JPWO2009044542A1

JPWO2009044542A1 - エンコーダ

Info

Publication number: JPWO2009044542A1
Application number: JP2009535974A
Authority: JP
Inventors: 進牧野内; 亨今井; 昭宏渡邉
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2007-10-05
Filing date: 2008-10-01
Publication date: 2011-02-03
Anticipated expiration: 2028-10-01
Also published as: US20100176282A1; US8222594B2; TW200923330A; EP2202492A4; WO2009044542A1; EP2202492A1; JP5212840B2; TWI463115B

Abstract

照明光ＬＢ１を移動スケール（２４）へ入射させる反射ミラー（２２Ｂ）を、変調信号Ｖ（ｔ）に基づいてＸ軸方向に振動する。これにより、インデックススケール（２０）で生成された照明光（ＬＢ１）及び照明光（ＬＢ２）のうちの照明光（ＬＢ１）の光路が、周期的に変化し、結果的に照明光（ＬＢ１）が周期的に変調される。したがって、照明光（ＬＢ１）又は照明光（ＬＢ２）を、移動スケール（２４）に対して走査するスキャナーを別途設ける必要がなく、装置の小型化及び装置の低コスト化を図ることが可能となる。

Description

本発明は、エンコーダに係り、さらに詳しくは、移動体の位置情報を光学的に検出するエンコーダに関する。

スキャン方式のエンコーダとして、移動体とともに移動し、かつ移動方向に沿って周期的に形成された格子を有するスケールに、所定の変調信号に基づいて変調された照明光を照射して、その反射光又は透過光と、変調信号とを比較することで、スケールの位置情報を検出するエンコーダが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

スキャン方式のエンコーダでは、スケールに対する照明光の入射位置を、周期的に変化させる必要があるため、例えば、照明光の光路上に、照明光を進行方向と直交する方向に振動させるための振動ミラー（スキャナー）などを配置する必要がある。このため、この種のエンコーダでは、振動ミラーなどを設置するためのスペースが必要となり、装置の大型化、及び装置の高コスト化などの不都合が生じていた。

米国特許６,６３９,６９６号明細書

本発明は、第１照明光と第２照明光との干渉を利用して、移動体の位置情報を検出するエンコーダであって、前記移動体の移動方向に配列されたパターンを有し、前記移動体の移動にともなって、前記第１照明光及び前記第２照明光に対して相対移動するスケールと；前記第１照明光と前記第２照明光とを、前記スケールのパターン上に照射する光学系と；前記第１照明光の光路長及び前記第２照明光の光路長のうちの少なくとも一方を周期的に変化させる変調装置と；を備えるエンコーダである。

これによれば、第１照明光及び第２照明光の少なくとも一方の光路長が、変調装置によって周期的に変化される。したがって、第１照明光及び第２照明光のうちのいずれかを、スケールに対して走査させる振動ミラー及びスキャナーなどを設ける必要がなくなり、装置の小型化及び低コスト化を図ることが可能となる。

本発明の一実施形態に係るエンコーダ１０の構成を概略的に示す図である。エンコーダ１０Ａの概略的な構成を示す図である。エンコーダ１０Ｂの概略的な構成を示す図である。図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、ガラス部材３２Ａの作用を説明するための図である。エンコーダ１０Ｃの概略的な構成を示す図である。エンコーダ１０Ｄの概略的な構成を示す図である。エンコーダ１０Ｅの概略的な構成を示す図である。エンコーダ１０Ｆの概略的な構成を示す図である。

以下、本発明の一実施形態を図１に基づいて説明する。

図１には、本発明の一実施形態に係るエンコーダ１０の概略的な構成が示されている。図１に示されるように、エンコーダ１０は、いわゆる回折干渉方式のエンコーダであり、Ｘ軸方向に移動する移動体の移動方向、あるいは移動量、あるいは変位を検出するリニアエンコーダである。

このエンコーダ１０は、図１に示されるように、光源１２、インデックススケール２０、１対の反射ミラー２２Ａ,２２Ｂ、アクチュエータ１６、移動スケール２４、受光素子２６、及び制御回路３０を備えている。

