JP5436658B2 - キャリアに固定されたスケールを有する装置及びスケールをキャリアに保持する方法 - Google Patents

Description

２つの機械部品の相対位置を測定するため、これらの機械部品のうちの一方の機械部品にスケールを固定し、これらの機械部品のうちの他方の機械部品に走査ユニットを固定することが必要である。当該位置測定の場合、スケールの測定目盛が、走査ユニットによって走査され、位置に応じた走査信号が生成される。

スケールをキャリアに固定する可能性が、旧東ドイツ特許出願公開第２２９ ３３４号明細書に記されている。この場合、スケールが、空気の吸引によってキャリアに押し付けられる。当該吸引のため、吸引経路が、測定目盛の外側に設けられている。この吸引経路は、スケールをその全長にわたって一定の押圧力でキャリアに対して押し付けなければならない。

この場合、スケールをキャリア上に設置した場合に、当該接合が、このスケールとこのキャリアとの間の中間空間内の汚れ又は気泡の形成によって容易に妨害されうる点が問題である。これらの妨害は、スケールの測定目盛の長さを経時的に且つ局所的に変化させる。また、位置測定時の測定誤差が、当該変化から生じる。比較的大きい面のスケールの場合は、この問題が増幅して発生する。

ヨーロッパ特許出願公開第１ ７８３ ４６３号明細書では、密接部分によるスケールの固定が説明されている。広い面の密着部分の場合は、接触面内の障害物が当該密着部分の全体を剥離させうるという問題がある。何故なら、当該剥離が伝播するからである。密着された接合部分の広い面のこの剥離を阻止するため、ヨーロッパ特許出願公開第１ ７８３ ４６３号明細書による接触面が、互いに間隔をあけた多数の小さい接触面に分割されている。確かに、スケールをキャリア上に確実に固定することが、当該構造によって保証されるものの、ストレスなく且つ測定目盛面の全体にわたって均質な押圧力が達成困難である。

このヨーロッパ特許出願公開第１ ７８３ ４６３号明細書では、空気の吸引によってスケールをキャリアに密着させることが指摘されている。エンコーダの測定動作中に空気の吸引によってスケールをキャリアに保持することが記載されていない。空気の吸引のための構造上の手段が同様に記載されていない。

旧東ドイツ特許出願公開第２２９ ３３４号明細書 ヨーロッパ特許出願公開第１ ７８３ ４６３号明細書

本発明の課題は、キャリアに固定されたスケールを有する装置を提供することにある。この場合、キャリアに接したスケールの長さが変化せずに保持される。さらに、当該スケールが、可能な限り一定な押圧力で且つ移動せずにキャリアのあらゆる場所に対して保持されなければならない。

この課題は、請求項１に記載の装置によって解決される。

この場合、スケールが、同一平面上に分散して配置され且つ互いに間隔をあけた支持部によってキャリアに支持されている。これらの支持部は、測定領域を画定する測定目盛に直接対向していて且つ相互の中心距離内に配置されている。この中心距離は、当該スケールの厚さより小さい。さらに、支持部とスケールとの間及び／又は支持部とキャリアとの間の密着による接合が、このスケールの少なくとも測定領域内で阻止されているように、これらの支持部は形成されている。均質な負圧をスケールとキャリアとの間の空間内に発生させるため、この空間は、密閉剤によって周囲から気密に密閉されている。

当該密着による接合は、複数の手段によって阻止され得る。

これらの手段のうちの１つの手段は、高い凹凸が、支持部とスケールとの間及び／又は支持部とキャリアとの間の密着による接合を阻止するように、これらの接触している表面領域が、当該高い凹凸を有する点である。特に、これらの接触している表面のうちの少なくとも１つの表面の凹凸は、１ｎｍより大きい。これらの表面は、密着を阻止する被覆部、特に金属の被覆部又は疎水性に作用する被覆部を有してもよい。

当該密着を阻止するための別の手段は、スケールの支持部が対向面に点接触するだけであるようにこれらの支持部を形成することである。

本発明の別の課題は、スケールをキャリアに保持するための方法を提供することにある。これによって、キャリアに接したスケールの長さが変化せずに保持され、当該スケールが、可能な限り一定な押圧力で且つ移動せずにあらゆる場所に対して保持される。

この課題は、請求項１３に記載の方法によって解決される。

本発明のその他の好適な構成は、従属請求項に記載されている。

本発明によれば、可能な限り大きくて均質な表面力が保持力として印加されることによって、空気の吸引の実現可能な利点が利用されると同時に、互いに分離された多数の支持部が設けられることによって、大きい面の接触の欠点が回避される。

