JP4520195B2 - 接触式変位センサ - Google Patents

Description

本発明は、例えばＦＣ（flip chip）やＢＧＡ（ball grid
array）に形成された多数のはんだバンプの平均的な高さを測定するための接触式変位センサに関する。

従来、接触式変位センサとしては様々なものが知られている。例えば、変位を渦電流を利用して測る渦電流変位センサ、変位を電磁誘導を利用して測る差動トランス、変位を静電容量の変化に置き換えて測る静電容量型変位センサ、変位をホール素子を利用して測るホール素子変位センサ等が知られている（非特許文献１）。

Ｎｅｗｔｏｎ別冊「センサのすべて」，（株）教育社，１９８５年４月２０日発行，ｐ．６８−７２

しかしながら、従来の接触式変位センサには次のような問題があった。

基板上に多数の突起が形成された測定対象について考える。接触式変位センサの接触面よりも一つの突起の面積が大きければ、接触式変位センサは多数の突起の中から選ばれた一つの突起にしか接触しない。逆に、接触式変位センサの接触面よりも一つの突起の面積が小さければ、接触式変位センサは接触面内に存在する多数の突起のうち最も高い突起にしか接触しない。そのため、従来の接触式変位センサでは、多数の突起のうちの一つの高さ、又は多数の突起のうちの最大の高さを測定できても、多数の突起の平均的な高さを測定できなかった。したがって、従来技術には、ＦＣやＢＧＡに形成された多数のはんだバンプの平均的な高さを測定できるものがなかった。

そこで、本発明の目的は、多数の突起の平均的な高さを測定することができる接触式変位センサを提供することにある。

本発明に係る第一の接触式変位センサは、基準面及び凹凸面を有する測定対象の基準面に当接する基準位置設定部材と、凹凸面に当接するとともに押圧によって凹凸面に沿って変形する弾性体と、弾性体と基準位置設定部材とを測定対象側の反対側で固定する固定部と、凹凸面に当接する弾性体を押圧して基準位置設定部材が基準面に当接したときにおける弾性体の変形を測定するセンサ部とを備えている。

弾性体は基準位置設定部材よりも測定対象側に突出しているとする。そのため、接触式変位センサを測定対象に近付けていくと、最初に弾性体が凹凸面に当接する。更に、弾性体の復元力に抗して接触式変位センサを測定対象に押付けていくと、基準位置設定部材が基準面に当接することにより、接触式変位センサがそこで止まる。この時、弾性体は凹凸面に沿って変形している。弾性体が凹凸面に沿って変形するとは、凹凸面の凹部には弾性体が凸状に変形し、凹凸面の凸部には弾性体が凹状に変形するということである。つまり、弾性体には「基準面に対する凹凸面の平均的な高さ」に相当する変形が生じる。この弾性体の変形をセンサ部で測定することにより、多数の突起の平均的な高さを測定することができる。なお、弾性体は、基準位置設定部材よりも測定対象側に突出していなくてもよい。つまり、接触式変位センサを測定対象に近付けていく場合に、基準位置設定部材が基準面に当接する前に弾性体が凹凸面に当接すればよいので、弾性体は基準位置設定部材と面一又は基準位置設定部材よりもやや窪んでいてもよい。

基準位置設定部材は、弾性体の外周を囲む筐体としてもよい。このとき、基準位置設定部材としての筐体によって、弾性体が囲まれた構造になる。また、弾性体の測定対象側の反対側にセンサ部が設けられ、筐体が弾性体及びセンサ部の外周を囲むようにしてもよい。このとき、基準位置設定部材としての筐体によって、弾性体及びセンサ部が囲まれた構造になる。

本発明に係る第二の接触式変位センサは、測定対象の凹凸面に当接するとともに押圧によって凹凸面に沿って変形する弾性体と、凹凸面に当接する弾性体を押圧したときにおける弾性体の変形を測定するセンサ部と、測定対象と弾性体との距離を自在に調整するとともに弾性体を押圧するアクチュエータ部と、測定対象と弾性体との距離を測定する距離測定部と、センサ部で測定された弾性体の変形に基づきアクチュエータ部の動作を制御する制御部とを備えたものである。

