JPH01142402A - 位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の要約 移動物体に取付けられた反射体に光を照射するとともに
１反射体からの反射光が少なくとも４方向に分かれるよ
うに反射体に互いに異なる方向に傾斜した反射面を設け
ておく。４方向に分かれた反射光を各受光素子で受光す
ることにより移動物体の平面内での２次元の位置を検出
できる。

発明の背景 この発明は平面内において２次元的に移動する物体、た
とえば工作機のステージ等の移動物体の位置を検出する
装置に関する。

１次元的に移動する物体に取付けられた反射鏡に光ビー
ムを照射し、その反射光を受光することにより物体の１
次元位置を精度よく検出できる装置を出願人は既に提案
した（昭和６２年９月３０日付の特許願「位置検出装置
」）。この装置は基本的には移動物体の１次元的な位置
を検出するものである。

発明の概要 発明の目的 この発明は、平面上で移動する物体の２次元的な位置を
検出することが可能な検出装置を提供することを目的と
する。

発明の構成と効果 この発明による位置検出装置は、平面内で２次元的に移
動可能であり、１つの頂点から錐体の表面状に傾斜した
傾斜方向の異なる少なくとも４つの反射面をもつ反射体
、光源からの光を所定のビーム径の光に変換し上記反射
体の頂部に照射する投光光学系、上記反射体の反射面か
らの反射光をそれぞれ受光しその受光光量に応じた受光
信号を出力する少なくとも４個の光電変換素子、および
上記光電変換素子の出力受光信号に基づいて上記反射体
の位置を表わすデータを作成する信号処理手段を備えた
ことを特徴とする。

このようにこの発明によれば、傾斜方向の異なる少なく
とも４方向に傾斜した反射面がらの反射光をそれぞれ受
光している。したがって、少なくとも２つの反射光によ
って一方向に関する位置データを、他の少なくとも２つ
の反射光によって上記一方向と直交する方向に関する位
置データをそれぞれ得ることができるので１反射体すな
わち移動物体の２次元位置を検出することができる。

位置検出は反射体に投射される投射光ビームの径の範囲
内で可能であり、−点の基準位置のみならず上記範囲内
における移動装置の検出も可能である。

実施例の説明 第１図は位置検出装置の光学系を示している。

移動物体、たとえばＸＹステージ２１はＸ軸およびＹ軸
方向に移動可能であり（Ｚ軸方向には移動しない）、そ
の所定位置に反射体２０が取付は固定されている。反射
体２０からＺ軸方向に適当な距離はなれた位置に位置検
出装置の光学系が配置されている。

光源としてのレーザ・ダイオード２から出射された光は
レンズ１１によってコリメートされ、このコリメート光
（平行光）はレンズ１２によって収束される。収束後の
拡散光はレンズ１３によって再びコリメートされる。こ
れらのレンズ１１−１３によりて平行光のビーム径がよ
り小さくなるように変換されている。小さなビーム径の
平行光はビンボール板１４のピンホールを通ってやや拡
散してレンズ１５に入射する。レンズ１３の出力平行光
の強度分布は必ずしも均一でなく、光軸において強度が
最も大きく１周囲にいくにつれて強度が小さくなってい
る。平行光をピンホール板１４のピンホールを通すこと
によって、平行光の強度がほぼ均一な中心部の光のみが
抽出される。このようにしてほぼ均一の強度分布をもつ
光が得られ、この光はレンズ１５によってやや収束され
て反射体２０に投射される。

たとえば光源に波長λ−７８０［ｎｆｌｌ］の半導体レ
ーザ・ダイオードを用い、ピンホール板１４のピンホー
ルの直径をφ−３０［μｍ］とする。また、レンズ１５
として焦点距離がｆ−１０［ｍｒＢ］のレンズを用いる
。そして、ピンホール板１４とレンズ１５との間の距離
を約１２［ａ＋ｏ＋１に設定するとレンズ１５の前方（
光が出射する側）　８０［ｍｍ］の位置にビーム径φ−
１５０ｃμｍ］の投射光Ｐが形成される。

反射体２０にはたとえば第２図に示すような高さの低い
四角錐の形状のものが用いられる。この四角錐の頂角は
たとえば１６０°である。反射体２ｏの斜面をそれぞれ
ｓ　　、ｓ　　、ｓ　　、ｓ　　とする。

これらの斜面が鏡面すなわち反射面、となっている。反
射体２０はその稜線が第１図に示すように移動物体２１
のＸ軸およびＹ軸とそれぞれ平行になるように移動物体
２工に固定されている。反射体２ｏの固定姿勢はこれだ
けに限定されることはなく、たとえば反射体２０の底辺
がＸ輔およびＹ軸と平行になるように移動物体２１に固
定してもよい。この場合には後述する信号処理回路の構
成も修正される。

このような反射体２０の頂部にその底面に対して垂直に
光Ｐが投射されると９反射面８１〜Ｓ４によって投射光
Ｐの一部がそれぞれ異なる方向に反射される。これらの
反射光をＰ　　、　　Ｐ　２　、　　Ｐ　３゜Ｐ４で示
す。

