JPH01189509A - スケール精度測定装置及び測定方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明はスケール精度測定装置及び方法、特にそのスケ
ール保持機構の改良に関するものである。

［従来の技術］ 従来より２つの移動体の相対移動１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隔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応じて前記二つのスケール
を相対移動させ５、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、ベツド１４と、該ベツド１
４上に転動球１６を介して支持されベツド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１８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りネジの回転
によりテーブル１８を矢印■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保持するためのコーナーキューブ
等からなるリフレクタ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の移動機
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、原理えアーム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
２０の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２゜を微小送りさせて該ス
ケール２ｏ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］ １差圧皿Ω皿】直 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＝
０．０１７１ｍ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。

これは、スケール保持手段２２とスケール２゜の間に摩
擦があるため、エージング期間中に生ずる熱応力を解除
することができず、歪による測定誤差を生じることに一
つの原因がある。

すなわち、従来のスケール精度測定装置ではスケールの
材質とスケール保持手段、あるいは他の測定装置部分の
材質が異なるため、エージングにより各部の温度を平衡
化させるとその間の温度変化により熱応力が発生し歪が
生じてしまうのである。

例えば、光電型エンコーダのスケールの材質はガラス（
熱膨張係数α＝７．５Ｘ　１０−６／℃）であるのに対
し、通常のスケール保持手段の材質はスチール（熱膨張
係数α＝　１１．　５Ｘ　１０−６／’Ｃ）であり、た
とえエージング前には同一の温度であってもエージング
中の温度変化により膨張度に差が生じ歪となってしまう
。

さらに、このような精密測定を行う場合には、測定者の
体温などによる温度変化を考慮して装置を無人の恒温器
内に設置する必要があるため、前述したように押えゴム
３６などの弾性部材を用いてスケールを固定し、該弾性
部材のたわみによってエージング中に生じるスケールの
歪を吸収していた。

しかし、このような方法によっても弾性部材に生じたた
わみの復元力がスケールに作用し、完全に歪のない状態
に保持することは困難であった。

この歪はスケール精度測定装置による測定精度に大音な
影響を与え、なんとか除去しなければならない。

ｌ肌Ω且士 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及び
その測定方法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、真空吸着機構と、一時剥離手段と、を備え
ることを特徴とする。

ここで、前記真空吸着機構は、スケール保持手段に設け
られ、前記スケールを吸着保持する。

一時剥離手段は、前記スケールをスケール保持手段から
剥離する。

なお、本発明において、一時剥離手段は一端がスケール
端部に当接した剥離圧電素子よりなることが好適である
。

また、本発明にかかるスケール精度測定方法は、エージ
ング工程と、スケール歪除去工程と、測定工程と、を含
む。

前記エージング工程では、前記スケールをスケール保持
手段に真空吸着保持し、所定温度になるまでエージング
する。

スケール歪除去工程では、エージング工程終了後、スケ
ールの真空吸着を一時的に解除し、熱膨張に伴うスケー
ルの熱応力を除去する。

測定工程では、再度スケールをスケール保持手段に真空
吸着しスケールの目盛り読み取りを行う。

［作用コ 本発明にかかるスケール精度測定装置は、前述したよう
にスケールの真空吸着機構を有するので、その真空度を
調整することによりスケールの保持、剥離が容易に行え
、エージング中に生じた熱応力の容易な解除が可能であ
る。

しかも、一時剥離手段により、熱応力除去時のスケール
剥離を確実に行えるので、測定精度を大幅に向上させる
ことができる。

ここで、一時剥離手段をスケール保持手段に設けた剥離
圧電素子より構成すれば、不要な熱を発生することがな
く、測定環境を一定に保つことができる。

口実側例］ 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、ベツド１１４上にはリニアベアリン
グなどの転動球１１Ｇを介してテーブル１１Ｂが載置さ
れ、送りネジ１２６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１１８上には、スケール保持手
段１２２か垂直荷重受は球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。

