JP2002286506A - 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、簡素な信号処理で高分解能に寸法を測定すること。 【解決手段】 位相がπ／２シフトした２相信号を出力
し、２相信号の正負のピーク強度を検出して強度がほぼ
線形に変化すると見なせるスライス範囲を設定する。２
相信号のオフセットと振幅は異なっていてもよい。格子
の停止位置では、スライス範囲内にある信号を選択し、
停止位置の強度とスライス振幅との強度比を演算する。
強度比は格子位置に応じて線形に変化し、強度比を線形
変換して停止位置の位相を検出する。強度が非線形に変
化する場合は、直線近似で求めた位相を、強度比の値に
応じて補正する。位相補正により、２相信号の１周期を
４００分割した分解能で格子位置が検出できる。

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（リ
ニアー格子）の移動による光強度変化を検出して寸法を
測定する寸法測定装置の信号処理の構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】精密部材などの生産ラインでは、被加工
物の寸法や形状などを、インラインでミクロンメートル
（μｍ）オーダの精度で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、白黒２値の光透過分布
の矩形パターンが一定のピッチで周期的に形成された光
学スケール（リニアー格子）を触針に取り付けて移動さ
せ、触針の移動に伴って変化する光強度信号を検出、信
号処理して寸法を測定する構成のものが多く用いられて
いる。寸法測定精度として１μｍが要求される場合は、
測定器としては０．１μｍの分解能が必要である。

【０００３】図６（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、図６（ｂ）に４相正弦波信号の
波形例、図６（ｃ）に正弦波信号の位相検出方法を示し
て測定動作を説明する。白色ランプや発光ダイオード、
半導体レーザなどの光源６１から放射された発散光をコ
リメートレンズ６２で平行光に変換し、移動格子６３と
固定格子６４から構成される光学スケールを照明する。
移動格子６３を構成する各格子は、白黒二値の光透過分
布の矩形パターンをなし、格子１ピッチ長がａで、黒パ
ターンの幅と白パターンの幅が共にａ／２である。通常
の格子１ピッチａは１０μｍ程度が用いられ、長さａが
寸法測定の基準目盛りとなる。移動格子６３は触針（図
示せず）に取り付けられて、触針の移動に伴って矢印で
示すＡ方向、Ｂ方向に移動する。

【０００４】固定格子６４は同じ格子形状をなす４個の
格子グループから構成され、移動格子６３の後方の特定
の位置に固定して設置される。各格子グループの格子は
移動格子６３の格子パターンと等しい矩形状の白黒パタ
ーンからなり、格子１ピッチ長がａである。また、４個
の格子グループは互いの格子位置をａ／４ずつシフトし
て設置する。固定格子６４の後方には受光器６５を設置
する。受光器６５は固定格子６４に対応して４個の受光
素子からなり、光学スケールを透過した光強度を個別に
検出する。移動格子６３が移動すると、Ａ＋、Ｂ＋、Ａ
−、Ｂ−の４個の信号（４相信号）が受光器６５から出
力される。

【０００５】以上の構成の光学系で出力された４相信号
の波形例を図６（ｂ）に示す。４相信号の各々は正弦波
信号で、移動格子６３の格子１ピッチの移動で正弦波が
１周期変化するため、正弦波の１周期Ｐが格子１ピッチ
長ａに対応する。また、固定格子６４の各格子グループ
の格子位置が１／４ピッチずつシフトしているため、４
相信号の位相もπ／２ずつシフトする。この４相信号の
検出に際しては、各信号のオフセットと振幅を共に等し
くする調整が必要である。

【０００６】検出した４相信号に対して、１周期Ｐの整
数倍の移動距離と１周期Ｐ以下の移動距離の両方を検出
して、それらの移動距離の和から寸法を測定する。１周
期Ｐの整数倍の移動距離の検出は、移動格子６３の移動
方向に応じて格子１個を単位とした格子の整数個の移動
個数をカウントして行う。このとき、位相差π／２のＡ
＋、Ｂ＋信号の位相の進みと遅れの関係を検出して移動
格子６３の移動方向を判定する。例えば、Ａ＋信号の位
相が進んでいる場合はアップカウント、Ｂ＋信号が進ん
でいる場合はダウンカウントすることで、格子１ピッチ
の整数倍の移動距離を検出する。

【０００７】寸法測定では移動格子６３が移動を開始す
るときと、移動後に停止するときの両方について、格子
１ピッチ長ａ以下の移動距離（端数ピッチ距離）の検出
が重要で、その検出精度で寸法測定の分解能や測定精度
が決まる。図６（ｂ）の位置６１０で移動格子６３が移
動を開始したとき、位置６１０から正弦波信号の基準位
置６２０（例えばＡ＋信号の位相が０の位置）までの距
離Ｌが格子１ピッチ長ａ以下の端数ピッチ距離である。

