DE19731854A1

DE19731854A1 - Skala zur Erfassung der Position eines sich bewegenden Objekts sowie eine diese Skala verwendende Vorrichtung

Info

Publication number: DE19731854A1
Application number: DE19731854A
Authority: DE
Inventors: Satoshi Kiyono
Original assignee: Individual
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 1996-07-29
Filing date: 1997-07-24
Publication date: 1998-02-05
Anticipated expiration: 2017-07-25
Also published as: CN1221780C; CN1495407A; CN1142411C; CN1172246A; FR2752296A1; GB2315861B; TW333607B; GB2315861A; JP2960013B2; FR2752296B1; JPH1038549A; US6262802B1; DE19731854B4; GB9715927D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine zur Erfassung der Position und Orientierung eines sich bewegenden Objekts besonders geeignete Skala sowie eine diese verwendende Vorrichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Abtastvorrichtung mit einer Skala, deren Winkel-Koordinatennetz in zwei verschiedenen Richtungen entsprechend einer bekannten Funktion variiert; das Koordinatennetz ist hierbei mit einem sich relativ zu seiner Oberfläche bewegenden Winkelsensor verbunden, wodurch eine exakte Bestimmung der Position und Orientierung eines sich bewegenden Objekts ermöglicht wird.

Wenn in einer Werkzeugmaschine o. ä. die Position eines sich bewegenden Objekts wie z. B. eines XY-Tisches oder eines Cutters abgetastet wird, wird für jeden Freiheitsgrad ein Meßinstrument, z. B. ein Winkel- oder Linear-Encoder, benötigt. Bei zweidimensionaler Positionierung werden z. B. Einheiten, die entlang der jeweiligen X- bzw. Y-Achse positioniert werden können, übereinander angeordnet; zur Positionierung wird für jede Einheit ein Meßinstrument verwendet. Alternativ kann ein aus einer Umfangsskala und einer Einachsstufe zusammengesetztes Meßinstrument verwendet werden, um die Winkel- und Radialposition getrennt voneinander zu bestimmen.

Wenn die Position in X- und Y-Richtung durch ein Laser-Interferometer bestimmt wird, geschieht dies mit Hilfe einer Kombination aus zwei Verschiebungsmessern und z. B. einem Präzisions-Abrichtlineal; dessen Genauigkeit wird durch eine Reihe von Bewegungen quer zur abgetasteten Verschieberichtung gewährleistet.

Weiterhin wird bei herkömmlichen Anordnungen zum Bestimmen der Orientierung von Steigungs- und Gierwinkeln eines sich bewegenden Objekts ein Autokollimator verwendet. Zwar kann dieser Neigungen und Gierungen gleichzeitig bezüglich Linearbewegungen entlang einer Achse messen; um ein sich entlang der X- und der Y-Achse bewegendes Objekt zu bestimmen, ist jedoch ein Präzisions-Abrichtlineal erforderlich.

Weiterhin ist es zwar bekannt, zum Messen des Rollens eines sich bewegenden Objekts ein Nivellierinstrument zu verwenden; bezüglich der Reaktionsgeschwindigkeit und Meßgenauigkeit ergeben sich hier jedoch Probleme, weshalb ein Nivellierinstrument als Präzisions-Meßinstrument nicht geeignet ist.

Nach dem Stand der Technik werden zwei parallele Lineale verwendet und der Rollwinkel wird aus der Differenz zwischen den bis zu den Linealen gemessenen Abständen berechnet oder durch einen Autokollimator abgetastet, der ein einzelnes Lineal als Vergleichs-Spiegelfläche verwendet.

Jedoch können Meßinstrumente wie der in der oben beschriebenen herkömmlichen Abtastvorrichtung verwendete Winkel- oder Linearencoder die Positionierung nur in einer Ebene durchführen. Deshalb sind zumindest zwei Sets der obigen Meßinstrumente nötig, die für zweidimensionale Positionierung kombiniert werden. Dies bedeutet eine große Einschränkung bei der Konstruktion von Vorrichtungen zum Abtasten sich bewegender Objekte.

Weiterhin ist im wesentlichen nur eindimensionale Positionierung möglich, wenn diese mit Hilfe eines Laser-Interferometers durchgeführt wird. Für zweidimensionale Positionierung muß das Präzisions-Abrichtlineal verwendet werden. Durch das Ausrüsten einer Werkzeugmaschine mit einer solchen Abtastvorrichtung für sich bewegende Objekte entstehen Probleme durch Herstellungsbeschränkungen und höhere Kosten.

Bei herkömmlichen Abtastvorrichtungen sind der die Position feststellende Encoder und die eine Veränderung der Lage feststellende Meßschaltung voneinander getrennt angeordnet. Folglich wäre eine Abtastvorrichtung zum Feststellen der zweidimensionalen Position, Neigung, Drehung und Gierung eines sich bewegenden Objekts komplex und kostspielig.

Bei der Verwendung einer photoelektrischen Linearskala ist zur richtigen Plazierung der Skala und des sie ablesenden Instruments ein hohes Maß an Positioniergenauigkeit erforderlich. Das macht die Verwendung mehrerer Leseinstrumente zur Erweiterung des Meßbereichs über die Skalenlänge hinaus schwierig. Deshalb wird zum Abtasten eines großen Bewegungsbereichs eine lange Skala benötigt.

Im Lichte des oben beschriebenen Sachverhalts betrifft die vorliegende Erfindung eine Skala zum Abtasten eines sich bewegenden Objekts und eine diese verwendende Vorrichtung. Diese ermöglichen es, sowohl die Position eines sich bewegenden Objekts sehr präzise zweidimensional zu bestimmen als auch die sich aus der Bewegung ergebende Veränderung seiner Orientierung.

Erfindungsgemäß wird eine Skala zum Bestimmen zumindest einer Position bzw. einer der verschiedenen Orientierungen eines sich bewegenden Objekts verwendet; die aus einem Winkel-Koordinatennetz besteht, das auf oder in einer Fläche eines Skalensubstrats erzeugt wird, das eine planare und eine variabel gebogene Fläche umfaßt und Winkeleigenschaften aufweist, die in zwei unterschiedlichen Richtungen gemäß einer bekannten Funktion variieren.

Das Winkel-Koordinatennetz umfaßt eine Vielzahl von Peaks und Tälern einer festen Amplitude, in der die Winkeleigenschaften in zwei sich schneidenden Richtungen auf oder in der Fläche des Substrats sinusförmig variieren.

Das Winkel-Koordinatennetz ist so ausgebildet, daß es elektromagnetische Energie an einen elektrooptischen Kristall oder eine das Innere eines Behälters füllende Flüssigkeit anlegt und auf elektromagnetische Kraft oder Licht reagiert, wodurch der elektrooptische Kristall bzw. die Flüssigkeit einer Veränderung des Refraktionsindexes unterworfen werden; hierbei erfolgt die Veränderung in Form einer bekannten Funktion.

Das Winkel-Koordinatennetz erstellt orthogonale, zylindrische, polare Koordinaten oder Koordinaten entlang einer variabel gebogenen Oberfläche.

Das vorstehend genannte Ziel wird erfindungsgemäß durch eine Abtastvorrichtung zum Abtasten der Position eines sich bewegenden Objekts erreicht, die eine ein Winkel-Koordinatennetz umfassende Skala aufweist; das Gitter wird auf oder in einer Skalensubstrat-Fläche erzeugt, die eine planare und eine gebogene Fläche umfaßt und Winkeleigenschaften aufweist, die in zwei Richtungen (x und y) gemäß einer bekannten Funktion variieren. Weiterhin umfaßt die Abtastvorrichtung zumindest einen zweidimensionalen Winkelsensor, der so angeordnet ist, daß er der Skalenseite mit dem Winkel-Koordinatennetz gegenüberliegt. Entweder die Skala oder die Winkelsensoren sind an einem beweglichen Objekt befestigt und dessen Position wird in zweidimensionalen Koordinaten in der Relativbewegung zwischen Skala und Winkelsensor bestimmt.

Bei einer weiteren Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Ziel dadurch erreicht, daß die Abtastvorrichtung zum Bestimmen der Position und verschiedener Lagen eines sich bewegenden Objekts eine Skala aufweist, die ein Winkel-Koordinatennetz umfaßt, das auf oder in einer Fläche eines Skalasubstrats erzeugt wird, das eine planare Oberfläche und eine variabel gebogene Fläche umfaßt und dessen Winkeleigenschaften in zwei unterschiedlichen Richtungen (x und y) gemäß einer bekannten Funktion variieren, sowie zumindest ein Paar zweidimensionaler Winkelsensoren, die so angeordnet sind, daß sie der Skalenseite mit dem Winkel-Koordinatennetz gegenüberliegen und um bestimmte Werte entlang der X- und Y-Richtung voneinander beabstandet sind, wobei entweder die Skala oder die Winkelsensoren an einem sich bewegenden Objekt befestigt ist, dessen Position in zweidimensionalen Koordinaten und der Neigungs- und Rollwinkel durch die relative Bewegung zwischen Skala und Winkelsensor bestimmt wird.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird das vorgenannte Ziel durch eine Abtastvorrichtung zur Erfassung der Position und verschiedener Eigenschaften eines sich bewegenden Objekts erreicht, bei der die Abtastvorrichtung eine Skala aufweist, die aus einem Winkel-Koordinatennetz besteht, das auf oder in einer Fläche eines Skalensubstrats erzeugt wird, das eine planare Oberfläche und eine frei bewegliche gebogene Fläche umfaßt und dessen Winkeleigenschaften in zwei unterschiedlichen Richtungen (x und y) gemäß einer bekannten Funktion variieren, sowie zumindest drei zweidimensionale Winkelsensoren, die so angeordnet sind, daß sie der Skalenseite mit dem Winkel-Koordinatennetz gegenüberliegen und um bestimmte Entfernungen entlang der X- und Y-Richtung voneinander beabstandet sind, wobei entweder die Skala oder der Winkelsensor am sich bewegenden Objekt befestigt sind und die Position in zweidimensionalen Koordinaten und der Neigungs-, Roll- und Gierwinkel des Objekts durch die Relativbewegung zwischen Skala und Winkelsensor bestimmt wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird das vorgenannte Ziel durch eine Abtastvorrichtung zur Erfassung der Position und verschiedener Eigenschaften eines sich bewegenden Objekts erreicht, bei der die Abtastvorrichtung eine Skala aufweist, die aus einem Winkel-Koordinatennetz besteht, das auf oder in einer Fläche eines Skalasubstrats erzeugt wird, das eine planare Oberfläche und eine variabel gebogene Fläche umfaßt und Winkeleigenschaften hat, die in einer Achsenrichtung (X-Richtung) gemäß einer bekannten Funktion variieren, sowie einen Winkelsensor hat, der so angeordnet ist, daß er der Skalenseite mit dem Winkel-Koordinatennetz gegenüberliegt und entweder die Skala oder der Winkelsensor an einem sich bewegenden Objekt befestigt sind und dessen Position entlang der einen Achsenrichtung durch die Relativbewegung zwischen der Skala und dem Winkelsensor bestimmt wird.

