JP3702334B2 - Autonomous control terminal - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ゲージブロックや高精度構造体として、あるいは長さ測定器の温度特性評価を行う際に利用できる自律制御端度器に関する。
【0002】
【背景技術】
両端面間の寸法を基準とし、実用的な高精度の機械的長さを実現する端度器としてのゲージブロック、基準器等が知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
このうち、例えば、ゲージブロックは、温度依存性が大きく熱膨張により長さが変化するため、高精度の測定を行う場合には、温度をきわめて高い精度で制御することが必要とされている。
また、ゲージブロックは、自重により、あるいは支持の仕方のたわみ等による歪み、さらに、扱い姿勢による歪みを生じたり、経時的変化を生じるため、高精度の測定を行う場合には、取り扱いが限定される上に、十分な注意が必要とされる。
【0004】
本発明の目的は、使用環境温度や取り付け姿勢および経時変化の影響を受けない高精度の端度器を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は、トレーサビリティシステムのトランスファーゲージとして用いることにより、高い精度での技術能力の確認を行える自律制御端度器であり、特に、温度等の影響の大きな長い寸法の領域(500〜1000mm)でより有効に使用できるようにしたものである。具体的には、
本発明の第1発明に係る自律制御端度器は、固定部となった一端と、駆動部材によって変位する弾性変位部となった他端とに、外側面が測定面となり内側面が反射ミラーとなった固定測定部材および変位測定部材がそれぞれ設けられるとともに、内部が真空状態近くまで減圧された筒状構造体を備え、この筒状構造体は鉄と比較して熱膨張係数が小さくかつその内部には、前記両端の内部反射ミラー間の間隔を計測するレーザ光波干渉計とその計測光路とが収納され、前記筒状構造体の外部には、前記駆動部材を制御する制御装置が設けられ、この制御装置は、前記レーザ光波干渉計から得られた計測値に基づいて、前記内部反射ミラー間の間隔と前記計測光路に対する前記反射ミラーの姿勢を所定の位置に維持するように前記駆動部材を制御することを特徴とするものである。
【0006】
以上において、内部反射ミラー間の間隔と計測光路に対する反射ミラーの姿勢を所定の位置に維持する、とは、計測光路を通る光軸と反射ミラー面が垂直になるように、かつ、向かい合う両ミラー面が平行となるように姿勢を維持することをいう。また、駆動部材によって変位するとは、変位測定部材が筒状構造体の軸線方向に移動すること、軸線に対して揺動して姿勢が変わること、および移動しかつ揺動して姿勢が変わることを含む概念である。
さらに、この端度器は、制御された状態で他の高精度な基準器により値付けすることが必要である。
【0007】
このような本発明では、制御装置による駆動部材の制御で弾性変位部の変位測定部材が変位し、内部反射ミラー間の間隔と計測光路に対する反射ミラーの測定光軸とを、常に所定の位置に維持するように働くので、レーザ光波干渉計の検出位相を初期設定値に保てば、使用環境温度等が変わっても、測定面間の距離および姿勢を高精度に維持することができ、また、経時変化の影響を受けない基準器とすることができる。
さらに、本発明の端度器は温度変化の影響を受けないので、これを基準に長さ測定器などの温度特性が簡単に評価可能になる。そのため、例えば、変温室内で三次元測定器の温度特性を測定するとき、温度による寸法の変化のない基準ゲージを測定することにより、簡単に温度特性を測定できる。
【0008】
本発明の第2発明に係る自律制御端度器は、請求項1に記載の自律制御端度器において、前記固定部は、前記筒状構造体の端部に取り付けられた固定部材を備えて構成され、前記固定測定部材は前記固定部材の外側に取り付けられ、前記弾性変位部は、前記筒状構造体の他端に設けられ内径部が前記密閉中空部に連通しかつ前記筒状構造体の軸線に対して変位可能な変位部材を備えて構成され、前記変位測定部材は前記変位部材の外側に取り付けられ、前記駆動部材は、複数設けられるとともに前記筒状構造体に前記変位部材と当接して設けられ、前記筒状構造体内部の減圧はほぼ真空状態になされていることを特徴とするものである。
【0009】
このような本発明では、固定部に固定部材を介して固定測定部材が設けられ、弾性変位部に変位部材を介して変位測定部材が設けられているので、仮に測定部材等が傷つく等の原因により取り替える必要が生じた場合、その部材だけを取り替えればよいので、製作や取り替え作業等が容易である。
【0010】
本発明の第3発明に係る自律制御端度器は、請求項2に記載の自律制御端度器において、前記固定部材は熱膨張係数の小さい材質の部材で形成されるとともにこの固定部材に支持部材を介して前記レーザ光波干渉計が取り付けられ、前記支持部材は、所定の温度に維持されていることを特徴とするものである。
このような本発明では、固定部材は熱膨張係数の小さい材質の部材で形成され、また、支持部材が所定の温度に維持されているので、使用環境温度の影響を受けない高精度の端度器を提供できる。
