JP6312505B2 - 光学式エンコーダおよびこれを備えた装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学式エンコーダに関する。

光学式エンコーダには、例えば特許文献１にて開示されているように、スケールとセンサ（受光素子アレイ）との間に、複数のスリット（格子）を有するマスクを配置したものがある。このようなマスクを用いることで、スケールとセンサとの相対移動に応じて、受光素子アレイの配列周期よりはるかに高い信号周期の正弦波信号を取得することができる。そして、位相が異なる複数の正弦波信号を信号処理によって位置情報に変換することで、きわめて高い分解能の位置検出を行うことが可能である。

特開２０１１−１８５８０６号公報

しかしながら、このような光学式エンコーダでは、スケール、センサおよびマスクの取り付け位置のばらつき等の組み付け誤差に起因して、スケールとセンサとの間の距離が変動すると、受光素子アレイ上での空間像の周期が変動する。これにより、検出信号の振幅が減少したり複数の正弦波信号間の位相関係が変動したりして、位置検出の精度が低下するおそれがある。

本発明は、組み付け誤差の位置検出精度への影響が少ない高分解能な光学式エンコーダおよびこれを備えた装置を提供する。

本発明の一側面としての光学式エンコーダでは、光源からの光を反射または透過するスケールパターンが設けられたスケールとスケールパターンからの光を受光するセンサとが相対移動する。該エンコーダにおいて、センサは、該センサとスケールとの相対移動方向に配列された複数の受光素子を含む受光素子アレイを有し、該受光素子アレイには、互いに出力が足し合わされる２以上の受光素子により構成される受光素子群がピッチＰで複数設けられている。そして、スケールとセンサとの間に、受光素子アレイ上にピッチＰより小さい空間周期の光強度分布を形成する第１のパターンと受光素子アレイ上にピッチより大きい空間周期の光強度分布を形成する第２のパターンを含む中間パターンが設けられていることを特徴とする。

また、本発明の他の一側面としての装置は、動作可能な可動部と、上記光学式エンコーダを用いて可動部の動作を制御する制御部とを有することを特徴とする。

本発明によれば、組み付け誤差の位置検出精度への影響が少なく、高分解能な位置検出が可能な光学式エンコーダを実現することができる。そして、この光学式エンコーダを用いれば、装置における可動部の動作を高精度に制御することができる。

本発明の実施例１である光学式エンコーダの構成を示す図。 実施例１のエンコーダの変形例を示す図。 実施例１のエンコーダのセンサユニットに設けられた受光素子アレイにおける受光素子の配列を示す図。 実施例１のエンコーダにおける光路を示す展開図。 実施例１のセンサユニットの構成を示す平面図。 実施例１のエンコーダにおけるＬ_０およびＬ_１とＰ_{３ｍａｘ２}，Ｐ_３ａおよびＰ_３ｂとの関係を示すグラフ図。 実施例１のエンコーダにおける（ａ）像倍率Ｍに対するＡ（＋）相の信号振幅の変化を示すグラフ図および（ｂ）像倍率Ｍに対する信号位相の変化を示すグラフ図。 本発明の実施例２である光学式エンコーダのセンサユニットの構成を示す平面図。 実施例２のエンコーダにおけるＬ_０およびＬ_１とＰ_{３ｍａｘ２}，Ｐ_３ａ 、Ｐ_３ｂ およびＰ _３ｃ との関係を示すグラフ図。 実施例２のエンコーダにおける（ａ）像倍率Ｍに対するＡ（＋）相の信号振幅の変化を示すグラフ図および（ｂ）像倍率Ｍに対する信号位相の変化を示すグラフ図。 本発明の実施例３である光学式エンコーダのセンサユニットの構成を示す平面図。 本発明の実施例４である光学式エンコーダでのＬ_０およびＬ_１とＰ_{３ｍａｘ２}，Ｐ_３ａおよびＰ_３ｂとの関係を示すグラフ図。 実施例４のエンコーダにおける（ａ）像倍率Ｍに対するＡ（＋）相の信号振幅の変化を示すグラフ図および（ｂ）像倍率Ｍに対する信号位相の変化を示すグラフ図。 本発明の実施例５である露光装置の構成を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例１である光学式エンコーダ（以下、単にエンコーダという）の構成を示している。エンコーダは、不図示の装置の固定部に取り付けられるセンサユニット１０と、該装置の可動部に取り付けられ、センサユニット１０に対して可動部とともに移動可能なスケール２０とを有するリニアエンコーダである。なお、装置の固定部にスケール２０を取り付け、可動部にセンサユニット１０を取り付けてもよい。すなわち、センサユニット１０とスケール２０とが相対移動可能であればよい。以下の説明において、センサユニット１０に対するスケール２０の移動方向（図１中のＸ方向）、すなわちスケール２０とセンサユニット１０との相対移動方向を位置検出方向という。

