JPH0212017A - 平均化回折モアレ位置検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

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

（従来の技術） ２枚１組の回折格子を重ね合わせて得られるモアレ縞は
横方向の相対変化にＩ′７Ｉｌ感であり、微妙なステッ
プでの変位の計数測定ができるため、測長法として広く
利用されて来た。

２つの回折格子（以下、それぞれを’４ｘ格子。

第２格子と呼ぶ）は機械の相対的に変位する２つの部分
に取付けられて用いられるので、常に適当な間隙を保つ
必要がある。一方、測長の分解能を上げるために上記各
回折格子の格子ピッチを小さくシ゛〔いくと、光の回折
効果の影響が大きくなる。従って、第２格子上の第１格
子の影は回折効果で薄くなり、直托の（アレ縞を高い可
視度で得ることはできなくなる。そこで、フーリエイメ
ージ（Ｆｏｕｒｉｅｒ　Ｉｍａｇｅ）を利用した回折モ
アレが用いられるようになった。すなわち、第１格子を
位相の揃った平行光束で照射した場合、光の回折効果に
よりその後方に、格子のピッチＰの２乗の２倍を波長え
で除した距離の整数倍の位置に格子と同しピッチを持っ
た光の明暗分布（手堅数倍の位置には明暗の反転した光
分布ができる）ができ、この再生された光の明暗分布を
フーリエイメージと言う。そして、このフーリエイメー
ジが形成される位置に第２格子を置けば、第２格子から
の回折光は２つの格子の横方向の相対変位に対して、周
期Ｐの明瞭なコントラストを持つようになり、これが回
折モアレと呼ばれるものである。この原理を利用して、
半導体製造などの微細加工におけるマスク合わせのよう
な比較的測長距諌の短い用途への利用が研究されている
（たとえばＪ、　ＶＡＣ，ＳＣ１，ＴＥＣＩＩＮＯＬ、
　１５（１９７８）（７）　９８４ページ同ＴＥＣＩＩ
ＮＯＬ　８１　（１９８３）の１２７δページ）。

方、測長距離を長くし、かつ格子ピッチＰを小さくして
測長精度を高くしようとすると、フーリエイメージので
きる距離２Ｐ２７λは格子ピッチＰの２乗に比例して急
激に短くなるため、長い距離にわたって２枚の回折格子
をフーリエイメージのできる間隙に精度良く保持するこ
とが困難となる。そして、格子の間隙がフーリエイメー
ジのできる位置からずれると、回折光の強度が大きく変
化し”Ｃ位置決めか不可能となる。たとえば格子ピッチ
Ｐを１μｍとし、０．６３３μｍの波長λを用いたとす
ると、格子の間隙Ｑは、回折格子の間隙Ｇと光の波長λ
との積を回折格子のピッチＰの２乗で除して得られるフ
レネル数（λ・Ｇ）／Ｐ”　−２を与える　１．６μｌ
に対して、十分に小さい変動の中に収められなければな
らない。そのため、回折モアレは一般の工作機械等Ｃお
ける高精度な測長法として利用できなかった。

このような事情に刻し、第１格子及び第２格子の間隙変
化に影！されず、かつ横方向変位に敏１毛な回折モアレ
イ３号を得て、高精度な位置検出を行なうことができる
位置検出器が木出顯人によって開示され“〔いる（特開
昭６１−１７０１６号公報参照）。

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

第４図〜第６図は、それぞれ上述した平均化回折モアレ
位置検出器の一例を示す斜視図であり、０次回折光を使
用した場合について以下説明する。

第４図において、先ず第１格子１をレーザ光１．８によ
り照射すると共に、第１格子１の後方に置かれた第２格
子２上に階段状の段差を持つ透明な板３を取付けている
。段差を持つ透明な板３は、光学的に間隙Ｇの範囲がＧ
ｏからＧ０＋　２Ｐ２／λになるように、高屈折率材料
に階段を付けたものであり、この段差を持つ透明な板３
によりレーザ光ＬＢの各部分に光路差を与えるようにな
っている。

