JP2018096748A - 超近接距離の検知方法及びそれを用いた超近接スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】物体間の近接距離を、例えば、２０〜１００ｎｍの精度で検知する超近接距離の検知方法及びそれを用いた超近接スイッチを提供する。【解決手段】第１の物体１１の表面１２と第２の物体１３の先端１４との間の近接距離を検知する超近接距離の検知方法であって、近接場光が局在する第１の物体１１の表面１２に向けて検出体を移動させて第１の物体１１の表面１２と検出体の先端の間隔を変化させながら、近接場光の局在領域１６に検出体の先端が進入した際に生じる散乱光の強度を測定して、散乱光の強度と間隔との定量的対応関係を予め求めておき、第１の物体１１の表面１２に近接場光を発生させ、第２の物体１３の先端１４が近接場光の局在領域１６に進入した際に生じる散乱光の強度を測定し、定量的対応関係に基づいて散乱光の強度に対応する間隔を求め、間隔の値を近接距離とする。【選択図】図１

Description

本発明は、近接距離を、例えば、２０〜１００ｎｍの精度で検知する超近接距離の検知方法及びそれを用いた超近接スイッチに関する。
ここで、超近接距離とは、例えば、０又は０を超え１０００ｎｍ以下の範囲の近接距離をさす。
また、超近接スイッチとは、例えば、０又は０を超え１０００ｎｍ以下の範囲内において、２０〜１００ｎｍの精度で位置の変化を検知して信号を出力する近接スイッチをさす。

機械製品等の製造では、製品の小型化及び高機能化に伴い構成部材の機械加工における高精度化の要求と、生産性向上の要求が年々高まっている。このため、機械加工では、加工精度の実現に不可欠なツールセッティング（例えば、工具長や工具切れ刃先端位置の確認）を短時間かつ高精度に行うため、ツールセッタを使用している。
ツールセッタは、例えば、検出方法の違いから、接触式と非接触式に大別できる。ここで、接触式ツールセッタでは、繰り返し測定精度２σ（σは標準偏差）は±１μｍ程度（例えば、非特許文献１参照）となっている。一方、非接触式ツールセッタでは、一般的な検出精度は０．４μｍ程度（例えば、非特許文献２参照）であり、検出器にラインセンサを用いた形式のものでは、測定精度が２μｍ程度となるが、繰り返し測定精度２σが０．２８μｍ（例えば、非特許文献３参照）となるものもある。

株式会社メトロール、工作機械用ツールセッタ／タッチプローブ、総合カタログ、Ｎｏ．Ｃ５−１、２−２５（２０１５） 中井敦生、機上計測用ソフト「フォームコントロール」と極小工具計測用レーザ、機械技術、２００６年、第５４巻、第７号、ｐ．４７−５０ 大昭和精機株式会社、光学ラインセンサ方式工具測定器ダイナライン、カタログＮｏ．３６１−２（２０１６）

接触式ツールセッタでは、工具の先端をワークに接触させる（少なくとも０．３Ｎの接触力を負荷する）必要があり、５０μｍ以下のマイクロ工具では、ワークとの接触時に切れ刃が損傷する虞が高いという問題がある。また、マイクロ工具を回転させて加工を行う場合、マイクロ工具を回転させた状態で切れ刃位置を測定する必要があるが、回転しているマイクロ工具の先端をワークに接触させることはできないという問題がある。更に、接触式ツールセッタでは、高精度の機種でも繰り返し測定精度は±１μｍ程度であるため、例えば、４０μｍのマイクロ工具の場合、直径に対して５％のばらつきのある測定になるという問題がある。従って、マイクロ工具のツールセッティングに、接触式ツールセッタは適用できない。

一方、非接触式ツールセッタでは、検出精度が高い０．４μｍ程度のものであっても、例えば、２０μｍのマイクロ工具の場合、直径に対して２％のばらつきのある測定になるという問題がある。また、測定をレーザビームを用いて幾何光学式に行うため、レーザビームの回折限界及びレーザビーム径の大きさの制約から、検出精度を０．４μｍ未満にすることは困難となっている。従って、マイクロ工具のツールセッティングに、非接触式ツールセッタは適用できない。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、物体間の近接距離（例えば、０又は０を超え１０００ｎｍ以下）を、例えば、２０〜１００ｎｍの精度で検知することが可能な超近接距離の検知方法及びそれを用いた超近接スイッチを提供することを目的とする。

前記目的に沿う第１の発明に係る超近接距離の検知方法は、第１の物体の表面と第２の物体の先端との間の近接距離が設定値（第１の物体の表面からの距離を示す）に到達したことを検知する超近接距離の検知方法であって、
前記第１の物体の表面に、前記設定値に相当する厚さの近接場光Ｌ_０の局在領域を発生させ、
前記第２の物体の先端が前記近接場光Ｌ_０の局在領域に進入した際に生じる散乱光Ｓ_１を検知することにより、前記近接距離が前記設定値に到達したと判定する。

