JP6391931B2 - 光学式位置測定装置 - Google Patents

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Description

本発明は、基準尺とその基準尺に対して相対的に測定方向にスライド可能な走査ユニットとを備えた光学式位置測定装置に関する。この位置測定装置は、直線的な動き又は回転する動きを測定するように構成することができる。
基準尺が周期的な増分目盛の形の第一の格子を有し、走査ユニットが基準尺の格子に対して所定の走査間隔を開けて配置された少なくとも一つの第二の格子を有する増分位置測定装置が実証されている。位置測定のために、両方の格子に所定の波長の光を照射し、第一の検出器配列を用いて、その光から位置に依存した電気走査信号を取得している。
本発明が出発点とする、そのような位置測定装置は、例えば、特許文献１に記載されている。そこでは、増分位置測定装置は、絶対位置測定部により補完されている。その基準尺は、第一の格子に追加して、絶対マーキング部を有し、その絶対マーキング部から、第二の検出器配列を用いて、測定範囲内の絶対位置を一義的に定義する第二の電気走査信号を生成している。
第一と第二の格子の走査間隔は、出来る限り大きな変調度が、そのため大きな信号振幅が得られるように選択される。増分位置測定に最適な走査間隔は、所謂タルボット面内に有る。このタルボット面内では、第一の格子の自己結像が繰り返し行なわれ、その結果、このタルボット面内では、周期的な強度分布が生成される。特許文献１による所謂二格子変換器では、平坦な波面を用いて照明された第一の格子の像は、次の通り第一の格子に対する間隔がＬｎであるタルボット面内に生じる。
Ｌｎ＝ｎ×Ｔ１２／λ
ここで、ｎ：整数０，１，２，．．．
Ｔ１：第一の格子の格子定数
λ：光の波長
このタルボット面の位置が、そのため最適な走査間隔が、一方では第一の格子の格子定数に依存し、他方では使用する光の波長に依存することは明らかである。
特許文献１において、実際に増分走査のためには比較的大きな走査間隔が有利であるが、そのような大きな走査間隔は絶対マーキング部の走査には不利に作用することが既に知られていた。その問題を解決するために、特許文献１では、両方の走査のために、異なる走査間隔を規定すること、即ち、増分走査に対しては、絶対マーキング部の走査のための走査間隔よりも大きな走査間隔を規定することを提案している。
その構成では、そのような必要な走査間隔を確保できるようにするために、負担のかかるガイド部を提案している。
ドイツ特許第３３３４３９８号明細書 欧州特許第１６９５３９１号明細書
本発明の課題は、増分位置測定時と絶対位置測定時の両方において出来る限り大きな変調度を実現する光学式位置測定装置を提供することである。この場合、位置測定装置は、出来る限りコンパクトに構成されるとともに、走査間隔の変化に耐えられるものとする。
本課題は、増分位置測定のために第一の波長の光を使用し、絶対位置測定のために第二の波長の光を使用し、第一の波長が第二の波長よりも短いことによって解決される。
本発明では、前述した走査間隔が使用する光の波長に依存することを特に有利な手法で活用している。増分位置測定のために、出来る限り短い波長の光を使用する。その利点は、第一のタルボット面（ｎ＝１）が第二の格子を簡単な手法で配置することができる間隔の所に得られることである。そのため、第一の格子によりタルボット効果が生じ、第二の格子が第一のタルボット間隔に相当する第一の格子に対する走査間隔で、即ち、第一のタルボット面（ｎ＝１）内に配置されるように、第一の格子と第二の格子の照明及び構成を行なうことが有利である。
それに対して、絶対位置測定のために、より長い波長の光を使用する。
位置測定装置の簡単な構成は、増分位置測定と絶対位置測定のために、同様の検出器エレメントを使用する場合に得られる。その場合、第一の検出器配列と第二の検出器配列は、同じスペクトル感度を有する。
