JP4150337B2 - 位置測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、特許請求項１の上位概念に記載の位置測定装置に関する。

この様式の位置測定装置は、特に、加工すべきワークピースに関する工具の相対位置を測定するための加工機械において、検査対象の位置及び寸法を確認するための座標測定機において、並びに最近では増々半導体産業、例えばウエハステッパにおいても、使用される。その際、この位置測定装置は、スケールが駆動ユニット（回転モータ又はリニヤモータ）に直接取り付けられるか、スケールが駆動ユニットによって駆動される部品に取り付けられる角度又は長さ測定装置である。

この様式の、例えば特許文献１から公知の位置測定装置のスケールは、カウント信号を発生させるための周期的な測定目盛り並びに基準マーク信号を発生させるための基準マークを備える。この基準マーク信号を介して、カウンタが所定のカウントにセットされることによって、基準マークの位置に対して位置測定の絶対性が形成される。

供給エネルギの停止による運転中断後の位置測定の開始時、並びにカウントの修正及びコントロールのために、しばしば、任意の位置から出発して基準マークに到達することが必要である。このため、領域マークがスケールに取り付けられており、これらの領域マークによって、走査装置が基準マークの一方の側に存在するのか、他方の側に存在するのかを識別することができる。この領域マークは、基準マークの一方の側では、一貫した非光透過性のストライプとして形成されている。基準マークの他方の側では、領域マークが、透過型の領域として構成されている。両方の領域マークを走査するために、共通の光検出器が走査ユニット内に形成されている。走査装置が基準マークの一方の側に存在するのか、他方の側に存在するのかの識別は、この光検出器の測定信号を基にして行なわれる。

この測定信号の信号レベルを基にしたこの識別は問題があることが分かっている。何故なら、レベルの相互の間隔が比較的僅かであるからである。この測定信号も、容易にスケールの部分的な汚染によって影響を受けてしまうので、誤りのある走査装置の位置が検出される。
独国実用新案第９２ ０９ ８０１号明細書

従って、本発明の課題は、基準マークの隣の複数の測定領域をより確実に識別することができる位置測定装置を提供することである。

この課題は、特許請求項１の特徴を有する位置測定装置によって解決される。

有利な形態は、従属する特許請求項に記載されている。

本発明により形成される位置測定装置は、特に、走査装置が基準マークの一方の側に存在するのか、他方の側に存在するのかを一義的に識別するための確実さが比較的高いという利点を有する。故障時の安全性が向上している。

実施例により、本発明を、以下で、図面を基にして詳細に説明する。

図１は、走査装置２に対して相対的に測定方向Ｘに摺動可能であるスケール１を有する長さ測定装置の形の光電式インクリメンタル位置測定装置を示す。スケール１には、第１のトラック内に周期的なインクリメンタル測定目盛り３が、また第２のトラック内に基準マーク４並びに領域マーク５及び６が、取り付けられている。スケール１の光電走査をするため、走査装置２は光源７を有し、この光源の光は、コリメータ８によって収束させられ、走査プレート９によってスケール１に整向される。スケール１に入射する光は、測定目盛り３、基準マーク４並びに領域マーク５及び６において、位置に依存して反射され、光検出装置１０に命中する。スケール１は、図２において、平面図に図示されており、光検出装置１０は図３に図示されている。どのように光が個々の領域４，５及び６において位置に依存して影響を受けるかが、図５，７及び８に図示されている。

反射型の位相格子３に命中する走査ビーム１１は、この走査ビームが種々の部分ビームへと回折させられ、次に、これらの部分ビームが互いに干渉させられ、３つの光検出器１１１，１１２，１１３に命中し、これらの光検出器が、公知の方法で干渉による走査原理によって互いに位相のずれた同様の周期的な測定信号Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３を発生させ、これらの測定信号から、公知の方法で、補間法によって高分解能のカウント信号が発生させられることによって、位置に依存して変調される。

