JPH0961160A - Measuring apparatus for inclination amount of moving object - Google Patents

Measuring apparatus for inclination amount of moving object

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JPH0961160A
JPH0961160A JP7214480A JP21448095A JPH0961160A JP H0961160 A JPH0961160 A JP H0961160A JP 7214480 A JP7214480 A JP 7214480A JP 21448095 A JP21448095 A JP 21448095A JP H0961160 A JPH0961160 A JP H0961160A
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JP
Japan
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plate
reflection
reference member
light
measuring
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JP7214480A
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Japanese (ja)
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Kozo Takahashi
幸三 高橋
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Nikon Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a measuring apparatus which can measure the inclination amount of a moving object by a simple structure which does not comprise a mechanical moving part by a method wherein the reflecting face of a reflection reference member reflects a light beam with maximum reflection efficiency according to the position of a measuring part. SOLUTION: In a measuring part 2, light from a light source 21 is changed into a parallel luminous flux by a collimating lens 22, a beam-shaping optical element 23 shapes a beam so as to be radiated to the horizontal direction from a window 24, and a beam LB1 is obtained. The beam LB1 is projected on a reflection reference member 7 when a stage 1 is passed through a measuring position along a linear guide. The reflection face (composed of lattice plates 71, 72 and of a reflecting plate 73) of the member 7 reflects the beam LB1 with maximum reflection efficiency according to the position of the measuring part 2. The reflected means LB1 is incident from the window 24, it is reflected by a semitransparent mirror 25 via the element 23 and the lens 22, it is photoelectrically converted by light receiving element 26, and an electric output signal which expresses the passage of a reference position is created. Thereby, an inclination caused by the pitching operation and the yawing operation of the stage 1 which is moved on the linear guide can be found with good accuracy by a simple structure.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はガイド上を移動する
移動物体の傾き量を測定する装置に関し、例えば直線移
動ステージのヨーイングやピッチング等による傾斜量を
測定する装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a device for measuring the amount of tilt of a moving object moving on a guide, for example, a device for measuring the amount of tilt of a linear moving stage due to yawing or pitching.

【0002】[0002]

【従来の技術】工作機械の送り装置や測定器のステージ
では、ガイド上を移動する移動物体の直進精度はその工
作機械や測定器の精度を決定する重要な因子である。こ
の直進精度の向上のためにはガイド自体の高精度な加工
はもちろんのこと、ガイドと移動物体との間の嵌合精度
を高めることも重要である。しかしながら、ガイドの加
工精度には限界があり、加工誤差を全くのゼロにするこ
とは不可能である。また、嵌合精度についても遊びを全
く無くすことはできない。そのため、どんなに高精度な
ガイドを備えたステージであっても、ヨーイングやピッ
チング等による蛇行を発生しており、ステージ自体は基
準方向に対して移動位置ごとに微小な傾きを有してい
る。
2. Description of the Related Art In a machine tool feeding device or a measuring instrument stage, the straightness of a moving object moving on a guide is an important factor in determining the accuracy of the machine tool or measuring instrument. In order to improve the straight traveling accuracy, it is important not only to process the guide itself with high accuracy but also to improve the fitting accuracy between the guide and the moving object. However, there is a limit to the processing accuracy of the guide, and it is impossible to completely eliminate the processing error. Also, with regard to fitting accuracy, play cannot be eliminated at all. Therefore, no matter how highly precise the stage is equipped with a guide, meandering occurs due to yawing, pitching, etc., and the stage itself has a slight inclination with respect to the reference direction at each moving position.

【0003】このようなステージの傾きは、工作機械の
送り装置であれば加工精度の低下を招き、測定器のステ
ージであれば測定誤差の原因となる。この誤差を取り除
くために、ステージの傾き量を測定して得られたデータ
を、加工誤差や測定誤差の補正に用いることが従来より
行われている。従来の傾き量の測定装置としては、ジャ
イロスコープと加速度計とを組み合わせたものが知られ
ていた。
Such a tilt of the stage causes a reduction in machining accuracy in the case of a machine tool feed device, and causes a measurement error in the case of a measuring instrument stage. In order to remove this error, it has been conventionally performed to use data obtained by measuring the amount of inclination of the stage to correct a processing error and a measurement error. As a conventional tilt amount measuring device, a device in which a gyroscope and an accelerometer are combined has been known.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ジャイ
ロスコープは装置が大型化するうえ機械的安定状態を得
るまでの時間が必要であるという問題点があった。ま
た、ジャイロスコープの特性としてのシフトやドリフト
の影響により、得られた測定値がばらつくという問題も
あった。
However, the gyroscope has the problems that the device becomes large and that it takes time to obtain a mechanically stable state. There is also a problem that the measured values obtained vary due to the influence of shift and drift as characteristics of the gyroscope.

【0005】本発明の目的は、機械的な可動部を有さず
簡単な構成の、移動物体の傾き量測定装置を提供するこ
とである。
An object of the present invention is to provide an apparatus for measuring the amount of tilt of a moving object, which has a simple structure and does not have a mechanical movable part.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明の傾き量測定装置
は、装置固定部上に敷設されたガイド上を移動する移動
物体の傾き量を測定する装置において、前記装置固定部
と前記移動物体との一方に測定部(2)を他方に反射基
準部材(7)をそれぞれ設置し、前記測定部(2)には
前記反射基準部材(7)に向けて光ビーム(LB1 )を
投射する投光装置と前記光ビームの前記反射基準部材か
らの反射光を受光する受光装置とを設け、前記反射基準
部材(7)には前記測定部(2)から投射された前記光
ビーム(LB1 )を該測定部に向けて反射する反射面を
設け、該反射面は、前記測定部が前記反射基準部材に所
定の位置関係で対向した時における前記光ビームの反射
効率が最大になるような、前記反射基準部材に対する前
記測定部の位置ごとに異なる反射効率を有するものであ
る。
A tilt amount measuring device of the present invention is a device for measuring a tilt amount of a moving object moving on a guide laid on the device fixing part, wherein the device fixing part and the moving object are provided. A measuring unit (2) is installed on one side and a reflection reference member (7) is installed on the other side, and a light beam (LB 1 ) is projected to the measuring unit (2) toward the reflection reference member (7). A light projecting device and a light receiving device for receiving the reflected light of the light beam from the reflection reference member are provided, and the light beam (LB 1 projected from the measurement unit (2) is projected on the reflection reference member (7). ) Is reflected toward the measurement unit, and the reflection surface maximizes the reflection efficiency of the light beam when the measurement unit faces the reflection reference member in a predetermined positional relationship. , The position of the measuring unit relative to the reflection reference member To those having a different reflection efficiency.

