JPH08247790A

JPH08247790A - 位置検出装置

Info

Publication number: JPH08247790A
Application number: JP7079816A
Authority: JP
Inventors: Koji Ichigaya; 弘司市ヶ谷
Original assignee: SEFUTO KENKYUSHO KK
Current assignee: SEFUTO KENKYUSHO KK
Priority date: 1995-03-10
Filing date: 1995-03-10
Publication date: 1996-09-27

Abstract

(57)【要約】【目的】簡単に、しかも高い精度で、測定対象物の相
対的な位置を検出することがてきる位置検出装置を提供
する。【構成】フォトトランジスタのセルＡ₁、Ｂ₁、・・
・、Ｇ₈、Ｈ₈は、１０μｍ間隔で直線状に配置され、
Ａ₁〜Ｈ₁の８個のセルがＧ１グループ等のように、連
続する８個のセルを１つのグループとして８グループに
分けられている。ここに、ＬＥＤから、数セル分程度の
大きさのスポットとなる光を照射すると、その中心はＬ
ＥＤの移動に伴って、直線状に配置されたセルに沿って
移動する。各セルの出力を各グループ毎に加算すると、
光の中心の位置がどのグループのセル範囲にあるかが分
かる。また、それぞれのグループにおける対応するセル
同士について出力を加算すると、正弦波状の周期関数が
得られ、これから光の中心までの位相を求めることがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、正確な位置検出が必要
なあらゆる分野に適用できる位置検出装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】正確な位置検出は、さまざまな分野で重
要であり、種々の方法が実用化されている。位置測定に
用いられる一般的な手段としては、ノギス、マイクロメ
ーター、ダイヤルゲージ、マグネスケール、レーザー測
長器、顕微鏡、光の干渉を利用した測長器などが従来か
ら知られている。また、正確な位置検出が必要となる分
野としては、半導体集積回路技術、工作機械の分野をは
じめとして、枚挙にいとまがない。

【０００３】例えば、半導体製造の分野では、半導体ウ
ェハ上への素子の形成から、チップのダイシング、ワイ
ヤボンディング、パッケージングに至るまで、多くの段
階で正確な位置検出が必要となる。ダイシング加工にお
ける位置合わせの方法には、パターン認識の技術が用い
られることがある。また、自動化された工作機械の場合
も、ツールと加工ワークとの間の正確な位置検出が不可
欠であり、例えばエンコーダなどからの信号から加工ワ
ークの移動量を検出し、これに基づいてツールと加工ワ
ークとの位置を数値制御するなどの方法で位置合わせを
行っている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の位置検
出方法及び位置検出装置は、いずれも、特定の分野の位
置検出には適していても、それ以外の分野で位置検出が
必要な場合に、直ちに転用することは難しい。また、測
定長が微小である場合には高い分解能で正確に測定でき
るもの（たとえば、電子顕微鏡）でも、その分解能を保
ったまま大きな測定長を測定することは、一般に困難で
ある。

【０００５】本発明は、上記事情に基づいてなされたも
のであり、正確な位置検出が必要なあらゆる分野に適用
できるとともに、微小な測定長から大きな測定長まで、
高い分解能で正確に位置測定が可能な位置検出装置を提
供することを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めの請求項１記載の発明は、直線状に配列した複数の受
光素子と、前記受光素子の配列方向に移動し、所定の強
度分布を有する光を発する発光素子と、前記複数の受光
素子から得られる出力信号に対して演算を行う演算手段
とを有し、強度分布の広がりが前記受光素子の間隔より
大きい光を前記発光素子から前記複数の受光素子に照射
し、このとき前記複数の受光素子から得られる出力信号
に対して前記演算手段により所定の演算を行うことによ
り、前記複数の受光素子の配列方向における前記発光素
子の相対位置を求めることを特徴とするものである。

【０００７】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、直線状に等間隔に配列したｐ個の前記受光
素子を、１グループにｑ個ずつ含むｒ個のグループに分
け（ｐ＝ｑ×ｒ）、前記受光素子の配列方向に移動する
前記発光素子から前記受光素子に光を照射し、各グルー
プの対応する受光素子からの出力を加算して得られる周
期関数化されたｑ個の第一の信号と、同一グループの受
光素子からの出力を加算して得られるｒ個の第二の信号
に対して演算を行って、前記ｐ個の受光素子の配列と前
記発光素子との当該直線方向における相対的位置を求め
ることを特徴とするものである。