凹凸面に弾性体を向けて接触式変位センサをアクチュエータ部によって測定対象に近付けていくと、弾性体が凹凸面に当接する。続いて、弾性体の復元力に抗して接触式変位センサをアクチュエータ部によって測定対象に押付けていくと、弾性体が凹凸面に沿って変形していき、その変形がセンサ部によって測定される。つまり、制御部は、センサ部で測定された弾性体の変形が一定になるまで、アクチュエータ部を介しての弾性体を凹凸面に押付けることができる。このときの測定対象と弾性体との距離は、距離測定部によって測定される。例えば、制御部は、センサ部で測定された弾性体の変形が一定になったときに、距離測定部で測定された測定対象と弾性体との距離を入力する。

例えば、測定対象の基準面に弾性体を押付けて弾性体の変形が一定になったとする。このときの測定対象と弾性体との距離を零とする。続いて、測定対象の凹凸面に弾性体を押付けて弾性体の変形が一定になったとする。このときの測定対象と弾性体との距離をｈとする。すなわち、距離ｈが「基準面に対する凹凸面の平均的な高さ」に相当する。

弾性体は、弾性係数の異なる複数の弾性体の積層構造からなる、としてもよい。この場合は、複数の弾性係数の弾性体を組み合わせることによって、所望の弾性係数の弾性体が得られる。

センサ部は、弾性体の変形を圧力によって測定する圧力センサ、弾性体の変形を変位によって測定する変位センサ、その変位を光によって測定する光学変位センサ等としてもよい。

基準面が基板であり、凹凸面が基板上に形成された多数のはんだバンプである、としてもよい。つまり、本発明に係る接触式変位センサを、はんだバンプの平均的な高さを測定するセンサとして利用できる。

本発明に係る接触式変位センサによれば、凹凸面に弾性体を押付けると弾性体が凹凸面に沿って変形することにより、凹凸面の平均的な高さに相当する変形が弾性体に生じるので、弾性体の変形をセンサ部で測定することにより、多数の突起の平均的な高さを測定することができる。したがって、ＦＣやＢＧＡに形成されたはんだバンプの平均高さの測定に、好適に用いることができる。

図１は本発明に係る接触式変位センサの第一実施形態を示す断面図であり、図１［１］は測定前の状態、図１［２］は測定中の状態である。以下、この図面に基づき説明する。

本実施形態の接触式変位センサ１０は、基準面２１及び凹凸面２２を有する測定対象２０の基準面２１に当接する基準位置設定部材としての筐体１１と、筐体１１よりも測定対象２０側に突出し凹凸面２２に当接する弾性体１２と、弾性体１２の変形を測定するセンサ部１３とを備えている。センサ部１３は、弾性体１２と筐体１１とを測定対象２０側の反対側で固定する固定部を兼ねている。また、弾性体１２の測定対象２０側の反対側にセンサ部１３が設けられ、筐体１１が弾性体１２及びセンサ部１３の外周を囲んでいる。

測定対象２０はＦＣ又はＢＧＡであり、基準面２１は基板表面、凹凸面２２ははんだバンプ２３の形成面である。筐体１１は、例えばアルミニウム等の金属からなる。弾性体１２はゴムである。センサ部１３は、弾性体１２の変形を圧力によって測定する圧力センサであり、例えばロードセルである。

次に、接触式変位センサ１０の動作について説明する。

弾性体１２は筐体１１よりも測定対象２０側に突出している。そのため、接触式変位センサ１０を測定対象２０に近付けていくと、最初に弾性体１２が凹凸面２２に当接する。更に、弾性体１２の復元力に抗して接触式変位センサ１０を測定対象２０に押付けていくと、筐体１１が基準面２１に当接することにより、接触式変位センサ１０がそこで止まる。この時、弾性体１２は凹凸面２２に沿って変形している。すなわち、凹凸面２２に当接する弾性体１２を押圧して筐体１１が基準面２１に当接した時に、弾性体１２が凹凸面２２に沿って変形している。

