JPH0933210A

JPH0933210A - 位置測定装置

Info

Publication number: JPH0933210A
Application number: JP18899295A
Authority: JP
Inventors: Koji Ichigaya; 弘司市ヶ谷
Original assignee: SEFUTO KENKYUSHO KK
Current assignee: SEFUTO KENKYUSHO KK
Priority date: 1995-07-25
Filing date: 1995-07-25
Publication date: 1997-02-07

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単な原理で高い精度の位置測定が可能であ
り、かつ、微小な距離から、その分解能に較べて十分に
大きな距離までの測定が可能である位置測定装置を提供
する。【解決手段】ＣＣＤ６０には多数のセルＩ_n等が１１
μｍ間隔で設けられ、連続する１０個のセルで一つのグ
ループが形成される。スリットマスク５０には１０μｍ
間隔で多数のスリット５１₁等が設けられ、上方の光源
から略平行な光が投射される。このうち、スリットを通
過した光だけが、ＣＣＤ６０へ投射される。スリットマ
スク５０は、ｘ軸方向に並進移動可能である。Ｇ_nグル
ープの最も左のセルＩ_nの真上にスリットマスク５０の
一つのスリット５１₁が来ており、セルＩ_nは受光可能
な光の最大量を受ける。隣のセルＪ_nとその上のスリッ
ト５１₂の位置は僅かにずれ、セルＪ_nの出力値は、最
大値よりわずかに小さい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、正確な位置測定が
必要とされるあらゆる分野に適用可能な位置測定装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】正確な距離や長さ（以下「距離」と総称
する）の測定は、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。二つの点の間の距離を求める
には、その二つの点の相対位置を正確に測定することが
必要となる。距離もしくは相対位置の測定に用いられる
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。半導体集積回路技術の分野や工作機械分野等、多
くの分野では、加工手段と加工対象物との正確な位置合
わせが必要となるため、その前提として、高精度の距離
もしくは相対位置の測定が必要となる。

【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の多くの段
階で、位置合わせのための正確な距離測定が必要とな
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
の正確な相対位置の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、従来の位置測
定装置は、いずれも、特定の分野の位置測定には適して
いても、それ以外の分野で位置測定が必要な場合に、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、一般には困難である。

【０００５】本発明は、上記事情に基づいてなされたも
のであり、簡単な原理で高い精度の位置測定が可能であ
り、かつ、微小な距離から、その分解能に較べて十分に
大きな距離までの測定が可能である位置測定装置を提供
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
めに、請求項１記載の発明は、ｘ軸方向に等間隔に配列
された複数の受光素子を、各グループにｐ個ずつ含まれ
るようグループ分けして構成された受光部と、前記受光
部に対して所定の広がりで光を投射する光源を、前記受
光素子の１つのグループの寸法と等しい距離当たりにｑ
個（ｑ≠ｐ）ずつ含まれるよう、前記各光源を前記ｘ軸
方向に等間隔に配列して構成された光源部と、前記各受
光素子が、前記各光源からの光を受光したときに、それ
ぞれのグループに属する対応する位置に配置された受光
素子の出力信号を加算して、ｐ個の加算結果を出力する
加算部と、前記加算部による加算の結果得られる、ｐ個
の加算結果を周期関数化し、この周期関数の位相計算を
行う演算部と、を具備し、前記演算部の位相計算の結果
から、前記光源間隔の範囲内で、前記受光部と前記光源
部とのｘ軸上における相対位置を算出することを特徴と
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、前記受光部に対して前記光源部をｘ軸方向
に相対的に並進移動したときに生じる特定の前記受光素
子のパルス状の出力信号をカウントして、光源間隔を単
位とする移動量を算出する手段を有することを特徴とす
るものである。

【０００８】請求項３記載の発明は、ｘ軸方向に等間隔
に配列された複数の受光素子（ｘ受光素子という）を、
各グループにｐ個ずつ含まれるようグループ分けすると
ともに、ｙ軸方向に等間隔に配列された複数の受光素子
（ｙ受光素子という）を、各グループにｓ個ずつ含まれ
るようグループ分けして構成された受光部と、前記受光
部に対して所定の広がりで光を投射する複数の光源を、
前記ｘ受光素子の１つのグループの寸法と等しい距離当
たりにｑ個（ｑ≠ｐ）ずつ含まれるようｘ軸方向に等間
隔に配列するとともに、前記ｙ受光素子の１つのグルー
プの寸法と等しい距離当たりにｔ個（ｔ≠ｓ）ずつ含ま
れるよう、ｙ軸方向に等間隔に配列して構成された光源
部と、前記各ｘ受光素子が、前記各光源からの光を受光
したときに、それぞれのグループに属する対応する位置
に配置された受光素子の出力信号を加算して、ｐ個の加
算結果を出力するとともに、前記各ｙ受光素子が、前記
各光源からの光を受光したときに、それぞれのグループ
に属する対応する位置に配置された受光素子の出力信号
を加算して、ｓ個の加算結果を出力する加算部と、前記
加算部による加算の結果得られる、ｐ個の加算結果を周
期関数化し、この周期関数の位相計算を行うとともに、
前記加算部による加算の結果得られる、ｓ個の加算結果
を周期関数化し、この周期関数の位相計算を行う演算部
と、を具備し、前記演算部の位相計算の結果から、前記
受光部と前記光源部とのｘ−ｙ平面上における相対位置
を算出す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、前記受光部に対して前記光源部をｘ軸方向
に相対的に並進移動したときに生じる特定の前記ｘ受光
素子のパルス状の出力信号をカウントして、前記受光部
に対する前記光源部のｘ軸上の光源間隔を単位とする移
動量を算出するとともに、前記受光部に対して前記光源
部をｙ軸方向に相対的に並進移動したときに生じる特定
の前記ｙ受光素子のパルス状の出力信号をカウントし
て、前記受光部に対する前記光源部のｙ軸上の光源間隔
を単位とする移動量を算出する手段を有することを特徴
とするものである。

【００１０】請求項５記載の発明は、回転方向に等間隔
に配列された複数の受光素子を、各グループにｐ個ずつ
含まれるようグループ分けして構成された受光部と、前
記受光部に対して所定の広がりで光を投射する光源を、
前記受光素子の１つのグループの角度範囲と等しい角度
範囲当たりにｑ個（ｑ≠ｐ）ずつ含まれるよう、前記各
光源を前記受光部と等しい回転方向に等間隔に配列して
構成された光源部と、前記各受光素子が、前記各光源か
らの光を受光したときに、それぞれのグループに属する
対応する受光素子の出力信号を各グループについて加算
して、ｐ個の加算結果を出力する加算部と、前記加算部
による加算の結果得られる、ｐ個の加算結果を周期関数
化し、この周期関数の位相計算を行う演算部と、を具備
し、前記演算部の位相計算の結果から、前記受光素子同
士の角度間隔の範囲内で、前記受光部と前記光源部との
回転方向における相対位置を算出することを特徴とする
位置測定装置。

【００１１】請求項６記載の発明は、請求項５記載の発
明において、前記受光部に対して前記光源部を前記回転
方向に相対的に回転移動したときに生じる特定の前記受
光素子のパルス状の出力信号をカウントして、前記受光
部に対する前記光源部の前記回転方向における光源間隔
を単位とする移動量を算出する手段を有することを特徴
とするものである。

【００１２】請求項７記載の発明は、請求項１、２、
３、４、５又は６記載の発明において、前記各光源は、
単一の光源からの光を所定間隔のスリットを通過させて
得たものであることを特徴とするものである。

