(57)【要約】【課題】安価かつコンパクトな構成で、ターゲット位置についてギャップセンサの側長域を超える大きな変位を測定できるセンサユニットおよびこれを用いた位置決め装置を提供する。【解決手段】検出された物理量からターゲット１１０の位置を計測するセンサユニット１００であって、可動方向ａおよびこれに垂直な方向ｂに対して傾きを有する傾斜面１１６が形成されたターゲット１１０と、傾斜面１１６との距離に対応する物理量を検出するギャップセンサ１２０とを備える。これにより、ターゲット１１０の可動方向への変位に対して傾斜面１１６のギャップセンサ１２０に対する変位は小さくなるため、安価かつコンパクトな構成で、ターゲット位置についてギャップセンサ１２０の側長域を超える大きな変位を測定できる。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出された物理量からターゲットの位置を計測するセンサユニットであって、
可動方向およびこれに垂直な方向に対して傾きを有する傾斜面が形成されたターゲットと、
前記傾斜面との距離に対応する物理量を検出するギャップセンサと、を備えることを特徴とするセンサユニット。
【請求項２】
前記傾斜面との距離に対応する物理量から前記ターゲットの位置を算出する算出部を更に備えることを特徴とする請求項１記載のセンサユニット。
【請求項３】
前記ギャップセンサは、前記物理量を検出でき、１５ｍｍ以下の径で形成されるプローブ面を有し、
前記傾斜面は、前記可動方向に対して傾き３°以上３０°以下に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載のセンサユニット。
【請求項４】
前記ターゲットとしてステージを有する、請求項１から請求項３のいずれかに記載のセンサユニットと、
前記算出されたターゲットの位置に基づいて、駆動制御のための信号を出力する制御部と、
前記出力された信号に従って前記ステージを駆動する駆動部を備えることを特徴とする位置決め装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出された物理量からターゲットの位置を計測するセンサユニットおよびこれを用いた位置決め装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、位置決め装置等に用いられる変位センサとして、静電容量の変化を利用する静電容量センサやセンサコイルのインピーダンス変化を利用する渦電流センサが知られている。たとえば、特許文献１記載の微動ステージ装置は、基体によって支持されたほぼ矩形のステージの端面に対向するように静電容量型の微動量検出センサが設置されている。そして、その微動量検出結果をフィードバックしながら圧電素子によりステージを動かしている。
【０００３】
また、特許文献２記載の静電容量型傾斜角度センサは、水平である端面上に、保護リング、絶縁体、ガード・リングを設け、ガード・リング内にセンサ電極を設けている。センサ電極は、円を４分割した形状をした電極で、互いにｘ軸、ｙ軸に対して対称であるように配置されている電極から構成されている。保護リング、ガード・リング、センサの４つの同じ形の電極（子センサ）は、それぞれ絶縁体で絶縁されており、この４つの電極とターゲット面との間の静電容量を量ることにより、ターゲット面に対するセンサの傾斜を測定している。
【０００４】
上記のように、従来の構成では、ターゲットの可動方向に対して垂直なターゲット面に対してセンサヘッドの面を平行に維持している。図４は、従来の位置決めユニット９００の構成を示す平面図である。図４に示すように、センサ９２０に対向するターゲット９１０のターゲット面９１６は、ターゲット９１０の可動方向に垂直である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２３１７９０号公報
