JP3202183B2 - レーザ光を用いたスケール及び測長方法 - Google Patents
レーザ光を用いたスケール及び測長方法Info
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- JP3202183B2 JP3202183B2 JP28325497A JP28325497A JP3202183B2 JP 3202183 B2 JP3202183 B2 JP 3202183B2 JP 28325497 A JP28325497 A JP 28325497A JP 28325497 A JP28325497 A JP 28325497A JP 3202183 B2 JP3202183 B2 JP 3202183B2
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
- G01B9/02—Interferometers
- G01B9/02049—Interferometers characterised by particular mechanical design details
- G01B9/02052—Protecting, e.g. shock absorbing, arrangements
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C3/00—Measuring distances in line of sight; Optical rangefinders
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- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ光を用いた
スケール及び測長方法、特に空気の揺らぎや温度変化の
影響を抑制した超精密のスケール及び測長方法に関す
る。
スケール及び測長方法、特に空気の揺らぎや温度変化の
影響を抑制した超精密のスケール及び測長方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来より、半導体製造装置の一つである
ステッパや工作機械のＮＣ旋盤等には移動台位置や刃物
位置を検出するためにスケールが用いられている。この
スケールには、レーザ光の干渉を利用する光干渉方式
と、物体上に記録された目盛りを読み取る方式に大別さ
れる。
ステッパや工作機械のＮＣ旋盤等には移動台位置や刃物
位置を検出するためにスケールが用いられている。この
スケールには、レーザ光の干渉を利用する光干渉方式
と、物体上に記録された目盛りを読み取る方式に大別さ
れる。
【０００３】光干渉方式は、基準が光の波長となるため
に正確であり、かつストロークに依存しない利点がある
が、その反面空気中で用いた場合には空気の揺らぎ等の
影響を受けるため高速の位置決めには用いることができ
ない欠点がある。
に正確であり、かつストロークに依存しない利点がある
が、その反面空気中で用いた場合には空気の揺らぎ等の
影響を受けるため高速の位置決めには用いることができ
ない欠点がある。
【０００４】物体上に記録された目盛りを読み取る方式
は、磁気スケールやガラススケールに代表されるもの
で、物体上に記録された磁気や、光の反射率や透過率の
異なる物質からなる目盛りを何らかの方法により読み取
るものであるため、空気の揺らぎの影響を受けることな
く高速位置決めが可能であるが、その反面物体の目盛り
間隔が物体の熱膨張により異なるという欠点がある。
は、磁気スケールやガラススケールに代表されるもの
で、物体上に記録された磁気や、光の反射率や透過率の
異なる物質からなる目盛りを何らかの方法により読み取
るものであるため、空気の揺らぎの影響を受けることな
く高速位置決めが可能であるが、その反面物体の目盛り
間隔が物体の熱膨張により異なるという欠点がある。
【０００５】
【発明は解決しようとする課題】このように、従来のス
ケールでは、空気の揺らぎや温度変化に影響を受け、高
速かつ高精度に長さを測定することができない問題があ
った。
ケールでは、空気の揺らぎや温度変化に影響を受け、高
速かつ高精度に長さを測定することができない問題があ
った。
【０００６】本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑
みなされたものであり、その目的は、空気の揺らぎや温
度変化に影響を受けない超高精度のスケール及び測長方
法を提供することにある。
みなされたものであり、その目的は、空気の揺らぎや温
度変化に影響を受けない超高精度のスケール及び測長方
法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１の発明は、長手方向に沿って均一な熱膨張をも
たらす構造体と、前記構造体の外壁に設けられる目盛り
と、前記構造体の長手方向の長さを測定する光波干渉計
と、前記目盛りが設けられた部分の温度を検出する複数
の温度検出手段と、前記光波干渉計で測定された長さが
所定値となるように前記構造体の温度を変化させる温度
制御手段と、前記複数の温度検出手段で検出された温度
分布に基づいて前記目盛りの間隔を補正する演算手段と
を有することを特徴とする。構造体の長さを所定値とす
ることで、構造体全体の温度の影響を除去し、さらに目
