JP4529327B2

JP4529327B2 - Distance measurement method

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Publication number: JP4529327B2
Application number: JP2001224642A
Authority: JP
Inventors: 淳橋川; 方浩塩澤; 峰一酒井
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2001-07-25
Filing date: 2001-07-25
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2021-07-25
Also published as: JP2003035522A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定体における特定部位間の距離や、測定体の状態変化に伴う特定部位の変位の距離を光学的に計測する距離計測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の従来技術として、レーザを移動している物体に照射し、反射光との間のドップラービートを検出するレーザドップラー速度計（ＬＤＶ）がある。これは、検出した速度を積分して数ｎｍ（ナノメートル）以下の微小変位を計測できるが、ドップラー効果を利用できないような静止した物体の寸法、変位前後の距離計測、面内変位の計測はできないという問題がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
また、静止した構造物間の距離計測をするため、圧電素子などを用いて光を走査しながら照射してその反射光量を検出し、この光量がある閾値以上となる時間間隔と走査速度から距離を算出する方法があるが、エッジ部を高精度たとえばｎｍオーダの精度で検出することができないため、十分な精度を得ることができなかった。
【０００４】
この問題について、具体例を参照して説明する。図１３は、例えば、一般に知られている櫛歯構造を有する半導体加速度センサ（測定体）１００において、特定部位として対向する可動電極１０４と固定電極１０７との間の距離（間隔）Ｌを計測する場合を示している。
【０００５】
図１３に示す様に、圧電素子などを用いて光（レーザ光等）ビーム３０を用い、光ビーム（照射光領域）３０と測定体１００とを相対的に移動させることにより、可動電極１０４上から両電極１０４、１０７の間を通って固定電極１０７上へと走査する。
【０００６】
このとき、測定体から検出される反射光量は、図１４に示され、光ビーム３０が可動電極１０４の端部（エッジ部）１０４ａおよび固定電極１０７の端部（エッジ部）１０７ａを通過する際に変化点を有する。
【０００７】
ここにおいて、この光量がある閾値以上となる時間間隔と走査速度から距離を算出するようにするが、反射光量は図１４に示すように、エッジ部１０４ａ、１０７ａで急激な光量変化を示すのではなく、なだらかに変化する。そのため、閾値Ｔ１、Ｔ２、つまり検出時点の設定方法によって、計測距離（間隔）は、図１４中のＬ１、Ｌ２に示す様な種々の値となってしまう。
【０００８】
つまり、従来の方法では、測定体における特定部位の検出精度が十分では無く、高精度（例えばｎｍオーダの精度）で検出することができないため、距離計測の基準となる検出時点を一義的に決めることが容易ではなく、距離の計測精度を十分なものにできなかった。
【０００９】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、測定精度の向上が図れるような距離計測方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、測定体（１００）における特定部位（１０４、１０７）間の距離（Ｌ）を光学的に計測する方法であって、測定体に光を照射するとともに、この光に対して測定体を振動させながら走査することにより測定体から反射または透過する光量を検出し、検出される光量の振動に応じた変化分（Ｃ）が最大となる時点を特定部位の検出時点（Ｃ１０〜Ｃ１３）とし、複数の検出時点の間に測定体が走査された相対変位量（ＲＭ１）から特定部位間の距離を検出するものであり、前記検出される光量の前記振動に応じた変化分（Ｃ）が最大となる時点を、当該変化分の最大値に対して１未満の設定値を乗じた値となる２つの時点の中央値とすることを特徴とする。
【００１１】
それによれば、測定体の走査によって測定体の特定部位（１０４、１０７）の端部（１０４ａ、１０７ａ）は、照射される光の領域（照射光領域）（３０）を、走査の方向（Ｙ）へ横切るように移動するとともに、当該端部（１０４ａ、１０７ａ）は照射光に対して相対的に振動し、この振動に対応して微小に変位する（図６（ａ）〜（ｃ）参照）。
【００１２】
すると、当該特定部位（１０４、１０７）から反射または透過する光量は、上記走査に応じた測定体の照射光領域内における変位に伴って、比較的大きく変化するが（図６（ｄ）中のＢ１〜Ｂ３参照）、同時に、当該光量は、振動に応じた測定体の照射光領域内における変位にも伴って微小に変化する（図６（ｄ）中のＣ１〜Ｃ３参照）。
【００１３】
上述したように、従来では、走査に応じた光量の変化分に基づいて特定部位の検出時点を決めていたため、検出時点が一義的に決めにくく精度の向上が困難であったが、本発明では、光量の振動に応じた変化分（変化の大きさ）に基づいて特定部位の検出時点を決めるようにしている。
【００１４】
この光量の振動に応じた変化分は、測定体の特定部位（１０４、１０７）の端部（１０４ａ、１０７ａ）と照射光領域（３０）との位置関係によって決まる。具体的には、照射光領域（３０）のうち測定体の特定部位の端部（１０４ａ、１０７ａ）と重なる部分の幅（Ｗ１〜Ｗ３）や輝度等は、上記位置関係によって変わるが、当該重なる部分の幅や輝度等が大きい（小さい）ほど、上記光量の振動に伴う変化分も大きく（小さく）なる（図６参照）。
【００１５】
そのため、上記光量の振動に応じた変化分（Ｃ）が最大となる時点を特定部位（１０４、１０７）の検出時点（Ｃ１０〜Ｃ１３）とすることで、距離計測において基準となる検出時点を、ばらつくことなく容易に一義的に限定でき、特定部位の検出精度が向上する（図７参照）。
【００１６】
そして、ある検出時点（Ｃ１０）を起点とし他の検出時点（Ｃ１１）を終点として、両点（Ｃ１０、Ｃ１１）の間に測定体（１００）が走査された相対変位量（ＲＭ１）から特定部位間の距離（Ｌ）を検出するようにしているため、正確な距離計測が可能となる。
【００１７】
よって、本発明によれば、測定精度の向上が図れるような距離計測方法を提供することができる。ここで、検出される光量の振動に応じた変化分が最大となる時点（最大時点）を求めるにあたっては、当該変化分（Ｃ）の微分値が０となる点を当該最大時点とし、この最大時点を検出時点とすることが考えられるが、検出される光量の振動に応じた変化分の最大時点近傍では、比較的ノイズが多く、微分値が０となる点が複数個存在する可能性がある。そこで、本発明のように、検出される光量の振動に応じた変化分（Ｃ）が最大となる時点を、当該変化分の最大値に対して１未満の設定値を乗じた値となる２つの時点の中央値とすれば、当該中央値を近似的に検出時点として用いることができる。
【００１８】
また、請求項２に記載の発明では、測定体（１００）における特定部位（１０４、１０７）間の距離（Ｌ）を光学的に計測する方法であって、光源（１）と測定体との間に反射部材（１２）を介在させ、光源から反射部材を介して測定体に光を照射するとともに、光源または反射部材を振動させながら走査することにより測定体から反射または透過する光量を検出し、検出される光量の振動に応じた変化分（Ｃ）が最大となる時点を特定部位の検出時点（Ｃ１０〜Ｃ１３）とし、複数の検出時点の間に測定体が走査された相対変位量（ＲＭ１）から特定部位間の距離を検出するものであり、前記検出される光量の前記振動に応じた変化分（Ｃ）が最大となる時点を、当該変化分の最大値に対して１未満の設定値を乗じた値となる２つの時点の中央値とすることを特徴とする。
【００１９】
それによれば、測定体（１００）を走査および振動させずに、照射される光の方を測定体に対して振動させながら走査することになる。そのため、相対的にみれば、請求項１の方法と同様、測定体の特定部位（１０４、１０７）の端部（１０４ａ、１０７ａ）は、照射される光の領域（照射光領域）（３０）を走査の方向（Ｙ）へ横切るように移動するとともに、当該端部（１０４ａ、１０７ａ）は照射光に対して振動し、この振動に対応して微小に変位する形となる。
【００２０】
そのため、本発明によっても、請求項１の発明と同様に、振動に応じた光量の変化分（変化の大きさ）が、照射光領域内における走査に応じた特定部位の端部の位置変化によって大きくなったり小さくなったりし、これを利用して、特定部位の検出時点を、ばらつくことなく容易に一義的に限定できる。
【００２１】
そして、本発明によっても、この検出時点を基準として距離計測を行うようにしているから、請求項１と同様の効果を実現することができる。なお、本発明は、照射光側を振動・走査するようにしているため、振動によって測定体が変形したり変位したり等、測定体側を振動させることが好ましくない場合であっても採用することができる。また、本発明においても、検出される光量の振動に応じた変化分（Ｃ）が最大となる時点を、当該変化分の最大値に対して１未満の設定値を乗じた値となる２つの時点の中央値とすれば、当該中央値を近似的に検出時点として用いることができる。
【００２２】
また、請求項３に記載の発明では、測定体（１００）の状態変化に伴う前記測定体の特定部位（１０４）の変位の距離を光学的に計測する方法であって、測定体の状態変化前において、測定体の特定部位に光を照射するとともに、この光を測定体に対して相対的に振動させながら走査することにより特定部位から反射または透過する光量を検出し、この検出される光量の振動に応じた変化分が最大となる時点を特定部位の第１の検出時点とし、測定体の状態変化後において、特定部位に光を照射するとともに、この光を測定体に対して相対的に振動させながら走査することにより特定部位から反射または透過する光量を検出し、この検出される光量の振動に応じた変化分が最大となる時点を特定部位の第２の検出時点とし、第１の検出時点から第２の検出時点まで光が測定体に対して走査された相対変位量（ＲＭ２）から特定部位の変位の距離を検出するものであり、検出される光量の前記振動に応じた変化分（Ｃ）が最大となる時点を、当該変化分の最大値に対して１以下の設定値を乗じた値となる２つの時点の中央値とすることを特徴とする。
【００２３】
本発明は、測定体の特定部位が或る位置から他の位置へ移動したり、温度変化により測定体が熱変形する等により当該特定部位の位置が変位したりする等、測定体の状態の変化が発生したときの当該状態変化に伴う特定部位の変位距離を光学的に計測する方法である。
【００２４】
そして、測定体（１００）の状態の変化前と変化後とで、照射される光を測定体に対して相対的に振動させながら走査することにより、特定部位（１０４）から反射または透過する光量を検出し、この検出される光量の振動に応じた変化分が最大となる時点を特定部位の検出時点としている。
【００２５】