【００１３】請求項８記載の発明は、ｘ軸方向に等間隔
に配列された複数の磁気検出素子を、各グループにｐ個
ずつ含まれるようグループ分けして構成された磁気検出
部と、前記磁気検出部に対して所定の広がりで磁界を投
射する磁界源を、前記磁気検出素子の１つのグループの
寸法と等しい距離当たりにｑ個（ｑ≠ｐ）ずつ含まれる
よう、前記各磁界源を前記ｘ軸方向に等間隔に配列して
構成された磁界発生部と、前記各磁気検出素子が、前記
各磁界源からの磁界を受けたときに、それぞれのグルー
プに属する対応する位置に配置された磁気検出素子の出
力信号を加算して、ｐ個の加算結果を出力する加算部
と、前記加算部による加算の結果得られる、ｐ個の加算
結果を周期関数化し、この周期関数の位相計算を行う演
算部と、を具備し、前記演算部の位相計算の結果から、
前記磁気検出部と前記磁界発生部とのｘ軸上における相
対位置を算出することを特徴とするものである。

【００１４】請求項９記載の発明は、請求項８記載の発
明において、前記磁気検出部に対して前記磁界発生部を
ｘ軸方向に相対的に並進移動したときに生じる特定の前
記磁気検出素子のパルス状の出力信号をカウントして、
前記磁気検出部に対する前記磁界発生部の磁界発生源間
隔を単位とする移動量を算出する手段を有することを特
徴とするものである。

【００１５】請求項１０記載の発明は、ｘ軸方向に等間
隔に配列された複数の磁気検出素子（ｘ磁気検出素子と
いう）を、各グループにｐ個ずつ含まれるようグループ
分けするとともに、ｙ軸方向に等間隔に配列された複数
の磁気検出素子（ｙ磁気検出素子という）を、各グルー
プにｓ個ずつ含まれるようグループ分けして構成された
磁気検出部と、前記磁気検出部に対して所定の広がりで
磁界を投射する複数の磁界源を、前記ｘ磁気検出素子の
１つのグループの寸法と等しい距離当たりにｑ個（ｑ≠
ｐ）ずつ含まれるようｘ軸方向に等間隔に配列するとと
もに、前記ｙ磁気検出素子の１つのグループの寸法と等
しい距離当たりにｔ個（ｔ≠ｓ）ずつ含まれるよう、ｙ
軸方向に等間隔に配列して構成された磁界発生部と、前
記各ｘ磁気検出素子が、前記各磁界源からの磁界を受け
たときに、それぞれのグループに属する対応する位置に
配置された磁気検出素子の出力信号を加算して、ｐ個の
加算結果を出力するとともに、前記各ｙ磁気検出素子
が、前記各磁界源からの磁界を受けたときに、それぞれ
のグループに属する対応する位置に設けられた磁気検出
素子の出力信号を加算して、ｓ個の加算結果を出力する
加算部と、前記加算部による加算の結果得られる、ｐ個
の加算結果を周期関数化し、この周期関数の位相計算を
行うとともに、前記加算部による加算の結果得られる、
ｓ個の加算結果を周期関数化し、この周期関数の位相計
算を行う演算部と、を具備し、前記演算部の位相計算の
結果から前記磁気検出部と前記磁界発生部とのｘ−ｙ平
面上における相対位置を算出することを特徴とするもの
である。

【００１６】請求項１１記載の発明は、請求項１０記載
の発明において、前記磁気検出部に対して前記磁界発生
部をｘ軸方向に相対的に並進移動したときに生じる特定
の前記ｘ磁気検出素子のパルス状の出力信号をカウント
して、前記磁気検出部に対する前記磁界発生部のｘ軸上
の磁界源間隔を単位とする移動量を求めるとともに、前
記磁気検出部に対して前記磁界発生部をｙ軸方向に相対
的に並進移動したときに生じる特定の前記ｙ磁気検出素
子のパルス状の出力信号をカウントして、前記磁気検出
部に対する前記磁界発生部のｙ軸上の磁界源間隔を単位
とする移動量を求める手段を有することを特徴とするも
のである。

【００１７】請求項１２記載の発明は、ｘ軸方向及びｙ
軸方向に受光素子を二次元的に配列し、ｘ軸方向では各
グループにｐ個ずつにグループ分けし、ｙ軸方向では各
グループにｓ個ずつにグループ分けして構成した受光部
と、ｘ軸方向には、前記ｘ軸方向の受光素子の１つのグ
ループの寸法と等しい距離当たりにｑ個（ｑ≠ｐ）ずつ
となる間隔で第一の色の光を遮断する色により第一のス
リット模様を形成するとともに、ｙ軸方向には、前記ｙ
軸方向の受光素子の１つのグループの寸法と等しい距離
当たりにｔ個（ｔ≠ｓ）ずつとなる間隔で第二の色の光
を遮断する色により第二のスリット模様を形成し、前記
受光部に対向するよう配置し、かつ前記受光部に対し並
進移動可能としたスリットマスクと、前記第一の色の光
を発する第一の光源及び前記第二の色の光を発する第二
の光源を、前記受光部からみて前記スリットマスクの背
後にスリットマスクと一体的に配置した光源部と、前記
第一の光源を点灯したときに、ｘ軸方向におけるそれぞ
れのグループの対応する位置に設けられた受光素子の出
力信号同士を加算してｐ個の信号として出力する第一の
加算手段と、前記第二の光源を点灯したときに、ｙ軸方
向におけるそれぞれのグループの対応する位置に設けら
れた受光素子の出力信号同士を加算してｓ個の信号とし
て出力する第二の加算手段と、を具備し、前記第一の加
算手段による加算結果から得られるｐ個の値を周期関数
化し、この周期関数の位相を求めることによってｘ軸方
向における位置を求め、かつ、前記第二の加算手段によ
る加算結果から得られるｓ個の値を周期関数化し、この
周期関数の位相を求めることによってｙ軸方向における
位置を求め、これらから前記スリットマスクの前記受光
部に対するｘ−ｙ平面内における相対位置を算出するこ
とを特徴とするものである。

【００１８】

【作用】本発明は、前記の構成により、ｐ個とｑ個の
数、およびｓ個とｔ個の数が僅かに異なっている場合、
一つのグループに属するｐ個（又はｓ個）の受光素子か
ら出力される信号の値を並べると、正弦波状となる。そ
して、それぞれのグループに属する対応する受光素子の
出力信号を各グループについて加算して得られるｐ個の
加算結果を並べた場合にも、同様に正弦波状の周期関数
となる。ところで、光源部を、光源同士の間隔又はスリ
ットの間隔と等しい距離だけｘ軸方向に並進移動させる
と、ある特定の受光素子からの出力信号の値は、ちょう
ど周期関数の振幅と等しい振幅で１周期分の変化をす
る。このことは、上記周期関数の１周期が、光源間隔又
はスリット間隔に対応することを意味する。したがっ
て、この周期関数が特定の値となる位相を求めると、こ
れに対応する光源同士の間隔の範囲内における光源部と
受光部との相対位置、すなわち、局所アドレスに基づく
移動距離を非常に高い精度で算出することができる。

【００１９】また、上記で、受光部に対して前記光源部
をｘ軸方向に相対的に並進移動させると、特定の受光素
子の出力信号はパルス状となる。したがって、このパル
ス数をカウントすることによって、この特定の受光素子
が、光源部のどの光源と光源の間にあるかを示す位置、
すなわち、「光源アドレス」を求めることができる。こ
れと上記の局所アドレスを組み合わせることによって、
光源部もしくは受光部を相対移動させたときの移動量を
求めることができる。

