JPH11271026A - Dimension measuring apparatus using optical scale - Google Patents

Dimension measuring apparatus using optical scale

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JPH11271026A
JPH11271026A JP7716998A JP7716998A JPH11271026A JP H11271026 A JPH11271026 A JP H11271026A JP 7716998 A JP7716998 A JP 7716998A JP 7716998 A JP7716998 A JP 7716998A JP H11271026 A JPH11271026 A JP H11271026A
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JP
Japan
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phase
signal
phase signal
scale
moving
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JP7716998A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroo Fujita
宏夫 藤田
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Citizen Watch Co Ltd
Original Assignee
Citizen Watch Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To realize a dimension measuring apparatus whose constitution is simple and whose a precision is high by a method wherein, while only two fixed scales are used, the phase of a two-phase sine-wave signal is detected directly by a numerical- value computing operation and the dividing precision between pitches of a lattice is increased. SOLUTION: A light receiving part 12 is constituted of a photodetector 120 and a photodetector 125 which are used to detect beams of light which are transmitted through a lattice group 110 and a lattice group 115 in a fixed scale 11. The photodetector 120 outputs an A-phase signal 122, and the photodetector 125 outputs a B-phase signal 127. The signals 122, 127 are sine-wave signals whose phase is different by π/2, and they are signals which form one cycle when a lattice is moved by one pitch. A counter part 13 judges the relationship between the advance and the delay of phases in the signals 122, 127 it detects the movement direction of a moving scale 10, it performs a counting operation, and it detects the number od movements of the lattice in the moving scale 10. For example, while the A-phase signal 122 is used as a reference, one pulse is generated in every cycle of sine waves, and the number of pulses is counted by a counter circuit. Thereby, a movement distance which corresponds to the integral multiple of the number of movements of the lattice is detected.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は多数の格子パターン
が形成された光学スケールを用いた寸法測定装置におい
て、検出された正弦波信号の位相を高分解能に検出して
寸法測定精度を高める構成に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a dimension measuring apparatus using an optical scale on which a large number of grating patterns are formed, and to an arrangement for detecting the phase of a detected sine wave signal with high resolution to enhance the dimension measuring accuracy. .

【0002】[0002]

【従来の技術】生産ラインでは、被加工物の寸法、形状
などをその場でミクロンメートル領域の精度で測定する
というニーズが強い。そのための簡易的な測定器とし
て、格子パターンが形成されたリニアーエンコーダを触
針に取り付けて移動させる触針式の寸法測定器が多く用
いられている。これは、格子パターンに光を照射し、触
針の移動に伴って変化する光強度を検出して寸法を測定
する装置である。図5に従来の寸法測定装置の構成例を
示して動作を説明する。白色ランプ、発光ダイオードな
どの光源50から放射された光はコリメータレンズ51
を介し、移動スケール52を照明する。移動スケール5
2は二値(0と1)の光透過強度分布をもつ多数の格子
がガラス基板上に形成されたもので、光を透過しない黒
パターンの格子幅と光を透過する白パターンの隙間幅が
共にa/2で、格子の1ピッチ長がaである。通常の格
子1ピッチ長は10μm程度で、長さaが寸法測定の基
準目盛りとなる。この移動スケール52は触針(図示せ
ず)の動きに伴って矢印で示す上下方向に移動する。
2. Description of the Related Art In a production line, there is a strong need to measure the size, shape, and the like of a workpiece on the spot with an accuracy in the micrometer range. As a simple measuring device for this purpose, a stylus-type dimension measuring device in which a linear encoder having a grid pattern formed thereon is attached to a stylus and moved is often used. This is an apparatus that irradiates light to a grid pattern, detects light intensity that changes with movement of a stylus, and measures dimensions. FIG. 5 shows an example of the configuration of a conventional dimension measuring device, and its operation will be described. Light emitted from a light source 50 such as a white lamp or a light emitting diode is collimated by a collimator lens 51.
The moving scale 52 is illuminated via. Moving scale 5
Reference numeral 2 denotes a large number of grids having a binary (0 and 1) light transmission intensity distribution formed on a glass substrate. The grid width of a black pattern that does not transmit light and the gap width of a white pattern that transmits light are different. Both are a / 2, and one pitch length of the grating is a. A normal pitch length of one grating is about 10 μm, and the length a is a reference scale for dimension measurement. The moving scale 52 moves in the up and down direction indicated by the arrow with the movement of the stylus (not shown).

【0003】移動スケール52の後方に、固定して移動
させない4個の固定スケール53、54、55、56を
設ける。これらの4個の固定スケール53〜56と移動
スケール52を総称して光学スケールと呼ぶ。以上の固
定スケールは一つのガラス基板上の異なる位置に個別に
形成する。各々の固定スケールの格子ピッチ長はいずれ
もaで、格子幅と隙間幅も共にa/2である。固定スケ
ール53の格子を基準としたとき、固定スケール54の
格子は固定スケール53の格子に対してa/4だけ位置
がずれるように格子位置を設定し、固定スケール53に
対する位相のずれをπ/2とする。同様にして、固定ス
ケール55、56は固定スケール53に対してa/2、
3a/4だけ格子位置をシフトさせ、位相のずれがπ、
3π/2になるようにする。以上の4つの固定スケール
の後方には4個の受光器535、545、555及び5
65を設置して、移動スケール52と固定スケール53
〜56を透過した光強度を各々の受光器で個別に検出す
る。
[0003] Behind the movable scale 52, there are provided four fixed scales 53, 54, 55 and 56 which are fixed and do not move. These four fixed scales 53 to 56 and the movable scale 52 are collectively called an optical scale. The above fixed scales are individually formed at different positions on one glass substrate. The grid pitch length of each fixed scale is a, and both the grid width and the gap width are a / 2. When the grid of the fixed scale 53 is set as a reference, the grid position of the fixed scale 54 is set to be shifted by a / 4 from the grid of the fixed scale 53, and the phase shift with respect to the fixed scale 53 is set to π /. Let it be 2. Similarly, the fixed scales 55 and 56 have a / 2,
The lattice position is shifted by 3a / 4, and the phase shift is π,
3π / 2. Behind the above four fixed scales, four light receivers 535, 545, 555 and 5
65, the moving scale 52 and the fixed scale 53
The light intensity transmitted through .about.56 is individually detected by each light receiver.

【0004】以上の構成で検出された4つの信号(4相
信号)は、移動スケール52の移動に応じて各々の光強
度が正弦波状に変化する。4個の固定スケール53〜5
6の相互の位相がπ/2ずつ異なるため、4相信号の位
相も各々がπ/2ずつ異なっている。この位相の異なる
4相信号を信号処理部57でデータ処理し、移動スケー
ル52の移動方向と移動した距離を検出して寸法を測定
する。なお、1相の正弦波信号だけでは移動格子52の
移動方向と移動距離の両方が検出できないために、上記
の位相の異なる4相信号を作成する必要があった。
The light intensity of each of the four signals (four-phase signals) detected by the above configuration changes in a sinusoidal manner in accordance with the movement of the moving scale 52. 4 fixed scales 53-5
6, the phases of the four-phase signals also differ by π / 2. The signal processing unit 57 performs data processing on the four-phase signals having different phases, detects the moving direction of the moving scale 52 and the distance moved, and measures the dimensions. Since it is not possible to detect both the moving direction and the moving distance of the moving grating 52 with only one-phase sine wave signal, it is necessary to create the four-phase signals having different phases.

