JPH01217211A - 平均化回折モアレ位置検出器 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、工作機械等における位置計測に利用される光
学式リニアエンコーダ、特に回折格子によるモアレ縞を
利用した位置検出器に関する。

（従来の技術） ２枚１組の回折格子を重ね合わせて得られるモアレ縞は
横方向の相対変化に敏感であり、微妙なステップでの変
位の計数測定ができるため、測長法として広く利用され
て来た。

２つの回折格子（以下、それぞれを第１格子。

第２格子と呼ぶ）は機械の相対的に変位する２つの部分
に取付けられて用いられるので、常に適当な間隙を保つ
必要がある。一方、測長の分解能を上げるために上記各
回折格子の格子ピッチを小さくしていくと、光の回折効
果の影響が大きくなる。従って、第２格子上の第１格子
の影は回折効果て薄くなり、直接のモアレ縞を高い可視
度で得ることはできなくなる。そこで、フーリエイメー
ジ（Ｆｏｕｒｉｅｒ　Ｉｍａｇｅ）を利用した回折モア
レか用いられるようになった。すなわち、第１　Ｐｌｆ
子を位相の揃った平行光束で照射した場合、光の回折効
果によりその後方に、格子のピッチＰの２乗の２倍を波
長えて除した距離の整数倍の位置に格子と同しピッチを
持った光の明暗分布（手堅数倍の位置には明暗の反転し
た光分布ができる）ができ、この再生された光の明暗分
布をフーリエイメージと言う。そして、このフーリエイ
メージが形成される位置に第２格子を置けば、第２格子
からの回折光は２つの格子の横方向の相対変位に対して
、周期Ｐの明瞭なコントラストを持つようになり、これ
か回折モアレと呼ばれるものである。この原理を利用し
て、半導体製造などの微細加工におけるマスク合わせの
ような比較的測長距離の短い用途への利用か研究されて
いる（たとえばＪ、　ＶへＣ５Ｃ１，Ｔ［１ＣＨＮＯＬ
、　１５　（１９７８）の　９８４ページ、同ＴＥＣＩ
ＩＮＯＬ　８１４１９８３）の１２７６ページ）。

一方、測長距離を長くし、かつ格子ピッチＰを小さくし
て測長精度を高くしようとすると、フーリエイメージの
できる距＠　２Ｐ２／λは格子ピッチＰの２乗に比例し
て急激に短くなるため、長しＡ距離にわたって２枚の回
折格子をフーリエイメージのできる間隙に精度良く保持
することが回加［となる。そして、格子の間隙がフーリ
エイメージのできる位置からずれると、回折光の強度が
大きく変化して位置決めが不可能となる。たとえば格子
ピッチＰを１μｍとし、０．６３３μｍの波長λを用い
たとすると、格子の間［Ｇは、回折格子の間隙Ｇと光の
波長λとの積を回折格子のピッチＰの２乗で除して得ら
れるフレネル数（λ・ｃ）／ｐ２−２を与える　１６μ
■に対して、十分に小さい変動の中に収められなりれば
ならない。そのため、回折モアレは一般の工作機械等に
おける高精度な測長法として利用できなかった。

このような事情に対し、第１格子及び第２格子の間隙変
化に影響されず、かつ横方向変位に敏感な回折干アレ信
号を得て、高精度な位置検出を行なうことができる位置
検出器が本出願人によって開示されている（特開昭６１
−１７０１６号公報参照）。

この位置検出器は、第１格子及び第２格子の有効対向面
積の各部分において、各格子間の間隙光路長を変化させ
て回折そアレ信号の平均値に相当する信号を得て、この
平均値に現われる回折格子のピッチＰの２分の１を周期
とする信号変化を用いて位置検出を行なうものである。

第６図〜第８図は、それぞれ上述した平均化回折モアレ
位置検出器の一例を示す斜視図であり、０次回折光を使
用した場合について以下説明する。

第６図において、先ず第１格子１をレーザ光ＬＢにより
照射すると共に、第１格子１の後方に置かれた第２格子
２上に階段状の段差を持つ透明な板３を取付番っている
。段差を持つ透明な板３は、光学的に間隙Ｇの範囲が６
゜からＧ。＋２Ｐ２／λになるように、高屈折率材料に
階段を付けたものであり、この段差を持つ透明な板３に
よりレーザ光ＬＢの各部分に光路差を与えるようになっ
ている。

第６図における段差を持つ透明な板３は、光学的な距１
！ｉｌｌ　２Ｐ２／λの範囲を５分割しているので、５
段の階段状の構造になっている。第２格子２の後方に一
次元状に配列されたレンズ群４は、第２格子２において
５分割された光学的距離の異なる領域を通ってきた光束
をそれぞれ集光させる。レンズ群４で集光された光をそ
れぞれフォトダイオードλｉ工５により別々に検出する
。その後、演算増幅器等で構成された加算器７によりフ
ォトダイオー１群５の信号を加算して変位信号を得る。

