JPH02280004A

JPH02280004A - 増分尺度に対して相対的に走査装置の基準点の位置を決定するための方法，および基準点形成器

Info

Publication number: JPH02280004A
Application number: JP2078593A
Authority: JP
Inventors: Helmut Kellner; ヘルムト　ケルナー
Original assignee: EMS TECHNIK GmbH
Current assignee: EMS TECHNIK GmbH
Priority date: 1989-03-25
Filing date: 1990-03-26
Publication date: 1990-11-16
Anticipated expiration: 2014-04-05
Also published as: US5017013A; DE59001470D1; JP2878769B2; ES2045877T3; DE3909856A1; EP0390725A2; DE3909856C2; ATE89661T1; EP0390725A3; EP0390725B1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、増分尺度に対して相対的に走査装置の基準点
の位置を決定するための方法、および基準点形成器に関
する。

（従来の技術および発明が解決しようとする課題）増分
尺度に対して相対的に走査装置の基準点の位置を決定す
る方法は、たとえば、自動生産装置の制御において、長
さ方向に移動可能な物体の道程を把握するために利用さ
れる。その場合、この道程に対して要求される精度は、
自動装置の生産精度に非常に重要である。

公知の方法は、およそ２μｍまでのマーク解析をする増
分尺度を使用する。このように、予め与えられている解
析を十分に利用するために、しかも、マーク間の補完を
行なえるようにするために、通常のマークを読み取る走
査装置は、非常に正確に案内されなければならない。そ
れ故、高い測定精度を得るために、この種の測定システ
ムを生産する際には、非常にわずかな生産上の許容誤差
を守られなければならず、このことが、相応にコストに
響く。もう１つの欠点は、走査装置における案内装置の
摩耗が進むことにより、測定の不正確さが絶えず増加す
る、ということである。

本発明の基礎となる課題は、冒頭に挙げられた種類の方
法を、高い測定精度が、走査装置の案内の精度に左右さ
れずに得られるように改良することである。

（課題を解決するための手段）本発明は、ほぼ一定の距離でマークが配置された増分尺
度に対して走査装置の基準点の位置を決定するための方
法であって、増分尺度に沿った位置の粗決定のために、
まず走査装置によって、マークが、特に数えられ、距離
で乗じられることにより評価され、細部決定のために、
基準点と尺度上に隣接して配置された少なくとも３つの
点との間に投影角が決定され、そして、基準点の座標が
、三角関数に従って計算されることにより、マーク間の
補完が行なわれることを特徴としている。

本発明の作用方法は、次の考察に基づいている。

基準点とこれらマークの間に形成される投影角は、基準
点がマークに関してどれだけの距離にあるかということ
、および基準点がどれだけ横にずれているかということ
にも左右される。横のずれの寸法は、基準点の尺度から
の間隔が、予め与えられているか、わかっている場合に
角度で導き出される。

さらにもう１つのマークが設けられて、基準点と、２つ
のマークにおける１つとの間のもう１つの投影角が求め
られる場合、２つの投影角の組み合せにより、基準点が
あるたった１つの位置が存在する。そして、基準点の位
置は、三角関数で正確に求められる。この関係は、本発
明では十分利用され、それにより、増分尺度からの一定
の距離を守るために走査装置を正確に案内することは要
求されない。この方法は、座標として、尺度軸方間の寸
法も、走査装置の尺度からの間隔を示す寸法も提供する
。

計算を実施するためには、次の計算手順が適している。

この手順は、次の式で示される。

△−（、Ｚ１２−　Ｚ２２）２ｔａｎα △ およびＺ２＝　　　　　　である。

２ｔａｎβ ｚｌと２２の値は、尺度に対する円の中心点の距離を示
す。これらの円は、投影角αとβと一致する同じ円周角
の位置曲線を表わす。円の中心点は、尺度軸に関して、
それぞれ２つの隣接するマークの間にある。位置曲線の
交点は、基準点を形成する。特に投影角は、投影面上の
マークの光学的な図を投影位置の距離測定によって得ら
れる。

このようにして、必要な希望する角度の解析は、投影面
上の測定センサーの解析が予め与えられている場合、投
影光学の投影面の距離並びにその焦点距離の適切な選択
により、実現される。

