位置計測装置、それを用いた被加工物の製造方法および成形品
【課題】ワークディスタンスが変化しても計測可能な位置計測装置でかつ、高分解能化可能な位置計測装置を提供する。
【解決手段】目盛部３０を、第１及び第２反射面３１，３２の相対距離が周期的に変化するように構成し、受光センサ１４によって、これら第１及び第２反射面３１，３２に反射された光によって形成された干渉光の光強度を計測する。この干渉光の光強度の周期変化を演算部２０によって位置情報に演算することにより、ワークディスタンスの変化に係わらず計測対照の位置を計測する。
【解決手段】目盛部３０を、第１及び第２反射面３１，３２の相対距離が周期的に変化するように構成し、受光センサ１４によって、これら第１及び第２反射面３１，３２に反射された光によって形成された干渉光の光強度を計測する。この干渉光の光強度の周期変化を演算部２０によって位置情報に演算することにより、ワークディスタンスの変化に係わらず計測対照の位置を計測する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステージ等の可動する物体の位置を計測する位置計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、多軸加工機などの工作機械において、ワークを載置するステージは、複数の方向に移動可能に設けられている。このような複数の自由度を有するステージは、通常、１自由度ごとに光学式のリニアエンコーダが設けられ、その位置が計測されている。
【０００３】
しかしながら、上述したように１自由度ごとにリニアエンコーダを設けると、ステージの位置を計測するのに複数のリニアエンコーダを組み合わせる必要があり、装置の大型化や、軸間補正の複雑化による計測誤差の増大といった課題を有していた。
【０００４】
そこで、複数の自由度を有する計測対象について正確に位置を検出するため、目盛を２次元方向に製作したリニアエンコーダが検討されている。しかしながら、リニアエンコーダは、目盛とセンサの相対距離であるワークディスタンスが一定でなくてはならない。そのため、ＸＹ平面と、このＸＹ平面に垂直なＺ軸の直動３軸に自由度を持つ装置に、上記２次元方向に目盛を有するリニアエンコーダを取付けても、ワークディスタンスが変化することで計測可能領域を外れてしまうという問題がある。
【０００５】
一方、ワークディスタンスが変化しても多軸を計測することができる位置計測用のセンサ（位置計測装置）として、傾きが周期的に変化する形状を目盛とした計測基準面と、傾き変化を計測する角度センサを用いたものが案出されている（特許文献１参照）。
【０００６】
具体的には、この位置計測装置は、オートコリメーション法を用いて、計測基準面から反射された光の傾きを角度センサによって受光素子上の２次元位置に変換している。そして、この目盛の角度変化により、目盛の周期変化を読み取って物体の位置情報を計測している。従って、ワークディスタンスの変化に影響を受けずに２次元方向の位置をそれぞれ独立して計測することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第２９６００１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献１記載の位置計測装置において、目盛の間隔を小さくすると分解能を高めることができる。しかしながら、この計測基準面の目盛間隔を小さくしていくと、光源から計測基準面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。
【０００９】
そのため、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、目盛を読み取る位置計測装置では、目盛り間隔を細かくすることで分解能を向上させようとすると計測が困難になるという問題があった。
【００１０】
そこで本発明は、ワークディスタンスが変化しても計測可能な位置計測装置を高分解能化して提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の位置計測装置は、光源と前記光源から出射された光の一部を反射する第１反射面、該第１反射面を透過した光を反射する第２反射面、を有し、前記第１反射面によって反射される反射光と前記第２反射面によって反射される反射光とによって干渉光を形成すると共に、これら第１反射面及び第２反射面との相対距離を周期的に変化させる目盛部と、前記干渉光の光強度を検出する受光センサと、前記光源と前記目盛部とが平行に相対移動することにより変化する、前記干渉光の光強度の周期変化を、位置情報へと演算する演算部と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
本発明の被加工物の製造方法は、被加工物と工具を相対的に移動させて前記被加工物を切削加工する被加工物の製造方法であって、前記位置計測装置によって計測された位置情報によって前記被加工物と前記工具を相対的に移動させて前記被加工物を加工することを特徴とする。
【００１３】
本発明の成形品は、前記被加工物の製造方法によって製造された型を用いて成形されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、目盛部が光源からの光の一部を反射する第１反射面と、第１反射面を透過した光を反射する第２反射面とを有し、これら第１及び第２反射面に反射された光によって形成された干渉光の光強度を受光センサによって計測する。第１及び第２反射面の相対距離は周期的に変化するため、この光路差の変化が位置情報となり、干渉光の光強度の変化として計測される。そして、この干渉光の光強度の変化を演算部によって位置情報に演算することにより、ワークディスタンスの変化に係わらず計測対照の位置を計測することができる。干渉光を生成する第１反射面と第２反射面が単位距離あたりにおける相対距離変化を大きくすることで、位置計測装置の計測分解能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る位置計測装置が搭載された多軸加工装置を示す模式図。
【図２】図１の多軸加工装置の側部断面図。
【図３】１次元の位置を計測する位置計測装置を示す模式図。
【図４】図３の位置計測装置が計測した電圧出力の変化を示す模式図。
【図５】２次元の位置を計測する位置計測装置を示す模式図。
【図６】図５の位置計測装置が計測した電圧出力の変化を示す模式図。
【図７】第２の実施の形態に係る位置計測装置を示す模式図。
【図８】第３の実施の形態に係る位置計測装置を示す模式図。
【図９】目盛部の他の実施の形態を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
［第１の実施の形態］
［多軸加工装置の概略構造］
以下、本発明の実施の形態に係る位置計測装置１について図１〜図８に基づいて説明をする。まず、図１及び図２に基づいて、上記位置計測装置１が搭載された多軸加工装置１００について説明をする。なお、以下の説明において、ＸＹＺ軸の方向は、位置計測装置１の目盛部３０を基準として設定する。
【００１７】
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軸加工装置であり、工具保持部１１０と、ワーク保持部１２０と、から構成されている。
