JP6440609B2 - 位置検出装置、レンズ装置、撮像システム、工作装置、露光装置、位置検出方法、プログラム、記憶媒体 - Google Patents

Description

本発明は、被測定物の位置を検出する位置検出装置に関する。

従来から、工作機やＦＡ装置などにおける位置検出装置として、エンコーダが用いられている。インクリメント方式のエンコーダでは、スケール上の特定位置に設けられた基準位置マークを利用して基準点を検出し、その基準点からの相対移動量に基づいてストローク内の位置を検出する。

特許文献１には、スケール上の基準点を検出する方法が開示されている。特許文献１の方法では、スケール上の基準位置において発生する孤立波を用い、この孤立波と閾値との比較結果に基づいて基準位置パルスを発生させる。また、光量の直流成分の増減に連動して閾値のレベルを変化させている。

特開平１０−３００５１８号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、光量の直流成分と孤立波の変調振幅との比率が変動した場合、基準位置を示す基準信号のパルス位置やパルス幅が変動してしまう。光量の直流成分としては、スケールからの反射成分の他に、外光成分、センサの内部反射、散乱成分などがある。このため、環境温度の変化に伴う配光変化や外部の明るさの状態により、直流成分と孤立波の変調振幅との比率は変動するため、基準位置を高精度に検出することが困難である。

そこで本発明は、環境変化や経時変化によらず、基準位置を高精度に検出可能な位置検出装置、レンズ装置、撮像システム、工作装置、位置検出方法、プログラム、記憶媒体を提供する。

本発明の一側面としての位置検出装置は、被測定物の位置を検出する位置検出装置であって、周期的に形成されたパターンと基準位置マークを有するスケールと、前記パターンと前記基準位置マークを検出し、前記スケールに対して相対移動可能に構成された検出手段と、前記基準位置マークの検出に基づいて、前記スケールの基準位置を示す基準信号を生成する信号処理手段とを有し、前記信号処理手段は、前記検出手段からの第１相信号と第２相信号との比に基づいて前記基準信号を生成し、前記第１相信号と前記第２相信号は前記基準位置マークの検出により生成され、前記信号処理手段は、前記第１相信号と前記第２相信号との比に基づいて生成された評価値と所定の第１の閾値の比較、および、前記評価値と所定の第２の閾値の比較、の両方の結果に基づいて前記基準信号を生成する。

本発明の他の側面としてのレンズ装置は、光軸方向に変位可能なレンズと、前記レンズの位置を検出するように構成された前記位置検出装置とを有する。

本発明の他の側面としての撮像システムは、前記レンズ装置と、前記レンズを介して光学像の光電変換を行う撮像素子を備えた撮像装置とを有する。

本発明の他の側面としての工作装置は、ロボットアームまたは組み立て対象物を搬送する搬送体を備えた工作機器と、前記工作機器の位置または姿勢を検出するように構成された前記位置検出装置とを有する。

本発明の他の側面としての露光装置は、半導体ウエハを搭載して２次元方向に駆動可能なステージと、前記ステージの位置を検出するように構成された前記位置検出装置とを有する。

本発明の他の側面としての位置検出方法は、周期的に形成されたパターンと基準位置マークを有するスケールに対して相対移動可能に構成された検出手段からの出力信号に基づいて、該スケールまたは該検出手段と一体的に移動する被測定物の位置を検出する位置検出方法であって、前記パターンと前記基準位置マークを検出するステップと、前記検出手段から、前記基準位置マークの検出により生成される第１相信号と第２相信号とを取得するステップと、前記第１相信号と前記第２相信号との比に基づいて、前記スケールの基準位置を示す基準信号を生成するステップとを有し、前記基準信号は、前記第１相信号と前記第２相信号との比に基づいて生成された評価値と所定の第１の閾値の比較、および、前記評価値と所定の第２の閾値の比較、の両方の結果に基づいて生成される。

本発明の他の側面としてのプログラムは、前記位置検出方法をコンピュータに実行させるように構成されている。

本発明の他の側面としての記憶媒体は、前記プログラムを記憶している。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施形態において説明される。

本発明によれば、環境変化や径時変化によらず、基準位置を高精度に検出可能な位置検出装置、レンズ装置、撮像システム、工作装置、位置検出方法、プログラム、記憶媒体を提供することができる。

第１の実施形態における位置検出装置（光学式エンコーダ）の構成図である。 第１、第２の実施形態におけるスケールの平面図である。 第１、第２の実施形態における受光ＩＣの受光素子アレイの平面図である 第１、第２の実施形態における受光ＩＣの受光素子アレイの平面図である 第１、第２の実施形態におけるセンサユニットの平面図である。 第１、第２の実施形態におけるセンサユニットの平面図である（変形例）。 第１、第２の実施形態における基準位置マークの近傍での信号波形図である。 第１、第２の実施形態における信号振幅に応じた原点信号のエッジ位置の変化を示す図である。 第２の実施形態における位置検出装置（光学式エンコーダ）の構成図である。 第３の実施形態における撮像システムの断面模式図である。 第４の実施形態における基準位置マークの近傍での信号波形図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施形態）
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施形態における位置検出装置（光学式エンコーダ）について説明する。図１は、本実施形態における位置検出装置１００の構成図である。位置検出装置１００は、可動部（被測定物）に取り付けられるスケール２０、固定部に取り付けられる検出器としてのセンサユニット１０（検出手段）、および、信号処理回路１０１（信号処理手段）を有する。

