JP2014098619A - リニアエンコーダ及びワークの加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高分解能なリニアエンコーダ及びワークの加工方法を提供する。
【解決手段】リニアエンコーダ１は、反射面７を有する目盛部３を有すると共に、この目盛部３に対向して配置される光学ユニット２を備えている。この光学ユニット２は、光源４と、光路分岐素子６と、受光素子８とを備えており、光源４から出射された光は、光路分岐素子６にて少なくとも第１分割光Ｌ１と第２分割光Ｌ２に分割される。これら第１及び第２分割光Ｌ１，Ｌ２は、それぞれ目盛部３の反射面７に反射されて元の光路を戻り、重なり合うことによって干渉光ＩＬを形成する。この干渉光ＩＬの干渉強度は、光学ユニット２と目盛部３とが反射面７の形状の変化方向に相対変位すると変化するため、リニアエンコーダ１は、受光素子８によりこの干渉強度変化を計測する。
【選択図】図１

Description

本発明は、物体間の相対変位を計測するリニアエンコーダ及びワークの加工方法に関する。

従来、多軸加工装置等のステージ装置では移動体の位置計測を行うセンサが複数用いられている。センサの代表的なものとして、周期微細形状を持つスケールとセンサヘッドの相対変位を計測する光学式リニアエンコーダが知られている。しかし、スケールとセンサヘッドの位置関係が計測軸方向以外に変化すると計測誤差を生じることや、高分解能化のためにスケールを微細化するとこの計測誤差の影響を受けやすくなる等の問題があった。

そこで、上記高分解能化が困難であるという問題に対して傾きが周期的に変化する目盛部の傾きを計測し、この傾きの変化によって移動体の位置を計測するリニアエンコーダが案出されている（特許文献１参照）。このリニアエンコーダは、目盛部を正弦波形状となるように波状に形成し、オートコリメーション法を用いてこの傾きの変化を計測している。そして、計測した傾きの周期変化に基づいて物体の位置情報を算出している。この方法によると、センサヘッドと目盛部の位置関係が、計測軸以外の他軸成分を生じた場合における計測精度への影響を低減することができる。

特許第２９６００１３号公報

ところで、近年の技術進歩によって、上記特許文献１記載のようなリニアエンコーダは、更なる高分解能化が求められている。特許文献１記載のリニアエンコーダは、目盛となる周期形状の間隔を小さくすると分解能を高めることができるが、目盛間隔を小さくしていくと、光源から目盛に照射されるレーザ光が回折するようになり、反射光が傾き変化を生じなくなるという問題がある。

このため、上記特許文献１記載のような、オートコリメーション法によって、目盛を読み取るリニアエンコーダでは、分解能を向上させようとすると目盛り間隔を細かくすると計測が困難になるという問題があった。また、オートコリメーション法を用いたリニアエンコーダは、レーザ光路上の屈折率分布やセンサヘッド内のコリメーションレンズと受光素子の位置誤差の影響で計測誤差を生じるといった問題もある。

そこで本発明は、高分解能なリニアエンコーダ及びワークの加工方法を提供することを目的とする。

本発明に係るリニアエンコーダは、反射面を有する目盛部と、前記目盛部に対向して配置されると共に、前記目盛部との相対位置を変更可能に構成された光学ユニットとを備え、前記光学ユニットは、光源と、前記光源から出射された光を少なくとも第１分割光と第２分割光とに分割する光路分岐素子と、前記目盛部の反射面により反射された前記第１及び第２分割光が合わさって形成された干渉光の光路上に配設され、前記光学ユニットと前記目盛部との前記反射面の形状の変化方向への相対移動により生じる前記干渉光の干渉強度変化を検出可能な受光素子と、を備えた、ことを特徴とする。

また、本発明に係るワークの加工方法は、工具を保持する工具保持部とワークを保持するワーク保持部との位置関係を、少なくとも１軸方向に相対移動させて前記工具により前記ワークを加工するワークの加工方法において、前記工具を保持する工具保持部及び前記ワークを保持するワーク保持部の一方側に設けられた光学ユニットから他方側に向かって複数の回折光を出射し、前記工具保持部及びワーク保持部の他方側に設けられた目盛部によって一方側に反射された前記回折光が合わさって生じる干渉光の干渉強度変化に基づいて、前記工具及びワークの相対位置変化を計測する計測工程と、前記計測工程における計測結果に基づいて、前記工具保持部及びワーク保持部の相対位置を補正する補正工程と、を備えた、ことを特徴とする。