【０００８】端数ピッチ距離Ｌを算出するのに、４相信
号の強度から正弦波の位相を検出する方法が多く用いら
れている。位相を検出するために、Ａ＋信号とＡ−信号
の差からＡ信号を、Ｂ＋信号とＢ−信号の差からＢ信号
を作成する。Ａ信号とＢ信号はオフセットがキャンセル
されて０となり、位相がπ／２シフトした振幅が等しい
信号である。停止位置６１０でのＡ信号の強度をＶａ、
Ｂ信号の強度をＶｂとしたとき、強度ＶａとＶｂの関係
から正弦波の位相を算出する。

【０００９】図６（ｃ）は位相の算出を説明する図であ
る。Ａ信号とＢ信号の強度の関係がＰ１の位置にあれ
ば、φ１＝ａｒｃｔａｎ（Ｖｂ／Ｖａ）から位相φ１を
算出する。このとき、ＶａとＶｂの強度の符号から位置
Ｐ１の位相象限が第１象限にあることを予め判定してお
き、０からπ／２までの三角関数値が記憶された三角関
数テーブルを参照して位相φ１を算出する。Ａ信号の強
度がＶｃ、Ｂ信号の強度がＶｄで共に負の値となるＰ２
の位置にあれば、第３象限と判定して同じく三角関数の
値を参照して位相φ２を検出する。停止位置の位相がφ
１であれば、端数ピッチ距離Ｌは、Ｌ＝Ｐ（２π−φ
１）／（２π）である。以上のごとく、従来の寸法測定
装置は位相がπ／２ずつシフトした４相正弦波信号を出
力してオフセットが０で、位相がπ／２異なる２相信号
を作成し、２相信号の各々の強度の三角関数演算を行っ
て正弦波の位相を算出して端数ピッチ距離を検出する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来の４相正弦波信号
を用いる信号処理では、Ａ＋、Ａ−、Ｂ＋、Ｂ−信号の
振幅とオフセットが等しくなるように受光器の光電変換
回路を調整することが必要である。それは、端数ピッチ
距離Ｌを検出するための位相検出において、Ａ＋信号と
Ａ−信号の差のＡ信号と、Ｂ＋信号とＢ−信号の差のＢ
信号のオフセットを０にすると共に、Ａ信号とＢ信号の
振幅を等しくするためである。Ａ信号とＢ信号のオフセ
ットと振幅が異なれば位相検出に誤差が生じる。特に、
オフセット成分を無くすために４相信号が必要になり、
光学系の構成が複雑になると共に、４相信号の光電変換
回路の調整が複雑になるという問題点がある。

【００１１】また、Ａ信号、Ｂ信号の強度から位相を算
出するとき、三角関数演算が必要になる。そのため、三
角関数テーブルをＲＯＭ化して信号処理系に組み込んだ
り、関数展開法などの演算を行う必要があり、信号処理
系の構成が複雑になるという問題がある。

【００１２】寸法測定の分解能を高めるには、格子１ピ
ッチ長ａ以下の端数ピッチ距離の検出分解能を高める必
要がある。ａ＝１０μｍの場合に０．１μｍという分解
能を実現するには、正弦波信号の位相を３度程度の誤差
内で検出する必要がある。しかし、正弦波のピーク強度
付近では位相の変化に対する強度変化が小さいため、位
相がπ／２、π、３π／２の近くでは位相の算出誤差が
大きくなる。そのために、三角関数演算を用いる場合は
位相検出の分解能を向上させることが困難であるという
問題もある。

【００１３】４相正弦波信号を処理して得られた信号強
度を三角関数を用いて位相に変換する従来法の諸課題を
解決するため、本発明による寸法測定装置は、位相がπ
／２異なる２相信号を出力する光学系を用い、２相信号
間の振幅とオフセットが異なっていても正確な位相が検
出できる信号処理を行う構成であり、格子１ピッチ以下
の端数ピッチ距離を、三角関数演算を行うことなく比例
演算をベースとする簡素な処理で高分解能に検出する構
成である。

【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、本発明のうちの請求項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移動格子と
互いの格子位置が格子１ピッチ長の１／４シフトした二
つの格子グループから成る固定格子とから構成される光
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する２個の受
光素子からなる受光器から構成されて位相がπ／２シフ
トした２相信号を出力する光学系と、前記２相信号の１
周期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、前記移動格子が停止している位置の近傍で前記２
相信号の１周期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端数ピッチ距
離検出部で検出した各々の移動距離の和から寸法を算出
する寸法検出部から構成される信号処理系を備えた光学
スケールを用いた寸法測定装置において、前記の端数ピ
ッチ距離検出部は、前記２相格子の各々の正負のピーク
強度を検出するピーク強度検出部と、前記触針が停止し
ている位置の近傍の前記ピーク強度に対して予め設定さ
れた２値のスライス強度で前記２相信号の各々のスライ
ス範囲を設定するスライス範囲設定部と、前記停止位置
における前記２相信号の強度が前記スライス範囲の内部
にある側の信号を選択すると共に前記停止位置における
前記２相信号の強度と前記スライス強度との大小関係を
比較して前記２相信号の１周期を４つの位相象限に分割
したときの象限を検出する象限検出部と、前記選択され
た信号の前記停止位置の強度と前記スライス強度間の振
幅との比を演算する強度比演算部と、前記強度比から前
記停止位置の象限内の位相を検出すると共に該位相と前
記象限の基準位置の位相から前記停止位置での２相信号
の位相を算出する位相算出部から構成される。

