JP5541722B2 - 測長装置、及び工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、精密加工機や計測装置などに用いる高精度な測長装置、及びそれを有する工作機械に関するものである。

精密加工機や計測装置において、加工精度、計測精度を向上させるためレーザ干渉計を利用した測長装置が用いられている。レーザ干渉計は、高分解能な測長が可能であるが、環境変動によって測定光路の光路長が変動し、測長精度が悪化してしまう課題がある。

この問題に対して、例えば特許文献１、特許文献２では、測定光路に真空管を設置し、測定光路の大部分を真空にすることにより環境変化の影響を受けにくい測長装置が開示されている。

特開昭６３−３１３００２号公報 特開平７−１７４５１０号公報

上記の特許文献に開示された構成は、図４に示すように、レーザ光源１０１、偏光ビームスプリッター１０４、測定ミラー１０５、参照ミラー１０６、１／４波長板１０７、１０８、受光素子１０９等を備える。偏光ビームスプリッター１０４は偏光膜１０４Ａを有し、偏光ビームスプリッター１０４と測定ミラー１０５の間が測定光路となる。真空管１１０は、測定光路の大気部分をできるだけ無くすように設置されている。真空管１１０は、筒部１１０ａを有し、その内部は真空であり、気圧変化、温度変化の影響を受けないが、密閉した真空管１１０には、測長レーザ１０２を透過させる光学窓１１０ｂ、１１０ｃが必要である。光学窓１１０ｂ、１１０ｃは、ガラス材で製作されているのが一般的である。

ガラス材は、屈折率が１．４〜２であり、大気の屈折率（１．０００２７６）や真空の屈折率（１）と大きく異なる。そのため、光学窓の厚みが温度変化により変化すると光路長が変動する。さらに、ガラス材は、温度変化による屈折率の変化も大きい。つまり、真空を用いることにより気圧変化による大気の光路長変化を低減しても、温度変化に起因する光学窓の厚み変化のために光路長が変化してしまう課題がある。

本発明は、干渉計を利用した測長において、環境変化により測定光路の光路長が変動しても影響の小さい測長装置、及びそれを有する工作機械を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するため、本発明の測長装置は、分割手段によって測長レーザを分割し、測定ミラーによって反射させた測定光と参照ミラーによって反射させた参照光とを干渉させて得られる測長値により、前記測定ミラーの位置を検出する測長装置において、前記測定光の光路を真空に保つための真空管と、前記真空管の端部に配置された光透過部材と、前記光透過部材に配置された第１の光透過部と、前記光透過部材に配置された、前記第１の光透過部とは厚みの異なる第２の光透過部と、互いに平行な第１および第２の測長レーザを発生させる手段と、前記分割手段によって前記第１の測長レーザを分割し、前記真空管および前記光透過部材の前記第１の光透過部を透過させて前記測定ミラーによって反射させた測定光と前記参照ミラーによって反射させた参照光とを干渉させて第１の測長値を得るための第１の光学手段と、前記分割手段によって前記第２の測長レーザを分割し、前記真空管および前記光透過部材の前記第２の光透過部を透過させて前記測定ミラーによって反射させた測定光と前記参照ミラーによって反射させた参照光とを干渉させて第２の測長値を得るための第２の光学手段と、前記第１および前記第２の測長値を用いて、前記光透過部材の厚み変化による測長誤差を補正する演算手段と、を有することを特徴とする。

測定光路上に設置された真空管の両端における光路長変動を厚みの違う光透過部ごとに測長し、測定光路ごとの厚み変化の比率と測長結果から演算を行い、環境変動による測長誤差を補正することができる。

工作機械の回転軸の中空部に真空管を設置すれば、回転駆動によって発熱することによる温度変化に対して測長誤差を低減し、高精度に回転軸変位を測長することができる。

実施例１による測長装置の構成を示す図である。 実施例１の測長装置を工作機械の回転軸に搭載した例を示す模式断面図である。 図２の装置の変形例を示す模式断面図である。 従来例による測長装置の構成を示す図である。

