JP7624585B2 - 真直度測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、真直度測定装置に係り、特に工作機器や測定機器に設けられた移動体の移動方向の真直度を測定する真直度測定装置に関する。

従来、工作機器や測定機器に設けられた移動体の移動方向の真直度を、例えば、特許文献１に開示されたレーザ干渉計を用いて測定することが知られている。

上記のレーザ干渉計は、レーザ発振器を有しており、このレーザ発振器からのレーザ光の光路内には、真直度干渉計と、移動体に取り付けられる反射ミラーとが配置されている。レーザ発振器からのレーザ光は、真直度干渉計を経由することにより２偏光成分のレーザ光に分割されて反射ミラーに出射され、そして、反射ミラーで反射された２つのレーザ光は、真直度干渉計に戻されて合成される。その合成された２つのレーザ光の干渉光を受光素子で受光することにより、２つのレーザ光の光路長の相対的な変化を検出し、その変化に基づいて移動体の移動方向の真直度を測定する。

特開２００４－２１９３５０号公報

例えば、特許文献１のようなレーザ干渉計を使用した真直度測定装置は、レーザ発振器からのレーザ光を真直度干渉計から真直度反射鏡に向けて広げているため、広げられた２つのレーザ光は互いに離れた空間を通過する。例えば、２つのレーザ光が同一の空間を通過する場合、空間の揺らぎ（例えば、擾乱）による影響は互いに打消し合うため小さくなるが、上記のように互いに離れた空間を通過した場合には、互いに打消し合うことができず、空間の揺らぎの影響を受けてしまい、安定した測定を行うことができないという問題がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、空間の揺らぎの影響を抑制して安定した測定を行うことができる真直度測定装置を提供することを目的とする。

本発明の目的を達成するための真直度測定装置は、移動体の移動方向の真直度を検出する真直度測定装置であって、単一周波数のレーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光の光路上に配置される真直度反射鏡と、レーザ光源と真直度反射鏡との間に配置され、レーザ光源から出射されたレーザ光を第１のレーザ光と第２のレーザ光とに分割する偏光ビームスプリッタと、第１のレーザ光の周波数を変調させて変調レーザ光を生成する周波数変調素子と、第２のレーザ光と変調レーザ光のそれぞれの位相を変化させるλ／４板と、λ／４板を通過した第２のレーザ光と変調レーザ光とを互いに離間する方向に広げて真直度反射鏡に入射させる偏向プリズムであって、真直度反射鏡で反射した第２のレーザ光の反射光と変調レーザ光の反射光とをλ／４板を介して偏光ビームスプリッタへ入射させる偏向プリズムと、偏光ビームスプリッタから出射された干渉光であって、偏光ビームスプリッタで合成された第２のレーザ光の反射光と変調レーザ光の反射光との干渉光の干渉信号を出力する受光素子と、干渉信号と周波数変調素子を駆動する駆動信号とに基づいて真直度を検出する検出部と、を備える。

本発明の一形態は、レーザ光源のレーザ光の光路に沿って移動自在に設けられた移動体に、偏向プリズムが取り付けられることが好ましい。

本発明の一形態は、レーザ光源のレーザ光の光路に沿って移動自在に設けられた移動体に、真直度反射鏡が取り付けられることが好ましい。

本発明の一形態は、検出部は、干渉信号の中から駆動信号の高周波数帯域に対応する高周波数帯域の検出信号を抽出して出力するロックインアンプと、ロックインアンプから出力される検出信号に基づき真直度を演算する演算部と、を備えることが好ましい。

本発明の一形態は、駆動信号は、１ＧＨｚ以上の高周波数帯域の信号であることが好ましい。

本発明によれば、空間の揺らぎの影響を抑制して安定した測定を行うことができる。

実施形態に係る真直度測定装置の基本構成を示すブロック図 真直度測定装置による真直度測定方法の一例を示した説明図 図２の測定方法で２つのレーザ光の光路長が変化することを示した説明図 真直度測定装置による真直度測定方法の他の例を示した説明図 図４の測定方法で２つのレーザ光の光路長が変化することを示した説明図

