JPH0642942A

JPH0642942A - 回転角度測定装置

Info

Publication number: JPH0642942A
Application number: JP21871792A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiko Fukuchi; 康彦福地; Akira Hashimoto; 昭橋本; Kiyoshi Nagasawa; 潔長澤; Takeshi Murayama; 健村山
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1992-07-27
Filing date: 1992-07-27
Publication date: 1994-02-18

Abstract

(57)【要約】【目的】エンコーダを用いず、極めて微小な回転角度
を正確に測定できるようにする。【構成】回転テーブル１の回転軸２は軸受部材３に回
転自在に支承されており、ステッピングモータ等からな
る回転駆動手段４により回転駆動されるようになってい
る。そして、この回転駆動手段４で駆動される回転テー
ブル１の制御を行うための回転角度測定機構としては、
被検出回転体１０と距離測定装置２０とから構成され、
被検出回転体１０は回転方向に所定角度傾斜させた傾斜
平面部１１を一定の角度毎に所要箇所形成した平歯車形
状の形状を有し、この傾斜平面部１１には、鏡面仕上げ
された反射板１２が添設され、この半斜面１２の位置を
レーザ光による２光束干渉法を用いたレーザ測長器で構
成された距離測定装置２０で検出して、回転駆動手段４
のコントローラ５に制御信号が入力される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、微小回転角度を測定す
ることができる回転角度測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】回転角度を測定するものとしては、エン
コーダが従来から知られている。エンコーダは、周知の
如く、回転円板に所定の角度毎に凹凸部やスリット等か
らなる検出部を設けると共に、この検出部に対面するよ
うにセンサを設け、回転円板を回転させて、センサで検
出部を光学的，磁気的に検出させることによって、回転
円板の回転角度を測定できるように構成したものであ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】エンコーダの角度分解
能は、検出部のピッチ間隔に依存するものであって、こ
の検出部のピッチ間隔を微細にするか、または回転円板
の外径を大きくして、検出部の長さを長くすれば、それ
だけ角度分解能を向上させることができるが、これらに
も限界があることから、現在実用化されているものとし
ては、１０^-7ｒａｄ程度のものが限度とされている。し
かも、このような高分解能を持ったエンコーダは、検出
部を構成する凹凸等を極微細で、しかも極めて高精度に
形成する必要があることから、製造が著しく困難であ
り、極めて高価なものとなる。

【０００４】今、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ），原
子間力顕微鏡（ＡＦＭ），磁力顕微鏡（ＭＦＭ）等を用
いて、磁気ディスク，光ディスク等の表面状態を広範囲
に測定する場合には、二次元極座標（ｒθ）系で測定す
るのが便利である。その際には、局所的な特定の場所
を、回転ステージの精度だけで同定しようとすると、例
えば回転中心からの距離ｒ＝１００mmの位置で、円周方
向にｒθ＝１nmの検出精度が必要となる。このために
は、角度θを１０^-8ｒａｄ以上の精度で位置決めする必
要があり、エンコーダを用いると、たとえ極めて高い角
度分解能のものであっても、少なくとも１桁分解能が劣
ることになる。従って、従来においては、ｒθ系による
測定を１０^-8ｒａｄ以上の精度で行うのは不可能とされ
ていた。

【０００５】本発明は、以上のような従来技術の課題を
解決するためになされたものであって、その目的とする
ところは、極めて高い角度分解能を持った角度測定装置
を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前述した目的を達成する
ために、本発明は、一定の角度毎に回転方向に所定角度
傾斜させた傾斜平面部からなる被検出面を設けた被検出
回転体と、この被検出回転体における被検出面に直交す
る方向に配設した反射式の光学距離測定装置とから構成
したことをその特徴とするものである。

