专利名称：定位设备的制作方法
技术领域：
本发明总体而言涉及定位装置和位置测量装置的领域，但本发明也 可适用于其它领域。出于解释说明的目的，将在定位装置的情形下描述 本发明。
背景技术：
图1是示意性地说明定位装置1的某些基础构件的方块图，其通
常包括固定安装的框架2，可相对于该框架移位的可移位平台3或类似 物，用于使平台相对于框架移位的致动器4，用于测量平台相对于框架 的位置的测量装置5，以及基于从测量装置所接收到的测量信号来控制 致动器的控制器6。在图1中，位移被示例为在水平方向7中的线性位 移(平移)；替代地，旋转位移也是可能的，但这一点并未示例。这 种类型的定位装置的实例可为定位台，以相对于机床来定位工件，或 者相对于构件放置设备来定位印刷电路板。
用于测量可相对于彼此移位的两个物体的相对位置的准确位置测 量装置是本身已知的。 一般而言，位置测量装置包括两个测量构件， 一个测量构件相对于所述物体中的一个物体固定，另一个测量构件相 对于另一个物体固定。所述测量构件中的一个测量构件将被表示为具 有标尺分度的标尺，另 一个测量构件将被表示为标尺滑块(scale runner)。滑块包括用于扫描标尺和输出扫描信号的扫描仪。在两个 物体移位时，滑块沿着标尺运行，且扫描信号随着位移一致地变化。
举例而言，图2A示出了位置测量装置的光学实施例，其中标尺 20包括白点21和黑点22的交替图案，且其中扫描仪23包括光源(未 图示)，光源在黑点和白点的图案上产生光点24。光被图案反射且被 扫描仪23的传感器(未图示)接收，传感器产生表示被传感器接收的 光量的输出信号SM:高传感器信号H对应于白点21且低传感器信号L 对应于黑点22，如在曲线图中所示。
作为另一实例，图2B示出了位置测量装置的磁实施例，其中标尺 26包括一系列的磁体，该一系列的磁体具有以交替图案定位的北极和南极，且其中扫描仪27包括磁场传感器，诸如霍尔传感器，该传感器 产生表示由传感器所传感的磁场的量值和方向的输出信号SM:高传感 器信号H对应于北极N且低传感器信号L对应于南极Z (或者高传感 器信号H对应于南极Z且低传感器信号L对应于北极N)，如在曲线 图中所说明。
替代的实施例也是可能的。例如，电容传感器的实施例也是可能的。
在下文中，平台的移位自由度(即，所有可能位置的集合)将被 表示为位置范围。
在本发明的情形下，这些测量装置的有利特点是，探测器输出信 号是与扫描仪与标尺之间的所述相对位置成唯一关系的模拟输出信 号。其中短语"唯一关系，，表示对于不同位置，测量信号也不同，且 测量信号的每个值仅出现一次，因而如果已知测量信号的值，可计算 位置。换种说法如果SM-f(X)是将测量信号SM定义为在某些域Xd 上位置X的函数，那么存在反函数f1，其在域XD上，唯一地将位置 X-f、SM)定义为测量信号的函数。这与计数器相反，计数器提供数字 输出信号，每次扫描仪经过两个标尺分度之间的边界时该数字输出信 号增加(或减小)1。
有利地且与现有技术实施例一致，函数f具有作为位置函数的大约 正弦形状的波形，但这不是至关重要的。
应当指出的是，在上述实例中，其中函数f作为位置的函数的大约 正弦形状的波形，测量信号的每个值在节距间隔期间出现两次(被定 义为白色21+黑色22;北极N+南极Z等)，这似乎与上文所定义的"唯 一关系"要求相矛盾。但扫描仪被设计成经由第二次测量来唯一地判 断它们是位于测量信号的位置导数为正的位置还是为负的位置，因此 扫描仪能够区分出现特定测量值的两个位置。这种以正号或负号形式 的区分也被认为是整个测量信号的部分，且这个组合的信号在域Xd上 (即，在节距间隔内)是唯一的。在现有技术实施例中，第二次测量 常常相对于笫一次测量而处于"节距相位"测量("pitch phase" measuremtn )之外90度。在这样情况下，对于正弦测量Xmi，位置 X可通过函数C、tan2(Xml，Xm2)在域Xd (即，在节距间隔内)上唯 一地确定，C为常数。应当指出的是函数atan2(Y，X)为两个变量Y和X的函数，类似于atan(Y/X)，但要知道这些变量的符号以确定象限。特 别地，对于具有坐标X和Y的点，函数atan2(Y，X)给出半径与x轴之 间的角，如果y是正的，这个角在0与7t之间且如果Y是负的，这个
