(57)【要約】増分式の位置測定装置の場合、スケール（１）上には、増分式の測定目盛り（３）以外に参照マーク（４）並びに領域マーク（５，６）を有するトラックが取り付けられている。領域マーク（５，６）を走査することによって、走査装置（２）が参照マーク（４）の右側に存在するのか、左側に存在するのかを一義的に識別することができる。このため、領域マーク（５，６）は、入射する走査ビーム（１２）を異なった方向に異なった光検出器（１３１；１３３，１３４）に転向する。スケール（１）の端部では、領域マーク（５，６）が、リミット領域（５０，６０）を形成するためにブラインド（５１，６１）によってカバーされている。
2004534247.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スケール（１）とこのスケールに対して相対的に測定方向（Ｘ）に可動の走査装置（２）とを有し、
−スケール（１）が、測定目盛り（３）を備え、この測定目盛り（３）を走査することによって周期的な測定信号（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）が発生可能であり、
−スケール（１）が、少なくとも１つの参照マーク（４）を備え、この参照マーク（４）を走査することによって、参照マーク信号（Ｒ１，Ｒ２）が発生可能であり、
−スケール（１）が、光学的に走査可能な領域マーク（５，６）を備え、この領域マーク（５，６）を走査ビーム（１２）により光電走査することによって、領域信号（Ｂ）が発生可能であり、この領域信号の特性によって、複数の測定領域（５，６，５０，６０）が参照マーク（４）以外に識別可能である、ように構成されている位置測定装置において、
−領域マークが、光学的に異なるように偏向させる要素（５，６）であり、これらの要素が、入射する走査ビーム（１２）を、複数の測定領域（５，６，５０，６０）内で異なった光検出器（１３１，１３３，１３４）に偏向させることを特徴とする位置測定装置。
【請求項２】
光学的に偏向させる要素が、異なった格子パラメータを有する格子（５，６）であることを特徴とする請求項１に記載の位置測定装置。
【請求項３】
測定目盛り（３）、参照マーク（４）及び領域マーク（５，６）が、位相格子であることを特徴とする請求項２に記載の位置測定装置。
【請求項４】
領域マーク（５，６）及び参照マーク（４）が、共通のトラック内に配設されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の位置測定装置。
【請求項５】
異なった光検出器（１３１，１３３，１３４）が、参照マーク（４）に入射する走査ビーム（１２）が同様にこれらの光検出器（１３１；１３３，１３４）の少なくとも１つに整向されているように配設されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の位置測定装置。
【請求項６】
入射する走査ビーム（１２）が第１の光検出器（１３１）に命中するように、領域マーク（５）が参照マーク（４）の第１の側に形成されており、また入射する走査ビーム（１２）が少なくとも１つの第２の光検出器（１３３，１３４）に命中するように、領域マーク（６）が参照マーク（４）の第２の側に形成されていることによって、走査装置（２）が参照マーク（４）の第１の側に存在するのか、第２の側に存在するのかが、領域信号（Ｂ）によって識別可能であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の位置測定装置。
【請求項７】
参照マーク（４）の第１の側の領域マーク（５）が、反射するように又は透明に形成されており、参照マーク（４）の第２の側の領域マーク（６）が、回折格子として形成されていることを特徴とする請求項６に記載の位置測定装置。
【請求項８】
スケール（１）が、リミット領域（５０，６０）を備え、その際、リミット領域（５０，６０）が、領域マーク（５，６）の光学的な作用を部分的に変化させることによって形成されていることを特徴とする請求項６又は７に記載の位置測定装置。
【請求項９】
リミット領域（５０，６０）が、領域マーク（５，６）を部分的にカバーすることによって形成されていることを特徴とする請求項８に記載の位置測定装置。
【請求項１０】
リミット領域（５０，６０）を形成するために、それぞれ１つのブラインド（５１，６１）が領域マーク（５，６）に取り付けられていることを特徴とする請求項９に記載の位置測定装置。