センサユニット１０は、ＬＥＤにより構成された発光素子１１と受光素子アレイ１２を有する受光ＩＣ１３とが同一パッケージ内に実装された受発光一体型のセンサユニットである。受光素子アレイ１２は、スケール２０に設けられたスケールパターンで反射した光の強度分布を検出するための複数の受光素子が位置検出方向（Ｘ方向）に配列されて構成されている（図３参照）。

発光素子１１からスケール２０に向かう光路中には、位置検出方向に交互に配列された透過部と遮光部とにより透過型回折格子として形成された第１の格子としての光源格子（光源パターン）１４が設けられている（図５参照）。後に詳しく説明するが、本実施例では、発光素子１１と光源格子１４とによって光源が構成される。

一方、スケール２０には、位置検出方向に交互に配列された反射部と非反射部とにより反射型回折格子として形成された第２の格子としてのスケール格子（スケールパターン）２１が設けられている。なお、スケール格子２１は、周期的に光路長が異なるように段差が設けられた位相格子であってもよい。例えば、位相格子に発光素子１１からの光の波長の１／４の段差を設けるとともに一様に反射膜を設けることで、受光素子アレイ１２からの信号出力に寄与する±１次回折光の回折効率を増加させることができる。

また、スケール２０から受光素子アレイ１２に向かう光路中（スケール２０と受光素子アレイ１２との間）には、第３の格子としてのインデックス格子（中間パターン）１５が設けられている。インデックス格子１５は、位置検出方向に交互に配列された透過部と遮光部とにより透過型回折格子として形成されている。光源格子１４とインデックス格子１５はそれぞれ、カバーガラス１６の一方の面上に透過部となるクロム膜を形成することで設けられる。光源格子１４とインデックス格子１５が設けられたカバーガラス１６は、発光素子１１および受光ＩＣ１３が封止された透光性樹脂１７に対して貼り合わされて、これら発光素子１１および受光ＩＣ１３と光学的に一体化される。

なお、図２（ａ）に示すように、センサユニット１０における発光素子１１と受光ＩＣ１３との間に遮光部材１８を設けてもよい。遮光部材１８により、スケール格子２１を介さずにセンサユニット１０の内部で反射した光（例えばセンサユニット１０と空気との界面となるカバーガラス１６のスケール側の面で内面反射した光）が受光素子アレイ１２に入射するのを抑制することができる。これにより、受光素子アレイ１２からの出力信号のコントラストを向上させることができる。また、図２（ｂ）に示すように、カバーガラス１６のスケール側の外面に反射防止膜１９を設けてもよい。これにより、スケール格子２１からの反射光の一部がカバーガラス１６の外面によって反射されて受光素子アレイ１２に到達せず、受光素子アレイ１２からの出力信号の精度が低下することを防止することができる。

図３には、本実施例における受光素子アレイ１２を構成する複数の受光素子の配列を示している。本実施例では、受光素子アレイ１２は、３２個の受光素子が位置検出方向に一列に並べられて構成されている。位置検出方向において互いに隣り合う２つの受光素子の中心間距離（隣接素子ピッチ）Ｘ_ｐｄは６４μｍである。また、各受光素子の位置検出方向に直交する方向（Ｙ方向）でのサイズ（幅）Ｙ_ｐｄは４５０μｍである。

３２個の受光素子は、Ａ（＋）相、Ｂ（＋）相、Ａ（−）相およびＢ（−）相に、この順で、かつ循環的に割り当てられており、これら４つの相における各相に割り当てられた８個（２以上）の受光素子が１つの受光素子群を構成する。つまり、本実施例では、それぞれ８個の受光素子により構成される受光素子群が４つ設けられている。各受光素子群を構成する８つの受光素子は互いに電気的に接続されており、これらの出力（電流）は互いに足し合わされて後段に相ごとに設けられた不図示のＩＶ変換アンプに入力される。４つおきに配置された同じ受光素子群を構成する８つの受光素子のうち位置検出方向において最も近い２つの受光素子の中心間距離（群内素子ピッチＰ）Ｐ_ｐｄは２５６（＝６４×４）μｍである。

各相のＩＶアンプの出力は、スケール２０の移動に応じてその値が正弦波状に変化する電圧信号（正弦波信号）となる。４つの相に対して設けられた４つのＩＶアンプの出力はそれぞれ、信号位相の０度、９０度、１８０度および２７０度に対応しており、演算処理によって位置情報に変換される。

図４には、本実施例のエンコーダの光路を展開して、すなわち反射を透過のように展開して示している。発光素子１１とともに光源を構成する光源格子１４（後述する２次点光源）からスケール格子２１までの距離Ｌ_０は、１ｍｍ±０．３ｍｍの範囲に設定される。スケール格子２１からインデックス格子１５までの距離Ｌ_１は、Ｌ_０と等しく（または等しいとみなせる範囲内に）設定される。本実施例では、Ｌ_０＝Ｌ_１＝１ｍｍとする。インデックス格子１５から受光素子アレイ１２までの実効光路長としての距離Ｌ_２は、０．２ｍｍである。実効光路長とは、物理長を屈折率で除した値である。

