(57)【要約】 【課題】多様な形状の対象物の位置決めを高精度に行うことができる位置決め装置を提供する。【解決手段】レンズ３の焦点を通過した光を受光し、レンズ３の焦点位置と対象物体６とが所定範囲に近づいたときに生じる受光量の変化を検出する検出手段５を備えた光学系３１とレンズ１３の焦点を通過した光を受光し、レンズ１３の焦点位置と対象物体６とが所定範囲に近づいたときに生じる受光量の変化を検出する検出手段１５を備えた光学系３２とを備える。光学系３１と光学系３２の焦点位置を互いに一致させてあるいは接近させて配置した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、該光源からの光を集光するレンズと、該レンズの焦点を通過した光を受光し、前記レンズの焦点位置と対象物体とが所定範囲に近づいたときに生じる受光量の変化を検出する検出手段とを有する光学系を複数備え、該複数の光学系の焦点位置を互いに一致させてあるいは接近させて配置したことを特徴とする位置決め装置。
【請求項２】
光源と、該光源からの光を集光するレンズと、該レンズの焦点近傍にある対象物体から反射した光を受光し、前記レンズの焦点位置と対象物体とが所定範囲に近づいたときに生じる受光量の変化を検出する検出手段とを有する光学系を複数備え、該複数の光学系の焦点位置を互いに一致させてあるいは接近させて配置したことを特徴とする位置決め装置。
【請求項３】
第１光源と、該第１光源からの光を集光する第１レンズと、該第１レンズの焦点を通過した光を受光し、前記第１レンズの焦点位置と対象物体とが所定範囲に近づいたときに生じる受光量の変化を検出する第１検出手段とを有する第１光学系および、
第２光源と、該第２光源からの光を集光する第２レンズと、該第２レンズの焦点近傍にある対象物体から反射した光を受光し、前記第２レンズの焦点位置と対象物体とが所定範囲に近づいたときに生じる受光量の変化を検出する第２検出手段とを有する第２光学系を備え、前記第１光学系の焦点位置と前記第２光学系の焦点位置とを互いに一致させてあるいは接近させて配置したことを特徴とする位置決め装置。
【請求項４】
請求項１〜３記載のいずれかの位置決め装置を備えたことを特徴とする工具位置決め装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学式の位置決め装置に係わり、特に超精密工作機械の工具先端などの位置決めに適した位置決め装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光学式による物体の位置決め装置においては、単一の光源およびそれと対をなす集光レンズを用いて光束を作り出し、その焦点付近の位置決め対象物で光束の一部または全部を遮り、遮られずに通過した光を受光素子で検出し、受光素子の出力から光線と位置決め対象物の相対位置関係を求めることで位置決めを行う方法が用いられている。
【０００３】
例えば、歯車の歯面が光束を遮る状況を検出して、ピッチ測定をする方法（非特許文献１参照）、剃刀の刃のエッジが光束を切る瞬間を検出して移動ステージの原点を確認する方法（非特許文献２参照）等が知られている。
【０００４】
しかし、非特許文献１に記載されている装置では面の位置を、非特許文献２に記載されている方法では線の位置を各々検出することが出来るものの、いずれも複雑な形状の対象物の位置決めができないという問題があった。
【０００５】
また、位置決め対象物を振動させながら焦点付近に順次近づけて光を遮り、遮られずに通過して受光素子で検出される光の強度の変化あるいは強度分布の変化に基づいて対象物の位置決めを行う方法も知られている。（非特許文献３参照）
しかし、非特許文献３に記載されている装置では、対象物を焦点位置近傍で３次元的に位置決めができるものの、一つの光学系のみで位置決めを行うので、対象物の形状が移動方向あるいは振動方向に関して変化が緩い場合は、遮られずに通過する光の強度又は分布状態の変化が少なく、感度が低下する。そのため、精密な位置決めが実現できないという問題があった。