【請求項１１】
参照マーク（４）を光電走査することによって、少なくとも１つの参照マーク信号（Ｒ１，Ｒ２）が発生可能であり、領域マーク（５，６）を光電走査することによって、それぞれ第１の光検出器（１３１）及び少なくとも第２の光検出器（１３３，１３４）から、第２の走査信号（Ｂ１）が発生可能であり、その際、領域信号（Ｂ）を形成するために、これらの信号（Ｒ１，Ｂ１）が、評価ユニットにおいて第１の結合規則により組み合せられており、またリミット信号（Ｌ）を形成するために、第１の結合規則から逸脱する第２の結合規則により組み合わされていることを特徴とする請求項６〜１０のいずれか１つに記載の位置測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特許請求項１の上位概念に記載の位置測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この様式の位置測定装置は、特に、加工すべきワークピースに関する工具の相対位置を測定するための加工機械において、検査対象の位置及び寸法を確認するための座標測定機において、並びに最近では増々半導体産業、例えばウエハステッパにおいても、使用される。その際、この位置測定装置は、スケールが駆動ユニット（回転モータ又はリニヤモータ）に直接取り付けられるか、スケールが駆動ユニットによって駆動される部品に取り付けられる角度又は長さ測定装置である。
【０００３】
この様式の、例えば特許文献１から公知の位置測定装置のスケールは、カウント信号を発生させるための周期的な測定目盛り並びに参照マーク信号を発生させるための参照マークを備える。この参照マーク信号を介して、参照マークの位置のために、カウンタが所定のカウントにセットされることによって、位置測定部の絶対性が形成される。
【０００４】
供給エネルギの停止による運転中断後の位置測定の開始時、並びにカウントの修正及びコントロールのために、しばしば、任意の位置から出発して参照マークに到達することが必要である。このため、領域マークがスケールに取り付けられており、これらの領域マークによって、走査装置が参照マークの一方の側に存在するのか、他方の側に存在するのかを識別することができる。この領域マークは、参照マークの一方の側では、一貫した非光透過性のストライプとして形成されている。参照マークの他方の側では、領域マークが、透明の領域として構成されている。両方の領域マークを走査するために、共通の光検出器が走査ユニット内に形成されている。走査装置が参照マークの一方の側に存在するのか、他方の側に存在するのかの識別は、この光検出器の測定信号を基にして行なわれる。
【０００５】
この測定信号の信号レベルを基にしたこの識別は問題があることが分かっている。何故なら、レベルの相互の間隔が比較的僅かであるからである。この測定信号も、容易にスケールの部分的な汚染によって影響を受けてしまい、従って、誤りのある走査装置の位置が検出される。
【特許文献１】
独国実用新案第９２  ０９  ８０１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、本発明の課題は、複数の測定領域が参照マーク以外により確実に識別され得る位置測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、特許請求項１の特徴を有する位置測定装置によって解決される。
【０００８】
有利な形態は、従属する特許請求項に記載されている。
【０００９】
本発明により形成される位置測定装置は、特に、走査装置が参照マークの一方の側に存在するのか、他方の側に存在するのかを一義的に識別するための確実さが比較的高いという利点を有する。故障時の安全性が向上している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施例により、本発明を、以下で、図面を基にして詳細に説明する。
【００１１】
図１は、スケール１を有する長さ測定装置の形の光電子による増分式位置測定装置を示し、このスケールは、走査装置２に対して相対的に測定方向Ｘに摺動可能である。スケール１には、第１のトラック内に周期的な増分式の測定目盛り３が、また第２のトラック内に参照マーク４並びに領域マーク５及び６が、取り付けられている。スケール１の光電走査をするため、走査装置２は光源７を有し、この光源の光は、コリメータ８によって収束させられ、走査プレート９によってスケール１に整向される。スケール１に入射する光は、測定目盛り３、参照マーク４並びに領域マーク５及び６において、位置に依存して反射され、光検出装置１０に命中する。スケール１は、図２において、平面図に図示されており、光検出装置１０は図３に図示されている。どのように光が個々の領域４，５及び６において位置に依存して影響を受けるかが、図５，７及び８に図示されている。
