JPH0222506A - 変位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、物体の変位を測定する変位測定装置に係り、
特に微小な変位の測定に好適な変位測定装置に関する。

〔従来の技術〕

近年、各種技術分野、例えばＬＳＩ（大規模集積回路）
、超ＬＳＩ等の半導体製造、バイオテクノロジ、宇宙開
発等の先端技術分野においては、１μｍ以下の微小な変
位を計測する測定装置が要望されてきた。従来、このよ
うな測定装置として、光（レーザ光）、静電容量、イン
ダクタンス等を利用する測定装置が提案されている。こ
れらのうち光を利用するものおよび静電容量を利用する
ものについて説明する。

第５図はレーザ光を利用する変位測定装置の原理図であ
る。図で、１はレーザ光を射出するレーザヘッド、２は
レーザヘッド１から射出されたレーザ光を２つの光に分
割するビームスプリッタ、３はビームスプリッタ２によ
り分割された一方の光の進行方向を反転させる参照鏡、
４は光を受信して所定の処理を行なうレシーバ、５は測
定対象物体（図示せず）に固定され光の進行方向を反転
させる移動鏡である。

レーザヘッドｌから射出されたレーザ光すはビームスプ
リッタ２により、そのまま直進する光ｂ＋と９０°屈折
する光す、とに分割される。光ｂ１は移動鏡５に当って
反射し、この反射光はビームスプリッタ２を通ってレシ
ーバ４に受光される。

一方、光ｂ２は参照鏡３により屈折反転されて再びビー
ムスプリッタ２に入り、ビームスプリッタ２で再度９０
°屈折されて前記移動鏡５よりの反射光す、とともにレ
シーバ４に受光される。したがって、ビームスプリッタ
２からレシーバ４に入る光は光す、、ｂ、の合成光す、
となる。

この状態で、移動鏡５が破線で示すように距離Ｘだけ移
動すると、参照鏡３を通る光すよと移動鏡５を通る光ｂ
１との間には光路差が生じ、両者の合成光す、に干渉縞
が生じる。レシーバ４はこの合成光ｂ３の干渉縞を計数
するものであり、この計数値により変位Ｘを検出するこ
とができる。

第６図は静電容量を利用する変位測定装置の原理図であ
る。図で、１０は固定側に設けられた電極、１１は測定
対象物体（図示せず）に取付けられた電極である。両電
極ｔｏ、ｔｉは測定対象物体の変位方向において対向配
置されている。なお、両電極１０．１１間に電圧を印加
する電源が備えられているが図示は省略する。両電極１
０．１１間の静電容量Ｃは、誘電率をε、電極面積をＳ
。

電極間距離をｄとすると、Ｃ＝ε・Ｓ／ｄで表わされる
。今、測定対象物体が距離Ｘだけ移動すると電極１１も
距離Ｘ移動し、電極間距離は（ｄ＋Ｘ）となる。したが
って、このときの静電容量を測定することにより、変位
Ｘを検出することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、第５図に示すレーザ光利用の変位測定装置は
、レーザヘッド１が大きく、これを測定が必要な機構に
適用した場合、機構全体が大形化するという問題があっ
た。さらに、レーザ光の光軸の調整が困難であり、これ
に多くの時間を要するという問題もあった。

一方、第６図に示す静電容量を利用する変位測定装置は
、極めて高い分解能（ｌｐｍ）をもつという優れた点を
有するものの、変位Ｘと静電容量Ｃとの関係が直線的な
比例関係にな（、高精度の測定が困難である。これを第
７図に示す。第７図で、横軸には変位Ｘが、縦軸には静
電容１ｃがとっである。両者の関係は図示のように曲線
になるので、使用に際しては、測定範囲ｌを小さくして
曲線を直線とみなして使用するが、又は、電気回路によ
りこれを近似的に直線化して使用する手段がとられるが
、これらの直線化の方法を採用しても完全に直線化する
ことは不可能であり、これによる誤差を免れることがで
きない。

さらに、他にも種々の変位測定装置が提案されているが
、これらの多くは上記レーザ光や静電容量を利用するも
のと異なり、接触型のもので、接触面に摩擦やすべりが
生じ、その測定精度は満足すべきものではない。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、非接触
形であり、小形かつ高精度の変位測定装置を提供するに
ある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本発明は、固定側剛体と、
移動側剛体と、これら２つの剛体を結合する互いに平行
な複数の弾性部材と、前記２つの剛体間に変位を与える
アクチュエータと、前記変位の変位量を前記弾性部材の
ひずみ量として検出するひずみ量検出手段と、前記移動
側剛体と測定対象物体との間の変位を特定の物理量とし
て非接触に検出する非接触変位検出手段と、前記移動側
剛体と前記測定対象物体との間で検出される物理量を当
該測定対象物体の変位前における物理量と等しくなるよ
うに前記アクチュエータを駆動制御する制御手段とで構
成されていることを特徴とする特 〔作用〕 測定対象物体の変位前において、非接触変位検出手段は
、移動側剛体と測定対象物体との間の間隔に対応する所
定の物理量を検出している。ここで、測定対象物体が変
位すると、非接触変位検出手段が検出する物理量はこれ
に応じて変化する。

