(57)【要約】【課題】隣の位置検出光学系からの照射光を遮光してスケール結合部を検出する際に発生する信号特性の悪化を防ぎ、位置検出誤差を排除した高精度な検出精度を実現すること。【解決手段】結合スケール１０６は、複数のスケール１０６−１、１０６−２からなり互いの位置情報パターン１０６ｂ、１０６ｃをスケール幅方向にオーバーラップさせて結合する。回路基板１０１のスケール側表面にそれぞれ発光素子１０２、１０３及び受光素子１０４、１０５からなる２以上の独立した位置検出光学系を備える。前記各位置検出光学系の間に一方の位置検出光学系から他方の位置検出光学系に向かう照射光を遮光する遮光板１０を配置する。回路基板１０１上の位置検出手段１５が、スケール結合部では第１受光素子１０４と第２受光素子１０５の出力信号を切り替えて位置演算を実行する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のスケールからなり互いの位置情報パターンをスケール幅方向にオーバーラップさせて結合した結合スケールと、前記結合スケールに対向配置され当該結合スケールに対して変位方向へ相対移動する回路基板と、前記回路基板のスケール側表面に設けられそれぞれ発光素子及び受光素子からなる２以上の独立した位置検出光学系と、前記各位置検出光学系の間に配置され一方の位置検出光学系から他方の位置検出光学系に向かう照射光を遮光する遮光手段と、スケール結合部においてオーバーラップした一方の位置情報パターンと対向した一方の位置検出光学系の受光素子の出力信号から他方の位置情報パターンと対向した他方の位置検出光学系の受光素子の出力信号に切り替えて位置を検出する位置検出手段と、を具備したことを特徴とする光学式リニアエンコーダ。
【請求項２】
前記各受光素子からの出力信号を切り替える際に発生する位置検出誤差を補正する信号補正手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の光学式リニアエンコーダ。
【請求項３】
前記信号補正手段は、信号切替え時に発生する位置検出誤差を補正する補正値をメモリに保持し、前記補正値にて出力信号を補正することを特徴とする請求項２記載の光学式リニアエンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高精度な測長又は位置検出に用いることのできる光学式リニアエンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
光学式リニアエンコーダの測定範囲はスケールの長さに制限されるため、スケールを長尺化して測定範囲を広げる試みがなされている。１つのスケールの長さは加工時及び表面処理時に制約を受けることから、複数のスケールをつなぎ合わせて測定範囲を広げるのが一般的である。以下、複数のスケールをつなぎ合わせた光学式リニアエンコーダの構造及び信号処理について説明する。
【０００３】
図６、図７に従来の光学式リニアエンコーダの構成例を示す。このリニアエンコーダは、回路基板１０１に第１発光素子１０２及び第２発光素子１０３、第１受光素子１０４及び第２受光素子１０５を搭載しているセンサヘッドと、センサヘッドと対向するように配置された結合スケール１０６と、を主な構成要素として構成され、矢印１０７，１０８方向に移動可能になっている。
【０００４】
図８に第１受光素子１０４、第２受光素子１０５の拡大図を示す。各受光素子１０４，１０５の表面には、２つの感帯部列１１０、１１１が平行に形成されている。各感帯部列１１０、１１１は、結合スケール１０６に形成している位置情報パターンとなる格子の周期とほぼ同じ周期Ｐで配置された感帯部１１２から構成される。個々の感帯部１１２の幅Ｗ１１は周期Ｐの１／２以下となっている。また、一方の感帯部列１１０を構成する感帯部１１２ともう一方の感帯部列１１１を構成する感帯部１１２とでは９０°の位相差となるずれ幅Ｄ１１が設けられている。
【０００５】
