JPH01291101A - Ｎ次元エンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、Ｎ次元（Ｎ２２）の座標軸方向の位置検出を
実行するＮ次元エンコーダに関する。

（従来の技術） エンコーダを用いて例えばＸ−Ｙステージの位置検出を
行う場合、従来より以下の方法が採用されている。

Ｘ−Ｙステージの構成は種々のものがあるが、いずれも
ステージベースに対してＸ方向にリニアな動作をするＸ
ステージと、Ｙ方向にリニアな動作をするＹ方向ステー
ジとが設けられ、その結果として２次元に移動可能なＸ
−Ｙステージが得られるというものである。

このＸ−Ｙステージの位置検出は、２組のリニアエンコ
ーダをもちいて、前記ＸステージとＹステージとの位置
をそれぞれ検出し、これをもってＸ−Ｙステージの位置
とするものである。

（発明が解決しようとする問題点） 上述した従来の技術では、例えばＸ−Ｙステージの位置
検出を行う場合に、２組のリニアエンコーダはＸステー
ジとＹステージとの位置をそれぞれ検出しているにすぎ
ず、その後に何等かのガイドを介して位置決めされるＸ
−Ｙステージの位置は、そのガイドのガタや不安定さな
どの悪影響によって、位置決め精度が悪化してしまう等
の問題があり、上記２組のリニアエンコーダではこのＸ
−Ｙステージの位置ずれを検出することができなかった
。

また、Ｘ−ＹステージのＸ軸とＹ軸との直交度は、リニ
アエンコーダでは規定できず、Ｎ軸、Ｙ軸を規定するそ
れぞれのガイドの直交度に依存するなめ、その精度にも
機械的な限界があった。

従って、この直交度のずれからも位置決め精度が悪化し
ていた。

そこで、本発明の目的とするところは、上述した従来の
問題点を解決し、Ｎ次元（Ｎ２２）の座標軸方向の位置
検出精度を大幅に高めることができるＮ次元エンコーダ
を提供することにある。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明は、Ｎ（Ｎ２２）軸方向に移動する移動体の各軸
方向の移動位置を検出するＮ次元エンコーダにおいて、 上記移動体自体の各移動軸方向の移動量を光電的に検出
する構成としている。

そして、好ましくは移動体自体に各軸方向に沿ってそれ
ぞれ被照射部を形成し、この被照射部に向けて照射した
光の透過光又は反射光を検出することで、上記移動体の
移動位置を直接検出する構成とすることができろ。

なお、位置検出方式として、例えばＮ＠の各移動軸方向
用のライン及スペースのスリットパターンを有するメイ
ンスケールと、このメインスケールと同様の形状で、か
つ、各々１／４周期ずつ位相の異なる４つのパターン領
域を有するサブスケールとを有し、相対移動する両スケ
ールを透過した光を検出してエンコーダ情報とする透過
型光学式エンコーダを採用する場合には、例えばサブス
ケールを移動体と共に移動するように上記被照射部とし
て形成し、一方メインスケールは固定するように構成す
れば良い。

また、反射型光学式エンコーダを採用する場合には、上
記同様に相対移動するメインスケールとサブスケールで
反射した光を検出する構成となるが、透過型と異なりメ
インスケールを検出器で挾み込む必要がない点で構造が
簡易となる。

（作用） 本発明では、移動体が移動すると、Ｎ軸の移動方向毎に
移動体自体の移動量を光電的に検出することで、Ｎ＠毎
の位置に関するエンコーダ情報を直接的に検出すること
ができる。

したがって、移動体の移動ガイドの影響なく移動体自体
に形成したパターンに基づき検出しているで、その移動
位置を正確に制御することが可能となる。

ここで、被照射部の透過光を検出する方式の代表例とし
ては、上記透過型光学式エンコーダを挙げることができ
るが、この場合の移動方向であるＮ軸の公差角度の精度
は、メインスケール、サブスクールの各パターンの形成
角度にのみ依存し、駆動案内ガイドの影響を受けないの
で、より正確な位置検出を実行することができる。この
点に関しては、反射型光学式エンコーダを採用した場合
にも同様である。

