JP2560063B2 - スケール精度測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はスケール精度測定装置、特にそのスケール送
り機構の改良に関するものである。

［従来の技術］ 従来より２つの移動体の相対移動量を検出するリニア
エンコーダが周知であり、その移動量を高精度かつ高分
解能で測定できるところから三次元測定器など各種被測
定物の形状あるいは寸法を測定する装置に使用されてい
る。

該リニアエンコーダには磁気型、光電型、静電容量型
などがあるが、いずれも対向配置される二つのスケール
を有し、該スケールの相対移動量を物理量変化として捉
えるためスケール面に各種目盛りパターンが形成されて
いる。

例えば光電型リニアエンコーダでは、前記スケール
は、ガラス基板上に所定間隔毎に薄膜クロムなどよりな
る光不透過部と光透過部が交互に設けられた目盛りパタ
ーンが形成されている。

そして、移動体の相対移動に対応して前記二つのスケ
ールを相対移動させ、、発光器よりの光をスケールの目
盛りパターンにより透過・遮断し、スケールをはさんで
前記発光器と対向配置された受光器の出力により移動体
の相対移動量を検出するものである。

従って、スケールの目盛りパターンの形成精度がその
ままリニアエンコーダの測定精度につながり、近年のリ
ニアエンコーダの高精度化及び高分解能化に対応するた
めには、目盛りパターンのより正確かつ微細な形成及び
精度検査が必要不可欠である。

第４図には従来のスケール精度測定装置の概略構成が
示されている。

同図において、測定装置10は、ポリウレタン等からな
る恒温器12内に設置されている。

また、前記測定装置10は、ベッド14と、該ベッド14上
に転動球16を介して支持されベッド14に対し軽い摺動力
で相対移動可能に形成されたテーブル18と、前記テーブ
ル18に固定されガラススケール20を保持するスケール保
持手段22と、を含む。

そして、前記テーブル20にはその移動機構が設けられ
ており、該移動機構は、モーター24と、該モーター24の
シャフトに連動するテーブル送りネジ26と、テーブル送
りネジ26と噛み合い該テーブル送りネジの回転によりテ
ーブル18を矢印Ｉ方向に送り移動する送り部材28と、を
備える。

従って、モーター24を外部より駆動制御することによ
りスケール20を所定位置に位置決めすることができる。

また、同図中テーブル18の左端部分にはスケール20を
所定位置に位置決めするためのコーナーキューブのよう
なリフレクタ30が設けられており、図示を省略したレー
ザー干渉計と協働してテーブル18の移動量を検出する。

さらに、前記スケール20の目盛り20aに対向して光電
顕微鏡などの目盛り読み取り手段32が配置され、該目盛
り読み取り手段32に対し相対移動するスケール20の目盛
り20aを読み取り可能としている。

図示例にかかるスケール精度測定装置は概略以上のよ
うに構成され、次にその作用について説明する。

まず、測定者はスケール保持手段22にスケール20を保
持させる。

ここで、スケール保持手段22は第５図にも示すよう
に、ネジ止め（ないしばね押え）可能な押えアーム34を
有しており、該押えアーム34に設けられた押えゴム36を
介してスケール20を保持する。

ところが、最近要求されている高精度測定では、スケ
ール20自体あるいは部品間での温度分布の相違が測定精
度に大きな影響を与えてしまう。

そこで、前記20℃の環境下で長時間エージングし、ス
ケール20各部の温度をそれぞれ均一に20℃とする。

そして、モーター24を駆動させることによりスケール
20の所定測定位置を目盛り読み取り手段に対向させ、さ
らに該測定位置でスケール20を微小送りさせて該スケー
ル20上の目盛りピッチを測定するのである。

［発明が解決しようとする課題］ 従来技術の問題点 ところが、近年、精密測定機などのきわめて高い精度
要求にともない、スケール精度も真値に対する偏り0.1
μｍ以下、繰り返し測定精度1,000mmにつきσ＝0.01μ
ｍ程度が要求されており、それに対応した高精度のスケ
ール精度測定装置が必要とされてきている。

しかしながら、従来この種のスケール精度測定装置で
は、誤差が大きく前記測定要求精度に十分対応できない
という問題点があった。

すなわち、スケール精度の測定には、該スケールの所
定測定位置を目盛り読み取り手段に対向させた上で、そ
の前で微小送りさせなければならないが、その速度が余
りに早ければ目盛りの読みとばしを生じ、微細な目盛り
測定を行うことができない。

しかしながら、従来のようにスケールの測定位置の移
動及び目盛り測定に伴う微小送りの両者をテーブル18の
ネジ送りによるのでは、微小送り時にも1mm/sec程度の
送り速度となってしまい、十分正確な目盛り読み取りを
行うことができないこともあった。