【特許文献２】特開２００１−２４１９４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記のような静電容量センサや渦電流センサは測長域が短いため、たとえばステージの可動領域が、これらのセンサの測長域より大きい場合にはその領域をカバーしきれない。これに対し測長域が長い変位センサを用いることもできるが、センサ周辺の機構が大きくなり嵩張ってしまう。また、そのような測長域をカバーできるセンサは高価であることが多く、コストが高くなる。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、安価かつコンパクトな構成で、ターゲット位置についてギャップセンサの測長域を超える大きな変位を測定できるセンサユニットおよびこれを用いた位置決め装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）上記の目的を達成するため、本発明のセンサユニットは、検出された物理量からターゲットの位置を計測するセンサユニットであって、可動方向およびこれに垂直な方向に対して傾きを有する傾斜面が形成されたターゲットと、前記傾斜面との距離に対応する物理量を検出するギャップセンサとを備えることを特徴としている。
【０００９】
これにより、ターゲットの可動方向への変位に対して傾斜面のギャップセンサに向かう変位は小さくなるため、安価かつコンパクトな構成で、ターゲット位置についてギャップセンサの測長域を超える大きな変位を測定できる。
【００１０】
（２）また、本発明のセンサユニットは、前記傾斜面との距離に対応する物理量から前記ターゲットの位置を算出する算出部を更に備えることを特徴としている。これにより、傾斜面とギャップセンサとの距離に対応する物理量の変化からターゲットの変位を算出できる。
【００１１】
（３）また、本発明のセンサユニットは、前記ギャップセンサが、前記物理量を検出でき、１５ｍｍ以下の径を有するプローブ面を有し、前記傾斜面は、前記可動方向に対して傾き３°以上３０°以下に形成されていることを特徴としている。これにより、安価でコンパクトな静電容量センサや渦電流センサによる精密な変位の検出を、比較的大きい範囲の計測に活かすことができる。そして、およそ２０μｍ以上３０ｍｍ以下の測長域を実現できる。特に、小型の静電容量センサや渦電流センサで直接検出するには大きすぎる１．５ｍｍ以上の変位の測定に有効である。
【００１２】
（４）また、本発明の位置決め装置は、前記ターゲットとしてステージを有する上記のセンサユニットと、前記算出されたターゲットの位置に基づいて、駆動制御のための信号を出力する制御部と、前記出力された信号に従って前記ステージを駆動する駆動部を備えることを特徴としている。これにより、コンパクトなセンサで大きい駆動範囲についてステージを駆動し、位置決めを行うことができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、安価かつコンパクトな構成で、ターゲット位置についてギャップセンサの測長域を超える大きな変位を測定できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】第１の実施形態にかかる位置決めユニットの構成を示す平面図である。
【図１Ｂ】第１の実施形態にかかる位置決めユニットの構成を示す側断面図である。
【図２】第２の実施形態にかかる位置決め装置の構成を示す平断面図である。
【図３】第３の実施形態にかかる位置決め装置の構成を示す平断面図である。
【図４】従来の位置決めユニットの構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１６】
［第１の実施形態］
図１Ａは、位置決めユニット１００の構成を示す平面図である。位置決めユニット１００は、ステージ１１０およびギャップセンサ１２０を備えており、ギャップセンサ１２０により検出された物理量からステージ１１０の位置を計測する。ステージ１１０は、ステージ本体１１２および傾斜部１１５（ターゲット）を備え、一定方向（可動方向ａ）に移動可能である。ステージ１１０は、基本的に金属製であるが、たとえば、セラミックス製のステージ本体１１２と金属製の傾斜部１１５で構成されていてもよい。傾斜部１１５には、可動方向ａおよびこれに垂直な方向ｂに対して一定の傾きを有する傾斜面１１６が形成されている。なお、傾斜部１１５およびギャップセンサ１２０は、センサユニット１２７を構成している。
