JP2767936B2 - リニアエンコーダの誤差補正方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、例えば半導体製造装置のＸ−Ｙテーブル等
に使用されるリニアエンコーダの位置検出の精度を向上
させることのできる技術に関する。

（従来の技術） リニアエンコーダは位置データを電気信号で出力でき
る測定手段であり、さまざまな位置検出の用途に広範囲
に使用される。

第５図に一般的な光学的リニアエンコーダの構成図を
示す。

同図において、スリット２が刻み込まれたスケール１
を測定ヘッド３が走査すると、測定ヘッド３は、第６図
（ａ）に示すような互いに90゜位相がずれた２つの正弦
波信号40,41を発生する。必要とする分解能を得るため
に、この信号40,41を測定アンプ４により、分割して、
第６図（ｃ）に示すような矩形波パルス42,43に波形整
形する。

上記光学的リニアエンコーダにおいては、測定アンプ
４の出力信号である矩形波パルスをカウンタにより計数
することにより、スケール１に対する測定ヘッド３の相
対位置を検出することができる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、例えば、半導体製造装置のＸ−Ｙテー
ブル等に使用されるリニアエンコーダは極めて高精度な
位置検出が要求される。

このような用途においては、リニアエンコーダのスケ
ール１に刻まれたスリット２が決められた間隔よりずれ
て作成された場合には、スリット２は位置誤差（以下
「シフト誤差」と云う）を含んでいることになり、これ
が測定アンプ４の出力に直接影響を与える誤差となる。

更に、前述したような測定アンプ４内において波形を
分割して分解能を上げる方法は、電子回路により容易に
実現されるが、厳密に均一に分割することは不可能であ
り、この場合、ある傾向を持った誤差パターンが繰り返
されるという内挿誤差を発生する。

即ち、第６図（ｃ）に示すように、測定アンプ４から
の実際の矩形波パルスのパルス幅は一定でなく、理想分
割に対してずれており、このずれがある傾向を持ったパ
ターンを成して繰り返される。

この結果、第５図の構成のリニアエンコーダのリニア
スケールでは、上記したシフト誤差及び内挿誤差の２つ
の誤差が重なって発生するために、分解能を高くしても
その数分の一から数十分の一の位置精度しか保証されな
いという問題があった。

本発明の目的は、上記従来技術の課題に鑑み、リニア
エンコーダの位置検出精度を比較的簡単な構成でリニア
スケールの本来の分解能まで向上できるリニアエンコー
ダの誤差補正方法を提供することを目的とする。

（課題を達成するための手段） 本発明の請求項１に係るリニアエンコーダの誤差補正
方法は、リニアエンコーダのリニアスケール全域を複数
の領域に区分けし、各々が所定数の前記領域から成る複
数のブロックを形成し、各ブロック内における前記各領
域のリニアスケールの測定信号の誤差パターンを測定
し、これらの測定した誤差パターンに基づき当該ブロッ
ク内の平均誤差パターンを求め、該平均誤差パターンを
当該ブロック内の誤差パターンとして記憶し、該記憶し
た平均誤差パターンを用いて当該ブロック内の誤差を補
正することを特徴とする。

また、本発明の請求項２に係るリニアエンコーダの誤
差補正方法は、前記各ブロック内の前記平均誤差パター
ンはリニアエンコーダの測定アンプの内挿誤差であるこ
とを特徴とする。

また、本発明の請求項３に係るリニアエンコーダの誤
差補正方法は、リニアエンコーダのリニアスケール全域
を複数の領域に区分けし、リニアスケール上の原点に対
する前記各領域のリニアスケールの測定信号を分割して
複数の矩形波とし、各矩形波の位置誤差を測定し、これ
らの測定した位置誤差から当該領域の位置誤差の平均値
を求め、該位置誤差の平均値を当該領域のシフト誤差と
して記憶して、該記憶したシフト誤差を用いて当該領域
の位置誤差を補正することを特徴とする。

