の構成を示すブロックダイアグラムである。フォトダイオードPD1〜PD4で検出された4相のモアレ信号は、それぞれプリアンプ70により電圧増幅された後、減算回路であるオペアンプ72に入力される。オペアンプ72では、位相差πの信号の組み合わせで減算がなされ、DC成分が除去され、以下のY1 、Y2 の信号が出力される。
【0044】
【数1】
Y1 =A・sin(2πx/P)
【0045】
【数2】
Y2 =A・cos(2πx/P)
この手法により、光量変動に伴う誤差等の除去が図られる。
【0046】
方向弁別回路74は、この2相の信号の相対関係から、回折格子の移動方向を判断して、Up/Downカウンタ80にUp又はDownの切り換え信号を送る。具合的には、信号が方向弁別回路74より、分割回路76及びパルス化回路78を経てUp/Downカウンタ80に送られるとともに、Up/Downスイッチ84にも送られる。また、Up/Downカウンタ80にはゼロ検出手段82及びUp/Downスイッチ84を経て戻るループが設けられている。Up/Downカウンタ80のUp/Downの方向は、+と−の領域では逆になるため、カウンタのゼロ点通過が検出されて、切り換えられる。
【0047】
Up/Downカウンタ80よりの出力は、データラッチ88を経て出力バッハー90及びディスプレイ92に送られる。なお、Up/Downカウンタ80にはゼロセット手段86が接続されており、ゼロセット可能となっている。
【0048】
次に、回転角度測定装置10の作用について、図2等に従って説明する。図2は、回転テーブル12に同心に固定されているポリゴンミラー14が、同図の破線で示される状態から実線で示される状態に反時計方向にθだけ回転した状態を示している。ポリゴンミラー14の回転前の状態での反射光及び一次光50、マイナス一次光52は破線で示されている。一方、ポリゴンミラー14のθ回転した後の状態での反射光及び一次光50、マイナス一次光52は実線で示されている。破線の反射光と実線の反射光との角度差は2θとなる。
【0049】
ポリゴンミラー14の反射面と受光部20(FΘレンズ22)との距離をLとすれば、ポリゴンミラー14がθだけ回転したことによる一次光50(マイナス一次光52)のシフト量dは、L×tan2θとなる。したがって、回転テーブル12(ポリゴンミラー14)の回転θに伴う、回折格子スケール32により検出した変位出力SはS=2dとなる。
【0050】
たとえば、距離Lが500mmである場合、回転の角度偏差が1秒とすると、S=0.97μmとなる。回折格子スケール32の分解能が0.01μmであるとすれば、これは97カウント分に相当する。したがって、充分な測定精度が得られていると言える。
【0051】
ちなみに、従来より使用されていたロータリーエンコーダ、櫛歯状のインデックステーブル(俗称:カービック)等の誤差レベルは1周(360度)で2〜3秒であり、本発明の回転角度測定装置10の精度より大きく劣る。
【0052】
回転テーブル12をポリゴンミラー14の1面あたりの角度(この例では60度)毎に回転させ、角度偏差を回折格子スケール32による測定範囲内で順次測定する。この際、走査される一次光50が図4に示される回折格子スケール32の原点Zの位置を通過した際に、インクリメンタルカウンタがリセットできるようになっている。
【0053】
以上、本発明に係る回転角度測定装置の実施形態の例について説明したが、本発明は上記実施形態の例に限定されるものではなく、各種の態様が採り得る。
【0054】
たとえば、実施形態の例(図3、図5)では、4相の信号波形を使用する構成が採用されているが、0度、90度の2相の信号波形を使用する構成であっても略同様の効果が得られる。この場合、ビーム干渉合成ユニット30の構成が簡易化できる。
【0055】
また、実施形態の例では、回転する物体として水平方向に回転する回転テーブル12に本発明が適用されているが、これに代えてテーブルの水平方向との傾き(Tilt)を測定するための構成に適用することもできる。この場合であっても、同様に優れた効果が得られる。
【0056】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、投光部より平面鏡にレーザ光を照射し、この平面鏡で反射されたレーザ光を受光部で受光する。この受光部で受光したレーザ光が光分割手段により分割される。分割された2つのビームは、回折スケールにより回折し、一方のビームの一次光と他方のビームのマイナス一次光とがビーム干渉合成ユニットにより干渉され、その結果回転する物体の回転角度の誤差が求められる。したがって、この回転角度測定装置によれば、高精度の測定が可能であり、かつ、回転テーブル等の任意の角度における角度測定が容易となる。
【0057】
また、回折格子スケールを備えた構成によれば、受光部で受光したレーザ光が光分割手段により分割され、分割された2つのビームは回折格子スケールにより回折し、一方のビームの一次光と他方のビームのマイナス一次光とがビーム干渉合成ユニットにより干渉され、その結果回転する物体の回転角度の誤差が求められる。したがって、この回転角度測定装置によれば、高精度の測定が可能であり、かつ、回転テーブル等の任意の角度における角度測定が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の回転角度測定装置が使用される回転テーブルの概要を示す正面図
【図2】本発明の回転角度測定装置の構成を示す概念図
【図3】ビーム干渉合成ユニットの構成を説明する概念図
【図4】回折格子スケールの構成を示す概念図
【図5】各フォトダイオードが検出した信号波形を示すグラフ
【図6】位相が180度異なる信号を合成した波形を示すグラフ
【図7】回折格子の変位と出力信号位相の関係を示すグラフ
【図8】回折格子スケールによる測長機の構成を示すブロックダイアグラム
【符号の説明】
10…回転角度測定装置、12…回転テーブル(回転する物体)、14…ポリゴンミラー、16…検出部、18…投光部、20…受光部、22…FΘレンズ、24…光分割手段、30…ビーム干渉合成ユニット、32…回折格子スケール、34…第一の偏光ビームスプリッタ、36…第二の偏光ビームスプリッタ、38…無偏光ビームスプリッタ、40、42…1/2波長板、44…1/4波長板、50…一次光、52…マイナス一次光、PD…フォトダイオード(光検出素子)[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a rotation angle measurement device, and more particularly to a rotation angle measurement device that can be suitably used in a technical field where a precise rotation angle is required to be detected, such as a machine tool or a semiconductor manufacturing device.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, in technical fields such as machine tools and semiconductor manufacturing apparatuses, it has been required to detect a rotation angle of a rotary table or the like with high accuracy. That is, since the rotation angle of the table on which the workpiece is placed in the machine tool or the like directly affects the processing accuracy, a high rotation angle of the table is required. As a configuration corresponding to this, for example, a rotary encoder, a comb-shaped index table (common name: Carbic), and the like were generally used.
