JP3795646B2 - 位置測定装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は位置測定装置に関し、特に、互いに併走する第1運動体及び第2運動体の位置を高精度に測定する装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
測長装置として、レーザー光を利用した光波干渉測長計が知られている。その測長精度は、原理上10-8から10-11にも達し、それゆえ光波干渉測長計は真空中の高精度の測長で欠かせない装置となっている。しかし、空気中において、かかる光波干渉測長計を利用して計測を行うと、空気の屈折率の揺らぎ的変動による波長の変動により計測精度が劣化する。例えば、計測光路の全長が1mm以下の場合であっても、標準偏差で±5nm程度の変動が生じる。しかも、その変動は、計測光路の全長の増大に応じて大きくなり、例えば、光路長の全長が1mでは揺らぎによる変動が±100nm程度にもなる。
【0003】
更に、物体に動きのある場合には、その運動の影響により空気の動きが生じ、その結果、計測光路上における空気の屈折率は大幅に変動する。例えば、物体が1秒の周期で0.25μmの低速往復動をする場合、光波干渉計の出力の誤差は±50nmを越えることが報告されている。
【0004】
従って、空気中で光波干渉計を用いて物体間の距離や物体の変位を計測する場合には、上記のような誤差が生じるため、高精度計測を実現できないという問題がある。
【0005】
そこで、波長の異なる2つの光波を利用して上記のような屈折率の変動分を打ち消すことが提案されている。しかし、この手法でも、500mm程度の計測光路長に対して、物体が静止している状態で、±5nm程度の変動幅に抑えるのが実用上の限界である。
【0006】
その一方、特開平8−166215号公報には、内部が真空にされたベロー内に計測系の全体を収容させて、ベロー外の(空気中の)被計測対象の測長を行う装置が開示されている。しかし、長さの可変範囲がベローの構造的制約から制限されるという問題がある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来においては、長さの可変範囲が数十mm程度以上と大きくなると、真空中の光波長の高安定度、高精度に基づく光波干渉測長計の計測性能を空気中で利用することができず、特に空気中にあって空気を揺るがす運動体の位置を高精度に測定することができなかった。
【0008】
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みなされたものであり、その目的は、空気中又はそれと同一視される環境中におかれた運動物体の位置を真空中における光波干渉測長と同程度の精度で測定することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第1の発明は、第1空間内を運動する第1運動体と、第2空間内を前記第1運動体と並行に運動する第2運動体と、前記第1空間と第2空間を隔離する、少なくともその一部に光を透過する透過部を備える隔離手段と、前記第1運動体の変位を測定する第1光波干渉測長計と、前記第1運動体と第2運動体の相対変位を測定する相対変位測定手段と、前記第1測長手段で測定された第1運動体の変位と、前記相対変位測定手段で測定された相対変位に基づき、前記第2運動体の位置を演算する演算手段とを有し、前記相対測定手段は、前記第1運動体又は前記第2運動体の一方に設けられたスケールと、前記第1運動体又は前記第2運動体の他方に設けられ、前記スケールの目盛り位置の変化を検出する検出手段とを含むことを特徴とする。第1運動体の位置を光波干渉測長計で高精度に計測し、第1運動体と第2運動体の相対変位をスケールを用いて高精度に計測することで、両計測値に基づいて第2運動体の位置を高精度に算出することができる。
【0010】
また、第2の発明は、第1の発明において、前記第1空間は、実質的に真空状態であることを特徴とする。これにより、第1運動体の位置を高精度に計測できる。
【0011】
また、第3の発明は、第1の発明において、前記第1空間は、空気に比べて光の屈折率の揺らぎが少ない、例えばHe2のような気体で満たされることを特徴とする。これによっても、第1運動体の位置を高精度に計測できる。
【0012】
また、第4の発明は、第1〜第3の発明において、前記第2空間は、実質的に空気で満たされることを特徴とする。これにより、空気中で運動する第2運動体の位置を高精度に求めることができる。
【0013】