【0011】
本発明の第4発明に係る自律制御端度器は、請求項3に記載の自律制御端度器において、前記支持部材は、その一部もしくは全部がヒータで形成されていることを特徴とするものである。
このような本発明では、支持部材の一部もしくは全部がヒータで形成されているので、レーザ光波干渉計が常に一定の温度で管理されることになり、これにより、使用環境温度の影響を受けない高精度の端度器を提供できる。
【0012】
本発明の第5発明に係る自律制御端度器は、請求項1〜4のいずれかに記載の自律制御端度器において、前記レーザ光波干渉計には、前記筒状構造体の外部空間にあるレーザ光源から光ファイバを介してレーザ光束が注入されることを特徴とするものである。
このような本発明では、レーザ光束を効率よくかつコンパクトにまとめることができる。
【0013】
本発明の第6発明に係る自律制御端度器は、請求項5に記載の自律制御端度器において、前記レーザ光束は、直交直線偏光面を持つ2周波の光束であることを特徴とするものである。
このような本発明では、レーザ光束が2周波なので両者の差信号(ビート信号)の位相より変位が検出しやすく、測定も容易である。
【0014】
本発明の第7発明に係る自律制御端度器は、請求項1〜6のいずれかに記載の自律制御端度器において、前記レーザ光波干渉計は、前記2周波に対応するヘテロダイン干渉計であることを特徴とするものである。
このような本発明では、組立が容易である。
【0015】
本発明の第8発明に係る自律制御端度器は、請求項1または2に記載の自律制御端度器において、前記駆動部材は、複数の柱状圧電素子で形成され、それぞれが独立に制御されることを特徴とするものである。
このような本発明では、柱状圧電素子をコンパクトに装置内に組み込みやすく、また、所定の柱状圧電素子のみを単独で制御できるので、微妙な姿勢の変化でも補正することができ、常に両端面の測定面の位置関係を一定に保てる。
【0016】
本発明の第9発明に係る自律制御端度器は、請求項1または2に記載の自律制御端度器において、前記変位部材と筒状構造体との間には、前記密閉中空部の真空を維持する真空用ベローズが設けられていることを特徴とするものである。
このような本発明では、変位部材が変位しても密閉中空部の真空を維持できるので、高精度の端度器を提供できる。
【0017】
本発明の第10発明に係る自律制御端度器は、請求項1または2に記載の自律制御端度器において、前記固定側および変位側の測定部材は、それぞれ熱膨張係数の小さい材質の材料、あるいは、経時的に安定した材質の材料で形成されていることを特徴とするものである。
以上において、熱膨張係数の小さい材質の材料としてゼロデュア材等を使用することが好ましく、あるいは経時的に安定した材質の材料として石英等を使用することが好ましい。
このような本発明では、使用環境温度や経時変化の影響を受けない高精度の端度器を提供できる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る自律制御端度器の一実施形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態の自律制御端度器(以下、単に端度器という)1は、ゲージブロックの高精度タイプの基準器であり、波長安定化レーザ光を使用して高精度の機械的長さを実現し、端面間の寸法を常に一定に維持するものである。このような端度器1は、筒状構造体である外筒2を備えて構成され、この外筒2は、鉄等と比較して熱膨張係数が小さな材質のスーパーインバー材で形成されている。
【0019】
なお、スーパーインバー材の熱膨張係数が小さいことから(約3×10-7/℃)、端度器1の長さが、例えば1mの場合、初期の制御開始環境温度を0.5℃以内で再現させれば、測定面間の寸法は約0.15μm以内で再現されることになる。
さらに、ここで制御を開始し、干渉計の検出位相を初期設定値に保てば、このレーザ干渉計のもつ精度に近い値でこの端度器を再現できる。
この後、使用環境が変化しても、測定面間を常に一定に保つ制御が働くため、この寸法を高精度に維持できる。
【0020】
外筒2の一端には、熱膨張計数が小さく、かつ、経時的変化の少ない材質の石英等で形成された固定測定部材3が設けられ、他端には、変位測定部材4が設けられている。このうち、固定測定部材3は、外筒2の固定部5に取り付けられ、変位測定部材4は、外筒2の弾性変位部6に、外筒2の軸線方向に長さ調整および姿勢調整可能に取り付けられている。
そして、このような端度器1の内部は、測定面間の寸法、変位を高精度に測定するため、ほぼ真空状態に減圧された密閉中空部となっている。
【0021】
固定測定部材3の外表面は測定面3Aとなっており、内面は高い反射率を持つ第1の反射ミラー3Bとなっている。また、変位測定部材4の外表面は測定面4Aとなっており、内面は高い反射率を持つ第2の反射ミラー4Bとなっている。従って、測定面間の寸法、変位を検出するためのレーザ干渉計の反射面として用いることができる。
【0022】