超近接距離の検知方法では、近接場光Ｌ_０の局在領域で発生する散乱光Ｓ_１を用いているので、検知距離の範囲は近接場光Ｌ_０の局在領域の範囲に一致する。ここで、局在領域の厚さは、第１の物体の表面から、例えば、５０ｎｍ（近接場光Ｌ_０の波長が３７５ｎｍ程度）から１０００ｎｍ（近接場光Ｌ_０の波長が２０００ｎｍ程度）の範囲とされているので、超近接距離の検知方法における検知距離の範囲も第１の物体の表面から１０００ｎｍ程度の範囲となる。

前記目的に沿う第２の発明に係る超近接距離の検知方法は、第１の物体の表面と第２の物体の先端との間の近接距離を検知する超近接距離の検知方法であって、
近接場光Ｌ_０が局在する前記第１の物体の表面に向けて検出体を移動させて該第１の物体の表面と該検出体の先端の間隔を変化させながら、前記近接場光Ｌ_０の局在領域に前記検出体の先端が進入した際に生じる散乱光Ｓ_０の強度を測定して、前記散乱光Ｓ_０の強度と前記間隔との定量的対応関係を予め求めておき、
前記第１の物体の表面に前記近接場光Ｌ_０を発生させ、
前記第２の物体の先端が前記近接場光Ｌ_０の局在領域に進入した際に生じる散乱光Ｓ_１の強度を測定し、
前記定量的対応関係に基づいて前記散乱光Ｓ_１の強度に対応する間隔を求め、該間隔の値を前記近接距離とする。

超近接距離の検知方法では、近接場光Ｌ_０の局在領域で発生する散乱光Ｓ_０、Ｓ_１を用いているので、検知距離の範囲は近接場光Ｌ_０の局在領域の範囲に一致する。ここで、局在領域の厚さは、第１の物体の表面から、例えば、５０ｎｍ（近接場光Ｌ_０の波長が３７５ｎｍ程度）から１０００ｎｍ（近接場光Ｌ_０の波長が２０００ｎｍ程度）の範囲とされているので、超近接距離の検知方法における検知距離の範囲も第１の物体の表面から１０００ｎｍ程度の範囲となる。

第２の発明に係る超近接距離の検知方法において、前記定量的対応関係を求める際、前記検出体を２０〜１００ｎｍの位置決め精度を有する微小送り手段に取り付け、前記近接場光Ｌ_０の局在領域に進入させることが好ましい。
これにより、第１の物体の表面と検出体の先端の間隔を２０〜１００ｎｍの精度で設定することができ、定量的対応関係を２０〜１００ｎｍの精度で作成することができる。

第１、第２の発明に係る超近接距離の検知方法において、前記第１の物体は透光性を有し、該第１の物体の表面に局在する前記近接場光Ｌ_０は、該第１の物体の表面の裏側で光を全反射させて発生させ、全反射した光を該第１の物体の外部に取り出すことが好ましい。
このような構成とすることにより、第２の物体の存在の影響を受けずに第１の物体の表面に近接場光Ｌ_０を形成することができる。
また、第１の物体の表面の裏側に入射する光の入射角度を全反射可能な範囲内で調節する（例えば、臨界角に近づける）ことで、近接場光Ｌ_０の局在領域（近接場光Ｌ_０が局在している近接場光域）の厚さを変化させる（大きくする）ことができる。
なお、第１の物体の表面の裏側に入射する光の波長を変える（例えば、長く（短く）する）ことで、近接場光の局在領域の厚さを変化させる（大きく（小さく）する）ことができる。

第１、第２の発明に係る超近接距離の検知方法において、前記散乱光Ｓ_０、Ｓ_１の強度をそれぞれ、前記散乱光Ｓ_０、Ｓ_１の中で前記第１の物体内に進入した光を集光して求めた強度とすることが好ましい。
散乱光Ｓ_０、Ｓ_１を検知するため、非接触による近接距離の測定が可能になる。

前記目的に沿う第３の発明に係る超近接スイッチは、第１の物体の表面と第２の物体の先端との間の近接距離が設定値（第１の物体の表面からの距離を示す）に到達した際に到達信号を出力する超近接スイッチであって、
前記第１の物体の表面に、前記設定値に相当する厚さの近接場光Ｌ_０の局在領域を発生させる近接場光発生手段と、
前記第２の物体の先端が前記近接場光Ｌ_０の局在領域に進入した際に生じる散乱光Ｓ_１を検知する散乱光検知手段と、
前記散乱光検知手段が前記散乱光Ｓ_１を検知したことを受けて、前記到達信号を出力する判定手段とを有する。

