JPH08247743A - 接触検出素子、表面形状測定方法および表面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 測定対象面が導電体であるか絶縁体であるか
にかかわらず測定可能な表面形状測定装置を得る。 【構成】 接触検出素子を保持する保持部１２を加振し
て触針１１を一定振幅で振動させる加振装置１３と、触
針１１の振動中心を測定対象面１０ａに所定の経路に沿
って相対移動させるとともに、この移動量を出力するＺ
軸送り機構５と、判断手段１４ｂの判断から接触時間幅
を検出する検出回路１４と、検出回路１４にて検出され
た接触時間幅と触針１１の振動周期との比率に基づい
て、触針１１の振動中心から測定対象面１０ａまでの距
離を算出する演算装置および演算装置にて算出された距
離とＺ軸送り機構５にて出力された移動量とにより測定
対象面１０ａの表面形状を求める形状検出回路から成る
コンピュータ１５とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、マイクロマシンある
いは微小モータ用軸受の内外形状、インクジェットプリ
ンタまたはエンジンの燃料噴射装置におけるノズルの内
面形状など、サブミリオーダー部分の３次元形状を測定
するために用いられる接触検出素子、表面形状測定方法
および表面形状測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１３は例えば特開平５−２６４２１４
号公報に示された従来の表面形状測定装置を示す構成図
である。図において、１は導電性の接触部１ａを備えた
触針、２はこの触針１を中立位置に設置し、ここを中心
として水平面内の一方向のＸ軸方向に一定周期、一定振
幅で振動させる加振装置、３は測定対象物で、導電性を
備えた測定対象面３ａを有する。４は触針１に対して測
定対象面３ａがほぼ平行方向となるように測定対象物３
を設置するＺ軸テーブル、５はこのＺ軸テーブル４をＸ
軸に垂直なＺ軸方向に一定速度で駆動させる移動装置と
してのＺ軸送り機構である。

【０００３】６は触針１と測定対象面３ａとの間に電圧
を印加し、触針１と測定対象面３ａとの間が導通してい
る間は一定の信号を出力する導通時間検出回路、７はコ
ンピュータで、加振装置２に設定されている触針１の振
動周期と導通時間検出回路６からの出力信号とに基づい
て所定の演算が行われ、この演算結果および触針１の相
対移動量が内部のメモリに記録される。８、９はコンピ
ュータ７にて記録されたデータを出力するためのプリン
タおよびＣＲＴディスプレイである。

【０００４】次に上記のように構成された従来の表面形
状測定装置の動作について図１４および図１５を交えて
説明する。まず、触針１がＸ軸方向に、図１４（ａ）に
示されているような正弦波状の振動をしているものとす
る。このとき、測定対象面３ａが触針１の振動中心から
距離ｓだけ離れているとすると、触針１の振動変位がそ
の距離ｓより大きくなる間は触針１が測定対象面３ａに
接触することになる。そして、それらが接触していると
きにはその間が電気的に導通し、離れているときにはそ
の間が非導通となる。したがって、このときには、触針
１と測定対象物３との間の電気的導通を検出する導通時
間検出回路６から図１４（ｂ）に示されているような導
通・非導通の信号が出力される。

【０００５】その導通信号の継続時間、すなわち触針１
と測定対象物３との接触時間は、触針１の振動中心と測
定対象面３ａとの間の距離ｓが小さくなるほど大きくな
る。この接触時間を、導通状態を表わす波形のデューテ
ィサイクル、すなわち導通時間の触針振動周期に占める
割合として求めると、そのデューティサイクルは、触針
１の振動中心と測定対象面３ａとの間の距離ｓによって
図１５のように変化する。つまり、距離ｓが触針１の振
動振幅より大きく、触針１が測定対象面３ａに接触しな
いときにはデューティサイクルは０となり、触針１の振
動中心が測定対象面３ａに近付くにつれてデューティサ
イクルが大きくなる。そして、振動を加えても触針１が
測定対象面３ａから離れない状態となると、デューティ
サイクルは１となる。したがって、デューティサイク
ル、すなわち導通時間の触針振動周期に対する比率を求
めることにより、触針１の振動中心に対する測定対象面
３ａの位置を知ることができる。

【０００６】そして、コンピュータ７においては、導通
時間検出回路６からの出力信号と加振装置２に設定され
た触針１の振動周期とに基づいて、このデューティサイ
クルが算出される。そして、そのデューティサイクル
と、マップとして記憶されている図１５のような較正グ
ラフとが比較され、そのときの距離ｓが求められる。こ
のようにして、触針１の振動中心と測定対象面３ａとの
間の距離ｓが測定される。この間において、測定対象物
３はＺ軸送り機構５によってＺ軸方向に移動される。そ
して、そのＺ軸送り機構５から出力される測定対象物３
のＺ軸方向の移動量が、測定された距離ｓとともに記録
される。それによって、測定対象面３ａのＺ軸方向の各
位置における凹凸が測定される。次いで、触針１あるい
は測定対象物３をＸ−Ｚ平面に垂直なＹ軸方向に移動さ
せ、同様な測定を行う。このような測定を繰り返すこと
によって、測定対象面３ａの３次元形状を求めることが
できる。

【０００７】尚、測定対象物３が電気的に不導体である
場合には、そのままではこの測定方法を用いることはで
きないが、その場合には、スパッタ等によって測定対象
面３ａにごく薄い導電膜を形成するようにすればよい。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来の表面形状測定装
置は以上のように構成されているので、測定対象面３ａ
が導電体であるかまたは不導体の場合には導電膜を形成
する必要があり、測定対象面が不導体のままでは測定す
ることができず、又、測定対象面３ａに電圧を印加する
ため接触部１ａとの接触時に高電界が発生して空気中に
浮遊するほこり等が静電吸着し、接触部１ａと測定対象
面３ａとの導通を妨げ測定の精度が低下する等の問題点
があった。