【００１８】
上記ワークＷを保持するワーク保持部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を回転自在に支持するワークフレーム１２１と、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。
【００１９】
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ＸＹＺθＹ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、θＹ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。
【００２０】
上記工具ステージ１１３，１１４，１１５は、Ｙ軸方向に昇降するＹ軸ステージと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と、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。
【００２１】
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、位置計測装置１を備えている。この位置計測装置１は、計測基準となる目盛部３０と、移動体に取付けられるセンサ部１０と、詳しくは後述する演算部２０とを有して構成されている。目盛部３０は地面に対して垂直な平面である壁部１２３に取付けられ、センサ部１０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ＸＹ軸方向位置を検出している。また、多軸加工装置１００は、位置計測装置１の他に、工具１１１のＺ軸方向位置を検出するＺ軸センサ（不図示）及び工具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。
【００２２】
そして、多軸加工装置１００は、これら位置計測装置１、Ｚ軸センサ及び回転角度センサによって、工具１１１とワークＷとの相対位置関係を検出し、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ように構成されている。なお、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に対して、除振台などによって振動が絶縁されている。
【００２３】
本発明の位置計測装置１は、工具１１１とワークＷとの相対位置関係を高精度に計測することができる。よって、本発明の位置計測装置によって計測された位置情報によって前記被加工物と前記工具を相対的に移動させて、前記工具で前記被加工物（ワーク）を切削加工することにより、高精度な加工を行なうことができる。特に、このような製造方法は、高精度な形状を求められる光学部品の加工に好適に用いることができる。また、同様に高精度な形状を求められる、光学部品を成形するための型の加工や、ナノインプリントに用いられる型等の加工にも好適に用いることができる。このように加工された型を用いて成形される、光学部品や、回路基板等の成形品は、非常に高い精度を得ることができる。なお成形には、射出成形や型押加工等の公知の技術が適用できる。
【００２４】
［位置計測装置の構造］
ついで、上述した位置計測装置１について図３乃至図６に基づいて詳しく説明をする。図３は、上記位置計測装置１の原理を簡単に説明するために、１軸方向（Ｘ軸方向）の移動についてのみを考えた場合の位置計測装置１の模式図である。
【００２５】
上記図３に示すように、位置計測装置１は、センサ部１０、目盛部３０及び演算部２０を有している。目盛部３０計測対象の平行方向の相対移動を計測するセンサ部１０は、所定波長のレーザ光を出射する光源１１、偏光ビームスプリッタ１２、１／４波長板１３及び、受光センサ１４を有して構成されている。
【００２６】
上記偏光ビームスプリッタ１２及び１／４波長板１３は、光源１１と目盛部３０との間に、光源側から目盛部側に向かって偏光ビームスプリッタ１２、１／４波長板１３の順で配置されている。
【００２７】
そのため、光源１１から出射されたＰ偏光のレーザ光ＬＳは、偏光ビームスプリッタ１２を通過し、１／４波長板１３によって偏光状態が円偏光に変化して目盛部３０に入射する。そして、この目盛部３０によって反射された光Ｌｒ１，Ｌｒ２は、再び１／４波長板１３を通過して偏光状態がＳ偏光に変化され、偏光ビームスプリッタ１２によって反射されて受光センサ１４に入射するようになっている。なお、受光センサ１４の受光素子はＰＤ（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）、ＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）などであり、レーザ光の光強度変化を計測するようになっている。
【００２８】
ところで、上記目盛部３０は、光源１１から出射された光ＬＳの一部を反射する第１反射膜が形成された第１反射面３１と、この第１反射面３１を透過した光を反射する第２反射膜が形成された第２反射面３２と、を有して構成されている。これら第１及び第２反射面３１，３２は、所定距離離れて互いに平行となるように配設されている。そして、これら第１反射面３１と第２反射面との間の相対距離ｄが光路差となって、第１反射面３１によって反射される反射光Ｌｒ１と、第２反射面３２によって反射される反射光Ｌｒ２とによって干渉光Ｌｉを形成するようになっている。
【００２９】
即ち、目盛部３０から受光センサ１４に向けて反射される反射光は、上記第１反射面３１に反射された反射光Ｌｒ１と、第２反射面３２に反射された反射光Ｌｒ２とによって形成された干渉光Ｌｉである。そして、上記受光センサ１４は、この干渉光Ｌｉの光強度を検出するようになっている。
【００３０】
また、上記目盛部３０は、第１反射面３１及び第２反射面３２との相対距離を周期的に変化させるように構成されている。具体的には、第２反射面３２に、平面の組み合わせによって、一定の方向に所定の周期で高さ（振幅）変化するように形成された目盛パターンが形成されている。本実施の形態では、その表面を一方向（例えばＸ軸方向）に向けて切った際に、第２反射面３２が三角波形状の断面を有するようになっている（図３参照）。
【００３１】
即ち、上記第２反射面３２の表面は、数１に示すような形でＸ軸方向高さ（振幅）Ａ１が周期的に変化している。そのため、センサ部１０が目盛部３０に対してＸ軸方向に相対移動すると、第１反射面３１と第２反射面３２とで反射されたレーザ光Ｌｒ１，Ｌｒ２の干渉光Ｌｉの光路差は、数１で示される第２反射面３２の振幅Ａ１の２倍変化するようになっている。
【００３２】
【数１】
ｆ（ｘ）：位置Ｘにおける高さ、Ａ１：形状の振幅、λｘ：形状の周期（波長）
【００３３】
従って、形状の振幅Ａ１がレーザ光ＬＳの波長λＬの１／４の整数倍である時、干渉光Ｌｉは形状の周期λｘで明暗を連続して繰り返す変化を生じる。受光センサ１４は、この干渉光Ｌｉの明暗を検出し、明暗と同じ周期の正弦波出力を生じる。（図４参照）。
【００３４】
上記受光センサ１４が検出した出力電圧の周期変化は、演算部２０によって演算し、位相情報を求め電気分割することによって、計測対象の位置情報に変換される。即ち、位置計測装置１は、レーザ光Ｌｒ１，Ｌｒ２間の光路差を計測対象の位置情報としており、計測対象（センサ部１０，光源１１）と目盛部３０とが平行に相対移動することにより変化する光路差の変化を、干渉光Ｌｉの光強度の周期変化として計測する。そして、この計測された光強度の周期変化を、位置情報へと演算することによって、計測対象の位置を計測している。
