JP2614645B2 - 変位測定装置 - Google Patents

変位測定装置

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JP2614645B2 JP63171855A JP17185588A JP2614645B2 JP 2614645 B2 JP2614645 B2 JP 2614645B2 JP 63171855 A JP63171855 A JP 63171855A JP 17185588 A JP17185588 A JP 17185588A JP 2614645 B2 JP2614645 B2 JP 2614645B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、物体の変位を測定する変位測定装置に係
り、特に微小な変位の測定に好適な変位測定装置に関す
る。
〔従来の技術〕
近年、各種技術分野、例えばLSI(大規模集積回
路)、超LSI等の半導体製造、バイオテクノロジ、宇宙
開発等の先端技術分野においては、1μm以下の微小な
変位を計測する測定装置が要望されてきた。従来、この
ような測定装置として、光(レーザ光)、静電容量、イ
ンダクタンス等を利用する測定装置が提案されている。
これらのうち光を利用するものおよび静電容量を利用す
るものについて説明する。
第5図はレーザ光を利用する変位測定装置の原理図で
ある。図で、1はレーザ光を射出するレーザヘツド、2
はレーザヘツド1から射出されたレーザ光を2つの光に
分割するビームスプリツタ、3はビームスプリツタ2に
より分割された一方の光の進行方向を反転させる参照
鏡、4は光を受信して所定の処理を行なうレシーバ、5
は測定対象物体(図示せず)に固定され光の進行方向を
反転させる移動鏡である。
レーザヘツド1から射出されたレーザ光bはビームス
プリツタ2により、そのまま直進する光b1と90゜屈折す
る光b2とに分割される。光b1は移動鏡5に当つて反射
し、この反射光はビームスプリツタ2を通つてレシーバ
4に受光される。一方、光b2は参照鏡3により屈折反転
されて再びビームスプリツタ2に入り、ビームスプリツ
タ2で再度90゜屈折されて前記移動鏡5よりの反射光b1
とともにレシーバ4に受光される。したがつて、ビーム
スプリツタ2からレシーバ4に入る光は光b1,b2の合成
光b3となる。
この状態で、移動鏡5が破線で示すように距離xだけ
移動すると、参照鏡3を通る光b2と移動鏡5を通る光b1
との間には光路差が生じ、両者の合成光b3に干渉縞が生
じる。レシーバ4はこの合成光b3の干渉縞を計数するも
のであり、この計数値により変位xを検出することがで
きる。
第6図は静電容量を利用する変位測定装置の原理図で
ある。図で、10は固定側に設けられた電極、11は測定対
象物体(図示せず)に取付けられた電極である。両電極
10,11は測定対象物体の変位方向において対向配置され
ている。なお、両電極10,11間に電圧を印加する電源が
備えられているが図示は省略する。両電極10,11間の静
電容量Cは、誘電率をε,電極面積をS,電極間距離をd
とすると、C=ε・S/dで表わされる。今、測定対象物
体が距離xだけ移動すると電極11も距離x移動し、電極
間距離は(d+x)となる。したがつて、このときの静
電容量を測定することにより、変位xを検出することが
できる。
〔発明が解決しようとする課題〕
ところで、第5図に示すレーザ光利用の変位測定装置
は、レーザヘツド1が大きく、これを測定が必要な機構
に適用した場合、機構全体が大形化するという問題があ
つた。さらに、レーザ光の光軸の調整が困難であり、こ
れは多くの時間を要するという問題もあつた。
一方、第6図に示す静電容量を利用する変位測定装置
は、極めて高い分解能(1pm)をもつという優れた点を
有するものの、変位xと静電容量Cとの関係が直線的な
比例関係になく、高精度の測定が困難である。これを第
7図に示す。第7図で、横軸には変位xが、縦軸には静
電容量Cがとつてある。両者の関係は図示のように曲線
になるので、使用に際しては、測定範囲lを小さくして
曲線を直線とみなして使用するか、又は、電気回路によ
りこれを近似的に直線化して使用する手段がとられる
が、これらの直線化の方法を採用しても完全に直線化す
ることは不可能であり、これによる誤差を免れることが
できない。
さらに、他にも種々の変位測定装置が提案されている
が、これらの多くは上記レーザ光や静電容量を利用する
ものと異なり、接触型のもので、接触面に摩擦やすべり
が生じ、その測定精度は満足すべきものではない。
本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、非接
触形であり、小形かつ高精度の変位測定装置を提供する
にある。
〔課題を解決するための手段〕
上記の目的を達成するため、本発明は、固定側部材
と、移動側部材と、これら2つの部材を結合する結合部
材と、前記2つの部材間に変位を与えるアクチュエータ
と、前記変位の変位量を前記結合部材のひずみ量として
検出するひずみ量検出手段と、前記移動側部材と測定対
象物体との間の変位を特定の物理量として非接触に検出