図１は、実施例１による測長装置の構成を示す。レーザ光源１は、レーザ２を出射している。台形型無偏光ビームスプリッター３は、レーザ２を分割して、互いに平行な第１および第２の測長レーザ２ａ、２ｂを発生させる手段である。測長レーザ２ａ、２ｂは、分割手段である偏光ビームスプリッター４に入射する。偏光ビームスプリッター４には、偏光膜４Ａがコーティングされている。測定ミラー５は、測長レーザ２ａ、２ｂの進行方向に設置されている。参照ミラー６は、測長レーザ２ａ、２ｂが偏光膜４Ａにより反射していく方向に設置されている。偏光ビームスプリッター４には、測定ミラー５および参照ミラー６の方向に、１／４波長板７、８が固定されている。第１の光学手段である受光素子９ａおよび第２の光学手段である受光素子９ｂは、偏光ビームスプリッター４を挟んで参照光を反射させる参照ミラー６の反対側に設置されている。真空管１０は、内部を真空にしてあり、１／４波長板７と測定ミラー５の間に設置されている。真空管１０は、筒部１０ａと、その端部に配置された、レーザを透過する光透過部材である光学窓１０ｂ、１０ｃとで構成されている。各光学窓１０ｂ、１０ｃは、第１の測長レーザ２ａの測定光と、第２の測長レーザ２ｂの測定光が透過する場所で厚みの異なる第１および第２の光透過部を有する。光学窓１０ｂの測長レーザ２ａが透過する場所に配置された第１の光透過部の厚みはｔ１ａ、測長レーザ２ｂが透過する場所である第２の光透過部の厚みはｔ１ｂである。また、光学窓１０ｃの、測長レーザ２ａが透過する第１の光透過部の厚みはｔ２ａ、測長レーザ２ｂが透過する第２の光透過部の厚みはｔ２ｂである。光学窓１０ｂ、１０ｃの各厚みは次式を満たすようにしてある。

次に測長方法について説明する。環境変動として、光学窓１０ｂ、１０ｃ近傍の温度変化をそれぞれΔＴ１１、ΔＴ１２とする。また、大気光路は、真空管１０と測定ミラー５および１／４波長板７の隙間と偏光ビームスプリッター４と参照ミラー６の隙間とを揃えているので測長誤差は小さい。そこで、式上は大気光路に関係した項目を省略する。

測長レーザ２ａを分割した測定光と参照光を干渉させて得られる、測定ミラー５の位置を検出するための第１の測長値Ｌａは次式で表される。

ここで、ΔＸは、偏光ビームスプリッター４に対する測定ミラー５の相対位置の変化量であり、測定したい値である。αは光学窓１０ｂ、１０ｃの温度変動に対する測長光路の変化率である。

式（２）に示されるように、測定したい値ΔＸに対して、測長値Ｌａには、光学窓１０ｂ、１０ｃの厚みが温度変化することによる測長誤差が入っている。そこで、本発明では、光学窓１０ｂ、１０ｃの温度変化による光路長の変化を補正するために、２系統の測長を行っている。測長レーザ２ｂにより測長される第２の測長値Ｌｂは次式で表される。

式（１）、（２）、（３）より次式を得る。

式（４）より、光学窓１０ｂの厚みｔ１ａ、ｔ１ｂの比率と測長値Ｌａ、Ｌｂを用いてΔＸを算出する。

このような測長誤差を補正する演算を行う演算手段を設けることで、光学窓１０ｂ、１０ｃの厚み変化によって光路長が変動しても、高精度な測長を行うことができる。例えば、工作機械の回転軸変位を、環境変動の影響を低減して高精度に測長（検出）することができる。

