JPH11344305A - 位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構造で移動体の位置を高精度で検出し
得るようにする。 【解決手段】 移動部材Ｗには、四角錐形状の凹面Ｃを
構成する４つの反射面１１〜１４を有する反射部材１０
が設けられている。この凹面Ｃには所定のビーム径を有
し光源１６から入射されるレーザービームが照射される
ようになっており、レーザービームがそれぞれの反射面
に照射されて、それぞれの反射面からの反射光が入射さ
れる受光素子２１〜２４が反射部材１０に対向して配置
されている。移動部材ＷがＸ軸方向やＹ軸方向に変位し
た場合には、受光素子２１〜２４に入射される反射光の
光強度が変化することから、変位した方向とその量が検
出されることになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は平面内を移動する部
材が所定の基準位置に対してどの程度変位しているを検
出し、基準位置に位置決めし得るようにした位置検出装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】被測定物の表面を検査する場合には、被
測定物をこれの表面に平行なＸ軸とＹ軸の二軸方向に移
動させるようにしており、さらに被測定物をその表面に
垂直なＺ軸方向にも移動させるようにしている。この場
合には、ＸＹＺの三軸方向に被測定物を移動させて所定
の位置に被測定物を位置決めする必要があるため、高精
度で被測定物の位置を検出し、基準位置に対する変位量
つまり移動量を検出しなければならない。同様に、被測
定物の移動に際して、被測定物が傾斜方向に変位した
り、回転方向に変位することがある場合には、その変位
量を測定する必要がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】たとえば、レチクル上
に描画されたパターンを半導体ウエハ上に投影露光して
回路パターンを形成するための投影露光装置つまりステ
ッパにあっては、投影露光装置の所定の位置にウエハを
位置決めする必要がある。そのため、従来では、ウエハ
に形成されたマークの位置を光学的に読み取り、読み取
った画像データを画像処理することによってウエハの位
置を検出するようにしている。その場合には、画像処理
の機能を有する複雑な位置決め装置が必要となるだけで
なく、位置検出精度に限度があった。

【０００４】また、走査形プローブ顕微鏡(scanning pr
obe microscope) にあっては、位置決めに圧電素子を用
いているが、印加電圧に対して変位量が非線形かつ履歴
物性を持つために精度が必要な場合には線形特性を有す
る変位計で、ＸＹＺ方向の変位を測定する必要がある。
しかし、独立した３組の変位計を設けると、位置検出装
置が複雑となってしまう。

【０００５】本発明の目的は、簡単な構造で被測定物の
位置を高精度に検出し得るようにすることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の位置検出装置
は、移動体に光源からの入射光を照射して前記移動体か
らの反射光により前記移動体の前記入射光に対して直角
方向である横方向の移動量を検出する位置検出装置であ
って、前記入射光の照射される位置を頂点として前記入
射光周りに相互に所定の角度をなして前記移動体に形成
された少なくとも３つの角錐形状の反射面と、それぞれ
の前記反射面からの反射光を受光する少なくとも３つの
受光手段と、それぞれの前記受光手段のうち２つの受光
手段に到達した反射光の強度に応じて、前記入射光に対
して直角方向をなすＸ方向の強度差を演算するＸ方向強
度差演算手段と、それぞれの前記受光手段のうち２つの
受光手段に到達した反射光の強度に応じて、前記Ｘ方向
に対して直角方向をなすＹ方向の強度差を演算するＹ方
向強度差演算手段と、前記Ｘ方向の強度差に基づいて前
記移動体のＸ方向の移動量を演算するＸ方向移動量演算
手段と、前記Ｙ方向の強度差に基づいて前記移動体のＹ
方向の移動量を演算するＹ方向移動量演算手段とを有す
ることを特徴とする。

【０００７】本発明の位置検出装置は、移動体に光源か
らの入射光を照射して前記移動体からの反射光により前
記移動体の前記入射光に対する傾斜方向の移動量を検出
する位置検出装置であって、前記入射光の光軸中心を頂
点として前記入射光周りに相互に所定の角度をなして前
記移動体に形成された少なくとも３つの角錐形状の反射
面と、それぞれの前記反射面からの反射光を受光する少
なくとも３つの受光手段と、それぞれの前記受光手段の
うち２つの受光手段に到達した反射光の基準位置に対し
て相互に異なった方向であって前記入射光に対するＸ方
向へのずれ量を演算するＸ方向ずれ量演算手段と、それ
ぞれの前記受光手段のうち２つの受光手段に到達した反
射光の基準位置に対して相互に異なった方向であって前
記Ｘ方向に対して直角方向となったＹ方向のずれ量を演
算するＹ方向ずれ量演算手段と、前記Ｘ方向のずれ量に
基づいて前記移動体のＸ方向の傾斜移動量を演算するＸ
方向傾斜演算手段と、前記Ｙ方向のずれ量に基づいて前
記移動体のＹ方向の傾斜移動量を演算するＹ方向傾斜演
算手段とを有することを特徴とする。

