特許 7590757 測距回路、測距装置、測定装置及び倣い制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-19

(45)【発行日】2024-11-27

(54)【発明の名称】測距回路、測距装置、測定装置及び倣い制御装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 7/00 20060101AFI20241120BHJP

   G01D 5/241 20060101ALI20241120BHJP

【ＦＩ】

G01B7/00 101C

G01D5/241 D

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020205740

(22)【出願日】2020-12-11

(65)【公開番号】P2022092813

(43)【公開日】2022-06-23

【審査請求日】2023-11-21

(73)【特許権者】

【識別番号】591156799

【氏名又は名称】ユニパルス株式会社

(72)【発明者】

【氏名】嶋本 篤

(72)【発明者】

【氏名】尾形 健

【審査官】櫻井 仁

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２００７／１１９５７０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００２－１４０７７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１４６７３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－１９４１０５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ ７／００ー ７／３４

Ｇ０１Ｄ ５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

測距回路と、周波数測定部と、算出部と、を有する測距装置であって、
前記測距回路は、
第１電極及び当該第１電極を取り囲むように配置された少なくとも１つの第２電極を含む電極ヘッドと接続可能にされる発振回路と、
前記第１電極を入力側とし、前記第２電極を出力側とし、前記出力側の交流波形を前記入力側の交流波形の形状に保ちつつ、出力インピーダンスを入力インピーダンスに対して低くするインピーダンス変換手段と、
を有し、
前記周波数測定部は、
前記第１電極及び前記第２電極に接続した際に前記測距回路から出力される周波数を測定し、
前記算出部は、
予め前記第１電極と測定対象物との既知の距離間における周波数を前記周波数測定部から得ておき、これと所望する測定対象物が前記第１電極に対向した状態時に得た周波数との周波数偏差により、前記第１電極と所望する測定対象物との間の距離を算出する測距装置。

【請求項2】

請求項１に記載の測距装置と、
前記第１電極及び当該第１電極を取り囲むように配置された少なくとも１つの前記第２電極を含む電極ヘッドと、
を備える測定装置。

【請求項3】

請求項２に記載の測定装置と、
前記電極ヘッドに取り付けられ、前記第１電極と前記測定対象物との間の距離を変更可能な取付部と、
前記取付部の位置を調整する調整部と、
前記測距装置から送られた、前記第１電極と前記測定対象物との間の距離に基づいて前記調整部を制御して、前記電極ヘッドと前記測定対象物との間の距離を調整させる制御部と、
を備える倣い制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、測距回路、測距回路、測定装置及び倣い制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、微小なギャップや変位を測定するための非接触式の距離センサとして、測定プローブとワークとの間の距離に応じた静電容量を測定する静電容量型センサがあり、当該静電容量型センサについては、様々な技術が提案されている。こうした静電容量型センサの提案技術の一つとして、交流定電流源を用いたものがある（特許文献１参照：以下、「従来例１」と呼ぶ）。

【0003】

この従来例１における交流定電流源を用いた方式では、測定プローブとワーク間の静電容量（以下、「静電容量体」とも記す）に対して交流電流Ｉを流したときの検出電極の交流電圧Vを測定し、交流電流Ｉ、測定プローブとワークとの間の静電容量Ｃ、及び、電極の交流電圧値Ｖの関係から、測定プローブとワークとの間の測定ギャップを求めるようになっている。

【0004】

従来例１によると、レーザ光によるワークの切断や溶接時には、静電容量体内にプラズマやスパッタが発生し、検出電極の電圧検出値の振幅がノイズにより大きく変化する。このため、交流定電流源を用いた方式では、プラズマ光やスパッタが発生したときには、正確にノズルとワークとの間のギャップを測定することができないことがあった。

【0005】

ここで、気体分子が電離して、陽イオンと電子とに分離して運動しているプラズマにおいては、陽イオンは質量が大きいため外部からの電界の変化に追従しにくくなるため、高周波電流に対してはプラズマによる静電容量変化の影響が小さくなる。また、プラズマ中では陽イオンと電子とは電離と再結合を繰り返すが、これは電気分極が時間的に変化することを意味しており、電圧や電流の振幅を測定する方式では、信号にノイズが重畳することになる。こうしたプラズマの性質を踏まえると、プラズマの影響を低減させてギャップを測定するには、高周波電流を用いることと、ノイズによる振幅変化の影響を受けない周波数変調方式とすることが有用である。周波数変調方式で電極と測定対象物との間の距離を測定する技術が提案されている（特許文献2，３参照：以下、「従来例２，３」と呼ぶ）。

【0006】

この従来例２の距離測定装置では、ＲＣ発振回路を用いて、一対の電極が形成された測定基準面と測定対象物との間の距離を、ＲＣ発振回路の周波数から測定するようになっている。

【0007】

また、従来例３の技術では、ＬＣ発振回路を用いて、ノズルの先端部と被加工対象物との間の距離を、ＬＣ発振回路部で検出される発振周波数に基づいて測定するようになっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特開平１１－１８８４９２号公報

【文献】特開２００１－９１２０４号公報

【文献】特開２０１３－１４６７３４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

上述した従来例２の距離測定装置では、ＲＣ発振回路における容量素子の一方の端子と対の一の電極とが接続され、当該容量素子の他方の端子と対の他の電極とが接続されている。ところで、周波数変調方式で電極と測定対象物との間の距離を測定するセンシング系では、電極や、発振回路から電極に至る経路に自然的に生じる浮遊静電容量（以下、「寄生・浮遊静電容量」とも記す）が存在する。

