JP2001324354A - 光学スケールを用いた寸法測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光学スケールを用いた寸法測定装置におい
て、測定の分解能、測定精度と測定信頼性を向上させる
こと。 【解決手段】 光学スケールを透過して検出された２相
信号を離散化処理し、離散化信号の強度変化率の大きい
領域の信号強度だけを選択的に検出して離散化データを
作成する。強度変化率の大きい離散化データに対して、
移動開始位置と停止位置の近傍で検出された格子１ピッ
チを移動するときの離散化データと格子１ピッチ以下を
移動するときの離散化データの信号強度と信号個数を比
較し、離散化された信号個数の比例演算から格子１ピッ
チ以下の移動距離を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学スケール（格
子）の移動を光学的手段で検出して寸法を測定する寸法
測定装置の信号処理系の構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】精密部材などの生産ラインでは、加工ヘ
ッドの移動距離や、被加工物の寸法などを、インライン
で非接触に測定するニーズが強い。そのための簡易的な
寸法測定器として、２値（白黒）の光透過分布が一定の
ピッチで周期的に繰り返される微細な格子が多数形成さ
れた光学スケールを触針に取り付け、触針の移動に伴っ
て変化する光強度を検出して信号処理するものが多く用
いられている。

【０００３】図４（ａ）に光学スケールを用いた従来の
寸法測定装置の構成例を示す。白色ランプや発光ダイオ
ード（ＬＥＤ）、半導体レーザ（ＬＤ）などの光源４０
から放射された光はコリメート用レンズ４０５を介し、
光学スケール４００を照明する。光学スケール４００
は、移動格子４１と固定格子４２Ａ、４２Ｂの３個の格
子から構成される。移動格子４１は触針（図示せず）に
取り付けられ、触針の動きに伴って矢印で示すＡ、Ｂ方
向に移動する。固定格子４２Ａ、４２Ｂは移動格子４１
の後方の特定の位置に固定して設置される。

【０００４】移動格子４１、固定格子４２Ａ、４２Ｂの
各々の格子は２値の光透過分布の同一形状の矩形パター
ンからなり、各々の格子は共に格子１ピッチ長がａで、
白パターンと黒パターンの幅がそれぞれａ／２である。
固定格子４２Ａと４２Ｂは互いの格子位置を格子１ピッ
チ長の１／４ピッチだけシフトさせて配置し、固定格子
４２Ａ、４２Ｂの後方に２個の受光器４３Ａ、４３Ｂを
設置する。受光器４３ＡはＡ相信号４３０を出力し、受
光器４３ＢはＢ相信号４３５を出力する。Ａ相信号４３
０とＢ相信号４３５（以下に２相信号と称す）は共に移
動格子４１の移動に応じて透過光強度が正弦波状に変化
する信号で、時間的に連続したアナログ信号である。固
定格子４２Ａと４２Ｂの格子位置がａ／４だけシフトし
ているため、Ａ相信号４３０とＢ相信号４３５の位相は
π／２異なる。このアナログ２相信号を信号処理して寸
法を測定する。

【０００５】図４（ｂ）に２相信号の波形例を示して信
号処理を説明する。Ａ相信号５１とＢ相信号５２は共に
移動格子４１が格子１ピッチの距離を移動すると正弦波
が１周期変化する信号である。図はＡ相信号５１の位相
がＢ相信号５２の位相よりもπ／２進んでいる例であ
る。位置５３で触針が移動を開始し、位置５４で停止し
た場合を例にとる。位置５３から位置５４までの移動距
離が測定する寸法で、格子１ピッチ長の整数倍の移動距
離と格子１ピッチ長以下の移動距離の両方を検出する必
要がある。

【０００６】図４（ａ）の正弦波個数カウント部４４
は、正弦波の１周期で１個の信号個数をカウントして、
移動格子４１の移動個数（整数）を計数すると共に、移
動格子４１の移動方向を判定する。例えばＡ相信号５１
の振幅の半値強度位置（５５、５６、５７など）をカウ
ント動作のトリガー位置とし、正弦波の１周期毎に１個
の移動個数をカウントする。移動個数のカウントは、移
動格子４１の移動方向に応じて行うことが必要で、２相
信号間の位相の進みと遅れから移動方向を判定する。例
えば、Ａ相信号５１の位相が進んでいる場合は、カウン
ト値を増加させるアップカウントを行う。Ｂ相信号５２
の位相が進んでいる場合は、カウント値を減少させるダ
ウンカウントを行う。

【０００７】格子１ピッチ以下の移動距離（端数移動距
離）は、移動開始位置５３と次の基準位置５５の間の距
離Ｌａ、及び停止位置５４とその直前の基準位置５７と
の間の距離Ｌｂである。距離Ｌａ、Ｌｂの検出精度で寸
法の測定分解能や測定精度が決まるため、正弦波信号の
１周期をいかに細かく分割して格子の停止位置を検出す
るかが重要である。そこで、位置５３と５４の正弦波の
位置に対応する正弦波の位相を正弦波強度から検出す
る。例えば、格子１ピッチ長ａが１０μｍの場合に０．
１μｍという分解能を得るには、格子１ピッチ間を１０
０分割以上までに分割して位相を検出する必要がある。

