(57)【要約】【解決手段】  接続状態が良好である測定対象物と不良である測定対象物の高精度な変位測定を提供する非接触型の静電容量変位測定ゲージ（５００）であり、静電容量プローブ（５０４）、第一増幅器（５４０）、第二増幅器（５４１）、信号発生器（５１０）を含む。静電容量プローブ（５０４）はセンサ電極（５０７）、ガード電極（５３１）、および補償電極（５３０）を含む。信号発生器（５１０）は所定の電圧信号を直接、センサ電極（５０７）と、ユニティゲインを持つ第一増幅器（５４０）を介してガード電極（５３１）と、所定の伝達関数を持つ第二増幅器（５４１）を介して補償電極（５３０）に提供する。第二増幅器（５４１）はゲージ作動中にプローブによって測定要素へ流れ込む電流が実質的にゼロであることを確実にすることによって、未知あるいは制御不十分なインピーダンス（５０８）を有する測定要素の高精度の変位測定を可能にする。
2005516225.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出された静電容量は測定要素の変位に対応するのであり、静電容量プローブと測定要素との間の静電容量を検出するように構成された少なくとも一つの静電容量プローブと、
前記静電容量プローブは第一励起信号に反応して第一駆動信号を発生するのであり、前記静電容量プローブに前記第一励起信号を提供するように構成された第一励起信号発生器と、
前記測定要素へ流れ込む電流が実質的にゼロであることを確実にするために前記静電容量プローブによって発生した第一駆動信号を補償するように構成された補償サブシステムと、を具備することを特徴とする静電容量変位測定システム。
【請求項２】
前記第一励起信号発生器は前記励起信号をセンサ電極に提供するように構成されており、前記静電容量プローブが前記センサ電極を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第一励起信号発生器は前記第一励起信号をガード電極に提供するように構成されており、前記静電容量プローブがさらに前記ガード電極を含む請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記補償サブシステムは補償電極と、第二励起信号を前記補償電極に提供するように構成された第二励起信号発生器とを含み、その結果第一駆動信号を補償するための第二駆動信号が発生する請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記補償電極が前記静電容量プローブの部分を構成する請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
第二励起信号発生器が所定の伝達関数を有する増幅器を構成する請求項４に記載のシステム。
【請求項７】
前記増幅器は前記第一励起信号に反応して前記第二励起信号を発生するように構成されており、前記第一励起信号発生器がさらに、前記第一励起信号を前記増幅器に提供するように構成された請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記補償サブシステムは補償電極を含み、前記静電容量プローブはセンサ電極と前記補償電極を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記静電容量プローブはさらにガード電極を含む請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記センサ電極は前記測定要素からの第一所定距離で、前記補償電極は前記測定要素からの第二所定距離で、前記第一所定距離は前記第二所定距離に等しい請求項８に記載のシステム。
【請求項１１】
前記センサ電極と前記補償電極は実質的に同一平面上にある請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記センサ電極と前記補償電極は実質的に同心円状要素を構成する請求項８に記載のシステム。
【請求項１３】