【０００８】本発明の位置検出装置は、移動体に光源か
らの入射光を照射して前記移動体からの反射光により前
記移動体の前記光源に対して接近離反方向である縦方向
の移動量を検出する位置検出装置であって、前記入射光
の光軸中心を頂点として前記入射光周りに相互に所定の
角度をなして前記移動体に形成された少なくとも３つの
角錐形状の反射面と、それぞれの前記反射面からの反射
光を受光する少なくとも３つの受光手段と、それぞれの
前記受光手段に到達した反射光の基準位置に対して同じ
方向へのずれ量を演算するＺ方向ずれ量演算手段と、前
記Ｚ方向のずれ量に基づいて前記移動体の前記光源に対
して接近離反方向である縦方向の移動量を演算する縦方
向移動量演算手段とを有することを特徴とする。

【０００９】本発明の位置検出装置は、移動体に光源か
らの入射光を照射して前記移動体からの反射光により前
記移動体の前記入射光に対する光軸周りの回転方向の移
動量を検出する位置検出装置であって、前記入射光の光
軸中心を頂点として前記入射光周りに相互に所定の角度
をなして前記移動体に形成された少なくとも３つの角錐
形状の反射面と、それぞれの前記反射面からの反射光を
受光する少なくとも３つの受光手段と、それぞれの前記
受光手段に到達した反射光の基準位置に対する光軸周り
方向のずれ量を演算する回転方向ずれ量演算手段と、前
記回転方向のずれ量に基づいて前記移動体の前記光軸周
りに対する回転移動量を演算する回転移動量演算手段と
を有することを特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳細に説明する。

【００１１】図１は本発明の一実施の形態である位置検
出装置の基本原理を示す図であり、Ｘ方向、Ｙ方向およ
びＺ方向の３次元方向に直線移動自在であり、θ_X 方向
およびθ_Y 方向に傾斜移動自在であり、Ｒ方向に回転自
在となった移動部材Ｗには反射部材１０が設けられてい
る。

【００１２】この反射部材１０には、四角錐形状の凹面
Ｃが形成されており、この凹面Ｃは相互に所定の角度γ
をなして対向つまり向き合っている第１の反射面１１と
第２の反射面１２と、これらの反射面１１，１２に対し
て９０度の角度を隔てて相互に所定の角度γをなして対
向する第３の反射面と第４の反射面１４とを有してい
る。この凹面Ｃは、図示する場合には、ビッカース硬さ
試験機のダイヤモンド製の四角錐形状の圧子を用いて反
射部材１０の表面にピラミッド形のくぼみつまり圧痕を
つけることにより形成されており、頂角つまり凹面Ｃの
頂点１５を中心とした対向する２つの反射面のなす角度
γは、１３６度となっている。

【００１３】反射部材１０に対向させて凹面Ｃにレーザ
ービームを照射する光源１６が配置されている。この光
源１６としては、円形のビームスポットを発生させる場
合には、ヘリウム・ネオン(He-Ne) レーザーが使用さ
れ、長方形のビームスポットを発生させる場合には、半
導体レーザーが使用される。

【００１４】光源１６からのビームの入射光１７のう
ち、第１の反射面１１で反射した反射光を受光する第１
の受光素子２１と、第２の反射面１２で反射した反射光
を受光する第２の受光素子２２と、第３の反射面１３で
反射した反射光を受光する第３の受光素子２３と、第４
の反射面１４で反射した反射光を受光する第４の受光素
子２４とがそれぞれ反射部材１０に対向させて配置され
ている。

【００１５】したがって、図２に示すように、反射部材
１０に対する４つの受光素子２１〜２４の位置関係を示
すと、第１の受光素子２１と第２の受光素子２２は、入
射光１７に対して直角方向である１つの横方向つまりＸ
方向に相互に対向し、第３の受光素子２３と第４の受光
素子２４は、入射光１７に対して直角方向であるととも
にＸ方向に対して直角方向をなすＹ方向に相互に対向
し、それぞれの受光素子２１〜２４は入射光１７の光軸
周りに隣り合う位相角εが９０度となって配置されてい
る。

【００１６】それぞれの受光素子２１〜２４は、移動部
材Ｗに隣接して配置された固定部材に取り付けるように
しても良く、移動部材Ｗに図示しない支持部材を介して
取り付けるようにしても良い。

