JP2005292037A

JP2005292037A - 角度測定装置

Info

Publication number: JP2005292037A
Application number: JP2004110134A
Authority: JP
Inventors: Toru Shimizu; 徹清水
Original assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Current assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Priority date: 2004-04-02
Filing date: 2004-04-02
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】被測定物の水平方向を軸とした回転角度を測定するに当たり、簡単な取り付けで高精度で測定することのできる角度測定装置を提供すること。
【解決手段】角度測定装置を筐体と、筐体に回転自在に支持された軸体と、軸体に取り付けられ、軸体と共に回転する平面鏡と、平面鏡にレーザー光を出射する投光部、平面鏡で反射されたレーザー光の入射ビームの角度変化を位置変化に変換するエフシータレンズ、及び受光部からなる検出部と、で構成し、測定時に軸体を被測定物に固定することにより筐体が重力方向に垂下し、軸体と筐体との相対的な回転角度が検出されるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、角度測定装置に関するもので、特に被測定物の水平方向を軸とした回転角度を測定する角度測定装置に関する。

従来、工作機械や半導体製造装置においては、ワークの基準面を水平面と一致させて加工を行う場合が多く、ワークを載置したテーブルを傾斜させてワークの姿勢を調節するチルチングテーブルが用いられている。このチルチングテーブルは、水平方向を軸として回転することによってワークの姿勢を調節するようになっている。

このチルチングテーブルの水平方向を軸とした回転角度をを高精度に測定する場合、従来は水準器を用いて傾きを測定する方法、又はチルチングテーブルに反射鏡を載置し、固定部分にオートコリメータをセットして角度を測定する方法が用いられていた。

また、チルチングテーブルの回転軸上に中心を合わせた円盤状の基準インクリメント板を設け、固定部分に基準インクリメント板の側面に形成されたインクリメントマークを読み取るセンサを設けた角度測定器も知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−１６６８２１号公報

しかし、従来の水準器を用いた傾き測定は測定可能な角度範囲に限定があり、反射鏡とオートコリメータとの組み合わせでは、反射鏡としてポリゴンミラーを用いれば測定可能角度範囲は十分であるが、オートコリメータを固定部にセットし、ポリゴンミラーとの光軸をあわせるのに時間を要するという問題があった。

また、前述の特許文献１に記載された方法では、被測定物の回転軸に基準インクリメント板を取り付けなければならず、更にセンサを固定部にセットし基準インクリメント板の側面との芯合わせをしなければならず、測定対象物に制約があると共に、測定の段取りに時間を要するという問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、被測定物の水平方向を軸とした回転角度を測定するに当たり、簡単な取り付けで高精度で測定することのできる角度測定装置を提供することを目的とする。

本発明は前記目的を達成するために、被測定物の水平方向を軸とした回転角度を測定する角度測定装置において、該角度測定装置の本体を形成する筐体と、該筐体に回転自在に支持された軸体と、該軸体に取り付けられ、軸体と共に回転する平面鏡と、投光部、入射ビームの角度変化を位置変化に変換するエフシータレンズ、及び受光部とを有し、前記筐体に取り付けられた検出部と、が設けられ、該検出部では前記投光部より前記平面鏡にレーザー光を出射し、前記平面鏡で反射されたレーザー光をエフシータレンズを介して前記受光部に導くように構成され、測定時は前記軸体が前記被測定物に固定されることにより、前記筐体が重力方向に垂下し、前記軸体と前記筐体との相対的な回転角度が検出されることを特徴としている。

本発明によれば、角度測定装置の軸体を前記被測定物に固定することにより角度測定装置の筐体が自重により重力方向に垂下し、軸体と筐体との相対的な回転角度が検出されて被測定物の水平方向を軸とした回転角度が測定されるので、簡単な取り付けで高精度な測定をすることができる。