（実施例） 以下、本発明をＸ−Ｙテーブルの各方向の位置検出を実
行する２次元エンコーダに適用した一実施例について、
図面を参照して具体的に説明する。

まず、透過型光学式エンコーダを採用した場合について
説明する。

第１図、第２図に示すように、ステージ１上にはＸ−Ｙ
ステージ２が設けられている。このＸ−Ｙステージ２は
平面軸受２２を介して前記ステージベース１に対して２
次元移動が可能であって、さらにこのＸ−Ｙステージ２
上には、Ｘ方向用検出器４とＹ方向用検出器５とが設け
られている。

そして、これらＸ、Ｙ方向用検出器４，５は、ステージ
ベース１に対して前記Ｘ−Ｙステージ２と共に一体的に
２次元に移動可能となっている。

一方、前記ステージベース１上には、Ｘ方向用とＹ方向
用とのそれぞれのエンコーダパターンをガラス基板上に
形成したメインスケール３がメインスケール支持台２３
に支持されて設けられ（第２図をも参照）、Ｘ−Ｙステ
ージ２の移動によってこのＸ−Ｙステージ２に対して相
対的に２次元に移動可能となっている。

Ｘ−Ｙステージ２上に設けられたＸ方向用検出器４は、
第２図に示すように光源２９．ミラー２８、コリメータ
レンズ２７とから成る照明系と、エンコーダサブスケー
ル２５と受光素子２６とから成る受光系で構成され、両
者の間にステージベース１上に固定されたメインスケー
ル３が挾まれる構成となっている。

なお、図中３０は光源２９からの光線を示している。

また、Ｙ方向用検出器うも同様な構成となっている。

メインスケール３上には、第３図に示すように１周期を
Ｌ（例えばＬ＝１０μｍ）とし、光が透過する部分（以
下ラインとも称する）４０ａと透過しない部分（以下ス
ペースとも称する）４０ｂとの比で１対１（すなわち、
それぞれ同じ幅Ｌ／２の幅を持つライン及スペース）に
形成されたエンコードパターン４０と原点信号用のパタ
ーン（図示せず）とが、Ｘ方向用、Ｙ方向検出用にそれ
ぞれ直交して２組形成されている。

これに対し、サブスケール２５上には、第３図の４１ａ
、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄに示すように、上記メインス
ケール３と同じライン及スペースのパターンで、それぞ
れ１／４周期ずつメインスケール３のパターンに対して
位相をずらした４つのパターン領域と、原点信号用パタ
ーン（図示せず）とが形成されている。

前記受光素子２６は、サブスケール２５の４つの領域及
び原点信号用パターン領域（２領域）を通過してきた光
の強度をそれぞれ検出するために、６分割された領域を
もち、光源２９から出て、レンズ２７．メインスケール
３．サブスケール２５を通過してきた光の強度を検出す
る。

このように構成された２次元エンコーダは、以下のよう
に動作する。

すなわち、メインスケール３に対してＸ方向用検出器４
が相対的に２次元移動した場合、Ｙ方向の移動成分はエ
ンコーダ信号の変化つまり受光素子２６に入ってくる光
の強度変化として現れないが、Ｘ方向の移動成分は、エ
ンコーダ信号の変化として現れる。

すなわち、第３図において、サブスケールの４１ａの領
域を通過してきた光の強度は、位置Ｘに対して一５ｉｎ
　Ｘ＋α（αは外乱）のごとく変化し、同様に４１ｂの
領域はＣＯＳ　Ｘ＋α、　４１　ｃは５ｉｎＸ＋α、４
１ｄは−ｃｏｓ　Ｘ＋αのように変化する。

これらの各信号を２つずつ組にして、 （ｓｉｎ　Ｘ＋＜２　）　−（−ｓｉｎ　Ｘ＋ａ　）　
＝２ｓｉｎ　Ｘ（ｃｏｓｘ＋α）　−（−ｃｏｓ　Ｘ＋
α）＝２ＣＯ３Ｘのように演算することで、ｓｉｎ　Ｘ
、ｃｏｓＸの２波が得られ、この信号からＸ−Ｙステー
ジ２の位置をエンコードすることができる。

