特許 5710105 光学式位置測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5710105

(24)【登録日】2015年3月13日

(45)【発行日】2015年4月30日

(54)【発明の名称】光学式位置測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/38 20060101AFI20150409BHJP

   G01D 5/347 20060101ALI20150409BHJP

【ＦＩ】

   G01D5/38 A

   G01D5/347 110S

【請求項の数】8

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2009-19213(P2009-19213)

(22)【出願日】2009年1月30日

(65)【公開番号】特開2009-186471(P2009-186471A)

(43)【公開日】2009年8月20日

【審査請求日】2011年12月26日

(31)【優先権主張番号】102008007319.9

(32)【優先日】2008年2月2日

(33)【優先権主張国】DE

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】390014281

【氏名又は名称】ドクトル・ヨハネス・ハイデンハイン・ゲゼルシヤフト・ミツト・ベシユレンクテル・ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＤＲ． ＪＯＨＡＮＮＥＳ ＨＥＩＤＥＮＨＡＩＮ ＧＥＳＥＬＬＳＣＨＡＦＴ ＭＩＴ ＢＥＳＣＨＲＡＮＫＴＥＲ ＨＡＦＴＵＮＧ

(74)【代理人】

【識別番号】100069556

【弁理士】

【氏名又は名称】江崎 光史

(74)【代理人】

【識別番号】100111486

【弁理士】

【氏名又は名称】鍛冶澤 實

(74)【代理人】

【識別番号】100153419

【弁理士】

【氏名又は名称】清田 栄章

(72)【発明者】

【氏名】ミヒャエル・ヘルマン

(72)【発明者】

【氏名】カルステン・ゼンディク

【審査官】 平野 真樹

(56)【参考文献】

【文献】 特表平０９−５０５１５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−２８０５９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１３２９３２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｄ ５／００−５／６２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定尺と、
走査面内に走査格子が配置されるとともに、その走査格子の後に複数の検出器エレメントが配置された走査ユニットと、
から構成された、測定方向（ｘ）に相対的に移動する２つの物体に関して、それらのずれに応じて位相のずれたｎ個（ｎ＞１）の増分信号を生成する光学式位置測定装置であって、
光源から放射された光束と走査光路内の測定尺及び任意選択による更に別の光学格子との相互作用によって、走査面内に縞模様周期（ＴＰ_S ）の縞模様を生じさせる光学式位置測定装置において、
全ての増分信号（Ｓ＿０°，Ｓ＿９０°，Ｓ＿１８０°，Ｓ＿２７０°；Ｓ＿０°，Ｓ＿１２０°，Ｓ＿２４０°）を生成するための走査格子（１７；１７０；２７０；３７０）が、測定方向（ｘ）に対して縞模様周期（ＴＰ_S ）と等しい走査格子周期（ＴＰ_AG）で周期的に配置された複数のブロックから構成されており、各ブロックが、専ら測定方向（ｘ）に対して一列に配置された、走査格子周期（ＴＰ_AG）の１／ｎに等しい幅（ｂ_x ）のｎ個の格子区間（１７．１〜１７．４；１７０．１〜１７０．４；２７０．１〜２７０．３；３７０．１〜３７０．３）から成り、各格子区間（１７．１〜１７．４；１７０．１〜１７０．４；２７０．１〜２７０．３；３７０．１〜３７０．３）が、当該の格子区間（１７．１〜１７．４；１７０．１〜１７０．４；２７０．１〜２７０．３；３７０．１〜３７０．３）を通過して伝播して行く光束を複数の空間方向に偏向させるように作用する周期的な格子構造を有し、１つのブロック内の格子区間（１７．１〜１７．４；１７０．１〜１７０．４；２７０．１〜２７０．３；３７０．１〜３７０．３）によって生じる当該の空間方向が異なっていることと、
検出面内には、当該の相異なる空間方向に対して、検出器エレメント（１６．１〜１６．８；１６０．１〜１６０．８；２６０．１〜２６０．６；３６０．１〜３６０．６）が配置されており、その検出面は、走査格子（１７；１７０；２７０；３７０）から出て来た光束が空間的に完全に分離させている範囲内に有ることと、
当該の格子構造は、相異なる光学特性が交番する、格子区間周期（ＴＰ_G ）で周期的に配置された構造エレメントから構成されており、それらの構造エレメントが、１つの格子区間内において、それぞれ測定方向（ｘ）と垂直な軸（ｙ）に対して同じ回転角（α_i ）で配置されていることと、
１つのブロック内に相異なる４個（ｎ＝４）の格子区間（１７．１〜１７．４；１７０．１〜１７０．４）が有り、それらの格子区間（１７．１〜１７．４；１７０．１〜１７０．４）の構造エレメントに関して、相異なる２つ又は４つの回転角（α_i ）を選定するか、或いは１つのブロック内に相異なる３個（ｎ＝３）の格子区間（２７０．１〜２７０．３；３７０．１〜３７０．３）が有り、それらの格子区間（２７０．１〜２７０．３；３７０．１〜３７０．３）の構造エレメントに関して、相異なる２つ又は３つの回転角（α_i ）を選定することと、
を特徴とする光学式位置測定装置。

【請求項2】

相異なる２つの回転角（α_i ）を規定する場合には、α₁ ＝０°，α₂ ＝０°，α₃ ＝９０°，α₄ ＝９０°として選定するか、或いは
相異なる４つの回転角（α_i ）を規定する場合には、α₁ ＝０°，α₂ ＝３０°，α₃ ＝９０°，α₄ ＝−３０°として選定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の光学式位置測定装置。