そのため、請求項１の発明と同様、測定体の状態変化前、状態変化後にそれぞれ求められる第１の検出時点、第２の検出時点は、ばらつくことなく容易に一義的に限定できる。そして、第１及び第２の検出時点の間に光が測定体に対して走査された相対変位量（ＲＭ２）から、特定部位の変位の距離を検出するため、測定精度の向上が図れる。また、本発明においても、検出される光量の振動に応じた変化分（Ｃ）が最大となる時点を、当該変化分の最大値に対して１未満の設定値を乗じた値となる２つの時点の中央値とすれば、当該中央値を近似的に検出時点として用いることができる。
【００２６】
また、上述したように、検出される光量の振動に伴う変化分は、測定体の特定部位の端部と照射光領域との位置関係によって決まる。このことを適切に実現するには、請求項４や請求項５の発明のように、照射される光として、そのビーム（３０）の形状が振動および走査の方向に沿って面積が変化する形状となっているものや、そのビーム（３０）内の輝度分布が振動および走査の方向に沿って変化したものを用いれば良い。
【００２７】
また、上記請求項１や請求項２の発明において、照射される光に対して測定体（１００）を振動させながら走査したり、測定体に対して光源（１）または反射部材（１２）を振動させながら走査したりするには、請求項６や請求項７に記載の発明のように、その駆動信号（Ｓ１）として、比較的高い周波数で振幅の小さい信号（Ｓ１１）と比較的低い周波数で振幅の大きい信号（Ｓ１２）とを重畳して印可するようにすることができる。
【００２８】
それにより、上述したような測定体（１００）と照射光領域（３０）との相対変位が実現される。すなわち、測定体の特定部位（１０４、１０７）の端部（１０４ａ、１０７ａ）は、照射される光の領域（照射光領域）（３０）を走査の方向へ横切るように移動するとともに、当該端部（１０４ａ、１０７ａ）は照射光に対して相対的に振動し、この振動に対応して微小に変位する形となる。
【００２９】
また、請求項８に記載の発明では、検出される光量の信号を、請求項６または請求項７に記載の駆動信号（Ｓ１）における比較的高い周波数で振幅の小さい信号（Ｓ１１）と同じ周波数にてフィルタリングすることを特徴とする。
【００３０】
照射される光と測定体との間の相対的な振動は、上記駆動信号（Ｓ１）における比較的高い周波数で振幅の小さい信号（Ｓ１１）により発生するものである。そのため、本発明によれば、検出される光量の信号中の他の周波数信号やＤＣ成分といった外乱を除去し、振動に応じた光量の信号を適切に取り出すことができる。
【００３３】
また、請求項９に記載の発明では、測定体の表面に、測定体の表面とは反射率の異なる異反射率部を形成することを特徴とする。
【００３４】
それによれば、測定体の特定部位の端部が明確でなく、反射光や透過光の変化が不明確であるような場合に、この異反射率部と測定体の表面との境界が、測定体における特定部位の端部の代わりとなるため測定しやすくなる。
【００４３】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。なお、本発明を限定するものではないが、以下の実施形態では、櫛歯構造を有する半導体加速度センサ（測定体）において、特定部位として対向する可動電極と固定電極との間の距離（間隔）を計測する場合について説明する。
【００４５】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る半導体加速度センサの概略平面図である。なお、図１中のハッチングは識別のためのもので断面を示すものではない。このセンサ（測定体）１００は、シリコン基板等の半導体基板１０１に対して、周知の半導体製造技術を用いたマイクロマシン加工を施すことにより製造することができる。
【００４６】
半導体基板１０１には、溝（トレンチ）を形成することにより、可動部１０２および可動部１０２の周囲の固定部１０３とに区画されている。可動部１０２は、両側に櫛歯状に突出する可動電極１０４を有する錘部１０５が、矩形枠状の梁部１０６を介して固定部１０３に支持されたものであり、梁部１０６のバネ力によって、加速度印加時に図１中のＸ軸方向へ変位可能となっている。
【００４７】
また、固定部１０３には、可動部１０２の可動電極１０４と噛み合うように対向する櫛歯状の固定電極１０７が設けられている。そして、加速度印加によって可動電極１０４と固定電極１０７との間の距離Ｌが変化し、この距離変化に基づく両電極間の静電容量変化等を検出することにより、印加加速度を求めるものである。
【００４８】
この測定体としてのセンサ１００において、特定部位を可動電極１０４とこれに対向する固定電極１０７とし、これら両電極１０４、１０７の間の距離Ｌを、光学的に計測する。
【００４９】
図２は、本実施形態に係る距離計測装置の構成を模式的に示す概略構成図である。レーザ発振器（光源）１から出射したレーザ光は、ハーフミラー２を介して顕微鏡３に入射し、顕微鏡３内のハーフミラー５を介して対物レンズ４で集光されて、上記センサ（測定体）１００に照射される。
【００５０】
センサ１００は、発振器７で駆動されるステージ６上に取り付けられる。顕微鏡３にはＣＣＤカメラ１０が装着され、センサ１００の表面およびレーザ光の集光状態がモニタ１１で観察される。センサ１００で反射した光は受光素子８に入射し、信号は発振器７の出力周波数に同期したロックインアンプ９に入力され、信号光強度変化が計測される。なお、上記発振器７およびロックインアンプ９は、コンピュータ等よりなる制御部２０により作動制御される。
【００５１】
ここで、ステージ６は、発振器７からの駆動信号によってセンサ１００を振動させながら走査できるようになっている。具体的には、図３に示す様な駆動信号Ｓ１が入力される。この駆動信号Ｓ１は、比較的高い周波数で振幅の小さい信号（加振用信号）Ｓ１１と比較的低い周波数で振幅の大きい信号（走査用信号）Ｓ１２とが重畳された信号である。
【００５２】
この駆動信号Ｓ１の印加により、ステージ６とともにセンサ１００は、照射されるレーザ光に対し図２中の矢印Ｙ方向に沿って、加振用信号Ｓ１１に応じて小振幅で振動しながら、走査用信号Ｓ１２に応じて大振幅で走査されるようになっている。
【００５３】
また、受光素子８にて検出される反射光量の信号は、ロックインアンプ９によって、上記駆動信号Ｓ１における加振用信号Ｓ１１と同じ周波数にてフィルタリングされ、当該反射光量の信号における加振用信号Ｓ１１と同じ周波数の信号成分が、検出されるようになっている。
【００５４】
このように、距離計測装置は、測定体１００が搭載されるステージ６と、測定体１００に光を照射する光源１と、測定体１００に照射された光が測定体１００から反射する光量を検出するための検出部（受光素子８およびロックインアンプ９）とを備えており、駆動信号印加手段としての発振器７により駆動信号Ｓ１が印加されることで、ステージ６は、測定体１００を振動させながら走査できるようになっている。
【００５５】
次に、この距離計測装置を用いて、センサ１００における可動電極１０４と固定電極１０７との間の距離Ｌを計測する方法について説明する。図４は、本実施形態に係る距離計測方法の計測フローを示す流れ図である。
【００５６】
まず、計測条件を設定する（計測条件設定ステップ）。具体的には、ステージ６を駆動するための駆動信号Ｓ１について周波数や振幅等を決定して、所望のステージ移動量を設定したり、レーザ発振器１から照射されるレーザ光のビームの大きさや形状等を決定して、所望のレーザ光量を設定したりする。
【００５７】
次に、これら設定された計測条件に基づいて、計測を開始する。本例では、図５に示す様に、レーザ発振器１から照射されるレーザ光の照射光領域すなわち光ビーム３０の形状は、円形（例えば直径が数μｍ）であり、この円形領域内では輝度分布が均一なものである。
【００５８】
そして、発振器７から上記駆動信号Ｓ１をステージ６に印加することで、光ビーム３０に対してセンサ１００をＹ方向（図２参照）に沿って振動させながら走査する。それにより、光ビーム３０は、図５中のジグザグ矢印に示す様に、当該Ｙ方向に沿って、可動電極１０４の端部１０４ａと固定電極１０７の端部１０７ａとの間を移動する。
【００５９】
このとき、ステージ移動量を制御部２０に取り込むとともに、センサ１００と光ビーム３０との相対的な変位に伴う反射光量の変化を上記検出部８、９にて検出し、この検出された反射光量（検出反射光量）を制御部２０に取り込む（上記図４におけるステージ移動量、検出反射光量取り込みステップ）。
【００６０】
ここで、センサ１００と光ビーム３０との相対的な変位において、例えば、可動電極１０４の端部１０４ａを円形の光ビーム３０が横切る場合の検出反射光量の変化について、図６を参照して具体的に説明する。まず、図６（ａ）では、光ビーム３０の大部分が可動電極１０４上に位置する時点（時点Ａ１とする）を示しており、光ビーム３０の残りの右端部分が可動電極１０４の端部１０４ａからはみ出している。
【００６１】
また、図６（ｂ）では、図６（ａ）の状態から光ビーム３０が右側へ移動して、光ビーム３０の中央に可動電極１０４の端部１０４ａが位置する時点（時点Ａ２とする）を示しており、光ビーム３０の左半分が可動電極１０４上にあり、光ビーム３０の右半分が可動電極１０４の端部１０４ａからはみ出している。
【００６２】
また、図６（ｃ）では、図６（ｂ）の状態から光ビーム３０が右側へ移動して、光ビーム３０の左端部分が可動電極１０４上に位置する時点（時点Ａ３とする）を示しており、光ビーム３０の大部分が可動電極１０４の端部１０４ａからはみ出している。
【００６３】
この時点Ａ１→Ａ２→Ａ３の光ビーム３０の位置変化は、上記センサ１００の走査（走査用信号Ｓ１２）に応じたセンサ１００の光ビーム（照射光領域）３０内における変位による。また、各々の時点Ａ１〜Ａ３のそれぞれにおいては、図６（ａ）〜（ｃ）中に示す様に、上記センサ１００の振動（加振用信号Ｓ１１）に応じて微小な振幅（本例では、光ビーム３０の面積よりも小さい振幅）３１を持つ変位が生じる。
【００６４】
つまり、可動電極１０４の端部１０４ａは、光ビーム（照射光領域）３０に対する相対的な振動に対応して微小に変位しながら、当該端部１０４ａは、光ビーム３０をＹ方向（走査の方向）へ横切るように移動する。
【００６５】
図６（ｄ）に、各時点Ａ１、Ａ２、Ａ３における検出反射光量の変化を模式的に示す。検出反射光量は、上記した走査に応じた変位に伴って比較的大きく変化する。この走査に応じた変化分Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３は、光ビーム３０が可動電極１０４上に位置する部分の面積（図６（ａ）〜（ｃ）中のクロスハッチング領域）に依存する。
【００６６】
また、それと同時に、検出反射光量は、上記した振動に応じた変位にも伴って微小に変化する。この振動に応じた変化分Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３は、本例では、光ビーム３０のうち可動電極１０４の端部１０４ａに重なる部分の幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３と上記振動に応じた微小な振幅３１とにより決まる面積（図６（ａ）〜（ｃ）中の点々ハッチング領域、以下、振動面積という）に依存する。
【００６７】
本例では、光ビーム３０の形状が円形であり、振動および走査の方向Ｙに沿って面積が変化する形状（面積変化率を有した形状）となっているため、上記振動面積は、可動電極１０４の端部１０４ａと光ビーム３０との位置関係によって変化する。
【００６８】
つまり、当該端部１０４ａと光ビーム３０とが重なる部分の幅Ｗ１〜Ｗ３が大きい（小さい）ほど、上記振動面積が大きく（小さく）なり、結果、上記検出反射光量の振動に応じた変化分Ｃ１〜Ｃ３も大きく（小さく）なる。なお、上記図６を用いて述べてきたことは、固定電極１０７についても同様に言えることは明らかである。
