专利名称：用于位置测量装置的刻度尺以及位置测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于位置测量装置的刻度尺以及一种具有这样的 刻度尺的位置测量装置。
背景技术：
已经公开了用于长度或者角度测量的、基于具有高精度的周期性 的刻度区的刻度尺的位置测量装置或位置测量设备。所述位置测量装 置或位置测量设备用于在各种类型的机器中借助于驱动装置使活动的
轴定位。这样的机器的例子是具有三个或更多个用于按照NC-程序将
于在电子加工中对晶片进行加工的设备。
一般来说，随着现有技术的发展，对这样的机器的精度提出越来 越高的要求，并且由此也提高对位置测量装置的要求。例如已经用基 于刻度尺的位置测量设备进行纳米范围内的位置测量，所述纳米范围 以往为干涉仪所保留。
这样的位置测量设备的刻度尺通常具有周期性的刻度区，所述刻 度区由所述位置测量设备的探测器进行扫描。在此产生周期性的、相 互相位移的电信号，可以以公知的方式从所述电信号中按数值及方向 求得位移。
因为除了沿测量方向的位移之外也经常需要有待测量的轴的绝对 位置(比如为了马达的整流)，所以能够在接通之后立即输出有效位 置的绝对位置测量设备与首先必须置于基准位置中的增量位置测量设 备相比越来越多地被人们所接受。
绝对位置测量设备除了非常精细的周期性的增量区之外还包括其 它允许确定绝对位置的区。
在本申请所依据的EP 1400778 A2中，对以下情况进行了说明，也 就是将基准标记以有规律的间距集成在具有很小周期的增量区中是值 得追求的。由此使所述具有很小周期的增量区与具有稍大的周期的第 二增量区重叠。平行于所述增量区延伸的绝对区(所谓的代码接口) 的对应关系由此得到显著简化，所述位置测量设备相对于在安装时的波紋-误差(Moire-Fehler )的敏感性得到明显降低。
在EP 1400778 A2中提出，在交替地由浅色及深色区域以有^见律的 间距构成的增量的刻度结构中将浅色的(或深色的)区域通过深色的 (或浅色的)区域来取代，比如通过将透光刻度尺的本来透明的区域 的涂黑。在每第八个周期中进行所述增量区的周期性的中断，并且因 此这种间隙也称为"八个(周期)中有一个空隙"。
这样的空隙象刻度尺的周期性污染 一样作用于所述增量信号。在 借助于结构化的、具有大量传感器区的、同时对所述刻度尺的多个周 期进行探测的光电探测器对这样的刻度尺进行扫描时，只要刻度尺和 探测器相互间最佳调准，那么对周期性的有规律的千扰就不会对测量 产生不良影响。但是，如果比如照明光学系统没有提供理想平行的光 路，或者所述光电探测器在使用圓形刻度时径向移动，那么所述增量 区在光电探测器上的成像就没有和这个光电探测器相同的刻度周期。 该图像要么太大要么太小并且从传感器中心直到所述传感器区的两个
端部沿测量方向产生相位移。这种相位移会得到补偿，只要关于扫描 区的其中 一半扫描区上的相应的传感器总是可以在另 一半扫描区上找
到关于传感器中心镜像对称布置的传感器。这样，也就是说这两个传 感器具有相同的相位移数值，但具有相反的符号。但是，如果污染或
者正好"八个(周期)中有一个空隙，，穿过这个传感器区，那就不再 是这种情况。而后单个的传感器被覆盖并且由此未得到补偿的传感器 的相位角误差起作用。而后，在从所述光电探测器的电信号中形成位 置数值时，就会在测量的位置数值和实际的位置数值之间出现偏差并 且由此导致测量不精确性。
发明内容
本发明的任务是，说明一种具有集成的基准标记的刻度尺，该刻 度尺即使在没有最佳地调整位置测量装置时还能够形成准确的位置数 值。
此外，本发明的任务是说明一种位置测量装置，该位置测量装置 能够对按本发明的刻度尺进行分析，从而即使在没有最佳地调整所述 位置测量装置时也可以形成准确的位置数值。
这些任务通过一种按权利要求1所述的刻度尺以及一种按权利要 求5所述的位置测量设备得到解决。在此提出了一种用于位置测量装置的刻度尺，该刻度尺拥有一种 沿测量方向P-周期性的刻度区，所述刻度区以有规律的间距具有集成 的、以所述P-周期性的中断的形式出现的基准标记。在此，所述刻度 尺按照横向于测量方向错开的方式具有至少两个这样的P-周期性的刻 度区，所述刻度区的集成的基准标记沿测量方向相互错开。