このとき、制御手段はアクチュエータを駆動して弾性部
材にひずみを与え、これにより移動側剛体を変位させる
。この変位は非接触変位検出手段による検出値を、前記
変位前の所定の物理量に一致させる変位である。このよ
うな変位は移動側剛体が測定対象物体と同一量だけ変位
したことを意味し、この移動側剛体の変位の大きさをひ
ずみ量検出手段により検出することにより、測定対象物
体の変位を測定することができる。

〔実施例〕

以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。

第１図（ａ）、　（ｂ）は本発明の実施例に係る変位測
定装置の側面図である。各図で、２０は測定対象物体の
一部を示す６２１は適宜個所に固定された固定側剛体、
２２は固定側剛体２１と対向配置された移動側剛体であ
る。移動側剛体２２の一方端面は測定対象物体２０の端
面と対向している。２１ａは固定側剛体２１から上方に
突出した突起、２２ａは移動側剛体２２から下方に突出
した突起であり、互いに対向して配置されている。２３
ａ、２３ｂは薄肉平板等で構成される弾性部材であり、
固定側剛体２１と移動側剛体２２を連結する。弾性部材
２３ａ、２３ｂは互いに平行関係にある。固定側剛体２
１、移動側剛体２２、突起２１ａ、２２ａ、弾性部材２
３ａ、２３ｂは、１つの剛体ブロックから放電加工等に
より一体成形される。２４は突起２１ａ、２２ａ間に装
架されるアクチュエータであり、例えば圧電素子が用い
られる。アクチュエータ２４は図示されていない制御装
置により駆動される。２５ａ〜２５ｄは弾性部材２３ａ
、２３ｂの所定個所に設けられたひずみゲージであり、
そのひずみ量に応じて電気抵抗値が変化する。２６は移
動側剛体２２の端面に固定された電極、２７は測定対象
物体２０の端面に固定された電極であり、これら電極２
６．２７は対向配置される。なお、図示されていないが
、ひずみゲージ２５ａ〜２５ｄのひずみ量を検出する手
段（後述する）、および電極２６．２７間の静電容量を
検出する検出手段が設けられている。

ここで、ひずみゲージ２５ａ〜２５ｄおよびこれらによ
る移動側剛体２２の変位検出方法を第２図および第３図
により説明する。第２図はひずみゲージ２５ａ〜２５ｄ
の接続回路図である。この図から明らかなように、各ひ
ずみゲージ２５ａ〜２５ｄはホイートストンブリッジ回
路２９を構成するように接続される。ホイートストンブ
リッジ回路２９には電Ｒ３０が印加されている。弾性部
材２３ａ、２３ｂが変形し、ひずみゲージ２５ａ〜２５
ｄにひずみが生じると、このひずみに応じてホイートス
トンブリッジ回路２９の出力Ｅが変化する。

ところで、第１図（ａ）に示す構成において、アクチュ
エータ２４を駆動して突起２２ａを押すと、第１図（ｂ
）に示すように弾性部材２３ａ、２３ｂが変形し、移動
側剛体２２が変位する。この変位量がＵで示されている
。今、弾性部材２３ａ、２３ｂの変形によりひずみゲー
ジ２５ａ〜２５ｄに生じるひずみ量の絶体値が等しくな
るように、各ひずみゲージ２５ａ〜２５ｄおよびその設
置位置が定められているとすると、移動側剛体の変位量
１】とホイートストンブリッジ回路２９の出力Ｅとは第
３図に示すように比例関係にある。なお、第３図では横
軸に変位Ｕ、縦軸に出力Ｅがとっである。

したがって、ホイートストンブリッジ回路Ｅの出力によ
り直ちに、かつ、正確に変位量Ｕを知ることができる。

本実施例では、このようなひずみ量と変位量との間の特
性を利用して測定対象物体２０の変位を測定するもので
ある。

次に、本実施例の動作を説明する。今、第１図（ａ）に
示すように、測定対象物体２０が変位せず、又、弾性部
材２３ａ、２３ｂは変形していない状態を考える。この
状態で電極２６．２７間に所定の電圧を印加したときの
画電極２６．２７間の静電容量を値Ｃ０（基準値）とす
る。なお、このときの両電極２６．２７の間隔をｄｏと
する。第４図にこの状態が示されている。即ち、第４図
は両電極２６．２７間の静電容量の特性図で、横軸に両
電極２６．２７間の間隔ｄ、縦軸に静電容１ｃがとっで
ある。図において、間隔ｄ０のときの静電容量が００で
あることが示されている。

