JP2010107234A - リニアスケール - Google Patents
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Abstract
【課題】目盛幅よりも小さい刻み幅単位でも、可動部の位置を簡易に且つ精度よく検出することができるリニアスケールを提供する。
【解決手段】リニアスケールは、定盤に設けられ目盛を有するスケールテープと、テーブルに設けられ目盛との位置関係に応じた信号を取得するスケールヘッドと、を備えている。このリニアスケールでは、スケールヘッドで取得された信号に基づいてカウントする複数のカウンタ部が設けられ、これらカウンタ部のカウント計数N1,N2が互いにオフセットするようにカウント初期値I1,I2が設定されている。そして、目盛幅よりも小さい刻み幅単位の位置Pb,Pdが、カウント計数N2が基準数の整数倍のときに検出される。
【選択図】図4
【解決手段】リニアスケールは、定盤に設けられ目盛を有するスケールテープと、テーブルに設けられ目盛との位置関係に応じた信号を取得するスケールヘッドと、を備えている。このリニアスケールでは、スケールヘッドで取得された信号に基づいてカウントする複数のカウンタ部が設けられ、これらカウンタ部のカウント計数N1,N2が互いにオフセットするようにカウント初期値I1,I2が設定されている。そして、目盛幅よりも小さい刻み幅単位の位置Pb,Pdが、カウント計数N2が基準数の整数倍のときに検出される。
【選択図】図4
Description
本発明は、可動部の位置を検出するためのリニアスケールに関する。
従来のリニアスケールとしては、固定部又は可動部の一方に設けられ、目盛を有するスケール本体と、固定部又は可動部の他方に設けられ、目盛との位置関係に応じた信号を取得するスケールヘッドと、を備えたものが知られている(例えば、下記特許文献1参照)。このようなリニアスケールでは、スケールヘッドで取得された信号に基づいてカウンタ部がカウントし、このカウントによるカウント計数に基づいて検出部が可動部の位置を検出する。
特開平5−248850号公報
特開2005−263336号公報
しかしながら、上述のリニアスケールでは、例えば目盛幅よりも小さい刻み幅単位で可動部の位置を検出しようとすると、場合によっては、カウント計数に含まれる誤差が大きくなってしまい、可動部の位置の検出精度が低下してしまうおそれがある。この点、上述のリニアスケールにおいては、微小な刻み幅単位で可動部の位置を検出すべく、微小な目盛幅の目盛を別途用いることも考えられる(例えば、上記特許文献2参照)。しかし、この場合、リニアスケールのハードウェア上の変更が必要となってしまう。また、目盛幅を小さくするのには、構造上限界がある
そこで、本発明は、目盛幅よりも小さい刻み幅単位でも、可動部の位置を簡易に且つ精度よく検出することができるリニアスケールを提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、通常、リニアスケールでは、カウンタ部のカウント計数が基準数の整数倍のときには、カウント計数の誤差が抑制され、可動部の位置が目盛幅単位で精度よく検出されるという知見を得た。そこで、目盛幅よりも小さい刻み幅単位で可動部の位置が検出されたときにカウント計数が基準数の整数倍であれば、かかる位置をハードウェア上の変更を要さずに簡易に、且つ精度よく検出できることに想到し、本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明に係るリニアスケールは、固定部又は可動部の一方に設けられ、目盛を有するスケール本体と、固定部又は可動部の他方に設けられ、目盛との位置関係に応じた信号を取得するスケールヘッドと、スケールヘッドで取得された信号に基づいてカウントすると共に、カウント計数が互いにオフセットするようにカウント初期値が設定された複数のカウンタ部と、複数のカウンタ部のうち一のカウンタ部のカウント計数が基準数の整数倍のとき、当該一のカウンタ部のカウント計数及びカウント初期値に基づいて、可動部の位置を検出する検出部と、を備えたことを特徴とする。
