JP2007147415A - エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】高分解能なエンコーダを提供する。
【解決手段】回折格子が形成されたトラック１９₁、１９₃に照射される位置検出用の照明光の形状はそのままに、原点マークが形成されたトラック１９₂に照射される原点検出用の照明光の形状のみを、Ｘ軸方向に狭く、Ｙ軸方向に細長くする。このようにすれば、位置検出用の照明光及び原点検出用の照明光はともに、メインスケール２０上の回折格子の欠陥や付着した異物などの影響を受けにくくなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンコーダに係り、更に詳しくは、移動する物体の位置情報を検出するエンコーダに関する。

従来より、移動する物体の位置情報を検出するエンコーダとして、光学式のものが用いられている。この光学式エンコーダは、一般に、物体とともに移動するスケールにレーザ光を照射し、スケールを経由したレーザ光の受光結果に基づいて、物体の位置情報を検出するものである。このような光学式エンコーダでは、その分解能を高くするために、スケールに照射するレーザ光を集光させ、スポット光とすることが多い（例えば、特許文献１〜３参照）。スケールに照射されるレーザ光をスポット光とすれば、スケール上に形成された目盛りとしてのパターンの大きさに対するレーザ光の照射面積の比率が小さくなり、エンコーダの検出能力を高めることができるためである。

しかしながら、スケール上に照射されるレーザ光の照射面積が小さくなればなるほど、スケール上のパターンのキズなどの欠陥やスケール上に付着した異物によって散乱するレーザ光の比率が大きくなってしまい、エンコーダの検出精度が低下することが懸念されるようになる。

特開昭５８−１３２８９２号公報 特開平５−１２６６０４号公報 米国特許第６，６３９，６８６号明細書

本発明は、第１の観点からすると、第１方向に沿って、所定の位置関係で配列された第１パターンが形成された第１トラックと、前記第１方向と交差する方向に延びる原点検出用の第２パターンが形成された第２トラックとを有するスケールと；前記第１トラックに第１照明光を照射するとともに、前記第２トラックに第２照明光を照射する光学系とを備え、前記第２トラックに照射された前記第２照明光の形状は、前記第１トラックに照射された前記第１照明光の形状に比べて、前記第１方向の幅が狭いことを特徴とするエンコーダである。

これによれば、第１方向と交差する第２方向に延びる原点検出用の第２パターンが形成された第２トラックに照射される第２照明光の形状を、第１トラックに照射された第１照明光の形状と比べた場合に、第２照明光の形状を、第１パターンの配列方向である第１方向の幅を狭くしている。このようにすれば、原点検出用の照明光としての第２の照明光に対する、第２トラック上の第２パターンの欠陥や、第２トラック上の異物などの影響が低減されるようになり、第２パターンの検出精度が向上する。

≪第１の実施形態≫
以下、本発明の第１の実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。図１には、本発明の第１の実施形態に係るエンコーダ１００の主要部の構成が概略的に示されている。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、その移動体の変位情報を検出する光学式エンコーダであり、インクリメンタル方式のエンコーダである。

図１に示されるように、このエンコーダ１００は、光源１０と、コリメータレンズ１２と、インデックススケール１４₁、１４₂と、ビームスプリッタ１６と、シリンドリカルレンズ１８と、メインスケール２０と、焦点レンズ２２と、主信号系受光素子２４₁、２４₂と、原点系受光素子２６とを備えている。また、図１では示されていないが、エンコーダ１００は、主信号系受光素子２４₁、２４₂と、原点系受光素子２６とから出力される検出信号に基づいて、移動体の変位情報を検出する不図示の検出装置をさらに備えている。

光源１０としては、コヒーレントなレーザ光を射出するレーザダイオードが用いられる。このレーザ光の波長は、例えば８５０ｎｍ程度である。光源１０の−Ｚ側に配置されたコリメータレンズ１２は、光源１０から発せられたレーザ光を平行光に変換する。

コリメータレンズ１２の＋Ｚ側に配置されたインデックススケール１４₁、１４₂は、同型の長方形状の平板であり、Ｘ軸方向を長手方向とし、Ｙ軸方向に所定間隔を置いて互いに平行となるように配置されている。コリメータレンズ１２から射出され−Ｚ方向に進む平行光は、インデックススケール１４₁、１４₂と、それらの間の空間とに照射されるようになる。インデックススケール１４₁、１４₂上には、Ｘ軸方向を格子の配列方向とする透過型の回折格子（例えば位相回折格子）が設けられており、これらの回折格子が、インデックススケール１４₁、１４₂上の目盛としての役割を果たすようになる。

