位置检测装置 【技术领域】
本发明涉及使用莫尔条纹来检测对象物位置的位置检测装置。
背景技术
图7为使用莫尔条纹的传统的位置检测装置例如线性编码器的构成图。在图中，1为光源，2为安装固定在机床(未图示)上的狭缝带，3为隔着狭缝带2与光源1相对配置的狭缝带，4为将接受的光变换成电流信号的受光元件，5为信号处理部，6为信号电缆。8是作为位置检测对象的工作台，7为安装在工作台8上的移动部。在该移动部7上设有光源1、狭缝带3、受光元件4及信号处理部5。
以下对该传统的线性编码器的动作进行说明。从光源1射出的光透过狭缝带2和狭缝带3后被受光元件4接收。狭缝带2和狭缝带3如图8(a)和图8(b)所示，以间距P交替设有透光部分和遮光部分。该狭缝带2及狭缝带3是在玻璃等透明板上真空蒸镀铬后进行腐蚀处理而形成的。
因为狭缝带3以相对狭缝带2倾斜微小的角度θ的状态与之相对，所以，光穿透狭缝带3之后，如图8(c)所示，生成周期T(＝P/θ)的莫尔条纹。
在图7中，如果工作台8向箭头+方向或-方向移动距离L，则因为狭缝带3相对狭缝带2移动距离L，所以莫尔条纹向上方或下方移动L/θ(＝L/P×T)。
如图8(d)所示，受光元件4具有在莫尔条纹的前进方向相互错开(1/4)T的A相受光部和B相受光部，在各受光部沿莫尔条纹的前进方向以周期T(＝P/θ)的间隔设有受光窗，所以随着工作台8地移动，受光元件4输出相位相互错开90°、波形近似于矩形波的A相和B相的电流信号。
该电流信号输出到信号处理部5，信号处理部5将该电流信号变换成电压信号，根据A相与B相两个电压信号的相位判别工作台8的移动方向，发生A相信号和B相信号的前沿及后沿的微分脉冲，使划分量为4倍，从而发生位置数据。
信号处理部5再通过信号电缆6将位置数据输出到伺服放大器(未图示)。伺服放大器根据该位置数据识别工作台的位置。
如上所述的使用莫尔条纹的传统的线性编码器因为必需与工作台8的移动距离相同长度的狭缝带2，所以，存在装置昂贵的问题，工作台8的移动距离较长时，存在狭缝带2也要这么长、装置成本显著上升的问题。
此外，工作台8高速移动的机床信号电缆6容易发生断线及包覆的破损等，为了提高可靠性，必须使用不容易发生断线及包覆破损等的信号电缆6，存在装置昂贵的问题。
此外，因为信号处理部5接收的电流信号是矩形波状地变化的，所以，不能进行4倍以上的划分，存在不能实现高分辩率的问题。
另外，信号处理部5接收的位置数据是工作台每移动规定距离P发生1脉冲的增量形数据，存在为了检测绝对位置而必须在电源导通等时预先进行返回原点动作的问题。
本发明的目的在于，获得一种在工作台8的移动距离较长时装置的成本也不会显著上升，且可以使用廉价的信号电缆6的位置检测装置。
此外，目的在于获得高分辩率的位置检测装置。
此外，目的在于获得能输出绝对值的位置数据，从而在电源导通时不必预先进行返回原点动作的位置检测装置。发明的公开
本发明的位置检测装置具有移动部、固定部及信号处理手段，所述移动部具有交替设有透光部和遮光部的第1透光遮光手段和反射手段，所述固定部具有交替设有透光部和遮光部的第2透光遮光手段、将接收的光变换成电信号的受光手段以及发光手段，从发光手段射出的光被反射手段反射，穿透第1透光遮光手段之后，穿透第2透光遮光手段，由第1、第2透光遮光手段生成的莫尔条纹被受光手段接收，信号处理手段根据受光手段变换后的输出来检测移动部的位置，所以，不必设置长度比该移动量长的透光遮光手段，能降低装置的成本。
此外，受光手段具有以第1、第2透光遮光手段生成的莫尔条纹的间距设置的多个受光窗，将被多个受光部接收的光变换成电信号，所以，能更稳定地检测莫尔条纹，能提高位置检测的精度。
此外，设有限制透射光量、以使透射光量在由第1、第2透光遮光手段所生成的莫尔条纹的移动方向以莫尔条纹周期发生正弦波形变化的第3透光遮光手段，受光手段接收被第3透光遮光手段限制的光，所以，能获得相对于移动部的移动以正弦波形变化的信号，利用该正弦波形变化的信号就能提高位置检测的分辩率。
