JP2003515154A - 目盛板とこの目盛板を有する位置測定装置 - Google Patents

目盛板とこの目盛板を有する位置測定装置

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JP2003515154A JP2001540329A JP2001540329A JP2003515154A JP 2003515154 A JP2003515154 A JP 2003515154A JP 2001540329 A JP2001540329 A JP 2001540329A JP 2001540329 A JP2001540329 A JP 2001540329A JP 2003515154 A JP2003515154 A JP 2003515154A
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ヴァイトマン・ヨーゼフ
シュペックバッハー・ペーター
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Abstract

(57)【要約】 目盛板とこの目盛板を有する位置測定装置が説明されている。この目盛板は、一方向に沿って交互に配置された相違する光学特性の少なくとも１つの目盛領域を有し、そして１つの支持基板から成る。光ルミネセンス的で多孔性の目盛領域を有する少なくとも１本のトラックがこの支持基板の表面上で、非光ルミネセンス的な目盛領域間に配置されている。さらに、この目盛板に対して相対運動する１つの走査ユニットが、この位置測定装置に含まれている。この走査ユニットは、一つ又は多数の光電式の検出素子と１つの光源を有する。この光源は、光ルミネセンス的な第１目盛領域内で光ルミネセンスを励起するために適している波長のビームでこの目盛板を照射する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、目盛板（スケール）とこの目盛板を有する位置測定装置に関する。
【０００２】 光学式の照射位置測定装置は、一般に１つの目盛板とこの目盛板に対して可動
な１つの走査ユニットとを有する。通常、１本の光束をこの目盛板の方向に放出
する１つの光源が、この走査ユニットの側面上に配置されている。反射が、この
目盛板からこの走査ユニットの方向に起こる。この走査ユニットでは、（位相）
差に依存して変調されたこの光束が、場合によっては１つの又は多数の走査目盛
構造体を通過して、最終的に１つの光電式の検出装置によって検出される。こう
して生成されたこの差に依存して変調された信号が、直列接続された１つの評価
装置によって再処理される。
【０００３】 このようなシステムの公知の目盛板は、１枚の支持基板から形成される。異な
る光学特性を呈する複数の目盛領域が、この基礎材料上で交互に配置されている
；この場合、異なる反射特性を呈する第１と第２の目盛領域が、照射のときに交
互に形成されている。インクリメンタル目盛の場合、これらの異なる目盛領域の
配置が、測定方向に沿って延在している。例えば、高い反射特性と僅かな反射特
性とを呈する複数の目盛領域が、１枚のガラス基板上に形成され得る。その代わ
りに、鋼も、基礎材料として使用される。このときも同様に、高い反射特性と僅
かな反射特性とを呈する目盛領域が、この基板上に形成される。高い反射特性の
目盛領域は、金から形成される。その一方で、僅かに反射する目盛領域内では、
鋼面がつや消しされる。その結果、そこも入射する光が、吸収されるか又は拡散
して反射される。
【０００４】 この上述した位置測定装置では、散光の入射によって、すなわちビームがそれ
ぞれの目盛板によって変調されることなしに、光源から検出素子に直接到達する
このビームによって、問題が発生する。走査信号の変調度が、このような散光に
よって低下する。
【０００５】 ドイツ連邦共和国特許発明第 1 227 246号明細書中で既に提唱されているよう
に、これらの問題は、光ルミネセンス的な目盛板を使用することによって少なく
とも部分的に回避することができる。この場合、その都度の光ルミネセンス波長
を呈するビームが、検出素子にまず最初に到達する；これに対して、この励起波
長は、このビームと区別が付き、かつ位置測定に影響をさらに及ぼさない。しか
