JP2001502423A - 光学位置測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 互いに相対運動する二つの物体の相対位置を測定する光学位置測定装置には目盛板の目盛と走査ユニットがある。その場合、この走査ユニットには走査板の上に配置された走査目盛を備えた少なくとも二つの走査視野がある。これ等の走査視野は目盛板の目盛の目盛周期の数分の１だけ互いにずらして配置されているので、異なった走査視野に一定の位相差の部分信号が付属する。更に、異なった走査視野から部分信号を空間的に分離するため、これ等の走査視野には光学偏向部材が付属している。少なくとも二対の検出素子により、位相のずれた部分信号が異なった空間方向で検出できる。その場合、これ等の検出素子は出力側で更に処理する90°位相のずれた二つの出力信号が出力するように互いに結線されている。少なくとも二つの走査視野はＤ’＝ＴＰ’/2*(Ｎ＋1/4)だけ互いにずらして配置されている。ここで、ＴＰ’＝目盛板の目盛の目盛周期でＮ＝0，1，2，....である。その結果、一方の走査視野の各部分信号に対して、他方の走査視野の少なくとも一つの90°位相のずれた部分信号が存在する。一つの走査視野の検出素子はそれぞれ逆並列に結線されているので、各走査視野には一つの発生した出力信号が付属する。

Description

【発明の詳細な説明】 光学位置測定装置 この発明は請求項１の前段の光学位置測定装置に関する。 この種の光学位置測定装置は、本出願人の欧州特許第0 223 009号明細書によ り周知であり、図１a〜１cの模式図に基づき以下に説明することにする。この位 置測定装置の中では、目盛板の目盛Ｍがこの格子Ｍに対して平行に測定方向Ｘに 移動可能に配置された走査ユニットＡにより走査される。この場合、走査ユニッ トにより変位に応じて変調された信号が検出され、図示していない評価ユニット により演算処理される。 この走査ユニットＡには、走査板ＡＰの外に、集光光学系Ｋと支持回路基板Ｔ がある。走査ユニットＡの個々の部品およびそれ等の機能を以下に更に詳しく説 明する。走査ユニットＡには、測定方向Ｘに目盛周期ＴＰの数分の１だけ互いに ずれた少なくとも二つの走査視野ＡＦ１,ＡＦ２がある。つまり二つの走査視野 ＡＦ１とＡＦ２は測定方向Ｘに互いに間隔Ｄだけずらして配置されている。走査 視野ＡＦ1,ＡＦ2も測定目盛Ｍも単に模式的に示してある。走査板ＡＰの走査視 野ＡＦ１,ＡＦ２は好ましくは位相格子として形成されている。１：１からずれ ているウェブ幅と溝幅の比を用いて、両方の走査視野ＡＦ１,ＡＦ２の各々によ り異なった回折次数の位相のずれた部分ビーム束が生じる。走査視野ＡＦ１,Ａ Ｆ２当たり、生じた回折次数のうちの二つの回折次数、好ましくは＋１次と−１ 次の回折次数を利用する。従って、全体で４つの演算処理される部分信号が生じ る。この場合、格子パラメータは＋１次と−１次の回折次数の部分信号の間に90 °の位相差が生じるように選択される。全体の見通しを良くするため光線図は省 く。 走査ユニットＡの支持回路基板Ｔの上に配置されている後置の検出素子Ｄ11， Ｄ12，Ｄ21とＤ22により異なった部分ビーム束が検出される。ここで、図１bは 検出面内の異なった検出素子Ｄ11，Ｄ12，Ｄ21，Ｄ22の相対配置および支持回路 基板Ｔ上に配置された光源Ｌを示す。 その外、支持回路基板Ｔと走査板ＡＰの間には集光光学系Ｋが配置されている 。この集光光学系は光源Ｌから出たビーム束をコリメートし、検出素子Ｄ11，Ｄ 12， Ｄ21，Ｄ22の方向に反射した部分ビーム束を結像する働きをする。