JP3512072B2 - 位置検出装置 - Google Patents
位置検出装置Info
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- JP3512072B2 JP3512072B2 JP33148099A JP33148099A JP3512072B2 JP 3512072 B2 JP3512072 B2 JP 3512072B2 JP 33148099 A JP33148099 A JP 33148099A JP 33148099 A JP33148099 A JP 33148099A JP 3512072 B2 JP3512072 B2 JP 3512072B2
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、干渉計を用いて光
学的に検出対象の位置を検出する位置検出装置に関する
ものである。
学的に検出対象の位置を検出する位置検出装置に関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】干渉計を用いた位置検出装置は、高精度
にしかも非接触で位置検出ができるというメリットがあ
る。
にしかも非接触で位置検出ができるというメリットがあ
る。
【０００３】図２は干渉計を用いた位置検出装置の従来
例の構成図である。図２で、ターゲットミラー１は位置
固定され、光学回路部２は検出対象（図示せず）ととも
にＣ−Ｃ´方向に移動する。レーザ光源２１は、紙面に
垂直な偏光成分をもつレーザ光を出射する。レンズ２２
はレーザ光源２１の出射光を平行光にする。ハーフミラ
ー２３はレンズ２２を通過した光を透過光と反射光に分
岐する。
例の構成図である。図２で、ターゲットミラー１は位置
固定され、光学回路部２は検出対象（図示せず）ととも
にＣ−Ｃ´方向に移動する。レーザ光源２１は、紙面に
垂直な偏光成分をもつレーザ光を出射する。レンズ２２
はレーザ光源２１の出射光を平行光にする。ハーフミラ
ー２３はレンズ２２を通過した光を透過光と反射光に分
岐する。
【０００４】位置固定されたミラー２４，２５はハーフ
ミラー２３の透過光を受け、受けた光を反射してハーフ
ミラー２３へ戻す。ミラー２４はレーザ光源２１の光軸
と４５°の角度をなして配置されている。これに対し
て、ミラー２５はレーザ光源２１の光軸と４５°＋θａ
の角度をなして配置されている。偏光ビームスプリッタ
（ＰＢＳとする）２６は、ハーフミラー２３で反射され
た光を反射する。反射された光はλ／４板２６１を通
り、ターゲットミラー１に進む。λ／４板２６１を光が
２回通過することで、垂直偏光→水平偏光へ、水平偏光
→垂直偏光に変換する。λ／４板２６１を設けたことに
より、ＰＢＳ２６１で透過光と反射光を選択できる。コ
ーナーキューブ２７は、ターゲットミラー１で反射され
た後、λ／４板２６１、ＰＢＳ２６を透過した光を反射
してＰＢＳ２６へ戻す。位相検出器２８は、ハーフミラ
ー２３に戻ってきた光により生成された干渉縞を検出す
る。ターゲットミラー１とコーナーキューブ２７との距
離をＬとする。
ミラー２３の透過光を受け、受けた光を反射してハーフ
ミラー２３へ戻す。ミラー２４はレーザ光源２１の光軸
と４５°の角度をなして配置されている。これに対し
て、ミラー２５はレーザ光源２１の光軸と４５°＋θａ
の角度をなして配置されている。偏光ビームスプリッタ
（ＰＢＳとする）２６は、ハーフミラー２３で反射され
た光を反射する。反射された光はλ／４板２６１を通
り、ターゲットミラー１に進む。λ／４板２６１を光が
２回通過することで、垂直偏光→水平偏光へ、水平偏光
→垂直偏光に変換する。λ／４板２６１を設けたことに
より、ＰＢＳ２６１で透過光と反射光を選択できる。コ
ーナーキューブ２７は、ターゲットミラー１で反射され
た後、λ／４板２６１、ＰＢＳ２６を透過した光を反射
してＰＢＳ２６へ戻す。位相検出器２８は、ハーフミラ
ー２３に戻ってきた光により生成された干渉縞を検出す
る。ターゲットミラー１とコーナーキューブ２７との距
離をＬとする。
【０００５】図２の位置検出装置で、レーザ光源２１か
ら出射された光は、次の経路をとる光がある。 レンズ２２→ハーフミラー２３→ミラー２４→ミラー２
５→ハーフミラー２３→位相検出器２８ この経路をとる光をの光とする。 レンズ２２→ハーフミラー２３→ＰＢＳ２６→λ／４板
２６１→ターゲットミラー１→λ／４板２６１→ＰＢＳ
２６→コーナーキューブ２７→ＰＢＳ２６→λ／４板２