角在0与-7t之间。
通过上文所述，应清楚，作为位置的函数，扫描仪输出信号SM是 周期信号(正弦形的位置依赖性不是至关重要的)。信号周期反映出 标尺的周期性，也表示为节距在上述实施例中，标尺周期性对应于 两个标尺分度的组合(白色21+黑色22;北极N+南极Z)。在下文中， 对应于一个标尺周期的位置范围的一部分将被表示为位置场。
乍一看，上述类型的标尺仅能给出非常粗略的位置信息，且空间 准确度对应于分度的大小。但上述类型的标尺准确度实际上非常好。 当平台相对于框架移位时，测量信号根据其特征波形而变化，且在标 尺周期内的测量信号的相位以线性方式(例如，如上文所定义的函数 C*atan2(Xml，Xm2))对应于空间位移。实际应用中，空间准确度能容 易地优于分度大小的IOOO倍(或甚至更多)。
另外，定位装置可具有大于标尺周期的定位范围。当平台相对于 框架移位时，控制器记录所经过的信号周期的数目；或者，在替代描 述中，控制器可认为测量信号的相位高于360°。在任何情况下，控制 器将能准确地在整个位移范围上跟踪平台的移位，这意味着控制器将 能知道平台在整个位移范围上的相对位置，当然假定标尺大小至少等 于位移范围。但是，实际测量信号仅示出对应于在0°与360。之间的测 量相位的值，且当控制器并不"知道"平台最初的位置时，会在启动 时出现问题。仅基于测量信号，控制器仅唯一地知道相对于标尺周期 的位置相位，但控制器并不知道处于哪个位置场内。因此绝对位置是 未知的。
为了解决这个问题且为了唯一地确定整个位移范围(即，多个节 距)的位置，现有技术定位装置执行初始化过程，其中平台被驱动到 准确地已知的开始位置。这典型地涉及朝向明确限定的端挡块或明确 限定的索引传感器(index sensor)来驱动平台。这种初始化过程涉及 几种缺点。首先，使平台碰撞挡块是不希望有的。另外，难以选择适 当速度进行初始化控制器并不知道平台在何处，即，是远离挡块还 是非常靠近挡块。为了减小高速碰撞的风险，必须将移位速度设定为相对低，但如果平台远离挡块，初始化过程需要较多时间。另外，在 平台具有六自由度的情况下，这种初始化会相当困难。
发明内容
本发明的目的在于克服或至少减少先前技术的上述缺陷。 具体而言，本发明的目的在于提供一种相对筒单和低成本的位置
探测设备，其提供在超过一个节距的较大范围(即，多个节距)内的
绝对位置确定。
根据本发明的重要方面， 一种位置测量装置包括沿着所希望的平 台位移范围延伸的至少两个标尺，其具有相应的扫描仪，其中使用至
少两个标尺，该至少两个标尺具有不同的标尺周期(周期1和周期2), 且该至少两个标尺被选择使得位移范围等于或小于周期1和周期2的 最小公倍数。在此情况下，可在位移范围中唯一地确定(初始)位置。 控制器接收两个扫描仪的测量信号。尽管每个扫描仪输出信号仅在相 对较小位移范围具有唯一值(即，对应于一个标尺周期的位置场)， 但是组合的信号在相对较大位移范围具有值的唯一组合。因此，在加 电时，无需执行初始化，控制器可从组合信号得出平台的绝对位置。 在从属权利要求中提到其它有利详尽细节。
参看附图，通过下文一个或多个优选实施例的描述，将进一步解 释本发明的这些和其它的方面、特点和优点，在附图中相同的附图标 记表示相同或类似的部件，且在附图中
图l是示意性地说明定位装置的方块图2A示意性地说明位置测量装置的光学实施例；
图2B示意性地说明位置测量装置的磁实施例；
图3是示意性地说明根据本发明的定位装置的方块图4是示出测量信号的相位与位置之间关系的曲线图。