また、本発明の請求項４に係るリニアエンコーダの誤
差補正方法は、リニアエンコーダのリニアスケール全域
を複数の領域に区分けし、各々が所定数の前記領域から
成る複数のブロックを形成し、各ブロック内における前
記各領域のリニアスケールの測定信号の内挿誤差パター
ンを測定し、これらの測定した内挿誤差パターンから当
該ブロック内の平均内挿誤差パターンを求め、該平均内
挿誤差パターンを当該ブロックの内挿誤差パターンとし
て記憶する一方、リニアスケール上の原点に対する前記
各領域のリニアスケールの測定信号を分割して複数の矩
形波とし、各矩形波の位置誤差を測定し、これらの測定
した位置誤差から当該領域の位置誤差の平均値を求め、
該位置誤差の平均値を当該領域のシフト誤差として記憶
し、前記記憶した各ブロックの内挿誤差パターン及び前
記記憶した各領域のシフト誤差を用いて前記各ブロック
の内挿誤差及び前記各領域の位置誤差を夫々補正するこ
とを特徴とする。

（作用） 請求項１に依れば、リニアエンコーダのリニアスケー
ル全域が複数の領域に区分けされ、各々が所定数の前記
領域から成る複数のブロックが形成される。各ブロック
内における前記各領域のリニアスケールの測定信号の誤
差パターンが測定され、これらの測定した誤差パターン
に基づき当該ブロック内の平均誤差パターンが求められ
て当該ブロック内の誤差パターンとして記憶され、当該
ブロック内の誤差の補正に用いられる。

請求項２に依れば、各ブロック内の平均誤差パターン
としてリニアエンコーダの測定アンプの内挿誤差が求め
られる。

請求項３に依れば、リニアエンコーダのリニアスケー
ル全域が複数の領域に区分けされる。リニアスケール上
の原点に対する前記各領域のリニアスケールの測定信号
が分割されて複数の矩形波とされ、各矩形波の位置誤差
が測定され、これらの測定した位置誤差から当該領域の
位置誤差の平均値が求められて当該領域のシフト誤差と
して記憶され、当該領域の位置誤差の補正に用いられ
る。

請求項４に依れば、リニアエンコーダのリニアスケー
ル全域が複数の領域に区分けされ、各々が所定数の前記
領域から成る複数のブロックが形成され、各ブロック内
における前記各領域のリニアスケールの測定信号の内挿
誤差パターンが測定され、これらの測定した内挿誤差パ
ターンから当該ブロック内の平均内挿誤差パターンが求
められて当該ブロックの内挿誤差パターンとして記憶さ
れる。

一方、リニアスケール上の原点に対する前記各領域の
リニアスケールの測定信号が分割されて複数の矩形波と
され、各矩形波の位置誤差が測定され、これらの測定し
た位置誤差から当該領域の位置誤差の平均値が求められ
て当該領域のシフト誤差として記憶され、前記記憶した
各ブロックの内挿誤差パターン及び前記記憶した各領域
のシフト誤差を用いて前記各ブロックの内挿誤差及び前
記各領域の位置誤差が夫々補正される。

（実施例） 以下、本発明のリニアエンコーダの誤差補正方法につ
いて図面に基づき、詳細に説明する。

第１図は本発明の誤差補正方法を適用したリニアエン
コーダの概略構成ブロック図である。

第１図において、１は例えば固定体に取り付けられた
リニアスケールである。該スケール１には透過などの光
学的作用を利用したスリット２が設けられている。測定
ヘッド３は図示しない発光手段からの光を検出する光電
変換手段が設けられ、スリット２に対向して且つリニア
スケール１に沿って移動可能に設けられている。なお、
発光手段はスリット２を挟んで測定ヘッド３の反対側に
設けられる。測定アンプ４は測定ヘッド３の出力側に接
続され、該測定ヘッド３からの測定信号である互いに90
゜位相がずれた２つの正弦波信号（第６図（ａ））を、
分解能向上のために分割し、矩形波に整形する（第６図
（ｃ））。