【００１７】図３は図１における３−３線に沿う反射部
材１０の断面図であり、図３（Ａ）は光源１６から円形
のレーザービームの入射光１７を凹面Ｃに照射した場合
における入射光の光軸中心と、受光素子２１，２２に向
かう反射光の光軸中心の軌跡を示す図である。レーザー
ビームは所定のビーム径を有しており、これを反射部材
１０に入射すると、図５に示すように、ビーム径に対応
したスポット径ｄのレーザービームが凹面Ｃに照射され
る。

【００１８】図５（Ａ）は光源１６からのレーザービー
ムがその光軸中心を頂点１５と一致させて凹面Ｃに照射
された状態を示す図であり、この場合には、４つの反射
面１１〜１４には、それぞれ同一の照射面積Ｓ１〜Ｓ４
となってレーザービームが照射されることになる。

【００１９】この状態から移動部材Ｗによって反射部材
１０がＸ軸方向に変位すると、第１と第２の反射面１
１，１２に照射されるレーザービームの照射面積は相違
することになる。Ｘ方向は光源１６からの入射光に対し
て直角方向をなすとともに第１と第２の反射面１１，１
２が相互に対向する方向である。

【００２０】図５（Ｂ）は同図（Ａ）の状態から反射部
材１０が矢印で示したように、図において左側に移動し
た状態におけるレーザービームの照射面積Ｓ１〜Ｓ４を
示す図である。この方向に移動すると、反射面１１への
照射面積Ｓ１は反射面１２への照射面積Ｓ２よりも減少
し、他の反射面１３，１４への照射面積Ｓ３，Ｓ４は相
互に同一となる。

【００２１】同様に、入射光に対して直角方向をなすと
ともに、第３の反射面１３と第４の反射面１４とが相互
に対向する方向、つまりＹ方向に移動部材Ｗが変位した
場合には、第３と第４の反射面１３，１４への照射面積
が変化し、第１と第２の反射面１１，１２への照射面積
は相互に同一となる。さらに、Ｘ方向とＹ方向の両方向
に移動部材Ｗが変位した場合には、４つの反射面１１〜
１４に対する照射面積は相互に相違することになる。

【００２２】したがって、このように照射面積が変化す
ると、それぞれの反射面１１〜１４から受光素子２１〜
２４に至る反射光の強度は変化することになるので、反
射光の強度を検出することによって、入射光の光軸中心
が凹面Ｃの頂点１５と一致する位置を基準位置として、
移動部材Ｗが入射光１７に対して直角の方向（横方向）
に変位つまり移動した場合に、Ｘ方向とＹ方向のそれぞ
れの方向に移動部材Ｗがどの程度変位したかを求めるこ
とができる。

【００２３】求めることができる変位量は、ビーム径ｄ
が凹面Ｃの領域内から外れない範囲であり、ビーム径ｄ
は凹面Ｃよりも小さい値に設定される。その変位量を検
出することにより、たとえば、移動部材Ｗを基準位置に
位置決めする場合には、その基準位置とのずれ量を求め
てずれ量がゼロとなるように移動部材Ｗを移動すれば、
移動部材Ｗを基準位置に位置決めすることができる。

【００２４】図３（Ｂ）は二点鎖線で示すように、反射
部材１０の表面が入射光１７に対して直角となっていた
状態を基準位置として、その位置から、実線で示すよう
に、図において反時計方向に角度θ_X だけ傾斜した場合
を示す図である。この傾斜方向は第１と第２の反射面１
１，１２が相互に対向する方向、つまりＸ方向に傾斜し
た場合であり、この場合には頂点１５とそれぞれの受光
素子２１，２２までの距離をＬとすると、第１の受光素
子２１には基準位置から２Ｌθだけずれた位置に向けて
反射光が入射し、第２の受光素子２２には基準位置から
同様の距離だけ反対方向にずれた位置に向けて反射光が
入射することになる。

【００２５】同様に、第３と第４の反射面１３，１４が
相互に対向する方向、つまりＹ方向（θ_Y 方向）に傾斜
した場合にも、第３と第４の受光素子２３，２４に入射
する反射光の位置が基準位置から相互に逆方向にずれる
ことになる。

【００２６】したがって、移動部材Ｗが傾斜した場合に
は、反射面からの反射光が受光素子に入射する位置の基
準位置からのずれ量を検出することによって、移動部材
Ｗの傾斜角度と傾斜方向とを検出することができる。

【００２７】図４（Ａ）は二点鎖線で示すように、反射
部材１０の表面と光源１６との間の光軸方向の距離がＤ
となっていた状態を基準位置として、この位置から、実
線で示すように、移動部材ＷがＺ方向に移動して光源１
６に向けて距離Ｅだけ接近した場合を示す図である。

