JP2006308571A - 位置検出方法、及び位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 雰囲気温湿度が変化するような場合でも、高精度の位置測定を行うことができる位置測定装置を提供する。
【解決手段】 コリメートレンズ２を透過した光のうち、ビームスプリッタ３で反射された光は、集光レンズ８により、ＣＣＤ９の受光面に集光される。図から明らかなように、光源１が振動して光ビームの位置が変われば、ＣＣＤ９に入射する光ビームの位置が変化するので、ＣＣＤ９の出力変動から、光ビームの振動中心を知ることができる。制御装置１０は、この振動中心を検出し、振動中心が予め定められた位置となるように、光源１を加振しているピエゾ素子１１に印加する電圧を制御する。このようにして、位置計測の基準となる光ビームの振動中心位置が、検出ヘッドに対して常に一定に保たれるので、雰囲気温湿度が変化したような場合でも、光ビームの振動中心位置変動に伴う測定誤差が発生することが無くなり、精度が悪化することがない。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光学的スケールを使用して光学的に位置を検出する位置検出方法及び位置検出装置に関するものである。

位相回折格子のような周期的な構造を有する光学的スケールに光ビームを照射し、その反射光を処理することにより、光ビームを放出する検出ヘッドと光学的スケールとの相対位置関係及び両者の相対的な運動方向を測定する方法は周知技術であり、一般的に使用されている。最も一般的に用いられている方法は、互いに９０°位相が異なる周期的反射信号が得られるような２つの光ビームを光学的スケールに照射し、２つの反射信号の振幅と位相の関係とから、検出ヘッドと光学的スケールとの相対位置関係及び両者の相対的な運動方向を測定するものである。検出される信号は周期的に変化するものであり、検出ヘッドと光学的スケールとの相対位置関係そのものを示すものではないので、カウンタを用いることにより、検出ヘッドと光学的スケールとの相対位置関係を求めるようにしている。

しかしながら、この方法は、ノイズの影響を受けやすく、反射信号のＳ／Ｎ比が低いことに起因して、検出分解能（精度）が低くなると言う問題点がある。この問題を克服し、検出分解能（精度）を上げる方法として、米国特許６，６３９，６８６号（特許文献１）に示されるような方法が公知となっている。これは、光源からの光ビームを高速で振動させて光学的スケールに照射し、光ビームの振動の中心及び位相と、反射信号の振幅及び位相の４者を演算することにより、検出ヘッドと光学的スケールとの相対位置関係及び両者の相対的な運動方向を測定するものである。一般に、検出素子で検出されるノイズは、周波数と逆比例する関係にあるので、光ビームを高速で振動させ、高周波の反射光信号を受信して処理することにより、Ｓ／Ｎ比を向上させることができ、その結果検出分解能（精度）を上げることができる。

米国特許６，６３９，６８６号

しかしながら、特許文献１に記載される方法には、以下のような問題点がある。すなわち、光ビームを振動させる方法としては、光源を振動させる方法や、光路に振動する光学素子を置き、この光学系を振動させる方法が考えられるが、いずれも測定の基準となる検出ヘッドに、振動素子を介して光源や光学素子を支持する必要がある。支持方法としては、メカ的な取付け、例えばねじ締結や、接着などの支持方法を取らざるを得ないが、これらの支持方法を用いた場合、温湿度等の環境変化に起因して位置変動が発生し、振動中点をドリフトさせる原因となる。このようなドリフトが発生すると、測定原理上、検出位置がドリフトすることとなり、高分解能センサとしては非常に大きな誤差となってしまうという問題点がある。

このような問題点に対する対策として、環境変化等の外乱に対する不安定要素を物理的に制御しようとするための機構、例えば支持機構にスーパーインバなどの超低膨張材料を使用したり、外乱環境を安定に保つ機構、例えば雰囲気温湿度をコントロールする機構を付加したりする方法、さらには、振動素子を振動させるために外部から入力される信号を常時モニタし信号中点の補正を行う機構を付加したりする方法が用いられていたが、いずれも十分なものではなかった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、高精度の位置測定を行うことができる位置測定方法、及び位置測定装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、光学的スケールに、光源からの光を照射し、前記光学的スケールを介した前記光を受光して信号処理することにより、前記光学的スケールの移動位置を測定する位置測定方法であって、前記光を前記光学的スケールの移動方向に振動させ、前記光の振動中心位置を一定位置に制御することを特徴とする位置測定方法である。

