エンコーダ
【課題】エンコーダの小型化を図る。
【解決手段】−１次回折光、０次光、＋１次回折光の入射位置の間隔は、トラック３１のビットパターンのピッチの３倍（３ｐ）となるように設定されている。駆動装置１６による振動ミラー１４の回転振動により、０次光、±１次回折光の入射位置は、互いの間隔を維持したまま、Ｘ軸方向に振動するようになる。この振動の振幅（半振幅）は、ビットパターンのピッチｐと同じとなるように設定されている。０次光、±１次回折光の入射位置は、等間隔のまま、それぞれ３ビット相当の領域を移動する。これにより、３つの回折光の入射位置は、全体で９ビット相当の幅で移動するようになる。これにより、３つの回折光を用いて９ビットの絶対位置情報を読み出すことが可能となる。
【解決手段】−１次回折光、０次光、＋１次回折光の入射位置の間隔は、トラック３１のビットパターンのピッチの３倍（３ｐ）となるように設定されている。駆動装置１６による振動ミラー１４の回転振動により、０次光、±１次回折光の入射位置は、互いの間隔を維持したまま、Ｘ軸方向に振動するようになる。この振動の振幅（半振幅）は、ビットパターンのピッチｐと同じとなるように設定されている。０次光、±１次回折光の入射位置は、等間隔のまま、それぞれ３ビット相当の領域を移動する。これにより、３つの回折光の入射位置は、全体で９ビット相当の幅で移動するようになる。これにより、３つの回折光を用いて９ビットの絶対位置情報を読み出すことが可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンコーダに係り、さらに詳しくは、移動体の絶対位置情報を光学的に検出可能なエンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、原点復帰動作を行うことなく、移動体の絶対位置情報を検出することができるエンコーダが用いられている。このようなエンコーダは、一般に、絶対値エンコーダ（アブソリュートエンコーダ）と呼ばれている。アブソリュートエンコーダの符号板（スケール）上に形成されるパターンにおいては、１回の検出単位に相当する検出単位パターンが他の位置の検出単位パターンとは異なっている必要がある。
【０００３】
このようなパターンとしては、スケール上に、各ビットに対応する複数本の並列トラックを設けたもの（例えば１６ビットであれば、各ビットに対応する１６本の並列トラックを設けたもの）が用いられるのが一般的である。しかしながら、このタイプで、２Nの分解能を得るためには、最低Ｎ本のトラックが必要となるので、分解能を上げようとすればするほど、それだけスケールが大型化し、コスト高となる。そこで、最近では、単一のトラック上にシリアルビット列のパターン（例えばＭ系列（Maximum length code）を表す一列のパターン）が形成されたものが用いられるようになってきている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、アブソリュートエンコーダでは、各ビットの値を読み取るセンサなどを、検出単位のビット数分だけ揃える必要があることから、分解能を上げようとすると、部品点数が多くなって、装置が大型化し、コスト高となる。
【０００５】
【特許文献１】特許第２，６９９，５４２号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、第１の観点からすると、絶対位置情報に対応付けられたパターンが所定方向に沿って形成された第１のトラックを有するスケール基板と；前記スケール基板に対して前記所定方向に相対移動し、前記第１のトラックの一部に照明光を照射するビーム照射装置と；前記第１のトラックの一部に対する前記照明光の照射位置を前記所定方向に周期的に変動させる変動装置と；を備えるエンコーダである。
【０００７】
これによれば、第１のトラックに照射される照明光の照射位置を所定方向に周期的に変動させるので、照明光１本当たりの読み取りビット数を増やすことが可能となる。この結果、分解能を高くしても、装置の大型化やコスト高を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の一実施形態を図１〜図７に基づいて説明する。
【０００９】
図１には、本発明の一実施形態に係るエンコーダ１０の主要部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、光源１２と、振動ミラー１４と、駆動装置１６と、コリメータレンズ１８と、ビーム生成部２０と、ビームスプリッタ２２と、対物レンズ２３と、移動スケール２４と、受光素子２６1〜２６3、２７1〜２７3、２８1〜２８3とを備えている。移動スケール２４以外の構成要素は、互いの位置関係が固定となっている。以下では、移動スケール２４以外の構成要素をまとめてビーム照射装置とも呼ぶ。本実施形態では、説明の便宜上、ビーム照射装置の位置座標が、ＸＹＺ座標系で不変であるものとして説明を行う。
【００１０】
エンコーダ１０を構成する移動スケール２４は、不図示の移動体に取り付けられており、移動体の移動に伴ってＸ軸方向に移動する。移動スケール２４は、例えばガラスからなり、そのうえにクロム（Ｃｒ）などから成る反射層が形成された反射型のスケールである。図２に示されるように、移動スケール２４上には、計測方向であるＸ軸方向に延びる互いに平行な３つのトラック３１、３２、３３が設けられている。トラック３３は、トラック３１、３２に挟まれている。
【００１１】
トラック３１、３２には、Ｘ軸方向に延びる細長いパターンが設けられている。トラック３１、３２は、Ｘ軸方向に一定のピッチで区切られており、そのピッチで区切られた領域（ビット領域）それぞれに、「０」の値又は「１」の値を示すパターンが形成されている。すなわち、このトラック３１、３２のパターンは、Ｘ軸方向に延びるシリアルビット列のパターンとなっている。このようなパターンは、例えば、「０」のパターンと、「１」のパターンとで、反射率を異ならしめることによって実現することができる。図２では、「０」の値を示すパターンが白で示されており、「１」の値を示すパターンが黒で示されている。トラック３１、３２では、同時に検出されるビット数の検出単位を９ビットとしてパターンが形成されている。トラック３１、３２のビット列では、連続する９ビットを、どの地点で抜き出しても、その位置でユニークな数値を持つビット列となる。したがって、トラック３１、３２内で、連続するビット列のうち、９ビットの値を読み取れば、移動スケール２４のどの位置に対応するビット列パターンを読み取っているかを認識することができる。
【００１２】
このようなパターンとしては、例えばＭ系列のビット列パターンを採用することができる。Ｍ系列のビット列パターンとは、２n−１個（ｎ＝９）の「０」又は「１」とされる符号により形成され、ｎ個の連続した符号の組み合わせが全て異なる符号列とされるパターンである。
【００１３】
本実施形態では、トラック３１、３２の同一Ｘ位置に対応するビットは反転している。すなわち、あるＸ位置のトラック３１のビットの値が「０」であれば、そのＸ位置のトラック３２のビットの値は「１」となっており、他のＸ位置のトラック３１のビットの値が「１」であれば、そのＸ位置のトラック３２のビットの値は「０」となっている。
【００１４】
また、トラック３３には、Ｘ軸方向を周期方向とする周期パターンが設けられている。この周期パターンは、例えば正弦波状の位相格子であり、その格子ピッチは、例えば、トラック３１、３２のピッチと同じとなるように設定されている。
【００１５】
図３には、トラック３１に照射される光の光路図が示されている。図３に示されるように、光源１２は、例えばコヒーレントな光、例えば波長λ（＝８５０ｎｍ）のレーザ光を、＋Ｘ方向に向けて射出する。
【００１６】
振動ミラー１４は、光源１２からのレーザ光を、コリメータレンズ１８に向けて反射する。振動ミラー１４は、ピエゾ素子、水晶振動子などのアクチュエータを有する駆動装置１６によりＹ軸回りの回転方向に周期的に回転振動する。この回転振動により、振動ミラー１４に入射したレーザ光の反射方向は、変動する反射面の向きに応じて変動し、この変動により、コリメータレンズ１８に入射するレーザ光の角度が周期的に変化する。
【００１７】
