測定装置および測定方法
【課題】 測定対象物由来の物理量を安定して測定することができる測定装置および測定方法を提供する。
【解決手段】 互いの接地が接続された静電容量変換部１１，２１から、静電容量式変位センサ１２，２２に、位相の総和が０°となる、同一周波数の正弦波状のキャリア信号を印加して、測定対象物３０の厚さを測定する。
【解決手段】 互いの接地が接続された静電容量変換部１１，２１から、静電容量式変位センサ１２，２２に、位相の総和が０°となる、同一周波数の正弦波状のキャリア信号を印加して、測定対象物３０の厚さを測定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数台の静電容量式変位計で求められた複数の静電容量に基づいて測定対象物由来の物理量を測定する測定装置および測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、測定対象物に対向した位置に配置される測定ヘッドを備え、その測定対象物とその測定ヘッドとの間の距離に応じて変化する、その測定対象物とその測定ヘッドとの間の静電容量に対応する電圧等の物理量を出力する静電容量式変位計が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、測定ヘッドであるセンサ電極に、振幅が制御された交流信号を印加することにより、測定対象物とセンサ電極との間の静電容量が微少であっても高精度にかつ安定して静電容量に対応する物理量を出力することができる静電容量式変位計が提案されている。
【０００４】
また、例えば、特許文献２には、測定ヘッドからの静電容量を表わす信号が入力される演算増幅器と、その演算増幅器からの出力信号が入力されるローパスフィルタを備え、ローパスフィルタの帯域内に混入するノイズを防止することにより、高精度にかつ安定して静電容量に対応する物理量を出力することができる静電容量式変位計が提案されている。
【０００５】
ここで、複数台の静電容量式変位計で求められた複数の静電容量に基づいて測定対象物由来の物理量を測定する測定装置が知られている。このような測定装置の１つに厚さ測定装置がある。この厚さ測定装置では、２台の静電容量式変位計の測定ヘッドを互いに対向させて配置し、これら双方の測定ヘッドの間に測定対象物を配置してこれら２台の静電容量式変位計から出力された２つの物理量に基づいて、測定対象物の厚さを測定する。この厚さ測定装置は、測定対象物を、２台の静電容量式変位計で挟んで測定するものであるため、測定対象物が反っていたりうねっていたりしていても、測定対象物の厚さを正確に測定することができる。
【０００６】
図１は、従来の厚さ測定装置の構成を示す図である。
【０００７】
図１に示す厚さ測定装置１００には、第１の静電容量式変位計１１０と、第２の静電容量式変位計１２０と、厚さ算出部１００＿１とが備えられている。第１の静電容量式変位計１１０は、静電容量変換部１１１と静電容量式変位センサ１１２を有する。これら静電容量変換部１１１と静電容量式変位センサ１１２は、ケーブル１１３で接続されている。また、第２の静電容量式変位計１２０は、静電容量変換部１２１と静電容量式変位センサ１２２を有する。これら静電容量変換部１２１と静電容量式変位センサ１２２は、ケーブル１２３で接続されている。
【０００８】
さらに、各静電容量変換部１１１，１２１の各接地は、導線で互いに接続されているとともに測定対象物３０に接続されている。
【０００９】
静電容量式変位センサ１１２，１２２は、互いに対向して配置されており、これら静電容量式変位センサ１１２，１２２の間には、測定対象物３０が配置されている。測定対象物３０としては、導体や半導体がある。
【００１０】
静電容量変換部１１１，１２１は、静電容量式変位センサ１１２，１２２で検出した静電容量を物理量である電圧に変換し、静電容量式変位センサ１１２，１２２と測定対象物３０間の距離に比例した出力電圧Ｅ１０，Ｅ２０を出力する。これらの出力電圧Ｅ１０，Ｅ２０は、厚さ算出部１００＿１に入力される。
【００１１】
静電容量式変位センサ１１２，１２２間の距離（Ｄ）は、既知の厚さｔの測定対象物３０を配置し、測定対象物３０と各静電容量式変位センサ１１２，１２２との距離を測定し、その値をＧＡＰ・１１２、ＧＡＰ・１２２とすると、各距離と測定対象物３０の既知の厚さの合計（Ｄ＝ｔ＋ＧＡＰ・１１２＋ＧＡＰ・１２２）から算出する。厚さ算出部１００＿１には、この距離（Ｄ）に対応した基準電圧が格納される。測定対象物３０を測定する場合には、その距離（Ｄ）に対応した基準値からそれぞれの静電容量式変位センサ１１２，１２２の出力に対応する電圧Ｅ１０，Ｅ２０が表わす電圧値を引き算して厚さを表わす信号αを厚さ算出部１００＿１から出力する。このようにして、厚さ測定装置１００で測定対象物３０の厚さを測定する。
【特許文献１】特開平９−２８０８０６号公報
【特許文献２】特開２００４−３５４２７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述した厚さ測定装置１００において、測定対象物３０の厚さを安定して測定するためには、静電容量変換部１１１，１２１それぞれの接地および測定対象物３０を共通の電位（直流電圧ＤＣ０Ｖ）にする必要がある。ここで、静電容量変換部１１１，１２１どうしの接地を共通の電位にするには、上述したように、静電容量変換部１１１，１２１の接地どうしを導線で接続すれば済み、従って静電容量変換部１１１，１２１どうしの接地を共通の電位にすることは容易である。
【００１３】
しかし、静電容量変換部１１１，１２１の接地と測定対象物３０を共通の電位にするにあたっては、以下の問題がある。
【００１４】
測定対象物３０が、例えばシリコンウエハなどの製品である場合、導線との接触を避けたい場合がある。また、測定の手間を省くために、静電容量変換部１１１，１２１の接地と直接導通を取ることが困難な場合も多い。そのため、例えば、測定対象物３０を載せるための金属製の測定台を設け、その上に測定対象物３０を載せることで導通を取るようにしたり、また、測定対象物３０を測定台の金属に接触させたくない場合には、その測定台の表面に樹脂加工などを施す等の工夫が行なわれている。ここで、測定台の表面上の樹脂を極力薄くしたり、測定対象物に反りや歪みがあり平坦でない場合などには、バキューム機構を設け台座に吸着させるシステムを構築する必要がある。
【００１５】
ここで、測定対象物３０と静電容量変換部１１１，１２１の接地との間を同電位にすることが困難な場合、測定対象物３０と静電容量変換部１１１，１２１の接地との間にインピーダンスが生じる。このインピーダンスには、静電容量変換部１１１，１２１からのキャリア電流が流れるため、測定誤差が発生する。また、測定環境によってはインピーダンスに変化が生じ、測定が不安定になるという問題も発生する。
【００１６】
従って、２台の静電容量式変位計１１０，１２０および厚さ算出部１００＿１を使用して測定対象物３０の厚さを測定する場合、インピーダンスに流れる電流が比較的大きい場合もあり、またインピーダンスは測定環境によって変化するため、安定した測定を行なうことは困難である。
【００１７】
本発明は、上記事情に鑑み、測定対象物由来の物理量を安定して測定することができる測定装置および測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成する本発明の測定装置は、測定対象物に対向した位置に配置される測定ヘッドを備え、その測定対象物とその測定ヘッドとの間の距離に応じて変化する、その測定対象物とその測定ヘッドとの間の静電容量を求める静電容量式変位計を複数台用意し、これら複数台の静電容量式変位計の測定ヘッドそれぞれを測定対象物に対向させて配置し、これら複数台の静電容量式変位計で求められた複数の静電容量に基づいてその測定対象物由来の物理量を測定する測定装置であって、
上記複数台の静電容量式変位計は、互いの接地を接続し、それぞれの測定ヘッドに、位相の総和が０°となる、同一周波数の正弦波状のキャリア信号を印加するものであることを特徴とする。
【００１９】
図２は、本発明の測定装置の原理を説明するための等価回路を示す図である。
【００２０】
尚、ここでは、便宜上、本発明の複数台の静電容量式変位計として、２台の静電容量式変位計の例で説明する。
【００２１】