第一の波長の光を発生するために、有利には、第一の単色光源が配備され、第二の波長の光を発生するために、第二の単色光源が配備される。
特にコンパクトで良好に取扱可能な構成を実現するために、第一の光源、第二の光源、第一の検出器配列及び第二の検出器配列は、透明な支持基板の上側に一緒に配置され、その結果、光源の光を放出する側と両方の検出器配列の光を受信する側が基準尺の方向を向いている。
例えば、両方の検出器配列のスペクトル感度は、第一の波長よりも第二の波長の方が大きい。
特に簡単な構成は、これらの検出器配列がアモルファスシリコンを用いて構成される場合に得られる。アモルファスシリコンのスペクトル感度の最大は、約５７０ｎｍの所に有る。この場合、有利には、第一の波長は、５２０ｎｍよりも短く選定される。特に、第一の波長は、４３０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内に有り、第二の波長は、５７０ｎｍ±５０ｎｍの範囲内に有る。
しかし、これらの検出器配列は、結晶シリコンを用いて構成することもできる。その場合、第一の波長、即ち、増分測定用の光は、有利には、７００ｎｍよりも短く、特に、約６００ｎｍに選定され、第二の波長、即ち、絶対測定用の光は、約８７０ｎｍ±５０ｎｍに選定される。
本発明の特に有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。本発明の更に別の利点及び詳細は、以下における本発明の二つの実施例の記述から明らかとなる。
第一の位置測定装置の断面図 第二の位置測定装置の断面図 使用する波長に依存する増分走査の信号振幅の推移グラフ 波長λに依存するアモルファスシリコンａＳｉベースと結晶シリコンＳｉベースの検出器配列のスペクトル感度Ｅの推移グラフ
基本的に、本発明は、透過光式走査と反射光式走査に使用することが可能である。透過光式走査では、基準尺の一方の側に配置された光源により照明が行なわれ、それに対して、検出器配列は、基準尺の他方の側に配置されており、そのため、当該の波長に対して、基準尺を透明としなければならない。それに対して、反射光式走査は、検出器配列を光源と同じ側に配置することによって、基準尺の反射挙動を活用している。位置測定装置のコンパクトな構成のためには、特に、反射光式走査が適しており、そのため、以下において、反射光式走査による二つの実施例に基づき本発明を詳しく説明する。
図１は、本発明による構成の光学式位置測定装置の第一の実施例の断面図を図示している。この位置測定装置は、基準尺１．１とそれに対して相対的に測定方向Ｘにスライド可能な走査ユニット２．１とを備えている。この基準尺１．１は、増分位置測定のために、周期的な増分目盛の形の第一の格子Ｇ１を有する。この基準尺１．１は、更に、絶対位置測定のための絶対マーキング部Ｒ１を有する。この絶対マーキング部Ｒ１は、図示されている例では、測定範囲内の単一の位置を一義的に定義する規則的でない線の配列から成る基準マークである。この絶対マーキング部Ｒ１は、図示されている例では、第一の格子Ｇ１と一体化されたマーキング部である。それは、第一の格子Ｇ１を構成する周期的な目盛線のシーケンスを非周期的に乱す部分である。
しかし、絶対マーキング部Ｒ１は、空間的に第一の格子Ｇ１に隣接した独自のトラックに配置することもできる。この絶対マーキング部は、更に、測定範囲内の各位置において一義的な絶対位置を定義する測定方向Ｘに配置されたコード、特に、ＰＲＣ（疑似ランダムコード）とすることができる。
この例に図示されている増分位置測定は、所謂三格子変換器方式に関する。この場合、基準尺１．１の第一の格子Ｇ１は、ここでは、送り側格子ＧＳと称する別の格子ＧＳを用いて照明されている。走査ユニット２．１は、走査間隔Ａに生じる第一の格子Ｇ１の像を走査するために配置された、ここでは、第二の格子Ｇ２と称する別の格子Ｇ２を有する。