インデックススケール１４₁、１４₂は、コリメータレンズ１２から入射した平行光を回折させる。この回折格子のピッチをｐとする。ｐは、５０μｍ以下、例えば２μｍ又は１．６μｍである。インデックススケール１４₁、１４₂の回折格子の位相は、Ｘ軸方向に関して一致している。また、インデックススケール１４₁、１４₂は、不図示のアクチュエータによってＸ軸方向に正弦波に従って振動可能となっている。その振動の角周波数は同一であり、同期ずれも無視できるほど小さいものとする。すなわち、本実施形態では、インデックススケール１４₁、１４₂の振動は完全に同期している。

インデックススケール１４₁、１４₂の−Ｚ側に配置されたビームスプリッタ１６は、入射した光を、透過光と反射光とに分離する。ビームスプリッタ１６の−Ｚ側に配置されたシリンドリカルレンズ１８は、インデックススケール１４₁、１４₂の間の空間に対応して配置されている。すなわち、シリンドリカルレンズ１８のＹ軸方向に関する幅は、インデックススケール１４₁とインデックススケール１４₂とのＹ軸方向に関する幅とほぼ同じとなっており、インデックススケール１４₁、１４₂の間の空間を通過し、ビームスプリッタ１６を通過した前述の平行光が入射するようなＹ位置に配置されている。シリンドリカルレンズ１８は、ビームスプリッタ１６から射出された光の一部を入射し、その光をＸ軸方向に集光させる。

メインスケール２０は、Ｘ軸方向を長手方向とする長方形状の平板である。メインスケール２０上には、−Ｙ側から順に、Ｘ軸方向に延びる３つのトラック１９₁、１９₂、１９₃が設けられている。このうち、トラック１９₁、１９₃は、主信号系のトラックであり、トラック１９₂は、原点系のトラックである。すなわち、本実施形態では、原点系のトラック１９₂は、主信号系のトラック１９₁と、トラック１９₃とに挟まれている。

トラック１９₁、１９₃上には、Ｘ軸方向に沿った周期的なパターン、より具体的には、Ｘ軸方向をその格子の配列方向とする回折格子がほぼ全面に渡って設けられている。この回折格子は、反射型の位相回折格子である。この回折格子のピッチは、インデックススケール１４₁、１４₂と同様に、ｐとなっている。メインスケールでは、この回折格子が目盛の役割を果たすようになる。

トラック１９₂のＸ軸方向中央には、Ｙ軸方向に延びる凸型のラインパターンが設けられている。このラインパターンが、原点マークとなる。この原点マークのＸ軸方向の幅は、トラック１９₁、１９₃の回折格子のピッチの半分と同程度とすることができるが、それより細くても良い。トラック１９₂の面と、原点マークの上面との段差は、照明光の波長の１／２となっている。なお、原点マークは、凹型であってもよい。

集光レンズ２２は、ビームスプリッタ１６の−Ｘ側に配置されている。そのＹ軸方向に関する位置及び光学的な有効長さは、シリンドリカルレンズ１８と同じである。集光レンズ２２は、ビームスプリッタ１６から出射された光の一部を入射し、入射した光を集光させる。主信号系受光素子２４₁、２４₂、原点系受光素子２６は、フォトダイオード等である。主信号系受光素子２４₁、２４₂は、ビームスプリッタ１６からの光を受光し、その受光結果に相当する主信号を出力する。また、原点系受光素子２６は、集光レンズ２２からの光を受光し、その受光結果、すなわち受光した光の強度に相当する原点検出用の信号を出力する。

＜主信号系＞
まず、エンコーダ１００における移動体の変位情報を検出する主信号系の動作について説明する。図２には、エンコーダ１００における主信号系の光路図が示されている。なお、図２では、図面の錯綜を防止するため、主信号系には無関係な、シリンドリカルレンズ１８、焦点レンズ２２、原点系受光素子２６の図示を省略しており、トラック１９₁に入射する光の光路のみが示されている。

光源１０から発せられたレーザ光は、コリメータレンズ１２で平行光に変換される。この平行光の一部は、インデックススケール１４₁に入射する。図２に示されるように、平行光の断面形状は略円形となっているため、インデックススケール１４₁に入射する光の断面形状は円弧状となる。

この光の断面のＸ軸方向の幅は、インデックススケール１４₁の回折格子のピッチの２倍以上となっているため、インデックススケール１４₁では、入射した光の整数次の回折光が発生する。図２には、これらの回折光のうちの±１次回折光が点線で示されている。この±１次回折光は、ビームスプリッタ１６に入射し、その側面で全反射して、底面から射出される。底面から射出された±１次回折光は、メインスケール２０のトラック１９₁上の同一位置に入射する。

