(57)【要約】【課題】エンコーダの回路構成を簡易なものにする。【解決手段】変調に用いる信号ｆ（ｔ）を三角波とする。この場合、光センサでは、三角波に従って変調後の信号Ｉ（ｔ）が繰り返し観測されるようになる。検出装置では、ｃｏｓ（ｋωｔ）（ｋ＝１、２、…）をリファレンス信号として用い、周波数成分の同期検波を実施する。この同期検波により、ｃｏｓ（ωｔ）、ｃｏｓ（２ωｔ）の係数成分が得られ、その係数成分に含まれるｃｏｓ（ｘ）、ｓｉｎ（ｘ）が得られるようになる。このｃｏｓ（ｘ）、ｓｉｎ（ｘ）は、変位ｘを表す信号であるので、これらの値から、ヘッド部に対するスケール、すなわち移動体のＸ軸方向の相対変位情報を取得することができる。【選択図】図２
2007170938.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定方向に配列されたパターンを有するスケールと；
前記スケールのパターンを検出し、少なくとも２つの周波数成分を含む周期関数に従って変動する変調信号で変調された検出信号を出力する検出ヘッドと；
前記検出ヘッドから出力される検出信号の位相又は振幅に基づいて、前記スケールと前記検出ヘッドとの相対位置情報を検出する検出装置とを備えるエンコーダ。
【請求項２】
前記周期関数は、偶関数であり、
前記検出装置は、前記検出信号の振幅に基づいて、前記相対位置情報を検出することを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項３】
前記周期関数は、矩形波であり、
前記パターンは、所定方向と交差する方向に延び、かつ、前記所定方向に周期的に配列され、
前記周期関数の振幅は、前記パターンの１／４周期に等しいことを特徴とする請求項２に記載のエンコーダ。
【請求項４】
前記周期関数は、奇関数であり、
前記検出装置は、前記検出信号の位相又は振幅に基づいて、前記相対位置情報を検出することを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項５】
前記周期関数は、のこぎり波であり、
前記パターンは、所定方向と交差する方向に延び、かつ、前記所定方向に周期的に配列され、
前記周期関数の振幅は、前記パターンの１周期に等しいことを特徴とする請求項４に記載のエンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンコーダに係り、さらに詳しくは、移動する物体の変位を検出する光電式のエンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、周期的なパターンを有するスケールに対し、所定の周期信号に従って計測方向に振動するスポット光を照射し、スケール上の照射位置によって変動するそのスポット光の状態に相当する検出信号に基づいてスケールが固定された移動する物体（移動体）の変位情報を検出するエンコーダが用いられている（例えば、特許文献１参照）。検出信号は、スポット光の振動によって変調されており、移動体の変位情報を検出する際には、その信号を復調する必要がある。
【０００３】
特許文献１に開示された変調型の光学式エンコーダでは、スポット光を振動させる所定の周期信号は、正弦波となっている。この正弦波により変調後の信号から、移動体の変位情報を検出するためには、変調信号の振幅と位相との両方を検出する検出回路が必要となり、その回路構成が複雑となる。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６，６３９，６８６号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、第１の観点からすると、所定方向に配列されたパターンを有するスケールと；前記スケールのパターンを検出し、少なくとも２つの周波数成分を含む周期関数に従って変動する変調信号で変調された検出信号を出力する検出ヘッドと；前記検出ヘッドから出力される検出信号の位相又は振幅に基づいて、前記スケールと前記検出ヘッドとの相対位置情報を検出する検出装置とを備えるエンコーダである。
【０００６】
