JPH10339785A

JPH10339785A - 摺動体の支持装置

Info

Publication number: JPH10339785A
Application number: JP14923697A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Natsu; 恒夏
Original assignee: Kuroda Precision Industries Ltd
Current assignee: Kuroda Precision Industries Ltd
Priority date: 1997-06-06
Filing date: 1997-06-06
Publication date: 1998-12-22

Abstract

(57)【要約】【課題】ガイドの撓みによって変位計を支持するスラ
イダが鉛直方向に変位し、変位計の測定結果に悪影響が
生じる。これを改善する。【解決手段】ガイドの一端をリニアアクチュエータで
支持し、支点の高さを調整可能に構成して、変位計の位
置での撓みによる変位分を、支点位置の高さ調整により
自動的に補償する。測定開始前に走査を実施して、ガイ
ドと測定対象物の面との傾きを検出し、傾きが０になる
ように支点位置の高さを調整し、アライメント調整を自
動化する。ストレートマスタなどの基準器をガイドに沿
って配置し、スライダに距離検出器を設けて基準器との
距離を検出し、距離が一定になるように、ガイドの支点
位置の高さを自動調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は摺動体の支持装置に
関し、例えば超精密平面度測定器において測定ヘッド部
分を所定の軸方向に移動自在な状態で支持するための機
構に適用しうる。

【０００２】

【従来の技術】例えば超精密平面度測定器では、微小変
位計を用いてそれと測定対象物とのＺ軸方向（一般に鉛
直方向）の距離を検出しながら、Ｚ軸と直交するＸ及び
Ｙ軸方向に微小変位計及び測定対象物の少なくとも一方
を移動して、検出距離の変化から測定面の平坦度を識別
する。

【０００３】この種の装置では、一般に微小変位計をＸ
軸方向に移動自在な状態で保持するために、微小変位計
を保持するスライダと、このスライダをＸ軸に沿って摺
動自在に案内するガイドを備えている。ガイドは、その
構造上、両端で支持される場合が多いので、それの自重
やスライダ及び変位計の荷重によって撓みが生じる。こ
の種の撓みは、僅かであっても超精密測定や超精密加工
の分野では重大な悪影響を及ぼす場合がある。

【０００４】このため従来より、例えば特公平６−３１
７３６号公報及び特公平６−４４０５１号公報に示され
るように、ガイドの材質を工夫したりそれを中空体に構
成し、ガイドの剛性を高めて撓み量を低減している。一
方、図１３に示すように直定規を支点１、支点２の２点
で支持し、ａ／Ｌの係数が０．５２２８になるように支
点位置を定めると、直定規の中央部では撓みが生じない
ことが良く知られており（日本機械学会編：機械工学便
覧、Ｂ２加工学・加工機器、ｐ１９７）支点の範囲内の
みを利用する場合に都合がよい。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ようにガイドの材質や構造を工夫してもなお、ガイドの
撓みによる悪影響は残る。例えば特公平６−３１７３６
号公報に示された例では、材質としてアルミナセラミッ
クスを用いた場合に、ストロークが２４０ｍｍの両端支
持中空直進案内機構において、最大撓み量は０．２μ
ｍ、スライダの位置に応じた撓み量の変化は０．１μｍ
であるが、この程度の撓み量であっても、精度をナノメ
ートルオーダーとする超精密加工や超精密測定において
は大きな影響を及ぼす。

【０００６】図１３に示した直定規の原理を、超精密測
定器や超精密加工機における摺動体の支持装置に適用す
れば、ガイドの撓みを大幅に低減しうる。しかしなが
ら、この原理では実際にスライダの移動に利用される支
点間の距離の約２倍の長さのガイドが必要になり、材料
費用やガイドが占有する空間の無駄が多いので、実用性
が低い。

【０００７】またこの原理を用いても、撓みの影響を十
分に低減できない。つまり、ガイドの自重によって生じ
る静的な撓みについては図１３の原理で低減できるが、
スライダの重みによる撓みについては、それの移動に伴
ってガイド各部の撓み量が動的に変化するため対応でき
ない。ところで、一般に微小変位計は、分解能が高くな
るにつれてその測定可能範囲が狭くなる。従って、精度
の高い変位測定を実現するためには、最大変位をできる
限り小さくする必要がある。超精密平面度測定器におい
ては、スライダの移動面と測定対象物の面とが傾斜して
いると、この傾斜によって位置に応じた変位が現れるの
で、これらの面が平行になるように測定前に調整しなけ
ればならない。この種の調整は、一般に、アライメント
調整と呼ばれる。

【０００８】本発明は、上述のような摺動体の支持装置
において、装置の大型化やコストの上昇を抑えると共
に、ガイドの自重によるそれの静的な撓みとスライダの
移動によって生じるガイドの動的な撓みの両者の影響を
低減して、スライダの位置決め精度を更に改善すること
を１つの目的とし、スライダの移動面と測定対象物の面
とのアライメント調整を自動化することをもう１つの目
的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

（請求項１）それ自身の両端もしくはその近傍の少なく
とも２点が支持されたガイド部材と、該ガイド部材に案
内されて所定の方向に摺動自在なスライダ部材とからな
る摺動体の支持装置において、前記ガイド部材上におけ
る前記スライダ部材の摺動方向位置を検出する位置検出
手段と、前記ガイド部材の一端もしくはその近傍を支持
する部材の鉛直方向の位置を調整する可動機構と、前記
ガイド部材の撓みによる前記スライダ部材の鉛直方向の
位置変位を修正するために、前記位置検出手段が検出し
た位置情報に応じて決定した制御量に従って前記可動機
構を位置決めする位置修正制御手段を設けたことを特徴
とする。

