(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源と、
内部が真空の導光部と、
前記導光部の一端に設けられ、スライダとともに移動する反射光学系と、
前記導光部の他端に設けられた光干渉系と、
を有し、前記光干渉系と前記反射光学系との間の真空空間が前記レーザ光源からのレーザ光による測長光路を構成する光学式測長機であって、
前記スライダに連動してスライダの移動方向にスライダとほぼ同様に移動する移動部及び導光部固定部が前記測長光路に沿って直線上に設けられ、
前記導光部は、
前記移動部と前記導光部固定部とを接続し、前記スライダの移動方向に伸縮自在でその内部が真空の主導光部と、
前記反射光学系と前記移動部とを接続し、前記スライダの移動方向に伸縮自在でその内部が真空であり、その伸縮により前記スライダ及び移動部の相対的位置変動を吸収する第１副導光部と、
前記固定部と前記光干渉系とを接続し、その内部が真空の第２副導光部と、
を有することを特徴とする光学式測長機。
【請求項２】
前記第１副導光部は２重構造をなし、内部が真空の導光部を大気圧以上の所定圧力を有する外殻で覆う構造であることを特徴とする請求項１記載の光学式測長機。
【請求項３】
前記第１副導光部及び前記第２副導光部は２重構造をなし、内部が真空の導光部を大気圧以上の所定圧力を有する外殻で覆う構造であることを特徴とする請求項１記載の光学式測長機。
【請求項４】
前記主導光部、前記第１副導光部及び前記第２副導光部は２重構造をなし、内部が真空の導光部を大気圧以上の所定圧力を有する外殻で覆う構造であることを特徴とする請求項１記載の光学式測長機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学式測長機、特にレーザ光を用いた超高精度のレーザ干渉測長機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、長さ計測に関しては長さのトレーサビリティが特に重要視され、計測精度の不確かさの提示が要求されつつある。レーザ波長が長さの標準となっている現状においては、長さ標準へのトレーサブルの容易化及び測長精度の不確かさ要因の簡素化のため、計測機器及び超精密加工装置等における測長手段としてレーザ干渉測長システムが広く用いられている。
【０００３】
計測機器及び超精密加工装置等においてスライダの変位を高精度に測定する手段としてレーザ干渉測長システムを用いる場合、大気中の空気の温度や気圧、湿度、ＣＯ2濃度の変動による屈折率の変化に起因したレーザ波長の変動が高精度測長の妨げとなるため、内部を真空にした導光部を用いてレーザ光路を真空にすることが提案されている。
【０００４】
図４には、従来の光学式測長機の構成が示されている。この光学式測長機は、本体ベース１０、レーザ光源１２、干渉計部１４、スライダ１６、スライダ駆動機構１８、反射ミラー２０、及びベローズ（蛇腹）２２から構成されている。
【０００５】
レーザ光源１２は、本体ベース１０上に固定され、測長用のレーザ光を反射ミラー２０に向けて射出する。
【０００６】
干渉計部１４は、ハーフミラー等を備え、レーザ光源１２から射出した直接光と、ベローズ２２を通過して反射ミラー２０で反射し戻ってきた反射光との位相差を検出することにより反射ミラー２０までの距離、すなわちスライダ１６の端部までの距離を測定する。
【０００７】
スライダ１６は、本体ベース１０上に設けられ、スライダ駆動機構１８により図中矢印方向に移動自在に設けられている。被測定物の長さを測定する場合には、このスライダ１６の端部が被測定物に当接するように移動させる。
【０００８】
反射ミラー２０は、スライダ１６の端部に設けられ、スライダ１６の移動と共に図中矢印方向に移動する。そして、レーザ光源１２から射出した光を反射し、干渉計部１４にレーザ光を戻す。
【０００９】