前記固定部5は、固定部材8と支持部材28とを含んで構成され、このうち、固定部材8は、外筒2の外径と同じ大きさのフランジ部と外筒2の内部に差し込み可能な外径部とを有し、外径部を外筒2の内部に差し込み、フランジ部を外筒2の端面にボルト等で固定して取り付けられている。
また、固定部材8には内径部8Aと、さらに、この内径部8Aから外筒2の軸線方向端部に達する通路8Bとが形成され、この通路8Bは、固定部材8における固定測定部材3側の端面に形成された吸着溝8Cに連通している。そして、この通路8B等を通じて外筒2の内部真空部の真空により、固定測定部材3が固定部材8に吸着されて取り付けらるようになっている。
さらに、固定測定部材3は、吸着取り付けの他に取り付け部材10によって、外周の一部を固定部材8側に押し付けることにより固定されるようになっている。
【0023】
前記支持部材28は、後で述べるように、受け台9を介して固定部材8に取り付けられるとともに、その内部には、偏光ビームスプリッター(PBS)32が設けられている。
【0024】
弾性変位部6は、駆動部材である駆動素子12、真空用金属ベローズ13、変位部材14等を備えて構成され、前述のように、変位測定部材4は、この弾性変位部6の作用により変位と姿勢変化、つまり、外筒2の軸線方向に移動可能、かつ、軸線方向に対して揺動可能とされている。
【0025】
駆動素子12は、柱状圧電素子(PZT)で形成され、リング状の取り付け体16にガイドされて外筒2の軸線方向に沿って伸縮可能に取り付けられている。このような駆動素子12は、例えば3個、取り付け体16の円周上に均等に設けられている。これらの駆動素子12は、後で詳述するレーザ干渉計20から得られた変位、姿勢変化の誤差信号に応じてそれぞれを独立に制御することにより変位測定部材4を変位、姿勢変化させ、常に両端面の測定面の位置関係を一定に保つようになっている。
また、上記取り付け体16は、外筒2の端面に取り付けられている。
【0026】
取り付け体16の先端には、変位部材14が外筒2の軸線方向に変位可能、かつ、軸線方向に対して姿勢変化可能に設けられている。この変位部材14は、取り付け体16とほぼ同一形状のリング部14Dと段差内径部14Aとを有し、リング部14D先端が、駆動素子12が伸びたときその駆動素子12により押されるようになっている。
【0027】
変位部材14の内部には、段差内径部14Aから外周側および端面に向かって、前記固定部材8の通路8Bおよび吸着面8Cと同様の、通路14Bおよび吸着面14Cが形成されており、これらの通路14Bおよび吸着面14Cを通じて外筒2の内部真空部の真空により、変位測定部材4が変位部材14に吸着されて取り付けられるようになっている。
また、吸着取り付けの他に、変位測定部材4は前記取り付け部材10によって、外周の一部を変位部材14側に押し付けることにより固定されるようになっている。
【0028】
外筒2における変位測定部材4側の端面と変位部材14の段差部との間には、前記真空用金属ベローズ13が取り付けられている。この金属ベローズ13は、一端を外筒2の端面に取り付け、他端を変位部材14の段差部に固定して取り付けられている。また、ベローズ13の内部は外筒2の内部、つまり、密閉中空部に連通しており、さらに、変位部材14の内径部14Dにも連通している。
従って、駆動素子12が伸びて変位部材14が移動しても、その移動に連れて金属ベローズ13が伸びるので、端度器1内の真空状態は維持され、また、ベローズ13によって、弾性変位部6の変位部材14、変位測定部材4等が動きフリーの状態で支持されていることになる。
【0029】
外筒2には、レーザ光波干渉計20が設けられており、外筒2の外部には、制御装置であるコントローラ21と、端度器1にレーザビームを供給する波長安定化レーザ光源22が設けられている。
レーザ光波干渉計20は、直交直線2周波レーザ光源を用いたヘテロダイン方式のレーザ干渉計である。そして、このレーザ干渉計は、干渉ビームを、ファイバ30からPBS32を透過させるものと、PBS32で、内部のPBS33を透過させるものおよびPBS33から第1の反射ミラー3B、第2の反射ミラー4B等を経由したものの3つに分け、それぞれを後述する検出器34で独立に検出し、この3個の検出信号を演算することにより、変位だけでなく反射面の傾きをも検出できるようになっている。
【0030】
レーザ光波干渉計20は、入り側干渉計部24、内部干渉計部25、前記固定測定部材3の反射ミラー3B、変位測定部材4の反射ミラー4Bおよび検出部26とを有して構成されている。
入り側干渉計部24は、外筒2の外周に固定された第1の取付台27の内部に設けられ、内部干渉計部25は、前記支持部材28に設けられている。この支持部材28の内部には、外筒2の軸線方向に沿った内径部が形成されており、その一部にPBS33が設けられている。また、検出部26は、入り側干渉計部24と内部干渉計部25とを結ぶ線上に設けられ、外筒2の外周に固定された第2の取付台29を含み構成されている。
【0031】
入り側干渉計部24には、ファイバ30を通じて伝送される波長安定化レーザ光源31からのレーザ光を受光し、2周波のうち一方の周波数のレーザ光を透過させるとともに、他方の周波数のレーザ光を反射させ、そのレーザ光を内部干渉計部25側に伝送するPBS32が設けられている。
