特許 7152159 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】

(24)【登録日】2022-10-03

(45)【発行日】2022-10-12

(54)【発明の名称】位置測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/347 20060101AFI20221004BHJP

   G01D 5/38 20060101ALI20221004BHJP

【ＦＩ】

G01D5/347 110U

G01D5/38 G

【請求項の数】 11

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2018011118

(22)【出願日】2018-01-26

(65)【公開番号】P2018141776

(43)【公開日】2018-09-13

【審査請求日】2020-10-28

(31)【優先権主張番号】10 2017 201 257.9

(32)【優先日】2017-01-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(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】100118902

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 修

(74)【代理人】

【識別番号】100106208

【弁理士】

【氏名又は名称】宮前 徹

(74)【代理人】

【識別番号】100120112

【氏名又は名称】中西 基晴

(72)【発明者】

【氏名】ヴォルフガング・ホルツアップフェル

(72)【発明者】

【氏名】クリストフ・リンク

(72)【発明者】

【氏名】ヨハネス・トラウトナー

【審査官】吉田 久

(56)【参考文献】

【文献】特開平８－３２７３２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１４０１４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１１５８０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１６９６０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１８３２９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平５－２２３５９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５６－９７７１３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開昭６０－２４３５１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－４９１６７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｄ ５／２６－５／３８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも１つの測定方向（ｘ）に沿って相対的に移動可能な第２の物体に対する第１の物体の位置を決定するための位置測定装置において、該位置測定装置が、
測定方向（ｘ）に沿って延在する基準器（１０）であって、第１の物体に結合されており、少なくとも１つの周期的な基準回折格子（１３）を含み、該基準回折格子が透過型回折格子として形成されており、第１周期（ｄ_１）を備える基準器（１０）、および
第２の物体に結合された走査ユニット（２０）を備え、該走査ユニットが
少なくとも１つの光源（２１）、
第２周期（ｄ_２）を備える少なくとも１つの周期的な走査回折格子（２４；１２４；２２４）、および
検出装置（２６）であって、検出平面に測定方向（ｘ）に沿って第３周期（ｄ_３）により周期的に配置された感光性の検出範囲（２６．１～２６．ｎ）からなる検出装置（２６）を備え、
前記光源（２１）から放出された光線束が、まず前記基準回折格子（１３）に入射し、次いで前記走査回折格子（２４；１２４；２２４）を通過し、光線束と、前記基準回折格子（１３）および前記走査回折格子（２４；１２４；２２４）との相互作用により、前記第３周期（ｄ_３）を備える周期的なストライプパターンが前記検出平面に生じ、前記検出装置（２６）によって前記ストライプパターンを走査することにより、互いに位相をずらされた複数のインクリメンタル信号が生成可能であり、
前記走査回折格子（２４；１２４；２２４）が、少なくとも第１および第２の透明なプレート状の担体要素（２５．１，２５．２；１２５．１，１２５．２；２２５．１，２２５．２）の間に配置されており、前記走査回折格子（２４；１２４；２２４）と検出範囲（２６．１～２６．ｎ）との間のスペースが、ｎ＞１．３の屈折率を備える第２担体要素（２５．２）により完全に充填されており、
前記基準回折格子（１３）と、第１担体要素（２５．１）の隣接する境界面（Ｇ１）との間の間隔（ｕ_１）が、１０μｍ～２００μｍの間の範囲で選択されている位置検出装置。

【請求項2】

少なくとも１つの測定方向（ｘ）に沿って相対的に移動可能な第２の物体に対する第１の物体の位置を決定するための位置測定装置において、該位置測定装置が、
測定方向（ｘ）に沿って延在する基準器（１０）であって、第１の物体に結合されており、少なくとも１つの周期的な基準回折格子（１３）を含み、該基準回折格子が透過型回折格子として形成されており、第１周期（ｄ _１ ）を備える基準器（１０）、および
第２の物体に結合された走査ユニット（２０）を備え、該走査ユニットが
少なくとも１つの光源（２１）、
第２周期（ｄ _２ ）を備える少なくとも１つの周期的な走査回折格子（２４；１２４；２２４）、および
検出装置（２６）であって、検出平面に測定方向（ｘ）に沿って第３周期（ｄ _３ ）により周期的に配置された感光性の検出範囲（２６．１～２６．ｎ）からなる検出装置（２６）を備え、
前記光源（２１）から放出された光線束が、まず前記基準回折格子（１３）に入射し、次いで前記走査回折格子（２４；１２４；２２４）を通過し、光線束と、前記基準回折格子（１３）および前記走査回折格子（２４；１２４；２２４）との相互作用により、前記第３周期（ｄ _３ ）を備える周期的なストライプパターンが前記検出平面に生じ、前記検出装置（２６）によって前記ストライプパターンを走査することにより、互いに位相をずらされた複数のインクリメンタル信号が生成可能であり、
前記走査回折格子（２４；１２４；２２４）が、少なくとも第１および第２の透明なプレート状の担体要素（２５．１，２５．２；１２５．１，１２５．２；２２５．１，２２５．２）の間に配置されており、前記走査回折格子（２４；１２４；２２４）と検出範囲（２６．１～２６．ｎ）との間のスペースが、ｎ＞１．３の屈折率を備える材料により完全に充填されており、
前記基準回折格子（１３）と、第１担体要素（２５．１）の隣接する境界面（Ｇ１）との間の間隔（ｕ _１ ）が、１０μｍ～２００μｍの間の範囲で選択され、
プレート状の前記担体要素（２５．１，２５．２；１２５．１，１２５．２；２２５．１，２２５．２）が５ｍｍの最大厚さを備える位置測定装置。