コリメータレンズ１８は、振動ミラー１４で反射されたレーザ光を平行光に変換する。この平行光は、ビーム生成部２０上に入射する。ビーム生成部２０上には、図１に示されるように、周期方向をＸ軸方向とする３つの回折格子４１、４２、４３がＹ軸方向に等間隔に並べられている。これらの回折格子のうち、回折格子４１が、最も＋Ｙ側に設けられており、回折格子４３は、回折格子４１、４２に挟まれるように配置されている。回折格子４１、４２の格子ピッチは同じとなっているが、回折格子４３の格子ピッチは、回折格子４１、４２の格子ピッチと同じであってもよいし、異なっていてもよい。
【００１８】
回折格子４１、４２、４３は、透過型の位相格子である。回折格子４１、４２、４３を透過した平行光は回折し、複数の回折光が発生する。図３では、回折格子４１で発生する回折光のうち、０次光と、±１次回折光（図３において、＋Ｘ側に出射している回折光を＋１次回折光とし、−Ｘ側に出射している回折光を−１次回折光とする）とが示されている。以下では、０次光と、±１次回折光のみが発生するものとして説明を行う。
【００１９】
０次光と、±１次回折光は、ビームスプリッタ２２に入射し、その一部は透過する。ビームスプリッタ２２を透過した各回折光は、対物レンズ２３に入射して、Ｚ軸に平行な光に変換された後、移動スケール２４に入射する。
【００２０】
対物レンズ２３を通過した０次光、±１次回折光は、トラック３１に入射する。図４（Ａ）〜図４（Ｅ）には、トラック３１上に入射する３つの回折光の入射位置の移動の様子が示されている。図４（Ａ）〜図４（Ｅ）では、−１次回折光の入射位置が白色で示され、０次光の入射位置が黒色で示され、＋１次回折光の入射位置が×で示されている。
【００２１】
図４（Ａ）に示されるように、−１次回折光、０次光、＋１次回折光の入射位置の間隔は、トラック３１のビットパターンのピッチの３倍（３ｐ）となるように設定されている。
【００２２】
駆動装置１６による振動ミラー１４の回転振動により、０次光、±１次回折光の入射位置は、互いの間隔を維持したまま、Ｘ軸方向に振動するようになる。この振動の振幅（半振幅）は、ビットパターンのピッチｐと同じとなるように設定されている。したがって、図４（Ａ）に示される位置にあった、３つの回折光の入射位置は、図４（Ｂ）〜図４（Ｅ）に示される位置に順次移動するようになる。すなわち、０次光、±１次回折光の入射位置は、等間隔のまま、それぞれ３ビット相当の領域を往復移動する。この結果、３つの回折光の入射位置は、全体で９ビット相当の幅で移動するようになる。
【００２３】
移動スケール２４のトラック３１で反射した各回折光は、対物レンズ２３を経て、ビームスプリッタ２２で折り曲げられ、−Ｘ方向に進む。これらの回折光のうち、−１次回折光は、受光素子２７1に到達し、０次光は、受光素子２７2に到達し、＋１次回折光は、受光素子２７3に到達する。受光素子２７1、２７2、２７3からは、受光した光の強度に応じた光電変換信号が出力される。これらの光電変換信号はそれぞれ、−１次回折光、０次光、＋１次回折光が入射したトラック３１内のビットの値の情報を含んでいる。
【００２４】
トラック３２に入射する光の光路も、図３に示されるものとほぼ同じであり、トラック３２に入射した−１次回折光、０次光、＋１次回折光が、受光素子２８1、２８2、２８3で受光される。したがって、受光素子２８1、２８2、２８3から出力される光電変換信号は、トラック３２内の連続する９ビットの値に相当する信号を含んでいることになる。
【００２５】
受光素子２７1〜２７3、２８1〜２８3から出力された光電変換信号は、検出装置８０に送られる。図５には、検出装置８０の概略的な構成が示されている。図５に示されるように、検出装置８０は、差動増幅回路５１、５２、５３と、デマルチプレクサ５５、５６、５７と、ラッチ回路６０と、パラレルシリアル変換回路７０とを備えている。
【００２６】
受光素子２７1からの光電変換信号（電流信号）と、受光素子２８1からの光電変換信号（電流信号）とは、不図示の電流−電圧変換回路により、電圧信号に変換された後、差動増幅回路５１に入力される。差動増幅回路５１では、受光素子２７1からの光電変換信号（電圧信号）と、受光素子２８1からの光電変換信号（電圧信号）との差分値を増幅して出力する。両者のうち、一方が「１」を示している場合には、他方は必ず「０」を示し、一方が「０」を示している場合には、他方は必ず「１」を示すようになる。「１」の値の場合、光電変換信号の信号レベルは、正であり、「０」の値の場合、光電変換信号の信号レベルは、負となっているので、この差分の結果、２つの信号レベルの差は広がることになる。
【００２７】
同様に、受光素子２７2からの光電変換信号（電流信号）と、受光素子２８2からの光電変換信号（電流信号）とは、不図示の電流−電圧変換回路により、電圧信号に変換された後、差動増幅回路５２に入力される。差動増幅回路５２では、受光素子２７2からの光電変換信号（電圧信号）と、受光素子２８2からの光電変換信号（電圧信号）との差分値を増幅して出力する。さらに、受光素子２７3からの光電変換信号（電流信号）と、受光素子２８3からの光電変換信号（電流信号）とは、不図示の電流−電圧変換回路により、電圧信号に変換された後、差動増幅回路５３に入力される。差動増幅回路５３では、受光素子２７3からの光電変換信号（電圧信号）と、受光素子２８3からの光電変換信号（電圧信号）との差分値を増幅して出力する。
【００２８】
デマルチプレクサ５５は、所定の間隔で、差動増幅回路５１から入力した信号の出力先を切り換える。この切り換えのタイミングは、駆動装置１６から発せられる、振動ミラー１４の駆動信号に同期している。振動ミラー１４の駆動信号は正弦波信号であり、この正弦波の位相が６０度変化する毎に、信号の出力先の切り替えが行われる。このようにすれば、ラッチ回路６０では、−１次回折光が照射されるトラック３１の各ビットパターンが示す値に相当する値がそれぞれラッチされるようになる。同様に、デマルチプレクサ５６、５７も、駆動ミラー１４の駆動信号に同期しており、ラッチ回路６０には、０次光、＋１次回折光が照射されるトラック３１、３２の各ビットの値がそれぞれラッチされるようになる。このラッチのタイミングは、振動ミラー１４の周期と同じとなるように設定されている。
【００２９】
ラッチ回路６０でラッチされた各ビットの値に相当する信号は、パラレルシリアル変換回路７０に入力される。パラレルシリアル変換回路７０は、ラッチ回路６０の各ビットから入力される合計９ビットのパラレルデータを、トラック３１で読み取られた９ビットのビット列パターンに従った９ビットのシリアルデータに変換し、そのシリアルデータを、移動スケール２４の絶対位置情報として出力する。例えば、トラック３１の９ビットのパターンが、図６（Ａ）に示されるようであったとすると、パラレルシリアル変換回路７０から出力される９ビットシリアルデータは、図６（Ｂ）に示されるようになる。
【００３０】
図７には、トラック３３に照射される光の光路図が示されている。図７に示されるように、光源１２から発せられたレーザ光は、振動ミラー１４で反射され、コリメータレンズ１８で平行光に変換され、回折格子４３に入射する。回折格子４３から発せられた−１次回折光、０次光、＋１次回折光は、ビームスプリッタ２２、対物レンズ２３を介して、移動スケール２４上のトラック３３に入射する。
【００３１】
トラック３３には、前述のとおり、Ｘ軸方向を周期方向とする周期パターンが設けられているため、トラック３３への入射光の反射光は、その入射光の入射位置の、周期パターンの位相に関する情報を含んだ光となる。この反射光は、対物レンズ２３を通過し、ビームスプリッタ２２で反射される。そして、反射光のうち、−１次回折光の反射光は、受光素子２６1に入射し、０次光は、受光素子２６2に入射し、＋１次回折光の反射光は受光素子２６3に入射する。
【００３２】
振動ミラー１４の振動により、トラック３３上の−１次回折光、０次光、＋１次回折光の入射位置もＸ軸方向に周期的に変動する。この変動により、トラック３３の周期パターンにおける各反射光に含まれるその入射位置の位相情報が変調されるようになる。
【００３３】
受光素子２６1、２６2、２６3から出力される光電変換信号は、検出装置８０に送られる。検出装置８０では、それらの光電変換信号に含まれる周期パターンの位相情報を復調し、復調された位相情報を、移動スケール２４の位置情報として出力する。この位相情報の復調と、移動スケール２４の位置情報の出力とを行う検出回路８０の構成及び動作については、例えば、特表２０００−５１１６３４号公報又は米国特許第６，６３９，６８６号明細書に開示されているので、詳細な説明を省略する。
