(57)【要約】【課題】ワークに汚れや傷をつけることがなく、ワークの材質や面の状態による影響がなく、測定範囲も広く、その上種々の形状の反りを有するワークであっても容易に測定することができる板状材の厚さ測定機を提供すること。【解決手段】下側検出ノズル５１を用いて検出したワーク下面の位置の変化を電気量に変換するＡ／Ｅ変換器５２を有するエアーマイクロメータ５０でワークＷの下面の位置を測定するようにし、ワーク上面の位置を、上側検出ノズルでワークＷの上面に向けてエアを噴射し、ワーク上面との隙間を一定に保ったまま浮上して、その移動量を変位センサ３０で測定する浮上式測長器２０によって測定するようにし、両者の測定値から管制部７０によって厚さを演算するようにした。【選択図】　　　　　図１
2004053299.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状材のワークの厚さを非接触で測定する厚さ測定機において、
ワークを載置する載置台と、
該載置台の上面に垂直に配置され、前記ワークの上面に向けてエアを噴射する上側検出ノズルを有し、該上側検出ノズルと前記ワークの上面との隙間を所定の値に保ちながら、前記ワークの上面の位置を測定する浮上式測長器と、
前記ワークを挟んで前記上側検出ノズルと対向して設けられ、前記ワークの下面に向けてエアを噴射する下側検出ノズルを有し、該下側検出ノズルと前記ワークの下面との隙間を測定するエアーマイクロメータと、
前記浮上式測長器の測定値と前記エアーマイクロメータの測定値とから、前記ワークの厚さを演算する管制部と、
が設けられていることを特徴とする板状材ワークの厚さ測定機。
【請求項２】
前記浮上式測長器は、
上部圧力室と下部圧力室とを有するシリンダと、
該シリンダに滑動自在に挿嵌されたピストンと、
該ピストンに結合されるとともに、先端に前記上側検出ノズルが組込まれたピストン棒と、
該ピストン棒の移動量を測定する変位センサと、
前記シリンダに圧力エアを供給するエアー供給手段と、を有し、
前記上側検出ノズルと前記シリンダの下部圧力室とはエアー通路によって連通され、
前記シリンダに圧力エアが供給された時に前記ピストン棒は、前記上側検出ノズルと前記ワークの上面との隙間を所定の値に保ったまま浮上するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の板状材ワークの厚さ測定機。
【請求項３】
前記エアーマイクロメータは、
前記下側検出ノズルを用いて検出した前記ワークの下面の位置の変化を電気量に変換するＡ／Ｅ変換器を有していること、を特徴とする請求項１に記載の板状材ワークの厚さ測定機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はワークの厚さ測定機に係り、特に反りのあるウエーハ等のワークを非接触で測定する厚さ測定機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、板状材の厚さの測定は、種々の接触式の測定器を用いるか、あるいは光、電気、エア等による非接触式の測定器を用いていた。また、板状材で若干反りのあるワークの場合には、ワークを３点で支持し測定点の下面を球面で受け、反対側のワーク上面から前記した接触式の測定器、あるいは非接触式の測定器で測定していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、接触式の測定器の場合は、ワークに汚れや傷が付くという問題がある。また、光を用いた測定器の場合は、測定するワークの面の状態や粗さ等の影響を受けやすく、誤差要因となるかあるいは測定不可となることがある。更に、静電センサや渦電流センサのような電気的非接触測定器の場合は、ワークの材質の影響が大きく測定できないものもあり、更に測定範囲が狭いという欠点がある。また、エアージェットのようなエアを用いた測定器も測定範囲が狭く、種々の厚さのワークを測定するには段取り替えが大変であった。