盛り部分の温度分布に基づいて目盛り間隔を補正するこ
とで、微少な温度分布の影響も除去して正確な測長が可
能となる。
に、第１の発明は、長手方向に沿って均一な熱膨張をも
たらす構造体と、前記構造体の外壁に設けられる目盛り
と、前記構造体の長手方向の長さを測定する光波干渉計
と、前記目盛りが設けられた部分の温度を検出する複数
の温度検出手段と、前記光波干渉計で測定された長さが
所定値となるように前記構造体の温度を変化させる温度
制御手段と、前記複数の温度検出手段で検出された温度
分布に基づいて前記目盛りの間隔を補正する演算手段と
を有することを特徴とする。構造体の長さを所定値とす
ることで、構造体全体の温度の影響を除去し、さらに目
盛り部分の温度分布に基づいて目盛り間隔を補正するこ
とで、微少な温度分布の影響も除去して正確な測長が可
能となる。
【０００８】また、第２の発明は、第１の発明におい
て、前記温度制御手段は、前記構造体の長手方向に沿っ
て設けられ、印加電流に応じて発熱する電気抵抗体と、
前記電気抵抗体に電流を供給する電流供給手段とを有す
ることを特徴とする。
て、前記温度制御手段は、前記構造体の長手方向に沿っ
て設けられ、印加電流に応じて発熱する電気抵抗体と、
前記電気抵抗体に電流を供給する電流供給手段とを有す
ることを特徴とする。
【０００９】また、第３の発明は、第１、第２の発明に
おいて、前記光波干渉計は、前記構造体の一端に対応し
て固定されたビームスプリッタ及び前記ビームスプリッ
タに対して相対的に固定された参照面反射器と、前記構
造体の他端に対応して固定された被検面反射器と、参照
面側の参照分岐光と被検面側の信号分岐光路との光路差
を検出する光路差検出器とを有することを特徴とする。
おいて、前記光波干渉計は、前記構造体の一端に対応し
て固定されたビームスプリッタ及び前記ビームスプリッ
タに対して相対的に固定された参照面反射器と、前記構
造体の他端に対応して固定された被検面反射器と、参照
面側の参照分岐光と被検面側の信号分岐光路との光路差
を検出する光路差検出器とを有することを特徴とする。
【００１０】また、第４の発明は、第３の発明におい
て、前記参照分岐光の光路と前記信号分岐光の光路の少
なくともいずれかは光導波路で構成されていることを特
徴とする。
て、前記参照分岐光の光路と前記信号分岐光の光路の少
なくともいずれかは光導波路で構成されていることを特
徴とする。
【００１１】また、第５の発明は、第４の発明におい
て、前記光導波路は光ファイバであることを特徴とす
る。
て、前記光導波路は光ファイバであることを特徴とす
る。
【００１２】また、第６の発明は、構造体の長手方向に
沿って設けられた目盛りを用いて長さを測定する測長方
法であって、光波干渉計を用いて前記構造体の長さを測
定するステップと、前記構造体の長さが所定値となるよ
うに前記構造体の温度を調整するステップと、前記目盛
り部分の温度分布を測定するステップと、前記温度分布
に応じて前記目盛りの間隔を補正することにより長さを
測定するステップとを有することを特徴とする。
沿って設けられた目盛りを用いて長さを測定する測長方
法であって、光波干渉計を用いて前記構造体の長さを測
定するステップと、前記構造体の長さが所定値となるよ
うに前記構造体の温度を調整するステップと、前記目盛
り部分の温度分布を測定するステップと、前記温度分布
に応じて前記目盛りの間隔を補正することにより長さを
測定するステップとを有することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、図面に基づき本発明の実施
形態について、位置検出器を例にとり説明する。
形態について、位置検出器を例にとり説明する。
【００１４】図１には、本実施形態の概念構成図が示さ
れている。スケールの本体として石英ガラスなどの構造
体１０が設けられ、この構造体の長さを検出するための
光波干渉計１２が設けられている。光波干渉計１２から
の出力、すなわち構造体１０の長さデータは、スケール
外部に設けられたコンピュータ１８に供給される。
れている。スケールの本体として石英ガラスなどの構造
体１０が設けられ、この構造体の長さを検出するための
光波干渉計１２が設けられている。光波干渉計１２から
の出力、すなわち構造体１０の長さデータは、スケール
外部に設けられたコンピュータ１８に供給される。
【００１５】また、構造体１０には複数の温度センサ１
４が配置されており、その温度分布が検出される。な
お、後述するように、温度センサ１４は正確には構造体
１０に設けられた目盛り部分に配置され、目盛り部分の
温度分布を検出するようになっている。複数の温度セン
サ１４で検出されたそれぞれの温度データは温度センサ
入力切替器１６に入力され、温度分布データとしてコン
ピュータ１８に供給される。
４が配置されており、その温度分布が検出される。な
お、後述するように、温度センサ１４は正確には構造体
１０に設けられた目盛り部分に配置され、目盛り部分の
温度分布を検出するようになっている。複数の温度セン
サ１４で検出されたそれぞれの温度データは温度センサ
入力切替器１６に入力され、温度分布データとしてコン
ピュータ１８に供給される。
【００１６】また、構造体１０には構造体１０を加熱膨
張させるための電気抵抗体１５が設けられており、この
電気抵抗体１５にはドライバ２０から電流が供給され
る。ドライバ２０はコンピュータ１８からの制御信号に
