JP3318795B2 - 変位検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、光学的非点収
差法を用いて対物レンズ系と被測定面との間の変位を非
接触に検出する検出装置に使用して好適な変位検出装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から光学的非点収差法や、臨界角検
出法、ナイフエッジ法を用いて、対物レンズと被測定面
との間の変位あるいは、形状、表面粗さを測定する非接
触測定法が知られている。

【０００３】このような変位検出装置には、例えば、フ
ォーカスエラー信号の絶対レベルにより変位を検出する
非接触表面粗さ計や、対物レンズに移動体としての駆動
系を設け、フォーカスエラー信号をフィードバック制御
することで対物レンズを被接触面に追従させ、移動体と
しての駆動系から対物レンズと被測定面との間の変位を
検出する合焦点型非接触変位検出装置が用いられてい
る。

【０００４】上述の変位検出装置は、被測定面の表面粗
さや、微細形状を測定するものである。この変位検出の
測定時においては、変位検出装置の移動体の応答周波数
が被測定面の測定速度の上限を決定するので、移動体の
共振周波数を高くすることが必要とされる。移動体の共
振周波数を上げるためには、移動体の長手寸法を短く
し、質量を軽くし、剛性の高い形状にし、縦弾性係数の
高い材料を使用し、支持部材の剛性を上げる等が必要で
ある。

【０００５】さらに上述の変位検出装置は、基板等の微
細な変位や表面粗さ等を検出するものであるため、小型
化が要求される。このような要求があるため、変位検出
の際に対物レンズを移動させる移動体は、必ずしも移動
方向に対して対称に設けられてはいなかった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
の変位検出装置では、移動体の重心と駆動力の中心と、
移動体の支持中心とが、変位方向に対して直行する平面
内で互いに一致していないので、支持点の周りにモーメ
ントを発生する。その結果、移動体の長手方向に関して
移動体に横振動が発生し、移動体の共振周波数の低下を
招き、被測定面に対する最大測定速度が低下するという
不都合があった。

【０００７】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
であり、変位検出中の移動体の移動によるモーメントの
発生を防ぐ変位検出装置の提供を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の変位検出装置
は、例えば図１から図６に示す如く、被測定面１４に対
してレーザ光を集光する対物レンズ系と、被測定面１４
から反射した反射光により対物レンズ系と被測定面１４
との間の距離の焦点距離からのずれを示すフォーカスエ
ラー信号を検出する検出光学系１と、検出光学系１の出
力信号に基づいて対物レンズ系と被測定面１４との距離
が焦点距離になるように対物レンズを光軸方向に移動す
るアクチュエータ９と、対物レンズ系の光軸と同軸上に
配置されると共に、アクチュエータ９に一体的に取り付
けられたリニアスケール４とを備え、このリニアスケー
ル４のスケール部４もしくはヘッド部１１を有する移動
体が対物レンズ系と一体的に移動されるようにした変位
検出装置において、移動体１、２、３、４、５、６−
Ｒ、６−Ｌ、７、８の移動方向の重心軸と移動体１、
２、３、４、５、６−Ｒ、６−Ｌ、７、８を駆動するア
クチュエータ９の駆動力の駆動方向の中心軸と、移動体
１、２、３、４、５、６−Ｒ、６−Ｌ、７、８を支持す
る支持部材１０の支持中心軸とを一致させるようにした
ものである。

【０００９】また、本発明の変位検出装置は、例えば、
図７から図１０に示す如く、上述において、支持部材１
０は、移動体１、２、３、４、５、６−Ｒ、６−Ｌ、
７、８を挟むように対向して２つ設けたものである。

【００１０】

【作用】本発明によれば、移動体１、２、３、４、５、
６−Ｒ、６−Ｌ、７、８の重心と移動体１、２、３、
４、５、６−Ｒ、６−Ｌ、７、８を駆動するアクチュエ
ータ９の駆動力の中心と、移動体１、２、３、４、５、
６−Ｒ、６−Ｌ、７、８を支持する支持部材１０の支持
中心とを一致させるようにしたので、支持中心の周りの
モーメントをゼロにすることができ、その結果、移動体
１、２、３、４、５、６−Ｒ、６−Ｌ、７、８の長手方
向に関する横振動を防止し、サーボ特性（応答周波数特
性）を改善することができ、併せて装置の小型化、低消
費電力化による低発熱化により、装置の温度に対する安
定性を向上させることができる。

【００１１】また、本発明によれば、支持部材１０は、
移動体１、２、３、４、５、６−Ｒ、６−Ｌ、７、８を
挟むように対向して２つ設けたので、移動体１、２、
３、４、５、６−Ｒ、６−Ｌ、７、８を支持する２つの
支持部材１０の支持中心を容易に一致させることができ
る。

【００１２】

【実施例】以下本発明に係る変位検出装置の一実施例
を、図１から図１０に従い詳細に説明する。

【００１３】図１から図６に本発明の変位検出装置の実
施例の一つの構成を示す。図１は本発明の変位検出装置
の実施例の平面図である。１はフォーカスエラー信号検
出系であり、図示しないレーザダイオード、対物レン
ズ、受光素子等を有し、受光素子からフォーカスエラー
信号を検出するものである。