本手段においては、光の振動中心位置を一定位置に制御するようにしている。よって、この制御が無い場合に、雰囲気温湿度が変化したりすることによって検出ヘッドに対する光の振動中心位置が変化し、それが測定誤差に結びつくような場合でも、本手段においては、この制御により光の振動中心位置が一定位置に保たれるので、高精度の位置測定が可能になる。

前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、受光した前記反射光の強度の位相及び振幅の少なくとも一方と、前記光の振動の振幅及び位相の少なくとも一方とから、前記光学的スケールの移動位置を測定することを特徴とするものである。

前述の特許文献１に記載されるような位置測定方法においては、特に光の振動中心位置の変化が直ちに測定誤差に結びつくので、前記第１の手段をこのような測定方法に応用すると、特に効果が大きい。

前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、前記光の振動中心位置を一定に制御する方法が、前記光学的スケールに照射される前記光の一部を分離部材により分割して取り出し、取り出された前記光の位置を測定して、その振動中心位置が一定になるように、前記光を振動させている振動発生装置を操作する方法であることを特徴とするものである。

本手段においては、光学的スケールに照射される光の一部を分離部材により分割して取り出し、取り出された光の位置を測定して、その振動中心位置が一定になるように制御しているので、それを実現する装置の構成が簡単になる。なお、分離部材としては、ビームスプリッタ、ハーフミラー、偏光ビームスプリッタ等が使用できる。

前記課題を解決するための第４の手段は、光源と、前記光源からの光をビーム状にするレンズと、前記ビーム状にされた光を分割する分離部材と、前記分離部材で分割された第１のビームを被検物体とともに移動する光学的スケールに照射する投射レンズと、前記光学的スケールを介した光を受光する計測用受光素子と、前記分離部材で分割された第２のビームの位置を測定するビーム位置測定センサと、前記光源からの光を前記光学的スケールの移動方向に周期的に振動させる振動素子と、前記ビーム位置測定センサの信号から前記光源から射出する光の振動中心を求め、前記振動中心を一定位置にするビーム位置制御装置と、前記計測用受光素子で受光した前記光から前記光学スケールの移動位置を演算する位置演算装置とを有することを特徴とする位置検出装置である。

本手段においては、光源から放出される光を、レンズ、分離部材、投射レンズを介して光学的スケールに照射し、光学的スケールを介した光を計測用受光素子で受光する。そして、振動素子により光源からの光を光学的スケールの移動方向に周期的に振動させる。位置演算装置は、計測用受光素子で受光した反射光から光学的スケールの移動位置を演算する。

本手段においては、分離部材で分割された第２の光ビームの位置を光ビーム位置測定センサで測定し、ビーム位置制御装置が、ビーム位置測定センサの出力から光ビームの振動中心を求め、この振動中心一定位置となるように制御する。よって、振動中心が一定位置に保たれるので、高精度の位置測定を行うことができる。

前記課題を解決するための第５の手段は、前記第４の手段であって、前記計測用受光索子が、前記光学的スケールで反射され前記分離部材に入射し、光源とは別な方向に導かれた光を受光することを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第６の手段は、前記第４の手段又は第５の手段であって、前記位置制御装置が、前記振動中心が一定位置になるように前記振動素子を制御することを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第７の手段は、前記第４の手段から第６の手段のいずれかであって、前記振動素子は、前記光源または前記レンズを振動させることを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第８の手段は、前記第４の手段から第６の手段のいずれかであって、前記振動素子は、前記光源から前記分離部材の間に配置された音響光学素子または電気光学素子であることを特徴とするものである。

本手段によって示されるように、前記第４の手段（請求項４）の「振動素子」は、機械的に振動を与えるようなものに限られず、光路を振動させる機能を有するもの全体を含む概念である。