具体实施例方式
图3是与图1相当的方块图，其示意性地示出了定位装置11,定 位装置ll包括用于测量平台相对于框架的位置的测量装置15。测量装置15包括与扫描仪23相关联的第一标尺20和与扫描仪33相关联的第 二标尺30。由第一扫描仪23所产生的测量信号表示为SM1，而由第二 扫描仪33所产生的测量信号表示为SM2。两个标尺20和30分别具有 相互不同的节距P1和P2，在此实例中，采用P2>P1。
当平台3移位时，第一扫描仪23沿着第一标尺20移位且第二扫 描仪33沿着第二标尺30移位。第一扫描仪输出信号Sm以等于Pl的 周期在空间上呈周期性。第二扫描仪输出信号Sm2以等于P2的周期在 空间上呈周期性。
说明性地，控制器4能够分别计算两个输出信号SM1与Sm2的相位 cpl与(p2。应当指出的是，这个相位的计算可如本发明的背景技术部分 中所述的那样进行。图4是示意性地示出这些相位<pl (线41)与(p2 (线42)作为平台3的位置x (水平轴线)的函数。始于确定位置零， 该图示出相位cpl线性地增加直到在位置x到达Pl时，cpl到达cpl-2n。 虚线43表示超过位置Pl的作为位置的线性函数的cpl，但扫描仪不能 区分第一位置场与下一位置场，且相位cpl仅可取在O与2Ti之间的值， 因此锯齿线44表示相位与位置之间的实际关系。
同样，锯齿线46表示第二相位cp2与位置之间的实际关系。
示例性地，控制器4也能够计算相位差A(p-(cpl-q)2)
mod 2ttJ。 且符号[mod 2 il表示向差值cpl - cp2的结果加上或减去因数2tt的整数， 以使得结果具有在O与2Ti之间的值。图4还示出这个相位差A(p作为 位置的函数(线48)。可清楚地看出这个相位差Acp也随着位置x线性 地增加，但以更低的速率线性地增加，使得相位差Acp在大于第一节距 Pl和第二节距P2的范围R上从O增加到2ti。在这整个范围R上，在 相位差A(p与位置x之间存在一对一的关系，因此相位差A(p可用于明 白地确定整个范围R上平台的绝对位置。
实际上，测量装置15可被认为包括具有节距R的标尺装置(标尺 20与30的组合)，且还包括提供输出信号(信号SM1与SM2的组合) 的扫描装置(扫描仪23与33的组合)，输出信号以周期R在空间上呈周 期性。在下文中，范围R将被描述为"组合节距"。
可以示出所述组合节距R可被表达为如下
<formula>formula see original document page 9</formula>因此随着R1与R2相互更接近，组合节距R变得更大。 测量范围(MR)，即，可唯一地确定绝对位置的范围，可通过本 发明拓展到超越本发明周期性标尺(P1，P2)确定組合的组合节距R。 而且，给出所希望的测量范围MR,实施本发明的节距组合允许将要在 这个范围上唯一地确定的绝对位置拓展到周期性标尺，为此，认为周 期性标尺的最小公倍数等于或大于MR。在下文中给出几个实例。 实例1
假定第一标尺的节距Pl = 6 mm且第二标尺的节距P2 = 7 mm。在 此情况下，组合节距R等于42mm。
在此实例中，组合节距R为第一节距R1的整数倍，即7倍。同样， 组合节距R为第二节距R2的整数倍，即，6倍。因此，在范围R的端 部处，当Acp-27i时，cpl与cp2也等于2tt (模数2tt)。但也未必总是 这种情况。
实例2
假定第一标尺的节距Pl = 5 mm且第二标尺的节距P2 = 7 mm (参 看图4)。在此情况下，组合节距R等于17.5 mm。但当在X-R， A(p = 2rt 时，cpl和92等于兀(模数2tt)。因此，控制器6能通过结合第一相 位cpl和/或第二相位cp2的值来考虑相位差值Acp而明白地确定甚至超 过所述节距R的位置。这意味着测量装置15具有大于组合节距R的测 量范围MR;在此实例中，采用MR-2R。