する非接触変位検出手段と、前記移動側部材と前記測定
対象物体との間で検出される物理量を当該測定対象物体
の変位前における物理量と等しくなるように前記アクチ
ュエータを駆動制御する制御手段とで構成され、この制
御手段で前記アクチュエータが駆動されたときの前記ひ
ずみ量検出手段で検出された値に基づいて前記測定対象
物体の変位を求めるようにした変位測定装置であること
を特徴とする。
〔作用〕
測定対象物体の変位前において、非接触変位検出手段
は、移動側部材と測定対象物体との間の間隔に対応する
所定の物理量を検出している。ここで、測定対象物体が
変位すると、非接触変位検出手段が検出する物理量はこ
れに応じて変化する。このとき、制御手段はアクチユエ
ータを駆動して結合部材にひずみを与え、これにより移
動側部材を変位させる。この変位は非接触変位検出手段
による検出値を、前記変位前の所定の物理量に一致させ
る変位である。このような変位は移動側部材が測定対象
物体と同一量だけ変位したことを意味し、この移動側部
材の変位の大きさをひずみ量検出手段により検出するこ
とにより、測定対象物体の変位を測定することができ
る。
〔実施例〕 以下、本発明を図示の一実施例に基づいて説明する。
第1図(a),(b)は本発明の実施例に係る変位測
定装置の側面図である。各図で、20は測定対象物体の一
部を示す。21は適宜個所に固定された固定側剛体、22は
固定側剛体21と対向配置された移動側剛体である。移動
側剛体22の一方端面に測定対象物体20の端面と対向して
いる。21aは固定側剛体21から上方に突出した突起、22a
は移動側剛体22から下方に突出した突起であり、互いに
対向して配置されている。23a,23bは薄肉平板等で構成
される弾性部材であり、固定側剛体21と移動側剛体22を
連結する。弾性部材23a,23bは互いに平行関係にある。
固定側剛体21、移動側剛体22、突起21a,22a、弾性部材2
3a,23bは、1つの剛体ブロツクから放電加工等により一
体成形される。24は突起21a,22a間に装架されるアクチ
ユエータであり、例えば圧電素子が用いられる。アクチ
ユエータ24は図示されていない制御装置により駆動され
る。25a〜25dは弾性部材23a,23bの所定個所に設けられ
たひずみゲージであり、そのひずみ量に応じて電気抵抗
値が変化する。26は移動側剛体22の端面に固定された電
極、27は測定対象物体200の端面に固定された電極であ
り、これら電極26,27は対向配置される。なお、図示さ
れていないが、ひずみゲージ25a〜25dのひずみ量を検出
する手段(後述する)、および電極26,27間の静電容量
を検出する検出手段が設けられている。
ここで、ひずみゲージ25a〜25dおよびこれらによる移
動側剛体22の変位検出方法を第2図および第3図により
説明する。第2図はひずみゲージ25a〜25dの接続回路図
である。この図から明らかなように、各ひずみゲージ25
a〜25dはホイートストンブリツジ回路29を構成するよう
に接続される。ホイートストンブリツジ回路29には電源
30が印加されている。弾性部材23a,23bが変形し、ひず
みゲージ25a〜25dにひずみが生じると、このひずみに応
じてホイートストンブリツジ回路29の出力Eが変化す
る。
ところで、第1図(a)に示す構成において、アクチ
ユエータ24を駆動して突起22aを押すと、第1図(b)
に示すように弾性部材23a,23bが変形し、移動側剛体22
が変位する。この変位量がuで示されている。今、弾性
部材23a,23bの変形によりひずみゲージ25a〜25dに生じ
るひずみ量の絶体値が等しくなるように、各ひずみゲー
ジ25a〜25dおよびその設置位置が定められているとする
と、移動側剛体の変位量uとホイートストンブリツジ回
路29の出力Eとは第3図に示すように比例関係にある。
なお、第3図では横軸に変位u、縦軸に出力Eがとつて
ある。したがつて、ホイートストンブリツジ回路Eの出
力により直ちに、かつ、正確に変位量uを知ることがで
きる。本実施例では、このようなひずみ量と変位量との
間の特性を利用して測定対象物体20の変位を測定するも
のである。
次に、本実施例の動作を説明する。今、第1図(a)
に示すように、測定対象物体20が変位せず、又、弾性部
材23a,23bは変形していない状態を考える。この状態で
電極26,27間に所定の電圧を印加したときの両電極26,27
間の静電容量を値C0(基準値)とする。なお、このとき
の両電極26,27の間隔をd0とする。第4図にこの状態が
示されている。即ち、第4図は両電極26,27間の静電容
量の特性図で、横軸に両電極26,27間の間隔d、縦軸に
静電容量Cがとつてある。図において、間隔d0のときの
静電容量がC0であることが示されている。
第1図(b)に示すように、測定対象物体20に変位x
が生じると電極26,27間の間隔dが大となり、その静電
容量は第4図に示す特性にしたがつて変化し、図示され
ていない検出手段により検出される。一方、アクチユエ
ータ24は図示されていない制御装置により、上記変位後
の静電容量と基準値C0との偏位が0になるように、即
ち、電極26,27間の間隔がd0、検出される静電容量がC0
