JP2002188940A

JP2002188940A - 測長器

Info

Publication number: JP2002188940A
Application number: JP2000389916A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Yoshino; 勝美吉野
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2002-07-05
Also published as: US20020097371A1

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、液晶の電気光学効果を応用した測長
器を提供することを目的とする。【解決手段】本発明では、液晶表示パネル１は、一対の
ガラス基板２を対向させ、スぺーサ３によって間隔を保
持し、液晶４を封入して構成する。また、ガラス基板２
にはＩＴＯ膜５を蒸着して液晶駆動電極を形成してお
り、液晶駆動電極には制御回路で制御された電圧が印加
され、その電圧を変化させる信号波形の高さ／幅を変化
させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば数値制御工
作、機械、半導体基板の搬送装置、３次元描画装置、内
視鏡手術用装置、μマシン製造装置、多関節ロボット、
遺伝子治療薬製造装置、位置制御非接触形状計測装置、
光ディスク検査装置、DNA検査・解析装置などの駆動系
アクチュエータの位置制御用の測長器に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、半導体・液晶生産装置や検査装置
をはじめ、インサータ、マウンタ、工作機械等へのサー
ボモータの需要が高まりつつある。さらに、精度向上に
よって、射出成型器や印刷機械等への応用展開へと拡大
しつつある。一方、マイクロファクトリ、小型ロボット
等の微小加工・検査技術等に応用するための小型サーボ
機構の開発もさかんに行われている。

【０００３】一般に高精度のサーボ機構は駆動モータと
微動用減速器と位置検出器から構成されるが、位置検出
器は信号処理ソフトのウエイトが高く、検出ハードの開
発が求められている。高精度の位置検出器が開発されれ
ば、たとえば高密度化された光ディスクドライブのトラ
ッキング対策、自動焦点調整、温度ドリフト補償等を行
うことによるきわめて迅速かつ精密な駆動が可能とな
る。また、高密度ディスク製品の品質検査の要望からナ
ノオーダの欠陥位置精密検出装置や粗さ、外・内周傷、
そり、うねり等の表面精度測定装置への応用が大いに期
待できる。さらに今後、高速生産に欠かせない表面傷検
出においては、エンコーダからの相対的な情報をもとに
したインクリメントな検出方法では、観測位置の特定が
困難でソフトウエアでの認識のみでは誤差を抑えること
ができなくなることが予想される。このように、位置検
出器の将来にはナノスケールの高分解能と観測位置の絶
対値位置検出が必要不可欠である。

【０００４】最近の移動位置検出方式には光学方式と磁
気方式がほとんどで、各々測長用スケールと検出用ピッ
クアップの部分から成る。前者はＬＥＤやＬＤを用いて
光の透過・反射特性変化を検出する方式で、後者は磁性
体からの磁気をコイル等で検出する方式である。また両
者とも高分解能を実現するために従来より多素子検出器
の配置によってセンサ信号に位相ずれを生じさせて論理
素子によって逓倍化したり、あるいは検出アナログ信号
を量子化する方式が用いられている。ナノオーダでの位
置検出では、この逓倍化の方法が重要でソフト上の処理
による誤差の原因はその出力の質に依存しているといっ
てもよい。現在、最も検出分解能が高いと言われている
方式は光学逓倍方式で、ピックアップからのアナログ信
号の量子化によって分解能を高めている。なお、磁気方
式の場合は磁束密度の経時変化があり光学式には及ばな
い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、光学式位置検
出には一般的に回折光の外乱影響があげられ、パターン
ニングが細かくなればなるほど透過ないし反射による回
折光の干渉によって測長精度に悪影響する点が避けられ
ないとされてきた。また、分解能を高めるための逓倍化
において多素子配置の精度が要求される点、ピックアッ
プからの位置対信号出力特性がリニアではなく、また再
現性に乏しいため量子化する場合にソフト上の負担が非
常に大きい点が課題として残されている。材料面におい
ては、位置検出器の要素である測長用スケールの品質、
特に熱や環境温度に対する配慮が求められている。たと
えば、ナノスケールの製法においてマイクロマシニング
技術や蒸着技術を用いると小型精密スケールの製作が可
能ではあるが、充分な厚さを付与し難いため、微妙な残
存応力や熱応力によって簡単に変形してしまうことや、
高速で駆動する際に動的変形を来たすこと等により充分
な信頼性を得ることができない。そのため従来の光学検
出では、高分解能と高信頼性に限界があり、新しいスケ
ール材料が求められていた。

