JP5856279B2 - 位置センサ - Google Patents
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Description
具体的には、本発明は、2つのコイルを有する位置センサに関するもので、そのうち第1のコイル(送信コイル)にはそれが一定の電磁場を放射するように特定の周波数が供給され、当該電磁場が第2のコイル(受信コイル)によって受信、あるいは、検出される。
異なる測定原理が存在し、それぞれの原理は特定の利点と欠点とを有する。
精度、分解能、温度依存、測定速度、長期安定性、許容電力損失などの要件、および、支配的な環境条件に依存して、最良の分解能が選択されなければならない。
この点に関して、精密光学素子分野の位置および変位測定において、極めて高い要求がある。
これは、ナノメートルおよびサブナノメートル範囲の精度を伴い、2つの適用領域が特に重要である。
これまで幾つかの異なる原理が使用されてきた。
その一例がFR2844048A1に記載されている。
両方の原理の主な欠点は、湿気および塵埃の影響に測定が依存することである。
それらも、原則として反射望遠鏡で用いるのに適さない。
渦電流損失原理にしたがって作用するパスセンサは水および塵埃に対して無反応であるが、測定の温度依存性は、非常に高い費用をかけて、やっと必要な精度を補償できるにすぎない。
この場合、測定対象が、配列の個々のコイルに対する位置に応じた関数としてもたらすインダクタンスの変化が評価される。
この配列を用いて、3軸で測定を行うことができる。
この配置の欠点は、比較的大きい構造であり、したがって、例えば温度変化によって生じる機械的変形への大きな依存性である。
コイルおよび測定対象の温度依存性の導電率の役割も無視できない。
2つの送信コイルのうちの一方はミラー要素の面上に取り付けられる。
対応する受信コイルは対向するミラー要素の面上に配置される。
第2の送信−受信対は、ミラー要素の2つの面に沿って同じ高さでオフセットされて逆送信−受信方向に配置される。
送信側と受信側との間の変位が位相測定によって評価される。
測定信号の位相位置のゼロ通過により、ここではミラーセグメントの平行平面の一致が得られる。
この原理は、セグメントの平行度を調整するのに本質的に適しているが、セグメント相互間に関する角度および距離のような他の更なる情報を提供しない。
コイルはフラット(平面)コイルとして配列され、送信コイルおよび受信コイルのそれぞれが互いに隣接して互いに平行に配置される。
送信コイルには、AC信号がそれぞれ逆位相で供給される。
この原理を用いると、2つの受信電圧の差分を測定して正確なゼロ点の記録が得られる。
同時に、2つの受信電圧を加算することにより2つのミラー要素間の距離を測定することができる。
ミラーセグメントの互いに対する平行度の測定における距離依存性は、差分電圧と加算電圧との比率を形成することにより排除できる。
しかしながら、角度依存性については排除できない。
これは、2つのコイルを有し、第1のコイル(送信コイル)にはそれが一定の電磁場を放射するように特定の周波数が供給され、この電磁場が第2のコイル(受信コイル)によって受信され、あるいは、検出される位置センサを含む。
コイル間の結合関係は、2つのコイルの相互の相対位置が変わるときに変化する。
2つのコイルは、それらが互いに直角になるように配置され、送信コイルの軸は受信コイルの平面に対して平行に配置される。
同じ周波数の電圧が交番電磁場により受信コイル3に誘導される。
電圧のレベルはコイルの結合状態に依存し、この場合、コイルの結合状態は、コイルの互いの相対位置に依存する。
2つの送信コイル1a、1bには、同一若しくは異なる周波数で、且つ、同一若しくは異なるが、一定の振幅の交流電圧が供給される。
等しく供給されるコイルを、並列または直列に接続できる。
送信コイル1bと対向する受信コイル3に、電圧が誘導される。
受信コイル5、6にも電圧が誘導される。
これらの受信コイル5、6は、互いに平行に位置合わせされるとともに、送信コイル1aに対向して配置される。
測定は、受信コイル3を用いてz方向について、受信コイル5、6を用いてxおよびy方向について実行することができる。