【００１４】スピンドル２は低膨張の長尺部材からな
り、その長手方向に空洞を有するもので、一端をフォー
カスエラー信号系１に接続し、他端をスピンドルジョイ
ント３を介してスケール４に接続する。スピンドル２の
空洞内にはフォーカスエラー信号系１からのリード線を
配設し、このリード線は図示しないサーボ制御回路に接
続される。

【００１５】スケール４は、リニアスケールであり、長
さ方向に一定間隔で目盛が設けられている。スケール４
は、スケールヘッド１１と協働して、その相対移動によ
りフォーカスエラー信号系１の先端に設けられた対物レ
ンズと被測定面１４との距離を測定するものである。

【００１６】リフトバー５は長尺のほぼ板状体であり、
一端の上端面にスケール４を固着し、他端の下端面にボ
ビンＲ６−Ｒの断面Ｔ字状の中央突出部の一端面を固着
する。ボビンＲ６−Ｒの断面Ｔ字状の中央突出部の他端
面には、ボビンＬ６−Ｌの断面Ｔ字状の中央突出部の一
端面を固着する。

【００１７】コイル７はボビンＲ６−ＲおよびボビンＬ
６−Ｌのコア部に巻回される。バランスウェイト８はボ
ビンＲ６−ＲおよびボビンＬ６−Ｌの断面Ｔ字状の左方
突出部および右方突出部のうち、スケール４が固着され
た側と反対側の突出部に固着される。

【００１８】上述した、フォーカスエラー信号系１、ス
ピンドル２、スピンドルジョイント３、スケール４、リ
フトバー５、ボビンＲ６−Ｒ、ボビンＬ６−Ｌ、コイル
７、バランスウェイト８は互いに一体的に固定され、一
体的に移動可能であり、これらを以下移動体という。

【００１９】アクチュエータ９は、例えばボイスコイル
モータからなり、コイル７に流れる電流に対して直線的
に変位する特性を有する。これにより、移動体を被測定
面に対向する方向に移動可能とする。また、アクチュエ
ータ９は同様の特性を有するサーボモータを用いてもよ
い。

【００２０】支持部材１０は、例えば、リニアベアリン
グ等からなり、移動体をその長さ方向に滑動移動可能と
するものであり、シャーシを構成するベース１２に固定
される。スケールヘッド１１はシャーシを構成するステ
ム１３に固定され、スケール４との相対移動によりフォ
ーカスエラー信号系１の先端に設けられた対物レンズと
被測定面１４との距離を測定するものである。従って、
スケールヘッド１１をスピンドルジョイント３を介して
スピンドル２に固定し、スケール４をシャーシに固定し
てもよい。

【００２１】上述した、アクチュエータ９、支持部材１
０、スケールヘッド１１、ベース１２、ステム１３は、
固定体であり、移動体と相対的に移動するものである。

【００２２】フォーカスエラー信号検出系１およびコイ
ル７は、図示しないサーボ制御回路とで閉ループのサー
ボ系を構成する。この構成は、この発明と同一出願人に
よる変位検出装置に関する出願（特願平３−１４１８３
６号）の実施例と同一のものであり、スケール付合焦点
型非接触検出装置を構成するものである。これにより、
フォーカスエラー信号検出系１が被測定面１４との間の
距離の焦点距離からのずれを検出して、被測定面１４に
対して合焦するように、図示しないサーボ制御回路がコ
イル７を介して移動体を位置決めする。つまり、フォー
カスエラー信号検出系１の先端部に設けられた対物レン
ズと被測定面１４との距離が対物レンズの焦点距離に一
致するように位置決めされる。

【００２３】このような変位検出装置において、アクチ
ュエータ９は対向するように２つ設けられているが、こ
の２つのアクチュエータの合成された駆動中心を求め
る。つまり、この場合はコイル７の合成中心と等しくな
る。この駆動中心としてのコイル７の合成中心と支持部
材１０の支持中心とを図３の１６で示すように一致させ
る。さらに、移動体全体の重心を支持部材１０の支持中
心と、アクチュエータ９の合成駆動中心に一致させるた
めに、バランスウェイト８の重さを適宜選択する。

【００２４】このように、アクチュエータ９が移動体全
体を被測定面に対向する方向に位置決めする際に、支持
部材１０の支持中心の周りのモーメントの発生を防ぐこ
とができる。これにより、移動体の位置決めの際の応答
速度、つまり、応答周波数特性の向上を図ることができ
る。

【００２５】次に、図７から図１０に本発明の変位検出
装置の他の実施例の構成を示す。この例が先の例と異な
る点は、支持部材１０が移動体を挟むようにして２つ設
けられた点である。図１から図６に対応するものには同
一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。

