JP4264763B2 - 位置測定および配置方法 - Google Patents

Description

本発明は部品の位置測定方法および位置測定装置に関し、特にレーザー装置、光軸調整装置、光計測装置など、光学部品の精密な配置が必要とされる光学装置において、光学部品を３次元的に精密に配置するための部品の位置測定方法および位置測定装置に関するものである。

一般に、レーザー装置などの光学装置はブレッドボードや光学定盤（光学テーブル）の上に光学部品を精密に配置することにより組み立てられる。ブレッドボードは、光学部品を据え付けるための金属製の設置基板のことである。

ブレッドボードには光学部品を取り付けるためにマトリクス状にねじ穴が刻まれていたり、マグネットによる着磁（固定）が可能となっていることが多い。ブレッドボードの表面は機械的に研磨されているが、１０ｃｍの距離で３００μｍ程度の凹凸があり、更にねじ穴の加工が行われた場所の近くにはより大きな歪みが存在する。

光学定盤とは、除震機能を有する大型のブレッドボードである。光学定盤はブレッドボード、除震部、保持部から成る。除震部はブレッドボードと保持部の間に存在し、厚いゴムを保持部の上に載せたゴム除震方式と、圧縮空気を用いた空気バネによる除震方式がある。保持部はブレッドボードを支える機能を持ち、鉄製の架台または脚から成る。

光学定盤では一般に除震機能を向上するために、自重を重くして床に安定に設置される。高い除震性能を実現するために厚く重いブレッドボードが用いられる。その重量は300kg以上が通例であり、1000kg以上となることも多い。

光学部品の精密な配置が必要とされるレーザー装置などの光学装置を組み立てる場合には、設計図に基づいてブレッドボード上に光学部品を配置して光学部品の土台を止め金具およびボルト等によってブレッドボードに固定し、その後各光学部品に備えられた３軸位置調整機構などを使用して調整を行う。
特開平３−４２５１号公報

現在の光学部品の組み立ては熟練者の手作業により行われている。そして、製造する光学装置に要求される精密度が向上するにつれ、また光学部品の部品点数が増大するにつれ、光学システムの組み上げ調整には時間がかかり、調整だけで何ヶ月も要する場合もある。一般には光学部品を配置した直後の初期位置誤差が小さいほど調整時間も短くなることが経験的に知られている。

ところが、前記した従来の光学装置においては、ブレッドボード上に光学部品を配置した場合、ブレッドボードの表面の凹凸により、ブレッドボード上に設置された光学部品の位置（高さ）が300μm以上変化することになる。また、光学部品を固定する位置のブレッドボードの表面が傾斜していた場合には、ブレッドボード表面で正確に位置を計測して光学部品を配置しても、ブレッドボード表面から10〜20cm程度離れている光学部品の中心位置（光軸）は目標位置からかなりずれている可能性がある。

一方、ブレッドボード上に構築される光学装置内のレーザービームの直径は、100μm以下であることが多く、最終的な許容誤差は１０μｍ程度となる。従って、光学部品をブレッドボードの上に配置する場合、各光学部品上の光軸の位置のばらつきが300μm以上となると、調整に長い時間を要するという問題点があった。

また、配置のばらつきは個々のブレッドボードの表面形状の変化によるものであり、ブレッドボードの位置や種類に依存する。従って、１つの装置の調整が完了しても、同じ装置を他のブレッドボード上に組み上げる場合には、また最初から調整を行う必要があり、調整完了した装置の調整結果データを生かすことができないという問題点もあった。

本発明の目的は、前記のような従来技術の問題点を解決し、部品を３次元的に精密に配置するための部品の位置測定方法および位置測定装置を提供することにある。

本発明の位置測定方法は、ブレッドボードの表面に凹凸が存在する中で、その影響を受けずに光学部品をブレッドボード上に精密に配置できる手法であり、仮想的な基準位置を設定して、複数の仮想基準位置により仮想的な基準平面と仮想的な座標空間を設定し、その仮想座標空間中に光学部品を設置する点に特徴がある。設置基準位置の設定には、設置基準要素装置（以下、設置基準要素と記す）と呼ばれる機械部品をブレッドボード上に配置する。

座標原点に相当する設置基準位置は、設置基準要素の内部に設定されている。設置基準位置を設置基準要素の内部に設定することにより、表面の傷や酸化や汚れの影響を直接受けることがなくなる。また、設置基準要素の接合部は、ブレッドボードの表面形状の凹凸の影響を受けないように、変形可能な柔軟な材料から成る。

