JP2007278817A - 変位検出装置、顕微鏡装置、基準点検出方法、及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 スケール上に形成されている基準位置を効率よく発見できるようにする。
【解決手段】 スケール２０は、位置の変動に応じて移動する。エンコーダヘッド１０は、スケール２０に設けられている基準位置マーク２２に基づいて基準位置を検出する。スケール２０には、基準位置マーク２２を複数含む基準位置トラックが設けられており、この基準位置トラックには、複数の基準位置マーク２２がスケール２０の移動方向に配列されている多基準位置ブロックと、基準位置マーク２２を含まない無基準位置ブロックとが、スケール２０の移動方向に隣接して設けられている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、測定の技術に関し、特に、基準位置の検出が可能な変位検出装置の技術に関する。

工作機械のステージや３次元計測定器などにおいて、直線方向の変位量の検出やサーボモータなどでの回転角の検出を行う変位検出装置として、光学式や磁気式などのいわゆるエンコーダが利用されている。

エンコーダは、一般的に、ステージ等の変位を検出しようとする部材に固定されたスケールと、このスケールの変位を検出するためのセンサヘッドとによって構成されている。センサヘッドはスケールの移動を検出するものであり、このために、光学式の場合にはスケールにより変調された光ビームを検出し、磁気式の場合にはスケールに形成された磁気情報を検出する。

エンコーダは、スケールとセンサヘッドとの相対移動によりその位置情報を出力する。この位置情報としては、基準位置からの距離の情報が一般的であるが、この基準位置を検出する機能を有するエンコーダも開発されている。

このようなエンコーダに関し、例えば特許文献１や特許文献２には代表的な従来例が開示されている。これらについて説明する。
まず図９を説明する。同図は、従来のエンコーダの第一の例を示している。なお、このエンコーダは特許文献１に開示されている。

図９に示す光学式リニアエンコーダ１００において、光源１２２と光検出器１２４及び１２６とが基板１２０に保持されて構成されているセンサヘッド１０２は、周期パターン１１２と基準位置パターン１１４とから位置情報を検出する。

可動スケール１０４は、周期パターン１１２の形成された周期トラックと、ホログラフィックレンズパターンである基準位置パターン１１４が形成された基準位置トラックとを、光学的に透明な基板１１０の表面にそれぞれ１つずつ有して構成されている。これらのパターンの詳細を図１０に示す。

図１０に示されているように、基準位置パターン１１４は、可動スケール１０４のほぼ中心位置に一箇所だけ設けられている。これにより、基準位置パターン１１４の位置を基準として、周期パターン１１２から得られる位置情報を出力することが可能となっている。

次に図１１を説明する。同図は、従来のエンコーダの第二の例を示している。なお、このエンコーダは特許文献２に開示されている。
図１１に示すエンコーダでは、周期パターンが形成されていて変位を検出するための第一のスケール２０３と、複数の基準位置パターンが形成されている第二のスケール２０４とがスケールベース２０２に設けられている。第一の検出ヘッド２０５は、第一のスケール２０３の移動を検出する。第二の検出ヘッド２０６は、第二のスケール２０４上に形成されている基準位置ブロック２０４−１、…、２０４−ｎの目盛を検出する。

基準位置ブロック２０４−１、…、２０４−ｎは、所定距離Ｘごとに第二のスケール２０４上に配置されており、各ブロックに付されている目盛は、図の左からＮ＝１、２、…と、ブロック毎に増えるように構成されている。

第一の検出ヘッド２０５は、周期λの周期パターンが形成されている第一のスケール２０３が動いたときの相対的な移動量を検出する。第二の検出ヘッド２０６は、第二のスケール２０４上に形成されている基準位置ブロック２０４−１、…、２０４−ｎの目盛を検出する。ここで、各ブロックに配されている目盛の数が基準位置ブロック２０４−１、…、２０４−ｎ毎に決まっているので、第二の検出ヘッド２０６が検出した目盛の数より、第二の検出ヘッド２０６が検出した目盛は基準位置ブロック２０４−１、…、２０４−ｎのうちのどのものであるかを認識することができる。

このように、図１１に示すエンコーダは、基準位置の個数の情報と、相対移動量の情報とより、スケール上における絶対位置を検出することができる。
特開２００２−４８６０２号公報 特開平７−６３５７８号公報

一般に、基準位置の検出が可能なエンコーダでは、スケール上の基準位置をなるべく効率的に発見したいという要求がある。この点に関し、前述した従来のエンコーダの第一の例では、検出開始の時点ではセンサヘッド１０２と可動スケール１０４との相対的な位置関係が分からない。そのため、基準位置パターン１１４を発見するために、センサヘッド１０２のいずれかの方向への移動をまず試み、ここで基準位置パターン１１４を発見しない湯合には今度は逆方向への移動を試みていた。このため基準位置の発見に時間を要する場合があり、とりわけ可動スケール１０４の長い場合には移動距離も長くなるため、より長い時間を要することがある。

一方、前述した従来のエンコーダの第二の例では、複数の基準位置ブロック２０４−１、…、２０４−ｎを備えているので、第二のスケール２０４の端部まで第二の検出ヘッド２０６が移動する必要はない。但し、このエンコーダでは、第二の検出ヘッド２０６による基準位置ブロック２０４−１、…、２０４−ｎの目盛の数をカウントし、このカウント値と予め与えられていた第二のスケール２０４上の基準位置ブロック２０４−１、…、２０４−ｎ毎の目盛の数とを比較し、その時点での第一の検出ヘッド２０５と第一のスケール２０３との相対位置情報を読み取り、その上で第二の検出ヘッド２０６を基準位置へ相対的に移動させるという工程が必要となる。このような工程は非常に複雑であるため、システムが高価かつ使いにくいものとなってしまう。

本発明は上述した問題に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、スケール上に形成されている基準位置を効率よく発見できるようにすることである。