【００３４】
検出装置８０では、トラック３１、３２から得られる絶対位置情報と、トラック３３から得られる周期パターンの位相情報とに基づいて、移動スケール２４の最終的な絶対位置情報を生成する。これにより、トラック３１、３２から得られる絶対位置情報の最小読取単位をトラック３３の周期パターンの周期を１周期として、その周期をさらに内挿するので、検出分解能を向上させた最終的な絶対位置情報を検出することが可能となる。
【００３５】
次に、エンコーダ１０の動作について説明する。ここで、このエンコーダ１０は、半導体デバイスなどのデバイスを製造するデバイス製造処理装置の一部に組み込まれているものとする。そのデバイス製造処理装置は、その位置が固定されている固定部（不図示）と、その固定部に対して可動な可動部（不図示）とが設けられている。図１におけるエンコーダ１０の移動スケール２４以外の部分（ビーム照射装置）は固定部に取り付けられ、移動スケール２４は可動部に取り付けられているものとする。すなわち、エンコーダ１０では、デバイス製造処理装置の固定部に対する可動部のＸ軸方向の相対変位が検出される。
【００３６】
このデバイス製造処理装置の電源投入後、エンコーダ１０に対しても電力供給が開始され、光源１２からのレーザ光の射出が開始される。エンコーダ１０は、この段階で、まず、トラック３１、３２から得られる絶対位置情報と、トラック３３の周期パターンの位相情報とに基づいて、最終的な絶対位置情報を生成し、出力する。したがって、デバイス製造処理装置では、可動部の原点復帰動作を行わずとも、その後の固定部に対する可動部の絶対位置情報の取得が可能となる。これ以降は、エンコーダ１０は、トラック３２から得られる周期パターンの位相情報に基づいて、可動部の変位を検出すればよい。
【００３７】
以上詳細に説明したように、トラック３１、３２に照射されるレーザ光の照射位置をＸ軸方向に周期的に変動させるので、照明光１本当たりの読み取りビット数を増やすことが可能となる。この結果、トラック３１、３２のビット数を増やして分解能を高く設定した場合でも、装置の大型化やコスト高を低減することができる。
【００３８】
また、本実施形態によれば、光源１２から射出されたレーザ光を回折して、複数のビームとして複数の回折光を生成する回折格子４１、４２を備えている。そして、この回折格子４１、４２により発生した−１次回折光、０次光、＋１次回折光が、トラック３１、３２の一部に照射される。このようにすれば、複数のビームを生成するのに、複数の光源を備える必要がなくなるので、装置の大型化やコスト高をさらに低減することができる。
【００３９】
なお、本実施形態では、複数のビームを生成する光学素子として回折格子４１、４２を用いたが、他の光学素子を用いるようにしてもよい。例えば、ビームスプリッタ（偏光ビームスプリッタ含む）、ハーフミラー、複屈折プリズム、分割プリズムなどは、その一例である。また、ビーム生成部として、音響光学素子（ＡＯＭ）や、電気光学素子（ＥＯＭ）を配置することによって、トラックに照射されるビームの間隔を調整可能としてもよい。
【００４０】
なお、本実施形態によれば、複数のビームの照射位置をＸ軸方向に周期的に変動させる。このようにすれば、少ないビーム本数で、より多くの情報を取得することが可能となるので、エンコーダの大型化やコスト高をさらに低減することができる。
【００４１】
なお、本実施形態では、振動ミラー１４のＹ軸回りの回転によって、各回折光の入射位置をＸ軸方向に周期的に変動させたが、本発明はこれには限られない。例えば、振動ミラーに代えて、クリスタル、音叉型クリスタルなどを用いることとしてもよい。このようなクリスタルは、共振周波数が低いため、消費電力が少なくてすむという利点がある。また、振動ミラーを駆動する駆動装置を、単なる反射ミラーに置き換え、光源１２の位置を周期的にＺ軸に変動させるようにしてもよい。また、光源１２の位置を変動させずに、コリメータレンズ１８の位置を、Ｘ軸方向に周期的に変動させるようにしてもよい。
【００４２】
なお、本実施形態に係るエンコーダ１０では、移動スケール２４のトラック３１のパターンは、絶対位置情報に対応付けられた符号ビット系列（Ｍ系列）に従って形成されている。また、移動スケール２４は、Ｍ系列の各ビットの値が反転したビット系列を表す一列のパターンがＸ軸方向に形成されたトラック３２をさらに備えている。そして、エンコーダ１０では、トラック３１のパターンの一部を介した光の受光結果に相当する信号と、トラック３２のパターンの一部を介した光の受光結果に相当する信号との差分に基づいて、移動スケール２４と、ビーム照射装置との相対的な移動を検出する。このようにすれば、トラック３１のビット列パターンを介した光の受光結果に相当する信号を差分増幅することができるので、絶対位置情報をより高精度に検出することが可能となる。
【００４３】
なお、トラック３１とトラック３２とのビット列を反転させなくてもよく、全く同じビット列を用いるようにしてもよい。この場合には、検出装置８０では、トラック３１から得られた信号と、トラック３２から得られた信号との和をとって、その和の信号に基づいて絶対位置情報を検出すればよい。
【００４４】
なお、本実施形態では、移動スケール２４は、トラック３１とトラック３２に挟まれ、Ｘ軸方向に沿って形成された周期パターンを有するトラック３３をさらに有している。このように、周期パターンのトラック３３を、２つのアブソリュートパターンのトラック３１、３２で挟み込むような構成とすれば、移動スケール２４のＺ軸回りの回転（すなわちヨーイング）による、トラック３１、３２から得られる絶対位置情報と、トラック３２から得られる相対位置情報とのずれを低減することができる。
【００４５】
なお、上記実施形態では、一列のビット列パターンの各ビットの情報を含むビット領域では、そのビットの値によって、反射光の強度（反射光の強度レベル）を異ならしめるようにしたが、本発明はこれには限られず、ビット領域には、様々なパターンを適用することが可能となる。そのビット領域が示す値に応じて反射光の出射方向が異なる光学素子を設けるようにしてもよい。例えば、「０」のビットパターンと、「１」のビットパターンとで、反射面の傾斜量が異なるミラーを、それぞれのビット領域に形成すればよい。さらには、「０」又は「１」のパターンの一方だけ、レーザ光を透過させるようにしてもよい。
【００４６】
さらに、ビット領域上に設ける光学素子としては、回折格子を採用することが可能である。また、回折格子としては、図８（Ａ）に示されるような、ブレーズ回折格子を採用することが可能である。図８（Ａ）に示されるように、トラック３１’の各ビット領域には、ブレーズ回折格子が設けられている。ブレーズ回折格子は、溝の断面形状がのこぎり状である回折格子であり、回折光のスペクトル強度が、ある範囲に集中する回折格子である。ブレーズ回折格子の周期方向は、Ｙ軸方向であり、例えば、「０」の値に相当するブレーズ回折格子は、入射光の回折方向が＋Ｙ側に傾斜するように設定されており、「１」の値に相当するブレーズ回折格子は、入射光の回折方向が−Ｙ側に傾斜するように設定されている。
【００４７】
図８（Ｂ）に示されるように、ブレーズ回折格子による回折光の進行方向には、２つの受光素子１２７、１２８が設けられている。このようにすれば、「０」の情報を含む回折光を受光する受光素子と、「１」の情報を含む回折光を受光する受光素子とを分けることができるので、シリアルビット列のパターンをより正確に読み取ることが可能となる。
【００４８】
なお、ブレーズ回折格子の周期方向は、図８（Ａ）に示されるようなＹ軸方向には限られない。その周期方向は、例えば、Ｘ軸方向であってもよいし、＋Ｙを０時の方向としたときに、「０」のビット領域内のブレーズ回折格子の周期方向を１時半の方向とし、「１」のビット領域内のブレーズ回折格子の周期方向を、７時半の方向としてもよい。要は、「０」のビット領域と、「１」のビット領域とで、反射光の出射方向が異なるようにすればよい。
【００４９】
なお、上記実施形態では、各回折光の入射位置の振幅を、トラック３１、３２のビットパターンのピッチの３倍、すなわち３ビット分に相当する幅とし、各回折光の入射位置の間隔を３ビット間隔としたが、これには限られない。例えば、各回折光の入射位置の振幅を２ビット又は４ビット以上とし、各回折光の入射位置の間隔を２ビット又は４ビット以上としてもよい。このような各回折光の入射位置の振幅及び間隔は、一度に読み取るべきビット数によって決定される。