光源１２は、コヒーレントな光、例えば波長λ（＝８５０ｎｍ）の照明光ＬＢを図１における下方（−Ｚ方向）に向けて射出する。

インデックススケール２０は、光源１２の下方に配置されている。このインデックススケール２０は、Ｘ軸方向を周期方向とする回折格子が形成された透過型の位相格子である。そして、光源１２から射出された照明光ＬＢが入射すると、複数の回折光を発生させる。図１では、それらの回折光のうち、インデックススケール２０で発生した±１次回折光が示されている。以下、＋Ｘ側に出射している＋１次回折光を照明光ＬＢ１、−Ｘ側に出射している−１次回折光を照明光ＬＢ２とする。

反射ミラー２２Ａ,２２Ｂそれぞれは、インデックススケール２０の下方で、光源１２の中心を通る鉛直軸から−Ｘ方向及び＋Ｘ方向へそれぞれ所定距離隔てた位置に、相互に対向した状態で配置されている。反射ミラー２２Ａ,２２Ｂは、インデックススケール２０で発生した照明光ＬＢ１及び照明光ＬＢ２それぞれを偏向して、照明光ＬＢ１,ＬＢ２を、少なくとも一部が相互に重なりあった状態で移動スケール２４へ入射させる。

アクチュエータ１６は、例えばピエゾ素子からなり、−Ｘ側端部が反射ミラー２２Ｂの＋Ｘ側の面に固定されている。このアクチュエータ１６は、制御回路３０から供給される変調信号Ｖ（ｔ）に基づいて、反射ミラー２２Ｂを周期的にＸ軸方向に振動する。

移動スケール２４は、反射ミラー２２Ａ,２２Ｂの下方に、不図示の移動体とともにＸ軸方向に移動可能に配置されている。この移動スケール２４は、Ｘ軸方向を周期方向とする、空間周波数がωの回折格子が形成された透過型の位相格子である。そして、インデックススケール２０で生成された照明光ＬＢ１と照明光ＬＢ２とは、移動スケール２４で±１次回折を受けることで相互に干渉した状態で受光素子２６へ入射する。以下、移動スケール２４を透過した照明光Ｌ１,Ｌ２をまとめて干渉光ＬＢ１２と呼ぶものとする。

受光素子２６は、移動スケール２４の下方に配置されている。この受光素子２６は、移動スケール２４からの干渉光ＬＢ１２が入射すると、干渉光ＬＢ１２の干渉度合いに応じた光電変換信号Ｉ（ｔ）を出力する。

制御回路３０は、次式（１）で示される変調信号Ｖ（ｔ）を生成してアクチュエータ１６へ供給する。そして、受光素子２６から出力される光電変換信号Ｉ（ｔ）に基づいて、移動スケール２４の位置情報を含む信号Ｘ（ｔ）を出力する。なお、ｒは係数であり、ω_ｒは角周波数であり、ｔは時間である。
Ｖ（ｔ）＝ｒ・ｓｉｎ（ω_ｒ・ｔ）…（１）

アクチュエータ１６に、変調信号Ｖ（ｔ）が供給されると、反射ミラー２２Ｂは、Ｘ軸方向に周波数ｆ（＝ω_ｒ／２π）で振動する。これにより、インデックススケール２０で生成された照明光ＬＢ１,ＬＢ２のうちの照明光ＬＢ１の光路長が周期的に変化され、結果的に照明光ＬＢ１が周期的に変調される。そして、この照明光ＬＢ１及び照明光ＬＢ２は、少なくとも一部が重なった状態で移動スケール２４へ入射する。

移動スケール２４上では、照明光ＬＢ１と照明光ＬＢ２との干渉によって干渉縞が形成される。そして、この干渉縞は変調信号Ｖ（ｔ）の角周波数ωに比例してＸ軸に沿って移動（振動）する。この結果、受光素子２６が干渉光ＬＢ１２を受光することにより得られる光電変換信号Ｉ（ｔ）は、移動スケール２４の位置情報を変調信号Ｖ（ｔ）で変調したものと等価となり、次式（２）で表される。なお、Ａは移動スケール上を移動する干渉縞の変位の振幅であり、ｘ_０は初期オフセット量であり、ｘはインデックススケール２０に対する移動スケール２４の位相である。
Ｉ（ｔ）＝ｘ_０＋Ａ・ｃｏｓ［ω（ｒ・ω・ｓｉｎ（ω_ｒ・ｔ）＋ω・ｘ）］ …（２）

