(57)【要約】【課題】計測分解能の点で有利なエンコーダを提供する。【解決手段】エンコーダは、スケールと、前記スケールに向けて光を発する発光部と、前記スケールからの光を受光する複数の受光素子が配列されてなる受光部と、前記発光部と前記スケールとの間に配置され、前記発光部からの光を透過させる開口が形成された開口部材を有し、前記発光部からの光のうちの前記複数の受光素子のそれぞれに入射する光の量を増加させる光学系とを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スケールと、
前記スケールに向けて光を発する発光部と、
前記スケールからの光を受光する複数の受光素子が配列されてなる受光部と、
前記発光部と前記スケールとの間に配置され、前記発光部からの光を透過させる開口が形成された開口部材を有し、前記発光部からの光のうちの前記複数の受光素子のそれぞれに入射する光の量を増加させる光学系と、
を含むことを特徴とするエンコーダ。
【請求項２】
前記光学系は、前記発光部の縮小像を前記開口に形成する光学素子を有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】
前記スケールにおける複数の要素の配列方向において、前記開口の幅は前記発光部の発光面の幅よりも狭いことを特徴とする請求項１又は２に記載のエンコーダ。
【請求項４】
前記光学素子は、前記開口を介して前記複数の受光素子のうちの１つの受光素子に入射する光の強度が、前記光学系を含まない場合に前記１つの受光素子に入射する光の強度より大きくなるように、前記発光部の像を前記開口に形成することを特徴とする請求項２に記載のエンコーダ。
【請求項５】
前記開口から前記スケールまでの距離をＬとし、前記スケールから前記受光部までの距離をＬ１とし、前記スケールにおける複数の要素のピッチをＰ０とし、前記複数の受光素子のピッチをＰ２とし、前記複数の要素のピッチが前記複数の受光素子のピッチのｎ倍に対応するとして、
Ｐ０×（Ｌ１＋Ｌ）／Ｌ＝ｎ×Ｐ２
を満たすように構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載のエンコーダ。
【請求項６】
前記開口部材は、前記開口を複数有し、
前記開口部材における複数の開口の各々は、前記発光部からの光を回折するように構成されてい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７】
前記開口部材は、第１開口および第２開口を含み、前記第１開口を介した光と、前記第２開口を介した光とが、前記スケールにおける複数の要素のうちの互いに異なる２つの要素をそれぞれ介して、前記複数の受光素子のうちの１つの受光素子に入射するように構成されていることを特徴とする請求項６に記載のエンコーダ。
【請求項８】
前記開口から前記スケールまでの距離をＬとし、前記スケールから前記受光部までの距離をＬ１とし、前記スケールにおける複数の要素のピッチをＰ０とし、前記複数の受光素子のピッチをＰ２とし、前記開口部材における前記複数の開口のピッチをＰｓとし、前記複数の要素のピッチが前記複数の受光素子のピッチのｎ倍に対応するとして、
Ｐ０×（Ｌ１＋Ｌ）／Ｌ＝Ｐ２
および
Ｐｓ＝Ｐ０×（Ｌ＋Ｌ１）／Ｌ１
を満たすように構成されていることを特徴とする請求項６又は７に記載のエンコーダ。
【請求項９】
前記発光部から前記スケールまでの距離と、前記スケールから前記受光部までの距離とが同じになるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれか１項に記載のエンコーダ。
【請求項１０】
前記発光部の発光面と前記受光部の受光面とが同一平面上にあるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれか１項に記載のエンコーダ。
【請求項１１】
可動部材と、
前記可動部材の動きに係る座標を計測するための請求項１乃至１０のうちいずれか１項に記載のエンコーダと、
を含むことを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンコーダ、およびそれを用いた装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用装置や加工機、計測装置などでは、可動部材の位置または角度を計測するためにエンコーダが用いられうる。エンコーダは、スケールと、スケールに光を照射してスケールからの光（透過光または反射光）の強度分布を検出するユニットとを有する（特許文献１および２参照）。スケールまたはユニットが搭載された可動部材を移動させて、スケールとユニットとの相対位置を変化させると、ユニットによって検出される光の強度分布が変化する。エンコーダは、スケールとユニットとの相対位置を変化させたときの光の強度分布の変化に基づいて、可動部材の動きに係る座標（位置または角度）を計測することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−０４３１９２号公報
