JPH0617786B2 - 直線運動測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えば工作機械、光学機械、計測機械等のよ
うに直線運動する機器の精度検査を行なうための直線運
動測定装置に関する。

〔従来の技術〕

一般に、直線運動する機器は、Ｘ軸テーブル、Ｘ−Ｙ−
Ｚ軸テーブル等の移動テーブルが用いられているが、こ
れら移動テーブルの直線運動精度を高精度に測定してお
くことが、所期の目的を達成するために重要な前提とな
る。

ところで、第９図に示す如く、直線運動する工作機械等
の移動体Ｍが例えばＺ軸に沿つて移動した場合、Ｚ軸方
向の位置決め誤差ｅ_Ｚの他に、Ｘ軸方向の動きに伴うＸ
軸変位誤差ｅ_Ｘ、Ｙ軸方向の動きに伴うＹ軸変位誤差ｅ
_Ｙの３成分からなる変位誤差と、Ｘ軸回りのピッチング
によるピッチング誤差α、Ｙ軸回りのヨーイングによる
ヨーイング誤差β、Ｚ軸回りのローリングによるローリ
ング誤差γからなる３成分の角度誤差との６成分の誤差
が発生することが知られている。

そして、従来技術においては、これら６成分の誤差のう
ち４成分の誤差、即ちＸ軸変位誤差ｅ_Ｘ、Ｙ軸変位誤差
ｅ_Ｙ、ピッチング誤差α、ヨーイング誤差βの４成分を
同時に測定しうるようにした直線運動測定装置に関する
先行技術として、 （イ） 高田，吉田、前田：“レーザービームを利用し
た直線運動精度測定”昭和５９年度精機学会秋期大会学
術講演会論文集、Ｐ１３２，Ｐ１３３ （ロ） マシニングセンタにおける直線運動精度検査の
高度化、財団法人工作機械技術振興財団編（昭和６０年
５月） 等が知られている。

これら各先行技術によるものは、直線運動体側に第１の
偏光ビームスプリツタ、コーナキユーブプリズム及び反
射鏡を設け、測定装置側に同一軸線上に第２の偏光ビー
ムスプリツタ、ハーフミラー、コリメータレンズを配設
すると共に、ハーフミラーに直線偏光を発生するための
レーザ発生装置と1/4波長板を設ける。

そして、光源からの光束は1/4波長板、ハーフミラー、
コリメータレンズを介して第１のコーナキユーブプリズ
ムに至つて水平偏光成分Ｐと垂直偏光成分Ｓに分割さ
れ、垂直偏光成分Ｓはコーナキユーブプリズムによつ
て、該プリズムの変位量ΔＳの２倍の変位２ΔＳをもつ
た反射波となり、この反射波は第１の偏光ビームスプリ
ツタ、焦点距離ｆのコリメータレンズ、ハーフミラーを
介して第２の偏光ビームスプリツタで反射させた後、変
位検出用の４象限フォトセンサで受光され、これからの
出力信号はＸ軸変位誤差ｅ_Ｘ、Ｙ軸変位誤差ｅ_Ｙとして
演算される。

さらに、第１の偏光ビームスプリツタで分割された水平
偏光成分Ｐは反射鏡の傾き角θの２倍の反射波となり、
この反射波は第１のコーナキューブプリズム、コリメー
タレンズ、ハーフミラーを介して第２の偏光ビームスプ
リッタを透過させた後、角度検出用の４象限フォトセン
サで変位ｄ≒２θｆとして受光され、これからの出力信
号はピッチング誤差α、ヨーイング誤差βとして演算さ
れる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前述した先行技術によるものによれば、第１に直線運動
体が移動するときに生じる誤差の６成分のうち、４成分
を同時に測定することができるものの、必要な場合であ
つてもローリング誤差γについては測定できないという
問題点があつた。

第２に、レーザ発生装置は、レーザを発振させるときに
かなりの熱を発生し、レーザ管自体が熱変形して、レー
ザ出力が変動するが、光源自体の変動について何らの考
慮がなされていないために、測定精度に低下をきたすと
いう問題点があつた。