６１→ターゲットミラー１→λ／４板２６１→ＰＢＳ２
６→ハーフミラー２３→位相検出器２８ この経路をとる光をの光とする。
ら出射された光は、次の経路をとる光がある。 レンズ２２→ハーフミラー２３→ミラー２４→ミラー２
５→ハーフミラー２３→位相検出器２８ この経路をとる光をの光とする。 レンズ２２→ハーフミラー２３→ＰＢＳ２６→λ／４板
２６１→ターゲットミラー１→λ／４板２６１→ＰＢＳ
２６→コーナーキューブ２７→ＰＢＳ２６→λ／４板２
６１→ターゲットミラー１→λ／４板２６１→ＰＢＳ２
６→ハーフミラー２３→位相検出器２８ この経路をとる光をの光とする。
【０００６】ミラー２５の配置角度はミラー２４の配置
角度に対してθａだけずらしているため、の経路をと
って戻ってきた光ａの波面と、の経路をとって戻って
きた光ｂの波面がθａだけずれている。波面のずれによ
り光ａとｂが干渉して干渉縞Ｓを作る。干渉縞のパター
ンを図３に示す。干渉縞のピッチＰは次式で与えられ
る。 Ｐ＝λ／θａ （λはレーザ光の波長）
角度に対してθａだけずらしているため、の経路をと
って戻ってきた光ａの波面と、の経路をとって戻って
きた光ｂの波面がθａだけずれている。波面のずれによ
り光ａとｂが干渉して干渉縞Ｓを作る。干渉縞のパター
ンを図３に示す。干渉縞のピッチＰは次式で与えられ
る。 Ｐ＝λ／θａ （λはレーザ光の波長）
【０００７】位相検出器２８は、干渉縞の配列方向に沿
ってＰ／４ピッチだけ位相をずらして配置した２つの受
光素子により干渉縞を検出する。受光素子は、例えばフ
ォトダイオードである。図３に２つの受光素子２８１と
２８２の配置を示す。２つの受光素子２８１と２８２は
受光量に応じた検出信号を出力する。受光素子２８１と
２８２の検出信号はＫ１ｓｉｎθとＫ１ｃｏｓθ（Ｋ１
は定数、θは位相）になる。位相θは光学回路部２の移
動量ΔＬに応じて変調される。θは次式で与えられる。 θ＝２π・４ΔＬ／λ （１） （１）式で「４」があるのはターゲットミラー１とコー
ナーキューブ２７の間を光が２往復していて、光学回路
部２がΔＬだけ移動すると、光路長は４ΔＬだけ変わる
ためである。（１）式より、移動量ΔＬは次式で与えら
れる。 ΔＬ＝θλ／８π （２）
ってＰ／４ピッチだけ位相をずらして配置した２つの受
光素子により干渉縞を検出する。受光素子は、例えばフ
ォトダイオードである。図３に２つの受光素子２８１と
２８２の配置を示す。２つの受光素子２８１と２８２は
受光量に応じた検出信号を出力する。受光素子２８１と
２８２の検出信号はＫ１ｓｉｎθとＫ１ｃｏｓθ（Ｋ１
は定数、θは位相）になる。位相θは光学回路部２の移
動量ΔＬに応じて変調される。θは次式で与えられる。 θ＝２π・４ΔＬ／λ （１） （１）式で「４」があるのはターゲットミラー１とコー
ナーキューブ２７の間を光が２往復していて、光学回路
部２がΔＬだけ移動すると、光路長は４ΔＬだけ変わる
ためである。（１）式より、移動量ΔＬは次式で与えら
れる。 ΔＬ＝θλ／８π （２）
【０００８】コンパレータ２９は、受光素子２８１と２
８２の検出信号Ｋ１ｓｉｎθとＫ１ｃｏｓθをパルス信
号に変換する。変換されたパルス信号をパルスＡ及びパ
ルスＢとする。位相カウンタ３０は、パルスＡとパルス
Ｂの位相を計測し、計測した位相から（２）式をもとに
移動距離ΔＬを算出する。移動距離ΔＬから検出対象の
位置が求められる。位相カウンタ３０は、パルスＡとパ
ルスＢの位相の先後関係から検出対象の移動方向を判別
する。
８２の検出信号Ｋ１ｓｉｎθとＫ１ｃｏｓθをパルス信
号に変換する。変換されたパルス信号をパルスＡ及びパ
ルスＢとする。位相カウンタ３０は、パルスＡとパルス
Ｂの位相を計測し、計測した位相から（２）式をもとに
移動距離ΔＬを算出する。移動距離ΔＬから検出対象の
位置が求められる。位相カウンタ３０は、パルスＡとパ
ルスＢの位相の先後関係から検出対象の移動方向を判別
する。
【０００９】図４は図２の装置における各信号の波形図
である。図４では横軸に移動量ΔＬをとっている。位相
カウンタ３０は、パルスＡとパルスＢの１／４周期を分
解能にしてパルスＡまたはパルスＢの位相を計測する。
である。図４では横軸に移動量ΔＬをとっている。位相
カウンタ３０は、パルスＡとパルスＢの１／４周期を分
解能にしてパルスＡまたはパルスＢの位相を計測する。
【００１０】図２の従来例では次の問題点があった。
（問題点１）位相カウンタ３０は、入力であるパルスＡ