【００５０】
また、上記実施形態では、トラック３１、３２上の連続した９ビットを読み取り単位としたが、一度に読みとるビットパターンは、連続していなくてもよい。特に、ビットパターンの間隔が小さい場合には、回折光の間隔に応じて離間した複数ビットの情報を読み取るようにしてもよい。
【００５１】
また、上記実施形態では、−１次回折光、０次光、＋１次回折光の３つの回折光を検出光として用いたが、より高次の回折光を検出光として用いるようにしてもよい。また、回折格子４１、４２は、正弦波格子であり、−１次回折光と、＋１次回折光のみを検出光として用いるようにしてもよい。さらには、ビーム生成部２０を設けずに、ビームの本数は１本だけであってもよい。
【００５２】
また、上記実施形態では、トラック３１、３２に形成されたパターンを、Ｍ系列のシリアルビット列のパターンとしたが、これには限られず、移動スケール２４の絶対位置情報を検出可能なシリアルビット列のパターン（例えば２進循環乱数数列）であれば、どのようなパターンであっても構わない。
【００５３】
また、上記実施形態では、アブソリュートパターンが形成されたトラックを２つとしたが、１つでもよいし、３つ以上あってもよい。これは、周期パターン（インクリメンタルパターン）が形成されたトラックについても同様である。
【００５４】
また、絶対位置情報の検出装置８０の構成は、図５に示されるものには限られず、適宜、設計変更が可能である。要は、検出装置８０により、照明光の周期的な変動で読み取られたビット列を、移動スケール２４の絶対位置情報を正確に検出可能な回路構成であればよい。
【００５５】
また、トラック３３の周期パターンの位相情報を検出するための光学系の構成は、上記実施形態のような３ビーム方式には限られず、任意の構成とすることが可能である。例えば、回折格子４３を設けず、トラック３３へ入射する平行光をそのまま通過させ、対物レンズ２３で、１つのビームスポットを、トラック３３の周期パターン上に形成するような構成であってもよい。また、トラック３３の周期パターン上で、回折格子４３からの＋１次回折光と−１次回折光とを干渉させて、干渉縞を発生させ、その干渉縞と、トラック３３の周期パターンとの相対的な位置ずれに基づいて、トラック３３の周期パターンの位相情報を検出するような構成であっても構わない。
【００５６】
また、上記実施形態では、移動体に移動スケール２４が取り付けられ、その移動変位を検出したが、逆に、スケールを固定して、ビーム照射装置の方を移動体に取り付け、スケールに対するビーム照射装置の変位を検出するようにしてもよいのは勿論である。
【００５７】
また、上記実施形態では、エンコーダ１０は、リニアエンコーダであったが、回転体の回転量を検出するロータリーエンコーダに本発明を適用することも可能である。この場合には、スケール基板上には、トラック３１、３２上と同様のアブソリュートパターンと、トラック３３の周期パターンとを同心円状に配置するようになる。
【００５８】
また、上記実施形態では、トラック３１、３２に形成されたＭ系列のビット列パターンの絶対位置情報と、トラック３３の周期パターンの位相情報とに基づいて、移動スケール２４の位置情報を検出したが、トラック３３を設けずに、トラック３１、３２だけを設け、それらのＭ系列のビット列パターンから、移動スケール２４の位置情報を検出するようにしてもよい。さらに、トラック３１だけを設け、そのＭ系列のビット列パターンだけから、移動スケール２４の位置情報を検出するようにしてもよい。この場合、スケールは１次元スケールに限らず、２次元スケールであってもよい。
【００５９】
また、上記実施形態では、エンコーダ１０をデバイス製造処理装置に取り付けた例について説明したが、エンコーダ１０では、ＮＣ工作機械などにも取り付けることが可能である。
【００６０】
上記実施形態におけるレーザ光の波長やトラック内のピッチの値などは、あくまで一例であって、エンコーダに対して要求される分解能に応じて適宜決定される。一般的に、トラック内のパターンのピッチを小さくすればするほど、エンコーダの分解能は向上する。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
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精度良く検出するのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の一実施形態に係るエンコーダの概略的な構成を示す図である。
【図２】移動スケールの上面図である。
【図３】図１のエンコーダの光路図である。
【図４】図４（Ａ）〜図４（Ｅ）は、トラック上の回折光の入射位置の変動を示す図である。
【図５】検出装置８０の概略的な構成を示す図である。
【図６】図６（Ａ）は、トラック３１の９ビットのパターンの一例を示す図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のパターンを読み取ったときに、パラレルシリアル変換回路７０から出力される９ビットのシリアルデータを示す図である。
【図７】トラック３３に照射される光の光路図である。
【図８】図８（Ａ）は、各ビット領域を上面から見た図であり、図８（Ｂ）は、反射光の検出例を示す図である。
【符号の説明】
【００６３】
１０…エンコーダ、１２…光源、１４…振動ミラー、１６…駆動装置、１８…コリメータレンズ、２０…ビーム生成部、２２…ビームスプリッタ、２３…対物レンズ、２４…移動スケール、２６1〜２６3、２７1〜２７3、２８1〜２８3…受光素子、３１、３２、３３、３１’…トラック、４１、４２、４３…回折格子、５１、５２、５３…差動増幅回路、５５、５６、５７…デマルチプレクサ、６０…ラッチ回路、７０…パラレルシリアル変換回路、７１…位置検出回路、８０…検出装置、１２７、１２８…受光素子。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンコーダに係り、さらに詳しくは、移動体の絶対位置情報を光学的に検出可能なエンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、原点復帰動作を行うことなく、移動体の絶対位置情報を検出することができるエンコーダが用いられている。このようなエンコーダは、一般に、絶対値エンコーダ（アブソリュートエンコーダ）と呼ばれている。アブソリュートエンコーダの符号板（スケール）上に形成されるパターンにおいては、１回の検出単位に相当する検出単位パターンが他の位置の検出単位パターンとは異なっている必要がある。
【０００３】
このようなパターンとしては、スケール上に、各ビットに対応する複数本の並列トラックを設けたもの（例えば１６ビットであれば、各ビットに対応する１６本の並列トラックを設けたもの）が用いられるのが一般的である。しかしながら、このタイプで、２Nの分解能を得るためには、最低Ｎ本のトラックが必要となるので、分解能を上げようとすればするほど、それだけスケールが大型化し、コスト高となる。そこで、最近では、単一のトラック上にシリアルビット列のパターン（例えばＭ系列（Maximum length code）を表す一列のパターン）が形成されたものが用いられるようになってきている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、アブソリュートエンコーダでは、各ビットの値を読み取るセンサなどを、検出単位のビット数分だけ揃える必要があることから、分解能を上げようとすると、部品点数が多くなって、装置が大型化し、コスト高となる。
【０００５】
【特許文献１】特許第２，６９９，５４２号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、第１の観点からすると、絶対位置情報に対応付けられたパターンが所定方向に沿って形成された第１のトラックを有するスケール基板と；前記スケール基板に対して前記所定方向に相対移動し、前記第１のトラックの一部に照明光を照射するビーム照射装置と；前記第１のトラックの一部に対する前記照明光の照射位置を前記所定方向に周期的に変動させる変動装置と；を備えるエンコーダである。