【0010】

ここで、容量素子の静電容量をＣａ、測定基準面と測定対象物との間の静電容量体の静電容量をＣｘ、寄生・浮遊静電容量をＣ₀とすると、ＲＣ発振回路から発振される発振周波数ｆは、Ｃ₀とＣａとＣｘによって決まることになる。

【0011】

ここでＣ₀は、典型的には5～50ｐＦ程度の大きさである。一方、Ｃｘは測定ギャップによるものであるため、測定ギャップを大きくすると小さくなってしまい、典型的には0.1ｐＦ～5ｐＦ程度である。このため、Ｃ₀と比較してＣｘが相対的に小さいので、測定基準面と測定対象物との間の静電容量Ｃｘの変化による発振周波数変化も相対的に小さくなるため、正確な測定ギャップを計測することができない。

【0012】

従来例３の技術では、正確な測定ギャップを計測するため、周囲温度により大きく変化する寄生・浮遊静電容量Ｃ₀の較正を行っている。かかる較正に際して、従来例３の技術では、寄生・浮遊静電容量Ｃ₀を予め測定し、測定ギャップを変化させながら、測定ギャップと発振周波数との関係を測定する。次いで、当該測定結果に基づき、静電容量体の静電容量Ｃｘと測定ギャップとの関係式を設定するようにしている。

【0013】

こうした従来例３の技術の較正処理は、レーザ加工の開始前、開始後に行っている。この結果、寄生・浮遊静電容量Ｃ₀の較正工程が必須となり、作業の合計時間が長くなる傾向がある。

【0014】

このため、発振回路の発振周波数に対する浮遊静電容量の測定・較正を行うことなく、浮遊静電容量Ｃ₀の影響を小さくし、ギャップ間の静電容量変化に大きく依存した発振周波数変化をする回路方式が待望されている。また、当該回路方式を利用した測定装置及び倣い制御装置が待望されている。かかる要請に応えることが、本発明が解決すべき課題の一つとして挙げられる。

【0015】

本発明は、上記の事情を鑑みてなされたものであり、周波数変調方式を採用し、電極と測定対象物との間の測定ギャップを正確に計測することができる新たな測距回路、及び、当該測距回路を備える新たな測距装置、測定装置を提供することを目的とする。また、正確に計測された測定ギャップを利用した倣い制御を行うことができる新たな倣い制御装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0017】

本発明の測距装置は、
測距回路と、周波数測定部と、算出部と、を有する測距装置であって、
測距回路は、
第１電極及び当該第１電極を取り囲むように配置された少なくとも１つの第２電極を含む電極ヘッドと接続可能にされる発振回路と、
第１電極を入力側とし、第２電極を出力側とし、出力側の交流波形を入力側の交流波形の形状に保ちつつ、出力インピーダンスを入力インピーダンスに対して低くするインピーダンス変換手段と、
を有し、
周波数測定部は、
第１電極及び第２電極に接続した際に測距回路から出力される周波数を測定し、
算出部は、
予め第１電極と測定対象物との既知の距離間における周波数を周波数測定部から得ておき、これと所望する測定対象物が第１電極に対向した状態時に得た周波数との周波数偏差により、第１電極と所望する測定対象物との間の距離を算出する。

【0018】

本発明の測定装置は、
本発明の測距装置と、第１電極及び当該第１電極を取り囲むように配置された少なくとも１つの第２電極を含む電極ヘッドを備えている。

【0019】

本発明の倣い制御装置は、
本発明の測定装置と、
電極ヘッドに取り付けられ、第１電極と測定対象物との間の距離を変更可能な取付部と、
取付部の位置を調整する調整部と、
測距装置から送られた、第１電極と測定対象物との間の距離に基づいて調整部を制御して、電極ヘッドと測定対象物との間の距離を調整させる制御部と、を備えている。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の第１実施形態に係るレーザ加工装置の構成を概略的に示すブロック図である。

【図2】図１の測距回路の構成を説明するための図である。

【図3】図１の測距装置による測距結果及び従来回路による測距結果の比較した図である。

【図4】本発明の第２実施形態に係る液晶検査装置の構成を概略的に示すブロック図である。

【図5】図４の取付部を説明するための図である。

【図6】本発明の第３実施形態に係る測定装置の構成を概略的に示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、発明の実施形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下の説明及び図面においては、同一又は同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【0022】

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態を、図１～図３を参照して説明する。

【0023】

＜構成＞
図１には、第１実施形態に係る倣い制御装置としてのレーザ加工装置１００Ａの概略的な構成が示されている。図１に示されるように、レーザ加工装置１００Ａは、電極ヘッド１１０Ａと、取付部１３０Ａと、調整部１４０Ａとを備えている。また、レーザ加工装置１００Ａは、レーザ発振器１５０Ａと、反射ミラー１５１Ａと、集光レンズ１５２Ａとを備えている。さらに、レーザ加工装置１００Ａは、制御部１９０Ａと、測距装置２００とを備えている。第１実施形態では、測定対象物であるワークＷＫＡは、導電性の被加工物であり、レーザ加工装置１００Ａは、当該被加工物をレーザ加工する。

