JPH06502727A - 角度変位較正装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 角度変位較正装置および方法 発明の背景 技術分野 本発明は５回転テーブルのような、回転軸の周りの対象物の角度変位の較正に関 する。

なお、本明細書の記述は本件出願の優先権の基礎たる英国特許出願第９１１９３ ０４．５号の明細書の記載に基づ（ものであって、当該英国特許出願の番号を参 照することによって当該英国特許出願の明細書の記載内容が本明細書の一部分を 構成するものとする。

関連技術 角度干渉計を、回転テーブルに同軸にマウントされた割出しテーブルと共に用い 、回転テーブルの較正を行うことは知られている。割出しテーブルは、等角度で 、かつテーブルの構造によって機械的に定められた正確な既知の割出し可能な増 加量分、回転テーブルに対し回転し得る。回転テーブルの角度変位は、角度干渉 計により、（割出しテーブルが回転テーブルと共に回転しているとき）割出しテ ーブルにマウントされた一対の再帰反射器の回転を検出することによって測定さ れ得る。角度干渉計は基準位置（２つの再帰反射器を含む平面が角度干渉計の入 射ビームに正確に直交して存在する位置）から約±１５°の範囲に亘り回転変位 を検出し得る。

この装置を用いた較正作業は、以下によって行われる。割出しテーブルを回転テ ーブルに結合（従って、角度干渉計の再帰反射器を回転テーブルに結合）し、回 転テーブルを所定の目標角度変位まで回転し、割出しテーブルの結合を外し、回 転テーブルの前記目標角度変位にほぼ等しい割出し位置の数だけ割出しテーブル を逆回転し、そして、基準位置からの再帰反射器の正味の角度変位を干渉計でも って補間（ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｅ）する。割出しテーブルの逆角度変位（これ は割出しテーブルの割出し構造から正確に知られている）が、干渉計によって測 定された正味の角度変位と合計され、回転テーブルの所定の目標角度変位と比較 される。この２つの値開の差異が、所定の目標角度変位における回転テーブルの 誤差を表わす。

このようなテーブルでは、回転テーブルの目標角度が、干渉計が連続的に測定で きる最大角度変位（典型的には±１５°）を越えるときに１つの問題が生ずる。

この問題に対し提案された１つの解決法は、回転テーブルの回転の間、基準に対 する割出しテーブルの回転を防ぐことであった。すなわち、回転テーブルの目標 角度への回転の間、割出しテーブルと回転テーブルとは結合されず、割出しテー ブルは基準から数度の範囲内の位置に機械的に保持されるので、割出しテーブル は回転テーブルに対し効果的に同時に逆回転することになる。この方法はユーザ ーにとっては不便である。

発明の開示 本発明は、中間割出しテーブルを介して回転テーブル上にマウントされた一対の 再帰反射器を有する角度干渉計を用いて、回転テーブルの角度変位を測定する方 法および装置を提供する。ここにおいて、割出しテーブルの回転を測定するため に、角度干渉計の読みを監視する制御システムが設けられ、回転テーブルの目標 角度への回転中、再帰反射器の回転が所定の閾値を越えたとき、割出しテーブル を逆回転させるようモータが作動され、か（て再帰反射器を角度変位の必要範囲 内に維持する。

本発明の第１の形態は、ベースに対し軸線回りに回転すべく該ベースにマウント された、回転テーブルの回転可能な支持体の角度変位を測定する装置であって、 回転テーブルの支持体に使用時にマウントされるステータ、および不連続で機械 的に画定された複数の角度休止位置間でステータに対し回転可能なロータを有す る割出しテーブル、 前記割出しテーブルの前記ロータの角度変位を測定する角度干渉計、 制御信号に応じて前記ステータに対し前記ロータを回転させるモータ、 および、 前記ベースに対する前記支持体の回転に依存して前記ロータの回転を制御するた めに前記制御信号を供給する制御装置を備え、 前記制御装置は、 前記干渉計から角度変位の値を受取り、かつ前記値が所定の閾値に等しいか、越 えたかを決定する手段、および、 前記所定の閾値に等しいか、越えた前記値に応じて前記モータを逆回転させるべ く前記制御信号を発生する手段 を備えていることを特徴とする装置を提供する。

逆回転速度は、支持体がその目標角度に到達するまでに、干渉計がロータの角度 変位をなお測定できるようでなければならない。

一つの好ましい実施態様では、制御システムは、割出しテーブルのロータを支持 体の回転速度よりも速い速度で、かつその大きさが典型的には閾値の２倍である 不連続な角度増加量の連なりとして、逆回転させている。