【非特許文献１】精密工学会誌 56/0１(1990)、pp．152-157
【非特許文献２】日本機械学会論文集(C)、58巻546号 (1992)、pp．425-430
【非特許文献３】2003年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集、pp．358
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のように従来の技術では、多様な形状の対象物の位置決めができないという問題、あるいは対象物の形状によっては感度が低下して精密な位置決めができないという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような問題点を解消し、多様な形状の対象物の位置決めを高精度に行うことができる位置決め装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、第１光源と、該第１光源からの光を集光する第１レンズと、該第１レンズの焦点を通過した光を受光し、前記第１レンズの焦点位置と対象物体とが所定範囲に近づいたときに生じる受光量の変化を検出する第１検出手段とを備えた第１光学系あるいは、
第２光源と、該第２光源からの光を集光する第２レンズと、該第２レンズの焦点近傍にある対象物体から反射した光を受光し、前記第２レンズの焦点位置と対象物体とが所定範囲に近づいたときに生じる受光量の変化を検出する第２検出手段とを備えた第２光学系の両方もしくはいずれか一方からなる複数の光学系を備え、該複数の光学系の焦点位置を互いに一致させてあるいは接近させて配置したことを特徴とする位置決め装置が得られる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、複数の光学系の焦点位置を互いに一致させてあるいは接近させて配置したので、それら各焦点位置を目指して対象物体を所定の方向から順次近づけていくと、各光学系の検出手段にて各々受光量の変化が検出される。それら検出手段にて検出された複数の受光量の変化を利用すると、対象物の位置変化に対する受光量の変化の割合を増大させる演算処理が容易となり、感度改善が可能となる。
従って、対象物の形状が移動方向あるいは振動方向に関して変化が緩い場合においても精密な位置決めが可能となる。
【００１０】
しかも、それら各焦点位置を目指して対象物体を複数の方向から順次近づけていくと、近づけていく方向毎に各光学系の検出手段が各々受光量の変化を検出するので、複数の方向に対して精密な位置決めが可能となる。
【００１１】
光学系が焦点を通過した光を受光して受光量の変化を検出するものであれば、対象物体のエッジ部を複数の方向に対して位置決めすることができる。また、光学系が焦点にて反射した光を受光して受光量の変化を検出するものであれば、対象物体の表面部を複数の方向に対して位置決めすることができる。
【００１２】
従って、これら光学系を組み合わせることにより多様な形状の対象物体を、エッジ部あるいは表面部の複数の部位にて高精度に位置決めすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１４】
図１は、本発明の実施の形態の位置決め装置の構成を示す要部斜視図である。同図において、３１、３２は各々光学系であり、光学系３１および光学系３２は、図示を省略したステージ上に支持されている。光学系３１は光源であるレーザーダイオード１、レンズ２、レンズ３、レンズ４、受光素子であるフォトダイオード５にて構成され、レーザーダイオード１から射出したレーザー光はレンズ２により平行光とされ、レンズ３により集光されて焦点４１にて収束し、その後、レンズ４にて集光され、受光素子であるフォトダイオード５に到達するよう、各々が配置されている。同様に光学系３２は、光源であるレーザーダイオード１１、レンズ１２、レンズ１３、レンズ１４、受光素子であるフォトダイオード１５にて構成され、レーザーダイオード１１から射出したレーザー光はレンズ１２により平行光とされ、レンズ１３により集光されて焦点４２にて収束し、その後、レンズ１４にて集光され、受光素子であるフォトダイオード１５に到達するよう、各々が配置されている。
