(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ列（ｎ≧２）にｍ個（ｍ≧２）の透過部分のシャッタピクセルを有するスケールに投光器と受光器とからなる光学手段を配置し、ｎ列の任意の１列のｍ個について順次前記シャッタピクセルを開閉して、ｍ個のシャッタピクセルのなかの上記光学手段が配置している位置を番地として推定し、この推定した番地に対応する次の列の隣接するシャッタピクセルを開閉して、隣接するシャッタピクセルに位置している受光器の出力値の大きさを比較し、かくして、上記光学手段の位置を検出することを特徴とする絶対位置検出方法。
【請求項２】
ｎ列の各々のシャッタピクセルが隣接する列のシャッタピクセルと重ならないように配置されている請求項１記載の絶対位置検出方法。
【請求項３】
スケールが液晶からなり、光学手段がスケールに光を照射する投光器とスケールからの透過又は散乱光を検出する受光器とからなる請求項１又は２記載の絶対位置検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶やそのほかの電気光学効果を利用して、検出器を無可動で現在の絶対位置を検出する方法に関する。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などに用いることができる。
【０００２】
【従来の技術】
従来、絶対的な位置を検出する装置としては、例えば、一定の周期で位置に関する情報が記録されているスケールと、このスケールに相対移動してスケール上に記録されている位置情報を読み取るセンサ素子を有するものが知られている。現在のセンサ素子は、光学式と磁気方式が殆どであって、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あり、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あって、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いわれている方式は、光学逓倍方式であり、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。
【０００３】
【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り、スケールの位置情報の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、精度に悪影響する点は避けられない。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。
【０００４】
材料面においては、位置検出器の要素であるスケールの品質、特に、熱や環境温度に対する配慮が求められている。例えば、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。磁気方式の場合は磁束密度の経時変化があり、検出感度は光学式には及ばない。
【０００５】
また、一定周期で位置情報が記録されているスケールを用いる場合、１周期内の位置を測定することは可能であるが、複数の周期にわたる位置の検出（移動量の検出）に関しては、検出される信号の繰り返し回数を積算する必要がある。この複数周期にわたる位置の検出は、信号の繰り返し回数の積算エラー等が発生し易く、信頼性があまり高くない。しかも、２次元（ＸＹ軸）のスケールを作製する場合、アブソリュート1軸を２つ合わせると、２次元は可能であるが、累積誤差が生まれるため、アライメント等の調整が非常に時間がかかり、歩留まりが悪かった。
【０００６】
更に、従来は、センサ素子の停止状態では、現在位置を知ることはできなかった。センサ素子を動かすことによって、スケール上に作製されたコード化された座標を読み込むことができるので、それによって現在位置を検出していた。しかし、メカ部を動かすということは、暴走の可能性があるので、安全性を確保するために、原点、ＣＷおよびＣＷＷ限界、原点近傍等に設置された複数のセンサと制限回路を設ける必要があった。また、現在地を知るための動きは、本来、必要でないことから、作業タクトタイムが必要以上に長くなるため、複雑な工程ほど、無可動で現在地を知る方法が求められている。
【０００７】