また、第5の発明は、第1〜第4の発明において、前記第2運動体の姿勢を計測する第2光波干渉測長計と、前記第1光波干渉測長計で計測された前記第1運動体の姿勢と、前記第2光波干渉測長計で計測された前記第2運動体の姿勢に基づき前記第1運動体と前記第2運動体を平行に運動せしめる制御手段をさらに有することを特徴とする。両運動体を平行に運動せしめることで、相対変位に基づき算出される第2運動体の位置精度を確保することができる。
【0014】
また、第6の発明は、第5の発明において、前記第1運動体に設けられた第1及び第2反射鏡と、前記第2運動体に設けられた第3反射鏡とをさらに有し、前記第1反射鏡は、前記第1光波干渉測長計の光路に直交するように配置され、前記第2反射鏡は、前記第2光波干渉測長計からの光を前記第2運動体に向けるべくその光路に対して所定角をなして配置され、前記第3反射鏡は、前記第2反射鏡で反射された前記第2光波干渉測長計からの光の光路に直交するように配置され、前記制御手段は、前記第1、第2及び第3反射鏡と光路との関係を維持するように制御することを特徴とする。
【0015】
また、第7の発明は、第6の発明において、前記所定角は、π/4であることを特徴とする。
【0016】
また、第8の発明は、第1〜第7の発明において、前記隔離手段と前記第2運動体の間に、前記第2運動体の移動速度よりも大きい移動速度を有する気体の流れを生ぜしめる層流形成手段をさらに有することを特徴とする。これにより、隔離手段と第2運動体の間の空気の揺らぎを低減し、相対変位を高精度に計測することができる。
【0017】
また、第9の発明は、第1〜第8の発明において、前記隔離手段は、非磁性材料で構成され、前記第1運動体は、磁気的相互作用により前記第2運動体の運動に追従して非接触で運動することを特徴とする。第1運動体を第2運動体の運動に追従させることで、第2運動体の移動量が大きくても確実にその位置を計測することができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
【0019】
<第1実施形態>
本実施形態における位置測定装置の測長部は、大きく分けて2つの部分より構成される。第1は、第1運動体の位置を計測する部位であり、第2は、第1運動体と第2運動体の相対変異を計測する部位である。第1運動体の位置を計測する部位は光波干渉測長計を含んでおり、実質的に真空中を運動する第1運動体を高精度に計測する。第1運動体と第2運動体の相対変位を測定する部位は所定の目盛りを備えたスケールとこのスケールに対して光を投射し、スケールからの反射光あるいは透過光を検出することで目盛り位置の変化を検出する相対位置検出器を含んでいる。なお、スケールの目盛り位置の変化を検出するこのような測長方法は、スケールの目盛りの設けられている構造(目盛りの配置と部材の性質)に依存するが、空気の屈折率の変動には影響されないので、温度変化や加速度、外力の印加、経年変化などで目盛りの配置されている間隔が変化しない限り、その計測値は安定している利点がある。
【0020】
図1には、本実施形態の位置測定装置の具体的な構成が示されている。第1運動体12は、第1空間14内に収容されている。この第1空間は、実質的に真空な空間である。なお、「実質的に真空」とは、通過する光に与える空気の揺らぎの影響を無視できる程度の真空をいい、必ずしも完全な真空状態を意味しない。第1運動体12には、2つの反射鏡(ミラー)M1、M2が設けられている。ミラーM1は、第1運動体12の位置や姿勢(ピッチ角やヨー角)を計測する第1光波干渉測長計(以下、光波干渉計という)10Aの光路100(第1計測光路)に対して直交するように配置されている。従って、第1光波干渉計10Aから射出したレーザ光は、ミラーM1で反射し、再び第1光波干渉計10Aに入射する。また、ミラーM2は、後述する第2運動体16の姿勢(ピッチ角やヨー角)を計測する第2光波干渉計10Bの光路200(第2計測光路)に対して所定角度(図ではα=π/4)をなすように傾いて配置されている。さらに、第1運動体12には、その表面に目盛りが形成されたスケール12Aが設けられている。スケール12Aの目盛り間隔は、半導体の回路パターンと同様に高精度に形成され、レーザ波長干渉計と同程度の分解能を有する。なお、第1運動体12は、図に示すように紙面の左右方向に運動可能である。また、空気の揺らぎの影響を無視できる環境としては、第1空間14は真空状態でなく、空気に比べて著しく光の屈折率の揺らぎ的変動が少ないHeの様な気体で充填することも可能である。
【0021】
