JP2011145150A - 光学式エンコーダの設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】センサヘッドの大型化とスケ−ルの傾きによって生じる変位計測誤差を抑えながら、つなぎ合わせスケールを用いて長範囲に渡って変位計測を行うことを目的としている。
【解決手段】光学式エンコーダのセンサ光学系１は、つなぎ合わせスケール２を用いて長範囲に渡る変位計測を行うため、単独の光源１０、マルチプローブ生成機構１１、及び複数の受光素子１３から成る受光素子ユニット１２を構成要素の一部とする。単独の光源１０から照射された光から、マルチプローブ生成機構１１により、互いの間隔が比較的短いマルチプローブが生成される。マルチプローブは、つなぎ合わせスケール２の上に照射する。それぞれのプローブからの出力が独立に検出できるように、受光素子ユニット１３は複数の受光素子１４から構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、精密変位センサである光学式エンコーダのスケールをつなぎ合わせ、計測面積を拡大する際に生じる問題を解決するための、光学式エンコーダの設計方法に関わるものである。

半導体製造装置や超精密工作機械において、数百ミリメートル以上の範囲に渡ってナノメートルオーダーのテーブル位置決め精度が実現されているが、このような長いストロークに渡る精密位置決めを実現するためのフィードバック用変位センサとしては、レーザ干渉測長器と光学式エンコーダが代表的である。近年は、空気外乱への耐性の観点から、光学式エンコーダが採用される傾向にある。

前記の長いストロークに渡る精密位置決めにおいて、次世代の半導体ウェハや液晶パネル等に対応するため、５００ｍｍ以上の範囲に渡ってナノメートルオーダーの位置決め精度が要求されつつある。

一方、光学式エンコーダの分解能は、主に計測基準として用いられるスケールの目盛のピッチによって決まる。また、光学式エンコーダの計測範囲はスケールの大きさに依存する。

市販の光学式エンコーダでは、サブマイクロメートルのピッチを持つスケールを用いることにより、サブナノメートルの高い分解能を実現している。このようなスケールの多くは、２光波干渉を用いたリソグラフィー技術によって製造されている。製造装置の制限により、サブマイクロメートルのピッチを持つ長さ５００ｍｍ以上のスケールは市販されておらず、要求されつつある計測範囲に対応できていないのが現状である（例えば、非特許文献１〜３参照）。

特開平６−１９４１８６号公報

ソニーマニュファクチュアリングシステムズ株式会社 レーザスケールカタログ ハイデンハイン株式会社 リニアエンコーダカタログ ミツトヨ株式会社 リニヤスケールカタログ T Jitsuno, S Motokoshi, T Okamoto, T Mikami, D Smith, M L Schattenburg, H Kitamura, H Matsuo, T Kawasaki, K Kondo, H Shiraga, Y Nakata, H Habara, K Tsubakimoto,R Kodama, K A Tanaka, N Miyanaga, and K Mima: Development of 91 cm size gratings and mirrors for LEFX laser system, Journal of Physics: Conference Series 112 (2008) 1-4. A. Teimel: Technology and applications of grating interferometers in high-precision measurement, Precision Engineering, 14-3(1992), pp. 147-154. Akihide Kimura, Wei Gao, Yoshikazu Arai, Zeng Lijiang: Design and construction of a two-degree-of-freedom linear encoder for nanometric measurement of stage position and straightness, Precision Engineering, 34 (2010), pp. 145−155.

２光波干渉を用いたリソグラフィー技術を用いて、９１０ｍｍ×４２０ｍｍに領域に渡って回折格子の加工に成功した例もある。この手法は、２光波の干渉エリアを格子面内方向に沿って走査させることで、広い面積に渡る回折格子製造に成功している（非特許文献４参照）。しかしながら、装置や環境管理が高コストであるという問題がある。

複数のスケールをつなぎ合わせれば（以下、つなぎ合わせスケール２と呼ぶ）、低コストでスケール面積を拡大できる。しかしながら、光学式エンコーダのセンサ部からの入射光が２枚のスケール間のギャップに照射した場合、スケール用回折格子からの回折光量が減少し、変位計測の基準となる干渉信号の振幅も減少する。その結果、２枚のスケール間のギャップ付近でのＳＮ比が悪化する。また、２枚のスケールの間をつなぎ合わせた時に生じ得る相対的なスケールの目盛のずれは、変位計測結果に誤差を生じさせる。

前記の問題を解決するためのセンサユニットが開発されている（特許文献１参照）。センサ部は、所定の間隔で変位方向に配置された２つのセンサヘッドで構成され、片方の読取り部がつなぎ目付近に来ると、もう一方の読み取り部から検出される変位情報を選択する。２箇所の読取り部からの変位検出結果を適切に選択してつなぎ合わせることで、つなぎ合わせスケールが持つ問題を排除した変位計測を実現している。しかしながら、１つのセンサヘッドの大きさの制限から、２つのセンサヘッドの間隔はある程度確保しなければならない。２つのセンサヘッドに大きな間隔が存在する状況で、スケールに傾きが生じると、２つのセンサヘッドからの変位検出結果に違いが生じ、最終的な変位計測結果に誤差を発生させる。また，複数のセンサヘッドが必要であるため、測定部の構造が煩雑になり易い。加えて、光学式エンコーダが有する計測誤差である内挿誤差は、スケールとセンサヘッド間の相対姿勢に大きく影響を受けるため、各センサヘッドの変位検出特性を揃えるためにセンサヘッド間の相対的な姿勢の調整にも手間が掛かる。