同様に、Ｙ方向用検出器５からｓｉｎ　Ｙ、　ＣＯ８ｙ
の２波が得られる。

原点信号は、メインスケール３の原点パターンと、サブ
スケール２５の原点パターンとが重なった時に現れる光
量のピークをあるスレッショルドレベルで２値化して得
られる、長さが前記ライン及スペース１周期弱の信号で
あり、原点位置はこの原点信号と、ｓｉｎ　Ｘ、　ＣＯ
Ｓ　ｘ両信号との論理積によって１／８周期の範囲で決
められる。Ｙ方向も同様にして行われる。

原点信号用のパターンは、例えば前記ライン及スペース
の１本のラインの幅の２倍の幅を持つスリットを、例え
ば第４図のように並べたものである。なお同図において
、“１”は透明部であるスペースを意味し、“０”は非
透明部であるラインを意味する（例えば１ｂｉｔ＝１０
μｍ）。

このスリットパターンのみをメインスケール３及びサブ
スケール２５上に設け、前記スリットの長手方向と直交
する方向にメインスケール３とサブスケール２５との位
置関係が相対的に移動した場合、第５図に示したような
原点信号が得られる。

第５図において、原点信号となる透過光量は、全体的に
はメインスケール３とサブスケール２５のスリットパタ
ーンが重なり始めた時から少しずつ増加してゆき、両者
が重なった時に最大となり（ピーク値を示す）、そこか
ら再び減少していき、両者の重なり部分がなくなった時
にゼロとなるような、底辺の幅がスリットパターン全体
の幅の２倍である三角形状を示す。

さらに、細かく見ると両スリットパターンがびったり重
なった時の前後で裾野の幅が前記ライン及スペースの約
２周期であるような三角形状に光量のピークが表れる。

これをあるスレッショルドレベルで２値化して、前記ラ
イン及スペースの１周期弱のパルス信号（原点信号）と
することにより、この信号と前記Ｓｉｎ　Ｘ、Ｃ０３Ｘ
両信号との論理積によって、前記ライン及スペースの１
／８周期の範囲内で原点が決められる。

原点出しは、ステージがどのような位置にあっても原点
信号とｓｉｎ　Ｘ、　ＣＯ８ｘの両信号とのみを参照し
て行うことができるが、以下にその方法の一例を示す。

第６図に示すように、１：１のライン及スペースのパー
タン５１の端に前記のような原点パターン５２を設けた
メインスクール３に対して、第７図に示したような配置
をしたサブスケール２５が移動する場合、サブスケール
２５の原点パターン領域６０及び領域全体が透明（スペ
ース；光が透過する部分）である領域６１を通過する光
量の信号は、それぞれ第８図における７０．７１のよう
な出力を示す、そして、信号７０から信号７１を引いた
ものが信号７２に示すものとなる。

この信号をあるスレショルドレベルで２値化し、０と１
のディジタル信号としてとらえる。

まず、電源投入前に前記原点信号が１であれば、該信号
が０になるまで、第８図における出力特性が左側に移行
するような方向にサブスケール２５を移動し、そこから
再び該信号が１になるまで右側に移動し、そこを仮の原
点とする。この状態では第８図におけるＡ点かＢ点か分
からないので、次にＡ、Ｂ間距離以上に左側に移動させ
て信号が０の状態から再び１になるまで右側に移動させ
ると、原点位ＨＡに至る。

次に、電源投入時に前記原点信号が０であれば、該信号
が１になるまで右側に動かし、そこを仮の原点とする。

それ以降は前記と同様なシーケンスにより原点位ｉＷＡ
点に至る。

以上のような方法により、電源投入時にステージがどの
ような位置であっても、メカリミット等に当てることな
く原点信号とｓｉｎ　Ｘ、　ＣＯ５ｘの両信号とのみを
参照して原点出しを行うことができる。

このようにして、Ｙ方向には感度を持たないＸ方向用の
エンコーダが構成されるが、同様にしてこれと直交する
方向にＹ方向用検出器を構成することにより、２次元移
動するＸ−Ｙステージ２上で該ステージ２の位置をステ
ージベース１から直接２次元的に検出できるエンコーダ
を構成することができる。

この２次元エンコーダのＸ、Ｙ軸の直交度は、メインス
ケール３上に形成されるＸ、Ｙ方向のパターンの直交度
に依存するが、これはＥＢ描画法等により、かなり高精
度なものが得られるため、高い直交度を持つエンコーダ
を構成することができる。

