JP2004513336A - 位置設定をするための方法及びこの方法を実施するための位置測定装置 - Google Patents
位置設定をするための方法及びこの方法を実施するための位置測定装置 Download PDFInfo
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Abstract
Description
本発明は、請求項1もしくは2の上位概念による位置設定をするための方法並びに請求項7もしくは8の上位概念による方法を実施するための位置測定装置に関する。
【0002】
増分式の位置測定方法及び位置測定装置は、例えば工作機械又はウエハステッパのような機械内を運動させられる対象物の位置を高精度で測定するために使用される。その際、位置測定装置は、対象物の位置を完全に設定された時点で測定しなければならず、位置は、対象物の運動を制御する調整電子機器に供給されなければならない。この時点は、外部の調整電子機器を限定する。この時点で位置測定値を任意に使用可能とするため、位置測定装置は、所定の時間ラスターで、又は外部信号に基づいて、位置測定値を、同じ周波数の互いに位相をずらされた複数の走査信号の内部補間によって算定する。
【0003】
これに対し、独国特許出願公開明細書第27 29 697号によれば、内部補間ユニットの前に、サンプリング回路及びホールディング回路の形態の記憶装置が配設されており、これらの回路でもって、全ての走査信号の瞬間値が、同時に所定の時点で記憶される。この瞬間値から、内部補間ユニット内で位置測定値が形成される。独国特許出願公開明細書第27 29 697号において明文をもって説明されているように、この方法は、特に運動させられる対象物を測定するために適する。
【0004】
その際、信号発生部−即ち走査位置−から記憶装置に至るまでの個々の走査路内の走査信号は、相違した走行時間の遅延によって影響を受け、これは、内部補間が行なわれる際に測定エラーに通じる。
【0005】
従って本発明の課題は、この欠点を除去し、これにより測定精度を向上させることにある。
【0006】
この課題は、請求項1もしくは2の特徴を有する方法によって、並びに請求項7もしくは8の特徴を有する位置測定装置によって解決される。
【0007】
種々の有利な形態は、従属請求項に記載されている。
【0008】
図面によって、本発明を、実施例を基に詳細に説明する。
【0009】
図1〜5によって、本発明の第1の実施形が説明される。図1には、増分式の光電式位置測定装置が概略的に図示されている。この位置測定装置は、公知の方法で、測定方向Xに運動可能な周期的な分割目盛り部2を有するスケール1から成る。分割目盛り部2は、光源3によって投光され、光線束は、分割目盛り部2によって、スケール1の瞬間位置に依存して変調される。120°だけ互いに位相をずらされた3つの光学走査信号が生じる。走査信号のそれぞれは、走査位置Aから導波管4,5,6を介して光電検出器7,8,9へと導かれ、そこで電気走査信号S1,S2,S3へと変換させられる。電気走査信号S1,S2,S3は、増幅器10,11,12に供給され、最後に記憶装置要素13,14,15に到達し、これらの記憶装置要素内で、走査信号S1,S2,S3のそれぞれ1つの瞬間値が、入力命令Tに基づいて記憶される。記憶された瞬間値は、内部補間ユニット16に供給され、この内部補間ユニット内では、位置測定値Pが形成され、この位置測定値は、分割目盛り部2の分割周期又は分割周期の一部の内の絶対的な位置を限定する。位置測定値Pは、図示されてない、位置測定装置内に統合された評価ユニット又は外部の評価ユニットを任意に使用可能とし、ここで、位置測定値は、分割周期の全て又は分割周期の一部のカウントと限定されて組み合わされる。
【0010】
走査位置A、即ち光学走査信号の発生部から出発して記憶装置要素13,14,15に至るまでの伝達区間は、以下では走査路K1,K2,K3と呼ばれる。それぞれの走査路K1,K2,K3は、走査信号S1,S2,S3の走行時間に影響を与える構成要素を包含する。この構成要素は、例えばそれぞれ導波管4,5,6、光電検出器7,8,9並びに増幅器10,11,12及び電気導線から成る。光学的及び電気的な走行時間の総和は、個々の走査路K1,K2,K3内で相違する。これは、結果として、異なる導線長さ及び構造部分のばらつきから生じる。