とパルスＢの位相差をもとに検出対象の移動方向を判別
しているため、２つのパルスの位相差を十分に確保する
必要がある。しかし、以下の要因で位相差が少なくな
り、誤動作することがあるという問題点があった。
とパルスＢの位相差をもとに検出対象の移動方向を判別
しているため、２つのパルスの位相差を十分に確保する
必要がある。しかし、以下の要因で位相差が少なくな
り、誤動作することがあるという問題点があった。
【００１１】レーザ光源におけるレーザ発振の波長が
急峻に変動すると、位相検出器の出力も急峻に変わり、
位相差が少なくなることがある。
急峻に変動すると、位相検出器の出力も急峻に変わり、
位相差が少なくなることがある。
【００１２】レーザ波面の乱れにより受光素子の検出
信号の位相や振幅に誤差が生じ、位相差が少なくなるこ
とがある。
信号の位相や振幅に誤差が生じ、位相差が少なくなるこ
とがある。
【００１３】光学回路部２と検出対象を載せたスライ
ダが高速移動する場合は、レーザの波長が短いため、位
相検出器２８の出力の周波数は数ＭＨｚ程度になり、コ
ンパレータ２９として高速型コンパレータを使用する必
要がある。逆に、スライダが停止または低速移動してい
る場合は、位相検出器２８の出力の周波数は０または数
１０Ｈｚ程度まで低下する。このとき、高速コンパレー
タを発振させないためにコンパレータにヒステリシスを
設ける必要がある。ヒステリシスを設けると、コンパレ
ータ入力の振幅が変動したときにパルスＡとパルスＢの
位相差に大きな誤差を生じることがある。
ダが高速移動する場合は、レーザの波長が短いため、位
相検出器２８の出力の周波数は数ＭＨｚ程度になり、コ
ンパレータ２９として高速型コンパレータを使用する必
要がある。逆に、スライダが停止または低速移動してい
る場合は、位相検出器２８の出力の周波数は０または数
１０Ｈｚ程度まで低下する。このとき、高速コンパレー
タを発振させないためにコンパレータにヒステリシスを
設ける必要がある。ヒステリシスを設けると、コンパレ
ータ入力の振幅が変動したときにパルスＡとパルスＢの
位相差に大きな誤差を生じることがある。
【００１４】（問題点２）位相検出器２８の出力の位相
を計測することによって位置を求めている図２の従来例
では、位相検出器２８の出力が２πだけ変化したときに
位相カウンタ３０のカウントは４だけ変化する。このた
め、検出分解能は、（位相検出器２８の出力の周期）／
４に固定されてしまう。
を計測することによって位置を求めている図２の従来例
では、位相検出器２８の出力が２πだけ変化したときに
位相カウンタ３０のカウントは４だけ変化する。このた
め、検出分解能は、（位相検出器２８の出力の周期）／
４に固定されてしまう。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上述した問題
点を解決するためになされたものであり、レーザ光の急
峻な変化や位相検出信号の振幅変動等による誤動作を防
止でき、しかも位置検出の分解能が高い位置検出装置を
実現することを目的とする。
点を解決するためになされたものであり、レーザ光の急
峻な変化や位相検出信号の振幅変動等による誤動作を防
止でき、しかも位置検出の分解能が高い位置検出装置を
実現することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】本発明は次のとおりの構
成になった位置検出装置である。
成になった位置検出装置である。
【００１７】（１）検出対象の移動に伴って移動する一
定ピッチの干渉縞を光の干渉を利用して生成する光学回
路部と、干渉縞の配列方向に沿ってずらして配置した複
数の受光素子により干渉縞を検出し、検出対象の移動量
に応じて変調される２種の変調信号を生成する位相検出
器とを備えた位置検出装置において、前記２種の変調信
号に対して、原振クロックをもとに生成し変調信号より
も角周波数が十分大きい基準信号をそれぞれ乗算する乗
算器と、前記２つの乗算信号を加算し、変調信号に比べ
て角周波数が十分大きい加算信号を得る加算器と、前記
加算信号をパルス信号に変換するコンパレータと、 変換
したパルス信号の分周信号の周期と前記基準信号の周期
の差をとり、この差を所定の周期毎に積算して検出対象
の位置を算出する位置算出部と、を設けたことを特徴と
する位置検出装置。
定ピッチの干渉縞を光の干渉を利用して生成する光学回
路部と、干渉縞の配列方向に沿ってずらして配置した複
数の受光素子により干渉縞を検出し、検出対象の移動量