測長対象である工作機械の回転軸構成を図２に示す。回転軸１１は、ハウジング１２より静圧軸受１３、１４、１５、１６を介して支持されている。回転モータ１７は、回転軸１１を回転駆動させる。回転軸１１は中空であり、先端の裏面に測定ミラー５が設置されている。回転軸１１の中空部には、真空管保持冶具１８により保持された真空管１０が設置されている。真空管保持冶具１８は、回転駆動する回転軸１１ではなく、回転駆動しない偏光ビームスプリッター４と同一の場所に固定されている。真空管１０と真空管保持冶具１８は回転軸１１と非接触である。真空管１０と測定ミラー５および１／４波長板７は非接触であり、大気圧の変動による測定への影響を小さくするために隙間が０．３ｍｍ以下となる位置に固定されている。また、真空管１０と測定ミラー５および１／４波長板７の隙間は、偏光ビームスプリッター４と参照ミラー６の隙間と揃えるように配置されている。

回転駆動をする工作機械では、回転軸１１が回転駆動を行うと、回転軸１１と静圧軸受１３、１４、１５、１６との間の空気膜で摩擦による発熱が生じる。それにより、回転軸１１が熱変位し、先端位置が変化することにより加工精度が悪化してしまう。

ここで、図４に示す従来の構成により測定を行うと、真空管１１０は発熱源が近くにあるために温度が上昇してしまう。それにより、光学窓１１０ｂ、１１０ｃの光路長が変動してしまうので高精度な測長が行うことができない。本実施例では、光学窓１０ｂ、１０ｃの光路長の変動を補正した測長を行うことにより、基準となる位置に設置されている偏光ビームスプリッター４から回転軸１１の先端裏面に設置されている測定ミラー５までの距離を高精度に測長することができる。

なお、本実施例では、真空管１０を回転駆動しない偏光ビームスプリッター４と同一の場所に固定したが、回転軸１１に固定してもよい。回転軸１１に真空管１０を固定した場合の構成を図３に示す。真空管保持冶具１９、２０は、回転駆動する回転軸１１に固定されており、真空管１０と共に回転駆動する。ここで、真空管１０と回転軸１１の熱変位量が違うので、真空管保持冶具１９、２０のどちらかは、例えば板バネで、測長方向のみに自由度を持たすことが好ましい。

１ レーザ光源
５ 測定ミラー
６ 参照ミラー
９ 受光素子
１０ 真空管
１０ａ、１０ｂ 光学窓
１１ 回転軸

Claims (3)

1. 分割手段によって測長レーザを分割し、測定ミラーによって反射させた測定光と参照ミラーによって反射させた参照光とを干渉させて得られる測長値により、前記測定ミラーの位置を検出する測長装置において、
   前記測定光の光路を真空に保つための真空管と、
   前記真空管の端部に配置された光透過部材と、
   前記光透過部材に配置された第１の光透過部と、
   前記光透過部材に配置された、前記第１の光透過部とは厚みの異なる第２の光透過部と、
   互いに平行な第１および第２の測長レーザを発生させる手段と、
   前記分割手段によって前記第１の測長レーザを分割し、前記真空管および前記光透過部材の前記第１の光透過部を透過させて前記測定ミラーによって反射させた測定光と前記参照ミラーによって反射させた参照光とを干渉させて第１の測長値を得るための第１の光学手段と、
   前記分割手段によって前記第２の測長レーザを分割し、前記真空管および前記光透過部材の前記第２の光透過部を透過させて前記測定ミラーによって反射させた測定光と前記参照ミラーによって反射させた参照光とを干渉させて第２の測長値を得るための第２の光学手段と、
   前記第１および前記第２の測長値を用いて、前記光透過部材の厚み変化による測長誤差を補正する演算手段と、を有することを特徴とする測長装置。
2. 前記測定ミラーは、回転軸の先端に配置されており、前記回転軸は中空部を有し、前記中空部に前記真空管を設置したことを特徴とする請求項１に記載の測長装置。
3. 請求項１または２記載の測長装置を有することを特徴とする工作機械。

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