JP2651276B2 - 位置検出装置 - Google Patents
位置検出装置Info
- Publication number
- JP2651276B2 JP2651276B2 JP32154590A JP32154590A JP2651276B2 JP 2651276 B2 JP2651276 B2 JP 2651276B2 JP 32154590 A JP32154590 A JP 32154590A JP 32154590 A JP32154590 A JP 32154590A JP 2651276 B2 JP2651276 B2 JP 2651276B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- signal
- diffraction
- diffraction grating
- pitch
- grating
- Prior art date
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- Expired - Lifetime
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B75/00—Other engines
- F02B75/02—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke
- F02B2075/022—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle
- F02B2075/025—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle two
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、旋盤，フライス盤等の工作機械や半導体製
造装置の位置計測に利用することができる位置検出装置
に関する。
造装置の位置計測に利用することができる位置検出装置
に関する。
（従来の技術） 半導体レーザなどのコヒーレント光を回折格子に照射
した際に生じる回折光は、回折格子の横方向の変位に敏
感であり微小なステップでの変位の測定が可能なため測
長法として広く利用されてきた。回折現象を利用した測
長法は回折格子の製造限界の約１μｍピッチから10μｍ
ピッチぐらいまでの回折格子が利用できるため非常に微
小な位置計測に有用である。さらに、最近では格子ピッ
チの1/2周期の変位信号が得られる手法が考案され、信
号処理によってそれほど位置を分割しなくても微小な位
置データを得ることが可能となってきている。
した際に生じる回折光は、回折格子の横方向の変位に敏
感であり微小なステップでの変位の測定が可能なため測
長法として広く利用されてきた。回折現象を利用した測
長法は回折格子の製造限界の約１μｍピッチから10μｍ
ピッチぐらいまでの回折格子が利用できるため非常に微
小な位置計測に有用である。さらに、最近では格子ピッ
チの1/2周期の変位信号が得られる手法が考案され、信
号処理によってそれほど位置を分割しなくても微小な位
置データを得ることが可能となってきている。
第４図は、その従来の位置検出装置の一例を示す図で
ある。第１の格子11及び第２の格子24の有効対向面積の
各部分において、２つの格子間の間隙光路長を変化させ
て回折モアレ信号の平均値に相当する信号を得る（特開
昭61−17016号公報参照）。ここで得られる信号は
（１）式で示される。
ある。第１の格子11及び第２の格子24の有効対向面積の
各部分において、２つの格子間の間隙光路長を変化させ
て回折モアレ信号の平均値に相当する信号を得る（特開
昭61−17016号公報参照）。ここで得られる信号は
（１）式で示される。
（ただし、A:定数、k:回折格子の振幅透過率分布をフー
リエ級数展開した次数、Ｄ（ｋ）:kの関数） 上記（１）式は、２つの格子間の間隙光路長の変位ｄ
に応じて得られる信号ｆ（ｄ）が、第３図（Ｂ）のよう
にp/2周期で変化することを示している。
リエ級数展開した次数、Ｄ（ｋ）:kの関数） 上記（１）式は、２つの格子間の間隙光路長の変位ｄ
に応じて得られる信号ｆ（ｄ）が、第３図（Ｂ）のよう
にp/2周期で変化することを示している。
このような位置検出装置においては、微細な回折格
子、例えば４μｍピッチの回折格子が利用可能であり、
得られる信号周期はこの従来例の場合には２μｍ周期と
なり、非常に微小な位置計測が可能であった。しかし、
上述した従来の位置検出装置では、例えば２μｍの周期
の信号では絶対位置範囲が２μｍしかとれない。そのた
め絶対位置範囲を広げるためには第４図に示すような光
学系のトラックをさらに追加して、４μｍ周期の信号を
得て４μｍ内の絶対位置範囲を広げるような方法を用い