信号処理回路１０１は、内挿処理部１０２、基準位置検出処理部１０３、インクリメントパルス生成部１０４、および、原点パルス生成部１０５を有する。基準位置検出処理部１０３および原点パルス生成部１０５は、基準信号生成手段として機能する。内挿処理部１０２およびインクリメントパルス生成部１０４は、パルス生成手段としての機能を有する。内挿処理部１０２は、センサユニット１０から得られたエンコーダ信号（位置検出信号）の内挿処理を行う。基準位置検出処理部１０３は、スケール２０上における基準位置の検出処理を行う。インクリメントパルス生成部１０４は、インクリメントパルスを生成する。原点パルス生成部１０５は、原点パルスを生成する。

センサユニット１０は、例えばＬＥＤを有する光源１１と、受光素子アレイ１２ａを有する受光ＩＣ１３ａと、受光素子アレイ１２ｂを有する受光ＩＣ１３ｂ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。スケール２０は、ガラス基板上にクロム反射膜がスケールトラック２１ａ、２１ｂとしてパターニングされている。

センサユニット１０内の光源１１（発光素子）からスケールトラック２１ａに向かう光路中には、位置検出方向（Ｘ方向）に交互に配列された透過部と遮光部とにより構成された透過型回折格子としての光源格子１４が設けられている。また、光源１１からスケールトラック２１ｂに向かう光路中には、位置検出方向の開口幅が遮光部により制限されたスリット開口１８が設けられている。スケールトラック２１ａから受光素子アレイ１２ａに向かう光路中には、検出格子１５が設けられている。検出格子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構成された透過型回折格子である。また、スケールトラック２１ｂから受光素子アレイ１２ｂに向かう光路中には、位置検出方向に交互に配列された不等間隔の透過部と遮光部とにより構成されたランダム格子１９が設けられている。

光源格子１４、スリット開口１８、検出格子１５、および、ランダム格子１９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により設けられている。カバーガラス１６は、光源１１および受光ＩＣ１３ａ、１３ｂを封止する透光性樹脂１７に貼り合わされており、光源１１および受光ＩＣ１３ａ、１３ｂと光学的に一体化されている。

次に、図２を参照して、スケール２０におけるスケールトラック２１ａ、２１ｂの構成について説明する。図２は、スケール２０（スケールトラック２１ａ、２１ｂ）の一部を拡大した平面図である。スケールトラック２１ａは、移動方向（Ｘ方向）においてピッチＰ２（＝４μｍ）ごとに２μｍ幅の反射膜パターンが配置されたパターン列からなる。また、スケールトラック２１ａと並行して配置されているスケールトラック２１ｂには、スケール２０上の特定の位置（基準位置）において、反射部と非反射部とが移動方向（Ｘ方向）において不等間隔で配置された基準位置マーク２２が形成されている。基準位置マーク２２には、例えば、Ｍ系列のような擬似ランダムコード、または、それをマンチェスター符号化したコードの一部を、反射部と非反射部とに置き換えた配列が適用可能である。

スケールトラック２１ｂの基準位置マーク２２以外の領域には、反射部と非反射部との面積比が１：１のハーフトーン２３が形成されている。ハーフトーン２３は、センサユニット１０とスケール２０との間の相対変位に対して出力が変調しないように、十分細かい周期で形成されている。本実施形態において、ハーフトーン２３は、移動方向と垂直な方向（Ｙ方向）において、ピッチＰ（＝４μｍ）ごとに２μｍ幅の反射膜パターンが配置されたパターン列からなる。

次に、図３を参照して、受光ＩＣ１３ａにおける受光素子アレイ１２ａの配列について説明する。図３は、受光素子アレイ１２ａの平面図であり、受光素子アレイ１２ａの受光面の配列をそれぞれ示している。受光素子アレイ１２ａは、３２個の受光素子が位置検出方向（Ｘ方向）に一列に配置されている。一つの受光素子に関し、位置検出方向（Ｘ方向）の幅Ｘ＿ｐｄは６４μｍ、位置検出方向と直交する方向（Ｙ方向）の幅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−相の順に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個の受光素子が１つの受光素子群を構成する。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ＩＶ変換アンプ（不図示）に入力される。４つのＩＶ変換アンプは、４相の信号Ｓ１（Ａ＋）、Ｓ１（Ｂ＋）、Ｓ１（Ａ−）、および、Ｓ１（Ｂ−）をそれぞれ出力する。

信号Ｓ１（Ａ＋）、Ｓ１（Ｂ＋）、Ｓ１（Ａ−）、Ｓ１（Ｂ−）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アンプの出力信号は、信号位相の０度、９０度、１８０度、および、２７０度にそれぞれ対応している。信号処理回路１０１は、４相の信号Ｓ１（Ａ＋）、Ｓ１（Ｂ＋）、Ｓ１（Ａ−）、Ｓ１（Ｂ−）に対して、以下の式（１）、（２）で表される演算処理を行い、４相の信号から直流成分が除去された２相の正弦波信号Ｓ１（Ａ）、Ｓ１（Ｂ）（位置情報）に変換する。

Ｓ１（Ａ）＝Ｓ１（Ａ＋）−Ｓ１（Ａ−） … （１）
Ｓ１（Ｂ）＝Ｓ１（Ｂ＋）−Ｓ１（Ｂ−） … （２）
また信号処理回路１０１は、以下の式（３）で表される演算により、位置信号の元となる位相信号Φ１を取得する。

