(57)【要約】【課題】複雑な光学系と演算回路を必要とせず、また、従来のようにカウントミスも起こらない、新規な測長器を提供する。【解決手段】本発明によれば、第一画素列及び第二画素列からなる一定ピッチの画素列を上下に配置し、前記第一画素列の各画素と前記第二画素列の各画素とを長さ方向において第二画素列が第一画素列の長さ方向の間隙を覆う位置に配置してなる液晶スケールと、この液晶スケールの画素を読み取る読取装置と、この読取装置からの信号を処理する演算装置とを備えた測長器であって、演算装置が第一画素列又は／及び第二画素列のピーク値を検出する回路と、第一画素列又は／及び第二画素列のゼロ点を検出するゼロ検知回路と、上記演算装置からの信号を加算する加算回路とからなる測長器が提供される。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一画素列及び第二画素列からなる一定ピッチの画素列を上下に配置し、上記第一画素列の各画素と上記第二画素列の各画素とを、長さ方向において第二画素列が第一画素列の長さ方向の間隙を覆う位置に配置してなる液晶スケールと、この液晶スケールの画素を読み取る読取装置と、この読取装置からの信号を処理する演算装置とを備えた測長器であって、上記演算装置が第一画素列又は／及び第二画素列のピーク値を検出する回路と、第一画素列又は／及び第二画素列のゼロ点を検出するゼロ検知回路と、上記読取装置からの信号を加算する加算回路とからなる測長器。
【請求項２】
第一画素列及び第二画素列の各画素を５〜５００μｍ角とし、ピッチを５〜５００μｍとし、液晶スケールの長さを１ｍｍ〜１０００ｍｍとしてなる請求項１記載の測長器。
【請求項３】
読取装置が液晶スケールを照射する光源と、液晶スケールを透過した光を受光する受光部とからなり、上記光源から照射された光が上記液晶スケールの画素のいずれか一つ以上に必ず照射されるようにしてなる請求項１記載の測長器。
【請求項４】
密封された筐体を有し、この筐体を長さ方向に貫通し、長さ方向に摺動するシャフトを有し、このシャフトと上記筐体とをボールガイドと磁性流体によってシールし、上記シャフトに液晶スケールを挟み込むように読取装置を設置してなる請求項１に記載の測長器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体や液晶の生産、検査、搬送等の微細加工や高精度位置決め制御機構等の超精密測長器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超精密機械系では、主軸の位置制御のために位置センサが要求され、その最小分解能は少なくとも１０ｎｍが要求されており、最近では、１ｎｍが要求されている。従来の超精密機械系の変位や運動検出器の計測原理や方法は、レーザ干渉計方式やレーザ回折式リニアエンコーダ方式、２周波レーザによるドップラー方式、マイケルソン型レーザ干渉計等が主流である（例えば、非特許文献１及び特許文献１参照）。
【０００３】
また、この測定方法は、これらの光情報をＰＤ（フォトダイオード）等の光センサで受け、アナログの電気信号に変換して、移動方向と移動距離の演算に用いる。このとき、変換した電気信号をＡ相（ｓｉｎ波）、Ｂ相（ｃｏｓ波）のアナログ信号に換え、演算回路より合成し、そのベクトルの角度の大きさから移動距離を求めるのが一般的であり、移動方向は、そのベクトルが正／逆のどちらに動くかによって求められる。また、このＡ相、Ｂ相以外に、原点を示すためのＺ相（原点信号）も必要であった。
【０００４】
【非特許文献１】「超精密生産技術大系  第１巻  基本技術」第２０９〜２１１頁（１９９５年１０月２２日フジテクノシステム発行）
【特許文献１】特開平８−２４７７９１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術の問題点は下記の通りである。
（１）Ａ相、Ｂ相、Ｚ相を作り出すために、光学系が複雑になる。
（２）光学系の取付誤差により、Ａ相、Ｂ相の位相ずれが生じるため、個々に取付後の調整が必要である。
（３）温度変化や電気ノイズ等でアナログ信号の変動や歪をキャンセルするための補正回路が必要である。
（４）Ａ相、Ｂ相どちらかのスレッシュレベル電位に停止したとき、±１パルスのカウントミスが発生する。また、停止時振動でバウンドが発生し、カウントミスを生じることがある。
（５）原点ではなく、途中で停止した地点から、再び稼働させる場合、正転／逆転時に、±１パルスのカウントミスが生じる。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、上述したような複雑な光学系と演算回路を必要とせず、また、従来のようにカウントミスも起こらない測長器を提供することを目的とする。