【００６９】
そして、本例では、この検出反射光量の振動に応じた変化分Ｃ１〜Ｃ３を検出する。この検出は、具体的には、上述したように、検出反射光量の信号を駆動信号Ｓ１における加振用信号Ｓ１１と同じ周波数にてフィルタリングすることにより可能である。
【００７０】
それにより、検出反射光量の走査に応じた変化分Ｂ１〜Ｂ３や外部からの不要信号等の外乱が除去され、検出反射光量の振動に応じた変化分Ｃ１〜Ｃ３のみを、実質的に取り出すことができる。なお、この変化分は、例えば、上記図６（ｄ）に示す様な幅としての変化分Ｃ１〜Ｃ３をみたり、実効値や電圧値でみたりすることができる。
【００７１】
このような図６に示した原理に基づいて、光ビーム３０とセンサ１００とが相対的に振動しながら走査されているときの検出反射光量の振動に応じた変化分を検出した後、次に、この変化分と時間（走査時間）との関係を求める（上記図４における検出反射光量波形の測定ステップ）。
【００７２】
図７は、検出反射光量の振動に応じた変化分の時間（走査時間）に対する変化を示す図である。横軸に走査時間、左側の縦軸に検出反射光量の振動に応じた変化分、右側の縦軸にステージ６の移動量を示す。なお、ステージの移動量を示すグラフ線Ｇ１には、図７中の右側に拡大して示す様に、センサ１００の振動に応じた微小な振幅３１を持つ変位Ｇ２が生じている。
【００７３】
上述したように、検出反射光量の振動に応じた変化分は、可動および固定電極１０４、１０７の端部１０４ａ、１０７ａと光ビーム３０との位置関係によって幾何学的に決まり、本例では、図７に示すように、光ビーム３０の中心に各端部１０４ａ、１０７ａが位置したときに、検出反射光量の振動に応じた変化分（検出反射光量波形）Ｃは最大となる。
【００７４】
図７では、光ビーム３０が各端部１０４ａ、１０７ａを４回横切った場合を示しており、当該変化分Ｃの微分値が０となる点Ｃ１０、Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３を当該変化分Ｃが最大となる時点とし、この時点を検出時点Ｃ１０〜Ｃ１３とする。そして、これら検出時点Ｃ１０〜Ｃ１３を各電極１０４、１０７の端部１０４ａ、１０７ａとして認識する（上記図４における検出反射光量のピーク位置検出のステップ）。
【００７５】
次に、求められた複数の検出時点Ｃ１０〜Ｃ１３の間にセンサ１００が走査された相対変位量から特定部位間の距離を検出する。具体的には、図７に示す様に、例えば、検出時点Ｃ１０とＣ１１との間の走査時間ＳＴ１を計測し、この走査時間ＳＴ１内に移動したステージ６の移動量を移動量計測値ＲＭ１として算出する（上記図４におけるピーク間時間計測およびピーク間ステージ移動量算出のステップ）。
【００７６】
そして、上記移動量計測値ＲＭ１が、２つの検出時点Ｃ１０、Ｃ１１の間にセンサ１００が走査された相対変位量であり、この移動量計測値ＲＭ１が、可動電極１０４の端部１０４ａと固定電極１０７の端部１０７ａとの間の距離Ｌとして求められる。
【００７７】
このように、本実施形態によれば、検出反射光量の走査に応じた変化分に比べて、各電極（特定部位）１０４、１０７の端部１０４ａ、１０７ａと光ビーム３０との位置関係に敏感な検出反射光量の振動に応じた変化分Ｃに基づいて、検出時点を決めるようにしている。
【００７８】
そして、検出反射光量の振動に応じた変化分Ｃが最大となる時点を特定部位の検出時点Ｃ１０〜Ｃ１３とすることで、距離計測において基準となる検出時点を、ばらつくことなく容易に一義的に限定できるため、特定部位の検出精度が向上する。
【００７９】
そして、ある検出時点Ｃ１０を起点とし他の検出時点Ｃ１１を終点として、両点の間にセンサ（測定体）１００が走査された相対変位量ＲＭ１から特定部位１０４ａ、１０７ａ間の距離Ｌを検出するようにしているため、正確な距離計測が可能となる。
【００８０】
よって、本実施形態によれば、測定精度の向上が図れるような距離計測方法およびそのような距離計測方法を適切に実現することのできる距離計測装置を提供することができる。
【００８１】
また、本実施形態によれば、検出反射光量の信号を、上記駆動信号Ｓ１における比較的高い周波数で振幅の小さい信号（加振用信号）Ｓ１１と同じ周波数にてフィルタリングしている。それにより、検出反射光量の信号中の外乱を除去し、振動に応じた光量の信号を適切に取り出すことができる。
【００８２】
また、上記図７に示した例では、光ビーム３０は、各端部１０４ａ、１０７ａ間を２回往復するように走査される。それによって、検出時点がＣ１０、Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３の４個求められ、そのうちの前者２個の検出時点Ｃ１０、Ｃ１１の間の相対変位量ＲＭ１から、両端部１０４ａ、１０７ａ間の距離Ｌを求めている。
【００８３】
ここにおいて、光ビーム３０の１回目の往復と２回目の往復との間に時間を置き、その時間にてセンサ１００が熱膨張により変形するなど、センサ１００の状態が変わっていても良い。その場合、２回目の往復により求められる検出時点Ｃ１２、Ｃ１３間の相対変位量と１回目の相対変位量ＲＭ１とを比較することで、上記状態変化による両端部１０４ａ、１０７ａ間の距離Ｌの変化を検出することができる。
【００８４】
（第２実施形態）
本実施形態は、振動によって測定体が変形したり変位したり等、測定体側を振動させることが好ましくない場合に用いて好適な距離計測方法及び距離計測装置を提供することを目的としている。主として、上記第１実施形態との相違点について説明する。
【００８５】
例えば、上記第１実施形態では、測定体であるセンサ１００を振動させながら走査することにより、センサ１００と光ビーム３０とを相対的に変位させていたが、振動の周波数（加振用信号の周波数）や振動の大きさによっては、当該振動によって可動電極１０４と固定電極１０７との間の距離Ｌが変化してしまい、計測ができない場合が生じる。
【００８６】
図８は、本実施形態に係る距離計測装置の構成を模式的に示す概略構成図である。図８において、上記図２と変わっているのは、顕微鏡３を出たレーザ光が直接センサ（測定体）１００に照射されるのでは無く、発振器（駆動信号印加手段）７からの上記駆動信号Ｓ１で駆動されるステージ６に固定されたミラー（反射部材）１２で反射されてから照射される構成になっているところである。なお、センサ１００は固定されたステージ６ａに搭載される。
【００８７】
ステージ６は、駆動信号Ｓ１によって、図８中の矢印Ｙ方向または矢印Ｙ’方向に沿って振動しながら移動する。つまり、図８に示す距離計測装置は、測定体１００が搭載されるステージ６ａと、測定体１００に光を照射する光源１と、光源１と測定体１００との間に介在し光源１からの光を反射して測定体１００に照射する反射部材１２と、測定体１００に照射された光が測定体１００から反射する光量を検出するための検出部８、９とを備え、反射部材１００が振動しながら走査可能になっている。
【００８８】
本実施形態の装置においては、発振器７は、反射部材１２を駆動するための駆動信号Ｓ１を反射部材１２に印加する駆動信号印加手段として構成されている。そして、この装置を用いた本実施形態の距離計測方法では、上記第１実施形態と同様に計測条件設定を行った後、計測を開始する。
【００８９】
レーザ発振器（光源）１からミラー（反射部材）１２を介してセンサ（測定体）１００にレーザ光を照射するとともに、ミラー１２を、図８中の矢印Ｙ方向または矢印Ｙ’方向に振動させながら走査する。それによれば、センサ１００を走査および振動させずに固定したまま、照射されるレーザ光の方は、センサ１００に対して矢印Ｙ方向へ振動させながら走査される。
【００９０】
そのため、相対的にみれば、上記第１実施形態と同様、可動および固定電極１０４、１０７の端部１０４ａ、１０７ａは、光ビーム（照射光領域）３０を走査の方向（図８中の矢印Ｙ方向）へ横切るように移動するとともに、当該端部１０４ａ、１０７ａは光ビーム３０に対して相対的に振動し、この振動に対応して微小に変位する形となる。なお、本例では、センサ１００と光ビーム３０との間の相対的な走査および振動の方向Ｙが、上記図２における方向Ｙとは直交している。
【００９１】
そして、本実施形態においても、ステージ移動量を制御部２０に取り込むとともに、センサ１００と光ビーム３０との相対的な変位に伴う反射光量の変化を上記検出部８、９にて検出し、この検出された反射光量（検出反射光量）を制御部２０に取り込む（ステージ移動量、検出反射光量取り込みステップ）。
【００９２】
そして、上記第１実施形態と同様に、センサ１００と光ビーム３０との相対的な変位が行われるため、本実施形態においても、検出反射光量の振動に応じた光量の変化分が、可動および固定電極１０４、１０７の端部１０４ａ、１０７ａと光ビーム３０との位置関係によって大きくなったり小さくなったりする。
【００９３】
そのため、上記図７に示したものと同様の検出反射光量波形を求め（検出反射光量波形の測定ステップ）、この波形から、検出反射光量の振動に応じた変化分Ｃが最大となる時点を特定部位１０４、１０７の検出時点Ｃ１０〜Ｃ１３とすることができる（検出反射光量のピーク位置検出のステップ）。
【００９４】
そして、本実施形態によっても、複数の検出時点Ｃ１０〜Ｃ１３の間に測定体１００が走査された相対変位量から特定部位１０４、１０７間の距離Ｌを検出する（ピーク間時間計測およびピーク間ステージ移動量算出のステップ）。例えば、２つの検出時点Ｃ１０、Ｃ１１間の相対変位量ＲＭ１を特定部位１０４、１０７間の距離Ｌとして検出することができる。
【００９５】
このように、本実施形態によっても、特定部位の検出時点（可動および固定電極１０４、１０７の端部１０４ａ、１０７ａ）をばらつくことなく容易に一義的に限定できる。
【００９６】
そして、この検出時点を基準として距離計測を行うようにしているから、上記第１実施形態と同様に、測定精度の向上が図れるような距離計測方法およびそのような距離計測方法を適切に実現することのできる距離計測装置を提供することができる。
【００９７】
さらに、本実施形態では、照射光であるレーザ光３０を振動・走査するようにしているため、振動によって測定体が変形したり変位したり等、測定体側を振動させることが好ましくない場合であっても採用することができる。
【００９８】
なお、図８に示す例では、反射部材としてのミラー１２をステージ６とともに振動させながら移動させているが、反射部材１２および測定体１００は固定した状態とし、レーザ発振器（光源）１を駆動ステージに取り付けてレーザ発振器１を振動させながら移動するようにしても、上記した本実施形態の効果は同様に得られることは明らかである。
【００９９】
（第３実施形態）
本実施形態は、測定体の特定部位が或る位置から他の位置へ移動したり、温度変化により測定体が熱変形する等により当該特定部位の位置が変位したりする等、測定体の状態の変化が発生したときの当該状態変化に伴う特定部位の変位距離を光学的に計測する方法である。
【０１００】
例えば、図９に示すように、上記センサ１００における可動電極１０４が室温から高温となったとき、（ａ）に示す初期状態から熱膨張して端部１０４ａの位置が変位し、（ｂ）に示すような状態（変位状態）になったときを考える。なお、本実施形態の計測方法は、上記図２または図８に示す計測装置を用いて実現可能である。
【０１０１】
このとき、図９（ａ）の初期状態（測定体の状態変化前）では、上記第１または第２実施形態の計測方法と同様に、可動電極１０４にレーザ光を照射するとともに、光ビーム３０をセンサ１００に対して相対的に振動させながら走査する。それにより、可動電極１０４から反射する光量を検出し、検出反射光量の振動に応じた変化分が最大となる時点を可動電極１０４における第１の検出時点とする。