【００１０】（請求項２）請求項１記載の摺動体の支持
装置において、前記ガイド部材に沿って配置される測定
対象物の表面とそれ自身との距離を検出可能な距離検出
手段を前記スライダ部材に搭載し、前記スライダ部材の
位置を前記ガイド部材に沿って移動するＸ軸駆動手段を
設け、予め定めた条件が成立した場合に、前記Ｘ軸駆動
手段を制御して、前記スライダ部材の位置を変えなが
ら、複数の位置で前記距離検出手段の検出した距離情報
を入力し、入力した複数の距離情報に基づいて、前記測
定対象物と前記ガイド部材との相対的な傾きを小さくす
るように、前記可動機構の位置を調整して該可動機構の
基準位置を決定する、平行度自動調整手段を設けたこと
を特徴とする。

【００１１】（請求項３）請求項１記載の摺動体の支持
装置において、前記ガイド部材の撓みによる前記スライ
ダ部材の鉛直方向の位置変位量、もしくはそれを修正す
るための前記可動機構の位置修正量を、複数の位置につ
いてそれぞれ記憶するためのメモリ手段を前記位置修正
制御手段に設けたことを特徴とする。

【００１２】（請求項４）請求項１記載の摺動体の支持
装置において、前記位置修正制御手段が、前記スライダ
部材のガイド部材に沿う方向の位置と、その位置での前
記ガイド部材の撓みによる鉛直方向の前記スライダ部材
の変位量と、前記ガイド部材の支点間の距離に基づい
て、前記可動機構の基準位置に対する位置修正量を決定
することを特徴とする。

【００１３】（請求項５）それ自身の両端もしくはその
近傍の少なくとも２点が支持されたガイド部材と、該ガ
イド部材に案内されて所定の方向に摺動自在なスライダ
部材とからなる摺動体の支持装置において、前記ガイド
部材上の各位置における前記スライダ部材の鉛直方向の
予め定められた基準位置と平行な基準面が形成され、前
記ガイド部材に沿う位置に設置された位置基準部材と、
前記スライダ部材に搭載され、前記位置基準部材の基準
面とそれ自身との距離を検出する距離検出手段と、前記
ガイド部材の一端もしくはその近傍を支持する部材の鉛
直方向の位置を調整する可動機構と、前記距離検出手段
が検出した距離に基づいて、その変化を抑制するように
前記可動機構を位置決めする位置修正制御手段を設けた
ことを特徴とする。

【００１４】（請求項６）請求項５記載の摺動体の支持
装置において、前記位置修正制御手段が、前記スライダ
部材のガイド部材に沿う方向の位置と、前記距離検出手
段の検出した距離の基準値に対する変位量と、前記ガイ
ド部材の支点間の距離に基づいて、前記可動機構の基準
位置に対する位置修正量を決定することを特徴とする。

【００１５】（作用）例えば、図３に示すように支点１
と支点２の２点で両端が支持されたガイド３が存在し、
このガイド３に支持されたスライダ４が、ガイド３に案
内されてＸ軸方向に移動（摺動）する場合、スライダ４
のＺ方向位置はその基準位置（撓みがない場合のガイド
３の軸位置）に対して変位し、この際の変位量（δ１，
δ２）はスライダ４のＸ方向位置（ｘ１，ｘ２）に応じ
て変化する。つまり、ガイド３及びスライダ４の重量に
よってスライダ４に撓みが生じ、またスライダ４の移動
に伴ってガイド３に加わる荷重の配分が変化するので、
ガイド３の撓み形状と撓み量が動的に変化する。

【００１６】ガイドを支持する２つの支点１，２の少な
くとも一方の高さを調整可能に構成すれば、支点１，２
における高さの動的な修正によって、スライダ４の位置
に生じる変位を常に零にすることができる。例えば、図
６に示すように、支点１，２間の距離がＬ、スライダ４
の支点１からの距離がｘの場合に、一方の支点２のみの
高さ調整によりスライダ４における変位δを０にするた
めに必要な、支点２の高さ調整量ｚ０は、次式で表され
る。

【００１７】ｚ０＝δ・Ｌ／ｘ・・・（１）上記第１式におけるδはｘに応じて変わる。なお、両方
の支点１，２の高さを同じだけ調整する場合には、ｚ０
をδと同一にすればよい。（請求項１記載の発明の作用）請求項１では、位置検出
手段が検出したスライダ部材の摺動方向位置（ｘ）に基
づいて、上記ｚ０を決定し、ｚ０に従って可動機構を位
置決めすれば、前記ガイド部材の撓みによる前記スライ
ダ部材の鉛直方向の位置変位を修正することができる。

【００１８】（請求項２記載の発明の作用）請求項２で
は、予め定めた条件が成立すると（例えば電源投入直後
に）、前記Ｘ軸駆動手段により前記スライダ部材が駆動
され、スライダ部材の位置が変わる。そして、平行度自
動調整手段は、複数の位置で前記距離検出手段の検出し
た距離情報を入力し、入力した複数の距離情報に基づい
て求められる、前記測定対象物と前記ガイド部材との相
対的な傾きを小さくするように、前記可動機構の位置を
調整し該可動機構の基準位置を決定する。

【００１９】これにより、ガイド部材に沿う方向のアラ
イメント調整が自動化される。前記ガイド部材の撓みに
よる前記スライダ部材の鉛直方向の位置変位を修正する
ためのｚ０相当の可動部材の位置調整は、アライメント
調整によって決定された前記可動部材の基準位置に対す
る相対的な位置の修正として実施される。（請求項３記載の発明の作用）前記ガイド部材の撓みに
よる前記スライダ部材の鉛直方向の位置変位量を求める
には、比較的複雑な計算処理を必要とする。この計算処
理をスライダが微小距離移動する度に繰り返し実施する
ためには、高性能な計算機が不可欠である。