例えば、割出しテーブルは、５°の間隔で離間された、反復可能で正確な割出し 位置を有し、角度干渉計は基準及位置から±１５°の角度範囲まで測定し得るよ うなシステムにおいては、回転テーブルの変位閾値はおよそ３１／２°であり、 割出しテーブルの逆回転の大きさはおよそ５°から６°である。

本発明の実施態様が、例として添附図面を参照しつつ以下説明される。

図面の簡単な説明 第１図は、較正システムの概略構成図、第２図は、回転テーブル、割出しテーブ ルおよび角度干渉計光学素子の斜視図、 第３図は、第２図の割出しテーブルをよぎる詳細断面図であり、および 第４図は、角度干渉計システムを示す。

好ましい実施例の記述 本発明のシステムを、概略的に第１図に示す。第１図を参照するに、較正される べき回転テーブル１０は、角度変位を測定し変位信号を制御装置ＣＮに送るエン コーダ１２を有している。角度変位信号を用いて、制御装置はモータ１３を作動 させ、テーブル１０を、入力ボート１６を経て制御装置に入れられた、予めプロ グラムされたルーチンに従い要求される校正値位置である角度変位の所定値位置 に、回転させる。

較正装置は、回転テーブル上に共に、回転するようにマウントされた割出しテー ブル２ｏ、および割出しテーブル２０の角度変位を測定すべ（用いられる角度干 渉計１００を有している。制御装置２００は、（割出しテーブル２０を非結合と する）リフトモータ２２０および（非結合時割出しテーブルを駆動する）ドライ ブモータ２４０を、角度干渉計システム１００からの信号および前述の予めプロ グラムされた較正ルーチンに従って作動させる。か（て、較正装置と較正される べき回転テーブルとの間の唯一のつながりが、回転テーブル上における割出しテ ーブルの機械的マウンティングであるということが本発明の方法およびシステム の特徴である。専用の電気的接続やシステム間の情報的つながりを必要としない 。

第２図を参照するに、回転テーブルｌＯは、ベース１２とこのベース１２に対し 軸線Ａの回りに回転自在にマウントされた支持体１４とを備えている。中間割出 しテーブル２０は、回転テーブルの支持体１４に固設されたステータ２２、およ びこのステータ２２に軸線Ａと実質的に同軸の軸線の回りに回転するようマウン トされたロータ２４を備えている。

この中間割出しテーブル２０は（それ自体公知の）ハース結合（Ｈｉｒｔｈ　ｃ ｏｕｐｌｉｎｇ）であり、ロータ２４およびステータ２２の両方に設けられた歯 ２６を有している。歯２６は、ステータ２２に対してロータ２４が正確に等角度 に割出された休止位置となる位置に設けられている。ステータ２２に対するロー タ２４の回転は、ロータ２４およびステータ２２を歯２６の係合解除を許容すべ く軸方向に非結合とすることにより達成される。ここまでは、このようなハース 結合テーブルはそれ自体公知である。

さて、第３図を参照して、本発明のハース結合割出しテーブル２０を説明する。

このテーブルはロータ２４に固設され、ステータ２２にベアリング４２を介して マウントされた中心軸４０を備えている。この中心軸４０はその基部に、リフト モータ２２０の駆動軸４８に偏心してマウントされた筒状ベアリング４６を収容 する環状チャンネル４４を有している。駆動軸４８の回転により筒状ベアリング ４６はチャンネル４４内でカムとして作動し、中心軸４０（および結果的にロー タ２４）を上方あるいは下方へ付勢し、これにより歯２６をそれぞれ係合解除あ るいは係合させる。ロータ２４がリフトされたか否かを検出するためにマイクロ スイッチ（不図示）が設けられている。歯２６の係合はこのマイクロスイッチお よびリフトモータ２２０の失速により検出される（この２つの条件の組合せによ って歯２６が適正に整列され互いに係合するよう付勢されることを確実にする） 。