【0005】図6に上記の方法で検出された光強度信号
の例を示して、従来の信号処理動作を説明する。位相が
π/2ずつシフトした正弦波信号60、61、62、6
3は移動スケール52と固定スケール53、54、5
5、56を透過して得られた信号で、各々をA相、B
相、C相、D相信号とする。この4つの信号のうち、例
えばA相信号60とB相信号61(位相差がπ/2)の
位相の進み遅れの関係から移動スケール52の矢印で示
す移動方向を判定する。図の例はB相信号61の位相が
進んでいる例で、例えば移動スケール52が矢印で示す
上側方向に移動していると判定する。反対方向に移動す
ればA相信号60とB相信号61の位相関係が反転す
る。この移動方向に応じて、移動スケール52の格子の
移動個数をアップ/ダウン型のカウンター回路で検出す
る。この場合、例えばA相信号60の1周期で1パルス
を発生させて格子の移動個数を計測すると、カウンター
回路では格子1ピッチ長aの整数倍の移動距離が検出で
きる。
FIG. 6 shows an example of a light intensity signal detected by the above method, and a conventional signal processing operation will be described. Sine wave signals 60, 61, 62, 6 whose phases are shifted by π / 2
3 is a moving scale 52 and fixed scales 53, 54, 5
5 and 56, signals obtained by passing through phase A and phase B, respectively.
Phase, C-phase, and D-phase signals. Of these four signals, for example, the moving direction indicated by the arrow of the moving scale 52 is determined from the relationship between the lead and lag of the phases of the A-phase signal 60 and the B-phase signal 61 (the phase difference is π / 2). The example in the figure is an example in which the phase of the B-phase signal 61 is advanced. For example, it is determined that the moving scale 52 is moving in the upward direction indicated by the arrow. By moving in the opposite direction, the phase relationship between the A-phase signal 60 and the B-phase signal 61 is reversed. In accordance with the moving direction, the number of grids moved on the moving scale 52 is detected by an up / down type counter circuit. In this case, for example, when one pulse is generated in one cycle of the A-phase signal 60 and the number of grid movements is measured, the counter circuit can detect a moving distance that is an integral multiple of one pitch length a of the grid.

【0006】寸法測定の分解能を高めるには、格子の1
ピッチ長a以下の移動距離を精密に測定する必要があ
る。そのためには、格子の1ピッチ間をいかに細かく分
割し、格子の停止位置から次の格子までの格子1ピッチ
長以下の移動距離を測定するかが重要である。例えば、
a=10μmの場合、0.1μmの分解能を実現するに
は、格子1ピッチ間を100分割して格子位置を検出す
る必要がある。従来の分割法の動作を以下に説明する。
信号64はA相信号60を2値化した矩形信号である。
信号65はA相信号60とD相信号63の強度比較で得
られた信号で、A相信号60の強度がD相信号63の強
度よりも大きいときにHレベル、小さいときにLレベル
となる矩形信号である。信号66はB相信号61を2値
化した矩形信号である。信号67はC相信号62とD相
信号63の強度比較で得られた信号で、C相信号62の
強度がD相信号63の強度よりも大きいときにHレベ
ル、小さいときにLレベルとなる矩形信号である。
In order to increase the resolution of dimension measurement, one of the gratings is required.
It is necessary to precisely measure the moving distance of the pitch length a or less. For that purpose, it is important how to finely divide one pitch of the grating and measure the moving distance of one grating length or less from the stop position of the grating to the next grating. For example,
In the case of a = 10 μm, in order to realize a resolution of 0.1 μm, it is necessary to detect a grid position by dividing one pitch of the grid by 100. The operation of the conventional division method will be described below.
The signal 64 is a rectangular signal obtained by binarizing the A-phase signal 60.
The signal 65 is a signal obtained by comparing the intensities of the A-phase signal 60 and the D-phase signal 63. The signal 65 has an H level when the intensity of the A-phase signal 60 is higher than the intensity of the D-phase signal 63, and has an L level when the intensity is lower. This is a rectangular signal. The signal 66 is a rectangular signal obtained by binarizing the B-phase signal 61. The signal 67 is a signal obtained by comparing the intensities of the C-phase signal 62 and the D-phase signal 63. The signal 67 has an H level when the intensity of the C-phase signal 62 is higher than the intensity of the D-phase signal 63, and has an L level when the intensity is lower. This is a rectangular signal.

【0007】以上4つの矩形信号64〜67は位相がπ
/4(格子1ピッチの1/8)ずつシフトした信号であ
る。例えば、移動スケール52が停止から動きはじめた
位置での矩形信号64、65、66、67の強度レベル
がH、H、H、Lである場合は、A相正弦波信号60の
位相が90度〜135度の間の領域にあると判定でき、
移動スケール52の格子1ピッチを8分割して格子の停
止位置を検出することができる。この位相領域検出は、
正弦波の0〜2π内のどの領域でも検出できる。このよ
うに、4相正弦波信号の相互の強度関係から得た矩形信
号の強度比較により、検出した光強度が正弦波のどの位
相領域にあるかを判定し、格子の1ピッチ長aよりも細
かい位置精度で格子の停止位置を検出する。以上は1周
期を8分割する例であったが、さらに、抵抗分割法など
を用いての同様の回路的手段で正弦波信号の1周期を8
分割以上に分割することも可能である。
The above four rectangular signals 64-67 have a phase of π.
This signal is shifted by / 4 ((of one pitch of the grating). For example, when the strength levels of the rectangular signals 64, 65, 66, 67 at the position where the moving scale 52 starts to move from the stop are H, H, H, L, the phase of the A-phase sine wave signal 60 is 90 degrees. Can be determined to be in the region between 135 degrees
One stop pitch of the grid can be detected by dividing one pitch of the grid of the moving scale 52 into eight. This phase domain detection
Any area within the range of 0 to 2π of the sine wave can be detected. In this way, by comparing the intensity of the rectangular signal obtained from the mutual intensity relationship of the four-phase sine wave signal, it is determined which phase region of the sine wave the detected light intensity is in, and it is more than one pitch length a of the grating. The stop position of the grid is detected with fine positional accuracy. The above is an example in which one cycle is divided into eight. However, one cycle of a sine wave signal is further divided into eight by similar circuit means using a resistance division method or the like.
It is also possible to divide more than division.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】触針と共に移動する移
動スケール52と位置が固定された4個の固定スケール
53〜56とを透過して検出されるA相、B相、C相、
D相の4相の正弦波信号は、相互の位相がπ/2ずつ異
なることが必要である。そのため、固定スケール53の
格子位置に対する他の固定スケールの格子位置がna/
4(n=1、2、3)ずつ順次シフトされるように、4
個の固定スケールの相互の格子位置を調整する必要があ
る。例えば、格子の1ピッチ長が8μmの場合、4個の
固定スケールの各々の格子位置を2μmピッチでシフト
させて格子パターンを作成する必要がある。そのため、
4個の格子をそれぞれ1μm程度の精度で加工しなけれ
ばならず、格子の製作が困難となって、高コストになる
という問題点がある。
An A phase, a B phase, a C phase, and an A phase which are detected by being transmitted through a moving scale 52 that moves together with a stylus and four fixed scales 53 to 56 whose positions are fixed.
The D-phase four-phase sine wave signals need to have mutually different phases by π / 2. Therefore, the grid position of another fixed scale with respect to the grid position of the fixed scale 53 is na /
4 (n = 1, 2, 3) so that
It is necessary to adjust the mutual grid positions of the fixed scales. For example, when one pitch length of the grating is 8 μm, it is necessary to shift each grating position of the four fixed scales at a pitch of 2 μm to create a grating pattern. for that reason,
Each of the four gratings has to be machined with an accuracy of about 1 μm, which makes it difficult to manufacture the gratings and increases the cost.