【請求項3】

少なくとも１つの測定方向（ｘ）に沿って相対的に移動可能な第２の物体に対する第１の物体の位置を決定するための位置測定装置において、該位置測定装置が、
測定方向（ｘ）に沿って延在する基準器（１０）であって、第１の物体に結合されており、少なくとも１つの周期的な基準回折格子（１３）を含み、該基準回折格子が透過型回折格子として形成されており、第１周期（ｄ _１ ）を備える基準器（１０）、および
第２の物体に結合された走査ユニット（２０）を備え、該走査ユニットが
少なくとも１つの光源（２１）、
第２周期（ｄ _２ ）を備える少なくとも１つの周期的な走査回折格子（２４；１２４；２２４）、および
検出装置（２６）であって、検出平面に測定方向（ｘ）に沿って第３周期（ｄ _３ ）により周期的に配置された感光性の検出範囲（２６．１～２６．ｎ）からなる検出装置（２６）を備え、
前記光源（２１）から放出された光線束が、まず前記基準回折格子（１３）に入射し、次いで前記走査回折格子（２４；１２４；２２４）を通過し、光線束と、前記基準回折格子（１３）および前記走査回折格子（２４；１２４；２２４）との相互作用により、前記第３周期（ｄ _３ ）を備える周期的なストライプパターンが前記検出平面に生じ、前記検出装置（２６）によって前記ストライプパターンを走査することにより、互いに位相をずらされた複数のインクリメンタル信号が生成可能であり、
前記走査回折格子（２４；１２４；２２４）が、少なくとも第１および第２の透明なプレート状の担体要素（２５．１，２５．２；１２５．１，１２５．２；２２５．１，２２５．２）の間に配置されており、前記走査回折格子（２４；１２４；２２４）と検出範囲（２６．１～２６．ｎ）との間のスペースが、ｎ＞１．３の屈折率を備える材料により完全に充填されており、
前記基準回折格子（１３）と、第１担体要素（２５．１）の隣接する境界面（Ｇ１）との間の間隔（ｕ _１ ）が、１０μｍ～２００μｍの間の範囲で選択され、
基準回折格子（１３）の第１周期（ｄ_１）および検出平面に生じたストライプパターンの第３周期（ｄ_３）について、関係式

【数1】

【数2】

が成り立ち、
ｄ_１は、基準回折格子の第１周期であり、
ｄ_２は、走査回折格子の有効な第２周期であり、
ｄ_３は、検出平面に生じたストライプパターンの第３周期であり、
ｕ_１は、基準回折格子と、第１担体要素の隣接する境界面との間の間隔であり、
ｕ_２は、基準回折格子と走査回折格子との間に配置された第１担体要素の厚さであり、
ｖは、走査回折格子と検出平面との間に配置された第２担体要素の厚さであり、
ｎ_ｕ２は、第１担体要素の屈折率であり、
ｎ_ｖは、第２担体要素の屈折率である位置測定装置。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか一項に記載の位置測定装置において、
前記基準回折格子（１３）と、前記第１担体要素（２５．１）の隣接する境界面（Ｇ１）との間の間隔が、２０μｍ～５０μｍの間の範囲で選択されている位置測定装置。

【請求項5】

請求項１または２に記載の位置測定装置において、
プレート状の前記担体要素（２５．１，２５．２；１２５．１，１２５．２；２２５．１，２２５．２）がガラスにより形成されている位置測定装置。

【請求項6】

請求項１から３のいずれか一項に記載の位置測定装置において、
第１のプレート状の担体要素がガラスにより形成されており、第２のプレート状の担体要素が透明なプラスチックにより形成されている位置測定装置。

【請求項7】

請求項１から３のいずれか一項に記載の位置測定装置において、
プレート状の前記担体要素（２５．１，２５．２；１２５．１，１２５．２；２２５．１，２２５．２）が少なくとも０．１ｍｍの厚さを備える位置測定装置。