ロータ２４は、中心軸４０に同心にマウントされ円錐状の駆動歯車５４と噛合う 円錐状の被駆動歯車５２を含む駆動システムによって回転される。駆動歯車５４ は、ドライブモータ２４０によってウオームギア５８を介して駆動される回転駆 動軸５６にマウントされている。円錐状の歯車５２および歯車５４は、ロータ２ ４がステータ２２と係合しているときには歯車５４および歯車５２の歯がきわめ てルーズに噛合い、かくてロータ２４の位置がハース結合の歯２６によって唯一 決定されることを許容するような形状とされている。しかしながら、ロータ２４ がリフトされたときには、歯車５２と歯車５４とは比較的源（噛合わされる。こ れは、ロータ２４とステータ２２が非結合状態でモータ２４０からの駆動力がな いときは、ロータ２４とステータ２２との一緒の回転を引起す。この結果、ロー タ２４はまた、この条件では回転テーブル１０の支持体１４と共に必然的に回転 する。

一対の再帰反射器を有する光学素子がロータ２４にマウントされている。再帰反 射器は第４図を参照して説明する角度干渉計システム１００の一部を形成してい る。

さて、第４図を参照するに、角度干渉計システム１００はレーザビームＬ１を放 射するレーザ装置１０２を備えている。ビームＬ１はビーム分割器１０４によっ て２つの平行ビームＬ２およびＬ３に分光される。ビームＬ２およびＬ３は再帰 反射器１０６に入射され、結果として検知器（不図示）において相互に干渉すべ （入射経路を戻される。軸線Ａの回りの再帰反射器１０６の（中間割出しテーブ ル２０のロータ２４の回転の結果としての）回転は、検出器での干渉縞における シフトを生じさせる。

入射ビームＬ２およびＬ３に正確に直交する平面上に存在する再帰反射器１０６ に対し、干渉計１００の基準位置が設定されたとすれば、次の等式が成立する。

Ｒ＝Ｋｓｉｎθ ここで、 θは角度変位、 Ｒは角度θに対応しシフトされた干渉縞の数（整数である必要はない）、 Ｋはスケールファクタ（ｓｃａｌｅ　ｆａｃｔｏｒ）として既知に＝Ｄｎ／λ。

ここで、 Ｄは再帰反射器１０６間の距離、 ｎは空気の屈折率、 え。は真空中におけるレーザ光の波長である。

しかしながら、実際には、再帰反射器１０６が存在する平面は、入射ビームに正 確に直交することはなく、装置の挙動は正しくは次式で表わされる。

Ｒ＋Ｒｏ＝＝　Ｋ　ｓｉｎ　（θ−θｏ）　（１１ここで、 θは再帰反射器の角度変位 （通窩、回転テーブルの制御システムにより制御かつ測定されるように回転テー ブルの角度変位と同時に生ずる）、 Ｒは角度θに対応する干渉計の読み、 θ。は基準位置におけるθのオフセット、Ｒｏは基準位置におけるＲのオフセッ ト、および、 Ｋはスケールファクタである。

上式は次式の形に書ける。

Ｒ＋Ｒｏ＝Ａ　ｓｉｎθ＋Ｂ　ｃｏｓθ　（２）ここで、 Ａ＝Ｋｃｏｓθ０ Ｂ＝Ｋｓｉｎθ。

注）ＡおよびＢは、このように所定のシステム構成に対して定数である。

さて、θ。はＫが依存するパラメータとして直接的に測定され得る。しかしなが ら、これ等の測定の度毎に伴う誤差があり、いかなる場合にも時間を消費するも のである。

従って、Ａ、Ｂおよびｋの値を以下の方法によって得ることが好ましい。

第（２）式から、さらに２つの直交等式（ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｅｑｕａｔｉｏ ｎ）が得られる。

Ｒｓｉｎθ＋Ｒｏ　ｓｉｎθ ：　Ａ　ｓｉｎ”θ＋Ｂ　ｓｉｎθ　ｃｏｓθ　（３）Ｒｃｏｓ　θ　＋　Ｒｏ 　ＣＯＳ　θ ＝Ａｓｉｎ　θ　ｃｏｓ　θ＋Ｂ　ｃｏｓ”　θ　（４）各パラメータ毎の全て の読みを合計する。

ΣＲ＋ＮＲＯ＝ΣＡ　ｓｉｎθ＋ΣＢ　ｃｏｓθ　（５）ΣＲｓｉｎθ＋Σ　Ｒ ｏ　Ｓｉｎθ ＝ΣＡ　ｓｉｎ”θ＋ΣＢ　ｓｉｎθ　ｃｏｓθ　（６）ΣＲｃｏｓθ＋Σ　Ｒ ｏ　ｃｏｓθ ＝ΣＡ　ｓｉｎθ　ｃｏｓθ＋Σ　Ｂ　ｃｏｓ”θ　（７）もし、角度変位が基 準位置Ｏ０に関して対称ならば、ｓｉｎθを含む項は、 ｓｉｎ　（−〇）＝−ｓｉｎθ であるから消滅し、以下が残る。