走査ビーム１２は、基準マーク４の領域内で、基準マーク４の反射フィールドから走査プレート９へと転向される。走査プレート９は、反射されたこの光が入射する領域内に走査フィールド１３を備え、この走査フィールドは、透過フィールド１３．１及び横方向偏向フィールド１３．２を有する非周期的な格子から成る（図４）。光は、スケール１への往路でもスケール１からの復路でも、このフィールド１３を通過するので、横方向に分裂する。格子パラメータを適当に選択することによって、検出器１３１に達する光から逆脈動基準マーク信号Ｒ１が発生させられる（図６）。他の部分は、横方向の第１の次数で偏向させられ、この次数のうちの１つは、光検出器１３２により検出され、これにより、脈動基準マーク信号Ｒ２が発生させられる（図６）。結果として生じる基準マーク信号Ｒは、逆脈動基準マーク信号Ｒ１と脈動基準マーク信号Ｒ２を重ね合わせる（Ｒ＝Ｒ２−Ｒ１）ことによって発生させられる。基準マーク４を走査するための走査プレート９の形態は図４に、また走査光路は図５に、図示されている。この走査原理は、詳細に欧州特許第０ ６６９ ５１８号明細書内で説明されており、この走査原理の開示が考慮される。

上のトラックの走査ビーム１２を光検出器１３１，１３２，１３３，１３４に視準するために、コリメータ８の第１のセグメントが使用され、下のトラックの走査ビーム１１を光検出器１１１，１１２，１１３に視準するために、コリメータ８の第２のセグメントが使用される。これらのセグメントは、図１においては、概略的にしか図示されてない。

非周期的な位相格子の形の基準マーク４は、測定目盛り３の複数の目盛り周期にわたって延在する。走査フィールド１３が、基準マーク４に正確に相対している場合、光検出器１３１，１３２は、インクリメンタルカウントパルスに一義的に対応する基準マーク信号を発生させる。このカウントパルスは、補間法によって測定目盛り３の目盛り周期よりも小さい経路部分を一義的に限定する。

基準マーク４の左側では、スケール１が一様に反射する。走査装置２が反射型のこの領域マーク５に向かい合って位置するように存在する場合、入射する走査ビーム１２は、図７の走査光路に従って光検出器１３１に整向される。

基準マーク４の右側には、回折格子６が、領域マークとしてスケール１に配設されている。この回折格子６は、０次の回折次数を十分に抑制し、入射する走査ビーム１２を±１次の回折次数に偏向させる位相格子である。回折格子６で反射され、かつ測定方向Ｘに偏向させられるこれらの回折次数は、コリメータ８によって光検出器１３３，１３４に集中させられる。この走査光路は、図８に図示されている。

即ち、光は、領域マーク５，６において、スケール位置に依存してその方向を偏向させられる。特に方向偏向のために適しているのは、格子定数及び／又は格子整向のその特性を有する格子である。方向偏向の情報は、レンズ８の焦点面内でコード化される。何故なら、各格子定数及び各格子方向に、レンズ８の焦点面内の一点が割り当てられているからであり、ここには、適当な光要素１３１，１３３，１３４を配置することができる。

測定目盛り３、基準マーク４及び領域マーク６は、有利なことに位相格子であり、これは、これらの格子３，４，６が共通の方法ステップで形成できるので、格子３，４，６の互いに正確な割り当てが保証されるという利点を必然的に伴う。この例では、位相格子６が測定目盛り３と同じ格子パラメータを有する。

基準マーク４の右側及び左側の光学的に異なった形態によって、走査ビーム１２は、一方の方向に反射されて光検出器１３１に整向されるか、これとは異なった方向に反射されて光検出器１３３，１３４に整向されるかのいずれかである。従って、両方の位置では、一義的な領域信号Ｂ（図１０）が提供される。従来技術とは異なり、基準マーク４の両側では、ゼロより大きい領域信号が提供されるので、例えば汚染による走査光路の中断も識別することができる。

本発明による措置により、基準マーク４及び領域マーク５，６を共通のトラック内に、即ち測定方向Ｘに相前後して配設することが可能であるので、領域４，５，６は、共通の光ビーム１２によって走査される。光検出器１３１又は光検出器１３３，１３４への転向は、スケール１の領域５及び６の方向選択的な反射機能によって行なわれる。領域５及び６の方向選択的な反射は、他の方法でも、例えば、透過光走査原理の場合に異なるように傾斜させられた反射面又は楔状のガラス面によって、又は縦方向（Ｘ方向）又は横方向（Ｙ方向）に偏向させる振幅格子又は位相格子の形の種々の偏向格子領域によって行なうことができる。

図１０に図示された領域信号Ｂを発生させるため、光検出器１３１の出力信号Ｒ１及び光検出器１３３，１３４の出力信号Ｂ１は、差回路２０に供給される。領域信号Ｂの振幅から、走査装置２が基準マーク４の右側に存在するのか、左側に存在するのかが、一義的に識別可能である。レベルの相互の間隔が比較的大きいことが明らかである。減算によって、領域信号Ｂは、十分に照明強さに依存しなくなる。