【請求項3】

相異なる２つの回転角（α_i ）を規定する場合には、α₁ ＝９０°，α₂ ＝９０°，α₃ ＝０°として選定するか、或いは
相異なる３つの回転角（α_i ）を規定する場合には、α₁ ＝９０°，α₂ ＝２０°，α₃ ＝−２０°として選定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の光学式位置測定装置。

【請求項4】

相異なる格子区間（１７．１〜１７．４；３７０．１〜３７０．３）の格子区間周期（ＴＰ_G ）が同じであることを特徴とする請求項１に記載の光学式位置測定装置。

【請求項5】

検出面内における検出器エレメント（１６．１〜１６．８；３６０．１〜３６０．６）の幾何学的な重心が、１つの半径（Ｒ）の１つの円上に位置することを特徴とする請求項４に記載の光学式位置測定装置。

【請求項6】

相異なる格子区間（１７０．１〜１７０．４；２７０．１〜２７０．３）の格子区間周期が、相異なる２つの格子区間周期（ＴＰ_G1，ＴＰ_G2）であることを特徴とする請求項１に記載の光学式位置測定装置。

【請求項7】

検出面内における検出器エレメント（１６０．１〜１６０．８；２６０．１〜２６０．６）の幾何学的な重心が、相異なる２つの半径（Ｒ１，Ｒ２）の２つの円上に位置することを特徴とする請求項６に記載の光学式位置測定装置。

【請求項8】

走査ユニット（１０）は、光源（１１）から放射された光束に関して、
一回目に測定尺（２０）に当たり、そこで走査ユニット（１０）の方に反射される、相異なる２つの回折次数に対応する２つの部分光束への分割が行われ、
これらの反射された２つの部分光束が、走査ユニット（１０）において、逆反射体エレメントによって、測定尺（２０）の方向に反射され、そのため、部分光束は、それぞれ格子（１４．１，１４．２，１４．３，１４．４）を二回通り抜けることとなり、
二回目に測定尺（２０）に当たった部分光束が、走査ユニット（１０）の方向への新たな回折と反射を受けて、
走査ユニット（１０）において、反射されて来た少なくとも一対の部分光束が、光軸（ＯＡ）に対して対称的な角度（α₁ ，α２）で走査格子（１７）上の同じ地点に当たる、
ように構成されていることを特徴とする請求項１から７までのいずれか１つに記載の光学式位置測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、相対的に移動する２つの物体の相対位置を求めるのに適した光学式位置測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

周知の光学式位置測定装置では、光源から放射された光束と、走査光路内の測定尺及び場合によっては、更に別の格子との相互作用によって、周期的な縞模様を発生させている。位置測定装置の所定の構成要素、通常測定尺と走査ユニットとが相対的に移動する場合、その結果縞模様の強度変調が生じて、それをずれに応じた増分信号を生成するために評価することができる。そのような評価は、例えば、フォトダイオードの周期的な配列から成る、所謂構造を持った光検出器によって行うことができる。そのような検出器配列の周期は、位相のずれた増分信号の数に応じて、縞模様の周期と合うように調整されている。高解像度の光学式位置測定装置の場合、より一層細かい縞模様が生じる、即ち、それに対応して、その周期が短くなるとともに、同じくそのような縞模様の走査に使用される構造を持った光検出器におけるフォトダイオードの所要の幅も狭くなる。製造条件による制限のために、そのような配列のフォトダイオードの幅は、所定の最小幅を下回ることができない。縞模様の周期が約４０μｍ以下の場合、もはや好適な構造を持った光検出器を使用することができない。

【0003】

従って、周期的な縞模様が生じる走査面内に、相異なる複数の格子区間から成る走査格子を配置する解決策が知られている。各格子区間は、その格子区間を通過して伝播して行く光束に対して空間的に偏向させる一定の作用を奏する。その場合、相異なる格子区間による偏向作用は異なっている。そして、検出面内では、偏向された空間方向に対して、それぞれずれに応じた増分信号を検出することが可能な検出器エレメントが相異なる格子区間に対応付けられている。そのような解決策に関しては、例えば、特許文献１を参照されたい。特許文献１により周知の変化形態では、測定尺の汚れに対する感度が高いこと、特に、測定方向に延びる直線状の汚れ及び測定尺の不均一性、例えば、引っ掻き疵に対する感度が高いことが欠点である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】ドイツ特許第７２４７１３号明細書

【特許文献2】ドイツ特許出願第１０２００５０２９９１７．２号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明の課題は、高い効率と測定尺の汚れに対する出来る限り高い耐性を持った形で走査面内の細かい縞模様の確実な検出を可能とする光学式位置測定装置を提示することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

この課題は、請求項１の特徴を持つ位置測定装置によって解決される。

【0007】

本発明の位置測定装置の有利な実施構成は、従属請求項に記載された措置から明らかとなる。

【0008】

ここで、本発明では、一方において、位置測定装置の走査光路内に走査格子の特別な実施形態を配備する。即ち、全ての増分信号を生成する走査格子は、測定方向に対して配置された、走査格子周期ＴＰ_AG＝ＴＰ_S の周期的な複数のブロックから構成される。各ブロックは、専ら測定方向に対して配置された、幅ｂ_x ＝ＴＰ_AG／ｎのｎ個の格子区間を有する。各格子区間は、その格子区間を通過して伝播して行く光束の複数の空間方向への偏向を生じさせる周期的な格子構造を備えている。１つのブロック内の格子区間によって生じる空間方向は異なる。他方において、検出面内には、それらの相異なる空間方向に対して検出器エレメントを配置するものと規定する。検出面は、走査格子から出て来た光束が空間的に完全に分離されている範囲内に有る。

