CN1111936C - 光学位置测量装置 - Google Patents

Abstract

一种光学位置测量装置，它尤其适合于精确定位的驱动装置，这种装置包括两个彼此相对运动的驱动单元。其中一个驱动单元具有测量刻度，它是构成整体不可缺少的组成部分。这种测量刻度可以由一个与另一个驱动单元相连的扫描单元扫描，以产生与位置有关的输出信号。测量刻度直接或间接地至少被设置在驱动单元的一部分平坦的表面上。在两个驱动单元之间的距离应该使得在这两个驱动单元相互作用期间能够在这两个驱动单元之间产生一个确定的相对运动。

Description

光学位置测量装置

本发明涉及一种光学位置测量装置，这种装置尤其与驱动装置相结合可用于精确的定位。

在半导体制造中，经常采用各种不同结构型式的直线电机作为驱动装置，以实现不同部件的精确的相对定位。此处可能的使用范围例如有晶片处理或所谓的晶片检验。如果一个运动的部件不仅要在一维方向上，而且要在一个平面上定位，那么对于所用的测量***就有一定的要求，用这种测量***可以测量不同座标方向上的各个移动。除了检测在两个座标方向上的位移运动之外，常常还要检测要求定位的部件围绕一定的轴线所作的旋转运动。

如由US 4 654 571已知，对于每一个移动轴线都规定有一台单独的干涉仪。存在的问题除了测量范围局限、测量光路存在遮光等之外，尤其是由于目前每台干涉仪的成本较高，因而费用就相对较高。

此外在所采用的直线电机中，开始利用定子单元通常存在的周期性构造，除了去产生驱动运动之外，也去达到测量目的。根据所采用的直线电机的结构型式，对于这些构造来说就涉及到二维布置的齿形的电磁构造，或者就涉及周期性布置的不同极性或相同极性的永久磁铁。大致已经知道，借助于对磁场灵敏的元件，或者用对应的线圈布置来扫描这些构造，以便产生与位移有关的调制的扫描信号。这些用于产生驱动运动的周期性构造具有最小的刻度周期，其数量级为几个mm。因而在所产生的扫描信号方面得出一个可达到最高的分辨率，但这对于精密应用场合有时是不够的。

为了提高测量精度或者分辨率，因此要在两个运动的驱动单元之间设置一个公知的玻璃刻度支承座，在其上面设有测量刻度，例如将一个商用的正交光栅测量***装入到一个这样的驱动装置里。在相对于正交光栅测量刻度运动的驱动单元上设置了一个或者多个适合的扫描单元，通过这些单元就能够按已知的方式对测量刻度进行光学扫描，并对包括感兴趣的旋转角度在内的位置进行相应的确定。从原理上说，当位置测定时可以达到也能满足精密应用要求的这样一种分辨率，这是由于这样一种正交光栅可以用明显地小于mm范围的刻度周期来制作。若采用具有周期性的电磁构造的步进电机，那么可达到的推进力灵敏地与定子和运动的驱动单元或转子之间的距离有关。如果在两个彼此相对运动的驱动单元之间超出了某个一定的距离，那么就不再可能产生一个驱动运动。如果这所述的商用正交光栅测量***的玻璃刻度支承座布置在步进电机的两个运动单元之间的几个mm的厚度之内，那么就是上述这种情况。

因而本发明的任务就是创造一种光学位置测量装置，通过这种装置尤其与用来精确定位各种不同元件的驱动装置相结合就可以准确地确定这些元件的相对位置。各类驱动装置的工作用方式不应受到附加的位置测量装置的影响。此外要求这样一种位置测量装置的结构尽可能简单。

这个任务的技术方案在于这种驱动装置的用于精确定位的光学位置测量装置包括：一第一驱动单元和一第二驱动单元，它们可相对相互移动，其中，第一驱动单元具有一个测量刻度作为整体的组成部分，这个测量刻度可以由一个与第二驱动单元相连接的扫描单元扫描，以产生与位置相关的输出信号；而且测量刻度直接或间接地被布置在第一驱动单元的平坦表面上，由此在第一和第二驱动单元之间形成一个间隙，使得在第一和第二驱动单元共同作用时能够产生一个在第一和第二驱动单元之间的确定的相对运动；其中，测量刻度被布置在被用作在第一驱动单元的平坦表面上的刻度支承座的层面上，被用作刻度支承座的层面和测量刻度的层面这两层面的厚度应选择成使得在第一驱动单元和第二驱动单元的共同作用时第二驱动单元可相对于第一驱动单元运动。

