(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに移動する２つの物体の相対位置を検出し、これらの物体に接続されている目盛板の目盛（Ｍ′）及び走査ユニット（Ａ′）を有する光学位置測定装置において、
−この場合、走査ユニット（Ａ′）は、走査目盛の形態の２つの走査視野（ＡＦ１′，ＡＦ２′）を持つ走査板（ＡＰ′）を有し、２つの部分ビーム束が、各走査視野（ＡＦ１′，ＡＦ２′）から＋１の回折次数及び−１の回折次数に回折され、これらの回折次数はそれぞれ、位相のずれている部分信号に割り当てられていて、これらの部分信号は、位相のずれに応じて変調されていて、走査視野（ＡＦ１′，ＡＦ２′）に起因するこれらの部分信号の位相がそれぞれ、互いに120°ずれていて、
−この場合、これらの走査視野（ＡＦ１′，ＡＦ２′）は、測定方向（ｘ）に沿ってＤ′＝ＴＰ′／２＊（Ｎ＋１／４）だけ互いにずれて走査板（ＡＰ′）上に配置されていて、この場合、ＴＰ′が、目盛板の目盛（Ｍ′）の目盛周期であり、Ｎ＝０，１，２，．．．であり、その結果、一方の走査視野（ＡＦ１′，ＡＦ２′）の各部分信号に対して、他方の走査視野（ＡＦ１′，ＡＦ２′）の90°だけ位相のずれた少なくとも１つの部分信号が存在し、
−この場合、光学偏向部材（ＡＥ１′，ＡＥ２′）が、これらの２つの走査視野（ＡＦ１′，ＡＦ２′）に割り当てられていて、これらの光学偏向部材（ＡＥ１′，ＡＥ２′）は、異なる走査視野（ＡＦ１′，ＡＦ２′）の上記の部分信号を検出のために空間的に分離し、
−この場合、２対の検出素子（Ｄ１１′，Ｄ１２′，Ｄ２１′，Ｄ２２′）が、走査板（ＡＰ′）に配置されていて、これらの検出素子（Ｄ１１′，Ｄ１２′，Ｄ２１′，Ｄ２２′）は、共通の平面内に配置されていて、２つの走査視野からの４つの部分ビーム束が、これらの検出素子（Ｄ１１′，Ｄ１２′，Ｄ２１′，Ｄ２２′）によって検出可能であり、この場合、１つの走査視野（ＡＦ１′，ＡＦ２′）の２つの検出素子（Ｄ１１′，Ｄ１２′，Ｄ２１′，Ｄ２２′）がそれぞれ、互いに逆並列に接続されていて、その結果、発生した１つの出力信号（０°，90°）が、各走査視野（ＡＦ１′，ＡＦ２′）に割り当てられ、両走査視野（ＡＦ１′，ＡＦ２′）のこれらの発生した出力信号（０°，90°）の位相が、互いに90°ずれていることを特徴とする光学位置測定装置。
【請求項２】
検出素子（Ｄ１１′，Ｄ１２′，Ｄ２１′，Ｄ２２′）は、１つの光源（Ｌ′）と共に支持回路基板（Ｔ′）上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光学位置測定装置。
【請求項３】
光学偏向部材（ＡＥ１′，ＡＥ２′）は、プリズムとして構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学位置測定装置。
【請求項４】
光学偏向部材（ＡＥ１′，ＡＥ２′）は、回折格子構造体として構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学位置測定装置。
【請求項５】
位置測定装置は、直線測定装置として構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学位置測定装置。
【請求項６】
位置測定装置は、角度測定装置として構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学位置測定装置。
【発明の詳細な説明】
この発明は請求項１の前段の光学位置測定装置に関する。
この種の光学位置測定装置は、本出願人の欧州特許第0 223 009号明細書により周知であり、図１a〜１cの模式図に基づき以下に説明することにする。この位置測定装置の中では、目盛板の目盛Ｍがこの格子Ｍに対して平行に測定方向Ｘに移動可能に配置された走査ユニットＡにより走査される。この場合、走査ユニットにより変位に応じて変調された信号が検出され、図示していない評価ユニットにより演算処理される。
