(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部と、前記固定部に対して平面内を相対的に移動する移動ステージとを有する平面ステージにおいて、前記移動ステージの位置を計測する計測システムであって、
前記固定部に接続され、所定の間隔で相互に対向している第１の固定対向電極対と第２の固定対向電極対とを有する第１の固定電極部と、
前記移動ステージに接続され、前記第１の固定対向電極対の間に部分的に挿入されている第１の可動電極と、前記第２の固定対向電極対の間に部分的に挿入されている第２の可動電極とを有する第１の可動電極部と、
を有する第１のセンサと、
前記固定部に接続され、前記所定の間隔で相互に対向している第３の固定対向電極対と第４の固定対向電極対とを有する第２の固定電極部と、
前記移動ステージに接続され、前記第３の固定対向電極対の間に部分的に挿入されている第３の可動電極と、前記第４の固定対向電極対の間に部分的に挿入されている第４の可動電極とを有する第２の可動電極部と、
を有する第２のセンサと、を備え、
前記第１の可動電極と前記第２の可動電極とは、それぞれ共通する第１基点部から第１の方向と前記第１の方向に交差する第２の方向とに延びており、
前記第１の固定対向電極対は、前記第１の可動電極の挿入状態に応じて変化する第１の静電容量を有し、
前記第２の固定対向電極対は、前記第２の可動電極の挿入状態に応じて変化する第２の静電容量を有し、
前記第３の可動電極と前記第４の可動電極とは、それぞれ共通する第２基点部から第３の方向と前記第３の方向に交差する第４の方向とに延びており、
前記第３の固定対向電極対は、前記第３の可動電極の挿入状態に応じて変化する第３の静電容量を有し、
前記第４の固定対向電極対は、前記第４の可動電極の挿入状態に応じて変化する第４の静電容量を有し、
前記第３の方向は、前記第１の方向と同一の方向であり、
前記第４の方向は、前記第２の方向と逆の方向であり、
前記第２基点部は、前記第２の方向において前記第１基点部からシフトした位置に配置されており、
前記第１の固定対向電極対の第１静電容量と、前記第２の固定対向電極対の第２静電容量と、前記第３の固定対向電極対の第３静電容量と、前記第４の固定対向電極対の第４静電容量と、を検出する静電容量検出部と、
前記第１静電容量と前記第３静電容量の和に基づいて前記第１の方向の変位を計測し、前記第１静電容量と前記第３静電容量の差に基づいて前記移動ステージの回転角度を計測し、前記第２静電容量と前記第４静電容量の少なくとも一方と前記差に基づいて前記第２の方向の変位を計測する計測部と、を備える計測システム。
【請求項２】
請求項１記載の計測システムであって、
前記第１の方向は、前記第２の方向と略垂直に交差し、
前記第１の固定対向電極対は、前記第１の可動電極が跨ぐ位置において前記第１の方向に略垂直な方向の端部輪郭線を有し、
前記第２の固定対向電極対は、前記第２の可動電極が跨ぐ位置において前記第２の方向に略垂直な方向の端部輪郭線を有する計測システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の計測システムであって、
前記第３の固定対向電極対は、前記第３の可動電極が跨ぐ位置において前記第３の方向に略垂直な方向の端部輪郭線を有し、
前記第４の固定対向電極対は、前記第４の可動電極が跨ぐ位置において前記第４の方向に略垂直な方向の端部輪郭線を有する計測システム。
【請求項４】
固定部と、前記固定部に対して平面内を相対的に移動する移動ステージとを有する平面ステージにおいて、前記移動ステージの位置を計測する計測システムであって、
前記移動ステージに接続され、所定の間隔で相互に対向している第１の可動対向電極対と第２の可動対向電極対とを有する第１の可動電極部と、
前記固定部に接続され、前記第１の可動対向電極対の間に部分的に挿入されている第１の固定電極と、前記第２の可動対向電極対の間に部分的に挿入されている第２の固定電極とを有する第１の固定電極部と、
を有する第１のセンサと、
前記移動ステージに接続され、前記所定の間隔で相互に対向している第３の可動対向電極対と第４の可動対向電極対とを有する第２の可動電極部と、
前記固定部に接続され、前記第３の可動対向電極対の間に部分的に挿入されている第３の固定電極と、前記第４の可動対向電極対の間に部分的に挿入されている第４の固定電極とを有する第２の固定電極部と、
を有する第２のセンサと、を備え、
前記第１の固定電極と前記第２の固定電極とは、それぞれ共通する第１基点部から第１の方向と前記第１の方向に交差する第２の方向とに延びており、
前記第１の可動対向電極対は、前記第１の固定電極の挿入状態に応じて変化する第１の静電容量を有し、
前記第２の可動対向電極対は、前記第２の固定電極の挿入状態に応じて変化する第２の静電容量を有し、
前記第３の固定電極と前記第４の固定電極とは、それぞれ共通する第２基点部から第３の方向と前記第３の方向に交差する第４の方向とに延びており、
前記第３の可動対向電極対は、前記第３の固定電極の挿入状態に応じて変化する第３の静電容量を有し、
前記第４の可動対向電極対は、前記第４の固定電極の挿入状態に応じて変化する第４の静電容量を有し、
前記第３の方向は、前記第１の方向と同一の方向であり、
前記第４の方向は、前記第２の方向と逆の方向であり、
前記第２基点部は、前記第２の方向において前記第１基点部からシフトした位置に配置されており、
前記第１の可動対向電極対の第１静電容量と、前記第２の可動対向電極対の第２静電容量と、前記第３の可動対向電極対の第３静電容量と、前記第４の可動対向電極対の第４静電容量と、を検出する静電容量検出部と、
