JPH08185238A

JPH08185238A - 位置決め装置

Info

Publication number: JPH08185238A
Application number: JP6325801A
Authority: JP
Inventors: Soji Ichikawa; 宗次市川
Original assignee: Sigma Tech Co Ltd
Current assignee: Sigma Tech Co Ltd
Priority date: 1994-12-27
Filing date: 1994-12-27
Publication date: 1996-07-16
Anticipated expiration: 2021-08-16
Also published as: JP3808516B2

Abstract

(57)【要約】【目的】小型軽量，低コストかつ取扱いが簡単で、高分
解能で高精度な位置決めを行える位置決め装置を提供す
る。【構成】可動テーブル３０の下方側に収容空間３１を形
成するとともにこの収容空間３１内にメインスケール５
１を基線Ｑに沿って取付け、かつ静止テーブル１０の上
方側に設けられた上部空間１１内にインデックススケー
ル５３を該メインスケール５１と対応させて取付けかつ
下方側に設けられた下部空間１３内に検出回路６０の一
部または全部を取付けた。さらに、位置決め駆動手段４
０の一部を形成する圧電効果素子４６を該収容空間３１
内で基線Ｑに沿ってかつ該メインスケール５１と直列配
設するとともに、その基端部４６Ａを静止テーブル１０
に直接または間接的に固定しかつその他端部４６Ｂを可
動テーブル３０に直接または間接的に固定した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、基線方向へ相対移動可
能として静止テーブルに装着された可動テーブルを、位
置決め駆動手段を用いて基線方向に移動変位させかつメ
インスケール，インデックススケールおよび検出回路を
含む検出ユニットを利用して所望位置への位置決め終了
を確認可能に構成された位置決め装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】あらゆる産業分野で、位置決め対象物を
所望位置に位置決めする位置決め装置が広く利用されて
いる。従来位置決め装置の代表的構造を図８に示す。

【０００３】同図において、可動テーブル３０は、基線
（Ｑ）方向へ相対移動可能として、静止テーブル１０に
装着されている。可動テーブル３０自体あるいはこの可
動テーブル３０に取付けられて移動される例えば被加工
物，通信用光ファイバー等々が位置決め対象物となる。

【０００４】可動テーブル３０への移動推進力は、マイ
クロメータヘッド，サーボモータ機構等からなる位置決
め駆動手段（図示省略）によって付与される。また、所
望位置への位置決めが終了したか否かは、検出ユニット
５０によって検出されかつ表示等により確認される。

【０００５】この検出ユニット５０は、メインスケール
５１とインデックススケール５３と検出回路とから構成
されている。また、メインスケール５１は可動テーブル
３０側に取付けられるとともに、インデックススケール
５３等と検出回路とは静止テーブル１０側に取付けられ
るのが、一般的である。ケーブル処理等の便宜のためで
ある。図８に示したメインスケール５１は、２種類の光
学格子の一方すなわち反射型のメイン格子５１Ｍを有
し、ケース１に格納されかつそのブラケット１Ｆを介し
て可動テーブル３０に取付けられる。

【０００６】インデックススケール５３は、４つのイン
デックス格子５４Ａ，５４ＲＡ、５４Ｂ，５４ＲＢを有
し、発光部（発光素子５７ＲＰ，レンズ５６Ｐ）および
受光部５７Ｐ（受光素子５７ＲＡ，５７ＲＲＡ、５７Ｒ
Ｂ，５７ＲＲＢ）とともにケース２に格納され、複雑形
状のブラケット（３，３Ｆ）を介しかつケース１に対向
させて静止テーブル１０に取付けられる。

【０００７】なお、ケース２の小型化等の理由から、各
受光素子５７ＲＡ，５７ＲＲＡ、５７ＲＢ，５７ＲＲＢ
に接続された４つのアンプや２つの演算増幅器等を含
み、９０度位相づれしたＡ相検出信号とＢ相検出信号と
を生成出力する検出回路は、他の場所に取付けられる場
合が多い。

【０００８】かくして、位置決めの駆動手段を用いて可
動テーブル３０を基線（Ｑ）方向に移動させれば、検出
回路から正弦波状で９０度の位相差を持つＡ相およびＢ
相検出信号が生成出力される。したがって、両相検出信
号をパルス化しつつその数を計数すれば、可動テーブル
３０の移動変位量Ｘつまり所望位置への位置決め終了を
表示等により確認することができる。よって、可動テー
ブル３０を所望位置へ定量的（例えば、１μｍ〜０．５
μｍの分解能）に位置決めすることができる。

【０００９】なお、目標値（所望位置）を設定するため
の設定器，比較器等を設け、検出された上記移動変位量
Ｘをフィードバック信号として、自動位置決め制御する
ように構成する場合もある。つまり、位置決め制御完了
を持って位置決め終了が自動的に確認できる。かかる場
合は、位置決め駆動手段をサーボモータ機構等から構成
すればよい。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、位置決め装
置全体およびその検出ユニット５０も、例外でなく、一
層の小型・軽量化および低コスト化が望まれている。し
かし、ケース１とケース２とを各テーブル３０，１０に
外部から取付可能として適用性を拡大した上記従来構造
である限り、この要請に応えられなくなって来た。ま
た、各ケース１，２の各テーブル３０，１０への取付作
業自体が、両スケール５１，５３間のクリアランス調整
等の煩雑さから、非常に多大な労力・時間を要し、かつ
取扱いが難しく熟練を要す。

【００１１】以上の使用面の問題のみならず、性能面に
おける本質的な問題も生じ易い。すなわち、検出ユニッ
ト５０自体の分解能および検出精度が高くとも、図７に
示すように検出部位たるメインスケール５１（５１Ｆ）
と，検出対象部位となる基線Ｑとの間隔Ｗが大きくなる
ので、アッベの原理に基く検出精度の低下を招く。外部
取付方式の欠陥であるといえる。また、検出回路が他の
場所に配設された場合には、ケーブルへの外乱ノイズの
影響による検出精度低下や検出不能状態になることもあ
る。また、外乱ノイズを除去するためにノイズフィルタ
ーを設けた場合、その時定数を大きくしなければならな
いので、検出高速化を阻害する要因となる。さらに、外
部取付方式では、取付容易化のために、両スケール５
１，５３（詳しくは、各格子）間のギャップを大きくし
なければならなくなる。したがって、受光素子（５４）
の応答速度が受光する光エネルギーの大きさに比例的で
あることを考えると、一層の検出高速化を阻害するとい
える。