第４図における段差を持つ透明な板３は、光学的な距離
２Ｐ２／λの範囲を５分割しているので、５段の階段状
の構造になっている。第２格了２の後方に一次元状に配
列されたｌ／レンズ群は、第２格子２において５分割さ
れた光学的距離の異なるｉｉＱ域を通ってきた光束をそ
れぞれ集光させる。レンズ群４で集光された光をそれぞ
れフォトダイ第１へ群５により別々に検出す・る。その
後、演算増幅器等で構成された加算器７によりフｔ［−
ダイオード群５の信号を加算して変位信号を得る。

第５図において、第１格子１と第２格子２とを平行に置
き、第２格子２にランダム光路差板９を取付ける。この
ランダム光路差板９は、レーザ光ＬＢの各部分の光路差
が２Ｐ２／λの範囲でランダムになるように凹凸を付け
られた透明板で成る。レンズ群４によりレーザ光１Ｂの
各部分は別々に拡散板１０に集光され、レンズ群４の焦
点は重ならずに拡１１に板ｌＯ上に一列に並ぶように構
成するゆレーザ光ｉ４が集光された各部分の光束は、拡
散板ｌＯによりインコヒーレン１〜な光となる。拡散板
１０により拡散された光は凸レンズ１１を通り、フォト
ダイオード等の光センサ１２により検出される。拡散板
１０を用いているため、異なる間隙光路長を通ってきた
光束は相互に干渉せずに平均化される。

第６図において、第１格子をレーザー光Ｌ８に対して垂
直に置き、第２格子２を第１格子に対して傾斜させて配
置する。そ１．７て、各回折格子１及び２の間隙が、各
回折格子１及び２の有効対向面積において、２ｐ２／λ
の範囲を含むように調節する。

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

また、第７図は２次回折光を使用した平均化回折モアレ
位置検出器の一例を第６図に対応させて示す斜視図であ
り、各回折格子１及び２の間隙がｐ２／４λの整数倍を
含むように調整する。２次回折光の場合、０次回折光と
は異なり、ｐ２／４λの整数倍の位置に同じ明暗分布が
生じるため、０次回折光で平均化する間隙光路長２ｐ２
／λのｔ７’ａの間隙光路長を平均化すれば良い。なお
、Ｏ次回折光と同じ２ｐ２／λの範囲を含むように調整
されていてもｐ２／４λの整数倍に相当するため、２次
回折光を使用した平均化間隙光路長の条件は満足する。

このように、類似した光学系で２次回折光（他の次数の
回折光でも良い）を用いても、０次回折光と同様に第１
格子及び第２格子の間隙変化に影響されずに高精度な位
置検出を行なうことができる。

（発明が解決しようとする課題） 上述した各平均化回折モアレ位置検出器によれば、第１
格子及び第２格子の間隙変化に影響されず、第８図に示
すように光量Ｉが各回折格子の相対変位Ｘに従って変化
し、その周期が回折格子のピッチＰの２分の１である変
位信号を得ることができる。そして、この変位信号は次
式（１）で近似できる。

Ｉ　（ｘ）−八−ｃｏｓ　　（２ｙｒ・２ｘ　　／　　
Ｐ）＋８　　−−−−−・（１）ただし、Ａ：振幅 Ｂ：オフセット成分 しかし゛ながら、実装組立時や稼動時に平均化すべき間
隙光路長と、実際に平均化する間陳尤路長ヒの間に誤差
が発生したり、その他の設置条件に誤差があると、得ら
打る変位信号に回折格子のピッチＰを周期とする誤差成
分や奇数次の誤差成分が含まれる場合がある。そし”Ｃ
１このような誤差成分が変位信号に含まれると、Ｐ／２
周期での変位信号の反復性が失われ゛Ｃ精密な位置検出
を行なうことができなくなるという問題があった。

