JP3239094B2 - 運動体の姿勢制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は運動体の姿勢制御装
置に関し、特に、ガイドに沿って移動する運動体を所定
姿勢に高精度で保つための装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】測長装置として、レーザー光を利用した
光波干渉測長計が知られている。その測長精度は、原理
上１０^-8から１０^-11にも達し、それゆえ光波干渉測長
計は真空中の高精度の測長で欠かせない装置となってい
る。しかし、空気中において、かかる光波干渉測長計を
利用して計測を行うと、空気の屈折率の揺らぎ的変動に
よる波長の変動により計測精度が劣化する。例えば、計
測光路の全長が１ｍｍ以下の場合であっても、標準偏差
で±５ｎｍ程度の変動が生じる。しかも、その変動は、
計測光路の全長の増大に応じて大きくなり、例えば、光
路長の全長が１ｍでは揺らぎによる変動が±１００ｎｍ
程度にもなる。

【０００３】更に、物体に動きのある場合には、その運
動の影響により空気の動きが生じ、その結果、計測光路
上における空気の屈折率は大幅に変動する。例えば、物
体が１秒の周期で０.２５μｍの低速往復動をする場
合、光波干渉計の出力の誤差は±５０ｎｍを越えること
が報告されている。

【０００４】従って、空気中で光波干渉計を用いて物体
間の距離や物体の変位を計測する場合には、上記のよう
な誤差が生じるため、高精度計測を実現できないという
問題がある。

【０００５】そこで、波長の異なる２つの光波を利用し
て上記のような屈折率の変動分を打ち消すことが提案さ
れている。しかし、この手法でも、５００ｍｍ程度の計
測光路長に対して、物体が静止している状態で、±５ｎ
ｍ程度の変動幅に抑えるのが実用上の限界である。

【０００６】その一方、特開平８−１６６２１５号公報
には、内部が真空にされたベロー内に計測系の全体を収
容させて、ベロー外の（空気中の）被計測対象の測長を
行う装置が開示されている。しかし、長さの可変範囲が
ベローの構造的制約から制限されるという問題がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来にお
いては、長さの可変範囲が数十ｍｍ程度以上と大きくな
ると、真空中の光波長の高安定度、高精度に基づく光波
干渉側長計の計測性能を空気中で利用することができ
ず、特に、大気中にあって空気を揺るがす運動体の位置
を高精度に測定することができなかった。

【０００８】そこで、例えば、実質的に真空状態にある
空間内を走行する運動体（第１運動体）と空気中を走行
する運動体（第２運動体）を併走させ、第１運動体の変
位を光波干渉計で高精度に計測すると共に、第１運動体
と第２運動体の相対変位を計測し、両測定値に基づいて
空気中の運動体の位置を高精度に計測することが考えら
れる。

【０００９】ところで、空気中の運動体の位置を高精度
に計測するためには、第１運動体と第２運動体とが正確
に平行状態を保って併走する必要がある。すなわち、第
１運動体及び第２運動体を基準となる直線、例えば、光
波干渉測長計のレーザ光の計測光路に平行に走行させな
ければならない。このため、通常、運動体は計測光路に
平行に配置されたガイドレールに沿って移動させること
になるが、前記運動体をガイドレール上で滑らかに摺動
させるために、当該運動体とガイドレールとの係合部に
は、所定のクリアランスが設けられている。この結果、
運動体に作用する加速度や運動時の振動等によって、ガ
イドレールに対して運動体ががたつき、計測光路との間
で平行度を維持できなくなる。また、ガイドレール自体
も加工品であるため真の直線形状を得ることは困難であ
り、図１１に示すようにガイドレール９００はうねり
（理解を容易にするため極端に図示している）を有し、
当該ガイドレール９００上を移動する運動体９２０は、
位置Ａと位置Ｂとでは、計測光路に対する運動体の姿勢
が任意に変化してしまい第１運動体と第２運動体との平
行度（第１，第２運動体上の測定機器の平行度）を維持
することができず、測定精度が低下してしまうという問
題がある。

【００１０】本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑
みなされたものであり、その目的は、ガイドに沿って走
行する運動体の姿勢を高精度に一定に維持することので
きる運動体の姿勢制御装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１の発明は、ガイドに沿って移動する走行体と当
該走行体と係合し一体的に移動するテーブルとを含む運
動体の姿勢制御装置であって、前記走行体とテーブルと
を弾性的接続する弾性接続手段と、走行中の運動体の姿
勢変動を検出する姿勢変動検出手段と、前記姿勢変動検
出手段の検出結果に基づいて前記弾性接続手段を撓ませ
て移動中の前記テーブルを一定姿勢に保つ姿勢制御手段
と、を有することを特徴とする。この構成によれば、ガ
イドとのがたつきやガイドのうねりによって姿勢が変化
する走行体に対して、テーブルを弾性接続手段で接続
し、運動体の姿勢変動検出結果に基づいて姿勢制御手段
がテーブルを一定姿勢に保つように動作するため、ガイ
ドの影響を受けることなくテーブルの姿勢を一定に維持
することができる。

【００１２】また、第２の発明は、第１の発明におい
て、前記弾性接続手段は、撓み方向に凹形状の肉盗み形
状を呈することを特徴とする。この構成によれば、姿勢
制御手段の微妙な制御力によって、肉盗み形状部が容易
に撓み、高精度の姿勢制御を行うことができる。

【００１３】また、第３の発明は、第１または第２の発
明において、前記弾性接続手段は、弾性限界が５０ｋｇ
／ｍｍ²以上の材料で形成されていることを特徴とす
る。 ここで、弾性限界が５０ｋｇ／ｍｍ²以上の材料と
は、例えばＢｅＣｕや燐青銅等である。弾性接続手段を
弾性限界が５０ｋｇ／ｍｍ²以上の材料で形成すれば、
テーブルの重量や運動体の加速による慣性力の影響を受
けることなく走行体に対してテーブルを十分に保持でき
ると共に、姿勢制御手段の微妙な制御力に敏感に反応
し、テーブルの姿勢を変更することが可能になり高精度
の姿勢制御を行うことができる。

