JP3406889B2 - 距離測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、被検体表面の形状
を測定する装置などに用いられ、基準点から被検体表面
までの距離を測定する距離測定装置に関する。
を測定する装置などに用いられ、基準点から被検体表面
までの距離を測定する距離測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】導電体の被検体表面とこれに対向する対
物電極との間の静電容量を検出することにより、被検体
表面と電極との間隙すなわち距離を測定する静電容量式
間隙センサが知られている。この形式のセンサは、他の
光学式、電磁（渦電流）式、空気式などの間隙センサに
比べて、高い精度と信頼性を有し、寿命も長い。また、
応答性も良好である。
物電極との間の静電容量を検出することにより、被検体
表面と電極との間隙すなわち距離を測定する静電容量式
間隙センサが知られている。この形式のセンサは、他の
光学式、電磁（渦電流）式、空気式などの間隙センサに
比べて、高い精度と信頼性を有し、寿命も長い。また、
応答性も良好である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、静電容
量式のセンサにおいては、計測される被検体表面との間
隙は、対物電極面全体の平均的な値となる。したがっ
て、対物電極の面積をそれほど大きく採ることはできな
い。この面積が小さいと、有効な測定範囲は狭い範囲に
限定されてしまうという問題があった。例えば、ナノメ
ートル程度の精度で表面形状測定する場合、測定範囲は
１００μｍ程度以下に限定される。このような狭い範囲
に対物電極を位置決めするために特別な装置を必要とし
たり、作業に熟練を要したりする。
量式のセンサにおいては、計測される被検体表面との間
隙は、対物電極面全体の平均的な値となる。したがっ
て、対物電極の面積をそれほど大きく採ることはできな
い。この面積が小さいと、有効な測定範囲は狭い範囲に
限定されてしまうという問題があった。例えば、ナノメ
ートル程度の精度で表面形状測定する場合、測定範囲は
１００μｍ程度以下に限定される。このような狭い範囲
に対物電極を位置決めするために特別な装置を必要とし
たり、作業に熟練を要したりする。
【０００４】本発明は、前述の課題を解決するためにな
されたものであり、広い測定範囲を有する距離測定装置
を提供することを目的とする。
されたものであり、広い測定範囲を有する距離測定装置
を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに本発明にかかる距離測定装置は、フレームと、被検
体表面に対して間隙をもって配置される対物電極と、前
記対物電極を、前記被検体表面との間隙が所定の範囲と
なるように前記フレームに対して支持する対物電極支持
手段と、フレームに対する対物電極の変位を検出する対
物電極変位検出手段と、対物電極と被検体表面の静電容
量に基づきこれらの間隙を検出する間隙検出手段と、前
記対物電極変位と前記間隙に基づき、前記フレーム上の
所定の点から被検体表面までの距離を算出する距離算出
手段と、を有している。
めに本発明にかかる距離測定装置は、フレームと、被検
体表面に対して間隙をもって配置される対物電極と、前
記対物電極を、前記被検体表面との間隙が所定の範囲と
なるように前記フレームに対して支持する対物電極支持
手段と、フレームに対する対物電極の変位を検出する対
物電極変位検出手段と、対物電極と被検体表面の静電容
量に基づきこれらの間隙を検出する間隙検出手段と、前
記対物電極変位と前記間隙に基づき、前記フレーム上の
所定の点から被検体表面までの距離を算出する距離算出
手段と、を有している。
【０００６】この構成により、測定範囲は狭いが精度の
高い対物電極を、測定対象の間隙が前記測定範囲となる
ような位置に、対物電極支持手段により保持する。一
方、前記対物電極の測定範囲を超えるような被検体表面
の変位は、対物電極変位検出手段も併用して測定を行
う。
高い対物電極を、測定対象の間隙が前記測定範囲となる
ような位置に、対物電極支持手段により保持する。一
方、前記対物電極の測定範囲を超えるような被検体表面
の変位は、対物電極変位検出手段も併用して測定を行
う。
【０００７】さらに、前記対物電極支持手段は、前記間
隙検出手段の検出値に基づき制御され、前記検出値が前
記所定の範囲となるように前記対物電極を駆動する駆動
手段を有するものとすることができる。また、前記対物
電極支持手段は、前記対物電極を中立位置に向けて付勢
する付勢手段を有するものとすることができる。
隙検出手段の検出値に基づき制御され、前記検出値が前
記所定の範囲となるように前記対物電極を駆動する駆動
手段を有するものとすることができる。また、前記対物
電極支持手段は、前記対物電極を中立位置に向けて付勢
する付勢手段を有するものとすることができる。
【０００８】さらに具体的には、前記対物電極支持手段
は、前記対物電極を一端に保持し、前記被検体表面に略
垂直方向に配置され、この方向に移動可能なロッドと、
前記ロッドに固定された永久磁石と前記フレームに固定
されたコイルとを含むリニアモータと、前記ロッドを前
記フレームに対して移動可能に支持する支持機構と、前
記検出された対物電極と被検体表面の間隙に基づき前記
リニアモータを制御するモータ駆動部と、を有するもの
とすることができる。さらには、前記フレームは、前記