図９には、詳細に、領域信号Ｂを形成するための特に有利な評価ユニットが図示されている。逆脈動基準マーク信号Ｒ１と脈動基準マーク信号Ｒ２は、加算装置２１において、信号Ｂ２＝Ｒ１＋１．４５・Ｒ２へと異なった重み付けをするように加算される。これにより、基準マーク４の領域内で、さもなければ比較的強く変動する領域信号Ｂの平滑化が得られる。加算装置２１の出力信号Ｂ２並びに信号Ｂ１は、領域信号Ｂ＝Ｂ２−３・Ｂ１を形成するための差回路２０に供給される。領域信号Ｂは、領域信号Ｂを基準値Ｂ０と比較する比較装置２２に供給される。領域信号Ｂが基準値Ｂ０よりも大きい場合、これは、走査装置２が基準マーク４の右側に存在することを意味する。領域信号Ｂが基準値Ｂ０よりも小さい場合、これは、走査装置２が基準マーク４の左側に存在することを意味する。

導入部で言及した従来技術（特許文献１）の場合、領域マークに加えて、基準マークの左右に、いわゆる制御マークがスケールの端部に取り付けられている。これらの制御マークは、走査装置の極限位置を限定し、終端位置スイッチ又はリミットマークとも呼ばれる。この様式の終端位置スイッチもしくはリミットマークを有する位置測定装置は、独国特許第４１ １１ ８７３号明細書及び欧州特許第０ １４５ ８４４号明細書にも記載されている。

本発明により形成される領域マークを有する位置測定装置の場合、限界位置スイッチの機能は、領域マーク５，６がリミット領域５０，６０内で部分的にカバーされることによって、特に有利に実現可能である。このため、図２に図示されているように、ブラインド５１，６１がスケール１に取り付けられている。これらのブラインド５１，６１は、スケール１を包囲するバネ板から成る摺動可能なクランプの形で実現されていても、スケール１の表面に、蒸着、接着されていても、フィルタガラスの形で構成されていても良い。ブラインド５１，６１は、特に、光検出器１３３，１３４；１３１の出力信号Ｂ１；Ｒ１にも、従ってリミット領域５０，６０内の領域信号Ｂのレベルにも、影響を与える。領域信号Ｂの推移を基にして、スケール１の異なった４つの領域、即ち左のリミット領域５０、基準マーク４の左の領域５、基準マーク４の右の領域６、並びに右のリミット領域６０を識別することができる。走査ビーム１２の異なった偏向がリミット領域５０，６０内で維持されたままなので、リミット領域５０，６０内でも、方向情報−基準マーク４の右側もしくは左側−が包含されている。

図９には、図１１に図示されているようなリミット信号Ｌを発生可能にする特に有利な回路装置が図示されている。これにより発生させられるリミット信号Ｌは、リミット領域５０，６０と残りの領域との間に比較的高いレベル差を備える。従って、ＳＮ比は比較的大きい。

リミット信号Ｌを発生させるため、回路装置は、加算装置２１を備え、この加算装置は、逆脈動基準マーク信号Ｒ１及び脈動基準マーク信号Ｒ２を、信号Ｂ２＝Ｒ１＋１．４５・Ｒ２へと異なった重み付けをするように加算する。加算装置２１の出力信号Ｂ２並びに信号Ｂ１は、信号Ｌ１＝Ｂ２＋３・Ｂ１を形成するための別の加算装置２３に供給される。信号Ｌ１は、リミット信号Ｌ＝Ｌ１−Ｍを形成するための差回路２４に供給され、その際、Ｍは、加算装置２５内で加算される測定目盛り３の測定信号Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３の合計である。リミット信号Ｌは、比較装置２６に供給され、この比較装置において、リミット信号Ｌは、基準値Ｂ０と比較される。リミット信号Ｌが基準値Ｂ０よりも大きい場合、これは、走査装置２が許容可能な領域内に存在することを意味する。リミット信号Ｌが基準値Ｂ０よりも小さい場合、これは、走査装置２がリミット領域５０又は６０内に存在することを意味する。走査装置２が、右のリミット領域に存在するのか、左のリミット領域に存在するのかは、領域信号Ｂを基にして確認される。