本発明の態様のひとつである変位検出装置は、スケールと、当該スケールに設けられている基準位置マークに基づいて基準位置を検出する、当該スケールに対して相対移動可能な基準位置検出部と、を有しており、当該スケールには、当該基準位置マークを複数含む基準位置トラックが設けられており、当該基準位置トラックには、当該複数の基準位置マークが当該スケールの移動方向に配列されている多基準位置ブロックと、当該基準位置マークを含まない無基準位置ブロックとが、当該スケールの移動方向に隣接して設けられている、ことを特徴とするものであり、この特徴によって前述した課題を解決する。

なお、上述した本発明に係る変位検出装置において、当該基準位置トラックにおける当該スケールの移動方向の両端に、当該基準位置マークがひとつずつ設けられているように構成することもできる。

また、前述した本発明に係る変位検出装置において、当該複数の基準位置マークが、当該スケールの移動方向における当該無基準位置ブロックの長さよりも狭い間隔で、当該多基準位置ブロックに配列されているように構成することもできる。

なお、このとき、当該複数の基準位置マークが、当該無基準位置ブロックの当該移動方向の長さ以下である所定距離よりも短い間隔で、当該多基準位置ブロックに配列されているように構成することもできる。

あるいは、このとき、当該複数の基準位置マークが、等間隔で当該多基準位置ブロックに配列されているように構成することもできる。
あるいは、このとき、当該複数の基準位置マークの間隔が、当該複数の基準位置マークのうちで当該多基準位置ブロックと当該無基準位置ブロックとの当該移動方向の境界に最も近いものからの距離に応じて異なっているように構成することもできる。

なお、このとき、当該複数の基準位置マークの間隔が、当該距離に対して単調変化しているように構成することもできる。
また、前述した本発明に係る変位検出装置において、当該スケールには、一定の周期のパターンを含む周期パターントラックが更に設けられており、当該複数の基準位置マークの相互の距離を、当該パターントラックに基づいて検出する距離検出部を更に有している、ように構成することもできる。

本発明の別の態様のひとつである変位検出装置は、スケールと、当該スケールに設けられている基準位置マークに基づいて基準位置を検出する、当該スケールに対して相対移動可能な基準位置検出部と、を具備しており、当該スケールは、第一の検出パターンが等間隔で全域にわたり配設されている第一のパターントラックと、当該第一のパターントラックと略平行に配設され、当該スケールの一端部を含む区間において当該第一の検出パターンとは異なる第二の検出パターン基準位置マークが所定規則に従う間隔で複数個配設されている一方で、残りの区間には検出パターンが設けられていない第二のパターントラックと、を具備している、ことを特徴とするものであり、この特徴によって前述した課題を解決する。

なお、上述した本発明に係る変位検出装置において、当該所定規則に従う間隔は等間隔であるように構成することもできる。
また、前述した本発明に係る変位検出装置において、当該所定規則に従う間隔は、単調変化の間隔であるように構成することもできる。

また、前述した本発明に係る変位検出装置において、当該第二のパターントラックは、当該第二の検出パターンが配設されている当該スケールの端部とは別の端部にも、当該第二の検出パターンが配設されているように構成することもできる。

なお、前述した本発明に係る変位検出装置を備えている顕微鏡装置も本発明に係るものである。
また、本発明の更なる別の態様のひとつである基準点検出方法は、前述した本発明に係る変位検出装置を用いて行う基準点検出方法であって、当該複数の基準位置マークの配列間隔のうち最大のものと同一の距離またはそれ以上の距離だけ当該スケールを移動し、当該スケールの移動の間に当該基準位置検出部が当該基準位置マークを検出したか否かを判定し、当該判定において当該基準位置マークを検出しなかったと判定したときに、当該スケールの同一方向への移動を継続し、当該基準位置検出部が当該基準位置マークを最初に検出したときに、検出された基準位置マークの位置を基準点の検出結果とする、ことを特徴とするものであり、この特徴によって前述した課題を解決する。

また、本発明の更なる別の態様のひとつであるプログラムは、前述した本発明に係る変位検出装置を用いて行う基準点の検出をコンピュータに行わせるためのプログラムであって、当該複数の基準位置マークの配列間隔うち最大のものと同一の距離またはそれ以上の距離だけ当該スケールを移動させる処理と、当該スケールの移動の間に当該基準位置検出部が当該基準位置マークを検出したか否かを判定する処理と、当該判定において当該基準位置マークを検出しなかったと判定したときに、当該スケールの同一方向への移動を継続させる処理と、当該基準位置検出部が当該基準位置マークを最初に検出したときに、検出された基準位置マークの位置を基準点の検出結果として特定する処理と、をコンピュータに行わせるためのものであり、このプログラムを実行するコンピュータによって前述した課題が解決される。

本発明によれば、以上のようにすることにより、スケール上に形成されている基準位置を効率よく発見できるようになるという効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
まず図１を説明する。図１は、本発明を実施する変位検出装置を備えた顕微鏡装置の構成を示している。この顕微鏡装置は、顕微鏡本体１とＰＣ（パーソナルコンピュータ）２とを備えて構成されている。

顕微鏡本体１には試料を載置するためのＸ−Ｙステージ３が備えられている。Ｘ−Ｙステージ３は、顕微鏡装置の観察光路上の対物レンズ４の光軸に垂直であるＸ−Ｙ平面上を自在に移動させることができる。更に、顕微鏡本体１には、Ｘ−Ｙステージ３のＸ方向の変位量を検出するＸ方向エンコーダ５と、Ｘ−Ｙステージ３のＹ方向の変位量を検出するＹ方向エンコーダ６とが備えられている。このＸ方向エンコーダ５及びＹ方向エンコーダ６が本発明を実施するものである。

ＰＣ２は、ごく標準的な構成のコンピュータである。すなわち、ＰＣ２は、全体の動作制御を行うＣＰＵ（中央演算装置）と、基本制御プログラムが格納されているＲＯＭと、ＣＰＵが制御プログラムを実行する際にワークメモリとして使用するＲＡＭと、ＣＰＵによって実行される各種の制御プログラムや各種のデータを格納しておくハードディスク装置等の記憶部と、顕微鏡本体１と信号線７を介して行われる電気信号の授受の管理を行うインタフェース部とを備えて構成されている。ここで、インタフェース部は、Ｘ方向エンコーダ５及びＹ方向エンコーダ６から送られてくる電気信号の受信管理、及び、Ｘ−Ｙステージ３をＸ方向及びＹ方向へ移動させるモータ（不図示）への駆動制御信号の送信管理を行う。