図９（ａ）に１つのスケールの全体構成を示す。スケール表面には位置情報パターンとして、変位方向と直交する方向に線状に伸びる格子Ｃが設けられている。かかる線状の格子Ｃは変位方向に周期Ｐで多数設けられており、これら格子上に反射膜クロムが設けられている。スケール長手方向の両端部には、図９（ｂ）に示すように、Ｌ字型の切欠きが設けられており、図１０に示すように２つのスケール１０６−１、１０６−２を結合することができる構造になっている。スケール結合部において左側スケール１０６−１の位置情報パターン（１０６ｃ）と右側スケール１０６−２の位置情報パターン（１０６ｂ）とが変位方向に対してオーバーラップしている。このように複数のスケールを結合したものを結合スケールと呼ぶものとする。
【０００６】
第１受光素子１０４及び第２受光素子１０５は、それぞれ結合スケール１０６と対向する位置に配置され、結合スケール１０６からの反射光を検出できるように構成されている。具体的には、第１受光素子１０４は結合スケール１０６の幅方向の上半分に対向し、第２受光素子１０５は結合スケール１０６の幅方向の下半分に対向している。
【０００７】
次に、上記光学式リニアエンコーダの動作を説明する。図１１は各タイミングＴ１１からＴ１５と第１受光素子１０４及び第２受光素子１０５の対向領域（α１、α２、β１、β２）との関係を示し、図１２は第１受光素子１０４及び第２受光素子１０５から出力される信号波形を示している。なお、図１２に示す信号２００１は第１受光素子１０４の一方の感帯部列１１０からの出力信号であり、信号２００２は第１受光素子１０４のもう一方の感帯部列１１１からの出力信号である。図１７に示す信号２００３は第２受光素子１０５の一方の感帯部列１１０からの出力信号であり、信号２００４は第２受光素子１０５のもう一方の感帯部列１１１からの出力信号である。
【０００８】
図１１に示すタイミングＴ１１では、図１２に示すように第１受光素子１０４及び第２受光素子１０５からの出力信号２００１，２００２は正弦波信号となる。センサヘッドが移動したタイミングＴ１２では図１１に示すように、第１受光素子１０４はα１領域のスケール端部のガラス部１１３ａ（つなぎ目１１３近傍の位置情報パターンＣが無い部分）を検出するため、出力信号はＬｏｗレベル又はＨｉｇｈレベルに固定となる。しかし、第２受光素子１０５はβ１領域のパターンＣを検出しているため、正弦波状の信号２００３，２００４を発生する。さらにセンサヘッドが移動したタイミングＴ１３では、第１受光素子１０４は図１１のα２領域のパターンＣを検出し、第２受光素子１０５はβ１領域のパターンＣを検出しているため、双方とも正弦波状の信号２００１〜２００４を出力する。またセンサヘッドが移動したタイミングＴ１４では、第１受光素子１０４は引き続きα２領域のパターンＣを検出しているため、正弦波状の信号２００１、２００２を出力しているが、第２受光素子１０５はスケール端部のガラス部１１４ａ（つなぎ目１１４近傍の位置情報パターンＣが無い部分）を検出するため、出力信号２００３、２００４はＬｏｗレベル又はＨｉｇｈレベルに固定となる。さらにセンサヘッドが移動したタイミングＴ１５では、第１受光素子１０４及び第２受光素子１０５はそれぞれα２領域及びβ２領域のパターンＣを検出しているため、それぞれの受光素子１０４，１０５からは正弦波状の出力信号２００１〜２００４が出力される。
【０００９】
図１２に示す出力信号に対して、図１１に示すタイミングＴ１１、Ｔ１２では、第２受光素子１０５がβ１領域のパターンＣを検出して出力した正弦波状の出力信号２００３，２００４を位置検出信号として扱う。また、図１１に示すタイミングＴ１３では位置検出信号として使用する出力信号を切り替える。すなわち、第１受光素子１０４がα２領域のパターンＣを検出して出力する正弦波状の出力信号２００１，２００２を位置検出信号として扱う。また、図１１に示すタイミングＴ１４、Ｔ１５では第１受光素子１０５がα２領域のパターンＣを検出して出力する正弦波状の出力信号２００１，２００２を位置検出信号として扱う。このように、図１１に示すタイミングＴ１３で位置検出信号として扱うべき信号を切り替えることにより、スケール結合部で出力信号がＬｏｗレベル又はＨｉｇｈレベルに固定された状態となっても正確な位置検出信号を得ることが出来る。
