(57)【要約】薄い目標物測定用の容量性変位センサが提供される。センサの測定プローブのプレートは薄い目標物形状を考慮に入れてデザインされており、プレートの横移動の感受性を減少させることにより薄い目標物の高精度の測定を提供するようにしたものである。このプローブは、測定精度を阻害するプレートの他の構造との容量結合を減少又は除去するためのガードを含んでも良い。
2004505250.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄い目標物を測定するためのセンサであって、
前表面と後表面とトップエッジとボトムエッジと第１サイドエッジと第２サイドエッジとを有するプレートを有し、
前記トップエッジとボトムエッジと第１サイドエッジと第２サイドエッジとが凸状の特性を有するほぼ長方形形状をなし、
前記前表面と後表面とが前記薄い目標物の厚さを超えて横に伸びる、
薄い目標物を測定するためのセンサ。
【請求項２】
前記トップエッジと前記ボトムエッジとが直線状であり、互いにほぼ平行である、
請求項１のセンサ。
【請求項３】
前記プレート第１サイドエッジが非直線である、
請求項１のセンサ。
【請求項４】
前記プレート第２サイドエッジが非直線である、
請求項１のセンサ。
【請求項５】
前記プレート第１サイドエッジが前記プレートのセンタ方向に曲げられている、
請求項３のセンサ。
【請求項６】
前記プレート第２サイドエッジが前記プレートのセンタ方向に曲げられている、
請求項４のセンサ。
【請求項７】
前記第１サイドエッジが第１直線部と第２直線部を有し、
前記第１直線部が前記第２直線部に対して角度づけられている、
請求項３のセンサ。
【請求項８】
前記第２サイドエッジが第１直線部と第２直線部を有し、
前記第１直線部が前記第２直線部に対して角度づけられている、
請求項４のセンサ。
【請求項９】
前記第１と第２の直線部が前記プレートのセンタ方向に伸びる、
請求項７のセンサ。
【請求項１０】
前記第１と第２の直線部が前記プレートのセンタ方向に伸びる、
請求項８のセンサ。
【請求項１１】
更にガードを有し、
該ガードが前記プレートの前記トップエッジの上と前記ボトムエッジの下に位置し、
該ガードが前記プレートの前記トップエッジを超えて延びる第１部分を有する、
請求項１のセンサ。
【請求項１２】
前記ガードが前記プレートの前記ボトムエッジを超えて延びる第２部分を有する、
請求項１１のセンサ。
【請求項１３】
薄い目標物を測定するためのセンサであって、
前表面と後表面とトップエッジとボトムエッジと第１サイドエッジと第２サイドエッジとを有するプレートを有し、
前記前表面と前記後表面が曲げられており、互いに同軸である、
薄い目標物を測定するためのセンサ。
【請求項１４】
前記トップエッジと前記ボトムエッジとが直線状であり、互いにほぼ平行である、
請求項１３のセンサ。
【請求項１５】
前記第１サイドエッジと前記第２サイドエッジが共通の縦軸に沿って曲げられている、
請求項１３のセンサ。
【請求項１６】
更にガードを有し、
該ガードが前記プレートの前記トップエッジの上と前記ボトムエッジの下に位置し、
該ガードが前記プレートの前記トップエッジを超えて延びる第１部分を有する、
請求項１３のセンサ。
【請求項１７】
前記ガードが前記プレートの前記ボトムエッジを超えて延びる第２部分を有する、
請求項１６のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
＜関連出願について＞
なし
＜連邦政府の後援による研究開発に関する宣明＞
なし
【０００２】
＜発明の背景＞
容量性変位ゲージ（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｇａｇｅｓ）は距離及び／又は距離の変化の精密な測定を行える。このゲージは容量性変位センサ（以下プローブと呼ぶ）を採用しており、このプローブのセンシングエリアは典型的には被測定目標物と平行に置かれる。殆どの応用例では、目標物の面積はプローブの面積よりも大きい。しかし、目標サイズが容量性センサのサイズに近い程度の大きさになる応用例も存在する。このような測定を従来の容量性ゲージシステムを用いて行うことは難しい。何故ならば、ゲージの出力はプローブと目標間のアライメントに敏感になるからである。
従って、プローブと目標間のアライメントに一般的に敏感ではない薄い目標物測定用の容量性変位センサが望まれている。
【０００３】
＜発明の概略＞
薄い目標物測定用の容量性変位センサが提供される。センサの測定プローブのプレートは薄い目標物形状を考慮に入れてデザインされており、プレートの横移動（ｌａｔｅｒａｌ ｍｏｖｅｍｅｎｔ）の感受性を減少させることにより薄い目標物の高精度の測定を提供するようにしたものである。このプローブは、測定精度を阻害するプレートの他の構造との容量結合（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）を減少又は除去するためのガードを含んでも良い。
【０００４】
＜発明の詳細な説明＞