次に図２を説明する。同図は、本発明を実施する変位検出装置の構成を示しており、図１におけるＸ方向エンコーダ５及びＹ方向エンコーダ６も、図２に示す構成を有している。

図２に示す変位検出装置は、エンコーダヘッド１０とスケール２０とより構成されている。Ｘ−Ｙステージ３において、Ｙ方向エンコーダ６のエンコーダヘッド１０はＸ−Ｙステージ３のベースに固定されており、当該ベース上に載置されているＹステージの側面にＹ方向エンコーダ６のスケール２０が固定されている。また、Ｘ方向エンコーダ６のエンコーダヘッド１０は当該Ｙステージに固定されており、当該Ｙステージ上に載置されているＸステージの側面にＸ方向エンコーダ５のスケール２０が固定されている。

エンコーダヘッド１０は光源１１と光検出器１２とを有している。光源１１は、光ビームを発光部１３から出射する。光検出器１２は、エンコーダヘッド１０で反射した光ビームを受光部１４及び受光部アレイ１５で受光してその各々の光強度に応じた大きさの電気信号を出力する。図１の顕微鏡装置におけるＸ方向エンコーダ５及びＹ方向エンコーダ６は、この電気信号をＰＣ２へと送り、ＰＣ２はこの電気信号をデジタルデータに変換して取得する。

スケール２０は、一定の周期を有しているパターンであってその周期が既知である周期パターン２１と基準位置を示す複数の基準位置マーク２２とを有している。
スケール２０の構成の第一の例を図３に示す。同図に示すように、周期パターン２１と基準位置マーク２２（図３においては、２２−１、２２−２、２２−３、及び２２−４）とは、スケール２０上で平行に隣接しているトラック上に配置されている。ここで、周期パターン２１が等間隔で全域に配設されているトラックを周期パターントラック２３と称することとし、基準位置マーク２２が配設されているトラックを基準位置マークトラック２４と称することとする。

また、図３を参照すると分かるように、スケール２０の移動方向に距離Ｔの間隔を有して等間隔に配列されている複数の基準位置マーク２２は、基準位置マークトラック２４における片側（図３においては右側）に偏って配置されている。

ここで、基準位置マークトラック２４のうち基準位置マーク２２が配設されている側を多基準位置ブロック２５と称することとし、基準位置マークトラック２４のうち基準位置マーク２２が設けられていない側を無基準位置ブロック２６と称することとする。つまり、多基準位置ブロック２５と無基準位置ブロック２６とは、基準位置マークトラック２４においてスケール２０の移動方向に隣接して設けられている。

なお、図３においては、基準位置マーク２２の配置間隔Ｔは、無基準位置ブロック２６の幅（スケール２０の移動方向における無基準位置ブロック２６の長さ）よりも狭く構成されている。また、この間隔Ｔの値は既知であり、周期パターン２１の周期よりも十分に大きなもの（例えば１０〜１００倍）に設定されている。

図２に示した変位検出装置において、発光部１３から出射した光ビームはスケール２０の周期パターントラック２３及び基準位置マークトラック２４で反射して光検出器１２へ向かう。ここで、周期パターン２１で反射した光ビームは受光部アレイ１５に入射し、基準位置マーク２２で反射した光ビームは受光部１４に入射するように変位検出装置が構成されている。

周期パターントラック２３で反射した光ビームは、周期パターン２１に応じた空間周期を有する明暗パターンを形成する。受光部アレイ１５は、この明暗パターンを検出するように配列されており、スケール２０の移動に伴って生じる明暗パターンの変化に応じて大小変化する電気信号を出力する。

また、基準位置マークトラック２４で反射した光ビームは、受光部１４に入射する。基準位置マーク２２は、基準位置マークトラック２４上における基準位置マーク２２以外の領域よりも、その反射率が高く構成されている。従って、受光部１４に入射する光ビームの強度は、基準位置マーク２２で反射したものの方が、その他の領域で反射したものよりも強くなる。そこで、受光部１４がこの高強度の光ビームを検出することにより、光ビームが基準位置マーク２２で反射していることを検出することができる。

なお、図３においては、基準位置マークトラック２４で偏って配置されている４つの基準位置マーク２２−１、２２−２、２２−３、及び２２−４のうち、基準位置マークトラック２４の中央寄りに配置されている基準位置マーク２２−１を原点と定義し、他の基準位置マーク２２−２、２２−３、及び２２−４と区別する。すなわち、複数の基準位置マーク２２のうちで多基準位置ブロック２５と無基準位置ブロック２６との境界に最も近い基準位置マーク２２−１を基準点と定義する。

なお、図１に示した顕微鏡装置のＸ方向エンコーダ５及びＹ方向エンコーダ６の両方で、基準位置マーク２２−１で反射した光ビームが受光部１４に入射しているときにおけるＸ−Ｙステージ３の位置が、Ｘ−Ｙステージ３の原点位置となるように顕微鏡装置を構成する。

次に、図３に示した構成を有するスケール２０を用いて行う、原点（すなわち基準位置マーク２２−１）の発見の手順を、図４を用いて説明する。なお、以下の説明では、無基準位置ブロック２６から多基準位置ブロック２５へ向かう方向（図４に矢印で示した方向）に＋Ｘ方向を定義する。

まず、始めに、スケール２０をエンコーダヘッド１０に対して距離Ｔだけ相対的に移動させて、スケール２０上のスポット（発光部１３から出射して受光部１４へと向かう光ビームのスケール２０上での反射点）を、＋Ｘ方向に移動させる。なお、基準位置マーク２２の配置間隔に等しい距離であるこの移動距離Ｔの検出は、基準位置マークトラック２４と平行に配置されている周期パターントラック２３の周期パターン２１を利用することで実現できる。すなわち、周期パターン２１で反射した光ビームの明暗パターンの変化に応じて受光部アレイ１５から出力される電気信号の増減数と、周期パターン２１の空間周期とに基づいてスケール２０の移動距離を算出し、この算出結果が距離Ｔに達するまでスケール２０を移動させる。