【０１０２】
すなわち、図９（ａ）に示すように、光ビーム３０の中心に可動電極１０４の端部１０４ａが位置したときに、検出反射光量の振動に応じた変化分が最大の変化分Ｃ２となる。この変化分Ｃ２となる時点を第１の検出時点とする。
【０１０３】
次に、図９（ｂ）に示す変位状態（測定体の状態変化後）では、可動電極１０４の端部１０４ａが変位して光ビーム３０の周辺部に位置するため、検出反射光量の振動に応じた変化分Ｃは、最大値Ｃ２よりも小さい変化分Ｃ１となる。
【０１０４】
そこで、図９（ｃ）に示すように、変位状態となった可動電極１０４に対して、光ビーム３０を相対的に振動させながら走査することにより反射する光量を検出し、検出反射光量の振動に応じた変化分Ｃが再び最大となる時点を可動電極１０４の第２の検出時点とする。
【０１０５】
すなわち、図９（ｃ）に示すように、光ビーム３０を第１の検出時点（図９（ｃ）中、破線にて図示）における位置から移動させ、再び光ビーム３０の中心に可動電極１０４の端部１０４ａが位置したときに、検出反射光量の振動に応じた変化分Ｃが最大の変化分Ｃ２’となる。この変化分Ｃ２’となる時点を第２の検出時点とする。
【０１０６】
そして、第１の検出時点から第２の検出時点まで光が測定体に対して走査された相対変位量ＲＭ２から、センサ１００の熱膨張による可動電極１０４の端部１０４ａの変位の距離が検出される。すなわち、当該変位の距離は上記相対変位量ＲＭ２に相当する。
【０１０７】
このように、本実施形態においては、上記第１または第２実施形態の計測方法を利用して、測定体１００の状態の変化前と変化後とで、照射される光を測定体１００に対して相対的に振動させながら走査することにより、特定部位１０４から反射する光量を検出し、検出反射光量の振動に応じた変化分が最大値Ｃ２、Ｃ２’となる時点を特定部位１０４の検出時点としている。
【０１０８】
そのため、上記実施形態と同様、測定体１００の状態変化前、状態変化後にそれぞれ求められる第１の検出時点、第２の検出時点は、ばらつくことなく容易に一義的に限定される。そして、第１及び第２の検出時点の間に光が測定体に対して走査された相対変位量ＲＭ２から、特定部位１０４の変位の距離を検出するため、測定精度の向上が図れる。
【０１０９】
（他の実施形態）
なお、その形状が振動および走査の方向Ｙに沿って面積が変化する形状（面積変化率を有した形状）となっている光ビーム３０としては、上記例に示した円形以外にも、例えば、菱形や楕円等の形状であっても良い。
【０１１０】
また、上記図６に示す例では、光ビーム３０が円形であるがゆえ、検出反射光量の振動に応じた変化分Ｃ１〜Ｃ３は、可動電極１０４の端部１０４ａと光ビーム３０との位置関係によって変化するものであった。
【０１１１】
ここにおいて、図１０に示す様に、光ビーム３０の形状が、振動および走査の方向Ｙに沿って面積が変化しない形状（図示例では、四角形）であると、検出反射光量の振動に応じた変化分は走査に伴って変化しない。しかし、その場合でも、図１０に示す様に、光ビーム３０内で輝度分布が振動および走査の方向Ｙに沿って変化したものを用いれば良い。
【０１１２】
図１０では、振動及び走査の方向Ｙに沿って、光ビーム３０の中央部で最も輝度が大きく、周辺部に行くに連れて輝度が小さくなるように輝度分布が変化している。それにより、例えば、可動電極１０４の端部１０４ａが光ビーム３０内をＹ方向へ移動し、当該端部１０４ａと光ビーム３０との位置関係が変化すると、上記検出反射光量の振動に応じた変化分Ｃも変化する。
【０１１３】
また、走査の方向と振動の方向とは一致していなくとも良い。つまり、測定体の特定部位が光ビームの中で走査され移動して行くに連れて、上記検出反射光量の振動に応じた変化分が変化するような振動の方向であればよい。
【０１１４】
また、上記実施形態では、検出反射光量の振動に応じた変化分Ｃが最大となる時点（最大時点）を求めるにあたって、当該変化分Ｃの微分値が０となる点を当該最大時点とし、この最大時点を検出時点としていた。ここにおいて、図１１に示す様に、検出反射光量の振動に応じた変化分Ｃの最大値Ｃｍａｘ近傍では、比較的ノイズが多く、微分値が０となる点Ｃｎが複数個存在する場合がある。
【０１１５】
そこで、図１１に示す様に、検出反射光量の振動に応じた変化分Ｃの最大値Ｃｍａｘに対して１未満の設定値Ｋを乗じ、その値Ｋ・Ｃｍａｘとなる２つの時点Ｃ１０’、Ｃ１０”を求める。そして、２つの時点Ｃ１０’、Ｃ１０”の中央値Ｃ１００は、おおよそ変化分Ｃの最大値Ｃｍａｘに対応するため、この中央値Ｃ１００を近似的に検出時点として用いることができる。
【０１１６】
また、図１２に示す様に、可動電極１０４の端部１０４ａ、固定電極１０７の端部１０７ａが、直線ではなく凹凸を持つ場合がある。このように、特定部位の端部が不定形であると、両端部間を結ぶ１つの直線（例えば、図１２中の直線Ｑ１）上のみに、光ビーム３０を走査しても正確な距離が得られない場合がある。
【０１１７】
そのような場合、図１２に示す様に、直線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、‥‥‥、Ｑｎに沿って光ビーム３０を走査させることで、計測点周囲の微小領域で複数回計測を行い、平均値を採る等、統計的処理を行うことにより代表値を算出すれば良い。それにより、計測しにくい形状であっても、より正確な両端部１０４ａ、１０７ａ間の距離が得られる。
【０１１８】
また、測定体の特定部位の端部が明確でなく、反射光や透過光の変化が不明確であるような場合には、測定体の表面に、測定体の表面とは反射率の異なる異反射率部を形成しても良い。それによれば、この異反射率部と測定体の表面との境界が、測定体における特定部位の端部の代わりとなるため測定しやすくなる。
【０１１９】
例えば、上記センサ１００はシリコン基板等よりなるが、センサ１００の表面の所定部位にＣｒ（クロム）を蒸着させる等の表面処理により反射率の差を作ったり、素材と反射率に差があるシートを貼付したりする等により、反射率境界部分を創生することが可能である。
【０１２０】
なお、上記各実施形態では、測定体１００に照射された光が測定体１００から反射する光量を検出していたが、反射光ではなく、測定体１００の特定部位１０４、１０７に照射された光が測定体１００から透過する光量（透過光量）を検出するようにしても良い。
【０１２１】
この場合、透過光量の振動に応じた変化分は、上記した反射光量の振動に応じた変化分と同様に検出することができ、この検出された透過光量の振動に応じた変化分が最大となる時点を、特定部位の検出時点とすれば良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体加速度センサの概略平面図である。
【図２】上記第１実施形態に係る距離計測装置の概略構成図である。
【図３】ステージ駆動用の駆動信号の波形を示す図である。
【図４】上記第１実施形態に係る距離計測方法を示す流れ図である。
【図５】計測においてセンサに光ビームを照射した状態を示す図である。
【図６】センサと光ビームとの相対的な変位における検出反射光量の変化を説明するための説明図である。
【図７】検出反射光量の振動に応じた変化分の走査時間に対する変化を示す図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る距離計測装置の概略構成図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係る距離計測方法を説明するための説明図である。
【図１０】光ビーム内の輝度分布が振動および走査の方向に沿って変化している例を示す図である。
【図１１】検出反射光量の振動に応じた変化分の最大となる時点を近似的に求める方法を示す説明図である。
【図１２】計測点周囲の微小領域で複数回計測を行う例を示す説明図である。
【図１３】従来の一般的な距離測定方法を示す説明図である。
【図１４】図１３に示す距離測定方法によって測定体から検出される反射光量の様子を示す図である。
【符号の説明】
１…レーザ発振器（光源）、６…ステージ、
７…発振器（駆動信号印加手段）、８…受光素子、９…ロックインアンプ、
１２…ミラー（反射部材）、３０…光ビーム、
１００…半導体加速度センサ（測定体）、１０４…可動電極、
１０７…固定電極、Ｃ…検出反射光量の振動に応じた変化分、
Ｃ１０、Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３…検出時点、
Ｌ…可動電極と固定電極との間の距離（特定部位間の距離）、
ＲＭ１、ＲＭ２…相対変位量、Ｓ１…駆動信号、Ｓ１１…加振用信号、
Ｓ１２…走査用信号。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention provides a distance measuring method for optically measuring the distance between specific parts of a measuring object and the distance of displacement of a specific part accompanying a change in the state of the measuring object. To the law Related.
[0002]
[Prior art]
As a conventional technique of this type, there is a laser Doppler velocimeter (LDV) that irradiates a moving object with a laser and detects a Doppler beat with reflected light. This can integrate the detected velocity and measure minute displacements of several nanometers (nanometers) or less, but the dimensions of a stationary object that cannot use the Doppler effect, distance measurement before and after displacement, There is a problem that you can not.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In addition, in order to measure the distance between stationary structures, the reflected light amount is detected by irradiating light with a piezoelectric element or the like, and the reflected light amount is detected. However, since the edge portion cannot be detected with high accuracy, for example, with accuracy on the order of nm, sufficient accuracy cannot be obtained.