此外，一种具有移动部、固定部及信号处理手段的位置检测装置，所述移动部具有将入射光分为透射光和反射光的光透射反射手段、反射手段以及分别交替设有透光部和遮光部的第1和第4透光遮光手段，所述固定部具有分别交替设有透光部和遮光部的第2和第5透光遮光手段、限制透射光量以使透射光量在由第1和第2透光遮光手段所生成的莫尔条纹的移动方向以该莫尔条纹的周期发生正弦波形变化的第3透光遮光手段、限制透射光量以使透射光量在由第4和第5透光遮光手段所生成的莫尔条纹的移动方向以该莫尔条纹的周期发生正弦波形变化的第6透光遮光手段、将接收的光变换成电信号的第1和第2受光手段以及发光手段，从发光手段射出并被光透射反射手段反射的光穿透第1和第2透光遮光手段，被第1和第2透光遮光手段变为莫尔条纹，穿透第3透光遮光手段后被第1受光手段接收，穿透光透射反射手段的光被反射手段反射，穿透第4和第5透光遮光手段，被第4和第5透光遮光手段变成莫尔条纹，穿透第6透光遮光手段，被第2受光手段接收，信号处理手段根据第1和第2受光手段变换后的输出来检测移动部的位置，所以，可以省略电源导通时等的返回原点作业，能提高使用方便性。
附图的简单说明
图1所示为根据本发明实施形态1的位置检测装置的构成图。
图2为图1所示位置检测装置的说明图。
图3所示为根据本发明实施形态2的位置检测装置的构成图。
图4为图3所示位置检测装置的说明图。
图5所示为根据本发明实施形态3的位置检测装置的构成图。
图6为图5所示位置检测装置的说明图。
图7所示为传统位置检测装置的构成图。
图8为图7所示位置检测装置的说明图。
实施发明的最佳形态发明的实施形态1
根据图1对本发明实施形态1的位置检测装置予以说明。在图中，1为发光手段例如光源。3为第1透光遮光手段例如狭缝带。20为第2透光遮光手段例如狭缝带。4为受光手段例如受光元件。5为信号处理手段例如信号处理部。60为信号电缆。9为将来自光源的出射光变为平行光的透镜，10为反射手段例如反射镜。11和12为等倍率的投影透镜。该投影透镜如文献《光应用计测的基础》(日本光工业计测委员会编，日本计测自动控制学会发行，1983)第158页所述，是为了使狭缝带3的像在狭缝带20之前对比度良好地成像而设置的。另外，光源1也可以是白色灯，但为了实现光源的小型化、电子束光点小及光输出高而使用半导体激光器。70为移动部。该移动部70安装在作为位置检测对象的工作台8上。移动部70具有反射镜10、狭缝带3及投影透镜11。13为安装在机床(未图示)上的固定部。该固定部13具有光源1、透镜9、投影透镜12、狭缝带20、受光元件4及信号处理部5。
以下对该图1所示的位置检测装置的动作予以说明。从光源1射出的光通过透镜9变成平行光射向移动部70。该平行光由于设于移动部70的反射镜10而向与入射方向偏转角度φ的方向反射。该反射光穿透狭缝带3、投影透镜11、投影透镜12及狭缝带20，被受光元件4接收。
狭缝带20和狭缝带3如图2(a)及图2(b)所示，以间距P交替设有透光部分和遮光部分。该狭缝带20和狭缝带3通过在玻璃等透明板上真空蒸镀铬后进行腐蚀处理而形成。
因为狭缝带3相对狭缝带20设置成倾斜微小的角度θ，所以，如图2(c)所示，生成周期T(＝P/θ)的莫尔条纹。
在图1中，如果工作台8向箭头的+方向或-方向移动距离L，则狭缝带3对狭缝带20向左或右相对移动L sinφ，所以，莫尔条纹向上方或下方移动Lsinφ/θ(＝L sinφ/P×T)。
如图1(d)所示，受光元件4的A相及B相的受光部在莫尔条纹的前进方向相互错开(1/4)T，因为A相与B相的受光部的受光窗以与莫尔条纹相同的周期T(＝P/θ)设置，所以，随着工作台8的移动，受光元件4输出相位相互错开90度的近似于矩形波波形的A相和B相的电流信号。
该电流信号输出到信号处理部5，信号处理部5将该电流信号变换成电压信号，根据A相与B相两个电压信号的相位判别工作台8的移动方向，并且生成A相信号和B相信号的前沿及后沿的微分脉冲，使划分量为4倍，生成表示移动部70对固定部13的移动量的位置数据。另外，为了检测移动部70的绝对位置，必须在电源导通等时预先进行返回原点作业。