前記課題を解決するための第９の手段は、前記第４の手段から第８の手段のいずれかであって、前記位置演算装置が、前記計測用受光素子で受光した前記反射光の強度の位相及び振幅の少なくとも一方と、前記光源からの光の振幅及び位相の少なくとも一方とから前記光学スケールの移動位置を演算することを特徴とするものである。

本発明によれば、高精度の位置測定を行うことができる位置測定方法、及び位置測定装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。既に述べたように、本発明の前提となる位置測定方法及び位置測定装置については、特許文献１に記載されて公知となっているので、以下の図と説明においては、位置測定方法の原理、及び位置測定のための演算回路等については図示と説明を省略し、本発明の特徴部について説明を行う。

図１は、本発明の実施の形態の第１の例である位置測定装置の概要を示す図である。光源１から放出された光は、コリメートレンズ２により平行光束に変えられ、ビームスプリッタ３に入射する。光源１にはピエゾ素子１１が固定されており、光源１はピエゾ素子１１によって、被検物体と共に移動する光学的スケール５の移動方向に周期的に振動される。ビームスプリッタ３を透過した光は、投射レンズ４により、光学的スケール５の表面に集光される。被検物体と共に移動する光学的スケール５の表面には反射型の位相回折格子が形成され、光学的スケール５の位置に応じて周期的（サインカーブ）な振幅を有する反射光を放出するようになっている。この反射光は、投射レンズ４に

より平行光束に変えられ、ビームスプリッタ３で反射して、集光レンズ６により位置測定用光学素子７の光電検出面に集光して、電気信号に変えられて処理される。光学的スケール５の移動距離及び移動方向は、位置測定用光学素子で検出した光学的スケール５で反射された光の振幅及び位相と、ピエゾ素子１１で振動される光源から射出される光の振動（ピエゾ素子１１の振動）の振幅及び位相に基づいて、不図示の位置演算装置により算出される。

コリメートレンズ２を透過した光のうち、ビームスプリッタ３で反射された光は、集光レンズ８により、ＣＣＤ９の受光面に集光される。図から明らかなように、光源１が振動して光ビームの位置が変われば、ＣＣＤ９に入射する光ビームの位置が変化するので、ＣＣＤ９の出力変動から、光ビームの振動中心を知ることができる。制御装置１０は、この振動中心を検出し、振動中心が予め定められた位置となるように、光源１を加振しているピエゾ素子１１に印加する電圧を制御する。このようにして、位置計測の基準となる光ビームの振動中心位置が、検出ヘッドに対して常に一定に保たれるので、雰囲気温湿度が変化したような場合でも、光ビームの振動中心位置変動に伴う測定誤差が発生することが無くなり、精度が悪化することがない。なお本実施の形態では、ピエゾ素子１１を制御して光ビームの振動中心位置を一定にしたが、光路中に平行平板などを挿入して、その角度を調節することによって光ビームの振動中心位置を一定にしても構わない。

図２は、本発明の実施の形態の第２の例である位置測定装置の概要を示す図である。以下の図においては、前出の図に示された構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付してその説明を省略する。図２に示される位置測定装置は、ビームスプリッタ３で反射された光ビームの位置測定手段が異なっているだけで、その他の構成は図１に示された位置測定装置と同じである。

すなわち、ビームスプリッタ３で反射された光ビームは、集光レンズ８により絞り１２上にスポットとして集光される。絞り１２を通過した光は、受光素子１３によって受光され電気信号に変換される。光のスポットの振動中心が１２の中心と一致している場合には、図３（ａ）に示すように、受光素子１３の出力が小さくなる部分（受光素子１３に光が当たっていない部分）の時間は等しくなるが、光のスポットの振動中心が絞り１２の中心と一致していない場合には、図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、これらの時間は一つおきに異なったものとなる。但し、図３は、受光素子１３の出力信号を２値化して示したもので、例えば（ｂ）がビームの振動中心がが図２の上方にずれていたときの出力であるとすると、（ｃ）は、ビームの振動中心が図２の下方にずれていたときの出力である。

制御装置１０は、受光素子１３の信号が（ｂ）、（ｃ）のようになっていた場合、ピエゾ素子１１に加える電圧を調整することにより、受光素子１３の信号が図３（ａ）のようになるようにする。これにより、位置計測の基準となる光ビームの振動中心位置が、検出ヘッドに対して常に一定に保たれる。