[0004]
This problem will be described with reference to a specific example. FIG. 13 shows a distance (interval) L between a movable electrode 104 and a fixed electrode 107 facing each other as a specific part in a semiconductor acceleration sensor (measuring body) 100 having a generally known comb-tooth structure. Shows the case.
[0005]
As shown in FIG. 13, by using a light (laser light or the like) beam 30 using a piezoelectric element or the like and moving the light beam (irradiation light region) 30 and the measuring body 100 relatively, the movable electrode 104 is moved. From the first electrode 104 and the second electrode 104 to the fixed electrode 107.
[0006]
At this time, the amount of reflected light detected from the measurement body is shown in FIG. 14, and the light beam 30 passes through the end portion (edge portion) 104 a of the movable electrode 104 and the end portion (edge portion) 107 a of the fixed electrode 107. Has a change point.
[0007]
Here, the distance is calculated from the time interval at which the light amount is equal to or greater than a certain threshold and the scanning speed, but the reflected light amount does not show a sudden light amount change at the edge portions 104a and 107a as shown in FIG. It changes gradually. Therefore, the measurement distance (interval) becomes various values as indicated by L1 and L2 in FIG. 14 depending on the threshold values T1 and T2, that is, the detection time setting method.
[0008]
That is, in the conventional method, the detection accuracy of the specific part in the measurement object is not sufficient and cannot be detected with high accuracy (for example, accuracy on the order of nm). It was not easy, and the distance measurement accuracy was not sufficient.
[0009]
In view of the above problems, the present invention is a distance measurement method that can improve measurement accuracy. The law The purpose is to provide.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, there is provided a method for optically measuring a distance (L) between specific parts (104, 107) in a measurement body (100), wherein The amount of light reflected or transmitted from the measurement body is detected by scanning the light while vibrating the measurement body, and the amount of change (C) corresponding to the vibration of the detected light quantity is maximized. The time point is set as the detection time point of the specific part (C10 to C13), and the distance between the specific part is detected from the relative displacement amount (RM1) scanned by the measuring body during the plurality of detection time points. The point of time when the amount of change (C) corresponding to the vibration of the light amount becomes maximum is 1 for the maximum value of the amount of change. Less than It is characterized by the median value of two time points that are multiplied by the set value of.
[0011]
According to this, the end (104a, 107a) of the specific part (104, 107) of the measuring body by scanning the measuring body changes the region of irradiated light (irradiated light region) (30) in the scanning direction (Y ), The end portions (104a, 107a) vibrate relative to the irradiation light, and are slightly displaced in response to the vibration (see FIGS. 6A to 6C). ).
[0012]
Then, the amount of light reflected or transmitted from the specific part (104, 107) changes relatively greatly with the displacement in the irradiation light region of the measurement object in accordance with the scanning (in FIG. 6D). At the same time, the amount of light changes slightly with the displacement of the measurement object in the irradiation light region according to the vibration (see C1 to C3 in FIG. 6D).
[0013]
As described above, in the past, the detection time of the specific part was determined based on the amount of change in the amount of light according to the scan, so it was difficult to uniquely determine the detection time, and it was difficult to improve accuracy. The detection time of the specific part is determined based on the change (the magnitude of the change) according to the vibration of the light amount.
[0014]
The amount of change corresponding to the vibration of the amount of light is determined by the positional relationship between the end portions (104a, 107a) of the specific parts (104, 107) of the measurement object and the irradiation light region (30). Specifically, the width (W1 to W3), the luminance, and the like of the portion of the irradiation light region (30) that overlaps the end portions (104a, 107a) of the specific part of the measurement object vary depending on the positional relationship, but the overlap. As the width, brightness, etc. of the portion is larger (smaller), the amount of change caused by the vibration of the light amount becomes larger (smaller) (see FIG. 6).
[0015]
Therefore, by setting the time point at which the amount of change (C) corresponding to the vibration of the light amount is the maximum as the detection time points (C10 to C13) of the specific part (104, 107), the detection time point serving as a reference in distance measurement is It can be easily and unambiguously limited without variation, and the detection accuracy of a specific part is improved (see FIG. 7).
[0016]
Then, a specific part is obtained from a relative displacement (RM1) in which the measuring body (100) is scanned between both points (C10, C11) with a certain detection time point (C10) as a starting point and another detection time point (C11) as an end point. Since the distance (L) is detected, accurate distance measurement is possible.
[0017]
Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a distance measurement method capable of improving the measurement accuracy. Here, in obtaining the time point (maximum time point) at which the amount of change corresponding to the vibration of the detected light amount becomes maximum, the point at which the differential value of the amount of change (C) becomes 0 is taken as the maximum time point. Although it is conceivable that the time point is set as the detection time point, there is a possibility that there are a plurality of points where the differential value becomes 0 near the maximum time point of the change corresponding to the vibration of the detected light amount. is there. Therefore, as in the present invention, the point of time when the change (C) corresponding to the vibration of the detected light quantity becomes maximum is set to 1 for the maximum value of the change. Less than If the median value of two time points becomes a value obtained by multiplying the set value, the median value can be approximately used as the detection time point.
[0018]
The invention according to claim 2 is a method for optically measuring the distance (L) between the specific parts (104, 107) in the measuring body (100), wherein the distance between the light source (1) and the measuring body. A reflecting member (12) is interposed between the light source and the measuring member to irradiate light through the reflecting member, and the amount of light reflected or transmitted from the measuring member is detected by scanning while vibrating the light source or reflecting member. The point of time (C10 to C13) at which the change (C) corresponding to the vibration of the detected light amount is maximum is set as the detection point (C10 to C13) of the specific part, and the relative displacement ( RM1) is used to detect the distance between specific parts, and the time when the amount of change (C) corresponding to the vibration of the detected light amount becomes maximum is 1 with respect to the maximum value of the change. Less than It is characterized by the median value of two time points that are multiplied by the set value of.
[0019]
According to this, scanning is performed while oscillating the irradiated light with respect to the measuring body without scanning and vibrating the measuring body (100). Therefore, when viewed relatively, the end portions (104a, 107a) of the specific parts (104, 107) of the measurement object are irradiated with the irradiated region (irradiated light region) (30), as in the method of claim 1. Are moved across the scanning direction (Y), and the end portions (104a, 107a) vibrate with respect to the irradiation light and are displaced minutely in response to the vibration.
[0020]
Therefore, also in the present invention, as in the first aspect of the present invention, the change in the amount of light (the magnitude of the change) according to the vibration is caused by the change in the position of the end of the specific part according to the scanning in the irradiation light region. By using this, it is possible to easily and uniquely limit the detection time of a specific part without variation.
[0021]
Also according to the present invention, since the distance measurement is performed based on the detection time point, the same effect as in the first aspect can be realized. In addition, since the present invention vibrates and scans the irradiation light side, it may be employed even when it is not preferable to vibrate the measuring body side such as deformation or displacement of the measuring body due to vibration. Can do. Also in the present invention, the time point at which the change (C) corresponding to the vibration of the detected light quantity becomes maximum is set to 1 for the maximum value of the change. Less than If the median value of two time points becomes a value obtained by multiplying the set value, the median value can be approximately used as the detection time point.
[0022]
The invention according to claim 3 is a method for optically measuring the distance of displacement of the specific part (104) of the measurement body accompanying a change in state of the measurement body (100), wherein the change in state of the measurement body Before irradiating a specific part of the measuring body with light and scanning the light while vibrating relative to the measuring body, the amount of light reflected or transmitted from the specific part is detected, and the detected light quantity The time point at which the change corresponding to the vibration of the signal becomes the maximum is set as the first detection time point of the specific part. After the state change of the measurement object, the specific part is irradiated with light, and this light is The amount of light reflected or transmitted from the specific part is detected by scanning while vibrating, and the time point at which the change corresponding to the vibration of the detected light quantity becomes maximum is the second detection time point of the specific part. At the time of detection Detecting the distance displacement of the specific part from the relative displacement of the light to the second detection point is scanned for the measurement body (RM2) The time point at which the change (C) corresponding to the vibration of the detected light amount becomes maximum is the value obtained by multiplying the maximum value of the change by a setting value of 1 or less. Set to median It is characterized by that.
[0023]
The present invention relates to the state of the measuring body such that the specific part of the measuring body moves from one position to another position, or the position of the specific part is displaced due to thermal deformation of the measuring body due to temperature change. This is a method of optically measuring the displacement distance of a specific part associated with the state change when a change occurs.
[0024]
Then, before and after the change of the state of the measurement body (100), the amount of light reflected or transmitted from the specific part (104) by scanning while irradiating the irradiated light relative to the measurement body. And the time at which the amount of change corresponding to the vibration of the detected light quantity is maximum is set as the detection time of the specific part.
[0025]
Therefore, similarly to the first aspect of the invention, the first detection time point and the second detection time point obtained before and after the state change of the measuring body can be easily and uniquely limited without variation. And since the distance of the displacement of a specific part is detected from the relative displacement amount (RM2) by which the light was scanned with respect to the measurement body between the 1st and 2nd detection time points, the measurement accuracy can be improved. Also in the present invention, the time point at which the change (C) corresponding to the vibration of the detected light quantity becomes maximum is set to 1 for the maximum value of the change. Less than If the median value of two time points becomes a value obtained by multiplying the set value, the median value can be approximately used as the detection time point.
[0026]
Further, as described above, the amount of change due to the vibration of the detected light amount is determined by the positional relationship between the end of the specific part of the measurement body and the irradiation light region. In order to appropriately realize this, as in the inventions of claims 4 and 5, the shape of the beam (30) as the irradiated light has a shape whose area changes along the direction of vibration and scanning. Or the one in which the luminance distribution in the beam (30) is changed along the direction of vibration and scanning.
[0027]
Further, in the invention of the first or second aspect, scanning is performed while vibrating the measuring body (100) with respect to the irradiated light, or the light source (1) or the reflecting member (12) is applied to the measuring body. In order to perform scanning while oscillating, the drive signal (S1) has a relatively high frequency and a small amplitude signal (S11) and a relatively low frequency as in the inventions of claims 6 and 7. Thus, a signal having a large amplitude (S12) can be superimposed and applied.
[0028]
Thereby, the relative displacement between the measurement body (100) and the irradiation light region (30) as described above is realized. That is, the end portions (104a, 107a) of the specific parts (104, 107) of the measurement body move so as to cross the irradiated light region (irradiated light region) (30) in the scanning direction, and The parts (104a, 107a) vibrate relative to the irradiation light and are displaced slightly in response to this vibration.
[0029]
In the invention according to claim 8, the detected light amount signal is the same frequency as the signal (S11) having a relatively high frequency and a small amplitude in the drive signal (S1) according to claim 6 or claim 7. It is characterized by filtering at.
