JP5562076B2 - 光学式エンコーダおよび変位計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学式エンコーダおよび変位計測装置に関する。

従来の光学式エンコーダでは、例えば、ＬＥＤ等の面発光素子から射出した発散光束がスケール格子に照射され、その格子像が受光素子アレイ上に２倍に拡大投影される。この格子像は、擬似正弦波状の強度分布になっており、その明暗の周期が受光素子アレイの４素子に相当するように投影して４つごとの電極に集約することで、４相の擬似正弦波信号Ａ＋、Ｂ＋、Ａ−、Ｂ−が検出される。このような信号は、信号処理回路にて正弦波信号の波数および位相が演算され、位置情報として出力される。

特許文献１には、面発光レーザと反射型スケールを用いた光学式エンコーダが開示されている。

特開２００５−０４３１９２号公報（図３３）

このような光学式エンコーダの分解能を２〜３倍程度向上させるには、発光素子の発光部の幅を小さくし、スケール格子のピッチを２〜３倍程度細かくし、受光素子アレイのピッチも同程度細かくする必要がある。ところが、特に発光素子や受光素子の形状を変更することは、半導体製造プロセスを用いて生産する場合に経済的ではない。また、スケール格子のピッチを狭めると、回折の影響によりスケール格子と受光素子アレイとの間の距離を狭める必要性も生じる。

そこで本発明は、低コストで高分解能な光学式エンコーダを提供する。

本発明の一側面としての光学式エンコーダは、発光素子と、第１の一定ピッチを有し、前記発光素子からの発散光束を透過または反射させて複数の光束に分割する可動のスケール格子と、第２の一定ピッチを有し、前記スケール格子からの前記複数の光束が入射する光マスク格子と、前記光マスク格子からの複数の光束をそれぞれ受光する複数の受光素子を備えた受光素子アレイと、を有し、前記発散光束により前記第１の一定ピッチが拡大されて得られる一定ピッチと前記第２の一定ピッチとは、前記光マスク格子上で互いに異なり、前記スケール格子の移動に従って、前記光マスク格子からの前記複数の光束の強度が互いに異なる位相をもって変化するように構成されている、ことを特徴とする。

本発明の他の側面としての変位計測装置は、上記光学式エンコーダを有することを特徴とする。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。

本発明によれば、低コストで高分解能な光学式エンコーダを提供することができる。

第１実施形態における光学式エンコーダの全体構成図である。 第１実施形態における光学式エンコーダの展開図である。 第２実施形態における光学式エンコーダの展開図である。 第３実施形態における光学式エンコーダの展開図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
〔第１実施形態〕
まず、本発明の第１実施形態における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光学式エンコーダ１０の全体構成図（斜視図）である。また図２は、光学式エンコーダ１０の展開図である。光学式エンコーダ１０は、光源として発光素子ＬＥＤ（面発光素子）、受光部として複数の受光素子を備えた受光素子アレイＰＤＡ（ピッチＰ２＝４０μｍ）をそれぞれ用い、スケール像を受光素子アレイＰＤＡの上に拡大投影する光学系がベースとなっている。また、発光素子ＬＥＤと受光素子アレイＰＤＡとの間の中間位置において反射型のスケール格子ＳＣＬが配置されている。スケール格子ＳＣＬは、発光素子ＬＥＤに対して相対移動可能に構成され、発光素子ＬＥＤからの発散光束を反射して空間的かつ周期的に複数の光束に分割する。受光素子アレイＰＤＡは、スケール格子ＳＣＬからの複数の光束を対応する受光素子に入射するように構成されている。図１および図２に示されるように、受光素子アレイＰＤＡは、複数の受光素子のうちＮ素子ごとに集電されて共通電極（Ａ＋相、Ａ−相など）に接続されている。

発光素子ＬＥＤ（発光ダイオードや面発光レーザダイオードなどの面発光光源）は、望ましくは、その短手方向がスケール格子ＳＣＬの配列方向である長方形の発光面形状を有する。その幅ｗ（長方形の短手方向の長さ）は、例えば４０μｍ程度に設定されている。発光素子ＬＥＤから射出した発散光束は、発光素子ＬＥＤから距離Ｌ０を隔てて配置され、ピッチＰ０を有するスケール格子ＳＣＬ（反射スケール格子）を照明する。スケール格子ＳＣＬによる反射拡大像（スケール格子ＳＣＬで反射した光束）は、光マスク格子ＳＬＴ（ピッチＰ１を有するスリット列）を選択的に透過し、受光素子アレイＰＤＡの各受光素子に入射する。

