JP2014166675A - パラレル機構 - Google Patents

Abstract

【課題】移動ステージの位置と姿勢の高精度な観測と制御が可能なパラレル機構を実現すること。
【解決手段】移動ステージ５は、直線駆動機構１〜３によって駆動され、ベースプレート４に対して相対運動を行う。直線駆動機構１〜３のそれぞれは、ベースプレート４と移動ステージ５との間に設けられる。移動ステージ５に設けられるリフレクタ５３１〜５３３は、入射光の光路を忠実にたどって反射する。ベースプレート４に搭載されるレーザトラッカ４３１〜４３３は、それぞれリフレクタ５３１〜５３３にレーザ光を照射し、レーザ光とリフレクタ５３１〜５３３で反射された反射光との干渉により移動ステージ５の位置と姿勢を観測しつつ、制御部７の指令により移動ステージ５を追尾する。また制御部７は観測データを基に移動ステージの高精度な位置制御を行うことも可能である。
【選択図】図１１

Description

本発明はパラレル機構に関し、例えば精密な位置測定手段を有するパラレル機構に関する。

パラレル機構は、固定されたベースプレートから伸びる直線駆動機構、屈曲駆動機構やスライド機構（リンクとも称される）などの駆動機構を複数有する。これら複数の駆動機構を同時に動作させることで、出力となる移動ステージをベースプレートに対して移動させることができる（例えば、特許文献１及び２）。パラレル機構は、古くよりフライトシミュレータ、組立用などのロボットシステム、アミューズメント装置の駆動機構として実用化されている。近年では、パラレル機構の工作機械への適用が報告されている。こうしたパラレル機構の適用範囲の拡大に伴い、例えば形状測定機へのパラレル機構の適用も報告されている。

パラレル機構は、駆動機構の中でも比較的高速に駆動ができる。そのため、例えば測定機に搭載すれば、測定ステージを高速に駆動できるので、測定時間の短縮が期待できる。また、パラレル機構は様々なタイプが知られており、例えば、移動ステージの空間３自由度駆動が可能なタイプ、移動ステージの並進３自由度駆動が可能なタイプ、さらには互いに直交するＸＹＺの３軸方向と各軸の回転方向の６自由度駆動が可能なタイプなどがある。

特開２０００−１３０５３６号公報 特公平０４−０４５３１０号公報

ところが、発明者らは、上述の手法には以下に示す問題点が有ることを見出した。パラレル機構は高速動作が可能である反面、駆動機構の剛性が低く、駆動精度が劣る面が有る。そのため、例えば精密測定用の測定機器などに搭載するには、不向きであった。

本発明の第１の態様であるパラレル機構は、ベースプレートと、前記ベースプレートに対して移動する移動ステージと、前記ベースプレートと前記移動ステージの間に設けられ、前記ベースプレートに対する前記移動ステージの相対位置を変化させる複数の駆動機構と、前記移動ステージに設けられ、入射する光を反射する反射部と、前記ベースプレートに対して空間的に位置が固定され、前記反射部に測定光を照射し、前記反射部で反射した前記測定光と参照光との干渉を観測して前記移動ステージの移動距離及び移動方向を測定する測定部と、前記複数の駆動機構を制御する制御部と、を備えるものである。

本発明の第２の態様であるパラレル機構は、上述のパラレル機構であって、前記反射部は、前記移動ステージの前記ベースプレート側の面に設置され、前記測定部は、前記ベースプレートに設置され、前記反射部に前記測定光を照射するものである。

本発明の第３の態様であるパラレル機構は、上述のパラレル機構であって、前記複数の駆動機構のそれぞれと、前記ベースプレート及び前記移動ステージと、を連結する複数のジョイントを更に備え、前記測定部は、前記複数の駆動機構及び前記ベースプレートを連結する前記複数のジョイントのいずれかと、前記測定部が設置された前記ベースプレートの面の図心と、を結ぶ線の上に設置され、前記反射部は、前記複数の駆動機構及び前記移動ステージを連結する前記複数のジョイントのいずれかと、前記反射部が設置された前記移動ステージの面の図心と、を結ぶ線の上に設置されるものである。

本発明の第４の態様であるパラレル機構は、上述のパラレル機構であって、前記反射部は前記移動ステージに所定の間隔で複数設けられ、複数の前記反射部のそれぞれに測定光を照射する前記測定部が、前記ベースプレートに所定の間隔で複数設けられるものである。

本発明の第５の態様であるパラレル機構は、上述のパラレル機構であって、前記測定部が２つ設けられ、前記反射部が２つ設けられ、２つの前記測定部は、前記ベースプレートの面の図心に対して対称な位置に設置され、２つの前記反射部は、前記移動ステージの面の図心に対して対称な位置に設置されるものである。

本発明の第６の態様であるパラレル機構は、上述のパラレル機構であって、前記測定部が３つ設けられ、前記反射部が３つ設けられ、３つの前記測定部は、前記ベースプレートの面の図心を基準として等間隔な位置に設置され、３つの前記反射部は、前記移動ステージの面の図心を基準として等間隔な位置に設置されるものである。

本発明の第７の態様であるパラレル機構は、上述のパラレル機構であって、前記複数の駆動機構を構成する第１〜第６の駆動機構と、前記複数のジョイントを構成する、前記ベースプレートと前記第１〜第６の駆動機構のそれぞれとを連結する第１〜第６のジョイントと、前記複数のジョイントを構成する、前記移動ステージと前記第１〜第６の駆動機構のそれぞれとを連結する第７〜第１２のジョイントと、を備え、前記第１〜第１２のジョイントは球状ジョイントであるものである。

本発明の第８の態様であるパラレル機構は、上述のパラレル機構であって、前記測定部は、前記ベースプレートに対して相対位置が固定された球と、前記球の中心と前記反射部とを結ぶ線を光軸とする前記測定光を出射し、前記反射部で反射した前記測定光と前記参照光との干渉を観測する干渉計と、前記球の前記中心で直交する２本の回転軸周りに前記干渉計を駆動する駆動部と、を備えるものである。

本発明の第９の態様であるパラレル機構は、上述のパラレル機構であって、前記２本の回転軸は、前記測定部が設置された前記ベースプレートの前記測定部が設置された面に平行であるものである。

本発明の第１０の態様であるパラレル機構は、上述のパラレル機構であって、前記測定部は、前記測定光を出射し、前記反射部で反射した前記測定光と前記参照光とを干渉させる干渉計と、前記ベースプレートに設けられ、前記ベースプレートに対して固定された第１の点で直交する２本の回転軸まわりに回転可能なように前記干渉計を支持するベースプレート側回転機構と、前記干渉計に固定された第１部分と前記第１部分に対して直線往復運動する第２部分とを備えるテレスコピック構造と、前記移動ステージに設けられ、前記移動ステージに対して固定された第２の点で直交する２本の回転軸まわりに回転可能なように前記テレスコピック構造の前記第２部分を支持する移動ステージ側回転機構と、を備え、前記反射部は、前記第２の点に配置されるものである。

本発明の第１１の態様であるパラレル機構は、上述のパラレル機構であって、前記測定部は、中心が前記第１の点に一致する球を備え、前記干渉計は、前記第１の点と前記第２の点を結ぶ直線を光軸として前記測定光を出射するものである。

本発明の第１２の態様であるパラレル機構は、上述のパラレル機構であって、前記複数の駆動機構は、直動アクチュエータを備え、前記テレスコピック構造は前記直動アクチュエータの一部であるものである。

本発明の第１３の態様であるパラレル機構は、上述のパラレル機構であって、前記干渉計に接続された第１光ファイバ及び第２光ファイバを備え、前記干渉計は、前記第１光ファイバを介して入力光を入力し、前記入力光から前記測定光及び前記参照光を生成し、前記反射部で反射した前記測定光と前記参照光を干渉させて干渉光を生成し、前記第２光ファイバを介して前記干渉光を出力するものである。

本発明によれば、移動ステージの位置の高精度な観測が可能なパラレル機構を実現できる。

本発明の上述及び他の目的、特徴、及び長所は以下の詳細な説明及び付随する図面からより完全に理解されるだろう。付随する図面は図解のためだけに示されたものであり、本発明を制限するためのものではない。