になるように駆動される。この駆動により、第1図
(b)に示すように弾性部材23a,23bが変形し、移動側
剛体22が測定対象物体20に追従して変位する。この結
果、電極26,27間の間隔はd0、静電容量はC0となる。こ
の状態で、ひずみゲージ25a〜25dにはひずみが発生して
おり、このひずみは第2図に示すホイートストンブリツ
ジ回路29の出力Eとして取出され、これにより移動側剛
体22の変位量uが検出される。そして、この変位量uは
測定対象物体20の変位量xと等しいので、結局、測定対
象物体20の変位量が検出されたことになる。
このように、本実施例では、移動側物体と測定対象物
体との静電容量を検出し、この静電容量が基準値となる
ように移動側剛体を変位させ、そのときのひずみゲージ
のひずみ量により測定対象物体の変位を検出するように
したので、接触個所がなく、かつ、ひずみ量と変位の間
の直線性の関係を利用することができ、従来の静電容量
型測定装置に比較してきわめて高精度の変位測定を行な
うことができる。又、固定側剛体、移動側剛体、弾性部
材、両突起、アクチユエータ、および各ひずみゲージよ
り成る構造は従来のレーザ測定装置に比較して小形に構
成できるので、種々の機器、装置、機構への適用が容易
であり、それらに適用した場合も全体構造を大形とする
ことはない。
なお、上記実施例の説明では、移動側剛体と測定対象
物体とに電極を設けてそれらの間の静電容量を検出する
例について述べたが、これに限ることはなく、両者の間
隔に応じて変化する物理量を非接触で検出する手段であ
ればどのような手段でも採用することができる。
〔発明の効果〕
以上述べたように、本発明では、測定対象物体に変位
が生じたとき、移動側部材と測定対象物体との間で検出
される変位前の物理量に一致するように移動側部材を変
位させ、この変位により生じたひずみゲージのひずみ量
を検出し、これに基づき測定対象物体の変位を測定する
ようにしたので、接触個所がなく、かつ、ひずみ量と変
位の間の直線性の関係を利用することができ、従来の静
電容量型測定装置に比較してきわめて高精度の変位測定
を行うことができる。しかも、従来のレーザ測定装置に
比較して構造が小形であり、種々の機械,装置等に、そ
れらを大形とすることなく、容易に適用することができ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図(a),(b)は本発明の実施例に係る変位測定
装置の側面図、第2図はひずみ量検出回路の回路図、第
3図はひずみ量と変位の特性図、第4図は電極間隔と静
電容量の特性図、第5図および第6図はそれぞれ従来の
変位測定装置の測定原理図、第7図は変位と静電容量の
特性図である。 20……測定対象物体、21……固定側剛体、22……移動側
剛体、23a,23b……弾性部材、24……アクチユエータ、2
5a〜25d……ひずみゲージ、26,27……電極。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 星野 吉弘 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機 株式会社土浦工場内 (56)参考文献 特開 昭63−47601(JP,A) 実開 昭62−51206(JP,U) 実開 昭63−19204(JP,U) 実開 昭60−125506(JP,U) 実開 昭60−56209(JP,U)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】固定側部材と、移動側部材と、これら2つ
    の部材を結合する結合部材と、前記2つの部材間に変位
    を与えるアクチュエータと、前記変位の変位量を前記結
    合部材のひずみ量として検出するひずみ量検出手段と、
    前記移動側部材と測定対象物体との間の変位を特定の物
    理量として非接触に検出する非接触変位検出手段と、前
    記移動側部材と前記測定対象物体との間で検出される物
    理量を当該測定対象物体の変位前における物理量と等し
    くなるように前記アクチュエータを駆動制御する制御手
    段とで構成され、この制御手段で前記アクチュエータが
    駆動されたときの前記ひずみ量検出手段で検出された値
    に基づいて前記測定対象物体の変位を求めることを特徴
    とする変位測定装置。
  2. 【請求項2】請求項(1)において、前記固定側部材お
    よび前記移動側部材は剛体であり、かつ、前記結合部材
    は互いに平行な複数の弾性部材であることを特徴とする
    変位測定装置。
  3. 【請求項3】請求項(1)又は請求項(2)において、
    前記非接触変位検出手段は、前記移動側部材に設けられ
    た第1の電極と、前記測定対象物体に設けられ変位方向
    において前記第1の電極と対向する第2の電極と、前記
    第1の電極および前記第2の電極間の静電容量を検出す
    る検出手段とで構成されていることを特徴とする変位測
    定装置。
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