(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースと、このベース上に固定された２個の固定ブロックの間に回転自在に取り付けられたおもりと、このおもりの変位を検出する変位センサと、変位センサの出力信号から傾斜量を表示するディジタルパネルコントローラとを有する電子式水準器において、
前記変位センサにも変位センサ用おもりが取り付けられ、前記おもりの測定面と前記変位センサの投光面は常に平行を保ち、前記おもりの測定面に対する投光軸と受光軸の角度は一定に保たれていることを特徴とする電子式水準器。
【請求項２】
前記おもりは、ベース上に設けられた２個の固定ブロックの上部にベアリングを介して取り付けられたおもり用シャフトに装着されていることを特徴とする請求項1記載の電子式水準器。
【請求項３】
前記変位センサは、光源と、この光源からの光を前記おもりの測定面へ集光する投光レンズと、前記おもりの測定面からの反射光を位置検出素子上に集光する受光レンズと、2つの出力端子を備え反射光を受光する位置検出素子とを有することを特徴とする請求項1記載の電子式水準器。
【請求項４】
前記光源として発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いることを特徴とする請求項3記載の電子式水準器。
【請求項５】
前記おもりは、前記ベースの中央、すなわちベースの両端部からおもりの測定面までの距離をＡ，Ｂとしたとき、Ａ＝Ｂとなる位置に設けられていることを特徴とする請求項1記載の電子式水準器。
【請求項６】
水平テーブルと、その裏面側に配設した互いに直角方向を向いたＸ方向電子式水準器およびＹ方向電子式水準器と、前記Ｘ、Ｙ方向電子式水準器の出力が規格内に入るまで前記水平テーブルを上下動させるＸ方向リニアステッピングモータ及びＹ方向リニアステッピングモータと、前記Ｘ、Ｙ方向電子式水準器の検出した傾斜角度の測定結果の出力に基づき前記Ｘ、Ｙ方向リニアステッピングモータを制御するコントローラとを有する水平ステージにおいて、
前記電子式水準器が、 ベースと、このベース上に固定された２個の固定ブロックの間に回転自在に取り付けられたおもりと、このおもりの変位を検出する変位センサと、変位センサの出力信号から傾斜量を表示するディジタルパネルコントローラとを有し、
前記変位センサにも変位センサ用おもりが取り付けられ、前記おもりの測定面と前記変位センサの投光面は常に平行を保ち、前記おもりの測定面に対する投光軸と受光軸の角度は一定に保たれている電子式水準器であることを特徴とする水平ステージ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定面の傾斜や角度を測定する電子式水準器およびそれを用いた水平ステージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、傾斜や角度の測定には、通常気泡式、磁気式、光学式の水準器を利用する方法が採用されている。しかしながら、これらの水準器を利用する方法では、測定範囲の制限、複雑化した構造、測定時間がかかる等の問題も多く残されている。このため、傾斜・角度の測定作業として、十分とは言えない。
【０００３】
従来技術として、例えば実開昭６３−１０５８１０号公報には、支軸を介して回動自在に垂下保持したおもりと、支軸に関しておもりの回動方向で略対称でかつおもりの回動により出力が変化する位置に配設した一対のセンサ部と、この一対のセンサ部の出力差から傾斜状態を算定する演算部とからなる傾斜計が記載されている。そして一対のセンサ部として光センサを用いる例が示されている。
【０００４】
また、特開平１１−９４５４６号公報には、いずれの方向にも振れる振り子体の外周面にあって、位置的に９０度の角度差のある２つの位置にそれぞれ標点を設定し、この各標点に対して間隙を介して対向しこの間隙の変位に感応して信号を出力する変位センサを設けて傾斜角度を測定する傾斜計が記載されている。
【０００５】
また例えば、実開昭６４−２１０６号公報には、磁気を使って角度を測定する水準器が記載されている。すなわち、導体振り子を揺動自在にワイヤでつり下げ、導体振り子に対向して振り子の揺動角度を検出する変位検出センサを設け、導体振り子に発生する渦電流の変化を検出して揺動角度を測定するものである。
【０００６】
また、実開昭６１−８４８０８号公報には、ワイヤで吊った磁性体製の逆Ｔ字型のおもりが、供試体の傾きに比例して位置を変位させ、その位置の変位量を２個の磁気センサにより検出・比較しメーターにより指示させる電子式水準器が記載されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、実開昭６３−１０５８１０号公報の傾斜計では、光センサを２個用いていること、また光センサにはおもりは全く用いられておらず固定されており、１個の光学式変位センサを用い、また光学式変位センサにもおもりを設け回転するようにしている本発明とは構成が明らかに異なっている。また、構成も２個の光センサを用いているので本発明のものより複雑になるという欠点がある。