【００１２】
反射する位相格子３に命中する走査ビーム１１は、この走査ビームが種々の部分ビームへと回折させられ、次に、これらの部分ビームが互いに干渉させられ、３つの光検出器１１１，１１２，１１３に命中し、これらの光検出器が、公知の方法で干渉による走査原理によって互いに位相のずれた類似した周期的な測定信号Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３を発生させ、これらの測定信号から、公知の方法で、補間法によって高分解能のカウント信号が発生させられることによって、位置に依存して変調される。
【００１３】
走査ビーム１２は、参照マーク４の領域内で、参照マーク４の反射フィールドから走査プレート９へと転向される。走査プレート９は、反射されたこの光が入射する領域内に走査フィールド１３を備え、この走査フィールドは、透明なフィールド１３．１及び横方向に偏向するフィールド１３．２を有する非周期的な格子から成る（図４）。光は、スケール１への往路でもスケール１からの復路でも、このフィールド１３を通過するので、横方向に分裂する。格子パラメータを適当に選択することによって、検出器１３１に達する光から逆脈動参照マーク信号Ｒ１が発生させられる（図６）。他の部分は、横方向の第１の次数で偏向させられ、この次数のうちの１つは、光検出器１３２により検出され、これと共に、脈動参照マーク信号が発生させられる（図６）。結果として生じる参照マーク信号Ｒは、逆脈動参照マーク信号Ｒ１と脈動参照マーク信号Ｒ２を重ね合わせる（Ｒ＝Ｒ２−Ｒ１）ことによって発生させられる。参照マーク４を走査するための走査プレート９の形態は図４に、また走査光路は図５に、図示されている。この走査原理は、詳細に欧州特許第０  ６６９  ５１８号明細書内で説明されており、この走査原理の開示を、明確に引き合いに出す。
【００１４】
光検出器１３１，１３２，１３３，１３４に対する上のトラックの走査ビーム１２の視準のために、コリメータ８の第１のセグメントが使用され、また光検出器１１１，１１２，１１３に対する下のトラックの走査ビーム１１の視準のために、コリメータ８の第２のセグメントが使用される。これらのセグメントは、図１においては、概略的にしか図示されてない。
【００１５】
非周期的な位相格子の形の参照マーク４は、測定目盛り３の複数の目盛り周期にわたって延在する。走査フィールド１３が、参照マーク４に正確に相対している場合、光検出器１３１，１３２は、増分式のカウントパルスに一義的に割り当てられる参照マーク信号を発生させる。このカウントパルスは、補間法によって測定目盛り３の目盛り周期よりも小さい経路部分を一義的に限定する。
【００１６】
参照マーク４の左側では、スケール１が一様に反射する。走査装置２が反射するこの領域マーク５に向かい合って位置するように存在する場合、入射する走査ビーム１２は、図７における走査光路に従って光検出器１３１に整向される。
【００１７】
参照マーク４の右側には、回折格子６が、領域マークとしてスケール１に配設されている。この回折格子６は、０次の回折次数を十分に抑制し、入射する走査ビーム１２を±１次の回折次数に偏向させる位相格子である。回折格子６において反射され、かつ測定方向Ｘに偏向させられるこれらの回折次数は、コリメータ８によって光検出器１３３，１３４に集中させられる。この走査光路は、図８に図示されている。
【００１８】
即ち、光は、領域マーク５，６において、スケール位置に依存してその方向を偏向させられる。特に方向偏向のために適しているのは、格子定数及び／又は格子整向のその特性を有する格子である。方向偏向の情報は、レンズ８の焦点面内でコード化される。何故なら、各格子定数及び各格子方向に、レンズ８の焦点面内の一点が割り当てられているからであり、ここには、適当な光要素１３１，１３３，１３４を配置することができる。
【００１９】
測定目盛り３、参照マーク４及び領域マーク６は、有利なことに位相格子であり、これは、これらの格子３，４，６が共通の方法ステップで形成することができ、従って、格子３，４，６の互いに正確な割り当てが保証されているという利点を必然的に伴う。この例では、位相格子６が測定目盛り３と同じ格子パラメータを有する。