第３に、コーナキューブプリズムからの反射波と、反射
鏡からの反射波は同一光路上を通過し、この間にコリメ
ータレンズを透過する。このため、直線運動体の変位Δ
Ｓを２倍の変位２ΔＳに拡大すべくコーナキューブプリ
ズムを使用しても、反射波がコリメータレンズを透過す
る間に拡大された変位量が縮小されてしまい、変位検出
用４象限フォトセンサによる検出分解能が小さくなって
しまという問題点がある。

本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みてなされた
もので、ローリング誤差を含む５成分の誤差要因を同時
に測定しうるようにするばかりでなく、光束発生手段自
体の変化要因を補正し、直線運動体の変位を４倍以上に
拡大し、かつ変位検出用光路と角度検出用光路とを別光
路とすることにより、測定精度を著しく高めるようにし
た直線運動測定装置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決するために、本発明による直線運動測
定装置は、直線運動体が水平面上またはこれと直交する
垂直面上で直線運動するときに発生する誤差を測定する
ものである。

そして、本発明が採用する構成の特徴は、前記直線運動
体と一緒に運動するように、前記直線運動体の水平方向
または垂直方向に離間して配設され、この配設方向と直
交する方向から入射した光束を平行な反射光として変位
させる第１，第２の変位プリズムと、 前記直線運動体と一緒に運動するように、前記直線運動
体に設けられ、前記第１，第２の変位プリズムに入射す
る光束と２方向から入射した光束を反射させる反射鏡
と、 所定角度の振動面を有する直線偏光を光束として発生す
る光束発生手段と、 該光束発生手段から発生する光束で該光束発生部自体の
光源の変位を２次元の位置として検出する補正用位置検
出手段と、 前記光束発生手段による光束を前記直線運動体側の第１
の変位プリズムとの間でｎ回往復させることにより、該
変位プリズムの変位量を２ｎ倍に拡大する第１の変位拡
大手段と、 該第１の変位拡大手段から拡大して導出された光束を２
次元の位置として検出する第１の位置検出手段と、 前記光束発生手段による光束を前記直線運動体側の第２
の変位プリズムとの間でｎ回往復させることにより、該
変位プリズムの変位量を２ｎ倍に拡大する第２の変位拡
大手段と、 該第２の変位拡大手段から拡大して導出された光束を２
次元の位置として検出する第２の位置検出手段と、 前記第１または第２の変位拡大手段から射出された光束
を前記運動体側の反射鏡で反射させ、この反射光をレン
ズを通過させることによつて該反射鏡の傾き角を導出す
る角度導出手段と、 該角度導出手段で導出した傾き角を２次元の位置として
角度検出手段と、 前記補正用位置検出手段、第１，第２の位置検出手段か
らの出力信号に基づき、前記直線運動体の水平方向変位
誤差、垂直方向変位誤差およびローリング誤差を演算す
ると共に、角度検出手段からの出力信号に基づきピッチ
ング誤差、ヨーイング誤差を演算する演算手段とから構
成したことにある。

〔作用〕

上記構成により、補正用位置検出手段は光束発生手段か
ら発生する光束で該光束発生部自体の高原の変位を２次
元の位置として検出する。

また、変位拡大手段は、光束発生手段による光束を直線
運動体側の第１の変位プリズムとの間でｎ回往復させる
ことにより、該変位プリズムの変位量を２ｎ倍に拡大
し、第１の位置検出手段は拡大して導出された光束を２
次元の位置として検出する。

同様に第２の変位拡大手段は、光束発生手段による光束
を直線運動体側の第２の変位プリズムとの間でｎ回往復
させることにより、該変位プリズムの変位量を２ｎ倍に
拡大し、第２の位置検出手段は拡大して導出された光束
を２次元の位置として検出する。

さらに、角度導出手段は、第１または第２の変位拡大手
段から射出された光束を運動体側の反射曲で反射させ、
この反射光をレンズを通過させることによつて該反射鏡
の傾き角を導出し、角度検出手段は、該角度検出手段で
導出した傾き角を２次元の位置として検出する。

これにより、演算手段は、前記補正用位置検出手段、第
１の位置検出手段，第２の位置検出手段からの各出力信
号に基づいて、直線運動体の水平方向変位誤差、垂直方
向変位誤差およびローリング誤差を演算し、角度検出手
段からの出力信号に基づきピッチング誤差、ヨーイング
誤差を演算する。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を添附図面を参照しつつ詳述す
る。