【０００９】この発明の上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、測定対象面が導電体または絶縁
体にかかわらず検出できるとともに、静電吸着に起因す
る検出信頼性の劣化を抑えることができる接触検出素
子、更にこの接触検出素子を使用した表面形状測定方法
および表面形状測定装置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】この発明に係る請求項１
の接触検出素子は、光源、一端側が保持部にて保持さ
れ、他端側に測定対象面と接触させるための接触部を設
け、光源から照射される入射光を入射部から導入し、光
路媒体を経て出射部から出射光として導出する光経路を
形成するとともに、接触部が測定対象面と接したとき光
路媒体が機械的に変形するようにしてなる触針、および
入射光と出射光とを検出し両光の検出値の比較から接触
部が測定対象面と接触しているか否かの判断を行う判断
手段を備えたものである。

【００１１】又、この発明に係る請求項２の接触検出素
子は、請求項１において、光路媒体中に設けられ入射部
から導入した光を反射させ出射部へ導く反射面を備えた
ものである。

【００１２】又、この発明に係る請求項３の接触検出素
子は、請求項２において、接触部の測定対象面との接触
面を透明部材にて形成し接触面を反射面としたものであ
る。

【００１３】又、この発明に係る請求項４の接触検出素
子は、請求項２または請求項３において、判断手段は、
入射光の光強度に対する出射光の光強度の変化から接触
部が測定対象面と接しているか否かの判断を行うもので
ある。

【００１４】又、この発明に係る請求項５の接触検出素
子は、請求項１または請求項２において、光路媒体が可
視光領域にスペクトルの輝線を有するものにて成り、判
断手段は入射光に対する出射光の周波数の変化を検出し
接触部が測定対象面と接しているか否かの判断を行うも
のである。

【００１５】又、この発明に係る請求項６の接触検出素
子は、請求項１または請求項２において、光路媒体が光
弾性材にて成り、判断手段は入射光に対する出射光の位
相の変化を検出し接触部が測定対象面と接しているか否
かの判断を行うものである。

【００１６】又、この発明に係る請求項７の接触検出素
子は、請求項１または請求項２において、光路媒体が光
弾性材にて成り、判断手段は入射光に対する出射光の偏
光成分の変化を検出し接触部が測定対象面と接している
か否かの判断を行うものである。

【００１７】又、この発明に係る請求項８の接触検出素
子は、請求項１または請求項２において、光路媒体が光
弾性材にて成り、光源からは波長の異なる２種類の入射
光を照射させ、判断手段は２種類の入射光のそれぞれに
対する出射光のうなり周波数の変化を検出し接触部が測
定対象面と接しているか否かの判断を行うものである。

【００１８】又、この発明に係る請求項９の接触検出素
子は、請求項１ないし請求項８において、光源をレーザ
光にて行うものである。

【００１９】又、この発明に係る請求項１０の表面形状
測定方法は、請求項１ないし請求項９のいずれかに記載
の接触検出素子の触針を一定振幅にて振動させ、接触部
が振幅にて測定対象面と接離する箇所にて保持部を保持
し、判断手段の判断から接触時間幅を求め、触針の振動
周期に対する接触時間幅の比率から、触針の振幅中心と
測定対象面との間の距離を算出し、距離と上記触針の振
動中心を所定の経路に沿って移動させる移動量とによ
り、上記測定対象面の表面形状を測定するものである。

【００２０】又、この発明に係る請求項１１の表面形状
測定方法は、請求項１ないし請求項９のいずれかに記載
の接触検出素子の触針を一定振幅にて振動させ、接触部
が振幅にて測定対象面と接離する箇所にて保持部を保持
し、判断手段の判断から接触時間幅を求め、触針の振動
周期に対する接触時間幅の比率が一定となるように、触
針の振動中心と測定対象面との間の距離を変化させ、こ
の変化量と測定箇所を移動させる移動量とにより測定対
象面の表面形状を求めるものである。

【００２１】又、この発明に係る請求項１２の表面形状
測定方法は、請求項１０または請求項１１において、触
針を測定対象面としての側壁を有する穴の内部に挿入
し、穴の径方向に振動させるとともに穴の側壁の表面と
平行な方向に移動させることにより、穴の側壁の表面形
状を求めるものである。

【００２２】又、この発明に係る請求項１３の表面形状
測定装置は、請求項１ないし請求項９のいずれかに記載
の接触検出素子を保持する保持部を加振して上に接触検
出素子の触針を一定振幅で振動させる加振装置と、触針
の振動中心を測定対象面に所定の経路に沿って相対移動
させるとともに、この移動量を出力する移動装置と、判
断手段の判断から接触時間幅を検出する検出回路と、検
出回路にて検出された接触時間幅と触針の振動周期との
比率に基づいて、触針の振動中心から測定対象面までの
距離を算出する演算装置と、演算装置にて算出された距
離と移動装置にて出力された移動量とにより測定対象面
の表面形状を求める形状検出回路とを備えたものであ
る。

【００２３】又、この発明に係る請求項１４の表面形状
測定装置は、請求項１ないし請求項９のいずれかに記載
の接触検出素子を保持する保持部を加振して上に接触検
出素子の触針を一定振幅で振動させる加振装置と、触針
の振動中心を測定対象面に相対移動させるとともに、こ
の移動量を出力する第１の移動装置と、触針の振動中心
と測定対象面との間の処理を変化させるとともに、この
変化量を出力する第２の移動装置、判断手段の判断から
接触時間幅を検出する検出回路と、検出回路にて検出さ
れた接触時間幅と触針の振動周期との比率を算出する演
算装置と、比率が一定となるように第２の移動装置を駆
動する駆動回路と、第１および第２の移動装置の移動量
および変化量により上に測定対象面の表面形状を求める
形状検出回路を備えたものである。

【００２４】又、この発明に係る請求項１５の表面形状
測定装置は、請求項１３または請求項１４において、触
針を測定対象面に対して相対的に回転させ得る回転機構
を備えたものである。

