JP2016169946A

JP2016169946A - 位置検出装置

Info

Publication number: JP2016169946A
Application number: JP2015047865A
Authority: JP
Inventors: 徳夫君塚; Tokuo Kimizuka; 有祐和佐; Yusuke Kazusa; 広貴杉田; Hirotaka Sugita
Original assignee: Metrol Co Ltd
Current assignee: Metrol Co Ltd
Priority date: 2015-03-11
Filing date: 2015-03-11
Publication date: 2016-09-23

Abstract

【課題】広い測定レンジを実現することができ、測定データの連続性を確保することができる位置検出装置を提供する。
【解決手段】位置検出装置１は、被測定物Ｗに向けて加圧気体を噴出可能なノズル１０と、第１のチャンバ１１と第２のチャンバ１２とを仕切る仕切壁３０と、第１のチャンバ１１内の圧力を測定する第１の圧力センサ４１と、第２のチャンバ１２内の圧力を測定する第２の圧力センサ４２と、第１の圧力センサ４１と第２の圧力センサ４２の出力値の差に基づいて、被測定物Ｗがノズル１０から所定の距離未満に近づいたことを検出する位置検出部５０とを備えている。仕切壁３０には、第１のチャンバ１１と第２のチャンバ１２とを連通するオリフィス３２が形成される。オリフィス３２は、第２のチャンバ１２から第１のチャンバ１１に向かって次第に径が小さくなる縮径部３２Ａと、縮径部３２Ａに接続され径が変化しない定径部３２Ｂとを含んでいる。
【選択図】図１

Description

本発明は、位置検出装置に係り、特に加圧気体を用いて被測定物の位置を検出する非接触式位置検出装置に関するものである。

一般に、加工装置により被加工物を加工する際には被加工物をテーブル上に固定して加工を行うが、加工精度を上げるためには、被加工物の被加工面がテーブルの表面と平行又は垂直となるように被加工物の平面度や真直度を維持する必要がある。しかしながら、この方法では、被加工物ごとに平面度や真直度を調整する必要があるため、加工時間の短い被加工物については稼働率が悪くなってしまい、この方法を適用することができない。

加工時間の短い被加工物にも対応すべく、油圧チャックなどを用いて被加工物の着脱を容易にするとともに、被加工物の基準面又は基準位置が加工装置に対して適切な位置となるように被加工物の位置を調整する方法も知られている。この被加工物の基準面や基準位置は、被加工物がチャックされる部分とは異なる部分に設定されることが多いため、被加工物の基準面や基準位置を高精度で検出し、適切な位置に被加工物を配置する必要がある。

従来から、このような基準面や基準位置の検出のために接触式センサが用いられることが多いが、接触式センサでは、接触式センサの検出点や被加工物の接触点に汚れや異物が付着することによって誤差が生じやすいという問題がある。そこで、最近では、接触式センサに代えて、加圧気体を用いて被加工物の表面の位置を検出する非接触式センサ（位置検出装置）が用いられることが多くなっている（例えば、特許文献１参照）。

このような位置検出装置は、加圧気体をオリフィスに通過させた後にこの加圧気体を被加工物に向かって噴出するものである。このとき、被加工物と位置検出装置との間の距離に応じてオリフィスの前後の圧力差が変化するため、圧力センサを用いてこの圧力差を測定することによって、被加工物が位置検出装置から所定の位置にあることを検出できる。

このような従来の位置検出装置の測定レンジは比較的狭いため、測定レンジを広げるためにはオリフィスの交換をする必要がある。例えば、０μｍ〜２００μｍを測定レンジとしてカバーするためには、０μｍ〜１００μｍを測定レンジとするオリフィスと１００μｍ〜２００μｍを測定レンジとするオリフィスとを交換して０μｍ〜２００μｍの測定レンジを確保する必要がある。このように、従来の位置検出装置では、測定レンジを広げるためにオリフィスの交換という機械的な作業が伴うという問題があった。また、オリフィスを交換した後に較正作業も必要となるため、測定データの連続性が確保できないという問題もあった。

特開２００８−８６８５号公報

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、広い測定レンジを実現することができ、測定データの連続性を確保することができる位置検出装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、広い測定レンジを実現することができ、測定データの連続性を確保することができる位置検出装置が提供される。この位置検出装置は、被測定物の表面に向けて加圧気体を噴出可能なノズルと、上記ノズルに連通する第１のチャンバと、気体供給源から上記加圧気体が供給される第２のチャンバと、上記第１のチャンバと上記第２のチャンバとを仕切る仕切壁とを備えている。この仕切壁には、上記第１のチャンバと上記第２のチャンバとを連通するオリフィスが形成される。上記位置検出装置は、上記第１のチャンバ内の圧力を測定する第１の圧力センサと、上記第２のチャンバ内の圧力を測定する第２の圧力センサと、上記第１の圧力センサの出力値と上記第２の圧力センサの出力値との差に基づいて、上記被測定物の表面が上記ノズルから所定の距離未満に近づいたことを検出する位置検出部とを備えている。上記オリフィスは、上記第２のチャンバから上記第１のチャンバに向かって次第に径が小さくなる縮径部と、該縮径部に接続され径が変化しない定径部とを含んでいる。