なお、インデックススケール１４₁上で発生する０次回折光は、移動体の変位情報の検出には寄与しないため、その説明及び図示を省略している。なお、インデックススケール１４₁、１４₂を０次光が発生しない構成にしてもよい。

図２に示されるように、主信号系においては、インデックススケール１４₁と、メインスケール２０とは、共役の位置にあり、メインスケール２０のトラック１９₁上で、インデックススケール１４₁で発生した±１次回折光が互いに干渉し、干渉縞を形成している。この干渉縞のＸ軸方向の幅は、トラック１９₁上の回折格子のピッチの少なくとも２倍以上となっている。

トラック１９₁上の回折格子は、インデックススケール１４₁から発生した±１次回折光に基づく回折光（反射光）を発生させる。このインデックススケール１４₁から発生した±１次回折光のうち、一方の光に基づく＋１次回折光と、他方の光に基づく−１次回折光は、再び干渉して＋Ｚ方向に進む。＋Ｚ方向に進む干渉光の一部は、ビームスプリッタ１６で反射され、主信号系受光素子２４₁に至り、主信号系受光素子２４₁からは、再干渉した回折光の干渉状態に応じた光強度信号（干渉信号）が出力される。

ところで、前述したように、インデックススケール１４₁は、不図示のアクチュエータの駆動により、Ｘ軸方向に振動している。この振動により、トラック１９₁で回折する各回折光の位相が変調され、各回折光の変調により、それらの干渉状態が変化して、干渉信号が変調される。例えば、インデックススケール１４₁が、角周波数ωの正弦波に従って振動している場合、トラック１９₁で回折する各回折光の複素振幅の位相が、その正弦波に従って変調されるようになる。

この変調された干渉信号は、インデックススケール１４₁に対するメインスケール２０の変位ｘと、時間ｔとの関数によって表すことができる。この関数は、時間ｔに関してベッセル級数展開することができる。

このベッセル級数展開によれば、この関数には、２Ｊ₁（２ｄ）ｓｉｎ（４πｘ／ｐ）・ｓｉｎωｔの項と、２Ｊ₂（２ｄ）ｃｏｓ（４πｘ／ｐ）・ｃｏｓ２ωｔの項とが含まれている。ここで、２ｄは、格子ピッチｐに対する干渉信号の変調度を表し、正弦波の振幅をεとすると、２ｄ＝２πε／ｐで定義される。また、Ｊ_n（２ｄ）（ｎ＝１、２、３、…）はｎ次のベッセル展開係数であり、変調度２ｄが一定である限り、一定値をとる。したがって、主信号系受光素子２４₁から出力された干渉信号を処理する検出装置では、干渉信号に対し、ｓｉｎωｔと、ｃｏｓ２ωｔの信号を用いて同期検波を行って、ｃｏｓ（４πｘ／ｐ）、ｓｉｎ（４πｘ／ｐ）の値に相当する信号を検出する。

これらの値は、９０度位相がずれた変位ｘを表す信号であるので、検出装置は、これらの値に基づいて移動体の変位を求めることができる。具体的には、検出装置、ｃｏｓ（４πｘ／ｐ）、ｓｉｎ（４πｘ／ｐ）の値から、移動体の回折格子１周期中の位相ｘと、移動方向を検出する。そして、検出装置は、位相ｘが所定値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、位相ｘとの加算結果を、エンコーダ１００の出力として出力する。

トラック１９₃に入射される光の光路は、上述したトラック１９₁に入射される光の光路と、Ｙ軸に関して対称となっているので、詳細な説明を省略する。主信号系受光素子２４₂から出力される信号は、主信号系受光素子２４₁から出力される信号と同様に、不図示の検出装置に送られる。この検出装置では、上述したように、この信号に基づいて、メインスケール２０が固定された移動体のＸ軸方向に関する変位情報が検出される。すなわち、このエンコーダ１００では、トラック１９₁に入射される光と、トラック１９₂とに入射される光とに基づいて、移動体の変位情報が検出されるが、例えば、それらの平均値に基づく値が、最終的なエンコーダの出力として出力されるようにしてもよい。

なお、主信号系受光素子２４₁、２４₂で検出された干渉信号には、上述したｓｉｎωｔ（１次成分）、ｃｏｓ２ωｔ（２次成分）の他にも０次成分、３次以上の成分を含んでいる。エンコーダ１００では、０次成分を検出し、その０次成分に基づいて光量を一定に保つような制御を行っても良いし、３次以上の成分を同期検波し、それらをエンコーダ１００の出力とするようにしてもよい。

