(57)【要約】【課題】計測の正確さ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、スケールからの光を検出する複数の受光素子を含む受光部からの出力に基づいて前記スケールまたは前記受光部の座標を得る処理部を含み、前記処理部は、前記複数の受光素子により検出される光強度分布が許容条件を満たすように光源を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スケールからの光を検出する複数の受光素子を含む受光部からの出力に基づいて前記スケールまたは前記受光部の座標を得る処理部を含み、
前記処理部は、前記複数の受光素子により検出される光強度分布が許容条件を満たすように光源を制御することを特徴とするエンコーダ。
【請求項２】
前記処理部は、前記光強度分布における少なくとも１つの極値が許容条件を満たすように前記光源を制御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】
前記処理部は、前記光強度分布における最大値または最小値が許容条件を満たすように前記光源を制御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４】
前記処理部は、前記光強度分布における複数の極値の総和が許容条件を満たすように前記光源を制御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】
前記処理部は、前記極値とそれに対応する目標値との相違に基づいて、前記光源を制御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６】
前記処理部は、前記極値の得られた受光素子の位置と前記目標値との対応関係を示す情報に基づいて、前記光源を制御することを特徴とする請求項５に記載のエンコーダ。
【請求項７】
前記処理部は、前記総和とそれに対応する目標値との相違に基づいて、前記光源を制御することを特徴とする請求項４に記載のエンコーダ。
【請求項８】
前記処理部は、前記スケールからの光を前記受光部が検出していない期間において、前記光源に対する制御信号を変更することを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載のエンコーダ。
【請求項９】
前記処理部は、前記光強度分布における複数の極値をそれぞれ量子化することにより前記座標として絶対座標を得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】
前記処理部は、前記光強度分布の位相に基づいて前記絶対座標の分解能より高い分解能を有する座標を得ることを特徴とする請求項９に記載のエンコーダ。
【請求項１１】
可動部材と、
前記可動部材の座標を得るための請求項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）を検出するユニットとを有する。そして、エンコーダは、ユニットにより検出した光強度分布に基づいてスケールとユニットとの相対位置を求めることにより、スケールまたはユニットが搭載された可動部材の位置を計測することができる。
【０００３】
エンコーダでは、例えば光源の劣化などにより、スケールからユニットに入射する光強度が低下すると、スケールとユニットとの相対位置を精度よく求めることが困難になりうる。特許文献１には、２つの受光素子から得られた、位相が互いに異なる２つの出力信号（時間波形）の交流成分から基準信号を求め、当該基準信号が一定となるように光源を制御することで、スケールからの光強度を補正する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３１１６３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された方法では、出力信号の位相が互いに異なるように配置された２つの受光素子を用い、光源を制御するための指標として、当該２つの受光素子から得られる出力信号の交流成分の振幅を用いている。よって、当該方法は、スケールからの光を検出する複数の受光素子を含む受光部からの出力（光強度分布）に基づいて当該スケールまたは当該受光部の座標を得るエンコーダには適さない。
【０００６】
そこで、本発明は、計測の正確さの点で有利なエンコーダを提供することを例示的目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、スケールからの光を検出する複数の受光素子を含む受光部からの出力に基づいて前記スケールまたは前記受光部の座標を得る処理部を含み、前記処理部は、前記複数の受光素子により検出される光強度分布が許容条件を満たすように光源を制御することを特徴とする。
【０００８】
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】