このリニアスケールでは、例えば図4に示すように、複数のカウンタ部が設けられ、これらカウンタ部のカウント計数N1,N2が互いにオフセットするようにカウント初期値I1,I2が設定される。そのため、カウント初期値I1,I2を適宜設定することで、カウント計数N1が基準数(4000)の整数倍のときの可動部3の位置Pa,Pcが、目盛幅単位で位置されると共に、カウント計数N2が基準数の整数倍のときの可動部3の位置Pb,Pdが、目盛間に位置されることとなる。つまり、目盛幅よりも小さい刻み幅単位での位置Pb,Pdを、カウント計数N2が基準数の整数倍のときに検出することが可能となる。従って、目盛幅よりも小さい刻み幅単位でも、ハードウェア上の変更を要さずに簡易に且つ精度よく検出することができる。
ここで、上記作用効果を好適に奏する構成としては、具体的には、複数のカウンタ部は、カウント初期値に0が設定された第1カウンタ部と、カウント初期値にオフセット数が設定された1又は2以上の第2カウンタ部と、を含んで構成されており、検出部は、第1カウンタ部のカウント計数が基準数の整数倍のとき、そのカウント計数に基づいて位置を目盛幅単位で検出し、第2カウンタ部のカウント計数が基準数の整数倍のとき、そのカウント計数に基づいて位置を目盛幅単位で検出すると共に、当該第2カウンタ部のオフセット数に対応する長さに基づいて、検出した位置を修正する構成が挙げられる。
また、カウント初期値は、可変に構成されていることが好ましい。この場合、可動部の位置を所望な刻み幅単位で検出することが可能となる。
本発明によれば、目盛幅よりも小さい刻み幅単位でも、可動部の位置を簡易に且つ精度よく検出することが可能となる。
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
図1は本発明の一実施形態に係るリニアスケールを含むステージ装置を示す概略図である。図1に例示する本実施形態のステージ装置1は、例えば半導体や液晶等の被加工物Mの加工用に用いられるものである。このステージ装置1は、定盤(固定部)2、テーブル(可動部)3、及び加工装置4を備えている。
テーブル3は、エアベアリング等の案内手段(不図示)により、定盤2の盤面2a上にてX方向(水平方向の一方向)に移動可能に取り付けられている。このテーブル3は、例えば永久磁石等の固定子と電磁コイル等の可動子とからなる非接触型のアクチュエータ5により駆動され、盤面2a上をX方向に移動される。
加工装置4は、テーブル3上に載置された被加工物Mにレーザ光を照射し、被加工物Mに対し穴開け加工や切断加工を行う。この加工装置4では、上記アクチュエータ5と同様なアクチュエータ6によって、レーザ光の照射位置がX方向に移動される。
ここで、ステージ装置1は、テーブル3の位置を検出するためのリニアスケール10を備えている。リニアスケール10は、定盤2の盤面2aに設けられたスケールテープ(スケール本体)11と、テーブル3における盤面2a側に設けられたスケールヘッド12とを含んで構成されている。
スケールテープ11は、例えば1m〜6mの長さの長尺状を呈しており、その長手方向がX方向と一致するように配置されている。このスケールテープ11は、凸部が20μm間隔で規則的に並設されてなる目盛13、すなわち、20μmの目盛幅の目盛13を有している。
図2は、図1のリニアスケールのスケールヘッドを示す概略図である。図2に示すように、スケールヘッド12では、例えばLED等の発光部14,15が、目盛13の目盛幅に応じた距離離間してX方向に並設されている。各発光部14,15から照射されたレーザ光L11,L21は、フィルタ16,17を介して目盛13にそれぞれ照射される。このレーザ光L11,L21の反射光L12,L22は、例えばフォトダイオード等の受光部A,Bによってフィルタ20,21を介してそれぞれ受光される。
これにより、反射光L12の光強度に関する信号であってレーザ光L11の目盛13上の反射位置に伴い目盛幅周期で変化するsin信号22が、受光部Aから出力される。これと共に、反射光L22の光強度に関する信号であってレーザ光L11の目盛13上の反射位置に伴い目盛幅周期で変化するcos信号23が、受光部Bから出力される。そして、これら信号22,23が変換部25によりデジタル変換されて、目盛13との位置関係に応じたデジタル信号としてのA/B相信号26がスケールヘッド12から出力される。
