JP4050459B2 - ２つの対象物の位置を検出するための装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対象物に配設されている線状格子から形成されたクロス線状格子を備えた、２つの互いに相対的に移動可能な対象物の位置の検出及び又は調整のための装置、即ち要するに、２つの対象物の第１に平面（二次元並進）相対運動の際の６つの可能な運動成分の同時検出を可能にする測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の装置の公知のものでは、全部で６つの運動成分は検出不可能でありかつそのためには互いに精密に配設された２つから３つ迄の平らな基準面を備えた基準体（スタンダード）が必要となる。
【０００３】
公知の装置は、運動成分の検出に限定されるのみならず、このために構成上極端にコストがかかる。一般に公知の装置はニリアスタンダードの使用に基礎をおいている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、簡単な構成で全部で６つの運動成分の検出を可能にする装置を創造することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この課題は、本発明によれば、冒頭に特定された種類の装置では、請求項１の特徴部に記載された特徴によって解決される。
【０００６】
本発明の特別に有利な実施形態は、従属請求項に特定されている。
【０００７】
本発明により、２つの相対並進運動及び１つの回転が光学的方法で検出可能でありかつ同時に距離が、対象物の２つの面の間の３つの個所で検出可能であり、その結果対象物の相対運動の全部で６つの成分が検出される。
【０００８】
従来、２つから３つ迄の精密に互いに配設された、平らな基準面を備えたスタンダード（基準体）の製造が必要であった。１つの面の製造しか必要ない場合、著しく僅かな製造技術的コストで済む。しかし２つ又はそれ以上の基準面を備えた矩形状のスタンダードの使用は、測定の実施の際１つの面の製造の場合に比して著しく大きな装置コストを意味する。
【０００９】
従来成分の正確に立体的な整列が必要であった。その際測定の実施のために２つの平面に関する測定システム成分の平行度が保証されなければならなかった。本発明では、２つの対象物を一平面に関してのみ略互いに平行に配設し、このことは距離検出装置によって追加的に容易にされる（３つの等しい距離＝両平面平行）。従来の場合のように必要な接合工程は、必要なく、このことは測定の実施を著しく容易にする。
【００１０】
位置決め検出及び位置検出のための格子目盛を備えたインクリメンタル位置測定システムの使用は、検出、即ち精度、高い分解能、妨害不感度（電磁的）、レーザ干渉計の使用の際に阻害作用し得るような周囲の影響（空気温度、空気湿度、空気圧）に対する安定性に対して重要である。
【００１１】
本発明を、次に部分的には図面に基づいて、詳しく説明する。
【００１２】
【実施例】
剛固な対象物は、６つの運動自由度を有する。３つの並進運動成分：Ｘ−、Ｙ−及びＺ−成分、及び３つの回転自由度；Ａ−、Ｂ−及びＣ−。対象物の位置決め及び位置は、６つの自由度の付与によって完全に描かれる。この６つの量の時間的経過の付与によって、対象物の運動が完全に確定される。これらの自由度の配列は、図１中の座標系（ＩＳＯによる）に表されている。
【００１３】
操作機器、又は特に工作機械の軌道精度の検出の背景：
工作機械又は他の市販の機器の工具及び工作物の相対位置の検出は、機械度量衡学の中心の課題である。一連の測定機器は、このために開発された。従来の装置の特徴は、常に相対運動の部分成分のみが検出され、かつ相対運動を完全に描く全部で６つの自由度は検出されることができないことである。
【００１４】
工作機械及び操作機器の静的及び動的精度の検査は、多数の測定器によるここの幾何学的特徴の別々の検出によって行われる。種々の測定手段の使用は、部分的には著しい装置的及び時間的コストを意味する。そのために相異なる測定の間に従来考慮されることができなかった求められるべきシステムの変更が行われる。
【００１５】