【００１４】また、第４の発明は、第１の発明におい
て、前記姿勢制御手段は、前記テーブルのヨーイングま
たはピッチングの少なくとも一方を打ち消す制御を行う
ことを特徴とする。テーブルのヨーイングとピッチング
を制御することで高精度の姿勢制御を行うことができ
る。

【００１５】また、第５の発明は、第１または第４の発
明において、前記姿勢制御手段は、前記運動体の移動方
向と直交する方向のスライドを打ち消す制御を行うこと
を特徴とする。ヨーイングやピッチングを伴わない運動
体（テーブル）の平行移動、いわゆる蛇行を制御するこ
とで、より高精度の姿勢制御を行うことができる。

【００１６】また、第６の発明は、第４または第５の発
明において、前記姿勢制御手段は、微少変位素子である
ことを特徴とする。ここで、微少変位素子とは、例え
ば、静電アクチュエータや磁歪アクチュエータ等であ
る。微少変位素子を利用することで、テーブルの微妙な
姿勢制御を容易に行うことができる。

【００１７】また、第７の発明は、第１〜第６のいずれ
かの発明において、前記姿勢変動検出手段は、少なくと
も運動体の移動方向と平行な測長系を含む光波干渉側長
計で検出される前記運動体の姿勢に基づいて変動量を検
出することを特徴とする。運動体の移動方向と平行な測
長系を含む光波干渉側長計の光ビームを用いれば、真の
直線を制御の基準とする運動体のヨーイングとピッチン
グを検出することが可能になり、テーブルの姿勢制御を
高精度に行うことができる。

【００１８】また、第８の発明は、第７の発明におい
て、前記姿勢変動検出手段は、さらに、運動体の移動方
向に対して上下方向の測長系と、前記移動方向に対して
左右方向の測長系との少なくとも一方を含む光波干渉測
長系で検出される前記運動体の姿勢に基づいて変動量を
検出することを特徴とする。さらに、運動体の移動方向
に対して上下方向の測長系と、前記移動方向に対して左
右方向の測長系とを含む光波干渉測長系を含む光波干渉
側長計の光ビームを用いれば、真の直線を制御の基準と
する運動体の移動方向と直交する方向のスライドを検出
することが可能になり、テーブルの姿勢制御をさらに高
精度に行うことができる。

【００１９】また、第９の発明は、第７または第８の発
明において、前記運動体は、実質的真空状態の空間内で
移動することを特徴とする。実質的な真空状態とするこ
とで、基準となる光ビームが空気による揺らぎの影響を
受けないので、テーブルの姿勢制御を高精度に行うこと
ができる。

【００２０】また、第１０の発明は、第１の発明におい
て、前記弾性接続手段は、前記テーブルと走行体との少
なくとも一方の重心を通る直線のうちほぼ対角線上で両
者を接続し、前記姿勢制御手段は、他のほぼ対角線位置
に配置され、テーブルのヨーイング制御を行うことを特
徴とする。前記テーブルと走行体とを前記テーブルと走
行体との少なくとも一方の重心を通る直線のうちほぼ対
角線位置で接続することにより、両者の接続を安定して
行うことができると共に、他方の対角線位置に姿勢制御
手段を配置することによりテーブルのヨーイング姿勢制
御を効率的に行うことができる。

【００２１】また、第１１の発明は、第１の発明におい
て、前記弾性接続手段は、前記運動体の重心を通る直線
上で当該運動体の移動方向の前後位置で前記テーブルと
走行体との接続を行い、前記姿勢制御手段は、前記テー
ブルの下面位置に配置され、テーブルのピッチング制御
を行うことを特徴とする。この構成により、容易にテー
ブルのピッチング姿勢制御を行うことができる。

【００２２】また、第１２の発明は、第１の発明におい
て、前記弾性接続手段は、前記運動体の重心を通る直線
上でテーブルと走行体との接続を行い、前記姿勢制御手
段は、前記テーブルの下面ほぼ重心位置に配置され、テ
ーブルのスライド制御を行うことを特徴とする。この構
成により、容易にテーブルをスライド移動させて、当該
テーブルの姿勢を所定の直線と一致するように姿勢制御
することができる。

【００２３】また、第１３の発明は、第１〜第１２の発
明において、前記弾性接続手段は、所定量撓んだ状態
で、前記テーブルを所定の一定姿勢に維持することを特
徴とする。この構成によれば、弾性接続手段の撓み方向
の制御を容易に行うことができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づき本発明の実施
形態を位置測定装置に適用した場合を例にとり説明す
る。

【００２５】本実施形態における位置測定装置の測長部
は、大きく分けて２つの部分より構成される。第１は、
第１運動体の位置を計測する部位であり、第２は、第１
運動体と第２運動体の相対変異を計測する部位である。
第１運動体の位置を計測する部位は光波干渉測長計を含
んでおり、実質的に真空中を運動する第１運動体を高精
度に計測する。第１運動体と第２運動体の相対変位を測
定する部位は所定の目盛りを備えたスケールとこのスケ
ールに対して光を投射し、スケールからの反射光あるい
は透過光を検出することで目盛り位置の変化を検出する
相対位置検出器を含んでいる。なお、スケールの目盛り
位置の変化を検出するこのような測長方法は、スケール
の目盛りの設けられている構造（目盛りの配置と部材の
性質）に依存するが、空気の屈折率の変動には影響され
ないので、温度変化や加速度、外力の印加、経年変化な
どで目盛りの配置されている間隔が変化しない限り、そ
の計測値は安定している利点がある。