前記補償サブシステムは所定の伝達関数を有した増幅器と前記増幅器の出力に連結した補償電極を含み、前記静電容量プローブはセンサ電極と前記補償電極を含み、前記第一励起信号発生器は前記第一励起信号を、前記第一駆動信号を発生させるために前記センサ電極へ、および前記第二励起信号を前記補償電極に提供することで前記補償電極を経由して第二駆動信号が発生することになる前記増幅器の入力へ、と提供するように構成されている請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記静電容量プローブはさらにガード電極を含み、前記第一励起信号発生器はさらに第三駆動信号を発生するように前記第一励起信号を前記ガード電極に提供するように構成されている請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記補償電極を経由して発生した前記第二駆動信号は、前記センサ電極を経由して発生した前記第一駆動信号と、前記ガード電極を経由して発生した前記第三駆動信号をそれぞれ補償することにより前記測定要素へ流れ込む電流が実質的にゼロであることを確実にする請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
さらに前記第一励起信号発生器と前記ガード電極との間に連結されたユニティゲインの増幅器を含む請求項１４に記載のシステム。
【請求項１７】
前記センサ電極、前記ガード電極、および前記補償電極は前記測定要素からの所定距離をそれぞれ有する請求項１４に記載のシステム。
【請求項１８】
前記センサ電極、前記ガード電極、および前記補償電極は実質的に同一平面上にある請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記センサ電極、前記ガード電極、および前記補償電極は実質的に同心円状要素を構成する請求項１４に記載のシステム。
【請求項２０】
静電容量プローブは第一励起信号に反応して第一駆動信号を発生するのであり、第一励起信号発生器によって前記第一励起信号を少なくとも一つの前記静電容量プローブに提供する段階と、
検出された静電容量は測定要素の変位に対応するのであり、前記静電容量プローブによって前記静電容量プローブと測定要素との間の静電容量を検出する段階と、
前記測定要素へ流れ込む電流が実質的にゼロであることを確実にするために補償サブシステムによって前記第一駆動信号を補償する段階と、を具備することを特徴とする静電容量変位測定システムの操作方法。
【請求項２１】
前記提供する段階には前記第一励起信号を前記静電容量プローブに含まれたセンサ電極に提供することを含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記提供する段階には前記第一励起信号を前記静電容量プローブに含まれたガード電極に提供することを含む請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
補償電極と第二励起信号発生器が前記補償サブシステムに含まれることで前記第一駆動信号を補償するための第二駆動信号を発生するのであり、前記第二励起信号発生器によって第二励起信号を前記補償電極に提供する段階をさらに含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
前記補償電極と前記第二励起信号発生器は前記補償サブシステムに含まれ、前記補償電極は前記静電容量プローブの部分であり、前記第二の提供する段階には前記第二励起信号発生器によって前記第二励起信号を前記補償電極に提供することを含む請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記第二励起信号発生器は所定の伝達関数を有する増幅器で構成されるのであり、前記第二の提供する段階には前記第二励起信号発生器によって前記第二励起信号を前記補償電極に提供することを含む請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記第一の提供する段階には前記第一励起信号を前記増幅器に提供することを含む請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記増幅器によって前記第一励起信号に反応して前記第二励起信号を発生する段階をさらに含む請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記補償サブシステムは補償電極を含むのであり、前記補償する段階には前記補償サブシステムによって前記第一駆動信号を補償することを含み、前記静電容量プローブはセンサ電極と前記補償電極を含むのであり、前記提供する段階には前記第一励起信号発生器によって前記第一励起信号を前記静電容量プローブに提供することを含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２９】