一方、第2運動体16は、第2空間18内に収容されている。この第2空間18は、例えば大気中の空間である。この第2運動体16には、ミラーM2で反射した第2光波干渉計10Bの光路200に対して直交するようにミラーM3が配置されている。従って、第2光波干渉計10Bから射出したレーザ光は、ミラーM2で反射し、ミラーM3で反射してミラーM2に入射し、ミラーM2で反射して再び第2光波干渉計10Bに入射する。さらに、第2運動体16には、スケール12Aの目盛りの位置変化を検出する相対変位検出部16Aが設けられている。スケール12Aと相対変位検出部16Aとの関係については、後に詳述する。第2運動体16も、第1運動体12と同様に紙面の左右方向に運動可能である。
【0022】
上記の第1空間14と第2空間18は、隔壁20により隔離されている。隔壁20におけるレーザ光の透過部分、つまり光路200の透過部分と相対変位検出部16Aとスケール12A間の光路の透過部分は光学的に透明な部材(例えばガラス)で構成される。もちろん、隔壁20の当該部分を中空容器とし、その内部に屈折率の揺らぎが生じないように気体を充填させてもよい。第1空間14は図示されない容器の内部に形成されるものであり、第2空間18は容器内に形成されてもよいが、大気開放されていてもよい。
【0023】
姿勢制御部24は、第1運動体12の運動方向における位置の制御と第1運動体12の姿勢を制御する手段である。具体的には、第1光波干渉計10Aで計測された第1運動体12の位置、姿勢に応じてミラーM1が光路100に対して常に直交するように制御する。
【0024】
姿勢制御部32は、第2運動体の運動方向における姿勢の制御する手段である。具体的には、第2光波干渉計10Bで計測された第2運動体16の姿勢に応じてミラーM3が光路200に対して常に直交するように制御する。具体的には、ミラーM3が光路200に対して常に直交するように、第2運動体16のヨー角やピッチ角を調整する。これにより、第1運動体12と第2運動体16が平行に運動し、従って第1運動体12と第2運動体がともに真空中の光軸100に対して平行に運動することになる。なお、第2干渉計10Bの計測データは、有線あるいは無線で姿勢制御部32に供給することができる。
【0025】
相対変位検出部16Aは、スケール12Aの目盛りに向けてレーザ光を投射し、その反射光を受光することで目盛りの変位を検出する。目盛りとして回折格子を例にとると、相対変位検出部16Aからスケール12Aに向けて投射されたレーザ光の光路は、図において光路300、400として示される通り、±1次の回折角の方向より目盛りに入射する。この投射光は、目盛り(回折格子)で回折し、この回折光は0次の回折光、つまりスケール12Aに対して垂直をなす反射光となる。そして、この反射光は相対変位検出部16Aの図示しないミラーにより反射され、スケール12Aの目盛りに対して垂直な光路500となって入射する。スケール12Aの目盛りに垂直入射する光路500は、目盛りで回折して±1次の回折光となり、光路300、400を通って相対変位検出部16Aの図示しない受光部に入射する。相対変位検出部16Aでは、再入射した光路300、400のレーザ光に基づき、公知(例えば「高分解能リニアスケール」梶谷 誠、精密工学会誌、JPSE−57、1943頁参照)の方法で、互いに平行に運動する第1運動体12と第2運動体16の相対変位を検出する。検出原理を簡単に説明すると、回折格子からの0次光には格子の位相が含まれていないが、±1次光には格子の位相情報が含まれており、格子がある方向に移動すると回折光の位相も変化する。そこで、この位相を検出することで(具体的には、±1次光の干渉光の強度変化)、第1運動体12と第2運動体16の相対変位を検出することができる。
【0026】
演算部33は、第1光波干渉計10Aで計測された第1運動体の位置データと、相対変位検出部16Aで計測された第1運動体12と第2運動体16の相対変位データに基づいて、第2運動体の位置を算出するものである。具体的には、第2運動体の位置=第1運動体の位置+両運動体の相対変位で算出する。算出された第2運動体16の位置は、例えば図示しない表示装置などに出力される。
【0027】
このように、本実施形態では、実質的に真空状態にある第1運動体の位置を光波干渉計で高精度に計測し、第1運動体と第2運動体の相対変位を空気の屈折率の変動影響を受けないスケールを用いて高精度に計測し、両計測値に基づいて第2運動体の位置を高精度に算出することができる。
【0028】
なお、第2運動体16の姿勢を計測するための光路200上は、高精度制御の観点からは可能な限り屈折率の揺らぎを少なくすることが必要である。従って、ミラーM3周囲のエリア600は、例えば隔壁20と同様に屈折率の揺らぎのないガラス材で構成するのが好適であり、またその周囲をこのようなガラス材で構成し、内部を実質的に真空状態にしてもよい。
