JPH01189505A - スケール精度測定装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明はスケール精度測定装置、特にそのスケール送り
機構の改良に間するものである。

［従来の技術］ 従来より２つの移動体の相対移動量を検出するリニアエ
ンコーダが周知であり、その移動量を高精度かつ高分解
能で測定できるところから三次元測定器など各種被測定
物の形状あるいは寸法を測定する装置に使用されている
。

該リニアエンコーダには磁気型、光電型、静電容量型な
どがあるが、いずれも対向配置される二つのスケールを
有し、該スケールの相対移動量を物理量変化として捉え
るためスケール面に各種目盛りパターンが形成されてい
る。

例えば光電型リニアエンコーダでは、前記スケールは、
ガラス基板上に所定間ｒｉ毎に薄膜クロムなどよりなる
光不透過部と光透過部が交互に設けられた目盛りパター
ンが形成されている。

そして、移動体の相対移動に対応して前記二つのスケー
ルを相対移動させ１、発光器よりの光をスケールの目盛
りパターンにより透過・遮断し、スケールをはさんで前
記発光器と対向配置された受光器の出力により移動体の
相対移動量を検出するものである。

従って、スケールの目盛りパターンの形成精度がそのま
まリニアエンコーダの測定精度につながり、近年のリニ
アエンコーダの高精度化及び高分解能化に対応するため
には、目盛りパターンのより正確かつ微細な形成及び精
度検査が必要不可欠である。

第４図には従来のスケール精度測定装置の概略構成が示
されている。

同図において、測定装置１０は、ポリウレタン等からな
る恒温器１２内に設置されている。

また、前記測定装置１０は、ベッド１４と、該ベッド１
４上に転動球１６を介して支持されベッド１４に対し軽
い摺動力で相対移動可能に形成されたテーブル１８と、
前記テーブル１８に固定されガラススケール２０を保持
するスケール保持手段２２と、を含む。

そして、前記テーブル２０にはその移動機構が設けられ
ており、該移動機構は、モーター２４と、該モーター２
４のシャフトに連動するテーブル送りネジ２６と、テー
ブル送りネジ２６と噛み合い該テーブル送′９ネジの回
転によりテーブル１８を矢印１方向に送′り移動する送
り部材２８と、を備える。

従って、モーター２４を外部より駆動制御することによ
りスケール２０を所定位置に位置決めすることができる
。

また、同図中テーブル１８の左端部分にはスケール２０
を所定位置に位置決めするためのコーナーキューブのよ
うなリフレクタ３０が設けられており、図示を省略した
レーザー干渉計と協働してテーブル１８の移動量を検出
する。

さらに、前記スケール２０の目盛り２０ａに対向して光
電顕微鏡などの目盛り読み取り手段３２が配置され、該
目盛り読み取り手段３２に対し相対移動するスケール２
０の目盛り２０ａを読み取り可能としている。

図示例にかかるスケール精度測定装置は概略以上のよう
に構成され、次にその作用について説明する。

まず、測定者はスケール保持手段２２にスケール２０を
保持させる。

ここで、スケール保持手段２２は第５図にも示すように
、ネジ止め（ないしばね押え）可能な押えアーム３４を
有しており、該押えアーム３４に設けられた押えゴム３
６を介してスケール２０を保持する。

ところが、最近要求されている高精度測定では、スケー
ル２０自体あるいは部品間での温度分布の相違が測定精
度に大きな影響を与えてしまう。

そこで、前記２０℃の環境下で長時間エージングし、ス
ケール２０各部の温度をそれぞれ均一に２０℃とする。

そして、モーター２４を駆動させることによりスケール
２００所定測定位置を目盛り読み取り手段に対向させ、
さらに該測定位置でスケール２０を微小送りさせて該ス
ケール２０上の目盛りピッチを測定するのである。

［発明が解決しようとする課題］ ′　　　゛　。。

ところが、近年、精密測定機などのきわめて高い精度要
求にともない、スケール精度も真値に対する偏り０．１
μｍ以下、繰り返し測定精度１．　０００ｍｍにつきσ
＝０．０１μｍ程度が要求されており、それに対応した
高精度のスケール精度測定装置が必要とされてきている
。