全部で６つの運動成分の検出を可能にする装置は、本発明による装置に対してリニアーな優先方向を有する。この測定装置は、従って非優先方向（次にＸ方向と称する）における非常に制約された運動成分の検出のみを可能にする。従って１つの以上の特徴のある運動座標による運動の検出は不可能である。これに対して本発明は、第１に二次元（平面）運動における全ての運動成分の検出を可能にする。それによって初めて一般的に平面軌道における全ての運動成分の関連ある検出が可能である。測定の実施中求められるべきシステムの変更を排除するために、測定の相互関連性が必要である。関連ある測定の可能性は、従来の進行方法に比して著しい時間的及びコスト的節約を開いた。完全な機械挙動の少なくとも付加的な検出の二三の可能性は、従来加工研究の実施上で成立した。工具と工作物の相対運動は、間接的にかつプロセスによって重ね合わされた影響により得られる測定結果の阻害の下にかつ間接的に求められた。幾何学的情報は、機械的方法で工作物の形態から導入されなければならない。しかしそのような検査では、変位の大きさの時間的経過は確定されることができない。
【００１６】
本発明により構成された測定システムの構成：
図２に示すように、対象物１は、ベース（図示しない工具ホルダ）と固着されている。対象物２は、その前記ベースに対する相対運動が検出されるべき基板２′（工作物支持台）と剛固に結合している。例えば対象物１の制御装置が近似的にＸ−Ｙ平面内で移動されると、相対運動の全ての運動成分が検出される。
【００１７】
装置は、２つの対象物１、２から成る。対象物２は、一平面４内に直交する２つの線状格子３ａ、３ｂの配列を有する。対象物１は、同様に線状格子６、７及び８の平らな配列５を備える。
【００１８】
平面９内のこれらの線状格子の中、２つは平行で、即ち６及び７が、そして第３の格子８は、これら第１のものに対して垂直に配設されている。
【００１９】
線状格子３ａ、３ｂ及び６〜８のこれらの配列は、対象物１、２のＸ−及びＹ−方向における並進相対運動の検出並びに同時に両平行な線状格子６及び７の確定された位置との比較による両対象物の回転相対運動（Ｃ）の検出を可能にする。両対象物１と２との間に追加的に対象物の距離の検出のための装置が設けられている場合、同時に両並進及び回転自由度によって、他の並進運動及び２つの他の回転自由度が検出される。両対象物１、２上で又は間で、両対象物１と２の間の距離又は両平面４と９との間の距離が検出されるという方法で距離検出のための３つの装置１０、１１及び１２が取り付けられている。距離検出装置（容量的、誘導的、走査的又は据え込み圧測定による）の配列は、原理的には自由であるが、幾何学的理由から、距離の検出のための測定個所は直線上に位置することは許されない。３つの距離の評価は、並進自由度ｄＺ及び回転自由度ｄＡ及びｄＢについての指示を提供する。３つの距離測定個所より少なく使用される場合、相応して僅かな運動成分が検出されることができる。
【００２０】
３ 走査装置：ｄＺ、ｄＡ、ｄＢは、顕在的に特定可能である。
【００２１】
２ 走査装置：ｄＺは、顕在的にされ、ｄＡ及びｄＢは、和としてのみ特定可能である。
【００２２】
１ 走査装置：ｄＺが顕在化され、勿論制約されており、ｄＡ及びｄＢは特定されることができない。
【００２３】
類似して対象物１に３つより少ない線状格子の使用の際についての言及が行われる。
【００２４】
３ 線状格子、そのうち２つは対角線、第３のものは両第１格子の１つに対して平行である。
【００２５】
２つの相対的並進運動及びこれらの並進運動に対して垂直の軸線に対する相対的回転運動の検出。
【００２６】
２ 格子、直交
二次元、並進運動が検出され、これは両並進運動に対する垂直の軸線のまわりの回転については何も言及がない。
【００２７】
１ 線状格子：
該当する線状目盛に対して横の運動のみが検出されることができる。
【００２８】
図３（ａ）〜図３（ｃ）による相異なる構成方法による図示：
図３（ａ）：平面格子目盛３ａ、３ｂ及び同一対象物における距離基準面：平面格子目盛は、対象物２に取り付けられ、３つの線状格子６、７及び８は、対象物１に取り付けられ、距離検出装置１０、１１及び１２（走査体として実施されている）は、対象物１に取りつけられかつ基準面４上の３つの距離は、対象物２で検出される。
【００２９】
