JPH0731054B2 - 直線運動測定装置 - Google Patents

直線運動測定装置

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JPH0731054B2
JPH0731054B2 JP21363587A JP21363587A JPH0731054B2 JP H0731054 B2 JPH0731054 B2 JP H0731054B2 JP 21363587 A JP21363587 A JP 21363587A JP 21363587 A JP21363587 A JP 21363587A JP H0731054 B2 JPH0731054 B2 JP H0731054B2
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憲治 真柄
穣 西山
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えば工作機械、光学機械、計測機械等のよ
うに直線運動する機器の精度検査を行なうための直線運
動測定装置に関する。
〔従来の技術〕
一般に、直線運動する機器は、X軸テーブル、X−Y−
Z軸テーブル等の移動テーブルが用いられているが、こ
れら移動テーブルの直線運動精度を高精度に測定してお
くことが、所期の目的を達成するために重要な前提とな
る。
ところで、第9図に示す如く、直線運動する工作機械等
の移動体Mが例えばZ軸に沿って移動した場合、Z軸方
向の位置決め誤差eの他に、X軸方向の動きに伴うX
軸変位誤差e、Y軸方向の動きに伴うY軸変位誤差e
の3成分からなる変位誤差と、X軸回りのピッチング
によるピッチング誤差α、Y軸回りのヨーイングによる
ヨーイング誤差β、Z軸回りのローリングによるローリ
ング誤差γからなる3成分の角度誤差との6成分の誤差
が発生することが知られている。
そして、従来技術においては、これら6成分の誤差のう
ち4成分の誤差、即ちX軸変位誤差e、Y軸変位誤差
、ピッチング誤差α、ヨーイング誤差βの4成分を
同時に測定しうるようにした直線運動測定装置に関する
先行技術として、 (イ) 高田、吉田、前田;“レーザビームを利用した
直線運動精度測定”昭和59年度精機学会秋期大会学術講
演会論文集、P132,P133 (ロ) マシニングセンタにおける直線運動精度検査の
高度化、財団法人工作機械技術振興財団編(昭和60年5
月) 等が知られている。
これら各先行技術によるものは、直線運動体側に第1の
偏光ビームスプリッタ、コーナキューブプリズム及び反
射鏡を設け、測定装置側に同一軸線上に第2の偏光ビー
ムスプリッタ、ハーフミラー、コリメータレンズを配設
すると共に、ハーフミラーに直線偏光を発生するための
レーザ発生装置と1/4波長板を設ける。
そして、光源からの光束は1/4波長板、ハーフミラー、
コリメータレンズを介して第1のコーナキューブプリズ
ムに至って水平偏光成分Pと垂直偏光成分Sに分割さ
れ、垂直偏光成分Sはコーナキューブプリズムによっ
て、該プリズムの変位量ΔSの2倍の変位2ΔSをもっ
た反射波となり、この反射波は第1の偏光ビームスプリ
ッタ、焦点距離fのコリメータレンズ、ハーフミラーを
介して第2の偏光ビームスプリッタで反射させた後、変
位検出用の4象限フォトセンサで受光され、これからの
出力信号はX軸変位誤差e、Y軸変位誤差eとして
演算される。
さらに、第1の偏光ビームスプリッタで分割された水平
偏光成分Pは反射鏡の傾き角θの2倍の反射波となり、
この反射波は第1のコーナキューブプリズム、コリメー
タレンズ、ハーフミラーを介して第2の偏光ビームスプ
リッタを透過させた後、角度検出用の4象限フォトセン
サで変位d≒2θfとして受光され、これからの出力信
号はピッチング誤差α、ヨーイング誤差βとして演算さ
れる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
前述した先行技術によるものによれば、第1にレーザ発
生装置は、レーザを発振させるときにかなりの熱が発生
し、レーザ管自体が熱変形して、レーザ出力が変動する
が、光源自体の変動について何らの考慮がなされていな
いために、測定精度に低下をきたすという問題点があっ
た。
第2に、コーナキューブプリズムからの反射波と、反射
鏡からの反射波は同一光路上を通過し、この間にコリメ
ータレンズを透過する。このため、直線運動体の変位Δ