弾性体１２が凹凸面２２に沿って変形するとは、凹凸面２２の凹部には弾性体１２が凸状に変形し、凹凸面２２の凸部には弾性体１２が凹状に変形するということである。つまり、弾性体１２には「基準面２１に対する凹凸面２２の平均的な高さ」に相当する変形が生じる。この弾性体１２の変形をセンサ部１３で測定することにより、多数のはんだバンプ２３の平均的な高さを測定することができる。つまり、センサ部１３は、弾性体１２の変形を圧力（復元力Ｆ）によって測定する。

また、弾性係数の異なる複数の弾性体の積層構造とすることにより、所望の弾性係数の弾性体１２を得てもよい。

図２は本発明に係る接触式変位センサの第二実施形態を示す断面図であり、図２［１］は測定前の状態、図２［２］は測定中の状態である。以下、この図面に基づき説明する。ただし、図１と同一部分は同一符号を付すことにより説明を省略する。

本実施形態の接触式変位センサ３０は、弾性体３２及びセンサ部３３が第一実施形態と異なる。弾性体３２は、弾性体３２１、導電体３２２及び弾性体３２３の三層構造になっている。導電体３２２は、例えばアルミニウム等の金属からなる。弾性体３２１，３２３は、どちらもゴムであり、弾性係数が同じものでも異なるものでもよい。センサ部１３は、弾性体１２の変形を変位によって測定する渦電流変位センサや静電容量型変位センサである。

次に、接触式変位センサ３０の動作について説明する。

弾性体３２の復元力に抗して接触式変位センサ３０を測定対象２０に押付けていくと、筐体１１が基準面２１に当接することにより、接触式変位センサ３０がそこで止まる。この時、弾性体３２は凹凸面２２に沿って変形している。すなわち、弾性体３２には「基準面２１に対する凹凸面２２の平均的な高さ」に相当する変形が生じる。この弾性体１２の変形をセンサ部３３で測定することにより、多数のはんだバンプ２３の平均的な高さを測定することができる。つまり、センサ部３３は、弾性体１２の変形を変位（Ｌ１−Ｌ２）によって測定する。

図３は本発明に係る接触式変位センサの第三実施形態を示す断面図であり、図３［１］は測定前の状態、図３［２］は測定中の状態である。以下、この図面に基づき説明する。ただし、図１と同一部分は同一符号を付すことにより説明を省略する。

本実施形態の接触式変位センサ４０は、弾性体４２及びセンサ部４３が第一実施形態と異なる。弾性体４２は、弾性体４２１、反射体４２２及び弾性体４２３の三層構造になっている。反射体４２２は、少なくともセンサ部４３からの光Ｐの当たる部分が反射面になっており、例えばアルミニウム等の金属からなる。弾性体４２１はゴムであり、弾性体４２３はばねである。弾性体４２１，４２３の弾性係数は、同じでも異なってもよい。弾性体４２３は透光性を有するゴムとしてもよい。センサ部４３は、弾性体４２の変形を変位によって測定する光学式変位センサである。

次に、接触式変位センサ４０の動作について説明する。

弾性体４２の復元力に抗して接触式変位センサ４０を測定対象２０に押付けていくと、筐体１１が基準面２１に当接することにより、接触式変位センサ４０がそこで止まる。この時、弾性体４２は凹凸面２２に沿って変形している。すなわち、弾性体４２には「基準面２１に対する凹凸面２２の平均的な高さ」に相当する変形が生じる。この弾性体４２の変形をセンサ部４３で測定することにより、多数のはんだバンプ２３の平均的な高さを測定することができる。つまり、センサ部４３は、弾性体４２の変形を変位（Ｌ１−Ｌ２）によって測定する。例えば、センサ部４３は、光入出射部４３１から光Ｐを出射し、その反射光を光入出射部４３１から入射することにより、反射板４２２までの距離を測定する光干渉測長器である。