【００２０】上記のような手続きを、ｘ軸方向だけでな
く、ｙ軸方向についても行うことによって、一次元だけ
でなく、二次元的な位置を求めることも可能となる。ま
た、発光素子と受光素子を直線的に配列する代わりに、
環状に配置すれば、受光部と光源部との相対的な回転角
度位置の高い精度での測定も可能となる。更に、上記受
光素子の代わりにホール素子などの磁気検出素子、ま
た、光源の代わりに磁気テープ上に所定の間隔で磁化さ
れた磁界源を利用することによって、磁気的な方法によ
っても、上記とまったく同様にして精密な位置測定が可
能となる。更に、ｘ軸方向及びｙ軸方向に対して、異な
る色でスリット模様を形成したフィルムをスリットマス
クとして用いると、単一のスリットマスクと二次元的な
受光素子を用いて二次元的な位置の算出が可能となる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して、本発明の
実施の形態について説明する。本出願人は、平成７年５
月１９日付けの特許出願（発明の名称「位置測定装
置」）において、互いに対向して並進可能に設けられた
受光部と光源部との相対的位置を高い精度で測定できる
位置測定装置の原理を提案した。尚、以下では、上記出
願に係る発明装置の方式を「複数光源方式」と呼び、本
発明の位置測定装置の方式を「本方式」と呼ぶ。

【００２２】図１は、複数光源方式による位置検出装置
の主要部の概略断面図である。図１において、光源部１
０は、発光素子１１、散乱板１２、スリットマスク１
３、レンズアレー１４、そして発光素子１１とは別に設
けられた発光素子１５からなる。発光素子１１及び１５
としては、例えばＬＥＤを使用する。

【００２３】発光素子１１から発せられた光は、散乱板
１２において適当に散乱されて透過する。この光のう
ち、スリットマスク１３に設けられた９個のスリット１
３₁〜１３₉のいずれかを通過したものは、レンズアレ
ー１４によって、受光手段であるＣＣＤ２０の表面上に
投射される。したがって、ＣＣＤ２０の側から光源部１
０を見ると、１３₁〜１３₉の９個の光源列が設けられ
た状態と等しい。一方、発光素子１５は、その光が、ス
リットマスク１３を通過せず、直接ＣＣＤ２０の表面に
投射されるように、発光素子１１から十分に離れた位置
に設けられている。発光素子１１と発光素子１５の距離
は、予め所定の距離となるように調整しておく。

【００２４】光源部１０は、ＣＣＤ２０の表面に対向
し、ＣＣＤ２０に対し相対的に左右方向（これをｘ軸方
向とする）に自由に移動できる。実際の距離もしくは相
対位置の測定においては、光源部１０とＣＣＤ２０のう
ち、一方を固定側、他方を移動側とする。ここでは、光
源部１０を移動側、ＣＣＤ２０を固定側として説明す
る。尚、図１では、ＣＣＤ２０の表面に設けられた各セ
ルの間隔は１０μｍとする。また、ＣＣＤ２０は、連続
する８個のセルが同一のグループとなるようグループ分
けされており、一つのグループの範囲内での光源部１０
の位置を「小アドレス」といい、ＣＣＤ２０の表面のう
ち光源部が対向するセルのグループ単位の位置を「大ア
ドレス」という。光源部１０の発光素子１１は小アドレ
ス測定用、発光素子１５は大アドレス測定用であり、小
アドレスを求める場合は、発光素子１１のみを点灯して
発光素子１５は消灯し、大アドレスを求める場合は、発
光素子１５のみを点灯して発光素子１１は消灯する。

【００２５】これに対し、スリットマスク１３の隣合う
スリットの間隔は、８０μｍとする。これにより、ＣＣ
Ｄ２０の表面に投射される光の強度分布のピーク間の距
離は、隣合うグループの対応するセルの間隔と等しくな
る。このようなスリットマスクは、例えば写真フィルム
に、透明領域と不透明領域からなる縦縞もしくは横縞の
縞模様（スリット模様）を形成したものを用いることが
できる。８０μｍ間隔程度のスリット模様であれば、周
知の技術によって容易に得られる。一方、発光素子１５
からの光は、スリットマスクを通さずに、直接ＣＣＤ２
０の表面に投射される。

【００２６】図２は、図１のＣＣＤ２０の表面の一部を
拡大したものである。図２において、Ａ₁、Ｂ₁、・・
・は、ＣＣＤ２０の表面上に直線的に１０μｍ間隔で配
列された各セルであり、ここでは簡単のために、Ａ₁、
Ｂ₁、・・・、Ｇ₁₆、Ｈ₁₆の１２８セルが設けられてい
るとする。各セルは、Ａ₁〜Ｈ₁の８セルがＧ１グルー
プ、Ａ₂〜Ｈ₂の８個のセルがＧ２グループ、・・・、
Ａ₁₆〜Ｈ₁₆の８個のセルがＧ１６グループというよう
に、連続する８セルを同一グループとして１６のグルー
プに分けられている。このため、一グループの長さは８
０μｍとなる。

【００２７】まず、大アドレスを求める方法について説
明する。図１の位置測定装置は、各グループ毎に、その
グループに属するセルからの出力を加算する加算回路を
有する。グループが１６個の場合、各加算回路からの出
力はＬ₁〜Ｌ₁₆の１６個となる。大アドレスを求めるた
めに、発光素子１１を消灯して発光素子１５だけを点灯
すると、その強度分布は、例えば図３に示す曲線３２の
ようになる。尚、図３は、発光素子１５の位置がＧ１３
グループの範囲にある場合を示す。このとき、上記各加
算回路の出力Ｌ₁〜Ｌ₁₆は図４に示すようになり、出力
Ｌ₁₃が最も大きくなる。したがって、これらの信号Ｌ₁
〜Ｌ₁₆を、図示しない演算回路によって比較することに
より、発光素子１５がＧ１３グループに対向する位置に
あることが検出され、これから大アドレスを求めること
ができる。

【００２８】次に、小アドレスを求める方法について説
明する。図１において、スリットマスク１３の各スリッ
ト１３₁〜１３₉を通過する光は、それ以前に散乱板１
２によって適当に散乱されているので、ある角度の広が
りをもった光束としてＣＣＤ２０の表面上に投射され
る。したがって、レンズアレー１０の位置を適当に調節
すれば、一つのスリットを通過した光束は、ＣＣＤ２０
の表面上で、各スリットの位置を中心とした左右対称の
強度分布となる。図５は、この強度分布の一例を示した
ものである。図５において、ＣＣＤ２０の上に破線で示
した各曲線は、スリットマスク１３のうちの一つのスリ
ットを通過した光束の強度分布を示す。そして、これら
を重ね合わせた実際の強度分布は、実線で示すようにな
り、この分布は、前述のように８０μｍ間隔でピークと
なる。この間隔はグループの間隔と等しく、このため、
スリットを通った光が投射されるそれぞれのグループの
対応するセルの強度は等しくなる。

【００２９】図１の装置は、前記の加算回路とは別に、
図６に示す加算回路４０_A〜４０_Hを有している。この
うち加算回路４０_Aは、Ｇ１グループのセルＡ₁の出
力、Ｇ２グループのセルＡ₂の出力、・・・・、Ｇ１６
グループのセルＡ₁₆の出力を加算して出力する。加算回
路４０_B〜４０_Hも、同様に各グループの対応するセル
の出力信号を加算する。加算回路４０_A〜４０_Hの出力
を、それぞれＯ_A〜Ｏ_Hとする。

【００３０】ここで、まず、一つのスリットを通過した
光束のみに基づいて、光源部１０とＣＣＤ２０との相対
位置もしくは移動距離を求める方法について説明する。
そのために、図１のスリットマスク１３には、スリット
マスク１３₁のみが設けられ、他のスリットは設けられ
ていないと仮定する。このように仮定した場合、図５で
は、Ｇ３グループに強度分布のピークがくることにな
る。また、この場合に得られる各加算回路４０_A〜４０
_Hの出力を図示すると、図７（ａ）に示すような周期的
な正弦波状の曲線Ｄ₁(x)となる。尚、図７（ａ）及び
（ｂ）において、横軸はＣＣＤ２０の左右方向（ｘ軸方
向）に対応し、ＡからＨまでの１周期を、実際のＣＣＤ
２０のセルの１グループ分の長さ（８０μｍ）に対応さ
せてある。以下では、この１周期に対応させた距離を
「実距離」という。