超近接スイッチでは、近接場光Ｌ_０の局在領域で発生する散乱光Ｓ_１を用いているので、超近接スイッチの応答範囲は近接場光Ｌ_０の局在領域の範囲に一致する。ここで、局在領域の厚さは、第１の物体の表面から、例えば、５０ｎｍ（近接場光Ｌ_０の波長が３７５ｎｍ程度）から１０００ｎｍ（近接場光Ｌ_０の波長が２０００ｎｍ程度）の範囲とされているので、超近接スイッチの応答範囲も第１の物体の表面から１０００ｎｍ程度の範囲となる。

前記目的に沿う第４の発明に係る超近接スイッチは、第１の物体の表面と第２の物体の先端との間の近接距離を検知し、前記近接距離が設定値（第１の物体の表面からの距離を示す）に到達した際に到達信号を出力する超近接スイッチであって、
前記第１の物体の表面に近接場光Ｌ_０を発生させる近接場光発生手段と、
前記第２の物体の先端が前記近接場光Ｌ_０の局在領域に進入した際に生じる散乱光Ｓ_１の強度を測定する散乱光検知手段と、
近接場光Ｌ_０が局在する前記第１の物体の表面に向けて検出体を移動させて該第１の物体の表面と該検出体の先端の間隔を変化させながら、前記近接場光Ｌ_０の局在領域に前記検出体の先端が進入した際に生じる散乱光Ｓ_０の強度を測定して求めた前記散乱光Ｓ_０の強度と前記間隔との定量的対応関係を記憶したデータベースと、
前記定量的対応関係に基づいて前記散乱光Ｓ_１の強度に対応する間隔を求めて、該間隔の値を前記近接距離とし、該近接距離が前記設定値に到達した際に前記到達信号を出力する判定手段とを有する。

超近接スイッチでは、近接場光Ｌ_０の局在領域で発生する散乱光Ｓ_０、Ｓ_１を用いているので、超近接スイッチの応答範囲は近接場光Ｌ_０の局在領域の範囲に一致する。ここで、局在領域の厚さは、第１の物体の表面から、例えば、５０ｎｍ（近接場光Ｌ_０の波長が３７５ｎｍ程度）から１０００ｎｍ（近接場光Ｌ_０の波長が２０００ｎｍ程度）の範囲とされているので、超近接スイッチの応答範囲も第１の物体の表面から１０００ｎｍ程度の範囲となる。

第４の発明に係る超近接スイッチにおいて、前記判定手段は、前記近接距離を求める演算部と、該近接距離と前記設定値を比較し、該近接距離が該設定値に到達した際に前記到達信号を出力する報知部とを有することが好ましい。
これにより、第１の物体の表面と第２の物体の先端との間の近接距離が設定値に到達したことを容易に検知することができる。

第４の発明に係る超近接スイッチにおいて、前記検出体は２０〜１００ｎｍの位置決め精度を有する微小送り手段に取り付けられて、前記近接場光Ｌ_０の局在領域に進入されることが好ましい。
これにより、散乱光Ｓ_０の強度と間隔との定量的対応関係において、間隔を２０〜１００ｎｍの精度で設定することができる。その結果、第１、第２の物体間の近接距離を、２０〜１００ｎｍの精度で検知することができる。

第３、第４の発明に係る超近接スイッチにおいて、前記散乱光検知手段は、前記散乱光Ｓ_０、Ｓ_１の中で前記第１の物体内に進入した光を該第１の物体の外部に取り出して集光する集光光学系と、該集光光学系の下流側に配置されて集光された光の強度を測定する受光センサとを有することが好ましい。
散乱光Ｓ_０、Ｓ_１を検知するため、非接触による近接距離の測定が可能になる。

第３、第４の発明に係る超近接スイッチにおいて、前記第１の物体は透光性を有し、前記近接場光発生手段は、前記近接場光Ｌ_０を形成する光源と、前記光源からの光を、前記第１の物体の表面の裏側で全反射可能な入射角度に調節する入射光学系と、前記第１の物体の表面の裏側で全反射した光を該第１の物体の外部に取り出す反射光学系とを有することが好ましい。
このような構成とすることにより、第２の物体の存在の影響を受けずに第１の物体の表面に近接場光Ｌ_０を形成することができる。
また、第１の物体の表面の裏側に入射する光の入射角度を全反射可能な範囲内で調節する（例えば、臨界角に近づける）ことで、近接場光Ｌ_０の局在領域の厚さを調節する（近接場光Ｌ_０の局在領域の厚さが大きくする）ことができる。
なお、第１の物体の表面の裏側に入射する光の波長を変える（例えば、長くする）ことで、近接場光の局在領域の厚さを変化させる（大きくする）ことができる。

第１の発明に係る超近接距離の検知方法では、第１の物体の表面に局在する近接場光Ｌ_０の局在領域内で発生する散乱光Ｓ_１を検知することにより行うので、第１の物体の表面と第２の物体の先端との間の近接距離が、近接場光Ｌ_０の局在領域の厚さ、例えば、５０ｎｍ（近接場光Ｌ_０の波長が３７５ｎｍ程度）から１０００ｎｍ（近接場光Ｌ_０の波長が２０００ｎｍ程度）に相当する長さであるか又はそれ以下の長さであるかを検知することが可能になる。