この走査ユニットＡには、走査板ＡＰの外に、集光光学系Ｋと支持回路基板Ｔがある。走査ユニットＡの個々の部品およびそれ等の機能を以下に更に詳しく説明する。走査板ＡＰには、測定方向Ｘに目盛周期ＴＰの数分の１だけ互いにずれた少なくとも二つの走査視野ＡＦ1,ＡＦ2がある。つまり二つの走査視野ＡＦ1とＡＦ2は測定方向Ｘに互いに間隔Ｄだけずらして配置されている。走査視野ＡＦ1,ＡＦ2も測定目盛Ｍも単に模式的に示してある。走査板ＡＰの走査視野ＡＦ1,ＡＦ2は好ましくは位相格子として形成されている。１：１からずれているウェブ幅と溝幅の比を用いて、両方の走査視野ＡＦ1,ＡＦ2の各々により異なった回折次数の位相のずれた部分ビーム束が生じる。走査視野ＡＦ1,ＡＦ2当たり、生じた回折次数のうちの二つの回折次数、好ましくは＋１次と−１次の回折次数を利用する。従って、全体で４つの演算処理される部分信号が生じる。この場合、格子パラメータは＋１次と−１次の回折次数の部分信号の間に90°の位相差が生じるように選択される。全体の見通しを良くするため光線図は省く。
走査ユニットＡの支持回路基板Ｔの上に配置されている後置の検出素子Ｄ11，Ｄ12，Ｄ21とＤ22により異なった部分ビーム束が検出される。ここで、図１bは検出面内の異なった検出素子Ｄ11，Ｄ12，Ｄ21，Ｄ22の相対配置および支持回路基板Ｔ上に配置された光源Ｌを示す。
その外、支持回路基板Ｔと走査板ＡＰの間には集光光学系Ｋが配置されている。この集光光学系は光源Ｌから出たビーム束をコリメートし、検出素子Ｄ11，Ｄ12，Ｄ21，Ｄ22の方向に反射した部分ビーム束を結像する働きをする。それ故、検出素子Ｄ11，Ｄ12，Ｄ21，Ｄ22と光源Ｌのある支持回路基板Ｔは走査ユニットＡ内の集光光学系Ｋの焦点面内に配置されている。
４つの部分信号を検出するためにはこれ等の信号を空間的に分離する必要がある。この場合、各走査視野ＡＦ1,ＡＦ2の部分ビーム束を異なった回折次数に分離することにより90°位相のずれた部分信号の空間的な分離が可能になる。即ち、検出のためには、各走査視野ＡＦ1,ＡＦ2の利用する＋１次と−１次の回折次数を空間的に分離する。その場合、検出素子Ｄ11とＤ12で検出された走査視野ＡＦ1からの90°位相差のある二つの部分信号が大切である。走査視野ＡＦ2により発生し、同じように90°位相差のある部分信号は他の二つの検出素子Ｄ21とＤ22により検出される。その場合、異なった回折次数への分離は図１aの紙面内で行われる。異なった検出素子を用いる検出を可能にするため、両方の走査視野ＡＦ1とＡＦ2からの部分信号の対を更に空間的に分離する必要がある。これについては、欧州特許第0 223 009号明細書にずらして配置された走査視野ＡＦ1とＡＦ2に選択的に作用する光学手段ＡＥ1とＡＥ2を付属させることを提案している。これにより、走査視野ＡＦ1とＡＦ2に由来する二つの部分信号対の図面に垂直な空間分離が行われる。
これ等の空間的な状況は、特に図１bの図面で明確になる。更に、この図面には個々の部分信号の間の位相関係も一緒に示してある。左の二つの検出素子Ｄ11とＤ12は走査視野ＡＦ1から生じる＋１次と−１次の回折次数の部分ビーム束を検出するために使用され、右の二つの検出素子Ｄ21とＤ22により＋１次と−１次に回折した走査視野ＡＦ2の走査視野の部分ビーム束が検出される。
走査視野ＡＦ1とＡＦ2から生じる部分ビーム束の間の180°の位相差はこれ等の走査視野ＡＦ1とＡＦ2の測定方向ｘの前記相互のずれＤにより与えられる。この場合、対応するずれＤはＤ＝ＴＰ/2*（Ｎ＋1/2）となる。ここでＴＰは目盛板の目盛の目盛周期であり、Ｎ＝0，1，2，．．．である。
最終的に異なる４つの部分信号から演算処理用の90°位相差のある望む出力信号０°，90°を発生するため、欧州特許第0 223 009号明細書には、検出素子Ｄ11，Ｄ12，Ｄ21，Ｄ22を図１cに示すように結線することを提案している。これは、０°信号を形成するため、180°位相差のある部分信号を伴う二つの検出素子Ｄ11とＤ21を互いに逆並列に接続し、90°信号を形成するため、逆相で印加する部分信号を伴う二つの検出素子Ｄ12とＤ22も同じように逆並列に結線する。従って、逆相の部分信号を出力する検出素子Ｄ11，Ｄ12，Ｄ21，Ｄ22は互いに逆並列に接続されている。その場合、逆相の部分信号は必ず異なった走査視野ＡＦ1,ＡＦ2に由来する。
