JP5858673B2

JP5858673B2 - 位置計測装置、光学部品の製造方法、及び型の製造方法

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Publication number: JP5858673B2
Application number: JP2011165268A
Authority: JP
Inventors: 龍太郎平林
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2011-07-28
Filing date: 2011-07-28
Publication date: 2016-02-10
Anticipated expiration: 2031-07-28
Also published as: JP2013029404A

Description

本発明は、ステージ等の可動する物体の位置を計測する位置計測装置に関する。

従来、多軸加工装置のステージなど複数方向に移動する移動体の位置を計測する位置計測装置として、エンコーダ計測機や、傾きが周期的に変化する計測基準面の傾きの変化により移動体の位置を計測するものが案出されている（特許文献１参照）。

具体的には、上記位置計測装置は、計測基準面を、正弦波形状となるように波状に形成し、オートコリメーション法を用いてこの傾きの変化を計測している。そして、この計測された傾きの周期変化に基づいて物体の位置情報を算出している。

特許第２９６００１３号公報

ところで、一般的に位置計測装置では、センサから得られた出力電圧から得られた位相情報を電気分割することによって、計測基準面の周期よりも高い分解能を得る。

しかしながら、上記特許文献１記載の位置計測装置の出力電圧は正弦波の波形となる。そして、このような正弦波形状の出力電圧では、位相が９０°と２７０°付近において、移動体の移動量に対する出力電圧の変化量が最も小さくなる。そうすると、これら位相が９０°や２７０°付近においてＳ／Ｎ比が低くなり、計測精度に影響を及ぼすという問題があった。

そこで本発明は、高精度に移動体の位置を計測可能な位置計測装置を提供することを目的とする。

本発明に係る位置計測装置は、周期的に高さが増減する目盛パターンが表面に形成された目盛部と、前記目盛部の表面との間の相対距離を検出する複数の変位センサと、前記変位センサと前記目盛部との相対移動による前記相対距離の周期変化に基づいて、計測対象の位置情報を演算する演算部と、を備え、前記目盛部の目盛パターンは、同一平面上の異なる２方向に高さが周期的に増減する２つの形状パターンが組み合わされて形成されると共に、これら２つの形状パターンのそれぞれは、平面の組み合わせによって形成され、複数の前記変位センサは、いずれかの前記変位センサが前記目盛パターンの高さの周期変化を常に検出可能な位置となるように配設された、ことを特徴とする。
また、本発明に係る位置計測装置は、周期的に高さが増減する目盛パターンが表面に形成された目盛部と、前記目盛部の表面との間の相対距離を検出する複数の変位センサと、前記変位センサと前記目盛部との相対移動による前記相対距離の周期変化に基づいて、計測対象の位置情報を演算する演算部と、を備え、前記目盛部は、多角錐を直交する２方向に整列して配置した形状パターンを有する、ことを特徴とする。

本発明に係る光学部品の製造方法は、被加工物と工具を相対的に移動させて前記被加工物を切削し、光学部品を製造する光学部品の製造方法であって、前記位置計測装置によって計測された位置情報によって前記被加工物と前記工具を相対的に移動させることを特徴とする。
本発明に係る型の製造方法は、被加工物と工具を相対的に移動させて前記被加工物を切削加工し、型を製造する型の製造方法であって、前記位置計測装置によって計測された位置情報によって前記被加工物と前記工具を相対的に移動させる、ことを特徴とする。

本発明によれば、周期的に変化する目盛部の形状パターンを、平面の組み合わせによって形成したため、出力電圧が平面の傾きに応じた直線を組み合わせた波形となる。これにより、Ｓ／Ｎ比の変化が少なくなり、高い計測分解能を得ることができると共に、高精度に移動体の位置を計測することができる。

本発明の実施の形態に係る多軸加工装置を示す模式図。図１の多軸加工装置の断面図。本発明の実施の形態に係る位置計測装置において、１軸方向について注目した場合を示す模式図。図３の位置計測装置の出力電圧の変化を示すグラフ。本発明の実施の形態に係る位置計測装置を示す模式図。位置計測装置の目盛部の要部拡大図。変位センサの相対関係を示す図。図５の位置計測装置の出力電圧の変化を示すグラフ。目盛部の他の実施の形態を示す模式図。