ロッドの少なくとも一部を囲み、当該ロッドと略同軸配
置された管状部材を含み、前記コイルは前記管状部材に
配置され、前記支持機構は前記ロッドと前記管状部材の
間に配置されるものとすることができる。
は、前記対物電極を一端に保持し、前記被検体表面に略
垂直方向に配置され、この方向に移動可能なロッドと、
前記ロッドに固定された永久磁石と前記フレームに固定
されたコイルとを含むリニアモータと、前記ロッドを前
記フレームに対して移動可能に支持する支持機構と、前
記検出された対物電極と被検体表面の間隙に基づき前記
リニアモータを制御するモータ駆動部と、を有するもの
とすることができる。さらには、前記フレームは、前記
ロッドの少なくとも一部を囲み、当該ロッドと略同軸配
置された管状部材を含み、前記コイルは前記管状部材に
配置され、前記支持機構は前記ロッドと前記管状部材の
間に配置されるものとすることができる。
【０００９】さらに、対物電極変位検出手段は、前記フ
レームに固定された電極と、前記ロッドに固定された電
極を含み、前記ロッドの移動に伴い、前記２種の電極の
距離の変化を検出することによって、対物電極の変位を
検出するものとすることができる。または、前記ロッド
の移動に伴い、前記２種の電極の対向する部分の面積の
変化を検出することによって、対物電極の変位を検出す
るものとすることもできる。
レームに固定された電極と、前記ロッドに固定された電
極を含み、前記ロッドの移動に伴い、前記２種の電極の
距離の変化を検出することによって、対物電極の変位を
検出するものとすることができる。または、前記ロッド
の移動に伴い、前記２種の電極の対向する部分の面積の
変化を検出することによって、対物電極の変位を検出す
るものとすることもできる。
【００１０】さらにまた、前記対物電極の変位に関連し
て移動する目盛りと、前記フレーム側に固定され、通過
する目盛りを監視する目盛り検出部とを有するリニアス
ケールや、レーザ干渉測長計とすることもできる。
て移動する目盛りと、前記フレーム側に固定され、通過
する目盛りを監視する目盛り検出部とを有するリニアス
ケールや、レーザ干渉測長計とすることもできる。
【００１１】また、前記支持機構は、前記ロッドから外
側に張り出した外フランジと、前記管状部材の内側に張
り出した内フランジとの間に配置されるものとでき、そ
の構成は、前記内外のフランジの間に直列に配置された
２枚のプレートと、２枚のプレートどうしと、一方のプ
レートおよび外フランジと、他方のプレートおよび内フ
ランジの間に配置される弾性ヒンジと、を含む支持脚を
少なくとも３脚含むものとすることができる。
側に張り出した外フランジと、前記管状部材の内側に張
り出した内フランジとの間に配置されるものとでき、そ
の構成は、前記内外のフランジの間に直列に配置された
２枚のプレートと、２枚のプレートどうしと、一方のプ
レートおよび外フランジと、他方のプレートおよび内フ
ランジの間に配置される弾性ヒンジと、を含む支持脚を
少なくとも３脚含むものとすることができる。
【００１２】さらにまた、前記支持機構を静圧気体軸受
とすることもできる。
とすることもできる。
【００１３】以上の距離測定装置を用いて、表面形状測
定を行うことが可能である。すなわち、前記フレームを
所定の面内で移動させ、前記フレームの複数の移動箇所
における前記距離測定装置の測定値を得て、これに基づ
き被検体表面の形状を算出することができる。
定を行うことが可能である。すなわち、前記フレームを
所定の面内で移動させ、前記フレームの複数の移動箇所
における前記距離測定装置の測定値を得て、これに基づ
き被検体表面の形状を算出することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態（以下
実施形態という）を、図面に従って説明する。図１に
は、本実施形態の距離測定装置１０の概略構成が示され
ている。被検体表面１２に対向する対物電極１４は、略
円柱または円管のロッド１６に先端に固定されている。
ロッド１６は、その軸方向２カ所に配置された支持構造
１８を介して管状のフレーム２０に支持されている。支
持構造１８は、ロッド１６を弾性力により中立位置に維
持する。すなわち、ロッド１６が前記中立位置に対して
変位しようとすると、中立位置に向けて弾性力が作用す
る。フレーム２０は、所定の面内で被検体表面１２に対
して移動可能となっている。ロッド１６には永久磁石２
２が固定され、これに対向するフレーム２０の内面には
コイル２４が固定されている。永久磁石２２とコイル２
４によりリニアモータ２６が形成され、モータドライバ
２８より電力が供給される。フレーム２０の、コイル２
４が配置された部分は、磁気抵抗の低い軟磁性体で構成
されることが好ましい。これによりリニアモータ２６の
効率が向上する。
実施形態という）を、図面に従って説明する。図１に
は、本実施形態の距離測定装置１０の概略構成が示され
ている。被検体表面１２に対向する対物電極１４は、略
円柱または円管のロッド１６に先端に固定されている。
ロッド１６は、その軸方向２カ所に配置された支持構造
１８を介して管状のフレーム２０に支持されている。支
持構造１８は、ロッド１６を弾性力により中立位置に維
持する。すなわち、ロッド１６が前記中立位置に対して
変位しようとすると、中立位置に向けて弾性力が作用す
る。フレーム２０は、所定の面内で被検体表面１２に対
して移動可能となっている。ロッド１６には永久磁石２
２が固定され、これに対向するフレーム２０の内面には