制御回路３０は、光電変換信号Ｉ（ｔ）に対して、例えば、米国特許６,６３９,６９６号明細書に記載された処理を行うことで、移動スケール２４の位置情報及び移動情報を算出し、これをエンコーダ１０の出力信号Ｘ（ｔ）とする。

以上説明したように、本実施形態にかかるエンコーダ１０では、反射ミラー２２Ｂが、変調信号Ｖ（ｔ）に基づいてＸ軸方向に振動される。これにより、インデックススケール２０で生成された照明光ＬＢ１及び照明光ＬＢ２のうちの照明光ＬＢ１の光路長が、周期的に変化し、結果的に照明光ＬＢ１が周期的に変調される。したがって、照明光ＬＢ１又は照明光ＬＢ２を、移動スケールに対して走査するスキャナーを別途設ける必要がなく、装置の小型化及び装置の低コスト化を図ることが可能となる。

なお、本実施形態では、反射ミラー２２Ｂのみをアクチュエータ１６によってＸ軸方向へ振動させたが、例えば、反射ミラー２２Ａのみを振動させてもよい。また、反射ミラー２２Ａ,２２Ｂを相互に逆位相となるように振動させてもよい。

また、照明光ＬＢ１又は照明光ＬＢ２の光路長を変化させるエンコーダの構成としては、上述したエンコーダ１０の構成の他に、種々の構成が考えられる。以下、具体的に６つの例について説明する。

《変形例１》
図２は、変形例１に係るエンコーダ１０Ａを示す図である。このエンコーダ１０Ａは、インデックススケール２０の下方に、反射ミラー２２Ａ,２２Ｂに代えて、第２インデックススケール３１が配置されている点で、エンコーダ１０と相違している。

この第２インデックススケール３１は、−Ｘ側端部を中心にＹ軸に平行な軸回りに回動可能に配置されている。そして、第２インデックススケール３１の姿勢は、第２インデックススケール３１の＋Ｘ側端部が不図示のアクチュエータによって上下方向に振動されることで、図２に実線で示される姿勢から一点鎖線で示される姿勢へ周期的に変化する。これにより、エンコーダ１０Ａでは、照明光ＬＢ１の光路長が周期的に変化され、照明光ＬＢ１の光路と照明光ＬＢ２の光路との間に周期的な光路差が生じる。したがって、エンコーダ１０Ａは、エンコーダ１０と同様に、移動スケール２４の位置情報を検出することが可能となる。

なお、本変形例では、第２インデックススケール３１を回動させることとしたが、これに限らず、第２インデックススケール３１を、−Ｘ側端部を起点に、＋Ｘ側端部を振動させることにより、第２インデックススケール３１を周期的に湾曲させてもよい。

《変形例２》
図３は、変形例２に係るエンコーダ１０Ｂを示す図である。このエンコーダ１０Ｂは、インデックススケール２０と反射ミラー２２Ａ,２２Ｂとに代えて、光源１２の下方にＵ字状のガラス部材３２Ａが配置さている点でエンコーダ１０と相違している。

このガラス部材３２Ａは、長手方向をＸ軸方向とし、上下方向に対向して配置された１組の板状部と、各板状部の−Ｘ側端部を連結する連結部の３部分からなるＺＸ断面Ｕ字状の部材である。また、１組の板状部のうち、上側に位置する板状部は下側に位置する板状部よりも厚くなるように整形され、各板状部の＋Ｘ側端部には、上下方向に伸縮するアクチュエータ１６の上端部及び下端部が固定されている。そして、上側の板状部の上面には、インデックススケール２０と同様に、照明光ＬＢを回折させて照明光ＬＢ１、照明光ＬＢ２を生成する回折格子が形成されている。また、下側の板状部の下面には、照明光ＬＢ１及び照明光ＬＢ２を回折させて、少なくとも一部が重なった状態で移動スケール２４へ入射させる回折格子が形成されている。