それ故、検出 素子Ｄ11，Ｄ12，Ｄ21，Ｄ22と光源Ｌのある支持回路基板Ｔは走査ユニットＡ内 の集光光学系Ｋの焦点面内に配置されている。 ４つの部分信号を検出するためにはこれ等の信号を空間的に分離する必要があ る。この場合、各走査視野ＡＦ１,ＡＦ２の部分ビーム束を異なった回折次数に 分離することにより90°位相のずれた部分信号の空間的な分離が可能になる。即 ち、検出のためには、各走査視野ＡＦ１,ＡＦ２の利用する＋１次と−１次の回 折次数を空間的に分離する。その場合、検出素子Ｄ11とＤ12で検出された走査視 野ＡＦ１からの90°位相差のある二つの部分信号が大切である。走査視野ＡＦ２ により発生し、同じように90°位相差のある部分信号は他の二つの検出素子Ｄ21 とＤ22により検出される。その場合、異なった回折次数への分離は図１ａの紙面 内で行われる。異なった検出素子を用いる検出を可能にするため、両方の走査視 野ＡＦ１とＡＦ２からの部分信号の対を更に空間的に分離する必要がある。これ については、欧州特許第0 223 009号明細書にずらして配置された走査視野ＡＦ １とＡＦ２に選択的に作用する光学手段ＡＥ１とＡＥ２を付属させることを提案 している。これにより、走査視野ＡＦ１とＡＦ２に由来する二つの部分信号対の 図面に垂直な空間分離が行われる。 これ等の空間的な状況は、特に図１ｂの図面で明確になる。更に、この図面に は個々の部分信号の間の位相関係も一緒に示してある。左の二つの検出素子Ｄ11 とＤ12は走査視野ＡＦ１から生じる＋１次と−１次の回折次数の部分ビーム束を 検出するために使用され、右の二つの検出素子Ｄ21とＤ22により＋１次と−１次 に回折した走査視野ＡＦ2の走査視野の部分ビーム束が検出される。 走査視野ＡＦ１とＡＦ２から生じる部分ビーム束の間の180°の位相差はこれ 等の走査視野ＡＦ１とＡＦ２の測定方向ｘの前記相互のずれＤにより与えられる 。この場合、対応するずれＤはＤ＝ＴＰ/2*(Ｎ＋1/2)となる。ここでＴＰは目盛 板の目盛の目盛周期であり、Ｎ＝0，1，2，...である。 最終的に異なる４つの部分信号から演算処理用の90°位相差のある望む出力信 号0°，90°を発生するため、欧州特許第0 223 009号明細書には、検出素子Ｄ11 ，Ｄ12，Ｄ21，Ｄ22を図１ｃに示すように結線することを提案している。こ れは、0°信号を形成するため、180°位相差のある部分信号を伴う二つの検出素 子Ｄ11とＤ21を互いに逆並列に接続し、90°信号を形成するため、逆相で印加す る部分信号を伴う二つの検出素子Ｄ12とＤ22も同じように逆並列に結線する。従 って、逆相の部分信号を出力する検出素子Ｄ11，Ｄ12，Ｄ21，Ｄ22は互いに逆並 列に接続されている。その場合、逆相の部分信号は必ず異なった走査視野ＡＦ１ ,ＡＦ２に由来する。 結局、心に留めておくべきことは、走査視野ＡＦ１,ＡＦ２の格子パラメータ を選択して＋１次と−１次の回折次数の部分信号の間の90°の位相を調整し、こ れに対して間隔Ｄだけ測定方向ｘにずらして配置された他の走査視野からそれぞ れ180°位相差のある各プッシュプル部分信号が生じる点にある。 しかし、欧州特許第0 223 009号明細書に提案する位置測定装置には特定の難 点もある。異なった走査視野ＡＦ１,ＡＦ２からの部分信号を逆並列に接続して プッシュプル信号を形成している。これにより、走査視野ＡＦ１,ＡＦ２が局部 的に汚れると所謂デューティー比誤差が生じる。何故なら、逆並列に接続された 異なった走査視野ＡＦ1,ＡＦ2からの逆相の部分信号の振幅が同一でないからで ある。その外、このような問題は欧州特許第0 223 009号明細書に記載した干渉 性の測定系で生じるだけではない。 