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−３１０７３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記光学式リニアエンコーダにはスケール結合部の区間で受光素子から出力される出力信号の信号特性が悪化する問題がある。すなわち、第１発光素子１０２及び第１受光素子１０４からなる位置検出光学系と第２発光素子１０３及び第２受光素子１０５からなる位置検出光学系とはスケール幅方向に離間配置されているが、スケール結合部以外の領域では例えば第１発光素子１０２から出射した照射光は位置情報パターンで反射した一部が第２受光素子１０５へ入射する。これにより、第２受光素子１０５の出力信号は異なる位置検出光学系（第１発光素子１０２）からの照射光によりオフセットが掛かった状態となる。一方、スケール結合部では照射光を隣接する位置検出光学系へ反射させていた位置情報パターンの無い部分が存在するので、例えば第１発光素子１０２からの照射光が位置情報パターンの無いガラス部１１３ａに入射するタイミングＴ１２では第２受光素子１０５へ入射する光量が減少する。これにより、図１３に示す点線領域Ａのように、第２受光素子１０５の出力信号２００３，２００４にオフセット変動が発生する。このようなオフセット変動は、第２発光素子１０３からの照射光が位置情報パターンの無いガラス部１１４ａに入射するタイミングＴ１４においても第１受光素子１０５の出力信号２００１、２００２に現れる。
【００１２】
上述したように、上記光学式リニアエンコーダは、スケール結合部の区間において受光素子から出力される出力信号の信号特性が悪化するので、位置検出誤差が生じる可能性があった。
【００１３】
本発明は、以上のような実情に鑑みてなされたもので、位置検出光学系の間に遮光板を設けて隣の位置検出光学系からの照射光を遮光することにより、スケール結合部を検出する際に発生する信号特性の悪化を防ぎ、位置検出誤差を排除した高精度な光学式リニアエンコーダを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の光学式リニアエンコーダは、複数のスケールからなり互いの位置情報パターンをスケール幅方向にオーバーラップさせて結合した結合スケールと、前記結合スケールに対向配置され当該結合スケールに対して変位方向へ相対移動する回路基板と、前記回路基板のスケール側表面に設けられそれぞれ発光素子及び受光素子からなる２以上の独立した位置検出光学系と、前記各位置検出光学系の間に配置され一方の位置検出光学系から他方の位置検出光学系に向かう照射光を遮光する遮光手段と、スケール結合部においてオーバーラップした一方の位置情報パターンと対向した一方の位置検出光学系の受光素子の出力信号から他方の位置情報パターンと対向した他方の位置検出光学系の受光素子の出力信号に切り替えて位置を検出する位置検出手段と、を具備するものとした。
【００１５】
このように構成された光学式リニアエンコーダによれば、一方の位置検出光学系から他方の位置検出光学系に向かう照射光を遮光する遮光手段を設けたので、位置検出光学系から位置情報パターンに照射光が入射するスケール結合部以外においても一方の位置検出光学系から他方の位置検出光学系に向かう照射光が遮光される。その結果、隣の位置検出光学系からスケールを介して入射する照射光が変動して出力信号にオフセット変動が現れるといった不具合を排除でき、スケール結合部においても高精度な位置検出が実現される。
【００１６】
また本発明は、上記光学式リニアエンコーダにおいて、前記各受光素子からの出力信号を切り替える際に発生する位置検出誤差を補正する信号補正手段を備えるものとした。
【００１７】
これにより、結合された一方のスケールに形成された位置情報パターンと他方のスケールに形成された位置情報パターンの位相がずれていても信号補正手段により当該位相ずれが補正されるので、パターンの位相ずれに起因した検出誤差を排除することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、位置検出光学系の間に遮光板を設けて隣の位置検出光学系からの照射光を遮光することにより、スケール結合部を検出する際に発生する信号特性の悪化を防止でき、位置検出誤差を排除した高精度の光学式リニアエンコーダを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を適用した光学式リニアエンコーダの実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明する。