【００２６】図１には、本実施形態の位置測定装置の具
体的な構成が示されている。第１運動体１２は、第１空
間１４内に収容されている。この第１空間１４は、実質
的に真空な空間である。なお、「実質的に真空」とは、
通過する光に与える空気の揺らぎの影響を無視できる程
度の真空をいい、必ずしも完全な真空状態を意味しな
い。第１運動体１２には、２つの反射鏡（ミラー）Ｍ
１，Ｍ２が設けられている。ミラーＭ１は、第１運動体
１２の位置や姿勢（ピッチ角やヨー角）を計測する第１
光波干渉測長計（以下、光波干渉計という）１０Ａの光
路１００（第１計測光路）に対して直交するように配置
されている。従って、第１光波干渉計１０Ａから射出し
たレーザ光は、ミラーＭ１で反射し、再び第１光波干渉
計１０Ａに入射する。また、ミラーＭ２は、後述する第
２運動体１６の姿勢（ピッチ角やヨー角）を計測する第
２光波干渉計１０Ｂの光路２００（第２計測光路）に対
して所定角度（図ではα＝π／４）をなすように傾いて
配置されている。従って、第１運動体１２と第２運動体
１６の姿勢は光波干渉計１０Ａ，１０Ｂの計測光路の光
軸を基準に検出される。さらに、第１運動体１２には、
その表面に目盛りが形成されたスケール１２Ａが設けら
れている。スケール１２Ａの目盛り間隔は、半導体の回
路パターンと同様に高精度に形成され、レーザ波長干渉
計と同程度の分解能を有する。なお、第１運動体１２
は、図に示すように紙面の左右方向に運動可能である。
また、空気の揺らぎの影響を無視できる環境としては、
第１空間１４は真空状態でなく、空気に比べて著しく光
の屈折率の揺らぎ的変動が少ないＨｅの様な気体で充填
することも可能である。

【００２７】一方、第２運動体１６は、第２空間１８内
に収容されている。この第２空間１８は、例えば大気中
の空間である。この第２運動体１６には、ミラーＭ２で
反射した第２光波干渉計１０Ｂの光路２００に対して直
交するようにミラーＭ３が配置されている。従って、第
２光波干渉計１０Ｂから射出したレーザ光は、ミラーＭ
２で反射し、ミラーＭ３で反射してミラーＭ２に入射
し、ミラーＭ２で反射して再び第２光波干渉計１０Ｂに
入射する。さらに、第２運動体１６には、スケール１２
Ａの目盛りの位置変化を検出する相対変位検出部１６Ａ
が設けられている。スケール１２Ａと相対変位検出部１
６Ａとの関係については、後に詳述する。第２運動体１
６も、第１運動体１２と同様に紙面の左右方向に運動可
能である。また、第１光波干渉計１０Ａと第２光波干渉
計１０Ｂは実質的な真空中に配置されている。

【００２８】上記の第１空間１４と第２空間１８は、隔
壁２０により隔離されている。隔壁２０におけるレーザ
光の透過部分、つまり光路２００の透過部分と相対変位
検出部１６Ａとスケール１２Ａ間の光路の透過部分は光
学的に透明な部材（例えばガラス）で構成される。もち
ろん、隔壁２０の当該部分を中空容器とし、その内部に
屈折率の揺らぎが生じないように気体を充填させてもよ
い。第１空間１４は図示されない容器の内部に形成され
るものであり、第２空間１８は容器内に形成されてもよ
いが、大気開放されていてもよい。

【００２９】姿勢制御部２４は、第１運動体１２の運動
方向における位置の制御と第１運動体１２の姿勢を制御
する手段であり、第１光波干渉計１０Ａで計測された第
１運動体１２の位置、姿勢に応じてミラーＭ１が光路１
００に対して常に直交するように制御する。

【００３０】姿勢制御部３２は、第２運動体１６の運動
方向における姿勢の制御する手段であり、第２光波干渉
計１０Ｂで計測された第２運動体１６の姿勢に応じてミ
ラーＭ３が光路２００に対して常に直交するように制御
する。つまり、ミラーＭ３が光路２００に対して常に直
交するように、第２運動体１６のヨー角やピッチ角を調
整する。これにより、第１運動体１２と第２運動体１６
が平行に運動し、従って第１運動体１２と第２運動体１
６がともに真空中の光路１００に対して平行に運動する
ことになる。なお、第２光波干渉計１０Ｂの計測データ
は、有線あるいは無線で姿勢制御部３２に供給すること
ができる。

【００３１】相対変位検出部１６Ａは、スケール１２Ａ
の目盛りに向けてレーザ光を投射し、その反射光を受光
することで目盛りの変位を検出する。目盛りとして回折
格子を例にとると、相対変位検出部１６Ａからスケール
１２Ａに向けて投射されたレーザ光の光路は、図におい
て光路３００、４００として示される通り、±１次の回
折角の方向より目盛りに入射する。この投射光は、目盛
り（回折格子）で回折し、この回折光は０次の回折光、
つまりスケール１２Ａに対して垂直をなす反射光とな
る。そして、この反射光は相対変位検出部１６Ａの図示
しないミラーにより反射され、スケール１２Ａの目盛り
に対して垂直な光路５００となって入射する。スケール
１２Ａの目盛りに垂直入射する光路５００は、目盛りで
回折して±１次の回折光となり、光路３００、４００を
通って相対変位検出部１６Ａの図示しない受光部に入射
する。相対変位検出部１６Ａでは、再入射した光路３０
０、４００のレーザ光に基づき、公知（例えば「高分解
能リニアスケール」梶谷 誠、精密工学会誌、ＪＰＳＥ
−５７、１９４３頁参照）の方法で、互いに平行に運動
する第１運動体１２と第２運動体１６の相対変位を検出
する。検出原理を簡単に説明すると、回折格子からの０
次光には格子の位相が含まれていないが、±１次光には
格子の位相情報が含まれており、格子がある方向に移動
すると回折光の位相も変化する。そこで、この位相を検
出することで（具体的には、±１次光の干渉光の強度変
化）、第１運動体１２と第２運動体１６の相対変位を検
出することができる。

【００３２】演算部３３は、第１光波干渉計１０Ａで計
測された第１運動体１２の位置データと、相対変位検出
部１６Ａで計測された第１運動体１２と第２運動体１６
の相対変位データに基づいて、第２運動体の位置を算出
するものである。具体的には、第２運動体の位置＝第１
運動体の位置＋両運動体の相対変位で算出する。算出さ
れた第２運動体１６の位置は、例えば図示しない表示装
置などに出力される。

【００３３】このように、本実施形態では、実質的に真
空状態にある第１運動体の位置を光波干渉計で高精度に
計測し、第１運動体と第２運動体の相対変位を空気の屈
折率の変動影響を受けないスケールを用いて高精度に計
測し、両計測値に基づいて第２運動体の位置を高精度に
算出することができる。