【００２５】

【作用】この発明の請求項１における接触検出素子は、
光路媒体を機械的に変形することにより、入射光に対す
る出射光の検出値が変化する。

【００２６】又、この発明の請求項２における接触検出
素子は、光路媒体の機械的変形により、反射面が変化す
る。

【００２７】又、この発明の請求項３における接触検出
素子は、接触部の測定対象面との接触により反射面が変
化する。

【００２８】又、この発明の請求項４における接触検出
素子は、入射光に対する出射光の光強度の変化から接触
部と測定対象面との接触か否かの判断が明確となる。

【００２９】又、この発明の請求項５における接触検出
素子は、光路媒体の非線形効果による入射光に対する出
射光の周波数の変化から接触部と測定対象面との接触か
否かの判断が明確となる。

【００３０】又、この発明の請求項６における接触検出
素子は、光路媒体の光弾性効果による入射光に対する出
射光の偏光成分の変化から接触部と測定対象面との接触
か否かの判断が明確となる。

【００３１】又、この発明の請求項７における接触検出
素子は、光路媒体の光弾性効果による入射光に対する出
射光の位相の変化から接触部と測定対象面との接触か否
かの判断が明確となる。

【００３２】又、この発明の請求項８における接触検出
素子は、光路媒体の光弾性効果による波長の異なる２種
類の入射光のそれぞれに対する出射光のうなり周波数の
変化から接触部と測定対象面との接触か否かの判断が明
確となる。

【００３３】又、この発明の請求項９における接触検出
素子は、入射光がレーザ光であるため性状が安定してお
り、接触部と測定対象面との接触による入射光に対する
出射光の変化が顕著になる。

【００３４】又、この発明の請求項１０における表面形
状測定方法は、請求項１ないし請求項９のいずれかに記
載の接触検出素子の触針を一定振幅にて振動させ、接触
部が振幅にて測定対象面と接離する箇所にて保持部を保
持し、判断手段の判断から接触時間幅を求め、触針の振
動周期に対する接触時間幅の比率から、触針の振幅中心
と測定対象面との間の距離を算出し、距離と触針の振動
中心を所定の経路に沿って移動させる移動量とにより、
測定対象面の表面形状を測定するようにしたので、光に
より接触部が測定対象面と接触する接触時間幅を確実に
検出し、触針の振動周期に対する接触時間幅の比率から
触針の振幅中心と測定対象面との間の距離を検出する。

【００３５】又、この発明の請求項１１における表面形
状測定方法は、請求項１ないし請求項９のいずれかに記
載の接触検出素子の触針を一定振幅にて振動させ、接触
部が振幅にて測定対象面と接離する箇所にて保持部を保
持し、判断手段の判断から接触時間幅を求め、触針の振
動周期に対する接触時間幅の比率が一定となるように、
触針の振動中心と測定対象面との間の距離を変化させ、
この変化量と測定箇所を移動させる移動量とにより測定
対象面の表面形状を求めるようにしたので、測定対象面
の形状に係わらず光により接触部が測定対象面と接触す
る接触時間幅を確実に検出し、触針の振動周期に対する
接触時間幅の比率一定となるような触針の振動中心と測
定対象面との間の距離を検出する。

【００３６】又、この発明の請求項１２における表面形
状測定方法は、触針を測定対象面としての側壁を有する
穴の内部に挿入し、穴の径方向に振動させるとともに穴
の側壁の表面と平行な方向に移動させることにより、穴
の側壁の表面形状を求めるようにしたので、穴の側壁の
表面形状を効率よく検出する。

【００３７】又、この発明の請求項１３における表面形
状測定装置は、光により接触部が測定対象面と接触する
接触時間幅を確実に検出し、触針の振動周期に対する接
触時間幅の比率から触針の振幅中心と測定対象面との間
の距離を検出する。

【００３８】又、この発明の請求項１４における表面形
状測定装置は、測定対象面の形状に係わらず、光により
接触部が測定対象面と接触する接触時間幅を確実に検出
し、触針の振動周期に対する接触時間幅の比率一定とな
るような触針の振動中心と測定対象面との間の距離を検
出する。

【００３９】又、この発明の請求項１５における表面形
状測定装置は、穴の側壁の表面形状を効率よく検出す
る。

【００４０】

【実施例】

実施例１．以下、この発明の実施例を図について説明す
る。図１は、この発明の実施例１における表面形状測定
装置の構成を示す図である。図において、従来の場合と
同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。１０は
Ｚ軸テーブル４上に載置された測定対象面１０ａを備え
た測定対象物、１１は一端側が保持部１２にて保持され
る触針で、他端側に測定対象面１０ａと接触させるため
の接触部１１ａを備えている。また、後述する光源から
照射される入射光を受光する受光面１１ｂと、接触部１
１ａが測定対象物３と接触していない際に受光面１１ｂ
を介し入射された入射光と同一光路にて出射光が出射す
るように形成された反射面１１ｃとを備えており、光路
媒体１１ｄは透明固体にて形成されている。

【００４１】１３は保持部１２を加振し触針１１を水平
面内の一方向のＸ軸方向に一定周期、一定振幅で振動さ
せる加振装置、１４は触針１１に入射する入射光の光源
１４ａを備えるとともに、入射光の光強度に対する出射
光の光強度の変化から接触部１１ａが測定対象面１０ａ
と接しているか否かの判断を行う判断手段１４ｂの判断
から接触時間幅を検出する検出回路、１５はコンピュー
タで、加振装置１３に設定されている触針１１の振動周
期と検出回路１４からの出力信号とに基づいて所定の演
算を行う演算装置を備え、この演算結果および触針１１
の相対移動量とにより測定対象面１０ａの表面形状を求
める形状検出回路を備えている。１６、１７はコンピュ
ータ１５にて求められたデータを出力するためのプリン
タおよびＣＲＴディスプレイである。尚、出射光の光強
度は触針１１の振動では変化しない。