信号处理部5还通过信号电缆60将该位置数据输出到伺服放大器(未图示)。伺服放大器根据该位置数据识别工作台8的位置。
若采用本发明的实施形态1，即使工作台8的移动距离长时装置的成本也不会大幅度上升，并且作为信号电缆可以使用廉价的电缆，可防止装置成本上升。
发明的实施形态2
根据图3及图4说明本发明的实施形态2。图3所示的位置检测装置在狭缝带20与受光元件之间设有作为第3光透射反射手段的正弦波狭缝带14，而受光元件是受光部形状与图1所示不同的受光元件40，除此之外与图1的构成是相同的。
正弦波狭缝带14如图4(b)所示，在莫尔条纹的前进方向设有使透射光量以莫尔条纹的周期T(＝P/θ)发生正弦波形变化的两个狭缝带。该两个狭缝带在莫尔条纹的移动方向错开(1/4)T设置，以使透射光量相位相互错开(1/4)T地发生变化。
该正弦波狭缝带14是在玻璃等的透明板上真空蒸镀铬后进行腐蚀处理而形成的。如图4(c)所示，受光元件40与正弦波狭缝带14的两个狭缝带分别对应，具有两个受光部(A相和B相的受光部)，各受光部具有包含对应的狭缝带的大小。
以下对该位置检测装置的动作进行说明
从光源射出的光经透镜9变成平行光射向移动部70。该出射光经反射镜10向与入射方向偏转角度φ的方向反射。该反射光穿透投影透镜11、投影透镜12、狭缝带20及正弦波狭缝带14，被受光元件40接收。
狭缝带20和狭缝带3以间距P交替设有透光部分和遮光部分。
因为狭缝带3相对狭缝带20倾斜微小的角度θ，所以如图4(a)所示，生成周期T(＝P/θ)的莫尔条纹。
在图3中，如果工作台8向箭头的+方向或-方向移动距离L，则狭缝带3对狭缝带20向左或右相对移动L sinφ，所以，莫尔条纹向图4(a)的上方或下方移动L sinφ/θ(＝L sinφ/P×T)。移动后的莫尔条纹再穿透正弦波狭缝带14后，被受光元件40接收。上述A相和B相的正弦波狭缝带是狭缝带宽度在莫尔条纹的前进方向发生周期T(＝P/θ)的正弦波形变化形状的狭缝带，并设置成在莫尔条纹的前进方向相互错开(1/4)T，所以，随着工作台8的移动，受光元件40输出正弦波波形和余弦波波形的电流信号作为A相和B相的电流信号。
作为信号处理手段的信号处理部50将这些电流信号变换成电压信号，根据正弦波波形或余弦波波形的电压信号的相位差判别工作台8的移动方向，利用A/D变换器(未图示)划分正弦波波形及余弦波波形的电压信号，变换成位置数据。
如果A/D变换器是n比特的A/D变换器，则划分量为2n×2倍，能获得高分辩率的位置数据。另外，与实施形态1时一样，为了检测移动部70的绝对位置，必须在电源导通等时预先进行返回原点作业。
信号处理部50将生成的高分辩率位置数据经信号电缆60输出到伺服放大器(未图示)。伺服放大器根据该位置数据识别工作台8的位置。发明的实施形态3
根据图5及图6说明本发明实施形态3。图5除了以下的(1)-(3)之外，构成与图3的相同。
(1)在移动部71内设置将来自光源1的射出光分成透射光和反射光的作
为光透射反射手段的半透明反射镜15。
(2)因此，从移动部71向不同的角度φ1、φ2的方向射出两束反射光。
(3)随着两束反射光，使用由图2中的狭缝带3、投影透镜11、投影透镜
12、狭缝带20、正弦波狭缝带14及受光元件40构成的2个组。
以下对图5所示的位置检测装置的动作予以说明。
从光源1射出的光通过透镜9变成平行光后射向移动部71。平行光由半透明反射镜15分成透射光和反射光。
反射光被半透明反射镜15向相对入射方向偏转角度φ1的方向反射之后，穿透作为第1透光遮光手段的狭缝带3-1、投影透镜11-1、投影透镜12-1、作为第2透光遮光手段的狭缝带20-1及作为第3透光遮光手段的正弦波狭缝带14-1，被作为第1受光手段的受光元件40-1接收。
狭缝带20-1和狭缝带3-1以间距P交替设有透光部分和遮光部分。