光マスク格子ＳＬＴは、スケール格子ＳＣＬと受光素子アレイＰＤＡとの間に配置されている。また光マスク格子ＳＬＴは、スケール格子ＳＣＬの発光素子ＬＥＤに対する相対移動に従って、受光素子アレイＰＤＡに入射する複数の光束が互いに位相差を有して周期的に変調するように構成されている。

本実施形態の光学式エンコーダ１０は、発光素子ＬＥＤとスケール格子ＳＣＬと間の距離をＬ０、スケール格子ＳＣＬと光マスク格子ＳＬＴとの間の距離をＬ１、光マスク格子ＳＬＴと受光素子アレイＰＤＡとの間の距離をＬ２とするとき、以下の式（１）を満たす。

Ｌ０＝Ｌ１＋Ｌ２ … （１）
ここで、光マスク格子ＳＬＴは、スケール格子ＳＣＬから距離Ｌ１の位置に配置され、発光素子ＬＥＤからの光束の領域を制約し、それぞれに対応する４相の受光素子アレイＰＤＡ（ピッチＰ２＝４０μｍ）に導光するように構成されている。このため、見かけ上、光マスク格子ＳＬＴの位置に受光素子アレイＰＤＡを配置した構成と等価になる。本実施形態において、光マスク格子ＳＬＴのピッチＰ１は、以下の式（２）を満たすように構成されている。

Ｐ１ ＝Ｐ２×Ｌ０／（Ｌ０＋Ｌ１＋Ｌ２） … （２）
図２において、Ａ＋相およびＡ−相の受光素子に入射する光束の領域がハッチングで示されている。ピッチＰ０のスケール格子ＳＣＬが図２に示される状態に位置している場合、Ａ＋相に入射する光束の主要部分はスケール格子ＳＣＬによって遮断されない。一方、Ａ−相に入射する光束の主要部分はスケール格子ＳＣＬによって遮断される。なお、Ａ＋相、Ａ−相以外（Ｂ＋相、Ｂ−相）の光束は半分だけ遮断されることになる。

本実施形態において、スケール格子ＳＣＬのピッチＰ０は、相数をＮとしたとき、以下の式（３）を満たすように構成されている。

Ｐ０＝Ｐ１×Ｌ０／（Ｌ０＋Ｌ１）×Ｎ／（Ｎ−１）
＝Ｐ２×Ｌ０／（Ｌ０＋Ｌ１＋Ｌ２）×Ｎ／（Ｎ−１）
＝２／３×Ｐ２ … （３）
このため、受光素子アレイＰＤＡからは、位相が互いに９０°ずつ異なる４相の擬似正弦波信号が出力される。これらの信号の周期はスケール格子ＳＣＬのピッチＰ０と同一である。このため、前記の式（３）より、受光素子アレイＰＤＡにおいて隣接する受光素子のピッチＰ２が４０μｍの場合、信号の周期（＝Ｐ０）は２６．６６μｍとなる。

ここで、発光素子ＬＥＤの発光部の幅ｗ（スケール格子ＳＣＬの配列方向（図１中の矢印方向）における長さ）に関する限界を計算すると、発光部の幅ｗは以下の式（４）を満たすことが望ましい。発光部が点光源である場合、光マスク格子ＳＬＴの開口部の幅Ｐ１／２が受光ユニット上に拡大投影され、そのサイズｗ０は、ｗ０＝Ｐ１／２×（Ｌ０＋Ｌ１＋Ｌ２）／（Ｌ０＋Ｌ１）となる。また、発光部が幅ｗの光源だった場合は、光マスク格子ＳＬＴの開口部の片側エッジによる広がりサイズｗ１は、ｗ１＝ｗ×Ｌ２／（Ｌ０＋Ｌ１）となる。このため、幅ｗの光源が受光素子上に投影するサイズは、ｗ０＋ｗ１と表される。サイズｗ０＋ｗ１は、受光素子アレイのセルのピッチＰ２に対して、Ｐ２＝（ｗ０＋ｗ１）が成立する場合に最大値をとる。また、Ｐ２≧（ｗ０＋ｗ１）、すなわち、Ｐ２≧Ｐ１／２×（Ｌ０＋Ｌ１＋Ｌ２）／（Ｌ０＋Ｌ１）＋ｗ×Ｌ２／（Ｌ０＋Ｌ１）が成立する場合が許容値となる。これを光源サイズｗの条件式に変形すると、以下の式（４）が得られる。