図５には、センサユニット１０の構成をスケール側から見て示している。光源格子１４の格子ピッチＰ_１は４μｍであり、スケール格子２１の格子ピッチＰ_２も４μｍである。インデックス格子１５は、位置検出方向（Ｘ方向）に延びる直線を境界線Ｄとして、位置検出方向に直交する方向（Ｙ方向）に２つの領域に分かれている。該２つの領域のうち光源格子１４（発光素子１１）に近い領域を領域Ａとし、光源格子１４から遠い領域を領域Ｂとする。境界線Ｄは、Ｌ_０＝Ｌ_１＝１ｍｍにおいて、発光素子１１から出射して受光素子アレイ１２に入射する光束の主光線（中心光線）とインデックス格子１５上で交わるように設定されている。

インデックス格子１５における領域Ａには、位置検出方向において第１の格子ピッチを有する第１のインデックス格子（第１のパターン）が設けられている。第１の格子ピッチＰ_３ａは、４．０７４４０６μｍである。また、領域Ｂには、位置検出方向において第２の格子ピッチを有する第２のインデックス格子（第２のパターン）が設けられている。第２の格子ピッチＰ_３ｂは、４．０６５５０９μｍである。

発光素子１１としてのＬＥＤから出射した発散光束は、光源格子１４を通過することによって互いにインコヒーレントな複数の２次点光源を含む光源アレイを形成する。光源格子１４から出射した発散光束は、スケール格子２１に入射する。なお、本実施例では、ＬＥＤと光源格子１４との組み合わせによって２次点光源を形成するが、これに代えて、電流狭窄型ＬＥＤや半導体レーザ等を実効的な点光源として配置してもよい。また、本実施例では、光源格子１４上の点光源からの発散光束をそのままスケール格子２１に入射させるが、これに代えて、レンズを用いて実効的な点光源の位置を変換してスケール格子２１に入射させてもよい。この場合、Ｌ_０は実効的な点光源とスケール格子２１との間の距離に置き換えられる。

スケール格子２１によって回折および反射された＋１次回折光と−１次回折光は、インデックス格子１５上で互いに干渉し、これにより４μｍ周期の光強度分布を有する干渉縞が形成される。一方、インデックス格子１５における第１および第２の格子ピッチＰ_３ａ，Ｐ_３ｂはそれぞれ４μｍからわずかにずれている（大きい）ため、もとの干渉縞に対して粗い空間周期Ｐｍが重畳された光強度分布（干渉縞）がインデックス格子１５を透過する。

インデックス格子１５の格子ピッチ（Ｐ_３ａ，Ｐ_３ｂ）をＰ_３とするとき、空間周期Ｐｍは以下の式で表すことができる。ただし、ＡＢＳ（ｘ）はｘの絶対値を表す関数である。
Ｐ_ｍ＝ＡＢＳ（Ｐ_２・Ｐ_３／（Ｐ_２−Ｐ_３））
インデックス格子１５を透過した空間周期Ｐｍの光強度分布は、さらに伝搬して、像倍率Ｍで受光素子アレイ１２上に投影される。すなわち、受光素子アレイ１２上には、空間周期Ｍ・Ｐ_ｍの光強度分布が形成される。このときの像倍率Ｍは、
Ｍ＝（Ｌ_０+Ｌ_１+Ｌ_２）／（Ｌ_０+Ｌ_１）
で表される。
本実施例では、
Ｍ＝（１+１+０．２）／（１+１）
＝１．１
である。このため、受光素子アレイ１２上には、第１のインデックス格子（領域Ａ）によって、
Ｍ・Ｐ_ｍ＝１．１×ＡＢＳ（４×4.074406／（４−4.074406））
＝２４０．９４３２μｍ
の空間周期を有する光強度分布が形成される。また、第２のインデックス格子（領域Ｂ）によって、
Ｍ・Ｐ_ｍ＝１．１×ＡＢＳ（４×4.065509／（４−4.065509））
＝２７３．０６５３μｍ
の空間周期を有する光強度分布が形成される。

このようにして、受光素子アレイ１２上には、同じ受光素子群を構成する受光素子間のピッチである群内素子ピッチＰ_ｐｄ（＝２５６μｍ）より小さい空間周期の光強度分布と、群内素子ピッチＰ_ｐｄより大きい空間周期の光強度分布とが形成される。つまり、インデックス格子１５は、受光素子アレイ１２上に群内素子ピッチＰ_ｐｄより小さい空間周期の光強度分布を形成する第１のインデックス格子（領域Ａ）と群内素子ピッチＰ_ｐｄより大きい空間周期の光強度分布を形成する第２のインデックス格子（領域Ｂ）とを含む。

受光素子アレイ１２上に投影（形成）される光強度分布の空間周波数に対する受光素子アレイ１２（ＩＶアンプ）からの正弦波出力の応答特性は、１／Ｐ_ｐｄをピークとする特性を示す。