【0024】

上記の電極ヘッド１１０Ａは、第１電極に対応する中心電極Ｅ１Ａと、第２電極に対応するガード電極Ｅ２Ａとを備えている。当該中心電極Ｅ１Ａとガード電極Ｅ２Ａとの間には、絶縁体が介在している。中心電極Ｅ１Ａは、中心電極Ｅ１ＡとワークＷＫＡとの間の静電容量体の静電容量Ｃｘを利用した、中心電極Ｅ１ＡとワークＷＫＡとの間の測定ギャップｇを計測するためのセンシングを行う。

【0025】

ガード電極Ｅ２Ａは、中心電極Ｅ１Ａが行うセンシングを補助する。このガード電極Ｅ２Ａの電位と中心電極Ｅ１Ａの電位とが等しくなるため、中心電極Ｅ１Ａとガード電極Ｅ２Ａとは、あたかも一体の電極のように振る舞う。

【0026】

中心電極Ｅ１Ａは、同軸ケーブルＣＶＡの内部導体に接続され、ガード電極Ｅ２Ａは、内部導体と絶縁されている同軸ケーブルＣＶＡの外側導体に接続されている。この同軸ケーブルＣＶＡは、測距装置２００に取り込まれている。ここで、同軸ケーブルＣＶＡと、中心電極Ｅ１Ａおよびガード電極Ｅ２Ａの間には、合計で浮遊静電容量Ｃ₀が存在する。

【0027】

上記の取付部１３０Ａは、トーチ部であり、絶縁体を介して電極ヘッド１１０Ａを取り付ける。当該取付部１３０Ａは、調整部１４０Ａに固定され、当該調整部１４０Ａによる位置調整により、高さ方向を含む位置変更が可能となっている。このため、取付部１３０Ａに取り付けられた中心電極Ｅ１Ａと、ワークＷＫＡとの間の距離が変更可能となってぃる。

【0028】

上記の調整部１４０Ａは、サーボモータを含む位置調整装置であり、取付部１３０Ａに固定されている。当該調整部１４０Ａは、制御部１９０Ａから送られた調整指令を受ける。調整部１４０Ａは、当該調整指令に従って、取付部１３０Ａの位置調整を行うことで、中心電極Ｅ１ＡとワークＷＫＡとの間のギャップｇを調整する。

【0029】

上記のレーザ発振器１５０Ａは、制御部１９０Ａによる制御のもとで、レーザ光を発生させる。上記の反射ミラー１５１Ａは、レーザ発振器１５０Ａから射出されたレーザ光を反射させ、レーザ光の方向をワークＷＫＡの方向に変更させる。上記の集光レンズ１５２Ａは、反射ミラー１５１Ａによって方向が変更されたレーザ光を集光させる。このレーザ光によって、ワークＷＫＡのレーザ加工が行われる。ここで、集光レンズ１５２Ａにより集光されたレーザ光が、ワークＷＫＡの表面に焦点が合うように、調整部１４０Ａによって、中心電極Ｅ１ＡとワークＷＫＡとの間の距離が適正なギャップ（以下、「適正ギャップ」とも記す）ＤＡとなるように調整される。なお、反射ミラー１５１Ａ及び集光レンズ１５２Ａは、取付部１３０Ａ内に配置されている。

【0030】

上記の制御部１９０Ａは、様々な処理を行うとともに、レーザ加工装置１００Ａの全体を制御する。当該制御部１９０Ａは、測距装置２００から送られた測定ギャップｇを受ける。次に、制御部１９０Ａは、測定ギャップｇに基づいて、中心電極Ｅ１ＡとワークＷＫＡとの間の距離が適正ギャップＤＡとなる調整量を導出する。次いで、制御部１９０Ａは、当該調整量を指定した調整指令を生成し、生成された調整指令を調整部１４０Ａへ送る。

【0031】

また、制御部１９０Ａは、不図示の操作部から送られたレーザ光の発光指定を受ける。制御部１９０Ａは、当該発光指定を受けると、発光指令を生成して、レーザ発振器１５０Ａへ送る。

【0032】

《測距装置２００の構成》
次に、測距装置２００の構成について説明する。

【0033】

測距装置２００は、図１に示されるように、測距回路２１０と、周波数測定部２２０と、算出部２３０とを備えている。

【0034】

（測距回路２１０の構成）
上記の測距回路２１０の構成について説明する。測距回路２１０は、図２に示されるように、発振回路２１１と、インピーダンス変換手段２１２と、矩形波形変換部２１３とを備えている。

【0035】

上記の発振回路２１１は、第１実施形態では、インダクタンスＬ、容量素子の静電容量Ｃ₁，Ｃ₂で発振周波数が決まるＬＣ発振回路となっている。このＬＣ発振回路の発振周波数は、次の（１）式で与えられる。
ｆｘ＝１／２π(Ｌ×(Ｃ₁Ｃ₂/(Ｃ₁＋Ｃ₂)))^1/2 …（１）
この発振回路２１１では、静電容量Ｃ₂の容量素子の一方の端子及びインダクタンスＬのコイル素子の一方の端子は、同軸ケーブルＣＶＡを介して中心電極Ｅ１Ａ及びインピーダンス変換手段２１２の入力側と接続されている。

【0036】

ここで、中心電極Ｅ１ＡとワークＷＫＡとの間には、静電容量Ｃｘの静電容量体が存在する。また、レーザ加工装置１００Ａには、同軸ケーブルＣＶＡと、中心電極Ｅ１Ａとガード電極Ｅ２Ａ間の静電容量の合計の浮遊静電容量Ｃ₀が存在する。この結果、レーザ加工装置１００Ａ全体では、発振回路２１１から出力される発振周波数は、上記の（１）式のようにはならず、インダクタンスＬ、容量素子の静電容量Ｃ₁，Ｃ₂に加えて、静電容量Ｃｘ、浮遊静電容量Ｃ₀の影響を受けたものとなる。