【０００７】
これによれば、第１のトラックに照射される照明光の照射位置を所定方向に周期的に変動させるので、照明光１本当たりの読み取りビット数を増やすことが可能となる。この結果、分解能を高くしても、装置の大型化やコスト高を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の一実施形態を図１〜図７に基づいて説明する。
【０００９】
図１には、本発明の一実施形態に係るエンコーダ１０の主要部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、光源１２と、振動ミラー１４と、駆動装置１６と、コリメータレンズ１８と、ビーム生成部２０と、ビームスプリッタ２２と、対物レンズ２３と、移動スケール２４と、受光素子２６1〜２６3、２７1〜２７3、２８1〜２８3とを備えている。移動スケール２４以外の構成要素は、互いの位置関係が固定となっている。以下では、移動スケール２４以外の構成要素をまとめてビーム照射装置とも呼ぶ。本実施形態では、説明の便宜上、ビーム照射装置の位置座標が、ＸＹＺ座標系で不変であるものとして説明を行う。
【００１０】
エンコーダ１０を構成する移動スケール２４は、不図示の移動体に取り付けられており、移動体の移動に伴ってＸ軸方向に移動する。移動スケール２４は、例えばガラスからなり、そのうえにクロム（Ｃｒ）などから成る反射層が形成された反射型のスケールである。図２に示されるように、移動スケール２４上には、計測方向であるＸ軸方向に延びる互いに平行な３つのトラック３１、３２、３３が設けられている。トラック３３は、トラック３１、３２に挟まれている。
【００１１】
トラック３１、３２には、Ｘ軸方向に延びる細長いパターンが設けられている。トラック３１、３２は、Ｘ軸方向に一定のピッチで区切られており、そのピッチで区切られた領域（ビット領域）それぞれに、「０」の値又は「１」の値を示すパターンが形成されている。すなわち、このトラック３１、３２のパターンは、Ｘ軸方向に延びるシリアルビット列のパターンとなっている。このようなパターンは、例えば、「０」のパターンと、「１」のパターンとで、反射率を異ならしめることによって実現することができる。図２では、「０」の値を示すパターンが白で示されており、「１」の値を示すパターンが黒で示されている。トラック３１、３２では、同時に検出されるビット数の検出単位を９ビットとしてパターンが形成されている。トラック３１、３２のビット列では、連続する９ビットを、どの地点で抜き出しても、その位置でユニークな数値を持つビット列となる。したがって、トラック３１、３２内で、連続するビット列のうち、９ビットの値を読み取れば、移動スケール２４のどの位置に対応するビット列パターンを読み取っているかを認識することができる。
【００１２】
このようなパターンとしては、例えばＭ系列のビット列パターンを採用することができる。Ｍ系列のビット列パターンとは、２n−１個（ｎ＝９）の「０」又は「１」とされる符号により形成され、ｎ個の連続した符号の組み合わせが全て異なる符号列とされるパターンである。
【００１３】
本実施形態では、トラック３１、３２の同一Ｘ位置に対応するビットは反転している。すなわち、あるＸ位置のトラック３１のビットの値が「０」であれば、そのＸ位置のトラック３２のビットの値は「１」となっており、他のＸ位置のトラック３１のビットの値が「１」であれば、そのＸ位置のトラック３２のビットの値は「０」となっている。
【００１４】
また、トラック３３には、Ｘ軸方向を周期方向とする周期パターンが設けられている。この周期パターンは、例えば正弦波状の位相格子であり、その格子ピッチは、例えば、トラック３１、３２のピッチと同じとなるように設定されている。
【００１５】
図３には、トラック３１に照射される光の光路図が示されている。図３に示されるように、光源１２は、例えばコヒーレントな光、例えば波長λ（＝８５０ｎｍ）のレーザ光を、＋Ｘ方向に向けて射出する。
【００１６】
振動ミラー１４は、光源１２からのレーザ光を、コリメータレンズ１８に向けて反射する。振動ミラー１４は、ピエゾ素子、水晶振動子などのアクチュエータを有する駆動装置１６によりＹ軸回りの回転方向に周期的に回転振動する。この回転振動により、振動ミラー１４に入射したレーザ光の反射方向は、変動する反射面の向きに応じて変動し、この変動により、コリメータレンズ１８に入射するレーザ光の角度が周期的に変化する。
【００１７】
コリメータレンズ１８は、振動ミラー１４で反射されたレーザ光を平行光に変換する。この平行光は、ビーム生成部２０上に入射する。ビーム生成部２０上には、図１に示されるように、周期方向をＸ軸方向とする３つの回折格子４１、４２、４３がＹ軸方向に等間隔に並べられている。これらの回折格子のうち、回折格子４１が、最も＋Ｙ側に設けられており、回折格子４３は、回折格子４１、４２に挟まれるように配置されている。回折格子４１、４２の格子ピッチは同じとなっているが、回折格子４３の格子ピッチは、回折格子４１、４２の格子ピッチと同じであってもよいし、異なっていてもよい。
【００１８】
回折格子４１、４２、４３は、透過型の位相格子である。回折格子４１、４２、４３を透過した平行光は回折し、複数の回折光が発生する。図３では、回折格子４１で発生する回折光のうち、０次光と、±１次回折光（図３において、＋Ｘ側に出射している回折光を＋１次回折光とし、−Ｘ側に出射している回折光を−１次回折光とする）とが示されている。以下では、０次光と、±１次回折光のみが発生するものとして説明を行う。
【００１９】
０次光と、±１次回折光は、ビームスプリッタ２２に入射し、その一部は透過する。ビームスプリッタ２２を透過した各回折光は、対物レンズ２３に入射して、Ｚ軸に平行な光に変換された後、移動スケール２４に入射する。
【００２０】
対物レンズ２３を通過した０次光、±１次回折光は、トラック３１に入射する。図４（Ａ）〜図４（Ｅ）には、トラック３１上に入射する３つの回折光の入射位置の移動の様子が示されている。図４（Ａ）〜図４（Ｅ）では、−１次回折光の入射位置が白色で示され、０次光の入射位置が黒色で示され、＋１次回折光の入射位置が×で示されている。
【００２１】
図４（Ａ）に示されるように、−１次回折光、０次光、＋１次回折光の入射位置の間隔は、トラック３１のビットパターンのピッチの３倍（３ｐ）となるように設定されている。
【００２２】
駆動装置１６による振動ミラー１４の回転振動により、０次光、±１次回折光の入射位置は、互いの間隔を維持したまま、Ｘ軸方向に振動するようになる。この振動の振幅（半振幅）は、ビットパターンのピッチｐと同じとなるように設定されている。したがって、図４（Ａ）に示される位置にあった、３つの回折光の入射位置は、図４（Ｂ）〜図４（Ｅ）に示される位置に順次移動するようになる。すなわち、０次光、±１次回折光の入射位置は、等間隔のまま、それぞれ３ビット相当の領域を往復移動する。この結果、３つの回折光の入射位置は、全体で９ビット相当の幅で移動するようになる。
【００２３】
移動スケール２４のトラック３１で反射した各回折光は、対物レンズ２３を経て、ビームスプリッタ２２で折り曲げられ、−Ｘ方向に進む。これらの回折光のうち、−１次回折光は、受光素子２７1に到達し、０次光は、受光素子２７2に到達し、＋１次回折光は、受光素子２７3に到達する。受光素子２７1、２７2、２７3からは、受光した光の強度に応じた光電変換信号が出力される。これらの光電変換信号はそれぞれ、−１次回折光、０次光、＋１次回折光が入射したトラック３１内のビットの値の情報を含んでいる。
【００２４】
トラック３２に入射する光の光路も、図３に示されるものとほぼ同じであり、トラック３２に入射した−１次回折光、０次光、＋１次回折光が、受光素子２８1、２８2、２８3で受光される。したがって、受光素子２８1、２８2、２８3から出力される光電変換信号は、トラック３２内の連続する９ビットの値に相当する信号を含んでいることになる。
【００２５】
受光素子２７1〜２７3、２８1〜２８3から出力された光電変換信号は、検出装置８０に送られる。図５には、検出装置８０の概略的な構成が示されている。図５に示されるように、検出装置８０は、差動増幅回路５１、５２、５３と、デマルチプレクサ５５、５６、５７と、ラッチ回路６０と、パラレルシリアル変換回路７０とを備えている。