【０００９】
本発明によれば、例えば、計測の正確さ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】
【００１０】
【図１】第１実施形態のエンコーダの構成を示す概略図である。
【図２】光強度分布の一例を示す図である。
【図３】第１実施形態のエンコーダの構成を示すブロック図である。
【図４】光強度分布の一例を示す図である。
【図５】第２実施形態のエンコーダの構成を示すブロック図である。
【図６】第３実施形態のエンコーダの構成を示すブロック図である。
【図７】第４実施形態のエンコーダの構成を示すブロック図である。
【図８】処理部による処理のタイミングチャートの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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、アブソリュートエンコーダについて説明するが、インクリメンタルエンコーダにも本発明を適用することができる。また、以下の実施形態では、透過型の格子パターンを有するスケールを用いたエンコーダについて説明するが、反射型の格子パターンを有するスケールを用いたエンコーダにも本発明を適用することができる。さらに、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。
【００１２】
＜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の構成を示す概略図である。第１実施形態のエンコーダ１００は、格子パターンが形成されたスケール１と、発光部２（光源２ａ）および受光部３を有するユニットと、処理部４とを含みうる。処理部４は、例えばＣＰＵやメモリなどを含むコンピュータによって構成されうる。本実施形態では、上述したように、アブソリュートエンコーダについて説明する。アブソリュートエンコーダは、絶対位置コードの規則に従ってスケール１に形成された格子パターンを受光部３により読み取ることで、スケール１と受光部３との相対位置（スケール１または受光部３の座標）を求めることができる。
【００１３】
スケール１は、例えば、Ｍ系列（疑似乱数列）などの絶対位置コードの規則に従って複数種類の格子要素が配列された格子パターンを有する。第１実施形態におけるスケールの格子パターンは、透過部１ａ、半透過部１ｂおよび非透過部１ｃを格子要素として含みうる。透過部１ａは、光源２ａからの光に対して第１の値（例えば１００％）の透過率を有するように構成され、半透過部１ｂは、光源２ａからの光に対して第１の値より小さい第２の値（例えば５０％）の透過率を有するように構成されうる。また、非透過部１ｃは、光源からの光に対して第２の値より小さい第３の値（例えば０％）の透過率を有するように構成されうる。
【００１４】
発光部２は、例えばＬＥＤなどの光源２ａおよびレンズ２ｂを含み、スケール１に光を照射する。レンズ２ｂは、例えば光源２ａから射出された光を平行光にするために用いられうる。また、受光部３は、例えばＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなど、スケール１からの光を受光する複数の受光素子（光電変換素子）が配列されたイメージセンサを含みうる。複数の受光素子は、スケール１の格子パターンにおける格子要素の配列方向に沿って配列される。
【００１５】
処理部４は、受光部３における複数の受光素子の各々からの出力に基づいて、スケール１と受光部３との相対位置を求める（スケール１または受光部３の座標を得る）。アブソリュートエンコーダにおいては、処理部４は、複数の受光素子の各々によって検出された光強度分布１０に基づいて、スケール１と受光部３との相対位置を求めうる。光強度分布１０は、例えば、図２に示すように、各受光素子の位置に対する各受光素子の出力強度の分布を表す。そして、光強度分布１０は、スケール１の透過部１ａを透過した光の強度に対応する第１の山１０ａ１と、スケール１の半透過部１ｂを透過した光の強度に対応し、且つ第１の山１０ａ１よりピーク値（極値）の小さい第２の山１０ａ２とを含みうる。
【００１６】
次に、光強度分布１０に基づいてスケール１と受光部３との相対位置を求める処理を、図３を参照しながら説明する。図３は、第１実施形態のエンコーダ１００の構成を示すブロック図である。
【００１７】
処理部４は、外部から信号（Ｄａｔａ  Ｒｅｑ）が供給されると、タイミング制御部４ａによって、受光部３における光の蓄積開始のタイミングと光の蓄積時間とを制御する。受光部３は、タイミング制御部４ａによる制御に応じて、蓄積した光量に対応する信号（例えば電圧）を複数の受光素子の各々から出力する。複数の受光素子の各々から出力された信号は、処理部４のＡ／Ｄ変換部４ｂに供給されてデジタル信号に変換される。これにより、処理部４は、例えば図２に示すような光強度分布１０を得ることができる。図２は、光強度分布１０の一例を示す図である。図２における横軸は、複数の受光素子の各々における位置（受光素子の番号）を示し、横軸は、複数の受光素子の各々からの出力強度（信号強度）を示す。