しながら、この明細書では、目盛板の具体的な構造に関して、特に光ルミネセン
ス的な目盛領域の構造に関してさらに示唆されていない。しかも、光源の散光が
検出素子に到達しない点が、依然として確実に保証されていない。
【０００６】 本発明の課題は、位置測定装置用の光ルミネセンス的な目盛板の適切な構造を
提供することにある。
【０００７】 さらに本発明の課題は、説明した散光の問題が最少になる位置測定装置を提供
しなければならない。
【０００８】 最初の課題は、請求項１に記載の特徴を有する目盛板によって解決される。
【０００９】 本発明の目盛板の好適な実施形は、請求項１の従属請求項に記載の特徴から得
られる。
【００１０】 ２番目の課題は、請求項１０に記載の特徴を有する位置測定装置によって解決
される。
【００１１】 本発明の位置測定装置の好適な実施形は、請求項１０の従属請求項の特徴から
得られる。
【００１２】 支持基板から成る目盛板が、本発明にしたがって使用される。この支持基盤は
、交互に設けられた複数の第１目盛領域と第２目盛領域とを有する少なくとも１
本のトラックを有する。この場合、第１の目盛領域は、多孔性にかつ光ルミネセ
ンス的に構成されている；第２の目盛領域は、非光ルミネセンス的に構成されて
いる。励起が或る適切な波長によって起きた場合、第１の目盛領域は、その励起
波長と区別の付く或る波長を呈するビームを放出する。第１目盛領域から放出さ
れたビームだけが、それぞれの位置測定装置の検出素子に到達する。このことは
、例えば走査ビーム経路内の適切なフィルター素子によって保証され得る。これ
によって、本発明の目盛板からのビームだけが、検出素子に到達する。すなわち
、上述した散光の問題が、これによって回避されている。
【００１３】 多孔性で光ルミネセンス的なこれらの第１の目盛領域の構造に関しては、いろ
いろな可能性がある。すなわち、シリコンを支持基板材料として使用する場合、
この目盛領域は、例えば公知の光ルミネセンス特性を有する多孔性のシリコンと
して形成され得る。その代わりに、支持基板材料内のそれぞれの多孔性の目盛領
域が、適切なルミネセンス色素を有してもよい。
【００１４】 したがって、これらの光ルミネセンス的な目盛領域は、本発明の目盛板ではつ
まり本発明の位置測定装置では不連続で非干渉性で拡散する光源として作用する
。これらの電源は、走査ユニット内の適切な光源によって励起される。
【００１５】 説明した散光の最少化のほかに、支持基板材料としてシリコンを使用すると別
の利点が得られる。すなわち、この場合、シリコンの支持基板の機械的な安定性
を得ることができる。しかも、シリコン支持基板は、構造上安定で、変化しない
。すなわち、望まない拡散プロセスが起きない。さらに、シリコンは、特定の熱
膨張特性を呈する。このことは、特に半導体産業分野の高精度な用途に対して重
要である。さらに、シリコンは、基板材料として所定の状態で、すなわち汚れと
表面特性に対して安定な品質で廉価に任意に使用可能である。さらに、これに関
して、この材料の比較的問題のないプロセス化可能性を述べる。
【００１６】 シリコン支持基板が多孔性のシリコン領域として形成される場合に、これらの
シリコン支持基板を使用すると、光ルミネセンス的な特性を呈する目盛領域を製
造するときにも方法技術的に経費がかからない。
【００１７】 さらに、本発明の目盛板を回転式の測定機構や二次元式の測定機構等と同様に
、リニア式の測定機構で使用することが当然に可能である。
【００１８】 さらに、本発明の位置測定装置のように、例えば二重格子，三重格子等として
構成され得るように、一連の変形が存在する。
【００１９】 以下に、添付した図面に基づいて本発明のその他の利点と詳細を説明する。
【００２０】 以下に、本発明の位置測定装置とそこで使用される本発明の目盛板の可能な実
施形を図１〜３に基づいて説明する。この場合、図１は、照射システムとして構
成されている位置測定装置内の走査ビームの経路を概略的な形態で示す。
【００２１】 この位置測定装置は、公知のように目盛板１０とこの目盛板１０に対して測定
方向ｘに沿って可動な走査ユニット２０とを有する。図１の実施の形態では、リ
ニア式の測定機構が示されている。明らかに、回転式の測定機構も、本発明に基
づいて実現され得る。本発明の位置測定装置又は本発明の目盛板は、例えば互い
