JPH07225122A

JPH07225122A - 真直度測定方法及びそれを用いた真直度測定装置

Info

Publication number: JPH07225122A
Application number: JP3921194A
Authority: JP
Inventors: Masato Negishi; 真人根岸
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1994-02-14
Filing date: 1994-02-14
Publication date: 1995-08-22

Abstract

(57)【要約】【目的】レーザーを利用してベースに対して移動する
移動体の移動方向と直交する方向の誤差である真直度の
測定を行う装置において、レーザービームの不安定性及
びレーザー自体の発熱に起因する不安定性によらず、高
精度な測定が可能な真直度測定装置及び方法を提供する
こと。【構成】レーザーを利用してベースに対して移動する
移動体の真直度の測定を行う装置において、該レーザー
光源から発したレーザービームを互いに平行で隣り合う
ビーム同士が線対称の関係にある４本のレーザービーム
に変換し、該変換されたビームの位置を該レーザービー
ムに対応する複数個の光点位置測定装置で測定して、該
測定値に基づいて所定の演算を行い、移動体の真直度の
測定を行うこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は真直度測定方法及びそれ
を用いた真直度測定装置に関し、特に加工装置、形状測
定装置等に用いられる移動機構の移動精度測定装置に好
適なものである。

【０００２】

【従来の技術】加工装置や形状測定装置に用いられる移
動機構は該装置の基準軸を形成するもので、装置構成上
最も重要な要素である。移動機構の移動精度は図２に示
すように６種類の成分に分解して考える必要がある。

【０００３】即ち、移動機構の移動方向をＺ軸、他の互
いに直交する２つの軸をＸ，Ｙとした時、移動成分は
Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の変位ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ、及びＸＹＺ軸
回りの回転変位成分Δθ_X ,Δθ_Y ,Δθ_Z に分解され
る。ΔＸ，ΔＹをここでは真直度と呼び、後述するよう
にこの真直度を測定する方法及び装置を提供することが
本発明の目的である。

【０００４】真直度の測定については従来から種々の方
法が提案されている。代表的な方法としてレーザービー
ムの直進性を利用した方法があり、例えば Annals of t
he CIRP Vol.37/1/1988,p.523 に掲載されているものを
あげることができる。図３はその原理図である。

【０００５】図３でレーザー光源１はベース１００に固
定され、レーザービーム２を出射する。移動機構２２は
ベース１００に対してレーザービームの方向、即ち図中
のＺ方向（移動方向２３）に移動するように設けられ
る。移動機構２２上にはピエゾアクチュエータ１０３で
駆動されているＸＹ微動機構１０２があり、レーザービ
ーム２は１０２に固定された４分割フォトダイオード
（ＱＰＤ）１０１に入射する。

【０００６】ＱＰＤで測定したビーム入射位置はピエゾ
アクチュエータ１０３にフィードバックされ、ＱＰＤ１
０１に入射するレーザービームの位置が常に一定となる
制御系が形成される。この時のピエゾアクチュエータに
印加する電圧から移動機構２２のΔＸ、ΔＹ方向の変
位、即ち真直度を測定することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとしている課題】しかしながら上記
従来例では、真直度測定の基準としてレーザービームの
直線性を利用しているため、種々の欠点がある。これら
の欠点はレーザービーム自体の安定性に起因するもの
と、レーザーの発する熱が周囲に与える副次的な影響と
に分けることができる。

【０００８】問題点の第一にあげられるのがレーザービ
ームのエネルギー中心位置の時間的変化、不安定性であ
る。レーザービームはレーザー光源に用いられる共振器
両端のミラーの熱による位置ずれや、ミラー自身の熱変
形などのため、時間的にわずかに指向性が変化する。こ
のためレーザービームのエネルギー中心がビーム進行方
向に対して直角方向にずれ、進行方向が時間と共に変化
する。レーザービームは従来測定の基準軸であったた
め、この変化によるふれはそのまま移動機構のテーブル
の真直度として出力され、測定精度を悪化させる。

【０００９】次にあげられるのがレーザービームのエネ
ルギー分布の経時変化である。実際のレーザービームの
エネルギー分布は一般に一様でなく、ビームの進行方向
についても、時間と共に変化する。レーザービームのエ
ネルギー分布の変化はやはりＱＰＤの出力を変化させ、
従来例で測定精度を悪化させる原因となっている。

【００１０】以上がレーザービーム自体の挙動に関する
問題であるが、その他にレーザーが発熱源であるために
副次的に周囲に影響を与えて精度を悪化させる項目があ
る。その一つが環境温度への影響である。レーザーの発
生する熱によって、レーザービームが影響を受け、偏向
したり、エネルギー分布が変化することについては既に
述べたが、更にこの発熱が周囲の温度を上昇させること
が、特に精密な形状測定装置のようなアプリケーション
に対し問題となる。例えばレーザーのような発熱源を移
動体の側に置かざるをえないような配置は、被測定物に
対する熱変形の影響を大きくする。