まず、第１図は本実施例の全体構成図を示し、同図にお
いて、１は工作機械等の直線運動体を示し、該直線運動
体１は紙面の左右方向に直線の往復運動するようになつ
ている。２は前記直線運動体１に取付けられた検出ブロ
ツクを示し、該検出ブロツク２には第１の変位検出用の
コーナキューブプリズム３，第２の変位検出用のコーナ
キューブプリズム４が所定寸法Ｌだけ水平方向（紙面の
上下方向）に離間して配設されていると共に、該各コー
ナキューブプリズム３，４とは異なる位置に角度検出用
の反射鏡５が配設されている。

ここで、前記コーナキューブプリズム３，４は、該コー
ナキューブプリズム３，４の配設方向に対して直交方向
から入射した光束を平行な反射光として変位させるもの
である。また、前記反射鏡５はコーナキューブプリズム
３，４に入射する光束と同方向から入射した光束を同一
光路で反射させるようになされている。

また、１１は直線運動体１に発生する各誤差成分を測定
する測定装置本体で、該測定装置本体１１は可動荷台と
して形成され、後述する各機器が図示のように配置され
ている。１２はレーザ発生器で、該レーザ発生器１２は
例えば出力３〜１０mWのNe−Heレーザ源が用いられ、該
レーザ源から射出された光束Ｂは第２図に示す如く紙面
に対して４５゜の振動面を有する直線偏光であり、後述
する偏光ビームスプリッタ１９，２５によつて水平偏光
成分Ｐと垂直偏光成分Ｓとに分割可能となつている。

１３，１４はレーザ発生器１２から出力された光束を反
射し第１の変位検出用コーナキューブプリズム３に向け
光路変更する反射鏡、１５は反射鏡１４で反射した光束
を拡大する光束拡大器で、該光束拡大器１５は凸レンズ
５Ａ、ピンホール５Ｂ、虹彩絞り１５Ｃ、他の凸レンズ
１５Ｄからなり、光束を約６倍程度に拡大する。

１６は光束拡大器１５の次段に位置して光路上に設けら
れた第１のハーフミラーで、該ハーフミラ−１ｂで反射
された光束は補正用４象限（２次元）フォトセンサ１７
で受光される。ここで、前記フォトセンサ１７は後述す
る作用によつてレーザ発生器１２のレーザ管自体の熱変
形も含めたレーザ源の変位を検出し、後述する第１，第
２の位置検出用４象限フォトセンサ２３，２９で検出さ
れた値を補正し、直線運動体１に発生した真の誤差を求
めるために用いられるものである。

次に、１９はハーフミラー１６の次に設けられた第２の
ハーフミラー１８を介して光束拡大器１５から射出され
た光路上に設けられた第１の偏光ビームスプリッタ、２
０は該偏光ビームスプリッタ１９と検出ブロツク２側の
第１の変位検出用コーナキューブプリズム３との間に設
けられた第１の1/4波長板、２１は前記偏光ビームスプ
リッタ１９の上片に固着された第１の変位拡大用コーナ
キューブプリズムで、これら偏光ビームスプリッタ１
９、1/4波長板２０、コーナキューブプリズム２１によ
つて本実施例による第１の変位拡大手段２２を構成して
いる。ここで、前記偏光ビームスプリッタ１９は入射さ
れた直線偏光のうち、水平偏向成分Ｐは透過し、垂直偏
光成分Ｓは反射する性質を有している。一方、1/4波長
板２０は直線偏光を円偏光に変換し、円偏光を直線偏光
に変換する。