［多軸加工装置の概略構造］
以下、本発明の実施の形態に係る位置計測装置１について図１〜図８に基づいて説明をする。まず、図１及び図２に基づいて、上記位置計測装置１が搭載された多軸加工装置１００について説明をする。なお、以下の説明において、ＸＹＺ軸の方向は、位置計測装置１の目盛部３０を基準として設定する。

多軸加工装置１００は、工具１１１をＸＹＺ軸の３軸方向に移動可能に設けられていると共に、Ｙ軸回りに回転できるように構成された４軸加工装置であり、工具保持部１１０と、ワーク保持部１２０と、から構成されている。

上記ワークＷを保持するワーク保持部１２０は、ワークＷがその先端に取り付けられる回転軸１２４と、この回転軸１２４を回転自在に支持するワークフレーム１２１と、ワークフレーム１２１を支持する支持フレーム１２２，１２３と、を備えている。支持フレーム１２２，１２３は、ワークフレーム１２１の両端部を支持する一対の脚部１２２とこれら脚部の間をつなぐ壁部１２３とによって、平面視略コ字形状に形成されている。そして、これらワークフレーム１２１及び支持フレーム１２２，１２３によって形成される凹部に、上記工具保持部１１０が嵌り込むように配設され、回転軸１２４の先端のワークＷと、工具１１１と、が対向するようになっている。

一方、工具１１１を保持する工具保持部１１０は、該工具１１１の位置をＸＹＺθ_Ｙの４軸方向に制御するように構成されている。具体的には、ＸＹＺの３軸方向に駆動する工具ステージ１１３，１１４，１１５と、θ_Ｙ軸周りに回転割り出しを行う回転ステージ１１２と、を有している。

上記工具ステージ１１３，１１４，１１５は、Ｙ軸方向に昇降するＹ軸ステージ１１５と、Ｙ軸ステージ上でＸ軸方向に移動自在なＸ軸ステージ１１４と、Ｘ軸ステージ上でＺ軸方向に移動自在なＺ軸ステージ１１３と、から構成されている。また、回転ステージ１１２は、Ｚ軸ステージ１１３上でＹ軸回りに回転自在に構成されており、工具１１１は、回転ステージ１１２上に設けられた工具ホルダ１１６に取付けられるようになっている。

また、多軸加工装置１００は、ワークＷと工具１１１との相対位置関係を検出するために、位置計測装置１を備えている。この位置計測装置１は、計測基準となる目盛部３０と、移動体に取付けられる変位センサ１０と、詳しくは後述する演算部２０とを有して構成されている。目盛部３０は地面に対して垂直な平面である壁部１２３に取付けられ、変位センサ１０は工具１１１に最も近い直線方向への移動体であるＺ軸ステージ１１３に取付けられており、工具１１１のＸＹ軸方向位置を検出している。また、多軸加工装置１００は、Ｚ軸方向の位置を検出するＺ軸センサ４０（図３参照）と、工具１１１の回転角を検出する回転角度センサ（不図示）を有している。

そして、多軸加工装置１００は、これら位置計測装置１、Ｚ軸センサ４０及び回転角度センサによって、工具１１１とワークＷとの相対位置関係を検出し、高速回転するワークＷを工具１１１で軸対称非球面切削加工を行うように構成されている。なお、工具保持部１１０は、回転軸１２４が回転する際の振動が伝達されないように、ワーク保持部１２０に対して、除振台などによって振動が絶縁されている。

本発明の位置計測装置１は、工具１１１とワークＷとの相対位置関係を高精度に計測することができる。よって、本発明の位置計測装置によって計測された位置情報によって前記被加工物と前記工具を相対的に移動させて、前記工具で前記被加工物を切削加工することにより、高精度な加工を行なうことができる。特に、このような製造方法は、高精度な形状を求められる、光学部品の加工に好適に用いることができる。また、同様に高精度な形状を求められる、光学部品を成形するための型の加工や、ナノインプリントに用いられる型等の加工にも好適に用いることができる。このように加工された型を用いて成形される、光学部品や、回路基板等の成形品は、非常に高い精度を得ることができる。なお成形には、射出成形や型押加工等の公知の技術が適用できる。