【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
記光学系から出力される２相信号は、互いの振幅とオフ
セットレベルが異なる信号であ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
記ピーク強度検出部は、前記２相信号の各々の各周期毎
に正負のピーク強度を検出し、前記触針が移動を開始し
た位置と移動を停止した位置の近傍でのピーク強度の値
を個別に記憶す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１ま
たは請求項３に記載の光学スケールを用いた寸法測定装
置に関わり、前記スライス範囲を設定するための２値の
スライス強度は、前記ピーク強度間の振幅に対してほぼ
±７０．７％の強度であ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
記位相算出部はさらに、前記２相信号の前記スライス範
囲内の強度分布と前記スライス範囲内で直線近似した強
度分布との強度差に対応する位相差を記憶する位相差記
憶部と、前記強度比演算部で検出した強度比の値に応じ
て検出した位相を前記記憶されている位相差で補正する
位相補正部を設け、該補正された位相を前記象限内の位
相と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５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
記位相差記憶部は、前記２相信号の前記スライス範囲内
の強度分布と前記スライス範囲内で直線近似した強度分
布との強度差に対応する位相差を前記象限内で離散的に
変化する位相として記憶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５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
記位相差記憶部は、前記２相信号の前記スライス範囲内
の強度分布と前記スライス範囲内で直線近似した強度分
布との強度差に対応する位相差を直線近似した位相で記
憶するように構成される。

【００２１】また、請求項８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
記光学スケールは、前記移動格子の格子ピッチ（ｍ）と
前記固定格子の格子ピッチ（ａ）のピッチ長は、ｋをｋ
≧３の正の奇数の整数としたとき、ｍ＝ｋａなる関係に
設定して前記固定格子のピッチ長ａに応じた周期の２相
信号を出力すると共に、前記移動格子の近傍に前記固定
格子を設置し、前記移動格子に発散光を照射するように
構成される。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明による光学スケールを用い
た寸法測定装置は、触針が移動を開始する位置及び、移
動後に停止した位置の近傍において、格子１ピッチ以下
の端数ピッチ距離を簡素な信号処理法で高分解能に検出
する構成である。端数ピッチ距離の検出は停止位置にお
ける２相信号の位相を検出することに相当する。この検
出において、位相がπ／２シフトした正弦波信号、ある
いは三角波に近い強度分布の２相信号を用いる。２相信
号は互いのオフセットレベルと振幅が共に異なっていて
もよく、２相信号の強度変化がほぼ直線と見なしてもよ
い特定の強度範囲を設定し、その強度範囲にある信号強
度を演算して２相信号の位相を検出する。

【００２３】位相がπ／２シフトした２相信号を作成す
るために、固定格子は互いの格子位置が格子１ピッチ長
の１／４シフトした２つの格子グループから構成する。
移動格子と固定格子の格子１ピッチ長の関係について
は、共に同じピッチ長に設定してもよく、移動格子の格
子１ピッチ長ｍと固定格子の格子１ピッチ長ａを異なら
せてもよく、要求される測定精度に応じて使い分ける。
同じ格子ピッチの格子を用いる場合は２相信号は正弦波
状である。格子１ピッチ長が異なる場合は、ｋをｋ≧３
の奇数の整数としたとき、ｍ＝ｋａなる関係に設定する
と、出力される２相信号の１周期は固定格子の１ピッチ
長に対応する。移動格子の格子１ピッチ長を長くするこ
とで移動格子を透過した光の回折広がりが少なくなり、
２相信号の強度が直線的に変化する領域を広げることが
できる。この効果により、位相検出の分解能がさらに向
上する。

【００２４】２相信号に対して、強度がほぼ直線的に変
化すると見なしてもよい範囲を、予め設定した２値のス
ライスレベルから決定する。そのために、２相信号の各
々の正負のピーク強度を検出しておき、正負のピーク強
度を基準にしたそれぞれのスライス強度からスライス範
囲を設定する。スライスレベルは、例えば、ピーク強度
の±７０．７％の強度に設定する。このスライス強度は
正弦波の場合の±４５度の強度位置に相当する。このス
ライス範囲内では２相信号の強度は直線的に変化すると
仮定して信号処理を行う。２相信号の各々に個別にスラ
イス範囲を設定するため、２相信号のオフセットと振幅
は異なっていてもよい。

【００２５】２相信号間の位相がπ／２シフトしている
こと、及びスライス範囲を正弦波の±４５度に相当する
範囲に設定しているため、２相信号の一方の信号の強度
がスライス範囲内にあれば、他方の信号の強度はスライ
ス範囲外にある。そこで、触針が停止している位置では
スライス範囲内にある側の信号を選択し、その信号の強
度を以後の位相検出の演算対象とする。信号の選択と共
に、触針の停止位置での２相信号の強度とスライス強度
との大小関係から、停止位置での信号の位相象限（〜
）を決定する。この象限は信号の１周期を４分割した
概略の位置情報を与える。

