JP3795646B2

JP3795646B2 - 位置測定装置

Info

Publication number: JP3795646B2
Application number: JP29293497A
Authority: JP
Inventors: 清和岡本; 哲彦久保
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1997-10-24
Filing date: 1997-10-24
Publication date: 2006-07-12
Anticipated expiration: 2017-10-24
Also published as: JPH11132710A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は位置測定装置に関し、特に、互いに併走する第１運動体及び第２運動体の位置を高精度に測定する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
測長装置として、レーザー光を利用した光波干渉測長計が知られている。その測長精度は、原理上１０^-8から１０^-11にも達し、それゆえ光波干渉測長計は真空中の高精度の測長で欠かせない装置となっている。しかし、空気中において、かかる光波干渉測長計を利用して計測を行うと、空気の屈折率の揺らぎ的変動による波長の変動により計測精度が劣化する。例えば、計測光路の全長が１ｍｍ以下の場合であっても、標準偏差で±５ｎｍ程度の変動が生じる。しかも、その変動は、計測光路の全長の増大に応じて大きくなり、例えば、光路長の全長が１ｍでは揺らぎによる変動が±１００ｎｍ程度にもなる。
【０００３】
更に、物体に動きのある場合には、その運動の影響により空気の動きが生じ、その結果、計測光路上における空気の屈折率は大幅に変動する。例えば、物体が１秒の周期で０.２５μｍの低速往復動をする場合、光波干渉計の出力の誤差は±５０ｎｍを越えることが報告されている。
【０００４】
従って、空気中で光波干渉計を用いて物体間の距離や物体の変位を計測する場合には、上記のような誤差が生じるため、高精度計測を実現できないという問題がある。
【０００５】
そこで、波長の異なる２つの光波を利用して上記のような屈折率の変動分を打ち消すことが提案されている。しかし、この手法でも、５００ｍｍ程度の計測光路長に対して、物体が静止している状態で、±５ｎｍ程度の変動幅に抑えるのが実用上の限界である。
【０００６】
その一方、特開平８−１６６２１５号公報には、内部が真空にされたベロー内に計測系の全体を収容させて、ベロー外の（空気中の）被計測対象の測長を行う装置が開示されている。しかし、長さの可変範囲がベローの構造的制約から制限されるという問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来においては、長さの可変範囲が数十ｍｍ程度以上と大きくなると、真空中の光波長の高安定度、高精度に基づく光波干渉測長計の計測性能を空気中で利用することができず、特に空気中にあって空気を揺るがす運動体の位置を高精度に測定することができなかった。
【０００８】
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、空気中又はそれと同一視される環境中におかれた運動物体の位置を真空中における光波干渉測長と同程度の精度で測定することにある。
【０００９】
【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、第１空間内を運動する第１運動体と、第２空間内を前記第１運動体と並行に運動する第２運動体と、前記第１空間と第２空間を隔離する、少なくともその一部に光を透過する透過部を備える隔離手段と、前記第１運動体の変位を測定する第１光波干渉測長計と、前記第１運動体と第２運動体の相対変位を測定する相対変位測定手段と、前記第１測長手段で測定された第１運動体の変位と、前記相対変位測定手段で測定された相対変位に基づき、前記第２運動体の位置を演算する演算手段とを有し、前記相対測定手段は、前記第１運動体又は前記第２運動体の一方に設けられたスケールと、前記第１運動体又は前記第２運動体の他方に設けられ、前記スケールの目盛り位置の変化を検出する検出手段とを含むことを特徴とする。第１運動体の位置を光波干渉測長計で高精度に計測し、第１運動体と第２運動体の相対変位をスケールを用いて高精度に計測することで、両計測値に基づいて第２運動体の位置を高精度に算出することができる。
【００１０】
また、第２の発明は、第１の発明において、前記第１空間は、実質的に真空状態であることを特徴とする。これにより、第１運動体の位置を高精度に計測できる。
