Sensitivity improvement for five-degree-of-freedom fine motions based on optical lever and cylindrically-shaped target

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K03832
• Research Institution: Shizuoka University
• Principal Investigator: 大岩 孝彰 静岡大学, 工学部, 教授 (00223727)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 精密機械システム / ５自由度微小運動計測 / レーザ光 / 光てこ / アッベ誤差

Outline of Annual Research Achievements

加工機や計測機に用いられる直交座標形メカニズムの直線運動機構では一般に位置決め方向のみのフィードバック制御しか行われず，機構の運動の真直度誤差や姿勢誤差に起因するアッベ誤差が発生し，空間的位置決め精度向上が困難であった．本研究の最終目標は，直線運動機構の位置決め方向を除く５方向の微小な運動誤差（上下・左右の運動の真直度誤差および３軸回りの姿勢誤差）をインプロセスで非接触に計測し，アッベ誤差の補正に用いることである．本研究計画ではレーザ光を凸面形状を持つターゲットミラーに照射した際の反射光の変位を位置センサで計測することにより上記多自由度微小運動計測を行う．
令和３年度は，まず光線が円筒状のミラーで反射した際の光の軌跡を幾何光学的に求め，入射角や光源および受光素子の設置位置等に関するパラメータの最適化を行った．結果，ターゲットの変位が光の入射方向にある場合は感度が拡大されないこと，２組の光軸を90°となるように配置することにより並進二方向の計測感度が等方化できることを見出した．さらに，円筒ミラーと光源・二分割フォトダイオードを２組用いてｙおよびｚ方向並進２方向の微小変位計測実験を行った．結果，±12μｍの測定範囲内でｙおよびｚ方向の微小変位計測が可能なことを確認した．測定誤差はｙ方向で4.4μｍおよびｚ方向に3.0μｍ程度であった．
令和４年度は，フォトディテクタに入射するレーザ光強度や線幅の変化の影響を排除するため，前年度までの線状レーザ光源および二分割フォトダイオードに変えて，スポットレーザ光およびフォトダイオードの表面抵抗を利用した非分割型の受光素子である二次元PSDを採用した．yおよびz方向の２次元の変位計測実験を行った結果，±20μmの測定範囲内で非線形誤差は１μmp-p以下となり，変位計測精度が飛躍的に向上した．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

現在までの計測実験において，凸面ターゲットミラーで反射した光の変位を計測する際に，光強度や線幅の変化の影響を受けることが判明した．令和４年度では，レーザ光の変位計測のためのフォトディテクタを二分割フォトダイオードから　PSDへ変更することにより，レーザ光強度の影響等を排除し，計測精度を向上させることができた．

Strategy for Future Research Activity

本計測手法では，フォトディテクタ上のレーザスポットの位置安定性が重要となるが，市販の半導体レーザでは内部の温度上昇により，射出角度には10μrad程度の変動が予測される．R5年度はこの射出角度をインプロセスで計測し，補正することにより，さらに変位計測精度の向上を目指す．さらに多自由度計測化を検討し，最終的には５自由度計測を目指す．