JP3641141B2

JP3641141B2 - Optical measuring machine

Info

Publication number: JP3641141B2
Application number: JP22323598A
Authority: JP
Inventors: 久嘉境; 義雄猿木; 哲彦久保
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1998-08-06
Filing date: 1998-08-06
Publication date: 2005-04-20
Anticipated expiration: 2018-08-06
Also published as: JP2000055617A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学式測長機、特にレーザ光を用いた超高精度のレーザ干渉測長機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、長さ計測に関しては長さのトレーサビリティが特に重要視され、計測精度の不確かさの提示が要求されつつある。レーザ波長が長さの標準となっている現状においては、長さ標準へのトレーサブルの容易化及び測長精度の不確かさ要因の簡素化のため、計測機器及び超精密加工装置等における測長手段としてレーザ干渉測長システムが広く用いられている。
【０００３】
計測機器及び超精密加工装置等においてスライダの変位を高精度に測定する手段としてレーザ干渉測長システムを用いる場合、大気中の空気の温度や気圧、湿度、ＣＯ₂濃度の変動による屈折率の変化に起因したレーザ波長の変動が高精度測長の妨げとなるため、内部を真空にした導光部を用いてレーザ光路を真空にすることが提案されている。
【０００４】
図４には、従来の光学式測長機の構成が示されている。この光学式測長機は、本体ベース１０、レーザ光源１２、干渉計部１４、スライダ１６、スライダ駆動機構１８、反射ミラー２０、及びベローズ（蛇腹）２２から構成されている。
【０００５】
レーザ光源１２は、本体ベース１０上に固定され、測長用のレーザ光を反射ミラー２０に向けて射出する。
【０００６】
干渉計部１４は、ハーフミラー等を備え、レーザ光源１２から射出した直接光と、ベローズ２２を通過して反射ミラー２０で反射し戻ってきた反射光との位相差を検出することにより反射ミラー２０までの距離、すなわちスライダ１６の端部までの距離を測定する。
【０００７】
スライダ１６は、本体ベース１０上に設けられ、スライダ駆動機構１８により図中矢印方向に移動自在に設けられている。被測定物の長さを測定する場合には、このスライダ１６の端部が被測定物に当接するように移動させる。
【０００８】
反射ミラー２０は、スライダ１６の端部に設けられ、スライダ１６の移動と共に図中矢印方向に移動する。そして、レーザ光源１２から射出した光を反射し、干渉計部１４にレーザ光を戻す。
【０００９】
ベローズ（蛇腹）２２は中空管状をなし、その内部は、真空ポンプにより実質的に真空状態まで排気され、このベローズ２２の内部は、レーザ光源１２からのレーザ光を反射ミラー２０に導く導光部として機能し、一端が干渉計部１４に接続され、他端が反射ミラー２０に接続される。ベローズ２２は、スライダ１６の移動方向に伸縮自在であり、被測定物の長さを測定するためにスライダ１６を移動させると、このスライダ１６の移動に伴ってベローズ２２も矢印方向に伸縮する。レーザ光源１２からのレーザ光はこのベローズ２２の真空内を通過するため、測長光路は常に真空状態にある。したがって、上述した空気の温度や気圧、湿度、ＣＯ₂濃度の変動による屈折率の変化に起因したレーザ波長の変動が起こらず、高精度の測長が可能となる。
【００１０】
しかしながら、真空ベローズ２２の内圧（真空状態）と大気圧との差に起因するベローズ２２の吸引力とベローズ２２の有する固有のばね定数とその伸縮量の積からなるばね力を合成した力の軸と、スライダを移動させる駆動軸とのオフセット距離の積からなる偶力がスライダ１６の幾何的な姿勢変化や駆動時の速度変動（これらは反射ミラー２０の位置変動を起こす）及び干渉計部１４のひずみを生じ、高精度の測長を困難にする問題があった。
【００１１】
図５には、従来の光学式測長機の他の構成が示されている。図４に示された光学式測長機と異なる点は、ベローズ２２の代わりに２重構造を有するベローズ２４を導光部として設けた点である。２重構造のベローズ２４の内側を図４と同様に真空ポンプで真空状態に排気すると共に、外側（外郭）を圧縮空気により大気圧以上の適当な圧力に設定する。ベローズ２４の内側は真空状態であるため大気圧との差に起因する吸引力が生ずるが、ベローズ２４の外側は大気圧以上の圧力に設定されているため、逆に大気圧との差により拡大力（拡げる方向の力）が印可される。したがって、このような２重構造を有するベローズ２４を用いることで、真空状態にある内側の吸引力を、外側に設定された適切な圧力と伸縮方向の受圧面積の積からなる力で相殺することができる。
【００１２】
なお、図４及び図５で用いられるベローズ２２、２４の構成は、例えば図６に示される如くである。ベローズ２２、２４は、図６（Ａ）に示されるドーナツ状の溶接可能な金属板（例えばオーステナイト系のステンレス鋼等）を複数重ねて溶接することにより構成される。図６（Ｂ）には、ベローズ２２、２４の縦断面図が示されており、図６（Ａ）に示されたドーナツ状の溶接可能な金属板を屈曲させて互いに溶接することで内部に空洞を有し図中矢印方向に伸縮自在な部材が得られる。もちろん、溶接ベローズの他に金属成形ベローズも用いられる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図５に示された２重構造を有するベローズ２４を用いた光学式測長機においても、スライダ１６の移動に伴ってベローズ２４が伸縮するため、２重構造のベローズ２４の有する固有のばね定数とその伸縮量の積からなる力により、図４の場合と同様にスライダ１６の幾何的な姿勢変化や駆動時の速度変動及び干渉計部１４のひずみが依然として生じ、高精度な測長が困難となる問題があった。
