特許 7112311 変位計測装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-07-26

(45)【発行日】2022-08-03

(54)【発明の名称】変位計測装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/00 20060101AFI20220727BHJP

【ＦＩ】

G01B11/00 A

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2018200238

(22)【出願日】2018-10-24

(65)【公開番号】P2020067372

(43)【公開日】2020-04-30

【審査請求日】2021-08-17

(73)【特許権者】

【識別番号】511045419

【氏名又は名称】駿河精機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099645

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 晃司

(74)【代理人】

【識別番号】100161090

【弁理士】

【氏名又は名称】小田原 敬一

(74)【代理人】

【識別番号】100154162

【弁理士】

【氏名又は名称】内田 浩輔

(72)【発明者】

【氏名】岩下 潤

(72)【発明者】

【氏名】田島 大地

(72)【発明者】

【氏名】安西 穣児

【審査官】續山 浩二

(56)【参考文献】

【文献】特開２０００－２３４９０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２１８８４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１０９４５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１０１６２２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ １１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定対象に設けられ、スポット状に絞られた反射部及び前記反射部に重ねて配置された一次元回折格子を有するミラーと、
前記ミラーに対して前記反射部よりも広い照射範囲を有する測定光を前記反射部が前記照射範囲に含まれるようにして照射する照射手段と、
前記反射部からの０次反射光を第１光束と第２光束とに分光する分光手段と、
前記第１光束を受光し、受光位置に応じた信号を出力する第１センサと、
前記第２光束を受光し、受光位置に応じた信号を出力する第２センサと、
前記反射部からの１次反射光を受光し、受光位置に応じた信号を出力する第３センサと、
前記ミラーに対する前記測定光の照射方向と直交する面内にて互いに直交する方向に第１軸及び第２軸を、前記第１軸及び前記第２軸の両者と直交する方向に第３軸をそれぞれ取ったと仮定したときに、前記第１センサが出力する信号に基づいて前記測定対象の前記第１軸及び前記第２軸のそれぞれの軸周りの角度変位を検出し、前記第２センサが出力する信号に基づいて前記測定対象の前記第１軸の方向及び前記第２軸の方向における軸変位を検出し、前記第３センサが出力する信号に基づいて前記測定対象の前記第３軸の周りの角度変位を検出する変位検出手段と、
を備えた変位計測装置。

【請求項2】

前記第３軸に対して斜めに傾いた方向から前記ミラーの前記反射部に側方測定光を照射する側方照射手段と、
前記反射部からの前記側方測定光に対する反射光を受光し、受光位置に応じた信号を出力する第４センサとをさらに備え、
前記変位検出手段は、前記第４センサが出力する信号に基づいて前記測定対象の前記第３軸の方向における軸変位をさらに検出する請求項１に記載の変位計測装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、精密機器等の測定対象に生じる変位を光学的手法によって計測する変位計測装置に関する。

【背景技術】

【0002】

測定対象に生じる変位を計測する装置として、レーザ干渉計やオートコリメータのように光学的な手法を用いて変位を計測する装置が知られている。この種の計測装置としては、例えば測定対象の表面に配置された反射型の１次元回折格子と、その回折格子からの０次反射光を受光する第１センサと、第１センサを挟むように配置されて回折格子からの１次反射光を受光する第２センサ及び第３センサとを備え、測定対象に対する測定光の入射方向と直交する直交２軸のそれぞれの軸周りの角度変位を第１センサによって検出し、測定光の入射方向と平行な軸周りの角度変位を第２及び第３センサによって検出する装置が提案されている（特許文献１参照）。測定対象上の１次元回折格子からの０次反射光を受光する第１センサと、１次反射光を受光する第２センサとを備え、第１センサを用いて測定光の入射方向と直交する直交２軸のそれぞれの軸周りの角度変位を検出し、第２センサを用いて測定光の入射方向と平行な軸周りの角度変位を検出する変位計測装置も提案されている（特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００７－２１８８４２号公報

【文献】特開２０１６－１０９４５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述した変位計測装置は、直交３軸のそれぞれの軸周りの角度変位を検出することを目的として構成されており、軸方向の変位（以下、軸変位と呼ぶことがある。）を計測する仕組みを有しない。そこで、本発明は角度変位とともに軸変位をも計測することが可能な変位計測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】