邪魔な媒体が、互いに間隔をあけた複数の支持部によって形成された空間内に堆積しうるので、−大きい面のスケールの−平面度も維持されているか又は損なわれない。測定目盛面内の短い周期の長さの誤差が、本発明の手段によって回避され、高い測定精度が保証される。

当該スケールが、測定動作中にキャリアに不動に固定されている。このことは、測定方向及び測定目盛面に対して垂直な方向の高い剛性を意味する。

本発明によれば、上記の密着とは違って、空気の吸引によって発生した保持力が、スケールの全面にわたって均一に印加することが保証される。このことは、スケールとキャリアとの間の接触面での密着が阻止されることによって実現される。したがって、当該接触面が高精度に加工される必要がなくて、研磨されている表面で十分であるという利点もある。

本発明の実施の形態を図面に基づいて詳しく説明する。

第１の実施の形態によるキャリアに保持されたスケールの横断面図である。 図１による装置の正面図である。 図１による装置のスケールの下面図である。 第２の実施の形態によるキャリアに固定されたスケールを有するこのキャリアの横断面図である。 図４による装置の正面図である。

本発明の第１の実施の形態を図１〜３に基づいて説明する。この場合、ガラス又はガラスセラミック（例えば、ＺＥＲＯＤＵＲ）製のスケール１が、測定目盛１１と共に示されている。この測定目盛１１は、インクリメンタル目盛である。このインクリメンタル目盛は、測定方向Ｘに沿った位置測定時に位置に応じて走査信号を生成するための図示されなかった走査ユニットによって走査される。この測定目盛１１は、反射式の振幅格子又は位相格子でもよい。当該格子は、干渉式の高精度な位置測定のために既知の方法で使用される。スケール１が、この位置測定中に空気の吸引によってキャリア２に対して保持されている。空気の吸引は、真空によって押し付けることを意味し、バキュームクランプのことも意味する。キャリア２は、特にスケール１と同じ膨張係数を有する材料から成る。スケール１及びキャリア２の０〜５０℃の温度範囲内での平均熱膨張率αは、ＺＥＲＯＤＵＲ、ＳＩＴＡＬ及びＵＬＥのようないわゆるゼロ膨張のガラスを使用する場合は特に０．１×１０^−６Ｋ^−１未満であり、例えばＩＮＶＡＲのような金属を使用する場合は１．５×１０^−６Ｋ^−１未満である。

隆起部１２が、キャリア２に面したスケール１の表面上に形成されている。これらの隆起部１２は、同一平面上に間隔をあけて分散して配置されていて、幾何学的に同一に規則的なラスター状に分散しているか又は統計学的に分散している。これらの隆起部１２は、スケール１の厚さＤより小さい相互の中心距離Ａを伴って配置されている。特に、これらの隆起部１２は、スケール１の厚さＤの１／１０より小さい相互の中心距離Ａで配置されている。これらの条件は、これらの隆起部１２の同一平面上の分散部分のあらゆる場所で満たす必要があるものの、少なくとも測定領域Ｍの内部で満たす必要がある。この測定領域Ｍは、高精度の位置測定に利用される測定目盛１１の領域によって決定されている。スケール１の厚さＤは、測定目盛１１が設置されている測定目盛面Ｅとキャリア２の搭載面２１との間の距離である。

この手段によって、上記の固定によって印加される全ての引っ張り応力及び圧縮応力が、スケール１の厚さＤによって減少し且つ測定目盛面Ｅ内で長さの誤差として作用しない程度の当該引っ張り応力及び圧縮応力が、３次元的に頻繁に発生することが保証される。スケール１が、測定目盛１１に直接対向する支持部によって測定動作中にキャリア２に不動に固定されている。このことは、測定方向Ｘ及び測定目盛面Ｅに対して垂直な方向の高い剛性を意味する。

隆起部１２の高さＨは、好ましくは２０μｍより大きい。良好な値は、特に５０μｍ〜２００μｍである。スケール１の厚さＤの典型的な値は、１〜１５ｍｍである。これらの隆起部１２は、スケール１のための、同一平面上に分散して配置され且つ互いに間隔をあけた複数の支持部を形成する。