図２に示す静電容量Ｃ１Ｘは、２台の静電容量式変位計のうちの第１の静電容量式変位計を構成する第１の測定ヘッドと測定対象物間の第１の静電容量である。また、静電容量Ｃ２Ｘは、２台の静電容量式変位計のうちの第２の静電容量式変位計を構成する第２の測定ヘッドと測定対象物間の第２の静電容量である。さらに、インピーダンスＺは、測定対象物と２台の静電容量式変位計の接地間のインピーダンスである。
【００２２】
また、図２に示す等価回路には、第１，第２の静電容量式変位計のキャリア信号Ｅ１Ｓ，Ｅ２Ｓ、基準コンデンサの静電容量Ｃ１Ｓ，Ｃ２Ｓ、および第１，第２の静電容量式変位計を構成する増幅器（ともにゲインＧ＝１）が示されている。
【００２３】
ここで、図２に示す出力電圧Ｅ１０、Ｅ２０は次式で表わされる。
【００２４】
【数１】
【００２５】
【数２】
【００２６】
ここで、
【００２７】
【数３】
【００２８】
【数４】
【００２９】
尚、ｄ１Ｘ，ｄ２Ｘは、Ｃ１Ｘ，Ｃ２Ｘの電極間ギャップ（第１，第２の測定ヘッドと測定対象物との距離）である。また、Ｓ１Ｘ，Ｓ２ＸはＣ１Ｘ，Ｃ２Ｘの電極面積、εは誘電率である。
【００３０】
上記の式（１），（２）において、
【００３１】
【数５】
【００３２】
とすることで、出力電圧Ｅ１０、Ｅ２０は、第１，第２の測定ヘッドと測定対象物間の距離に比例させることができる。
【００３３】
従来では、インピーダンスＺを０に近づけるようにしているが、本発明では、インピーダンスＺに掛かる式（６）を
【００３４】
【数６】
【００３５】
にする。即ち、第１，第２の測定ヘッドそれぞれに、位相の総和が０°となる、同一周波数の正弦波状のキャリア信号を印加する。これにより、Ｅ２Ｓ＝−Ｅ１Ｓ、Ｚ２Ｓ＝Ｚ１Ｓとする。このようにすることにより、測定対象物と２台の静電容量式変位計の接地との間にインピーダンスが生じた場合であっても、キャリア信号が互いに打ち消されるため、そのインピーダンスには、キャリア電流が流れることはなく、従って測定対象物と２台の静電容量式変位計の接地間のインピーダンスの影響を受けず、測定結果を、第１，第２の測定ヘッドと測定対象物間の距離、すなわち変位に比例させることができる。従って、測定対象物由来の物理量を安定して測定することができる。
【００３６】
ここで、当該測定装置は、２台の静電容量式変位計の測定ヘッドを互いに対向させて配置し、これら双方の測定ヘッドの間に測定対象物を配置してこれら２台の静電容量式変位計で求められた２つの静電容量に基づいてその測定対象物の厚さを測定する厚さ測定装置であることが好ましい。
【００３７】
この厚さ測定装置によれば、測定対象物の厚さを安定して測定することができる。
【００３８】
また、当該測定装置は、複数台の静電容量式変位計の測定ヘッドを測定対象物である回転体に対向させて配置し、これら複数台の静電容量式変位計で求められた複数の静電容量に基づいて上記回転体の物理量を測定する回転体測定装置であることも好ましい態様である。
【００３９】
この回転体測定装置によれば、回転体の物理量である偏心，真円度，振動，凸凹等を安定して測定することができる。
【００４０】
さらに、当該測定装置は、複数台の静電容量式変位計の測定ヘッドを測定対象物である振動体に対向させて配置し、これら複数台の静電容量式変位計で求められた複数の静電容量に基づいて上記振動体の振動を測定する振動体測定装置であることも好ましい。
【００４１】
この振動体測定装置によれば、振動体の振動を安定して測定することができ、従って振動体の変形状態を正確に解析することができる。
【００４２】
また、上記目的を達成する本発明の測定方法は、
測定対象物に対向した位置に配置される測定ヘッドを備え、その測定対象物とその測定ヘッドとの間の距離に応じて変化する、その測定対象物とその測定ヘッドとの間の静電容量を求める静電容量式変位計を複数台用意し、
これら複数台の静電容量式変位計の測定ヘッドそれぞれを測定対象物に対向させて配置し、
これら複数台の静電容量式変位計の接地どうしを接続し、それぞれの測定ヘッドに、位相の総和が０°となる、同一周波数の正弦波状のキャリア信号を印加して、これら複数台の静電容量式変位計を用いて静電容量を測定し、
これら複数台の静電容量式変位計で求められた複数の静電容量に基づいてその測定対象物由来の物理量を求めることを特徴とする。
【００４３】
本発明の測定方法は、複数台の静電容量式変位計の測定ヘッドそれぞれを測定対象物に対向させて配置し、これら複数台の静電容量式変位計の接地どうしを接続し、それぞれの測定ヘッドに、位相の総和が０°となる、同一周波数の正弦波状のキャリア信号を印加する方法であるため、測定対象物と複数台の静電容量式変位計の接地との間にインピーダンスが生じた場合であっても、キャリア信号が互いに打ち消される。従って、インピーダンスには、キャリア電流が流れることはなく、測定対象物と複数台の静電容量式変位計の接地間のインピーダンスの影響を受けず、測定結果を、複数の測定ヘッドと測定対象物間の距離、すなわち変位に比例させることができる。従って、測定対象物由来の物理量を安定して測定することができる。
【発明の効果】
【００４４】
本発明の測定装置および測定方法によれば、測定対象物由来の物理量を安定して測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００４６】
図３は、本発明の測定装置の第１実施形態である厚さ測定装置の概略構成図である。
【００４７】
尚、図３に示す厚さ測定装置１には、本発明の測定方法の一実施形態が適用されている。この厚さ測定装置１には、第１の静電容量式変位計１０と、第２の静電容量式変位計２０と、厚さ算出部１＿１とが備えられている。ここで、第１の静電容量式変位計１０と第２の静電容量式変位計２０が、本発明にいう複数台の静電容量式変位計の一例に相当する。
【００４８】
第１の静電容量式変位計１０は、静電容量変換部１１と静電容量式変位センサ１２（本発明にいう測定ヘッドの一例に相当）を有する。静電容量変換部１１と静電容量式変位センサ１２は、ケーブル１３で接続されている。
【００４９】
また、第２の静電容量式変位計２０は、静電容量変換部２１と静電容量式変位センサ２２（本発明にいう測定ヘッドの他の一例に相当）を有する。静電容量変換部２１と静電容量式変位センサ２２は、ケーブル２３で接続されている。
【００５０】
さらに、各静電容量変換部１１，２１の各接地は、導線で互いに接続されている。
【００５１】
静電容量式変位センサ１２，２２は、互いに対向して配置されており、これら静電容量式変位センサ１２，２２の間には、測定対象物３０が配置されている。測定対象物３０としては、導体や半導体がある。
【００５２】
この厚さ測定装置１で測定対象物３０の厚さを測定するには、静電容量変換部１１，２１から静電容量式変位センサ１２，２２に、位相の総和が０°となる、同一周波数の正弦波状のキャリア信号を印加する。詳細には、静電容量変換部１１，２１は、共通の交流電力から位相が互いに１８０°異なる２つのキャリア信号を得て、各キャリア信号をそれぞれの静電容量式変位センサ１２，２２に印加する。以下、図４を参照して説明する。
【００５３】
図４は、図３に示す厚さ測定装置の等価回路を示す図である。
【００５４】
尚、図３に示す厚さ算出部１＿１の等価回路は図示省略する。
【００５５】
図４に示す等価回路には、図３に示す厚さ測定装置１を構成する静電容量式変位センサ１２と測定対象物３０間の静電容量Ｃ１Ｘが示されている。また、静電容量式変位センサ２２と測定対象物３０間の静電容量Ｃ２Ｘも示されている。さらに、静電容量Ｃ１Ｘと静電容量Ｃ２Ｘとのノードと接地間に挿入されたインピーダンスＺ（抵抗）も示されている。
【００５６】
また、図４に示す等価回路には、交流電力ＥＳからの、静電容量変換部１１，２１内部の増幅器（ゲインＧ＝１，−１）を介して位相が互いに１８０°異なる２つのキャリア信号Ｅ’Ｓ，−Ｅ’Ｓが入力される２つの混合器、静電容量変換部１１，２１内部の基準コンデンサの静電容量Ｃ１Ｓ，Ｃ２Ｓ、および静電容量変換部１１，２１内部の増幅器（ともにゲインＧ＝１）が示されている。また、図３に示す静電容量変換部１１，１２からの出力電圧Ｅ１０，Ｅ２０も示されている。
【００５７】
ここで、出力電圧Ｅ１０，Ｅ２０は、次式で表わされる。
【００５８】
【数７】
【００５９】
【数８】
【００６０】
ここで、ｄ１Ｘ，ｄ２Ｘは、Ｃ１Ｘ，Ｃ２Ｘの電極間ギャップ（静電容量式変位センサ１２，２２と測定対象物３０との距離）である。また、Ｓ１Ｘ，Ｓ２ＸはＣ１Ｘ，Ｃ２Ｘの電極面積、εは誘電率である。