設置基準要素は連結部材により相互に連結されており、接合部を介してブレッドボード上に配置される。仮想的な設置基準平面と設置基準座標は、連結された基準位置要素に対して設定されており、ブレッドボードに対して設定されるものではない。そして、連結された基準位置要素に対して位置計測装置を取り付けることにより、光学部品を仮想座標中で精密に配置を行うことが可能となる。

本発明の位置測定方法によれば、位置決め精度は、マイクロメータやノギスなどの汎用的で安価な機械式測定装置を用いることにより、10μmの精度を実現出来る。これは、光学定盤の表面の凹凸、300μmに対して30倍の精度となる。Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸方向に対して30倍の精度となることから、3次元的には27000倍の精度の向上が実現され、調整時間がそれだけ短縮される。

光学部品の設置範囲については、設置基準要素に取り付けられた位置計測装置を用いることにより、２次の基準位置要素、３次の基準位置要素・・と新たに設定することが可能であり、これらの高次の設置基準要素を用いることにより、光学部品の精密な位置設定を可能とする範囲の拡張が可能となり、光学部品の配置領域の広さに対する制限が無くなる。

本発明の位置測定方法を使用して調整した光学装置においては、調整済みの光学部品の位置を計測し、この位置データを他のブレッドボード上における同じ光学装置の組み立てに利用可能であり、装置の再現性が向上する。

本発明の位置測定方法においては、設置基準要素をブレッドボード上に正確に配置する。そして、基準位置要素に対して位置計測装置を取り付けることにより、光学部品を精密に配置を行うことが可能となる。従って、本発明の位置測定方法によれば、マイクロメータやノギスなどの汎用で安価な機械式測定装置を用いることにより、10μmの位置決め精度を実現出来る。これは、光学定盤の表面の凹凸、300μmに対して30倍の精度となり、３次元的には27000倍の精度の向上が実現され、調整時間がそれだけ短縮されるという効果がある。

光学部品の設置範囲については、設置基準要素に取り付けられた位置計測装置を用いることにより、２次の基準位置要素、３次の基準位置要素・・と新たに設定することが可能であり、これらの高次の設置基準要素を用いることにより、光学部品の精密な位置設定を可能とする範囲の拡張が可能となり、光学部品の配置領域の広さに対する制限が無くなるという効果もある。

本発明の位置測定方法を使用して調整した光学装置においては、調整済みの光学部品の位置を計測し、この位置データを他のブレッドボード上における同じ光学装置の組み立てに利用可能であり、装置の再現性が向上するという効果もある。

以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の位置測定装置の構成を示す平面図および側面図である。ブレッドボード１０の四隅近傍には設置基準要素２０が金具２２およびボルトによってブレッドボード１０に緩く固着されている。設置基準要素２０は、詳細は後述するが、金属製で上下二箇所に溝（くびれ）のある円筒形状をしており、底面には後述する接合部２１が固着されている。

隣接する設置基準要素２０の上平面の間にはそれぞれ直定規（ユニセイキ社製ストレートエッジNo.2306990）３０、３１が配置され、それぞれ固定具３２によって設置基準要素２０の上面と堅く固着されている。直定規３０、３１は四面の平行度が1/1000（精度Ａ級とも言う。表面粗さが１０μｍ以下であり、１ｍの長さでの表面凹凸が２０μｍ以下であるもの）以下と精度が高く、かつ非常に剛性が高い基準ブロックである。なお、このような直定規は安価に市販されている。

直定規３０、３１は設置基準要素２０の上面と堅く固着されており、非常に剛性が高いので、本発明においては設置基準要素２０および直定規３０、３１を組み合わせた基準位置構造物によって基準となる座標を規定する。

なお、ブレッドボード１０には設置基準要素２０が金具２２およびボルトによって緩く（直定規を乗せた程度では位置が変化しない程度に）固着されており、設置基準要素２０の底面には厚さが１ミリメートル程度の弾力性のある接合部２１が固着されているので、ブレッドボード１０の凹凸については接合部２１が変形することにより、設置基準要素２０の変形やストレスが解消される。

図２は、本発明の設置基準要素の構成を示す平面図および縦断面図である。設置基準要素２０は、設置一次基準要素も設置二次基準要素も同じ形状であり、例えばアルミニウム等の金属製である。設置基準要素２０の円柱の上部および下部の側面には位置計測装置を搭載するための溝が２箇所形成されている。円柱の上面４０と下面、溝の上面と下面４１、４３の表面形状は、精密な切削加工により、凹凸が10μm以下の精度が実現されている。

