JPH0331703A - 定位置検出装置 - 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） 本発明は定位置検出装置に関し、特に光の干渉性や偏光
特性を利用して例えば特定の位置を被検移動物体が通過
したか否かを検出し２、通過したときは定位置検知信号
を発生するようにしたものである。

（従来の技術） 従来よりＮＣ工作機槻、芥種ロボットそして半導体製造
装置においては、物体の高精度な位置決め検出がｉｉＪ
能な定位置検出装置が要求されている。この定位置検出
装置としては例えば光や磁気等を用いて物体位置の自動
読み取りを行った装置かある。

このうちミクロンとかナノメータ程度の精度が要求され
る場合には光の干渉を利用したレーザ干渉計や回折光の
干渉を利用したエンコーダ等により変位！１１を求める
ようにした装置が用いられている。

般に物体の変位量を積算して該物体の絶対位置を求める
測定においては原点位置く定位置）を精度良く求める必
要がある。従来より移動物体に関する原点位置を検出す
るようにした定位置検出装置は神々と提案されている。

第６図〜第９図は各々従来の定位置検出装置の要部概略
図である。第６図（Ａ）は物体６４に設けた微小な反射
パターン６３の通過トラックに光源６１からの光束をハ
ーフミラ−６２を介して集光し、反射パターン６３によ
る反射光の有無、即ち第６図（Ｂ）に示すような規定レ
ベルｖｃ以−１−７の反射光の有無を検出手段６５で検
出することにより定（ｉ７置検知信号を発生させている
。

第７図（Ａ）は物体６４に設けた微小な反射パターン６
３の通過トラックに光源６１からの光束をハーフミラ−
６２を介し・て集光し、反射光の発生夕、イミングをＵ
いにずらした２種類の反射光イ、１号を２つの受光手段
７１．７２により得て第７図（Ｂ）に示すように双方の
受光手段で得られる反射光４ｔの一致、即ち検出量Ｚの
具合を検出【、・て定位置検知信号を得ている。

第８図（Ａ）は２枚のランダム格子列板８１゜８２の重
なり具合により光源６１からの光束の逮過光叶の急峻な
変化を検出手段６５で検出し、即ち第８図（Ｂ＞に示す
ように規定レベルＶＣ以１−の透過光６１０）−Ｉｊ−
無を検出することにより定位置検知イ、ζ号を得ている
。

（発明が解決しようとする問題点） 第６図（Ａ）に示す装置において物体の定位置に関して
精度の良い再現性定位置信号を得るには急峻な波形が必
要となり、その為には反射バター〕、・及び集光ビーム
径を数ミクロンからナノメータの範囲内に設定し・なけ
ればならない。

般にレーザ光を集光レンズで集光しても集光ビーム径は
１μｍ程度が限度である。又１μｍ以ドの光束が得られ
たと１ノでも極度に焦点深度の浅い光学系となる為に反
射パターンと集光レンズとの間隔が常に焦点深度以内に
入るように構成しなければならず、このような構成は難
しく、複雑な機械機構やサーボ装置を必要とする等の問
題点がある。

第７図（Ａ＞に小す装置は反射光の発生タイミングをず
らし２つの信号レベルの一致を利用しており、急峻な波
長は第６図（Ａ）の装置程必要としないが、例えばナノ
メータの精度で物体位置の再現性を図るには反射パター
ン及び集光ビーム径をミクロン以下とする必要があり、
第６図（Ａ）の装置と同様な問題点がある、。

第８図（Ａ）に示す装置はてセ、峻など−り波形を／ｊ
ｌる為に微細なランダムピッチ格子板を極めて近接させ
て配置し・、かつ間隔を安定的に保−）機構を必要とし
・機構ト大変困難であるという問題点かある。

本発明は相対移動物体の移動に伴う王渉光の光路長の変
化を利用することにより、相対移動物体の特定の位置を
部活にしかも安定的に高精度に検出し、定位置検知信号
を発〈１−させることのできる定位置検出装置の提供を
目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明の定（☆置検出装置は、可干渉性か弱い光束を光
分割器で２つの光束に分割し、そのうち方の光束を相対
移動物体に設けた反射体ＲＶに、他方の光束を固定物体
又は該相対移動物体に設けた該反射体ＲＶと異なる反射
体ＲＣに各々入射させ、これらの反射体ＲＶ、ＲＣから
の２つの反射光束を該光分割器で重ね合わせて受光素子
に入射させ、該受光素子から得られる信号レベルを判別
手段により予め設定した規定レベルと比較し、該判別手
段からの判別結果に基づいて信号発生回路より定位置検
知信号を発生させたことを特徴としている。