【００１８】
処理部４の位置演算部４ｃは、Ａ／Ｄ変換部４ｂから供給された光強度分布１０に含まれる複数の山１０ａの各々についてのピーク値をそれぞれ量子化することによりスケール１または受光部３の絶対座標を得る。即ち、位置演算部４ｃは、光強度分布１０に含まれる複数の山１０ａの各々についてのピーク値を閾値１１と比較し、比較した結果から、スケール１と受光部３との相対位置に関する第１位置データを絶対座標として求める。例えば、位置演算部４ｃは、図２に示す光強度分布１０が供給された場合、光強度分布１０に含まれる複数の山１０ａの各々についてのピーク値が閾値以上であるか否かを判定する。ピーク値が閾値以上となる山１０ａ（第１の山１０ａ１）を「１」とし、ピーク値が閾値１１より低い山１０ａ（第２の山１０ａ２）を「０」とすると、図２に示す光強度分布１０から「０１１１０１１１１０００１０００００００」の絶対位置コードが得られる。これにより、位置演算部４ｃは、絶対位置コードに対応する第１位置データを、絶対位置コードと第１位置データとの対応関係を示す情報（テーブル）から求めることができる。ここで、閾値１１は、第１の山１０ａ１のピーク値と第２の山１０ａ２のピーク値との間の値に設定されうる。
【００１９】
処理部４の位相演算部４ｄは、Ａ／Ｄ変換部４ｂから供給された光強度分布１０における位相を求め、求めた位相から、スケール１と受光部３との相対位置に関する第２位置データを求める。第２位置データは、スケール１と受光部３との相対位置を、第１データより更に細かく表すためのデータ（より高分解能のデータ）である。即ち、第２位置データは、スケール１と受光部３との相対位置の分解能を決めるためのデータとなる。例えば、位相演算部４ｄは、Ａ／Ｄ変換部４ｂから供給された光強度分布１０とは同じ周期を有するＳＩＮ波形およびＣＯＳ波形と光強度分布１０との間でそれぞれ内積を取る。そして、当該内積により得られた２つの値の比に対してアークタンジェント演算を行うことにより、光強度分布１０（に対応する正弦波または余弦波）の位相を得ることができる。
【００２０】
処理部４の位置決定部４ｅは、位置演算部４ｃで得られた第１データと位相演算部４ｄで得られた第２データとを足し合わせることにより、スケール１と受光部３との相対位置を決定する。そして、出力部４ｆは、位置決定部４ｅで決定された相対位置を出力する。
【００２１】
上述のように構成されたエンコーダ１００では、例えば光源２ａの劣化などにより、スケール１から受光部３に入射する光の強度が低下することがある。この場合、例えば図４に示すように、光強度分布１０における第１の山１０ａ１のピーク値が閾値１１より小さくなってしまうと、位置演算部４ｃは、絶対位置コードにおいて「１」と認識すべき第１の山１０ａ１を「０」と認識しうる。その結果、エンコーダ１００は、スケール１と受光部３との相対位置として間違った値を出力しうる。そこで、第１実施形態のエンコーダ１００は、光強度分布１０に基づいて、光強度分布１０における複数の山１０ａのうち少なくとも１つの山１０ａのピーク値が目標範囲に収まるように光源２ａを制御する。例えば、エンコーダ１００は、光強度分布１０における少なくとも１つの第１の山１０ａ１のピーク値が許容条件を満たす（目標範囲に収まる）ように光源２ａを制御するとよい。これにより、エンコーダ１００は、光源２ａから射出される光の強度を補正し、スケール１と受光部３との相対位置を精度よく求めることができる。以下に、光源２ａからの光の強度を補正する構成について説明する。
【００２２】
処理部４は、図３に示すように補正部４ｇと光源制御部４ｈとを有し、図４に示すように、光強度分布１０における最大値または最小値が許容条件を満たすように光源２ａを制御する。例えば、補正部４ｇは、最大値決定部４ｇ１において、Ａ／Ｄ変換部４ｂから供給された光強度分布１０における最大値を決定する。そして、補正部４ｇは、除算部４ｇ３において、設定部４ｇ２により目標範囲内に設定された目標値１２を、最大値決定部４ｇ１で決定された最大値で除する。これにより、補正部４ｇは、光強度分布１０における最大値が目標値１２になるように光源２ａからの光の強度を補正するための係数を求めることができる。
【００２３】
図４に示す光強度分布１０では最大値が約１．３３Ｖであり、目標値１２が設定部４ｇ２により１．６Ｖに設定されたとする。この場合、目標値１２を光強度分布１０における最大値で除することによって得られた係数は「１．２」となる。そのため、光源制御部４ｈは、図４に示す光強度分布１０を得たときに比べて光源２ａからの光の強度が１．２倍になるように光源２ａを制御する。具体的には、光源制御部４ｈは、図４に示す光強度分布１０を得たときに光源２ａに供給された制御信号に当該係数を乗じることによって当該制御信号を補正し、それによって得られた信号を用いて光源２ａを制御する。これにより、エンコーダ１００は、光源２ａの制御後に各受光素子によって検出された光強度分布において、スケール１の透過部１ａを透過した光の強度に対応する山のピーク値を目標範囲に収めることができる。したがって、スケール１と受光部３との相対位置を精度よく求めることができる。