Sを2倍の変位2ΔSに拡大すべくコーナキューブプリ
ズムを使用しても、反射波がコリメータレンズを透過す
る間に拡大された変位量が縮小されてしまい、変位検出
用4象限フォトセンサによる検出分解能が小さくなって
しまうという問題点がある。
本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みなされたも
ので、4成分の誤差要因を同時に、かつ高精度に測定し
うるようにするばかりでなく、光束発生手段自体の変化
要因を補正し、直線運動体の変位を4倍以上に拡大し、
かつ変位検出用光路と角度検出用光路とを別光路とする
ことにより、測定精度を著しく高めるようにした直線運
動測定装置を提供することを目的とする。
〔問題点を解決するための手段〕
上記問題点を解決するために、本発明は、直線運動体側
に設けられ、該直線運動体の動きに応じて変位する変位
プリズム及び反射鏡と、 所定角度の振動面を有する直線偏向を光束として発生す
る光束発生手段と、 該光束発生手段から発生する光束で該光束発生部自体の
光源の変位を検出する補正用位置検出手段と、 前記光束発生手段による光束を前記直線運動体側の変位
プリズムとの間でn回往復させることにより、該変位プ
リズムの変位量を2n倍に拡大する変位拡大手段と、 該変位拡大手段から拡大して導出された光束を検出する
位置検出手段と、 前記変位拡大手段から射出された光束を前記運動体側の
反射鏡で反射させ、この反射光をレンズを通過させるこ
とによって該反射鏡の傾き角を導出する角度導出手段
と、 該角度導出手段で導出した傾き角を検出する角度検出手
段と、 前記補正用位置検出手段、位置検出手段からの出力信号
に基づき、前記直線運動体の水平方向変位誤差、垂直方
向変位誤差を演算すると共に、角度検出手段からの出力
信号に基づきピッチング誤差、ヨーイング誤差を演算す
る演算手段とから構成してなる。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を添付図面を参照しつつ詳細に述
べる。
まず、第1図は実施例の全体構成図を示し、同図におい
て、1は工作機械等の直線運動体、2は該直線運動体1
に取付けられた検出ブロックを示し、該検出ブロック2
には変位検出用のコーナキューブプリズム3、が配設さ
れていると共に、該コーナキューブプリズム3と異なる
位置に角度検出用反射鏡4が配設されている。
また、11は直線運動体1に発生する各誤差成分を測定す
る測定装置本体で、該測定装置本体11は可動荷台として
形成され、後述する各機器が図示のように配置されてい
る。12はレーザ発生器で、該レーザ発生器12は例えば出
力3〜10mWのNe−Heレーザ源が用いられ、該レーザ源か
ら射出された光束Bは第2図に示す如く紙面に対して45
゜の振動面を有する直線偏光であり、後述する偏光ビー
ムスプリッタによって水平偏光成分Pと垂直偏光成分S
とに分割可能となっている。
13,14はレーザ発生器12から出力された光束を反射し変
位検出用コーナキューブプリズム3に向け光路変更する
反射鏡、15は反射鏡14で反射した光束を拡大する光束拡
大器で、該光束拡大器15は凸レンズ15A、ピンホール15
B、虹彩絞り15C、他の凸レンズ15Dからなり、光束を約
6倍程度に拡大する。
16は光束拡大器15の次段に位置して光路上に設けられた
ハーフミラーで、該ハーフミラー16で反射された光束は
補正用4象限(2次元)フォトセンサ17で受光される。
ここで、前記フォトセンサ17は後述する作用によってレ
ーザ発生器12のレーザ管自体の熱変形も含めたレーザ源
の変位を検出し、後述する位置検出用4象限フォトセン
サ22で検出された値を補正し、直線運動体1に発生した
真の誤差を求めるために用いられるものである。
次に、18はハーフミラー16の次に位置して光束拡大器15
から射出された光路上に設けられた偏光ビームスプリッ
タ、19は該偏光ビームスプリッタ18と検出ブロック2側
の変位検出用コーナキューブプリズム3との間に設けら
れた1/4波長板、20は前記偏光ビームスプリッタ18の上
片に固着された変位拡大用コーナキューブプリズムで、
これら偏光ビームスプリッタ18、1/4波長板19、コーナ
キューブプリズム20によって本実施例による変位拡大手
段21を構成している。ここで、前記偏光ビームスプリッ
タ18は入射された直線偏光のうち、水平偏光成分Pは透