これによれば、少なくとも２つの周波数成分を含む周期関数に従って変動する変調信号により所定方向に関して変調されたスケールのパターンの検出信号を検出する。正弦波のような１つの周波数成分した含まないような信号でなく、少なくとも２つの周波数成分を含む信号を変調信号として用いるようにすれば、その検出信号の位相又は振幅のいずれか一方が、その変調前の信号の位相に従って変化するようになるので、そのどちらか一方に基づいて、ヘッドに対するスケールの相対変位情報を検出することができるようになる。この結果、検出信号の位相又は振幅の両方を検出する必要がなくなるので、検出回路の構成を簡単なものとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の一実施形態について図１、図２に基づいて説明する。図１には、本発明の一実施形態に係るエンコーダ１００の主要部の概略的な構成が示されている。エンコーダ１００は、Ｘ軸方向に移動可能な不図示の移動体に固定されたスケール２０にレーザビームを照射して、その反射光に基づいて、移動する物体（移動体）の変位情報を検出する光学式エンコーダである。
【０００８】
図１に示されるように、エンコーダ１００は、ヘッド部１６と、検出装置１８と、スケール２０とを備えている。ヘッド部１６は、スケール２０との相対変位を検出するための検出ヘッドであり、検出装置１８は、ヘッド部１６で検出された上記相対変位に関する情報が含まれる信号に基づいて、上記相対変位を検出する装置である。そして、スケール２０は、上記相対変位を検出するための目盛としての役割を果たすスケールである。
【０００９】
ヘッド部１６は、レーザダイオード３と、コリメータレンズ４と、ビームスプリッタ６と、対物レンズ７と、焦点レンズ８と、光センサ９とを備えている。対物レンズ７は、駆動装置１１に接続され、駆動装置１１の駆動により、Ｘ軸方向に振動可能に構成されている。
【００１０】
スケール２０は、不図示の移動体上に取り付けられている。スケール２０上には、その移動体の移動方向（Ｘ軸方向）に周期性を有する反射型のグレーティング１が形成されている。このグレーティング１は例えば、凹凸面型の回折格子であり、その面形状は正弦波形状となっている。また、そのピッチ（周期）ｐは、全区間で同一である。ｐは、５０μｍ以下、例えば２μｍ又は１．６μｍである。
【００１１】
レーザダイオード３から射出されたレーザビーム（波長は例えば、６４０ｎｍ）はコリメータレンズ４でコリメートされた後、ビームスプリッタ６を通過して、対物レンズ７によってスケール上のグレーティング１上に集光される。駆動装置１１は、外部から入力された所定の周期信号に従って変動する電圧（その周波数は例えば１．５ＫＨｚ）を発生させ、内部に備える圧電素子がその電圧に従って対物レンズ７をＸ軸方向に振動させている。この振動によりビーム偏向が実現され、レーザビームがスケール２０上のグレーティング１上でＸ軸方向に振動する。
【００１２】
グレーティング１上で反射したレーザビームは、対物レンズ７を通過して、ビームスプリッタ６で折り曲げられ、焦点レンズ８を経由して、光センサ９で受光される。光センサ９は、フォトダイオードなどから構成されている。光センサ９の受光結果に相当する電流信号は、不図示のＩ−Ｖコンバータにより電圧信号に変換される。その電圧信号は、不図示の検出装置１８へ送られる。
【００１３】
このように、エンコーダ１００では、スケール２０に向けてレーザビームを出力し、スケール２０のグレーティング１で反射したレーザビーム（ビームプローブ）を光センサ９で受光し、その受光結果に相当する電流信号を出力している。エンコーダ１００では、このビームプローブをＸ軸方向に所定の周期信号に従って振動させている。このため、光センサ９から出力される信号は、スケール１８上の回折格子の空間角周波数ω’の信号成分と、所定の周期信号の周波数成分とを含んだ信号となっている。言い換えると、この出力信号は、スケール１８上の回折格子の空間角周波数ω’の信号が、所定の周期信号で変調された変調信号となっている。
【００１４】
図２に示されるように、本実施形態では、所定の周期信号ｆ（ｔ）を三角波としている。三角波ｆ（ｔ）は、次式で示されるようにフーリエ級数で表現することができる。
【００１５】
【数１】
2007170938.tif 000003
ここで、ωは、三角波に含まれる基本波成分の振動角周波数であり、ｔは時間である。上記式（１）からもわかるように、三角波は、少なくとも２つの周波数成分を含む周期信号である。
【００１６】
所定の周期信号が、三角波である場合、光センサ９では、ビームプローブが当たるグレーティング１のパターンに相当するパターン信号が三角波によって変調されたような電流信号I（ｔ）が観測されるようになる。光センサ９で観測される電流信号Ｉ（ｔ）は、次式で示されるようにフーリエ級数展開することが可能である。