【００２０】
図１は本実施の形態に係る光学式リニアエンコーダを側方から見た模式的な側面図であり、図２は回路基板をスケール側から見た平面図である。なお、前述した図６から図１０に示す光学式リニアエンコーダと同じ構成要素には同一符号を用いて説明する。
【００２１】
本実施の形態に係る光学式リニアエンコーダは、隣り合う位置検出光学系の間に遮光板１０を備える構成とした。図１に示すように、遮光板１０の高さｈは、回路基板１０１と結合スケール１０６との間隔ｚより小さく、回路基板１０１と結合スケール１０６との位置ずれ許容範囲を考慮した最大の大きさとなっている。また図２に示すように、遮光板１０は、第１発光素子１０２及び第１受光素子１０４からなる位置検出光学系と、第２発光素子１０３及び第２受光素子１０５からなる位置検出光学系との間のほぼ中央に配置されている。したがって、遮光板１０は第１発光素子１０２から出射し結合スケール１０６を介して第２受光素子１０５に向かう光を遮光できる構成になっている。同様に、遮光板１０は第２発光素子１０３から出射し結合スケール１０６を介して第１受光素子１０４に向かう光を遮光できる。
【００２２】
ここで、高精度な位置検出を行う回路基板１０１の回路構成について説明する。図３に示すように、第１受光素子１０４及び第２受光素子１０５の出力信号はＡＤ変換器１１を介してマイクロコンピュータユニット１２に入力される。マイクロコンピュータユニット１２は、位相ずれを補正するための補正値を記憶したメモリ１３と、補正値を用いて位相ずれを補正する信号補正手段１４と、位置検出信号に基づいて位置を求める位置演算を行う位置検出手段１５とを備える。マイクロコンピュータユニット１２のハードウエアは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、内部バス、外部インターフェース等を主な構成要素として構成されている。ＣＰＵがＲＯＭに格納された組み込みソフトウエアを実行することにより信号補正手段１４、位置検出手段１５といった機能を実現している。ＲＡＭがメモリ１３の記憶領域として用いられる。外部インターフェースにはＡＤ変換器１１のデジタル信号出力端子が接続される。ＡＤ変換器１１のアナログ入力端子は各受光素子１０４、１０５の出力端子が接続されている。
【００２３】
次に、以上のように構成された本実施の形態の動作について説明する。
【００２４】
図４、図５を参照して遮光板１０が有る場合（図４）と、遮光板が無い場合（図５）との作用の違いを対比して説明する。図４に示すように、遮光板１０が有る場合は隣の位置検出光学系の発光素子（１０２）からの照射光は、遮光板１０で遮光されるため受光素子（１０５）に入射されない。このような遮光板１０による遮光は、隣の位置検出光学系の発光素子（１０２）が位置情報パターンに対向しているか否かに拘わらずスケール全長に亘って行われる。
【００２５】
例えば、第２発光素子１０３及び第２受光素子１０５からなる位置検出光学系からみて隣の位置検出光学系の第１発光素子１０２が位置情報パターンと対向する領域（図１１におけるガラス部１１３ａ以外）では、第１発光素子１０２から照射され位置情報パターンで反射して第２受光素子１０５に向かう光は遮光板１０が遮光する。このため、隣の光学系からの照射光に起因した信号レベルの増加（オフセット）が発生しない。また隣の光学系の第１発光素子１０２が位置情報パターンの無い部分と対向する領域（図１１におけるガラス部１１３ａ）においても、ガラス部１１３ａで反射して第２受光素子１０５に入射する光も遮光板１０が遮光する。よって、隣の光学系の第１発光素子１０２が位置情報パターンと対向する領域においても、位置情報パターンの無いガラス部１１３ａと対向する領域においても、隣の光学系からの照射光が第２受光素子１０５に入射することはないので、オフセット変動の発生が防止される。
【００２６】