【００１１】
また、第３の発明は、第１の発明において、前記第１空間は、空気に比べて光の屈折率の揺らぎが少ない、例えばＨｅ²のような気体で満たされることを特徴とする。これによっても、第１運動体の位置を高精度に計測できる。
【００１２】
また、第４の発明は、第１〜第３の発明において、前記第２空間は、実質的に空気で満たされることを特徴とする。これにより、空気中で運動する第２運動体の位置を高精度に求めることができる。
【００１３】
また、第５の発明は、第１〜第４の発明において、前記第２運動体の姿勢を計測する第２光波干渉測長計と、前記第１光波干渉測長計で計測された前記第１運動体の姿勢と、前記第２光波干渉測長計で計測された前記第２運動体の姿勢に基づき前記第１運動体と前記第２運動体を平行に運動せしめる制御手段をさらに有することを特徴とする。両運動体を平行に運動せしめることで、相対変位に基づき算出される第２運動体の位置精度を確保することができる。
【００１４】
また、第６の発明は、第５の発明において、前記第１運動体に設けられた第１及び第２反射鏡と、前記第２運動体に設けられた第３反射鏡とをさらに有し、前記第１反射鏡は、前記第１光波干渉測長計の光路に直交するように配置され、前記第２反射鏡は、前記第２光波干渉測長計からの光を前記第２運動体に向けるべくその光路に対して所定角をなして配置され、前記第３反射鏡は、前記第２反射鏡で反射された前記第２光波干渉測長計からの光の光路に直交するように配置され、前記制御手段は、前記第１、第２及び第３反射鏡と光路との関係を維持するように制御することを特徴とする。
【００１５】
また、第７の発明は、第６の発明において、前記所定角は、π／４であることを特徴とする。
【００１６】
また、第８の発明は、第１〜第７の発明において、前記隔離手段と前記第２運動体の間に、前記第２運動体の移動速度よりも大きい移動速度を有する気体の流れを生ぜしめる層流形成手段をさらに有することを特徴とする。これにより、隔離手段と第２運動体の間の空気の揺らぎを低減し、相対変位を高精度に計測することができる。
【００１７】
また、第９の発明は、第１〜第８の発明において、前記隔離手段は、非磁性材料で構成され、前記第１運動体は、磁気的相互作用により前記第２運動体の運動に追従して非接触で運動することを特徴とする。第１運動体を第２運動体の運動に追従させることで、第２運動体の移動量が大きくても確実にその位置を計測することができる。
【００１８】
【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。
【００１９】
＜第１実施形態＞
本実施形態における位置測定装置の測長部は、大きく分けて２つの部分より構成される。第１は、第１運動体の位置を計測する部位であり、第２は、第１運動体と第２運動体の相対変異を計測する部位である。第１運動体の位置を計測する部位は光波干渉測長計を含んでおり、実質的に真空中を運動する第１運動体を高精度に計測する。第１運動体と第２運動体の相対変位を測定する部位は所定の目盛りを備えたスケールとこのスケールに対して光を投射し、スケールからの反射光あるいは透過光を検出することで目盛り位置の変化を検出する相対位置検出器を含んでいる。なお、スケールの目盛り位置の変化を検出するこのような測長方法は、スケールの目盛りの設けられている構造（目盛りの配置と部材の性質）に依存するが、空気の屈折率の変動には影響されないので、温度変化や加速度、外力の印加、経年変化などで目盛りの配置されている間隔が変化しない限り、その計測値は安定している利点がある。
【００２０】
図１には、本実施形態の位置測定装置の具体的な構成が示されている。第１運動体１２は、第１空間１４内に収容されている。この第１空間は、実質的に真空な空間である。なお、「実質的に真空」とは、通過する光に与える空気の揺らぎの影響を無視できる程度の真空をいい、必ずしも完全な真空状態を意味しない。第１運動体１２には、２つの反射鏡（ミラー）Ｍ１、Ｍ２が設けられている。ミラーＭ１は、第１運動体１２の位置や姿勢（ピッチ角やヨー角）を計測する第１光波干渉測長計（以下、光波干渉計という）１０Ａの光路１００（第１計測光路）に対して直交するように配置されている。従って、第１光波干渉計１０Ａから射出したレーザ光は、ミラーＭ１で反射し、再び第１光波干渉計１０Ａに入射する。また、ミラーＭ２は、後述する第２運動体１６の姿勢（ピッチ角やヨー角）を計測する第２光波干渉計１０Ｂの光路２００（第２計測光路）に対して所定角度（図ではα＝π／４）をなすように傾いて配置されている。さらに、第１運動体１２には、その表面に目盛りが形成されたスケール１２Ａが設けられている。スケール１２Ａの目盛り間隔は、半導体の回路パターンと同様に高精度に形成され、レーザ波長干渉計と同程度の分解能を有する。なお、第１運動体１２は、図に示すように紙面の左右方向に運動可能である。また、空気の揺らぎの影響を無視できる環境としては、第１空間１４は真空状態でなく、空気に比べて著しく光の屈折率の揺らぎ的変動が少ないＨｅの様な気体で充填することも可能である。