【0009】寸法測定精度を高める最大の要因は、格子
の一周期をいかに細かく分割して検出するかである。図
6に示した従来検出法は、A相、B相、C相、D相の4
つの正弦波信号を検出して各々の強度レベルを比較し、
4個の矩形信号を作成するという回路手段で格子の一周
期を8分割していた。この場合、格子1ピッチ長aが8
μmであれば寸法測定の分解能は1μmで、サブミクロ
ンでの分解能が得られないという精度上の問題点があ
る。分解能を高めるために16分割する場合は、8個程
度の矩形波信号が必要となり、そのための回路構成が複
雑になるという問題点もある。
The most important factor for improving the dimension measurement accuracy is how to detect one period of the grating by finely dividing it. In the conventional detection method shown in FIG. 6, four phases A, B, C, and D are used.
Detect two sinusoidal signals and compare their intensity levels,
One period of the grating is divided into eight by circuit means for creating four rectangular signals. In this case, the pitch length a of the grating 1 is 8
In the case of μm, the resolution of dimension measurement is 1 μm, and there is a problem in accuracy that resolution in submicron cannot be obtained. When dividing into 16 to increase the resolution, about 8 rectangular wave signals are required, and there is also a problem that a circuit configuration therefor becomes complicated.

【0010】上記の格子分割においてはA相、B相、C
相、D相信号の各々の強度レベルが等しいことが必要で
ある。4相信号の強度(振幅)が異なれば、2つの正弦
波強度を比較して得られた矩形信号の位相が正常な場合
と比べてシフトする。その結果として、格子の一周期の
位相分割精度が悪くなって寸法測定精度が低下する。4
相信号の強度を等しくするためには光強度の光電変換の
増幅器ゲインを調整する必要があり、その調整が複雑に
なるという調整上の問題がある。さらには、4相信号を
必要とすることで、4個の固定スケールに対応して4個
の受光器が必要になって、装置コストが増大する問題点
もある。
In the above lattice division, the A phase, the B phase, the C phase
It is necessary that the intensity level of each of the phase and D phase signals be equal. If the intensity (amplitude) of the four-phase signal is different, the phase of the rectangular signal obtained by comparing the two sine wave intensities is shifted as compared with the normal case. As a result, the phase division accuracy of one period of the grating is deteriorated and the dimension measurement accuracy is reduced. 4
In order to equalize the phase signal intensities, it is necessary to adjust the amplifier gain of the photoelectric conversion of the light intensity, and there is a problem in that the adjustment becomes complicated. Further, the necessity of four-phase signals requires four light receivers corresponding to four fixed scales, thus increasing the cost of the apparatus.

【0011】以上の諸課題の主要因は、格子の位相を検
出するために4相の正弦波信号を必要とすること、及
び、2値化処理して矩形信号を回路的に作成するためで
ある。そのため、矩形信号の位相が正弦波信号強度の影
響を受けると共に、格子の1ピッチの分割が粗いためで
ある。そこで、上記の諸課題を解決するため、本発明は
2個の固定スケールだけを用いて2相の正弦波信号の位
相を数値演算で直接に検出し、格子の1ピッチ間の分割
精度を高める構成で、簡素な構成での高精度な寸法測定
装置を実現することを目的とする。
The main causes of the above-mentioned problems are that a four-phase sine wave signal is required to detect the phase of the grating, and that a rectangular signal is created in a circuit by binarization. is there. Therefore, the phase of the rectangular signal is affected by the sine wave signal intensity, and the division of one pitch of the grating is coarse. Therefore, in order to solve the above-mentioned problems, the present invention directly detects the phase of a two-phase sine wave signal by numerical operation using only two fixed scales, and improves the division accuracy between one pitch of the grating. It is an object of the present invention to realize a highly accurate dimension measuring device having a simple configuration.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに本発明による寸法測定装置は以下の構成をなす。触
針と共に移動する一定のピッチを有する格子が形成され
た移動スケールと、該移動スケールの格子と同一のピッ
チを有して移動スケールの近傍に固定されて設置された
固定スケールとから構成される光学スケールを用いた寸
法測定装置において、前記固定スケールを位相がπ/2
異なる2種類の格子グループで構成して前記移動スケー
ルが移動したとき位相がπ/2異なるA相とB相の2つ
の正弦波信号を出力し、前記移動スケールが移動してい
るときに前記A相信号とB相信号の相互の位相の進みと
遅れの関係に応じて格子の移動個数を計数するカウンタ
ー部と、前記移動スケールが移動を開始して停止するま
での期間内の特定の期間で前記A相信号とB相信号をA
/D変換して光強度をメモリー回路に記憶する光強度記
憶部と、該光強度記憶部に記憶された前記A相信号とB
相信号の光強度から前記移動スケールが停止していると
きの正弦波の位相象限を検出する位相象限検出部と、正
弦波の特定の範囲のsinとcosの値を与える三角関
数テーブル部と、前記位相象限検出部で検出された位相
象限でのA相信号あるいはB相信号の光強度を前記三角
関数テーブル部に記憶された値と比較して前記移動スケ
ールが停止しているときの位相を検出する位相算出部
と、前記カウンター部で計数したカウント値から格子1
ピッチ長の整数倍の移動距離を検出すると共に前記位相
算出部で検出した位相から格子1ピッチ長以下の移動距
離とを検出する寸法算出部を設け、前記移動スケールの
移動距離から寸法を測定する。
In order to solve the above-mentioned problems, a dimension measuring apparatus according to the present invention has the following arrangement. It is composed of a moving scale on which a grid having a constant pitch that moves with the stylus is formed, and a fixed scale fixed and installed near the moving scale with the same pitch as the grid of the moving scale. In a dimension measuring apparatus using an optical scale, the fixed scale has a phase of π / 2.
When the moving scale moves and outputs two sine-wave signals of A phase and B phase which are different from each other by π / 2 when the moving scale moves, the A scale outputs when the moving scale moves. A counter unit that counts the number of movements of the grating according to the relationship between the advance and delay of the mutual phase of the phase signal and the B-phase signal, and a specific period within a period from when the moving scale starts moving to when it stops. The A-phase signal and the B-phase signal are represented by A
A light intensity storage unit that stores the light intensity in a memory circuit after performing the D / D conversion, and the A-phase signal and the B signal that are stored in the light intensity storage unit.
A phase quadrant detection unit that detects a phase quadrant of a sine wave when the moving scale is stopped from the light intensity of the phase signal, a trigonometric function table unit that provides values of sin and cos in a specific range of the sine wave, The light intensity of the A-phase signal or the B-phase signal in the phase quadrant detected by the phase quadrant detector is compared with the value stored in the trigonometric function table to determine the phase when the moving scale is stopped. From the phase calculation unit to be detected and the count value counted by the counter unit,
A dimension calculating unit is provided for detecting a moving distance of an integral multiple of the pitch length and for detecting a moving distance of one grating length or less from the phase detected by the phase calculating unit, and measures a dimension from the moving distance of the moving scale. .