由于测量刻度构成了两个彼此相对运动的驱动单元之一的不可缺少组成部分，因而保证了可以这样来选择两个驱动单元之间的距离，从而使得在两个驱动单元共同作用时，可能产生一个确定的具有高效率的相对运动。因此也保证了步进电机的对距离灵敏地工作的工作。例如具有软铁定子的步进电机也可以装备这种按本发明的光学位置测量装置，而不会损害其工作。如果使用了具有μm范围刻度周期的光学测量刻度，那么在位置测定时同时就保证了所希望的高分辨率。

关于配置有测量刻度的驱动单元的构成按本发明则存在有各种不同的方案。例如可以将测量刻度直接布置在一个驱动装置定子单元或者其中一些部分的一个平面表面上。另一种方案可将测量刻度放在一个刻度支承座上，而这支承座然后又布置在一个驱动装置定子单元的平面表面上。

按本发明的光学位置测量装置既能用于测量一维的移动运动，也能用于在一个平面内要定位时测定移动运动和/或旋转运动。尤其在最后所列举的情况下，在两个彼此相对运动地布置的驱动单元之间设有空锁承，以便实现无摩擦的定位，这被证实为有利的措施。

若有多个按本发明构造的驱动装置定子单元直接相邻地彼此相对布置，并经由布置在一个共同的滑块上的两个单独的扫描单元进行扫描，那么就得出一种有利的实施形式。本发明的位置测量装置的这样一种实施结构证明是有利的，因为这样也可以测量较大的移动运动，而且同时只是要求制造相对紧凑的驱动装置定子单元。对于这样一种模块式构造的驱动装置定子单元来说，如果满足了对于彼此限定住接合处的驱动装置定子单元规定的要求，那么基本上也只能配有一个唯一的扫描单元。

按本发明的光学位置测量装置的其它优点和细节由以下按附图对实施例的说明中得出。

以下图表示了：

图1a.本发明的光学位置测量装置的简要表示的第一种实施形式的剖切俯视图。

图1b.图1所示本发明光学位置测量装置的侧面剖视图

图2本发明的光学位置测量装置的驱动装置一定子单元的第二种简要表明的实施形式的侧面剖视图。

图3a和图3b：本发明的光学位置测量装置的驱动装置-定子单元的第三种实施形式的两个视图。

图4：具有两个相互紧靠的静止的驱动装置单元的本发明位置测量装置的另一种方案。

在图1a一个简要表示的俯视图中部分地示出了按本发明的光学位置测量装置的第一种实施形式。图1b表示了沿着图1a所示剖切线的这第一种实施形式的侧面剖视图。

所示的本发明光学位置测量装置的实施例被表示为与一个驱动装置相连接，这种驱动装置例如在半导体制造中可用于对彼此相对地在一个平面内运动的元件进行精确的定位。此时驱动装置被设计为步进电机，它包括一个静止的驱动单元，即一个驱动装置-定子单元1，以及一个相对于此运动的驱动单元2。在一种有利的实施形式中使运动的驱动单元2通过适宜的空锁承而无摩擦地支承在驱动装置-定子单元1上。在此实施例中又使驱动装置-定子单元作成为软铁定子，这个定子具有设置在一个基体5上并带有立体形状突起6的立体构造部分以及位于这之间的空隙9。为产生驱动运动，这个运动的驱动单元2包括了多个(图中未表示出)以已知的方式被控制的励磁线圈，也就是说通过对励磁线圈进行时间上确定的激励，就可能对xy平面上运动的驱动装置部件2进行逐步的定位。为此这运动的驱动单元2经过一个连接管路4与一个合适结构的控制和处理单元3相连接。