【００１４】
もちろん、２重構造のベローズ２４の伸縮による外側と内側の間の設定圧力の変動及び２重構造ベローズ２４の有するばね定数によるベローズ２４の伸縮方向に発生する力をセンサ等により検出し、外側と内側の間の設定圧力を動的に制御する方法も考えられるが、測長機の制御システムが複雑となる問題が生じる、また、スライダ１６の駆動ストロークの全長にわたり適応可能な２重構造ベローズを製作することも困難であり、コスト増加を招く問題もある。
【００１５】
さらに、図４及び図５の光学式測長機に共通する問題として、スライダ１６の駆動中に生ずるベローズ伸縮の不均一性を伴う縦波がスライダ１６の姿勢制度や運動制御上の外乱となり、高精度測長を困難とする問題がある。
【００１６】
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、スライダの移動に伴う導光部の伸縮により生ずる力によりスライダの幾何的な姿勢変化や駆動時の速度変動及び干渉計部のひずみを確実に防止し、従来以上に高精度な測長が可能となる光学式測長機を提供することにある。
【００１７】
【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、レーザ光源と、内部が真空の導光部と、前記導光部の一端に設けられ、スライダとともに移動する反射光学系と、前記導光部の他端に設けられた光干渉系とを有し、前記光干渉系と前記反射光学系との間の真空空間が前記レーザ光源からのレーザ光による測長光路を構成する光学式測長機であって、前記スライダに連動してスライダの移動方向にスライダとほぼ同様に移動する移動部及び導光部固定部が前記測長光路に沿って直線上に設けられ、前記導光部は、前記移動部と前記導光部固定部とを接続し、前記スライダの移動方向に伸縮自在でその内部が真空の主導光部と、前記反射光学系と前記移動部とを接続し、前記スライダの移動方向に伸縮自在でその内部が真空であり、その伸縮により前記スライダ及び移動部の相対的位置変動を吸収する第１副導光部と、前記固定部と前記光干渉系とを接続し、その内部が真空の第２副導光部とを有することを特徴とする。
【００１８】
また、第２の発明は、第１の発明において、前記第１副導光部は２重構造をなし、内部が真空の導光部を大気圧以上の所定圧力を有する外殻で覆う構造であることを特徴とする。
【００１９】
また、第３の発明は、第１の発明において、前記第１副導光部及び前記第２副導光部は２重構造をなし、内部が真空の導光部を大気圧以上の所定圧力を有する外殻で覆う構造であることを特徴とする。
【００２０】
また、第４の発明は、第１の発明において、前記主導光部、前記第１副導光部及び前記第２副導光部は２重構造をなし、内部が真空の導光部を大気圧以上の所定圧力を有する外殻で覆う構造であることを特徴とする。
【００２１】
【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説明する。
【００２２】
＜第１実施形態＞
図１には、本実施形態の光学式測長機の構成が示されている。図４あるいは図５に示された従来の光学式測長機と同様に、本体ベース１０、レーザ光源１２、干渉計部１４、スライダ１６、スライダ駆動機構１８及び反射ミラー２０が設けられている。なお、干渉計部１４は光干渉系として機能し、反射ミラー２０は反射光学系として機能する。
【００２３】
また、本実施形態における光学式測長機においては、さらに移動部としてのベローズ駆動キャリッジ３０及び導光部固定部としての固定部３４が設けられている。ベローズ駆動キャリッジ３０は、スライダ１６に連動してベローズ駆動機構３２によりスライダ１６と共に移動する。すなわち、スライダ駆動機構１８とベローズ駆動機構３２は同期駆動制御がなされ同様の駆動指令が与えられる。この結果、スライダ１６及びベローズ駆動キャリッジ３０は駆動指令に従ってほぼ同様の運動を行う。しかしながら、スライダ１６及びベローズ駆動キャリッジ３０はそれぞれ質量及び負荷抵抗、案内方式等の駆動条件が異なるため両者の動きの相対差は厳密にはゼロという訳ではなく、運動制御能力に対応した相対的な位置の変動が生じる。この変動は、後述するように副ベローズ３８の伸縮で吸収される。一方、固定部３４は本体ベース１０に固定されており、スライダ１６やベローズ駆動キャリッジ３０の移動によっても移動せず、その位置を保持する。
【００２４】
また、本実施形態における光学式測長機の導光部は３つの部分を有している。すなわち、ベローズ駆動キャリッジ３０と固定部３４の間に設けられた主導光部としての主ベローズ３６（より正確には主ベローズ３６の内部）、反射ミラー２０とベローズ駆動キャリッジ３０との間に設けられた第１副導光部としての副ベローズ３８（より正確には副ベローズ３８の内部）及び干渉計部１４と固定部３４との間に設けられた第２副導光部としての副ベローズ４０（より正確には副ベローズ４０の内部）である。
【００２５】
主ベローズ３６は、図４に示されたベローズ２２と同様に１重構造のベローズであり、その内部は真空状態に排気されている。主ベローズ３６の一端は固定部３４に接続され、他端はベローズ駆動キャリッジ３０に接続されているため、スライダ１６の移動に伴ってベローズ駆動キャリッジ３０が移動すると、主ベローズ３６も図中矢印方向に伸縮する。
【００２６】
副ベローズ３８は、図５に示されたベローズ２４と同様に２重構造のベローズであり、内側が真空状態に排気されると共に、外側が大気圧以上の所定の圧力に維持される。副ベローズ３８の一端は反射ミラー２０に接続され、他端はベローズ駆動キャリッジ３０に接続されている。上述したように、スライダ１６及びベローズ駆動キャリッジ３０の動きの相対差は厳密にはゼロではなく、高精度な測長を可能とするために測長に直接関与するスライダ１６の高精度な運動を必要とし、この際柔的な結合を可能とする副ベローズ３８の伸縮が外乱となるベローズ駆動キャリッジ３０のスライダ１６との相対的な運動誤差を吸収することができる。