ベローズ（蛇腹）２２は中空管状をなし、その内部は、真空ポンプにより実質的に真空状態まで排気され、このベローズ２２の内部は、レーザ光源１２からのレーザ光を反射ミラー２０に導く導光部として機能し、一端が干渉計部１４に接続され、他端が反射ミラー２０に接続される。ベローズ２２は、スライダ１６の移動方向に伸縮自在であり、被測定物の長さを測定するためにスライダ１６を移動させると、このスライダ１６の移動に伴ってベローズ２２も矢印方向に伸縮する。レーザ光源１２からのレーザ光はこのベローズ２２の真空内を通過するため、測長光路は常に真空状態にある。したがって、上述した空気の温度や気圧、湿度、ＣＯ2濃度の変動による屈折率の変化に起因したレーザ波長の変動が起こらず、高精度の測長が可能となる。
【００１０】
しかしながら、真空ベローズ２２の内圧（真空状態）と大気圧との差に起因するベローズ２２の吸引力とベローズ２２の有する固有のばね定数とその伸縮量の積からなるばね力を合成した力の軸と、スライダを移動させる駆動軸とのオフセット距離の積からなる偶力がスライダ１６の幾何的な姿勢変化や駆動時の速度変動（これらは反射ミラー２０の位置変動を起こす）及び干渉計部１４のひずみを生じ、高精度の測長を困難にする問題があった。
【００１１】
図５には、従来の光学式測長機の他の構成が示されている。図４に示された光学式測長機と異なる点は、ベローズ２２の代わりに２重構造を有するベローズ２４を導光部として設けた点である。２重構造のベローズ２４の内側を図４と同様に真空ポンプで真空状態に排気すると共に、外側（外郭）を圧縮空気により大気圧以上の適当な圧力に設定する。ベローズ２４の内側は真空状態であるため大気圧との差に起因する吸引力が生ずるが、ベローズ２４の外側は大気圧以上の圧力に設定されているため、逆に大気圧との差により拡大力（拡げる方向の力）が印可される。したがって、このような２重構造を有するベローズ２４を用いることで、真空状態にある内側の吸引力を、外側に設定された適切な圧力と伸縮方向の受圧面積の積からなる力で相殺することができる。
【００１２】
なお、図４及び図５で用いられるベローズ２２、２４の構成は、例えば図６に示される如くである。ベローズ２２、２４は、図６（Ａ）に示されるドーナツ状の溶接可能な金属板（例えばオーステナイト系のステンレス鋼等）を複数重ねて溶接することにより構成される。図６（Ｂ）には、ベローズ２２、２４の縦断面図が示されており、図６（Ａ）に示されたドーナツ状の溶接可能な金属板を屈曲させて互いに溶接することで内部に空洞を有し図中矢印方向に伸縮自在な部材が得られる。もちろん、溶接ベローズの他に金属成形ベローズも用いられる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図５に示された２重構造を有するベローズ２４を用いた光学式測長機においても、スライダ１６の移動に伴ってベローズ２４が伸縮するため、２重構造のベローズ２４の有する固有のばね定数とその伸縮量の積からなる力により、図４の場合と同様にスライダ１６の幾何的な姿勢変化や駆動時の速度変動及び干渉計部１４のひずみが依然として生じ、高精度な測長が困難となる問題があった。
【００１４】
もちろん、２重構造のベローズ２４の伸縮による外側と内側の間の設定圧力の変動及び２重構造ベローズ２４の有するばね定数によるベローズ２４の伸縮方向に発生する力をセンサ等により検出し、外側と内側の間の設定圧力を動的に制御する方法も考えられるが、測長機の制御システムが複雑となる問題が生じる、また、スライダ１６の駆動ストロークの全長にわたり適応可能な２重構造ベローズを製作することも困難であり、コスト増加を招く問題もある。
【００１５】
さらに、図４及び図５の光学式測長機に共通する問題として、スライダ１６の駆動中に生ずるベローズ伸縮の不均一性を伴う縦波がスライダ１６の姿勢制度や運動制御上の外乱となり、高精度測長を困難とする問題がある。
【００１６】