在此实例中的光学位置测量装置用于对xy平面内运动的驱动部件2进行所希望的高分辨率的定位，用这种位置测量装置时就通过一个垂直照射装置而产生了与位移关联的扫描信号。此时就由一个或多个以已知方式构成的并布置在运动的驱动单元2的侧面上的扫描单元10对归属于驱动装置-定子单元1的一个测量刻度进行扫描。在图1a和1b中只能看到在运动的驱动单元2的侧面上的一个唯一的扫描单元10，为了充分地检测xy平面内的运动，包括测定运动的扫描单元2围绕一个垂直轴能够旋转的角度，就要有三个这样的扫描单元。

各个扫描单元10为此都包括有一个光源11以及至少一个用于测量从测量刻度8反射回来的光的光电子检测元件12。关于扫描单元10的构造存在有多种多样的已知的方案，例如设置附加的适宜的发射光学器件，扫描光栅以及多个合适连接的检测元件等。

当运动的驱动单元2在所示情况下作二维运动时，将反射或垂直照射时所扫描的刻度8设计为十字光栅，用已知的方式对其进行扫描以获得增量式的定位信息。如前所述若用光学扫描，那么测量刻度8的刻度周期就明显地小于例如经过其它的获得定位信息的扫描原理而能对其进行扫描的立方体突起6的周期性。十字光栅测量刻度8的合理刻度周期在1-100μm范围内。若是对所得的扫描信号采用100倍的内插法，那么在位置测定时可能达到的分辨率为0.01～1μm。

当然，以下详细描述的关于本发明的光学位置测量装置的构造并不局限于图示的在二维方向上运动的情况，也就是说，一个仅仅在一维方向上能够定位的直线步进电机类似地也可装备此装置。那么在此情况下，例如也可以放弃使用所提到的空锁承装置，并可为运动的驱动部件装有单独的导向装置。那么在此情况下就应该使用一种已知的，一维的，反射的增量刻度作为测量刻度，它在测量方向上具有一个周期设置的刻度构造。

为了保证步进电机的功能，即使这种功能与所要求的位置测定结合在一起，那么在所表示的实施例中按照本发明要把刻度支承座7，包括布置在支承座上的测量刻度设计为驱动装置-定子单元1的不可缺少的组成部分。为此目的使这位于驱动装置-定子单元1的突起6之间的空隙9装上充填材料，以便形成驱动装置-定子单元1的平坦表面。关于在实施例中应用于空隙9的充填材料应该考虑提出一定的要求。首先，这种材料必须是非磁性的，以便尽可能地不影响步进电机的工作方式。此外所应用的材料应该保证制出一个驱动装置-定子单元1的尽可能平坦的表面，尽可能好地被抛光，并且不得膨胀。此外应尽可能与必要时放置在上面的层面保持良好的粘着。如果所使用的充填材料具有一种如同驱动装置-定子单元1的周围材料那样类似的热膨胀系数的话，那是有利的。在这些要求之下例如硬焊料被证明为适宜的充填材料。另外的方案也可以采用一种其它非磁性金属或者一种塑料来进行充填。

在用合适的充填材料对空隙9进行充填之后，可以根据在紧接着的一个加工工序平里面性的要求，对这驱动单元的表面进行抛光。在所示的实施例中，在驱动装置  定子单元1的尽可能平坦的表面上放置了一个用作为刻度支承座7的薄层面。对于刻度支承座的材料来说，这可能就涉及到例如所谓的旋压玻璃或者溶凝胶材料，这些材料以已知的方式被覆盖上。此外，一种薄的金属层，例如铬(Cr)，也可以被用作为刻度支承座。用作为刻度支承座7的层面的厚度达到几个nm。

在刻度支承座7上接着放置真正的测量刻度8，或者使刻度支承座7具有一种构造。此处，例如一种具有由TiN制成的反射部分和由TiO₂制成的非反射部分的周期性构造就适合于在垂直照射下扫描过的测量刻度8的情况。另一种方案也可以是一种构造，此时在一个非反射的CrO层面上被布置入了由Cr制成的反射部分。一种这样结构的测量分度8最好就被布置在作成Cr层面的刻度支承座7上。不同部分上真正的构造例如可以通过已知的照相平板法技术来实现。