ΣＲ＋ＮＲＯ＝ΣＢ　ｃｏｓθ　（８）ΣＲｓｉｎθ　＝ΣＡ　ｓｉｎ”θ　（ ９）ΣＲｃｏｓθ　＋ΣＲ，ｃｏｓθ＝ΣＢ　ｃｏｓ”θＡの値は第（９）式か ら直接得られる。

ＢおよびＲｏのために解かれる連立方程式（８）および（ｌＯ）が残されている 。

第（８）式および第（１０）式を解（ためのデータは、再帰反射器の角度変位（ すなわち、θの値）を与える割出しテーブル２０を用いることにより得られる。

割出しテーブル２０はロータ２４の正確な変位を５°の間隔でもたらすから、こ の方法により得られたθの値は、回転テーブルの回転により得られたθの値と異 なり、ＡおよびＢを計算するために用いても充分に正確である。

従って、割出しテーブル２００ロータ２４を用いて、−５°、０°および＋５° の位置において干渉計が読まれ、正確で対称なθ（−５°、０°および＋５°） およびＲの値を与える。ＡおよびＢの値を得るために、かかる読みを用いて装置 がセットアツプされ、回転テーブルの較正が遂行され得る。

回転テーブルＩＯの目標角度変位が、干渉計システム１００が連続的に角度変位 を測定し得る１５°の範囲を越えるときの較正作業について、第１図ないし第３ 図を参照しつつ説明する。中間テーブル２０のロータ２４およびステータ２２が 互いに係合解除され、回転テーブル１０はその制御システムＣＮによって較正が 要求される目標角度、例えば４５°まで回転される。回転テーブル１０の支持体 １４の回転に従い、中間テーブルのステータ２２およびロータ２４と再帰反射器 １０６とは、歯車５２および歯車５４が噛合っているので共に回転する。再帰反 射器１０６の角度変位が、干渉計による測定において、２１／２°の閾値に到達 したとき、制御システム２００はモータ２４０を作動させる。モータ２４０は、 ロータ２４をステータ２２に対しほぼ５°逆回転させる。ロータ２４の逆回転中 、回転テーブル１０の支持体１４は回転を継続している。それ故に、モータ２４ ０は、回転テープル１０の支持体１４がその目標角度に回転駆動されているより も速（、ロータ２４を逆回転することができることが好ましい、しかしながら、 支持体の回転速度と等しいか、あるいは遅い速度で逆回転させることもまた、以 下の条件のときは可能である。すなわち、支持体がその目標角度に到達したとき 角度干渉計がまだロータの位置を測定することができる、すなわち、支持体の回 転を累進的にずらしているロータの逆回転の結果として、干渉計の基準位置から の全変位が約１５°を越えない場合である。

中間テーブル２０のロータ２４の逆回転処置は、回転テーブルｌＯのその目標角 度４５°への回転中、９回繰返される。回転テーブルがその目標角度に到達した とき（注、制御装置２００は、これを、予めプログラムされた較正ルーチンと関 連する干渉計による測定として、ロータ２４の全角度変位から設定する）、制御 装置はモータ２００を作動させ、ロータ２４をステータ２２に係合させてロック する。ロータ２４は、テーブル２０における５°の割出し増加量は正確とみなさ れるので、ステータ２２に対し正確に４５°回転されている。中間割出しテーブ ル２０のロータ２４およびステータ２２が、一旦、一体に結合されると、干渉計 の読みが再帰反射器１０６の基準位置からの全ての正味変位を決定するために取 入れられる。このような変位の全てが、回転テーブル制御システムの目標角度４ ５°における誤差を表わしている。この処置は、望むなら全ての要求された角度 変位が較正されるまで、回転テーブルの他の種々の目標角度に対して繰返しても よい。

不連続のステップでロータ２４を逆転することは、較正されるべき回転テーブル の回転速度（テーブル毎に異なり得る）にかかわらず、干渉計の整列性を維持す る便利な方法である。もちろん、回転テーブルと同一速度でロータを逆回転する ことも可能である。

