(57)【要約】位置測定装置（１００）において、スケール（１）が、１本の光ファイバ（３）によって照射される。短い光パルス（ＩＬ）が、この光ファイバ（３）内に供給される。光パルス（ＩＬ）は、場所（２００）で生成されて供給される。位置測定値を呼出すためのリクエスト信号（Ｉ）が、この場所（２００）で、すなわち位置測定装置（１００）の走査装置（５）の外側で生成される。
2004513337.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の方法ステップによる位置測定方法：
−１つのリクエスト信号（Ｉ）に基づいて１つの光パルス（ＩＬ）を生成し；
−この光パルス（ＩＬ）を１本の光ファイバ（３）を通じて１つのスケール（１）に伝送し、このスケール（１）をこの光パルス（ＩＬ）で照射し；
−この光パルス（ＩＬ）をこのスケール（１）によって位置に依存して干渉させ；
−このスケール（１）によって干渉された光パルス（ＩＬ）を少なくとも１つの光検出器（７．１，７．２，７．３）によって検出する。
【請求項２】
光パルス（ＩＬ）は、電気的なリクエスト信号（Ｉ）に基づいて生成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
光電荷が、光検出器（７．１，７．２，７．３）中の光パルス（ＩＬ）に基づいて生成され、これらの光電荷は、後続する電荷増幅器（８．１，８．２，８．３）に伝送されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
電荷増幅器（８．１，８．２，８．３）は、２つの光パルス（ＩＬ）の発生と発生との間にリセットされることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
多数の光検出器（７．１，７．２，７．３）が設けられていて、これらの光検出器（７．１，７．２，７．３）の各々が、スケール（１）によって干渉された光パルス（ＩＬ）のビームの一部を受信することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
−１つのスケール（１）及びこのスケール（１）を走査する１つの走査装置（５）；
−リクエスト信号（１）に基づいて光パルス（ＩＬ）を出力する１つの光源（４）；
−この光源（４）から走査装置（５）へ光パルス（ＩＬ）を伝送してスケール（１）を照射する１本の光ファイバ（３）；
−スケール（１）によって位置に依存して干渉された光パルス（ＩＬ）を検出する少なくとも１つの光検出器（７．１，７．２，７．３）；
を有する位置測定装置。
【請求項７】
１つの電荷増幅器（８．１，８．２，８．３）が、少なくとも１つの光検出器（７．１，７．２，７．３）に後続配置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】
少なくとも１つの光検出器（７．１，７．２，７．３）が、電荷増幅器（８．１，８．２，８．３）と共に走査装置（５）内に配置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。
【請求項９】
少なくとも１つの光検出器（７．１，７．２，７．３）が、評価電子機器（２００）内に配置されていること、及び、スケール（１）によって位置に依存して干渉された光パルス（ＩＬ）が、１本の光ファイバ（１１，１２，１３）を経由してこの光検出器（７．１，７．２，７．３）に伝送され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１０】
光ファイバ（３）は、単一モード光ファイバであることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の位置測定装置。
【請求項１１】
光ファイバ（３）は、多モードの分布屈折率形光ファイバであることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の位置測定装置。
【請求項１２】
光源（４）は、半導体レーザであることを特徴とする請求項６〜１１のいずれか１項に記載の位置測定装置。
【請求項１３】
多数の光検出器（７．１，７．２，７．３）が設けられていて、これらの光検出器（７．１，７．２，７．３）の各々が、スケール（１）によって干渉された光パルス（ＩＬ）のビームの一部を受信することを特徴とする請求項６〜１２のいずれか１項に記載の位置測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