本発明はさらに、ほぼ一定の距離でマークが配置されて
いる増分尺度に対して走査装置の基準点の位置を決定す
るための基準点形成器であり、角度測定装置を有する走
査装置と接続されている計数器および演算器を有してお
り、該計数器は、Ｘ方向の尺度に沿った位置の粗決定の
ために、まず走査装置によって通過されるマークが、特
に数えられ、距離で乗じられることにより評価され、細
部決定のためにマーク間の補完を行なうべく、角度測定
装置により基準点と尺度上に隣接して配置されている３
つのマークとの間の角度が決定されるように制御される
こと、さらには、演算器は、基準点の座標（ＸＩＩ、２
９１）を三角関数に従って計算するよう制御されること
、を特徴としている。

これに関しては、基礎となる課題は、前述の種類の基準
点形成器を、高い測定精度が走査装置の案内の精度に関
わりなく得られるように改良することにある。

そのため本発明による基準点形成装置では、基準点と尺
度上の最低３つの隣接するマークとの間に生じる最低２
つの投影角が求められる。これら２つの投影角は、尺度
からの距離およびマークの尺度方向への横のずれに関す
る基準点の位置を明確に定義する。

三角関数を使って座標が得られるために、近似（値）計
算によることなく、座標が決定される。

特に利点があるのは、これにより大きな値に対して正確
な補完が可能なことであり、この補完は、増分尺度上の
マークの密度を著しく低減させることができる。これに
より、生産コストも、公知のシステムと比較して低減す
ることが可能である。

基準値の座標が求められる演算器は、適切に次のように
制御される。すなわち、実施される計算手順で、次の式
が利用されるように制御される。

２ｔａｎα ｚｌと２２は、円の中心点と尺度の間の距離である。

円は、投影角αとβと一致する同じ円周角の位置曲線を
表わす。円の中心点は尺度軸に関して、それぞれ２つの
隣接するマークの間にある。位置曲線の交点は、基準点
を形成する。

計算は、通常の演算器で早く正確に行なえるために、走
査装置が動作する場合も、実際には、測定の遅れなしに
現実の値が得られる。

実際の形式では、走査装置は、光学的な走査装置として
形成されており、該走査装置は、投影面と距離測定装置
を有する光学系を有する。この場合、基準点は、光学系
の投影中心部によって形成される。

この走査装置では、予め与えられている測定センサーで
の投影面上の測定精度に必要な角度解析は、投影光学の
投影面の距離並びにその焦点距離を適切に選択すること
によって実現される。高い精度の光学的な走査装置の構
成上の大きさは、光学エレクトロニクスの現在の状態で
は、非常にわずかな寸法にできるので、走査装置は、実
際上、自動生産装置の測定技術的に適切などのような個
所にも取り付は可能である。

特に投影面と距離測定装置は、ダイオード配列、例えば
ＣＣＤ列によって形成されており、この配列は、計数器
と接続されている。

この種の構成部材は、多くの技術分野で広く利用される
ことから、コスト的に有利に入手でき、これまでにほぼ
完成されていて、信頼できる。絶えず次々と開発される
ため、解析は本質的に改良され、そのため、例えば１０
３の光の受容エレメント（画素）は、小さなミリメータ
ーの区間に収容可能である。

実際の形成では、増分尺度はマークが備えられており、
このマークは、約ＩＩＩＩＩ１１の間隔を有している。

説明されている基準点の計算方法により、この間隔は、
道程解析を得るには十分である。本発明でなければ、マ
ークの配置が本質的にさらに密なものでしかできないで
あろう。このために尺度の生産は著しく簡単にされた。

増分尺度は、低い温度膨張計数の材料、特にアンバーま
たはガラスセラミックスで製造されることが好ましい。

これにより、本発明による処置によって得られる高いシ
ステム精度は、比較的広い温度範囲内で守られる。

本発明による方法と基準点形成器の構成および有利な実
施は、特許請求範囲、次に続く説明、および図面から明
らかである。

（実施例）第１図は、側面から見た略図の基準点形成器である。こ
の送信器は、マーク１４を有する増分尺度１２を有する
が、これらマークは、それぞれに、符号ａＳｂ、　　ｃ
が付けられている。尺度１２の上側には、走査装置１０
があり、該走査装置１０は、一方ではマークがどのよう
に通過するかという事実を記録し、他方では角度測定装
置２０を有する。この角度測定装置２０により、マーク
１４と走査装置１０の基準点の間における投影角が求め
られる。