【００２７】
副ベローズ４０は副ベローズ３８と同様に２重構造のベローズであり、内側が真空ポンプにより真空状態まで排気されると共に、外側が大気圧以上の所定圧力に維持される。副ベローズ４０の一端は干渉計部１４に接続され、他端は固定部３４に接続されており、干渉計部１４及び固定部３４は共に本体ベース１０に固定されて移動しないため、副ベローズ４０も図中矢印方向に伸縮自在であるものの、矢印方向に伸縮することはない。
【００２８】
そして、ベローズ駆動キャリッジ３０及び固定部３４の主ベローズ３６や副ベローズ３８、４０が接続される部位はその内部が中空となって主ベローズ３６等と共に真空ポンプで真空状態に排気される。したがって、レーザ光源１２から射出したレーザ光は干渉系部１４、副ベローズ４０、固定部３４、主ベローズ３６、ベローズ駆動キャリッジ３０、副ベローズ３８を順次通過して反射ミラー２０に達し、反射ミラー２０で反射した後、副ベローズ３８、ベローズ駆動キャリッジ３０、主ベローズ３６、固定部３４、副ベローズ４０を順次通過して干渉計部１４に入射する。本実施形態の構成においても、干渉計部１４と反射ミラー２０との間の真空の空間が測長光路となり、空気の温度や気圧、湿度、ＣＯ₂濃度の変動による屈折率の変化の影響を受けず高精度の測長が可能となる。
【００２９】
また、反射ミラー２０に接続される副ベローズ３８は上述したようにスライダ１６と共に移動するベローズ駆動キャリッジ３０のため図中矢印方向にほとんど伸縮しないので、ベローズの伸縮に伴うばね力は反射ミラー２０にほとんど影響を与えず、測長精度の低下を防止することができる。なお、スライダ１６とベローズ駆動キャリッジ３０が正確に同方向に同量移動しない場合においても、副ベローズ３８は上述したように図中矢印方向に伸縮自在であるため、その変動を吸収することができ、反射ミラー２０にほとんど影響を与えない。もちろん、副ベローズ３８は２重構造をなしているため、真空状態と大気圧との圧力差に起因する吸引力も相殺できる。
【００３０】
さらに、干渉計部１４と固定部３４の間に設けられた副ベローズ４０は、上述したように干渉計部１４及び固定部３４が共に本体ベース１０に固定されて移動しないため図中矢印方向に伸縮することはなく、したがって副ベローズ４０の伸縮に伴うばね力が干渉計部１４に影響を与えることはなく、精度低下を生ずることもない。また、副ベローズ４０は副ベローズ３８と同様に２重構造をなしているため、内部の真空状態と大気圧との差に起因する吸引力を相殺することができ、この点からも干渉計部１４に与えるひずみを除去し、高精度測長が可能となる。
【００３１】
このように、本実施形態では反射ミラー２０に接続された副ベローズ３８の伸縮をベローズ駆動キャリッジ３０で防止し、かつ２重構造とすることで圧力差に起因する力の影響も防止して反射ミラー２０のひずみを無くすとともに、干渉計部１４に接続された副ベローズ４０の伸縮を固定部３４で防止し、かつ２重構造とすることで圧力差に起因する力の影響も防止して干渉計部１４のひずみを無くすことで、従来の問題点を解消し高精度の測長が可能となる。
【００３２】
＜第２実施形態＞
図２には、第２実施形態の光学式測長機の構成が示されている。図１に示された第１実施形態では、主導光部としての主ベローズ３６（より正確には主ベローズ３６の内部）が１重構造のベローズであり、第１副導光部としての副ベローズ３８（より正確には副ベローズ３８の内部）及び第２副導光部としての副ベローズ４０（より正確には副ベローズの内部）がともに２重構造を有するベローズであったが、本実施形態では、干渉計部１４と固定部３４との間に設けられた第２副導光部としての副ベローズ４０が２重構造ではなく主ベローズ３６と同様の１重構造である点が相違する。このような構成によっても、干渉計部１４と固定部３４との間の距離は不変であるため、スライダ１６の移動に伴う副ベローズ４０の伸縮は無く、干渉計部１４に与えるひずみを最小限に抑えることができる。なお、副ベローズ４０を１重構造とすることで、内部の真空状態と大気圧との差に起因する吸引力による干渉計部１４に与えるひずみは存在するが、図４あるいは図５に示された従来技術のようにスライダ１６の移動に伴って生じるばね力により干渉計部１４や反射ミラー２０に与えるひずみがなくなる分、従来以上の高精度測長は可能である。また、図１の実施形態に比べ、２重ベローズの部品点数が少なくなることからコスト的及び製作上有利である利点がある。
【００３３】
＜第３実施形態＞
図３には、第３実施形態における光学式測長機の構成が示されている。図１に示された第１実施形態と異なる点は、主導光部としての主ベローズ３６（より正確には主ベローズ３６の内部）も副ベローズ３８、４０と同様に２重構造を有するベローズとした点、すなわち主導光部、第１副導光部、第２副導光部のすべてを２重構造とした点である。主ベローズ３６も２重構造とすることにより、第１実施形態に比べてコスト的あるいは製作上不利であるが、主ベローズ３６における内部の真空状態と大気圧との差に起因する吸引力をも相殺することができ、より一層の高精度測長が可能となる利点がある。