【０００８】請求項３記載の発明は、平面内に所定の間
隔で配列した複数の受光素子と、前記受光素子が配列さ
れた平面に対向してこの平面に平行に移動する、所定の
強度分布を有する光を発する発光素子と、前記複数の受
光素子から得られる出力信号に対して演算を行う演算手
段とを有し、強度分布の広がりが前記受光素子の間隔よ
りも大きい光を前記複数の受光素子に照射し、このとき
前記複数の受光素子から得られる出力信号に対して前記
演算手段により所定の演算を行い、この演算結果から前
記平面内における前記発光素子の相対位置を求めること
を特徴とするものである。

【０００９】請求項４記載の発明は、請求項３記載の発
明において、ｘ軸及びこれに直交するｙ軸によって規定
される平面（ｘ−ｙ平面）内に、ｘ軸方向にｐ個、ｙ軸
方向にｓ個（合計ｐ×ｓ個）の前記受光素子を所定の間
隔で配置し、ｘ軸に沿って配列したｐ個の受光素子を、
１グループにｑ個ずつ含むｒ個のグループに分け（ｐ＝
ｑ×ｒ）、ｙ軸に沿って配列したｓ個の受光素子を、１
グループにｔ個ずつ含むｕ個のグループに分け（ｓ＝ｔ
×ｕ）、ｘ−ｙ平面に沿って平行に移動する前記発光素
子から前記複数の受光素子に光を照射して、ｘ軸方向に
ついて、各グループの対応する受光素子からの出力を加
算して得られる周期関数化されたｑ個の第一の信号と、
同一グループの受光素子からの出力を加算して得られる
ｒ個の第二の信号に対して演算を行って、前記発光素子
のｘ軸方向における相対的位置を求め、また、ｙ軸方向
について、各グループの対応する受光素子からの出力を
加算して得られる周期関数化されたｔ個の第三の信号
と、同一グループの受光素子からの出力を加算して得ら
れるｕ個の第四の信号に対して演算を行って、前記発光
素子のｙ軸方向における相対的位置を求めることによ
り、ｘ−ｙ平面内における前記発光素子の位置を求める
ことを特徴とするものである。

【００１０】請求項５記載の発明は、測定対象である振
動体にマーカーを設け、前記振動体の振動方向に沿って
複数の受光素子を等間隔に配列し、前記受光素子が前記
マーカーから、強度分布の広がりが前記受光素子の間隔
よりも大きい光を受けたときに、前記複数の受光素子か
ら得られる出力信号に対して所定の演算を行い、この演
算結果から前記振動体の振動波形を求めることを特徴と
するものである。

【００１１】請求項６記載の発明は、所定の間隔で環状
に配列した複数の受光素子と、測定対象である回転体に
設けられ、前記環状に配列された受光素子に沿って回転
する、所定の強度分布を有する光を発する発光素子と、
前記複数の受光素子からの得られる出力信号に対して演
算を行う演算手段とを有し、強度分布の広がりが前記受
光素子の間隔より大きい光を前記発光素子から前記複数
の受光素子に照射し、このとき前記複数の受光素子から
得られる出力信号に対して前記演算手段により所定の演
算を行うことにより、前記複数の受光素子の配列に対す
る前記発光素子の回転角度位置を求めることを特徴とす
るものである。

【００１２】

【作用】請求項１記載の発明は、前記の構成により、所
定の強度分布を有する光を発する発光素子を、直線状に
配列した複数の受光素子に沿って移動させると、発光素
子から受光素子に照射される光のスポットも移動する。
このため、各受光素子の出力信号の強度の分布は、配列
された受光素子と発光素子との相対的な位置によって異
なる。したがって、演算手段によって、この強度の分布
を有する受光素子の出力信号に対して所定の演算を施す
ことによって、受光素子の配列方向における発光素子の
一次元的な相対的位置を求めることができる。

【００１３】請求項３記載の発明は、前記の構成によ
り、所定の強度分布を有する光を発する発光素子を、平
面状に配列した複数の受光素子に沿って移動させると、
発光素子から受光素子に照射される光のスポットもこの
平面に沿って移動する。このため、各受光素子の出力信
号の強度の分布は、配列された受光素子と発光素子との
相対的な位置によって異なる。したがって、演算手段に
よって、この強度の分布を有する受光素子の出力信号に
対して所定の演算を施すことによって、受光素子の配列
に沿った発光素子の二次元的な相対的位置を求めること
ができる。

【００１４】請求項５記載の発明は、前記の構成によ
り、振動体が振動すると、振動体に設けられたマーカー
もこの振動に伴ってその位置が変位し、この変位波形
は、振動体の振動波形に一致する。したがって、受光素
子の出力を演算して得られるマーカーの相対位置の変化
が得られると、それは振動体の振動波形を正確に反映し
たものであり、この波形を解析して、振動体の振動の様
子を知ることができる。