に可動な２つの機械部品の位置を測定するために使用され得る。
【００２２】 本発明では、目盛板１０は支持基板１１から構成される。この支持基板１１は
、リニア式の測定機構のこの例では測定方向ｘに沿って延在している。インクリ
メンタル目盛を有する１本のトラック１５が、支持基板１１の表面上に、すなわ
ち走査ユニット２０に面した側面上に配置されている。このインクリメンタル目
盛は、位置に依存するインクリメンタル信号を生成する走査ユニット２０によっ
て走査される。このトラック１５を有する目盛板１０が、図２中に示されている
。
【００２３】 インクリメンタル目盛を有するこのトラック１５は、交互に配置された複数の
目盛領域１２，１３から構成される。これらの目盛領域１２，１３は、相違する
光学特性を呈する。第１目盛領域１２は、多孔性で光ルミネセンス的な目盛領域
として本発明にしたがって構成されている。これに対して、第２目盛領域１３は
、非光ルミネセンス的に構成されていて、例えばその都度の支持基板自体の材料
から構成される。特に図２から分かるように、インクリメンタル目盛を有するト
ラック１５の目盛領域１２，１３はそれぞれ、幅の狭いほぼストリップ状の矩形
をなす。この矩形の長手方向側は、方向ｘに対して垂直に指向されている。トラ
ック１５が、この方向ｘに沿って支持基板１１上に延在している。このトラック
１５は、測定方向ｘと一致している。インクリメンタル目盛で一般であるように
、目盛領域１２，１３の幾何学的寸法は同じに形成されている。したがって、目
盛周期ＴＰは、測定方向ｘに沿った目盛領域１２，１３の幅ｂによって規定され
る。この目盛周期ＴＰは、位置測定装置の場所分解能を決める。この場合、相前
後する２つの目盛領域１２，１３の幅ｂの和が、目盛周期ＴＰとして規定されて
いる。この実施の形態では、目盛周期ＴＰが 20 μｍである。
【００２４】 好適な構成の変形では、例えば単結晶又は多結晶のシリコンの形態をしたシリ
コンが、支持基板１１の適切な材料として使用され得る。特に、場合によっては
大きな測定長が必要で、それに応じて支持基板が広くなる場合には、多結晶シリ
コンを基板材料として使用する必要がある。
【００２５】 シリコンを支持基板１１の材料として使用する場合、光ルミネセンス的な目盛
領域１２は、特に公知の光ルミネセンス特性を呈する多孔性シリコンから形成さ
れる。多孔性シリコンに関してこの点を補うには、刊行物“The structural and
luminescence properties of porous silicon"A.G. Cullis et al. In J. Appl.
Phys. 82(3), 1.8.1997, 第 909-965頁参照のこと。多孔性シリコンが波長λ1 の電磁ビームによって照射つまり励起されると、この材料が、波長λ2 の領域内
の電磁ビームを放出する。一般に、励起は、波長λ1 ≒ 370nmで、すなわち紫外
線のスペクトル領域内で起きる。このとき、ビームつまり赤‐オレンジスペクト
ル領域内の閾値、すなわちλ2 ≒ 600nmを有するルミネセンス帯域が、多孔性シ
リコンから放出される。基本的に、両波長λ1 ，λ2 は、λ1 ＜λ2 である。一
般に、放出されたルミネセンス帯域のスペクトル位置は、一般に多孔性シリコン
のその都度の製造方法に依存するので、言及した領域に対して移動しうる。
【００２６】 本発明の目盛板の別の実施形では、適切なルミネセンス色素、例えば位置測定
装置に適したルミネセンス特性つまりルミネセンス帯域を有するローダミン色素
を多孔性の第１目盛領域１２内に混入することがさらに提唱され得る。このよう
な実施形では、シリコンを支持基板１１の材料として使用するする必要が明らか
にない；すなわち別の材料が選択され得る。この材料では、局所的な目盛領域１
２がそれに応じて形成され得る。このとき、適切なルミネセンス色素が、これ欄
これらの目盛領域１２内に混入されている；これに対しては、例えばＴｉＯ2 又
はＺｒＯ2 が適している。
【００２７】 この材料の奥まで達する複数の孔がこの目盛領域内に存在していることが、概
念「多孔性」の下で分かる。したがって、これらの目盛領域内の内部表面積は大
きい。例えば、この内部表面積は、幾何学的な表面積よりも 10 − 1000 倍程度
広い。