ファイバ30からでたレーザ光は、図示しないレンズによりビーム径を大きくしてからPBS32を経由して装置本体内に取り入れられるが、レンズによりビーム径を大きくした光の一部は、PBS32を透過した後、PBS32の隣に配置されたレンズ35で絞られ、偏光板39を通過して検出器40により検出されるようになっている。そして、この検出器40により検出された信号が基準信号とされる。
【0032】
内部干渉計部25に設けられているPBS33は、入り側干渉計部24のPBS32からのレーザ光の、2周波のうち一方の周波数のレーザ光を透過させるとともに、他方の周波数のレーザ光を反射させ、固定測定部材3の内部の第1の反射ミラー3Bから変位測定部材4の内部の第2の反射ミラー4Bを経由させ、検出部26側に導くものである。
【0033】
内部干渉計部25を構成する前記支持部材28には、PBS33の外筒2の軸線方向両側に、第1のλ/4板(λ/4波長板)36、第2のλ/4板37が、PBS33に対向して設けられている。これらのPBS33や第1、2のλ/4板36、37は、前述したように、レーザビームの偏光面を変化させ、レーザビームを図2に示す進路以外に進まないようにコントロールするためのものである。例えば、レーザビームがλ/4板36等を往復することによりその偏光面が90度回転するようにλ/4板は配置されている。
【0034】
また、レーザ干渉計20を高精度に使用するため、空気屈折率の波長への影響を避けるように干渉光路を真空に保っているが、干渉光路内のPBS33、λ/4板36、37の温度によるオプティカルパスの影響が精度劣化をもたらすことから、本実施形態では、干渉光路内の干渉部を温度コントロールしている。
すなわち、前記支持部材28は、その一部あるいは全部が電気的ヒータで形成されている。
【0035】
ここで、固定部材8、受台9、支持部材28、外筒2の密閉中空部、真空用金属ベローズ13の内径部および変位部材14の内径部を結ぶ通路が第2の光軸Bとなっており、レーザ光が通過できるようになっている。
【0036】
検出部26には、内部のPBS33を透過した信号、およびPBS33から第1のλ/4板36、第1の反射ミラー3B、第2のλ/4板37、第2の反射ミラー4Bを経由して再度PBS33に戻り、そこから送られる信号を検出する検出器34が設けられている。
この検出器34の受光面は3つに分けられており、3個の信号を検出できるようになっている。そして、このような検出器34は、前記検出器40と共にコントローラ21に接続されている。また、コントローラ21には、前記駆動素子12も接続されている。
なお、入り側干渉計部24から検出部26までは、外筒2の径方向に直線状の第1の光軸Aとなっており、レーザ光が通過できるようになっている。
【0037】
また、第1の取付台27および第2の取付台29の内部干渉計部25側には、それぞれ、レーザ光を導くためのガラス窓38,38が設けられている。
【0038】
次に、図2に基づいて、レーザ光の進路を説明する。
ファイバー30を通じて伝送されたレーザ光には、2つの周波数f1,f2が含まれており、このレーザ光は、前述のように3つに分けられ、そのうちの1つは、入り側干渉計部24のPBS32を透過して検出器40により検出される。この際、2つの周波数f1,f2の差、つまりf1−f2がビート周波数として検出器40により基準信号として検出される。
【0039】
レーザ光の残りは、2つの周波数f1,f2がそれぞれ別個に分けられ、かつ、内部のPBS33に向けて伝送される。
そのうち一つの周波数f1のレーザ光は、内部のPBS33を透過して検出器34で検出され、他の周波数f2のレーザ光は、内部のPBS33で偏光されてから第1のλ/4板36を透過して固定測定部材3に向かい、第1の反射ミラー3Bで反射され、再度第1のλ/4板36、PBS33、第2のλ/4板37を通って変位測定部材4に向かう。そのレーザ光は第2の反射ミラー4Bで反射された後、第2のλ/4板37とPBS33とにより偏光されて検出器34で検出される。
【0040】
そして、検出器34で検出された2つの周波数の差、f1−f2が測定信号とされ、この測定信号と前記基準信号とが比較され、差が生じた場合は、測定値を基準値に近づけるために、コントローラ21による複数の駆動素子12の伸縮で第2の反射ミラー4Bが外筒2の軸線方向に移動、あるいは軸線に対して揺動して姿勢を変えることができ、正常な干渉が行えるようになっている。つまり、第1、第2の反射ミラー3B、4B間の間隔と、光軸Bに対する反射ミラーの測定光軸とが、所定の位置に維持されるようになっている。
【0041】
このような本実施形態によれば、次のような効果がある。
▲1▼柱状圧電素子12の駆動により、変位測定部材4が外筒2の軸線方向に変位でき、あるいは軸線方向に対して姿勢変化できるので、使用環境温度および使用姿勢が変わっても、常に初期設定値に近い精度を維持でき、高精度の端度器とすることができる。
【0042】
▲2▼外筒2は、鉄等と比較して熱膨張係数が小さな材質のスーパーインバー材で形成されているので、初期の制御開始環境温度を、例えば1℃以内で再現させれば、測定面間の寸法を極めて小さな誤差の寸法で再現できる。そのため、ここで制御を開始し、干渉計の検出位相を初期設定値に保てば、このレーザ干渉計20のもつ精度に近い値でこの端度器1を再現できるので、使用環境が変化しても、測定面間を常に一定に保つ制御が働くため、この寸法を高精度に維持できる。
