JP4703062B2 - スケールの検査装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スケールの検査装置に関し、特にリニアエンコーダのスケールの精度を短時間で検査するのに適したスケール検査装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
直線変位を精密に測定するために使われるリニアエンコーダは、主にスケールとこのスケールに対向すると共に測定軸方向に沿って相対変位可能に配置された検出ヘッドとから構成される。一般的にこのスケールの欠陥や精度を検査する装置においては、スケール一本あたりの検査時間を短縮するため、可動ステージ上に載置された被検査スケールを検出ヘッドに対して相対的に止まることなく一定速度で移動させてデータを取得するように検査が行われている。このとき、可動ステージの上側または側面に測定基準となる高精度タイプのマスタスケールも配置されている。このマスタスケールに対向配置されたマスタスケール用の検出ヘッドからは、通常２相の正弦波信号が出力される。さらにこの２相の信号はカウンタ装置に入力されて、必要に応じて内挿分割処理された上で正弦波信号の位相変化量が１周期あたり数百パルスの割合でカウントされ、さらにこの位相変化量を示すカウント値はｍｍ単位の長さの値に換算され、この長さの値が測定データとしてカウンタ装置から逐次出力される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記可動ステージの移動量が通常ｍｍ単位で示される所定間隔毎に被検査スケールを検査するように検査装置を構成した場合、上記マスタスケールのカウンタから出力される測定データをマイコン等で監視して、上記所定間隔になったところでトリガ信号を発生して、このトリガ信号により被検査スケールに対向する検出ヘッドからの値をホールドするように構成されている。この場合、上記カウンタやマイコンにおける内挿分割やｍｍ単位への換算計算処理に時間がかかり、実際に上記可動ステージの移動量が上記所定間隔になってから被検査スケールに対向する検出ヘッドから出力されている位置データをホールドするまでに多大な時間差が生じてしまう。ところが、被検査スケール一本あたりの検査測定時間を短縮しようとするために上記可動ステージを止まることなく一定速度で移動させ続けているので、この多大な時間差の影響で実際の検査測定を行った位置がマスタスケールに対してずれてしまうという問題がある。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、マスタスケールの読取りが所定値になってから被検査スケールの検出ヘッドの読取り値を得るまでの時間差を最小に抑えてより正確な検査測定が可能なスケール検査装置を提供することを目的とする。また、上記目的に加え、被検査スケールにおける複数の位置データからマスタスケールの所定位置により正確に対応する被検査スケールの位置を推定するスケール検査装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明は、前記目的を達成するために、マスタスケール及び被検査スケールを載置して一定速度で移動可能な駆動ステージと、このマスタスケールに対向すると共に相対変位を検出して第１の計数パルスを出力する第１の検出ヘッドと、プリセットされた所定検査間隔に基づく所定値から、この第１の計数パルスをダウンカウントしてゼロになったときにトリガ信号を発信する第１のカウンタと、前記被検査スケールに対向すると共に相対変位を検出して第２の計数パルスを出力する第２の検出ヘッドと、この第２の計数パルスをカウントする第２のカウンタと、を備え、前記トリガ信号により第２のカウンタの値を取得すると共に第１のカウンタに所定値を再プリセットして、前記マスタスケールに対する被検査スケールの指示位置との差分を算出することを特徴とする。
【０００５】
また、本発明は上記手段に加え、一つの前記トリガ信号により第２のカウンタの値を連続して所定時間間隔で所定回数取得すると共にこの複数のカウンタ値に対して最小二乗法でｎ次曲線（ｎ＝１，２，３・・・）をあてはめて前記第１のカウンタの値がゼロになった瞬間における第２のカウント値を推定算出することを特徴とする。
【０００６】