すなわち、
Ｍ・Ｐ_ｍ＝Ｐ_ｐｄ
となる場合に、正弦波出力の信号振幅が最大になる。

そして、正弦波出力の信号振幅が最大になるときのインデックス格子１５の格子ピッチＰ_３をＰ_３ｍａｘとすると、

となる。この式の２つの解をＰ_{３ｍａｘ１}，Ｐ_{３ｍａｘ２}とすると、

と表せる。例えば、Ｌ_０＝Ｌ_１＝１ｍｍの場合は、
Ｐ_{３ｍａｘ１}＝３．９３２４１２μｍ
Ｐ_{３ｍａｘ２}＝４．０６９９５２μｍ
となる。

図６には、本実施例におけるＬ_０およびＬ_１と、Ｐ_{３ｍａｘ２}，Ｐ_３ａおよびＰ_３ｂとの関係を示す。この図から、Ｌ_０＝Ｌ_１＝１ｍｍ±０．３ｍｍの範囲内において、Ｐ_３ａとＰ_３ｂが、

なる関係（条件）を満足していることが分かる。

図７（ａ）には本実施例における像倍率Ｍに対するＡ（＋）相の信号振幅の変化を示し、図７（ｂ）には像倍率Ｍに対するＡ（＋）相の信号位相の変化を示す。インデックス格子１５の第１のインデックス格子（領域Ａ）により形成される光強度分布に対応して受光素子アレイ１２にて生成される信号を領域Ａ信号といい、図には単に領域Ａと示す。また、第２のインデックス格子（領域Ｂ）により形成される光強度分布に対応して受光素子アレイ１２にて生成される信号を領域Ｂ信号といい、図には単に領域Ｂと示す。

図７（ａ）に示すように、領域Ａ信号と領域Ｂ信号の振幅はそれぞれ、像倍率Ｍの変動に対して、上記式（１）の関係を満足することにより異なる点をピークに持つ。その結果、領域Ａ信号と領域Ｂ信号とが足し合わされて生成される受光素子アレイ１２からの各相の出力信号の振幅変動が抑えられる。

また、図７（ｂ）に示すように、領域Ａ信号と領域Ｂ信号の位相はそれぞれ像倍率Ｍの変動に伴って変化する。しかし、上記式（１）の関係を満足することによってその位相変動がキャンセルされるように領域Ａ信号と領域Ｂ信号間で重み付けが変化し、領域Ａ信号と領域Ｂ信号とが足し合わされて生成される受光素子アレイ１２からの各相の出力信号の位相変動が抑えられる。他のＢ（＋）相、Ａ（−）相およびＢ（−）相についても同様である。

ここで、Ｐ_３ａとＰ_３ｂが、

なる関係（条件）を満足しても同様の効果が得られる。すなわち、第１のインデックス格子の格子ピッチ（第１の格子ピッチ）Ｐ_３ａと第２のインデックス格子の格子ピッチ（第２の格子ピッチ）Ｐ_３ｂが、式（１）または式（２）により示した関係を満足すればよい。

さらに、受光素子アレイ１２が含む複数の受光素子の数をＭ個とし、各受光素子群を構成する受光素子の数をＮ個とし、受光素子群の群数ＧをＧ＝Ｍ／Ｎとする（本実施例では、Ｇ＝３２／８＝４）。このとき、第１のインデックス格子の格子ピッチＰ_３ａと第２のインデックス格子の格子ピッチＰ_３ｂが、以下の式（３）または式（４）により示す関係を満足することが望ましい。

式（３）または式（４）の関係を満足することにより、像倍率Ｍの変動に対する領域Ａ信号と領域Ｂ信号のそれぞれの振幅変動が、一方が単調増加、他方が単調減少となる。このため、領域Ａ信号と領域Ｂ信号とが足し合わされて生成される受光素子アレイ１２からの各相の出力信号の振幅変動が抑制される効果がより高く得られる。

以上説明したように、本実施例によれば、センサユニット１０およびスケール２０の組み付け誤差の位置検出精度への影響が少ない高分解能なエンコーダを実現することができる。

図８には、本発明の実施例２であるエンコーダにおけるセンサユニット１０Ａの構成をスケール側から見て示している。本実施例において、実施例１と共通する構成要素には、実施例１と同符号を付して説明に代える。

本実施例のセンサユニット１０Ａに用いられるインデックス格子１５Ａでは、位置検出方向（Ｘ方向）に延びる２つの直線を境界線Ｄ１，Ｄ２として、位置検出方向に直交する方向（Ｙ方向）に３つの領域に分かれている。該３つ領域のうち光源格子１４（発光素子１１）に最も近い領域を領域Ａとし、光源格子１４から最も遠い領域を領域Ｃとし、領域Ａ，Ｃの間の領域を領域Ｂとする。境界線Ｄ１は、Ｌ_０＝Ｌ_１＝１ｍｍにおいて、発光素子１１から出射して受光素子アレイ１２に入射する光束のうち、主光線（中心光線）と発光素子１１に近い側のアレイ端に入射する光線との中間の光線がインデックス格子１５Ａ上で交わるように設定されている。また、境界線Ｄ２は、Ｌ_０＝Ｌ_１＝１ｍｍにおいて、発光素子１１から出射して受光素子アレイ１２に入射する光束のうち、主光線（中心光線）と発光素子１１から遠い側のアレイ端に入射する光線との中間の光線がインデックス格子１５Ａ上で交わるように設定されている。