【００２８】この場合には、それぞれの反射光の反射角
度をαとすると、第１の反射面１１からの反射光は第１
の受光素子２１に対し、第２の反射面１２からの反射光
は第２の受光素子２２に対し、それぞれ基準位置よりも
Ｅ cosαだけ同一の方向にずれることになる。このよう
に移動部材Ｗが光源１６に接近するように変位した場合
には、それぞれ反射光が受光素子に到達する位置が光軸
に近づく方向にずれることになる。

【００２９】この場合には、第３の反射面１３からの反
射光と第４の反射面１４からの反射光も、それぞれの受
光素子２３，２４に対して相互に同一方向に同一の距離
だけずれて入射することになる。

【００３０】したがって、第１と第２の受光素子２１，
２２に対してそれぞれの反射光が同一の方向に同一の距
離だけずれて入射した場合には、移動部材Ｗが光軸に沿
って光源１６に接近する方向に変位したか、あるいは離
反する方向に変位したかを検出することができるともと
に、その変位量を検出することができる。

【００３１】このようにして、光源１６に対して接近離
反移動して入射光の光軸に沿う方向つまり縦方向（Ｚ方
向）の変位量を検出することができる。

【００３２】図４（Ｂ）は移動部材Ｗが光軸周りに回転
移動した場合に、受光素子２１に到達する反射光のずれ
を示す図であり、移動部材Ｗが回転する前における反射
光の光軸中心の軌跡を二点鎖線で示し、回転後における
反射光の光軸中心の軌跡が実線で示されている。移動部
材Ｗが回転すると、反射光は基準位置に対して光軸周り
の方向にずれることになり、そのずれ量を求めることに
より移動部材Ｗの回転移動量や回転角度を求めることが
できる。移動部材Ｗが回転した場合には、それぞれの受
光素子に対して同様に光軸周りに同一のずれ量となって
反射光が到達することになる。

【００３３】図６（Ａ）は受光素子２１の具体例を示す
図であり、他の受光素子２２〜２４も同一のものが使用
されている。また、図６（Ｂ）は２つの受光素子２１，
２２のＸ軸方向に沿う断面図である。

【００３４】それぞれの受光素子は、２次元ＰＳＤ素子
であり、反射光が入射する検出面側のＰ層と裏面側のＮ
層と中間のＩ層との３層構造をシリコン基板の表面に有
するものであり、受光素子に入射した光は光電変換され
て光電流としてＰ層に設けられたそれぞれの電極２１_X1
〜２１_Y2から出力されることになる。

【００３５】したがって、受光素子の受光面にスポット
光が入射すると、入射位置には反射面からの反射光の光
強度に比例した電荷が発生し、発生した電荷は光電流と
して抵抗層であるＰ層を通って電極から出力される。こ
れにより、電極から出力される光電流の強さを検出する
ことによって、図５に示すように、それぞれの反射面１
１〜１４に光源１６から照射されたレーザースポットの
照射面積を検出することできる。図３（Ａ）に示すよう
に、Ｘ軸方向に対となった２つの受光素子２１，２２に
入射される反射光の光強度を検出すれば、入射光１７に
対して直角方向となったＸ方向の移動部材Ｗの変位量を
検出することができる。抵抗層は全体的に均一な抵抗値
を持っており、光電流は電極までの距離に逆比例して分
割されて出力される。

【００３６】図６（Ｂ）に示すように、受光素子２１に
対して入射する反射光の基準位置を受光素子２１の両方
の電極２１_X1と２１_X2の中心位置（Ｘ₀ ）とし、反射光
が受光素子２１に対して図示するようにＸ1 だけ光源１
６からの入射光１７の光軸に近づく方向にずれて入射し
た場合には、入射光１７に近い側の電極２１_X1から取り
出される電流Ｉ₁ と、遠い側の電極２１_X2から取り出さ
れる電流Ｉ₂ は、反射光の入射位置のずれ量Ｘ₁ に応じ
て変化することになる。

【００３７】したがって、それぞれの電流値を検出する
ことによって、受光素子に到達した反射光の基準位置に
対するずれ量を求めることができる。

【００３８】図６（Ｂ）に示すように、第１の受光素子
２１への反射光の到達位置が入射光１７の光軸に接近す
る方向にずれ、第２の受光素子２２への反射光の到達位
置が入射光１７の光軸から離反する方向にずれた場合に
は、図３（Ｂ）に示すように、移動部材Ｗが傾斜方向に
変位したと判断することができ、Ｘ₁ の値からその傾斜
量を検出することができる。