図４は本発明に係る接触式変位センサの第四実施形態を示し、図４［１］は制御系を示すブロック図、図４［２Ａ］，［２Ｂ］は基準面の高さを測定する場合の断面図、図４［３Ａ］，［３Ｂ］は凹凸面の高さを測定する場合の断面図である。以下、この図面に基づき説明する。ただし、図１と同一部分は同一符号を付すことにより説明を省略する。

本実施形態の接触式変位センサ５０は、測定対象２０の凹凸面２２に当接するとともに押圧によって凹凸面２２に沿って変形する弾性体１２と、凹凸面２２に当接する弾性体１２を押圧したときにおける弾性体１２の変形を測定するセンサ部１３と、測定対象２０と弾性体１２との距離を自在に調整するとともに弾性体１２を押圧するアクチュエータ部５１と、測定対象２０と弾性体１２との距離を測定する距離測定部（後述）と、センサ部１３で測定された弾性体１２の変形に基づきアクチュエータ部５１の動作を制御する制御部５２とを備えたものである。

アクチュエータ部５１は、ピエゾアクチュエータを用いている。ピエゾアクチュエータは制御電圧に応じて変位するので、アクチュエータ部５１の変位量を制御部５２で知ることができる。すなわち、制御部５２は距離測定部としての機能も兼ね備えている。制御部５２は、例えばマイクロコンピュータ及びそのプログラムからなる一般的なものである。アクチュエータ部５１の上にはステージ５３が設けられ、ステージ５３の上に測定対象２０が載置される。

次に、接触式変位センサ５０の動作について説明する。

まず、図４［２Ａ］，［２Ｂ］に示すように、測定対象２０の基準面２１に弾性体１２を押付けて、アクチュエータ部５１の変位量がｈ１のときに弾性体１２の変形が一定になったとする。このときの測定対象２０と弾性体１２との距離を零とする。続いて、図４［３Ａ］，［３Ｂ］に示すように、測定対象２０の凹凸面２２に弾性体１２を押付けて弾性体１２の変形が一定になったとする。このときの測定対象２０と弾性体との距離をｈとする。すなわち、距離ｈ（＝ｈ１−ｈ２）が「基準面２０に対する凹凸面２２の平均的な高さ」に相当する。

本実施形態によれば、第一乃至第三実施形態と異なり、基準位置設定部材が不要であるので、凹凸面２２の測定可能な広さに制限がない。なお、センサ部１３の代わりに、第二及び第三実施形態におけるセンサ部を用いてもよい。また、言うまでもなく、アクチュエータ部５１は、ピエゾアクチュエータに限定されるものではなく、例えばばねで上に引っ張られているステージを電磁石で下に引っ張る構成としてもよい。ピエゾアクチュエータは、３本を例示したが、１本でも２本でも４本以上でもよい。

次に、第二実施形態をより具体化した実施例１について説明する。図５は本発明に係る接触式変位センサの実施例１を示す外観斜視図であり、図５［１］は筐体を取り付けた状態、図５［２］は筐体を取り外した状態である。図６は、図５の接触式変位センサの測定結果を示すグラフである。以下、これらの図面に基づき説明する。ただし、図５において図２と同じ部分は同じ符号を付す。

センサ部３３は、市販の渦電流変位センサであり、センサ固定金具３３１、ねじ部３３２、接続コード３３３等が付設されている。筐体１１は、金属製の箱状であり、センサ部３３に固定される。弾性体３２１，３２３は、厚さ２ｍｍの円板状のゴムである。導電板３２２は、厚さ１ｍｍの円板状の金属である。弾性体３２１、導電板３２２及び弾性体３２３はこの順に、接着剤等を介して積層され、センサ部３３の測定面に固定されている。このようにして構成した接触式変位センサ３０を用いて、はんだバンプの平均高さを測定したところ、図６に示すような良好な結果が得られた。

なお、本発明は、言うまでもなく、上記実施形態及び実施例に限定されるものではない。例えば、はんだバンプの平均高さだけでなく、一般的な凹凸面の平均高さの測定に用いることができる。