使用一种这样的刻度尺的位置测量装置具有结构化的探测器，所 述探测器用于对刻度尺进行扫描以便产生用于形成位置数值的电信 号。所述用于对刻度区进行扫描的探测器横向于测量方向错开布置地 包括多个探测器区，所述探测器区对所述刻度区的多个周期来说相应
地每个周期具有m个沿测量方向先后布置的传感器。
用于解决所提出的任务的构思因此在于，在横向于测量方向布置 的刻度区中沿测量方向彼此错开地布置所述以有规律的间距布置的基 准标记。这样虽然在对单个的刻度区进行分析时产生测量误差，但所 述测量误差在合适地对所述两个求得的位置数值进行关联时相互抵 消。为了增强这种效应，也通过以一定的间距省去特定的传感器这种 方式来恰当地构造所述用于对刻度区进行扫描的探测器区，其中所述 间-巨不同于所述基准标记的间距。
本发明的其它优点及细节可从以下借助于附图对优选的实施方式 所作的说明中获得。其中
图1是位置测量装置的结构，
图2是按现有技术的、具有所属的探测器区的刻度尺， 图3是在现有技术中依赖于测量位置的测量误差， 图4是按本发明的具有所属的探测器区的刻度尺， 图5是图4的截取部分放大图。
具体实施例方式
图1首先示出了这里所研究的类型的位置测量装置的原理结构。 光源L通过准直仪透镜K以平行光线照射刻度尺M。该刻度尺M拥 有增量的刻度T。测量方向X垂直于图平面。光线穿过所述刻度尺M 以及其交替布置的透明和不透明的结构，并且在这过程中将刻度区T 投影到结构化的、布置在基片S上的探测器D上，所述探测器D具有 多个沿测量方向先后布置的传感器或者说光电探测器。如果所述刻度尺M相对于探测器D运动，那么所述探测器D的单个传感器就产生周 期性的信号，这些信号可以以公知的方式换算成位置信号。
图2的上半部分示出了按上文所说明的现有技术的刻度尺M的刻 度T的增量的P-周期性的刻度区TS的俯视图。为了获得集成的基准 标记R，以有规律的八个(n=8)刻度周期P的间距A相应地使所述刻 度区TS的不透明的区域被透明的区域所取代。所述刻度区TS的P-周 期性由此以有4见律的间距^f皮中断。
图2的下半部分仅仅简要示出了所述探测器D，该探测器D具有 一个探测器区DS,该探测器区DS具有多个沿测量方向X先后布置的、 用于对所述刻度区TS的成像进行扫描的传感器或者说光电探测器。
如果现在以传统方式从所述探测器D的电信号中形成位置数值， 那就如上文所解释的一样在所述刻度尺M和探测器D没有最佳地相互 调整的情况下产生测量的位置与真实的位置之间的偏差。图3以定质 的方式示出了一种这样的偏差。如果有测量误差，也就是说与真正的
;就获得二个具有一种周^的锯齿函数，该周期相当于基准标记的间 距A。这可以轻易明白，因为移动了间距A的刻度尺M就象在其移动 之前一样准确地将相同的光线图案投射到探测器D上。从所述光线图 案的非最佳的成像中产生的误差而后又具有其原始数值，并且所述误 差曲线的走向在所述刻度尺M进一步移动时重复。
图4的上半部分示出了按本发明的刻度尺M的刻度T的截取部分。 如杲观察这个刻度尺的刻度T，那就可以发现，现在在每第四个周期 后面存在P-周期性的中断，但这次对本来不透明的区域来说相应地仅 仅被透明的区域替代了 一半，更确切地说交替地替换了上面 一半和下 面一半。为更好地理解本发明，在此提供另一种观察方式所述刻度 尺M现在横向于(垂直于)测量方向X偏移地具有两个P-周期性的刻 度区TS1、 TS2,所述刻度区TS1、 TS2以有^见律的间距A具有基准标 记R。 ^旦是这些基准标记R沿测量方向X相互4昔开，更确切地i兌4昔开 了一半的间距A。
如果以惯常方式用具有两个合适布置的探测器区DS1、 DS2的探 测器D对所述两个刻度区TS1、 TS2进行分析，那就获得位置数值， 其测量误差看上去和在图3中示出的一样。不过，所述两个周期性的测量误差相互移动了其一半的周期。因此，如果对所述两个从刻度区
TS1、 TS2中获得的位置数值进行平均，那么与现有技术相比就明显地 降低了测量误差AX。
如果不是如在图3中一样以锯齿形状而是以正弦示出所述测量误 差AX，那么还可以显著改进所述测量误差AX降低的效果，因为两个 移动了其 一半周期的正弦-信号特别好地被抵消。
在图4中用设在探测器区DS1、 DS2中的空隙L来表示为此用途 对所述探测器区DS1、 DS2进行的改动。图5示出了图4的横向于所述 测量方向X压缩的截取部分放大图，借助于该图5可以对所述探测器 区DS1、 DS2的细节进行解释。