【０００４】
更に、半導体ウエーハのような種々の形状の反りを持ったワークを測定する場合、ワークを３点で支持し測定点の下面を球面で受ける方式の厚さ測定機では、そりの形状によってはワークの下面が球面に接触しない場合も生じ、このようなワークの場合は測定が不可能であった。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ワークに汚れや傷をつけることがなく、ワークの材質や面の状態による影響がなく、測定範囲も広く、その上種々の形状の反りを有するワークであっても容易に測定することができる板状材の厚さ測定機を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、板状材のワークの厚さを非接触で測定する厚さ測定機において、ワークを載置する載置台と、該載置台の上面に垂直に配置され、前記ワークの上面に向けてエアを噴射する上側検出ノズルを有し、該上側検出ノズルと前記ワークの上面との隙間を所定の値に保ちながら、前記ワークの上面の位置を測定する浮上式測長器と、前記ワークを挟んで前記上側検出ノズルと対向して設けられ、前記ワークの下面に向けてエアを噴射する下側検出ノズルを有し、該下側検出ノズルと前記ワークの下面との隙間を測定するエアーマイクロメータと、前記浮上式測長器の測定値と前記エアーマイクロメータの測定値とから、前記ワークの厚さを演算する管制部と、が設けられていることを特徴としている。
【０００７】
請求項１の発明によれば、ワークの下面の位置がエアーマイクロメータで測定され、ワーク上面の位置が、ワークの上面との隙間を一定の値に保ちながら浮上する浮上式測長器によって測定され、両者の測定値から管制部によって厚さが演算されるので、ワークに汚れや傷をつけることがなく、ワークの材質や面の状態による影響がなく、測定範囲も広くとれ、その上種々の形状の反りを有するワークであっても容易に測定することができる。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の板状材ワークの厚さ測定機において、前記浮上式測長器は、上部圧力室と下部圧力室とを有するシリンダと、該シリンダに滑動自在に挿嵌されたピストンと、該ピストンに結合されるとともに、先端に前記上側検出ノズルが組込まれたピストン棒と、該ピストン棒の移動量を測定する変位センサと、前記シリンダに圧力エアを供給するエアー供給手段と、を有し、前記上側検出ノズルと前記シリンダの下部圧力室とはエアー通路によって連通され、前記シリンダに圧力エアが供給された時に前記ピストン棒は、前記上側検出ノズルと前記ワークの上面との隙間を所定の値に保ったまま浮上するように構成されていることを特徴としている。
【０００９】
請求項２の発明によれば、浮上式測長器は、上側検出ノズルでワークの上面に向けてエアを噴射し、ワークの上面との隙間を一定に保ったまま浮上して、その移動量を変位センサで測定しているので、ワークに汚れや傷をつけることがなく、ワークの材質や面の状態による影響がなく、測定範囲も広くとれ、容易にワークの上面位置を検出することができる。
【００１０】
更に、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の板状材ワークの厚さ測定機において、前記エアーマイクロメータは、前記下側検出ノズルを用いて検出した前記ワークの下面の位置の変化を電気量に変換するＡ／Ｅ変換器を有していること、を特徴としている。
【００１１】
請求項３の発明によれば、下側検出ノズルを用いて検出したワークの下面位置の微小変化を電気量に変換しているので、測定部がシンプルで頑丈でありその上使いやすいという空気マイクロメータの長所と、応答速度が速く多様な出力信号が得られるという電気マイクロメータの長所との、両者の特徴を最大限に生かすことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下添付図面に従って、本発明に係る板状材ワークの厚さ測定機の好ましい実施の形態について詳説する。尚各図において、同一の部材については同一の番号又は符号を付している。