本発明に係るリニアエンコーダによると、光路分岐素子によって光源からの光を第１分割光と、第２分割光とに分割し、目盛部の反射面に反射された第１及び第２分割光によって形成された干渉光の干渉強度の変化を検出可能に構成されている。このため、反射面の傾き角を変更することによってリニアエンコーダの分解能を向上することができる。また、第１及び第２分割光が同一空間を通過し干渉するため、環境の影響を打消し合い計測精度を向上させることができる。更に、第１及び第２分割光が合わさって形成された干渉光は、計測軸方向に走査した場合においてのみ光路差に変化を生じるので、他成分の影響を低減し、計測精度を向上することができる。

本発明の第１の実施の形態に係るリニアエンコーダを示す模式図。 図１のリニアエンコーダが一次元方向に位置を計測する際の原理を説明する模式図。 図１のリニアエンコーダにおいて光学ユニットと目盛部とが光軸方向に位置変化を生じた場合を示す模式図。 本発明の第２の実施の形態に係るリニアエンコーダを示す模式図。 本発明の第３の実施の形態に係るリニアエンコーダを示す模式図。 本発明の第４の実施の形態に係るリニアエンコーダを示す模式図。 図６のリニアエンコーダのＹ軸計測光学系を示す模式図。 図６のリニアエンコーダがＸ軸方向の変位を計測した際の結果を示すグラフ。 図６のリニアエンコーダがＹ軸方向の変位を計測した際の結果を示すグラフ。 図６のリニアエンコーダがＺ軸方向の変位を計測した際の結果を示すグラフ。 図６のリニアエンコーダが搭載された多軸加工装置を示す模式図。 図１１の多軸加工装置の側部断面図。

以下、図面に沿って、本発明の実施の形態に係るリニアエンコーダについて説明をする。

＜第１の実施の形態＞
＜リニアエンコーダの構成＞
図１に示すように、リニアエンコーダ１は、目盛部３と、目盛部３に対向して配置されると共に、目盛部３との相対位置を変更可能に構成されたセンサヘッド（光学ユニット）２と、を備えて構成されている。このセンサヘッド２は、レーザ光を出射すると共に、上記目盛部３によって反射されたレーザ光の光強度を検出可能に構成されており、光源４、ビームスプリッタ５、光路分岐素子６及び受光素子８を有している。

上記光源４、ビームスプリッタ５、光路分岐素子６は、光源４から出射されたレーザ光がこの順番で通過するように光路上に配設されており、ビームスプリッタ５を透過したレーザ光は、光路分岐素子６によって複数のレーザ光に分割されるようになっている。具体的には、本実施の形態においては、光路分岐素子６は、回折格子によって構成されており、光源から出射された光を第１分割光Ｌ１と、第２分割光Ｌ２とに分割している。なお、光路分岐素子６として回折格子を用いた場合、その格子ピッチにより回折角を変化させることができる。また、光路分岐素子６は、ビームスプリッタあるいは結晶光学素子を用いて構成しても良い。

目盛部３は、少なくとも１方向に形状が変化する反射面７を有しており、この反射面７は、垂直に入射される第１及び第２分割光Ｌ１，Ｌ２を反射するように構成されている。具体的には、反射面７は、第１分割光Ｌ１を反射する第１傾斜平面７１と、第２分割光Ｌ２を反射する第２傾斜平面７２とを備えて構成されている。

上記第１及び第２傾斜平面７１，７２は、光路分岐素子６による分割された際に第１及び第２分割光Ｌ１，Ｌ２が有する傾き角度に応じて、これら第１及び第２分割光Ｌ１，Ｌ２が垂直に入射するように勾配が設定されている。即ち、第１傾斜平面７１は、第１分割光Ｌ１が垂直に入射するように傾斜した傾斜平面であり、第２傾斜平面７２は、第２分割光Ｌ２が垂直に入射するように傾斜した傾斜平面である。このため、これら第１及び第２傾斜平面（目盛部の反射面）に反射された第１及び第２分割光（反射光）は、同じ光路を戻って光路分岐素子６にて重なりあって干渉光ＩＬを生じる。

この干渉光ＩＬは、ビームスプリッタ５によって反射されると共に、干渉光ＩＬの光路上に配設された上記受光素子８に入射する。受光素子８は、干渉光ＩＬの干渉強度（光強度）を計測する素子であり、例えば、フォトダイオード、ＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）などがある。また、受光素子８としてＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）などを使用しても良く、これらの素子はいずれも光電変換により光強度を電流に変換する。なお、本実施の形態においては、この受光素子８からの電流を電流−電圧変換回路、増幅器を介して電圧として計測している。