【0005】

本発明の一態様に係る変位計測装置は、測定対象に設けられ、スポット状に絞られた反射部及び前記反射部に重ねて配置された１次元回折格子を有するミラーと、前記ミラーに対して前記反射部よりも広い照射範囲を有する測定光を前記反射部が前記照射範囲に含まれるようにして照射する照射手段と、前記反射部からの０次反射光を第１光束と第２光束とに分光する分光手段と、前記第１光束を受光し、受光位置に応じた信号を出力する第１センサと、前記第２光束を受光し、受光位置に応じた信号を出力する第２センサと、前記反射部からの１次反射光を受光し、受光位置に応じた信号を出力する第３センサと、前記ミラーに対する前記測定光の照射方向と直交する面内にて互いに直交する方向に第１軸及び第２軸を、前記第１軸及び前記第２軸の両者と直交する方向に第３軸をそれぞれ取ったと仮定したときに、前記第１センサが出力する信号に基づいて前記測定対象の前記第１軸及び前記第２軸のそれぞれの軸周りの角度変位を検出し、前記第２センサが出力する信号に基づいて前記測定対象の前記第１軸の方向及び前記第２軸の方向における軸変位を検出し、前記第３センサが出力する信号に基づいて前記測定対象の前記第３軸の周りの角度変位を検出する変位検出手段と、を備えたものである。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】本発明の一形態に係る変位計測装置の要部を示す図。

【図2】図１の変位計測装置に用いられるミラー及びその周囲の拡大図。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、図面を参照して本発明の一形態に係る変位計測装置を説明する。図１に示すように、一形態に係る変位計測装置１は、測定対象２に対して照射される第１測定光１０１の照射方向（入射方向）を基準として、その照射方向と直交する面内で互いに直交する方向に第１軸及び第２軸の一例としてのＸ軸及びＹ軸を、Ｘ軸及びＹ軸の両者に直交する方向に第３軸の一例としてのＺ軸を取ったときの各軸の方向に沿った測定対象２の軸変位δｘ、δｙ、δｚと、各軸周りの変位θｘ、θｙ、θｚを計測するように構成されている。測定対象２の表面２ａは、軸方向の変位及び軸周りの角度変位のいずれも生じていない初期状態にあるときにＸ軸及びＹ軸方向と平行でかつＺ軸方向と直交する。なお、図１においてＹ軸の方向は紙面と直交する方向である。以下では、Ｘ軸及びＹ軸と平行な仮想的な平面をＸ－Ｙ平面、Ｘ軸及びＺ軸と平行な仮想的な平面をＸ－Ｚ平面、といったように、各軸の方向に沿った平面を特定することがある。測定対象２は、一例としてカメラのオートフォーカス機構を駆動するアクチュエータである。ただし、測定対象２はこれに限らず、精密機器その他の製品、又はそれらの製品に実装される各種の物品が測定対象に選択されてよい。

【0008】

上述した変位の計測を可能とするため、変位計測装置１は、測定対象２の表面２ａに配置されるミラー３と、そのミラー３に対してＺ軸方向から第１測定光１０１を照射する照射手段の一例としての第１照射部１０と、Ｚ軸方向に対して斜めに傾いた方向からミラー３に対して第２測定光１０２を照射する側方照射手段の一例としての第２照射部２０とを備えている。第１測定光１０１は、Ｘ軸及びＹ軸に関する軸方向の軸変位δｘ、δｙ、並びにＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に関する軸周りの角度変位θｘ、θｙ、θｚを計測するために照射される。第２測定光１０２は、Ｚ軸方向の軸変位δｚを計測するために照射される。第２測定光１０２はＺ軸に対してＸ軸方向に傾けられている。つまり、第２測定光１０２はＸ－Ｚ平面に沿ってＺ軸から斜めに傾くようにしてミラー３に照射される。