第７図において、第１格子１と第２格子２とを平行に置
き、第２格子２にランダム光路差板９を数例りる。この
ランダム光路差板９は、レーザ光１１１の各部分の光路
差か２Ｐ２／λの範囲でランダムになるように凹凸を付
けられた透明板で成る。レンズ群４によりレーザ光ＬＢ
の各部分は別々に拡散板ｌＯに集光され、レンズ群４の
焦点は重ならずに拡散板１０上に一列に並ぶように構成
する。レーザ光ＬＢが集光された各部分の光束は、拡散
板ｌＯによりインコヒーレントな光となる。拡散板１０
により拡散された光は凸レンズ１１を通り、フォトダイ
オ−Ｆ等の光センサ１２により検出される。拡散板ｌＯ
を用いているため、異なる間隙光路長を通ってきた光束
は相互に干渉せずに平均化される。

第８図において、第１格子をレーザー光ＬＢに対して垂
直に置き、第２格子２を第１格子に対して傾斜させて配
置する。そして、各回折格子１及び２の間隙が、各回折
格子１及び２の有効対向面積において、２ｐ２／λの範
囲を含むように調節する。

各回折格子１及び２を透過した光のうち０次回折光のみ
が後方に配置された光電変換素子１３の受光面に入射し
て検出される。

（発明が解決しようとする課題） 上述した各平均化回折モアレ位置検出器によれは、第１
格子及び第２格子の間隙変化に影響されず、第９図に示
すように光２＋が各回折格子の相対変位Ｘに従って変化
し、その周期が回折格子のビッヂＰの２分の１である変
位信号を得ることができる。そして、この変位信号は次
式（１）で近似できる。

Ｉ（ｘ）−八・ｃｏｓ　　（２π・２ｘ　　／　　Ｐ）
＋８　　−　（＋）ただし、Ａ、振幅 Ｂ、オフセット成分 しかしながら、実装組立時や稼動時に平均化すべき間隙
光路長と、実際に平均化する間隙光路長との間に誤差が
発生したり、その他の設置条件に誤差があると、得られ
る変位信号に回折格子のビッヂＰを周期とする誤差成分
や奇数次の誤差成分が含まれる場合がある。そして、こ
のような誤差成分が変位信号に含まれると、Ｐ／２周期
での変位信号の反復性が失われて精密な位置検出を行な
うことかできなくなるという問題があった。

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、各回折格子の間隙変化に影響されず、か
つ横方向変位に敏感な回折モアレ信号を得ることができ
ると共に、実装組立時や稼動時に発生ずる誤差による影
響を軽減して高精度の位置検出を行なうことができる平
均化回折モアレ位置検出器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、第１の回折格子と、この第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
平均値に相当する信号を得る手段とを具え、前記平均値
に現われる前記回折格子のピッチの２分の１を周期とす
る信号変化を用いて、前記回折格子の横方向の相対変位
を高い精度て検出し得る平均化回折モアレ位置検出器に
関するものてあり、本発明の上記目的は、前記第２の回
折格子に２分の１のビッヂ分ずらせた２つの格子部を設
けることによって達成される。さらに詳しくは、前記２
つの格子部が、前記変位方向に隣接して配設され、若し
くは前記変位方向と直交方向に隣接して配設されている
。また、前記回折モアレ信号の平均値に相当する信号を
得る手段が、前記２つの格子部を透過するそれぞれの光
量若しくはそれぞれの光量に比例した電気信号を加算す
る加算手段で成っており、さらに詳しくは前記加算手段
が、前記２つの格子部を透過する光を一緒に光電変換し
、若しくは前記２つの格子部を透過する光を個別に光電
変換した後で電気的に加算するようになっている。

（作用） 本発明の平均化回折モアレ位置検出器は、予め２分の１
ビツヂすらせた２つの格子部を透過する光量を加算して
誤差成分を打消し合うようにしているので、良好な変位
信号を得ることができるものである。

（実施例） 第１図は、本発明の平均化回折モアレ位置検出器の一例
を第６図に対応させて示す斜視図であり、同一構成箇所
は同符号を付して説明を省略する。この平均化回折モア
レ位置検出器の第２格子２表面には、第２図に示すよう
な数μｍ〜数１００μＩｌｌのビッヂＰで繰返す透過部
（斜線部）と非透過部とて成る格子部２Δ及び２Ｂか第
２格子２の変位方向に隣接して設けられている。格子部
２八と格子部２ＢとはＰ／またけ位相がずれており、格
子部２への透過部と第１格子１の透過部とが対向してい
るときは、格子部２Ｂの透過部は第１格子ｊの非透過部
と対向するようになっている。

このような構成において、変位信号に誤差成分か含まれ
ると例えば格子部２Ａを透過して来た光景の変化、即ち
変位信号ＩＡ（Ｘ）は第３図（Ａ）に示すような波形（
次式（２））となる。

ＩＡ（ｘ）−ａｃｏｓ（２πｘ／ｐ）＋Ａｃｏｓ（２π
　・２ｘ／ｐ）＋８・・・・・・・・・（２） たたし、ａはＰを周期とする誤差成分の振幅しかし、格
子部２Ｂは格子部２八に対してＰ／２だり位相かずれて
いるので、格子部２Ｂを透過して来た光量の変化、即ち
変位信号１ｎ（Ｘ）は第３図（Ｂ）に示すような波形（
次式（３））となる。