この三格子変換器方式では、送り側格子ＧＳは、第一の光源３．１の光を分割する役割を果たし、理論的には、次のタルボット間隔が得られる。
Ｌｎ＝ｎ×Ｔ１×Ｔ２／λ１
ここで、ｎ：整数０，１，２，．．．
Ｔ１：第一の格子Ｇ１の格子定数
Ｔ２：第二の格子Ｇ２の格子定数
λ１：増分走査用の光の波長
Ｔ２＝２×Ｔ１により、
Ｌｎ＝ｎ×２×Ｔ１２／λ１
が得られる。
図３は、使用する波長λに依存する増分走査の信号振幅Ｓの推移グラフを図示している。この推移グラフは、図１に図示された構成における信号振幅の実際の推移を図示している。増分走査のために、波長λ１＝４７０ｎｍの光を使用した場合、第一のタルボット面（ｎ＝１）は、格子定数Ｔ１＝２０μｍに対して約１．５ｍｍの走査間隔Ａの所に有る。第一のタルボット面（ｎ＝１）の位置に相当する走査間隔Ａを選定した場合、一方では比較的大きな信号振幅Ｓが得られ、他方では、走査間隔Ａを変化した場合の信号の変化が比較的小さくなる。従って、位置測定装置を組み立てる間の取付許容範囲と、例えば、温度変化による、動作中の許容公差とが比較的大きくなる。
本発明では、タルボット間隔が使用する光の波長λ１に依存することを最適に活用している。高精度の位置測定には、出来る限り小さい格子定数Ｔ１を有する格子Ｇ１が基準尺１．１に必要である。格子定数Ｔ１が低下すると、タルボット間隔も短くなる。タルボット間隔が短くなると、走査間隔Ａに関する許容公差も低下する。そこで、機械的に簡単に実現可能な走査間隔Ａが得られるように、本発明では、増分位置測定用に、出来る限り短い波長λ１の光を使用している。
図３からは、使用する光の波長λの低下と共にタルボット面の間隔が長くなることが明らかに分かる。その間隔の変化に関する感度は、短い波長λの方が長い波長λよりも小さくなっている。そこで、本発明では、増分走査用に使用する波長λ１が、それに対応する以下において第一の検出器配列５．１と称する検出器配列５．１の最大スペクトル感度の範囲外に有ることさえも甘受している。
絶対位置測定のために、増分走査用の波長λ１よりも長い波長λ２を使用している。ここで、第一の検出器配列５．１と第二の検出器配列６．１が同様に構成されている場合、それらの波長λに依存したスペクトル感度は同じである。
両方の検出器配列５．１，６．１は、例えば、アモルファスシリコンを用いて構成される。アモルファスシリコン（ａＳｉ）ベースの検出器配列５．１，６．１における使用する光の波長λに依存するスペクトル感度の推移グラフが図４に図示されている。そのスペクトル感度の最大は、約５７０ｎｍの所に有る。この場合、絶対走査のためには、５７０ｎｍ±５０ｎｍの範囲内の波長λ２の光が有利である。そして、増分走査では、１ｍｍ以上の所望の走査間隔Ａを実現するために、５２０ｎｍよりも短い、特に、４３０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内の波長λ１の光が有利である。この場合、増分測定用に使用する波長λ１が検出器配列５．１の最大スペクトル感度の範囲外に有ることを甘受している。
図示された例では、両方の走査用に使用する波長λ１，λ２を検出器配列５．１と６．１のスペクトル感度Ｅに対応させることは、第二の波長λ２に関するスペクトル感度が第一の波長λ１に関するスペクトル感度よりも大きくなるように行なわれている。即ち、第二の波長λ２がスペクトル感度Ｅの最大の所又は少なくとも最大の近くに有ることによって、絶対走査のために、検出器配列６．１のスペクトル特性を完全に活用している。
一般的に述べると、絶対走査用の波長λ２は、有利には、その走査に対応する検出器配列６．１のスペクトル感度が最大となる所と一致するように選定される、有利には、±５０ｎｍの許容範囲内で選定される。増分走査用の波長λ１は、それと比べて短く選定される。