より駆動される。すなわち、電気抵抗体１５、ドライバ
２０及びコンピュータ１８が温度制御手段として機能す
る。
張させるための電気抵抗体１５が設けられており、この
電気抵抗体１５にはドライバ２０から電流が供給され
る。ドライバ２０はコンピュータ１８からの制御信号に
より駆動される。すなわち、電気抵抗体１５、ドライバ
２０及びコンピュータ１８が温度制御手段として機能す
る。
【００１７】また、構造体１０に対向して位置検出部２
２及びスライダ２４が設けられ、光電式や静電容量式、
磁気式などの各検出方式により構造体１０に設けられた
目盛りの読み、すなわち原点からの位置が検出され、コ
ンピュータ１８に供給される。
２及びスライダ２４が設けられ、光電式や静電容量式、
磁気式などの各検出方式により構造体１０に設けられた
目盛りの読み、すなわち原点からの位置が検出され、コ
ンピュータ１８に供給される。
【００１８】コンピュータ１８は、光波干渉計１２から
の検出信号に基づき、構造体１０の長さが所定値となる
ようにドライバ２０に制御信号を出力し、電気抵抗体１
５に電流を供給して構造体１０を加熱膨張せしめる。ま
た、構造体１０の目盛り部分の温度分布に基づいて、位
置検出部２２で検出された位置を補正して温度分布に依
存しない正確な位置を算出する。算出された位置検出結
果は、ディスプレイなどの表示器２６に供給され、表示
される。
の検出信号に基づき、構造体１０の長さが所定値となる
ようにドライバ２０に制御信号を出力し、電気抵抗体１
５に電流を供給して構造体１０を加熱膨張せしめる。ま
た、構造体１０の目盛り部分の温度分布に基づいて、位
置検出部２２で検出された位置を補正して温度分布に依
存しない正確な位置を算出する。算出された位置検出結
果は、ディスプレイなどの表示器２６に供給され、表示
される。
【００１９】図２には、図１におけるスケール部分の斜
視図が示されている。構造体１０の外壁には長手方向に
沿って目盛り１１が設けられている。また、上述したよ
うに、この目盛り１１が設けられた部位の温度を検出す
るための複数の温度センサ１４が設けられており、図に
おいては目盛り１１の両側に配置されている。また、構
造体１０の内部にその光路が位置するように光波干渉計
１２が設けられており、その構成要素は以下の通りであ
る。
視図が示されている。構造体１０の外壁には長手方向に
沿って目盛り１１が設けられている。また、上述したよ
うに、この目盛り１１が設けられた部位の温度を検出す
るための複数の温度センサ１４が設けられており、図に
おいては目盛り１１の両側に配置されている。また、構
造体１０の内部にその光路が位置するように光波干渉計
１２が設けられており、その構成要素は以下の通りであ
る。
【００２０】すなわち、光波干渉計１２は、構造体１０
の一端に固定して設けられ入射したレーザ光を透過及び
直角方向に反射させるビームスプリッタ１２ａと、ビー
ムスプリッタ１２ａで反射されたレーザ光を反射させる
参照面反射器１２ｂと、ビームスプリッタ１２ａを透過
したレーザ光を収束するレンズ系１２ｃと、レーザ光を
導く光ファイバ１２ｄと、構造体１０の終端に設けられ
レーザ光を反射する被検面反射器１２ｅと、参照面反射
器１２ｂで反射されたレーザ光（参照分岐光）と被検面
反射器１２ｅで反射されたレーザ光（信号分岐光）がと
もに入射し、その光路差を検出する光路差検出器１２ｆ
とを含んで構成されている。
の一端に固定して設けられ入射したレーザ光を透過及び
直角方向に反射させるビームスプリッタ１２ａと、ビー
ムスプリッタ１２ａで反射されたレーザ光を反射させる
参照面反射器１２ｂと、ビームスプリッタ１２ａを透過
したレーザ光を収束するレンズ系１２ｃと、レーザ光を
導く光ファイバ１２ｄと、構造体１０の終端に設けられ
レーザ光を反射する被検面反射器１２ｅと、参照面反射
器１２ｂで反射されたレーザ光（参照分岐光）と被検面
反射器１２ｅで反射されたレーザ光（信号分岐光）がと
もに入射し、その光路差を検出する光路差検出器１２ｆ
とを含んで構成されている。
【００２１】図３には、図２に示された光波干渉計１２
の原理図が示されている。これは、一般にはマイケルソ
ン干渉計と呼ばれるもので、光源からのレーザ光はビー
ムスプリッタ１２ａによりその一部が直角方向に反射
し、参照面反射器（固定鏡）１２ｂにより反射し、戻り
のレーザ光が光路差検出器（フォトディテクタ）１２ｆ
に入射する。一方、残りの光はビームスプリッタ１２ａ
を透過し被検面反射器（移動鏡）１２ｅにより反射し、
ビームスプリッタ１２ａで直角方向に反射して同様に光
路差検出器１２ｆに入射する。光路差検出器１２ｆに入
射するこれらの光は、２つの異なった光路を通過したも
のであり、その光路差に応じて干渉をおこす。すなわ
ち、光路差がレーザ光の波長の半分の整数倍変化する毎
に干渉光は強弱を繰り返す。従って、このレーザ光の強
弱を電気信号に変換することで、被検面反射器（移動
鏡）１２ｅの動きを電気信号として検出することがで
き、これにより基準位置（原点）から被検面反射器（移
動鏡）１２ｅまでの距離、すなわち構造体１０の長手方
向の長さを検出することができる。
の原理図が示されている。これは、一般にはマイケルソ
ン干渉計と呼ばれるもので、光源からのレーザ光はビー
ムスプリッタ１２ａによりその一部が直角方向に反射
し、参照面反射器（固定鏡）１２ｂにより反射し、戻り
のレーザ光が光路差検出器（フォトディテクタ）１２ｆ