高い剛性が、表面領域１２１と搭載２１との間の密着による接合を阻止する程度に、スケール１の隆起部１２の、キャリア２に接触するこれらの表面１２１及び／又はキャリア２の、隆起部１２に接触するこれらの搭載面２１が、当該高い剛性を有する。特に、これらの接触する表面１２１，２１のうちの少なくとも１つの表面のあらさは、１ｎｍより大きい。

図３は、吸引経路４に達する複数の開口経路が、複数の隆起部１２間に形成されるように、スケールの下面に同一平面上に間隔をあけて分散しているこれらの隆起部１２を示す。空気が、この手段によって当該開口経路を流れてスケール１の全面にわたって均質に吸引され得る。このことは、スケール１の良好な平面度を保証する。空気の吸引によって発生した保持力が、当該全面にわたって均一に作用可能である。その結果、スケール１が、あらゆる場所で少なくともほぼ同じ力によってキャリア２の載置面２１に押し付けられる。隆起部１２は、図３中に概略的に示されているように正方形を成し得る。しかし、これらの隆起部１２は、例えばシリンダ形のようなその他の形を成してもよい。

スケール１の平面度を悪くしたスケール１とキャリア２との間に存在する粒子の大部分が２０μｍ以下の大きさを有することが分かっている。この理由から、開口経路が、少なくとも２０μｍの幅Ｂを有すること、すなわち隆起部１２の載置面１２１間の相互の縁距離が、少なくとも２０μｍであることが好ましい。十分な保持力を保証するため、隆起部１２の載置面１２１の線形膨張は、中心距離Ａより明らかに小さくなくてはならない。

スケール１とキャリア２との間の空間が、密閉剤３によって周囲から密閉されている。不安定な外力が、この密閉剤３によって作用しないように、この密閉剤３は形成され配置されている。特に、剪断応力が阻止されなければならない。

第１の実施の形態では、密閉剤３は、接着化合物である。高粘度液体、シリコン、彫塑用粘度、エポキシ樹脂、接着剤又は接着テープが、接着化合物として使用され得る。液体を密閉剤として使用する場合、当該液体は、１００Ｎｓ／ｍ^２より大きい粘性を有しなければならない。

当該接着化合物の代わりに、例えばＴｅｆｌｏｎ（登録商標）又はＰｅｒｂｕｒａｎ（登録商標）のような、例えば合成樹脂から成る密閉縁部も使用され得る。

当該密閉剤は、周設されている固定ウェブでもよく、又はスケール１及び／又はキャリア２に密着して形成されてもよく、又はスケール１及び／又はキャリア２に取り付けられてもよく、又は中間要素の形態の独立した部品としてスケール１及び／又はキャリア２に取り付けられてもよい。当該密閉剤が、キャリア２及び／又はスケール１に密着して形成されている場合、この密閉剤は、好適な方法で隆起部１２と同じ製造工程によって製造されている。当該密閉剤３は、スケール１及び／又はキャリア２の溝内に嵌合されてもよい。

空気が、吸引経路４に通じている開口部２２を通じて吸引される。この吸引経路４は、測定領域Ｍを包囲して、特に測定領域Ｍに対して周設されて測定目盛１１の外側に配置されている。測定領域Ｍの外側は、位置を高精度に測定するために使用される測定目盛１の領域の外側を意味する。さらに、吸引経路４は、スケール１及び／又はキャリア２内の、密閉剤３によって密閉された空間の内部に配置されている。スケール１とキャリア２と吸引経路４の十分に大きい横断面との間の当該空間が、十分に密閉されている場合、小さい漏れ箇所が、密閉剤３中にあっても、吸引経路４内の有害な圧力低下が発生しない。これによって、均質な負圧が、スケール１とキャリア２との間の空間内にも発生することが保証される。それ故に、一方では、吸引経路４の横断面が、当該測定領域内で最大に発生する漏れ箇所より著しく大きいことが好ましい。これによって、スケール１とキャリア２との間の空間内の圧力低下が阻止される。他方では、吸引経路４が、測定領域Ｍから離れて配置されていることが好ましい。この場合、当該距離Ｆは、スケール１の厚さＤより大きくなくてはならない。これによって、吸引経路４を通じてどうしても入り込む異物が、横方向の距離Ｆを経由して除去され、測定目盛面Ｅに達しない。また、測定目盛面Ｅのためのスケール１の厚さＤにわたって良好に抑制され、３次元的に頻繁に発生しうる上記の引っ張り応力及び圧縮応力だけを生成するため、特に吸引経路４の幅Ｋは、スケール１の厚さＤに比べて狭い。吸引経路４の必要な大きい横断面を実現するためには、当該横断面を対応する深さＴで形成することが必要である。