しかしながら、従来この種のスケール精度測定装置では
、誤差が大きく前記測定要求精度に十分対応できないと
いう問題点があった。

すなわち、スケール精度の測定には、該スケールの所定
測定位置を目盛り読み取り手段に対向させた上で、その
前で微小送りさせなければならないが、その速度が余り
に早ければ目盛りの読みとばしを生じ、微細な目盛り測
定を行うことができない。

しかしながら、従来のようにスケールの測定位置の移動
及び目盛り測定に伴う微小送りの両者をテーブル１８の
ネジ送りによるのでは、微小送り時にも１　ｍｍ／　ｓ
ｅｃ程度の送り速度となってしまい、十分正確な目盛り
読み取りを行うことができないこともあった。

しかも、従来はネジ送り方式であったため、送りネジを
非常に精巧に加工形成しても、不十分なフレ回り精度、
ネジフランク面の粗さ、モーターという熱源の介在、不
十分なネジ形状精度から、測定時の微小送りに振動が生
じる。

このため、目盛り読み取り手段あるいはレーザー干渉計
の検出精度に支障を来し、特に上述したような高精度測
定時にはこのような支障に基づく精度低下はとうてい許
容できないものであった。

無論、測定時にスケールを停止すればこのような問題は
生じないわけであるが、この場合には通常の顕微鏡など
により目盛り読み取りを行わなければならず、測定者の
負担が著しく増大してしまう。

発訓罰月１的 本発明は前記従来技術の課題に鑑みなされたものであり
、その目的はスケールの目盛り精度を十分正確にかつ効
率よく読み取ることのできるスケール精度測定装置を提
供することにある。

［課題を解決するための手段］ 前記目的を達成するために本発明にかかるスケール精度
測定装置は、ベッド、テーブル、スケール保持手段、目
盛り読み取り手段、リフレクタ、レーザー干渉計、粗動
送り機構、微小送り機構を備える。

そして、テーブルは、ベッド上に移動可能に支持される
。

スケール保持手段は、前記テーブル上に長手方向に移動
可能に支持されスケールを着脱自在に保持する。

目盛り読み取り手段は、ベッドに支持され前記スケール
の目盛り形成面と対向配置される。

リフレクタは、前記スケール保持手段に設けられレーザ
ー光を反射する。

レーザー干渉計は、ベッドに支持され前記リフレクタに
レーザー光を投光しその反射光より前記スケール保持手
段の位置を測定する。

粗動送り機構は、ベッドに対しテーブルを粗動送りする
。

微小送り機構は、テーブルとスケール保持手段の間に配
置された圧電素子よりなりテーブルに対しスケール保持
手段を微小送りする。

［作用］ 本発明にかかるスケール精度測定装置は、前述した手段
を有するので、まず、前記粗動送り機構によりスケール
の所定測定位置に目盛り読み取り手段を対向させる。

そして、前記微小送り機構の圧電素子に電圧を印加しス
ケール保持手段を微小送りさせる。

同時に、目盛り読み取り手段からの目盛り検出出力とレ
ーザー干渉計からのスケール位置出力により各目盛り位
置を検出し、スケール精度を測定する。

［実施例］ 以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例を説明する
。

第１図には本発明の一実施例にかかるスケール精度測定
装置が示されており、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図
である。

なお、前記従来技術と対応する部分には符号１００を加
えて示し説明を省略する。

本実施例において、ベッド１１４上にはリニアベアリン
グなどの転動球１１６を介してテーブル１１８が載置さ
れ、送りネジ１２Ｂにパルスモータ−などで回転を与え
ることによりテーブルを適当な位置に移動可能としてい
る。そして、該テーブル１１Ｂ上には、スケール保持手
段１２２が垂直荷重受は球１５０及び水平方向拘束法１
５２を介して移動自在に載置されている。

