JPH0629740B2 - 平均化回折モアレ位置検出器 - Google Patents

平均化回折モアレ位置検出器

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JPH0629740B2
JPH0629740B2 JP63043402A JP4340288A JPH0629740B2 JP H0629740 B2 JPH0629740 B2 JP H0629740B2 JP 63043402 A JP63043402 A JP 63043402A JP 4340288 A JP4340288 A JP 4340288A JP H0629740 B2 JPH0629740 B2 JP H0629740B2
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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、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化する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
折効果で薄くなり、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(Four
ier Image)を利用した回折モアレが用いられるように
なった。すなわち、第1格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λで除した距離の整数倍の
位置に格子と同じピッチを持った光の明暗分布(半整数
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
の横方向の相対変化に対して、周期Pの明瞭なコントラ
ストを持つようになり、これが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
加工などのにおけるマスク合わせのような比較的測定距
離の短い用途への利用が研究されている(たとえばJ.VA
C.SCI.THCHNOL.15(1978))の984ページ,同TECHNOL B1
(1983)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
できる距離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、長い距離にわたって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
とが困難となる。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、
格子の間隙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・G)P2=2を与える1.6μmに対して、十分に
小さい変動の中に収められなければならない。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モアレ信
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61-1
7016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モ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路モアレ
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を取付けている。段
差を持つ透明な板3は、光学的に間隙Gの範囲がG0から
G0+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、光学的な距離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
オード群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ド群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を取付ける。この
ランダム光路差板9は、レーザ光LBの各部分の光路差が
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10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10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、フォトダイオード等の光センサ12
により検出される。拡散板10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ば、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
すように光量I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ピッチ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)=A・cos(2π・2x/P)+B……(1) 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ピッチ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
ことが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する誤差による影
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
関するものであり、本発明の上記目的は、前記第2の回
折格子に2分の1のピッチ分ずらせた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
ピッチずらせた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2A及び2Bが第2格子2
の変位方向に隣接して設けられている。格子部2Aと格子
部2BとはP/2だけ位相がずれており、格子部2A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1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が含まれ
ると例えば格子部2Aを透過して来た光量の変化、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)+B ………(2) ただし、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2Aに対してP/2だけ位相がず
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IB(x)は第3図(B)に示すような波形(次式
(3))となる。
IB(x)=acos{2π(x/p-1/2)} +Acos{2π(2x/p-1/2)}+B =-acos(2πx/p)+Acos(2π・2x/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2A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(斜視部)と非透過部とで成る格子部2C及び2D
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の実施例で述べた理由により同様の効果
を得ることができる。
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
ば、Pを周期とした誤差成分はもとより、P/3,P/5,P/7
などを周期とした奇数次の誤差成分も除くことが可能で
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、もしくは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良い。後者の場
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)を付加すればより効果的である。また、上述した各
実施例では0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こと
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、生産効率を向上させることができる。
【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(A)〜(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、2A,2B,
2C,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、10……拡散板、11……凸レン
ズ、12……光センサ、13……光電変換素子。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項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第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の回折格子には2分の1ピッチ分
    ずらせた2つの格子部が設けられており、前記2つの格
    子部を透過しそれぞれが前記回折格子のピッチの2分の
    1の周期で変化する光量、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を備えたことを特
    徴とする平均化回折モアレ位置検出器。
  2. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項4】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。
  5. 【請求項5】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
    になって請求項4に記載の平均化回折モアレ位置検出
    器。
JP63043402A 1988-02-26 1988-02-26 平均化回折モアレ位置検出器 Expired - Lifetime JPH0629740B2 (ja)

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JPS615081A (ja) * 1984-06-18 1986-01-10 Sankyo Co Ltd 1−置換カルバペネム−3−カルボン酸誘導体の製造法
JPS6117016A (ja) * 1984-07-02 1986-01-25 Okuma Mach Works Ltd 平均化回折モアレ位置検出器

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