【００３５】
［２次元方向を同時に測定する場合］
ところで、複数軸方向に移動する移動体が計測対象の場合、出来る限り位置センサの数が少ない方が、軸間補正が簡単でありかつ計測誤差が少なくなるため、位置計測装置１は、通常、２次元位置を検出可能に構成される。
【００３６】
計測対象の２次元位置を検出する場合、図５に示すように、上述した目盛部３０は計測対象の２軸方向の位置を検出可能な構成を持つ。具体的には、目盛部３０は、第２反射面３２に同一平面上の異なる２方向に高さが周期的に増減するパターン形状が形成され、上記異なる２方向で第１及び第２反射面３１，３２の相対距離を変化させている。
【００３７】
本実施の形態では、第２反射面３２の表面に、正四角錐をＸＹ軸方向に整列させた数２で示す形状パターンを形成している。これにより、目盛部３０の表面は、Ｘ軸方向とＹ軸方向とのそれぞれに、三角波形状の断面を有することとなり、これらＸＹの２軸方向に感度を有する目盛を構成することができる。
【００３８】
【数２】
ｆ（ｘ，ｙ）：ある位置（ｘ，ｙ）における高さ、Ａ１：Ｘ軸方向の振幅、λｘ：Ｘ軸方向の周期、Ａ２：Ｙ軸方向の振幅、λｙ：Ｙ軸方向の周期（波長）
【００３９】
また、１つの受光センサ１４では、１軸方向の光強度の変化しか検出できない。そのため、位置計測装置１は、受光センサ１４を複数有し、これら複数の受光センサ１４・・・を、いずれかの受光センサ１４が形状パターンの各方向の光強度の周期変化を常に検出可能な位置となるように配設している。
【００４０】
具体的には、上記第２反射面３２の形状パターンは、Ｘ軸方向にのみ感度を有する面と、Ｙ軸方向にのみ感度を有する面と、の組み合わせによって形成されている。そのため、これらＸＹ軸のそれぞれに感度を有する面の変化を常にいずれかの受光センサ１４が検出するため、複数のセンサ部１０ａ，１０ｂが、半波長λ／２の整数倍の間隔をあけて配設されている。また、第１センサ部１０ａと第２センサ部１０ｂとのなす角を、感度を有する２方向の間のなす角の半分とし、第２センサ部１０ｂを第１センサ部１０ａに対して半波長λ／２の整数倍だけ間隔をあけて配置するとより好ましい。
【００４１】
これにより、計測対象が、目盛部３０が感度を有する２軸方向にどのように動いても、いずれかのセンサ部１０の受光センサ１４が各軸方向の移動量に基づく光強度の周期変化を連続的に検出することができる。
【００４２】
即ち、第２センサ部１０ｂの受光センサ１４が一方の軸方向に感度を有する面に反射された干渉光Ｌｉを検出できない場合には、第１センサ部１０ａの受光センサ１４が感度を有する面に反射された干渉光Ｌｉを検出する。また、第１センサ部１０ａの受光センサ１４が一方の軸方向に感度を有する面に反射された干渉光Ｌｉを検出できない場合には、第２センサ部１０ｂの受光センサ１４が感度を有する面に反射された干渉光Ｌｉを検出する。
【００４３】
そのため、図６に示すように、連続する第１センサ部１０ａの受光センサ１４の出力電圧Ｖ１と、第２センサ部１０ｂの受光センサ１４が検出した出力電圧Ｖ２とによって、計測対象の移動を計測することができる。そして、出力電圧Ｖ１，Ｖ２の周期変化に基づいて、各軸方向の計測対象の位置を演算することができるため、以て、２次元における計測対象の位置を計測することができる。
【００４４】
上述したように、計測対象と目盛部３０との相対移動量と受光素子の出力電圧はワークディスタンス（Ｚ軸方向位置）の変化に係らず図４及び図６に示される関係となる。このため、位置計測装置１は、ワークディスタンスに係わらず計測対象位置を正確に計測できる。
【００４５】
また、第２反射面３２の目盛形状の振幅Ａ１，Ａ２を大きくすることによって、位置計測装置１の分解能を向上することができるため、高分解能化が可能である。
【００４６】
更に、平面の組み合わせによって目盛の形状パターンを構成したため、レーザ光を平面波のまま干渉させることができる。これは特定の測定箇所において、受光センサ１４の電気ノイズに対するＳ／Ｎ比低下を防止できる。これにより、センサから得られた電圧出力の電気分割数を増やし高い分解能を得ることが出来る。
【００４７】
また、各駆動軸に１つ以上の位置センサを用いて位置計測する装置に比して、２次元位置を計測する位置計測装置１はより加工点に近い位置で計測するので、アッベ誤差や姿勢変化、温度ドリフトの影響を低減させ高精度計測を可能にすることができる。
【００４８】
なお、干渉光Ｌｉが生じる条件として、本実施の形態では、第２反射面３２の三角波形状のアスペクト比を十分に低くしている。また、第１反射面３１と第２反射面３２との間隔ｄと入射したレーザ光の直径２ｒとの関係が、数３満たすように設定している。この数２の関係を満たす時、２つの反射光Ｌｒ１，Ｌｒ２は重なり合い、干渉光Ｌｉを生じてセンサ部１０に戻る。
【００４９】
【数３】
φ：三角波形状のアスペクト比で定まる傾き角
【００５０】
また、少しでも２つの反射光Ｌｒ１，Ｌｒ２が重なり合えば干渉光Ｌｉを生じるので、受光素子のサイズや感度を調整して測定する事ができるが、本実施の形態では干渉強度変化が鈍るのを防止するため、９割以上反射光Ｌｒ１，Ｌｒ２同士が重なる構成としている。
【００５１】
具体的には、Ｘ軸方向について考えた場合、Ａ１＝１．５８μｍ、λｘ＝１０００μｍのアスペクト比０．９５／２５０の時、ｄ＝１２５０μｍ、ｒ＝１００μｍとすれば、第１反射面３１と第２反射面３２の反射光が９割以上重なる構成を得ることが出来る。光源の波長を６３２．８ｎｍ、電気分割数を５０００とすると、計測分解能は８．３ｎｍを得ることができる。
【００５２】
更に、第１反射面３１と第２反射面３２の反射光の光強度が一致する時、干渉のコントラストが最大になるので、第１反射膜の反射率は通常５０％程度とすることが望ましい。また、第２反射膜の反射率は、１００％とすることが望ましい。更に、反射光Ｌｒ１，Ｌｒ２の重なり合いを向上させるために、第１反射面３１と第２反射面３２の間隔ｄを出来る限り狭める事が望ましい。
【００５３】
［第２の実施の形態］
ついで、第２の実施の形態に係る位置計測装置１について説明をする。なお、この第２の実施の形態は、第１の実施の形態とセンサ部１０の構成のみが相異しており、その他の共通する構成については、説明を省略する。
【００５４】
図７に示すように、センサ部１０は、光源１１と目盛部３０との間、より詳しくは光源１１と偏光ビームスプリッタ１２との間に、回折格子１５、コリメートレンズ（光学レンズ）１６とが配置されている。
【００５５】
上記回折格子１５及びコリメートレンズ１６は、光源側から目盛部側に向かって、この順番に配設されており、光源１１から照射されたレーザ光ＬＳは回折格子１５に入射することで回折光ＬＳ１となる。そして、回折光ＬＳ１となった後、コリメートレンズ１６に入射し、複数の平行光ＬＳ２になる。複数の光を用いる場合、第２反射面３２の形状における同一の位相を計測する必要がある。平行光ＬＳ２の間隔が第２反射面３２の形状間隔の整数倍であるためには、コリメートレンズ１６の焦点距離ｆと第２反射面３２の形状間隔λｘ，λｙは数４に示される関係となる。数４において、θは回折格子１５で生じる±１次光の回折格でレーザ光ＬＳ１の波長λＬと回折格子１５の格子間隔Ｐに対して数５に示す関係を持つ。