【００２６】停止位置の象限内での位相を検出するため
に、選択した側の信号の停止位置での強度と、その信号
のスライス範囲の振幅との強度比の演算を行う。スライ
ス範囲内では強度は直線的に変化すると仮定したことか
ら、強度比の値は象限内の位置と線形に対応し、停止位
置に応じて直線的に変化する。そこで、強度比の値を位
相に線形変換し、その象限内の位相と象限の基準位置の
位相の和から停止位置の位相を検出する。このように、
強度が直線的に変化すると見なせるスライス範囲を設定
することで、単純な比例計算だけで停止位置の位相が求
められる。

【００２７】強度比を位相に線形変換することは、各象
限のスライス範囲内での強度変化が直線であると仮定し
たことによるが、実際はスライス範囲内では非線形に強
度が変化する。直線と近似して求めた位相と実際の位相
には差が生じるため、停止位置をさらに精密に検出する
ためには直線近似で得た位相を補正する必要がある。２
相信号の強度が正弦波的に変化する場合は、直線に近似
したときの位相と正弦波の位相との位相差は、象限内の
位置に応じてほぼ正弦波状に変化し、位相差の最大は±
２度程度である。例えば、２相信号の１周期が１０μｍ
の場合、位相の１度の誤差は約０．０２５μｍに相当す
る。±２度の位相誤差の場合、位相補正を行わないでも
０．１μｍの分解能が得られる。要求される分解能が
０．１μｍで良い場合は位相の補正を行う必要はない
が、更に高分解能な測定が要求される場合は位相の補正
が必要である。

【００２８】上記の位相誤差を補正する場合は、実際の
スライス範囲内の強度分布と直線近似した強度分布との
強度差に対応した位相差データを予め記憶しておき、強
度比から求めた位相を記憶されている位相差データで補
正する。正弦波の強度分布の場合、位相誤差は最大でも
±２度（±０．０５μｍ）であるから、例えば、正弦波
の位相差を１度のステップで離散的に変化する位相差と
して記憶してもよい。この場合の位相誤差は１度程度
で、０．０２５μｍの分解能が得られる。また、位相差
を直線式で近似して記憶してもよい。このように、単純
な比例演算で算出した位相を補正することで、更なる高
分解能な寸法測定ができる。

【００２９】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）は本発明の寸法測定装置の
実施例を示すブロック図、図１（ｂ）は光学スケールの
形状例、図１（ｃ）は２相信号の波形例である。図１
（ａ）において、半導体レーザや発光ダイオードなどの
光源１１から放射された発散光をコリメート用のレンズ
１１５で平行光に変換して、移動格子１２と固定格子１
３から成る光学スケールに照射する。

【００３０】移動格子１２と固定格子１３の具体的な構
成例を図１（ｂ）に示す。移動格子１２と固定格子１３
を構成する個々の格子は、光を透過しない黒パターンと
光を透過する白パターンの幅と形状が等しい矩形状格子
からなり、格子ピッチ長はａである。固定格子１３の２
つの格子グループＡ、Ｂは互いの格子位置を格子ピッチ
ａの１／４シフトさせて配置する。固定格子１３の後方
には受光器１４を設置し、光学スケールを透過した透過
光強度を検出する。受光器１４も固定格子１３に対応し
て２個の受光素子から構成され、光電変換して、図１
（ｃ）に示す２相のＡ相信号１８とＢ相信号１９を出力
する。

【００３１】図１（ｃ）のＡ相信号１８とＢ相信号１９
は位相がπ／２シフトした正弦波信号で、振幅とオフセ
ットが異なってもよい。振幅とオフセットを一致させる
調整が不要なため、受光器１４の光電変換回路の調整が
簡素化される。２相信号の１周期の期間Ｐは格子１ピッ
チ長ａに相当する。

【００３２】以上の２相信号を、整数ピッチ距離検出部
１５、端数ピッチ距離検出部１６と寸法算出部１７から
なる信号処理系で演算処理して寸法を測定する。整数ピ
ッチ距離検出部１５は、従来の測定装置と同じ構成で、
例えばＡ相信号１８を基準にしたとき、信号の位相が０
となる位置１２５と位置１２７の間の１周期の整数倍に
相当する移動個数をカウンター回路で計数する。このと
き、Ａ相信号１８とＢ相信号１９の位相の進みと遅れの
関係を判定して、位相の進みの場合はアップカウント、
位相の遅れの場合はダウンカウントを行い、格子１ピッ
チ長ａの整数倍の移動個数を測定する。

【００３３】本発明は格子１ピッチ長ａ以下の端数ピッ
チ距離を高分解能に検出する構成に関する。図１（ｃ）
の位置１２０で移動格子１２が移動を開始したとすれ
ば、位置１２０とＡ相信号１８の基準位置１２５までの
１周期以下の距離Ｌが端数ピッチ距離である。距離Ｌの
検出精度で寸法測定の分解能や精度が決まるため、信号
の１周期を細かく分割して距離Ｌを精密に測定すること
が重要である。距離Ｌの算出は、位置１２０における２
相信号の位相を算出することに相当する。