図４は、本発明の実施の形態の第３の例である位置測定装置の概要を示す図である。図４に示される位置測定装置も、ビームスプリッタ３で反射された光ビームの位置測定手段が異なっているだけで、その他の構成は図１に示された位置測定装置と同じである。すなわち、ビームスプリッタ３で反射された光ビームは、受光素子１４の受光面上にスポットとして集光される。受光素子１４は、その受光面が小さく、通常の受光素子の前に絞りを置いたのと同じ効果を奏するものである。よって、図４に示される位置測定装置の制御装置１０に、図２に示される位置測定装置の制御装置１０と同じ作用を持たせることにより、位置計測の基準となる光ビームの振動中心位置が、検出ヘッドに対して常に一定に保たれる。

図５は、本発明の実施の形態の第４の例である位置測定装置の概要を示す図である。図５に示される位置測定装置も、ビームスプリッタ３で反射された光ビームの位置測定手段が異なっているだけで、その他の構成は図１に示された位置測定装置と同じである。すなわち、ビームスプリッタ３で反射された光ビームは、集光レンズ８によりナイフエッジ１５上にスポットとして集光される。ナイフエッジ１５に遮られずに通過した光は、受光素子１３によって受光され電気信号に変換される。

光のスポットの振動中心がナイフエッジ１５の端部と一致している場合には、図６（ａ）に示すように、受光素子１３の出力信号のディユーティ比は５０％となるが、光のスポットの振動中心がナイフエッジ１５の端部と一致していない場合には、図６（ｂ）、（ｃ）に示すように、受光素子１３の出力信号のディユーティ比が５０％からずれてくる。但し、図６は、受光素子１３の信号を、ビームの中心がナイフエッジ１５の端部にあるときの値を閾値として２値化したもので、（ｂ）はビームの振動中心が図５の下側にずれているとき、（ｃ）はビームの振動中心が図５の上側にずれているときの状態を示す。

制御装置１０は、受光素子１３の信号のディユーティ比を５０に保つようにピエゾ素子１１に加える電圧を調整する。これにより、位置計測の基準となる光ビームの振動中心位置が、検出ヘッドに対して常に一定に保たれる。

以上の例においては、ビームスプリッタを使用しているが、これを偏光ビームスプリッタとしてもよい。その場合には、ビームスプリッタ３と投射レンズ４との間にλ／４板を設けることは言うまでもない。

なお上記の実施の形態では、光源１をピエゾ素子ｌｌで振動させたが、光源１ではなくコリメートレンズ２にピエゾ素子を配置し、コリメートレンズ２を振動させても構わない。またピエゾ素子１１を使用する代わりに、光源１とビームスプリッタ３の問に音響光学素子（ＡＯＭ）や電気光学素子（ＥＯＭ）を配置することによって、光学的スケール５に照射する光を振動させても構わない。

さらに、光源１とビームスプリッタ３の間に、振動ミラーを配置し、この振動ミラーを周期的に振動させてもよい。この場合、振動ミラーとしては、水晶振動子の表面に反射膜をコーティングしたものを用いてもよい。

光を振動（ピエゾ素子１１を振動）させる際の周期が三角波である場合には、その三角波をフーリエ級数展開することにより得られる周波数成分の位相に基づく同期検波を行って、その周波数成分の振幅を検出し、その振幅の大きさに基づいて、光学的スケール５の移動距離及び移動方向を算出することができる。

また、光を振動させる際の周期がのこぎり波である場合には、測定用光学素子７によって検出される電気信号は正弦波となり、その位相には光学的スケール５の移動距離及び移動方向を含むことになる。従って、測定用光学素子７によって検出された電気信号の位相のみによって、光学的スケール５の移動距離及び移動方向を算出することができる。

さらに本実施形態の位置検出装置及び位置検出方法では、光学的スケール５の表面に光を集光する構成であったが、本発明が適用できる位置検出装置及び位置検出方法は、この構成に限定されない。