さて、上記構成による第１の変位拡大手段２２による作
動について、第３図を参照しつつ述べる。いま、第３図
中において、直線運動体１側の原因で第１の変位検出用
コーナキューブプリズム３が正規位置から変位ΔＳだけ
変位したものとし、また直線偏光のうちの水平偏光成分
Ｐを 垂直偏光成分を「・」として表わし、時計方向円偏光を 反時計方向円偏光を で表わすものとする。いま、偏光ビームスプリッタ１９
に入射された振動面４５゜の直線偏光は水平偏光成分Ｐ
と垂直偏光成分Ｓに分割され、水平偏光成Ｐのみがこれ
を透過して1/4波長板２０を通過する。この際、水平偏
光成分Ｐは反時計方向の円偏光に変換される。円偏光と
なつた光束はΔＳだけ変位した第１の変位検出用コーナ
キューブプリズム３を反射し、再び1/4波長板２０を通
過して垂直偏光成分Ｓとなり、偏光ビームスプリッタ１
９に再び入る。そして、この垂直偏光成分Ｓは該偏光ビ
ームスプリッタ１９で反射して第１の変位拡大用コーナ
キューブプリズム２１で反射し、３度偏光ビームスプリ
ッタ１９に入つて反射され、1/4波長板２０を通過す
る。この1/4波長板２０を通過するとき、垂直偏光成分
Ｓは時計方向の円偏光となり、第１の変位検出用コーナ
キューブプリズム３で再び反射され、1/4波長板２０を
４度通過し、水平偏光成分Ｐとなり、偏光ビームスプリ
ッタ１９に入射する。かくして、この水平偏光成分Ｐは
偏光ビームスプリッタ１９を透過することになり、該偏
光ビームスプリッタ１９と第１の変位検出用コーナキュ
ーブプリズム３との間を２往復させることになり、該コ
ーナキューブプリズム３の変位ΔＳを４倍の変位、即ち
４ΔＳに拡大することができる。

一方、２３は前記第１の変位拡大手段２２を構成する偏
光ビームスプリッタ１９を透過した水平偏光成分Ｐから
なる光束を受光する第１の位置検出用４象限（２次元）
フォトセンサ、該フォトセンサ２３からの出力は後述す
るようにＸ軸変位誤差ｅ_Ｘ、Ｙ軸の変位誤差ｅ_Ｙ、及び
ローリング誤差γの演算に用いられる。

次に、２４は前述した第２のハーフミラー１８によつて
反射した光束を反射し、第２の変位検出用コーナキュー
ブプリズム４に向け光路変更する反射鏡、２５は該反射
鏡２４で反射された光路上に設けられた第２の偏光ビー
ムスプリッタ、２６は該偏光ビームスプリッタ５と前記
コーナキューブプリズム４との間に設けられた第２の1/
4波長板２０、２７は前記偏光ビームスプリッタ２５の
上片に固着された第２の変位拡大用コーナキューブプリ
ズムで、これら反射鏡２４、偏光ビームスプリッタ２
５、1/4波長板２６、コーナキューブプリズム２７によ
つて本実施例による第２の変位拡大手段２８を構成して
いる。そして、この第２の変位拡大手段２８は前述した
第１の変位拡大手段と同様に第２の変位検出用コーナキ
ューブプリズム４の変位ΔＳ′を４倍の変位４ΔＳ′に
拡大するものである点において何ら変わるところがな
い。

一方、２９は第２の変位拡大手段２８の偏光ビームスプ
リッタ２５を透過した光束を受光する第２の位置検出用
４象限（２次元）フォトセンサで、該フォトセンサ２９
は前述した第１のフォトセンサ２３と協働してＸ軸変位
誤差ｅ_Ｘ、Ｙ軸変位誤差ｅ_Ｙ、及びローリング誤差γの
演算に用いられる。

また、３０は第１の偏光ビームスプリッタ１９で反射さ
れた垂直偏光成分Ｓが別光路として入射される第３の偏
光ビームスプリッタ、３１は該偏光ビームスプリッタ３
０と角度検出用反射鏡５との間に設けられた第３の1/4
波長板、３２は前記偏光ビームスプリッタ３０を透過し
た光束を後述の角度検出用４象限フォトセンサ３４に向
け収束させる焦点距離ｆのコリメータレンズを示し、こ
れら偏光ビームスプリッタ３０、1/4波長板３１、コリ
メータレンズ３２によつて本実施例による角度導出手段
３３を構成し、これらは第１の変位拡大手段２２の光路
とは異なり、反射鏡５を含む光路上に設けられている。