【００２０】
参照マーク４の右側及び左側の光学的に異なった形態によって、走査ビーム１２は、一方の方向に反射されて光検出器１３１に整向されるか、これから逸脱する方向に反射されて光検出器１３３，１３４に整向されるかのいずれかが行なわれる。従って、両方の位置では、一義的な領域信号Ｂ（図１０）が使用可能である。従来技術とは異なり、参照マーク４の両側に、ゼロより大きい領域信号が使用可能であり、従って、例えば汚染による走査光路の中断も識別することができる。
【００２１】
本発明による措置により、参照マーク４及び領域マーク５，６を共通のトラック内に、即ち測定方向Ｘに相前後して配設することが可能であり、従って、領域４，５，６は、共通の光ビーム１２によって走査される。光検出器１３１又は光検出器１３３，１３４への転向は、スケール１における領域５及び６の方向選択的な反射機能によって行なわれる。領域５及び６の方向選択的な反射は、他の方法でも、例えば、透過光走査原理の場合に異なるように傾斜させられた反射面又は楔状のガラス面によって、又は縦方向に（Ｘ方向に）又は横方向に（Ｙ方向に）偏向させる振幅格子又は位相格子の形の偏向させる種々の格子領域によって行なわれる。
【００２２】
図１０に図示された領域信号Ｂを発生させるため、光検出器１３１の出力信号Ｒ１及び光検出器１３３，１３４の出力信号Ｂ１は、差回路２０に供給される。領域信号Ｂの振幅から、走査装置２が参照マーク４の右側に存在するのか、左側に存在するのかが、一義的に識別可能である。レベルの相互の間隔は比較的大きいことが、明らかである。減算によって、領域信号Ｂは、十分に照明強さに依存しない。
【００２３】
図９には、詳細に、領域信号Ｂを形成するための特に有利な評価ユニットが図示されている。逆脈動参照マーク信号Ｒ１と脈動参照マーク信号Ｒ２は、加算装置２１において、信号Ｂ２＝Ｒ１＋１．４５・Ｒ２へと異なって重み付けされるように加算される。これにより、参照マーク４の領域内で、更に比較的強く発振する領域信号Ｂの平滑化が得られる。加算装置２１の出力信号Ｂ２並びに信号Ｂ１は、領域信号Ｂ＝Ｂ２−３・Ｂ１を形成するための差回路２に供給される。領域信号Ｂは、比較装置２２に供給され、この比較装置において、領域信号Ｂは、参照値Ｂ０と比較される。領域信号Ｂが参照値Ｂ０よりも大きい場合、これは、走査装置２が参照マーク４の右側に存在することを意味する。領域信号Ｂが参照値Ｂ０よりも小さい場合、これは、走査装置２が参照マーク４の左側に存在することを意味する。
【００２４】
導入部で言及した従来技術（特許文献１）の場合、領域マークに加えて、参照マークの左右に、いわゆる制御マークがスケールの端部に取り付けられている。これらの制御マークは、走査装置の極限位置を限定し、終端位置スイッチ又はリミットマークとも呼ばれる。この様式の終端位置スイッチもしくはリミットマークを有する位置測定装置は、独国特許第４１  １１  ８７３号明細書及び欧州特許第０  １４５  ８４４号明細書にも記載されている。
【００２５】
本発明により形成される領域マークを有する位置測定装置の場合、限界位置スイッチの機能は、領域マーク５，６がリミット領域５０，６０内で部分的にカバーされることによって、特に有利に実現可能である。このため、図２に図示されているように、ブラインド５１，６１がスケール１に取り付けられている。これらのブラインド５１，６１は、スケール１を包囲するバネ板から成る摺動可能なクランプの形で実現されていても良く、又はこれらのブラインドが、スケール１の表面に、蒸着、接着、又はフィルタガラスの形で構成されていても良い。ブラインド５１，６１は、特に、光検出器１３３，１３４；１３１の出力信号Ｂ１；Ｒ１に、従ってリミット領域５０，６０内の領域信号Ｂのレベルにも、影響を与える。領域信号Ｂの経過を基にして、スケール１の異なった４つの領域、即ち左のリミット領域５０、参照マーク４の左の領域５、参照マーク４の右の領域６、並びに右のリミット領域６０を識別することができる。走査ビーム１２の異なった偏向がリミット領域５０，６０内に維持されたままなので、リミット領域５０，６０内にも、方向情報−参照マーク４の右側もしくは左側−が包含されている。
【００２６】
