JP5544137B2 - 触針式段差計による試料の表面形状の測定用の計測制御回路装置 - Google Patents
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Description
参照)(特許文献1)。
探針に被測定試料の表面に対して垂直方向に向う針圧を作用させる針圧付加手段と、
探針の垂直方向の変位を検出する差動トランスと、
差動トランスの出力信号に基き探針のとびを検出すると共に探針のとびの検出に応じて針圧付加手段を制御して探針の針圧を増減する制御手段と
を有する触針式段差計による試料の表面形状の測定用の計測制御回路装置において、
差動トランスの一次側に印加される一次電圧と同じ周波数の信号を位相調整して参照信号を形成し、この参照信号と探針の垂直方向の変位を検出する差動トランスの二次側からの検出した信号とを掛算処理し、探針の垂直方向の変位値を表す信号を発生するデジタル信号処理装置と、
針圧付加手段の力発生用コイルの電流値を制御する制御信号を発生する回路と
を有することを特徴としている。
センサヘッド36の差動トランス37の二次コイルに発生した二次電圧は測定信号として前置増幅器34で100倍程度増幅され、アンチエイリアシングフィルタ(LPF)33(例えばカットオフ周波数10kHz)を通してアナログ−デジタル変換器32aでデジタル信号に変換され、デジタルシグナル処理装置(DSP)31に送られる。差動トランス37の一次コイル37aには、デジタルシグナル処理装置(DSP)31においてsin波発生回路31aにより例えば5kHzのsin波を発生し、デジタル−アナログ変換器32bでアナログ電圧に変換して供給される。電流が足らなければ変換回路32における演算増幅器(図示していない)で電流増幅すればよい。
差動トランス37の二次コイル37bに発生した二次電圧に相当する測定信号Sと差動トランス37の一次コイル37aへの電圧に相当する参照信号Rc、 Rs(互いに位相が90度ずれている。図6参照)の“積の時間平均”は以下のようになる。ここで
測定信号S =asin(ωt+φ)
参照信号Rc=2sinωt
測定信号S・参照信号Rcの時間平均=acosφ
参照信号Rs=2cosωt=2sin(ωt+π/2)
測定信号S・参照信号Rsの時間平均=asinφ
これら信号はロックインアンプで計測される。測定信号の振幅が直接出るように、参照信号は規格化される。すなわち、これら信号は振幅と位相情報を含んでおり、差動トランス37のコアの変位が十分大きい時にはφを0に設定すれば、a cosφは差動トランス37のコアの変位zに比例する。
差動トランス37のコアの変位が十分に大きい(例えば1mm)時には、例えば以下に記載するように処理される。通常、それぞれの位相も位相差も分からない。
差動トランス37のコアの変位が1mmの時
測定信号S =asin(ωt+α)
参照信号Rc=2sin(ωt+θ)
測定信号S・参照信号Rcの時間平均=acos(α−θ) (1)
参照信号Rs=2cos(ωt+θ)
測定信号S・参照信号Rsの時間平均=asin(α−θ) (2)
ここで、測定信号S・参照信号Rcの時間平均が最大となり、測定信号S・参照信号Rsの時間平均がゼロとなるように、θを設定すれば(θ→α)、式(1)が差動トランス37のコアの変位zに比例することになり、変位センサになり得る。
差動トランス37のコアの変位が任意のとき、測定信号Sの振幅、位相は任意の値になっており、以下のように表すことができる。
差動トランス37におけるコアの変位が任意である時、測定信号Sの振幅及び位相が変化する。
測定信号S =bsin(ωt+β)
参照信号Rc=2sin(ωt+θ)
測定信号S・参照信号Rcの時間平均=bcos(β−θ) (3)
参照信号Rs=2cos(ωt+θ)
測定信号S・参照信号Rsの時間平均=bsin(β−θ) (4)
求めたいのはθをαに置き換えたbcos(β−α)であり、これが差動トランス37のコアの変位 z に比例する。これを書き換えると次のように表される。
bcos(β−α)=bcos(β−θ)cos(α−θ)
+bsin(β−θ)sin(α−θ)
=S・Rc・cos(α−θ)+S・Rs・sin(α−θ)の時間平均
つまり、bcos(β−α)は図4に示すように、参照信号の位相をα−θ増すことに相当する。従って、元々の参照信号の位相では、
S・Rcの時間平均=bcos(β−θ)
であり、参照信号の位相をφ増すと、
S・Rc・cosφ+S・Rs・sinφの時間平均=bcos(β−θ−φ)
(5)
となる。
これにより、参照信号の位相は任意に変えることができる。実際には、位相は変えていないが、変えた場合の“測定信号×参照信号の時間平均”の値がデジタルシグナル処理装置(DSP)31で算出され、出力される。