前記静電容量プローブは前記センサ電極、前記補償電極、およびガード電極を含むのであり、前記提供する段階には前記第一励起信号発生器によって前記第一励起信号を前記静電容量プローブに提供することを含む請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記静電容量プローブは前記センサ電極と前記補償電極を含むのであり、前記提供する段階には前記第一励起信号発生器によって前記第一励起信号を前記静電容量プローブに提供することを含み、前記センサ電極は前記測定要素からの第一所定距離であり、前記補償電極は前記測定要素からの第二所定距離であり、前記第一所定距離は前記第二所定距離に等しい請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
前記静電容量プローブは前記センサ電極と前記補償電極を含むのであり、前記提供する段階には前記第一励起信号発生器によって前記第一励起信号を前記静電容量プローブに提供することを含み、前記センサ電極と前記補償電極は実質的に同一平面上にある請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記静電容量プローブは前記センサ電極と前記補償電極を含むのであり、前記提供する段階には前記第一励起信号発生器によって前記第一励起信号を前記静電容量プローブに提供することを含み、前記センサ電極と前記補償電極は実質的に同心円状要素を構成する請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
前記提供する段階には前記第一励起信号を、前記第一駆動信号を発生させるためにセンサ電極へ、および第二励起信号を補償電極に提供することで前記補償電極を経由して第二駆動信号が発生することになる増幅器の入力へ、と提供することを含み、前記増幅器は所定の伝達関数を有し、前記補償電極は前記増幅器の出力に連結されており、前記増幅器と前記補償電極は前記補償サブシステムに含まれており、前記センサ電極と前記補償電極は前記静電容量プローブの部分である請求項２０に記載の方法。
【請求項３４】
ガード電極は前記静電容量プローブの一部であり、前記提供する段階にはさらに第三駆動信号を発生するために前記第一励起信号を前記ガード電極に提供することを含む請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記補償する段階には前記センサ電極を経由して発生した前記第一駆動信号と、前記ガード電極を経由して発生した前記第三駆動信号をそれぞれ補償することで前記測定要素へ流れ込む電流が実質的にゼロであることを確実にする、前記補償電極によって発生した前記第二駆動信号を使用することを含む請求項３４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜関連出願の相互参照＞
本出願は２００２年１月３０日に出願した米国仮出願第６０/３５２８２７号（発明の名称：接続状態が不良である測定対象物の高精度で非接触型の静電容量変位測定方法）の優先権を主張する。
【０００２】
＜連邦政府に資金提供された研究あるいは開発に関する申告＞
該当なし
【背景技術】
【０００３】
＜発明の背景＞
本発明は非接触型の静電容量変位測定ゲージに関し、特に未知のあるいは制御できないインピーダンスを有する測定要素の変位を測定することができる非接触型の静電容量変位測定ゲージに関するものである。
【０００４】
非接触型の静電容量変位測定ゲージは少なくとも一つの静電容量プローブを使って測定要素の変位を測定することは周知である。従来の静電容量変位測定ゲージでは、プローブと測定要素の間に生じた静電容量が信号処理装置によってプローブから測定対象物までの距離を表す出力信号に変換される。具体的にプローブは実質上コンデンサの１つのプレートを形成し、測定要素は実質上コンデンサの別のプレートを形成する。プローブと測定対象物との間の静電容量を測定要素の変位を表す出力信号に変換するには、測定対象物とプローブおよび／または信号処理装置との間に電気的接続を通常必要とする。例えばこの電気的接続は接地または「共通の」接続を介して行うことができる。従って電気的接続は、ワイヤを経由して接地したり、測定対象物とプローブおよび／または信号処理装置を共通の接続に結びつけることによって行うことができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の静電容量変位測定ゲージは、例えば測定要素、プローブおよび／または信号処理装置が電気的に接続状態の良い共通の接続になっている場合のように、測定対象物とプローブおよび／または信号処理装置との間の電気的接続が良い場合にのみ正確な変位測定を提供するという欠点がある。接続状態が良好である測定対象物は、プローブ／測定対象物の静電容量と測定対象物の変位との関係を正確に決めることができる。しかしながら、測定対象物が非電導性の表面上に配置された半導体ウエハーの場合のように、測定対象物と共通の接続との間に良い電気的接続を容易に作ることができないことがよくある。接続状態が不良である測定対象物は、測定要素とゲージとの間のインピーダンスが未知あるいは制御不十分なので、プローブ／測定対象物の静電容量と測定対象物の変位との間の関係を正確に決めることは困難である。