【００１５】請求項６記載の発明は、前記の構成によ
り、所定の強度分布を有する光を発する発光素子を、環
状に配列した複数の受光素子に沿って移動させると、発
光素子から受光素子に照射される光のスポットも環状に
移動する。このため、各受光素子の出力信号の強度の分
布は、配列された受光素子と発光素子との相対的な位置
によって異なる。したがって、演算手段によって、この
強度の分布を有する受光素子の出力信号に対して所定の
演算を施すことによって、受光素子の配列に沿った発光
素子の相対的位置を求めることができ、これから発光素
子の回転角度位置を知ることができる。

【００１６】

【実施例】以下に図面を参照して、本発明の実施例につ
いて説明する。図１は、本発明の第一実施例である位置
検出装置のライン状に配置された多数のフォトトランジ
スタを示した概略図である。尚、図１によって、第二実
施例以降の各実施例における位置検出の基本原理を説明
する。

【００１７】図１は、多数のフォトトランジスタのセル
Ａ₁、Ｂ₁、・・・、Ｇ₈、Ｈ₈を直線状に配置したラ
インセンサを示した図であり、各セルは正確に、例えば
１０μｍ間隔で配置されている。これらのセルは、Ａ₁
〜Ｈ₁の８個のセルがＧ１グループ、Ａ₂〜Ｈ₂の８個
のセルがＧ２グループ、・・・、Ａ₈〜Ｈ₈の８個のセ
ルがＧ８グループというように連続する８個のセルを１
つのグループとして８グループに分けられている。

【００１８】セル列の上に示した曲線は、ＬＥＤ等の光
源からラインセンサのセルアレーに投影された光のスポ
ットの強度分布を示す。図１の例では、Ｇ２グループの
セルＣ₂とセルＤ₂の間にピーク、すなわち光束の中心
軸がある。また、照射する光のスポットは、強度分布の
幅（例えば強度が２分の１に低下する半値幅）が、ライ
ンセンサの数セル分程度とすることが望ましい。その理
由は、強度分布を適当に広げることによって、後述の信
号波形の周期化の際に、高次の高調波成分が小さくな
り、位置測定の誤差が少なくなるからである。仮に、焦
点がよく合って、光が一点に収束して一つのセルにしか
当たらなかったり、また、スポットが、図１の場合だと
８セル分の幅を大きく超える大きさになったりすると、
後述の位置検出のための演算ができなくなる。このた
め、光源側に設けた収束レンズを調節して、若干アンダ
ーフォーカス又はオーバーフォーカス気味にして焦点を
ずらし（デフォーカスし）、スポットの幅が数セル分と
なるように調整する。尚、収束レンズは光源側に取り付
けられてあり、光源が移動しても、光は常にレンズの中
心を通るようにしてある。

【００１９】図２（ａ）は、図１の各セルの出力を各グ
ループ毎にオペアンプを用いて加算する加算回路を示
し、同図（ｂ）は、同図（ａ）に示す各加算回路の出
力、すなわち各グループ毎に加算されて得られた信号Ｌ
₁〜Ｌ₈の強度を縦軸にとって示したグラフである。光
源からフォトトランジスタ上に投影された光のスポット
の中心が、図１に示すようにＧ２グループの範囲にある
場合は、図２（ｂ）に示すように、信号Ｌ₂の強度は、
他の信号に比べて極端に高くなる。したがって、信号Ｌ
₁〜Ｌ₈の強度を比較することによって、光の中心の位
置がどのグループのセル範囲にあるかを簡単に知ること
ができる。

【００２０】図３（ａ）は、図１の各セルの出力を、そ
れぞれのグループにおける対応するセル同士についてオ
ペアンプで加算する加算回路を示し、同図（ｂ）は、同
図（ａ）に示す各加算回路の出力、すなわち対応するセ
ル毎に加算されて得られた信号Ａ〜Ｈの強度を縦軸にと
って示したグラフである。図３（ｂ）に示すように、信
号Ａ〜Ｈの強度は、正弦波状の周期関数Ｄ（ｘ）とな
る。このような周期関数が得られれば、周知の演算回路
を用いて、アナログ的に基準点Ａからそのピーク値まで
の位相θを容易に、しかも高い精度で求めることができ
る。このθを求めることは、関数Ｄ（ｘ）の第一次高調
波の位相を求めることに対応する。