【0043】
▲3▼外筒2は、鉄等と比較して熱膨張係数が小さな材質のスーパーインバー材で形成されているので、下界の温度変化に影響されにくく、これにより、高精度の端度器とすることができる。
▲4▼固定測定部材3および変位測定部材4は、石英材で形成されており、この石英材は経時的に安定した材料とされているので、端度器1自体をも経時変化のない高精度の基準器とすることができる。
【0044】
▲5▼持部材28は、その一部または全部がヒーターで形成され、PBS33の支持部近傍が一定温度に保たれているので、計測光路の光軸Bが、下界の温度変化、内部の温度上昇等の温度変化に影響されることがなく、これにより、端度器1の高精度の制御が可能となる。
▲6▼固定部材8および変位部材14に、外筒2の内部に連通する吸着溝8C、吸着溝8C等がそれぞれ形成されているので、外筒内部の真空により、固定測定部材3および変位測定部材4が吸着されて取り付けられる。従って、両測定部材3,4の固定が確実となり、高精度の制御を行えるようになる。
【0045】
▲7▼外筒2の内部には、外筒2と変位部材14および変位測定部材4とに接続された金属ベローズ13が取り付けられており、駆動素子12が伸びて変位部材14が移動しても、その移動に連れて金属ベローズ13が伸びるので、端度器1内の真空状態は維持される。従って、レーザ干渉計20を高精度に使用できる。
▲8▼本実施形態の端度器1は温度変化に影響されないので、この端度器1を他の長さ測定器を使用する際の基準器として用いるとき、その測定器の温度特性を簡単に評価することができる。
【0046】
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できるものであれば、次に示すような変位形態でもよい。
例えば、前記実施形態では、レーザ干渉計20を高精度に使用するため、空気屈折率の波長への影響を避けるように外筒2の密閉中空部内をほぼ真空に減圧したが、これに限らず、干渉光路を真空にすることが難しい場合、空気より約1桁屈折率の小さいヘリウムガスを充填してもよい。
このような実施形態でも、ほぼ真空の場合と比べて多少精度は落ちるが、高精度の測定を行える。
【0047】
また、前記実施形態では、検出器34を受光面が3つあるタイプのものとし、1つの検出器で3つの信号を検出できるようにしたが、これに限定されず、信号数に対応する検出器を設けてもよい。
さらに、前記実施形態では、それぞれ単独で制御できる柱状圧電素子12を3個設けてあるが、圧電素子の設置数はこれに限定されず、それ以下でも、あるいはそれ以上でもよい。
【0048】
また、前記実施形態では、真空用のベローズとして金属ベローズ13を用いたが、これに限らず、金属ベローズ13と同様の性能を有するものであれば、例えば樹脂製のベローズを使用してもよい。
また、前記実施形態では、外筒2を熱膨張係数の小さなスーパーインバー材で形成し、固定測定部材および変位測定部材を経時的に安定した材質の石英材で形成したが、これに限らず、外筒2および両測定部材の要求する性能を満たせるものであれば、それらに変わる材料を使用してもかまわない。
【0049】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の自律制御端度器によれば、制御装置による駆動部材の制御で弾性変位部の変位測定部材が変位し、内部反射ミラー間の間隔と計測光路に対する反射ミラーの測定光軸とを、常に所定の位置に維持するように働くので、レーザ光波干渉計の検出位相を初期設定値に保てば、使用環境温度等が変わっても、測定面間の距離および姿勢を高精度に維持することができ、また、経時変化の影響を受けない基準器とすることができる。さらに、本発明の端度器は温度変化の影響を受けないので、他の長さ測定器の温度特性が簡単に評価可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る自律制御端度器の一実施形態を示す全体断面図である。
【図2】前記実施形態のレーザ光の進路を表す概略図である。
【符号の説明】
1 自律制御端度器
2 筒状構造体である外筒
3 固定測定部材
3B 第1の反射ミラー
4 変位測定部材
4B 第2の反射ミラー
5 固定部
6 弾性変位部
12 駆動素子である柱状圧電素子
20 レーザ光波干渉計
21 制御装置であるコントローラ
33 偏光ビームスプリッター
34 検出器
36 第1のλ/4板
37 第2のλ/4板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an autonomous control terminal that can be used as a gauge block, a high-precision structure, or when evaluating temperature characteristics of a length measuring device.