【０００６】
接続状態が不良である測定対象物の静電容量変位を測定する解決方法の一つが、１９７６年１１月２日に発行された米国特許第３９９０００５号（発明の名称：非接地要素の静電容量の厚さの測定）（以下「'００５特許」という）で開示されている。'００５特許は、高精度の変位測定を実現するために相互に位相をずらせて駆動し接続状態が良好である測定対象物への依存を取り除くように構成された２つのプローブを含む静電容量寸法ゲージを公開している。各プローブに同等の振幅と逆の位相を有する駆動電流を与えることによって、静電容量寸法ゲージは電流が測定要素と共通の接続との間のインピーダンスを介して流れるのを防ぎ、従ってこのインピーダンスが通常ならばゲージの動作に与える悪影響を排除する。しかし'００５特許で開示する静電容量寸法ゲージは複数のプローブの使用を必要とするので著しいコストと信頼性の増大を生じる可能性があるという欠点を持っている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
従って、高精度な非接触型の静電容量変位測定ゲージを提供することが望ましい。そのような静電容量変位ゲージは接続状態が良好である測定対象物と不良である測定対象物の両方の高精度な変位測定を提供する。また信頼性を高め製造コストを削減する静電容量変位測定ゲージを提供することが望ましい。
【発明の効果】
【０００８】
＜発明の簡単な概要＞
本発明に基づき、接続状態が良好である測定対象物と不良である測定対象物に高精度な変位測定を提供する非接触型の静電容量変位測定ゲージを開示する。本開示の静電容量変位測定ゲージは測定要素に流れ込む電流が実質的にゼロになるように構成された静電容量プローブを少なくとも一つ用いることによって、測定要素とゲージの間の不完全な電気的接続がゲージの性能に与えうる悪影響を無効にする。
【０００９】
1つの実施例において、静電容量変位測定ゲージは少なくとも一つの静電容量プローブと、少なくとも一つの増幅器と、少なくとも一つの信号発生器で構成される。静電容量プローブはセンサ電極、ガード電極、および補償電極を含む。信号発生器は所定の電圧信号を（１）直接センサ電極に、（２）ユニティゲインの増幅器を介してガード電極に、（３）所定の伝達関数を持つ第二増幅器を介して補償電極に、提供するように構成されている。本開示の実施例において、静電容量変位測定ゲージは、例えば測定要素とゲージとの間の電気的接続が未知あるいは制御不十分なインピーダンスを有する場合のように、少なくとも一つの測定要素がゲージと不完全な電気的接続を有する場合の変位を測定するように設定されている。信号発生器と補償電極の間に連結した第二増幅器はゲージ作動中にプローブによって測定要素へ流れ込む電流が実質的にゼロになるように構成されている。
【００１０】
補償静電容量プローブを用いる静電容量変位測定ゲージを提供することにより、測定要素とゲージの間に未知あるいは制御不十分なインピーダンスが存在している場合でも、測定要素の高精度な変位測定を行うことが可能である。
【００１１】
本発明の他の特徴、機能、側面は以下の発明の詳細な説明から明白になるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
＜発明の詳細な説明＞
２００２年１月３０日に出願した米国仮出願第６０/３５２８２７号（発明の名称：接続状態が不良である測定対象物の高精度で非接触型の静電容量変位測定方法）の開示内容を引用によって本明細書に組み込む。
【００１３】
接続状態が良好である測定要素と不良である測定要素の正確な変位測定を行うために用いることができる非接触型の静電容量変位測定ゲージを提供する。本開示の静電容量変位測定ゲージは測定要素とゲージの間の不完全な電気的接続がゲージの性能に与えうる悪影響を無効にする補償静電容量プローブを少なくとも一つ含む。
【００１４】