【０００８】位相象限判定部４５は、停止位置５３と５
４での２相信号５１と５２の強度から正弦波の位相象限
（１〜４）を決定する。正弦波は同じ強度値に対して異
なる二つの位置があるため、それを区別するために位相
象限を検出する。位置５３では、Ａ相信号５１の位相は
第２象限（π／２〜π）、Ｂ相信号５２の位相は第３象
限（π〜３／２π）と判定する。位相検出部４６は、Ａ
相信号５１とＢ相信号５２の振幅を共に±１の大きさに
規格化し、規格化強度（Ｖａ、Ｖｂ）から格子停止位置
５３、５４の位相を、例えば、ａｒｃｔａｎ（Ｖａ／Ｖ
ｂ）の式から検出する。このとき、三角関数のｔａｎ
値、あるいはｓｉｎ値、ｃｏｓ値などが記憶された三角
関数テーブル４７を予め用意しておき、三角関数テーブ
ル値を参照して位相を決定する。

【０００９】例えば、停止位置５４で検出された位相が
φであれば、格子１ピッチ以下の距離Ｌｂ＝ａφ／（２
π）である。距離Ｌａの場合も同様である。したがっ
て、寸法測定の分解能は位相検出の分解能で決定され
る。格子１ピッチ長ａを１００分割して検出する場合、
位相は３度以内の誤差で検出する必要がある。寸法算出
部４８は正弦波個数カウント部４４で検出された格子１
ピッチの整数倍の移動距離と、位相検出部４６で検出さ
れた格子１ピッチ以下の移動距離の和から寸法を算出す
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来の寸法測定装置の
信号処理系における格子１ピッチ長以下の移動距離の検
出では、位相がπ／２異なる２相正弦波信号の強度を位
相に変換し、その位相から格子位置を検出していた。寸
法測定の分解能を高めるために、格子停止位置のＡ相信
号の強度ＶａとＢ相信号の強度Ｖｂを共に高精度に検出
する必要がある。位相検出ではａｒｃｔａｎ（Ｖａ／Ｖ
ｂ）を演算するが、正弦波の強度が最大値と最小値に近
い領域では、強度変化がブロード（位相の変化に対して
強度の変化が小さい）なため、強度ＶａあるいはＶｂの
検出誤差が生じて位相検出誤差が大きくなり、寸法測定
精度が低下するという問題がある。

【００１１】また、２相信号の強度から位相を検出する
とき、２相信号の振幅を正確に一致させる必要がある。
そのため、受光部で光強度を光電変換する際のゲインの
精密な調整や、２相信号の強度を数値演算処理などで規
格化する必要がある。また、ａｒｃｔａｎの値を位相に
変換するとき、三角関数テーブル値を参照したり、三角
関数の級数展開式を計算して位相を算出する必要があっ
た。そのため、ハードウエアーやソフトウエアーが複雑
になるという問題がある。

【００１２】さらには、ａｒｃｔａｎ（Ｖａ／Ｖｂ）か
ら位相を算出するとき、Ａ相信号とＢ相信号は共に正確
に正弦波の形状をしていることが重要である。検出され
る２相信号の形状は、移動格子と固定格子の間隔に応じ
て変化するため、移動格子と固定格子の間の距離を特定
の距離に精密に設定する必要がある。しかし、格子１ピ
ッチ長が短くなるほど、間隔の設定クリアランスが厳し
くなり、格子を設定するときの調整が複雑になる。ま
た、移動格子が移動するとき、移動格子と固定格子の間
隔が変化して、検出した２相信号が非正弦波状に変調さ
れる場合もある。このように、２相信号の形状が非正弦
波状になった場合は格子位置（強度）と位相が対応しな
くなり、寸法測定に誤差が生じるという問題も生じる。

【００１３】正弦波信号の強度を三角関数テーブルを参
照して位相に変換することで格子位置を検出する従来法
の諸課題を解決するため、本発明による格子１ピッチ以
下の端数距離の検出においては、２相のアナログ信号を
時間的に離散化されたデジタル２相信号に変換すると共
に、離散化２相信号の強度変化率が大きい領域だけを選
択的に交互に検出し、特定の移動期間毎に検出された強
度変化率の大きい領域での離散化信号の強度と信号位置
（番号）を対応ずけて検出し、その信号強度や信号個数
を比較して格子１ピッチ以下の移動距離を高精度に検出
し、寸法測定の分解能と測定精度を向上させることを目
的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明のうち請求項１に記載の光学スケールを用
いた寸法測定装置は、触針と共に移動する所定の光透過
分布と格子ピッチを有する移動格子と該移動格子と同一
の光透過分布と格子ピッチを有して相互の格子位置を前
記格子１ピッチのほぼ１／４の距離シフトさせて平行に
配置した２個の固定格子からなる光学スケールと、該光
学スケールを照明する光源と、前記光学スケールを透過
した透過光強度を検出して位相がほぼ１／４ピッチシフ
トした２相信号を出力する２個の受光器などから構成さ
れる光学系と、前記２相信号を信号処理して寸法を算出
する信号処理系を備えた寸法測定装置において、前記信
号処理系は、前記２相信号から前記移動格子の移動方向
を判定して前記格子１ピッチ長の整数倍の移動距離を検
出する整数ピッチ距離検出部と、前記２相信号を時間的
に離散化された離散化２相信号に変換して該離散化２相
信号から前記格子１ピッチ長以下の移動距離を検出する
端数ピッチ距離検出部と、前記整数ピッチ距離検出部と
前記端数ピッチ距離検出部で検出された前記移動格子の
移動距離の和から寸法を算出する寸法算出部を備えるよ
うに構成される。