この他、本発明において偏光特性を利用する場合には、
可干渉性が弱い光束を所定の偏光特性を有する光束とし
、第１光分割器で２つの光束に分割し、そのうち一方の
光束を相対移動物体に設けた反射体ＲＶに、他方の光束
を固定物体又は該相対移動物体に設けた該反射体ＲＶと
異なる反射体ＲＣに各々入射させ、これらの反射体ＲＶ
、ＲＣからの２つの反射光束を互いに偏光面が直交する
直線偏光にして該第１光分割器で重ね合わせた後、位相
板を通過させ、該２つの反射光束の光路長差に応じて偏
光面が回転する略直線偏光に変換した後、第２光分割器
で２つの光束に分割し、該２つの光束を互いに偏光方位
角が異なる偏光素子を通過させ、各々対応する受光素子
に入射させ、該２つの受光素子より得られた２つの信号
レベルが合致しているか否か及び２つの信号レベルのう
ち少なくとも１つの信号レベルが予め設定した規定レベ
ルに達成しているか否かを判別手段で判別し、該判別手
段による判別結果に基づいて信号発生回路より定位置検
知信号を発生させるようにしている。

（実施例） 第１図（Ａ）は本発明の第１実施例の要部概略図である
。同図において発光ダイオード等の光源１より放射され
た弱い干渉性の光束をコリメーターレンズ１ａで略平行
光として光分割器２に入射させて２つの光束に分割して
いる。このうち−方の光束を光路り。を通過させて固定
物体４ａに設けた反射体４に入射させ、他方の光束を光
路Ｌ１を通過させて相対移動物体８に設けた反射体３に
入射させている。そして各々の反射体３．４で反射した
２つの反射光束を光分割器２で重ね合わせて、２つの光
路り。、Ｌｌの光路長差に基づいて光変調させ、干渉光
を形成して受光素子５に入射させている。

そして受光手段５からの出力信号Ｓと判別手段を構成す
る比較器６により予め設定した規定レベル（判定レベル
）Ｚと比較し、規定レベル２を越えているか又は一致し
ているか否かの判別を行っている。そして出力信号Ｓが
規定レベルＺを越えているか又は一致していると判別し
たときは物体８が定位置に達したとみなし、信号発生回
路７より定位置検知信号ｓｐを発生させている。

次に本実施例における判別手段による判別方法に詳細に
ついて説明する。

本実施例に係る光源１から放射される弱い干渉性の光束
とはその放射スペクトルが例えば第１図（Ｂ）に示すよ
うにＧａＰ系の可視発光ダイオードのように発振中心波
長（例えばλ。＝７００ｎｍ）λ。に対し広い波長帯＠
（例えばΔλ＝１００ｎｍ）Δλを有しており、このと
きの２つの光路り。。

Ｌ、の光路長差Ｘが零付近でのみ干渉信号が得られるよ
うな光束をいう。

第１図（Ｃ）はこのときの２つの光路り。

Ｌｌの光路長差Ｘが零付近でのみ干渉を起こす場合の説
明図である。同図に示すように光路長差Ｘが光源の放射
スペクトルの中心波長λ。の整数倍の位置でピークを生
じ、光路長差Ｘが大きくなる程、ピークが小さくなる。

本発明はこのような光学的性質を利用し、例えば第１図
（Ｄ）に示すように干渉光の第１のピーク値Ｐ１と第２
のピーク値Ｐ２を判別手段で判別し、第１のピーク値Ｐ
１のみを判別手段で検知するように判定レベル（規定レ
ベル）値Ｚを値Ｐ１と２２との間に設定している。

そして受光素子５から発生した信号レベルが判定レベル
（規定レベル）Ｚを越えた場合又は一致した場合に物体
８が定位置に達したとみなして信号発生回路７より定位
置信号ｓｐを発生させている。尚、本実施例において判
定レベルＺと一致する位置は第１図（Ｄ）に示す如く２
カ所あるからそのうちの一方だけを用いるようにしてい
る。