実施の形態１にかかるパラレル機構１００の概略構成を模式的に示す斜視図である。 パラレル機構１００の構造をより詳細に示す斜視図である。 直線駆動機構１を図２のＡ方向から観察した場合の構成図である。 図２のＢ方向から見た場合のパラレル機構１００のベースプレート４の俯瞰図である。 レーザトラッカ４１１の構成の一例を模式的に示す図である。 図２のＣ方向から見た場合のパラレル機構１００の移動ステージ５の俯瞰図である。 キャッツアイにおける入射光及び反射光の経路を模式的に示す図である。 実施の形態２にかかるパラレル機構２００の構成を模式的に示す斜視図である。 図８のＢ方向から見た場合のパラレル機構２００のベースプレート４の俯瞰図である。 図８のＣ方向から見た場合のパラレル機構２００の移動ステージ５の俯瞰図である。 実施の形態３にかかるパラレル機構３００の構成を模式的に示す斜視図である。 図１１のＢ方向から見た場合のパラレル機構３００のベースプレート４の俯瞰図である。 図１１のＣ方向から見た場合のパラレル機構３００の移動ステージ５の俯瞰図である。 図５に示されたレーザ干渉測長計４１０３の光路図である。 レーザトラッカ４１１の構成の他の例を模式的に示す図である。 図１５に示されたレーザ干渉測長計４１０３の光路図である。 実施の形態４にかかるパラレル機構４００の構成を模式的に示す斜視図である。 ユニバーサルレーザ干渉測長ユニット４４１のベースプレート４近傍部分の構成を模式的に示す図である。 ユニバーサルレーザ干渉測長ユニット４４１が備えるユニバーサルジョイント８１２の平面図である。 ユニバーサルレーザ干渉測長ユニット４４１が備えるユニバーサルジョイント８１２の側面図である。 実施の形態５にかかるパラレル機構の直線駆動機構の構成を示す図である。 図２１に示されたレーザ干渉測長計４１０３の光路図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。

実施の形態１
まず、実施の形態１にかかるパラレル機構１００について説明する。図１は、実施の形態１にかかるパラレル機構１００の概略構成を模式的に示す斜視図である。パラレル機構１００は、直線駆動機構１、２及び３、ベースプレート４、移動ステージ５、２自由度ジョイントＪ１１〜Ｊ１３、Ｊ２１〜Ｊ２３、レーザトラッカ４１１、リフレクタ５１１を有する。本実施の形態では、パラレル機構１００が形状測定機に適用される場合について説明する。パラレル機構１００は、制御部７により制御される。制御部７は、パラレル機構１００を含む形状測定機及びパラレル機構１００に搭載された測定部（レーザトラッカ４１１）の駆動、さらには形状測定機としての測定動作を制御する。移動ステージ５の下面には、プローブ６が設けられる。プローブ６のスタイラス６ａは、鉛直方向（図１のＺ軸に沿う方向）に延在している。スタイラス６ａの下端には、先端球６ｂが設けられる。形状測定機においては、先端球６ｂがステージ７２上に載置された被測定物７１と接触し、先端球６ｂの変位量を検出することにより、被測定物７１の形状を測定することができる。なお、図１では、図面の簡略化のため、直線駆動機構１〜３、２自由度ジョイントＪ１１〜Ｊ１３及びＪ２１〜Ｊ２３を簡略化して表示している。

図１では、ベースプレート４がポール８により支持されている例を表示している。ベースプレート４の下面には、２自由度ジョイントＪ１１〜Ｊ１３が、半径Ｒ１の円Ｃ１の円周上に、それぞれ１２０°ずつ離隔して配置される。ベースプレート４及び移動ステージ５は、後述する直線駆動機構１、２及び３が連結される３つの連結辺と、これらの連結辺との間を結ぶ直線部とからなる六角形状とされている。

直線駆動機構１、２及び３は、ベースプレート４と移動ステージ５との間に設けられ、ベースプレート４と移動ステージ５と間で伸縮可能（長手方向又は軸方向に伸縮可能）な構成を有する。直線駆動機構１、２及び３の一端は、それぞれ２自由度ジョイントＪ１１〜Ｊ１３を介してベースプレート４と連結される。これにより、直線駆動機構１、２及び３は、それぞれ２自由度ジョイントＪ１１〜Ｊ１３を支持端（回転中心）とする３次元極座標系において、ベースプレート４に対して互いに直交する２つの偏角方向の運動を行うことが可能となる。

移動ステージ５の上面には、２自由度ジョイントＪ２１〜Ｊ２３が、半径Ｒ２の円Ｃ２の円周上に、それぞれ１２０°ずつ離隔して配置される。直線駆動機構１、２及び３の他端は、それぞれ２自由度ジョイントＪ２１〜Ｊ２３を介して移動ステージ５と連結される。なお、図面の簡略化のため、図１では円Ｃ２の表示を省略し、後述する図６にて円Ｃ２を表示している。

制御部７は、直線駆動機構１、２及び３の伸縮を制御する。直線駆動機構１、２及び３のそれぞれが伸縮することにより、ベースプレート４に対する移動ステージ５の相対位置が変化する。つまり、直線駆動機構１、２及び３が適宜伸縮することで、移動ステージ５が、ベースプレート４と平行なままで、ベースプレート４の主面に対して水平な方向（図１のＸ方向及びＹ方向）及び垂直な方向（図１のＺ方向）に移動することができる。

図２は、パラレル機構１００の構造をより詳細に示す斜視図である。直線駆動機構１、２及び３は、同様の構成を有する。以下では、代表として、直線駆動機構１について説明する。図３は、直線駆動機構１を図２のＡ方向から観察した場合の構成図である。直線駆動機構１は、伸縮ロッド１０、直動ロッド１１及び１２を有する。直動ロッド１１及び１２は、伸縮ロッド１０が伸縮運動を行うときのガイドとして機能する。

伸縮ロッド１０の一端は、２自由度ジョイントＪ１１を構成する球面ジョイント１０１に接合されている。伸縮ロッド１０の他端は、２自由度ジョイントＪ２１を構成する球面ジョイント１５を介して、移動ステージ５と連結される。球面ジョイント１５は、移動ステージ５により図３の紙面水平方向から挟まれて支持される。

直動ロッド１１の一端は、直動ベアリング１３により、２自由度ジョイントＪ１１と連結される。直動ベアリング１３は、２自由度ジョイントＪ１１を構成する球面ジョイント１３１に挿通されている。これにより、直動ロッド１１は、２自由度ジョイントＪ１１を支持端として、動径方向に伸縮することが可能である。また、直動ロッド１１は、２自由度ジョイントＪ１１に対して互いに直交する２つの偏角方向の運動を行うことができる。

移動ステージ５の連結辺の両端には、連結辺の側面との間に球面ジョイント１６及び１７のそれぞれを挟んで支持する固定具１８及び１９が設けられている。直動ロッド１１の他端は、２自由度ジョイントＪ１２を構成する球面ジョイント１６を介して、移動ステージ５の連結辺と連結される。これにより、直動ロッド１１は、２自由度ジョイントＪ２１に対して互いに直交する２つの偏角方向の運動を行うことができる。

直動ロッド１２の一端は、直動ベアリング１４により、２自由度ジョイントＪ１１と連結される。直動ベアリング１４は、２自由度ジョイントＪ１１を構成する球面ジョイント１４１に挿通されている。これにより、直動ロッド１２は、２自由度ジョイントＪ１２を支持端として、動径方向に伸縮することが可能である。また、直動ロッド１２は、２自由度ジョイントＪ１１に対して互いに直交する２つの偏角方向の運動を行うことができる。

直動ロッド１２の他端は、２自由度ジョイントＪ１２を構成する球面ジョイント１７を介して、移動ステージ５の連結辺と連結される。これにより、直動ロッド１２は、２自由度ジョイントＪ２１に対して互いに直交する２つの偏角方向の運動を行うことができる。

以上より、直線駆動機構１の伸縮ロッド１０、直動ロッド１１及び１２は、２自由度ジョイントＪ１１と２自由度ジョイントＪ２１との間で、紙面水平方向を軸とする回転運動と、紙面に対して垂直方向を軸とする回転運動が可能である。

直線駆動機構２は、直線駆動機構１と同様の構成を有する。また、２自由度ジョイントＪ１２及び２自由度ジョイントＪ２２は、それぞれ２自由度ジョイントＪ１１及び２自由度ジョイントＪ２１と同様の構成を有する。よって、２自由度ジョイントＪ１２は、２自由度ジョイントＪ１１と同様の態様で伸縮ロッド１０、直動ロッド１１及び１２と連結される。２自由度ジョイントＪ２２は、２自由度ジョイントＪ２１と同様の態様で伸縮ロッド１０、直動ロッド１１及び１２と連結される。

直線駆動機構３は、直線駆動機構１と同様の構成を有する。また、２自由度ジョイントＪ１３及び２自由度ジョイントＪ２３は、それぞれ２自由度ジョイントＪ１１及び２自由度ジョイントＪ２１と同様の構成を有する。よって、２自由度ジョイントＪ１３は、２自由度ジョイントＪ１１と同様の態様で伸縮ロッド１０、直動ロッド１１及び１２と連結される。２自由度ジョイントＪ２３は、２自由度ジョイントＪ２１と同様の態様で伸縮ロッド１０、直動ロッド１１及び１２と連結される。

