DE4419050A1

DE4419050A1 - Positionsmessvorrichtung

Info

Publication number: DE4419050A1
Application number: DE4419050A
Authority: DE
Inventors: Akihiko Morishita; Osami Eda
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-06-01
Filing date: 1994-05-31
Publication date: 1994-12-08
Also published as: JP3208933B2; JPH06341855A; US5414516A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Posi tionsmeßvorrichtung zum Erhalten von Positionsinformation durch Verarbeiten zweier sinusförmiger Signale mit einer Phasendifferenz von 90°, die durch eine Detektionsvorrich tung erhalten werden, entsprechend einer Positionsänderung, und außerdem auf einen Kodierer durch die Verwendung der Po sitionsmeßvorrichtung und eine Feldmeßvorrichtung durch die Verwendung des Kodierers.

Eine herkömmliche Positionsmeßvorrichtung ist in Fig. 6 gezeigt. Zwei sinusförmige Signale mit einer Phasendifferenz von 90° werden von einer Detektionsvorrichtung 1 ausgegeben. Die sinusförmigen Signale werden dann von einem Verstärker 2 verstärkt und von einer Wellenformvorrichtung 3 in rechtec kige Signale umgewandelt, die dann an einen Zählschaltkreis 4 angelegt werden. Der Zählschaltkreis 4 zählt die Anzahl der rechteckigen Signale, um eine grobe Positionsinformation zu erhalten, und legt sie an einen Verarbeitungsschaltkreis 5 an. Auf der anderen Seite werden die beiden sinusförmigen Signale mit der Phasendifferenz, die von 90° von dem Ver stärker 2 verstärkt werden, zu einem A/D-Wandler 6 gesandt, um digitalisiert zu werden, und werden danach an den Verar beitungsschaltkreis 5 angelegt. Der Verarbeitungsschaltkreis 5 gibt die beiden digitalisierten, sinusförmigen Signale mit der Phasendifferenz von 90° in eine tan^-1-Tabelle, die in einem ROM gespeichert ist, ein, um eine genaue Verschiebung zu erhalten. Weiterhin erhält der Verarbeitungsschaltkreis 5 Positionsinformation aus der Addition dieser genauen Ver schiebung zur obigen, groben Positionsinformation. Dann wird die Positionsinformation auf einem Anzeigebereich 7 ange zeigt und in einen externen Ausgabebereich 8 ausgegeben. Die detaillierte Beschreibung der herkömmlichen Positionsmeßvor richtung der Fig. 6 ist in der offengelegten japanischen Pa tentanmeldung Nr. 56-96 213 offengelegt.

Jedoch gibt es bei der oben erwähnten, herkömmlichen Po sitionsmeßvorrichtung insofern ein Problem, als die Genauig keit der Messung durch die Fluktuation der Genauigkeit der eingegebenen sinusförmigen Signale verschlechtert wird.

Wenn das erste und das zweite sinusförmige Signal A und B mit der Phasendifferenz von 90°, die von der Detektionsvorrichtung 1 erhalten werden, eine Amplitude a beziehungs weise b haben und der Phasenfehler α ist, können beide Si gnale ausgedrückt werden durch:

A = a × cosR + C1 (1)

B = b × sin(R + α) + C2 (2)

Wenn jedoch zum Erhalten der Position, die durch den Winkel R gegeben ist, die ersten und zweiten sinusförmigen Signale A und B in den A/D-Wandler 6 eingegeben werden und der Winkel R mittels der tan^-1-Tabelle in eine Position um gewandelt wird, wird aufgrund der Differenzen zwischen den Amplituden a, b, der Phasendifferenz α und der Differenz zwischen den Achsenabschnitten C1, C2 ein Positionsfehler erzeugt. Wenn a, b, α, C1 und C2 konstant wären, könnte die Verarbeitung und Umwandlung durchgeführt werden, indem man diese als Korrekturkonstante behandeln würde. Da dies aber nicht der Fall ist, ist diese Vorgehensweise nicht möglich.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Po sitionsmeßvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die in der Lage ist, eine Position mit hoher Genauigkeit zu messen, ohne von der Genauigkeit von zwei von einer Detektionsvor richtung ausgegebenen, sinusförmigen Signalen beeinflußt zu werden.

Diese und weitere Aufgaben werden durch die in den bei gefügten Patentansprüchen definierten Vorrichtungen gelöst.

Entsprechend einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfin dung dient eine Positionsmeßvorrichtung zum Erhalten von Po sitionsinformation durch Verarbeiten von ersten und zweiten sinusförmigen Signalen mit einer Phasendifferenz von 90°, die von einer Detektionsvorrichtung entsprechend einer Posi tionsänderung erhalten werden, und ist mit Additions- und Subtraktionsvorrichtungen (z. B. der Additions-Subtraktions- Schaltkreis 25 in Fig. 1) zum Erzeugen eines dritten sinus förmigen Signals durch Subtrahieren des zweiten sinusförmi gen Signals von dem ersten sinusförmigen Signal und eines vierten sinusförmigen Signals durch Addition der ersten und zweiten sinusförmigen Signale, Maximum- und Minimum-Meßvor richtungen (z. B. der Maximum- und Minimum-Meßschaltkreis 26 in Fig. 1) zum Messen der jeweiligen Maximal- und Minimal werte der ersten bis vierten sinusförmigen Signale und Ver arbeitungsvorrichtungen (z. B. dem Verarbeitungsschaltkreis 27) versehen zum Berechnen der Amplituden und Achsenab schnitte der jeweiligen ersten und zweiten sinusförmigen Si gnale auf der Basis der Maximal- und Minimalwerte der ersten und zweiten sinusförmigen Signale, die von der Maximum- und Minimum-Meßvorrichtung gemessen werden, zum Erhalten von fünften und sechsten sinusförmigen Signalen durch Standardi sieren der ersten und zweiten sinusförmigen Signale basie rend auf den erhaltenen Amplituden und Achsenabschnitten, zum Bilden eines siebten sinusförmigen Signals durch Subtra hieren des sechsten sinusförmigen Signals von dem fünften sinusförmigen Signal und eines achten sinusförmigen Signals durch Addieren der fünften und sechsten sinusförmigen Si gnale, zum Korrigieren des Verhältnisses des siebten sinus förmigen Signals zum achten sinusförmigen Signal basierend auf dem Verhältnis zwischen den jeweiligen Amplituden der siebten und achten sinusförmigen Signale, die durch die Ver wendung der Maximal- und Minimalwerte der dritten und vier ten sinusförmigen Signale, die von den Maximum- und Minimum- Meßvorrichtungen gemessen werden, erhalten werden, und zum Erhalten der Positionsinformation aus dem korrigierten Wert.