【００３４】なお、第２運動体１６の姿勢を計測するた
めの光路２００上は、高精度制御の観点からは可能な限
り屈折率の揺らぎを少なくすることが必要である。従っ
て、ミラーＭ３周囲のエリア６００は、例えば隔壁２０
と同様に屈折率の揺らぎのないガラス材で構成するのが
好適であり、またその周囲をこのようなガラス材で構成
し、内部を実質的に真空状態にしてもよい。

【００３５】さらに、隔壁２０と第２運動体１６の間に
存在する空気の揺らぎの影響を抑制すべく、層流形成部
３０で高速の気流を注入してこの間隔の気体の流れを安
定化することも好適である。なお、第２運動体１６の運
動による空気の揺らぎを効果的に抑制するためには、層
流の速度は第２運動体１６の運動速度に比べて著しく大
きいことが必要である。

【００３６】以上述べた位置測定装置において、所定重
量を有する物体、例えば第１運動体１２を第１光波干渉
計１０Ａの光路１００と平行に走行させるためには、第
１運動体１２を移動させるための駆動機構や第１運動体
１２の移動を安定して行うためのガイド機構が必要にな
る。図２は、第１運動体１２の移動を移動させるための
駆動機構４０及びガイドレール４２を含む第１空間１４
の概略構成図を示している。

【００３７】前記第１空間１４は、前述したように、実
質的に真空の空間を形成しているため、前記ガイドレー
ル４２が固定されたベース４４は気密保持可能なチャン
バー内に収納されている。また、前記駆動機構４０は、
減速機４０ａが接続されたサーボモータ４０ｂによっ
て、回転駆動するボールネジ４６及び当該ボールネジ４
６に螺合したボールナット（不図示）等で構成され、当
該ボールナットが第１運動体１２に接続されている。従
って、駆動制御部４８の制御信号によってサーボモータ
４０ｂが駆動し、ボールネジ４６を回転させることによ
って、第１運動体１２を所望の方向（図２中矢印Ａ方
向）に所望の速度で、所望量移動させることができる。

【００３８】前述したように、加工品であるガイドレー
ル４２は、真に直線に形成することは困難であると共
に、第１運動体１２とガイドレール４２との摺動を滑ら
かに行うために両者の間にクリアランスを設けているの
で、第１運動体１２は移動に伴ってヨーイングやピッチ
ングを伴う。そこで、本実施形態では、第１運動体１２
を実際に移動のための駆動力が伝達される走行体５０と
当該走行体５０に間接的に接続され移動するテーブル５
２とで構成している。なお、図２は、走行体５０の位置
を明確にするためテーブル５２の天板部分を取り外した
状態を示している。

【００３９】図３（ａ），（ｂ）に走行体５０とテーブ
ル５２との接続状態を説明する構成が示されている。な
お、図３（ａ），（ｂ）は、テーブル５２のヨーイング
を制御するための構成が示されている。図３（ｂ）に示
すように、走行体５０には、ガイドレール４２が走行方
向（図中矢印Ａ方向）に貫通し、さらに当該走行体５０
には、前記ボールネジ４６に螺合したボールナット５４
が固定されている。一方、前記テーブル５２は、断面が
略コの字形状を呈し、走行体５０の上面から覆い被さる
ように配置され、上面には、図１に示すようなミラーＭ
１，Ｍ２やスケール１２Ａ等の計測に必要な機器が搭載
される。このテーブル５２の内壁面と走行体５０の外壁
面とは、図３（ａ）に示すように、走行体５０の重心を
通る直線のうちほぼ対角線上に配置された弾性接続手
段、例えば弾性ヒンジ５６によって接続されている。こ
の弾性ヒンジ５６は、弾性限界が５０ｋｇ／ｍｍ²以上
のバネ性に優れ、加工性に優れた材質、例えば、ＢｅＣ
ｕや燐青銅等で形成されている。なお、テーブル５２の
重量や第１運動体１２の加速度等に起因する慣性力等に
よりテーブル５２が走行中に移動（変位）すること無
く、また、後述する姿勢制御手段の動作によってのみテ
ーブル５２の姿勢制御を行う所定強度とバネ性を備える
ためには、弾性ヒンジ５６の材料に弾性限界が５０ｋｇ
／ｍｍ²以上のものを選択することが望ましい。そし
て、この弾性ヒンジ５６は、図４（ａ）に示すように、
側面部分が凹状に削り取られた肉盗み形状を呈してい
る。このような肉盗み形状にすることにより、図３
（ａ）中矢印Ｂ1，Ｂ2に示す方向に、容易な外力によっ
て撓むことが可能になる。この弾性ヒンジ５６は、単一
のブロックを削り出し加工してテーブル５２の側面部分
及び走行体５０を形成する際に、削り残して形成するこ
とが望ましい。三者を一体形成することにより、所定の
強度を持たせることが可能になると共に、後述する姿勢
制御手段の動作に敏感に弾性ヒンジ５６を反応させるこ
とができる。

【００４０】一方、前記弾性ヒンジ５６が配置された対
角線位置と異なる対角線位置には、テーブル５２の姿勢
制御手段としての微少変位素子、例えば静電アクチュエ
ータ５８ａ，５８ｂが配置されている。この静電アクチ
ュエータ５８ａ，５８ｂは、後述する姿勢制御部からの
制御信号に応じて動作し、ストロークの伸張を行い走行
体５０の外壁またはテーブル５２の内壁に付勢力を付与
する。従って、図５（ａ），（ｂ）に示すように、走行
体５０が前記ガイドレール４２のうねりやガタによって
ヨーイングしながら走行した場合でも、静電アクチュエ
ータ５８ａまたは５８ｂを動作させることによって、走
行体５０のヨーイング方向と逆方向にテーブル５２を旋
回させて、当該テーブル５２を常に一定方向、例えば、
図１における計測光路１００と平行となる方向に保つこ
とができる。