次に、Ｘ−Ｙステージ２の直接的な位置検出の変形例に
ついて、第９図を参照して説明する。第９図は、反射型
光学式エンコーダの場合の一例を示したものである。

第９図において、Ｘ方向用検出器は光源２９゜コリメー
タレンズ２７．ビームスプリッタ３１゜サブスケール２
５及び受光素子２６とで構成されている。一方、メイン
スケール３は透過型の場合と同様にステージベース１上
に固定されるが、反射型の場合には検出器がメインスク
ール３を挾み込む必要がないので、ステージベース１上
に直接取り付けることも可能である。なお、メインスケ
ール３及びサブスケール２５に形成されているエンコー
ダパターンは、前記の透過型の場合と同様である。

次に、作用について説明すると、光源２９から出た光は
、コリメータレンズ２７によって平行光束となり、ビー
ムスプリッタ３１によって一部は反射され、サブスケー
ル２５上に照射される。サブスクール２５上の光が透過
しない部分（反射する部分、スペース）からの反射光と
、サブスクール２５上の光が透過する部分（ライン）を
透過し、メインスケール３上の光が透過しない部分（ス
ペース）で反射した反射光とは、ビームスプリッタ３１
によりその一部が透過して受光素子２６に入射する。

ここで、メインスケール３とサブスケール２５とが相対
的に移動すると、受光素子２６に入射する光の強度信号
は、前記の透過型の場合の例と同様な原理により、５ｉ
ｎＸ、ｃｏｓＸの如く変化し、エンコーダ信号が得られ
る。原点信号についても同様である。

このような反射型では、上記透過型にくらべてサブスケ
ール２５と受光素子２６との距離が廻れているため、５
ｉｎＸ、ｃｏｓＸの信号の歪みが多少大きくなるという
欠点があるが、その反面、検出器がメインスケール３を
挾み込む構造ではないことから、長いストロークのもの
にも対応しやすく、またメインテナンスがよいことなど
が利点となっている。

尚、本発明は」−記実施例に限定されるものではなく、
本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば移動体自体のＮ軸
の各移動方向の移動量を光電的に検出することで、移動
体の移動位置を直接検出することができ、高精度な位置
検出を実現することができるＮ次元エンコーダを提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明をＸ−Ｙステージの位置検出に適用し
た一実施例を説明するための概略斜視図、第２図は、第
１図のＸ−Ｙエンコーダの構成要素及び照明系を説明す
るための断面図、第３図は、Ｘ−Ｙエンコーダを構成す
るメインスケールとサブスケールとに形成される各パタ
ーンの関係を示す概略説明図、 第４図は、原点パターンを構成するスリット列の並べ方
の一例を示す概略説明図、 第５図は、第４図のスリット列で構成された原点パター
ン２組の位置関係と透過光量との関係を示す特性図、 第６図は、メインスケール上の１＝１のライン及スケー
ルのパターンと原点パターンの並べ方の一例を示す特性
図、 第７図は、サブスケール上の各種パターンの並べ方の一
例を示す概略説明図、 第８図は、エンコーダ信号のみを参照して原点出しをす
るのに用いる原点信号の一例を示す特性図、 第９図は、Ｘ−Ｙステージの直接的な位置検出に反射型
光学式エンコーダを採用した場合の構成例を示す平面図
である。 １・・・ステージベース、 ２・・・Ｘ−Ｙステージ、 ３・・・メインスケール、 ４・・・Ｘ方向用検出器、 ５・・・Ｙ方向用検出器、 ２５・・・被照射部（サブスケール）、２６・・・受光
素子、 ４０・・・メインスケールパターン、 ４１ａ〜４１ｄ・・・サブスケールパターン、８５ａ、
８５ｂ・・・被照射部（反射ミラー）。 代理人　弁理士　井　上　　−（他１名）第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　Ｎ（Ｎ≧２）軸方向に移動する移動体の各軸方向の移
   動位置を検出するＮ次元エンコーダにおいて、 上記移動体自体の各移動軸方向の移動量を光電的に検出
   することを特徴とするＮ次元エンコーダ。