以上のように、マスタスケールに対向する第１の検出ヘッドから出力される計数パルスにより所定値がプリセットされたカウンタからダウンカウントして、このカウンタの値がゼロになったときにトリガ信号を出力して、このトリガ信号により被検査スケールに対向する第２の検出ヘッドからの計数パルスをカウントするカウンタの値を読み取ってメモリに書き込む。すなわちデータをホールドするので、所定位置に駆動ステージが到達してから最小限の時間差で被検査スケールのカウント値を得ることができる。従って、マスタスケールと被検査スケールが載置される駆動ステージを止めること無く所定の一定速度で移動続けていても検査測定が実行可能となり、検査時間の短縮が可能となる。従ってこのホールドされたカウント値と所定値とを比較することで被検査スケールの欠陥および精度検査が短時間で実行可能となる。また、上記トリガ信号が出力されたときに、連続して所定のごく短い時間間隔でカウンタ値を複数回連続的に読み込んで、これらの値に最小二乗法でｎ次曲線（ｎ＝１，２，３・・・）をあてはめて、上記トリガ信号が出力された瞬間、すなわち駆動ステージが検査測定開始した基点位置から所定指示位置に達した瞬間における被検査スケールのカウント値を正確に推定することも可能である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を用いた好適な実施の形態について図面を用いて説明する。なお、全図中において同一符号を付したものは同一構成要素を表わしている。
図１には、本発明に係るスケール検査装置１の概観を示す。基台１０上で図中矢印１４の方向にスライドする駆動ステージ１１は、駆動モータ１２により回転されるボールねじ１３により所定一定速度で、矢印１４の方向に駆動される。この駆動ステージ１１上には、マスタスケール２１と被検査スケール２２が載置される。さらにこのマスタスケール２１に所定ギャップを介して対向配置された第１の検出ヘッド２５と、この被検査スケール２２に所定ギャップを介して対向配置された第２の検出ヘッド２６とを備える。さらにこの第１の検出ヘッド２５と第２の検出ヘッド２６は高剛性の支持スタンド２８により支持される。
【０００８】
マスタスケール２１には高精度な光学式エンコーダの光学格子を備えたガラススケール、または、さらに高精度かつ高分解能なホログラム式エンコーダのホログラムスケールが使われる。一方、被検査スケール２２としては、上記のマスタスケール２１と検出ヘッド２５により構成されるエンコーダよりも精度が低い、例えば図３に示すような磁気誘導型エンコーダまたは静電容量型エンコーダのスケールが想定されるが、これに限られず、マスタスケールよりも精度が低いタイプのものであれば、磁気スケールや光学式エンコーダのスケール等も検査測定可能である。
【０００９】
次に、図２の本発明に係るスケール検査装置の機能ブロック図を用いて装置構成について説明する。
ホストコンピュータ３１は、キーボードやマウス等により構成される入力装置３６とディスプレイやプリンタ等により構成される出力装置３７等とＩ／Ｏインターフェース３２を介して接続されている。このホストコンピュータ３１内部には、被検査スケール２２の欠陥や精度を評価するための評価プログラムを含んだＣＰＵ３４が備えられている。さらに、駆動ステージ１１を入力装置３６から指定される所定一定速度で移動させるためのステージコントローラ３５が備えられている。さらにこのホストコンピュータ３１はＩ／Ｏインターフェース３２を介して計測制御装置４１と接続されている。この計測制御装置４１内部には、ホストコンピュータ３１から入力されるプリセット値を記憶するプリセットメモリ４２と第１の検出ヘッド２５から出力される第１の計数パルス４５をダウンカウントする第１のカウンタ４３が備えられている。この第１のカウンタ４３の値がゼロになると第１のカウンタ４３から出力されるトリガ信号４７は、センサ制御装置５０内部のメモリ制御回路５１に入力される。このセンサ制御回路５０はさらに第２の検出ヘッド２６からの第２の計数パルス４６をカウントする第２のカウンタ５３およびこの第２のカウンタ５３のカウント値を複数回連続して取り込み記憶するカウンタメモリ５２を備える。
【００１０】
次に、図２を用いて本発明に係るスケール検査装置の機能および動作について説明する。
まず最初に、被検査スケール２２に対して検査測定を行う通常ｍｍ単位の長さ間隔を決めて、この長さ間隔分だけマスタスケール２１が移動したときに第１の検出ヘッド２５から出力されることになる第１の計数パルス４５の数値を算出して、この数値をプリセット値として入力装置３６から入力してプリセットメモリ４２へセットする。
【００１１】
次に、駆動ステージ１１上に検査測定対象の被検査スケール２２をセットした後、入力装置３６から検査測定開始の指令を入力する。この検査測定開始の指令が入力されるとまずステージコントローラ３５により駆動モータ１２が駆動制御されて、駆動ステージ１１が予め設定されている検査測定開始の基点位置へ移動される。