In der Positionsmeßvorrichtung nach der vorliegenden Er findung werden die ersten und zweiten sinusförmigen Signale mit einer Phasendifferenz von 90° durch die Detektionsvor richtung entsprechend einer Positionsänderung erhalten. Dann wird das dritte sinusförmige Signal durch Subtraktion des zweiten sinusförmigen Signals von dem ersten sinusförmigen Signal und das vierte sinusförmige Signal durch Addition der ersten und zweiten sinusförmigen Signale erhalten. Als näch stes werden die jeweiligen Maximal- und Minimalwerte der er sten bis vierten sinusförmigen Signale gemessen. Basierend auf den gemessenen Maximal- und Minimalwerten der ersten und zweiten sinusförmigen Signale werden die jeweiligen Amplitu den und Achsenabschnitte der ersten und zweiten sinusförmi gen Signale berechnet. Dann werden die fünften und sechsten sinusförmigen Signale durch Standardisierung der ersten und zweiten sinusförmigen Signale auf der Basis der berechneten Amplituden und Achsenabschnitte erzeugt. Weiterhin wird das siebte sinusförmige Signal durch Subtraktion des sechsten sinusförmigen Signals vom fünften sinusförmigen Signal und das achte sinusförmige Signal durch Addition des fünften si nusförmigen Signals und des sechsten sinusförmigen Signals erzeugt. Dann wird das Verhältnis zwischen den siebten und achten sinusförmigen Signalen basierend auf den Amplituden der siebten und achten sinusförmigen Signale, die durch Ver wendung der Maximal- und Minimalwerte der dritten und vier ten sinusförmigen Signale erhalten werden, korrigiert. Schließlich wird die Positionsinformation aus dem korrigier ten Wert erhalten. Daher gibt es keinen Phasenfehler zwi schen den siebten und achten sinusförmigen Signalen. Auch wird, auch wenn der Phasenfehler zwischen den ersten und zweiten sinusförmigen Signalen, also der Phasenfehler zwi schen den fünften und sechsten sinusförmigen Signalen, in den Amplituden der siebten und achten sinusförmigen Signale absorbiert ist, das Verhältnis zwischen den siebten und ach ten sinusförmigen Signalen basierend auf dem Verhältnis zwi schen den Amplituden der siebten und achten sinusförmigen Signale korrigiert. Als Ergebnis kann die Position mit hoher Genauigkeit gemessen werden, ohne von der Genauigkeit der ersten und zweiten sinusförmigen Signale, die von der Detek tionsvorrichtung ausgegeben werden, beeinflußt zu werden.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das eine Positionsmeßvor richtung nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er findung zeigt.

Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau des Maxi mum- und Minimum-Meßschaltkreises der Fig. 1 zeigt.

Fig. 3 ist ein Flußdiagramm, das die Korrekturberechnung des Verarbeitungsschaltkreises zeigt.

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Feld meßvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung zeigt.

Fig. 5 ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel eines Teleskops zeigt.

Fig. 6 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer herkömmlichen Positionsmeßvorrichtung zeigt.

Fig. 7 ist ein Diagramm, das eine Detektionsvorrichtung, also einen Kodierer, zeigt.

Fig. 7 zeigt den Aufbau einer Detektionsvorrichtung 21, also eines Kodierers. Die Detektionsvorrichtung 21 besitzt eine Hauptskala 11, eine Lichtquelle 12, eine Indexskala 13, Detektionselemente 14a und 14b, Verstärker 15a und 15b. Die Hauptskala 11 besteht aus einer Scheibe mit einem darauf aufgedampften, inkrementierenden Muster. Licht von der Lichtquelle 12 wird von den Detektionselementen 14a und 14b über die Hauptskala 11 und die Indexskala 13 detektiert. Die Detektionselemente 14a und 14b sind mit den Verstärkern 15a und 15b verbunden. Die Indexskala 13 ist mit zwei Arten von Mustern für eine A-Phase und eine B-Phase, die ungefähr die selben Abstände wie das inkrementierende Muster der Haupts kala 11 besitzen, geformt. Wenn die Hauptskala 11 gedreht wird, wird das die Detektionselemente 14a und 14b be leuchtende Licht von der Lichtquelle 12 geändert, wodurch eine Änderung der Signale von den Detektorelementen 14a und 14b bewirkt wird. Die Indexskala 13 ist so angeordnet, daß die Phasendifferenz zwischen von den jeweiligen Detektorele menten 14a und 14b ausgegebenen Signalen 90° wird. Ein von dem Detektorelement 14a oder 14b ausgegebenes Signal ist ein sinusförmiges Signal der A-Phase, während das andere Signal ein sinusförmiges Signal der B-Phase ist.