そこで、本発明は、センサ素子を機械的に原点にもどして、端からカウントしていく方法を解消し、無可動で現在の絶対位置を検出する新たな方法を提供することを目的とする。また、従来方法ではなし得なかった２次元平面上でのアブソリュート検出を可能にする方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【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になされたものであって、本発明によれば、液晶などの電気光学効果を利用することによって：簡易に現在位置を知ることができる。即ち、例えば、面光源の上に配置した液晶マトリクスの電気光学シャッタ効果を利用すると、液晶のシャッタピクセル（ピクセル）の開閉により、任意の位置を点灯させることが可能である。液晶のピクセルのある位置の頭上に設置された光センサを原点復帰などの機械駆動なしに、液晶ピクセルを順番に開閉させて走査していく。光センサを設置した位置のピクセルが開くと、そのときに光センサの出力は増大する。それによって光センサの位置を知ることができる。これはＸＹ方向、即ち、２次元走査であっても同様である。これによって駆動系と接続された光センサあるいは液晶マトリクスを機械的に原点にもどさずとも、絶対位置を知ることが可能となる。
【０００９】
即ち、本発明によれば、ｎ列（ｎ≧２）にｍ個（ｍ≧２）の透過部分のシャッタピクセルを有するスケールに投光器と受光器とからなる光学手段を配置し、ｎ列の任意の１列のｍ個について順次前記シャッタピクセルを開閉して、ｍ個のシャッタピクセルのなかの上記光学手段が配置している位置を番地として推定し、この推定した番地に対応する次の列の隣接するシャッタピクセルを開閉して、隣接するシャッタピクセルに位置している受光器の出力値の大きさを比較し、かくして、上記光学手段の位置を検出することを特徴とする絶対位置検出方法が提供される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明で使用するスケールは、少なくとも１次元にｍ個（ｍ≧２）のピクセルを配置し、このピクセルの幅が１０〜１００μｍであり、且つピッチが１０〜１００μｍからなる。ピクセルを配置する次元（列）は特に限定されないが、多次元（ｎ列）に配置する場合は、パターンは千鳥状が好ましいが、これに限定されない。２次元（ｎ＝２）の場合は、１次元のパターンより１／２波長分ずらすのが好ましい。
【００１１】
また、ピクセルの幅は、５〜５００μｍ、好ましくは、２０〜１００μｍである。ピクセルの幅が５μｍ以下では、回折格子と同じようにフラウンフォファー則によって回折光の干渉の影響が無視できなくなり、これが外乱光となって、精密な位置が特定できないからである。他方、ピクセルの幅が５００μｍより広いと、位置対出力の直線性の特性が歪んでくるからである。更に、ピッチは、５〜５００μｍ、好ましくは、２０〜１００μｍである。これは、前述のピクセル幅と同じ理由による。
【００１２】
また、具体的には、本発明のスケールは、一対の透明基板を対向させ、その間に液晶を封入して構成する。上記透明基板の片側に透明電極膜を５〜５００μｍの幅で、且つ５〜５００μｍのピッチで蒸着するとともに、対向する透明基板には同様の透明電極膜を片側と対をなす形で蒸着し、且つ遮光膜を透明電極膜の周囲に短絡させて形成する。幅、ピッチを上記数値に限定したのは、前述と同じである。
【００１３】
ここで、透明基板は、例えば、ガラス基板、ポリアクリル基板などを挙げることができるが、これらに限定されない。また、透明電極膜は、例えば、ＩＴＯ（ＩｎＳｎＯ3）膜を用いることが好ましいが、これに限定されない。透明電極膜は、ＣＶＤ法などにより蒸着される。
【００１４】
更に、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。対向する基板間の距離（セルギャップ）は、１〜１００μｍ、好ましくは、５〜２０μｍである。
【００１５】
また、遮光膜としては、例えば、アルミ蒸着膜を用いることができるが、光の回り込みを防止できれば、その素材は限定されない。例えば、遮光膜の製作方法として、アルミ蒸着方法以外にクローム蒸着、あるいは金ペーストをスクリーン印刷して、焼成し、膜とした後、乾式・湿式のエッチング方法により形成することが可能である。窓部にあたるＩＴＯ膜についても、蒸着、スクリーン印刷等が可能である。遮光膜を形成する側の透明基板は、後述する光学手段の受光器側が望ましい。
【００１６】