【請求項8】

請求項１から７のいずれか一項に記載の位置測定装置において、
前記走査回折格子（２４；１２４；２２４）が、両方の担体要素（２５．１，２５．２；１２５．１，１２５．２；２２５．１，２２５．２）の互いに向かい合った両方の境界面（Ｇ２，Ｇ３）のいずれか一方に配置されている位置測定装置。

【請求項9】

請求項８に記載の位置測定装置において、
走査回折格子（２４；１２４）が振幅型回折格子として形成されており、光学的な透過性が異なる走査回折格子範囲（２４ａ；２４ｂ；１２４．ａ；１２４．ｂ）を備える位置測定装置。

【請求項10】

請求項８に記載の位置測定装置において、
前記走査回折格子（２２４）が位相型回折格子として形成されており、光学的なピーク値ずれが異なる走査回折格子範囲（２２４．ａ，２２４．ｂ）を備える位置測定装置。

【請求項11】

請求項１または２に記載の位置測定装置において、
基準回折格子（１３）の第１周期（ｄ_１）および検出平面に生じたストライプパターンの第３周期（ｄ_３）について、関係式

【数3】

【数4】

が成り立ち、
ｄ_１は、基準回折格子の第１周期であり、
ｄ_２は、走査回折格子の有効な第２周期であり、
ｄ_３は、検出平面に生じたストライプパターンの第３周期であり、
ｕ_１は、基準回折格子と、第１担体要素の隣接する境界面との間の間隔であり、
ｕ_２は、基準回折格子と走査回折格子との間に配置された第１担体要素の厚さであり、
ｖは、走査回折格子と検出平面との間に配置された第２担体要素の厚さであり、
ｎ_ｕ２は、第１担体要素の屈折率であり、
ｎ_ｖは、第２担体要素の屈折率である位置測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、少なくとも１つの測定方向に沿って互いに相対的に移動可能に配置された２つの物体の相対位置を高精度で決定するために適した位置測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

Ｒ．ペッティグリュー（R.Pettigrew）により「格子イメージングの分析と位置測定へのその応用」（Analysis of Grating Imaging and its Application to Displacement Metrology）というタイトルで、測定に応用される光学に関する第１回欧州会議（１９７７）、エス・ピー・アイ・イー（SPIE）第３６号、Ｓ．３２５～３３２（in SPIE Vol. 36, 1st European Congress on Optics applied to Metrology (1977), S. 325 - 332）において公表された刊行物により光学式３回折格子走査原理に基づいた位置測定装置が既知である。このような位置測定装置によって、少なくとも１つの測定方向に沿って互いに相対移動可能な２つの物体の相対移動に関して、位相をずらされたインクリメンタル信号を生成することができる。この場合、両方の物体のいずれか一方は基準器に結合されており、基準器は、測定方向に沿って延在し、少なくとも１つの基準回折格子を含む。透光性の場合には、基準回折格子は、光学的な透過性が異なる基準回折格子範囲を備え、これらの基準回折格子範囲は測定方向に沿って第１周期ｄ_１により周期的に配置されている。他方の物体には、位置測定装置の走査側の構成要素を含む走査ユニットは結合されている。走査ユニットには、少なくとも１つの光源、走査回折格子、または検出装置が属する。走査回折格子は、測定方向に沿って周期ｄ_２により周期的に配置された走査回折格子範囲を備え、これらの走査回折格子範囲は異なる光学特性を有する。検出装置は、複数の感光性の検出範囲を含み、これらの検出範囲は、検出平面に測定方向に沿って第３周期ｄ_３により配置されている。光源から放出される光線束は、まず基準回折格子に入射し、続いて走査回折格子を通過する。光線束と基準回折格子および走査回折格子との相互作用により、検出装置の検出平面には、第３周期ｄ_３を有する周期的なストライプパターンが生じる。検出装置もしくは周期的に配置された検出範囲を走査することにより、位相をずらされた複数のインクリメンタル信号を生成することができる。

【0003】

このような位置測定装置は、例えば、機械において定置の機械部分に対して移動可能な機械部分の位置を高精度に検出する必要がある用途で、機械制御によってこれらの機械部分の正確な相対的位置決めを行うために使用される。これらの機械が、例えば工作機械である場合には、光学式の位置測定装置の機能に影響を及ぼす恐れのある使用条件が生じることもある。したがって、位置測定装置の光学的な構成要素、例えば走査回折格子に冷却潤滑剤または油膜などの汚れが堆積する可能性もある。

【0004】

ドイツ国特許第３２１０６１４号明細書では、光学式の位置測定装置の走査が比較可能に構成されており、走査回折格子を保護するために、走査回折格子を配置した担体要素の側が基準器に向かないように配置される。さらに走査回折格子には透光性の保護要素が被覆されている。この位置測定装置では、基準器は、入射される第２回折格子なので、基準器保護層の汚れや基準器と第３回折格子との間の中間スペースの汚れは、特に信号に不利な影響を及ぼす場合もある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】ドイツ国特許第３２１０６１４号