【００２１】ここで、このθの求め方を簡単に説明す
る。図３（ｂ）に示す波形Ｄ（ｘ）をＤ（ｘ）＝Ａcos(ｘ−θ) とする。この式で、θは、図３（ｂ）に示すように、Ｄ
（ｘ）のピーク値の位相であり、この段階ではその値は
不明である。また、Ａは定数である。ここで、Ｄ（ｘ）
に cosｘを掛けて１周期にわたって積分したものをＣと
すると、Ｃ＝ πＡ cosθ となる。これはフーリエ変換のリアル成分に該当する。
また、Ｄ（ｘ）に sinｘを掛けて１周期にわたって積分
したものをＳとすると、Ｓ＝ πＡ sinθ となる。これはフーリエ変換のイマジナリー成分に該当
する。したがって、Ｓ／Ｃ＝ tanθ であり、θは、 θ ＝ tan^-1（Ｓ／Ｃ）によって求めることができる。

【００２２】実際には、離散的にサンプリングしたデー
タを用いて計算を行う。例えば位相角４５°間隔でサン
プリングしたデータ（１周期８サンプリング）を考え、
これをＤ(0) ，Ｄ(1) ，Ｄ(2) ，Ｄ(3) ，Ｄ(4) ，Ｄ(5) ，Ｄ
(6) ，Ｄ(7) とする。これに対応して、１周期の cosｘを１，ｓ，０，−ｓ，−１，−ｓ，０，ｓとし、１周期の sinｘを０，ｓ，１，ｓ，０，−ｓ，−１，−ｓとする。ここで、ｓ＝ cos４５°＝ sin４５°＝０．７
０７である。このようにすると、Ｃは、Ｃ＝Ｄ(0) ×１＋Ｄ(1) ×ｓ＋Ｄ(2) ×０＋Ｄ(3) ×
（−ｓ）＋Ｄ(4) ×（−１）＋Ｄ(5) ×（−ｓ）＋Ｄ
(6) ×０＋Ｄ(7) ×ｓとなり、Ｓは、Ｓ＝Ｄ(0) ×０＋Ｄ(1) ×ｓ＋Ｄ(2) ×１＋Ｄ(3) ×ｓ
＋Ｄ(4) ×０＋Ｄ(5) ×（−ｓ）＋Ｄ(6) ×（−１）＋
Ｄ(7) ×（−ｓ）となる。これからθは、 θ ＝ tan^-1（Ｓ／Ｃ）によって求めることができる。尚、１周期８データでサ
ンプリングした場合には、７次及び９次又は１５次及び
１７次以上（サンプリング数をＮとすると、ｎＮ±１
次。ここでｎは自然数。）の高次の合成歪みが０．１％
あると、 tan^-1（０．００１）＝０．０５７° ０．０５７°／３６０°＝０．０００１６より、１周期に対して最大で約０．０１６％の誤差が生
じる。光源を適当にデフォーカスして周期化すると、容
易にこの程度の合成歪みに抑えることができる。

【００２３】一例として、図１に示すラインセンサの各
セルの間隔を１０μｍとすると、図３（ｂ）に示すよう
に、１周期ｌはｌ＝８０μｍとなり、これを３６０°と
する。したがって、図１の左端のセルＡ₁からＬＥＤの
中心までの距離Ｌは、Ｌ＝８０μｍ×（Ｇ−１）＋８０μｍ × θ
／３６０によって求めることができる。ここで、Ｇは、図２
（ｂ）によって求められた、スポットの中心が属するグ
ループの番号である。上記の例では、スポットの中心は
Ｇ２グループの範囲に属するので、Ｇ＝２である。図３
（ｂ）の信号波形から求められたθの値が１５３．２５
°だとすれば、セルＡ₁からＬＥＤの中心までの距離Ｌ
は、上記の式から、Ｌ＝１１４．０６μｍと求まり、誤差は０．０１３μｍ程度となる。尚、この
ような位置検出装置は、顕微鏡における位置や距離の測
定、半導体製造装置における正確な位置検出などに応用
することができる。

【００２４】上記の説明では、距離Ｌは、セルＡ₁を原
点とし、この原点からの距離として求めたが、当然、任
意の二点間の距離を求めることも可能である。また、上
記実施例は、受光素子としてフォトトランジスタを用い
た場合であるが、これ以外に、例えばフォトダイオード
やＣＣＤなどからなるラインセンサを利用することも可
能である。尚、ＣＣＤセンサを用いる場合は、第二実施
例の説明で述べるように、ＣＣＤセンサからの信号をＡ
／Ｄ変換したあと、各アドレスがＣＣＤセンサの各セル
と１対１に対応したメモリに移し、ディジタル的に、周
期関数に基づいてピーク値までの位相及び基準点からの
距離を求める演算処理を行う。