設置基準位置（座標原点）は、この設置一次基準要素の回転軸４６上に設置されている。高さの基準位置(z=0)は、設置基準要素の上部溝の上面と下部溝の上面の中央に設定する。設置基準位置の設定において、設置基準要素の上面と下面を用いなかった理由は、これらの面はそれぞれ連結部と接合部において、他の部品と接合していることから、傷などが入り易いからである。傷などが入った場合には、設置基準位置の精度が劣化する。

また、上部溝の下面と下部溝の下面を設置基準位置の設定に用いなかった理由は、設置基準要素に取り付ける位置計測装置が、これらの面に接触することから、傷などが入り易く、設置位置基準の精度が悪くなるからである。

設置基準位置を、設置一次基準の表面に置かずに内部に設定する理由は、設置基準要素の表面形状の経時変化と、使用時には発生する傷や歪みなどの変形の効果を避けるためである。表面形状の経時変化としては、表面の酸化、腐食、埃の堆積等がある。

表面の酸化や腐食に関しては、設置基準要素の表面に均一に作用した場合には、設置基準要素の２つの基準面の中点にすることにより、その影響を除去することが可能となる。実施例の設置基準要素の断面形状は円形であるが、断面形状が四角形などの多角形でも良い。この場合は、設置基準位置が多角柱の中心軸となる。

設置基準要素と、ブレッドボードとの接合部は、弾性変形または塑性変形（凹凸が非常に多い場合は、塑性変形するものを用いると凹凸を埋める効果がある。弾性歪だけの場合は大きな凹凸のために大きな残留応力が発生する。）をする柔軟な材料で構成される。その厚さは、ブレッドボードの凹凸を補償するために十分な厚さが必要である。その材料は、有機（ポリマー）材料だけでなく、シリコン樹脂、アルミニウム、銅あるいはそれらの合金などの金属であっても良い。本実施例では、厚さ１ｍｍのデルリンを用いた。デルリンは機械加工が容易な樹脂材料である。

ブレッドボード上に設置基準要素を設置する場合には、まず、４つの設置基準要素２０とストレートエッジ３０、３１とを固定具３２によって接続、固定し、設置基準要素の端面が全て同一面内に収まるように基準位置構造物を組み立てる。そして、４つの設置基準要素２０をブレッドボード上に設置する。このとき、ブレッドボードに傾斜やねじれがあっても、設置基準要素２０の底面の接合部がその分だけ変形して、各設置基準要素２０は同一平面内に収まっている。

そこで、１つの設置基準要素２０当たり３個以上の金具２２およびボルトによって設置基準要素２０を固着し、このボルトの締め付けトルクを全て同じトルクで位置が変化しない程度に緩く締め付ける。以上の取付方法によって、各設置基準要素２０は同一平面内に収まった状態でブレッドボード１０に固着される。そして、各設置基準要素２０は接合部２１の弾力性によって固定用金具２２に押さえつけられているので、ストレートエッジを取り外しても設置基準要素２０の位置は変わらない。

図４は、本発明の位置測定装置に計測装置を装着した構成を示す平面図および側面図である。実施例においては、位置計測装置としてデジタルゲージ（ミツトヨ（登録商標）社製、型式VDS-75DC）５０、５２を２個で面内方向（ｘ軸とｙ軸）の位置を計測し、デジマチックゲージ（ミツトヨ（登録商標）社製、型式ID-S112）５５で高さ方向の位置を計測する。いずれの装置も位置精度は１０μｍである。

ｘ軸計測用デジタルゲージ５０は、両端が任意に選択した１つの一次設置基準要素（図４においては例えば左下の設置基準要素）および任意に選択した他の二次設置基準要素（例えば右下）のそれぞれの溝の内面に当接するようにそれぞれの溝の下面に渡して配置する。ｘ軸計測用デジタルゲージ５０のカーソル５１には位置（任意にリセットした位置からの距離）がデジタル表示されると共に、ｙ軸計測用デジタルゲージ５２の一端が直角に固着されている。

図４においては、上溝にゲージを配置した例を開示してあるが、ゲージを下溝に置いてもよく、例えばブレッドボード１０に立てたポールの位置を上溝と下溝の双方の位置で測定することによってポールの傾斜角度が判明する。また、溝の位置や数は任意であり、使用する位置計測装置の形状や光学部品の高さ等に合わせて決定すればよい。