【００１５】また、請求項２に記載の発明は、請求項１
に記載の光学スケールを用いた寸法測定装置に関わり、
前記端数ピッチ距離検出部は、前記２相信号を一定周期
でサンプリングして離散化された２相信号を作成する離
散化２相信号作成部と、前記離散化２相信号の特定の移
動期間毎に前記離散化２相信号の強度変化率の大きい領
域の信号強度を交互に検出してその検出順に番号付けて
離散化データとして記憶する離散化データ記憶部と、前
記離散化データの中の前記移動格子の移動開始位置と移
動停止位置の二つの位置の近傍の前記格子１ピッチ以下
の移動期間で検出した前記離散化データを第１の離散化
データとする第１の離散化データ検出部と、前記離散化
データの中の前記第１の離散化データの直後と直前の各
々について前記格子１ピッチの移動期間で検出した前記
離散化データを第２の離散化データとする第２の離散化
データ検出部と、前記第１の離散化データの特定の第１
の信号番号での信号強度に対応する前記第２の離散化デ
ータの強度が得られるときの前記第２の離散化データの
第２の信号番号を検出して前記第１の信号番号と前記第
２の信号番号の関係を比較する離散化データ比較部と、
該離散化データ比較部での比較結果に基づいて少なくと
も前記第１の離散化データと前記第２の離散化データに
含まれる信号個数の関係を演算して前記移動格子の移動
開始前と移動停止後の格子停止位置を検出して前記格子
１ピッチ以下の移動距離を算出する格子停止位置検出部
を備えるように構成される。

【００１６】また、請求項３に記載の発明は、請求項２
に記載の光学スケールを用いた寸法測定装置に関わり、
前記離散化２相信号作成部は、前記離散化された２相信
号に強度変化が生じる期間内だけ動作させるように構成
される。

【００１７】また、請求項４に記載の発明は、請求項２
に記載の光学スケールを用いた寸法測定装置に関わり、
前記離散化データ記憶部は、前記離散化２相信号の最小
強度と最大強度の各々の近傍にそれぞれのスライス強度
を設け、前記離散化２相信号の一方の信号側の強度が前
記スライス強度レベルより大きくなったときと小さくな
ったときは、前記離散化２相信号の他方の信号側の強度
変化率の大きい領域を検出するように、前記二つのスラ
イス強度範囲内にある離散化２相信号の強度を特定の期
間毎に交互に選択して検出し、前記検出された離散化強
度を検出した順に番号付けて記憶するように構成され
る。

【００１８】また、請求項５に記載の発明は、請求項４
に記載の光学スケールを用いた寸法測定装置に関わり、
前記離散化データ記憶部は、前記離散化２相信号に対す
る前記二つのスライス強度の範囲内にある１周期の期間
を４つの期間に分割したときの象限と対応付けて前記離
散化データの強度を前記のサンプリング順に記憶するよ
うに構成される。

【００１９】また、請求項６に記載の発明は、請求項２
に記載の光学スケールを用いた寸法測定装置に関わり、
前記格子停止位置検出部は、前記離散化データ比較部で
比較した信号番号が実質的に一致すると判定した場合
は、前記第１の離散化データの信号個数と前記第２の離
散化データの信号個数との比例演算を行って前記格子１
ピッチ以下の移動距離を検出するように構成される。

【００２０】また、請求項７に記載の発明は、請求項２
に記載の光学スケールを用いた寸法測定装置に関わり、
前記格子停止位置検出部は、前記離散化データ比較部で
比較した信号番号が実質的に一致しないと判定した場合
は、前記第２の信号番号と前記第１の離散化データの信
号個数と前記第２の離散化データの信号個数との間で比
例演算を行い、前記第１の離散化デ−タが得られたとき
に前記格子１ピッチの距離を移動すると仮定したときに
得られると予想される仮想信号個数を検出し、前記第１
の離散化データの信号個数と前記仮想信号個数との比例
演算を行って前記格子１ピッチ以下の移動距離を検出す
るように構成される。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明による寸法測定装置の信号
処理系は、移動格子の格子１ピッチ長以下の移動距離を
高分解能に検出する構成に関する。高分解能化を実現す
るために本発明は、アナログ信号として得られる２相信
号をＡ／Ｄ変換器などで一定のサンプリング周期で離散
化し、デジタル化された離散化２相信号に変換する。以
上の２種類の２相信号において、アナログ２相信号から
は従来例と同様に移動格子の移動方向を判定して格子１
ピッチの整数倍の移動個数をカウントし、格子１ピッチ
の整数倍の移動距離を検出する。離散化２相信号からは
格子１ピッチ以下の端数の移動距離を検出する。以上で
検出された移動格子の整数倍の移動距離と端数の移動距
離の和から寸法を測定する。