Vorzugsweise werden die Position eines sich bewegenden Objekts entlang einer Achsenrichtung (Bewegungsrichtung) und der Neigungswinkel des Objekts durch ein Zweipunkt-Verfahren festgestellt, das mit einer winkelförmigen Funktion in Verbindung steht, vom Neigungswinkel entlang der einen Achsenrichtung des oben beschriebenen Winkel-Koordinatennetzes, der durch ein Winkelsensoren paar abgetastet wurde, die mit einem bestimmten Abstand voneinander entlang einer Achsenrichtung des Koordinatennetzs abgetastet wird.

Vorzugsweise ist der oben beschriebene Winkelsensor zweidimensional, um einer Veränderung entlang einer Achsenrichtung (Bewegungsrichtung) sowie eine Veränderung quer zur Bewegungsrichtung erkennen zu können, wobei die Position entlang der einen Achsenrichtung sowie der Neigungs- und Rollwinkel durch diesen zweidimensionalen Winkelsensor abgetastet werden.

Vorzugsweise wird die Winkelveränderung des Winkel-Koordinatennetzes in einer Form realisiert, die durch Übereinanderlagern einer Vielzahl von Sinuswellen mit verschiedenen Frequenzen erhalten wird.

Vorzugsweise umfaßt der Winkelsensor eine Vielzahl von Verschiebungs messern, die in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind und entweder optische Verschiebungsmesser sind, die eine elektrooptische Größe bestimmen, oder aber auf mechanischen Kontakt reagierende Meßintrumente. Die Ausgabe des Winkelmessers ergibt sich aus dem Differentialausgang zwischen zwei benachbarten Verschiebungsmessern.

Vorzugsweise wirkt der Winkelsensor als Entfernungssensor, indem er um einen Winkel bekannter Richtung und Größe gedreht wird, und der Abstand zwischen der Winkel-Koordinatennetz-Oberfläche der Skala und dem Winkelsensor bzw. die Abstandsveränderung kann durch die Relativbewegung zwischen dem Winkel-Koordinatennetz und dem Winkelsensor bestimmt werden.

Vorzugsweise wird die Skala durch Erzeugen einer Winkel-Koordinatennetz-Oberfläche hergestellt, deren Winkeleigenschaften gemäß einer bekannten Funktion variieren und die durch stehende Wellen erzeugt wird, die erhalten werden, wenn periodische Oszillation auf eine elastische Platte, eine planare oder gebogene Oberfläche mit elastischen Eigenschaften, einen Kristallkörper, eine Flüssigkeitsoberfläche oder eine Flüssigkeit angewandt wird, die sich in einem hermetisch versiegelten Behälter befindet, wobei das Winkel-Koordinatennetz auf oder in der Fläche erzeugt wird.

Vorzugsweise besteht die Skala aus einer Vielzahl unterbrochener Skalen, die jeweils eine Winkel-Koordinatennetz-Oberfläche haben und diskontinuierlich oder fortlaufend angeordnet sind, in Übereinstimmung mit dem Bereich, über den sich das Objekt bewegt.

Vorzugsweise werden Wanderwellen sowie ein Winkel-Koordinatennetz erzeugt, in dessen Oberfläche durch die Wanderwellen eine Winkeländerung hervorgerufen wird, und die Position wird, basierend auf einer Beziehung zwischen dem Koordinatennetz und der Zeit, in zwei Dimensionen bestimmt.

Vorzugsweise weist die Abtastvorrichtung weiterhin Korrekturmittel auf, die auf Ergebnissen basieren, die durch Kalibrieren eines Fehlers in der Winkelform des Winkel-Koordinatennetzes resultieren sowie auf Resultaten aus der Messung der Koordinatenposition und des Orientierungswinkels durch das Winkel-Koordinatennetz.

Vorzugsweise umfaßt die Abtastvorrichtung weiterhin Mittel zum Anlegen einer bestimmten Größe relativer Bewegung auf den Winkelsensor entlang der X- und Y-Richtung des Winkel-Koordinatennetzes, und Mittel zur Berechnung der Daten zum Kalibrieren einer Abweichung von der bekannten Idealform des Winkel-Koordinatennetzes, die auf jedem Abtastwert des Winkelsensors vor und nach der Relativbewegung und der Differenz zwischen den Werten beruhen, sowie Speichermittel zum Speichern der errechneten Kalibrierungsdaten.

Bei der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsform besteht die Skala aus einem zweidimensionalen Winkel-Koordinatennetz. Dadurch kann natürlich die zweidimensionale Position eines sich bewegenden Objekts bestimmt werden, sowie auch der Neigungswinkel, der Rollwinkel und Gierwinkel des Objekts, indem die Winkelsensoren mit einer einfachen Skala kombiniert werden. Zusätzlich kann durch Verwenden des Winkel-Koordinatennetzes als Skala die Position durch zweidimensionale Koordinaten wie z. B. orthogonale, zylindrische, polare Koordinaten oder Koordinaten entlang einer variabel gebogenen Fläche erfaßt werden.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Abtasten eines sich bewegenden Objekts kann durch Kombination zumindest eines zweidimensionalen Winkelsensors mit einer aus einem zweidimensionalen Winkel-Koordinatennetz bestehenden Skala die Position des Objekts in zweidimensionalen Koordinaten in Relativbewegung zwischen der Skala und dem Winkelsensor bestimmt werden. Indem man den Winkelsensor einer bekannten, festgesetzten Winkeländerung unterwirft, läßt sich der Abstand zwischen der Skala und dem Winkelsensor ebenfalls bestimmen.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Abtasten eines sich bewegenden Objekts wird es durch Kombination zumindest zweier zweidimensionaler Winkelsensoren mit einer Skala aus einem zweidimensionalen Winkel-Koordinatennetz möglich, die Position eines sich bewegenden Objekts in zweidimensionalen Koordinaten und den Neigungs- und Rollwinkel des Objekts in Relativbewegung zwischen der Skala und den Winkelsensoren zu bestimmen. Indem man den Winkelsensor einer bekannten festgesetzten Winkeländerung unterwirft, läßt sich der Abstand zwischen der Skala und den Winkelsensoren ebenfalls feststellen.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Abtasten eines sich bewegenden Objekts wird es durch Kombinieren von zumindest drei zweidimensionalen Winkelsensoren mit einer Skala aus einem zweidimensionalen Winkel-Koordinatennetz möglich, die Position eines sich bewegenden Objekts in zweidimensionalen Koordinaten und den Neigungs-, Roll- und Gierwinkel des Objekts in Relativbewegung zwischen der Skala und den Winkelsensoren zu bestimmen. Zusätzlich kann auch gleichzeitig der Abstand zwischen der Skala und den Winkelsensoren erfaßt werden, wenn die Winkelsensoren einer bekannten Positionsveränderung unterworfen werden, z. B. durch eine Veränderung des Neigungs- oder Rollwinkels.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die Position entlang einer Achse, der Neigungs- und Rollwinkel durch Kombination von zumindest einem Winkelsensorenpaar mit einer aus einem Winkel-Koordinatennetz bestehenden Skala bestimmt werden, wobei das Netz entlang einer Achse (X-Achse) gemäß einer bekannten Funktion variiert.

Die vorliegende Erfindung verwendet eine Anordnung, bei der die Winkeländerung des Winkel-Koordinatennetzes eine Form hat, die durch Übereinanderlagern einer Vielzahl von Sinuswellen mit verschiedenen Frequenzen erhalten wird. Wenn z. B. eine sinusförmige Winkeländerung, bei der eine Periode der Gesamtlänge der Winkel-Koordinatennetz-Oberfläche in X-Richtung entspricht und die Winkeländerung einer Sinuswelle, die eine M-mal größere Frequenz hat als die zuerst genannte Winkeländerung, übereinandergelagert werden, um ein Winkel-Koordinatennetz zu bilden, umfaßt dadurch die Ausgabe eines Winkelsensors an einer bestimmten Position zwei Frequenzkomponenten der Winkel-Koordinatennetz-Oberfläche, wenn auf diesen Winkelsensor in X-Richtung eine konstante Oszillation angelegt wird, und zwar bei einer Amplitude, die größer ist als die Periode einer Hochfrequenz. Da die Niederfrequenzkomponente eine Winkel-Koordinatennetz-Komponente ergibt, deren Gesamtlänge eine Periode beträgt, wird die Position des Winkelsensors in bezug auf die Gesamtlänge dieser Winkel-Koordinatennetz-Komponente bestimmt. Da die Hochfrequenz-Komponente eine Winkel-Koordinatennetz-Komponete mit hoher Frequenz ergibt, kann die Position aus dieser Winkel-Koordinatennetz-Komponente genau bestimmt werden. Es kann eine Komponente gewählt werden, bei der die Winkelform linear variiert oder bei der das Differential der Winkelform linear variiert. Weiterhin ergeben sich aus der Bewegung des Winkelsensors nach der Rückkehr auf die Ausgangsposition die Absolutkoordinaten der Ausgangsposition, wenn diese auf der Winkel-Koordinatennetz-Oberfläche liegt.