【００１２】さらに、外部取付時の間隔Ｗの狭小化等を
図ることができたとしても、位置決め駆動手段と検出ユ
ニット５０との間に分解能的なミスマッチがあっては、
高精度の位置決めはできない。つまり、位置決め駆動手
段が例えばマイクロメータヘッド，サーボモータ機構の
場合、その最小変位可能精度は、それぞれ１０μｍ〜１
μｍ，１μｍ〜０．５μｍ程度である。したがって、上
記２種類の光学格子を用いたあるいはギャップが大きく
とれる３種類の光学格子を用いた検出ユニット５０の分
解能が例えば０．０１μｍとすることができたとして
も、位置決め上は意味がないことになる。

【００１３】換言すれば、例えば直径が１０μｍの通信
用光ファイバーをピッチ２５０μｍで１，２次元方向に
配設しかつ直径１０μｍの通信用光ファイバーをそのい
ずれかに選択位置決めしてスイッチングする光情報伝達
切替器等の場合、位置決め精度を直径１０μｍの１％
（０．１μｍ）以下とすることができない。２次元の位
置決め装置の場合は、上記１次元の位置決め装置を２階
建てとしなければならないから、一段と難しい。

【００１４】本発明の目的は、小型軽量，低コストかつ
取扱いが簡単で、高分解能な位置決めを行える位置決め
装置を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、検出ユニット
を各テーブルに内蔵可能として従来外部取付方式による
欠点を解消し、さらに圧電アクチュエータを採用して位
置決め駆動手段と検出ユニットとの間の分解能的ミスマ
ッチを一掃可能とする新規構成の創成に関する。

【００１６】すなわち、請求項１の発明は、基線方向へ
相対移動可能として静止テーブルに装着された可動テー
ブルを、位置決め駆動手段を用いて基線方向に移動変位
させかつメインスケール，インデックススケールおよび
検出回路を含む検出ユニットを利用して所望位置への位
置決め終了を確認可能に構成された位置決め装置におい
て、前記可動テーブルの下方側に収容空間を形成すると
ともにこの収容空間内に前記メインスケールを前記基線
に沿って取付け、かつ前記静止テーブルの上方側に設け
られた上部空間内に前記インデックススケールを該メイ
ンスケールと対応させて取付けかつ下方側に設けられた
下部空間内に前記検出回路の一部または全部を取付け
た、ことを特徴とする。

【００１７】また、請求項２の発明は、前記位置決め駆
動手段の一部を形成する圧電効果素子を該収容空間内で
前記基線に沿ってかつ該メインスケールと直列配設する
とともに、その基端部を前記静止テーブルに直接または
間接的に固定しかつその他端部を前記可動テーブルに直
接または間接的に固定した、ことを特徴とする。

【００１８】

【作用】上記構成による請求項１の発明の場合、検出ユ
ニットを形成するメインスケールは可動テーブルの収容
空間に内蔵されるとともに、静止テーブルの上部空間内
にインデックススケールを取付けかつ下部空間内に検出
回路の一部または全部が取付けられている。したがっ
て、小型軽量で低コストで取扱いが簡単である。また、
検出ユニットが、位置決め対象部位たる基線に同じある
いは接近配設可能であるから、検出精度も高まる。ケー
ブルを介した外乱ノイズによる精度低下も排斥できる。

【００１９】また、請求項２の発明の場合、請求項１の
発明の構成に加えさらに、位置決め駆動手段の一部が圧
電効果素子から形成されているので、検出ユニットの分
解能と同程度あるいはそれよりも小さな値で可動テーブ
ルを小レンジで正確に移動変位させることができる。し
たがって、検出ユニットとの間の分解能的ミスマッチを
一掃して高精度な位置決めができる。しかも、圧電効果
素子がメインスケールと基線に直列配設されているの
で、圧電効果素子の移動変位とメインスケールの移動変
位とを同一とすることができる。したがって、一層の高
精度化ができる。かくして、例えば０．１μｍ以下の変
位精度でかつ０．０１μｍ以下の分解能で位置決めを行
える。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。（第１実施例）本位置決め装置は、図１，図２に示す如
く、静止テーブル１０と可動テーブル３０と位置決め駆
動手段４０と検出ユニット５０とから構成され、かつ検
出ユニット５０を形成するメインスケール５１を可動テ
ーブル３０に内蔵させるとともに，インデックススケー
ル５３と検出回路６０の全部とを静止テーブル１０に内
蔵させ、しかも位置決め駆動手段４０の一部を形成する
圧電効果素子４６をメインスケール５１と直列配設して
可動テーブル３０に内蔵させた構成とされている。

【００２１】また、この実施例では、位置決め駆動手段
４０を粗駆動を行うマイクロメータヘッド４１と微駆動
を行う圧電アクチュエータ４５とから構成し、位置決め
可能範囲を拡大するとともに，圧電効果素子４６による
高変位精度を利用して高精度な位置決めを行えるように
形成してある。

【００２２】さらに、検出ユニット５０を、図４に示す
如く、３種類の光学格子を用いかつ各第３格子５３Ｔ
Ａ，５３ＴＲＡ、５３ＴＢ，５３ＴＲＢを１箇所に集め
るとともに，インデックススケール５３の長さ方向（図
４で左右方向）において第２格子５３Ｓと接近配設し、
また各受光素子５７ＲＡ，５７ＲＲＡ、５７ＲＢ，５７
ＲＲＢを１チップ受光素子（５７Ｒ）を４分割して形成
するとともに、発光部５５を形成する発光素子（ＬＥＤ
５５Ｄ）を単一の集光レンズ５５Ｌ付構造として傾斜配
設しかつ光絶縁手段５９を設け、受光有効面積の狭小化
を図りつつ発光素子（５５Ｄ）からの拡散光の有効利用
を促進可能な新規の構成としてある。

【００２３】したがって、各テーブル１０、３０への収
容便宜のための小型軽量化と、取扱容易化と，装置全体
のコスト低減のための低コスト化をより促進でき、か
つ、一層の高分解能，高精度かつ高速な検出が可能であ
る。