【００２５】次に、本発明の第二実施例について説明す
る。図４は、本発明の第二実施例の位置検出装置を示し
た概略断面図である。図４において、受光部１０は、多
数のＣＣＤセルが所定の位置に二次元的に配列されたＣ
ＣＤセンサ１１と、このＣＣＤセンサ１１からの信号を
Ａ／Ｄ変換して外部に出力するＣＣＤ回路１２からな
る。この受光部１０は、受光部ケース１３に一体的に取
り付けられている。

【００２６】発光部２０は、発光素子である発光ダイオ
ード（ＬＥＤ）２１と、このＬＥＤ２１からの光を点光
源とする絞り２２と、この点光源の光を適当に収束する
レンズ２３からなる。この発光部２０は、発光部ケース
２４に一体的に取り付けられている。

【００２７】ＣＣＤ回路１２からの出力信号は、それぞ
れのアドレスがＣＣＤセンサ１１の各セルと１対１に対
応したメモリ２５に供給され、一時的に記憶される。こ
れらのデータに対しては、演算部２６において必要に応
じて第一実施例で行った演算と同様の演算が行われ、受
光部ケース１３と発光部ケース２４の相対的な位置が求
められる。但し、この場合、二次元的な位置を検出する
ためには、第一実施例における一次元での演算を、平面
直交座標（ｘ−ｙ座標）の各軸について行えばよい。ま
た、本実施例では、ディジタル化された信号に対して演
算を行うので、離散的フーリエ変換等の手法が適用され
る。

【００２８】ＬＥＤ２１からＣＣＤセンサ１１上に照射
される光のスポットの大きさは、第一実施例の場合と同
様の理由によって、所定の範囲、例えばＣＣＤセンサ１
１のセル数個分としなければならない。かかるスポット
の大きさは、絞り２２及びレンズ２３を調節することに
よって変えられる。

【００２９】受光部ケース１３の上面１３ａ及び発光部
ケース２４の底面２４ａは互いに平行とされ、両者は接
するか又は常に近接した一定の間隔に保たれる。更に、
受光部ケース１３と発光部ケース２４は、１３ａと２４
ａの間の平行性を保ったまま、所定範囲内において面方
向に自由に平行移動できる。したがって、ＬＥＤ２１か
ら発せられＣＣＤセンサ１１上に照射される光のスポッ
トは、受光部ケース１３と発光部ケース２４との相対的
な移動に伴って、ＣＣＤセンサ１１の表面上を移動す
る。

【００３０】実際の位置測定では、発光部ケース２４を
測定対象物に固定し、受光部ケース１３を測定の基準と
なる物に固定するか、あるいは、発光部ケース２４を基
準となる物に固定し、受光部ケース１３を測定の基準と
なる物に固定する。例えば、本実施例の位置検出装置を
ＮＣマシン等の工作機械に適用する場合は、発光部ケー
ス２４をステージに固定し、受光部ケース１３を工作機
械の本体側に固定することができる。これによって、最
初にステージの位置合わせをしておけば、あとはステー
ジがどのように移動しても、本実施例の位置検出装置に
よって、その移動量、移動方向、位置座標を簡単かつ正
確に求めることができる。尚、これとは逆に、ステージ
に受光部ケース１３を固定、本体側に発光部ケース２４
を固定しても、同様の効果が得られることは言うまでも
ない。また、第二実施例と同様に、顕微鏡における位置
や距離の測定、半導体製造装置における正確な位置検出
などに応用することができる。

【００３１】図５は、本発明の第三実施例を示した概略
断面図である。第一実施例及び第二実施例は、位置検出
範囲が比較的狭い場合に適するが、第三実施例は、位置
検出範囲が非常に大きい場合でも、その位置を正確に検
出できる点に特徴がある。図５に示す発光部ケース３０
は、測定対象物に取り付けられ、受光部ケース３１は、
位置測定の基準となる物に取り付けられる。両者は互い
に対向した状態を保って、面方向に自由に移動できる。
ＣＣＤセンサ３１の出力は、ＣＣＤ回路３２によってＡ
／Ｄ変換されたあと、各アドレスがＣＣＤセンサ３１の
各セルに対応するメモリ３３に一時的に記憶され、演算
部３４において、所定の演算が行われる。