に応じて変調される２種の変調信号を生成する位相検出
器とを備えた位置検出装置において、前記２種の変調信
号に対して、原振クロックをもとに生成し変調信号より
も角周波数が十分大きい基準信号をそれぞれ乗算する乗
算器と、前記２つの乗算信号を加算し、変調信号に比べ
て角周波数が十分大きい加算信号を得る加算器と、前記
加算信号をパルス信号に変換するコンパレータと、 変換
したパルス信号の分周信号の周期と前記基準信号の周期
の差をとり、この差を所定の周期毎に積算して検出対象
の位置を算出する位置算出部と、を設けたことを特徴と
する位置検出装置。
【００１８】（２）干渉計を用いて光学的に検出対象の
位置を検出する位置検出装置において、検出対象の移動
に伴って移動するピッチＰの干渉縞を光の干渉を利用し
て生成する光学回路部と、干渉縞の配列方向に沿ってＰ
／４ピッチだけ位相をずらして配置した複数の受光素子
により干渉縞を検出し、これらの受光手段の検出信号か
ら角周波数ωｓが検出対象の移動量に応じて変調される
変調信号Ｋ１ｓｉｎωｓｔとＫ１ｃｏｓωｓｔ（Ｋ１は
定数，ｔは時間）を生成する位相検出器と、前記変調信
号Ｋ１ｓｉｎωｓｔとＫ１ｃｏｓωｓｔに原振クロック
をもとに生成した基準信号Ｋ２ｃｏｓωｃｔとＫ２ｓｉ
ｎωｃｔ（ωｃ≫ωｓ）をそれぞれ乗算する乗算器と、
前記２つの乗算信号を加算して変調信号よりも角周波数
が十分大きい加算信号Ｋ１・Ｋ２ｓｉｎ（ωｃ＋ωｓ）
ｔを得る加算器と、前記加算信号をパルス信号に変換す
るコンパレータと、変換したパルス信号を分周比ｎ（ｎ
は整数）で分周する分周器と、この分周器から得た分周
信号の周期ｎ／（ｆｓ＋ｆｃ）（ωｃ＝２πｆｃ，ωｓ
＝２πｆｓ）を前記原振クロックと同期していて分周信
号に比べて周期が十分短いクロックで計測する周期カウ
ンタと、この周期カウンタの計測周期と基準信号の周期
ｎ／ｆｃの差をとる減算器と、この減算器の減算値を周
期ｎ／（ｆｓ＋ｆｃ）毎に積算する積算器と、この積算
器の積算値から検出対象の位置を算出する位置算出手段
と、を有することを特徴とする位置検出装置。
位置を検出する位置検出装置において、検出対象の移動
に伴って移動するピッチＰの干渉縞を光の干渉を利用し
て生成する光学回路部と、干渉縞の配列方向に沿ってＰ
／４ピッチだけ位相をずらして配置した複数の受光素子
により干渉縞を検出し、これらの受光手段の検出信号か
ら角周波数ωｓが検出対象の移動量に応じて変調される
変調信号Ｋ１ｓｉｎωｓｔとＫ１ｃｏｓωｓｔ（Ｋ１は
定数，ｔは時間）を生成する位相検出器と、前記変調信
号Ｋ１ｓｉｎωｓｔとＫ１ｃｏｓωｓｔに原振クロック
をもとに生成した基準信号Ｋ２ｃｏｓωｃｔとＫ２ｓｉ
ｎωｃｔ（ωｃ≫ωｓ）をそれぞれ乗算する乗算器と、
前記２つの乗算信号を加算して変調信号よりも角周波数
が十分大きい加算信号Ｋ１・Ｋ２ｓｉｎ（ωｃ＋ωｓ）
ｔを得る加算器と、前記加算信号をパルス信号に変換す
るコンパレータと、変換したパルス信号を分周比ｎ（ｎ
は整数）で分周する分周器と、この分周器から得た分周
信号の周期ｎ／（ｆｓ＋ｆｃ）（ωｃ＝２πｆｃ，ωｓ
＝２πｆｓ）を前記原振クロックと同期していて分周信
号に比べて周期が十分短いクロックで計測する周期カウ
ンタと、この周期カウンタの計測周期と基準信号の周期
ｎ／ｆｃの差をとる減算器と、この減算器の減算値を周
期ｎ／（ｆｓ＋ｆｃ）毎に積算する積算器と、この積算
器の積算値から検出対象の位置を算出する位置算出手段
と、を有することを特徴とする位置検出装置。
【００１９】（３）周波数がｆｃ以上の原振クロックを
発生する原振クロック発生器と、前記原振クロックをも
とに信号Ｋ２ｃｏｓωｃｔまたはＫ２ｓｉｎωｃｔを生
成して発生する発振器と、この発振器の発生信号の位相
をずらし、信号Ｋ２ｃｏｓωｃｔとＫ２ｓｉｎωｃｔを
生成する位相シフタと、を有し、前記位相シフタで生成
した信号Ｋ２ｃｏｓωｃｔとＫ２ｓｉｎωｃｔを前記乗
算器へ与え、前記原振クロックを前記周期カウンタに周
期計測用クロックとして与えることを特徴とする（２）
記載の位置検出装置。
発生する原振クロック発生器と、前記原振クロックをも
とに信号Ｋ２ｃｏｓωｃｔまたはＫ２ｓｉｎωｃｔを生
成して発生する発振器と、この発振器の発生信号の位相
をずらし、信号Ｋ２ｃｏｓωｃｔとＫ２ｓｉｎωｃｔを
生成する位相シフタと、を有し、前記位相シフタで生成
した信号Ｋ２ｃｏｓωｃｔとＫ２ｓｉｎωｃｔを前記乗
算器へ与え、前記原振クロックを前記周期カウンタに周