即ち、従来のような複雑な光学系と演算回路を必要とせず、単純な光学系とＡ／Ｄ変換回路で簡単に且つ安価に構成できる測長器を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、第一画素列及び第二画素列からなる一定ピッチの画素列を上下に配置し、上記第一画素列の各画素と上記第二画素列の各画素とを、長さ方向において第二画素列が第一画素列の長さ方向の間隙を覆う位置に配置してなる液晶スケールと、この液晶スケールの画素を読み取る読取装置と、この読取装置からの信号を処理する演算装置とを備えた測長器であって、上記演算装置が第一画素列又は／及び第二画素列のピーク値を検出する回路と、第一画素列又は／及び第二画素列のゼロ点を検出するゼロ検知回路と、上記読取装置からの信号を加算する加算回路とからなる測長器が提供される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明において、液晶としては、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ＴＮ）、強誘電性液晶、反強誘電性液晶、高分子分散型液晶等を用いることができる。
【０００９】
第一画素列及び第二画素列の各画素は、好ましくは、５〜５００μｍ角、更に好ましくは、２０〜１００μｍである。第一画素列及び第二画素列の各画素の大きさが５μｍ角よりも小さいときは、回折光の干渉の影響が無視できず、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。また、５００μｍ角よりも大きいときは、移動位置対出力の直線性の特性が歪んでくるからである。ピッチも同様に、好ましくは、５〜５００μｍであり、特に好ましくは、２０〜１００μｍである。また、液晶スケールの長さは、好ましくは、１ｍｍ〜１０００ｍｍである。
【００１０】
液晶の駆動は、液晶のセルギャップが５〜２０μｍの場合、周波数１０〜１ｋＨｚ、好ましくは、１００〜７００Ｈｚで、５〜５０Ｖ、好ましくは、１０〜２５Ｖの矩形波を印加することが好ましい。かかる範囲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。
【００１１】
演算装置は、第一画素列又は／及び第二画素列のピーク値を検出する回路と、第一画素列又は／及び第二画素列のゼロ点を検出するゼロ検知回路と、前記読取装置からの信号を加算する加算回路とからなるが、これらの個々の回路は周知のものを利用することができる。
【００１２】
また、読取装置は、液晶スケールを照射する光源と、液晶スケールを透過した光を受光する受光部とからなり、前記光源から照射された光は、前記液晶スケールの画素のいずれか一つ以上に必ず照射されるようにする。
【００１３】
光源としては、例えば、発光ダイオード、レーザー、ランプ、ＥＬ等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。
【００１４】
受光部は、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、サーモパイル等を使用することができる。
【００１５】
また、測長器は、密封された筐体を有し、この筐体を長さ方向に貫通し、長さ方向に摺動するシャフトを有し、このシャフトと筐体とはボールガイドと磁性流体によってシールし、前記シャフトに液晶スケールを挟み込むように読取装置を設置する。
【００１６】
以下に本発明による測長器を図面に基づいて詳細に説明する。図１（ａ）は、本発明による測長器の平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ’断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＣ−Ｃ’断面図である。
【００１７】
図１において、参照番号１は液晶スケールを示し、液晶スケール１の全長に画素を上列第１画素列２と下列第２画素列３を千鳥状に配置する。
【００１８】
この液晶スケール１の概略拡大図を図３に示す。液晶スケール１は、一対のガラス基板を対向させ、スぺーサによって間隔を保持し、液晶を封入して構成する。ガラス基板の片面にはＩＴＯ膜を蒸着して液晶駆動電極を形成し、また、対向する片側には、ＩＴＯ膜により５〜５００μｍ角の液晶窓３２を形成するパターンａ１、ａ２、…ａｎ−１、ａｎ  が５〜５００μｍのピッチｂ１、ｂ２、…ｂｎ−１  で作成されている。第１画素列２及び第２画素列３は、配置が異なるだけで、パターン、ピッチは同じである。
【００１９】
また、液晶スケール１は、スケール押さえ１５とスケール固定台１６によって筐体９に固定する。更に、液晶スケール１を挟むように光源７、８と受光部５、６とスリット等で構成した計測部が固定ブロック４に固定されている。
【００２０】
固定ブロック４は、高精度シャフト１２に固定されており、シャフト１２の動作と同じ動きをする。固定ブロック４に取付ている光源７と受光部５は第１画素列２を検出し、光源８と受光部６は第２画素列３を検出する。シャフト１２の両端にはボールガイド１１で支持されている。また、ボールガイド１の中に磁性流体シール１０が配置されていて、完全シール構造となっている。尚、筐体９と蓋１３の間にはパッキン１４を配置して、防水構造を構成している。
【００２１】
次に、図１の測長器の信号処理回路構成を図２に示す。図２において、図１と同じ部材には同じ参照番号が付してある。液晶スケール１を千鳥状に配置した画素の第一画素列２、第２画素列３は、液晶駆動回路１７で特定の周波数で駆動されている。光源７、８からの光束は特定の周波数で駆動された液晶ピクセルを透過するとき、電気光学効果で収束された光束になる。その光束を受光部５、６で検出し、電気信号に変換する。