ｗ≦｛−Ｐ１／２＋（Ｐ２−Ｐ１／２）×（Ｌ０＋Ｌ１）／Ｌ２｝…（４）
式（４）に、Ｐ２＝４０μｍ、Ｌ１＝Ｌ２、Ｌ０＝Ｌ１＋Ｌ２の条件が成立する場合の光学系では、式（２）よりＰ１＝Ｐ２／２、式（３）よりＰ０＝２／３×Ｐ２となるため、最終的にｗ≦８０μｍとなる。このように、発光部の幅ｗは元の４０μｍのまま、分解能８０μｍの光学式エンコーダに用いた投光・受光ユニットを用いて分解能２６．６６μｍの光学式エンコーダとして機能させることが可能となる。

本実施形態の光学式エンコーダ１０は、一般式として、以下の式（５）のように表される。

Ｐ０＝Ｐ２×Ｌ０／（Ｌ０＋Ｌ１＋Ｌ２）×Ｎ／（Ｎ−１） … （５）
また式（５）として表される条件式は、Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２に所定量の誤差が含まれることを考慮し、以下の式（６）および式（７）で表される条件式に書き換えられる。ここで、受光素子アレイＰＤＡはＭ個の受光素子（有効素子）を有し、これらの受光素子のうちＮ個ごとに集電して出力する（相数：Ｎ）。

Ｐ０＜｛Ｐ２×（Ｌ０＋Ｌ１）／（Ｌ０＋Ｌ１＋Ｌ２）｝×（１＋０．２５×Ｍ／Ｎ） … （６）
Ｐ０＞｛Ｐ２×（Ｌ０＋Ｌ１）／（Ｌ０＋Ｌ１＋Ｌ２）｝×（１−０．２５×Ｍ／Ｎ） … （７）
本実施形態の光学式エンコーダ１０は、望ましくは、更に上記の式（４）を満たすように構成される。
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態における光学式エンコーダについて説明する。図３は、本実施形態における光学式エンコーダ２０の展開図である。光学式エンコーダ２０は、発光素子ＬＥＤと受光素子アレイＰＤＡ（ピッチＰ２＝４０μｍ）との中間位置ではない所定の位置（Ｌ０≠Ｌ１＋Ｌ２）にスケール格子ＳＣＬを配置し、その格子像を受光素子アレイＰＤＡ上に投影する光学系をベースとしている。すなわち本実施形態は、受光素子アレイＰＤＡと発光素子ＬＥＤとが互いに異なる高さに設置された場合を想定している。

第１実施形態と同様に、発光素子ＬＥＤから射出した発散光束は、発光素子ＬＥＤから距離Ｌ０を隔てて配置されたピッチＰ０のスケール格子ＳＣＬ（反射スケール格子）を照明する。そして、スケール格子ＳＣＬによる反射拡大像が光マスク格子ＳＬＴ（ピッチＰ１のスリット列）を透過し、この透過光が４相の受光素子アレイＰＤＡの各受光素子に入射する。ここで、スケール格子ＳＣＬと光マスク格子ＳＬＴとの間の距離をＬ１、光マスク格子ＳＬＴと受光素子アレイＰＤＡとの間の距離をＬ２とする。

光マスク格子ＳＬＴは、スケール格子ＳＣＬを除去して考えたとき、発光素子ＬＥＤからの光束の領域を制約し、それぞれの光束に対応する受光素子アレイ（ピッチＰ２＝４０μｍ）に導光するよう構成される。このため、見かけ上は、光マスク格子ＳＬＴの位置にピッチＰ１で受光素子アレイを配置したことと等価である。

図３では、Ａ＋相およびＡ−相の受光素子に入射する光束の領域がハッチングで示されている。ピッチＰ０のスケール格子ＳＣＬが図３に示される状態に位置している場合、Ａ＋相に入射する光束の主要部分はスケール格子ＳＣＬによって遮断されない。一方、Ａ−相に入射する光束の主要部分はスケール格子ＳＣＬによって遮断される。なお、Ａ＋相、Ａ−相以外の光束は半分だけ遮断されることになる。

本実施形態において、相数をＮとしたときにスケール格子ＳＣＬのピッチＰ０を以下の式（８）を満たすように構成すれば、受光素子アレイＰＤＡから位相が互いに９０°ずつ異なる４相の擬似正弦波信号が出力される。なお、これらの信号の周期は、スケール格子ＳＣＬのピッチＰ０と同一である。