期計測用クロックとして与えることを特徴とする（２）
記載の位置検出装置。
【００２０】（４）前記乗算器は、変調信号Ｋ１ｓｉｎ
ωｓｔとＫ１ｃｏｓωｓｔに基準信号Ｋ２ｓｉｎωｃｔ
とＫ２ｃｏｓωｃｔをそれぞれ乗算し、前記加算器は、
２つの乗算信号を加算して信号Ｋ１・Ｋ２ｃｏｓ（ωｃ
−ωｓ）ｔを得ることを特徴とする（２）記載の位置検
出装置。
ωｓｔとＫ１ｃｏｓωｓｔに基準信号Ｋ２ｓｉｎωｃｔ
とＫ２ｃｏｓωｃｔをそれぞれ乗算し、前記加算器は、
２つの乗算信号を加算して信号Ｋ１・Ｋ２ｃｏｓ（ωｃ
−ωｓ）ｔを得ることを特徴とする（２）記載の位置検
出装置。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下図面を用いて本発明を詳しく
説明する。図１は本発明の一実施例を示す構成図であ
る。図１で図２と同一のものは同一符号を付ける。説明
を簡単にするため、検出対象とともに光学回路部２は一
定速度Ｖで移動しているものとする。位相検出器２８
は、検出信号Ｋ１ｓｉｎθ及びＫ１ｃｏｓθを出力す
る。光学回路部２が一定速度で移動していることから、
Ｋ１ｓｉｎθ＝Ｋ１ｓｉｎωｓｔ，Ｋ１ｃｏｓθ＝Ｋ１
ｃｏｓωｓｔ（ωｓは角周波数，ｔは時間）とする。
説明する。図１は本発明の一実施例を示す構成図であ
る。図１で図２と同一のものは同一符号を付ける。説明
を簡単にするため、検出対象とともに光学回路部２は一
定速度Ｖで移動しているものとする。位相検出器２８
は、検出信号Ｋ１ｓｉｎθ及びＫ１ｃｏｓθを出力す
る。光学回路部２が一定速度で移動していることから、
Ｋ１ｓｉｎθ＝Ｋ１ｓｉｎωｓｔ，Ｋ１ｃｏｓθ＝Ｋ１
ｃｏｓωｓｔ（ωｓは角周波数，ｔは時間）とする。
【００２２】光学回路部２は一定速度Ｖで移動している
ため、ΔＬ＝Ｖｔとなる。（１）式から θ＝２π・４ΔＬ／λ ＝２π・４Ｖｔ／λ ＝８πＶｔ／λ となる。θ＝ωｓｔから、 ωｓ＝８πＶ／λ となる。ωｓ＝２πｆｓ（ｆｓは周波数）とすると、 ｆｓ＝４Ｖ／λ （３ ） となる。
ため、ΔＬ＝Ｖｔとなる。（１）式から θ＝２π・４ΔＬ／λ ＝２π・４Ｖｔ／λ ＝８πＶｔ／λ となる。θ＝ωｓｔから、 ωｓ＝８πＶ／λ となる。ωｓ＝２πｆｓ（ｆｓは周波数）とすると、 ｆｓ＝４Ｖ／λ （３ ） となる。
【００２３】原振クロック発生器４０は、周波数がｆｃ
よりも十分大きい原振クロックを発生する。発振器４１
は、原振クロックをもとに信号Ｋ２ｃｏｓωｃｔ（Ｋ２
は定数、ωｃ≫ωｓ）を生成して発生する。位相シフタ
４２は、信号Ｋ２ｃｏｓωｃｔの位相をずらし、信号Ｋ
２ｓｉｎωｃｔを生成する。乗算器４３は、変調信号Ｋ
１ｓｉｎωｓｔとＫ１ｃｏｓωｓｔに基準信号Ｋ２ｃｏ
ｓωｃｔとＫ２ｓｉｎωｃｔをそれぞれ乗算する。加算
器４４は、２つの乗算信号を加算して信号Ｋ１・Ｋ２ｓ
ｉｎ（ωｃ＋ωｓ）ｔを得る。
よりも十分大きい原振クロックを発生する。発振器４１
は、原振クロックをもとに信号Ｋ２ｃｏｓωｃｔ（Ｋ２
は定数、ωｃ≫ωｓ）を生成して発生する。位相シフタ
４２は、信号Ｋ２ｃｏｓωｃｔの位相をずらし、信号Ｋ
２ｓｉｎωｃｔを生成する。乗算器４３は、変調信号Ｋ
１ｓｉｎωｓｔとＫ１ｃｏｓωｓｔに基準信号Ｋ２ｃｏ
ｓωｃｔとＫ２ｓｉｎωｃｔをそれぞれ乗算する。加算
器４４は、２つの乗算信号を加算して信号Ｋ１・Ｋ２ｓ
ｉｎ（ωｃ＋ωｓ）ｔを得る。
【００２４】コンパレータ４５は、加算信号をパルス信
号に変換する。分周器４６は、変換したパルス信号を分
周比ｎ（ｎは整数）で分周する。分周器４６により周波
数が（ｆｃ＋ｆｓ）／ｎの信号（ωｃ＝２πｆｃ）が得
られる。周期カウンタ４７は、分周器４６から得た分周
信号の周期ｎ／（ｆｓ＋ｆｃ）を原振クロックで計測す
る。原振クロックの周波数は周波数（ｆｃ＋ｆｓ）／ｎ
に比べて十分大きいため、高分解能で周期を計測でき
る。なお、原振クロック以外で周期を計測してもよい。
計測クロックの周期は分周信号の周期ｎ／（ｆｓ＋ｆ
ｃ）に比べて十分短ければよい。減算器４８は、基準信
号の周期ｎ／ｆｃと周期カウンタの計測周期ｎ／（ｆｓ
＋ｆｃ）との差をとる。これによって、周期差分ｎｆｓ
／ｆｃ（ｆｓ＋ｆｃ）が得られる。
号に変換する。分周器４６は、変換したパルス信号を分
周比ｎ（ｎは整数）で分周する。分周器４６により周波
数が（ｆｃ＋ｆｓ）／ｎの信号（ωｃ＝２πｆｃ）が得
られる。周期カウンタ４７は、分周器４６から得た分周
信号の周期ｎ／（ｆｓ＋ｆｃ）を原振クロックで計測す