このように、本発明によれば、オリフィスが第２のチャンバから第１のチャンバに向かって次第に径が小さくなる縮径部を含んでいるので、オリフィスの上流側（第２のチャンバ側）において不連続的に渦が発生することが抑制される。したがって、圧力センサが渦の影響を受けにくくなるため、従来の位置検出装置に比べて測定レンジが広くなる。

また、上記オリフィスは、上記定径部に接続され上記第２のチャンバから上記第１のチャンバに向かって次第に径が大きくなる拡径部をさらに含んでいてもよく、あるいは、上記定径部に接続され上記定径部の径を維持する整流板部をさらに含んでいてもよい。このように、オリフィスが拡径部や整流板部を含んでいるので、オリフィスの下流側（第１のチャンバ側）において不連続的に渦が発生することが抑制される。したがって、圧力センサが渦の影響を受けにくくなるため、従来の位置検出装置に比べて測定レンジが広くなる。

本発明によれば、オリフィスが第２のチャンバから第１のチャンバに向かって次第に径が小さくなる縮径部を含んでいるので、オリフィスの上流側（第２のチャンバ側）において不連続的に渦が発生することが抑制される。したがって、圧力センサが渦の影響を受けにくくなるため、従来の位置検出装置に比べて測定レンジが広くなる。

本発明の一実施形態における位置検出装置を示す図である。図１に示す位置検出装置の第１のチャンバ内の圧力とノズルから被測定物の表面までの距離との関係を模式的に示すグラフである。従来の位置検出装置におけるオリフィスを示す図である。図３に示すオリフィス付近の流れを模式的に図である。図３に示す従来の位置検出装置の第１のチャンバ内の圧力とノズルから被測定物の表面までの距離との関係を模式的に示すグラフである。図１に示す位置検出装置のオリフィス付近の流れを模式的に図である。図１に示す位置検出装置の第１のチャンバ内の圧力とノズルから被測定物の表面までの距離との関係を模式的に示すグラフである。図３に示す従来の位置検出装置における検出距離と繰り返し精度との関係を示すグラフである。図１に示す位置検出装置における検出距離と繰り返し精度との関係を示すグラフである。本発明の他の実施形態における位置検出装置を示す図である。

以下、本発明に係る位置検出装置の実施形態について図１から図１０を参照して詳細に説明する。なお、図１から図１０において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態における位置検出装置１の構成を模式的に示す図である。図１に示すように、本実施形態における位置検出装置１は、被測定物Ｗの表面Ｓに向けて加圧気体を噴出可能なノズル１０と、ノズル１０に連通する第１のチャンバ１１と、気体供給源２０からレギュレータ２２を介して加圧気体が供給される第２のチャンバ１２と、第１のチャンバ１１と第２のチャンバ１２とを仕切る仕切壁３０と、第１のチャンバ１１内の圧力を測定する第１の圧力センサ４１と、第２のチャンバ１２内の圧力を測定する第２の圧力センサ４２とを備えている。

仕切壁３０には、仕切壁３０を貫通するオリフィス３２が形成されており、このオリフィス３２によって第１のチャンバ１１と第２のチャンバ１２とが連通される。第１の圧力センサ４１は、第１のチャンバ１１に連通する経路４１Ａを有しており、例えば、第１のチャンバ１１内の圧力を受けるダイアフラムの変形を検出することにより第１のチャンバ１１内の圧力を測定するものである。同様に、第２の圧力センサ４２は、第２のチャンバ１２に連通する経路４２Ａを有しており、例えば、第２のチャンバ１２内の圧力を受けるダイアフラムの変形を検出することにより第２のチャンバ１２内の圧力を測定するものである。このような圧力センサ４１，４２としては既知の種々の圧力センサを用いることができる。

気体供給源２０は、加圧された気体を外部に供給できるように構成されている。この気体供給源２０内の加圧気体がレギュレータ２２により所定の圧力（以下、供給圧力という）Ｐ₀に調整されて第２のチャンバ１２に供給される。第２のチャンバ１２に供給された加圧気体は、仕切壁３０のオリフィス３２を通過して第１のチャンバ１１にも流入し、ノズル１０から被測定物Ｗの表面Ｓに向けて噴出される。