ここで、上記構成による角度導出手段３３の作動につい
て、第４図を参照しつつ述べる。第１の偏光ビームスプ
リッタ１９に入射した直線偏光のうち、これで反射した
垂直偏光成分Ｓが第３の偏光ビームスプリッタ３０に入
射されると、当該垂直偏光成分Ｓは反射されて、1/4波
長板３１と通過して時計方向の円偏光となる。そして、
この円偏光は角度検出用反射鏡５で反射して1/4波長板
３１を再び透過し、水平偏光成分Ｐとなり、偏光ビーム
スプリッタ３０を通過してコリメータレンズ３２で屈折
して角度検出用フォトセンサ３４に入射する。いま、角
度検出用反鏡５に傾き角θが存在のるものとすると、オ
ートコリメータの原理によつて前記角度検出用フォトセ
ンサ３４での変位ｄは、 ｄ≒２θｆ……………(1) で表わされ、傾き角θを変位ｄに変換して導出しうる。

一方、３４は角度導出手段３３からの光束を受光する角
度検出用４象限（２次元）フォトセンサで、該フォトセ
ンサ３４はコリメータレンズ３２の焦点距離ｆの位置に
配設され、ピッチング誤差α、ヨーイング誤差βの演算
に用いられる。

次に、前述した各４象限フォトセンサ１７，２３，２
９，３４の一般的構成と作動について、第５図を参照し
つつ述べる。

いま、このフォトセンサを符号１００として代表的に表
わすと、該フォトセンサ１００は受光面１０１を有する
シリコンフォトダイオードからなり、各コーナに電極
ａ，ｂ，ｃ，ｄを有している。そして、受光面１０１の
ある位置に符号１０２として光スポツトを当てると、電
荷が発生し、その電荷は低抗層を各電極ａ〜ｄに向かっ
て流れる。その電流は各電極ａ〜ｄまでの距離に反比例
しているため、電流の総和に対する個別電流の比によっ
て光スポット１０２の位置を求めることができる。

即ち、光電流の総和をＩΣ、各電極ａ〜ｄの光電流をＩ
_ａ，Ｉ_ｂ，Ｉ_ｃ，Ｉ_ｄとすると、 Ｉ_Σ＝Ｉ_ａ＋Ｉ_ｂ＋Ｉ_ｃ＋Ｉ_ｄ……(2) Ｘ軸＋方向の光電流をＩ_Ｘ＋，一方向をＩ_Ｘ−とする
と、 となり、総和ＩΣに対するＸ軸の光電流の片寄りは、 となり、フォトセンサ１００のＸ軸、Ｙ軸中心から電極
までの距離をｌとし、光スポツト１０２までのＸ軸距離
をＸとすると、Ｘは(6)式となる。

同様にして、Ｙ軸＋方向の光電流をＩ_Ｙ＋、一方向の光
電流をＩ_Ｙ−とすると、 フォトセンサ１００の中心から、光スポツト１０２まで
のＹ軸距離をＹとすると、 となり、フォトセンサ１００上の光スポツト１０２の重
心位置Ｘ，Ｙが求められる。

そして、上記(2)〜(8)式の演算を実行するために、第６
図に示す演算器２００が用いられる。即ち、(3)，(7)式
に示すＩ_Ｘ＋，Ｉ_Ｘ−，Ｉ_Ｙ＋，Ｉ_Ｙ−をそれぞれ演算
する加算器２０１，２０２，２０３，２０４と、Ｉ_Ｘ＋
−Ｉ_Ｘ−，Ｉ_Ｙ＋−Ｉ_Ｙ−をそれぞれ演算する減算器２
０５，２０６と、(2)式に示す総和ＩΣを演算する加算
器２０７と、(6)，(8)式にそれぞれ示す光スポツト１０
２の として演算する割算器２０８，２０９とから構成されて
いる。

なお、第５図、第６図に示す如きフォトセンサ１００、
演算器２００は、例えば浜松ホトニクス株式会社製の半
導体位置検出素子として公知である。

さて、次に第５図に示したフォトセンサ、即ち補正用フ
ォトセンサ１７、第１の位置検出用フォトセンサ２３、
第２の位置検出用フォトセンサ２９、角度検出用フォト
センサ３４を用いて、６成分のうち５成分を演算するた
めの回路構成と作動原理につき、第７図および第８図に
より説明する。