【００２４】図１において、まず静止テーブル１０と可
動テーブル３０との関係を説明する。静止テーブル１０
のベアリング保持部１６，１７と，可動テーブル３０の
ベアリング保持部３６，３７との間にクロスローラベア
リング２５，２６が組込まれ、両テーブル１０，３０は
基線Ｑの方向に相対移動可能に装着されている。静止テ
ーブル１０および可動テーブル３０は、ともに基線Ｑを
中心に幅方向が対称構造とされ、加工容易化と低コスト
化が図られている。

【００２５】また、可動テーブル３０側の下方に突出す
るピン３９，３９と，静止テーブル１０側の上方に突出
するピン１９、１９との間に、バネ１９Ｓ，１９Ｓが張
設されている。したがって、可動テーブル３０は、詳細
後記のアンビル４１Ａに押圧され、静止テーブル１０
（起立部２０）に常時に当接されている。つまり、静止
テーブル１０に対する可動テーブル３０の図６に示す基
準位置ＸＢを、常時的にかつ不動として確立することが
できる。

【００２６】ここに、可動テーブル３０の下方側には下
方および長さ方向に開口する収容空間３１が形成され、
収容空間３１の平面的中心線は、基線Ｑに合せてある。
この収容空間３１内には、メインスケール５１が基線Ｑ
に沿って、この実施例では基線Ｑ上にその第１格子５１
Ｆが来るように、取付られている。また、この実施例で
は、メインスケール５１がモアレ調整用の保持プレート
３４を介して取付られている。

【００２７】保持プレート３４は、図２に示す如く、ビ
ス孔３５Ｓ，３５Ｌに螺合されたビス３３Ｓ，３３Ｌを
用いて、可動テーブル３０に固定される。このビス３３
Ｓを貫通させる可動テーブル３０の貫通孔３２Ｓは小さ
な直径（例えば、３．１ｍｍ）で、ビス３３Ｌ用の貫通
孔３２Ｌの直径は大きい（例えば、３．８ｍｍ）。

【００２８】つまり、両ビス３３Ｓ，３３Ｌを緩めかつ
ビス３３Ｌを移動させれば、保持プレート３４をビス３
３Ｓを中心として小角度だけ回動させることができる。
すなわち、インデックススケール５３に対するメインス
ケール５１の平面的相対位置を変えて、モアレ調整可能
とされている。外部から調整可能であるから、取扱いが
簡単である。

【００２９】一方、静止テーブル１０の上面側には、一
対の突条部１５，１５が設けられ、上記ベアリング保持
部１６，１６を形成する他、さらにメインスケール５１
とインデックススケール５３とのギャップを設定値に規
制保持することができるものと形成してある。

【００３０】ここに、静止テーブル１０の上方側にはイ
ンデックススケール５３をメインスケール５１に対応さ
せて収容取付けするための上部空間１１が設けられ、か
つ下方側には検出回路（４つのアンプと２つの演算増幅
器等とを含む）６０の全てを収容取付けするための下部
空間１３が設けられている。なお、下部空間１３は、少
くとも４つのアンプ、つまり検出回路６０の一部を収容
可能であればよい。ケーブル６０Ｌへの外乱ノイズの影
響を除去できるからである。

【００３１】上部空間１１と下部空間１３とは、図２に
示すように連通されている。また、上部空間１１は、連
通部（開口）１２を介し、上面側の突条部１５，１５間
に連通する。また、インデックススケール５３は、この
連通部１２の内周縁に接着固定されている。なお、起立
部２０は、静止テーブル１０の取付面１８にボルト締め
により固定されている。また、第１取付孔２１と第２取
付孔２２とを有する。

【００３２】位置決め駆動手段４０を形成する微駆動用
の圧電アクチュエータ４５は、図６に示す圧電効果素子
４６と駆動電源回路４７とからなる。設定器４８で設定
した駆動電圧信号Ｅｘｖに応じた駆動電圧Ｄｖによっ
て、圧電効果素子４６が基線Ｑ方向に伸縮変位するもの
と形成されている。４７Ｌは、ケーブルである。第２取
付孔２２に固定された図１に示すコネクタ４６Ｃを介し
て両者４６，４７が接続される。

【００３３】圧電効果素子４６は、積層縦効果素子（Ｎ
ＥＣ製ＡＥ０５０５Ｄ１６型）とされ、かつ基線Ｑ方向
の変位レンジが０．０１５ｍｍ，最大駆動電圧ＤＣ１５
０Ｖ，発生力８．５ｋｇである。

【００３４】この圧電効果素子４６は、図１，図２に示
す如く、基線Ｑに沿って（この実施例では、基線Ｑを中
心として）、メインスケール５１（第１格子５１Ｆ）と
直列配設されている。また、基端部４６Ａはアンビル４
１Ａを介して間接的に静止テーブル１０（起立部２０）
に固定され、かつ他端部４６Ｂは可動テーブル３０に直
接または間接的に固定される。この第１実施例では、他
端部４６Ｂをメインスケール５１に接着固定して、間接
的に可動テーブル３０に固定してある。したがって、圧
電効果素子４６のＱ方向の移動変位（ＸＳ）をそのまま
メインスケール５１の移動変位ＸＳとすることができる
わけである。

【００３５】粗駆動用のマイクロメータヘッド４１は、
図２に示すように、回動操作部４１Ｒと取付部４１Ｈと
直線変位可能なアンビル４１Ａとからなる。起立部２０
の第１取付孔２１に取付部４１Ｈを嵌挿固定して静止テ
ーブル１０に取付けられる。したがって、回動操作部４
１Ｒを回動させれば、アンビル４１ＡがＱ方向に進退移
動し、その移動変位ＸＬは主目盛４１Ｍとバーニア目盛
４１Ｖとから読取ることができる。変位レンジは１０ｍ
ｍで、変位精度は１μｍｍである。

【００３６】なお、可動テーブル３０の移動範囲が、圧
電効果素子４６の変位レンジ（０．０１５ｍｍ）以下の
場合は、位置決め駆動手段４０を圧電アクチュエータ４
５（４６，４７，４８）のみから形成してもよい。この
場合は、圧電効果素子４６の基端部４６Ａを静止テーブ
ル１０（起立部２０）に直接固定しかつその他端部４６
Ｂを可動テーブル３０（あるいはメインスケール５１）
に直接固定すべきである。つまり、マイクロメータヘッ
ド４１は、不要である。