走査視野ＡＦ１,ＡＦ２からの＋１次と−１次の回折次数の干渉信号の位相差 を90°に設定しているので、位相差を120°に設計したのものと比べて、これ等 の信号の変調度は強い影響を受ける。干渉信号の最適な変調は干渉性の三重格子 変換器で走査視野の格子パラメータを使用する回折次数の間で120°の位相差に 設計する場合に予測される。これは、例えば欧州特許第0 163 362号明細書に開 示されている位置測定装置で実現されている。 従って、格子を作製する場合、＋１次と−１次の回折次数の干渉信号の間の位 相差を90°に設計すると著しく高度な要請が生じる。格子作製で＋１次と−１次 の回折次数の部分信号の間の位相差を90°に設計する場合、120°位相差の場合 と同じ製造公差にするなら、部分信号の変調度と位相角に著しく大きな変動が予 測される。 それ故、この発明の課題は、90°の位相差の出力信号を更に処理するために出 力し、走査視野および／または目盛板の目盛に局部的な汚れがある場合でも得ら れる測定結果にできる限り少ない影響を与える高分解能位置測定装置、特に干渉 性の三重格子位置測定装置を提供することにある。更に、走査視野の目盛構造を 作製する場合の許容公差の要請をできる限り小さくすべきである。 上記の課題は、請求項１の構成を備えた光学位置測定装置により解決されてい る。 この発明による光学位置測定装置の有利な構成は従属請求項の処置により与え られる。 この発明による処置は、90°位相のずれた出力信号を形成するために使用する 部分信号がそれぞれ同じ走査視野から生じる走査を保証するが、上に考察した従 来の技術の解決策では異なった走査視野かの部分信号を使用する。これは、この 発明の位置測定装置内の走査視野が局部的に汚れた時に、ただ所謂振幅誤差しか 生じない結果となる。振幅誤差は90°位相のずれた両方の出力信号の振幅が異な ることにより生じる誤差である。 結局、この発明による光学位置測定装置内では、上に述べた従来の技術による 周知の解決策に比べて、次に行う補間での分割誤差が小さくなる。 更に、この発明による位置測定装置の格子作製に対する許容公差の要請が同じ である場合、異なった部分信号の間に望まれる位相角もそれ等の振幅も望むしき い値に著しく近接することを前提としている。望む要請をこのようにより良く維 持することは、この発明による位置測定装置に設けてあるような、干渉性の三重 格子変換器の場合、＋１次と−１次の回折次数の部分信号の変調最大値が位相差 を120°に設計した時に丁度達成されることに起因する。 更に、例えば欧州特許第0 163 362号明細書の三重格子変換器として形成され た干渉性の測定系が、入口側に90°位相差の二つの信号を前提とする通常の評価 ユニットとの両立することが簡単に保証できる。 この発明による位置測定装置の他の利点および詳細は添付図面に基づく一実施 例の以下の記載から明らかになる。 ここに示すのは、 図２a〜２c，この発明による光学位置測定装置の模式部分図、 である。 以下、図２a〜２cに基づきこの発明による光学位置測定装置を説明する。ここ で、模式的な部分図には図１ａ〜１ｃによる従来の技術の説明と同じように個々 の光路あるいは分割光路は省いていある。図２ａはこの発明による光学位置測定 装置の側面図を示し、図２ｂは異なった検出素子に加わる個々の部分信号の位相 関係も含めて、検出器面内あるいは集光光学系の焦点面内の検出素子の配分を示 し、最後に図２ｃは90°位相差のある出力信号を発生する検出素子の結線を示す 。 互いに相対移動する二つの物体の相対位置を測定するこの発明による光学位置 測定装置には目盛板の目盛Ｍ’と走査ユニットＡ’がある。