JP2005114607A

JP2005114607A - 変位センサー、その固定方法および干渉計

Info

Publication number: JP2005114607A
Application number: JP2003350666A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Kato; 成樹加藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-10-09
Filing date: 2003-10-09
Publication date: 2005-04-28

Abstract

【課題】環境温度変化に強い、高精度な変位計。
【解決手段】変位測定方向に垂直な方向にバネ性をもった部材をセンサーに設け、その部材にネジ止め等の固定機構を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、非接触で物体の位置変動を検出する干渉装置に関するものである。特に光の干渉現象を応用してサブミクロンオーダーの分解能、精度を達成する微小干渉変位計および、該変位計を利用した工作機械、組み立て調整装置等に好適なものである。

レーザーを応用した干渉装置は、高精度の長さ測定装置として広く利用されている。一般的にこうした装置は絶対精度が必要とされ、波長の安定したガスレーザーが使用される。さらに、最近では簡易な干渉装置として小型簡便性を特徴とする半導体レーザーを用いた装置も広く利用されている。図６は従来式の光源に半導体レーザーを使用した干渉装置の概略図である。図６において半導体レーザーから射出されたレーザー光束２０はコリメーターレンズ２で集光光束となり偏光ビームスプリッター３に入射し測定光束２２ｂと参照光束２２ａに分割される。測定光束２２ｂは１／４λ板４ｂを通過し測定対象物１１に照射され。その後測定光束２２ｂは測定対象物１１で反射され再びもとの光路をたどって偏光ビームスプリッター３に入射し今度は反射される。一方参照光束２２ａは１／４λ板４ａを透過し、参照ミラー６で反射される。そして元の光路を通り、今度は偏光ビームスプリッター３を透過し、測定光束と合波される。アパーチャー７で中心だけを射抜かれた光は１／２λ板４ｃを透過することで回転する直線偏光となる。その後偏光板９を透過することで、測定対象物１１の移動に伴い光の強度が変調された干渉明暗信号となる。干渉明暗信号は受光素子１０で受光され、受光素子１０からは測定対象物の移動に伴い電気的サイン信号が出力される。

次に上記のような干渉センサーを取り付ける場合の例を図５に示す。一番簡単な方法は図５のようにセンサー本体にネジ固定用の穴を設け、取り付け相手側にタップを切り、ネジ止めする方法である。センサー本体側の穴をネジより大きめに開けることにより、位置調整等にも有効であり一般的な方法である。
特開平１０−７９１８０号公報

しかしながら近年の、変位測定の高精度化は進歩が著しく、外部環境により測定値に影響があるという問題が出ている。例えば温度環境は変位測定において直接的に変位に影響する要因である。測定環境を安定化、センサー本体の熱的影響度を低減させることも必要だが、センサー本体と取り付け相手の固定は、取り付け相手がさまざまに異なることもあり最も重要な部分である。

材質が異なる場合はもちろん熱膨張率は異なる。環境温度が変化した場合例えばセンサーヘッドＨＤの材質をアルミ（熱膨張率α＝２３．９Ｅ−６）、取り付け部材ＢＡの材質を鉄（熱膨張率α＝１０Ｅ−６）として、取り付け穴間隔を５０ｍｍとすると、１℃の温度変化で各ネジ間に６９５ｎｍ熱膨張差が生じることになる。つまりこの熱膨張率差の結果はセンサーヘッドの位置ずれ、センサー本体の変形による内部光学部品は位置変化として現れることになる。

これらの影響は予期せぬ方向にランダムに生じるため、サブｎｍの精度での測定を要求する場合この影響は無視出来ない。

上記従来式干渉計の問題点を解決する本発明のセンサーは、変位、位置情報を出力するセンサーにおいて、変位情報を出力する方向とは垂直方向にバネ性を持った部材をセンサーに設け、そのバネ性部材に固定機構を設けたセンサーであることを特徴としている。

また、変位、位置情報を出力するセンサーにおいて、変位情報を出力する方向とは垂直方向にバネ性を持った部材を持ち、さらにセンサー本体の部品固定エリアの外に変位測定方向へのバネ性を持った部材を設け、そのバネ性部材に固定機構を設けたことを特徴としている。また上記変位計において該固定機構はネジ止めであることを特徴としている。

また、上記変位計において該バネ性部材のネジ止め部の穴周辺に広い面積の面を持ち、該広い面積を持つ面が主に取り付け相手部材と接触することを特徴としている。

以上、本発明を整理して要約すれば以下の構成に集約できる。

（１）変位、位置情報を出力するセンサーにおいて、
変位情報を出力する方向とは垂直方向にバネ性を持った部材をセンサーに設け、そのバネ性部材に固定機構を設けたことを特徴とする変位センサー。