ついで、上記センサヘッド２と目盛部３とが反射面の形状の変化方向（図中Ｘ軸方向）に相対移動した場合について説明をする。図２に示すように、センサヘッド２がＸ軸方向に所定の相対変位量δｘだけ走査されると、反射面７の傾き角がθであるため、第１及び第２分割光Ｌ１，Ｌ２はそれぞれ±２δｘ ｓｉｎ（θ）だけ光路長変化を生じる。この時、走査方向の光束（第１分割光）Ｌ１は光路長が短くなり、逆向きの光束（第２分割光）Ｌ２は光路長が長くなる。従って、干渉光ＩＬの干渉強度変化（光強度変化）は数１に示す様な変化を生じる。

Ｉ’：相対移動後の干渉強度、Ｉ_０：オフセット項、φ_０：初期位相、λ：光の波長

数１に示すように、センサヘッド２と目盛部３とがＸ軸方向に相対変位を生じると干渉強度は、正弦波状の変化を生じる。この干渉強度変化を受光素子８で計測し、受光素子８と接続した制御部２００がこの位相情報を電気分割演算すると、センサヘッド２と目盛部３との間の変位量を求めることができる。なお、上記受光素子８の検出信号に基づいて位置計測を行う制御部２００は、センサヘッド２に内蔵されても良いし、センサが搭載される装置側に設けられても良い。

数１に示すように、リニアエンコーダ１は、反射面７の傾き角と格子ピッチを変更すると、ｓｉｎ（θ）の値が増減し、これにより分解能が変化する。このため、リニアエンコーダ１は、反射面７の傾き角を大きくし、格子ピッチを微細化することにより、ｓｉｎ（θ）の値を大きくし、高分解化することができる。

また、図３に示すように、センサヘッド２と目盛部３とがＺ軸方向に相対変位を生じた場合、Ｚ軸方向の相対変位量をδｚとすると、２光束（第１及び第２分割光）は両方とも２δｚｃｏｓ（θ）の光路長変化を生じる。このため、第１及び第２分割光Ｌ１，Ｌ２の光路長変化が等しく、Ｚ方向への相対移動によって第１及び第２分割光Ｌ１，Ｌ２の光路差に変化は生じず、干渉強度は一定となる。

更に、センサヘッド２と目盛部３とがＹ軸方向に相対変位を生じた場合についても、反射面７はＹ軸方向には形状変化を生じないため２光束の光路長に変化が生じない。そのため、Ｙ軸方向についてもＺ軸方向の場合と同様に干渉光ＩＬの干渉強度は一定となる。つまり、干渉光ＩＬは計測軸であるＸ軸方向以外の他成分の影響を受けずに、Ｘ方向にセンサヘッド２と目盛部３とが相対変位を生じた場合のみ干渉強度変化が生じる。そのため、リニアエンコーダ１は、この干渉強度変化を計測することにより、センサヘッド２と目盛部３間のＸ軸方向の相対変位量を、他の軸方向への移動の影響を受けることなく計測することができる。

このようにリニアエンコーダ１は、干渉光ＩＬの干渉強度変化を計測することによって、センサヘッド２と目盛部３間の相対変位量を計測することができると共に、反射面７の傾き角を変更することによってリニアエンコーダ１の分解能を向上することができる。実際に上述した数１に示す通り、リニアエンコーダ１は、従来の高分解能エンコーダと同等以上の干渉周期を有し、同等以上の分解能性能を備えている。

また、リニアエンコーダ１は、干渉する２光束が同一空間を通過するため、気圧や温度変化等の外乱誤差の影響を打消し合い高精度に計測でき、計測精度を向上させることができる。更に、第１及び第２分割光が合わさって形成された干渉光ＩＬは、計測軸方向に走査した場合においてのみ光路差に変化を生じるので、他成分の影響を低減し、計測精度を向上することができる。

また、リニアエンコーダ１は、光路分岐素子６に平面の回折格子を用いたことにより、分割光の分岐角を大きくすることできる。このため、反射面７の傾き角を９０度に近づけることができ、高分解能化できる。

＜第２の実施の形態＞
ついで、本発明の第２の実施の形態に係るリニアエンコーダについて説明をする。なお、第２の実施の形態に係るリニアエンコーダは、目盛部の反射面の傾き角の設定可能な範囲を広くするために、反射部材を設けた点及び目盛部の形状において、第１の実施の形態と異なっている。そのため、第１の実施の形態と共通の部分については、その説明を省略する。

図４に示すように、リニアエンコーダ１のセンサヘッド２は、光路分岐素子６と目盛部３１との間の光路上に配設された反射部材９を備えている。この反射部材９は、光路分岐素子６によって分割された光（本実施の形態においては第１及び第２分割光Ｌ１，Ｌ２）を、目盛部３１の反射面に向かって垂直に反射する角度調整面９１を分割光ごとに有している。