【００１７】
ギャップセンサ１２０は、傾斜面１１６との距離に対応する物理量を検出する。これにより、ステージ１１０の可動方向への変位に対して傾斜面１１６のギャップセンサ１２０に向かう変位は小さくなるため、ステージ１１０の位置についてギャップセンサ１２０の測長域を超える大きな変位を測定できる。また、ギャップセンサ１２０は、通常、安価で小さいため、安価かつコンパクトな構成でセンサユニット１２７を構成できる。
【００１８】
なお、測長域の拡大倍率と、可動方向に対する傾斜面１１６の傾きは、以下の表のように対応する。
【表１】
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【００１９】
このような対応関係が存在することから、ギャップセンサ１２０は、１５ｍｍ以下の径で形成されるプローブ面を有し、傾斜面１１６は、可動方向に対して傾き３°以上３０°以下に形成されていることが好ましい。小型のギャップセンサ１２０の測長域は、およそ１０μｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲であるが、このような仕様とすることで２０μｍ以上３０ｍｍ以下の可動範囲についてターゲットの位置を計測しやすくなる。特に、１．５ｍｍより大きい可動範囲については、小型のギャップセンサ１２０自体の測長域で測定できない範囲であり、効果が大きい。なお、プローブ面は原則円形であるが、その他の形状であってもよく、その場合には、上記の「径」は幅を意味する。
【００２０】
ギャップセンサ１２０は、プローブ面１２５で物理量を検出する。プローブ面１２５は、傾斜面１１６に対して平行であることが好ましい。検出される物理量は、ギャップセンサ１２０の種類に応じて異なり、たとえば、ギャップセンサ１２０が静電容量センサまたは渦電流センサである場合には、それぞれ静電容量やインピーダンスである。また、レーザセンサまたは光量検出センサである場合には、それぞれレーザ検出位置、光量である。
【００２１】
ギャップセンサ１２０は、静電容量センサまたは渦電流センサであることが好ましい。その場合には、１０μｍ〜１．５ｍｍ程度の範囲でターゲット面までの距離を検出できるため、傾斜面１１６の傾きを調整すれば、２０μｍ以上３０ｍｍ以下の可動範囲内で傾斜部１１５の位置を計測できる。特に、１．５ｍｍより大きい可動範囲については、小型のギャップセンサ１２０自体の測長域で測定できない範囲である。したがって、この範囲の変位を計測できることには顕著な効果がある。また、静電容量センサや渦電流センサは、安価かつコンパクトであり、精密な変位の検出が可能である。これを比較的大きい範囲の計測に活かすことができる。
【００２２】
センサユニット１２７は、傾斜面１１６との距離に対応する物理量から傾斜部１１５の位置を算出する算出部（図示せず）を備えている。これにより、傾斜面１１６とプローブ面１２５との距離に対応する物理量の変化から傾斜部１１５の変位を算出できる。このとき物理量を表す信号を変位量に換算するための係数が、傾斜面１１６の可動方向に対する傾きに由来している。また、位置決めユニット１００の構成上、ターゲットの位置の測定について誤差が大きくなることを考慮し、変位の算出に付随して校正を入れ込んでもよい。なお、上記のように算出部を位置決めユニット１００に付属させてもよいが、位置決めユニット１００を監視する存在（たとえばフィードバックコントローラやホストコンピュータ等）に取り込んでもよい。
【００２３】
図１Ｂは、位置決めユニット１００の構成を示す側断面図である。図１Ｂは、図１Ａにおける断面Ａでターゲット１１０を切断したときの断面を示している。ターゲット１１０は、基体１３０によりボール１４０を介して支持されており、一定の可動範囲で可動方向ａに移動可能となっている。
【００２４】
なお、位置決めユニット１００では、ギャップセンサ１２０は、ターゲット２１０の移動に伴い、傾斜面１１６内の計測対象位置が変化するため、傾斜面１１６の平面度は小さく、プローブ面１２５（センサヘッド）は大きい方が高精度な計測が可能になる。
【００２５】