【００３２】光源Ｊ₁、Ｊ₂、Ｊ₃、・・・は、発光部
ケース３０の表面に、ＣＣＤセンサ３１に対向するよう
に略一定の間隔で設けられ、各光源から発せられた光
は、対応するレンズ３５₁、３５₂、・・・を通って、
ＣＣＤセンサ３１に投射される。この間隔は、例えばＣ
ＣＤセンサ３１の幅の２分の１より大きく、かつＣＣＤ
センサ３１の幅を超えない範囲とする。このようにする
と、発光部ケース３０がどのように移動しても、ＣＣＤ
センサ３１は必ずどれかの光源からの光を受けることに
なり、かつ隣合う光源からの光は何処かの位置で必ず同
時にＣＣＤセンサ３１に照射される。しかも、三つの光
源からの光が同時にＣＣＤセンサ３１に照射されること
はない。

【００３３】図５の装置による位置検出の仕方について
説明する。尚、ここでは、簡単のために、光源Ｊ₁、Ｊ
₂、Ｊ₃、・・・は直線的に配列され、発光部ケース３
０の移動もこの直線方向に一次元的に移動するとして、
一次元の位置を検出する場合について説明する。但し、
二次元的に移動する場合にも、この考え方をそのまま拡
張できる。

【００３４】まず、例えば光源Ｊ₁及びＪ₂からの光を
ＣＣＤセンサ３１が受ける範囲内において原点を設定
し、第二実施例において説明したのと同様の方法によっ
てＪ₁及びＪ₂の座標を求め、更に、演算によって光源
Ｊ₁とＪ₂の間の距離を求める。原点から発光部ケース
３０が移動し、ＣＣＤセンサ３１が光源Ｊ₂からの光の
他に光源Ｊ₃からの光を受けたときは、同様の方法で光
源Ｊ₂及びＪ₃の座標及び両者の間の距離を求める。以
下、発光部ケース３０が移動して、ＣＣＤセンサ３１が
二つの光源からの光を受けたときは、その都度同様の動
作を繰り返し、過去に求めた隣合う二つの光源の間の距
離を加算（反対方向に移動する場合は減算）してゆく。
このようにすると、発光部ケース３１の移動量が大きい
場合でも、高い精度を保ったまま、広い範囲にわたる位
置の測定が可能となる。

【００３５】図５に示す第三実施例では、上記のよう
に、隣合う光源の座標及び位置を絶えず検出し、加算し
てゆくので、光源と光源の間隔が、上記の条件を満たし
ている限り、この間隔に多少の位置ずれがあっても、位
置の測定には影響しない。このことは、実際上の有利な
点である。尚、本実施例では、ＣＣＤセンサ３１に二つ
の光源からの光が照射された場合に、これらの位置及び
座標を同時に、かつ個別的に求める必要があるため、第
二実施例と同様にＣＣＤセンサからの信号をＡ／Ｄ変換
してからメモリに移して演算する場合に適合する。第一
実施例のように、直接オペアンプ回路で加算して周期関
数を求める方法には、そのまま適用することはできない
が、センサ部を例えば４分割して、それぞれ独立に計算
するようにすれば、オペアンプ回路で加算して周期関数
を求める方法にも適用できる。

【００３６】図６は、本発明の第四実施例を示した概略
図である。第一実施例から第三実施例までは、発光手段
であるＬＥＤの一次元又は二次元的な位置を正確に求め
ることを主目的としたが、上記の位置検出の方法は、非
常に高速で、かつ正確な結果が得られるため、これを種
々の分野に適用できる。図６は、その一つの考え方を例
示するものであり、振動する物体の振動波形を正確に検
出する場合の応用例である。

【００３７】図６のマーカー５０としては、第一実施例
と同じＬＥＤでもいいし、単に、明瞭に識別できる白な
どのマークでもよい。このマーカー５０を、振動するも
の、例えばオーディオスピーカーに固定する。スピーカ
ーに音声信号が供給され、振動すると、その表面に取り
付けられたマーカー５０も同じように振動し、マーカー
の位置が変化する。この変化は光の信号として、レンズ
５１を通ってＣＣＤセンサ５２に達する。ＣＣＤセンサ
５２の出力は、ＣＣＤ回路５３によってＡ／Ｄ変換され
たあと、各アドレスがＣＣＤセンサ５２の各セルに対応
するメモリ５４に一時的に記憶され、その後、演算部５
５において所定の演算が行われる。尚、ＣＣＤの動作速
度では追従できない周波数領域の振動については、図１
及び図２に示した第一実施例と同じ、フォトトランジス
タのセルを用いた構成とすることも可能である。また、
ＣＣＤセンサ５２上に強度分布が広がった光を照射する
ために、レンズでデフォーカスする方法の他に、マーカ
ー５０の明度そのものが位置によってことなる分布を持
たせるようにし、レンズはジャストフォーカスさせても
よい。