【0007】反射基準部材の反射面は、反射板(73)
と、ガイドと平行な方向に一定のピッチで配列された格
子パターンを有しガイドと反射板との間に配置された第
1格子板(71)と、ガイドと平行な方向に第1格子板
の格子パターンとは異なるピッチで配列された格子パタ
ーンを有し第1格子板と反射面との間に配置された第2
格子板(72)とから構成することができる。
The reflection surface of the reflection reference member is a reflection plate (73).
A first grid plate (71) having a grid pattern arranged at a constant pitch in a direction parallel to the guide and arranged between the guide and the reflection plate; and a first grid plate parallel to the guide. Second grid pattern having a grid pattern arranged at a pitch different from that of the first grid plate and the reflection surface.
It can be composed of a lattice plate (72).

【0008】そして反射板(73)は、第1,第2格子
板(71,72)よりも格子のピッチ方向に大きい幅に
形成され、第1,第2格子板の両側からはみ出した部分
を有することが好ましい。また、第1格子板の格子パタ
ーンは幅aの光透過部と幅bの遮光部との繰り返しパタ
ーンによって構成し、第2格子板の格子パターンは幅a
の光透過部と幅b+Δbの遮光部との繰り返しパターン
によって構成すると共に、反射基準部材と測定部との間
の距離をL、第1格子板と第2格子板との間の距離をD
として、 Δb/D=(a+b)/L を満足するように構成することが好ましい。
The reflecting plate (73) is formed to have a width larger than that of the first and second lattice plates (71, 72) in the pitch direction of the lattice, and the portions protruding from both sides of the first and second lattice plates are formed. It is preferable to have. Further, the lattice pattern of the first lattice plate is composed of a repeating pattern of the light transmitting portion of the width a and the light shielding portion of the width b, and the lattice pattern of the second lattice plate is the width a.
Of the light transmitting portion and the light shielding portion of width b + Δb, and the distance between the reflection reference member and the measuring portion is L, and the distance between the first lattice plate and the second lattice plate is D.
As the above, it is preferable that Δb / D = (a + b) / L is satisfied.

【0009】さらに、それぞれ反射板と第1格子板と第
2格子板とから構成される複数の反射面を反射基準部材
に設け、第1格子板と第2格子板のピッチが、複数の反
射面ごとに異なるように構成してもよい。
Further, a plurality of reflecting surfaces each including a reflecting plate, a first grating plate and a second grating plate are provided on the reflection reference member, and the pitch of the first grating plate and the second grating plate is plural. You may comprise so that it may differ for every surface.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図1は、測定位置における
一対の直線ガイド4a,4bの長手方向に垂直な概略断
面を示し、図2は平面図を示す。測定位置の装置固定部
にはガイドの側方の所定距離だけ離れた位置に支持柱6
が設置され、支持柱6の上部にはガイドに対向して反射
基準部材7が取り付けられている。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. 1 shows a schematic cross section perpendicular to the longitudinal direction of the pair of linear guides 4a and 4b at the measurement position, and FIG. 2 shows a plan view. The support column 6 is provided at a position separated by a predetermined distance on the side of the guide from the device fixing portion at the measurement position.
Is installed, and the reflection reference member 7 is attached to the upper part of the support column 6 so as to face the guide.

【0011】ステージ1は一対のレース5a,5bを介
してガイド4a,4bと嵌合しており、ガイド4a,4
bに沿って移動する。ステージ1の下部には測定部2が
搭載される。測定部2は鉛直方向に引き延ばされた断面
線状の光ビームLB1 をガイドに垂直な面内で水平方向
に射出する。このビームLB1 は、ステージ1が測定位
置を通過する時に反射基準部材7上に投射され、反射基
準部材7で反射されると測定部2に戻り、光電変換され
る。
The stage 1 is fitted with the guides 4a and 4b through a pair of races 5a and 5b, and the guides 4a and 4b.
Move along b. The measuring unit 2 is mounted below the stage 1. The measuring unit 2 horizontally emits the light beam LB 1 having a linear cross section, which is elongated in the vertical direction, in a plane perpendicular to the guide. This beam LB 1 is projected onto the reflection reference member 7 when the stage 1 passes through the measurement position, and when reflected by the reflection reference member 7, returns to the measurement unit 2 and undergoes photoelectric conversion.