なお、垂直荷重受は球１５０は図中左側に一個（１５０
ａ）、図中右側に二個（１５０ｂ、１５０ｃ）を配置し
てなり、スケール保持手段１２２を三点支持する。

また、水平方向拘束法１５２は、テーブル１１８の左右
及び前後に配置された拘束台１５４ａ。

１５４ｂ、１５４ｃ、１５４ｄにそれぞれ２個づつ設置
されている。なお、各拘束台１５４はネジ１５６により
位置調整が可能となっており、スケール保持手段１２２
を矢印■方向に移動させスケール１２０の所定の位置決
めをおこなう。

なお、ベース、テーブルの移動手段は以上のように限定
されるものではなく、例えばエアベアリングや単に摺動
面を形成したものであってもよい。

第２図にも拡大して示されるように、前記スケール保持
手段１２２はスケールの真空吸着機構を有しており、該
真空吸着機構は２、スケール１２０対向面に設けられた
吸着溝１５８と、該吸着溝の略中央から引き出され図示
を省略した真空ポンプに連結されるバイ１１６０と、よ
りなる。

また、スケール１２０の下端縁部に沿って、スケール保
持手段１２２には左右二カ所に一時剥離手段として剥離
圧電素子１６２ａ、１６２ｂが配置されている。

この剥離圧電素子１６２は、積層圧電アクチュエータ素
子すなわち圧電セラミック板の積層構造からなり、電圧
の加減により約１５μｍの伸縮が可能である。

この圧電素子は、小型で不用な熱の発生がなく、しかも
恒温室外より自由に操作可能とできるという利点を有す
る。

従って、真空吸着の真空度を低下させたとき、なおスケ
ール１２０がスケール保持手段１２２より剥離しない場
合にも、該圧電素子１６２の伸びによりスケールが下方
から押され確実に剥離することができる。

なお、このような剥離手段としては、圧電素子に限られ
るものではなく、例えば吸着溝１５Ｂよりエアーを小量
吹き出すようにするなどの手段によることもできる。

一方、第３図にも拡大して示されるように、テーブル１
１８の左端部には微小送り機構１６４が設けられている
。

該微小送り機構１６４は、一端がスケール保持手段１２
２左端部に当接した微小送り圧電素子１６６と、該圧電
素子１６６の他端に先端が当接した位置決めネジ１６Ｂ
と、スケール保持手段１２２を図中左方向に引張する引
張コイルばね１７０と、よりなる。

そして、図中スケール保持手段１２２の左側には略スケ
ール目盛り１２０ａ位置と同じ高さにおいてリフレクタ
１３０が設けられ、ベース１１４に設置したレーザー干
渉計からのレーザー光を受光し反射することによりベー
ス１１４に対するスケール保持手段１２２の移動量を計
測することができる。

レーザー干渉計は例えば第１図に示すようにレーザー発
撮器１８０．ビームスプリッタ１８２゜第二のリフレク
タ１８４．光電変換器などの検出器１８６からなり、レ
ーザー発振器１８０からのレーザー光を前記リフレクタ
１３０に向けて投光し、その光路とにビームスプリッタ
１８２を４５度傾けて配置する。

該ビームスプリッタ１８２により反射されたレーザー光
は前記光路に対して直交方向に進行し、該光路上に設け
られた第二のリフレクタ１８４により反射し、前記ビー
ムスプリッタ１８２を透過して検出器１８６に入射する
。

一方、スケール保持手段１２２に付設されたすプリッタ
１３０からの反射光はビームスプリッタ１８２で反射し
、前記第二のりプリッタ１８４からの反射光と干渉し前
記検出器１８６に入射する。

このような干渉計よれば、スケ・−ル保持手段１２２が
長手方向に移動した場合はビームスプリッタからりプリ
ッタ１３０までの光路長が変化するので、検出器１８６
に入射するレーザー光の波長を検出することにより０．
Ｏ１μｍ単位の精度でスケール保持手段１２２の移動量
を計測することができる。

本発明においては、このように高精度な測定を行うので
、スケール保持手段１２２を圧電素子の微小な変化にも
十分追従可能なように軽量化し、また荷重による撓みに
基づく微小変形によっても影響を受けるので、その除去
のためテーブル１１８の粗動、スケール保持手段１２２
の微動を可能とする三段重ね構造としたのである。