図1に戻り、ステージ装置1は、アクチュエータ5の駆動を制御するテーブル用コントローラ31と、アクチュエータ6の駆動を制御する加工用コントローラ41と、を備えている。
テーブル用コントローラ31は、位置検出ユニット33、PI制御部34及びドライバ35を有している。位置検出ユニット33は、上記リニアスケール10を構成するものであり、スケールヘッド12から出力されるA/B相信号26に基づきテーブル3の位置を位置情報D1として検出する。PI制御部34は、ユーザから入力された移動位置指令K1と、位置検出ユニット33の位置情報D1とに基づいてPI制御を実行する。ドライバ35は、PI制御部34の出力に応じた電流値をアクチュエータ5に供給する。
この位置検出ユニット33は、目盛幅単位でテーブル3の位置を検出するものであり、カウンタ部36と検出部37とを含んでいる。カウンタ部36は、A/B相信号26のパルス数をカウント(カウントアップ/カウントダウン)し、そのカウントした計数をカウント計数としてメモリーする。このカウンタ部36では、カウント初期値に0が設定されている。検出部37は、カウンタ部36のカウント計数に基づいて、位置情報D1を演算し検出する。
加工用コントローラ41は、上記テーブル用コントローラ31と同様に、位置検出ユニット43、PI制御部44及びドライバ45を有している。位置検出ユニット43、上記リニアスケール10を構成するものであり、スケールヘッド12から出力されるA/B相信号26に基づきテーブル3の位置を位置情報D2として検出する。PI制御部44は、ユーザから入力された加工位置指令K2と、位置検出ユニット43の位置情報D2とに基づいてPI制御を実行する。ドライバ45は、PI制御部44の出力に応じた電流値をアクチュエータ6に供給する。
この位置検出ユニット43は、加工装置4によって目盛13の目盛幅よりも小さいレベルの精密なレーザ加工を実行すべく、目盛13の目盛幅よりも小さい刻み幅単位でテーブル3の位置を検出する。ここでは、1/2目盛(つまり、10μm)単位でテーブル3の位置を検出する(詳しくは後述)。位置検出ユニット43は、基準カウンタ部(第1カウンタ部)46と、オフセットカウンタ部(オフセットカウンタ部)47と、検出部48とを含んでいる。カウンタ部46,47のそれぞれは、A/B相信号26のパルス数をカウントし、そのカウントした計数をカウント計数としてメモリーする。
基準カウンタ部46は、カウント初期値に0が設定されている。オフセットカウンタ部47は、カウント初期値にオフセット数(ここでは、2000)が設定されている。つまり、カウンタ部46,47は、カウント計数が互いにオフセットする(ずれる)ようにカウント初期値が設定されている。このカウント初期値は、可変に構成されており、ユーザにより所望に設定可能となっている。検出部48は、カウンタ部46,47のカウント計数及びカウント初期値に基づいて、位置情報D2を演算し検出する。
次に、説明したリニアスケール10による位置検出について説明する。
まず、リニアスケール10による位置検出の原理について説明する。リニアスケール10のスケールヘッド12では、上述したように、目盛幅周期で変化するsin信号22が受光部Aから出力され、目盛幅周期で変化するcos信号23が受光部Bから出力される。
これらの信号22,23を縦軸及び横軸とするグラフ化すると、テーブル3の位置にあっては、図3の曲線51に示すように、理論的には、円形のリサージュ曲線(互いに直交する二つの単振動を合成して得られる軌跡)上の角度(位置)として表される。つまり、目盛13の1目盛が、信号22,23の逆正接(arctan)を求めてなるリサージュ曲線の360°で表される。
