JP6167863B2 - 形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、センサー電極と測定対象物との間に形成される静電容量から、測定対象物の形状を測定することができる、静電容量型の形状測定装置に関する。

形状を測定、検知する方法として光や音波を利用した装置が知られている。

アースに接続された導体や誘電体の表面形状を測定する装置の方式として、静電容量方式が古くから知られている(例えば特許文献1参照)。また、対向する電極間の距離変化に伴う静電容量の変化を利用した圧力センサーを用いて、圧力の面分布から測定物の凹凸形状が検出できる装置が提案されている(例えば特許文献２参照)。

しかしながら、特許文献１では、導体からなる探針ひとつを走査することで表面形状を測定しており、探針を移動させるための装置が必要であり、また、探針と測定物との距離を数μmに保つように測定するため、測定対象が微小な凹凸に限定されている。また圧力センサーを使用した特許文献２では、測定対象物に圧力が加わるため本来の形状を測定することができない課題と。また、圧力センサーが薄いシート状であるため、比較的凹凸の大きな人のような形状を精度よく測定することができない課題があった。

形状を測定、検知する方法として光や音波を利用した装置が知られているが、検出部と測定対象物との間に遮蔽物があると精度劣化や、測定できない場合があるが、静電容量方式だと、誘電体の遮蔽物があっても電界は発生し、測定対象物との間に静電容量を形成することができる。

特開平６−３４３１４号公報 特開２０１０−４３８８１号公報

本発明は、配線の複雑さが少ない平面上に配列された検知電極により、凹凸が大きな測定対象物の表面形状を非接触で計測できる、静電容量型の形状測定装置を提供することを目的とする。

本発明の形状測定装置は、センサー電極と測定対象物との間に形成される静電容量を検知することで前記測定対象物の形状を測定するための形状測定装置であって、
Ｘ軸方向に配列した複数の帯状の電極と、絶縁層とを、交互にＺ軸方向に積層したものであって、積層された前記電極の一端はＺ軸上にそろって配置されていて、積層された前記電極の他端はＺ軸方向に階段状になっているセンサー電極と、
積層された複数の帯状の前記電極のうち、検出電極となる電極に交流信号を印加する駆動回路と、
前記検出電極の電圧振幅を検知する検出回路と、
積層された複数の帯状の前記電極のうち、シールド電極となる電極に、前記検出電極の電圧を印加する、検出電極が入力に接続されているバッファ回路と、
積層された複数の帯状の前記電極のうち、前記検出電極を前記駆動回路に接続するとともに、前記シールド電極を前記バッファ回路に接続する選択回路と、
前記検出回路からのアナログ情報をデジタル情報に変換するＡ／Ｄ変換器と、
前記Ａ／Ｄ変換器からの情報をもとに形状を演算するCPUと
を備えることを特徴とする形状測定装置に関する。

また、本発明は、上記形状測定装置を用いる計状測定方法であって、
積層された複数の帯状の前記電極のうち、少なくとも１つを検出電極として選択するとともに、
シールド電極として、前記選択された検出電極を取り囲むように、前記選択された検出電極の積層されたＺ軸方向の上下の電極と、Y軸方向に配列された電極とを選択し、順次Ｘ軸方向に走査を行うことを特徴とする形状測定方法。

また、本発明は、選択回路は、
積層された複数の帯状の前記電極のうち隣接する複数の検出電極として選択するとともに、シールド電極として、前記選択された複数の検出電極を取り囲むように、選択された検出電極の積層されたＺ軸方向の上下の電極と、Y軸方向に配列された電極を選択し、順次Ｘ軸方向に走査を行う走査モードと、
積層された複数の帯状の前記電極のうち1つを検出電極として選択するとともに、シールド電極として、選択された検出電極の積層されたＺ軸方向の上下の電極と、検出電極を取り囲むようにY軸方向に配列された電極を選択し、順次Ｘ軸方向に走査する走査モードとを切り替えることができ、
前記ＣＰＵが、前記２つの走査モードの情報を合成し前記測定対象物の形状を演算することを特徴とする上記形状測定方法に関する。