【0037】

ところで、発振回路２１１から出力される発振周波数について、浮遊静電容量Ｃ₀の影響を小さくして、測距回路２１０から出力される発振周波数が、インダクタンスＬ、容量素子の静電容量Ｃ₁，Ｃ₂、及び静電容量Ｃｘで定まるようにすれば、後述するように、当該発振周波数から静電容量Ｃｘの値を求めることができる。そして、静電容量Ｃｘの値を求めることができれば、測定ギャップｇを導出することができる。

【0038】

上記のインピーダンス変換手段２１２は、第１実施形態では、ＮＰＮ型トランジスタのエミッタフォロア回路である。当該エミッタフォロア回路における入力となるベースが、同軸ケーブルＣＶＡを介して中心電極Ｅ１Ａと接続されてる。また、当該エミッタフォロア回路における出力となるエミッタに、同軸ケーブルＣＶＡを介してガード電極Ｅ２Ａが接続されてる。

【0039】

図２に示されるエミッタフォロア回路では、エミッタから出力された交流波形（出力側の交流波形）をベースから入力させた交流波形（入力側の交流波形）から変化させず、出力インピーダンスを入力インピーダンスに対して低くする。このエミッタフォロア回路により、中心電極Ｅ１Ａとガード電極Ｅ２Ａとの間の交流の電位差は一定に保たれるため、中心電極Ｅ１Ａとガード電極Ｅ２Ａとの間に存在する浮遊静電容量には交流電流が流れなくなり、レーザ加工装置１００Ａ全体の発振周波数において、浮遊静電容量Ｃ₀の影響を小さくすることができる。

【0040】

このため、発振回路２１１に、インピーダンス変換手段２１２であるエミッタフォロア回路を加えることで、レーザ加工装置１００Ａ全体の発振回路の発振周波数に対するＣ₀の影響を小さくし、静電容量変化Ｃｘに大きく依存した発振周波数変化をする回路方式となる。当該回路方式から出力される発振波は、矩形波形変換部２１３へ送られる。

【0041】

上記の矩形波形変換部２１３は、発振回路２１１から送られた発振波を受ける。そして、矩形波形変換部２１３は、当該発振波の波形を矩形波形に変換して、周波数測定部２２０へ送る。

【0042】

図１に戻り、上記の周波数測定部２２０は、第１実施形態では、周波数カウンタを備えて構成される。周波数測定部２２０は、測距回路２１０から送られ矩形波形を受ける。そして、周波数測定部２２０では、周波数カウンタが設定されたゲート時間の矩形波をカウントすることで、矩形波形の周波数ｆｘを計測する。当該計測結果は、算出部２３０へ送られる。なお、測距回路２１０から送られた矩形波形を分周させてゲート信号fx’とし、周波数ｆｘよりも高い一定周波数の信号ｆ０を、fx’をゲート周波数としてカウントすることで、周波数ｆｘを計測するようにしてもよい。これにより、より短い周期で高精度な周波数計測を行うことができる。

【0043】

上記の算出部２３０は、周波数測定部２２０から送られた周波数ｆｘを受ける。ここで、当該周波数ｆｘは浮遊静電容量Ｃ₀の影響が低減されているため、次の（２）式で表すことができる。
ｆｘ＝１／２π(Ｌ×(C₁Ｃｘ+Ｃ₁Ｃ₂/(Cx+Ｃ₁＋Ｃ₂)))^1/2 …（２）
また、静電容量体の静電容量Ｃｘの逆数は、測定ギャップｇを変数とする関数で表される。

【0044】

したがって、（２）式と上記関係から、発振周波数ｆｘは測定ギャップｇの関数ｆｘ（ｇ）となり、発振周波数ｆｘ（ｇ）を計測することで、測定ギャップｇを導出することができる。こうして計測された中心電極Ｅ１ＡとワークＷＫＡとの間の測定ギャップｇは、制御部１９０Ａへ送られる。

【0045】

図３には、インピーダンス変換手段２１２を加えた本発明の実施形態に係る測距回路２１０による測定結果、及び、インピーダンス変換手段２１２を加えていない従来回路による測定結果が示されている。図３における●は、測距回路２１０の発振周波数ｆｘ（ｇ）であり、〇は測定ギャップｇが「０.2」mmのときの発振周波数をｆｘ（０.2）としたときの測距回路２１０の周波数偏差［ｆｘ（ｇ）－ｆｘ（０.2）］である。（２）式から、Ｃｘ以外は定数であるため、周波数偏差［ｆｘ（ｇ）－ｆｘ（０.2）］は、ギャップ間の静電容量Ｃｘ、つまり測定ギャップｇを反映した値となっている。

【0046】

また、図３における▲は、インピーダンス変換手段２１２を加えていない従来回路の発振周波数ｆｎ（ｇ）であり、△はギャップｇが「０.2」mmのときの発振周波数をｆｎ（０.2）としたときの従来回路の周波数偏差［ｆｎ（ｇ）－ｆｎ（０.2）］である。この発振周波数ｆｎ（ｇ）及び周波数偏差［ｆｎ（ｇ）－ｆｎ（０.2）］の値は、浮遊静電容量Ｃ₀の影響を大きく受けたものとなっている。