前記第１静電容量と前記第３静電容量の和に基づいて前記第１の方向の変位を計測し、前記第１静電容量と前記第３静電容量の差に基づいて前記移動ステージの回転角度を計測し、前記第２静電容量と前記第４静電容量の少なくとも一方と前記差に基づいて前記第２の方向の変位を計測する計測部と、を備える計測システム。
【請求項５】
平面ステージであって、
固定部と、
前記固定部に対して平面内を相対的に移動する移動ステージと、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の計測システムと、
前記計測部により計測された計測値に基づいて前記平面内で前記移動ステージを駆動する平面リニアモータと、を備える平面ステージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量式位置センサに関し、特に電極の対向面積の変化に起因する静電容量の変化を利用する平面ステージ用の位置センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造装置など製造においてウェハや基板などを最適な位置に搬送して位置決めするための装置として平面ステージが利用されている。平面ステージは、Ｘ軸（左右）方向とＹ軸（縦）方向にステージを駆動する平面リニアモータと、ステージの位置を計測するための位置センサとを備えている。位置センサとしては、たとえばレーザ測長器のような光学式センサを使用する光学方式（たとえば特許文献１）が一般的に普及している。しかしながら、光学方式は、高額な光学式センサを複数必要とし、ステージの可動範囲外に光学式センサを配置しなければならず、大型化の要因となっていた。一方、位置センサとして、静電容量方式の装置も提案されている（特許文献２）。特許文献２では、移動電極と複数の固定電極の間の対向面積の変動に起因する各静電容量変化に基づいてＸ軸、Ｙ軸、及びＸＹ平面に垂直な方向の軸周りの回転角θを計測可能な位置センサが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１９４６７２号公報
【特許文献２】特開２００５−１６８１５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、静電容量に基づいてステージの位置を計測する位置センサでは、計測可能な変位量と対向電極の組み付け許容公差との間のトレードオフの問題が生じることが本発明者によって見出された。すなわち、静電容量は、電極間の対向面積だけでなく電極間の距離によっても変化するので、計測可能な変位量の増加に伴って電極の相互傾斜等に伴って電極間の距離の影響が大きくなる一方、この影響を小さくするためには対向電極の組み付け許容公差を極度に厳しくすることが要請されることが見出されたのである。
【０００５】
本発明は、上述の従来の課題の少なくとも一部を解決するために創作されたものであり、静電容量を利用して簡易な構成で計測対象の変位を計測する技術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】
【０００６】
以下、上記課題を解決するのに有効な手段等につき、必要に応じて効果等を示しつつ説明する。
【０００７】
手段１．固定部と、前記固定部に対して平面内を相対的に移動する移動ステージとを有する平面ステージにおいて、前記移動ステージの位置を計測する位置センサであって、前記固定部に接続され、所定の間隔で相互に対向している第１の固定対向電極対と第２の固定対向電極対とを有する固定電極部と、前記移動ステージに接続され、前記第１の固定対向電極対の間に部分的に挿入されている第１の可動電極と、前記第２の固定対向電極対の間に部分的に挿入されている第２の可動電極とを有する可動電極部と、を有する第１のセンサを備え、前記第１の可動電極と前記第２の可動電極とは、それぞれ共通する第１基点部から第１の方向と前記第１の方向に交差する第２の方向とに延びており、前記第１の固定対向電極対は、前記第１の可動電極の挿入状態に応じて変化する第１の静電容量を有し、前記第２の固定対向電極対は、前記第２の可動電極の挿入状態に応じて変化する第２の静電容量を有する位置センサ。
【０００８】
手段１の位置センサは、固定対向電極（第１と第２の固定対向電極）への可動電極（第１と第２の可動電極）の挿入状態に応じて変化する固定対向電極の静電容量に基づいて移動ステージの位置を計測することができる。本発明者によれば、本静電容量は、固定対向電極と可動電極の平面内の相対的な位置関係の変動に応じて変化する一方、その平面に垂直な方向の位置関係の変動に応じては原理的に変化しないことを見出した。本知見は、可動電極が挿入された領域においては、固定対向電極間の距離から可動電極の厚みを減じた距離が固定対向電極の静電容量の決定要因である対向電極間距離と等価となる点に基づくものである。
【０００９】
これにより、本発明者は、固定対向電極間の平行度（間隔の均一性）と可動電極の平行度（厚みの均一性）だけを高精度にすればよく、固定対向電極と可動電極の組み付け誤差に依存しないことを見出した。この結果、計測可能な変位量と対向電極の組み付け許容公差との間のトレードオフの問題が解決されたことになる。さらに、手段１の位置センサは、固定部に接続されている側の固定対向電極の静電容量を検出すればよく可動電極部側に配線を必要としないので、配線に起因する移動ステージの移動の阻害や可動電極部側に移動に起因する配線上の問題をも回避することができる。
【００１０】