結局、心に留めておくべきことは、走査視野ＡＦ1,ＡＦ2の格子パラメータを選択して＋１次と−１次の回折次数の部分信号の間の90°の位相を調整し、これに対して間隔Ｄだけ測定方向ｘにずらして配置された他の走査視野からそれぞれ180°位相差のある各プッシュプル部分信号が生じる点にある。
しかし、欧州特許第0 223 009号明細書に提案する位置測定装置には特定の難点もある。異なった走査視野ＡＦ1,ＡＦ2からの部分信号を逆並列に接続してプッシュプル信号を形成している。これにより、走査視野ＡＦ1,ＡＦ2が局部的に汚れると所謂デューティー比誤差が生じる。何故なら、逆並列に接続された異なった走査視野ＡＦ1,ＡＦ2からの逆相の部分信号の振幅が同一でないからである。その外、このような問題は欧州特許第0 223 009号明細書に記載した干渉性の測定系で生じるだけではない。
走査視野ＡＦ1,ＡＦ2からの＋１次と−１次の回折次数の干渉信号の位相差を90°に設定しているので、位相差を120°に設計したのものと比べて、これ等の信号の変調度は強い影響を受ける。干渉信号の最適な変調は干渉性の三重格子変換器で走査視野の格子パラメータを使用する回折次数の間で120°の位相差に設計する場合に予測される。これは、例えば欧州特許第0 163 362号明細書に開示されている位置測定装置で実現されている。
従って、格子を作製する場合、＋１次と−１次の回折次数の干渉信号の間の位相差を90°に設計すると著しく高度な要請が生じる。格子作製で＋１次と−１次の回折次数の部分信号の間の位相差を90°に設計する場合、120°位相差の場合と同じ製造公差にするなら、部分信号の変調度と位相角に著しく大きな変動が予測される。
それ故、この発明の課題は、90°の位相差の出力信号を更に処理するために出力し、走査視野および／または目盛板の目盛に局部的な汚れがある場合でも得られる測定結果にできる限り少ない影響を与える高分解能位置測定装置、特に干渉性の三重格子位置測定装置を提供することにある。更に、走査視野の目盛構造を作製する場合の許容公差の要請をできる限り小さくすべきである。
上記の課題は、請求項１の構成を備えた光学位置測定装置により解決されている。
この発明による光学位置測定装置の有利な構成は従属請求項の処置により与えられる。この発明による処置は、90°位相のずれた出力信号を形成するために使用する部分信号がそれぞれ同じ走査視野から生じる走査を保証するが、上に考察した従来の技術の解決策では異なった走査視野からの部分信号を使用する。これは、この発明の位置測定装置内の走査視野が局部的に汚れた時に、ただ所謂振幅誤差しか生じない結果となる。振幅誤差は90°位相のずれた両方の出力信号の振幅が異なることにより生じる誤差である。
結局、この発明による光学位置測定装置内では、上に述べた従来の技術による周知の解決策に比べて、次に行う補間での分割誤差が小さくなる。
更に、この発明による位置測定装置の格子作製に対する許容公差の要請が同じである場合、異なった部分信号の間に望まれる位相角もそれ等の振幅も望むしきい値に著しく近接することを前提としている。望む要請をこのようにより良く維持することは、この発明による位置測定装置に設けてあるような、干渉性の三重格子変換器の場合、＋１次と−１次の回折次数の部分信号の変調最大値が位相差を120°に設計した時に丁度達成されることに起因する。
更に、例えば欧州特許第0 163 362号明細書の三重格子変換器として形成された干渉性の測定系が、入口側に90°位相差の二つの信号を前提とする通常の評価ユニットとの両立することが簡単に保証できる。
この発明による位置測定装置の他の利点および詳細は添付図面に基づく一実施例の以下の記載から明らかになる。
ここに示すのは、
図２a〜２c，この発明による光学位置測定装置の模式部分図である。