増分走査用の第一の検出器配列５．１は、有利には、第二の格子Ｇ２を光電式検出器の層構造に統合することによって、所謂構造化された検出器配列の形で構成される。互いに位相のずれた複数の走査信号を導き出すことができるように配置、相互接続された検出器配列５．１の複数のグループを周知の手法で配備することができる。増分走査用の構成に関しては、例えば、特許文献２を参照されたい。
図示されている例では、絶対走査用の第二の検出器配列６．１も、絶対マーキング部Ｒ１を走査するための構造Ｒ２を光電式検出器の層構造に統合することによって、構造化された検出器配列の形で構成されている。
これらの検出器配列５．１，６．１は、有利には、透明な支持基板７．１の基準尺１．１とは逆の上側に一緒に配置される。第一の光源３．１、第二の光源４．１、第一の検出器配列５．１及び第二の検出器配列６．１は、光源３．１及び４．１の光を放出する側と検出器配列５．１及び６．１の光を受信する側が基準尺１．１の方向を向くように、透明な支持基板７．１の上側に配置されている。
図２は、本発明の第二の実施例を図示している。この実施例では、絶対マーキング部Ｒ３が、基準尺１．２上において、空間的に第一の格子Ｇ１の隣に配置されている。増分測定用の検出器配列５．２と絶対測定用の検出器配列６．２は、又もや透明な支持基板７．２の基準尺１．２とは逆の上側に一緒に配置されている。第一の光源３．２、第二の光源４．２、第一の検出器配列５．２及び第二の検出器配列６．２は、光源３．２及び４．２の光を放出する側と検出器配列５．２及び６．２の光を受信する側が基準尺１．２の方向を向くように、透明な支持基板７．２の上側に配置されている。
この例では、走査ユニット２．２の検出器配列５．２と６．２は、結晶シリコン（Ｓｉ）をベースとして構成されている。これらの検出器配列５．２と６．２のスペクトル感度Ｅの推移グラフが図４に図示されている。そのスペクトル感度の最大は、約８７０ｎｍの波長の所に有る。従って、絶対測定用の光、即ち、第二の光源４．２の第二の波長λ４は、約８７０ｎｍ±５０ｎｍに選定される。この場合、第一の波長λ３、即ち、増分測定用の光源３．２の光は、有利には、７００ｎｍよりも短く、特に、約６００ｎｍに選定される。
異なる波長λ１，λ２又はλ３，λ４を使用することに関して、更に、両方の走査チャネル（増分走査と絶対走査）の相互の影響を防止するために、フィルターを使用する手法を提供する。そのようなフィルター９と１０の実現可能な配置構成が図２に図示されている。そのために、第一の検出器配列５．２に対しては、第一の波長λ３の光成分を通過させて、第二の波長λ４の光成分を通過させない第一のフィルター９が配備されている。このフィルター９は、第二の格子Ｇ２と第一の検出器配列５．２の光を受信する面の間に配置されている。第二の検出器配列６．２に対しては、第二の波長λ４の光成分を通過させて、第一の波長λ３の光成分を通過させないフィルター１０が配備されている。このフィルター１０は、絶対マーキング部Ｒ３を走査するための構造Ｒ４と第二の検出器配列６．２の間に配置されている。
１．１，１．２ 基準尺
２．１，２．２ 走査ユニット
３．１，３．２ 第一の光源
４．１，４．２ 第二の光源
５．１，５．２ 第一の検出器配列
６．１，６．２ 第二の検出器配列
７．１，７．２ 支持基板
９，１０ フィルター
Ａ 走査間隔
Ｅ スペクトル感度
Ｇ１ 第一の格子
Ｇ２ 第二の格子
ＧＳ 送り側格子
Ｒ１，Ｒ３ 絶対マーキング部
Ｒ２，Ｒ４ 絶対マーキング部Ｒ１，Ｒ３を走査するための構造
Ｓ 信号振幅
Ｔ１，Ｔ２ 第一の格子Ｒ１，第二の格子Ｒ２の格子定数
Ｘ 測定方向
λ１，λ３ 増分測定用の光の波長
λ２，λ４ 絶対測定用の光の波長

Claims (10)

  1. 基準尺（１．１，１．２）とこの基準尺に対して相対的に測定方向（Ｘ）にスライド可能な走査ユニット（２．１，２．２）とを備えた光学式位置測定装置であって、