【００１１】また、測定基準であるレーザー光源の熱対
策も従来例の必要項目である。従来例は真直度の基準が
レーザー光源で、該レーザー光源からのレーザービーム
に対して移動機構の変位が測定される。従って測定基準
であるレーザー光源が動かないことが必要条件で、この
保証がなければ測定に信頼性がなくなってしまう。とこ
ろが従来例では真直度基準であるレーザー光源自体が発
熱源であるため、レーザー自身、そしてレーザー取り付
け構造物が熱変形を起こす。

【００１２】この影響を押さえるため、レーザーのハウ
ジングその他に精密な温度コントロールが必要となる、
というように発熱源を持ったレーザービームという空間
的に安定しないものを基準としているための問題点が山
積していた。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明によれば測定基準
を従来のレーザービームから、装置そのもののハードウ
ェアに変換し、経時的、空間的安定性を図ろうとするも
のである。このため本発明ではレーザー光源から発しら
れたレーザービームを４本のレーザービームに分割し、
該分割されたビームの位置を複数個の光点位置測定装置
で測定して、該測定値に基づいて所定の演算を行い、従
来の諸問題を解決することを特長としている。この場合
基準となるのはレーザービームの分割光学系によって定
まる軸で、レーザーのふれは自動的に補正することがで
きる。

【００１４】本発明によるふれ補正の様子を示すため、
２軸の真直度のうちの１方向、例えばΔx 方向の測定に
ついての手段と作用を記述する。実際の補正は２軸（２
方向）について行われるが、説明では簡便のため１方向
のみについて示す。

【００１５】本発明では上述のようにレーザービームで
はなく、光学系自体が測定基準軸を構成し、レーザービ
ームの経時変化を自動的に補正する。このためレーザー
光源から発しられたレーザービームは１枚のハーフミラ
ー面を用いて２つに分けられ、透過した一方は反射鏡で
Ｎ回、反射したもう一方は別の反射鏡でＭ回偏向され
る。

【００１６】ここでＭとＮは共に偶数、または共に奇数
であるように設定される。従って出射される２つのレー
ザービームは一方が奇数回、もう一方が偶数回の反射を
経ていることになり、形成されるレーザービームは互い
に線対称な関係となる。この２つのレーザービームは、
レーザー光源の変動によって、互いに対称な位置に動く
ため、２つのレーザービームの中線はレーザー光源がふ
れても変動しない。

【００１７】本発明ではこの中線を真直度の基準線とみ
なす。上記中線の検出を行うため、移動機構には該２つ
のレーザービームのそれぞれに対応して２つの光点検出
装置を固定して設ける。該２つの光点検出装置の出力す
る光点位置の中点を求めれば、それが１方向の真直度Δ
x の測定値となる。

【００１８】２つのレーザービームの一方が偶数回、他
方が奇数回反射していることに伴う補正効果は以下の通
りである。まず、レーザー光源自体の経時変化のうち、
光源から出力されるビーム出射角のふれが与える影響に
ついて考える。図４は角度θでミラーに入射したレーザ
ービームの様子を示したものである。入射角θがδ変化
した場合、反射角は逆向きにδ変化する。即ち、一般に
ミラー系ではレーザービームの入射角がδ回転した場
合、反射回数が奇数回の場合は−δ、偶数回の場合はδ
の出射角度変化を生じる。

【００１９】角度補正の様子を示したのが図５である。
図５ではレーザービームをそれぞれ奇数回、偶数回反射
させて第１、第２の平行なレーザービーム１２，１３を
作っている。入射レーザービームの向きがδ回転した場
合、上述の理由により奇数回反射の第１のレーザービー
ム１２の進行方向は−δ、偶数回反射の第２のレーザー
ビーム１３の進行方向はδだけ変化する。従って２つの
光点位置は対称に移動し、中点位置は変わらない。よっ
てレーザー光源から発せられたレーザービームの方向が
変化しても、測定に影響はなく、高精度な真直度測定が
可能となる。また、ここでは１方向の説明を行ったが、
２軸になっても同様である。

【００２０】角度特性の補正機能はもう一つの問題であ
るエネルギー分布の不均一性にも補正機能を持つ。再び
図４で、入射光のエネルギー分布を f(p) とする。その
時のp軸の向きを入射光の進行方向に対し、直角左方向
とし、Ｌと表わす。すると反射光のエネルギ−分布はや
はり f(p) であるが、 p軸の向きが反射光の進行方向に
対し、直角に右方向となる。これをＲと表わす。 p軸の
向きは鏡像作用で進行方向に関し反射毎に入れ換わる。

【００２１】従って、入射レーザービームの p軸の向き
がＬの場合、 p軸は反射回数が奇数の場合にＲ、偶数の
場合にＬの向きを持つ。従って図５に示すようにＬのエ
ネルギー分布を持つレーザービームをそれぞれ奇数回、
偶数回反射させて第１、第２の平行なレーザービーム１
２、１３を作ると、それらのエネルギー分布はＬ及びＲ
となってトータルで対称となる。