Weiterhin umfaßt der Winkelsensor vorzugsweise eine Vielzahl von Verschiebungsmessern, die mit festgesetztem Abstand zueinander angeordnet sind. Sie können optisch arbeiten, eine elektrooptische Größe erfassen oder auf mechanischen Kontakt reagieren. Durch Erkennen einer Veränderung des Neigungswinkels der Form der Winkel-Koordinatennetz-Oberfläche, die durch eine differentielle Ausgabe der Verschiebungsmesser in Form einer Veränderung in Höhe und Form angelegt wurde, kann diese ertastete Veränderung statt einer Winkelinformation verwendet werden. Wenn je zwei Verschiebungsmesser in X- und Y-Richtung angeordnet sind, d. h. insgesamt vier, oder drei Verschiebungsmesser an den Spitzen eines Dreiecks mit festgesetzten Abständen dazwischen angeordnet sind, arbeiten die Verschiebungsmesser wie zweidimensionale Winkelsensoren.

Weiterhin kann die erfindungsgemäße Skala eine Winkel-Koordinatennetz-Oberfläche bilden, deren Winkeleigenschaften je nach Abstand variieren, und zwar durch stehende Wellen, die erhalten werden, wenn periodische Oszillation auf eine elastische Platte, eine planare oder gebogene federnde Oberfläche, einen Kristallkörper oder eine Flüssigkeitsoberfläche oder in einem mit Flüssigkeit gefüllten, hermetisch versiegelten Behälter angelegt wird, wobei das Winkel-Koordinatennetz auf oder in der Oberfläche erzeugt wird. Die Skala kann nur während der Oszillation als Winkel-Koordinatennetz-Oberfläche eingesetzt werden.

Weiterhin ist die Skala vorzugsweise aus einer Vielzahl unterbrochener Skalen zusammengesetzt, welche jeweils eine Winkel-Koordinatennetz-Oberfläche haben, in der eine Vielzahl der unterbrochenen Skalen- oder Winkelsensoren, die die Skala lesen, diskontinuierlich oder fortlaufend angeordnet sind, entsprechend dem Bereich, über den das Objekt sich bewegt. Sogar wenn sich ein Winkelsensor relativ von einer Winkel-Koordinatennetz-Oberfläche entfernt, können hierdurch immer noch Informationen, die die Position auf der Winkel- Koordinatennetz-Oberfläche bezeichnen, durch den benachbarten unterteilten Skalen- bzw. Winkelsensor erfaßt werden. Hierdurch kann der Umfang der Relativbewegung zwischen dem Winkelsensor und dem Winkel-Koordinatennetz vergrößert werden.

Weiterhin kann die vorliegende Erfindung Korrekturmittel zum Korrigieren der Resultate aus den Messungen der Koordinatenposition und der Orientierungswinkel im Winkel-Koordinatennetz aufweisen, die auf den Resultaten des Kalibrierens und der Fehler in der Winkelform des Winkel-Koordinatennetzes basieren. Entsprechend werden in Fällen, in denen das Winkel-Koordinatennetz nicht sehr präzise erzeugt werden kann, die Kalibrierungsdaten zunächst gespeichert und die zwischen bekannten Dateneinheiten befindlichen Daten werden durch Interpolation angenähert, wodurch die Meßdaten anhand der Kalibrierungsresultate korrigiert werden können.

Weiterhin wird vorzugsweise ein bestimmtes Quantum einer bekannten Relativbewegung auf einen Winkelsensor in X- und Y-Richtung des Winkel-Koordinatennetzes angelegt, und Daten zur Kalibrierung der Abweichung von einer bekannten Idealform des Winkel-Koordinatennetzes, die auf den jeweiligen erhaltenen Werten des Winkelsensors vor und nach der Relativbewegung und auf der Differenz zwischen diesen Werten basieren, können selbständig erhalfen werden.

Die o.g. und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen und der Beschreibung näher erläutert, wobei die Bezugsziffern in allen Figuren gleiche oder ähnliche Bestandteile bezeichnen. Es zeigen:

Fig. 1 eine Grundansicht der Anordnung bei einer Abtastvorrichtung einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform, die sich aus einer Skala und einem zweidimensionalen Winkelsensor zusammensetzt;

Fig. 2 eine Grundansicht der Anordnung bei einer Abtastvorrichtung einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform, die aus einer Skala und zwei zweidimensionalen Winkelsensoren besteht;

Fig. 3 eine entsprechende Grundansicht einer Abtastvorrichtung einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform, die sich aus einer Skala und drei zweidimensionalen Winkelsensoren zusammensetzt;

Fig. 4 eine Grundansicht einer vierten erfindungsgemäßen Ausführungsform, die so ausgebildet ist, daß die Position entlang der X-Richtung, des Neigungs- und des Rollwinkels durch ein planares Winkel-Koordinatennetz abgetastet werden kann, das nur in X-Richtung eine sinusförmige Winkelvariation anlegt, sowie Winkelsensoren;

Fig. 5 eine Grundansicht einer fünften erfindungsgemäßen Ausführungsform, die so ausgebildet ist, daß durch Polarkoordinaten positioniert werden kann;

Fig. 6 eine Grundansicht einer sechsten erfindungsgemäßen Ausführungsform, bei der das Positionieren durch Zylinderkoordinaten erfolgen kann;

Fig. 7 eine Grundansicht einer siebten erfindungsgemäßen Ausführungsform, bei der das Positionieren durch Kugel-Koordinaten erfolgen kann;

Fig. 8 eine Grundansicht, bei der gemäß einer achten erfindungsgemäßen Ausführungsform eine zweidimensionale Positions-Abtastvorrichtung, die auf einem zweidimensionalen Kontakt-Sensor und einem Mikrogitter basiert, so ausgebildet ist, daß sie das Sensorprinzip in einem Mikroskop verwendet, das Molekularkräfte anwendet.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Grundansicht der Anordnung einer Abtastvorrichtung einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform, die aus einer Skala und einem zweidimensionalen Winkelsensor besteht.

Eine Skala wird durch eine Wellenform gebildet, deren Höhe sich periodisch ändert; bei dieser Ausführungsform wird angenommen, daß der Winkelsensor ein optischer Sensor zur Erfassung des Neigungswinkel der geneigten Oberfläche der Skala ist. Weiterhin wird angenommen, daß die Funktion der Winkeländerung so ist, daß die Neigungen in X- und Y-Richtung durch f (x, y) bzw. g (x, y) wiedergegeben werden.

Fig. 1 zeigt eine Skala 10, die feststehend angeordnet ist und einen Winkelsensor 20, der an einer Sensorhalterung befestigt ist, die sich auf einer (nicht gezeigten) sich bewegenden Seite der Skalenanordnung befindet.

Ein Winkel-Koordinatennetz 102 wird auf der ebenen Oberfläche eines Substrats 101 gebildet und ergibt die Skala 10. Das Winkel-Koordinatennetz 102 umfaßt eine Anzahl sinusförmiger Erhebungen und Täler, die in zwei sich senkrecht schneidenden Richtungen (X- und Y) auf der ebenen Oberfläche in Form einer bekannten Funktion variieren. Das Winkel-Koordinatennetz 102 bildet eine Skala zur Positionsbestimmung in zwei Richtungen.

Der einzige Winkelsensor 20 liegt auf der Seite der Skala 10 dem Winkel koordinatennetz 102 gegenüber; er ist um einen festgesetzten Abstand von der Winkel-Koordinatennetz-Oberfläche beabstandet und kann parallel bewegt werden. Der Winkelsensor 20 bestrahlt das Winkel-Koordinatennetz mit ausgesandten Lichtstrahlen und erfaßt entlang der X- und Y-Achse die Richtung des vom Winkel-Koordinatennetz 102 reflektierten Lichts. Die Position eines sich bewegenden Objekts wird in zweidimensionalen Koordinaten bestimmt, wenn der Winkelsensor 20 relativ zur Skala 10 entlang der X- und Y-Achse bewegt wurde.

Z. B. ergeben sich Sinuswellen, wenn Perioden in zwei sich senkrecht schneidenden Richtungen, d. h. in X- und Y-Richtung des Winkel-Koordinatennetzes 102, durch Tx, Ty dargestellt werden und die Amplituden durch a, b dargestellt sind, wie folgt:

f(x, y) = a sin(2πx/Tx) (A)

g(x, y) = b sin(2πy/Ty) (B)

Wenn der Winkelsensor 20 zum Bestimmen der Reflektionsrichtung in X- und Y-Richtung relativ zur Ebene dieses zweidimensionalen Winkel-Koordinatennetzes verschoben wird, unterscheiden sich die Winkel in den beiden Richtungen aufgrund der geneigten Oberflächen der Erhebungen, obwohl die Höhe des Sensors in bezug zu den Erhebungen des Winkel-Koordinatennetzes 102 gleich ist. Durch diese Differenz kann die Position in zwei Ebenen genau bestimmt werden. Deshalb kann die Position des sich bewegenden Objekts in zweidimensionalen Koordinaten erfaßt werden.