領域Ａには、位置検出方向において格子ピッチＰ_３ａを有するインデックス格子が設けられている。格子ピッチＰ_３ａは、４．０７８８６９μｍである。また、領域Ｂには、位置検出方向において格子ピッチＰ_３ｂを有するインデックス格子が設けられている。格子ピッチＰ_３ｂは、４．０６９９５２μｍである。さらに、領域Ｃには、位置検出方向において格子ピッチＰ_３ｃを有するインデックス格子が設けられている。格子ピッチＰ_３ｃは、４．０６１０７５μｍである。

図９には、本実施例におけるＬ_０およびＬ_１と、Ｐ_{３ｍａｘ２}，Ｐ_３ａ，Ｐ_３ｂおよびＰ_３ｃとの関係を示す。本実施例では、Ｌ_０とＬ_１が１ｍｍより小さいか大きいかに応じて、上記３つの領域Ａ，Ｂ，Ｃのうち２つの領域のインデックス格子が実施例１にて説明した第１および第２のインデックス格子に相当する。

具体的には、Ｌ_０＝Ｌ_１＜１ｍｍの場合は、領域Ａのインデックス格子（格子ピッチＰ_３ａ）および領域Ｂのインデックス格子（格子ピッチＰ_３ｂ）がそれぞれ、第１のインデックス格子と第２のインデックス格子に相当する。また、Ｌ_０＝Ｌ_１＞１ｍｍの場合は、領域Ｂのインデックス格子（格子ピッチＰ_３ｂ）および領域Ｃのインデックス格子（格子ピッチＰ_３ｃ）がそれぞれ、第１のインデックス格子と第２のインデックス格子に相当する。

図１０（ａ）には本実施例における像倍率Ｍに対するＡ（＋）相の信号振幅の変化を示し、図１０（ｂ）には像倍率Ｍに対するＡ（＋）相の信号位相の変化を示す。インデックス格子１５Ａにおける領域Ａのインデックス格子により形成される光強度分布に対応して受光素子アレイ１２にて生成される信号を領域Ａ信号といい、図には単に領域Ａと示す。また、領域Ｂのインデックス格子により形成される光強度分布に対応して受光素子アレイ１２にて生成される信号を領域Ｂ信号といい、図には単に領域Ｂと示す。さらに、領域Ｃのインデックス格子により形成される光強度分布に対応して受光素子アレイ１２にて生成される信号を領域Ｃ信号といい、図には単に領域Ｃと示す。

図１０（ａ）に示すように、領域Ａ信号、領域Ｂ信号および領域Ｃ信号の振幅はそれぞれ、像倍率Ｍの変動に対して、実施例１にて式（１）または式（２）で示した関係を満足することにより異なる点をピークに持つ。その結果、領域Ａ信号、領域Ｂ信号および領域Ｃ信号が足し合わされて生成される受光素子アレイ１２からの各相の出力信号の振幅変動が抑えられる。

また、図１０（ｂ）に示すように、領域Ａ信号、領域Ｂ信号および領域Ｃ信号の位相はそれぞれ像倍率Ｍの変動に伴って変化する。しかし、式（１）または式（２）で示した関係を満足することによってその位相変動がキャンセルされるように領域Ａ信号、領域Ｂ信号および領域Ｃ信号間で重み付けが変化する。このため、領域Ａ信号、領域Ｂ信号および領域Ｃ信号が足し合わされて生成される受光素子アレイ１２からの各相の出力信号の位相変動が抑えられる。他のＢ（＋）相、Ａ（−）相およびＢ（−）相についても同様である。

このように、インデックス格子１５Ａに互いに格子ピッチが異なる３つのインデックス格子（領域Ａ，Ｂ，Ｃ）を設けてこれらを組み合わせることで、実施例１に比べてより広い像倍率Ｍの変動に対して安定的な特性を得ることができる。

なお、本実施例では互いに格子ピッチが異なる３つのインデックス格子（３つの領域）を設けた場合について説明したが、４つ以上のインデックス格子を設けた場合でも、本実施例と同様に広い像倍率Ｍの変動に対して安定的な特性を得ることができる。

図１１には、本発明の実施例３であるエンコーダにおけるセンサユニット１０Ｂの構成をスケール側から見て示している。本実施例において、実施例１と共通する構成要素には、実施例１と同符号を付して説明に代える。