コイル２４が固定されている。永久磁石２２とコイル２
４によりリニアモータ２６が形成され、モータドライバ
２８より電力が供給される。フレーム２０の、コイル２
４が配置された部分は、磁気抵抗の低い軟磁性体で構成
されることが好ましい。これによりリニアモータ２６の
効率が向上する。
【００１５】ロッド１６のもう一方の端には移動電極３
０が固定され、これに対向するフレーム２０の内面には
固定電極３２が固定されている。これらの電極３０，３
２の間の静電容量は、ロッド１６すなわち対物電極１４
のロッド軸方向の位置により変化する。この静電容量に
基づき、対物電極変位算出部３４により対物電極１４の
変位が算出される。一方、対物電極１４と被検体表面１
２との間隙は、間隙算出部３６により算出される。モー
タドライバ２８は、間隙算出部３６の出力を基に、この
間隙があらかじめ定められた間隙指示値Ｓ１に一致する
ようにリニアモータ２６を駆動する。この駆動による対
物電極１４の変位は、前述のように対物電極変位算出部
３４にて算出される。したがって、フレーム２０に対す
る被検体表面１２の距離は、距離算出部３８にて対物電
極変位算出部３４と間隙算出部３６の算出値の合計とし
て算出される。フレーム２０を所定の面、例えばロッド
１６の軸に直交する平面内で移動させ、複数の点で、距
離の算出を行うことにより、被検体表面の形状を測定す
ることができる。
０が固定され、これに対向するフレーム２０の内面には
固定電極３２が固定されている。これらの電極３０，３
２の間の静電容量は、ロッド１６すなわち対物電極１４
のロッド軸方向の位置により変化する。この静電容量に
基づき、対物電極変位算出部３４により対物電極１４の
変位が算出される。一方、対物電極１４と被検体表面１
２との間隙は、間隙算出部３６により算出される。モー
タドライバ２８は、間隙算出部３６の出力を基に、この
間隙があらかじめ定められた間隙指示値Ｓ１に一致する
ようにリニアモータ２６を駆動する。この駆動による対
物電極１４の変位は、前述のように対物電極変位算出部
３４にて算出される。したがって、フレーム２０に対す
る被検体表面１２の距離は、距離算出部３８にて対物電
極変位算出部３４と間隙算出部３６の算出値の合計とし
て算出される。フレーム２０を所定の面、例えばロッド
１６の軸に直交する平面内で移動させ、複数の点で、距
離の算出を行うことにより、被検体表面の形状を測定す
ることができる。
【００１６】図２は、対物電極１４の詳細を示す図であ
る。ロッド１６の先端に絶縁材を介して略円板の部分電
極４０が配置される。部分電極４０の外側に絶縁支持材
４４を介して略円環の部分電極４２が配置される。部分
電極４０，４２には、各々リード線４６，４８が接続さ
れている。対物電極１４は、これら部分電極４０，４２
および絶縁支持材４４で構成される。部分電極４０，４
２は、導電体である被検体の表面１２を仲介電極として
キャパシタが形成される。この容量は、対物電極１４と
被検体表面１２の間隙、より詳しくは対物電極１４を被
検体表面１２に投射したときの領域Ａにおける平均の間
隙に反比例している。したがって、この容量を測定する
ことによって、対物電極１４と被検体表面１２の間隙を
測定することができる。
る。ロッド１６の先端に絶縁材を介して略円板の部分電
極４０が配置される。部分電極４０の外側に絶縁支持材
４４を介して略円環の部分電極４２が配置される。部分
電極４０，４２には、各々リード線４６，４８が接続さ
れている。対物電極１４は、これら部分電極４０，４２
および絶縁支持材４４で構成される。部分電極４０，４
２は、導電体である被検体の表面１２を仲介電極として
キャパシタが形成される。この容量は、対物電極１４と
被検体表面１２の間隙、より詳しくは対物電極１４を被
検体表面１２に投射したときの領域Ａにおける平均の間
隙に反比例している。したがって、この容量を測定する
ことによって、対物電極１４と被検体表面１２の間隙を
測定することができる。
【００１７】図３と図４は、支持構造１８の詳細を示す
図である。ロッド１６には、略円板状の外フランジ５０
が設けられている。外フランジ５０の外周とフレーム２
０の内壁との間には、所定の間隔が設けられている。フ
レーム２０の内側には、円環板状の内フランジ５２が設
けられている。内フランジ５２の中心に設けられた穴を
ロッド１６が隙間をもって貫通している。これらの二つ
のフランジ５０，５２の間に、円周方向に等間隔に４本
の支持脚５４が設けられている。支持脚５４は、両端に
各フランジ５０，５２と結合する結合部５６，５８と、
２枚の板状部材（プレート）６０，６２と、これらを連
結する３個の弾性ヒンジ６４，６６，６８を含む。プレ
ート６０，６２は、ロッド１６の半径方向に比較的薄
く、ロッド１６の軸に直交する平面内で、前記半径方向
に直交する方向（以下周接線方向）に幅を有している板
状の部材である。またプレート６０，６２は、そのロッ
ド方向の中心線上の法線が、ロッドの軸に交わるように
配置されている。結合部５６，５８および弾性ヒンジ６
４，６６，６８は、プレート６０，６２とほぼ等しい幅
を有し、弾性ヒンジ６４，６６，６８に関しては、厚み
方向が薄くなっている。また、これらの部材は一体に形
成され、弾性ヒンジ６４，６６，６８の部分で屈曲す
る。図３および図４は、中心線より左半分が、支持脚５
４が伸張した状態を示しており、右半分が縮小した状態
を示している。また、図４は、図３に示すＢ−Ｂ線にお
ける断面図である。
図である。ロッド１６には、略円板状の外フランジ５０