これらの反射光Ｐ１〜Ｐ４をそれぞれ受光する位置にフ
ォト・ダイオード３１〜３４が配置されている。フォト
・ダイオード３１〜３４と反射体２０の反射面Ｓ１〜Ｓ
４との位置関係を第３図および第４図に示す。第３図は
第１図の■−■線にそう矢視図であり、第４図は第１図
のＩＶ−ＩＶ線にそう矢視図である。フォト・ダイオー
ド３１は反射面Ｓ１によって反射される反射光Ｐ、を、
フォト・ダイオード３２は反射面Ｓ２によって反射され
る反射光Ｐ２を、フォト・ダイオード３８は反射面Ｓ３
によって反射される反射光Ｐ３を、フォト・ダイオード
３４は反射面Ｓ４によって反射される反射光Ｐ４をそれ
ぞれ受光する。反射体２０の各反射面Ｓ　　−Ｓ４と各
フォト・ダイオード３１〜３４との間■ にレンズを配置し反射光を収束して各フォト・ダイオー
ド３１〜３４に入射させるようにしてもよい。

次に第５図を参照して移動物体の位置検出原理について
説明する。

ｍ５図にＰ。で示すように投射光の光軸が反射体２０の
頂点に一致したときには、各反射面８１〜Ｓ４で反射さ
れる反射光Ｐ１〜Ｐ４の光量は等しい。移動物体２１す
なわち反射体２０がＸ軸方向に移動したとすると投射光
のスポットはＰ　で示すように反射体２０上で−Ｘ方向
に移動する。したがって反射光Ｐ　　、Ｐ　　が増大し
２反射光Ｐ、Ｐ３が減少する。反射体２０がＹ方向に移
動すると反射光Ｐ　、Ｐ　が増大し２反射光Ｐ、Ｐ４が
減少する。しかしながら２反射体２０のＹ位置にかかわ
らず２反射光Ｐ　とＰ　の和Ｐ１＋Ｐ４は反射体２０の
Ｘ位置の関数であり１反射体２０のＸ方向移動にともな
って増大する。同じように反射体２０のＹ位置にかかわ
らず反射光Ｐ　とＰ　の和Ｐ２＋Ｐ３は反射体２０のＸ
位置の関数であり９反射体２０のＸ方向移動にともなっ
て減少する。したがって２反射光ｉｐ　　＋ｐ　　また
はＰ２＋Ｐ３を測定することにより反射体２０のＸ位置
が検出される。

これらの反射光ｆｌＰ　　＋Ｐ４とＰ２＋Ｐ３の差（Ｐ
　　＋Ｐ４）−（Ｐ２＋Ｐ３）を考えると、この値は反
射体２０のＸ方向移動にともなってＰ１＋Ｐ　またはＰ
２＋Ｐ３よりも急激に変化するので、上記の値を求める
ことによって反射体２０のＸ位置検出精度が高まる。

一方、すべての反射光の総和Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３＋Ｐ４は
レーザ・ダイオード２の出力光強度に応じて変化する。

レーザ・ダイオード２の出力光強度の変動による影響を
取除くために上記の総和によって検出値を正規化するこ
とが好ましい。

したがって１反射体２０のＸ方向位置はＦ（ｘ）−［（
Ｐ　　＋Ｐ　　）−（Ｐ２＋Ｐ３）］／（Ｐ１＋Ｐ２＋
Ｐ３＋Ｐ４）　　・・・（１）によって求めることがで
きる。

同じように反射体２０のＹ方向位置は Ｆ（ｙ）−［（Ｐ　　十Ｐ２）　−（Ｐ３＋Ｐ４）］／
（Ｐ　　＋Ｐ２＋Ｐ３＋Ｐ４）　　　・・・（２）によ
って求められる。

これらの関数Ｆ　（ｘ）　、　　Ｆ　（ｙ）のグラフが
第６図（Ａ）　、　（Ｂ）に示されている。投射光の光
軸が反射体２０の頂点に一致した位置が原点ｘ−ｏ、ｙ
ｓｍＱにとられている。

第７図はフォト争ダイオード３１〜３４の受光信号に基
づいて移動物体２１　（反射体２０）のＸ、Ｙ位置を算
出する信号処理回路を示すブロック図である。

各フォト・ダイオード３１〜３４の出力受光信号はそれ
ぞれ増幅回路４１．４２．４３．４４に与えられ増幅さ
れる（増幅された信号は前述した光ｇｋＰ１〜Ｐ４に相
当するものであるから便宜的にこれらもそれぞれＰ１〜
Ｐ４で表わす）。増幅回路４１と４２の出力Ｐ　とＰ２
は加算回路５１で加算されＰ１＋■ Ｐ　として出力され、増幅回路４２と４３の出力Ｐ２と
Ｐ　は加算回路５２で加算されＰ２＋Ｐ３として出力さ
れ、増幅回路４３と４４の出力Ｐ　とＰ４は加算回路５
３で加算されＰ　　＋Ｐ４として出力され。