Verschiedene Techniken, die zum Erreichen der Interpolation zwischen Wellenlängen herkömmliche Interferometer verwenden, können eingesetzt werden, um eine Interpolation zwischen den Wellenlängen der einzelnen Sinuswellen, die durch die obigen Gleichungen (A) und (B) ausgedrückt werden, durchzuführen. Durch mechanisches Oszillieren oder (im Falle eines photoelektrischen Winkelsensors) das ausschließliche Oszillieren des Lichtstrahls in X- und Y-Richtung nur dann, wenn eine Interpolation zwischen Wellenlängen durchgeführt wird, lassen sich zwei jeweils um Tx/4, Ty/4 phasenverschobene Signale erhalten, nämlich um π/2, in X- bzw. Y-Richtung. Natürlich können zusätzlich Sensoren zum Erfassen der um Tx/4, Ty/4 phasenverschobenen Position vorgesehen sein und die beiden um π/2 phasenverschobenen Signale können zugleich bestimmt werden.

Weiterhin kann ein Winkelsensor verwendet werden, der durch Anwendung eines auf dem Lesen einer photoelektrischen Skala beruhenden Verfahrens den Einfluß von Fehlern des Skaleneinteilungs-Abstands durch Ablesen des Mittelwerts der Positionen einer Vielzahl von Skaleneinteilungen reduziert.

Fig. 2 ist eine Grundansicht der Anordnung einer Abtastvorrichtung einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform, die sich aus einer Skala und zwei zweidimensionalen Winkelsensoren zusammensetzt. Hier kann die Position in zwei Dimensionen, d. h. Neigungs- und Rollwinkel, bestimmt werden.

Ähnlich wie bei Fig. 1 wird das in zwei sich senkrecht schneidenden Richtungen x, y variierende Winkel-Koordinatennetz 102, das auf der ebenen Fläche des Substrats 101 gemäß einer bekannten Funktion variiert auf der ebenen Fläche des die Skala 10 bildenden Substrats 101 erzeugt. Hier liegt ein Paar von Winkelsensoren 20A, 20B an der Seite der Skala 10 gegenüber dem Winkel-Koordinatennetz 102; sie sind in einem festgesetzten Abstand zur Winkel-Koordinatennetz-Oberfläche angeordnet. Die Winkelsensoren 20A, 20B bestrahlen das Winkel-Koordinatennetz 102 mit emittierten Lichtstrahlen und bestimmen die Richtung des vom Winkel-Koordinatennetz 102 reflektierten Lichts entlang der X- und Y-Achse. Die Winkelsensoren 20A, 20B sind auf einer plattenförmigen Sensorhalterung 201 befestigt, die parallel zur Ebene des Winkel-Koordinatennetzes angeordnet ist. Die Sensoren sind so angeordnet, daß sie voneinander um dx, dy entlang der X- bzw. Y-Achse beabstandet sind. Dadurch erfaßt der Winkelsensor 20A den Neigungswinkel entlang der X- und Y-Achse an einer Position, die durch Koordinaten (x, y) angegeben wird, und der Winkelsensor 20B bestimmt den Neigungswinkel entlang der X- und Y-Achse an einer durch Koordinaten (x + dx, y + dy) angegebenen Position.

Gemäß der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform werden die Winkelmessungen der X-Richtung ma1, ma2 der Winkelsensoren 20A, 20B bzw. die Winkelmessungen der Y-Richtung mb1, mb2 der Winkelsensoren 20A, 20B durch die folgenden Gleichungen wiedergegeben, in denen pe (x, y) den Neigungswinkel (Neigung in X-Richtung) der Sensorhalterung und re (x, y) den Rollwinkel (Neigung in Y-Richtung) der Sensorhalterung wiedergeben:

ma1 = f(x, y) + pe(x, y) (1)

mb1 = g(x, y) + re (x, y) (2)

ma2 = f(x+dx, y + dy) + pe(x, y) (3)

mb2 = g (x + dx, y + dy) + re (x, y) (4)

Aus den Gleichungen (1)∼(4) ergibt sich

ma2 - ma1 = f(x + dx, y + dy) - f(x, y) (5)

mb2 - mb1 = f(x + dx, y + dy) - g(x, y) (6)

Wenn f und g bekannte Funktionen sind, können x und y aus den Gleichungen (5) und (6) bestimmt werden.

Wenn z. B. f und g durch die periodischen Funktionen

f(x, y) = a cos(2πx/Tx) (7)

g(x, y) = b cos(2π/Ty) (8)

wiedergegeben werden, können x und y aus den Gleichungen (5) und (6) bestimmt werden, wenn a, b, dx, dy, Tx und Ty bekannt sind. Wenn die Anzahl periodischer Veränderungen (die Anzahl der Wellen) des Ausgangssignals gezählt wird, treten keine Probleme auf, nicht einmal, wenn x und y größer als Tx bzw. Ty sind. Dadurch werden der Neigungswinkel pe und der Drehwinkel re durch die Gleichungen (1) und (2) bestimmt.

Hier ist zu berücksichtigen, daß x, y in den obigen Gleichungen den Neigungswinkel pe, den Rollwinkel re und eine Disparität zwischen den tatsächlichen Positionen x, y des Winkelsensors und der festgestellten Position x, y auf der Winkel-Koordinatennetz-Oberfläche nicht berücksichtigen; dabei wird die Disparität durch einen Abstand dz von der Oberfläche des Winkel-Koordinatennetzes zum Winkelsensor verursacht. Die Beziehungen werden durch die folgenden Gleichungen wiedergegeben:

X = x - pe(x, y)dz (9)

Y = y - re(x, y)dz (10)

Entsprechend können, sobald x, y, pe und re erhalten wurden, X und Y durch Verwendung der Gleichungen (9), (10) und dz (bekannt) errechnet werden.

Weiterhin kann unter Verwendung dieser Ansätze ein unbekanntes dz aus Ansätzen erhalten werden, die denen der Gleichungen (9) und (10) ähnlich sind, indem man die Winkelsensor-Seite mit einer Vorrichtung versieht, die den Winkelsensor allein oder zusammen mit der Sensorhalterung um einen bekannten Winkel α0 oder β0 dreht.

Genauer gesagt gelten die folgenden Gleichungen, in denen x0, y0 Verschiebungen in X- und Y-Richtung bezeichnen, entsprechend einer Veränderung am Winkelsensor-Ausgang, die durch Drehen um die Winkel α0 oder β0 verursacht wird:

dz = x0/α0 (11)

dz = y0/β0 (12)

Weiterhin kann dz errechnet werden, indem man die Winkel α0, β0 mißt, die vorherrschen, wenn die den X- und Y-Achsenverschiebungen x0, y0 gemäß Gleichungen (11), (12) entsprechenden Werte zu Festwerten gemacht werden, wie bei den Intervallen von Skala-Unterteilungen.

Dies verdoppelt sich auch als Sensor zum Feststellen des Abstandes zwischen dem Winkelsensor und dem Ort des Winkel-Koordinatennetzes.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel, bei dem als Sensoren gemäß einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform drei zweidimensionale Sensoren vorhanden sind. Dies zeigt eine Konfiguration, die sowohl die Position eines sich bewegenden Objekts in zwei Dimensionen feststellen kann als auch den Neigungswinkel, den Rollwinkel und den Gierwinkel des sich bewegenden Objekts.

Bei der dritten Ausführungsform (vgl. Fig. 3) sind drei Winkelsensoren 20A, 20B und 20G an den Spitzen eines gleichschenkligen Dreiecks in der ebenen Fläche der plattenförmigen Sensorhalterung 202 angebracht, die gemäß Fig. 2 parallel zur Winkel-Koordinatennetz-Oberfläche liegt. Der Winkelsensor 20G soll sich an Position (dx, -dy) entlang der X- und Y-Achse des in Ausgangsstellung befindlichen Winkelsensors 20 befinden, ma3, mb3 sollen die Winkelausgänge des Winkelsensors 20G entlang der X- und Y-Achse darstellen und ma2, mb2 die Winkelausgänge der Winkelsensoren 20B entlang der X- und Y-Achse. Wenn man den Gierwinkel y, dessen Drehungsmittelpunkt der Winkelsensor 20A in Ausgangsstellung ist, berücksichtigt,erhält man die folgenden Beziehungen:

ma2 = f(x+dx+γdy, y+dy+γdx)+pe(x, y) (13)

mb2 = g(x+dx+γdy, y+dy+γdx)+re(x, y) (14)

ma3 = f(x+dx-γdy, y-dy+γdx)+pe(x, y) (15)

mb3 = g(x+dx-γdy, y-dy+γdx)+re(x, y) (16)

Wenn pe bekannt oder vernachlässigbar klein ist, kann x aus Gleichung (1) und γ aus Gleichung (13) bestimmt werden, während y und re aus den Gleichungen (2) und (14) erhalten werden können. Umgekehrt können x und pe durch die Gleichungen (13) und (15) erhalten werden, nachdem y und γ aus den Gleichungen (2) und (14) erhalten wurden, ähnlich wie in einem Fall, wo re vernachlässigbar oder bekannt ist.

Wenn sowohl pe und re unbekannt und nicht vernachlässigbar klein sind, muß γ ausschließlich aus dem Differentialausgang der Winkelsensoren erhalten werden.

Da die Allgemeingültigkeit erhalten bleibt, auch wenn

f(x, y) = f(x, y+dy) = f(x, y-dy) (17)

g(x, y) = g(x+dx, y) (18)

werden die folgenden Gleichungen erhalten:

ma2-ma1 = f(x+dx+γdy, y) - f(x, y) (19)

ma3-ma1 = f(x+dx-γdy, y) - f(x, y) (20)

Wenn γ eine unbedeutende Größe ist und man die partiellen Differentiale von f, g in bezug auf x, y durch fx, fy ausdrückt und die Suffixe x, y verwendet, erhält man

ma2-ma3 = 2γdyfx(x+dx, y) (21)

Da die Funktion fx(x + dx, y) und dy bekannt sind, erhält man γ.

Entsprechend ergibt sich

mb2 - mb3 = γdx {gy(x, y + dy) - gy(x, y-dy)}
+g(x, y+dy)-g(x, y-dy) (22)

und die unbedeutende Größe y wird auch aus dem Winkelausgang in Y-Richtung erhalten. Da x, y, α und β errechnet werden können, wenn γ erhalten wurde, werden diese aufgezeichnet. Wenn die sich langsam ändernde, unbedeutende Größe γ zunimmt, während γ sequentiell erhalten wird, wird das endgültige γ an der benötigten Position erhalten.