[0003]
As a technique for measuring the rotation accuracy of these tables, a rotation angle measurement method by the present applicant has been proposed (see Patent Document 1). This technique includes a beam interference combining unit, and first and second laser beams emitted from the beam interference combining unit, which are incident thereon and reflect the incident first and second laser beams in opposite directions. This is an initial incident angle measuring method in rotation angle measurement using a laser interferometer composed of an angle detecting reflecting means provided with a second reflecting means.
[0004]
According to this technique, when the rotation amount is measured using the laser interferometer, the angle of incidence of the reflection unit of the laser beam is measured, and the effect of improving the accuracy of the angle measurement can be obtained.
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2000-11325 A
[Problems to be solved by the invention]
However, in the proposal of the above-mentioned conventional Patent Document 1, when the stage returns by one rotation, the rotation accuracy is measured to determine the rotation accuracy of the stage. There is a problem that the angle cannot be measured at an angle, and this improvement has been demanded.
[0007]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and has as its object to provide a high-accuracy rotation angle measuring device that can easily measure an angle at an arbitrary angle such as a rotary table.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a detecting unit including a plane mirror fixed to a rotating object, and a light projecting unit and a light receiving unit fixed to a body separate from the rotating object. Irradiating the plane mirror with laser light from the light projecting unit, receiving the laser light reflected by the plane mirror at the light receiving unit, and measuring a rotation angle of the rotating object, a rotation angle comprising: In the measurement device, the detection unit may include a light splitting unit that splits the laser light received by the light receiving unit into a primary light and a minus primary light, and a beam interference combination that causes the split primary light and the minus primary light to interfere with each other. A beam angle synthesizing unit for determining an error in the rotation angle of the rotating object.
[0009]
According to the present invention, a laser beam is emitted from the light projecting unit to the plane mirror, and the laser beam reflected by the plane mirror is received by the light receiving unit. The laser light received by the light receiving section is split by the light splitting means. The two split beams are diffracted by the diffraction scale, and the primary light of one beam and the minus primary light of the other beam are interfered by the beam interference combining unit, and as a result, the error of the rotation angle of the rotating object is obtained. Can be Therefore, according to this rotation angle measuring device, high-precision measurement is possible, and angle measurement at an arbitrary angle such as a rotary table is facilitated.