即ち、光路分岐素子６によって分割された分割光は反射面７に対して垂直に入射する必要があるため、第１の実施の形態においてはリニアエンコーダ１の分解能を決定する反射面７の傾きが、光路分岐素子６によって分割された光の持つ傾きにより決定されている。一方で、本実施の形態においては、上記反射部材の角度調整面９１の反射角度を調整することによって、第１及び第２分割光Ｌ１，Ｌ２の反射面７に対する入射角度を任意の角度に調整することができるよう構成されている。従って、目盛部３１の反射面の角度についても任意の角度に設定することができ、反射面７の傾斜平面７１，７２の角度を９０度に近づけることでリニアエンコーダ１を高分解能化することができる。また、容易に分割光を反射面７に対して垂直に入射させることができる。

また、本実施の形態において目盛部３１は、反射面７の形状が周期的に変化するように構成されている。具体的には、反射面７は、数２に示すように、第１傾斜平面７１と第２傾斜平面７２とが交互に組み合わさって三角波状に傾斜角が周期的に変化する形状となっている。

Ａ_１：三角波形状の振幅、λ_ｘ：波長

即ち、リニアエンコーダ１は、目盛部３１の反射面７が高精度に連続した形状となるので、高精度かつ長ストローク計測ができる。つまり、リニアエンコーダは、微細形状を周期形状に用いる従来のスケールと異なり、目盛部３１の反射面７の傾き角を大きくし、数ｍｍから数１０ｍｍの形状を周期的に配置することで、大面積計測を容易にできる。また、本実施の形態において、傾斜面の各傾斜平面（第１及び第２傾斜平面）の傾き角のばらつきは５０ａｒｃｓｅｃ以下で構成されている。そのため、反射面７の形状を周期的に配置する際に、各傾斜平面の傾き角にバラつきによって干渉光ＩＬがヌル（干渉光が縞一色になる部分、即ち、反射光が傾斜平面に垂直に入射して正確に計測が可能な部分）から計測精度が低下することを防止することができる。

なお、実際には分割光が山の頂点を通過する際に干渉光ＩＬにむらができ、正弦波出力の振幅が小さくなる。従って、センサヘッド２を複数用いて振幅Ａ_１と光の波長λの関係をｎｘλ＝Ａ_１／ｓｉｎ（θ）（ｎは任意整数）とするなどの受光素子８の出力補正処理することが望ましい。

また、目盛部３１の反射面７の形状は、傾斜平面に分割光が垂直に入射できれば良いため、三角波形状ではなく、例えば、傾斜平面と垂直面とが組み合わさった鋸波形状等に傾斜平面を組み合わせた形状にしても良い。

＜第３の実施の形態＞
ついで、第３の実施の形態に係るリニアエンコーダについて説明をする。このリニアエンコーダは、Ｘ軸方向に加えて、Ｚ軸方向にも位置計測可能なリニアエンコーダであり、Ｚ軸方向の計測装置を有している点において第２の実施の形態と相違している。従って、第２の実施の形態と共通する部分についてはその説明を省略し、相違する部分についてのみ説明をする。

図５に示すように、本実施の形態に係るリニアエンコーダ１は、Ｚ軸方向の位置を計測する光学系１９として、マイケルソン干渉計を構成している。具体的には、リニアエンコーダ１は、センサヘッド２において、光源４とＸ軸方向の位置を計測する光学系１８を構成する光学素子（例えばビームスプリッタ５）との間に、上記マイケルソン干渉計を構成する光学素子を配置している。即ち、リニアエンコーダ１は、光源４とビームスプリッタ５との間に、偏光ビームスプリッタ１４、受光素子１２、固定反射面１３１を有する光学素子１３、１／４波長板１５，１６の構成を追加している。

上記偏光ビームスプリッタ１４は、光源４と光路分岐素子６との間に配設され、光源４からの光を光軸方向に透過する第１光束ＬＰと、第１光束ＬＰと直交する方向反射される第２光束ＬＳとに分割する第１光学素子である。このため、光源４から出射したレーザ光は、上記偏光ビームスプリッタ１４によって偏光毎にＳ偏光成分とＰ偏光成分との２光束ＬＳ，ＬＰに分けられる。

また、第２光学素子としての上記固定反射面１３１を有する光学素子１３は、第２光束（Ｓ偏光成分の光束）ＬＳの光路上に配設されている。このため、偏光ビームスプリッタ１４により分割された第２光束ＬＳは、固定反射面１３１に反射され偏光ビームスプリッタ１４へと戻る。また、この時、１／４波長板１６が偏光ビームスプリッタ１４と固定反射面１３１との間に配置されているため、偏光ビームスプリッタに再入射したＳ偏光成分の光束はＰ偏光へと偏光され、偏光ビームスプリッタ１４を通過する。