Ｊｏ（ｘｌ−ａｃｏｓ（２π（ｘ／ｐ−１／２）１十Ａ
ｃｏｓ（２π　（２ｘ／ｐ−１／２）ｌ＋Ｂ−−ａｃｏ
ｓ（２ｙｒｘ／ｐ）十　八ｃｏｓ　（２π　４ｘ／ｐ）
＋Ｂ・・・・・・（３） 従って、格子部２Ａと格子部２Ｂとを同面積にして同光
量が透過するように配設し、各格子部２八及び２Ｂを透
過して来た光をまとめて光電変換するようにすれば各光
量を加算したこととなり、Ｐを周期とする誤差成分は相
殺されてＰ／２を周期とする正確な変位信号（第３図（
Ｃ））を得ることができる。

第４図は、本発明の平均化回折モアレ位置検出器の別の
一例を第７図に対応させて示す斜視図であり、同一構成
箇所は同符号を付して説明を省略する。この平均化回折
モアレ位置検出器の第２の回折格子２表面には、第５図
に示すような数μｍ〜数１００μｍのピッチＰで繰返す
透過部（斜線部）と非透過部とで成る格子部２Ｇ及び２
Ｄが、第２格子２の変位方向と直交する方向に隣接して
Ｐ／２だけ位相をずらせて設けられている。このような
構成によっても第１の実施例で述へた理由により同様の
効果を得ることかできる。

上述したそれぞれの平均化回折モアレ位置検出器によれ
は、Ｐを周期とした誤差成分はもとより、Ｐ／３　、　
Ｐ１５　、　Ｐ／７などを周期とした奇数次の誤差成分
も除くことか可能である。

なお、上述した各実施例において、各格子部を透過する
光を同一の光電変換素子で受光することにより加算効果
を得るようにしたが、個別の光電変換素子で受光した後
に電気的手段で加算するようにしても良い。この場合、
加算する光量の割合を調節するための電気的機構（例え
ば加算手段の前に設けられた加算比率調節手段）や光学
的機構（例えば各格子部に設置された可動遮蔽板）をイ
」加すればより効果的である。また、上述した各実施例
ではＯ次回折光を用いたが、それ以外の回折光を利用す
ることも可能である。

（発明の効果） 以上のように本発明の平均化回折モアレ位置検出器によ
れば、誤差成分を除いて高精度の位置検出を行なう漆イ
ができるので、例えば工作機械において精度の高い加工
を容易に行ない、生産効率を向」ニさせることかできる
。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の平均化回折モアレ位置検出器の一例を
示す斜視図、第２図はその回折格子の一例を示す図、第
３図（八）〜（Ｃ）はそれぞれ本発明による出力波形を
示す特性図、第４図は本発明の平均化回折モアレ位置検
出器の別の一例を示す斜視図、第５図はその回折格子の
一例を示す図、第６図〜第８図はそれぞれ従来の平均化
回折モアレ位置検出器の一例を示す斜視図、第９図は従
来例による出力波形を示す特性図である。 １・・・第１の回折格子、２・・・第２の回折格子、２
Ａ、２Ｂ、２Ｇ、２Ｄ・・・格子部、３・・・段差を持
つ透明板、４・・・レンズ群、５・・・フォトダイオー
ド群、７・・・加算器、９・・・ランダム光路差板、ｌ
Ｏ・・・拡散板、１１・・・凸レンズ、１２・・・光セ
ンサ、１３・・・光電変換素子。 架−一

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第１の回折格子と、この第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
   に相当する信号を得る手段とを具え、前記平均値に現わ
   れる前記回折格子のピッチの２分の１を周期とする信号
   変化を用いて、前記回折格子の横方向の相対変位を高い
   精度で検出し得る平均化回折モアレ位置検出器において
   、前記第２の回折格子に２分の１のピッチ分ずらせた２
   つの格子部が設けられていることを特徴とする平均化回
   折モアレ位置検出器。 ２、前記２つの格子部が、前記変位方向に隣接して配設
   されている請求項１に記載の平均化回折モアレ位置検出
   器。 ３、前記２つの格子部が、前記変位方向と直交方向に隣
   接して配設されている請求項１に記載の平均化回折モア
   レ位置検出器。 ４、前記回折モアレ信号の平均値に相当する信号を得る
   手段が、前記２つの格子部を透過するそれぞれの光量若
   しくはそれぞれの光量に比例した電気信号を加算する加
   算手段で成っている請求項１に記載の平均化回折モアレ
   位置検出器。 ５、前記加算手段が、前記２つの格子部を透過する光を
   一緒に光電変換するようになっている請求項４に記載の
   平均化回折モアレ位置検出器。 ６　前記加算手段が、前記２つの格子部を透過する光を
   個別に光電変換した後で電気的に加算するようになって
   いる請求項４に記載の平均化回折モアレ位置検出器。