【0009】

この場合、格子区間が専ら測定方向に対して配置されているために、従来技術により周知のシステムと比べて汚れ易さが低減される結果となることが、特に有利であることが分かっている。更に、生成される増分信号の変調度は、格子区間の所定の幅のために向上する。更に、それぞれ複数の空間方向に偏向された光束を使用するために、信号生成時の高い効率が保証されることを指摘しておきたい。

【0010】

ここでは、本発明による措置によって、光学式位置測定装置の走査面内における非常に細かい縞模様を高い効率で確実に走査することも可能となる。

【0011】

本発明による実現可能な構成では、本発明による光学式位置測定装置は、測定方向に対して相対的に移動する２つの物体に関するずれに応じた、ｎ個（ｎ＞１）の位相のずれた増分信号を生成するために、測定尺と、走査格子が走査面内に配置されるとともに、走査格子の後に複数の検出器エレメントが配置された走査ユニットとから構成され、光源から放射された光束と走査光路内の測定尺及び任意選択による更に別の格子との相互作用によって、走査面内に縞模様周期ＴＰ_S の縞模様が生じる。この全ての増分信号を生成するための走査格子は、測定方向に対して配置された走査格子周期ＴＰ_AG＝ＴＰ_S の周期的な複数のブロックから構成され、各ブロックは、専ら測定方向に対して配置された、幅ｂ_x ＝ＴＰ_AG／ｎのｎ個の格子区間を有し、各格子区間は、その格子区間を通過して伝播して行く光束を複数の空間方向に偏向させる周期的な格子構造を備えており、１つのブロック内の格子区間によって生じる空間方向は異なる。検出面内には、それらの相異なる空間方向に対して、検出器エレメントが配置されており、検出面は、走査格子から出て来た光束が空間的に完全に分離されている範囲内に有る。

【0012】

有利には、格子構造は、相異なる光学特性が交番する、格子区間周期ＴＰ_G で周期的に配置された構造エレメントから構成され、それらの構造エレメントは、それぞれ１つの格子区間内において測定方向と垂直な軸に対して同じ回転角で配置されている。

【0013】

ここで、１つのブロック内に４個（ｎ＝４）の相異なる格子区間が有る場合、その格子区間の構造エレメントに対して、相異なる２つ又は４つの回転角を選定することができる。

【0014】

即ち、
・相異なる２つの回転角を規定した場合には、これらの回転角をα₁ ＝０°、α₂ ＝０°、α₃ ＝９０°、α₄ ＝９０°として選定するか、或いは
・相異なる４つの回転角を規定した場合には、これらの回転角をα₁ ＝０°、α₂ ＝３０°、α₃ ＝９０°、α₄ ＝−３０°として選定する、
ことが可能である。

【0015】

それに代わって、１つのブロック内に相異なる３個（ｎ＝３）の格子区間が有る場合、その格子区間の構造エレメントに対して、２つ又は３つの回転角を選定することができる。

【0016】

即ち、その場合には、
・相異なる２つの回転角を規定した場合には、これらの回転角をα₁ ＝９０°、α₂ ＝９０°、α₃ ＝０°として選定するか、或いは
・相異なる３つの回転角を規定した場合には、これらの回転角をα₁ ＝９０°、α₂ ＝２０°、α₃ ＝−２０°として選定する、
ことが可能である。

【0017】

格子構造は、相異なる構造エレメントがそれぞれ入射して来る光束に対して位相のずれを生じさせる相異なる作用を及ぼす位相格子として構成することができる。

【0018】

それに代わって、格子構造は、相異なる構造エレメントがそれぞれそこに入射して来る光束に対して相異なる透過率を有する振幅格子として構成することもできる。

【0019】

ｎ＝４又はｎ＝３を選定することが可能である。

【0020】

有利には、検出器エレメントは、四角形に構成されており、その測定方向の長さが、測定方向と垂直な方向の長さよりも大きい。

【0021】

相異なる格子区間は、同じ格子区間周期を持つことができる。

【0022】

その場合、検出面内における検出器エレメントの幾何学的な重心を半径Ｒの円上に配置することが可能である。

【0023】

しかし、相異なる格子区間が相異なる２つの格子区間周期を持つことも可能である。

【0024】

その場合、検出面内における検出器エレメントの幾何学的な重心を相異なる半径の２つの円上に配置することが可能である。

【0025】

本発明による光学式位置測定装置の実現可能な構成では、走査ユニットは、光源から放射された光束に関して、
一回目に測定尺に当たり、そこで走査ユニットの方に反射される、相異なる２つの回折次数に対応する２つの部分光束への分割が行われ、
これらの反射された２つの部分光束が、走査ユニットにおいて、逆反射体エレメントによって、測定尺の方向に反射され、そのため、部分光束は、それぞれ格子を二回通り抜けることとなり、
二回目に測定尺に当たった部分光束が、走査ユニットの方向への新たな回折と反射を受けて、
走査ユニットにおいて、反射されて来た少なくとも一対の部分光束が、光軸に対して対称的な角度で走査格子上の同じ地点に当たる、
ように構成される。

【0026】

走査格子とその後に配置された検出器エレメントの間には、集束レンズを配置することができ、その集束レンズによって、相異なる空間方向に偏向された部分光束を検出器エレメント上に集束することが行われる。

【0027】

本発明による位置測定装置の更なる利点及び詳細は、以下における添付図面による実施例の記述から明らかとなる。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1a】本発明による位置測定装置の第一実施例の走査光路の第一部分図