インクリメンタル又はアブソリュート位置測定装置は、例えば工作機械やウェーハステッパ装置のような機械において移動する物体の特定の位置を検出するために使用される。この場合、位置測定装置は、物体の位置を全ての特定の時点に測定する必要があり、そして移動過程を制御する制御電子機器に伝える必要がある。多くの場合にこの制御電子機器が、トリガーパルスによってこれらの時点を特定する。これらのトリガーパルスは、位置測定装置又はこの位置測定装置の評価電子機器に入力される。次いで、同じ周期の互いに位相のずれた走査信号の瞬時値が、記憶されるか又は伝送され、これらの瞬時値がアナログ・デジタル変換されることによって、この評価電子機器は、内部計数状態を記憶し、ＡＤ変換器を信号の補間のために始動させる。この評価電子機器内の内部信号処理部が、位置測定値を最終的に出力する。この位置測定値は、始動時点（トリガー時点）に精確に出力されるのではなくて、記憶時間だけずれた時点に出力される。典型的な記憶時間は、約数μｓである。
【０００２】
特に高速時の常に高くなっていく処理速度及びそれと同時に高まる精度要求は、常により短い記憶時間及び特に記憶時間の極めて小さい変動（記憶ジッター）を必要とする。この記憶ジッターをウェーハステッパ装置の例に基づいて説明する。このウェーハステッパ装置は、Ａｒｔｉｋｅｌ ｖｏｎ Ｐ． Ｋｗａｎ， Ｕ． Ｍｉｃｋａｎ， Ｍ． Ｈｅｒｃｈｅｒの論文：Ｎａｎｏｍｅｔｅｒｇｅｎａｕｅ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｓｍｅｓｓｕｎｇ ｉｎ ａｌｌｅｎ Ｆｒｅｉｈｅｉｔｓｇｒａｄｅｎ， Ｆ＆Ｍ １０８（２０００） ９， 第 ６０−６４頁に記されている：処理速度が２ｍ／ｓ で、記憶ジッターが１ｎｓだけの場合、これによって引き起こされた位置の不確定性は、約２ｎｍになる。このことは、このような用途に対しては精度を著しく損なう。他方では、１ｎｓより小さい記憶ジッターが、評価電子機器と位置測定装置とに極めて高度に要求される。以下の効果を位置測定装置で注意を払う必要がある：
・信号を評価するためにＡＤ変換器の前で必要である全てのアナログ増幅器が、限られた帯域幅を有し、それ故に走査信号を大幅に遅延させる。温度の影響や老化によるこれらの使用される構成部材の小さなドリフトが、信号の遅延時間に影響し、それと同時に記憶ジッターに強く関与する。さらに、信号の遅延時間は、入力周波数と処理速度とに依存する。このことは、記憶ジッターにさらに関与しうる。
【０００３】
・ＡＤ変換器が励起された電圧をトリガーパルスの切替りエッジに対して精確に測定されないので、このＡＤ変換器も、記憶ジッターに関与する。
・一般に、走査信号は、位相が ９０ °だけずれている。正弦信号も余弦信号も、同一の記憶時間を有する必要があり、そうでない場合には位置測定装置の精確な位置に依存する実際の記憶時間を入手する。この実際の記憶時間は、正弦信号の記憶時間と余弦信号の記憶時間との間で変動する。１つの信号周期内の位置測定に関しては、零通過点の近くにある走査信号がそれぞれ支配的である。何故なら、この走査信号の位置又は位相位置が、この領域内で大きく変化するからである。
【０００４】
外部トリガー信号がリクエスト信号として印加されるときに、大電流が電源に通電される位置測定装置が、ドイツ連邦共和国特許出願公開第 ４４ １０ ９５５号明細書中に記されている。ここではトリガーパルス（リクエスト信号）が、外部シーケンス電子機器（制御電子機器）からの導線接続部を経由して位置測定装置内にある光源に供給されるので、光源と外部トリガーパルスとの与えられている同期は、記憶ジッターに対する要求に対してほとんど適さない。このシーケンス電子機器は、０．５ 〜 ２０ｍの通常のケーブルの長さのときに １０ｎｓ 以下の十分な遅延時間を保証せず、それ故に要求の多い用途では使用できない。この場合、ジッターのないトリガーパルスが、多くの場合にこれらのジッターのないトリガーパルスを生成する制御電子機器の電子機器ユニットのすぐ近くでしか処理できなことに注意を払う必要がある。
【０００５】
本発明の課題は、精確な位置測定を保証する位置測定方法及びこの方法を実施する位置測定装置を提供することにある。
この課題は、請求項１の特徴を有する方法及び請求項６の特徴を有する位置測定装置によって解決される。
本発明の好適な構成は、従属請求項中に記載されている。