【００４１】例えば、図５（ａ）に示すように、走行体
５０がガイドレール４２のうねり等に起因して、時計回
り方向にヨーイングした場合、静電アクチュエータ５８
ａを駆動しテーブル５２の内壁面を押すことにより、弾
性ヒンジ５６は反時計回り方向に撓んで、テーブル５２
を反時計回り方向に旋回させる。その結果、テーブル５
２の姿勢を計測光路１００と平行にすることができる。
また、図５（ｂ）のように、走行体５０が反時計回り方
向にヨーイングしたときは、静電アクチュエータ５８ｂ
を駆動し、弾性ヒンジ５６を時計回り方向に撓ませ、テ
ーブル５２を時計回り方向に旋回させることによって、
テーブル５２の姿勢を計測光路１００と平行にすること
ができる。

【００４２】なお、前記静電アクチュエータ５８ａ，５
８ｂを駆動制御するための制御信号は、図２に示すよう
に、第１光波干渉計１０Ａの測定結果をフィードバック
信号として、リモートレシーバ６０で受信し、姿勢制御
部２４に提供し、そこで姿勢制御信号を生成し各静電ア
クチュエータ５８ａ，５８ｂに提供すれば、光波干渉計
の分解能程度（例えば、１／数十μｒａｄ程度の分解
能）で走行体５０（実際は第１運動体１２）のヨーイン
グを検出することが可能になり、検出結果に応じて各静
電アクチュエータ５８ａ，５８ｂを制御することができ
る。このように、実質的真空状態の中で光軸の揺らぎ等
の影響を受けない光波干渉計の計測光路を利用すること
によって、テーブル５２の姿勢制御を高精度で行うこと
ができる。

【００４３】なお、図１に示す位置測定装置の場合、運
動体（実際はテーブル）のヨーイングを排除すれば、実
用上測定は十分高精度で行うことができるが、同様な構
成により運動体（実際はテーブル）のピッチングも排除
することができる。図６（ａ），（ｂ）は、テーブル５
２のピッチングを制御するための弾性ヒンジ６２と静電
アクチュエータ６４ａ，６４ｂの配置及び動作を示して
いる。前記弾性ヒンジ６２は、走行体５０の重心を通る
直線上で当該走行体５０の走行方向に対してその前後位
置で走行体５０の外壁面とテーブル５２の内壁面とを接
続している。また、弾性ヒンジ６２の肉盗みは、ピッチ
ング方向（図６（ａ），（ｂ）紙面上下方向）に形成さ
れている。また、静電アクチュエータ６４ａ，６４ｂ
は、テーブル５２の天板下面と走行体５０の上面との間
に介在されている。

【００４４】ガイドレールに沿った走行体５０の走行中
に、図６（ａ）に示すように走行体５０の先端側が浮き
上がるピッチングが生じた場合、静電アクチュエータ６
４ａを駆動して、静電アクチュエータ６４ａのストロー
クを縮めてテーブル５２の先端側を下方に引き下げる。
その結果、テーブル５２のピッチングによる先端浮き上
がりが抑止され、テーブル５２の姿勢制御を行うことが
できる。同様に、ピッチングにより走行体５０の後端側
が浮き上がった場合、図６（ｂ）に示すように、静電ア
クチュエータ６４ｂのストロークを縮めて、浮き上がっ
た分だけテーブル５２の後端側を引き下げる。その結
果、テーブル５２のピッチングによる後端浮き上がりが
抑止され、テーブル５２の姿勢制御を行うことができ
る。なお、静電アクチュエータは、ストローク範囲外の
伸縮動作はできないため、図５（ａ），（ｂ）及び図６
（ａ），（ｂ）の場合、静電アクチュエータ５８ａ，５
８ｂ及び静電アクチュエータ６４ａ，６４ｂは、ストロ
ークが伸張した状態、つまり、弾性ヒンジ５６，６２が
撓んだ状態でテーブル５２が所定の姿勢（計測光路に平
行）になるように設定しておく必要がある。この場合、
静電アクチュエータ５８ａ，５８ｂ，６４ａ，６４ｂの
ストローク範囲内で、所望のテーブル姿勢制御動作を行
うことができる。なお、本実施形態では、微少変位素子
として静電アクチュエータを例にとって説明したが、入
力信号に敏感かつ高精度に反応するアクチュエータなら
同様な制御が可能であり、例えば磁歪アクチュエータ等
でもよい。

【００４５】また、図４（ａ）に示す弾性ヒンジの形状
では、肉盗みが形成された方向にのみしか撓むことがで
きないので、ヨーイング制御または、ピッチング制御の
いずれか一方のみしか行うことができないが、図４
（ｂ）に示すように、円筒形の部材の側面全周に肉盗み
形状を形成すれば、弾性ヒンジは任意の方向に撓むこと
が可能になり、ヨーイング制御及びピッチング制御の両
方を制御することができる。もちろん、図４（ｂ）の形
状を採用する場合、一体のブロックからテーブルの側壁
及び走行体を削り出す際に、前記円筒型の弾性ヒンジの
形成は困難であるため、当該弾性ヒンジを単体で形成し
て、テーブルの姿勢制御に影響しない接続手段（例えば
接着や溶接）によって、テーブルと走行体の間に介在固
定する必要がある。

【００４６】なお、実施形態で示した走行体、テーブ
ル、弾性接続手段（弾性ヒンジ）等の形状や材質、姿勢
制御手段の形態は任意であり、ガイドレールにガイドさ
れる走行体に対して、計測機器が搭載されたテーブルが
弾性接続手段で接続され、姿勢制御手段によってテーブ
ルの姿勢制御が任意に行えるものであれば、本実施形態
と同様な効果を得ることができる。

【００４７】また、本実施形態では、走行体とテーブル
との接続をヨーイング用及びピッチング用それぞれ２個
の弾性接続手段（弾性ヒンジ）で行った例を示したが、
弾性接続手段の形状や強度が走行体とテーブルとの両者
の接続を確実かつ安定して行える場合は、１つの弾性接
続手段で保持（片持ち状態）しても本実施形態と同様な
効果を得ることができる。同様に、弾性接続手段を３個
以上配置しても本実施形態と同様な効果を得ることがで
きる。