過し、垂直偏光成分Sは反射する性質を有している。一
方、1/4波長板19は直線偏光を円偏光に変換し、円偏光
を直線偏光に変換する。
さて、上記構成による変位拡大手段21による作動につい
て、第3図を参照しつつ述べる。いま、第3図中におい
て、直線運動体1側の原因で変位検出用コーナキューブ
プリズム3が正規位置から変位ΔSだけ変位したものと
し、また直線偏光のうちの水平偏光成分Pを 垂直偏光成分Sを「・」として表わし、時計方向円偏光
反時計方向円偏光を で表わすものとする。いま、偏光ビームスプリッタ18に
入射された振動面45゜の直線偏光は水平偏光成分Pと垂
直偏光成分Sに分割され、水平偏光成分Pのみがこれを
透過して1/4波長板19を通過する。この際、水平偏光成
分Pは反時計方向の円偏光に変換される。円偏光となっ
た光束はΔSだけ変位した変位検出用コーナキューブプ
リズム3を反射し、再び1/4波長板19を通過して垂直偏
光成分Sとなり、偏光ビームスプリッタ18に再び入る。
そして、この垂直偏光成分Sは該偏光ビームスプリッタ
18で反射して変位拡大用コーナキューブプリズム20で反
射し、3度偏光ビームスプリッタ18に入って反射され、
1/4波長板19を通過する。この1/4波長板19を通過すると
き、垂直偏光成分Sは時計方向の円偏光となり、変位検
出用コーナキューブプリズム3で再び反射され、1/4波
長板19を4度通過し、水平偏光成分Pとなり、偏光ビー
ムスプリッタ18に入射する。かくして、この水平偏光成
分Pは偏光ビームスプリッタ18を通過することになり、
該偏光ビームスプリッタ18と変位検出用コーナキューブ
プリズム3との間を2往復させることになり、該コーナ
キューブプリズム3の変位ΔSを4倍の変位、即ち4Δ
Sに拡大することができる。
一方、22は前記変位拡大手段21を構成する偏光ビームス
プリッタ18を透過した水平偏光成分Pからなる光束を受
光する位置検出用4象限(2次元)フォトセンサで、該
フォトセンサ22からの出力は後述するようにX軸変位誤
差e、Y軸変位誤差eの演算に用いられる。
また、23は偏光ビームスプリッタ18で反射された垂直偏
光成分Sが別光路として入射される他の偏光ビームスプ
リッタ、24は該偏光ビームスプリッタ23と角度検出用反
射鏡4との間に設けられた他の1/4波長板、25は前記偏
光ビームスプリッタ23を透過した光束を後述の角度検出
用4象限フォトセンサ27に向け収束させる焦点距離fの
コリメータレンズを示し、これら偏光ビームスプリッタ
23、1/4波長板24、コリメータレンズ25によって本実施
例による角度導出手段26を構成し、これらは変位拡大手
段21の光路とは異なり、反射鏡4を含む光路上に設けら
れている。
ここで、上記構成による角度導出手段26の作動につい
て、第4図を参照しつつ述べる。偏光ビームスプリッタ
18に入射した直線偏光のうち、これで反射した垂直偏光
成分Sが他の偏光ビームスプリッタ23に入射されると、
当該垂直偏光成分Sは反射されて1/4波長板24を通過し
て時計方向の円偏光となる。そして、この円偏光は角度
検出用反射鏡4で反射して1/4波長板24を再び透過し、
水平偏光成分Pとなり、偏光ビームスプリッタ23を通過
してコリメータレンズ25で屈折して角度検出用フォトセ
ンサ27に入射する。いま、角度検出用反射鏡4に傾き角
θが存在するものとすると、オートコリメータの原理に
よって前記角度検出用フォトセンサ27での変位dは、 d≒2θf ……(1) で表わされ、傾き角θを変位dに変換して導出しうる。
一方、27は角度導出手段26からの光束を受光する角度検
出用4象限(2次元)フォトセンサで、該フォトセンサ
27はコリメータレンズ25の焦点距離fの位置に配設さ
れ、ピッチング誤差α、ヨーイング誤差βの演算に用い
られる。
次に、前述した各4象限フォトセンサ17,22,27の一般的
構成と作動について、第5図を参照しつつ述べる。
いま、このフォトセンサを符号100として代表的に表わ
すと、該フォトセンサ100は受光面101を有するシリコン
フォトダイオードからなり、各コーナに電極a,b,c,dを
有している。そして、受光面101のある位置に符号102と
して光スポットを当てると、電荷が発生し、その電荷は
抵抗層を各電極a〜dに向かって流れる。その電流は各
電極a〜dまでの距離に反比例しているため、電流の総
和に対する個別電流の比によって光スポット102の位置
を求めることができる。