ここで、第１のチャンバ１１内の圧力をＰ₁、ノズル１０から被測定物Ｗの表面Ｓまでの距離をＤとすると、Ｐ₁とＤの関係は図２に示すようになる。すなわち、被測定物Ｗがノズル１０からより遠くに位置すればするほど（Ｄが大きくなればなるほど）、加圧流体は抵抗を受けることなくノズル１０から噴出されることとなるので、第１のチャンバ１１の圧力Ｐ₁は供給圧力Ｐ₀から下がり大気圧に近づいていく。一方、被測定物Ｗがノズル１０のより近くに位置すればするほど（Ｄが小さくなればなるほど）、ノズル１０から噴出される加圧気体が被測定物Ｗの表面Ｓで抵抗を受けるため、第１のチャンバ１１の圧力Ｐ₁は加圧気体の供給圧力Ｐ₀からあまり下がらずに維持される。したがって、第１の圧力センサ４１で測定される圧力Ｐ₁の変化を測定することにより被測定物Ｗの表面Ｓがノズル１０に近づいたことを検出することができる。

この場合において、第１のチャンバ１１の圧力Ｐ₁は第２のチャンバ１２の圧力Ｐ₂に依存しているため、第１のチャンバ１１の圧力Ｐ₁のみを測定していたのでは安定的な測定結果とはならない。このため、本実施形態では、第１のチャンバ１１の圧力Ｐ₁に加えて第２のチャンバ１２の圧力Ｐ₂も測定している。そして、第１のチャンバ１１の圧力Ｐ₁と第２のチャンバ１２の圧力Ｐ₂との差Ｐ₂−Ｐ₁を算出し、この圧力差Ｐ₂−Ｐ₁が小さくなったことを検出することによって被測定物Ｗの表面Ｓがノズル１０から所定の距離未満に近づいたことを検出している。このような圧力差Ｐ₂−Ｐ₁を用いることにより、第２のチャンバ１２の圧力Ｐ₂の変動の影響がキャンセルされるので精度のよい測定が可能となる。

図１に戻って、位置検出装置１は、第１の圧力センサ４１及び第２の圧力センサ４２の出力をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄコンバータ４３と、Ａ／Ｄ変換後の第１の圧力センサ４１の出力値と第２の圧力センサ４２の出力値との差に基づいて被測定物Ｗの表面Ｓがノズル１０から所定の距離未満に近づいたことを検出する位置検出部５０と、位置検出部５０における処理結果を出力する出力部６０とを有している。例えば、出力部６０はＬＥＤやディスプレイなどの出力機器から構成される。

ところで、従来の位置検出装置のオリフィスは、図３に示すように、チャンバ５１１，５１２の周壁５１１Ａ，５１２Ａから略垂直に延びる仕切壁５３０に形成された開口５３２により構成されている。このような構成のオリフィスでは、オリフィスの前後において渦が不連続的に発生しやすく、この不連続的に発生した渦が上述した測定レンジが狭くなる要因の１つになっていると考えられる。すなわち、従来の位置検出装置では、図４に示すように、仕切壁５３０の中央付近の流れＦ₁は開口５３２を通過してそのままの流速で流れることができるが、その周囲の流れＦ₂は仕切壁５３０に衝突して速度がゼロになってしまう。これが乱流や渦の原因となり、流れの全体の速度が上がると、周囲の流れＦ₂による乱流や渦が中央の流れＦ₁にも影響を与える。このため、図５に示すように、従来の位置検出装置における背圧特性が理論値から大きく離れてしまう。そして、ノズルから被測定物の表面までの距離Ｄが図５の範囲Ｒにあるときには検出圧力Ｐがほとんど変化しないため、この範囲Ｒの距離は測定できないこととなる。

このような観点から、本実施形態では、オリフィス３２の形状を上述した渦の発生を抑制できる形状としている。より具体的には、本実施形態におけるオリフィス３２は、図１に示すように、第２のチャンバ１２から第１のチャンバ１１に向かって次第に径が小さくなる縮径部３２Ａと、縮径部３２Ａに接続され径が変化しない定径部３２Ｂと、定径部３２Ｂに接続され定径部３２Ｂの径を維持する整流板部３２Ｃとから構成される。このような縮径部３２Ａを形成することにより、オリフィス３２の上流側（第２のチャンバ１２側）における渦の発生が抑制され、整流板部３２Ｃを形成することにより、オリフィス３２の下流側（第１のチャンバ１１側）における渦の発生が抑制される。なお、縮径部３２Ａにおいて径が小さくなる割合（縮径部３２Ａの傾斜角度）や整流板部３２Ｃの長さは、位置検出装置１が使用される圧力で渦の発生が最小となるように設定することが好ましい。なお、第１の圧力センサ４１の経路４１Ａは整流板部３２Ｃの下流側に位置しており、第２の圧力センサ４２の経路４２Ａは縮径部３２Ａの上流側に位置している。