【０００８】
また、特開平１１−９４５４６号公報の傾斜計では、固定された２個の変位センサを用い振り子体と変位センサの間隙の変動から傾斜角度を測定しており、回転可能な光学式変位センサを１個用いる本発明に比べ構成が複雑で、また傾斜角度の測定方法も異なっている。
【０００９】
上記実開昭６４−２１０６号公報では磁気を使って角度を測定しているが、構造上、おもりの中心をワイヤで吊っているため、回転運動が生じることで検出センサまでの距離が変化し、正確なおもりの位置を検出することが出来ないようになっている。後述するように、ベアリング２個を使用し回転運動を無くした本発明と比べると、測定対象物であるおもりの回転運動が発生する点でおとっている。
【００１０】
また、実開昭６１−８４８０８号公報は、実開昭６４−２１０６号公報と同様におもりをワイヤで吊るしているが、回転を考慮し反転した位置にもう一つの磁気センサを取付け、コンパレータを介しインピーダンスの違いを計算しているが、その分センサや電気部品を多く使わなければならず、回転を無視しセンサを１個使用する本発明に比べコストがかかる。
【００１１】
本発明の主な目的の一つは、傾斜・角度を簡単かつ迅速に測定し数値化した測定値が得られる電子式水準器を提供することにある。
【００１２】
本発明の主な他の目的は、あらかじめ設定された値の傾斜・角度になれば出力を発生し、変化を知らせる予知機能を有する電子式水準器を提供することにある。
【００１３】
本発明のさらに他の目的は、常にステージの傾斜・角度を測定し、変動が生じた場合にそれを修正する機能をもつ水平ステージを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の電子式水準器は、ベースと、このベース上に固定された２個の固定ブロックのの間に回転自在に取り付けられたおもりと、このおもりの変位を検出する変位センサと、変位センサからの出力信号から傾斜量を表示するディジタルパネルコントローラとを有する。おもりは、ベース上に設けられた２個の固定ブロックの上部にベアリングを介して取り付けられたおもり用シャフトに装着されている。また、変位センサは、光源と、この光源からの光を前記おもりの測定面へ集光する投光レンズと、前記おもりの測定面からの反射光を位置検出素子上に集光する受光レンズと、２つの出力端子を備え反射光を受光する位置検出素子とを有しており、光源としては発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いる。変位センサにもおもりが取り付けられているので、おもりの測定面と変位センサの投光面は常に平行を保ち、おもりの測定面に対する投光軸と受光軸の角度は一定に保たれている。さらに、おもりはベースの中央、すなわちベースの両端部からおもりの測定面までの距離をＡ，Ｂとしたとき、Ａ＝Ｂとなる位置に設けられている。
【００１５】
本発明によれば、水平テーブルと、その裏面側に配設した互いに直角方向を向いたＸ方向電子式水準器およびＹ方向電子式水準器と、前記Ｘ、Ｙ方向電子式水準器の出力が規格内に入るまで前記水平テーブルを上下動させるＸ方向リニアステッピングモータ及びＹ方向リニアステッピングモータと、前記Ｘ、Ｙ方向電子式水準器の検出した傾斜角度の測定結果の出力に基づき前記Ｘ、Ｙ方向リニアステッピングモータを制御するコントローラとを有する水平ステージが得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に本発明について図面を参照して詳細に説明する。図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態を示す背面図と側面図である。図１（ａ）、（ｂ）に示すように本発明の電子式水準器は、被測定面６に接するベース３と重心を保つおもり２と、そのおもり２の移動量（変位）を検出する光学式変位センサ１と、デジタルパネルコントローラ５とから構成され、いたって、シンプルな構造になっている。図１からわかるように、おもり２はベース３に固定ねじ９によって固定された２個の固定ブロック４の上部に取り付けられたおもり用シャフト８に装着されている。そしておもり用シャフト８の両端部は、おもり用ベアリング７を介して固定ブロック４に回転可能に取り付けられている。このため図６に示すように、ベース３が傾いた場合には、ベース３に固定されている固定ブロック４は傾くが、おもり２はその重心が常に真下に向くようにおもり用ベアリング７によって回転する。
【００１７】