【0012】図3は、上記測定部2及び反射基準部材7
の概略構成と両者の位置関係とを示す。光源21から出
射した光はコリメータレンズ22で平行光束にされ、例
えばシリンドリカル凸レンズとシリンドリカル凹レンズ
とから成るビーム成形光学素子23にて垂直方向に細長
い形状にビーム成形され、窓24から水平方向に射出
し、ビームLB1 となる。ビームLB1 は反射基準部材
7上で垂直方向に細長い線状のスポットを形成する。反
射基準部材7で反射したビームLB1 は窓24から入射
し、光学素子23,レンズ22を通過してハーフミラー
25で反射し、フォトダイオード等の受光素子26に入
射して光電変換され、基準位置の通過を表す電気出力信
号が作成される。
FIG. 3 shows the measuring unit 2 and the reflection reference member 7.
The schematic configuration of and the positional relationship between the two are shown. The light emitted from the light source 21 is collimated by the collimator lens 22 into a parallel light flux, and is beam-formed into a vertically elongated shape by the beam shaping optical element 23 including, for example, a cylindrical convex lens and a cylindrical concave lens, and is horizontally emitted from the window 24. , Beam LB 1 . The beam LB 1 forms a vertically elongated linear spot on the reflection reference member 7. The beam LB 1 reflected by the reflection reference member 7 enters through the window 24, passes through the optical element 23 and the lens 22, is reflected by the half mirror 25, enters the light receiving element 26 such as a photodiode, and is photoelectrically converted. An electrical output signal is generated that represents the passage of the position.

【0013】図4は、反射基準部材7の詳細な構成を示
す。第1格子板71、第2格子板72、及び反射板73
が測定部2側から順番に配置されている。第1,第2格
子板71,72はそれぞれ格子パターンを有し、例え
ば、透明なガラス基板上にクロムメッキを施すことによ
り縞状の遮光部を形成したものである。第1格子板71
の格子パターンは、幅aのスリット(光透過部)と幅b
の遮光部との繰り返しによる一定のピッチP1 を有し、
第2格子板72の格子パターンは、幅aのスリット(光
透過部)と幅b+Δbの遮光部との繰り返しによって、
1 より大きいピッチP2 を有する。いずれの格子板
も、ピッチ方向がガイドと平行な方向に一致するように
配置されている。
FIG. 4 shows the detailed structure of the reflection reference member 7. First lattice plate 71, second lattice plate 72, and reflector 73
Are arranged in order from the measurement unit 2 side. Each of the first and second lattice plates 71 and 72 has a lattice pattern, and for example, a striped light-shielding portion is formed by plating a transparent glass substrate with chrome. First lattice plate 71
The grid pattern of is a slit (light transmitting portion) of width a and a width b.
Has a constant pitch P 1 due to repetition of the light shielding part of
The lattice pattern of the second lattice plate 72 is formed by repeating the slits (light transmitting portions) having the width a and the light shielding portions having the width b + Δb.
Have a pitch P 2 greater than P 1 . Each of the lattice plates is arranged so that the pitch direction matches the direction parallel to the guide.

【0014】反射板73は第2格子板72の後方に近接
もしくは接触するように配置されており、第2格子板7
2側に対向する反射面を有し、該反射面は微細なコーナ
ーキューブをマトリクス状に多数配置して形成されてい
る。従って、反射板73の反射面に入射した光ビーム
は、入射角に関わらず、入射して来た方向に向けて反射
される。反射板73の幅は第1,第2格子板71,72
より大きく形成されており、そのため所定幅だけ左右に
はみ出した部分を有する。
The reflecting plate 73 is arranged behind the second grid plate 72 so as to be close to or in contact with the second grid plate 72.
It has a reflecting surface facing the second side, and the reflecting surface is formed by arranging a large number of fine corner cubes in a matrix. Therefore, the light beam incident on the reflection surface of the reflection plate 73 is reflected in the direction of incidence regardless of the incident angle. The width of the reflector 73 is equal to that of the first and second grid plates 71 and 72.
It is formed to be larger, and therefore has a portion protruding to the left and right by a predetermined width.

【0015】入射ビームに対するこの反射基準部材7の
光学的特性について、図5を参照して説明する。図5の
(a)は光強度特性を表すグラフであり、(b)は第
1,第2格子板71,72のスリットの位置関係を示す
図である。なお、以下の説明において、ビームLB1
対して第1,第2格子板71,72の両者ともスリット
となる領域を「開口」と言い、開口が占める面積率を
「開口率」と言う。
The optical characteristics of the reflection reference member 7 with respect to the incident beam will be described with reference to FIG. 5A is a graph showing the light intensity characteristic, and FIG. 5B is a diagram showing the positional relationship of the slits of the first and second lattice plates 71, 72. In the following description, a region where both the first and second grating plates 71 and 72 are slits with respect to the beam LB 1 is referred to as “aperture”, and an area ratio occupied by the aperture is referred to as “aperture ratio”.