一方、第１光束（Ｐ偏光成分の光束）ＬＰは、ビームスプリッタ５を通過し、光路分岐素子６としての回折格子によって、少なくとも０次光と±１次光の３光束Ｌ０〜Ｌ２に分割される。±１次光は、第２の実施の形態の第１及び第２分割光Ｌ１，Ｌ２であり、目盛部３２の傾斜平面７１，７２に反射されて目盛部３２とセンサヘッド２とのＸ軸方向変位を計測するためのＸ軸干渉光ＩＬＸを形成する。

また、本実施の形態においては、目盛部３２の反射面７は、上記±１次光を反射する周期的に形状が変化する部分の他に、形状の変化を生じない一様な基準平面８０を有している。０次光Ｌ０は、光路分岐素子６を透過する透過分割光であり、上記目盛部３２の基準平面８０に垂直に入射して反射されることにより、偏光ビームスプリッタ１４へと戻る。

偏光ビームスプリッタ１４と光路分岐素子６との間には１／４波長板１５が配設されている。このため、反射された０次光Ｌ０は、偏光ビームスプリッタ１４に入射する際にはＳ偏光へと偏光されており、偏光ビームスプリッタ１４によって受光素子１２へと反射される。そして、この偏光ビームスプリッタ１４において０次光Ｌ０と固定反射面１３１に反射されたＳ偏光成分の光束ＬＳとが重ね合わされてＺ軸干渉光ＩＬＺが形成される。

上記受光素子１２は、上記固定反射面１３１（第２光学素子）に反射されたＳ偏光成分の光束（第２光束）ＬＳの光路上に配設されており、これにより、上記Ｚ軸干渉光ＩＬＺの干渉強度を検出する透過光学系受光素子となっている。即ち、このＺ軸方向の位置を計測する光学系１９は、上述したように、固定反射面１３１が固定面、基準平面８０が移動面となるマイケルソン干渉計となっている。そして、Ｚ軸変位（光軸方向への変位）により干渉強度が変化するＺ軸干渉光ＩＬＺの干渉強度を受光素子１２によって検出することによって、Ｚ軸方向の相対変位を検出することができる。

上述したように、本実施の形態に係るリニアエンコーダ１は、Ｘ軸干渉光ＩＬＸとＺ軸干渉光ＩＬＺが共に計測軸以外の他成分の影響は受けずに独立した干渉光強度変化を生じる。ただし、実機においてＸ軸干渉光ＩＬＸとＺ軸干渉光ＩＬＺの光軸が受光素子８及び受光素子１２上で重なってしまうと、受光素子は混在した出力を測定してしまう。そのため各受光素子上でスポット位置をずらしてアライメントし、測定方向以外の干渉光を遮断するようになっている。この場合、リニアリティにｃｏｓ誤差が生じ、数％以下の精度で理論値とずれるので、高精度計測に用いる場合はリニアリティ校正をして使用することが望ましい。

＜第４の実施の形態＞
ついで、第４の実施の形態に係るリニアエンコーダについて説明をする。この第４の実施の形態に係るリニアエンコーダは、ＸＹＺの直交３軸方向の位置計測が可能であり、第３の実施の形態に対してＹ軸方向についても位置計測可能である点において相違している。従って、以下の説明において第３の実施の形態と共通する部分については、その説明を省略し、異なる部分についてのみ説明をする。

本実施の形態に係るリニアエンコーダ１は、図６に示すように、Ｘ軸及びＺ軸以外にもＹ軸方向に位置計測可能に構成されており、Ｘ軸計測光学系１８をＺ軸回りに９０°回転させたＹ軸計測光学系２０を備えて構成されている。具体的には、Ｙ軸計測光学系のみを抜き出して示した図７に示すように、Ｙ軸計測光学系２０は、センサヘッド２に光源４、ビームスプリッタ２３、光路分岐素子６１、Ｙ軸計測光学系受光素子２１及び反射部材９を備えている。本実施の形態において、上記光路分岐素子６１は、センサヘッド２のコンパクト化のため、直交方向に複数の格子を有する２次元回折格子によって構成されている。このため、上記光路分岐素子６１は、光源４からの光をＸ軸方向の計測用の第１及び第２分割光Ｌ１，Ｌ２の他に、Ｚ軸方向計測用の透過分割光Ｌ０、Ｙ軸方向計測用の第３及び第４分割光Ｌ３，Ｌ４に分割している。

上記第３及び第４分割光Ｌ３，Ｌ４は、第１及び第２分割光が分割された第１方向（Ｘ軸方向）と交差する第２方向（Ｙ軸方向）に分割されており、目盛部３３もこれら第３及び第４に合せて反射面７を形成している。