容量型変位センサは被測定目標物の表面に物理的に接触することなく、変位測定を行うものである。このセンサは典型的には、プレートを有するプローブを有し、該プレートは１つのキャパシタの１つのプレートを形成する。キャパシタの他のプレートはその変位を測定する目標物から構成される。該プローブは測定される表面に近づけられ、これによりキャパシタが形成される。プローブの目標物からの距離はこのキャパシタンスを測定することにより導き出すことが可能である。何故ならば、距離とキャパシタンスの関係は既知であるからである。理想的な平行プレートキャパシタにおいて、キャパシタンスと距離は次の式により関係づけられる。
【０００５】
Ｃ＝ε０Ａ／ｄ
ここで、Ｃ＝キャパシタンス
＝空気の誘電率
Ａ＝プローブの面積
ｄ＝プローブと目標物の間の距離
【０００６】
上式で定義したように、プローブと目標物間の距離が変化すると、それに伴ってキャパシタンスＣも変化する。
【０００７】
スピニングディスクのように小さな目標物のエッジを測定しようとするときに、問題が生じる。プローブのプレートは通常被測定目標物よりも大きいため、ゲージの出力はプローブと目標物の間のアライメントに敏感になる。
【０００８】
図１と図２を参照すると、この問題に対する従来のアプローチはセンサ１の１の寸法を縮小し、目標物２０よりも薄くなるようにすることである。図１と図２はセンサの形状を示す。センサ１は垂直方向に小さく作られており、目標物２０よりも小さくなっている。しかし測定パラメータによっては、センサ１は精度悪く操作される可能性がある。例えば、このプローブを軸線方向のランアウト（ｒｕｎ ｏｕｔ）が存在する時に半径方向のランアウトを測定するために用いると、このプローブは軸線方向ランアウト（図１に示すように、これはページのトップとボトム方向への目標物の動きであり、これ以降横目標物移動（ｌａｔｅｒａｌ ｔａｒｇｅｔ ｍｏｖｅｍｅｎｔ）と呼ぶ）に不感となる。しかし、１つの問題は目標物のエッジがフラットではない或いはスクエアではない可能性があり、図２に示すように面取りされ或いは丸くなっているかもしれないことである。この丸みを帯びたエッジは目標物の面積を効果的に減じ、横目標物移動に対してプローブを過剰に敏感にさせる。更に測定される半径方向ランアウトが大きくなるほどプローブを目標物から離す必要があり、これにより更に横目標物移動に対する敏感さの可能性を増長させる。
【０００９】
後者の問題は、事情をスケールに依存させやすい。即ち、目標物が薄くなるほどセンサを無限に薄くできなくなり、目標物とプローブの無限に微小なスペースで動作させられなくなる。
【００１０】
図３に示すように、他の従来技術はセンサ５を目標物２０の厚みより大きくすることにより、上記目標物の表面変位の測定に伴う問題を解消することを試みている。もしセンサ５が十分に長ければ、プローブは横目標物移動に対して不感になる。しかし、センサをそのように長くすることは種々の理由により実際的ではない。センサは目標物に近い他の構造と容量的に結びつけられる。従って、長いセンサ５は測定キャパシタンスに不要なキャパシタンスを導入し、キャパシタンスの計測に悪影響を与え、不正確な距離測定を生み出す。加えるに、プローブの出力をリニアライズ（ｌｉｎｅａｒｉｚｅ）するのが更に難しくなる。
【００１１】
図４は薄い目標物を測定するスタンダードな長いセンサ５の応答曲線のグラフである。グラフの縦軸はゲージ出力を表し、横軸は任意単位の距離を表している。このグラフは、プローブが目標物に対して中央位置からどちらかの方向に横移動するに従ってプローブと目標物間の外見上の間隔は増加することを示している。このカーブはセンサを適正に成形することによりフラット化することが可能である。横移動感度の対称性はセンサの形状における対称性を要求する。図５はこのようなセンサ１０を示している。センサのプレートは、通常の長方形状に変えてモディファイされており、非線形の形状を含んでいる。この実施例では、プレートの左右が互いの方向に曲げられている。
【００１２】
図６に、従来の長方形プレートと本発明の成形プレートとを比較する出力曲線のグラフを示す。グラフのＸ軸は目標物の中心とプローブの中心との間の距離を示しており、Ｙ軸はゲージ出力の変化を表している。ここから分かるように、標準的な長方形センサに比べて成形センサは横移動に敏感でない。
【００１３】
横移動感度を減少するために、センサの形状は図５に示すもの以外にも種々可能である。図７Ａと７Ｂは他のセンサ形状１１、１２、１３の例を示すものである。横感度（ｌａｔｅｒａｌ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）の減少は、長方形センサを用いて、センサの３次元を成形することにより可能である。図８はこのセンサ１３を示す。ここでは特に定義しない他の形状も使用することが可能である。
【００１４】
図５、７Ａ、７Ｂ、８に示すセンサは、測定すべき目標物以外の構造との容量性結合の問題を全く生じない。容量型変位センサにおいて、センシングエリアを囲む被駆動ガードを備えることは極めて一般的なことである。このようなガードは通常センサ上の電圧とほぼ同電圧で駆動される。ガードをセンサにフラッシュ（ｆｌｕｓｈ ｗｉｔｈ）することは通常のプラクティスである。．
【００１５】
図９Ａ、９Ｂにおいて、ガード３０はセンサ１０をその上部と底部において、超えて伸びており、効果的にシールドを形成している。このシールドはセンサを被測定対象物に近い構造と容量結合することからブロックする。図９のプローブは薄い目標物典型的にはディスク状或いはプレート状の対象物等の変位を計測可能であり、横移動や被測定対象物の近くに存在しうる他の構造により実質的に影響を受けることがない。