【００１５】
光学系３１の光軸と光学系３２の光軸は、X軸とY軸が作る平面と平行な同一平面状にあり、かつY軸とZ軸が作る平面と平行な面に対して互いに対称に設けられている。それら光軸の相対位置は、図示を省略した光軸調整機構を用いて調整可能である。また、焦点４１と焦点４２の位置は、レンズ３およびレンズ１３の位置を光軸上で調整することにより、各々調整可能となっている。レンズ２とレンズ３の組合せ、およびレンズ１２とレンズ１３の組合せは、レーザーダイオード１およびレーザーダイオード１１から射出されたレーザー光を所望の位置に集束するためのものであり、1枚のレンズで置き換えることもできる。レンズ４およびレンズ１４は、光が拡散するのを防止し、フォトダイオード５およびフォトダイオード１５に光を集中させるためのものである。
【００１６】
また、光学系３１を構成するレーザーダイオード１、レンズ２、レンズ３、レンズ４、およびフォトダイオード５と、光学系３２を構成するレーザーダイオード１１、レンズ１２、レンズ１３、レンズ１４、およびフォトダイオード１５とは、各々同一特性のものである。従って、光学系３１の特性と光学系３２の特性とは、互いに同一である。
【００１７】
ダイヤモンド工具６は、チャック７を介して３軸アクチュエータ８に取り付けられている。３軸アクチュエータ８は、図示を省略した工具台に取り付けられていて、ダイヤモンド工具６の位置を工具台に対してX軸、Y軸、Z軸の３方向に各々駆動可能とするものである。３軸アクチュエータ８は、工具台に対してX軸、Y軸の２方向に駆動される駆動板９と駆動板９に設置されてダイヤモンド工具６の位置をZ軸方向に駆動するアクチュエータ２７により構成されている。駆動板９は、後述する２個のアクチュエータ２５、アクチュエータ２６を有しており、それらに各々個別に加えられる制御電圧により工具台に対してX軸、Y軸の２方向に駆動される。尚、工具台は、光学系３１および光学系３２とともに、図示を省略した前記ステージ上に支持されている。
【００１８】
図２はダイヤモンド工具６の詳細図である。同図に示すように、ダイヤモンド工具６は、円盤状のダイヤモンド６ａと板状の支持部６ｂからなり、支持部６ｂの先端の切り欠き部６ｃにダイヤモンド６ａが載せられ固定されたものである。ダイヤモンド工具６は、破線４４に沿って図中上下対象であり、ダイヤモンド６ａの先端部が刃先４３となる。
【００１９】
図３は図１に示した位置決め装置の回路構成を示す要部ブロック線図である。同図に示すように、フォトダイオード５の出力電流は、I-V変換回路２１を介して電圧V1に変換され、フォトダイオード１５の出力電流は、I-V変換回路２２を介して電圧V２に変換され、各々電圧V1および電圧V２として演算回路２３に入力される。演算回路２３は、電圧V1および電圧V２に基づき、（V1―V２）／（V1＋V２）の演算、並びに（V1＋V２）の演算等を行い、それにより得られた出力Vcをアクチュエータ制御回路２４に出力するものである。アクチュエータ制御回路２４は、演算回路２３の出力Vcに基づいて３個のアクチュエータに個別に加えられる制御電圧Vｘ、制御電圧V yおよび制御電圧Vｚを発生する。制御電圧Vｘは３軸アクチュエータ８をX軸方向に駆動するアクチュエータ２５に加えられ、制御電圧V yは３軸アクチュエータ８をY軸方向に駆動するアクチュエータ２６に加えられ、制御電圧Vｚは３軸アクチュエータ８をZ軸方向に駆動するアクチュエータ２７に加えられるものであり、アクチュエータ制御回路２４は、これら制御電圧Vｘ、制御電圧V yおよび制御電圧Vｚを適宜切り替えて出力するものとなっている。
【００２０】
次に、このように構成された本発明の実施の形態の位置決め装置を用いて、ダイヤモンド６ａの刃先４３を所定の位置に位置決めする動作について説明する。
【００２１】