即ち、光電流の総和をIΣ、各電極a〜dの光電流をI
,I,I,Iとすると、 IΣ=I+I+I+I ……(2) X軸+方向の光電流をIX+、一方向をIX−とする
と、 となり、総和IΣに対するX軸の光電流の片寄りは、 となり、フォトセンサ100のX軸、Y軸中心から電極ま
での距離をlとし、光スポット102までのX軸距離をX
とすると、Xは(6)式となる。
同様にして、Y軸+方向の光電流をIY+、一方向の光
電流をIY−とすると、 フォトセンサ100の中心から、光スポット102までのY軸
距離をYとすると、 となり、フォトセンサ100上の光スポット102の重心位置
X,Yが求められる。
そして、上記(2)〜(8)式の演算を実行するため
に、第6図に示す演算器200が用いられる。即ち、
(3),(7)式に示むIX+,IX−,IY+,IY−をそ
れぞれ演算する加算器201,202,203,204と、IX+−I
X−,IY+−IY−をそれぞれ演算する減算器205,206
と、(2)式に示す総和IΣを演算する加算器207と、
(6),(8)式にそれぞれ示す光スポット102の位置 として演算する割算器208,209とから構成されている。
なお、第5図、第6図に示す如きフォトセンサ100、演
算器200は、例えば浜松ホトニクス株式会社製の半導体
位置検出素子として公知である。
さて、次に第5図に示したフォトセンサ、即ち補正用フ
ォトセンサ17、位置検出用フォトセンサ22、角度検出用
フォトセンサ27を用いて、6成分のうち4成分を演算す
るための回路構成と作動原理につき、第7図および第8
図により説明する。
第7図中31は演算装置で、該演算装置31は第6図で代表
的に示した演算器200と同一の構成を有する演算器32,3
3,34と、該各演算器32,33の次段に設けられた減算器35,
36とから構成されている。そして、補正用フォトセンサ
17からの検出信号は演算器32に入力されて受光した光ス
ポットの位置をX0,Y0(これは演算器200から出力される
光スポットの位置 に対応している)として出力し、同様に位置検出用フォ
トセンサ22、角度検出用フォトセンサ27からの各検出信
号は演算器33,34にそれぞれ入力されて、光スポットの
位置をX1,Y1,X2,Y2として出力する。一方、減算器35か
らはX軸変位誤差eを、減算器36からはY軸変位誤差
を、演算器34からはピッチング誤差α、ヨーイング
誤差βをそれぞれ出力するようになっている。
ところで、上記演算装置31を用いて各誤差成分e,e
の演算原理について第8図を参照しつつ述べる。
第8図において、補正用フォトセンサ17による光スポッ
トの位置をP0(X0,Y0)、位置検出用フォトセンサ22に
よる光スポットの位置をそれぞれP1(X1,Y1)とする
と、光スポットP0とP1との間のX軸,Y軸方向の測定位置
の差(変位分)ΔX,ΔYは、 となる。このため、(9)式による演算は演算装置31の
減算器35,36によって実行される。
ここで、ΔXは水平方向(X軸方向)の変位分であるか
ら、いま直線運動体1のX軸方向の大略の誤差成分Δe
とすれば、 Δe≒ΔX ……(10) となり、同様に、ΔYは垂直方向(Y軸方向)の変位分
であるから、直線運動体1のY軸方向の大略の誤差成分
Δeとすれば、 Δe≒ΔY ……(11) となる。
さらに、ピッチング誤差αはX軸を中心とするX軸回り
のピッチングによる誤差であり、ヨーイング誤差βはY
軸回りのヨーイングによる誤差であり、これら各誤差成
分の演算について述べる。
まず、第5図からも理解できるように、一般的な概念で
フォトセンサ100の光スポット102についてみると、ピッ
チングα′、ヨーイングβ′は、 で表わされる。
然るに、角度検出用フォトセンサ27の光スポットの位置
をみると、(1)式からも明らかなように角度検出用反
射鏡4の傾き角θに依存した変位dの位置であるから、
演算器34からの出力、即ちX軸方向変位分X2、Y軸方向
変位分Y2は、 として直ちに表わされることになり、該演算器34から直
接導出しうる。
かくして、本実施例による直線運動測定装置によれば、
レーザ発生器11からの直線偏光を用いて、直線運動体1
に発生する6成分の誤差要因のうち、4成分の誤差
,e,α,βを同時に測定することができるから、
直線運動体1を極めて高精度に位置決めすることができ
る。従って、工作機械、測定機械等の直線運動精度を高
めることができ、また精度検査工数を低減できる。
