超精密ステージ姿勢制御のための光学式マイクロ3軸角度センサに関する研究

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本研究は,各種工作機械や検査装置等に利用されているスライド機構や回転機構の運動に伴って生じる3軸回りの微小な角度変化(姿勢の変化)を高感度かつ一括にダイナミック計測可能であり,各種装置に組み込み可能な光学式3軸角度センサの開発を目的としている.前回製作した3軸角度センサは1Hz周期の微小角度検出による分解能評価において,ローリング(Δθ_X)は約±0.1秒(測定範囲±200秒),ピッチング(Δθ_Y),ヨーイング(Δθ_Z)は±0.02秒(測定範囲±20秒)の角度まで検出可能であった.今年度は特にローリングセンサ感度を向上し,±0.01秒の微小角度の検出が可能な新たな3軸角度センサの製作並びに評価を目標に研究を実施した.ローリングセンサ感度の向上のために,測定ターゲットである回折格子の格子ピッチサイズに関して,目標分解能と評価装置への組み込みとの兼ね合いを考慮し検討を行った.また,角度検出方法に関して,0次光の光スポット変移量からピッチング,ヨーイングを,1次光の変位量からピッチング成分を減算する事でローリングをそれぞれ検出する事で,角度検出用のユニットを削減し,センサの省スペース化を行った.さらに,1次光の光路中にアフォーカル光学系を配置し,角度変位量が拡大するようにビーム径の調整を行った.これらにより,今回製作した3軸角度センサのローリングセンサ感度は前回製作した3軸角度センサに比べ,約5倍程度向上した.このセンサに対して前回と同様の方法で分解能を評価したところ3軸ともに±0.01秒の微小角度変化に応じた出力を確認した.また,校正曲線中の残差の値は参照用に用いたオートコリメータの測定精度の影響等を受けるため,それぞれΔθ_X:±0.5秒/±150秒,Δθ_Y:±0.7秒/±50秒,Δθ_Z:±0.5秒/±50秒と評価され,これはオートコリメータの精度と同程度である.また,製作したセンササイズは86mm×86mm×47mm(W×D×H)である