に入射する。一方、残りの光はビームスプリッタ１２ａ
を透過し被検面反射器（移動鏡）１２ｅにより反射し、
ビームスプリッタ１２ａで直角方向に反射して同様に光
路差検出器１２ｆに入射する。光路差検出器１２ｆに入
射するこれらの光は、２つの異なった光路を通過したも
のであり、その光路差に応じて干渉をおこす。すなわ
ち、光路差がレーザ光の波長の半分の整数倍変化する毎
に干渉光は強弱を繰り返す。従って、このレーザ光の強
弱を電気信号に変換することで、被検面反射器（移動
鏡）１２ｅの動きを電気信号として検出することがで
き、これにより基準位置（原点）から被検面反射器（移
動鏡）１２ｅまでの距離、すなわち構造体１０の長手方
向の長さを検出することができる。
【００２２】一方、図４には、構造体１０の断面図が示
されている。構造体１０には溝が形成され、溝内には上
述した光ファイバ１２ｄが構造体１０のほぼ中央に位置
するように埋め込まれている。また、構造体１０と光フ
ァイバ１２ｄは温度変化による伸縮の際、一体となって
伸縮するように接着剤１３により強固に接着されてい
る。光波干渉計１２で用いられるレーザ光束は一般に径
が２〜５ｍｍ程度であり、光ファイバ１２ｄのコア径は
１０〜５０μｍ程度に設定される。なお、光ファイバ１
２ｄは、レーザ光を損失なく伝搬させるために用いら
れ、一般的には光導波路と呼ばれる。
されている。構造体１０には溝が形成され、溝内には上
述した光ファイバ１２ｄが構造体１０のほぼ中央に位置
するように埋め込まれている。また、構造体１０と光フ
ァイバ１２ｄは温度変化による伸縮の際、一体となって
伸縮するように接着剤１３により強固に接着されてい
る。光波干渉計１２で用いられるレーザ光束は一般に径
が２〜５ｍｍ程度であり、光ファイバ１２ｄのコア径は
１０〜５０μｍ程度に設定される。なお、光ファイバ１
２ｄは、レーザ光を損失なく伝搬させるために用いら
れ、一般的には光導波路と呼ばれる。
【００２３】本実施形態におけるスケールを用いた位置
検出器は以上のような構成であり、以下その動作につい
て説明する。
検出器は以上のような構成であり、以下その動作につい
て説明する。
【００２４】まず、光波干渉計１２でスケール本体であ
る構造体１０の長さを検出し、コンピュータ１８に供給
する。コンピュータ１８は、検出された構造体１０の長
さと所定値（基準温度における規定長）とを比較し、構
造体１０の長さが所定値となるようにドライバ２０に制
御信号を出力する。ドライバ２０は、この制御信号を受
けて電気抵抗体１５に電流を供給し、構造体１０をほぼ
一様に加熱する。
る構造体１０の長さを検出し、コンピュータ１８に供給
する。コンピュータ１８は、検出された構造体１０の長
さと所定値（基準温度における規定長）とを比較し、構
造体１０の長さが所定値となるようにドライバ２０に制
御信号を出力する。ドライバ２０は、この制御信号を受
けて電気抵抗体１５に電流を供給し、構造体１０をほぼ
一様に加熱する。
【００２５】構造体１０を加熱することにより構造体１
０の長さが所定値となった後、コンピュータ１８は、さ
らに温度センサ入力切替器１６からの温度分布に基づ
き、構造体１０に設けられた目盛り１１の間隔を補正す
る。
０の長さが所定値となった後、コンピュータ１８は、さ
らに温度センサ入力切替器１６からの温度分布に基づ
き、構造体１０に設けられた目盛り１１の間隔を補正す
る。
【００２６】図５には、複数の温度センサ１４で検出さ
れてコンピュータ１８に供給される目盛り１１の温度分
布の一例が示されている。図において、横軸はスケール
位置（原点からの目盛りの位置）であり、縦軸は温度セ
ンサ１４で検出された温度である。この例では、図に示
すように目盛りの中央部分で温度が高く、両端で温度が
低い分布を示している（実際には温度分布は有限な温度
センサの個数を反映して離散的なものとなるが、図では
ベジェ曲線等を用いて連続的な分布としている）。
れてコンピュータ１８に供給される目盛り１１の温度分
布の一例が示されている。図において、横軸はスケール
位置（原点からの目盛りの位置）であり、縦軸は温度セ
ンサ１４で検出された温度である。この例では、図に示
すように目盛りの中央部分で温度が高く、両端で温度が
低い分布を示している（実際には温度分布は有限な温度
センサの個数を反映して離散的なものとなるが、図では
ベジェ曲線等を用いて連続的な分布としている）。
【００２７】なお、本実施形態のように複数の温度セン
サ１４を目盛り１１の両側に配置している場合（図２参
照）には、それぞれの側の温度分布が検出されることに
なるので、両者の平均値を算出することで目盛り１１部
分の温度分布とする。
サ１４を目盛り１１の両側に配置している場合（図２参
照）には、それぞれの側の温度分布が検出されることに
なるので、両者の平均値を算出することで目盛り１１部
分の温度分布とする。
【００２８】そして、コンピュータ１８は、このような
温度分布に基づき、目盛り間長さ補正量を算出する。目
盛り間長さ補正量は、検出された温度分布にスケール
（構造体１０）の線膨張係数を乗算して求めることがで
きる。具体的には、基準温度（例えば２０℃）における
目盛り間長さをＬ、線膨張係数をα、検出された温度分
布値をｔとした場合、目盛り間長さの変動ΔＬは、
温度分布に基づき、目盛り間長さ補正量を算出する。目
盛り間長さ補正量は、検出された温度分布にスケール