ハース結合テーブルを用いてシステムを説明してきた。このテーブルに要求され る性能は、良好に画定された角度位置のセットを有すべきことである。これ等の 良好に画定された位置の各々の間の離間角度は必ずしも等しいことは必須でない 。必要なことは、既知で正確さの要求水準を有する休止位置間の離間角度が反復 可能であることである（注、これらの位置は時計回りおよび半時計回りの回転に 対して異なっていてもよい）、もし、このようなテーブルが使用されるなら、レ ーザ干渉計システムを較正するために用いられる数学はややより複雑となるが、 第（１）式から容易に導き出すことができる。回転テーブルの較正中、割出しテ ーブルの既知の角度位置間で較正が行われる。

国際調査報告 フロントページの続き （７２）発明者　グラハム、ジエフリー英国　ジーエル１２７ジエイエフ　グロ スターシャ州　ワットンーアンダーーエッジジェイズ　ミード　２５

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．ベースに対し軸線回りに回転すべく該ベースにマウントされた、回転テーブ ルの回転可能な支持体の角度変位を測定する装置であって、 回転テーブルの支持体に使用時にマウントされるステータ、および不連続で機械 的に画定された複数の角度休止位置間でステータに対し回転可能なロータを有す る割出しテーブル、 前記割出しテーブルの前記ロータの角度変位を測定する角度干渉計、 制御信号に応じて前記ステータに対し前記ロータを回転させるモータ、 および、 前記ベースに対する前記支持体の回転に依存して前記ロータの回転を制御するた めに前記制御信号を供給する制御装置を備え、 前記制御装置は、 前記干渉計から角度変位の値を受取り、かつ前記値が所定の閾値に等しいか、越 えたかを決定する手段、および、 前記所定の閾値に等しいか、越えた前記値に応じて前記モータを逆回転させるべ く前記制御信号を発生する手段 を備えていることを特徴とする装置。
2. ２．前記休止位置に対応する、ステータに対するロータの角度変位毎に、前記ロ ータを前記ステータの前記休止位置に係合させ、かつ前記ロータを前記休止位置 から係合解除させ、これにより前記モータが前記ロータを休止位置間で回転させ ることを可能とする手段、および前記モータが前記ロータを回転すべく前記制御 装置により作動されていないときに、前記ロータを前記ステータと共に回転すべ く拘束する手段が設けられていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の装 置。
3. ３．回転テーブルの支持体にこれと共に回転すべくマウントされたステータと、 不連続で機械的に画定された複数の角度休止位置間で該ステータに対し回転可能 なロータとを有する割出しテーブル、および該割出しテーブルのロータの角度変 位を測定する角度干渉計を備えた装置を用い、ベースに対し軸線回りに回転すべ く該ベースにマウントされた、回転テーブルの支持体の角度変位を測定する方法 であって、 ベースに対する支持体の回転がまたロータのベースに対する回転を生じさせるよ う、ロータをステータと共に回転させるべく拘束し、 較正角度が要求されている目標角度に、所定の回転速度で、支持体を回転させ、 角度干渉計でもって、ロータの基準に対する角度変位が所定の値と等しいか大き いかを決定するために、前記角度変位を監視し、 前記所定の値と等しいか大きい角度変位に応じて、ロータをステータに対し逆回 転させるステップを備えていることを特徴とする方法。
4. ４．逆回転の速度は、前記支持体の所定の回転速度と等しいか、より大きいこと を特徴とする請求の範囲第３項に記載の方法。
5. ５．ステータに対するロータの前記角度休止位置毎に、前記ロータは前記ステー タの前記休止位置に係合可能、かつ前記休止位置から係合解除可能であり、およ び前記ロータは係合解除時に前記ステータと共に動くべく拘束されていることを 特徴とする請求の範囲第３項に記載の方法。
6. ６．請求の範囲第３項に記載の方法において、ステータに対するロータの隣接す る休止位置間の角度変位が既知であり、さらに、 ステータに対しロータを前記休止位置の複数間で回転させ、 前記休止位置の各々で前記ロータとステータとを係合させ、 前記休止位置の各々で角度干渉計を読み取り、前記休止位置の各々でロータの角 度変位の既知の値、および角度干渉計の対応する読みから、前記ロータの角度変 位の値の計算を干渉計の読みから可能とするパラメータの値を決定するステップ を備えていることを特徴とする方法。
7. ７．前記パラメータはスケールファクタ（Ｋ）であり次式で与えられることを特 徴とする請求の範囲第６項に記載の方法。 Ｋ＝Ｄｎ／λｏ ここで、Ｄはロータ上にマウントされた一対の再帰反射器間の距離、 ｎは空気の屈折率、 λｏは干渉計に用いられたレーザ光の波長である。