ここで、トラック１９₁の回折格子上に異物が付着している場合を考える。もし、トラック１９₁に入射する照明光がスポット光であり、そのスポット光の照射位置に異物があったとすると、その異物によってスポット光の反射光の大部分は＋Ｚ方向以外の方向に散乱し、主信号系受光素子２４₁の受光量が大幅に減るようになる。すなわち、照明光をスポット光とすると、検出結果は、スケール上の異物の影響を大きく受け、その検出精度が低下する。

それに対して、本実施形態のように、トラック１９₁に入射する照明光の断面が、Ｘ軸方向に対してある程度の広がりを持っている場合には、その照明光の一部が、トラック１９₁の回折格子上に付着した異物により散乱したとしても、大部分の照明光は、異物で散乱することなく、主信号系受光素子２４₁に到達する。すなわち、本実施形態のように、照明光を、Ｙ軸方向に延びる格子の周期的なパターン、すなわちＸ軸方向に関する回折格子に照射される照明光の断面形状をＸ軸方向に絞らずに長いままとすれば、トラック１９₁上の回折格子の欠陥や、異物が照明光に与える影響は相対的に小さくなるため、エンコーダ１００では、異物の有無に関係なく、移動体の変位ｘを精度良く検出することができるようになる。このことは、トラック１９₁の回折格子に欠陥があった場合でも同様である。

＜原点系＞
次に、エンコーダ１００の原点系における原点信号の検出動作について説明する。図３には、エンコーダ１００の原点系における光の光路図が示されている。図３に示されるように、光源１０から発せられたレーザ光は、コリメータレンズ１２で平行光に変換される。この平行光の一部（Ｙ軸方向中央部の光）は、インデックススケール１４₁、１４₂に入射することなく、ビームスプリッタ１６にそのまま入射する。

ビームスプリッタ１６を通過したこの光は、シリンドリカルレンズ１８に入射し、Ｘ軸方向に集光され、トラック１９₂に入射する。シリンドリカルレンズ１８の作用により。トラック１９₂上に照射される光のＸ軸方向の幅は、トラック１９₁、１９₂に入射する光の幅よりも狭くなる。図３に示されるように、トラック１９₂に入射した光の断面は、Ｙ軸方向に延びた線状となっている。この断面のＹ軸方向の幅は、原点マークのＹ軸方向の長さとほぼ同じとすることができる。

トラック１９₂で反射した光は、ビームスプリッタ１６で反射され、集光レンズ２２で集光され、原点系受光素子２６に入射する。原点系受光素子２６は、その光の受光結果に相当する信号を出力する。トラック１９₂上に入射した光が原点マークを捉えていたときには、そのマークの段差が波長の１／２であることから、原点系受光素子２６に入射する光の強度が低下する。そこで、原点系受光素子２６の出力信号を検出する不図示の検出装置では、光強度の低下に伴う出力信号の変動を検出することにより、原点を検出する。この原点の検出結果に相当する信号（原点信号）は、上記移動体の変位を出力するアップダウンカウンタのカウンタ値のリセットなどに用いられる。

ここで、トラック１９₂上に異物が付着している場合を考える。もし、トラック１９₂に入射する照明光がスポット光であり、そのスポット光の照射位置に異物があったとすると、その異物によってスポット光の反射光は散乱し、主信号系受光素子２６が受光する光は、その異物の影響を大きく受けるようになってしまう。例えば、その異物を原点マークであると誤って検出してしまう可能性もある。それに対して、本実施形態のように、トラック１９₂に入射する照明光の断面が、Ｙ軸方向に対して幅を持っている場合には、トラック１９₂上の異物が照明光に与える影響は相対的に小さくなり、結果的に、トラック１９₂からの光は、原点マークを捉えていない場合には、ほとんど原点系受光素子２６に達するようになるため、異物の有無に関係なく、原点を精度良く検出することができるようになる。

また、原点マークに欠陥があった場合には、照明光がスポット光であった場合には、原点マークを検出することが困難となるが、本実施形態のように、照明光が、Ｙ軸方向に対してある程度の大きさ有していれば、原点マークを確実に検出することができるようになる。

ところで、メインスケール２０が取り付けられている移動体としては、例えば、モータなどによって駆動され物体を載置して移動可能なステージなどがある。エンコーダ１００の出力は、ステージを制御する制御装置などに送られ、そのステージの位置制御や速度制御などに用いられる。例えば、エンコーダ１００のうち、スケール１０の位置情報の検出結果は、ステージの位置情報として用いられる。また、原点信号は、ステージの原点復帰の基準としても用いることができる。