Fig. 1 zeigt den Aufbau einer Positionsmeßvorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In Fig. 1 sind die Detektionsvorrichtung 21, ein Verstärker 22, eine Wellenformvorrichtung 23 und ein Zählschaltkreis 24 dieselben wie die herkömmlichen in Fig. 6. Ein Additions- Subtraktions-Schaltkreis 25 addiert erste und zweite sinus förmige Signale mit einer Phasendifferenz von 90°, die von der Detektionsvorrichtung 21 entsprechend der Änderung der Position erhalten und von dem Verstärker 22 verstärkt wer den, um ein viertes sinusförmiges Signal zu erhalten, und subtrahiert das zweite sinusförmige Signal von dem ersten sinusförmigen Signal, um ein drittes sinusförmige Signal zu erhalten.

Ein Maximum-Minimum-Meßschaltkreis 26 mißt Maximalwerte und Minimalwerte der jeweiligen ersten, zweiten, dritten und vierten sinusförmigen Signale. Ein Verarbeitungsschaltkreis 27 berechnet die Amplituden und die Achsenabschnitte der er sten und zweiten sinusförmigen Signale basierend auf den Ma ximal- und Minimalwerten der ersten und zweiten sinusförmi gen Signale, die von dem Maximum-Minimum-Meßschaltkreis 26 gemessen werden, erhält fünfte und sechste sinusförmige Si gnale durch Standardisieren der ersten und zweiten sinusför migen Signale basierend auf den berechneten Amplituden und Achsenabschnitten, bildet ein siebtes sinusförmiges Signal durch Subtraktion des sechsten sinusförmigen Signals von dem fünften sinusförmigen Signal und ein achtes sinusförmiges Signal durch Addition der fünften und sechsten sinusförmigen Signale, korrigiert das Verhältnis zwischen den siebten und achten sinusförmigen Signalen basierend auf dem Verhältnis zwischen den Amplituden der siebten und achten sinusförmigen Signale, die unter Verwendung der Maximal- und Minimalwerte der dritten und vierten sinusförmigen Signale, die von dem Maximum- und Minimum-Meßschaltkreis 26 erhalten werden, be rechnet werden, erhält eine genaue Verschiebung aus dem er haltenen, korrigierten Wert, erhält eine Positionsinforma tion durch Addition der genauen Verschiebung und der groben Positionsinformation von dem Zählschaltkreis 24 und zeigt sie auf dem Anzeigebereich 28 an und gibt sie an einen ex ternen Ausgabebereich 29 aus.

Als nächstes wird die Arbeitsweise des Ausführungsbei spiels der Fig. 1 konkreter beschrieben. Wenn das erste si nusförmige Signal A und das zweite sinusförmige Signal B, die von der Detektorvorrichtung 21 erhalten werden, A = a × cosR + C1 und B = b × sin(R + α) + C2 sind, wie oben er wähnt, bildet der Additions-Subtraktions-Schaltkreis 25 das dritte sinusförmige Signal HA (= A-B) durch Subtraktion des zweiten sinusförmigen Signals B von dem ersten sinusför migen Signal A und das vierte sinusförmige Signal HB (= A + B) durch Addition der ersten und zweiten sinusförmigen Si gnale A und B. Die dritten und vierten sinusförmigen Signale HA und HB können durch die folgenden Gleichungen (3) und (4) ausgedrückt werden:

HA = a × cosR - b × sin(R + α) + C1 - C2 = La × sin(R + /A) + ΔC1, (3)

HB = a × cosR + b × sin(R + α) + C1 + C2 = Lb × sin(R + /B) + ΔC2 (4)

Hier sind die Amplituden La, Lb und die Phasen ψA, ψB der dritten und vierten sinusförmigen Signale HA und HB Funktionen der Amplituden a, b, und der Phasendifferenz α der ersten und zweiten sinusförmigen Signale, wie in den folgenden Gleichungen (5) bis (8) ausgedrückt

La = F1 (a, b, α) (5)

Lb = F2 (a, b, α) (6)

ψA = F3 (a, b, α) (7)

ψB = F4 (a, b, α) (8)

Als nächstens werden die ersten, zweiten, dritten und vierten Signale A, B, HA und HB an den Maximum-Minimum-Meß schaltkreis 26 angelegt. Wie in Fig. 2 gezeigt, besteht der Maximum-Minimum-Meßschaltkreis 26 aus einem Multiplexer 31, einem A/D-Wandler 32, einem Vergleichsschaltkreis 33 und ei nem Speicher 34.

In Fig. 2 gibt der Multiplexer 31 die ersten bis vierten sinusförmigen Signale A, B, HA und HB der Reihe nach ein. Der A/D-Wandler 32 digitalisiert die ersten bis vierten si nusförmigen Signale A, B, HA und HB, die vom Multiplexer 31 angelegt werden. Der Vergleichsschaltkreis 33 vergleicht die in dem Speicher 34 gespeicherten Maximal- und Minimalwerte mit den digitalisierten Signalwerten der ersten bis vierten sinusförmigen Signale eines nach dem anderen. Wenn die Si gnalwerte größer sind als die Maximalwerte, werden sie in dem Speicher 34 als neue Maximalwerte gespeichert, und wenn die Signalwerte kleiner als die Minimalwerte sind, werden sie im Speicher 34 als neue Minimalwerte gespeichert.

Der Vorgang zum Erhalten der jeweiligen Maximal- und Mi nimalwerte der ersten bis vierten sinusförmigen Signale A, B, HA und HB wird weitergeführt, bis die ersten und zweiten sinusförmigen Signale jeweils für eine Periode oder länger eingegeben worden sind. Die Änderung der Perioden der ersten und zweiten sinusförmigen Signale A und B kann durch den Zählschaltkreis 24 erhalten werden. Der Speicher 34 ändert die Bereiche zum Speichern der oben erhaltenen Minimal- und Maximalwerte entsprechend der Information von dem Zähl schaltkreis 24 und speichert eine Mehrzahl von Maximal- und Minimalwerten.