詳しくは、図６及び図７に示すように、目盛部３３は、第１及び第２分割光Ｌ１，Ｌ２を反射する第１方向反射面７Ｘと、第３及び第４分割光Ｌ３，Ｌ４を反射する第２方向反射面７Ｙと、透過分割光Ｌ０を反射する基準平面とを備えている。上記第１方向反射面７Ｘは、上述した第１傾斜平面７１と第２傾斜平面とを有して構成されている。また、第２方向反射面７Ｙも同様に、第３分割光Ｌ３が垂直に入射する第３傾斜平面７３と第４分割光Ｌ４が垂直に入射する第４傾斜平面７４を有して構成されている。

即ち、上記第１方向反射面７Ｘは、第１及び第２傾斜平面７１，７２を組み合わせて第１方向に、第２方向反射面は、第３及び第４傾斜平面７３，７４を組み合わせて第２方向に形状が周期的に変化するように構成されている。なお、反射面７の面積は各軸の計測レンジだけでなく、Ｚストロークによって定まるので、リニアエンコーダ１は、装置上最も短いストロークを計測上のＺ軸にすることが望ましい。

このように目盛部３３が構成されたため、第２方向反射面７Ｙに反射された第３及び第４分割光Ｌ３，Ｌ４は、光路分岐素子６１に重ね合わさって干渉光ＩＬＹとなり、この干渉光ＩＬＹの干渉強度変化を受光素子２１により検出することができる。即ち、リニアエンコーダ１は、Ｘ軸及びＺ軸方向に加えて、光学ユニット２と目盛部３３とのＹ軸方向（第２方向）への相対移動によって生じる干渉光ＩＬＹの干渉強度変化を検出して、Ｙ軸方向の光学ユニット２と目盛部３３との相対変位も計測できる。

実際にステージをＸＹ軸方向に同時に走査した際の計測結果を図８（Ｘ軸）及び図９（Ｙ軸）に示す。図８及び図９では各軸の変位計測結果と参照用変位センサとの偏差を評価している。ＸＹ各軸とも誤差は参照用変位計の仕様以内となり、他成分の影響をほぼ受けずに計測できていることが分かる。

同様にＺ軸走査した際のＸ軸用の受光素子８とＺ軸用の受光素子１２の出力結果を図１０に示す。図１０ではＺ軸がほぼ理論値の周期で干渉強度変化を生じている。さらに、ステージのＸ軸方向他成分測定した参照用変位センサと、Ｘ軸の計測結果がほぼ一致しており、他成分に関する計測誤差が十分に少ないことが分かる。Ｙ方向の出力も同様の結果が得られている。以上より、本実施形態では１つのセンサヘッドと目盛部３３でＸＹＺの３軸を高精度に計測できることが分かった。

＜第５の実施の形態＞
ついで、本発明の第５の実施の形態について説明をする。本実施の形態では、第４の実施の形態のリニアエンコーダを多軸加工装置に搭載しており、このリニアエンコーダの構成については、その説明を省略する。なお、以下の説明において、ＸＹＺ軸の方向は、リニアエンコーダの目盛部を基準として設定する。

図１１及び図１２に示すように、多軸加工装置１００は、工具１１１をＸＹＺ軸の３軸方向に移動可能に設けられていると共に、Ｙ軸回りに回転できるように構成された４軸加工装置である。そしてこの多軸加工装置１００は、工具１１１を保持する工具保持部１１０と、工具１１１によって加工するワークを保持するワーク保持部１２０と、から構成されている。

上記ワーク保持部１２０は、ワークＷがその先端に取り付けられる回転軸１２４と、この回転軸１２４及びワークフレーム１２１を支持する支持フレーム１２２，１２３と、を備えている。支持フレーム１２２，１２３は、ワークフレーム１２１の両端部を支持する一対の脚部１２２とこれら脚部の間をつなぐ壁部１２３とによって、平面視略コ字形状に形成されている。そして、これらワークフレーム１２１及び支持フレーム１２２，１２３によって形成される凹部に、上記工具保持部１１０が嵌り込むように配設され、回転軸１２４の先端のワークＷと、工具１１１と、が対向するようになっている。

一方、工具１１１を保持する工具保持部１１０は、該工具１１１の位置をＸＹＺθ_ｙの４軸方向に制御するように構成されている。具体的には、ＸＹＺの３軸方向に駆動する工具ステージ１１３，１１４，１１５と、θ_ｙ軸周りに回転割り出しを行う回転ステージ１１２と、を有している。

上記工具ステージ１１３，１１４，１１５は、Ｙ軸方向に昇降するＹ軸ステージ１１５と、Ｙ軸ステージ上でＸ軸方向に移動自在なＸ軸ステージ１１４と、Ｘ軸ステージ上でＺ軸方向に移動自在なＺ軸ステージ１１３から構成されている。また、回転ステージ１１２は、Ｚ軸ステージ１１３上でＹ軸回りに回転自在に構成されており、工具１１１は、回転ステージ１１２上に設けられた工具ホルダ１１６に取付けられるようになっている。