【００３４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されることなく、種々の変形使用が可能である。例えば、図１、図２、図３に示された光学式測長機において、干渉計部１４と固定部３４との間に設けた第２副導光部としての副ベローズ４０（より正確には副ベローズ４０の内部）をベローズ（蛇腹）ではなく内部を真空にした金属円筒とすることも可能である。第２副導光部は干渉計部１４と固定部３４との間に接続されるため、伸縮自在である必要は必ずしもなく、内部を真空状態としたことに起因して生じる吸引力に対抗し得る程度の強度を有する材料であれば、金属でななく任意の材料を用いることも可能である。もちろん、２重構造とすることで圧力差に起因する力を相殺する構造とすれば用いる材料の幅は広がるであろうし、その形状も円筒ではなく角柱など任意でよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光学式測長機によれば、レーザ光が大気中を通過する際の空気の屈折率の変化に起因したレーザ波長の変動を回避できると共に、真空ベローズなどの伸縮によるばね力が光干渉系や反射光学系に与える影響を確実に防止し、従来以上の高精度測長が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態の構成図である。
【図３】本発明の第３実施形態の構成図である。
【図４】従来技術の構成図である。
【図５】他の従来技術の構成図である。
【図６】ベローズ（蛇腹）の構成図である。
【符号の説明】
１０本体ベース、１２レーザ光源、１４干渉計部、１６スライダ、１８スライダ駆動機構、２０反射ミラー、３０ベローズ駆動キャリッジ（移動部）、３４固定部（導光部固定部）、３６主ベローズ（主導光部）、３８副ベローズ（第１副導光部）、４０副ベローズ（第２副導光部）。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical length measuring device, and more particularly to an ultrahigh precision laser interference length measuring device using laser light.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with regard to length measurement, length traceability is particularly important, and the presentation of uncertainty in measurement accuracy is being demanded. In the current situation where the laser wavelength is the standard for length, length measurement means in measuring instruments and ultra-precision processing equipment, etc. to facilitate traceability to the length standard and simplification of uncertainty factors in length measurement accuracy As a laser interference measurement system, it is widely used.
[0003]
Changes in refractive index due to changes in air temperature, atmospheric pressure, humidity, and CO ₂ concentration in the atmosphere when using laser interferometry systems as a means to measure slider displacement with high precision in measuring equipment and ultra-precision processing equipment Therefore, it has been proposed that the laser optical path be evacuated by using a light guide unit whose inside is evacuated.
[0004]
FIG. 4 shows the configuration of a conventional optical length measuring device. This optical length measuring device includes a main body base 10, a laser light source 12, an interferometer unit 14, a slider 16, a slider driving mechanism 18, a reflection mirror 20, and a bellows 22.
[0005]
The laser light source 12 is fixed on the main body base 10 and emits laser light for length measurement toward the reflection mirror 20.
[0006]
The interferometer unit 14 includes a half mirror and the like, and detects the phase difference between the direct light emitted from the laser light source 12 and the reflected light that has passed through the bellows 22 and reflected back by the reflection mirror 20. The distance up to 20, that is, the distance to the end of the slider 16 is measured.