【００３１】このような周期関数Ｄ₁(x)が得られれば、
周知の演算回路（図示せず）を用いて、図７（ａ）に示
すピーク値までの位相θ₁を容易に、しかも高い精度で
求めることができる。このθ₁を求めることは、関数Ｄ
₁(x)の第一次高調波の位相を求めることに対応する。こ
こで、このθ₁の求め方を簡単に説明する。図７（ａ）
に示す波形Ｄ₁(x)を、Ｄ₁(x)＝Ａcos(ｘ−θ₁) とする。

【００３２】この式で、θ₁は、図７（ａ）に示すよう
に、Ｄ₁(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
₁(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 cosθ₁ 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、Ｄ₁(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 sinθ₁ 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＝ tanθ₁ であり、θ₁は、 θ₁ ＝ tan^-1（Ｓ／Ｃ）によって求めることができる。

【００３３】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Ｄ₁(0)，Ｄ₁(1)，Ｄ₁(2)，Ｄ₁(3)，Ｄ₁(4)，Ｄ₁(5)，Ｄ
₁(6)，Ｄ₁(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。

【００３４】このようにすると、Ｃは、Ｃ＝Ｄ₁(0)×１＋Ｄ₁(1)×ｓ＋Ｄ₁(2)×０＋Ｄ₁(3)×
（−ｓ）＋Ｄ₁(4)×（−１）＋Ｄ₁(5)×（−ｓ）＋Ｄ
₁(6)×０＋Ｄ₁(7)×ｓとなり、Ｓは、Ｓ＝Ｄ₁(0)×０＋Ｄ₁(1)×ｓ＋Ｄ₁(2)×１＋Ｄ₁(3)×
ｓ＋Ｄ₁(4)×０＋Ｄ₁(5)×（−ｓ）＋Ｄ₁(6)×（−１）
＋Ｄ₁(7)×（−ｓ）となり、このＳとＣの値は簡単な計算によって求められ
る。したがって、これからθ₁は、 θ₁ ＝ tan^-1（Ｓ／Ｃ）によって求めることができる。

【００３５】このようなθ₁が求められたら、ＣＣＤ２
０に対する光源部１０の位置ｌ₁は、１０〔μｍ〕×８
を１周期３６０°として、ｌ₁＝１０〔μｍ〕 × ８ × θ₁／３６０（１）によって求めることができる。例えば、図７（ａ）の信
号波形から求められたθ ₁の値が９０．２５°だとすれ
ば、図５のＧ３グループ（図１のスリット１３₁を通過
した光の強度分布のピークが属するグループ）に属する
セルＡ₃の中心からＤ₁(x)のピーク値までの距離ｌ
₁は、上の式から、ｌ₁＝２０．０６〔μｍ〕となる。尚、１周期８データでサンプリングしたことに
よる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。）の高次歪みが０．１％あると、 tan^-1（０．００１）＝０．０５７° ０．０５７°／３６０°＝０．０００１６となり、１周期に対する誤差は最大で０．０１６％とな
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。このよう
にして、１つのグループの範囲（８０μｍ）内で、正確
な位置を求めることができる。

【００３６】上記では、図１におるけスリットマスク１
３には、一つのスリット１３₁のみが設けられていると
して説明した。これとまったく同様にして、それぞれの
スリット１３₂〜１３₉についても、単一のスリットの
みが設けられ、他のスリットがないと仮定すれば、上記
と図７（ａ）と同様の周期関数Ｄ₂(x)〜Ｄ₉(x)を考える
ことができる。そして、スリットマスク１３に設けられ
た各スリット１３₁〜１３₉は、８０μｍ間隔（実距
離）で設けられているので、残りの周期関数Ｄ₂(x)〜Ｄ
₉(x)は、図７（ａ）に示す周期関数Ｄ₁(x)に等しい位相
となる。

【００３７】ところで、実際には、スリットマスク１３
には一つのスリットのみが設けられているのではなく、
１３₁〜１３₉の９個のスリットが設けられている。そ
して、実際のＣＣＤ２０の表面上の光の強度分布も、図
５の実線に示すように、各スリットからの光の重ね合わ
せとなっている。したがって、図６に示す加算回路４０
_A〜４０_Hの出力を図７（ａ）と同じように示すと、図
７（ｂ）のような周期関数Ｄ(x) となる。これは９個の
周期関数Ｄ₁(x)〜Ｄ₉(x)を重ね合わせたものと等価な信
号波形である。そして、この周期関数Ｄ(x) は、図７
（ａ）の周期関数Ｄ₁(x)〜Ｄ₉(x)に比べて振幅が非常に
大きくなる。

【００３８】このため、一つのスリットだけからの光に
基づくＤ₁(x)についてピークの位相を求めたのと全く同
様にして、周期関数Ｄ(x) についてピークの位相を求め
ることができる。その際、Ｄ(x) の振幅がＤ₁(x)、Ｄ
₂(x)、・・・、Ｄ₉(x)の振幅に比べて非常に大きいの
で、各スリットからの光を重ね合わせた強度分布から位
相を求める場合に、各スリットから光の強度分布が正確
に左右対称でなかったり、または各スリットの間隔に多
少の誤差があったとしても、図７（ｂ）のように各信号
が重ねあわされる結果、各信号波形の歪みは相殺され、
結果的に非常に正弦波に近い波形が得られる。このこと
は、一つのスリットのみの場合に比べて、Ｓ／Ｎが大幅
に向上することを意味する。したがって、より高い精度
の位相測定、ひいては高い精度の距離測定が可能とな
る。また、以上の説明より明らかなように、スリットの
数を多くすれば、それだけ位相測定の精度が向上するた
め、希望する精度を考慮して、スリットの数を決定する
ことができる。

【００３９】以上の説明から明らかなように、まず、移
動前の大アドレス及び小アドレスを求め、次に、ＣＣＤ
２０に対して光源部１０を移動させた後の大アドレス及
び小アドレスを求め、両者の値の差を求めれば、光源部
１０のＣＣＤ２０に対する移動量が決定される。また、
移動前の位置が分かっていれば、移動量の測定から移動
後の位置を求めることは簡単である。以上が「複数光源
方式」の原理的な説明である。

【００４０】次に、上記の複数光源方式の説明を踏まえ
て、本発明の実施の形態である「本方式」の位置測定装
置について説明する。図８は、本発明の第一の実施の形
態である本方式による位置測定装置の概略断面図であ
る。尚、図８において、ＣＣＤ６０に対するスリットマ
スク５０の相対位置を考える場合に、ＣＣＤ２０の特定
のセルがスリット間隔を単位としてどの位置にあるかを
示すアドレスをスリットアドレスといい、スリットアド
レス内において更に詳細な位置を示すアドレスを局所ア
ドレスというものとする。

【００４１】図８に示すように、受光部であるＣＣＤ６
０には、大文字Ｉ〜Ｒで示す多数のセルが１１μｍ間隔
で設けられ、連続する１０個のセルによって一つのグル
ープが形成されている。そして、各セルには、それが属
するグループの添字が付してある。たとえばＧ_nグルー
プに属する各セルには、符号Ｉ〜Ｒに添字ｎが付されて
いる。一方、光源部に属するスリットマスク５０には、
１０μｍ間隔で多数のスリットが設けられている。スリ
ットマスク５０の上方には図示しない適当な光源がスリ
ットマスク５０と一体的に設けられ、この光源から、略
平行な光がスリットマスク５０に向けて投射される。こ
れらの光のうち、スリットを通過した光だけが、所定の
角度αの広がりをもって、ＣＣＤ６０の表面へ投射され
る。ＣＣＤ６０とスリットマスク５０のいずれか一方又
は両方は、相対的にｘ軸方向に並進移動できるよう構成
されている。但し、ここでも、ＣＣＤ６０を固定側、ス
リットマスク５０を移動側として説明する。