【００１７】
【数２】
2007170938.tif 000004
上記式（１）の右辺において、第１項は信号の直流（ＤＣ）成分であり、第２項は、変調周波数ωの基本波成分であり、第３項は、変調周波数ωの２次高調波成分であり、第４項は、変調周波数ωの３次高調波成分である。すなわち、三角波ｆ（ｔ）は、複数の周波数成分を含んでいる。
【００１８】
図２には、すなわち、グレーティング１のパターンに基づくパターン信号と、変調に用いられる三角波ｆ（ｔ）と、光センサ９によって検出される検出信号I（ｔ）との関係が示されている。
【００１９】
検出装置１８では、ｃｏｓ（ｋωｔ）（ｋ＝１、２、…）をリファレンス信号として用い、各周波数成分の同期検波を実施する。この同期検波により、ｃｏｓ（ωｔ）、ｃｏｓ（２ωｔ）の係数成分が得られ、その係数のうち、唯一の未知の成分であるｃｏｓ（ｘ）、ｓｉｎ（ｘ）が得られるようになる。このｃｏｓ（ｘ）、ｓｉｎ（ｘ）は、変位ｘを表す信号であるので、これらの値から、ヘッド部２０に対するスケール１８、すなわち移動体のＸ軸方向の相対変位情報を取得することができる。
【００２０】
すなわち、周期信号ｆ（ｔ）が上記式（１）に示される三角波である場合には、その三角波ｆ（ｔ）をフーリエ級数展開することにより得られる周波数成分の位相に基づく同期検波を行って、その周波数成分の振幅を検出し、その振幅の大きさに基づいて、ヘッド部２０に対するスケール１８の相対変位を検出する。したがって、本実施形態では、検出装置１８において変調後の信号Ｉ（ｔ）の位相を検出する必要がなく、そのための回路を備える必要がなくなるので、検出装置１８の回路構成を簡単なものとすることができる。
【００２１】
そして、検出装置１８は、相対変位ｘが所定値（グレーティングの１周期分）以上変動した場合に、カウンタ値がインクリメント又はデクリメントされるアップダウンカウンタの値と、相対変位ｘとの加算結果を、エンコーダ１００の出力として出力する。
【００２２】
以上詳細に述べたように、本実施形態によれば、少なくとも２つの周波数成分を含む周期関数に従って変動する変調元の信号である三角波ｆ（ｔ）でＸ軸方向に関して変調されたスケール２０のパターンの検出信号Ｉ（ｔ）を検出する。正弦波のような１つの周波数成分しか含まない信号ではなく、少なくとも２つの周波数成分を含む三角波ｆ（ｔ）を変調元の信号として用いるようにすれば、その変調元の信号Ｉ（ｔ）に含まれる周波数成分の振幅が、その変調前のパターン信号の位相に従って変化するようになるので、その振幅のみに基づいて、ヘッド部１６に対するスケール２０の相対変位情報を検出することができるようになる。この結果、検出信号の位相及び振幅の両方を検出する必要がなくなるので、検出装置１８の構成を簡単なものとすることができる。
【００２３】
なお、本実施形態では、対物レンズ７を駆動装置１１によって振動させることにより、ビームプローブを発振させたが、本発明はこれには限られない。例えば、図３に示されるように、レーザダイオード３から出力されたレーザビームの光路上に、回折角変更の要因となるアコースティック光学デバイスＡ／Ｏ又は屈折率変更の要因となる電子工学デバイスＥ／Ｏ等の光学デバイス５を挿入し、この光学デバイス５に三角波の電圧信号等を加え、回折角や屈折率をその三角波に従って変動させてグレーティング１上のビームプローブを発振させるようにしてもよい。また、レーザダイオード３から出力されたレーザビームの光路上に、回転振動可能なミラーを配置して、そのミラーを三角波に従って振動させることにより、ビームプローブを発振させるようにしてもよい。
【００２４】
＜矩形波＞
また、所定の周期信号は、三角波には限られない。例えば、図４に示されるような、矩形波であってもよい。この場合には、図４に示されるように、光センサ９から出力される変調後の信号Ｉ（ｔ）も矩形波となる。
【００２５】
また、この場合、変調に用いられる矩形波ｆ（ｔ）の振幅は、本来のパターン信号の周期に対してπ／２となるように規定されている。この場合、変調後の信号Ｉ（ｔ）（矩形波）の振幅は、位相がπ／２だけ異なる場所での変調前のパターン信号の信号レベルに従ったものとなる。より具体的には、変調された矩形波Ｉ（ｔ）の振幅の大きさは、一方がｃｏｓ（ｘ）に相当するようになり、他方がｓｉｎ（ｘ）に相当するとみなすことができる。したがって、検出装置１８では、この矩形波Ｉ（ｔ）の振幅を検出し、その値（すなわちｃｏｓ（ｘ）、ｓｉｎ（ｘ））に基づいて相対変位ｘを検出する。