測定アンプ４の出力側はデータ収集用コンピュータ11
のカウンタ５に接続され、該カウンタ５は測定アンプ４
からの矩形波パルスをカウントする。

一方、誤差検出用の基準測長装置として光学反射鏡
６、リニアインターフェロメータ７、レーザヘッド８、
及びレーザコントローラ９から成るレーザ測長装置が設
けられる。リニアインターフェロメータ７は所定位置に
固定され、測定ヘッド３に取り付けられた光学反射鏡６
からの光の干渉信号を出力し、この出力に基づいてレシ
ーバを内蔵したレーザヘッド８がインターフェロメータ
７と光学反射鏡６との間の距離Ｓを測定し、測定信号は
レーザコントローラ９を介してデータ収集用コンピュー
タ11のインタフェース10に供給され、該コンピュータ11
内に記憶される。

次に、上述した構成のリニアエンコーダの誤差補正方
法について説明する。

固定されたリニアスケール１上を測定ヘッド３が走査
すると、測定信号は測定アンプ４により、分割、波形整
形され、該測定アンプ４からの矩形波パルスをカウンタ
５がカウントし、カウント値はデータ収集用コンピュー
タ11に読み込まれる。一方、レーザ測長装置６〜９は距
離Ｓを測定し、レーザコントローラ９からインターフェ
ース10を通してコンピュータ11内に信号Ｐとして読み込
まれる。

このような構成において、測定ヘッド３を移動してカ
ウンタ５のカウント値がリニアスケール上の補正したい
位置を示した時に、コンピュータ11により該カウント値
と上記読み込まれたレーザ測長装置の位置出力信号Ｐと
を比較することにより、そのカウント位置における位置
誤差（内挿誤差＋シフト誤差）が測定される。この測定
をリニアスケール１全域にわたって行えば、スケール１
を完全に補正することが可能である。しかしながら、そ
のままでは、補正データ量が膨大になるので、本発明に
係る方法では位置誤差データを下記のように圧縮して補
正データ量を減少するようにした。

第２図は上記のように測定された位置誤差を表わした
図である。

同図において、横軸はリニアスケールの位置を、縦軸
は位置誤差（内挿誤差＋シフト誤差）を示している。

又、第３図は内挿誤差を、第４図はシフト誤差を夫々
示す。

第３図に示すように内挿誤差はある傾向を持ったパタ
ーンがリニアスケールのスリット幅に相当する周期ａで
繰り返される。一方、シフト誤差は、第４図に示すよう
に、リニアスケール上の所定位置ｂを原点とした場合、
該原点に対するずれ量として求めることができる。第３
図に示す領域ａの内挿誤差及び第４図に示す領域ａのシ
フト誤差はそれぞれ領域内における平均値を示してい
る。

第６図（ｃ）に示すように、領域ａにおける測定信号
は所定数に分割された矩形波パルスに処理される（第６
図（ｃ）は３分割の例）。各領域内において各矩形波の
位置に対応して測定された位置誤差と内挿誤差を平均し
たものが、各領域のシフト誤差（矩形波の位置誤差の平
均値）であり内挿誤差である。第２図（ａ）は、上記２
つの誤差（内挿誤差g,シフト誤差ｅ）を重畳して示した
ものである。

本発明に依れば、第２図（ａ）に示すように、位置誤
差データをスリット幅単位ａに相当する領域に分割し、
このようにして分割された領域を各々所定数ごとに集め
た複数のブロックに分ける。近接する各領域において
は、略同じ誤差パターンを持っているので、複数のパタ
ーンを所定数ずつまとめてもデータの精度には殆ど影響
しない。このブロックの大きさが前記データの圧縮度合
に相当するものであり、１ブロック内の領域の数を大き
くすればするほど、データの圧縮率は高くなる。この圧
縮率は必要とされる精度、コスト等により決定すればよ
い。