図９には、特に有利な回路装置が図示されており、この回路装置により、図１１に図示されているようなリミット信号Ｌが発生可能である。これにより発生させられるリミット信号Ｌは、リミット領域５０，６０と残りの領域との間の比較的高いレベル差を備える。従って、ＳＮ比は比較的大きい。
【００２７】
リミット信号Ｌを発生させるため、回路装置は、加算装置２１を備え、この加算装置は、逆脈動参照マーク信号Ｒ１及び脈動参照マーク信号Ｒ２を、信号Ｂ２＝Ｒ１＋１．４５・Ｒ２へと異なって重み付けされるように加算する。加算装置２１の出力信号Ｂ２並びに信号Ｂ１は、信号Ｌ１＝Ｂ２＋３・Ｂ１を形成するための別の加算装置２３に供給される。信号Ｌ１は、リミット信号Ｌ＝Ｌ１−Ｍを形成するための差回路２４に供給され、その際、Ｍは、加算装置２５内で加算される測定目盛り３の測定信号Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３の合計である。リミット信号Ｌは、比較装置２６に供給され、この比較装置において、リミット信号Ｌは、参照値Ｂ０と比較される。リミット信号Ｌが参照値Ｂ０よりも大きい場合、これは、走査装置２が許容可能な領域内に存在することを意味する。リミット信号Ｌが参照値Ｂ０よりも小さい場合、これは、走査装置２がリミット領域５０又は６０内に存在することを意味する。走査装置２が、右のリミット領域に存在するのか、左のリミット領域に存在するのかは、領域信号Ｂを基にして確認される。
【００２８】
リミット領域５０，６０内での領域マーク５，６の光学的な影響によって、光検出器１３１もしくは１３３，１３４への方向選択的な偏向は維持されたままであり、従って、リミット領域５０，６０を走査するための付加的な光検出器は何ら必要ない。更に、領域マーク５，６及びリミット領域の場所を節約する配設が保証されている。走査信号Ｒ１，Ｂ１が、第１の結合規則により回路装置内で領域信号Ｂを形成するため及びこの第１の結合規則から逸脱する第２の結合規則によりリミット信号Ｌを形成するために組み合わせられ、その際、第１の結合規則が走査信号の減算（Ｒ１−Ｂ１）を、また第２の結合規則が加算（Ｒ１＋Ｂ１）を包含する場合が有利である。スケール１の汚染もしくは走査光路の中断が生じた場合、リミット信号Ｌは、参照値Ｂ０以下に低下する。エラーの場合、この例では、リミット領域に達した場合と同じ情報が発生させられる。
【００２９】
選択的に、リミットマークは、回折次数の強度が変化させられることによっても形成することができ、このため、線と間隙の比の格子パラメータが使用され、位相格子の場合には位相深度が使用される。この選択肢の場合、偏向させられた光の方向、従って領域情報は、同様に維持されたままである。
【００３０】
リミットマークは、別の偏向させる領域によっても形成することができ、これらの領域は、領域マーク５，６とは、これらの領域が、入射する光を他の方向に別の光検出器へと転向させるようにして区別される。その際、特に、リミットマークは、領域マーク５，６の格子として他の格子パラメータ（目盛り周期及び／又は格子方向）を有する格子である。１次の回折次数が検出された場合、リミット領域とは異なるレンズの焦点面内の場所が、これにより異なった光要素が使用可能である。
【００３１】
図示された例を基にして、スケール２は、反射するように形成されている。図示されてない方法では、スケールは、透明に形成されていても良く、従って、格子３及び６は、透明な回折格子として形成されている。即ち、本発明は、入射光並びに透過光の走査をする場合に実現可能である。
【００３２】
異なった光検出器１３１，１３３，１３４は、不連続の個別要素又は要素の配列である。
【００３３】
スケールに沿った複数の測定領域を識別するための領域マークは、上で表現した有利な例においては、異なった格子パラメータを有する格子であり、その際、格子パラメータは、ある測定領域から他の測定領域へと飛躍的に変化する。これに対して選択的に、格子パラメータは、多数の測定領域を互いに識別可能に形成するために、連続的に変化しても良い。
【００３４】
領域マークの別の応用は、参照マークの両側の周辺フィールドのマークである。従って、参照マークの両側の領域内で、領域信号を発生させることができ、この領域信号は、位置測定の場合には、期待の参照マークを指摘し、従って、場合によっては処理速度を低減することができる。
【００３５】
要約すると、本発明は、即ち、スケールとこのスケールに対して相対的に測定方向に可動の走査装置とを有し、
−スケールが、測定目盛りを備え、この測定目盛りを走査することによって周期的な測定信号が発生可能であり、