【００５６】
【数４】
【００５７】
【数５】
【００５８】
コリメートレンズ１６を通過後のレーザ光ＬＳ２のスポット半径ｒは数６に示される。数６においてｍは回折格子１５に入射するレーザ光中に含まれる格子の本数である。
【００５９】
【数６】
【００６０】
光源１１より出射されるレーザ光ＬＳが数ｍｍのスポット径である場合、ｍは１００〜１０００程度の値をとることができるので、ｒは数〜数１０μｍと非常に微細なスポット径となる。
【００６１】
スポット径を微細化した場合、レーザ光ＬＳのスポット内における光路差の分布を抑え、受光素子上における光強度変化の鈍りを低減させる。従って、第２反射面３２を第１の実施形態より高いアスペクト比の形状にして位置計測分解能が向上させることができる。
【００６２】
第２反射面３２の構造をＡ１＝３１６ｎｍ、λｘ＝１０μｍのアスペクト比７９／１２５０の第１の実施形態より微細にした時、ｒ＝５μｍとし、ｄ＝３．５μｍと薄型化すれば反射光Ｌｒ１，Ｌｒ２が９割以上重なる構成となる。光源の波長を６３２．８ｎｍ、電気分割数を５０００とすると、計測分解能は０．５ｎｍを得ることができる。また、複数の平行光を第２反射面３２に入射することで、第２反射面３２の形状のバラつきが平均化されるので、位置計測精度を向上させることができる。
【００６３】
［第３の実施の形態］
ついで、第３の実施の形態に係る位置計測装置１について説明をする。なお、この第３の実施の形態は、第２の実施の形態のコリメートレンズ１６の代わりに回折格子を使用したものである。そのため、第２の実施形態と相異する構成のみを説明し、同一の構成については、その説明を省略する。
【００６４】
図８に示すように、センサ部１０は、光源１１と目盛部３０との間、より詳しくは光源１１と偏光ビームスプリッタ１２との間に、第１回折格子１５、第２回折格子１７とが配置されている。
【００６５】
上記第１及び第２回折格子１５，１７は、光源側から目盛部側に向かって、この順番に配設されており、第２の回折格子１７は、コリメートレンズ１６と同様に、第１回折格子１５を通過した回折光ＬＳ１を平行光ＬＳ２にしている。
【００６６】
この構成では、回折格子１５，１７の格子間隔を数１０〜１００μｍ程度と広めにしてレーザ光の広がりを抑える必要が生じるが、コリメートレンズ１６を用いる場合よりアライメント誤差の影響が低減される。従って、第１回折格子１５を通過後の平行光ＬＳ２の間隔を第２反射面３２の形状間隔と高精度に一致させることが可能となり、光を微小スポット化する際に、光学素子の位置決め誤差を低減させることができる。
【００６７】
なお、上述した第１〜第３の実施形態において、第２反射面３２に目盛の形状パターンを作成したが、第１反射面３１に上記形状パターンを形成しても良い。また、第１及び第２反射面３１，３２の両方に目盛の形状パターンを形成しても良い。
【００６８】
更に、上述した第１乃至第３の実施形態において、第１反射面３１と第２反射面３２を、平行平板の表面と裏面に作成しているが２つの素子に分離した構成でもよい。
【００６９】
また、目盛の形状パターンは、図９に示すような鋸波や、矩形波、正弦波形状も考えられるが、センサ部１０を単独で用いる場合には、傾きが一定で形状が連続している三角波形状であることが望ましい。また、上述したように、正弦波形状のような曲線で目盛の形状パターンが形成されると、特定の場所（例えば９０°や２７０°）で検出精度が低下するため、平面の組み合わせによって所定の周期パターンが形成されることが望ましい。
【００７０】
更に、周期形状の振幅は、信号処理を行う際には連続した正弦波となることが理想なので、光の波長の１／４の整数倍であることが望ましい。
【００７１】
また、極端にワークディスタンスが変化する際の計測誤差の影響を抑えるため、多軸加工装置１００において計測基準面としての目盛部３０をＸＹ平面上に設置したが、加工形態に応じて最も駆動範囲の短い軸に対し垂直な平面に設置することが望ましい。ワークＷと目盛部３０は温度変化などによる相対位置変化を生じない様、温調を行うと同時にできる限り近くに配置することが望ましい。
【００７２】
更に、上記演算部２０は、位置計測装置１が搭載される装置を制御する専用のコンピュータや、汎用コンピュータに組み込まれても良いと共に、センサ部（計測部）１０に組み込まれても良い。また、コリメートレンズ１６の代わりに、回折光を平行光に偏光する既知のどのような光学レンズを使用しても良い。
【００７３】
更に、センサ部１０は、光源１１から出射された光ＬＳを分割するように構成し、１つの光源１１に対して複数の受光センサ（光学センサ）１４を設ける構成にしても良い。また、上述した第１乃至第３の実施の形態に記載された発明は、どのように組み合わされても良いことは、言うまでもない。
【符号の説明】
【００７４】
１：位置計測装置、１１：光源、１４：受光センサ、１５：第１回折格子、１６：コリメートレンズ（光学レンズ）、１７：第２回折格子、２０：演算部、３０：目盛部、３１：第１反射面、３２：第２反射面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステージ等の可動する物体の位置を計測する位置計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、多軸加工機などの工作機械において、ワークを載置するステージは、複数の方向に移動可能に設けられている。このような複数の自由度を有するステージは、通常、１自由度ごとに光学式のリニアエンコーダが設けられ、その位置が計測されている。
【０００３】
しかしながら、上述したように１自由度ごとにリニアエンコーダを設けると、ステージの位置を計測するのに複数のリニアエンコーダを組み合わせる必要があり、装置の大型化や、軸間補正の複雑化による計測誤差の増大といった課題を有していた。
【０００４】
そこで、複数の自由度を有する計測対象について正確に位置を検出するため、目盛を２次元方向に製作したリニアエンコーダが検討されている。しかしながら、リニアエンコーダは、目盛とセンサの相対距離であるワークディスタンスが一定でなくてはならない。そのため、ＸＹ平面と、このＸＹ平面に垂直なＺ軸の直動３軸に自由度を持つ装置に、上記２次元方向に目盛を有するリニアエンコーダを取付けても、ワークディスタンスが変化することで計測可能領域を外れてしまうという問題がある。
【０００５】
一方、ワークディスタンスが変化しても多軸を計測することができる位置計測用のセンサ（位置計測装置）として、傾きが周期的に変化する形状を目盛とした計測基準面と、傾き変化を計測する角度センサを用いたものが案出されている（特許文献１参照）。
【０００６】
具体的には、この位置計測装置は、オートコリメーション法を用いて、計測基準面から反射された光の傾きを角度センサによって受光素子上の２次元位置に変換している。そして、この目盛の角度変化により、目盛の周期変化を読み取って物体の位置情報を計測している。従って、ワークディスタンスの変化に影響を受けずに２次元方向の位置をそれぞれ独立して計測することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第２９６００１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献１記載の位置計測装置において、目盛の間隔を小さくすると分解能を高めることができる。しかしながら、この計測基準面の目盛間隔を小さくしていくと、光源から計測基準面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。