【００３４】図２に２相信号の波形とその信号処理法を
示して端数ピッチ距離検出部１６の動作を説明する。ピ
ーク強度検出部１６０はＡ相信号１８とＢ相信号１９の
各々の最大強度ＶａｍとＶｂｍ及び、最小強度Ｖａｎと
Ｖｂｎを個別に検出する。図２（ａ）に２相信号のピー
ク強度の例を示す。端数ピッチ距離の検出は、触針が移
動を開始した位置と移動を停止した位置で検出するた
め、ピーク強度は停止位置の近傍の周期で検出した値を
用いる。移動格子１２の移動中もピーク強度値は各周期
ごとに検出するが、移動の最中で検出したピーク強度値
は移動に応じて順次その値を更新し、停止位置の近傍だ
けのピーク強度値を記憶する。

【００３５】スライス範囲設定部１６２は、２相信号の
各々の正負のピーク強度に対して、予め設定された２値
のスライスレベルからスライス範囲を設定する。スライ
スレベルとしては正負のピーク強度の±７０．７％を採
用する。この±７０．７％は正弦波の強度分布の場合、
±４５度の位相範囲に相当する。図２（ｂ）にスライス
範囲の例を示す。Ａ相信号のスライス強度は実線で示し
たＳａｍとＳａｎで、Ｂ相信号のスライス強度は破線で
示したＳｂｍとＳｂｎである。以後の信号処理はスライ
ス範囲内にある強度を演算対象にする。２相信号の各々
でピーク強度を検出してスライス範囲を設定するため、
２相信号の振幅とオフセットは異なっていてもよい。

【００３６】象限検出部１６４は、図２（ｂ）の移動開
始位置２００と、図示していないが位置２００のさらに
右側にある停止位置の両方において、２相信号のどちら
の信号がスライス範囲内にあって、それらの停止位置の
強度の位相象限が１周期内のどの象限にあるかを決定す
る。開始位置２００を例にとると、開始位置ではＢ相信
号１９がスライス範囲にあり、Ａ相信号１８はスライス
範囲外にある。２相信号の位相差がπ／２で、スライス
範囲がピーク強度の±７０．７％に設定されていれば、
いずれか一方だけの信号がスライス範囲の内部に存在す
る。

【００３７】象限検出部１６４はさらに、開始位置２０
０で選択した信号の位相象限を検出する。Ａ相信号１８
の位相が進んでいるとき、Ａ相信号１８とＢ相信号１９
のスライス強度の位置が一致する位置（Ａ相信号１８の
位相が４５゜の位置）を位相象限判定の基準位置にする
と、図２（ｂ）のように１周期をからまでの４つの
象限に分割できる。象限は１周期の間を４分割したとき
の概略の位置を表す。上記の象限設定の場合、Ａ相信号
１８の強度をＶａ、Ｂ相信号１９の強度をＶｂとしたと
き、Ｖａ＜Ｓａｎ、Ｓｂｎ＜Ｖｂ＜Ｓｂｍであれば、開
始位置２００は象限であると判定する。開始位置２０
０から基準位置２１０までの端数ピッチ距離Ｌを算出す
るために、象限内の位相を検出することが必要であ
る。

【００３８】象限内の位相を検出するために、強度比
演算部１６６は開始位置２００で選択したＢ相信号１９
の強度Ｖｂとスライス範囲の振幅Ｖｓ（Ｓｂｍ−Ｓｂ
ｎ）との比Ｖｂ／Ｖｓを演算する。図２（ｃ）に象限内
での比例演算を示す。各象限のスライス範囲内では強度
は位置に比例して変化すると仮定していることで、開始
位置２００での強度比は象限内の位置にリニアに対応す
る。

【００３９】位相算出部１６８は、強度比演算部１６６
で求めた開始位置２００の強度比を象限での位相に変
換すると共に、象限検出部１６４で検出した象限の基
準位置の位相から、開始位置２００での位相を算出す
る。象限の位相幅はπ／２であるから、強度比を線形変
換することで、象限の位相φはπＶｂ／（２Ｖｓ）と
算出される。基準位置２１０を象限の開始位置とすれ
ば、開始位置２００での位相はπ［１＋Ｖｂ／（２Ｖ
ｓ）］である。通常の正弦波の位相が０度の位置を位相
の基準位置にすれば、上記の位相からπ／４を引いた位
相が開始位置２００の位相になる。

【００４０】寸法算出部１７は、整数ピッチ距離検出部
１５で検出した格子１ピッチ長の整数倍の移動距離と位
相算出部１６８で求めた位相に対応する端数ピッチ距離
Ｌの和から寸法を算出する。開始位置２００が象限の
場合の端数ピッチ距離Ｌの検出を示す。象限の次の
象限から基準位置２１０までの距離はａ／４で、象限
内の位置はφａ／（２π）である。したがって、開始位
置２００から基準位置２１０までの端数ピッチ距離Ｌは
（ａ／２）−（φａ／２π）となる。この端数ピッチ距
離は停止位置についても同様に行う。このように、触針
が停止している位置の位相が分かれば端数ピッチ距離が
求められ、その精度は位相の検出精度に依存する。