【0047】

図３に示されるように、本発明の測距回路２１０の周波数偏差［ｆｘ（ｇ）－ｆｘ（０.2）］の値の方が、従来回路の周波数偏差［ｆｎ（ｇ）－ｆｎ（０.2）］の値に比べて、約４倍大きな値となっている。この計測結果から、変位発振回路にインピーダンス変換手段２１２を加えた回路の方が測定ギャップｇに対してセンシティブであり、変位発振回路にインピーダンス変換手段２１２を加えない場合に比べてＳＮ比が約４倍向上したことが実証された。

【0048】

また、本発明の測距回路２１０と従来回路とについて、周波数偏差について比較すると、本発明の測距回路２１０の方が、測定ギャップｇが小さいときに、測定ギャップｇの変化に対する周波数偏差の傾きが急峻になっている。また、測定ギャップｇが大きいときには、本発明の回路の方が、従来回路に比べて、測定ギャップｇの変化に対する傾きが大きくなっている。このことは、本発明の測距回路２１０は、従来の回路に比べて、精度良く測定することができる測定ギャップｇが飛躍的に大きくなっていることを意味する。

【0049】

以上説明したように、第１実施形態では、レーザ加工装置１００Ａ全体では、発振回路２１１の発振周波数要素（コイルのインダクタンスＬ、容量素子の静電容量Ｃ₁，Ｃ₂）、静電容量体の静電容量Ｃｘ、及び、同軸ケーブルＣＶＡと中心電極Ｅ１Ａとガード電極Ｅ２Ａ間の静電容量の合計の浮遊静電容量Ｃ₀で定まる発振周波数で発振する。このため、測距回路２１０の構成要素として、発振回路２１１だけにすると、浮遊静電容量Ｃ₀の影響を大きく受けた発振周波数となってしまう。しかし、インピーダンス変換手段２１２としてのエミッタフォロア回路を測距回路２１０の構成要素に加えることで、浮遊静電容量Ｃ₀の影響が小さくなり、ギャップ間の静電容量変化Ｃｘに大きく依存した発振周波数変化をする回路方式となる。

【0050】

当該回路方式を採用することにより、正確に測定することができるギャップを飛躍的に大きくすることができる。

【0051】

また、第１実施形態では、周波数変調方式を採用しているため、測定ギャップに電気的なノイズを発生させるプラズマが静電容量体に含まれている場合においても、電極と測定対象物との間の測定ギャップを正確に計測することができる。

【0052】

また、第１実施形態では、レーザ加工装置１００Ａが、正確に計測された測定ギャップを取得できるため、レーザ加工処理において精度の高い倣い制御を行うことができる。また、正確に測定することができるギャップが飛躍的に大きくなるため、電極とワークＷＫＡとの距離を大きくした倣い制御が可能となる。この結果、電極とワークＷＫＡとが接触する事態を低減することができ、倣い制御の高速化を実現することができる。

【0053】

したがって、第１実施形態によれば、周波数変調方式を採用し、電極と測定対象物との間の測定ギャップを正確に計測することができる。また、レーザ加工装置１００Ａにおいて、正確に計測された測定ギャップを利用した倣い制御を行うことができる。

【0054】

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態を、図４及び図５を参照して説明する。

【0055】

＜構成＞
図４には、第２実施形態に係る倣い制御装置としての液晶検査装置１００Ｂの概略的な構成が示されている。図４に示されるように、液晶検査装置１００Ｂは、電極ヘッド１１０Ｂと、取付部１３０Ｂと、調整部１４０Ｂとを備えている。また、液晶検査装置１００Ｂは、同軸ＬＥＤ１６１と、ハーフミラー１６２と、斜光ＬＥＤ１６３，１６４と、受光センサ１６５と、画像処理部１６９とを備えている。

【0056】

さらに、液晶検査装置１００Ｂは、制御部１９０Ｂと、測距装置２００とを備えている。すなわち、第２実施形態に係る液晶検査装置１００Ｂは、上述した第１実施形態に係るレーザ加工装置１００Ａと比べて、測距装置２００が同じであり、それ以外の構成要素が異なっている。以下、これらの相違点に主に着目して説明する。

【0057】

ここで、第２実施形態では、測定対象物であるワークＷＫＢは、ガラス基板であり、当該ガラス基板には、透明電極の膜が形成されている。液晶検査装置１００Ｂは、ガラス基板上の表面の欠陥や異物を検査する装置となっている。なお、図４には１個の液晶検査装置が記載されているが、液晶をスキャンして検査するため、同様にして構成された複数の液晶検査装置（制御部１９０Ｂ及び画像処理部１６９を除く）が、液晶面の上方に配置されている。

【0058】

上記の取付部１３０Ｂについて説明する。図５には、取付部１３０Ｂの外観図が示されている。取付部１３０Ｂは、図４及び図５により、総合的に示されるように、中空円筒状の筐体であり、－Ｚ方向側の面に開口ＨＬが形成されている。取付部１３０Ｂは、鉛直下方（－Ｚ方向側）の面に、電極ヘッド１１０Ｂを取り付ける。

【0059】

当該取付部１３０Ｂは、調整部１４０Ｂに固定され、当該調整部１４０Ｂによる位置調整により高さ方向を含む位置変更が可能となっている。このため、取付部１３０Ｂに取り付けられた中心電極Ｅ１Ｂと、ワークＷＫＢとの間の距離が変更可能となる。