次に、光学式変位センサ部について説明すると、図１に示すように、ベース３に固定された軸受け箱１５の上部に光学式変位センサ用ベアリング１３を介して光学式変位センサ用シャフト１２が設けられており、このシャフト１２に光学式変位センサ１が光学式変位センサ固定ブロック１４を介して装着されている。この光学式変位センサ１にも光学式変位センサ用おもり１１が設けられている。このためベース３が傾いた場合には、図６に示すように、光学式変位センサ用おもり１１はその重心が常に真下に向くように回転する。これによりおもり２の測定面ａと光学式変位センサ１の投光面ｂは常時平行を保てる。すなわち、光学式変位センサ１も光学式変位センサ用おもり１１により常に重心は水平面に直角を保ち、おもり２の測定面に対する投光軸１８と受光軸２０（図２参照）の角度を一定に保ち誤差の少ない測定が出来ることが特徴である。
【００１８】
本実施の形態では、光学式変位センサの支点が上のほうにあるので、傾くに従って光学式変位センサ１の入出力部分が水平方向に移動するが、使用前にスパン調整するので実用上問題無い。また、支点と変位センサとの位置を同じ高さにすれば、傾いても変位センサの入出力部分の位置が移動せずに変位センサ入出力部分の角度が変化するだけなので、変動要因が減り精度が向上する。投光軸と受光軸の角度は常に一定に保たれ、それらの角度変化による読み取り誤差を無くすことが可能となる。
【００１９】
図２は光学式変位センサ１の具体的構成を示している。光源（ＬＥＤ）１６から発せられた光が投光レンズ１７により集光され、対象物体１９に照射されると、対象物体１９から反射光が受光レンズ２１により一次元の位置検出素子２２上に集光する。対象物体１９の位置（距離）が変化すれば位置検出素子２２上の結像位置が異なり、二つの出力２３ａ、２３ｂのバランスが変化する。この二つの出力２３ａ、２３ｂから変位量が求まる。ここで対象物体１９は、図１のおもり２に対応するものである。また光源としては、レーザダイオードや発光ダイオード（ＬＥＤ）などを用いることができるが、ＬＥＤが価格やサイズの点から一番適している。なお、１８は投光軸、２０は受光軸である。
【００２０】
図３は、本発明の第１の実施の形態における各部品の位置関係及び構成を示す図である。本実施の形態では、ベース３の中心すなわちおもり２の測定面までの両端からの距離Ａ及びＢは等しいことが条件となる。図４及び図５を用いてその必要性を説明する。この組み込み精度に狂いがある場合、すなわち距離ＡとＢが等しくない場合は、傾き方向の違い（１８０度反転）により、光学式変位センサ１からおもり２の測定面までの変位量に差が生じるためである。又、おもり２の支点から測定面までの距離Ｃは、図５からわかるように、距離Ａ及びＢと同じにすることで測定面の傾きχの丁度半分χ／２がＤの寸法で移動（変位量）する。これにより、例えば、ベースの長さが１００ｍｍでχ＝４ｍｍの変化があっても、測定部ではＤ＝２ｍｍの変化となる。すなわち、変位センサ測定範囲の２倍の傾き量χがあっても測定することが可能となる。
【００２１】
図６は、電子式水準器が右上がりに傾いた場合を示す図である。おもり２を支えるおもり用シャフト８は、光学式変位センサ１を支えるシャフト１２より上方にあるので、水準器が図６のように右上がりに傾くと、おもり２の測定面ａと光学式変位センサ１の投光面ｂは平行を保つが、両者の間隔は水平の場合より傾き角度が大きくなるにつれて広がる。一方、左上がりに傾いた場合には、おもり２の測定面ａと光学式変位センサ１の投光面ｂの間隔は逆に水平の時より狭くなる。
【００２２】
図７（ａ）、（ｂ）に基準距離（水平な時の測定面ａと投光面ｂの距離）が５ｍｍの場合の距離と電圧の変化及びデジタルパネルコントローラ５の表示器の関係示す図である。なお、図７（ａ）は電子式水準器が右上がりに傾いた場合を示し、図７（ｂ）は左上がりに傾いた場合を示している。実際には、図６で説明したように光学式変位センサ１も傾くが簡略のため固定して描いてある。図７（ａ）に示すように、測定面が基準距離の５ｍｍから最長測定距離である７ｍｍになった場合、光学式変位センサ１は５Ｖの出力をし、図７（ｂ）のように最短測定距離である３ｍｍになった場合１Ｖの出力を行う。光学式変位センサで検出された電圧（１〜５Ｖ）の変化はデジタルパネルコントローラ５の表示器によってスパン調整し表示させることでその傾きを認識するものである。
【００２３】
本発明の電子式水準器に使用した光学式変位センサの測定範囲は５±２ｍｍ、すなわち３ｍｍ〜７ｍｍの範囲を測定することが出来る。なお変位センサはレーザ、超音波、接触式、渦電流方式など様々なものが存在するが、価格、サイズ、測定範囲などを考慮すると、本発明の変位検出部品としてはＬＥＤを用いた光学式変位センサが一番適している。
【００２４】
また、デジタルパネルコントローラ５の表示器も出力を有しており、任意に設定した値に応じアラームを発生させる。これにより、装置にセットした場合、架台の経時変化や振動の有無を発見しトラブル発生前に変化を予知する機能を持たせることが出来る。
【００２５】