本発明は上述のような事情から成されたものであり、本
発明の目的は、各回折格子の間隙変化にｆＰ、雪されず
、かつ横方向変位に＠感な回折モアレ信号を得ることか
できると共に、実装組立時や稼動時に発生する誤差によ
る影響を軽減して高精度の位置検出を行なうことができ
る平均化回折モアレ位置検出器を１是供することにある
。

（課題を解決するための手段） 本発明は、第１の回折格子と、この第１の回折格子に対
してその横方向に変位する第２の回折格子と、前記２つ
の回折格子の間に設けられた前記２つの回折格子の有効
対向面積の各部分について、前記２つの回折格子の間の
間隙光路長をフレネル数２又は２の整数倍に相当する光
路長の範囲にわたって変化させる手段と、前記２つの回
折格子の有効面積の部分にわたっての回折モアレ信号の
平均値に相当する信号を得る手段とを具え、６Ｎ記平均
値に現われる前記回折格子のピッチの２分の１を周期と
する信号変化を用いて、前記回折格子の横方向の相対変
位を高い精度で検出し得る平均化回折モアレ位置検出器
に関するものであり、本発明の上記目的は、前記回折干
アレ信号の平均値に相当する信号を得る手段を、前記２
つの回折格子を透過して複数の次数に回折された光のう
ち同次数の正負の回折光のそれぞれの光量若しくはそれ
ぞれの光量に比例した電気信号を加算する加算手段で構
成することによって達成され、さらに詳しくは、前記加
算手段が前記同次数の正負の回折光を一緒に光電変換し
、若しくは前記同次数の正負の回折光を個別に光電変換
した後で電気的に加算するようになっている。

（作用） 本発明の平均化回折モアレ位置検出器は、同次数の正負
の回折光に含まれるそれぞれの誤差成分の位相がずれて
いることを利用したものであり、各回折光の光量を加算
することで各誤差成分を互いに打消し合せ、良好な変位
信号を出力する。

（実施例） 第１図は、本発明の平均化回折モアレ位置検出器の一例
を示す斜視図であり、２次回折光を使用した場合につい
て以下説明する。

第１図において、第１格子２１をレーザー光ＬＢに対し
て垂直に起き、第２格子２２を第１格子２１に対して傾
斜させて配置する。各回折格子２１及び２２を透過して
複数の次数に回折された光を第２格子２２の後方に配置
されたシリンドリカルレンズ２３で収束する（ただし、
第１図では±２次回折光重ｔ２のみ図示）。収束した２
次回折光りやよ及びｔ、−２を光電変換素子２４八及び
２４Ｂでそれぞれ検出して光量に比例した電気信号に変
換し、変換された各電気信号Ｉ。２及びＬ２を加算器２
５で加算して変位信号を得る。

このような構成において、例えば、回折格子のピッチＰ
を周期とする誤差成分が＋２次回折光し、２に含まれて
いる場合、＋２２次回折光Ｌ４２光１の変化、即ち変位
信号■や。（ｘ）は第２図（Ａ）に示すような波形とな
る。なお、この波形は次式（２）で近似される。

！＋ｚ（ｘ）−ａｃｏｓ（２ｙｔｘ／Ｐ）＋Ａｃｏｓ（
２π・２ｘ／Ｉ’）＋８・・・・・・・・・（２） ただし、ａはＰを周期とする誤差成分の振幅一方、−２
次回折光Ｌ−２の光量の変化にも回折格子のピッチＰを
周期とする誤差成分が含まれており、その誤差成分の位
相は＋２次回折光１．＋２の誤差成分の位相とＰ／２だ
けずれている。従って、−２次回折１．−２の光量の変
化、即ち変位信号［２（Ｘ）は第２図（Ｂ）に示すよう
な波形となる。なお、この波形は次式（３）で近似され
る。