まず、光学系３１および光学系３２の光軸上にてレンズ３およびレンズ１３の位置を調整し、焦点４１と焦点４２をともに所望の位置、即ちダイヤモンド６ａの刃先４３を位置決めする位置に設定する。その後、工具台をステージ上で移動し、ダイヤモンド６ａの刃先４３を焦点４１（焦点４２も同じ位置である）付近に粗く位置決めする。その結果、ダイヤモンド６ａの刃先４３は、例えばX軸方向にわずかにずれていて、図中焦点４１（焦点４２も同じ位置）の左方に位置し、Y軸方向にわずかにずれていて図中焦点４１の上方に位置し、Z軸方向にわずかにずれていて図中焦点４１の前方に位置している。
【００２２】
続いて、アクチュエータ制御回路２４より制御電圧Vｘを出力させ、制御電圧Vｘをアクチュエータ２５に加えて３軸アクチュエータ８をX軸方向に駆動する。このとき、ダイヤモンド６ａの刃先４３がX軸方向にわずかにずれていて、図中焦点４１（焦点４２も同じ位置）の左方に位置しているので、ダイヤモンド６ａの刃先４３が３軸アクチュエータ８の動きに合わせてまず光学系３２の光軸を中心とする光ビームを横切り、続いて光学系３１の光軸を中心とする光ビームを横切る。フォトダイオード１５の出力電流は、ダイヤモンド６ａの刃先４３が光学系３２の光軸の中心に近づくにつれて減少し、光軸の中心を離れるにしたがって回復する。同様に、フォトダイオード５の出力電流は、ダイヤモンド６ａの刃先４３が光学系３１の光軸の中心に近づくにつれて減少し、光軸の中心を離れるにしたがって回復する。しかも、光学系３１の特性と光学系３２の特性とが互いに同一であるので、X軸方向において焦点４１（焦点４２も同じ位置）の位置におけるフォトダイオード１５の出力電流とフォトダイオード５の出力電流は、等しい値となる。
【００２３】
図４は、このようにして得られたフォトダイオード５の出力電流に対応する電圧V1およびはフォトダイオード１５の出力電流に対応する電圧V２の特性を各々示す。図４において、横軸はX軸方向の相対座標を、縦軸は電圧の相対値を各々示しており、X０は焦点４１（焦点４２も同じ位置）のX軸方向の位置を示し、曲線４５は電圧V1の特性を、曲線４６は電圧V２の特性を、各々示す。尚、光学系３１の特性と光学系３２の特性とが互いに同一であるので、曲線４５は曲線４６を平行移動したものとなっている。
【００２４】
このような電圧V1および電圧V２を用いて演算回路２３に（V1―V２）／（V1＋V２）の演算処理を行わせると、図５の曲線４８に示すような出力Vcが得られる。即ち、出力Vcは、X０の位置において０、その手前では正の値、その後方では負の値となり、しかもX０の位置において傾きが最大となる。従って、このような出力Vcの傾きが最大となる位置、あるいは出力Vcが０となる位置は、その他の位置に比べて高精度で検出できる。その位置をアクチュエータ制御回路２４で検出し、３軸アクチュエータ８停止させると、ダイヤモンド６ａの刃先４３は、X０の位置に正確に位置決めされる。図５において、横軸はX軸方向の相対座標を、縦軸は出力Vcの相対値を各々示しており、X０は焦点４１（焦点４２も同じ位置）のX軸方向の位置を示している。
【００２５】
尚、非特許文献３に記載されている装置のように一つの光学系のみで位置決めを行うものでは、図４の例えば曲線４６の領域４７のように変化が緩い位置で位置決めを行うことになるので、精密な位置決めが実現できなかった。
【００２６】
その後、アクチュエータ制御回路２４の出力を切り替えて制御電圧Vｙを出力させ、制御電圧Vｙをアクチュエータ２６に加える。演算回路２３の演算処理は、アクチュエータ制御回路２４の切り替えに合わせて切り替えが行われ、（V1＋V２）の演算処理が選択される。
【００２７】
ダイヤモンド６ａの刃先４３は、駆動開始時点においてY軸方向にわずかにずれていて、図中焦点４１（焦点４２も同じ位置）の上方に位置している。また、ダイヤモンド６ａの刃先４３がX０の位置に正確に位置決めされているので、光学系３１の光軸を中心とする光ビームと光学系３２の光軸を中心とする光ビームは同ダイヤモンド６ａの刃先４３に対して対称な左右の位置においては常に同一形状である。しかも光学系３１と光学系３２の光ビームは互いに焦点４１において最も集束し、焦点４１から離れるにつれて拡散するものとなっている。