【００４８】また、本実施形態では、実質的に真空状態
の第１空間内を移動する第１運動体の姿勢制御について
説明したが、大気中を移動する第２運動体も同様な構成
として、図１の姿勢制御部３２の制御に基づいて当該第
２運動体の姿勢制御を行うことが可能である。

【００４９】以上説明したように、弾性接続手段と姿勢
制御手段によって、運動体のヨーイングに加え、ピッチ
ングを排除すれば、実用上の測定はさらに高精度で行う
ことができるが、図７（ａ）に示すようにガイドレール
のがたつきやうねりがさらに大きい場合には、ヨーイン
グやピッチングを排除した後も図７（ｂ）に示すよう
に、計測光路１００（運動体の移動方向）に対して直交
する方向にテーブル５２がスライドする成分が維持され
てしまう場合がある。つまり、テーブル５２の走行方向
は任意の瞬間では、正確に計測光路１００と平行に走行
するが、走行全体としては計測光路１００に沿っていな
い、いわゆる蛇行が発生する場合がある。また、ヨーイ
ングやピッチングの排除が不要な微少なテーブル５２の
変動であっても前述のようなテーブル５２のスライドが
発生する場合がある。

【００５０】このようなテーブル５２のスライドも上述
した光波干渉計による計測と弾性接続手段及び姿勢制御
手段を利用して排除することができる。図８（ａ），
（ｂ）にテーブル５２のスライドを検出する光波干渉計
を用いた姿勢変動検出手段の一例を示す。なお、図８
（ａ），（ｂ）は、テーブル５２に対する姿勢変動検出
手段として３系統の測長系を有している例を示してい
る。まず、一つ目は、第１空間１４に配置された走行方
向光波干渉計１５０と前記テーブル５２上に固定された
ミラー１５２とで第１光軸を構成する第１測長系であ
る。この第１測長系による光路長の測定により、テーブ
ル５２の移動方向の正確な移動量を測定する。なお、こ
の第１測長系は図１の第１光波干渉計１０ＡとミラーＭ
１を利用しても良い。二つ目は、第１空間１４に配置さ
れた左右方向光波干渉計１５４と前記テーブル５２上で
移動方向に対して４５°傾いて固定されたミラー１５６
と移動方向と平行に配置されたミラー１５８とで第２光
軸を構成する第２測長系である。この第２測長系による
テーブル５２の左右方向（紙面上下方向）を含む光路長
の測定により、テーブル５２の移動方向に対する左右方
向のスライド量を正確に測定する。つまり、テーブル５
２が移動方向に対して左（図中上方）にスライドすれ
ば、光路長が長くなり、右（図中下方）にスライドすれ
ば光路長は短くなる。三つ目は、図８（ｂ）に示すよう
に、第１空間１４に配置された上下方向光波干渉計１６
０と前記テーブル５２上で移動方向に対して仰角４５°
傾いて固定されたミラー１６２と図示しないブラケット
を介してテーブル５２の上方で移動方向と平行に配置さ
れたミラー１６４とで第３光軸を構成する第３測長系で
ある。この第３測長系によるテーブル５２の上下方向
（図８（ａ）の場合、紙面表裏方向）を含む光路長の測
定により、テーブル５２の移動方向に対する上下方向の
スライド量を正確に測定する。つまり、テーブル５２が
移動方向に対して上（図８（ｂ）参照）にスライドすれ
ば、光路長が長くなり、下（図８（ｂ）参照）にスライ
ドすれば光路長は短くなる。

【００５１】図９（ａ）には、テーブル５２の左右方向
のスライドを打ち消すための弾性接続手段と姿勢制御手
段との配置例が示されている。図９（ａ）に示すよう
に、走行体５０とテーブル５２とは、弾性接続手段とし
ての弾性ヒンジ１６６で接続されている。この弾性ヒン
ジ１６６は第１運動体１２の重心を通る直線上に配置さ
れている。この弾性ヒンジ１６６は、図４（ａ），
（ｂ）と同様にＢｅＣｕや燐青銅等の弾性限界が５０ｋ
ｇ／ｍｍ²以上の材質で形成され、撓み方向（図９
（ａ）の場合、左右方向）に凹状の肉盗み形状を呈し、
姿勢制御手段で容易に左右方向に変位できるようになっ
ている。また、姿勢制御手段である静電アクチュエータ
１６８は前記テーブル５２の下面ほぼ重心位置で、走行
体５０の上面に形成された突起５０ａとテーブル５２の
下面に形成された突起５２ａとの間に介在配置されてい
る。従って、図示しない姿勢制御部から提供されるテー
ブル５２の左右方向のスライド検出量に応じた制御信号
により、静電アクチュエータ１６８を伸縮させることに
よって、テーブル５２を走行体５０に対して平行に左右
移動させることができる。

【００５２】同様に、図９（ｂ）には、テーブル５２の
上下方向のスライドを打ち消すための弾性接続手段と姿
勢制御手段との配置例が示されている。図９（ｂ）に示
すように、走行体５０とテーブル５２とは、弾性接続手
段としての弾性ヒンジ１７０で接続されている。この弾
性ヒンジ１７０は第１運動体１２の重心を通る直線上に
配置され、他の弾性ヒンジと同様に、ＢｅＣｕや燐青銅
等の弾性限界が５０ｋｇ／ｍｍ²以上の材質で形成さ
れ、撓み方向（図９（ｂ）の場合、上下方向）に凹状の
肉盗み形状を呈し、姿勢制御手段で容易に上下方向に変
位できるようになっている。また、姿勢制御手段である
静電アクチュエータ１７２は前記テーブル５２の下面ほ
ぼ重心位置に当接するように、走行体５０とテーブル５
２との間に介在配置されている。従って、図示しない姿
勢制御部から提供されるテーブル５２の上下方向のスラ
イド検出量に応じた制御信号により、静電アクチュエー
タ１７２を伸縮させることによって、テーブル５２を走
行体５０に対して平行に上下移動させることができる。