【０００９】
そのため、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、目盛を読み取る位置計測装置では、目盛り間隔を細かくすることで分解能を向上させようとすると計測が困難になるという問題があった。
【００１０】
そこで本発明は、ワークディスタンスが変化しても計測可能な位置計測装置を高分解能化して提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の位置計測装置は、光源と前記光源から出射された光の一部を反射する第１反射面、該第１反射面を透過した光を反射する第２反射面、を有し、前記第１反射面によって反射される反射光と前記第２反射面によって反射される反射光とによって干渉光を形成すると共に、これら第１反射面及び第２反射面との相対距離を周期的に変化させる目盛部と、前記干渉光の光強度を検出する受光センサと、前記光源と前記目盛部とが平行に相対移動することにより変化する、前記干渉光の光強度の周期変化を、位置情報へと演算する演算部と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
本発明の被加工物の製造方法は、被加工物と工具を相対的に移動させて前記被加工物を切削加工する被加工物の製造方法であって、前記位置計測装置によって計測された位置情報によって前記被加工物と前記工具を相対的に移動させて前記被加工物を加工することを特徴とする。
【００１３】
本発明の成形品は、前記被加工物の製造方法によって製造された型を用いて成形されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、目盛部が光源からの光の一部を反射する第１反射面と、第１反射面を透過した光を反射する第２反射面とを有し、これら第１及び第２反射面に反射された光によって形成された干渉光の光強度を受光センサによって計測する。第１及び第２反射面の相対距離は周期的に変化するため、この光路差の変化が位置情報となり、干渉光の光強度の変化として計測される。そして、この干渉光の光強度の変化を演算部によって位置情報に演算することにより、ワークディスタンスの変化に係わらず計測対照の位置を計測することができる。干渉光を生成する第１反射面と第２反射面が単位距離あたりにおける相対距離変化を大きくすることで、位置計測装置の計測分解能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る位置計測装置が搭載された多軸加工装置を示す模式図。
【図２】図１の多軸加工装置の側部断面図。
【図３】１次元の位置を計測する位置計測装置を示す模式図。
【図４】図３の位置計測装置が計測した電圧出力の変化を示す模式図。
【図５】２次元の位置を計測する位置計測装置を示す模式図。
【図６】図５の位置計測装置が計測した電圧出力の変化を示す模式図。
【図７】第２の実施の形態に係る位置計測装置を示す模式図。
【図８】第３の実施の形態に係る位置計測装置を示す模式図。
【図９】目盛部の他の実施の形態を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
［第１の実施の形態］
［多軸加工装置の概略構造］
以下、本発明の実施の形態に係る位置計測装置１について図１〜図８に基づいて説明をする。まず、図１及び図２に基づいて、上記位置計測装置１が搭載された多軸加工装置１００について説明をする。なお、以下の説明において、ＸＹＺ軸の方向は、位置計測装置１の目盛部３０を基準として設定する。
【００１７】
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軸加工装置であり、工具保持部１１０と、ワーク保持部１２０と、から構成されている。
【００１８】
上記ワークＷを保持するワーク保持部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を回転自在に支持するワークフレーム１２１と、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。
【００１９】
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ＸＹＺθＹ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、θＹ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。
【００２０】
上記工具ステージ１１３，１１４，１１５は、Ｙ軸方向に昇降するＹ軸ステージと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と、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。
【００２１】
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、位置計測装置１を備えている。この位置計測装置１は、計測基準となる目盛部３０と、移動体に取付けられるセンサ部１０と、詳しくは後述する演算部２０とを有して構成されている。目盛部３０は地面に対して垂直な平面である壁部１２３に取付けられ、センサ部１０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ＸＹ軸方向位置を検出している。また、多軸加工装置１００は、位置計測装置１の他に、工具１１１のＺ軸方向位置を検出するＺ軸センサ（不図示）及び工具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。
【００２２】
そして、多軸加工装置１００は、これら位置計測装置１、Ｚ軸センサ及び回転角度センサによって、工具１１１とワークＷとの相対位置関係を検出し、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ように構成されている。なお、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に対して、除振台などによって振動が絶縁されている。
【００２３】
本発明の位置計測装置１は、工具１１１とワークＷとの相対位置関係を高精度に計測することができる。よって、本発明の位置計測装置によって計測された位置情報によって前記被加工物と前記工具を相対的に移動させて、前記工具で前記被加工物（ワーク）を切削加工することにより、高精度な加工を行なうことができる。特に、このような製造方法は、高精度な形状を求められる光学部品の加工に好適に用いることができる。また、同様に高精度な形状を求められる、光学部品を成形するための型の加工や、ナノインプリントに用いられる型等の加工にも好適に用いることができる。このように加工された型を用いて成形される、光学部品や、回路基板等の成形品は、非常に高い精度を得ることができる。なお成形には、射出成形や型押加工等の公知の技術が適用できる。
【００２４】
［位置計測装置の構造］