Ｐ０＝Ｐ２×Ｌ０／（Ｌ０＋Ｌ１＋Ｌ２）×Ｎ／（Ｎ−１）
＝Ｐ２×｛Ｌ０／（Ｌ０＋Ｌ１＋Ｌ２）｝×４／３ … （８）
〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態における光学式エンコーダについて説明する。図４は、本実施形態における光学式エンコーダ３０の展開図である。光学式エンコーダ３０では、発光素子ＬＥＤの直後に（発光素子ＬＥＤとスケール格子ＳＣＬとの間に）集光作用のあるレンズＬＮＳが配置されている。レンズＬＮＳの付加により、受光素子アレイＰＤＡに入射する光量を増大させることができる。その結果、図４に示されるように、発光素子ＬＥＤが破線の延長線上に位置しているように、すなわち発光素子ＬＥＤがスケール格子ＳＣＬから距離Ｌ０だけ離れた位置に存在しているように光束が放射される。このため本実施形態では、第２実施形態の場合と等価な光束が受光素子アレイＰＤＡに照射されることになり、その条件式は第２実施形態の場合と同一である。

上記各実施形態によれば、発光素子（光源）と受光素子アレイとの間に光マスク格子を追加的に配置することにより、低コストで高分解能な光学式エンコーダ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および変更が可能である。

例えば、上記各実施形態において、面発光素子に代えて点発光素子を用いて発光素子を構成することや、反射型のスケール格子に代えて透過型のスケール格子を採用することができる。透過型のスケール格子は、発光素子からの発散光束を透過させて空間的かつ周期的に複数の光束に分割する。

また、光学式エンコーダとしてリニアエンコーダに代えてロータリーエンコーダに適用することも可能である。更に、光マスク格子を別部品として付加するのではなく発光素子および受光素子のパッケージに直接印刷することや、受光素子アレイを４相ではなく３相や６相の信号を出力するように構成してもよい。また、上記各実施形態の光学式エンコーダを用いて、低コストで高分解能な変位計測装置、ステージ位置決め装置、半導体露光装置、および、機械加工装置などを構成することができる。

１０、２０、３０ 光学式エンコーダ
ＬＥＤ 発光素子
ＳＣＬ スケール格子
ＳＬＴ 光マスク格子
ＰＤＡ 受光素子アレイ

Claims (5)

1. 発光素子と、
   第１の一定ピッチを有し、前記発光素子からの発散光束を透過または反射させて複数の光束に分割する可動のスケール格子と、
   第２の一定ピッチを有し、前記スケール格子からの前記複数の光束が入射する光マスク格子と、
   前記光マスク格子からの複数の光束をそれぞれ受光する複数の受光素子を備えた受光素子アレイと、を有し、
   前記発散光束により前記第１の一定ピッチが拡大されて得られる一定ピッチと前記第２の一定ピッチとは、前記光マスク格子上で互いに異なり、前記スケール格子の移動に従って、前記光マスク格子からの前記複数の光束の強度が互いに異なる位相をもって変化するように構成されている、ことを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 前記スケール格子のピッチをＰ０、前記受光素子アレイのピッチをＰ２、前記発光素子と前記スケール格子との間の距離をＬ０、前記スケール格子と前記光マスク格子との間の距離をＬ１、前記光マスク格子と前記受光素子アレイとの間の距離をＬ２、前記互いに異なる位相の相数をＮとして、
   Ｐ０＝Ｐ２×Ｌ０／（Ｌ０＋Ｌ１＋Ｌ２）×Ｎ／（Ｎ−１）
   との式を満たすように構成されている、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有し、該受光素子のうちＮ個の受光素子ごとに集電して出力され、
   前記スケール格子のピッチをＰ０、前記光マスク格子のピッチをＰ１、前記受光素子アレイのピッチをＰ２、前記発光素子と前記スケール格子との間の距離をＬ０、前記スケール格子と前記光マスク格子との間の距離をＬ１、前記光マスク格子と前記受光素子アレイとの間の距離をＬ２として、
   Ｐ０＜｛Ｐ２×（Ｌ０＋Ｌ１）／（Ｌ０＋Ｌ１＋Ｌ２）}×（１＋０．２５×Ｍ／Ｎ）かつ
   Ｐ０＞｛Ｐ２×（Ｌ０＋Ｌ１）／（Ｌ０＋Ｌ１＋Ｌ２）}×（１−０．２５×Ｍ／Ｎ）
   との式を満たすように構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
4. 前記スケール格子の移動方向における前記発光素子の発光部の幅をｗ、前記光マスク格子のピッチをＰ１として、
   ｗ≦｛−Ｐ１／２＋（Ｐ２−Ｐ１／２）×（Ｌ０＋Ｌ１）／Ｌ２｝
   を満たすことを特徴とする請求項２または３に記載の光学式エンコーダ。
5. 請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の光学式エンコーダを有することを特徴とする変位計測装置。