Als nächstes ruft der Verarbeitungsschaltkreis 27 die Maximal- und Minimalwerte, die in dem Speicher 34 gespei chert sind, wie erforderlich ab und führt die folgenden Kor rekturberechnungen durch. Fig. 3 ist ein Flußdiagramm, das die Korrekturberechnungen des Verarbeitungsschaltkreises 27 zeigt. Wenn die Maximal- und Minimalwerte der jeweils ersten bis vierten sinusförmigen Signale A, B, HA, HB A_MAX, A_MIN, B_MAX, B_MIN, HA_MAX, HA_MIN, HA_MIN und HB_MIN sind (Schritt S1), werden die Amplituden a und b der jeweils ersten und zweiten sinusförmigen Signale A und B ausgedrückt als (Schritt S2):

a = (A_MAX - A_MIN)/2 (9)

b = (B_MAX - B_MIN)/2 (10)

Auf ähnliche Weise werden die Achsenabschnitte C1 und C2 der ersten und zweiten sinusförmigen Signale A und B ausge drückt als (Schritt S3):

C1 = (A_MAX + A_MIN)/2 (11)

C2 = (B_MAX + B_MIN)/2 (12)

Die ersten und zweiten sinusförmigen Signale A und B, die direkt von dem A/D-Wandler 32 eingegeben werden (Schritt S4), werden durch die Verwendung von a, b, C1 und C2, die aus den Gleichungen (9) bis (12) erhalten werden, standardi siert, um die folgenden, fünften und sechsten sinusförmigen Signale A′ und B′ zu erhalten (Schritt S5):

A′ = cos R (13)

B′ = sin(R + α) (14)

Als nächstes wird durch die Verwendung der standardi sierten, sinusförmigen Signale, also der fünften und sech sten sinusförmigen Signale A′ und B′ eine neues, imaginäres, siebtes sinusförmiges Signal SA durch Subtraktion des sech sten sinusförmigen Signals B′ vom fünften sinusförmigen Si gnal A′ und ein neues, imaginäres, achtes sinusförmiges Si gnal SB durch Addition der fünften und sechsten sinusförmi gen Signale A′ und B′ wie folgt geformt (Schritt S6):

Hier sind

tan(ϕA) = (sinα - 1)/cosα (17)

tan(ϕB) = (sinα + 1)/cosα (18)

A = ϕB + π/2 (19)

Folglich können die siebten und achten sinusförmigen Si gnale SA und SB wie folgt ausgedrückt werden:

SA = Ka × cosβ (20)

SB = Kb × sinβ (21)

Hier sind

Daher bleibt in den imaginären, siebten und achten si nusförmigen Signalen SA und SB, die im Verarbeitungsschalt kreis 27 erzeugt werden, die Amplitudendifferenz bestehen, aber die Phasendifferenz wird in von den dritten und vierten sinusförmigen Signalen HA und HB, die in dem Additions-Sub traktions-Schaltkreis 25 geformt werden, verschiedener Weise gelöscht. Als nächstes werden die Amplituden La und Lb der jeweils dritten und vierten sinusförmigen Signale HA und HB aus den Maximal- und Minimalwerten der dritten und vierten sinusförmigen Signale HA und HB wie in den folgenden Glei chungen (25) und (26) erhalten (Schritt S7). Die Amplituden La und Lb können nach der Eingabe von HA_MAX, HA_MIN, HB_MAX und HB_MIN in Schritt S1 und vor Schritt S2 erhalten werden. Die Reihenfolge der Schritte S2 und S3 kann umgekehrt sein.

La = (HA_MAX - HA_MIN)/2 (25)

Lb = (HB_MAX - HB_MIN)2 (25)

Wie aus den Gleichungen (5) und (6) bekannt, sind La und Lb Funktionen der Amplituden a und b der jeweiligen sinus förmigen Signale A und B und der Phasendifferenz α, so daß umgekehrt α berechnet werden kann. Als ein Ergebnis ist es möglich, die Amplituden Ka und Kb der jeweiligen siebten und achten sinusförmigen Signale SA und SB zu erhalten. Dann werden, wenn Signale, in denen Ka und Kb der jeweiligen Gleichungen (20) und (21), die die siebten und achten sinus förmigen Signale SA und SB ausdrücken, gelöscht werden, SA′ und SB′ sind, SA′ und SB′ wie folgt, und β kann aus der ein fachen tan-1-Tabelle erhalten werden.

SA′ = cosβ (27)

SB′ = sinβ (28)

Der Maximum-Minimum-Meßschaltkreis 26 sendet erste und zweite sinusförmige Signale unter den ersten bis vierten si nusförmigen Signalen, die durch den A/D-Wandler 32 gehen, direkt zur Verarbeitungsschaltkreis 27. Der Verarbeitungs schaltkreis 27 bildet die siebten und achten sinusförmigen Signale SA und SB und erhält Ka und Kb (Schritt S8). Schließlich führt der Verarbeitungsschaltkreis 27 die fol gende Berechnung zur Berechnung von R, das einer Position entspricht, durch (Schritt 59).

R = tan^-1(SB′/SA′) - ϕB = tan^-1{(SB/SA) × F(α)} - tan^-1{1/F(α)} (29)

Hier ist

F(α) = Ka/Kb (30)

F(α) ist eine Funktion von Ka und Kb. Außerdem werden, wie auch α durch die Verwendung der jeweiligen Amplituden berechnet werden kann, Ka und Kb direkt und Verwendung der jeweiligen Amplituden erhalten.