【0011】
個々の走査路K1,K2,K3内の走査信号S1,S2,S3の相違した走行時間は、本発明の第1の構成によれば、走査信号S1,S2,S3の瞬間値の入力が、相違した走行時間に適合させられるように行なわれる。走査信号S1,S2,S3の少なくとも1つの入力は、別の走査信号S1,S2,S3の少なくとも1つに対して調節可能な時間だけ遅延させられるように行なわれる。これにより、記憶された走査信号S1,S2,S3の全ての瞬間値が、走査位置Aにおいて同時に発生する走査信号S1,S2,S3の瞬間値であることが補償されている。従って、走査位置Aにおける瞬間値の発生と記憶装置要素13,14,15内への入力との間の時間的な遅延は、全ての走査路K,K2,K3に対して一定の値に調節することができる。その際、この時間のズレは、位置の値の内部補間方法又は外部補間方法による後続の計算において、考慮し、補償することができる。
【0012】
共通の入力命令Tを個々に遅延させるために、デジタルに調節可能なディレイラインの形態の遅延成分20,21,22が設けられており、従って、共通の入力命令Tは、入力命令T1,T2,T3として、個々に適合させられ遅延させられて記憶装置要素13,14,15に付与される。
【0013】
その際、入力された走査信号S1,S2,S3の全ての瞬間値は、同時に走査位置Aにおいて発生する瞬間値から結果として生じることが保証されているように、遅延成分20,21,22が調整されていることが重要である。即ち、内部補間ユニット16は、全ての走査路K1,K2,K3に対し、共通の入力命令Tと、走査位置Aにおける全ての走査信号S1,S2,S3の瞬間値の発生との間の一定の遅延を見る。本発明による措置によって、入力命令Tもしくは命令T1,T2,T3の伝達の相違した遅延も、考慮され相殺される。
【0014】
遅延成分20,21,22の遅延は、入力命令Tの発生と、記憶された走査位置Aにおける走査信号S1,S2,S3の瞬間値の発生との間の時間のズレが、結果として何ら生じないように調節することができる。その際、走査位置Aから出発して記憶装置要素13,14,15に至るまでの−即ち走査路K1,K2,K3内の−走査信号S1,S2,S3のそれぞれの走行時間は、正確に、それぞれの遅延成分20,21,22内の共通の入力命令の調節された遅延時間に相当する。
【0015】
記憶装置要素13,14,15は、アナログ−デジタル変換器とすることができ、このアナログ−デジタル変換器は、入力命令T1,T2,T3の時点で瞬間的に発生する走査信号S1,S2,S3のアナログ値を収容し、A/D変換する。しかしながらまた記憶装置要素13,14,15は、サンプリング要素及びホールディング要素とすることもでき、この記憶装置要素は、走査信号S1,S2,S3の瞬間値を入力命令T1,T2,T3の時点で記憶し、内部補間ユニット16を任意に使用可能にする。記憶装置要素13,14,15は、走査路K1,K2,K3内の任意の位置に配設することができ、その際、この走査路に付設された遅延成分20,21,22は、それぞれ、走査位置Aと記憶装置要素13,14,15との間で発生する個々の走査信号S1,S2,S3の走行時間の差を相殺する。
【0016】
内部補間ユニット16は、走査信号S1,S2,S3の信号周期を比較的小さいステップに分割する。この分割は、互いに位相をずらされた走査信号S1,S2,S3のアナログ又はデジタルの瞬間値に基づいて行なわれる。これに対し、市販の内部補間ユニット16は、90°だけ互いに位相をずらされた正弦波形の走査信号S1,S2,S3を使用する。従って、120°だけ互いに位相をずらされた3つの走査信号を、内部補間の前に、90°だけ互いに位相をずらされた走査信号へと変換すること、また、この走査信号を、公知の方法で、抵抗連鎖、アークタンジェント計算機(arctan−Rechner)又は図表内部補間を有するアナログ又はデジタル作動する内挿ユニット16に供給することが有利である。
【0017】