る。原振クロックの周波数は周波数（ｆｃ＋ｆｓ）／ｎ
に比べて十分大きいため、高分解能で周期を計測でき
る。なお、原振クロック以外で周期を計測してもよい。
計測クロックの周期は分周信号の周期ｎ／（ｆｓ＋ｆ
ｃ）に比べて十分短ければよい。減算器４８は、基準信
号の周期ｎ／ｆｃと周期カウンタの計測周期ｎ／（ｆｓ
＋ｆｃ）との差をとる。これによって、周期差分ｎｆｓ
／ｆｃ（ｆｓ＋ｆｃ）が得られる。
【００２５】積算器４９は、減算器の減算値ｎｆｓ／ｆ
ｃ（ｆｓ＋ｆｃ）を周期ｎ／（ｆｓ＋ｆｃ）毎に積算す
る。これによって、積算値ｆｓｔ／ｆｃが得られる。ス
ケール変換器５０は、積算値ｆｓｔ／ｆｃにλｆｃ／４
を乗算して移動距離ΔＬを算出する。この演算は次のと
おりである。（３）式より、 ｆｓｔ／ｆｃ×λｆｃ／４ ＝４Ｖ／λ×ｔ／ｆｃ×λｆｃ／４ ＝Ｖｔ ＝ΔＬ となる。これによって、移動量ΔＬが求められる。演算
手段５１は、移動量ΔＬから検出対象の位置を算出す
る。請求範囲でいう位置算出手段は、スケール変換器５
０と演算手段５１に相当する。また、位置算出部は、分
周器４６、周期カウンタ４７、減算器４８、積算器４
９、スケール変換器５０及び演算手段５１からなる部分
に相当する。
ｃ（ｆｓ＋ｆｃ）を周期ｎ／（ｆｓ＋ｆｃ）毎に積算す
る。これによって、積算値ｆｓｔ／ｆｃが得られる。ス
ケール変換器５０は、積算値ｆｓｔ／ｆｃにλｆｃ／４
を乗算して移動距離ΔＬを算出する。この演算は次のと
おりである。（３）式より、 ｆｓｔ／ｆｃ×λｆｃ／４ ＝４Ｖ／λ×ｔ／ｆｃ×λｆｃ／４ ＝Ｖｔ ＝ΔＬ となる。これによって、移動量ΔＬが求められる。演算
手段５１は、移動量ΔＬから検出対象の位置を算出す
る。請求範囲でいう位置算出手段は、スケール変換器５
０と演算手段５１に相当する。また、位置算出部は、分
周器４６、周期カウンタ４７、減算器４８、積算器４
９、スケール変換器５０及び演算手段５１からなる部分
に相当する。
【００２６】検出対象の移動方向は、２つの変調信号Ｋ
１ｓｉｎωｓｔとＫ１ｃｏｓωｓｔの位相の先後関係に
よりωｓの極性が異なり、周波数ｆｓ＋ｆｃがｆｃより
も大きいか小さいかで判別する。
１ｓｉｎωｓｔとＫ１ｃｏｓωｓｔの位相の先後関係に
よりωｓの極性が異なり、周波数ｆｓ＋ｆｃがｆｃより
も大きいか小さいかで判別する。
【００２７】なお、乗算器４３は、変調信号Ｋ１ｓｉｎ
ωｓｔとＫ１ｃｏｓωｓｔに基準信号Ｋ２ｓｉｎωｃｔ
とＫ２ｃｏｓωｃｔをそれぞれ乗算し、加算器４４は、
２つの乗算信号を加算して信号Ｋ１・Ｋ２ｃｏｓ（ωｃ
−ωｓ）ｔを得る構成にしてもよい。
ωｓｔとＫ１ｃｏｓωｓｔに基準信号Ｋ２ｓｉｎωｃｔ
とＫ２ｃｏｓωｃｔをそれぞれ乗算し、加算器４４は、
２つの乗算信号を加算して信号Ｋ１・Ｋ２ｃｏｓ（ωｃ
−ωｓ）ｔを得る構成にしてもよい。
【００２８】また、実施例では光学回路部２が移動する
場合について説明したが、ターゲットミラーが移動し、
光学回路部２が位置固定でもよい。
場合について説明したが、ターゲットミラーが移動し、
光学回路部２が位置固定でもよい。
【００２９】
【発明の効果】本発明によれば次の効果が得られる。
【００３０】請求項１記載の発明では、検出対象の移動
量に応じて変調される２種の変調信号に原振クロックを
もとに生成した基準信号をそれぞれ乗算し、２つの乗算
信号を加算することによって、変調信号に比べて高周波
の加算信号を生成している。このため、検出対象の停止
時や低速移動時にも、加算信号をパルス化するコンパレ
ータには高周波の信号が入力される。これによって、コ
ンパレータにヒステリシスをもたせる必要がない。ヒス
テリシスがないことよって、コンパレータ入力の振幅が
変動しても誤動作を生じない。
量に応じて変調される２種の変調信号に原振クロックを
もとに生成した基準信号をそれぞれ乗算し、２つの乗算
信号を加算することによって、変調信号に比べて高周波
の加算信号を生成している。このため、検出対象の停止
時や低速移動時にも、加算信号をパルス化するコンパレ
ータには高周波の信号が入力される。これによって、コ
ンパレータにヒステリシスをもたせる必要がない。ヒス
テリシスがないことよって、コンパレータ入力の振幅が
変動しても誤動作を生じない。
【００３１】請求項２及び請求項４の発明によれば次の
効果が得られる。 位相検出器から得られた検出信号に演算処理を施し、
高周波の信号にしてからコンパレータに入力しているた
め、検出対象の停止時や低速移動時にも、コンパレータ