が設けられている。外フランジ５０の外周とフレーム２
０の内壁との間には、所定の間隔が設けられている。フ
レーム２０の内側には、円環板状の内フランジ５２が設
けられている。内フランジ５２の中心に設けられた穴を
ロッド１６が隙間をもって貫通している。これらの二つ
のフランジ５０，５２の間に、円周方向に等間隔に４本
の支持脚５４が設けられている。支持脚５４は、両端に
各フランジ５０，５２と結合する結合部５６，５８と、
２枚の板状部材（プレート）６０，６２と、これらを連
結する３個の弾性ヒンジ６４，６６，６８を含む。プレ
ート６０，６２は、ロッド１６の半径方向に比較的薄
く、ロッド１６の軸に直交する平面内で、前記半径方向
に直交する方向（以下周接線方向）に幅を有している板
状の部材である。またプレート６０，６２は、そのロッ
ド方向の中心線上の法線が、ロッドの軸に交わるように
配置されている。結合部５６，５８および弾性ヒンジ６
４，６６，６８は、プレート６０，６２とほぼ等しい幅
を有し、弾性ヒンジ６４，６６，６８に関しては、厚み
方向が薄くなっている。また、これらの部材は一体に形
成され、弾性ヒンジ６４，６６，６８の部分で屈曲す
る。図３および図４は、中心線より左半分が、支持脚５
４が伸張した状態を示しており、右半分が縮小した状態
を示している。また、図４は、図３に示すＢ−Ｂ線にお
ける断面図である。
【００１８】弾性ヒンジ６４，６６，６８は、周接線方
向に幅が広く、この結果、支持脚５４の屈曲動作は、ロ
ッド１６の軸を含む平面内に規制される。支持脚５４を
３本以上備えることにより、ロッド１６とフレーム２０
の相対運動をロッド１６の軸方向のみに、規制すること
ができる。また、ロッド１６の軸方向に２個の支持構造
１８を設けることによって、ロッド１６の傾きも十分に
規制可能となっている。また、支持脚５４の形状を適切
に選択することで、初期状態において、ロッド１６の位
置が、その可動範囲のほぼ中央位置となるようにするこ
とができる。なお、支持脚５４は、精密鋳造などにより
一体の成形材として作成することができる。また、支持
脚５４を３脚としても、ロッド１６を支持することが可
能である。
向に幅が広く、この結果、支持脚５４の屈曲動作は、ロ
ッド１６の軸を含む平面内に規制される。支持脚５４を
３本以上備えることにより、ロッド１６とフレーム２０
の相対運動をロッド１６の軸方向のみに、規制すること
ができる。また、ロッド１６の軸方向に２個の支持構造
１８を設けることによって、ロッド１６の傾きも十分に
規制可能となっている。また、支持脚５４の形状を適切
に選択することで、初期状態において、ロッド１６の位
置が、その可動範囲のほぼ中央位置となるようにするこ
とができる。なお、支持脚５４は、精密鋳造などにより
一体の成形材として作成することができる。また、支持
脚５４を３脚としても、ロッド１６を支持することが可
能である。
【００１９】なお、これらの各支持脚５４のロッド１６
の支持特性は、ばらつきが少ない方が好ましい。
の支持特性は、ばらつきが少ない方が好ましい。
【００２０】図５は、ロッド１６とフレーム２０の相対
変位を測定するための、移動電極３０と固定電極３２の
詳細を示す図である。相対変位によって、二つの電極３
０，３２の対向する面積が変化し、電極間の容量が変化
する。この容量変化に基づき、対物電極変位算出部３４
により、フレーム２０に対するロッド１６、すなわち対
物電極１４の相対変位が算出される。対物電極１４は、
前述のように領域Ａにおける平均間隙を測定するもので
あるから、電極面積を大きくすると、それだけ被検体表
面に沿った方向の分解能が低下する。このため対物電極
１４の電極面積は大きくすることができず、測定範囲が
狭くなる。一方、移動電極３０および固定電極３２は、
前述の対物電極１４のような面積に対する制約がなく、
対物電極１４に比して、大きい面積を採ることができ
る。このため、フレーム２０に対するロッド１６の相対
変位は、比較的広い範囲で測定可能となる。
変位を測定するための、移動電極３０と固定電極３２の
詳細を示す図である。相対変位によって、二つの電極３
０，３２の対向する面積が変化し、電極間の容量が変化
する。この容量変化に基づき、対物電極変位算出部３４
により、フレーム２０に対するロッド１６、すなわち対
物電極１４の相対変位が算出される。対物電極１４は、
前述のように領域Ａにおける平均間隙を測定するもので
あるから、電極面積を大きくすると、それだけ被検体表
面に沿った方向の分解能が低下する。このため対物電極
１４の電極面積は大きくすることができず、測定範囲が
狭くなる。一方、移動電極３０および固定電極３２は、
前述の対物電極１４のような面積に対する制約がなく、
対物電極１４に比して、大きい面積を採ることができ
る。このため、フレーム２０に対するロッド１６の相対
変位は、比較的広い範囲で測定可能となる。
【００２１】図６には、移動電極と固定電極の他の具体
例が示されている。ロッド１６には、円板状の移動電極
７０が複数個軸方向に配列されている。これらの移動電
極どうしは、接続線７２で電気的に接続されている。フ
レーム２０の内側には、略円環板状の固定電極７４が、
移動電極７０にそれぞれ対向するように配置されてい
る。また、固定電極７４の中心部の穴を、所定の間隙を
もってロッド１６および接続線７２が貫通している。固
定電極７４どうしは、接続線７６によって電気的に接続
されている。フレーム２０に対するロッド１６の相対変
位により、移動電極７０と固定電極７４の間隔が変化