Φ１＝ＡＴＡＮ２［Ｓ１（Ａ），Ｓ１（Ｂ）］ … （３）
式（３）において、ＡＴＡＮ２［Ｙ，Ｘ］は、象限を判別して０〜２π位相に変換する逆正接演算関数である。

続いて、内挿処理部１０２およびインクリメントパルス生成部１０４（パルス生成手段）による内挿処理について説明する。内挿処理部１０２における内挿分割数をｎとした場合、インクリメントパルスＡ、Ｂは、以下の式（４）、（５）のようにそれぞれ表される出力として処理される。

Ａ＝−ＩＮＴ［ＭＯＤ［ｎ・Φ１／π、２］−１］・Ｖｈ … （４）
Ｂ＝−ＩＮＴ［ＭＯＤ［ｎ・Φ１／π−０．５、２］−１］・Ｖｈ … （５）
式（４）、（５）において、ＩＮＴ［ｘ］は、ｘの小数部を切り捨てた整数部を返す関数である。また、ＭＯＤ［ｘ，ｙ］は、ｘをｙで割った余りを返す関数である。Ｖｈは、パルスのＨレベルの電圧である。このような内挿処理により、インクリメントパルスＡ、Ｂは、互いに９０度位相のずれた、正弦波１周期中にｎ周期のパルス列として得られる。内挿処理部１０２により得られたインクリメントパルスＡ、Ｂは、インクリメントパルス生成部１０４から出力される。

次に、図４を参照して、受光ＩＣ１３ｂにおける受光素子アレイ１２ｂの配列について説明する。図４は、受光素子アレイ１２ｂの平面図であり、受光素子アレイ１２ｂの受光面の配列をそれぞれ示している。受光素子アレイ１２ｂは、４個の受光素子が位置検出方向（Ｘ方向）に一列に配置されている。４つの受光素子の出力（電流）は、後段に相ごとに設けられたＩＶ変換アンプ（不図示）に入力される。４つのＩＶ変換アンプは、４相の信号Ｓ２（Ａ＋）、Ｓ２（Ｂ＋）、Ｓ２（Ａ−）、Ｓ２（Ｂ−）を出力する。

次に、図５および図６を参照して、センサユニット１０の構成について説明する。図５および図６は、センサユニット１０の平面図であり、センサユニット１０をスケール２０側から見た図を示している。なお、図６は図５のセンサユニット１０の変形例を示している。光源格子１４の格子パターン１４ａのピッチＰ１は４μｍである。検出格子１５には、位置検出方向においてピッチＰ３（＝４．０６９９５２μｍ）の格子パターン１５ａが設けられている。スリット開口１８は、位置検出方向において透過領域を制限する遮光膜１８ａ（遮光膜スリット）を有する。または、スリット開口１８は、図６に示されるように、遮光膜１８ａに代えて、光源格子１４のパターンを延長した格子パターン１８ｂを設けてもよい。この場合、開口部以外の領域は、光源格子１４としての機能を兼ね、光源１１からの出射光をより効率的に利用することができる。

ランダム格子１９には、位置検出方向においてスケールトラック２１ｂの基準位置マーク２２と相似の形状を有するランダム格子パターン１９ａが形成されている。基準位置マーク２２のランダム格子１９の面に対する投影倍率Ｍは、スリット開口１８からスケールトラック２１ｂの距離Ｌ１と、スケールトラック２１ｂからランダム格子１９の距離Ｌ２とを用いて、以下の式（６）のように表すことができる。

Ｍ＝Ｌ１／Ｌ２ … （６）
スケールトラック２１ｂとランダム格子１９とは、互いに相似形状の関係にあるが、その位置検出方向におけるサイズ比率は、１：Ｍ×０．９８となっている。比率を１：Ｍからわずかにずらすことで、４相の信号Ｓ２（Ａ−）、Ｓ２（Ｂ＋）、Ｓ２（Ａ＋）、Ｓ２（Ｂ−）は、それぞれ、ピーク位置が一定間隔でシフトした４つの孤立波（孤立パルスを有する波）となる。

基準位置検出処理部１０３は、４相の信号Ｓ２（Ａ＋）、Ｓ２（Ｂ＋）、Ｓ２（Ａ−）、Ｓ２（Ｂ−）に対して、以下の式（７）、（８）で表される演算を行い、直流成分が除去された２相の信号Ｓ２（Ａ）、Ｓ２（Ｂ）（２相Ｓ字状信号）を生成する。

Ｓ２（Ａ）＝Ｓ２（Ａ＋）−Ｓ２（Ａ−）−Δ１ … （７）
Ｓ２（Ｂ）＝Ｓ２（Ｂ＋）−Ｓ２（Ｂ−）−Δ２ … （８）
式（７）、（８）において、Δ１、Δ２は所定のオフセット量であり、ゼロであってもよい。またオフセット量Δ１、Δ２は、設計値から決定してもよい。オフセット量Δ１、Δ２は、初期化のための走査により学習する、または、実動作の中で更新を行うことにより取得することもできる。このときオフセット量Δ１、Δ２は、例えば、ハーフトーン２３の領域での信号Ｓ２（Ａ）、Ｓ２（Ｂ）がゼロまたはゼロの近傍の値となるように決定されることが好ましい。