すなわち、x方向における送信コイル1aと平行な受信コイル5、6の変位は、E5およびE6からの信号の差(E5−E6)に比例する。
一方、y方向での送信コイル1aに対する受信コイル5、6の距離の変化は、E5およびE6からの信号の和(E5+E6)に比例する。
コイルに並列キャパシタを補ってそれらのコイルを共振駆動させることは、感度が特に高く、必要電流が低いので有益である。
測定範囲が500μmにある典型的な配置において、サブナノメートル範囲の分解能を得ることができる。
必要とされるコイル寸法は比較的小さい。
電磁場は離れた場所で減衰するので、混信効果も離れた場所では減少される。
受信コイル3の混信に対する感度を減らすために、E3からの信号とE5、E6からの和信号との比率、すなわち、E3/(E5+E6)が測定のために使用される。
したがって、受信コイル3、5、6に同様に作用する混信の影響が大きく排除される(例えば、EMC障害、または、特に温度効果)。
同一の効果を達成するために受信コイル3、5、6が相互に十分近接して配置されるということが求められる。
同じようにして、5、6の差と和との間の比((E5−E6)/(E5+E6))を形成するという比率形成によって、x方向の変位の測定に関して混信効果の補償が達成される。
コイル相互の相対配置によって、方向x、y、zに関する3つの独立した信号を発生させることができる。
コンパクトな構造を得るとともに補償に必要な同一の効果を達成するためにコイルを相互に近接して配置することが有益である。
コイルは、例えば、普通の回路基板上のフラット(平面)コイルとして形成することができる。
これにより、製造が特に簡単で費用効率が高くなるが、温度安定性や長期安定性は特に高くはない。
配置がコンパクトで有益となるように、コイルを駆動させて評価するための電子回路を回路基板上に配置することもできる。
他の実施例は、コイルがセラミック基板上のフラット(平面)コイルとして既知の方法により製造されるという事実によって特徴付けられる。
このとき、コイルは、セラミック多層の製造プロセスで起こる密閉封入によって周囲から完全に密封される。
これにより、特に長期安定性で温度安定性に優れた構造のコイルが得られる。
したがって、製造されたコイルは、優れた(密閉封入された)環境安定性および長期安定性によって特徴付けられる。
これは、測定組立体(Messanordnung)の高い分解能が活用できれば正に利点である。
コイルが円形コイルとしてではなく長方形表面を有するコイルとして設計されれば特に有益である。
このとき、コイル表面内に結果として生じる電磁場はほとんど一定である。
例えば、y方向における測定、の評価中、結果として得られる測定値は、y方向における電磁場強度の減少にのみ依存し(距離にほぼ反比例する)、コイル形状に依存せず、そのため、評価に対して望ましい効果を与える。
2番目に記載した組立体は、特に高い分解能および安定性要件が優先される場所での3つ全ての空間座標での測定に特に適する。
現在の半導体プロセスで使用される構造幅が次第に小さくなるにつれて、品質担保のために正確な位置決めが必要である。
EUV放射を用いて作用する更なる露光システムは、ピコメートル範囲の位置決め精度を必要とする。
本測定配置を用いると、これが可能である。
個々のミラーは、天体観察中に光が正確に焦点に合焦されるように互いに正確に位置合わせされなければならない。
これらの望遠鏡を用いて観察される大きな距離に起因して、個々のミラーの位置決め精度は数ナノメートルである。
その結果、ミラーは、焦点での合焦を達成するために3つの全ての空間的方向で正確に位置合わせされなければならない。
この目的のために、一方では請求項1に従属する複数の請求項の記載が参照され、他方では、図面を参照する本発明の好ましい実施例に関する以下の説明が参照される。
図面を参照した本発明の好ましい実施例の説明と併せて、教示(Lehre)の変形および好ましい実施例も一般的に説明される。
これは、送信コイルの軸と同一の軸となるように配置される第2の受信コイル(2)によって受信される。
受信電圧(E2)は、送信コイル(1)と受信コイル(2)との間の距離、すなわち、y方向の距離に直接に依存する。
コイル間の距離を逆相測定できるように、計算、または、回路によって特性が線形化されなければならない。