【００６１】
上記出力電圧Ｅ１０，Ｅ２０は、図３に示す厚さ算出部１＿１に入力される。
【００６２】
静電容量式変位センサ１２，２２間の距離（Ｄ）は、既知の厚さｔの測定対象物３０を配置し、測定対象物３０と各静電容量式変位センサ１２，２２との距離を測定し、その値をＧＡＰ・１２、ＧＡＰ・２２とすると、各距離と測定対象物３０の既知の厚さの合計（Ｄ＝ｔ＋ＧＡＰ・１２＋ＧＡＰ・２２）から算出する。厚さ算出部１＿１には、この距離（Ｄ）に対応した基準電圧が格納される。測定対象物３０を測定する場合には、その距離（Ｄ）に対応した基準値からそれぞれの静電容量式変位センサ１２，２２の出力に対応する電圧Ｅ１０，Ｅ２０が表わす電圧値を引き算して厚さを表わす信号αを厚さ算出部１＿１から出力する。このようにして、厚さ測定装置１で測定対象物３０の厚さを測定する。
【００６３】
上述したように、第１実施形態の厚さ測定装置１では、静電容量式変位センサ１２，２２に、位相が互いに１８０°異なる、同一周波数の正弦波状のキャリア信号Ｅ’Ｓ，−Ｅ’Ｓが印加される。このため、測定対象物３０と静電容量変換部１１，２１の接地との間にインピーダンスが生じた場合であっても、キャリア信号Ｅ’Ｓ，−Ｅ’Ｓが互いに打ち消されることとなり、そのインピーダンスには、静電容量変換部１１，２１からのキャリア電流が流れることはなく、従って測定対象物３０と静電容量変換部１１，１２の接地間のインピーダンスの影響を受けず、測定結果を、静電容量式変位センサ１２，２２と測定対象物３０間の距離、すなわち変位に比例させることができる。従って、測定対象物３０の厚さを安定して測定することができる。
【００６４】
ここで、実測による従来方式と発明方式（第１実施形態）の違いを表１を参照して説明する。
【００６５】
表１には、実測による従来方式と発明方式の違いが示されている。
【００６６】
【表１】
【００６７】
ここでは、厚さ５００μｍの金属板の厚さ測定を例にとり、測定対象物と接地間のインピーダンスＺを変更した場合の従来方式（前述した図１）と本発明方式（図３）の測定結果の違いを示す。厚さ（μｍ）は静電容量式変位センサ間の距離から２つの静電容量式変位センサと測定対象物との距離（変位値）を引いた値である。インピーダンスＺとして測定対象物と接地間に抵抗を挿入し、０ＭΩ，１ＭΩ，ほぼ無限大と変化させたときの厚さ測定を行なった。従来方式はインピーダンスＺが大きくなると測定結果（厚さ）は小さくなり、ほぼ無限大では測定不能となった。詳細には、インピーダンスＺが０ＭΩでは厚さは５００μｍであるものの、インピーダンスＺが１ＭΩでは厚さは４７０μｍと小さく、さらにインピーダンスＺがほぼ無限大では測定不能となった。これに対し、本発明方式では、インピーダンスＺを０ＭΩ，１ＭΩ，ほぼ無限大と変化させても厚さはいずれも５００μｍであり、測定結果に大きな変化は見られず、安定した測定を行なうことができた。従って、本発明の第１実施形態の有効性を確認することができた。
【００６８】
図５は、本発明の測定装置の第２実施形態である回転体測定装置の概略構成図である。
【００６９】
尚、図３に示す厚さ測定装置１と同じ構成要素には同一の符号を付して説明する。
【００７０】
図５に示す回転体測定装置２には、第１の静電容量式変位計１０と、第２の静電容量式変位計２０と、偏心算出部２＿１と、オシロスコープ２＿２とが備えられている。
【００７１】
第１の静電容量式変位計１０は、静電容量変換部１１と静電容量式変位センサ１２を有する。静電容量変換部１１と静電容量式変位センサ１２は、ケーブル１３で接続されている。
【００７２】
また、第２の静電容量式変位計２０は、静電容量変換部２１と静電容量式変位センサ２２を有する。静電容量変換部２１と静電容量式変位センサ２２は、ケーブル２３で接続されている。
【００７３】
さらに、各静電容量変換部１１，２１の各接地は、導線で互いに接続されている。
【００７４】
静電容量式変位センサ１２，２２は、測定対象物である回転体４０に対向して、この図５に示すように、互いに９０°ずれた位置に配置されている。
【００７５】
この回転体測定装置２では、静電容量変換部１１，２１から静電容量式変位センサ１２，２２に、位相の総和が０°となる（位相が互いに１８０°異なる）、同一周波数の正弦波状のキャリア信号を印加する。
【００７６】
静電容量変換部１１，２１から出力される電圧Ｅ１０，Ｅ２０は、回転体４０と静電容量式変位センサ１２，２２間の距離に比例した電圧である。回転体４０の形状に依存する距離の変化は、電圧Ｅ１０，Ｅ２０から求めることができる。これらの電圧Ｅ１０，Ｅ２０から位相の異なる同じ波形信号を得ることができる。この信号の回転１次成分のみを抽出した信号の振幅は偏心、回転２次以上の成分を抽出した信号は回転体固有の形状を表し、最大値と最小値の差（ｐｅａｋ−ｔｏ−ｐｅａｋ値）が真円度となる。静電容量式変位センサ１２，２２の取り付け位置を９０°ずらしていることから位相計算を行い、偏心など回転体４０の変形方向を算出することができる。
【００７７】
ここで、回転体４０に振動成分が含まれる場合、電圧Ｅ１０と電圧Ｅ２０は同じ波形にならず、これら電圧Ｅ１０，Ｅ２０から振動の解析を行なうことも可能となる。簡単な手法としては、振動が発生しないようにゆっくりとした回転をさせ、前述した回転体４０の偏心、真円度などの形状をそれぞれの静電容量式変位センサ１２，２２で測定し、その結果を装置内に基準形状として格納しておく。その後、通常回転をさせ、同様の測定を行なう。その測定結果から位相合わせをした基準形状を差し引くことで、振動成分を抽出することができる。２つのデータから位相計算することで、振動方向のベクトルも算出可能となる。
【００７８】
また、各電圧Ｅ１０，Ｅ２０はオシロスコープ２＿２に入力され、このオシロスコープ２＿２の画面上にリサージュ波形が表示され、これにより回転体４０の偏心についての評価が行なわれる。
【００７９】
第２実施形態の回転体測定装置２では、第１の静電容量式変位計１０と第２の静電容量式変位計２０との２台の静電容量式変位計で回転体４０の偏心を測定するものであるため、１台の静電容量式変位計で回転体４０の偏心を測定する場合と比較し、回転体４０の偏心を安定して測定することができる。また、回転体４０と静電容量変換部１１，２１の接地との間にインピーダンスが生じた場合であっても、キャリア信号が互いに打ち消されるため、そのインピーダンスには、静電容量変換部１１，２１からのキャリア電流が流れることはなく、従って回転体４０と静電容量変換部１１，１２の接地間のインピーダンスの影響を受けず、回転体４０の偏心をより安定して測定することができる。
【００８０】
従来の回転体測定装置で回転体を測定する場合には、ブラシなどを介して回転体と２台の静電容量式変位計の接地との導通を取る必要がある。このため、ブラシが擦り減ったり接触不良を防止したりするための対策や注意が必要である。また、回転軸にボールベアリングを使用している場合であって、ベアリングを固定している治具と導通を取るようにする場合があるが、ベアリングは必ずしも電気的な導通を保証しているものではないため、測定結果が不安定になる恐れがある。さらに、エアベアリングなどの精密スピンドルにおいてはベアリング固定部と回転部間では導通が無いため、回転体と導通を取る必要があるものの、精密スピンドルにおいては精密な回転をさせている場合が多いため、回転体と導通を取ることは困難である。また、回転体と導通を取るにあたり、回転体に直接接触させたくない場合も少なくない。一方、第２実施形態の回転体測定装置２では、静電容量変換部１１，１２の接地と回転体４０との導通を取る必要はないため、容易な測定が可能となる。
【００８１】
図６は、本発明の測定装置の第３実施形態である振動体測定装置の概略構成図である。
【００８２】
尚、図３に示す厚さ測定装置１と同じ構成要素には同一の符号を付して説明する。
【００８３】
図６に示す振動体測定装置３には、第１の静電容量式変位計１０と、第２の静電容量式変位計２０と、変形状態算出部３＿１とが備えられている。ここで、第１，第２の静電容量式変位計１０，２０が有する静電容量式変位センサ１２，２２は、測定対象物である平板状の振動体５０の表面側に、その表面から所定距離離れた位置に並べて配置されている。また、この振動体測定装置３には、振動体５０に振動を付与するための加振器６０が備えられている。
