JP5717633B2 - 光学式位置測定装置 - Google Patents
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Description
本発明による光学式位置測定装置の有利な実施形態が、従属請求項に記載の手段から得られる。
即ち、本発明による光学式位置測定装置の基準マーク部分区域は、特に、基準マーク対称軸に隣接して構造パターンがそれぞれ最小目盛周期を有し且つ測定方向に外方に向かってそれぞれ次第に大きくなる目盛周期が設けられているように形成されていることが好ましい。
−L/2≦x<0の場合、fMS(x)=2f0(2x/L+1)
0≦x≦L/2の場合、 fMS(x)=|2f0(2x/L−1)|
ただし、L=n/f0(nは整数)であり、また、
fMS(x)=測定方向x内の位置の関数としての目盛本体側目盛周波数
f0=平均目盛本体側目盛周波数
L=2つの基準マーク部分区域内の構造パターンの測定方向xの長さの和
すなわち、基準マークの測定方向xの長さ
である。
−L≦x<0の場合、fDet(x)=(2/k)f0(x/L+1)
0≦x≦Lの場合、 fDet(x)=|(2/k)f0(x/L−1)|
ただし、
fDet(x)=測定方向x内の位置の関数としての検出器側目盛周波数
f0=平均目盛本体側目盛周波数
L=検出装置の2つ要素配置各々の測定方向xの長さ
k=1、2
測定方向内の光源の幅が次のように選択されることが好ましい。
bLQ<1/(2f0)
ただし、
bLQ=測定方向内の光源の幅
f0=平均目盛本体側目盛周波数
この場合、測定方向内の送光スリットの幅は次のように選択されてもよい。
bSP<1/(2f0)
ただし、
bSP=測定方向内の送光スリットの幅
f0=平均目盛本体側目盛周波数
しかしながら、代替態様として、基準マーク及び増分目盛は、振幅格子として又は90°位相偏差及び1:1の目盛比を有する位相格子として形成されていてもよい。
この場合、検出装置は、アレイ検出要素の第1のセット及びアレイ検出要素の第2のセットを含み、この場合、それぞれ1つのセットのアレイ検出要素が出力側で1つに結合されていてもよい。
しかしながら、検出装置の要素が1つの走査格子の目盛領域として形成され、それらの後方に少なくとも1つの広面検出要素が配置されていてもよい。
この場合、検出要素が2つの広面検出要素を含み、それらの手前に相補的に形成された走査格子が配置されていてもよい。
本発明のその他の詳細及び利点は、本発明による光学式位置測定装置の実施例の図面に関する以下の記載により説明される。
dR1<dR2<dR3<dR4
その結果、基準マーク11の2つの基準マーク部分区域11A、11B内の構造パターンは、いわゆる連続可変目盛構造パターンとして形成され、この場合、基準マーク対称軸RSに対して鏡像対称の連続可変状態が2つの基準マーク部分区域11A、11Bに設けられている。このように、基準マーク11は、本発明により、対称的な連続可変構造パターンを有している。
−L/2≦x<0の場合、fMS(x)=2f0(2x/L+1) (式1.1)
0≦x≦L/2の場合、 fMS(x)=|2f0(2x/L−1)| (式1.2)
ただし、
L=n/f0(nは整数) (式1.3)
であり、また、
fMS(x)=測定方向xの位置の関数としての目盛本体側目盛周波数
f0=平均目盛本体側目盛周波数
L=2つの基準マーク部分区域内の構造パターンの測定方向x内の長さの和
すなわち、基準マークの測定方向xの長さ
である。
しかしながら、検出装置22をこのように形成する代わりに、検出装置22の要素が1つの走査格子の目盛領域であり、それらの後方に広面の検出要素が配置されていてもよい。この可能性に関して、第4の実施例に関連して以下に説明する。
−L≦x<0の場合、fDet(x)=(2/k)f0(x/L+1) (式2.1)
0≦x≦Lの場合、 fDet(x)=|(2/k)f0(x/L−1)| (式2.2)
ここで、
fDet(x)=測定方向x内の位置の関数としての検出器側目盛周波数
f0=平均目盛本体側目盛周波数
L=検出装置の2つの要素配置各々の測定方向x内の長さ
k=1、2
である。
即ち、k=1は、目盛本体10又は増分目盛12の側面上で本質的に+/−1次の回折次数が発生される装置を表わす。この場合、増分目盛12のみならず基準マーク11もまた、180°の位相偏差及び1:1の目盛比を有する位相格子として形成されている。
k=2の場合は、目盛本体の増分目盛が+/−1次の回折次数のみならず0次の回折次数もまた発生され且つ信号ゲインに寄与する装置が表わされる。この場合、検出側に特定の検出平面が存在し、この検出平面内において目盛本体の走査から発生されたストリップ・パターンの最大コントラストが存在する。このために適した増分目盛並びに付属の基準マークは、振幅格子として形成されているか、又は90°の位相偏差及び1:1の目盛比を有する位相格子として形成されている。
連続可変基準マークに関して、上記の目盛比は、この場合、それぞれ局部的な目盛比である。