上述したようにスケール２０を移動させている間、基準位置マーク２２からの反射光を光検出器１２が検出するか否かの判定を行う。なお、この判定は、光検出器１２から出力される電気信号の大きさと所定の閾値との大小比較の結果を以って行うことができる。

ここで、距離Ｔの移動の間に基準位置マーク２２からの反射光を検出しなかった場合には、スポットの初期位置（原点発見のための移動の開始前の位置）は図４のＰｌの位置であったものとみなすことができる。そこで、この場合には、スケール２０の相対移動をそのまま継続しながら基準位置マーク２２からの反射光の検出を続ける。そして、この反射光が最初に検出されたときにスポットが位置していたものを原点の基準位置マーク２２−１とみなす。

一方、距離Ｔの移動の間に基準位置マーク２２からの反射光を検出した場合には、スケール２０をエンコーダヘッド１０に対して距離Ｔだけ今までとは逆方向に相対移動させ、スケール２０上のスポットを今度は−Ｘ方向に移動させる。そして、この移動の間に、基準位置マーク２２からの反射光を光検出器１２が検出するか否かの判定を行う。

ここで、距離Ｔの逆方向の移動の間に基準位置マーク２２からの反射光を検出しなかった場合には、スポットの初期位置は図４のＰ２の位置であったものとみなすことができ、この結果、最初に反射光を検出したときにスポットが位置していたものが原点の基準位置マーク２２−１とみなすことができる。そこで、この場合には、スケール２０をエンコーダヘッド１０に対して距離Ｔだけ元の方向に相対移動させ、スケール２０上のスポットを＋Ｘ方向に移動させて原点の基準位置マーク２２−１に位置させる。

一方、距離Ｔの逆方向の移動の間に基準位置マーク２２からの反射光を検出した場合には、当該移動前のスポットは図４のＰ３の位置（原点の基準位置マーク２２−１よりも＋Ｘ方向の位置）あるいはＰ４の位置であったものとみなすことができる。この場合には、スケール２０のエンコーダヘッド１０に対する距離Ｔの相対移動によるスポットの−Ｘ方向への移動と、この移動の間における基準位置マーク２２からの反射光を光検出器１２が検出するか否かの判定とを繰り返す。そして、この距離Ｔの相対移動の間に基準位置マーク２２からの反射光を検出しなくなったときに、スケール２０をエンコーダヘッド１０に対して距離Ｔだけ元の方向に相対移動させてスケール２０上のスポットを＋Ｘ方向に移動させる。こうすることにより、スポットを原点の基準位置マーク２２−１に位置させることができる。

以上をまとめると、以下のようになる。
（１）エンコーダヘッド１０による検出位置がスケール２０上のＰｌの部分に位置していた場合には、図４に示した＋Ｘ方向に距離Ｔだけ当該検出位置を移動させるが、基準位置マーク２２が検出されないので、そのまま＋Ｘ方向に更に移動させる。ここで最初に検出された基準位置マーク２２が原点基準位置マーク２２−１となる。

（２）エンコーダヘッド１０による検出位置がスケール２０上のＰ２の部分に位置していた場合には、図４に示した＋Ｘ方向に当該検出位置を移動させると、距離Ｔ以内の移動で基準位置マーク２２（２２−１）を検出する。このときには、その検出した位置から、図４に示したＸ方向とは逆の方向（−Ｘ方向）に距離Ｔだけ当該検出位置を反転移動させる。すると、この反転移動によっては基準位置マーク２２が検出されないので、当該検出位置の移動を再度反転させて＋Ｘ方向に距離Ｔだけ移動させる。ここで検出される基準位置マーク２２が原点基準位置マーク２２−１となる。

（３）エンコーダヘッド１０による検出位置がスケール２０上のＰ３の部分に位置していた場合には、図４に示した＋Ｘ方向に当該検出位置を移動させると、距離Ｔ以内の移動で基準位置マーク２２（２２−３）を検出する。このときには、その検出した位置から、図４に示したＸ方向とは逆の方向（−Ｘ方向）に距離Ｔだけ当該検出位置を反転移動させる。この場合には、この反転移動によっても基準位置マーク２２（２２−２）が検出される。このときには、更に当該検出位置の−Ｘ方向への距離Ｔの移動と、基準位置マーク２２の検出とを行う。すると、このときにも基準位置マーク２２（２２−１）が検出される。次に、当該検出位置の−Ｘ方向への距離Ｔの更なる移動と、基準位置マーク２２の検出とを行うが、今度はこの移動によって基準位置マーク２２が検出されることはない。そこで、このときには、当該検出位置の移動を反転させて＋Ｘ方向に距離Ｔだけ移動させる。ここで検出される基準位置マーク２２が原点基準位置マーク２２−１となる。

次に図５を説明する。同図は、原点検出処理の処理内容の第一の例をフローチャートで示したものである。この処理は、図２に示した変位検出装置におけるスケール２０が図３に示した構成を有している場合に、原点の基準位置マーク２２−１を発見してそこへスポットを移動させる処理である。

図１に示した顕微鏡装置では、図５に示した処理をＰＣ２が行う。ＰＣ２は、記憶部に予め格納されている制御プログラムをＣＰＵが読み出して実行することにより、この原点検出処理の実行が可能となる。

図５において、まず、Ｓ１１では、スケール２０をエンコーダヘッド１０に対して距離Ｔだけ相対移動させて、スケール２０上のスポットを＋Ｘ方向に移動させる処理が行われる。なお、この距離Ｔは、等間隔である複数の基準位置マーク２２の配列間隔と同一の距離である。

なお、ＰＣ２は、不図示のモータを駆動制御してＸ−Ｙステージ３を移動させる処理を行うことで、スケール２０上のスポットを移動させることができる。
Ｓ１２では、Ｓ１１の処理による移動の間に、基準位置マーク２２からの反射光を光検出器１２が検出したか否かを判定する処理が行われる。ここで、基準位置マーク２２からの反射光を検出したとき（判定結果がＹｅｓのとき）にはＳ１６に処理を進め、基準位置マーク２２からの反射光を検出しないとき（判定結果がＮｏのとき）にはＳ１３に処理を進める。