【００８４】
振動の無い状態での測定した電圧の差（Ｅ２０−Ｅ１０）は、振動体５０の固有形状と測定系の物理的な状態を含めた基準状態として変形状態算出部３＿１に格納する。
【００８５】
振動している状態での電圧の差（Ｅ２０−Ｅ１０）と格納した基準状態との差が変形状態を表す。この差信号は信号γとして出力する。静電容量式変位センサ２２の位置を移動して同様の多点測定を行なうことで、振動体３０の変形状態をより詳細に解析できる。
【００８６】
この振動体測定装置３では、静電容量変換部１１，２１から静電容量式変位センサ１２，２２に、位相の総和が０°となる、同一周波数の正弦波状のキャリア信号を印加する。このため、振動体５０と静電容量変換部１１，２１の接地との間にインピーダンスが生じた場合であっても、キャリア信号が互いに打ち消されるため、そのインピーダンスには、静電容量変換部１１，２１からのキャリア電流が流れることはなく、従って振動体５０と静電容量変換部１１，１２の接地間のインピーダンスの影響を受けず、振動体５０の振動に伴う変形状態を安定して測定することができる。
【００８７】
また、従来の振動体測定装置において、振動する測定対象物に導線を接続する場合、振動に耐えられるような強度にするために太い導線を使用すると、測定対象物の挙動に影響する。一方、細い導線を使用すると断線が発生する恐れが考えられる。第３実施形態の振動体測定装置３では、静電容量変換部１１，１２の接地と振動体５０との導通を取る必要はないため、容易な測定が可能となる。
【００８８】
また、この第３実施形態の振動体測定装置３では、変位測定の測定対象となる導体が絶縁体に覆われている場合であっても、同じ場所の変位を測定する場合は、安定した変位の変化測定が可能である。それは、絶縁体の厚さ、比誘電率が同じという条件が成り立つことで、測定結果には常に一定の誤差が含まれ、変化量は変位値の差分となるため、その影響を無視することができるためである。
【００８９】
図７は、本発明の測定装置の第４実施形態である厚さ測定装置の等価回路を示す図である。
【００９０】
前述した、図３に示す厚さ測定装置１では、２台の静電容量式変位計の例で説明したが、第４実施形態の厚さ測定装置には、４台の静電容量式変位計が備えられており、図７には、これら４台の静電容量式変位計の等価回路が示されている。４台の静電容量式変位計は、４つの静電容量式変位センサ（第１，第２，第３，第４の静電容量式変位センサ）を有する。
【００９１】
また、第４実施形態の厚さ測定装置には、４台の静電容量式変位計の各２台の静電容量式変位計に対応する２台の厚さ算出部が備えられているが、図７では、これら２台の厚さ算出部の等価回路は図示省略する。
【００９２】
この図７には、第１の静電容量式変位センサと測定対象物との間の静電容量Ｃ１Ｘが示されている。また、第２の静電容量式変位センサと測定対象物との間の静電容量Ｃ２Ｘが示されている。さらに、第３の静電容量式変位センサと測定対象物との間の静電容量Ｃ３Ｘ、および第４の静電容量式変位センサと測定対象物との間の静電容量Ｃ４Ｘが示されている。また、静電容量Ｃ１Ｘ，Ｃ２Ｘ，Ｃ３Ｘ，Ｃ４Ｘの共通ノードと接地間に挿入されたインピーダンスＺも示されている。
【００９３】
また、この等価回路には、第１，第２，第３，第４の静電容量式変位計におけるキャリア信号Ｅ１Ｓ，Ｅ２Ｓ，Ｅ３Ｓ，Ｅ４Ｓと、基準コンデンサの静電容量Ｃ１Ｓ，Ｃ２Ｓ，Ｃ３Ｓ，Ｃ４Ｓと、４つの増幅器（ともにゲインＧ＝１）が示されている。
【００９４】
ここで、図７に示す、第１の静電容量式変位計の出力電圧Ｅ１０は次式で表わされる。
【００９５】
【数９】
【００９６】
インピーダンスＺには各静電容量式変位計からのキャリア電流が流れ、第１の静電容量式変位計から出力される電圧の誤差となる。これは他の３台の静電容量式変位計から出力される電圧も同様の誤差となり、使用台数を増やした場合には、出力される電圧の誤差が大きくなることを示している。
【００９７】
ここで、第４実施形態では、
【００９８】
【数１０】
【００９９】
となる。これにより、
【０１００】
【数１１】
【０１０１】
となる。従って、
【０１０２】
【数１２】
【０１０３】
となる。このようにすることにより、出力される電圧に、インピーダンスＺに関わる誤差が発生することを防止している。これに対し、従来技術では、台数を増やした分だけインピーダンスＺに流れる電流が増加するため、出力される電圧の誤差も大きくなる。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】従来の厚さ測定装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の測定装置の原理を説明するための等価回路を示す図である。
【図３】本発明の測定装置の第１実施形態である厚さ測定装置の概略構成図である。
【図４】図３に示す厚さ測定装置の等価回路を示す図である。
【図５】本発明の測定装置の第２実施形態である回転体測定装置の概略構成図である。
【図６】本発明の測定装置の第３実施形態である振動体測定装置の概略構成図である。
【図７】本発明の測定装置の第４実施形態である厚さ測定装置の等価回路を示す図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１，１００ 厚さ測定装置
１＿１，１００＿１ 厚さ算出部
２ 回転体測定装置
２＿１ 偏心算出部
２＿２ オシロスコープ
３ 振動体測定装置
３＿１ 変形状態算出部
１０，１１０ 第１の静電容量式変位計
１１，２１，１１１，１２１ 静電容量変換部
１２，２２，１１２，１２２ 静電容量式変位センサ
１３，２３，１１３，１２３ ケーブル
２０，１２０ 第２の静電容量式変位計
３０ 測定対象物
４０ 回転体
５０ 振動体
６０ 加振器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数台の静電容量式変位計で求められた複数の静電容量に基づいて測定対象物由来の物理量を測定する測定装置および測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、測定対象物に対向した位置に配置される測定ヘッドを備え、その測定対象物とその測定ヘッドとの間の距離に応じて変化する、その測定対象物とその測定ヘッドとの間の静電容量に対応する電圧等の物理量を出力する静電容量式変位計が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、測定ヘッドであるセンサ電極に、振幅が制御された交流信号を印加することにより、測定対象物とセンサ電極との間の静電容量が微少であっても高精度にかつ安定して静電容量に対応する物理量を出力することができる静電容量式変位計が提案されている。
【０００４】
また、例えば、特許文献２には、測定ヘッドからの静電容量を表わす信号が入力される演算増幅器と、その演算増幅器からの出力信号が入力されるローパスフィルタを備え、ローパスフィルタの帯域内に混入するノイズを防止することにより、高精度にかつ安定して静電容量に対応する物理量を出力することができる静電容量式変位計が提案されている。
【０００５】
ここで、複数台の静電容量式変位計で求められた複数の静電容量に基づいて測定対象物由来の物理量を測定する測定装置が知られている。このような測定装置の１つに厚さ測定装置がある。この厚さ測定装置では、２台の静電容量式変位計の測定ヘッドを互いに対向させて配置し、これら双方の測定ヘッドの間に測定対象物を配置してこれら２台の静電容量式変位計から出力された２つの物理量に基づいて、測定対象物の厚さを測定する。この厚さ測定装置は、測定対象物を、２台の静電容量式変位計で挟んで測定するものであるため、測定対象物が反っていたりうねっていたりしていても、測定対象物の厚さを正確に測定することができる。
【０００６】
図１は、従来の厚さ測定装置の構成を示す図である。
【０００７】
図１に示す厚さ測定装置１００には、第１の静電容量式変位計１１０と、第２の静電容量式変位計１２０と、厚さ算出部１００＿１とが備えられている。第１の静電容量式変位計１１０は、静電容量変換部１１１と静電容量式変位センサ１１２を有する。これら静電容量変換部１１１と静電容量式変位センサ１１２は、ケーブル１１３で接続されている。また、第２の静電容量式変位計１２０は、静電容量変換部１２１と静電容量式変位センサ１２２を有する。これら静電容量変換部１２１と静電容量式変位センサ１２２は、ケーブル１２３で接続されている。