【００２１】
一方、第２運動体１６は、第２空間１８内に収容されている。この第２空間１８は、例えば大気中の空間である。この第２運動体１６には、ミラーＭ２で反射した第２光波干渉計１０Ｂの光路２００に対して直交するようにミラーＭ３が配置されている。従って、第２光波干渉計１０Ｂから射出したレーザ光は、ミラーＭ２で反射し、ミラーＭ３で反射してミラーＭ２に入射し、ミラーＭ２で反射して再び第２光波干渉計１０Ｂに入射する。さらに、第２運動体１６には、スケール１２Ａの目盛りの位置変化を検出する相対変位検出部１６Ａが設けられている。スケール１２Ａと相対変位検出部１６Ａとの関係については、後に詳述する。第２運動体１６も、第１運動体１２と同様に紙面の左右方向に運動可能である。
【００２２】
上記の第１空間１４と第２空間１８は、隔壁２０により隔離されている。隔壁２０におけるレーザ光の透過部分、つまり光路２００の透過部分と相対変位検出部１６Ａとスケール１２Ａ間の光路の透過部分は光学的に透明な部材（例えばガラス）で構成される。もちろん、隔壁２０の当該部分を中空容器とし、その内部に屈折率の揺らぎが生じないように気体を充填させてもよい。第１空間１４は図示されない容器の内部に形成されるものであり、第２空間１８は容器内に形成されてもよいが、大気開放されていてもよい。
【００２３】
姿勢制御部２４は、第１運動体１２の運動方向における位置の制御と第１運動体１２の姿勢を制御する手段である。具体的には、第１光波干渉計１０Ａで計測された第１運動体１２の位置、姿勢に応じてミラーＭ１が光路１００に対して常に直交するように制御する。
【００２４】
姿勢制御部３２は、第２運動体の運動方向における姿勢の制御する手段である。具体的には、第２光波干渉計１０Ｂで計測された第２運動体１６の姿勢に応じてミラーＭ３が光路２００に対して常に直交するように制御する。具体的には、ミラーＭ３が光路２００に対して常に直交するように、第２運動体１６のヨー角やピッチ角を調整する。これにより、第１運動体１２と第２運動体１６が平行に運動し、従って第１運動体１２と第２運動体がともに真空中の光軸１００に対して平行に運動することになる。なお、第２干渉計１０Ｂの計測データは、有線あるいは無線で姿勢制御部３２に供給することができる。
【００２５】
相対変位検出部１６Ａは、スケール１２Ａの目盛りに向けてレーザ光を投射し、その反射光を受光することで目盛りの変位を検出する。目盛りとして回折格子を例にとると、相対変位検出部１６Ａからスケール１２Ａに向けて投射されたレーザ光の光路は、図において光路３００、４００として示される通り、±１次の回折角の方向より目盛りに入射する。この投射光は、目盛り（回折格子）で回折し、この回折光は０次の回折光、つまりスケール１２Ａに対して垂直をなす反射光となる。そして、この反射光は相対変位検出部１６Ａの図示しないミラーにより反射され、スケール１２Ａの目盛りに対して垂直な光路５００となって入射する。スケール１２Ａの目盛りに垂直入射する光路５００は、目盛りで回折して±１次の回折光となり、光路３００、４００を通って相対変位検出部１６Ａの図示しない受光部に入射する。相対変位検出部１６Ａでは、再入射した光路３００、４００のレーザ光に基づき、公知（例えば「高分解能リニアスケール」梶谷誠、精密工学会誌、ＪＰＳＥ−５７、１９４３頁参照）の方法で、互いに平行に運動する第１運動体１２と第２運動体１６の相対変位を検出する。検出原理を簡単に説明すると、回折格子からの０次光には格子の位相が含まれていないが、±１次光には格子の位相情報が含まれており、格子がある方向に移動すると回折光の位相も変化する。そこで、この位相を検出することで（具体的には、±１次光の干渉光の強度変化）、第１運動体１２と第２運動体１６の相対変位を検出することができる。
【００２６】
演算部３３は、第１光波干渉計１０Ａで計測された第１運動体の位置データと、相対変位検出部１６Ａで計測された第１運動体１２と第２運動体１６の相対変位データに基づいて、第２運動体の位置を算出するものである。具体的には、第２運動体の位置＝第１運動体の位置＋両運動体の相対変位で算出する。算出された第２運動体１６の位置は、例えば図示しない表示装置などに出力される。
【００２７】
このように、本実施形態では、実質的に真空状態にある第１運動体の位置を光波干渉計で高精度に計測し、第１運動体と第２運動体の相対変位を空気の屈折率の変動影響を受けないスケールを用いて高精度に計測し、両計測値に基づいて第２運動体の位置を高精度に算出することができる。