【００２８】 シリコンの支持基板１１を使用する場合にも、このようなルミネセンス色素を
多孔性シリコンの目盛領域１２に添加しても当然によい。これによって、さらに
強化されたルミネセンスがこれらの目盛領域１２内で得られる。また、このこと
は、より強い走査信号を伴う。
【００２９】 多孔性シリコンを製造するためには、つまり本発明の目盛板１０のこの実施形
を実現するためには、図４ａ−４ｅの以下の説明を参照のこと。励起波長λ1 と
ルミネセンス波長λ2 との関係に関しては、図３を参照のこと。多孔性シリコン
に関するこの関係が、この図３中にグラフで具体的に示されている。
【００３０】 説明したこの実施の形態では、光ルミネセンスが常に話題になっているが、支
持基板に対応する目盛領域が、専ら第１波長の電磁ビームによってだけ励起され
、第２波長の電磁ビームが生成される点も指摘できる。適切な材料の蛍光効果や
匹敵する効果も、本発明の範囲内で利用され得る。
【００３１】 さらに、本発明の位置測定装置の走査ユニット２０側には、１つの光源２１が
配置されている。この光源２１は、特に必要な励起波長λ1 を呈するビームを目
盛板１０の方向に放出する。この場合、この光源２１は、例えばＬＥＤである。
さらに、コリメーター光学系をその都度の光源２１の前方にさらに設けることも
可能である。
【００３２】 さらに、本発明の走査ユニット２０は、概略的に示された走査板２２を有する
。この走査板２２は、透明な支持基板２２．１、例えばガラスから形成される。
走査目盛２２．２が、この走査板２２上に公知の様式で配置されている。この示
された例では、この走査目盛は、目盛板１０に面している支持基板２２．１の側
面上に設けられている。この走査目盛２２．２は、例えば通常の偏角格子 (Ampl
itudengitter) でよい。この偏向格子は、透過性の目盛領域２２．２ｄと非透過
性の目盛領域２２．２ｕとを交互に有する。これらの目盛領域は、目盛板上の目
盛領域１２，１３に合わせて指向されている。その代わりに、この場所に位相格
子等を使用することも明らかに可能である。
【００３３】 さらに、光電式の検出素子２３が、走査ユニット２０内に概略的に示されてい
る。移動に応じて変調された走査信号が、この検出素子２３によって検出される
。明らかに、多数の独立した検出素子も、この場所に設置され得る；同一に構成
された多数の検出素子から成るいわゆる構造化された検出装置を使用することも
同様に可能である。複数の同位相の検出素子がそれぞれ、これらの検出素子によ
って出力側で内部接続される。
【００３４】 さらに、走査ビーム経路内では、フィルタ素子２４が、検出素子２３の前方に
さらに配置されている。このフィルタ素子２４は、特に通常のカットオフ・フィ
ルタとして構成されている。したがって励起波長λ1 の濾波が可能であるように
、すなわちフィルタ素子２４がこの励起波長λ1 に対して不透過であるように、
このカットオフ・フィルタのフィルタ特性が選択されている。これによって、波
長λ1 の散光が場合によっては検出素子に当たることが阻止され、これによって
信号変調に悪影響を及ぼさない。
【００３５】 この散光の問題を回避するため、ルミネセンス波長λ2 よりも明らかに短い波
長、すなわち少なくとも励起波長λ1 だけを通過させるもう１つのフィルタ素子
２５をその都度の光源２１の前方に配置することがさらに提唱されている。この
ことは、例えば光源が励起波長λ1 のほかに、特にルミネセンス波長λ2 の帯域
内にある別の放射線を有するときに意義がある。対応するフィルタ素子が、図１
中に破線で示されていて、符号２５が付けられている。
【００３６】 図１中には、本発明の位置測定装置の基本構造だけがつまり本発明の目盛板だ
けが示されている；明らかに、本発明に関連して実現可能である多数の光学的な
走査変形が存在する。
【００３７】 最後に、本発明の目盛板の実施形を実現するために可能な方法を図４ａ−４ｅ
に基づいて説明する。この目盛板は、光ルミネセンス的な多孔性目盛領域を有す
るシリコンの支持基板から構成される。
【００３８】 まず最初に、シリコンの支持基板５１が、公知の方法でフォトリソグラフィッ
ク的に形成される。この場合、測定方向ｘに沿って周期的に配置されたフォトレ
ジストから成る複数のウェブ６０が、この形成ステップ後に残る。