【０００８】
さらに、各静電容量変換部１１１，１２１の各接地は、導線で互いに接続されているとともに測定対象物３０に接続されている。
【０００９】
静電容量式変位センサ１１２，１２２は、互いに対向して配置されており、これら静電容量式変位センサ１１２，１２２の間には、測定対象物３０が配置されている。測定対象物３０としては、導体や半導体がある。
【００１０】
静電容量変換部１１１，１２１は、静電容量式変位センサ１１２，１２２で検出した静電容量を物理量である電圧に変換し、静電容量式変位センサ１１２，１２２と測定対象物３０間の距離に比例した出力電圧Ｅ１０，Ｅ２０を出力する。これらの出力電圧Ｅ１０，Ｅ２０は、厚さ算出部１００＿１に入力される。
【００１１】
静電容量式変位センサ１１２，１２２間の距離（Ｄ）は、既知の厚さｔの測定対象物３０を配置し、測定対象物３０と各静電容量式変位センサ１１２，１２２との距離を測定し、その値をＧＡＰ・１１２、ＧＡＰ・１２２とすると、各距離と測定対象物３０の既知の厚さの合計（Ｄ＝ｔ＋ＧＡＰ・１１２＋ＧＡＰ・１２２）から算出する。厚さ算出部１００＿１には、この距離（Ｄ）に対応した基準電圧が格納される。測定対象物３０を測定する場合には、その距離（Ｄ）に対応した基準値からそれぞれの静電容量式変位センサ１１２，１２２の出力に対応する電圧Ｅ１０，Ｅ２０が表わす電圧値を引き算して厚さを表わす信号αを厚さ算出部１００＿１から出力する。このようにして、厚さ測定装置１００で測定対象物３０の厚さを測定する。
【特許文献１】特開平９−２８０８０６号公報
【特許文献２】特開２００４−３５４２７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述した厚さ測定装置１００において、測定対象物３０の厚さを安定して測定するためには、静電容量変換部１１１，１２１それぞれの接地および測定対象物３０を共通の電位（直流電圧ＤＣ０Ｖ）にする必要がある。ここで、静電容量変換部１１１，１２１どうしの接地を共通の電位にするには、上述したように、静電容量変換部１１１，１２１の接地どうしを導線で接続すれば済み、従って静電容量変換部１１１，１２１どうしの接地を共通の電位にすることは容易である。
【００１３】
しかし、静電容量変換部１１１，１２１の接地と測定対象物３０を共通の電位にするにあたっては、以下の問題がある。
【００１４】
測定対象物３０が、例えばシリコンウエハなどの製品である場合、導線との接触を避けたい場合がある。また、測定の手間を省くために、静電容量変換部１１１，１２１の接地と直接導通を取ることが困難な場合も多い。そのため、例えば、測定対象物３０を載せるための金属製の測定台を設け、その上に測定対象物３０を載せることで導通を取るようにしたり、また、測定対象物３０を測定台の金属に接触させたくない場合には、その測定台の表面に樹脂加工などを施す等の工夫が行なわれている。ここで、測定台の表面上の樹脂を極力薄くしたり、測定対象物に反りや歪みがあり平坦でない場合などには、バキューム機構を設け台座に吸着させるシステムを構築する必要がある。
【００１５】
ここで、測定対象物３０と静電容量変換部１１１，１２１の接地との間を同電位にすることが困難な場合、測定対象物３０と静電容量変換部１１１，１２１の接地との間にインピーダンスが生じる。このインピーダンスには、静電容量変換部１１１，１２１からのキャリア電流が流れるため、測定誤差が発生する。また、測定環境によってはインピーダンスに変化が生じ、測定が不安定になるという問題も発生する。
【００１６】
従って、２台の静電容量式変位計１１０，１２０および厚さ算出部１００＿１を使用して測定対象物３０の厚さを測定する場合、インピーダンスに流れる電流が比較的大きい場合もあり、またインピーダンスは測定環境によって変化するため、安定した測定を行なうことは困難である。
【００１７】
本発明は、上記事情に鑑み、測定対象物由来の物理量を安定して測定することができる測定装置および測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成する本発明の測定装置は、測定対象物に対向した位置に配置される測定ヘッドを備え、その測定対象物とその測定ヘッドとの間の距離に応じて変化する、その測定対象物とその測定ヘッドとの間の静電容量を求める静電容量式変位計を複数台用意し、これら複数台の静電容量式変位計の測定ヘッドそれぞれを測定対象物に対向させて配置し、これら複数台の静電容量式変位計で求められた複数の静電容量に基づいてその測定対象物由来の物理量を測定する測定装置であって、
上記複数台の静電容量式変位計は、互いの接地を接続し、それぞれの測定ヘッドに、位相の総和が０°となる、同一周波数の正弦波状のキャリア信号を印加するものであることを特徴とする。
【００１９】
図２は、本発明の測定装置の原理を説明するための等価回路を示す図である。
【００２０】
尚、ここでは、便宜上、本発明の複数台の静電容量式変位計として、２台の静電容量式変位計の例で説明する。
【００２１】
図２に示す静電容量Ｃ１Ｘは、２台の静電容量式変位計のうちの第１の静電容量式変位計を構成する第１の測定ヘッドと測定対象物間の第１の静電容量である。また、静電容量Ｃ２Ｘは、２台の静電容量式変位計のうちの第２の静電容量式変位計を構成する第２の測定ヘッドと測定対象物間の第２の静電容量である。さらに、インピーダンスＺは、測定対象物と２台の静電容量式変位計の接地間のインピーダンスである。
【００２２】
また、図２に示す等価回路には、第１，第２の静電容量式変位計のキャリア信号Ｅ１Ｓ，Ｅ２Ｓ、基準コンデンサの静電容量Ｃ１Ｓ，Ｃ２Ｓ、および第１，第２の静電容量式変位計を構成する増幅器（ともにゲインＧ＝１）が示されている。
【００２３】
ここで、図２に示す出力電圧Ｅ１０、Ｅ２０は次式で表わされる。
【００２４】
【数１】
【００２５】
【数２】
【００２６】
ここで、
【００２７】
【数３】
【００２８】
【数４】
【００２９】
尚、ｄ１Ｘ，ｄ２Ｘは、Ｃ１Ｘ，Ｃ２Ｘの電極間ギャップ（第１，第２の測定ヘッドと測定対象物との距離）である。また、Ｓ１Ｘ，Ｓ２ＸはＣ１Ｘ，Ｃ２Ｘの電極面積、εは誘電率である。
【００３０】
上記の式（１），（２）において、
【００３１】
【数５】
【００３２】
とすることで、出力電圧Ｅ１０、Ｅ２０は、第１，第２の測定ヘッドと測定対象物間の距離に比例させることができる。
【００３３】
従来では、インピーダンスＺを０に近づけるようにしているが、本発明では、インピーダンスＺに掛かる式（６）を
【００３４】
【数６】
【００３５】
にする。即ち、第１，第２の測定ヘッドそれぞれに、位相の総和が０°となる、同一周波数の正弦波状のキャリア信号を印加する。これにより、Ｅ２Ｓ＝−Ｅ１Ｓ、Ｚ２Ｓ＝Ｚ１Ｓとする。このようにすることにより、測定対象物と２台の静電容量式変位計の接地との間にインピーダンスが生じた場合であっても、キャリア信号が互いに打ち消されるため、そのインピーダンスには、キャリア電流が流れることはなく、従って測定対象物と２台の静電容量式変位計の接地間のインピーダンスの影響を受けず、測定結果を、第１，第２の測定ヘッドと測定対象物間の距離、すなわち変位に比例させることができる。従って、測定対象物由来の物理量を安定して測定することができる。
【００３６】
ここで、当該測定装置は、２台の静電容量式変位計の測定ヘッドを互いに対向させて配置し、これら双方の測定ヘッドの間に測定対象物を配置してこれら２台の静電容量式変位計で求められた２つの静電容量に基づいてその測定対象物の厚さを測定する厚さ測定装置であることが好ましい。
【００３７】
この厚さ測定装置によれば、測定対象物の厚さを安定して測定することができる。
【００３８】
また、当該測定装置は、複数台の静電容量式変位計の測定ヘッドを測定対象物である回転体に対向させて配置し、これら複数台の静電容量式変位計で求められた複数の静電容量に基づいて上記回転体の物理量を測定する回転体測定装置であることも好ましい態様である。
【００３９】
この回転体測定装置によれば、回転体の物理量である偏心，真円度，振動，凸凹等を安定して測定することができる。
【００４０】
さらに、当該測定装置は、複数台の静電容量式変位計の測定ヘッドを測定対象物である振動体に対向させて配置し、これら複数台の静電容量式変位計で求められた複数の静電容量に基づいて上記振動体の振動を測定する振動体測定装置であることも好ましい。