【0016】図において、直線8はステージ1に搭載さ
れた測定部2の移動の軌跡を表している。第1,第2格
子板71,72は異なる幅(b,b+Δb)の遮光部を
有するので、同一入射角度のビームLB1 に対する開口
率は、格子のピッチ方向に変化することになる。垂直方
向から入射するビームLB1 に対する開口率が初めに最
大となるスリットをn=0とすると、この時の開口率w
0 は、 w0 =a/(a+b) (1) で表される。n=0の位置から開口が0になる(最初
(N=1)に暗部が現れる)までは、開口率wn は、 wn =(a−nΔb)/(a+b) (2) で表される。この最初(N=1)の暗部は、第1格子板
71のスリットと第2格子板72の遮光部とが重なった
状態であるから、 n=(a+b+Δb)/2Δb (3) のスリットの位置,図ではn=3の位置で現れる。最初
(N=1)の明部は、第1格子板71のスリットと第2
格子板72のスリットとが重なった状態であるから、 n=(a+b+Δb)/Δb (4) のスリットの位置,図ではn=6の位置に現れる。これ
を一般化するとN次の明部は、 n=N(a+b+Δb)/Δb (5) のスリット位置に現れ、N次の暗部は、 n=(2N−1)(a+b+Δb)/2Δb (6) のスリットの位置に現れる。
In the figure, a straight line 8 represents the locus of movement of the measuring unit 2 mounted on the stage 1. Since the first and second grating plates 71 and 72 have light-shielding portions having different widths (b, b + Δb), the aperture ratio for the beam LB 1 having the same incident angle changes in the grating pitch direction. Assuming that the slit having the maximum aperture ratio with respect to the beam LB 1 incident from the vertical direction is the maximum at n = 0, the aperture ratio w at this time is w.
0 is represented by w 0 = a / (a + b) (1). The aperture ratio w n is expressed by w n = (a−nΔb) / (a + b) (2) from the position of n = 0 until the aperture becomes 0 (the dark part appears at the beginning (N = 1)). It This first (N = 1) dark portion is a state in which the slits of the first lattice plate 71 and the light shielding portions of the second lattice plate 72 overlap, so that the slit position of n = (a + b + Δb) / 2Δb (3) , It appears at the position of n = 3 in the figure. The first (N = 1) bright part is the slit of the first grid plate 71 and the second bright part.
Since the slit of the lattice plate 72 overlaps, it appears at the slit position of n = (a + b + Δb) / Δb (4), that is, at the position of n = 6 in the figure. If this is generalized, the N-th bright part appears at the slit position of n = N (a + b + Δb) / Δb (5), and the N-th dark part is n = (2N-1) (a + b + Δb) / 2Δb (6) Appears at the position of the slit.

【0017】いま、ステージ1の測定部2が、反射基準
部材7に対しビームLB1 の光軸を垂直に保ったまま直
線8上を移動する場合を考える。測定部2が直線8上の
地点81に到達した時、ビームLB1 は直線90に沿っ
てn=0のスリット位置に入射し、反射板73によって
同一方向に反射される。この時の反射光の光量は最大値
を示す。ステージがさらに移動してビームLB1 がn=
1,2,のスリット位置に順次入射すると反射光の光量
は次第に減少し、n=3のスリット位置に入射した時に
最小値となる。そして、測定部2が地点82に到達した
時、ビームLB 1 は直線106に沿ってn=6のスリッ
ト位置に入射し、再び反射光の光量は最大値を示す。そ
の結果、測定部2に戻るビームの光強度は図5(a)の
ような変化を示し、受光素子26は同様の波形の出力信
号を発生することになる。
Now, the measuring unit 2 of the stage 1 is a reflection reference
Beam LB for member 71Straight while keeping the optical axis of
Consider the case of moving on line 8. Measurement part 2 is on straight line 8
Beam LB when reaching point 811Is along a straight line 90
And enters the slit position of n = 0 by the reflector 73.
It is reflected in the same direction. The amount of reflected light at this time is the maximum value
Is shown. The stage moves further and the beam LB1Is n =
Light intensity of the reflected light when sequentially entering the slit positions 1, 2,
Decreases gradually, and when it enters the slit position of n = 3,
It is the minimum value. Then, the measurement unit 2 reaches the point 82.
When the beam LB 1Is the slip of n = 6 along the line 106
The light quantity of the reflected light that has been incident on the optical axis reaches the maximum value again. So
As a result, the light intensity of the beam returning to the measuring unit 2 is as shown in FIG.
The light receiving element 26 shows an output signal of a similar waveform.
Issue.

【0018】一方、ステージ1の測定部2が、反射基準
部材7に対しビームLB1 の光軸が傾いたまま直線8上
を移動する場合を考える。この場合、測定部2が地点8
1に到達すると、ビームLB1 は直線91〜95で示す
ような傾斜した直線に沿って反射基準部材7に入射す
る。ビームLB1 の傾斜が僅かであれば、例えば直線9
1に沿ってn=1のスリット位置に入射し、傾斜が大き
ければ、例えば直線95に沿ってn=6のスリット位置
に入射し、いずれの場合も入射ビームは反射板73によ
って入射してきた方向に反射される。
On the other hand, consider a case where the measuring unit 2 of the stage 1 moves on the straight line 8 while the optical axis of the beam LB 1 is inclined with respect to the reflection reference member 7. In this case, the measuring unit 2 is at point 8
When reaching 1, the beam LB 1 is incident on the reflection reference member 7 along an inclined straight line as indicated by straight lines 91 to 95. If the beam LB 1 is slightly inclined, for example, the straight line 9
1 is incident on the slit position of n = 1, and if the inclination is large, for example, it is incident on the slit position of n = 6 along the straight line 95, and in any case, the incident beam is incident on the reflector 73. Reflected in.

【0019】ここで、図の直線90〜95,101〜1
06は、いずれも第1格子板71と第2格子板72の各
スリットの中心を結んだ線である。しかも直線90〜9
5が直線8上の点81において全て交差し、直線101
〜106が点82において全て交差する。換言すれば、
第1,第2格子板71,72の両スリットを通過するビ
ームの通過光量が最大となる方向(最大の開口方向)
が、全て直線8上の点81,82に向くことになる。
Here, straight lines 90 to 95, 101 to 1 in the figure
06 is a line connecting the centers of the slits of the first lattice plate 71 and the second lattice plate 72. Moreover, straight lines 90-9
5 all intersect at a point 81 on the straight line 8 and the straight line 101
~ 106 all intersect at point 82. In other words,
A direction in which the amount of light passing through both slits of the first and second grating plates 71 and 72 is maximum (maximum opening direction)
Will all be directed to points 81 and 82 on the straight line 8.