[0030]
The relative vibration between the irradiated light and the measurement object is generated by a signal (S11) having a relatively high frequency and a small amplitude in the drive signal (S1). Therefore, according to the present invention, disturbances such as other frequency signals and DC components in the detected light amount signal can be removed, and a light amount signal corresponding to the vibration can be appropriately extracted.
[0033]
Claims 9 In the invention described in item 1, an irregular reflectance portion having a reflectance different from that of the surface of the measurement body is formed on the surface of the measurement body.
[0034]
According to this, when the end of a specific part of the measurement object is not clear and the change in reflected light or transmitted light is unclear, the boundary between the different reflectance part and the surface of the measurement object is measured. It becomes easy to measure because it replaces the end of a specific part of the body.
[0043]
In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means is an example which shows a corresponding relationship with the specific means as described in embodiment mentioned later.
[0044]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments shown in the drawings will be described below. In addition, although this invention is not limited, in the following embodiment, in the semiconductor acceleration sensor (measurement body) which has a comb-tooth structure, the distance (space | interval) between the movable electrode and fixed electrode which oppose as a specific part. The case of measuring the will be described.
[0045]
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic plan view of the semiconductor acceleration sensor according to the present embodiment. In addition, the hatching in FIG. 1 is for identification, and does not show a cross section. The sensor (measuring body) 100 can be manufactured by subjecting a semiconductor substrate 101 such as a silicon substrate to micromachining using a known semiconductor manufacturing technique.
[0046]
The semiconductor substrate 101 is partitioned into a movable portion 102 and a fixed portion 103 around the movable portion 102 by forming a groove (trench). The movable portion 102 is configured such that a weight portion 105 having movable electrodes 104 projecting in a comb shape on both sides is supported by a fixed portion 103 via a rectangular frame-shaped beam portion 106, and the spring force of the beam portion 106. Thus, it can be displaced in the X-axis direction in FIG. 1 when an acceleration is applied.
[0047]
In addition, the fixed portion 103 is provided with a comb-shaped fixed electrode 107 that is opposed to be engaged with the movable electrode 104 of the movable portion 102. The distance L between the movable electrode 104 and the fixed electrode 107 changes due to the application of acceleration, and the applied acceleration is obtained by detecting a change in capacitance between the two electrodes based on the change in distance.
[0048]
In the sensor 100 as the measuring body, a specific part is a movable electrode 104 and a fixed electrode 107 facing the movable electrode 104, and a distance L between the electrodes 104 and 107 is optically measured.
[0049]
FIG. 2 is a schematic configuration diagram schematically showing the configuration of the distance measuring apparatus according to the present embodiment. The laser light emitted from the laser oscillator (light source) 1 enters the microscope 3 through the half mirror 2, is condensed by the objective lens 4 through the half mirror 5 in the microscope 3, and the sensor (measurement body). 100 is irradiated.
[0050]
The sensor 100 is mounted on a stage 6 driven by an oscillator 7. A CCD camera 10 is attached to the microscope 3, and the surface of the sensor 100 and the condensing state of the laser light are observed on the monitor 11. The light reflected by the sensor 100 enters the light receiving element 8, and the signal is input to the lock-in amplifier 9 synchronized with the output frequency of the oscillator 7 to measure the change in signal light intensity. The oscillator 7 and the lock-in amplifier 9 are controlled by a control unit 20 such as a computer.
[0051]
Here, the stage 6 can be scanned while vibrating the sensor 100 by a drive signal from the oscillator 7. Specifically, a drive signal S1 as shown in FIG. 3 is input. The drive signal S1 is a signal in which a signal having a relatively high frequency and a small amplitude (excitation signal) S11 and a signal having a relatively low frequency and a large amplitude (scanning signal) S12 are superimposed.
[0052]
By applying the drive signal S1, the sensor 100 together with the stage 6 scans while oscillating with a small amplitude according to the excitation signal S11 along the arrow Y direction in FIG. Scanning with a large amplitude is performed in accordance with the signal S12.
[0053]
The reflected light amount signal detected by the light receiving element 8 is filtered by the lock-in amplifier 9 at the same frequency as the excitation signal S11 in the drive signal S1, and the excitation signal in the reflected light amount signal is obtained. A signal component having the same frequency as that of S11 is detected.
[0054]
As described above, the distance measuring device detects the stage 6 on which the measuring body 100 is mounted, the light source 1 that irradiates the measuring body 100 with light, and the amount of light reflected from the measuring body 100 by the light irradiated on the measuring body 100. The stage 6 vibrates the measuring body 100 when the drive signal S1 is applied by the oscillator 7 as the drive signal applying means. You can scan while.
[0055]
Next, a method for measuring the distance L between the movable electrode 104 and the fixed electrode 107 in the sensor 100 using this distance measuring device will be described. FIG. 4 is a flowchart showing a measurement flow of the distance measurement method according to the present embodiment.
[0056]
First, measurement conditions are set (measurement condition setting step). Specifically, the frequency and amplitude of the drive signal S1 for driving the stage 6 are determined to set a desired stage movement amount, and the size and shape of the laser beam emitted from the laser oscillator 1 Etc. and a desired laser light quantity is set.
[0057]
Next, measurement is started based on these set measurement conditions. In this example, as shown in FIG. 5, the irradiation region of the laser beam irradiated from the laser oscillator 1, that is, the shape of the light beam 30 is circular (for example, the diameter is several μm), and the luminance distribution is within this circular region. Is uniform.
[0058]
Then, by applying the drive signal S1 from the oscillator 7 to the stage 6, the light beam 30 is scanned while vibrating the sensor 100 along the Y direction (see FIG. 2). As a result, the light beam 30 moves between the end 104a of the movable electrode 104 and the end 107a of the fixed electrode 107 along the Y direction, as indicated by the zigzag arrow in FIG.
[0059]
At this time, the amount of movement of the stage is taken into the control unit 20, and a change in the amount of reflected light accompanying the relative displacement between the sensor 100 and the light beam 30 is detected by the detection units 8 and 9, and the detected reflected light amount is detected. (Detected reflected light amount) is captured by the control unit 20 (stage movement amount, detected reflected light amount capturing step in FIG. 4).
[0060]
Here, regarding the relative displacement between the sensor 100 and the light beam 30, for example, a change in the detected reflected light amount when the circular light beam 30 crosses the end 104a of the movable electrode 104 will be described with reference to FIG. I will explain it. First, FIG. 6A shows a point in time when the most part of the light beam 30 is located on the movable electrode 104 (referred to as time point A1), and the remaining right end part of the light beam 30 is the end part of the movable electrode 104. It protrudes from 104a.
[0061]
6B, when the light beam 30 moves to the right from the state of FIG. 6A and the end 104a of the movable electrode 104 is located at the center of the light beam 30 (referred to as time A2). The left half of the light beam 30 is on the movable electrode 104, and the right half of the light beam 30 protrudes from the end 104 a of the movable electrode 104.
[0062]
FIG. 6C shows a point in time when the light beam 30 moves to the right side from the state of FIG. 6B and the left end portion of the light beam 30 is positioned on the movable electrode 104 (referred to as time point A3). Most of the light beam 30 protrudes from the end 104 a of the movable electrode 104.
[0063]
The change in the position of the light beam 30 from the time point A1 to A2 to A3 is due to the displacement in the light beam (irradiation light region) 30 of the sensor 100 according to the scanning of the sensor 100 (scanning signal S12). Further, at each of the time points A1 to A3, as shown in FIGS. 6A to 6C, a minute amplitude (in this example, according to the vibration of the sensor 100 (vibration signal S11) is used. A displacement having an amplitude 31 smaller than the area of the light beam 30 occurs.
[0064]
That is, the end 104a of the movable electrode 104 is slightly displaced in response to the relative vibration with respect to the light beam (irradiation light region) 30, while the end 104a moves the light beam 30 in the Y direction (scanning direction). ) And move across.
[0065]
FIG. 6D schematically shows changes in the amount of detected reflected light at each time point A1, A2, and A3. The detected reflected light amount changes relatively greatly with the displacement according to the scanning described above. Changes B1, B2, and B3 corresponding to the scanning depend on the area of the portion where the light beam 30 is positioned on the movable electrode 104 (cross-hatched region in FIGS. 6A to 6C).
[0066]
At the same time, the detected reflected light amount changes minutely with the displacement according to the vibration described above. In this example, the changes C1, C2, and C3 corresponding to the vibration are the widths W1, W2, and W3 of the portion of the light beam 30 that overlaps the end 104a of the movable electrode 104, and the minute amplitude 31 corresponding to the vibration. Depending on the area (dotted areas in FIGS. 6A to 6C, hereinafter referred to as vibration areas).
[0067]
In this example, the shape of the light beam 30 is circular, and the area changes along the vibration and scanning direction Y (a shape having an area change rate). It changes depending on the positional relationship between the end 104 a of the light 104 and the light beam 30.
[0068]
That is, as the width W1 to W3 of the portion where the end 104a and the light beam 30 overlap is larger (smaller), the vibration area becomes larger (smaller), and as a result, the change C1 corresponding to the vibration of the detected reflected light amount. .About.C3 also becomes larger (smaller). It should be noted that what has been described with reference to FIG. 6 can be similarly applied to the fixed electrode 107.
[0069]
In this example, changes C1 to C3 corresponding to the vibration of the detected reflected light amount are detected. Specifically, as described above, this detection can be performed by filtering the signal of the detected reflected light amount at the same frequency as the excitation signal S11 in the drive signal S1.
[0070]
As a result, disturbances such as changes B1 to B3 corresponding to scanning of the detected reflected light amount and unnecessary signals from the outside are removed, and only changes C1 to C3 corresponding to vibration of the detected reflected light amount are substantially taken out. Can do. Note that this change can be seen, for example, as changes C1 to C3 as widths as shown in FIG. 6D, or as an effective value or a voltage value.
[0071]
Based on the principle shown in FIG. 6, after detecting a change corresponding to the vibration of the detected reflected light amount when the light beam 30 and the sensor 100 are scanned while relatively vibrating, Then, the relationship between this change and time (scanning time) is obtained (measurement step of the detected reflected light amount waveform in FIG. 4).
[0072]
FIG. 7 is a diagram illustrating a change with respect to time (scanning time) of a change corresponding to the vibration of the detected reflected light amount. The horizontal axis represents the scanning time, the left vertical axis represents the amount of change corresponding to the vibration of the detected reflected light amount, and the right vertical axis represents the amount of movement of the stage 6. Note that a displacement G2 having a minute amplitude 31 corresponding to the vibration of the sensor 100 occurs on the graph line G1 indicating the amount of movement of the stage, as shown on the right side in FIG.
[0073]
As described above, the change corresponding to the vibration of the detected reflected light amount is geometrically determined by the positional relationship between the end portions 104a and 107a of the movable and fixed electrodes 104 and 107 and the light beam 30, and in this example, As shown in FIG. 7, when the end portions 104a and 107a are located at the center of the light beam 30, the change amount (detected reflected light amount waveform) C corresponding to the vibration of the detected reflected light amount is maximized.