また、第１発光素子１０２及び第１受光素子１０４からなる位置検出光学系からみて隣の光学系の第２発光素子１０３が位置情報パターンと対向する領域（図１１におけるガラス部１１４ａ以外）においても、隣の光学系の第２発光素子１０３が位置情報パターンの無いガラス部１１４ａと対向する領域においても、常に遮光板１０が隣の光学系から入射する照射光を遮光する。よって、第１受光素子１０４には隣の光学系から照射光が入射しないので、オフセット変動の発生が防止される。
【００２７】
一方、図５に示すように、光学系の間に遮光板１０が無い場合、隣の光学系から入射する照射光Ａを遮光することができない。このため、隣の光学系の発光素子（１０２）が位置情報パターンと対向する領域では、出力信号にオフセットが掛かった状態となるが、位置情報パターンが無い領域ではオフセットが無くなった状態となる。この結果、出力信号にオフセット変動が生じて信号特性が悪化する。
【００２８】
今、センサヘッドが左側スケール１０６−１から右側スケール１０６−２に向けて相対移動するものとする。
【００２９】
センサヘッドが結合スケール１０６のスケール結合部に到達するタイミングＴ１１（図１１参照）までは、第２受光素子１０５の出力する正弦波状の出力信号２００３，２００４（図１２参照）をＡＤ変換器１１でデジタル信号に変換して位置検出信号としてマイクロコンピュータユニット１２に取り込み、位置検出手段１５が該位置検出信号（２００３，２００４）を用いて位置演算を実行する。
【００３０】
このとき、隣の光学系からの照射光は遮光板１０で遮光されて第２受光素子１０５には入射しないため、第２受光素子１０５の出力信号からなる位置検出信号（２００３，２００４）には隣の光学系からの照射光によるオフセットは掛からない。
【００３１】
スケール結合部におけるタイミングＴ１２（図１１参照）では、隣の光学系の第１発光素子１０２はガラス部１１３ａに対向するため、隣の光学系から第２受光素子１０５に向かう照射光は減少するが、遮光板１０で遮光されているため、隣の光学系から第２受光素子１０５に入射する光量に変動はほとんど無く、図１３に示すようなオフセット変動は生じない。よって、タイミングＴ１２ではオフセット変動の発生していない出力信号２００３，２００４を位置検出信号に用いて位置検出できる。
【００３２】
スケール結合部におけるタイミングＴ１３（図１１参照）では、位置検出手段１５は第１受光素子１０４の出力信号２００１、２００２を位置検出信号として用いる。すなわち、位置検出手段１５において位置検出信号として用いられる出力信号の切り替えが行われる。第１受光素子１０４からみて隣の光学系の第２発光素子１０３は位置情報パターン（β１領域）に対向しているが、β１領域で反射して第１受光素子１０４に向かう照射光は遮光板１０で遮光される。このため、第１受光素子１０４の出力信号２００１，２００２にはβ１領域で反射した照射光によるオフセットは掛からない。
【００３３】
スケール結合部におけるタイミングＴ１４（図１１参照）では、位置検出手段１５は引き続き第１受光素子１０４の出力信号２００１、２００２を位置検出信号として用いる。このとき、第１受光素子１０４からみて隣の光学系の第２発光素子１０３はガラス部１１４ａに対向している。ガラス部１１４ａで反射して第１受光素子１０４に向かう照射光は位置情報パターン（β１領域）に対向している場合に比べて減少するが、隣の光学系からの照射光は遮光板１０で遮光されるので、位置検出信号として用いる出力信号２００１，２００２に隣の光学系からの照射光による変動はほとんど現れない。
【００３４】
スケール結合部におけるタイミングＴ１５（図１１参照）では、位置検出手段１５は引き続き第１受光素子１０４の出力信号２００１、２００２を位置検出信号として用いる。第１受光素子１０４からみて隣の光学系の第２発光素子１０３は位置情報パターン（β２領域）に対向している。位置情報パターン（β２領域）で反射して第１受光素子１０４に向かう照射光は遮光板１０で遮光されるので、位置検出信号として用いる出力信号２００１，２００２に隣の光学系からの照射光による変動はほとんど現れない。
【００３５】
このように、位置検出手段１５が位置演算に用いる位置検出信号には、結合スケール１０６のいずれの箇所と対向していても隣の光学系から入射する照射光によるオフセット変動が発生しないので、スケール全長に亘って信号特性が悪化しない位置検出信号を用いて高精度な位置検出を実現できる。
【００３６】