【0020】したがって、ビームLB1 の光軸が傾いた
状態で直線8上を移動しても、光軸を垂直に保った場合
と同様に、地点81及び地点82を通過する時に反射光
の光量が最大値になる。よって、図5の(a)と同様の
波形の出力信号が得られる。すなわち、ビーム傾斜が許
容角度範囲内であれば、傾斜の有無に関わらず、測定部
2が反射基準部材7上の一定位置(81,82)に対向
した時に出力信号にピークが現れることが理解できる。
このような一定位置を装置固定部の測定基準位置とすれ
ばよい。
Therefore, even if the optical axis of the beam LB 1 moves on the straight line 8 in a tilted state, the amount of reflected light when passing through the points 81 and 82 is the same as when the optical axis is kept vertical. Is the maximum value. Therefore, an output signal having a waveform similar to that of FIG. That is, if the beam tilt is within the allowable angle range, it is understood that a peak appears in the output signal when the measurement unit 2 faces a fixed position (81, 82) on the reflection reference member 7 regardless of the tilt. it can.
Such a fixed position may be used as the measurement reference position of the device fixing portion.

【0021】上述のように、各スリットの最大開口が直
線8上の一定位置を向くように設定するには、直線8か
ら第1格子板71までの距離Lを一辺とする直角三角形
と、第1格子板71と第2格子板72との間隔Dを一辺
とする直角三角形とが相似であることが条件になる。従
って、 Δb/D=(a+b)/L (7) の関係式が成立するように各値を決定すれば、例えば最
初(N=0)の明部が中央に現れるように設計すること
も容易に可能である。
As described above, in order to set the maximum opening of each slit so as to face a fixed position on the straight line 8, a right triangle whose one side is the distance L from the straight line 8 to the first lattice plate 71, and The condition is that the right-angled triangle whose one side is the distance D between the first lattice plate 71 and the second lattice plate 72 is similar. Therefore, if each value is determined so that the relational expression of Δb / D = (a + b) / L (7) holds, it is easy to design, for example, the first (N = 0) bright part to appear in the center. Is possible.

【0022】以上のような原理に基づいて設計した反射
基準部材7の実施例について、図6,図7を参照して説
明する。図6(a)は、ステージ1にヨーイングがな
く、垂直にビームLB1 を照射しながらステージ1を走
行することによって、ビームLB1 が反射基準部材7を
矢印A方向に走査する状態を示し、図6(b)はこの時
の測定部2の受光素子26からの出力信号波形を示す。
反射基準部材7の両端には、第1,第2格子板71,7
2より幅Rだけ大きく形成された反射板73のはみ出し
部分が存在するので、ビームLB1 による反射基準部材
7の走査によって、時刻t1 からt2 までの間と時刻t
3 からt4 までの間に、第1,第2格子板71,72を
介することのない反射板73からの直接の反射光に基づ
く矩形波が発生する。そして、この2つの矩形波の間
に、第1,第2格子板71,72を介する反射光に基づ
く信号波形が現れる。
An embodiment of the reflection reference member 7 designed on the basis of the above principle will be described with reference to FIGS. FIG. 6A shows a state where the stage 1 has no yawing and the beam LB 1 scans the reflection reference member 7 in the direction of arrow A by traveling the stage 1 while vertically irradiating the beam LB 1 . FIG. 6B shows an output signal waveform from the light receiving element 26 of the measuring section 2 at this time.
At both ends of the reflection reference member 7, first and second grid plates 71, 7 are provided.
Since there is a protruding portion of the reflection plate 73 formed by a width R larger than 2, the scanning of the reflection reference member 7 by the beam LB 1 causes the reflection reference member 7 to be scanned from time t 1 to time t 2 and time t 2.
Between 3 and t 4 , a rectangular wave is generated based on the light directly reflected from the reflection plate 73 without passing through the first and second grating plates 71 and 72. Then, a signal waveform based on the reflected light that has passed through the first and second grating plates 71 and 72 appears between these two rectangular waves.

【0023】この実施例では、図5の(a)に描かれた
波形の1波長分に相当する信号波形が出力されるように
格子板の各寸法を定めることが好ましい。それにより、
反射基準部材のビーム走査の間にピーク値を一つだけ必
ず有する信号波形を得られるので、後の信号処理を容易
にする。格子全体の幅をH(ただし、L≫H)としたと
き、ヨーイングによるビーム傾斜の許容角度範囲Tは、 T=H/L (ラジアン) (8) となる。さらにN=0からN=1までには、(a+b+
Δb)/Δb本の格子が存在するから、 HΔb/(a+b+Δb)=a+b (9) となる。従って、格子の設計値は式7,8,9に基づい
て決定される。
In this embodiment, it is preferable to determine each dimension of the grating plate so that a signal waveform corresponding to one wavelength of the waveform depicted in FIG. 5A is output. Thereby,
Since the signal waveform having only one peak value can be obtained during the beam scanning of the reflection reference member, the subsequent signal processing is facilitated. When the width of the entire grating is H (where L >> H), the allowable angle range T of beam tilting due to yawing is T = H / L (radian) (8) Further, from N = 0 to N = 1, (a + b +
Since there are Δb) / Δb lattices, HΔb / (a + b + Δb) = a + b (9). Therefore, the design value of the grid is determined based on the equations 7, 8 and 9.

【0024】そして、垂直な方向からのビームLB1
反射基準部材7のほぼ中央を通過したときに反射光の光
量が最大になるように、第1,第2格子板71,72の
位置関係を設定する。そのため、ビームLB1 が垂直に
入射している場合には、図6(b)に示すように、2つ
の矩形波の間で出力信号波形は左右対称の形になる。こ
れに対し、図7(a)のようにステージ1のヨーイング
により、ビームLB1が反射基準部材7に傾いて入射す
る場合には、図7(b)に示すように信号波形のピーク
位置がずれて左右非対称となる。信号波形は時間軸に沿
って出力され、かつ、反射基準部材7の寸法は既知であ
ることから、このずれ量dを実寸法に換算することがで
きる。
The positional relationship between the first and second grating plates 71 and 72 is such that the amount of reflected light is maximized when the beam LB 1 from the vertical direction passes through substantially the center of the reflection reference member 7. To set. Therefore, when the beam LB 1 is vertically incident, the output signal waveform is symmetrical between the two rectangular waves as shown in FIG. 6B. On the other hand, when the beam LB 1 is obliquely incident on the reflection reference member 7 due to yawing of the stage 1 as shown in FIG. 7A, the peak position of the signal waveform is as shown in FIG. 7B. It shifts and becomes asymmetrical. Since the signal waveform is output along the time axis and the dimension of the reflection reference member 7 is known, this deviation amount d can be converted into the actual dimension.