【００４１】上記の端数ピッチ距離検出は、スライス範
囲内の強度変化が各象限ごとに直線的に変化するものと
して、単純な比例演算で格子の停止位置を算出する方法
であった。スライス範囲内で強度が直線的に変化すると
仮定した場合の位相の検出誤差に対する寸法測定誤差を
評価する。２相信号の１周期が１０μｍの場合の１象限
の幅は２．５μｍである。１度の位相誤差（強度比のほ
ぼ１％の誤差に相当）は０．０２３μｍに相当する。し
たがって、スライス範囲内の強度変化が直線的であると
いう条件下では、２相信号の強度を８ビットのＡＤコン
バータで検出すれば、０．０１μｍに近い分解能が実現
できる。

【００４２】しかし、実際の２相信号の強度は非線形に
変化するため、スライス範囲内で強度が直線的に変化す
ると仮定した場合の位相検出には誤差が生じる。２相信
号が正弦波的に変化する場合の位相検出の誤差を評価す
る。図３（ａ）の曲線３１はスライス範囲内での実際の
正弦波強度と直線近似した強度との強度差である。図の
横軸は象限の位相で、π／２の範囲である。縦軸は強度
差（％）で、この強度差がほぼ位相誤差に対応する。誤
差曲線３１はほぼ正弦波状に変化し、強度差の最大は±
２％程度である。

【００４３】２相信号の１周期が１０μｍの場合の１象
限は２．５μｍであるため、強度比の２％の誤差（位相
では１．８度の誤差）は０．０５μｍに相当する。寸法
測定の分解能として０．１μｍが要求される場合は、曲
線３１の強度誤差による位相誤差を補正する必要はな
く、直線近似で得た位相を採用すればよい。しかし、さ
らに高分解能な測定が要求される場合は位相誤差を補正
する必要がある。

【００４４】強度変化の非線形性による位相補正を行う
ために、位相算出部１６８にはさらに、スライス範囲内
の実際の強度分布と直線近似した強度分布との強度差に
対応する位相差を記憶する位相差記憶部と、強度比演算
部１６６で検出した強度比の値を線形変換した位相を前
記の記憶されている位相差で補正する位相補正部を設け
る。位相誤差は２度程度の微小量であるため、位相補正
は０．５度程度の誤差（０．０１μｍ程度に相当）があ
ってもよい。そのため、図３（ａ）に示した誤差曲線に
必ずしも対応した補正でなくてもよい。

【００４５】位相補正を行うときの補正量の設定例を図
３（ｂ）と図３（ｃ）に示す。図３（ｂ）の波形３２は
強度誤差を一定の強度幅のステップで離散的に補正する
場合で、図３（ｃ）の波形３３は同じく直線的に連続し
て補正する場合である。共に強度差を前述の位相差に変
換して補正する。強度の１％誤差は位相のほぼ１度の誤
差に対応する。例えば、位相を１度のステップで離散的
に補正する場合、検出した強度比に応じて補正すべき位
相を選択すれば、０．０２５μｍの誤差で測定できる。
直線近似した位相で補正すればさらに高精度な測定が可
能である。

【００４６】図４に本発明の寸法測定装置における光学
スケールの第二の構成例と、その光学スケールを用いた
ときに得られるスライス範囲の強度分布を示す。図４
（ａ）の移動格子４１は固定格子１３とは異なる格子ピ
ッチを有し、移動格子４１の格子ピッチを長くする。こ
の構成の場合は、半導体レーザなどから発せられる発散
光を直接に移動格子４１に照射する。従来の平行光を照
射する場合と比べると、コリメートレンズが不要で、光
学系が小さくなる利点がある。

【００４７】図４（ｂ）に移動格子４１と固定格子１３
の具体的な構成例を示す。固定格子１３は図１に示した
構成と同じで、格子１ピッチ長がａである。また二つの
格子グループＡ、Ｂは互いの格子位置をａ／４シフトさ
せて設置する。移動格子４１の格子ピッチはｍ（ｍ＞
ａ）であって、ｋをｋ≧３なる奇数の整数としたとき、
ｍ＝ｋａの関係に設定する。例えば、ｋ＝５のとき、移
動格子４１の格子ピッチｍを５０μｍ、固定格子１３の
格子ピッチａを１０μｍにする。格子ピッチ長を上記の
奇数倍の関係に設定したとき、発生する２相信号の１周
期は固定格子１３の格子ピッチ長ａに相当する。固定格
子１３の後方には同じく受光器１４を設置し、位相がπ
／２シフトした２相信号を出力する。

【００４８】本実施例の移動格子４１の格子ピッチを長
くするのは、移動格子４１による回折広がりの影響を少
なくするためである。移動格子４１を透過した光の回折
広がり角度は格子ピッチ長に反比例するため、格子ピッ
チが長いほど回折広がりが少なくなる。そのため、格子
を照射する光は発散光でもよく、移動格子４１と固定格
子１３のすき間距離の設定クリアランスも広がる。ま
た、回折低減効果によって移動格子４１を透過した光の
強度分布は格子形状をほぼ保存した分布となり、２相信
号の強度分布は三角波に近い形状になって、直線的に強
度が変化する領域が拡大される。