測定精度の要求が高い場合、例えばウエハステッパの場合、測定箇所においては、熱源が何ら配設されるべきではない。従って、光源3、光電検出器7,8,9及び増幅器10,11,12のような稼動中の構成要素は、測定箇所から離間させて配設されるべきである。光の伝達は、導波管4,5,6を介して行なわれ、これらの導波管の内のいくらかは、図1もしくは図2において概略的に図示されている。しかしながら本発明によって、測定装置の測定精度は、導波管4,5,6がなくても改善される。何故なら、光電検出器7,8,9及び別の電気的な構成要素10,11,12も、走査信号S1,S2,S3の走行時間に影響を与えるからである。
【0018】
本発明は、最適に操作可能なスケール1を有する光電式位置測定装置において使用可能であることが特に有利であり、しかしながらまたこの位置測定装置は、干渉計においても、磁気的、容量的並びに誘導的に操作可能な分割目盛り部においても使用可能である。
【0019】
遅延成分20,21,22が生じさせる時間のズレは、例えば測定作業の前に確定され、調節される。この調節は、校正測定によって行ない、測定作業において適合させることができ、従って動的な走行時間変更も、例えば増幅器10,11,12の周波数依存性又は温度ドリフトによって相殺することができる。また時間のズレは、所望の一定の値に調節することもできる。
【0020】
遅延成分20,21,22の時間遅延の調節は、図示された例にあっては計算機23によって行なわれ、従って、校正サイクルにおける静的な遅延時間の調整以外に、動的な適合も可能である。その際、調節すべき遅延は、予め算定され、かつ校正記憶装置(図表)24においてファイルされた測定値によって、及び/又は、入力周波数に依存した増幅器10,11,12の走行時間のような個々の影響の公知の動作によって形成される。
【0021】
図1には、動的な校正が概略的に図示されている。位置測定値P又は走査信号S1,S2,S3の1つに基づいて、走査信号S1,S2,S3の周波数fが算定され、この周波数に依存して、遅延成分20,21,22の遅延時間が調節される。更に、例えば温度tのような外的影響は、センサ25を介して測定され、この温度に依存して遅延時間が変更される。
【0022】
遅延時間の周波数に依存した適合の他の可能性は、走査路のための図2に図示されている。その際、走査信号S1の周波数が検出され、この走査信号に依存して、遅延成分20の遅延時間が動的に変更される。このため、周波数カウンタ17並びに場合によっては記憶装置18が設けられており、この記憶装置は、遅延成分20に、走査信号S1の瞬間の周波数に依存して、予め検出され、かつ記憶された遅延時間を付設する。
【0023】
遅延成分20,21,22は、デジタル又はアナログの要素である。アナログの作業様式においては、記憶装置18が、図2より、周波数−電圧変換器によって代替されている。
【0024】
走査路K1,K2,K3内の走査信号S1,S2,S3の現在の走行時間の測定をするため、図3によれば、走査位置Aにおいて、パルスIが、例えば既存の光源3又は付加的な光源によって開閉される。開閉されるパルスIは、走査信号S1,S2,S3と同じ区間を通過し、これにより同じ遅延時間を得る。この実施例は、走査路の1つK1のための図3に図示されている。パルスIは、入力命令としても使用され、ここでは同様に、標準の測定作業における入力命令Tと同じ区間を通過する。記憶装置要素13において発生する入力命令Tと、記憶装置要素13において走査路K1を介して(要素7,10,13を介して)得られるパルスIとの間の時間を測定することによって、必要な遅延時間を算定することができる。
【0025】
繰り返されるパルスIの開閉及び遅延成分20の遅延時間の変位によって、瞬間値の記憶は、パルスIの発生に応じてずらされる。遅延時間は、記憶される走査信号S1の瞬間値がパルスIに基づいて上昇するまで高められる。その際入力は、上昇するパルスIの立上がりに調節されており、調節された遅延成分20の遅延時間は、走査路K1内のパルスIの走行時間に相当する。遅延時間は、入力された瞬間値が最大となるまで高めることもできる。走行時間の算定は、収容されたパルスIのジオメトリ上の重心を計算することによって設定することができる。これにより、検定測定の平均化が行なわれ、遅延成分20,21,22のエラー、ノイズ及び走査時点のジッタが低減される。特に、個々の走査路K1,K2,K3の間の走行時間は、相関方法によって非常に正確に調節することができる。
【0026】
走査路K1内のパルスIの結合の別の可能性は、図4に図示されている。光電検出器7に対して並行に、パルスIが供給される。