    この基準尺（１．１，１．２）が、周期的な増分目盛の形の第一の格子（Ｇ１）を有し、この走査ユニット（２．１，２．２）が、第一の格子（Ｇ１）に対して走査間隔（Ａ）を開けて配置された少なくとも一つの第二の格子（Ｇ２）を有し、位置測定のために、両方の格子（Ｇ１，Ｇ２）に第一の波長（λ１，λ３）の光を照射して、第一の検出器配列（５．１，５．２）を用いて、その光から第一の走査信号を取得し、
    この基準尺（１．１，１．２）が、更に、絶対マーキング部（Ｒ１，Ｒ３）を有し、位置測定のために、この絶対マーキング部（Ｒ１，Ｒ３）に第二の波長（λ２，λ４）の光を照射して、第二の検出器配列（６．１，６．２）を用いて、その光から第二の走査信号を取得し、
    第一の波長（λ１，λ３）が、第二の波長（λ２，λ４）よりも短く、
    別の格子（ＧＳ）を用いた第一の格子（Ｇ１）の照明が行なわれ、第二の格子（Ｇ２）が、第一の格子（Ｇ１）から第一のタルボット間隔に相当する走査間隔（Ａ）を開けて配置されて、第一の格子（Ｇ１）によりタルボット効果が生じるように、第一の格子（Ｇ１）と第二の格子（Ｇ２）の照明と構成が行なわれている、
    光学式位置測定装置。
  2. 第一の検出器配列（５．１，５．２）と第二の検出器配列（６．１，６．２）が、波長（λ）に依存した同様のスペクトル感度（Ｅ）を有し、第二の波長（λ２，λ４）に関するスペクトル感度が第一の波長（λ１，λ３）に関するスペクトル感度よりも大きくなるように、第一の波長（λ１，λ３）と第二の波長（λ２，λ４）が選定されている請求項１に記載の光学式位置測定装置。
  3. 第二の波長（λ２，λ４）が、第二の検出器配列（６．１，６．２）のスペクトル感度が最大になる波長±５０ｎｍの範囲内に有る請求項１又は２に記載の光学式位置測定装置。
  4. 第一の波長（λ１）が５２０ｎｍよりも短い請求項１から３までのいずれか一つに記載の光学式位置測定装置。
  5. 第一の検出器配列（５．１）と第二の検出器配列（６．１）がアモルファスシリコンを用いて構成されている請求項１から４までのいずれか一つに記載の光学式位置測定装置。
  6. 第一の波長（λ１）が４３０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内に有り、第二の波長（λ２）が５７０ｎｍ±５０ｎｍの範囲内に有る請求項５に記載の光学式位置測定装置。
  7. 第一の検出器配列（５．２）と第二の検出器配列（６．２）が結晶シリコンを用いて構成されており、第一の波長（λ３）が７００ｎｍよりも短く、第二の波長（λ４）が８７０ｎｍ±５０ｎｍの範囲内に有る請求項１から３までのいずれか一つに記載の光学式位置測定装置。
  8. 第一の波長（λ１，λ３）の光を発生するために、第一の光源（３．１，３．２）が配備され、第二の波長（λ２，λ４）の光を発生するために、第二の光源（４．１，４．２）が配備され、第一の光源（３．１，３．２）、第二の光源（４．１，４．２）、第一の検出器配列（５．１，５．２）及び第二の検出器配列（６．１，６．２）が透明な支持基板（７．１，７．２）上に一緒に配置されている請求項１から７までのいずれか一つに記載の光学式位置測定装置。
  9. 光源（３．１，３．２，４．１，４．２）の光を放出する側と検出器配列（５．１，５．２，６．１，６．２）の光を受信する側が基準尺（１．１，１．２）の方向を向くように、第一の光源（３．１，３．２）、第二の光源（４．１，４．２）、第一の検出器配列（５．１，５．２）及び第二の検出器配列（６．１，６．２）が透明な支持基板（７．１，７．２）の上側に配置されている請求項８に記載の光学式位置測定装置。
  10. 第一の検出器配列（５．２）に対して、第二の波長（λ４）の光の成分を通過させないフィルター（９）が配備されており、第二の検出器配列（６．２）に対して、第一の波長（λ３）の光の成分を通過させないフィルター（１０）が配備されている請求項１から９までのいずれか一つに記載の光学式位置測定装置。
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