【非特許文献】

【0006】

【文献】“Analysis of Grating Imaging and its Application to Displacement Metrology” in SPIE Vol. 36, 1st European Congress on Optics applied to Metrology (1977), 325 - 332頁

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明の課題は、光学式の３回折格子走査原理に基づいた位置測定装置において、場合によって生じる汚れに対して走査回折格子ができるだけ確実に保護されることが確保されており、同時に、生成された信号の良好な品質が保証されてい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】

【0008】

この課題は、本発明によれば、請求項１の特徴を備える位置測定装置によって解決される。

【0009】

本発明による位置測定装置の好ましい構成が従属請求項に記載した措置によって得られる。

【0010】

少なくとも１つの測定方向に沿って相対的に移動可能な第２の物体に対する第１の物体の位置を決定するための本発明による位置測定装置は、測定方向に沿って延在し、第１の物体に結合された基準器ならびに第２の物体に結合された走査ユニットを含む。基準器の側には少なくとも１つの周期的な基準回折格子が設けられており、基準回折格子は透過型回折格子として形成されており、第１周期ｄ_１を備える。走査ユニットは、少なくとも１つの光源、第２周期ｄ_２を有する少なくとも１つの周期的な走査回折格子、および検出装置を備え、検出装置は、検出平面に、測定方向に沿って第３周期ｄ_３により周期的に配置された感光性の検出範囲を備える。光源から放出された光線束は、まず基準回折格子に入射し、続いて走査回折格子を通過し、この場合に、光線束と基準回折格子および走査回折格子との相互作用により、第３周期ｄ_３を有する周期的なストライプパターンが検出平面に生じ、検出装置によってこのストライプパターンを走査することにより、互いに位相をずらされた複数のインクリメンタル信号が生成可能である。走査回折格子は、少なくとも第１および第２の透明なプレート状の担体要素の間に配置されており、走査回折格子と検出範囲との間のスペースは、ｎ＞１．３の屈折率を備える材料により完全に充填されている。基準回折格子と第１担体要素の隣接する境界面との間の間隔は、１０μｍ～２００μｍの間の範囲で選択されている。

【0011】

特に好ましくは、基準回折格子と、第１担体要素の隣接する境界面との間の間隔は、２０μｍ～５０μｍの間の範囲で選択されている。

【0012】

プレート状の担体要素がガラスにより形成されていることも可能である。

【0013】

代替的には、プレート状の第１担体要素がガラスにより形成されており、プレート状の第２担体要素が透明なプラスチックにより形成されていることも可能である。

【0014】

さらに、プレート状の担体要素が少なくとも０．１ｍｍの厚さを備えている場合には有利である。

【0015】

同様にプレート状の担体要素が５ｍｍの最大厚さを備えている場合には好ましいことが明らかである。

【0016】

可能な一実施形態では、走査回折格子は両方の担体要素の互いに向かい合った両方の境界面のいずれか一方に配置されていてもよい。

【0017】

この場合、走査回折格子は振幅型回折格子として形成されていてもよく、光学的な透過性が異なる走査回折格子範囲を備えていてもよい。

【0018】

これに対して代替的には、走査回折格子は位相型回折格子として形成されており、光学的なピーク値ずれが異なる走査回折格子範囲を備えていてもよい。

【0019】

さらに、基準回折格子の第１周期および検出平面に生じたストライプパターンの第３周期について、関係式

【数1】

【数2】

が成り立ち、
ｄ_１は、基準回折格子の第１周期であり、
ｄ_２は、走査回折格子の有効な第２周期であり、
ｄ_３は、検出平面に生じたストライプパターンの第３周期であり、
ｕ_１は、基準回折格子と、第１担体要素の隣接する境界面との間の間隔であり、
ｕ_２は、基準回折格子と走査回折格子との間に配置された第１担体要素の厚さであり、
ｖは、走査回折格子と検出平面との間に配置された第２担体要素の厚さであり、
ｎ_ｕ２は、第１担体要素の屈折率であり、
ｎ_ｖは、第２担体要素の屈折率である。

【0020】

本発明による措置により、位置測定装置の走査回折格子が汚れに対して確実に保護されていることが保証されている。この場合、一方では走査回折格子の表面が液体による汚れから保護されている；他方では走査回折格子と検出平面との間の中間スペースをこのような汚れから確実に保護することもできる。生じる可能性のある走査回折格子の汚れに対する光学走査の感受性はこれにより著しく減じられる。好ましくない条件下であっても光学式の位置測定装置の高い使用可能性が得られる。

【0021】

さらに、本発明による措置により、基準器および走査ユニットの互いに向かい合った境界面の間の間隔を極めて小さくすることができる。間隔が小さいことに基づいて、基準器の表面に生じる場合のある液滴を平坦に押圧することができ、このような液滴が光学的な走査および信号生成にはネガティブな影響を及ぼすことはない。