また、本発明は、前記平面鏡がポリゴンミラーの１面であることを付加的要件としている。これによれば、測定可能な角度範囲が大きく取れる。

また、本発明は、前記受光部がラインセンサであることを付加的要件としている。これによれば、ポリゴンミラー面の傾きの変化をレーザー光の位置の変化に変換し、その位置の変化をラインセンサで検出するので、検出データの処理が容易である。

また、本発明は、前記筐体には、前記被測定物の回転角度を演算する処理部が組込まれていることを付加的要件としている。これによれば、被測定物の回転角度を演算する処理部が角度測定装置の筐体内に組込まれているので、外部の処理装置に接続することなく回転角度を演算することができる。

以上説明したように本発明の角度測定装置によれば、角度測定装置の軸体を前記被測定物に固定することにより角度測定装置の筐体が自重により重力方向に垂下し、軸体と筐体との相対的な回転角度が検出されて被測定物の水平方向を軸とした回転角度が測定されるので、角度測定装置の取り付けが簡単で、高精度な測定を容易に行うことができる。

以下添付図面に従って本発明に係る角度測定装置の好ましい実施の形態について詳説する。尚、各図において同一部材には同一の番号または記号を付している。

図１は、本発明の角度測定装置の構成を概念的に表わしたもので、図２は図１におけるＡ−Ａ断面図である。

角度測定装置１０は、図１に示すように、本体を形成する筐体、筐体に後出のベアリングを介して回転自在に支持された軸体１２、軸体に固定された平面鏡であるポリゴンミラー１３、ポリゴンミラー１３の回転角度を検出する検出部１４、検出部からの検出データを処理して角度を算出する処理部３１、算出された測定データを表示する表示部３４、及び外部に信号を出力する出力部３５等から構成されている。

検出部１４は、投光部であるレーザーダイオード１５、コリメートレンズ１６、ミラー１７、エフシータレンズ（ｆθレンズ）１８、及び受光部であるラインセンサ１９を有している。また、処理部３１は、ラインセンサ１９のデータをカウントするカウンタ３２、及びカウンタ３２によるカウント値から角度を演算する演算器３３を有している。

図２に示すように、筐体１１は、枠体１１Ａ、後板１１Ｂ、前板１１Ｃとからなっており、後板１１Ｂ及び前板１１Ｃの夫々に取り付けられたベアリング２１で軸体１２を回転自在に支持している。

軸体１２にはポリゴンミラー１３が、夫々螺子２３によって軸体１２に固定される２個の固定リング２２、２２で挟み込まれて、軸体１２に固定支持されている。

図３は、エフシータレンズ１８の機能を説明するための概念図である。エフシータレンズ１８は、２枚のレンズ面の曲率を変えることにより、レンズの周辺部と中心部とで走査速度が一定になるように設計されたものである。そのため、エフシータレンズ１８の焦点距離ｆの位置から入射されるビームの入射角度（θラジアン）に比例した理想像高（ｙ）が得られ、ｙ＝ｆθの関係を有している。

従って、図３に示すように、エフシータレンズ１８の焦点距離ｆの位置に反射面を有するポリゴンミラー１３を回転させた場合、エフシータレンズ１８への反射光ビームの入射角度の変化がエフシータレンズ１８の径方向の位置変化に変換されるので、反射光ビームをエフシータレンズ１８の径方向で検出することにより反射面の回転角度を算出することができ、また、反射面１面相当分のエフシータレンズ１８の径方向のスキャン幅も検出することができる。

また、エフシータレンズ１８の径方向におけるスキャン回数をカウントすることにより、対応した反射面の数が分るので、ポリゴンミラー１３の回転数も算出することができる。

図４は、このエフシータレンズ１８を用いてポリゴンミラー１３の回転角度を算出する方法を表わしたもので、図４（ａ）はポリゴンミラー１３の回転前の状態を表わしている、また、図４（ｂ）はポリゴンミラー１３が回転して、ポリゴンミラー１３の複数の反射面からの反射光ビームがラインセンサ１９上をスキャンしている状態を表わし、図４（ｃ）はポリゴンミラー１３が所定角度回転した後の状態を表わしている。