Dies entspricht einem Fall, wo x, y sich langsam oder nur geringfügig ändern. Z.B. kann, vorausgesetzt y ist bekannt und konstant, γ einfach aus der Veränderung in dem Differentialausgang erhalten werden, der durch Gleichung (22) angegeben ist. Wenn γ gefunden wird unter der Annahme, daß die Veränderung in y, wenn einmal bestimmt, klein ist, und die anderen Größen danach bestimmt wurden, ist es offensichtlich, daß ein Fall, bei dem sich y langsam oder geringfügig ändert, ebenfalls behandelt werden kann.

Im allgemeinen ist es schwierig, eine Situation zu planen, bei der sich alle Freiheitsgrade gleich schnell und um die gleiche Größe in einer Präzisionseinrichtung verändern. Entsprechend können die Größe der Veränderung aller Freiheitsgrade, d. h. die sich auf zweidimensionale Koordinaten beziehende Position, der Abstand von der Winkel-Koordinatennetz-Oberfläche zum Winkelsensor und der Neigungs-, Roll- und Gierwinkel des sich bewegenden Objekts bestimmt werden, wenn irgendeiner der Freiheitsgrade, dessen Veränderung klein oder langsam ist, ausgewählt wird und die Verarbeitung ähnlich wie bei der oben beschriebenen für γ durchgeführt wird.

Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Winkelsensoren 20B und 20C auf einem rechtwinkligen Dreieck an den Positionen (dx, o) und (o, dy) in X- und Y-Richtung oder auf einem allgemeineren Dreieck plaziert werden können.

Das oben beschriebene Prinzip ist nicht nur zur Bestimmung der Position eines sich bewegenden Objektes anwendbar, sondern auch zum wiederholten Zurücksetzen desselben sich bewegenden Objektes auf dieselbe gewünschte Position und Orientierung. Wenn eine Anordnung gewählt wird, bei der Markierungen verwendet werden, die auf einem Objekt durch eine zweidimensionale Winkeländerung bestimmt werden, um die Bestimmung der relativen Position und Orientierung zwischen Objekt und Winkelsensor zu bestimmen, kann das erfindungsgemäße Prinzip entsprechend erfolgreich zum Positionieren eines Wafers in einer Vorrichtung zur Herstellung von Halbleitern eingesetzt werden.

Fig. 4 ist eine Grundansicht einer vierten erfindungsgemäßen Ausführungsform, die so ausgebildet ist, daß die Position entlang der X-Richtung sowie der Neigungs- und Rollwinkel durch ein ebenes Winkel-Koordinatennetz abgetastet werden können, das nur in X-Richtung eine sinusförmige Winkelvariation anlegt, sowie Winkelsensoren.

Wie in Fig. 4 gezeigt, wird auf der ebenen Oberfläche des die Skala 10 bildenden Substrates 101 ein eindimensionales Winkel-Koordinatennetz 103 hergestellt, dessen Winkel sich entlang der Achse verändert. Die Winkelveränderung des Winkel-Koordinatennetzes 103 wird durch eine bekannte Funktion f(x) dargestellt. Zwei Winkelsensoren 20A, 20B sind an einer plattenförmigen Sensorhalterung 203 befestigt, um so entlang der X-Achse mit einer festgesetzten Entfernung voneinander angeordnet werden zu können. Wenn die Winkelsensoren 20A und 20B gemeinsam mit der Sensorhalterung 203 entlang der X-Achse relativ zum Winkel-Koordinatennetz verschoben werden, kann die Position entlang der X-Achse, der Neigungswinkel und der Rollwinkel auf der sich bewegenden Seite bestimmt werden.

Bei dieser Ausführungsform werden die Ausgaben m1, m2 der beiden Winkelsensoren 20A, 20B durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt; pe(x) ist hier der Neigungswinkel:

m1 = f(x)+pe(x) (23)

m2 = f(x + dx) + pe(x) (24)

Wenn bei vernachlässigbarem Neigungswinkel ein Winkelsensor verwendet wird und in X-Richtung verschoben wird, läßt sich die Position entlang der X-Achse aus der Veränderung im Ausgang f(x) ermitteln.

Wenn weiterhin pe (x) nicht vernachlässigbar ist, erhält man, wenn man die Differenz zwischen den Ausgängen der beiden Winkelsensoren nimmt, die folgende Gleichung:

m2 - m1 = f(x + dx) - f(x) (25)

Diese Differenz zwischen bekannten Funktionen ist natürlich eine bekannte Funktion. Die X-Position des Winkelsensors kann deshalb aus der Veränderung des Differentialausgangs (m2-m1) bestimmt werden. Wenn x bekannt ist, kann der Neigungswinkel pe(x) aus m1 errechnet werden.

Wenn die beiden o.g. Winkelsensoren als zweidimensionale Winkelsensoren zum Abtasten von Winkeln sowohl in X- als auch in Y-Richtung ausgebildet sind, werden die Winkelformen (wo die Veränderung idealerweise gleich Null ist) der Skala in X- und Y-Richtung auf die gleiche Weise festgestellt wie im oben beschriebenen Zwei-Punkt-Verfahren für den Neigungswinkel. Wenn der Winkel dieser winkligen Skala in deren Y-Richtung bekannt ist, kann der Rollwinkel re(x) der Sensorhalterung, d. h. des sich bewegenden Objekts, aus dem Ausgang des Winkelsensors in Y-Richtung erhalten werden.

Bei einer anderen möglichen Ausführungsform können die Kalibrierungsdaten des Winkel-Koordinatennetzes durch Ausstatten der Sensorhalterung von Fig. 4 mit einem Mechanismus zum Bewegen der Halterung infinitesimal um einen bekannten Betrag D (nicht gezeigt) in X- und Y-Richtung erhalten werden. In diesem Fall soll f (x) die ideale sinusförmige Form (die geplante Form) sein und e (x) eine Abweichung von f (x) des tatsächlichen Winkel-Koordinatennetzes darstellen. Die durch die Bewegung des Winkelsensors auftretende Neigung soll ignoriert werden. Zunächst wird x mit Hilfe der Funktion f (x) bestimmt und der Winkelsensor D wird an dieser Position [die tatsächlich einen unbekannten Fehler δ einschließt, aufgrund der Wirkung des Fehlers e (x)] durch D in X-Richtung unter Verwendung eines piezoelektrischen Elements o. ä. verschoben. m1, m1_D sollen die Ausgänge des Winkelsensors vor bzw. nach dem Verschieben darstellen. Die folgende Gleichung erhält man aus der Differenz zwischen diesen beiden Ergebnissen:

m1_D - m1 = f(x + δx + D) - f(x + δx)
+ e(x + δx + D) - e(x + δx) (26)

Indem man δx unendlich klein macht, wird die folgende Gleichung als angenäherte Ableitung von e (x) erhalten:

e′ (x) = {e(x + D) - e(x)}/D
= [m1_D - m1 - {f(x+D) - f(x)}]/D (27)

Da die Funktion {f(x+D)-f(x)} bekannt ist, ist die rechte Seite dieser Gleichung bekannt. Demgemäß wird die angenäherte Funktion e_c(x) von e(x) errechnet, wenn diese angenäherte Ableitung e′ (x) numerisch durch irgendein Verfahren integriert wird.

Formelfehler durch die Annäherung der Ableitung und der numerischen Integration sind zu diesem Zeitpunkt ein Prozentsatz, der für jede Frequenz festgelegt wird und deshalb mit Hilfe der Fourier-Transformation und umgekehrter Fourier-Transformation korrigiert werden kann.

Weiterhin, wenn die numerische Integration nochmals durchgeführt wird, nachdem die durch f (x) berechnete X-Position unter Verwendung der oben erhaltenen angenäherten Kurve ec (x) von e (x) korrigiert wurde, kann die Genauigkeit der neu erhaltenen angenäherten Kurve e (x) verbessert werden. Wenn die Korrektur der X-Position wiederholt wird, bis der Korrekturbereich ,δx ausreichend klein wird, erhält man eine Eichkurve der erforderlichen Genauigkeit.

Als nächstes wird die Kalibrierung durch ein Verfahren beschrieben, bei dem zwei Winkelsensoren ausgerichtet werden, die in X-Richtung in einem Abstand dx voneinander angeordnet sind, in einer Reihe in der X-Richtung, um die Effekte durch das Neigen, wenn die Winkelsensoren in X-Richtung bewegt werden, zu eliminieren. Die Ausgänge m1, m2 der beiden Winkelsensoren werden durch die folgenden Gleichungen wiedergegeben:

m1(x) = f(x) + e(x) + pe(x) (28)

m2(x) = f (x + dx) + e(x + dx) + pe(x) (29)

in denen pe (x) die Neigung des Sensors an der X-Position bedeutet.

Um die Auswirkungen der Neigung zu eliminieren, wird der Differentialausgang der beiden Sensoren verwendet. Der Differentialausgang wird durch die folgende Gleichung dargestellt:

m2(x) - m1(x) = {f(x+dx) - f(x)}
+ {e(x + dx) - e(x)}
= f1(x) + e1(x) (30)

wobei wir ersetzen:

f1(x) = f(x+dx) - f(x) (31)

e1(x) = e(x+dx) - e(x) (32)

Hier ist f1 (x) eine Funktion, die die gleiche Periode aufweist wie diejenige des Ausgangs-Winkel-Koordinatennetzes in X-Richtung und sie kann als Idealfunktion der Gitters angesehen werden. Wenn dx bekannt ist und die Idealform von f(x) (die mittlere Empfindlichkeit in Form eines Verschiebungsmessers) ermittelt wurde, kann die Idealform von f1 (x) auch bestimmt und verwendet werden, um x herzuleiten.