【００２２】よって、レーザー光源から発しられたレー
ザービームのエネルギー分布の不均一性やふれは対称性
によりキャンセルされて測定に影響が出ず、高精度の真
直度測定が可能である。

【００２３】

【実施例】図１は本発明の実施例１での要部概略図であ
る。１はレーザー光源でレーザービーム２を発生させ
る。レーザービーム２はレンズ３を用いて光ファイバー
４に導かれ、レンズ５で平行なレーザービーム６に変換
される。このようにファイバーでレーザーを導くこと
で、熱源としてのレーザーを本体装置から隔離すること
ができる。

【００２４】レーザービーム６はハーフミラー面９を中
心に頂角α₁ の直角３角形プリズムを２つ接着した第１
のプリズム８に入射する。レーザービーム６はハーフミ
ラー面９に対してβ₁ の入射角となるように配置する。
ハーフミラー面９を通過する第１のレーザービームはプ
リズム面１１で入射角が浅いため全反射し、レーザービ
ーム１２となる。

【００２５】一方、ハーフミラー面９で反射した第２の
レーザービームはプリズムの面１０で同様に全反射し、
レーザービーム１３となる。この時、入射角β₁ はプリ
ズムの頂角α₁ に対しβ₁ ＝ 2α₁ となるようにセット
され、従ってプリズム８を出射するレーザービーム１２
と１３は互いに平行となる。プリズム８内の光線の通り
方は、図５と同一であるため、先に説明した作用がその
まま適用される。

【００２６】次いで、レーザービーム１２と１３はハー
フミラー面１５で頂角α₂ の直角３角形プリズムを２つ
接着した第２のプリズム１４に入射する。レーザービー
ム１２及び１３はハーフミラー面１５に対してβ₂ の入
射角となるように配置する。ハーフミラー面１５はハー
フミラー面９と互いに直交する関係となっており、２次
元的なビーム形成を可能としている。ハーフミラー面１
５を通過するレーザービームはプリズム面１７で入射角
が浅いため全反射し、レーザービーム２０及び２１とな
る。

【００２７】一方、ハーフミラー面１５で反射したレー
ザービームはプリズムの面１６で同様に全反射し、レー
ザービーム１８及び１９となる。この時、入射角β₂ は
プリズムの頂角α₂ に対しβ₂ ＝ 2α₂ となるようにセ
ットされる。従ってプリズム１４を出射する４つのレー
ザービーム１８と２０、及び１９と２１は互いに平行と
なる。ビームの平行性は測定対象物の移動機構２２が移
動した時も同一の光点検出手段を用いるための必要事項
である。また、形成される４つのビームは互いに隣り合
うもの同士が線対称な関係で、対角に配置されているビ
ーム同士は点対称である。

【００２８】ビーム分割系を構成する第１，第２のプリ
ズム８，１４，レンズ５及びファイバー４の出射端は図
示しないベースに固定される。このベースに対し、前記
４本の出射レーザビームと同じ方向２３に移動する移動
テーブル２２を設け、該移動テーブルにレーザービーム
の光点位置検出手段として２つの４分割フォトダイオー
ド２４ａ，２４ｂが固定される。

【００２９】２２上で各ビームの位置及び座標を観察す
るとx 軸はべースに対し垂直に、y軸はベース平面と平
行になっており、ビームの進行方向がz 軸である。ビー
ムの進行方向から見た時ビーム１８は第１象限、１９は
第２象限、２１は第３象限、２０は第４象限に入射す
る。１８，１９を結ぶ線と２０，２１を結ぶ線はy 軸と
平行に、また１８と２０を結ぶ線及び１９と２１を結ぶ
線はx 軸と平行になっている。

【００３０】本実施例では更に１８，１９，２１，２０
で形成される４角形が正方形になるように配置されてい
る。従って例えば１８はxy平面で45°方向に存在する。
このようにすると後述の信号処理が容易となる利点があ
る。４分割フォトダイオード２４ａはレーザービーム１
８の位置を、２４ｂは１８と対角の位置に存在するレー
ザービーム２１の位置を検出する。レーザービームの形
状は１８と２１では互いに点対称な関係となっている。

【００３１】フォトダイオード２４ａ，２４ｂの出力は
図６の回路により加工される。レーザービーム１８の位
置を検出する４分割フォトダイオード２４ａは、４分割
された受光面に入射する光量に対応した信号２５ａ，２
６ａ，２７ａ，２８ａを出力する。４分割フォトダイオ
ードとx、y 座標の関係は図示のとおりで、第１象限に対
応するフォトダイオードが２５ａ、第２象限に対応する
のが２８ａ、第３象限が２７ａ、第４象限が２６ａとな
っている。