【0009】

図２に詳しく示すように、ミラー３は、ミラー本体３Ａにマスク３Ｂを接着等によって固定したアッセンブリ部品として構成されている。マスク３Ｂは、その中央部を貫通するピンホール部３ｂを備えている。したがって、ミラー３に照射された測定光１０１、１０２はピンホール部３ｂの範囲に限って反射する。それにより、ピンホール部３ｂはスポット状に絞られた反射部を生じさせる手段の一例として機能する。反射部は、スポット状に絞られる限りにおいて、ピンホール部３ｂに限らず、例えば反射率を高めたマークその他の光学的手段によって形成されてよい。ミラー本体３Ａのマスク３Ｂが重ね合わされる上面には１次元回折格子（以下、回折格子と略称することがある。）３ｂが設けられている。回折格子３ａは、直線状の格子状パターン（例えば凹凸）が一定方向に繰り返し形成された周知の光学素子である。回折格子３ａの格子状パターンの並び方向は、一例としてＹ軸方向に設定されている。回折格子３ａとマスク３Ｂのピンホール部３ｂとは相互に重なり合い、回折格子３ａにおける格子状パターンのピッチはピンホール部３ｂの内径よりも十分に小さい。それによりピンホール部３ｂへの入射光は回折格子３ａの回折作用の影響を受ける。

【0010】

図１に戻って、第１照射部１０は、光源１１と、コリメートレンズ１２とを備えている。光源１１は一例としてレーザダイオードである。ただし、レーザダイオード以外の光源が用いられてもよい。光源１１はその光軸をＸ軸方向に向けた状態で配置されている。コリメートレンズ１２は、光源１１から射出される照明光を円形断面を有する平行光束に整形することにより第１測定光１０１を生じさせる。コリメートレンズ１２から出射した第１測定光１０１は第１ハーフミラー５にてＺ軸方向に反射してミラー３に導かれる。第１測定光１０１のビーム径はミラー３のピンホール部３ｂの内径よりも十分に大きい。したがって、ミラー３に対する第１測定光１０１の照射範囲はピンホール部３ｂよりも広い。測定対象２が初期状態にあるとき、第１測定光１０１の光軸ＡＸ１はピンホール部３ｂの中心線と一致する。換言すれば、ミラー３はそのピンホール部３ｂの中心線が初期状態において第１測定光１０１の光軸ＡＸ１と一致するように配置される。測定対象２に生じ得るＸ軸方向の軸変位δｘ、及びＹ軸方向の軸変位δｙの最大値を予想し、それらの最大値の変位が生じてもピンホール部３ｂが第１測定光１０１の照射範囲に含まれるように第１測定光１０１のビーム径を設定すれば、軸変位δｘ、δｙの大小に関わりなく、第１測定光１０１に対応する０次反射光１１０及び１次反射光１１１をピンホール部３ｂから出射させることができる。０次反射光１１０は、回折格子３ａによる回折の影響を受けることなくピンホール部３ｂにて正反射した反射光、１次反射光１１１は回折格子３ａによる回折の影響を受けて生じる反射光である。

【0011】

第２照射部２０は、光源２１と光学系２２とを備えている。光源２１は一例としてレーザダイオードである。ただし、レーザダイオード以外の光源が用いられてもよい。光源２１はその光軸ＡＸ２がＸ－Ｚ平面内でＺ軸方向に対して所定の傾斜角φだけ傾くようにして配置されている。傾斜角αは一例として４５°に設定される。光学系２２は、単一のレンズ又は複数のレンズの組み合わせによって構成され、光源２１から射出される第２測定光１０２を集光してピンホール部３ｂ内で結像させる。ピンホール部３ｂに導かれる第２測定光１０２のビーム径は、ピンホール部３ｂの内径に対して十分に小さく、したがって、測定対象２の各軸方向の軸変位δｘ、δｙ、δｚ及び角度変位θｘ、θｙ、θｚに関わりなく第２測定光１０２はピンホール部３ｂに入射する。それにより、ピンホール部３ｂからは第２測定光１０２に対応した反射光１２０が、第２測定光１０２に対してＺ軸を挟んで反対側に出射する。