図１は従来の非接触型の静電容量変位測定ゲージ１００を示す。図１に示すように、静電容量変位測定ゲージ１００は信号処理装置１０２と信号処理装置１０２に接続された静電容量プローブ１０４を含む。典型的な動作モードにおいて、静電容量変位測定ゲージ１００は測定要素１０６の変位Ａを測定するのに用いることができる。これを受けて信号処理装置１０２は、プローブ１０４と測定要素１０６の間に発生した静電容量をプローブ１０４から測定要素１０６までの距離Ａを表す出力信号に変換するように構成されている。
【００１５】
具体的に、プローブ１０４は実質上コンデンサの１つのプレートを形成し、測定要素１０６は実質上コンデンサの別のプレートを形成する。プローブ１０４と測定要素１０６の間の変位Ａを表す出力信号を発生させるために、電気的接続１０８が信号処理装置１０２と測定要素１０６の間に備えられている。適当な電気的接続が測定要素１０６とプローブ１０４および／または信号処理装置１０２の間に二者択一的に提供されることは明らかである。従って、電気的接続１０８はワイヤを経由して接地したり、測定要素１０６とプローブ１０４および／または信号処理装置１０２を「共通の」接続で結びつけることによって行うことができる。
【００１６】
図２ａは信号処理装置２０２ａと静電容量プローブ２０４ａを含む従来の非接触型の静電容量変位測定ゲージ２００ａの回路図を示しており、この場合測定要素２０６ａは電気的接続２０８ａを介して信号処理装置２０２ａに良好な接続状態で接続されている。ここで使用される「接続状態が良好である要素」とは、実質的にゼロのインピーダンス、所定のインピーダンス、あるいは制御可能のインピーダンスを有する電気的接続を経由して電気的な要素が別の電気的な要素に接続されていることと定義する。接続状態が良好である測定要素２０６ａにおいて、プローブ／測定対象物の静電容量と測定要素２０６ａの変位Ｂとの間の関係は適切な周知技術によって正確に決定することができる。従って、接続状態が良好である測定要素２０６ａは電気的接続２０８ａを経由して信号処理装置２０２ａに接続され、ここで説明する実施例では実質的にゼロのインピーダンスを有する。
【００１７】
図２ｂは信号処理装置２０２ｂと静電容量プローブ２０４ｂを含む従来の非接触型の静電容量変位測定ゲージ２００ｂの回路図を示しており、この場合測定要素２０６ｂは電気的接続２０８ｂを介して信号処理装置２０２ｂに不良の接続状態で接続されている。ここで使用される「接続状態が不良である要素」とは、未知のあるいは制御できないインピーダンスを有する電気的接続を経由して電気的な要素が別の電気的な要素に接続されていることと定義する。接続状態が不良である測定要素２０６ｂにおいて、プローブ／測定対象物の静電容量と測定要素２０６ｂの変位Ｃとの間の関係は一般的に正確に決定するのは困難である。従って、接続状態が不良である測定要素２０６ｂは未知あるいは制御できないインピーダンスをＺ０を有する電気的接続２０８ｂを経由して信号処理装置２０２ｂに接続される。
【００１８】
図３は、それぞれ静電容量プローブ３０４〜３０５に接続された信号発生器３１０〜３１１を含む従来の非接触型の静電容量変位測定ゲージ３００の回路図を示しており、この場合、測定要素３０６は電気的接続３０８を介して信号発生器３１０〜３１１の共通の接続（番号不表示）に不良な接続状態で接続されている。具体的に、接続状態が不良である測定要素３０６は未知あるいは制御できないインピーダンスＺ１を有する電気的接続３０８を経由して信号発生器３１０〜３１１に接続される。
【００１９】
図３に示すように、信号発生器３１０は駆動電流Ｉ１をプローブ３０４に提供するよう、信号発生器３１１は駆動電流−Ｉ２をプローブ３０５に提供するように設定されている。Ｉ１（ｔ）＝−Ｉ２（ｔ）である場合（すなわち駆動電流Ｉ１、Ｉ２が同等の振幅と逆の位相を有する）電気的接続３０８を介する電流が実質的にゼロであり、従って静電容量変位測定ゲージ３００の動作へのインピーダンスＺ１の影響は本質的にゼロである。従ってインピーダンスＺ１の影響が無効にされるので、測定要素３０６が信号発生器３１０〜３１１に不良な接続状態で接続されていても、プローブ／測定対象物の静電容量と測定要素３０６の変位Ｄ、Ｅとの間の関係は適切な技術によって正確に決定することができる。
【００２０】
静電容量変位測定ゲージ３００の動作へのインピーダンスＺ１の影響のこのような無効化は、プローブを介して発生した電流のベクトルの和が実質的にゼロの電流をインピーダンスＺ１を介して流す限り、複数のプローブ（不図示）を用いた同時の変位測定に適用することができることを言及しておく。しかし、静電容量変位測定ゲージ３００は複数の静電容量プローブ３０４〜３０５の使用を必要とするので、ゲージ３００のコストの増大と信頼性の低下を生じる可能性がある。