【００３９】これに対して、図４（Ａ）に示すように、
移動部材Ｗが入射光１７の光軸に沿う方向に光源１６に
対して接近する方向に変位した場合には、それぞれの反
射光は受光素子２１，２２に対して入射光１７の光軸に
接近する方向にずれることになり、移動部材Ｗの接近移
動を検出することができ、ずれ量から接近方向の変位量
を検出することができる。このようにして、Ｚ方向つま
り縦方向に移動部材Ｗが変位した場合には、その変位量
を求めることができる。移動部材が光源１６から離れる
ように変位した場合には、反射光は受光素子２１，２２
に対して逆方向にずれることになり、移動部材Ｗの離反
移動を検出することができる。

【００４０】図４（Ｂ）に示すように、反射光の到達位
置が光軸周りに回転する方向に基準位置よりもずれた場
合にも、図６（Ａ）に示すずれ量Ｙ₁ を検出することに
よって移動部材Ｗの回転方向の移動量を求めることがで
きる。

【００４１】図７および図８はそれぞれの受光素子２１
〜２４の信号を処理して移動部材の変位量を算出するた
めの制御回路を示すブロック図である。図７に示すよう
に、第１の受光素子２１の４つの電極２１_X1〜２１_Y2に
は、ここからの出力電流を電圧に変換する電流電圧変換
回路３１_X1〜３１_Y2が接続されており、第２の受光素子
２２の４つの電極２２_X1〜２２_Y2には、それぞれ電流電
圧変換回路３２_X1〜３２_Y2が接続され、同様に、図８に
示す第３と第４の受光素子２３，２４のそれぞれの電極
にもそれぞれ電流電圧変換回路３３_X1〜３３_Y2、３４_X1
〜３４_Y2が接続されている。

【００４２】２つの受光素子２１，２２に到達する反射
光の強度に応じて移動部材ＷのＸ方向の移動量を演算す
るために、図７に示すように、第１の受光素子２１に接
続された４つの電流電圧変換回路３１_X1〜３１_Y2には、
加算回路３５ａが接続されており、この加算回路３５ａ
により受光素子２１に反射した光の全光量、つまり反射
光の強度に対応した電圧値が算出される。同様に、第２
の受光素子２２に反射した光の全受光量を算出するため
に、電流電圧変換回路３２_X1〜３２_X2にはそれぞれ加算
回路３５ｂが接続されている。

【００４３】それぞれの加算回路３５ａ，３５ｂの出力
端子は、それぞれの加算回路３５ａ，３５ｂからの出力
電圧値の差に対応した電圧を出力する引算回路３６ａに
接続されており、この引算回路３６ａによって、２つの
受光素子２１，２２に到達した反射光のＸ方向の強度差
が演算される。このように、引算回路３６ａはＸ方向強
度差演算手段を構成している。

【００４４】それぞれの加算回路３５ａ，３５ｂの出力
端子は、加算回路３７ａにも接続されており、反射光の
うちＸ方向に反射した光の全受光量がこの加算回路３７
ａにより演算される。この加算回路３７ａの出力電圧と
引算回路３６ａの出力電圧は、光量変動の要素を除くた
めに割算回路３８ａに送られるようになっており、この
割算回路３８ａからの出力値はＸ方向の強度差に対応し
た出力信号となる。この出力信号は変換回路３９ａによ
って強度差に対応してＸ方向の移動量が演算される。

【００４５】２つの受光素子２３，２４に到達する反射
光の強度に応じて移動部材ＷのＹ方向の移動量を演算す
るために、第３と第４の受光素子２３，２４に接続され
たそれぞれ電流電圧変換回路３３_X1〜３４_Y2は、第１と
第２の受光素子２１，２２と同様に、加算回路３５ｃ，
３５ｄに接続され、それぞれの出力端子は引算回路３６
ｂと加算回路３７ｂとに接続され、さらにこれらの出力
電圧は割算回路３８ｂに接続されている。この割算回路
３８ｂの出力値はＹ方向の強度差に対応した出力信号と
なり、この出力信号を変換回路３９ｂにより強度差に対
応したＹ方向の移動量が演算される。

【００４６】前述した加算回路、引算回路、割算回路
は、演算増幅器つまりオペアンプの特性を設定して選択
されている。

【００４７】２つの受光素子２１，２２に到達した反射
光の基準位置に対するずれ量を求めて移動部材ＷのＸ方
向の傾斜移動量を演算するために、電流電圧変換回路３
１_X1、３１_X2の出力端子は、それぞれ引算回路４１ａと
加算回路４１ｂに接続されており、引算回路４１ａによ
り受光素子２１に到達する反射光の基準位置に対するＸ
方向のずれ量が求められる。引算回路４１ａと加算回路
４１ｂの出力電圧は割算回路４５ａにおいて光量変動の
要素が除去された後に、Ｘ方向のずれ量に対応した出力
信号が割算回路４５ａから出力される。