【００２０】しかし、請求項３では、特別に設けたメモ
リ手段に、前記ガイド部材の撓みによる前記スライダ部
材の鉛直方向の位置変位量、もしくはそれを修正するた
めの前記可動機構の位置修正量を、複数の位置について
それぞれ記憶することができるので、予め計算した結果
を前記メモリ手段に記憶しておくことにより、スライダ
の移動中の処理が単純化される。従って高性能な計算機
が不要になる。

【００２１】（請求項４記載の発明の作用）前記スライ
ダ部材のガイド部材に沿う方向の位置と、その位置での
前記ガイド部材の撓みによる鉛直方向の前記スライダ部
材の変位量と、前記ガイド部材の支点間の距離に基づい
て、前記可動機構の基準位置に対する位置修正量ｚ０を
決定するので、図６に示すように、一方の支点の位置を
調整するだけでも、スライダの位置の変位を零にしう
る。

【００２２】（請求項５記載の発明の作用）請求項５で
は、位置修正制御手段が、距離検出手段の検出した距離
が常に一定になるように前記可動機構を位置決めするの
で、スライダは前記位置基準部材の基準面と平行に移動
する。従って、位置基準部材がストレートマスタである
場合には、それの軸と平行にスライダが移動する。ガイ
ド部材に撓みが生じている場合でも、それの鉛直方向の
変位分は、前記可動部材の位置修正によって自動的に修
正されるので、スライダには鉛直方向の変位が生じな
い。

【００２３】位置基準部材は、ストレートマスタに限ら
ない。基準面が曲面の位置基準部材を用いれば、その曲
面形状に倣うようにスライダを移動させることができ
る。（請求項６記載の発明の作用）請求項６では、前記位置
修正制御手段が、前記スライダ部材のガイド部材に沿う
方向の位置と、前記距離検出手段の検出した距離の基準
値に対する変位量と、前記ガイド部材の支点間の距離に
基づいて、前記可動機構の基準位置に対する位置修正量
を決定する。つまり、フィードフォワード制御により可
動機構の目標位置を決定するので、高速で位置決めを実
施しうる。

【００２４】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）第１の実施の形態を、図１，図
２，図７及び図８に示す。この実施の形態は、請求項
１，請求項２，請求項３及び請求項４に対応する。超精
密平面度測定器の機構部外観を図１に示す。基礎定盤１
０は、環境温度変化の影響を受け難いようにグラナイト
で構成してあり、外部からの振動の影響を抑制するた
め、空気ばね式除振機構１１で支持されている。この基
礎定盤１０上に、測定対象物をＹ軸方向に移動するため
のＹ軸移動機構１２と、測定手段である微小変位計１３
をＹ軸と直交するＸ軸の方向に移動するＸ軸移動機構１
４とが構成されている。

【００２５】Ｙ軸移動機構１２は、Ｙ軸方向に摺動自在
なスライダ１５と、それをＹ軸に沿って案内するガイド
１６を備えている。剛性を高めるために、ガイド１６は
アルミナセラミックスで構成されている。また摺動抵抗
を小さくするため、スライダ１５とガイド１６との間の
間隙に空気を循環させて、スライダ１５をガイド１６か
ら僅かに浮かせるように構成されている。

【００２６】ガイド１６は、低熱膨張合金製の土台１７
を介して基礎定盤１０上に固定されている。スライダ１
５上にアライメント定盤１８が設置されている。測定対
象物はアライメント定盤１８上に配置される。測定時に
は、測定ピッチに合わせて細かく、かつ滑らかに加減速
しながらスライダ１５を移動する必要があるので、高精
度ボールねじ機構とＡＣサーボモータでなるＹ軸駆動機
構（図２の１８０）がスライダ１５に連結されている。

【００２７】Ｘ軸移動機構１４は、Ｙ軸移動機構１２を
またぐ形で構成されており、微小変位計１３を保持しＸ
軸方向に摺動自在なスライダ２１と、それをＸ軸に沿っ
て案内するガイド２２を備えている。ガイド２２はアル
ミナセラミックス製であり、その両端近傍が支柱２３及
び２４で支持されている。支柱２３及び２４はグラナイ
ト製である。また摺動抵抗を低減するため、スライダ２
１とガイド２２の間の間隙に空気を循環させて、スライ
ダ２１をガイド２２から僅かに浮かせるように構成され
ている。

【００２８】微小変位計１３は、スライダ２１の側面に
設けられた取付部２５に装着されている。取付部２５
は、測定対象物の高さに合わせて微小変位計１３の位置
を高さ方向（Ｚ方向）に調整するための調整機構（図示
せず）を備えている。測定時には、微小変位計１３を測
定範囲内で一定の速度でＸ軸方向に移動しながら、微小
変位計１３が出力するデータを読み取る必要があり、駆
動機構に起因する振動などの影響を極力排除しなければ
ならない。そこで、機械的な結合部を一切もたないＡＣ
リニアサーボモータからなるＸ軸駆動機構（図２の１６
０）が、スライダ２１の移動機構として備わっている。

【００２９】このＡＣリニアサーボモータは、スライダ
２１に内蔵された永久磁石とガイド２２に内蔵された多
数の電気コイルで構成されている。これらの電気コイル
に所定の交流電力を印加することにより、永久磁石が電
気コイルに沿って移動し、スライダ２１がＸ軸方向に移
動する。この例では、Ｙ軸移動機構１２のスライダ１５
とＸ軸移動機構１４のスライダ２１は、いずれも３００
ｍｍの移動ストロークを有している。