リミット領域５０，６０内の領域マーク５，６の光学的な影響によって、光検出器１３１もしくは１３３，１３４への方向選択的な偏向が維持されたままなので、リミット領域５０，６０を走査するための付加的な光検出器は何ら必要ない。更に、領域マーク５，６及びリミット領域の場所を節約する配設が保証されている。走査信号Ｒ１，Ｂ１が、第１の結合規則により回路装置内で領域信号Ｂを形成するため及びこの第１の結合規則とは異なった第２の結合規則によりリミット信号Ｌを形成するために組み合わせられ、その際、第１の結合規則が走査信号の減算（Ｒ１−Ｂ１）を、また第２の結合規則が加算（Ｒ１＋Ｂ１）を包含する場合が有利である。スケール１の汚染もしくは走査光路の中断が生じた場合、リミット信号Ｌは、基準値Ｂ０以下に低下する。エラーの場合、この例では、リミット領域に達した場合と同じ情報が発生させられる。

選択的に、リミットマークは、回折次数の強度を変化させることによっても形成することができ、このため、線と間隙の比の格子パラメータが使用され、位相格子の場合には位相深度が使用される。この選択肢の場合、偏向させられた光の方向、従って領域情報は、同様に維持されたままである。

リミットマークは、入射する光を他の方向の別の光検出器へと転向させることで領域マーク５，６と区別される別の偏向領域によって形成してもよい。その際、特に、リミットマークは、領域マーク５，６の格子とは違った格子パラメータ（目盛り周期及び／又は格子方向）を有する格子である。１次の回折次数が検出された場合、リミット領域とは異なるレンズの焦点面内の場所が、これにより異なった光要素が使用可能である。

図示された例を基にして、スケール１は、反射型に形成されている。図示されてない方法では、スケールは、透過型に形成されていても良く、従って、格子３及び６は、透過型の回折格子として形成されている。即ち、本発明は、入射光並びに透過光の走査をする場合に実現可能である。

異なった光検出器１３１，１３３，１３４は、不連続の個別要素又は要素の配列である。

スケールに沿った複数の測定領域を識別するための領域マークは、上で説明した有利な例では、異なった格子パラメータを有する格子であり、その際、格子パラメータは、ある測定領域から他の測定領域へと飛躍的に変化する。これに対して選択的に、格子パラメータは、多数の測定領域を互いに識別可能に形成するために、連続的に変化しても良い。

領域マークの別の応用は、基準マークの両側の周辺フィールドのマーキングである。従って、基準マークの両側の領域内で、位置測定時に基準マークが期待されることを示し、従って、場合によっては処理速度を低減することができる領域信号を発生させることができる。

要約すると、本発明は、即ち、スケールとこのスケールに対して相対的に測定方向に可動の走査装置とを有し、
−スケールが、測定目盛りを備え、この測定目盛りを走査することによって周期的な測定信号が発生可能であり、
−スケールが、少なくとも１つの非周期的な基準マークを備え、この基準マークを非周期的な走査格子により走査することによって、基準マーク信号が発生可能であり、この基準マーク信号を介して、基準マークの位置に対して位置測定の絶対性が形成され、
−スケールが、基準マークの隣の一方の側と基準マークの隣の他方の側にそれぞれ１つの光学的に走査可能な領域マークを備え、この領域マークを走査ビームにより光電走査することによって、領域信号が発生可能であり、この領域信号の特性によって、走査装置が基準マークの一方の側に存在するのか、他方の側に存在するのかが識別可能であり、そして、
−領域マーク及び基準マークが、共通のトラック内に配設されており、
−領域マークが、光学的に異なるように偏向させる要素であり、これらの要素が、入射する走査ビームを、基準マークの一方の側では第１の光検出器に偏向させ、基準マークの他方の側では少なくとも１つの第２の光検出器に偏向させ、第１の光検出器の走査信号を第２の光検出器の走査信号と結合することにより結果として生じる領域信号の振幅によって、走査装置が基準マーク信号の一方の側に存在するのか、他方の側に存在するのかが識別可能である、位置測定装置を提供することにある。

位置測定装置の概略断面図を示す。 図１による位置測定装置のスケールに対する平面図を示す。 光検出装置に対する平面図を示す。 走査プレートに対する平面図を示す。 基準マークの領域内の走査光路を示す。 基準マーク信号を示す。 基準マークの一方の側の走査光路を示す。 基準マークの他方の側の走査光路を示す。 回路装置を示す。 領域信号を示す。 リミット信号を示す。