（構造体１０）の線膨張係数を乗算して求めることがで
きる。具体的には、基準温度（例えば２０℃）における
目盛り間長さをＬ、線膨張係数をα、検出された温度分
布値をｔとした場合、目盛り間長さの変動ΔＬは、
【数１】 ΔＬ＝（ｔ−２０）×α×Ｌ ・・・（１） となる。ここで、構造体１０の長さは既に電気抵抗体１
５による加熱で所定値に制御されているため、例えばイ
ンクリメンタルスケールの場合スケールの全目盛りの積
算値（すなわち原点から終端までのスケールの長さ）は
目盛りに一致している。従って、ΔＬの積算値がゼロと
なるようにオフセットをかける。すなわち、オフセット
をｃとした場合、
５による加熱で所定値に制御されているため、例えばイ
ンクリメンタルスケールの場合スケールの全目盛りの積
算値（すなわち原点から終端までのスケールの長さ）は
目盛りに一致している。従って、ΔＬの積算値がゼロと
なるようにオフセットをかける。すなわち、オフセット
をｃとした場合、
【数２】 Σ（ΔＬ＋ｃ）＝０ ・・・（２） となるようにオフセットｃを算出する。このオフセット
ｃの意義は、温度測定誤差と線膨張係数誤差をキャンセ
ルすることである。
ｃの意義は、温度測定誤差と線膨張係数誤差をキャンセ
ルすることである。
【００２９】図６には、このようにして算出された目盛
り間長さ補正量の一例が示されている。図において、横
軸はスケール位置であり、縦軸は目盛り間長さ補正量で
ある。このグラフは、具体的には（１）式で各スケール
位置に対応するΔＬを求め、（２）で求めたオフセット
ｃが負の場合にΔＬ曲線を下（−の方向）にシフトさ
せ、オフセットｃが正の時ΔＬ曲線を上（＋の方向）に
シフトさせることで求めることができる。
り間長さ補正量の一例が示されている。図において、横
軸はスケール位置であり、縦軸は目盛り間長さ補正量で
ある。このグラフは、具体的には（１）式で各スケール
位置に対応するΔＬを求め、（２）で求めたオフセット
ｃが負の場合にΔＬ曲線を下（−の方向）にシフトさ
せ、オフセットｃが正の時ΔＬ曲線を上（＋の方向）に
シフトさせることで求めることができる。
【００３０】そして、目盛り間長さ補正量を算出した
後、例えばインクリメンタルスケールの場合には、位置
検出部２２で一つ一つの目盛りを読み取る毎に、この目
盛り間長さ補正曲線で補正した目盛り間長さを算出し、
この目盛り間長さを積算することで温度分布が補正され
た正確な現在位置を算出することができる。
後、例えばインクリメンタルスケールの場合には、位置
検出部２２で一つ一つの目盛りを読み取る毎に、この目
盛り間長さ補正曲線で補正した目盛り間長さを算出し、
この目盛り間長さを積算することで温度分布が補正され
た正確な現在位置を算出することができる。
【００３１】一方、図７にはアブソリュートスケールの
場合の位置補正量が示されている。図において、横軸は
スケール位置であり、縦軸は位置補正量である。この位
置補正量は、図６に示された目盛り間長さ補正量の原点
からそのスケール位置までの積算値を求め、スケール位
置に対してプロットすることにより算出される。図６に
おいては、目盛り間長さ補正量がスケール位置に応じて
正あるいは負の値をとるのに対し、図７に示された位置
補正量は図６の積算量であり、始点と終点はゼロとな
り、また中央付近でもゼロとなることに注意されたい。
この積算された位置補正量を位置検出部２２で検出され
た位置に乗算することで温度分布が補正された正確な現
在位置を算出することができる。
場合の位置補正量が示されている。図において、横軸は
スケール位置であり、縦軸は位置補正量である。この位
置補正量は、図６に示された目盛り間長さ補正量の原点
からそのスケール位置までの積算値を求め、スケール位
置に対してプロットすることにより算出される。図６に
おいては、目盛り間長さ補正量がスケール位置に応じて
正あるいは負の値をとるのに対し、図７に示された位置
補正量は図６の積算量であり、始点と終点はゼロとな
り、また中央付近でもゼロとなることに注意されたい。
この積算された位置補正量を位置検出部２２で検出され
た位置に乗算することで温度分布が補正された正確な現
在位置を算出することができる。
【００３２】なお、図７においてスケールの終端におい
て補正量がゼロとなっているのは、上述したようにコン
ピュータ１８はあらかじめ電気抵抗体１５を用いて構造
体１０の長さを所定値に制御しているため、原点から終
端までのスケールの長さは目盛り１１に一致しており、
従って終端では補正する必要がないことに基づくもので
ある。
て補正量がゼロとなっているのは、上述したようにコン
ピュータ１８はあらかじめ電気抵抗体１５を用いて構造
体１０の長さを所定値に制御しているため、原点から終
端までのスケールの長さは目盛り１１に一致しており、
従って終端では補正する必要がないことに基づくもので
ある。
【００３３】このように、本実施形態では構造体１０の
長さを所定値に制御した上で、温度分布に基づく目盛り
間隔の変化を補正しているため、空気の揺らぎや温度変
化の影響を受けず正確な長さ測定（あるいは位置検出）
を行うことができる。
長さを所定値に制御した上で、温度分布に基づく目盛り
間隔の変化を補正しているため、空気の揺らぎや温度変
化の影響を受けず正確な長さ測定（あるいは位置検出）
を行うことができる。
【００３４】また、本実施形態において、光波干渉計１
２の干渉光路の屈折率を測定し、あるいは精密な気圧計