ところで、図１０に示すように、左側スケール１０６−１と右側スケール１０６−２とを結合する場合、右側スケール１０６−２に形成されている位置情報パターンと左側スケール１０６−１に形成されている位置情報パターンとの位相が正確に一致するとは限らない。互いに結合した右側スケール１０６−２と左側スケール１０６−１の位置情報パターンの位相がずれていると、図１１に示すタイミングＴ１３で位置検出信号として用いる出力信号の切り替えを行った時に出力信号に位相ずれが生じてしまう。
【００３７】
本実施の形態では、この出力信号の位相ずれに起因した検出誤差を無くすために、補正値を記憶したメモリ１３と、当該補正値に基づいて位相ずれ補正を行う信号補正手段１４と、を備えている。
【００３８】
タイミングＴ１３での出力信号切り替え時に発生する位相差情報を予めメモリ１３に記憶しておく。補正値の記憶領域はメモリ１３に限定されるものではなく、回路基板１０１上に設けた外部メモリでも良い。
【００３９】
今、センサヘッドが結合スケール１０６に対して相対的に左側スケールから右側スケールの方向へ移動しているものとする。タイミングＴ１２までは左側スケール１０６−１のβ１領域のパターンを検出した出力信号２００３，２００４を位置検出信号として用いているが、タイミングＴ１３では右側スケール１０６−２のα２領域のパターンを検出した出力信号２００１，２００２を位置検出信号として用いるように、位置検出信号として取り込む出力信号が切り替わる。
【００４０】
信号補正手段１４は、出力信号が切り替わるタイミングＴ１３で取り込んだ出力信号２００１，２００２に対してメモリ１３から読み出した補正値を用いて位相補正する。このように位相補正を行った出力信号２００１，２００２のデジタル信号を位置検出手段１５に与えて位置演算を行う。
【００４１】
これにより、左側スケール１０６−１と右側スケール１０６−２の位置情報パターンの位相がずれていたとしても、スケール結合部における位置検出信号の切り替え時に、左側スケール１０６−１と右側スケール１０６−２の位置情報パターンの位相ずれに起因した測定誤差を排除することができ、検出精度を上げることができる。
【００４２】
なお、上述した実施の形態では発光素子と受光素子からなる位置検出光学系を２つ備えた構成を説明したが、独立した位置検出光学系の数は２以上であれば良く２つに限定されない。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、半導体検査装置、半導体製造装置、工作機械、その他の各種装置において高精度な位置決め、速度制御を可能にする位置検出センサに適用し得る。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】第１の実施の形態に係る光学式リニアエンコーダの模式的な側面図
【図２】図１に示す光学式リニアエンコーダに備えた回路基板の平面図
【図３】第１の実施の形態に備えた回路基板の機能ブロック図
【図４】第１の実施の形態に係る光学式リニアエンコーダを変位方向から見た正面図
【図５】従来の光学式リニアエンコーダを変位方向から見た正面図
【図６】従来の光学式リニアエンコーダの模式的な側面図
【図７】図６に示す光学式リニアエンコーダに備えた回路基板の平面図
【図８】従来の受光素子の平面図
【図９】（ａ）スケールの平面図、（ｂ）スケールの端部拡大図
【図１０】右側スケールと左側スケールとを結合したスケール結合部の拡大図
【図１１】スケール結合部における各受光素子の検出位置とタイミングを示す平面図
【図１２】受光素子から出力される理想的な出力信号のタイミング図
【図１３】受光素子から出力されるオフセット変動を伴った出力信号のタイミング図
【符号の説明】
【００４５】
１０  遮光板
１１  ＡＤ変換器
１２  マイクロコンピュータユニット
１３  メモリ
１４  信号補正手段
１５  位置検出手段
１０１  回路基板
１０２  第１発光素子
１０３  第２発光素子
１０４  第１発光素子
１０５  第２受光素子
１０６  結合スケール
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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