基準位置検出処理部１０３は、以下の式（９）で表される演算により、和信号ＳＵＭを取得する。

ＳＵＭ＝Ｓ２（Ａ）＋Ｓ２（Ｂ） … （９）
また基準位置検出処理部１０３は、以下の式（１０）で表される演算により、位相信号Φ２を取得する。

Φ２＝ＡＴＡＮ２［Ｓ２（Ａ），Ｓ２（Ｂ）］ … （１０）
式（１０）において、ＡＴＡＮ２［Ｙ，Ｘ］は、象限を判別して０〜２π位相に変換する逆正接演算関数である。

また基準位置検出処理部１０３は、式（１０）に代えて、以下の式（１１）で表される演算を行うことにより、位相信号Φ２を取得してもよい。

Φ２＝Ｓ２（Ａ）／Ｓ２（Ｂ） … （１１）
そして原点パルス生成部１０５は、以下の式（１２）、（１３）で表される条件をいずれも満たすか否かを判定する。

ＳＵＭ＞Ｔｈ１ … （１２）
Ｔｈ２＜Φ２＜Ｔｈ３ … （１３）
式（１２）、（１３）において、Ｔｈ１、Ｔｈ２、Ｔｈ３は、それぞれ、予め記憶されている閾値（所定の閾値）である。閾値Ｔｈ１、Ｔｈ２、Ｔｈ３は、設計値から決定することができる。または、初期化のための走査により学習して決定することや、実動作の中で更新を行ってもよい。

式（１２）、（１３）の両方の条件を満たす場合、原点パルス生成部１０５はＨレベル（Ｖｈ）の信号（原点パルスとしての原点信号Ｚ１）を出力する。一方、少なくとも一方の条件を満たさない場合、原点パルス生成部１０５はＬレベル（０）である信号を出力する（すなわち、原点信号Ｚ１（原点パルス）を出力しない）。

次に、図７を参照して、基準位置マーク２２の近傍での各信号波形について説明する。図７は、基準位置マーク２２の近傍での信号波形図である。図７（ａ）は、基準位置マーク２２の近傍での４相の信号Ｓ２（Ａ＋）、Ｓ２（Ｂ＋）、Ｓ２（Ａ−）、Ｓ２（Ｂ−）の波形を示している。図７（ｂ）は、基準位置マーク２２の近傍での２相の信号Ｓ２（Ａ）、Ｓ２（Ｂ）の波形を示している。図７（ｃ）は、基準位置マーク２２の近傍での和信号ＳＵＭおよび閾値Ｔｈ１の波形を示している。図７（ｄ）は、基準位置マーク２２の近傍での位相信号Φ２、閾値Ｔｈ２、Ｔｈ３の波形を示している。図７（ｅ）は、基準位置マーク２２の近傍での原点信号Ｚ１（原点パルス）の波形を示している。２相の信号Ｓ２（Ａ）、Ｓ２（Ｂ）（２相Ｓ字状信号）は、正弦波の一部を切り取った波形に近い。このため、式（１０）のように逆正接演算を行う際に、変位に対するリニアリティが高く、原点信号Ｚ１の幅および位置を個別に調整する場合に簡便に利用可能である。

次に、図８を参照して、信号振幅が変化した場合における原点信号Ｚ１のエッジ位置の変化について説明する。図８は、信号振幅に応じた原点信号のエッジ位置の変化を示す図である。図８中の実線は、本実施形態の原点信号Ｚ１を示し、図８中の破線は、比較例としての信号を示している。式（１０）または式（１１）において、変位に対する位相信号Φ２の値は、信号振幅によらず略一定である。このため、原点信号Ｚ１（原点パルス）のエッジ位置は、信号振幅の変化に影響を受けにくい。また、式（７）、（８）で表される差動演算により直流成分が除去されているため、光量の直流成分が変動しても影響は小さい。

ここで比較例として、信号Ｓ２（Ａ）のレベルに対して２つの閾値Ｔｈ４、Ｔｈ５を用いて原点パルスの生成を行う場合について説明する。以下の式（１４）、（１５）の両方の条件を満たす場合、原点パルス生成部は、Ｈレベルの信号を出力し、少なくとも一方の条件を満たさない場合、Ｌレベルとなる原点信号Ｚ１（原点パルス）を出力する。

ＳＵＭ＞Ｔｈ１ … （１４）
Ｔｈ４＜Ｓ２（Ａ）＜Ｔｈ５ … （１５）
ここで閾値Ｔｈ４、Ｔｈ５は、原点パルスのエッジ位置が、初期状態にて本実施形態における原点信号Ｚ１と同じになるように設定されている。図８中の破線で示されるように、比較例では、信号振幅の変化とともに、原点パルスのエッジ位置およびエッジ間隔（エッジの立上りと立下りとの間隔）が変化する。一方、図８中の実線で示されるように、本実施形態の原点信号Ｚ１のエッジ位置およびエッジ間隔は、信号振幅が変化した場合でも略一定である（実質的に変化しない）。

このように本実施形態によれば、環境変化や径時劣化による配光特性変化、受光効率の低下、反射率の変化などの種々の要因により信号振幅および直流成分が変化しても、基準位置パルスのエッジ発生位置（エッジ間隔）に関しては高い再現性を保つことができる。なお本実施形態では、位置検出装置としてリニアエンコーダを示しているが、これに限定されるものではなく、ロータリーエンコーダにも適用可能である。この場合、スケールパターンを放射状に構成すればよい。

また本実施形態では、基準位置マーク２２として、擬似ランダムコードを、反射部と非反射部とに置き換えた配列を使用しているが、これに限定されるものではない。例えば、格子周期を位置に応じて異ならせたチャープ格子パターン等を用いることもできる。また本実施形態では、ランダム格子１９と受光素子アレイ１２ｂとが別体に構成されているが、受光素子アレイ１２ｂをランダム格子１９と同様な配列とし、ランダム格子１９の機能を兼ねてもよい。この場合、式（６）中のＬ２を、スケールトラック２１ｂから受光素子アレイ１２ｂの距離に置き換え、投影倍率Ｍとする。同様に、本実施形態では、光源１１（発光素子）、光源格子１４、および、スリット開口１８が互いに別体に構成されているが、これに限定されるものではない。代わりに、点光源（半導体レーザや電流狭窄型ＬＥＤ）に置き換えることも可能である。