Die erhaltene Positionsinformation, also die genaue Ver schiebung, stellt die Position in einer Periode jedes der ersten und zweiten sinusförmigen Signale dar. Die Verarbei tungseinheit 27 erhält die endgültige Positionsinformation durch Addition der obigen genauen Verschiebung und der gro ben Positionsinformation, die durch den Zählschaltkreis 24 erhalten wird (Schritt S10). Somit kann, selbst wenn die ur sprünglichen Signale A und B jeweils unterschiedliche Ampli tuden a und b und unterschiedliche Achsenabschnitte C1 und C2 besitzen, es eine Phasendifferenz α zwischen den Signalen A und B gibt, und diese Beträge fluktuieren, die Position unabhängig von diesen fluktuierenden Beträgen berechnet wer den. Die Verarbeitungseinheit 27 zeigt das berechnete Ergeb nis auf dem Anzeigebereich 28 an und gibt dem Ergebnis ent sprechende Ausgangswerte an den externen Ausgangsbereich 29 aus (Schritt 11).

In diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, nicht nur das Ergebnis des endgültigen Positions-Umwandlungsergebnis ses sondern auch die korrigierten Werte, die durch die obi gen Berechnungen erhalten werden, also die Signalinforma tion, wie etwa die Amplituden und die Achsenabschnitte der ursprünglichen Signale A und B auf dem Anzeigebereich 28 darzustellen. Diese Information wird verwendet, um den Zu stand der Signale der Detektionsvorrichtung 21 zu überprü fen, wodurch eine extreme Verschlechterung ihres Zustands frühzeitig festgestellt und behoben werden kann.

Außerdem kann der Verarbeitungsschaltkreis 27 durch die Kombination einer CPU (zentralen Verarbeitungseinheit) und eines ROM realisiert werden, um das Programm zum Festlegen der Operation der CPU zu definieren, kann aber auch durch eine hardwaremäßig verdrahtet Logik realisiert werden.

Die oben beschriebene Positionsmeßvorrichtung kann eine Position mit hoher Genauigkeit messen und ist somit in einem Feldmeßinstrument zum Messen eines Winkels mit hoher Genau igkeit durch Verwendung z. B. eines Rotationskodierers wir kungsvoll. Natürlich ist sie auch in verschiedenen Meßgerä ten, die lineare Kodierer verwenden, wirkungsvoll. Der Rota tionskodierer stellt den Winkel fest, während der lineare Kodierer den Abstand (die Position) feststellt.

Ein Rotationskodierer besteht, wie in Fig. 7 gezeigt, aus einer drehbaren Scheibe, die entlang ihres Umfangs mit einem inkrementierenden Muster versehen ist. Dieses Muster teilt den Kreis, also 360°, um somit den Winkel durch die geteilten Abstände festzustellen.

Auf der anderen Seite ist ein linearer Kodierer aus ei nem linearen Element geformt, das mit einem linearen, inkre mentierenden Muster versehen ist. Der Abstand wird durch die relative Bewegung des inkrementierenden Musters und eines Indexblockes, der aus einer Indexskala, einer Lichtquelle und einer Detektionsvorrichtung besteht, festgestellt. Ge nauer wird der Abstand von einem Startpunkt (der Winkel von einem Startpunkt im Falle des Rotationskodierers) festge stellt. Allgemein wird der Startpunkt im voraus durch die Initialisierung der Vorrichtung als Bezugspunkt festgelegt.

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht einer Feldmeß vorrichtung, die mit einer Positionsmeßvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung versehen ist. Eine Feldmeßvorrichtung besitzt ein Teleskop 41, einen Hauptkörper 42 zum Halten des Teleskops 41 und eine Basis 43 zum Halten des Hauptkör pers 42. Das Teleskop 41 wird von dem Hauptkörper 42 so ge halten, daß es in der vertikalen Richtung drehbar ist, wie durch den Pfeil X angezeigt. Der Hauptkörper 42 wird von der Basis 43 gehalten, so daß er in der horizontalen Richtung drehbar ist, wie durch den Pfeil Y angezeigt. Ein Kodierer 44 nach der vorliegenden Erfindung ist auf dem Hauptkörper 42 montiert, um zusammen mit diesem Teleskop zu rotieren, um den Drehwinkel des Teleskops 41 in der vertikalen Richtung X mit hoher Genauigkeit zu messen. Weiterhin ist ein Kodierer 45 nach der vorliegenden Erfindung auf der Basis 43 mon tiert, so daß er zusammen mit dem Hauptkörper 42 rotiert, um die Rotation des Hauptkörpers in der Y-Richtung, also den Drehwinkel des Teleskops 41 in der horizontalen Richtung mit hoher Genauigkeit zu messen. Der Kodierer 45 kann an der Ba sis 43 befestigt sein.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Beispiel eines Teleskops. Ein Teleskop 50 besitzt eine Objektivlinse 51 und eine Augen linse 52. Dieses Teleskop 50 ist innen mit Einheiten zum Messen des Abstands versehen und hat somit eine rechtwink lige Form.

Ein Hauptkörper 53 besitzt einen drehbaren Schaft 55 (durch eine gestrichelte Linie angezeigt), der an dessen un terem Bereich befestigt ist. Außerdem ist ein Lager 56 an dem unteren Abschnitt 54 des Hauptkörpers 53 befestigt. Folglich ist der Hauptkörper 53 entlang der vertikalen Achse V drehbar. Da der drehbare Schaft 55 und das Lager 56 in der Nähe der Mitte des Hauptkörpers 53 angeordnet sind, können sie nicht von außen gesehen werden. Außerdem sind zwei Win keldetektions-Einheiten jeweils auf einem drehbaren Schaft des Teleskops 50 und dem drehbaren Schaft 55 angeordnet.

Auch wenn die Winkeldetektions-Einheiten unterschiedli che Strukturen besitzen, wird dieser Strukturunterschied durch die Typen der drehbaren Schafte oder durch den Design unterschied bewirkt, so daß eine detaillierte Beschreibung unterlassen wird. Das Bezugszeichen 57 zeigt eine Nivellier vorrichtung zum Nivellieren des Hauptkörpers 53 und des un teren Bereichs 54.