第２の発明に係る超近接距離の検知方法では、第１の物体の表面に局在する近接場光Ｌ_０の局在領域内で移動する第２の物体の位置の変化を検知するので、少なくとも局在領域の厚さ、例えば、５０ｎｍ（近接場光Ｌ_０の波長が３７５ｎｍ程度）から１０００ｎｍ（近接場光Ｌ_０の波長が２０００ｎｍ程度）の範囲で位置の変化を検知することが可能になる。

第３の発明に係る超近接スイッチでは、第１の物体の表面に局在する近接場光Ｌ_０の局在領域内で発生する散乱光Ｓ_１を検知するので、第１の物体の表面と第２の物体の先端との間の近接距離が、少なくとも局在領域の厚さ、例えば、５０ｎｍ（近接場光Ｌ_０の波長が３７５ｎｍ程度）から１０００ｎｍ（近接場光Ｌ_０の波長が２０００ｎｍ程度）に相当する長さ又はそれ以下の長さとなった時点で到達信号を出力することが可能になる。

第４の発明に係る超近接スイッチでは、第１の物体の表面に局在する近接場光Ｌ_０の局在領域内で移動する第２の物体の位置の変化を検知するので、第１の物体の表面と第２の物体の先端との間の近接距離が、局在領域の厚さの範囲内、例えば、５０ｎｍ（近接場光Ｌ_０の波長が３７５ｎｍ程度）から１０００ｎｍ（近接場光Ｌ_０の波長が２０００ｎｍ程度）の範囲内で設定される設定値に到達した際に到達信号を出力することが可能になる。

(Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る超近接スイッチをマイクロ工具の切れ刃位置の測定に適用した際における検知開始前の状態を示す説明図、（Ｂ）は検知中の状態を示す説明図である。 同超近接スイッチのブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係る超近接スイッチのブロック図である。 実施例において、シリカガラスの表面と疑似工具の先端との関係を示す説明図である。 近接場光が発生しているシリカガラスの表面に疑似工具を接近させた際に発生する散乱光の強度変化を示す説明図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１（Ａ）、（Ｂ）、図２に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る超近接スイッチ１０は、加工機械の加工台上に取り付けられた被加工物（図示せず）の仕上げ加工が施された表面から所定の高さ位置に配置されるシリカガラス１１（透光性を有する第１の物体の一例）の表面１２と、加工機械の工具取付け部（図示せず）に固定されて被加工物の表層部に最終加工を行う、例えば、直径が５０μｍのマイクロ工具１３（第２の物体の一例）の切れ刃先端１４（先端の一例）との間の近接距離Ｇを検知し、近接距離Ｇが設定値（例えば、０又は０を超え１０００ｎｍの範囲内に設定される）に到達した際に到達信号を出力するものである。以下、詳細に説明する。

超近接スイッチ１０は、シリカガラス１１の表面１２に近接場光Ｌ_０を発生させる近接場光発生手段１５と、マイクロ工具１３の切れ刃先端１４が近接場光Ｌ_０の局在領域（近接場光Ｌ_０が局在している近接場光域）１６に進入した際に生じる散乱光Ｓ_１の強度を測定する散乱光検知手段１７とを有している。
更に、超近接スイッチ１０は、近接場光Ｌ_０が局在するシリカガラス１１の表面１２に向けて検出体の一例である、先端が曲率半径３００μｍのピン（図示せず）を移動させてシリカガラス１１の表面１２とピンの先端の間隔を変化させながら、近接場光Ｌ_０の局在領域１６にピンの先端が進入した際に生じる散乱光Ｓ_０の強度を測定して求めた散乱光Ｓ_０の強度と間隔との定量的対応関係を記憶したデータベース１８と、定量的対応関係に基づいて散乱光Ｓ_１の強度に対応する間隔δ_１を求め、間隔δ_１の値を近接距離Ｇとし、近接距離Ｇが設定値に到達した際に到達信号を出力する判定手段１９とを有する。

近接場光発生手段１５は、近接場光Ｌ_０を形成するための光を照射する光源２０と、光源２０からの光を、シリカガラス１１の表面１２の裏側で全反射可能な入射角度に調節する、例えば、シリカガラスからなる第１の凸レンズ２１（入射光学系の一例）と、シリカガラス１１の表面１２の裏側で全反射した光をシリカガラス１１の外部に取り出す例えば、シリカガラスからなる第２の凸レンズ２２（反射光学系の一例）とを有している。
散乱光検知手段１７は、散乱光Ｓ_０、Ｓ_１の中でシリカガラス１１内に進入した光をシリカガラス１１の外部、例えば、シリカガラス１１の表面１２の裏側に対向する領域に取り出して集光するシリカガラスからなる第３の凸レンズ２３（集光光学系の一例）と、第３の凸レンズ２３の下流側に配置されて集光された光の強度を測定する受光センサ２４とを有する。