や湿度計、温度計を用いて光源波長の補正を行うことに
より一層精密な測長を行うこともできる。さらに、目盛
り間隔を補正する際の基準温度も（１）式のように２０
℃と固定値ではなく、干渉光路の温度を測定し、この干
渉光路温度を基準温度として用いることも好適である。
２の干渉光路の屈折率を測定し、あるいは精密な気圧計
や湿度計、温度計を用いて光源波長の補正を行うことに
より一層精密な測長を行うこともできる。さらに、目盛
り間隔を補正する際の基準温度も（１）式のように２０
℃と固定値ではなく、干渉光路の温度を測定し、この干
渉光路温度を基準温度として用いることも好適である。
【００３５】図８には、光波干渉計１２の他の構成が示
されている。上述した実施形態（図２参照）では、参照
面反射器−ビームスプリッタ−光路差検出器の光路は空
気中であるが、本実施形態においてはシリコン基板１２
ｇ上にＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐ
ｏｓｉｔｉｏｎ）などにより形成された導波路が用いら
れる。レーザ光は、ガイド溝１２ｈ内に配置された図中
左側の光ファイバ１２ｄより入射し、角形の導波路１２
ｉ内を進みビームスプリッタ１２ａによりそのまま直進
する光と直角方向に反射する光に分かれる。直進するレ
ーザ光は途中で光ファイバ１２ｄに入射するが、この光
ファイバ１２ｄがそのまま図２に示す構造体１０内の光
ファイバ１２ｄであってもよいし、また途中で光ファイ
バをつなぎ直すこともできる。参照面反射器１２ｂ−ビ
ームスプリッタ１２ａ−光路差検出器１２ｆ間の光の光
路も導波路１２ｉである。
されている。上述した実施形態（図２参照）では、参照
面反射器−ビームスプリッタ−光路差検出器の光路は空
気中であるが、本実施形態においてはシリコン基板１２
ｇ上にＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐ
ｏｓｉｔｉｏｎ）などにより形成された導波路が用いら
れる。レーザ光は、ガイド溝１２ｈ内に配置された図中
左側の光ファイバ１２ｄより入射し、角形の導波路１２
ｉ内を進みビームスプリッタ１２ａによりそのまま直進
する光と直角方向に反射する光に分かれる。直進するレ
ーザ光は途中で光ファイバ１２ｄに入射するが、この光
ファイバ１２ｄがそのまま図２に示す構造体１０内の光
ファイバ１２ｄであってもよいし、また途中で光ファイ
バをつなぎ直すこともできる。参照面反射器１２ｂ−ビ
ームスプリッタ１２ａ−光路差検出器１２ｆ間の光の光
路も導波路１２ｉである。
【００３６】このような構成とすることで、上述した実
施形態に比べ、より小型でしかも空気の揺らぎなどの変
動を一層効果的に抑制することができる。なお、シリコ
ン基板上の光導波路としては、このような構成ではな
く、任意の構成を採用することができる。
施形態に比べ、より小型でしかも空気の揺らぎなどの変
動を一層効果的に抑制することができる。なお、シリコ
ン基板上の光導波路としては、このような構成ではな
く、任意の構成を採用することができる。
【００３７】図９には、光波干渉計１２のさらに他の構
成が示されている。構造体１０の端面には半導体光源１
２ｊが固定され、この半導体光源１２ｊから出射したレ
ーザ光はモードインデックスレンズなどの導波路レンズ
１２ｋにより平行光に変換され、格子型のビームスプリ
ッタ１２ａで２つの光路に分岐される。これら２つの光
は、上部基板１２ｎの表面にフィルム状に設けられた平
板導波路内を通過し、２つの光路の干渉光が光路差検出
器１２ｆに入射する。
成が示されている。構造体１０の端面には半導体光源１
２ｊが固定され、この半導体光源１２ｊから出射したレ
ーザ光はモードインデックスレンズなどの導波路レンズ
１２ｋにより平行光に変換され、格子型のビームスプリ
ッタ１２ａで２つの光路に分岐される。これら２つの光
は、上部基板１２ｎの表面にフィルム状に設けられた平
板導波路内を通過し、２つの光路の干渉光が光路差検出
器１２ｆに入射する。
【００３８】一方、下部基板１２ｍの上面には電気抵抗
体１５が設けられており、上部基板１２ｎと下部基板１
２ｍは相互に接着される。これにより、構造体１０を加
熱する電気抵抗体１５が構造体１０の内部に位置するよ
うになるため、構造体１０の熱分布がより一層均一とな
り、温度変化による影響を効果的に抑制することが可能
となる。
体１５が設けられており、上部基板１２ｎと下部基板１
２ｍは相互に接着される。これにより、構造体１０を加
熱する電気抵抗体１５が構造体１０の内部に位置するよ
うになるため、構造体１０の熱分布がより一層均一とな
り、温度変化による影響を効果的に抑制することが可能
となる。
【００３９】以上、本発明の実施形態について説明した
が、本発明の要旨は、スケールの構造体１０をまず所定
値に設定し、その後目盛り部分の温度分布を補正する点
にあるので、スケールの構造体１０の長さを所定値に制
御する方法としては、上述したように電気抵抗体１５を
用いて加熱膨張させる他に、冷却収縮させることにより
所定値に制御することも可能である。すなわち、温度制
御手段としては、加熱手段の他に冷却手段を用いること
もできる。構造体１０を冷却する方法としては、例えば
冷水、冷ガス等を用いることができる。
が、本発明の要旨は、スケールの構造体１０をまず所定
値に設定し、その後目盛り部分の温度分布を補正する点