（２）変位、位置情報を出力するセンサーにおいて、
変位情報を出力する方向とは垂直方向にバネ性を持った部材を持ち、さらにセンサーアタッチメントのセンサー固定エリアの外に変位測定方向へのバネ性を持った部材を設け、そのバネ性部材に固定機構を設けて固定することを特徴とする変位センサー固定方法。

（３）変位センサー固定方法において、該固定機構はネジ止めであることを特徴とする前記（１）または（２）記載の変位センサー。

（４）変位センサー固定方法において、該バネ性部材のネジ止め部の穴周辺に広い面積の面を持ち、該広い面積を持つ面が主に取り付け相手部材と接触することを特徴とする前記（１）または（２）記載の変位センサー。

（５）光源からの光束を光透過部材内にて２つの光束に分割し、一方の光束（測定光束）を光学ヘッドに固設したリファレンスミラーの反射面にて反射させ、一方の光束を移動あるいは変位する測定対象物に照射、反射させおのおのの光束を前記透過部材内にて合波させ、該合波光束より干渉光束を得る干渉光学系を持つ干渉計において、変位情報を出力する方向とは垂直方向にバネ性を持った部材を干渉計本体に設け、さらに干渉計本体の部品固定エリアの外に変位測定方向へのバネ性を持った部材を設け、そのバネ性部材に固定機構を設けたことを特徴とする干渉計。

（６）光源からの光束を光透過部材内にて２つの光束に分割し、一方の光束（測定光束）を光学ヘッドに固設したリファレンスミラーの反射面にて反射させ、一方の光束を移動あるいは変位する測定対象物に照射、反射させおのおのの光束を前記透過部材内にて合波させ、該合波光束より干渉光束を得る干渉光学系を持つ干渉計において、変位情報を出力する方向とは垂直方向にバネ性を持った部材を持ち、さらに干渉計本体の部品固定エリアの外に変位測定方向へのバネ性を持った部材を設け、そのバネ性部材に固定機構を設けたことを特徴とする干渉計。

（７）変位計において該固定機構はネジ止めであることを特徴とする前記（５）または（６）記載の変位センサー。

（８）変位計において該バネ性部材のネジ止め部の穴周辺に広い面積の面を持ち、該広い面積を持つ面が主に取り付け相手部材と接触することを特徴とする前記（５）または（６）記載の変位センサー。

以上説明したように、上記従来式干渉計の問題点を解決する本発明のセンサーは、変位、位置情報を出力するセンサーにおいて、変位情報を出力する方向とは垂直方向にバネ性を持った部材をセンサーに設け、そのバネ性部材に固定機構を設けたセンサーとすることで、取り付け部材とセンサー本体の熱膨張率差があった場合でも高精度な変位測定を実現する。

また、変位、位置情報を出力するセンサーにおいて、変位情報を出力する方向とは垂直方向にバネ性を持った部材を持ち、さらにセンサー本体の部品固定エリアの外に変位測定方向へのバネ性を持った部材を設け、そのバネ性部材に固定機構を設けることで、同様に部材間の熱膨張率差を吸収した上に、振動の影響も受けにくい変位センサーを提供できる。また上記変位計において該バネ性部材のネジ止め部の穴周辺に広い面積の面を持ち、該広い面積を持つ面が主に取り付け相手部材と接触することことで、取り付け部材間の熱膨張率差の影響度を限定することが出来る。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

図２は本発明の第一の実施例の概略図である。図２において半導体レーザーから射出されたレーザー光束２０はコリメーターレンズ２で集光光束となり偏光ビームスプリッター３に入射し測定光束２２ｂと参照光束２２ａに分割される。測定光束２２ｂは１／４λ板４ｂを通過し測定対象物１１に照射され、その後測定光束２２ｂは測定対象物１１で反射され再びもとの光路をたどって偏光ビームスプリッター３に入射し今度は反射される。一方参照光束２２ａは１／４λ板４ａを透過し、参照ミラー６で反射される。そして元の光路を通り、今度は偏光ビームスプリッター３を透過し、測定光束と合波される。アパーチャー７で中心だけを射抜かれた光は１／２λ板４ｃを透過することで回転する直線偏光となる。その後偏光板９を透過することで、測定対象物１１の移動に伴い光の強度が変調された干渉明暗信号となる。干渉明暗信号は受光素子１０で受光され、受光素子１０からは測定対象物の移動に伴い電気的サイン信号が出力される。本センサーはセンサー本体を取り付け部材に取り付けるための手段としてネジ取り付け用の穴Ｈ１、Ｈ２を設けている。この穴はセンサー本体に設けられたばね性部材ＳＰ１、ＳＰ２に構成されている。また固定に際しＨ１、Ｈ２の部分には、ネジ止めの際その周辺にのみ圧力が加わるように接触面Ｐ１、Ｐ２が設けられている。本発明のセンサーＨＤは図１のように取り付け部材ＢＡにネジＳ１０、Ｓ１１で固定される。仮に従来例と同様にセンサーＨＤの材質をアルミ（熱膨張率α＝２３．９Ｅ−６）、取り付け部材ＢＡの部材を鉄（熱膨張率α＝１０Ｅ−６）、ネジ間距離を５０ｍｍだとすると、１℃で取り付け部材ＢＡのネジ穴部分とセンサーＨＤの取り付け穴部分の熱膨張差は６９５ｎｍになる。しかし上述のセンサーＨＤに設けられた、ばね性部分ＳＰ１、ＳＰ２で吸収されるため、熱膨張率差の影響はネジ止めの圧力がかかるＰ１、Ｐ２の平面部分の微小領域にのみ限定されるので影響も軽微となる。また光学部品配置部に応力が生じることも無いので高精度変位測定に好適である。