【0027】
これに対して選択的に、図5によれば、パルスIが増幅器10の第2の入力部に置かれる。
【0028】
スケールを有する位置測定装置においてパルスIの発生は、スケールを適当に構造化することによって行なうことができる。干渉計の場合には、パルスIを発生させるためのレーザ光源を変調させることができる。
【0029】
走査路K1,K2,K3の1つにおける周波数に依存した走行時間を算定するために、走査路K1,K2,K3内の異なる周波数の検査信号Iが供給される。記憶装置要素13,14,15において発生する走査信号S1,S2,S3を変化させることに基づいて、周波数に依存した走行時間を結論付けをすることができる。
【0030】
まとめると、本発明の第1の構成は、即ち、位置に依存した複数の走査信号(S1,S2,S3)を発生させる方法段階と、走査位置(A)から走査路(K1,K2,K3)を介して記憶装置要素(13,14,15)へと走査信号(S1,S2,S3)のそれぞれを伝達する方法段階と、入力時点で記憶装置要素(13,14,15)において発生する瞬間値を記憶する方法段階と、記憶された走査信号(S1,S2,S3)の瞬間値から位置測定値(P)を形成する方法段階とを有する位置設定をするための方法であって、この方法にあっては、少なくとも2つの走査路(K1,K2,K3)内の走査信号(S1,S2,S3)の走行時間が相違しており、相違した走行時間に適合させられた時点で記憶が行なわれ、従って、記憶された走査信号(S1,S2,S3)の瞬間値を、共通の時点で走査位置(A)において発生している瞬間値とする方法に関する。
【0031】
本発明の第1の構成は、まとめると、位置に依存した複数の走査信号(S1,S2,S3)を発生させるための走査位置(A)と、それぞれの走査信号(S1,S2,S3)に走査路(K1,K2,K3)及び記憶装置要素(13,14,15)が付設されている、走査位置(A)から記憶装置要素(13,14,15)へと走査信号(S1,S2,S3)を伝達するための走査路(K1,K2,K3)と、記憶装置要素(13,14,15)内に収容された走査信号(S1,S2,S3)の瞬間値から位置測定値(P)を形成するための評価ユニット(16)とを有する位置測定装置であって、走査信号(S1,S2,S3)の瞬間値の記憶を、相違した時点で走査路(K1,K2,K3)内の走査信号(S1,S2,S3)の相違した走行時間を補償するために指示し、従って、記憶された走査信号(S1,S2,S3)の瞬間値を、共通の時点で走査位置(A)において発生している瞬間値とする手段(20,21,22)が設けられている位置測定装置にも関する。
【0032】
上記の本発明の第1の構成は、走査路K1,K2,K3内に、周波数に依存した付加的な構成要素が何ら収容されていないという利点を、また、限定された立上がり及び限定された振幅を有するパルスIの時間遅延が、非常に正確に調節可能であるという利点を有する。
【0033】
図6によって、位置測定装置の第2の実施例が説明される。相違した走査路K1,K2,K3内の走行時間の相殺は、走査路K1,K2,K3内へと収容された走行時間成分30,31,32によって行なわれる。構造は、十分に、第1の位置測定装置に相応し、従って、同じ作用をする構成要素は、全ての例において同じ符号を備えている。走査信号S1,S2,S3の走行時間は、静的に設けられるか、動的に、走査信号S1,S2,S3の少なくとも1つの瞬間的な周波数に依存して調整され、従って、記憶された走査信号S1,S2,S3の全ての瞬間値は、走査位置Aにおいて同時に発生する走査信号S1,S2,S3の瞬間値である。従って、走査位置Aにおける瞬間値の発生と、記憶装置要素13,14,15内への入力との間の時間的な遅延は、全ての走査路K1,K2,K3に対して一定の値に調節することができる。その際、この時間のズレは、位置の値の内部補間方法又は外部補間方法による後続の計算において、考慮し、補償することができる。
【0034】