ていた。
子、例えば４μｍピッチの回折格子が利用可能であり、
得られる信号周期はこの従来例の場合には２μｍ周期と
なり、非常に微小な位置計測が可能であった。しかし、
上述した従来の位置検出装置では、例えば２μｍの周期
の信号では絶対位置範囲が２μｍしかとれない。そのた
め絶対位置範囲を広げるためには第４図に示すような光
学系のトラックをさらに追加して、４μｍ周期の信号を
得て４μｍ内の絶対位置範囲を広げるような方法を用い
ていた。
（発明が解決しようとする課題） ところが、上述のように絶対位置範囲を広げた位置検
出装置では、絶対位置範囲を広げるために追加したトラ
ックのため光学系が非常に複雑になり、装置が大型化す
ると共にコストアップを招くという問題点があった。
出装置では、絶対位置範囲を広げるために追加したトラ
ックのため光学系が非常に複雑になり、装置が大型化す
ると共にコストアップを招くという問題点があった。
本発明は上述のような事情から成されたものであり、
本発明の目的は、絶対位置範囲が広く、小型で低コスト
の位置検出装置を提供することにある。
本発明の目的は、絶対位置範囲が広く、小型で低コスト
の位置検出装置を提供することにある。
（課題を解決するための手段） 本発明は、旋盤，フライス盤等の工作機械や半導体製
造装置の位置計測に利用することができる位置検出装置
に関するものであり、本発明の上記目的は、格子ピッチ
Ｐからなる第１の回折格子と、前記第１の回折格子に対
してその横方向に変位する第２の回折格子と、前記２つ
の回折格子の間に設けられた前記２つの回折格子の有効
対向面積の各部分について、前記２つの回折格子の間の
間隙光路長をフレネル数２又は２つの整数倍に相当する
光路長の範囲にわたって変化させる手段と、前記２つの
回折格子の有効面積の部分にわたっての回折モアレ信号
の平均値に現われる前記回折格子のピッチＰの２分の１
を周期とする信号W1を出力する手段と、前記第１の回折
格子に対してその横方向に変位する第３の回折格子と、
前記２つの回折格子の間の間隙光路長をほぼ単一の光路
長とする手段と、前記２つの回折格子の回折モアレ信号
に相当する前記ピッチＰを周期とする信号WPを出力する
手段と、前記信号W1及び前記信号WPを入力して絶対位置
範囲が前記ピッチのＰの範囲である位置データを出力す
る演算部とを具備することによって達成される。
造装置の位置計測に利用することができる位置検出装置
に関するものであり、本発明の上記目的は、格子ピッチ
Ｐからなる第１の回折格子と、前記第１の回折格子に対
してその横方向に変位する第２の回折格子と、前記２つ
の回折格子の間に設けられた前記２つの回折格子の有効
対向面積の各部分について、前記２つの回折格子の間の
間隙光路長をフレネル数２又は２つの整数倍に相当する
光路長の範囲にわたって変化させる手段と、前記２つの
回折格子の有効面積の部分にわたっての回折モアレ信号
の平均値に現われる前記回折格子のピッチＰの２分の１
を周期とする信号W1を出力する手段と、前記第１の回折
格子に対してその横方向に変位する第３の回折格子と、
前記２つの回折格子の間の間隙光路長をほぼ単一の光路
長とする手段と、前記２つの回折格子の回折モアレ信号
に相当する前記ピッチＰを周期とする信号WPを出力する
手段と、前記信号W1及び前記信号WPを入力して絶対位置
範囲が前記ピッチのＰの範囲である位置データを出力す
る演算部とを具備することによって達成される。
（作用） 本発明の位置検出装置にあっては、光学的に格子ピッ
チＰの1/2周期信号と格子ピッチＰの周期信号を得て、
これらの信号を組合せて計算することにより高精度であ
りかつ微小なステップの位置データが得られると共に絶
対位置範囲を格子ピッチＰまで広げることが可能とな
る。
チＰの1/2周期信号と格子ピッチＰの周期信号を得て、
これらの信号を組合せて計算することにより高精度であ
りかつ微小なステップの位置データが得られると共に絶
対位置範囲を格子ピッチＰまで広げることが可能とな
る。
（実施例） 以下、図面に基づいて本発明の実施例について詳細に
説明する。
説明する。
第１図（Ａ）は、本発明における位置検出装置の第１
の実施例を示す斜視構造図である。第１の回折格子11
と、第１の回折格子11に対し横方向に相対変位する第２
の回折格子21とをその有効対向面積の各部分において２
つの格子間の間隙光路長が変化するように設定する。ま
た、第１の回折格子11,第２の回折格子21及びレンズ13
を通過した２次回折光を受光するように光電変換素子14
1,142を設置し、この光電変換素子141,142は２次回折光
を回折モアレ信号の平均値に相当する信号IMに変換す
る。この信号IMは第３図（Ｂ）に示すようになる。一
方、第１の回折格子11に対し第３の回折格子22を平行に
設定し、間隙光路長がほぼ単一になるようにする。ま