そこで、リニアスケール10では、上述したように、変換部25により信号22,23をデジタル変換してA/B相信号26を生成する。そして、このA/B相信号26のパルスの数を、リサージュ曲線の角度に相当するものとしてカウンタ部36,46,47でカウントする。ここでは、目盛13の1目盛の分解能(基準数)を4000(すなわち、カウント計数4000で20μm)としている。これにより、カウント計数に基づくことで、リサージュ曲線上の角度が求められることなり、テーブル3の位置が求められるのである。
次に、リニアスケール10による位置検出に関し、テーブル用コントローラ31の位置検出ユニット33の処理と、加工用コントローラ41の位置検出ユニット33の処理と、のそれぞれついて具体的に説明する。なお、以下においては、説明の便宜上好ましいとして、テーブル3の原点位置(目盛13が0の位置)を始点とし一定速度VでX方向の正方向に移動する際の、テーブル3の位置検出を例示して説明する。
[テーブル用コントローラ]
テーブル3を移動させると、かかる移動に伴ってA/B相信号26のパルスの数がカウンタ部36でカウントされ、カウント計数が増加する。そして、目盛幅に対応する基準数である4000にカウント計数が達したとき、信号が検出部37に出力される。これと共に、検出部37において、カウント計数に基づいてテーブル3が1目盛(20μm)変位したと判断され、テーブル3の位置を20μmとする位置情報D1が出力される。
テーブル3を移動させると、かかる移動に伴ってA/B相信号26のパルスの数がカウンタ部36でカウントされ、カウント計数が増加する。そして、目盛幅に対応する基準数である4000にカウント計数が達したとき、信号が検出部37に出力される。これと共に、検出部37において、カウント計数に基づいてテーブル3が1目盛(20μm)変位したと判断され、テーブル3の位置を20μmとする位置情報D1が出力される。
続いて、テーブル3のさらなる移動に伴って、A/B相信号26のパルスの数がカウンタ部36で引き続きカウントされ、カウント計数が増加する。そして、カウント計数が8000に達したとき、信号が検出部37に出力されると共に、検出部37にてテーブル3が2目盛(40μm)変位したと判断されて、テーブル3の位置を40μmとする位置情報D1が出力される。
その後、テーブル3のさらなる移動に伴ってカウンタ部36で引き続きカウントされ、カウンタ部36のカウント計数が基準数(4000)の整数倍のとき、検出部37によって、テーブル3の位置がカウント計数に基づき目盛幅単位で検出される。
[加工用コントローラ]
位置検出ユニット43は、上述したように、1/2目盛(10μm)単位でテーブル3の位置を検出する。具体的には、以下の処理を実行する。
位置検出ユニット43は、上述したように、1/2目盛(10μm)単位でテーブル3の位置を検出する。具体的には、以下の処理を実行する。
まず、位置検出の前処理として、オフセットカウンタ部47のカウント初期値にオフセット数を予め設定する。ここでは、オフセットカウンタ部47のカウント初期値を0に仮設定した状態で、テーブル3を外部測定器等で測定しながら原点位置から移動させ、10μmの位置に移動させる。そして、このときのカウント計数(ここでは、2000)をメモリーする。その後、テーブル3を原点位置に戻し、オフセットカウンタ部47のカウント初期値に、メモリーしたオフセット数である2000を設定する(図4(a)参照)。
続いて、テーブル3を移動させると、かかる移動に伴ってA/B相信号26のパルスの数がカウンタ部46,47でカウントされる。そして、カウント計数N1が基準数の整数倍のとき、基準カウンタ部46のカウント計数N1及び初期値I2に基づいてテーブル3の位置情報D2が検出されると共に、カウント計数N2が基準数の整数倍のとき、オフセットカウンタ部47のカウント計数N2及び初期値I2に基づいてテーブル3の位置情報D2が検出され出力される。その後、これらの出力が交互に繰り返される。
より具体的には、テーブル3の移動に伴って、A/B相信号26のパルスの数がカウンタ部46,47でそれぞれカウントされ、これらカウンタ部46,47にてカウント計数がそれぞれ増加する。そして、図4(b)に示すように、オフセットカウンタ部47のカウント計数N2が4000(カウント計数N1が2000)に達したとき、オフセットカウンタ部47から信号が検出部48に出力される。これと共に、検出部48において、テーブル3が「オフセット数に相当する距離」(10μm)変位したと判断され、テーブル3の位置を10μmとする位置情報D2が出力される。