まとめると、本発明の第2の構成は、即ち、位置に依存した複数の走査信号(S1,S2,S3)を発生させる方法段階と、走査位置(A)から走査路(K1,K2,K3)を介して記憶装置要素(13,14,15)へと走査信号(S1,S2,S3)のそれぞれを伝達する方法段階と、入力時点で記憶装置要素(13,14,15)において発生する瞬間値を記憶する方法段階と、記憶された走査信号(S1,S2,S3)の瞬間値から位置測定値(P)を形成する方法段階とを有する位置設定をする方法であって、この方法にあっては、走査路(K1,K2,K3)内の走査信号(S1,S2,S3)の相違した走行時間が、遅延させた個々の走査信号(S1,S2,S3)によって相殺され、従って、記憶された走査信号(S1,S2,S3)の瞬間値を、共通の時点で走査位置(A)において発生している瞬間値とする方法に関する。
【0035】
本発明の第2の構成は、まとめると、位置に依存した複数の走査信号(S1,S2,S3)を発生させるための走査位置(A)と、それぞれの走査信号(S1,S2,S3)に走査路(K1,K2,K3)及び記憶装置要素(13,14,15)が付設されている、走査位置(A)から記憶装置要素(13,14,15)へと走査信号(S1,S2,S3)を伝達するための走査路(K1,K2,K3)と、記憶装置要素(13,14,15)内に収容された走査信号(S1,S2,S3)の瞬間値から位置測定値(P)を形成するための評価ユニット(16)とを有する位置測定装置であって、走査路(K1,K2,K3)内の走査信号(S1,S2,S3)の走行時間に個々に影響を与え、従って、記憶された走査信号(S1,S2,S3)の瞬間値を、共通の時点で走査位置(A)において発生している瞬間値とする手段(30,31,32)が設けられている位置測定装置にも関する。
【図面の簡単な説明】
【図1】
本発明による第1の位置測定装置を示す。
【図2】
周波数に依存して入力命令を遅延させるための回路を示す。
【図3】
走査路内の走行時間を算定するための装置を示す。
【図4】
走行時間を算定するための第2の装置を示す。
【図5】
走行時間を算定するための第3の装置を示す。
【図6】
本発明による第2の位置測定装置を示す。
【符号の説明】
1 スケール
2 分割目盛り部
3 光源
4,5,6 導波管
7,8,9 光電検出器
10,11,12 増幅器
13,14,15 記憶装置要素
16 内部補間ユニット
17 周波数カウンタ
18 記憶装置
20,21,22 遅延成分
23 計算機
24 校正記憶装置
25 センサ
30,31,32 走行時間成分
f 周波数
t 温度
A 走査位置
I パルス
P 位置測定値
T 入力命令
K1,K2,K3 走査路
S1,S2,S3 走査信号
T1,T2,T3 入力命令
Claims (13)
- 位置に依存した複数の走査信号(S1,S2,S3)を発生させる方法段階と、走査位置(A)から走査路(K1,K2,K3)を介して記憶装置要素(13,14,15)へと走査信号(S1,S2,S3)のそれぞれを伝達する方法段階と、入力時点で記憶装置要素(13,14,15)において発生する瞬間値を記憶する方法段階と、記憶された走査信号(S1,S2,S3)の瞬間値から位置測定値(P)を形成する方法段階とを有する位置設定をするための方法において、
少なくとも2つの走査路(K1,K2,K3)内の走査信号(S1,S2,S3)の走行時間が相違しており、相違した走行時間に適合させられた時点で記憶が行なわれ、従って、記憶された走査信号(S1,S2,S3)の瞬間値を、共通の時点で走査位置(A)において発生している瞬間値とすることを特徴とする方法。 - 位置に依存した複数の走査信号(S1,S2,S3)を発生させる方法段階と、走査位置(A)から走査路(K1,K2,K3)を介して記憶装置要素(13,14,15)へと走査信号(S1,S2,S3)のそれぞれを伝達する方法段階と、入力時点で記憶装置要素(13,14,15)において発生する瞬間値を記憶する方法段階と、記憶された走査信号(S1,S2,S3)の瞬間値から位置測定値(P)を形成する方法段階とを有する位置設定をするための方法において、
走査路(K1,K2,K3)内の走査信号(S1,S2,S3)の相違した走行時間が、遅延させた個々の走査信号(S1,S2,S3)によって相殺され、従って、記憶された走査信号(S1,S2,S3)の瞬間値を、共通の時点で走査位置(A)において発生している瞬間値とすることを特徴とする方法。 - 走査位置(A)において、同じ周期の互いに位相をずらされた周期的な走査信号(S1,S2,S3)が発生させられ、位置測定値(P)が内部補間によって形成されるようにすることを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