【0025】矩形波のエッジ部分は図示したような理想
的な垂直エッジにはならず、格子全体の幅Hに対応する
信号波形の時間幅(時刻t2 ,t3 の間隔)を正確に測
定することは難しい。そのため、一方の矩形波の中心
(時刻t1 ,t2 の中間)と他方の矩形波の中心(時刻
3 ,t4 の中間)の間の時間幅H+Rを求め、両矩形
波の中点(反射基準部材7の中心位置)から信号波形の
ピーク位置までの距離を求めて比をとることにより、上
記ずれ量dを得ることができる。しかもこのようにして
得られたずれ量dは、ステージ1の移動速度に無関係な
量である。
The edge portion of the rectangular wave does not become an ideal vertical edge as shown in the figure, and the time width of the signal waveform (interval between times t 2 and t 3 ) corresponding to the width H of the entire grating is accurately measured. Difficult to do. Therefore, the time width H + R between the center of one rectangular wave (intermediate between times t 1 and t 2 ) and the center of the other rectangular wave (intermediate between times t 3 and t 4 ) is calculated, and the midpoint of both rectangular waves is calculated. The deviation amount d can be obtained by obtaining the ratio from the (center position of the reflection reference member 7) to the peak position of the signal waveform. Moreover, the displacement amount d thus obtained is an amount irrelevant to the moving speed of the stage 1.

【0026】そして、反射基準部材7に対するビームL
1 の傾きtは、 t=d/L (ラジアン) (10) によって求められる。図8は本実施の形態における信号
処理系のブロック図である。ステージ1が測定位置を通
過する時に、測定部2の受光素子26で光電変換された
出力信号がエッジ検出回路12及びピーク検出回路13
に入力される。エッジ検出回路12は例えば出力信号を
2回微分してゼロクロス点を検出する。また、ピーク検
出回路13は例えば出力信号を微分してゼロクロス点を
検出する。エッジ検出回路12及びピーク検出回路13
の各出力は、コンピュータ14に入力される。
Then, the beam L for the reflection reference member 7
The slope t of B 1 is calculated by t = d / L (radian) (10). FIG. 8 is a block diagram of a signal processing system in this embodiment. When the stage 1 passes the measurement position, the output signal photoelectrically converted by the light receiving element 26 of the measuring unit 2 is the edge detection circuit 12 and the peak detection circuit 13.
Is input to The edge detection circuit 12 detects the zero-cross point by differentiating the output signal twice, for example. Further, the peak detection circuit 13 detects the zero-cross point by differentiating the output signal, for example. Edge detection circuit 12 and peak detection circuit 13
Each output of is input to the computer 14.

【0027】コンピュータ14は両矩形波のエッジに対
応する時刻t1 ,t2 ,t3 ,t4及びピークが出現し
た時刻から、前述の10式を用いてビームLB1 の傾き
tを算出する。なお、本実施の形態において、第1,第
2格子板71,72の格子パターンを逆にして、第1格
子板71の格子パターンは、幅aの光透過部と幅b+Δ
bの遮光部との繰り返しによる大きいピッチP2 を有
し、第2格子板72の格子パターンは、幅aの光透過部
と幅bの遮光部との繰り返しによる小さいピッチP1
有するように構成してもよい。この場合、得られる信号
波形は図9に示すようになり、ピークが逆方向に動くこ
とになるが、10式を用いて傾きを計算することができ
る。
The computer 14 calculates the slope t of the beam LB 1 from the times t 1 , t 2 , t 3 , t 4 corresponding to the edges of both rectangular waves and the time at which the peak appears, using the above-mentioned formula (10). . In the present embodiment, the lattice patterns of the first and second lattice plates 71 and 72 are reversed, and the lattice pattern of the first lattice plate 71 is such that the light transmitting portion having the width a and the width b + Δ.
b has a large pitch P 2 due to repetition with the light-shielding portion, and the grating pattern of the second grating plate 72 has a small pitch P 1 due to repetition with the light-transmitting portion having the width a and the light-shielding portion having the width b. You may comprise. In this case, the obtained signal waveform is as shown in FIG. 9, and the peak moves in the opposite direction, but the slope can be calculated using Equation 10.

【0028】本実施の形態の変形例として、上述の反射
基準部材のスリットの幅aと遮光部の幅bの比を変えて
暗部を広くすることにより、ピーク位置の検出精度の向
上が可能である。すなわち、図10の(a)に示す信号
波形は、前述の図5〜図7における実施の形態のものと
同じ、幅a=幅b(開口率50%)とした場合の信号波
形である。一方、図10の(b)に示す信号波形は、開
口率が25%(a=b/2)の場合である。この場合、
波形の立ち上がりが急峻になる分、ピークの位置を求め
やすくなる。
As a modification of this embodiment, the peak position detection accuracy can be improved by changing the ratio of the width a of the slit of the reflection reference member to the width b of the light shielding portion to widen the dark portion. is there. That is, the signal waveform shown in (a) of FIG. 10 is a signal waveform when width a = width b (aperture ratio 50%), which is the same as that of the embodiment in FIGS. 5 to 7 described above. On the other hand, the signal waveform shown in FIG. 10B is when the aperture ratio is 25% (a = b / 2). in this case,
The steeper the rising edge of the waveform, the easier it is to find the peak position.

