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静電容量変位センサ Capacitive Sensors

 

測定原理と特長

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測定原理と特長

静電容量変位センサは、非接触で測定対象の変位を高精度に測定できる変位センサです。静電容量変位センサは、センサ面と測定対象面に形成される静電容量の変化を二面間の距離の変化として測定しています。一般的に静電容量は、センサ部の面積とそれらの間の材料の誘電率と距離の関係により形成されています。測定は面測定となり、静電容量が形成されている面内の測定対象面の粗さは全て平均化されて検出されます。

静電容量変位センサでの測定では、面測定であるため、測定対象表面の加工状態の影響を受けることなく、測定対象の変位測定を行うことができます。

C:静電容量
A:面積
d:二面間の距離
ε:誘電率

静電容量変位センサの特長

■非接触測定

 非接触のため、測定対象に負荷や損傷を与えません

■金属な材質や成分の影響を受けない

 金属であれば全て無校正で測定できます

■測定面の加工状態による影響を受けない

 面測定であるため、測定対象面の面粗さを平均化して検出します

■高い分解能と応答性

 高速応答でありながらサブナノメートルレベルの高い分解能を実現しています


Lion Precision社静電容量変位センサの特長

■優れた温度特性

 温度補正機能により、温度ドリフトが少なく安定した出力が得られます

■デュアルレンジ搭載

 デュアルレンジを選択していただくことにより、一台で様々なアプリケーションに対応できます

■優れた操作性

 フロントパネル上のLEDインジケータやボリュームによるゼロ調整など現場での操作性に優れています

■National Instruments™製品との簡単接続

 National Instruments™製品との接続に対応したコネクタを標準装備。LabViewとのプラグアンドプレイ接続もできます


主なアプリケーション

■精密スピンドルの振れや熱変位測定

■精密ステージの真直度やステップ送り測定

■位置決めやフォーカスコントロールなどの姿勢制御

■振動体などのダイナミック計測および制御

■ウェーハやディスクなどの厚みおよび形状測定

詳細はアプリケーションをご確認下さい

精密スピンドルの振れ測定

精密スピンドルの振れ測定

ウェーハやディスクなどの厚み測定

ウェーハやディスクなどの厚み測定

位置決めやフォーカスコントロール

位置決めやフォーカスコントロール

精密ステージの真直度測定

精密ステージの真直度測定


静電容量方式と渦電流方式の比較

変位センサには幾つかの方式があり、静電容量と渦電流は検出原理として代表的な方式です。いずれも測定対象の変位を高精度に検出する変位センサですが、検出原理を正しく理解しないまま使用してしまうと誤った結果を得ることになります。以下は検出原理の差による代表的な比較例です。

静電容量方式は測定対象とセンサ面に電界(静電容量)を形成させ、測定対象が変位した時の静電容量の変化を検出原理としています。測定対象が金属であれば無校正で使用することができ、測定対象の変位を高精度に測定することができます。

渦電流方式はセンサ部で発生した交流磁場が測定対象内部に渦電流を生成します。渦電流はセンサ部で発生した磁場と対立する磁場を形成し、測定対象が変位した時の磁場の変化を検出原理としています。そのため、測定対象の材質による影響を受けやすく、同一の素材であっても測定面が移動することにより変化が生じます。

以下の測定結果は同一の測定対象の回転振れ(変位)を示しています。いずれも測定対象の振れが確認できているように見えますが、実際には渦電流方式の結果には測定対象からの影響が含まれており、測定対象の変位が正しく測定できていません。変位センサを使用する際には、検出原理と特性を理解することが重要となります。

 

各方式で同一測定対象を測定した結果

各方式で同一測定対象を測定した結果


測定対象面

センサ面と測定対象との間に形成される電界(静電容量)は、センサ面から測定対象面に対して広がりをもちます。そのため、センサ面よりも広い測定対象面(センシングエリア)が必要とされます。一般的にはセンサ面に対して約30%広い面積が必要とされます。センサ面に対して必要な測定対象面が確保できない場合、電界が測定対象の側面などを捉え、センサ面と対向した変位量の測定に影響を与えるため注意が必要です。

静電容量方式は面測定となるため、測定面内にある測定対象の面粗さは全て平均化されます。このため、測定対象表面の加工状態の影響を受けることなく測定対象の変位を測定することができます。一般的に、測定対象が移動する面の変位測定では静電容量方式が最も優れた測定原理と言われています。


測定対象の形状

静電容量変位センサは、平面の測定対象で校正されています。測定対象の形状が円筒や球などのように曲率を伴う場合には、注意が必要となります。測定対象の直径がセンサ径に対して測定対象に合わせて十分な場合には平面と同等として使用することができます。小さな直径の円筒や球形状を測定対象として使用する場合には、測定対象に対して校正を行うことで問題を回避できる場合があります。詳細はお問い合せ下さい。


測定対象とセンサ面の平行度

静電容量はセンサ面と測定対象面との二面間で形成されるため、測定対象面とセンサ面の平行度に注意する必要があります。平行度誤差が1°以上生じると測定精度に影響を与えるため、考慮したうえでプローブを保持する際の治具を用意する必要があります。


測定環境

Lion Precisionの静電容量変位センサには、温度によるドリフトを最小化するために温度補正機能が搭載されており、22℃~35℃の範囲で温度補正が機能するように設定されています。環境温度はセンサのみならず、測定対象やプローブを保持している治具の物理的な変化の要因の一つとなるため、高精度な測定を行う際には温度管理された環境下で使用することが適切です。

静電容量を構成している空気の誘電率は湿度により影響されます。湿度が変化すると空気中の水分量が変化するため、誘電率も変化します。湿度が一定に保たれた環境下での使用が望ましい状態となりますが、湿度が急激に変化するような環境下で使用する際には注意が必要です。