【００４９】図４（ｃ）の波形４２は、移動格子４１の
格子ピッチが５０μｍで、固定格子１３の格子ピッチが
１０μｍの場合に、２相信号のスライス範囲内の実際の
強度と直線近似した強度との強度差（％）の測定例であ
る。波形４２の強度差の最大値はほぼ２％の範囲内にあ
り、前述した正弦波の強度分布の場合と比べると、強度
差は半分以下になり、２相信号の強度が直線に近くなっ
ていることがわかる。したがって、強度差に応じた位相
補正を行わない場合でも０．０５μｍの分解能が得られ
る。前述した強度差に応じた位相補正を０．５度のステ
ップで行えば、０．０２５μｍの分解能が得られる。

【００５０】図５に本発明の端数ピッチ距離を検出する
信号処理動作のフローチャート図を示す。ステップ５０
０はピーク強度検出で、２相信号の各々について２相信
号をＡ／Ｄ変換し、各周期毎の正負のピーク強度を検出
する。ステップ５０２は触針が移動を開始した位置と移
動を終了した各々の停止位置の近傍の周期で検出された
正負のピーク強度を記憶する。ステップ５０４はスライ
ス強度の設定で、予め±７０．７％の２値の数値を与え
ておく。ステップ５０６は２相信号のスライス範囲の設
定で、停止位置の近傍のピーク強度と設定されたスライ
ス強度に応じたスライス範囲を設定する。２相信号に個
別にスライス範囲を設定するため、２相信号の振幅とオ
フセットは異なっていてもよい。また、スライス範囲内
の強度はほぼ比例して変化すると仮定する。

【００５１】ステップ５０８は信号選択で、停止位置の
Ａ相、Ｂ相信号強度と各々のスライス強度を比較して、
スライス範囲内にある側の信号を選択する。ステップ５
１０は信号象限検出で、選択した信号の停止位置での強
度が信号の１周期内のからのどの位相象限にあるか
を検出する。ステップ５１２は強度比演算で、選択した
信号の停止位置での強度とスライス振幅との強度比を演
算する。この強度比の値は、スライス範囲内の強度変化
が線形であると仮定したとき、象限内の位置に線形に対
応する。ステップ５１４は位相検出で、強度比を線形変
換して停止位置の象限内での位相を検出すると共に、ス
テップ５１０で検出した象限に対応する位相との和から
停止位置の位相を検出する。線形近似で検出した位相で
の寸法精度で十分な場合は測定動作を終了する。さらに
寸法測定精度を向上させる場合はステップ５１４で検出
した象限内の位相を補正する。

【００５２】ステップ５１６は位相誤差記憶で、実際に
は非線形に変化するスライス範囲内の強度と線形に変化
すると仮定したときの強度との強度差に対応する位相誤
差を記憶しておく。２相信号が正弦波状である場合の位
相誤差の最大値は±２度程度の小さい値であるため、位
相誤差が大きくなる領域だけで、１度のステップで離散
的に変化する位相誤差に変換して記憶しておいてもよ
い。ステップ５１８は位相補正で、ステップ５１４で検
出した象限内の位相に対して、ステップ５１６の位相誤
差を加算あるいは減算して補正し、更に正確な位相を検
出する。この位相補正により、１度以内の位相誤差に収
まり、高分解能な測定ができる、

【００５３】

【発明の効果】本発明の寸法測定装置の端数ピッチ距離
の測定は２相信号を処理する構成で、固定格子を二つの
グループで構成すればよいため、光学スケールの構成が
簡素になる。また、異なる格子ピッチからなる光学スケ
ールを用いれば、発散光を照射してもよいため、光学系
が小型化される。さらには出力される２相信号のオフセ
ットと振幅は互いに異なっていてもよい信号処理を行う
ため、光電変換を行う回路調整が簡素化され、製造コス
トが低減される。

【００５４】２相信号の処理に関しては、２相信号のピ
ーク強度を検出してスライス範囲を設定し、スライス範
囲内の信号強度の強度比を演算する。強度がブロードに
変化するピーク強度領域は検出対象とせず、強度がほぼ
直線的に変化する中間強度の領域を選択して信号処理す
るため、信頼性の高い測定が可能である。スライス範囲
内の強度が線形に変化すると仮定したとき、強度比は格
子位置と線形に対応するため、比例演算だけで位相（格
子位置）が検出できる。スライス範囲内の強度が線形に
変化する場合は、信号の１周期が１０μｍであれば、信
号強度の４％の検出誤差があっても０．１μｍの位置分
解能が得られ、従来装置に比べて、簡素な信号処理で高
分解能化が実現できる。

【００５５】さらに高分解能な測定が要求される場合
は、実際には非線形に変化する強度と線形に変化すると
仮定した強度との差に相当する位相差で補正すればよ
い。この補正する位相は１度の程度でよいため、簡素な
位相補正で０．０２μｍという分解能も実現可能であ
る。以上のごとく、本発明による２相信号を用いた位相
検出では、ほぼ直線的に変化する信号強度を信号処理す
るため、従来のような格子位置と信号位相を対応付ける
三角関数テーブルなどの参照テーブルが不要で、信号処
理系の構成と演算が簡素で、はるかに高分解能の測定が
可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の寸法測定装置の実施形態を示
す構成ブロック図、（ｂ）は光学スケールの第１の構成
例を示す図、（Ｃ）は２相信号波形を示す図である。