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みなされたものであり、その目的は、スライダの移動に伴う導光部の伸縮により生ずる力によりスライダの幾何的な姿勢変化や駆動時の速度変動及び干渉計部のひずみを確実に防止し、従来以上に高精度な測長が可能となる光学式測長機を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明は、レーザ光源と、内部が真空の導光部と、前記導光部の一端に設けられ、スライダとともに移動する反射光学系と、前記導光部の他端に設けられた光干渉系とを有し、前記光干渉系と前記反射光学系との間の真空空間が前記レーザ光源からのレーザ光による測長光路を構成する光学式測長機であって、前記スライダに連動してスライダの移動方向にスライダとほぼ同様に移動する移動部及び導光部固定部が前記測長光路に沿って直線上に設けられ、前記導光部は、前記移動部と前記導光部固定部とを接続し、前記スライダの移動方向に伸縮自在でその内部が真空の主導光部と、前記反射光学系と前記移動部とを接続し、前記スライダの移動方向に伸縮自在でその内部が真空であり、その伸縮により前記スライダ及び移動部の相対的位置変動を吸収する第１副導光部と、前記固定部と前記光干渉系とを接続し、その内部が真空の第２副導光部とを有することを特徴とする。
【００１８】
また、第２の発明は、第１の発明において、前記第１副導光部は２重構造をなし、内部が真空の導光部を大気圧以上の所定圧力を有する外殻で覆う構造であることを特徴とする。
【００１９】
また、第３の発明は、第１の発明において、前記第１副導光部及び前記第２副導光部は２重構造をなし、内部が真空の導光部を大気圧以上の所定圧力を有する外殻で覆う構造であることを特徴とする。
【００２０】
また、第４の発明は、第１の発明において、前記主導光部、前記第１副導光部及び前記第２副導光部は２重構造をなし、内部が真空の導光部を大気圧以上の所定圧力を有する外殻で覆う構造であることを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
【００２２】
＜第１実施形態＞
図１には、本実施形態の光学式測長機の構成が示されている。図４あるいは図５に示された従来の光学式測長機と同様に、本体ベース１０、レーザ光源１２、干渉計部１４、スライダ１６、スライダ駆動機構１８及び反射ミラー２０が設けられている。なお、干渉計部１４は光干渉系として機能し、反射ミラー２０は反射光学系として機能する。
【００２３】
また、本実施形態における光学式測長機においては、さらに移動部としてのベローズ駆動キャリッジ３０及び導光部固定部としての固定部３４が設けられている。ベローズ駆動キャリッジ３０は、スライダ１６に連動してベローズ駆動機構３２によりスライダ１６と共に移動する。すなわち、スライダ駆動機構１８とベローズ駆動機構３２は同期駆動制御がなされ同様の駆動指令が与えられる。この結果、スライダ１６及びベローズ駆動キャリッジ３０は駆動指令に従ってほぼ同様の運動を行う。しかしながら、スライダ１６及びベローズ駆動キャリッジ３０はそれぞれ質量及び負荷抵抗、案内方式等の駆動条件が異なるため両者の動きの相対差は厳密にはゼロという訳ではなく、運動制御能力に対応した相対的な位置の変動が生じる。この変動は、後述するように副ベローズ３８の伸縮で吸収される。一方、固定部３４は本体ベース１０に固定されており、スライダ１６やベローズ駆動キャリッジ３０の移動によっても移動せず、その位置を保持する。
【００２４】
また、本実施形態における光学式測長機の導光部は３つの部分を有している。すなわち、ベローズ駆動キャリッジ３０と固定部３４の間に設けられた主導光部としての主ベローズ３６（より正確には主ベローズ３６の内部）、反射ミラー２０とベローズ駆動キャリッジ３０との間に設けられた第１副導光部としての副ベローズ３８（より正確には副ベローズ３８の内部）及び干渉計部１４と固定部３４との間に設けられた第２副導光部としての副ベローズ４０（より正確には副ベローズ４０の内部）である。
【００２５】
主ベローズ３６は、図４に示されたベローズ２２と同様に１重構造のベローズであり、その内部は真空状態に排気されている。主ベローズ３６の一端は固定部３４に接続され、他端はベローズ駆動キャリッジ３０に接続されているため、スライダ１６の移動に伴ってベローズ駆動キャリッジ３０が移動すると、主ベローズ３６も図中矢印方向に伸縮する。