また本実施形態では、位置検出装置として光学式エンコーダの例を示しているが、これに限定されるものではない。例えば、磁気式エンコーダや静電容量式エンコーダなどの他の種類のエンコーダでも同様の効果を得ることができる。磁気式エンコーダの場合、スケールに磁性体を用い、磁性の極性分布を本実施形態のスケール反射膜と同様の形状で形成する。また、このスケールに近接してアレイ状に並べた磁界検出素子を配して検出する。静電容量式の場合、本実施形態のスケール反射膜と同様の形状に導電性の電極パターンを形成し、別のアレイ状の電極パターンを近接対向させて検出するようにすればよい。

（第２の実施形態）
次に、図９を参照して、本発明の第２の実施形態における位置検出装置（光学式エンコーダ）について説明する。図９は、本実施形態における位置検出装置１００ａの構成図である。位置検出装置１００ａは、スケール２０、センサユニット１０（検出手段）、および、信号処理回路１０１ａ（信号処理手段）を有する。

信号処理回路１０１ａは、内挿処理部１０２、基準位置検出処理部１０３、インクリメントパルス生成部１０４、原点パルス生成部１０５、および、ゲートパルス生成部１０６を有する。本実施形態において、内挿処理部１０２およびインクリメントパルス生成部１０４によりパルス生成手段が構成され、基準位置検出処理部１０３、原点パルス生成部１０５、および、ゲートパルス生成部１０６により基準位置生成手段が構成される。ゲートパルス生成部１０６は、原点信号Ｚ１を出力する範囲を制限する。原点パルス生成部１０５は、内挿パルスのエッジ（特定の隣接エッジ）と同期した原点パルスを生成する（同期処理演算を行う）。

第１の実施形態と同様に、内挿処理部１０２における内挿分割数をｎとした場合、インクリメントパルスＡ、Ｂはそれぞれ、式（４）、（５）で表される出力となる。内挿処理部１０２は、内挿処理を行うことにより、インクリメントパルスＡ、Ｂは、互いに９０度位相のずれた、正弦波の１周期中にｎ周期のパルス列として得られる。インクリメントパルスＡ、Ｂは、インクリメントパルス生成部１０４から出力される。

ゲートパルス生成部１０６は、第１の実施形態で説明した式（１２）、（１３）の両方の条件を満たす場合か否かを判定する。これらの両方の条件を満たす場合、ゲートパルス生成部１０６はＨレベル（Ｖｈ）の信号（ゲートパルスＺ２）を出力する。一方、少なくとも一方の条件を満たさない場合、ゲートパルス生成部１０６は、Ｌレベル（０）となる信号を出力する（すなわち、ゲートパルスＺ２を出力しない）。

式（１２）、（１３）において、Ｔｈ１、Ｔｈ２、Ｔｈ３はそれぞれ、予め記憶されている閾値（所定の閾値）である。各閾値は、設計値から決定することができ、または、初期化のための走査によって学習して決定してもよい。また各閾値は、実動作の中で更新を行ってもよい。このとき、ゲートパルスＺ２がＨレベルとなる幅が、２相正弦波信号Ｓ１（Ａ）、Ｓ１（Ｂ）の１周期分程度となるように閾値Ｔｈ２、Ｔｈ３を設定することが好ましい。

また原点パルス生成部１０５は、以下の式（１６）、（１７）を満たすか否かを判定する。

０＋２π×ｍ／（４ｎ）＜Φ２＜π／（２ｎ）＋２π×ｍ／（４ｎ） …（１６）
Ｚ２＞Ｖｈ／２ … （１７）
式（１６）、（１７）の両方の条件を満たす場合、原点パルス生成部１０５はＨレベル（Ｖｈ）の信号（原点パルスとしての原点信号Ｚ１）を出力する。一方、少なくとも一方の条件を満たさない場合、原点パルス生成部１０５は、Ｌレベル（０）となる信号を出力する（すなわち、原点信号Ｚ１（原点パルス）を出力しない）。式（１６）において、ｍは０からｎ−１までの整数である。ｍは、初期化動作において、ゲートパルスＺ２のエッジ位置に対する余裕度が最大となるように調整される。または、ｍを固定値として、閾値Ｔｈ１、Ｔｈ２、Ｔｈ３の調整によって余裕度を確保してもよい。

このように本実施形態によれば、インクリメントパルスＡ、Ｂの特定の隣接するエッジと同期した原点信号Ｚ１（原点パルス）を生成することができる。このとき、特定のインクリメントパルスと同期した原点パルスを生成するには、ゲートパルスのエッジ位置誤差は、最大±（Ｐ／２−Ｐ／８ｎ）が許容される。本実施形態では、ゲートパルス生成において、直流成分を低減した上で、２相信号の比を評価値として判定を行っているため、環境変動の影響を受けにくく、パルス位置が安定する。ゲートパルスの位置が安定化することにより、その他の誤差要因（ｚ軸回りの回転姿勢変動、等）の許容量を増やすことができる。特に、狭ピッチ化（ピッチＰを小さく）した場合に効果的である。