近接場光Ｌ_０の局在領域１６の面積は、シリカガラス１１の表面１２の裏側に入射させる光ビームの照射形態により調節することが可能である。
局在領域１６の厚さは、光源２０から発生する光の波長及びシリカガラス１１の表面１２の裏側に入射する光の入射角度に依存する。このため、シリカガラス１１の表面１２の裏側に入射する光の入射角度を調整したり、光源２０から発生する光の波長を選択することにより、局在領域１６の厚さを調節することができる。これにより、近接距離Ｇと設定値の範囲を調節することができる。例えば、波長が約３７５〜２０００ｎｍの紫外線域から赤外線域の光を用いると、局在領域１６の厚さは５０〜１０００ｎｍの範囲となる。従って、設定値は、５０〜１０００ｎｍの範囲で設定できる。また、シリカガラス１１の表面１２の裏側に入射する光の波長を一定にして、入射角度を、例えば、約８０度から臨界角に近い４５度にすることにより、局在領域１６の厚さを約３倍にすることができ、設定値の範囲も約３倍変化させることができる。
以上のことから、近接場光発生手段１５は、シリカガラス１１の表面１２に、設定値に相当する厚さの近接場光Ｌ_０の局在領域１６を発生させることもできる。
なお、シリカガラス１１の表面１２に設定値に相当する厚さ又は設定値を超える厚さの近接場光Ｌ_０の局在領域１６を発生させることができるのであれば、光源２０から発生する光の波長に制約は存在しない。このため、可視光域の波長の光を用いると光の照射状態が確認できるので、検知中の状態を把握し易い。

ここで、シリカガラス１１と、第１〜第３の凸レンズ２１〜２３は、例えば、一側がシリカガラス１１の表面１２となって、他側（光源２０及び受光センサ２４が配置されている側）が、第１〜第３の凸レンズ２１〜２３の各凸面が連続する形状を有する一つの平凸レンズ２５とすることができる。これにより、入射光学系、反射光学系及び集光光学系をコンパクトに構成することができる。
なお、光源２０は平凸レンズ２５の凸面側に、光源２０からの光がシリカガラス１１の表面１２の裏側で全反射可能な入射角度となるように光軸の角度を調節して配置し、受光センサ２４は、平凸レンズ２５の凸面側の集光部の中心に受光センサ２４の中心が一致するように配置する。

判定手段１９は、データベース１８に記憶されている定量的対応関係に基づいて、受光センサ２４から出力される散乱光Ｓ_１の強度に対応する間隔δ_１を求め、間隔δ_１の値を近接距離Ｇとする演算部２６と、設定器２７から入力された設定値と演算部２６から入力された近接距離Ｇを比較し、近接距離Ｇが設定値に到達した際に到達信号を出力する報知部２８とを有する。ここで、データベース１８に記憶されている定量的対応関係は２０〜１００ｎｍの精度を有するので、間隔δ_１の検知精度は２０〜１００ｎｍとなる。このため、近接距離Ｇも２０〜１００ｎｍの精度で求めることができる。

続いて、本発明の第１の実施の形態に係る超近接スイッチ１０に適用される超近接距離の検知方法について説明する。
超近接距離の検知方法は、シリカガラス１１の表面１２とマイクロ工具１３の切れ刃先端１４との間の近接距離Ｇを検知する超近接距離の検知方法であって、ピンを２０〜１００ｎｍの位置決め精度を有するピエゾアクチュエータ（微小送り手段の一例）に取り付け、近接場光Ｌ_０が局在するシリカガラス１１の表面１２に向けてピンを移動させてシリカガラス１１の表面１２とピンの先端の間隔を変化させながら、近接場光Ｌ_０の局在領域１６にピンの先端が進入した際に生じる散乱光Ｓ_０の強度を測定して、散乱光Ｓ_０の強度と間隔との定量的対応関係を予め求める準備工程を有している。

ここで、シリカガラス１１の表面１２に局在する近接場光Ｌ_０は、近接場光発生手段１５の光源２０と第１の凸レンズ２１を用いて、シリカガラス１１の表面１２の裏側で光を全反射させて発生させる。なお、全反射した光は、近接場光発生手段１５の第２の凸レンズ２２を用いてシリカガラス１１の外部に取り出す。また、散乱光Ｓ_０の中でシリカガラス１１内に進入した光を第３の凸レンズ２３を用いて集光し受光センサ２４で測定して得られた強度を散乱光Ｓ_０の強度とする。