しかも、従来はネジ送り方式であったため、送りネジ
を非常に精巧に加工形成しても、不十分なフレ回り精
度、ネジフランク面の粗さ、モーターという熱源の介
在、不十分なネジ形状精度から、測定時の微小送りに振
動が生じる。

このため、目盛り読み取り手段あるいはレーザー干渉
計の検出精度に支障を来し、特に上述したような高精度
測定時にはこのような支障に基づく精度低下はとうてい
許容できないものであった。

無論、測定時にスケールを停止すればこのような問題
は生じないわけであるが、この場合には通常の顕微鏡な
どにより目盛り読み取りを行わなければならず、測定者
の負担が著しく増大してしまう。

発明の目的 本発明は前記従来技術の課題に鑑みなされたものであ
り、その目的はスケールの目盛り精度を十分正確にかつ
効率よく読み取ることのできるスケール精度測定装置を
提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 前記目的を達成するために本発明にかかるスケール精
度測定装置は、ベッド、テーブル、スケール保持手段、
目盛り読み取り手段、リフレクタ、レーザー干渉計、粗
動送り機構、微小送り機構を備える。

そして、テーブルは、ベッド上に移動可能に支持され
る。

スケール保持手段は、前記テーブル上に長手方向に移
動可能に支持されスケールを着脱自在に保持する。

目盛り読み取り手段は、ベッドに支持され前記スケー
ルの目盛り形成面と対向配置される。

リフレクタは、前記スケール保持手段に設けられレー
ザー光を反射する。

レーザー干渉計は、ベッドに支持され前記リフレクタ
にレーザー光を投光しその反射光より前記スケール保持
手段の位置を測定する。

粗動送り機構は、ベッドに対しテーブルを粗動送りす
る。

微小送り機構は、テーブルとスケール保持手段の間に
配置された圧電素子よりなりテーブルに対しスケール保
持手段を微小送りする。

［作用］ 本発明にかかるスケール精度測定装置は、前述した手
段を有するので、まず、前記粗動送り機構によりスケー
ルの所定測定位置に目盛り読み取り手段を対向させる。

そして、前記微小送り機構の圧電素子に電圧を印加し
スケール保持手段を微小送りさせる。

同時に、目盛り読み取り手段からの目盛り検出出力と
レーザー干渉計からのスケール位置出力により各目盛り
位置を検出し、スケール精度を測定する。

［実施例］ 以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例を説明す
る。

第１図には本発明の一実施例にかかるスケール精度測
定装置が示されており、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面
図である。

なお、前記従来技術と対応する部分には符号100を加
えて示し説明を省略する。

本実施例において、ベッド114上にはリニアベアリン
グなどの転動球116を介してテーブル118が載置され、送
りネジ126にパルスモーターなどで回転を与えることに
よりテーブルを適当な位置に移動可能としている。そし
て、該テーブル118上には、スケール保持手段122が垂直
荷重受け球150及び水平方向拘束球152を介して移動自在
に載置されている。

なお、垂直荷重受け球150は図中左側に一個（150
a）、図中右側に二個（150b,150c）を配置してなり、ス
ケール保持手段122を三点支持する。

また、水平方向拘束球152は、テーブル118の左右及び
前後に配置された拘束台154a,154b,154c,154dにそれぞ
れ２個づつ設置されている。なお、各拘束台154はネジ1
56により位置調整が可能となっており、スケール保持手
段122を矢印II方向に移動させスケール120の所定の位置
決めをおこなう。

なお、ベース、テーブルの移動手段は以上のように限
定されるものではなく、例えばエアベアリングや単に摺
動面を形成したものであってもよい。

第２図にも拡大して示されるように、前記スケール保
持手段122はスケールの真空吸着機構を有しており、該
真空吸着機構は、、スケール120対向面に設けられた吸
着溝158と、該吸着溝の略中央から引き出され図示を省
略した真空ポンプに連結されるパイプ160と、よりな
る。

また、スケール120の下端縁部に沿って、スケール保
持手段122には左右二ケ所に一時剥離手段として剥離圧
電素子162a,162bが配置されている。

この剥離圧電素子162は、積層圧電アクチュエータ素
子すなわち圧電セラミック板の積層構造からなり、電圧
の加減により約15μｍの伸縮が可能である。

この圧電素子は、小型で不用な熱の発生がなく、しか
も恒温室外より自由に操作可能とできるという利点を有
する。

従って、真空吸着の真空度を低下させたとき、なおス
ケール120がスケール保持手段122より剥離しない場合に
も、該圧電素子162の伸びによりスケールが下方から押
され確実に剥離することができる。