次に本発明の第２の実施の形態について説明する。この実施の形態は本発明の電子式水準器を用いた水平ステージに関するもので、図８にその構成を示し、図９にそれを水平にする動作のフローチャートを示してある。図８に示すように、水平テーブル２４の下部に本発明の電子式水準器２７ａ、２７ｂを２個９０度に配置する。それぞれの電子式水準器は検出した角度又は傾きの測定結果をコントローラ２８に出力する。データを入力されたコントローラ２８は水平テーブル２４の傾きを認識しそれぞれの角度・傾きについてのＸ方向電子式水準器２７ＡおよびＹ方向電子式水準器２７Ｂの出力が規格内に入るまで、Ｘ方向リニアステッピングモータ２６ａ、Ｙ方向リニアステッピングモータ２６ｂによって水平テーブル２４を上下動させる。常に水平テーブル２４はＸ方向およびＹ方向電子式水準器２７ａ、２７ｂにより監視されており、突発的な変化があってもそれをとらえて水平テーブル２４を水平に維持することが出来る。この際、電子式水準器はベース３が上面に来るように改造されており、おもりまたは光学式変位センサの取り付けられた面とは、０．００５ｍｍほどの平行面を持っていることが望ましい。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の電子式水準器は、被測定面に接するベースと、重心を保つおもりと、そのおもりの移動量（変位）を検出する変位センサと、デジタルパネルコントローラとにより構成され、いたって、シンプルな構造になっている。特に傾斜・角度を光学式変位センサによって検出する構造を利用したことが特徴である。また、おもりの測定面をベースの中心に設計することで傾斜・角度の方向が変化しても同等の変位が現れることでセンサを１個に出来たことが特徴である。
【００２７】
また、光学式変位センサも光学式変位センサ用おもりにより常に重心は水平面に直角を保ち、おもりの測定面に対する投光軸と受光軸の角度を一定に保ち誤差の少ない測定が出来ることが特徴である。
【００２８】
本発明の特徴は、傾斜・角度の測定をおもりの重心移動による測定面の変位を１個の光学式変位センサで、高分解能（０．０１ｍｍ）でかつ広範囲（±４ｍｍ／１００ｍｍ）に測定出来るようにしたことである。
【００２９】
さらに、光学式変位センサの出力をデジタルパネルコントローラの表示部で表示させることで、測定値を読み取りやすくしたことが特徴である。従って、従来特別な知識を有する技術者のみ製作、使用されていた角度・傾斜測定器に比べ、簡単かつ正確な測定器の製作、使用が実現できるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態を示す背面図と側面図である。
【図２】本発明の変位センサの構成を示す図である。
【図３】本発明の電子式水準器のおもりをベースの中央に取り付けることを説明する図である。
【図４】本発明において電子式水準器のおもりの取り付け位置がベースの中央からずれている場合を表す図である。
【図５】本発明の電子式水準器の傾きとおもりの測定面までの距離との関係を説明する図である。
【図６】本発明の電子式水準器が傾いた場合のおもりと変位センサの位置関係を表す図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）は電子式水準器が傾いた場合の変位センサの出力の様子を示す図である。
【図８】（ａ）、（ｂ）は本発明の第２の実施の形態である水平ステージの構成を示す平面図と断面図である。
【図９】第２の実施の形態である水平ステージの動作を示す図フローチャートである。
【符号の説明】
１    光学式変位センサ
２    おもり
３    ベース
４    固定ブロック
５    デジタルパネルコントローラ
６    測定面
７    おもり用ベアリング
８    おもり用シャフト
９    固定ねじ
１０    セットスクリュー
１１    光学式変位センサ用おもり
１２    光学式変位センサ用シャフト
１３    光学式変位センサ用ベアリング
１４    光学式変位センサ固定ブロック
１５    軸受け箱
１６    光源
１７    投光レンズ
１８    投光軸
１９    対象物体
２０    受光軸
２１    受光レンズ
２２    位置検出素子
２３ａ    出力Ａ
２３ｂ    出力Ｂ
２４    水平テーブル
２５    基準柱
２６ａ    Ｘ方向リニアステッピングモータ
２６ｂ    Ｙ方向リニアステッピングモータ
２７ａ    Ｘ方向電子式水準器
２７ｂ    Ｙ方向電子式水準器
２８    コントローラ
２９    モータドライバ
【図１】
0003548506.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】
0003548506.tif 000007
【図７】
0003548506.tif 000008
【図８】
0003548506.tif 000009
【図９】
0003548506.tif 000010