JP2002048599A

JP2002048599A - 駆動系アクチュエータの位置制御用液晶スケールおよびそれを用いた測定装置

Info

Publication number: JP2002048599A
Application number: JP2000230458A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Yoshino; 勝美吉野
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-07-31
Filing date: 2000-07-31
Publication date: 2002-02-15

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、温度による膨張率が極めて小さく、
絶対位置精度の高いモータ位置制御用スケールを提供す
ることを目的とする。【解決手段】液晶スケール１０の１２は、液晶の最小パ
ターン（例えば２００μｍ）を表し、電圧印可時に光が
透過する（白部分となる）。また、２３は白画素の部分
（電圧無印加で黒すなわちノーマリブラックで、電圧印
加時に白くなる部分）、２４は黒部分（電圧印加、無印
加に関わらず黒部分）である。液晶パネルには、１３〜
２０で示す符号パターンが、透明電極（ＩＴＯ）で形成
されており、１３と、１５〜２０でバイナリコードを構
成する。１３と１４からの光強度に応じた信号を量子化
してさらに精細な分解能を得ることが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、駆動系アクチュエ
ータの位置制御用のスケールに関する。本発明のスケー
ルは、数値制御工作、機械、半導体基板の搬送装置など
の駆動系アクチュエータを使ったあらゆる装置に適用さ
れる。そのほかに適用される分野、装置としては半導体
製造装置（マスクアライナー、ステッパー、描画装置、
スライシング機）検査装置（デジタルスケール）Ｘ−Ｙ
ステージ等がある。

【０００２】

【従来の技術】例えば、数値制御（ＮＣ）工作機械で
は、サーボモータ等の回転駆動源からの回転力をラック
・ピニオン機構などからなる送り機構によって直線運動
に変換し、テーブルや工具を所定の位置に移動させてい
る。この装置の場合、テーブル等の位置制御は、制御対
象を駆動するサーボモータにロータリエンコーダ等の回
転位置検出器を取付け、この位置検出器からの検出され
た回転量をサーボモータ等にフィードバックし、サーボ
モータの回転量を制御することでテーブル等の制御対象
の位置制御を行なっている。

【０００３】ここで、ロータリエンコーダには、測定回
転角度を検出するインクリメンタル型と絶対角度を検出
するアブソリュート型がある。後者は角度に対する一種
のＡ／Ｄ変換器で、Ａ／Ｄ変換に対応する各種の符号化
パターンを持つ。このためアブソリュート型は大型で、
価格も高い。なお、ロータリエンコーダからの出力は変
位であり、角速度は変位を微分して得る。直進運動の変
位を検出するためのリニア・エンコーダもある。このエ
ンコーダの検出原理は光電式や磁気式、静電容量式など
がある。ロータリエンコーダに見られる回転の場合は１
回転が全コードに対応する為、分解能が悪くなる。これ
の対策としてモータとロータリエンコーダ間にギヤーを
接続して全コードを数回転に変換するがギヤーのバック
ラッシュや誤差で微細な位置制御はできないので、最近
ではリニアサーボモータが開発されてきている。今後
リニア・エンコーダの適用される分野は多い。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
エンコーダは、鉄やアルミなどのメタル印刷エッチング
パネルを使用するので、温度による膨張・収縮による位
置精度誤差が発生していた。また、磁性体による検出器
においても同様に周囲温度影響がおこるため絶対位置精
度に限界がある。そこで、本発明は、温度による膨張率
が極めて小さく、絶対位置精度の高い駆動系アクチュエ
ータの位置制御用スケールを提供することを目的とす
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するため、液晶表示パネル上にバイナリコード乃至グ
レイコード等の２進コードを表示してなる駆動系アクチ
ュエータの位置制御用液晶スケールを提供する。すなわ
ち、スケールを液晶パネルでつくると構造体がガラス、
シリコン基板などの貼り合わせ構造なので温度変化に強
くなる。因みに熱膨張係数はガラス５．０ｐｐｍ／度、
シリコン３．５ｐｐｍ／度であり、従来の鉄（１１．８
ｐｐｍ／度）、アルミ（２３ｐｐｍ／度）パネルに比
し、熱膨張係数は小さく温度変化に非常に強くなる。ま
た、液晶パネルの構成要素である液晶各画素は、画素中
で屈折率分布が生じる。したがって、液晶パネルを光複
屈折性を利用した透過光強度の分布と考えると、この透
過光強度分布に応じた光センサ信号を量子化すれば、各
画素をさらに精細な位置情報として取り出すことが可能
である。