【００３０】図１のＸ軸移動機構１４の主要部分を拡大
して図２に示す。図２に示すように、ガイド２２はその
一端２２ａの近傍が支柱２３の凹部２３ａに位置し、他
端２２ｂの近傍は支柱２４の凹部２４ａに位置してい
る。そして、ガイド２２は、その一端２２ａが凹部２３
ａに配置された突起３１で支持され、他端２２ｂが凹部
２４ａに配置されたリニアアクチュエータ３２によりＺ
軸方向に移動可能に支持されている。

【００３１】ガイド２２は、断面が矩形の中空体に構成
してあり、その寸法は、Ｙ軸方向が0.08ｍ、Ｚ軸方向が
0.12ｍ、Ｘ軸方向は一端２２ａから他端２２ｂまでが
１．０ｍになっている。突起３１及びリニアアクチュエ
ータ３２の頂部（支持部）は、ガイド２２を支持するた
めに、Ｙ軸方向に０．１ｍ程度の長さを有している。ス
ライダ２１のＸ方向位置を検出するために、スライダ２
１の内部には、位置検出ユニット３５が備わっている。
この位置検出ユニット３５は、その検出面がガイド２２
に向けられた３つの反射型光学センサを内蔵している。
また、ガイド２２上の位置検出ユニット３５の各光学セ
ンサの検出面と対向する位置には、リニアスケール３６
及び図示しない２つの基準位置マークがそれぞれ形成さ
れている。

【００３２】リニアスケール３６は、一定の微小間隔で
バーコードのように明部と暗部とが交互に配列された光
学的なマークである。スライダ２１がＸ軸に沿って移動
する場合、一定の微小距離を移動する毎に、位置検出ユ
ニット３５の１つの光学センサがそれを検出し、１つの
パルス信号を出力する。この信号のパルス数を計数すれ
ば、スライダ２１のＸ方向の移動量が把握できる。

【００３３】位置検出ユニット３５の残りの２つの光学
センサは、スライダ２１の位置に関するＸ軸方向の基準
位置と限界位置を検出するために備わっている。基準位
置からの移動量を把握することで、スライダ２１の絶対
位置を知ることができる。限界位置は、スライダ２１の
機械的な移動範囲を制限するために利用される。リニア
アクチュエータ３２の縦断面を図７に示す。図７を参照
すると、リニアアクチュエータ３２にはガイド４１と該
ガイド４１の内空間４１ａに配置されたスライダ４２が
備わっている。スライダ４２は、ガイド４１に支持され
てＺ軸方向に摺動する。

【００３４】また摺動抵抗を低減するため、スライダ４
２とガイド４１の間の間隙に空気を循環させて、スライ
ダ４２をガイド４１から僅かに浮かせるように構成され
ている。スライダ４２の表面の一部分に永久磁石４３が
装着され、ガイド４１内壁の永久磁石４３と対向する部
分には、電気コイル４４が装着されている。永久磁石４
３と電気コイル４４とでリニアモータが形成されてい
る。即ち、電気コイル４４に所定の電力を印加すること
により、永久磁石４３が装着されたスライダ４２をＺ軸
方向に駆動することができる。

【００３５】スライダ４２の表面には、リニアスケール
４５と基準位置マーク４６が形成されている。ガイド４
１上に設けた反射型の光学センサ４７は、リニアスケー
ル４５と対向する位置に配置され、ガイド４１上の別の
位置に設けた反射型の光学センサ４８及び４９は、いず
れも基準位置マーク４６の通る位置に対向して配置され
ている。

【００３６】リニアスケール４６は、一定の微小間隔で
バーコードのように明部と暗部とが交互に配列された光
学的なマークである。スライダ４２がＺ軸方向に移動す
る場合、一定の微小距離を移動する毎に、光学センサ４
７がそれを検出し、１つのパルス信号を出力する。この
信号のパルス数を計数すれば、スライダ４２のＺ方向の
移動量が把握できる。

【００３７】２つの光学センサ４８及び４９は、基準位
置マーク４６の検出により、スライダ４２の位置に関す
るＺ軸方向の基準位置と限界位置を識別する。この基準
位置からの移動量を把握することで、スライダ４２の絶
対位置を知ることができる。限界位置は、スライダ４２
の機械的な移動範囲を制限するために利用される。リニ
アアクチュエータ３２は、非常に精度の高い位置決めが
できるように構成されている。但し、リニアアクチュエ
ータ３２に要求される移動ストロークは、１μｍ以下で
ある。

【００３８】再び図２を参照する。主制御ユニット１０
０は、市販の３２ビットパーソナルコンピュータに、ド
ライバ回路、センサアンプ、Ａ／Ｄ変換器などの一般的
なインターフェースと制御用の特別なソフトウェアプロ
グラムを搭載して構成したものである。主制御ユニット
１００は、Ｘ軸走査制御回路１５０を介してＸ軸走査機
構１６０を制御し、Ｙ軸走査制御回路１７０を介してＹ
軸走査機構１８０を制御し、更にリニアアクチュエータ
３２を駆動してその高さを制御する。

【００３９】Ｘ軸走査制御回路１５０は、所定の指示を
与えることにより、Ｘ軸駆動機構１６０の位置制御を実
施する。この位置制御により、スライダ２１は、Ｘ方向
の予め定めた範囲内を一定の速度で移動し、所定の走査
終了位置に達すると、走査開始位置まで戻るか、あるい
はその位置に止まるように制御される。Ｙ軸走査制御回
路１７０は、所定の指示を与えることにより、Ｙ軸駆動
機構１８０の位置制御を実施する。この位置制御によ
り、スライダ１５は、Ｙ方向に予め指定した微小距離だ
け移動して停止する。また、Ｙ方向の走査終了位置に達
すると、走査開始位置まで戻るか、あるいはその位置に
止まるように制御される。