なお、このような剥離手段としては、圧電素子に限ら
れるものではなく、例えば吸着溝158よりエアーを小量
吹き出すようにするなどの手段によることもできる。

一方、第３図にも拡大して示されるように、テーブル
118の左端部には微小送り機構164が設けられている。

該微小送り機構164は、一端がスケール保持手段122左
端部に当接した微小送り圧電素子166と、該圧電素子166
の他端に先端が当接した位置決めネジ168と、スケール
保持手段122を図中左方向に引張する引張コイルばね170
と、よりなる。

そして、図中スケール保持手段122の左側には略スケ
ール目盛り120a位置と同じ高さにおいてリフレクタ130
が設けられ、ベース114に設置したレーザー干渉計から
のレーザー光を受光し反射することによりベース114に
対するスケール保持手段122の移動量を計測することが
できる。

レーザー干渉計は例えば第１図に示すようにレーザー
発振器180,ビームスプリッタ182,第二のリフレクタ18
4、光電変換器などの検出器186からなり、レーザー発振
器180からのレーザー光を前記リフレクタ130に向けて投
光し、その光路上にビームスプリッタ182を45度傾けて
配置する。

該ビームスプリッタ182により反射されたレーザー光
は前記光路に対して直交方向に進行し、該光路上に設け
られた第二のリフレクタ184により反射し、前記ビーム
スプリッタ182を透過して検出器186に入射する。

一方、スケール保持手段122に付設されたリフレクタ1
30からの反射光はビームスプリッタ182で反射し、前記
第二のリフレクタ184からの反射光と干渉し前記検出器1
86の入射する。

このような干渉計よれば、スケール保持手段122が長
手方向に移動した場合はビームスプリッタからリフレク
タ130までの光路長が変化するので、検出器186に入射す
るレーザー光の波長を検出することにより0.01μｍ単位
の精度でスケール保持手段122の移動量を計測すること
ができる。

本発明においては、このように高精度な測定を行うの
で、スケール保持手段122を圧電素子の微小な変化にも
十分追従可能なように軽量化し、また荷重による橈みに
基づく微小変形によっても影響を受けるので、その除去
のためテーブル118の粗動、スケール保持手段122の微動
を可能とする三段重ね構造としたのである。

なお、スケール120の目盛り120aに対向して光電顕微
鏡などの目盛り読み取り手段132がベースなどに設置さ
れている。

本実施例にかかるスケール精度測定装置は概略以上の
ように構成され、次の様にしてスケール精度を測定す
る。

エージング工程 まず、測定者はスケール保持手段122のスケール保持
面にスケール120を保持させる。

なお、スケール保持面と対向してスケール押え172が
配置されている。

この状態で、図示を省略した真空ポンプを駆動する
と、スケール120は吸着溝158に吸着されスケール保持手
段122にしっかりと保持される。

ここで、従来においては、スケールを保持するため
に、第５図に示すようにスケール保持手段にスケールを
当接させ、スケールの長手方向に数カ所配置された押え
ゴムなどで押圧する構成としていたので、スケールを曲
げてしまうこともあったが、本実施例のようにスケール
保持手段のスケール取り付け面に少なくとも一本の溝を
設け、該溝内の空気を希薄にする真空吸着法によれば、
スケールは正しくスケール保持手段のフラットな表面に
密着し、変形を起こすことがない。

さらに、測定者は位置決めネジ168を操作し、微小送
り圧電素子166及びスケール120の初期位置を決定する。

そして、この後スケール120の各部の温度が均一とな
るまで従来と同様にして恒温器中でエージングする。

スケール歪除去工程 そして、エージングが終了したなら、吸着溝158の真
空度を低下させる。

これと同時に剥離圧電素子162に駆動電圧を印加し、
伸張させると、スケール120はスケール保持手段122より
確実に剥離する。

この際にも、前記スケール押さえ172によりスケール1
20は保持されている。

この結果、スケール120とスケール保持手段122の間に
エージング中に生じた熱応力及びこれに基づく歪は除去
される。

測定工程 次に、剥離圧電素子への電圧印加を停止し、再度真空
ポンプを駆動させる。

そして、吸着溝158にスケール120を吸着させてスケー
ル120の目盛りピッチを光電顕微鏡などの目盛り読み取
り手段132により読み取る。

目盛りの測定は以下の様にして行われる。

テーブル粗動工程 まず、操作者は送りネジ126を操作し、テーブル118を
移動する。

そして、スケール120の測定始点に目盛り読み取り手
段132を対向させる。

スケール保持手段微小送り工程 次に微小送り機構を作動させ、スケールの目盛りピッ
チを測定する。

すなわち、微小送り圧電素子166に電圧を印加し、そ
の伸張によりスケール保持手段122及びスケール120を微
小送りさせる。

ここで、圧電素子は周知のように印加電圧にその伸張
度が比例し、印加電圧制御によりきわめて低速度でしか
も正確なスケールの微小送りが行われる。しかも、熱発
生量も小さく、測定環境に影響を与えることもない。