【００５３】ところで、前述した各静電アクチュエータ
１６８，１７２に提供する第１運動体１２（テーブル５
２）のシフト量は、走行方向光波干渉計１５０から得ら
れる第１光軸の光路長Ｌ1と、左右方向光波干渉計１５
４から得られる第２光軸の光路長Ｌ2と、上下方向光波
干渉計１６０から得られる第３光軸の光路長Ｌ3と、に
基づいて算出される。まず、テーブル５２が基準位置
（スライド量ゼロ）にある時の光路長Ｌ1，Ｌ2，Ｌ3の
差分Ｃｌｒ＝Ｌ1−Ｌ2，Ｃｕｄ＝Ｌ1−Ｌ3を求めてお
く。そして、テーブル５２が実際に移動している時に測
定されたＬ1A，Ｌ2Aを用いて、Ｌ1A−Ｌ2A＝Ｃｌｒにな
るようにテーブル５２を左右方向に制御する制御信号を
発生すれば、リアルタイムにテーブル５２の左右方向の
スライドを排除する制御を行うことができる。同様に、
テーブル５２が実際に移動している時に測定されたＬ1
A，Ｌ3Aを用いて、Ｌ1A−Ｌ3A＝Ｃｕｄになるようにテ
ーブル５２を上下方向に制御する制御信号を発生すれ
ば、リアルタイムにテーブル５２の上下方向のスライド
を排除する制御を行うことができる。

【００５４】このように、第１運動体１２を構成する走
行体５０の移動方向と直交する方向のスライド量を光波
干渉計のレーザ光を真の直線基準として用いることによ
って、高精度でテーブル５２を直進移動させるための姿
勢制御が可能になる。なお、図９（ａ），（ｂ）では、
左右方向の制御と上下方向の制御とを別々に行う構成を
示したが、必要に応じて両者を組み合わせて同時または
連続的に制御を行うようにすれば、より高精度の姿勢制
御を行うことができる。さらに、前述したヨーイング制
御の後にスライド制御を行ったり、ピッチング制御の後
にスライド制御を行ったり、ピッチング制御及びヨーイ
ング制御の後にスライド制御を行うようにすれば、さら
に高精度のテーブルの姿勢制御を行うことができる。

【００５５】図１に示す位置測定装置を用いて、大気中
を運動する第２運動体１６のテーブル１７４の位置を測
定する場合、上述したスライド制御を適用して、テーブ
ル５２と同様に、第２運動体１６のテーブル１７４も制
御すれば、より高精度の測定を行うことができる。その
場合の構成を図１０に示す。テーブル１７４の制御を行
う場合、図８（ａ）に示すテーブル５２の姿勢変動検出
手段に加えて、大気中のテーブル１７４の姿勢を検出す
る姿勢変動検出手段が３系統必要になる（図１０は、テ
ーブル５２用の３系統の図示を省略している）。図１０
に示す３系統の姿勢変動検出手段によって、第１空間１
４内を移動するテーブル５２に対する大気中のテーブル
１７４の相対的な姿勢（スライド）が検出可能となる。

【００５６】３系統のうち一つ目は、第１空間１４を形
成するチャンバーに設けられた隔壁２０の窓を通過する
第４光軸を形成して、大気中を移動するテーブル１７４
の移動方向の正確な移動量を計測する第４測長系であ
り、第２移動方向光波干渉計１７６と、第１空間１４内
のテーブル５２上に移動方向に対して４５°傾いて設け
られたミラー１７８と、大気中のテーブル１７４上に移
動方向に対して４５°傾いて設けられたミラー１８０
と、テーブル１７４上に移動方向と直交するように配置
されたミラー１８２とで形成される第４光軸の光路長Ｌ
4の計測を行う。また、二つ目は、第１空間１４に配置
された第２左右方向光波干渉計１８４と前記テーブル５
２上で移動方向に対して４５°傾いて固定されたミラー
１８６と、大気中のテーブル１７４上に移動方向と平行
に配置されたミラー１８８とで第５光軸を構成する第５
測長系である。この第５測長系によるテーブル１７４の
左右方向（紙面上下方向）を含む光路長Ｌ5の計測によ
り、テーブル１７４の移動方向に対する左右方向のスラ
イド量を正確に測定する。三つ目は、第１空間１４に配
置された第２上下方向光波干渉計１９０と前記テーブル
５２上で移動方向に対して４５°傾いて固定されたミラ
ー１９２と、大気中のテーブル１７４上に前記図８
（ｂ）に示すように、テーブル１７４上で移動方向に対
して仰角４５°傾いて固定されたミラー１９４と図示し
ないブラケットを介してテーブル１７４の上方で移動方
向と平行に配置されたミラー１９６とで第６光軸を構成
する第６測長系である。この第６測長系によるテーブル
１７４の上下方向（図１０の場合、紙面表裏方向）を含
む光路長Ｌ6の計測により、テーブル１７４の移動方向
に対する上下方向のスライド量を正確に計測する。

【００５７】計測された光路長Ｌ4，Ｌ5，Ｌ6は、テー
ブル５２の場合と同様にテーブル１７４が基準位置（ス
ライド量ゼロ）にある時の光路長Ｌ4，Ｌ5，Ｌ6の差分
をＣｌｒ＝Ｌ4−Ｌ5，Ｃｕｄ＝Ｌ4−Ｌ6として求めてお
く。そして、テーブル１７４が実際に移動している時に
測定されたＬ4A，Ｌ5Aを用いて、Ｌ4A−Ｌ5A＝Ｃｌｒに
なるようにテーブル１７４を左右方向に制御する制御信
号を発生すれば、リアルタイムにテーブル１７４の左右
方向のスライドを排除する制御を行うことができる。同
様に、テーブル１７４が実際に移動している時に測定さ
れたＬ4A，Ｌ6Aを用いて、Ｌ4A−Ｌ6A＝Ｃｕｄになるよ
うにテーブル１７４を上下方向に制御する制御信号を発
生すれば、リアルタイムにテーブル１７４の上下方向の
スライドを排除する制御を行うことができる。もちろ
ん、テーブル１７４の弾性接続手段や姿勢制御手段は図
９（ａ），（ｂ）と同様な構成で使用することが可能で
ある。なお、第４，第５，第６測長系を構成するミラー
１７８，１８６，１９２はテーブル５２上に固定配置さ
れているため、当該テーブル５２に対して相対的にテー
ブル１７４の姿勢制御を行えば、実質的に真空の第１空
間１４内で空気の揺らぎ等の影響を受けることなく直進
するレーザ光により高精度に姿勢制御されたテーブル５
２に準じた精度でテーブル１７４の姿勢制御を行うこと
が可能になる。すなわち、実質的に真空中のレーザ光を
間接的な基準として使用することが可能になり、大気中
の運動体（テーブル）の移動真直度を大幅に改善し、高
精度の運動体の計測を行うことができる。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ガイドの形状的影響やガイドと走行体の係合状態の影響
を受けることなくテーブルの姿勢を一定に維持すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態における位置測定装置の構
成図である。