【００３２】該出力はアンプ２９ａで増幅され、２５ａ
の出力が信号ｅ_a1、２６ａがｅ_a2、２７ａがｅ_a3、２８
ａがｅ_a4に変換される。この信号を演算回路３０ａ、３
１ａ及び３２ａで足し算、又は引き算し、割り算回路３
３ａを用いて４つの信号の和で割り算する。即ち、ｅ_ax＝（ｅ_a1＋ｅ_a2−ｅ_a3−ｅ_a4)/（ｅ_a1＋ｅ_a2＋ｅ_a3＋ｅ_a4）・・・(1) ｅ_ay＝（ｅ_a1＋ｅ_a4−ｅ_a2−ｅ_a3)/（ｅ_a1＋ｅ_a2＋ｅ_a3＋ｅ_a4）・・・(2) このように計算すると、入射する全光量の変動に影響さ
れないで、フォトダイオード２４ａに入射するレーザー
ビーム１８の光点位置のｘ方向及びｙ方向に対応した信
号ｅ_ax ，ｅ_ayを得ることができる。

【００３３】一方、レーザービーム２１の位置を検出す
る４分割フォトダイオード２４ｂは、４分割された受光
面に入射する光量に対応した信号２５ｂ，２６ｂ，２７
ｂ，２８ｂを出力する。４分割フォトダイオードとx、y
座標の関係は図示のとおりで第１象限に対応するフォト
ダイオードが２５ｂ、第２象限に対応するのが２８ｂ、
第３象限に対応するのが２７ｂ、第４象限に対応するの
が２６ｂとなっている。

【００３４】該出力はアンプ２９ｂで増幅され、２５ｂ
の出力が信号ｅ_b1、２６ｂがｅ_b2、２７ｂがｅ_b3 、２
８ｂがｅ_b4に変換される。この信号を演算回路３０ｂ，
３１ｂ及び３２ｂで足し算、又は引き算し、割り算回路
３３ｂを用いて４つの信号の和で割り算する。即ち、ｅ_bx＝（ｅ_b1＋ｅ_b2−ｅ_b3−ｅ_b4)/（ｅ_b1＋ｅ_b2＋ｅ_b3＋ｅ_b4）・・・(3) ｅ_by＝（ｅ_b1＋ｅ_b4−ｅ_b2−ｅ_b3)/（ｅ_b1＋ｅ_b2＋ｅ_b3＋ｅ_b4）・・・(4) (1),(2) と同じく、入射する全光量の変動に影響されな
いで、フォトダイオード２４ｂに入射するレーザービー
ム２１の光点位置のｘ方向及びｙ方向に対応した信号ｅ
_bx ，ｅ_byを得ることができる。

【００３５】次いでｅ_ax及びｅ_bxを足し算回路３４ａで
加え合わせれば出力ｅ_x が、ｅ_ay及びｅ_byを足し算回路
３４ｂで加え合わせれば出力ｅ_y を得ることができる。

【００３６】このような装置構成で図１の移動機構２２
を移動方向のｚ方向２３に移動させると、その真直度に
応じてｘ方向の変位Δｘ及びｙ方向の変位Δｙが生じ
る。実際に４つの光ビームに生じる変位をベクトルで考
えると、変位は要因別に次のように分解される。

【００３７】まずＷをテーブルの真直度誤差による変位
とするとＷ＝（Δx,Δy) ・・・・・(5) レーザー光源のふれの影響の現われ方は各ビームによっ
て異なる。レーザービーム１８に対して光源のふれが与
える変位をＶ_a 、１９をＶ_d、２０をＶ_c 、２１をＶ_b と
すると、これらのベクトルはビームの形成法のところで
説明した理由によりｘ軸、ｙ軸に対して対称になる。レ
ーザービーム１８に対する変位Ｖ_a をＶ_a＝（ v_x, v_y )
とすると、Ｖ_a ＝（ v_x , v_y ) ・・・・・・(6) Ｖ_b ＝（−v_x ,−v_y ) ・・・・・・(7) Ｖ_c ＝（−v_x , v_y ) ・・・・・・(8) Ｖ_d ＝（ v_x,−v_y ) ・・・・・・(9) 一方、テーブルのローリング、即ち移動方向のｚ軸の回
りの回転誤差Δθ_z の影響は次のようになる。前と同じ
対応で、レーザービーム１８に対する変位をＲ_a 、１９
をＲ_d 、２０をＲ_c 、２１をＲ_b とする。４つのレーザー
ビームの光点位置が対角線 2r₀の正方形の頂点にあり、
ｑ＝Δθ_zx r₀ x sin 45°とすると、Ｒ_a ＝（−q , q ) ・・・・・・(10) Ｒ_b ＝（ q ,−q ) ・・・・・・(11) Ｒ_c ＝（−q ,−q ) ・・・・・・(12) Ｒ_d ＝（ q , q ) ・・・・・・(13) である。