【図1b】本発明による位置測定装置の第一実施例の走査光路の第二部分図

【図1c】図１ａ，１ｂの位置測定装置の走査格子の部分図

【図1d】図１ａ，１ｂの位置測定装置の検出面の部分図

【図2a】好適な走査格子の第二実施構成の部分図

【図2b】図２ａの走査格子を使用した場合の検出面の部分図

【図3a】好適な走査格子の第三実施構成の部分図

【図3b】図３ａの走査格子を使用した場合の検出面の部分図

【図4a】好適な走査格子の第四実施構成の部分図

【図4b】図４ａの走査格子を使用した場合の検出面の部分図

【発明を実施するための形態】

【0029】

以下において、図１ａ〜１ｄにもとづき、本発明による位置測定装置、特に、そこで用いられる走査格子の第一実施構成を説明する。ここで、図１ａと１ｂは、それぞれｘ−ｚ面内における部分走査光路の側面図を模式的に図示している。図１ａでは、光源１１から部分光束が反射器エレメント１５．１，１５．２上に当たるまでの走査光路が図示されている。図１ｂは、部分光束が反射器エレメント１５．１，１５．２に当たってから検出器エレメント１６．１〜１６．５までの走査光路を図示している。図１ｃと１ｄは、この実施例の走査格子１７と検出面の部分図を図示している。

【0030】

この実施例において、本発明による位置測定装置は、反射式測定尺として構成された測定尺２０と、それに対して相対的に少なくとも１つの測定方向ｘに移動する走査ユニット１０とを有する。物体は、周知の手法により反射式測定尺２０及び走査ユニット１０と連結されており、それらの相対位置を位置測定装置により求める。物体は、例えば、相対位置を精密に検出しなければならない機械部分とすることができる。本発明による位置測定装置を用いて生成された増分信号又は位置データは、例えば、図示されていない、機械を制御するための後続の電子機器又は評価ユニットによって更に処理される。

【0031】

この実施例では、直線状に延びる測定尺２０を用いて直線的な動きを検出するための位置測定装置が図示されており、当然のことながら、本発明による考察にもとづき、回転式位置測定装置を実現することも可能である。

【0032】

以下では、本発明による位置測定装置の第一実施構成の走査光路を図１ａと１ｂにもとづき説明する。

【0033】

図示されている例では、光源１１、例えば、レーザー光源から放射された光束は、先ずはコリメータレンズ１２によってコリメートされる、即ち、平行な光束に変換される。次に、コリメートされた光束は、偏向されること無く、走査板１３の支持基板１３．１を通り抜ける。支持基板１３．１は、平行平面のガラス板として構成されている。その上側と下側には、相異なる光学エレメントが配置されており、その走査光路内での具体的な機能は、以下で詳しく説明する。

【0034】

コリメートされた光束は、走査板１３を通過した後、一回目として測定尺２０上に、即ち、そこの測定方向ｘに延びる測定目盛２２上に当たる。この反射式測定尺の場合、測定目盛２２は、光学的な反射特性が相異なる構造エレメント又は部分領域２２．１，２２．２の測定方向ｘに対して周期的な配列から構成される。筋状の部分領域２２．１，２２．２は、測定方向ｘと垂直な（以下で目盛線方向とも称する）所定の方向ｙに延びており、反射式測定尺２０の支持体２１上に配置されている。図示されている例では、測定目盛２２は、反射光用位相格子として構成されており、その構造エレメント又は部分領域２２．１，２２．２は、そこに当たる光束に対して相異なる位相のずれを生じさせる作用を有する。更に、第一次の回折効率を最大化させるように測定目盛２２を構成することも有利である。以下において、測定目盛２２の目盛周期は、ＴＰ_M と呼ぶこととし、測定方向ｘに対して順番に並んだ２つの部分領域２２．１，２２．２の長さとして定義する。実現可能な構成では、目盛周期ＴＰ_M は、１．１＊λ〜１０＊λの範囲内で選定され、ここでλは使用する光源１１の波長である。従って、ＶＣＳＥＬ又はＬＥＤとして構成されたλ＝８５０ｎｍの光源の場合、目盛周期ＴＰ_M は、ＴＰ_M ＝２．０４８μｍとすることができる。

【0035】

測定尺２０上の第一衝突地点での第一の衝突後、入射して来た光束を走査ユニット１０の方に反射させて＋／−１次の回折に対応する２つの部分光束に分割することが行われる。走査ユニット１０内において、反射されて来た部分光束は、先ずは図１ａに図示されている走査板１３の下側の格子１４．１，１４．２を通り抜ける。この例では、格子１４．１，１４．２は、透過格子として構成されている。部分光束は、格子１４．１，１４．２によって所定の手法で偏向され、そして走査板１３の上側の平坦な反射器エレメント１５．１，１５．２に到達する。最初に通り抜ける２つの格子１４．１，１４．２は、以下においてＴＰ_G1と称する同じ目盛周期を有する。この第一実施例では、格子１４．１，１４．２の目盛周期ＴＰ_G1は、測定目盛２２の目盛周期ＴＰ_M と異なる形で選定されている。そのように目盛周期ＴＰ_G1を選定しているために、部分光束は、格子１４．１，１４．２の通過後走査板１３に対して垂直には伝播しない。

【0036】

図１ｂに図示されている通り、反射器エレメント１５．１，１５．２において、部分光束の測定尺２０の方向への反射が起こっている。測定尺２０上の第一衝突地点と異なる第二衝突地点での二回目の衝突の前に、部分光束は、同じく走査板１３の下側に配置された更に別の２つの格子１４．３，１４．４を通り抜ける。これらの格子１４．３，１４．４は、通過して行く部分光束をそれぞれ測定尺２０上の第二衝突地点の方向に再度偏向させることを行っている。ここで通り抜ける２つの格子１４．３，１４．４は、以下においてＴＰ_G2と称する同じ目盛周期を有する。