[0010]
In the present invention, it is preferable that the plane mirror is one surface of a polygon mirror. If a polygon mirror constituted by combining a plurality of plane mirrors is used as described above, the same measurement can be performed without interruption at every predetermined rotation angle, which is desirable as a rotation angle measurement device. For example, when a polygon mirror having 36 surfaces is used, the rotation angle of the entire circumference (360 degrees) can be measured by sharing the rotation angle of 10 degrees on each surface of the polygon mirror.
[0011]
In the present invention, the diffraction grating scale further includes a plurality of photodetectors, and the divided primary light and the minus primary light are irradiated on the diffraction grating scale, and the irradiated primary light is irradiated. It is preferable that the reflected light of the first and second primary lights at the position of the diffraction grating scale be read by the light detection element via the beam interference synthesizing unit.
[0012]
As described above, if the diffraction grating scale is provided and the positions of the primary light and the minus primary light applied to the diffraction grating scale are read, high-precision measurement is possible, and an arbitrary angle such as a rotary table can be obtained. This is because the angle measurement can be performed more effectively.
[0013]
Further, in the present invention, the runout of the rotation center of the rotating object is detected by a non-contact type position sensor, and the error of the rotation angle of the rotating object is corrected by the detected value of the runout. Preferably. When the rotary table or the like is set eccentrically, even with the rotation angle measuring device of the present invention, an error occurs due to this effect. Even in this case, the above-described problem can be solved by detecting the runout of the rotation center of the object with the non-contact type position sensor and feeding back the result as described above. is there.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of a rotation angle measuring device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a front view showing an outline of a rotary table in which a rotation angle measuring device of the present invention is used.
[0015]
A
[0016]
A
[0017]
FIG. 2 is a conceptual diagram showing the configuration of the rotation
[0018]
A
[0019]
The
[0020]
More specifically, the laser light that has entered the
[0021]
A diffraction grating scale 32 (commonly called an absolute scale) is fixed at a position where the
[0022]
The
[0023]
Between the light splitting means 24 and the
[0024]
Hereinafter, the configuration of the beam
[0025]
Each of the first
[0026]
In FIGS. 3A and 3B, 40
[0027]
The surfaces from which the output of the beam
[0028]
Hereinafter, the
[0029]
In FIG. 3, the
[0030]
At the same time, the minus
[0031]
The photodiode PD1 simultaneously receives the
[0032]
Similarly, in FIG. 3, the
[0033]
At the same time, the minus
[0034]
The photodiode PD2 simultaneously receives the
[0035]
Similarly, in FIG. 3, the
[0036]
At the same time, the minus
[0037]
The photodiode PD3 simultaneously receives the
[0038]
Similarly, in FIG. 3, the
[0039]
At the same time, the minus
[0040]
The photodiode PD4 simultaneously takes in the
[0041]
The four types of signal waveforms detected by the photodiodes PD1 to PD4 shown in FIG. 5 are summed so as to be able to cancel fluctuations in the amount of light, etc., and arranged into two types of waveforms as shown in FIG. . The signal waveform of FIG. 6A is obtained by subtracting the signal waveform of FIG. 5B from the signal waveform of FIG. 5A. Is shown. The signal waveform of FIG. 6B is obtained by subtracting the signal waveform of FIG. 5D from the signal waveform of FIG. 5C. Is shown.
[0042]
The reason why the signal waveform having the light intensity change (phase) shift of 0 degree and the signal waveform of 90 degree is obtained is to count the frequency division and to determine the scanning direction of the light. The scanning distance of the light is obtained from the signal waveform obtained in FIG. 6, whereby the error of the rotation angle of the
[0043]
Hereinafter, the details of the signal processing will be described. FIG. 7 is a graph showing the relationship between the displacement of the diffraction grating and the output signal phase, and FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of a length measuring machine using a diffraction grating scale. The four-phase moiré signals detected by the photodiodes PD1 to PD4 are each subjected to voltage amplification by a
[0044]
(Equation 1)
Y 1 = A · sin (2πx / P)
[0045]
(Equation 2)
Y 2 = A · cos (2πx / P)
With this method, it is possible to remove an error or the like due to a change in light amount.
[0046]
The
[0047]
The output from the Up / Down counter 80 is sent to the
[0048]
Next, the operation of the rotation
[0049]
If the distance between the reflection surface of the
[0050]
For example, when the distance L is 500 mm and the rotation angle deviation is 1 second, S = 0.97 μm. If the resolution of the
[0051]
Incidentally, the error level of a conventionally used rotary encoder, a comb-shaped index table (common name: Carbic) or the like is 2 to 3 seconds in one rotation (360 degrees). Greatly inferior to precision.