【００３７】次に、両テーブル１０、３０に内蔵させた
検出ユニット５０の構成を、従来例との比較においてか
つその技術的根拠とともに詳説する。

【００３８】まず、図８に示す２種類の光学格子を用い
た場合よりも、両スケール５１，５３間のギャップが大
きくできかつ第１格子５１Ｆのピッチをより微細とする
ことのできる３種類の光学格子を用いた光学式変位検出
ユニットの検出原理を、例えば、Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ
ｏｆＯｐｔｉｃｓ、６ｔｈｅｄｉｔｉｏｎ（ＭＡ
ＸＢＯＲＮ＆ＥＭＩＬＷＯＬＦ、Ｐｅｒｇａｍ
ｏｎＰｒｅｓｓ、１９８０）の第３８３頁に記載され
ているフレネル回折の理論に基き図３〜図５を参照して
検討する。

【００３９】同一平面上にある第２格子（５３Ｓ）と各
第３格子（５３Ｔ）とを基準格子１００としかつこれに
ギャップｄ（Ｚ）を隔て第１格子（５１Ｆ）を平行配設
するとともに、Ｚ軸上の点ｄ（Ｚ）を中心に第１格子
（５１Ｆ）を微小角△θだけ傾斜させた場合を考える。
そして、拡散光源（ＬＥＤ５５Ｄ）から発せられた拡散
光Ｓが基準格子１００を透過しかつ第１格子（５１Ｆ）
で反射（回折）され、その反射光が基準格子１００に達
した場合におけるＸ軸上での光強度分布を、定数項を除
く光強度分布関数〔Ｉ（ｘ）、Ｉ（ｘθ）〕を用いて比
較検討する。

【００４０】第１格子（５１Ｆ）が基準格子１００と平
行である場合の光強度分布関数〔Ｉ（ｘ）〕は、［数
１］および［数２］となる。

【数１】なお、Ｆ＝ＣＯＳ〔πλｄ（Ｚ）／２（Ｐ１）²〕であ
り、また、λは拡散光Ｓの有効波長、Ｐ１は第１格子
（５１Ｆ）のピッチ，ｄ（Ｚ）はギャップである。

【数２】

【００４１】ここに、厳密には、光強度分布関数は［数
１］と［数２］とを重畳したものである。しかし、実際
装置を構成する際には、各数式を独立に扱った方が都合
がよい。かくして、第１格子（５１Ｆ），第２格子（５
３Ｓ），各第３格子（５３Ｔ）の目盛のピッチをＰ１，
Ｐ２，Ｐ３とし、かつｎ，ｍ，ｑを整数（１，２，３，
…）とすると、［数１］の検出原理を用いて検出装置を
構成する条件は、［数３］，［数４］で現わされる。

【数３】

【数４】

【００４２】また、［数２］の検出原理を用いて検出装
置を構成する条件は、［数５］，また、［数２］の検出
原理を用いて検出装置を構成する条件は、［数５］，
［数６］で現わされる。

【数５】

【数６】

【００４３】そして、［数３］および［数５］におい
て、ｍ＝ｑ＝１が最も基本的な条件となる。以上から、
３種類の光学格子を用いた反射型の検出装置では、構成
条件が２つ存在する。

【００４４】すなわち、［数１］の検出原理を用いる
と、光強度はギャップｄ（Ｚ）に依存するが、検出信号
のＳ／Ｎ比が良いために第１格子（５１Ｆ）のピッチＰ
１を２０μｍ程度以上のピッチとする場合に適する。

【００４５】また、［数２］の検出原理を用いると、光
強度はギャップｄ（Ｚ）に依存しなくなり、かつ第１格
子（５１Ｆ）を１ピッチだけ変位させると、第３格子
（５３Ｔ）には第１格子（５１Ｆ）の２ピッチ分の検出
信号が出力される。したがって、第１格子（５１Ｆ）の
ピッチＰ１を２０μｍ程度以下のピッチとする場合に適
する。

【００４６】次に、第１格子（５１Ｆ）を基準格子に対
して微小角△θだけ傾斜させた場合の光強度分布関数
〔Ｉ（ｘθ）〕は、［数７］，［数８］で求まる。

【数７】

【数８】

【００４７】これら［数７］，［数８］は、［数１］，
［数２］に対して最終項に〔−２△θｄ（Ｚ）〕がそれ
ぞれ追加されている。したがって、この〔−２△θｄ
（Ｚ）〕が一定であるならば、検出装置としてはオフセ
ットとして取扱えるので問題はないといえる。

【００４８】しかるに、図８に示す従来検出装置の場合
のレイアウトと同様に、受光素子５７ＲＡ（５７ＲＲ
Ｂ）がＸ軸上のＸ１点を中心にかつギャップｄ（Ｚ１）
をもって配設されるとともに、受光素子５７ＲＲＡ（５
７ＲＢ）がＸ２点を中心にかつギャップｄ（Ｚ２）をも
って配設されている場合における受光素子５７ＲＡの受
ける光エネルギーは、［数７］，［数８］のｄ（Ｚ）に
ｄ（Ｚ１）を代入し、かつ受光素子５７ＲＢの受ける光
エネルギーはｄ（Ｚ）にｄ（Ｚ２）を代入することによ
り求めることができる。

【００４９】ここに、ｄ（Ｚ１）−ｄ（Ｚ２）＝△θ
（Ｘ１＋Ｘ２）が成立するから、第１格子５１Ｆと基準
格子１００とをＸ方向に相対変位させた場合、受光素子
５７ＲＡと５７ＲＢとの検出信号間の位相差は、△θ
（Ｘ１＋Ｘ２）の値が大きいほど大きくなることが判
る。このことは、〔数７〕，〔数８〕からして、第１格
子５１ＦのピッチＰ１を小さくすればするほど、より大
きく影響することも明らかである。