【００２２】
そのときの移動に伴う光量変化の電気信号は、Ａ信号処理回路１８、Ｂ信号処理回路１９で行うことで、出力信号は第１画素列受光部で得られるアナログ信号３３、第２画素列で得られるアナログ信号３４になる。この信号波形のタイミングチャートは図４（ａ）と図４（ｂ）に示す通りである。
【００２３】
更に、３３、３４の信号を処理して、Ａ信号ピーク検出回路２０Ａ、信号エッジ検出回路２１でＡピーク信号２３、Ａエッジ信号２４を作成する。この信号波形のタイミングチャートは、図４（ｅ）と図４（ｃ）に示す通りである。作成方法は、Ａピーク信号２０はピーク値検出回路、Ａエッジ信号２１はゼロ検知回路で作成する。
【００２４】
同じようにＢ信号処理回路１９でＢピーク信号２５を作成し、Ａエッジ信号２４でカウンタ回路２９をカウントすると共に、アナログスイッチ回路２６で２４と３４を、加算回路２７で更に３３を加算し、Ａ＋Ｂ信号２７を作成する。２５、２７の信号波形のタイミングチャートは図４（ｆ）及び図４（ｄ）に示す通りである。
【００２５】
この２７はＡ／Ｄ変換され、演算処理回路３０にて演算される。このとき、原点からの移動距離はＡエッジ信号２４のカウント数と停止位置のＡ＋Ｂ信号２７を演算すれば、高精度に停止位置を検出できる。
【００２６】
演算処理回路で演算された測長データはＩ／Ｏ回路３１で１０ｎｍ／１パルスとＣＷ／ＣＣＷ信号を外部機器に出力するか、又はバイナリコード化した信号通信処理も可能である。
【００２７】
また、移動方向はＡピーク信号２３又はＢピーク信号２５の立上り、立下りによって瞬時にＣＷ／ＣＣＷ方向が検知できる。図５の（１）がＣＷ方向、（２）がＣＣＷ方向の検知を示す。Ａピーク信号２３が立上りのときはＣＷ方向、立下りのときはＣＣＷ方向である。
【００２８】
レーザ測長器と本願発明との測定値の比較を以下に行う。図６に実施例で試作した測長器のデータを添付する。この結果からも分かるように、ほぼ同等の性能を有する。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、Ａエッジ信号２４とＡ＋Ｂ信号２７からＡ／Ｄ変換し、演算処理回路３０で直接停止位置を読み取ることができるため、従来のように、停止時のチャタリングやバウンド現象、正転／逆転時に必ず発生していた１パルスカウントミス等がなくなる。
【００３０】
また、停止時のチャタリングやバウンド現象などのノイズ対策のためのフイルタ処理回路が不必要となるので、高速移動が可能となる。
【００３１】
更に、液晶スケールと発光部、受光部等の光学系を一体にできるため、取付誤差による固体差がなくなり、取り付けも容易にできる。また、各画素にアドレスを付加すれば、電源オフしても、停止位置を記憶しているので、再度電源オンしても、原点に復帰する必要がなく、オフ時の位置から測長が可能である。更に、一種のアブソリュトタイプ測長器としての使用も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は液晶スケールを用いた測長器の平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ’断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＣ−Ｃ’  断面図である。
【図２】概略の信号処理回路ブロック図である。
【図３】第一画素列と第二画素列に複数の液晶窓を有する液晶スケールの概略拡大図である。
【図４】第一画素列と第二画素列に配置した受光部で検出した信号波形とその信号を信号処理回路で演算した信号のタイミングチャートである。
【図５】本発明の正転／逆転時の検出例である。
【図６】本発明の実施例で製作した測長器とレーザ測長器との比較データである。
【符号の説明】
１…液晶スケール
２…第一画素列
３…第二画素列
４…固定ブロック
５…第一画素列用受光部
６…第二画素列用受光部
７…第一画素列用光源
８…第二画素列用光源
９…筐体
１０…磁気流体シール
１１…ボールガイド
１２…シャフト
１３…蓋
１４…パッキン
１５…液晶スケール押さえ
１６…液晶スケール固定台
１７…液晶駆動回路
１８Ａ…信号処理回路
１９Ｂ…信号処理回路
２０Ａ…信号ピーク検出回路
２１Ａ…信号エッジ検出回路
２２Ｂ…信号ピーク検出回路
２３Ａ…信号ピーク検出回路（２０）で作成されたＡピーク信号
２４Ａ…信号エッジ検出回路（２１）で作成されたＡエッジ信号
２５Ｂ…信号ピーク検出回路（２２）で作成されたＢピーク信号
２６…アナログスイッチ回路
２７…加算回路
２８…Ａ／Ｄ変換回路
２９…カウンター回路
３０…演算処理回路
３１…Ｉ／Ｏ回路
３２…液晶窓
３３…第一画素列用受光部で得られるアナログ信号
３４…第二画素列用受光部で得られるアナログ信号
【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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