JP3348304B2 - 絶対位置検出装置 - Google Patents
絶対位置検出装置Info
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Description
査型プローブ顕微鏡などの精密装置や、工作機械の位置
制御などに適用して好適な絶対位置検出装置に関する。
ハーを載せたテーブルをナノメートル単位で移動させる
必要があるため、このテーブルにはその移動量を精密に
計測できる絶対位置検出装置が備えられている。また、
走査型プローブ顕微鏡の一種である走査型トンネル電流
顕微鏡は、試料に対し圧電アクチュエータに取り付けら
れたプローブをナノメートル単位で試料の方向に移動さ
せたときに流れるトンネル電流を計測するようにしたも
のであり、そのためこの走査型トンネル電流顕微鏡にも
プローブの移動量をナノメートル単位で正確に計測する
ための絶対位置検出装置が設けられている。
検出装置の一例を図5以下を参照して説明する。
同図において、1はエンコード板であり、このエンコー
ド板1は、矢印方向Zにリニアに移動するようになされ
る。エンコード板1にはスケールパターンが形成されて
おり、このスケールパターンは図6に示すようにストラ
イプパターン領域11aとコードパターン領域11bを
有する。
ドを示す6トラック(6ビット)のパターンが形成さ
れ、ストライプパターン領域11aには複数のストライ
プパターンが平行かつ等間隔に形成される。グレイコー
ドは2進数を表現するコードのひとつで、バイナリーコ
ードと異なり、数が1つ変化する毎に全桁の中で1つだ
け変化するという特徴がある。
子であり、エンコード板1に対向して配設される。撮像
素子2はエンコード板1に対してわずかな角度θだけ傾
斜して取り付けられる(図8参照)。
源であり、エンコード板1を挟んで撮像素子2と対向す
るように配設される。
平板状をなす石英ガラス10の下面にスケールパターン
(ストライプパターン、コードパターン)11が蒸着な
どによってコーティングされたものであり、他方撮像素
子2は撮像領域(受光素子部)2aの上面に透明保護ガ
ラス2bが配されて構成される。
の光がエンコード板1を通過して撮像素子2に供給さ
れ、撮像素子2の結像面(撮像面)にコードパターンお
よびストライプパターンが映し出されて撮像される。
は撮像素子2の水平および垂直方向、Zはエンコード板
1の移動方向である。撮像素子2より各ライン毎に順次
出力される画素信号は位置データ検出回路4(図5に図
示)に供給される。
わずかな角度θだけ傾斜しているため、ストライプパタ
ーンのエッジ像に対応するあるラインのストライプパタ
ーン領域11aに対応する画素信号のレベルは徐々に小
さくなりつつ所定の量子化範囲のレベルに到達する。画
素信号の最大レベルを100%とするとき例えば65〜
85%の範囲が量子化範囲に設定される。
子化範囲に入る画素のアドレスおよび量子化値がラッチ
される。例えば、65〜85%の範囲が16ステップに
量子化され、量子化値は4ビットで表される。次に、量
子化値が得られるラインのコードパターン領域11bの
各トラックに対応する画素信号が2値化されてコード値
が読み取られる。
範囲に入る全てのラインに対して、画素アドレスおよび
量子化値がラッチされると共に、コード値が読み取られ
る。
位置データ(画素アドレス、量子化値、コード値)は処
理回路5に順次供給され、これらから絶対位置情報が求
められ、その絶対位置情報から絶対位置の代表値が求め
られる。6が代表値決定回路を示す。
が半導体製造装置であるならばウエハーを載せるテーブ
ルに関連して設置される。
位置検出装置の具体例であって、その構成は「特開平1
−285819号公報」に開示されたものと同じであ
る。この絶対位置検出装置ではコ字状の凹部8をもつ支
持体7が使用され、凹部下面に撮像素子2が取り付け固
定されると共に、支持体7の上部延長端7aであって、
撮像素子2と対向する位置に光源3が取り付け固定され
る。
7a側に取り付けたのは、できるだけ平行光をスケール
パターン11に照射するようにするためで、エンコード
板1からできるだけ離間して光源3が取り付け固定され
る。
行移動させるため、その長辺(Z方向)の一端が固定さ
れ、他端は自由端となされる。
な精密装置では、外部からの振動や内部動力により発生
する振動などを極力抑える必要がある。さらに、装置自
身の固有振動にも対処すべく装置素材として固有振動数
の高い高剛性の構造体のものを使用するようにしてい
る。
半導体製造装置に組み込む場合にはこのような制振構造
体とする必要がある。しかし、図9に示すような構成で
は撮像素子2と光源3に対する支持体7がコ字状の凹部
8を有することから、高剛性の構造体とはなっていな
い。エンコード板1も制振構造とはなっていないので、