[0007]
The slider 16 is provided on the main body base 10 and is movably provided in the direction of the arrow in the figure by the slider drive mechanism 18. When measuring the length of the object to be measured, the end of the slider 16 is moved so as to contact the object to be measured.
[0008]
The reflection mirror 20 is provided at the end of the slider 16 and moves in the direction of the arrow in the figure along with the movement of the slider 16. Then, the light emitted from the laser light source 12 is reflected, and the laser light is returned to the interferometer unit 14.
[0009]
The bellows (bellows) 22 has a hollow tubular shape, and the inside thereof is evacuated to a substantially vacuum state by a vacuum pump, and the inside of the bellows 22 guides the laser light from the laser light source 12 to the reflection mirror 20. One end is connected to the interferometer unit 14 and the other end is connected to the reflection mirror 20. The bellows 22 can be expanded and contracted in the moving direction of the slider 16, and when the slider 16 is moved in order to measure the length of the object to be measured, the bellows 22 expands and contracts in the arrow direction as the slider 16 moves . Because the laser beam from the record over laser light source 12 passing through the vacuum of the bellows 22, the measuring optical path is always in a vacuum state. Therefore, the laser wavelength does not change due to the change in the refractive index due to the change in the air temperature, atmospheric pressure, humidity, and CO ₂ concentration described above, and high-precision measurement is possible.
[0010]
However, the shaft of the force that combines the suction force of the bellows 22 resulting from the difference between the internal pressure (vacuum state) of the vacuum bellows 22 and the atmospheric pressure, the spring force that is the product of the inherent spring constant of the bellows 22 and its expansion and contraction amount. Coupled with the product of the offset distance between the slider and the drive shaft for moving the slider causes a change in the geometric posture of the slider 16 and a speed change during driving (these cause a position change of the reflecting mirror 20) and the interferometer unit 14. There has been a problem that high-precision length measurement is difficult.
[0011]
FIG. 5 shows another configuration of a conventional optical length measuring device. A difference from the optical length measuring device shown in FIG. 4 is that a bellows 24 having a double structure is provided as a light guide instead of the bellows 22. The inner side of the double structure bellows 24 is evacuated to a vacuum state by a vacuum pump as in FIG. 4, and the outer side (outer wall) is set to an appropriate pressure higher than the atmospheric pressure by compressed air. Since the inner side of the bellows 24 is in a vacuum state, a suction force is generated due to the difference from the atmospheric pressure. However, since the outer side of the bellows 24 is set to a pressure higher than the atmospheric pressure, it is enlarged due to the difference from the atmospheric pressure. Force (force in the direction of expansion) is applied. Therefore, by using the bellows 24 having such a double structure, the suction force on the inner side in the vacuum state is canceled by the force formed by the product of the appropriate pressure set on the outer side and the pressure receiving area in the expansion / contraction direction. Can do.
[0012]
The configuration of the bellows 22 and 24 used in FIGS. 4 and 5 is, for example, as shown in FIG. The bellows 22 and 24 are configured by welding a plurality of donut-shaped weldable metal plates (for example, austenitic stainless steel or the like) shown in FIG. FIG. 6B shows a longitudinal cross-sectional view of the bellows 22 and 24. The donut-shaped weldable metal plate shown in FIG. 6A is bent and welded to each other. A member having a cavity and capable of expanding and contracting in the direction of the arrow in the figure is obtained. Of course, metal-formed bellows is also used in addition to the welded bellows.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the optical length measuring device using the bellows 24 having the double structure shown in FIG. 5, the bellows 24 expands and contracts with the movement of the slider 16. Due to the force consisting of the product of the spring constant and the amount of expansion and contraction, the geometric posture change of the slider 16, the speed fluctuation during driving and the distortion of the interferometer unit 14 still occur as in the case of FIG. There was a problem that became difficult.
[0014]
Of course, the fluctuation of the set pressure between the outside and the inside due to the expansion and contraction of the double structure bellows 24 and the force generated in the expansion and contraction direction of the bellows 24 due to the spring constant of the double structure bellows 24 are detected by a sensor or the like. Although a method of dynamically controlling the set pressure between the insides is conceivable, there arises a problem that the control system of the length measuring machine becomes complicated, and a double-structure bellows that can be adapted over the entire driving stroke of the slider 16 is provided. It is also difficult to manufacture, and there is a problem that increases costs.
[0015]
Further, as a problem common to the optical length measuring device of FIGS. 4 and 5, the longitudinal wave accompanied by the non-uniformity of the bellows expansion and contraction generated during the driving of the slider 16 becomes a disturbance in the attitude system and motion control of the slider 16, There is a problem that makes high-precision length measurement difficult.