【0013】このとき、位相象限検出部は、前記光強度
記憶部に記憶された前記A相信号とB相信号の振幅を検
出して共に±1の振幅をもつ信号に規格化する規格化処
理部と、該規格化されたA相信号とB相信号の相互の位
相の進みと遅れを判定して前記移動スケールが停止して
いるときの前記規格化されたA相信号とB相信号の強度
符号を比較する強度符号判定部からなり、前記規格化さ
れたA相信号あるいはB相信号の位相をπ/2を単位と
する象限で検出する。また、三角関数テーブル部は、正
弦波の位相が0からπ/2以内における正弦波信号のs
inとcosの値を与える。さらには、位相算出部は、
前記規格化されたA相信号とB相信号のいずれか一方の
正弦波信号の光強度の絶対値が1に近い場合は、他方の
信号のsin、あるいはcosの値から位相を検出する
という構成である。
At this time, the phase quadrant detection section detects the amplitudes of the A-phase signal and the B-phase signal stored in the light intensity storage section, and normalizes the amplitude into a signal having an amplitude of ± 1. And a unit for judging the leading and lagging of the mutual phases of the standardized A-phase signal and the B-phase signal, and determining the standardized A-phase signal and the B-phase signal when the moving scale is stopped. It comprises an intensity code determination unit for comparing intensity codes, and detects the phase of the standardized A-phase signal or B-phase signal in a quadrant in units of π / 2. Further, the trigonometric function table section calculates the s of the sine wave signal when the sine wave phase is within 0 to π / 2.
Give the values of in and cos. Further, the phase calculation unit includes:
When the absolute value of the light intensity of any one of the normalized A-phase signal and the B-phase signal is close to 1, the phase is detected from the sin or cos value of the other signal. It is.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】本発明は移動スケールと2個の固
定スケールからなる光学スケールを用い、2相の正弦波
信号を演算して位相を直接に検出し、格子の1ピッチ間
の分割精度を高める構成である。格子ピッチが共にa
で、互いの格子位置がa/4(π/2の位相差)だけシ
フトした2個の固定スケールを移動スケール(格子ピッ
チ=a)の後方に設置(固定)し、移動スケールが動い
たときに位相がπ/2異なる2相の正弦波信号(A相と
B相信号)を検出する。このA相、B相信号は光電変換
回路の増幅ゲインの差により、一般には強度レベルが異
なる信号である。検出したA相、B相信号に対して二つ
の異なる動作を行う。一方の動作は従来装置と同様に、
移動スケールの格子の移動個数をカウンター回路を用い
て計数し、格子ピッチaの整数倍の移動距離を検出す
る。他方の動作が本発明に関するもので、移動スケール
が停止しているときの格子の位置(位相)を、前述した
矩形信号を作成することなく、A相、B相の2相信号の
光強度から直接に検出する。この位相検出では、移動ス
ケールの移動開始時と停止時の2回の特定の期間につい
て、A相信号とB相信号の数周期分の正弦波強度データ
をA/D変換してメモリー回路に記憶し、数値演算処理
により格子停止位置の位相を検出する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention uses a moving scale and an optical scale consisting of two fixed scales, calculates two-phase sine wave signals, directly detects the phase, and divides the grid into one pitch. It is the structure which raises. Both lattice pitches are a
Then, when two fixed scales whose lattice positions are shifted by a / 4 (phase difference of π / 2) are set (fixed) behind the moving scale (lattice pitch = a), and the moving scale moves. , Two-phase sine wave signals (A-phase signal and B-phase signal) having phases different by π / 2 are detected. The A-phase and B-phase signals are generally signals having different intensity levels due to a difference in amplification gain of the photoelectric conversion circuit. Two different operations are performed on the detected A-phase and B-phase signals. One operation is similar to the conventional device,
The number of moving grids on the moving scale is counted using a counter circuit, and a moving distance that is an integral multiple of the grid pitch a is detected. The other operation relates to the present invention, and the position (phase) of the grating when the moving scale is stopped can be determined from the light intensities of the A-phase and B-phase two-phase signals without creating the rectangular signal described above. Detect directly. In this phase detection, sine wave intensity data for several cycles of the A-phase signal and the B-phase signal are A / D converted and stored in the memory circuit for two specific periods, ie, when the moving scale starts and stops moving. Then, the phase of the grating stop position is detected by numerical processing.

【0015】メモリー回路に記憶されたA相、B相信号
の振幅は一般には異なるため、各々の振幅を検出して振
幅が共に±1の正弦波信号に規格化し、A相とB相信号
の強度を等しくする。この規格化はマイクロプロセッサ
ー等を用いた数値演算により行う。次に、格子が停止し
ている位置での規格化したA相とB相信号の強度の正負
の符号(4通りの組み合わせ)から格子の停止位置での
位相象限(1〜4)、すなわち位相がπ/2を単位とし
てどの領域にあるかを検出する。このときの位相象限
は、2相信号のいずれかの一方、例えばA相信号を基準
とした値で、格子の1ピッチが4分割された粗い位相領
域を表す。正弦波の1周期でみたとき、同じ強度に対し
て2つの位相が対応するため、強度だけからは位相が決
まらない。しかし、位相象限が決まれば、そのときの正
弦波の強度値から位相が直接に検出できる。なお、規格
化した2相信号の強度の符号が同じ組み合わせでも、A
相信号に対するB相信号の位相の進み遅れに応じて位相
象限が異なるため、2相信号の位相の進みと遅れの関係
を検出して位相象限を決定する必要がある。
Since the amplitudes of the A-phase and B-phase signals stored in the memory circuit are generally different, the respective amplitudes are detected and normalized to a sine wave signal having both amplitudes of ± 1, and the A-phase and B-phase signals are Equal strength. This normalization is performed by numerical operation using a microprocessor or the like. Next, the phase quadrants (1 to 4) at the stop position of the grating, that is, the phase, are determined from the positive and negative signs (four combinations) of the normalized A-phase and B-phase signals at the position where the grating is stopped. Is detected in which area is in units of π / 2. The phase quadrant at this time is a value based on one of the two-phase signals, for example, the A-phase signal, and represents a coarse phase region in which one pitch of the grating is divided into four. When viewed in one cycle of a sine wave, since two phases correspond to the same intensity, the phase cannot be determined from the intensity alone. However, once the phase quadrant is determined, the phase can be directly detected from the intensity value of the sine wave at that time. It should be noted that even if the standardized two-phase signals have the same sign
Since the phase quadrant is different depending on the advance and delay of the phase of the B-phase signal with respect to the phase signal, it is necessary to determine the phase quadrant by detecting the relationship between the advance and delay of the phase of the two-phase signal.

【0016】次に、位相象限に応じた規格化2相信号の
いずれか一方の強度値から位相を検出する。このとき、
sinとcosの三角関数の数値テーブルを予め用意し
ておき、A相、B相信号のいずれか一方の規格化強度と
前記三角関数の数値テーブルを比較して位相を決定す
る。この位相検出は移動スケールが動き始めるときと、
停止するときの2回について行う。なお、メモリー回路
に記憶されたA相、B相信号を規格化するのは、規格化
強度とsinあるいはcosの数値を直接に対応ずける
ためである。sinとcosの数値テーブルは0〜π/
2までの第1象限の範囲でよい。π/2を超える位相の
場合は、第1象限での位相値を三角関数の補角の関係か
ら補正すればよい。A相信号の規格化強度の絶対値が1
に近い場合は、sinから求める位相の検出精度が低
い。この場合は、例えばB相信号の規格化強度の値(0
に近い値)とcosの値を比較して位相を検出する。こ
のようにして位相を1度の分解能で検出することで、格
子の1ピッチ間を360分割して検出することができ
る。次に、カウンター回路で検出した格子1ピッチ長の
整数倍の移動距離と、位相によって検出した格子の1ピ
ッチ長以下の移動距離との和から寸法を高精度に測定す
る。
Next, a phase is detected from one of the intensity values of the normalized two-phase signal corresponding to the phase quadrant. At this time,
A numerical table of trigonometric functions of sin and cos is prepared in advance, and the phase is determined by comparing the normalized intensity of one of the A-phase and B-phase signals with the numerical table of trigonometric functions. This phase detection is performed when the moving scale starts moving,
This is performed twice when stopping. The reason why the A-phase and B-phase signals stored in the memory circuit are normalized is that the normalized strength and the numerical value of sin or cos can be directly corresponded. The numerical table of sin and cos is 0 to π /
The range may be up to 2 in the first quadrant. In the case of a phase exceeding π / 2, the phase value in the first quadrant may be corrected from the relationship of the complement of the trigonometric function. Absolute value of normalized intensity of A-phase signal is 1
, The detection accuracy of the phase obtained from sin is low. In this case, for example, the value of the normalized intensity of the B-phase signal (0
Is compared with the value of cos to detect the phase. By detecting the phase with a resolution of one degree in this way, it is possible to detect one pitch of the grating by dividing it into 360. Next, the dimension is measured with high accuracy from the sum of the moving distance of an integral multiple of the grating one pitch length detected by the counter circuit and the moving distance of one grating length or less detected by the phase.