よって、移動ステージ５は、ベースプレート４に対して、並進運動が可能である。すなわち、パラレル機構１００は、並進３自由度パラレル機構を構成することが理解できる。

続いて、レーザトラッカ４１１及びリフレクタ５１１について説明する。レーザトラッカ４１１は、ベースプレート４の上面に設けられる。図４は、図２のＢ方向から見た場合のパラレル機構１００のベースプレート４の俯瞰図である。この際、レーザトラッカ４１１は、ベースプレート４のレーザトラッカ４１１設置面の中心（ベースプレート４のレーザトラッカ設置面の図心であり、すなわち幾何学的な重心である）に、レーザ光出射口が位置することが望ましい。図２に示すように、レーザトラッカ４１１は、ベースプレート４に設けられた開口部６１１を通して、移動ステージ５上のリフレクタ５１１へ向けてレーザ光（コヒーレント光）を出射することができる。

ここで、レーザトラッカ４１１の構成について説明する。図５は、レーザトラッカ４１１の構成を模式的に示す図である。レーザトラッカ４１１は、ベースブロック４１００、基準球４１０１、各軸に図示しない回転角度検出器（例えばロータリーエンコーダ）を内蔵する２軸回転駆動機構４１０２、レーザ干渉測長計４１０３、基台４１０６を有する。以下、レーザトラッカは、単に測定部とも称する。また、リフレクタは、単に反射部とも称する。

ベースブロック４１００は直方体の外形を有し、ベースプレート４上に載置される。基準球４１０１は、ベースブロック４１００からベースプレート４上のベースブロック４１００載置面と平行に伸びる丸棒軸により支持される。これにより、ベースプレート４に対する基準球４１０１の中心の相対的位置が固定される。基準球４１０１の中心は丸棒軸上に位置している。ベースブロック４１００には丸棒軸と同軸に円筒状の基台４１０６が設けられている。基台４１０６上には、基準球４１０１を内包した２軸回転駆動機構４１０２が設けられている。したがって、基準球４１０１の中心は基台４１０６の軸上に位置している。２軸回転駆動機構４１０２は、基準球４１０１の中心を通り、且つ、基台４１０６の軸と基台４１０６の軸に直交しベースプレート４のレーザトラッカ４１１設置面に平行な軸を中心として回動可能とされている。

なお、上述では、ベースプレート４のレーザトラッカ４１１設置面の図心（レーザトラッカ４１１設置面の幾何学的な重心）に、レーザ光出射口が位置することが望ましいと述べた。これは、基準球４１０１の中心がベースプレート４のレーザトラッカ４１１設置面の中心（ベースプレート４のレーザトラッカ設置面の図心であり、すなわち幾何学的な重心である）に配置されることを意味する。これにより、レーザトラッカ４１１の設置位置に起因する測定の位置依存性を最小化し、平均化ができる。ただし、レーザトラッカ４１１の設置位置はこの例に限られず、ベースプレート４上の他の位置に設置することも可能である。

これにより、２軸回転駆動機構４１０２は、基準球４１０１の中心を原点として、方位角φの方向及び仰俯角θの方向に駆動可能である。なお、方位角φ及び仰俯角θは、例えばロータリーエンコーダ（不図示）により検出することが可能である。

レーザ干渉測長計４１０３は、出射したレーザ光（コヒーレント光）と反射光とを干渉させることにより、反射光を発した対象物の移動距離を測定する。レーザ干渉測長計４１０３は、例えばマイケルソン型のレーザ干渉計を用いて構成できる。レーザ干渉測長計４１０３は、レーザ光源（コヒーレント光源）、及び受光部を有する。レーザ光源は、例えば波長が安定化された長さ標準にトレーサブルなＨｅ−Ｎｅレーザが用いられる。

レーザ干渉測長計４１０３は、レーザ光源からレーザ光４１０４を出射する。２軸回転駆動機構４１０２は基準球４１０１を基準として回転するので、レーザ光は基準球４１０１とリフレクタ５１１とを結ぶ線に光軸が一致するように出射される。これにより、レーザ干渉測長計４１０３とリフレクタ５１１との位置関係が変化しても、２軸回転駆動機構４１０２でレーザ干渉測長計４１０３を駆動して、レーザ光をリフレクタ５１１に照射することができる。

レーザ光４１０４は、リフレクタ５１１で反射される。図５では、反射光を反射光４１０５と表示している。レーザ干渉測長計４１０３は、内部でレーザ光４１０４と反射光４１０５とを干渉させることにより、レーザ干渉測長計４１０３とリフレクタ５１１との間の距離の変動を測定することができる。また、レーザ干渉測長計４１０３と基準球４１０１との間の距離は既知である。レーザトラッカ４１１は、レーザ干渉測長計４１０３とリフレクタ５１１との間の距離とレーザ干渉測長計４１０３と基準球４１０１との間の距離とを加算した値を、測長結果として制御部７に出力する。

なお、レーザトラッカ４１１は、制御部７による制御を受けて、リフレクタ５１１の移動に追随してレーザ光の出射方向を自動的に変化させることが可能である。例えば、レーザ干渉測長計４１０３の受光部は、反射光のビームスポットの重心を検出することができる２次元受光素子が用いられる。そして、反射光のビームスポットの重心位置の移動を検知することにより、反射光のビームスポットの重心が一定の範囲内に収まるよう、制御部７は２軸回転駆動機構４１０２の方位角φの方向及び仰俯角θの方向の駆動を制御する（追尾制御と称する）。

次いで、リフレクタ５１１について説明する。図６は、図２のＣ向から見た場合のパラレル機構１００の移動ステージ５の俯瞰図である。リフレクタ５１１は、移動ステージ５の上面に設けられる。この際、リフレクタ５１１は、移動ステージ５の上面の中心（移動ステージ５のリフレクタ設置面の図心であり、すなわち幾何学的な重心である）に設けられることが望ましい。これにより、リフレクタ５１１の設置位置に起因する測定の位置依存性を最小化、平均化できる。ただし、リフレクタ５１１の設置位置はこの例に限られず、移動ステージ５上の他の位置に設置することも可能である。

リフレクタ５１１は、レーザトラッカ４１１から出射されたレーザ光がどの方向から入射した場合でも、忠実に入射方向と反対方向にレーザ光を反射させる機能を有している。このようなリフレクタとして、キューブコーナを用いることができる。また、レーザ光が入射できる角度範囲を広げるためには、屈折率が２の光学材料を真球に加工して得られる、いわゆるキャッツアイを用いることもできる。

図７は、キャッツアイにおける入射光及び反射光の経路を模式的に示す図である。例えば、台座５１０１に固定されたキャッツアイ５１０２に光が入射するものとする。入射光はキャッツアイ５１０２に入射すると屈折し、入射面と反対側の界面に到達する。入射光は到達した界面で入射角と等しい反射角で反射され、反射光となる。反射光は、キャッツアイ５１０２の入射側の界面に到達すると屈折し、その結果、反射光の光軸は、入射光の光軸と同一となる。

制御部７は、レーザ光４１０４が常時リフレクタ５１１に入射するように、移動ステージ５の動きに合わせてレーザトラッカ４１１の２軸回転駆動機構４１０２を制御する上述の追尾制御を行う。

制御部７は、レーザトラッカ４１１から出力される測定結果をモニタすることにより、移動ステージ５の移動距離を高精度に算出することが可能である。本実施の形態では、制御部７は、レーザトラッカ４１１のレーザ光出射方向の変動（方位角φ及び仰俯角θの変動）、及び測長結果から得られる動径方向の長さ情報を用いてリフレクタ５１１の空間座標を決定する（いわゆる極座標方式）。

レーザトラッカとリフレクタとを用いて精密な座標測定を行うには、パラレル機構の外部にレーザトラッカを設け、移動ステージにリフレクタを設けることも考え得る。しかし、移動ステージが移動する際に、外部から入射するレーザトラッカからのレーザ光を直線駆動機構が遮ってしまう場合がある。ましてや、移動ステージが各軸周りに回転可能な６自由度パラレル機構では移動ステージ自身がリフレクタを遮ってしまう場合がある。そのため、パラレル機構の外部にレーザトラッカを設けると、追跡可能な移動ステージの可動範囲に制限が生じ、駆動中のパラレル機構の座標位置を正確に追跡することができない。

これに対し、パラレル機構１００は、レーザトラッカ４１１をベースプレート４上に設け、リフレクタ５１１を移動ステージ５のベースプレート４側の面上に設けている。そのため、レーザトラッカ４１１は開口部６１１を通じて常に移動ステージ５を俯瞰することができる。よって、レーザトラッカ４１１は、移動ステージ５の駆動状態にかかわらず、常にリフレクタ５１１にレーザ光を照射できる。その結果、パラレル機構１００は、駆動中のパラレル機構の座標位置を正確に追跡することができる。