平面内での位置決め精度の測定結果を図５に示す。ブレッドボード上に設置した測定用円柱のブレッドボードから１０ｍｍの高さと１１０ｍｍの高さにおける位置測定の繰り返し位置決め精度の測定結果を表している。図中の「下ｘ」とは、高さ１０ｍｍの位置におけるｘ方向の測定位置であり、図中の「下ｘ」とは、高さ１０ｍｍの位置におけるｘ方向の測定位置であり、図中の「下ｙ」とは、高さ１０ｍｍの位置におけるｙ方向の測定位置であり、図中の「上ｘ」とは、高さ１１０ｍｍの位置におけるｘ方向の測定位置であり、図中の「上ｘ」とは、高さ１１０ｍｍの位置におけるｙ方向の測定位置を示す。

縦軸は位置測定装置の相対的な位置測定値であり、横軸は測定回数を表す。測定後は、ノギスを測定用円柱から１０ｃｍ以上離して、測定用円柱の位置測定を繰り返し行った。測定回数が5回以上の場合は、位置の繰り返し測定精度は１０μｍ以下であり、測定装置の誤差以下となっており、設置基準要素を組み込んだ基準位置構造物の測定精度が、位置計測装置であるノギスの精度と一致していることから、本発明方式が有効な計測手法であることが示された。

次に、基準位置構造物を用いて光学定盤の表面形状を測定した結果を図６に示す。１辺３０ｃｍの正方形の領域の中で、３００μｍ以上の凹凸があることが観測されている。更に、光学定盤上に、マグネットベースとｘステージを介してベースプレートを取り付けた場合のベースプレーとの表面形状を図７に示す。５ｃｍの距離で約３００μｍの傾きが観測された。これは、図６に示された光学定盤の凹凸に対して約6倍の凹凸に相当する。従って、光学定盤光学定盤に各種光学部品を設置する場合は、部品の不十分な平行度やその設置の方法により、５ｃｍで３００μｍ以上の傾きが発生する可能性が示された。

これらの実験結果から、現在、一般に使用されている光学要素を用いた場合は、光学系の精密調整においては、光学定盤やブレッドボードの表面形状や、ステージなどの光学要素の設置方法に依存し、その位置の変化は数１００μｍ以上と、精密調整の調整範囲に大きく影響を及ぼしていることが明白となった。

本発明の位置測定方法によれば、位置決め精度は、マイクロメータやノギスなどの汎用的で安価な機械式測定装置を用いることにより、10μmの精度を実現出来る。これは、光学定盤の表面の凹凸、300μmに対して30倍の精度となる。Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸方向に対して30倍の精度となることから、3次元的には27000倍の精度の向上が実現され、調整時間がそれだけ短縮される。

設置基準要素は例えば金属製であるので、温度によって形状が変化する。そこで、ｘ、ｙ軸方向の測定においては、デジタルゲージ５０を図４に示すように設置基準要素２０の溝の外側に設置した場合と、溝の内側に設置した場合の双方を測定し、平均を取ることにより設置基準要素の温度による形状変化の影響を除くことが可能である。また、ｚ軸方向については、高さの異なる２つの溝から距離を測定して平均を取ることにより設置基準要素の温度による形状変化の影響を除くことが可能である。

ｙ軸計測用デジタルゲージ５２の他端は、ｙ軸計測用デジタルゲージ５２を支持するための剛性の高いガイド部材５６の上に移動可能に乗っている。ｙ軸計測用デジタルゲージ５２のカーソル５２にはやはり位置がデジタル表示されると共に、ｚ軸計測用デジマチックゲージ５５を搭載するためのガイド部材５４が直角に固着されている。

ブレッドボード１０上には設計図に基づき光学部品が固着される。光学部品の基台７２には、例えばマイクロメータを使用した３軸位置調整機構７１が搭載され、その上部にミラー、レンズ等の光学部品７０が搭載されている。基台７２の底面には設置基準要素２０と同様の弾力性のある接合部７３が設けられており、３箇所以上を金具７４およびボルトによってブレッドボード１０に固定する。

本発明の光学部品は上記のような構成により、ボルトの締め付けトルクを調整することによって垂直軸の方向を調節可能である。そして、本発明の測定方法においては、光学部品の上下２箇所の位置を測定することにより軸が垂直か否かが判明するので、光学部品が基準面と垂直になるように、部品を固定している金具７４のボルトの締め付けトルクを調整する。軸が垂直でないとｘ軸あるいはｙ軸を調整するとｚ軸の位置まで変化してしまい、調整が困難となるが、垂直軸が一致していれば調整が容易となる。