【0017】図1に本発明の光学スケールを用いた寸法
測定装置の構成ブロック図を示す。照明用光源100は
発光ダイオード、白色ランプなどからなり、コリメート
レンズ102を介して、触針(図示せず)と共に移動す
る移動スケール10と、その近傍に固定されて設置され
た固定スケール11を照明する。移動スケール10と固
定スケール11とを光学スケールと称する。移動スケー
ル10は一種類の格子グループ105が、固定スケール
11は二種類の格子グループ110と115が形成され
ている。このとき、格子グループ105、110、11
5を構成する各々の格子は、光を透過する白要素と透過
しない黒要素とからなり、白要素と黒要素の幅は等し
く、a/2である。一組の白要素と黒要素で一つの格子
を形成し、各格子の1ピッチ長がaである。通常、格子
の1ピッチ長は10μm程度のものが用いられる。
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a dimension measuring apparatus using an optical scale according to the present invention. The illumination light source 100 includes a light emitting diode, a white lamp, and the like, and illuminates, via a collimating lens 102, a movable scale 10 that moves with a stylus (not shown) and a fixed scale 11 fixed and installed near the movable scale 10. I do. The moving scale 10 and the fixed scale 11 are called an optical scale. The moving scale 10 has one kind of lattice group 105, and the fixed scale 11 has two kinds of lattice groups 110 and 115. At this time, the lattice groups 105, 110, 11
Each of the gratings that constitutes No. 5 is composed of a white element that transmits light and a black element that does not transmit light. The widths of the white element and the black element are equal and a / 2. One set of white elements and black elements forms one grid, and one pitch length of each grid is a. Usually, one pitch length of the grating is about 10 μm.

【0018】固定スケール11の2つの格子グループ1
10と115の格子ピッチ長は共に等しいが、一方のグ
ループの格子に対して他方のグループの格子は位相をπ
/2だけシフトした構成とする。すなわち、格子位置を
互いに1/4ピッチだけずらして形成する。受光部12
は固定スケール11の二つの格子グループ110及び1
15を透過した光を個別に検出するための二つの受光器
120と125とから構成される。受光器120はA相
信号122を出力する。受光器125はB相信号127
を出力する。A相信号122とB相信号127は位相が
π/2異なる正弦波信号で、格子の1ピッチの移動で1
周期をなす信号である。一般には、A相信号122とB
相信号127は光電変換回路の増幅ゲインの違いによ
り、正弦波の強度が異なる。
Two grid groups 1 of the fixed scale 11
Although the grating pitch lengths of 10 and 115 are equal, the grating of one group has a phase of π with respect to the grating of another group.
/ 2 shifted. That is, the lattice positions are formed shifted from each other by 1/4 pitch. Light receiving section 12
Are the two grid groups 110 and 1 of the fixed scale 11
It comprises two photodetectors 120 and 125 for individually detecting the light transmitted through the photodetector 15. The light receiver 120 outputs an A-phase signal 122. The light receiver 125 has a B-phase signal 127
Is output. The A-phase signal 122 and the B-phase signal 127 are sine wave signals having phases different by π / 2, and are shifted by one pitch of the grating.
This is a signal that forms a cycle. Generally, the A-phase signal 122 and B
The phase signal 127 has a different sine wave intensity due to a difference in the amplification gain of the photoelectric conversion circuit.

【0019】カウンター部13はA相信号122とB相
信号127の位相の進みと遅れの関係を判定して移動ス
ケール10の移動方向を検出すると共に、カウンター動
作を行って、移動スケール10の格子の移動数を検出す
る。A相信号122とB相信号127はπ/2だけ位相
がずれているため、例えば、A相信号を基準としたと
き、B相信号が前進しているか後進しているかを検出す
ることで格子の移動方向が判別できる。このときの検出
では、例えばA相信号122を基準として正弦波の一周
期毎に一つのパルスを発生させ、そのパルス数をカウン
ター回路で計数する。移動スケール10が矢印で示す上
側に移動するときはアップカウンター動作(カウント増
加)を行い、下側に移動するときはダウンカウンター動
作(カウント減少)を行わせる。このカウンター動作で
は格子の移動個数の整数倍にあたる移動距離が検出され
る。
The counter section 13 determines the relationship between the leading and lagging phases of the A-phase signal 122 and the B-phase signal 127 to detect the moving direction of the moving scale 10, performs a counter operation, and performs a grid operation of the moving scale 10. Detect the number of movements. Since the A-phase signal 122 and the B-phase signal 127 are out of phase by π / 2, for example, when the A-phase signal is used as a reference, the grid is detected by detecting whether the B-phase signal is moving forward or backward. Can be determined. In the detection at this time, for example, one pulse is generated for each cycle of the sine wave based on the A-phase signal 122, and the number of pulses is counted by a counter circuit. When the moving scale 10 moves upward as indicated by the arrow, an up-counter operation (count increase) is performed, and when it moves downward, a down-counter operation (count decrease) is performed. In this counter operation, a moving distance corresponding to an integral multiple of the number of moving grids is detected.

【0020】寸法を精密に測定するには、格子の1ピッ
チ以下の移動距離を高分解能で検出することが重要で、
そのために正弦波信号の位相を検出する必要がある。本
発明は位相がπ/2異なるA相、B相の二相の正弦波信
号から、格子が停止している位置での位相を数値演算処
理によって検出する構成である。光強度記憶部14はA
相信号122とB相信号127をA/D変換し、デイジ
タルデータとしてメモリー回路に記憶する。このとき、
移動スケール10が移動を開始してから停止するまでの
期間の内、動きはじめと停止直前の各々の数周期の期間
で上記の記憶を行わせる。上記以外の期間については、
メモリー回路に取り込んだ記憶内容をリセットしながら
順次新しいデータを記憶させる動作を繰り返して行う。
なお、触針が停止したことの検出は、圧電素子を用いて
停止時の機械的なショックを電気信号で検出したり、A
相、B相信号の位相が通常の変化から反転したことを検
出して判定できる。
In order to measure the dimensions precisely, it is important to detect the moving distance of the grating less than one pitch with high resolution.
Therefore, it is necessary to detect the phase of the sine wave signal. The present invention has a configuration in which a phase at a position where the grating is stopped is detected by a numerical calculation process from two-phase sine wave signals of A phase and B phase having phases different by π / 2. The light intensity storage unit 14 stores A
The phase signal 122 and the B-phase signal 127 are A / D converted and stored in the memory circuit as digital data. At this time,
During the period from when the moving scale 10 starts moving to when it stops, the above-mentioned storage is performed during a period of several cycles before the movement starts and immediately before the movement stops. For periods other than the above,
The operation of successively storing new data while resetting the stored contents taken into the memory circuit is repeatedly performed.
The stop of the stylus is detected by detecting a mechanical shock at the time of stop using an electric signal using a piezoelectric element,
It can be determined by detecting that the phases of the phase and phase B signals have been inverted from the normal changes.