第７図中４１は演算装置で、該演算装置４１は第６図で
代表的に示した演算器２００と同一の構成を有する演算
器４２，４３，４４，４５と、該各演算器４２〜４４の
次段に設けられた減算器４６，４７，４８，４９と、該
各減算器４６〜４９の次段に設けられた加算器５０，５
１及び減算器５２と、該加算器５０，５１及び減算器５
２の次段にそれぞれ設けられた割算器５３，５４，５５
とから構成されている。そして、補正用フォトセンサ１
７からの検出信号は演算器４４に入力されて受光した光
スポットの位置Ｘ_０，Ｙ_０（これは演算器２００から出
力される光スポットの に対応している）として出力し、同様に第１，第２の位
置検出用フォトセンサ２３，２９、角度検出用フォトセ
ンサ３４からの各検出信号は演算器４３，４２，４５に
それぞれ入力されて、光スポットの位置をＸ_１，Ｙ_１，
Ｘ_２，Ｙ_２，Ｘ_３，Ｙ_３として出力する。一方、割算器
５３かからはＸ軸変位誤差ｅ_Ｘと、割算器５４からはＹ
軸変位誤差ｅ_Ｙを、割算器５５からはローリング誤差γ
を、演算器４５からはピッチング誤差α、ヨーイング誤
差βをそれぞれ出力するようになつている。

ところで、上記演算装置４１を用いて各誤差成分ｅ_Ｘ，
ｅ_Ｙ，γの演算原理について第８図を参照しつつ述べ
る。

第８図において、補正用フォトセンサ１７による光スポ
ットの位置をＰ_０（Ｘ_０，Ｙ_０）、第１、第２の位置検
出用フォトセンサ２３，２９による光スポットの位置を
それぞれＰ_１（Ｘ_１，Ｙ_１）、Ｐ_２（Ｘ_２，Ｙ_２）と
し、該各フォトセンサ２３，２９間の距離をＬとする。
光スポットＰ_０とＰ_１との間のＸ軸，Ｙ軸方向の測定位
置の差（変位分）ΔＸ_１，ΔＹ_１は、 となり、同様に光ポットＰ_０とＰ_２との間の測定位置の
差（変位分）ΔＸ_２，ΔＹ_２は、 となる。

このため、(9)式による演算は演算装置４１の減算器４
８，４９によつて実行され、(10)式による演算は減算器
４６，４７によつて実行される。

ここで、ΔＸ_１，ΔＸ_２は水平方向（Ｘ軸方向）の変位
分であるから、いま直線運動体１のＸ軸方向の大略の誤
差成分Δｅ_Ｘ′とすれば、 Δｅ_Ｘ′≒ΔＸ_１≒ΔＸ_２………(11) となるが、本実施例ではさらに測定精度を高めるため
に、加算器５０によつてこれらの値を加算処理した後、
割算器５３によつて１／２に割算することにより、Ｘ軸
方向の２箇所での平均的な誤差成分Δｅ_Ｘを、 として演算することができる。

同様に、ΔＹ_１，ΔＹ_２は垂直方向（Ｙ軸方向）の変位
分であるから、直線運動体１のＹ軸方向の大略の誤差成
分Δｅ_Ｙ′とすれば、 Δｅ_Ｙ′≒ΔＹ_１≒ΔＹ_２………(13) となるが、前述と同様に加算器５１、割算器５４によつ
て、Ｙ軸方向の平均的な誤差成分Δｅ_Ｙを、 として演算することができる。

また、ローリング誤差γであるが、これはＺ軸を中心と
する、Ｚ軸回りのローリングによる誤差であるから、第
１、第２の位置検出用フォトセンサ２３，２９間の距離
Ｌに対し、Ｘ軸方向の誤差成分Δｅ_Ｘが十分に小さいも
のとすると、ローリング誤差γは、 として求められる。このため、(13)式による演算、減算
器５２によつてΔＹ_２−ΔＹ_１の減算が実行され、割算
器５５によって距離Ｌでの割算が実行されることにな
る。

さらに、ピッチング誤差αはＸ軸を中心とするＸ軸回り
のピッチングによる誤差であり、ヨーイング誤差βはＹ
軸回りのヨーイングによる誤差であり、これら各誤差成
分の演算について述べる。