【００３８】ＣＣＤセンサ５２は、マーカーからの光を
受けるので、第一実施例と同じ方法によって、マーカー
５０の位置の時系列的な変化を正確に検出することがで
きる。こうして検出されるマーカー５０の位置の変化
は、そのスピーカーから発せられる音声波形そのものを
示すことになる。したがって、オーディオスピーカーに
供給された音声信号の波形と、ＣＣＤセンサ５１の出力
を演算して得られる波形とを比較すれば、元々の音声信
号がそのオーディオ装置及びスピーカーを通ることによ
ってどのように変化し、歪んだかなどを高い精度で調べ
ることができる。

【００３９】また、別の例として、図６のマーカー５０
を自動車のエンジンに取り付けることによって、簡単、
正確、迅速にエンジンの振動波形を得ることができる。
したがって、回転数その他のパラメータによって、振動
がどのように変化するかなどを解析する際に本装置を利
用することができる。

【００４０】図７は、本発明の第五実施例を説明するた
めの図である。これまでの各実施例は、一次元的又は二
次元的な位置を求めるものであったが、測定対象物が回
転体である場合には、本発明を適用して回転角度位置を
求めることもできる。その場合の一つの方法として、光
源を測定対象物である回転体に固定し、受光部６０のセ
ルを、回転体の回転動作に伴って光源が移動する経路に
沿って、図７に示すように環状に配置する。回転体が回
転すると、光源から照射される光のスポットは、環状に
配置されたセル上を移動するので、光源と受光部との相
対的な位置を求めることによって、回転体の回転角度位
置を検出することができる。

【００４１】尚、本発明は、上記実施例に限定されるこ
とはなく、その要旨の範囲内で種々の変更が可能であ
る。例えば、ＣＣＤセンサに照射される光をデフォーカ
スする手段として、光源側に設けられたレンズを調節す
る代わりに、ＣＣＤセンサ表面近傍に平行に散乱板を設
け、ここに光源からの光を投影することも可能である。
あるいは、光源側で強度分布を有する光にして、ＣＣＤ
センサ側ではジャストフォーカスさせても同じ効果が得
られる。

【００４２】更に、上記各実施例では、位置や長さを測
定する場合について説明したが、これを応用して、位置
や長さ以外の物理量の測定にも本発明を適用することが
できる。例えば、天秤やバネ秤のように、質量によって
指針が指し示す位置が変化する測定方法において、この
位置の測定を本発明を適用して正確に測定することによ
って、質量を正確に測定することが可能となる。あるい
は、振動する二つの物体の距離を正確に求めたい場合に
は、それぞれの物体について本発明を適用して正確な位
置を測定し、その差分を求めることによって目的を達す
ることができる。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
所定の強度分布を有する発光素子からの光を、正確な間
隔で直線的、平面的、又は環状に配列した複数の受光素
子に照射し、この複数の受光素子の出力信号に対して所
定の演算を行うことによって、発光素子と複数の受光素
子の配列との相対的な位置関係を求めるので、正確な位
置の検出が可能となる。特に、複数の受光素子を同数ず
つからなる複数のグループにグループ分けし、各グルー
プの対応する複数の受光素子からの出力を加算して得ら
れる周期関数化された第一の信号と、同一グループ内の
複数の受光素子からの出力を加算して得られる第二の信
号とを演算して、発光素子と受光素子の配列との相対的
位置を求めることにより、受光素子の配列間隔に比べて
非常に高い分解能が得られ、したがって、受光素子の配
置間隔を狭めることによって高い精度での位置検出が可
能になるとともに、微小な測定長から大きな測定長ま
で、高い分解能で正確に位置測定が可能になる位置検出
装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例である位置検出装置のライ
ン状に配置された多数のフォトトランジスタを示した概
略図である。

【図２】図１の各セルの出力を各グループ毎にオペアン
プを用いて加算する加算回路を示す回路図、及び各加算
回路の出力信号の強度を縦軸にとって示したグラフであ
る。

【図３】図１の各セルの出力を、それぞれのグループに
おける対応するセル同士についてオペアンプで加算する
加算回路を示す回路図、及び各加算回路の出力信号の強
度を縦軸にとって示したグラフである。