【００３８】これらの様子を示したのが図７である。４
つのレーザービーム１８，１９，２０，２１の位置Ｐ
_a ,Ｐ_d ,Ｐ_c，Ｐ_b は最終的にこれら３つのベクトル
Ｗ，Ｖ及びＲの和となり、Ｐ_a ＝（Δx ＋v_x−q ,Δy ＋v_y＋q ) ・・・・・・(14) Ｐ_b ＝（Δx −v_x＋q ,Δy −v_y−q ) ・・・・・・(15) Ｐ_c ＝（Δx −v_x−q ,Δy ＋v_y−q ) ・・・・・・(16) Ｐ_d ＝（Δx ＋v_x＋q ,Δy −v_y＋q ) ・・・・・・(17) 式 (1)〜(4) で与えられる出力信号 (ｅ_ax , ｅ_ay) ,
( ｅ_bx , ｅ_by) はレーザービーム１８と２１に対応す
るので、Ｐ_a ＝ (ｅ_ax , ｅ_ay) ・・・・・・(18) Ｐ_b ＝ (ｅ_bx, ｅ_by) ・・・・・・(19) 従って出力( ｅ_x,ｅ_y ) は (14) 〜(19)より ( ｅ_x ,ｅ_y ) ＝( ｅ_ax＋ｅ_bx , ｅ_ay＋ｅ_by ) ＝Ｐ_a ＋Ｐ_b ＝ 2( Δx ,Δy ) ・・・・・・(20) となり、テーブルの真直度が分離される。

【００３９】以上説明してきた方法により、レーザービ
ームのふれ、テーブルのローリング成分に影響されず
に、テーブルの真直度を測定することができる。なお、
本実施例では４本のレーザービームのうち１８と２１を
選んだが、同じくビーム関係が点対称で、対角の関係に
ある１９と２０のペアを選んでも同様の結果を得ること
ができる。

【００４０】図８は本発明の実施例２を示すもので、以
前の実施例と同一の部材については同じ番号が付されて
いる。光学系の配置は実施例１と同じであるが、本実施
例では４本のレーザービームそれぞれに対応して４つの
４分割フォトダイオード２４ａ〜ｄを、移動機構２２に
固定して設けたことが特長である。

【００４１】レーザービームとの対応は１８に対し４分
割フォトダイオード２４ａ、１９に対し２４ｄ、２０に
対し２４ｃ、２１に対し２４ｂとなっている。各フォト
ダイオードの出力は図６と同様な回路で加工され、４つ
の光点位置（ｅ_ax ，ｅ_ay），（ｅ_bx ，ｅ_by），（ｅ_cx
，ｅ_cy），（ｅ_dx ,ｅ_dy）が求められる。これらの出
力は次のレーザービーム位置Ｐ_a 〜Ｐ_d に対応する。ａ
〜ｄの添字はフォトダイオード、位置等、実施例１と共
通とする。

【００４２】Ｐ_a ＝（ｅ_ax,ｅ_ay）・・・・・・(21) Ｐ_b ＝（ｅ_bx,ｅ_by）・・・・・・(22) Ｐ_c ＝（ｅ_cx ,ｅ_cy）・・・・・・(23) Ｐ_d ＝（ｅ_dx ,ｅ_dy）・・・・・・(24) 本実施例では、次の式で与えられる演算を行う演算回路
を設ける。

【００４３】ｅ_x ＝ｅ_ax＋ｅ_bx＋ｅ_cx＋ｅ_dx ・・・・・・(25) ｅ_y ＝ｅ_ay＋ｅ_by＋ｅ_cy＋ｅ_dy ・・・・・・(26) ｅ_r ＝−ｅ_ax＋ｅ_bx−ｅ_cx＋ｅ_dx＋ｅ_ay−ｅ_by＋ｅ_cy＋ｅ_dy・・・・・(27) (14)〜(17)より、(25)〜(27)はｅ_x ＝ 4Δx ・・・・・・(28) ｅ_y ＝ 4Δy ・・・・・・(29) ｅ_r ＝ 4q ＝ 4Δθ_z ｘr₀ｘsin 45° ・・・・・・(30) (28)〜(30)は真直度及びテーブルのローリングを表す。
よって４つの４分割フォトダイオードを用いることで、
レーザービームのふれに影響されずに、真直度と共に、
更にテーブルのローリングΔθ_z の測定も可能である。

【００４４】図９は本発明の実施例３を示したものであ
る。以前の実施例と同一の部材については同じ番号が付
されている。本実施例ではレーザービームを分割するプ
リズム光学系の配置は実施例１と同じであるが、移動体
に固定して設ける光点位置検出方法で新たにハーフミラ
ー５１を移動機構２２に固定して設け、４本のレーザー
ビームを更に２つに分割している点が特長である。

【００４５】分割された一方は移動機構２２に固定して
設けた４つの光点位置検出手段２４ａ₁ ，２４ｄ₁ ，２
４ｃ₁ ，２４ｂ₁ からなる第１の光点位置検出系５２に
導かれる。２４ａ₁ ，２４ｂ₁ ，２４ｃ₁ ，２４ｄ₁ の
添字１は実施例２との構成要素の同一性を示すもので、
例えば２４ａ₁ は実施例２の２４ａに対応する位置にあ
って、２４ａと同一の作用をする。

【００４６】５２の検出法は実施例２と同様で、図９の
移動機構上に示されているｘ1 ，ｙ1 軸に関して、ｘ1
方向とｙ1 方向の移動誤差、及びｚ軸回りの回転誤差
（ローリング）であるΔｘ1,Δｙ1,Δθ_z1が測定され
る。この場合の添字１も、実施例１，２のｘ，ｙ軸との
対応を示している。例えば、実施例１のｘ軸と本実施例
のｘ1 軸は等価である。