以下、添付図面に従って本発明の真直度測定装置の実施形態について説明する。

図１は、実施形態に係る真直度測定装置１０の基本構成を示すブロック図である。

図１に示すように、実施形態の真直度測定装置１０は、レーザ光源１２から出射されるレーザ光Ｌを利用して移動体の移動方向の真直度を測定する装置であり、レーザ光源１２からのレーザ光Ｌの光路内に、偏光ビームスプリッタ１４、ピエゾ素子１６を備えたプリズム１８、λ／４板２０、偏向プリズム２２及び真直度反射鏡２４が順に配置されて構成される。

レーザ光源１２としては、例えば、Ｈｅ－Ｎｅレーザ等の干渉距離の長い単一周波のレーザ光を出射するレーザ光源が用いられる。このレーザ光源１２から出射されたレーザ光Ｌは、上記の偏光ビームスプリッタ１４で第１のレーザ光Ｌ１と第２のレーザ光Ｌ２とに分割される。この時、偏光ビームスプリッタ１４の光軸は入射するレーザ光Ｌの偏光面に対して４５°になるように調整されている。この場合、偏光ビームスプリッタ１４で反射する第１のレーザ光Ｌ１はＳ偏光、偏光ビームスプリッタ１４を透過する第２のレーザ光Ｌ２はＰ偏光と呼ばれ、互いに偏光方向が直交している。

第１のレーザ光Ｌ１は、反射面１８Ａにピエゾ素子１６が取り付けられたプリズム１８に入射する。ピエゾ素子１６は、周波数源である発振器２５から出力される高周波数帯域の駆動信号Ｓ１に基づき高周波数帯域で駆動される。これによって反射面１８Ａが振動され、この反射面１８Ａで反射される第１のレーザ光Ｌ１は、その周波数が変調されて高周波数帯域の周波数を有する変調レーザ光Ｌ３に変調される。この変調レーザ光Ｌ３の光軸は、第２のレーザ光Ｌ２の光軸と平行に設定されている。

上記の構成により、偏光ビームスプリッタ１４で分割された第１のレーザ光Ｌ１は、駆動信号Ｓ１により振動するピエゾ素子１６によって変調レーザ光Ｌ３に変調される。そして、変調レーザ光Ｌ３の周波数は、発振器２５からの高周波数帯域の駆動信号Ｓ１によって任意に調整可能である。本実施形態では、後述するように、変調レーザ光Ｌ３の周波数が、空気の乱れの影響を受け難い直進性の高い高周波数帯域（例えば、１ＧＨｚ以上の高周波数帯域）の周波数に調整される。ここで、ピエゾ素子１６は、本発明の周波数変調素子の一例である。

第２のレーザ光Ｌ２と変調レーザ光Ｌ３とは、それぞれλ／４板２０を通過することで、それぞれ位相が変化されて円偏光に変換される。そして、λ／４板２０を通過した第２のレーザ光Ｌ２と変調レーザ光Ｌ３とは、偏向プリズム２２によって互いに離間する方向にそれぞれ所定の角度（θ）分だけ広げられて真直度反射鏡２４に向けて出射される。

真直度反射鏡２４は、変調レーザ光Ｌ３を反射する反射鏡２６と、第２のレーザ光Ｌ２を反射する反射鏡２８とを有している。反射鏡２６は、反射鏡２６の法線が変調レーザ光Ｌ３の光軸と平行になるように配置され、反射鏡２８は、反射鏡２８の法線が第２のレーザ光Ｌ２の光軸と平行となるように配置されている。これにより、反射鏡２６に入射した変調レーザ光Ｌ３は、反射鏡２６で反射され、その反射光（以下、「変調レーザ反射光Ｌ４」と言う。）は、変調レーザ光Ｌ３と同じ方向に戻される。そして、変調レーザ反射光Ｌ４は、偏向プリズム２２に入射する。また、反射鏡２８に入射した第２のレーザ光Ｌ２は、反射鏡２８で反射され、その反射光（以下、「第２のレーザ反射光Ｌ５」と言う。）は、第２のレーザ光Ｌ２と同じ方向に戻される。そして、第２のレーザ反射光Ｌ５は、偏向プリズム２２に入射する。