Wenn man eine Konfiguration annimmt, bei der die die beiden befestigten Winkelsensoren aufnehmende Halterung um D entlang der X-Achse verschoben wird und die Ausgaben der Winkelsensoren vor oder nach dem Verschieben gelesen werden, kann ein angenäherter Wert der Ableitung von e1 (x) erhalten werden, wie durch die folgende Gleichung angezeigt wird (oben beschrieben):

e1′(x) = {e1(x+D) - e1(x)}/D
= [m2_D(x) - m2(x) - {m1_D(x) - m1(x)}
- {f1(x+D) - f1 (x)}/D (33)

in der m1_D (x), m2_D (x) die Ausgänge der Winkelsensoren darstellen, wenn die Sensorhalterung an der X-Position um D verschoben wurde.

Da {f1 (x + D) - f1 (x)} eine bekannte Funktion ist, ist die linke Seite dieser Gleichung eine bekannte Funktion. Demgemäß wird die angenäherte Funktion e1_c(x) von e1(x) errechnet, wenn diese angenäherte Ableitung e1′ (x) numerisch durch irgendein Verfahren bestimmt wird.

Wenn die numerische Integration nochmals durchgeführt wird, nachdem die durch f1 (x) errechnete X-Position unter Verwendung der angenäherten Kurve e1c (x) des oben erhaltenen e1 (x) korrigiert wurde (indem man δx als Korrekturwert annimmt), kann die Genauigkeit der neu erhaltenen angenäherten e1(x)-Kurve verbessert werden. Wenn diese Korrektur der X-Position wiederholt wird, bis der Korrekturbereich δx ausreichend gering wird, erhält man eine Eichkurve der erforderlichen Genauigkeit.

Wenn das Endergebnis von e1(x) nochmals integriert wird, erhält man e(x), und die Winkelform des Winkel-Koordinatengitters wird aus e(x) erhalten und die Position entlang der X-Achse sowie die Neigung werden durch die beiden Sensoren für die X-Richtung bestimmt. Dies vervollständigt die Kalibration des Winkel-Koordinatennetzes.

Fig. 5 ist eine Grundansicht einer fünften erfindungsgemäßen Ausführungsform, die so ausgebildet ist, daß ein Positionieren durch polare Koordinaten ermöglicht wird.

Wie in Fig. 5 gezeigt, wird eine Skala 52 für polare Koordinaten durch Herstellen eines zweidimensionalen Winkel-Koordinatennetzes 51 erhalten; dabei variiert der Winkel des Gitters in Radial- und Umfangsrichtung entsprechend einer bekannten Funktion auf einer runden Scheibe 50. Ein Winkelsensor 53, der sich relativ zur Skala 52 entlang der Oberfläche des zweidimensionalen Winkel-Koordinatennetzes bewegt, ist so angeordnet, daß er dem Winkel-Koordinatennetz gegenüberliegt. Das auf polaren Koordinaten basierende Positionieren wird durch den Winkelsensor 53 ermöglicht.

Bei der fünften Ausführungsform ist das zweidimensionale Winkel-Koordinatennetz 51 nicht auf die in Fig. 5 gezeigte Form beschränkt, sondern kann auch eine Winkeländerung entlang einer Spirale aufweisen.

Fig. 6 ist eine Grundansicht einer sechsten erfindungsgemäßen Ausführungsform, die so ausgebildet ist, daß das Positionieren über Kugel-Koordinaten erfolgen kann.

Wie in Fig. 6 gezeigt, wird eine Skala 61 für zylindrische Koordinaten durch Bilden eines Winkel-Koordinatennetzes 61 erzeugt; dessen Winkel variiert in Richtung der erzeugenden Linien an der äußeren Umfangsfläche eines Zylinders 60 und in Umfangsrichtung orthogonal zu den erzeugenden Linien entsprechend einer bekannten Funktion, an der äußeren Umfangsfläche des Zylinders 60. Ein Winkelsensor 63, der sich relativ zur Skala 62 entlang der Oberfläche des Winkel-Koordinatennetzes bewegt, ist so ausgerichtet, daß er dem Winkel-Koordinatennetz gegenüberliegt. Das Positionieren aufgrund zylindrischer Koordinaten wird durch den Winkelsensor 63 ermöglicht.

Bei der sechsten Ausführungsform ist das zweidimensionale Winkel-Koordinatennetz 61 nicht auf die in Fig. 6 gezeigte Form beschränkt, sondern kann z. B. auch eine Winkelform, die entlang einer Spirale variiert, aufweisen.

In den Ausführungsformen gemäß Fig. 1 bis 6 kann die Einrichtung in einen Lichtsensor und eine Lichtstrahlenquelle o. ä. zum Anlegen der Winkelinformation an den Winkelsensor getrennt sein, wobei der Lichtsensor und die Quelle an gegenüberliegenden Seiten des Winkel-Koordinatennetzes angeordnet sind, so daß eine Winkelveränderung der übertragenen Lichtstrahlen o. ä. abgetastet werden kann. Ein so ausgebildetes Winkel-Koordinatennetz kann auf einer Änderung des Refraktionsindexes beruhen oder einer Veränderung der Richtung des übertragenen Lichts durch die Rauhigkeit der Unterseite der lichtübertragenden Platte.

Fig. 7 ist eine schematische Ansicht einer siebten erfindungsgemäßen Ausführungsform, die so ausgebildet ist, das das Positionieren durch Kugel-Koordinaten ermöglicht wird.

Gemäß Fig. 7 wird eine Skala 72 für Kugel-Koordinaten durch Bilden eines zweidimensionalen Winkel-Koordinatennetzes 71 auf der Innenfläche eines sphärischen Körpers 70 erstellt. Die Position eines sich bewegenden Objekts kann durch drei am Objekt angebrachte Winkelsensoren 73 bestimmt werden. Weiterhin kann sehr geringe Oszillation in drei Richtungen im Drehmittelpunkt durch Abtasten der Orientierung eines sich drehenden Objekts in drei Richtungen im Mittelpunkt des sphärischen Körpers 70 erfaßt werden.

Gemäß der schematischen Ansicht von Fig. 8 ist es bei einer achten erfindungsgemäßen Ausführungsform möglich, eine zweidimensionale Positionierung vorzunehmen, indem ein Kontakt-Winkelsensor verwendet wird, der das Prinzip eines Sensors in einem Mikroskop unter Benutzung von Molekularkräften verwendet, und Verwendung eines Mikrogitters, wie z. B. eines Kristalls, als Winkel-Koordinatennetz.

Gemäß Fig. 8 wird eine Kristalloberfläche 81 eines Kristalls 80 als zweidimensionales Winkel-Koordinatennetz für die Skala verwendet. Die Position eines Kontaktstifts 82 auf der Kristalloberfläche 81 wird durch interatomare Kraft des Kristalls oder durch Kontaktdruck bestimmt, und die Mikrohebel 83, 84 für die beiden Richtungen werden nacheinander mit dem Kontaktstift verbunden. Die Durchbiegung der Mikrohebel 83, 84 variiert abhängig von der Richtung der Oberflächennormalen am Kontaktpunkt. Die Mikrohebel 83, 84 werden durch Licht von Lichtquellen (nicht gezeigt) angestrahlt und die Richtung des von den Mikrohebeln 83, 84 reflektierten Lichts wird durch optische Sensoren wie z. B. einen Halbleiter-Lichtpositions-Sensor bestimmt. Hierdurch kann eine Veränderung der winkeligen Form ertastet und damit die Positionierung in zwei Dimensionen erreicht werden.

Bei dieser Ausführungsform kann die Ausrichtung der Atome der Kristalloberfläche 81 als zweidimensionales Winkel-Koordinatennetz für die Skala verwendet werden.

Es kann statt des Lichtsensors zum Erfassen von Durchbiegungen der Mikrohebel 83, 84 auch ein anderer Sensor zum Abtasten einer wesentlichen Änderung verwendet werden. Auch können an den Mikrohebeln Dehnungsmesser befestigt sein.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obengenannten Ausführungsformen beschränkt.

Beispielsweise könnte auch eine Anordnung gewählt werden, bei der die Winkeländerung des Winkel-Koordinatennetzes ihre Form durch Übereinanderlegen einer Vielzahl von Sinuswellen mit verschiedenen Frequenzen erhält.

Weiterhin kann das Winkel-Koordinatennetz unter Verwendung einer Änderung des Refraktionsindexes verwirklicht werden, die sich aus einer Veränderung in der Zusammensetzung eines Materials innerhalb einer transparenten Platte ergibt. Das Winkel-Koordinatennetz kann ein Material verwenden, dessen Refraktionsindex durch eine von außen angelegte elektromagnetische oder mechanische Kraft verändert wird. Das Material kann allein verwendet werden oder in einem Behälter eingeschlossen sein.

Weiterhin kann die erfindungsgemäße Skala dadurch hergestellt werden, daß eine Winkel-Koordinatennetz-Oberfläche, deren winkelabhängige Eigenschaft in Form einer bekannten Funktion variiert, durch stehende Wellen erzeugt wird, die erhalten werden, wenn eine periodische Erregerkraft an eine elastische Platte angelegt wird, eine ebene Oberfläche mit elastischen Eigenschaften, einen Kristallkörper oder eine Flüssigkeitsoberfläche, wobei das Winkel-Koordinatennetz auf oder in der Fläche erzeugt wird.

Weiterhin kann eine Skala gemäß der Erfindung aus einer Vielzahl geteilter Skalen hergestellt werden, die jeweils ein Winkel-Koordinatennetz aufweisen und stufenförmig oder hintereinander entsprechend der Oberfläche angeordnet sind, über die das Objekt sich bewegt. Z.B. ist eine Anordnung möglich, bei der, statt die Anzahl der Winkel-Koordinatennetz-Oberflächen zu erhöhen, mehrere Sets von Winkelsensoren mit der gleichen Funktion in Abständen eingesetzt werden, die kleiner sind als die Größe der Winkel-Koordinatennetz-Oberfläche.