また、多軸加工装置１００は、ワークＷと工具１１１との相対位置関係を検出するために、リニアエンコーダ１を備えている。リニアエンコーダ１の目盛部３３は地面に対して垂直な平面である壁部１２３に取付けられ、センサヘッド２は工具１１１に最も近い直動移動体であるＺ軸ステージ１１３に取付けられており、工具１１１のＸＹＺ軸方向位置を検出している。また、多軸加工装置１００は、リニアエンコーダ１の他に、工具１１１の回転角を検出する回転角度センサ（不図示）を有している。

多軸加工装置１００は高速回転するワークＷを工具１１１で軸対称非球面切削加工を行う。加工時において、多軸加工装置１００は、回転センサからの検出信号に基づいて工具１１１の回転位置を検知する。また、リニアエンコーダ１のセンサヘッド２によって、工具保持部側からワーク保持部側の目盛部３３に向かって複数の回折光を出射し、ワーク保持部側から工具保持部側へと反射された回折光が合わさって生じる干渉光の干渉強度を計測している。そのため、多軸加工装置１００は、工具保持部１１０とワーク保持部１２０との間の位置関係がＸＹＺ軸のいずれかの方向に相対移動すると、上記干渉光の干渉強度変化に基づいて、工具保持部１１０及びワーク保持部の相対位置変化を計測する（計測工程）。

そして、上記リニアエンコーダ１及び回転角度センサを用いた計測工程においける計測結果に基づいて、工具１１１とワークＷとの相対位置関係をフィードバック制御する。即ち、工具保持部１１０の工具ステージ及びワーク保持部１２０のワークステージの相対位置を補正して、上記工具１１１とワークＷとの相対位置関係を補正する（補正工程）。

工具保持部１１０は、回転軸１２４が回転する際の振動が伝達されないように、ワーク保持部１２０とは非連結となっている。さらに工具保持部１１０とワーク保持部１２０はそれぞれ除振台などによって高周波振動が絶縁されている。多軸加工装置１００は、高周波振動を絶縁することでリニアエンコーダ１を用いた制御帯域より高域の振動による位置誤差を低減している。また、逆に除振台で低減できない数Ｈｚ以下の低周波振動は、リニアエンコーダ１を用いたフィードバック制御により位置制御を行う。

このように、本実施の形態では、上記リニアエンコーダ１を用いることにより、加工点の近傍で工具とワークの相対変位を計測することができ、位置決め誤差を低減させ、加工精度を向上できる。また、本実施の形態の多軸加工装置１００は、計測点から工具及びワーク側の環境を制御すれば良い。このため、従来の装置全体の環境を制御することでフレーム全体の歪みによる加工点誤差を低減していた精密加工機とは異なり、外乱の影響が少なく、加工精度を向上させることができる。

なお、本実施の形態においては、上記工具保持部１１０とワーク保持部１２０とは、ワークと工具との位置関係を４軸方向に相対移動可能に構成されているが、必ずしも４軸方向である必要はなく、少なくとも１軸方向に相対移動可能であれば良い。また、センサヘッド（光学ユニット）２は、工具保持部１１０とワーク保持部１２０のいずれか一方に配設されていれば良く、目盛部３３は、工具保持部１１０及びワーク保持部１２０のいずれか他方に配設されれば良い。即ち、工具保持部１１０及びワーク保持部１２０の一方側から他方側に向かって複数の回折光を出射し、これら工具保持部１１０及びワーク保持部１２０の他方側から一方側に反射された回折光が合わさって生じる干渉光の干渉強度変化を計測出来れば良い。

また、リニアエンコーダ１は、多軸加工装置以外にも、２つ以上の物体が相対移動するものであればどのような加工装置に対しても搭載することができる。更に、相対移動が生じるものであれば加工装置以外のどのようなものに対して取り付けられても良い。

また、上記第１乃至５の実施の形態に係るリニアエンコーダは、センサヘッドに設けられた光路分岐素子によって複数の分割光を形成していたが、例えば、目盛部に一様な参照面及び周期的に形状の変化する反射面を形成しても良い。即ち、上記参照面によって反射された光と、反射面に反射された光によって干渉光を形成し、この干渉強度を計測することによって２物体の相対変位を計測しても良い。

更に、上記第１乃至第５に記載の発明は、どのように組み合わされても良く、ＸＹＺの軸方向は、リニアエンコーダの計測対象に応じて、どのように設定しても良い。

１：リニアエンコーダ、２：光学ユニット、３，３１，３２，３３：目盛部、４：光源、６：光路分岐素子、７：反射面、Ｌ１：第１分割光、Ｌ２：第２分割光、ＩＬ：干渉光、８：受光素子