偏向プリズム２２に入射した変調レーザ反射光Ｌ４は、偏向プリズム２２からλ／４板２０を通過することで円偏光から直線偏光に変換された後、プリズム１８の反射面１８Ａで反射されて偏光ビームスプリッタ１４に戻される。同様に、偏向プリズム２２に入射した第２のレーザ反射光Ｌ５は、偏向プリズム２２からλ／４板２０を通過することで円偏向から直線偏向に変換された後、偏光ビームスプリッタ１４に戻される。

偏光ビームスプリッタ１４に戻された上記の変調レーザ反射光Ｌ４と第２のレーザ反射光Ｌ５とは、偏光ビームスプリッタ１４で合成されて干渉される。これにより、偏光ビームスプリッタ１４で干渉光Ｌ６が生成され、その干渉光Ｌ６が偏光ビームスプリッタ１４から出射されて受光素子３０に入射する。

受光素子３０は、上記の干渉光Ｌ６を受光し、干渉光Ｌ６の干渉縞に応じた干渉信号Ｓ２をロックインアンプ３２に出力する。

ロックインアンプ３２には、上記の干渉信号Ｓ２のほか、発振器２５から駆動信号Ｓ１が入力されている。ロックインアンプ３２は、干渉信号Ｓ２の中から駆動信号Ｓ１の高周波数帯域に対応する高周波数帯域の検出信号Ｓ３を抽出して演算部３４に出力する。

演算部３４は、増幅器３６、周波数計測部であるカウンタ３８、及び算出部４０を備えている。ロックインアンプ３２から演算部３４に出力された検出信号Ｓ３は、増幅器３６で増幅された後、カウンタ３８によって検出信号Ｓ３の周波数が計数される。そして、算出部４０は、カウンタ３８の計数値に基づいて変調レーザ光Ｌ３と第２のレーザ光Ｌ２ の光路差を算出するとともに、後述する既知の角度（θ：図１参照）に基づいて移動体の移動方向の真直度を算出する。ここで、ロックインアンプ３２と演算部３４とによって検出部３３が構成される。検出部３３は、真直度を検出する本発明の検出部の一例である。

次に、真直度測定装置１０を用いた真直度測定方法について説明する。

図２は、真直度測定装置１０が工作機器５０に設置された場合の第１の測定形態を示した説明図である。

図２によれば、工作機器５０に設けられたキャリッジ５２のＸ軸方向の真直度を、真直度測定装置１０によって測定する態様が示されている。また、図２に示す真直度測定装置１０においては、レーザ光照射装置５４と、偏向プリズム２２と、真直度反射鏡２４とが図示されている。なお、レーザ光照射装置５４は、図１に示したレーザ光源１２と、偏光ビームスプリッタ１４と、ピエゾ素子１６を有するプリズム１８と、λ／４板２０とを備えて構成されている。なお、キャリッジ５２は、本発明の移動体の一例である。

工作機器５０のキャリッジ５２は、Ｘテーブル５６に沿ってＸ軸方向に移動自在に取り付けられている。このように構成されたキャリッジ５２のＸ軸方向の真直度を測定する場合には、Ｘ軸の前端側にレーザ光照射装置５４を配置するとともに、レーザ光照射装置５４から出射される変調レーザ光Ｌ３と第２のレーザ光Ｌ２とがＸ軸と平行になるように、レーザ光照射装置５４を三脚５８に固定する。