上述のように構成されたガラス部材３２Ａは、アクチュエータ１６が、変調信号Ｖ（ｔ）に基づいて周期的に伸縮されると、剛性の低い下側の板状部が図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示されるように、サイン波状に周期的に弾性変形される。これにより、照明光ＬＢ１の光路長と照明光ＬＢ２の光路長とが周期的に変化し、照明光ＬＢ１の光路と照明光ＬＢ２の光路との間に周期的な光路差が生じる。したがって、エンコーダ１０Ｂは、エンコーダ１０と同様に、移動スケール２４の位置情報を検出することが可能となる。

《変形例３》
図５は、変形例３に係るエンコーダ１０Ｃを示す図である。このエンコーダ１０Ｃは、インデックススケール２０と反射ミラー２２Ａ,２２Ｂとに代えて、光源１２の下方に直方体状のガラス部材３２Ｂが配置さている点でエンコーダ１０と相違している。

ガラス部材３２Ｂは、長手方向をＸ軸方向として配置され、ガラス部材３２Ｂの上面には、インデックススケール２０と同様に、照明光ＬＢ１及び照明光ＬＢ２を生成する回折格子が形成されている。また、ガラス部材３２Ｂの下面には、照明光ＬＢ１及び照明光ＬＢ２をそれぞれ回折させて、少なくとも一部が重なった状態で移動スケール２４へ入射させる回折格子が形成されている。このガラス部材３２Ｂの−Ｘ側の面には、Ｘ軸方向に伸縮するアクチュエータ１６によって、＋Ｘ方向の圧力が作用される。

エンコーダ１０Ｃでは、ガラス部材３２Ｂの固有振動数と同等の周波数の変調信号Ｖ（ｔ）に基づいてアクチュエータ１６が伸縮されることにより、ガラス部材３２Ｂが周期的にＸ軸方向へ弾性変形（伸縮）し、ガラス部材３２Ｂの内部の屈折率分布が周期的に変化する。これにより、照明光ＬＢ１と照明光ＬＢ２の光路長が周期的に変化し、照明光ＬＢ１の光路と照明光ＬＢ２の光路との間に周期的な光路差が生じる。したがって、エンコーダ１０Ｃは、エンコーダ１０と同様に、移動スケール２４の位置情報を検出することが可能となる。

《変形例４》
図６は、変形例４に係るエンコーダ１０Ｄを示す図である。このエンコーダ１０Ｄは、インデックススケール２０と反射ミラー２２Ａ,２２Ｂとに代えて、光源１２の下方に直方体状のガラス部材３２Ｂが配置さている点でエンコーダ１０と相違している。

このガラス部材３２Ｂは、長手方向をＸ軸方向として配置され、上面には、インデックススケール２０と同様に、照明光ＬＢ１及び照明光ＬＢ２を生成する回折格子が形成されている。また、下面には、照明光ＬＢ１及び照明光ＬＢ２を回折させて、少なくとも一部が重なった状態で移動スケール２４へ入射させる回折格子が形成されている。

エンコーダ１０Ｄでは、ガラス部材３２Ｂの上面と下面に、電圧源４０を介して変調信号Ｖ（ｔ）と同等の周波数の交流電圧が印加されることによりガラス部材３２Ｂが直接圧電効果により弾性変形し、内部の屈折率分布が周期的に変化する。このため、照明光ＬＢ１と照明光ＬＢ２の光路長が周期的に変化し、照明光ＬＢ１の光路と照明光ＬＢ２の光路との間に周期的な光路差が生じる。したがって、エンコーダ１０Ｄは、エンコーダ１０と同様に、移動スケール２４の位置情報を検出することが可能となる。

なお、変形例にかかるエンコーダ１０Ｂ,１０Ｃ,１０Ｄでは、ガラス部材を弾性変形させることにより、照明光ＬＢ１の光路と照明光ＬＢ２の光路との間に光路差を生じさせた。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、ガラス部材に代えて、例えば照明光に対する透過性を有する水晶、又は透明樹脂製の光学素子を用い、この光学素子を弾性変形させることとしてもよい。