手段２．手段１記載の位置センサであって、前記第１の方向は、前記第２の方向と略垂直に交差し、前記第１の固定対向電極対は、前記第１の可動電極が跨ぐ位置において前記第１の方向に略垂直な方向の端部輪郭線を有し、前記第２の固定対向電極対は、前記第２の可動電極が跨ぐ位置において前記第２の方向に略垂直な方向の端部輪郭線を有する位置センサ。
【００１１】
手段２の位置センサでは、第１の方向が第２の方向と略垂直に交差し、第１の固定対向電極対は第１の可動電極が跨ぐ位置において第１の方向に略垂直な方向の端部輪郭線を有するので、第１の可動電極が第２の方向へ移動しても第１の可動電極の挿入量が影響を受けないことになる。一方、第２の固定対向電極対は第２の可動電極が跨ぐ位置において第２の方向に略垂直な方向の端部輪郭線を有するので、第２の可動電極が第１の方向へ移動しても第２の可動電極の挿入量が影響を受けないことになる。
このように、手段２の位置センサでは、簡易に第１の方向と第２の方向への変位を分離して計測することができる。
【００１２】
手段３．手段１記載の位置センサであって、さらに、前記固定部に接続され、前記所定の間隔で相互に対向している第３の固定対向電極対と第４の固定対向電極対とを有する固定電極部と、前記移動ステージに接続され、前記第３の固定対向電極対の間に部分的に挿入されている第３の可動電極と、前記第４の固定対向電極対の間に部分的に挿入されている第４の可動電極とを有する可動電極部と、を有する第２のセンサを備え、前記第３の可動電極と前記第４の可動電極とは、それぞれ共通する第２基点部から第３の方向と前記第３の方向に交差する第４の方向とに延びており、前記第３の固定対向電極対は、前記第３の可動電極の挿入状態に応じて変化する第３の静電容量を有し、前記第４の固定対向電極対は、前記第４の可動電極の挿入状態に応じて変化する第４の静電容量を有し、前記第３の方向は、前記第１の方向と同一の方向であり、前記第４の方向は、前記第２の方向と逆の方向であり、前記第２基点部は、前記第２の方向において前記第１基点部からシフトした位置に配置されている位置センサ。
【００１３】
手段３の位置センサは、第１のセンサに加えて第２のセンサを備えている。第２のセンサは、第１のセンサの第１基点部から第２の方向にシフトした位置の第２基点部から延びている可動電極を有している。これにより、手段３の位置センサは、第２の方向にオフセットして第１の方向に平行に延びている２個の可動電極を有することになる。平行に延びている２個の可動電極は、移動ステージの回転によって相互に逆方向の動きとなるので、静電容量の変化も逆方向となる。手段３の位置センサは、これを利用してその回転角度を計測することができる。さらに、手段３の位置センサは、移動ステージの回転を許容しつつ回転による影響を効果的に排除して並進移動を正確に計測することができる。
【００１４】
手段４．手段３記載の位置センサであって、前記第１の方向は、前記第２の方向と略垂直に交差し、前記第１の固定対向電極対は、前記第１の可動電極が跨ぐ位置において前記第１の方向に略垂直な方向の端部輪郭線を有し、前記第２の固定対向電極対は、前記第２の可動電極が跨ぐ位置において前記第２の方向に略垂直な方向の端部輪郭線を有し、前記第３の固定対向電極対は、前記第３の可動電極が跨ぐ位置において前記第３の方向に略垂直な方向の端部輪郭線を有し、前記第４の固定対向電極対は、前記第４の可動電極が跨ぐ位置において前記第４の方向に略垂直な方向の端部輪郭線を有する位置センサ。
【００１５】
手段４の位置センサでは、第２のセンサを備えている構成において、移動ステージの回転を許容しつつ、簡易に第１の方向と第２の方向への変位と移動ステージの回転角度を分離して検出することができる。
【００１６】
手段５．固定部と、前記固定部に対して平面内を相対的に移動する移動ステージとを有する平面ステージにおいて、前記移動ステージの位置を計測する計測システムであって、手段１又は２に記載の位置センサと、前記第１の固定対向電極対の第１静電容量と、前記第２の固定対向電極対の第２静電容量とを検出する静電容量検出部と、前記第１静電容量に基づいて前記第１の方向の変位を計測し、前記第２静電容量に基づいて前記第２の方向の変位を計測する計測部と、を備える計測システム。
【００１７】
手段５では、手段１又は２に記載の位置センサを効果的に使用する計測システムとして本発明が具現化されている。
【００１８】
手段６．固定部と、前記固定部に対して平面内を相対的に移動する移動ステージとを有する平面ステージにおいて、前記移動ステージの位置を計測する計測システムであって、手段３又は４に記載の位置センサと、前記第１の固定対向電極対の第１静電容量と、前記第２の固定対向電極対の第２静電容量と、前記第３の固定対向電極対の第３静電容量と、前記第４の固定対向電極対の第４静電容量と、を検出する静電容量検出部と、前記第１静電容量と前記第３静電容量の和に基づいて前記第１の方向の変位を計測し、前記第１静電容量と前記第３静電容量の差に基づいて前記移動ステージの回転角度を計測し、前記第２静電容量と前記第４静電容量の少なくとも一方と前記差に基づいて前記第２の方向の変位を計測する計測システム。
【００１９】
手段６では、手段３又は４に記載の位置センサを効果的に使用する計測システムとして本発明が具現化されている。
【００２０】
手段７．平面ステージであって、固定部と、前記固定部に対して平面内を相対的に移動する移動ステージと、手段５又は６に記載の計測システムと、前記計測値に基づいて前記平面内で前記移動ステージを駆動する平面リニアモータと、を備える平面ステージ。
【００２１】
