JP2749900B2

JP2749900B2 - 位置検出方法

Info

Publication number: JP2749900B2
Application number: JP23536089A
Authority: JP
Inventors: 哲郎岡村; 洋治久保田
Original assignee: Sankyo Seiki Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Nidec Instruments Corp
Priority date: 1989-09-11
Filing date: 1989-09-11
Publication date: 1998-05-13
Anticipated expiration: 2013-05-13
Also published as: JPH0396802A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、位置検出方法に関する。

［従来の技術］精密機械の組立てや精密加工などに於いては、組立部
品や加工部品等に極めて高精度の位置調整が要求される
ことが多い。

このため、可動物体である組立部品や加工部品の位置
を高精度で検出することが行われている。

［発明が解決しようとする課題］本発明も、可動物体の位置検出を高精度で行い得る新
規な位置検出方法の提供を目的とする。

［課題を解決するための手段］以下、本発明を説明する。

本発明は「直線上もしくは平面上で変位可能な可動物
体の位置を規準位置に対して検出する方法」であって、
「点光源と、結像反射系と、反射部材と、受光位置検出
部材と」を用いる。

点光源としては、例えば半導体レーザーを用いること
ができる。結像反射系は、反射機能と結像機能を持つ光
学系であり、例えば平面鏡と結像レンズの組合せや凹面
鏡である。反射部材としては平面鏡やハーフミラー、ビ
ームスプリッターを用い得る。また受光位置検出部材
は、その受光面に入射する光束の入射位置を検出できる
ものを使用でき、例えばラインセンサーやエリアセンサ
ー、あるいは半導体位置検出素子を用い得る。

位置検出に当たっては「受光位置検出部材を規準態位
に保持する」とともに、「点光源と反射部材の組」を可
動物体に固定するか、もしくは結像反射系を可動物体に
固定する。

そして、点光源からの発散性の光束を反射部材を介し
て結像反射系に入射させるように、且つ上記点光源の反
射部材による虚像と、点光源の結像反射系による実像と
がともに受光位置検出部材の受光面上に位置するよう
に、点光源と結像反射系と反射部材と受光位置検出部材
との位置関係を定める。

そして点光源を発光させ、受光位置検出部材による上
記実像の位置検出に基づき可動物体の位置を検出する。

［作用］「点光源の虚像位置」と「結像反射系による実像」
は、ともに受光位置検出部材の受光面上に位置し、可動
物体の位置と実像位置とは対応関係にある。従って受光
位置検出部材の出力に基づき、可動物体に位置を検出で
きる。

［実施例］以下、具体的な実施例に即して説明する。

第１図の実施例に於いて、符号10は可動物体、符号12
は受光位置検出部材としての半導体位置検出素子（以
下、単に検出素子12という）、符号14は点光源としての
半導体レーザー、符号16は反射部材としてのビームスプ
リッター、符号18は結像反射系としての凹面鏡をそれぞ
れ示している。

可動物体10は、第１図の左右方向と図面に直交する方
向の２次元平面上で可動である。

一方、検出素子12は、上記「２次元平面」と平行な平
面を規準面として、この規準面に受光面を合致させて配
備され、しかも配備位置は定位置に定められている。こ
の配備位置に配備されたときの検出素子12の態位を基準
態位と言う。

検出素子12の近傍にはビームスプリッター16が配備さ
れ、ビームスプリッター16の側方には半導体レーザー14
が配備されている。

この実施例では、検出素子12とビームスプリッター16
と半導体レーザー14とは、図に示す相互的な位置関係を
保つように一体化されている。

そして、これら３者は一体として図の位置を占めると
ともに、この位置から退避することができるようになっ
ている。そして図の態位（検出態位という）を占めると
きは自動的に検出素子12が基準態位を占めるようになっ
ている。

半導体レーザー14の発光部は点光源であり、この点光
源からは発散性の光束が放射される。この光束は、その
一部がビームスプリッター16により反射される。このと
き反射拘束は恰もＱ点からの光のように発散しつつ凹面
鏡18に入射する。