【００２４】
ここで、光強度分布１０に第１の山１０ａ１と第２の山１０ａ２とが必ず含まれるようにスケール１の格子パターンが構成されている場合、光強度分布１０から得られる絶対位置コードには必ず「０」および「１」の双方が含まれる。この場合、処理部４は、光強度分布１０から得られた絶対位置コードが全て「０」または「１」で表されたときに、上述した光源２ａの制御を行ってもよい。また、第１実施形態では、第１の山１０ａ１のピーク値が閾値１１より小さくなったときに光源２ａの制御を行う例について説明したが、処理部４は、第１の山１０ａ１のピーク値が閾値１１より小さくなる前において光源２ａの制御を行ってもよい。
【００２５】
＜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５を参照しながら説明する。図５は、第２実施形態のエンコーダ２００の構成を示すブロック図である。エンコーダでは、図２に示すように、スケール１から受光素子に入射する光の強度は、受光部３の中央に配置された受光素子より、端部側に配置された受光素子の方が小さくなる。即ち、スケール１から受光素子に入射する光の強度は、受光素子の配置される位置が受光部３の端部側になるにつれて小さくなる。そのため、全ての受光素子について同じ目標値１２を用いて光源２ａを制御すると、光源２ａからの光の強度が、光強度分布１０における最大値を有する受光素子の位置に応じて変動する虞がある。
【００２６】
第２実施形態のエンコーダ２００では、光強度分布１０における極値（最大値）に対応する受光素子（画素）の位置を決定する画素決定部４ｇ４が補正部４ｇに設けられている。これにより、処理部４は、画素決定部４ｇ４により決定された受光素子の位置に対応する目標値１２を設定し、設定した目標値１２と光強度分布１０における極値との相違に基づいて光源２ａを制御することができる。
【００２７】
例えば、補正部４ｇは、最大値決定部４ｇ１において、光強度分布１０における最大値を決定した後、画素決定部４ｇ４において、最大値決定部４ｇ１で決定された最大値を有する受光素子の位置を決定する。補正部４ｇの設定部４ｇ２は、受光素子の位置と目標値１２との関係を示す情報（例えばテーブル）を有しており、その情報および画素決定部４ｇ４で決定された受光素子の位置に基づいて、除算部４ｇ３に供給する目標値１２を設定する。そして、補正部４ｇは、除算部４ｇ３において、設定部４ｇ２により設定された目標値１２を、最大値決定部４ｇ１で決定された最大値で除する。
【００２８】
図４に示す光強度分布１０では最大値が約１．３３Ｖであり、当該最大値を有する受光素子は７７番目に位置する。そのため、７７番目の受光素子に対応する目標値１２（１．６８Ｖ）が、設定部４ｇ２により上述の情報に基づいて設定される。この場合、設定された目標値１２を光強度分布１０における最大値で除することによって得られた係数は「１．２６」となる。そのため、光源制御部４ｈは、図４に示す光強度分布１０を得たときに比べて光源２ａからの光の強度が１．２６倍になるように光源２ａを制御する。これにより、エンコーダ１００は、光源２ａの制御後に各受光素子によって検出された光強度分布において、スケール１の透過部１ａを透過した光の強度に対応する山のピーク値を目標範囲に収めることができる。また、光強度分布における最大値に対応する受光素子の位置に応じて光源２ａからの光の強度が変動することを抑制することができる。
【００２９】
＜第３実施形態＞
本発明に係る第３実施形態のエンコーダ３００について、図６を参照しながら説明する。図６は、第３実施形態のエンコーダ３００の構成を示すブロック図である。第３実施形態のエンコーダ３００では、最大値決定部４ｇ１の代わりに、光強度分布１０における複数の山１０ａの各々についてのピーク値の総和（合計値）を求める加算部４ｇ５が処理部４（補正部４ｇ）に設けられている。これにより、処理部４は、加算部４ｇ５により求められたピーク値の総和と、それに対応する目標値との相違に基づいて光源２ａを制御することができる。
【００３０】
例えば、補正部４ｇは、加算部４ｇ５において、光強度分布１０における複数の山１０ａの各々についてのピーク値を加算し、当該ピーク値の総和を求める。補正部４ｇの設定部４ｇ２は、絶対位置コードと目標値（目標合計値）との関係を示す情報（例えばテーブル）を有しており、その情報および位置演算部４ｃで得られた絶対位置コードに基づいて、除算部４ｇ３に供給する目標値を設定する。そして、補正部４ｇは、除算部４ｇ３において、設定部４ｇ２で設定された目標値を、加算部４ｇ５で求められた複数の山１０ａの各々についてのピーク値の総和で除する。
【００３１】