光源Ｌ’から出たビ ーム束は集光光学系Ｋ’でコリメートされ、先ず走査板ＡＰ’を一度通過し、そ の時に回折する。回折した部分ビーム束は目盛板の目盛Ｍ’に入射して、新たな 回折により反射し、走査板ＡＰ’を二度通過する。同じ空間方向に偏向し走査板 ＡＰ’を二回目に通過した時に同じ位置に来る部分ビーム束は走査板ＡＰ’の格 子目盛の面内で干渉し、後置されている検出素子Ｄ11’，Ｄ12’，Ｄ21’，Ｄ22 ’で検出され、更に演算処理される。既に上で説明したように、光源Ｌ’と検出 素子Ｄ11’，Ｄ12’，Ｄ21’，Ｄ22’を備えた支持回路基板Ｔ’は集光光学系Ｋ ’の焦点面内に配置されている。 目盛板の目盛Ｍ’と走査ユニットＡ’は、図面にｘ方向として示す測定方向に 向けて互いに相対運動するように配置され、互いに移動する二つの物体に接続し ている。相対移動する場合、変位に応じて変調された干渉信号が生じ、これ等の 干渉信号は検出素子Ｄ11’，Ｄ12’，Ｄ21’，Ｄ22’で検出される。移動可能に 配置されているこれ等の物体は、例えば通常の工作機械の加工品と工具である。 しかし、この外にこの発明の光学位置測定装置には多様な他の使用可能性も考え られる。 図２aに示す実施例は反射光測定系を示す。即ち、目盛板の目盛Ｍ’には反射 性の目盛構造が付けてあるが、この目盛構造は詳しく図示していない。その外、 この発明による位置測定装置を透明な目盛構造のある透過光測定系として構成す ることも原理的に可能である。同様に、図示する測長装置の代わりに測角装置を この発明により形成することももちろん可能である。 走査板ＡＰ’の上には測定方向ｘに向けて空間的に離して置いた二つの走査視 野ＡＦ１’とＡＦ２’が配置されている。両方の走査視野ＡＦ１’とＡＦ２’は 周知のように一定の目盛周期ＴＰ’の透過位相格子の形にして形成されている。 走査板ＡＰ’の上には走査視野ＡＦ１’，ＡＦ２’が測定方向ｘに向けて互いに 一定値Ｄ’だけずらして配置されている。その場合、この発明によれば、両方の 走査視野ＡＦ１’とＡＦ２’を間隔Ｄ’だけ互いにずらして配置している。ここ で、Ｄ’に対して、 Ｄ’＝ＴＰ’/2*(Ｎ＋1/4) となり、ＴＰ’は走査格子の目盛周期で、Ｎ＝0，1，2，3，...である。 更に、走査板ＡＰ’上の両方の走査視野ＡＦ１’とＡＦ２’に、既に前に説明 したように、走査視野ＡＦ１’とＡＦ２’から出た部分ビーム束あるいは部分信 号を方向分離あるいは空間的に分離するために使用される光学偏向部材ＡＥ１’ とＡＥ２’を一義的に割り当てている。必要な光学偏向部材ＡＥ１’とＡＥ２’ は図示する実施例では楔状のプリズムとして形成されている。その場合、両方の プリズムは検出素子Ｄ11’，Ｄ12’，Ｄ21’，Ｄ22’と光源Ｌ’のある支持回路 基板Ｔ’に対向する走査板ＡＰ’上の側に異なった向きに配置されている。 走査視野ＡＦ１’とＡＦ２’は、図示する実施例の代わりに、走査板ＡＰ’の 他の側にも当然配置してもよい。つまり、偏向素子ＡＥ１’とＡＥ２’の直ぐ下 に配置してもよい。更に、光学偏向素子をそれぞれ一定の調節可能な偏向作用を 持つ回折格子構造体としても形成できる。 更に、評価すべき４つの部分信号を空間的に分離するため、入射するビーム束 が特に＋１次と−１次の回折次数に偏向するように両方の走査視野ＡＦ１’とＡ Ｆ２’の走査格子を設計する。これ等の空間方向に偏向したビーム束は更に評価 するために使用される。その場合、両方の回折次数に偏向した部分ビーム束には 120°の位相差がある。これを確実にするため、走査格子の格子パラメータを適 切に選ぶ。 検出器側では支持回路基板Ｔ’上に４つの検出素子Ｄ11’，Ｄ12’，Ｄ21’， Ｄ22’と一つの光源Ｌ’が配置されている。