【００４０】主制御ユニット１００の入力には、リニア
アクチュエータ３２の位置（高さ）を把握するために信
号Ｓ１（４７，４８，４９の各出力）が印加され、スラ
イダ２１のＸ方向位置を把握するために位置検出ユニッ
ト３５が出力する信号Ｓｐが印加され、更に微小変位計
１３の出力信号Ｓ３が印加される。次にＸ軸移動機構１
４のガイド２２の撓みによる微小変位計１３のＺ方向変
位を修正する原理について説明する。

【００４１】ガイド３をその両端２箇所の支点１，２で
支持する場合のガイド３とスライダ４の重量によるガイ
ド３撓み変形モデルを図４（Ｍ１）に示す。図４におい
て、Ｗｓはスライダ４の重量に相当する集中荷重
［Ｎ］、Ｗｇは単位長さ当たりのガイド３の重量に相当
する分布荷重［Ｎ／ｍ］を示す。また、Ｌはガイド３の
一端から他端までの長さ［ｍ］を示す。

【００４２】図４（Ｍ１）のモデルには、重ね合わせの
法則を適用できるので、これを図４に示す（Ｍ１ａ）と
（Ｍ１ｂ）の２つのモデルに分解できる。（Ｍ１ａ）は
分布荷重のみのモデルであり、（Ｍ１ｂ）は集中荷重の
みのモデルである。ここで、Ｅをヤング率（縦弾性係
数）［Ｎ／ｍ²］、Ｉを断面二次モーメント［ｍ⁴］とす
ると、モデル（Ｍ１ａ）における位置ｘ（支点１からの
距離）でのＺ方向変位Ｚ_1aは次に示す第２式で表わされ
る。また、モデル（Ｍ１ｂ）における位置ｘでのＺ方向
変位Ｚ_1bは次に示す第３式で表わされる。更にモデル
（Ｍ１）における位置ｘでのＺ方向変位Ｚ₁は次に示す
第４式で表わされる。また、第４式を変形すると第５式
が得られる。

【数１】モデル（Ｍ１）における位置ｘでのＺ方向変位Ｚ₁の計
算結果の例を、図５に示す。この例では、ガイド３の材
料をアルミナセラミックス、その密度を３９８０［Ｋｇ
／ｍ³］、ヤング率を４１２０［ＧＰａ］、スライダ４
の重さを１４５［Ｎ］として計算した。第４式又は第５
式において、特定の装置上で変化するのは、ｘとＷｓで
ある。微小変位計１３の重量が変化しなければ、Ｗｓも
変化しないので、微小変位計１３のＺ方向変位は、図５
に示されるようにスライダ２１のＸ方向位置（ｘ）のみ
によって定まる。

【００４３】そこで、図６に示すように、一方（両方で
も良い）の支点の高さをｚ０だけ変えてガイド３を故意
に傾斜させれば、微小変位計１３の位置でのＺ方向変位
を零にすることができる。微小変位計１３のＸ方向位置
をｘ、微小変位計１３の位置でのＺ方向変位をδとすれ
ば、調整すべき変位量ｚ０は、次の第６式で表される。ｚ０＝δ・Ｌ／ｘ・・・（６）図２に示す装置においては、リニアアクチュエータ３２
の高さ調整により、ガイド２２の一端の支点位置を変え
ることで、微小変位計１３の位置でのＺ方向変位を無く
することができる。

【００４４】図２に示す主制御ユニット１００が実行す
る制御（ソフトウェアの処理）の概要を図８に示す。図
８の各処理ステップの内容について説明する。なお、特
に指摘しない限り、処理をするのは主制御ユニット１０
０に内蔵されたマイクロコンピュータである。装置の電
源が投入されると、ステップ２０１でシステムの初期化
を実施する。ここで、スライダ１５はＹ方向の走査開始
位置に位置決めされ、スライダ２１はＸ方向の走査開始
位置に位置決めされ、リニアアクチュエータ３２のスラ
イダ４２はＺ方向の基準位置（基準位置マーク４６と光
学センサ４８との位置関係で決まる）に位置決めされ
る。

【００４５】また、予めハードディスクなどの補助記憶
装置上に用意されたデータテーブルの内容を、内部メモ
リ上にコピーする。このデータテーブルには、微小変位
計１３の種別と重量の関係を示す変換テーブルが含まれ
ている。ステップ２０２では、この装置に実際に装着さ
れている微小変位計１３の種別（番号など）をオペレー
タの入力操作によって入力する。

【００４６】ステップ２０３では、微小変位計１３の重
量を識別する。即ち、内部メモリ上の変換テーブルを参
照して、ステップ２０２で入力された種別の情報から重
量の情報を得る。ステップ２０４では、スライダ２１が
Ｘ方向の様々な位置（ｘ）にある時の、微小変位計１３
の位置でのＺ方向変位（図６のδに相当）を、前記第５
式に基づいてそれぞれ計算し、各々の計算結果を、内部
メモリ上に位置（ｘ）に対応付けてテーブルの形で記憶
する。

【００４７】この計算においては、ステップ２０３で得
た微小変位計１３の重量によって特定されるスライダ２
１の総重量が、Ｗｓとして利用される。ステップ２０５
では、Ｘ軸走査制御回路１５０に所定の指示を与え、ス
ライダ２１を駆動して、微小変位計１３をＸ軸方向に予
め定めた範囲内で走査する。そして、走査しながら、各
々の位置で微小変位計１３が出力する距離データを主制
御ユニット１００のメモリに記憶する。