更に、超近接距離の検知方法は、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、シリカガラス１１の表面１２に近接場光Ｌ_０を発生させ、マイクロ工具１３の切れ刃先端１４が近接場光Ｌ_０の局在領域１６に進入した際に生じる散乱光Ｓ_１の強度を測定し、予め求めておいたシリカガラス１１の表面１２とピンの先端の間隔と散乱光Ｓ_０の強度との定量的対応関係に基づいて散乱光Ｓ_１の強度に対応する間隔δ_１を求め、間隔δ_１の値を近接距離Ｇとする測定工程を有している。なお、散乱光Ｓ_１の強度は、散乱光Ｓ_０の強度と同様の方法で測定する。
上記のように、超近接距離の検知方法では、散乱光Ｓ_０、Ｓ_１の強度を測定して近接距離Ｇを検知するため、非接触による近接距離の測定が可能になる。

データベース１８に記憶する定量的対応関係を求める場合、ピンを２０〜１００ｎｍの位置決め精度を有するピエゾアクチュエータに取り付け、近接場光Ｌ_０の局在領域１６に進入させるので、シリカガラス１１の表面１２とピンの先端との間隔を２０〜１００ｎｍの精度で設定することができる。このため、定量的対応関係を２０〜１００ｎｍの精度で作成することができる。

シリカガラス１１の表面１２に局在する近接場光Ｌ_０は、シリカガラス１１の表面１２の裏側で光を全反射させて発生させるので、ピン、マイクロ工具１３の存在の影響を受けずにシリカガラス１１の表面１２に近接場光Ｌ_０を形成することができる。
また、全反射した光をシリカガラス１１の外部に取り出すと共に、散乱光Ｓ_０、Ｓ_１の中でシリカガラス１１内に進入した光をシリカガラス１１の外部に取り出し集光して受光センサ２４でその強度をそれぞれ測定するので、散乱光Ｓ_０、Ｓ_１の中でシリカガラス１１内に進入した光の強度を正確に測定することができる。

また、シリカガラス１１の表面１２の裏側に入射する光の入射角度を全反射可能な範囲内で調節する（例えば、臨界角に近づける）ことで、近接場光Ｌ_０の局在領域１６の厚さを調節する（近接場光Ｌ_０の局在領域の厚さを大きくする）ことができる。更に、シリカガラス１１の表面１２の裏側に入射する光の波長を変える（例えば、長くする）ことで、近接場光の局在領域１６の厚さを変化させる（大きくする）ことができる。これにより、シリカガラス１１の表面１２とマイクロ工具１３の切れ刃先端１４との近接距離の検出感度を調節することができる。

続いて、図３を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る超近接スイッチ２９について説明する。
第２の実施の形態に係る超近接スイッチ２９は、第１の実施の形態に係る超近接スイッチ１０と比較して、図３に示すように、判定手段３０の構成が異なっていることが特徴となっている。このため、判定手段３０についてのみ詳細に説明し、第１の実施の形態に係る超近接スイッチ１０の構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付して説明は省略する。

判定手段３０は、散乱光検知手段１７の受光センサ２４から出力される散乱光Ｓ_１の強度を示す検知信号を受信して動作信号を出力する検知部３１と、動作信号を受信して到達信号を出力する第２の報知部３２とを有する。ここで、判定手段３０では、近接場光Ｌ_０の局在領域１６で発生する散乱光Ｓ_１を検知して到達信号を出力するので、超近接スイッチ２９の応答範囲は近接場光Ｌ_０の局在領域の範囲となる。

続いて、本発明の第２の実施の形態に係る超近接スイッチ２９に適用される超近接距離の検知方法について説明する。
超近接スイッチ２９に適用される超近接距離の検知方法は、シリカガラス１１の表面１２とマイクロ工具１３の切れ刃先端１４との間の近接距離が設定値に到達したことを検知する方法であって、シリカガラス１１の表面１２に、設定値に相当する厚さの近接場光Ｌ_０の局在領域１６を発生させ、マイクロ工具１３の切れ刃先端１４が近接場光Ｌ_０の局在領域１６に進入した際に生じる散乱光Ｓ_１を検知することにより、近接距離が設定値に到達したと判定する。
従って、シリカガラス１１の表面１２とマイクロ工具１３の切れ刃先端１４との間の近接距離が、近接場光Ｌ_０の局在領域１６の厚さ（例えば、５０ｎｍ（近接場光Ｌ_０の波長が３７５ｎｍ程度）から１０００ｎｍ（近接場光Ｌ_０の波長が２０００ｎｍ程度）の範囲内に調節可能）に相当する長さであるか又はそれ以下の長さであるかを検知することが可能になる。
上記のように、超近接距離の検知方法では、散乱光Ｓ_１を検知するため、非接触により
近接距離が設定値に到達したことを検知できる。