た、第１の回折格子11,第３の回折格子22及びレンズ13
を通過した０次回折光を受光するように光電変換素子15
1を設置し、この光電変換素子151は０次回折光を間隙光
路長が単一な範囲での回折モアレ信号IPに変換する。こ
の回折モアレ信号IPは第３図（Ａ）に示すようになる。
このようにして得られた信号IM及びIPは演算部５に入力
される。ここで、光電変換素子141,142及び光電変換素
子151ではそれぞれ２次回折光および０次回折光を受光
しているが、他の次数の回折光を受光してもよい。
の実施例を示す斜視構造図である。第１の回折格子11
と、第１の回折格子11に対し横方向に相対変位する第２
の回折格子21とをその有効対向面積の各部分において２
つの格子間の間隙光路長が変化するように設定する。ま
た、第１の回折格子11,第２の回折格子21及びレンズ13
を通過した２次回折光を受光するように光電変換素子14
1,142を設置し、この光電変換素子141,142は２次回折光
を回折モアレ信号の平均値に相当する信号IMに変換す
る。この信号IMは第３図（Ｂ）に示すようになる。一
方、第１の回折格子11に対し第３の回折格子22を平行に
設定し、間隙光路長がほぼ単一になるようにする。ま
た、第１の回折格子11,第３の回折格子22及びレンズ13
を通過した０次回折光を受光するように光電変換素子15
1を設置し、この光電変換素子151は０次回折光を間隙光
路長が単一な範囲での回折モアレ信号IPに変換する。こ
の回折モアレ信号IPは第３図（Ａ）に示すようになる。
このようにして得られた信号IM及びIPは演算部５に入力
される。ここで、光電変換素子141,142及び光電変換素
子151ではそれぞれ２次回折光および０次回折光を受光
しているが、他の次数の回折光を受光してもよい。
ところで、信号IMは第１の格子11と第２の格子21との
間隙光路長が変化するように設定して回折モアレ信号の
平均値に相当する信号として光電変換素子14により得ら
れるようになっており、前述の（１）式で示したように
変位に応じてP/2周期で変化する。これに対し回折モア
レ信号IPは第３図（Ａ）に示すようにＰ周期で変化す
る。ここで、位置検出装置の精度を決定するのは格子ピ
ッチの1/2の周期を有する光電変換素子14より出力され
る信号IMであり、この信号IMを用いることにより格子ピ
ッチの周期の信号に比べて電気的分割数が半分で済み、
精度も高くすることができる。一方、回折モアレ信号IP
は信号IMよりも精度は落ちるが絶対位置範囲がＰと広く
採れる。
間隙光路長が変化するように設定して回折モアレ信号の
平均値に相当する信号として光電変換素子14により得ら
れるようになっており、前述の（１）式で示したように
変位に応じてP/2周期で変化する。これに対し回折モア
レ信号IPは第３図（Ａ）に示すようにＰ周期で変化す
る。ここで、位置検出装置の精度を決定するのは格子ピ
ッチの1/2の周期を有する光電変換素子14より出力され
る信号IMであり、この信号IMを用いることにより格子ピ
ッチの周期の信号に比べて電気的分割数が半分で済み、
精度も高くすることができる。一方、回折モアレ信号IP
は信号IMよりも精度は落ちるが絶対位置範囲がＰと広く
採れる。
次に、第１図（Ｂ）に示す第２図の実施例について説
明する。第１の回折格子11と、第１の回折格子11に対し
横方向に相対変位する第２の回折格子23とをその有効対
向面積の各部分において２つの格子間の間隙光路長が変
化するように設定する。そこで、第２の回折機格子23の
全有効対向面積を通過した回折光から、その回折モアレ
信号の平均値に相当する信号IMを光電変換素子143,144
により得る。また、２つの回折格子の間隙光路長がほぼ
単一とみなせる範囲での第２の回折格子23を通過した回
折光をレンズ13を通し光電変換素子152にて受光し、回
折モアレ信号IPを得る。
明する。第１の回折格子11と、第１の回折格子11に対し
横方向に相対変位する第２の回折格子23とをその有効対
向面積の各部分において２つの格子間の間隙光路長が変
化するように設定する。そこで、第２の回折機格子23の
全有効対向面積を通過した回折光から、その回折モアレ
信号の平均値に相当する信号IMを光電変換素子143,144
により得る。また、２つの回折格子の間隙光路長がほぼ
単一とみなせる範囲での第２の回折格子23を通過した回
折光をレンズ13を通し光電変換素子152にて受光し、回
折モアレ信号IPを得る。
次に、演算部５の２つの構成例を第２図（Ａ）及び
（Ｂ）に示す。第２図（Ａ）に示す演算部51において、
信号IMは信号RQによりサンプル・アンド・ホールド回路
（S/H）31に保持され、保持された信号SMはアナログ／
デジタル変換器（A/D）32に送出される。アナログ／デ
ジタル変換器（A/D）32は、信号SMをデジタル信号DMに