［位置計測装置の構造］
ついで、上述した位置計測装置１について図３乃至図８に基づいて詳しく説明をする。図３は、上記位置計測装置１の原理を簡単に説明するために、１軸方向（Ｘ軸方向）の移動についてのみを考えた場合の位置計測装置１の模式図である。

上記図３に示すように、位置計測装置１は、変位センサ１０、目盛部３０及び演算部２０を有している。変位センサ１０は、目盛部３０との相対距離を計測するセンサであり、所定波長のレーザ光を出射する光源、受光素子を有している。そして、３角測量やレーザ干渉の原理を利用して、目盛部３０までの距離を計測するように構成されている。

なお、受光素子はＰＤ（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）、ＰＳＤ（ＰｏｓｉｔｉｏｎＳｅｎｓｉｔｉｖｅＤｅｔｅｃｔｏｒ）、ＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）などレーザ光を計測するものであれば、どのようなものでも良い。

また、上記目盛部３０は、その表面に、平面の組み合わせによって一定の方向に所定の周期で高さ（振幅）変化するように形成された目盛パターンが形成されている。本実施の形態では、図３に示すように、その表面を一方向（例えばＸ軸方向）に向けて切った際に、三角波形状の断面を有するようになっている。

即ち、目盛部３０の表面は、数１に示すような形でＸ軸方向に高さ（振幅）Ａ_１が周期的に変化している。

ｆ（ｘ）：位置Ｘにおける高さ、Ａ_１：形状の振幅、λ_ｘ：形状の周期（波長）

従って、変位センサ１０が目盛部３０に対してＸ軸方向の相対変位を生じた時、変位センサ１０と目盛部３０の相対距離は目盛部３０の高さ変化分変位する。連続的に走査した場合、Ｘ方向の変位量に対する変位センサ１０の出力は、図４に示されるような目盛部３０の形状と相似の三角波出力となる。三角波出力はＸ変位に対して出力が一定の傾きで増減する波形なので、リニアリティに優れている。

上記受光センサ１４が検出した出力電圧の周期変化は、演算部２０によって演算されることにより、計測対象の位置情報に変換される。即ち、位置計測装置１は、変位センサ１０と目盛部３０との相対距離を計測対象の位置情報としている。そして、計測対象（変位センサ１０）と目盛部３０とが平行に相対移動することにより変化する相対距離の変化を、位置情報へと演算することによって、計測対象の位置を計測している。なお、位置計測装置１の分解能は目盛形状の振幅Ａと波長λの比であるアスペクト比と変位センサ１０の分解能で決定される。アスペクト比３：１００の形状で分解能０．１ｎｍの変位センサを用いると、３．３ｎｍの水平方向分解能が得られる。また、変位センサ１０は、移動体がＺ軸方向に移動してワークディスタンスが変更された場合、この変更分の相対距離の変化は、位置情報から除外して演算する。

［２次元方向を同時に測定する場合］
ところで、複数軸方向に移動する移動体が計測対象の場合、出来る限り位置センサの数が少ない方が、軸間補正が簡単でありかつ計測誤差が少なくなるため、位置計測装置１は、通常、２次元位置を検出可能に構成される。

計測対象の２次元位置を検出する場合、図５に示すように、上述した目盛部３０は、計測対象の２軸方向の位置を検出可能なように構成される。具体的には、目盛部３０は、その表面に同一平面上の異なる２方向に高さが周期的に増減する２つのパターン形状が組み合わされた目盛パターンを形成しており、変位センサ１０との相対距離を変化させている。

本実施の形態では、目盛部３０の表面に、正四角錐をＸＹ軸方向に整列させた数２で示す形状パターンを形成している（図６参照）。これにより、目盛部３０の表面は、Ｘ軸方向とＹ軸方向とのそれぞれに、三角波形状の断面を有することとなり、これらＸＹの２軸方向に感度を有する目盛を構成することができる。