走査装置１０は、光学的なものであり、光学系２２によ
り光学像が投影される投影面２４および距離測定装置２
６を有する。この走査装置では、基準点０は、尺度に向
けられている光学系２２の投影中心部によって形成され
ている。

角度測定装置２０の構成部材としである、距離測定装置
２６に接続された投影面２４は、ダイオード配列、例え
ばＣＣＤ列によって形成されている。該ＣＣＤ列の画素
の数は、２つのマークの像の間に、十分多くの中間段階
が把握可能であるように設定される。

走査装置１０によって読み取られた値を評価するには、
まず、演算器１８と接続されている計数器１６、並びに
、同様に演算器１８と接続されているもう１つの計数器
２８が利用される。その場合、計数器１６は、走査装置
１０が増分尺度１２上を長さ方向に移動するときに通過
されるマークの数を数えることに利用される。従って、
この計数器１６と演算器１８を用いて、走査装置１０の
移動距離を粗決定できる。

この場合、増分尺度１２上のマーク１４の約１ｍの間隔
△での配置では、同様にこの大きさ程度の解析されるだ
けである。

マーク１４間の補完は、角度測定装置２０によって行な
われる。図面かられかるように、ここでは例として、基
準点Ｏに対して角度αまたはβを有するマークａ、　　
ｂ、　　ｃが、投影面２４の点ａ°、ｂｏ、Ｃｏにそれ
ぞれ角度α°とβ°で結像される。

このとき、距離測定装置２６により、投影面２４上の投
影点ａ°、ｂｏ、Ｃｏの距離測定に関する投影角がそれ
ぞれ求められる。距離測定装置２６が、例えば、ＣＣＤ
列を有する場合、マークがこの列の上に写される個所で
は、電荷量の変動がひき起こされるが、この電荷量の変
動は、シリアルな読み出しよって計数器２８にて記録さ
れ、計算器１８によって相応の角度値αとβに換算され
る。

投影角αとβからは、三角関数を利用して、光学系２２
の投影中心部と一致する基準点Ｏの座標が求められる。

演算手順を説明するため、第２図が参照されるが、この
図では、第１図から、マークａ、　　ｂ、　　ｃと基準
点０だけが、取り出されている。

しかし、この場合、基準点Ｏは、マークｂの直接上には
なく、ここでは、図面でも、基準点０をあらゆる任意な
位置に決定できることを説明している。

基準点０とマークａとｂの間には投影角αが形成され、
基準点ＯとマークｂＬ！：ｃの間には投影角βが形成さ
れている。マークａｓ　　ｂｓ　　Ｃの距離は、それぞ
れΔとなる。

まず、角度αとβだけを考えると、同じ投影角αとβを
取る様々な点がある。これらの点は、角度αに対しては
円に１により、角度βに対しては円に２によりそれぞれ
表わされている１つの曲線上にある。２つの角度αとβ
を組み合わせると、条件が満たされるたった１つの実際
的な点がある。

この点は、２つの位置曲線、つまり円に１とに２の交点
によって与えられる。

円に１とに２の中心点Ｍ１とＭ２は、次のように決めら
れる。すなわち、一方ではマークａとｂを結ぶ線分の垂
直二等分線が決められ、さらに、該垂直二等分線とマー
クａおよびｂとをそれぞれ投影角αと等しい角度で通り
抜ける直線との交点が求められる。他方では、マークｂ
とＣを結ぶ線分の垂直二等分線が決められ、該垂直二等
分線とマークｂおよびＣをそれぞれ投影角βと等しい角
度で通り抜ける直線との交点が求められる。この交点が
、中心点Ｍ１およびＭ２である。

中心点Ｍ１とＭ２の尺度軸からの距離、つまり中心点Ｍ
ｌとＭ２のＺ座標については、２ｔａｎα　　　　　　
　　２ｔａｎβとなる。数学的な導関数によりとなる。すなわち、この方程式は、はっきりとした解決
を導き、普通の演算器で、非常に短時間に演算される。

その場合、Ｘ方向の座標も２方向の座標も得ることがで
きるので、走査装置ｌｏの基準点０を決定する場合、尺
度１２から一定の距離とする必要がない。走査装置１０
の方向付けも、限界はない。すなわち、走査装置ｌＯは
、尺度１２に対して斜めでもよい。