−スケールが、少なくとも１つの参照マークを備え、この参照マークを走査することによって、参照マーク信号が発生可能であり、
−スケールが、光学的に走査可能な領域マークを備え、この領域マークを走査ビームにより光電走査することによって、領域信号が発生可能であり、この領域信号の特性によって、複数の測定領域が参照マーク以外に識別可能であり、そして、
−領域マークが、光学的に異なるように偏向させる要素であり、これらの要素が、入射する走査ビームを、複数の測定領域内で異なった光検出器に偏向させる、ように構成されている位置測定装置を提供する点にある。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】位置測定装置の概略断面図を示す。
【図２】図１による位置測定装置のスケールに対する平面図を示す。
【図３】光検出装置に対する平面図を示す。
【図４】走査プレートに対する平面図を示す。
【図５】参照マークの領域内の走査光路を示す。
【図６】参照マーク信号を示す。
【図７】参照マークの一方の側の走査光路を示す。
【図８】参照マークの他方の側の走査光路を示す。
【図９】回路装置を示す。
【図１０】領域信号を示す。
【図１１】リミット信号を示す。
【符号の説明】
【００３７】
１                スケール
２                走査装置
３                測定目盛り
４                参照マーク
５，６            領域マーク
７                光源
８                コリメータ
９                走査プレート
１０              光検出装置
１１              走査ビーム
１２              走査ビーム
１３              走査フィールド
１３．１          フィールド
１３．２          フィールド
２０              差回路
２１              加算装置
２２              比較装置
２３              加算装置
２４              差回路
２５              加算装置
２６              比較装置
５０，６０        リミット領域
５１，６１        ブラインド
１１１〜１１３    光検出器
１３１〜１３４    光検出器
Ｂ                領域信号
Ｂ０              参照値
Ｂ１              信号
Ｂ２              信号
Ｌ                リミット信号
Ｌ１              信号
Ｍ                合計
Ｍ１〜Ｍ３        測定信号
Ｒ                参照マーク信号
Ｒ１              逆脈動参照マーク信号
Ｒ２              脈動参照マーク信号
Ｘ                測定方向
【国際公開パンフレット】
2004534247.tif 000003
2004534247.tif 000004
2004534247.tif 000005
2004534247.tif 000006
2004534247.tif 000007
2004534247.tif 000008
2004534247.tif 000009
2004534247.tif 000010
2004534247.tif 000011
2004534247.tif 000012
2004534247.tif 000013
2004534247.tif 000014
2004534247.tif 000015
2004534247.tif 000016
2004534247.tif 000017
2004534247.tif 000018
2004534247.tif 000019
2004534247.tif 000020
2004534247.tif 000021
2004534247.tif 000022
2004534247.tif 000023
2004534247.tif 000024
2004534247.tif 000025
【国際調査報告】
2004534247.tif 000026
2004534247.tif 000027
2004534247.tif 000028
2004534247.tif 000029