【００４２】次に上記のように構成された実施例１の表
面形状測定装置の動作について図２ないし図４を交えて
説明する。まず、従来の場合と同様に、触針１１がＸ軸
方向に、図２（ａ）に示されているような正弦波状の振
動をしているものとする。このとき、測定対象面１０ａ
が触針１１の振動中心から距離ｓだけ離れているとする
と、触針１１の振動変位がその距離ｓより大きくなる間
は触針１１が測定対象面３ａに接触することになる。

【００４３】そして、触針１１の接触部１１ａが測定対
象面１０ａに接していないときは図３（ａ）に示すよう
に、出射光は反射面１１ｃにて反射され入射光と同一光
路を経て出射され、入射光と出射光とは同一の光強度が
得られる。又、接しているときは図３（ｂ）に示すよう
に、触針１１が機械的に変形し反射面１１ｃが元の方向
から傾くため、出射光は反射面１１ｃにて入射光の光路
と異なる方向に反射され出射され、出射光の光強度は０
と検出される。したがって、図２（ｂ）に示したような
出射光の光強度により接触部１１ａが測定対象面１０ａ
と接しているか否か判断手段１４ｂにて判断できる。そ
して、検出回路１４では出射光の光強度値が０の時間幅
を接触時間幅として検出する。

【００４４】すなわち、触針１１と測定対象物１０との
接触時間幅は、触針１１の振動中心と測定対象面１０ａ
との間の距離ｓが小さくなるほど大きくなる。この接触
時間幅を表す波形のデューティサイクル、すなわち接触
時間幅の触針振動周期に占める割合として求めると、そ
のデューティサイクルは、触針１１の振動中心と測定対
象面１０ａとの間の距離ｓによって図４のように変化す
る。つまり、距離ｓが触針１１の振動振幅より大きく、
触針１１が測定対象面１０ａに接触しないときにはデュ
ーティサイクルは０となり、触針１１の振動中心が測定
対象面１０ａに近付くにつれてデューティサイクルが大
きくなる。そして、振動を加えても触針１１が測定対象
面１０ａから離れない状態となると、デューティサイク
ルは１となる。したがって、デューティサイクル、すな
わち導通時間の触針振動周期に対する比率を求めること
により、触針１０の振動中心に対する測定対象面１１ａ
の位置を知ることができる。

【００４５】そして、コンピュータ１５においては、検
出回路１４からの出力信号と加振装置１３に設定された
触針１１の振動周期とに基づいて、このデューティサイ
クルが算出される。そして、そのデューティサイクル
と、マップとして記憶されている図４のような較正グラ
フとが比較され、そのときの距離ｓが求められる。この
ようにして、触針１１の振動中心と測定対象面１０ａと
の間の距離ｓが測定される。この間において、測定対象
物１０はＺ軸送り機構５によってＺ軸方向に移動され
る。そして、そのＺ軸送り機構５から出力される測定対
象物１０のＺ軸方向の移動量と、測定された距離ｓとに
よって、測定対象面１０ａのＺ軸方向の各位置における
凹凸が測定される。次いで、触針１１あるいは測定対象
物１０をＸ−Ｚ平面に垂直なＹ軸方向に移動させ、同様
な測定を行う。このような測定を繰り返すことによっ
て、測定対象面１０ａの３次元形状を求めることができ
る。

【００４６】上記のように構成された実施例１の表面形
状測定装置は、触針１１の機械的変形により得られる入
射光に対する出射光の光強度の変化により、触針１１が
測定対象面１０ａと接触しているか否かの判断を行うた
め、測定対象面１０ａの導体または絶縁体によらず触針
１１と測定対象面１０ａとの接触を判断することができ
るとともに、測定対象面１０ａの表面形状を検出するこ
とができ、又、測定中に空気中の塵埃等の静電吸着を生
じることがないため、信頼性の高い測定を行うことがで
きる。

【００４７】実施例２．図５はこの発明の実施例２の表
面形状測定装置の構成を示す図である。図において、上
記実施例１と同様の部分は同一符号を付して説明を省略
する。１８はＺ軸テーブル４上に載置されたＸ軸テーブ
ルで、上面に測定対象物１０が載置されている。１９は
このＸ軸テーブル１８をＺ軸に垂直なＸ軸方向に駆動さ
せる第２の移動装置としてのＸ軸駆動機構、２０はコン
ピュータで、検出回路１４にて検出された接触時間幅、
触針１１の振動周期、Ｚ軸送り機構５の移動量、Ｘ軸駆
動機構１９の変化量から測定対象面１０ａの表面形状を
検出する。尚、ここでは、Ｚ軸送り機構５が第１の移動
装置となる。

【００４８】次に上記のように構成された実施例２の表
面形状測定装置の動作について説明する。まず、上記実
施例１と同様に、触針１１を振動させ接触時間幅を検出
回路１４にて検出する。そして、コンピュータ２０はこ
の検出値からデューティサイクルの比率を算出し（演算
装置としての作用）、この比率が一定となるような測定
対象面１０ａのＸ軸方向の変化量を求めＸ軸駆動機構１
９に変化量を出力し駆動する（駆動回路としての作
用）。このような測定をＺ軸送り機構５による測定対象
面１０ａの移動に応じて繰り返し、触針１１の振動中心
と測定対象面１０ａとの距離を一定に保つようにし、Ｚ
軸送り機構５およびＸ軸駆動機構１９のそれぞれ移動量
および変化量を処理し、測定対象面１０ａの表面形状を
求めている（形状検出回路としての作用）。

【００４９】上記のように構成された実施例２の表面形
状測定装置は、実施例１と同様の効果を奏するのはもち
ろんのこと、実施例１では測定範囲が触針１１の振幅の
範囲内に限られていたが、Ｘ軸方向にも測定対象物１０
を移動させることができるようにしたので、測定範囲を
触針１１の振幅に無関係に拡大することができる。