【０００７】

【作用】このように、被検出回転体に回転方向に角度を
持った被検出面を設けることによって、エンコーダ方式
と比較して、半径の大きな被検出回転体を容易に製作で
き、しかも高精度の距離測定装置を用いて、この距離測
定装置と被検出面との間の距離を正確に測定するように
しているので、被検出回転体の角度分解能を著しく向上
させることができる。ここで、距離測定装置としては、
レーザ光を用いて光学的に測定すれば、かなり高い距離
分解能を持たせることができる。特に、光学距離測定装
置として、レーザ光を用いた２光束干渉法を用いたレー
ザ測長器を用いれば、約１nm程度の距離分解能を発揮さ
せることができる。しかも、この光学式の距離測定装置
を用いれば、被検出面を反射面として形成することによ
り距離の測定が可能となるから、被検出面の加工も容易
になる。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。まず、図１に回転角度測定装置を備えた被
検物体の検査装置の概略構成を示す。同図において、１
は回転テーブルであって、この回転テーブル１の上面に
は磁気ディスク，光ディスク等の被検物体が所定の位置
に正確に位置決めされた状態にセットされて、この回転
テーブル１を回転させながら、走査型トンネル顕微鏡，
原子間力顕微鏡，磁力顕微鏡等のように表面状態を微細
に検査する検査機構によってその表面状態の検査が行わ
れる。回転テーブル１の回転軸２は軸受部材３に回転自
在に支承されており、ステッピングモータ等からなる回
転駆動手段４により回転駆動されるようになっている。
そして、この回転駆動手段４による回転テーブル１の回
転を制御するために、コントローラ５が設けられてお
り、このコントローラ５は回転角度測定機構からの信号
に基づいて回転駆動手段４の制御が行われる。

【０００９】回転角度測定機構は、被検出回転体１０と
距離測定装置２０とから構成される。被検出回転体１０
は、回転テーブル１の下面に垂設されており、回転方向
に所定角度傾斜させた傾斜平面部１１を一定の角度毎に
所要箇所形成した平歯車形状の形状を有するものであ
る。そして、この傾斜平面部１１には、鏡面仕上げされ
た反射板１２が添設されており、この反射板１２が被検
出面となる。

【００１０】一方、距離測定装置２０は、被検出面部１
１の反射板１２に直交する状態に配設されており、回転
テーブル１が回転すると、その回転方向によっては、反
射板１２が距離測定装置２０に近接するか、または離間
する。そして、この距離測定装置２０と反射板１２との
間の距離を測定することによって、回転テーブル１の回
転角度の検出を行うようにしている。ここで、距離測定
装置２０は、レーザ光による２光束干渉法を用いたレー
ザ測長器で構成されている。このレーザ測長器は、概略
図２に示したように構成される。

【００１１】図中において、２１はレーザ発振器であっ
て、このレーザ発振器２１からのレーザ光は発散レンズ
２２によって所定のビーム径となるように発散させられ
て、コリメータレンズ２３により平行光となるように調
整される。そして、このレーザ光はビームスプリッタ２
４によって透過光と反射光とに分けられ、透過光は測長
光として反射板１２に入射される。ここで、レーザ光の
光路は反射面１２に対して直角方向に入射させるように
調整されている。また、反射光は参照光として、周波数
シフタ２５を介して参照用反射鏡２６に入射される。こ
こで、参照光は周波数シフタ２５を通過する際にその周
波数が偏移する。そして、これら反射板１２及び参照用
反射鏡２６からの反射光はビームスプリッタ２４に戻
る。参照光はビームスプリッタ２４を透過し、また測長
光はビームスプリッタ２４に反射して同一の光路を通っ
て、対物レンズ２７に入射され、この対物レンズ２７の
結像面に測長光が周波数シフタ２５を２度通過すること
によって、所定の周波数偏移がなされた参照光との間で
干渉する。そして、この対物レンズ２７の結像面２８に
は、参照信号用光電検出器２９と光電検出器３０とが設
けられており、そして、これら参照信号用光電検出器２
９及び光電検出器３０からの信号が位相計３１に入力さ
れて、この位相計３１により光ヘテロダイン検出による
位相の測定が行われる。この位相の測定によって、距離
測定装置２０と反射板１２との間の距離が検出される。
しかも、この距離の測定は１nm以下の精度で行われる。
なお、距離測定装置としては、前述したヘテロダイン検
出を行うものだけではなく、干渉縞計数方式のもの等を
用いることもできる。