１２（ｘ）−ａｃｏｓ（２π（ｘ／Ｐ−１７２）ｌ＋Ａ
ｃｏｓ（２ｒｔ　・２ｘ／Ｐ）＋８−−ａｃｏｓ（２ｍ
ｘ／Ｐ）＋Ａｃｏｓ（２ａ　　・２Ｘ／Ｐ）＋８・・・
・・・・・・（３） 従って、＋２次回折光１４，２の光量の変化に比例した
電気信号（変位信号）■や、（×）と−２次回折光Ｌ−
２の光量の変化に比例した電気信号（変位信号）［２（
Ｘ）とを加算することにより、回折格子のピッチＰを周
期とする誤差成分は相殺されてＰ／２を周期とする正確
な変位信号（第２図（Ｃ））を得ることができる。

第３図は、本発明の平均化回折モアレ位置検出器の別の
一例を第１図に対応させて示す斜視図であり、同一構成
箇所は同符号を付して説明を省略する。このように、シ
リンドリカルレンズ２３で収束した各次数の回折光のう
ちＯ次回折光及び±１次回折光を遮へい板２６で遮へい
し、±２次回折光Ｌ１２のみを遮へい板２６の後方に配
置された１つの光電変換素子２４Ｇで検出して同時にま
とめて電気１５号に変換すれば、２つの電気信号を加算
したことと同一になり、前述した実施例と同様の効果を
得ることができる。

なお、上述した各実施例では±２次回折光を用いたが、
それ以外の同次数の正負の回折光を利用する、二とも可
能である。

（発明の効果） 以上のように本発明の平均化回折モアレ位置検出によれ
ば、正負のどちらか一方の回折光の光量で位置検出する
検出器に比べ、倍の光量で位置検出することができると
同時に誤差成分が打ち消し合うので高精度の位置検出を
行なうことができ、例えば工作機械において精密の高い
加工を容易に行ない、生産効率を向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の平均化回折モアレ位置検出器の一例を
示す斜視図、第２図（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ本発明に
よる出力波形を示す特性図、第３図は本発明の平均化回
折モアレ位置検出器の別の一例を示す斜視図、第４図〜
第７図はそれぞれ従来の平均化回折モアレ位置検出器の
一例を示す斜視図、第８図は従来例による出力波形を示
す特性図である。 １．２１・・・第１の回折格子、２．２２・・・第２の
回折格子、３・・・段差を持つ透明板、４・・・レンズ
群、５・・・フォトダイオード群、７・・・加算器、９
・・・ランダム光路差板、ｌＯ・・・拡散板、１１・・
・凸レンズ、１２・・・光センサ、１３．２４Ａ、２４
Ｂ、２４Ｃ・・・光電変換素子、２３・・・シリンドリ
カルレンズ、２５・・・加算器、２６・・・遮へい板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第１の回折格子と、この第１の回折格子に対してそ
   の横方向に変位する第２の回折格子と、前記２つの回折
   格子の間に設けられた前記２つの回折格子の有効対向面
   積の各部分について、前記２つの回折格子の間の間隙光
   路長をフレネル数２又は２の整数倍に相当する光路長の
   範囲にわたって変化させる手段と、前記２つの回折格子
   の有効面積の部分にわたっての回折モアレ信号の平均値
   に相当する信号を得る手段とを具え、前記平均値に現わ
   れる前記回折格子のピッチの２分の１を周期とする信号
   変化を用いて、前記回折格子の横方向の相対変位を高い
   精度で検出し得る平均化回折モアレ位置検出器において
   、前記回折モアレ信号の平均値に相当する信号を得る手
   段が、前記２つの回折格子を透過して複数の次数に回折
   された光のうち同次数の正負の回折光のそれぞれの光量
   若しくはそれぞれの光量に比例した電気信号を加算する
   加算手段で成っていることを特徴とする平均化回折モア
   レ位置検出器。 ２、前記加算手段が前記同次数の正負の回折光を一緒に
   光電変換するようになっている請求項１に記載の平均化
   回折モアレ位置検出器。 ３、前記加算手段が前記同次数の正負の回折光を個別に
   光電変換した後で電気的に加算するようになっている請
   求項１に記載の平均化回折モアレ位置検出器。