したがって、圧電素子166への印加電圧を増加または
減少させることにより、継続的に素子を膨張または収縮
させ、スケール保持手段122を低速で微小送りすること
ができる。

そして、目盛り読み取り手段132により測定始点の目
盛りのエッジまたは目盛りの中心を検出したとき、レー
ザー干渉計の信号を計測の始点とし、スケールが１ピッ
チ移動しその他端の目盛りエッジ等を検出したとき、レ
ーザー干渉計の信号を計測の終点とすることにより、き
わめて高精度にスケール120のピッチを測定することが
できる。

なお、圧電素子による移動量は15μｍ程度、また送り
速度は0.01μm/sec〜１μm/sec程度であり、8/1000μｍ
程度の目盛りピッチ測定が可能である。

そして、該測定位置での目盛りピッチ測定が終了した
なら、ネジ送りにより次の測定位置を目盛り読み取り手
段に対向させる。

この際、微小送り圧電素子への電圧印加を停止する
が、該微小送り圧電素子の収縮にともない引張ばね170
によりスケール保持手段122が引き戻され、初期位置に
復帰する。

以上の測定操作の繰り返しにより各測定点の目盛りピ
ッチを測定するのである。

測長工程 次に本実施例による一定のスケール目盛り間の長さを
測定する測長工程について説明する。

測定者は、まず送りネジ126を操作し、スケール120の
測定始点位置に目盛り読み取り手段132を対向させる。

そして、微小送り機構164を作動させ、ピッチ測定と
同様に測定始点のスケール目盛りのエッジ等を目盛り読
み取り手段132で検出させ、そのときのレーザー干渉計
の信号を始点とし次に計測すべき長さまで送りネジ126
でテーブル118及びスケール保持手段122を移動する。

この間、リフレクタ130も移動するので、干渉計はそ
の移動量を計測し続ける。

次に、スケール120の測定終了位置が目盛り読み取り
手段132に対向したとき送りを停止し、始点の目盛りエ
ッジ等を目盛り読み取り手段132で検出したのと同様に
微小送り機構164を用いて終点のエッジを検出する。

そして、終点におけるエッジ等を検出したときの干渉
計の値を読み取ることにより所望長さにおけるスケール
の精度をきわめて高精度に測定することができる。

ここで、リフレクタ130はスケールの目盛りと同一の
高さに設定しており、アッベの誤差を生じないようにし
ている。

また、微小送り圧電素子166はスケール保持手段122の
下方に配置しているので、送りにおいて無理な力がかか
らない。

［発明の効果］ 本発明は前述のように構成されているので、次に記載
される効果を奏する。

請求項１に記載される発明は、テーブルに対しスケー
ル保持手段を移動可能とし、該スケール保持手段の移動
を圧電素子により行うこととしたので、スケールの微小
送りを低速度でかつ正確に行うことができ、スケール目
盛りの読み飛ばし等を生じることがない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例にかかるスケール精度測定
装置の外観図、 第２図は、前記第１図に示した装置の真空吸着機構の要
部拡大図、 第３図は、前記第１図に示した装置の微小送り機構の説
明図、 第４図は、従来のスケール精度測定装置の外観図、 第５図は、従来装置のスケール保持機構の説明図であ
る。 10,110……スケール精度測定装置 18,118……テーブル 20,120……スケール 22,122……スケール保持手段 158……吸着溝（真空吸着機構） 162……剥離圧電素子（一時剥離手段） 166……微小送り圧電素子（微小送り機構）

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ベッド上に移動可能に支持されたテーブル
   と、 前記テーブル上に長手方向に移動可能に支持され、スケ
   ールを着脱自在に保持するスケール保持手段と、 ベッドに支持され、前記スケールの目盛り形成面と対向
   配置される目盛り読み取り手段と、 前記スケール保持手段に設けられ、レーザー光を反射す
   るリフレクタと、 ベッドに支持され、前記コーナーキューブにレーザー光
   を投光し、その反射光より前記スケール保持手段の位置
   を測定するレーザー干渉計と、 ベッドに対しテーブルを粗動送りする粗動送り機構と、 テーブルとスケール保持手段の間に配置された圧電素子
   を有し、テーブルに対しスケール保持手段を微小送りす
   る微小送り機構と、 を備え、前記粗動送り機構によりスケールの所定測定位
   置に目盛り読み取り手段を対向させ、前記微小送り機構
   の圧電素子に電圧を印加しスケール保持手段を微小送り
   させつつ目盛り読み取り手段からの出力とレーザー干渉
   計からの出力によりスケール精度を測定することを特徴
   とするスケール精度測定装置。