図３、図４は本発明の第２の実施例である。本実施例ではセンサーの光学的構成は実施例１と同一であるが、センサーの固定部分のみ異なる。固定穴は実施例１同様のＨ１、Ｈ２、面Ｐ１、Ｐ２の他に取り付け穴Ｈ３と面Ｐ３が設けてある。この穴はセンサーの変位測定方向にバネ性をもった部材ＳＰ３上に設けてある。実施例１にくらべセンサーを取り囲む３点で固定を行っている点、振動等の影響を受けにくいため高精度測定に向く。また実施例１同様に熱膨張差による影響は３つのバネ性部分で吸収されるため測定環境の温度変動の影響でセンサーが予期せぬ動きをすることが無いため、同様に高精度測定に好適である。

本発明の実施例１の変位計を固定した図本発明の実施例１の変位計の概略構成図本発明の実施例２の変位計を固定した図本発明の実施例２の変位計の概略構成図従来式変位センサーを固定した図従来式変位センサーの概略構成図

符号の説明

１発光素子
２コリメーターレンズ
３偏光ビームスプリッター
４ａ、４ｂ、４ｃ１／４λ板
５スペーサー
６参照ミラー
７アパーチャー
８集光レンズ
９偏光板
１０受光素子
１１測定対象物
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３固定時接触部分
Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３固定穴
２０、２１、２２ａ、２２ｂ光束
ＢＡ固定相手部材
ＨＤセンサー本体
ＳＰ、ＳＰ１、ＳＰ２、ＳＰ３バネ性部材
Ｓ１０、Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３固定ネジ

Claims

変位、位置情報を出力するセンサーにおいて、
変位情報を出力する方向とは垂直方向にバネ性を持った部材をセンサーに設け、そのバネ性部材に固定機構を設けたことを特徴とする変位センサー。
変位、位置情報を出力するセンサーにおいて、
変位情報を出力する方向とは垂直方向にバネ性を持った部材を持ち、さらにセンサーアタッチメントのセンサー固定エリアの外に変位測定方向へのバネ性を持った部材を設け、そのバネ性部材に固定機構を設けて固定することを特徴とする変位センサー固定方法。
変位センサー固定方法において、該固定機構はネジ止めであることを特徴とする請求項１または２記載の変位センサー。
変位センサー固定方法において、該バネ性部材のネジ止め部の穴周辺に広い面積の面を持ち、該広い面積を持つ面が主に取り付け相手部材と接触することを特徴とする請求項１または２記載の変位センサー。
光源からの光束を光透過部材内にて２つの光束に分割し、一方の光束（測定光束）を光学ヘッドに固設したリファレンスミラーの反射面にて反射させ、一方の光束を移動あるいは変位する測定対象物に照射、反射させおのおのの光束を前記透過部材内にて合波させ、該合波光束より干渉光束を得る干渉光学系を持つ干渉計において、変位情報を出力する方向とは垂直方向にバネ性を持った部材を干渉計本体に設け、さらに干渉計本体の部品固定エリアの外に変位測定方向へのバネ性を持った部材を設け、そのバネ性部材に固定機構を設けたことを特徴とする干渉計。
光源からの光束を光透過部材内にて２つの光束に分割し、一方の光束（測定光束）を光学ヘッドに固設したリファレンスミラーの反射面にて反射させ、一方の光束を移動あるいは変位する測定対象物に照射、反射させおのおのの光束を前記透過部材内にて合波させ、該合波光束より干渉光束を得る干渉光学系を持つ干渉計において、変位情報を出力する方向とは垂直方向にバネ性を持った部材を持ち、さらに干渉計本体の部品固定エリアの外に変位測定方向へのバネ性を持った部材を設け、そのバネ性部材に固定機構を設けたことを特徴とする干渉計。
変位計において該固定機構はネジ止めであることを特徴とする請求項５または６記載の変位センサー。
変位計において該バネ性部材のネジ止め部の穴周辺に広い面積の面を持ち、該広い面積を持つ面が主に取り付け相手部材と接触することを特徴とする請求項５または６記載の変位センサー。