次にそのようにして設定した各ブロック内の内挿誤差
パターンg₁−gnとシフト誤差パターンe₁−enの平均誤差
パターンを求める。例えば、第２図（ｂ）におけるc₁の
波形がブロック１内の位置誤差と内挿誤差を含む誤差パ
ターンの平均誤差パターンを示している。

次に前記平均誤差パターンc₁はシフト誤差の平均値h₁
をも含んでいるので、シフト誤差を除くため、このシフ
ト誤差分h₁を差し引いて、平均内挿誤差パターンd1を得
る。このようにして求めた平均内挿誤差パターンd1をブ
ロック１の内挿誤差を代表する平均内挿誤差パターンと
してRAM等の記憶手段に記憶する。第２図（ａ）に示す
ブロック２以降についても、同様に処理し、平均内挿誤
差パターンd2,d3,…を得て、スケール全域にわたってす
べてのデータを圧縮する。

次に、内挿誤差を補正するには、カウンタ５のカウン
ト値が各ブロックの位置を示したとき、当該ブロックの
平均内挿誤差パターンを前記記憶手段から読出し、測定
アンプ４からの測定信号からその平均内挿誤差パターン
ｄを演算により除いてやることにより内挿誤差の補正さ
れた信号を得ることができる。

次に、本発明方法によるシフト誤差補正方法について
説明する。

第２図に示すように、シフト誤差ｅは、領域ａ毎に所
定のスケール原点ｂ（第４図）に対するシフト誤差の平
均値を求める。この平均値の算出をスケール上の全領域
において、各々行い、スケール全体の各領域毎のシフト
誤差平均値を求める。このようにして求めたシフト誤差
平均値を前記記憶手段に記憶する。更に各ブロックにつ
いても同様の処理を繰り返してブロック毎のシフト誤差
平均値を前記記憶手段に記憶することも可能である。

次に、シフト誤差を補正するには、カウンタ５のカウ
ント値が各領域ａの位置を示したとき、当該領域のシフ
ト誤差平均値を前記記憶手段から読出し、測定アンプ４
からの測定信号から演算により除いてやることにより、
シフト誤差の補正された信号を得ることができる。

本発明では、上述した内挿誤差の補正とシフト誤差の
補正を組合わせて行うようにしてもよく、この場合、測
定アンプ４からの測定信号から前記平均内挿誤差パター
ンｄとシフト誤差平均値ｅの双方を除いてやることによ
り内挿誤差とシフト誤差を同時に補正した信号を得るこ
とができる。

上記誤差を検出するためのレーザ測長装置による測定
は、リニアスケールを設置したときに１回だけ実施して
補正データを作成するだけでよく、以後は、リニアエン
コーダの使用時にコンピュータ11内に記憶された補正デ
ータとリニアエンコーダの測定信号により誤差が補正さ
れる。

上記実施例では、シフト誤差は各領域ａ毎に平均値を
求めたが、必要に応じて、各ブロック毎に求めてもよ
く、この場合、前述したようにシフト誤差補正データと
内挿誤差補正データとを分離する必要はなく、内挿誤差
補正データとして第２図（ｃ）の平均内挿誤差パターン
ｄは必要なく、同図（ｂ）の平均誤差パターンｃを求め
るだけでよい。

上述した実施例に依れば、従来補正データのためにコ
ンピュータは1.6Mbyteもの記憶容量が必要であったが、
本発明の装置によれば、32Kbyte程度に減少することが
できた。また、スケール１のスリット幅が10μｍである
場合には、従来の方法では、±1.0μｍ程度の精度を出
すことしかできなかったが、本発明では、±0.1μｍ程
度の精度を出すことが可能になった。

本発明は前記実施例に限らず、各種の実施例が可能で
ある。

例えば、前記リニアスケールの測定ヘッドのスリット
としては、光学的検出方法に限定されず、電気的、磁気
的方法等を採用することができる。

また、誤差検出用の基準測長装置としてレーザ測長装
置を使用した例について説明したが、そのレーザ測長装
置の構成は第１図の構成に限定されず、実質的にリニア
スケールの距離誤差を補正できる構成ならば、どのよう
なものでも良い。