真直度反射鏡２４においては、Ｘ軸の後端側に配置するとともに、高さ調整が可能な支持台６０に固定する。偏向プリズム２２においては、Ｘ軸の軸路においてレーザ光照射装置５４と真直度反射鏡２４との間に配置するとともに、高さ調整が可能な支持台６２を介してキャリッジ５２に取り付ける。そして、変調レーザ光Ｌ３と第２のレーザ光Ｌ２の高さとほぼ同じ高さになるように、偏向プリズム２２と真直度反射鏡２４のそれぞれの高さを上記の支持台６０、６２によってそれぞれ調整する。

そして、変調レーザ光Ｌ３の周波数を、発振器２５からの駆動信号Ｓ１により、空気の乱れの影響を受け難い直進性の高い高周波数帯域（例えば、１ＧＨｚ以上の高周波数帯域）の周波数に調整する。以上で、測定準備が完了する。

ここで、真直度とは、偏向プリズム２２の移動方向（Ｘ軸方向）に直交する方向の軸ズレ量を指し、変調レーザ光Ｌ３と第２のレーザ光Ｌ２とを偏向プリズム２２でどの方向に広げるかによって軸ズレの方向が決定される。

すなわち、図２に示した測定態様では、変調レーザ光Ｌ３と第２のレーザ光Ｌ２とを垂直面内において上下方向に広げているので、Ｘ軸に対する上下方向（Ｚ軸方向）の真直度の測定が可能となっている。なお、変調レーザ光Ｌ３と第２のレーザ光Ｌ２とを水平面内において左右方向に広げた場合には、Ｘ軸に対する左右方向（Ｙ軸方向）の真直度の測定が可能となる。

上記のように構成された真直度測定装置１０によって、キャリッジ５２のＸ軸方向の真直度を測定する場合には、高周波数帯域の周波数に変調された変調レーザ光Ｌ３と第２のレーザ光Ｌ２とをレーザ光照射装置５４から偏向プリズム２２に向けて出射するとともに、キャリッジ５２をＸ軸方向に沿って移動させて、偏向プリズム２２を真直度反射鏡２４に対して近接又は離間させる。

このとき、例えば、図３に示すように、偏向プリズム２２がＸ軸に沿って移動する過程で上方にＤだけ移動したとすると、変調レーザ光Ｌ３ の光路Ａは、Ａ’になり、第２のレーザ光Ｌ２ の光路Ｂは、Ｂ’になる。ここで、Ａ＝Ｂ、Ａ’＝Ａ－Ｄ×ｓｉｎ（θ）、Ｂ’＝Ｂ＋Ｄ×ｓｉｎ（θ）の関係があるので、変調レーザ光Ｌ３と第２のレーザ光Ｌ２との光路差は、Ｂ’－Ａ’＝２×Ｄ×ｓｉｎ（θ）となる。よって、光路差とθとが判れば、真直度Ｄが求められる。

上記の光路差は、既述したように、ロックインアンプ３２から演算部３４に出力される検出信号Ｓ３に基づいて算出される。また、θは、偏向プリズム２２で広げられる変調レーザ光Ｌ３と第２のレーザ光Ｌ２の角度であって既知の角度である。したがって、実施形態の真直度測定装置１０によれば、算出した光路差と既知の角度（θ）とに基づいて真直度Ｄを求めることができる。

ここで、偏向プリズム２２から真直度反射鏡２４に向かう変調レーザ光Ｌ３と第２のレーザ光Ｌ２は、偏向プリズム２２によって互いに離間する方向に広げられ、互いに離れた空間を通過するものなので、空間の揺らぎによる影響を受け易いと考えられる。しかしながら、変調レーザ光Ｌ３は、高周波数帯域の周波数（例えば、１ＧＨｚ以上）に変調されており、更に、検出部３３においては、変調レーザ光Ｌ３と第２のレーザ光Ｌ２のそれぞれの反射光を合成して生成された干渉信号Ｓ２の中から駆動信号Ｓ１の高周波数帯域に対応する高周波数帯域の検出信号Ｓ３を抽出し、この検出信号Ｓ３に基づいて真直度を検出している。