【００４２】図８は、Ｇ_nグループの最も左に位置する
セルＩ_nの真上にスリットマスク５０の一つのスリット
５１₁が来ている状態を示している。この状態で、セル
Ｉ_nは受光可能な光の最大量を受け、その出力値は最大
となる。また、各セルの間隔と各スリットの間隔が上記
のように僅かに異なるため、Ｉ_nの隣のセルＪ_nとその
上のスリット５１₂の位置は僅かにずれ、セルＪ_nの出
力値は、最大値よりわずかに小さい。以下、同様に、右
側に行くに従ってセルの出力値は徐々に小さくなり、セ
ルＮ_nにおいて出力値が最小となる。その後、今度は増
加に転じ、各セルの間隔及び各スリットの間隔を前述の
ように規定した結果、Ｇ_nグループの最も右側のセルＲ
_nにおいて出力値の変化は１周期を終える。そして、こ
のＲ_nの右隣にあるセル、すなわちＧ_n+1グループのセ
ルＩ_n+1では再び真上にスリットスリット５１₁₂が来
て、その出力値は再び最大となる。

【００４３】ＣＣＤ６０の各セルとスリットマスク５０
の各スリットが上記の間隔で設けられていることによっ
て、すべてのグループにおける各セルの出力値の変化の
仕方は、Ｇ_nグループの各セルの出力値の変化の仕方と
全く同様となる。すなわち、セル全体で見ると、その出
力値は、１グループの長さを１周期とする正弦波状の変
化を示す。そして、各グループの対応するセルの出力値
を、図６と同様の１０個の加算回路Ｉ〜Ｒ（図示せず）
によって相互に加算すると、その結果は、より振幅の大
きな同一周期の正弦波状となる。図９は、この加算結果
を順番に並べて示したものである。同図において、Ｉの
値は、Ｉ₁＋Ｉ₂＋・・・＋Ｉ_n＋・・・を示す。Ｊ〜
Ｒについても同様である。このように、各加算回路の出
力値を並べると、図９に示すような周期関数が得られ
る。

【００４４】ここで、図８において、ＣＣＤ６０を固定
し、スリットマスク５０を少しずつ左側に移動させたと
きに、セルＩ_nの出力値がどのように変化するかを考え
る。スリットマスク５０が左側に移動すると、その真上
のスリット５１₁が左側に移動し、その結果セルＩ_nが
受ける光の量は徐々に減少する。スリットマスク５０が
約５μｍ移動すると、セルＩ_nの受光量は最小となる。
しかし、移動量が５μｍを越えると、隣のスリット５１
₂からの光の影響が大きくなるため、セルＩ_nの受光量
は増加に転じる。そして、スリットマスク５０が１０μ
ｍ移動すると、スリット５１₂がセルＩ_nの真上に来
て、セルＩ_nは、再び受光可能な光の最大量を受けるこ
とになる。

【００４５】したがって、セルＩ_nの出力値は、スリッ
トマスク５０が１０μｍ移動するごとに１周期の変化を
する。このことは、位相が異なる点を除き、他のセルに
ついても全く同様であり、スリットマスク５０が１０μ
ｍ移動するごとに、各セルの出力値は１周期の変化をす
る。その結果、図９に示す正弦波も、スリットマスク５
０が１０μｍ移動するごとに、１周期の変化をすること
が理解される。このことは、図９の正弦波形の１周期に
対応する実距離が１０μｍであることを示している。

【００４６】上記の説明から明らかなように、特定のセ
ル、例えば図８のセルＩ_nについて、その出力値を常時
モニターしていれば、スリットマスク５０が１０μｍ移
動するごとに、この出力値はピークとなる。したがっ
て、所定の回路手段を用いて出力値をパルス信号に変換
し、そのパルス数をカウントすることによって、スリッ
トマスク５０に対するＣＣＤ６０のスリットアドレスを
求めることが可能となる。一方、局所アドレスについて
は、以下のような手続きで求めることができる。すなわ
ち、図９の周期関数の波形が得られたならば、図７に示
した正弦波からその位相θ₁を求め、その結果から図１
に示す光源部１０とＣＣＤ２０の相対位置を求めたの全
く同様の手続きによって、図９に示す正弦波からその位
相θ₂を求め、その結果から図８に示すＣＣＤ６０に対
するスリットマスク５の局所アドレスを求めることがで
きる。ここでは、位相θ₂は、基準となるＩから、例え
ばこの波形が最小となる位置までの位相を示すものとす
る。

【００４７】したがって、まず、移動前のスリットアド
レスと局所アドレスを求め、次に、ＣＣＤ６０に対して
スリットマスク５０を移動させた後のスリットアドレス
と局所アドレスを求め、両者のアドレス値の差を求めれ
ば、ＣＣＤ６０に対するスリットマスク５０の正確な移
動量が決定される。尚、図７と図９では次の点が大きく
異なる点に注意する。すなわち、図７では、正弦波の１
周期が、図３に示すＣＣＤ２０の各グループの間隔（８
０μｍ）に対応するのに対し、図９では、その正弦波の
１周期が、図８に示すスリット５０の各スリットの間隔
（１０μｍ）に対応する。

【００４８】ところで、図５に示す複数光源方式の場
合、位相θ₁の分解能は、図７（ｂ）に示す信号波形の
Ｓ／Ｎ比及びθ₁を計算する際のサンプル数に依存す
る。ここで、サンプル数とは、一つのグループに含まれ
るセルの数である。すなわち、サンプル数が大きくなる
と、図７（ａ）又は（ｂ）に示す１周期の正弦波のサン
プル点が多くなってＡ、Ｂ、・・・の間隔が狭まり、そ
の結果、得られる周期関数が滑らかとなって、Ｓ／Ｎ比
が向上する。

【００４９】一方、サンプル数が増加するということ
は、セルとセルの間隔が一定（１０μｍ）の条件下で
は、図７（ａ）及び（ｂ）に示す正弦波の１周期に対応
する実際の距離が長くなることを意味する。いま、複数
光源方式の小アドレスを求める（１）式を一般化して、ｌ₁＝１０〔μｍ〕 × ｍ × θ₁／３６０（２）とすると表すことができる。ここで、ｍは、１グループ
に属するセルの数、すなわちサンプル数に対応し、図３
の場合には、ｍ＝８である。この式に基づいてＣＣＤ２
０に対する光源部１０の位置を計算する場合、サンプル
数ｍの値を大きくしてθ₁の分解能を高くしても、セル
とセルの間隔が一定（１０μｍ）であれば、（２）式の
「１０〔μｍ〕×ｍ」の部分の値が大きくなり、結果と
して位置計算の分解能は、それだけ低下する。

【００５０】これに対して、本方式では、一つのグルー
プに属するセルの数（１０個）と僅かに異なる数のスリ
ット（１１個）を、一つのグループの間隔（１１０μ
ｍ）と等しい距離の間に等間隔に配置することによっ
て、図９に示す周期関数の１周期を非常に短い実距離
（１０μｍ）に対応させることができる。このため、こ
の周期関数の位相θ₂に対応する局所アドレスｌ₂は、ｌ₂＝１０〔μｍ〕 × θ₂／３６０（３）によって求めることができる。この式から分かるよう
に、サンプル数を増やしてθ₂の分解能をいくら高めて
も、周期関数の１周期に対応する実距離が、そのことに
よって長くなることはなく、したがって、θ₂の分解能
の向上がそのまま局所アドレスの分解能の向上に反映さ
れ、位置測定の精度が複数光源方式の場合に比べて飛躍
的に向上する。この点が、複数光源方式と異なる本方式
の大きな特長である。