【００４７】分割されたもう一方のレーザービームは移
動機構２２に固定して設けた２つの光点位置検出手段か
らなる第２の光点位置検出系５３に導かれる。５３上に
は図示のようにｘ2 軸とｙ2 軸が定められるが、光路を
逆にたどって４つのレーザービームの出射面で考えれば
ｘ1 軸とｘ2 軸、ｙ1 軸とｙ2 軸は一致する。５３では
レーザービーム１８に対応して４分割フォトダイオード
２４ａ₂、２１に対応して２４ｂ₂ が実施例１のように配
置され、その位置でのｘ2 方向とｙ2 方向の真直度誤差
Δｘ2、Δｙ2 が測定される。

【００４８】ｘ1 軸とｘ2 軸、及びｙ1 軸とｙ2 軸がお
互いに平行となるよう、ハーフミラー５１、及び光点位
置検出系５２，５３は予め向きを調節して移動体２２に
固定される。ここでハーフミラー５１と光点位置検出系
５３までの距離をＬ1、ハーフミラー５１と光点位置検出
系５２までの距離をＬ2 とする。

【００４９】以上の構成において、移動機構２２の移動
に伴って、図２に示した６自由度の位置及び姿勢が変化
し、（ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ，Δθ_x ,Δθ_y ,Δθ_z ）とい
う変化が生じたとする。測定値Δｘ1、Δｙ1、Δｘ2、Δｙ
2 とこれらとの関係は、 Δｘ1 ＝ΔＸ・・・・・・(31) Δｙ１＝ΔＹ・・・・・・(32) Δθ_z1＝Δθ_z ・・・・・・(33) Δｘ2 ＝ΔＸ−Δθ_y Ｌ1 ・・・・・・(34) Δｙ2 ＝ΔＹ＋Δθ_x Ｌ2 -Δθ_zＬ１・・・・・・(35) これらの式から移動体がｚ方向に移動した時の５種類の
運動誤差ΔＸ，ΔＹ，Δθ_x ,Δθ_y ,Δθ_z を計算でき
る。実施例１，２から類推できるように、これらの測定
値はレーザービームのふれに影響されない。

【００５０】図１０は本発明の実施例４を示す図であ
る。以前の実施例と同一の部材については同一の符号が
付けられている。本実施例では実施例１と同じプリズム
光学系５５をベース１００に固定し、光ファイバー４で
レーザー光源１の発するレーザービーム２を５５に導
く。

【００５１】一方、ベース１００に対して移動可能に設
けられた被測定物である移動機構２２にはＸ、Ｙ方向に
微小量移動可能な微動テーブル５８が固定され、該微動
テーブル５８には駆動手段５９及びその変位を測定する
変位計６０が設けられている。

【００５２】微動テーブル５８には実施例１と同じく２
つのビーム位置検出手段を持つビーム位置検出系５４を
設け、該２つのビーム位置検出手段からの信号を演算
し、ΔＸ、ΔＹの真直度誤差を出力する演算回路５６を
設ける。この演算回路の出力する真直度に対応する信号
ｅ_x，ｅ_y はアンプ５７に導かれ、微動テーブル５８
の駆動手段５９にフィードバックされる。５９は微動テ
ーブル５４を動かすことによって、ｅ_x ,ｅ_y がゼロに
なるように制御を行う。この時の微動テーブルの変位を
変位計６０で測定し、該変位系の出力するｘ、ｙ方向の
変位をｓ_x ,ｓ_yとすると、それはテーブルの真直度Δ
Ｘ、ΔＹにほかならない。

【００５３】本実施例では、ビーム位置検出系５４の特
性が非線形、即ちビーム位置の変化とｅ_x ,ｅ_y が比例
しない場合でも、実際の制御ではそのゼロ点しか使用し
ないため、変位計の方でリニアリティが保証されれば、
高精度な真直度測定が可能である。即ち、精度は変位計
６０の測定誤差のみに依存する。

【００５４】従って、本実施例ではビーム位置検出手段
の非線形誤差に影響されないで、精度の向上を図ること
ができる。またこの場合、ビーム位置検出系はビーム位
置の検出分解能のみを高めるように構成すれば良いた
め、実際の回路設計時にリニアリティや歪み率等に関す
る制約が少なく、調整も容易である。

【００５５】図１１は本発明の実施例５を示す図であ
る。以前の実施例と同一の部材については同一の符号が
付けられている。本実施例では実施例１と逆に、プリズ
ム光学系５５を移動体２２に固定して設け、該プリズム
５５から出射される４本のレーザービームを、ベースに
固定したビーム位置検出系５４で測定する。真直度を測
定する動作及び作用は実施例１あるいは２と同じである
が、このような構成には次のような特有の効果がある。