【００５０】以上の吟味から、一層の高分解能化，高精
度化を図るには、受光素子５７ＲＡ（５７ＲＲＢ）と５
７ＲＢ（５７ＲＲＡ）との間隔をより小さく，かつ各受
光素子の受光有効面積をより小さく、さらに各受光素子
自体の寸法精度，組立精度をより向上させることが必要
と理解される。かくすれば、同時的に一層の小型軽量
化，低コスト化も図れる。

【００５１】かくして、この第１実施例の場合は、図
４，図５に示すように各第３格子（５３Ｔ）を１箇所に
集めて第２格子５３Ｓに接近配設し、これに対応配設さ
れる各受光素子５７ＲＡ，５７ＲＲＡ、５７ＲＢ，５７
ＲＲＢを１チップ受光素子（５７Ｒ）を４分割して形成
可能とすることにより、上記間隔（ｄ）と受光有効面積
とを大幅に縮小するとともに、各受光素子の温度特性，
劣化特性を均一化して、性能面上の高分解能化，高精度
化および使用面上の小型軽量化，低コスト化を図ること
ができる構成としてある。

【００５２】しかし、各受光素子の受光有効面積を小さ
くすると、受光エネルギーも小さくなってしまう。そこ
で、発光部５５を単一の光源（ＬＥＤ５５Ｄ）で集光レ
ンズ５５Ｌ付構造とするとともに傾斜配設することによ
り、拡散光の有効利用を図り各受光素子の受光エネルギ
ーを増大可能に形成してある。但し、光源は拡散光であ
ってコリメート光や半導本レーザのような可干渉性光源
であってはならない。このような光源としたのでは、第
２格子（５３Ｓ）面上に互いに独立（インコヒーレン
ト）の線光源を生成できないため、前出〔数１〕および
〔数２〕が成立しなくなるためである。

【００５３】つまり、発光素子（５５Ｄ）は、光源その
ものの広がりが大きく無数の点光源から形成されるもの
として選択してある。かくして、各受光素子の受光エネ
ルギーを増大できるから検出高速化が図れ、かつギャッ
プ（ｄ）を大きくして第１格子５１Ｆの目盛ピッチをよ
り微細化できるから分解能を高められるとともに、１個
の発光素子（５５Ｄ）および１チップ（５７Ｒ）の４分
割型受光素子（５７ＲＡ，５７ＲＲＡ、５７ＲＢ，５７
ＲＲＢ）であるから、一段の小型軽量化，低コスト化と
ともに取付け，取扱いが非常に容易となる。しかも、各
受光素子間の温度特性および劣化特性のバラツキを最小
的に抑えられる。さらに、各受光素子間の相対位置関係
を同一平面上で正確に保てる。従来例（図８）との比較
からも明白である。

【００５４】ここに、発光部５５は、図４に示す如く、
ＬＥＤ５５Ｄと集光レンズ５５Ｌとから形成され、ホル
ダー５５Ｃを介して保持枠体５５Ｂに傾斜配設されてい
る。発せられた拡散光を第２格子５３Ｓを透過させて第
１格子５１Ｆに入射させ、かつ第１格子５１Ｆから反射
された検出光が各第３格子５３ＴＡ，５３ＴＲＡ、５３
ＴＢ，５３ＴＲＢを透過して対応する各受光素子５３Ｒ
Ａ，５３ＲＲＡ、５７ＲＢ，５７ＲＲＢに入射可能とす
る角度をもって、傾斜保持されている。したがって、拡
散光の過度の拡散を抑制しつつ光エネルギーの大幅な有
効利用が図れるとともに、各受光素子の受光エネルギー
量を増大できるので、一層の応答性改善つまり検出高速
化が図れる。

【００５５】しかし、各第３格子（５３Ｔ）を第２格子
５３Ｓに接近配設させかつ拡散光源（５５Ｄ）を採用す
ることから、小型化を促進すればするほど発光素子（Ｌ
ＥＤ５５Ｄ）からの拡散光が各受光素子５７Ｒに直接入
射される虞れが強くなる。そこで、これを防止する光絶
縁手段５９を設けている。

【００５６】この、光絶縁手段５９は、図４に示す如
く、発光素子（５５Ｄ）からの拡散光が各受光素子に直
接入射することを防止するための手段で、Ｌ字形状の非
光透過性材質の折板構造とされ、かつ発光素子（５５
Ｄ）と各受光素子（５７Ｒ）との間に介在するようにし
てホルダー５５Ｃの一方下端に取付けられている。但
し、ホルダー５５Ｃ自体に光絶縁面を一体形成してもよ
い。また、光絶縁手段５９は、光遮断剤のコーティング
等による構成としてもよい。

【００５７】したがって、従来例（３種類の格子）の場
合に比較すれば、各第３格子５３ＴＡ（５３ＴＲＡ）と
５３ＴＲＢ（５３ＴＢ）との間隔を最小的に短縮するこ
とができかつ受光有効面積を最小化できるから、前記フ
レネル回折の理論上からも、高精度，高分解能で変位検
出できる。この第１実施例では、分解能が０．０１μｍ
である。

【００５８】なお、メインスケール５１は、中心線（基
線Ｑ）を境として左右対称形状とされ、かつ水平配設さ
れるとともに、第１格子５１Ｆの目盛ピッチは８μｍと
されている。

【００５９】また、インデックススケール５３と第２格
子５３Ｓとも左右対称形状とされ水平配設される。第２
格子５３Ｓの目盛ピッチは８μｍで、各第３格子（５３
Ｔ）の目盛ピッチは８μｍである。

【００６０】なお、以上の新規発想は、４個の第３格子
に代え、２個の第３格子と１以上のリファレンス窓とし
た場合でも、同様に適用可能である。この実施例の検出
ユニット５０を、このように形成してもよい。

【００６１】次に、この第１実施例の作用を説明する。
図６において、計数回路６５を零（０）クリアして表示
器６８の表示値を“００、０００”とする。この際の位
置を基準として可動テーブル３０を図６で基線Ｑの右方
向に例えば２ｍｍ（＝ＸＴ）だけ進めて位置決めする場
合を考える。

【００６２】まず、位置決め駆動手段を形成する粗駆動
用のマイクロメータヘッド４１を用いて、例えば１．９
９ｍｍ（＝ＸＬ）だけ進める。すなわち、回動操作部４
１Ｒを回動させると、アンビル４１Ａが進む。すると、
圧電効果素子４６〜メインスケール５１〜保持プレート
３４を介して移動推進力が付与されるので、可動テーブ
ル３０が進行する。

