静電容量センサ

サブナノメートル精度の非接触式直接位置測定

  • 距離、モーション、振動の絶対測定
  • 実現可能な測定範囲は数十µm~2 mm
  • 直接測定:移動物体の直接位置測定
  • 発熱は最小限、散乱光なし
  • 10-9 hPaまでの真空対応
  • メンテナンス不要、摩耗なし
  • 最大10 kHzの高い帯域幅
  • 高い温度安定性および長期安定性(<0.1 nm/3 h未満)
  • 温度安定性を最大化するインバールオプション(5 ×­ 10-6/K)
  • カスタマイズに対応したコンパクトな1極および2極センサー
  • アナログOEMバージョンから随時拡張可能なモジュラー設計のデジタルコントローラーシステムまで、多様な構成レベルの処理素子

非接触測定の原理

本センサーは2つの導電面で構成されており、高周波交流により2つの面間に一様な電界を生じさせます。平行板コンデンサーと同様に、静電容量は面間の距離に直接関係しています。測定対象は、電界の静電容量の変化量です。

 

 

一様な電界により優れた直線性を実現

弊社ではさらに保護リンク電極を組み合わせており、アクティブ領域に均一性の高い電界を生成します。

また、弊社の素子はすべて、センサー板間の平行性の誤差を補正する統合線形化法を採用しています。使用する素材によっては、静電容量センサーは、熱の影響をほとんど受けない優れた長期安定性 を発揮します。

C 静電容量
A アクティブセンサーの表面積
d センサーと対象面間の距離
ε0 定数
εr コンデンサーの板間の物質の誘電率

直接測定による最高レベルの精度

静電容量センサーを高精度位置決めシステムに適切に配置することで、ベース本体に対する移動パーツの実位置を直接的に測定できます(直接測定)。測定結果に動力伝達系、アクチュエータ、レバーアーム、ガイドシステムの誤差が影響することはありません。このため、動力伝達系でドリフトやヒステリシスが発生しても自動的に排除されます。

位置制御ピエゾナノポジショニングシステムでは、外部誤差がセンサーにより瞬時に検出されフィードバックされるため、傑出したモーションの直線性、高い長期安定性、厳密で応答性に優れた位置サーボループを実現しています。

位置決めシステムへの組み込み

静電容量  単板センサーはあらゆる種類の導電面の測定を行うことができ、設置やケーブル配線時などの機械的な取扱いも容易です。利用方法も多様であり、たとえば測定方向と垂直な向きのモーションを検出できます。

静電容量位置センサーは、位置決めシステムに一体化するか、外部から接続することができます。2枚板センサー では、表面(したがって電界の精度)を一致させた2枚の規定センサー板の間で測定を行うため、最適な結果が得られます。

線形化による信号処理

処理素子および測定素子の発するノイズは最小限に抑えられており、またコンデンサー板間の平行度の誤差の影響を補正する線形化システム(ILS)を採用しています。

デジタルコントローラーは、より高次の多項式による別の線形化アルゴリズムで最高レベルの精度を実現します。

システムはすべて弊社で較正を行っており、目的の帯域幅と測定範囲に合わせて最適化されています。弊社では、アナログOEMバージョンからいつでも拡張可能なモジュール式のデジタルコントローラーシステムまで、静電容量センサー用の信号処理素子をさまざまな構成レベルで提供しています。


ひずみゲージセンサーによる間接位置測定(SGS)

ひずみゲージセンサーは、薄い金属膜または半導体膜(ピエゾ抵抗体)をピエゾセラミックに、または精度を高める場合にはフレクシャステージのガイドシステムに取り付けて構成されています。この種の位置測定は、レバー、ガイド、またはピエゾスタックの測定結果から移動プラットフォームの位置を導出するため、接触方式と間接方式の両方で行います。ひずみゲージセンサーでは、その伸長度合いから位置情報を求めます。1本の軸にひずみゲージセンサーを複数搭載したフルブリッジ回路では、熱安定性が改善されます。


PISeca:静電容量単極センサー

単極静電容量センサーであるPISecaはあらゆる種類の導電面の測定を行うことができ、設置やケーブル配線時などの機械的な取扱いも容易です。利用方法も多様であり、たとえば測定方向と垂直な向きのモーションを検出できます。

 PISeca用のスタンドアロン処理電子装置であるE-852のノイズはわずかであり、線形化システムが組み込まれています。システムはすべて弊社で較正を行っており、目的の帯域幅と測定範囲に合わせて最適化されています。

>> PISecaセンサーと対応する処理電子装置は、弊社製品として提供されています。


静電容量単極センサーおよび静電容量二極センサーの用途

振動、平坦度、厚さの測定

PISecaシステムは高いダイナミクスを備えているため、優れた精度で振動および変動を測定することも可能です。回転するワークピースの平坦性やナノメートル単位の厚さの違いを検出できます。用途の例としては、ディスクドライブの製造や振動のアクティブ補正などが考えられます。

ナノメートル精度での距離の測定

静電容量センサーでは、わずかな距離を正確に測定できます。測定するのはセンサーヘッドの表面と測定対象面の間の静電容量の変化量であり、均等な電界を用いて測定を行います。サブナノメートル台の精度を達成可能です。十分に調節および較正を行ったシステムにより、絶対的な値が得られます。

並列計測/高精度多軸測定

クローズドループ式の多軸ナノポジショニングタスクでは、静電容量センサーを備えた高性能ステージで直接測定とパラレルキネマティックを組み合わせます。静電容量センサーを多軸ナノポジショニングシステムで用いることで、すべての方向の測定を同時に行い、ガイドの誤差をアクティブに補正することが可能です(アクティブ軌道制御の考え方)。これにより、静電容量センサーは、最も位置分解能の高い測定結果が得られる最高精度の測定システムとなります。

サブマイクロメートルの精度での層厚の測定

静電容量センサーは非接触で動作し、高い動的性能を備えているため、移動する導電面(回転ドラムなど)上にある非伝導物質のフィルムや層の厚さの測定に適しています。

チップ/チルト測定および補正

測定装置に静電容量センサーを組み込むことで、チップ/チルトモーションを高精度で測定できるようになります。被動体の傾斜角を差動測定し、必要に応じて補正可能です。

マイクロニュートンの感度の力センサー

多くの場合、単板静電容量センサーはマイクロニュートン単位で非接触測定を行う高分解能力センサーとして使用されます。測定対象のプロセスに影響を及ぼすことなく、サブナノメートルの分解能で長距離にわたり距離のわずかなずれを非接触方式で測定できます。システムの剛性が明確なため、力を算出することができます。

ナノポジショニング/クローズドループシステム

高分解能変位測定の用途の1つにナノポジショニングがあります。この用途では、2枚板の静電容量センサーにより、最高精度で移動対象物の直接距離および実位置を測定します。センサーの帯域幅が高いため、動的な用途でのクローズドループ制御も行うことができます。

真直度および平坦度の測定とアクティブクロストーク補償

考えられる用途の1つとして、ナノポジショニングにおけるクロストークの測定が挙げられます。これにより、リアルタイムで別の軸に対するモーションの不要なクロストークを検出し、アクティブに補償することができます。センサーの帯域幅が高いため、優れた動的性能が得られます。

平坦度測定、等高スキャン、真円度測定

等高スキャンや白色干渉計などでのうねりや振動の補償は、静電容量センサーが最適な用途です。

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