JP2007170938A - Encoder - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to an encoder, and more particularly, to a photoelectric encoder that detects displacement of a moving object.
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。 Conventionally, a scale having a periodic pattern is irradiated with spot light that vibrates in the measurement direction according to a predetermined periodic signal, and based on a detection signal corresponding to the spot light state that varies depending on the irradiation position on the scale. An encoder that detects displacement information of a moving object (moving body) having a fixed scale is used (for example, see Patent Document 1). The detection signal is modulated by the vibration of the spot light, and when detecting the displacement information of the moving body, it is necessary to demodulate the signal.
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。
In the modulation-type optical encoder disclosed in
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。 According to a first aspect of the present invention, a scale having a pattern arranged in a predetermined direction; a detection of the scale pattern detected with a modulation signal that varies according to a periodic function including at least two frequency components An encoder comprising: a detection head that outputs a signal; and a detection device that detects relative position information between the scale and the detection head based on a phase or amplitude of a detection signal output from the detection head.
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。 According to this, a detection signal of a scale pattern modulated with respect to a predetermined direction by a modulation signal that varies according to a periodic function including at least two frequency components is detected. If a signal including at least two frequency components is used as a modulation signal instead of a signal that does not include one frequency component such as a sine wave, either the phase or the amplitude of the detection signal is Since the signal changes according to the phase of the signal before modulation, the relative displacement information of the scale with respect to the head can be detected based on one of them. As a result, since it is not necessary to detect both the phase and amplitude of the detection signal, the configuration of the detection circuit can be simplified.
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。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows a schematic configuration of a main part of an
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。
As shown in FIG. 1, the
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。
The
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。
The
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。
A laser beam (wavelength is 640 nm, for example) emitted from the
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。
The laser beam reflected on the
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。
Thus, the
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。 As shown in FIG. 2, in the present embodiment, the predetermined periodic signal f (t) is a triangular wave. The triangular wave f (t) can be expressed by a Fourier series as shown by the following equation.
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。
When the predetermined periodic signal is a triangular wave, the
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。
FIG. 2 shows the relationship between the pattern signal based on the pattern of the
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。
The
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。
That is, when the periodic signal f (t) is a triangular wave represented by the above formula (1), synchronous detection based on the phase of the frequency component obtained by expanding the triangular wave f (t) by Fourier series is performed. The amplitude of the frequency component is detected, and the relative displacement of the
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。
Then, when the relative displacement x fluctuates by a predetermined value (one period of the grating) or more, the
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。
As described above in detail, according to the present embodiment, the pattern of the
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。
In this embodiment, the beam probe is oscillated by vibrating the objective lens 7 by the driving
<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。
<Square wave>
Further, the predetermined periodic signal is not limited to a triangular wave. For example, a rectangular wave as shown in FIG. 4 may be used. In this case, as shown in FIG. 4, the modulated signal I (t) output from the
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。
In this case, the amplitude of the rectangular wave f (t) used for modulation is defined to be π / 2 with respect to the period of the original pattern signal. In this case, the amplitude of the modulated signal I (t) (rectangular wave) is in accordance with the signal level of the pattern signal before modulation at a place where the phase differs by π / 2. More specifically, the magnitude of the amplitude of the modulated rectangular wave I (t) can be considered that one corresponds to cos (x) and the other corresponds to sin (x). Therefore, the
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。
That is, when a rectangular wave is used as the predetermined periodic signal f (t), the modulated signal I (t) is also a rectangular wave, and the amplitude thereof is a signal representing the relative displacement x of the
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。
Further, if the rectangular wave f (t) used for the modulation is set to ¼ period of the original pattern signal, the amplitude level of the signal I (t) obtained as a result of the light reception is directly cos (x), Since sin (x), the detection of the relative displacement x in the
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。
Thus, an even function including at least two frequency components represented by a rectangular wave can be adopted as the predetermined periodic signal. When an even function is employed as the predetermined periodic signal f (t), the magnitude of the amplitude of the modulated signal I (t) changes according to the phase of the pattern signal before modulation. In 18, the relative displacement x of the
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。 When an encoder having the configuration shown in FIG. 1, that is, an apparatus that vibrates the objective lens 7, that is, an encoder that mechanically vibrates a part of the apparatus is employed as the encoder, the rectangular wave f When the delay of the vibration with respect to (t) becomes large, a rectangular wave is suitably applied as the predetermined periodic signal f (t) by adopting the configuration shown in FIG. 3 as the configuration of the encoder. can do.