実施の形態２
次に、実施の形態２にかかるパラレル機構２００について説明する。図８は、実施の形態２にかかるパラレル機構２００の構成を模式的に示す斜視図である。パラレル機構２００は、パラレル機構１００の変形例である。パラレル機構２００は、パラレル機構１００のレーザトラッカ４１１及びリフレクタ５１１の代わりに、レーザトラッカ４２１及び４２２、リフレクタ５２１及び５２２を有する。レーザトラッカ４２１及び４２２は、レーザトラッカ４１１と同様の構成を有する。リフレクタ５２１及び５２２は、リフレクタ５１１と同様の構成を有する。パラレル機構２００のその他の構成は、パラレル機構１００と同様であるので、説明を省略する。

図９は、図８のＢ方向から見た場合のパラレル機構２００のベースプレート４の俯瞰図である。レーザトラッカ４２１は、ベースプレート４の上面に設けられる。この際、レーザトラッカ４２１は、ベースプレート４のレーザトラッカ４２１設置面において、２自由度ジョイントＪ１１と２自由度ジョイントＪ１３との間の辺部近傍に設けられることが望ましい。また、この際、レーザトラッカ４２１の基準球４１０１の中心は、ベースプレート４の上面の図心から２自由度ジョイントＪ１１と２自由度ジョイントＪ１３との間の辺部に下した垂線上に位置することが望ましい。

レーザトラッカ４２２は、ベースプレート４の上面に設けられる。この際、レーザトラッカ４２２は、ベースプレート４のレーザトラッカ４２２設置面において、２自由度ジョイントＪ１２の近傍に設けられることが望ましい。また、この際、レーザトラッカ４２２の基準球４１０１の中心は、ベースプレート４の上面の図心に対してレーザトラッカ４２１の基準球４１０１の中心と対称な位置に配置されることが望ましい。

図１０は、図８のＣ方向から見た場合のパラレル機構２００の移動ステージ５の俯瞰図である。リフレクタ５２１は、移動ステージ５の上面に設けられる。また、この際、リフレクタ５２１の中心は、移動ステージ５の上面の図心から２自由度ジョイントＪ２１と２自由度ジョイントＪ２３との間の辺部に下した垂線上に位置することが望ましい。

リフレクタ５２２は、移動ステージ５の上面に設けられる。この際、リフレクタ５２２は、移動ステージ５のリフレクタ５２２設置面において、移動ステージ５の上面の図心に対してリフレクタ５２１と対称な位置に配置されることが望ましい。

レーザトラッカ４２１は、ベースプレート４に設けられた開口部６２１を通して、リフレクタ５２１へ向けてレーザ光を出射することができる。リフレクタ５２１は、レーザトラッカ４２１から出射されたレーザ光がどの方向から入射した場合でも、忠実に入射方向と反対方向にレーザ光を反射させる機能を有している。

レーザトラッカ４２２は、ベースプレート４に設けられた開口部６２２を通して、リフレクタ５２２へ向けてレーザ光を出射することができる。リフレクタ５２２は、レーザトラッカ４２２から出射されたレーザ光がどの方向から入射した場合でも、忠実に入射方向と反対方向にレーザ光を反射させる機能を有している。

これにより、移動ステージ５上でのリフレクタ５２１及びリフレクタ５２２の座標を特定することが可能となる。また、リフレクタ５２１とリフレクタ５２２と結ぶ線と直交する方向の移動ステージ５の回転（図１０の方向Ｄを軸とする回転）を検出することも可能となる。

ただし、レーザトラッカ４２１及び４２２の設置位置はこの例に限られず、ベースプレート４上の他の位置に設置することも可能である。リフレクタ５２１及び５２２の設置位置はこの例に限られず、移動ステージ５上の他の位置に設置することも可能である。

制御部７は、レーザトラッカ４２１からのレーザ光が常時リフレクタ５２１に入射するように、移動ステージ５の動きに合わせてレーザトラッカ４２１の２軸回転駆動機構４１０２を制御する追尾制御を行う。また、制御部７は、レーザトラッカ４２２からレーザ光が常時リフレクタ５２２に入射するように、移動ステージ５の動きに合わせてレーザトラッカ４２２の２軸回転駆動機構４１０２を制御する追尾制御を行う。

これにより、制御部７は、レーザトラッカ４２１及び４２２から出力される測定結果をモニタすることにより、移動ステージ５の移動方向および移動距離を高精度に算出することが可能である。

本実施の形態では、制御部７は、レーザトラッカ４２１及び４２２のベースプレート４上の事前に測定された正確な位置情報とそれぞれのレーザトラッカ４２１及び４２２が観測する方位角φ_１、φ_２と仰俯角θ_１、θ_２及び測長結果から得られる動径方向の長さ情報Ｌ_１、Ｌ_２を用いて、それぞれのレーザトラッカ４２１及び４２２が、移動ステージ５上の異なる位置（事前に測定が可能）に配置された２個の反射体（リフレクタ５２１及び５２２）の空間座標を決定する（いわゆる三角測量方式）。

一般に、極座標方式の場合には、方位角φ、仰俯角θ及び動径方向の距離を用いて座標を決定することができる。この場合、動径方向の距離が長いほど、移動距離算出時の方位角φ及び仰俯角θの誤差に起因する移動距離の誤差が大きくなる。

本構成によれば、実施の形態１にかかるパラレル機構１００よりも２倍多い、４つの角度情報と２つの長さ情報によって、より高精度に移動ステージ５の移動距離と位置とを算出することができる。

実施の形態３
次に、実施の形態３にかかるパラレル機構３００について説明する。図１１は、実施の形態３にかかるパラレル機構３００の構成を模式的に示す斜視図である。パラレル機構３００は、パラレル機構１００の変形例である。パラレル機構３００は、パラレル機構１００のレーザトラッカ４１１及びリフレクタ５１１の代わりに、レーザトラッカ４３１、４３２及び４３３、リフレクタ５３１、５３２及び５３３を有する。レーザトラッカ４３１、４３２及び４３３は、レーザトラッカ４１１と同様の構成を有する。リフレクタ５３１、５３２及び５３３は、リフレクタ５１１と同様の構成を有する。パラレル機構３００のその他の構成は、パラレル機構１００と同様であるので、説明を省略する。

図１２は、図１１のＢ方向から見た場合のパラレル機構３００のベースプレート４の俯瞰図である。ベースプレート４の上面には、レーザトラッカ４３１〜４３３が、半径Ｒ３の円Ｃ３の円周上に、それぞれ１２０°ずつ離隔して配置される。つまり、レーザトラッカ４３１〜４３３は、レーザトラッカ４３１〜４３３の基準球４１０１の中心が、円Ｃ３の円周上に配置される。すなわち、レーザトラッカ４３１〜４３３は、ベースプレート４のレーザトラッカ設置面の図心（ベースプレート４のレーザトラッカ設置面の幾何学的な重心）を基準として、等間隔に配置される。

図１３は、図１１のＣ方向から見た場合のパラレル機構３００の移動ステージ５の俯瞰図である。移動ステージ５の上面には、リフレクタ５３１〜５３３が、半径Ｒ４の円Ｃ４の円周上に、それぞれ１２０°ずつ離隔して配置される。すなわち、リフレクタ５３１〜５３３は、移動ステージ５のリフレクタ設置面の図心（移動ステージ５のリフレクタ設置面の幾何学的な重心）を基準として等間隔に配置される。

レーザトラッカ４３１は、ベースプレート４に設けられた開口部６３１を通して、リフレクタ５３１へ向けてレーザ光を出射することができる。リフレクタ５３１は、レーザトラッカ４３１から出射されたレーザ光がどの方向から入射した場合でも、忠実に入射方向と反対方向にレーザ光を反射させる機能を有している。

レーザトラッカ４３２は、ベースプレート４に設けられた開口部６３２を通して、リフレクタ５３２へ向けてレーザ光を出射することができる。リフレクタ５３２は、レーザトラッカ４３２から出射されたレーザ光がどの方向から入射した場合でも、忠実に入射方向と反対方向にレーザ光を反射させる機能を有している。

レーザトラッカ４３３は、ベースプレート４に設けられた開口部６３３を通して、リフレクタ５３３へ向けてレーザ光を出射することができる。リフレクタ５３３は、レーザトラッカ４３３から出射されたレーザ光がどの方向から入射した場合でも、忠実に入射方向と反対方向にレーザ光を反射させる機能を有している。

以上により、レーザトラッカ４３１とリフレクタ５３１との間の距離、レーザトラッカ４３２とリフレクタ５３２との間の距離、及び、レーザトラッカ４３３とリフレクタ５３３との間の距離を高精度に測定することができ、リフレクタ５３１〜５３３の中心座標を容易に特定できる。また、移動ステージ５の回転（図１３の方向Ｄ及びＥを軸とする回転）を検出することも可能となる。したがって、測定結果を制御部７にフィードバックすることによって、より高精度に移動ステージ５の位置および姿勢の制御を行うことが可能となる。

ただし、レーザトラッカ４３１〜４３３の設置位置はこの例に限られず、ベースプレート４の他の位置に設置することも可能である。リフレクタ５３１〜５３３の設置位置はこの例に限られず、移動ステージ５上の他の位置に設置することも可能である。