Claims (9)

1. 反射面を有する目盛部と、
   前記目盛部に対向して配置されると共に、前記目盛部との相対位置を変更可能に構成された光学ユニットとを備え、
   前記光学ユニットは、
   光源と、
   前記光源から出射された光を少なくとも第１分割光と第２分割光とに分割する光路分岐素子と、
   前記目盛部の反射面により反射された前記第１及び第２分割光が合わさって形成された干渉光の光路上に配設され、前記光学ユニットと前記目盛部との前記反射面の形状の変化方向への相対移動により生じる前記干渉光の干渉強度変化を検出可能な受光素子と、を備えた、
   ことを特徴とするリニアエンコーダ。
2. 前記目盛部は、傾斜平面を用いて周期的に形状が変化するように前記反射面を形成した、
   請求項１記載のリニアエンコーダ。
3. 前記傾斜平面の傾きのばらつきは、５０ａｒｃｓｅｃ以下である、
   請求項２記載のリニアエンコーダ。
4. 前記光路分岐素子と前記目盛部との間の光路上に配設され、前記光路分岐素子によって分割された光を前記目盛部の反射面に向かって垂直に反射する角度調整面を有する反射部材を備えた、
   請求項１乃至３のいずれか１項記載のリニアエンコーダ。
5. 前記光路分岐素子は、前記光源から出射された光を、前記第１及び第２分割光の他に、これら第１及び第２分割光が分割された第１方向と交差する第２方向に分割された第３及び第４分割光にも分割し、
   前記目盛部の反射面は、前記第１分割光が垂直に入射する第１傾斜平面と前記第２分割光が垂直に入射する第２傾斜平面とを有して構成された第１方向反射面と、前記第３分割光が垂直に入射する第３傾斜平面と前記第４分割光が垂直に入射する第４傾斜平面を有する第２方向反射面と、を備え、
   前記光学ユニットと前記目盛部との前記第２方向への相対移動によって生じる、前記第２方向反射面に反射された第３及び第４分割光が合わさって形成された干渉光の干渉強度変化を検出可能に構成された、
   請求項１乃至４のいずれか１項記載のリニアエンコーダ。
6. 前記光路分岐素子は、直交方向に複数の格子を有する２次元回折格子である、
   請求項５記載のリニアエンコーダ。
7. 前記光源と前記光路分岐素子との間に配設され、前記光源からの光を光軸方向に透過する第１光束と、前記第１光束と直交する方向に反射される第２光束とに分割する第１光学素子と、
   前記第２光束の光路上に配設され、この第２光束を反射する第２光学素子と、
   前記第２光学素子によって反射された前記第２光束の光路上に配設された透過光学系受光素子と、を備え、
   前記光路分岐素子は、前記第１光束を、前記第１及び第２分割光の他に、この光路分岐素子を透過する透過分割光に分割し、
   前記目盛部は、前記透過分割光を反射する一様な基準平面を有し、
   前記透過光学系受光素子は、前記光学ユニットと前記目盛部との前記光軸方向への相対移動によって生じる、前記基準平面に反射された前記透過分割光と前記第２光学素子に反射された前記第２光束とが合わさって形成された干渉光の干渉強度変化を検出可能である、
   請求項１乃至６のいずれか１項記載のリニアエンコーダ。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項記載のリニアエンコーダと、
   工具を保持する工具保持部と、
   前記工具によって加工されるワークを保持するワーク保持部と、を備え、
   前記工具保持部及びワーク保持部は、前記ワークと工具との位置関係を少なくとも１軸方向に相対移動可能に構成され、
   前記リニアエンコーダの前記光学ユニットは、前記工具保持部及びワーク保持部のいずれか一方に配設され、
   前記リニアエンコーダの目盛部は、前記工具保持部及びワーク保持部のいずれか他方に配設された、
   ことを特徴とする加工装置。
9. 工具を保持する工具保持部とワークを保持するワーク保持部との位置関係を、少なくとも１軸方向に相対移動させて前記工具により前記ワークを加工するワークの加工方法において、
   前記工具を保持する工具保持部及び前記ワークを保持するワーク保持部の一方側に設けられた光学ユニットから他方側に向かって複数の回折光を出射し、前記工具保持部及びワーク保持部の他方側に設けられた目盛部によって一方側に反射された前記回折光が合わさって生じる干渉光の干渉強度変化に基づいて、前記工具及びワークの相対位置変化を計測する計測工程と、
   前記計測工程における計測結果に基づいて、前記工具保持部及びワーク保持部の相対位置を補正する補正工程と、を備えた、
   ことを特徴とするワークの加工方法。

Images