本実施例において第１図（Ａ）の受光素子５からの出力
信号を比較器５を通し、判定レベルＺを越えている間だ
け信号発生回路７よりＨｉレベルの信号ＳＰを出力して
いる。

このときの出力信号ＳＰである矩形パルス信号のＵ　）
ｘかり又は立下りのみを検出して、これより特定の方向
に移動する物体に対し定位置（原点位置）を高精度に検
知している。

尚、このとき矩形パルス信号の立上がり又は立Ｆりのみ
を取り出す回路を付加して定位置検知信号を発生させる
ようにしても良い。

又、本実Ｒ’６例において光源としては中心波長λ＝５
５０〜８００ｎｍで半値波長幅Δλ＝８０〜１５０ｎｍ
の光束を用いるのか検出積度を高めるのに好ましい。

第２図は本発明の第２実施例の要部概略図である。同図
において発光ダイオード等の光源１より放射された剥い
干渉性の光束をコリメーターレンズ１ａで略平行光とし
て４５°方位の偏光素子１０を介して４５°方位の直線
偏光にしてから偏光ど−ムスプリツタ１１に入射させて
、互いに直交する２つの直線偏光ｐ、、ｓ、に分割して
いる。このうち偏光ビームスプリッタ１１を通過した光
束Ｐ１を１／４波長板１３を介し円偏光とし光路り。を
通過させて固定物体４ａに設けた反射体４に入射させて
いる。

そして反射体４で反射した光束を再び１／４波長板１３
を通過させて最初とは直交する直線偏光Ｓ２にして偏光
ビームスプリッタ１１で反射させて１／４波長板１４に
導光している。

又、偏光ビームスプリッタ１１で反射した光束Ｓ、を１
／４波長板１２を介して円偏光とし、光路Ｌ１を通過さ
せて相対移動物体８に設けた反射体３に入射させている
。そし反射体３で反射した光束を再び１／４波長板１２
を通過させて最初とは直交する直線偏光Ｐ２にして偏光
ビームスプリッタ１１を通過させて１／４波長板１４に
導光している。

以上の２光束ｐ２．ｓ２は互いに偏光方位が直交した直
線偏光で光路り、の光路長が相対移動物体８の移動に伴
って変化し、この結果相互の位相か連続的にずれる。光
路り。とり、の光路長が完全に一致すると両光束Ｐ２．
Ｓ２の位相も一致し、１／４波長板１４を通過した光束
は第２図（Ｃ）、（（）のように４５°方位の直線偏光
となるので非偏光ビームスプリッタ１５を通過又は反射
した光束に対し４５°方位の偏光素子（偏光板等）を通
過させると２光束間の位相差φ１−φ２かπの偶数倍毎
にピークをもつモ渉信−号（周期信号）か受光素子より
得られる。

ｋ実施例においては第２図（Ｃ）で示すように２光束の
位相差φ１−φ２に応じて合成される直線偏光波の向き
が変わるので偏光素子１０の向きを調整すれば「渉信号
のピークがあられれるタイミングをずらすことが可能で
ある。

今、光路Ｌ１の光路長が次第に長くなって位相φ２か第
２図（Ｃ）で示すようにずれていくと合成される直線偏
光波は左回りに回転する。そこで第１図（Ｄ）のように
非偏光ビームスプリッタ１５で２分した光束の一方に偏
光板１６をその偏光り位か２２５°となるように配置し
、もう方に偏光板１７をその偏光方位が６７．５°とな
るように配置する。そうすると偏光板１６を通過して生
じた干渉信号のピークは偏光板１７を通過して生じた干
渉信号のピークより１／４周期たけ位相のずれた２種類
の一ト渉信号が得られる。これらの干渉信号のピークは
第２図（Ｂ）に示すように光路長差か長くなる程低くな
る。

そこで本実施例では受光素子５ｂの干渉信号が受光素子
５ａの干渉信号よりｄれて生じ、両者の信号レベルが一
致した所は２光束の位相のずれが＃（又はπの偶数倍）
あるいは波長え。／２の整数倍になるから、２光束の位
相のずれが零になる交点のみを検出して、このとき信号
発生回路７とＡＮＤ回路９を用いて定位置検知信号を発
生させている。