【００２２】離散化２相信号に対しては、特定の移動期
間毎に、信号強度の変化率が大きい領域の強度を交互に
選択的に検出し、その強度を検出順に番号付けて離散化
データとして記憶する。光学スケールの格子１ピッチ長
とサンプリング周期が一定であるため、移動格子が格子
１ピッチの距離を移動するときに検出された離散化信号
の信号個数が、その移動速度で移動中という条件下にお
いての格子１ピッチ長に対応する。すなわち、離散化２
相信号の１周期に含まれる離散化データの信号個数が格
子１ピッチの長さ基準となる。

【００２３】格子１ピッチ内の各位置は、離散化データ
の強度とその強度が得られる信号番号で決定される。そ
こで、本発明は移動格子が１周期の期間を移動したとき
に検出された離散化データの強度と信号個数の組み合わ
せデータを格子１ピッチ内の位置の検出基準とする。格
子の移動開始位置と移動停止位置の近傍の格子１ピッチ
以下の移動期間で検出した離散化データと、その特定の
移動期間の直後と直前の各々の格子１ピッチの移動期間
で検出した離散化データとを比較する。この場合、上記
２種類の離散化データの強度と共に信号番号も併せて比
較し、格子１ピッチ以下の移動距離を検出する。以上の
離散化データにおいて、離散化２相信号の強度変化率が
大きい領域の強度だけを検出対象にすることで、移動格
子の格子１ピッチ以下のわずかな距離の移動でも強度変
化が感度よく検出でき、それが信号個数の変化として検
出される。

【００２４】２相信号の位相が１周期の１／４ピッチ
（π／２）ほどシフトしている場合、一方の信号の強度
が最大強度と最小強度の付近にあれば、他方の信号の強
度は強度変化率が大きい中間強度領域にある。そこで、
離散化２相信号の最大強度と最小強度の付近の強度変化
率が小さい領域は検出対象とせず、中間領域の強度変化
率が大きい領域だけを検出対象にする。そのために、２
相信号の一方の側の信号強度が最大強度、あるいは最小
強度に近い場合には他方の側の強度の変化率が大きい領
域を検出するように、２相信号の強度を交互に選択検出
する。このようにして、特定の移動期間毎に離散化２相
信号の強度をサンプリング順に番号付けて検出し、信号
強度と信号個数を離散化データとしてメモリー回路に記
憶する。

【００２５】サンプリング検出では、２相信号の強度に
変化があるときだけ検出し、移動格子が停止して強度変
化がないときは検出しない。本実施例は、設定したスラ
イス強度に対する２相信号の強度の大小を判定し、強度
がほぼ直線的に変化する側の信号を選択し、その信号強
度を検出する。移動格子の移動に応じて２相信号のほぼ
１／４周期毎に上記の直線領域の信号が交互に選択され
るため、各周期でＡ相信号とＢ相信号が２回づつ選択さ
れる。検出された離散化信号はその１周期を〜の４
つの信号象限に分割して記憶する。

【００２６】移動格子が移動を開始して停止するまでの
移動期間で検出した離散化データに対して、以下の２種
類の離散化データを抽出する。第１の離散化データは、
移動格子が移動を開始した位置と停止した位置の各々に
ついて、格子１ピッチ以下の距離を移動した期間で得ら
れる離散化データである。第２の離散化データは、第１
の離散化データが得られる直後の１周期と直前の１周期
の期間を移動したときに検出される離散化データであ
る。そのため、通常に移動している期間では、２相信号
の１周期が得られる毎に記憶するデータを順次更新し、
隣合った２周期分のデータを順次記憶しておく。

【００２７】第１の離散化データと第２の離散化データ
の比較では、第１の離散化データの特定の信号番号での
強度と、その強度が得られるときの第２の離散化データ
の信号番号を比較する。このとき、同じ信号象限同士の
離散化強度を比較する。例えば移動格子が移動後に停止
する場合は、第１の離散化データの最後の信号番号での
離散化強度と同じ離散化強度が得られる第２の離散化デ
ータの信号番号を検出し、二つの信号番号を比較する。
比較した二つの信号番号が同じであれば、移動格子の移
動速度は一定であると判断して、第１の離散化データの
信号個数と第２の離散化データの信号個数を比例演算し
て、格子停止位置での格子１ピッチ以下の移動距離を算
出する。

【００２８】同じく、移動格子が移動を停止した位置
で、第１の離散化データの最後の信号番号での離散化強
度と同じ離散化強度が得られる第２の離散化データの信
号番号とが異なる場合は、移動格子の移動速度が変化し
たと判断する。この場合は、前述のような二つの信号個
数の単純な比例関係では格子停止位置が決定できない。
そこで、隣り合った２つの移動期間では信号強度や移動
格子の移動速度が不連続で非線形に変化せず、線形に変
化すると仮定する。この場合は、第１の離散化データが
得られたときの移動速度で格子１ピッチの期間を移動す
ると仮定したときに得られる信号個数を推定し、第１の
離散化データの信号個数と推定した信号個数との比から
格子１ピッチ以下の移動距離を検出する。