完全な長方形コイル(1)には、それが一定の電磁場を放射するように一定振幅の特定周波数(S)が供給される。
これは、その軸が送信コイル(1)の軸に対して90°垂直方向(z)に位置する第2の受信コイル(3)によって受信される。
非対称的に作用する磁場を用いると、コイル端に電圧が生じ、該電圧は、平行なポジショニング変位(方向z)に伴って中心位置の両側の特定の範囲にわたって直線的に変化し、その際、中心位置を通過するときに位相位置を送信信号に対して180°回転する。
このようにすると、簡単なセンサを実現することができ、該センサを用いて2つのコイルの互いに対する平行な変位を測定することができ、達成できる測定経路は送信コイルのコイル直径よりも幾分小さい。
誘導される受信電圧は、既に説明したように、中心領域で線形であり、該領域の端部へ向かって次第に非線形性を増大する。
このとき、測定経路上における勾配の特性は、コイルの基本距離に依存する。
これは、送信コイル(1)の軸に対して、水平方向(x)で90°に軸が位置付けされる第2のコイル(4)によって受信される。
非対称的に作用する磁場を用いると、コイル端に電圧が生じ、該電圧は、平行な位置変位(方向x)に伴って中心位置の両側の特定の範囲にわたって直線的に変化し、その際、中心位置を通過するときに位相位置を送信信号に対して180°回転する。
このようにすると、簡単なセンサを実現することができ、該センサを用いて2つのコイルの互いに対する平行な変位を測定することができ、得られる測定経路は送信コイルのコイル直径よりも幾分小さい。
誘導される受信電圧は、既に説明したように、中心領域で線形であり、該領域の端部へ向かって次第に非線形性を増大する。
このとき、測定経路上における勾配の特性は、コイルの基本距離に依存する。
2つの受信コイル(2)および(3)が互いに入れ子状に組み込まれている。
受信コイル(3)のコイル面が受信コイル(2)の軸上に位置する。
受信電圧(E3)の勾配の特性が長方形コイル(1)までの距離に依存しないために、電磁場強度を第2の受信コイル(2)を用いて測定しなければならない(受信電圧E2)。
2つの受信電圧の比(E3/E2)を形成することにより、z方向の位置測定の距離非依存性が特定の変位範囲にわたって実現される。
このとき、支配的な電磁場方向から生じる位相回転に起因して、ゼロ通過時に符号が逆になる点に留意しなければならない。
2つの受信コイル(2)および(3)も、互いに隣り合って同じ距離を隔てて位置し、機械的に強固に接続される。
送信コイルには一定のAC電圧(S)が同時に供給される。
図4の場合と同様、z方向の位置測定の距離非依存性が比率形成(E3/E2)によって達成されることがここでも適用される。
これは、x方向、または、z方向のいずれかに関して行うことができる。
2つのコイルがそれらの共通軸が図6に示されるようにx方向に延びるように配置される場合には、以下が適用される。
2つの電圧の差(E5−E6)が、x方向における送信コイル(1)の中心に対する位置を与える。
したがって、この場合も、比率形成((E5−E6)/(E5+E6))により、x方向の位置の測定は、平面(1ab)に対する2つのコイルの距離に依存しない。
同時に、z方向の位置に関する距離に依存しない測定値を比率(E3/(E5+E6))を用いて同様に決定することができる。
これらの組立体の全ては、送信コイルをケーブルを介してAC電源に接続することを必要とする。
給電のための受信コイルとして機能する付加コイル(1c)が送信コイルと同じ平面上に配置される。
受信コイル(3)、(5)および(6)に対して機械的に接続される送信コイル(7)がコイル(1c)と対向して位置する。
一定のAC電圧(SS)を供給することにより、この送信コイル(7)によって一定の電磁場が放射される。
このときコイル(1c)に誘導される電圧は、直接的な電気接続によって2つの送信コイル(1a)および(1b)に送給される。
この目的のため、更なる受信コイル8を2つの受信コイル5、6の間の中心に位置決めする可能性がある。
この場合も、受信電圧E5、E6の和が、例えば組み立て中に2つのセンサユニットA、Bの互いに対する正確な位置合わせを可能にするためにy方向の測定距離を与え、また、角度αにも依存する受信電圧E8および差分電圧(E5−E6)を同時に測定して機械的調整によりゼロに設定できる。