<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。
<Sawtooth wave>
Also, as shown in FIG. 5, the periodic signal f (t) used for modulation can be a sawtooth wave. Due to the sawtooth wave, the signal I (t) detected by the
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。 The amplitude of the sawtooth wave f (t) used for modulation is defined as 2π with respect to the period of the original pattern signal. In this case, the modulated signal I (t) is a continuous sine wave as shown by the following equation.
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。
That is, when a sawtooth wave is used as the periodic signal f (t) used for modulation, the modulated signal I (t) is a sine wave, and the phase thereof is information on the relative displacement x of the
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。 Further, if the sawtooth wave f (t) used for the modulation is set to one period of the original pattern signal, the phase of the received signal corresponds to the relative displacement x as it is. Detection of relative displacement x at is the easiest.
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。
Thus, an odd function can be adopted as the periodic signal f (t) used for modulation. In this case, only the phase of the modulated signal I (t) needs to be detected in order to detect the relative displacement x of the
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。
Even when a sawtooth wave is used as the periodic signal f (t) used for modulation, the detection apparatus monitors the phase information of the sawtooth wave, and, for example, 0, π, Only the amplitude (signal level) may be detected by monitoring the output of the light reception signal I (t) of the
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。 As described above, an even function signal typified by a triangular wave and a rectangular wave, an odd function signal typified by a sawtooth wave, and the like are employed as the modulation signal f (t). However, the present invention is not limited to this. Any periodic function including at least two frequency components can be used as the modulation signal f (t).
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。
Further, the present invention is not limited to the configuration of the optical system of the
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。
Although the encoder according to the above embodiment is the
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。 The encoder of the above embodiment is a linear encoder that detects the linear displacement of the moving body, but the present invention is naturally applicable to a rotary encoder that detects the amount of rotation of the rotating body.
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。
Note that the encoder of the present invention represented by the
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。
In the above embodiment, the pattern formed on the
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。 In the above-described embodiment, the encoder that includes the up / down counter that counts up the displacement of the moving body and outputs the counter value as the displacement information of the moving body has been described, but cos (4πx / p), sin An encoder that outputs (4πx / p) and the origin detection signal to the outside as they are may be used.
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。
The wavelength of the illumination light, the pitch of the
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。 As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can of course have various configurations without departing from the gist of the present invention.
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。 As described above, the encoder of the present invention is suitable for detecting position information of a moving object.
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。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
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。 A scale having a pattern arranged in a predetermined direction;
A detection head that detects a pattern of the scale and outputs a detection signal modulated by a modulation signal that varies according to a periodic function including at least two frequency components;
An encoder comprising: a detection device that detects relative position information between the scale and the detection head based on a phase or amplitude of a detection signal output from the detection head.
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。 The periodic function is an even function;
The encoder according to claim 1, wherein the detection device detects the relative position information based on an amplitude of the detection signal.
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。 The periodic function is a square wave;
The pattern extends in a direction intersecting the predetermined direction, and is periodically arranged in the predetermined direction,
The encoder according to claim 2, wherein the amplitude of the periodic function is equal to a quarter period of the pattern.
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。 The periodic function is an odd function;
The encoder according to claim 1, wherein the detection device detects the relative position information based on a phase or an amplitude of the detection signal.
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。 The periodic function is a sawtooth wave;
The pattern extends in a direction intersecting the predetermined direction, and is periodically arranged in the predetermined direction,
The encoder according to claim 4, wherein the amplitude of the periodic function is equal to one period of the pattern.
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