以上詳細に述べたように、本実施形態によれば、トラック１９₂照射された原点検出用の照明光の形状を、トラック１９₁、１９₃に照射された位置検出用の照明光の形状と比べた場合に、移動体の変位の計測方向、すなわちＸ軸方向の幅を狭くしている。さらに、本実施形態では、原点検出用の照明光の形状を、Ｙ軸方向に延びるような形状としている。すなわち、原点検出用の照明光は、メインスケール２０上に形成された原点マークと同様に、Ｙ軸方向に細長い形状となっている。このようにすれば、原点検出用の照明光は、原点マークの形成精度に影響を受けにくくなり、エンコーダ１００では、メインスケール２０のトラック１９₂上に欠陥や異物があったとしても、高精度に原点を検出することができるようになる。

また、本実施形態によれば、回折格子が形成されたトラック１９₁、１９₃に照射される位置検出用の照明光を、Ｘ軸方向にある程度幅を持たせるようにしている。本実施形態では、その幅を、その回折格子のピッチｐの２倍以上となるようにして、その回折格子から、回折光が確実に発生するようにしている。このようにすれば、位置検出用の照明光の検出結果が、メインスケール２０上に形成された回折格子の欠陥やその上に付着した異物などの影響を受けにくくなる。

また、本実施形態のように、位置検出用の照明光及び原点検出用の照明光がともに、メインスケール２０上の欠陥や異物に影響を受けにくくなった場合には、トラック１９₁、１９₃上の回折格子のピッチをさらに短くし、トラック１９₂の原点マークのＸ軸方向の幅をさらに短く設計することにより、エンコーダの分解能を高めていくことも可能となる。

また、本実施形態によれば、エンコーダ１００では、１つの光源１０から発せられた照明光を平行光に変換するコリメータレンズ１２と、その平行光の一部を、Ｘ軸方向に関して集光させることにより照明光を生成するシリンドリカルレンズ１８とを備えている。これらの光学系の作用により、原点検出用の照明光をＹ軸方向に細長い線状とすることができる。この結果、原点マークの一部に欠陥があったり、異物の付着などがあったとしても、原点系受光素子２６の受光結果に対するそれらの影響が軽減されるようになり、良好に原点を検出することができるようになる。

なお、この照明光の断面を、完全な線状とする必要はなく、Ｙ軸方向に細長い楕円状としてもよい。また、原点検出用の照明光を、原点マークのＹ軸方向に関する長さにあわせて、Ｙ軸方向に延ばすような光学系（凹型のレンズなど）をさらに備えるようにしてもよい。

また、本実施形態によれば、メインスケール２０は、位置検出用の２つのトラック１９₁、１９₃を備え、原点検出用のトラック１９₂は、２つのトラック１９₁、１９₃の間に挟まれている。このような配置とすれば、２つの位置情報の検出点と原点の検出点とを可能な限り近接させることができるようになるとともに、位置検出用の２つのトラックをできるだけ離して配置することができるので、メインスケール２０のＸＹ平面内の回転誤差に対する、位置情報の検出結果のロバスト性が向上する。

また、本実施形態によれば、メインスケール２０に照明光を照射する光学系は、１つの光源１０から発せられた照明光を平行光に変換し、その平行光をＹ軸方向に関して３つの平行光に分割し、両端の平行光を位置検出用の照明光に変換し、中央の平行光を原点検出用の照明光に変換する。このようにすれば、光源の数を減らすことができるようになるとともに、原点の検出点を、Ｙ軸方向に関して、位置情報の２つの検出点の中点とすることができるようになり、検出される位置情報と原点とのずれを低減することも可能となる。

さらに、本実施形態によれば、メインスケール２０上における、位置検出用の照明光の照射位置と原点検出用の照明光の照射位置とが、Ｘ軸方向に関して一致するように光学系を配置している。このようにすれば、Ｘ軸方向に関して、位置情報の検出位置と原点位置とを常に一致させることが可能となり、高精度な原点検出が可能となる。

≪第２の実施形態≫
次に、本発明の第２の実施形態について図４、図５に基づいて説明する。図４には、本実施形態に係るエンコーダ１０１の主要部の構成が概略的に示されている。図４に示されるように、エンコーダ１０１は、シリンドリカルレンズ３０₁、３０₂をさらに備えている点のみが、上記第１の実施形態に係るエンコーダ１００の構成と異なっている。本実施形態の原点系については、上記第１の実施形態と同じであるので、説明を省略する。