ｆ（ｘ，ｙ）：ある位置（ｘ，ｙ）における高さ、Ａ_１：Ｘ軸方向の振幅、λ_ｘ：Ｘ軸方向の周期、Ａ_２：Ｙ軸方向の振幅、λ_ｙ：Ｙ軸方向の周期（波長）

このように、上記目盛部３０の目盛パターンは、Ｘ軸方向にのみ感度を有するＸ軸面３１と、Ｙ軸方向にのみ感度を有するＹ軸面３２と、の組み合わせによって形成されている。ところで、せっかく目盛部３０が２軸方向に感度を有していても、変位センサ１０が１つしかない場合には、移動体のこれら２軸方向への移動を連続的に計測することができない。即ち、その変位センサ１０がＸ軸面３１に際に、移動体がＹ軸方向に移動しても、１つの変位センサ１０ではＹ軸方向の相対距離の変位は計測をすることができない。

従って、２軸方向への移動体の移動を同時に計測するには、少なくとも２つ以上の変位センサ１０が必要となり、２次元位置を計測する位置計測装置１は、変位センサ１０ａ，１０ｂを複数有している。そして、これら複数の変位センサ１０ａ，１０ｂを、いずれかの変位センサ１０ａ，１０ｂが目盛パターンの各方向の高さＡ_１，Ａ_２の周期変化を常に検出可能な位置となるように配設している。

具体的には、図７に示すように、上記複数の変位センサ１０ａ，１０ｂは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に、半波長λ／２の整数倍の間隔をあけて配設されている。なお、図７中のｍ，ｎは、任意の整数である。更に、第１変位センサ１０ａと第２変位センサ１０ｂとのなす角を、感度を有する２方向の間のなす角の半分、即ち、上記図７中のｍ，ｎの値を同じにするとより好ましい。

これにより、計測対象が、目盛部３０が感度を有する２軸方向にどのように動いても、いずれかの変位センサ１０が各軸方向ごとの移動量に基づく高さの周期変化を連続的に検出することができる。

即ち、第２変位センサ１０ｂが一方の軸方向の高さの変位を検出できない場合には、第１変位センサ１０ａが一方の軸方向の高さの変位を検出する。また、第１変位センサ１０ａが一方の軸方向の高さの変位を検出できない場合には、第２変位センサ１０ｂが一方の軸方向の高さの変位を検出する。

そのため、第１変位センサ１０ａと、第２変位センサ１０ｂとが１軸方向の高さの変位を交互に検出する。即ち、図８に示すように、連続する第１変位センサ１０ａの出力電圧Ｖ１と、第２変位センサ１０ｂが検出した出力電圧Ｖ２とによって、計測対象の移動を計測することができる。そして、出力電圧Ｖ１，Ｖ２の周期変化に基づいて、各軸方向ごとの計測対象の位置を演算することができるため、以て、２次元における計測対象の位置を計測することができる。

上述したように、周期的に変化する目盛部３０の形状パターンを、平面の組み合わせによって形成したため、出力電圧が平面の傾きに応じた直線を組み合わせた波形となる。これにより、Ｓ／Ｎ比の変化が少なくなり、高い計測分解能を得ることができると共に、高精度に移動体の位置を計測することができる。

即ち、平面の組み合わせによって目盛の形状パターンを構成したため、平面の傾きに応じた所定の増減量で、変位センサ１０の出力電圧Ｖが変化する。そのため、受光センサ１４の出力変化量が直線の組み合わせによって一定に変化し、特定の測定箇所における電気ノイズに対するＳ／Ｎ比が低くなることを防止することができる。これにより、センサから得られた電圧出力を電気分割しやすくなるとと共に、誤差が少なくなり高い分解能を得ることが出来る。

更に、目盛の特性が連続して変化するので、信号の不連続性に関する信号処理を無くすことできる。また、調整幅の大きな目盛形状の振幅Ａ１，Ａ２を大きくすることによって、位置計測装置１の分解能を向上することができるため、高分解能化が可能となる。