このような構成により、図６に示すように、仕切壁３０の中央付近の流れＦ₃はオリフィス３２を通過してそのままの流速で流れ、その周囲の流れＦ₄は縮径部３０Ａによりオリフィス３２に向かい、流れを加速するベクトルを生じさせる。これによって流れの全体の速度が上がる。このように流れの流速が上がることに加えて、第１の圧力センサ４１及び第２の圧力センサ４２の位置を最適化することにより、背圧特性を図７に示すように理論値に近づけることができる。したがって、図５に示す従来の位置検出装置の背圧特性に比べてより広範囲で測定を行うことが可能になる。

また、図７に示すように、理論値では圧力変化αを検出することによって、ノズル１０から被測定物Ｗの表面Ｓまでの距離Ｄがｄ₂からｄ₁に変化したことを検出することができるが、本実施形態における位置検出装置１では圧力変化βを検出することによって距離Ｄがｄ₂からｄ₁に変化したことを検出することができる。ここで、図７に示すように、β＞αであるため、本実施形態における位置検出装置１は、理論値を用いるよりも細かい分解能でノズル１０から被測定物Ｗの表面Ｓまでの距離Ｄを検出することができることがわかる。

図３に示す従来のオリフィスを用いた位置検出装置において所定の検出距離に対して繰り返し精度を測定した。その結果を図８に示す。図１に示す位置検出装置１においても所定の検出距離に対して繰り返し精度を測定した。その結果を図９に示す。なお、いずれの場合も加圧気体の供給圧力は１５０ｋＰａとした。図８に示すように、従来のオリフィスを用いた場合に、２μｍの再現性を得ることができるのは検出距離が１００μｍ〜２５０μｍの範囲にあるときだけである。検出距離が２５０μｍよりも長くなると誤差が非常に大きくばらつきも大きいことがわかる。一方、本実施形態のオリフィス３２を用いた場合には、５０μｍ〜４００μｍの検出距離の範囲にわたっておよそ２μｍの再現性を得ることができた。このように、図１に示す形状のオリフィス３２を用いることで、位置検出装置１の測定レンジを広くすることができることがわかる。このように本実施形態における位置検出装置１によれば、測定レンジを広くすることができるので、オリフィスの交換に伴う較正作業も必要なく、測定データの連続性も確保することができる。

また、オリフィス３２の整流板部３２Ｃに代えて、図１０に示すように、第２のチャンバ１２から第１のチャンバ１１に向かって次第に径が大きくなる拡径部３２Ｄを定径部３２Ｂに接続してもよい。このような構成のオリフィス１３２によっても、上述した実施形態と同様に、オリフィス３２の前後で渦が発生することを抑制することができ、測定レンジを広くすることができる。この場合において、縮径部３２Ａにおいて径が小さくなる割合（縮径部３２Ａの傾斜角度）や拡径部３２Ｄにおいて径が大きくなる割合（拡径部３２Ｄの傾斜角度）は、位置検出装置が使用される圧力で渦の発生が最小となるように設定することが好ましい。

これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

１位置検出装置
１０ノズル
１１第１のチャンバ
１２第２のチャンバ
２０気体供給源
２２レギュレータ
３０仕切壁
３２オリフィス
３２Ａ縮径部
３２Ｂ定径部
３２Ｃ整流板部
３２Ｄ拡径部
４１第１の圧力センサ
４２第２の圧力センサ
４３Ａ／Ｄコンバータ
５０位置検出部
６０出力部

Claims

被測定物の表面に向けて加圧気体を噴出可能なノズルと、
前記ノズルに連通する第１のチャンバと、
気体供給源から前記加圧気体が供給される第２のチャンバと、
前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとを仕切る仕切壁であって、前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとを連通するオリフィスが形成された仕切壁と、
前記第１のチャンバ内の圧力を測定する第１の圧力センサと、
前記第２のチャンバ内の圧力を測定する第２の圧力センサと、
前記第１の圧力センサの出力値と前記第２の圧力センサの出力値との差に基づいて、前記被測定物の表面が前記ノズルから所定の距離未満に近づいたことを検出する位置検出部と、
を備え、
前記オリフィスは、
前記第２のチャンバから前記第１のチャンバに向かって次第に径が小さくなる縮径部と、
該縮径部に接続され径が変化しない定径部と、
を含む、
ことを特徴とする位置検出装置。
前記オリフィスは、前記定径部に接続され前記第２のチャンバから前記第１のチャンバに向かって次第に径が大きくなる拡径部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
前記オリフィスは、前記定径部に接続され前記定径部の径を維持する整流板部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。