【００３９】 このフォトレジストは、図４ｂ中に示されているように次の方法ステップで約 150℃で焼き戻される。
【００４０】 図４中には、次の処理ステップが概略的に示されている；この場合、電気化学
的な直流エッチングを実施して、フォトレジスト６０によってマスクされていな
いシリコンの支持基板５１の目盛領域内に必要な光ルミネセンス特性を呈する多
孔性シリコンを生成する。
【００４１】 このエッチング処理時に残留しているフォトレジスト・ウェブ６０間に形成さ
れた多孔性シリコンから成る目盛領域５２が図４ｄ中に示されている。
【００４２】 最後の処理ステップでは、シリコンの支持基板５１上のフォトレジスト６０が
最後の除去される。このことは、例えばアセトンで剥離させることによって実施
可能である。測定方向に交互に配置された光ルミネセンス的な目盛領域５２と非
光ルミネセンス的な目盛領域５３とから成る図４ｅ中に示された本発明の目盛板
が形成される。
【００４３】 これらの処理ステップの後に、本発明の目盛板に適した平坦な保護膜を施すこ
とをさらに実施してもよい；この保護膜は、機械的な破損から守る作用をする一
方で、さらに反射防止膜等として形成され得る。
【００４４】 多孔性シリコンの支持基板５３を形成するこの説明した方法のほかに、別の方
法も存在する；これに対しては、上述した A.G.Cullis 等の刊行物の第２章を参
照のこと。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の目盛板と組合わせた本発明の位置測定装置の走査ビームの経路を概略
的に示す。
【図２】 図１の目盛板の正面図である。
【図３】 多孔性シリコンのルミネセンス・スペクトルを示す。
【図４ａ】 本発明の実施の形態における目盛板を製造する際のそれぞれの異なる方法ステ
ップを示す。
【図４ｂ】 本発明の実施の形態における目盛板を製造する際のそれぞれの異なる方法ステ
ップを示す。
【図４ｃ】 本発明の実施の形態における目盛板を製造する際のそれぞれの異なる方法ステ
ップを示す。
【図４ｄ】 本発明の実施の形態における目盛板を製造する際のそれぞれの異なる方法ステ
ップを示す。
【図４ｅ】 本発明の実施の形態における目盛板を製造する際のそれぞれの異なる方法ステ
ップを示す。
【符号の説明】
１０ 目盛板 １１ 支持基板 １２ 第１目盛領域 １３ 第２目盛領域 １５ トラック ２０ 走査ユニット ２１ 光源 ２２ 走査板 ２３ 検出素子 ２４ フィルタ素子 ２５ フィルタ素子 ５１ シリコンの支持基板 ５２ 光ルミネセンス的な目盛領域 ５３ 非光ルミネセンス的な目盛領域 ６０ フォトレジスト・ウェブ ７０ 白金導線 ２２．１ 支持基板 ２２．２ 走査目盛 ＴＰ 目盛周期
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヴァイトマン・ヨーゼフ ドイツ連邦共和国、グラースザウ、クラー マーストラーセ、10 (72)発明者 シュペックバッハー・ペーター ドイツ連邦共和国、キルヒヴァイダッハ、 ブルーメンストラーセ、３アー Ｆターム(参考） 2F103 BA10 CA03 CA06 DA01 DA12 DA13 EA02 EA12 EA15 EA19 EA20 EB06 EB11 EB16 EB32 EC16

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項０１】 多孔性の複数の第１目盛領域（１２；５２）と複数の第２
    目盛領域（１３；５３）とを有する少なくとも１本のトラック（１５）が、１つ
    の支持基板（１１；５１）上に配置されているこの支持基板（１１；５１）から
    形成され、そして方向（ｘ）に沿って交互に配置された相違する光学特性を呈す
    るこれらの少なくとも１つの目盛領域（１２，１３；５２，５３）を有する目盛
    板において、この場合、光ルミネセンスが第１目盛領域で発生するように、これ
    らの多孔性の第１目盛領域（１２；５２）は形成されている一方で、第２目盛領
    域（１３；５３）は、非光ルミネセンス的に形成されていることを特徴とする目
    盛板。
  2. 【請求項０２】 支持基板（１１；５１）は、シリコンから成ることを特徴
    とする請求項１に記載の目盛板。