突発的な衝撃がこの検出装置に加わると、その衝撃力も
吸収しにくい。
せて配置しなければならないので、検出装置の高さを低
く抑えることできず、装置の小型、軽量化の隘路となっ
ている。
に弱く、装置の小型化、軽量化を図りにくかった。これ
らの欠点は半導体製造装置に適用する場合のみならず、
走査型トンネル電流顕微鏡や、その他に工作ロボットの
アーム位置制御、工作機械の位置制御などに用いる場合
も同様である。
を解決したものであって、振動に強い小型、軽量化が容
易な絶対位置検出装置を提案するものである。
は、ストライプパターン領域及びコードパターン領域か
らなるスケールパターンが形成された面を表側とするエ
ンコード板の裏面が反射面となされ、上記スケールパタ
ーン面と対峙するように絶対位置検出用の撮像素子が配
され、上記スケールパターンのストライプパターン領域
の中心位置からの上記撮像素子の撮像面に対する垂線を
対称軸とするような位置に一対の光源がそれぞれ配さ
れ、上記スケールパターン面を透過した上記それぞれの
光が単一の上記撮像素子で受光されて上記エンコード板
の絶対位置が検出されるようになされたことを特徴とす
るものである。
ーンが形成された面を表側とするエンコード板の裏面が
反射面となされ、上記スケールパターン面側の同一平面
内には光源と絶対位置検出用の撮像素子がそれぞれ配さ
れ、上記スケールパターン面を透過した光が上記撮像素
子で受光されて上記エンコード板の絶対位置を検出する
絶対位置検出装置において、上記スケールパターン形成
面の一部には上記光源からの光が垂直に入射する入射面
が形成され、上記反射面で反射された光が上記スケール
パターンに設けられたストライプパターン領域の中心位
置に対し垂直に透過して上記撮像素子に入射するように
なされたことを特徴とするものである。
図3のようにエンコード板1のスケールパターン面12
の一部にスケールパターン11が形成され、これと同一
面側に撮像素子2とこの撮像素子2を挟んで一対の光源
3および光源30が配される。
側から入射した光源3からの光線lおよび光源30から
の光線l′はエンコード板1の反射面13でそれぞれ反
射されスケールパターン11を透過し、スケールパター
ン像が撮像素子2に撮像され、絶対位置が検出される。
このように対称光源配置構成とすることによって照度の
一様性がより確かになり高精度な位置検出を実現でき
る。
同じ側の面に配置できるので、その取り付け基台(載置
台)25として高剛性の材料を使用できる。エンコード
板1を移動体15(ウエハー用テーブルなど)に直接貼
着できるので、エンコード板1自体の剛性が高くなる。
同じ側の面に配置してあってその反射光を用いてスケー
ルパターン像を撮像するようにしているため、高さを低
くしてもその光路長を長く取ることができ、スケールパ
ターンへの照射光の平行度が高くなる。
例を図面を参照しながら詳細に説明する。図9と同一構
成についての詳細説明は省略する。
ンコード板1は上述したようにその基体として平板状の
石英ガラス板やプラスチック板などが使用され、その厚
みdは大凡500μmである。エンコード板1の1つの
平面はスケールパターン面12となされ、その一部に図
6に示すようなパターン領域11a、11bからなるス
ケールパターン11が形成される。スケールパターン1
1は蒸着などの周知の手法を使用してコーティングでき
る。スケールパターン11はV方向に連続して形成され
る。スケールパターン11のH方向に対する幅は大凡2
50μm程度である。
体にわたって反射面13となされる。そのため、この裏
面側には反射層14が同様な手法を用いてコーティング
される。反射層14をコーティングする際、Z方向に対
して直角な所定間隔のストライプを形成すると、光線l
の反射光は直線偏光され、スリットを透過しやすい光線
のみがスケールパターン11を透過することになるの
で、それだけ分解能を高めることができる。
面に強固に固定される。固定は接着剤などが使用され
る。移動体15の材料が透明体でなく、その反射効率が
高いものが使用されるときには、反射層14のコーティ
ングを省略することも可能である。
には、移動体15はウエハー載置用のテーブルの一部若
しくはこれに関連した部材であり、走査型トンネル電流
顕微鏡に適用する場合にはそのプローブの一部若しくは
これに関連した部材に固定されることになる。
取り付ける構成にすると、移動体15が高剛性の構造体
であるため、エンコード板1自身の剛性が高くなる。
ールパターン11と対向する位置にはCCDなどを使用
した二次元構成の撮像素子2がスケールパターン面12
と少許の間隙をおいて配置される。
勿論のこと、受光素子2aaの前面には図2に示すよう
な遮光体22によって所定幅Tbのスリット23が形成
され、受光素子2aaに対する受光領域が制限される。