以下、図２a〜２cに基づきこの発明による光学位置測定装置を説明する。ここで、模式的な部分図には図１a〜１cによる従来の技術の説明と同じように個々の光路あるいは分割光路は省いてある。図２aはこの発明による光学位置測定装置の側面図を示し、図２bは異なった検出素子に加わる個々の部分信号の位相関係も含めて、検出器面内あるいは集光光学系の焦点面内の検出素子の配分を示し、最後に図２cは90°位相差のある出力信号を発生する検出素子の結線を示す。
互いに相対移動する二つの物体の相対位置を測定するこの発明による光学位置測定装置には目盛板の目盛Ｍ′と走査ユニットＡ′がある。光源Ｌ′から出たビーム束は集光光学系Ｋ′でコリメートされ、先ず走査板ＡＰ′を一度通過し、その時に回折する。回折した部分ビーム束は目盛板の目盛Ｍ′に入射して、新たな回折により反射し、走査板ＡＰ′を二度通過する。同じ空間方向に偏向し走査板ＡＰ′を二回目に通過した時に同じ位置に来る部分ビーム束は走査板ＡＰ′の格子目盛の面内で干渉し、後置されている検出素子Ｄ11′，Ｄ12′，Ｄ21′，Ｄ22′で検出され、更に演算処理される。既に上で説明したように、光源Ｌ′と検出素子Ｄ11′，Ｄ12′，Ｄ21′，Ｄ22′を備えた支持回路基板Ｔ′は集光光学系Ｋ′の焦点面内に配置されている。
目盛板の目盛Ｍ′と走査ユニットＡ′は、図面にｘ方向として示す測定方向に向けて互いに相対運動するように配置され、互いに移動する二つの物体に接続している。相対移動する場合、変位に応じて変調された干渉信号が生じ、これ等の干渉信号は検出素子Ｄ11′，Ｄ12′，Ｄ21′，Ｄ22′で検出される。移動可能に配置されているこれ等の物体は、例えば通常の工作機械の加工品と工具である。しかし、この外にこの発明の光学位置測定装置には多様な他の使用可能性も考えられる。
図２aに示す実施例は反射光測定系を示す。即ち、目盛板の目盛Ｍ′には反射性の目盛構造が付けてあるが、この目盛構造は詳しく図示していない。その外、この発明による位置測定装置を透明な目盛構造のある透過光測定系として構成することも原理的に可能である。同様に、図示する測長装置の代わりに測角装置をこの発明により形成することももちろん可能である。
走査板ＡＰ′の上には測定方向ｘに向けて空間的に離して置いた二つの走査視野ＡＦ1′とＡＦ2′が配置されている。両方の走査視野ＡＦ1′とＡＦ2′は周知のように一定の目盛周期ＴＰ′の透過位相格子の形にして形成されている。走査板ＡＰ′の上には走査視野ＡＦ1′，ＡＦ2′が測定方向ｘに向けて互いに一定値Ｄ′だけずらして配置されている。その場合、この発明によれば、両方の走査視野ＡＦ1′とＡＦ2′を間隔Ｄ′だけ互いにずらして配置している。ここで、Ｄ′に対して、
Ｄ′＝ＴＰ′/2*(Ｎ＋1/4)
となり、ＴＰ′は走査格子の目盛周期で、Ｎ＝0，1，2，3，．．．である。
更に、走査板ＡＰ′上の両方の走査視野ＡＦ1′とＡＦ2′に、既に前に説明したように、走査視野ＡＦ1′とＡＦ2′から出た部分ビーム束あるいは部分信号を方向分離あるいは空間的に分離するために使用される光学偏向部材ＡＥ1′とＡＥ2′を一義的に割り当てている。必要な光学偏向部材ＡＥ1′とＡＥ2′は図示する実施例では楔状のプリズムとして形成されている。その場合、両方のプリズムは検出素子Ｄ11′，Ｄ12′，Ｄ21′，Ｄ22′と光源Ｌ′のある支持回路基板Ｔ′に対向する走査板ＡＰ′上の側に異なった向きに配置されている。
走査視野ＡＦ1′とＡＦ2′は、図示する実施例の代わりに、走査板ＡＰ′の他の側にも当然配置してもよい。つまり、偏向素子ＡＥ1′とＡＥ2′の直ぐ下に配置してもよい。更に、光学偏向素子をそれぞれ一定の調節可能な偏向作用を持つ回折格子構造体としても形成できる。
更に、評価すべき４つの部分信号を空間的に分離するため、入射するビーム束が特に＋１次と−１次の回折次数に偏向するように両方の走査視野ＡＦ1′とＡＦ2′の走査格子を設計する。これ等の空間方向に偏向したビーム束は更に評価するために使用される。その場合、両方の回折次数に偏向した部分ビーム束には120°の位相差がある。これを確実にするため、走査格子の格子パラメータを適切に選ぶ。