本実施例のセンサユニット１０Ｂに用いられるインデックス格子１５Ｂでは、位置検出方向（Ｘ方向）における格子ピッチが、位置検出方向に直交する方向（Ｙ方向）に連続して変化している。Ｌ_０＝Ｌ_１＝１ｍｍにおいて、発光素子１１から出射して受光素子アレイ１２に入射する光束の主光線（中心光線）とインデックス格子１５Ｂ上で交わる位置をＹ＝０とし、発光素子１１に近づく方向を正（Ｙ＞０）とする。
インデックス格子１５Ｂの位置検出方向での格子ピッチＰ３（Ｙ）は、次式で表される関数に従う。
Ｐ３（Ｙ）＝０．０４３４９６４・Ｙ＋４．０６９９５２（μｍ）
本実施例のインデックス格子１５Ｂにおいて、

となるＹ０を通り、位置検出方向に延びる直線を境界線Ｄとする。例えば、Ｌ_０＝Ｌ_１＝１ｍｍの場合は、Ｐ３（０）＝Ｐ_３ｍａｘとなるので、境界線Ｄの位置はＹ＝０となる。Ｌ_０およびＬ_１の値が変化すると、境界線Ｄの位置Ｄａがシフトする。このとき、Ｙ＞Ｄａの領域Ａ内のインデックス格子が第１のインデックス格子に相当し、Ｙ＜Ｄａの領域Ｂ内のインデックス格子が第２のインデックス格子に相当する。本実施例でも、実施例１と同様の効果を得ることができる。

次に、本発明の実施例４であるエンコーダについて説明する。本実施例では、受光素子アレイ上に干渉縞としてスケール格子の２倍周期像が形成される。本実施例におけるセンサユニットをスケール側から見た構成は、図６に示した実施例１におけるセンサユニット１０と同じであり、実施例１と共通する構成要素には実施例１と同符号を付す。インデックス格子については、格子ピッチが実施例１とは異なるが、実施例１と同じ符号１５を付して説明する。

光源格子１４の格子ピッチＰ_１は１６μｍであり、スケール格子２１の格子ピッチＰ_２は８μｍである。

本実施例でも、インデックス格子１５は、位置検出方向（Ｘ方向）に延びる直線を境界線Ｂとして、位置検出方向に直交する方向（Ｙ方向）に２つの領域に分かれている。該２つの領域のうち光源格子１４（発光素子１１）に近い領域を領域Ａとし、光源格子１４から遠い領域を領域Ｂとする。

インデックス格子１５における領域Ａには、位置検出方向において第１の格子ピッチを有する第１のインデックス格子が設けられている。第１の格子ピッチＰ_３ａは、１７．２６０８５１μｍである。また、領域Ｂには、位置検出方向において第２の格子ピッチを有する第２のインデックス格子が設けられている。第２の格子ピッチＰ_３ｂは、１７．１０２２９６μｍである。

発光素子１１から出射して光源格子１４を通過し、スケール格子２１によって回折および反射された＋１次回折光および−１次回折光と０次回折光は、インデックス格子１５上で互いに干渉し、これにより１６μｍ周期の光強度分布を有する干渉縞が形成される。一方、インデックス格子１５における第１および第２の格子ピッチＰ_３ａ，Ｐ_３ｂはそれぞれ１６μｍからわずかにずれている（大きい）ため、もとの干渉縞に対して粗い空間周期Ｐｍが重畳された光強度分布（干渉縞）がインデックス格子１５を透過する。

インデックス格子１５の格子ピッチ（Ｐ_３ａ，Ｐ_３ｂ）をＰ_３とするとき、空間周期Ｐｍは以下の式で表すことができる。ただし、ＡＢＳ（ｘ）はｘの絶対値を表す関数である。
Ｐｍ＝ＡＢＳ（２・Ｐ_２・Ｐ_３／（２・Ｐ_２−Ｐ_３））
インデックス格子１５を透過した空間周期Ｐｍの光強度分布は、さらに伝搬して、像倍率Ｍで受光素子アレイ１２上に投影される。すなわち、受光素子アレイ１２上には、空間周期Ｍ・Ｐ_ｍの光強度分布が形成される。このときの像倍率Ｍは、実施例１でも示したように、
Ｍ＝（Ｌ_０+Ｌ_１+Ｌ_２）／（Ｌ_０+Ｌ_１）
で表される。

実施例１と同様に、Ｌ_０＝Ｌ_１＝１ｍｍ、Ｌ_２＝０．２ｍｍとすると、
Ｍ＝（１+１+０．２）／（１+１）
＝１．１
である。このため、受光素子アレイ１２上には、第１のインデックス格子（領域Ａ）によって、
Ｍ・Ｐ_ｍ＝１．１×ＡＢＳ（２×８×17.260851／（２×８−17.260851））
＝２４０．９４１２μｍ
の空間周期を有する光強度分布が形成される。また、第２のインデックス格子（領域Ｂ）によって、
Ｍ・Ｐ_ｍ＝１．１×ＡＢＳ（２×８×17.102296／（２×８−17.102296））
＝２７３．０６６７μｍ
の空間周期を有する光強度分布が形成される。