【００５６】本実施例ではビーム位置検出手段がベース
に固定されているため、出力信号を取り出すケーブルも
ベースに固定することができる。従って、ケーブルが移
動体２２と共に移動する実施例１あるいは２に比べ、ケ
ーブルの曲げ延ばしがなく、断線等に対する信頼性が向
上する。またケーブルが固定なので、ケーブルが外部磁
場から受けるノイズがテーブル位置によって変化せず、
対策が施しやすい。

【００５７】また、本実施例のレーザービームとビーム
検出手段の取り付け位置の逆転関係は実施例１だけでな
く、他の実施例２〜４にも同様に適用することができ
る。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では従来の
様に単純にレーザービームを基準に使う代りに、レーザ
ービームを互いに線対称な関係にある４本の平行ビーム
に変換し、該変換したビームの複数個のビームを検出し
てその中心線を測定の基準とした。

【００５９】この結果、レーザー光源から出力されるビ
ーム出射角のふれの影響は、互いに対称の関係にあるビ
ームの位置の和を出力することによりキャンセルされ、
影響がなくなる。同様にレーザー光源から出力されるビ
ームのエネルギー分布の不均一性も、線対称性、あるい
は点対称性の関係からやはりキャンセルされる。これら
は測定の基準軸がレーザービームを分割する光学系の軸
によって定まるためで、レーザービームの状態によらず
高精度な測定ができる理由となっている。

【００６０】本発明に使用するレーザー光源はビームを
分割して変換して得られる対称性より、ビーム出射角の
ふれや、ビームのエネルギー分布のむらが大きくても可
である。

【００６１】従って、価格の安い半導体レーザーを光源
に用いることができ、装置のコストを下げ、装置を大幅
に小型化することを可能とする。レーザー光源に対する
許容範囲が大きいことと、小型化が可能であることで応
用範囲も広げることができる。

【００６２】本発明の構成は、またレーザー光源を装置
本体から隔離しておけるため、課題のところで述べた光
源の発熱による副次的な効果からフリーという特長を持
っている。これは真直度の基準がプリズムで発熱しない
ことに起因している。温度ドリフトがないため、高い測
定精度を実現することができ、応用分野としても環境温
度への影響の厳しい、例えば形状測定装置への応用が可
能となった。分離を行う光学系のプリズムを低膨張ガラ
スで製作すれば、安定性は更に増す。

【００６３】また、熱的な安定性が高いため、特別なク
ーリング、温度制御等を必要とせず、装置全体のコスト
ダウンに役立つ。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の真直度測定装置の原理図