【００２６】
受光素子２７1からの光電変換信号（電流信号）と、受光素子２８1からの光電変換信号（電流信号）とは、不図示の電流−電圧変換回路により、電圧信号に変換された後、差動増幅回路５１に入力される。差動増幅回路５１では、受光素子２７1からの光電変換信号（電圧信号）と、受光素子２８1からの光電変換信号（電圧信号）との差分値を増幅して出力する。両者のうち、一方が「１」を示している場合には、他方は必ず「０」を示し、一方が「０」を示している場合には、他方は必ず「１」を示すようになる。「１」の値の場合、光電変換信号の信号レベルは、正であり、「０」の値の場合、光電変換信号の信号レベルは、負となっているので、この差分の結果、２つの信号レベルの差は広がることになる。
【００２７】
同様に、受光素子２７2からの光電変換信号（電流信号）と、受光素子２８2からの光電変換信号（電流信号）とは、不図示の電流−電圧変換回路により、電圧信号に変換された後、差動増幅回路５２に入力される。差動増幅回路５２では、受光素子２７2からの光電変換信号（電圧信号）と、受光素子２８2からの光電変換信号（電圧信号）との差分値を増幅して出力する。さらに、受光素子２７3からの光電変換信号（電流信号）と、受光素子２８3からの光電変換信号（電流信号）とは、不図示の電流−電圧変換回路により、電圧信号に変換された後、差動増幅回路５３に入力される。差動増幅回路５３では、受光素子２７3からの光電変換信号（電圧信号）と、受光素子２８3からの光電変換信号（電圧信号）との差分値を増幅して出力する。
【００２８】
デマルチプレクサ５５は、所定の間隔で、差動増幅回路５１から入力した信号の出力先を切り換える。この切り換えのタイミングは、駆動装置１６から発せられる、振動ミラー１４の駆動信号に同期している。振動ミラー１４の駆動信号は正弦波信号であり、この正弦波の位相が６０度変化する毎に、信号の出力先の切り替えが行われる。このようにすれば、ラッチ回路６０では、−１次回折光が照射されるトラック３１の各ビットパターンが示す値に相当する値がそれぞれラッチされるようになる。同様に、デマルチプレクサ５６、５７も、駆動ミラー１４の駆動信号に同期しており、ラッチ回路６０には、０次光、＋１次回折光が照射されるトラック３１、３２の各ビットの値がそれぞれラッチされるようになる。このラッチのタイミングは、振動ミラー１４の周期と同じとなるように設定されている。
【００２９】
ラッチ回路６０でラッチされた各ビットの値に相当する信号は、パラレルシリアル変換回路７０に入力される。パラレルシリアル変換回路７０は、ラッチ回路６０の各ビットから入力される合計９ビットのパラレルデータを、トラック３１で読み取られた９ビットのビット列パターンに従った９ビットのシリアルデータに変換し、そのシリアルデータを、移動スケール２４の絶対位置情報として出力する。例えば、トラック３１の９ビットのパターンが、図６（Ａ）に示されるようであったとすると、パラレルシリアル変換回路７０から出力される９ビットシリアルデータは、図６（Ｂ）に示されるようになる。
【００３０】
図７には、トラック３３に照射される光の光路図が示されている。図７に示されるように、光源１２から発せられたレーザ光は、振動ミラー１４で反射され、コリメータレンズ１８で平行光に変換され、回折格子４３に入射する。回折格子４３から発せられた−１次回折光、０次光、＋１次回折光は、ビームスプリッタ２２、対物レンズ２３を介して、移動スケール２４上のトラック３３に入射する。
【００３１】
トラック３３には、前述のとおり、Ｘ軸方向を周期方向とする周期パターンが設けられているため、トラック３３への入射光の反射光は、その入射光の入射位置の、周期パターンの位相に関する情報を含んだ光となる。この反射光は、対物レンズ２３を通過し、ビームスプリッタ２２で反射される。そして、反射光のうち、−１次回折光の反射光は、受光素子２６1に入射し、０次光は、受光素子２６2に入射し、＋１次回折光の反射光は受光素子２６3に入射する。
【００３２】
振動ミラー１４の振動により、トラック３３上の−１次回折光、０次光、＋１次回折光の入射位置もＸ軸方向に周期的に変動する。この変動により、トラック３３の周期パターンにおける各反射光に含まれるその入射位置の位相情報が変調されるようになる。
【００３３】
受光素子２６1、２６2、２６3から出力される光電変換信号は、検出装置８０に送られる。検出装置８０では、それらの光電変換信号に含まれる周期パターンの位相情報を復調し、復調された位相情報を、移動スケール２４の位置情報として出力する。この位相情報の復調と、移動スケール２４の位置情報の出力とを行う検出回路８０の構成及び動作については、例えば、特表２０００−５１１６３４号公報又は米国特許第６，６３９，６８６号明細書に開示されているので、詳細な説明を省略する。
【００３４】
検出装置８０では、トラック３１、３２から得られる絶対位置情報と、トラック３３から得られる周期パターンの位相情報とに基づいて、移動スケール２４の最終的な絶対位置情報を生成する。これにより、トラック３１、３２から得られる絶対位置情報の最小読取単位をトラック３３の周期パターンの周期を１周期として、その周期をさらに内挿するので、検出分解能を向上させた最終的な絶対位置情報を検出することが可能となる。
【００３５】
次に、エンコーダ１０の動作について説明する。ここで、このエンコーダ１０は、半導体デバイスなどのデバイスを製造するデバイス製造処理装置の一部に組み込まれているものとする。そのデバイス製造処理装置は、その位置が固定されている固定部（不図示）と、その固定部に対して可動な可動部（不図示）とが設けられている。図１におけるエンコーダ１０の移動スケール２４以外の部分（ビーム照射装置）は固定部に取り付けられ、移動スケール２４は可動部に取り付けられているものとする。すなわち、エンコーダ１０では、デバイス製造処理装置の固定部に対する可動部のＸ軸方向の相対変位が検出される。
【００３６】
このデバイス製造処理装置の電源投入後、エンコーダ１０に対しても電力供給が開始され、光源１２からのレーザ光の射出が開始される。エンコーダ１０は、この段階で、まず、トラック３１、３２から得られる絶対位置情報と、トラック３３の周期パターンの位相情報とに基づいて、最終的な絶対位置情報を生成し、出力する。したがって、デバイス製造処理装置では、可動部の原点復帰動作を行わずとも、その後の固定部に対する可動部の絶対位置情報の取得が可能となる。これ以降は、エンコーダ１０は、トラック３２から得られる周期パターンの位相情報に基づいて、可動部の変位を検出すればよい。
【００３７】
以上詳細に説明したように、トラック３１、３２に照射されるレーザ光の照射位置をＸ軸方向に周期的に変動させるので、照明光１本当たりの読み取りビット数を増やすことが可能となる。この結果、トラック３１、３２のビット数を増やして分解能を高く設定した場合でも、装置の大型化やコスト高を低減することができる。
【００３８】
また、本実施形態によれば、光源１２から射出されたレーザ光を回折して、複数のビームとして複数の回折光を生成する回折格子４１、４２を備えている。そして、この回折格子４１、４２により発生した−１次回折光、０次光、＋１次回折光が、トラック３１、３２の一部に照射される。このようにすれば、複数のビームを生成するのに、複数の光源を備える必要がなくなるので、装置の大型化やコスト高をさらに低減することができる。
【００３９】
なお、本実施形態では、複数のビームを生成する光学素子として回折格子４１、４２を用いたが、他の光学素子を用いるようにしてもよい。例えば、ビームスプリッタ（偏光ビームスプリッタ含む）、ハーフミラー、複屈折プリズム、分割プリズムなどは、その一例である。また、ビーム生成部として、音響光学素子（ＡＯＭ）や、電気光学素子（ＥＯＭ）を配置することによって、トラックに照射されるビームの間隔を調整可能としてもよい。
【００４０】
なお、本実施形態によれば、複数のビームの照射位置をＸ軸方向に周期的に変動させる。このようにすれば、少ないビーム本数で、より多くの情報を取得することが可能となるので、エンコーダの大型化やコスト高をさらに低減することができる。
【００４１】