【００１３】
図１、及び図２は、本発明に係る板状材ワークの厚さ測定機を表わす構成図である。図１は正面図で、図２は側面図である。厚さ測定機１０は、図１、及び図２に示すように、マシンベース１１、コラム１２、アーム１３の支持構造と、ワークＷの下面の位置を測定するエアーマイクロメータ５０と、ワークＷの上面の位置を測定する浮上式測長器２０と、エアーマイクロメータ５０による測定値と浮上式測長器２０による測定値とからワークＷの厚さを演算する管制部７０と、エアーマイクロメータ５０と浮上式測長器２０にエアを供給するエアー供給手段６０とから構成されている。
【００１４】
マシンベース１１上にはワークＷを載置する載置台１４が取付けられ、載置台１４の上面には円周上に等間隔に配置された３個の鋼球１４Ａ、１４Ａ、１４Ａが設けられ、ワークＷの下面を受けるようになっている。
【００１５】
浮上式測長器２０は、図２に示すように、マシンベース１１に立設するコラム１２から水平に伸びるアーム１３に保持され、載置台１４に対して垂直に取付けられている。また、浮上式測長器２０の横には、浮上式測長器２０の上側検出ノズル２４を測定位置と上方退避位置とに移動するリトラクトユニット４０が設けられている。このリトラクトユニット４０は、エアーシリンダ４１と、シリンダーシャフト４１Ａの先端に取付けられ、上側検出ノズル２４に係合したリトラクトアーム４２とから成っている。
【００１６】
図３は、浮上式測長器２０の測定原理を説明する概念図である。浮上式測長器２０では、シリンダ２１の圧力室内をピストン２２が移動するようになっている。ピストン２２には先端に上側検出ノズル２４を備えたピストン棒２３が一体に形成されている。ピストン２２の移動量は変位センサであるディジタル測長器３０で測定される。
【００１７】
図３に示すように、シリンダ２１の上部圧力室２１Ａと下部圧力室２１Ｂにエアが供給されると、下部圧力室２１Ｂと上側検出ノズル２４とは連通しているので、上部圧力室２１Ａに供給するエアの圧力を調整することにより、上側検出ノズル２４はワークとの隙間を一定にして浮上しバランスする。
【００１８】
上部圧力室２１Ａに供給する圧力をＰｕ、下部圧力室２１Ｂに供給する圧力をＰｌとし、ピストン２２の有効受圧面積をＡｅ、ピストン部の自重とディジタル測長器３０の測定圧力との和をＭ、上側検出ノズル２４からエアを噴射してバランスした時の測定反力をＦとすると、このバランス状態は次式（１）
【００１９】
【数１】
Ｆ＋Ｐｌ×Ａｅ＝Ｍ＋Ｐｕ×Ａｅ　…（１）
で表わされる。
【００２０】
本実施の形態では、上側検出ノズル２４のノズル径をΦ０．６にし、ピストン部に供給するエアー圧力を０．２５ＭＰａとし、測定力調整絞りを調整して測定力Ｆを０．１Ｎ以下にした。この時上側検出ノズル２４とワークＷの上面との隙間が２０〜４０μｍの範囲内の一定値でバランスするようにした。
【００２１】
また、測定にあたっては、最初に既知の厚さを有するマスタを用いて零点校正を行い、以後はワークＷの上面位置がそのまま検出される。
【００２２】
図４に浮上式測長器２０の実際の構造を示す。浮上式測長器２０は図４に示すように、シリンダ２１、ピストン２２、ピストン棒２３、上側検出ノズル２４、及びディジタル測長器３０等からなっている。シリンダ２１にはピストン２２で仕切られた上部圧力室２１Ａ、下部圧力室２１Ｂがあり、ピストン２２はシリンダ２１内を上下に移動するようになっている。ピストン２２には大径部と小径部とを有するピストン棒２３が固定され、ピストン棒２３の下端にはワークＷに向けてエアを噴射する上側検出ノズル２４が取付けられている。
【００２３】
上側検出ノズル２４は、ピストン棒２３に形成されたエアー通路２３Ａ、及び孔２３Ｂを通じて下部圧力室２１Ｂに連通されている。上部圧力室２１Ａ、及び下部圧力室２１Ｂには夫々継手２１Ｅを介してエアが供給される。
【００２４】