【0037】

本出願人の特許文献２に記載されている通り、格子１４．１〜１４．４は、２つの光学的機能を有する。それらは、一方において、目盛周期ＴＰ_G1又はＴＰ_G2の規則的な周期の偏向格子のように、測定方向ｘに対して作用する。他方において、入射して来た光束を反射器エレメント１５．１，１５．２上に集束した後、再びコリメートする円柱レンズのように、測定尺面内の目盛線方向ｙに対して作用する。図１ａと１ｂに図示されている例では、格子１４．１，１４．２が集束を行う一方、格子１４．３，１４．４が出て行く光束を再びコリメートしている。本出願人の特許文献２に記載されている通りの反射器エレメントとレンズから成る組合せが、測定尺２０の目盛線方向ｙに関する逆反射体エレメントである。光束と円柱レンズの光軸間におけるｙ方向のずれのために、反射式測定尺２０上の第一衝突地点と第二衝突地点間のｙ方向のずれも同時に生じる。走査格子がそのような全ての光学的な機能を同時に果たすことができるためには、特許文献２に記載されるとともに、図１ｄに模式的に図示されている通り、格子ラインが曲がった格子として走査格子を構成しなければならず、以下において、そのような格子構造に関しては、回折用偏向／レンズエレメントとも呼ぶこととする。

【0038】

従って、図示されている第一実施例では、支持基板１３．１を備えた走査板１３と、格子１４．１，１４．２，１４．３，１４．４と、平坦な反射器エレメント１５．１，１５．２とから成る構造ユニットは、走査ユニット１０の側面上の逆反射体エレメントとしての機能を果たしている。その逆反射体エレメントによって、測定尺２０から出て来た部分光束を測定尺２０の方向に戻すような偏向を行って、そこへの二回目の衝突を起こすようにしている。この場合、逆反射は、所定のｙ方向に対して行われる。

【0039】

図示されている図１ａ〜１ｄの実施例では、測定尺２０上の第二衝突地点において、それぞれ当たって来た部分光束の走査ユニット１０の方向への新たな回折と反射が生じている。次に、信号を生成するために使用される部分光束は、走査光路内の結合格子としての役割を果たすとともに、走査板１３の下側に配置された透過格子１７上に当たる。

【0040】

測定尺２０と走査ユニット１０が相対的にずれた場合、光束と走査光路内の測定尺及び相異なる格子との相互作用のために、走査面内には、縞模様周期ＴＰ_S を有する、ずれに応じて変調された縞模様が発生する。ここでの目盛周期ＴＰ_M ＝２．０４８μｍの測定尺２０と格子周期ＴＰ_AG1 ＝２．１９４μｍ，ＴＰ_AG2 ＝１．８６１μｍの格子１４．１〜１４．４による実施例では、凡そ縞模様周期ＴＰ_S ＝３０μｍが得られる。

【0041】

本発明による位置測定装置の場合、走査格子１７によって、走査面内の縞模様の空間的に周期的な強度分布を検出面内の相異なる地点に変換しており、そのために、この実施例では、追加の集束レンズ１８が更に配備されている。走査面内の縞模様の空間的な強度分布を空間方向に応じた強度分布に変換することによって、縞模様内の同じ特性の地点が空間的に同じ拡大方向に対応付けられる。走査面内の周期的な縞模様がずれに応じて変調されている場合、そのことは、走査格子１７によって、縞模様の同じ位相位置の地点がそれぞれ方向に応じて同じように偏向されることを意味する。走査格子１７から出て来た光束が空間的に完全に分離されている範囲内に有る検出面では、相異なる空間方向に対して、全部で８つの検出器エレメント１６．１〜１６．８が配置されている。検出器エレメント１６．１〜１６．８によって、ずれに応じて位相のずれた増分信号が検出されるが、図１ｂでは、全ての検出器エレメントは図示されていない。

【0042】

この場合、この実施例で配備されている集束レンズ１８は、基本的には不要であるが、走査格子１７から同じ拡大方向に向かう部分光束を特に小さい検出器エレメント１６．１〜１６．８上に集束させることを可能とするものである。それによって、走査ユニット１０のコンパクトな構造も可能となる。検出器エレメントの面を縮小することによって、検出器エレメントのキャパシタンスが一層小さくなり、その結果信号雑音が低減される。更に、集束レンズによって、走査ユニットの構造の高さ又は検出器エレメントのキャパシタンスを大きくすること無く、より大きな横断面を持つ光束を走査のために使用することができることとなる。より大きな走査面によって、基本的に、より安定した増分信号も得られる。

【0043】

図１ｃは、図１ａと１ｂの実施例で使用される走査格子の部分図を走査面内に生じる縞模様周期ＴＰ_S の縞模様Ｓと一緒に図示している。上述した通り、実現可能な例では、縞模様周期ＴＰ_S ＝３０μｍである。