増幅回路４１と４４の出力Ｐ　とＰ４は加算回路５４で
■ 加算されＰ１＋Ｐ４として出力される。さらに加算回路
５１および５３の出力Ｐ　＋Ｐ２およびＰ３＋■ Ｐ　は加算回路５５に与えられ、Ｐ　＋Ｐ２＋Ｐ３＋Ｐ
４として出力される。加算回路５５の出力Ｐ１＋Ｐ２＋
Ｐ３＋Ｐ４はそれぞれ後述する演算（割算）回路７１．
７２に与えられる。

加算回路５１〜５４によって加算された信号はそれぞれ
次段の差動回路８１．６２に与えられる。差動回路６１
は加算回路５１の出力Ｐ　＋Ｐ２と加算回路５３の出力
ｐ　　＋ｐ　　との差（Ｐ　　＋Ｐ２）−（Ｐ　　＋Ｐ
４）を演算して出力する。差動回路６２は加算回路５４
の出力Ｐ　＋Ｐ４と加算回路５２の出力ｐ　　＋ｐ　　
との差（Ｐ　　十Ｐ　　）　−（Ｐ２＋Ｐ３）を演算し
て出力する。差動回路ｆｉｔ、　８２の出力は演算回路
７１．７２にそれぞれ入力される。演算回路７１．７２
は割算回路である。演算回路７１は差動回路６１の出力
（Ｐ　　＋Ｐ２）−（Ｐ８＋Ｐ４”）を加算回路５５の
出力Ｐ　　＋Ｐｉ　＋Ｐ３＋Ｐ４で割す、［（Ｐ　　＋
Ｐ２）−（Ｐ３＋Ｐ４）］／　（Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３＋Ｐ
４）を出力する。これは前述した第（２）式に等しくＹ
軸方向の位置を示す。演算回路７２は差動回路６２の出
力（Ｐ　＋Ｐ４）−（Ｐ２＋ｐ　　）を加算回路５５の
出力Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３＋Ｐ　で割り、その結果［（Ｐ、
＋Ｐ４”）−（Ｐ２＋Ｐ　　）］／　（Ｐ　　＋Ｐ２＋
Ｐ３＋Ｐ４）を出力す３す る。これは前述した第（１）式に等しくＸ軸方向の位置
を示す。演算回路７１の演算結果がＹ軸方向の位置とし
て表示器８１に表示され、演算回路７２の演算結果がＸ
軸方向の位置として表示器８２に表示される。

第８図は反射体２０の他の例を示すものである。

ここでは反射体２０はブレーズ化されている。このよう
な反射体２０を位置検出装置に用いることも可能である
。反射体２０にブレーズ化されたものを用いた場合は反
射体の厚さを薄くすることができるという利点が得られ
る。

また反射体には四角錐以外にへ角錐などの錐体を利用す
ることも可能である。このような錐体を用いるときはそ
れぞれの反射面にそれぞれ対応してフォト・ダイオード
を設けることはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は位置検出装置の光学系を示す斜視図。 第２図は反射体とフォト・ダイオードとの位置関係を示
す斜視図、第３図および第４図は反射体とフォト・ダイ
オードとの位置関係を示すものであって、第３図は第１
図の■−■線からみた矢視図、第４図は第１図のＩＶ−
ＩＶ線からみた矢視図。 第５図は反射体上の投射光スポットの例を示す図、第６
図は反射体の位置と受光光量の関数との関係を示すグラ
フであり、（Ａ）はＸ方向に関するものであり、（Ｂ）
はＹ方向に関するものであり。 第７図は信号処理回路の構成例を示すブロック図、第８
図は反射体の他の例を示す平面図および断面図である。 ２・・・レーザ・ダイオード（光源）。 １１、１２．１３．１５・・・レンズ。 １４・・・ピンホール板。 ２０・・・反射体、２１・・・移動物体。 ３１、３２．３３．３４・・・フォト・ダイオード（光
電変換素子）。 ４１、４２．４３．４４・・・増幅回路。 ５１、５２．５３．５４．５５・・・加算回路。 ８１、６２・・・差動回路。 ７１、７２・・・演算（割算）回路。 ８１、８２・・・表示器。 以　　上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　平面内で２次元的に移動可能であり、１つの頂点から
   錐体の表面状に傾斜した傾斜方向の異なる少なくとも４
   つの反射面をもつ反射体、 光源からの光を所定のビーム径の光に変換し上記反射体
   の頂部に照射する投光光学系、 上記反射体の反射面からの反射光をそれぞれ受光しその
   受光光量に応じた受光信号を出力する少なくとも４個の
   光電変換素子、および 上記光電変換素子の出力受光信号に基づいて上記反射体
   の位置を表わすデータを作成する信号処理手段、 を備えた位置検出装置。