【００５０】実施例３．図６はこの発明の実施例３の表
面形状測定装置の構成を示す図である。図において、２
１は測定対象物１０の測定対象面１０ａである穴、２２
は測定対象物１０が載置されている回転テーブル、２３
はこの回転テーブル２２をＺ軸のまわりに一定速度で回
転駆動させる回転機構、２４は検出回路１４からの接触
時間幅、Ｚ軸送り機構５からの移動量、Ｘ軸駆動機構１
９からの移動量および回転機構２２からの回転量を入力
するとともにＸ軸駆動機構１９の変化量を出力し、処理
するコンピュータである。

【００５１】次に上記のように構成された実施例３の表
面形状測定装置の動作について説明する。まず、上記実
施例２と同様に、触針１１を振動させ接触時間幅を検出
する。そして、コンピュータ２４はこの検出値からデュ
ーティサイクルの比率を算出し（演算装置としての作
用）、この比率が一定となるように測定対象面１０ａの
Ｘ軸方向の変化量を求め、Ｘ軸駆動機構１９に変化量を
出力し駆動する（駆動回路としての作用）。このような
測定を、Ｚ軸送り機構５および回転機構２３による測定
対象面１０ａの移動に応じて繰り返し、触針１１の振動
中心と測定対象面１０ａとの距離を一定に保つように
し、Ｚ軸送り機構５、Ｘ軸駆動機構１９および回転機構
２３のそれぞれの移動量、変化量および回転量を処理
し、穴２１を構成する測定対象面１０ａの表面形状を求
めている（形状検出回路としての作用）。

【００５２】上記のように構成された実施例３の表面形
状測定装置は、実施例２と同様の効果を奏するのはもち
ろんのこと、回転機構２３により測定対象物１０を回転
するようにしたので、測定対象面１０ａにより形成され
た穴２１についても測定することができる。

【００５３】尚、触針１１と現在市販されている最細の
光ファイバ、コア径８μｍ、クラッド径１２５μｍにて
形成するようにすれば、インクジェットプリンタや内燃
機関の燃料噴射装置等のノズルのように微細な穴の側壁
に対しても表面形状を測定することができる。

【００５４】実施例４．上記各実施例では触針１１と測
定対象面１０ａとの接触の有無の検出を、触針１１を透
明固体にて形成し、反射面１１ｃを設け、入射光に対す
る反射光との光強度の変化により検出するようにしてい
たが、これに限られることはなく、以下、触針と測定対
象面との接触の有無の検出の他の実施例について述べて
いく。図７はこの発明の実施例４の接触検出素子の触針
の構成を示す図である。図において、２５は一端側が保
持部２６にて保持された触針で、入射光を受光する受光
面２５ａおよび２５ｂを備え、入射光が受光面２５ａお
よび２５ｂを介して測定対象面１０ａに入射光がほぼ垂
直方向から入射されるように接触部２５ｃを備え、光路
媒体２５ｄは透明固体にて形成されている。尚、接触部
２５ｃは反射面としても作用している。

【００５５】次いで上記のように構成された触針の動作
について図８を交えて説明する。まず、触針２５が測定
対象面１０ａと接触していないときには、入射光は受光
面２５ａおよび２５ｂを介して接触部２５ｃに入射され
る。そしてこの際、接触部２５ｃの透明固体と空気とが
境界面（すなわち反射面）となり、光の一部は透過し一
部は反射する。そして次に、触針２５が測定対象面１０
ａと接触しているときは、接触部２５ｃの透明固体と測
定対象面とが境界面（すなわち反射面）となり、光の反
射率は著しく増加する。よって、出射光の光強度は図８
に示すように接触部２５ｃと測定対象面１０ａとの接触
によってステップ状に変化することとなる。

【００５６】上記のように構成された実施例４の触針を
用いるようにすれば、接触部２５ｃと測定対象面１０ａ
との接触を感度よく検出することができ、上記各実施例
のように反射面１１ｃの傾きを変化させる必要がなく、
触針２５の機械的変形を少なく抑えることができるの
で、表面形状の測定感度が向上するとともに触針の疲労
破壊を低減することができる。

【００５７】実施例５．図９はこの発明の実施例５の触
針の構成を示す図である。図において、２７は触針１１
の外周面に形成された反射部材にてなる反射面である。
そして、この反射面２７は入射光を入射し、出射光を出
射し、光路媒体としても作用する。そして、上記各実施
例と同様に、触針１１の接触部１１ａが測定対象面１０
ａと接触する際の入射光に対する出射光の光強度の変化
を利用し、測定対象面１０ａの表面形状を検出する。

【００５８】上記のように構成された実施例５の触針を
用いるようにすれば、触針自体を透明固体にて形成する
必要がなく、触針の材質に起因する制限が生じないた
め、安価に形成することが可能となる。

【００５９】実施例６．ここでは触針が可視光領域にス
ペクトルの輝線を有する例えばルビー等にて形成されて
いる場合の測定について図１０に基づいて説明する。ま
ず、入射光の波長を上に輝線の波長λ１とし、図１０
（ｂ）に示すように検出されている。そして、出射光の
波長は触針が測定対象面と接触していない際には、入射
光と同一の波長にて検出されるが、接触し、触針に力が
加わると非線形効果が発生し上記輝線と隣接する他の輝
線の波長λ２が図１０（ｃ）に示すように検出される。
よって、この出射光の波長λ２の検出の有無により触針
の測定対象面との接触の有無が検出される。

【００６０】上記のように実施例６では触針の非線形効
果による出射光の入射光に対する波長の変化の検出によ
り、触針と測定対象面との接触の有無が高感度に検出さ
れるので、高感度に測定対象面の表面形状を検出するこ
とができる。

【００６１】実施例７．ここでは触針が光弾性材である
例えば透明固体のエポキシ樹脂などにて形成されている
場合の測定について図１１および図１２に基づいて説明
する。まず、入射光をＺ軸方向の直線偏光成分とし、出
射光を入射光の偏光方向と９０度異なるＹ軸方向の偏光
成分とする。そして、触針が測定対象面と接触していな
いときにはＹ軸方向の偏光成分は生じないが、図１１に
示すように、触針が測定対象面と接触し、触針に応力が
加わると光弾性効果により、出射光は楕円偏光となりＹ
軸方向の偏光成分２８が発生する。この偏光成分の検出
結果を図１２に示す。