このようにして、受光素子アレイ１２上には、同じ受光素子群を構成する受光素子間のピッチである群内素子ピッチＰ_ｐｄ（＝２５６μｍ）より小さい空間周期の光強度分布と、群内素子ピッチＰ_ｐｄより大きい空間周期の光強度分布とが形成される。つまり、インデックス格子１５は、受光素子アレイ１２上に群内素子ピッチＰ_ｐｄより小さい空間周期の光強度分布を形成する第１のインデックス格子（領域Ａ）と群内素子ピッチＰ_ｐｄより大きい空間周期の光強度分布を形成する第２のインデックス格子（領域Ｂ）とを含む。

受光素子アレイ１２上に投影（形成）される光強度分布の空間周波数に対する受光素子アレイ１２（ＩＶアンプ）からの正弦波出力の応答特性は、１／Ｐ_ｐｄをピークとする特性を示す。

すなわち、
Ｍ・Ｐ_ｍ＝Ｐ_ｐｄ
となる場合に、正弦波出力の信号振幅が最大になる。
そして、正弦波出力の信号振幅が最大になるときのインデックス格子１５の格子ピッチＰ_３をＰ_３ｍａｘとすると、

となる。この式の２つの解をＰ_{３ｍａｘ１}，Ｐ_{３ｍａｘ２}とすると、

と表せる。

図１２には、本実施例におけるＬ_０およびＬ_１と、Ｐ_{３ｍａｘ２}，Ｐ_３ａおよびＰ_３ｂとの関係を示す。この図から、Ｌ_０＝Ｌ_１＝１ｍｍ±０．３ｍｍの範囲内において、Ｐ_３ａとＰ_３ｂが、

なる関係（条件）を満足していることが分かる。
が満たされていることが分かる。

図１３（ａ）には本実施例における像倍率Ｍに対するＡ（＋）相の信号振幅の変化を示し、図１３（ｂ）には像倍率Ｍに対するＡ（＋）相の信号位相の変化を示す。インデックス格子１５の第１のインデックス格子（領域Ａ）により形成される光強度分布に対応して受光素子アレイ１２にて生成される信号を領域Ａ信号といい、図には単に領域Ａと示す。また、第２のインデックス格子（領域Ｂ）により形成される光強度分布に対応して受光素子アレイ１２にて生成される信号を領域Ｂ信号といい、図には単に領域Ｂと示す。

図１３（ａ）に示すように、領域Ａ信号と領域Ｂ信号の振幅はそれぞれ、像倍率Ｍの変動に対して、上記式（５）の関係を満足することにより異なる点をピークに持つ。その結果、領域Ａ信号と領域Ｂ信号とが足し合わされて生成される受光素子アレイ１２からの各相の出力信号の振幅変動が抑えられる。

また、図１３（ｂ）に示すように、領域Ａ信号と領域Ｂ信号の位相はそれぞれ像倍率Ｍの変動に伴って変化する。しかし、上記式（５）の関係を満足することによってその位相変動がキャンセルされるように領域Ａ信号と領域Ｂ信号間で重み付けが変化し、領域Ａ信号と領域Ｂ信号とが足し合わされて生成される受光素子アレイ１２からの各相の出力信号の位相変動が抑えられる。他のＢ（＋）相、Ａ（−）相およびＢ（−）相についても同様である。

なお、Ｐ_３ａとＰ_３ｂが、

なる関係（条件）を満足しても同様の効果が得られる。すなわち、第１のインデックス格子の格子ピッチ（第１の格子ピッチ）Ｐ_３ａと第２のインデックス格子の格子ピッチ（第２の格子ピッチ）Ｐ_３ｂが、式（５）または式（６）により示した関係を満足すればよい。

さらに、受光素子アレイ１２が含む複数の受光素子の数をＭ個とし、各受光素子群を構成する受光素子の数をＮ個とし、受光素子群の群数ＧをＧ＝Ｍ／Ｎとする（本実施例でも実施例１と同様に、Ｇ＝３２／８＝４）。このとき、第１のインデックス格子の格子ピッチＰ_３ａと第２のインデックス格子の格子ピッチＰ_３ｂが、以下の式（７）または式（８）により示す関係を満足することが望ましい。

式（７）または式（８）の関係を満足することにより、像倍率Ｍの変動に対する領域Ａ信号と領域Ｂ信号のそれぞれの振幅変動が、一方が単調増加、他方が単調減少となる。このため、領域Ａ信号と領域Ｂ信号とが足し合わされて生成される受光素子アレイ１２からの各相の出力信号の振幅変動が抑制される効果がより高く得られる。

以上説明したように、本実施例によれば、センサユニット１０およびスケール２０の組み付け誤差の位置検出精度への影響が少ない高分解能なエンコーダを実現することができる。

なお、本実施例のエンコーダにおけるインデックス格子１５を、実施例３にて説明したように格子ピッチが連続して変化するように構成してもよい。

また、上記各実施例では、スケールに格子ピッチが同じ１種類のスケール格子が設けられている場合について説明した。しかし、各実施例と同様の構成を、格子ピッチが異なる複数種類のスケール格子が設けられ、バーニア演算等を用いて位置を検出するエンコーダにも適用することができる。