【００１２】前述した距離測定装置２０により距離の測
定が行われるが、この測定距離を角度に変換する必要が
ある。図３において、１枚の反射板１２は角度Θ_T 分の
長さを有するものとし、この反射板１２は矢印方向に動
くとする。距離測定装置２０からのレーザ光は、反射板
１２における同図に仮想線で示した点Ｐに反射する。そ
して、回転テーブル１の回転に伴って、反射板１２は同
図に実線で示した位置に変位して、レーザ光の反射点
Ｐ′に移行する。今、角度分解能をΘ_T ／ｎ（＝Θ_d ）
とした時に、反射点ＰからＰ′に移行すると、距離測定
装置２０と反射板１２との間の距離（Δｄ）は、Δｄ＝
ｒ・Θ_d ・ｓｉｎφ（ただし、ｒは回転中心から反射点
までの距離、φは反射板１２の傾斜角である）となる。

【００１３】従って、コントローラ５において、例え
ば、距離測定装置２０と反射板１２との現在の位置関係
から、距離Δｄ移動したことを検出する毎に、回転駆動
手段４の作動を停止させるようにすれば、回転テーブル
１を角度Θ_d ずつピッチ送りすることができるようにな
る。而して、この回転角度測定機構によって１０^-8ｒａ
ｄの精度の角度分解能を持たせるには、被検出回転体１
０における傾斜平面部１１の反射板１２の傾斜角を４５
°とした時に、ｒθ＝１０^-9／ｓｉｎ（４５°）［ｍ］
であるから、ｒ＝０．１４ｍ、即ち、反射板１２を回転
テーブル１の回転中心から１４０mmの位置に設けるとす
る。そして、１nmの距離分解能を持ったレーザ測長器か
らなる距離測定装置２０を用いて距離を測定して、この
距離を角度に変換すれば、１０^-8ｒａｄの精度の角度測
定が可能となる。

【００１４】従って、回転テーブル１に被検物体を設置
して、これを回転させる間に、この被検物体の検査等を
微細に行うことができ、その回転角度制御が著しく良好
となる。しかも、回転テーブル１の外径寸法と比較し
て、角度検出機構を構成する被検出回転体１０の外径を
実質的に大きくすることが可能となって、さらに高精度
の回転角度の測定も可能となる。

【００１５】ところで、前述した角度測定を正確に行う
ためには、被検出回転体１０に装着される多数の反射板
１２は正確に距離測定装置１０に対向するように装着さ
れていなければならない。機械的に誤差のない状態に組
み付けるのはかなり困難であるから、反射板１２を角度
調整機構を介して被検出回転体１０に装着して、この角
度調整機構によって、各反射板１２の位置調整を行うよ
うに構成することが好ましい。そこで、角度調整機構の
一例を図４及び図５に示す。これらの図から明らかなよ
うに、反射板１２を被検出回転体１０の傾斜平面部１１
に３点の球面結合部１３ａ，１３ｂ，１３ｃを介して連
結する。そして、これら各球面結合部のうち、１つの球
面結合部１３ａを固定の結合部とし、他の２つの球面結
合部１３ｂ，１３ｃをあおり調整可能な球面結合部とす
る。そして、球面結合部１３ｂ，１３ｃの球体１４ｂ，
１４ｃにロッド１５ｂ，１５ｃを連結して、このロッド
１５ｂ，１５ｃを被検出回転体１０に螺挿させると共
に、ウォームホイール１６ｂ，１６ｃを装着する。そし
て、ウォームホイール１６ｂ，１６ｃにウォームギヤ１
７ｂ，１７ｃと噛合させ、ウォームギヤ１７ｂ，１７ｃ
を回転させるための操作つまみ１８ｂ，１８ｃを被検出
回転体１０の側面から外部に突出した状態に設ける。