【0012】

上述した反射光１１０、１１１、１２０を利用して軸変位δｘ、δｙ、δｚ及び角度変位θｘ、θｙ、θｚを検出するため、変位計測装置１には、さらに第２ハーフミラー３０、第１受光部４０、第２受光部５０、第３受光部６０、第４受光部７０及び処理部８０が設けられている。第２ハーフミラー３０は、ミラー３からの０次反射光１１０を、第２ハーフミラー３０を透過する第１光束１１０ａと、第２ハーフミラー３０にて反射して第１光束１１０ａと直交する方向に進む第２光束１１０ｂとに分光する。それにより、第２ハーフミラー３０は分光手段の一例として機能する。ただし、分光手段はハーフミラーに限らず、プリズム、ビームスプリッタといった分光作用を有する適宜の光学素子が分光手段として用いられてよい。

【0013】

第１受光部４０は、第１光束１１０ａを利用してＸ軸及びＹ軸のそれぞれの軸周りの角度変位θｘ、θｙを検出するために設けられた受光部である。第１受光部４０は、第１センサ４１と、光学系４２とを備えている。光学系４２は単一のレンズ又は複数のレンズの組み合わせによって構成され、第２ハーフミラー３０を透過した第１光束１１０ａを集光して第１センサ４１の受光面４１ａに結像させる。第１センサ４１は受光面４１ａにおける第１光束１１０ａの受光位置（結像位置）に応じた信号を出力する。第１センサ４１は、受光面４１ａが第１測定光１０１の光軸ＡＸ１の方向と直交し、かつ測定対象２が初期状態にあるときにその受光面４１ａの中央にて第１光束１１０ａを受光するように配置されている。

【0014】

第２受光部５０は、第２光束１１０ｂを利用してＸ軸及びＹ軸のそれぞれの軸方向の軸変位δｘ、δｙを検出するために設けられた受光部である。第２受光部５０は、第２センサ５１と、光学系５２と、ミラー５３とを備えている。光学系５２は単一のレンズ又は複数のレンズの組み合わせによって構成され、第２ハーフミラー３０にて反射した第２光束１１０ｂを集光する。ミラー５３は、光学系５２から出射した第２光束１１０ｂを第２センサ５１の受光面５１ａに向けて反射させる。光学系５２は、第２センサ５１の受光面５１ａにて第２光束１１０ｂが適度の広がりを有する像を形成するように設けられている。第２センサ５１は、受光面５１ａにおける第２光束１１０ａの受光位置に応じた信号を出力する。第２センサ５１は、測定対象２が初期状態にあるときにその受光面５１ａが第２光束１１０ｂの入射方向と直交し、かつその受光面５１ａの中央にて第２光束１１０ｂを受光するように配置されている。なお、第２センサ５１の受光面５１ａに対する第２光束１１０ｂの入射方向は第１測定光１０１の光軸ＡＸ１と平行に設定されている。ただし、その入射方向は光軸ＡＸ１に対して傾き、あるいは直交してもよい。すなわち、光学系５２から第２センサ５１に至る光路中にミラー、プリズム等の適宜の光学素子が配置されることにより、第２センサ５１の向きが図１に示した態様から適宜に変更されてよい。

【0015】

第３受光部６０は、ミラー３から射出する１次反射光１１１を利用してＺ軸の軸周りの角度変位θｚを検出するために設けられた受光部である。第３受光部６０は、第３センサ６１と、光学系６２とを備えている。光学系６２は単一のレンズ又は複数のレンズの組み合わせによって構成され、ミラー３から出射する１次反射光１１１を集光して第３センサ６１の受光面６１ａに結像させる。第３センサ６１は受光面６１ａにおける１次反射光１１１の受光位置（結像位置）に応じた信号を出力する。第３センサ６１は、測定対象２が初期状態にあるときにその受光面６１ａの中央にて１次反射光１１１を受光するように配置されている。

【0016】

第４受光部７０は、ミラー３から出射する反射光１２０を利用してＺ軸方向の軸変位δｚを検出するために設けられた受光部である。第４受光部７０は、第４センサ７１と光学系７２とを備えている。光学系７２は単一のレンズ又は複数のレンズの組み合わせによって構成され、第２測定光１０２の照射に対応してミラー３から出射する反射光１２０を集光して第４センサ７１の受光面７１ａに結像させる。第４センサ７１は受光面７１ａにおける反射光１２０の受光位置（結像位置）に応じた信号を出力する。第４センサ７１は、測定対象２が初期状態にあるときにその受光面７１ａの中央にて反射光１２０を受光するように配置されている。