【図２】移動機構の姿勢誤差真直度誤差成分を示す図

【図３】従来例の真直度測定装置の原理図

【図４】ミラー面反射によるビームの関係を示した図

【図５】本発明のビーム形成法の１次元方向の効果の
説明図

【図６】実施例１の真直度測定装置の電気回路図

【図７】４つのレーザービーム位置の移動ベクトルの
説明図

【図８】本発明の実施例２の真直度測定装置の原理図

【図９】本発明の実施例３の真直度測定装置の原理図

【図１０】本発明の実施例４の真直度測定装置の原理
図

【図１１】本発明の実施例５の真直度測定装置の原理
図

【符号の説明】

１レーザー光源２レーザービーム３，５レンズ４光ファイバー６レーザービーム８第１のレーザービーム分割プリズム９ハーフミラー面１０，１１プリズムの面１２，１３第１のプリズム８で分割されたレーザービ
ーム１４第２のレーザービーム分割プリズム１５ハーフミラー面１６，１７プリズムの面１８第１のレーザービーム１９第２のレーザービーム２０第３のレーザービーム２１第４のレーザービーム２２移動機構２３移動方向２４４分割ダイオード２５フォトダイオードの出力１２６フォトダイオードの出力２２７フォトダイオードの出力３２８フォトダイオードの出力４２９アンプ３０演算回路１３１演算回路２３２，３４，３５たし算回路３３割り算回路５１ハーフミラー５２第１の光点位置検出系５３第２の光点位置検出系５４光点位置検出系５５プリズム光学系５６演算回路系５７アンプ５８ＸＹ微動テーブル５９ＸＹ微動テーブルの駆動手段６０変位計１００ベース１０１４分割フォトダイオード１０２ＸＹ微動機構１０３ピエゾアクチュエータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザーを利用してベースに対し移動す
る移動体の真直度の測定を行う装置において、該装置が
該レーザー光源から発したレーザービームを互いに平行
で、隣り合うビーム同士が線対称である４本のレーザー
ビームに変換する光学系と、該変換されたビームのうち
の複数個の位置を測定する、該複数個のレーザービーム
それぞれに対応する光点位置検出手段を有し、該測定値
に基づいて所定の演算を行い、前記移動体の真直度を測
定することを特徴とする真直度測定装置。
【請求項２】該４本のレーザービームを中央にハーフ
ミラー面を持つ第１及び第２のプリズムを直列につない
だ光学配置によって形成することを特徴とする請求項１
の真直度測定装置。
【請求項３】前記第１及び第２のプリズムのハーフミ
ラー面が互いに直交する関係にあることを特徴とする請
求項２の真直度測定装置。
【請求項４】該４本のビームがベースに対し平行で、
且つビームの進行方向にｚ軸、これと直交する面内でベ
ース面に平行にｙ軸、垂直にｘ軸を取った時、該直交す
る面内で観察した時、該４本のビームが正方形を構成す
ることを特徴とする請求項１の真直度測定装置。
【請求項５】該正方形の辺がｘ軸、及びｙ軸と平行で
あることを特徴とする請求項４の真直度測定装置。
【請求項６】前記第１のプリズムに入射するレーザー
ビームがレーザー光源からファイバーを介して導かれる
ことを特徴とする請求項２の真直度測定装置。
【請求項７】該４本のレーザービームで互いに対角の
関係にある２つのビームそれぞれに対し光点位置検出手
段を設け、該光点位置検出手段から出力される信号の和
を取ることによって前記移動体の真直度を測定すること
を特徴とする請求項１の真直度測定装置。
【請求項８】該４本のレーザービームのそれぞれに光
点位置検出手段を設け、該４つの光点位置検出手段から
出力される信号に所定の演算を行って前記移動体の真直
度の測定を行うことを特徴とする請求項１の真直度測定
装置。
【請求項９】該４本のレーザービームをハーフミラー
により更に２つの経路に分割し、該分割された第１の経
路の４本のレーザービームと、第２の経路の４本のレー
ザービームのうちの複数本のレーザービームに対して光
点位置検出手段を設け、該複数個の光点位置検出手段か
ら出力される信号に所定の演算を行うことによって、前
記移動体の真直度の測定を行うことを特徴とする請求項
１の真直度測定装置。
【請求項１０】前記４本のレーザービームがベースに
固定され、前記光点位置検出手段が移動体に固定される
ことを特徴とする請求項１の真直度測定装置。
【請求項１１】前記４本のレーザービームが移動体に
固定され、前記光点位置検出手段がベースに固定される
ことを特徴とする請求項１の真直度測定装置。
【請求項１２】レーザーを利用してベースに対し移動
する移動体の真直度の測定を行う装置において、該装置
が該レーザー光源から発したレーザービームを互いに平
行で、隣り合うビーム同士が線対称である４本のレーザ
ービームに変換する光学系と、該変換されたビームのう
ちの複数個のビームの位置を測定する、該複数個のレー
ザービームそれぞれに対応する光点位置検出手段と、該
測定値に基づいて所定の演算を行い、前記光点位置検出
手段を基準位置に駆動する微動駆動機構と、該微動駆動
機構の変位量を測定する変位計より構成されることを特
徴とする真直度測定装置。
【請求項１３】前記４本のレーザービームがベースに
固定され、前記光点位置検出手段が移動体に固定される
ことを特徴とする請求項１２の真直度測定装置。
【請求項１４】前記４本のレーザービームが移動体に
固定され、前記光点位置検出手段がベースに固定される
ことを特徴とする請求項１２の真直度測定装置。
【請求項１５】レーザーを利用してベースに対し移動
する移動体の真直度の測定を行う装置において、該レー
ザー光源から発したレーザービームを互いに平行で、隣
り合うビーム同士が線対称の関係にある４本のレーザー
ビームに変換し、該変換されたビームの位置を該レーザ
ービームに対応する光点位置検出手段で複数個測定し、
該測定値に基づいて所定の演算を行い、前記移動体の真
直度を測定することを特徴とする真直度測定方法。
【請求項１６】該４本のレーザービームで互いに対角
の関係にある２つのビームに対し、該２つのビームそれ
ぞれに対し光点位置検出手段を設け、該光点位置検出手
段から出力される信号の和を取ることによって前記移動
体の真直度を測定することを特徴とする請求項１５の真
直度測定方法。
【請求項１７】該４本のレーザービームのそれぞれに
光点位置検出手段を設け、該４つの光点位置検出手段か
ら出力される信号に所定の演算を行って前記移動体の真
直度の測定を行うことを特徴とする請求項１５の真直度
測定方法。
【請求項１８】該４本のレーザービームをハーフミラ
ーにより更に２つの経路に分割し、該分割された第１の
経路の４本のレーザービームと、第２の経路の４本のレ
ーザービームのうちの複数本のレーザービームに対して
光点位置検出手段を設け、該複数個の光点位置検出手段
から出力される信号に所定の演算を行うことによって前
記移動体の真直度の測定を行うことを特徴とする請求項
１５の真直度測定方法。
【請求項１９】レーザーを利用してベースに対し移動
する移動体の真直度の測定を行う装置において、該レー
ザー光源から発したレーザービームを互いに平行で、隣
り合うビーム同士が線対称の関係にある４本のレーザー
ビームに変換し、該変換されたビームの内の複数個のビ
ームの位置を、該複数個のレーザービームそれぞれに対
応する光点位置検出装置で複数個測定し、該測定値に基
づいて所定の演算を行って前記光点位置検出装置を基準
位置に微動駆動機構で駆動し、該駆動量を測定すること
により前記移動体の真直度を測定することを特徴とする
真直度測定方法。