【０００６】また、前述したように絶対位置センシング
技術を併せ持てば理想的である。そのため、従来より精
密蒸着スケール作製の際、絶対位置を知るためのコード
パターンをスケール内に刻印することによって知る方法
がとられているが、複雑であり作製が困難で高価なもの
となっていた。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、次の３点を達成するものである。１）エンコーダのスリットに相当する格子スケール単位
を使用光波長よりできるだけ長いものとし、アナログ信
号の量子化によって分解能を高める。２）熱や動的変形に強い素材と、ある程度の厚みを保持
しつつ数百ミリからナノ領域までの広い駆動範囲をカバ
ーできるデバイスを提供する。３）任意にパターンを測長器内で変更し、絶対位置検出
を容易にする。本件発明者は、上記各点は、液晶表示パネルなどの光変
調素子を利用することにより達成できることを見出し、
本発明を完成させたのである。

【０００８】具体的に本発明は、複数の画素からなる光
変調素子と、該光変調素子に電圧を印加する駆動部と、
前記光変調素子に光を照射する投光器と、光変調素子に
照射された光の透過・散乱光を受光する受光器とからな
る測長器であって、前記駆動部に駆動電圧を変化させる
制御手段を備え、該駆動電圧を変化させることにより信
号波形の高さ及び又は幅を調節することを特徴とする。
ここで、光変調素子としては、例えば液晶表示パネル、
エレクトルミネッセンス（ＥＬ）などを挙げることがで
きるが、これらには限定されない。すなわち、本発明
は、液晶表示パネルなどの光変調素子は電界の印加によ
って任意の位置に特性を加えることができる点、ガラス
等の構成要素が堅牢で周囲温度変化に対し変動が少ない
点、屈折率の分布が容易に電気的に制御できる点に着目
している。

【０００９】ここで、液晶表示パネルは、一対の電極板
の間に液晶を封入して構成される。各電極板は、通常、
ガラス基板に電極として機能しうる、例えばＩＴＯ膜を
蒸着して形成される。液晶は、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。セルギ
ャップ（一対の電極板の間の距離）は、１〜１００μ
ｍ、好ましくは５〜２０μｍである。

【００１０】また、液晶表示パネルの画素の大きさ、パ
ターン、ピッチは、用途に応じて異なるが、例えば千鳥
状のパターンで、画素の大きさ（パターンの幅）１０〜
１００μ、ピッチ１０〜１００μｍが好ましい。さら
に、液晶表示パネルには、バイナリコード乃至グレイコ
ード等の２進コードを表示することもできる。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からの出射、透過あ
るいは反射光を移動しながら光センサにとりこみ、光量
に応じた信号を得ることで、パターンを分割し、より精
細な位置情報を、信号強度をアナログ的にあるいは量子
化することで知ることが可能である。

【００１１】液晶駆動部での駆動電圧は、液晶表示パネ
ルのセルギャップが５〜２０μｍの場合、周波数１０〜
１ｋＨｚ、好ましくは１００〜７００Ｈｚで、５〜５０
Ｖ、好ましくは１０〜２５Ｖの矩形波を印加することが
好ましい。かかる範囲内で駆動電圧を変化させることに
より、信号波形の高さ及び又は幅を調節することが可能
となる。これは、液晶の駆動電圧の調節により、液晶屈
折率分布の調整が可能となるからで、これにより次の効
果が生じる。１）レンズＮＡ（Numerical Apercha 開口数）の調
節：電圧を印加すると液晶の配向によりレンズ作用効果
が生じるが、電圧調整によりフォーカス機能の調節が可
能となり、例えばワークの凹凸が識別できる変位量のセ
ンサとして用いることができる。２）検出ＳＮの向上：印加電圧が高いほど信号の波高値
は高くなり、ＳＮがあがる。３）波高値の違いからポイント検出が可能となる。すな
わち、移動距離の絶対位置を任意に指定することが可能
となる。なお、液晶の駆動電圧は、画素各々について独立に変化
させても、複数画素をセットとして一括して変化させて
もいずれでもよいが、ポイント検出をする場合は、各画
素毎に独立に変化させるのが好ましい。また、本発明で
いう制御手段は、例えば液晶駆動ドライバを制御するコ
ンピュータ全般をさすが、これに限定されない。

【００１２】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
〜１５００ｎｍ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。

【００１３】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 s
ensing 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。

【００１４】さらに、投光器と液晶表示パネルの間ある
いは液晶表示パネルと受光器の間に光の回りこみ防止の
ためスリットを設けてもよい。スリット幅は、液晶画素
の大きさに応じて異なるが、例えばスケールの場合は、
５０〜５００μｍである。また、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。載置台を移動させる場合には、リニアモータ、
ねじ送り機構、ラック・ピニオン機構などで移動させ
る。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。

【００１５】また、本発明は、前述した測長器と、測長
器の動作画素の位置を記憶する記憶部と、該記憶部で記
憶された位置に被対象物を移動させる移動手段を備えて
なる装置を提供する。すなわち、液晶表示パネルなどは
任意の位置を駆動させることが可能なので、その位置を
記憶しておけば、例えば再度電源を投入したときなど
に、目的とする位置に被対象物を移動させることができ
る。また、電源投入直後に絶対値が正確に確認できるた
め生産・検査装置の準備時間の削減、保守時間の削減に
つながる。移動手段としては、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。