【０００６】本発明において液晶パネル上の符号化パタ
ーンは、バイナリコードあるいはグレイコード等の２進
コードどちらでもよい。ここで、２進コードとは白画素
及び黒画素で構成されたスケール（信号処理上、２進法
で０か１の信号のみ）を意味する。グレイコードとは符
号化パターンが常に１個のビットしか変化しない光学的
誤動作が非常に少ないコードを意味する。特に最小符号
化パターンは液晶の光学的屈折率異方性により、中間調
（階調された）信号を得ることが可能である。また、液
晶表示パネルは、例えば、複屈折型液晶素子、透過散乱
型液晶素子、TN（ツイステッドネマチック）液晶、STN
（スーパーTN）液晶、強誘電性液晶素子、反強誘電性液
晶、高分子分散型液晶のいずれかで構成することができ
るが、これらに限定されない。

【０００７】前述の液晶スケールは、光学手段により読
み取る。すなわち、本発明は、駆動系アクチュエータの
位置制御用液晶スケールと、該液晶スケールから２進コ
ードと液晶の屈折率異方性に起因する光階調強度を移動
中に読み取る光学手段とからなる測定装置をも提供す
る。ここで、光学手段は、例えば投光器と受光器とから
構成するのが好ましいが、受光器のみで構成してもよ
い。投光器としては、例えば発光ダイオード、レーザ
ー、ランプ、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）などを
挙げることができるが、これらに限定されない。使用す
る波長域は、紫外〜赤外領域、好ましくは３００〜１０
００ｎｍの波長域のものを使用することができる。ま
た、投光器は点光源でも、液晶パネル全面をバックライ
ト照射させるものでもよい。受光器は、フォトダイオー
ド、フォトマル、固体受光センサ、焦電センサ、サーモ
パイルなどの各種赤外線センサを用いることができる。
また、投光器と受光器は、フォトカプラ、フォトインタ
ラプタのように一体化したものも該当する。さらに、投
光器と受光器は、複数連のフォトインタラプタ、ＰＳＤ
（posision sensing device)のように複数設置されてい
てもよい。また、投光器が１つの点又は面光源で、受光
器のみ複数連の場合、その逆の場合も含まれる。

【０００８】さらに、本発明では光学手段を液晶表示パ
ネル面に沿って走査させる走査手段を設けてもよい。投
光器の走査手段としては、例えば、投光器と液晶パネル
との間にミラーを設けて、そのミラーの走査で光を振り
分けるもの、投光器自体を載置台におき、載置台を移動
させるものが挙げられるが、これらに限定されない。ま
た、受光器の走査手段も同様に、液晶パネルと受光器の
間に集光ミラーを設けて、ミラー走査するもの、受光器
自体を移動させるもののいずれも含む。また、走査方向
は液晶パネルの一方向には限定されず、Ｘ−Ｙ方向、ジ
グザグスキャン方向のいずれでもよい。

【０００９】また、本発明は、制御対象物と、制御対象
物を駆動させるモータと、制御対象物の移動量を検出す
る請求項１記載の駆動系アクチュエータの位置制御用液
晶スケールと、該液晶スケールを読み取る光学手段と、
該光学手段の読み取り値に応じて制御対象物の移動量を
調節する調節手段とを備えた自動装置をも提供する。制
御対象物は、例えばマシニングセンタやＮＣ旋盤装置に
おけるテーブルや被加工物、切削工具などを挙げること
ができるが、これらに限定されず、駆動系アクチュエー
タで移動させるものならば何でもよい。駆動系アクチュ
エータとしては、例えば、モータ、ソレノイド、シンリ
ンダー、バネ等を挙げることができるが、これらに限定
されない。また、モータとしては、例えばサーボモータ
を用いることができるが、これには限定されない。モー
タなどの駆動力（回転力）は、例えばラック及びピニオ
ン、ボールねじ及びナットなどからなる送り機構によっ
て直線運動に変換し、制御対象物を所定の位置に移動さ
せる。また、自動装置とは、例えばマシニングセンタや
ＮＣ旋盤装置等のＮＣ工作機械、半導体製造装置、検査
装置などのあらゆる装置を意味する。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
いて説明する。図１は、本発明の液晶スケールを用いた
サーボモータの位置決め用のリニアスケール計測装置を
示す。図１（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。図
１中１は、サーボモータであり、サポートユニット４に
て支持され、図示しない制御部により駆動制御される。
サーボモータ１の駆動力はボールネジ３により制御対象
物（図示しない）に伝達される。また、サーボモータ１
はカップリング２を介してボールネジ５と機械連結して
おり、サーボモータ１の駆動力はボールネジ５にも伝達
される。