続いて、テーブル3のさらなる移動に伴って、A/B相信号26のパルスの数がカウンタ部46,47で引き続きカウントされ、これらカウンタ部46,47にてカウント計数がそれぞれ増加する。そして、図4(c)に示すように、基準カウンタ部46のカウント計数N1が4000(カウント計数N2が6000)に達したとき、基準カウンタ部46から信号が検出部48に出力される。これと共に、検出部48において、テーブル3が「1目盛」(20μm)変位したと判断され、テーブル3の位置を20μmとする位置情報D2が出力される。
また、図4(d)に示すように、オフセットカウンタ部47のカウント計数N2が8000(カウント計数N1が6000)に達したとき、オフセットカウンタ部47から信号が検出部48に出力される。これと共に、検出部48において、テーブル3が「1目盛+オフセット数に対応する長さ」(30μm)変位したと判断され、テーブル3の位置を30μmとする位置情報D2が出力される。
すなわち、テーブル3の移動に伴いカウンタ部46,47でカウントされ、基準カウンタ部46のカウント計数N1が「基準数×N」(N=1,2,・・・)のとき、このカウント計数N1に基づきテーブル3の位置が目盛幅単位で検出され出力される。具体的には、「目盛幅×N」とするテーブル3の位置が出力される。一方、オフセットカウンタ部47のカウント計数N2が「基準数×N」のとき、このカウント計数N2に基づきテーブル3の位置が目盛幅単位で検出されると共に、この検出した位置が、オフセット数に対応する長さに基づき修正され出力される。具体的には、「目盛幅×(N−1)+オフセット数に対応する長さ」とするテーブル3の位置が出力される。
ところで、一般的なリニアスケールでは、その光学的又は電気的なばらつき等や、スケールテープ11及びスケールヘッド12間のアライメントの影響で、リサージュ曲線が真円を保てずに歪んでしまうことがある(図3の曲線52参照)。このようにリサージュ曲線が歪むと、カウント計数に単純に基づいてテーブル3の位置を検出する従来のリニアスケールの場合、次の問題がある。例えば、カウント計数が基準数の整数倍のときではテーブル3の位置を目盛幅単位で精度よく検出できるものの、それ以外のカウント計数のときでは、当該カウント計数に含まれる誤差が大きくなってしまい、テーブル3の位置検出精度が低下してしまう。
図5は、従来のリニアスケールのカウント計数の標準偏差を示すグラフである。図中において、σ10μmは、テーブル3の位置が10μmのときのカウント計数の標準偏差を示しており、このカウント計数は、リサージュ曲線の180°に対応している。σ20μmは、テーブル3の位置が目盛幅である20μmのときのカウント計数の標準偏差を示しており、このカウント計数は、リサージュ曲線の360°に対応している。σ30μmは、テーブル3の位置が30μmのときのカウント計数の標準偏差を示しており、このカウント計数は、リサージュ曲線の540°に対応している。図5に示すように、目盛幅(20μm)では、カウント計数のばらつきが低いものとなる一方、それ以外では、カウント計数のばらつきが大きくなっている。これにより、カウント計数が基準数の整数倍のときには、テーブル3の位置を精度よく検出でき、それ以外のカウント計数のときでは、テーブル3の位置検出精度が低下するということが確認できる。
この点、本実施形態のリニアスケール10では、上述したように、位置検出ユニット43にて複数のカウンタ部46,47が設けられ、これらカウンタ部46,47のカウント計数が互いにオフセットがするようカウント初期値I1,I2が設定されている。これにより、カウント計数N2が基準数の整数倍のとき、1/2目盛幅(目盛幅よりも小さい刻み幅)単位の位置Pb,Pdが検出される。よって、カウント計数のばらつきを抑制して位置Pb,Pdを検出でき、1/2目盛幅単位のテーブル3の位置Pb,Pdを、ハードウェア上の変更を要さずに簡易に且つ精度よく検出することができる。