【００６２】上記のように実施例７では触針の光弾性効
果による出射光の入射光に対する偏光の変化の検出によ
り、触針と測定対象面との接触の有無が高感度に検出さ
れるので、高感度に測定対象面の表面形状を検出するこ
とができる。

【００６３】実施例８．上記実施例７では光弾性効果に
よる偏光成分の変化を利用する例を示したが、光弾性効
果による入射光に対する出射光の位相の変化を検出する
ようにしても、上に実施例７と同様に行うことができ
る。

【００６４】実施例９．上記各実施例では１種類の光源
による光弾性効果の利用について説明したが、例えば２
種類の波長の異なる入射光を利用し、光弾性効果による
入射光に対する出射光のうなり周波数の変化を検出する
ようにしても、上記各実施例と同様に行うことができ
る。

【００６５】実施例１０．上記各実施例では光源につい
て特に言及していないが、例えば光源としてレーザ光源
を用いるようにすれば、レーザ光は一般の光の性状より
波長、強度、位相などが極めて安定しているので、入射
光に対する出射光の変化がより一層正確に検出できる。
又、直径１μｍ以下の微細なスポット径に集光可能とな
るので、触針をより一層小さくまたは細くすることがで
き、より一層微細な箇所の検出が可能となる。例えば、
波長について言えばＬＥＤ（light-emitting diodeの
略）などの光源に比較し、レーザ光源の波長は３桁以上
正確に決定でき、線幅も３桁以上狭いため、その入射光
に対する出射光の変化の検出精度は３桁程向上する。

【００６６】尚、上記各実施例では入射光に対する出射
光の変化を種々の方法にて検出する例を示したけれど
も、これらに限られることはなく入射光に対する出射光
の変化を検出できるものであればいずれでもよいことは
言うまでもない。

【００６７】又、上記各実施例では触針を振動させ測定
対象物を移動させるようにしたが、触針を振動させ移動
するようにしてもよい。

【００６８】又、上記各実施例中に非線形効果あるいは
光弾性効果を用いるものは触針にかかる力の大きさとの
相関があるが、ここではそこまで詳細な検出は必要なく
有無のみの判断を行えるものであれば十分検出可能であ
る。

【００６９】又、上記各実施例では入射光を反射面にて
反射させた反射光を出射光として検出する例を示した
が、これに限られることはなく、入射光が光路媒体を経
た光を出射光として検出するようにし、入射光に対する
出射光の変化と検出するようにしてもよい。

【００７０】

【発明の効果】以上のように、この発明の請求項１によ
れば、光源、一端側が保持部にて保持され、他端側に測
定対象面と接触させるための接触部を設け、光源から照
射される入射光を入射部から導入し、光路媒体を経て出
射部から出射光として導出する光経路を形成するととも
に、接触部が測定対象面と接したとき光路媒体が機械的
に変形するようにしてなる触針、および入射光と出射光
とを検出し両光の検出値の比較から接触部が測定対象面
と接触しているか否かの判断を行う判断手段を備えるよ
うにしたので、測定対象面の導電体または不導体にかか
わらず接触か否かの判断ができ、又、静電吸着を生じな
いため、信頼性が向上された接触検出素子を提供するこ
とができる。

【００７１】又、この発明の請求項２によれば、請求項
１において、光路媒体中に設けられ入射部から導入した
光を反射させ出射部へ導く反射面を備えるようにしたの
で、反射面の変形により測定対象面と接触か否かの判断
が確実に検出できるため、信頼性の高い接触検出素子を
提供することができる。

【００７２】又、この発明の請求項３によれば、請求項
２において、接触部の測定対象面との接触面を透明部材
にて形成し接触面を反射面としたので、接触部と測定対
象面との接触により反射面が変化し、接触か否かの検出
の感度が向上する接触検出素子を提供することができ
る。

【００７３】又、この発明の請求項４によれば、請求項
２または請求項３において、判断手段は、入射光の光強
度に対する出射光の光強度の変化から接触部が測定対象
面と接しているか否かの判断を行うようにしたので、よ
り一層確実に接触部が測定対象面と接しているか否かの
判断か可能な接触検出素子を提供することができる。

【００７４】又、この発明の請求項５によれば、請求項
１または請求項２において、光路媒体が可視光領域にス
ペクトルの輝線を有するものにて成り、判断手段は入射
光に対する出射光の周波数の変化を検出し接触部が測定
対象面と接しているか否かの判断を行うようにしたの
で、光路媒体の非線形効果により、より一層明確に接触
部が測定対象面と接しているか否かの判断が可能な接触
検出素子を提供することができる。

【００７５】又、この発明の請求項６によれば、請求項
１または請求項２において、光路媒体が光弾性材にて成
り、判断手段は入射光に対する出射光の偏光成分の変化
を検出し接触部が測定対象面と接しているか否かの判断
を行うようにしたので、光路媒体の光弾性効果により、
より一層明確に接触部が測定対象面と接しているか否か
の判断が可能な接触検出素子を提供することができる。

【００７６】又、この発明の請求項７によれば、請求項
１または請求項２において、光路媒体が光弾性材にて成
り、判断手段は入射光に対する出射光の位相の変化を検
出し接触部が測定対象面と接しているか否かの判断を行
うようにしたので、光路媒体の光弾性効果により、より
一層明確に接触部が測定対象面と接しているか否かの判
断が可能な接触検出素子を提供することができる。

【００７７】又、この発明の請求項８によれば、請求項
１または請求項２において、光路媒体が光弾性材にて成
り、光源からは波長の異なる２種類の入射光を照射さ
せ、判断手段は２種類の入射光のそれぞれに対する出射
光のうなり周波数の変化を検出し接触部が測定対象面と
接しているか否かの判断を行うようにしたので、光路媒
体の光弾性効果により、より一層明確に接触部が測定対
象面と接しているか否かの判断が可能な接触検出素子を
提供することができる。