にあるので、スケールの構造体１０の長さを所定値に制
御する方法としては、上述したように電気抵抗体１５を
用いて加熱膨張させる他に、冷却収縮させることにより
所定値に制御することも可能である。すなわち、温度制
御手段としては、加熱手段の他に冷却手段を用いること
もできる。構造体１０を冷却する方法としては、例えば
冷水、冷ガス等を用いることができる。
【００４０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば空
気の揺らぎや温度変化の影響を受けず、高精度に長さを
測定することができる。
気の揺らぎや温度変化の影響を受けず、高精度に長さを
測定することができる。
【図１】 本発明の実施形態の概念構成図である。
【図２】 実施形態のスケールの斜視図である。
【図３】 実施形態の光波干渉計の原理説明図である。
【図４】 実施形態のスケールの断面図である。
【図５】 実施形態の温度分布グラフ図である。
【図６】 実施形態の目盛り間長さ補正量のグラフ図で
ある。
ある。
【図７】 実施形態の位置補正量のグラフ図である。
【図８】 本発明の他の実施形態における光波干渉計の
構成図である。
構成図である。
【図９】 本発明のさらに他の実施形態における光波干
渉計の構成図である。
渉計の構成図である。
１０ 構造体、１１ 目盛り、１２ 光波干渉計、１４
温度センサ、１５電気抵抗体、１６ 温度センサ入力
切替器、１８ コンピュータ、２０ ドライバ、２６
表示器。
温度センサ、１５電気抵抗体、１６ 温度センサ入力
切替器、１８ コンピュータ、２０ ドライバ、２６
表示器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−105004（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−189505（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−2003（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−231809（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−108619（ＪＰ，Ａ) 実開 平６−56710（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 G01B 21/00 - 21/32
Claims (6)
- 【請求項１】 長手方向に沿って均一な熱膨張をもたら
す構造体と、 前記構造体の外壁に設けられる目盛りと、 前記構造体の長手方向の長さを測定する光波干渉計と、 前記目盛りが設けられた部分の温度を検出する複数の温
度検出手段と、 前記光波干渉計で測定された長さが所定値となるように
前記構造体の温度を変化させる温度制御手段と、 前記複数の温度検出手段で検出された温度分布に基づい
て前記目盛りの間隔を補正する演算手段と、 を有することを特徴とするレーザ光を用いたスケール。 - 【請求項２】 請求項１記載のスケールにおいて、 前記温度制御手段は、 前記構造体の長手方向に沿って設けられ、印加電流に応
じて発熱する電気抵抗体と、 前記電気抵抗体に電流を供給する電流供給手段と、 を有することを特徴とするレーザ光を用いたスケール。 - 【請求項３】 請求項１、２のいずれかに記載のスケー
ルにおいて、 前記光波干渉計は、 前記構造体の一端に対応して固定されたビームスプリッ
タ及び前記ビームスプリッタに対して相対的に固定され
た参照面反射器と、 前記構造体の他端に対応して固定された被検面反射器
と、 参照面側の参照分岐光と被検面側の信号分岐光路との光
路差を検出する光路差検出器と、 を有することを特徴とするレーザ光を用いたスケール。 - 【請求項４】 請求項３記載のスケールにおいて、 前記参照分岐光の光路と前記信号分岐光の光路の少なく
ともいずれかは、光導波路で構成されていることを特徴
とするレーザ光を用いたスケール。 - 【請求項５】 請求項４記載のスケールにおいて、 前記光導波路は、光ファイバであることを特徴とするレ
ーザ光を用いたスケール。 - 【請求項６】 構造体の長手方向に沿って設けられた目
盛りを用いて長さを測定する測長方法であって、 光波干渉計を用いて前記構造体の長さを測定するステッ
プと、 前記構造体の長さが所定値となるように前記構造体の温
度を調整するステップと、 前記目盛り部分の温度分布を測定するステップと、 前記温度分布に応じて前記目盛りの間隔を補正すること
により長さを測定するステップと、 を有することを特徴とする測長方法。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28325497A JP3202183B2 (ja) | 1997-10-16 | 1997-10-16 | レーザ光を用いたスケール及び測長方法 |
| US09/168,967 US6034773A (en) | 1997-10-16 | 1998-10-09 | Length measuring machine and method using laser beams |
| GB9822668A GB2330411B (en) | 1997-10-16 | 1998-10-16 | Length measuring machine and method using laser beams |