まず、第５図からも理解できるように、一般的な概念で
フォトセンサ１００の光スポットについてみると、ピッ
チングα′、ヨーイングβ′は、 で表わされる。

然るに、角度検出用フォトセンサ３４の光スポットの位
置をみると、(1)式からも明らかなように角度検出用反
射鏡５の傾き角θに依存した変位ｄの位置であるから、
演算器４５からの出力、即ちＸ軸方向変位分Ｘ_３、Ｙ軸
方向変位分Ｙ_３は、 として直ちに表わされることになり、該演算器４５から
直接導出しうる。

かくして、本実施例による直線運動測定装置によれば、
レーザ発生器１１からの直線偏光を用いて、直線運動体
１に発生する６成分の誤差要因のうち、５成分の誤差ｅ
_Ｘ，ｅ_Ｙ，α，β，γを同時に測定することができるか
ら、直線運動体１を極めて高精度に位置決めすることが
できる。従つて、工作機械、測定機械等の直線運動精度
を高めることができ、また精度検査工数を低減できる。

また、測定装置本体１１にはレーザ発生器１２の他に各
フォトセンサ１７，２３，２９，３４を含む光学系が固
定的に設けられているから、レーザ発生器１２側の原因
によつて補正用フォトセンサ１７の光スポットＰ_０の位
置が移動すれば、第１、第２の位置検出用フォトセンサ
２３，２９の光スポットＰ_１，Ｐ_２の位置も同一変位置
だけ移動する。従つて、(9)，(10)式に示す各変位分は
レーザ発生器１２のレーザ光源による影響は存在せず、
直線運動体１に真に発生しているＸ軸方向変位誤差
ｅ_Ｘ、Ｙ軸方向変位誤差ｅ_Ｙ、ローリンング誤差γのみ
を導出することができる。

さらに、第１，第２の変位拡大手段２２，２８を含む光
路系と、角度導出手段３３を含む光路系とは別光路と
し、該角度導出手段３３を構成するコリメータレンズ３
２は第１，第２の変位拡大手段２２，２８に対する光路
の障害となることはないから、各位置検出用フォトセン
サ２３，２９は第１，第２の変位検出用コーナキューブ
プリズム３，４の変位を４倍に拡大したままで受光で
き、分解能を高めることができる。

さらにまた、割算器５３，５４から出力されるＸ軸方向
変位誤差ｅ_Ｘ、Ｙ軸方向変位誤差ｅ_ＹはＸ軸方向、Ｙ軸
方向の２箇所での平均誤差として導出しうるから、これ
ら変位誤差ｅ_Ｘ，ｅ_Ｙの測定精度を極めて高くすること
ができる。

なお、実施例では第１、第２の変位拡大手段２２，２８
は第１、第２の変位検出用コーナキューブプリズム３，
４との間で２往復させ、該コーナキューブプリズム３，
４の変位を４倍に拡大するものとして述べたが、これら
の間での往復回数ｎに対応して２ｎ倍に拡大できるもの
であり、これは変位拡大手段２２，２８の構成によつて
適宜に設定しうる。

また、実施例の演算装置４１ではＸ軸方向変位誤差
ｅ_Ｘ，Ｙ軸方向変位誤差ｅ_Ｙを高精度に演算するため
に、加算器５０，５１、割算器５３，５４をそれぞれ用
いて平均値を求めるものとして述べたが、(11)式、(13)
式の如くＸ軸方向変位分ΔＸ_１，ΔＸ_２のいずれか一
方、Ｙ軸方向変位分ΔＹ_１，ΔＹ_２のいずれか一方を各
変位誤差ｅ_Ｘ，ｅ_Ｙとして用いてもよい。