【００１６】このように構成すれば、反射板１２のあお
り調整が可能となり、たとえ反射板１２の組み付け誤差
があったとしても、適宜操作つまみ１８ｂ，１８ｃを操
作することによって、任意の方向に傾けることができる
ので、反射板１２をそれぞれ個別的に厳格に位置決めで
きる。ただし、前述したように、１nmの精度で距離の測
定を行うようになっていることから、角度調整機構によ
っては完全には補正できないこともある。この場合に
は、１周期分のデータを予め取得し、このデータから誤
差補正データを作成して、この補正データをコントロー
ラ５に記録しておくようにすれば良い。

【００１７】而して、反射板１２の傾斜角度は０°＜θ
＜９０°の範囲であれば、任意の角度に設定できる。傾
斜角度が大きければ大きい程回転テーブル１の半径を小
さくすることができるが、反射板１２の枚数を多くする
必要がある。また、目的とする角度分解能が得られるの
は、レーザ光が１枚の反射板１２上を走査している範囲
内であって、前後の反射板１２の移行部では必要な角度
分解能が得られないので、この移行部の前後にわたって
角度測定を行うことはできない。以上のことから、被検
物体の大きさや、検査の目的や検査範囲等に応じて、最
適な角度を持たせるようにすれば良い。

【００１８】ここで、前後の反射板１２の移行部がある
ということは、距離測定装置２０からの出力信号の波形
は鋸歯状となる。そこで、この信号を角度の粗位置決め
を行うために用いることも可能である。即ち、被検物体
を所定角度回転させて、その位置から検査を行う場合
に、まず距離測定装置２０からの信号波形の立ち上がり
を計数することによって、角度の粗い測定を行い、所定
の角度位置になった時に、微小角度の測定を行いなが
ら、この被検物体の検査を実行するといった制御も可能
となる。

【００１９】なお、被検出回転体１０に複数設けられて
いる反射板の各移行部でも目的とする角度分解能を持た
せるには、被検査体１０及び距離測定装置２０をそれぞ
れ位相をずらせた位置に２組設けて、一方の組における
反射板の移行部を他方の組で補うことも可能である。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による回転
角度測定装置は、一定の角度毎に回転方向に所定角度傾
斜させた傾斜平面部からなる被検出面を設けた平歯車形
状の被検出回転体と、この被検出回転体における被検出
面に直交する方向に向けて配設した反射式の光学距離測
定装置とから構成したので、従来エンコーダでは困難と
されていた微小角度の測定が可能となり、しかもエンコ
ーダのように微細加工を必要とすることなく、極めて高
い角度分解能でｒθ系による制御を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す回転角度測定装置の構
成説明図である。

【図２】距離測定装置の構成説明図である。

【図３】距離−角度変換に関する作用説明図である。

【図４】反射板の角度調整機構の構成説明図である。

【図５】図４における角度調整手段の機構を示す構成説
明図である。

【符号の説明】

１回転テーブル２回転軸４回転駆動手段５コントローラ１０被検出回転体１１傾斜平面１２反射板２０距離測定装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者村山健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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一定の角度毎に回転方向に所定角度傾斜
させた傾斜平面部からなる被検出面を設けた被検出回転
体と、この被検出回転体における被検出面に直交する方
向に向けて配設した反射式の光学距離測定装置とから構
成したことを特徴とする回転角度測定装置。
【請求項２】前記光学距離測定装置は、レーザ光によ
る２光束干渉法を用いたレーザ測長器で、前記被検出面
には、反射鏡を装着する構成としたことを特徴とする請
求項１記載の回転角度測定装置。
【請求項３】前記被検出回転体の被検出面を回転軸線方
向に対して傾斜させる構成としたことを特徴とする請求
項１記載の回転角度測定装置。