その為、本実施例では第２図（Ｂ）に示すように第１の
ピークの交点の信号値Ｚと第２のピークの交点の信号値
Ｚ′が判別できるように信号値ＺとＺ′の間に判定レベ
ルｖｃを設け、２つの信号レベルの一致と慈イ３号しベ
ルか信号値ｖｃ以上であることを満たしている場合のみ
ＡＮＤ回路９を用いて定位置検知信号を発生させるよう
にしている。尚、本実施例では受光素子５ａ、５ｂはコ
ンパレータ６ａ、６ｂを通すと交点毎に反転するので受
光素子５ａ、５ｂの和信号が信号値２ｖｃ以上で反転信
号が発生した瞬間にパルスを発生させる回路装置を付加
して、これにより定位置検出信号を発生させている。

本実施例においては定位置検知信号は厳密に一カ所であ
り、原理的に相対移動物体の移動方向にもよらないので
非常に高精度な定位置検知信号を発生させることができ
る。

第２　（Ｅ）　、　（Ｆ）　、　（Ｇ）は本実施例にお
いて偏光素子１６．１７の偏光方位を変えたときの受光
素子５ａ、５ｂから得られる干渉信号の説明図である。

２つの偏光素子１６．１７の中間の偏光方位を４５’か
ら１３５０に変えると同図（Ｂ）のように全体の干渉信
号が反転し、ど−りが底になってくる。そこで判定レベ
ルを信号値２′にし、信号値Ｚ′を下回ったという条件
を与えてこのときの交点の信号値Ｚを検出している。

一般に２つの偏光素子１６．１７の中間の偏光方位を変
えると４５°、１３５０以外では同図（Ｇ）のように交
点の位置が光路長差がλ。の整数倍の位置から外れてく
る。その場合、信号値ＺとＺ′が接近するので十分に信
号値ＺとＺ′が判別できる範囲にする必要がある。

又、２つの偏光素子１６．１７の間に角度差を４５°よ
り小さくすると同図（Ｆ）に示すように２つの干渉信号
の波形が接近してくる。逆に４５°より大きくすると２
つの干渉信号の波形が離れ交点の信号値Ｚの位置が０．
５に近くなり、信号値Ｚ′との判別が困難になってくる
。

本実施例においては、いずれの場合にも偏光素子１６．
１７の偏光方位の配置は第１の交点の信号値２と第２の
交点の信号値Ｚ′が分層して判別できるような相互の偏
光角度差及び偏光方位を決めれば本発明の目的を達成す
ることができる。

第３．第４．第５図は各々本発明の第３゜第４．第５実
施例の一部分の要部概略図である。

７Ｊ３図に示す第３実施例では第１図、又は第２図の実
施例において固定物体４ａに設けた反射体４を相対移動
物体８の一部に設置し、光路り。。

Ｌ、の互いの光路長が移動物体の移動に伴って逆向きに
変化するように構成している。

第１．第２図の実施例の構成に比べて単位移動当りの光
路長差の変化量、即ち敏感度が２倍になり定位置検出積
度が２倍になるという特長がある。この他の構成につい
ては第１又は第２実施例と同様である。

第４図に示す第４実施例は第３図の実施例において反射
面３，４を相対移動物体８の移動方向に対して角度θ傾
けている。これにより装置全体の小型化を図っている。

本実施例において角度θを例えば４５’としたときは同
図（Ａ）　、　（Ｂ）に示すように双方の反射体３．４
が移動物体８上に設置されている場合は第１．第２実施
例に比べて各々敏感度が１／Ｆ７になるから全体として
２／ｇ＝１’Ｘ倍となるという特長がある。

第５図に示す第５実施例は第４図（Ａ）の第４実施例に
おいて反射体３，４として凸レンズとミラーを組合わせ
入射光路と射出光路の方向か全く等しくなる、所謂「キ
ャッツアイ」と呼ばれる構成を利用したものであり、同
図（Ａ）はレンズ５１．５２の焦点位置に各々ミラー５
３．５４を配置したもの、同図（Ｂ）は端面結像タイプ
の屈折率分布型レンズ５５．５６の底面に反射膜５７．
５８を蒸着した光学素子を反射体として配置している。

これらの光学系を用いると反射体３．４間の反射方位の
ずれに起因するチルトによる縞が発生しないので受光素
子５ａ、５ｂにて検出される干渉光の明暗信号の振幅が
良い状態に保てる。