Weiterhin können bei der Erfindung Mittel zur Aufbringung einer festgelegten Relativbewegung auf einen Winkelsensor entlang der X- und Y-Richtung des Winkel-Koordinatennetzes eingesetzt werden, und zum Berechnen der Daten für die Kalibrierung von Fehlern aus der bekannten Idealform des Winkel-Koordinatennetzes, das auf jedem Meßwert des Winkelsensors vor und nach einer Relativbewegung und der Differenz zwischen den Werten basiert. Weiterhin ist es möglich, eine Anordnung mit Speichermitteln zum Speichern der errechneten bzw. durch eine übliche Vergleichskalibrierung erhaltenen Kalibrierungsdaten zu verwenden, sowie Korrekturmittel zum Korrigieren der Meßergebnisse der Positionskoordinaten und der verschiedenen Stellungswinkel durch das Winkel-Koordinatennetz.

Weiterhin ist es bei der Erfindung möglich, laufende Wellen zu erzeugen, die ein Winkel-Koordinatennetz erzeugen, in dem eine konstante Veränderung in der Oberfläche durch die stehenden Wellen erzeugt wird, und die zweidimensionale Position aufgrund der Beziehung zwischen Winkel-Koordinatennetz und der Zeit bestimmt wird.

Bei der Erfindung kann das Winkel-Koordinatennetz auch so beschaffen sein, daß es elektromagnetische Kraft auf einen elektrooptischen Kristall oder eine das Innere eines Behälters füllende und auf elektromagnetische Kraft oder Licht reagierende Flüssigkeit ausübt, wodurch der Refraktionsindex des elektrooptischen Kristalls bzw. der Flüssigkeit sich ändert; hier ist die Veränderung eine bekannte Funktion.

Die vorliegende Erfindung hat viele hervorragende Eigenschaften.

Insbesondere ist die erfindungsgemäße Skala, die zum Bestimmen der Position oder verschiedener Orientierungen eines sich bewegenden Objekts verwendet wird, aus einem zweidimensionalen Winkel-Koordinatennetz gebildet, das eine winklige Form aufweist. Dadurch kann natürlich die zweidimensionale Position eines sich bewegenden Objekts bestimmt werden, sowie auch sein Neigungs-, Roll- und Gierwinkel, und zwar einfach durch Kombinieren der Winkelsensoren mit einer einfachen Skala. Zusätzlich ist es durch Verwenden des Winkel-Koordinatennetzes als Skala möglich, die Position in zweidimensionalen Koordinaten, wie z. B. orthogonalen, zylindrischen oder polaren Koordinaten zu bestimmen bzw. Koordinaten entlang einer frei gekrümmten Oberfläche.

Weiterhin kann die Position eines sich bewegenden Objekts in zweidimensionalen Koordinaten durch die Relativbewegung zwischen der Skala und dem Winkelsensor erfaßt werden, indem man zumindest einen zweidimensionalen Winkelsensor mit einer Skala kombiniert, die ein zweidimensionales Winkel-Koordinatennetz aufweist. Wenn die Orientierung des Winkelsensors um eine bekannte Größe verändert wird, wenn z. B. der Neigungs- oder Rollwinkel verändert wird, kann gleichzeitig der Abstand zwischen Skala und Winkelsensor bestimmt werden.

Weiterhin ist es bei der Erfindung möglich, durch Kombinieren von zumindest einem Paar zweidimensionaler Sensoren mit einer ein zweidimensionales Winkel-Koordinatennetz umfassenden Skala, die Position eines sich bewegenden Objekts in zweidimensionalen Koordinaten zu bestimmen sowie auch den Neigungs- und Rollwinkel des Objekts, durch die Relativbewegung zwischen der Skala und den Winkelsensoren. Wenn die Orientierung des Winkelsensors um eine bestimmte Größe verändert wird, z. B. durch Verändern des Neigungs- oder Rollwinkels, kann gleichzeitig der Abstand zwischen Skala und Winkelsensoren bestimmt werden.

Weiterhin ist es bei der Erfindung möglich, durch Kombinieren von mindestens drei zweidimensionalen Sensoren mit einer ein zweidimensionales Winkel-Koordinatennetz umfassenden Skala die Position eines sich bewegenden Objekts in zweidimensionalen Koordinaten zu bestimmen sowie auch den Neigungs-, Roll- und Gierwinkel des Objekts, durch die Relativbewegung zwischen der Skala und den Winkelsensoren. Wenn die Orientierung der Winkelsensoren um einen bestimmten Winkel verändert wird, z. B. durch Verändern des Neigungs- oder Rollwinkels, kann auch der Abstand zwischen der Skala und den Winkelsensoren bestimmt werden.

Weiterhin können bei der Erfindung die Position entlang einer Achse, der Neigungs- und Rollwinkel durch Kombinieren von zumindest einem Paar von Winkelsensoren mit einer Skala, die aus einem Winkel-Koordinatennetz, das gemäß einer bekannten Funktion entlang einer Achse (der X-Achse) variiert, besteht, bestimmt werden.

Weiterhin ist es bei der Erfindung möglich, die Position genau zu bestimmen, indem man eine Anordnung wählt, bei der die Winkelvariation des Winkel-Koordinatennetzes eine Form aufweist, die durch Übereinanderlegen einer Vielzahl von Sinuswellen mit verschiedenen Frequenzen erhalten wurde.

Weiterhin kann der Winkelsensor bei der Erfindung aus einer Vielzahl von Verschiebungsmessern, die mit einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind, bestehen. Sie sind optische Verschiebungsmesser, die eine elektrooptische Größe abtasten können, oder mit mechanischem Kontakt arbeiten. Durch Bestimmen der Größe, die einer Veränderung im Neigungswinkel der Form des Winkel-Koordinatennetzes entspricht, welche durch eine Differentialausgabe der Verschiebungsmesser in Form einer Veränderung in Höhe und Form angelegt wurde, kann diese erfaßte Größe anstelle einer Winkelinformation verwendet werden. Wenn drei oder mehr Verschiebungsmesser zweidimensional mit festgesetzten Abständen zueinander angeordnet sind, können die Verschiebungsmesser wie ein zweidimensionaler Winkelsensor arbeiten.

Weiterhin kann bei der Erfindung die Skala eine Winkel-Koordinatennetz-Oberfläche bilden, deren winkelabhängige Eigenschaft räumlich variiert, und zwar durch stehende Wellen, die erhalten werden, wenn periodische Oszillation auf eine elastische Platte, eine ebene oder gebogene Oberfläche mit elastischen Eigenschaften, einen Kristallkörper, oder eine Flüssigkeitsoberfläche einer Flüssigkeit, die einen hermetisch versiegelten Behälter füllt, gerichtet werden, wobei das Winkel-Koordinatennetz auf oder in der Fläche erzeugt wird. Die Skala kann nur während des Anlegens der Oszillation als Skalenoberfläche verwendet werden.

Weiterhin kann die Skala sich bei der Erfindung aus einer Vielzahl unterteilter Skalen zusammensetzen, die jeweils eine Winkel-Koordinatennetz-Oberfläche haben und stufenförmig oder durchgehend entsprechend des Bereiches, über den das Objekt sich bewegt, angeordnet sind. Daraus können Informationen, die die Position der Winkel-Koordinaten-Oberfläche der benachbarten unterteilten Skala bestimmen, erfaßt werden, sogar wenn der Winkelsensor sich von der Winkel-Koordinatennetz-Oberfläche entfernt. Dadurch wird es möglich, den Bereich der Relativbewegung zwischen dem Winkelsensor und dem Winkel-Koordinatennetz zu vergrößern.

Weiterhin können erfindungsgemäß Korrekturmittel vorgesehen sein, um ausgehend von den Ergebnissen des Kalibrierens eines Fehlers in der Winkelform des Winkel-Koordinatennetzes, die Ergebnisse der gemessenen Koordinatenposition und die Orientierungswinkel durch das Winkel-Koordinatennetz zu korrigieren. Wenn das Winkel-Koordinatennetz nicht sehr genau erzeugt werden kann, werden die Kalibrierungsdaten zuvor gespeichert und die Daten zwischen bekannten Dateneinheiten durch Interpolation angenähert, wodurch ermöglicht wird, die auf den Ergebnissen der Kalibrierung basierenden gemessenen Daten zu korrigieren.

Weiterhin kann eine Abweichung von der Idealform eines Winkel-Koordinatengitters selbständig kalibriert werden, indem man eine bekannte Bewegungsgröße an den Winkelsensor anlegt. Dadurch kann die Fehlerkomponente ausgeglichen werden, wenn die Genauigkeit des Winkel-Koordinatennetzes schlecht ist.

Da bei der Erfindung viele verschiedene Ausführungsformen möglich sind, sollen der Erfindung nicht die oben beschriebenen Ausführungsformen, sondern die nachfolgenden Patentansprüche als Schutzumfang zugrundegelegt werden.

Bezugszeichenliste

10 Skala
20 Winkelsensor
20A Winkelsensor
20B Winkelsensor
20C Winkelsensor
51 zweidimensionales Winkel-Koordinatennetz
52 Skala
53 Winkelsensor
60 Zylinder
61 Skala
63 Winkelsensor
70 sphärischer Körper
71 zweidimensionales Winkel-Koordinatennetz
72 Skala
73 drei Winkelsensoren
80 Kristall
81 Kristalloberfläche
82 Kontakthebel
83 Mikrohebel
84 Mikrohebel
101 Substrat
102 Winkel-Koordinatennetz
103 Winkel-Koordinatennetz
201 plattenförmige Sensorhalterung
203 plattenförmige Sensorhalterung

Claims

1. Skala zur Erfassung zumindest einer Position und verschiedener Orientierungen eines sich bewegenden Objekts, die ein Winkel-Koordinatennetz (102) umfaßt, das auf oder in einer Oberfläche eines Skalensubstrats (101) erzeugt ist, das eine ebene und eine frei gekrümmte gebogene Fläche umfaßt und Winkeleigenschaften aufweist, die in zwei unterschiedlichen Richtungen gemäß einer bekannten Funktion variieren.