【0021】正弦波信号は1周期内の特定の強度に対し
て2つの位相があるため、強度値だけからでは位相が検
出できない。そのため、格子が動きはじめた位置と停止
する位置の2回について、正弦波信号の数周期の期間の
強度データをもとにして、格子の停止位置での大まかな
位相象限を決定してから位相を検出する。位相象限検出
部15は上記の2つの期間について、光強度記憶部14
に記憶されたA相信号140とB相信号145の光強度
から格子が停止しているときの位相象限を検出するもの
で、規格化処理部150と強度符号判定部155とから
なる。規格化処理部150は、記憶されたA相信号14
0とB相信号145の振幅を検出し、共に振幅が±1の
大きさに規格化された規格化信号に変換する。また、強
度符号判定部155は、規格化されたA相信号とB相信
号の強度の符号を判定(4通りの組み合わせ)し、格子
が停止しているときの強度から位相象限を決定する。こ
の位相象限は、π/2を単位とした1〜4までの象限で
ある。位相象限の決定は、規格化されたA相信号、B相
信号の位相の進み遅れに応じて行う必要がある。これ
は、位相象限が2相信号の位相関係で異なるためであ
る。なお、前述のカウンター部13は受光器120、1
25から出力された2相信号で動作させる例を示した
が、ここで示した規格化2相信号で動作させてもよい。
Since a sine wave signal has two phases for a specific intensity within one cycle, the phase cannot be detected only from the intensity value. Therefore, for the two times of the position where the grating starts to move and the position where the grating stops, the rough phase quadrant at the stopping position of the grating is determined based on the intensity data of several periods of the sine wave signal, and then the phase is determined. Is detected. The phase quadrant detection unit 15 controls the light intensity storage unit 14 for the above two periods.
Detects the phase quadrant when the grating is stopped based on the light intensities of the A-phase signal 140 and the B-phase signal 145 stored in the storage unit, and includes a normalization processing unit 150 and an intensity code determination unit 155. The normalization processing unit 150 stores the A-phase signal 14
The amplitudes of the 0 and B phase signals 145 are detected, and both are converted to a normalized signal whose amplitude is normalized to ± 1. In addition, the intensity code determining unit 155 determines the sign of the intensity of the standardized A-phase signal and the B-phase signal (four combinations), and determines the phase quadrant from the intensity when the grating is stopped. This phase quadrant is a quadrant from 1 to 4 in units of π / 2. It is necessary to determine the phase quadrant according to the phase advance and delay of the standardized A-phase signal and B-phase signal. This is because the phase quadrants differ depending on the phase relationship between the two-phase signals. Note that the above-described counter unit 13 includes the light receivers 120, 1
Although the example in which the operation is performed using the two-phase signal output from the control unit 25 has been described, the operation may be performed using the standardized two-phase signal shown here.

【0022】三角関数テーブル部16は、正弦波の一周
期内の特定の範囲、例えば位相が0〜π/2の範囲のs
inとcosの値、あるいはどちらか一方の値を記憶し
ておく。数値データとして各々の値を記憶してもよい
し、sinとcosの関数形を記憶しておき、関数展開
法によってsinとcosの値を算出してもよい。位相
算出部17は位相象限検出部15で検出された位相象限
を基準として、格子の停止位置でのA相、あるいはB相
の規格化正弦波信号の強度値を三角関数テーブル部16
での値と比較して位相を決定する。格子停止位置での規
格化されたA相信号の強度の絶対値が1に近い場合、A
相信号のsinの値から位相を検出したのでは位相検出
精度が低下する。この場合、規格化したB相信号の値は
0に近いため、B相信号から位相を検出して位相検出精
度を高める。このとき、A相信号の位相がB相信号の位
相より進んでいる場合はB相信号のcosの値から位相
を算出し、逆の場合はB相信号のsinの値から位相を
検出する。このように、位相の進み遅れに応じてsin
とcosの検出を使い分ける。さらには、位相象限によ
っては、記憶されている0〜π/2の範囲のsinとc
osの値に対して、三角関数の補角関係を用いること
で、0〜2πまでの範囲のどの位相でも検出できる。
The trigonometric function table section 16 stores a signal in a specific range within one cycle of the sine wave, for example, s in the range of 0 to π / 2.
The values of in and cos, or one of them, are stored. Each value may be stored as numerical data, or a function form of sin and cos may be stored, and the values of sin and cos may be calculated by a function expansion method. The phase calculation unit 17 calculates the intensity value of the A-phase or B-phase normalized sine wave signal at the grating stop position based on the phase quadrant detected by the phase quadrant detection unit 15 as a reference.
The phase is determined by comparing with the value in. When the normalized absolute value of the intensity of the A-phase signal at the lattice stop position is close to 1, A
If the phase is detected from the value of the sine of the phase signal, the phase detection accuracy is reduced. In this case, since the value of the normalized B-phase signal is close to 0, the phase is detected from the B-phase signal to improve the phase detection accuracy. At this time, when the phase of the A-phase signal is ahead of the phase of the B-phase signal, the phase is calculated from the value of cos of the B-phase signal, and when the phase is opposite, the phase is detected from the value of sin of the B-phase signal. In this way, sin
And cos detection. Further, depending on the phase quadrant, the stored sin and c in the range of 0 to π / 2 are stored.
By using the supplementary relationship of the trigonometric function to the value of os, any phase in the range of 0 to 2π can be detected.

【0023】寸法算出部18は、カウンター部13で検
出した格子の移動個数の情報から格子1ピッチ長の整数
倍の移動距離を検出すると共に、位相算出部17で検出
した位相情報から格子1ピッチ長以下の移動距離を検出
し、それらの移動距離の和から寸法を算出する。本シス
テムでは位相検出分解能が寸法測定の分解能になり、サ
ブミクロンの測定分解能を達成するには位相を1度程度
の分解能で検出する必要がある。上記の本発明の方法に
よれば、正弦波信号の強度を〜2%程度の誤差内で検出
することで、位相を1度の誤差内で検出することができ
る。
The dimension calculating section 18 detects a moving distance of an integral multiple of the pitch length of the grating 1 from the information on the number of moving grids detected by the counter section 13, and detects the pitch of the grating 1 pitch from the phase information detected by the phase calculating section 17. The moving distance equal to or less than the length is detected, and the dimension is calculated from the sum of the moving distances. In this system, the phase detection resolution becomes the resolution of the dimension measurement, and it is necessary to detect the phase with a resolution of about 1 degree to achieve the submicron measurement resolution. According to the method of the present invention described above, the phase can be detected within an error of one degree by detecting the intensity of the sine wave signal within an error of about 2%.