【0022】

次に本発明による装置の実施例を図面に関連して説明し、本発明の他の詳細および利点を明らかにする。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本発明による位置測定装置の実施例を示す概略断面図である。

【図2a】図１の実施例の基準器を示す平面図である。

【図2b】図１の実施例の走査プレートを示す平面図である。

【図2c】図１の実施例の検出装置を示す平面図である。

【図3】本発明による位置測定装置の光路を異なるシステムパラメータを含めて示す概略図である。

【図4】図１の実施例の走査ユニットを拡大して示す部分図である。

【図5a】本発明による位置測定装置の異なる実施形態における走査ユニットを示す部分図である。

【図5b】本発明による位置測定装置の異なる実施形態における走査ユニットを示す部分図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

次に本発明による光学式の位置測定装置の実施例を図１、図２ａ～２ｃ、および図３に基づいて説明する。この場合、図１は概略的な断面図を示し、図２ａ～図２ｃは基準器、走査プレート、および検出装置の平面図を示し、図３は、様々なシステムパラメータを含めて信号生成するための原理的な光路を示し、図４は、走査ユニットを拡大した部分図を示す。

【0025】

図面に示した光学式の位置測定装置は、一方では基準器１０を含み、この基準器は、測定方向ｘに延在し、第１周期ｄ_１を有する周期的な基準回折格子１３を備える。他方では、測定方向ｘに沿って基準器１０に対して相対的に移動可能な走査ユニット２０が設けられている。走査ユニット２０は、少なくとも１つの光源２１、第２周期ｄ_２を有する周期的な走査回折格子２４、および検出装置２６を備える。この実施例では、測定方向ｘは線形に配向されている。すなわち、基準器１０と走査ユニット２０とは互いに対して線形に移動可能である。検出装置２６は、検出平面に測定方向ｘに沿って第３周期ｄ_３により周期的に配置された感光性の検出範囲２６．１～２６．ｎからなる。この実施例では、さらに光源２１の前方にはコリメーョン光学系２２が配置されており、このコリメーション光学系を介して、光源２１から放出された光線が基準回折格子に入射する前にコリメートされる；しかしながら、このようなコリメーション光学系は、本発明では必ずしも必要ではない。

【0026】

本発明による光学式の位置測定装置の基準器１０および走査ユニット２０は、一般に機械構成要素の形式の物体に結合されており、これらの物体は、測定方向ｘに沿って互いに対して相対的に移動可能である。本発明による位置測定装置によって位相をずらされたインクリメンタル信号が生成され、これらのインクリメンタル信号から、機械制御ユニット（図示しない）において、測定方向ｘに沿った基準器１０に対する走査ユニット２０の相対位置、および互いに対して移動可能な物体の相対位置を決定し、移動可能な機械構成要素を制御するために使用することができる。

【0027】

本発明による光学式の位置測定装置は、図示の実施例では透過光システムとして形成されている。例えばガラス片などの基準器担体１１に配置された透過型回折格子が、周期的な基準回折格子１３（図２ａに部分平面図を示す）としての役割を果たす。基準回折格子１３は、測定方向ｘに沿って第１周期ｄ_１で交互に配置された透過特性が異なる基準回折格子範囲１３ａ，１３ｂを備える。すなわち、基準回折格子１３は振幅型回折格子として形成されている。この場合には、図２ａに黒で示した基準回折格子範囲１３ｂは不透過性に形成されており、明るく示した基準回折格子範囲１３ａは透過性に形成されている。

【0028】

ずれに応じたインクリメンタル信号を生成するためには、本発明による光学式の位置測定装置では、冒頭で述べたR.Pettigrewによって“Analysis of Grating Imaging and its Application to Displacement Metrology”というタイトルでSPIE Vol. 36, 1st European Congress on Optics applied to Metrology (1977), S. 325 - 332に公表された刊行物により既知の３回折格子走査原理が使用され、その原理的な走査光路が図３に示されている。この場合、周期的な基準回折格子１３は走査光路の第１回折格子であり、第１回折格子は、光源２１から放出される光線束によって照射される。基準回折格子１３は第１周期ｄ_１を有する。第１周期ｄ_１は、図２ａに示すように、測定方向ｘに連続して配置された透過性の範囲１３ａおよび不透過性の範囲１３ｂの幅の合計を表す。走査ユニット２０の走査回折格子２４が走査光路で入射される第２回折格子としての役割を果たし、走査回折格子２４は、上記刊行物により既知の構成で、光線伝搬方向に基準回折格子１３から垂線間隔ｕをおいて配置されている。この場合には、振幅型回折格子として形成された走査回折格子２４は第２周期ｄ_２を備える。第２周期ｄ_２は、図２ｂに示すように、測定方向ｘに走査回折格子２４に連続して配置された透過性の範囲２４ａおよび不透過性の範囲２４ｂの幅の合計を表す。走査光路の最後の第３回折格子は検出装置２６を示し、図２ｃに示すように、この検出装置は構造化された検出器として形成されており、検出平面に長方形に形成された多数の感光性の検出範囲２６．１～２６．ｎからなる。検出平面には、ｎ個の検出範囲２６．１～２６．ｎが、測定方向ｘに沿って第３周期ｄ_３により周期的に配置されている；周期ｄ_３は、この実施例では測定方向ｘに連続して配置された４つの検出範囲２６．１～２６．ｎの幅に対応している；したがって、検出装置２６によって、それぞれ９０°だけ互いに対して位相をずらされた４つのインクリメンタル信号の生成が行われる。検出装置２６の検出平面は、図３に概略的に示すように、上記刊行物により既知の構成で光線伝搬方向に走査回折格子２４から垂線間隔ｖだけ間隔をおいて配置されている。