制御部７は、レーザトラッカ４３１からのレーザ光が常時リフレクタ５３１に入射するように、移動ステージ５の動きに合わせてレーザトラッカ４３１の２軸回転駆動機構４１０２を制御する追尾制御を行う。また、制御部７は、レーザトラッカ４３２から出射されるレーザ光が常時リフレクタ５３２に入射するように、移動ステージ５の動きに合わせてレーザトラッカ４３２の２軸回転駆動機構４１０２を制御する追尾制御を行う。更に、制御部７は、レーザトラッカ４３３から出射されるレーザ光が常時リフレクタ５３３に入射するように、移動ステージ５の動きに合わせてレーザトラッカ４３３の２軸回転駆動機構４１０２を制御する追尾制御を行う。

これにより、制御部７は、レーザトラッカ４３１〜４３３から出力される測定結果をモニタすることにより、移動ステージ５の移動距離を高精度に算出することが可能である。

本実施の形態では、制御部７は、レーザトラッカ４３１〜４３３から得られる３つの動径方向の長さ情報を用いて、リフレクタ５３１〜５３３の空間座標を決定する（いわゆる三辺測量方式）。レーザトラッカ４３１〜４３３は、レーザ光の干渉を用いているので、動径方向の距離を高い分解能で得ることができる。三辺測量方式では、空間座標を決定するにあたって、角度情報を使わずに３方向からのアッベの原理に適った長さ情報を用いる。そのため、前述の極座標方式や三角測量方式に比べ、座標決定精度が高い。そのため、パラレル機構３００（三辺測量方式）は、パラレル機構１００（極座標方式）及び２００（三角測量方式）よりも高精度に移動ステージ５の移動距離を算出できる。

言い換えると、２軸回転駆動機構４１０２に内蔵される２次元受光素子と回転角度検出器によって測定される方位角φ及び仰俯角θの角度情報は追尾制御にのみ用いられ、移動ステージ５の移動距離の算出にはレーザトラッカ４３１〜４３３から得られる３つの動径方向の長さ情報のみが用いられる。そのため、パラレル機構１００及び２００と異なり、動径方向の距離の増大に伴う誤差の増大は発生せず、移動ステージ５の位置にかかわらず、高精度に移動ステージ５の移動距離を算出できる。

上述した実施の形態１乃至３においては、レーザトラッカ４１１、４２１、４２２、４３１〜４３３が基準球を備えるため、ベースプレート４に対して固定された点と移動ステージ５に設けられたリフレクタとの距離を正確に測定することができる。以下、その理由を説明する。

図１４を参照して、基準球４１０１の中心Ｏは、ベースプレート４に対して固定された点である。２軸回転駆動機構４１０２の二つの回転軸は、中心Ｏで直交する。したがって、２軸回転駆動機構４１０２がレーザ干渉測長計４１０３を回転させても、レーザ干渉測長計４１０３の光軸は常に基準球４１０１の中心Ｏを通る。レーザ干渉測長計４１０３は、レーザダイオードのような光源４１と、コリメータレンズ４２と、偏光ビームスプリッタ４３と、偏光板４４と、光検出器４５と、１／４波長板（λ／４板）４６及び４７と、無偏光ビームスプリッタ４８と、位置検出器（ＰＳＤ：Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）４９と、集光レンズ５０とを備える。尚、位置検出器４９のかわりに４分割フォトダイオード（ＱＰＤ：Ｑｕａｄｒａｎｔ Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）を用いてもよい。

光源４１から出射された光線は、コリメータレンズ４２を通過した後、偏光ビームスプリッタ４３により２つに分けられる。一方（Ｓ偏光）は参照光として、偏光板４４に向かって直進する。他方（Ｐ偏光）は測定光として、偏光ビームスプリッタ４３で反射され、λ／４板４６及び集光レンズ５０を介して基準球４１０１の中心Ｏ又は表面に向けて出射される。ここで、測定光は、λ／４板４６によりＰ偏光から円偏光に変換される。基準球１２の表面で反射された測定光は、集光レンズ５０、λ／４板４６、偏光ビームスプリッタ４３、λ／４板４７、及び無変更ビームスプリッタ４８を経て、リフレクタ５１１に照射される。ここで、測定光は、λ／４板４６により円偏光からＳ偏光に変換され、λ／４板４７によりＳ偏光から円偏光に変換される。測定光は、基準球４１０１の中心Ｏとリフレクタ５１１を結ぶ直線を光軸として出射される。

リフレクタ５１１で反射した測定光は、レーザ干渉測長計４１０３に入射する。レーザ干渉測長計４１０３に入射した測定光は、無偏光ビームスプリッタ４８により２つに分けられる。一方は、無偏光ビームスプリッタ４８で反射され、位置検出器４９に入射する。他方は、λ／４板４７、偏光ビームスプリッタ４３、及び偏光板４４を経て、上述の参照光と干渉して干渉光を生成する。ここで、測定光は、λ／４板４７により円偏光からＰ偏光に変換される。干渉光は、光検出器４５に入射する。光検出器４５の出力は干渉光の干渉縞に応じて変化するので、光検出器４５の出力に基づいて基準球４１０１の中心Ｏを基準としたリフレクタ５１１の変位を測定することができる。

基準球４１０１の表面と中心Ｏとの距離が高い精度で一定であるので、レーザ干渉測長計４１０３がリフレクタ５１１を追尾して２軸回転駆動機構４１０２の回転軸を中心として回転した場合でも、光検出器４５の出力に基づいて基準球４１０１の中心Ｏを基準としたリフレクタ５１１の変位を高精度に測定することができる。

一方、リフレクタ５１１に対する追尾は、次のようにして行なわれる。リフレクタ５１１によって反射された測定光は、位置検出器４９に入射する。制御部７は、位置検出器４９の出力信号に基づいて、位置検出器４９上の所定の位置に測定光が入射するように２軸回転駆動機構４１０２の駆動を制御する。これにより、レーザ干渉測長計４１０３の光軸が常にリフレクタ５１１を通る。

図１５は、レーザトラッカ４１１の他の構成を示す。レーザトラッカ４１１は、２軸回転駆動機構４１０２によって駆動されるキャリッジ４１０８を備える。レーザ干渉測長計４１０３は、キャリッジ４１０８に取り付けられている。直線Ｌ４１１は、レーザ干渉測長計４１０３の光軸に一致している。２軸回転駆動機構４１０２がキャリッジ４１０８を回転させても、直線Ｌ４１１は常に基準球４１０１の中心Ｏを通る。キャリッジ４１０８に変位計５２及び５３が設けられている。変位計５２及び５３は直線Ｌ４１１上に配置され、変位計５２及び５３の間に基準球４１０１が配置される。変位計５２及び５３は、基準球４１０１までの距離に応じた信号を出力する。

変位計５２及び５３として、例えば、静電容量式変位計や渦電流式変位計を使用することができる。基準球４１０１としては、金属製、セラミックス製、半導体製、又はガラス製の球を使用することができる。但し、変位計５２及び５３として渦電流式変位計を使用する場合は、金属製の球又は表面が金属でコーティングされた球を使用する必要がある。

図１６を参照して、図１５に示したレーザ干渉測長計４１０３は、光源４１と、コリメータレンズ４２と、偏光ビームスプリッタ４３と、偏光板４４と、光検出器４５と、λ／４板４６及び４７と、無偏光ビームスプリッタ４８と、位置検出器４９と、キューブコーナ５１とを備える。キューブコーナ５１は、コーナキューブプリズムと称される場合がある。

光源４１から出射された光線は、コリメータレンズ４２を通過した後、偏光ビームスプリッタ４３により２つに分けられる。一方（Ｐ偏光）は参照光として、偏光板４４に向かって直進する。他方（Ｓ偏光）は測定光として、偏光ビームスプリッタ４３で反射され、λ／４板４７、及び無変更ビームスプリッタ４８を経て、リフレクタ５１１に照射される。ここで、測定光は、λ／４板４７によりＳ偏光から円偏光に変換される。測定光は、基準球４１０１の中心Ｏとリフレクタ５１１を結ぶ直線Ｌ４１１を光軸として出射される。

リフレクタ５１１で反射した測定光は、レーザ干渉測長計４１０３に入射する。レーザ干渉測長計４１０３に入射した測定光は、無偏光ビームスプリッタ４８により２つに分けられる。一方は、無偏光ビームスプリッタ４８で反射され、位置検出器４９に入射する。他方は、λ／４板４７、偏光ビームスプリッタ４３、及びλ／４板４６を経て、キューブコーナ５１に入射する。ここで、測定光は、λ／４板４７により円偏光からＰ偏光に変換され、λ／４板４６によりＰ偏光から円偏光に変換される。キューブコーナ５１で反射された測定光は、λ／４板４６、偏光ビームスプリッタ４３、及び偏光板４４を経て、上述の参照光と干渉して干渉光を生成する。ここで測定光は、λ／４板４６により円偏光からＳ偏光に変換される。干渉光は、光検出器４５に入射する。光検出器４５の出力は干渉光の干渉縞に応じて変化するので、光検出器４５の出力に基づいて基準球４１０１の中心Ｏを基準としたリフレクタ５１１の変位を測定することができる。