【0017】

上述した受光部４０、５０、６０、７０に設けられるセンサ４１、５１、６１、７１には、受光面４１ａ、５１ａ、６１ａ、７１ａにおける受光位置に応じた信号を出力できる限り、各種の光電変換型のセンサが用いられてよいが、一例として、２次元ＰＳＤセンサを用いることができる。ＰＳＤセンサはフォトダイオードの表面抵抗を利用して受光位置に対応する信号を連続的に出力できる位置センサであって、微小な変位を高精度かつ高速で計測する用途に適している。ただし、本発明におけるセンサはＰＳＤセンサに限らない。ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサといった他の種類の光電変換型のセンサが用いられてもよい。

【0018】

処理部８０は、マイクロプロセッサとその動作に必要な内部メモリ等の周辺装置を組み合わせたコンピュータユニットとして構成されている。処理部８０は所定のコンピュータプログラムに従ってセンサ４１、５１、６１、７１の出力信号を処理することにより、３軸方向の軸変位δｘ、δｙ、δｚ及び角度変位θｘ、θｙ、θｚを検出する。つまり、処理部８０は変位検出手段の一例として機能する。各変位を検出するにあたって、処理部８０は、検出対象としての軸変位δｘ、δｙ、δｚ及び角度変位θｘ、θｙ、θｚに応じてセンサ４１、５１、６１、７１の出力信号を使い分ける。以下、順に説明する。

【0019】

（１）Ｘ軸及びＹ軸の軸周りの角度変位θｘ、θｙ
角度変位θｘ、θｙは、第１センサ４１が出力する信号に基づいて検出される。測定対象２に角度変位θｘ、θｙの少なくともいずれか一方が生じると、ミラー３からの０次反射光１１０の反射方向が光軸ＡＸ１からずれ、そのずれの方向及び量に応じて第１センサ４１の受光面４１ａにおける第１光束１１０ａの受光位置が変化する。処理部８０は、例えば測定対象２が初期状態にあるときの第１センサ４１における受光位置を基準として、その受光位置の変化の方向及び量を判別し、得られた値をミラー３と第１センサ４１との間の幾何学的関係に従って角度変位θｘ、θｙにそれぞれ換算することにより、角度変位θｘ、θｙを検出する。

【0020】

（２）Ｘ軸方向及びＹ軸方向の軸変位δｘ、δｙ
軸変位δｘ、δｙは第２センサ５１が出力する信号に基づいて検出される。変位計測装置１においては、ミラー３に照射される第１測定光１０１の照射範囲がピンホール部３ｂよりも広く設定されているので、軸変位δｘ、δｙが生じてもピンホール部３ｂが射範囲内に維持される一方で、その照射範囲内における０次反射光１１０の反射位置（出射位置）が軸変位δｘ、δｙに応じて変化することになる。そして、反射位置が変化すれば、第２センサ５１の受光面５１ａにおける第２光束１１０ｂの受光位置も変化する。つまり、第２センサ５１の受光面５１ａ上では、軸変位δｘ、δｙが受光位置に置き換えられる。処理部８０は、例えば測定対象２が初期状態にあるときの第２センサ５１における受光位置を基準として、その受光位置の変化の方向及び量を判別し、得られた値をミラー３と第２センサ５１との間の幾何学的関係に従って軸変位δｘ、δｙにそれぞれ換算することにより、軸変位δｘ、δｙを検出する。

【0021】

（３）Ｚ軸の周りの角度変位θｚ
角度変位θｚは、第３センサ６１が出力する信号に基づいて検出される。測定対象２に角度変位θｚが生じると、ミラー３からの１次反射光１１１の反射方向が光軸ＡＸ１を中心として回転するように変化し、その回転の方向及び量（角度）に応じて第３センサ６１の受光面６１ａにおける１次反射光１１１の受光位置が変化する。処理部８０は、例えば測定対象２が初期状態にあるときの第３センサ６１における受光位置を基準として、その受光位置の変化の方向及び量を判別し、得られた値をミラー３と第３センサ６１との間の幾何学的関係に従って角度変位θｚに換算することにより角度変位θｚを検出する。