【0029】

検出平面もしくは検出装置２６では、このような走査において、光源２１から放出された光線束と基準回折格子１３および走査回折格子２４との相互作用によって、周期的なストライプパターンが生じ、このストライプパターンは周期ｄ_３を備える。上記刊行物により、ストライプパターンの周期ｄ_３もしくは基準回折格子１３の周期と、この走査原理に基づいた位置測定装置の他の幾何学的なシステムパラメータとの間において次の式（１）および（２）に記述された関係が既知である；これらの関係式は、約９０°のピーク値ずれを有する振幅型回折格子または位相型回折格子の形式の走査回折格子が使用された場合に有効である：

【数3】

【数4】

ｄ_１は、基準器における基準回折格子の周期であり、
ｄ_２は、走査回折格子の有効な周期であり、
ｄ_３は、検出装置の検出平面におけるストライプパターンの周期であり、
ｖは、走査回折格子と検出平面との間の垂線間隔であり、
ｕは、基準回折格子と走査回折格子との間の垂線間隔である。

【0030】

１８０°のピーク値ずれを備える位相型回折格子の形式の走査回折格子２４が使用された場合には、これらの式において周期ｄ_２は、ｄ_２＝２・ｄ_２Ｐによって得られる有効な目盛周期を示し、ｄ_２Ｐは、位相型回折格子の実際の周期を表す。

【0031】

基準器１０と走査ユニット２０とが相対移動した場合、ひいては基準回折格子１３が走査回折格子２４および検出装置２６に対して相対移動した場合には、生成されたストライプパターンは検出装置２６の上方で検出平面において測定装置ｘに沿って移動する。このようにして、検出装置２６の多数の検出範囲２６．１～２６．ｎによって、既知のように互いに位相をずらされた複数の正弦状のインクリメンタル信号、例えば１２０°だけ互いに位相をずらされた３つのインクリメンタル信号、またはそれぞれ９０°だけ互いに位相をずらされた４つのインクリメンタル信号を生成することができ、これらのインクリメンタル信号は、例えば機械制御部によってさらに処理可能である。

【0032】

本発明による位置測定装置においては、上記刊行物により既知の構成が、特に走査回折格子２４の汚れ、ひいては信号品質に影響が及ぼされることを防止するために変更される。図１に示すように、このために走査回折格子２４が第１および第２の透明なプレート状の担体要素２５．１，２５．２の間に配置されている。担体要素２５．１，２５．２として、この場合には、例えば、適切な厚さおよび適切な屈折率ｎを有するガラスプレートを使用してもよい。好ましくは、プレート状の担体要素２５．１，２５．２の厚さは、０．１ｍｍ～５ｍｍの範囲で選択される。さらに、走査回折格子２４と検出範囲２６．１～２６．ｎとの間のスペースは、屈折率ｎ＞１．３の材料によって完全に充填されている。この実施例では、このスペースは図１に示すように第２担体要素２５．２によって充填されている。

【0033】

図４は、図１の走査ユニット２０を拡大した部分図を示す。図４には、本発明による位置測定装置の特に重要な幾何学的な変数が書き込まれている。これらの変数について次にさらに詳述する。図４に示すように、変更された走査ユニット２０の構成に基づいて、上記式（１）および（２）において、基準回折格子１３と走査回折格子２４との間の垂線間隔ｕを式ｕ_１＋ｕ_２／ｎ_ｕ２によって置き換え、走査回折格子２４と検出平面との間の垂線間隔ｖを式ｖ／ｎ_ｖによって置き換える必要がある。この場合、ｎ_ｕ２もしくはｎ_ｖは、考慮する必要がある両方の担体要素２５．１，２５．２の屈折率を表す。この場合、基準回折格子の第１周期ｄ_１および検出平面に生じたストライプパターンの第３周期ｄ_３について上記式（１）および（２）に対して変更された関係式（１．１）もしくは（１．２）が生じる。