シリンダ２１の上端側と下端側には、エアーベアリング２１Ｄ、２１Ｄが形成され、継手２１Ｅを介して供給されるエアによってピストン棒２３の大径部を自動調心するとともに、上下動自在に支持している。また、シリンダ２１の上端には長手方向に形成された溝部を有する回り止めブロック２８が取付けられ、取付け材２９に設けられた回り止めピン２８Ａが回り止めブロック２８の溝部に係合している。
【００２５】
ピストン棒２３の小径部の上側検出ノズルの上部には上側ストッパ２６が取付けられ、ピストン棒２３の上昇限界位置を決めている。また、ピストン棒２３の小径部の回り止めブロック２８の取付けられている下部には、下側ストッパ２７が取付けられ、ピストン棒２３の下降限界位置を決めている。
【００２６】
シリンダ２１の中央部のやや下方には、ダンパー室２１Ｃが形成され、このダンパー室２１Ｃ内のピストン棒２３の小径部には、ダンパー室２１Ｃの内径より若干小径の外形を有するダンパー板２５が取付けられている。このダンパー室２１Ｃは内部の空気の粘性を利用したダンパーで、ピストン棒２３の上下動作を鈍感にし、振動による測定の不安定さを抑制している。なお、ダンパー室２１Ｃ内にシリコンオイル等をダンパー液として封入してもよい。
【００２７】
ピストン棒２３の上端には、取付け材２９で保持された変位センサであるディジタル測長器３０の測定子が当接し、ピストン棒２３のの移動量を測定するようになっている。
【００２８】
ディジタル測長器３０は、モアレスケール等の光学的リニアスケールが内臓された長変位ディジタル測長器で、本実施の形態では測定ストローク１０ｍｍのものが使用されている。
【００２９】
エアーマイクロメータ５０は、図１に示すように、下側検出ノズル５１と、下側検出ノズル５１を用いて検出したワークＷの下面位置の微小変化を電気量に変換するＡ／Ｅ変換器５２とで構成されている。
【００３０】
図５は、載置台１４回りの拡大図である。下側検出ノズル５１は、図５に示すように、載置台１４に設けられた３個の鋼球１４Ａ、１４Ａ、１４Ａの頂点で形成される平面より若干低い位置に取付けられている。これはワークＷが逆方向に反っている時に下側検出ノズル５１に接触しないようにするためである。
【００３１】
図６は、Ａ／Ｅ変換器５２の原理を表わしている。Ａ／Ｅ変換器５２は、図６に示すように、供給されたエアはＡ経路５２ＣとＢ経路５２Ｄとに分岐される。Ｂ経路５２Ｄは下側検出ノズル５１に連結されるとともに、ベローズ５２Ａ内に連結されている。また、Ａ経路５２Ｃはベローズ格納室に連結されるとともに、零位調整弁５２Ｅを介して大気開放されている。下側検出ノズル５１とワークＷの検出面とのギャップの大きさによって背圧が変化し、Ａ経路５２ＣとＢ経路５２Ｄとに差圧が生じる。この差圧によるベローズ５２Ａの変位を差動変圧器５２Ｂで検出するようになっている。
【００３２】
このエアーマイクロメータ５０も測定に先立って、平面度の良好なマスタを鋼球１４Ａ、１４Ａ、１４Ａ上に置き、零点を校正する。
【００３３】
エアー供給手段６０は、図１に示すように、コンプレッサ６１、レギュレータユニット６２、エアーバランサ用絞りユニット６３、切替えバルブ６４等から構成されている。レギュレータユニット６２は、ドレインキャッチ６２Ｃと、エアーマイクロメータ５０、浮上式測長器２０、及びリトラクトユニット４０に供給するエアの各経路に夫々設けられたレギュレータ６２Ａ及び圧力計６２Ｂを有している。
【００３４】
次に、このように校正された厚さ測定機１０の作用について説明する。測定に先立って、反りのない平面を有したマスタを載置台１４の鋼球１４Ａ、１４Ａ、１４Ａで形成される３点球座に載置し、エアーマイクロメータ５０の校正をする。次いで既知の厚さで剛性のあるマスタを用いて浮上式測長器２０の校正も同様にして行う。
【００３５】
次に測定すべき板状材のワークＷを載置台１４の３点球座に載置する。この時切替バルブ６４でリトラクトユニット４０のエアー入力を切替え、浮上式測長器２０の上側検出ノズル２４を退避位置に上昇させてワークＷを載置し、載置後切替バルブ６４を切替えて上側検出ノズル２４を測定位置に位置付ける。