さらに、第１，第２の変位検出用コーナキューブプリズ
ム３，４は直角プリズムを用いてもよく、反鏡１３，１
４、光束拡大器１５等は適宜に採用すればよい。

〔発明の効果〕

本発明に係る直線運動測定装置は以上詳細に述べた如く
であつて、直線運動体が直線運動するに際して発生する
６成分の誤差のうち５成分の誤差を同時に測定すること
ができ、また光束発生手段に起因する測定誤差要因を除
去することができ、さらに角度検出手段の光路系を変位
拡大手段の光路系と別光路としたから、分解能を高める
ことができる等、高精度な直線運動検査が可能となる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本実施例の全体構成図、第２図はレーザ発生器
から出力される光束と水平偏光成分、垂直偏光成分との
関係を示す設明図、第３図は第１の変位拡大手段による
変位拡大検出動作を示す説明図、第４図は角度導出手段
による角度導出動作を示す説明図、第５図は４象限フォ
トセンサの一般的構成を示す説明図、第６図は第５図に
示すフォトセンサによる光スポット位置を演算する演算
器の一般的回路構成図、第７図は各誤差成分を演算する
本実施例演算装置の回路構成図、第８図は誤差成分の演
算原理を示す説明図、第９図はＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の誤差
成分を示す説明図である。 １……直線運動体、２……検出ブロック、３……第１の
変位検出用コーナキューブプリズム、４……第２の変位
検出用コーナキューブプリズム、５……角度検出用反射
鏡、１１……測定装置本体、１２……レーザ発生器、１
５……光束拡大器、１７……補正用４象限フォトセン
サ、１９……第１の偏光ビームスプリッタ、２０……第
１の1/4波長板、２１第１の変位拡大用コーナキューブ
プリズム、２２……第１の変位拡大手段、２３……第１
の位置検出用４象限フォトセンサ、２５……第２の偏光
ビームスプリッタ、２６……第２の1/4波長板、２７…
…第２の変位拡大用コーナキューブプリズム、２８……
第２の変位拡大手段、２９……第２の位置検出用４象限
フォトセンサ、３０……第３の偏光ビームスプリッタ、
３１……第３の1/4波長板、３２……コリメータレン
ズ、３３……角度導出手段、３４……角度検出用４象限
フォトセンサ、４１……演算装置、４２〜４５……演算
器、４６〜４９，５２……減算器、５０，５１……加算
器、５３〜５５……割算器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】直線運動体が水平面上またはこれと直交す
   る垂直面上で直線運動するときに発生する誤差を測定す
   る直線運動測定装置において、 前記直線運動体と一緒に運動するように、前記直線運動
   体の水平方向または垂直方向に離間して配設され、この
   配設方向と直交する方向から入射した光束を平行な反射
   光として変位させる第１，第２の変位プリズムと、 前記直線運動体と一緒に運動するように、前記直線運動
   体に設けられ、前記第１，第２の変位プリズムに入射す
   る光束と同方向から入射した光束を反射させる反射鏡
   と、 所定角度の振動面を有する直線偏光を光束として発生す
   る光束発生手段と、 該光束発生手段から発生する光束で該光束発生部自体の
   光源の変位を２次元の位置として検出する補正用位置検
   出手段と、 前記光束発生手段による光束を前記直線運動体側の第１
   の変位プリズムとの間でｎ回往復させることにより、該
   変位プリズムの変位量を２ｎ倍に拡大する第１の変位拡
   大手段と、 該第１の変位拡大手段から拡大して導出された光束を２
   次元の位置として検出する第１の位置検出手段と、 前記光束発生手段による光束を前記直線運動体側の第２
   の変位プリズムとの間でｎ回往復させることにより、該
   変位プリズムの変位量を２ｎ倍に拡大する第２の変位拡
   大手段と、 該第２の変位拡大手段から拡大して導出された光束を２
   次元の位置として検出する第２の位置検出手段と、 前記第１または第２の変位拡大手段から射出された光束
   を前記運動体側の反射鏡で反射させ、この反射光をレン
   ズを通過させることによつて該反射鏡の傾き角を導出す
   る角度導出手段と、 該角度導出手段で導出した傾き角を２次元の位置として
   検出する角度検出手段と、 前記補正用位置検出手段、第１，第２の位置検出手段か
   らの出力信号に基づき、前記直線運動体の水平方向変位
   誤差、垂直方向変位誤差およびローリング誤差を演算す
   ると共に、角度検出手段からの出力信号に基づきピッチ
   ング誤差、ヨーイング誤差を演算する演算手段とから構
   成したことを特徴とする直線運動測定装置。