【0060】

上記の電極ヘッド１１０Ｂは、第１電極に対応する中心電極Ｅ１Ｂと、第２電極に対応するガード電極Ｅ２Ｂとを備えている。中心電極Ｅ１Ｂは、輪状のパターンである。ガード電極Ｅ２Ｂは、中心電極Ｅ１Ｂの外側に配置された輪状パターンと、中心電極Ｅ１Ｂの内側に配置された輪状パターンとから構成され、中心電極Ｅ１Ｂと絶縁関係を保ちつつ、一体的に形成されている。中心電極Ｅ１Ｂ及びガード電極Ｅ２Ｂは、取付部１３０Ｂの鉛直下方の面に取り付けられる。

【0061】

中心電極Ｅ１Ｂは、中心電極Ｅ１ＢとワークＷＫＢとの間の静電容量体の静電容量Ｃｘを利用した、中心電極Ｅ１ＢとワークＷＫＢとの間の測定ギャップｇを計測するためのセンシングを行う。

【0062】

ガード電極Ｅ２Ｂは、中心電極Ｅ１Ｂが行うセンシングを補助する。すなわち、ガード電極Ｅ２Ｂの電位と中心電極Ｅ１Ｂの電位とが等しくなるため、中心電極Ｅ１Ｂとガード電極Ｅ２Ｂとは、あたかも一体の電極のように振る舞う。接地されたワークＷＫＢに対向した、有限の大きさの電極の端部では、電気力線が乱れて、平行電場では無くなるが、この電気力線の乱れは、ガード電極Ｅ２Ｂの外周部のみで生じ、中心電極Ｅ１Ｂ直下では、平行な電気力線が保たれる。このため、静電容量Ｃｘの逆数が測定ギャップｇに比例する関係が得られることとなる。

【0063】

すなわち、1／Cx＝ｇ／ε₀ε_ｓＡの関係が得られ、測定ギャップｇと1／Ｃｘとが比例することとなり、測定ギャップｇを測定するのに都合がよい。ここで、Ａは中心電極Ｅ１Ａの面積、ε₀は真空誘電率、ε_Sは測定ギャップの比誘電率である。

【0064】

中心電極Ｅ１Ｂは、同軸ケーブルＣＶＢの内部導体に接続され、ガード電極Ｅ２Ｂは、内部導体と絶縁されている同軸ケーブルＣＶＢの外側導体に接続されている。この同軸ケーブルＣＶＢは、測距装置２００に取り込まれている。ここで、同軸ケーブルＣＶＢと、中心電極Ｅ１Ｂおよびガード電極Ｅ２Ｂ間には、合計で浮遊静電容量Ｃ₀が存在する。

【0065】

上記の調整部１４０Ｂは、取付部１３０Ｂである筐体に固定されている。当該調整部１４０Ｂは、制御部１９０Ｂから送られた調整指令を受ける。調整部１４０Ｂは、当該調整指令に従って、取付部１３０Ｂの位置調整を行うことで、中心電極Ｅ１ＢとワークＷＡＢとの間のギャップｇを調整する。

【0066】

上記の同軸ＬＥＤ１６１は、第２実施形態では青色ＬＥＤであり、制御部１９０Ｂによる制御のもとで、光を照射する。同軸ＬＥＤ１６１は、光の射出方向が水平となるように配置されている。同軸ＬＥＤ１６１から射出された水平方向の光は、斜め４５°の角度に傾けたハーフミラー１６２で反射し、鉛直下方に向けて進む。この鉛直下方に進んだ光は、ワークＷＫＢの表面に垂直に照射される。この同軸ＬＥＤ１６１から照射される光は、透明電極の欠陥や異物に用いられる。

【0067】

上記の斜光ＬＥＤ１６３，１６４は、第２実施形態では赤色ＬＥＤであり、制御部１９０Ｂによる制御のもとで、光を照射する。斜光ＬＥＤ１６３，１６４は、光の射出方向が斜めとなるように配置されている。斜光ＬＥＤ１６３，１６４から射出された斜め方向の光は、ワークWKBの表面に斜めに照射される。この斜光ＬＥＤ１６３，１６４から照射される光は、透明電極の欠陥や異物の検査に用いられる。

【0068】

同軸ＬＥＤ１６１から射出されてワークＷＫＢに垂直に照射された光、及び、斜光ＬＥＤ１６３，１６４から射出されてワークＷＫＢに斜めに照射された光は、ワークＷＫＢで反射し、鉛直上方（＋Z方向）に進む。こうして鉛直上方に進んだ光は、受光センサ１６５に入射する。

【0069】

上記の受光センサ１６５は、ワークＷＫＢで反射し、鉛直上方に進んだ光を受光する。この受光センサ１６５には、集光レンズを備えている。受光センサ１６５が受光した光は、検査用画像として読み取られて、画像処理部１６９へ送られる。

【0070】

受光センサ１６５によって作成される検査用画像を明確に判別することができるように、調整部１４０Ｂによって、中心電極Ｅ１ＢとワークＷＫＢとの間の距離が適正なギャップ（以下、「適正ギャップ」とも記す）ＤＢとなるように調整される。

【0071】

上記の画像処理部１６９は、受光センサ１６５から送られた検査用画像を受ける。そして、画像処理部１６９は、制御部１９０Ｂによる制御のもとで、不図示の表示ユニットに表示すべき画像を作成する。