手段７では、手段５又は６に記載の計測システムを効果的に使用する平面ステージとして本発明が具現化されている。
【００２２】
なお、本発明は、位置センサだけでなく、計測システムや平面ステージ、計測方法、計測システムを実現するコンピュータプログラム及びそのプログラムを格納する記録媒体等の形態で実現することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態における平面ステージ３０の外観を示す外観斜視図。
【図２】実施形態における移動部２００の外観を示す外観斜視図。
【図３】実施形態における移動部２００の各構成部品を示す分解斜視図。
【図４】実施形態における下部センサ１２０の各構成部品を示す分解斜視図。
【図５】実施形態における下部センサ１２０の下部移動電極２２０を示す斜視図。
【図６】実施形態における上部センサ１４０の上部移動電極２４０を示す斜視図。
【図７】下部センサ１２０のうちＸ軸方向の変位を計測する部分の構成を示す断面図。
【図８】実施形態における計測原理を示す模式図と計算式とを表す説明図。
【図９】実施形態における計測状態を示す模式図。
【図１０】実施形態における計測状態を示す模式図。
【図１１】上部センサ１４０と下部センサ１２０の位置関係を示す模式図。
【図１２】実施形態における回転角度θの計測原理と補正原理とを示す模式図。
【図１３】回転角度θと静電容量Ｃｘ１，Ｃｘ２の関係を正規化して示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本実施形態は、移動ステージのＸ軸方向とＹ軸方向の並進移動と回転角度θを計測する位置センサを備える平面ステージについて具体化している。以下、本発明を具体化した実施形態を以下の順序で説明する。
Ａ．平面ステージの構成：
Ｂ．移動ステージの計測方法：
Ｃ．変形例：
【００２５】
Ａ．平面ステージの構成：
図１は、本発明の実施形態における平面ステージ３０の外観を示す外観斜視図である。平面ステージ３０は、製造設備（図示せず）に固定される固定部１００と、固定部１００に対して相対移動する移動部２００とを備えている。固定部１００と移動部２００とは、いずれも平面視（ＸＹ面）において正方形の形状を有している。移動部２００は、固定部１００よりも小さな外形寸法で構成されている。移動部２００は、固定部１００に対してＸ軸方向とＹ軸方向の並進移動とＸＹ平面に垂直な軸線Ｚの周りの回転が可能である。移動部２００は、周知の電磁リニアモータ（図示省略）によって駆動される。
【００２６】
図２は、本発明の実施形態における移動部２００の外観を示す外観斜視図である。図３は、本発明の実施形態における移動部２００の各構成部品を示す分解斜視図である。移動部２００は、ワーク保持部２５０と、上部移動電極２４０と、中間支持部２３０と、下部移動電極２２０と、リニアモータ可動部２１０とがＺ軸方向に積層された構造を有している。
【００２７】
ワーク保持部２５０は、たとえば半導体ウェハ（図示省略）等の加工対象であるワークを保持するための保持装置（図示省略）が装着されるための部材である。上部移動電極２４０及び下部移動電極２２０は、静電容量式センサを構成するための電極であり、軸線Ｚの周りに相互に９０度だけシフトした角度で中間支持部２３０に固定されている。リニアモータ可動部２１０は、電磁リニアモータ（図示省略）の可動子として機能する。
【００２８】
図４は、本発明の実施形態における下部センサ１２０の各構成部品を示す分解斜視図である。図５は、本発明の実施形態における下部センサ１２０の下部移動電極２２０を示す斜視図である。なお、図４には、移動部２００のリニアモータ可動部２１０とワーク保持部２５０と、固定部１００が備えるリニアモータ固定部１１０とが仮想線で示されている。
【００２９】
下部センサ１２０は、リニアモータ可動部２１０に固定されている下部移動電極２２０と、リニアモータ固定部１１０に固定されている下部固定電極群１２１〜１２６とを備えている。下部固定電極群１２１〜１２６は、第１下部固定電極１２１と、第２下部固定電極１２２と、第３下部固定電極１２３と、第４下部固定電極１２４と、第５下部固定電極１２５と、第６下部固定電極１２６と、を備えている。なお、図５では、下部移動電極２２０を示すために下部固定電極群１２３〜１２６の図示が省略されている。
【００３０】
下部移動電極２２０は、Ｘ軸方向の変位を検出するためのＸ１電極２２２と、Ｙ軸方向の変位を検出するためのＹ１電極２２１と、Ｘ１電極２２２とＹ１電極２２１とに接続されリニアモータ可動部２１０の固定端部２１１に固定するための第１基点部２２３とを備えている。Ｘ１電極２２２及びＹ１電極２２１は、いずれも矩形状の形状（ＸＹ平面視）を有し、第１基点部２２３からＸＹ平面内において相互に略垂直な方向に延びている。第１基点部２２３は、リニアモータ可動部２１０に形成されている角柱支持部２１１に固定されている。
【００３１】
なお、本明細書では、略垂直とは、形状公差その他の当業者が想定する範囲の垂直を意味している。また、Ｘ１電極２２２とＹ１電極２２１とが延びている方向は、それぞれ第１の方向と第２の方向とも呼ばれる。
【００３２】
Ｘ１電極２２２は、第２下部固定電極１２２と第４下部固定電極１２４との間、すなわち、Ｚ軸方向において第２下部固定電極１２２の上方でかつ第４下部固定電極１２４の下方に配置されている。これにより、下部移動電極２２０のＸ１電極２２２は、第２下部固定電極１２２と第４下部固定電極１２４との間にそれぞれ対向面を形成することができる。この対向面は、下部移動電極２２０のＸ軸方向の変位に応じて変化する面積を有することになる。