図３は、本発明の位置測定範囲の拡張方法を示す説明図である。図３において、ブレッドボード１０上の下部の４つの設置基準要素８０、８１、８２、８３はすでに配置完了しており、これに２つの設置基準要素８４、８５を増設する場合について説明する。この場合には、４つの設置基準要素８２、８３、８４、８５のそれぞれに前記したように４本のストレートエッジを固定具によって固定することによって平面８４を形成し、この基準平面に基づき、２つの設置基準要素８４、８５をブレッドボード１０に固定することにより拡張が可能である。

但し、この場合には、元の平面８６と拡張した平面８７との一致精度が、ストレートエッジと設置基準要素８２、８３の上面の接合に依存しており、高い精度は望めない。そこで、より高精度に拡張したい場合には、例えば３つの設置基準要素８０、８２、８４および８１、８３、８５にまたがる長いストレートエッジを使用し、６個の設置基準要素全てを固定具で連結することにより、より精度の高い拡張が可能である。

なお、更に、上方、下方あるいは左右方向に拡張する場合には、拡張した基準面８７をベースとして使用すればよいので、基準面の辺の長さの２倍の長さのストレートエッジがあれば基準面を高精度で無制限に拡張可能である。

以上、本発明の実施例を開示したが、本発明には下記のような変形例も考えられる。実施例においては、基準位置構造物をブレッドボード上に固着して位置の測定を行う例を開示したが、光学部品を精密に設置した後に、高価な位置計測装置とストレートエッジなどの部材を取り外し、他の精密光学システムの調整に使用することが出来る。

設置基準要素は、機械加工により安価に作製出来るものであることから、設置基準要素のみをブレッドボードの上に残して置くことにより、ストレートエッジなどの部材を取り外した後であっても光学部品の配置の状態を計測することが可能となる。従って、精密な配置を必要とする光学システムが輸送または使用中に機能が低下したときに、初期状態の配置からの変化を精密に検証することが可能となる。その結果、機能低下の原因の究明と保守に関する費用と時間を大幅に短縮することが可能となる。

本発明は、いうまでもなく、光学ユニットを用いる光学装置の全体、一部、あるいは複数の部分の何れにも適応可能であり、光学ユニットの規模を問わない。なお、実施例においては、光学装置に本発明を適用する例を開示したが、本発明の位置測定方式は位置を精密に測定する必要のある任意の装置に適用可能である。

本発明の位置測定装置の構成を示す平面図および側面図である。 本発明の設置基準要素の構成を示す平面図および縦断面図である。 本発明の位置測定範囲の拡張方法を示す説明図である。 本発明の位置測定装置に計測装置を装着した構成を示す平面図および側面図である。 本発明の位置測定装置の平面内での位置決め精度の測定結果を示すグラフである。 基準位置構造物を用いて光学定盤の表面形状を測定した結果を示すグラフである。 基準位置構造物を用いてベースプレートの表面形状を測定した結果を示すグラフである。

符号の説明

１０…ブレッドボード、２０…設置基準要素、２１…接合部、２２…金具、３０、３１…ストレートエッジ、３２…固定具、４０…円柱の上面、４１、４３…溝の下面、４６…回転軸、５０、５２…デジタルゲージ、５１、５３…カーソル、５４…ガイド部材、５５…デジマチックゲージ、５６…ガイド部材

Claims (1)

1. 以下の３つの工程を含むことを特徴とする部品の位置測定および配置方法。
   （１）他の設置基準要素と連結するための連結平面と、前記連結平面と所定の位置関係にあり、位置測定手段による測定の基準となる基準面と、底面に装着され、柔軟性を持ちかつ弾性変形または塑性変形をする物質からなる接合部とを備えた設置基準要素装置を複数個使用し、
   設置基準要素装置の基準平面が全て同一平面内に収まるように、複数の剛性の高い直定規および前記設置基準要素装置の前記連結平面と前記直定規とを固着する複数の固定具を用いて複数の前記設置基準要素装置の前記連結平面同士を連結することにより、仮想的な位置の基準平面を規定する基準位置構造物を組み立てる工程。
   （２）前記基準位置構造物を構成する前記設置基準要素装置の前記接合部を介して設置基板に設置して変位可能に固着することにより、各設置基準要素装置の基準平面が同一平面に保持されたまま、前記基準位置構造物を設置基板上に設置して固着する工程。
   （３）前記基準位置構造物を基準として、仮想的な位置の基準平面に対して、部品の位置を測定または配置する工程。

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