【００２６】
すなわち、所定の周期信号ｆ（ｔ）として矩形波を用いる場合には、変調後の信号Ｉ（ｔ）も矩形波となり、その振幅が、ヘッド部１６に対するスケール２０の相対変位ｘを表す信号となる。そこで、検出装置１８では、その変調後の信号Ｉ（ｔ）の振幅のみを検出すればよいので、その位相を検出する回路を備える必要がなくなり、検出装置１８の構成を簡単なものとすることができる。
【００２７】
また、その変調に用いられる矩形波ｆ（ｔ）を、本来のパターン信号の１／４周期分とすれば、受光の結果得られる信号Ｉ（ｔ）の振幅レベルが、そのままｃｏｓ（ｘ）、ｓｉｎ（ｘ）となるので、検出装置１８における、相対変位ｘの検出が最も容易となる。
【００２８】
このように、所定の周期信号として、矩形波に代表されるような少なくとも２つの周波数成分を含む偶関数を採用することができる。所定の周期信号ｆ（ｔ）として偶関数を採用した場合には、変調後の信号Ｉ（ｔ）の振幅の大きさが、変調前のパターン信号の位相に従って変化するようになるので、検出装置１８では、その振幅のみを検出することにより、ヘッド部１６に対するスケール２０の相対変位ｘを求める。したがって、検出装置１８では、変調後の信号Ｉ（ｔ）の位相を検出するための回路を備える必要がなくなるため、検出装置１８の構成を簡単なものとすることができる。
【００２９】
なお、エンコーダとして、図１に示されるような構成を有するエンコーダ、すなわち、対物レンズ７を振動させる装置、すなわち、装置の一部を機械的に振動させるエンコーダを採用した場合に、その矩形波ｆ（ｔ）に対するその振動の遅れが大きくなってしまう場合には、エンコーダの構成として、図３に示される構成を採用することにより、所定の周期信号ｆ（ｔ）として、矩形波を好適に適用することができる。
【００３０】
＜のこぎり波＞
また、図５に示されるように、変調に用いる周期信号ｆ（ｔ）を、のこぎり波とすることもできる。のこぎり波により、光センサ９によって検出される信号Ｉ（ｔ）は、図５に示されるように、正弦波状となる。
【００３１】
変調に用いられるのこぎり波ｆ（ｔ）の振幅は、本来のパターン信号の周期に対して２πに規定されている。この場合、変調後の信号Ｉ（ｔ）は次式で示されるように、連続な正弦波となる。
【００３２】
【数３】
2007170938.tif 000005
ここで、ωは、変調後の信号Ｉ（ｔ）の角周波数であり、ｔは時間である。この信号は、変位ｘに相当する位相情報を含んでいる。したがって、検出装置１８では、この変調後の信号Ｉ（ｔ）の位相を検出し、その位相に基づいて位置情報ｘを検出する。
【００３３】
すなわち、変調に用いられる周期信号ｆ（ｔ）としてのこぎり波を用いる場合には、変調後の信号Ｉ（ｔ）は、正弦波となり、その位相がヘッド部１６に対するスケール２０の相対変位ｘに関する情報を含む信号となる。そこで、検出装置１８では、その変調後の信号Ｉ（ｔ）の位相のみを検出すればよいので、変調後の信号Ｉ（ｔ）の振幅を検出するための回路が不要となり、検出装置１８の回路構成を簡単なものとすることができる。
【００３４】
また、その変調に用いられるのこぎり波ｆ（ｔ）を、本来のパターン信号の１周期分とすれば、受光された信号の位相が、そのまま相対変位ｘに対応するようになるので、検出装置１６における相対変位ｘの検出が最も容易となる。
【００３５】
このように、変調に用いる周期信号ｆ（ｔ）として奇関数を採用することができる。この場合には、ヘッド部１６に対するスケール２０の相対変位ｘを検出するために、変調後の信号Ｉ（ｔ）の位相のみを検出するだけでよい。
【００３６】
なお、変調に用いる周期信号ｆ（ｔ）としてのこぎり波を用いる場合であっても、検出装置では、のこぎり波の位相情報をモニタして、図６に示されるように、例えば、０、π、２πの位置で光センサ９の受光信号Ｉ（ｔ）の出力をモニタして振幅（信号レベル）のみを検出するようにしてもよい。すなわち、変調に用いる信号ｆ（ｔ）が奇関数であっても、それがステップ状に変化するような関数である場合には、変調後の信号Ｉ（ｔ）の信号レベルのみを検出することによって、相対変位ｘを検出することが可能である。
【００３７】