【００２１】
図４は図１〜３の従来の静電容量変位測定ゲージに含むことができる従来の静電容量プローブ４０４を示す。図４に示すように、静電容量プローブ４０４はセンサ電極４０７、第一駆動電極４２０、第二駆動電極４２１、接地電極４２５を含む。センサ電極４０７は測定要素（不図示）の変位を測定する出力信号を発生するように構成されている。第一駆動電極４２０はセンサ電極４０７の周囲のガードとして構成されており、典型的にセンサ電極４０７と実質的に同電圧で駆動する。第二駆動電極４２１は測定要素からプローブまでの距離に相対するプローブの静電容量の好ましい伝達関数を得るのに適した任意の電圧で駆動する。接地電極４２５はプローブ４０４の伝達関数を修正するように構成されても、あるいは単にプローブの構造の一部となるように構成されてもよい。
【００２２】
駆動電極４２０〜４２１と接地電極４２５は静電容量プローブ４０４で省略することも可能であることを言及しておく。さらに、センサ電極４０７、駆動電極４２０〜４２１、接地電極４２５は図４において実質的に同心円状要素として示されているが、電極４０７、４２０〜４２１、４２５は任意の適当な幾何学的形状であってもよいことは明らかである。
【００２３】
静電容量プローブ４０４の動作は以下の分析を参照することで一層の理解が得られるであろう。分析を明確化にするために、静電容量プローブ４０４はセンサ電極４０７とガード電極４２０のみを含むと想定する。
【００２４】
具体的に、プローブ４０４等の任意の適当な駆動要素を経由して測定要素に流れ込む電流Ｉの量は次のように表される。
Ｉ＝Ｃ（ｄＶ／ｄｔ）      （１）
さらに、周期的な駆動電圧によって誘導された定常電流の数式は次のように表される。
Ｉ＝ｓＣＶ       （２）
この場合ｓは複素周波数変数であり、ＩとＶはそれぞれ周期的な電流と電圧の実効値（ｒｍｓ値）である。
【００２５】
プローブと測定要素の間の静電容量は次のように表される。
Ｃ＝ε０Ａ／ｄ       （３）
この場合ε０は自由空間の誘電率、Ａは測定要素の面積、ｄはプローブから測定要素までの距離である。
【００２６】
従って、ガード電極とセンサ電極で構成されるプローブによって測定要素に流れ込む合計電流は数式（２）と（３）を組み合わせることで得ることができる。つまり、
Ｉt＝ｓＶｇε０Ａｇ／ｄｇ＋ｓＶｓε０Ａｓ／ｄｓ  （４）である。
この場合、Ｖｇはガード電圧、Ａｇはガード電極の面積、ｄｇはガード電極から測定要素までの距離、Ｖｓはセンサ電圧、Ａｓはセンサ電極の面積、ｄｓはセンサ電極から測定要素までの距離である。従って従来の静電容量プローブ４０４は合計電流Ｉtを測定要素に流し込むように構成されており、その場合の合計電流Ｉtは数式（４）のように表される。
【００２７】
図５は本発明に基づく非接触型の静電容量変位測定ゲージ５００の実施例を示す。この実施例において、静電容量変位測定ゲージ５００は信号発生器５１０、第一増幅器５４０、第二増幅器５４１、およびセンサ電極５０７、補償電極５３０、ガード電極５３１を含む静電容量プローブ５０４を含む。プローブ５０４は測定要素５０６へ流れ込む電流が実質的にゼロであるように構成することが可能である。
【００２８】
図５に示すように、測定要素５０６は電気的接続５０８を介して信号発生器５１０に接続されている。例えば、測定要素５０６はフォイル、半導体ウエハー、あるいはその他の適切な測定要素で構成することができる。この実施例において、電気的接続５０８は未知あるいは制御できないインピーダンスＺ２を有するので、測定要素５０６は信号発生器５１０に不良の接続状態で接続される。それにもかかわらず、プローブ５０４から測定要素５０６へ流れ込む電流が実質的にゼロなので、静電容量変位測定ゲージ５００はプローブ／測定対象物の静電容量と測定要素５０６の変位との間の関係を正確に決定することができる。
【００２９】
上記に述べたように、ガード電極とセンサ電極で構成される静電容量プローブから測定要素へ流れ込む合計電流Ｉtは以下のように数式（４）で表される。
Ｉt＝ｓＶｇε０Ａｇ／ｄｇ＋ｓＶｓε０Ａｓ／ｄｓ
この場合ｄｇはガード電極から測定要素までの距離、ｄｓはセンサ電極から測定要素までの距離である。静電容量プローブ（例えばプローブ５０４）が測定要素（例えば測定要素５０６）へ流す電流が実質的にゼロであることを確実にするために、補償因数ｓＶｃε０Ａｃ／ｄｃを数式（４）に加えることができ、以下の数式（５）で表される。