【0044】

縞模様Ｓを空間方向に応じた強度分布に変換するために使用される走査格子１７は、多くのブロックから構成され、各ブロックは、専ら測定方向ｘに対して配置された４個（ｎ＝４）の格子区間１７．１〜１７．４を有する。格子区間１７．１〜１７．４は、それぞれ四角形に構成されており、長手方向が所定のｙ方向、即ち、測定方向ｘと垂直な方向に延びている。そのようなブロックが配置されている走査格子周期ＴＰ_AGは、縞模様周期ＴＰ_S と一致している。この実施例では、１つの縞模様周期ＴＰ_S 内には、測定方向ｘに対して相異なる構成の４個（ｎ＝４）の格子区間１７．１〜１７．４が配置されており、それぞ各格子区間１７．１〜１７．４を通過して伝播して行く光束に対して空間的に相異なる偏向作用を生じさせており、この場合１つのブロック内の格子区間１７．１〜１７．４によって生じる空間方向は異なっている。従って、相異なる格子区間１７．１〜１７．４の測定方向ｘに対する幅ｂ_x は、それぞれｂ_x ＝ＴＰ_S ／４であり、一般的に言うとｂ_x ＝ＴＰ_S ／ｎ（ｎ＞１又はｎ＝２，３，４．．．）である。

【0045】

相異なる構成の４つの格子区間１７．１〜１７．４は、それぞれの構成のために、そこに入射して来る光束に対して空間的に相異なる偏向作用を生じさせる。そのために、格子区間は、それぞれ相異なる光学特性を有する構造エレメントが周期的に配置された周期的な格子構造を備えている。格子区間の格子構造が振幅格子として構成されているか、或いは位相格子として構成されているかに応じて、相異なる光学特性は、例えば、相異なる位相のずれを生じさせる作用か、或いは相異なる透過率となる。即ち、振幅格子の構造エレメントは、例えば、周期的に配置された透過性と非透過性の部分領域等とすることができる。

【0046】

構造エレメントは、各格子区間内において周期的に配置されており、格子区間内の構造エレメントの周期は、以下において格子区間周期ＴＰ_G と呼ぶこととする。図１ｃの実施例では、相異なる４つの格子区間１７．１〜１７．４の全てが、同じ格子区間周期ＴＰ_G ＝１．８７５μｍを有する。

【0047】

この実施構成では、１つのブロック内の相異なる４つの格子区間１７．１〜１７．４は、周期的な構造エレメントが測定方向ｘと垂直に延びる軸ｙに対して配置されている回転角α_i （ｉ＝１_... ４）に関して互いに異なっている。図１ｃでは、例えば、格子区間１７．２に関する回転角α₂ が表示されており、ここではα₂ ＝３０°に選定されている。更に、図１ｃから分かる通り、この変化形態では、相異なる４つの格子区間１７．１〜１７．４に対して相異なる４つの回転角α_i （ｉ＝１_... ４）が規定されており、α₁ ＝０°、α₂ ＝３０°、α₃ ＝９０°、α₄ ＝−３０°に選定されている。

【0048】

そのような回転角α_i （ｉ＝１_... ４）に選定されているために、各格子区間１７．１〜１７．４に対応する縞模様Ｓの部分により所定の空間的な偏向が生じ、それは、周知の格子・回折公式から導き出すことができる。本発明では、各格子区間１７．１〜１７．４において、そこに入射して来る光束の２つの空間方向への偏向が少なくとも起こる、即ち、＋１次と−１次の回折による偏向が少なくとも起こる。この実施例では、信号を取得するために更に別の次数の回折を評価する必要はない。

【0049】

即ち、図１ｄの図面に対応する検出面内において、各格子区間１７．１〜１７．４に関する検出面内での偏向角＋／−βが、次の表にもとづき得られる。

【0050】

【表1】

【0051】

従って、走査格子１７の格子区間１７．１からは、増分信号Ｓ＿０°が生成され、格子区間１７．２からは、増分信号Ｓ＿９０°が生成され、格子区間１７．３からは、増分信号Ｓ＿１８０°が生成され、格子区間１７．４からは、増分信号Ｓ＿２７０°が生成される。そのため、この第一実施例は、４フェーズシステムであり、それらの位相のずれた４つの増分信号Ｓ＿０°，Ｓ＿９０°，Ｓ＿１８０°，Ｓ＿２７０°を周知の手法で評価することが可能である。

【0052】

この検出面内には、図１ｄに図示されている通り、格子区間１７．１〜１７．４からそれに対応する＋／−１次の回折による偏向作用が生じる相異なる空間方向に対して、８つの検出器エレメント１６．１〜１６．８が配置されている。

【0053】

そこで、８つの検出器エレメント１６．１〜１６．８によって、ずれに応じて位相のずれた４つの増分信号Ｓ＿０°，Ｓ＿９０°，Ｓ＿１８０°，Ｓ＿２７０°を検出することができる。図１ｄでは、８つの検出器エレメント１６．１〜１６．８の各々に対して、相異なる４つの増分信号Ｓ＿０°，Ｓ＿９０°，Ｓ＿１８０°，Ｓ＿２７０°のどれを検出しているのかが表示されている。

【0054】

更に、図１ｄから分かる通り、この実施例では、８つの検出器エレメント１６．１〜１６．８の幾何学的な重心が半径Ｒの円上に有り、実現可能な構成では、Ｒ＝２ｍｍに選定される。同様に、図１ｄにおいて、この場合、検出器エレメント１６．１〜１６．８が四角形に構成されており、ここでは測定方向ｘの長さが、それと垂直な方向ｙの長さよりも長いことが分かる。このような検出器エレメントの幾何学的な形態のために、走査ユニットの測定尺に対する相対的なピッチ運動に関して、特に大きな許容範囲を保証することが可能となる。

【0055】

ここで説明した好適な走査格子の第一実施例は、検出面内での最適なスペース活用を保証するとともに、走査ユニットの所要の構造スペースを低減するものである。以下において、更に別の要件に関して最適化された、本発明による位置測定装置用の走査格子の更に別の実施形態を説明する。