【００２６】
副ベローズ３８は、図５に示されたベローズ２４と同様に２重構造のベローズであり、内側が真空状態に排気されると共に、外側が大気圧以上の所定の圧力に維持される。副ベローズ３８の一端は反射ミラー２０に接続され、他端はベローズ駆動キャリッジ３０に接続されている。上述したように、スライダ１６及びベローズ駆動キャリッジ３０の動きの相対差は厳密にはゼロではなく、高精度な測長を可能とするために測長に直接関与するスライダ１６の高精度な運動を必要とし、この際柔的な結合を可能とする副ベローズ３８の伸縮が外乱となるベローズ駆動キャリッジ３０のスライダ１６との相対的な運動誤差を吸収することができる。
【００２７】
副ベローズ４０は副ベローズ３８と同様に２重構造のベローズであり、内側が真空ポンプにより真空状態まで排気されると共に、外側が大気圧以上の所定圧力に維持される。副ベローズ４０の一端は干渉計部１４に接続され、他端は固定部３４に接続されており、干渉計部１４及び固定部３４は共に本体ベース１０に固定されて移動しないため、副ベローズ４０も図中矢印方向に伸縮自在であるものの、矢印方向に伸縮することはない。
【００２８】
そして、ベローズ駆動キャリッジ３０及び固定部３４の主ベローズ３６や副ベローズ３８、４０が接続される部位はその内部が中空となって主ベローズ３６等と共に真空ポンプで真空状態に排気される。したがって、レーザ光源１２から射出したレーザ光は干渉系部１４、副ベローズ４０、固定部３４、主ベローズ３６、ベローズ駆動キャリッジ３０、副ベローズ３８を順次通過して反射ミラー２０に達し、反射ミラー２０で反射した後、副ベローズ３８、ベローズ駆動キャリッジ３０、主ベローズ３６、固定部３４、副ベローズ４０を順次通過して干渉計部１４に入射する。本実施形態の構成においても、干渉計部１４と反射ミラー２０との間の真空の空間が測長光路となり、空気の温度や気圧、湿度、ＣＯ2濃度の変動による屈折率の変化の影響を受けず高精度の測長が可能となる。
【００２９】
また、反射ミラー２０に接続される副ベローズ３８は上述したようにスライダ１６と共に移動するベローズ駆動キャリッジ３０のため図中矢印方向にほとんど伸縮しないので、ベローズの伸縮に伴うばね力は反射ミラー２０にほとんど影響を与えず、測長精度の低下を防止することができる。なお、スライダ１６とベローズ駆動キャリッジ３０が正確に同方向に同量移動しない場合においても、副ベローズ３８は上述したように図中矢印方向に伸縮自在であるため、その変動を吸収することができ、反射ミラー２０にほとんど影響を与えない。もちろん、副ベローズ３８は２重構造をなしているため、真空状態と大気圧との圧力差に起因する吸引力も相殺できる。
【００３０】
さらに、干渉計部１４と固定部３４の間に設けられた副ベローズ４０は、上述したように干渉計部１４及び固定部３４が共に本体ベース１０に固定されて移動しないため図中矢印方向に伸縮することはなく、したがって副ベローズ４０の伸縮に伴うばね力が干渉計部１４に影響を与えることはなく、精度低下を生ずることもない。また、副ベローズ４０は副ベローズ３８と同様に２重構造をなしているため、内部の真空状態と大気圧との差に起因する吸引力を相殺することができ、この点からも干渉計部１４に与えるひずみを除去し、高精度測長が可能となる。
【００３１】
このように、本実施形態では反射ミラー２０に接続された副ベローズ３８の伸縮をベローズ駆動キャリッジ３０で防止し、かつ２重構造とすることで圧力差に起因する力の影響も防止して反射ミラー２０のひずみを無くすとともに、干渉計部１４に接続された副ベローズ４０の伸縮を固定部３４で防止し、かつ２重構造とすることで圧力差に起因する力の影響も防止して干渉計部１４のひずみを無くすことで、従来の問題点を解消し高精度の測長が可能となる。
【００３２】
＜第２実施形態＞