【００４８】同様に、第２の受光素子２２にも、引算回
路４１ａに対応した引算回路４２ａと、加算回路４１ｂ
に対応した加算回路４２ｂと、割算回路４５ａに対応し
た割算回路４５ｂが接続されており、両方の割算回路４
５ａ，４５ｂの出力値の差を引算回路４６ａにより求め
る。この出力信号を変換回路４７ａで変換することによ
りＸ方向の移動体Ｗの傾斜方向の移動量が演算される。

【００４９】２つの受光素子２３，２４に到達した反射
光の基準位置に対するずれ量を求めて移動部材ＷのＹ方
向の傾斜移動量を演算するために、電流電圧変換回路３
３_X1、３３_X2の出力端子は、それぞれ引算回路４３ａと
加算回路４３ｂに接続されており、引算回路４３ａによ
り受光素子２３に到達する反射光の基準位置に対するＹ
方向のずれ量が求められる。引算回路４３ａと加算回路
４３ｂの出力電圧は割算回路４５ｃにおいて光量変動の
要素が除去された後に、Ｙ方向のずれ量に対応した出力
信号が割算回路４５ｃから出力される。

【００５０】同様に、第４の受光素子２４にも、引算回
路４３ａに対応した引算回路４４ａと、加算回路４３ｂ
に対応した加算回路４４ｂと、割算回路４５ｃに対応し
た割算回路４５ｄが接続されており、両方の割算回路４
５ｃ，４５ｄの出力値の差を引算回路４６ｂにより求
め、この出力信号を変換回路４７ｂで変換することによ
りＹ方向の移動体Ｗの傾斜方向の移動量が演算される。

【００５１】それぞれの受光素子に到達した反射光の基
準位置に対して同じ方向へのずれ量を求めて、移動部材
Ｗの縦方向の移動量を演算するために、これらの割算回
路４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄからの出力信号は、
それぞれ加算回路５１に送られるようになっている。こ
の加算値は基準位置に対するずれ量に対応しており、こ
の出力信号を変換回路５２により変換することによって
Ｚ方向の移動量が演算される。

【００５２】それぞれの受光素子に到達した反射光の基
準位置に対する光軸周り方向のずれ量を求めて、移動部
材Ｗの光軸周りに対する回転移動量を演算するために、
それぞれの受光素子に接続された電流電圧変換回路３１
_Y1、３１_Y2、３２_Y1、３２_Y2、３３_Y1、３３_Y2、３
４_Y1、３４_Y2は引算回路４１ｃ・・・と加算回路４１ｄ
・・・に接続され、さらにそれぞれの引算回路と加算回
路の出力端子は割算回路５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３
ｄに接続されている。これらの割算回路からの出力信号
は、加算回路５４に送られるようになっている。この加
算値は基準位置に対するずれ量に対応しており、この出
力信号を変換回路５５により変換することによって回転
方向の移動量が演算される。

【００５３】それぞれの変換回路３９ａ、３９ｂ、４７
ａ、４７ｂ、５２、５５からの出力信号に基づいて、Ｘ
軸駆動モータ４、Ｙ軸駆動モータ、Ｘ方向傾斜駆動モー
タ、Ｙ方向傾斜駆動モータ、Ｚ軸駆動モータ、旋回モー
タに作動信号を送るようにすれば、それぞれの移動量が
ゼロとなるように移動部材Ｗを位置きめ移動することが
できる。図示する実施の形態にあっては、ビーム径が約
１１２〜１２３μｍ程度のレーザービームを移動部材Ｗ
に照射するようにしたところ、±２０μｍの変位量の範
囲についてｎｍの精度で変位の検出を行うことが可能で
あった。

【００５４】上述した位置検出装置にあっては、Ｘ方向
の移動量を始めとして６軸の変位量ないし移動量を求め
るようにしているが、Ｘ方向の変位量のみのようにそれ
ぞれ１軸のみの変位量のみあるいはいずれか２軸ないし
３軸など任意の軸数の変位量を求めるようにしても良
い。

【００５５】図７および図８に示す制御回路にあって
は、それぞれの受光素子からのアナログ信号を処理する
ことによって移動量を演算するようにしているが、それ
ぞれの受光素子からのアナログ信号を二値化して、それ
を処理することによってそれぞれの移動量を演算するよ
うにしても良い。

【００５６】受光素子２１〜２４は２軸方向の反射光の
ずれ位置を検出するためにサーフェスセンサとなってい
るが、電極２１_Y1、２１_Y2からＹ方向のずれを検出する
ための出力信号を使用しない場合には、サーフェスセン
サに代えてラインセンサを用いるようにしても良い。