つまり、実施形態の真直度測定装置１０は、空気の乱れの影響を受け難い直進性の高い高周波数帯域の検出信号Ｓ３に基づいて真直度を検出しているので、変調レーザ光Ｌ３と第２のレーザ光Ｌ２とが互いに離れた空間を通過しても、空間の揺らぎの影響を抑制して安定した測定を行うことができる。また、実施形態の真直度測定装置１０は、変調レーザ光Ｌ３と第２のレーザ光Ｌ２を偏向プリズム２２と真直度反射鏡２４との間で一往復させるだけで真直度を測定可能なので、例えば、二往復させる態様と比較してより安定した測定を行うことが可能となる。

また、実施形態の真直度測定装置１０は、偏向プリズム２２から真直度反射鏡２４に向けて周波数の異なる２本のレーザ光（変調レーザ光Ｌ３と第２のレーザ光Ｌ２）を照射し、これらの反射光に基づいて真直度を測定する装置なので、ヘテロダイン検出方式の真直度測定装置として構成されている。

従来、ヘテロダイン検出方式を採用したレーザ干渉計として、例えば、周波数の高い（例えば、数百ＴＨｚ）二周波数のレーザ光を出射するレーザ光源（例えば、ゼーマンレーザ：特開昭５９－１８８５１１号公報参照）を使用し、周波数の異なる二つのレーザ光を測定対象物に照射し、測定対象物で反射した二つのレーザ光の光路差に基づく周波数差（例えば、５ＯＭＨｚ）から測定対象物の表面粗さや高さ形状を測定するものがある。しかし、上記のレーザ干渉計では、例えば、ゼーマンレーザのような特殊なレーザ光源を使用しなければならず、また、レーザ光の周波数が非常に高いため検出が困難であり、更に、上記の周波数差が小さいため空間の揺らぎによる影響を受け易く、安定した測定を行うことができない問題がある。

これに対し、実施形態の真直度測定装置１０によれば、単一周波数のレーザ光を出射するレーザ光源１２を使用し、このレーザ光源１２からのレーザ光Ｌを偏光ビームスプリッタ１４によって第１のレーザ光Ｌ１と第２のレーザ光Ｌ２とに分割する。そして、第１のレーザ光Ｌ１を、ピエゾ素子１６によって高周波数帯域の周波数に変調し、この変調した変調レーザ光Ｌ３と第２のレーザ光Ｌ２とを真直度反射鏡２４に向けて広げて入射させ、真直度反射鏡２４で反射した変調レーザ反射光Ｌ４と第２のレーザ反射光Ｌ５とを偏光ビームスプリッタ１４で合成して干渉させる。そして、この干渉光を受光素子３０で受光させ、受光素子３０から出力される干渉信号Ｓ２と、発振器２５からの駆動信号Ｓ１とに基づいて真直度を検出する。これにより、実施形態の真直度測定装置１０は、ゼーマンレーザのような特殊なレーザ光源を用いずともヘテロダイン検出方式の測定を実施することが可能になる。また、高周波数帯域の周波数に変調した変調レーザ光Ｌ３を用いることにより、空間の揺らぎの影響を抑制して安定した測定を行うことができる。

なお、実施形態の真直度測定装置１０では、周波数変調素子としてピエゾ素子１６を例示したが、これに限定されるものではなく、音響光学変調素子等の他の周波数変調素子を適用してもよい。

図４は、真直度測定装置１０が工作機器５０に設置された場合の第２の測定形態を示した説明図である。なお、図４に示す工作機器５０と図２に示した工作機器５０とは同一構成なので、同一の符号を付して説明する。