因为狭缝带3-1相对狭缝带20-1倾斜微小角度θ设置，所以如图6(a)所示，生成周期T(＝P/θ)的莫尔条纹。
另一方面，穿透半透明反射镜15被反射手段即反射镜10反射的光向相对入射方向偏转角度φ2的方向反射，穿透作为第4透光遮光手段的狭缝带3-2、投影透镜11-2、投影透镜12-2、作为第5透光遮光手段的狭缝带20-2及作为第6透光遮光手段的正弦波狭缝带14-2，被作为第2受光手段的受光元件40-2接收。
狭缝带3-2和狭缝带20-2以间距P交替设有透射光的部分和遮蔽光的部分。因为狭缝带3-2相对狭缝带20-2倾斜微小角度θ设置，所以如图6(a)所示，生成周期T(＝P/θ)的莫尔条纹。
在图5中，如果工作台8向箭头的+方向或-方向移动距离L，就在狭缝带20-1后紧接着生成的莫尔条纹向上方或下方移动L sinφ1/θ(＝L sinφ1/P×T)。同样，在狭缝带20-2后紧接着生成的莫尔条纹也向上下移动L sinφ2/θ(＝L sinφ2/P×T)。这样，如果来自移动部71的反射光的反射角度φ不同，则随着工作台8的移动产生的莫尔条纹的移动量也不同。
在该实施形态3中，将φ1设定为当工作台8移动全程时，莫尔条纹移动1周期，将此作为粗测用的莫尔条纹，并将φ2设定为当工作台8移动全程时，莫尔条纹移动N周期(N＞1)，将此作为精测用的莫尔条纹。
粗测用莫尔条纹穿透正弦波狭缝带14-1之后，被受光元件40-1接收，精测用莫尔条纹穿透正弦波狭缝带14-2之后被受光元件40-2接收。
正弦波狭缝带14-1及正弦波狭缝带14-2如图6(b)所示，构成与图4(b)所示的正弦波狭缝带14相同。此外，受光元件40-1及受光元件40-2如图6(c)所示，与图4(c)所示的受光元件40的构成相同，分别形成有A相和B相的受光部。
因此，如果工作台8移动全程，则受光元件40-1输出一个周期的正弦波及余弦波的电流信号，而受光元件40-2输出N个周期的正弦波及余弦波的电流信号。
作为信号处理手段的信号处理部5将这些电流信号变换成电压信号，根据正弦波波形及余弦波波形的电压信号的相位判别工作台8的移动方向，对受光元件40-1侧和受光元件40-2侧，分别利用A/D变换器划分正弦波波形及余弦波波形的电压信号，变换成位置数据。此时，如果A/D变换器为n比特的A/D变换器，则划分量为2n×2倍。这样，受光元件40-1侧及受光元件40-2侧分别能获得高分辩率的位置数据。
如果受光元件40-1侧(检测粗测的莫尔条纹一侧)的划分数(2n×2)大于受光元件40-2侧(检测精测的莫尔条纹一侧)的周期数N，即，2n×2＞N，则将受光元件40-1侧及受光元件40-2侧的位置数据叠加，就能检测全程划分为N×(2n×2)的高精度的绝对位置。
信号处理部51通过信号电缆60将表示该绝对位置的位置数据输出到伺服放大器(未图示)。伺服放大器根据该位置数据识别工作台8的绝对位置。
因此，若采用本发明的实施形态3，则电源导通时不必进行返回原点作业，能获得使用方便的位置检测装置。
另外，在实施形态2-实施形态3中，因为移动部70、71的移动使受光元件40、40-1、40-2的受光量的绝对值发生变化，所以，也可以预先将该变化状况存储在存储器中，再根据该存储器的存储内容修正检测结果。另外，也可以在狭缝带20、20-1、20-2的左端附近及右端附近这样两处设置另外的受光元件，并设置使正弦波狭缝带14、14-1、14-2及受光元件40、40-1、40-2移动的机构来使该两个受光元件的受光输出相等，以使反射光的中心与受光元件40、40-1、40-2的中心一致。
另外，在上述实施形态1-实施形态3中，固定部13、130、131不移动，移动部70、71是移动的，但也可以与此相反。但此时必须使用不容易发生断线及包覆破损等的信号电缆60。产业上的利用可能性
如上所述，本发明的位置检测装置可以应用于必须进行移动部的位置检测的各种装置(例如半导体制造装置)，尤其对欲低成本构成位置检测机构时是有用的。