図３中に概略的に示されているように、例えば隆起部１２の形態の支持部が、吸引経路４の外側にも配置されていることが好ましい。これによって、スケール１の縁部の曲げ応力の発生が阻止される。

密閉された空間内で発生した最終圧力は、一般に１００〜８００ｍｂａｒの範囲内にある。この場合、経過時間に対する圧力の変化は２ｍｂａｒより小さい。

上述した実施の形態の場合、いぼ状の突起の形態の互いに間隔をあけた隆起部１２は、スケール１に対して一体的に形成されている。隆起部１２の領域がマスクされ、これらの隆起部１２の周りの材料がエッチングされることによって、これらの隆起部１２が、特に公知の構造化方法によって形成される。

この代わりに又はこれに追加して、複数の隆起部が、キャリア２に形成されてもよい。

スケール１又はキャリア２に形成された隆起部１２は、例えば鋸引き、フライス盤での切削加工、ビーム加工又はレーザー加工のようなその他の切削方法によっても形成され得る。

当該支持部は、スケールとキャリアとの間に挿入されている個別の不変なスペーサー要素によって形成されてもよい。これらのスペーサー要素は、スケール又はキャリア上に被覆されて構造化された層から形成され得る。これらのスペーサー要素は、特に構造化された中間層又は穿孔された金属膜でもよい中間板の形態の一体的に取り扱い可能な１つの部品として形成されてもよい。

部分的な密着を確実に回避するため、スケールを点接触させる複数の支持部を使用することが特に好ましい。

図４及び５による第２の実施の形態で概略的に示されているように、スケール１．２用の支持部として球を使用することが好ましい。スケール１．２を保持剤１３を介してキャリア２．２に対して完全に取り付けた状態では、これらの球１２．２は、このキャリア２．２に対する当該球１２．２の位置で不動に保持されている。この場合、不動は、一方では当該球１２．２の位置がキャリア２．２に対して不動であることを意味し、他方では当該球１２．２が回転不可能であることを意味する。

球１２．２は、特に２０μｍ〜２００μｍの直径Ｈ２を有し、好ましくはスケール１．２と同じ膨張係数を有する材料から成る。球１２．２をスケール１２．２又はキャリア２．２に対して移動しないように保持するため、好ましくは層としての保持剤１３が使用される。球１２．２が、この層内に当該場所から動かないように接着されている。この層は、例えばフォトレジスト、重合体又はフィルムであり、球１２．２の直径Ｈ２の一部である厚さ、一般には０．２〜２μｍの厚さを有する。

図５中には、スケール１．２の同一平面状の測定目盛１１．２が正面図で示されている。スケール１．２とキャリア２．２との間の球１２．２の同一平面上に分散した配置をより良好に図示可能にするため、スケール１．２の外観の一部が省略されている。

スケール１．２とキャリア２．２との間の空間の要求される密閉を実現するため、この例では、薄片形状の密閉縁部３．２が使用されている。この密閉縁部３．２は、一方ではスケール１．２に対して固定されていて、他方ではキャリア２．２の溝５内に嵌合している。密閉縁部３．２の内側の面が、溝５の内側の境界面５１に当接するように、この密閉縁部３．２は、キャリア２．２の溝５内に嵌合している。この境界面５１は、密閉縁部３．２の境界面と揃っている。この場合、この密閉縁部３．２の境界面は、測定目盛面Ｅ２に対して垂直に指向されている。また、吸引経路４．２が、密閉された空間内に配置されている。この吸引経路４．２は、第１の実施の形態にしたがって寸法決めされている。当該第２の実施の形態の図面では、機能上同じに作用する構成要素及び寸法符号は、インデックス「２」だけを補足した第１の実施の形態と同じ符号を有する。

１ スケール
１．２ スケール
２ キャリア
２．２ キャリア
３ 密閉剤
３．２ 密閉剤、密閉縁部
４ 吸引経路
４．２ 吸引経路
５ 溝
１１ 測定目盛
１１．２ 測定目盛
１２ 支持部、隆起部
１２１ 表面領域、載置面
１２．２ 支持部、球
１３ 層、保持剤
２１ 表面領域、搭載面
２２ 開口部
５１ 境界面
Ａ，Ａ２ 中心距離
Ｍ，Ｍ２ 測定領域
Ｘ 測定方向
Ｂ 幅
Ｋ 幅
Ｔ 深さ
Ｆ 距離
Ｈ，Ｈ２ 高さ
Ｅ，Ｅ２ 測定目盛面
Ｄ，Ｄ２ 厚さ