なお、スケール１２０の目盛り１２０ａに対向して光電
顕微鏡などの目盛り読み取り手段１３２がベースなどに
設置されている。

本実施例にかかるスケール精度測定装置は概略以上のよ
うに構成され、次の様にしてスケール精度を測定する。

エニ旦之エエ丘 まず、測定者はスケール保持手段１２２のスケール保持
面にスケール１２０を保持させる。

なお、スケール保持面と対向してスケール押え１７２が
配置されている。

この状態で、図示を省略した真空ポンプを駆動すると、
スケール１２０は吸着溝１５８に吸着されスケール保持
手段１２２にしっかりと保持される。

ここで、従来においては、スケールを保持するために、
第５図に示すようにスケール保持手段にスケールを当接
させ、スケールの長手方向に数カ所配置された押えゴム
などで押圧する構成としていたので、スケールを曲げて
しまうこともあったが、本実施例のようにスケール保持
手段のスケール取り付は面に少なくとも一本の溝を設け
、該溝内の空気を希薄にする真空吸着法によれば、スケ
ールは正しくスケール保持手段のフラットな表面に密着
し、変形を起こすことがない。

さらに、測定者は位置決めネジ１６８を操作し、微小送
り圧電素子１６６及びスケール１２０の初期位置を決定
する。

そして、この後スケール１２０の各部の温度が均一とな
るまで従来と同様にして恒温器中でエージングする。

−レ そして、エージングが終了したなら、吸着溝１５８の真
空度を低下させる。

これと同時に剥離圧電素子１６２に駆動電圧を印加し、
伸張させると、スケール１２０はスケール保持手段１２
２より確実に剥離する。

この際にも、前記スケール押え１７２によりスケール１
２０は７持されている。

この結果、スケール１２０とスケール保持手段１２２０
間にエージング中に生じた熱応力及びこれに基づく歪は
除去される。

１主工丘 次に、剥離圧電素子への電圧印加を停止し、再度真空ポ
ンプを駆動させる。

そして、吸着溝１５８にスケール１２０を吸着させてス
ケール１２０の目盛りピッチを光電顕微鏡などの目盛り
読み取り手段１３２により読み取る。

目盛りの測定は以下の様にして行われる。

ミニ１ル且亘工亘 まず、操作者は送りネジ１２６を操作し、テーブル１１
Ｂを移動する。

そして、スケール１２０の測定始点に目盛り読み取り手
段１３２を対向させる。

−レ　、　　′ハ゛ 次に微小送り機構を作動させ、スケールの目盛りピッチ
を測定する。

すなわち、微小送り圧電素子１６６に電圧を印加し、そ
の伸張によりスケール保持手段１２２及びスケール１２
０を微小送りさせる。

ここで、圧電素子は周知のように印加電圧にその伸張度
が比例し、印加電圧制御によりきわめて低速度でしかも
正確なスケールの微小送りが行われる。しかも、熱発生
量も小さく、測定環境に影響を与えることもない。

したがって、圧電素子１６６への印加電圧を増加または
減少させることにより、継続的に素子を膨張または収縮
させ、スケール保持手段１２２を低速で微小送りするこ
とができる。

そして、目盛り読み取り手段１３２により測定始点の目
盛りのエツジまたは目盛りの中心を検出したとき、レー
ザー干渉計の信号を計測の始点とし、スケールが１ピツ
チ移動しその他端の目盛りエツジ等を検出したとき、レ
ーザー干渉計の信号を計測の終点とすることにより、き
わめて高精度にスケール１２０のピッチを測定すること
ができる。

なお、圧電素子による移動量は１５μｍ程度、また送り
速度は０　、０１　μｍ／　ｓｅｃ　−１μｍ／　ｓｅ
ｃ程度であり、８／１１０００７ｚ程度の目盛りピッチ
測定が可能である。