本発明に係る接触式変位センサの第一実施形態を示す断面図であり、図１［１］は測定前の状態、図１［２］は測定中の状態である。 本発明に係る接触式変位センサの第二実施形態を示す断面図であり、図２［１］は測定前の状態、図２［２］は測定中の状態である。 本発明に係る接触式変位センサの第三実施形態を示す断面図であり、図３［１］は測定前の状態、図３［２］は測定中の状態である。 本発明に係る接触式変位センサの第四実施形態を示し、図４［１］は制御系を示すブロック図、図４［２Ａ］，［２Ｂ］は基準面の高さを測定する場合の断面図、図４［３Ａ］，［３Ｂ］は凹凸面の高さを測定する場合の断面図である。 本発明に係る接触式変位センサの実施例１を示す外観斜視図であり、図５［１］は筐体を取り付けた状態、図５［２］は筐体を取り外した状態である。 図５の接触式変位センサの測定結果を示すグラフである。

符号の説明

１０，３０，４０，５０ 接触式変位センサ
２１ 基準面
２２ 凹凸面
２３ はんだバンプ
２０ 測定対象
１１ 筐体（基準位置設定部材）
１２，２２，３２ 弾性体
１３，２３，３３ センサ部
５１ アクチュエータ部
５２ 制御部

Claims (11)

1. 基準面及び凹凸面を有する測定対象の前記基準面に当接する基準位置設定部材と、
   前記凹凸面に当接するとともに押圧によって当該凹凸面に沿って変形する弾性体と、
   この弾性体と前記基準位置設定部材とを前記測定対象側の反対側で固定する固定部と、
   前記凹凸面に当接する前記弾性体を押圧して前記基準位置設定部材が前記基準面に当接したときにおける当該弾性体の変形を測定するセンサ部と、
   を備えた接触式変位センサ。
2. 前記基準位置設定部材は前記弾性体の外周を囲む筐体である、
   請求項１記載の接触式変位センサ。
3. 前記弾性体の前記測定対象側の反対側に前記センサ部が設けられ、
   前記筐体が前記弾性体及び前記センサ部の外周を囲む、
   請求項１又は２記載の接触式変位センサ。
   
4. 測定対象の凹凸面に当接するとともに押圧によって当該凹凸面に沿って変形する弾性体と、
   前記凹凸面に当接する前記弾性体を押圧したときにおける当該弾性体の変形を測定するセンサ部と、
   前記測定対象と前記弾性体との距離を自在に調整するとともに当該弾性体を押圧するアクチュエータ部と、
   前記測定対象と前記弾性体との距離を測定する距離測定部と、
   前記センサ部で測定された前記弾性体の変形に基づき前記アクチュエータ部の動作を制御する制御部と、
   を備えた接触式変位センサ。
5. 前記制御部は、前記センサ部で測定された前記弾性体の変形が一定になったときに、前記距離測定部で測定された前記測定対象と前記弾性体との距離を入力する、
   請求項４記載の接触式変位センサ。
   
6. 前記弾性体は、弾性係数の異なる複数の弾性体の積層構造からなる、
   請求項１乃至５のいずれかに記載の接触式変位センサ。
7. 前記センサ部は、前記弾性体の変形を圧力によって測定する圧力センサである、
   請求項１乃至６のいずれかに記載の接触式変位センサ。
8. 前記センサ部は、前記弾性体の変形を変位によって測定する変位センサである、
   請求項１乃至６のいずれかに記載の接触式変位センサ。
9. 前記センサ部は、前記変位を光によって測定する光学変位センサである、
   請求項８記載の接触式変位センサ。
   
10. 前記基準面が基板であり、前記凹凸面が当該基板上に形成された多数のはんだバンプである、
    請求項１乃至３のいずれかに記載の接触式変位センサ。
11. 前記凹凸面が基板上に形成された多数のはんだバンプである、
    請求項５又は６記載の接触式変位センサ。

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