bLQ<1/(2f0) (式3)
ただし、bLQ=測定方向内の光源の幅
f0=平均目盛本体側目盛周波数
TPINC=8μm(信号周期=4μm)
f0=35/mm
L=1mm
k=1
この場合、光源21として、点光源例えばいわゆるVCSEL光源(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)が設けられている。
測定方向xの送光スリット151の幅bに関しては、次式(4)を満足することが好ましい。
bSP<1/(2f0) (式4)
図6に、シールド150の平面図が示されている。シールド150は、基準パルス信号RIを発生するための上記の送光スリット151のほかに、y方向に隣接して配置された増分走査のための送光格子161をさらに含む。
基準パルス信号RIの発生に関して、この変更態様においてもまた同様に、目盛本体110上に、2つの基準マーク部分区域111A、111B内に対称的な連続可変構造パターンを有する基準マーク111を形成するように設計されている。走査ユニット120側の走査手段は、第1の例においてと同様に、発散光源121のほかに、例えばアレイ検出要素の同様に対称的な連続可変配置を有する検出装置122を含む。具体的配置の規則性に関しては、上記した説明を参照されたい。
TPINC=8μm(信号周期=4μm)
f0=7.5/mm
L=2.133mm
bSP=0.048mm
k=1
この実施態様においては、増分信号の信号周期よりも著しく幅が広い基準パルス信号が発生される。したがって、増分信号の信号周期の幅を有する基準パルス信号を保持するために、後段で基準パルス信号を適切に処理することが必要である。
これまで説明した例ではk=1としたが、第3の実施例では、k=2を選択するように設計されている。これは、他の目盛本体210が使用されることを意味する。即ち、ここでは、明らかにより大きい目盛周期を有する増分目盛が設けられている。即ち、信号ゲインにおいて、+/−1次の回折次数のほかに、発生された0次の回折次数もまた使用される。
この実施例においては、使用された走査原理及び0次の回折次数に基づき、検出装置222の要素が基準マーク211の基準マーク部分区域211A、211B内の構造パターンの倍率が拡大された像に対応するように、検出装置222の要素が測定方向xに沿って配置されている。
本発明による光学式位置測定装置の第3の実施例の具体的な態様に対して、次のパラメータが設定されている。
光源(LED)の空間的幅:300μm
TPINC=20μm(信号周期=20μm)
f0=11/mm
L=2mm
bSP=0.045mm
k=2
これらのパラメータの選択により、この例においては、増分信号周期に対応する幅を有する基準パルス信号が発生される。
これまでに説明した第1〜第3の実施例においては、対応して連続可変に配置された検出装置の要素がそれぞれ適切な検出器アレイのアレイ検出要素として形成されてきた。第4の実施例においては、対応して連続可変に配置された検出装置322の要素は走査格子の目盛領域322.11...322.1nないしは322.21...322.2nであり、その後方にそれぞれ、広面検出要素322.1、322.2が配置されているように設計されている。図示の実施例においては、検出装置322は、それぞれ四角形に形成されている2つの広面検出要素322.1、322.2を含み、この場合、四角形の縦軸は測定方向xに伸長している。対応して連続可変に配置された目盛領域322.11...322.1nないしは323.21...323.2nを有する走査格子の相補の形態に基づき、検出要素322.1を介して基準パルス正相信号RITが発生され、及び検出要素322.2を介して位相が反対の基準パルス逆相信号RIGTが発生される。差分生成要素323を介してこれらの2つの信号から差が形成された後に、差分生成要素323の出口において基準信号RIが発生する。
検出装置322の形成に関するこのような変更態様は、例えば、比較的狭いアレイ検出要素が必要とされ且つこれが技術的にもはや製造不可能であるときに採用可能である。基本的に、このような検出器アレイに対しては、技術的制限に基づいてそれを下回ることができない特定の最小幅ないしは最小間隔が存在する。これに対して、光学式走査に関して同等に機能する広面検出要素上にそれに対応して細かい構造パターンの走査格子を形成すると、問題は少なくなる。
即ち、本発明による位置測定装置は、線形変位運動を測定するための長さ測定装置のみならず、回転軸の周りの回転運動を測定するための回転位置測定装置もまた形成可能である。
同様に、上記の透過光態様のほかに、それに対応して構成された、走査される反射目盛本体を有する入射光態様を本発明により形成することもまた可能であることは当然である。
Claims (13)
- 少なくとも1つの測定方向(x)において相互に相対的に可動な2つの物体の位置を測定するための光学式位置測定装置において、