【００２９】本発明による離散化２相信号の信号処理系
は、２相信号の信号形状が正弦波から変調されて信号強
度が非線形に変化したり、移動期間中に信号強度が変動
する場合にも有効な方法である。従来の寸法測定装置の
信号処理系のように、三角関数表のような参照テーブル
を用いて強度を位置に変換する方法では、信号形状が変
化したときは予め準備した参照テーブルが無効になる。
本発明は信号強度と格子位置の関係を予め定めた参照テ
ーブルを用いることなく、測定器が計測する離散化２相
信号の信号個数と信号強度の組み合わせの離散化データ
を参照テーブルとして利用するため、２相信号の正弦性
の変動や強度変動に依存しないで安定な寸法測定が可能
である。

【００３０】以下に図面を用いて本発明の実施の形態を
詳細に説明する。図１（ａ）は本発明による寸法測定装
置の構成例、図１（ｂ）は本発明の信号処理で用いる２
種類の２相信号の波形例である。図１（ａ）において、
光学スケール４００を含む光学系の構成は、図４に示し
た従来の寸法測定装置の光学系と同様の構成であり、各
図番も図４（ａ）と同一である。本発明では、固定格子
４２Ａと４２Ｂの格子位置は正確に格子１ピッチの１／
４シフトしている必要はなく、１／４ピッチに近い距離
シフトしていればよい。また、固定格子４２Ａと４２Ｂ
は受光器４３Ａと４３Ｂと実質的に接触させる配置が望
ましい。そのために、固定格子４２Ａと４２Ｂの各々の
格子パターンを受光器４３Ａと４３Ｂの個々の受光面上
に直接形成して、固定格子と受光器を一体化してもよ
い。

【００３１】移動格子４１の移動に伴って生じる２相信
号１００（Ａ相信号）と１０５（Ｂ相信号）は、位相が
ほぼ１／４ピッチシフトした正弦波状に強度が変化する
信号である。２相信号間の位相シフトは、固定格子４２
Ａと４２Ｂの格子位置のシフト距離に応じて決まる。ま
た、２相信号１００と１０５の１周期は光学スケール４
００の格子１ピッチ長ａに対応する。平行光で光学スケ
ール４００を照射する場合、移動格子４１と固定格子４
２Ａ、４２Ｂの間の隙間距離Ｌは、格子ピッチと光の波
長で定まるフーリエイメージ距離に設置する。例えば、
格子１ピッチが１０μｍで、照明光の平均波長λが６０
０ｎｍのとき、フーリエイメージ距離は１６０μｍ程度
である。

【００３２】以上の光学スケール４００を透過した２相
信号１００と１０５は時間的に連続して変化するアナロ
グ信号である。図１（ｂ）に示す波形１５が２相信号１
００と１０５である。整数ピッチ距離検出部１１は、波
形１５のアナログ２相信号を信号処理して、格子１ピッ
チ長の整数倍の移動距離を検出する。この移動距離の検
出では、移動格子４１の移動方向も併せて検出する。な
お、上記の整数ピッチ距離の検出は、図４に示した従来
の寸法測定装置の検出と同じである。

【００３３】端数ピッチ距離検出部１２は、アナログ２
相信号１００と１０５を離散化処理してデジタル化され
た離散化２相信号に変換し、移動格子４１の移動開始前
と移動停止後の格子停止位置を検出して格子１ピッチ以
下の移動距離を検出する。図１（ｂ）の波形１７が離散
化２相信号の例で、波形１１０と１１５がアナログ２相
信号波形１５の１００と１０５に対応する。寸法算出部
１３は、整数ピッチ距離検出部１１で検出した格子１ピ
ッチの整数倍の移動距離と、端数ピッチ距離検出部１２
で検出した格子１ピッチ以下の移動距離の和から、移動
格子４１の全体の移動距離を算出して寸法を測定する。
以上の構成において、整数ピッチ距離検出部１１、端数
ピッチ距離検出部１２及び寸法算出部１３が信号処理系
で、本発明は端数ピッチ距離検出部１２の構成に関す
る。

【００３４】図２（ａ）に端数ピッチ距離検出部１２の
実施例、図２（ｂ）に離散化２相信号の波形例を示して
動作を説明する。図２（ａ）において、離散化２相信号
作成部２１は、例えばＡ／Ｄ変換器などからなり、時間
的に連続した２相信号１００と１０５を一定のサンプリ
ング周期で離散化し、時間的に離散化された離散化２相
信号２００と２０５に変換する。格子１ピッチ長ａが１
０μｍ、移動格子４１が１ｍ／ｓｅｃの移動速度で移動
する場合は、格子１ピッチ間を１００分割して０．１μ
ｍの分解能を実現するには、サンプリング周波数は１０
ＭＨｚに設定すればよい。本発明では離散化２相信号の
信号個数を検出するため、サンプリング周期が短いほど
離散化２相信号２００、２０５の１周期に含まれる信号
個数が多くなり、測定分解能が向上する。

【００３５】離散化データ記憶部２２は、離散化２相信
号２００と２０５の特定の移動期間毎に、強度変化率の
大きい領域の離散化強度を選択して検出すると共に、離
散化２相信号の１周期が４分割されたどの区域（象限）
にあるかという信号象限（〜）を検出する。図２
（ｂ）の離散化２相信号波形２００と２０５において、
２相信号の強度は厳密に等しく設定する必要はない。こ
こで、二つのスライス強度２１０と２１５を設定する。
例えば、離散化２相信号２００と２０５の強度が等しく
なる位置をスライス強度に設定し、スライス強度２１０
と２１５に対する離散化２相信号２００と２０５の強度
の大小を比較し、強度変化率の大きい領域の強度を交互
に選択して検出する。