Ｑ点は、ビームスプリッター16による点光源の虚像の
位置である。この虚像の位置は、半導体レーザー14とビ
ームスプリッター16の位置関係に応じて一義的に定ま
る。そして、図に示すように上記虚像の位置Ｑが検出素
子12の受光面上に位置するように、検出素子12、半導体
レーザー14、ビームスプリッター16の位置関係が定めら
れている。また、上述のように、これら３者の位置関係
は固定的であるから虚像の位置Ｑは定位置である。そこ
でこの実施例では、この虚像の位置Ｑを基準位置として
演算手段（図示されず）に予め記憶させて置く。

ビームスプリッター16により反射された光束は発散し
つつ凹面鏡18に入射し、反射されると凹面鏡18の結像作
用によりＰ点に結像する。このＰ点は従って、点光源の
凹面鏡18による実像の結像位置である。凹面鏡18の位置
は、このＰ点が検出素子12の受光面上に位置するように
調整される。

さて、可動物体10の位置検出に就き説明する。

可動物体10には、適当な目印（可動物体の端部等でも
良い）が付されている。この目的を図中に符号Ａで示
す。すると「可動物体10の位置を検出する」とは、目印
Ａの位置が前述した基準位置Ｑに対し第１図の左右方向
に於いてどれほど離れた位置にあるか、換言すれば基準
位置Ｑを可動物体10上に射影した射影点と目印Ａとの間
の距離がどれほどであるかを検出することに他ならな
い。

位置検出は、以下の如くに行われる。

まず、第１図の状態から検出素子12、半導体レーザー
14、ビームスプリッター16を一体として退避させる。こ
の状態に於いて、顕微鏡を用いて凹面鏡18の頂部の位置
Ｂを測定する。この顕微鏡はスフェロメーターに使われ
る顕微鏡である。凹面鏡の曲率中心から放射された光束
は曲率中心に集束するので、これを利用して顕微鏡によ
り凹面鏡の曲率中心を求め、この曲率中心から顕微鏡の
光軸が凹面鏡18に当たる位置を可動物体10上に射影した
位置を上記「頂部」の位置Ｂとする。この状態から顕微
鏡が目印Ａを光軸上にとらえるまで顕微鏡を第１図左方
へ移動させ、この間の顕微鏡の変位量を顕微鏡のスケー
ルで計測する。これにより凹面鏡18の頂部の位置Ｂと目
印Ａの間の距離Ｌが知れるので、このＬを前述の演算手
段に入力して置く。

次ぎに、検出素子12、半導体レーザー14、ビームスプ
リッター16を測定態位（第１図に示された態位）に復帰
させる。これにより検出素子12は基準態位を占める。

半導体レーザー14を発光させると凹面鏡18による実像
がＰ点に結像する。このＰ点の位置を検出素子12により
検出する。凹面鏡18による結像倍率は等倍であるから、
虚光源の位置Ｑ点と実像の位置Ｐ点とは、凹面鏡18の頂
部Ｂ点を通る光軸に関して対称の位置にある。Ｑ点の位
置は既に決定されているから、Ｐ点の位置が検出素子12
により検出されると、PQ点間の距離２δが分かる。

すると可動物体10の目印Ａの位置が、基準位置Ｑから
（Ｌ＋δ）だけ離れていることが分かる。かくして可動
物体の位置が検出される。

この例では、基準位置は点光源の虚像の位置Ｑ点に設
定したが、基準の位置はこれに限らず、検出素子12の受
光面上の任意の位置、例えば受光面の中央位置等に設定
できる。

検出素子12は、第２図に示すようにＸ方向（第２図左
右方向）、Ｙ方向（同図上下方向）の差し渡しが2dであ
る正方形の受光面を持ち、光スポットが入射すると、そ
の入射位置に応じて、４つの出力I_X1,I_X2,I_Y1,I_Y2が出
力される。これらの出力は増幅器21〜27により増幅され
たのち位置演算部31,33に入力される。これら位置演算
部はＸ＝ｄ（I_X2−I_X1）／（I_X2＋I_X1）Ｙ＝ｄ（I_Y2−I_Y1）／（I_Y2＋I_Y1）なる演算を行って、入射スポットの位置を与えるX,Y座
標を算出する。但し、XY座標の原点は受光面の中心部で
ある。