図４に示す光強度分布ではピーク値の総和が約２１．７５Ｖであり、上述の情報および位置演算部で得られた絶対位置コードに基づいて目標値が２７．１９Ｖに設定されたとする。この場合、設定された目標値をピーク値の総和で除することによって得られた係数は「１．２５」となる。そのため、光源制御部４ｈは、光強度分布１０を得たときに比べて光源２ａからの光の強度が１．２５倍になるように光源２ａを制御する。これにより、エンコーダ３００は、光源２ａの制御後に各受光素子によって検出された光強度分布において、スケール１の透過部１ａを透過した光の強度の対応する山のピーク値を目標範囲に収めることができる。
【００３２】
ここで、第３実施形態のエンコーダ３００では、光源２ａを制御するための係数を求める際に絶対位置コードが必要であるため、光強度分布１０における第１の山１０ａ１のピーク値が閾値１１より小さくなった後では、光源２ａの制御を行うことが困難である。そのため、第３実施形態のエンコーダ３００では、第１の山１０ａ１のピーク値が閾値１１より小さくなる前において上述した光源２ａの制御を行うことが好ましい。
【００３３】
＜第４実施形態＞
本発明の第４実施形態のエンコーダ４００について、図７および図８を参照しながら説明する。図７は、第４実施形態のエンコーダ４００の構成を示すブロック図である。受光部３（複数の受光素子）による光の蓄積が行われている期間に光源２ａの制御信号の補正が行われてしまうと、複数の受光素子によって検出された光強度分布１０に歪みが生じることがある。そのため、受光部３による光の蓄積が行われていない期間、即ち、スケール１からの光を受光部３が検出していない期間において、光源２ａの制御信号の補正が行われることが好ましい。第４実施形態のエンコーダ４００（処理部４）では、図７に示すように、タイミング制御部４ａからの信号が光源制御部４ｈに供給される。そして、光源制御部４ｈは、受光部３による光の蓄積が行われていない期間において、光源２ａの制御信号の補正を行う。ここで、図７に示す補正部４ｇの構成は、第１実施形態（図３）における補正部４ｇの構成と同様であるが、それに限られるものではなく、第２および第３実施形態における補正部４ｇの構成であってもよい。
【００３４】
次に、処理部４による処理のタイミングの一例について、図８を参照しながら説明する。図８は、処理部４による処理のタイミングチャートの一例を示す図である。周期が１０μｓである信号（図８（ａ））がタイミング制御部４ａから出力されると、受光部３は、当該信号の立ち上がりに同期して光の蓄積を開始する（図８（ｂ））。受光部３による光の蓄積時間は、例えばタイミング制御部４ａからの信号の「Ｈｉｇｈ」の期間に応じて設定され、図８（ｂ）では７．５μｓである。この場合、受光部３による光の蓄積が行われていない期間は２．５μｓとなる。
【００３５】
受光部３は、光の蓄積が終了してから例えば１μｓ後に、蓄積した光量に対応する信号を処理部４に出力する（図８（ｃ））。処理部４は、受光部３における複数の受光素子の各々から出力された信号に対して、アナログデジタル変換（Ａ／Ｄ変換）およびシリアルパラレル変換（シリパラ変換）のパイプライン処理を行う（図８（ｄ）および（ｅ））。また、処理部４は、シリパラ変換された信号の強度（出力強度）を順に比較することにより光強度分布１０における最大値を求め（図８（ｆ））、当該最大値を目標範囲に収めるための係数を決定する（図８（ｇ））。このような受光部３から処理部４への信号の出力、Ａ／Ｄ変換、シリパラ変換、最大値の取得、および係数の決定は、図８に示すように、受光部３による光の蓄積が次に行われる期間（次の期間）において実行されうる。そして、処理部４は、当該次の期間の経過後の、受光部３による光の蓄積が行われていない期間において、光源２ａを制御するための制御信号を当該係数を用いて補正する（図８（ｈ））。ここで、処理部４は、最大値の取得、係数の決定、および制御信号の補正（図８（ｆ）〜（ｈ））と並行して、位相演算部４ｄによる処理、位置演算部４ｃによる処理、および位置決定部４ｅによる処理（図８（ｉ）〜（ｋ））を行いうる。
【００３６】
＜第５実施形態＞
第５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。
【００３７】
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】
【００３８】
１：スケール、２：発光部、２ａ：光源、３：受光部、４：処理部、１００：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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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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