【0072】

上記の制御部１９０Ｂは、様々な処理を行うとともに、液晶検査装置１００Ｂの全体を制御する。当該制御部１９０Ｂは、測距装置２００から送られた測定ギャップｇを受ける。次に、制御部１９０Ｂは、測定ギャップｇに基づいて、中心電極Ｅ１ＢとワークＷＫＢとの間の距離が適正ギャップＤＢとなる調整量を導出する。次いで、制御部１９０Ｂは、当該調整量を指定した調整指令を生成し、生成された調整指令を調整部１４０Ｂへ送る。

【0073】

また、制御部１９０Ｂは、不図示の操作部から送られた光の発光指定を受ける。制御部１９０Ｂは、当該発光指定を受けると、発光指令を生成して、同軸ＬＥＤ１６１、斜光ＬＥＤ１６３，１６４へ送る。また、制御部１９０Ｂは、画像処理部１６９による画像処理を制御する。

【0074】

このようにして構成された液晶検査装置１００Ｂは、上述した第１実施形態に係るレーザ加工装置１００Ａと同様に、液晶検査装置１００Ｂ全体では、図４及び図２から総合的に示されるように、発振回路２１１の発振周波数ｆｘは、発振周波数要素（コイルのインダクタンスＬ、容量素子の静電容量Ｃ₁，Ｃ₂）、静電容量体の静電容量Ｃｘ、及び、同軸ケーブルＣＶＢと中心電極Ｅ１Ｂとガード電極Ｅ２Ｂ間の静電容量の合計の浮遊静電容量Ｃ₀で定まる発振周波数で発振する。

【0075】

このため、測距回路２１０の構成要素として、発振回路２１１だけにすると、浮遊静電容量Ｃ₀の影響を大きく受けた発振周波数となってしまう。しかし、インピーダンス変換手段２１２としてのエミッタフォロア回路を測距回路２１０の構成要素に加えることで、浮遊静電容量Ｃ₀の影響が小さくなり、ギャップ間の静電容量変化Ｃｘに大きく依存した発振周波数変化をする回路方式となる。当該回路方式を採用することにより、正確に測定することができるギャップを飛躍的に大きくすることができる。

【0076】

また、液晶検査装置１００Ｂが、正確に計測された測定ギャップを取得できるため、液晶検査処理において精度の高い倣い制御を行うことができる。

【0077】

したがって、第２実施形態によれば、第１実施形態の場合と同様に、周波数変調方式を採用し、電極と測定対象物との間の測定ギャップを正確に計測することができる。また、液晶検査装置１００Ｂにおいて、正確に計測された測定ギャップを利用した倣い制御を行うことができる。また、正確に測定することができるギャップが飛躍的に大きくなるため、電極とワークＷＫＢとの距離を大きくした倣い制御が可能となる。この結果、電極とワークＷＫＢとが接触する事態を低減することができ、倣い制御の高速化を実現することができる。

【0078】

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態を、図６を参照して説明する。

【0079】

＜構成＞
図６には、第３実施形態に係る測定装置１００Ｃの概略的な構成が示されている。図６に示されるように、測定装置１００Ｃは、電極ヘッド１１０Ｃと、取付部１３０Ｃとを備えている。また、測定装置１００Ｃは、表示部１７０と、測距装置２００とを備えている。すなわち、第３実施形態に係る測定装置１００Ｃは、上述した第２実施形態に係る液晶検査装置１００Ｂと比べて、測距装置２００が同じであり、それ以外の構成要素が異なっている。以下、これらの相違点に主に着目して説明する。

【0080】

ここで、第３実施形態では、測定対象物は、透明電極の膜が形成されたガラス基板であり、第２実施形態の測定対象物と同じになっている。

【0081】

上記の取付部１３０Ｃは、円筒状の筐体である。取付部１３０Ｃには、鉛直下方（－Ｚ方向側）の面に、電極ヘッド１１０Ｃが取付らえている。

【0082】

上記の電極ヘッド１１０Ｃは、第１電極に対応する中心電極Ｅ１Ｃと、第２電極に対応するガード電極Ｅ２Ｃとを備えている。中心電極Ｅ１Ｃは、円状になっている。ガード電極Ｅ２Ｃは、中心電極Ｅ１Ｃの外側に配置された輪状パターンである。中心電極Ｅ１Ｃ及びガード電極Ｅ２Ｃは、取付部１３０Ｃの鉛直下方の面に取り付けられる。

【0083】

中心電極Ｅ１Ｃは、中心電極Ｅ１ＣとワークＷＫＢとの間の静電容量体の静電容量Ｃｘを利用した、中心電極Ｅ１ＣとワークＷＫＢとの間の測定ギャップｇを計測するためのセンシングを行う。

【0084】

ガード電極Ｅ２Ｃは、中心電極Ｅ１Ｃが行うセンシングを補助する。すなわち、第２実施形態の場合と同様に、ガード電極Ｅ２Ｃの電位と中心電極Ｅ１Ｃの電位とが等しくなるため、中心電極Ｅ１Ｃとガード電極Ｅ２Ｃとは、あたかも一体の電極のように振る舞う。接地されたワークＷＫＢに対向した、有限の大きさの電極の端部では、電気力線が乱れて、平行電場では無くなるが、この電気力線の乱れは、ガード電極Ｅ２Ｃの外周部のみで生じ、中心電極Ｅ１Ｃ直下では、平行な電気力線が保たれる。このため、静電容量Ｃｘの逆数が測定ギャップｇに比例する関係が得られることとなる。すなわち、1／Cx＝ｇ／ε₀ε_ｓＡの関係が得られ、測定ギャップｇと1／Ｃｘとが比例することとなり、測定ギャップｇを測定するのに都合がよい。