又、光路長が長く光路長差が零に近い場合でも受光素子
５ａ、５ｂからビームが外れるおそれも少なく、２光束
の干渉か容易に安定に行なえるという特長がある。

尚、本実施例の光学弟子は他の実施例の反射体として使
用することができる。

（発明の効果） 本発明によれば町ト渉性か弱い光束を有する光束を放射
する発光ダイオード等を光源にして所謂マイケルソン干
渉計を構成し、移動物体の移動に伴って２光束の光路長
差が変化するように配置し、ｆ゛渉イミ号強度か適当な
規定レベル（判別レベル）を越えたこと、又はそれに加
え互いに位相のすれた２種の干渉信号を発生させ、両者
のレベルか一致したことを定位置（原点、零点）と定義
して定位置検知信号を発生させるように構成することに
よって、従来の定位置検出装置に比へて簡単で安定的に
、即ち位置関係が多少ずれても定位置検知信号を発生さ
せることができ、高鯖度に定位置検出か出来、被検物体
に対しては反射体を取り付けるという簡単な作業で済み
、ミクロンオーターの微細なパターンを形成したり、２
つの蹟密格ｆ−を準備し正確に取付ける等の煩わしさが
ほとんどない定位置検出装置を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は本発明の第１実施例の要部概略図である
。第１図（Ｂ）は第１図の光源の放射スペクトルの説明
図、第１図（Ｉｌｌ）　、　（Ｄ）は干渉信号の説明図
、第２図（Ａ）は本発明の第２実ＭＳ例の要部概略図、
第２図（Ｂ）は同図（Ａ）の２つの干渉信号の説明図、
第２図（Ｃ）は同図（Ａ、）における所定方向に偏光し
た直線偏光を合成する説明図、第２図（Ｄ）は同図（Ａ
）において２つの干渉光を発生させる説明図、第２図（
Ｅ）　、　（Ｆ）　、　（Ｇ）は２つの干渉光の説明図
、第３．第４．第５図は各々本発明の第３．第４．第５
実施例の一部分の要部概略図、第６．第７．第８図は各
々従来の定位置検出装置の説明図である。 図中、１は光源、１ａはコリメーターレンズ、２．１５
は光分割器、３，４は各々反射体、４ａは固定物体、５
．５ｂ、５ｂは受光素子、８は相対移動物体、６，６ａ
、６ｂ、６ｃは比較器、７は信号発生回路、９はＡＮＤ
回路、１０．１６１７は偏光素子、１１は１−光ど−ム
スプリッタ、　２ １３．１４は１／４波長板である。 第 図（Ｃ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）可干渉性が弱い光束を光分割器で２つの光束に分
   割し、そのうち一方の光束を相対移動物体に設けた反射
   体ＲＶに、他方の光束を固定物体又は該相対移動物体に
   設けた該反射体ＲＶと異なる反射体ＲＣに各々入射させ
   、これらの反射体ＲＶ、ＲＣからの２つの反射光束を該
   光分割器で重ね合わせて受光素子に入射させ、該受光素
   子から得られる信号レベルを判別手段により予め設定し
   た規定レベルと比較し、該判別手段からの判別結果に基
   づいて信号発生回路より定位置検知信号を発生させたこ
   とを特徴とする定位置検出装置。
2. （２）可干渉性が弱い光束を所定の偏光特性を有する光
   束とし、第１光分割器で２つの光束に分割し、そのうち
   一方の光束を相対移動物体に設けた反射体ＲＶに、他方
   の光束を固定物体又は該相対移動物体に設けた該反射体
   ＲＶと異なる反射体ＲＣに各々入射させ、これらの反射
   体ＲＶ、ＲＣからの２つの反射光束を互いに偏光面が直
   交する直線偏光にして該第１光分割器で重ね合わせた後
   、位相板を通過させ、該２つの反射光束の光路長差に応
   じて偏光面が回転する略直線偏光に変換した後、第２光
   分割器で２つの光束に分割し、該２つの光束を互いに偏
   光方位角が異なる偏光素子を通過させ、各々対応する受
   光素子に入射させ、該２つの受光素子より得られた２つ
   の信号レベルが合致しているか否か及び２つの信号レベ
   ルのうち少なくとも１つの信号レベルが予め設定した規
   定レベルに達成しているか否かを判別手段で判別し、該
   判別手段による判別結果に基づいて信号発生回路より定
   位置検知信号を発生させたことを特徴とする定位置検出
   装置。