以上のように本実施形態によれば、原点信号を出力する範囲を限定するゲートパルス生成において、環境変動等に伴う変調成分、直流成分の変動があっても、変位に対するゲートパルス位置が変動しない、安定なパルス生成を実現することができる。

（第３の実施形態）
次に、図１０を参照して、本発明の第３の実施形態について説明する。図１０は、本実施形態における撮像システム２００の断面模式図である。撮像システム２００は、上記各実施形態におけるエンコーダ（位置検出装置）をレンズ装置に搭載した撮像システムである。撮像システム２００は、撮像装置２００ａと、撮像装置２００ａに着脱可能なレンズ装置２００ｂ（エンコーダを備えたレンズ鏡筒）とで構成されている。ただし本実施形態は、撮像装置とレンズ装置とが一体化して構成された撮像システムにも適用可能である。

図１０において、５３はセンサユニット、５４はＣＰＵである。センサユニット５３、ＣＰＵ５４、および、スケール２０により、エンコーダ（位置検出装置１００に相当）が構成される。ここで、センサユニット５３は、例えば実施形態１、２におけるセンサユニット１０に相当し、ＣＰＵ５４は信号処理回路１０１に相当する。また、５１はレンズユニット、５２は駆動レンズ、５５は撮像素子、５０は円筒体であり、主にこれらにより撮像システムが構成される。レンズユニット５１を構成する駆動レンズ５２（レンズ）は、例えばオートフォーカス用のレンズであり、光軸方向であるＹ方向に変位可能である。駆動レンズ５２は、ズーム調整レンズなど、駆動されるレンズであればその他のレンズでもよい。本実施形態における円筒体５０は、駆動レンズ５２を駆動するアクチュエータ（不図示）と連結されている。撮像素子５５は、撮像装置２００ａに設けられており、レンズユニット５１（レンズ）を介して光学像（被写体像）の光電変換を行う。

本実施形態のレンズ装置２００ｂは、光軸方向（Ｙ方向）に変位可能な駆動レンズ５２と、駆動レンズ５２の変位を検出するように構成されたエンコーダ（位置検出装置１００に相当）とを有する。スケール２０は、円筒体５０に取り付けられている。このような構成において、エンコーダは円筒体５０の光軸方向の周りにおける回転量（変位）を取得することで、駆動レンズ５２の光軸方向の変位を検出するロータリーエンコーダである。本実施形態では、ロータリーエンコーダに代えて、光軸方向の変位を直接検出するリニアエンコーダを採用してもよい。

スケール２０は、ドーナツ状の円盤面上に反射パターンを形成して構成されたロータリースケールであり、円筒体５０に取り付けられている。また本実施形態において、スケール２０は、フィルム状基材上に格子パターンを形成して構成されたリニアスケールであってもよい。この場合、スケール２０は、円筒体５０の回転方向に沿って円筒面に貼り付けられる。

アクチュエータまたは手動により、円筒体５０を、光軸を中心として回転させると、スケール２０はセンサユニット５３に対して相対的に変位する。スケール２０の変位に伴い、駆動レンズ５２は、光軸方向であるＹ方向（矢印方向）に駆動される。そして、エンコーダのセンサユニット５３から得られる駆動レンズ５２の変位に応じた信号は、ＣＰＵ５４に出力される。ＣＰＵ５４は、駆動レンズ５２を所望の位置へ移動するための駆動信号を生成する。駆動レンズ５２は、その駆動信号に基づいて駆動される。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。本実施形態の基準位置検出処理部１０３は、第１の実施形態のように和信号ＳＵＭの代わりに、以下の式（１８）で表される演算により、距離信号Ｒを取得する。

式（１８）において、Ｓ２（Ａ）、Ｓ２（Ｂ）は、第１の実施形態と同様に、式（７）、（８）で得られる直流成分が除去された２相Ｓ字状信号である。なお、本実施形態における他の構成は、第１の実施形態と同様であるため、それらの説明については省略する。

原点パルス生成部１０５は、前述の式（１３）および以下の式（１９）で表される条件を両方とも満たすか否かを判定する。

Ｒ＞Ｔｈ４ … （１９）
式（１９）において、Ｔｈ４は、予め記憶されている閾値（所定の閾値）である。式（１９）、（１３）の両方の条件を満たす場合、原点パルス生成部１０５は、Ｈレベル（Ｖｈ）の信号（原点パルスとしての原点信号Ｚ１）を出力する。一方、少なくとも一方の条件を満たさない場合、原点パルス生成部１０５は、Ｌレベル（０）の信号を出力する（すなわち、原点信号Ｚ１（原点パルス）を出力しない）。

次に、図１１を参照して、基準位置マーク２２の近傍での各信号波形について説明する。図１１は、基準位置マーク２２の近傍での信号波形図である。図１１（ａ）は、基準位置マーク２２の近傍での４相の信号Ｓ２（Ａ＋）、Ｓ２（Ｂ＋）、Ｓ２（Ａ−）、Ｓ２（Ｂ−）の波形を示している。図１１（ｂ）は、基準位置マーク２２の近傍での２相の信号Ｓ２（Ａ）、Ｓ２（Ｂ）の波形を示している。図１１（ｃ）は、基準位置マーク２２の近傍での距離信号Ｒおよび閾値Ｔｈ４の波形を示している。図１１（ｄ）は、基準位置マーク２２の近傍での位相信号Φ２、閾値Ｔｈ２、Ｔｈ３の波形を示している。図１１（ｅ）は、基準位置マーク２２の近傍での原点信号Ｚ１（原点パルス）の波形を示している。