[0016]
The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and the object thereof is to change the geometric posture of the slider and the speed fluctuation during driving due to the force generated by the expansion and contraction of the light guide unit accompanying the movement of the slider. An object of the present invention is to provide an optical length measuring device that reliably prevents distortion of an interferometer section and enables length measurement with higher accuracy than before.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the first invention includes a laser light source, a light guide part having a vacuum inside, a reflection optical system provided at one end of the light guide part and moving together with a slider, and the light guide part. And an optical length measuring system in which a vacuum space between the light interference system and the reflection optical system constitutes a length measuring optical path by laser light from the laser light source. A moving part and a light guide fixing part that move in the same manner as the slider in the movement direction of the slider in conjunction with the slider are provided on a straight line along the length measuring optical path, The moving unit and the light guide unit fixing unit are connected, and the slider is movable in the moving direction, and the inside thereof is connected to the vacuum leading light unit, the reflective optical system, and the moving unit, and the slider its internal telescopic in the direction of movement is a vacuum, prior to the extension and contraction Wherein a first auxiliary light guide portion for absorbing a relative position variation of the slider and the moving unit is connected to the fixed portion and the optical interference system, that the inside and a second auxiliary light guide section of the vacuum And
[0018]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the first sub-light guide portion has a double structure, and the inside of the light guide portion having a vacuum is covered with an outer shell having a predetermined pressure equal to or higher than atmospheric pressure. It is characterized by being.
[0019]
According to a third aspect of the present invention, in the first aspect, the first sub light guide section and the second sub light guide section have a double structure, and the vacuum light guide section has a predetermined pressure equal to or higher than atmospheric pressure. It is the structure covered with the outer shell which has.
[0020]
In a fourth aspect based on the first aspect, the main light section, the first sub light guide section, and the second sub light guide section have a double structure, and the interior of the vacuum light guide section is large. It is characterized by having a structure covered with an outer shell having a predetermined pressure equal to or higher than atmospheric pressure.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0022]
<First Embodiment>
FIG. 1 shows the configuration of the optical length measuring instrument of this embodiment. Similar to the conventional optical length measuring device shown in FIG. 4 or FIG. 5, a main body base 10, a laser light source 12, an interferometer unit 14, a slider 16, a slider driving mechanism 18 and a reflection mirror 20 are provided. The interferometer unit 14 functions as an optical interference system, and the reflection mirror 20 functions as a reflection optical system.
[0023]
In the optical length measuring machine according to the present embodiment, a bellows drive carriage 30 as a moving part and a fixing part 34 as a light guide fixing part are further provided. The bellows drive carriage 30 is moved together with the slider 16 by the bellows drive mechanism 32 in conjunction with the slider 16. That is, the slider drive mechanism 18 and the bellows drive mechanism 32 are synchronously driven and given a similar drive command. As a result, the slider 16 and the bellows drive carriage 30 perform substantially the same movement according to the drive command. However, since the slider 16 and the bellows drive carriage 30 have different driving conditions such as mass, load resistance, and guide method, the relative difference between the movements of the two is not strictly zero. Position variation occurs. This variation is absorbed by the expansion and contraction of the auxiliary bellows 38 as will be described later. On the other hand, the fixed portion 34 is fixed to the main body base 10 and does not move even when the slider 16 or the bellows drive carriage 30 moves, and maintains its position.
[0024]
Moreover, the light guide part of the optical length measuring instrument in the present embodiment has three parts. That is, a main bellows 36 (more precisely, inside the main bellows 36) as a leading light portion provided between the bellows drive carriage 30 and the fixed portion 34, and between the reflection mirror 20 and the bellows drive carriage 30. The auxiliary bellows 38 as the first auxiliary light guide (more precisely, the inside of the auxiliary bellows 38) and the auxiliary bellows 40 as the second auxiliary light guide provided between the interferometer unit 14 and the fixing unit 34. (More precisely, the inside of the auxiliary bellows 40) .
[0025]
The main bellows 36 is a single structure bellows similar to the bellows 22 shown in FIG. 4, and the inside thereof is evacuated to a vacuum state. Since one end of the main bellows 36 is connected to the fixed portion 34 and the other end is connected to the bellows driving carriage 30, when the bellows driving carriage 30 moves as the slider 16 moves, the main bellows 36 also moves in the direction of the arrow in the figure. Extends and contracts.
[0026]
The sub bellows 38 is a double structure bellows like the bellows 24 shown in FIG. 5, and the inside is evacuated to a vacuum state and the outside is maintained at a predetermined pressure equal to or higher than the atmospheric pressure. One end of the sub bellows 38 is connected to the reflection mirror 20, and the other end is connected to the bellows drive carriage 30. As described above, the relative difference between the movements of the slider 16 and the bellows drive carriage 30 is not strictly zero, and the high-precision movement of the slider 16 that is directly involved in the measurement is performed in order to enable high-precision measurement. In this case, it is possible to absorb a relative motion error with respect to the slider 16 of the bellows drive carriage 30 in which the expansion and contraction of the sub bellows 38 that enables flexible coupling becomes a disturbance.
[0027]
The sub bellows 40 is a double structure bellows similar to the sub bellows 38, and the inside is evacuated to a vacuum state by a vacuum pump and the outside is maintained at a predetermined pressure equal to or higher than the atmospheric pressure. One end of the sub bellows 40 is connected to the interferometer unit 14, and the other end is connected to the fixing unit 34, and both the interferometer unit 14 and the fixing unit 34 are fixed to the main body base 10 and do not move. Although it can expand and contract in the direction of the arrow in the figure, it does not expand and contract in the direction of the arrow.