【００３６】Ｂ相信号２０５の強度がＡ相信号２００の
強度よりも大きく、かつスライス強度２１０よりも大き
いときは、信号は象限にある。また、Ｂ相信号２０５
の強度がＡ相信号２００の強度よりも小さく、かつスラ
イス強度２１５よりも小さいときは象限にある。例え
ば、象限の場合、Ｂ相信号２０５の強度は最大強度付
近にあって強度変化率が小さいが、Ａ相信号２００の強
度はほぼ直線的に変化して強度変化率が大きい。そこ
で、象限の場合はＡ相信号２００を選択する。象限
にある場合はＢ相信号２０５を選択する。このように、
離散化２相信号の強度がブロードに変化する領域は検出
せず、強度がほぼ直線状に変化する領域の強度だけを１
周期のほぼ１／４ピッチ毎に交互に選択して検出する。
以上で検出された離散化強度をサンプリングして検出し
た順に番号付けて、離散化データとして記憶する。

【００３７】以上の記憶された離散化データに対して、
特定の移動期間で得られた２種類の離散化データを抽出
して比較演算する。第１の離散化データ検出部２３は、
移動格子４１が移動を開始した位置から次の特定の基準
位置までの格子１ピッチ以下の移動期間、及び、移動格
子４１が移動して停止するときの特定の基準位置から停
止位置までの格子１ピッチ以下の移動期間の各々につい
て、その期間内に検出した離散化データの信号強度と信
号個数、及び信号象限を第１の離散化データとして検出
する。このとき、上記の離散化２相信号の基準位置と
は、例えば、離散化２相信号の互いの強度が等しくなる
位置である。

【００３８】第２の離散化データ検出部２４は、移動格
子４１が移動を開始した位置で第１の離散化データを検
出した次の格子１ピッチの移動期間、及び、移動を停止
した位置で検出した第１の離散化データの直前の格子１
ピッチを移動した期間で得られた離散化データの強度と
信号個数、及び信号象限を第２の離散化データとして検
出する。第２の離散化データは、移動格子４１が移動し
ている最中では、各１周期を移動して検出した離散化デ
ータは１周期毎に順次書き換えてデータを更新する。

【００３９】離散化データ比較部２５は、移動格子４１
が移動を開始した位置と停止した位置の近傍の二つの移
動期間について、第１の離散化データと第２の離散化デ
ータの信号強度と信号個数、信号象限を比較する。移動
格子４１が移動を開始した位置での離散化データの比較
では、第１の離散化データの先頭番号となる第１の信号
番号での信号強度と実質的に等しくなる第２の離散化デ
ータの信号強度が得られるときの信号番号となる第２の
信号番号を検出する。次に、第１の離散化データに含ま
れる信号個数と、第２の離散化データに含まれる信号個
数と第２の信号番号の差の信号個数を比較する。

【００４０】移動格子４１が移動後に停止する位置での
離散化データの比較では、停止位置での第１の離散化デ
ータの信号個数となる第１の信号番号での信号強度と実
質的に等しくなる第２の離散化データの信号強度が得ら
れるときの信号番号となる第２の信号番号を検出し、第
１の信号番号と第２の信号番号を比較する。以上の信号
強度の比較は、同じ信号象限での強度で比較する。以上
の二つの信号個数の比較で、比較した２つの信号番号
（信号個数）が同じであれば、移動格子４１はその近傍
では同じ移動速度であると判断する。信号番号が異なれ
ば移動格子４１の移動速度は変化していると判断する。

【００４１】格子停止位置検出部２６は、離散化データ
比較部２５での信号個数の比較結果に基づいて、移動格
子４１の移動開始前と移動停止後の各々での格子停止位
置を検出し、格子１ピッチ以下の移動距離を検出する。
離散化データ比較部２５で、第１の信号番号と第２の信
号番号が同じ値で移動格子４１の移動速度が一定と判断
すれば、例えば第１の離散化データの信号個数と第２の
離散化データの信号個数との比例演算から格子の停止位
置を決定する。

【００４２】第１の信号番号と第２の信号番号が異な
り、移動格子４１の移動速度が変化したと判断すれば、
第１の離散化データが得られたときの移動速度で格子１
ピッチの距離を移動すると想定したときに得られると予
想される仮想信号個数を算出して、第１の離散化データ
の信号個数と仮想信号個数との比例演算から格子の停止
位置を決定する。

【００４３】図３に離散化データの例を示して、離散化
データ比較部２５と格子停止位置検出部２６の詳細な動
作を説明する。図３（ａ）の波形３０は離散化データ記
憶部２２で検出、記憶された強度変化率が大きい領域で
の離散化データの波形例で、移動格子４１が位置３１で
停止する場合の強度と信号象限である。図３（ｂ）は第
１の離散化データ３６と第２の離散化データ３７であ
る。期間３２は移動停止直前の格子１ピッチの移動期間
で、この期間で検出された離散化データが第２の離散化
データ３７で、象限から象限までの全体の信号強度
Ｖ１、Ｖ２、・・Ｖｐをサンプリングした順番に象限と
対応付けて記憶する。１周期の期間に含まれる信号個数
がｐである。