【0022】

（４）Ｚ軸方向の軸変位δｚ
軸変位δｚは、第４センサ７１が出力する信号に基づいて検出される。測定対象２に軸変位δｚが生じると、第２測定光１０２に対するミラー３のピンホール部３ｂにおける反射光１２０の反射位置がＺ軸方向に変化し、その変化の方向及び量に応じて第４センサ７１の受光面７１ａにおける反射光１２０の受光位置が変化する。処理部８０は、例えば測定対象２が初期状態にあるときの第４センサ７１における受光位置を基準として、その受光位置の変化の方向及び量を判別し、得られた値をミラー３と第４センサ７１との間の幾何学的関係に従って軸変位δｚに換算することにより軸変位δｚを検出する。

【0023】

処理部８０は、以上のようにして検出した軸変位δｘ、δｙ、δｚ及び角度変位θｘ、θｙ、θｚを例えば不図示のモニタに表示し、所定の記憶媒体に記録し、あるいは印刷するといった手段を介して変位計測装置１のオペレータが取得可能な態様で検出結果を出力する。なお、上記では、検出対象の軸変位又は角度変位ごとに区別して処理部８０の処理を説明したが、測定対象２に複合的な変位、すなわち、２以上のセンサのそれぞれの出力信号に基づいて検出されるべき複数種類の変位が生じることにより、各センサの受光位置が複数種類の変位の影響を受ける場合には、各変位とセンサの受光位置との間に生じる幾何学的関係を利用して、検出対象以外の変位の影響が除外されるように、各センサの出力信号に従って換算された軸変位又は角度変位を補正すればよい。

【0024】

変位計測装置１は、各部１０～８０を収容するハウジング６をさらに備えている。ハウジング６の下面側（測定対象２と対向する側）には、第１測定光１０１、第２測定光１０２、０次反射光１１０、１次反射光１１１及び反射光１２０を通過させる窓部７が適宜に設けられる。ただし、ハウジング６は変位計測装置１に必ずしも設けることを要しない。

【0025】

以上の形態においては、Ｚ軸方向の軸変位δｚを計測するために第２照射部２０及び第４受光部７０が設けられているが、軸偏位δｚの計測を要しない場合には第２照射部２０及び第４受光部７０が省略されてもよい。

【0026】

上記の形態では、第２ハーフミラー３０を透過した光を第１光束１１０ａを第１受光部４０に、第２ハーフミラー３０で反射した第２光束１１０ｂを第２受光部６０にそれぞれ導いたが、第２ハーフミラー３０に対して受光部４０、５０を入れ替えることにより、第２ハーフミラー３０を透過した光束を第２光束として第２センサ５１に入射させ、第２ハーフミラー３０で反射した第１光束として第１センサ４１に入射させてもよい。また、第１照射部１０及び受光部４０、５０は、ハーフミラー５、３０との関係で適宜に入れ替えて配置されてもよい。例えば、第１照射部１０を光軸ＡＸ１の延長上に配置することにより、第１測定光１０１が、ハーフミラー３０、５を順次通過してミラー３に導かれるものとしてもよい。その場合、ハーフミラー５、３０にて０次反射光１１０を第１光束及び第２光束に順次分光してセンサ４１、５１に導くようにしてもよい。あるいは、第１ハーフミラー５にて０次反射光１１０を反射させ、その後の光路内に第２ハーフミラー３０を配置して０次反射光１１０を第１光束及び第２光束に分光し、それらの光束を第１センサ４１、第２センサ５１に区別して導くようにしてもよい。

【0027】

上述した実施の形態及び変形例のそれぞれから導き出される本発明の各種の態様を以下に記載する。なお、以下の説明では、本発明の各態様の理解を容易にするために添付図面に図示された対応する構成要素を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。