最后也可以有选择地使刻度支承座设计为薄金属箔，这种金属箔可以已知的方式形成一定的构造，那就是说例如采用钢卷尺制造的已知的技术。例如在这种情况下也可以应用激光和其它来完成构造化。金属箔，包括布置在其上面的刻度构造接着可以被粘贴到驱动装置-定子单元的平坦表面上。

商用十字光栅测量***仅仅将一块玻璃板放在驱动装置-定子单元1的表面上，与此相反，按本发明的措施可以保证使得在一个驱动部件1的周期性构造和另外一个运动的驱动部件2的励磁线圈之间的距离d不会太大，并且不会使驱动运动不产生。布置在驱动装置-定子单元1的平坦表面上的层面与刻度支承座7和测量刻度8一起总的厚度达到1μm的数量级。因而保证了在所述的实施例中，驱动装置-定子单元1与相对着它而运动的驱动单元2能够继续共同作用，并且在这两个驱动单元1，2之间能够产生这样一种确定的相对运动。

所述的方案其周期性构造是在静止侧驱动单元的侧面上，而另一种方案当然也可以以同样的方式，但采用了具有周期构造的驱动单元则作为运动的驱动单元。在这种情况下，刻度支承座包括测量刻度以同样的方式如上所述被配置在运动的驱动单元里。

能够使用在本发明的光学位置测量装置里的驱动装置-定子单元21的第二种结构型式，如图2简明所示。在第一种所述的实施例相比其区别就在于，对可以使用在一个永久磁铁-直线电机里的驱动装置-定子单元21，在其侧面布置有一种其它的周期性构造。因此在驱动装置-定子单元21的一个基体25上，类似于第一种实施例在一个周期性的设计里布置了长方六面体形的永久磁铁26。另一种方案可以使这些永久磁铁全都布置在各自相同的方向上。通过相应地控制在其它各自驱动单元里的励磁线圈，则以已知的方式使一个(未表示的)相对于此运动的驱动单元产生驱动运动。

如同第一种实施例，该方案又规定了要对永久磁铁26之间的空隙29用充填材料进行充填，以便使驱动单元21形成一个平坦的表面。在这样一个平坦表面上就紧接着放置了一个用作为刻度支承座27的层面，在此层面上又布置了测量刻度28。关于刻度支承座的可能的构造、测量刻度28以及对充填材料的要求则应参阅上述的实施结构。

按本发明的光学位置测量装置的另外一种实施形式见简图3a和3b中的二个局部视图。测量刻度58又设置在静止的驱动单元51里，类似于第一个实施例，单元51在基体55上具有突起56和位于其中间的空隙59的这样一种周期性构造，也就是说设计为电磁式定子。未表示出的是位于驱动装置-定子单元51上方布置的具有励磁线圈的运动的驱动单元，以及一个或多个用于垂直照射的扫描在驱动装置-定子单元51上的测量刻度58的扫描单元。与前面两种所述的结构型式不同的是，将设计成十字光栅的测量刻度58作为静止驱动单元51的不可缺少组成部分，直接布置在平坦的同样的表面上，也就是说没有一个单独的刻度支承座。相应表面的平整化如前所述进行，也就是通过采用适合的充填材料，例如硬焊料对空隙56进行充填。在真正建立构造之前，还应接着将表面抛光，以形成测量刻度58。此时此测量刻度58又能够由周期性布置的、反射的和非反射的部分组成，例如由TiN/TiO₂等等。

与所表示方案不同的另一种方案则可以根据测量的要求，使测量刻度也仅仅设置在驱动装置定子单元表面的部分范围内，例如只在突起的平坦表面上等等。

图4简要表示了一种特殊的有利的结构型式的本发明的光学位置测量装置。此处有两个单独的驱动装置-定子单元31.1，31.2，它们彼此相邻布置。这两个驱动装置-定子单元31.1，31.2的构造对应于图1a和图1b中第一个所叙述的实施例的构造，也就是说在驱动装置-定子单元31.1，31.2的上面各自作为不可分的组成部分，布置了同样的十字光栅作为测量刻度38.1，38.2。在这两个驱动装置  定子单元31.1，31.2之上规定有运动的驱动单元32，经过空锁承能够使这驱动单元32在xy平面内定位。在所示的实施例中，运动的驱动单元32其中包括两个扫描单元40.1，40.2，它们布置在驱动单元32的两个横向面上，而且用这两个单元对十字光栅测量刻度进行光学扫描。除了确定在xy平面内的移动量之外，用所示的装置也可以检测活动的驱动单元32围绕一个在X方向上的垂直轴的旋转。