例えば、遮光体22の幅Taが10μmのときスリット
23の幅Tbは1μm程度に選ばれる。
て、受光素子2aaの繰り返しピッチ(=Ta+Tb)
よりもスケールパターン11のストライプの繰り返しピ
ッチが狭い(2μm位)場合であってもこのパターンを
正しく認識できるようになり分解能の高い位置検出を実
現できる。
5に固定される。取り付け基台25上にはさらにこの撮
像素子2に隣接した位置に光源3が取り付け固定され
る。光源3としては上述したようにLEDなどの発光素
子を使用でき、3aはその発光部を示す。
ン面12と対峙するように撮像素子2と同一平面上に取
り付けられる。撮像素子2は絶対位置の検出精度を高め
るため、スケールパターン面12に対してできるだけ近
接して配置できるように少許の間隙を保持して取り付け
固定されるが、他方光源3に関してはそのような制約が
ないので、図のようにスケールパターン面12からある
程度離間して固定される。そうすることによって、取り
付け精度が余り要求されなくなるから、光源3の取り付
けが容易になる。
1のスケールパターン面12から入射して反射面13で
反射され、その反射光が再びスケールパターン面12に
形成されたスケールパターン11を透過して、そのスケ
ールパターン像が撮像素子2に撮像されるように、撮像
素子2と光源3との配置関係が選定される。
み取る場合、光源3の虚像3′は図1の位置qとなるか
ら、この位置qから光線lが出射しているものとみなす
ことができる。この虚像3′の位置qに実際の光源3を
配置して使用する場合よりも、反射光を利用した方がそ
の分検出装置の高さを低くできるので装置の小型化に寄
与する。
明では一対の光源を使用してスケールパターンを読み取
るようにしたものである。
イプパターン領域11aの中心を通る垂線をsとしたと
き、この垂線s上に位置する撮像領域2aの結像面に一
対の光源3,30の光線、特に光線束の中心(発光強度
重心点)l,l′が収束するように撮像素子2の両側に
配置される一対の光源3,30の取り付け位置が選定さ
れる。具体的には撮像素子2に対して光源3,30が等
距離(=p)に配置されることになる。一対の光源3,
30は同一特性のものが使用される。
結像面の照度Iは図3から明らかなように、
I′は、
400μm、Δ=60μmであるときは、照度変動率Δ
I/Iは大凡、−3.6%となる。
ときの照度変動率ΔI/Iは、
は次のようになる。
と、対称光源を使用することによってその照度変動率Δ
I/Iは(数4)より、−0.14%程度まで減少す
る。つまり、対称光源構成とするとH方向に対する照度
差を実用上無視できるようになる。
た位置に1つの光源を配置し、この光源からの光をエン
コード板1の上方(反射面13側)から透過させるよう
に構成(透過式構成)した場合で照度位置が上述と同じ
くΔだけずれたときには、その照度変動率ΔI/Iは、 ΔI/I=−Δ2/D2 となる。この値は(数4)で示した照度変動率よりも大
きいから、透過式構成よりもこの発明による対称光源構
成の方が優れていることが判る。
では、光線lはスケールパターン11には垂直には入射
していない。可能ならば、光線lは垂直に入射した方が
好ましい。図4は光線lがスケールパターン11したが
って撮像素子2の結像面にも垂直に光線lが入射するよ
うに構成されている。
自体図のようにその断面が台形状のものが使用され、し
たがってスケールパターン面12は内側に折れ曲がった
2平面構成である。
2aの所定位置には上述したと同じスケールパターン1
1が形成され、このスケールパターン11と対峙して撮
像素子2が少許の間隙を保持して取り付け基台25上に
取り付け固定される。
(他面)12bは光線lの入射面となされ、この入射面
12bに対して光源3からの光線lが垂直に入射するよ
うに入射面12bと光源3の発光部3aが平行するよう
に取り付け基台25上に取り付け固定される。
入射した光線lは反射面13によって反射され、その反
射光は一面12aと直交するように一面12aに入射す
る。したがってスケールパターン11に対しても撮像素
子2の結像面2aに対しても光線(発光強度重心点)l
が垂直に入射することになる。
に位置することになるから、1つの光源を使用した場合
でも、撮像領域内での照度差を上述した透過式構成と同
じ程度に改善できる。
Δ=60μmであるときは、照度変動率ΔI/Iは、 ΔI/I=(I′−I)/I =−Δ2/(D2+Δ2) =−0.27(%) である。
で、上述したように半導体製造装置を始めとして走査型
トンネル電流顕微鏡、ロボットのアーム制御、あるいは
各種工作機械の位置制御などの絶対位置検出系などに適
用して好適である。
ド板はこれを被測定物である移動体に強固に固定できる
ので衝撃に強く、撮像素子や光源を取り付けるための取
り付け基台はコ字状ではなく平板状であるため高剛性化