在所述实例中，节距为整数。但这不是至关重要的。
实例3
假定第一标尺的节距P1 = 4.99 mm且第二标尺的节距P2 = 4.93 mm。在此情况下，组合节距R为(大约)等于41cm。
在此实例中，当X-R， Acp-27T时，(pl和<P2等于tt/6 (模数2tt)。 因此，对于X〉R， cpl与Acp的组合仍是唯一的，且在此实例中，测量 范围MR是组合节距R的六倍MR约等于246 cm。
当使用两个(或两个以上)的高度准确的标尺时，可实施本发明，, 这两个标尺的相应节距准确地布置于标尺上。这些标尺将是昂贵的。 本发明令人意外地发现不需要高准确度。实际上，能使用两个不同的 标尺，这两个标尺有意地被制造成相等，但是，由于公差的存在，实 际上具有略微不同的节距。实际节距差异将为随机的，但是，对于实践本发明而言，节距差异的实际值不是关键的。参考上文的实例3，应 当清楚节距差异等于0.06 mm还是0.07 mm不是非常重要的，因此10% 或更高不准确度是能够被接受的。
作为依靠制造公差的替代，也能提供具有刻意制造的节距差异的 一对标尺。本发明涉及用于提供这对标尺的某些不同方法。
在第一种方法中，采用基本上相等的标尺，标尺具有基本上相互' 相等的节距。布置两个标尺使得其中一个标尺的温度高于另一个标尺 的温度。结果，由于热膨胀的差异，节距将会略微不同。
在第二种方法中，采取两个基本上相等的标尺，标尺具有基本上 相互相等的节距。两个标尺布置于倾斜位置。举例而言，这些标尺中 的一个标尺安装成平行于平台的移位方向，另 一个标尺安装成一定角 度a，因此通过将标尺节距乘以系数cos(a)使有效节距减小。
在第三种方法中，其具有与第一方法相同的方面，制造两个基本 上相等的标尺，标尺具有基本上相互相等的节距。但是，在制造过程 中，当施加标尺分度时，第一标尺的温度维持在比第二标尺的温度更 高的水平。在制造之后，当两个标尺被冷却到室温时，第一标尺的收 缩程度大于第二标尺(热收缩)因此其节距略微小于第二标尺的节距。 在使用中，将两个标尺良好地热耦合在一起以确保它们在相同的温度 情况下使用将是有利的。这第三种方法具有在安装两个标尺时最终使 用者无需执行特殊措施的优点。
在所有上述方法中，最终使用者必须校准该布置以确定事实节距 和节距差异。
总之，本发明提供一种定位装置11，该定位装置11包括固定框架 2和用于测量平台相对于框架的位置的至少两个标尺20、 30，该标尺 具有相互不同的节距Pl、 P2，和提供相应扫描仪输出信号SM1、 SM2 的相应扫描仪23、 33。接收两个扫描仪输出信号的控制器6能够在大 于所述两个节距P1、P2的最大值的位置测量范围MR中计算平台相对 于框架的位置X。对于现有技术实施例而言，为了实现预先限定的所 希望的唯一测量范围，还拓展了对节距Pi的可能选择。
虽然在附图和前文的描述中详细地示例和描述了本发明，但本领 域技术人员应清楚地了解到，这些示例和描述被认为是说明性的或示 范性的且不是限制性的。本发明并不限于所公开的实施例，而是在如所附权利要求书所限定的本发明的保护范畴内能做出多种变型和修 改。
举例而言，测量信号是连续信号或模拟信号不是至关重要的；测 量信号也可能是具有不同节距的离散信号。举例而言，假定第一测量 装置以0.8 的节距给出1至10的整数测量值，则每个测量值与 0.8 nm的间隔相关联，而第二测量装置以11 |im的节距给出1至10的 整数测量值，则每个测量值与1.1 nm的间隔相关联。两个测量信号形 成组合，该组合在88 nm的距离上是唯一的，之后组合自身重复。应 当指出的是，这种类型的实施例应足以在具有88 nm或更小的定位范 围的定位装置中粗略地确定启动时平台的近似位置。基于上述信息， 其它的数值实例也能容易地被本领域的技术人员构思出来。