【００５７】前述した場合には、四角錐形状の４つの角
錐面１１〜１４を反射部材１０の凹面Ｃによって形成す
るようにしているが、図９（Ａ）に示すように、四角錐
形状の突部を反射部材１０に設けることにより、その突
部に４つの角錐形状の反射面１１〜１４を形成するよう
にしても良い。

【００５８】図９（Ｂ）は反射部材１０に３つの反射面
１１ａ〜１３ａを有する三角錐形状の突部を設けた場合
を示す図であり、この場合には図２に示された角度εを
１２０度とし、３つの反射面に対応させて３つの受光素
子を用いて、３つの反射面からの反射光の光量やずれ位
置を検出することにより、前述した６軸の移動量を検出
することもできる。反射面を３つの角錐形状とする場合
にも、それぞれの反射面を凹面に形成するようにしても
良い。また、凹面あるいは突部に形成する角錐形状の反
射面としては、少なくとも３つの角錐面を有していれ
ば、角錐面の数を任意の数とすることができる。

【００５９】前述した実施の形態にあっては、反射光を
直接受光素子２１〜２４に照射させるようにしている
が、図１０に示すように、光ファイバーなどのライトガ
イド部材６１を用いて反射光を受光素子に案内するよう
にしても良い。その場合には、図１に示す受光素子２１
〜２４の受光面に対応する位置に、ライトガイド部材６
１の先端の受光面６１ａ〜６１ｄを臨ませ、後端部を束
ねてその後端面に受光素子６２を臨ませることにより、
１つの受光素子６２により前述したそれぞれの移動量を
検出することができる。それに使用する受光素子６２と
しては、受光面の数に対応して４分割したフォトディテ
クタつまりフォトダイオードを使用することができる。

【００６０】本発明は前記した実施の形態に限定される
ものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可
能である。たとえば、図示する場合には、ヘリウム・ネ
オンレーザーが使用されているが、他のガスレーザー、
固体レーザーおよび半導体レーザーを使用するようにし
ても良い。

【００６１】

【発明の効果】本発明にあっては、移動体に設けられた
角錐面からの反射光の光量を検出することによって、移
動体の入射光に対する直角方向の移動量を検出すること
ができる。また、反射光が受光面に到達した位置の基準
位置に対するずれ量を検出することにより、移動体の入
射光に対する傾斜移動量、縦方向移動量および回転移動
量を検出することができる。受光素子を使用するだけの
簡単な構造で、移動体が微小に変位ないし移動した場合
にその方向と量とを高精度に検出することができる。検
出装置は熱膨張の影響を受けにくく、高い信頼性の位置
検出装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態である位置検出装置の基
本原理を示す斜視図である。

【図２】受光素子の配置状態を示す図１の平面図であ
る。

【図３】（Ａ）は移動部材が入射光の光軸に対して直角
の方向つまり横方向に変位した場合における入射光の反
射状況を示す断面図であり、（Ｂ）は移動部材が傾斜し
た場合における入射光の反射状況を示す断面図である。

【図４】（Ａ）は移動部材が入射光の光軸に沿う方向つ
まり縦方向に変位した場合における入射光の反射状況を
示す断面図であり、（Ｂ）は移動部材が入射光の光軸周
りに回転変位した場合における入射光の反射状況を示す
断面図である。

【図５】（Ａ）はレーザービームが凹面の頂点に光軸を
一致させて反射部材に照射された場合における各々の反
射面における照射面積を示す平面図であり、（Ｂ）は移
動部材が横方向に移動することによって変化した状態の
照射面積を示す平面図である。

【図６】（Ａ）は受光素子の具体的構造を示す斜視図で
あり、（Ｂ）は第１と第２の受光素子を示す断面図であ
る。

【図７】位置検出装置の制御部の一部を示すブロック図
である。

【図８】位置検出装置の制御部の一部を示すブロック図
である。

【図９】（Ａ）は反射面の他の具体例を示す斜視図であ
り、（Ｂ）は反射面のさらに他の具体例を示す斜視図で
ある。

【図１０】受光手段の他の具体例を示す概略図である。

【符号の説明】

１０ 反射部材 １１ 第１の反射面 １２ 第２の反射面 １３ 第３の反射面 １４ 第４の反射面 １５ 頂点 １６ 光源 １７ 光源からの入射光 ２１ 第１の受光素子 ２２ 第２の受光素子 ２３ 第３の受光素子 ２４ 第４の受光素子 ２１_X1〜２４_Y2 電極 ３１_X1〜３４_Y2 電流電圧変換器 ３５ａ〜３５ｄ 加算回路 ３６ａ，３６ｂ 引算回路 ３７ａ，３７ｂ 加算回路 ３８ａ，３８ｂ 割算回路 ３９ａ，３９ｂ 変換回路 ４１ａ〜４４ａ 引算回路 ４１ｂ〜４４ｂ 加算回路 ４１ｃ〜４４ｃ 引算回路 ４１ｄ〜４４ｄ 加算回路 ４５ａ〜４５ｄ 割算回路 ４６ａ，４６ｂ 引算回路 ４７ａ，４７ｂ 変換回路 ５１ 加算回路 ５２ 変換回路 ５３ａ，５３ｂ 割算回路 ５４ 加算回路 ５５ 変換回路 Ｃ 凹面 Ｗ 移動部材