例えば、ビームスプリッタ３と光学的スケール５との間に、インデックス格子を配置すると共に、インデックス格子で発生した±１次回折格子のそれぞれを光学的スケール１上の同じ領域に偏向する偏光部材を配置する構成であってもよい。この偏光部材として、一対の反射ミラー、あるいは回折光学素子を用いることができる。

さらに、本実施形態では、光学スケールの表面に反射型の位相回折格子を形成したが、透過型の位相回折格子を形成してもよい。この場合には、測定用光学素子を光学的スケールに関して、光源側と反対側に配置すればよい。また、透過型の位相回折格子を形成した場合には、ビームスプリッタ３の代わりにハーフミラーを用いることもできる。
また、光学スケールとして、透明なスケール基板上に、透光部と遮光部（例えば、クロムで形成された領域）とを交互に配列したものを用いてもよい。

本発明の実施の形態の第１の例である位置測定装置の概要を示す図である。 本発明の実施の形態の第２の例である位置測定装置の概要を示す図である。 図２に示す実施の形態における受光素子の出力を示す図である。 本発明の実施の形態の第３の例である位置測定装置の概要を示す図である。 本発明の実施の形態の第４の例である位置測定装置の概要を示す図である。 図５に示す実施の形態における受光素子の出力を示す図である。

符号の説明

１…光源、２…コリメートレンズ、３…ビームスプリッタ、４…投射レンズ、５…光学的スケール、６…集光レンズ、７…位置測定用光学素子、８…集光レンズ、９…ＣＣＤ、１０…制御装置、１１…ピエゾ素子、１２…絞り、１３…受光素子、１４…受光素子、１５…ナイフエッジ

Claims (9)

1. 光学的スケールに、光源からの光を照射し、前記光学的スケールを介した前記光を受光して信号処理することにより、前記光学的スケールの移動位置を測定する位置測定方法であって、前記光を前記光学的スケールの移動方向に振動させ、前記光の振動中心位置を一定位置に制御することを特徴とする位置測定方法。
2. 受光した前記光の強度の位相及び振幅の少なくとも一方と、前記光の振動の振幅及び位相の少なくとも一方とから、前記光学的スケールの移動位置を測定することを特徴とする請求項１に記載の位置測定方法。
3. 前記光の振動中心位置を一定に制御する方法が、前記光学的スケールに照射される前記光の一部を分離部材により分割して取り出し、取り出された前記光の位置を測定して、その振動中心位置が一定になるように、前記光を振動させている振動発生装置を操作する方法であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の位置測定方法。
4. 光源と、前記光源からの光をビーム状にするレンズと、前記ビーム状にされた光を分割する分離部材と、前記分離部材で分割された第１のビームを被検物体とともに移動する光学的スケールに照射する投射レンズと、前記光学的スケールを介した光を受光する計測用受光素子と、前記分離部材で分割された第２のビームの位置を測定するビーム位置測定センサと、前記光源からの光を前記光学的スケールの移動方向に周期的に振動させる振動素子と、前記ビーム位置測定センサの信号から前記光源から射出する光の振動中心を求め、前記振動中心を一定位置にするビーム位置制御装置と、前記計測用受光素子で受光した前記光から前記光学スケールの移動位置を演算する位置演算装置とを有することを特徴とする位置検出装置。
5. 前記計測用受光索子は、前記光学的スケールで反射され前記分離部材に入射し、光源とは別な方向に導かれた光を受光することを特徴とする請求項４に記載の位置検出装置。
6. 前記位置制御装置は、前記振動中心が一定位置になるように前記振動素子を制御することを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の位置検出装置。
7. 前記振動素子は、前記光源または前記レンズを振動させることを特徴とする請求項４から請求項６のうちいずれか一項に記載の位置検出装置。
8. 前記振動素子は、前記光源から前記ビームスプリッタの間に配置された音響光学素子または電気光学素子であることを特徴とする請求項４から請求項６のうちいずれか１項に記載の位置検出装置。
9. 前記位置演算装置は、前記計測用受光素子で受光した前記光の強度の位相及び振幅の少なくとも一方と、前記光源からの光の振幅及び位相の少なくとも一方とから前記光学スケールの移動位置を演算することを特徴とする請求項４から請求項８のうちいずれか１項に記載の位置検出装置。

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