【００４４】期間３３は、移動格子４１が移動を停止す
るまでの格子１ピッチ以下の移動期間で、この期間で検
出した離散化データが第１の離散化データ３６で、象
限の途中までの信号強度Ｖ１、Ｖ２、・・、Ｖｊをサン
プリングした順番に象限と対応付けて記憶する。この期
間３３で得られた信号個数がｋである。以上の第１の離
散化データ３６と第２の離散化データ３７の信号強度、
信号個数、信号象限を比較して、格子停止位置３１が格
子１ピッチのどの位置であるかを検出する。

【００４５】離散化データ比較部２５は、離散化データ
３６と３７を比較する。第１の離散化データ３６の最後
の信号強度Ｖｊ（象限で信号番号ｋ）が、第２の離散
化データ３７の象限での信号強度Ｖｊと等しくなると
きの信号番号ｊを検出する。このとき、ｋとｊが等しけ
れば移動格子４１は２つの期間３２と３３で等速度で移
動していると判定する。ｊとｋが等しくなければ移動格
子４１は上記２つの期間で移動速度が変化したと判定す
る。

【００４６】格子停止位置検出部２６は、前述の第１の
離散化データ３６と第２の離散化データ３７の信号番号
の比較結果に基づいて、信号番号ｋが格子１ピッチ内の
どの位置であるかを検出する。移動格子４１の移動速度
が一定と判断した場合は、第２の離散化データの１周期
に含まれる信号個数ｐと第１の離散化データの信号個数
ｋとの比例関係から、期間３３での移動距離はａｋ／ｐ
であると検出する。ａは格子１ピッチ長である。

【００４７】移動格子４１の移動速度が変化した場合
は、第１の離散化データ３６の信号個数ｋと、第２の離
散化データ３７の信号番号ｊと信号個数ｐの３つの信号
個数を参照して格子１ピッチ以下の移動距離を検出す
る。移動格子４１が期間３３での移動速度で格子１ピッ
チの距離を進むと仮定したとき、仮定した１周期の期間
で得られると推定される仮想信号個数ｑは、ｑ＝ｐｋ／
ｊである。ただし、隣り合った２つの期間では移動速度
は比例すると仮定する。そこで、第１の離散化データ３
６での信号個数ｋと仮想信号個数ｑの間の比例関係か
ら、期間３３での移動距離はａｋ／ｑであると検出す
る。

【００４８】以上で述べた実施例は移動格子と固定格子
を用いた寸法測定器であったが、本発明の信号処理は、
一つの回折格子の格子干渉を用いた２相正弦波信号を出
力する寸法測定器にも応用できる。さらには、本発明の
寸法測定器の信号処理は、寸法測定以外の位置合わせな
どの多くの分野にも適用可能である。

【００４９】

【発明の効果】本発明の寸法測定装置の信号処理系は、
２相信号の強度を比較して強度変化率の大きい領域の強
度だけを選択的に検出するため、移動格子がわずかに移
動しても、移動に伴う信号強度の変化を感度良く検出す
ることができるという効果がある。また、本発明の信号
処理系は、検出される２相信号を離散化して離散化信号
の個数を検出する。離散化信号個数が格子１ピッチの長
さ基準になるため、離散化するサンプリング周期を短く
することで測定の分解能が向上する。

【００５０】さらには、本発明の信号処理系は、測定器
が検出する信号自体を参照データとするため、予め格子
位置と信号強度を対応付ける参照テーブルが不要であ
る。２相信号の強度変化率が大きい領域で信号強度が非
線形に変化したり、信号強度が変動する場合でも、隣合
った２周期の期間での離散化信号を比較するため、上記
の信号強度の変動に影響されないで、安定した寸法測定
が可能である。

【００５１】さらには、正弦波の形状が変化した場合で
も、離散化信号の個数を検出するために強度の変動の影
響を受けない。そのため、移動格子と固定格子の隙間距
離の設定のクリアランスが広がり、格子設定が簡素にな
る。また、２相信号の強度レベルを正確に一致させる必
要がないため、受光器の光電変換ゲインの調整も簡素に
なる。以上により、２相信号の１周期の期間を１００分
割以上までに細かく分割してサブミクロン領域の分解能
が簡素な構成可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の寸法測定装置の構成例を示す
図、（ｂ）は連続２相信号と離散化２相信号の波形例を
示す図である。

【図２】（ａ）は本発明の信号処理系の端数ピッチ距離
検出部の構成例を示すブロック図、（ｂ）は離散化２相
信号の波形を示す図である。

【図３】（ａ）は離散化２相信号の強度変化率の大きい
領域を検出したときの離散化データの波形例、（ｂ）は
格子停止位置付近の離散化データの例である。

【図４】（ａ）は従来の寸法測定装置の構成例を示す
図、（ｂ）はアナログ２相正弦波信号波形を示す図であ
る。

【符号の説明】

１１ 整数ピッチ距離検出部 １２ 端数ピッチ距離検出部 １３ 寸法算出部 ２１ 離散化２相信号作成部 ２２ 離散化データ記憶部 ２３ 第１の離散化データ検出部 ２４ 第２の離散化データ検出部 ２５ 離散化データ比較部 ２６ 格子停止位置検出部