図４に示す真直度測定装置１０においても、工作機器５０に設けられたキャリッジ５２のＸ軸方向の真直度を測定するものである。ここで、図２に示した真直度測定装置１０と、図４に示した真直度測定装置１０との異なる点は、図２ではキャリッジ５２に偏向プリズム２２を取り付けているのに対し、図４ではキャリッジ５２に真直度反射鏡２４を取り付け、図２に示した偏向プリズム２２を図４に示すレーザ光出射装置７０に内蔵させた点にある。なお、レーザ光出射装置７０は、図１に示したレーザ光源１２と、偏光ビームスプリッタ１４と、ピエゾ素子１６を有するプリズム１８と、λ／４板２０と、偏向プリズム２２とを備えて構成されている。よって、図４の真直度測定装置１０は、レーザ光出射装置７０から真直度反射鏡２４に向けて変調レーザ光Ｌ３と第２のレーザ光Ｌ２とを出射する装置構成となっている。

図４に示す真直度測定装置１０によって、キャリッジ５２のＸ軸方向の真直度を測定する場合には、高周波数帯域の周波数に変調された変調レーザ光Ｌ３と第２のレーザ光Ｌ２とをレーザ光出射装置７０から真直度反射鏡２４に向けて出射するとともに、キャリッジ５２をＸ軸方向に沿って移動させて、真直度反射鏡２４をＸ軸方向に沿って移動させる。そうすると、例えば、図５に示すように、真直度反射鏡２４がＸ軸に沿って移動する過程で上方にＤだけ移動したとすると、変調レーザ光Ｌ３ の光路Ａは長くなり、第２のレーザ光Ｌ２ の光路Ｂは短くなる。

以下、図２及び図３で説明した第１の測定形態と同様に、演算部３４にて算出される変調レーザ光Ｌ３と第２のレーザ光Ｌ２との光路差と、既知の角度（θ）とに基づいて真直度Ｄを求める。

第２の測定形態においても、空気の乱れの影響を受け難い直進性の高い高周波数帯域の検出信号Ｓ３に基づいて真直度を検出しているので、変調レーザ光Ｌ３と第２のレーザ光Ｌ２とが互いに離れた空間を通過しても、空間の揺らぎの影響を抑制して安定した測定を行うことができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

１０…真直度測定装置、１２…レーザ光源、１４…偏光ビームスプリッタ、１６…ピエゾ素子、１８…プリズム、２０…λ／４板、２２…偏向プリズム、２４…真直度反射鏡、２５…発振器、２６…反射鏡、２８…反射鏡、３０…受光素子、３２…ロックインアンプ、３３…検出部、３４…演算部、３６…増幅器、３８…カウンタ、４０…算出部、５０…工作機器、５２…キャリッジ、５４…レーザ光照射装置、５６…Ｘテーブル、５８…三脚、６０…支持台、６２…支持台、７０…レーザ光出射装置

Claims (1)

1. 移動体の移動方向の真直度を検出する真直度測定装置であって、
   単一周波数のレーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光の光路上に配置される真直度反射鏡と、
   前記レーザ光源と前記真直度反射鏡との間に配置され、前記レーザ光源から出射された前記レーザ光を第１のレーザ光と第２のレーザ光とに分割する偏光ビームスプリッタと、
   前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光のうち前記第１のレーザ光の周波数のみを変調させて変調レーザ光を生成する周波数変調素子と、
   前記第２のレーザ光と前記変調レーザ光のそれぞれの位相を変化させるλ／４板と、
   前記λ／４板を通過した前記第２のレーザ光と前記変調レーザ光とを互いに離間する方向に広げて前記真直度反射鏡に入射させる偏向プリズムであって、前記真直度反射鏡で反射した前記第２のレーザ光の反射光と前記変調レーザ光の反射光とを前記λ／４板を介して前記偏光ビームスプリッタへ入射させる偏向プリズムと、
   前記偏光ビームスプリッタから出射された干渉光であって、前記偏光ビームスプリッタで合成された前記第２のレーザ光の反射光と前記変調レーザ光の反射光との干渉光の干渉信号を出力する受光素子と、
   前記干渉信号と前記周波数変調素子を駆動する駆動信号とに基づいて前記真直度を検出する検出部と、
   を備える、真直度測定装置。

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