【００１６】
このように本発明は、薄い目標物形状を考慮に入れ、そしてプレートの横移動に対する感度を減少させることにより高精度の薄い目標物の計測を提供するように、計測プローブのプレートを形作ることにより、薄い目標物を計測可能である。プローブはまた、計測の精度に影響するプレートの他構造との容量結合を減少するために、ガードを有することも可能である。以上により、従来のプローブによる問題を回避して、薄い目標物の精度の高い測定が可能になる。
【００１７】
上記では本発明の好適な実施例を説明したが、ここに開示した実施例のこれらの概念を有する他の実施例、変形例も、ここに開示した本発明の概念から逸脱することなく、実行可能であることは、本分野における通常の技術を有する者において明白である。よって、本発明はここに記載した実施例に限定されるものではなく、請求の範囲の精神と範囲のみにより限定される。
【図面の簡単な説明】
本発明は、添付した図面に即した下記の詳細な説明により、より完全に理解される。
【図１】第１従来技術センサと目標物の図。
【図２】図１の従来技術センサと目標物の側面図。
【図３】第１従来技術センサと目標物の図。
【図４】従来技術センサの横移動感度に対する感受性を示すグラフ。
【図５】本発明のセンサの図。
【図６】本発明と従来技術センサとの間の横移動感度の差を示すグラフ。
【図７Ａ】本発明の第２センサの図。
【図７Ｂ】本発明の第３センサの図。
【図８】本発明のセンサの第４実施例の図。
【図９Ａ】本発明のセンサとガードの端面図。
【図９Ｂ】図９Ａのガードの側面図。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際公開パンフレット】
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2004505250.tif 000013
2004505250.tif 000014
2004505250.tif 000015
2004505250.tif 000016
2004505250.tif 000017
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2004505250.tif 000019
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【手続補正書】
【提出日】平成14年2月21日(2002.2.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄い目標物を測定するためのセンサであって、
前表面と後表面とを有し、該前表面と後表面のエッジはトップエッジとボトムエッジと第１サイドエッジと第２サイドエッジとにより定義される、プレートを有し、
前記トップエッジとボトムエッジは直線状で、ほぼ同じ長さを有し、互いにほぼ平行で、
前記第１サイドエッジと第２サイドエッジは窪んでおり、前記トップエッジとボトムエッジに垂直な軸について対称的であり、
前記前表面と後表面とが前記薄い目標物の厚さを超えて横に伸びる、
薄い目標物を測定するためのセンサ。
【請求項２】
前記プレート第１サイドエッジと前記プレート第２サイドエッジが非直線状である、
請求項１のセンサ。
【請求項３】
前記プレート第１サイドエッジと前記第２サイドエッジが前記プレートのセンタに向けて曲げられている、
請求項２のセンサ。
【請求項４】
前記第１サイドエッジと前記第２サイドエッジが第１直線部と第２直線部を有し、
前記第１直線部が前記第２直線部に対して角度づけられている、
請求項２のセンサ。
【請求項５】
更にガードを有し、
該ガードが前記プレートの前記トップエッジの上と前記ボトムエッジの下に位置し、
該ガードが前記プレートの前記前表面を超えて延びる前記トップエッジ上の第１部分を有する、
請求項１のセンサ。
【請求項６】
前記ガードが前記プレートの前記ボトムエッジの下の前記前表面を超えて延びる第２部分を有する、
請求項５のセンサ。
【請求項７】
薄い目標物を測定するためのセンサであって、
前表面と後表面とトップエッジとボトムエッジと第１サイドエッジと第２サイドエッジとを有するプレートを有し、
前記前表面と前記後表面が曲げられており、互いに同軸である、
薄い目標物を測定するためのセンサ。
【請求項８】
前記トップエッジと前記ボトムエッジとが直線状であり、ほぼ同じ長さを有し、互いにほぼ平行である、
請求項７のセンサ。
【請求項９】
前記第１サイドエッジと前記第２サイドエッジが共通の縦軸に沿って曲げられている、
請求項７のセンサ。
【請求項１０】
更にガードを有し、
該ガードが前記プレートの前記トップエッジの上と前記ボトムエッジの下に位置し、
該ガードが前記トップエッジ上を前記プレートの前記前表面を超えて延びる第１部分を有する、
請求項７のセンサ。
【請求項１１】
前記ガードが前記ボトムエッジ下を前記プレートの前記前表面を超えて延びる第２部分を有する、
請求項１０のセンサ。
【国際調査報告】
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