前記センサー電極は、Ｘ軸方向に配列した複数の帯状の検出電極を、絶縁層を介して階段状に多段に積層した検出部を特徴とする。

本発明により、配線の複雑さが少ない平面上に配列された検知電極により、凹凸が大きな測定対象物の表面形状を非接触で計測できる、静電容量型の形状測定装置を提供することができた。

本発明の実施の形態に係わる形状測定装置の構成図を示している。 本発明の実施の形態に係わる選択回路０５の構成図を示している。 （ａ）上記実施形態におけるセンサー電極０１と接続配線０３の上面図を示している。 （ｂ)図3(a)のＡ−Ａ線断面概略構成図を示す。（Ｃ）図３（ａ）の一部の概観斜視図を示している。 （ａ）センサー電極０１の、測定対象物の形状を測定できる検出電極を網目模様で示している。（ｂ) 図４(a)のＢ−Ｂ線断面における、検出電極と測定対象物に形成される静電容量を示している。 （ａ）検出電極Ｂ０２０２の検出動作時の各検出電極の電気的状態を示している。（ｂ) 図５(a)動作状態時でのＣ−Ｃ線断面の測定対象物と検出電極Ｂ０２０１、Ｂ０２０２、Ｂ０２０３の静電容量の形成を示している。 （ａ）一回目の検出電極と検出走査の順序を示している。（ｂ）二回目の検出電極と検出走査の順序を示している。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しつつ説明する。図１に、本発明の好ましい形態の一つである形状測定装置の構成図を示す。当該形状測定装置は、静電容量を検知する電極が平面に配置された検出部０２を有するセンサー電極０１と、このセンサー電極０１によって検知された信号を処理し形状を算出する信号処理部０４を備え、センサー電極０１と信号処理部０４は接続配線０３により電気的に接続されている。

センサー電極部０１は検出部０２と接続配線０３とを備える。

信号処理部０４は選択回路０５と駆動回路０６と検出回路０７とバッファ回路０８とＡ／Ｄ変換回路０９とＣＰＵ１０とを備える。

選択回路０５は制御スイッチS0101〜Ｓ0808を備える。

検出部０２は検出電極B010〜B0808の一部分が検出面であるＺ軸方向に露出した箇所を示している。

検出電極B010〜B0808は選択回路０５と接続配線０３により電気的に接続されている。

図２を参照して選択回路０５の構成を説明する。図２は選択回路０５の構成を示している。選択回路0５は制御スイッチS0101〜Ｓ0808を備えている。制御スイッチS0101〜Ｓ0808にはアナログスイッチ回路が二つ内蔵されており、このスイッチはCPU１０の制御信号により開閉制御される。制御スイッチS0101〜Ｓ0808には駆動回路０６（検出回路０７とも接続）とバッファ回路０８の信号が入力され、出力は各検出電極B010〜B0808に接続されている。選択回路０５により検出電極B010〜B0808の各電極は、駆動回路０６と検出回路０７に接続されるか、バッファ回路０８に接続されるか、または、接続なしのオフ状態（ハイインピーダンス）の３状態のいずれかに制御される。

次に静電容量の検出動作について説明する。駆動回路０６は選択回路０５に接続しており、検出電極B010〜B0808に印加する交流信号を出力する。出力された交流信号は検出電極と測定対象物１２との間に形成される静電容量の変化により振幅が変化する。駆動回路０６に接続されている検出回路０７は交流信号の振幅変化（ＡＭ変調）を検波する。この検波信号が検出電極と測定対象物１２との間に形成される静電容量の情報であり、これは検出電極と測定対象物との距離情報を含んでいる。検出回路0７の検波出力はＡ／Ｄ変換回路０９に接続されデジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換回路０９から出力される静電容量のデジタル値はCPU１０に入力され外部装置（たとえば液晶画面やPC）に出力される。ＣＰＵ１０は選択回路０５の制御信号を出力し、検出部０２の走査動作の制御も行う。バッファ回路０８は検出回路０７の入力と接続されており、検出された交流信号の電圧を出力しシールド電圧として使用する。