位置演算部の出力は、演算手段35に送られる。

演算手段35には既にＱ点の座標と、距離Ｌとが入力さ
れて記憶されているので、これらとＰ点の位置演算の結
果に基づき、目印Ａ点の位置を検出できるのである。

可動物体10に位置合わせを行う場合であれば、このよ
うにして求められたＡ点の位置が所定の位置を占めるよ
うにするために、可動物体をどの方向にどれほど変位さ
せれば良いかがわかるので、その変位を実行することに
より、容易且つ確実に位置合わせを実現できる。

上に説明した実施例の場合、虚光源の位置Ｑ点は、検
出素子12とビームスプリッター16と半導体レーザー14の
位置関係により「設計的」に定まる値を用いた。しかし
実際には、設計的に決定される虚光源位置Ｑと現実の虚
光源位置との間には、誤差によるずれがあるものと考え
られる。このずれは、位置検出精度に対する誤差にな
る。

検出素子12とビームスプリッター16と半導体レーザー
14の位置関係を正確に定めることにより、上記ずれを十
分に小さくできるが、もし現実の虚光源位置を測定でき
れば、「ずれ」の影響を除去できる。

現実の虚光源位置を測定するには、以下のようにすれ
ば良い。

第３図で、符号40は位置合わせ用の顕微鏡を示してい
る。点光源41を発光させると、光はハーフミラー43と対
物レンズ45を介して射出し、ビームスプリッター16を介
して検出素子12の受光面に入射し、反射されるとビーム
スプリッター16、対物レンズ45を介してハーフミラー43
に入射しハーフミラー43に反射されるとスクリーン47上
に入射する。この入射状態を接眼レンズ49による観察す
る。まず顕微鏡40全体を対物レンズ45の光軸方向へ変位
させ、スクリーン47上に点光源41の等倍像を結像させ
る。このとき、像はスクリーン上のターゲットチャート
の中心部分にある。

続いて、半導体レーザー14を発光させると、その現実
の虚光源位置Ｑ′の像をスクリーン47上に観察できる。
この状態で顕微鏡40を光軸直交方向に変位させて、点光
源41の像とＱ′点の像とが重なり合うようにする。この
とき点光源41からの光は、現実の虚光源装置Ｑ′に集光
している。

そこで、このときの検出素子12の出力により現実の虚
光源位置Ｑ′を知ることができる。

検出素子12は単一の受光面を有する。この場合、点光
源の実像の位置が受光面に対して若干ずれると、受光面
上のスポットは幾分広がってしまうが、検出素子12の出
力は、そのような場合、スポット内の強度分布を重みと
する強度分布の重心位置に応じて出力されるので、実像
の位置が正しく測定される。

以下、別実施例を説明する。

結像反射系を凹面鏡とする場合、第４図に示すように
凹面鏡18Aにガラス等による保護部材18Bを設けても良
い。

また、第５図の実施例のように結像反射系を、平面鏡
181と結像レンズ182の組み合わせによって構成しても良
い。但し、この場合は平面鏡181と検出素子12の受光面
とを高精度に平行にする必要がある。また、第５図に示
すように反射部材は平面鏡16A用いることができる。

［発明の効果］以上、本発明によれば新規な位置検出方法を提供でき
る。この発明は上記のごとき構成となっているので可動
物体の位置を容易且つ確実に検出できる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、本発明の１実施例を説明するため
の図、第３図ないし第５図は別の実施例を説明するため
の図である。 10……可動物体、12……受光位置検出部材としての半導
体位置検出素子、14……点光源としての半導体レーザ
ー、16……反射部材としてのビームスプリッター、18…
…結像反射系としての凹面鏡

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 G01D 5/26 - 5/38

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】直線上もしくは平面上で変位可能な可動物
体の位置を基準位置に対して検出する方法であって、点光源と、結像反射系と、反射部材と、受光位置検出部
材とを用い、受光位置検出部材を規準態位に保持するとともに、上記
点光源と反射部材の組を可動物体に固定するか、もしく
は上記結像反射系を可動物体に固定し、点光源からの発散性の光束を反射部材を介して結像反射
系に入射させるように、且つ上記点光源の反射部材によ
る虚像と、点光源の結像反射系による実像とがともに受
光位置検出部材の受光面上に位置するように、上記点光
源と結像反射系と反射部材と受光位置検出部材との位置
関係を定め、上記点光源を発光させ、受光位置検出部材による上記実
像の位置検出に基づき可動物体の位置を検出することを
特徴とする、位置検出方法。