【００１６】

【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、本発明の液晶測長器の概略図
で、(ａ）は上面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は液晶表
示パネル上面拡大図、（ｄ）は液晶表示パネル側面図で
ある。図１中１は、液晶表示パネルであり、液晶表示パ
ネル１は、一対のガラス基板２を対向させ、スぺーサ３
によって間隔（例えば５μｍ）保持し、液晶４を封入し
て構成する。また、ガラス基板２にはＩＴＯ膜５を蒸着
して液晶駆動電極を形成しており、液晶駆動電極は図示
しない制御回路で制御された電圧が印加される。ガラス
基板２の片側には、ＩＴＯ膜５による３０μ角の光透過
窓を形成するパターン１２が３０μｍピッチで作成され
ており（図１（ｃ））、対向するガラス基板２には同様
のＩＴＯ膜５の３０μ角パターンが片側と対をなす形で
製作されているとともに遮光目的のアルミ蒸着膜６がＩ
ＴＯ膜５の周囲に短絡させて形成してある。なお、液晶
４としては、例えば、ＴＮ（ツイステッドネマチッ
ク）液晶を用いる。

【００１７】液晶表示パネル１の両側にはＬＥＤ７およ
びフォトダイオード（ＰＤ）８からなる検出部を設置し
ている。検出部の構成は、図１（ｂ）に示すようにコの
字型のアルミナ基板９の窪みにＰＤ８を収容し、段差の
ところに液晶表示パネル１を配置している。

【００１８】ＬＥＤ７と液晶表示パネル１間には開口径
100μmφのアパーチャ１０を設け、そのクリアランスは
アルミナ基板９を用いて１μmとなるようにしている。
光源として用いたＬＥＤ７の波長は、例えば860nmで駆
動周波数を60KHzとする。光束はアパーチャ１０を通過
し液晶表示パネル１に入射後、液晶表示パネル１から再
び出射した光をＰＤ８で受光する。なお、液晶表示パネ
ル１は、モータ１１に接続されており、１mm/秒の等速
でアルミナ基板９の段差部分に沿って移動させており、
ＰＤから出力される直流信号はアンプ１３で増幅された
のち、図示しない信号処理回路に送られる。

【００１９】以上の構成で、各ＩＴＯパターンに同時に
電圧を印加させ、液晶測長器から出射された光束の再現
性を評価した。比較として蒸着ガラス基板のみの場合と
液晶パネルに電界を印加しない場合についても同様の評
価を行った。測定中は液晶の両端には、互いに逆位相の
１２ないし１５Ｖ、５００Ｈｚのパルスを印加した。液
晶の駆動電圧を変化させて、検出信号特性の液晶駆動に
対する依存性を調べた。

【００２０】実験結果を図２に示す。図２はピックアッ
プ信号のトレースを示した図で、（ａ）は蒸着膜付きガ
ラス基板のみの場合、（ｂ）液晶パネルに電界を印加し
ない場合、（ｃ）は電界１５Ｖパルス印加の場合、
（ｄ）は電界１２Ｖパルス印加の場合に得た出力特性を
示している。図２の（ａ）（ｂ）が示すように通常は格
子板や液晶表示パネルではピックアップ出力が歪んでい
るのに対して、液晶駆動時には窓幅と間隔に応じた直線
性の良い移動位置対信号強度が得られ、理想的なアナロ
グ検出信号であることがわかった。このことは量子化に
よって位置を高感度に検出できることを示しており、３
〜４桁程度のきわめて高い分解能が実現できることを示
唆している。また、信号波形の液晶窓間の再現性におい
ても良好な結果を得ることができた。その際、図２の
（ｃ）（ｄ）のように、駆動電圧を変化させることによ
って波形の高さ/幅の調節が容易であることがわかっ
た。液晶パネルに電界を印加する場合とそうでない場合
において、波形形状が異なる点を利用すれば、独立に各
液晶パターンを駆動させ信号判別の閾値電圧を設けパル
ス幅変化や信号強度を比較することで、任意の位置が認
識できることを示している。このように液晶表示パネル
から高速測長器として理想的な特性をピックアップから
読み取ることができることがわかった。これらの結果は
駆動パルスに対して液晶分子の配置が変化し、定常的な
屈折率の分布をなすことで出射光束が光学的に調節され
ていると考えられる。駆動パルス条件以外の要因とし
て、今回用いた液晶パネルの３０μm角の各窓が、対抗
電極面を共有する状態で生じた電界に従った液晶配置に
あるとも考えられる。