図３(a)、(b)、(c)を参照して本実施の形態に係わる静電容量式形状測定装置のセンサー電極部０１の構成について詳細に説明する。図３(a)は本実施形態のセンサー電極０１の上面図を示す。図３ (b)は図３(a)に示したセンサー電極部０１のA−A線断面図である。なお、厚み方向であるＺ軸方向を強調して描いている。図３ (c)は図３(a)の一部の概観斜視図を示している。

図３(a)、(b)、(c)に示すように、センサー電極部０１は、基材１１上に帯状の検出電極Ｂ０１０１、Ｂ０２０１、Ｂ０３０１、Ｂ０４０１、Ｂ０５０１、Ｂ０６０１、Ｂ０７０１、Ｂ０８０１がＸ軸方向にＹ軸と直交するように配列されている、その上には絶縁層Ｉ０７を介して帯状の検出電極Ｂ０１０２、Ｂ０２０２、Ｂ０３０２、Ｂ０４０２、Ｂ０５０２、Ｂ０６０２、Ｂ０７０２、Ｂ０８０２が同様にＸ軸方向にＹ軸と直交するように配列されて、Ｙ軸上から見て階段状になるように積層されている。同じように、検出電極Ｂ０１０３〜Ｂ０８０８と絶縁層I００〜Ｉ０６が階段上に積層構成をとっている（図３(b)参照）。階段状の積層構造になっているのでセンサー電極０１を上面、Ｚ軸方向から見ると、検出電極の一部分が露出することとなる。（図３(c)参照）。この露出部分が検出部０２となり測定対象物との間に静電容量を形成し、この静電容量を検出し形状を測定する。帯状の検出電極B010〜B0808を階段上に積層することで、複雑な配線がなく検出部０２を平面上に配列でき、検出電極B010〜B0808の端部がセンサー電極０１の一辺に集まるので信号処理部０３との接続も簡単に行うことができる。

図４(a)、(b)を参照して本実施形態に係わる静電容量式形状測定装置の測定対象物の検出原理について説明する。

図４(a)はセンサー電極０１の測定対象物の形状を測定できる検出電極を示しており、網目模様で示す検出電極、Ｂ０２０２〜Ｂ０２０７、Ｂ０３０２〜Ｂ０３０７、Ｂ０４０２〜Ｂ０４０７、Ｂ０５０２〜Ｂ０５０７、Ｂ０６０２〜Ｂ０６０７、Ｂ０７０２〜Ｂ０７０７が形状を測定できる検出電極になる。また図４(b)は図４(a)のＢ−Ｂ線矢視断面における、検出電極Ｂ０４０１〜Ｂ０４０８と測定対象物１２との間に形成される静電容量の概略を示している。センサー電極０１はＸＹ面上に対して、Ｚ軸方向に位置する測定対象物の形状を測定し、図４（ｂ）中に示す静電容量を検出することで測定対象物の形状を測定する。