個々の検出素子Ｄ11’，Ｄ12’，Ｄ 21’，Ｄ22’の実際の配置は図２ｂに示してある。支持回路基板Ｔ’の中心には 、図２ｂに示すように配置されている光源Ｌ’も見ることができる。図示してい る実施例とは別に、支持回路基板に光源の代わりに、適当な切欠もあってよく、 この切欠を通して、切り離して配置されている光源のビーム束が集光光学系、走 査板および目盛板の目盛に入射する。 両方の走査視野ＡＦ１’とＡＦ２’の格子構造は、＋１次と−１次の回折次数 が先に述べたように120°の相互位相差を持つように、欧州特許第0 163 362号明 細書による周知の三重格子変換器の場合のように設計すれば、この発明による光 学位置測定装置の図２ａ〜２ｃに示す実施例では、個々の部分信号の間に図２ｂ に示す位相関係が生じる。図２ｂには、異なる部分信号に付属する異なる検出素 子Ｄ11’，Ｄ12’，Ｄ21’，Ｄ22’の間の位相関係が記入されている。 左の二つの検出素子Ｄ11’とＤ12’は、先に説明したように、120°の相互位 相差を持つ走査視野ＡＦ’による部分信号を検知する。検出器Ｄ11’は＋1次の 回折次数を検出するが、検出素子Ｄ12’は−１次の回折次数を検出する。同様に 、検出素子Ｄ21’は走査視野ＡＦ２’からの＋１次の回折次数を検出するが、検 出素子Ｄ22’はこの走査視野からの−１次の回折次数を検出する。即ち、右の両 方の検出素子Ｄ21’とＤ22’は走査視野ＡＦ２’からの部分信号を出力する。こ こでも、＋１次と−１次の回折次数の間の位相差は格子パラメータを適当に選ん でいるので120°になる。 走査板ＡＰ’の両方の走査視野ＡＦ１’とＡＦ２’のずれＤ’を上に説明した ように設計しているので、両方の走査視野ＡＦ１’とＡＦ２’の対応する部分信 号の間の位相差が90°となる。これは図２ｂにも記入されている。 この発明による光学位置測定装置内では、最終的に90°位相差のある望む出力 信号を得るため、図２ｃに示すように、個々の検出素子を結線する。つまり、以 下で0°信号と呼ぶ出力信号を形成するため検出素子Ｄ11’とＤ12’を逆並列に 接続する。同様に、検出素子Ｄ21’とＤ22’の逆並列接続から望む第二の出力信 号として必要な90°信号が得られる。 望む二つの出力信号0°，90°を発生させるために使用する部分信号は一つの 共通の走査視野ＡＦ１’またはＡＦ２’から生じることが明確に分かる。零対称 の各出力信号0°，90°を形成するためには、図示のように、各走査視野ＡＦ１ ’，ＡＦ２’に付属する検出素子Ｄ11’，Ｄ12’，Ｄ21’，Ｄ22’をそれぞれ逆 並列に結線する。 安定なデューティー比が得られる。つまり、0°信号と90°信号を形成するた めに使用する部分信号の振幅の間の関係が一定している。例えば、二つの走査視 野ＡＦ１’，ＡＦ２’の一方が局部的に汚れていると、これはこの一方の走査視 野からの二つの部分信号にのみ作用する。しかし、この作用は前記走査視野に付 属する出力信号を発生させるために使用する二つの部分信号に同じように当ては まる。誤差としては、90°位相のずれている二つの出力信号の間の振幅誤差しか 生じない。汚れた走査視野から生じる出力信号の振幅は、汚れのない他方の走査 視野からの出力信号の振幅より小さい。 更に、この種の振幅誤差を最小にするため、走査板上の図示するただ二つの走 査誤差より多いものを利用することもできる。例えば、実施例に示す走査視野Ａ Ｆ１’，ＡＦ２’の配置を測定方向ｘに何度も連続して設けることもできる。こ の場合、それぞれの走査視野ＡＦ１’からあるいは走査視野ＡＦ２’からの部分 信号の位相の合った重なりが生じる。 