Ｓ１３では、スケール２０をエンコーダヘッド１０に対して更に相対移動させて、スケール２０上のスポットを＋Ｘ方向に移動させる処理が行われ、続くＳ１４において、この移動により基準位置マーク２２からの反射光を光検出器１２が検出したか否かを判定する処理が行われる。ここで、基準位置マーク２２からの反射光を検出したとき（判定結果がＹｅｓのとき）にはＳ１５に処理を進める。一方、基準位置マーク２２からの反射光を検出しないとき（判定結果がＮｏのとき）にはＳ１３に処理を戻し、スケール２０上のスポットの−Ｘ方向への移動を継続する。

Ｓ１５では、スケール２０の相対移動を停止させてスケール２０上のスポットの移動を停止させ、その後はこの原点検出処理を終了する。このときに、スポットは原点の基準位置マーク２２−１に位置するので、この位置を原点（基準点）の検出結果として特定する。

ところで、前述したＳ１２の判定処理の結果がＮｏのときには、Ｓ１６において、スケール２０をエンコーダヘッド１０に対してＳ１１の処理とは逆方向に距離Ｔだけ相対移動させて、スケール２０上のスポットを−Ｘ方向に移動させる処理が行われる。

Ｓ１７では、Ｓ１６の処理による移動の間に、基準位置マーク２２からの反射光を光検出器１２が検出したか否かを判定する処理が行われる。ここで、基準位置マーク２２からの反射光を検出したとき（判定結果がＹｅｓのとき）にはＳ１６へと処理を戻してスケール２０を相対移動させる処理が再度行われる。一方、基準位置マーク２２からの反射光を検出しないとき（判定結果がＮｏのとき）にはＳ１８に処理を進める。

Ｓ１８では、スケール２０をエンコーダヘッド１０に対してＳ１６の処理とは逆方向に距離Ｔだけ相対移動させて、スケール２０上のスポットを＋Ｘ方向に移動させる処理が行われ、その後はこの原点検出処理を終了する。このときに、スポットは原点の基準位置マーク２２−１に位置している。

以上の原点検出処理をＰＣ２が行うことにより、Ｘ方向エンコーダ５及びＹ方向エンコーダ６において原点の基準位置マーク２２−１を素早く発見して、Ｘ−Ｙステージ３を原点位置へと移動させることができる。

以上のように、図３に示した構成のスケール２０を用いて変位検出装置を構成することにより、エンコーダヘッド１０による検出位置がスケール２０上のどこに位置していても、原点の基準位置マーク２２−１を発見するまでに要するスケール２０とエンコーダヘッド１０との相対移動距離が短くなり、効率的な原点検出が可能となる。

次に図６を説明する。同図は、図２に示した変位検出装置におけるスケール２０の構成の第二の例を示している。
このスケール２０の第二の例は、基準位置マークトラック２４の多基準位置ブロック２５に配置される基準位置マーク２２の間隔が、原点（基準点）である基準位置マーク２２−１からの距離に応じて異ならせてある点に特徴を有してする。すなわち、図６においては、基準位置マーク２２−５、２２−６、及び２２−７は、原点である基準位置マーク２２−１からの距離に応じ、隣接するものとの間隔がＴ、２×Ｔ、３×Ｔと、徐々に広くなるように配置されている。

なお、図３に示したスケール２０の第一の例においては、無基準位置ブロック２６の幅（スケール２０の移動方向における無基準位置ブロック２６の長さ）は、基準位置マーク２２の配置間隔Ｔよりも広く構成されていた。これに対し、この第二の例においては、無基準位置ブロック２６の幅は、基準位置マーク２２の配置間隔のうちの最大のもの（図６の場合においては３×Ｔ）よりも広く構成されている。以上の点を除けば、この第二の例は、図３に示した第一の例と同様に構成されている。

次に、図６に示した構成を有するスケール２０を用いて行う、原点（すなわち基準位置マーク２２−１）の発見の手順を説明する。なお、以下の説明では、なお、以下の説明では、無基準位置ブロック２６から多基準位置ブロック２５へ向かう方向（図６に矢印で示した方向）に＋Ｘ方向を定義する。

まず、始めに、スケール２０をエンコーダヘッド１０に対して距離３×Ｔだけ相対的に移動させて、スケール２０上のスポットを＋Ｘ方向に移動させる。なお、この距離３×Ｔの移動は、図３に示した第一の例におけるものと同様、基準位置マークトラック２４と平行に配置されている周期パターントラック２３の周期パターン２１を利用することで実現できる。

上述したようにスケール２０を移動させている間、基準位置マーク２２からの反射光を光検出器１２が検出するか否かの判定を行う。なお、この判定も、第一の例と同様、光検出器１２から出力される電気信号の大きさと所定の閾値との大小比較の結果を以って行うことができる。

ここで、距離３×Ｔの移動の間に基準位置マーク２２からの反射光を検出しなかった場合には、スポットの初期位置（原点発見のための移動の開始前の位置）は図６のＰｌの位置であったものとみなすことができる。そこで、この場合には、スケール２０の相対移動をそのまま継続しながら基準位置マーク２２からの反射光の検出を続ける。そして、この反射光が最初に検出されたときにスポットが位置していたものを原点の基準位置マーク２２−１とみなす。

一方、距離Ｔの移動の間に基準位置マーク２２からの反射光を検出した場合には、スケール２０をエンコーダヘッド１０に対して最大距離３×Ｔだけ今までとは逆方向に相対移動させ、スケール２０上のスポットを今度は−Ｘ方向に移動させる。そして、この移動の間に、基準位置マーク２２からの反射光を光検出器１２が検出するか否かの判定を行う。

ここで、最大距離３×Ｔの逆方向の移動の間に基準位置マーク２２からの反射光を検出しなかった場合には、スポットの初期位置は図６のＰ２の位置であったものとみなすことができ、この結果、最初に反射光を検出したときにスポットが位置していたものが原点の基準位置マーク２２−１とみなすことができる。そこで、この場合には、スケール２０をエンコーダヘッド１０に対して距離３×Ｔだけ元の方向に相対移動させ、スケール２０上のスポットを＋Ｘ方向に移動させて原点の基準位置マーク２２−１に位置させる。