ついで、上述した位置計測装置１について図３乃至図６に基づいて詳しく説明をする。図３は、上記位置計測装置１の原理を簡単に説明するために、１軸方向（Ｘ軸方向）の移動についてのみを考えた場合の位置計測装置１の模式図である。
【００２５】
上記図３に示すように、位置計測装置１は、センサ部１０、目盛部３０及び演算部２０を有している。目盛部３０計測対象の平行方向の相対移動を計測するセンサ部１０は、所定波長のレーザ光を出射する光源１１、偏光ビームスプリッタ１２、１／４波長板１３及び、受光センサ１４を有して構成されている。
【００２６】
上記偏光ビームスプリッタ１２及び１／４波長板１３は、光源１１と目盛部３０との間に、光源側から目盛部側に向かって偏光ビームスプリッタ１２、１／４波長板１３の順で配置されている。
【００２７】
そのため、光源１１から出射されたＰ偏光のレーザ光ＬＳは、偏光ビームスプリッタ１２を通過し、１／４波長板１３によって偏光状態が円偏光に変化して目盛部３０に入射する。そして、この目盛部３０によって反射された光Ｌｒ１，Ｌｒ２は、再び１／４波長板１３を通過して偏光状態がＳ偏光に変化され、偏光ビームスプリッタ１２によって反射されて受光センサ１４に入射するようになっている。なお、受光センサ１４の受光素子はＰＤ（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）、ＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）などであり、レーザ光の光強度変化を計測するようになっている。
【００２８】
ところで、上記目盛部３０は、光源１１から出射された光ＬＳの一部を反射する第１反射膜が形成された第１反射面３１と、この第１反射面３１を透過した光を反射する第２反射膜が形成された第２反射面３２と、を有して構成されている。これら第１及び第２反射面３１，３２は、所定距離離れて互いに平行となるように配設されている。そして、これら第１反射面３１と第２反射面との間の相対距離ｄが光路差となって、第１反射面３１によって反射される反射光Ｌｒ１と、第２反射面３２によって反射される反射光Ｌｒ２とによって干渉光Ｌｉを形成するようになっている。
【００２９】
即ち、目盛部３０から受光センサ１４に向けて反射される反射光は、上記第１反射面３１に反射された反射光Ｌｒ１と、第２反射面３２に反射された反射光Ｌｒ２とによって形成された干渉光Ｌｉである。そして、上記受光センサ１４は、この干渉光Ｌｉの光強度を検出するようになっている。
【００３０】
また、上記目盛部３０は、第１反射面３１及び第２反射面３２との相対距離を周期的に変化させるように構成されている。具体的には、第２反射面３２に、平面の組み合わせによって、一定の方向に所定の周期で高さ（振幅）変化するように形成された目盛パターンが形成されている。本実施の形態では、その表面を一方向（例えばＸ軸方向）に向けて切った際に、第２反射面３２が三角波形状の断面を有するようになっている（図３参照）。
【００３１】
即ち、上記第２反射面３２の表面は、数１に示すような形でＸ軸方向高さ（振幅）Ａ１が周期的に変化している。そのため、センサ部１０が目盛部３０に対してＸ軸方向に相対移動すると、第１反射面３１と第２反射面３２とで反射されたレーザ光Ｌｒ１，Ｌｒ２の干渉光Ｌｉの光路差は、数１で示される第２反射面３２の振幅Ａ１の２倍変化するようになっている。
【００３２】
【数１】
ｆ（ｘ）：位置Ｘにおける高さ、Ａ１：形状の振幅、λｘ：形状の周期（波長）
【００３３】
従って、形状の振幅Ａ１がレーザ光ＬＳの波長λＬの１／４の整数倍である時、干渉光Ｌｉは形状の周期λｘで明暗を連続して繰り返す変化を生じる。受光センサ１４は、この干渉光Ｌｉの明暗を検出し、明暗と同じ周期の正弦波出力を生じる。（図４参照）。
【００３４】
上記受光センサ１４が検出した出力電圧の周期変化は、演算部２０によって演算し、位相情報を求め電気分割することによって、計測対象の位置情報に変換される。即ち、位置計測装置１は、レーザ光Ｌｒ１，Ｌｒ２間の光路差を計測対象の位置情報としており、計測対象（センサ部１０，光源１１）と目盛部３０とが平行に相対移動することにより変化する光路差の変化を、干渉光Ｌｉの光強度の周期変化として計測する。そして、この計測された光強度の周期変化を、位置情報へと演算することによって、計測対象の位置を計測している。
【００３５】
［２次元方向を同時に測定する場合］
ところで、複数軸方向に移動する移動体が計測対象の場合、出来る限り位置センサの数が少ない方が、軸間補正が簡単でありかつ計測誤差が少なくなるため、位置計測装置１は、通常、２次元位置を検出可能に構成される。
【００３６】
計測対象の２次元位置を検出する場合、図５に示すように、上述した目盛部３０は計測対象の２軸方向の位置を検出可能な構成を持つ。具体的には、目盛部３０は、第２反射面３２に同一平面上の異なる２方向に高さが周期的に増減するパターン形状が形成され、上記異なる２方向で第１及び第２反射面３１，３２の相対距離を変化させている。
【００３７】
本実施の形態では、第２反射面３２の表面に、正四角錐をＸＹ軸方向に整列させた数２で示す形状パターンを形成している。これにより、目盛部３０の表面は、Ｘ軸方向とＹ軸方向とのそれぞれに、三角波形状の断面を有することとなり、これらＸＹの２軸方向に感度を有する目盛を構成することができる。
【００３８】
【数２】
ｆ（ｘ，ｙ）：ある位置（ｘ，ｙ）における高さ、Ａ１：Ｘ軸方向の振幅、λｘ：Ｘ軸方向の周期、Ａ２：Ｙ軸方向の振幅、λｙ：Ｙ軸方向の周期（波長）
【００３９】
また、１つの受光センサ１４では、１軸方向の光強度の変化しか検出できない。そのため、位置計測装置１は、受光センサ１４を複数有し、これら複数の受光センサ１４・・・を、いずれかの受光センサ１４が形状パターンの各方向の光強度の周期変化を常に検出可能な位置となるように配設している。
【００４０】
具体的には、上記第２反射面３２の形状パターンは、Ｘ軸方向にのみ感度を有する面と、Ｙ軸方向にのみ感度を有する面と、の組み合わせによって形成されている。そのため、これらＸＹ軸のそれぞれに感度を有する面の変化を常にいずれかの受光センサ１４が検出するため、複数のセンサ部１０ａ，１０ｂが、半波長λ／２の整数倍の間隔をあけて配設されている。また、第１センサ部１０ａと第２センサ部１０ｂとのなす角を、感度を有する２方向の間のなす角の半分とし、第２センサ部１０ｂを第１センサ部１０ａに対して半波長λ／２の整数倍だけ間隔をあけて配置するとより好ましい。
【００４１】
これにより、計測対象が、目盛部３０が感度を有する２軸方向にどのように動いても、いずれかのセンサ部１０の受光センサ１４が各軸方向の移動量に基づく光強度の周期変化を連続的に検出することができる。
【００４２】
即ち、第２センサ部１０ｂの受光センサ１４が一方の軸方向に感度を有する面に反射された干渉光Ｌｉを検出できない場合には、第１センサ部１０ａの受光センサ１４が感度を有する面に反射された干渉光Ｌｉを検出する。また、第１センサ部１０ａの受光センサ１４が一方の軸方向に感度を有する面に反射された干渉光Ｌｉを検出できない場合には、第２センサ部１０ｂの受光センサ１４が感度を有する面に反射された干渉光Ｌｉを検出する。
【００４３】