【００６３】すると、メインスケール５１とインデック
ススケール５３とが基線Ｑ方向に相対移動するので、図
４に示すＬＥＤ５５Ｄからの拡散光は、集光レンズ５５
Ｌで集められかつ傾斜配設角度に応じてインデックスス
ケール５３上の第２格子５３Ｓを透過し、メインスケー
ル５１上の反射型第１格子５１Ｆに効率良く入射され
る。

【００６４】この際、光絶縁手段５９が光絶縁するの
で、各受光素子５７ＲＡ，５７ＲＲＡ、５７ＲＢ，５７
ＲＲＢに拡散光が直接入射されてしまうことがない。つ
まり、各受光素子への外乱光を与えない。また、ホルダ
ー５５Ｃの内ガイド面も必要以上の拡散を抑えられるの
で、この点からも光エネルギーの有効利用性を高められ
る。

【００６５】第１格子５１Ｆから反射された検出光は、
インデックススケール５３上でその長さ方向の１箇所に
集められかつ第２格子５３Ｓに接近配設された各第３格
子５３ＴＡ，５３ＴＲＡ、５３ＴＢ，５３ＴＲＢを透過
して、それぞれに対応する各受光素子５７ＲＡ，５７Ｒ
ＲＡ、５７ＲＢ，５７ＲＲＢに入射される。この各受光
素子は、１チップ受光素子（５７Ｒ）を４分割して形成
されているので、温度特性および劣化特性にバラツキが
ない。また、同一平面上で所定の相対位置関係を正確に
保持されている。

【００６６】かくして、インデックススケール５３とメ
インスケール５１との基線Ｑ方向に相対変位ＸＴに相応
しかつ各受光素子５７ＲＡ，５７ＲＲＡ、５７ＲＢ，５
７ＲＲＢから出力された光電変換信号を、図６に示す検
出回路６０に入力できる。

【００６７】ここに、検出回路６０は、検出信号Ｓｘつ
まり正弦波状のＡ相検出信号ＳＡとＢ相検出信号ＳＢを
得、図２に示す引出孔１４，大径引出孔１４Ｌを通した
ケーブル６０Ｌを介して計数回路６５へ出力する。この
計数回路６５は、デジタル処理しつつ計数することによ
り、その移動変位量ＸＴ（＝ＸＬ＋ＸＳ）に相当する表
示変位量信号Ｘｉｎｄを表示器６８へ入力する。したが
って、表示器６８を見れば、現圧位置を知ることができ
る。

【００６８】ここに、圧電効果素子４６の変位レンジ
（０．０１５ｍｍ）以内である例えば“０１、９９２
５”となったところで、マイクロメータヘッド４１の操
作を止める。そして、微駆動用の圧電アクチュエータ４
５の操作に切替える。すなわち、設定器４８を用いて駆
動電圧信号Ｅｘｖを発生させる。すると、駆動電源回路
４７から相応する駆動電圧Ｄｖが出力される。圧電効果
素子４６が、アンビル４１Ａの先端を基準として右方向
に伸びる。

【００６９】したがって、圧電効果素子４６の伸び変位
ＸＳは、メインスケール５１，保持プレート３４を介し
て可動テーブル３０にそのまま伝達される。この伸び変
位ＸＳも検出回路６０で検出される。したがって、表示
器６８には、現圧位置が移動変位ＸＴ（＝ＸＬ＋ＸＳ）
として表示される。

【００７０】ここに、圧電効果素子４６の分解能は０．
００１μｍであり、かつ検出ユニット５０（６０）の分
解能は０．０１μｍであるから、表示値が例えば“０
２、０００５”となったところで停止させる。かくし
て、２ｍｍ±０．００５の高分解能で位置決めできる。
表示により確認できる。

【００７１】さらに、この現圧位置から、例えば０．０
４５μｍだけ右方向へ移動させるには、圧電アクチュエ
ータ４５のみを用いて行える。例えば、２．０００９５
ｍｍと表示されるように圧電アクチュエータ４５の駆動
電圧を制御すればよい。

【００７２】しかして、この第１実施例によれば、可動
テーブル３０の下方側に収容空間３１を形成するととも
にこの収容空間３１内にメインスケール５１を基線Ｑに
沿って取付け、静止テーブル１０の上方側に設けられた
上部空間１１内にインデックススケール５３を該メイン
スケール５１と対応させて取付けかつ下方側に設けられ
た下部空間１３内に検出回路６０の全部を取付けた構成
とされているので、小型軽量，低コストかつ取扱いが簡
単で高分解能で位置決めできる。

【００７３】また、位置決め駆動手段４０の一部を形成
する圧電効果素子４６を該収容空間３１内で基線Ｑに沿
ってかつ該メインスケール５１と直列配設するととも
に、その基端部４６Ａを静止テーブル１０に間接的に固
定しかつその他端部４６Ｂを可動テーブル３０に間接的
に固定した構成としたので、検出ユニット５０の分解能
と同程度あるいはそれよりも小さな値で可動テーブル３
０を小レンジで正確に移動変位させることができる。し
たがって、検出ユニット５０との間の分解能的ミスマッ
チを一掃して高精度な位置決めができる。しかも、圧電
効果素子４６がメインスケール５１と基線Ｑに直列配設
されているので、圧電効果素子４６の移動変位とメイン
スケール５１の移動変位とを同一とすることができる。
したがって、一層の高精度化ができる。かくして、例え
ば０．１μｍ以下の変位精度でかつ０．０１μｍ以下の
分解能で位置決めを行える。

【００７４】また、可動テーブル３０と静止テーブル１
０とが、ともに基線Ｑを中心として幅方向に対称形状と
されているので、より加工が容易で低コストである。ま
た、収納空間１１，１３，３１が設けられているので、
より大幅な軽量化を達成できる。

【００７５】また、メインスケール５１の形状が左右対
称とされているから、加工歪が基線Ｑを中心にバランス
される。したがって、一層の高精度化を達成できる。

【００７６】また、メインスケール５１を保持する保持
プレート３４を外部から微回動させて、モアレ方向の調
整ができる構成とされているので、取扱いが非常に簡単
である。しかも、固定用のビス３３Ｓ，３３Ｌを兼用す
るものとされているので、この点からも軽量化と低コス
ト化を一段と助長できる。