検出器側では支持回路基板Ｔ′上に４つの検出素子Ｄ11′，Ｄ12′，Ｄ21′，Ｄ22′と一つの光源Ｌ′が配置されている。個々の検出素子Ｄ11′，Ｄ12′，Ｄ21′，Ｄ22′の実際の配置は図２bに示してある。支持回路基板Ｔ′の中心には、図２bに示すように配置されている光源Ｌ′も見ることができる。図示している実施例とは別に、支持回路基板に光源の代わりに、適当な切欠もあってよく、この切欠を通して、切り離して配置されている光源のビーム束が集光光学系、走査板および目盛板の目盛に入射する。
両方の走査視野ＡＦ1′とＡＦ2′の格子構造は、＋１次と−１次の回折次数が先に述べたように120°の相互位相差を持つように、欧州特許第0 163 362号明細書による周知の三重格子変換器の場合のように設計すれば、この発明による光学位置測定装置の図２a〜２cに示す実施例では、個々の部分信号の間に図２bに示す位相関係が生じる。図２bには、異なる部分信号に付属する異なる検出素子Ｄ11′，Ｄ12′，Ｄ21′，Ｄ22′の間の位相関係が記入されている。
左の二つの検出素子Ｄ11′とＤ12′は、先に説明したように、120°の相互位相差を持つ走査視野ＡＦ′による部分信号を検知する。検出器Ｄ11′は＋１次の回折次数を検出するが、検出素子Ｄ12′は−１次の回折次数を検出する。同様に、検出素子Ｄ21′は走査視野ＡＦ2′からの＋１次の回折次数を検出するが、検出素子Ｄ22′はこの走査視野からの−１次の回折次数を検出する。即ち、右の両方の検出素子Ｄ21′とＤ22′は走査視野ＡＦ2′からの部分信号を出力する。ここでも、＋１次と−１次の回折次数の間の位相差は格子パラメータを適当に選んでいるので120°になる。
走査板ＡＰ′の両方の走査視野ＡＦ1′とＡＦ2′のずれＤ′を上に説明したように設計しているので、両方の走査視野ＡＦ1′とＡＦ2′の対応する部分信号の間の位相差が90°となる。これは図２bにも記入されている。
この発明による光学位置測定装置内では、最終的に90°位相差のある望む出力信号を得るため、図２cに示すように、個々の検出素子を結線する。つまり、以下で０°信号と呼ぶ出力信号を形成するため検出素子Ｄ11′とＤ12′を逆並列に接続する。同様に、検出素子Ｄ21′とＤ22′の逆並列接続から望む第二の出力信号として必要な90°信号が得られる。
望む二つの出力信号０°，90°を発生させるために使用する部分信号は一つの共通の走査視野ＡＦ1′またはＡＦ2′から生じることが明確に分かる。零対称の各出力信号０°，90°を形成するためには、図示のように、各走査視野ＡＦ1′，ＡＦ2′に付属する検出素子Ｄ11′，Ｄ12′，Ｄ21′，Ｄ22′をそれぞれ逆並列に結線する。
安定なデューティー比が得られる。つまり、０°信号と90°信号を形成するために使用する部分信号の振幅の間の関係が一定している。例えば、二つの走査視野ＡＦ1′，ＡＦ2′の一方が局部的に汚れていると、これはこの一方の走査視野からの二つの部分信号にのみ作用する。しかし、この作用は前記走査視野に付属する出力信号を発生させるために使用する二つの部分信号に同じように当てはまる。誤差としては、90°位相のずれている二つの出力信号の間の振幅誤差しか生じない。汚れた走査視野から生じる出力信号の振幅は、汚れのない他方の走査視野からの出力信号の振幅より小さい。
更に、この種の振幅誤差を最小にするため、走査板上の図示するただ二つの走査誤差より多いものを利用することもできる。例えば、実施例に示す走査視野ＡＦ1′，ＡＦ2′の配置を測定方向ｘに何度も連続して設けることもできる。この場合、それぞれの走査視野ＡＦ1′からあるいは走査視野ＡＦ2′からの部分信号の位相の合った重なりが生じる。
この発明による光学位置測定装置の90°位相差のある最後の出力信号は、周知のように、後置されている通常の評価ユニットあるいはシーケンス電子機器により周知のように方向弁別も含めて正確な位置測定に使用される。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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