一方、最大距離３×Ｔの逆方向の移動をさせるまでの間に基準位置マーク２２からの反射光を検出した場合には、当該移動前のスポットは図４のＰ３−１、Ｐ３−２、及びＰ３−３のいずれかの位置（原点の基準位置マーク２２−１よりも＋Ｘ方向の位置）であったものとみなすことができる。

更に、この反射光を、距離１×Ｔの移動で検出していたのであれば、この移動によってスポットは基準位置マーク２２−５から原点の基準位置マーク２２−１へと移動したとみなすことができる。

また、ここで、距離２×Ｔの移動で当該反射光を検出していたのであれば、この移動によってスポットは基準位置マーク２２−６から基準位置マーク２２−５へと移動したとみなすことができる。この場合には、スケール２０をエンコーダヘッド１０に対して距離１×Ｔだけ更に相対移動させることにより、スケール２０上のスポットが−Ｘ方向に移動して原点の基準位置マーク２２−１に位置させることができる。

また、ここで、最大距離３×Ｔの移動で当該反射光を検出していたのであれば、この移動によってスポットは基準位置マーク２２−７から基準位置マーク２２−６へと移動したとみなすことができる。この場合には、スケール２０をエンコーダヘッド１０に対して距離３×Ｔ（＝１×Ｔ＋２×Ｔ）だけ更に相対移動させることにより、スケール２０上のスポットが−Ｘ方向に移動して原点の基準位置マーク２２−１に位置させることができる。

次に図７を説明する。同図は、原点検出処理の処理内容の第二の例をフローチャートで示したものである。この処理は、図２に示した変位検出装置におけるスケール２０が図６に示した構成を有している場合に、原点の基準位置マーク２２−１を発見してそこへスポットを移動させる処理である。

図１に示した顕微鏡装置では、図７に示した処理をＰＣ２が行う。ＰＣ２は、記憶部に予め格納されている制御プログラムをＣＰＵが読み出して実行することにより、この原点検出処理の実行が可能となる。

図７において、まず、Ｓ２１では、スケール２０をエンコーダヘッド１０に対して距離３×Ｔだけ相対移動させて、スケール２０上のスポットを＋Ｘ方向に移動させる処理が行われる。なお、この距離３×Ｔは、複数の基準位置マーク２２の配列間隔のうち最大のものと同一の距離である。

Ｓ２２では、Ｓ２１の処理による移動の間に、基準位置マーク２２からの反射光を光検出器１２が検出したか否かを判定する処理が行われる。ここで、基準位置マーク２２からの反射光を検出したとき（判定結果がＹｅｓのとき）にはＳ２６に処理を進め、基準位置マーク２２からの反射光を検出しないとき（判定結果がＮｏのとき）にはＳ２３に処理を進める。

Ｓ２３では、スケール２０をエンコーダヘッド１０に対して更に相対移動させて、スケール２０上のスポットを＋Ｘ方向に移動させる処理が行われ、続くＳ２４において、この移動により基準位置マーク２２からの反射光を光検出器１２が検出したか否かを判定する処理が行われる。ここで、基準位置マーク２２からの反射光を検出したとき（判定結果がＹｅｓのとき）にはＳ２５に処理を進める。一方、基準位置マーク２２からの反射光を検出しないとき（判定結果がＮｏのとき）にはＳ２３に処理を戻し、スケール２０上のスポットの−Ｘ方向への移動を継続する。

Ｓ２５では、スケール２０の相対移動を停止させてスケール２０上のスポットの移動を停止させ、その後はこの原点検出処理を終了する。このときに、スポットは原点の基準位置マーク２２−１に位置するので、この位置を原点（基準点）の検出結果として特定する。

ところで、前述したＳ２２の判定処理の結果がＮｏのときには、Ｓ２６において、変数Ｎに値「１」を代入すると共に、変数Ｋに値「０」を代入する処理か行われる。
Ｓ２７では、スケール２０をエンコーダヘッド１０に対してＳ２１の処理とは逆方向に距離Ｔだけ相対移動させて、スケール２０上のスポットを−Ｘ方向に移動させる処理が行われる。

Ｓ２８では、Ｓ２７の処理による移動後に、基準位置マーク２２からの反射光を光検出器１２が検出したか否かを判定する処理が行われる。ここで、基準位置マーク２２からの反射光を検出したとき（判定結果がＹｅｓのとき）にはＳ２９に処理を進め、基準位置マーク２２からの反射光を検出しないとき（判定結果がＮｏのとき）にはＳ３０に処理を進める。

Ｓ２９では、スケール２０をエンコーダヘッド１０に対してＳ２７の処理とは逆方向に距離Ｋ×Ｔだけ相対移動させて、スケール２０上のスポットを＋Ｘ方向に移動させる処理が行われ、その後はこの原点検出処理を終了する。このときに、スポットは原点の基準位置マーク２２−１に位置している。なお、このＳ２９の処理において、変数Ｋの値が「０」である場合には、スポットは既に原点の基準位置マーク２２−１に位置しているので、スケール２０とエンコーダヘッド１０との相対移動を行うことなく原点検出処理を終了する。

Ｓ３０では、変数Ｎの値が「３」であるか否かを判定する処理が行われる。ここで、「３」であるとき（判定結果がＹｅｓのとき）にはＳ３１に処理を進め、「３」でないとき（判定結果がＮｏのとき）にはＳ３２に処理を進める。なお、この判定結果がＹｅｓとなるのは、Ｓ２７の処理による距離Ｔの逆方向の移動を３回繰り返しても、基準位置マーク２２からの反射光を検出しなかった場合であり、これは、スポットの初期位置が図６のＰ２の位置であった場合である。

Ｓ３１では、スケール２０をエンコーダヘッド１０に対して距離３×Ｔだけ相対移動させて、スケール２０上のスポットを＋Ｘ方向に移動させる処理が行われ、その後はこの原点検出処理を終了する。このときに、スポットは原点の基準位置マーク２２−１に位置する。