シリンドリカルレンズ３０₁、３０₂は、ビームスプリッタ１６と、メインスケール２０のトラック１９₁、１９₃との間で、シリンドリカルレンズ１８のＹ軸両端に配置されている。シリンドリカルレンズ３０₁、３０₂は、トラック１９₁、１９₃に入射する光を、Ｙ軸方向に集光させる。これにより、トラック１９₁、１９₃上におけるその光の断面は、Ｘ軸方向に延びる略線状となる。その光のＸ軸方向の幅は、上記第１の実施形態と同じであり、上記第１の実施形態に係るエンコーダ１００と同様に、移動体の変位情報の検出結果が、メインスケール２０のトラック１９₁、１９₃上の回折格子の欠陥及び付着異物に影響を受けにくくなっている。

このように、位置検出用の照明光をＹ軸方向に絞った場合には、例えばメインスケール２０のトラック１９₁、１９₃上の回折格子の配列方向が、計測すべき不図示の移動体の計測方向に対して若干のずれ（回転ずれ）を有していた場合に、検出結果がそのずれの影響をより受けにくくなるという利点がある。具体的には、メインスケール２０が移動体の移動方向に対して回転していたとしても、位置検出用受光素子２４₁、２４₂により受光される干渉光のコントラスト低下を許容範囲内に留めることができ、良好な検出結果を得ることができる。

以上詳細に述べたように、本実施形態によれば、Ｘ軸方向を配列方向とする回折格子が形成されたトラック１９₁、１９₃に照射される回折光を、Ｘ軸方向の幅を維持しつつ、Ｙ軸方向に集光する。このようにすれば、そのトラック１９₁、１９₃を経由した回折光による位置情報の検出結果は、メインスケール２０の回転ずれによる干渉光のコントラストの低下が防止される。このため、組み立て時の厳密な傾き調整が不要となり、取り付けが楽になる。

また、本実施形態によれば、集光させる照明光でメインスケール２０のトラック１９₁、１９₃を照明するので、強度の高い電流出力が得られるという利点もある。

なお、本実施形態では、トラック１９₁、１９₃上に照射される位置検出用の照明光の形状をライン状としたが、これには限られず、Ｘ軸方向を長手方向とする楕円状であってもよい。すなわち、Ｘ軸方向を長手方向とする形状であればよい。

また、本実施形態では、メインスケール２０のトラック１９₁、１９₃に入射する照明光両方をＹ軸方向に絞ったが、いずれか一方のみＹ軸方向に絞るようにしてもよい。また、インデックススケール１４₁、１４₂の前にシリンドリカルレンズ３０₁、３０₂を配置して、インデックススケール１４₁、１４₂に入射する光をＹ軸方向に絞るようにしてもよい。

なお、上記各実施形態では、トラック１９₁、１９₂、１９₂に照射される照明光を集光させるのに、シリンドリカルレンズを用いたが、それらの代わりに、又は、その少なくとも一部に、三角プリズムや、フレネルレンズ、ゾーンプレート、トーリックレンズ（ラグビーボール型）などを適用することができる。すなわち、Ｘ軸方向とＹ軸方向とで、屈折作用の強さが異なる光学素子ならば適用が可能である。

また、上記各実施形態では、ビームスプリッタ１６を用いて、照明光を分岐させたが、偏光ビームスプリッタと、１／４波長板との組合せを代わりに用いることが可能である。また、主信号系にも、集光レンズ２２と同様のレンズを備えるようにしてもよい。また、平行光を作成するために、発散光を射出する光源１０とコリメータレンズ１２との代わりに、一方向にレーザを発振するレーザ光源と、そのレーザ光源から発せられるレーザ光の断面を大きくするビームエキスパンダとを用いるようにしても良い。

また、上記各実施形態では、Ｙ軸方向両端のトラック１９₁、１９₂を、位置検出用のトラックとし、中央のトラック１９₂を原点検出用のトラックとしたが、これらは逆であってもよい。

なお、上記各実施形態では、光源１０から発せられた光を、Ｙ軸方向に関して３つに分割したが、本発明はこれには限られない。例えば、メインスケール２０上のトラックを、１つの位置検出用のトラックと、１つの原点検出用トラックの計２つとし、１つの平行光をＹ軸方向に関して２つの平行光に分割し、分割された光のうち、一方の平行光を位置検出用の照明光に変換し、他方の平行光を原点検出用の照明光に変換するようにしてもよい。

また、上記各実施形態では、１つの光源から発せられた光を分割して、位置検出用の照明光と、原点検出用の照明光とを生成したが、これには限られず、位置検出用の照明光と、原点検出用の照明光とは、別々の光源から生成したものであっても構わない。