図４（ａ）〜（ｅ）に示すように、波長が６３５ｎｍのレーザ光ＬＩをシリカガラス板ＧＰの裏面側から表面側に向けて入射させ（シリカガラス板ＧＰの表面の裏面側に対する入射角は６０度）、シリカガラス板ＧＰの表面の裏面側で全反射させ（反射光ＬＲはシリカガラス板ＧＰ内から外部に放出させる）、シリカガラス板ＧＰの表面の表側に近接場光を発生させた（局在領域をＥで示す）。
次いで、先端が曲率半径３００μｍのピンを疑似工具Ｔとして用い、疑似工具Ｔの基側をピエゾアクチュエータ（印加する電圧を１．０Ｖ変化させる毎に、８０±１０ｎｍ移動する）に取り付け、図４（ａ）に示すように、疑似工具Ｔの先端がシリカガラス板ＧＰの表面から、例えば、８００ｎｍ離れた位置となるように保持した後、図４（ｂ）〜（ｄ）に示すように、ピエゾアクチュエータを駆動させて疑似工具Ｔの先端を近接場光が発生しているシリカガラス板ＧＰの表面に徐々に接近させながら、近接場光の局在領域Ｅ内に疑似工具Ｔの先端が進入した際に発生する散乱光Ｓをシリカガラス板ＧＰの裏面側に配置した受光センサで測定した。

疑似工具Ｔの先端をシリカガラス板ＧＰの表面に向けて接近させると、ピエゾアクチュエータに印加する電圧がある値に達した時点（図４（ｂ））で、受光センサにより散乱光Ｓが検知された。更に、ピエゾアクチュエータに印加する電圧を徐々に上げると（図４（ｂ）〜（ｄ））、受光センサで検知される散乱光Ｓの強度は増加したが、その後は散乱光Ｓの強度の変化が見られなくなった。散乱光Ｓの強度の変化が止まったのは、図４（ｅ）に示すように、疑似工具Ｔの先端がシリカガラス板ＧＰの表面に接触したためと考えられる。

そこで、散乱光Ｓの強度の変化が最初に見られなくなった時の疑似工具Ｔの先端の位置を基準位置とし、その時のピエゾアクチュエータに印加した電圧を相対電圧０．０Ｖとし、散乱光Ｓが発生してから基準位置に接近するまでのピエゾアクチュエータに印加した相対電圧と散乱光Ｓの強度（往路強度）の関係を求めた。その結果を図５に示す。
なお、図５には、散乱光Ｓの強度の変化が止まってから、ピエゾアクチュエータを逆方向に駆動させて疑似工具Ｔの先端をシリカガラス板ＧＰの表面から徐々に遠ざけながら、その際に発生した散乱光Ｓの強度（復路強度）も合わせて示している。
図５から、疑似工具Ｔの先端位置を、シリカガラス板ＧＰの表面から２４０（±３０）ｎｍの範囲内で、８０（±１０）ｎｍピッチで移動させたことが散乱光Ｓの強度変化から判別できることが確認できた。
このことから、図５を用いて、測定された散乱光Ｓの強度に対応する相対電圧を求めると、疑似工具Ｔの先端がシリカガラス板ＧＰの表面から、８０（±１０）ｎｍの範囲に存在するのか、１６０（±２０）ｎｍの範囲に存在するのか、２４０（±３０）ｎｍの範囲に存在するのかの判定ができる。

以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載した構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。
更に、本実施の形態とその他の実施の形態や変形例にそれぞれ含まれる構成要素を組合わせたものも、本発明に含まれる。
例えば、本実施の形態では、透光性を有する第１の物体の一例としてシリカガラスを使用したが、シリカ質以外の高屈折率のガラス、透光性セラミックス（例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＹＡＧ等）、透光性単結晶（例えば、水晶、サファイア等）、あるいは透明樹脂（例えば、アクリル樹脂等）を使用することもできる。
更に、本実施の形態では、シリカガラスを用いて、第１の物体及び第１〜第３の凸レンズが一体となった一つの平凸レンズを形成したが、第１の物体及び第１〜第３の凸レンズをそれぞれ、上記の素材（シリカガラス、シリカ質以外の高屈折率のガラス、透光性セラミックス、透光性単結晶、及び透明樹脂）の中から任意に選択した素材を用いて形成することもできる。

１０：超近接スイッチ、１１：シリカガラス、１２：表面、１３：マイクロ工具、１４：切れ刃先端、１５：近接場光発生手段、１６：局在領域、１７：散乱光検知手段、１８：データベース、１９：判定手段、２０：光源、２１：第１の凸レンズ、２２：第２の凸レンズ、２３：第３の凸レンズ、２４：受光センサ、２５：平凸レンズ、２６：演算部、２７：設定器、２８：報知部、２９：超近接スイッチ、３０：判定手段、３１：検知部、３２：第２の報知部

Claims (11)