【００５１】以上では、ｘ軸方向のみの一次元の位置測
定について説明したが、上記と同様の受光部及び光源部
をもう一つ設け、これをｙ軸方向の位置測定用とすれ
ば、二次元的な位置測定及び移動量の算出が可能とな
る。具体的には、ｘ軸方向に移動可能なステージ（ｘス
テージ）とｙ軸方向に移動可能なステージ（ｙステー
ジ）からテーブルを用意し、それぞれのｘステージには
ｘ軸方向の位置測定用の、また、ｙステージにはｙ軸方
向の位置測定用の位置測定装置を、それぞれもうけるこ
とによって、二次元の位置測定が可能となる。

【００５２】次に、図１０を参照して、本発明の第二の
実施の形態について説明する。図１０は、本発明の第二
の実施の形態である距離測定装置の概略断面図である。
この装置は、二次元的な位置測定を、上記一次元の位置
測定装置を単純に二つ設けて二次元の位置測定を行うの
ではなく、巧みな方法で効率よく、かつ高い精度で、二
次元の位置測定を行うことができる。

【００５３】図１０に示す距離測定装置の光源部７０
は、青色（Ｂ）ＬＥＤ７１及びレンズ７２、ｘ軸方向の
スリットアドレス測定用の赤色（Ｒ）ＬＥＤ７３、ｙ軸
方向のスリットアドレス測定用の緑色（Ｇ）ＬＥＤ７４
を備え、更に、写真フィルムからなる特殊なスリットマ
スク７５を有している。スイッチ７６は、電源７７の供
給先を選択するためのものである。この光源部７０は、
ＣＣＤ７８の表面に対向して二次元的に並進移動可能と
されている。ＣＣＤ７８は、多数のセルがｘ軸方向及び
ｙ軸方向に二次元的に配置されている。スリットマスク
７５は、ＣＣＤ７８に近接させてあり、これによって両
者の熱的密着性を向上させ、熱膨張によるずれを最小限
に抑えることができる。ＣＣＤ７８からの出力は、ＣＣ
Ｄ対応メモリ７９に一時的に記憶されたのち、演算回路
８０に供給され、所定の演算がなされる。

【００５４】図１１は、スリットマスク７５の一部を拡
大した平面図である。同図に枡目状に示した各領域に
は、特定の組み合わせの色の光を通過する性質を持たせ
てある。すなわち、「Ｂ」で示す領域は青色の光を透過
し、「ＲＢ」で示す領域は赤色及び青色の光を透過し、
「ＧＢ」で示す領域は緑色及び青色の光を透過し、「Ｒ
Ｂ」で示す領域は赤色及び青色の光を透過し、「ＲＧ
Ｂ」で示す領域は赤色、緑色及び青色の光を透過する。
図１１に示すスリットマスク７５では、緑色（Ｇ）の光
を通過する直線領域７５₁とこの光を透過しない直線領
域７５₂が、ｘ軸に平行に一つおきに配置されている。
したがって、緑色の光に対して、ｘ軸に平行な１０μｍ
間隔のスリットがあるのと等価となる。また、赤色
（Ｒ）を通過する直線領域７５₃とこの光を過しない直
線領域７５₄が、ｙ軸に平行に一つおきに配置されてい
る。したがって、赤色の光に対して、ｙ軸に平行な１０
μｍ間隔のスリットがあるのと等価となる。更に、青色
（Ｂ）の光は、どこでも透過できるようになっている。
尚、図１１に示すスリットマスクは、写真フィルムを利
用したカラーフィルタとして容易に実現できる。

【００５５】図１１のように構成したスリットマスク７
５は、赤色ＬＥＤ７３を点灯したときは、ｘ軸方向にお
ける位置測定用のスリットマスクとなり、緑色ＬＥＤ７
４を点灯したときと、ｙ軸方向における位置測定用のス
リットマスクとなる。更に、青色ＬＥＤ７１からの青色
光（Ｂ）に対しては、全面において一定の透過率となる
ため、青色ＬＥＤ７１を点灯するときは、ｘ軸方向、ｙ
軸方向それぞれの受光部の各受光素子の出力を、各グル
ープごとに加算すれば、最も大きな加算結果が得られた
グループの所に、この青色ＬＥＤ７１があることが分か
る。これから、グループを単位とする相対位置が求めら
れる。このグループ単位の大まかな位置と、上記のスリ
ットアドレスに基づいて、二次元の位置測定及び距離測
定が可能となる。

【００５６】図１２は、図１０のＣＣＤ７８の面上にお
ける、青色ＬＥＤ７１からの光の照射範囲７１ａと、発
光素子７２からの光の照射範囲７２ａを模式的に示した
ものである。発光素子７１からの青色の光は、レンズ７
２によって適当に絞られた後、上記のような性質を有す
るスリットマスク７５をそのまま透過して、ＣＣＤ７８
上にスポット状の輝点８１を生じる。この光は、スリッ
トアドレスを求めるために用いられる。一方、赤色ＬＥ
Ｄ７３からの赤色の光、及び緑色ＬＥＤ７４からの緑色
の光は、ＣＣＤ７８上の一定の広がりを持つ領域８２に
照射される。

【００５７】ＣＣＤ７８の各セルからの信号は、ＣＣＤ
対応メモリ７９において一時的に記憶され、更に、演算
回路８０に供給される。この演算回路において、上記図
４、図７、図９に関連して説明した各種演算が行われ、
ＣＣＤ７８に対する光源部７０の二次元的な位置が、上
記のようにして、極めて高い精度で求められる。

【００５８】図１３は、本発明の第三の実施の形態の概
略断面図である。これは、比較的長い光源部９０を固定
側とし、ラインセンサ９１をこの光源部９０の上部に設
けて移動側としてあるが、セル及びスリットの配置につ
いては、図８の構成と同様である。ラインセンサ９１
は、図８のＣＣＤに対応する。同図において、光源部９
０のラインスリット９２は、図８に示すスリットマスク
５０と略同様のものであり、このラインスリット９２に
対して、下側の光源部９０から一様な強度で光が投射さ
れている。図１４（ａ）（ｂ）は、ラインセンサ９１の
出力信号の概略を示した図であり、図１４（ａ）は図９
に対応するものであり、図１４（ｂ）はセル・アドレス
を求めるためのパルス信号である。このような信号に基
づいて、上記と同様にして、光源部９０に対するライン
センサ９１の相対位置を、局所アドレスまで、精細に求
めることができる。また、この実施の形態によれば、横
方向において比較的長いスパンの位置測定及び距離測定
が可能となる。

【００５９】図１５は、受光部１００及び光源部１０１
を、共に環状とした第四の実施の形態の概略図である。
この場合も、受光部１００の多数のセルは、所定の数ず
つにグループ分けされており、一つのグループに属する
セルの数と僅かに異なる数のスリットを、一つのグルー
プの角度間隔と等しい角度間隔の間に等間隔に配置す
る。そして、セル及びスリットを直線的に配置した上記
の各実施の形態と同様にして、各セルからの出力信号を
図９と同様に周期関数化し、この信号に対して、所定の
演算を行うことによって、受光部１００と光源部１０１
との相対的な回転角度位置を、精密に求める。したがっ
て、本装置を精密な角度位置を測定できるロータリーエ
ンコーダに適用することができる。

【００６０】図１６は、ＣＣＤカメラ１１０を用いて、
このＣＣＤカメラ１１０からある程度離れた位置にある
測定対象物の移動を精密に測定する、本発明の第五の実
施の形態の概略断面図である。この実施の形態では、同
図の上下に移動する測定対象物に多数の点光源列１１１
を固定し、この光をＣＣＤカメラ１１０のレンズ１１０
ａで調節して、ＣＣＤカメラ１１０のＣＣＤセル上に投
影する。この場合、カメラの倍率合わせによって、点光
源列のセル上への投影ピッチを合わせる。これにより、
この投影ピッチとＣＣＤカメラのセルの配列ピッチは、
図８のスリットとセルとの配列ピッチに対応するものと
なる。これによって、測定対象物の位置を高い精度で測
定することが可能となる。