【００３６】
次にエアーマイクロメータ５０の下側検出ノズル５１からエアをワークＷの下面に噴射し、その位置をＡ／Ｅ変換器５２で測定する。測定値は電気信号で出力され、管制部７０に送られてメモリに記憶される。
【００３７】
それと同時に、浮上式測長器２０の上側検出ノズル２４からエアがワークＷの上面に噴射される。上側検出ノズル２４からエアが噴射されると、上側検出ノズル２４は、ワークＷの上面との隙間を所定の値に保持した位置に浮上してバランスする。この時、浮上式測長器２０のピストン棒２３はエアーベアリング２１Ｄ、　２１Ｄで自動調心されるとともに、上下動自在に支持される。また、ピストン棒２３の動きに応じてシリンダ２１内のダンパー室に封入された空気ダンパーが作用し、振動が生じにくい。このワークＷの上面との隙間を所定の値に保持した位置に浮上している上側検出ノズル２４の位置がディジタル測長器３０で測定され、測定値が管制部７０に送られる。
【００３８】
管制部７０では、エアーマイクロメータ５０によるワークＷの下面位置の測定値と、浮上式測長器２０によるワークＷの上面位置の測定値とからワークＷの厚さを演算する。このように、エアーマイクロメータ５０によるワークＷの下面位置の測定値と、浮上式測長器２０によるワークＷの上面位置の測定値とからワークＷの厚さを演算するようにしたので、板状材ワークに反りがあっても、正確に厚さを測定することができる。また、浮上式測長器２０の測定範囲が広いので、種々の厚さのワークＷに対応できる。
【００３９】
尚、本実施の形態では、ワークＷの下面位置はエアーマイクロメータ５０で測定し、上面位置は浮上式測長器２０で測定したが、両面とも浮上式測長器２０で測定するように構成してもよい。また、浮上式測長器２０に用いたディジタル測長器は光学式のリニアスケールであったが、これに限らず、磁気スケールを用いた測長器やその他長変位の測長器なら使用することができる。また、測定に用いるエアは圧縮空気に限らず、Ｎ２　ガス等を用いてもよい。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の板状材ワークの厚さ測定機によれば、板状材ワークの両面からエア式の測定器で夫々の面の位置を測定し、両方の測定値から板状材ワークの厚さを演算するようにしたので、ワークに反りがあっても測定することができ、またワークに汚れや傷をつけることがなく、なおかつワークの材質や面の状態に左右されることなく非接触で測定することができる。更に、ワークの上面側はエア式の測定器であっても測定範囲の広い浮上式測長機を用いているので、種々の厚さのワークに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る板状材ワークの厚さ測定機を表わす正面図
【図２】本発明の実施の形態に係る板状材ワークの厚さ測定機を表わす側面図
【図３】浮上式測長器の原理を説明する概念図
【図４】浮上式測長器の構造を説明する断面図
【図５】載置台回りの拡大図
【図６】Ａ／Ｅ変換器の原理を説明する概念図
【符号の説明】
１０…厚さ測定機、１４…載置台、２０…浮上式測長器、２１…シリンダ、２１Ａ…上部圧力室、２１Ｂ…下部圧力室、２２…ピストン、２３…ピストン棒、２３Ａ…エアー通路、２４…上側検出ノズル、３０…ディジタル測長器（変位センサ）、５０…エアーマイクロメータ、５１…下側検出ノズル、５２…Ａ／Ｅ変換器、６０…エアー供給手段、７０…管制部
【図１】
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【図２】
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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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