【0056】

図２ａと２ｂにもとづき、本発明による位置測定装置に好適な走査格子１７０の第二変化形態とその結果得られる検出面内における検出器エレメントの配列とを説明する。また、そのような走査格子は、例えば、図１ａと１ｂの走査光路にもとづき説明したような位置測定装置に用いることができる。以下に説明する第二実施例も、又もや４フェーズシステムであり、このシステムでは、ずれに応じて変調される位相のずれた、それぞれ９０°の位相のずれを有する４つの増分信号Ｓ＿０°，Ｓ＿９０°，Ｓ＿１８０°，Ｓ＿２７０°が得られる。従って、変数ｎは、前の実施例と同様にｎ＝４に選定されている。

【0057】

走査格子１７０には、測定方向ｘに対して縞模様周期ＴＰ_S でブロック状に配置された、前と同様に４個（ｎ＝４）の格子区間１７０．１〜１７０．４が配備されている。各ブロック内の各格子区間１７０．１〜１７０．４の幅ｂ_x は、又もやｂ_x ＝ＴＰ_S ／４に選定されている。

【0058】

ここでは、前の変化形態と異なり、走査格子１７０又は相異なる格子区間１７０．１〜１７０．４は、相異なる２つの格子区間周期ＴＰ_G1，ＴＰ_G2を有し、具体的にはＴＰ_G1＝２＊ＴＰ_G2に選定されている。即ち、格子区間１７０．１と１７０．３は、大きい方の格子区間周期ＴＰ_G1を有し、格子区間１７０．２と１７０．４は、小さい方の格子区間周期ＴＰ_G2を有する。更に、前述した第一実施構成と異なり、相異なる４つの格子区間１７０．１〜１７０．４の回転角α_i （ｉ＝１・・・ ４）は、図２ａから分かる通り選定されている、即ち、この変化形態では、相異なる２つの回転角α_i だけが規定されている、つまり回転角α₁ ＝０°，α₂ ＝０°，α₃ ＝９０°，α₄ ＝９０°となっている。

【0059】

この場合、検出面内では、図２ｂの図面に対応して、各格子区間１７０．１〜１７０．４に関する偏向角＋／−βが、次の表にもとづき得られる。

【0060】

【表2】

【0061】

この表及び図２ｂから分かる通り、又もや四角形の検出器エレメントが、その幾何学的な重心を、ここでは半径Ｒ１とＲ２（Ｒ２＝２＊Ｒ１）の２つの円上に置く形で配置されている。この場合、図示されている手法の通り、検出器エレメント１６０．１，１６０．３，１６０．５及び１６０．７の重心が半径Ｒ１の円上に位置し、検出器エレメント１６０．２，１６０．４，１６０．６及び１６０．８の重心が半径Ｒ２の円上に位置している。

【0062】

この実施例の場合、図２ａから分かる通り、走査格子１７０の構造エレメントの全ては、位置測定装置の更に別の格子に対して、特に、構造エレメントが同じくｙ方向に延びるとともに、測定方向ｘに対して周期的に配置された測定尺の測定目盛に対して平行又は垂直の方向を向いている。そのような走査格子１７０の実施形態は、例えば、所謂ＶＣＳＥＬ（垂直共振器表面発光レーザー）光源を使用する位置測定装置において有利であることが分かっている。そのような光源では、所謂偏光の回転（Polarisationssprung ）が時として発生するので、有利には、ＶＣＳＥＬ光源の主偏光軸が測定尺上の測定目盛の構造エレメントに対して＋／−４５°の角度をとるように光源を配置する。そうすることによって、走査格子１７０の第二実施構成に関して、同じ格子区間周期ＴＰ_G1又はＴＰ_G2を有する、走査格子１７０の格子区間１７０．１〜１７０．４から１８０°位相のずれた増分信号が生成され、そのためそのような増分信号に関して同じ生成効率が得られることが保証される。

【0063】

その他、この走査格子の実施構成及び検出面内の検出器エレメントの配列に関しては、前述した好適な走査格子の第一変化形態に関する説明を参照されたい。

【0064】

以下において、又もや走査格子２７０と検出面に検出器エレメント２６０．１〜２６０．６が配置された検出面の部分図を図示している図３ａと３ｂにもとづき、走査格子２７０の第三実施構成を説明する。そのような走査格子２７０も、又もや例えば、図１ａと１ｂの走査光路にもとづき説明したような位置測定装置に用いることができる。この走査格子２７０の第三実施例は、前述した２つの変化形態と異なり、本発明による位置測定装置において、位相のずれた３つの増分信号Ｓ＿０°，Ｓ＿１２０°及びＳ＿２４０°が生成される３フェーズシステムに適しており、ここでは、前記の変数ｎは、ｎ＝３に選定されている。

【0065】

この実施形態では、走査格子２７０は、測定方向ｘに対して縞模様周期ＴＰ_S でブロック状に配置された相異なる３つの格子区間２７０．１〜２７０．３を有し、格子区間２７０．１〜２７０．３の幅ｂ_x は、それぞれｂ_x ＝ＴＰ_S ／３に選定されている。又もや、相異なる２つの格子区間周期ＴＰ_G1，ＴＰ_G2（ＴＰ_G1＝２＊ＴＰ_G2）が規定されている。格子区間２７０．２と２７０．３は、大きい方の格子区間周期ＴＰ_G1を有し、格子区間２７０．１は、小さい方の格子区間周期ＴＰ_G2を有する。格子区間２７０．１〜２７０．３の構造エレメントの向きに関しては、図３ａから分かる通り、相異なる３つの格子区間２７０．１〜２７０．３に対して相異なる２つの回転角α_i （ｉ＝１・・・ ２）が選定されている、即ち、回転角α₁ ＝９０°，α₂ ＝９０°，α₃ ＝０°となっている。