[0052]
The rotation table 12 is rotated for each angle (60 degrees in this example) per surface of the
[0053]
As described above, the example of the embodiment of the rotation angle measuring device according to the present invention has been described. However, the present invention is not limited to the example of the above embodiment, and various aspects can be adopted.
[0054]
For example, in the example of the embodiment (FIGS. 3 and 5), a configuration using four-phase signal waveforms is adopted, but a configuration using two-phase signal waveforms of 0 degrees and 90 degrees is also used. Substantially the same effects can be obtained. In this case, the configuration of the beam
[0055]
Further, in the example of the embodiment, the present invention is applied to the rotary table 12 that rotates in the horizontal direction as a rotating object. Instead, a configuration for measuring the tilt (Tilt) of the table with respect to the horizontal direction is used. Can also be applied. Even in this case, similarly excellent effects can be obtained.
[0056]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a laser beam is emitted from a light projecting unit to a plane mirror, and the laser beam reflected by the plane mirror is received by a light receiving unit. The laser light received by the light receiving section is split by the light splitting means. The two split beams are diffracted by the diffraction scale, and the primary light of one beam and the minus primary light of the other beam are interfered by the beam interference combining unit, and as a result, the error of the rotation angle of the rotating object is obtained. Can be Therefore, according to this rotation angle measuring device, high-precision measurement is possible, and angle measurement at an arbitrary angle such as a rotary table is facilitated.
[0057]
Further, according to the configuration including the diffraction grating scale, the laser beam received by the light receiving unit is split by the light splitting unit, and the two split beams are diffracted by the diffraction grating scale. And the minus primary light of the beam are interfered by the beam interference combining unit, and as a result, the error of the rotation angle of the rotating object is obtained. Therefore, according to this rotation angle measuring device, high-precision measurement is possible, and angle measurement at an arbitrary angle such as a rotary table is facilitated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front view showing an outline of a rotary table in which a rotation angle measuring device of the present invention is used. FIG. 2 is a conceptual diagram showing a configuration of a rotation angle measuring device of the present invention. FIG. FIG. 4 is a conceptual diagram showing the configuration of a diffraction grating scale. FIG. 5 is a graph showing a signal waveform detected by each photodiode. FIG. 6 is a graph showing a waveform obtained by synthesizing signals having phases different by 180 degrees. FIG. 7 is a graph showing the relationship between the displacement of the diffraction grating and the output signal phase. FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of a length measuring machine using a diffraction grating scale.
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記回転する物体とは別体の躯体に固定される、投光部と受光部とを備える検出部であって、前記投光部より前記平面鏡にレーザ光を照射し、前記平面鏡で反射されたレーザ光を前記受光部で受光し、前記回転する物体の回転角度を測定する検出部と、
を備える回転角度測定装置において、
前記検出部は、前記受光部で受光したレーザ光を一次光とマイナス一次光とに分割する光分割手段と、分割された前記一次光とマイナス一次光とを干渉させるビーム干渉合成ユニットとを備えており、
該ビーム干渉合成ユニットにより前記回転する物体の回転角度の誤差が求められることを特徴とする回転角度測定装置。A plane mirror fixed to a rotating object,
The rotating object is fixed to a separate body, a detecting unit including a light projecting unit and a light receiving unit, and irradiates the plane mirror with laser light from the light projecting unit, and is reflected by the plane mirror. A detection unit that receives laser light at the light receiving unit and measures a rotation angle of the rotating object,
In a rotation angle measuring device comprising:
The detection unit includes a light splitting unit that splits the laser light received by the light receiving unit into primary light and minus primary light, and a beam interference combining unit that causes the split primary light and minus primary light to interfere with each other. And
A rotation angle measuring device, wherein an error of a rotation angle of the rotating object is obtained by the beam interference synthesis unit.
分割された前記一次光とマイナス一次光とが前記回折格子スケールに照射されるとともに、該照射された前記一次光とマイナス一次光の前記回折格子スケールの位置におけるそれぞれの反射光が、前記ビーム干渉合成ユニットを経由して前記光検出素子で読み取られる請求項1又は2のいずれか1項に記載の回転角度測定装置。Furthermore, a diffraction grating scale and a plurality of photodetectors are provided,
The divided primary light and the minus primary light are irradiated on the diffraction grating scale, and the reflected light of the irradiated primary light and the minus primary light at the position of the diffraction grating scale is caused by the beam interference. The rotation angle measurement device according to claim 1, wherein the rotation angle is read by the light detection element via a synthesis unit.
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2003
- 2003-02-12 JP JP2003033714A patent/JP2004245634A/en active Pending
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