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１、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パイプ１６０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
１Ｂ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、一端がテーブル１１８左端部
に当接した微小送り圧電素子１６６と、該圧電素子１６
６の他端に先端が当接した位置決めネジ１６８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
振器１８０．ビームスプリッタ１８２゜第二のりプリッ
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面記リフレクタ
１３０に向けて投光し、その光路上にビームスプリッタ
１Ｂ２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
られた第二のりプリッタ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に付設されたりプリッタ
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、スケール保持手段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まて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０．０
１μｍ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ｉ之ｌ工亘 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
しまうこともあフたが、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１６Ｂ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。

−レン そして、ニーソ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に駆動電圧な一印加し
、伸張させると、スケール１２０はスケール保持手段１
２２より確実に剥離する。

この結果、スケール１２０とスケール保持手段１２２の
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。

Ｌ主工亘 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１２００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。

−し まず、操作者は送りネジ１２６を操作し、テーブル１１
８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。

蓋杢送立工亘 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を微小送りさせるのである。

ここで、圧電素子は周知のように印加電圧にその伸張塵
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を低速移動する。

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１５７１ｍ程度、また送
り速度は０．　０１　μｍ／ｓｅｃ　〜Ｉ　Ｂｍｌｓｅ
ｃ程度であり、８／１０００μｍ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。

測ＪＪ、程 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
の移動量を計測し続ける。

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等を検出
する。

そして、終点におけるエツジ等を検出したときのモ渉計
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、スケールを真空吸着機構
により吸着保持し、測定前に一時剥離機構によりスケー
ル歪を除去することとしたので、非接触でスケールの保
持・剥離が可能であり、エージング中に生じた熱応力を
解除しスケールに歪の無い状態で精度測定を行うことが
できる。

請求項２に記載される発明は、スケール端部に一端が当
接する圧電素子を一時剥離機構としたので、スケール剥
離時に該圧Ｔ、素子を駆動することにより不用な熱など
を発生する事なくスケールの確実な剥離が行われる。

請求項３に記載の発明は、エージング終了後一時的に真
空吸着を解除しスケールに生じた熱応力を解除すること
としたので、歪の無い状態でスケールの目盛り測定を行
うことができる。

【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（一時剥離手段） １６６　　　　　・・・　微小送り圧電素子（＠小道り
機構）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）テーブル上に設けられ、スケールを着脱自在に保
   持するスケール保持手段と、 該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、 を備え、前記スケール保持手段と目盛り読み取り手段と
   をスケール表面に形成された目盛りパターンに沿って相
   対移動させつつ、前記目盛り読み取り手段によりスケー
   ル表面の目盛り精度を測定するスケール精度測定装置に
   おいて、 前記スケール保持手段に設けられ、前記スケールを吸着
   保持する真空吸着機構と、 前記スケールをスケール保持手段から剥離する一時剥離
   手段と、 を備えたことを特徴とするスケール精度測定装置。
2. （２）請求項（１）に記載の装置において、一時剥離手
   段は、スケール保持手段に設けられスケール端部に一端
   が当接した剥離圧電素子よりなることを特徴とするスケ
   ール精度測定装置。
3. （３）テーブル上に設けられスケールが着脱自在に保持
   されるスケール保持手段と、該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を、スケール表
   面に形成された目盛りパターンに沿って相対移動させつ
   つ、前記目盛り読み取り手段によりスケール表面の目盛
   り精度を測定するスケール精度測定方法において、 前記スケールをスケール保持手段に真空吸着保持し、所
   定温度になるまでエージングするエージング工程と、 エージング工程終了後、スケールの真空吸着を一時的に
   解除し、熱膨張に伴いスケールに生じる熱応力を除去す
   るスケール歪除去工程と、 再度スケールをスケール保持手段に真空吸着しスケール
   の目盛り読み取りを行う測定工程と、を備えることを特
   徴とするスケール精度測定方法。