このように、三角波、矩形波に代表される偶関数の信号、のこぎり波に代表される奇関数の信号などを、変調用の信号ｆ（ｔ）として採用したが、本発明はこれに限らず、少なくとも２つの周波数成分を含む周期関数であれば、変調用の信号ｆ（ｔ）として用いることができる。
【００３８】
また、本発明は、上記実施形態に係るエンコーダ１００の光学系の構成には限定されない。例えば、光センサ９は、フォトダイオードである必要はなく、ＣＣＤや、フォト・マルチ・プライヤなどであってもよい。また、検出装置１８は、ハードウエアで構成されていてもよく、ソフトウエアで構成されていてもよい。
【００３９】
なお、上記実施形態に係るエンコーダは、スポット光を、スケール２０のグレーティング１に照射するエンコーダ１００であったが、本発明が適用可能なエンコーダは、上記実施形態に係るエンコーダには限られない。例えば、レーザダイオード３と、スケール２０との間に、インデックス格子を配置するとともに、インデックス格子で発生した±１次回折格子のそれぞれをスケール２０上に偏向する偏向部材を配置する、いわゆる回折光干渉方式のエンコーダに本発明を適用することも可能であるし、いわゆる影絵方式のエンコーダに適用することも可能である。要は、本発明は、エンコーダの変調方式には限定されず、また、変調方式のエンコーダであれば適用が可能である。
【００４０】
また、上記実施形態のエンコーダは、移動体の直線変位を検出するリニアエンコーダであったが、本発明は、回転体の回転量を検出するロータリーエンコーダにも適用可能であることは勿論である。
【００４１】
なお、上記実施形態に係るエンコーダ１００に代表される本発明のエンコーダは、精密機器の分野において特に好適に用いられる。例えば、露光装置における、マスクやウエハや液晶基板などを載置するステージの位置情報、あるいは、露光装置内の光学系の位置情報の検出などにも用いられる。また、露光装置の他、マイクロデバイスの製造に係る精密機器における位置決め制御技術に適用が可能である。また、搬送ロボットなどのマニュピレータの姿勢制御にも適用が可能である。
【００４２】
また、上記実施形態では、スケール２０上に形成されたパターンは、Ｘ軸方向に周期的に配列された正弦波状の回折格子であったが、Ｘ軸方向と交差する方向に延び、かつ、Ｘ軸方向に沿って周期的に配列される周期パターンであればよい。さらに、スケール２０のトラック上に形成されるパターンは、グレーティング１のような、単純な周期パターンのものには限られず、ランダムパターン（例えばＭ系列のパターン）であってもよい。
【００４３】
また、上記実施形態では、内部に、移動体の変位をカウントアップするアップダウンカウンタを備え、そのカウンタ値を移動体の変位情報として出力するエンコーダについて説明したが、ｃｏｓ（４πｘ／ｐ）、ｓｉｎ（４πｘ／ｐ）及び原点検出信号を、そのまま外部に出力するエンコーダであってもよい。
【００４４】
なお、照明光の波長や、グレーティング１のピッチなどは、求められる分解能に応じて適宜変更することができる。
【００４５】
このように、本発明は、上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得ることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
以上説明したように、本発明のエンコーダは、移動する物体の位置情報を検出するのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施形態に係るエンコーダの概略構成図である。
【図２】変調の様子を示す図（その１）である。
【図３】本発明の他の実施形態に係るエンコーダの概略構成図である。
【図４】変調の様子を示す図（その２）である。
【図５】変調の様子を示す図（その３）である。
【図６】変調の様子を示す図（その４）である。
【符号の説明】
【００４８】
１…グレーティング、３…レーザダイオード、４…コリメータレンズ、５…光学デバイス、６…ビームスプリッタ、７…対物レンズ、８…焦点レンズ、９…光センサ、１１…駆動装置、１６…ヘッド部、１８…検出装置、２０…スケール、１００…エンコーダ。
【図１】
2007170938.tif 000006
【図２】
2007170938.tif 000007
【図３】
2007170938.tif 000008
【図４】
2007170938.tif 000009
【図５】
2007170938.tif 000010
【図６】
2007170938.tif 000011