【００６１】図１７は、上記の各実施の形態の光源もし
くはスリットの代わりに磁界源を用い、受光手段の代わ
りに磁気検出素子を用いた本発明の第六の実施の形態の
概略断面図である。ここで、磁界源は磁気テープ上の所
定の間隔で離間した領域を磁化したものとし、磁気検出
素子としてはホール素子を用いる。図１７のホール素子
１３０₁、１３０₂、・・・・は、磁気を精密に測定で
きるセンサ素子であり、これを例えば図８のＣＣＤ６０
の各セルと等しい間隔で基板１３１上に配列する。そし
て、図８のスリットマスク５０のスリットの間隔と等し
い間隔で垂直に磁化した磁気テープ１３２を図８のスリ
ットマスク５０の代わりに用いる。この磁気テープ１３
２を、基板１３１から僅かに離間して基板１３１の上部
に配置し、横方向（ｘ軸方向）に移動できるようにすれ
ば、各ホール素子から得られる出力に対し所定の演算を
行えば、図９と同様な周期関数が得られる。この周期関
数に基づいて上記と同様の計算を行うことによって、基
板１３１に対する磁気テープ１３２の相対的位置を、局
所アドレスまで精密に求めることができる。

【００６２】尚、本発明は上記の実施の形態に限定され
るものではなく、その要旨の範囲内で種々の変更が可能
である。例えば、上記の各実施の形態では、光源とし
て、多数のスリットを有するスリットマスクを用い、単
一の光源からの光をこのスリットマスクで遮蔽し、スリ
ットを通った光を等価的に多数の光源として利用した
が、本発明はこれらに限られるものではなく、実際に多
数の光源を用意することも可能である。その場合には、
上記の各実施の形態のスリットアドレスは、光源アドレ
スとなる。更に、上記の実施の形態ではｐ＝１０、ｑ＝
１１の場合、すなわちｐ＜ｑの場合について説明した
が、本発明はこれに限定されることはなく、ｐ及びｑが
適当な大きさの異なる値を有していればよく、ｐ＞ｑの
場合であってもよい。

【００６３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
受光素子と光源とを所定の間隔で配列し、または磁気検
出素子と磁界源とを所定の間隔で配列して、受光部又は
磁気検出部に対して発光部又は磁界発生部を移動させた
ときの受光素子又は磁気検出素子の出力信号の変化の様
子から所定の演算を行って、受光部又は磁気検出部に対
する発光部又は磁界発生部の相対位置を求めることによ
り、複数光源方式の場合に比べて、更に、数桁程度高い
精度で、精密な位置測定が可能と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】複数光源方式による位置検出装置の主要部の概
略断面図である。