【００７８】又、この発明の請求項９によれば、請求項
１ないし請求項８において、光源をレーザ光にて行うよ
うにしたので、より一層正確に接触部が測定対象面と接
しているか否かの判断が可能な接触検出素子を提供する
ことができる。

【００７９】又、この発明の請求項１０によれば、請求
項１ないし請求項９のいずれかに記載の接触検出素子の
触針を一定振幅にて振動させ、接触部が振幅にて測定対
象面と接離する箇所にて保持部を保持し、判断手段の判
断から接触時間幅を求め、触針の振動周期に対する接触
時間幅の比率から、触針の振幅中心と測定対象面との間
の距離を算出し、距離と触針の振動中心を所定の経路に
沿って移動させる移動量とにより、測定対象面の表面形
状を測定するようにしたので、測定対象面の導電体また
は絶縁体にかかわらず、正確に測定対象面の表面形状を
測定することができる表面形状測定方法を提供すること
ができる。

【００８０】又、この発明の請求項１１によれば、請求
項１ないし請求項９のいずれかに記載の接触検出素子の
触針を一定振幅にて振動させ、接触部が振幅にて測定対
象面と接離する箇所にて保持部を保持し、判断手段の判
断から接触時間幅を求め、触針の振動周期に対する接触
時間幅の比率が一定となるように、触針の振動中心と測
定対象面との間の距離を変化させ、この変化量と測定箇
所を移動させる移動量とにより測定対象面の表面形状を
求めるようにしたので、測定対象面の形状および導電体
または不導体にかかわらず、正確に測定対象面の表面形
状を測定することができる表面形状測定方法を提供する
ことができる。

【００８１】又、この発明の請求項１２によれば、請求
項１０または請求項１１において、触針を測定対象面と
しての側壁を有する穴の内部に挿入し、穴の径方向に振
動させるとともに穴の側壁の表面と平行な方向に移動さ
せることにより、穴の側壁の表面形状を求めるようにし
たので、穴の側壁の表面形状を正確に測定することがで
きる表面形状測定方法を提供することができる。

【００８２】又、この発明の請求項１３によれば、請求
項１ないし請求項９のいずれかに記載の接触検出素子を
保持する保持部を加振して上に接触検出素子の触針を一
定振幅で振動させる加振装置と、触針の振動中心を測定
対象面に所定の経路に沿って相対移動させるとともに、
この移動量を出力する移動装置と、判断手段の判断から
接触時間幅を検出する検出回路と、検出回路にて検出さ
れた接触時間幅と触針の振動周期との比率に基づいて、
触針の振動中心から測定対象面までの距離を算出する演
算装置と、演算装置にて算出された距離と移動装置にて
出力された移動量とにより測定対象面の表面形状を求め
る形状検出回路とを備えるようにしたので、測定対象面
の導電体または絶縁体にかかわらず、正確に測定対象面
の表面形状を測定することができる表面形状測定装置を
提供することができる。

【００８３】又、この発明の請求項１４によれば、請求
項１ないし請求項９のいずれかに記載の接触検出素子を
保持する保持部を加振して上に接触検出素子の触針を一
定振幅で振動させる加振装置と、触針の振動中心を測定
対象面に相対移動させるとともに、この移動量を出力す
る第１の移動装置と、触針の振動中心と測定対象面との
間の処理を変化させるとともに、この変化量を出力する
第２の移動装置、判断手段の判断から接触時間幅を検出
する検出回路と、検出回路にて検出された接触時間幅と
触針の振動周期との比率を算出する演算装置と、比率が
一定となるように第２の移動装置を駆動する駆動回路
と、第１および第２の移動装置の移動量および変化量に
より上に測定対象面の表面形状を求める形状検出回路を
備えるようにしたので、測定対象面の形状および導電体
または不導体にかかわらず、正確に測定対象面の表面形
状を測定することができる表面形状測定装置を提供する
ことができる。

【００８４】又、この発明の請求項１５によれば、請求
項１３または請求項１４において、触針を測定対象面に
対して相対的に回転させ得る回転機構を備えるようにし
たので、穴の側壁の表面形状を正確に測定することがで
きる表面形状測定装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施例１における表面形状測定装
置の構成を示す図である。

【図２】 図１における表面形状測定装置の原理を説明
するための第１説明図である。

【図３】 図１における表面形状測定装置の触針の光路
を示す図である。

【図４】 図１における表面形状測定装置の原理を説明
するための第２説明図である。

【図５】 この発明の実施例２における表面形状測定装
置の構成を示す図である。

【図６】 この発明の実施例３における表面形状測定装
置の構成を示す図である。

【図７】 この発明の実施例４における接触検出素子の
触針の構成を示す図である。

【図８】 図７における接触検出素子の原理を説明する
ための説明図である。

【図９】 この発明の実施例５における接触検出素子の
触針の構成を示す図である。

【図１０】 この発明の実施例６における接触検出素子
の原理を説明するための説明図である。

【図１１】 この発明の実施例７における接触検出素子
の触針の光路を示す図である。

【図１２】 図１１における接触検出素子の原理を説明
するための説明図である。

【図１３】 従来の表面形状測定装置の構成を示す図で
ある。

【図１４】 図１３における表面形状測定装置の原理を
説明するための第１説明図である。

【図１５】 図１３における表面形状測定装置の原理を
説明するための第２説明図である。

【符号の説明】

１０ａ 測定対象面、１１，２５ 触針、１１ａ，２５
ｃ 接触部、１１ｃ 反射面、１１ｄ，２５ｄ 光路媒
体、１２，２６ 保持部、１３ 加振装置、１４ 検出
回路、１４ａ 光源、１４ｂ 判断手段、１５，２０，
２４ コンピュータ、１９ Ｘ軸駆動機構、２１ 穴、
２３ 回転機構、２７ 反射面、２８ Ｙ軸方向の偏光
成分。