[0002]
[Background]
A gauge block, a reference device, and the like are known as end devices that achieve a practical and highly accurate mechanical length based on the dimension between both end surfaces.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Among these, for example, the gauge block has a large temperature dependency and changes its length due to thermal expansion. Therefore, when performing highly accurate measurement, it is necessary to control the temperature with extremely high accuracy.
In addition, since the gauge block is distorted by its own weight or due to deflection of the way of support, and further due to distortion due to the handling posture or changes over time, handling is limited when performing high-precision measurements. Sufficient attention is required for this.
[0004]
An object of the present invention is to provide a highly accurate edger that is not affected by the operating environment temperature, the mounting posture, and the change over time.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is an autonomous control terminal that can be used as a transfer gauge of a traceability system to confirm technical capability with high accuracy, and particularly in a long dimension region (500 to 1000 mm) that is greatly affected by temperature or the like. It is designed to be used more effectively. In particular,
The autonomous control terminal according to the first aspect of the present invention has an outer surface serving as a measurement surface and a reflection mirror serving as an inner surface at one end serving as a fixed portion and the other end serving as an elastic displacement portion displaced by a driving member. Each of the fixed measurement member and the displacement measurement member is provided, and includes a cylindrical structure whose inside is depressurized to a near vacuum state. This cylindrical structure has a smaller thermal expansion coefficient than that of iron and its A laser light wave interferometer that measures the distance between the internal reflection mirrors at both ends and a measurement optical path thereof are housed inside, and a control device that controls the drive member is provided outside the cylindrical structure. The controller is configured to maintain the distance between the internal reflection mirrors and the posture of the reflection mirror with respect to the measurement optical path at a predetermined position based on the measurement value obtained from the laser light wave interferometer. Control It is characterized in that.
[0006]
In the above, the distance between the internal reflection mirrors and the posture of the reflection mirror with respect to the measurement optical path are maintained at a predetermined position. Both mirrors facing each other so that the optical axis passing through the measurement optical path and the reflection mirror surface are perpendicular This means maintaining the posture so that the planes are parallel. The displacement by the driving member means that the displacement measuring member moves in the axial direction of the cylindrical structure, swings with respect to the axis to change its posture, and moves and swings to change its posture. It is a concept that includes
In addition, the edge scale needs to be priced by another highly accurate reference device in a controlled state.
[0007]
In the present invention as described above, the displacement measuring member of the elastic displacement portion is displaced by the control of the driving member by the control device, and the interval between the internal reflecting mirrors and the measuring optical axis of the reflecting mirror with respect to the measuring optical path are always in a predetermined position. If the detection phase of the laser light wave interferometer is kept at the initial setting value, the distance and posture between the measurement surfaces can be maintained with high accuracy even if the operating environment temperature changes. The reference device is not affected by changes over time.
Furthermore, since the terminal of the present invention is not affected by temperature changes, the temperature characteristics of a length measuring device and the like can be easily evaluated based on this. Therefore, for example, when measuring the temperature characteristics of a three-dimensional measuring instrument in a variable temperature room, the temperature characteristics can be easily measured by measuring a reference gauge having no dimensional change due to temperature.