[0028]
The portions of the bellows drive carriage 30 and the fixed portion 34 to which the main bellows 36 and the sub bellows 38 and 40 are connected are hollow and are evacuated together with the main bellows 36 and the like by a vacuum pump. Therefore, the laser light emitted from the laser light source 12 sequentially passes through the interference system section 14, the sub bellows 40, the fixing section 34, the main bellows 36, the bellows drive carriage 30, and the sub bellows 38, and reaches the reflection mirror 20. Then, the light passes through the sub bellows 38, the bellows drive carriage 30, the main bellows 36, the fixing portion 34, and the sub bellows 40 in order, and enters the interferometer unit 14. Also in the configuration of the present embodiment, the vacuum space between the interferometer unit 14 and the reflection mirror 20 serves as a length measurement optical path, and the influence of the change in refractive index due to variations in air temperature, atmospheric pressure, humidity, and CO ₂ concentration is affected. Highly accurate length measurement is possible.
[0029]
Further, the auxiliary bellows 38 connected to the reflection mirror 20 hardly expands or contracts in the direction of the arrow in the figure because of the bellows drive carriage 30 that moves together with the slider 16 as described above. Almost no influence is exerted, and a decrease in length measurement accuracy can be prevented. Even when the slider 16 and the bellows drive carriage 30 do not move in the same direction in the same amount, the sub bellows 38 can be expanded and contracted in the direction of the arrow as described above, so that the fluctuation can be absorbed. The reflection mirror 20 is hardly affected. Of course, since the auxiliary bellows 38 has a double structure, the suction force caused by the pressure difference between the vacuum state and the atmospheric pressure can be offset.
[0030]
Further, the auxiliary bellows 40 provided between the interferometer unit 14 and the fixing unit 34 is fixed in the direction of the arrow in the figure because the interferometer unit 14 and the fixing unit 34 are both fixed to the main body base 10 and do not move as described above. There is no expansion / contraction, and therefore the spring force accompanying expansion / contraction of the auxiliary bellows 40 does not affect the interferometer unit 14 and the accuracy is not reduced. Further, since the auxiliary bellows 40 has a double structure like the auxiliary bellows 38, the suction force caused by the difference between the internal vacuum state and the atmospheric pressure can be offset. 14 is removed, and high-precision measurement is possible.
[0031]
As described above, in this embodiment, the expansion and contraction of the auxiliary bellows 38 connected to the reflection mirror 20 is prevented by the bellows drive carriage 30, and the influence of force due to the pressure difference is also prevented by using the double structure, and reflection is performed. The distortion of the mirror 20 is eliminated, and the expansion and contraction of the auxiliary bellows 40 connected to the interferometer unit 14 is prevented by the fixing unit 34, and the influence of force due to the pressure difference is also prevented by the double structure, thereby interfering. By eliminating the distortion of the measuring section 14, the conventional problems can be solved and highly accurate length measurement can be performed.
[0032]
Second Embodiment
FIG. 2 shows the configuration of the optical length measuring instrument according to the second embodiment. In the first embodiment shown in FIG. 1, the main bellows 36 (more precisely, the inside of the main bellows 36) as the leading light portion is a single structure bellows, and the sub bellows as the first sub light guide portion. 38 (more precisely, the inside of the auxiliary bellows 38) and the auxiliary bellows 40 (more precisely, the inside of the auxiliary bellows) as the second auxiliary light guide are both bellows having a double structure. The difference is that the sub bellows 40 as the second sub light guide provided between the interferometer unit 14 and the fixed unit 34 has a single structure similar to the main bellows 36 instead of the double structure. Even with such a configuration, since the distance between the interferometer unit 14 and the fixed unit 34 is not changed, the secondary bellows 40 does not expand and contract with the movement of the slider 16, and the distortion applied to the interferometer unit 14 is minimized. Can be suppressed. Although the auxiliary bellows 40 has a single structure, there is a distortion applied to the interferometer unit 14 due to the suction force caused by the difference between the internal vacuum state and the atmospheric pressure, but this is shown in FIG. 4 or FIG. As in the prior art, since the distortion applied to the interferometer unit 14 and the reflection mirror 20 due to the spring force generated with the movement of the slider 16 is eliminated, the length measurement can be performed with higher accuracy than before. Further, as compared with the embodiment of FIG. 1, the number of parts of the double bellows is reduced, which is advantageous in terms of cost and manufacturing.
[0033]
<Third Embodiment>
FIG. 3 shows the configuration of the optical length measuring instrument in the third embodiment. 1 is different from the first embodiment shown in FIG. 1 in that the main bellows 36 ( more precisely, the inside of the main bellows 36) as the main light portion is also a double bellows similar to the sub bellows 38 and 40. That is, all of the main light part, the first sub light guide part, and the second sub light guide part have a double structure. The double structure of the main bellows 36 is disadvantageous in terms of cost or production compared to the first embodiment, but has a suction force due to the difference between the internal vacuum state of the main bellows 36 and the atmospheric pressure. There is an advantage that it is possible to cancel out, and it is possible to perform length measurement with higher accuracy.