なお、本実施形態では、振動ミラー１４のＹ軸回りの回転によって、各回折光の入射位置をＸ軸方向に周期的に変動させたが、本発明はこれには限られない。例えば、振動ミラーに代えて、クリスタル、音叉型クリスタルなどを用いることとしてもよい。このようなクリスタルは、共振周波数が低いため、消費電力が少なくてすむという利点がある。また、振動ミラーを駆動する駆動装置を、単なる反射ミラーに置き換え、光源１２の位置を周期的にＺ軸に変動させるようにしてもよい。また、光源１２の位置を変動させずに、コリメータレンズ１８の位置を、Ｘ軸方向に周期的に変動させるようにしてもよい。
【００４２】
なお、本実施形態に係るエンコーダ１０では、移動スケール２４のトラック３１のパターンは、絶対位置情報に対応付けられた符号ビット系列（Ｍ系列）に従って形成されている。また、移動スケール２４は、Ｍ系列の各ビットの値が反転したビット系列を表す一列のパターンがＸ軸方向に形成されたトラック３２をさらに備えている。そして、エンコーダ１０では、トラック３１のパターンの一部を介した光の受光結果に相当する信号と、トラック３２のパターンの一部を介した光の受光結果に相当する信号との差分に基づいて、移動スケール２４と、ビーム照射装置との相対的な移動を検出する。このようにすれば、トラック３１のビット列パターンを介した光の受光結果に相当する信号を差分増幅することができるので、絶対位置情報をより高精度に検出することが可能となる。
【００４３】
なお、トラック３１とトラック３２とのビット列を反転させなくてもよく、全く同じビット列を用いるようにしてもよい。この場合には、検出装置８０では、トラック３１から得られた信号と、トラック３２から得られた信号との和をとって、その和の信号に基づいて絶対位置情報を検出すればよい。
【００４４】
なお、本実施形態では、移動スケール２４は、トラック３１とトラック３２に挟まれ、Ｘ軸方向に沿って形成された周期パターンを有するトラック３３をさらに有している。このように、周期パターンのトラック３３を、２つのアブソリュートパターンのトラック３１、３２で挟み込むような構成とすれば、移動スケール２４のＺ軸回りの回転（すなわちヨーイング）による、トラック３１、３２から得られる絶対位置情報と、トラック３２から得られる相対位置情報とのずれを低減することができる。
【００４５】
なお、上記実施形態では、一列のビット列パターンの各ビットの情報を含むビット領域では、そのビットの値によって、反射光の強度（反射光の強度レベル）を異ならしめるようにしたが、本発明はこれには限られず、ビット領域には、様々なパターンを適用することが可能となる。そのビット領域が示す値に応じて反射光の出射方向が異なる光学素子を設けるようにしてもよい。例えば、「０」のビットパターンと、「１」のビットパターンとで、反射面の傾斜量が異なるミラーを、それぞれのビット領域に形成すればよい。さらには、「０」又は「１」のパターンの一方だけ、レーザ光を透過させるようにしてもよい。
【００４６】
さらに、ビット領域上に設ける光学素子としては、回折格子を採用することが可能である。また、回折格子としては、図８（Ａ）に示されるような、ブレーズ回折格子を採用することが可能である。図８（Ａ）に示されるように、トラック３１’の各ビット領域には、ブレーズ回折格子が設けられている。ブレーズ回折格子は、溝の断面形状がのこぎり状である回折格子であり、回折光のスペクトル強度が、ある範囲に集中する回折格子である。ブレーズ回折格子の周期方向は、Ｙ軸方向であり、例えば、「０」の値に相当するブレーズ回折格子は、入射光の回折方向が＋Ｙ側に傾斜するように設定されており、「１」の値に相当するブレーズ回折格子は、入射光の回折方向が−Ｙ側に傾斜するように設定されている。
【００４７】
図８（Ｂ）に示されるように、ブレーズ回折格子による回折光の進行方向には、２つの受光素子１２７、１２８が設けられている。このようにすれば、「０」の情報を含む回折光を受光する受光素子と、「１」の情報を含む回折光を受光する受光素子とを分けることができるので、シリアルビット列のパターンをより正確に読み取ることが可能となる。
【００４８】
なお、ブレーズ回折格子の周期方向は、図８（Ａ）に示されるようなＹ軸方向には限られない。その周期方向は、例えば、Ｘ軸方向であってもよいし、＋Ｙを０時の方向としたときに、「０」のビット領域内のブレーズ回折格子の周期方向を１時半の方向とし、「１」のビット領域内のブレーズ回折格子の周期方向を、７時半の方向としてもよい。要は、「０」のビット領域と、「１」のビット領域とで、反射光の出射方向が異なるようにすればよい。
【００４９】
なお、上記実施形態では、各回折光の入射位置の振幅を、トラック３１、３２のビットパターンのピッチの３倍、すなわち３ビット分に相当する幅とし、各回折光の入射位置の間隔を３ビット間隔としたが、これには限られない。例えば、各回折光の入射位置の振幅を２ビット又は４ビット以上とし、各回折光の入射位置の間隔を２ビット又は４ビット以上としてもよい。このような各回折光の入射位置の振幅及び間隔は、一度に読み取るべきビット数によって決定される。
【００５０】
また、上記実施形態では、トラック３１、３２上の連続した９ビットを読み取り単位としたが、一度に読みとるビットパターンは、連続していなくてもよい。特に、ビットパターンの間隔が小さい場合には、回折光の間隔に応じて離間した複数ビットの情報を読み取るようにしてもよい。
【００５１】
また、上記実施形態では、−１次回折光、０次光、＋１次回折光の３つの回折光を検出光として用いたが、より高次の回折光を検出光として用いるようにしてもよい。また、回折格子４１、４２は、正弦波格子であり、−１次回折光と、＋１次回折光のみを検出光として用いるようにしてもよい。さらには、ビーム生成部２０を設けずに、ビームの本数は１本だけであってもよい。
【００５２】
また、上記実施形態では、トラック３１、３２に形成されたパターンを、Ｍ系列のシリアルビット列のパターンとしたが、これには限られず、移動スケール２４の絶対位置情報を検出可能なシリアルビット列のパターン（例えば２進循環乱数数列）であれば、どのようなパターンであっても構わない。
【００５３】
また、上記実施形態では、アブソリュートパターンが形成されたトラックを２つとしたが、１つでもよいし、３つ以上あってもよい。これは、周期パターン（インクリメンタルパターン）が形成されたトラックについても同様である。
【００５４】
また、絶対位置情報の検出装置８０の構成は、図５に示されるものには限られず、適宜、設計変更が可能である。要は、検出装置８０により、照明光の周期的な変動で読み取られたビット列を、移動スケール２４の絶対位置情報を正確に検出可能な回路構成であればよい。
【００５５】
また、トラック３３の周期パターンの位相情報を検出するための光学系の構成は、上記実施形態のような３ビーム方式には限られず、任意の構成とすることが可能である。例えば、回折格子４３を設けず、トラック３３へ入射する平行光をそのまま通過させ、対物レンズ２３で、１つのビームスポットを、トラック３３の周期パターン上に形成するような構成であってもよい。また、トラック３３の周期パターン上で、回折格子４３からの＋１次回折光と−１次回折光とを干渉させて、干渉縞を発生させ、その干渉縞と、トラック３３の周期パターンとの相対的な位置ずれに基づいて、トラック３３の周期パターンの位相情報を検出するような構成であっても構わない。
【００５６】
また、上記実施形態では、移動体に移動スケール２４が取り付けられ、その移動変位を検出したが、逆に、スケールを固定して、ビーム照射装置の方を移動体に取り付け、スケールに対するビーム照射装置の変位を検出するようにしてもよいのは勿論である。
【００５７】
また、上記実施形態では、エンコーダ１０は、リニアエンコーダであったが、回転体の回転量を検出するロータリーエンコーダに本発明を適用することも可能である。この場合には、スケール基板上には、トラック３１、３２上と同様のアブソリュートパターンと、トラック３３の周期パターンとを同心円状に配置するようになる。
【００５８】
また、上記実施形態では、トラック３１、３２に形成されたＭ系列のビット列パターンの絶対位置情報と、トラック３３の周期パターンの位相情報とに基づいて、移動スケール２４の位置情報を検出したが、トラック３３を設けずに、トラック３１、３２だけを設け、それらのＭ系列のビット列パターンから、移動スケール２４の位置情報を検出するようにしてもよい。さらに、トラック３１だけを設け、そのＭ系列のビット列パターンだけから、移動スケール２４の位置情報を検出するようにしてもよい。この場合、スケールは１次元スケールに限らず、２次元スケールであってもよい。