第１図（ｂ）に示すように、測定対象物体２ｏに変位Ｘ
が生じると電極２６．２７間の間隔ｄが大となり、その
静電容量は第４図に示す特性にしたがって変化し、図示
されていない検出手段により検出される。一方、アクチ
ュエータ２４は図示されていない制御装置により、上記
変位後の静電容量と基準値Ｃ０との偏差が０になるよう
に、即ち、電極２６．２７間の間隔がｄ（１、検出され
る静電容量が００になるように駆動される。この駆動に
より、第１図（ロ）に示すように弾性部材２３ａ、２３
ｂが変形し、移動側剛体２２が測定対象物体２ｏに追従
して変位する。この結果、電極２６．２７間の間隔はｄ
ｏ、静電容量はＣ０となる。この状態で、ひずみゲージ
２５ａ〜２５ｄにはひずみが発生しており、このひずみ
は第２図に示すホイートストンブリッジ回路２９の出力
Ｅとして取出され、これにより移動側剛体２２の変位１
ｕが検出される。そして、この変位ｆｉｕは測定対象物
体２０の変位量Ｘと等しいので、結局、測定対象物体２
０の変位量が検出されたことになる。

このように、本実施例では、移動側物体と測定対象物体
との静電容量を検出し、この静電容量が基準値となるよ
うに移動側剛体を変位させ、そのときのひずみゲージの
ひずみ量により測定対象物体の変位を検出するようにし
たので、接触個所がなく、かつ、ひずみ量と変位の間の
直線性の関係を利用することができ、きわめて高精度の
変位測定を行なうことができる。又、固定側剛体、移動
側剛体、弾性部材、両突起、アクチュエータ、および各
ひずみゲージより成る構造は小形に構成できるので、種
々の機器、装置、機構への適用が容易であり、それらに
適用した場合も全体構造を大形とすることはない。

なお、上記実施例の説明では、移動側剛体と測定対象物
体とに電極を設けてそれらの間の静電容量を検出する例
について述べたが、これに限ることはなく、両者の間隔
に応じて変化する物理量を非接触で検出する手段であれ
ばどのような手段でも採用することができる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明では、測定対象物体に変位が
生じたとき、移動側剛体と測定対象物体との間で検出さ
れる変位前の物理量に一致するように移動側剛体を変位
させ、この変位により生じたひずみゲージのひずみ量を
検出し、これに基づき測定対象物体の変位を測定するよ
うにしたので、接触個所がなく、かつ、ひずみ量と変位
の間の直線性の関係を利用することができ、きわめて高
精度の変位測定を行なうことができる。しかも、構造が
小形であり、種々の機械、装置等に、それらを大形とす
ることなく、容易に適用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ロ）は本発明の実施例に係る変位測定
装置の側面図、第２図はひずみ量検出回路の回路図、第
３図はひずみ量と変位の特性図、第４図は電極間隔と静
電容量の特性図、第５図および第６図はそれぞれ従来の
変位測定装置の測定原理図、第７図は変位と静電容量の
特性図である。 ２０−・−測定対象物体、２１−・・−・−・固定側剛
体、２２　・−−−−−−−移動側剛体、２３　ａ　、
　　２３　ｂ・−−−−−−−一弾性部材、２４　・−
・−アクチュエータ、２５　ａ　〜２５　ｄ−・−ひす
みゲージ、２６．２７−・・−・・電極。 第１図 （ａ） ２０　：　ｌ’ｌ　＊）オ禾１ηイ本　　　　２４：Ｔ
７＋ｘ　Ｔ−−夕２１：　固交し：イ貴′１間イ本　　
　　２５σ〜２５ｄ：乙ｈｆ屏勺２−ミン２２、特＠側
用・１伴　　２６．Ｚ？：電極２３ａ、２３ｂ；弾−ｓ
ａ舒ＩＴ 第２図 第３図 第４

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）固定側剛体と、移動側剛体と、これら２つの剛体
   を結合する互いに平行な複数の弾性部材と、前記２つの
   剛体間に変位を与えるアクチュエータと、前記変位の変
   位量を前記弾性部材のひずみ量として検出するひずみ量
   検出手段と、前記移動側剛体と測定対象物体との間の変
   位を特定の物理量として非接触に検出する非接触変位検
   出手段と、前記移動側剛体と前記測定対象物体との間で
   検出される物理量を当該測定対象物体の変位前における
   物理量と等しくなるように前記アクチュエータを駆動制
   御する制御手段とで構成されていることを特徴とする変
   位測定装置。
2. （２）請求項（１）において、前記非接触変位検出手段
   は、前記移動側剛体に設けられた第１の電極と、前記測
   定対象物体に設けられ変位方向において前記第１の電極
   と対向する第２の電極と、前記第１の電極および前記第
   ２の電極間の静電容量を検出する検出手段とで構成され
   ていることを特徴とする変位測定装置。