透明電極への印加電圧は、スケールのセルギャップが５〜２０μｍの場合、周波ＤＣ〜１ｋＨｚ、好ましくは、ＤＣ〜３００Ｈｚであり、３〜５０Ｖ、好ましくは、３〜１５Ｖ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、液晶屈折率分布や視野角やチルト角や透過率の調節が可能となるからである。液晶の駆動電圧は、ピクセル各々について独立に変化させても、複数ピクセルをセットとして一括して変化させても、いずれでもよい。
【００１７】
液晶のピクセルの変化は、光学手段により読み取る。光学手段としては、スケールに光を照射する投光器と、スケールからの透過、散乱光を検出する受光器とからなる。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、スケール全面をバックライト照射させるものでも、いずれでもよい。
【００１８】
受光器は、撮像素子（ＣＣＤ、Ｃ−ＭＯＳ、ビジョンチップ）、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、サーモバイルなどの各種赤外線センサを用いることができる。
【００１９】
また、投光器と受光器は、ホトカプラ、ホトインタラプタのように一体化したものも該当する。更に、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。
【００２０】
更に、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に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、本発明のスケールは液晶に限定されず、ＰＺＴのような圧電素子、マイクロマシニングにより製作されたシャッターアレーも利用できる。
【００２１】
以下に更に具体的に本発明を説明する。先ず、１次元での精密な絶対位置を知る方法について述べ、その場合における問題点とその解決方法について説明する。特に、液晶等の電気光学シャッタと点光源を用いれば、ピクセル中での中間調を利用することによって、精密な位置を割り出すことができる。例えば、ピクセルと同等の幅をもつ光源とその光を検査するセンサが対となったものを電気光学シャッタマトリクスをサンドイッチさせる形で配置させると、中間調を利用することによって、ピクセル中の更に精密な位置を任意にピクセルを分割することによって検出することが可能になる。即ち、マトリクス中のピクセルを更に高精度に分割することができる。その場合、ピクセルは、光を遮蔽するだけのところとピクセルを同じ幅で交互に配置することが必要である。しかし、電気光学走査を用いて無可動でセンサ−光源ペアの位置を検出する場合、ピクセル内の２箇所において同一レベルの出力が違う位置で出力された２値化することから、どちらに位置するのか特定できない。そこで、千鳥上にもう一列のピクセル列を設ければ、２値化の問題は解決する。
【００２２】
図１は、スケールピクセルアレーと光源−センサペアの位置関係を示す。図１中、（ａ）はスケールピクセルアレー１の第１列目の断面図、（ｂ）はピクセルアレー１の透過部分（Ｐ１、・・・Ｐ４）に対応する図、（ｃ）はセンサ地点を表す。また、図中、Ｌは光源、Ｓはセンサ、２は信号増幅器である。スケールピクセルアレー１は、詳細断面は省略してあるが、一対のガラス基板を対向させ、スペーサによって間隔（例えば、５μｍ）を保持し、液晶を封入して構成する。また、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おり、液晶駆動電極は制御回路で制御された電圧が印加される。ガラス基板の片側には、ＩＴＯ膜による３０μｍ角の光透過窓を形成するパターンが、例えば、３０μｍ（透過部分Ｐ１、・・・Ｐ４）ピッチで形成されており、対抗するガラス基板には同様のＩＴＯ膜の３０μｍ角パターンが片側と対となす形で製作されているとともに、遮光目的のクローム蒸着膜がＩＴＯ膜の周囲に短絡させて形成してある（遮光部分）。
【００２３】
光源Ｌ−センサＳペアのセンターＡ−Ａ’が任意の位置Ｘにきたときのセンサ信号出力をＲとする。信号出力Ｒは、センサの受光部分の大きさＱ分だけ光量を受けるとすると、Ｑ分だけＡ−Ａ’が移動累積した信号量に対応することになるので、センサ位置と信号出力Ｖの関係は地点Ｘ０からＸｅまで移動したときの出力変化のトレースは図２のようになる。
【００２４】