【００１１】ボールネジ５にはボールネジナット７及び
読取装置６がねじ込まれており、また、ボールネジナッ
ト７にはロッドホルダ８が連結している。ロッドホルダ
８および読取装置６にはボールガイドユニットロッド９
が貫通する孔があいており、ボールガイドユニットロッ
ド９に沿って、読取装置６が直線運動を行う。なお、ボ
ールガイドユニットロッド９およびカップリング２、ボ
ールネジ５はいずれもサポートユニット４にて支持され
ている。

【００１２】読取装置６の先端には、検出部ａが備わっ
ており、検出部ａは光源及び光検出器を一体化したフォ
トインタラプタからなる。読取装置６の検出部ａの移動
軌跡には、本発明の液晶スケール１０が配設される。液
晶スケール１０の詳細は後述するが、８行の符号パター
ンがある。液晶スケール１０の裏面側に光源、その反対
面側に光検出器がくるように、検出部ａはコの字型をし
ており、検出部ａがサーボモータ１の駆動により液晶ス
ケール１０を走査することになる。

【００１３】以上の構成により、制御対象物の位置制御
は次のように行われる。サーボモータ１の駆動力はボー
ルネジ３により制御対象物（図示しない）に伝達され、
制御対象物が移動する。それと同期して読取装置６の検
出部ａも液晶スケール１０上を走査する。検出部ａの光
検出器で液晶スケール１０上の符号パターンを透過する
光を検出し、サーボモータの制御部（図示せず）に送
る。制御部にて移動距離を算出し、サーボモータのフィ
ードバック制御を行う。移動距離の算出は、後述する。

【００１４】なお、液晶スケール１０と光検出器の位置
関係は図２の通りである。すなわち、図２中４９はフォ
トインタラプタで、液晶スケール１０の符号パターン５
１の行数（８行）と同じ数の光検出器５２が設けてあ
る。光源は、図示されていないが、液晶スケール１０の
符号パターン５１の全行を同時に照射するように液晶ス
ケール１０の裏面に設けられている。

【００１５】次に本発明の液晶スケール１０の詳細を説
明する。図３（ａ）が液晶パネルで作製したスケールの
外観図で、液晶パネルを上面から見た図である。液晶パ
ネルの両端（上下面）には、偏光板が設置されており、
電圧が印加されたところと印加されていないところで白
と黒部分を作製する。図３（ａ）中１２は、液晶の最小
パターン（例えば２００μｍ×５００μｍ）を表し、電
圧印可時に光が透過する（白部分となる）。また、２３
は白画素の部分（電圧無印加で黒すなわちノーマリブラ
ックで、電圧印加時に白くなる部分）、２４は黒部分
（電圧印加、無印加に関わらず黒部分）である。液晶パ
ネルには、１３〜２０で示す符号パターンが、透明電極
（ＩＴＯ）で形成されており、本発明では、電極に通電
した状態で使用する。そのパターンには同時に同じ電界
がかかるという非常にシンプルなデザインで白黒の模様
をつけることができる。図３（ａ）中１３および、１５
〜２０で７ビットのバイナリコードを構成する。なお、
前述の図２の説明中、符号パターン５１としていたの
は、１３〜２０に相当する。

【００１６】スケールについてさらに詳述すれば、１３
と１４にあたるところは、1デジット兼階調画素として
信号処理上とらえる。１３は２進数の1位の桁と1位以下
の階調読み取り部分である。１３と１５〜２０で７ビッ
トのコードとなる。７ビットであるから、１２８の分解
能＋１３と１４とでＡ／Ｄ変換した分解能になる。な
お、１４は１３だけでは表わせない部分の階調情報のみ
を受け持つ。ただし、１３、１４は、液晶自身の並び方
や電極状態や電圧は１５〜２０までの符号パターンと全
く同じで、あくまでも信号処理上である。よって、１３
と１４は、黒画素と白画素の間、つまり０〜１の間を精
細に分ける役目を果たす。