極めて小さい記憶ジッターが、本発明のこれらの解決手段によって実現可能である。
【０００６】
以下に本発明を実施の形態に基づいて詳しく説明する。
図１の位置測定装置１００は、走査装置５に対して測定方向Ｘに沿って相対移動可能で、光電走査可能な目盛を有するスケール１から構成される。この目盛２は、光の透過する方向に又は照射方向に走査可能に形成され得る。さらにスケール１は、インクリメンタル長さ若しくはアブソリュート長さ又は角度を測定するために形成してもよい。スケール１を照射するために必要な光は、光ファイバ３を経由して位置測定装置１００に送られる。本発明の光学位置測定装置の光源４は、走査装置５内に直接取付けるのではなくて、この光源４は、−リクエスト信号とも呼ばれる−ジッターのないトリガーパルスＩが処理可能である場所、すなわちトリガーパルスＩを生成する制御電子機器２００の近くか又はこの制御電子機器２００内に存在する。トリガーパルスＩは、デジタル式で高速なドライバー段６を経由して光源４に伝送される。それ故に、この光源４は、光パルスＩＬを ２５ ｐｓｅｃ〜 ５ ｎｓｅｃ のパルス期間で時間同期に出射する。この光パルスＩＬは、制御電子機器２００内で光ファイバ３内に入射され、そして走査装置５に伝送される。特に単一モードの光ファイバが使用される場合、光ファイバ３内の光パルスＩＬの遅延時間は非常に一定である。多モードの分布屈折率形光ファイバでも、非常に良好な結果が得られる。光パルスＩＬは、走査装置５内で適切な走査光学機器によってスケール１に向けられ、最終的にフォトダイオード７．１，７．２，７．３に向けられる。この場合、どんな走査光学機器が使用されるかは問題ではない。特に投影走査方法と干渉走査方法が使用される。光電荷が、短い光パルスＩＬによってフォトダイオード７．１，７．２，７．３中に生成される。これらの光電荷は、後続する電荷増幅器８．１，８．２，８．３に伝送される。これらの電荷増幅器８．１，８．２，８．３は、後続する評価電子機器９内に組込んでもよいし又は走査装置５内に直接組込んでもよい。これらの電荷増幅器が、走査ユニット５内に組込まれていると好ましい。その結果、電荷増幅された走査信号が、導線２１，２２，２３を通じて伝送される。これらの導線２１，２２，２３は、その出力部で信号電圧を出力する。これらの信号電圧は、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）によってデジタル信号に変換される。補間値が、１つの周期内で １２０°だけ又は ９０ °だけ互いに位相のずれた同じ周期の多数の走査信号から算出されることによって、その後のデジタル処理が、従来の位置測定装置のときのように実行される。この処理方法は、公知であり、ここではさらに説明しない。電荷増幅器８．１，８．２，８．３の充電コンデンサが、測定直後にリセット（放電）される。その結果、新たな光パルスＩＬがスケール１に向かって出射されることによって、その次の測定が実行され得る。短い光パルスＩＬが、位置測定の時点を極めて精確に特定する。後続する−フォトダイオード７．１，７．２，７．３，増幅器，ＡＤＣ１０，接続ケーブル等のような−電子機器要素は、結果に影響を及ぼさず、それ故に比較的低速のもので構成でき、そのため廉価に構成できる。
【０００７】
レーザダイオード，面発光型半導体レーザ，発光ダイオード，固体レーザ，大出力発光ダイオードが、走査方法に応じて光源４として使用される。この場合、特に半導体レーザでは、本発明のさらなる利点が証明される：半導体レーザが、この半導体レーザのパルスによって縦マルチモードになり、それと同時に有害なモードホッピングをもはや発生させない。干渉式の位置測定装置１００の場合、このようなモードホッピングは、干渉する複数の光ビームの光路長の僅かな違いだけでも突然でかつ非常に有害なホッピングを照射された位置で引き起こす。
【０００８】