首先可以看出，所述刻度区TS1、TS2的每个周期P通过四个(m=4, 也可以使用其它的m>l的数值)传感器或者光电探测器PD1、 PD2、 PD3、 PD4来扫描。每第四个传感器由此理想地探测到相同的相位。所 有同相位的传感器彼此进行电连接，使得一个探测器区提供四个相位 移了 90度的周期性信号用于移动探测。这四个信号通常结算为两个相 位移了 90度的信号，用于由此最后按数值和方向求得所述位移。
在图4和5中可以在所述探测器区DS1、 DS2中看到空隙L,在所 述空隙L中相应地缺少用于所述刻度区TS1、 TS2的一个周期P的传 感器PD1、 PD2、 PD3、 PD4。将所述传感器PD1、 PD2、 PD3、 PD4 从刻度周期P的总宽度中删去，由此实现图3的锯齿轮廓的所期望的 槽底。此外，必须出现具有不同于所述基准标记R的周期的空隙L。 如果象在这个实施例中一样在所述刻度区TS1、 TS2的每第八个周期P 中存在一个基准标记R,那就可以在所述探测器区的每第九个周期P 中设置一个空隙L。这样所述基准标记R的间距A和所述空隙的间距 B刚好相差一个周期P。
所述探测器区DS1、 DS2的空隙L并非一定以物理方式存在于所 述探测器D上。如果没有电连接相应的传感器或者所述传感器的信号 没有用于形成位置数值，那就已足够。所述空隙L就这一点而言有别 于基准标记R,所述基准标记必须作为与所述刻度区TS1、 TS2的P-周期性之间的看得出的偏差而存在。
与所述沿测量方向X相互错开的基准标记R相比，所述探测器区 DS1、 DS2的空隙L则沿测量方向X是并排的。为了可靠地对所述基准标记R进行探测和分析，相应地将所述两 个探测器区DS1、 DS2的沿测量方向相互错开了四个周期P的传感器 PD1-PD4彼此相连接。从而这样的装置的输出信号与现有技术相应并 且可以相应地进行分析。但是，为形成(尽可能无误差的)位置数值， 使用相应地沿测量方向X并排的传感器PD1-PD4的增量信号。
借助于图4结合图5可以看出， 一个探测器区DS1、 DS2比如可以 具有三个空隙L,所述空隙L分别在两侧^皮32个(n*m=8*4)传感器 PD1-PD4所围住。这些相应的32个传感器PD1-PD4在此分别覆盖所 述刻度区TS1、 TS2的八个(n=8)周期，使得所述刻度区TS1、 TS2 的总共135个周期P被所述探测器区DS1、 DS2所覆盖，其中由于所 述三个空隙L仅仅对132个周期P同时进行分析。
此外，所述刻度尺M连同其刻度区TS1、 TS2可以比在附图中示
出的长度长得多。
在图5中以矩形绘出了光电探测器PD1-PD4。不过，为了对不受 欢迎的高次谐波进行滤波，这些光电探测器也可以如在DE 10319609 Al中所说明的一样具有其它形状。尤其可以如此布置相邻布置的光电 探测器PD1-PD4,使得共同的接触线与所述测量方向X之间围成一个 不等于90度的角，并且/或者所述光电探测器PD1-PD4可以在其纵向 端部的区域具有弧形的边界线。此外，尤其参照DE 10319609 Al的图 2。该图2所示的光电探测器34.1-34.4相当于这里图5所示的光电探测 器PD1-PD4。
所述刻度尺M可以是具有透明的和不透明的区域的透光刻度尺， 或者是具有反射的和吸收的区域的反射光刻度尺。在这两种情况下， 所述探测器区DS1、 DS2的传感器PD1-PD4是光电探测器。
在附图中，出于更好的可示出性的原因，基准标记R通过用浅色 区域来替代深色区域来产生。但是，优选与此相反的情况，也就是说 用深色区域来替代浅色区域。附加的深色区域仅仅将可供使用的信号 减少了八分之一 (对于n=8来说)，此外附加的浅色区域则产生附加 的漫射光，并且由此使调制程度变差并且由此使信号质量变差。
除了基于光学扫描的位置测量装置之外，当然也可以实现其它的、 基于周期性的刻度尺的扫描的系统，比如具有电容的、感应的或者磁 性的刻度结构及相应的、用于对所述刻度结构进行扫描的传感器的系统。
可以实现具有(如在实施例中所说明的)两个或更多个^f黄向于测
量方向X错开的刻度区的刻度尺。在此相应地需要很多探测器区。通
过对多个区的分析来消除在区内的测量误差，这可能会因此稍许更好 地获得成功。不过，有必要对附加的开销和可获得的利益进行权衡。