【特許文献２】特開平０３−１２８４１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
エンコーダの計測分解能を向上させるのは、スケールにおける格子（例えば、透過部。スケール要素、要素またはマークともいう）のピッチを狭めることによりなしうる。例えば、この場合において、ユニットにおける発光部および受光部の構成や、スケールとユニットとの位置関係を変更しないで済むのは好ましい。
【０００５】
そこで、本発明は、例えば、計測分解能の点で有利な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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としてのエンコーダは、スケールと、前記スケールに向けて光を発する発光部と、前記スケールからの光を受光する複数の受光素子が配列されてなる受光部と、前記発光部と前記スケールとの間に配置され、前記発光部からの光を透過させる開口が形成された開口部材を有し、前記発光部からの光のうちの前記複数の受光素子のそれぞれに入射する光の量を増加させる光学系と、を含むことを特徴とする。
【０００７】
本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、例えば、計測分解能の点で有利なエンコーダを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態のエンコーダを示す概略図である。
【図２】第１実施形態のエンコーダを示す展開図である。
【図３】第２実施形態のエンコーダを示す展開図である。
【図４】従来のエンコーダを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材ないし要素については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。以下の実施形態では、反射型の格子パターンを有するスケールを用いたリニアエンコーダについて説明するが、透過型の格子パターンを有するスケールを用いたリニアエンコーダにも本発明を適用することができる。また、可動部材の位置を計測するリニアエンコーダだけでなく、可動部材の角度を計測するロータリエンコーダにも本発明を適用することができる。
【００１１】
まず、従来のエンコーダ３００について、図４を参照しながら説明する。図４は、従来のエンコーダ３００を示す概略図である。従来のエンコーダ３００は、格子パターンが形成されたスケール１０と、発光部２１および受光部２２を有するユニット２０とを含みうる。そして、従来のエンコーダ３００は、スケール１０またはユニット２０が搭載された可動部材の移動により、スケール１０とユニット２０とが相対的に走査することで、可動部材の位置を計測することができる。
【００１２】
スケール１０は、例えば、スケール１０とユニット２０とを相対的に走査する方向（走査方向）に沿って、１つの反射部１０ａと１つの遮光部１０ｂとを含む格子要素が周期的に配列した格子パターンを含みうる。
【００１３】
発光部２１は、例えば、ＬＥＤなどの面発光素子を含み、スケールに向けて発光面２１ａから光を放射する（発する）。発光部２１（発光面２１ａ）から放射された光によって、スケール１０に形成された格子パターンを受光部２２の受光面に投影させることができる。スケール１０の格子パターンにおける格子要素（要素）の配列方向（走査方向）における発光面２１ａの幅は、スケール１０における格子要素の反射部１０ａの幅と同じであることが好ましい。
【００１４】
受光部２２は、スケール１０からの光をそれぞれ受光する複数の受光素子２３（例えば、光検出器または光電変換素子）が配列された受光面を有する。複数の受光素子２３は、スケール１０の格子パターンにおける格子要素の配列方向に沿って、格子パターンにおける１周期分の格子要素が４つの受光素子２３に投影されるように配列している。そして、受光部２２は、受光素子２３が４つごとに信号線で接続されており、Ａ＋、Ｂ＋、Ａ−、Ｂ−から成る４相の信号（４相の疑似正弦波信号）を出力する。
【００１５】
また、発光部２１および受光部２２は、発光部２１（発光面２１ａ）からスケール１０までの距離Ｌ０と、スケール１０から受光部２２（受光面）までの距離Ｌ１とが同じになるように配置されているとよい。例えば、発光部２１および受光部２２が、発光面２１ａと受光面とが同一平面上にあるように構成されているとよい。このようなエンコーダ３００では、例えば８０μｍの格子ピッチを有する格子パターンを用いると、受光面に投影される格子パターンの像のピッチが１６０μｍとなり、８０μｍの分解能を実現することができる。格子ピッチとは、スケール１０における複数の要素のピッチのことである。