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 移動体に光源からの入射光を照射して前
   記移動体からの反射光により前記移動体の前記入射光に
   対して直角方向である横方向の移動量を検出する位置検
   出装置であって、 前記入射光の照射される位置を頂点として前記入射光周
   りに相互に所定の角度をなして前記移動体に形成された
   少なくとも３つの角錐形状の反射面と、 それぞれの前記反射面からの反射光を受光する少なくと
   も３つの受光手段と、 それぞれの前記受光手段のうち２つの受光手段に到達し
   た反射光の強度に応じて、前記入射光に対して直角方向
   をなすＸ方向の強度差を演算するＸ方向強度差演算手段
   と、 それぞれの前記受光手段のうち２つの受光手段に到達し
   た反射光の強度に応じて、前記Ｘ方向に対して直角方向
   をなすＹ方向の強度差を演算するＹ方向強度差演算手段
   と、 前記Ｘ方向の強度差に基づいて前記移動体のＸ方向の移
   動量を演算するＸ方向移動量演算手段と、 前記Ｙ方向の強度差に基づいて前記移動体のＹ方向の移
   動量を演算するＹ方向移動量演算手段とを有することを
   特徴とする位置検出装置。
2. 【請求項２】 移動体に光源からの入射光を照射して前
   記移動体からの反射光により前記移動体の前記入射光に
   対する傾斜方向の移動量を検出する位置検出装置であっ
   て、 前記入射光の光軸中心を頂点として前記入射光周りに相
   互に所定の角度をなして前記移動体に形成された少なく
   とも３つの角錐形状の反射面と、 それぞれの前記反射面からの反射光を受光する少なくと
   も３つの受光手段と、 それぞれの前記受光手段のうち２つの受光手段に到達し
   た反射光の基準位置に対して相互に異なった方向であっ
   て前記入射光に対するＸ方向へのずれ量を演算するＸ方
   向ずれ量演算手段と、 それぞれの前記受光手段のうち２つの受光手段に到達し
   た反射光の基準位置に対して相互に異なった方向であっ
   て前記Ｘ方向に対して直角方向となったＹ方向のずれ量
   を演算するＹ方向ずれ量演算手段と、 前記Ｘ方向のずれ量に基づいて前記移動体のＸ方向の傾
   斜移動量を演算するＸ方向傾斜演算手段と、 前記Ｙ方向のずれ量に基づいて前記移動体のＹ方向の傾
   斜移動量を演算するＹ方向傾斜演算手段とを有すること
   を特徴とする位置検出装置。
3. 【請求項３】 移動体に光源からの入射光を照射して前
   記移動体からの反射光により前記移動体の前記光源に対
   して接近離反方向である縦方向の移動量を検出する位置
   検出装置であって、 前記入射光の光軸中心を頂点として前記入射光周りに相
   互に所定の角度をなして前記移動体に形成された少なく
   とも３つの角錐形状の反射面と、 それぞれの前記反射面からの反射光を受光する少なくと
   も３つの受光手段と、それぞれの前記受光手段に到達し
   た反射光の基準位置に対して同じ方向へのずれ量を演算
   するＺ方向ずれ量演算手段と、 前記Ｚ方向のずれ量に基づいて前記移動体の前記光源に
   対して接近離反方向である縦方向の移動量を演算する縦
   方向移動量演算手段とを有することを特徴とする位置検
   出装置。
4. 【請求項４】 移動体に光源からの入射光を照射して前
   記移動体からの反射光により前記移動体の前記入射光に
   対する光軸周りの回転方向の移動量を検出する位置検出
   装置であって、 前記入射光の光軸中心を頂点として前記入射光周りに相
   互に所定の角度をなして前記移動体に形成された少なく
   とも３つの角錐形状の反射面と、 それぞれの前記反射面からの反射光を受光する少なくと
   も３つの受光手段と、 それぞれの前記受光手段に到達した反射光の基準位置に
   対する光軸周り方向のずれ量を演算する回転方向ずれ量
   演算手段と、 前記回転方向のずれ量に基づいて前記移動体の前記光軸
   周りに対する回転移動量を演算する回転移動量演算手段
   とを有することを特徴とする位置検出装置。