には高周波の信号が入力される。このため、コンパレー
タにヒステリシスをもたせる必要がない。ヒステリシス
がないことよって、コンパレータ入力の振幅が変動して
も誤動作を生じない。また、位相検出器の検出信号を分
周した後に周期計測しているため、コンパレータ出力の
デューティ歪の影響を受けない。これによって、位相検
出器の出力の急峻な変動にも誤動作しにくくなる。 検出対象の移動量に応じて周期が変調される変調信号
を生成し、この変調信号の周期に比べて十分周期が短い
計測クロックで変調信号の周期を計測することによって
位置を検出している。これによって、高分解能で位置検
出ができる。
効果が得られる。 位相検出器から得られた検出信号に演算処理を施し、
高周波の信号にしてからコンパレータに入力しているた
め、検出対象の停止時や低速移動時にも、コンパレータ
には高周波の信号が入力される。このため、コンパレー
タにヒステリシスをもたせる必要がない。ヒステリシス
がないことよって、コンパレータ入力の振幅が変動して
も誤動作を生じない。また、位相検出器の検出信号を分
周した後に周期計測しているため、コンパレータ出力の
デューティ歪の影響を受けない。これによって、位相検
出器の出力の急峻な変動にも誤動作しにくくなる。 検出対象の移動量に応じて周期が変調される変調信号
を生成し、この変調信号の周期に比べて十分周期が短い
計測クロックで変調信号の周期を計測することによって
位置を検出している。これによって、高分解能で位置検
出ができる。
【００３２】請求項３の発明によれば、原振クロックを
共通にして位相検出器の出力に乗算する信号と周期カウ
ンタの計測クロックを生成している。このため、位相検
出器の出力と周期計測のタイミングを高精度で同期させ
ることができる。
共通にして位相検出器の出力に乗算する信号と周期カウ
ンタの計測クロックを生成している。このため、位相検
出器の出力と周期計測のタイミングを高精度で同期させ
ることができる。
【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。
【図２】干渉計を用いた位置検出装置の従来例の構成図
である。
である。
【図３】干渉縞のパターンを示した図である
【図４】図２の装置における各信号の波形図である。
２ 光学回路部
２８ 位相検出器
４０ 原振クロック発生器
４１ 発振器
４２ 位相シフタ
４３ 乗算器
４４ 加算器
４５ コンパレータ
４６ 分周器
４７ 周期カウンタ
４８ 減算器
４９ 積算器
５０ スケール変換器
５１ 演算手段
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平９−126720（ＪＰ，Ａ)
特公 昭49−221（ＪＰ，Ｂ１)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01B 9/00 - 11/30
Claims (4)
- 【請求項１】検出対象の移動に伴って移動する一定ピッ
チの干渉縞を光の干渉を利用して生成する光学回路部
と、 干渉縞の配列方向に沿ってずらして配置した複数の受光
素子により干渉縞を検出し、検出対象の移動量に応じて
変調される２種の変調信号を生成する位相検出器とを備
えた位置検出装置において、 前記２種の変調信号に対して、原振クロックをもとに生
成し変調信号よりも角周波数が十分大きい基準信号をそ
れぞれ乗算する乗算器と、 前記２つの乗算信号を加算し、変調信号に比べて角周波
数が十分大きい加算信号を得る加算器と、前記加算信号をパルス信号に変換するコンパレータと、 変換したパルス信号の分周信号の周期と前記基準信号の
周期の差をとり、この差を所定の周期毎に積算して検出
対象の位置を算出する位置算出部と、 を設けたことを特
徴とする位置検出装置。 - 【請求項２】干渉計を用いて光学的に検出対象の位置を
検出する位置検出装置において、 検出対象の移動に伴って移動するピッチＰの干渉縞を光
の干渉を利用して生成する光学回路部と、 干渉縞の配列方向に沿ってＰ／４ピッチだけ位相をずら
して配置した複数の受光素子により干渉縞を検出し、こ
れらの受光手段の検出信号から角周波数ωｓが検出対象
の移動量に応じて変調される変調信号Ｋ１ｓｉｎωｓｔ
とＫ１ｃｏｓωｓｔ（Ｋ１は定数，ｔは時間）を生成す
る位相検出器と、 前記変調信号Ｋ１ｓｉｎωｓｔとＫ１ｃｏｓωｓｔに原
振クロックをもとに生成した基準信号Ｋ２ｃｏｓωｃｔ
とＫ２ｓｉｎωｃｔ（ωｃ≫ωｓ）をそれぞれ乗算する