【図４】本発明の第二実施例の位置検出装置を示した概
略断面図である。

【図５】本発明の第三実施例を示した概略断面図であ
る。

【図６】本発明の第四実施例を示した概略図である。

【図７】本発明の第五実施例を説明するための図であ
る。

【符号の説明】

１０受光部１１、３１、５２ＣＣＤセンサ１２、３２、５３ＣＣＤ回路１３受光部ケース２０発光部２１発光素子２２絞り２３レンズ２４、３０発光部ケース２５、３３、５４メモリ２６、３４、５５演算部５０マーカー５１レンズＪ₁、Ｊ₂、Ｊ₃、・・・光源Ａ₁、Ｂ₁、・・・、Ｇ₈、Ｈ₈ フォトトランジス
タのセル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直線状に配列した複数の受光素子と、前記受光素子の配列方向に移動し、所定の強度分布を有
する光を発する発光素子と、前記複数の受光素子から得られる出力信号に対して演算
を行う演算手段とを有し、強度分布の広がりが前記受光素子の配列間隔より大きい
光を前記発光素子から前記複数の受光素子に照射し、こ
のとき前記複数の受光素子から得られる出力信号に対し
て前記演算手段により所定の演算を行うことにより、前
記複数の受光素子の配列方向における前記発光素子の相
対位置を求めることを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】直線状に等間隔に配列したｐ個の前記受
光素子を、１グループにｑ個ずつ含むｒ個のグループに
分け（ｐ＝ｑ×ｒ）、前記受光素子の配列方向に移動す
る前記発光素子から前記受光素子に光を照射し、各グル
ープの対応する受光素子からの出力を加算して得られる
周期関数化されたｑ個の第一の信号と、同一グループの
受光素子からの出力を加算して得られるｒ個の第二の信
号に対して演算を行って、前記ｐ個の受光素子の配列方
向における前記発光素子の相対的位置を求めることを特
徴とする請求項１記載の位置検出装置。
【請求項３】平面内に所定の間隔で配列した複数の受
光素子と、前記受光素子が配列された平面に対向してこの平面に平
行に移動する、所定の強度分布を有する光を発する発光
素子と、前記複数の受光素子から得られる出力信号に対して演算
を行う演算手段とを有し、強度分布の広がりが前記受光素子の配列間隔よりも大き
い光を前記複数の受光素子に照射し、このとき前記複数
の受光素子から得られる出力信号に対して前記演算手段
により所定の演算を行い、この演算結果から前記平面内
における前記発光素子の相対位置を求めることを特徴と
する位置検出装置。
【請求項４】ｘ軸及びこれに直交するｙ軸によって規
定される平面（ｘ−ｙ平面）内に、ｘ軸方向にｐ個、ｙ
軸方向にｓ個（合計ｐ×ｓ個）の前記受光素子を所定の
間隔で配置し、ｘ軸に沿って配列したｐ個の受光素子
を、１グループにｑ個ずつ含むｒ個のグループに分け
（ｐ＝ｑ×ｒ）、ｙ軸に沿って配列したｓ個の受光素子
を、１グループにｔ個ずつ含むｕ個のグループに分け
（ｓ＝ｔ×ｕ）、ｘ−ｙ平面に沿って平行に移動する前
記発光素子から前記複数の受光素子に光を照射して、ｘ
軸方向について、各グループの対応する受光素子からの
出力を加算して得られる周期関数化されたｑ個の第一の
信号と、同一グループの受光素子からの出力を加算して
得られるｒ個の第二の信号に対して演算を行って、前記
発光素子のｘ軸方向における相対的位置を求め、また、
ｙ軸方向について、各グループの対応する受光素子から
の出力を加算して得られる周期関数化されたｔ個の第三
の信号と、同一グループの受光素子からの出力を加算し
て得られるｕ個の第四の信号に対して演算を行って、前
記発光素子のｙ軸方向における相対的位置を求めること
により、ｘ−ｙ平面内における前記発光素子の位置を求
めることを特徴とする請求項３記載の位置検出装置。
【請求項５】測定対象である振動体にマーカーを設
け、前記振動体の振動方向に沿って複数の受光素子を等
間隔に配列し、前記受光素子が前記マーカーから、強度
分布の広がりが前記受光素子の配列間隔よりも大きい光
を受けたときに、前記複数の受光素子から得られる出力
信号に対して所定の演算を行い、この演算結果から前記
振動体の振動波形を求めることを特徴とする位置検出装
置。
【請求項６】所定の間隔で環状に配列した複数の受光
素子と、測定対象である回転体に設けられ、前記環状に配列され
た受光素子に沿って回転する、所定の強度分布を有する
光を発する発光素子と、前記複数の受光素子からの得られる出力信号に対して演
算を行う演算手段とを有し、強度分布の広がりが前記受光素子の間隔より大きい光を
前記発光素子から前記複数の受光素子に照射し、このと
き前記複数の受光素子から得られる出力信号に対して前
記演算手段により所定の演算を行うことにより、前記複
数の受光素子の配列に沿った前記発光素子の回転角度位
置を求めることを特徴とする位置検出装置。