図２には、第２実施形態の光学式測長機の構成が示されている。図１に示された第１実施形態では、主導光部としての主ベローズ３６（より正確には主ベローズ３６の内部）が１重構造のベローズであり、第１副導光部としての副ベローズ３８（より正確には副ベローズ３８の内部）及び第２副導光部としての副ベローズ４０（より正確には副ベローズの内部）がともに２重構造を有するベローズであったが、本実施形態では、干渉計部１４と固定部３４との間に設けられた第２副導光部としての副ベローズ４０が２重構造ではなく主ベローズ３６と同様の１重構造である点が相違する。このような構成によっても、干渉計部１４と固定部３４との間の距離は不変であるため、スライダ１６の移動に伴う副ベローズ４０の伸縮は無く、干渉計部１４に与えるひずみを最小限に抑えることができる。なお、副ベローズ４０を１重構造とすることで、内部の真空状態と大気圧との差に起因する吸引力による干渉計部１４に与えるひずみは存在するが、図４あるいは図５に示された従来技術のようにスライダ１６の移動に伴って生じるばね力により干渉計部１４や反射ミラー２０に与えるひずみがなくなる分、従来以上の高精度測長は可能である。また、図１の実施形態に比べ、２重ベローズの部品点数が少なくなることからコスト的及び製作上有利である利点がある。
【００３３】
＜第３実施形態＞
図３には、第３実施形態における光学式測長機の構成が示されている。図１に示された第１実施形態と異なる点は、主導光部としての主ベローズ３６（より正確には主ベローズ３６の内部）も副ベローズ３８、４０と同様に２重構造を有するベローズとした点、すなわち主導光部、第１副導光部、第２副導光部のすべてを２重構造とした点である。主ベローズ３６も２重構造とすることにより、第１実施形態に比べてコスト的あるいは製作上不利であるが、主ベローズ３６における内部の真空状態と大気圧との差に起因する吸引力をも相殺することができ、より一層の高精度測長が可能となる利点がある。
【００３４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されることなく、種々の変形使用が可能である。例えば、図１、図２、図３に示された光学式測長機において、干渉計部１４と固定部３４との間に設けた第２副導光部としての副ベローズ４０（より正確には副ベローズ４０の内部）をベローズ（蛇腹）ではなく内部を真空にした金属円筒とすることも可能である。第２副導光部は干渉計部１４と固定部３４との間に接続されるため、伸縮自在である必要は必ずしもなく、内部を真空状態としたことに起因して生じる吸引力に対抗し得る程度の強度を有する材料であれば、金属でななく任意の材料を用いることも可能である。もちろん、２重構造とすることで圧力差に起因する力を相殺する構造とすれば用いる材料の幅は広がるであろうし、その形状も円筒ではなく角柱など任意でよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光学式測長機によれば、レーザ光が大気中を通過する際の空気の屈折率の変化に起因したレーザ波長の変動を回避できると共に、真空ベローズなどの伸縮によるばね力が光干渉系や反射光学系に与える影響を確実に防止し、従来以上の高精度測長が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施形態の構成図である。
【図２】  本発明の第２実施形態の構成図である。
【図３】  本発明の第３実施形態の構成図である。
【図４】  従来技術の構成図である。
【図５】  他の従来技術の構成図である。
【図６】  ベローズ（蛇腹）の構成図である。
【符号の説明】
１０  本体ベース、１２  レーザ光源、１４  干渉計部、１６  スライダ、１８  スライダ駆動機構、２０  反射ミラー、３０  ベローズ駆動キャリッジ（移動部）、３４  固定部（導光部固定部）、３６  主ベローズ（主導光部）、３８副ベローズ（第１副導光部）、４０  副ベローズ（第２副導光部）。
【図１】
0003641141.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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