そして、プリセットメモリ４２にセットされているプリセット値が第１のカウンタ４３にセットされる。また、同時に第２のカウンタ５３にはゼロがセットされる。
この後、ステージコントローラ３５により駆動モータ１２が駆動制御されて駆動ステージ１１が予め入力装置３６で入力設定された所定一定速度で駆動開始される。なお、この駆動ステージの速度は検査測定が全て完了するまで止まることなく一定に維持される。
【００１２】
次に、駆動開始と同時に第１の検出ヘッド２５および第２の検出ヘッド２６からそれぞれ第１の計数パルス４５および第２の計数パルス４６が出力される。この第１の計数パルス４５は第１のカウンタ４３に入力され現在の値からダウンカウントされる。すなわちプリセットメモリ４２よりセットされたプリセット値から第１の計数パルス４５が入力される毎に一つずつ減算される。一方、第２の計数パルス４６は第２のカウンタ５３に入力されて通常のカウント、すなわちアップカウントされる。従って、最初ゼロがセットされた後は、検査測定が完了するまで第２の計数パルス４６が入力される毎に一つずつ加算される。
【００１３】
次いで、第１の計数パルス４５により第１のカウンタ４３の値が減算されていき、ついにゼロになると第１のカウンタ４３からトリガ信号４７が発信される。このトリガ信号４７はセンサ制御装置５０内部のメモリ制御回路５１へ入力されると共にプリセットメモリ４２へも出力される。プリセットメモリ４２はこのトリガ信号４７が入力されると記憶しているプリセット値を再度第１のカウンタ４３へセットする。一方、メモリ制御回路５１はこのトリガ信号４７が入力されると第２のカウンタ５３から数値を読み出してカウンタメモリ５２に書き込む。通常、この読み出しおよび書き込み動作は１つのトリガ信号４７につき１回行われるが、予めメモリ制御回路の動作モードを多点測定モードに切り替えておいて、１つのトリガ信号４７が入力されると連続して複数回カウンタ５３から数値を連続して読み出してカウンタメモリ５２へ書き込むように設定することが可能である。この連続して読み出す回数は検査測定開始前に適宜設定変更が可能である。
【００１４】
従って、上記したように、マスタスケール２１に対向する第１の検出ヘッド２５から出力される第１の計数パルスが所定数に達した瞬間に被検査スケール２２に対向する第２の検出ヘッド２２からの計数パルス４６のカウント値を読み出し記憶することができるので、第１の検出ヘッド２５と第２の検出ヘッド２６との検出タイミングの時間的ずれを極力少なくすることができ、従来よりも確度の高いスケールの検査測定が可能である。
【００１５】
上記したように、第１の計数パルス４５によるダウンカウントが進み第１のカウンタ４３がゼロになってから、メモリ制御回路５１が読み出す第２のカウンタの数値が確定するまでに要する時間Ｔ［ｓ］は、計測制御装置４１とセンサ制御装置５０に使用されているクロック周波数及び関連するＩＣ等の素子の動作時間に基づいて決まる。従ってこれらのクロック周波数及び関連するＩＣ等の素子の動作時間を調べてＴ［ｓ］を理論的に算出可能である。また、オシロスコープ等を使い実際の動作時間を計測することも可能である。また、連続して複数回、第２のカウンタ５３の数値を読み出す場合、２個目以降のカウンタの数値を読み出す時間間隔ｕ［ｓ］も同様に算出あるいは同様に計測が可能である。
【００１６】
以上のように、メモリ制御回路５１による第２のカウンタ５３からの数値読み出しおよびカウンタメモリ５２への書き込みが完了すると、このカウンタメモリ５２のデータは全てＩ／Ｏインターフェース３２を介してＣＰＵ３４へ入力され計測データとしてＣＰＵ３４内へ記憶蓄積される。
以上の動作が被検査スケール２２の全長に渡って繰り返し行われ、計測データがＣＰＵ３４に全て記憶蓄積される。
【００１７】
次に、被検査スケール２２の全長に渡って上記した検査測定が終了すると、ＣＰＵ３４内部に記憶蓄積された計測データに基づいて以下のように評価が行われる。
動作モードが多点測定モードの場合は、各検査測定を行った位置における正確な被検査スケールの読取値を得るために、複数の連続して読み出した値から推定算出する。図４に時間０［ｓ］における被検査スケールの指示位置（読取値）Ｘ₀ ［ｍｍ］を推定するグラフを示す。すなわち、第１のカウンタ４３の数値がゼロになった瞬間における被検査スケール２２における指示位置を推定するため、一つのトリガ信号４７につき３回連続して第２のカウンタ５３から数値を読み出す。
【００１８】