し、これらの電極間の容量が変化する。この変化により
ロッド１６の相対変位を測定することができる。本例の
場合、移動電極７０および固定電極７４を多層に配置す
ることにより、電極面積を拡大し、より広範囲の測定範
囲を得ることができる。
例が示されている。ロッド１６には、円板状の移動電極
７０が複数個軸方向に配列されている。これらの移動電
極どうしは、接続線７２で電気的に接続されている。フ
レーム２０の内側には、略円環板状の固定電極７４が、
移動電極７０にそれぞれ対向するように配置されてい
る。また、固定電極７４の中心部の穴を、所定の間隙を
もってロッド１６および接続線７２が貫通している。固
定電極７４どうしは、接続線７６によって電気的に接続
されている。フレーム２０に対するロッド１６の相対変
位により、移動電極７０と固定電極７４の間隔が変化
し、これらの電極間の容量が変化する。この変化により
ロッド１６の相対変位を測定することができる。本例の
場合、移動電極７０および固定電極７４を多層に配置す
ることにより、電極面積を拡大し、より広範囲の測定範
囲を得ることができる。
【００２２】図７には、移動電極と固定電極のさらに他
の具体例が示されている。図６に示す例に対して、電極
を配置した部分のフレーム７８の径が大きくなってお
り、その分、複数の移動電極８０、固定電極８４の外径
が大きくなっている。これらの電極８０，８４はそれぞ
れ接続線８２，８６により接続されている。図６の場合
と同様、ロッド１６の相対変位により生じる移動電極８
０と固定電極８４の間の距離の変化が容量変化を生じさ
せ、これから前記相対変位を算出することができる。対
物電極１４の近傍においては、対物電極１４との静電結
合を避ける必要から、フレーム２０と対物電極１４の相
対変位を測定するための移動電極３０と固定電極３２を
配置することができないが、対物電極１４から十分離れ
た位置であれば、ロッド１６を介してフレーム２０と対
物電極１４の相対変位を測定するための大きな構造物を
配置することができる。本例においては、対物電極から
離れた位置のフレーム７８の径を大きくして、電極面積
を拡大し、より広範囲の測定を可能としている。
の具体例が示されている。図６に示す例に対して、電極
を配置した部分のフレーム７８の径が大きくなってお
り、その分、複数の移動電極８０、固定電極８４の外径
が大きくなっている。これらの電極８０，８４はそれぞ
れ接続線８２，８６により接続されている。図６の場合
と同様、ロッド１６の相対変位により生じる移動電極８
０と固定電極８４の間の距離の変化が容量変化を生じさ
せ、これから前記相対変位を算出することができる。対
物電極１４の近傍においては、対物電極１４との静電結
合を避ける必要から、フレーム２０と対物電極１４の相
対変位を測定するための移動電極３０と固定電極３２を
配置することができないが、対物電極１４から十分離れ
た位置であれば、ロッド１６を介してフレーム２０と対
物電極１４の相対変位を測定するための大きな構造物を
配置することができる。本例においては、対物電極から
離れた位置のフレーム７８の径を大きくして、電極面積
を拡大し、より広範囲の測定を可能としている。
【００２３】図８および図９には、さらに他の移動電極
と固定電極の配置例が示されている。図８には、平行な
平板の移動電極８８と固定電極９０の例が示されてお
り、前述の電極の構成と同様に、移動電極８８がロッド
と一体に移動し、固定電極９０がフレームに固定されて
いる。図９には、同心円筒状の移動電極９２と固定電極
９４の例が示されている。この場合も、移動電極９２が
ロッドと一体に移動し、固定電極９４がフレームに固定
されている。これらの図８および図９に示された電極の
構成は、フレームに対するロッドの相対変位により、対
向する電極の面積が変化し、これにより生じる容量の変
化によって、前記相対変位を検出するものである。
と固定電極の配置例が示されている。図８には、平行な
平板の移動電極８８と固定電極９０の例が示されてお
り、前述の電極の構成と同様に、移動電極８８がロッド
と一体に移動し、固定電極９０がフレームに固定されて
いる。図９には、同心円筒状の移動電極９２と固定電極
９４の例が示されている。この場合も、移動電極９２が
ロッドと一体に移動し、固定電極９４がフレームに固定
されている。これらの図８および図９に示された電極の
構成は、フレームに対するロッドの相対変位により、対
向する電極の面積が変化し、これにより生じる容量の変
化によって、前記相対変位を検出するものである。
【００２４】次に、被検体表面の形状測定について説明
する。距離測定装置１０のフレーム２０をロボットハン
ド等に固定する。モータドライバ２８には、間隙指示値
Ｓ１として、距離測定装置１０の測定範囲の中央値を入
力する。ロボットハンドにより、距離測定装置１０の対
物電極１４を、被検体表面１２から間隙指示信号Ｓ１に
相当する距離に配置する。そして、距離測定装置１０
を、所定の面に沿って、好ましくは被検体表面１２に略
平行な平面に沿って移動させる。間隙算出部３６は対物
電極１４と被検体表面１２の間隙に応じた値を出力す
る。この出力値は、モータドライバ２８にフィードバッ
クされ、モータドライバ２８は、間隙指示値Ｓ１を維持
するようにリニアモータ２６を駆動する。この駆動量、
すなわちフレーム２０に対するロッド１６の移動量に応
じた値を、対物電極変位算出部３４が出力する。距離測
定装置１０を移動する平面に対する被検体表面１２まで
の距離は、対物電極変位算出部３４と間隙算出部３６に