乗算器と、 前記２つの乗算信号を加算して変調信号よりも角周波数
が十分大きい加算信号Ｋ１・Ｋ２ｓｉｎ（ωｃ＋ωｓ）
ｔを得る加算器と、 前記加算信号をパルス信号に変換するコンパレータと、 変換したパルス信号を分周比ｎ（ｎは整数）で分周する
分周器と、 この分周器から得た分周信号の周期ｎ／（ｆｓ＋ｆｃ）
（ωｃ＝２πｆｃ，ωｓ＝２πｆｓ）を前記原振クロッ
クと同期していて分周信号に比べて周期が十分短いクロ
ックで計測する周期カウンタと、 この周期カウンタの計測周期と基準信号の周期ｎ／ｆｃ
の差をとる減算器と、この減算器の減算値を周期ｎ／
（ｆｓ＋ｆｃ）毎に積算する積算器と、 この積算器の積算値から検出対象の位置を算出する位置
算出手段と、を有することを特徴とする位置検出装置。 - 【請求項３】 周波数がｆｃ以上の原振クロックを発生
する原振クロック発生器と、 前記原振クロックをもとに信号Ｋ２ｃｏｓωｃｔまたは
Ｋ２ｓｉｎωｃｔを生成して発生する発振器と、 この発振器の発生信号の位相をずらし、信号Ｋ２ｃｏｓ
ωｃｔとＫ２ｓｉｎωｃｔを生成する位相シフタと、を
有し、前記位相シフタで生成した信号Ｋ２ｃｏｓωｃｔ
とＫ２ｓｉｎωｃｔを前記乗算器へ与え、前記原振クロ
ックを前記周期カウンタに周期計測用クロックとして与
えることを特徴とする請求項２記載の位置検出装置。 - 【請求項４】 前記乗算器は、変調信号Ｋ１ｓｉｎωｓ
ｔとＫ１ｃｏｓωｓｔに基準信号Ｋ２ｓｉｎωｃｔとＫ
２ｃｏｓωｃｔをそれぞれ乗算し、 前記加算器は、２つの乗算信号を加算して信号Ｋ１・Ｋ
２ｃｏｓ（ωｃ−ωｓ）ｔを得ることを特徴とする請求
項２記載の位置検出装置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33148099A JP3512072B2 (ja) | 1999-11-22 | 1999-11-22 | 位置検出装置 |
| US09/692,960 US6603562B1 (en) | 1999-10-29 | 2000-10-21 | Two-dimensional positioning apparatus and method for measuring laser light from the apparatus |
| DE60006060T DE60006060T2 (de) | 1999-10-29 | 2000-10-27 | Zwei-dimensionale Positionierungseinrichtung und Verfahren zur Messung von Laserlicht der Einrichtung |
| EP00123536A EP1111489B1 (en) | 1999-10-29 | 2000-10-27 | Two-dimensional positioning apparatus and method for measuring laser light from the apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33148099A JP3512072B2 (ja) | 1999-11-22 | 1999-11-22 | 位置検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001147105A JP2001147105A (ja) | 2001-05-29 |
| JP3512072B2 true JP3512072B2 (ja) | 2004-03-29 |
Family
ID=18244126
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP33148099A Expired - Fee Related JP3512072B2 (ja) | 1999-10-29 | 1999-11-22 | 位置検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3512072B2 (ja) |
-
1999
- 1999-11-22 JP JP33148099A patent/JP3512072B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2001147105A (ja) | 2001-05-29 |
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