したがって、極めて正確な較正が可能である。
その結果、機械的な位置合わせによってエラーを排除する代わりに、演算によってエラーを排除できる。
この場合、角度αの関数としての差分電圧(E5−E6)で生み出されると同時に同じ比率で受信電圧E8に生じる角度エラーkは、マッチング係数mが乗じられて信号E8から差し引かれる。
これは、送信コイルの送信側で必要とされる供給電流を減少させるとともに、送信コイルに対して接近した間隔を隔てて、送信電圧よりもほんの僅かだけ小さいか大きい受信電圧(受信コイルのインダクタンスが送信コイルのそれよりも大きいとき)を受信側に与える。
したがって、非常に良好な信号対雑音比が得られる。
原則として、このタイプの他の組立体が考えられる。
2 受信コイル
3 受信コイル
4 受信コイル
5 受信コイル
6 受信コイル
8 受信コイル
1ab 平面
S AC電圧
E2 受信電圧
E3 受信電圧
E4 受信電圧
E5 受信電圧
E6 受信電圧
E8 受信電圧
Claims (10)
- 一定の電磁場を放射するように特定の周波数が供給される第1のコイルと、該電磁場を受信又は検出する第2のコイルとの少なくとも2つのコイルを有し、前記第2のコイルの軸が前記第1のコイルの軸に対して角度をなし、前記第1のコイルが第1対象に配置され、前記第2のコイルが第2対象に配置され、前記第1対象と前記第2対象との間の相対位置を測定する位置センサであって、
前記位置センサが、一定の電磁場を放射する第4のコイルと、前記第4のコイルの電磁場を受信または検出する第5のコイルおよび第6のコイルとをさらに含み、前記第1のコイルが前記第4のコイルに機械的に接続され、前記第4のコイルの軸が前記第1のコイルの軸と同じ方向に位置し、前記第1のコイルと前記第4のコイルとが互いに隣り合って配置され、前記第2のコイルが前記第5のコイルおよび前記第6のコイルと隣り合って配置され、前記第5のコイルと前記第6のコイルとが互いに非常に近接して配置され、すなわち、x方向で互いに隣接して、あるいは、z方向で互いに隣接して配置され、それらの共通の軸が同じ方向に延びている位置センサ。 - 前記第2のコイルの軸が、前記第1のコイルの軸に対して90°の角度をなす請求項1に記載の位置センサ。
- 前記第1のコイルが長方形コイルとして形成されている請求項1に記載の位置センサ。
- 前記第2のコイルが長方形コイルとして形成されている請求項1に記載の位置センサ。
- 前記第4のコイルの電磁場を受信または検出する第7のコイルをさらに含み、前記第5のコイルと、前記第6のコイルと、前記第7のコイルとが互いに非常に近接して配置され、すなわち、x方向で互いに隣接して、あるいは、z方向で互いに隣接して配置され、それらの共通の軸が同じ方向に延びている請求項1に記載の位置センサ。
- 給電用の受信コイルとしての機能を果たす付加コイルが前記第1のコイルおよび前記第4のコイルと同じ平面上に配置されている請求項1に記載の位置センサ。
- 前記第2のコイルと、前記第5のコイルと、前記第6のコイルとに機械的に強固に接続された送信コイルが前記付加コイルに対して配置し、一定のAC電圧を供給することにより一定の電磁場が前記送信コイルを介して放射され、前記付加コイルに誘導される電圧が直接的な電気接続によって前記第1のコイルおよび前記第4のコイルへ送給される請求項6に記載の位置センサ。
- 前記第1のコイルと第4のコイルとが同じ平面上に互いに隣り合って配置され、
前記第1のコイルおよび第4のコイルの姿勢が、前記第2のコイル、第5のコイルおよび第6のコイルのうちの少なくとも1つの姿勢と垂直な関係であることを特徴とする請求項7に記載の位置センサ。 - 前記第1のコイル、前記第2のコイル、および前記第4乃至第7のコイルが発振回路へ完結される請求項5に記載の位置センサ。
- 前記第1のコイル、前記第2のコイル、および前記第4乃至第7のコイルが複数のセラミック層上、または、複数のセラミック層内に形成されている請求項5に記載の位置センサ。
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