【００４１】
この振動体測定装置によれば、振動体の振動を安定して測定することができ、従って振動体の変形状態を正確に解析することができる。
【００４２】
また、上記目的を達成する本発明の測定方法は、
測定対象物に対向した位置に配置される測定ヘッドを備え、その測定対象物とその測定ヘッドとの間の距離に応じて変化する、その測定対象物とその測定ヘッドとの間の静電容量を求める静電容量式変位計を複数台用意し、
これら複数台の静電容量式変位計の測定ヘッドそれぞれを測定対象物に対向させて配置し、
これら複数台の静電容量式変位計の接地どうしを接続し、それぞれの測定ヘッドに、位相の総和が０°となる、同一周波数の正弦波状のキャリア信号を印加して、これら複数台の静電容量式変位計を用いて静電容量を測定し、
これら複数台の静電容量式変位計で求められた複数の静電容量に基づいてその測定対象物由来の物理量を求めることを特徴とする。
【００４３】
本発明の測定方法は、複数台の静電容量式変位計の測定ヘッドそれぞれを測定対象物に対向させて配置し、これら複数台の静電容量式変位計の接地どうしを接続し、それぞれの測定ヘッドに、位相の総和が０°となる、同一周波数の正弦波状のキャリア信号を印加する方法であるため、測定対象物と複数台の静電容量式変位計の接地との間にインピーダンスが生じた場合であっても、キャリア信号が互いに打ち消される。従って、インピーダンスには、キャリア電流が流れることはなく、測定対象物と複数台の静電容量式変位計の接地間のインピーダンスの影響を受けず、測定結果を、複数の測定ヘッドと測定対象物間の距離、すなわち変位に比例させることができる。従って、測定対象物由来の物理量を安定して測定することができる。
【発明の効果】
【００４４】
本発明の測定装置および測定方法によれば、測定対象物由来の物理量を安定して測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００４６】
図３は、本発明の測定装置の第１実施形態である厚さ測定装置の概略構成図である。
【００４７】
尚、図３に示す厚さ測定装置１には、本発明の測定方法の一実施形態が適用されている。この厚さ測定装置１には、第１の静電容量式変位計１０と、第２の静電容量式変位計２０と、厚さ算出部１＿１とが備えられている。ここで、第１の静電容量式変位計１０と第２の静電容量式変位計２０が、本発明にいう複数台の静電容量式変位計の一例に相当する。
【００４８】
第１の静電容量式変位計１０は、静電容量変換部１１と静電容量式変位センサ１２（本発明にいう測定ヘッドの一例に相当）を有する。静電容量変換部１１と静電容量式変位センサ１２は、ケーブル１３で接続されている。
【００４９】
また、第２の静電容量式変位計２０は、静電容量変換部２１と静電容量式変位センサ２２（本発明にいう測定ヘッドの他の一例に相当）を有する。静電容量変換部２１と静電容量式変位センサ２２は、ケーブル２３で接続されている。
【００５０】
さらに、各静電容量変換部１１，２１の各接地は、導線で互いに接続されている。
【００５１】
静電容量式変位センサ１２，２２は、互いに対向して配置されており、これら静電容量式変位センサ１２，２２の間には、測定対象物３０が配置されている。測定対象物３０としては、導体や半導体がある。
【００５２】
この厚さ測定装置１で測定対象物３０の厚さを測定するには、静電容量変換部１１，２１から静電容量式変位センサ１２，２２に、位相の総和が０°となる、同一周波数の正弦波状のキャリア信号を印加する。詳細には、静電容量変換部１１，２１は、共通の交流電力から位相が互いに１８０°異なる２つのキャリア信号を得て、各キャリア信号をそれぞれの静電容量式変位センサ１２，２２に印加する。以下、図４を参照して説明する。
【００５３】
図４は、図３に示す厚さ測定装置の等価回路を示す図である。
【００５４】
尚、図３に示す厚さ算出部１＿１の等価回路は図示省略する。
【００５５】
図４に示す等価回路には、図３に示す厚さ測定装置１を構成する静電容量式変位センサ１２と測定対象物３０間の静電容量Ｃ１Ｘが示されている。また、静電容量式変位センサ２２と測定対象物３０間の静電容量Ｃ２Ｘも示されている。さらに、静電容量Ｃ１Ｘと静電容量Ｃ２Ｘとのノードと接地間に挿入されたインピーダンスＺ（抵抗）も示されている。
【００５６】
また、図４に示す等価回路には、交流電力ＥＳからの、静電容量変換部１１，２１内部の増幅器（ゲインＧ＝１，−１）を介して位相が互いに１８０°異なる２つのキャリア信号Ｅ’Ｓ，−Ｅ’Ｓが入力される２つの混合器、静電容量変換部１１，２１内部の基準コンデンサの静電容量Ｃ１Ｓ，Ｃ２Ｓ、および静電容量変換部１１，２１内部の増幅器（ともにゲインＧ＝１）が示されている。また、図３に示す静電容量変換部１１，１２からの出力電圧Ｅ１０，Ｅ２０も示されている。
【００５７】
ここで、出力電圧Ｅ１０，Ｅ２０は、次式で表わされる。
【００５８】
【数７】
【００５９】
【数８】
【００６０】
ここで、ｄ１Ｘ，ｄ２Ｘは、Ｃ１Ｘ，Ｃ２Ｘの電極間ギャップ（静電容量式変位センサ１２，２２と測定対象物３０との距離）である。また、Ｓ１Ｘ，Ｓ２ＸはＣ１Ｘ，Ｃ２Ｘの電極面積、εは誘電率である。
【００６１】
上記出力電圧Ｅ１０，Ｅ２０は、図３に示す厚さ算出部１＿１に入力される。
【００６２】
静電容量式変位センサ１２，２２間の距離（Ｄ）は、既知の厚さｔの測定対象物３０を配置し、測定対象物３０と各静電容量式変位センサ１２，２２との距離を測定し、その値をＧＡＰ・１２、ＧＡＰ・２２とすると、各距離と測定対象物３０の既知の厚さの合計（Ｄ＝ｔ＋ＧＡＰ・１２＋ＧＡＰ・２２）から算出する。厚さ算出部１＿１には、この距離（Ｄ）に対応した基準電圧が格納される。測定対象物３０を測定する場合には、その距離（Ｄ）に対応した基準値からそれぞれの静電容量式変位センサ１２，２２の出力に対応する電圧Ｅ１０，Ｅ２０が表わす電圧値を引き算して厚さを表わす信号αを厚さ算出部１＿１から出力する。このようにして、厚さ測定装置１で測定対象物３０の厚さを測定する。
【００６３】
上述したように、第１実施形態の厚さ測定装置１では、静電容量式変位センサ１２，２２に、位相が互いに１８０°異なる、同一周波数の正弦波状のキャリア信号Ｅ’Ｓ，−Ｅ’Ｓが印加される。このため、測定対象物３０と静電容量変換部１１，２１の接地との間にインピーダンスが生じた場合であっても、キャリア信号Ｅ’Ｓ，−Ｅ’Ｓが互いに打ち消されることとなり、そのインピーダンスには、静電容量変換部１１，２１からのキャリア電流が流れることはなく、従って測定対象物３０と静電容量変換部１１，１２の接地間のインピーダンスの影響を受けず、測定結果を、静電容量式変位センサ１２，２２と測定対象物３０間の距離、すなわち変位に比例させることができる。従って、測定対象物３０の厚さを安定して測定することができる。
【００６４】
ここで、実測による従来方式と発明方式（第１実施形態）の違いを表１を参照して説明する。
【００６５】
表１には、実測による従来方式と発明方式の違いが示されている。
【００６６】
【表１】
【００６７】
ここでは、厚さ５００μｍの金属板の厚さ測定を例にとり、測定対象物と接地間のインピーダンスＺを変更した場合の従来方式（前述した図１）と本発明方式（図３）の測定結果の違いを示す。厚さ（μｍ）は静電容量式変位センサ間の距離から２つの静電容量式変位センサと測定対象物との距離（変位値）を引いた値である。インピーダンスＺとして測定対象物と接地間に抵抗を挿入し、０ＭΩ，１ＭΩ，ほぼ無限大と変化させたときの厚さ測定を行なった。従来方式はインピーダンスＺが大きくなると測定結果（厚さ）は小さくなり、ほぼ無限大では測定不能となった。詳細には、インピーダンスＺが０ＭΩでは厚さは５００μｍであるものの、インピーダンスＺが１ＭΩでは厚さは４７０μｍと小さく、さらにインピーダンスＺがほぼ無限大では測定不能となった。これに対し、本発明方式では、インピーダンスＺを０ＭΩ，１ＭΩ，ほぼ無限大と変化させても厚さはいずれも５００μｍであり、測定結果に大きな変化は見られず、安定した測定を行なうことができた。従って、本発明の第１実施形態の有効性を確認することができた。
【００６８】
図５は、本発明の測定装置の第２実施形態である回転体測定装置の概略構成図である。
【００６９】