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 触針と共に移動する所定の光透過分布と
   格子ピッチを有する移動格子と該移動格子と同一の光透
   過分布と格子ピッチを有して相互の格子位置を前記格子
   １ピッチのほぼ１／４の距離シフトさせて平行に配置し
   た２個の固定格子からなる光学スケールと、該光学スケ
   ールを照明する光源と、前記光学スケールを透過した透
   過光強度を検出して位相がほぼ１／４ピッチシフトした
   ２相信号を出力する２個の受光器などから構成される光
   学系と、前記２相信号を信号処理して寸法を算出する信
   号処理系を備えた寸法測定装置において、 前記信号処理系は、前記２相信号から前記移動格子の移
   動方向を判定して前記格子１ピッチ長の整数倍の移動距
   離を検出する整数ピッチ距離検出部と、前記２相信号を
   時間的に離散化された離散化２相信号に変換して該離散
   化２相信号から前記格子１ピッチ長以下の移動距離を検
   出する端数ピッチ距離検出部と、前記整数ピッチ距離検
   出部と前記端数ピッチ距離検出部で検出された前記移動
   格子の移動距離の和から寸法を算出する寸法算出部を備
   え、前記移動格子の移動距離から寸法を測定することを
   特徴とする光学スケールを用いた寸法測定装置。
2. 【請求項２】 前記端数ピッチ距離検出部は、前記２相
   信号を一定周期でサンプリングして離散化された２相信
   号を作成する離散化２相信号作成部と、前記離散化２相
   信号の特定の移動期間毎に前記離散化２相信号の強度変
   化率の大きい領域の信号強度を交互に検出してその検出
   順に番号付けて離散化データとして記憶する離散化デー
   タ記憶部と、前記離散化データの中の前記移動格子の移
   動開始位置と移動停止位置の二つの位置の近傍の前記格
   子１ピッチ以下の移動期間で検出した前記離散化データ
   を第１の離散化データとする第１の離散化データ検出部
   と、前記離散化データの中の前記第１の離散化データの
   直後と直前の各々について前記格子１ピッチの移動期間
   で検出した前記離散化データを第２の離散化データとす
   る第２の離散化データ検出部と、前記第１の離散化デー
   タの特定の第１の信号番号での信号強度に対応する前記
   第２の離散化データの強度が得られるときの前記第２の
   離散化データの第２の信号番号を検出して前記第１の信
   号番号と前記第２の信号番号の関係を比較する離散化デ
   ータ比較部と、該離散化データ比較部での比較結果に基
   づいて少なくとも前記第１の離散化データと前記第２の
   離散化データに含まれる信号個数の関係を演算して前記
   移動格子の移動開始前と移動停止後の格子停止位置を検
   出して前記格子１ピッチ以下の移動距離を算出する格子
   停止位置検出部を備えたことを特徴とする請求項１に記
   載の光学スケールを用いた寸法測定装置。
3. 【請求項３】 前記離散化２相信号作成部は、前記離散
   化された２相信号に強度変化が生じる期間内だけ動作さ
   せることを特徴とする請求項２に記載の光学スケールを
   用いた寸法測定装置。
4. 【請求項４】 前記離散化データ記憶部は、前記離散化
   ２相信号の最小強度と最大強度の各々の近傍にそれぞれ
   のスライス強度を設け、前記離散化２相信号の一方の信
   号側の強度が前記スライス強度レベルより大きくなった
   ときと小さくなったときは、前記離散化２相信号の他方
   の信号側の強度変化率の大きい領域を検出するように、
   前記二つのスライス強度範囲内にある前記離散化２相信
   号の強度を特定の期間毎に交互に選択して検出し、前記
   検出された離散化強度を検出した順に番号付けて記憶す
   ることを特徴とする請求項２に記載の光学スケールを用
   いた寸法測定装置。
5. 【請求項５】 前記離散化データ記憶部は、前記離散化
   ２相信号に対する前記二つのスライス強度の範囲内にあ
   る１周期の期間を４つの期間に分割したときの象限と対
   応付けて前記離散化データの強度を前記のサンプリング
   順に記憶することを特徴とする請求項４に記載の光学ス
   ケールを用いた寸法測定装置。
6. 【請求項６】 前記格子停止位置検出部は、前記離散化
   データ比較部で比較した信号番号が実質的に一致すると
   判定した場合は、前記第１の離散化データの信号個数と
   前記第２の離散化データの信号個数との比例演算を行っ
   て前記格子１ピッチ以下の移動距離を検出することを特
   徴とする請求項２に記載の光学スケールを用いた寸法測
   定装置。
7. 【請求項７】 前記格子停止位置検出部は、前記離散化
   データ比較部で比較した信号番号が実質的に一致しない
   と判定した場合は、前記第２の信号番号と前記第１の離
   散化データの信号個数と前記第２の離散化データの信号
   個数との間で比例演算を行い、前記第１の離散化デ−タ
   が得られたときに前記格子１ピッチの距離を移動すると
   仮定したときに得られると予想される仮想信号個数を検
   出し、前記第１の離散化データの信号個数と前記仮想信
   号個数との比例演算を行って前記格子１ピッチ以下の移
   動距離を検出することを特徴とする請求項２に記載の光
   学スケールを用いた寸法測定装置。