【数5】

【数6】

ｄ_１は、基準回折格子の第１周期であり、
ｄ_２は、走査回折格子の有効な第２周期であり、
ｄ_３は、検出平面に生じたストライプパターンの第３周期であり、
ｕ_１は、基準回折格子と、第１担体要素の隣接する境界面との間の間隔であり、
ｕ_２は、基準回折格子と走査回折格子との間に配置された第１担体要素の厚さであり、
ｖは、走査回折格子と検出平面との間に配置された第２担体要素の厚さであり、
ｎ_ｕ２は、第１担体要素の屈折率であり、
ｎ_ｖは、第２担体要素の屈折率である。

【0034】

このように担体要素２５．１，２５．２の互いに向かい合った両方の境界面のいずれか一方に走査回折格子２４を配置することにより、例えば液体が走査回折格子２４に到達することはできないので、走査回折格子２４は起こり得る汚れに対して確実に保護されている。これにより、好ましくない汚れによって生成されたインクリメンタル信号の品質に影響が及ぼされることを防止することができる。

【0035】

さらに、走査回折格子２４と検出装置２６との間のスペースを第２担体要素２５．２によって完全に充填することによって、この領域が液体によって汚されることもなく、走査に影響が及ぼされることはない。さらに、第２担体要素２５．２の厚さによって、走査回折格子２４と検出平面との間に必要な間隔ｖを極めて正確に、再現可能に調節することができる。

【0036】

この場合、光線伝搬方向にまず通過された第１担体要素２５．１または第２担体要素２５．２、すなわち、担体要素２５．１，２５．２の互いに向かい合った両方の境界面Ｇ２，Ｇ３のいずれか一方に走査回折格子２４を取り付けるか、もしくは配置することができる。それぞれ他方の担体要素２５．２もしくは２５．１は、走査回折格子２４が配置される担体要素２５．１，２５．２に続いて接着される。接着された両方の担体要素２５．１，２５．２および内部の走査回折格子２４からなる厚さｖ＋ｕ_２を備えるスタックを、続いて検出装置２６に接着することができる。検出装置２６と、走査回折格子２４を備える担体要素スタックとからなるこのユニットを基準回折格子１３に対して望ましい間隔ｕ_１をおいて組み付けることができる。

【0037】

式（１．１）および（２．１）では、この場合、当然ながらさらに担体要素２５．１，２５．２の間もしくは境界面Ｇ２およびＧ３の間の接着層の厚さおよび屈折率ならびに担体要素２５．２と検出装置２６との間もしくは境界面Ｇ４と検出装置２６との間の接着層の厚さがそれぞれ考慮される。

【0038】

さらに、本発明による位置測定装置において、基準回折格子１３と、光路において入射される第１担体要素２５．１の隣接する境界面Ｇ１との間の間隔ｕ_１が１０μｍ～２００μｍの間の範囲、特に２０μｍ～５０μｍの間の範囲で選択される場合には有利であることが明らかである。このように選択された小さい間隔ｕ_１により、基準器１０の表面に場合によって生じた液滴を平坦に押圧することができ、もはや光学式走査に影響が及ぼされることはない。本発明にしたがって、ｕ_２＞０である少なくとも２つの担体要素２５．１，２５．２の間に走査回折格子２４が配置されていない場合には、このように小さい間隔ｕ_１は、このような走査原理においてｕ_２＝０の場合に、対応する刊行物による上記関係式（１）および（２）を使用して信号品質の低下を甘受してのみ選択することが可能である。

【0039】

本発明による位置測定装置の具体的な一実施例では、様々な幾何学的なシステムパラメータが次のように選択される：
ｄ_１＝２０μｍ
ｄ_２＝１６μｍ
ｄ_３＝８０μｍ
λ＝８５０ｎｍ（使用される光源の波長）
ｕ_１＝０．０３３ｍｍ
ｕ_２は＝０．５１４ｍｍ；ｎ_ｕ２＝１．５
ｖ＝２．２５６ｍｍ；ｎ_ｖ＝１．５

【0040】

最後に、図５ａおよび図５ｂに基づいて本発明による位置測定装置の他の実施形態を説明する。この場合、図面はそれぞれ互いに接着された２つの担体要素の詳細図を示し、これらの担体要素の間には様々に形成された走査回折格子が配置されている。

【0041】

図５ａには、上記実施例と原理的に同一の構成が示されており、担体要素１２５．１，１２５．２としての役割を果たす２つのガラスプレートの間には、振幅型回折格子として形成された走査回折格子１２４が配置されている；この走査回折格子１２４は、測定方向ｘに沿って交互に配置された光学的な透過性が異なる走査回折格子範囲１２４．ａ，１２４．ｂからなる。この場合、符号１２４．ａによって透過性の走査回折格子範囲が示されている；符号１２４．ｂによって、例えば肉薄のクロム層として形成された不透過性の走査回折格子範囲が示されている。走査回折格子１２４の周期ｄ_２は、測定方向ｘに沿った透過特性が異なる２つの走査回折格子範囲１２４．ａ，１２４．ｂの合計に相当する。同様に図５ａに示すように、走査回折格子１２４は、第１担体要素１２５．１に向いた第２担体要素１２５．２の境界面Ｇ３に配置されている。さらにこの図面に示すように、厚さｄ_Ｋを有する接着層１２９が両方の担体要素１２５．１，１２５．２の間に設けられており、この接着層を介して両方の担体要素１２５．１，１２５．２は相互に結合される。