本発明は、互いに近接して配置した複数のプローブを用いて、それぞれのプローブから独立に変位情報を検出できる光学式エンコーダのセンサ光学系により、センサヘッドの大型化とスケ−ルの傾きによって生じる変位計測誤差を抑えながら、つなぎ合わせスケールを用いて長範囲に渡って変位計測を行うことを目的としている。

本発明は、つなぎ合わせスケールを用いて長範囲に渡る変位計測を行うための光学式エンコーダの設計方法に関するものである。本発明で提案する光学式エンコーダのセンサ光学系は、図１のように単独の光源、マルチプローブ生成機構、及び複数の受光素子から成る受光素子ユニットを構成要素の一部とする。単独の光源から照射された光から、マルチプローブ生成機構により、互いの間隔が比較的短いマルチプローブが生成される。マルチプローブは、つなぎ合わせスケールの上に照射する。それぞれのプローブからの出力が独立に検出できるように、受光素子ユニットは複数の受光素子から構成されている。複数のプローブからの変位検出結果を適切に選択してつなぎ合わせることで、つなぎ合わせスケールが持つ問題を排除した変位計測が可能になる。

本発明により、センサヘッドの大型化とスケ−ルの傾きによって生じる変位計測誤差を抑えながら、つなぎ合わせスケールを用いて変位を計測することが可能になるため、従来の技術に比べて、より実用的に、高精度に、且つ低コストに長範囲変位計測を実現できるという効果が得られる。

光学式エンコーダの設計方法の概念図である。 光源と開口を用いたマルチプローブ生成機構の図である。 光源、偏光ビームスプリッタと１／４波長板から成る光アイソレータで構成されたマルチプローブ生成機構の図である。 光源、透過型回折格子と２つのレンズで構成されたマルチプローブ生成機構の図である。 既存の光学系に本発明を適用した場合の構成例を示す図である。 既存の光学式エンコーダのセンサ光学系に本発明を適用した場合の構成例を示す図である。 既存の光学式エンコーダのセンサ光学系に本発明を適用した場合の構成例を示す図である。 本発明に基づいて試作した光学式エンコーダのセンサ光学系を示す図である。 本発明の有効性を確認するための実験装置を示す図である。 試作した光学式エンコーダのセンサ光学系において、位相差０度干渉信号検出用受光素子ユニットと位相差１８０度干渉信号検出用受光素子ユニットで検出される干渉信号を示す図である。 試作した光学式エンコーダのセンサ光学系おいて、位相差９０度干渉信号検出用受光素子ユニットと位相差２７０度干渉信号検出用受光素子ユニットで検出される干渉信号を示す図である。 リニアステージにより、つなぎ合わせスケールを変位させたとき２相信号を表す図である。

前記マルチプローブ生成機構１１として、図２のような光源１０と開口２０を用いることができる。光源からの光を、複数の開口に通過させることで、マルチプローブを生成することができる。マルチプローブのプローブ間隔は、開口の間隔によって決まる。またマルチプローブ生成機構は、図３のように、光源と、偏光ビームスプリッタ３１と１／４波長板３２から成る光アイソレータ３０と、レンズ３３、反射型回折格子３４で構成することもできる。複数の開口を用いる場合と比べると、光を遮断せずにマルチプローブを生成することができるため、より多くの光量を確保できる。図４のように、光源、透過型回折格子４０と２つのレンズを用いても、マルチプローブ生成機構を構築することができる。なお、図３及び図４のマルチプローブ生成機構においては、マルチプローブのプローブ間隔は回折格子のピッチとレンズの焦点距離によって決定される。

前記マルチプローブ生成機構によって生成されるマルチプローブは、つなぎ合わせスケールの上に照射する。受光素子ユニット１２では、それぞれのマルチプローブの出力を別々に検出できるよう受光素子１３が配置されている。

図５及び図６はそれぞれ、非特許文献１及び５で示される光学式エンコーダのセンサ部に、本発明を適用した場合の概略図を示す。２つの光学式エンコーダともに、スケールからの±1次回折光を干渉させ、その干渉信号出力からスケールの変位を逆算するタイプの光学式エンコーダである。このように、本発明は既存の光学式エンコーダのセンサ光学系にも容易に適用可能である。