また、本発明の誤差補正方法が適用されるリニアスケ
ールは測定器における位置測定、デジタルサーボにおけ
るフィードバック制御などの広範囲の用途に使用するこ
とができる。

（発明の効果） 以上、説明したように、本発明のリニアエンコーダの
誤差補正方法に依れば、補正データを効率よく圧縮する
ことにより、コンピュータは小さな記憶容量と簡単な補
正演算により補正可能であり、しかも、リニアエンコー
ダの位置検出精度をそのスケールの本来の分解能まで向
上させることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の誤差補正方法を適用したリニアエンコ
ーダの一構成例を示すブロック図、第２図は本発明に係
るリニアエンコーダの誤差補正の方法を説明するための
図、第３図，第４図はそれぞれ内挿誤差、スリットの刻
み誤差（シフト誤差）の信号を示す図、第５図は従来の
光学的リニアエンコーダの構成図、第６図（ａ），
（ｂ），及び（ｃ）はそれぞれリニアエンコーダの測定
ヘッド及び測定アンプからの出力波形を示す図である。 １……スケール、２……スリット、３……測定ヘッド、
４……測定アンプ、５……カウンタ、６……光学反射
鏡、７……リニアインターフェロメータ、８……レーザ
ヘッド、９……レーザコントローラ、10……インターフ
ェース、11……データ収集用コンピュータ。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】リニアエンコーダのリニアスケール全域を
   複数の領域に区分けし、各々が所定数の前記領域から成
   る複数のブロックを形成し、各ブロック内における前記
   各領域のリニアスケールの測定信号の誤差パターンを測
   定し、これらの測定した誤差パターンに基づき当該ブロ
   ック内の平均誤差パターンを求め、該平均誤差パターン
   を当該ブロック内の誤差パターンとして記憶し、該記憶
   した平均誤差パターンを用いて当該ブロック内の誤差を
   補正することを特徴とするリニアエンコーダの誤差補正
   方法。
2. 【請求項２】前記各ブロック内の前記平均誤差パターン
   はリニアエンコーダの測定アンプの内挿誤差である請求
   項１記載のリニアエンコーダの誤差補正方法。
3. 【請求項３】リニアエンコーダのリニアスケール全域を
   複数の領域に区分けし、リニアスケール上の原点に対す
   る前記各領域のリニアスケールの測定信号を分割して複
   数の矩形波とし、各矩形波の位置誤差を測定し、これら
   の測定した位置誤差から当該領域の位置誤差の平均値を
   求め、該位置誤差の平均値を当該領域のシフト誤差とし
   て記憶して、該記憶したシフト誤差を用いて当該領域の
   位置誤差を補正することを特徴とするリニアエンコーダ
   の誤差補正方法。
4. 【請求項４】リニアエンコーダのリニアスケール全域を
   複数の領域に区分けし、各々が所定数の前記領域から成
   る複数のブロックを形成し、各ブロック内における前記
   各領域のリニアスケールの測定信号の内挿誤差パターン
   を測定し、これらの測定した内挿誤差パターンから当該
   ブロック内の平均内挿誤差パターンを求め、該平均内挿
   誤差パターンを当該ブロックの内挿誤差パターンとして
   記憶する一方、リニアスケール上の原点に対する前記各
   領域のリニアスケールの測定信号を分割して複数の矩形
   波とし、各矩形波の位置誤差を測定し、これらの測定し
   た位置誤差から当該領域の位置誤差の平均値を求め、該
   位置誤差の平均値を当該領域のシフト誤差として記憶
   し、前記記憶した各ブロックの内挿誤差パターン及び前
   記記憶した各領域のシフト誤差を用いて前記各ブロック
   の内挿誤差及び前記各領域の位置誤差を夫々補正するこ
   とを特徴とするリニアエンコーダの誤差補正方法。