Ｉt＝ｓＶｇε０Ａｇ／ｄｇ＋ｓＶｓε０Ａｓ／ｄｓ＋ｓＶｃε０Ａｃ／ｄｃ＝０（５）
この場合Ｖｃは補償電圧、Ａｃは補償電極（例えば補償電極５３０）の面積、ｄｃは補償電極から測定要素までの距離である。数式（５）に示すように補償因数を加えることで合計電流Ｉtがゼロになるので、静電容量プローブ５０４から測定要素５０６へ流れ込む電流が実質的にゼロになるように補償電極５３０を含む静電容量プローブ５０４を構成することができる。
【００３０】
具体的に、信号発生器５１０はセンサ電極５０７に所定の電圧信号を提供する。さらに、第一増幅器５４０はこの所定の電圧信号を補償電極５３０に提供し、ユニティゲインバッファとして構成された第二増幅器５４１はこの信号をガード電極５３１に提供する。図５に示すように、増幅器５４０は伝達関数Ｔを有し、それは増幅器５４０が好ましい補償電圧Ｖｃを補償電極５３０に提供するように選択されているので、数式（５）が成り立つことを確実にする。従って実質的にゼロの電流が電気的接続５０８を介して流れ、静電容量変位測定ゲージ５００の動作へのインピーダンスＺ２の影響は本質的にゼロである。このようにインピーダンスＺ２の影響が無効にされるので、プローブ／測定対象物の静電容量と測定要素５０６の変位の間の関係は適切な技術によってその後正確に決定することができる。
【００３１】
図６は静電容量変位測定ゲージ５００に含むことができる静電容量プローブ６０４の実施例を示す（図５を参照）。図６に示すように、静電容量プローブ６０４はセンサ電極６０７、ガード電極として構成された駆動電極６３１、および補償電極６３０を含む。センサ電極６０７は測定要素５０６の変位を測定するための出力信号を発生するように構成されており（図５を参照）、ガード電極６３１は実質的にセンサ電極６０７と同じ電圧で駆動する。補償電極６３０は望ましい補償電圧Ｖｃで駆動する。図６に示すようにセンサ電極６０７、ガード電極６３１、補償電極６３０は実質的に円状でもよいし、または他の適切な幾何学的形状であってもよいことは明白である。
【００３２】
好ましい実施例においてｄｓのすべての適切値は以下の数式（６）で表わされる（数式（５）も参照のこと）。
ｄｓ＝ｄｇ＝ｄｃ      （６）
例えば、数式（６）に示す条件は静電容量プローブ６０４のセンサ電極６０７、ガード電極６３１、補償電極６３０が同一平面上にある場合に満たされる可能性がある。しかし、数式（６）が厳密に成り立たない場合および／または増幅器５４０（図５を参照）が好ましい補償電圧Ｖｃを補償電極に厳密に提供しない場合でも、部分的なプローブの補償が得られることは明らかである。さらに別の実施例において、プローブ６０４はセンサ電極６０７、ガード電極６３１、補償電極６３０に加えて１つ以上の駆動および／または接地電極を含むことができることも明らかである。図解を明確化するために、図６にはセンサ電極６０７、ガード電極６３１、および補償電極６３０を含むプローブ６０４を示す。
【００３３】
さらに、以上説明した接続状態が不良である測定対象物の高精度で非接触型の静電容量変位測定方法は、ここで開示した発明概念から逸脱しない範囲において様々な改良や変更が可能であることは通常技術の同業者には明白であろう。従って本発明は追記の請求項の範囲および精神によってのみ限定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
＜種々の図面の簡単な説明＞
本発明は添付図面と連携して以下の発明の詳細な説明を参照することで一層の理解が得られるであろう。
【図１】従来の非接触型の静電容量変位測定ゲージのブロック図である。
【図２ａ】接続状態が良好である測定要素の変位を測定するように構成された従来の非接触型の静電容量変位測定ゲージの回路図である。
【図２ｂ】接続状態が不良である測定要素の変位を測定するように構成された従来の非接触型の静電容量変位測定ゲージの回路図である。
【図３】接続状態が不良である測定要素が変位測定に及ぼす悪影響を無効にするように構成された従来の非接触型の静電容量変位測定ゲージの回路図である。
【図４】図１〜３の従来の静電容量変位測定ゲージに含むことができる従来の静電容量プローブの平面図である。
【図５】本発明の非接触型の静電容量変位測定ゲージの回路図である。
【図６】図５の静電容量変位ゲージに含まれる静電容量プローブの平面図である。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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