符号の説明

１ スケール
２ 走査装置
３ 測定目盛り
４ 基準マーク
５，６ 領域マーク
７ 光源
８ コリメータ
９ 走査プレート
１０ 光検出装置
１１ 走査ビーム
１２ 走査ビーム
１３ 走査フィールド
１３．１ フィールド
１３．２ フィールド
２０ 差回路
２１ 加算装置
２２ 比較装置
２３ 加算装置
２４ 差回路
２５ 加算装置
２６ 比較装置
５０，６０ リミット領域
５１，６１ ブラインド
１１１〜１１３ 光検出器
１３１〜１３４ 光検出器
Ｂ 領域信号
Ｂ０ 基準値
Ｂ１ 信号
Ｂ２ 信号
Ｌ リミット信号
Ｌ１ 信号
Ｍ 合計
Ｍ１〜Ｍ３ 測定信号
Ｒ 基準マーク信号
Ｒ１ 逆脈動基準マーク信号
Ｒ２ 脈動基準マーク信号
Ｘ 測定方向

Claims (9)

1. スケール（１）とこのスケールに対して相対的に測定方向（Ｘ）に可動の走査装置（２）とを有し、
   −スケール（１）が、測定目盛り（３）を備え、この測定目盛り（３）を走査することによって周期的な測定信号（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）が発生可能であり、
   −スケール（１）が、少なくとも１つの非周期的な基準マーク（４）を備え、この基準マーク（４）を非周期的な走査格子により走査することによって、基準マーク信号（Ｒ１，Ｒ２）が発生可能であり、この基準マーク信号を介して、基準マークの位置に対して位置測定の絶対性が形成され、
   −スケール（１）が、基準マーク（４）の隣の一方の側と基準マーク（４）の隣の他方の側にそれぞれ１つの光学的に走査可能な領域マーク（５，６）を備え、この領域マーク（５，６）を走査ビーム（１２）により光電走査することによって、領域信号（Ｂ）が発生可能であり、この領域信号の特性によって、走査装置（２）が基準マーク（４）の一方の側に存在するのか、他方の側に存在するのかが識別可能である、位置測定装置において、
   −領域マーク（５，６）及び基準マーク（４）が、共通のトラック内に配設されていること、
   −領域マークが、光学的に異なるように偏向させる要素（５，６）であり、これらの要素が、入射する走査ビーム（１２）を、基準マーク（４）の一方の側では第１の光検出器（１３１）に偏向させ、基準マーク（４）の他方の側では少なくとも１つの第２の光検出器（１３３，１３４）に偏向させ、第１の光検出器（１３１）の走査信号（Ｒ１）を第２の光検出器（１３３，１３４）の走査信号（Ｂ１）と結合することにより結果として生じる領域信号（Ｂ）の振幅によって、走査装置（２）が基準マーク信号（４）の一方の側に存在するのか、他方の側に存在するのかが識別可能であることを特徴とする位置測定装置。
2. 光学的に偏向させる要素が、異なった格子パラメータを有する格子（５，６）であることを特徴とする請求項１に記載の位置測定装置。
3. 測定目盛り（３）、基準マーク（４）及び領域マーク（５，６）が、位相格子であることを特徴とする請求項２に記載の位置測定装置。
4. 第１及び第２の光検出器（１３１，１３３，１３４）が、基準マーク（４）に入射する走査ビーム（１２）がこれら第１及び第２の光検出器（１３１；１３３，１３４）の少なくとも１つに整向されるように配設されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の位置測定装置。
5. 基準マーク（４）の第１の側の領域マーク（５）が、反射型又は透過型に形成されており、基準マーク（４）の第２の側の領域マーク（６）が、回折格子として形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の位置測定装置。
6. スケール（１）が、リミット領域（５０，６０）を備え、リミット領域（５０，６０）が、領域マーク（５，６）の光学的な作用を部分的に変化させることによって形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の位置測定装置。
7. リミット領域（５０，６０）が、領域マーク（５，６）を部分的にカバーすることによって形成されていることを特徴とする請求項６に記載の位置測定装置。
8. リミット領域（５０，６０）を形成するために、それぞれ１つのブラインド（５１，６１）が領域マーク（５，６）に取り付けられていることを特徴とする請求項７に記載の位置測定装置。
9. 領域信号（Ｂ）を形成するために、走査信号（Ｒ１，Ｂ１）の減算を包含する第１の結合規則により、第１の光検出器（１３１）の走査信号（Ｒ１）が第２の光検出器（１３３，１３４）の走査信号（Ｂ１）と組み合せられ、リミット信号（Ｌ）を形成するために、走査信号（Ｒ１，Ｂ１）の加算を包含する第１の結合規則とは異なった第２の結合規則により、第１の光検出器（１３１）の走査信号（Ｒ１）が第２の光検出器（１３３，１３４）の走査信号（Ｂ１）と組み合わされることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１つに記載の位置測定装置。

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