そして、該測定位置での目盛りピッチ測定が終了したな
ら、ネジ送りにより次の測定位置を目盛り読み取り手段
に対向させる。

この際、微小送り圧電素子への電圧印加を停止するが、
該微小送り圧電素子の収縮にともない引張ばね１７０に
よりスケール保持手段１２２が引き戻され、初期位置に
復帰する。

以上の測定操作の繰り返しにより各測定点の目盛りピッ
チを測定するのである。

１艮工亘 次に本実施例による一定のスケール目盛り間の長さを測
定する測長工程について説明する。

測定者は、まず送りネジ１２６を操作し、スケール１２
０の測定始点位置に目盛り読み取り手段１３２を対向さ
せる。

そして、微小送り機構１６４を作動させ、ピッチ測定と
同様に測定始点のスケール目盛りのエツジ等を目盛り読
み取り手段１３２で検出させ、そのときのレーザー干渉
計の信号を始点とし次に計測すべき長さまで送りネジ１
２６でテーブル１１８及びスケール保持手段１２２を移
動する。

この間、リフレクタ１３０も移動するので、干渉計はそ
の移ｖｔｍを計測し続ける。

次に、スケール１２０の測定終了位置が目盛り読み取り
手段１３２に対向したとき送りを停止し、始点の目盛り
エツジ等を目盛り読み取り手段１３２で検出したのと同
様に微小送り機構１６４を用いて終点のエツジを検出す
る。

そして、終点におけるエツジ等を検出したときの干渉計
の値を読み取ることにより所望長さにおけるスケールの
精度をきわめて高精度に測定することができる。

ここで、リフレクタ１３０はスケールの目盛りと同一の
高さに設定しており、アツベの誤差を生じないようにし
ている。

また、微小送り圧電素子１６６はスケール保持手段１２
２の下方に配置しているので、送りにおいて無理な力が
かからない。

［発明の効果］ 本発明は前述のように構成されているので、次に記載さ
れる効果を奏する。

請求項１に記載される発明は、テーブルに対しスケール
保持手段を移動可能とし、該スケール保持手段の移動を
圧電素子により行うこととしたので、スケールの微小送
りを低速度でかつ正確に行うことができ、スケール目盛
りの読み飛ばし等を生じることがない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例にかかるスケール精度測定
装置の外観図、 第２図は、前記第１図に示した装置の真空吸着機構の要
部拡大図、 第３図は、前記第１図に示した装置の微小送り機構の説
明図、 第４図は、従来のスケール精度測定装置の外観図、 第５図は、従来装置のスケール保持機構の説明図である
。 １０．１１０　　・・・　スケール精度測定装置１８，
１１８　　・・・　テーブル ２０．１２０　　・・・　スケール ２２．１２２　　・・・　スケール保持手段１５８　　
　　　・・・　吸着溝（真空吸着機構）１６２　　　　
・・・　剥離圧電素子（−時剥離手段） １６６　　　　　・・・　微小送り圧電素子（微小送り
機構）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ベッド上に移動可能に支持されたテーブルと、 前記テーブル上に長手方向に移動可能に支持され、スケ
   ールを着脱自在に保持するスケール保持手段と、 ベッドに支持され、前記スケールの目盛り形成面と対向
   配置される目盛り読み取り手段と、前記スケール保持手
   段に設けられ、レーザー光を反射するリフレクタと、 ベッドに支持され、前記コーナーキューブにレーザー光
   を投光し、その反射光より前記スケール保持手段の位置
   を測定するレーザー干渉計と、ベッドに対しテーブルを
   粗動送りする粗動送り機構と、 テーブルとスケール保持手段の間に配置された圧電素子
   を有し、テーブルに対しスケール保持手段を微小送りす
   る微小送り機構と、 を備え、前記粗動送り機構によりスケールの所定測定位
   置に目盛り読み取り手段を対向させ、前記微小送り機構
   の圧電素子に電圧を印加しスケール保持手段を微小送り
   させつつ目盛り読み取り手段からの出力とレーザー干渉
   計からの出力によりスケール精度を測定することを特徴
   とするスケール精度測定装置。