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源、一端側が保持部にて保持され、他
   端側に測定対象面と接触させるための接触部を設け、上
   記光源から照射される入射光を入射部から導入し、光路
   媒体を経て出射部から出射光として導出する光経路を形
   成するとともに、上記接触部が上記測定対象面と接した
   とき上記光路媒体が機械的に変形するようにしてなる触
   針、および上記入射光と出射光とを検出し上記両光の検
   出値の比較から上記接触部が上記測定対象面と接触して
   いるか否かの判断を行う判断手段を備えたことを特徴と
   する接触検出素子。
2. 【請求項２】 光路媒体中に設けられ入射部から導入し
   た光を反射させ出射部へ導く反射面を備えたことを特徴
   とする請求項１記載の接触検出素子。
3. 【請求項３】 接触部の測定対象面との接触面を透明部
   材にて形成し上記接触面を反射面としたことを特徴とす
   る請求項２記載の接触検出素子。
4. 【請求項４】 判断手段は、入射光の光強度に対する出
   射光の光強度の変化から接触部が測定対象面と接してい
   るか否かの判断を行うことを特徴とする請求項２または
   請求項３記載の接触検出素子。
5. 【請求項５】 光路媒体が可視光領域にスペクトルの輝
   線を有するものにて成り、判断手段は入射光に対する出
   射光の周波数の変化を検出し接触部が測定対象面と接し
   ているか否かの判断を行うことを特徴とする請求項１ま
   たは請求項２記載の接触検出素子。
6. 【請求項６】 光路媒体が光弾性材にて成り、判断手段
   は入射光に対する出射光の偏光成分の変化を検出し接触
   部が測定対象面と接しているか否かの判断を行うことを
   特徴する請求項１または請求項２記載の接触検出素子。
7. 【請求項７】 光路媒体が光弾性材にて成り、判断手段
   は入射光に対する出射光の位相の変化を検出し接触部が
   測定対象面と接しているか否かの判断を行うことを特徴
   する請求項１または請求項２記載の接触検出素子。
8. 【請求項８】 光路媒体が光弾性材にて成り、光源から
   は波長の異なる２種類の入射光を照射させ、判断手段は
   上記２種類の入射光のそれぞれに対する出射光のうなり
   周波数の変化を検出し接触部が測定対象面と接している
   か否かの判断を行うことを特徴とする請求項１記載の接
   触検出素子。
9. 【請求項９】 光源をレーザ光にて行うことを特徴とす
   る請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の接触検出
   素子。
10. 【請求項１０】 請求項１ないし請求項９のいずれかに
    記載の接触検出素子の触針を一定振幅にて振動させ、接
    触部が上記振幅にて測定対象面と接離する箇所にて保持
    部を保持し、判断手段の判断から接触時間幅を求め、上
    記触針の振動周期に対する上記接触時間幅の比率から、
    上記触針の振幅中心と上記測定対象面との間の距離を算
    出し、上記距離と上記触針の振動中心を所定の経路に沿
    って移動させる移動量とにより、上記測定対象面の表面
    形状を測定することを特徴とする表面形状測定方法。
11. 【請求項１１】 請求項１ないし請求項９のいずれかに
    記載の接触検出素子の触針を一定振幅にて振動させ、接
    触部が上記振幅にて測定対象面と接離する箇所にて保持
    部を保持し、判断手段の判断から接触時間幅を求め、上
    記触針の振動周期に対する上記接触時間幅の比率が一定
    となるように、上記触針の振動中心と上記測定対象面と
    の間の距離を変化させ、この変化量と測定箇所を移動さ
    せる移動量とにより上記測定対象面の表面形状を求める
    ことを特徴とする表面形状測定方法。
12. 【請求項１２】 触針を測定対象面としての側壁を有す
    る穴の内部に挿入し、上記穴の径方向に振動させるとと
    もに上記穴の側壁の表面と平行な方向に移動させること
    により、上記穴の側壁の表面形状を求めることを特徴と
    する請求項１０または請求項１１記載の表面形状測定方
    法。
13. 【請求項１３】 請求項１ないし請求項９のいずれかに
    記載の接触検出素子を保持する保持部を加振して上に接
    触検出素子の触針を一定振幅で振動させる加振装置と、
    上記触針の振動中心を測定対象面に所定の経路に沿って
    相対移動させるとともに、この移動量を出力する移動装
    置と、判断手段の判断から接触時間幅を検出する検出回
    路と、上記検出回路にて検出された上記接触時間幅と上
    記触針の振動周期との比率に基づいて、上記触針の振動
    中心から上記測定対象面までの距離を算出する演算装置
    と、上記演算装置にて算出された距離と上記移動装置に
    て出力された移動量とにより上記測定対象面の表面形状
    を求める形状検出回路とを備えたことを特徴とする表面
    形状測定装置。
14. 【請求項１４】 請求項１ないし請求項９のいずれかに
    記載の接触検出素子を保持する保持部を加振して上に接
    触検出素子の触針を一定振幅で振動させる加振装置と、
    上記触針の振動中心を測定対象面に相対移動させるとと
    もに、この移動量を出力する第１の移動装置と、上記触
    針の振動中心と上記測定対象面との間の処理を変化させ
    るとともに、この変化量を出力する第２の移動装置、判
    断手段の判断から接触時間幅を検出する検出回路と、上
    記検出回路にて検出された上記接触時間幅と上記触針の
    振動周期との比率を算出する演算装置と、上記比率が一
    定となるように上記第２の移動装置を駆動する駆動回路
    と、上記第１および第２の移動装置の移動量および変化
    量により上に測定対象面の表面形状を求める形状検出回
    路を備えたことを特徴とする表面形状測定装置。
15. 【請求項１５】 触針を測定対象面に対して相対的に回
    転させ得る回転機構を備えたことを特徴とする請求項１
    ３または請求項１４に記載の表面形状測定装置。