図５(a)、(b)を参照して本実施形態に係わる検出動作について説明する。

図５(a)は検電極Ｂ０２０２の検出動作時の検出部０２の状態を示す図になる。網目模様で示している検出電極Ｂ０２０２は選択回路により検出回路０６に接続されている。ドット柄で示している検出回路を取り囲む検出電極Ｂ０１０１、Ｂ０１０２、Ｂ０１０３，Ｂ０２０１，Ｂ０２０３，Ｂ０３０１，Ｂ０３０２，Ｂ０３０３は選択回路０５によりバッファ回路０８に接続されている。その他、白色で示している検出電極は選択回路０５によりスイッチがオフ状態となっておりハイインピーダンスに接続された状態となっている。検出電極Ｂ０２０２を取り囲む検出電極Ｂ０１０１、Ｂ０１０２、Ｂ０１０３，Ｂ０２０１，Ｂ０２０３，Ｂ０３０１，Ｂ０３０２，Ｂ０３０３には検出部Ｂ０２０２の電圧がバッファ回路を介して印加されているため、検出電極Ｂ０２０２は周囲の導体物と寄生の静電容量を形成しない。この発明では、シールド電極ともいう。よってZ軸方向の検出精度が増し、センサー電極０１の検出距離が長くなる。

図５(b)は図５(a)動作状態時でのＣ−Ｃ線断面の測定対象物と検出電極Ｂ０２０１、Ｂ０２０２、Ｂ０２０３の静電容量の形成を示す。なお、簡略化して検出電極Ｂ０２０１、Ｂ０２０２、Ｂ０２０３のみを示している。

検出電極は階段状の積層構成になっているため検出電極Ｂ０２０２には上下の電極との間に寄生容量Cp1、Cp2が形成される。しかし、検出電極Ｂ０２０１、検出電極Ｂ０２０３はバッファ回路を介して検出電極Ｂ０２０２と同電位となっているため寄生容量Cp1、Cp2の影響がなくなる。そのため、検出電極B０２０２と測定対象物との間に形成される静電容量Cdetのみが検出回路０７により検出される。この検出動作により、帯状の検出電極Ｂ０１０１〜Ｂ０８０８を階段状に積層した検出部０２は、検出電極Ｂ０１０１〜Ｂ０８０８のＺ軸方向に露出した部分のみに形成される静電容量を測定することができる。

図６（a）（b）を参照して測定対象物との静電容量を検出走査する方法を説明する。検出走査は検出電極と検出回路０７との接続個数を変え、すなわち検出面積を変えて、平面分解能を上げるため２回に分けて行われる。検出面積を大きくして操作することでセンサー電極０１より、より遠くのものを測定でき、次に小さい検出面積で近くの形状を精度よく測定できる。仮に、検出面積の大きい方（検出電極４つ）を一回目、検出面積の小さい方（検出電極１つ）を二回目として説明するが、この順番、走査の方向、検出電極の個数や、複数電極がある場合のその位置的な関係（図示は、正方形になるように選択）は、説明に限定されない。

図６（a）は一回目の検出部範囲と検出走査の順序を示している。静電容量の測定は先ず、４つの検出電極B０２０２、B０２０３、B０３０２、B０３０３に対して行われるように選択回路０５が制御される。このとき、選択された検出電極の周りを取り囲むように、Ｚ軸方向では、上下に２つずつ、Ｙ軸方法では、左右に４つずつ、合計１２個の電極がシールド電極として設定される。検出電極Ｂ０１０１、Ｂ０１０２、Ｂ０１０３、Ｂ０１０４、Ｂ０２０１、Ｂ０２０４、Ｂ０３０１、Ｂ０３０４，Ｂ０４０１、Ｂ０４０２、Ｂ０４０３、Ｂ０４０４は検出電極の電圧がバッファ回路０７を介して印加されるため、遠くの対象物を精度よく測定できる。検出電極Ｂ０２０２、Ｂ０２０３、Ｂ０３０２、Ｂ０３０３の測定が終了すると以降はＣＰＵ１０により選択回路が制御され図６(a)に示す矢印のように走査して平面上の静電容量を測定する。