そのため、図６に示すように、連続する第１センサ部１０ａの受光センサ１４の出力電圧Ｖ１と、第２センサ部１０ｂの受光センサ１４が検出した出力電圧Ｖ２とによって、計測対象の移動を計測することができる。そして、出力電圧Ｖ１，Ｖ２の周期変化に基づいて、各軸方向の計測対象の位置を演算することができるため、以て、２次元における計測対象の位置を計測することができる。
【００４４】
上述したように、計測対象と目盛部３０との相対移動量と受光素子の出力電圧はワークディスタンス（Ｚ軸方向位置）の変化に係らず図４及び図６に示される関係となる。このため、位置計測装置１は、ワークディスタンスに係わらず計測対象位置を正確に計測できる。
【００４５】
また、第２反射面３２の目盛形状の振幅Ａ１，Ａ２を大きくすることによって、位置計測装置１の分解能を向上することができるため、高分解能化が可能である。
【００４６】
更に、平面の組み合わせによって目盛の形状パターンを構成したため、レーザ光を平面波のまま干渉させることができる。これは特定の測定箇所において、受光センサ１４の電気ノイズに対するＳ／Ｎ比低下を防止できる。これにより、センサから得られた電圧出力の電気分割数を増やし高い分解能を得ることが出来る。
【００４７】
また、各駆動軸に１つ以上の位置センサを用いて位置計測する装置に比して、２次元位置を計測する位置計測装置１はより加工点に近い位置で計測するので、アッベ誤差や姿勢変化、温度ドリフトの影響を低減させ高精度計測を可能にすることができる。
【００４８】
なお、干渉光Ｌｉが生じる条件として、本実施の形態では、第２反射面３２の三角波形状のアスペクト比を十分に低くしている。また、第１反射面３１と第２反射面３２との間隔ｄと入射したレーザ光の直径２ｒとの関係が、数３満たすように設定している。この数２の関係を満たす時、２つの反射光Ｌｒ１，Ｌｒ２は重なり合い、干渉光Ｌｉを生じてセンサ部１０に戻る。
【００４９】
【数３】
φ：三角波形状のアスペクト比で定まる傾き角
【００５０】
また、少しでも２つの反射光Ｌｒ１，Ｌｒ２が重なり合えば干渉光Ｌｉを生じるので、受光素子のサイズや感度を調整して測定する事ができるが、本実施の形態では干渉強度変化が鈍るのを防止するため、９割以上反射光Ｌｒ１，Ｌｒ２同士が重なる構成としている。
【００５１】
具体的には、Ｘ軸方向について考えた場合、Ａ１＝１．５８μｍ、λｘ＝１０００μｍのアスペクト比０．９５／２５０の時、ｄ＝１２５０μｍ、ｒ＝１００μｍとすれば、第１反射面３１と第２反射面３２の反射光が９割以上重なる構成を得ることが出来る。光源の波長を６３２．８ｎｍ、電気分割数を５０００とすると、計測分解能は８．３ｎｍを得ることができる。
【００５２】
更に、第１反射面３１と第２反射面３２の反射光の光強度が一致する時、干渉のコントラストが最大になるので、第１反射膜の反射率は通常５０％程度とすることが望ましい。また、第２反射膜の反射率は、１００％とすることが望ましい。更に、反射光Ｌｒ１，Ｌｒ２の重なり合いを向上させるために、第１反射面３１と第２反射面３２の間隔ｄを出来る限り狭める事が望ましい。
【００５３】
［第２の実施の形態］
ついで、第２の実施の形態に係る位置計測装置１について説明をする。なお、この第２の実施の形態は、第１の実施の形態とセンサ部１０の構成のみが相異しており、その他の共通する構成については、説明を省略する。
【００５４】
図７に示すように、センサ部１０は、光源１１と目盛部３０との間、より詳しくは光源１１と偏光ビームスプリッタ１２との間に、回折格子１５、コリメートレンズ（光学レンズ）１６とが配置されている。
【００５５】
上記回折格子１５及びコリメートレンズ１６は、光源側から目盛部側に向かって、この順番に配設されており、光源１１から照射されたレーザ光ＬＳは回折格子１５に入射することで回折光ＬＳ１となる。そして、回折光ＬＳ１となった後、コリメートレンズ１６に入射し、複数の平行光ＬＳ２になる。複数の光を用いる場合、第２反射面３２の形状における同一の位相を計測する必要がある。平行光ＬＳ２の間隔が第２反射面３２の形状間隔の整数倍であるためには、コリメートレンズ１６の焦点距離ｆと第２反射面３２の形状間隔λｘ，λｙは数４に示される関係となる。数４において、θは回折格子１５で生じる±１次光の回折格でレーザ光ＬＳ１の波長λＬと回折格子１５の格子間隔Ｐに対して数５に示す関係を持つ。
【００５６】
【数４】
【００５７】
【数５】
【００５８】
コリメートレンズ１６を通過後のレーザ光ＬＳ２のスポット半径ｒは数６に示される。数６においてｍは回折格子１５に入射するレーザ光中に含まれる格子の本数である。
【００５９】
【数６】
【００６０】
光源１１より出射されるレーザ光ＬＳが数ｍｍのスポット径である場合、ｍは１００〜１０００程度の値をとることができるので、ｒは数〜数１０μｍと非常に微細なスポット径となる。
【００６１】
スポット径を微細化した場合、レーザ光ＬＳのスポット内における光路差の分布を抑え、受光素子上における光強度変化の鈍りを低減させる。従って、第２反射面３２を第１の実施形態より高いアスペクト比の形状にして位置計測分解能が向上させることができる。
【００６２】
第２反射面３２の構造をＡ１＝３１６ｎｍ、λｘ＝１０μｍのアスペクト比７９／１２５０の第１の実施形態より微細にした時、ｒ＝５μｍとし、ｄ＝３．５μｍと薄型化すれば反射光Ｌｒ１，Ｌｒ２が９割以上重なる構成となる。光源の波長を６３２．８ｎｍ、電気分割数を５０００とすると、計測分解能は０．５ｎｍを得ることができる。また、複数の平行光を第２反射面３２に入射することで、第２反射面３２の形状のバラつきが平均化されるので、位置計測精度を向上させることができる。
【００６３】
［第３の実施の形態］
ついで、第３の実施の形態に係る位置計測装置１について説明をする。なお、この第３の実施の形態は、第２の実施の形態のコリメートレンズ１６の代わりに回折格子を使用したものである。そのため、第２の実施形態と相異する構成のみを説明し、同一の構成については、その説明を省略する。
【００６４】
図８に示すように、センサ部１０は、光源１１と目盛部３０との間、より詳しくは光源１１と偏光ビームスプリッタ１２との間に、第１回折格子１５、第２回折格子１７とが配置されている。
【００６５】
上記第１及び第２回折格子１５，１７は、光源側から目盛部側に向かって、この順番に配設されており、第２の回折格子１７は、コリメートレンズ１６と同様に、第１回折格子１５を通過した回折光ＬＳ１を平行光ＬＳ２にしている。
【００６６】
この構成では、回折格子１５，１７の格子間隔を数１０〜１００μｍ程度と広めにしてレーザ光の広がりを抑える必要が生じるが、コリメートレンズ１６を用いる場合よりアライメント誤差の影響が低減される。従って、第１回折格子１５を通過後の平行光ＬＳ２の間隔を第２反射面３２の形状間隔と高精度に一致させることが可能となり、光を微小スポット化する際に、光学素子の位置決め誤差を低減させることができる。
【００６７】
なお、上述した第１〜第３の実施形態において、第２反射面３２に目盛の形状パターンを作成したが、第１反射面３１に上記形状パターンを形成しても良い。また、第１及び第２反射面３１，３２の両方に目盛の形状パターンを形成しても良い。
【００６８】
更に、上述した第１乃至第３の実施形態において、第１反射面３１と第２反射面３２を、平行平板の表面と裏面に作成しているが２つの素子に分離した構成でもよい。
【００６９】