Ｓ３２では、変数Ｋの現在の値と変数Ｎの現在の値とを加算した結果を変数Ｋに改めて代入する処理が行われる。
Ｓ３３では、変数Ｎの現在の値をインクリメントする（１だけ増加させる）処理が行われ、その後はＳ２７へと処理を戻して上述した処理が繰り返される。

以上の原点検出処理をＰＣ２が行うことにより、Ｘ方向エンコーダ５及びＹ方向エンコーダ６において原点の基準位置マーク２２−１を素早く発見して、Ｘ−Ｙステージ３を原点位置へと移動させることができる。

このように、図６に示した構成のスケール２０を用いて変位検出装置を構成することにより、基準位置マーク２２の間隔の距離を取得することで、検出した基準位置マーク２２の位置が特定されるので、原点である基準位置マーク２２−１からの距離が算出可能となる結果、スポットの現在位置と原点基準位置マーク２２−１との位置関係が把握できる。従って、基準位置マーク２２の検出を無駄に繰り返す必要がなくなり、スケール２０の相対移動をより高速に行うことができるようになるので、原点基準位置マーク２２−１の検出をより効率的に行えるようになる。

なお、図６に示したスケール２０の構成では、基準位置マーク２２の間隔の距離を、Ｔ、２×Ｔ、３×Ｔとして設定していたが、この距離を他の値とすることも可能であり、例えば、原点からの距離に対して単調に増加しているこの間隔の距離を、Ｔ、Ｔ＋０．１Ｔ、Ｔ＋０．２Ｔのように、その差を小さくすることもできる。更には、基準位置マーク２２間の距離が各々異なるように構成されているのであれば、原点からの距離に対してその間隔が単調に減少するように構成してもよく、更にはこれらをランダムに配置するようにしても構わない。

次に図８を説明する。同図は、図２に示した変位検出装置におけるスケール２０の構成の第三の例を示している。
このスケール２０の第三の例は、図３に示した第一の例における基準位置マークトラック２４の無基準位置ブロック２６の−Ｘ方向端に、基準位置マーク２２−８を設けた点に特徴を有しており、この点を除けば第一の例と同様に構成されている。つまり、基準位置マークトラック２４において、多基準位置ブロック２５の＋Ｘ方向端に配設されている基準位置マーク２２−４と、無基準位置ブロック２６の−Ｘ方向端に配設されている基準位置マーク２２−８とにより、スケール２０のＸ方向の両端部の確認が可能となるので、スケール２０の可動範囲を正確に把握できるようになる。

つまり、この第三の例では、基準位置マークトラック２４におけるスケール２０の移動方向の両端に基準位置マーク２２がひとつずつ設けられているので、図１に示した顕微鏡装置におけるＸ方向エンコーダ５及びＹ方向エンコーダ６として、この図８に示したスケール２０を有している変位検出装置を用いることにより、例えばＸ−Ｙステージ３で動作異常が発生したときでも、Ｘ−Ｙステージ３の移動範囲を可動範囲内に留める制御を行うことができるようになる。

なお、図８に示したスケール２０の第三の例では、図３に示した第一の例に基準位置マーク２２−８を設けていたが、図６に示したスケール２０の第二の例における基準位置マークトラック２４の無基準位置ブロック２６の−Ｘ方向端に、基準位置マーク２２−８を設けることも可能である。また、本発明の趣旨を逸脱しない範囲における変形例の全てに搭載することも可能である。

なお、以上までに説明した本発明の実施の形態においては、反射型の光学式エンコーダを例として説明したが、この代わりに、透過型の光学式エンコーダや磁気式のエンコーダなど、基準位置マークと周期パターントラックとを有するスケールと対応可能なものであれば、どのようなものでも本発明を実施することは可能である。

また、図３、図６、及び図８に示したスケール２０の各例においては、複数の基準位置マーク２２が、無基準位置ブロック２６の幅（スケール２０の移動方向における無基準位置ブロック２６の長さ）よりもいずれも狭い間隔で、多基準位置ブロック２５に配列されていた。ここで、複数の基準位置マーク２２が、無基準位置ブロック２５の幅以下である所定距離よりもいずれも短い間隔で、多基準位置ブロック２５に配列されているようにスケール２０を構成してもよい。こうすることにより、前述したスポットが、各図のＰ１に位置していたのか否かを判定するために必要なスケール２０の移動距離を短くすることができ、原点基準位置マーク２２−１の検出が更に効率的に行えるようになる。

また、以上までに説明した本発明の実施の形態においては、図１のＰＣ２は、自身が有している記憶部に予め格納されている制御プログラムをＣＰＵが読み出して実行することで、図５及び図７に示した原点検出処理を行うようにしていた。この代わりに、この原点検出処理をＣＰＵに行わせるための制御プログラムをＰＣ２の読み取り装置で読み取り可能な記録媒体に記録させておき、その制御プログラムを記録媒体からＰＣ２に読み込ませてＣＰＵで実行させるようにしてもよい。

記録させた制御プログラムをＰＣ２で読み取ることの可能な記録媒体としては、例えば、ＰＣ２に備えられる読み取り装置へ挿入することによって記録された制御プログラムを読み出すことのできるフレキシブルディスク、ＭＯ（光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭなどといった携帯可能記録媒体等が利用できる。

また、このような記録媒体としては、通信回線を介してＰＣ２と接続される、プログラムサーバとして機能するコンピュータシステムが備えている記憶装置であってもよい。この場合には、制御プログラムを表現するデータ信号で搬送波を変調して得られる伝送信号を、伝送媒体である通信回線を通じてプログラムサーバからＰＣ２へ伝送するようにし、ＰＣ２では受信した伝送信号を復調して制御プログラムを再生することでこの制御プログラムをＣＰＵで実行できるようになる。