本発明は、例えば特開昭６０−９８３０２号公報に開示されたエンコーダにも応用することが可能である。以下、具体的に２つの応用例について説明する。なお、以下の応用例１、及び応用例２にかかるエンコーダの構成及び動作は、特開昭６０−９８３０２号公報に詳細に開示されている。このため、ここでの詳細な説明は省略する。

《応用例１》
図７は、応用例１に係るエンコーダ１０Ｅを示す図である。このエンコーダ１０Ｅは、ビームスプリッタ３５、ビームスプリッタ３５の下方に相互に対向して配置された反射ミラー２２Ａ,２２Ｂ、反射ミラー２２Ａ,２２Ｂの下方に配置された移動スケール２４、移動スケール２４の下方に配置された反射ミラー２２Ｃ,２２Ｄ、及び反射ミラー２２Ｄを周期的に振動させるアクチュエータ１６などを含んで構成されている。

上述のように構成されたエンコーダ１０Ｅでは、図７に示されるように、ビームスプリッタ３５に斜入射した照明光ＬＢは、反射ミラー２２Ｂに向かって進行する照明光ＬＢ１と、反射ミラー２２Ａに向かって進行する照明光ＬＢ２とに分岐される。そして、照明光ＬＢ１,ＬＢ２それぞれは、反射ミラー２２Ａ,２２Ｂにそれぞれ偏向されて、少なくとも一部が重なった状態で、移動スケール２４へ入射する。移動スケール２４へ入射した照明光ＬＢ１,ＬＢ２は、移動スケール２４を透過して、反射ミラー２２Ｃ及び反射ミラー２２Ｄそれぞれに入射する。

反射ミラー２２Ｃ,２２Ｄにそれぞれ入射した照明光ＬＢ１,照明光ＬＢ２は、反射ミラー２２Ｃ,２２Ｄで反射することで、上述とは逆の順序で移動スケール２４、反射ミラー２２Ａ,２２Ｂを介して、ビームスプリッタ３５に斜入射する。そして、照明光ＬＢ１がビームスプリッタ３５の＋Ｘ側の面で反射し、照明光ＬＢ２がビームスプリッタ３５を透過することで、照明光ＬＢ１と照明光ＬＢ２は合成され、干渉光ＬＢ１２として不図示の受光素子によって受光される。

エンコーダ１０Ｅでは、移動スケール２４を透過した照明光ＬＢ２を反射する反射ミラー２２Ｄが、照明光ＬＢ２の入射方向と平行に、アクチュエータ１６によって周期的に振動される。これにより、照明光ＬＢ２の光路長が周期的に変化し、照明光ＬＢ１の光路と照明光ＬＢ２の光路との間に周期的な光路差が生じる。このため、エンコーダ１０Ｅは、エンコーダ１０と同様に、移動スケール２４の位置情報を検出することが可能となる。

《応用例２》
図８は、応用例２に係るエンコーダ１０Ｆを示す図である。このエンコーダ１０Ｆは、ビームスプリッタ３５、ビームスプリッタ３５の下方に配置された移動スケール２４、移動スケール２４の下方に配置された反射ミラー２２Ｃ,２２Ｄ、及び反射ミラー２２Ｄを周期的に振動させるアクチュエータ１６などを含んで構成されている。

上述のように構成されたエンコーダ１０Ｆでは、図８に示されるように、ビームスプリッタ３５に斜入射した照明光ＬＢは、照明光ＬＢ１と照明光ＬＢ２とに分岐される。そして、照明光ＬＢ１及び照明光ＬＢ２それぞれは、移動スケール２４上の異なる２点に入射し、それぞれ移動スケール２４で回折されて反射ミラー２２Ｃ,２２Ｄに入射する。

反射ミラー２２Ｃ,２２Ｄにそれぞれ入射した照明光ＬＢ１,照明光ＬＢ２は、反射ミラー２２Ｃ,２２Ｄで反射することで、上述とは逆の順序で移動スケール２４を介して、ビームスプリッタ３５に斜入射する。そして、照明光ＬＢ１がビームスプリッタ３５の＋Ｘ側の面で反射し、照明光ＬＢ２がビームスプリッタ３５を透過することで、照明光ＬＢ１と照明光ＬＢ２は合成され、照明光ＬＢ１２として不図示の受光素子によって受光される。