【００１７】具体的に、例えば２点鎖線２１、２２の部
分の位置がいくらになるかを計算する。２点鎖線２１の
光検出器位置は、１位以上は0111001となるので、１０
進数では０×２⁶＋１×２⁵＋１×２⁴＋１×２³＋０×２
²＋０×２＋１＝５７となり、スタート位置Ａからみる
と５７×２００μｍ＝１１.４ｍｍ＋αとなる。αがさ
きほどの階調にあたり、最小パターンの画素１３の上に
少し２点鎖線が重なった位置を光検出器位置と信号強度
の関係で表すと、図３（ｂ）の（２５）に相当する。な
お、この光検出器位置と信号強度の関係については後述
する。この光の強度にあたる信号を１０ビットＡＤ変換
して得た値を仮に３６とすると１０ビットは１０２４段
階になるので、２００μ/１０２４×３６＝0.00703ｍｍ
となる。よって２点鎖線２１の光検出器位置は、11.4ｍ
ｍ＋0.00703ｍｍ＝11.40703ｍｍとなる。同様に２点鎖
線２２の光検出器位置は、1000110なので10進数表示＝
１×２⁶＋０×２⁵＋０×２⁴＋０×２³＋１×２²＋１×
２＋０＝７０から、７０×２００μｍ＝１４ｍｍ＋βと
なる。βでは、最小パターン１３が存在しないので、最
小パターンの画素１４を用いる。画素１４の上に少し２
点鎖線が重なった位置を光検出器位置と信号強度の関係
で表すと、図３（ｃ）の（２６）に相当する。こちらも
１０ビットＡＤ変換して得た値を仮に５９８とすると20
0μ/1024×598＝0.1168ｍｍとなり、よって２点鎖線２
２の光検出器位置は14ｍｍ＋0.1168ｍｍ＝11.11680ｍｍ
となる。このように最小パターンの1位未満の桁は液晶
の特性より階調信号としてとらえることができるので、
いわば小数点以下を細かくあらわすことになる。

【００１８】ちなみに、１３〜２０で構成されたスケー
ルは、絶対位置を２１、２２のように知ることができる
のでアブソリュートタイプとなる。一方１３と１４のみ
で構成されるといくら進んだかがわかる相対位置だけは
わかるので、インクリメントタイプとなる。

【００１９】次に、前述した光検出器位置と信号強度の
関係を図４を用いて説明する。図4中、図２、３と同じ
ものには同じ番号が付してある。液晶スケール１０は、
簡略化して示すと、液晶パネル２７と偏光板２８、２９
で構成され、符号パターンの画素に相当するところに
は、透明電極３０が貼付けられている。図４に示すよう
に液晶スケールをはさんで光源５３と光検出器５２が設
置されるが、これらはサーボモータの駆動に伴い、液晶
スケールと平行に走査される（なお、図示上は検出器１
５のみ移動するよう示しているが、光源５３は光検出器
５２と連動して移動する）。光検出器５２は液晶パネル
２７の電圧印加部分（すなわち、透明電極３０の貼付け
位置）から通過してくる光を検出する。

【００２０】図４の黒矢印が示すように印加部分の端か
らは光が漏れる視野角特性を有する。これは、液晶パネ
ルには斜めからみるとコントラストが変わったり色がか
わると言った性質があるが、この特性を視野角特性とい
う。これは液晶分子の異軸方向で屈折率異方性があり、
液晶層に厚みがあることから生じる現象である。

【００２１】視野角特性を図５で説明する。図５に示す
のは、液晶パネルの電圧印加部分の拡大図である。図５
中２７は液晶パネル、３１は液晶である。液晶パネル２
７をノーマリ・ブラック、すなわち電圧を印加しないと
きは、黒い状態（光が透過しない状態）に設定してあ
る。具体的には液晶パネルをはさんでいる1対の偏光板
の光軸を平行になるように設置する。液晶は、例えばＴ
Ｎ（ツイステッドネマチック）やＳＴＮ（スーパーツイ
ステッドネマチック）を用いる。そうすると偏光板２９
を通過した光は液晶パネル２７中で旋光して、もう一方
の偏光板２８でさえぎられて黒くなる。電圧を印加する
と図５に示すように液晶分子が電界方向に向くので、旋
光されず、光が通過するため白く見える。このように液
晶パネル２７に、電圧を掛けて液晶分子を立てると、長
軸方向の光は振れ無しで透過する。その時、斜めから透
過する光は、分子の短軸方向の影響も受けるので、偏光
のねじれが残り、偏光板２８から漏れ出て来る。短軸方
向の影響は光の漏れだけでなく、光の波長によっても異
なるので、表示色も変化して見える。

【００２２】したがって、光検出器５２の位置によっ
て、信号強度がかわることになる。この視野角特性、す
なわち屈折率異方性による光検出器５２の位置とその信
号強度の関係を示したのが図３（ｂ）（ｃ）である。光
検出器５２の位置によって、信号強度がかわるので、こ
の信号強度を量子化すると微細な位置を知ることが可能
となる。上記説明では１０ビットまで分解能をとってい
る。図３（ｂ）（ｃ）の強度変化グラフの頂点は１０ビ
ットの中間の５１２番目の位置を示すことになるが、回
路（図示せず）上で、強度の最高ピークとしてホールド
し、信号処理過程で記憶することで５１２番目以降の位
置と、５１２番目以前の位置との判別をする。