より算出された変位、間隙の合計であり、これが距離算
出部３８により算出される。距離算出部３８の出力を被
検体表面１２の複数の箇所で得れば、被検体表面の形状
を得ることができる。
する。距離測定装置１０のフレーム２０をロボットハン
ド等に固定する。モータドライバ２８には、間隙指示値
Ｓ１として、距離測定装置１０の測定範囲の中央値を入
力する。ロボットハンドにより、距離測定装置１０の対
物電極１４を、被検体表面１２から間隙指示信号Ｓ１に
相当する距離に配置する。そして、距離測定装置１０
を、所定の面に沿って、好ましくは被検体表面１２に略
平行な平面に沿って移動させる。間隙算出部３６は対物
電極１４と被検体表面１２の間隙に応じた値を出力す
る。この出力値は、モータドライバ２８にフィードバッ
クされ、モータドライバ２８は、間隙指示値Ｓ１を維持
するようにリニアモータ２６を駆動する。この駆動量、
すなわちフレーム２０に対するロッド１６の移動量に応
じた値を、対物電極変位算出部３４が出力する。距離測
定装置１０を移動する平面に対する被検体表面１２まで
の距離は、対物電極変位算出部３４と間隙算出部３６に
より算出された変位、間隙の合計であり、これが距離算
出部３８により算出される。距離算出部３８の出力を被
検体表面１２の複数の箇所で得れば、被検体表面の形状
を得ることができる。
【００２５】以上のように、対物電極１４と被検体表面
１２の間隙は、リニアモータ２６によりフィードバック
制御されるので、前記間隙を対物電極１４の測定範囲内
に維持することができる。また、移動電極と固定電極
は、対物電極より面積を大きく構成することができるの
で、より広い測定範囲が実現される。また、距離測定装
置１０の被検体表面１２に沿った移動に伴って、対物電
極１４と被検体表面１２の間隙が、リニアモータのフィ
ードバックが追いつかない程度に速く変化した場合であ
っても、対物電極１４の検出する距離、すなわち間隙算
出部３６の出力とフレーム２０とロッド１６の相対変
位、すなわち対物電極変位算出部３４の出力との合計
は、正しく被検体表面１２までの距離を表している。つ
まり、距離測定装置１０の出力は、良好に被検体表面に
追従する。
１２の間隙は、リニアモータ２６によりフィードバック
制御されるので、前記間隙を対物電極１４の測定範囲内
に維持することができる。また、移動電極と固定電極
は、対物電極より面積を大きく構成することができるの
で、より広い測定範囲が実現される。また、距離測定装
置１０の被検体表面１２に沿った移動に伴って、対物電
極１４と被検体表面１２の間隙が、リニアモータのフィ
ードバックが追いつかない程度に速く変化した場合であ
っても、対物電極１４の検出する距離、すなわち間隙算
出部３６の出力とフレーム２０とロッド１６の相対変
位、すなわち対物電極変位算出部３４の出力との合計
は、正しく被検体表面１２までの距離を表している。つ
まり、距離測定装置１０の出力は、良好に被検体表面に
追従する。
【００２６】図１０には、本発明の他の実施形態の概略
構成が示されている。前述の実施形態と同様の構成につ
いては、同一の符号を付し、その説明を省略する。本実
施形態の距離測定装置１００は、前述の装置１０と支持
構造の構成が異なっている。本実施形態において、支持
構造１１２として静圧空気軸受を採用している。ロッド
１６の軸方向に離れた２カ所において、ロッド１６の周
囲を取り囲むようにエアパッド１１４が配置されてい
る。エアパッド１１４には、外部の図示しないエアポン
プから空気が供給され、さらにエアパッド１１４は、こ
れとロッド１６の間隙に供給された空気が送り出される
ように構成されている。この狭い隙間に送り込まれた空
気がロッド１６を半径方向に支持するように機能する。
このような空気軸受の場合、軸方向の動きを規制する機
能はないので、本実施形態の場合、この機能はリニアモ
ータ２６が担う。
構成が示されている。前述の実施形態と同様の構成につ
いては、同一の符号を付し、その説明を省略する。本実
施形態の距離測定装置１００は、前述の装置１０と支持
構造の構成が異なっている。本実施形態において、支持
構造１１２として静圧空気軸受を採用している。ロッド
１６の軸方向に離れた２カ所において、ロッド１６の周
囲を取り囲むようにエアパッド１１４が配置されてい
る。エアパッド１１４には、外部の図示しないエアポン
プから空気が供給され、さらにエアパッド１１４は、こ
れとロッド１６の間隙に供給された空気が送り出される
ように構成されている。この狭い隙間に送り込まれた空
気がロッド１６を半径方向に支持するように機能する。
このような空気軸受の場合、軸方向の動きを規制する機
能はないので、本実施形態の場合、この機能はリニアモ
ータ２６が担う。
【００２７】本実施形態においては、エアパッド１１４
からの空気吹出し口は、ロッド１６に直交する面内にお
いて、全周にわたって開口しているが、この空気吹出し
口は、前記直交面内において等配に設けてもよい。ま
た、本実施形態においては、２組の静圧空気軸受を採用
しているが３組以上を使用してもよい。さらに、各組の
エアパッド１１４の空気吹出し口のロッド１６方向の位
置は、必ずしも同一である必要はない。
からの空気吹出し口は、ロッド１６に直交する面内にお
いて、全周にわたって開口しているが、この空気吹出し
口は、前記直交面内において等配に設けてもよい。ま
た、本実施形態においては、２組の静圧空気軸受を採用
しているが３組以上を使用してもよい。さらに、各組の
エアパッド１１４の空気吹出し口のロッド１６方向の位