が可能になり、これらのことから検出装置自体としての
振動減衰特性が非常に優れたものとなる。そのため、外
乱に強く、突発的な衝撃にも耐えることができる。
置し、光線の反射光を利用してスケールパターンを読み
取るようにしているので、光源の虚像の位置から光線を
入射したと同じことになる。これで検出装置自体の高さ
を低くできるので、装置の小型、軽量化が可能になる。
取り付け、組立も簡単であるから経済性にも優れてい
る。
称配置構成とすることによって照度の一様性がより確か
になり高精度な位置検出を実現できる。
スケールパターンに対して直角に光線を透過させること
によって、1つの光源を使用した場合でも、透過式にな
された従来例と同程度にスケールパターンの撮像領域で
の照度差が僅少となり、照度の一様性が担保され、高精
度な位置検出ができる。
である。
る。
ある。
ある。
Claims (2)
- 【請求項1】 ストライプパターン領域及びコードパタ
ーン領域からなるスケールパターンが形成された面を表
側とするエンコード板の裏面が反射面となされ、上記ス
ケールパターン面と対峙するように絶対位置検出用の撮
像素子が配され、 上記スケールパターンのストライプパターン領域の中心
位置からの上記撮像素子の撮像面に対する垂線を対称軸
とするような位置に一対の光源がそれぞれ配され、 上記スケールパターン面を透過した上記それぞれの光が
単一の上記撮像素子で受光されて上記エンコード板の絶
対位置が検出されるようになされたことを特徴とする絶
対位置検出装置。 - 【請求項2】 スケールパターンが形成された面を表側
とするエンコード板の裏面が反射面となされ、上記スケ
ールパターン面側の同一平面内には光源と絶対位置検出
用の撮像素子がそれぞれ配され、 上記スケールパターン面を透過した光が上記撮像素子で
受光されて上記エンコード板の絶対位置を検出する絶対
位置検出装置において、 上記スケールパターン形成面の一部には上記光源からの
光が垂直に入射する入射面が形成され、 上記反射面で反射された光が上記スケールパターンに設
けられたストライプパターン領域の中心位置に対し垂直
に透過して上記撮像素子に入射するようになされたこと
を特徴とする絶対位置検出装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP03368593A JP3348304B2 (ja) | 1993-02-23 | 1993-02-23 | 絶対位置検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP03368593A JP3348304B2 (ja) | 1993-02-23 | 1993-02-23 | 絶対位置検出装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH06249676A JPH06249676A (ja) | 1994-09-09 |
JP3348304B2 true JP3348304B2 (ja) | 2002-11-20 |
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ID=12393292
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP03368593A Expired - Fee Related JP3348304B2 (ja) | 1993-02-23 | 1993-02-23 | 絶対位置検出装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP5560847B2 (ja) * | 2010-03-31 | 2014-07-30 | 株式会社ニコン | エンコーダ |
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US20130001412A1 (en) * | 2011-07-01 | 2013-01-03 | Mitutoyo Corporation | Optical encoder including passive readhead with remote contactless excitation and signal sensing |
-
1993
- 1993-02-23 JP JP03368593A patent/JP3348304B2/ja not_active Expired - Fee Related
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JPH06249676A (ja) | 1994-09-09 |
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