また、上記各実施形態では、インデックススケール１４₁、１４₂の回折格子、トラック１９₁、１９₂の回折格子は、位相型でなく、明暗型のものであってもよい。また、インデックススケール１４₁、１４₂の回折格子は反射型の回折格子であってもよく、トラック１９₁、１９₂は透過型の回折格子であってもよい。この場合、光学系の配置は適宜変更される。

また、ビームスプリッタ１６の代わりに、インデックススケール１４₁、１４₂で発生した回折光を、トラック１９₁、１９₂上の同一位置に入射させるための光学系（例えばミラーやプリズム）を備えるようにしてもよい。この場合には、メインスケール２０からの回折光を、受光素子に導くための光学系が別途必要になる。

また、トラック１９₂上の原点マークは、Ｙ軸方向に延びるスリットであってもよい。この場合、原点系受光素子２６は、スケールの−Ｚ側（例えば原点スリットの直下）に配置されて、この原点スリットを通過した照明光を検出するようになる。この場合でも、照明光を、Ｙ軸方向に細長くすることにより、スリットの欠陥や異物の付着の影響を低減することができるようになる。

なお、エンコーダ１００、１０１においては、Ｘ軸方向に関してトラック１９₂の中央部に原点マークが設けられていたが、トラック１９₂上の原点マークの位置は、任意でよい。例えば、Ｘ軸方向の端部に原点マークが設けられていてもよい。また、原点マークは、Ｙ軸方向に延びるラインパターン等でなくてもよく。Ｙ軸方向に配置された複数のドットパターンであってもよい。

また、上記各実施形態では、原点マークとトラックとの段差を、照明光の波長の１／２としたが、これには限られない。照明光が原点マークを捉えた場合に、その光が散乱するようにしておけば、原点系受光素子に到達する光量が低下するため、原点を検出することが可能である。

なお、上記各実施形態では、インデックススケール１４₁、１４₂を振動させる周期信号を正弦波としたが、他の周期信号（例えば三角波）などで振動させるようにしてもよい。また、上記各実施形態では、インデックススケール１４₁の振動と、インデックススケール１４₂との振動とは完全に同期するものとしたが、必ずしも同期させる必要はない。また、変位ｘの情報を検出する方法としては、同期検波に限られず、例えば、ＡＣ測定のような振幅計測方法や、特定位相または特定時間における振幅計測方法などが適用されるようにしてもよい。また、コリメータレンズ１２と、インデックススケール１４₁、１４₂との間に振動ミラーを配置してもよい。この場合、原点トラックを照明する照明光も振動ミラーによって振動するようになるが、トラック１９₁、１９₂、１９₃からの光のそれぞれを同期させることにより、原点マークを上記各実施形態と同様に検出することができる。これは、位置検出用のトラックを中央トラックとし、Ｙ軸方向の両端のトラックを原点トラックとした場合も同様である。

また、上記各実施形態では、インデックススケール１４₁、１４₂をＸ軸方向に振動させ、メインスケール２０を経由した干渉信号を変調させることにより、位相が９０度異なる変位ｘに対応する信号を検出したが、エンコーダは、この変調方式には限られない。例えば、インデックススケール１４₁、１４₂を、Ｙ軸に平行な回転軸によって回転振動させるようにしてもよい。

また、インデックススケールから発生られる±１次回折光の一方の光路に電気光学素子（ＥＯＭ）等を挿入して、その一方の回折光の光路長を変調するようにしてもよい。また、一方の回折光の光路に、Ｙ軸に平行な回転軸によって回転振動可能な平行平板を挿入するようにしてもよい。

また、例えば、インデックススケール１４₁、１４₂上それぞれに位相が異なる２つの回折格子（あるいはバーニア）を設け、各回折格子を通過した光の検出信号に基づいて移動体の変位を検出する方式のものであってもよい。また、トラック１９₁の回折格子の位相と、トラック１９₃の回折格子の位相、又は、インデックススケール１４₁の回折格子の位相と、インデックススケール１４₂の回折格子の位相とを所定の位相（例えば９０度）ずらすようにしてもよい。このようにすれば、それぞれのトラックを経由した光の信号の位相差に基づいて、メインスケール２０の移動方向を検出することができる。

また、上記各実施形態に係るエンコーダでは、照明光の光路の上流にインデックススケールを配置し、下流にメインスケールを配置したが、その逆であってもよい。

また、上記各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。この場合には、原点検出用の照明光を、回転体の半径方向に細長くし、位置検出用の照明光の断面を、回転体の回転方向に細長くすればよい。