[0074]
FIG. 7 shows a case where the light beam 30 crosses each of the end portions 104a and 107a four times. Points C10, C11, C12, and C13 at which the differential value of the change C becomes 0 are indicated by the change C. This time is set as the maximum time, and this time is set as detection times C10 to C13. These detection times C10 to C13 are recognized as the end portions 104a and 107a of the electrodes 104 and 107 (step of detecting the peak position of the detected reflected light amount in FIG. 4).
[0075]
Next, the distance between the specific parts is detected from the relative displacement amount obtained by scanning the sensor 100 between the obtained plurality of detection time points C10 to C13. Specifically, as shown in FIG. 7, for example, the scanning time ST1 between the detection points C10 and C11 is measured, and the moving amount of the stage 6 moved within the scanning time ST1 is set as the moving amount measurement value RM1. Calculate (step of time measurement between peaks and step movement amount calculation between peaks in FIG. 4).
[0076]
The movement amount measurement value RM1 is a relative displacement amount obtained by scanning the sensor 100 between the two detection time points C10 and C11. The movement amount measurement value RM1 is the end portion 104a of the movable electrode 104 and the fixed electrode. It is obtained as a distance L between the end portion 107a of 107.
[0077]
As described above, according to the present embodiment, the position of the end portions 104a and 107a of the electrodes (specific portions) 104 and 107 and the light beam 30 are more sensitive than the amount of change in the detected reflected light amount according to scanning. The detection time point is determined based on the change C according to the vibration of the detected light quantity.
[0078]
Then, the detection time point C10 to C13 of the specific part is set as the time point at which the change C corresponding to the vibration of the detected reflected light amount becomes the maximum, so that the detection time point that becomes the reference in the distance measurement can be easily and uniquely determined. Since it can limit, the detection precision of a specific part improves.
[0079]
Then, the distance L between the specific parts 104a and 107a is detected from the relative displacement amount RM1 in which the sensor (measurement body) 100 is scanned between the two detection points C10 and the other detection time point C11 as the starting point. Thus, accurate distance measurement is possible.
[0080]
Therefore, according to the present embodiment, it is possible to provide a distance measurement method capable of improving measurement accuracy and a distance measurement device that can appropriately realize such a distance measurement method.
[0081]
Further, according to the present embodiment, the signal of the detected reflected light amount is filtered at the same frequency as the signal (excitation signal) S11 having a relatively high frequency and a small amplitude in the drive signal S1. Thereby, the disturbance in the signal of the detected reflected light amount can be removed, and the signal of the light amount corresponding to the vibration can be appropriately extracted.
[0082]
In the example shown in FIG. 7, the light beam 30 is scanned so as to reciprocate twice between the end portions 104a and 107a. As a result, four detection points C10, C11, C12, and C13 are obtained, and the distance L between the two end portions 104a and 107a is obtained from the relative displacement amount RM1 between the former two detection points C10 and C11. ing.
[0083]
Here, the state of the sensor 100 may be changed, for example, a time is set between the first round trip and the second round trip of the light beam 30 and the sensor 100 is deformed by thermal expansion at that time. In that case, the change in the distance L between the two end portions 104a and 107a due to the state change is made by comparing the relative displacement amount between the detection points C12 and C13 obtained by the second reciprocation with the first relative displacement amount RM1. Can be detected.
[0084]
(Second Embodiment)
An object of the present embodiment is to provide a distance measuring method and a distance measuring device that are suitable for use when it is not preferable to vibrate the measuring body side, such as when the measuring body is deformed or displaced by vibration. Differences from the first embodiment will be mainly described.
[0085]
For example, in the first embodiment, the sensor 100, which is a measurement object, is scanned while vibrating, so that the sensor 100 and the light beam 30 are relatively displaced. Depending on the frequency and the magnitude of the vibration, the distance L between the movable electrode 104 and the fixed electrode 107 changes due to the vibration, and measurement may not be possible.
[0086]
FIG. 8 is a schematic configuration diagram schematically showing the configuration of the distance measuring apparatus according to the present embodiment. 8 differs from FIG. 2 in that the laser signal emitted from the microscope 3 is not directly applied to the sensor (measurement body) 100 but the drive signal from the oscillator (drive signal applying means) 7. In this configuration, the light is reflected after being reflected by a mirror (reflecting member) 12 fixed to the stage 6 driven in S1. The sensor 100 is mounted on a fixed stage 6a.
[0087]
The stage 6 moves while vibrating along the arrow Y direction or the arrow Y ′ direction in FIG. 8 according to the drive signal S1. That is, the distance measuring apparatus shown in FIG. 8 is interposed between the stage 6a on which the measuring body 100 is mounted, the light source 1 that irradiates the measuring body 100 with light, and the light source 1 and the measuring body 100. The reflection member 12 that reflects light and irradiates the measurement body 100 and detection units 8 and 9 for detecting the amount of light reflected from the measurement body 100 by the light irradiated to the measurement body 100 are provided. Scanning is possible while vibrating.
[0088]
In the apparatus according to the present embodiment, the oscillator 7 is configured as a drive signal applying unit that applies a drive signal S <b> 1 for driving the reflecting member 12 to the reflecting member 12. And in the distance measuring method of this embodiment using this apparatus, after setting measurement conditions similarly to the said 1st Embodiment, a measurement is started.
[0089]
While irradiating the laser beam from the laser oscillator (light source) 1 to the sensor (measurement body) 100 via the mirror (reflection member) 12, the mirror 12 is vibrated in the arrow Y direction or the arrow Y ′ direction in FIG. Scan. According to this, while the sensor 100 is fixed without being scanned and vibrated, the irradiated laser light is scanned while vibrating the sensor 100 in the arrow Y direction.
[0090]
Therefore, when viewed relatively, as in the first embodiment, the end portions 104a and 107a of the movable and fixed electrodes 104 and 107 use the light beam (irradiation light region) 30 in the scanning direction (arrow Y in FIG. 8). The end portions 104a and 107a vibrate relative to the light beam 30 and are displaced slightly in response to the vibration. In this example, the relative scanning and vibration direction Y between the sensor 100 and the light beam 30 is orthogonal to the direction Y in FIG.
[0091]
Also in this embodiment, the amount of movement of the stage is taken into the control unit 20, and the change in the reflected light amount accompanying the relative displacement between the sensor 100 and the light beam 30 is detected by the detection units 8 and 9. The detected reflected light amount (detected reflected light amount) is captured by the control unit 20 (stage movement amount, detected reflected light amount capturing step).
[0092]
Since the relative displacement between the sensor 100 and the light beam 30 is performed as in the first embodiment, the amount of change in the amount of light according to the vibration of the detected reflected light amount is movable and movable in this embodiment. It increases or decreases depending on the positional relationship between the end portions 104 a and 107 a of the fixed electrodes 104 and 107 and the light beam 30.
[0093]
Therefore, a detected reflected light amount waveform similar to that shown in FIG. 7 is obtained (measurement step of the detected reflected light amount waveform), and the time point at which the change C corresponding to the vibration of the detected reflected light amount is maximized is specified from this waveform. The detection times C10 to C13 of the parts 104 and 107 can be set (step of detecting the peak position of the detected reflected light amount).
[0094]
Also in the present embodiment, the distance L between the specific parts 104 and 107 is detected from the relative displacement amount obtained by scanning the measuring body 100 between a plurality of detection points C10 to C13 (time measurement between peaks and stage between peaks). Step of calculating movement amount). For example, the relative displacement RM1 between the two detection points C10 and C11 can be detected as the distance L between the specific parts 104 and 107.
[0095]
As described above, according to the present embodiment, the detection time of the specific part (the end portions 104a and 107a of the movable and fixed electrodes 104 and 107) can be easily and uniquely limited without variation.
[0096]
Since distance measurement is performed based on this detection time point, as in the first embodiment, a distance measurement method capable of improving measurement accuracy and such a distance measurement method are appropriately realized. It is possible to provide a distance measuring device capable of performing the above.
[0097]
Furthermore, in the present embodiment, since the laser beam 30 as the irradiation light is vibrated and scanned, it is not preferable to vibrate the measuring body side such as deformation or displacement of the measuring body due to vibration. Can be adopted.
[0098]
In the example shown in FIG. 8, the mirror 12 as the reflecting member is moved while being vibrated together with the stage 6, but the reflecting member 12 and the measuring body 100 are fixed, and the laser oscillator (light source) 1 is driven. It is obvious that the effects of the above-described embodiment can be obtained in the same manner even when the laser oscillator 1 is moved while being attached to the laser beam.
[0099]
(Third embodiment)
In this embodiment, the state of the measuring body is such that the specific part of the measuring body moves from one position to another position, or the position of the specific part is displaced due to thermal deformation of the measuring body due to temperature change, etc. This is a method of optically measuring the displacement distance of a specific part accompanying the state change when the change occurs.
[0100]
For example, as shown in FIG. 9, when the movable electrode 104 in the sensor 100 is heated from room temperature to a high temperature, the thermal expansion from the initial state shown in FIG. Let us consider a state (displacement state) as shown. In addition, the measuring method of this embodiment is realizable using the measuring apparatus shown in the said FIG. 2 or FIG.
[0101]
At this time, in the initial state of FIG. 9A (before the change of the state of the measurement object), the laser beam is irradiated to the movable electrode 104 and the light beam 30 as in the measurement method of the first or second embodiment. Are scanned while vibrating relatively to the sensor 100. Thereby, the amount of light reflected from the movable electrode 104 is detected, and the time point at which the change corresponding to the vibration of the detected reflected light amount is maximized is set as the first detection time point at the movable electrode 104.
[0102]
That is, as shown in FIG. 9A, when the end 104a of the movable electrode 104 is located at the center of the light beam 30, the change corresponding to the vibration of the detected reflected light amount becomes the maximum change C2. The time point at which this change amount C2 is set as the first detection time point.
[0103]
Next, in the displacement state shown in FIG. 9B (after the change of the state of the measurement object), the end 104a of the movable electrode 104 is displaced and is positioned in the peripheral portion of the light beam 30, so The corresponding change C is a change C1 smaller than the maximum value C2.
[0104]
Therefore, as shown in FIG. 9C, the amount of light reflected is detected by scanning the movable electrode 104 in a displaced state while relatively vibrating the light beam 30, and vibration of the detected reflected light amount is detected. The time point at which the change C corresponding to the maximum is again the maximum is set as the second detection time point of the movable electrode 104.
[0105]
That is, as shown in FIG. 9C, the light beam 30 is moved from the position at the first detection time (shown by a broken line in FIG. 9C), and the movable electrode 104 is centered on the light beam 30 again. When the end portion 104a of the lens is located, the change C corresponding to the vibration of the detected reflected light amount becomes the maximum change C2 ′. The time point at which this change amount C2 ′ is obtained is set as the second detection time point.