置は、必ずしも同一である必要はない。
【００２８】さらにまた、本実施形態ではロッド１６の
断面は円形であるが、これを三角形や四角形などの多角
形とし、その各辺に対向するエアパッドを設けた構成と
することもできる。このようにすれば、ロッドの支持機
能に加えて、回り止めの機能を付加することができる。
また、本実施形態に示したラジアル軸受とは別に、回り
止め用の静圧空気軸受を設けてもよい。
断面は円形であるが、これを三角形や四角形などの多角
形とし、その各辺に対向するエアパッドを設けた構成と
することもできる。このようにすれば、ロッドの支持機
能に加えて、回り止めの機能を付加することができる。
また、本実施形態に示したラジアル軸受とは別に、回り
止め用の静圧空気軸受を設けてもよい。
【００２９】以上、静圧空気軸受について説明したが、
作動気体は、空気以外の気体であってもよい。
作動気体は、空気以外の気体であってもよい。
【００３０】支持構造を静圧空気軸受としたことによ
り、ロッドの軸方向の可動範囲を広くすることができ
る。また、軸直交方向の剛性についても高いので、安定
した測定が可能となる。
り、ロッドの軸方向の可動範囲を広くすることができ
る。また、軸直交方向の剛性についても高いので、安定
した測定が可能となる。
【００３１】以上の実施形態に示した移動電極、固定電
極の構成を変更することも可能である。また、ロッドの
相対変位測定に、必要な精度を有するリニアスケール、
光学波長干渉測長計などを用いることもできる。また、
対物電極を、被検体表面との間隙が一定となるように駆
動する手段は、リニアモータに限らず、他の駆動手段例
えば通常のモータの回転をラックアンドピニオン機構に
より直線運動に変換する手段を用いることができる。さ
らに、支持構造についても、ロッド１６の軸直交方向の
動きを規制し、軸方向の動きを許容する様々な構成を採
用することが可能である。
極の構成を変更することも可能である。また、ロッドの
相対変位測定に、必要な精度を有するリニアスケール、
光学波長干渉測長計などを用いることもできる。また、
対物電極を、被検体表面との間隙が一定となるように駆
動する手段は、リニアモータに限らず、他の駆動手段例
えば通常のモータの回転をラックアンドピニオン機構に
より直線運動に変換する手段を用いることができる。さ
らに、支持構造についても、ロッド１６の軸直交方向の
動きを規制し、軸方向の動きを許容する様々な構成を採
用することが可能である。
【図１】 本実施形態の概略構成を示す図である。
【図２】 対物電極の構成を示す図である。
【図３】 支持構造の構成を示す図である。
【図４】 支持構造の構成を示す図であり、図３のＢ−
Ｂ線断面図である。
Ｂ線断面図である。
【図５】 フレームに対するロッドの相対変位を測定す
るための移動電極と固定電極の構成を示す図である。
るための移動電極と固定電極の構成を示す図である。
【図６】 移動電極と固定電極の他の構成を示す図であ
る。
る。
【図７】 移動電極と固定電極のさらに他の構成を示す
図である。
図である。
【図８】 移動電極と固定電極のさらに他の構成を示す
図である。
図である。
【図９】 移動電極と固定電極のさらに他の構成を示す
図である。
図である。
【図１０】 他の実施形態の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１０，１００ 距離測定装置、１２ 被検体表面、１４
対物電極、１６ ロッド、１８ 支持構造、２０ フ
レーム、２６ リニアモータ、２８ モータドライバ、
３０ 移動電極、３２ 固定電極、３４ 対物電極変位
算出部、３６間隙算出部、３８ 距離算出部、５０ 外
フランジ、５２ 内フランジ、５４支持脚、６０，６２
プレート、６４，６６，６８ 弾性ヒンジ、１１２
支持構造（静圧気体軸受）。
対物電極、１６ ロッド、１８ 支持構造、２０ フ
レーム、２６ リニアモータ、２８ モータドライバ、
３０ 移動電極、３２ 固定電極、３４ 対物電極変位
算出部、３６間隙算出部、３８ 距離算出部、５０ 外
フランジ、５２ 内フランジ、５４支持脚、６０，６２
プレート、６４，６６，６８ 弾性ヒンジ、１１２
支持構造（静圧気体軸受）。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 昭50−98864（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01B 7/00 - 7/34 102
G01B 21/00
Claims (12)
- 【請求項１】 フレームと、 被検体表面に対して間隙をもって配置される対物電極
と、 前記対物電極を、前記被検体表面との間隙が所定の範囲
となるように前記フレームに対して支持する対物電極支
持手段と、 フレームに対する対物電極の変位を検出する対物電極変
位検出手段と、 対物電極と被検体表面の静電容量に基づきこれらの間隙
を検出する間隙検出手段と、 前記対物電極変位と前記間隙に基づき、前記フレーム上
の所定の点から被検体表面までの距離を算出する距離算
出手段と、を有する距離測定装置。 - 【請求項２】 請求項１に記載の距離測定装置におい
て、前記対物電極支持手段は、前記間隙検出手段の検出
値に基づき制御され、前記検出値が前記所定の範囲とな
るように前記対物電極を駆動する駆動手段を有する、距
離測定装置。 - 【請求項３】 請求項１または２に記載の距離測定装置
において、前記対物電極支持手段は、前記対物電極を中