【００２６】ボビン６は単体であり、このボビン６のコ
ア部にコイル７を巻回し、このボビン６を挟むようにし
て支持部材１０を２つ設けるように構成される。さら
に、バランスウェイト８は、断面略Ｕ字状であり、Ｕ字
の溝部にボビン６のコイル７が巻回されたコア部および
アクチュエータ９を覆うようにして、Ｕ字の両先端突起
部をボビン６の左右両端部に固定する。

【００２７】このようにして、アクチュエータ９の合成
された駆動中心を求める。この駆動中心と２つの支持部
材１０の支持中心とを図９の１６で示すように一致させ
る。さらに、移動体全体の重心を２つの支持部材１０の
支持中心と、アクチュエータ９の合成駆動中心に一致さ
せるために、バランスウェイト８の重さを適宜選択す
る。

【００２８】このように、アクチュエータ９が移動体全
体を被測定面１４に対向する方向に位置決めする際に、
２つの支持部材１０の支持中心の周りのモーメントの発
生を防ぐことができる。これにより、移動体の位置決め
の際の応答速度、つまり、応答周波数特性の向上を図る
ことができる。

【００２９】また、上例では、フォーカスエラー信号を
得るために、非点収差法を利用しているが、これに限ら
ず、臨界角法、ナイフエッジ法等に代替えしても良い。
いずれの方法においても、フォーカスエラー信号Ｅがゼ
ロ値になるように制御するので、被測定面１４の反射率
が異なっても、精度良く変位を検出することができる。

【００３０】さらにまた、スケール４に原点を形成する
ことにより、その原点の位置を基準位置として変位量を
検出することができる。

【００３１】また、本発明は上述の実施例に限らず本発
明の要旨を逸脱することなく種々の構成を取り得ること
はいうまでもない。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、移動体の重心と移動体
を駆動するアクチュエータの駆動力の中心と、移動体を
支持する支持部材の支持中心とを一致させるようにした
ので、支持中心の周りのモーメントをゼロにすることが
でき、その結果、移動体の長手方向に関する横振動を防
止し、サーボ特性（応答周波数特性）を改善することが
でき、併せて装置の小型化、低消費電力化による低発熱
化により、装置の温度に対する安定性を向上させること
ができ、１００分の１〔μｍ〕程度以上の高精度な測定
も可能となる。

【００３３】また、本発明によれば、支持部材は、移動
体を挟むように対向して２つ設けたので、移動体を支持
する２つの支持部材の支持中心を容易に一致させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の変位検出装置の一実施例の平面図で
ある。

【図２】この発明の変位検出装置の図１に示した一実施
例のＡ−Ａ’線断面図である。

【図３】この発明の変位検出装置の図１に示した一実施
例のＢ−Ｂ’線断面図である。

【図４】この発明の変位検出装置の図１に示した一実施
例のＣ−Ｃ’線断面図である。

【図５】この発明の変位検出装置の図１に示した一実施
例のＤ−Ｄ’線断面図である。

【図６】この発明の変位検出装置の一実施例の底面図で
ある。

【図７】この発明の変位検出装置の他の実施例の平面図
である。

【図８】この発明の変位検出装置の図７に示した他の実
施例のＡ−Ａ’線断面図である。

【図９】この発明の変位検出装置の図７に示した他の実
施例のＢ−Ｂ’線断面図である。

【図１０】この発明の変位検出装置の他の実施例の底面
図である。

【符号の説明】

１ フォーカスエラー信号検出系 ２ スピンドル ３ スピンドルジョイント ４ スケール ５ リフトバー ６−Ｒ ボビンＲ ６−Ｌ ボビンＬ ７ コイル ８ バランスウェイト ９ アクチュエータ １０ 支持部材 １１ スケールヘッド １２ ベース １３ ステム １４ 被測定面 １５ 支持中心、コイルの中心 １６ 支持中心と駆動中心と重心が一致する点

フロントページの続き (72)発明者 武田 有正 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソ ニー株式会社内 (56)参考文献 特開 平５−89480（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−128559（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 102 G01C 3/00 - 3/32 G11B 7/09 - 7/10

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定面に対してレーザ光を集光する対
   物レンズ系と、 上記被測定面から反射した反射光により上記対物レンズ
   系と上記被測定面との間の距離の焦点距離からのずれを
   示すフォーカスエラー信号を検出する検出光学系と、 上記検出光学系の出力信号に基づいて上記対物レンズ系
   と上記被測定面との距離が焦点距離になるように上記対
   物レンズを光軸方向に移動するアクチュエータと、 上記対物レンズ系の光軸と同軸上に配置されると共に、
   上記アクチュエータに一体的に取り付けられたリニアス
   ケールとを備え、 このリニアスケールのスケール部もしくはヘッド部を有
   する移動体が上記対物レンズ系と一体的に移動されるよ
   うにした変位検出装置において、 上記移動体の移動方向の重心軸と上記移動体を駆動する
   上記アクチュエータの駆動力の駆動方向の中心軸と、上
   記移動体を支持する支持部材の支持中心軸とを一致させ
   るようにしたことを特徴とする変位検出装置。
2. 【請求項２】上記支持部材は、上記移動体を挟むように
   対向して２つ設けたことを特徴とする請求項１記載の変
   位検出装置。