図において、ｆはエフシータレンズ１８の焦点距離、Ｌは反射光ビームによるラインセンサ１９上のスキャン幅、αはポリゴンミラー１３の回転前の状態における反射光ビームのラインセンサ１９上のスキャン幅最下端からの位置、βはポリゴンミラー１３が所定角度回転した後の、反射光ビームのラインセンサ１９上のスキャン幅最上端からの位置、ｍはラインセンサ１９上の反射光ビームによるスキャン回数を表わしている。

また、ポリゴンミラー１３がｎ個の反射面を有するｎ面反射体の場合、反射面１面に相当する角度は（３６０／ｎ）度で表わされるから、ポリゴンミラー１３の回転角度Ｒ（度）は次式（１）

で求められる。

なお、前出の図３、及び図４において、ポリゴンミラー１３に対する入射側ビームの記載は省略してある。

次に、本発明に係る角度測定装置１０の作用について説明する。図５は工作機械等のチルチングテーブルの水平方向を軸とした回転角度を測定する状態を表わしている。チルチングテーブル５４は、一端の側面で移動テーブル５１の上面に取り付けられた２個のブロック５２、５２に設けられたピン５３、５３に回転可能に支持され、他端側で図示しないモータ等の駆動手段によって回転される螺子部材５５に当接されており、螺子部材５５の回転によりチルチングされるようになっている。

角度測定装置１０は、その軸体１２をチルチングテーブル５４の側面に形成された穴５４Ａに挿入し、ねじ５４Ｂによって締め付けられてチルチングテーブル５４に取り付けられる。

角度測定装置１０の軸体１２がチルチングテーブル５４に固定されると、角度測定装置１０は自重によって軸体１２を支点として重力方向に垂下する。このため、軸体１２に固定されたポリゴンミラー１３と重力方向に垂下した筐体１１との相対的な角度変化を求めることにより、チルチングテーブル５４の角度変化を求めることができる。

この状態で図１に示すように、レーザーダイオード１５からレーザー光が照射され、コリメートレンズによってレーザービームＢに絞られてポリゴンミラー１３に照射される。

ポリゴンミラー１３に照射されたレーザービームＢはミラー１７で方向を変えられてエフシータレンズ１８に入射する。ここでレーザービームＢはエフシータレンズ１８の光軸方向に向きを変えられてラインセンサ１９に入射する。ラインセンサ１９はこのレーザービームＢの位置情報を処理部３１に出力し、処理部３１では図示しないメモリに初期位置として記憶する。

次に、図示しないモータ等の駆動手段によって螺子部材５５が回転され、チルチングテーブル５４が所定角度回転する。この間、レーザービームＢはラインセンサ１９内をスキャンするので、ラインセンサ１９の各ピクセルは次々と検出信号を処理部３１に出力し、出力された検出信号は処理部３１のカウンタ３２でカウントされ、このカウント値を基に演算器３３がポリゴンミラー１３の回転角度、即ちチルチングテーブル５４の回転角度を算出する。

なお、ポリゴンミラー１３の各面の角度偏差は予め測定しておき、既知のデータとして処理部３１に記憶させ、回転角度の算出時にこの偏差分を補正する。

算出された測定結果は角度測定装置１０の表示部３４に表示されると共に、出力部３５から外部に出力される。この出力部３５は、角度測定装置１０が重力方向に垂下する時に信号線による抵抗なくすため、無線で出力するのが好ましい。同様の理由で、角度測定装置１０の筐体１１内にバッテリーを搭載し、筐体１１内の各部材をバッテリー駆動とすることが好ましい。

このように、図示しない工作機械の制御装置によって制御されるチルチングテーブル５４の傾斜精度を容易に測定することができる。

また、図６に示すように、角度測定装置１０の軸体１２に取り付け面２４Ａが形成された固定ブロック２４をねじ等で取り付け、角度測定装置１０を取り付け面２４Ａで水平面に取り付けたときの、ラインセンサ上におけるレーザービームＢの検出位置を記憶しておくことにより（原点位置記憶）、被測定物の水平面に対する傾斜角度も容易に測定することができる。