在上文中，展示出利用具有相互不同节距的两个测量标尺可能具 有大的测量范围，且已经使用相位差A(p来说明这个大测量范围。但是， 在实践中无需计算相位差；能确立位置x与测量相位cpl和cp2之间的 关系且基于该关系，能限定反向关系，即，作为两个参数cpl与(p2的 函数来限定位置x,例如以查找表的形式进行。
另外，能使用具有不同于前两个节距P1和P2的第三节距P3的第 三测量标尺来进一步拓展测量范围。
通过学习附图、公开内容和所附权利要求书，本领域技术人员在
^权利要求书中，词语"包含(包")"并不排li其它元件或步骤， 且非限定性冠词"一"或"一个"并不排除为多个。单个处理器或其 它单元可履行在权利要求书中所叙述的多个项目的功能。某些措施在 相互不同的附属权利要求书中叙述的简单事实并不表示不可使用这些 措施的组合来取得更好的结果。计算机程序可储存/分布于合适的媒体 中，诸如与其它硬件一起供应或作为其它硬件的一部分供应的光学储 存媒体或固态媒体，但是可以以其它形式分布，诸如经由因特网或其 它有线或无线电信系统。在权利要求书中的任何附图标记不应被认为 限制本发明的范畴。
在上文中，参看方块图解释了本发明，其说明了根据本发明的装 置的功能块。应了解这些功能块中的一或多个功能块可实施于硬件中, 其中这些功能块的功能被个别硬件构件执行，但是这些功能块中的一或多个功能块也可能实施于软件中，因此这些功能块的功能被电脑程 序的一或多个程序行或可编程的装置(诸如微处理器、微控制器、数 字信号处理器等)来执行。
权利要求
1. 一种定位装置(11)，其包括-固定框架(2)；-可移位的平台(3)，被布置成在至少一个位移方向(x)相对于所述框架移位；-致动器(4)，其用于使所述平台相对于所述框架移位；-控制器(6)，其用于控制所述致动器；-位置测量装置(15)，其用于测量所述平台相对于所述框架的位置，所述位置测量装置(15)包括-具有第一标尺分度的第一标尺(20)和第一扫描仪(23)，所述第一标尺(20)固定到所述平台和所述框架中的一个上并具有第一节距(P1)，所述第一扫描仪(23)固定到所述平台和所述框架中的另一个上，所述第一扫描仪(23)适于扫描所述第一标尺且用于提供第一扫描仪输出信号(SM1)，所述第一扫描仪输出信号(SM1)取决于所述第一扫描仪相对于所述第一标尺的相对位置，所述第一扫描仪输出信号(SM1)以等于所述第一节距的周期呈周期性，且在一个第一节距距离内与所述相对位置成唯一关系；-具有第二标尺分度的第二标尺(30)和第二扫描仪(33)，所述第二标尺(30)固定到所述平台和所述框架中的一个并具有第二节距(P2)，所述第二扫描仪(33)固定所述平台和所述框架中的另一个上并适于扫描所述第二标尺和用于提供第二扫描仪输出信号(SM2)，所述第二扫描仪输出信号(SM2)取决于所述第二扫描仪相对于所述第二标尺的相对位置，所述第二扫描仪输出信号(SM2)以等于第二节距的周期呈周期性，且在一个第二节距距离内与所述相对位置成唯一关系；其中所述第二节距不同于所述第一节距；其中所述控制器被耦合成从所述第一扫描仪接收第一扫描仪输出信号并从所述第二扫描仪接收所述第二扫描仪输出信号；且其中所述控制器被设计成基于所述接收到的两个扫描仪输出信号在大于所述两个节距(P1；P2)中最大值的测量范围(MR)中唯一地计算所述平台相对于所述框架的位置(X)。
2. 根据权利要求1所述的定位装置，其特征在于，所述测量范围 (MR)满足关系Mi^H。<formula>formula see original document page 3</formula>
3. 根据权利要求2所述的定位装置，其特征在于，所述测量范围是 Pl与P2的最小公倍数。
4. 根据权利要求1所述的定位装置，其特征在于，所述两个标尺 (20,30)彼此相同，其中所述节距差异是由于制造公差造成的。
5. 根据权利要求1所述的定位装置，其特征在于，所述两个标尺 (20， 30)彼此相同，具有基本上相等的节距，且其中所述两个标尺(20，30)被布置成处于相互不同的操作温度。