基準球４１０１の表面と中心Ｏとの距離が高い精度で一定であるので、レーザ干渉測長計４１０３がリフレクタ５１１を追尾して２軸回転駆動機構４１０２の回転軸を中心として回転した場合でも、光検出器４５、変位計５２、及び変位計５３の出力に基づいて基準球４１０１の中心Ｏを基準としたリフレクタ５１１の変位を高精度に測定することができる。尚、変位計５２及び５３の両方を用いることが好ましいが、変位計５２及び５３の片方だけを用いてもよい。リフレクタ５１１に対する追尾は、図１４に示すレーザ干渉測長計４１０３の場合と同様である。

実施の形態４
次に、実施の形態４にかかるパラレル機構４００について説明する。実施の形態４にかかるパラレル機構４００によれば、以下の問題が解決される。すなわち、パラレル機構１００の制御部７は、直線駆動機構１〜３を制御して移動ステージ５を移動させるだけでなく、レーザトラッカ４１１がリフレクタ５１１を追尾するように２軸回転駆動機構４１０２を制御する必要がある。パラレル機構１００によれば移動ステージ５の位置を高精度に観測することができるが、パラレル機構１００のシステム構成が複雑かつ高コストになっている。同様に、パラレル機構２００及び３００のシステム構成も複雑且つ高コストになっている。

図１７は、実施の形態４にかかるパラレル機構４００の構成を模式的に示す斜視図である。パラレル機構４００は、パラレル機構３００の変形例である。パラレル機構４００は、パラレル機構３００のレーザトラッカ４３１〜４３３のかわりにユニバーサルレーザ干渉測長ユニット４４１〜４４３を有する。制御部７は、駆動制御部７０１と、演算制御部７０２とを備える。パラレル機構４００のその他の構成は、パラレル機構３００と同様であるので、説明を省略する。

ユニバーサルレーザ干渉測長ユニット４４１〜４４３は、それぞれ、従動ジョイント機構８１〜８３を備える。従動ジョイント機構８１は、伸縮可能なテレスコピック構造を有するテレスコピック鏡筒８１１と、ユニバーサルジョイント８１２とを備える。テレスコピック鏡筒８１１は、伸縮可能な光路を形成する。テレスコピック鏡筒８１１は、第１部分８１０１と、第１部分８１０１に対して直線往復運動する第２部分８１０２とを備える。第１部分８１０１及び第２部分８１０２は、伸縮軸まわりに相対的に回転可能であってもよい。例えば、第１部分８１０１はストロークベアリング（不図示）を介して第２部分８１０２に接続される。第１部分８１０１及び第２部分８１０２がそれぞれ内筒及び外筒である場合が図１７に示されているが、第１部分８１０１及び第２部分８１０２はそれぞれ外筒及び内筒でもよい。

駆動制御部７０１は、直線駆動機構１〜３の伸縮を制御する。駆動制御部７０１は、直線駆動機構１〜３のリニアエンコーダが出力する帰還信号に基づいて直線駆動機構１〜３の伸縮を制御してもよい。駆動制御部７０１は、ユニバーサルレーザ干渉測長ユニット４４１〜４４３の電源投入及び初期設定を行ってもよい。演算処理部７０２は、ユニバーサルレーザ干渉測長ユニット４４１〜４４３の出力に基づいて、移動ステージ５の位置及び姿勢を算出する。

図１８を参照して、ユニバーサルレーザ干渉測長ユニット４４１は、ユニバーサル干渉計部４５１を備える。ユニバーサル干渉計部４５１は、基本的にレーザトラッカ４１１と同様に構成される。ただし、ユニバーサル干渉計部４５１の２軸回転駆動機構４１０２は、キャリッジ４１０８及びレーザ干渉測長計４１０３を駆動する機能と、方位角φ及び仰俯角θを検出する機能とを持たない。以下、駆動機能を持たない２軸回転駆動機構４１０２を２軸回転機構４１０２と称する。２軸回転機構４１０２は、ベースプレート４に設けられ、ベースプレート４に対して固定された点で直交する２本の回転軸まわりに回転可能なようにレーザ干渉測長計４１０３を支持する。基準球４１０１の中心Ｏは２本の回転軸の交点に一致する。テレスコピック鏡筒８１１の第１部分８１０１は、レーザ干渉測長計４１０３のレーザ光出射口４１０７に同軸に固定される。

ユニバーサル干渉計部４５１のレーザ干渉測長計４１０３は、リフレクタ５３１の光軸からのずれを検出する機能を持たない。例えば、ユニバーサル干渉計部４５１のレーザ干渉測長計４１０３は、図１４に示す構成から無偏光ビームスプリッタ４８及び位置検出器４９を取り除いたものである。尚、ユニバーサル干渉計部４５１のレーザ干渉測長計４１０３は、図１６に示す構成から無偏光ビームスプリッタ４８及び位置検出器４９を取り除いたものであってもよい。この場合、変位計５２及び５３の少なくとも一方がキャリッジ４１０８に設けられる。

図１９及び図２０を参照して、ユニバーサルジョイント８１２は、移動ステージ５に設けられ、移動ステージ５に対して固定された点で直交する２本の回転軸まわりに回転可能なように第２部分８１０２を支持する回転機構である。ユニバーサルジョイント８１２の２本の回転軸は、移動ステージ５に平行である。ユニバーサルジョイント８１２の２本の回転軸の交点は、リフレクタ５３１の中心に一致する。

上述した機構により、直線駆動機構１〜３により移動ステージ５が移動されると、レーザ干渉測長計４１０３は移動ステージ５の動きに追従して旋回する。換言すると、ユニバーサルレーザ干渉測長ユニット４４１は、常に、２軸回転機構４１０２の２本の回転軸の交点とユニバーサルジョイント８１２の２本の回転軸の交点とを結ぶ直線を光軸として測定光を出射することができる。レーザ干渉測長計４１０３のレーザ光出射口４１０７から出射された測定光（レーザ光４１０４）は、テレスコピック鏡筒８１１内の光路を通ってリフレクタ５３１に入射する。リフレクタ５３１で反射した測定光（反射光４１０５）は、テレスコピック鏡筒８１１内の光路を戻ってレーザ光出射口４１０７に入射する。

したがって、ユニバーサルレーザ干渉測長ユニット４４１は、基準球４１０１の中心とリフレクタ５３１の中心との距離を連続して測定することができる。ユニバーサルレーザ干渉測長ユニット４４２及び４４３は、ユニバーサルレーザ干渉測長ユニット４４１と同様の構成を有する。制御部７の演算処理部７０２は、ユニバーサルレーザ干渉測長ユニット４４１〜４４３の出力に基づいて、移動ステージ５の位置及び姿勢を算出することができる。

本実施の形態によれば、制御部７による追尾制御を実行しなくても、ユニバーサルレーザ干渉測長ユニット４４１〜４４３はリフレクタ５３１〜５３３をそれぞれ追尾することができる。本実施の形態にかかるパラレル機構４００は、パラレル機構３００よりも簡素且つ低コストのシステム構成でパラレル機構３００と同等の性能を実現することができる。

実施の形態５
次に実施の形態５にかかるパラレル機構５００について説明する。図２１は、パラレル機構５００の直線駆動機構１の近傍を示す。パラレル機構５００は、パラレル機構４００の変形例である。パラレル機構５００においては、ユニバーサルレーザ干渉測長ユニット４４１及びリフレクタ５３１の機能が直線駆動機構１に組み込まれる。直線駆動機構２及び３は、直線駆動機構１と同様に構成される。

実施の形態５にかかる直線駆動機構１の伸縮ロッド１０は、内部に光路が形成されたシャフト型リニアモータを備える直動アクチュエータである。伸縮ロッド１０は、干渉計支持部１００１と、伸縮可能なテレスコピック構造を有するテレスコピック鏡筒１００２とを備える。干渉計支持部１００１にレーザ干渉測長計４１０３が配置される。干渉計支持部１００１の一端は、球面ジョイント１０１を介してベースプレート４に連結される。光ファイバ４１１１が球面ジョイント１０１に取り付けられ、光ファイバ４１１２が干渉計支持部１００１取り付けられている。尚、光ファイバ４１１１が干渉計支持部１００１に取り付けられていてもよい。光ファイバ４１１１及び４１１２は、レーザ干渉測長計４１０３に光学的に接続される。

球面ジョイント１０１の中心は、ベースプレート４に対して固定されている。したがって、球面ジョイント１０１が形成する回転機構は、ベースプレート４に設けられ、ベースプレート４に対して固定された点で直交する２本の回転軸まわりに回転可能なようにレーザ干渉測長計４１０３を支持する。