【0028】

本発明の一態様に係る変位計測装置（１）は、測定対象（２）に設けられ、スポット状に絞られた反射部（３ｂ）及び前記反射部に重ねて配置された１次元回折格子（３ａ）を有するミラー（３）と、前記ミラーに対して前記反射部よりも広い照射範囲を有する測定光（１０１）を前記反射部が前記照射範囲に含まれるようにして照射する照射手段（１０）と、前記反射部からの０次反射光（１１０）を第１光束（１１０ａ）と第２光束（１１０ｂ）とに分光する分光手段（３０）と、前記第１光束を受光し、受光位置に応じた信号を出力する第１センサ（４１）と、前記第２光束を受光し、受光位置に応じた信号を出力する第２センサ（５１）と、前記反射部からの１次反射光（１１１）を受光し、受光位置に応じた信号を出力する第３センサ（６１）と、前記ミラーに対する前記測定光の照射方向と直交する面内にて互いに直交する方向に第１軸（例えばＸ軸）及び第２軸（例えばＹ軸）を、前記第１軸及び前記第２軸の両者と直交する方向に第３軸（例えばＺ軸）をそれぞれ取ったと仮定したときに、前記第１センサが出力する信号に基づいて前記測定対象の前記第１軸及び前記第２軸のそれぞれの軸周りの角度変位（θｘ、θｙ）を検出し、前記第２センサが出力する信号に基づいて前記測定対象の前記第１軸の方向及び前記第２軸の方向における軸変位（δｘ、δｙ）を検出し、前記第３センサが出力する信号に基づいて前記測定対象の前記第３軸の周りの角度変位（θｚ）を検出する変位検出手段（８０）と、を備えたものである。

【0029】

上記の態様によれば、回折格子による回折の影響を受けることなくミラーの反射部で反射した０次反射光が分光手段により第１光束及び第２光束に分光され、それらの光束が第１センサ及び第２センサに区別して受光される。測定対象に第１軸及び第２軸の少なくともいずれか一方の周りの角度変位が生じた場合、ミラーの反射部における０次反射光の反射方向が変化し、それに伴なって第１センサにおける受光位置が変化する。したがって、第１センサの受光位置に基づいて第１軸及び第２軸の軸周りの角度変位を検出することができる。ミラーの反射部がスポット状に絞られ、その反射部と比較してミラーに照射される測定光の照射範囲が広く設定されているため、ミラー上における０次反射光の反射位置は、測定対象の第１軸及び第２軸の方向における軸変位に応じて第１軸及び第２軸のそれぞれと平行な面内で適宜に変化することになる。そして、その変化は第２センサにおける受光位置の変化として現れる。したがって、第２センサの受光位置に基づいて第１軸及び第２軸の軸変位を検出することができる。さらに、回折格子の回折の影響を受ける１次反射光については、回折格子の格子状パターンが並ぶ方向に従って第３軸に対し斜めに偏った方向に反射する。したがって、測定対象に第３軸の軸周りの角度変位が生じた場合、その角度変位に応じて第３センサにおける受光位置が変化する。そのため、第３センサの受光位置に基づいて第３軸の周りの角度変位を検出することができる。

【0030】

上記態様において、変位計測装置は、前記第３軸に対して斜めに傾いた方向から前記ミラーの前記反射部に側方測定光（１０２）を照射する側方照射手段（２０）と、前記反射部からの前記側方測定光に対する反射光（１２０）を受光し、受光位置に応じた信号を出力する第４センサ（７１）とをさらに備え、前記変位検出手段は、前記第４センサが出力する信号に基づいて前記測定対象の前記第３軸の方向における軸変位（δｚ）をさらに検出してもよい。この態様によれば、さらに第３軸の方向における軸変位をも併せて検出することができる。

【符号の説明】

【0031】

１ 変位計測装置
２ 測定対象
３ ミラー
３ａ １次元回折格子
３ｂ ピンホール部（反射部）
１０ 第１照射部（照射手段）
２０ 第２照射部（側方照射手段）
３０ 第２ハーフミラー（分光手段）
４１ 第１センサ
５１ 第２センサ
６１ 第３センサ
７１ 第４センサ
８０ 処理部（変位検出手段）
１０１ 第１測定光（測定光）
１０２ 第２測定光（側方測定光）
１１０ ０次反射光
１１０ａ 第１光束
１１０ｂ 第２光束
１１１ １次反射光
１２０ 側方測定光に対する反射光

【図1】

【図2】