また、測定装置本体11にはレーザ発生器12の他に各フォ
トセンサ17,22,27を含む光学系が固定的に設けられてい
るから、レーザ発生器12側の原因によって補正用フォト
センサ17の光スポットP0の位置が移動すれば、位置検出
用フォトセンサ22の光スポットP1の位置も同一変位量だ
け移動する。従って(9)式に示す変位分はレーザ発生
器12のレーザ光源による影響は存在せず、直線運動体1
に真に発生しているX軸方向変位誤差e、Y軸方向変
位誤差eのみを導出することができる。
さらに、変位拡大手段21を含む光路系と、角度導出手段
26を含む光路系とは別光路とし、該角度導出手段26を構
成するコリメータレンズ25は変位拡大手段21に対する光
路の障害となることはないから、位置検出用フォトセン
サ22は変位検出用コーナキューブプリズム3の変位を4
倍に拡大したままで受光でき、分解能を高めることがで
きる。
なお、実施例では変位拡大手段21は変位検出用コーナキ
ューブプリズム3との間で2往復させ、該コーナキュー
ブプリズム3の変位を4倍に拡大するものとして述べた
が、これらの間での往復回数nに対応して2n倍に拡大で
きるものであり、これは変位拡大手段21の構成によって
適宜に設定しうる。
〔発明の効果〕
本発明に係る直線運動測定装置は以上詳細に述べた如く
であって、直線運動体が直線運動するに際して発生する
6成分の誤差のうち4成分の誤差を同時に測定すること
ができ、また光束発生手段に起因する測定誤差要因を除
去することができ、さらに角度検出手段の光路系を変位
拡大手段の光路系と別光路としたから、分解能を高める
ことができる等、高精度な直線運動検査が可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本実施例の全体構成図、第2図はレーザ発生器
から出力される光束と水平偏光成分、垂直偏光成分との
関係を示す説明図、第3図は変位拡大手段による変位拡
大検出動作を示す説明図、第4図は角度導出手段による
角度導出動作を示す説明図、第5図は4象限フォトセン
サの一般的構成を示す説明図、第6図は第5図に示すフ
ォトセンサによる光スポット位置を演算する演算器の一
般的回路構成図、第7図は各誤差成分を演算する本実施
例演算装置の回路構成図、第8図は誤差成分の演算原理
を示す説明図、第9図はX,Y,Z軸方向の誤差成分を示す
説明図である。 1……直線運動体、2……検出ブロック、3……変位検
出用コーナキューブプリズム、4……角度検出用反射
鏡、11……測定装置本体、12……レーザ発生器、15……
光束拡大器、17……補正用4象限フォトセンサ、18,23
……偏光ビームスプリッタ、19,24……1/4波長板、20…
…変位拡大用コーナキューブプリズム、21……変位拡大
手段、22……位置検出用4象限フォトセンサ、25……コ
リメータレンズ、26……角度導出手段、27……角度検出
用4象限フォトセンサ、31……演算装置、32〜34……演
算器。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】直線運動体側に設けられ、該直線運動体の
    動きに応じて変位する変位プリズム及び反射鏡と、 所定角度の振動面を有する直線偏向を光束として発生す
    る光束発生手段と、 該光束発生手段から発生する光束で該光束発生部自体の
    光源の変位を検出する補正用位置検出手段と、 前記光束発生手段による光束を前記直線運動体側の変位
    プリズムとの間でn回往復させることにより、該変位プ
    リズムの変位量を2n倍に拡大する変位拡大手段と、 該変位拡大手段から拡大して導出された光束を検出する
    位置検出手段と、 前記変位拡大手段から射出された光束を前記運動体側の
    反射鏡で反射させ、この反射光をレンズを通過させるこ
    とによって該反射鏡の傾き角を導出する角度導出手段
    と、 該角度導出手段で導出した傾き角を検出する角度検出手
    段と、 前記補正用位置検出手段、位置検出手段からの出力信号
    に基づき、前記直線運動体の水平方向変位誤差、垂直方
    向変位誤差を演算すると共に、角度検出手段からの出力
    信号に基づきピッチング誤差、ヨーイング誤差を演算す
    る演算手段とから構成してなる直線運動測定装置。
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