基準点形成器の特別な利点は、２つの座標が同時に把握
可能なことであり、この代わりに、従来技術では、今ま
で２つの独立した道程記録装置が必要であった。

（発明の効果）本発明方法では、ほぼ一定の距離でマークが配置された
増分尺度に対して走査装置の基準点の位置を、高精度で
正確に決定できる。また、本発明の基準点形成装置は、
走査装置の案内の精度に左右されずに高精度でＭ準焦を
形成できる。

４、　　　０　　　なｔＩＩ第１図は基準点形成器の概略図、第２図は計算方法を説
明するための投影角の幾何学的図である。

ｌＯ・・・走査装置、１２・・・増分尺度、１４・・・
マーク、１６・・・計数器、１８・・・演算器、２０・・・角度測定装置、２２・・・光学系、２４・・・投影面、２６・・・距離測定装置、２８・・・計数冊。

以上

Claims

【特許請求の範囲】１、ほぼ一定の距離でマークが配置された増分尺度に対
して走査装置の基準点の位置を決定するための方法であ
って、増分尺度に沿った位置の粗決定のために、まず走査装置
によって、マークが、特に数えられ、距離で乗じられる
ことにより評価され、細部決定のために、基準点と尺度
上に隣接して配置された少なくとも３つの点との間に投
影角が決定され、そして、基準点の座標が、三角関数に
従って計算されることにより、マーク間の補完が行なわ
れることを特徴とする方法。２、計算が、次のような三角関数あるいは方程式に従っ
て計算さる請求項１に記載の方法。Ｘ＿０＝［Δ・（Ｚ１＾２−Ｚ２＾２）］／［（Ｚ１−
Ｚ２）＾２＋Δ＾２］Ｚ＿０＝［Δ＾２・（Ｚ１＋Ｚ２
）］／［（Ｚ１−Ｚ２）＾２＋Δ＾２］この場合、Ｚ＿１＝Δ／（２ｔａｎα）Ｚ＿２＝Δ／（２ｔａｎβ） αは基準点並びに第１と第２の隣接するマークの間の投
影角、βは基準点と第２並びに第３の隣接するマークの
間の投影角、Δは２つの隣接するマーク間の距離、Ｘ＿
０およびＺ＿０は、尺度方向および尺度方向に対して直
角方向の基準点の座標をそれぞれ表わしている。３、投影角は、投影面上のマークの視覚的な図を投影個
所の距離測定によって得られ、基準点として光学像の投
影中心部が選択される請求項１または２に記載の方法。４、ほぼ一定の距離でマークが配置されている増分尺度
に対して走査装置の基準点の位置を決定するための基準
点形成器であり、角度測定装置を有する走査装置と接続
されている計数器および演算器を有しており、該計数器
は、Ｘ方向の尺度に沿った位置の粗決定のために、まず
走査装置によって通過されるマークが、特に数えられ、
距離で乗じられることにより評価され、細部決定のため
にマーク間の補完を行なうべく、角度測定装置により基
準点と尺度上に隣接して配置されている３つのマークと
の間の角度が決定されるように制御されること、さらに
は、演算器は、基準点の座標（Ｘ＿０、Ｚ＿０）を三角
関数に従って計算するよう制御されること、を特徴とす
る基準点形成器。５、演算器は、三角関数として、次の関数または方程式
を処理する請求項４に記載の基準点形成器。Ｘ＿０＝［Δ・（Ｚ１＾２−Ｚ２＾２）］／［（Ｚ１−
Ｚ２）＾２＋Δ＾２］Ｚ＿０＝［Δ＾２・（Ｚ１＋Ｚ２
）］／［（Ｚ１−Ｚ２）＾２＋Δ＾２］この場合、Ｚ＿１＝Δ／（２ｔａｎα）Ｚ＿２＝Δ／（２ｔａｎβ）６、走査装置は、光学的な走査装置として形成されてお
り、該走査装置は、投影面と距離測定装置を有する光学
系を有しており、基準点は、増分尺度に向けられた光学
系の投影中中心部によって形成されている請求項４また
は５に記載の基準点形成器。７、投影面と距離測定装置は、ダイオード配列、特にＣ
ＣＤ列によって形成されており、この配列は、計数器と
接続されている請求項６に記載の基準点形成器。８、増分尺度には、マークが備えられており、該マーク
は、約１ｍｍの間隔になっている請求項４〜７のいずれ
かに記載の基準点形成器。９、前記増分尺度は、低い温度膨張係数の材料、溶くに
、アンバ、またはガラスセラミックスで製造されている
請求項４〜８のいずれかに記載の基準点形成器。