変換して位置演算部33に送出する。位置演算部33ではデ
ジタル信号DMに基づいて位置データPMを算出して桁合せ
演算部34に送出する。一方、信号IPは信号RQによりサン
プル・アンド・ホールド回路（S/H）311に保持され、保
持された信号SPはアナログ／デジタル変換器（A/D）321
に送出される。アナログ／デジタル変換器（A/D）321
は、信号SPをデジタル信号DPに変換して位置演算部331
に送出する。位置演算部331ではデジタル信号DPに基づ
いて位置データPPを算出して桁合せ演算部34に送出す
る。桁合せ演算部34では位置データPMの上位の桁信号を
位置データPMと位置データPPの関係から決定し、位置デ
ータPosを算出する。
（Ｂ）に示す。第２図（Ａ）に示す演算部51において、
信号IMは信号RQによりサンプル・アンド・ホールド回路
（S/H）31に保持され、保持された信号SMはアナログ／
デジタル変換器（A/D）32に送出される。アナログ／デ
ジタル変換器（A/D）32は、信号SMをデジタル信号DMに
変換して位置演算部33に送出する。位置演算部33ではデ
ジタル信号DMに基づいて位置データPMを算出して桁合せ
演算部34に送出する。一方、信号IPは信号RQによりサン
プル・アンド・ホールド回路（S/H）311に保持され、保
持された信号SPはアナログ／デジタル変換器（A/D）321
に送出される。アナログ／デジタル変換器（A/D）321
は、信号SPをデジタル信号DPに変換して位置演算部331
に送出する。位置演算部331ではデジタル信号DPに基づ
いて位置データPPを算出して桁合せ演算部34に送出す
る。桁合せ演算部34では位置データPMの上位の桁信号を
位置データPMと位置データPPの関係から決定し、位置デ
ータPosを算出する。
次に、第２図（Ｂ）に示した演算部52の構成例におい
て、信号IMについては第２図（Ａ）に示す演算部51と同
様に演算されるので説明は省略する。一方、信号IPはコ
ンパレータ35で第３図（Ａ）に示すスレッシュホールド
レベルIRで２値化され、２値化された信号CPはラッチ36
へ送出される。２値化された信号CPは信号RQがラッチ36
に入力されるとラッチ36に保持され、桁合せ演算部37へ
位置データDCPとして送出される。桁合せ演算部37では
位置データPMの上位の桁信号を位置データPMと位置デー
タDCPとの関係から決定して位置データPosを算出する。
ここで、信号IPは格子間隙光路長が変化すると若干波形
が変化するが、スレッシュホールドレベルIRを中心に振
幅が増減するので位置データDPの誤差は少ない。
て、信号IMについては第２図（Ａ）に示す演算部51と同
様に演算されるので説明は省略する。一方、信号IPはコ
ンパレータ35で第３図（Ａ）に示すスレッシュホールド
レベルIRで２値化され、２値化された信号CPはラッチ36
へ送出される。２値化された信号CPは信号RQがラッチ36
に入力されるとラッチ36に保持され、桁合せ演算部37へ
位置データDCPとして送出される。桁合せ演算部37では
位置データPMの上位の桁信号を位置データPMと位置デー
タDCPとの関係から決定して位置データPosを算出する。
ここで、信号IPは格子間隙光路長が変化すると若干波形
が変化するが、スレッシュホールドレベルIRを中心に振
幅が増減するので位置データDPの誤差は少ない。
上述の説明において詳細には信号IM及び信号IPは互い
に位相の異なる２つもしくは４つの信号から成ることが
一般的である。
に位相の異なる２つもしくは４つの信号から成ることが
一般的である。
尚、上述した本発明の位置検出装置における実施例は
直線変位を検出する光学式リニアエンコーダについて示
したが、光学式ロータリエンコーダについても利用可能
である。
直線変位を検出する光学式リニアエンコーダについて示
したが、光学式ロータリエンコーダについても利用可能
である。
（発明の効果） 以上のように本発明の位置検出装置によれば、所定の
ピッチの回折格子から光学的に1/2ピッチ周期の信号
と、格子ピッチ周期の信号が得られる。ここで、1/2ピ
ッチ周期の信号は高精度であり、格子ピッチ周期の信号
は絶対位置範囲が広い信号であるので、この２つの信号
を桁合わせ計算することにより高精度でありかつ微小な
ステップの位置データ得られると共に絶対位置範囲を格
子ピッチまで広げることが可能となる。ゆえに、光学系
を複雑にすることなく高精度に位置検出が行なえる。更
に、コストの低減を図ることができる。
ピッチの回折格子から光学的に1/2ピッチ周期の信号
と、格子ピッチ周期の信号が得られる。ここで、1/2ピ
ッチ周期の信号は高精度であり、格子ピッチ周期の信号
は絶対位置範囲が広い信号であるので、この２つの信号
を桁合わせ計算することにより高精度でありかつ微小な
ステップの位置データ得られると共に絶対位置範囲を格