エンコーダ１０Ｆでは、移動スケール２４を透過した照明光ＬＢ２を反射する反射ミラー２２Ｄが、照明光ＬＢ２の入射方向と平行にアクチュエータ１６によって周期的に振動されることで、照明光ＬＢ２の光路長が周期的に変化する。これにより、照明光ＬＢ１の光路と照明光ＬＢ２の光路との間に周期的な光路差が生じる。このため、エンコーダ１０Ｆは、エンコーダ１０と同様に、移動スケール２４の位置情報を検出することが可能となる。

また、本実施形態、変形例、及び応用例では、移動スケール２４が照明光に対して移動する場合について説明した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、移動スケール２４以外の部分が移動体とともに移動する場合についても本発明を採用することができる。要は、移動スケール２４と、他の光学部材又は照明光とが相対的に移動する構成であればよい。

また、本実施形態では、インデックススケール２０と移動スケール２４が位相格子を有する場合について説明した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、インデックススケール２０及び移動スケール２４は、振幅型の回折格子（明暗型の回折格子）を有していてもよく、いずれか一方が振幅型の回折格子を有し、他方が位相格子を有していてもよい。

また、本実施形態では、±１次回折光を計測光として用いた。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、さらに高次の回折光の干渉光を計測光として用いてもよい。また、０次とｎ次（又は−ｎ次）、＋ｎ次と＋（ｍ＋ｎ）次というように異なる次数の回折光同士の干渉光を計測光として用いてもよい。

また、本実施形態では、エンコーダ１０が、移動体の一軸方向の位置情報を検出するリニアエンコーダであるものとして説明した。しかしながら、本発明はこれに限らず、回転体の回転量を検出するロータリーエンコーダについても適用することができる。

以上説明したように、本発明のエンコーダは、移動体の位置情報を光学的に検出するのに適している。

Claims

第１照明光と第２照明光との干渉を利用して、移動体の位置情報を検出するエンコーダであって、
前記移動体の移動方向に配列されたパターンを有し、前記移動体の移動にともなって、前記第１照明光及び前記第２照明光に対して相対移動するスケールと；
前記第１照明光と前記第２照明光とを、前記スケールのパターン上に照射する光学系と；
前記第１照明光の光路長及び前記第２照明光の光路長のうちの少なくとも一方を周期的に変化させる変調装置と；を備えるエンコーダ。
請求項１に記載のエンコーダにおいて、
前記変調装置は、前記光学系に含まれる光学素子の位置を周期的に振動させることにより、前記第１照明光の光路長及び前記第２照明光の光路長のうちの少なくとも一方を周期的に変化させるエンコーダ。
請求項１に記載のエンコーダにおいて、
前記光学系は、前記第１照明光又は前記第２照明光の光路上に配置された、前記第１照明光及び前記第２照明光を透過する光学素子を含み、前記変調装置は、前記光学素子の屈折率を周期的に変化させることにより、前記第１照明光の光路長及び前記第２照明光の光路長のうちの少なくとも一方を周期的に変化させるエンコーダ。
請求項１又は３に記載のエンコーダにおいて、
前記光学系は、前記第１照明光又は前記第２照明光の光路上に配置された、前記第１照明光及び前記第２照明光を透過する光学素子を含み、前記変調装置は、前記光学素子を弾性変形させることにより、前記第１照明光の光路長及び前記第２照明光の光路長のうちの少なくとも一方を周期的に変化させるエンコーダ。
請求項４に記載のエンコーダにおいて、
前記変調装置は、前記光学素子を機械的に弾性変形させるエンコーダ。
請求項４に記載のエンコーダにおいて、
前記変調装置は、前記光学素子に交流電圧を印加して、前記素子を弾性変形させるエンコーダ。
請求項１〜６のいずれか一項に記載のエンコーダにおいて、
前記スケールは、前記移動体に設けられているエンコーダ。