【図２】（ａ）は２相信号のピーク強度の検出を示す波
形図、（ｂ）は２相信号のスライス範囲を示す図、
（Ｃ）は強度比の演算を示す図である。

【図３】（ａ）は正弦波強度と直線近似強度の強度差を
示す図、（ｂ）と（ｃ）は強度差を補正するときの補正
量を示す図である。

【図４】（ａ）と（ｂ）は本発明の光学スケールの第２
の構成例を示す図、（ｃ）は第２の光学スケールを用い
た場合に得られるスライス範囲内の信号強度と直線近似
強度との強度差を示す図である。

【図５】本発明の端数ピッチ距離を検出するときの動作
のフローチャート図である。

【図６】（ａ）は従来の寸法測定装置の構成を示すブロ
ック図、（ｂ）は従来装置で検出する４相正弦波信号の
波形例、（ｃ）は位相の検出を示す図である。

【符号の説明】

１２ 移動格子 １３ 固定格子 １４ 受光器 １６ 端数ピッチ距離検出部 １６０ ピーク強度検出部 １６２ スライス範囲設定部 １６４ 象限検出部 １６６ 強度比演算部 １６８ 位相算出部

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 触針と共に移動する移動格子と互いの格
   子位置が格子１ピッチ長の１／４シフトした二つの格子
   グループから成る固定格子とから構成される光学スケー
   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する２個の受光素子か
   らなる受光器から構成されて位相がπ／２シフトした２
   相信号を出力する光学系と、前記２相信号の１周期の整
   数倍の移動距離を検出する整数ピッチ距離検出部と、前
   記移動格子が停止している位置の近傍で前記２相信号の
   １周期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端数ピッチ距離検出部
   で検出した各々の移動距離の和から寸法を算出する寸法
   検出部から構成される信号処理系を備えた光学スケール
   を用いた寸法測定装置において、 前記端数ピッチ距離検出部は、前記２相格子の各々の正
   負のピーク強度を検出するピーク強度検出部と、前記触
   針が停止している位置の近傍の前記ピーク強度に対して
   予め設定された２値のスライス強度で前記２相信号の各
   々のスライス範囲を設定するスライス範囲設定部と、前
   記停止位置における前記２相信号の強度が前記スライス
   範囲の内部にある側の信号を選択すると共に前記停止位
   置における前記２相信号の強度と前記スライス強度との
   大小関係を比較して前記２相信号の１周期を４つの位相
   象限に分割したときの象限を検出する象限検出部と、前
   記選択された信号の前記停止位置の強度と前記スライス
   強度間の振幅との比を演算する強度比演算部と、前記強
   度比から前記停止位置の象限内の位相を検出すると共に
   該位相と前記象限の基準位置の位相から前記停止位置で
   の２相信号の位相を算出する位相算出部から構成され、
   前記２相信号の１周期以下の端数ピッチ距離を検出する
   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】 前記光学系から出力される２相信号は、
   互いの振幅とオフセットレベルが異なる信号であること
   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】 前記ピーク強度検出部は、前記２相信号
   の各々の各周期毎に正負のピーク強度を検出し、前記触
   針が移動を開始した位置と移動を停止した位置の近傍で
   のピーク強度の値を個別に記憶する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。
4. 【請求項４】 前記スライス範囲を設定するための２値
   のスライス強度は、前記ピーク強度間の振幅に対してほ
   ぼ±７０．７％の強度であることを特徴とする請求項１
   または請求項３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】 前記位相算出部はさらに、前記２相信号
   の前記スライス範囲内の強度分布と前記スライス範囲内
   で直線近似した強度分布との強度差に対応する位相差を
   記憶する位相差記憶部と、前記強度比演算部で検出した
   強度比の値に応じて検出した位相を前記記憶されている
   位相差で補正する位相補正部を設け、該補正された位相
   を前記象限内の位相とする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。
6. 【請求項６】 前記位相差記憶部は、前記２相信号の前
   記スライス範囲内の強度分布と前記スライス範囲内で直
   線近似した強度分布との強度差に対応する位相差を前記
   象限内で離散的に変化する位相として記憶することを特
   徴とする請求項５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】 前記位相差記憶部は、前記２相信号の前
   記スライス範囲内の強度分布と前記スライス範囲内で直
   線近似した強度分布との強度差に対応する位相差を直線
   近似した位相で記憶することを特徴とする請求項５に記
   載の光学スケールを用いた寸法測定装置。
8. 【請求項８】 前記光学スケールは、前記移動格子の格
   子ピッチ（ｍ）と前記固定格子の格子ピッチ（ａ）のピ
   ッチ長は、ｋをｋ≧３の正の奇数の整数としたとき、ｍ
   ＝ｋａなる関係に設定して前記固定格子のピッチ長ａに
   応じた周期の２相信号を出力すると共に、前記移動格子
   の近傍に前記固定格子を設置し、前記移動格子に発散光
   を照射する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。