【0024】図2に2相正弦波信号の強度と位相象限の
関係の例を示す。波形21は規格化A相信号、波形22
は規格化B相信号で、A相信号21の位相がB相信号2
2の位相よりも進んでいる場合である。位相象限図23
は、A相信号21とB相信号22の強度の正負の符号の
組み合わせによる位相象限である。例えば、A相信号2
1の強度が負、B相信号22の強度が正の場合は、A相
信号21の位相が第4象限の3π/2から2πの間にあ
ると判定する。このように、4通りの強度符号の組み合
わせから位相象限が決定でき、そのときの強度値からさ
らに細かい精度で位相が検出できる。なお、図に示した
位相はA相信号21を基準としている。
FIG. 2 shows an example of the relationship between the intensity of the two-phase sine wave signal and the phase quadrant. Waveform 21 is a normalized A-phase signal, waveform 22
Is a normalized B-phase signal, and the phase of the A-phase signal 21 is the B-phase signal 2
This is the case where the phase is more advanced than phase 2. Phase quadrant diagram 23
Is a phase quadrant based on a combination of positive and negative signs of the intensities of the A-phase signal 21 and the B-phase signal 22. For example, A-phase signal 2
If the intensity of 1 is negative and the intensity of B-phase signal 22 is positive, it is determined that the phase of A-phase signal 21 is between 3π / 2 and 2π in the fourth quadrant. As described above, the phase quadrant can be determined from the combination of the four intensity codes, and the phase can be detected with further finer precision from the intensity value at that time. The phase shown in the figure is based on the A-phase signal 21.

【0025】図3はA相信号31の位相がB相信号32
よりも遅れている場合の位相象限の例である。この場合
は、位相象限図33は前述の位相象限図23とは異な
る。例えば、A相信号31の強度が負、B相信号32の
強度が正の場合には、A相信号31の位相が第3象限の
πから3π/2の間となる。このように、2相の正弦波
信号の位相の進み遅れによって位相象限が異なるため、
位相の進み遅れを予め判定しておくことが必要である。
FIG. 3 shows that the phase of the A-phase signal 31 is
7 is an example of a phase quadrant when the delay is longer than the above. In this case, the phase quadrant 33 differs from the phase quadrant 23 described above. For example, when the intensity of the A-phase signal 31 is negative and the intensity of the B-phase signal 32 is positive, the phase of the A-phase signal 31 is between π and 3π / 2 in the third quadrant. As described above, since the phase quadrants differ depending on the leading and lagging phases of the two-phase sine wave signal,
It is necessary to determine the advance or delay of the phase in advance.

【0026】図4に格子の移動に伴って検出した2相の
正弦波信号の例を示して、位相検出方法を説明する。A
相信号41とB相信号42は一般には振幅が異なる信号
で、波形の左端が触針が移動を開始した位置、右端が触
針が停止した位置である。波形43(A相)、44(B
相)は触針が移動を開始した位置からほぼ1周期にわた
って振幅を±1に規格化した波形である。波形45(A
相)、46(B相)は触針が停止した位置の前からほぼ
1周期にわたって振幅を±1に規格化した波形である。
いずれも、A相信号の位相がB相信号よりも進んでいる
例である。
FIG. 4 shows an example of a two-phase sine wave signal detected with the movement of the grating, and the phase detection method will be described. A
The phase signal 41 and the B-phase signal 42 are generally signals having different amplitudes. The left end of the waveform is the position where the stylus starts moving, and the right end is the position where the stylus stops. Waveforms 43 (A phase), 44 (B
Phase) is a waveform whose amplitude has been normalized to ± 1 over almost one cycle from the position where the stylus has started moving. Waveform 45 (A
Phases) and 46 (phase B) are waveforms whose amplitudes are normalized to ± 1 over almost one cycle from before the position where the stylus stops.
In both cases, the phase of the A-phase signal is ahead of the phase of the B-phase signal.

【0027】波形43、44の場合は、左端の移動開始
時の位相象限が第2象限(A相信号基準)にあると判定
する。この場合、A相信号43の強度は1に近いため、
A相信号43からでは位相検出精度が低下する。そこ
で、B相信号44の強度から位相を検出する。波形4
5、46の場合は右端の停止位置での位相象限が第4象
限であると判定する。この場合はA相信号45の強度か
ら位相を検出する。このようにして、位相を1度のオー
ダで検出することができ、格子1ピッチ間を360分割
できる。したがって、格子の1ピッチ長以下の移動距離
をサブミクロン領域の分解能で測定できる。なお、実際
に測定したA相信号、B相信号の一部の領域が理想正弦
波から変調されている場合もある。この場合は、規格化
した信号を理想正弦波で補正してから位相を検出すれば
よい。
In the case of the waveforms 43 and 44, it is determined that the phase quadrant at the start of the movement of the left end is in the second quadrant (A-phase signal reference). In this case, since the intensity of the A-phase signal 43 is close to 1,
From the A-phase signal 43, the phase detection accuracy decreases. Therefore, the phase is detected from the intensity of the B-phase signal 44. Waveform 4
In the case of 5, 46, it is determined that the phase quadrant at the rightmost stop position is the fourth quadrant. In this case, the phase is detected from the intensity of the A-phase signal 45. In this way, the phase can be detected on the order of one degree, and one pitch of the grating can be divided into 360. Therefore, the moving distance of one pitch length or less of the grating can be measured with a submicron resolution. Note that a part of the actually measured A-phase signal and B-phase signal may be modulated from an ideal sine wave. In this case, the phase may be detected after correcting the normalized signal with an ideal sine wave.

【0028】[0028]

【発明の効果】上記のごとく本発明による寸法測定装置
は、位相がπ/2異なる2相の正弦波信号の位相を直接
に数値演算処理で決定する構成である。従来の4相の正
弦波信号を用いる方法に比べて、本発明では2相信号し
か用いないため、固定スケールの構成と光信号の検出が
簡素化される。また、従来の4相信号の強度レベルを比
較して矩形信号を作成する方法では、位相検出精度を高
めようとすれば、矩形信号作成の回路構成が複雑にな
る。本発明は正弦波信号の位相を直接に検出するため、
矩形信号作成の必要がなく、ハードウエアー構成が簡略
できる。以上から、本発明では従来法に比べて、装置が
簡素化されると共に、装置コストの低減に効果がある。
As described above, the dimension measuring apparatus according to the present invention has a configuration in which the phases of two sinusoidal signals having phases different from each other by π / 2 are directly determined by numerical calculation processing. Compared with the conventional method using a four-phase sine wave signal, the present invention uses only a two-phase signal, so that the configuration of the fixed scale and the detection of the optical signal are simplified. In the conventional method of creating a rectangular signal by comparing the intensity levels of four-phase signals, the circuit configuration for creating a rectangular signal is complicated if the phase detection accuracy is to be improved. Since the present invention directly detects the phase of the sine wave signal,
There is no need to create a rectangular signal, and the hardware configuration can be simplified. As described above, according to the present invention, the apparatus is simplified and the cost of the apparatus is reduced as compared with the conventional method.