次にこれらの数値を検査測定の開始基点位置からの指示位置に換算して、さらに１点目から順に時間軸の値をＴ［ｓ］，Ｔ＋ｕ［ｓ］，Ｔ＋２ｕ［ｓ］とする。この点をそれぞれ測定点６２，６３，６４としてプロットすると図４に示すようなグラフになる。さらにこれらの点に最小二乗法で直線６１をあてはめる。なお、あてはめる関数は１次関数（直線）、２次関数（２次曲線）、３次関数（３次曲線）などｎ次曲線（ｎ＝１，２，３・・・）が利用可能であるが、図４には１次関数（直線）の例を示す。この直線により時間軸０［ｓ］における被検査スケールの指示位置Ｘ₀ ［ｍｍ］を推定算出することができる。従って、従来よりも駆動ステージ１１の駆動速度を上げて検査測定を行っても、所定の検査間隔位置での正確な被検査スケールの値を推定算出して被検査スケールの検査測定が可能となるので、スケール検査の効率を従来よりも向上させることができる。そのため、従来は抜き取りでスケールの検査測定を行っていたが、全数検査も比較的容易に行えるようになった。
【００１９】
次に、全ての測定データに対して上記と同様に最小二乗法で例えば１次関数である直線をあてはめることでそれぞれのトリガ信号４７が発生した位置における被検査スケールの読み取り値を全て推定算出する。次に、これらの値とプリセットメモリ４２にセットされたプリセット値を長さに換算して測定開始位置からの累積値である指示位置との差、すなわち誤差σ［μｍ］をそれぞれ求めて、図５のような誤差曲線７０のグラフを得る。例えば、このグラフからマスタスケール２１の位置が８０［ｍｍ］のところで、被検査スケール２２はマスタスケール２１に対して＋５［μｍ］の誤差があることがわかる。また、この誤差曲線７０が許容範囲７１よりも小さい範囲に入っていれば製品として合格、入っていなければ不合格として簡単に被検査スケールの製品合否判別が可能である。例えば、図５の例では誤差曲線７０は許容範囲７１内に収まっているので、この被検査スケールは合格と判断できる。
【００２０】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、所定位置に駆動ステージが到達してから最小限の時間差で被検査スケールのカウント値を得ることができるスケール検査装置を構成可能である。従って、駆動ステージの駆動速度を上げても正確にスケールの検査測定が可能となり、検査工程の効率化、全数検査、時間短縮が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスケール検査装置の概観図である。
【図２】本発明に係るスケール検査装置の機能ブロック図である。
【図３】検査対象の一例となる磁気誘導型エンコーダのスケールである。
【図４】多点測定による測定位置の推定を示すグラフである。
【図５】被検査スケールの指示位置とマスタスケール指示位置の差分（誤差）を示すグラフである。
【符号の説明】
1 スケール検査装置
11 駆動ステージ
12 駆動モータ
21 マスタスケール
22 被検査スケール
25 第１の検出ヘッド
26 第２の検出ヘッド
31 ホストコンピュータ
34 ＣＰＵ
35 ステージコントローラ
36 入力装置
37 出力装置
41 計測制御装置
42 プリセットメモリ
43 第１のカウンタ
45 第１の計数パルス
46 第２の計数パルス
47 トリガ信号
50 センサ制御装置
51 メモリ制御回路
52 カウンタメモリ
53 第２のカウンタ

Claims (1)

1. マスタスケール及び被検査スケールを載置して一定速度で移動可能な駆動ステージと、
   このマスタスケールに対向すると共に相対変位を検出して第１の計数パルスを出力する第１の検出ヘッドと、
   プリセットされた所定検査間隔に基づく所定値から、この第１の計数パルスをダウンカウントしてゼロになったときにトリガ信号を発信する第１のカウンタと、前記被検査スケールに対向すると共に相対変位を検出して第２の計数パルスを出力する第２の検出ヘッドと、
   この第２の計数パルスをカウントする第２のカウンタと、を備え、
   前記トリガ信号により第２のカウンタの値を取得すると共に第１のカウンタに所定値を再プリセットして、前記マスタスケールに対する被検査スケールの指示位置との差分を算出して、一つの前記トリガ信号により第２のカウンタの値を連続して所定時間間隔で所定回数取得すると共にこの複数のカウンタ値に対して最小二乗法でｎ次曲線（ｎ＝１，２，３・・・）をあてはめて前記第１のカウンタの値がゼロになった瞬間における第２のカウント値を推定算出することを特徴とするスケールの検査装置。

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