インクリメンタル走査方法に対しては、経過する信号周期の数を検出する必要がさらにある。走査信号が２つのトリガーパルスＩ間で処理不可能であるので、スケール１が連続して照射される位置測定装置とは対照的に、ここではカウントは、もはや実現不可能である。それ故に、位置測定装置１００を信号周期及び最大速度又は最大加速度に合わせて非常に頻繁に、例えば１ＭＨｚ で始動（トリガリング）させることが提唱される。１つの始動時点（トリガー時点）からその次の始動時点までほとんど変化しない速度が、これらの高い始動速度（トリガー速度）によって補間法で求めた精確な位置から算定され得る。低い速度では、ホッピングが次の信号周期に対して一義的に確定され得、それと同時にソフトウェアの周期カウンタが昇順にカウントされ得るように、１つの信号周期内に多数の測定値が入手される。この速度を上げると、連続する複数の測定値が、幾つかの信号周期までにさらに互いに分割され得る。それにもかかわらず、信号周期の確実なカウントが、ソフトウェアの周期カウンタによって可能である。さらに、速度が、先行する精確な複数の位置から近似的に算定される。そして、２つの始動時点間で発生する信号周期が、この速度から算出される。高いトリガー速度が好ましい。制御電子機器２００のトリガー速度が非常に遅い場合には、評価電子機器９が、トリガーパルスＩとトリガーパルスＩとの間に複数のトリガーパルスをさらに挿入する必要がある。
【０００９】
図２の実施の形態は、スケール１で変調された走査ビームを評価電子機器９へ光帰還させるために多モード光ファイバ１１，１２，１３を使用する点で第１の実施の形態と相違する。この場合では、光ファイバ１１，１２，１３から返送された光を受信するフォトダイオード７．１，７．２，７．３が、評価電子機器９に内蔵されている。そのため、走査装置５は受動的である。すなわち、この走査装置５は、もはや電気ケーブルに接続されていなくて、それと同時に危険な環境（高電圧，放電，爆発性ガス）でも障害なしに使用され得る。それと同時にさらに、比較的高い周波数の信号も簡単に伝送できる。
【００１０】
光源４の光パルスＩＬは、例えば１台の機械の多数の軸に付随している多数のスケールを同時に照射するために使用できる。この場合、複数の光ファイバを少なくともほぼ同じ長さにしなければならない。共通の光パルスＩＬが、これらの光ファイバ内に沿って個々のスケールに送られる。
トリガーパルスＩは、電気パルス又は光学パルスである。１台の機械の複数のセンサ及び場合によっては複数のアクチュエータが、このトリガーパルスＩによって共通に同期されている。多数の軸の位置測定装置１００，距離センサ，加速度センサ及び速度センサをセンサとして挙げることができる。すなわち、これらのセンサは、制御のために使用される。トリガーパルスＩは、機械、例えば数値制御式の工作機械の制御ユニットの制御サイクルに同期されている。
【００１１】
トリガーパルスＩが既に光学パルスであるならば、図１，２中に符号４，５で示された要素は不要である。光学光ファイバ増幅器，光学スイッチ又は光学ミクサーの形態をした光学処理ユニットをこれらの場所に設けてもよい。
本発明の高精度の位置測定装置を第２の位置測定装置と組合わせてもよい。例えば、光パルスＩＬと異なる波長の一定な光が、光ファイバ３を通じて伝送され、目盛２及び／又は別の目盛若しくはコード部が、この一定な光によって照射されて走査される。このとき、大まかな位置が、この一定な光の走査によって特定される。そして、この位置が、光パルスＩＬによってより精確に特定される。この場合、大まかな位置は、ハードウェアのカウンタによって算出され得、光パルスＩＬによる位置測定は、ソフトウェアのカウンタによって実施される。このソフトウェアのカウンタは、互いに位相のずれた走査信号の補間値に基づいて瞬間の位置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の第１の位置測定装置を示す。
【図２】
本発明の第２の位置測定装置を示す。
【符号の説明】
１　　スケール
２　　目盛
３　　光ファイバ
４　　光源
５　　走査ユニット，走査装置
６　　ドライバー段
７．１　　フォトダイオード，光検出器
７．２　　フォトダイオード，光検出器
７．３　　フォトダイオード，光検出器
８．１　　電荷増幅器
８．２　　電荷増幅器
８．３　　電荷増幅器
９　　評価電子機器
１０　　アナログ・デジタル変換器
１１　　光ファイバ
１２　　光ファイバ
１３　　光ファイバ
２１　　導線
２２　　導線
２３　　導線
１００　　位置測定装置
２００　　制御電子機器
Ｉ　　トリガーパルス
ＩＬ　　光パルス
【国際公開パンフレット】
2004513337.tif 000003
2004513337.tif 000004
2004513337.tif 000005
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【手続補正書】
【提出日】平成14年5月28日(2002.5.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２】