有关这种实施例应该要说明的是，在本发明的基础上，若采用这种驱动装置，那么活动的驱动单元也可以实现较大的移动范围，而且同时可能实现高分辨率的光学位置测定。为此多个较小的都以所叙述的方式构造的驱动装置-定子单元就能够相互串连起来。因此就不需要加工一个唯一的大面积的驱动装置定子单元，包括大面积的测量刻度；而相反可以采用某个确定的定子尺寸，这个定子尺寸根据所要求的移动范围相应地常被相互连接起来。

在图4所示的实施例中，在活动的驱动单元32的侧面布置有两个相互间隔的扫描单元40.1、40.2，也就是说，用两个扫描单元40.1，40.2中的一个不得超越相互限制位置的驱动装置-定子单元31.1，31.2的接合处。在另外一种实施形式中的方案是使活动的驱动单元，即使当驱动装置-定子单元为模块构造时，也只包括唯一的一个扫描单元。在这种情况下对于可由扫描单元超越过的接合处又得出了一定的要求，以便保证即使在这位置上也能精确地定位。在第一种方案里，通过足够精确地制造这种测量刻度，尤其是在直接地相互限制位置的驱动装置-定子单元的接合处范围内，就能够保证，在此位置上不会得到错误的测量。另一种选择就是在第二种方案中只有唯一一个扫描单元。这就可以在相互限制位置的驱动装置定子单元之间规定一个一定大小的间距。这种规定的间距可以例如在将单个模块组装构成整个驱动装置定子单元时，通过一种合适的光学调节装置来调定。这样也就能保证，用这扫描单元在超越接合处时不会引起位置测定中的错误。

因此在按本发明的考虑的基础上就有一系列的实施结构方案，与各种不同的步进电机方案相结合它们都保证了可靠的、高分辨率的光学位置测定。

Claims (9)

1.驱动装置的用于精确定位的光学位置测量装置，包括：

一第一驱动单元和一第二驱动单元，它们可相对相互移动，其中，第一驱动单元具有一个测量刻度作为整体的组成部分，这个测量刻度可以由一个与第二驱动单元相连接的扫描单元扫描，以产生与位置相关的输出信号；而且测量刻度直接或间接地被布置在第一驱动单元的平坦表面上，由此在第一和第二驱动单元之间形成一个间隙(d)，使得在第一和第二驱动单元共同作用时能够产生一个在第一和第二驱动单元之间的确定的相对运动；

其中，测量刻度被布置在被用作在第一驱动单元的平坦表面上的刻度支承座的层面上，被用作刻度支承座的层面和测量刻度的层面这两层面的厚度应选择成使得在第一驱动单元和第二驱动单元的共同作用时第二驱动单元可相对于第一驱动单元运动。

2.按照权利要求1所述的光学位置测量装置，其中，选择旋压玻璃作为刻度支承座的材料。

3.按照权利要求1所述的光学位置测量装置，其中，选择溶凝胶材料作为刻度支承座的材料。

4.按照权利要求1所述的光学位置测量装置，其中，刻度支承座被设计为薄的金属箔。

5.按照权利要求2所述的光学位置测量装置，其中，测量刻度由TiN和TiO₂制成的区域构成。

6.按照权利要求4所述的光学位置测量装置，其中，包括刻度支承座的金属箔包括反射部分和非反射部分。

7.按照权利要求1所述的光学位置测量装置，其中，测量刻度被设计为一维递增的刻度。

8.按照权利要求1所述的光学位置测量装置，其中，测量刻度被设计为二维十字格栅。

9.按照权利要求1所述的光学位置测量装置，其中，扫描单元包括至少一个光源以及一个或几个光电探测元件。

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