【0029】
さらに、隔壁20と第2運動体16の間に存在する空気の揺らぎの影響を抑制すべく、層流形成部30で高速の気流を注入してこの間隔の気体の流れを安定化することも好適である。なお、第2運動体16の運動による空気の揺らぎを効果的に抑制するためには、層流の速度は第2運動体16の運動速度に比べて著しく大きいことが必要である。
【0030】
図2には、第1運動体12と第2運動体の具体的な駆動機構(姿勢制御部24、32を含む)が示されている。第1運動体12及び第2運動体16は、いずれもその運動に関わる案内機構と駆動機構が不可欠であり、第2運動体16に関しては空気中の運動であるため、例えば通常の高精度工作機械等で用いられている機構をそのまま利用することができるが、第1運動体12に関しては真空中における高精度の移動を実現する必要がある。通常の接触型案内機構を用いたのでは、例えば真空に適合した潤滑等の問題が生じ得る。一方、第1運動体12に関して磁気浮上機構や非接触リニアモータ等の非接触型案内機構を用いることも考えられる。本実施形態では、以下のような簡易な駆動機構を採用している。
【0031】
すなわち、図において、第1運動体12及び第2運動体16は紙面垂直方向に向かって運動する。第1運動体12を収容する隔壁20は支持機構34によって支持される。また、第2運動体16は図示しない被測定体に固定される。
【0032】
隔壁20には、既述したようにレーザ光が透過する透過部材が設けられ、ここでは窓20Aとして示されている。隔壁20内は実質的に真空状態に維持される。
【0033】
また、隔壁20内には、第1運動体12が運動方向に沿って運動自在に設けられており、更にミラーM2及びスケール12Aを含む第1光学系36が設けられている。第1運動体12は、上下制御部600及び左右制御部700により隔壁20に対して非接触で駆動される。上下制御部600及び左右制御部700は、図1における姿勢制御部24に相当するものである。上下制御部600は第2運動体16に固定配置された磁気回路構成素子38と、第1運動体12に固定配置された磁気回路構成素子40と、磁気回路構成素子38を励磁する励磁制御コイル42とで構成される。また、左右制御部700は第2運動体16に固定配置された磁気回路構成素子44と、第1運動体12に固定配置された磁気回路構成素子46と、磁気回路構成素子44を励磁するための励磁制御コイル48とで構成される。さらに、上下制御部600による励磁作用を検出するため磁気センサ50が設けられ、また、左右制御部700による磁気作用を検出するため磁気センサ52が設けられている。
【0034】
上下制御部600及び左右制御部700によって、磁気センサ50,52の出力に基づいて励磁が制御され、その結果、常に第1運動体12の姿勢が一定に制御される。すなわち、隔壁20に対して非接触で安定した状態が構築される。
【0035】
第2運動体16には、第2光学系37が設けられており、この第2光学系37は図2に示したミラーM3及び相対変位検出部16Aを含む。すなわち、窓20Aを介して第1光学系36と第2光学系37との間でレーザ光が行き来する。
【0036】
このような構成において、第2運動体16が運動すると、相対変位検出部16Aにより第2運動体16と第1運動体12の相対変位が常に検出される。上述したように、第1運動体12の位置は真空条件下において高精度に測定可能であるので、結果として第1運動体12の位置として第2運動体16の位置を高精度に測定することが可能となる。換言すれば、空気中にある第2運動体16の位置を真空での観測と同様の精度をもって観測することができる。従って、光波干渉測長計の機能を充分に利用して高精度の位置測定を実現できる。
【0037】
なお、相対変位検出部16Aで検出された相対変位を姿勢制御部24にフィードバックし、第1運動体12の位置を制御して相対変位がゼロとなるように制御することも可能である。すなわち、第1運動体12を第2運動体16の移動に追従させて移動させることも可能である。これにより、第2運動体16の移動量が大きい場合でも、相対変位を確実に計測してその位置を算出することが可能となる。
【0038】
図2に示すような装置は、例えば高精度の加工を行う装置や半導体製造装置などの分野で用いることが可能である。
【0039】
<第2実施形態>
上述した第1実施形態においては、第1運動体12と第2運動体16の相対変位を計測する機構として反射型スケールを用いる例を示したが、透過型スケールを用いて計測することも可能である。
【0040】