前記2つの物体の一方と結合された目盛本体であって、該目盛本体は、測定方向(x)に伸長する増分目盛と基準位置(xREF)における少なくとも1つの基準マークとを有し、該基準マークは、基準マーク対称軸(RS)に対して鏡像対称に配置された2つの基準マーク部分区域を含み、該2つの基準マーク部分区域はそれぞれ、位置によって変化する目盛周期を有して前記測定方向(x)に伸長する構造パターンから構成されている、目盛本体と、
前記2つの物体の他方と結合された走査ユニットであって、該走査ユニットに、前記基準位置(xREF)において少なくとも1つの基準信号(RI)を発生するために使用される走査手段が付属され、該走査手段は、
前記目盛本体の方向に発散放射する光源と、
前記構造パターンの目盛周期が基準マーク対称軸(RS)から前記2つの基準マーク部分区域それぞれにおいて変化するのと同じ方向に、隣接要素間の中心間隔(dD1、...dDn)が中央の検出対称軸(DS)から測定方向(x)に変化し、かつ、前記2つの基準マーク部分区域からの構造パターンの拡大倍率の像に対応するように、前記測定方向(x)に沿って配置されている要素を有する検出装置と
を含む走査手段を備えた走査ユニットと
を有することを特徴とする光学式位置測定装置。 - 請求項1記載の光学式位置測定装置において、前記2つの基準マーク部分区域は、前記基準マーク対称軸(RS)に隣接して前記構造パターンがそれぞれ最小目盛周期を有し且つ前記測定方向(x)に外方に向かってそれぞれ順次大きくなる目盛周期を有することを特徴とする光学式位置測定装置。
- 請求項1記載の光学式位置測定装置において、前記2つの基準マーク部分区域内の位置によって変化する目盛周期の目盛本体側目盛周波数(fMS(x))は、x=0を前記基準マーク対称軸の位置として、
−L/2≦x<0の場合、fMS(x)=2f0(2x/L+1)
0≦x≦L/2の場合、fMS(x)=|2f0(2x/L−1)|
ただし、L=n/f0 (nは整数)
fMS(x)=測定方向x内の位置の関数としての目盛本体側目盛周波数
f0=平均目盛本体側目盛周波数
L=2つの基準マーク部分区域内の構造パターンの測定方向xの長さの和
すなわち、基準マークの測定方向xの長さ
を満足するよう選択されていることを特徴とする光学式位置測定装置。 - 請求項1記載の光学式位置測定装置において、前記検出装置の前記要素が、x=0を前記検出対称軸の位置として、
−L≦x<0の場合、fDet(x)=(2/k)f0(x/L+1)
0≦x≦Lの場合、fDet(x)=|(2/k)f0(x/L−1)|
ただし、fDet(x)=測定方向x内の位置の関数としての検出器側目盛周波数
f0=平均目盛本体側目盛周波数
L=検出装置の2つの要素配置各々の測定方向xの長さ
k=1、2
によって表される検出器側目盛周波数(fDet(x))で配置されていることを特徴とする光学式位置測定装置。 - 請求項1記載の光学式位置測定装置において、前記測定方向(x)の光源の幅は、
bLQ<1/(2f0)
ただし、bLQ=測定方向内の光源の幅
f0=平均目盛本体側目盛周波数
を満足するように選択されていることを特徴とする光学式位置測定装置。 - 請求項1〜5いずれかに記載の光学式位置測定装置において、前記光源と前記目盛本体との間に送光スリットを有するシールドが配置されていることを特徴とする光学式位置測定装置。
- 請求項6記載の光学式位置測定装置において、前記測定方向(x)の前記送光スリットの幅は、
bSP<1/(2f0)
ただし、bSP=測定方向内の送光スリットの幅
f0=平均目盛本体側目盛周波数
を満足するように選択されていることを特徴とする光学式位置測定装置。 - 請求項1〜7いずれかに記載の光学式位置測定装置において、前記基準マーク及び前記増分目盛は、180°位相偏差及び1:1の目盛比を有する位相格子として形成されていることを特徴とする光学式位置測定装置。
- 請求項1〜6いずれかに記載の光学式位置測定装置において、前記基準マーク及び前記増分目盛は、振幅格子として又は90°位相偏差及び1:1の目盛比を有する位相格子として形成されていることを特徴とする光学式位置測定装置。
- 請求項1〜9いずれかに記載の光学式位置測定装置において、前記検出装置の前記要素は検出器アレイのアレイ検出要素として形成されていることを特徴とする光学式位置測定装置。
- 請求項10記載の光学式位置測定装置において、前記検出装置は、アレイ検出要素の第1のセット及びアレイ検出要素の第2のセットを含み、かつ、それぞれのアレイ検出要素がセット毎に出力側で1つに結合されていることを特徴とする光学式位置測定装置。
- 請求項1記載の光学式位置測定装置において、前記検出装置の前記要素は、1つの走査格子の目盛領域として形成され、それらの後方に少なくとも1つの広面検出要素が配置されていることを特徴とする光学式位置測定装置。
- 請求項1記載の光学式位置測定装置において、前記検出装置は2つの広面検出要素を含み、それらの手前に相補的に形成された走査格子が配置されていることを特徴とする光学式位置測定装置。
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