【0029】従来法による位相検出では、位相検出の分
解能は45°程度で、格子1ピッチ間の分割は8程度で
あった。そのため、寸法測定の分解能は1μmとなり、
サブミクロン領域の分解能が得られなかった。本発明に
よる位相の直接検出法では、検出した2相の正弦波信号
の強度レベルを規格化処理して格子停止位置の位相象限
を予め検出することで、sin、あるいはcosテーブ
ルを選択して位相検出ができる。そのため、位相検出の
信頼性が向上すると共に、位相を1°の分解能で測定
し、格子1ピッチ間を360分割して検出することが可
能である。その結果、サブミクロン領域の分解能で寸法
を測定できるという効果がある。
In the phase detection according to the conventional method, the resolution of the phase detection is about 45 °, and the division between one pitch of the grating is about 8. Therefore, the resolution of dimension measurement is 1 μm,
Submicron resolution was not obtained. In the direct phase detection method according to the present invention, the intensity level of the detected two-phase sine wave signal is normalized to detect the phase quadrant of the grating stop position in advance, thereby selecting a sin or cos table and selecting a phase. Can be detected. Therefore, the reliability of the phase detection is improved, and the phase can be measured with a resolution of 1 °, and the distance between one pitch of the grating can be detected by dividing it by 360. As a result, there is an effect that dimensions can be measured with a resolution in the submicron region.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施形態における寸法測定装置の構成
例を説明するシステムブロック図である。
FIG. 1 is a system block diagram illustrating a configuration example of a dimension measuring device according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施形態における2相正弦波信号と位
相象限の関係を示す第1の例である。
FIG. 2 is a first example showing a relationship between a two-phase sine wave signal and a phase quadrant in an embodiment of the present invention.

【図3】本発明の実施形態における2相正弦波信号と位
相象限の関係を示す第2の例である。
FIG. 3 is a second example showing a relationship between a two-phase sine wave signal and a phase quadrant in the embodiment of the present invention.

【図4】本発明の実施形態における位相検出の例を説明
する図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of phase detection in the embodiment of the present invention.

【図5】従来の寸法測定装置の構成例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of a conventional dimension measuring device.

【図6】従来の寸法測定装置で位相を検出する例を示す
波形図である。
FIG. 6 is a waveform chart showing an example of detecting a phase by a conventional dimension measuring device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 移動スケール 11 固定スケール 12 受光部 13 カウンター部 14 光強度記憶部 15 位相象限検出部 16 三角関数テーブル部 17 位相算出部 18 寸法算出部 150 規格化処理部 155 強度符号判定部 Reference Signs List 10 Moving scale 11 Fixed scale 12 Light receiving unit 13 Counter unit 14 Light intensity storage unit 15 Phase quadrant detection unit 16 Trigonometric function table unit 17 Phase calculation unit 18 Dimension calculation unit 150 Normalization processing unit 155 Intensity code determination unit

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 触針と共に移動する一定のピッチを有す
る格子が形成された移動スケールと、該移動スケールの
格子と同一のピッチを有して移動スケールの近傍に固定
されて設置された固定スケールとから構成される光学ス
ケールを用いた寸法測定装置において、位相がπ/2異
なる2種類の格子グループで構成される固定スケール
と、移動したとき位相がπ/2異なるA相とB相の2つ
の正弦波信号を出力する移動スケールと、前記移動スケ
ールが移動しているときに前記A相信号とB相信号の相
互の位相の進みと遅れの関係に応じて格子の移動個数を
計数するカウンター部と、前記移動スケールが移動を開
始して停止するまでの期間内の特定の期間で前記A相信
号とB相信号をA/D変換して光強度をメモリー回路に
記憶する光強度記憶部と、該光強度記憶部に記憶された
前記A相信号とB相信号の光強度から前記移動スケール
が停止しているときの正弦波の位相象限を検出する位相
象限検出部と、正弦波の特定の範囲のsinとcosの
値を与える三角関数テーブル部と、前記位相象限検出部
で検出された位相象限でのA相信号あるいはB相信号の
光強度を前記三角関数テーブル部に記憶された値と比較
して前記移動スケールが停止しているときの位相を検出
する位相算出部と、前記カウンター部で計数したカウン
ト値から格子1ピッチ長の整数倍の移動距離を検出する
と共に前記位相算出部で検出した位相から格子1ピッチ
長以下の移動距離とを検出する寸法算出部とを設け、前
記移動スケールの移動距離から寸法を測定することを特
徴とする光学スケールを用いた寸法測定装置。
1. A moving scale on which a grating having a constant pitch that moves with a stylus is formed, and a fixed scale fixedly installed near the moving scale with the same pitch as the grating of the moving scale. And a fixed scale composed of two types of lattice groups having phases different by π / 2, and two phases A and B having different phases π / 2 when moved. A moving scale that outputs two sine wave signals, and a counter that counts the number of grid movements according to the relationship between the leading and lagging phases of the A-phase signal and the B-phase signal when the moving scale is moving. A light intensity storage unit for A / D converting the A-phase signal and the B-phase signal for a specific period within a period from when the moving scale starts moving to when the moving scale stops, and stores the light intensity in a memory circuit A phase quadrant detector for detecting a phase quadrant of a sine wave when the moving scale is stopped, based on the light intensities of the A-phase signal and the B-phase signal stored in the light intensity storage unit; A trigonometric function table section for providing values of sin and cos in the range of: and a light intensity of an A-phase signal or a B-phase signal in the phase quadrant detected by the phase quadrant detection section stored in the trigonometric function table section. A phase calculating unit for detecting a phase when the moving scale is stopped as compared with a phase calculating unit for detecting a moving distance of an integral multiple of one pitch length of a grating from a count value counted by the counter unit; A dimension calculating unit for detecting a moving distance of one grating length or less from the phase detected in the step (a), and measuring a dimension from the moving distance of the moving scale. Place.
【請求項2】 位相象限検出部が、前記光強度記憶部に
記憶された前記A相信号とB相信号の振幅を検出して共
に±1の振幅をもつ信号に規格化する規格化処理部と、
該規格化されたA相信号とB相信号の相互の位相の進み
と遅れを判定して前記移動スケールが停止しているとき
の前記規格化されたA相信号とB相信号の強度符号を比
較する強度符号判定部とからなり、前記規格化されたA
相信号あるいはB相信号の位相をπ/2を単位とする象
限で検出することを特徴とする請求項1に記載の光学ス
ケールを用いた寸法測定装置。
2. A normalization processing unit for detecting an amplitude of the A-phase signal and the B-phase signal stored in the light intensity storage unit and normalizing the amplitude to a signal having an amplitude of ± 1. When,
By judging the leading and lagging of the mutual phases of the standardized A-phase signal and the B-phase signal, the intensity codes of the standardized A-phase signal and the B-phase signal when the moving scale is stopped are determined. And a strength code judging section for comparison.
2. The dimension measuring device using an optical scale according to claim 1, wherein the phase of the phase signal or the phase B signal is detected in a quadrant in units of π / 2.
【請求項3】 三角関数テーブル部は、正弦波の位相が
0からπ/2以内における正弦波信号のsinとcos
の値を与えることを特徴とする請求項1に記載の光学ス
ケールを用いた寸法測定装置。
3. The trigonometric function table section calculates the sin and cos of a sine wave signal when the phase of the sine wave is within 0 to π / 2.
The dimension measuring apparatus using the optical scale according to claim 1, wherein the value is given by:
【請求項4】 位相算出部は、前記規格化されたA相信
号とB相信号のいずれか一方の正弦波信号の光強度が1
の絶対値に近い場合は、他方の信号のsin、あるいは
cosの値から位相を検出することを特徴とする請求項
1に記載の光学スケールを用いた寸法測定装置。
4. A phase calculation section, wherein the light intensity of one of the normalized sine wave signals of the A-phase signal and the B-phase signal is 1
2. A dimension measuring apparatus using an optical scale according to claim 1, wherein when the absolute value of the other signal is close to the absolute value, the phase is detected from the value of sin or cos of the other signal.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003035569A (en) * 2001-07-25 2003-02-07 Fuji Electric Co Ltd Optical encoder
JP2016008903A (en) * 2014-06-25 2016-01-18 日本電波株式会社 Digital scale display control device
JP2020079805A (en) * 2020-02-26 2020-05-28 株式会社東京精密 Distance measurement device and distance measurement method

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