  3. 【請求項０３】 支持基板（１１；５１）は、単結晶又は多結晶のシリコン
    から成ることを特徴とする請求項２に記載の目盛板。
  4. 【請求項０４】 第１目盛領域（１１；５１）は、光ルミネセンス的な多孔
    性シリコンから成ることを特徴とする請求項２に記載の目盛板。
  5. 【請求項０５】 多孔性シリコンは、赤又はオレンジ領域内のルミネセンス
    帯域を有することを特徴とする請求項４に記載の目盛板。
  6. 【請求項０６】 ルミネセンス色素が、第１目盛領域（１２；５２）内に混
    入されていることを特徴とする請求項１に記載の目盛板。
  7. 【請求項０７】 第１目盛領域（１２，５２）と第２目盛領域（１３，５３
    ）はそれぞれ、幅の狭い矩形をなし、この矩形の長手方向側が、トラック( １５
    ) の方向に対して垂直に指向されていることを特徴とする請求項１に記載の目盛
    板。
  8. 【請求項０８】 第１目盛領域（１２，５２）と第２目盛領域（１３，５３
    ）は、インクリメンタル目盛を構成することを特徴とする請求項７に記載の目盛
    板。
  9. 【請求項０９】 平坦な保護膜が、目盛板（１０）に施されていることを特
    徴とする請求項１に記載の目盛板。
  10. 【請求項１０】 −多孔性の複数の第１目盛領域（１２）と複数の第２目盛
    領域（１３）とを有する少なくとも１本のトラック（１５）が、１つの支持基板
    （１１）上に配置されているこの支持基板（１１）から形成され、そして交互に
    配置された相違する光学特性を呈するこれらの目盛領域（１２，１３）を有する
    １つの目盛板（１０）を備え、この場合、光ルミネセンスが第１目盛領域で光ル
    ミネセンス波長λ2 で発生するように、これらの多孔性の第１目盛領域（１２）
    は形成されている一方で、第２目盛領域は、非光ルミネセンス的に形成されてい
    て、 −この目盛板（１０）に対して相対運動する１つの走査ユニット（２０）を備え
    、この走査ユニットは、１つ又は多数の光電式の検出素子( ２３) と１つの光源
    （２１) を有し、この光源（１）は、この目盛板（１０）を所定の波長λ1 で照
    射し、この場合、この光源（２１）のビームが、この目盛板（１０）の第１目盛
    領域（１２）内で光ルミネセンスを励起するために適していることを特徴とする
    位置測定装置。
  11. 【請求項１１】 目盛板（１０）の光ルミネセンス的な第１目盛領域（１２
    ）は、多孔性シリコンから成ることを特徴とする請求項１０に記載の位置測定装
    置。
  12. 【請求項１２】 第１目盛領域（１２）と第２目盛領域（１３）は、インク
    リメンタル目盛を構成することを特徴とする請求項１０に記載の位置測定装置。
  13. 【請求項１３】 走査ユニット（２０）は、１つ又は多数の走査目盛（２２
    ．２）をさらに有することを特徴とする請求項１０に記載の位置測定装置。
  14. 【請求項１４】 多数の光学的な検出素子（２３）が、構造化された検出装
    置として構成されていることを特徴とする請求項１０に記載の位置測定装置。
  15. 【請求項１５】 １つの光学的なフィルタ（２４）が、走査ビーム経路内で
    少なくとも１つの検出素子（２３）の前方に配置されていて、この光学的なフィ
    ルタ素子（２４）は、光源（２１）の放出された波長λ1 をほとんど通過させな
    いで、励起された光ルミネセンス波長λ1 を通過させることを特徴とする請求項
    １０に記載の位置測定装置。
  16. 【請求項１６】 フィルタ素子（２４）は、カットオフ・フィルタとして構
    成されていることを特徴とする請求項１５に記載の位置測定装置。
  17. 【請求項１７】 光源（２１）は、もう１つの光学的なフィルタ素子( ２５
    ) を有し、このもう１つの光学的なフィルタ（２５）は、光ルミネセンスを励起
    するためにこの光源（２１）から放出された波長λ1 を通過させ、励起された光
    ルミネセンス波長λ2 を通過させないことを特徴とする請求項１０に記載の位置
    測定装置。
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