図７（ｃ）と図１１（ｃ）とを比較することにより、次のことが分かる。基準位置マーク２２以外の領域と基準位置マーク２２の位置とを判別可能であるように閾値Ｔｈ１またはＴｈ４を設定した場合、本実施形態のように式（１８）で表される距離信号Ｒを判定基準の評価値として用いたほうが、より広い幅をＨレベルとすることができる。

このように、式（１８）で表される距離信号Ｒを用いることにより、基準位置マーク２２以外の領域での原点パルス誤発生を防ぐとともに、式（１０）で表される位相信号Φ２の閾値の範囲（閾値Ｔｈ２と閾値Ｔｈ３との差）をより広くとることができる。したがって、４相の信号Ｓ２（Ａ＋）、Ｓ２（Ｂ＋）、Ｓ２（Ａ−）、Ｓ２（Ｂ−）のオフセット変動や、ノイズの影響を相対的に低減することが可能となる。また、原点信号Ｚ１の幅に対する設計自由度を向上することが可能である。または、本実施形態の構成を、第２の実施形態の基準位置検出処理部１０３に適用すると、ゲートパルスＺ２の幅に対する設計自由度が向上し、より広い範囲のスケールトラック２１ａのピッチＰ２に対して適切なゲートパルス幅を設定することが可能となる。

このように各実施形態の位置検出装置１００は、（スケールまたは検出手段と一体的に移動する）被測定物の位置を検出する位置検出装置であって、スケール２０、検出手段（センサユニット１０）、および信号処理手段（信号処理回路１０１、１０１ａ）を有する。スケールは、周期的に形成されたパターンを有する。検出手段は、スケールに対して相対移動可能に構成されている。そして信号処理手段は、検出手段からの第１相信号（信号Ｓ２（Ａ））と第２相信号（信号Ｓ２（Ｂ））との比に基づいて、スケールの基準位置を示す基準信号（原点信号、原点パルス）を生成する。

好ましくは、信号処理手段は、第１相信号と第２相信号との比に基づいて生成された評価値と、所定の閾値（Ｔｈ２、Ｔｈ３）とを比較して、基準信号を生成する。より好ましくは、所定の閾値は、基準信号の幅（Ｈレベルの期間）が被測定物の位置情報を示す２相正弦波信号（信号Ｓ１（Ａ）、Ｓ１（Ｂ））の１周期と略等しくなるように設定されている。ここで「略等しい」とは、厳密に等しい場合だけでなく、実質的に等しいと評価される場合を含む意味である。また好ましくは、信号処理手段は、第１相信号と第２相信号との逆正接演算を行って評価値（位相信号Φ２）を算出する。また好ましくは、信号処理手段は、第１相信号と第２相信号との和信号を第２の評価値として算出し、評価値（位相信号Φ２）と第２の評価値（和信号ＳＵＭ）とに基づいて基準信号を生成する。また好ましくは、信号処理手段は、第１相信号の二乗と第２相信号の二乗との和の平方根を第２の評価値として算出し、評価値と第２の評価値とに基づいて基準信号を生成する。また好ましくは、信号処理手段は、第１相信号と第２相信号とのそれぞれに対してオフセット調整を行う。そして信号処理手段は、オフセット調整後の第１相信号の二乗とオフセット調整後の第２相信号の二乗との和の平方根を第２の評価値として算出し、評価値と第２の評価値とに基づいて基準信号を生成する。

好ましくは、信号処理手段は、第１相信号と第２相信号とのそれぞれに対してオフセット調整を行い、オフセット調整後の第１相信号と第２相信号との比に基づいて基準信号を生成する。

好ましくは、検出手段は、スケールに対する相対移動により、ピーク位置が順にシフトした第１の孤立波（Ｓ２（Ａ−））、第２の孤立波（Ｓ２（Ｂ＋））、第３の孤立波（Ｓ２（Ａ＋））、および、第４の孤立波（Ｓ２（Ｂ−））を出力する。そして信号処理手段は、第１の孤立波と第３の孤立波との差動演算により第１相信号（第１の差動信号）を取得し、第２の孤立波と第４の孤立波との差動演算により第２相信号（第２の差動信号）を取得する。

好ましくは、信号処理手段は、パルス生成手段（内挿処理部１０２、インクリメントパルス生成部１０４）および基準信号生成手段（基準位置検出処理部１０３、原点パルス生成部１０５、ゲートパルス生成部１０６）を有する。パルス生成手段は、被測定物の位置情報を示す２相正弦波信号に対して内挿処理を行い、２相正弦波信号の周期内で複数のパルス（内挿パルス）を生成する。基準信号生成手段は、複数のパルスのうち２相正弦波信号の特定の位相に対応するパルスのエッジ（内挿パルスの立上りエッジと立下りエッジとの少なくとも一方）に同期させて、基準信号を生成する。また好ましくは、基準位置は、スケールの上に反射部と非反射部とが不等間隔で形成された基準位置マークの位置であり、測定物の位置は、基準位置を基準として、検出手段とスケールとの間の相対変位に対応する位置である。

また、各実施形態における位置検出装置は、レンズ装置や撮像装置以外の種々の装置にも適用可能である。例えば、ロボットアームまたは組み立て対象物を搬送する搬送体を備えた工作機器と、この工作機器の位置または姿勢を検出する各実施形態の位置検出装置とを有する工作装置を構成することにより、搬送体の位置を高精度に検出することができる。また、各実施形態における位置検出装置は、半導体ウエハに電子回路を露光する露光装置において、半導体ウエハを搭載して２次元方向に駆動可能なステージの位置を検出するために用いることができる。