【0085】

中心電極Ｅ１Ｃは、同軸ケーブルＣＶＣの内部導体に接続され、ガード電極Ｅ２Ｃは、内部導体と絶縁されている同軸ケーブルＣＶＣの外側導体に接続されている。この同軸ケーブルＣＶＣは、測距装置２００に取り込まれている。ここで、同軸ケーブルＣＶＣと、中心電極Ｅ１Ｃおよびガード電極Ｅ２Ｃの間には、合計で浮遊静電容量Ｃ₀が存在する。

【0086】

上記の表示部１７０は、測距装置２００から送られた測定ギャップｇを受ける。そして、表示部１７０は、当該測定ギャップｇを表示する。

【0087】

このようにして構成された測定装置１００Ｃは、上述した第２実施形態に係る液晶検査装置１００Ｂと同様に、測定装置１００Ｃ全体では、図６及び図２から総合的に示されるように、発振回路２１１は、発振周波数要素（コイルのインダクタンスＬ、容量素子の静電容量Ｃ₁，Ｃ₂）、静電容量体の静電容量Ｃｘ、及び、同軸ケーブルＣＶＢと中心電極Ｅ１Ｃとガード電極Ｅ２Ｃ間の静電容量の合計の浮遊静電容量Ｃ₀で定まる発振周波数で発振する。

【0088】

このため、第２実施形態の場合と同様に、測距回路２１０の構成要素として、発振回路２１１だけにすると、浮遊静電容量Ｃ₀の影響を大きく受けた発振周波数となってしまう。しかし、エミッタフォロア回路を測距回路２１０の構成要素に加えることで、浮遊静電容量Ｃ₀の影響が小さくなり、ギャップ間の静電容量変化Ｃｘに大きく依存した発振周波数変化をする回路方式となる。

【0089】

この結果、測定装置１００Ｃは、正確に計測された測定ギャップを取得することができる。

【0090】

したがって、第３実施形態によれば、第１及び第２実施形態の場合と同様に、周波数変調方式を採用し、電極と測定対象物との間の測定ギャップを正確に計測することができる。

【0091】

［実施形態の変形］
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

【0092】

上記の第１及び第２本実施形態では、図２に示されるＬＣ発振回路を、測距回路の構成要素としたが、別の構成のＬＣ発振回路であってもよい。また、測距回路の構成要素として、ＲＣ発振回路を採用するようにしてもよい。

【0093】

また、上記の第１及び第２実施形態では、図２に示されるトランジスタのエミッタフォロア回路を、インピーダンス変換手段に採用した。これに対し、インピーダンス変換手段としては、電界効果トランジスタを用いたソースフォロア回路、オペアンプを用いたボルテージフォロア回路、電流バッファ回路又は電圧バッファ回路を含む集積回路等であってもよい。

【0094】

また、上記の第１実施形態では、中心電極を１つとし、ガード電極を１つとした。また、第２実施形態では、輪状パターンの中心電極を取り囲むように、中心電極の内側と外側のそれぞれに輪状パターンのガード電極を配置するようにした。これに対し、中心電極及びガード電極は他の形状であってもよいし、ガード電極の数が２以上であってもよい。

【0095】

また、本発明の測定装置は、ディスクランナウト測定装置や、ウェーハの厚さ平面度測定、ステージ移動量測定の位置決め制御を行う装置等に適用することができる。また、本発明の倣い制御装置は、様々な倣い装置に適用することができる。

【0096】

上記の第２実施形態では、ワークをガラス基板としたが、様々の液晶であってもよい。

【0097】

また、上記の第１及び第２実施形態では、取付部はＺ方向に移動したが、Ｘ方向やＹ方向に移動するようにしてもよい。

【符号の説明】

【0098】

１００Ａ … レーザ加工装置（倣い制御装置）
１００Ｂ … 液晶検査装置（倣い制御装置）
１００Ｃ … 測定装置
１１０Ａ，１１０Ｂ，１１０Ｃ … 電極ヘッド
１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃ … 取付部
１４０Ａ，１４０Ｂ … 調整部
１５０Ａ … レーザ発振器
１５１Ａ … 反射ミラー
１５２Ａ … 集光レンズ
１６１ … 同軸ＬＥＤ
１６２ … ハーフミラー
１６３，１６４ … 斜光ＬＥＤ
１６５ … 受光センサ
１６９ … 画像処理部
１７０ … 表示部
１９０Ａ，１９０Ｂ … 制御部
２００ … 測距装置
２１０ … 測距回路
２１１ … 発振回路
２１２ … インピーダンス変換手段
２１３ … 矩形波形変換部
２２０ … 周波数測定部
２３０ … 算出部
ＣＶＡ，ＣＶＢ，ＣＶＣ … 同軸ケーブル
Ｅ１Ａ，Ｅ１Ｂ，Ｅ１Ｃ … 中心電極（第１電極）
Ｅ２Ａ，Ｅ２Ｂ，Ｅ２Ｃ … ガード電極（第２電極）
ＷＫＡ，ＷＫＢ … ワーク（測定対象物）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】