[0008]
An autonomous control terminal according to a second aspect of the present invention is the autonomous control terminal according to claim 1, wherein the fixing part includes a fixing member attached to an end of the cylindrical structure. The fixed measuring member is attached to the outside of the fixed member, the elastic displacement portion is provided at the other end of the cylindrical structure, and an inner diameter portion communicates with the sealed hollow portion and the cylindrical structure The displacement measuring member is attached to the outside of the displacement member, a plurality of drive members are provided, and the tubular structure is contacted with the displacement member. It is provided in contact with each other, and the reduced pressure inside the cylindrical structure is substantially in a vacuum state.
[0009]
In the present invention, since the fixed measurement member is provided in the fixed portion via the fixing member and the displacement measuring member is provided in the elastic displacement portion via the displacement member, the measurement member is temporarily damaged. When it is necessary to replace the member, it is only necessary to replace the member, so that production and replacement work are easy.
[0010]
An autonomous control terminal according to a third aspect of the present invention is the autonomous control terminal according to
In the present invention, the fixing member is formed of a material having a small thermal expansion coefficient, and the support member is maintained at a predetermined temperature, so that it is highly accurate and is not affected by the use environment temperature. Can be provided.
[0011]
An autonomous control terminal according to a fourth aspect of the present invention is the autonomous control terminal according to claim 3, wherein a part or all of the support member is formed of a heater. Is.
In the present invention, since a part or all of the support member is formed by the heater, the laser light wave interferometer is always managed at a constant temperature, and is thus influenced by the temperature of the use environment. Can provide a high precision edger.
[0012]
The autonomous control terminal according to a fifth aspect of the present invention is the autonomous control terminal according to any one of claims 1 to 4, wherein the laser light wave interferometer is disposed in an external space of the cylindrical structure. A laser beam is injected from a laser light source through an optical fiber.
In the present invention as described above, the laser beam can be efficiently and compactly collected.
[0013]
An autonomous control terminal according to a sixth aspect of the present invention is the autonomous control terminal according to claim 5, wherein the laser beam is a two-frequency beam having orthogonal linear polarization planes. Is.
In the present invention, since the laser light beam has two frequencies, the displacement is easy to detect and the measurement is easy from the phase of the difference signal (beat signal) between them.
[0014]
An autonomous control terminal according to a seventh aspect of the present invention is the autonomous control terminal according to any one of claims 1 to 6, wherein the laser light wave interferometer is a heterodyne interferometer corresponding to the two frequencies. It is characterized by being.
In the present invention, assembling is easy.
[0015]
An autonomous control terminal according to an eighth aspect of the present invention is the autonomous control terminal according to
In the present invention, the columnar piezoelectric element can be easily incorporated into the apparatus in a compact manner, and only a predetermined columnar piezoelectric element can be controlled independently, so that even a slight change in posture can be corrected, and both end faces can always be corrected. The positional relationship of the measurement surface can be kept constant.
[0016]
An autonomous control terminal according to a ninth aspect of the present invention is the autonomous control terminal according to
In the present invention as described above, since the vacuum in the sealed hollow portion can be maintained even if the displacement member is displaced, a highly accurate edger can be provided.
[0017]
An autonomous control terminal according to a tenth aspect of the present invention is the autonomous control terminal according to
In the above, it is preferable to use a zero-dur material or the like as a material having a low thermal expansion coefficient, or it is preferable to use quartz or the like as a material having a material that is stable over time.
In the present invention as described above, it is possible to provide a highly accurate edger that is not affected by the use environment temperature or the change with time.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of an autonomous control terminal according to the present invention will be described with reference to the drawings.
An autonomous control terminal (hereinafter simply referred to as terminal) 1 according to the present embodiment is a high-precision type reference unit of a gauge block, and uses a wavelength-stabilized laser beam to provide a high-precision mechanical length. It is realized and the dimension between the end faces is always kept constant. Such an end measure 1 includes an
[0019]
Since the coefficient of thermal expansion of Super Invar is small (about 3 × 10 -7 If the length of the edge scale 1 is 1 m, for example, if the initial control start environment temperature is reproduced within 0.5 ° C., the dimension between the measurement surfaces is reproduced within about 0.15 μm. Will be.
Furthermore, if the control is started here and the detection phase of the interferometer is maintained at the initial setting value, the terminal can be reproduced with a value close to the accuracy of the laser interferometer.
After this, even if the usage environment changes, control is performed to keep the measurement surface constant at all times, so that this dimension can be maintained with high accuracy.
[0020]
One end of the
And the inside of such an end measure 1 becomes the sealed hollow part pressure-reduced to the substantially vacuum state, in order to measure the dimension and displacement between measurement surfaces with high precision.