立位置に向けて付勢する付勢手段を有する、距離測定装
置。 - 【請求項４】 請求項１に記載の距離測定装置におい
て、 前記対物電極支持手段は、 前記対物電極を一端に保持し、前記被検体表面に略垂直
方向に配置され、この方向に移動可能なロッドと、 前記ロッドに固定された永久磁石と前記フレームに固定
されたコイルとを含むリニアモータと、 前記ロッドを前記フレームに対して移動可能に支持する
支持機構と、 前記検出された対物電極と被検体表面の間隙に基づき前
記リニアモータを制御するモータ駆動部と、を有する、
距離測定装置。 - 【請求項５】 請求項４に記載の距離測定装置におい
て、 前記フレームは、前記ロッドの少なくとも一部を囲み、
当該ロッドと略同軸配置された管状部材を含み、 前記コイルは前記管状部材に配置され、前記支持機構は
前記ロッドと前記管状部材の間に配置される、距離測定
装置。 - 【請求項６】 請求項４または５に記載の距離測定装置
において、 前記対物電極変位検出手段は、前記フレームに固定され
た電極と、前記ロッドに固定された電極を含み、前記ロ
ッドの移動に伴い、前記２種の電極の距離の変化を検出
することによって、対物電極の変位を検出する、距離測
定装置。 - 【請求項７】 請求項４または５に記載の距離測定装置
において、 前記対物電極変位検出手段は、前記フレームに固定され
た電極と、前記ロッドに固定された電極を含み、前記ロ
ッドの移動に伴い、前記２種の電極の対向する部分の面
積の変化を検出することによって、対物電極の変位を検
出する、距離測定装置。 - 【請求項８】 請求項１または４に記載の距離測定装置
において、 前記対物電極変位検出手段は、 前記対物電極の変位に関連して移動する目盛りと、 前記フレーム側に固定され、通過する目盛りを監視する
目盛り検出部と、を有する、距離測定装置。 - 【請求項９】 請求項１または４に記載の距離測定装置
において、前記対物電極変位検出手段はレーザ干渉測長
計である、距離測定装置。 - 【請求項１０】 請求項５に記載の距離測定装置であっ
て、 前記ロッドから外側に張り出した外フランジと、 前記管状部材の内側に張り出した内フランジと、を有
し、 前記支持機構は、 前記内外のフランジの間に直列に配置された２枚のプレ
ートと、 前記２枚のプレートが、前記ロッドの軸を含む平面内で
互いに屈曲可能に、かつこの平面内以外の屈曲を規制す
るように、当該２枚のプレートどうしと、一方のプレー
トおよび外フランジと、他方のプレートおよび内フラン
ジの間に配置される弾性ヒンジと、を含む支持脚を少な
くとも３脚含む、距離測定装置。 - 【請求項１１】 請求項４または５に記載の距離測定装
置において、前記支持機構は静圧気体軸受である、距離
測定装置。 - 【請求項１２】 請求項１から１１のいずれかに記載の
距離測定装置と、 前記フレームを、被検体表面に対して相対的に所定の面
内で移動させる手段と、 前記フレームの複数の移動箇所における前記距離測定装
置の測定値に基づき、被検体表面の形状を算出する表面
形状算出手段と、を有する、表面形状測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000108994A JP3406889B2 (ja) | 1999-12-03 | 2000-04-11 | 距離測定装置 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34539599 | 1999-12-03 | ||
| JP11-345395 | 1999-12-03 | ||
| JP2000108994A JP3406889B2 (ja) | 1999-12-03 | 2000-04-11 | 距離測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001221607A JP2001221607A (ja) | 2001-08-17 |
| JP3406889B2 true JP3406889B2 (ja) | 2003-05-19 |
Family
ID=26578016
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000108994A Expired - Fee Related JP3406889B2 (ja) | 1999-12-03 | 2000-04-11 | 距離測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3406889B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5009560B2 (ja) * | 2006-06-29 | 2012-08-22 | 株式会社神戸製鋼所 | 薄片状の被測定物の形状測定装置 |
| KR101614666B1 (ko) | 2007-07-18 | 2016-04-21 | 가부시키가이샤 니콘 | 계측 방법, 스테이지 장치, 및 노광 장치 |
-
2000
- 2000-04-11 JP JP2000108994A patent/JP3406889B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2001221607A (ja) | 2001-08-17 |
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