Claims (13)

1. キャリア（２，２．２）に保持されているスケール（１，１．２）を有する装置において、
   前記スケール（１，１．２）は、測定目盛（１１，１１．２）を有し、前記スケール（１，１．２）は、空気の吸引によって前記キャリアに保持されていて、
   前記スケール（１，１．２）は、同一平面上に分散して配置され且つ互いに間隔をあけた支持部（１２，１２．２）によって前記キャリア（２，２．２）に支持されていて、これらの支持部（１２，１２．２）は、測定領域（Ｍ，Ｍ２）を画定する前記測定目盛（１１，１１．２）に対向していて且つ相互の中心距離（Ａ，Ａ２）内に配置されていて、この中心距離（Ａ，Ａ２）は、前記スケール（１，１．２）の厚さ（Ｄ）より小さく、
   前記支持部（１２，１２．２）と前記スケール（１，１．２）との間及び／又は前記支持部（１２，１２．２）と前記キャリア（２，２．２）との間の密着による接合が、前記スケール（１，１．２）の少なくとも前記測定領域（Ｍ，Ｍ２）内で阻止されているように、前記支持部（１２，１２．２）は形成されていて、
   前記スケール（１，１．２）と前記キャリア（２，２．２）との間の空間が、密閉剤（３，３．２）によって周囲から密閉されている当該装置。
2. 高い凹凸が、前記支持部（１２）と前記スケール（１）との間及び／又は前記支持部（１２）と前記キャリア（２）との間の密着による接合を阻止するように、当該接触している表面領域（１２１，２１）が、前記高い凹凸を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記支持部（１２．２）が、前記スケール（１．２）及び／又前記キャリア（２．２）に点接触する結果、密着による接合が阻止されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 複数の支持部（１２，１２．２）が、少なくとも２０μｍの高さ（Ｈ，Ｈ２）と少なくとも２０μｍの相互の縁距離（Ｂ，Ｂ２）とを有する相互の自由空間を形成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. キャリア（２，２．２）の材料とスケール（１，１．２）の材料とは、同じ熱膨張係数を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記キャリア（２，２．２）及び前記スケール（１，１．２）の前記熱膨張係数は、１．５×１０^−６Ｋ^−１ 未満であることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 空気は、前記測定領域（Ｍ，Ｍ２）の外側に配置されている少なくとも１つの吸引経路（４，４．２）を通じて吸引されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記支持部を形成する隆起部（１２）が、前記スケール（１）又は前記キャリア（２）に対して同一平面上のラスター状に一体的に形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記支持部は、構造化された中間層内に形成されているスペーサー要素であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
10. 前記支持部は、球（１２．２）であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
11. 前記球（１２．２）は、保持剤（１３）によって当該球（１２．２）の位置で不動に保持されていることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 前記保持剤は、前記キャリア（２．２）又は前記スケール（１．２）上に配置された層（１３）であり、前記球（１２．２）が、この層（１３）内に封入されていて、この層（１３）の厚さは、前記球（１２．２）の直径（Ｈ２）の一部であることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. スケール（１，１．２）の測定目盛（１１，１．２）を走査して位置を測定する間に前記スケール（１，１．２）をキャリア（２，２．２）に保持する方法において、
    前記スケール（１，１．２）が、前記キャリア（２，２．２）に圧着するように、当該保持は、このスケール（１，１．２）を位置測定中に空気で吸引することによって実施され、
    前記スケール（１，１．２）は、同一平面上に分散して配置された支持部（１２，１２．２）によって支持され、これらの支持部（１２，１２．２）は、前記測定目盛（１１，１．２）に対向して配置されていて且つ相互の中心距離（Ａ，Ａ２）を有し、この中心距離（Ａ，Ａ２）は、前記スケール（１，１．２）の厚さ（Ｄ，Ｄ２）より小さく、
    前記支持部（１２，１２．２）と前記スケール（１，１．２）との間及び／又は前記支持部（１２，１２．２）と前記キャリア（２，２．２）との間の密着による接合が、前記スケール（１，１．２）の少なくとも測定領域（Ｍ，Ｍ２）内で阻止され、
    前記スケール（１，１．２）と前記キャリア（２，２．２）との間の空間内で作用する保持力が、当該空気の吸引によって発生され、この空間は、密閉剤（３，３．２）によって周囲から密閉されている当該方法。

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