- 瞬間値の入力が、共通の入力命令(T)によって指示され、その際入力命令(T)が、少なくとも2つの記憶装置要素(13,14,15)を相違して遅延させられて供給されるようにすることを特徴とする請求項1又は3に記載の方法。
- 瞬間値の入力が、共通の入力命令(T)によって支持され、その際入力命令(T)が、記憶装置要素(13,14,15)に遅延させられて供給され、遅延時間が、それぞれの走査路(K1,K2,K3)内の走行時間と同じように調節されているようにすることを特徴とする請求項1又は3又は4に記載の方法。
- 遅延時間が、走査信号(S1,S2,S3)の瞬間周波数に依存して調節されるようにすることを特徴とする請求項4又は5に記載の方法。
- 位置に依存した複数の走査信号(S1,S2,S3)を発生させるための走査位置(A)と、それぞれの走査信号(S1,S2,S3)に走査路(K1,K2,K3)及び記憶装置要素(13,14,15)が付設されている、走査位置(A)から記憶装置要素(13,14,15)へと走査信号(S1,S2,S3)を伝達するための走査路(K1,K2,K3)と、記憶装置要素(13,14,15)内に収容された走査信号(S1,S2,S3)の瞬間値から位置測定値(P)を形成するための評価ユニット(16)とを有する位置測定装置において、
走査信号(S1,S2,S3)の瞬間値の記憶を、相違した時点で走査路(K1,K2,K3)内の走査信号(S1,S2,S3)の相違した走行時間を補償するために指示し、従って、記憶された走査信号(S1,S2,S3)の瞬間値を、共通の時点で走査位置(A)において発生している瞬間値とする手段(20,21,22)が設けられていることを特徴とする位置測定装置。 - 位置に依存した複数の走査信号(S1,S2,S3)を発生させるための走査位置(A)と、それぞれの走査信号(S1,S2,S3)に走査路(K1,K2,K3)及び記憶装置要素(13,14,15)が付設されている、走査位置(A)から記憶装置要素(13,14,15)へと走査信号(S1,S2,S3)を伝達するための走査路(K1,K2,K3)と、記憶装置要素(13,14,15)内に収容された走査信号(S1,S2,S3)の瞬間値から位置測定値(P)を形成するための評価ユニット(16)とを有する位置測定装置において、
走査路(K1,K2,K3)内の走査信号(S1,S2,S3)の走行時間に個々に影響を与え、従って、記憶された走査信号(S1,S2,S3)の瞬間値を、共通の時点で走査位置(A)において発生している瞬間値とする手段(30,31,32)が設けられていることを特徴とする位置測定装置。 - 走査信号(S1,S2,S3)が、同じ周期の互いに位相をずらされた周期的な走査信号(S1,S2,S3)であり、評価ユニットが、周期を分割するための内部補間ユニット(16)であることを特徴とする請求項7又は8に記載の位置測定装置。
- 位相のズレが120°又は90°であることを特徴とする請求項9に記載の位置測定装置。
- それぞれの記憶装置要素(13,14,15)に入力命令(T1,T2,T3)が供給されており、この入力命令が、発生する瞬間値の入力を指令すること、入力命令(T1,T2,T3)が、共通の入力命令(T)から導出されており、その際、入力命令(T1,T2,T3)の少なくとも1つが、遅延成分(20,21,22)を介して遅延させられた共通の入力命令(T)であるように構成さ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。
- それぞれの記憶装置要素(13,14,15)に、共通の入力命令(T)を個々に遅延させるための遅延成分(20,21,22)が付設されていることを特徴とする請求項11に記載の位置測定装置。
- 走査路(K1,K2,K3)に付設された遅延成分(20,21,22)の遅延時間が、それぞれの走査路(K1,K2,K3)内の走査信号(S1,S2,S3)の走行時間に相当するように構成されていることを特徴とする請求項12に記載の位置測定装置。
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