Ein Beispiel eines Kodierers mit einem horizontalen Schaft ist in der japanischen Patentoffenlegung Nr. 4-19 485 offengelegt, bei dem ein drehbarer Schaft an einem Hauptkör per einer Feldmeßvorrichtung befestigt ist, ein Lager zur Aufnahme des drehbaren Schaftes in einem unteren Abschnitt des Hauptkörpers geformt ist, und ein Element 12 zum unge fähren integralen Rotieren mit dem Lager außerhalb des La gers angeordnet ist. Eine Skala ist an dem Element 12 befe stigt, und ein Detektionssystem 14 (20, 22, 24, 26, 28) ist in dem Hauptkörper vorgesehen. Das Element 12 ist normaler weise mit einer Klammer 18 an dem Lager befestigt und weiter integral zusammen mit dem Hauptkörper mit einer Klammer 16 befestigt, wenn das Teleskop bezüglich eines Ziels ausge richtet wird. Zusätzlich gibt es als vertikalen Schaft einen solchen des einfachen Spindeltyps, des doppelten Spindeltyps und des unabhängigen, doppelten Spindeltyps, wie auf Seite 73 von "Shaishin Sokuryoukiki Binran", was "Neuestes Feld meßinstrumenten-Handbuch" bedeutet, herausgegeben von der japanischen Gesellschaft der Feldmeßinstrumenten-Hersteller und veröffentlicht am 30. Juni 1990, offengelegt. Im Falle der einfachen Spindel sind eine Skala und eine Detektions vorrichtung zwischen A und B vorgesehen, während im Falle der doppelten Spindel diese zwischen A und C vorgesehen sind.

Auch wenn in diesem Ausführungsbeispiel nur eine Feld meßvorrichtung beschrieben ist, die mit inkrementierenden Kodierern ausgestattet ist, können Kodierer eine Kombination eines inkrementierenden Kodierers und eines absoluten Kodie rers sein.

Aus der obigen Beschreibung ist ersichtlich, daß ent sprechend der Positionsmeßvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung die ersten und zweiten sinusförmigen Signale mit einer Phasendifferenz von 90° durch die Detektionsvorrich tung entsprechend einer Positionsänderung erhalten werden. Dann wird das dritte sinusförmige Signal durch Subtraktion des zweiten sinusförmigen Signals von dem ersten sinusförmi gen Signal und das vierte sinusförmige Signal durch Addition der ersten und zweiten sinusförmigen Signale erhalten. Als nächstes werden die jeweiligen Maximal- und Minimalwerte der ersten bis vierten sinusförmigen Signale gemessen. Basierend auf den gemessenen Maximal- und Minimalwerten der ersten und zweiten sinusförmigen Signale werden die jeweiligen Amplitu den und Achsenabschnitte der ersten und zweiten sinusförmi gen Signale berechnet. Dann werden die fünften und sechsten sinusförmigen Signale durch Standardisierung der ersten und zweiten sinusförmigen Signale auf der Basis der berechneten Amplituden und Achsenabschnitte erzeugt. Weiterhin wird das siebte sinusförmige Signal durch Subtraktion des sechsten sinusförmigen Signals vom fünften sinusförmigen Signal und das achte sinusförmige Signal durch Addition des fünften si nusförmigen Signals und des sechsten sinusförmigen Signals erzeugt. Dann wird das Verhältnis zwischen den siebten und achten sinusförmigen Signalen basierend auf den Amplituden der siebten und achten sinusförmigen Signale, die durch Ver wendung der Maximal- und Minimalwerte der dritten und vier ten sinusförmigen Signale erhalten werden, korrigiert. Schließlich wird die Positionsinformation aus dem korrigier ten Wert erhalten. Daher gibt es keinen Phasenfehler zwi schen den siebten und achten sinusförmigen Signalen. Auch wird, auch wenn der Phasenfehler zwischen den ersten und zweiten sinusförmigen Signalen, also der Phasenfehler zwi schen den fünften und sechsten sinusförmigen Signalen, in den Amplituden der siebten und achten sinusförmigen Signale absorbiert ist, das Verhältnis zwischen den siebten und ach ten sinusförmigen Signalen basierend auf dem Verhältnis zwi schen den Amplituden der siebten und achten sinusförmigen Signale korrigiert. Als Ergebnis kann, auch wenn der Zustand der von der Detektionsvorrichtung erhaltenen Signale schlecht ist oder sich die Signale aufgrund von Tempera turänderungen ändern, die Position mit hoher Genauigkeit ge messen werden, ohne von der Genauigkeit der ersten und zwei ten sinusförmigen Signale, die von der Detektionsvorrichtung ausgegeben werden, beeinflußt zu werden.

Claims

1. Positionsmeßvorrichtung zum Erhalten von Positionsin formation durch Verarbeiten von ersten und zweiten sinusför migen Signalen mit einer Phasendifferenz von 90°, die von einer Detektionsvorrichtung (21) entsprechend einer Positi onsänderung erhalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:
Additions- und Subtraktionsvorrichtungen (25) zum Erzeu gen eines dritten sinusförmigen Signals durch Subtrahieren des zweiten sinusförmigen Signals von dem ersten sinusförmi gen Signal und eines vierten sinusförmigen Signals durch Ad dition der ersten und zweiten sinusförmigen Signale;
Maximum- und Minimum-Meßvorrichtungen (26) zum Messen der jeweiligen Maximal- und Minimalwerte der ersten bis vierten sinusförmigen Signale; und
Verarbeitungsvorrichtungen (27) zum Berechnen der Ampli tuden und Achsenabschnitte der jeweiligen ersten und zweiten sinusförmigen Signale auf der Basis der Maximal- und Mini malwerte der ersten und zweiten sinusförmigen Signale, die von der Maximum- und Minimum-Meßvorrichtung gemessen werden, zum Erhalten von fünften und sechsten sinusförmigen Signalen durch Standardisieren der ersten und zweiten sinusförmigen Signale basierend auf den erhaltenen Amplituden und Achsen abschnitten, zum Bilden eines siebten sinusförmigen Signals durch Subtrahieren des sechsten sinusförmigen Signals von dem fünften sinusförmigen Signal und eines achten sinusför migen Signals durch Addieren der fünften und sechsten sinus förmigen Signale, zum Korrigieren des Verhältnisses des siebten sinusförmigen Signals zum achten sinusförmigen Si gnal basierend auf dem Verhältnis zwischen den jeweiligen Amplituden der siebten und achten sinusförmigen Signale, die durch die Verwendung der Maximal- und Minimalwerte der drit ten und vierten sinusförmigen Signale, die von den Maximum- und Minimum-Meßvorrichtungen gemessen werden, erhalten wer den, und zum Erhalten der Positionsinformation aus dem kor rigierten Wert.

2. Positionsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß sie außerdem umfaßt:
eine Wellenformvorrichtung (23) zum Umwandeln der ersten und zweiten sinusförmigen Signale in Rechtecksignale; und
einen Zählschaltkreis (24) zur Ausgabe einer groben Po sitionsinformation durch Zählen der Anzahl der Rechtecksi gnale, wobei die Verarbeitungsvorrichtung die Positionsin formation durch Addition der groben Positionsinformation und einer genauen Bewegungsinformation, die von dem korrigierten Wert erhalten wird, erhält.

3. Kodierer, dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt:
eine Hauptskala (11) mit einem darauf aufgedampften, in krementierenden Muster;
eine Indexskala (13), die mit zwei Mustern geformt ist, die dieselben Abstände wie das inkrementierende Muster ha ben;
eine Lichtquelle (12), die Licht auf die Hauptskala und die Indexskala emittiert;
zwei Detektorelemente (14a, 14b) zum Erhalten des Lichts von der Lichtquelle, welches durch die Hauptskala und die Indexskala gegangen ist, und zum Erzeugen von ersten und zweiten sinusförmigen Signalen;
wobei die Indexskala so angeordnet ist, daß die Phasen differenz zwischen den ersten und zweiten sinusförmigen Si gnalen 90° wird;
Additions- und Subtraktionsvorrichtungen (25) zum Erzeu gen eines dritten sinusförmigen Signals durch Subtrahieren des zweiten sinusförmigen Signals von dem ersten sinusförmi gen Signal und eines vierten sinusförmigen Signals durch Ad dition der ersten und zweiten sinusförmigen Signale;
Maximum- und Minimum-Meßvorrichtungen (26) zum Messen der jeweiligen Maximal- und Minimalwerte der ersten bis vierten sinusförmigen Signale; und
Verarbeitungsvorrichtungen (27) zum Berechnen der Ampli tuden und Achsenabschnitte der jeweiligen ersten und zweiten sinusförmigen Signale auf der Basis der Maximal- und Mini malwerte der ersten und zweiten sinusförmigen Signale, die von der Maximum- und Minimum-Meßvorrichtung gemessen werden, zum Erhalten von fünften und sechsten sinusförmigen Signalen durch Standardisieren der ersten und zweiten sinusförmigen Signale basierend auf den erhaltenen Amplituden und Achsen abschnitten, zum Bilden eines siebten sinusförmigen Signals durch Subtrahieren des sechsten sinusförmigen Signals von dem fünften sinusförmigen Signal und eines achten sinusför migen Signals durch Addieren der fünften und sechsten sinus förmigen Signale, zum Korrigieren des Verhältnisses des siebten sinusförmigen Signals zum achten sinusförmigen Si gnal basierend auf dem Verhältnis zwischen den jeweiligen Amplituden der siebten und achten sinusförmigen Signale, die durch die Verwendung der Maximal- und Minimalwerte der drit ten und vierten sinusförmigen Signale, die von den Maximum- und Minimum-Meßvorrichtungen gemessen werden, erhalten wer den, und zum Erhalten der Positionsinformation aus dem kor rigierten Wert.

4. Kodierer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß er außerdem umfaßt:
eine Wellenformvorrichtung (23) zum Umwandeln der ersten und zweiten sinusförmigen Signale in Rechtecksignale; und
einen Zählschaltkreis (24) zur Ausgabe einer groben Po sitionsinformation durch Zählen der Anzahl der Rechtecksi gnale, wobei die Verarbeitungsvorrichtung die Positionsin formation durch Addition der groben Positionsinformation und einer genauen Bewegungsinformation, die von dem korrigierten Wert erhalten wird, erhält.

5. Feldmeßvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:
ein Teleskop (41);
ein Trägerelement (42) zum rotierenden Tragen des Tele skops;
einen Kodierer (45) zum Messen eines relativen Rotati onswinkels des Teleskops bezüglich des Trägerelements, wobei der Kodierer eine kreisförmige Hauptskala (11) mit einem darauf aufgedampften, inkrementierenden Muster und eine In dexskala (13), die mit zwei Mustern geformt ist, die diesel ben Abstände wie das inkrementierende Muster haben, besitzt;
eine Lichtquelle (12), die Licht auf die Hauptskala und die Indexskala emittiert;
zwei Detektorelemente (14a, 14b) zum Erhalten des Lichts von der Lichtquelle, welches durch die Hauptskala und die Indexskala gegangen ist, und zum Erzeugen von ersten und zweiten sinusförmigen Signalen, während die Hauptskala eine relative Bewegung bezüglich der Indexskala ausführt;
wobei die Indexskala so angeordnet ist, daß die Phasen differenz zwischen den ersten und zweiten sinusförmigen Si gnalen 90° wird;
Additions- und Subtraktionsvorrichtungen (25) zum Erzeu gen eines dritten sinusförmigen Signals durch Subtrahieren des zweiten sinusförmigen Signals von dem ersten sinusförmi gen Signal und eines vierten sinusförmigen Signals durch Ad dition der ersten und zweiten sinusförmigen Signale;
Maximum- und Minimum-Meßvorrichtungen (26) zum Messen der jeweiligen Maximal- und Minimalwerte der ersten bis vierten sinusförmigen Signale; und
Verarbeitungsvorrichtungen (27) zum Berechnen der Ampli tuden und Achsenabschnitte der jeweiligen ersten und zweiten sinusförmigen Signale auf der Basis der Maximal- und Mini malwerte der ersten und zweiten sinusförmigen Signale, die von der Maximum- und Minimum-Meßvorrichtung gemessen werden, zum Erhalten von fünften und sechsten sinusförmigen Signalen durch Standardisieren der ersten und zweiten sinusförmigen Signale basierend auf den erhaltenen Amplituden und Achsen abschnitten, zum Bilden eines siebten sinusförmigen Signals durch Subtrahieren des sechsten sinusförmigen Signals von dem fünften sinusförmigen Signal und eines achten sinusför migen Signals durch Addieren der fünften und sechsten sinus förmigen Signale, zum Korrigieren des Verhältnisses des siebten sinusförmigen Signals zum achten sinusförmigen Si gnal basierend auf dem Verhältnis zwischen den jeweiligen Amplituden der siebten und achten sinusförmigen Signale, die durch die Verwendung der Maximal- und Minimalwerte der drit ten und vierten sinusförmigen Signale, die von den Maximum- und Minimum-Meßvorrichtungen gemessen werden, erhalten wer den, und zum Erhalten der Positionsinformation aus dem kor rigierten Wert.

6. Feldmeßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptskala an dem Teleskop befestigt ist, um zusam men mit dem Teleskop zu rotieren, und daß die Indexskala an dem Trägerelement befestigt ist.

7. Feldmeßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptskala an dem Trägerelement befestigt ist und daß die Indexskala an dem Teleskop befestigt ist, um zusam men mit dem Teleskop zu rotieren.

8. Feldmeßgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Teleskop solcher Art ist, daß das Teleskop in einer vertikalen Ebene drehbar ist.

9. Feldmeßgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement das Teleskop solcher Art trägt, daß das Teleskop in einer horizontalen Ebene drehbar ist.

10. Feldmeßgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß das Trägerelement das Teleskop solcher Art trägt, daß das Teleskop in einer vertikalen Ebene drehbar ist.

11. Feldmeßgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß das Trägerelement das Teleskop solcher Art trägt, daß das Teleskop in einer horizontalen Ebene drehbar ist.

12. Feldmeßvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß sie außerdem umfaßt:
eine Trägerbasis (43) zum drehbaren Tragen des Trägere lements;
einen zweiten Kodierer zum Messen eines relativen Rota tionswinkels des Trägerelements bezüglich der Trägerbasis, wobei der zweite Kodierer eine zweite, kreisförmige Haupts kala (11) mit einem darauf aufgedampften, inkrementierenden Muster und eine zweite Indexskala (13), die mit zwei Mustern geformt ist, die dieselben Abstände wie das inkrementierende Muster haben, besitzt;
eine zweite Lichtquelle (12) die Licht auf die zweite Hauptskala und die zweite Indexskala emittiert;
zwei zweite Detektorelemente (14a, 14b) zum Erhalten des Lichts von der zweiten Lichtquelle, welches durch die zweite Hauptskala und die zweite Indexskala gegangen ist, und zum Erzeugen von ersten und zweiten sinusförmigen Signalen, wäh rend die zweite Hauptskala eine relative Bewegung bezüglich der zweiten Indexskala ausführt, wobei die zweite Indexskala so angeordnet ist, daß die Phasendifferenz zwischen den er sten und zweiten sinusförmigen Signalen 90° wird, und wobei die Verarbeitungsvorrichtung zweite Positionsinformation durch Verarbeiten der ersten und zweiten sinusförmigen Si gnale von den zweiten Detektorelementen erhält.

13. Feldmeßvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, daß die zweite Hauptskala an dem Trägerelement be festigt ist, um zusammen mit dem Trägerelement zu rotieren, und daß die zweite Indexskala an der Trägerbasis befestigt ist.

14. Feldmeßvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, daß die zweite Hauptskala an der Trägerbasis befe stigt ist und daß die zweite Indexskala an dem Trägerelement befestigt ist, um zusammen mit dem Trägerelement zu rotie ren.

15. Feldmeßvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekenn zeichnet, daß die Trägerbasis das Trägerelement solcher Art trägt, daß das Trägerelement in einer vertikalen Ebene dreh bar ist.

16. Feldmeßvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekenn zeichnet, daß die Trägerbasis das Trägerelement solcher Art trägt, daß das Trägerelement in einer horizontalen Ebene drehbar ist.

17. Feldmeßvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekenn zeichnet, daß die Trägerbasis das Trägerelement solcher Art trägt, daß das Trägerelement in einer vertikalen Ebene dreh bar ist.

18. Feldmeßvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekenn zeichnet, daß die Trägerbasis das Trägerelement solcher Art trägt, daß das Trägerelement in einer horizontalen Ebene drehbar ist.

19. Feldmeßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß es außerdem umfaßt:
eine Wellenformvorrichtung (23) zum Umwandeln der ersten und zweiten sinusförmigen Signale in Rechtecksignale; und
einen Zählschaltkreis (24) zur Ausgabe einer groben Po sitionsinformation durch Zählen der Anzahl der Rechtecksi gnale, wobei die Verarbeitungsvorrichtung die Positionsin formation durch Addition der groben Positionsinformation und einer genauen Bewegungsinformation, die von dem korrigierten Wert erhalten wird, erhält.