【００４８】なお、ステップ２０５では、予めアライメ
ント定盤１８上に測定対象物が配置されていると想定し
ている。つまり、ステップ２０５では、微小変位計１３
と測定対象物との距離を各位置で測定する。ステップ２
０５の測定で得られた距離データには、ガイド２２の撓
みの影響が含まれている。また、ガイド２２の撓みによ
る微小変位計１３のＺ方向変位δの値は、ステップ２０
４で計算され、メモリ上にテーブルとして存在してい
る。

【００４９】そこで、ステップ２０６ではこのテーブル
を参照し、位置ｘに対応する変位δを入力し、測定結果
の距離データから変位δを減算して、補正された距離デ
ータを得る。ステップ２０７では、ステップ２０６で補
正されたＸ方向の各位置での距離データに基づいて、ガ
イド２２の傾きθを求める。具体的には、得られた多数
の距離データを最小二乗法を用いて処理し、図１２に示
すように、ガイド２２のＸ軸の測定対象物の面の近似軸
に対する相対的な傾きをθとして求める。

【００５０】ステップ２０８では、ステップ２０７で求
めた傾きθが０であるか否かを識別する。θが０で無け
ればステップ２０９に進み、ステップ２０５，２０６，
２０７の処理が繰り返される。ステップ２０９では、リ
ニアアクチュエータ３２の高さを調整して、ステップ２
０７で求めた傾きθが０に近づく方向に、ガイド２２の
傾きを修正する。即ち、次の第７式で求められる高さＨ
だけ、リニアアクチュエータ３２のスライダ４２の位置
を変更する。

【００５１】Ｈ＝Ｌ・tan θ ・・・（７）傾きθが０になるまで、ステップ２０５，２０６，２０
７，２０８，２０９の処理が繰り返される。θが０にな
ると、ステップ２０８から２１０に進む。ステップ２１
０では、傾きθが０になり、ガイド２２と測定対象物の
面とがＸ軸について平行になったので、この状態でのガ
イド２２の位置を原点に定める。即ち、リニアアクチュ
エータ３２のスライダ４２の現在位置を原点（あるいは
基準位置）として記憶する。また、微小変位計１３で測
定対象物との距離を測定しこのとき得られた距離を原点
の距離として記憶する。この原点の距離に対する相対的
な距離の変化が、測定すべき測定対象物の面の変位であ
る。

【００５２】上記処理によって、Ｘ軸方向のアライメン
ト調整が自動的に実施されたことになる。なお、Ｙ軸方
向のアライメントについては、アライメント定盤１８の
傾き調整によって修正することができる。オペレータに
よって所定の測定開始指示が与えられると、ステップ２
１１から２１２に進む。

【００５３】ステップ２１２では、Ｘ軸走査制御回路１
５０及びＹ軸走査制御回路１７０に所定の指示を与え、
Ｘ軸駆動機構１６０及びＹ軸駆動機構１８０を駆動し
て、微小変位計１３をＸ，Ｙ方向に走査する。測定中は
微小変位計１３をＸ軸方向に一定の速度で移動し、Ｙ軸
方向の移動は禁止する。ステップ２１３では、微小変位
計１３のＸ軸方向の現在位置（ｘ）を入力する。

【００５４】ステップ２１４では、ステップ２０４で作
成されたテーブルを参照し、位置ｘに対応する変位δを
入力する。そして、前記第６式に基づいて求められる位
置修正量ｚ０に相当する距離だけ、リニアアクチュエー
タ３２のスライダ４２をその原点に対して移動する。こ
れによって、図６の例と同様に、微小変位計１３の位置
でのスライダ２１のＺ方向変位が０になり、ガイド２２
の撓みの影響が打ち消される。

【００５５】ステップ２１２，２１３，２１４は繰り返
し実行されるので、スライダ２１のＸ方向位置が変わる
度に、その位置でのガイド２２の撓みの影響を無くする
ように、リニアアクチュエータ３２が駆動され、ガイド
２２の支点の位置が自動調整される。（第２の実施の形態）この形態の装置主要部の構成を図
９に示し、図９の主制御ユニット１０１の動作の概要を
図１０に示す。図９において、第１の実施の形態と同一
の構成要素には同一の符号を付して示してある。この形
態は、請求項５及び請求項６に対応する。

【００５６】図９を参照し、図２の構成に対し変更され
た部分について説明する。スライダ２１上には、検出軸
を上方に向けて配置した距離検出器６０が搭載してあ
り、この距離検出器６０の上方には、基準器６１が設置
してある。基準器６１は、その両端が支柱２３及び２４
で支持された板状の部材であり、距離検出器６０と対向
する下面に、基準面６１ａが形成されている。基準面６
１ａは、アライメント定盤１８上に配置される測定対象
物の被測定面の基準形状に沿った形に正確に形成されて
いる。

【００５７】この例では、基準器６１の基準面６１ａが
曲面に形成されているが、測定対象物の基準面が平面で
ある場合には、ストレートマスタのように平坦な基準面
が形成されたものを用いればよい。主制御ユニット１０
１は図２の主制御ユニット１００と同一の構成であり、
動作のみが異なる。主制御ユニット１０１の各ステップ
の動作について、図１０を参照して説明する。特に指摘
しない限り、処理を実施する主体は、主制御ユニット１
０１に内蔵されたマイクロコンビュータである。