【００３３】
Ｙ１電極２２１は、第１下部固定電極１２１と第３下部固定電極１２３との間、すなわち、第１下部固定電極１２１の上方でかつ第３下部固定電極１２３の下方に配置されている。これにより、下部移動電極２２０のＹ１電極２２１は、第１下部固定電極１２１と第３下部固定電極１２３との間にそれぞれ対向面を形成することができる。この対向面は、下部移動電極２２０のＹ軸方向の変位に応じて変化する面積を有することになる。
【００３４】
図６は、本発明の実施形態における上部センサ１４０の上部移動電極２４０を示す斜視図である。上部センサ１４０は、中間支持部２３０に固定されている上部移動電極２４０と、リニアモータ固定部１１０に固定されている上部固定電極群１４１〜１４６とを備えている。上部固定電極群１４１〜１４６は、第１上部固定電極１４１と、第２上部固定電極１４２と、第３上部固定電極１４３と、第４上部固定電極１４４と、第５上部固定電極１４５と、第６上部固定電極１４６と、を備えている。
【００３５】
なお、図６では、上部移動電極２４０を示すために上部固定電極群１４３〜１４６の図示が省略されている。また、下部センサ１２０の最上部の電極である第５下部固定電極１２５と、第６下部固定電極１２６とが見えている。
【００３６】
上部移動電極２４０は、Ｘ軸方向の変位を検出するためのＸ２電極２４２と、Ｙ軸方向の変位を検出するためのＹ２電極２４１と、Ｘ２電極２４２とＹ２電極２４１とに接続され中間支持部２３０に固定するための第２基点部２４３とを備えている。Ｘ２電極２４２及びＹ２電極２４１は、いずれも矩形状の形状を有し、第２基点部２４３からＸＹ平面内において相互に略垂直な方向に延びている。第２基点部２４３は、中間支持部２３０に固定されている。
【００３７】
上部移動電極２４０は、ＸＹ平面内において下部移動電極２２０に対して時計回りに９０度回転した方向で配置され、下部移動電極２２０の第１基点部２２３からＹ１電極２２１の長さだけＹ軸方向にシフトした位置に上部移動電極２４０の第２基点部２４３が配置されている。なお、Ｘ２電極２４２とＹ２電極２４１とが延びている方向は、それぞれ第３の方向と第４の方向とも呼ばれる。
【００３８】
上部移動電極２４０のＸ２電極２４２と、Ｙ２電極２４１と、下部移動電極２２０のＸ１電極２２２と、Ｙ１電極２２１とは、いずれも同一の寸法と形状とを有している。一方、第１基点部２２３と第２基点部２４３とは、相互に同一の寸法と形状とを有している。
【００３９】
図７は、本発明の実施形態における下部センサ１２０のうちＸ軸方向の変位を計測する部分の構成を示す断面図である。第２下部固定電極１２２、第４下部固定電極１２４、及び第６下部固定電極１２６は、いずれもリニアモータ固定部１１０の固定端部１１１に対してＸＹ平面に平行に固定されている。Ｘ１電極２２２は、リニアモータ可動部２１０の固定端部２１１にＸＹ平面に固定されているので移動部２００とともに移動する。
【００４０】
第６下部固定電極１２６は、シールド電極１２６ａと、リファレンス電極１２６ｃと、樹脂等の絶縁体で構成されている絶縁部材１２６ｂとを有している。第６下部固定電極１２６では、絶縁部材１２６ｂの上端面にシールド電極１２６ａが接合され、絶縁部材１２６ｂの下端面にリファレンス電極１２６ｃが接合されている。シールド電極１２６ａやリファレンス電極１２６ｃは、絶縁部材１２６ｂに機械的に装着される板材でもよく、あるいは蒸着やメッキによって構成されていても良い。この点は、他の固定電極や可動電極についても同様である。
【００４１】
第４下部固定電極１２４は、リファレンス電極１２４ａと、絶縁部材１２４ｂと、固定側対向電極１２４ｃとを有している。第４下部固定電極１２４では、絶縁部材１２４ｂの上端面にリファレンス電極１２４ａが接合され、絶縁部材１２４ｂの下端面に固定側対向電極１２４ｃが接合されている。
【００４２】
第２下部固定電極１２２は、固定側対向電極１２２ａと、絶縁部材１２２ｂと、シールド電極１２２ｃとを有している。第２下部固定電極１２２では、絶縁部材１２２ｂの上端面に固定側対向電極１２２ａが接合され、絶縁部材１２２ｂの下端面にシールド電極１２２ｃが接合されている。
【００４３】
Ｘ１電極２２２は、一対の可動側電極２２２ａ，２２２ｃと、絶縁部材２２２ｂと、導体部２２２ｄとを有している。Ｘ１電極２２２では、絶縁部材２２２ｂの上端面に可動側電極２２２ａが接合され、絶縁部材２２２ｂの下端面に可動側電極２２２ｃが接合されている。導体部２２２ｄは、一対の可動側電極２２２ａ，２２２ｃを電気的に相互に接続している。なお、このような電気的な接続は、スルーホール等でも可能である。
【００４４】
シールド電極１２６ａ及びシールド電極１２２ｃは接地されているので、下部センサ１２０を外部の電界や磁界からシールドし、これにより計測精度を高めることができる。固定側対向電極１２２ａ及び固定側対向電極１２４ｃは、計測用の静電容量Ｃｍｅｓを有するコンデンサＣｘとして構成されている。コンデンサＣｘは、Ｘ１電極２２２の挿入量Ｌによって静電容量が変化する。リファレンス電極１２６ｃとリファレンス電極１２４ａの対向電極は、Ｘ１電極２２２の挿入量Ｌによって静電容量が変化しない基準用の静電容量Ｃｒｅｆを有する基準用コンデンサＣｒとして構成されている。
【００４５】
なお、Ｘ１電極２２２とＹ１電極２２１は、それぞれ第１の可動電極と第２の可動電極とも呼ばれる。また、第１の可動電極が挿入される固定側対向電極１２２ａ及び固定側対向電極１２４ｃは、第１の固定対向電極対とも呼ばれる。また、第２の可動電極（Ｙ１電極２２１）が挿入される一対の固定側対向電極（図示せず）は、第２の固定対向電極対とも呼ばれる。