図３ｂ：平面格子目盛は対象物１に、距離基準面は他の対象物２に設けられている。平面格子目盛３ａ、３ｂは対象物２に取り付けられ、３つの線状格子６、７及び８は、対象物１に取り付けられ、距離検出装置１０、１１及び１２（走査体として実施されている）は、対象物２に取り付けられかつ基準面９上の３つの距離は対象物１で検出される。
【００３０】
図３ｃ：平面格子目盛は対象物１に、そして距離基準面は両対象物に、平面格子目盛３ａ、３ｂは、対象物２に取り付けられ、３つの線状格子６、７及び８は、対象物１に取り付けられ、距離検出装置は分割されていて、１０は対象物１に、１１、１２は対象物２に取り付けられかつ対象物２の基準面４上の距離又は対象物１の基準面９上の距離が検出される。
【００３１】
図４は、他の使用を示す：
リニアー案内システム、工作機械において広く拡張されている構成の研究のために、平面状スタンダード２が、２つの並進運動方向に移動可能なテーブル２′上に取り付けられる。測定装置によって二次元走行領域の任意の位置において、ベース１３に対する理想的な並進的な２−Ｄ運動の全ての並進的変位及び回転変位が検出されることができる。
【００３２】
図５は、マニピュレータのカリブレーションのための使用を示す。直列又は並列の運動装置のマニピュレータのカリブレーションは、与えられた位置固定の参照システムに関するエンドエフエクタ（Ｅｎｄｅｆｆｅｋｔｏｒ）の位置及び方向の認識を必要とする。工作物クランプ面２′によって特定されて、所定の参照システムにおけるエンドエフエクタ３０の６軸線位置決め及び位置の検出によって、後の運転及び効果的なマニピュレータ幾何学的特性の検出のための修正値の特定が、可能にされる。平面状スタンダード２によって画定された一平面内の測定点の分配の可能性は、専ら１−Ｄリニアーの選択可能な測定点に比して、カリブレーションの可能性の著しい改良を意味する、そのわけは同一の測定では、開始されるべき測定点は一平面を画定するからである。
【００３３】
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、結局第１に二次元並進基本運動における、全ての自由度における、部分、例えばウエハーの位置決めのための装置を示す。
【００３４】
装置は、二次元の光学格子目盛（クロス格子）１５を備え、ガラス又は金属から成ることができかつ中実の基板１７上に固定された平らな対象物１６から成る。その上に配設された成分−支持体１８には、対象的に分配されて、クロス格子１５に対して垂直に配設された３つの距離検出装置１９、２０、２１が有り、これらは走査体又は容量センサであり得る。
【００３５】
距離検出装置１９、２０、２１の間に合理的に３つの空気軸受２２、２３、２４が配設されており、空気軸受は下方の対象物１６上にクロス格子１５と接触なしに支持する。空気軸受２２、２３、２４の代わりに、勿論無接触的に作動する軸受、例えば磁気軸受も使用され得る。空気軸受２２、２３、２４と成分支持体１８との間に更に調整駆動装置２５、２６、２７が配設されており、これらはピエゾ素子で有り得る。調整駆動装置２５、２６、２７によって成分支持体１８とその下に位置する対象物１６との間の距離が微細に変更されることができる。
【００３６】
成分支持体１８の中央に、クロス格子１５用の所属の走査ヘッド２８が位置決めされている。走査ヘッド２８は、図２による配列に相応して更に３つの線状格子を有し、その中２つが互いに平行に配設されている。これらの走査ヘッド２８は、Ｘ−及びＹ−軸における成分支持体１８の運動及び光学的方法でクロス格子１５に関するＸＹ平面内の回転を検出することができる。
【００３７】
成分支持体１８上には、中間板２９が固定されている。中間板２９には、図示しない方法で外部駆動装置、例えば３つのリニアーモータが連結され、リニアーモータは、Ｘ−及びＹ−軸における空気軸受された全構成ユニットを移動させかつＸＹ平面に関して回転することができる。中間板２９の上面は、同時に位置決めされるべき部分（ウエハ）１４の収容面であり、この部分は、例えば真空によって中間板２９上に吸引されかつそれによって固定されることができる。
【００３８】