【００７７】また、位置決め駆動手段４０が、粗駆動用
マイクロメータヘッド４１と微駆動用圧電アクチュエー
タ４５（４６，４７）から形成されているので、位置決
め可能範囲の拡大が図れかつ微駆動による高精度位置決
めを保障できる。

【００７８】また、圧電効果素子４６とメインスケール
５１とが、位置決め対象部位となる基線Ｑに直列配設さ
れているので、圧電効果素子４６の伸縮変位量ＸＳとメ
インスケール５１の直線移動変位量（ＸＳ）とを一致さ
せることができるので、この点からも位置決め精度を一
段と向上できる。その他端部４６Ｂがメインスケール５
１に直接接着されていることも、これを一段と助長す
る。

【００７９】また、圧電効果素子４６の基端部４６Ａを
マイクロメータヘッド４１のアンビル４１Ａに当接させ
ることにより、静止テーブル１０に間接的に固定されて
いるので、可動テーブル３０を静止テーブル１０から簡
単に取外すことができる。したがって、検出ユニット５
０の点検・修理が容易で取扱い簡単である。

【００８０】また、アンプおよび演算増幅器を含む検出
回路６０の全てを、静止テーブル１０に内蔵させてある
ので、外部の計数回路６５との間の外乱ノイズの影響を
一掃できる。したがって、この点からも一段と高精度で
ある。

【００８１】さらに、検出ユニット５０が各第３格子５
３ＴＡ，５３ＴＲＡ、５３ＴＢ，５３ＴＲＢを１箇所に
集めかつインデックススケール５３の長さ方向において
第２格子５３Ｓと接近配設し、各受光素子５７ＲＡ，５
７ＲＲＡ、５７ＲＢ，５７ＲＲＢを１チップ受光素子を
４分割して形成するとともに、発光部５５を単一光源
（５５Ｄ）の集光レンズ５５Ｌ付構造として傾斜配設し
かつ光絶縁手段５９を設け、受光有効面積の狭小化を図
りつつ発光素子（ＬＥＤ５５Ｄ）からの拡散光の有効利
用を促進可能に構成されているので、装置全体としての
性能面上の高分解能化，高精度化，検出高速化、および
使用面上での小型軽量化，低コスト化，取扱容易化をよ
り大幅に向上達成できる。

【００８２】さらに、各第３格子５３ＴＡ，５３ＴＲ
Ａ、５３ＴＢ，５３ＴＲＢが１箇所に集められかつイン
デックススケール５３の長さ方向に接近配設されている
ので、基線Ｑ方向の装置寸法をより小型化できるととも
に、第１格子５１Ｆを含む平面に対する平行度をより簡
単かつ迅速に確立できる。

【００８３】さらに、各受光素子５７ＲＡ，５７ＲＲ
Ａ、５７ＲＢ，５７ＲＲＢが１チップ受光素子（５７
Ｒ）を４分割して形成されているので、温度特性等のバ
ラツキを最小限に抑えられるから一段と高精度検出がで
き信頼性も高められるとともに、各受光素子間の同一平
面上の配設や相対位置関係の調整作業を大幅に削減でき
かつ低コストで入手可能となる。

【００８４】さらに、発光素子（５５Ｄ）がホルダー５
５Ｃを介して保持枠体５５Ｂに所定傾斜角を持って取付
けられているので、長期に亘る安定運転を保障できる。

【００８５】さらに、光絶縁手段５９が、Ｌ字形状の折
板構造とされているので、構造簡単で低コストで具現化
できる。

【００８６】さらにまた、発光素子（５５Ｄ）からの拡
散光の有効利用度を高められるので、ギャップ（ｄ）Ｚ
を大きくつまり第１格子５１Ｆの目盛を一段と微細化し
てより高分解能化できる。

【００８７】（第２実施例）この第２実施例は、第１実
施例の場合に比較して、下記が異なる。すなわち、図７
に示す如く、位置決め駆動手段４０の粗駆動用をモータ
機構４３から形成するとともに、位置決め制御回路７０
を設け、自動位置決め制御可能に形成されている。

【００８８】図７において、モータ機構４３は、ステッ
ピングモータ４３Ｍと運動変換部４３Ｃと直動軸４３Ｓ
とからなり、コントローラドライバ４３Ｄからのパルス
信号ＰＬＳの数によってステッピングモータ４３Ｍの回
転量が決まり、かつこれに相応する変位ＸＬだけ直動軸
４３ＳがＱ方向に進退動するものと形成されている。変
位レンジは１０ｍｍで、変位精度は０．５μｍである。
コントローラドライバ４３Ｄには、回転角度信号Ｅｘθ
が入力される。

【００８９】位置決め制御回路７０は、所望位置つまり
Ｑ方向の総移動変位ＸＴに対応する位置決め（目標値）
信号Ｓｘｔを設定出力する設定回路７１と、この位置決
め信号Ｓｘｔと計数回路６５からのフィードバック信号
Ｆｘｔとを比較して偏差信号Ｅｘｔを出力する比較回路
７２と、偏差信号Ｅｘｔのうちの大変位相当偏差に対応
する大偏差信号Ｅｘｌと小変位相当偏差に対応する小偏
差信号Ｅｘｓとを分配出力する信号分配器７３と，入力
された大偏差信号Ｅｘｌをこれに相当する回転角度信号
Ｅｘθに変換する信号変換回路７４と，小偏差信号Ｅｘ
ｓをこれに相当する電圧設定信号Ｅｘｖに変換する信号
変換回路７５とから形成されている。

【００９０】なお、７６，７７は切替器で、自動選択さ
れた場合に、分配された回転角度信号Ｅｘθ，電圧設定
信号Ｅｘｖをコントローラドライバ４３Ｄ，駆動電源回
路４７のそれぞれに出力し、手動の場合には各設定器４
４，４８からの各設定信号をそれぞれに出力するもので
ある。表示器６８については、第１実施例の場合と同じ
である。