2. Skala nach Anspruch 1, deren Winkel-Koordinatennetz (102) eine Vielzahl von Erhebungen und Tälern einer festen Amplitude aufweist, in der die Winkeleigenschaften in zwei sich schneidenden Richtungen auf oder in der Fläche des Substrats (101) sinusförmig variieren.

3. Skala nach Anspruch 1, deren Winkel-Koordinatennetz (102) so ausgebildet ist, daß es elektromagnetische oder optische Energie an einen elektrooptischen Kristall (80) oder eine das Innere eines Behälters füllende Flüssigkeit anlegt und auf elektromagnetische Kraft oder Licht reagiert, wodurch der elektrooptische Kristall (80) bzw. die Flüssigkeit einer Veränderung des Refraktionsindexes unterworfen wird und die Veränderung in Form einer bekannten Funktion erfolgt.

4. Skala nach einem der Ansprüche 1 bis 3, deren Winkel-Koordinatennetz (102) orthogonale, zylindrische, polare Koordinaten oder Koordinaten entlang einer frei gekrümmten Oberfläche erstellt.

5. Abtastvorrichtung zur Erfassung der Position eines sich bewegenden Objekts mit den folgenden Bestandteilen:
einer Skala (10), die aus einem Winkel-Koordinatennetz (102) gebildet ist, das auf oder in einer Oberfläche eines Skalensubstrats (101) erzeugt ist, das eine ebene und eine frei gekrümmte Fläche umfaßt und Winkeleigenschaften aufweist, die in zwei unterschiedlichen Richtungen (X- und Y-Richtung) gemäß einer bekannten Funktion variieren; und
zumindest einem zweidimensionalen Winkelsensor (20), der so angeordnet ist, daß er der Skalenseite mit dem Winkel-Koordinatennetz (102) gegenüberliegt und Winkel entlang der X- und Y-Richtung abtasten kann; wobei
entweder die Skala (10) oder der Winkelsensor (20) an einem beweglichen Objekt befestigt ist, dessen Position in zweidimensionalen Koordinaten bei der Relativbewegung zwischen Skala (10) und Winkelsensor (20) bestimmt wird.

6. Abtastvorrichtung zur Erfassung der Position und verschiedener Orientierungen eines sich bewegenden Objekts mit den folgenden Bestandteilen:
einer Skala (10), die aus einem Winkel-Koordinatennetz (102) gebildet ist, das auf oder in einer Oberfläche eines Skalensubstrats (101) erzeugt ist, das eine ebene und eine frei gekrümmte Fläche umfaßt und Winkeleigenschaften aufweist, die in zwei unterschiedlichen Richtungen (X- und Y-Richtung) gemäß einer bekannten Funktion variieren; und
zumindest einem Paar zweidimensionaler Winkelsensoren (20A, 20B), die so angeordnet ist, daß sie der Skalenseite mit dem Winkel-Koordinatennetz (102) gegenüberliegen und entlang der X- und Y-Richtung in einem bestimmten Abstand voneinander liegen; wobei
entweder die Skala (10) oder die Winkelsensoren (20A, 20B) an einem beweglichen Objekt befestigt sind, dessen Position in zweidimensionalen Koordinaten sowie der Neigungs- und Rollwinkel bei der Relativbewegung zwischen Skala und Winkelsensor bestimmt werden.

7. Abtastvorrichtung zur Erfassung der Position und verschiedener Orientierungen eines sich bewegenden Objekts mit den folgenden Bestandteilen:
einer Skala, die aus einem Winkel-Koordinatennetz gebildet ist, das auf oder in einer Oberfläche eines Skalensubstrats erzeugt ist, das eine ebene und eine frei gekrümmte Fläche umfaßt und Winkeleigenschaften aufweist, die in zwei unterschiedlichen Richtungen (X- und Y-Richtung) gemäß einer bekannten Funktion variieren; und
zumindest drei zweidimensionalen Winkelsensoren (20A, 20B, 20G), die so angeordnet ist, daß sie der Skalenseite mit dem Winkel-Koordinatennetz gegenüberliegen und entlang der X- und Y-Richtung in einem bestimmten Abstand voneinander liegen; wobei
entweder die Skala oder die Winkelsensoren (20A, 20B, 20G) an einem beweglichen Objekt befestigt sind, dessen Position in zweidimensionalen Koordinaten sowie der Neigungs-, Roll- und Gierwinkel bei der Relativbewegung zwischen der Skala und den Winkelsensoren bestimmt wird.

8. Abtastvorrichtung zur Erfassung der Position oder verschiedener Orientierungen eines sich bewegenden Objekts mit den folgenden Bestandteilen:
einer Skala, die aus einem Winkel-Koordinatennetz gebildet ist, das auf oder in einer Oberfläche eines Skalensubstrats erzeugt ist, das eine ebene und eine frei gekrümmte Fläche umfaßt und Winkeleigenschaften aufweist, die in einer Achsenrichtung (X-Richtung) gemäß einer bekannten Funktion variieren; und
einem Winkelsensor, der so angeordnet ist, daß er der Skalenseite mit dem Winkel-Koordinatennetz gegenüberliegt; wobei
entweder die Skala oder der Winkelsensor an einem sich bewegenden Objekt befestigt ist, dessen Position entlang der einen Achsenrichtung bei der Relativbewegung zwischen der Skala und dem Winkelsensor bestimmt wird.

9. Abtastvorrichtung zur Erfassung eines sich bewegenden Objekts, dessen Position entlang einer Achsenrichtung (Bewegungsrichtung) sowie der Neigungswinkel des Objekts durch ein Zweipunkt-Verfahren festgestellt werden, das mit einer winkelförmigen Funktion in Verbindung steht, vom Neigungswinkel entlang der einen Achsenrichtung des Winkel-Koordinatennetzes gemäß Anspruch 8, der durch ein Winkelsensorenpaar abgetastet wird, das mit einem bestimmten Abstand zueinander entlang der einen Achsenrichtung des Koordinatennetzes angeordnet ist.

10. Abtastvorrichtung zur Erfassung eines sich bewegenden Objekts, bei der der in Anspruch 9 beschriebene Winkelsensor ein zweidimensionaler Winkelsensor zum Abtasten einer Veränderung entlang einer Achsenrichtung (Bewegungsrichtung) und einer Veränderung quer zur Bewegungsrichtung ist, wobei die Position entlang der einen Achsenrichtung sowie der Neigungs- und Rollwinkel durch diesen Winkelsensor abgetastet wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, bei der die Winkeländerung des Winkel-Koordinatennetzes eine Form hat, die durch Übereinanderlagern einer Vielzahl von Sinuswellen mit verschiedenen Frequenzen erhalten wird.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-11, bei der der Winkelsensor eine Vielzahl von Verschiebungsmessern aufweist, die mit einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind und entweder optische Verschiebungsmesser sind, die eine elektrooptische Größe abtasten können, oder mit mechanischem Kontakt arbeiten, wobei der Differentialausgang zweier voneinander benachbarter Verschiebungsmesser als Ausgang des Winkelsensors dient.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, bei der der Winkelsensor so ausgebildet ist, daß er als Abstandssensor arbeitet, indem er einen Drehwinkel einer bekannten Richtung und bekannten Größe an den Winkelsensor anlegt, und der Abstand zwischen dem Winkel-Koordinatennetz der Skala und dem Winkelsensor oder die Abstandsveränderung in der Relativbewegung zwischen dem Winkel-Koordinatennetz und dem Winkelsensor erfaßt werden kann.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 13, bei der die Skala durch Erzeugen einer Winkel-Koordinatennetz-Oberfläche hergestellt wird, deren Winkeleigenschaften gemäß einer bekannten Funktion variieren und die durch stehende Wellen erzeugt wird, die erhalten werden, wenn periodische Oszillation auf eine elastische Platte, eine ebene oder gekrümmte Oberfläche mit elastischen Eigenschaften, einen Kristallkörper, eine Flüssigkeitsoberfläche oder eine Flüssigkeit angewandt wird, die sich in einem hermetisch versiegelten Behälter befindet, wobei das Winkel-Koordinatennetz auf oder in der Fläche erzeugt wird.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 14, bei der die Skala aus einer Vielzahl von unterteilten Skalen besteht, die jeweils ein Winkel-Koordinatennetz aufweisen und diskontinuierlich oder fortlaufend angeordnet sind, entsprechend dem Bereich, über den sich das Objekt bewegt.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 15, bei der Wanderwellen sowie ein Winkel-Koordinatennetz erzeugt werden, in dessen Oberfläche durch die Wanderwellen eine Winkeländerung hervorgerufen wird, wobei die Position basierend auf einer Beziehung zwischen dem Koordinatennetz und der Zeit in zwei Dimensionen bestimmt wird.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 16, die weiterhin Korrekturmittel aufweist, die auf Ergebnissen basieren, die durch Kalibrieren eines Fehlers in der Winkelform des Winkel-Koordinatennetzes resultieren sowie auf Resultaten aus der Messung der Koordinatenposition und des Orientierungswinkels durch das Winkel-Koordinatennetz.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 17, das weiterhin aufweist:
Mittel zur Aufbringung einer festen Relativbewegung auf einen Winkelsensor entlang der X- und Y-Richtung des Winkel-Koordinatennetzes und zum Berechnen der Daten für den Kalibrierfehler aus der bekannten Idealform des Winkel-Koordinatennetzes, das auf jedem Detektionswert des Winkelsensors vor und nach der Relativbewegung und der Differenz zwischen den Werten basiert; und Speichermitteln zum Speichern der errechneten Kalibrierungs daten.