［第２の実施形態］
上記の位置決めユニット１００は、位置決め装置に応用することができる。図２は、位置決め装置２００の構成を示す平断面図である。図２に示すように、位置決め装置２００は、ターゲット本体部２１２、傾斜部２１５、基体部２３０、アクチュエータ２５０およびギャップセンサ１２０を備えている。
【００２６】
ターゲット本体部２１２は、基体部２３０とヒンジ構造により弾性的に連結されており、固定された基体部２３０に対して移動可能となっている。ターゲット本体部２１２は、受圧面２１３を有し、受圧面２１３によりアクチュエータ２５０の押圧力を受けたとき、押圧方向に移動し、押圧力が解放されるとその逆方向に移動する。この場合、アクチュエータ２５０の押圧方向がターゲットの可動方向である。
【００２７】
ターゲット本体部２１２には、その上面側にステージ本体（図示せず）が固定されており、ステージ本体は、アクチュエータ２５０の駆動によりターゲット本体部２１２と連動して可動方向に移動する。ターゲット本体部２１２、傾斜部２１５およびステージ本体は、ステージ（ターゲット）を構成している。位置決め装置２００では、ステージが位置の計測対象としてターゲットとなる。
【００２８】
傾斜部２１５は、ターゲット本体部２１２の押圧方向側に連結して設けられており、ターゲット本体部２１２と連動して移動する。傾斜部２１５には傾斜面２１６が形成されており、傾斜面２１６はギャップセンサ１２０に対向している。このように、傾斜面２１６は、アクチュエータ２５０の中心軸方向に交わるように設けられている。このような位置に傾斜面２１６を設けることでステージの可動方向ａに対して傾斜面２１６の傾きを大きくし、比較的小さい可動範囲についてステージの位置を計測することができる。図２に示すセンサユニットの例では、傾斜面２１６の可動方向ａに対する傾きは、３０°であり、このときターゲットの変位の測長域は、ギャップセンサ１２０の測長域の２倍となる。
【００２９】
基体部２３０は、アクチュエータ２５０の一端を固定している。そして、一方ではヒンジ構造により、ターゲット本体部２１２の移動を弾性的に制限している。また、位置決め装置２００は、さらに制御部（図示せず）を備えている。制御部は、算出されたステージの位置の情報をフィードバックし、駆動制御のための信号を出力する。
【００３０】
アクチュエータ２５０は、制御部で出力された駆動制御の信号に従って駆動し、先端２５５で受圧面２１３を押圧する。先端２５５の反対側の端部は基体部２３０により固定されており、受圧面２１３を押圧されたターゲット本体部２１２および傾斜部２１５は押圧方向に移動する。このようにして、アクチュエータ２５０はステージを駆動する。
【００３１】
ギャップセンサ１２０は、プローブ面１２５で傾斜面２１６までの距離に対応する物理量を検出する。これにより、コンパクトなセンサで大きい駆動範囲についてステージを駆動し、位置決めを行うことができる。ギャップセンサ１２０は、静電容量センサまたは渦電流センサであることが好ましい。
【００３２】
位置決め装置２００は、傾斜面２１６との距離に対応する物理量からターゲットの位置を算出する算出部（図示せず）を備えている。そして、ターゲット本体部２１２および傾斜部２１５を含むターゲット（ステージ）、ギャップセンサ１２０、ならびに算出部が集まることで、位置決め装置２００内にセンサユニットが構成されている。
【００３３】
［第３の実施形態］
第２の実施形態では、アクチュエータ２５０の中心軸方向に交わるように傾斜面２１６を設けているが、アクチュエータ２５０の中心軸方向に交わらない位置に傾斜面を設けてもよい。図３は、ターゲット本体部３１２の側面に傾斜面３１６を設けた位置決め装置３００の構成を示す平断面図である。
【００３４】
図３に示すように、位置決め装置３００は、ターゲット本体部３１２、基体部３３０、アクチュエータ２５０、ギャップセンサ１２０を備えている。ターゲット本体部３１２は、固定された基体部３３０とヒンジ構造により弾性的に連結されており、基体部３３０に対して移動可能となっている。ターゲット本体部３１２は、受圧面３１３を有している。そして、ターゲット本体部３１２は、受圧面３１３でアクチュエータ２５０の押圧力を受けたとき、押圧方向に移動し、押圧力から解放されるとその逆方向に移動する。