また、上記各実施例では、光源からの光をスケール（スケール格子）にて反射して受光素子アレイで受光する反射型のエンコーダについて説明した。しかし、各実施例と同様の構成を、光源からの光をスケールを透過させて受光素子アレイで受光する透過型のエンコーダに適用することもできる。

さらに、上記各実施例ではリニアエンコーダについて説明したが、ロータリエンコーダにおいても各実施例と同様に構成することで、各実施例と同様の効果が得られる。

図１４には、上述した実施例１で説明したエンコーダを搭載した装置の一例として、半導体ウエハに電子回路を露光する露光装置を示している。この露光装置では、エンコーダを、ウエハが搭載されて２次元方向に駆動されるステージの位置を検出するために用いている。

図１４において、５０は動作可能な可動部としてのステージであり、このステージ５０上にはウエハ５３が搭載されている。５１はウエハ５３に対して不図示のマスクの光学像である電子回路像を投影（露光）する投影光学系である。ステージ５０は、駆動機構５５によって、投影光学系５１に対してＸ方向およびＹ方向に駆動される。これにより、ウエハ５３上における電子回路像の投影位置が制御される。

２０は実施例１のエンコーダのスケールであり、１０はセンサユニットである。スケール２０はステージ５０に取り付けられ、センサユニット１０は露光装置の固定部である筐体５４に取り付けられている。なお、エンコーダとして、実施例２〜４にて説明したものを用いてもよい。

５６はセンサユニット１０における受光素子アレイ（図１中の１２）からの出力を用いてステージ５０の位置を演算し、駆動機構５５を制御する制御部である。

このように、露光装置のステージ５０の位置を実施例１（または実施例２〜４）のエンコーダを用いて高分解能に、かつ安定的に検出することで、ステージ５０の移動（動作）を高精度に制御することができる。

なお、実施例１〜４にて説明したエンコーダは、上述した露光装置に限らず、ロボットアームや搬送装置等、様々な装置における可動部の位置検出に用いることができる。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

高分解能な位置検出が可能な光学式エンコーダを提供することができる。

１０ センサユニット
１１ 発光素子
１２ 受光素子アレイ
１４ 光源格子
１５ インデックス格子
２０ スケール
２１ スケール格子

Claims (7)

1. 光源からの光を反射または透過するスケールパターンが設けられたスケールと前記スケールパターンからの光を受光するセンサとが相対移動する光学式エンコーダであって、
   前記センサは、該センサと前記スケールとの相対移動方向に配列された複数の受光素子を含む受光素子アレイを有し、
   該受光素子アレイには、互いに出力が足し合わされる２以上の受光素子により構成される受光素子群がピッチＰで複数設けられており、
   前記スケールと前記センサとの間に、前記受光素子アレイ上に前記ピッチＰより小さい空間周期の光強度分布を形成する第１のパターンと前記受光素子アレイ上に前記ピッチより大きい空間周期の光強度分布を形成する第２のパターンを含む中間パターンが設けられていることを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 前記第１のパターンのピッチをＰ_３ａとし、
   前記第２のパターンのピッチをＰ_３ｂとし、
   前記スケールパターンのピッチをＰ_２とし、
   前記光源と前記スケールパターンとの間の距離をＬ_０とし、
   前記スケールパターンと前記中間パターンとの間の距離をＬ_１とし、
   前記中間パターンと前記受光素子アレイとの間の距離をＬ_２とするとき、
   
   または
   
   を満足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。
3. 前記受光素子アレイはＭ個の前記受光素子を含み、
   前記各受光素子群は、Ｎ個の前記受光素子により構成され、
   前記受光素子群の数ＧをＧ＝Ｍ／Ｎとするとき、
   
   または
   
   を満足す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。
4. 前記第１のパターンのピッチをＰ_３ａとし、
   前記第２のパターンのピッチをＰ_３ｂとし、
   前記スケールパターンのピッチをＰ_２とし、
   前記光源と前記スケールパターンとの間の距離をＬ_０とし、
   前記スケールパターンと前記中間パターンとの間の距離をＬ_１とし、
   前記中間パターンと前記受光素子アレイとの間の距離をＬ_２とするとき、
   
   または
   
   を満足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。
5. 前記受光素子アレイはＭ個の前記受光素子を含み、
   前記各受光素子群は、Ｎ個の前記受光素子により構成され、
   前記受光素子群の数ＧをＧ＝Ｍ／Ｎとするとき、
   
   または
   
   を満足することを特徴とする請求項１または４に記載の光学式エンコーダ。
6. 前記中間パターンにおける前記第１および第２のパターンのピッチが連続して変化していることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の光学式エンコーダ。
7. 動作可能な可動部と、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の光学式エンコーダと、
   該光学式エンコーダを用いて前記可動部の動作を制御する制御部とを有することを特徴とする装置。