【0029】また、反射基準部材に、設計値の異なる複
数の格子を配置することも可能である。図11に示す反
射基準部材207は、2種類の格子を組み合わせたもの
で、各格子の設計値を、上部反射基準部材207Aにつ
いては、第1格子板のスリットの幅がa,遮光部の幅が
b、第2格子板のスリットの幅がa,遮光部の幅がb+
Δbに設定され、下部反射基準部材207Bについては
第1格子板のスリットの幅がa/2,遮光部の幅がb/
2、第2格子板のスリットの幅がa/2、遮光部の幅が
(b+Δb)/2に設定されている。下部反射基準部材
207Bから得られる信号波形の波長は、上部反射基準
部材207Aから得られる信号波形の波長の1/2とな
る。上部反射基準部材207Aのみをビームで走査する
と、図12の(a)のような信号波形が現れ、下部反射
基準部材207Bのみをビームで走査すると、図12の
(b)のような信号波形が現れる。したがって、反射基
準部材207全体をビームで走査すると、図12の
(c)のような信号波形が得られ、この信号波形は図1
2(a)の波形に比較してピークの位置の特定が容易で
ある。
It is also possible to dispose a plurality of gratings having different design values on the reflection reference member. The reflection reference member 207 shown in FIG. 11 is a combination of two types of gratings, and the design value of each grating is the same. For the upper reflection reference member 207A, the slit width of the first grating plate is a and the width of the light shielding portion is Is b, the width of the slit of the second lattice plate is a, and the width of the light shielding part is b +
The width of the slit of the first grating plate is a / 2, and the width of the light shielding part is b / for the lower reflection reference member 207B.
2, the width of the slit of the second lattice plate is set to a / 2, and the width of the light shielding portion is set to (b + Δb) / 2. The wavelength of the signal waveform obtained from the lower reflection reference member 207B is 1/2 of the wavelength of the signal waveform obtained from the upper reflection reference member 207A. When only the upper reflection reference member 207A is scanned with a beam, a signal waveform as shown in FIG. 12A appears, and when only the lower reflection reference member 207B is scanned with a beam, a signal waveform as shown in FIG. appear. Therefore, when the entire reflection reference member 207 is scanned with a beam, a signal waveform as shown in FIG. 12C is obtained, and this signal waveform is shown in FIG.
It is easier to specify the position of the peak as compared with the waveform of 2 (a).

【0030】なお、図11の変形例においても、反射板
については図4に示した実施の形態のように、第1,第
2格子板の両端からはみ出した部分を有するものであ
る。同様の手法により、表1のように第1格子板及び第
2格子板の各スリットの幅a及び遮光部の幅bがそれぞ
れ異なる10種類の反射基準部材A〜Jを組み合わせた
複合反射基準部材を形成し、ビームで走査することによ
り、図13のような信号波形が得られる。
In the modification of FIG. 11 as well, the reflection plate has portions protruding from both ends of the first and second lattice plates as in the embodiment shown in FIG. By the same method, as shown in Table 1, a composite reflection reference member obtained by combining 10 types of reflection reference members A to J in which the widths a of the slits and the widths b of the light shielding portions of the first lattice plate and the second lattice plate are respectively different. Are formed and scanned with a beam, a signal waveform as shown in FIG. 13 is obtained.

【0031】[0031]

【表1】 [Table 1]

【0032】これにより、更により高い分解能を得るこ
とが可能となる。上述した各実施の形態において、測定
部2と反射基準部材7の配置関係を逆にして、ステージ
1に反射基準部材を載置し、装置固定部に測定部2を設
置しても全く同様に実施可能である。
This makes it possible to obtain a higher resolution. In each of the above-described embodiments, the arrangement relationship between the measurement unit 2 and the reflection reference member 7 may be reversed, the reflection reference member may be placed on the stage 1, and the measurement unit 2 may be installed on the apparatus fixing unit. It is feasible.

【0033】[0033]

【発明の効果】本発明によれば、直線ガイド上を移動す
る移動物体のピッチングやヨーイングによる傾きを、反
射基準部材に対する絶対値としてオフセットやドリフト
無しに精度よく求めることが可能となる。
According to the present invention, the inclination of a moving object moving on a linear guide due to pitching or yawing can be accurately obtained as an absolute value with respect to a reflection reference member without offset or drift.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施の形態における測定位置での概略
断面図である。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view at a measurement position in an embodiment of the present invention.

【図2】図1の平面図である。FIG. 2 is a plan view of FIG.

【図3】測定部と反射基準部材の概略構成を示す断面図
である。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a measurement unit and a reflection reference member.

【図4】反射基準部材の斜視図である。FIG. 4 is a perspective view of a reflection reference member.

【図5】反射基準部材の詳細な構成と光強度特性とを示
す説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of a reflection reference member and a light intensity characteristic.

【図6】反射基準部材による垂直ビーム走査と出力信号
波形とを示す説明図である。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing vertical beam scanning by a reflection reference member and an output signal waveform.

【図7】反射基準部材による傾斜ビーム走査と出力信号
波形とを示す説明図である。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing tilted beam scanning by a reflection reference member and an output signal waveform.

【図8】信号処理系のブロック図である。FIG. 8 is a block diagram of a signal processing system.

【図9】出力信号波形とを示す説明図である。FIG. 9 is an explanatory diagram showing output signal waveforms.

【図10】本発明の実施の形態の変形例との比較を示す
出力信号波形図である。
FIG. 10 is an output signal waveform diagram showing a comparison with the modification of the embodiment of the invention.