（その他の実施形態）
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

各実施形態によれば、環境変化や径時変化によらず、基準位置を高精度に検出可能な位置検出装置、レンズ装置、撮像システム、工作装置、位置検出方法、プログラム、記憶媒体を提供することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１０ センサユニット（検出手段）
２０ スケール
１００ 位置検出装置
１０１ 信号処理回路（信号処理手段）

Claims (17)

1. 被測定物の位置を検出する位置検出装置であって、
   周期的に形成されたパターンと基準位置マークを有するスケールと、
   前記パターンと前記基準位置マークを検出し、前記スケールに対して相対移動可能に構成された検出手段と、
   前記基準位置マークの検出に基づいて、前記スケールの基準位置を示す基準信号を生成する信号処理手段と、を有し、
   前記信号処理手段は、前記検出手段からの第１相信号と第２相信号との比に基づいて前記基準信号を生成し、前記第１相信号と前記第２相信号は前記基準位置マークの検出により生成され、
   前記信号処理手段は、前記第１相信号と前記第２相信号との比に基づいて生成された評価値と所定の第１の閾値の比較、および、前記評価値と所定の第２の閾値の比較、の両方の結果に基づいて前記基準信号を生成する、ことを特徴とする位置検出装置。
2. 前記所定の第１及び第２の閾値は、前記基準信号の幅が前記被測定物の位置情報を示す２相正弦波信号の１周期と等しくなるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
3. 前記信号処理手段は、前記第１相信号と前記第２相信号との逆正接演算を行って前記評価値を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の位置検出装置。
4. 前記信号処理手段は、
   前記第１相信号と前記第２相信号との和信号を第２の評価値として算出し、
   前記評価値と前記第２の評価値とに基づいて前記基準信号を生成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の位置検出装置。
5. 前記信号処理手段は、
   前記第１相信号の二乗と前記第２相信号の二乗との和の平方根を第２の評価値として算出し、
   前記評価値と前記第２の評価値とに基づいて前記基準信号を生成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の位置検出装置。
6. 前記信号処理手段は、
   前記第１相信号と前記第２相信号とのそれぞれに対してオフセット調整を行い、
   オフセット調整後の前記第１相信号の二乗とオフセット調整後の前記第２相信号の二乗との和の平方根を第２の評価値として算出し、
   前記評価値と前記第２の評価値とに基づいて前記基準信号を生成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の位置検出装置。
7. 前記信号処理手段は、
   前記第１相信号と前記第２相信号とのそれぞれに対してオフセット調整を行い、
   オフセット調整後の前記第１相信号と前記第２相信号との比に基づいて前記基準信号を生成することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の位置検出装置。
8. 前記検出手段は、前記スケールに対する相対移動により、ピーク位置が順にシフトした第１の孤立波、第２の孤立波、第３の孤立波、および、第４の孤立波を出力し、
   前記信号処理手段は、
   前記第１の孤立波と前記第３の孤立波との差動演算により前記第１相信号を取得し、
   前記第２の孤立波と前記第４の孤立波との差動演算により前記第２相信号を取得することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の位置検出装置。
9. 前記信号処理手段は、
   前記被測定物の位置情報を示す２相正弦波信号に対して内挿処理を行い、該２相正弦波信号の周期内で複数のパルスを生成するパルス生成手段と、
   前記複数のパルスのうち前記２相正弦波信号の特定の位相に対応するパルスのエッジに同期させて、前記基準信号を生成する基準信号生成手段と、を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の位置検出装置。
10. 前記基準位置は、前記スケールの上に反射部と非反射部とが不等間隔で形成された前記基準位置マークの位置であり、
    前記測定物の位置は、前記基準位置を基準として、前記検出手段と前記スケールとの間の相対変位に対応する位置である、ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の位置検出装置。
11. 光軸方向に変位可能なレンズと、
    前記レンズの位置を検出するように構成された、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の位置検出装置と、を有することを特徴とするレンズ装置。
12. 請求項１１に記載のレンズ装置と、
    前記レンズを介して光学像の光電変換を行う撮像素子を備えた撮像装置と、を有することを特徴とする撮像システム。
13. ロボットアームまたは組み立て対象物を搬送する搬送体を備えた工作機器と、
    前記工作機器の位置または姿勢を検出するように構成された、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の位置検出装置と、を有することを特徴とする工作装置。
14. 半導体ウエハを搭載して２次元方向に駆動可能なステージと、
    前記ステージの位置を検出するように構成された、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の位置検出装置と、を有することを特徴とする露光装置。
15. 周期的に形成されたパターンと基準位置マークを有するスケールに対して相対移動可能に構成された検出手段からの出力信号に基づいて、該スケールまたは該検出手段と一体的に移動する被測定物の位置を検出する位置検出方法であって、
    前記パターンと前記基準位置マークを検出するステップと、
    前記検出手段から、前記基準位置マークの検出により生成される第１相信号と第２相信号とを取得するステップと、
    前記第１相信号と前記第２相信号との比に基づいて、前記スケールの基準位置を示す基準信号を生成するステップと、を有し、
    前記基準信号は、前記第１相信号と前記第２相信号との比に基づいて生成された評価値と所定の第１の閾値の比較、および、前記評価値と所定の第２の閾値の比較、の両方の結果に基づいて生成されることを特徴とする位置検出方法。
16. 請求項１５に記載の位置検出方法をコンピュータに実行させるように構成されていることを特徴とするプログラム。
17. 請求項１６に記載のプログラムを記憶していることを特徴とする記憶媒体。