【００２１】図３は液晶電気光学効果を用いた液晶測長
器のアブソリュート型サーボ機構への応用例を示してい
る。図３中３１は測定器ユニットで、この測定長ユニッ
ト３１は液晶表示パネル３８と、その液晶表示パネル３
８の両側に配置されたＬＥＤ３２及びＰＤ３４からな
る。また、測定長ユニット３１はモータ４１の駆動に伴
い移動する。

【００２２】液晶表示パネル３８は、図１と同様に一対
のガラス基板を対向させ、スぺーサによって間隔（例え
ば５μｍ）を保持し、液晶を封入して構成されており、
ガラス基板にはＩＴＯ膜を蒸着して液晶駆動電極を形成
している。液晶晶駆動電極は液晶駆動ドライバ３５で駆
動され、液晶駆動ドライバ３５はＣＰＵ３６で制御され
る。液晶表示パネル３８には３０μ角パターンが交互に
配置されており、各位置はそれぞれにアドレスが付加さ
れており、そのアドレスはＣＰＵ３６に記憶されてい
る。

【００２３】また、３３はＰＤ３４の信号を増幅する増
幅器、３７は起動位置を記憶させる位置制御ユニット、
３９はモータ４１を制御する制御ユニット、４０はモー
タを駆動するサーボドライバである。なお、モータ４１
には図示しない被対象物が接続している。

【００２４】図３の装置では、液晶駆動により任意にパ
ターンを測長ユニット内で変更することで、絶対位置を
認識できる。絶対位置検出では、まずＣＰＵ３６からの
信号により液晶駆動ドライバ３５を駆動させて所定のパ
ターニングで液晶表示パネル３８を駆動する。その起点
を位置制御ユニット３７に記憶させておき、その後、必
要なアドレスの液晶パターンを駆動することで、他の格
子との識別が可能である。それによって、複雑なアブソ
リュートパターンを刻印すること無く絶対位置検出を行
える。また、起点を記憶しておくことにより、再度電源
を投入したときに、その同じ位置を液晶駆動により表示
することで、常に同じ位置から図示しない被対象物を移
動させることができる。この図３の構成により、ソフト
ウエアの信号処理の負担が少なく、保守時間や起動時間
が短縮でき高速移動も可能な非常にシンプルで高性能な
アブソリュートエンコーダを実現することができる。

【００２５】なお、上記説明では、測長のみを説明した
が、屈折率の制御が可能な点は、対象物の深さやそりと
いった精密変位検出への適用も充分考えられる。したが
って、本発明でいう「測長」とは、変位検出全般を含む
広い概念である。また、将来は、この発明を応用した高
速光ディスク生産・検査装置や光ディスクドライブのピ
ックアップコイルの高性能代替技術となる可能性もあ
る。また、メカノケミカルポリッシング後の非常に精密
な表面の計測装置や高分解能光学式顕微鏡等の要素技術
も期待できる。またこれ以外の分野として半導体製造・
検査装置をはじめ、遺伝子診断装置、手術支援装置をは
じめアクチュエータを必要とする高速・精密ロボットに
は欠かせない技術になる。

【００２６】

【発明の効果】本発明では、液晶電気光学効果を例え
ば、サーボ駆動の移動位置検出センサに適用すること
で、従来の磁気・光学方式より優れた特性が得られる。
さらに、本発明では、前述したように１）レンズＮＡの
調節２）検出ＳＮの向上３）波高値の違いからポイ
ント検出が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液晶表示測長器の概略図

【図２】液晶窓上のピックアップ走査時の出力特性図。

【図３】アブソリュート型サーボの構成図

【符号の説明】

１：液晶表示パネル２：ガラス基板４：液晶５：ＩＴＯ膜７：ＬＥＤ８：フォトダイオード

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の画素からなる光変調素子と、該光変
調素子に電圧を印加する駆動部と、前記光変調素子に光
を照射する投光器と、光変調素子に照射された光の透過
・散乱光を受光する受光器とからなる測長器であって、
前記駆動部に駆動電圧を変化させる制御手段を備え、該
駆動電圧を変化させることにより信号波形の高さ及び又
は幅を調節することを特徴とする測長器。
【請求項２】駆動部の制御手段が画素毎に電圧を制御す
る請求項１記載の測長器。
【請求項３】光変調素子が液晶表示パネル又はエレクト
ルミネッセンス（ＥＬ）である請求項１記載の測長器。
【請求項４】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、導電性等の高分子材
料、色素材料、フォトニック結晶、非線型材料である請
求項３記載の測長器。
【請求項５】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１
記載の測長器。
【請求項６】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１記載の測長器。
【請求項７】請求項１記載の測長器と、測長器の動作画
素の位置を記憶する記憶部と、該記憶部で記憶された位
置に被対象物を移動させる移動手段を備えてなる装置。