【００２８】
この状態で３軸アクチュエータ８をY軸方向に駆動すると、ダイヤモンド６ａは３軸アクチュエータ８の動きに合わせて光学系３１と光学系３２の光ビームの一部を各々遮断しながら移動する。そして光ビームは、図６に示すように、焦点４１の手前では光学系３１の光ビームの僅かな部分と光学系３２の光ビームの僅かな部分が各々ダイヤモンド６ａにより遮断され、焦点４１の位置では殆どがダイヤモンド６ａにより遮断される。図６において、３３ は焦点４１の手前における光学系３１の光ビームの断面を、３４は焦点４１の手前における光学系３２の光ビームの断面を、３５は焦点４１（焦点４２も同じ位置）における光学系３１の光ビーム（光学系３２の光ビームが重なっている）の断面を各々示し、横軸はX軸方向の相対座標を、縦軸はZ軸方向の相対座標を、X０は焦点４１（焦点４２も同じ位置）のX軸方向の位置を、Z０は焦点４１（焦点４２も同じ位置）のZ軸方向の中心位置を各々示す。尚、３軸アクチュエータ８がY軸方向に移動する間、３軸アクチュエータ８はZ軸方向に固定されている。
【００２９】
図７は、このようにして得られたフォトダイオード５の出力電流に対応する電圧V1およびはフォトダイオード１５の出力電流に対応する電圧V２に基づく電圧（V1＋V２）の特性を示す。図７において、横軸はY軸方向の相対座標を、縦軸は電圧の相対値を各々示しており、Y０は焦点４１（焦点４２も同じ位置）のY軸方向の位置を示し、曲線４９は電圧（V1＋V２）の特性を、各々示す。電圧V1および電圧V２を用いて演算回路２３に（V1＋V２）の演算処理を行わせると、曲線４９と同様な出力Vcが得られる。即ち、出力Vcは、Y０の位置において極小を示し、Y０を離れるにつれて大きくなる。従って、このような出力Vcが極小となる位置をアクチュエータ制御回路２４で検出し、３軸アクチュエータ８停止させると、ダイヤモンド６ａの刃先４３は、Y０の位置に正確に位置決めされる。
【００３０】
次いで、アクチュエータ制御回路２４を切り替えて制御電圧Vｚを出力させ、制御電圧Vｚをアクチュエータ２７に加えて３軸アクチュエータ８をZ軸方向に駆動する。演算回路２３の演算処理は、Y軸方向に駆動するときと同じく、（V1＋V２）の演算処理が選択される。
【００３１】
この状態で３軸アクチュエータ８をZ軸方向に駆動して後退させると、ダイヤモンド６ａは３軸アクチュエータ８の動きに合わせて光学系３１の光ビーム３５を徐々に開放しながら後退する。ところで、光学系３１の光ビーム３５（光学系３２の光ビームが重なっている）の強度は、光軸の中心、即ちZ0においてピークを示し、中心から離れるにつれて急激に減少する分布を示すものである。そのため、フォトダイオード５の出力電流に対応する電圧V1およびはフォトダイオード１５の出力電流に対応する電圧V２は、ダイヤモンド６ａの刃先４３が焦点４１の中心位置Z０を通過するときに、その変化量が極大値を示し、焦点４１の中心位置Z０から離れるにつれて急激に減少するものとなる。
【００３２】
このような電圧V1および電圧V２を用いて演算回路２３に（V1＋V２）の演算処理を行わせると、図５の曲線４８と同様の曲線で示される出力Vcが得られる。即ち、出力Vcは、Z０の位置において傾きが最大となり、その前後では変化量が小さな値となる。従って、このような出力Vcの傾きが最大となる位置をアクチュエータ制御回路２４で検出し、３軸アクチュエータ８停止させると、ダイヤモンド６ａの刃先４３は、Z０の位置に正確に位置決めされる
以上の説明は、ダイヤモンド６ａの刃先４３が、図6に示すように駆動開始時に、Z軸方向にわずかにずれていて、焦点４１の中心位置Z０の前方に位置していることを前提にし、後退させる駆動動作について行った。しかし、駆動動作はこれに限られるものではなく、光ビーム３５の中心が含まれる領域を走査するものであれば、どのような駆動でも良い。
【００３３】