テレスコピック鏡筒１００２は、伸縮可能な光路を形成する。テレスコピック鏡筒１００２は、第１部分１００３と、第１部分１００３に対して直線往復運動する第２部分１００４とを備える。以下、第１部分１００３及び第２部分１００４をそれぞれ外筒１００３及び内筒１００４と称する。外筒１００３の一端は、干渉計支持部１００１の他端に固定されている。詳細には、外筒１００３の一端は、レーザ干渉測長計４１０３のレーザ射出口４１０７に同軸に固定されている。外筒１００３の他端には、外筒１００３と内筒１００４の間をシールするシール部１００５が形成されている。また、外筒１００３の他端に電磁石１００６が固定されている。外筒１００３にガス導入口１００７が設けられている。電磁石１００６の上側（球面ジョイント１０１側）及び下側（球面ジョイント１５側）に、摺動ガイド１０１１がそれぞれ設けられている。摺動ガイド１０１１は、例えば、摩擦係数の小さなフッ素系樹脂材料で形成され、外筒１００３及び内筒１００４の同軸度を確保しつつ同軸上での相対運動を可能にする。

内筒１００４の一端にピストン１００８が固定されている。ピストン１００８は、中空円板形状に形成されている。ピストン１００８は、外筒１００３内に配置される。内筒１００４の内側に、永久磁石１００９が固定されている。この永久磁石１００９は、中空円板形状の永久磁石が積み重ねられて形成されている。したがって、伸縮ロッド１０の内部に伸縮可能な光路が形成される。内筒１００４の他端は、球面ジョイント１５を介して移動ステージ５に連結される。球面ジョイント１５の中心にリフレクタ５４１が配置される。リフレクタ５４１は、例えばキューブコーナである。

球面ジョイント１５の中心は、移動ステージ５に対して固定されている。したがって、球面ジョイント１５が形成する回転機構は、移動ステージ５に設けられ、移動ステージ５に対して固定された点で直交する２本の回転軸まわりに回転可能なように内筒１００４を支持する。

電磁石１００６及び永久磁石１００９は、伸縮ロッド１０を伸縮させるための駆動力を発生するリニアモータを形成する。また、外筒１００３の内側面、内筒１００４の外側面、ピストン１００８、及びシール部１００５で囲まれた空間１０１０にガス導入口１００７から、被駆動部重量とバランスするように圧力を設定した圧縮ガスを供給することで、リニアモータの負荷を低減することができる。

レーザ干渉測長計４１０３は、光ファイバ４１１１を介して入力光を入力し、入力光から測定光及び参照光を生成する。レーザ干渉測長計４１０３のレーザ光出射口４１０７は、球面ジョイント１０１の中心と球面ジョイント１５の中心とを結ぶ直線を光軸として測定光を出射する。測定光は、テレスコピック鏡筒１００２の内部を通って、リフレクタ５４１に照射される。リフレクタ５４１で反射した測定光は、レーザ干渉測長計４１０３のレーザ光出射口４１０７に入射する。レーザ干渉測長計４１０３は、リフレクタ５４１で反射した測定光と参照光を干渉させて干渉光を生成し、光ファイバ４１１２を介して干渉光を出力する。干渉光に基づいて、球面ジョイント１０１の中心と球面ジョイント１５の中心との距離を測定することができる。

本実施の形態によれば、テレスコピック鏡筒１００２が伸縮ロッド１０の一部となっている。そのため、パラレル機構５００の製造コストが低減され、直線駆動機構１〜３によって駆動される被駆動部が軽量化される。被駆動部が軽量化されるので、移動ステージ５の高速移動が可能である。尚、伸縮ロッド１０は、内部に光路が形成されたボールねじを備える直動アクチュエータであってもよい。

更に、球面ジョイント１０１及び干渉計支持部１００１をスーパインバー（ＦＮ−３１５）やインバー（ＦＮ−３６）のような低熱膨張材料で形成することが好ましい。パラレル機構５００の周囲の温度が変化する場合においても、球面ジョイント１０１の中心と球面ジョイント１５の中心との距離を正確に測定することができる。

図２２を参照して、本実施の形態にかかるレーザ干渉測長計４１０３の構成を詳細に説明する。レーザ干渉測長計４１０３は、コリメータレンズ４２と、偏光ビームスプリッタ４３と、偏光板４４と、λ／４板４６及び４７と、キューブコーナ５１とを備える。レーザ干渉測長計４１０３は、光ファイバ４１１１を介して、レーザ干渉測長計４１０３の外部に設けられた光源４１から入力光を入力する。

入力光は、コリメータレンズ４２を通過した後、偏光ビームスプリッタ４３により２つに分けられる。一方（Ｓ偏光）は参照光として、偏光ビームスプリッタ４３で反射され、偏光板４４に向かう。他方（Ｐ偏光）は測定光として直進し、λ／４板４７を経て、リフレクタ５４１に照射される。ここで、測定光は、λ／４板４７によりＰ偏光から円偏光に変換される。

リフレクタ５４１で反射した測定光は、レーザ干渉測長計４１０３に入射する。レーザ干渉測長計４１０３に入射した測定光は、λ／４板４７、偏光ビームスプリッタ４３、及びλ／４板４６を経て、キューブコーナ５１に入射する。ここで、測定光は、λ／４板４７により円偏光からＳ偏光に変換され、λ／４板４６によりＳ偏光から円偏光に変換される。キューブコーナ５１で反射された測定光は、λ／４板４６、偏光ビームスプリッタ４３、及び偏光板４４を経て、上述の参照光と干渉して干渉光を生成する。ここで測定光は、λ／４板４６により円偏光からＰ偏光に変換される。レーザ干渉測長計４１０３は、光ファイバ４１１２を介して、レーザ干渉測長計４１０３の外部に設けられた光検出器４５に干渉光を出力する。

本実施の形態によれば、光ファイバ４１１１及び４１１２を用いることで、光源４１及び光検出器４５をレーザ干渉測長計４１０３の外部に設けることができる。そのため、レーザ干渉測長計４１０３が小型化され、レーザ干渉測長計４１０３を伸縮ロッド１０に組み込むことが容易になる。尚、レーザトラッカ４１１、４２１、４２２、４３１〜４３３やユニバーサルレーザ干渉測長ユニット４４１〜４４３に対しても光ファイバ４１１１及び４１１２を適用してもよい。

その他の実施の形態
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。実施の形態１乃至３では、１又は２以上のレーザトラッカがベースプレートの移動ステージ側とは反対側の面上に設けられ、レーザトラッカはベースプレートの開口部を通して移動ステージのベースプレート側に設けられたリフレクタにレーザ光を照射する例について説明した。しかし、レーザトラッカは、ベースプレートの移動ステージ側の面に設けられていてもよい。この場合には、ベースプレートの開口部を省略することができる。但し、レーザトラッカと直線駆動機構との干渉の恐れを考慮すると、上述の実施の形態のように、レーザトラッカはベースプレートの移動ステージ側とは反対側の面上に設けられることが望ましい。

実施の形態４では、パラレル機構３００のレーザトラッカ４３１〜４３３のかわりにユニバーサルレーザ干渉測長ユニット４４１〜４４３を用いる場合を説明した。しかし、パラレル機構１００のレーザトラッカ４１１のかわりにユニバーサルレーザ干渉測長ユニット４４１を用いることが可能であり、パラレル機構２００のレーザトラッカ４２１及び４２２のかわりにユニバーサルレーザ干渉測長ユニット４４１及び４４２を用いることが可能である。この場合、レーザトラッカ４２１及び４２２は、２軸回転機構４１０２の方位角φ及び仰俯角θを制御部７に出力する。

また、上述の実施の形態では、３本の直線駆動機構を有する３自由度のパラレル機構について説明したが、他の方式のパラレル機構にレーザトラッカ及びリフレクタを適用できることはいうまでもない。

他の方式のパラレル機構にユニバーサルレーザ干渉測長ユニット及びリフレクタを適用してもよく、他の方式のパラレル機構の直線駆動機構にレーザ干渉測長計及びリフレクタを組み込んでもよい。リフレクタとしてレトロリフレクタを用いることができる。

例えば、６本の直線駆動機構を有し、互いに直交するＸＹＺの３方向、Ｘ軸周りの回転方向、Ｙ軸周りの回転方向、Ｚ軸周りの回転方向に駆動可能な、６自由度のパラレル機構を用いることも可能である。この構成では、６本の直線駆動機構とベースプレート、及び６本の直線駆動機構と移動ステージとは、球面ジョイント（合計１２個）により連結される。この場合、ベースプレートに対する移動ステージの平行度がずれている場合でも、移動ステージが回転方向にも駆動可能であるので、レーザトラッカ等での測定結果に応じて平行度を微調整できる。