【００１６】
エンコーダにおいて、可動部材の位置の計測精度を向上させるためには、スケール１０の格子パターンにおける格子ピッチを狭めて計測分解能を向上させるとよい。この場合において、エンコーダでは、発光部２１および受光部２２の構成や、スケール１０とユニット２０との位置関係を変更しないで計測分解能を向上させることが好ましい。そこで、本発明に係る実施形態のエンコーダでは、格子ピッチを狭めた格子パターンを受光部２２に拡大投影するための光学系３０が設けられている。以下、本発明に係る実施形態のエンコーダについて説明する。ここで、以下の実施形態のエンコーダでは、格子パターンにおける１周期分の格子要素が４つの受光素子２３に投影されるように構成されているが、当該１周期分の格子要素が２つ以上の受光素子２３に投影されるように構成されていればよい。
【００１７】
＜第１実施形態＞
本発明に係る第１実施形態のエンコーダ１００について、図１を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態のエンコーダ１００を示す概略図であり、図２は、第１実施形態のエンコーダ１００を示す展開図である。図２では光の強度を色の濃さによって表しており、色が濃くなるにつれて光の強度が強くなることを表している。第１実施形態のエンコーダ１００には、図４に示す従来のエンコーダ３００と比べて、格子ピッチを狭めた格子パターンを受光部２２に拡大投影するための光学系３０が設けられている。光学系３０は、例えば、発光部２１からの光を透過させる開口３１ａ（スリット）が形成された開口部材３１（スリット部材）と、発光面２１ａの縮小像を開口部材３１の開口３１ａに形成する光学素子３２（例えばレンズ）とを含みうる。
【００１８】
発光部２１の発光面２１ａから放射された光（発散光束）は、光学素子３２によって開口部材３１に集光し、発光面２１ａの縮小像が開口部材３１の開口３１ａに形成される。これにより、開口部材３１の開口３１ａを２次光源として機能させて、開口３１ａから光を放射させることができる。開口部材３１の開口３１ａは、スケール１０の格子要素の配列方向における幅ｗｓが、発光面２１ａの幅より狭くなるように形成されるとよく、例えば、スケール１０の格子要素の反射部１０ａの幅と同じであることが好ましい。また、光学素子３２は、２次光源としての開口３１ａから放射された光によって受光部２２の全体が照明されるように、レンズのパワーや配置などが設計されるとよい。そして、発光面２１ａの像が開口３１ａに縮小して形成されるように光学素子３２を構成することにより、光学系３０を含まない場合（従来のエンコーダ３００）と比較して、各受光素子２３に入射する光の強度を増加させることができる。換言すると、発光部２１からの光のうちの複数の受光素子２３のそれぞれに入射する光の量を増加させることができる。
【００１９】
また、開口部材３１は、スケール１０の格子パターンにおける格子ピッチが複数の受光素子２３のピッチのｎ倍(第１実施形態では４倍)に対応するとして、例えば、式（１）を満たすように配置されうる。式（１）において、Ｌは開口３１ａからスケール１０までの距離、Ｌ１はスケール１０から受光部２２までの距離を表す。また、Ｐ０はスケール１０の格子パターンにおける格子ピッチ、Ｐ２は受光部２２における複数の受光素子２３のピッチを表す。ここで、ｎは格子パターンの１周期分の格子要素を投影すべき受光素子２３の数ともいえる。
Ｐ０×（Ｌ１＋Ｌ）／Ｌ＝ｎ×Ｐ２      ・・・（１）
【００２０】
このように光学系３０を構成することにより、２次光源としての開口３１ａから放射された光によって、スケール１０の格子パターンを図２に示すように受光部２２に投影することができる。例えば、図２に示すスケール１０および受光部２２の配置では、スケール１０の反射部１０ａで反射された光がＡ＋相の受光素子２３に入射し、Ａ−相の受光素子２３にはスケールの遮光部１０ｂによって光が入射しない。これにより、受光部２２から４相の疑似正弦波信号を出力させることができる。
【００２１】
上述したように、第１実施形態のエンコーダ１００は、格子ピッチを狭めたスケール１０の格子パターンを受光部２２に拡大投影するための光学系３０を有する。光学系３０は、例えば、発光部２１からの光を透過させる開口３１ａが形成された開口部材３１と、発光面２１ａの像を開口部材３１の開口３１ａに形成する光学素子３２とを含みうる。これにより、発光部２１や受光部２２の構成や配置を変更せずに、スケール１０の格子パターンにおける格子ピッチを狭めて、エンコーダの分解能を向上させることができる。