更に、目盛部３０に、異なる２方向に目盛の周期変化を持たせると共に、変位センサを複数用いることで２次元方向の位置計測をすることができる。より詳しくは、各変位センサ１０ａ，１０ｂの計測する軸が切り替わる位置をＸＹ座標のマップデータとして持つことで、大面積においても連続したＸＹ軸計測が可能となる。

また、演算部２０が、移動体の計測基準面（目盛部３０）に対して垂直方向（Ｚ軸方向）の移動による相対距離の変化は、これら高さの周期変位から除外するため、ワークディスタンスに係わらず計測対象位置を正確に計測できる。

また、各駆動軸に１つ以上の位置センサを用いて位置計測する装置に比して、２次元位置を計測する位置計測装置１はより加工点に近い位置で計測するので、アッベ誤差や姿勢変化、温度ドリフトの影響を低減させ高精度計測を可能にすることができる。

なお、上述した実施の形態において、変位センサ１０をワークディスタンスの変化を計測するセンサとして使用しても良く、この場合、更に、使用するセンサの数を減らすことができる。

また、本実施の形態では、目盛部３０の形状は四角錘形状を用いているが、変位に対して一定の傾きで増減する出力波形を得られる面を複数組み合わせた形状であればとのような形状でも良い。具体的には三角錐形状などの多角錘形状や、図９に示されるようなＸ軸面とＹ軸面を持つ鋸波形状を交互に並べたものがある。

更に、変位センサ１０は、光学式の他に、リニア近接センサや、超音波式など、どのような市販の変位センサを用いても良い。

１：位置計測装置、１０：変位センサ、２０：演算部、３０：目盛部

Claims

周期的に高さが増減する目盛パターンが表面に形成された目盛部と、
前記目盛部の表面との間の相対距離を検出する複数の変位センサと、
前記変位センサと前記目盛部との相対移動による前記相対距離の周期変化に基づいて、計測対象の位置情報を演算する演算部と、を備え、
前記目盛部の目盛パターンは、同一平面上の異なる２方向に高さが周期的に増減する２つの形状パターンが組み合わされて形成されると共に、これら２つの形状パターンのそれぞれは、平面の組み合わせによって形成され、
複数の前記変位センサは、いずれかの前記変位センサが前記目盛パターンの高さの周期変化を常に検出可能な位置となるように配設された、
ことを特徴とする位置計測装置。
前記２つの形状パターンのそれぞれは、前記高さの周期変化の最大振幅が同じに形成されかつ、前記最大振幅を通過する位置における前記高さの変化の周期が同じに形成される、
請求項１記載の位置計測装置。
前記目盛部は、その表面を前記２方向のそれぞれに向けて切った際に、三角波形状の断面を有する、
請求項２記載の位置計測装置。
前記複数の変位センサは、第１変位センサと、第２変位センサとを備え、
これら第１及び第２変位センサは、前記同一平面上の異なる２方向のそれぞれにおいて、前記周期の半分の整数倍の間隔をあけて配設されている、
請求項２又は３記載の位置計測装置。
周期的に高さが増減する目盛パターンが表面に形成された目盛部と、
前記目盛部の表面との間の相対距離を検出する複数の変位センサと、
前記変位センサと前記目盛部との相対移動による前記相対距離の周期変化に基づいて、計測対象の位置情報を演算する演算部と、を備え、
前記目盛部は、多角錐を直交する２方向に整列して配置した形状パターンを有する、
ことを特徴とする位置計測装置。
被加工物と工具を相対的に移動させて前記被加工物を切削し、光学部品を製造する光学部品の製造方法であって、
請求項１乃至５のいずれか１項記載の位置計測装置によって計測された位置情報によって前記被加工物と前記工具を相対的に移動させる、
ことを特徴とする光学部品の製造方法。
被加工物と工具を相対的に移動させて前記被加工物を切削加工し、型を製造する型の製造方法であって、
請求項１乃至５のいずれか１項記載の位置計測装置によって計測された位置情報によって前記被加工物と前記工具を相対的に移動させる、
ことを特徴とする型の製造方法。