【図２】図１のＣＣＤ２０の表面の一部を拡大した概略
断面図である。

【図３】大アドレスを求める場合の発光素子からの光の
強度分布を示した概略図である。

【図４】各グループ毎に、そのグループに属するセルか
らの出力を加算した結果を示す図である。

【図５】単一のスリットを通過した光の強度分布及びそ
れぞれスリットを通過した光を重ね合わせたときの強度
分布を示した図である。

【図６】加算回路の内容を示す概略回路図である。

【図７】周期関数の概略形状を示す図である。

【図８】本発明の第一の実施の形態である位置測定装置
の概略断面図である。

【図９】各グループの対応するセルの出力値を加算した
結果を並べて、正弦波状の周期関数が得られる様子を示
す概略図である。

【図１０】本発明の第二の実施の形態である位置測定装
置の概略断面図である。

【図１１】異なる色でｘ軸方向及びｙ軸方向のスリット
を形成したスリットマスクの拡大平面図である。

【図１２】図１０のＣＣＤ７８の面上における、光の照
射の様子を模式的に示した概略平面図である。

【図１３】本発明の第三の実施の形態の概略断面図であ
る。

【図１４】図１２のラインセンサ９１の出力信号の概略
を示した図である。

【図１５】本発明の第四の実施の形態の概略図である。

【図１６】本発明の第五の実施の形態の概略断面図であ
る。

【図１７】本発明の第六の実施の形態の概略断面図であ
る。

【符号の説明】

１０、７０、９０、１０１光源部１１、１５発光素子１２散乱板１３、５０、７５スリットマスク１３₁〜１３₉、５１₁〜５１₁₂ スリット１４レンズアレー１４２０、７８ＣＣＤ４０_A〜４０_H 加算回路７１青色ＬＥＤ７２レンズ７３赤色ＬＥＤ７４緑色ＬＥＤ７６スイッチ７７電源７９ＣＣＤ対応メモリ８０演算回路９１ラインセンサ９２ラインスリット１０１受光部１１０ＣＣＤ１１０ａレンズ１１１点光源列１３０₁〜１３０₈ ホール素子１３１基板１３２磁気テープ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ｘ軸方向に等間隔に配列された複数の受
光素子を、各グループにｐ個ずつ含まれるようグループ
分けして構成された受光部と、前記受光部に対して所定の広がりで光を投射する光源
を、前記受光素子の１つのグループの寸法と等しい距離
当たりにｑ個（ｑ≠ｐ）ずつ含まれるよう、前記各光源
を前記ｘ軸方向に等間隔に配列して構成された光源部
と、前記各受光素子が、前記各光源からの光を受光したとき
に、それぞれのグループに属する対応する位置に配置さ
れた受光素子の出力信号を加算して、ｐ個の加算結果を
出力する加算部と、前記加算部による加算の結果得られる、ｐ個の加算結果
を周期関数化し、この周期関数の位相計算を行う演算部
と、を具備し、前記演算部の位相計算の結果から、前記光源
間隔の範囲内で、前記受光部と前記光源部とのｘ軸上に
おける相対位置を算出することを特徴とする位置測定装
置。
【請求項２】前記受光部に対して前記光源部をｘ軸方
向に相対的に並進移動したときに生じる特定の前記受光
素子のパルス状の出力信号をカウントして、光源間隔を
単位とする移動量を算出する手段を有することを特徴と
する請求項１記載の位置測定装置。
【請求項３】ｘ軸方向に等間隔に配列された複数の受
光素子（ｘ受光素子という）を、各グループにｐ個ずつ
含まれるようグループ分けするとともに、ｙ軸方向に等
間隔に配列された複数の受光素子（ｙ受光素子という）
を、各グループにｓ個ずつ含まれるようグループ分けし
て構成された受光部と、前記受光部に対して所定の広がりで光を投射する複数の
光源を、前記ｘ受光素子の１つのグループの寸法と等し
い距離当たりにｑ個（ｑ≠ｐ）ずつ含まれるようｘ軸方
向に等間隔に配列するとともに、前記ｙ受光素子の１つ
のグループの寸法と等しい距離当たりにｔ個（ｔ≠ｓ）
ずつ含まれるよう、ｙ軸方向に等間隔に配列して構成さ
れた光源部と、前記各ｘ受光素子が、前記各光源からの光を受光したと
きに、それぞれのグループに属する対応する位置に配置
された受光素子の出力信号を加算して、ｐ個の加算結果
を出力するとともに、前記各ｙ受光素子が、前記各光源
からの光を受光したときに、それぞれのグループに属す
る対応する位置に配置された受光素子の出力信号を加算
して、ｓ個の加算結果を出力する加算部と、前記加算部による加算の結果得られる、ｐ個の加算結果
を周期関数化し、この周期関数の位相計算を行うととも
に、前記加算部による加算の結果得られる、ｓ個の加算
結果を周期関数化し、この周期関数の位相計算を行う演
算部と、を具備し、前記演算部の位相計算の結果から、前記受光
部と前記光源部とのｘ−ｙ平面上における相対位置を算
出することを特徴とする位置測定装置。
【請求項４】前記受光部に対して前記光源部をｘ軸方
向に相対的に並進移動したときに生じる特定の前記ｘ受
光素子のパルス状の出力信号をカウントして、前記受光
部に対する前記光源部のｘ軸上の光源間隔を単位とする
移動量を算出するとともに、前記受光部に対して前記光
源部をｙ軸方向に相対的に並進移動したときに生じる特
定の前記ｙ受光素子のパルス状の出力信号をカウントし
て、前記受光部に対する前記光源部のｙ軸上の光源間隔
を単位とする移動量を算出する手段を有することを特徴
とする請求項３記載の位置測定装置。
【請求項５】回転方向に等間隔に配列された複数の受
光素子を、各グループにｐ個ずつ含まれるようグループ
分けして構成された受光部と、前記受光部に対して所定の広がりで光を投射する光源
を、前記受光素子の１つのグループの角度範囲と等しい
角度範囲当たりにｑ個（ｑ≠ｐ）ずつ含まれるよう、前
記各光源を前記受光部と等しい回転方向に等間隔に配列
して構成された光源部と、前記各受光素子が、前記各光源からの光を受光したとき
に、それぞれのグループに属する対応する受光素子の出
力信号を各グループについて加算して、ｐ個の加算結果
を出力する加算部と、前記加算部による加算の結果得られる、ｐ個の加算結果
を周期関数化し、この周期関数の位相計算を行う演算部
と、を具備し、前記演算部の位相計算の結果から、前記受光
素子同士の角度間隔の範囲内で、前記受光部と前記光源
部との回転方向における相対位置を算出することを特徴
とする位置測定装置。
【請求項６】前記受光部に対して前記光源部を前記回
転方向に相対的に回転移動したときに生じる特定の前記
受光素子のパルス状の出力信号をカウントして、前記受
光部に対する前記光源部の前記回転方向における光源間
隔を単位とする移動量を算出する手段を有することを特
徴とする請求項５記載の位置測定装置。
【請求項７】前記各光源は、単一の光源からの光を所
定間隔のスリットを通過させて得たものであることを特
徴とする請求項１、２、３、４、５又は６記載の位置測
定装置。
【請求項８】ｘ軸方向に等間隔に配列された複数の磁
気検出素子を、各グループにｐ個ずつ含まれるようグル
ープ分けして構成された磁気検出部と、前記磁気検出部に対して所定の広がりで磁界を投射する
磁界源を、前記磁気検出素子の１つのグループの寸法と
等しい距離当たりにｑ個（ｑ≠ｐ）ずつ含まれるよう、
前記各磁界源を前記ｘ軸方向に等間隔に配列して構成さ
れた磁界発生部と、前記各磁気検出素子が、前記各磁界源からの磁界を受け
たときに、それぞれのグループに属する対応する位置に
配置された磁気検出素子の出力信号を加算して、ｐ個の
加算結果を出力する加算部と、前記加算部による加算の結果得られる、ｐ個の加算結果
を周期関数化し、この周期関数の位相計算を行う演算部
と、を具備し、前記演算部の位相計算の結果から、前記磁気
検出部と前記磁界発生部とのｘ軸上における相対位置を
算出することを特徴とする位置測定装置。
【請求項９】前記磁気検出部に対して前記磁界発生部
をｘ軸方向に相対的に並進移動したときに生じる特定の
前記磁気検出素子のパルス状の出力信号をカウントし
て、前記磁気検出部に対する前記磁界発生部の磁界発生
源間隔を単位とする移動量を算出する手段を有すること
を特徴とする請求項８記載の位置測定装置。
【請求項１０】ｘ軸方向に等間隔に配列された複数の
磁気検出素子（ｘ磁気検出素子という）を、各グループ
にｐ個ずつ含まれるようグループ分けするとともに、ｙ
軸方向に等間隔に配列された複数の磁気検出素子（ｙ磁
気検出素子という）を、各グループにｓ個ずつ含まれる
ようグループ分けして構成された磁気検出部と、前記磁気検出部に対して所定の広がりで磁界を投射する
複数の磁界源を、前記ｘ磁気検出素子の１つのグループ
の寸法と等しい距離当たりにｑ個（ｑ≠ｐ）ずつ含まれ
るようｘ軸方向に等間隔に配列するとともに、前記ｙ磁
気検出素子の１つのグループの寸法と等しい距離当たり
にｔ個（ｔ≠ｓ）ずつ含まれるよう、ｙ軸方向に等間隔
に配列して構成された磁界発生部と、前記各ｘ磁気検出素子が、前記各磁界源からの磁界を受
けたときに、それぞれのグループに属する対応する位置
に配置された磁気検出素子の出力信号を加算して、ｐ個
の加算結果を出力するとともに、前記各ｙ磁気検出素子
が、前記各磁界源からの磁界を受けたときに、それぞれ
のグループに属する対応する位置に設けられた磁気検出
素子の出力信号を加算して、ｓ個の加算結果を出力する
加算部と、前記加算部による加算の結果得られる、ｐ個の加算結果
を周期関数化し、この周期関数の位相計算を行うととも
に、前記加算部による加算の結果得られる、ｓ個の加算
結果を周期関数化し、この周期関数の位相計算を行う演
算部と、を具備し、前記演算部の位相計算の結果から前記磁気検
出部と前記磁界発生部とのｘ−ｙ平面上における相対位
置を算出することを特徴とする位置測定装置。
【請求項１１】前記磁気検出部に対して前記磁界発生
部をｘ軸方向に相対的に並進移動したときに生じる特定
の前記ｘ磁気検出素子のパルス状の出力信号をカウント
して、前記磁気検出部に対する前記磁界発生部のｘ軸上
の磁界源間隔を単位とする移動量を求めるとともに、前
記磁気検出部に対して前記磁界発生部をｙ軸方向に相対
的に並進移動したときに生じる特定の前記ｙ磁気検出素
子のパルス状の出力信号をカウントして、前記磁気検出
部に対する前記磁界発生部のｙ軸上の磁界源間隔を単位
とする移動量を求める手段を有することを特徴とする請
求項１０記載の位置測定装置。
【請求項１２】ｘ軸方向及びｙ軸方向に受光素子を二
次元的に配列し、ｘ軸方向では各グループにｐ個ずつに
グループ分けし、ｙ軸方向では各グループにｓ個ずつに
グループ分けして構成した受光部と、ｘ軸方向には、前記ｘ軸方向の受光素子の１つのグルー
プの寸法と等しい距離当たりにｑ個（ｑ≠ｐ）ずつとな
る間隔で第一の色の光を遮断する色により第一のスリッ
ト模様を形成するとともに、ｙ軸方向には、前記ｙ軸方
向の受光素子の１つのグループの寸法と等しい距離当た
りにｔ個（ｔ≠ｓ）ずつとなる間隔で第二の色の光を遮
断する色により第二のスリット模様を形成し、前記受光
部に対向するよう配置し、かつ前記受光部に対し並進移
動可能としたスリットマスクと、前記第一の色の光を発する第一の光源及び前記第二の色
の光を発する第二の光源を、前記受光部からみて前記ス
リットマスクの背後にスリットマスクと一体的に配置し
た光源部と、前記第一の光源を点灯したときに、ｘ軸方向におけるそ
れぞれのグループの対応する位置に設けられた受光素子
の出力信号同士を加算してｐ個の信号として出力する第
一の加算手段と、前記第二の光源を点灯したときに、ｙ軸方向におけるそ
れぞれのグループの対応する位置に設けられた受光素子
の出力信号同士を加算してｓ個の信号として出力する第
二の加算手段と、を具備し、前記第一の加算手段による加算結果から得ら
れるｐ個の値を周期関数化し、この周期関数の位相を求
めることによってｘ軸方向における位置を求め、かつ、
前記第二の加算手段による加算結果から得られるｓ個の
値を周期関数化し、この周期関数の位相を求めることに
よってｙ軸方向における位置を求め、これらから前記ス
リットマスクの前記受光部に対するｘ−ｙ平面内におけ
る相対位置を算出することを特徴とする位置測定装置。