尚、図３に示す厚さ測定装置１と同じ構成要素には同一の符号を付して説明する。
【００７０】
図５に示す回転体測定装置２には、第１の静電容量式変位計１０と、第２の静電容量式変位計２０と、偏心算出部２＿１と、オシロスコープ２＿２とが備えられている。
【００７１】
第１の静電容量式変位計１０は、静電容量変換部１１と静電容量式変位センサ１２を有する。静電容量変換部１１と静電容量式変位センサ１２は、ケーブル１３で接続されている。
【００７２】
また、第２の静電容量式変位計２０は、静電容量変換部２１と静電容量式変位センサ２２を有する。静電容量変換部２１と静電容量式変位センサ２２は、ケーブル２３で接続されている。
【００７３】
さらに、各静電容量変換部１１，２１の各接地は、導線で互いに接続されている。
【００７４】
静電容量式変位センサ１２，２２は、測定対象物である回転体４０に対向して、この図５に示すように、互いに９０°ずれた位置に配置されている。
【００７５】
この回転体測定装置２では、静電容量変換部１１，２１から静電容量式変位センサ１２，２２に、位相の総和が０°となる（位相が互いに１８０°異なる）、同一周波数の正弦波状のキャリア信号を印加する。
【００７６】
静電容量変換部１１，２１から出力される電圧Ｅ１０，Ｅ２０は、回転体４０と静電容量式変位センサ１２，２２間の距離に比例した電圧である。回転体４０の形状に依存する距離の変化は、電圧Ｅ１０，Ｅ２０から求めることができる。これらの電圧Ｅ１０，Ｅ２０から位相の異なる同じ波形信号を得ることができる。この信号の回転１次成分のみを抽出した信号の振幅は偏心、回転２次以上の成分を抽出した信号は回転体固有の形状を表し、最大値と最小値の差（ｐｅａｋ−ｔｏ−ｐｅａｋ値）が真円度となる。静電容量式変位センサ１２，２２の取り付け位置を９０°ずらしていることから位相計算を行い、偏心など回転体４０の変形方向を算出することができる。
【００７７】
ここで、回転体４０に振動成分が含まれる場合、電圧Ｅ１０と電圧Ｅ２０は同じ波形にならず、これら電圧Ｅ１０，Ｅ２０から振動の解析を行なうことも可能となる。簡単な手法としては、振動が発生しないようにゆっくりとした回転をさせ、前述した回転体４０の偏心、真円度などの形状をそれぞれの静電容量式変位センサ１２，２２で測定し、その結果を装置内に基準形状として格納しておく。その後、通常回転をさせ、同様の測定を行なう。その測定結果から位相合わせをした基準形状を差し引くことで、振動成分を抽出することができる。２つのデータから位相計算することで、振動方向のベクトルも算出可能となる。
【００７８】
また、各電圧Ｅ１０，Ｅ２０はオシロスコープ２＿２に入力され、このオシロスコープ２＿２の画面上にリサージュ波形が表示され、これにより回転体４０の偏心についての評価が行なわれる。
【００７９】
第２実施形態の回転体測定装置２では、第１の静電容量式変位計１０と第２の静電容量式変位計２０との２台の静電容量式変位計で回転体４０の偏心を測定するものであるため、１台の静電容量式変位計で回転体４０の偏心を測定する場合と比較し、回転体４０の偏心を安定して測定することができる。また、回転体４０と静電容量変換部１１，２１の接地との間にインピーダンスが生じた場合であっても、キャリア信号が互いに打ち消されるため、そのインピーダンスには、静電容量変換部１１，２１からのキャリア電流が流れることはなく、従って回転体４０と静電容量変換部１１，１２の接地間のインピーダンスの影響を受けず、回転体４０の偏心をより安定して測定することができる。
【００８０】
従来の回転体測定装置で回転体を測定する場合には、ブラシなどを介して回転体と２台の静電容量式変位計の接地との導通を取る必要がある。このため、ブラシが擦り減ったり接触不良を防止したりするための対策や注意が必要である。また、回転軸にボールベアリングを使用している場合であって、ベアリングを固定している治具と導通を取るようにする場合があるが、ベアリングは必ずしも電気的な導通を保証しているものではないため、測定結果が不安定になる恐れがある。さらに、エアベアリングなどの精密スピンドルにおいてはベアリング固定部と回転部間では導通が無いため、回転体と導通を取る必要があるものの、精密スピンドルにおいては精密な回転をさせている場合が多いため、回転体と導通を取ることは困難である。また、回転体と導通を取るにあたり、回転体に直接接触させたくない場合も少なくない。一方、第２実施形態の回転体測定装置２では、静電容量変換部１１，１２の接地と回転体４０との導通を取る必要はないため、容易な測定が可能となる。
【００８１】
図６は、本発明の測定装置の第３実施形態である振動体測定装置の概略構成図である。
【００８２】
尚、図３に示す厚さ測定装置１と同じ構成要素には同一の符号を付して説明する。
【００８３】
図６に示す振動体測定装置３には、第１の静電容量式変位計１０と、第２の静電容量式変位計２０と、変形状態算出部３＿１とが備えられている。ここで、第１，第２の静電容量式変位計１０，２０が有する静電容量式変位センサ１２，２２は、測定対象物である平板状の振動体５０の表面側に、その表面から所定距離離れた位置に並べて配置されている。また、この振動体測定装置３には、振動体５０に振動を付与するための加振器６０が備えられている。
【００８４】
振動の無い状態での測定した電圧の差（Ｅ２０−Ｅ１０）は、振動体５０の固有形状と測定系の物理的な状態を含めた基準状態として変形状態算出部３＿１に格納する。
【００８５】
振動している状態での電圧の差（Ｅ２０−Ｅ１０）と格納した基準状態との差が変形状態を表す。この差信号は信号γとして出力する。静電容量式変位センサ２２の位置を移動して同様の多点測定を行なうことで、振動体３０の変形状態をより詳細に解析できる。
【００８６】
この振動体測定装置３では、静電容量変換部１１，２１から静電容量式変位センサ１２，２２に、位相の総和が０°となる、同一周波数の正弦波状のキャリア信号を印加する。このため、振動体５０と静電容量変換部１１，２１の接地との間にインピーダンスが生じた場合であっても、キャリア信号が互いに打ち消されるため、そのインピーダンスには、静電容量変換部１１，２１からのキャリア電流が流れることはなく、従って振動体５０と静電容量変換部１１，１２の接地間のインピーダンスの影響を受けず、振動体５０の振動に伴う変形状態を安定して測定することができる。
【００８７】
また、従来の振動体測定装置において、振動する測定対象物に導線を接続する場合、振動に耐えられるような強度にするために太い導線を使用すると、測定対象物の挙動に影響する。一方、細い導線を使用すると断線が発生する恐れが考えられる。第３実施形態の振動体測定装置３では、静電容量変換部１１，１２の接地と振動体５０との導通を取る必要はないため、容易な測定が可能となる。
【００８８】
また、この第３実施形態の振動体測定装置３では、変位測定の測定対象となる導体が絶縁体に覆われている場合であっても、同じ場所の変位を測定する場合は、安定した変位の変化測定が可能である。それは、絶縁体の厚さ、比誘電率が同じという条件が成り立つことで、測定結果には常に一定の誤差が含まれ、変化量は変位値の差分となるため、その影響を無視することができるためである。
【００８９】
図７は、本発明の測定装置の第４実施形態である厚さ測定装置の等価回路を示す図である。
【００９０】
前述した、図３に示す厚さ測定装置１では、２台の静電容量式変位計の例で説明したが、第４実施形態の厚さ測定装置には、４台の静電容量式変位計が備えられており、図７には、これら４台の静電容量式変位計の等価回路が示されている。４台の静電容量式変位計は、４つの静電容量式変位センサ（第１，第２，第３，第４の静電容量式変位センサ）を有する。
【００９１】
また、第４実施形態の厚さ測定装置には、４台の静電容量式変位計の各２台の静電容量式変位計に対応する２台の厚さ算出部が備えられているが、図７では、これら２台の厚さ算出部の等価回路は図示省略する。
【００９２】
この図７には、第１の静電容量式変位センサと測定対象物との間の静電容量Ｃ１Ｘが示されている。また、第２の静電容量式変位センサと測定対象物との間の静電容量Ｃ２Ｘが示されている。さらに、第３の静電容量式変位センサと測定対象物との間の静電容量Ｃ３Ｘ、および第４の静電容量式変位センサと測定対象物との間の静電容量Ｃ４Ｘが示されている。また、静電容量Ｃ１Ｘ，Ｃ２Ｘ，Ｃ３Ｘ，Ｃ４Ｘの共通ノードと接地間に挿入されたインピーダンスＺも示されている。