また、上述の実施の形態では、いわゆるスチュワートプラットフォーム（Stewart Platform）型のパラレル機構について説明したが、これは例示に過ぎない。例えば、ヘキサ（Hexa）型又は直動固定型などの他の方式のパラレル機構を用いることも可能である。さらに、ベースプレートと移動ステージとを連結する駆動機構も直動駆動機構に限られず、回転駆動機構部を有する多段の屈曲駆動機構やスライド機構などの他の駆動機構を用いることもできる。

上述のレーザトラッカは、レーザ光を含む任意のコヒーレント光を出射させ、コヒーレント光と反射光とを干渉させて移動ステージの移動距離を算出できる任意の測定部に置換することが可能である。また、リフレクタは、キャッツアイに限らず、入射光を逆方向に反射する任意の反射部に置換することが可能である。

上述の実施の形態では、パラレル機構が形状測定機に組み込まれる例について説明したが、これは例示に過ぎない。すなわち、上述の実施の形態にかかるパラレル機構は、その他の測定機、工作機械、運転シミュレーション装置などの、駆動機構を有する装置に組み込むことが可能である。

上述の実施形態にかかるパラレル機構が三次元測定機（ＣＭＭ）のような形状測定機に組み込まれる場合、レーザトラッカの出力、ユニバーサルレーザ干渉測長ユニットの出力、又は直線駆動機構に組み込まれたレーザ干渉測長計の出力は、パラレル機構の駆動機構にフィードバックされてもされなくてもよい。上記出力に基づいて移動ステージの位置を高精度に観測することができるので、静止ポイント測定の場合は上記出力のフィードバックを行わなくても被測定物の座標を正確に求めることができる。これに対し、倣い測定の場合は、移動ステージの駆動を高精度に行う必要があるため、上記出力がパラレル機構の駆動機構にフィードバックされることが好ましい。上述の実施形態にかかるパラレル機構が工作機械又は運転シミュレーション装置に組み込まれる場合も同様である。

１〜３ 直線駆動機構
４ ベースプレート
５ 移動ステージ
６ プローブ
６ａ スタイラス
６ｂ 先端球
７ 制御部
８ ポール
１０ 伸縮ロッド
１１、１２ 直動ロッド
１３、１４ 直動ベアリング
１５〜１７、１０１、１３１、１４１ 球面ジョイント
１８、１９ 固定具
４１１、４２１、４２２、４３１〜４３３ レーザトラッカ
５１１、５２１、５２２、５３１〜５３３ リフレクタ
６１１、６２１、６２２、６３１〜６３３ 開口部
７１ 被測定物
７２ ステージ
１００、２００、３００ パラレル機構
４１００ ベースブロック
４１０１ 基準球
４１０２ ２軸回転駆動機構
４１０３ レーザ干渉測長計
４１０４ レーザ光
４１０５ 反射光
４１０６ 基台
５１０１ 台座
５１０２ キャッツアイ
Ｊ１１〜Ｓ１３、Ｊ２１〜Ｊ２３ ２自由度ジョイント
８１〜８３ 従動ジョイント機構
４００、５００ パラレル機構
４４１〜４４３ ユニバーサルレーザ干渉測長ユニット
４５１ ユニバーサル干渉計部
５４１ リフレクタ
７０１ 駆動制御部
７０２ 演算処理部
８１１、８２１、８３１、１００２ テレスコピック鏡筒
８１２ ユニバーサルジョイント
１００１ 干渉計支持部
１００３、８１０１ 第１部分
１００４、８１０２ 第２部分
１００５ シール部
１００６ 電磁石
１００７ ガス導入口
１００８ ピストン
１００９ 永久磁石
１０１０ 空間
１０１１ 摺動ガイド
４１０７ レーザ光出射口
４１０８ キャリッジ
４１１１、４１１２ 光ファイバ
Ｌ４１１ 直線
Ｏ 基準球の中心

Claims (13)

1. ベースプレートと、
   前記ベースプレートに対して移動する移動ステージと、
   前記ベースプレートと前記移動ステージの間に設けられ、前記ベースプレートに対する前記移動ステージの相対位置を変化させる複数の駆動機構と、
   前記移動ステージに設けられ、入射する光を反射する反射部と、
   前記ベースプレートに対して空間的に位置が固定され、前記反射部に測定光を照射し、前記反射部で反射した前記測定光と参照光との干渉を観測して前記移動ステージの移動距離及び移動方向を測定する測定部と、
   前記複数の駆動機構を制御する制御部と、を備える
   パラレル機構。
2. 前記反射部は、前記移動ステージの前記ベースプレート側の面に設置され、
   前記測定部は、前記ベースプレートに設置され、前記反射部に前記測定光を照射する、
   請求項１に記載のパラレル機構。
3. 前記複数の駆動機構のそれぞれと、前記ベースプレート及び前記移動ステージと、を連結する複数のジョイントを更に備え、
   前記測定部は、前記複数の駆動機構及び前記ベースプレートを連結する前記複数のジョイントのいずれかと、前記測定部が設置された前記ベースプレートの面の図心と、を結ぶ線の上に設置され、
   前記反射部は、前記複数の駆動機構及び前記移動ステージを連結する前記複数のジョイントのいずれかと、前記反射部が設置された前記移動ステージの面の図心と、を結ぶ線の上に設置される、
   請求項１又は２に記載のパラレル機構。
4. 前記反射部は前記移動ステージに所定の間隔で複数設けられ、
   複数の前記反射部のそれぞれに測定光を照射する前記測定部が、前記ベースプレートに所定の間隔で複数設けられる、
   請求項３に記載のパラレル機構。
5. 前記測定部が２つ設けられ、
   前記反射部が２つ設けられ、
   ２つの前記測定部は、前記ベースプレートの面の図心に対して対称な位置に設置され、
   ２つの前記反射部は、前記移動ステージの面の図心に対して対称な位置に設置される、
   請求項４に記載のパラレル機構。
6. 前記測定部が３つ設けられ、
   前記反射部が３つ設けられ、
   ３つの前記測定部は、前記ベースプレートの面の図心を基準として等間隔な位置に設置され、
   ３つの前記反射部は、前記移動ステージの面の図心を基準として等間隔な位置に設置される、
   請求項４に記載のパラレル機構。
7. 前記複数の駆動機構を構成する第１〜第６の駆動機構と、
   前記複数のジョイントを構成する、前記ベースプレートと前記第１〜第６の駆動機構のそれぞれとを連結する第１〜第６のジョイントと、
   前記複数のジョイントを構成する、前記移動ステージと前記第１〜第６の駆動機構のそれぞれとを連結する第７〜第１２のジョイントと、を備え、
   前記第１〜第１２のジョイントは球状ジョイントである、
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載のパラレル機構。
8. 前記測定部は、
   前記ベースプレートに対して相対位置が固定された球と、
   前記球の中心と前記反射部とを結ぶ線を光軸とする前記測定光を出射し、前記反射部で反射した前記測定光と前記参照光との干渉を観測する干渉計と、
   前記球の前記中心で直交する２本の回転軸周りに前記干渉計を駆動する駆動部と、を備える、
   請求項１乃至７のいずれか一項に記載のパラレル機構。
9. 前記２本の回転軸は、前記測定部が設置された前記ベースプレートの前記測定部が設置された面に平行である、
   請求項８に記載のパラレル機構。
10. 前記測定部は、
    前記測定光を出射し、前記反射部で反射した前記測定光と前記参照光とを干渉させる干渉計と、
    前記ベースプレートに設けられ、前記ベースプレートに対して固定された第１の点で直交する２本の回転軸まわりに回転可能なように前記干渉計を支持するベースプレート側回転機構と、
    前記干渉計に固定された第１部分と前記第１部分に対して直線往復運動する第２部分とを備えるテレスコピック構造と、
    前記移動ステージに設けられ、前記移動ステージに対して固定された第２の点で直交する２本の回転軸まわりに回転可能なように前記テレスコピック構造の前記第２部分を支持する移動ステージ側回転機構と、を備え、
    前記反射部は、前記第２の点に配置される、
    請求項１乃至７のいずれか一項に記載のパラレル機構。
11. 前記測定部は、中心が前記第１の点に一致する球を備え、
    前記干渉計は、前記第１の点と前記第２の点を結ぶ直線を光軸として前記測定光を出射する、
    請求項１０に記載のパラレル機構。
12. 前記複数の駆動機構は、直動アクチュエータを備え、
    前記テレスコピック構造は前記直動アクチュエータの一部である、
    請求項１０に記載のパラレル機構。
13. 前記干渉計に接続された第１光ファイバ及び第２光ファイバを備え、
    前記干渉計は、前記第１光ファイバを介して入力光を入力し、前記入力光から前記測定光及び前記参照光を生成し、前記反射部で反射した前記測定光と前記参照光を干渉させて干渉光を生成し、前記第２光ファイバを介して前記干渉光を出力する、
    請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載のパラレル機構。

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