【0042】

これに対して、図５ｂは、本発明による位置測定装置の可能な構成のための変更された一実施形態を示す。両方の担体要素２２５．１，２２５．２の間の走査回折格子２２４は、位相型回折格子として形成されており、測定方向ｘに交互に配置された走査回折格子範囲２２４．ａ，２２４．ｂからなる。これらの走査回折格子範囲は、異なる光学的なピーク値ずれ、ひいては異なる位相シフト作用を備える。走査回折格子範囲２２４．ｂには、このために、第２担体要素２２５．２の境界面Ｇ３に、好ましくは高屈折率の材料、例えばＴａ_２Ｏ_５からなるウェブ高さｔの位相ウェブが配置されている。走査回折格子範囲２２４．ａは、位相ウェブのないそれぞれの溝によって形成される。厚さｄ_Ｋの接着層２２９を介して両方の担体要素２２５．１，２２５．２が相互に結合されている。この場合、接着層２２９の厚さｄ_Ｋは、位相ウェブもしくは走査回折格子範囲２２４．ｂのウェブ高さｔよりも大きく選択する必要がある。さらに位相ウェブ材料を選択する場合には、位相ウェブ材料が、両方の担体要素２２５．１，２２５．２の間の接着層２２９の屈折率よりもできるだけ明白に大きい屈折率を備えることが重要である。位相ウェブのウェブ高さを選択する場合には、走査回折格子の望ましい光学的なピーク値ずれを得るために、当然ながら接着層２２９の屈折率を考慮する必要がある。走査回折格子２２４の周期ｄ_２は、測定方向ｘに沿って異なる位相シフト作用を備える２つの走査範囲２２４．ａ，２２４．ｂの幅の合計に相当する。位相型回折格子として形成された走査回折格子２２４が本発明により両方の担体要素２２５．１，２２５．２の間に配置されていることは、特に好ましいことが明らかである；これにより、液体が位相ウェブのない走査回折格子範囲２２４．ａに溜まり、走査回折格子２２４の光学作用に望ましくない影響が及ぼされないことを確保できる。

【0043】

具体的に説明した実施例の他に、本発明の範囲において当然ながらさらに他の構成の可能性がある。

【0044】

例えば、ガラスの代わりに担体要素の材料として、適合する屈折率を備える適切な透明のプラスチックまたはガラスセラミックスを使用することも可能である。この場合、例えば、基準器に向いたガラスからなる第１担体要素と、プラスチックからなる第２担体要素とを組み合わせることも可能である。この場合、ガラスからなる第１担体要素は、金属片により生じることのあるひっかき傷および／または冷却潤滑剤による化学的作用に対する良好な保護を保証する。プラスチックからなる第２担体要素は極めて有利に製造することができ、ガラスからなる第１担体要素と検出装置の間で保護されている。この場合、プラスチックからなる第２担体要素の外縁部は、適切な鋳込み材によって化学的作用に対して付加的に保護することができる。

【0045】

さらに、必要に応じて、スタック状に配置された３つ以上の担体要素を備える構成を設けることもできる。

【0046】

さらに、線形以外の相対移動を検出するための位置測定装置を本発明により形成することも当然ながら可能である；回転式の位置測定装置では、対応して形成された走査ユニットを設けることも可能である。

【符号の説明】

【0047】

１０ 基準器
１１ 基準器担体
１３ 基準回折格子
１３ａ，１３ｂ 基準回折格子範囲
２０ 走査ユニット
２１ 光源
２２ コリメーョン光学系
２４ 走査回折格子
２４ａ，２４ｂ 走査回折格子範囲
２５．１，２５．２ 担体要素
２６ 検出装置
２６．１～２６ｎ 検出範囲
１２４ 走査回折格子
１２４．ａ，１２４．ｂ 走査回折格子範囲
１２５．１，１２５．２ 担体要素
１２９ 接着層
２２４ 走査回折格子
２２４．ａ，２２４．ｂ 走査回折格子範囲
２２５．１，２２５．２ 担体要素
２２９ 接着層
ｄ_１ 周期
ｄ_２ 周期
ｄ_３ 周期
Ｇ１，Ｇ２ 境界面
ｎ 屈折率
ｕ 垂線間隔
ｕ_１ 間隔
ｕ_２ 厚さ
ｖ 垂線間隔，厚さ
ｘ 測定装置

【図1】

【図2a】

【図2b】

【図2c】

【図3】

【図4】

【図5a】

【図5b】