光電荷が、光検出器（７．１，７．２，７．３）中の光パルス（ＩＬ）に基づいて生成され、これらの光電荷は、後続する電荷増幅器（８．１，８．２，８．３）に伝送されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項３】
電荷増幅器（８．１，８．２，８．３）は、２つの光パルス（ＩＬ）の発生と発生との間にリセットされることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項４】
多数の光検出器（７．１，７．２，７．３）が設けられていて、これらの光検出器（７．１，７．２，７．３）の各々が、スケール（１）によって干渉された光パルス（ＩＬ）のビームの一部を受信することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項５】
光パルス（ＩＬ）は、機械の多数の軸に付随している多数のスケールに伝送されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【手続補正書】
【提出日】平成14年10月30日(2002.10.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
以下の方法ステップ：
−１つの光パルス（ＩＬ）を１本の光ファイバ（３）を通じて１つのスケール（１）に伝送し、このスケール（１）をこの光パルス（ＩＬ）で照射すること；−この光パルス（ＩＬ）をこのスケール（１）によって位置に依存して干渉させること；
−このスケール（１）によって干渉された光パルス（ＩＬ）を少なくとも１つの光検出器（７．１，７．２，７．３）によって検出すること；
によって、機械の移動物体の移動が制御ユニットによって制御されるこの移動物体の位置を測定する方法において、
−このリクエスト信号（Ｉ）に基づいて１つの光パルス（ＩＬ）を生成すること、この場合、
−このリクエスト信号（Ｉ）は、機械の制御ユニットによって制御サイクルに同期して生成されることを特徴とする方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項６】
−１つのスケール（１）及びこのスケール（１）を走査する１つの走査装置（５）；
−１つの光源（４）から走査装置（５）へ光パルス（ＩＬ）を伝送してスケール（１）を照射する１本の光ファイバ（３）；
−スケール（１）によって位置に依存して干渉された光パルス（ＩＬ）を検出する少なくとも１つの光検出器（７．１，７．２，７．３）を有する、機械の移動物体の移動が制御ユニットによって制御されるこの移動物体の位置を測定する位置測定装置において、
−この光源（４）は、機械の制御ユニットによって制御サイクルに同期して生成されたリクエスト信号（Ｉ）に基づいて光パルス（ＩＬ）を出力することを特徴とする位置測定装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
外部トリガー信号がリクエスト信号として印加されるときに、大電流が電源に通電される位置測定装置が、ドイツ連邦共和国特許出願公開第 ４４ １０ ９５５号明細書中に記されている。ここではトリガーパルス（リクエスト信号）が、外部シーケンス電子機器（制御電子機器）からの導線接続部を経由して位置測定装置内にある光源に供給されるので、光源と外部トリガーパルスとの与えられている同期は、記憶ジッターに対する要求に対してほとんど適さない。このシーケンス電子機器は、０．５ 〜 ２０ｍの通常のケーブルの長さのときに １０ｎｓ 以下の十分な遅延時間を保証せず、それ故に要求の多い用途では使用できない。この場合、ジッターのないトリガーパルスが、多くの場合にこれらのジッターのないトリガーパルスを生成する制御電子機器の電子機器ユニットのすぐ近くでしか処理できなことに注意を払う必要がある。
スケールが光ファイバを通じて照射され、光源が変調されて作動され、この光源の光がこの光ファイバ内に入射されている位置測定装置が、米国特許発明第 ５ ０７３ ７１１号明細書及び米国特許発明第 ４ ９０６ ８３７号明細書中に記されている。




【国際調査報告】
2004513337.tif 000017
2004513337.tif 000018
2004513337.tif 000019
2004513337.tif 000020
2004513337.tif 000021
2004513337.tif 000022