[0021]
The outer surface of the fixed measuring member 3 is a measuring
[0022]
The fixing portion 5 includes a fixing
Further, the fixed
Further, the fixed measuring member 3 is fixed by pressing a part of the outer periphery to the fixing
[0023]
As will be described later, the
[0024]
The elastic displacement portion 6 includes a
[0025]
The
The
[0026]
A
[0027]
Inside the
In addition to suction attachment, the
[0028]
The vacuum metal bellows 13 is attached between the end surface of the
Therefore, even if the
[0029]
The
The laser
[0030]
The laser
The entry-
[0031]
The
The laser light emitted from the
[0032]
The
[0033]
The
[0034]
In order to use the
That is, part or all of the
[0035]
Here, the passage connecting the fixed
[0036]
The
The light receiving surface of the
In addition, from the entrance
[0037]
Further,
[0038]
Next, the course of the laser beam will be described with reference to FIG.
The laser light transmitted through the
[0039]
The remainder of the laser light is transmitted to the
One of the laser beams having the frequency f1 is transmitted through the
[0040]
Then, the difference between the two frequencies detected by the
[0041]
According to this embodiment, there are the following effects.
(1) By driving the columnar
[0042]
(2) Since the
[0043]
(3) Since the
(4) The fixed measuring member 3 and the
[0044]
(5) The holding
(6) Since the fixing
[0045]
(7) Inside the
(8) Since the terminal 1 of this embodiment is not affected by temperature changes, when this terminal 1 is used as a reference device when using other length measuring devices, the temperature characteristics of the measuring device can be simplified. Can be evaluated.
[0046]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and the following displacement forms may be used as long as the object of the present invention can be achieved.
For example, in the above-described embodiment, the
Even in such an embodiment, the accuracy is somewhat lower than in the case of a vacuum, but a highly accurate measurement can be performed.
[0047]
In the above embodiment, the
Furthermore, in the above-described embodiment, three columnar
[0048]
Moreover, in the said embodiment, although the metal bellows 13 was used as a bellows for vacuums, if it has not only this but the performance similar to the metal bellows 13, you may use resin-made bellows, for example. .
In the above embodiment, the
[0049]
【The invention's effect】
As described above, according to the autonomous control terminal of the present invention, the displacement measuring member of the elastic displacement portion is displaced by the control of the driving member by the control device, and the interval between the internal reflecting mirrors and the reflecting mirror with respect to the measuring optical path Therefore, if the detection phase of the laser light wave interferometer is kept at the initial setting value, the distance between the measurement surfaces and the measurement surface temperature can be changed. The posture can be maintained with high accuracy, and a reference device that is not affected by changes with time can be obtained. Furthermore, since the terminal of the present invention is not affected by temperature changes, the temperature characteristics of other length measuring devices can be easily evaluated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall sectional view showing an embodiment of an autonomous control terminal according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic view showing a path of laser light in the embodiment.
[Explanation of symbols]
1 Autonomous control terminal
2 Outer cylinder that is a cylindrical structure
3 Fixed measuring members
3B first reflection mirror
4 Displacement measuring member
4B Second reflection mirror
5 fixed part
6 Elastic displacement part
12 Columnar piezoelectric element as a driving element
20 Laser light wave interferometer
21 Controller as a control device
33 Polarizing beam splitter
34 Detector
36 First λ / 4 plate
37 Second λ / 4 plate
Claims (10)
この筒状構造体は鉄と比較して熱膨張係数が小さくかつその内部には、前記両端の内部反射ミラー間の間隔を計測するレーザ光波干渉計とその計測光路とが収納され、
前記筒状構造体の外部には、前記駆動部材を制御する制御装置が設けられ、この制御装置は、前記レーザ光波干渉計から得られた計測値に基づいて、前記内部反射ミラー間の間隔と前記計測光路に対する前記反射ミラーの姿勢を所定の位置に維持するように前記駆動部材を制御することを特徴とする自律制御端度器。A fixed measuring member and a displacement measuring member having an outer surface serving as a measuring surface and an inner surface serving as a reflecting mirror are provided at one end serving as a fixed portion and the other end serving as an elastic displacement portion displaced by a driving member, respectively. , With a cylindrical structure whose inside is decompressed to near vacuum,
This cylindrical structure has a smaller coefficient of thermal expansion than iron, and a laser light wave interferometer that measures the distance between the internal reflection mirrors at both ends and its measurement optical path are housed therein.
A control device for controlling the drive member is provided outside the cylindrical structure, and the control device is configured to determine the distance between the internal reflection mirrors based on the measurement value obtained from the laser light wave interferometer. An autonomous control terminal, wherein the driving member is controlled so that the posture of the reflecting mirror with respect to the measurement optical path is maintained at a predetermined position.
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JP (1) | JP3702334B2 (en) |
-
1998
- 1998-12-16 JP JP35776898A patent/JP3702334B2/en not_active Expired - Lifetime
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