この他にも、本発明は、発明の要旨を逸脱しない範囲内に置いて種々多くの変形や修整が可能であり、以上までに説明した実施の形態はその一例に過ぎない。

本発明を実施する変位検出装置を備えた顕微鏡装置の構成を示す図である。 本発明を実施する変位検出装置の構成を示す図である。 図２に示した変位検出装置におけるスケールの構成の第一の例を示す図である。 図３に示したスケールを用いて行う原点の発見の手順を説明する図である。 原点検出処理の処理内容の第一の例をフローチャートで示した図である。 図２に示した変位検出装置におけるスケールの構成の第二の例を示す図である。 原点検出処理の処理内容の第二の例をフローチャートで示した図である。 図２に示した変位検出装置におけるスケールの構成の第三の例を示す図である。 従来のエンコーダの第一の例を示す図である。 図９のエンコーダにおける周期パターンと基準位置パターンとの詳細を示す図である。 従来のエンコーダの第二の例を示す図である。

符号の説明

１ 顕微鏡本体
２ ＰＣ
３ Ｘ−Ｙステージ
４ 対物レンズ
５ Ｘ方向エンコーダ
６ Ｙ方向エンコーダ
７ 信号線
１０ エンコーダヘッド
１１ 光源
１２ 光検出器
１３ 発光部
１４ 受光部
１５ 受光アレイ
２０ スケール
２１ 周期パターン
２２、２２−１、２２−２、２２−３、２２−４、２２−５、
２２−６、２２−７、２２−８ 基準位置マーク
２３ 周期パターントラック
２４ 基準位置マークトラック
２５ 多基準位置ブロック
２６ 無基準位置ブロック

Claims (15)

1. スケールと、
   前記スケールに設けられている基準位置マークに基づいて基準位置を検出する、当該スケールに対して相対移動可能な基準位置検出部と、
   を有しており、
   前記スケールには、前記基準位置マークを複数含む基準位置トラックが設けられており、
   前記基準位置トラックには、前記複数の基準位置マークが前記スケールの移動方向に配列されている多基準位置ブロックと、当該基準位置マークを含まない無基準位置ブロックとが、前記スケールの移動方向に隣接して設けられている、
   ことを特徴とする変位検出装置。
2. 前記基準位置トラックにおける前記スケールの移動方向の両端に、前記基準位置マークがひとつずつ設けられていることを特徴とする請求項１に記載の変位検出装置。
3. 前記複数の基準位置マークが、前記スケールの移動方向における前記無基準位置ブロックの長さよりも狭い間隔で、前記多基準位置ブロックに配列されていることを特徴とする請求項１に記載の変位検出装置。
4. 前記複数の基準位置マークが、前記無基準位置ブロックの前記移動方向の長さ以下である所定距離よりも短い間隔で、前記多基準位置ブロックに配列されていることを特徴とする請求項３に記載の変位検出装置。
5. 前記複数の基準位置マークが、等間隔で前記多基準位置ブロックに配列されていることを特徴とする請求項３に記載の変位検出装置。
6. 前記複数の基準位置マークの間隔が、当該複数の基準位置マークのうちで前記多基準位置ブロックと前記無基準位置ブロックとの前記移動方向の境界に最も近いものからの距離に応じて異なっていることを特徴とする請求項３に記載の変位検出装置。
7. 前記複数の基準位置マークの間隔が、前記距離に対して単調変化していることを特徴とする請求項６に記載の変位検出装置。
8. 前記スケールには、一定の周期のパターンを含む周期パターントラックが更に設けられており、
   前記複数の基準位置マークの相互の距離を、前記パターントラックに基づいて検出する距離検出部を更に有している、
   ことを特徴とする請求項１から７のうちのいずれか一項に記載の変位検出装置。
9. スケールと、
   前記スケールに設けられている基準位置マークに基づいて基準位置を検出する、当該スケールに対して相対移動可能な基準位置検出部と、
   を具備しており、
   前記スケールは、
   第一の検出パターンが等間隔で全域にわたり配設されている第一のパターントラックと、
   前記第一のパターントラックと略平行に配設され、当該スケールの一端部を含む区間において前記第一の検出パターンとは異なる第二の検出パターンである基準位置マークが所定規則に従う間隔で複数個配設されている一方で、残りの区間には検出パターンが設けられていない第二のパターントラックと、
   を具備している、
   ことを特徴とする変位検出装置。
10. 前記所定規則に従う間隔は等間隔であることを特徴とする請求項９に記載の変位検出装置。
11. 前記所定規則に従う間隔は、単調変化の間隔であることを特徴とする請求項９に記載の変位検出装置。
12. 前記第二のパターントラックは、前記第二の検出パターンが配設されている前記スケールの端部とは別の端部にも、当該第二の検出パターンが配設されていることを特徴とする請求項９に記載の変位検出装置。
13. 請求項１から１２のうちのいずれか一項に記載の変位検出装置を備えていることを特徴とする顕微鏡装置。
14. 請求項１から１２のうちのいずれか一項に記載の変位検出装置を用いて行う基準点検出方法であって、
    前記複数の基準位置マークの配列間隔のうち最大のものと同一の距離またはそれ以上の距離だけ前記スケールを移動し、
    前記スケールの移動の間に前記基準位置検出部が前記基準位置マークを検出したか否かを判定し、
    前記判定において前記基準位置マークを検出しなかったと判定したときに、前記スケールの同一方向への移動を継続し、
    前記基準位置検出部が前記基準位置マークを最初に検出したときに、検出された基準位置マークの位置を基準点の検出結果とする、
    ことを特徴とする基準点検出方法。
15. 請求項１から１２のうちのいずれか一項に記載の変位検出装置を用いて行う基準点の検出をコンピュータに行わせるためのプログラムであって、
    前記複数の基準位置マークの配列間隔うち最大のものと同一の距離またはそれ以上の距離だけ前記スケールを移動させる処理と、
    前記スケールの移動の間に前記基準位置検出部が前記基準位置マークを検出したか否かを判定する処理と、
    前記判定において前記基準位置マークを検出しなかったと判定したときに、前記スケールの同一方向への移動を継続させる処理と、
    前記基準位置検出部が前記基準位置マークを最初に検出したときに、検出された基準位置マークの位置を基準点の検出結果として特定する処理と、
    をコンピュータに行わせるためのプログラム。

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