上記方法の有効性を確認するための実験を行ったので、以下にその結果を示す。本実験では、非特許文献６に示される光学式エンコーダのセンサ部に本発明を適用した。

この光学式エンコーダは、スケール用の回折格子と同じ形状を持つ参照用回折格子７０がセンサヘッドに搭載されており、２枚の回折格子からの±１次回折光を干渉させ、その干渉信号を解析することで、スケール用の回折格子の格子面内変位と格子面外変位を同時に検出できる。本発明をこの光学式エンコーダに適用した場合の概略図を、図７に示す。マルチプローブは２枚の回折格子に入射し、それぞれのプローブから±１次回折光が発生する。２枚の格子から発生した±１次回折光は、ビームスプリッタにおいて重ね合わさり、干渉する。それぞれのプローブにより生じた干渉信号は、受光素子ユニットによって別々に検出されるため、それぞれのプローブからの変位情報を独立に読み取ることができる。

図８は試作したセンサヘッド８０を示す図である。また、図９は本発明の有効性を確認するための実験装置を示す図である。つなぎ合わせスケールをリニアステージ可動部９１上に搭載し、格子面内方向に沿った変位を与える。２枚の回折格子の間のギャップは２ｍｍである。試作したセンサヘッドは空間的に固定されており、つなぎ合わせスケールに与えられた格子面内方向に沿った変位を検出する。レーザ干渉計９２も、参照用変位センサとしてリニアステージ可動部の変位を計測している。方向弁別用の２相信号が得られるよう、図８のセンサ光学系は図７に比べて拡張されている。拡張した光学系の詳細は、非特許文献６を参照されたい。試作したセンサヘッドのサイズは１００ｍｍ×１００ｍｍ×６０ｍｍであり、用いた回折格子のピッチは約１．６７μｍである。このセンサヘッドでは、２つの開口を用いて２つのプローブ（プローブＡ・プローブＢ）が生成され、その間隔は３ｍｍである。受光素子ユニットには、市販の分割型多素子フォトダイオード８６が用いられており、それぞれのプローブの出力を別々に検出している。図１０及び図１１は、それぞれの受光素子で検出する干渉信号の対応図である。これらの干渉信号からそれぞれ、下のように２相信号を出力する。

ここで、ｇとλは回折格子のピッチとレーザ光源の波長である。試作したセンサヘッドにおいては、ｇ＝１．６７μｍ、λ＝６８５ｎｍである。Δｘは駆動軸に沿ったリニアステージの変位であり、Δｚはリニアステージの真直度誤差である。θは回折格子によって生じる１次回折光と、格子面の法線が成す角度である。

図１２は、つなぎ合わせスケールを変位させた時の２相信号の出力を表している。プローブＡが２枚の回折格子の間のギャップ上にある場合、スケール用回折格子からの回折光量の減少により、プローブＡからの２相信号の振幅レベルは減衰している。対して、プローブＢからの２相信号の振幅レベルには減衰は見られない。一方、プローブＢが２枚の回折格子の間のギャップ上にある場合、プローブＡからの２相信号の振幅レベルは一定なのに対して、プローブＢからの２相信号の振幅レベルは減衰していることが分かる。これは、回折格子の間のギャップ上に無いプローブ出力を選択すれば、スケール用回折格子からの回折光量の減少の影響を受けない変位計測ができることを意味している。選択したプローブからの変位情報をつなぎ合わせることで、つなぎ合わせたスケールの間のギャップや相対的な目盛のずれ等の、つなぎ合わせスケールが持つ問題を排除した変位計測が可能になる。

１…光学式エンコーダのセンサ光学系、２…つなぎ合わせスケール、１０…光源、１１…マルチプローブ生成機構、１２…受光素子ユニット、１３…受光素子、２０…開口、３０…光アイソレータ、３１…偏光ビームスプリッタ、３２…１／４波長板、３３…レンズ、３４…反射型回折格子、４０…透過型回折格子、５０…三角ミラー、５１…ビームスプリッタ、６０…プリズム、７０…参照用回折格子、８０…試作したセンサヘッド、８１…直角プリズム、８２…位相差０度干渉信号検出用受光素子ユニット、８３…位相差１８０度干渉信号検出用受光素子ユニット、８４…位相差９０度干渉信号検出用受光素子ユニット、８５…位相差２７０度干渉信号検出用受光素子ユニット、８６…分割型多素子フォトダイオード、９０…リニアステージ、９１…リニアステージ可動部、９２…レーザ干渉計、９３…レーザ干渉計用ターゲットミラー

Claims (3)

1. 光学式エンコーダの設計方法であり、該センサ光学系は、単独の光源、マルチプローブ生成機構、及び受光素子ユニットから構成され、それぞれのプローブからの出力を独立に検出し、複数のプローブからの変位検出結果を適切に選択してつなぎ合わせることで、つなぎ合わせたスケールの間のギャップや相対的な目盛のずれ等の、つなぎ合わせスケールが持つ問題を排除した変位計測を行うことを特徴とする光学式エンコーダの設計方法。
2. 前記マルチプローブは、複数の開口や、回折格子、レンズ及び光アイソレータの組み合わせで実現することを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダの設計方法。
3. 前記受光素子ユニットは、それぞれのプローブからの出力を別々に検出するために、複数の受光素子から構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光学式エンコーダの設計方法。

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