【００５８】装置の電源が投入されると、ステップ３０
１でシステムの初期化を実施する。ここで、スライダ１
５はＹ方向の走査開始位置に位置決めされ、スライダ２
１はＸ方向の走査開始位置に位置決めされ、リニアアク
チュエータ３２のスライダ４２はＺ方向の基準位置（基
準位置マーク４６と光学センサ４８との位置関係で決ま
る）に位置決めされる。

【００５９】ステップ３０２では、Ｘ軸走査制御回路１
５０に所定の指示を与え、スライダ２１を駆動して、ス
ライダ２１上の距離検出器６０をＸ方向に一定の速度で
走査する。

【００６０】ステップ３０２を実行した後、スライダ２
１がＸ方向に所定の微小距離を移動する毎に、ステップ
３０３及び３０４を通り、ステップ３０５に進む。ステ
ップ３０５では、距離検出器６０により、それと基準器
６１の基準面６１ａとの距離を検出し、次のステップ３
０６では、検出された距離の値を、その時のＸ方向位置
に対応付けて内部メモリに記憶する。

【００６１】スライダ２１がＸ方向所定範囲の一端から
他端まで移動する間、ステップ３０３，３０４，３０
５，３０６の処理が繰り返される。この走査が終了する
と、ステップ３０７に進む。この時には、Ｘ方向の各位
置における、距離検出器６０と基準面６１ａとの距離を
示すデータが、メモリ上に保持されている。ステップ３
０７では、距離検出器６０と基準面６１ａとの距離を一
定にするために必要な、位置変位量δ（距離検出器６０
の位置でのＺ方向変位）をＸ方向の各位置について求め
る。

【００６２】δの決定方法には様々なものがあるが、こ
の例では、ステップ３０５で検出した多数の距離データ
の中の最大値と最小値との中間値と、各位置で検出した
距離との差分がδである。求めた各位置の位置変位量δ
は、Ｘ方向の位置に対応付けて各々内部メモリに記憶す
る。ステップ３０８では、現在の状態を原点として定め
る。所定の測定開始指示があると、ステップ３０９を通
ってステップ３１０に進む。

【００６３】ステップ３１０では、Ｘ軸走査制御回路１
５０及びＹ軸走査制御回路１７０に所定の指示を与え、
Ｘ軸駆動機構１６０及びＹ軸駆動機構１８０を駆動し
て、微小変位計１３及び距離検出器６０をＸ，Ｙ方向に
走査する。測定中は微小変位計１３をＸ軸方向に一定の
速度で移動し、Ｙ軸方向の移動は禁止する。ステップ３
１１では、微小変位計１３のＸ軸方向の現在位置（ｘ）
を入力する。なお、微小変位計１３と距離検出器６０の
Ｘ方向位置は同一である。

【００６４】ステップ３１２では、現在のＸ方向位置ｘ
に対応する位置変位量δ（ステップ３０７で求めたも
の）を、内部メモリを参照して入力する。そして、前記
第６式に基づいて求められる位置修正量ｚ０に相当する
距離だけ、リニアアクチュエータ３２のスライダ４２を
その原点に対して移動する。これによって、図６の例と
同様に、微小変位計１３の位置でのスライダ２１のＺ方
向変位が０になる。

【００６５】ステップ３１０，３１１，３１２は繰り返
し実行されるので、スライダ２１のＸ方向位置が変わる
度に、その位置で距離検出器６０と基準面６１ａとの距
離が一定になるように、リニアアクチュエータ３２が駆
動され、ガイド２２の支点の位置が自動調整される。こ
れにより、結果的に、ガイド２２の撓みによるスライダ
２１のＺ方向位置変位の影響は、変位検出器１３の測定
結果に現れない。測定対象物の基準面が曲面であって
も、その基準面に対する変位だけを測定することができ
る。

【００６６】なお、以上説明したいずれの実施の形態に
おいても、Ｘ方向の両端でガイド２２を支持する場合を
説明したが、例えば図１１に示すように、ガイド２２の
一端を固定して片持ち梁とし、さらにガイド２２の他端
をリニアアクチュエータ３２で支持する場合にも、リニ
アアクチュエータ３２の高さを調整することにより、ス
ライダ２１の位置でのガイド２２の撓みによるＺ方向変
位を無くすることができる。

【００６７】なお、以上に説明した実施の形態は各々一
例であり、例えば次のように変形しても同様に実施しう
る。リニアアクチュエータ３２の構造については、電気
モータの出力を精密ボールねじ機構を介して減速し、精
密ボールねじ機構の出力でスライダ４２を動かすように
変形しても良い。

【００６８】図８に示す処理においては、ステップ２１
４でδからｚ０を計算により求めているが、予めｚ０を
計算し、その結果をテーブルに登録しておき、ステップ
２１４では、Ｘ方向の現在位置に基づいて前記テーブル
を参照し、直接ｚ０を得るように変更しても良い。図２
及び図９の突起３１をリニアアクチュエータで構成し、
ガイド２２の両端の高さを同じだけ調整して、ガイドの
撓みによるスライダ２１の変位δを修正しても良い。そ
の場合、リニアアクチュエータの高さ調整量ｚ０は、変
位量δと同一になる。

【００６９】

【発明の効果】

（請求項１）ガイド部材の撓みによるスライダ部材の鉛
直方向位置変位が、測定に悪影響を及ぼすのを防止しう
る。（請求項２）ガイド部材に沿う方向のアライメント調整
が自動化される。

【００７０】（請求項３）予め計算した結果をメモリ手
段に記憶しておくことにより、スライダ部材の移動中の
処理が単純化される。従って高性能な計算機が不要にな
る。（請求項４）ガイド部材の一方の支点の位置を調整する
だけでも、スライダ部材の位置の変位を零にしうる。