1. 第１の物体の表面と第２の物体の先端との間の近接距離が設定値に到達したことを検知する超近接距離の検知方法であって、
   前記第１の物体の表面に、前記設定値に相当する厚さの近接場光Ｌ_０の局在領域を発生させ、
   前記第２の物体の先端が前記近接場光Ｌ_０の局在領域に進入した際に生じる散乱光Ｓ_１を検知することにより、前記近接距離が前記設定値に到達したと判定することを特徴とする超近接距離の検知方法。
2. 第１の物体の表面と第２の物体の先端との間の近接距離を検知する超近接距離の検知方法であって、
   近接場光Ｌ_０が局在する前記第１の物体の表面に向けて検出体を移動させて該第１の物体の表面と該検出体の先端の間隔を変化させながら、前記近接場光Ｌ_０の局在領域に前記検出体の先端が進入した際に生じる散乱光Ｓ_０の強度を測定して、前記散乱光Ｓ_０の強度と前記間隔との定量的対応関係を予め求めておき、
   前記第１の物体の表面に前記近接場光Ｌ_０を発生させ、
   前記第２の物体の先端が前記近接場光Ｌ_０の局在領域に進入した際に生じる散乱光Ｓ_１の強度を測定し、
   前記定量的対応関係に基づいて前記散乱光Ｓ_１の強度に対応する間隔を求め、該間隔の値を前記近接距離とすることを特徴とする超近接距離の検知方法。
3. 請求項２記載の超近接距離の検知方法において、前記定量的対応関係を求める際、前記検出体を２０〜１００ｎｍの位置決め精度を有する微小送り手段に取り付け、前記近接場光Ｌ_０の局在領域に進入させることを特徴とする超近接距離の検知方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の超近接距離の検知方法において、前記第１の物体は透光性を有し、該第１の物体の表面に局在する前記近接場光Ｌ_０は、該第１の物体の表面の裏側で光を全反射させて発生させ、全反射した光を該第１の物体の外部に取り出すことを特徴とする超近接距離の検知方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の超近接距離の検知方法において、前記散乱光Ｓ_０、Ｓ_１の強度をそれぞれ、前記散乱光Ｓ_０、Ｓ_１の中で前記第１の物体内に進入した光を集光して求めた強度とすることを特徴とする超近接距離の検知方法。
6. 第１の物体の表面と第２の物体の先端との間の近接距離が設定値に到達した際に到達信号を出力する超近接スイッチであって、
   前記第１の物体の表面に、前記設定値に相当する厚さの近接場光Ｌ_０の局在領域を発生させる近接場光発生手段と、
   前記第２の物体の先端が前記近接場光Ｌ_０の局在領域に進入した際に生じる散乱光Ｓ_１を検知する散乱光検知手段と、
   前記散乱光検知手段が前記散乱光Ｓ_１を検知したことを受けて、前記到達信号を出力する判定手段とを有することを特徴とする超近接スイッチ。
7. 第１の物体の表面と第２の物体の先端との間の近接距離を検知し、前記近接距離が設定値に到達した際に到達信号を出力する超近接スイッチであって、
   前記第１の物体の表面に近接場光Ｌ_０を発生させる近接場光発生手段と、
   前記第２の物体の先端が前記近接場光Ｌ_０の局在領域に進入した際に生じる散乱光Ｓ_１の強度を測定する散乱光検知手段と、
   近接場光Ｌ_０が局在する前記第１の物体の表面に向けて検出体を移動させて該第１の物体の表面と該検出体の先端の間隔を変化させながら、前記近接場光Ｌ_０の局在領域に前記検出体の先端が進入した際に生じる散乱光Ｓ_０の強度を測定して求めた前記散乱光Ｓ_０の強度と前記間隔との定量的対応関係を記憶したデータベースと、
   前記定量的対応関係に基づいて前記散乱光Ｓ_１の強度に対応する間隔を求めて、該間隔の値を前記近接距離とし、該近接距離が前記設定値に到達した際に前記到達信号を出力する判定手段とを有することを特徴とする超近接スイッチ。
8. 請求項７記載の超近接スイッチにおいて、前記判定手段は、前記近接距離を求める演算部と、該近接距離と前記設定値を比較し、該近接距離が該設定値に到達した際に前記到達信号を出力する報知部とを有することを特徴とする超近接スイッチ。
9. 請求項７又は８のいずれか１項に記載の超近接スイッチにおいて、前記検出体は２０〜１００ｎｍの位置決め精度を有する微小送り手段に取り付けられて、前記近接場光Ｌ_０の局在領域に進入されることを特徴とする超近接スイッチ。
10. 請求項６〜９のいずれか１項に記載の超近接スイッチにおいて、前記散乱光検知手段は、前記散乱光Ｓ_０、Ｓ_１の中で前記第１の物体内に進入した光を該第１の物体の外部に取り出してそれぞれ集光する集光光学系と、該集光光学系の下流側に配置されて集光された光の強度をそれぞれ測定する受光センサとを有することを特徴とする超近接スイッチ。
11. 請求項６〜１０のいずれか１項に記載の超近接スイッチにおいて、前記第１の物体は透光性を有し、前記近接場光発生手段は、前記近接場光Ｌ_０を形成する光源と、前記光源からの光を、前記第１の物体の表面の裏側で全反射可能な入射角度に調節する入射光学系と、前記第１の物体の表面の裏側で全反射した光を該第１の物体の外部に取り出す反射光学系とを有することを特徴とする超近接スイッチ。

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