[0106]
The distance of displacement of the end 104a of the movable electrode 104 due to thermal expansion of the sensor 100 is detected from the relative displacement amount RM2 scanned with light from the first detection time to the second detection time. The That is, the distance of the displacement corresponds to the relative displacement amount RM2.
[0107]
As described above, in the present embodiment, using the measurement method of the first or second embodiment, the irradiated light is applied to the measurement body 100 before and after the change of the state of the measurement body 100. By scanning while relatively vibrating, the amount of light reflected from the specific portion 104 is detected, and the time when the change corresponding to the vibration of the detected reflected light amount becomes the maximum value C2, C2 ′ is the detection time of the specific portion 104. It is said.
[0108]
Therefore, similarly to the above-described embodiment, the first detection time point and the second detection time point obtained before and after the state change of the measuring body 100 are easily and uniquely limited without variation. Since the distance of displacement of the specific portion 104 is detected from the relative displacement amount RM2 in which the light is scanned with respect to the measurement body during the first and second detection time points, the measurement accuracy can be improved.
[0109]
(Other embodiments)
In addition to the circular shape shown in the above example, the light beam 30 whose shape is a shape whose shape changes along the vibration and scanning direction Y (a shape having an area change rate), for example, The shape may be a rhombus or an ellipse.
[0110]
In the example shown in FIG. 6, since the light beam 30 is circular, the changes C1 to C3 corresponding to the vibration of the detected reflected light amount are the positional relationship between the end 104a of the movable electrode 104 and the light beam 30. It changed depending on.
[0111]
Here, as shown in FIG. 10, when the shape of the light beam 30 is a shape whose shape does not change along the vibration and scanning direction Y (in the illustrated example, a quadrangle), it corresponds to the vibration of the detected reflected light amount. The amount of change does not change with scanning. However, even in that case, as shown in FIG. 10, it is sufficient to use the one whose luminance distribution is changed along the vibration and scanning direction Y in the light beam 30.
[0112]
In FIG. 10, along the vibration and scanning direction Y, the luminance distribution changes so that the luminance is highest at the central portion of the light beam 30 and decreases toward the peripheral portion. Thereby, for example, when the end 104a of the movable electrode 104 moves in the light beam 30 in the Y direction and the positional relationship between the end 104a and the light beam 30 changes, the change in the detected reflected light amount according to the vibration. Minute C also changes.
[0113]
Further, the scanning direction and the vibration direction do not have to coincide with each other. In other words, the direction of vibration may be such that the change corresponding to the vibration of the detected reflected light amount changes as the specific part of the measurement body is scanned and moved in the light beam.
[0114]
Further, in the above embodiment, when obtaining the time point (maximum time point) at which the change amount C corresponding to the vibration of the detected reflected light amount becomes maximum (maximum time point), the point at which the differential value of the change amount C becomes 0 is set as the maximum time point. The maximum time point was the detection time point. Here, as shown in FIG. 11, there may be a plurality of points Cn where there is a relatively large amount of noise and the differential value is 0 in the vicinity of the maximum value Cmax of the change C according to the vibration of the detected reflected light amount. .
[0115]
Therefore, as shown in FIG. 11, the maximum value Cmax of the change C according to the vibration of the detected reflected light amount is 1. Less than Is multiplied by the set value K to obtain two time points C10 ′ and C10 ″ that become the value K · Cmax. The median value C100 of the two time points C10 ′ and C10 ″ is approximately the maximum value Cmax of the change C. In order to cope with this, the median value C100 can be approximately used as the detection time point.
[0116]
In addition, as shown in FIG. 12, the end 104a of the movable electrode 104 and the end 107a of the fixed electrode 107 may have irregularities instead of straight lines. Thus, if the end of the specific part is indefinite, an accurate distance can be obtained even if the light beam 30 is scanned only on one straight line (for example, the straight line Q1 in FIG. 12) connecting the both ends. It may not be obtained.
[0117]
In such a case, as shown in FIG. 12, the light beam 30 is scanned along the straight lines Q1, Q2, Q3,... The representative value may be calculated by performing statistical processing such as taking a value. Thereby, even if the shape is difficult to measure, a more accurate distance between both end portions 104a and 107a can be obtained.
[0118]
In addition, when the end of a specific part of the measurement object is not clear and the change in reflected light or transmitted light is unclear, the surface of the measurement object has a different reflectance from the surface of the measurement object. A reflectance part may be formed. According to this, since the boundary between the different reflectance part and the surface of the measurement body becomes a substitute for the end portion of the specific part of the measurement body, measurement becomes easy.
[0119]
For example, although the sensor 100 is made of a silicon substrate or the like, a sheet having a difference in reflectivity by a surface treatment such as vapor deposition of Cr (chromium) on a predetermined portion of the surface of the sensor 100 or a sheet having a difference in reflectivity from the material. It is possible to create a reflectivity boundary portion by attaching or the like.
[0120]
In each of the above embodiments, the amount of light reflected from the measuring body 100 is detected by the light irradiated to the measuring body 100. However, the light irradiated to the specific parts 104 and 107 of the measuring body 100 is not reflected light. However, the amount of light transmitted through the measuring body 100 (the amount of transmitted light) may be detected.
[0121]
In this case, the change corresponding to the vibration of the transmitted light amount can be detected in the same manner as the change corresponding to the vibration of the reflected light amount described above, and the change corresponding to the detected vibration of the transmitted light amount is the maximum. This point in time may be set as the detection point of the specific part.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic plan view of a semiconductor acceleration sensor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a distance measuring device according to the first embodiment.
FIG. 3 is a diagram illustrating a waveform of a drive signal for driving a stage.
FIG. 4 is a flowchart showing a distance measuring method according to the first embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing a state in which a sensor is irradiated with a light beam in measurement.
FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining a change in a detected reflected light amount due to a relative displacement between a sensor and a light beam.
FIG. 7 is a diagram illustrating a change with respect to a scanning time corresponding to a change in the detected reflected light amount according to vibration.
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a distance measuring device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining a distance measuring method according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram illustrating an example in which the luminance distribution in the light beam changes along the vibration and scanning directions.
FIG. 11 is an explanatory diagram showing a method of approximately obtaining a time point at which a change corresponding to vibration of a detected reflected light amount becomes maximum.
FIG. 12 is an explanatory diagram illustrating an example in which measurement is performed a plurality of times in a minute region around a measurement point.
FIG. 13 is an explanatory diagram showing a conventional general distance measuring method.
14 is a diagram showing a state of a reflected light amount detected from a measurement object by the distance measurement method shown in FIG.
[Explanation of symbols]
1 ... laser oscillator (light source), 6 ... stage,
7 ... Oscillator (drive signal applying means), 8 ... Light receiving element, 9 ... Lock-in amplifier,
12 ... Mirror (reflective member), 30 ... Light beam,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Semiconductor acceleration sensor (measurement body), 104 ... Movable electrode,
107: fixed electrode, C: change corresponding to vibration of detected reflected light amount,
C10, C11, C12, C13 ... detection time point,
L: Distance between the movable electrode and the fixed electrode (distance between specific parts),
RM1, RM2 ... relative displacement, S1 ... drive signal, S11 ... excitation signal,
S12: Scanning signal.

Claims

A method of optically measuring a distance (L) between specific parts (104, 107) in a measurement object (100),
By irradiating the measurement body with light and scanning the measurement body while vibrating the measurement body, the amount of light reflected or transmitted from the measurement body is detected,
The point in time at which the change (C) corresponding to the vibration of the detected light amount becomes maximum is set as the detection point of the specific part (C10 to C13), and the measuring body is scanned between a plurality of the detection points. From the relative displacement (RM1), the distance between the specific parts is detected,
A median value of two time points at which a change amount (C) corresponding to the vibration of the detected light amount is maximum is a value obtained by multiplying the maximum value of the change amount by a setting value less than 1. A distance measurement method characterized by:

A method of optically measuring a distance (L) between specific parts (104, 107) in a measurement object (100),
While a reflecting member (12) is interposed between the light source (1) and the measuring body, the measuring body is irradiated with light from the light source via the reflecting member, and the light source or the reflecting member is vibrated. By scanning, the amount of light reflected or transmitted from the measurement body is detected,
The point in time at which the change (C) corresponding to the vibration of the detected light amount becomes maximum is set as the detection point of the specific part (C10 to C13), and the measuring body is scanned between a plurality of the detection points. From the relative displacement (RM1), the distance between the specific parts is detected,
A median value of two time points at which a change amount (C) corresponding to the vibration of the detected light amount is maximum is a value obtained by multiplying the maximum value of the change amount by a setting value less than 1. A distance measurement method characterized by:

A method of optically measuring a distance of displacement of a specific part (104) of the measurement body accompanying a change in state of the measurement body (100),
Before changing the state of the measuring body, the specific part of the measuring body is irradiated with light, and the light is reflected and transmitted from the specific part by scanning the light while vibrating relative to the measuring body. The amount of change in the detected amount of light corresponding to the vibration is maximized as a first detection time of the specific part.
After the change of the state of the measuring body, the specific part is irradiated with light, and the light that is reflected or transmitted from the specific part is detected by scanning the light while vibrating relative to the measuring body. The time point at which the amount of change of the detected light amount according to the vibration is maximized is taken as the second detection time point of the specific part,
From the relative displacement amount (RM2) scanned with respect to the measurement object from the first detection time point to the second detection time point, the distance of displacement of the specific part is detected.
A median value of two time points at which a change amount (C) corresponding to the vibration of the detected light amount is maximum is a value obtained by multiplying the maximum value of the change amount by a setting value less than 1. A distance measurement method characterized by:

4. The light according to claim 1, wherein the irradiated light has a shape whose area changes along the direction of vibration and scanning. 5. The distance measuring method according to one.

4. The light source according to claim 1, wherein a luminance distribution in the beam is changed along the direction of vibration and scanning. 5. Distance measurement method.

As a drive signal (S1) for scanning while vibrating the measurement body (100), a signal (S11) having a relatively high frequency and a small amplitude and a signal (S12) having a relatively low frequency and a large amplitude are superimposed. The distance measuring method according to claim 1, wherein the distance is applied.

As a drive signal (S1) for scanning while vibrating the light source (1) or the reflection member (12), a signal having a relatively high frequency and a small amplitude (S11) and a signal having a relatively low frequency and a large amplitude ( The distance measuring method according to claim 2, wherein S12) is superimposed and applied.

The distance measurement according to claim 6 or 7, wherein the signal of the detected light quantity is filtered at the same frequency as the signal (S11) having a relatively high frequency and a small amplitude in the drive signal (S1). Method.

On the surface of the measuring body, the distance measuring method according to any one of claims 1 to 8 wherein the measurement surface of and forming a different reflectivity portion having different reflectance.