【００７１】（請求項５）ガイド部材に撓みが生じてい
る場合でも、それの鉛直方向の変位分は、可動部材の位
置修正によって自動的に修正されるので、スライダには
鉛直方向の変位が生じない。（請求項６）フィードフォワード制御により可動機構の
目標位置を決定するので、高速で位置決めを実施しう
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】超精密平面度測定装置の機構部外観を示す斜視
図である。

【図２】Ｘ軸移動機構１２の主要部分を拡大して示すブ
ロック図である。

【図３】摺動体の支持装置の重量による撓みを示す模式
図である。

【図４】ガイドの撓み変形モデルを示す模式図である。

【図５】スライダの位置とＺ方向変位の例を示すグラフ
である。

【図６】スライダのＺ方向変位を修正する原理を示す模
式図である。

【図７】リニアアクチュエータ３２の構造を示す縦断面
図である。

【図８】主制御ユニット１００の動作を示すフローチャ
ートである。

【図９】Ｘ軸移動機構１２の主要部分を拡大して示すブ
ロック図である。

【図１０】主制御ユニット１０１の動作を示すフローチ
ャートである。

【図１１】ガイドの支持構造の概略を示す正面図であ
る。

【図１２】距離データと近似された面の傾きθの関係を
示す模式図である。

【図１３】公知技術の直定規を示す模式図である。

【符号の説明】

１０基礎定盤１１空気ばね式除振機構１２Ｙ軸移動機構１３微小変位計１４Ｘ軸移動機構１５，２１スライダ１６，２２ガイド１７土台１８アライメント定盤２３，２４支柱２２ａ一端２２ｂ他端２３ａ，２４ａ凹部３１突起３２リニアアクチュエータ３５位置検出ユニット３６リニアスケール４１ガイド４２スライダ４３永久磁石４４電気コイル４５リニアスケール４６基準位置マーク４７，４８，４９光学センサ６０距離検出器６１基準器６１ａ基準面１００，１０１主制御ユニット１５０Ｘ軸走査制御回路１６０Ｘ軸駆動機構１７０Ｙ軸走査制御回路１８０Ｙ軸駆動機構

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】それ自身の両端もしくはその近傍の少な
くとも２点が支持されたガイド部材と、該ガイド部材に
案内されて所定の方向に摺動自在なスライダ部材とから
なる摺動体の支持装置において、前記ガイド部材上における前記スライダ部材の摺動方向
位置を検出する位置検出手段と、前記ガイド部材の一端もしくはその近傍を支持する部材
の鉛直方向の位置を調整する可動機構と、前記ガイド部材の撓みによる前記スライダ部材の鉛直方
向の位置変位を修正するために、前記位置検出手段が検
出した位置情報に応じて決定した制御量に従って前記可
動機構を位置決めする位置修正制御手段を設けたことを
特徴とする摺動体の支持装置。
【請求項２】請求項１記載の摺動体の支持装置におい
て、前記ガイド部材に沿って配置される測定対象物の表面と
それ自身との距離を検出可能な距離検出手段を前記スラ
イダ部材に搭載し、前記スライダ部材の位置を前記ガイド部材に沿って移動
するＸ軸駆動手段を設け、予め定めた条件が成立した場合に、前記Ｘ軸駆動手段を
制御して、前記スライダ部材の位置を変えながら、複数
の位置で前記距離検出手段の検出した距離情報を入力
し、入力した複数の距離情報に基づいて、前記測定対象
物と前記ガイド部材との相対的な傾きを小さくするよう
に、前記可動機構の位置を調整して該可動機構の基準位
置を決定する、平行度自動調整手段を設けたことを特徴
とする摺動体の支持装置。
【請求項３】請求項１記載の摺動体の支持装置におい
て、前記ガイド部材の撓みによる前記スライダ部材の鉛
直方向の位置変位量、もしくはそれを修正するための前
記可動機構の位置修正量を、複数の位置についてそれぞ
れ記憶するためのメモリ手段を前記位置修正制御手段に
設けたことを特徴とする摺動体の支持装置。
【請求項４】請求項１記載の摺動体の支持装置におい
て、前記位置修正制御手段が、前記スライダ部材のガイ
ド部材に沿う方向の位置と、その位置での前記ガイド部
材の撓みによる鉛直方向の前記スライダ部材の変位量
と、前記ガイド部材の支点間の距離に基づいて、前記可
動機構の基準位置に対する位置修正量を決定することを
特徴とする摺動体の支持装置。
【請求項５】それ自身の両端もしくはその近傍の少な
くとも２点が支持されたガイド部材と、該ガイド部材に
案内されて所定の方向に摺動自在なスライダ部材とから
なる摺動体の支持装置において、前記ガイド部材上の各位置における前記スライダ部材の
鉛直方向の予め定められた基準位置と平行な基準面が形
成され、前記ガイド部材に沿う位置に設置された位置基
準部材と、前記スライダ部材に搭載され、前記位置基準部材の基準
面とそれ自身との距離を検出する距離検出手段と、前記ガイド部材の一端もしくはその近傍を支持する部材
の鉛直方向の位置を調整する可動機構と、前記距離検出手段が検出した距離に基づいて、その変化
を抑制するように前記可動機構を位置決めする位置修正
制御手段を設けたことを特徴とする摺動体の支持装置。
【請求項６】請求項５記載の摺動体の支持装置におい
て、前記位置修正制御手段が、前記スライダ部材のガイ
ド部材に沿う方向の位置と、前記距離検出手段の検出し
た距離の基準値に対する変位量と、前記ガイド部材の支
点間の距離に基づいて、前記可動機構の基準位置に対す
る位置修正量を決定することを特徴とする摺動体の支持
装置。