【００５９】
また、上記実施形態では、エンコーダ１０をデバイス製造処理装置に取り付けた例について説明したが、エンコーダ１０では、ＮＣ工作機械などにも取り付けることが可能である。
【００６０】
上記実施形態におけるレーザ光の波長やトラック内のピッチの値などは、あくまで一例であって、エンコーダに対して要求される分解能に応じて適宜決定される。一般的に、トラック内のパターンのピッチを小さくすればするほど、エンコーダの分解能は向上する。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
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精度良く検出するのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の一実施形態に係るエンコーダの概略的な構成を示す図である。
【図２】移動スケールの上面図である。
【図３】図１のエンコーダの光路図である。
【図４】図４（Ａ）〜図４（Ｅ）は、トラック上の回折光の入射位置の変動を示す図である。
【図５】検出装置８０の概略的な構成を示す図である。
【図６】図６（Ａ）は、トラック３１の９ビットのパターンの一例を示す図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のパターンを読み取ったときに、パラレルシリアル変換回路７０から出力される９ビットのシリアルデータを示す図である。
【図７】トラック３３に照射される光の光路図である。
【図８】図８（Ａ）は、各ビット領域を上面から見た図であり、図８（Ｂ）は、反射光の検出例を示す図である。
【符号の説明】
【００６３】
１０…エンコーダ、１２…光源、１４…振動ミラー、１６…駆動装置、１８…コリメータレンズ、２０…ビーム生成部、２２…ビームスプリッタ、２３…対物レンズ、２４…移動スケール、２６1〜２６3、２７1〜２７3、２８1〜２８3…受光素子、３１、３２、３３、３１’…トラック、４１、４２、４３…回折格子、５１、５２、５３…差動増幅回路、５５、５６、５７…デマルチプレクサ、６０…ラッチ回路、７０…パラレルシリアル変換回路、７１…位置検出回路、８０…検出装置、１２７、１２８…受光素子。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶対位置情報に対応付けられたパターンが所定方向に沿って形成された第１のトラックを有するスケール基板と；
前記スケール基板に対して前記所定方向に相対移動し、前記第１のトラックの一部に照明光を照射するビーム照射装置と；
前記第１のトラックの一部に対する前記照明光の照射位置を前記所定方向に周期的に変動させる変動装置と；を備えるエンコーダ。
【請求項２】
前記ビーム照射装置は、
前記照明光から複数のビームを生成するビーム生成部材を有し、
前記第１のトラックの一部に前記複数のビームを照射することを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項３】
前記変動装置は、
前記複数のビームの照射位置を前記所定方向に周期的に変動させることを特徴とする請求項２に記載のエンコーダ。
【請求項４】
前記ビーム生成部材は、
光源から射出された前記照明光を回折して、複数のビームとしての複数の回折光を生成する回折格子を有することを特徴とする請求項２又は３に記載のエンコーダ。
【請求項５】
前記パターンは、
前記絶対位置情報に対応付けられた所定の符号ビット系列で形成され、
前記スケール基板は、
前記所定の符号ビット系列の各ビットが反転したビット系列を表す一列のパターンが前記所定方向に形成された第２のトラックをさらに備え、
前記第１のトラックのパターンの一部を介した光の受光結果に相当する信号と、前記第２のトラックのパターンの一部を介した光の受光結果に相当する信号との差分に基づいて、前記スケール基板と、前記ビーム照射装置との相対的な移動を検出する検出装置と；をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のエンコーダ。
【請求項６】
前記スケール基板は、
前記第１のトラックと前記第２のトラックに挟まれ、前記所定方向に沿って形成された周期パターンを有する第３のトラックをさらに有することを特徴とする請求項５に記載のエンコーダ。
【請求項７】
前記一列のパターンの各ビットの情報を含む領域には、その領域の値ごとに入射した光の出射方向が異なる光学素子が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のエンコーダ。
【請求項８】
前記光学素子は、回折格子であることを特徴とする請求項７に記載のエンコーダ。
【請求項９】
前記光学素子は、ブレーズ回折格子であることを特徴とする請求項８に記載のエンコーダ。
【請求項１】
絶対位置情報に対応付けられたパターンが所定方向に沿って形成された第１のトラックを有するスケール基板と；
前記スケール基板に対して前記所定方向に相対移動し、前記第１のトラックの一部に照明光を照射するビーム照射装置と；
前記第１のトラックの一部に対する前記照明光の照射位置を前記所定方向に周期的に変動させる変動装置と；を備えるエンコーダ。
【請求項２】
前記ビーム照射装置は、
前記照明光から複数のビームを生成するビーム生成部材を有し、
前記第１のトラックの一部に前記複数のビームを照射することを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項３】
前記変動装置は、
前記複数のビームの照射位置を前記所定方向に周期的に変動させることを特徴とする請求項２に記載のエンコーダ。
【請求項４】
前記ビーム生成部材は、
光源から射出された前記照明光を回折して、複数のビームとしての複数の回折光を生成する回折格子を有することを特徴とする請求項２又は３に記載のエンコーダ。
【請求項５】
前記パターンは、
前記絶対位置情報に対応付けられた所定の符号ビット系列で形成され、
前記スケール基板は、
前記所定の符号ビット系列の各ビットが反転したビット系列を表す一列のパターンが前記所定方向に形成された第２のトラックをさらに備え、
前記第１のトラックのパターンの一部を介した光の受光結果に相当する信号と、前記第２のトラックのパターンの一部を介した光の受光結果に相当する信号との差分に基づいて、前記スケール基板と、前記ビーム照射装置との相対的な移動を検出する検出装置と；をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のエンコーダ。
【請求項６】
前記スケール基板は、
前記第１のトラックと前記第２のトラックに挟まれ、前記所定方向に沿って形成された周期パターンを有する第３のトラックをさらに有することを特徴とする請求項５に記載のエンコーダ。
【請求項７】
前記一列のパターンの各ビットの情報を含む領域には、その領域の値ごとに入射した光の出射方向が異なる光学素子が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のエンコーダ。
【請求項８】
前記光学素子は、回折格子であることを特徴とする請求項７に記載のエンコーダ。
【請求項９】
前記光学素子は、ブレーズ回折格子であることを特徴とする請求項８に記載のエンコーダ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−３１５９１９（Ｐ２００７−３１５９１９Ａ）
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１４５９２０（Ｐ２００６−１４５９２０）
【出願日】平成１８年５月２５日（２００６．５．２５）
【出願人】（５９３１５２６６１）株式会社仙台ニコン (63)
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月２５日（２００６．５．２５）
【出願人】（５９３１５２６６１）株式会社仙台ニコン (63)
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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