按本发明的刻度尺或者说按本发明的位置测量装置的基本原理 是，将在横向于测量方向错开的刻度区中的基准标记移动在一个刻度 区的内部的基准标记的间距的一小部分。在此因此提供了一种可能性， 即通过所述基准标记来消除或至少明显降低刻度区的周期性的干扰的 负面影响。
权利要求
1. 用于位置测量装置的刻度尺，其中所述刻度尺(M)拥有沿测 量方向(X)P-周期性的刻度区(TS1、 TS2),所述刻度区(TS1、 TS2) 以有规律的间距(A)具有集成的、以所述P-周期性的中断的形式出现 的基准标记(R)，其特征在于，所述刻度尺(M)横向于测量方向(X) 错开地具有至少两个所述的P-周期性的刻度区(TS1、 TS2),所述刻 度区(TS1、 TS2)的集成的基准标记(R)沿测量方向相互错开。
2. 按权利要求1所述的刻度尺，其特征在于，所述刻度尺(M) 横向于测量方向(X)具有两个P-周期性的刻度区(TS1、 TS2),所 述刻度区(TS1、 TS2)的以有规律的间距(A)布置的基准标记(R) 沿测量方向(X)相互错开了一半的间距(A)。
3. 按权利要求1所述的刻度尺，其特征在于，所述刻度区(TS1、 TS2)包括沿测量方向(X)交替布置的浅色区域及深色区域，使得一 个周期(P)由一个浅色区域和一个深色区域构成，其中在每个刻度区(TS1、 TS2)中相应地第n个浅色区域或深色区域通过深色区域或者 说浅色区域来替代，由此形成以有规律的间距(A、 n*P)布置的集成 的基准标记(R)。
4. 按权利要求3所述的刻度尺，其特征在于，11=8并且由此所述 间距(A)相当于八倍的周期P。
5. 具有按权利要求1所述的刻度尺(M )以及结构化的探测器(D ) 的位置测量装置，其中所述探测器(D)用于对所述刻度尺(M)进行 扫描以产生用于形成位置数值的电信号，其特征在于，在所述用于对 所述刻度区(TS1、 TS2)进行扫描的探测器(D)上横向于测量方向(X)错开地布置了多个探测器区(DS1、 DS2)，所述探测器区(DS1、 DS2)对所述刻度区(TS1、 TS2)的多个周期(P)来说相应地每个周 期(P)具有m个沿测量方向(X)先后布置的传感器(PD1-PD4)。
6. 按权利要求5所述的位置测量装置，其特征在于，每个探测器 区(DS1、 DS2)分别以不同于所述基准标记(R)的间距(A)的第二 间距(B)具有空隙(L),在该空隙(L)中相应地缺少m个探测器(PD1-PD4)或者m个探测器(PD1-PD4)没有用于产生电信号。
7. 按权利要求6所述的位置测量装置，其特征在于，所述基准标 记(R)的间距(A)和所述空隙(L)的第二间距(B)相差一个周期(P)。
8. 按权利要求6所述的位置测量装置，其特征在于，所述探测器 区(DS1、 DS2)的空隙(L)沿测量方向(X)是并排的。
9. 按权利要求5所述的位置测量装置，其特征在于，所述传感器 (PD1-PD4)为光电探测器，这些光电探测器中每四个沿测量方向(X)先后布置的光电探测器(PD1-PD4)对刻度区(TS1、 TS2)的一个周 期(P)进行扫描。
10. 按权利要求5所述的位置测量装置，其特征在于，光源(L) 的光线准直地穿过所述刻度尺(M )落到所述结构化的探测器(D )上。
11. 按权利要求IO所述的位置测量装置，其中为了对所述周期性 的刻度区(TS1、 TS2)进行探测相应地沿测量方向(X)并排布置的 光电探测器(PD1、 PD2、 PD3、 PD4)彼此错接，并且为了对集成的 基准标记(R )进行探测将沿测量方向(X )彼此错开的光电探测器(PD1 、 PD2、 PD3、 PD4)彼此错接，其中所述错移相应于在所述刻度区(TS1、 TS2)之间的集成的基准标记(R)的错移。
全文摘要
按本发明的刻度尺(M)或者说按本发明的位置测量装置的基本原理是，将在横向于测量方向(X)错开的刻度区(TS1、TS2)中的基准标记(R)移动在一个刻度区(TS1、TS2)的内部的基准标记(R)的间距(A)的一小部分。由此提供一种可能性，即通过所述基准标记(R)来消除或至少明显降低刻度区(TS1、TS2)的周期性(P)的干扰的负面影响。
文档编号G01B3/04GK101311665SQ20081010883
公开日2008年11月26日 申请日期2008年5月26日 优先权日2007年5月25日
发明者H·托瓦尔 申请人:约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司