【００２８】
なお、第２運動体１６の姿勢を計測するための光路２００上は、高精度制御の観点からは可能な限り屈折率の揺らぎを少なくすることが必要である。従って、ミラーＭ３周囲のエリア６００は、例えば隔壁２０と同様に屈折率の揺らぎのないガラス材で構成するのが好適であり、またその周囲をこのようなガラス材で構成し、内部を実質的に真空状態にしてもよい。
【００２９】
さらに、隔壁２０と第２運動体１６の間に存在する空気の揺らぎの影響を抑制すべく、層流形成部３０で高速の気流を注入してこの間隔の気体の流れを安定化することも好適である。なお、第２運動体１６の運動による空気の揺らぎを効果的に抑制するためには、層流の速度は第２運動体１６の運動速度に比べて著しく大きいことが必要である。
【００３０】
図２には、第１運動体１２と第２運動体の具体的な駆動機構（姿勢制御部２４、３２を含む）が示されている。第１運動体１２及び第２運動体１６は、いずれもその運動に関わる案内機構と駆動機構が不可欠であり、第２運動体１６に関しては空気中の運動であるため、例えば通常の高精度工作機械等で用いられている機構をそのまま利用することができるが、第１運動体１２に関しては真空中における高精度の移動を実現する必要がある。通常の接触型案内機構を用いたのでは、例えば真空に適合した潤滑等の問題が生じ得る。一方、第１運動体１２に関して磁気浮上機構や非接触リニアモータ等の非接触型案内機構を用いることも考えられる。本実施形態では、以下のような簡易な駆動機構を採用している。
【００３１】
すなわち、図において、第１運動体１２及び第２運動体１６は紙面垂直方向に向かって運動する。第１運動体１２を収容する隔壁２０は支持機構３４によって支持される。また、第２運動体１６は図示しない被測定体に固定される。
【００３２】
隔壁２０には、既述したようにレーザ光が透過する透過部材が設けられ、ここでは窓２０Ａとして示されている。隔壁２０内は実質的に真空状態に維持される。
【００３３】
また、隔壁２０内には、第１運動体１２が運動方向に沿って運動自在に設けられており、更にミラーＭ２及びスケール１２Ａを含む第１光学系３６が設けられている。第１運動体１２は、上下制御部６００及び左右制御部７００により隔壁２０に対して非接触で駆動される。上下制御部６００及び左右制御部７００は、図１における姿勢制御部２４に相当するものである。上下制御部６００は第２運動体１６に固定配置された磁気回路構成素子３８と、第１運動体１２に固定配置された磁気回路構成素子４０と、磁気回路構成素子３８を励磁する励磁制御コイル４２とで構成される。また、左右制御部７００は第２運動体１６に固定配置された磁気回路構成素子４４と、第１運動体１２に固定配置された磁気回路構成素子４６と、磁気回路構成素子４４を励磁するための励磁制御コイル４８とで構成される。さらに、上下制御部６００による励磁作用を検出するため磁気センサ５０が設けられ、また、左右制御部７００による磁気作用を検出するため磁気センサ５２が設けられている。
【００３４】
上下制御部６００及び左右制御部７００によって、磁気センサ５０，５２の出力に基づいて励磁が制御され、その結果、常に第１運動体１２の姿勢が一定に制御される。すなわち、隔壁２０に対して非接触で安定した状態が構築される。
【００３５】
第２運動体１６には、第２光学系３７が設けられており、この第２光学系３７は図２に示したミラーＭ３及び相対変位検出部１６Ａを含む。すなわち、窓２０Ａを介して第１光学系３６と第２光学系３７との間でレーザ光が行き来する。
【００３６】
このような構成において、第２運動体１６が運動すると、相対変位検出部１６Ａにより第２運動体１６と第１運動体１２の相対変位が常に検出される。上述したように、第１運動体１２の位置は真空条件下において高精度に測定可能であるので、結果として第１運動体１２の位置として第２運動体１６の位置を高精度に測定することが可能となる。換言すれば、空気中にある第２運動体１６の位置を真空での観測と同様の精度をもって観測することができる。従って、光波干渉測長計の機能を充分に利用して高精度の位置測定を実現できる。
【００３７】
なお、相対変位検出部１６Ａで検出された相対変位を姿勢制御部２４にフィードバックし、第１運動体１２の位置を制御して相対変位がゼロとなるように制御することも可能である。すなわち、第１運動体１２を第２運動体１６の移動に追従させて移動させることも可能である。これにより、第２運動体１６の移動量が大きい場合でも、相対変位を確実に計測してその位置を算出することが可能となる。
【００３８】
図２に示すような装置は、例えば高精度の加工を行う装置や半導体製造装置などの分野で用いることが可能である。
【００３９】