元々の参照信号の位相では、前述のように
S・Rcの時間平均=bcos(β−θ)
S・Rsの時間平均=bsin(β−θ)
であり、参照信号の位相をφ増すと、
−S・Rc・sinφ+S・Rs・cosφの時間平均=bsin(β−θ−φ)
(6)
となる。
これにより、参照信号の位相は任意に変えることができる。図5参照。実際には、位相は変えていないが、変えた場合の“測定信号×参照信号の時間平均”の値がデジタルシグナル処理装置(DSP)31で算出され、出力される。
図10はA cosφの電圧雑音密度を示しており、Arms cosφの電圧雑音密度も同様に0.707倍になっている。
2:支点
3:揺動支持棒
4:探針
5:針圧付加手段
6:検出手段
7:試料ホルダー
8:走査ステージ
9:被測定試料
30:計測制御回路装置
31:デジタルシグナル処理装置(DSP)
31a:Sin波発生回路
31b:振幅調整回路
31c:振幅・位相調整回路
31d:掛算回路
31e:低域通過フィルタ
32:変換回路
32a:アナログ−デジタル変換器
32b:デジタル−アナログ変換器
32c:デジタル−アナログ変換器
32d:デジタル−アナログ変換器
32e:アナログ−デジタル変換器
33:低域通過フィルタ(LPF)
34:前置増幅器
35:電圧−電流変換回路
36:触針式段差計のセンサヘッド
37:差動トランス
38:針圧付加手段の力発生用コイル
39:設定、表示用のコンピュータ
40:外部発振器
41:低域通過フィルタ(LPF)
Claims (8)
- 被測定試料の表面に対して垂直方向に移動可能でしかも被測定試料の表面に沿って相対的に移動可能である探針と、
探針に被測定試料の表面に対して垂直方向に向う針圧を作用させる針圧付加手段と、
探針の垂直方向の変位を検出する差動トランスと、
差動トランスの出力信号に基き探針のとびを検出すると共に探針のとびの検出に応じて針圧付加手段を制御して探針の針圧を増減する制御手段と
を有する触針式段差計による試料の表面形状の測定用の計測制御回路装置において、
差動トランスの一次側に印加される一次電圧と同じ周波数の信号を位相調整して参照信号を形成し、この参照信号と探針の垂直方向の変位を検出する差動トランスの二次側からの検出した信号とを掛算処理し、探針の垂直方向の変位値を表す信号を発生する回路と、
針圧付加手段の力発生用コイルの電流値を制御する制御信号を発生する回路
を備えたデジタル信号処理装置を有することを特徴とする計測制御回路装置。 - デジタル信号処理装置が、sin波を発生するsin波発生回路と、sin波発生回路で発生したsin波を振幅調整する振幅調整回路とを備え、差動トランスの一次側に印加される一次電圧を出力するように構成されていることを特徴とする請求項1記載の計測制御回路装置。
- デジタル信号処理装置が、さらに、sin波発生回路で発生したsin波を振幅及び位相調整して参照信号を発生する振幅・位相調整回路を備えていることを特徴とする請求項2記載の計測制御回路装置。
- デジタル信号処理装置が、さらに、外部発信器より差動トランスの一次側に印加される一次電圧から分岐した電圧を受け、振幅及び位相調整して参照信号を発生する振幅・位相調整回路を備えていることを特徴とする請求項1記載の計測制御回路装置。
- デジタル信号処理装置が、さらに、1周期の1/4ずれた時点での参照信号の値を用いて測定信号のcos成分とsin成分とを同時に得るように構成されたデジタルロックイン増幅器を備えていることを特徴とする請求項4記載の計測制御回路装置。
- デジタル信号処理装置が、さらに、参照信号と差動トランスの二次側に発生した測定信号とを掛算する掛算回路と、掛算回路からの信号をフィルタリング処理して、雑音を含む測定信号の中から参照信号と同じ周波数成分を取り出す低域通過フィルタ回路とを備え、算出した測定信号の振幅及び位相に基き、差動トランスのコアの変位を求めるように構成されたデジタルロックイン増幅器を備えていることを特徴とする請求項1記載の計測制御回路装置。
- デジタル信号処理装置が、差動トランスの一次側に印加されるsin波の一次電圧の周波数が5kHzであり、差動トランスの二次コイルに発生する二次電圧を200kS/sでAD変換して読み込み、5μs毎に計算処理するように構成されていることを特徴とする請求項1記載の計測制御回路装置。
- デジタル信号処理装置が、算出した測定信号の振幅及び位相に基き、針圧付加手段の力発生用コイルの電流値を制御するように構成されることを特徴とする請求項1記載の計測制御回路装置。
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