【００２２】
＜第２実施形態＞
本発明に係る第２実施形態のエンコーダ２００について、図３を参照しながら説明する。図３は、第２実施形態のエンコーダ２００を示す展開図である。第２実施形態のエンコーダ２００には、図４に示す従来のエンコーダ３００と比べて、格子ピッチを狭めたスケール１０の格子パターンを受光部２２に拡大投影するための光学系３０が設けられている。第２実施形態の光学系３０は、例えば、発光部２１からの光の一部を回折して複数の回折光を生成するように構成された開口３３ａを複数有する開口部材３３を含みうる。開口部材３３は、上述の式（１）を満たすように配置されうる。
【００２３】
また、開口部材３３に設けられた各開口３３ａの幅ｗｓは、生成された複数の回折光が互いに異なるスケール１０の反射部１０ａを介して、同相（例えばＡ＋相）であって互いに異なる受光素子２３に入射するように設定されるとよい。例えば、開口部材３３に設けられた複数の開口３３ａのうち、開口３３ａ１に着目する。開口３３ａ１は、例えば、生成された０次回折光３４ａ１、＋１次回折光３４ｂ１１および−１次回折光３４ｂ１２が、互いに異なるスケール１０の反射部１０ａを介して、互いに異なるＡ＋相の受光素子２３に入射するように構成される。このように各開口３３ａを構成することにより、Ａ＋相以外の受光素子２３に光が入射することを低減し、Ａ＋相の受光素子２３に効率よく光を入射させることができる。
【００２４】
ここで、±１次回折光の強度は、０次回折光の強度より小さい。そのため、Ａ＋相の各受光素子２３に入射する光の強度差が許容範囲に収まるように、開口部材３３に複数の開口３３ａが設けられている。複数の開口３３ａは、例えば、式（２）を満たすように配置されうる。式（２）において、Ｐｓは開口部材３３における複数の開口３３ａのピッチを表す。このように複数の開口３３ａを配置することにより、受光素子２３のそれぞれにおいて、次数の異なる回折光を同じように入射させることができる。例えば、受光素子２３ａには、開口３３ａ１（第１開口）からの０次回折光３４ａ１、開口３３ａ２（第２開口）からの−１次回折光３４ｂ２２、および開口３３ａ３からの＋１次回折光３４ｂ３１を入射させることができる。一方で、受光素子２３ｂには、開口３３ａ３からの０次回折光３４ａ３、開口３３ａ１からの−１次回折光３４ｂ１２、および開口３３ａ４からの＋１次回折光３４ｂ４１を入射させることができる。即ち、受光素子２３ａおよび２３ｂに入射する光の強度差を許容範囲に収める（例えば、光の強度をほぼ同じにする）ことができる。なお、各開口３３ａからは２次以上の回折光も生成されるが、説明を簡単にするため、図３では２次以上の回折光の記載を省略している。
Ｐｓ＝Ｐ０×（Ｌ＋Ｌ１）／Ｌ１      ・・・（２）
【００２５】
上述したように、第２実施形態のエンコーダ２００は、格子ピッチを狭めたスケール１０の格子パターンを受光部２２に拡大投影するための光学系３０を有する。光学系３０は、例えば、複数の回折光を生成するように構成された開口３３ａを複数有する開口部材３３を含みうる。これにより、発光部２１や受光部２２の構成や配置を変更せずに、スケール１０の格子パターンにおける格子ピッチを狭めて、エンコーダの分解能を向上させることができる。ここで、第２実施形態のエンコーダでは、Ａ＋相の各受光素子２３に入射する光の強度を一定にするために、複数の開口３３ａを有する開口部材３３が用いられたが、それに限られるものではない。例えば、Ａ＋相の各受光素子２３に入射する光の強度を一定にしなくてもよい場合には、開口部材３３に１つの開口３３ａのみが形成されていてもよい。
【００２６】
＜第３実施形態＞
第３実施形態として、本発明に係るエンコーダを用いた装置について説明する。エンコーダは、種々の駆動装置や、それを含むロボットや運輸機械または装置、産業機械または装置（工作、加工、計測、製造に係る機械または装置を含む）等において有用である。例えば、駆動装置は、可動部材の動きに係る座標（位置または角度）を検出するエンコーダと、エンコーダの出力に基づいて可動部材の駆動を行う駆動部とを含みうる。当該駆動装置は、例えば、産業機械としてのリソグラフィ装置（露光装置等）に設けられるステージ（ＸＹステージ）装置に用いられうる。
【００２７】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。
【符号の説明】
【００２８】
１０：スケール、２１：発光部、２２：受光部、３０：光学系、３１：開口部材、３２：光学素子、３３：開口部材、１００：エンコーダ、２００：エンコーダ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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