＜第２実施形態＞
上述した第１実施形態においては、第１運動体１２と第２運動体１６の相対変位を計測する機構として反射型スケールを用いる例を示したが、透過型スケールを用いて計測することも可能である。
【００４０】
図３には、透過型スケールを用いる場合の構成が示されている。図において、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。第１運動体１２には透過型スケール１２Ａとコーナキューブ（あるいは反射ミラー）１２Ｂが設けられ、第２運動体１６には相対変位検出部１６Ａが設けられる。相対変位検出部１６Ａ内には、レーザ光を射出する発光部１６Ｂと受光部１６Ｃが設けられている。発光部１６Ｂからのレーザ光はスケール１２Ａの目盛りを透過し、コーナキューブ１２Ｂで反射し、スケール１２Ａを通過することなく受光部１６Ｃに入射する。
【００４１】
このような構成により、目盛りが回折格子でない通常の目盛り格子でも容易に位置測定装置を得ることができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、空気中又はそれと同一視される環境下におかれた運動物体の変位（位置）を真空中における光波干渉測長と同程度の精度で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の全体構成図である。
【図２】本発明の実施形態の駆動機構説明図である。
【図３】本発明の他の実施形態の構成図である。
【符号の説明】
１０Ａ第１光波干渉計、１０Ｂ第２光波干渉計、１２第１運動体、１４第１空間、１６第２運動体、１８第２空間、２０隔壁、２４姿勢制御部、３０層流形成部、３２姿勢制御部、３３演算部、１００第１計測光路、２００第２計測光路、６００上下制御部、７００左右制御部。

Claims

第１空間内を運動する第１運動体と、
第２空間内を前記第１運動体と並行に運動する第２運動体と、
前記第１空間と第２空間を隔離する、少なくともその一部に光を透過する透過部を備える隔離手段と、
前記第１運動体の変位を測定する第１光波干渉測長計と、
前記第１運動体と第２運動体の相対変位を測定する相対変位測定手段と、
前記第１測長手段で測定された第１運動体の変位と、前記相対変位測定手段で測定された相対変位に基づき、前記第２運動体の位置を演算する演算手段と、
を有し、前記相対測定手段は、
前記第１運動体又は前記第２運動体の一方に設けられたスケールと、
前記第１運動体又は前記第２運動体の他方に設けられ、前記スケールの目盛り位置の変化を検出する検出手段と、
を含むことを特徴とする位置測定装置。
前記第１空間は、実質的に真空状態であることを特徴とする請求項１記載の位置測定装置。
前記第１空間は、空気に比べて光の屈折率の揺らぎが少ない気体で満たされることを特徴とする請求項１記載の位置測定装置。
前記第２空間は、実質的に空気で満たされることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の位置測定装置。
前記第２運動体の姿勢を計測する第２光波干渉測長計と、
前記第１光波干渉測長計で計測された前記第１運動体の姿勢と、前記第２光波干渉測長計で計測された前記第２運動体の姿勢に基づき前記第１運動体と前記第２運動体を平行に運動せしめる制御手段と、
をさらに有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の位置測定装置。
前記第１運動体に設けられた第１及び第２反射鏡と、
前記第２運動体に設けられた第３反射鏡と、
をさらに有し、
前記第１反射鏡は、前記第１光波干渉測長計の光路に直交するように配置され、
前記第２反射鏡は、前記第２光波干渉測長計からの光を前記第２運動体に向けるべくその光路に対して所定角をなして配置され、
前記第３反射鏡は、前記第２反射鏡で反射された前記第２光波干渉測長計からの光の光路に直交するように配置され、
前記制御手段は、前記第１、第２及び第３反射鏡と光路との関係を維持するように制御することを特徴とする請求項５記載の位置測定装置。
前記所定角は、π／４であることを特徴とする請求項６記載の位置測定装置。
前記隔離手段と前記第２運動体の間に、前記第２運動体の移動速度よりも大きい移動速度を有する気体の流れを生ぜしめる層流形成手段と、
をさらに有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の位置測定装置。
前記隔離手段は、非磁性材料で構成され、
前記第１運動体は、磁気的相互作用により前記第２運動体の運動に追従して非接触で運動することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の位置測定装置。