上記の装置及び電子的調整によって、例えばウエハ１４が平らな基本面に対する相対運動の全部で６つの可能な成分に関して位置決めされることができる。及びＹ−方向の相対運動及びＸＹ平面内の回転は、その際外部駆動装置（例えばリニアーモータ）によって作用されかつ中央の走査ヘッド２８によって検出される。更に３つの空気軸受２２、２３、２４を介して配設された３つの調整駆動装置２５、２６、２７は、平らな対象物１６に対するウエハ１４の距離を変えることができる。これらの相対運動は、３つの距離検出装置１９、２０、２１によって記録される。
【００３９】
一般的にそのような装置は、主として二次元の並進的に動かされるべき部分、この場合ウエハ１４が、尚追加的に可能な相対運動の他の全ての成分に追加的に正確に調整されるような個所、例えばウエハーステッパのような個所で使用されることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、６自由度を有する運動のためのＩＳＯによる座標系の図式図である。
【図２】図２は、本発明による装置（測定システム）の図式的構成を示す図である。
【図３】 図３は、測定システムの種々の変形を図式的に表す図であり、（ａ）は距離検出装置が第１対象物に付設されている場合、（ｂ）は、距離検出装置が第２対象物に付設されている場合、そして（ｃ）は距離検出装置が第１対象物及び第２対象物に付設されている場合を示す。
【図４】 図４は、本発明による装置の他の使用を示す図である。
【図５】 図５は、マニピュレータのカリブレーションのための使用を示す図である。
【図６】 図６は、ウエハステッパの対象物の位置決めのための本発明による装置の使用を示す図であり、（ａ）はその側面図、そして（ｂ）はその平面図である。
【符号の説明】
１ 他の対象物
２ 一方の対象物
３ａ 二次元格子目盛
３ｂ 二次元格子目盛
４ 基準面
６ 格子
７ 格子
８ 格子
９ 面
１０ 距離検出装置
１１ 距離検出装置
１２ 距離検出装置

Claims (7)

1. 対象物に配設されている線状格子から形成されたクロス線状格子を備えた、相対的に運動可能な２つの対象物（１，２）の位置の検出及び又は調整のための装置において、
   一方の対象物（２）に、二次元格子目盛（３ａ、３ｂ）を備えた平らな偏平なスタンダードが、平らな基準面（４）として配設されており、並びに他方の対象物（１）には、スタンダードに対して平行な平らな面内に又は該面に対して平行に設けられた、二次元格子目盛を読み取るための読み取りヘッドを形成する少なくとも２つの格子（６、７、８）を備えた、スタンダードに対して平行に整列可能な平らな面（９）が配設されており、そして更に、両面（４、９）の個別の距離検出のために前記両対象物面の間で作動する少なくとも１つの装置（１０、１１、１２）が設けられていることを特徴とする前記装置。
2. 両対象物面の間に３つの距離検出装置（１０，１１，１２）が設けられており、これらの距離検出装置は、共通の直線上には位置しない３つの位置に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記他方の対象物（１）に、３つの線状格子（６，７，８）が設けられており、そのうち２つが互いに平行な格子（６，７）であることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. クロス格子（１５）と距離検出装置との間の距離を距離検出装置が、容量値の変化、誘導値の変化、機械的長さの変化又は接触圧力の変化によって検出する機器であることを特徴とする請求項１から３までのうちのいずれか１つに記載の装置。
5. 距離検出装置が距離を検出するために対象物に装着された検出ユニットとして形成されておりかつ一方の対象物及び又は他方の対象物の面から垂直に突出することを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 両対象物の任意の相対移動に際して検出された位置値の記憶及び又は処理のための又は予め設定された目標値に基づいて、制御された該相対移動を実施させる手段が、設けられていることを特徴とする、請求項１から５までのうちのいずれか１つに記載の装置。
7. クロス線状格子を形成する線状格子が、光学格子であることを特徴とする請求項１から６までのうちのいずれか１つに記載の装置。

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