【００３５】
ターゲット本体部３１２は、その上面側にステージ本体（図示せず）が固定されており、アクチュエータの駆動によりターゲット本体部３１２と連動してステージ本体を可動方向に移動させることができる。ターゲット本体部３１２およびステージ本体は、ステージ（ターゲット）を形成している。
【００３６】
傾斜面３１６は、ターゲット本体部３１２の側面に形成されており、アクチュエータ２５０の中心軸方向に交わらない位置に設けられている。このような位置に傾斜面３１６を設けることでステージの可動方向に対して傾斜面３１６の傾きを小さくし、大きい可動範囲についてステージの位置を計測することができる。図３に示すセンサユニットの例では、傾斜面２１６の可動方向に対する傾きは、３°であり、このときターゲットの変位の測長域は、ギャップセンサ１２０の測長域の２０倍となる。
【００３７】
基体部３３０は、アクチュエータ２５０の一端を固定している。そして、一方ではヒンジ構造により、ターゲット本体部３１２の移動を弾性的に制限している。また、位置決め装置３００は、さらに制御部（図示せず）を備えている。制御部は、算出されたステージの位置に基づいて、駆動制御のための信号を出力する。
【００３８】
アクチュエータ２５０は、制御部で出力された駆動制御の信号に従って駆動し、先端２５５で受圧面３１３を押圧する。先端２５５の反対側の端部は基体部３３０により固定されており、受圧面３１３を押圧されてターゲット本体部３１２、傾斜面３１６は押圧方向に移動する。このようにして、アクチュエータ２５０はステージを駆動する。
【００３９】
ギャップセンサ１２０は、プローブ面１２５で傾斜面３１６までの距離に対応する物理量を検出する。ギャップセンサ１２０は、静電容量センサまたは渦電流センサであることが好ましい。位置決め装置３００は、傾斜面３１６との距離に対応する物理量からターゲットの位置を算出する算出部（図示せず）を備えている。ターゲット本体部３１２を含むターゲット（ステージ）、ギャップセンサ１２０、ならびに算出部は、センサユニットを構成している。なお、ギャップセンサ１２０のプローブ面１２５の大きさおよび傾斜面２１６の平面度についての好ましい態様は、第２の実施形態と同様である。
【００４０】
上記のように位置決め装置２００、３００では、ギャップセンサ１２０は、１５ｍｍ以下の径で形成されるプローブ面を有し、傾斜面２１６、３１６は、可動方向ａに対して傾き３°以上３０°以下に形成されていることが好ましい。
【００４１】
上記の実施形態では、アクチュエータにより直接ターゲットを移動させているが、拡大変位機構を用いてターゲットを移動させる場合にも上記のセンサユニットを利用できる。その場合には、拡大された変位そのものとしてたとえば３００〜５００μｍ程度の変位量の計測が要求されるが、これを直接計測することができる。
【００４２】
また、上記の実施形態では、センサユニットを位置決め装置に利用しているが、センサユニットの応用範囲はこれに限定されるものではなく、顕微鏡のレンズの調整、半導体の露光装置の台の微妙な傾きの調整等にも応用できる。
【符号の説明】
【００４３】
１００  位置決めユニット
１１０  ステージ
１１２  ステージ本体
１１５  傾斜部（ターゲット）
１１６  傾斜面
１２０  ギャップセンサ
１２５  プローブ面
１２７  センサユニット
１３０  基体
１４０  ボール
２００  位置決め装置
２１０  ターゲット
２１２  ターゲット本体部
２１３  受圧面
２１６  傾斜面
２３０  基体部
２５０  アクチュエータ
２５５  先端
３００  位置決め装置
３１２  ターゲット本体部
３１３  受圧面
３１６  傾斜面
３３０  基体部
ａ  可動方向
ｂ  可動方向に垂直な方向
【図１Ａ】
2011169818.tif 000004
【図１Ｂ】
2011169818.tif 000005
【図２】
2011169818.tif 000006
【図３】
2011169818.tif 000007
【図４】
2011169818.tif 000008