[0034]
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these, A various deformation | transformation use is possible. For example, in the optical length measuring device shown in FIGS. 1, 2, and 3, the auxiliary bellows 40 (more accurately as the second auxiliary light guide unit provided between the interferometer unit 14 and the fixing unit 34). The inside of the auxiliary bellows 40) may be a metal cylinder having a vacuum inside instead of the bellows. Since the second sub light guide part is connected between the interferometer part 14 and the fixed part 34, it does not necessarily need to be extendable and counteracts the suction force caused by the inside being in a vacuum state. Any material other than metal can be used as long as the material has sufficient strength. Of course, if the structure is such that the force due to the pressure difference is offset by adopting a double structure, the width of the material to be used will be widened, and the shape may be arbitrary such as a prism instead of a cylinder.
[0035]
【The invention's effect】
As described above, according to the optical length measuring machine of the present invention, it is possible to avoid fluctuations in the laser wavelength due to changes in the refractive index of air when laser light passes through the atmosphere, The influence of the spring force due to expansion and contraction on the optical interference system and the reflection optical system is surely prevented, and the length can be measured with higher accuracy than before.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a configuration diagram of a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram of a conventional technique.
FIG. 5 is a configuration diagram of another prior art.
FIG. 6 is a configuration diagram of a bellows.
[Explanation of symbols]
10 body base, 12 laser light source, 14 interferometer section, 16 slider, 18 slider drive mechanism, 20 reflecting mirror, 30 bellows drive carriage (moving section), 34 fixing section (light guide section fixing section), 36 main bellows (led) Light part), 38 sub bellows (first sub light guide part), 40 sub bellows (second sub light guide part).

Claims

レーザ光源と、
内部が真空の導光部と、
前記導光部の一端に設けられ、スライダとともに移動する反射光学系と、
前記導光部の他端に設けられた光干渉系と、
を有し、前記光干渉系と前記反射光学系との間の真空空間が前記レーザ光源からのレーザ光による測長光路を構成する光学式測長機であって、
前記スライダに連動してスライダの移動方向にスライダとほぼ同様に移動する移動部及び導光部固定部が前記測長光路に沿って直線上に設けられ、
前記導光部は、
前記移動部と前記導光部固定部とを接続し、前記スライダの移動方向に伸縮自在でその内部が真空の主導光部と、
前記反射光学系と前記移動部とを接続し、前記スライダの移動方向に伸縮自在でその内部が真空であり、その伸縮により前記スライダ及び移動部の相対的位置変動を吸収する第１副導光部と、
前記固定部と前記光干渉系とを接続し、その内部が真空の第２副導光部と、
を有することを特徴とする光学式測長機。A laser light source;
A vacuum light guide inside,
A reflective optical system that is provided at one end of the light guide and moves with the slider;
An optical interference system provided at the other end of the light guide;
An optical length measuring machine in which a vacuum space between the optical interference system and the reflection optical system constitutes a length measuring optical path by laser light from the laser light source,
A moving portion and a light guide fixing portion that move in the same manner as the slider in the movement direction of the slider in conjunction with the slider are provided on a straight line along the length measuring optical path,
The light guide is
The moving unit and the light guide unit fixing unit are connected, and can be expanded and contracted in the moving direction of the slider, and the inside thereof is a vacuum leading light unit,
A first sub-light guide that connects the reflective optical system and the moving unit, can be expanded and contracted in the moving direction of the slider, and the inside thereof is vacuum, and absorbs relative position fluctuations of the slider and the moving unit by the expansion and contraction. And
Connecting the fixed part and the optical interference system, the second sub-light guide part whose inside is vacuum,
An optical length measuring machine characterized by comprising:

前記第１副導光部は２重構造をなし、内部が真空の導光部を大気圧以上の所定圧力を有する外殻で覆う構造であることを特徴とする請求項１記載の光学式測長機。2. The optical measurement according to claim 1, wherein the first sub-light-guiding unit has a double structure, and has a structure in which the vacuum light-guiding unit is covered with an outer shell having a predetermined pressure equal to or higher than atmospheric pressure. Long machine.

前記第１副導光部及び前記第２副導光部は２重構造をなし、内部が真空の導光部を大気圧以上の所定圧力を有する外殻で覆う構造であることを特徴とする請求項１記載の光学式測長機。The first sub light guide unit and the second sub light guide unit have a double structure, and have a structure in which a vacuum light guide unit is covered with an outer shell having a predetermined pressure equal to or higher than atmospheric pressure. The optical length measuring instrument according to claim 1.

前記主導光部、前記第１副導光部及び前記第２副導光部は２重構造をなし、内部が真空の導光部を大気圧以上の所定圧力を有する外殻で覆う構造であることを特徴とする請求項１記載の光学式測長機。The main light part, the first sub light guide part, and the second sub light guide part have a double structure, and the inside is a structure that covers the vacuum light guide part with an outer shell having a predetermined pressure equal to or higher than atmospheric pressure. The optical length measuring instrument according to claim 1.