この発明による光学位置測定装置の90°位相差のある最後の出力信号は、周知 のように、後置されている通常の評価ユニットあるいはシーケンス電子機器によ り周知のように方向弁別も含めて正確な位置測定に使用される。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 れぞれ逆並列に結線されているので、各走査視野には一 つの発生した出力信号が付属する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. 相対運動する二つの物体の相対位置を検出するため、 −走査ユニット（Ａ’）が走査目盛の形の少なくとも二つの走査視野（ＡＦ １’，ＡＦ２’）を持つ走査板（ＡＰ’）を有し、前記走査視野が測定方 向（ｘ）に目盛板の目盛（Ｍ’）の目盛周期（ＴＰ’）の数分の１だけず らして配置されため、異なった走査視野（ＡＦ１’，ＡＦ２’）に移動に 応じて変調される位相が一定値ずれた部分信号が付属する、両方の物体に それぞれ連結する目盛板の目盛（Ｍ’）と走査ユニット（Ａ’）と、 −異なった走査視野（ＡＦ１’，ＡＦ２’）の前記部分信号を検出のために 空間的に分離する走査視野（ＡＦ１’，ＡＦ２’）に付属する光学偏向部 材（ＡＥ１’，ＡＥ２’）と、 −出力側で更に処理するため90°位相差のある二つの出力信号が生じるよう に互いに結線され、位相のずれた部分信号を異なった空間方向で検知する 走査板（ＡＰ）に後置されている少なくとも２対の検出素子（Ｄ11’，Ｄ 12’，Ｄ21’，Ｄ22’）と、 を備えた光学位置測定装置において、 −少なくとも二つの走査視野（ＡＦ１’，ＡＦ２’）をＤ’＝ＴＰ’/2*(Ｎ ＋1/4)だけ互いにずらして走査板（ＡＰ）上に配置し、ここでＴＰ’が目 盛板の目盛（Ｍ’）の目盛周期であり、Ｎ＝0，1，2，...であり、その結 果一方の走査視野（ＡＦ１’，ＡＦ２’）の各部分信号に対して90°位相 のずれた他方の走査視野（ＡＦ１’，ＡＦ２’）の部分信号が生じ、一つ の走査視野（ＡＦ1’，ＡＦ2’）の検出素子（Ｄ11’，Ｄ12’，Ｄ21’， Ｄ22’）がそれぞれ逆並列に接続されているので、各走査視野（ＡＦ１’ ，ＡＦ２’）に生じた出力信号（0°，90°）が付属し、両方の走査視野 （ＡＦ１’，ＡＦ２’）の生じた出力信号（0°，90°）には90°の位相 差があることを特徴とする光学位置測定装置。 2. 各走査視野（ＡＦ１’，ＡＦ２’）に共通面内に配置された二つの検出素子 （Ｄ11’，Ｄ12'，Ｄ21’，Ｄ22’）が付属し、これ等の検出素子には一定 位相差の部分信号が生じることを特徴とする請求項１に記載の光学位置測定 装置。 3. 検出素子（Ｄ11’，Ｄ12’，Ｄ21’，Ｄ22’）は一つの光源（Ｌ’）と共に 支持回路基板（Ｔ’）の上に配置されていることを特徴とする請求項２に記 載の光学位置測定装置。 4. 走査視野（ＡＦ１’，ＡＦ２’）の走査目盛は＋１次と−１次の回折次数の 変調に関して最適にされているので、これ等の回折次数の部分信号の間には 120°の位相差が生じることを特徴とする請求項２に記載の光学位置測定装 置。 5. 光学偏向部材（ＡＥ１’，ＡＥ２’）はプリズムで形成されていることを特 徴とする請求項１に記載の光学位置測定装置。 6. 光学偏向部材（ＡＥ１’，ＡＥ２’）は回折格子構造体で形成されているこ とを特徴とする請求項１に記載の光学位置測定装置。 7. 位置測定装置は直線測定装置として形成されていることを特徴とする請求項 １〜６の何れか１項に記載の光学位置測定装置。 8. 位置測定装置は角度測定装置として形成されていることを特徴とする請求項 １〜６の何れか１項に記載の光学位置測定装置。