【００４６】
Ｂ．移動ステージの計測方法：
図８は、本発明の実施形態における計測原理を示す模式図と計算式とを表す説明図である。図８には、計測用の静電容量Ｃｍｅｓを有するコンデンサＣｘの構成を示す模式図と、コンデンサＣｘの等価回路を示す回路図とが示されている。コンデンサＣｘは、３個のコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３の回路と等価である。２個のコンデンサＣ１，Ｃ２は、直列に接続されている。コンデンサＣ３は、コンデンサＣ１，Ｃ２の直列回路に対して並列に接続されている。
【００４７】
コンデンサＣ１は、リニアモータ固定部１１０に固定されている固定側対向電極１２４ｃ（図７参照）と、リニアモータ可動部２１０に固定されている可動側電極２２２ａとによって構成されている。コンデンサＣ２は、リニアモータ固定部１１０に固定されている固定側対向電極１２２ａと、リニアモータ可動部２１０に固定されている可動側電極２２２ｃとによって構成されている。２個のコンデンサＣ１，Ｃ２は、導体部２２２ｄで直列に接続されている。コンデンサＣ３は、固定側対向電極１２４ｃと固定側対向電極１２２ａとによって構成されている。
【００４８】
コンデンサＣｘの静電容量は、可動側電極２２２ａ，２２２ｃ（Ｘ１電極２２２）の挿入部分の領域Ｓ１の静電容量と、非挿入部分の領域Ｓ２の静電容量の和となる。挿入部分の領域Ｓ１の静電容量Ｃ１２は、コンデンサＣ１，Ｃ２の直列回路の静電容量Ｃ１２となり、計算式Ｆ１で算出することができる。したがって、コンデンサＣｘの静電容量は、挿入部分の領域Ｓ１の静電容量Ｃ１２と、非挿入部分の領域Ｓ２の静電容量Ｃ3との和として算出することができる（計算式Ｆ２参照）。
【００４９】
非挿入部分の領域Ｓ２の静電容量Ｃ3は、非挿入部分の領域Ｓ２の面積と、固定側対向電極１２２ａと固定側対向電極１２４ｃの離隔距離と、誘電体（たとえば空気）の誘電率εとによって決定される。このように、非挿入部分の領域の静電容量は、本実施形態は、固定対向電極間の距離の均一性だけを高精度にすれば正確に計測できることが分かる。
【００５０】
一方、挿入部分の領域の静電容量Ｃ１２は、可動側電極２２２ａ，２２２ｃ（Ｘ１電極２２２）の挿入部分の領域Ｓ１の面積と誘電体の誘電率εとによって決定される。挿入面積Ｓ１は、Ｘ１電極２２２の挿入量Ｌと可動側電極２２２ａ，２２２ｃの幅Ｗの積として決定される。このように、コンデンサＣｘの静電容量は、計算式Ｆ１、Ｆ２から分かるように電極間距離ｄ１，ｄ２の和に依存する一方、電極間距離ｄ１，ｄ２の各々には依存しないことが分かる。
【００５１】
電極間距離ｄ１，ｄ２の和は、固定側対向電極１２２ａと固定側対向電極１２４ｃの間の距離から可動側電極２２２ａ，２２２ｃの距離を減じた値である。したがって、本実施形態は、固定対向電極間の距離の均一性と可動電極の厚みの均一性だけを高精度にすればよく、固定側対向電極１２２ａ，１２４ｃと可動側電極２２２ａ，２２２ｃの組み付け誤差に依存しないことを見出した。この結果、計測可能な変位量とコンデンサ用電極の組み付け許容公差との間のトレードオフの問題が解決されたことになる。
【００５２】
さらに、本実施形態の位置センサは、固定側対向電極１２２ａ，１２４ｃの静電容量を検出すればよく可動側電極２２２ａ，２２２ｃ側に配線を必要としないので、配線に起因する移動ステージ２０の移動の阻害や可動側電極２２２ａ，２２２ｃの移動に起因する配線上の問題をも回避することができる。
【００５３】
図９及び図１０は、本発明の実施形態における計測状態を示す模式図である。図９及び図１０には、固定側対向電極１２１ａ，１２２ａと、Ｙ１電極２２１とＸ１電極２２２とを有する下部移動電極２２０とが示されている。図９（ａ）は、移動ステージ２０が原点位置に配置された状態を示している。図９（ｂ）は、移動ステージ２０がＹ軸方向に移動された状態を示している。図１０（ａ）は、移動ステージ２０がＸ軸方向に移動された状態を示している。図１０（ｂ）は、移動ステージ２０がＸ軸方向とＹ軸方向の双方に移動された状態を示している。
【００５４】
固定側対向電極１２１ａは、Ｙ１電極２２１が跨ぐ位置においてＸ軸方向に平行な直線である端部輪郭線１２７を有し、Ｙ１電極２２１のＹ軸方向の変位に応じて面積が変化する対向面Ｓ１を形成する。端部輪郭線１２７はＸ軸方向に平行な直線なので、対向面Ｓ１の面積は、Ｙ１電極２２１のＸ軸方向の変位に応じて変化しないことが分かる。
【００５５】
一方、固定側対向電極１２２ａは、Ｘ１電極２２２が跨ぐ位置においてＹ軸方向に平行な直線である端部輪郭線１２８を有し、Ｘ１電極２２２のＸ軸方向の変位に応じて面積が変化する対向面Ｓ２を形成する。端部輪郭線１２８はＹ軸方向に平行な直線なので、対向面Ｓ２の面積は、Ｘ１電極２２２のＹ軸方向の変位に応じて変化しないことが分かる。
【００５６】
具体的には、下部センサ１２０は、以下のように作動する。図９（ｂ）に示すように移動ステージ２０がＹ軸方向に移動すると、Ｙ１電極２２１の挿入量だけが増えて、Ｘ１電極２２２の挿入量は変化しない。図１０（ａ）に示すように移動ステージ２０がＸ軸方向に移動すると、Ｘ１電極２２２の挿入量Ｌだけが増えて、Ｙ１電極２２１の挿入量は変化しない。さらに、図１０（ｂ）に示すように移動ステージ２０がＸ軸方向とＹ軸方向の双方に移動されると、Ｘ１電極２２２の挿入量ＬとＹ１電極２２１の挿入量の双方が増加する。
【００５７】