そこで、Ａ−Ａ’の任意の位置Ｘを光源Ｌ−センサＳペアを機械的に操作させずに位置を知る方法として、ピクセルの点灯をＸ０地点側から順番にピクセルＰ１から順番に点灯させていくと、光源Ｌ−センサＳペアが停止したところにかかわるＰ２が点灯したときに、Ｒの出力が得られることになる（図３）。このことは、順次点灯させていく段階でピクセルの番地をストアしていけば、Ｒの出力から逆に停止位置Ｐｉを割り出せることになる。Ｒの出力量からピクセル内の精密な位置を割り出すことも可能になる。
【００２５】
しかし、任意のピクセルＰｉを割り出すことができるが、Ｒからはセンサの位置がＸｉかＸｉ＋１かの特定ができないことと（図４（ａ）や図４（ｂ）の場合）、Ｒが０レベルの場合（即ち、光源−センサペアが遮光部分に隠れた状態）ではピクセルの特定すらできない。
【００２６】
図５のように、第１列目によるＸｉかＸｉ＋１かを特定したり、どのピクセルの左側の遮光部に光源−センサペアが隠れているかを特定するため、第２列目のピクセルアレーを設けることによって解決する。図５（ａ）は２列のピクセルの配置例で、Ｗのピクセルの幅はＰと同様に光源センサペアの有感幅Ｑと同じである。即ち、例えば、図５（ｂ）のようにＰ２を点灯させたときに、出力Ｒがあった場合のＸ２かＸ３かの特定をするためには、Ｐ２を消灯して、Ｗ２とＷ３とを交互に点灯して、それぞれに対応する出力Ｔ２とＴ３の大きさを比較することで可能である（図５（ｃ））。
【００２７】
Ｒ≠０の場合、光源−センサペアのセンターがＰ２右欠けの任意の位置において、必ず図５（ｃ）のようにＴ（２）＞Ｔ（３）の関係が成り立つからである。右欠けとは光源−センサのセンターＡ−Ａ’が三角の左側にあるということである。因みに三角の頂点はピクセルＰによるＲからは２値化しない特異点であるので、Ｒ出力より一意的に求めることができる。Ｒ＝０の場合では、Ｗ１から順番に点灯させていけば、どの遮光部分に位置するかがわかる。即ち、Ｐ１とＰ２の間の遮光部に重なっている特異点では、Ｔ２が最大となり、他のＴ値はすべてゼロレベルになる。Ｗｉが特定できた場合は、必然的にＡ−Ａ’の位置はピクセルＰの遮光部の中央に位置するので、１／４波長を加えると距離が算出される。
【００２８】
また、光源−センサペアの最も簡単な構成は、図５のように第１列目と２列目の両方を検知可能なように単素子ペアのみを設置すればよい。ツインペアにしてやれば、前述の第１列目の消灯→第２列目の点灯というアルゴリズムを省略できる。
【００２９】
上記により２値化の問題は解消するので、中間調に相当するセンサアナログ出力強度よりピクセル中の微細な現在位置を割り出すことが可能となる。千鳥パターン形成する２列目のピクセル列の望ましい配置は、１／４波長位相ずらして配置しなければならない。
【００３０】
ピクセル開閉の走査方法のフローシートを図６に示す。１列のピクセルの開閉を走査する。フォトセンサの出力がある閾値を超えたところのピクセル位置ｉ番目を検出して、その出力に相当する２値化する値が算出され、その２候補の距離を選ぶ。この閾値レベルは、前述したゼロレベルと同じ意味をさす。例えば、ＳＮ比＝１としたときの出力レベルであり、最小検出分解能ということである。次に、２列目をｉ番目とｉ＋１番目の両方を交互に開閉して、大小によって三角波の頂点のどちら側かの判定が可能となる。すなわち、Ｗi＞Ｗi+1 ならば、ｉ番目の位置となり、Ｗi＜Ｗi+1 ならば、ｉ＋１番目の位置となり、距離は図６に示すようにして求めることができる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、センサ素子を機械的に原点にもどして、端からカウントせずに、無可動で現在の絶対位置を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】スケールピクセルアレーと光源−センサペアの位置関係を示す図である。
【図２】センサの出力変化を表す図である。
【図３】光源−センサペアが停止したところにかかわるＰ２が点灯したときの出力図である。
【図４】センサの位置が特定できないことを示す図である。
【図５】２列目のピクセルアレーを設けた図である。
【図６】ピクセル開閉の走査方法のフローシート図である。
【符号の説明】
１…スケールピクセルアレー
２…信号増幅器
Ｌ…光源
Ｓ…センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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