【００９１】なお、設定回路７１は、例えば電話回線を
通じて入力される情報切替信号ＤＳｘＴから位置決め信
号Ｓｘｔを自動的に生成出力可能に形成してもよい。

【００９２】かかる構成の第２実施例によれば、設定回
路７１に総移動変位ＸＴ（例えば、１ｍｍ）を設定すれ
ば、比較回路７２が現圧移動変位ＸＴ相当のフィードバ
ック信号Ｆｘｔと比較して偏差信号Ｅｘｔを求める。す
ると、信号分配器７３が、偏差中の圧電効果素子４６の
例えば約１／２変位レンジ（０．００７５ｍｍ）以下分
については小偏差信号Ｅｘｓとして信号変換回路７５へ
分配出力し、かつそれ以上の偏差分については大偏差信
号Ｅｘｌとして信号変換回路７４へ分配出力する。

【００９３】すなわち、大偏差信号Ｅｘｌに基きモータ
機構４３が働き、直動軸４３Ｓを変位ＸＬだけ移動させ
る。と同時的またはその後に圧電アクチュエータ４５
（４６，４７）は、小偏差信号Ｅｘｓに基き圧電効果素
子４６を変位ＸＳだけ伸長させる。したがって、可動テ
ーブル３０を設定変位量ＸＴ（＝ＸＬ＋ＸＳ）だけ正確
に移動できる。つまり、自動的に高精度な位置決めがで
き、制御完了で位置決め終了が確認される。

【００９４】なお、手動の場合は、設定器４４，４８を
用いてモータ機構４３，圧電アクチュエータ４５をそれ
ぞれに駆動して行えばよい。

【００９５】しかして、この第２実施例によれば、第１
実施例の場合と同様な作用効果を奏することができる
他、さらに粗駆動用がモータ機構４３とされているので
より迅速な位置決めができるとともに、位置決め制御回
路７０が設けられているので、自動的に高精度な位置決
めができる。

【００９６】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、可動テーブル
の下方側に収容空間を形成するとともにこの収容空間内
にメインスケールを基線に沿って取付け、静止テーブル
の上方側に設けられた上部空間内にインデックススケー
ルを該メインスケールと対応させて取付けかつ下方側に
設けられた下部空間内に検出回路の全部を取付けた構成
とされているので、小型軽量，低コストかつ取扱いが簡
単で高分解能で位置決めできる。

【００９７】また、請求項２の発明によれば、請求項１
の発明の構成に加えさらに、位置決め駆動手段の一部を
形成する圧電効果素子を該収容空間内で基線に沿ってか
つ該メインスケールと直列配設するとともに、その基端
部を静止テーブルに間接的に固定しかつその他端部を可
動テーブルに間接的に固定した構成としたので、請求項
１の発明の場合と同様な効果を奏することができる他さ
らに、検出ユニットの分解能と同程度あるいはそれより
も小さな値で可動テーブルを小レンジで正確に移動変位
させることができる。したがって、検出ユニットとの間
の分解能的ミスマッチを一掃して高精度な位置決めがで
きる。しかも、圧電効果素子がメインスケールと基線に
直列配設されているので、圧電効果素子の移動変位とメ
インスケールの移動変位とを同一とすることができる。
したがって、例えば０．０１μｍ以下の分解能で位置決
めを行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す分解斜視図である。

【図２】同じく、図１の矢視線−に基き一部を断面
した側断面図である。

【図３】同じく、検出ユニットの検出原理を説明するた
めの図である。

【図４】同じく、検出ユニットを説明するための縦断面
図である。

【図５】同じく、インデックススケールを説明するため
の平面図である。

【図６】同じく、動作を説明するためのブロック図であ
る。

【図７】第２実施例の動作を説明するためのブロック図
である。

【図８】従来例を説明するための図である。

【符号の説明】

１０静止テーブル１１上部空間１２連通部１３下部空間１５突条部１６，１７ベアリング保持部１８取付面１９ピン１９Ｓバネ２０起立部２１第１取付孔２２第２取付孔２５，２６クロスローラベアリング３０可動テーブル３１収容空間３２Ｓ貫通穴３２Ｌ貫通穴３３Ｓビス３３Ｌビス３４保持プレート３５Ｓビス孔３５Ｌビス孔３６，３７ベアリング保持部３９ピン４０位置決め駆動手段４１マイクロメータヘッド４１Ｒ回動操作部４１Ａアンビル４１Ｍ主目盛４１Ｖバーニア目盛４１Ｈ取付部４３モータ機構４３Ｍステッピングモータ４３Ｃ運動変換部４３Ｓ直動軸４５圧電アクチュエータ４６圧電効果素子４６Ａ基端部４６Ｂ他端部４７駆動電源回路４８設定器５０検出ユニット５１メインスケール５１Ｆ第１格子５３インデックススケール５３Ｓ第２格子５３Ｔ（Ａ、ＲＡ、Ｂ、ＲＢ）第３格子５５発光部５５ＤＬＥＤ５５Ｌ集光レンズ５７受光部５７Ｒ（Ａ、ＲＡ、Ｂ、ＲＢ）受光素子５９光絶縁手段６０検出回路６５計数回路６８表示器７０位置決め制御回路７１設定回路７２比較回路７３信号分配器７４信号変換回路７５信号変換回路Ｑ基線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基線方向へ相対移動可能として静止テー
ブルに装着された可動テーブルを、位置決め駆動手段を
用いて基線方向に移動変位させかつメインスケール，イ
ンデックススケールおよび検出回路を含む検出ユニット
を利用して所望位置への位置決め終了を確認可能に構成
された位置決め装置において、前記可動テーブルの下方側に収容空間を形成するととも
にこの収容空間内に前記メインスケールを前記基線に沿
って取付け、かつ前記静止テーブルの上方側に設けられ
た上部空間内に前記インデックススケールを該メインス
ケールと対応させて取付けかつ下方側に設けられた下部
空間内に前記検出回路の一部または全部を取付けた、こ
とを特徴とする位置決め装置。
【請求項２】前記位置決め駆動手段の一部を形成する
圧電効果素子を該収容空間内で前記基線に沿ってかつ該
メインスケールと直列配設するとともに、その基端部を
前記静止テーブルに直接または間接的に固定しかつその
他端部を前記可動テーブルに直接または間接的に固定し
た、ことを特徴とする請求項１の位置決め装置。