このように、本実施形態は、移動ステージ２０の並進移動におけるＸ軸方向とＹ軸方向の双方の変位量を独立して計測することができることが分かる。さらに、本実施形態は、上部センサ１４０を備えているので、移動ステージ２０の回転を許容しつつ、移動ステージ２０のＸＹ平面内の並進移動と回転移動を計測することができる。
【００５８】
図１１は、本発明の実施形態における上部センサ１４０と下部センサ１２０の位置関係を示す模式図である。上部センサ１４０の上部移動電極２４０は、下部センサ１２０の下部移動電極２２０に対してＹ軸方向にＹ１電極２２１の長さだけシフトした位置において時計回りに９０度回転した状態で配置されている。
【００５９】
これにより、移動ステージ２０の変位は、上部移動電極２４０と下部移動電極２２０とを使用して以下の方法で検出することができる。下部移動電極２２０のＹ１電極２２１と上部移動電極２４０のＹ２電極２４１は、移動ステージ２０のＹ軸方向（正の方向）の並進移動に対して逆方向に作動する。具体的には、移動ステージ２０がＹ軸方向に変位すると、Ｙ１電極２２１は挿入量Ｌｙだけ挿入量が増大する一方、Ｙ２電極２４１は挿入量Ｌｙだけ挿入量が減少することになる。
【００６０】
下部移動電極２２０のＸ２電極２４２と上部移動電極２４０のＸ１電極２２２は、移動ステージ２０のＸ軸方向（負の方向）の並進移動に対して同一方向に作動する。具体的には、移動ステージ２０がＸ軸方向（負の方向）に変位すると、Ｘ１電極２２２とＸ２電極２４２とは、いずれも挿入量Ｌｘだけ挿入量が減少する。
【００６１】
このように、移動ステージ２０の並進移動は、上部センサ１４０と下部センサ１２０とでＹ軸方向において正負が逆の出力信号として検出され、Ｘ軸方向において符号が一致した出力信号として検出されることになる。
【００６２】
なお、上部センサ１４０は、下部センサ１２０と同じように固定側対向電極１４１ａ，１４２ａを有している。固定側対向電極１４１ａは、Ｙ２電極２４１が跨ぐ位置においてＸ軸方向に平行な直線である端部輪郭線１４７を有している。固定側対向電極１４２ａは、Ｘ１電極２４２が跨ぐ位置においてＹ軸方向に平行な直線である端部輪郭線１４８を有している。
【００６３】
なお、Ｘ２電極２４２とＹ２電極２４１は、それぞれ第３の可動電極と第４の可動電極と呼ばれる。また、第３の可動電極が挿入される一対の固定側対向電極（図示せず）は、第３の固定対向電極対とも呼ばれる。第４の可動電極が挿入される一対の固定側対向電極（図示せず）は、第４の固定対向電極対とも呼ばれる。
【００６４】
図１２は、本発明の実施形態における回転角度θの計測原理と補正原理とを示す模式図である。上部移動電極２４０は下部移動電極２２０に対して、Ｙ１電極２２１が延びている方向（第２の方向）にＹ１電極２２１の長さだけシフトした位置に配置されているので、Ｘ１電極２２２とＸ２電極２４２は、Ｙ１電極２２１の長さだけＹ軸方向に離隔した位置に平行に配置されていることになる。これにより、Ｘ１電極２２２とＸ２電極２４２は、回転角度θに対して逆方向に作動することになる。
【００６５】
具体的には、Ｘ１電極２２２とＸ２電極２４２は、移動ステージ２０が回転角度θで回転すると、Ｘ１電極２２２は挿入量Ｓｘ（変動面積）だけ挿入量が増大する一方、Ｘ２電極２４２は挿入量Ｓｘ（変動面積）だけ挿入量が減少する。これにより、移動ステージ２０の回転角度θは、Ｘ１電極２２２が挿入されるコンデンサの静電容量Ｃｘ１と、Ｘ２電極２４２が挿入されるコンデンサの静電容量Ｃｘ２と、の差を利用して検出することができることが分かる。なお、静電容量Ｃｘ１と静電容量Ｃｘ２は、それぞれ第１静電容量と第３静電容量とも呼ばれる。
【００６６】
移動ステージ２０のＸ軸方向の変位は、静電容量Ｃｘ１と静電容量Ｃｘ２の和を使用して、たとえば平均値として検出することができる。静電容量Ｃｘ１と静電容量Ｃｘ２の和では、移動ステージ２０の回転角度θに起因する静電容量Ｃｘ１と静電容量Ｃｘ２の変化が相殺されるので、Ｘ軸方向の変位を回転角度θの影響から分離して検出することができるからである。
【００６７】
移動ステージ２０のＹ軸方向の変位は、Ｙ１電極２２１が挿入されるコンデンサの静電容量Ｃｙ１から移動ステージ２０の回転角度θに起因する静電容量Ｃｙ１の変動面積Ｓｙを排除することによって検出することができる。具体的には、Ｙ軸方向の変位は、静電容量Ｃｙ１から静電容量Ｃｘ１と静電容量Ｃｘ２の差の半分を減じた値を使用することによって検出することができる。上部移動電極２４０のＸ２電極２４２と、Ｙ２電極２４１と、下部移動電極２２０のＸ１電極２２２と、Ｙ１電極２２１とは、いずれも同一の寸法と形状とを有しているので、変動面積Ｓｙは変動面積Ｓｘに一致するからである。
【００６８】
なお、静電容量Ｃｙ１の代わりに静電容量Ｃｙ２を利用しても良い。また、静電容量Ｃｙ１と静電容量Ｃｙ２の和は、移動ステージ２０の回転角度並びに並進移動のいずれに対しても相互に変化量が相殺され、その影響を受けないので温度等の環境変化に起因する変動（たとえば誘電率の変動）を補正するための補正用の検出値としても利用可能である。なお、静電容量Ｃｙ１と静電容量Ｃｙ２は、それぞれ第２静電容量と第４静電容量とも呼ばれる。
【００６９】
図１３は、本発明の実施形態における回転角度θと静電容量Ｃｘ１，Ｃｘ２の関係を正規化して示すグラフである。本グラフは、幾何学的な計算に基づく理論値である。しかし、現実の静電容量は、対向電極の面積に対して高い忠実性を有しているので、事実上は実施可能性が実証されたことになる。
【００７０】