図3には、透過型スケールを用いる場合の構成が示されている。図において、(A)は正面図、(B)は側面図である。第1運動体12には透過型スケール12Aとコーナキューブ(あるいは反射ミラー)12Bが設けられ、第2運動体16には相対変位検出部16Aが設けられる。相対変位検出部16A内には、レーザ光を射出する発光部16Bと受光部16Cが設けられている。発光部16Bからのレーザ光はスケール12Aの目盛りを透過し、コーナキューブ12Bで反射し、スケール12Aを通過することなく受光部16Cに入射する。
【0041】
このような構成により、目盛りが回折格子でない通常の目盛り格子でも容易に位置測定装置を得ることができる。
【0042】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、空気中又はそれと同一視される環境下におかれた運動物体の変位(位置)を真空中における光波干渉測長と同程度の精度で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施形態の全体構成図である。
【図2】 本発明の実施形態の駆動機構説明図である。
【図3】 本発明の他の実施形態の構成図である。
【符号の説明】
10A 第1光波干渉計、10B 第2光波干渉計、12 第1運動体、14第1空間、16 第2運動体、18 第2空間、20 隔壁、24 姿勢制御部、30 層流形成部、32 姿勢制御部、33 演算部、100 第1計測光路、200 第2計測光路、600 上下制御部、700 左右制御部。
Claims (9)
- 第1空間内を運動する第1運動体と、
第2空間内を前記第1運動体と並行に運動する第2運動体と、
前記第1空間と第2空間を隔離する、少なくともその一部に光を透過する透過部を備える隔離手段と、
前記第1運動体の変位を測定する第1光波干渉測長計と、
前記第1運動体と第2運動体の相対変位を測定する相対変位測定手段と、
前記第1測長手段で測定された第1運動体の変位と、前記相対変位測定手段で測定された相対変位に基づき、前記第2運動体の位置を演算する演算手段と、
を有し、前記相対測定手段は、
前記第1運動体又は前記第2運動体の一方に設けられたスケールと、
前記第1運動体又は前記第2運動体の他方に設けられ、前記スケールの目盛り位置の変化を検出する検出手段と、
を含むことを特徴とする位置測定装置。 - 前記第1空間は、実質的に真空状態であることを特徴とする請求項1記載の位置測定装置。
- 前記第1空間は、空気に比べて光の屈折率の揺らぎが少ない気体で満たされることを特徴とする請求項1記載の位置測定装置。
- 前記第2空間は、実質的に空気で満たされることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の位置測定装置。
- 前記第2運動体の姿勢を計測する第2光波干渉測長計と、
前記第1光波干渉測長計で計測された前記第1運動体の姿勢と、前記第2光波干渉測長計で計測された前記第2運動体の姿勢に基づき前記第1運動体と前記第2運動体を平行に運動せしめる制御手段と、
をさらに有することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の位置測定装置。 - 前記第1運動体に設けられた第1及び第2反射鏡と、
前記第2運動体に設けられた第3反射鏡と、
をさらに有し、
前記第1反射鏡は、前記第1光波干渉測長計の光路に直交するように配置され、
前記第2反射鏡は、前記第2光波干渉測長計からの光を前記第2運動体に向けるべくその光路に対して所定角をなして配置され、
前記第3反射鏡は、前記第2反射鏡で反射された前記第2光波干渉測長計からの光の光路に直交するように配置され、
前記制御手段は、前記第1、第2及び第3反射鏡と光路との関係を維持するように制御することを特徴とする請求項5記載の位置測定装置。 - 前記所定角は、π/4であることを特徴とする請求項6記載の位置測定装置。
- 前記隔離手段と前記第2運動体の間に、前記第2運動体の移動速度よりも大きい移動速度を有する気体の流れを生ぜしめる層流形成手段と、
をさらに有することを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の位置測定装置。 - 前記隔離手段は、非磁性材料で構成され、
前記第1運動体は、磁気的相互作用により前記第2運動体の運動に追従して非接触で運動することを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の位置測定装置。
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