【図11】本発明の実施の形態の第2変形例による反射
基準部材を示す平面図である。
FIG. 11 is a plan view showing a reflection reference member according to a second modification of the embodiment of the present invention.

【図12】第10図の変形例における出力信号波形図で
ある。
12 is an output signal waveform diagram in the modification of FIG.

【図13】本発明の実施の形態の第3変形例における出
力信号波形図である。
FIG. 13 is an output signal waveform diagram in the third modified example of the embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1・・・・・・ステージ 2・・・・・・測定部 4a,4b・・・・・・ガイド 7,207・・・・・・反射基準部材 71・・・・・・第1格子板 72・・・・・・第2格子板 73・・・・・・反射板 LB1 ・・・・・・光ビーム1 ... Stage 2 ... Measuring section 4a, 4b ... Guide 7,207 ... Reflection reference member 71 ... First grid plate 72-Second grating plate 73-Reflector plate LB 1- Light beam

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 G01D 5/36 G01D 5/36 C ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Internal reference number FI Technical display location G01D 5/36 G01D 5/36 C

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 装置固定部上に敷設されたガイド上を移
動する移動物体の傾き量を測定する装置において、 前記装置固定部と前記移動物体との一方に測定部を他方
に反射基準部材をそれぞれ設置し、前記測定部には前記
反射基準部材に向けて光ビームを投射する投光装置と前
記光ビームの前記反射基準部材からの反射光を受光する
受光装置とを設け、前記反射基準部材には前記測定部か
ら投射された前記光ビームを該測定部に向けて反射する
反射面を設け、該反射面は、前記測定部が前記反射基準
部材に所定の位置関係で対向した時における前記光ビー
ムの反射効率が最大になるような、前記反射基準部材に
対する前記測定部の位置ごとに異なる反射効率を有する
ことを特徴とする移動物体の傾き量測定装置。
1. A device for measuring an inclination amount of a moving object moving on a guide laid on a device fixing part, wherein a measuring part is provided on one of the device fixing part and the moving object and a reflection reference member is provided on the other. Each of the measuring units is provided with a light projecting device for projecting a light beam toward the reflection reference member and a light receiving device for receiving reflected light of the light beam from the reflection reference member. Is provided with a reflecting surface for reflecting the light beam projected from the measuring section toward the measuring section, and the reflecting surface is provided when the measuring section faces the reflection reference member in a predetermined positional relationship. An apparatus for measuring a tilt amount of a moving object, which has different reflection efficiencies depending on the position of the measurement unit with respect to the reflection reference member so that the reflection efficiency of the light beam is maximized.
【請求項2】 前記反射基準部材の反射面は、反射板
と、前記ガイドと平行な方向に一定のピッチで配列され
た格子パターンを有し前記ガイドと前記反射板との間に
配置された第1格子板と、前記ガイドと平行な方向に前
記第1格子板の格子パターンとは異なるピッチで配列さ
れた格子パターンを有し前記第1格子板と前記反射面と
の間に配置された第2格子板とから構成されることを特
徴とする請求項1に記載の移動物体の傾き量測定装置。
2. The reflection surface of the reflection reference member has a reflection plate and a grid pattern arranged at a constant pitch in a direction parallel to the guide, and is arranged between the guide and the reflection plate. A first grid plate and a grid pattern arranged in a direction parallel to the guide at a pitch different from that of the grid pattern of the first grid plate, and arranged between the first grid plate and the reflection surface. The tilt amount measuring device for a moving object according to claim 1, comprising a second lattice plate.
【請求項3】 前記反射板は、前記第1格子板と第2格
子板よりも格子のピッチ方向に大きい幅に形成され、前
記第1格子板と第2格子板との両側からはみ出した部分
を有することを特徴とする請求項2に記載の移動物体の
傾き両測定装置。
3. The reflection plate is formed to have a larger width in the pitch direction of the grating than the first grid plate and the second grid plate, and a portion protruding from both sides of the first grid plate and the second grid plate. The tilt measuring device for a moving object according to claim 2, further comprising:
【請求項4】 前記第1格子板の格子パターンは幅aの
光透過部と幅bの遮光部との繰り返しパターンであり、
前記第2格子板の格子パターンは幅aの光透過部と幅b
+Δbの遮光部との繰り返しパターンであり、前記反射
基準部材と前記測定部との間の距離をL、前記第1格子
板と前記第2格子板との間の距離をDとした時に、 Δb/D=(a+b)/L を満足することを特徴とする請求項2または3に記載の
移動物体の傾き量測定装置。
4. The lattice pattern of the first lattice plate is a repeating pattern of a light transmitting portion having a width a and a light shielding portion having a width b,
The grating pattern of the second grating plate has a light transmitting portion having a width a and a width b.
When the distance between the reflection reference member and the measurement unit is L and the distance between the first lattice plate and the second lattice plate is D, then Δb The inclination amount measuring device for a moving object according to claim 2 or 3, wherein / D = (a + b) / L is satisfied.
【請求項5】 それぞれ前記反射板と前記第1格子板と
第2格子板とから構成される複数の反射面を前記反射基
準部材に設け、前記第1格子板と第2格子板のピッチ
を、前記複数の反射面ごとに異ならせたことを特徴とす
る請求項2から4のいずれかに記載の移動物体の傾き量
測定装置。
5. The reflection reference member is provided with a plurality of reflecting surfaces each of which includes the reflecting plate, the first grating plate and the second grating plate, and the pitch between the first grating plate and the second grating plate is set. The tilt amount measuring device for a moving object according to any one of claims 2 to 4, wherein each of the plurality of reflecting surfaces is different.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022203268A1 (en) * 2021-03-25 2022-09-29 주식회사 디엔솔루션즈 Device for correcting processing error of machine tool and method thereof

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