6. 根据权利要求1所述的定位装置，其特征在于，所述两个标尺 (20， 30 )彼此相同，具有基本上相等的节距，且其中所述两个标尺(20，30)被彼此成角度地布置。
7. 根据权利要求6所述的定位装置，其特征在于，所述标尺中的 一个标尺被安装成平行于所述平台的移位方向(X)，且其中另一个标 尺被安装成相对于所述平台的移位方向(X)成角度(a)。
8. —种用于制造包括两个标尺(20， 30)的测量装置(15)的方法， 所述方法包括以下步骤-在第一制造温度制造具有第一节距的第一标尺；-在第二制造温度制造具有第二节距的第二标尺，其中所述第二节 距基本上等于所述第一节距且其中所述第二制造温度不同于所述第一 制造温度；-允许所述两个标尺到达相同的温度；-在所述两个标尺具有相同温度时，将所述两个标尺牢固地附连到 一起，确保所述两个标尺之间有良好的热接触。
9. 一种通过根据权利要求8所述的方法制造的测量装置(15),其 包括附连在一起的两个标尺(20,30)，在所述两个标尺之间有良好的 热接触。
10. 根据权利要求1所述的定位装置，其特征在于，所述两个标尺 被实施为根据权利要求9所述的测量装置。
11. 一种用于测量两个物体(2， 3 )相对于彼此的位置的位置测量装 置(15)，所述位置测量装置(15)包括-笫一标尺(20)和第一扫描仪(23)，所述第一标尺(20)附连 到所述两个物体中的一个物体上并具有第一标尺分度，所述第一标尺(20)具有第一节距(PI)，所述第一扫描仪(23)附连到所述两个 物体中的另一个物体上并适于扫描所述第一标尺和用于提供第一扫描 仪输出信号(SMI)，所述第一扫描仪输出信号(SMI)取决于所述 第一扫描仪相对于所述第一标尺的相对位置，所述第一扫描仪输出信 号(SMI)以等于所述第一节距的周期呈周期性，且在一个所述第一 节距距离内与所述相对位置成唯一 关系；-第二标尺(30)和第二扫描仪(33)，所述第二标尺(30)附连 到所述两个物体中的一个物体上并具有第二标尺分度，所述第二标尺(30)具有第二节距(P2)，所述第二扫描仪(33)附连到所述两个 物体中的另一个物体上并适于扫描所述第二标尺和用于提供第二扫描 仪输出信号(SM2)，所述笫二扫描仪输出信号(SM2)取决于所述 第二扫描仪相对于所述第二标尺的位置，所述第二扫描仪输出信号(SM2)以等于所述第二节距的周期呈周期性，且在所述一个第二节 距距离内与所述相对位置成唯一关系；其中所述第二节距不同于所述第一节距；所述位置测量装置(15)还包括控制器(6)，所述控制器(6) 被耦合成从所述第 一扫描仪接收所述第 一扫描仪输出信号和从所述第 二扫描仪接收所述第二扫描仪输出信号，所述控制器被设计成基于所 接收到的扫描仪的输出信号在大于所述两个节距(P1; P2)的最大值的 测量范围(MR)中唯一地计算两个物体的位置(X)。
全文摘要
一种定位装置(11)，包括固定框架(2)和至少两个标尺(20，30)。该至少两个标尺(20，30)用于测量平台相对于框架的位置并具有相互不同节距(P1；P2)。定位装置(11)还包括提供相应的扫描仪输出信号(S<sub>M1</sub>，S<sub>M2</sub>)的相应扫描仪(23，33)。接收两个扫描仪输出信号的控制器(6)能够在大于所述两个节距(P1；P2)中最大值的测量范围(MR)中唯一地计算平台相对于框架的位置(X)。
文档编号G01D5/12GK101535774SQ200780040591
公开日2009年9月16日 申请日期2007年10月25日 优先权日2006年10月30日
发明者G·A·J·德福克特, G·Z·安格利斯, P·霍克斯特拉 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司