【００９３】
また、この等価回路には、第１，第２，第３，第４の静電容量式変位計におけるキャリア信号Ｅ１Ｓ，Ｅ２Ｓ，Ｅ３Ｓ，Ｅ４Ｓと、基準コンデンサの静電容量Ｃ１Ｓ，Ｃ２Ｓ，Ｃ３Ｓ，Ｃ４Ｓと、４つの増幅器（ともにゲインＧ＝１）が示されている。
【００９４】
ここで、図７に示す、第１の静電容量式変位計の出力電圧Ｅ１０は次式で表わされる。
【００９５】
【数９】
【００９６】
インピーダンスＺには各静電容量式変位計からのキャリア電流が流れ、第１の静電容量式変位計から出力される電圧の誤差となる。これは他の３台の静電容量式変位計から出力される電圧も同様の誤差となり、使用台数を増やした場合には、出力される電圧の誤差が大きくなることを示している。
【００９７】
ここで、第４実施形態では、
【００９８】
【数１０】
【００９９】
となる。これにより、
【０１００】
【数１１】
【０１０１】
となる。従って、
【０１０２】
【数１２】
【０１０３】
となる。このようにすることにより、出力される電圧に、インピーダンスＺに関わる誤差が発生することを防止している。これに対し、従来技術では、台数を増やした分だけインピーダンスＺに流れる電流が増加するため、出力される電圧の誤差も大きくなる。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】従来の厚さ測定装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の測定装置の原理を説明するための等価回路を示す図である。
【図３】本発明の測定装置の第１実施形態である厚さ測定装置の概略構成図である。
【図４】図３に示す厚さ測定装置の等価回路を示す図である。
【図５】本発明の測定装置の第２実施形態である回転体測定装置の概略構成図である。
【図６】本発明の測定装置の第３実施形態である振動体測定装置の概略構成図である。
【図７】本発明の測定装置の第４実施形態である厚さ測定装置の等価回路を示す図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１，１００ 厚さ測定装置
１＿１，１００＿１ 厚さ算出部
２ 回転体測定装置
２＿１ 偏心算出部
２＿２ オシロスコープ
３ 振動体測定装置
３＿１ 変形状態算出部
１０，１１０ 第１の静電容量式変位計
１１，２１，１１１，１２１ 静電容量変換部
１２，２２，１１２，１２２ 静電容量式変位センサ
１３，２３，１１３，１２３ ケーブル
２０，１２０ 第２の静電容量式変位計
３０ 測定対象物
４０ 回転体
５０ 振動体
６０ 加振器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物に対向した位置に配置される測定ヘッドを備え、該測定対象物と該測定ヘッドとの間の距離に応じて変化する、該測定対象物と該測定ヘッドとの間の静電容量を求める静電容量式変位計を複数台用意し、これら複数台の静電容量式変位計の測定ヘッドそれぞれを測定対象物に対向させて配置し、これら複数台の静電容量式変位計で求められた複数の静電容量に基づいて該測定対象物由来の物理量を測定する測定装置であって、
前記複数台の静電容量式変位計は、互いの接地を接続し、それぞれの測定ヘッドに、位相の総和が０°となる、同一周波数の正弦波状のキャリア信号を印加するものであることを特徴とする測定装置。
【請求項２】
当該測定装置は、２台の静電容量式変位計の測定ヘッドを互いに対向させて配置し、これら双方の測定ヘッドの間に測定対象物を配置してこれら２台の静電容量式変位計で求められた２つの静電容量に基づいて該測定対象物の厚さを測定する厚さ測定装置であることを特徴とする請求項１記載の測定装置。
【請求項３】
当該測定装置は、複数台の静電容量式変位計の測定ヘッドを測定対象物である回転体に対向させて配置し、これら複数台の静電容量式変位計で求められた複数の静電容量に基づいて前記回転体の物理量を測定する回転体測定装置であることを特徴とする請求項１記載の測定装置。
【請求項４】
当該測定装置は、複数台の静電容量式変位計の測定ヘッドを測定対象物である振動体に対向させて配置し、これら複数台の静電容量式変位計で求められた複数の静電容量に基づいて前記振動体の振動を測定する振動体測定装置であることを特徴とする請求項１記載の測定装置。
【請求項５】
測定対象物に対向した位置に配置される測定ヘッドを備え、該測定対象物と該測定ヘッドとの間の距離に応じて変化する、該測定対象物と該測定ヘッドとの間の静電容量を求める静電容量式変位計を複数台用意し、
これら複数台の静電容量式変位計の測定ヘッドそれぞれを測定対象物に対向させて配置し、
これら複数台の静電容量式変位計の接地どうしを接続し、それぞれの測定ヘッドに、位相の総和が０°となる、同一周波数の正弦波状のキャリア信号を印加して、これら複数台の静電容量式変位計を用いて静電容量を測定し、
これら複数台の静電容量式変位計で求められた複数の静電容量に基づいて該測定対象物由来の物理量を求めることを特徴とする測定方法。
【請求項１】
測定対象物に対向した位置に配置される測定ヘッドを備え、該測定対象物と該測定ヘッドとの間の距離に応じて変化する、該測定対象物と該測定ヘッドとの間の静電容量を求める静電容量式変位計を複数台用意し、これら複数台の静電容量式変位計の測定ヘッドそれぞれを測定対象物に対向させて配置し、これら複数台の静電容量式変位計で求められた複数の静電容量に基づいて該測定対象物由来の物理量を測定する測定装置であって、
前記複数台の静電容量式変位計は、互いの接地を接続し、それぞれの測定ヘッドに、位相の総和が０°となる、同一周波数の正弦波状のキャリア信号を印加するものであることを特徴とする測定装置。
【請求項２】
当該測定装置は、２台の静電容量式変位計の測定ヘッドを互いに対向させて配置し、これら双方の測定ヘッドの間に測定対象物を配置してこれら２台の静電容量式変位計で求められた２つの静電容量に基づいて該測定対象物の厚さを測定する厚さ測定装置であることを特徴とする請求項１記載の測定装置。
【請求項３】
当該測定装置は、複数台の静電容量式変位計の測定ヘッドを測定対象物である回転体に対向させて配置し、これら複数台の静電容量式変位計で求められた複数の静電容量に基づいて前記回転体の物理量を測定する回転体測定装置であることを特徴とする請求項１記載の測定装置。
【請求項４】
当該測定装置は、複数台の静電容量式変位計の測定ヘッドを測定対象物である振動体に対向させて配置し、これら複数台の静電容量式変位計で求められた複数の静電容量に基づいて前記振動体の振動を測定する振動体測定装置であることを特徴とする請求項１記載の測定装置。
【請求項５】
測定対象物に対向した位置に配置される測定ヘッドを備え、該測定対象物と該測定ヘッドとの間の距離に応じて変化する、該測定対象物と該測定ヘッドとの間の静電容量を求める静電容量式変位計を複数台用意し、
これら複数台の静電容量式変位計の測定ヘッドそれぞれを測定対象物に対向させて配置し、
これら複数台の静電容量式変位計の接地どうしを接続し、それぞれの測定ヘッドに、位相の総和が０°となる、同一周波数の正弦波状のキャリア信号を印加して、これら複数台の静電容量式変位計を用いて静電容量を測定し、
これら複数台の静電容量式変位計で求められた複数の静電容量に基づいて該測定対象物由来の物理量を求めることを特徴とする測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−１０９２０８（Ｐ２００９−１０９２０８Ａ）
【公開日】平成２１年５月２１日（２００９．５．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２７８６４１（Ｐ２００７−２７８６４１）
【出願日】平成１９年１０月２６日（２００７．１０．２６）
【出願人】（０００１４５８０６）株式会社小野測器 (230)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月２１日（２００９．５．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月２６日（２００７．１０．２６）
【出願人】（０００１４５８０６）株式会社小野測器 (230)
【Ｆターム（参考）】
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