【図２】 本発明の実施形態の第１運動体を移動させる
ための駆動機構及びガイドレールを含む第１空間の概略
構成図である。

【図３】 本発明の実施形態の走行体とテーブルの接続
状態を説明する説明図である。

【図４】 本発明の実施形態の弾性ヒンジの形状を説明
する説明図である。

【図５】 本発明の実施形態のテーブルのヨーイング制
御を説明する説明図である。

【図６】 本発明の実施形態のテーブルのピッチング制
御を説明する説明図である。

【図７】 テーブルのヨーイング修正後の移動方向に対
する左右のスライドを説明する説明図である。

【図８】 本発明の実施形態のテーブルのスライド量を
検出する姿勢変動検出手段の一例を示す構成図である。

【図９】 本発明の実施形態のテーブルのスライド制御
を行う場合の走行体とテーブルの接続状態を説明する説
明図である。

【図１０】 本発明の実施形態の大気中のテーブルのス
ライド量を検出する姿勢変動検出手段の一例を示す構成
図である。

【図１１】 従来の走行体の走行状態を説明する説明図
である。

【符号の説明】

１０Ａ 第１光波干渉計、１０Ｂ 第２光波干渉計、１
２ 第１運動体、１４第１空間、１６ 第２運動体、１
８ 第２空間、２４，３２ 姿勢制御部、３３ 演算
部、４２ ガイドレール、４６ ボールネジ、５０ 走
行体、５２ テーブル、５４ ボールナット、５６ 弾
性ヒンジ（弾性接続手段）、５８ａ，５８ｂ 静電アク
チュエータ（姿勢制御手段）、１００ 第１計測光路、
２００第２計測光路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭54−111079（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−296208（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−146579（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−183122（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 G05D 3/00 G01B 21/00

Claims (13)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガイドに沿って移動する走行体と当該走
   行体と係合し一体的に移動するテーブルとを含む運動体
   の姿勢制御装置であって、 前記走行体とテーブルとを弾性的接続する弾性接続手段
   と、 走行中の運動体の姿勢変動を検出する姿勢変動検出手段
   と、 前記姿勢変動検出手段の検出結果に基づいて前記弾性接
   続手段を撓ませて移動中の前記テーブルを一定姿勢に保
   つ姿勢制御手段と、 を有することを特徴とする運動体の姿勢制御装置。
2. 【請求項２】 前記弾性接続手段は、撓み方向に凹形状
   の肉盗み形状を呈することを特徴とする請求項１記載の
   運動体の姿勢制御装置。
3. 【請求項３】 前記弾性接続手段は、弾性限界が５０ｋ
   ｇ／ｍｍ²以上の材料で形成されていることを特徴とす
   る請求項１または請求項２記載の運動体の姿勢制御装
   置。
4. 【請求項４】 前記姿勢制御手段は、前記テーブルのヨ
   ーイングまたはピッチングの少なくとも一方を打ち消す
   制御を行うことを特徴とする請求項１記載の運動体の姿
   勢制御装置。
5. 【請求項５】 前記姿勢制御手段は、前記運動体の移動
   方向と直交する方向のスライドを打ち消す制御を行うこ
   とを特徴とする請求項１または請求項４記載の運動体の
   姿勢制御装置。
6. 【請求項６】 前記姿勢制御手段は、微少変位素子であ
   ることを特徴とする請求項４または請求項５記載の運動
   体の姿勢制御装置。
7. 【請求項７】 前記姿勢変動検出手段は、少なくとも運
   動体の移動方向と平行な測長系を含む光波干渉測長計で
   検出される前記運動体の姿勢に基づいて変動量を検出す
   ることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の運
   動体の姿勢制御装置。
8. 【請求項８】 前記姿勢変動検出手段は、さらに、運動
   体の移動方向に対して上下方向の測長系と、前記移動方
   向に対して左右方向の測長系との少なくとも一方を含む
   光波干渉測長系で検出される前記運動体の姿勢に基づい
   て変動量を検出することを特徴とする請求項７記載の運
   動体の姿勢制御装置。
9. 【請求項９】 前記運動体は、実質的真空状態の空間内
   で移動することを特徴とする請求項７または請求項８に
   記載の運動体の姿勢制御装置。
10. 【請求項１０】 前記弾性接続手段は、前記テーブルと
    走行体との少なくとも一方の重心を通る直線のうちほぼ
    対角線上で両者を接続し、前記姿勢制御手段は、他のほ
    ぼ対角線位置に配置され、テーブルのヨーイング制御を
    行うことを特徴とする請求項１記載の運動体の姿勢制御
    装置。
11. 【請求項１１】 前記弾性接続手段は、前記運動体の重
    心を通る直線上で当該運動体の移動方向の前後位置で前
    記テーブルと走行体との接続を行い、前記姿勢制御手段
    は、前記テーブルの下面位置に配置され、テーブルのピ
    ッチング制御を行うことを特徴とする請求項１記載の運
    動体の姿勢制御装置。
12. 【請求項１２】 前記弾性接続手段は、前記運動体の重
    心を通る直線上でテーブルと走行体との接続を行い、前
    記姿勢制御手段は、前記テーブルの下面ほぼ重心位置に
    配置され、テーブルのスライド制御を行うことを特徴と
    する請求項１記載の運動体の姿勢制御装置。
13. 【請求項１３】 前記弾性接続手段は、所定量撓んだ状
    態で、前記テーブルを所定の一定姿勢に維持することを
    特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の運動体の
    姿勢制御装置。