この場合、被測定物の水平面に対する傾斜角度が小さく、ポリゴンミラー１３の反射面１面のみのスキャンで済む場合は、角度測定装置１０を固定ブロック２４で被測定物に取り付けるだけでよい。

更に、軸体１２の固定ブロック２４を取り付けた側と逆方向の端面に指標２５を設け、前板１１Ｃに角度測定装置１０を水平面に取り付けたときに指標２５と合致する合いマーク２６を付しておくことにより、被測定物の水平面に対する傾斜角度が大きくてポリゴンミラー１３の複数の反射面を使用する場合の水平面に対する傾斜角度の測定も行うことができる。

この場合は、角度測定装置１０を固定ブロック２４の取り付け面２４Ａで被測定物に取り付け、軸体１２に設けた指標２５と前板１１Ｃに設けた合いマーク２６とが一致する位置に角度測定装置１０を回転させて支持し、この位置でラインセンサ１９からの信号のカウントを開始する。それから徐々に角度測定装置１０の姿勢を重力方向まで戻し、そこまでのカウント値から被測定物の水平面に対する傾斜角度が算出されるようにすればよい。

この場合、処理部３１では原点位置記憶で原点を記憶しているので、ラインセンサ１９の各ピクセルで検知する信号のカウントを原点からカウントすることができるので、指標２５と合いマーク２６との一致が多少不正確であっても、精度よく傾斜角度を測定することができる。

また、固定ブロック２４の取り付け面２４Ａにマグネット材を埋設しておけば、角度測定装置１０の被測定物への取り付けがより一層容易になる。

なお、前述の実施の形態では、角度検出にレーザー光を用いたが、本発明はレーザー光に限らず集光された光を用いてもよい。

また、前述の実施形態では、被測定物としてチルチングテーブル５４の例で説明したが、本発明の角度測定装置１０はこれに限らず、種々の被測定物の水平方向を軸とした回転角度や傾きを容易に測定することができる。

本発明の実施の形態に係る角度測定装置の構成を表わす概念図図１におけるＡ−Ａ断面図エフシータレンズの機能を説明する概念図角度測定原理を説明する概念図角度測定装置の使用状態を表わす斜視図実施形態の変形例を表わす断面図

符号の説明

１０…角度測定装置、１１…筐体、１２…軸体、１３…ポリゴンミラー（平面鏡）、１４…検出部、１５…レーザーダイオード（投光部）、１８…エフシータレンズ、１９…ラインセンサ（受光部）、３１…処理部、Ｂ…レーザービーム（レーザー光）

Claims

被測定物の水平方向を軸とした回転角度を測定する角度測定装置において、
該角度測定装置の本体を形成する筐体と、
該筐体に回転自在に支持された軸体と、
該軸体に取り付けられ、軸体と共に回転する平面鏡と、
投光部、入射ビームの角度変化を位置変化に変換するエフシータレンズ、及び受光部とを有し、前記筐体に取り付けられた検出部と、が設けられ、
該検出部では前記投光部より前記平面鏡にレーザー光を出射し、前記平面鏡で反射されたレーザー光をエフシータレンズを介して前記受光部に導くように構成され、
測定時は前記軸体が前記被測定物に固定されることにより、前記筐体が重力方向に垂下し、前記軸体と前記筐体との相対的な回転角度が検出されることを特徴とする角度測定装置。
前記平面鏡がポリゴンミラーの１面である、請求項１に記載の角度測定装置。
前記受光部がラインセンサである、請求項１又は請求項２に記載の角度測定装置。
前記筐体には、前記被測定物の回転角度を演算する処理部が組込まれていることを特徴とする、請求項１、２、又は３のうちいずれか１項に記載の角度測定装置。