なお、本実施形態では、上述したように、カウント初期値I1,I2が可変に構成されている。よって、本実施形態においては、カウント初期値I2に1/2目盛に対応するオフセット数を設定したが、これに限定されるものではない。例えば、1/3目盛や1/4目盛等の長さに対応するような所望なオフセット数をカウント初期値I2に設定することで、テーブル3の位置を所望な刻み幅単位で検出することができる。
ちなみに、本実施形態においては、一定速度VでX方向の正方向にテーブル3が移動する場合を例示して説明したが、移動速度は変化するものであってもよく、移動方向は、X方向の負方向であっても、正負の方向が変化するものであってもよい。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、スケールテープ11を定盤2に設け、スケールヘッド12をテーブル3に設けたが、スケールテープ11をテーブル3に設け、スケールヘッド12を定盤2に設けてもよい。
また、上記実施形態のスケールヘッド12では、レーザ光L11,L21の反射光L12,L22を受光するように受光部A,Bを構成したが、レーザ光L11,L21の透過光を受光するように受光部A,Bを構成してもよい。また、リニアスケール10を光学式としたが、磁気式としてもよい。
また、上記実施形態では、テーブル3を外部測定器等で測定しながら原点位置から所定位置に移動させ、このときのカウント計数をオフセット数としたが、これに限定されるものではない。例えば、1/2目盛に対応するオフセット数を求める場合、テーブル3を一定速度で移動させたときのカウント計数の変化を観察し、変化の時間バラツキが最も小さい位置のカウント計数をオフセット数としてもよい。これは、カウント計数が、1目盛間において1/2目盛に集まるようにばらつき易いためである。
なお、加工用コントローラ41の位置検出ユニット43は、カウント計数が互いにオフセットするようにカウント初期値が設定されていれば、3つ以上のカウンタ部を有していてもよい。同様に、テーブル用コントローラ31の位置検出ユニット33は、2つのカウンタ部を有していてもよく、カウンタ部を3つ以上有していてもよい。また、上記実施形態では、リニアスケール10をステージ装置1に適用したが、本発明のリニアスケールは、種々の装置に適用可能なものである。
2…定盤(固定部)、3…テーブル(可動部)、10…リニアスケール、11…スケールテープ(スケール本体)、12…スケールヘッド、13…目盛、46…基準カウンタ部(第1カウンタ部)、47…オフセットカウンタ部(第2カウンタ部)、I1,I2…カウント初期値、K1,K2…カウント計数。
Claims (3)
- 固定部又は可動部の一方に設けられ、目盛を有するスケール本体と、
前記固定部又は前記可動部の他方に設けられ、前記目盛との位置関係に応じた信号を取得するスケールヘッドと、
前記スケールヘッドで取得された前記信号に基づいてカウントすると共に、カウント計数が互いにオフセットするようにカウント初期値が設定された複数のカウンタ部と、
前記複数のカウンタ部のうち一のカウンタ部のカウント計数が基準数の整数倍のとき、当該一のカウンタ部のカウント計数及び前記カウント初期値に基づいて、前記可動部の位置を検出する検出部と、を備えたことを特徴とするリニアスケール。 - 前記複数のカウンタ部は、
前記カウント初期値に0が設定された第1カウンタ部と、前記カウント初期値にオフセット数が設定された1又は2以上の第2カウンタ部と、を含んで構成されており、
前記検出部は、
前記第1カウンタ部のカウント計数が前記基準数の整数倍のとき、そのカウント計数に基づいて前記位置を目盛幅単位で検出し、
前記第2カウンタ部のカウント計数が前記基準数の整数倍のとき、そのカウント計数に基づいて前記位置を目盛幅単位で検出すると共に、当該第2カウンタ部の前記オフセット数に対応する長さに基づいて、検出した前記位置を修正することを特徴とする請求項1記載のリニアスケール。 - 前記カウント初期値は、可変に構成されていることを特徴とする請求項1又は2記載のリニアスケール。
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