本発明の実施の形態の位置決め装置において、光学系３１と光学系３２は、いずれもレーザーダイオード１とレーザーダイオード１１からの光が焦点を通過した後の光量をフォトダイオード５、フォトダイオード１５にて受光するものであった。しかし、光学系は、これに限られるものではなく、光源からの光が焦点近傍にある物体から反射した光を受光部にて受光する構成であっても良いし、また光源からの光が焦点を通過した後の光量を受光部にて受光する光学系と光源からの光が焦点近傍にある物体から反射した光を受光部にて受光する光学系を組合せたものであっても良い。
【００３４】
光学系が焦点を通過した光を受光して受光量の変化を検出するものであれば、対象物体のエッジ部を複数の方向に対して位置決めすることができる。また、光学系が焦点にて反射した光を受光して受光量の変化を検出するものであれば、対象物体の表面部を複数の方向に対して位置決めすることができる。
【００３５】
このような複数光学系の焦点位置は、互いに一致させて配置してもよいし、接近させて配置してもよい。
【００３６】
また、レーザーダイオード１とレーザーダイオード１１は、同時に点灯する必要はなく、時分割方式を用いて順次に点灯する構成とすることもできる。その場合、レーザーダイオード１とレーザーダイオード１１の点灯タイミングに合わせて、I-V変換回路２１、I-V変換回路２２あるいは演算回路２３の動作タイミングが調整される。
【００３７】
このように、複数の光源のうち、一つの光源だけを順次に点灯することで、複数の光源からの光を互いに区別し、一つの受光系にて受光させることが出来る。
【００３８】
レーザーダイオード１とレーザーダイオード１１に、それぞれ互いに異なる周波数による変調をかける構成とすることもできる。その場合、レーザーダイオード１とレーザーダイオード１１の変調周波数に合わせて、I-V変換回路２１、I-V変換回路２２に各々変調周波数に合わせた検波回路が設けられる。
【００３９】
このように、複数の光源に互いにそれぞれ異なる周波数による変調をかけることで、複数の光源からの光を互いに区別し、一つの受光系にて受光させることが出来る。
【００４０】
さらに、このような位置決め装置を応用して、複数の光学系の焦点位置を対象物体に各々順次近づけていき、各検出手段に出力変化が検出された焦点位置を各々測定するようにすれば、物体の輪郭線を求めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明に係る位置決め装置は、超精密工作機械の多様な形状の工具先端の位置決めを高精度に行うことができるので、精密機械産業、光学器械産業あるいは電子機械産業等において大きく貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態の位置決め装置の構成を示す要部斜視図である。
【図２】図１に係わるダイヤモンド工具６の詳細図である。（a）は、平面図。（ｂ）は、側面図。
【図３】図１に係わる位置決め装置の回路構成を示す要部ブロック線図である。
【図４】図１に係わる位置決め装置のX軸方向の動作を説明するための説明図である。
【図５】図１に係わる位置決め装置のX軸方向の動作を説明するための他の説明図である。
【図６】図１に係わる位置決め装置のY軸方向の動作を説明するための説明図である。
【図７】図１に係わる位置決め装置のY軸方向の動作を説明するための他の説明図である。
【符号の説明】
【００４３】
１、１１  レーザーダイオード
２、１２  レンズ
３、１３  レンズ
４、１４  レンズ
５、１５  フォトダイオード
６  ダイヤモンド工具
７  チャック
８  ３軸アクチュエータ
２１、２２  I-V変換回路
２３  演算回路
２４  アクチュエータ制御回路
２５、２６、２７  アクチュエータ
３１、３２  光学系
【図１】
2007085936.tif 000003
【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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【図７】
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