【００２３】以上の説明では、光検出器は、符号パター
ンの行数に応じて設けていたが、光源および光検出器を
各々1個として、液晶スケールを２次元に走査してもよ
い。また、光源を、符号パターンの行数に応じて設けて
もよい。また、光源と光検出器の位置関係も上記のもの
に限定されず、例えば図６のようなバリエーションも考
えられる。図６中、３５、３９、４１は液晶パネル（液
晶スケール）を示し、図６（ａ）は複数連の光源３４と
フォトダイオード３３を一体としたフォトインタラプタ
３２で検出するもの、（ｂ）は光源３６と光検出器３７
を同じ面におき、光源３６の光を反射板３８で反射させ
て光検出器３７で受光するもの、（ｃ）は光源としてＥ
Ｌ等のバックライト４２を用いて液晶パネル全面を照射
して光検出器４０で受けるものである。さらに、最小ビ
ットの分解能をさらに高くしてもよい。たとえば図７の
ように最小パターンをオーバーラップさせることで分解
能を上げることも可能である。パターン７０、７１は図
３の１３、１４に相当する。図８はグレイコード符号パ
ターンの例である。液晶パネル上に符号化パターン８０
が表示されている。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、バイナリーコードとグ
レイコード等により、絶対位置を正確に把握することが
可能となる。また、最小コードにて光強度が階調された
アナログ値をＡ／Ｄ変換して分解能を高めることができ
る。さらに液晶パネルを用いているので、温度変化に強
いスケールとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】サーボモータの位置決め用のリニアスケール計
測装置を示す図。（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図。

【図２】液晶スケール１０と光検出器の位置関係を示す
図。

【図３】（ａ）が液晶パネルで作製したスケールの外観
図、（ｂ）（ｃ）は光検出器位置と信号強度の関係を示
す図。

【図４】光検出器位置と信号強度の関係の説明図。

【図５】視野角特性を説明する図

【図６】光源と光検出器のバリエーション図

【図７】液晶パネルの最小パターンの変形例図

【図８】符号化パターンの変形例図

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2F065 AA02 AA07 FF02 FF16 FF42 GG07 GG13 HH06 HH07 HH12 HH13 HH15 JJ01 JJ05 JJ08 JJ09 JJ16 JJ18 LL30 LL33 LL41 NN20 PP02 QQ03 2F103 BA01 BA02 CA02 CA06 DA07 DA12 EA02 EA15 EA19 EB02 EB06 EB12 EB13 EC14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液晶表示パネル上にバイナリコード乃至グ
レイコード等の２進コードを表示してなる駆動系アクチ
ュエータの位置制御用液晶スケール。
【請求項２】駆動系アクチュエータがモータ、ソレノイ
ド、シリンダー、バネ等である請求項１記載の駆動系ア
クチュエータの位置制御用液晶スケール。
【請求項３】液晶表示パネルが、複屈折型液晶素子、透
過散乱型液晶素子、 TN（ツイステッドネマチック）液
晶、STN（スーパーTN）液晶、強誘電性液晶素子、反強
誘電性液晶、高分子分散型液晶である請求項１記載の駆
動系アクチュエータの位置制御用液晶スケール。
【請求項４】請求項１〜３記載の駆動系アクチュエータ
の位置制御用液晶スケールと、該液晶スケールから２進
コードと液晶の屈折率異方性に起因する光階調強度を移
動中に読み取る光学手段とからなる測定装置。
【請求項５】光学手段が投光器と受光器とからなる請求
項４記載の測定装置。
【請求項６】投光器が発光ダイオード、レーザー、ラン
プ、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）である請求項５
記載の測定装置。
【請求項７】受光器がフォトダイオード、フォトマル、
固体受光センサ、焦電センサ、サーモパイルである請求
項５記載の測定装置。
【請求項８】請求項４記載の測定装置と、光学手段を液
晶表示パネル面に沿って走査させる走査手段とを設けた
測定装置。
【請求項９】制御対象物と、制御対象物を駆動させるモ
ータと、制御対象物の移動量を検出する請求項１記載の
駆動系アクチュエータの位置制御用液晶スケールと、該
液晶スケールを読み取る光学手段と、該光学手段の読み
取り値に応じて制御対象物の移動量を調節する調節手段
とを備えた自動装置。