また、上記各実施形態に係るエンコーダでは、メインスケールのフォーカス制御を行うことも可能である。例えば、集光レンズ２２に代えて、シリンドリカルレンズを設置し、原点系受光素子２６をマトリクス状に配置された４つの分割受光素子として、いわゆる非点収差法などを用いて、メインスケールのフォーカスずれを検出することが可能である。このようなフォーカス制御の方法としては、非点収差法の他に、ナイフエッジ法や、フーコー法などを適用することが可能である。

また、上記各実施形態では、エンコーダの検出原理を、インデックススケールによって発生した回折光をメインスケールでさらに回折させて、その一部を再干渉させる回折干渉方式としたが、これに限らず、インコヒーレントな照明光をインデックススケール及びメインスケールに照射するいわゆる影絵方式（スリットシャッタ方式）としても構わない。この場合には、光源としては、例えば、ＬＥＤなどのインコヒーレントな照明光を発するものが用いられるようになる。また、インデックススケールを用いず、メインスケールのみを備えるエンコーダにも適用が可能である。

なお、上記各実施形態に係るエンコーダ１００、１０１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。また、本発明のエンコーダは、パターンのキズや欠陥、異物などに対して頑健であるという側面も有しているため、粉塵などが多い環境下において移動体の正確な情報を検出する場合にも適用が可能である。

また、上記各実施形態では、トラック１９₁、１９₂に形成されたパターンは、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、すなわち回折格子であった。しかしながら、スケールのトラック上に形成されるパターンは、回折格子のような、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。

また、上記各実施形態では、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。

また、照明光の波長や、各回折格子のピッチなどは、求められる分解能に応じて適宜変更することができる。

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。

本発明の第１の実施形態に係るエンコーダの概略構成図である。 主信号系の光路図である。 原点系の光路図である。 本発明の第２の実施形態に係るエンコーダの概略構成図である。 主信号系の光路の一部を示す図である。

符号の説明

１０…光源、１２…コリメータレンズ、１４₁、１４₂…インデックススケール、１６…ビームスプリッタ、１８…シリンドリカルレンズ、２０…メインスケール、２２…焦点レンズ、２４₁、２４₂…主信号系受光素子、２６…原点系受光素子、３０₁、３０₂…シリンドリカルレンズ、１００、１０１…エンコーダ。

Claims (9)

1. 第１方向に沿って、所定の位置関係で配列された第１パターンが形成された第１トラックと、前記第１方向と交差する方向に延びる原点検出用の第２パターンが形成された第２トラックとを有するスケールと；
   前記第１トラックに第１照明光を照射するとともに、前記第２トラックに第２照明光を照射する光学系とを備え、
   前記第２トラックに照射された前記第２照明光の形状は、前記第１トラックに照射された前記第１照明光の形状に比べて、前記第１方向の幅が狭いことを特徴とするエンコーダ。
2. 前記第２トラックに照射された前記第２照明光の形状は、前記第１方向と交差する第２方向に延びていることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
3. 前記第１パターンは、前記第１方向と交差する方向に延び、かつ、前記第１方向に沿って周期的に配列される周期パターンであることを特徴とする請求項１又は２に記載のエンコーダ。
4. 前記光学系は、
   １つの光源から発せられた光を平行光に変換する第１光学素子と；
   前記平行光の一部から前記第２照明光を生成する第２光学素子と；を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のエンコーダ。
5. 前記光学系は、
   前記平行光のうち、前記第２光学素子を経由しない光の少なくとも一部から前記第１照明光を生成する第３光学素子をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載のエンコーダ。
6. 前記光学系は、
   １つの光源から発せられた光を平行光に変換し、
   前記平行光を前記第２方向に関して２つの平行光に分割し、分割した２つの平行光のうち、一方の平行光を前記第１照明光に変換し、他方の平行光を前記第２照明光に変換することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のエンコーダ。
7. 前記スケールは、第１方向に沿って、所定の位置関係で配列された第３パターンが形成された第３トラックをさらに有し、
   前記第２トラックは、前記第１トラックと前記第３トラックとの間に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のエンコーダ。
8. 前記光学系は、
   １つの光源から発せられた光を平行光に変換する第１光学素子と；
   前記平行光の一部から前記第２照明光を生成する第２光学素子と；
   前記平行光のうち、前記第２光学素子を経由しない光の少なくとも一部から、前記第１照明光及び前記第３トラックに照射される第３照明光を生成する第３光学素子とを備えることを特徴とする請求項７に記載のエンコーダ。
9. 前記光学系は、
   前記スケール上における、前記第１照明光の照射位置と前記第２照明光の照射位置とを前記第１方向に関して一致させていることを特徴とする請求項８に記載のエンコーダ。

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