【0066】

この場合、検出面内では、図３ｂの図面に対応して、各格子区間２７０．１〜２７０．３に関する偏向角＋／−βが、次の表にもとづき得られる。

【0067】

【表3】

【0068】

この表及び図３ｂから分かる通り、又もや６つの検出器エレメント２６０．１〜２６０．６が、その幾何学的な重心を、又もや半径Ｒ１とＲ２（Ｒ２＝２＊Ｒ１）の２つの円上に置く形で配置されている。この場合、表示されている手法の通り、検出器エレメント２６０．２，２６０．３，２６０．５及び２６０．６の幾何学的な重心が半径Ｒ１の円上に位置し、検出器エレメント２６０．１及び２６０．４の重心が半径Ｒ２の円上に位置する。

【0069】

この３フェーズシステムの変化形態の特別な利点に関しては、前述したＶＣＳＥＬ光源での偏光の問題に関する説明を参照されたい。

【0070】

次に、同じく図１ａと１ｂの実施例にもとづき説明した位置測定装置に用いることができる好適な走査格子３７０の第四実施構成に関して、図４ａと４ｂを参照すると、この走査格子３７０の変化形態は、又もや３フェーズシステム（ｎ＝３）に適している。

【0071】

走査格子３７０は、前の実施例と同様に、測定方向ｘに対して縞模様周期ＴＰ_S でブロック状に配置された相異なる３つの格子区間３７０．１〜３７０．３を有し、又もや格子区間３７０．１〜３７０．３の幅ｂ_x は、それぞれｂ_x ＝ＴＰ_S ／３に選定されている。前の変化形態と異なり、相異なる３つの格子区間の全てにおいて、構造エレメントに関して同じ格子区間周期ＴＰ_G が選定されている。

【0072】

格子区間３７０．１〜３７０．３の構造エレメントの向きに関しては、図４ａから分かる通り、相異なる３つの格子区間３７０．１〜３７０．３に対して相異なる３つの回転角α_i （ｉ＝１・・・３）が選定されている、即ち、α₁ ＝９０°，α₂ ＝２０°，α₃ ＝−２０°となっている。

【0073】

この場合、検出面内では、図４ｂの図面に対応して、各格子区間３７０．１〜３７０．３に関する偏向角＋／−βが、次の表にもとづき得られる。

【0074】

【表4】

【0075】

本発明による位置測定装置用のこのような走査格子３７０の変化形態では、そこに示されている＋１次と−１次の回折による偏向を生じさせる角度βによって、検出面内において６つの検出器エレメント３６０．１〜３６０．６用に使用可能なスペースが最適に活用されていることを指摘しておきたい。走査ユニット用の構造空間容積が比較的小さいコンパクトなシステムが実現されている。

【0076】

当然のことながら、本発明の範囲内には、前述した実施例以外にも、それらに代わる実施形態の可能性が存在する。

【0077】

即ち、図１ａと１ｂにもとづき説明した走査面内に周期的な縞模様を発生させるための走査光路が必ずしも本発明に関して必須ではないことを指摘しておきたい。そのような縞模様は、別の構成の測定尺及び／又は走査ユニットを用いて、光源から放射された光束と走査光路内の測定尺及び任意選択による更に別の光学格子との相互作用によって発生させることもできる。当然のことながら、本発明では、前述した反射光システムに代わって、透過光用測定尺を用いた透過光システムも基本的には実現可能である。同様に、本発明では、直線的な動きを検出するための位置測定装置以外に、回転式位置測定装置なども構成することができる。

【0078】

更に、前述した透過式走査格子の代わりに、反射式走査格子の変化形態を用いることも可能であり、目盛線方向ｙに対して斜めに走査格子を照射することも可能である。その場合、走査光路内には、それに対応する反射器エレメントによって光線を更に偏向させることなども必要である。

【符号の説明】

【0079】

１０ 走査ユニット
１１ 光源
１２ コリメータレンズ
１３ 走査板
１３．１ 支持基板
１４．１〜１４．４ 格子
１５．１，１５．２ 反射器エレメント
１６．１〜１６．８ 検出器エレメント
１７ 走査格子
１７．１〜１７．４ 格子区間
１８ 集束レンズ
２０ 測定尺
２１ 支持体
２２ 測定目盛
２２．１，２２．２ 部分領域
１６０．１〜１６０．８ 検出器エレメント
１７０ 走査格子
１７０．１〜１７０．４ 格子区間
２６０．１〜２６０．６ 検出器エレメント
２７０ 走査格子
２７０．１〜２７０．３ 格子区間
３６０．１〜３６０．６ 検出器エレメント
３７０ 走査格子
３７０．１〜３７０．３ 格子区間
ｂ_x 幅
ｘ 測定方向
ｙ 測定方向ｘと垂直な目盛線方向
ｚ 方向ｘ及びｙと垂直な方向
Ｒ，Ｒ１，Ｒ２ 半径
Ｓ 縞模様
Ｓ＿０°〜Ｓ＿２７０° 増分信号
ＴＰ_AG 走査格子周期
ＴＰ_G 格子区間周期
ＴＰ_G1，ＴＰ_G2 目盛周期
ＴＰ_S 縞模様周期
α₂ 回転角
β 角度

【図1a】

【図1b】

【図1c】

【図1d】

【図2a】

【図2b】

【図3a】

【図3b】

【図4a】

【図4b】