図６（ｂ）は二回目の検出部範囲と検出走査の順序を示している。
静電容量の測定はまず検出電極Ｂ０２０２に対して行われ、以降はＣＰＵ１０により選択回路が制御され図６(b)に示す矢印のように走査して平面上の静電容量を測定する。一回目と二回目の検出操作が修了するとCPU１０走査したデータを合成し形状データを作成する。形状データは外部のシステムに出力される。二回の走査は検出電極面積を変えて行っている。大きい検出面積でより遠くの形状を検出し、小さい検出面積で近くの形状を精度よく検出している。これらを総合的に合成することでより精度の高い形状データが得られる。

以上の説明よりセンサー構造を簡易な階段状の層構成にすることで検出部を平面上に配列でき、しかも上下電極の影響がなく検出部のみと測定対象物との間に形成される静電容量を精度よく検出することができる。

０１・・・センサー電極
０２・・・検出部
０３・・・接続配線
０４・・・信号処理部
０５・・・選択回路
０６・・・駆動回路
０７・・・検出回路
０８・・・バッファ回路
０９・・・A/D変換回路
１０・・・CPU
１１・・・基材
１２・・・測定対象物
B0101〜Ｂ0808・・・検出電極
I00〜I0７・・・絶縁層
S0101〜S0808・・・制御スイッチ
Cp1・・・検出電極B0202と検出電極B0201との間に形成される静電容量
Cp2・・・検出電極B0202と検出電極B0203との間に形成される静電容量
Cg1・・・検出電極B0201と測定対象物との間に形成される静電容量
Cg2・・・検出電極B0203と測定対象物との間に形成される静電容量
Cdet・・・検出電極B0202と測定対象物との間に形成される静電容量

Claims (3)

1. センサー電極と測定対象物との間に形成される静電容量を検知することで前記測定対象物の形状を測定するための形状測定装置であって、
   Ｘ軸方向に配列した複数の帯状の電極と、絶縁層とを、交互にＺ軸方向に積層したものであって、積層された前記電極の一端はＺ軸上にそろって配置されていて、積層された前記電極の他端はＺ軸方向に階段状になっているセンサー電極と、
   積層された複数の帯状の前記電極のうち、検出電極となる電極に交流信号を印加する駆動回路と、
   前記検出電極の電圧振幅を検知する検出回路と、
   積層された複数の帯状の前記電極のうち、シールド電極となる電極に、前記検出電極の電圧を印加する、検出電極が入力に接続されているバッファ回路と、
   積層された複数の帯状の前記電極のうち、前記検出電極を前記駆動回路に接続するとともに、前記シールド電極を前記バッファ回路に接続する選択回路と、
   前記検出回路からのアナログ情報をデジタル情報に変換するＡ／Ｄ変換器と、
   前記Ａ／Ｄ変換器からの情報をもとに形状を演算するCPUと
   を備えることを特徴とする形状測定装置。
2. 請求項1記載の形状測定装置を用いる計状測定方法であって、
   積層された複数の帯状の前記電極のうち、少なくとも１つを検出電極として選択するとともに、
   シールド電極として、前記選択された検出電極を取り囲むように、前記選択された検出電極の積層されたＺ軸方向の上下の電極と、Y軸方向に配列された電極とを選択し、順次Ｘ軸方向に走査を行うことを特徴とする形状測定方法。
3. 選択回路は、
   積層された複数の帯状の前記電極のうち隣接する複数の検出電極として選択するとともに、シールド電極として、前記選択された複数の検出電極を取り囲むように、選択された検出電極の積層されたＺ軸方向の上下の電極と、Y軸方向に配列された電極を選択し、順次Ｘ軸方向に走査を行う走査モードと、
   積層された複数の帯状の前記電極のうち1つを検出電極として選択するとともに、シールド電極として、選択された検出電極の積層されたＺ軸方向の上下の電極と、検出電極を取り囲むようにY軸方向に配列された電極を選択し、順次Ｘ軸方向に走査する走査モードとを切り替えることができ、
   前記ＣＰＵが、前記２つの走査モードの情報を合成し前記測定対象物の形状を演算することを特徴とする請求項２記載の形状測定方法。
   

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