また、目盛の形状パターンは、図９に示すような鋸波や、矩形波、正弦波形状も考えられるが、センサ部１０を単独で用いる場合には、傾きが一定で形状が連続している三角波形状であることが望ましい。また、上述したように、正弦波形状のような曲線で目盛の形状パターンが形成されると、特定の場所（例えば９０°や２７０°）で検出精度が低下するため、平面の組み合わせによって所定の周期パターンが形成されることが望ましい。
【００７０】
更に、周期形状の振幅は、信号処理を行う際には連続した正弦波となることが理想なので、光の波長の１／４の整数倍であることが望ましい。
【００７１】
また、極端にワークディスタンスが変化する際の計測誤差の影響を抑えるため、多軸加工装置１００において計測基準面としての目盛部３０をＸＹ平面上に設置したが、加工形態に応じて最も駆動範囲の短い軸に対し垂直な平面に設置することが望ましい。ワークＷと目盛部３０は温度変化などによる相対位置変化を生じない様、温調を行うと同時にできる限り近くに配置することが望ましい。
【００７２】
更に、上記演算部２０は、位置計測装置１が搭載される装置を制御する専用のコンピュータや、汎用コンピュータに組み込まれても良いと共に、センサ部（計測部）１０に組み込まれても良い。また、コリメートレンズ１６の代わりに、回折光を平行光に偏光する既知のどのような光学レンズを使用しても良い。
【００７３】
更に、センサ部１０は、光源１１から出射された光ＬＳを分割するように構成し、１つの光源１１に対して複数の受光センサ（光学センサ）１４を設ける構成にしても良い。また、上述した第１乃至第３の実施の形態に記載された発明は、どのように組み合わされても良いことは、言うまでもない。
【符号の説明】
【００７４】
１：位置計測装置、１１：光源、１４：受光センサ、１５：第１回折格子、１６：コリメートレンズ（光学レンズ）、１７：第２回折格子、２０：演算部、３０：目盛部、３１：第１反射面、３２：第２反射面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源から出射された光の一部を反射する第１反射面、該第１反射面を透過した光を反射する第２反射面、を有し、前記第１反射面によって反射される反射光と前記第２反射面によって反射される反射光とによって干渉光を形成すると共に、これら第１反射面及び第２反射面との相対距離を周期的に変化させる目盛部と、
前記干渉光の光強度を検出する受光センサと、
前記光源と前記目盛部とが平行に相対移動することにより変化する、前記干渉光の光強度の周期変化を、位置情報へと演算する演算部と、を備えた、
ことを特徴とする位置計測装置。
【請求項２】
前記受光センサを、複数有すると共に、
前記第１反射面もしくは、前記第２反射面の少なくとも一方は、同一平面上の異なる２方向に高さが周期的に増減する形状パターンが形成され、
複数の前記受光センサを、いずれかの前記受光センサが前記形状パターンの各方向の高さの増減に基づく光強度の周期変化を常に検出可能な位置関係となるように配設した、
請求項１記載の位置計測装置。
【請求項３】
前記第１反射面もしくは、前記第２反射面の少なくとも一方は、一方向に向けて切った際に、三角波形状の断面を有する、
請求項１記載の位置計測装置。
【請求項４】
前記光源及び前記目盛部の間に配設された回折格子と、
前記回折格子及び前記目盛部の間に配設され、該回折格子を通過した回折光を平行光にする光学レンズと、を有する、
請求項１乃至３のいずれか１項記載の位置計測装置。
【請求項５】
前記光源及び前記目盛部の間に配設された第１回折格子と、
前記第１回折格子及び前記目盛部の間に配設され、該第１回折格子を通過した回折光を平行光にする第２回折格子と、を有する、
請求項１乃至３のいずれか１項記載の位置計測装置。
【請求項６】
被加工物と工具を相対的に移動させて前記被加工物を切削加工する被加工物の製造方法であって、
請求項１乃至５のいずれか１項記載の位置計測装置によって計測された位置情報によって前記被加工物と前記工具を相対的に移動させて前記被加工物を加工する、
ことを特徴とする被加工物の製造方法。
【請求項７】
前記被加工物は光学部品を成形するための型である、
ことを特徴とする請求項６記載の被加工物の製造方法。
【請求項８】
前記被加工物はナノインプリントに用いられる型である、
ことを特徴とする請求項６記載の被加工物の製造方法。
【請求項９】
請求項６乃至８のいずれか１項記載の被加工物の製造方法によって製造された型を用いて成形された、
ことを特徴とする成形品。
【請求項１】
光源と、
前記光源から出射された光の一部を反射する第１反射面、該第１反射面を透過した光を反射する第２反射面、を有し、前記第１反射面によって反射される反射光と前記第２反射面によって反射される反射光とによって干渉光を形成すると共に、これら第１反射面及び第２反射面との相対距離を周期的に変化させる目盛部と、
前記干渉光の光強度を検出する受光センサと、
前記光源と前記目盛部とが平行に相対移動することにより変化する、前記干渉光の光強度の周期変化を、位置情報へと演算する演算部と、を備えた、
ことを特徴とする位置計測装置。
【請求項２】
前記受光センサを、複数有すると共に、
前記第１反射面もしくは、前記第２反射面の少なくとも一方は、同一平面上の異なる２方向に高さが周期的に増減する形状パターンが形成され、
複数の前記受光センサを、いずれかの前記受光センサが前記形状パターンの各方向の高さの増減に基づく光強度の周期変化を常に検出可能な位置関係となるように配設した、
請求項１記載の位置計測装置。
【請求項３】
前記第１反射面もしくは、前記第２反射面の少なくとも一方は、一方向に向けて切った際に、三角波形状の断面を有する、
請求項１記載の位置計測装置。
【請求項４】
前記光源及び前記目盛部の間に配設された回折格子と、
前記回折格子及び前記目盛部の間に配設され、該回折格子を通過した回折光を平行光にする光学レンズと、を有する、
請求項１乃至３のいずれか１項記載の位置計測装置。
【請求項５】
前記光源及び前記目盛部の間に配設された第１回折格子と、
前記第１回折格子及び前記目盛部の間に配設され、該第１回折格子を通過した回折光を平行光にする第２回折格子と、を有する、
請求項１乃至３のいずれか１項記載の位置計測装置。
【請求項６】
被加工物と工具を相対的に移動させて前記被加工物を切削加工する被加工物の製造方法であって、
請求項１乃至５のいずれか１項記載の位置計測装置によって計測された位置情報によって前記被加工物と前記工具を相対的に移動させて前記被加工物を加工する、
ことを特徴とする被加工物の製造方法。
【請求項７】
前記被加工物は光学部品を成形するための型である、
ことを特徴とする請求項６記載の被加工物の製造方法。
【請求項８】
前記被加工物はナノインプリントに用いられる型である、
ことを特徴とする請求項６記載の被加工物の製造方法。
【請求項９】
請求項６乃至８のいずれか１項記載の被加工物の製造方法によって製造された型を用いて成形された、
ことを特徴とする成形品。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−２９４０５（Ｐ２０１３−２９４０５Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６５２６９（Ｐ２０１１−１６５２６９）
【出願日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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