子ピッチまで広げることが可能となる。ゆえに、光学系
を複雑にすることなく高精度に位置検出が行なえる。更
に、コストの低減を図ることができる。
第１図（Ａ）は本発明における位置検出装置の第１の実
施例を示す斜視構造図、第１図（Ｂ）は本発明における
位置検出装置の第２の実施例を示す斜視構造図、第２図
（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ本発明における位置検出装
置の演算部の例を示すブロック図、第３図（Ａ）は回折
モアレ信号IPの一例を示す図、第３図（Ｂ）は信号IMの
一例を示す図、第４図は従来の位置検出装置の例を示す
斜視構造図である。 11……第１の格子、21,23,24……第２の格子、22……第
３の格子、13……レンズ、 14,15,16……光電変換素子、 ５……演算部、31,311……サンプル・アンド・ホールド
回路、 32,321……アナログ／デジタル変換器、33,331……位置
演算部、34,37……桁合せ演算部、35……コンパレー
タ、36……ラッチ。
施例を示す斜視構造図、第１図（Ｂ）は本発明における
位置検出装置の第２の実施例を示す斜視構造図、第２図
（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ本発明における位置検出装
置の演算部の例を示すブロック図、第３図（Ａ）は回折
モアレ信号IPの一例を示す図、第３図（Ｂ）は信号IMの
一例を示す図、第４図は従来の位置検出装置の例を示す
斜視構造図である。 11……第１の格子、21,23,24……第２の格子、22……第
３の格子、13……レンズ、 14,15,16……光電変換素子、 ５……演算部、31,311……サンプル・アンド・ホールド
回路、 32,321……アナログ／デジタル変換器、33,331……位置
演算部、34,37……桁合せ演算部、35……コンパレー
タ、36……ラッチ。
Claims (1)
- 【請求項１】移動体の変位に応じて出力される信号に基
づいて位置データを出力する位置検出装置において、格
子ピッチＰからなる第１の回折格子と、前記第１の回折
格子に対してその横方向に変位する第２の回折格子と、
前記２つの回折格子の間に設けられた前記２つの回折格
子の有効対向面積の各部分について、前記２つの回折格
子の間の間隙光路長をフレネル数２又は２つの整数倍に
相当する光路長の範囲にわたって変化させる手段と、前
記２つの回折格子の有効面積の部分にわたっての回折モ
アレ信号の平均値に現われる前記回折格子のピッチＰの
２分の１を周期とする信号W1を出力する手段と、前記第
１の回折格子に対してその横方向に変位する第３の回折
格子と、前記２つの回折格子の間の間隙光路長をほぼ単
一の光路長とする手段と、前記２つの回折格子の回折モ
アレ信号に相当する前記ピッチＰを周期とする信号WPを
出力する手段と、前記信号W1及び前記信号WPを入力して
絶対位置範囲が前記ピッチＰの範囲である位置データを
出力とする演算部とを具備することを特徴とする位置検
出装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32154590A JP2651276B2 (ja) | 1990-11-26 | 1990-11-26 | 位置検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32154590A JP2651276B2 (ja) | 1990-11-26 | 1990-11-26 | 位置検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04191616A JPH04191616A (ja) | 1992-07-09 |
| JP2651276B2 true JP2651276B2 (ja) | 1997-09-10 |
Family
ID=18133758
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32154590A Expired - Lifetime JP2651276B2 (ja) | 1990-11-26 | 1990-11-26 | 位置検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2651276B2 (ja) |
-
1990
- 1990-11-26 JP JP32154590A patent/JP2651276B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04191616A (ja) | 1992-07-09 |
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