図１３（ａ）は、回転角度θと静電容量Ｃｘ１，Ｃｘ２の各々の関係を示している。図１３（ｂ）は、回転角度θと静電容量Ｃｘ１，Ｃｘ２の差の関係を示している。図１３（ａ）から分かるように、下部センサ１２０の静電容量Ｃｘ１が回転角度θの増加に応じて線形に増大する一方、上部センサ１４０の静電容量Ｃｘ２が回転角度θの増加に応じて線形に減少していることが分かる。これにより、図１２（ｂ）から分かるように、静電容量Ｃｘ１と静電容量Ｃｘ２の差は、回転角度θの増加に応じて線形に増大することになる。
【００７１】
本実施形態では、回転角度θは、並進移動に起因する静電容量の変化から分離して検出することができる。すなわち、回転角度θは、移動ステージ２０の並進移動による位置変化の影響を受けることなく検出することができる。第１下部固定電極１２１と第１上部固定電極１４１は、Ｙ１電極２２１とＹ２電極２４１とが跨ぐ位置において、それぞれＸ軸方向に平行な直線である端部輪郭線１２７、１２８を有し、第２下部固定電極１２２と第２上部固定電極１４２は、Ｘ１電極２２２とＸ２電極２４２とが跨ぐ位置において、それぞれＹ軸方向に平行な直線である輪郭線１２８、１４８を有するからである（図１１及び図１２参照）。
【００７２】
本実施形態は、以下の効果を奏することができる。
【００７３】
（１）本実施形態の下部センサ１２０や上部センサ１４０は、計測可能な変位量とコンデンサ用電極の組み付け許容公差との間のトレードオフの問題を解決し、これによりセンサとして理想的な線形特性を有している。本実施形態は、固定対向電極間の平行度（間隔の均一性）と可動電極の平行度（厚みの均一性）だけを高精度にすればよく、たとえば固定側対向電極１２２ａ，１２４ｃと可動側電極２２２ａ，２２２ｃの相対的な組み付け誤差が計測精度に影響を与えないからである。
【００７４】
（２）本実施形態の下部センサ１２０や上部センサ１４０では、対向電極（たとえば固定側対向電極）の平行度や可動電極の厚みの精度が一般的な機械加工で簡易に実現できるという利点を有している。
【００７５】
（３）本実施形態の下部センサ１２０や上部センサ１４０は、固定側対向電極の静電容量を検出すればよく可動側電極側に配線を必要としないので、配線に起因する移動ステージ２０の移動の阻害や可動側電極に移動に起因する配線上の問題をも回避することができる。
【００７６】
Ｃ．変形例：
なお、実施の形態は上記した内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。
【００７７】
（１）上記実施の形態では、下部移動電極２２０は、第１基点部２２３からＸＹ平面内において相互に略垂直な方向に延びているＸ１電極２２２とＹ１電極２２１とを有し、上部移動電極２４０は、第２基点部２４３からＸＹ平面内において相互に略垂直な方向に延びているＸ２電極２４２及びＹ２電極２４１とを有している。
【００７８】
しかしながら、必ずしも相互に略垂直に延びている必要は無く、相互に交差する方向に延びていれば計測することができる。ただし、相互に垂直に延びているとともに、各可動電極（Ｘ１電極２２２、Ｘ２電極２４２、Ｙ１電極２２１、及びＹ２電極２４１）が跨ぐ位置で各固定側対向電極が計測対象の軸に垂直な方向の端部を有していれば、各軸の変位を直接的に独立して検出することができるという利点を有している。
【００７９】
（２）上記実施の形態では、固定側対向電極に対してＺ軸方向に重ねて基準用の静電容量Ｃｒｅｆを有する基準用コンデンサＣｒが形成されている。基準用コンデンサＣｒは、移動ステージ２０の変位や回転によって静電容量が変化せず、温度等の環境状態に応じて固定側対向電極とともに静電容量が変化するコンデンサである。基準用コンデンサＣｒは、必須の構成ではないが、装備することによって環境変化に起因する計測制度を排除して計測の精度や信頼性を高めることができる。
【００８０】
（３）上記実施の形態では、上部センサ１４０が装備されているが、たとえば下部センサ１２０のみで計測するように構成しても良い。ただし、上部センサ１４０を装備すれば、移動ステージ２０の回転を許容し、その回転角度を計測することができるとともに、回転による影響を受けることなく並進移動を計測することができるという利点がある。
【００８１】
（４）上記実施の形態では、固定対向電極対に対して可動電極が挿入される構成が採用されているが、たとえば可動対向電極対に対して固定電極が挿入されるように構成しても良い。ただし、上記実施形態は、固定側対向電極の静電容量を検出すればよく可動側電極側に配線を必要としないので、配線に起因する移動ステージ２０の移動の阻害や可動側電極に移動に起因する配線上の問題をも回避することができるという利点を有している。
【００８２】
（５）上記実施の形態では、位置センサとして実装されているが、本発明は、たとえば位置センサの静電容量に基づいて計測値を出力する電子回路を備えた計測システム、計測システムと駆動装置とを有する平面リニアモータ、あるいはこれらを備えた平面ステージとして構成することもできる。さらに、計測方法、計測システムを実現するコンピュータプログラム及びそのプログラムを格納する記録媒体等の形態で実現することもできる。
【符号の説明】
【００８３】
２０…移動ステージ、３０…平面ステージ、１００…固定部、１１０…リニアモータ固定部、１２０…下部センサ、１４０…上部センサ、２００…移動部、２１０…リニアモータ可動部、２２０…下部移動電極、２３０…中間支持部、２４０…上部移動電極、２５０…ワーク保持部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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