| DE19847853A DE19847853A1 (de) | 1997-10-16 | 1998-10-16 | Längenmeßvorrichtung und Verfahren zum Verwenden von Laserstrahlen |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28325497A JP3202183B2 (ja) | 1997-10-16 | 1997-10-16 | レーザ光を用いたスケール及び測長方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11118421A JPH11118421A (ja) | 1999-04-30 |
| JP3202183B2 true JP3202183B2 (ja) | 2001-08-27 |
Family
ID=17663083
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP28325497A Expired - Fee Related JP3202183B2 (ja) | 1997-10-16 | 1997-10-16 | レーザ光を用いたスケール及び測長方法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6034773A (ja) |
| JP (1) | JP3202183B2 (ja) |
| DE (1) | DE19847853A1 (ja) |
| GB (1) | GB2330411B (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001227906A (ja) * | 2000-02-18 | 2001-08-24 | Ando Electric Co Ltd | 光干渉計 |
| DE102005040661B3 (de) * | 2005-08-26 | 2006-12-28 | Leica Microsystems Semiconductor Gmbh | Koordinatenmessvorrichtung |
| US7850686B2 (en) * | 2006-03-30 | 2010-12-14 | Ethicon Endo-Surgery, Inc. | Protective needle knife |
| JP6071572B2 (ja) * | 2013-01-17 | 2017-02-01 | キヤノン株式会社 | 干渉計システム、リソグラフィー装置、それを用いた物品の製造方法 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SE8404266L (sv) * | 1984-08-28 | 1985-09-02 | Johansson Ab C E | Sett att oka noggrannheten hos ett lengdmetsystem genom att kalibrera detta mot ett noggrannare referenssystem |
| JPH03252507A (ja) * | 1990-03-02 | 1991-11-11 | Hitachi Ltd | レーザ干渉測長装置およびそれを用いた位置決め方法 |
| JP3219349B2 (ja) * | 1993-06-30 | 2001-10-15 | キヤノン株式会社 | 波長コンペンセータ、該波長コンペンセータを用いたレーザ干渉測定装置、該レーザ干渉測定装置を有するステージ装置、該ステージ装置を有する露光システム、および該露光システムを用いたデバイスの製造方法 |
-
1997
- 1997-10-16 JP JP28325497A patent/JP3202183B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1998
- 1998-10-09 US US09/168,967 patent/US6034773A/en not_active Expired - Fee Related
- 1998-10-16 DE DE19847853A patent/DE19847853A1/de not_active Withdrawn
- 1998-10-16 GB GB9822668A patent/GB2330411B/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| GB9822668D0 (en) | 1998-12-09 |
| JPH11118421A (ja) | 1999-04-30 |
| GB2330411A (en) | 1999-04-21 |
| GB2330411B (en) | 2001-08-15 |
| DE19847853A1 (de) | 1999-04-22 |
| US6034773A (en) | 2000-03-07 |
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|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |