JPS58140607A - 微小隙間の光学的測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は二つの被測定物間の微小隙間を光学的に測定す
る方法に関するものである。

第１図は光干渉法を利用した測定方法の原理図を示した
もので、この原理により例えば磁気ディスク装置のディ
スクとヘッドとの間に浮上による微小隙間を測定する場
合について説明する。

１は広帯域の光から波長λの単色光を発生する光源部で
、この光源ｓ１からの単色光はビームスプリッタ２によ
り図示下方に曲げられる。３は一方の被測定物である透
明なディスク、４は前記一方のディスク３と対接する他
方の被測定物である不透明なヘッドで、このヘッド４は
ディスク３との間に、ディスク３が回転するとき微小の
隙間りが形成される。

上記の構成において、光源部１から発生した単色光のビ
ームはディスク３を透過してヘッド４に入射する。この
とき、前記ビームはディスク３の表面３ａと裏面３ｂで
一部反射すると共にヘッド４０表面４ａでも反射する。

このようにディスク３およびヘッド４で反射されたビー
ムはビームスプリッタ４を透過して光電変換素子５に入
射する。

ここで、ヘッド４の表面３ａおよび裏面３ｂから反射し
たビームとが干渉して生ずる干渉光について着目すると
、この干渉光はディスク３とヘッド４との隙間りの大小
によって明るさが第２図に示す如く変化する。

すなわち、隙間ｈ＝０のとき、干渉光の明るさも明るく
なる。したがって、この干渉光の明るさの変化量を前記
光電変換素子５により電気信号に変換して測定すれば隙
間りを求めることができる。

しかし、この測定方法□ではつぎのような問題点を有し
ている。

（荀　干渉光の明るさは光路差とともに反射光の明るさ
にも関係する。したがって、光量の変動やディスク３、
ヘッド４の変動による反射光の明るさの変化によって干
渉光の明るさが変化するため、測定精度が低下する。

（ｂ）　　ｒｒＪｉｌ！Ｉｈｆｌｈ＝ｈ０＋ｈ囃として
ｉわｆことができる。

ここで、ｈｏは静的な平均値成分、ｈｌは時間とともに
変動する動的成分である。

い測定が可能となる。しかし、実際にはり。Ｖｉ１λと
一定になるとは限らすＱ　−、−ｎλの範囲を考えてお
く必要がある。（ｎ：整数） また、ｈｏの測定には干渉縞の次数を決定する別な手段
が必要となる。一方り、に関しては１λ以下であっても
、ｈｏの変化により測定範囲が制限されるため・測定精
度にバラツキが生じる。例に測定精度が低下する。

本発明は上記の点に鑑み、二つの被測定物間に形成され
る微小隙間の平均的隙間量および時間的に変化する隙間
量を容易に測定することができ、しかもその測定精度を
向上きせる微小隙間の光学的測定方法を提供することを
目的とする。

以下本発明の測定方法の一実施例を第３図に示す原理図
により説明する。

第３図において第１図と同一符号のものは同一部分を示
す。

第３図において、６はビームスプリッタ２からの光路を
変更するミラー、７は前記ディスク３とヘッド４で反射
する反射光により発生する干渉縞僧を映出する光電変換
部、８は光電変換部７に結倫し九干渉縞をモニターする
ＴＶモニター、９は光電変換部７に映出りまた干渉縞儂
から微小隙間に対応した測定値に相当する信号Ａを出力
す本計測回路で、この計測回路９は光電変換部７の制御
と同時に光電変換部７からの出力信号より干渉縞の位置
と干渉縞の移動量が徐々に移動した場合、その移動量と
方向を検出して、干渉縞の変動量および移動量に対応し
た変化電圧を偏差信号として出力し、この偏差信号Ｂを
フィードバック信号として光電変換部７に供給する。す
なわち、発生した訪、 干渉縞に対して、測定用として追雫すべき所足の干渉縞
を任意に選択して、この干渉縞の暗部中心位置を初期の
基準値とし、それ以後は干渉縞の変動や微小な変動成分
を高速に走査することにより徐々に変化する隙間（ｈａ
）や微小な動的変化隙間（ｈｌ）を偏差信号として出力
する。

上記の構成において、光電変換部７に結イ象した干渉縞
債から干渉縞の暗部又は明部（以下明部については暗部
と同様に考えられるため省略する。）の位置とその変化
量を検出し、これに対応した出力信号を計測回路９から
出力する。例えばディスク３が静止状態では隙間が零で
あるため、干渉縞は暗部のみとなる。そして、ディスク
３が回転すると、ディスク３とヘッド４との間に微小隙
間りが形成され、これに応じて干渉縞の暗部がヘッド４
面に発生し、微小隙間が徐々に増加するので干渉縞はヘ
ッド４面上を移動する。

また隙間の動的成分は高速にヘッド４０面上で変化する
暗部位置の広がりとして観測される。このとき、前記計
測回路９では前記のｈｏとり、に対応した偏差信号を出
力する。前記干渉縞の暗部を光電変換部７の受光面でみ
かけ上固定させるために、前記の偏差信号をフィードバ
ック信号として光電変換部７の駆動回路（図示せず）に
印加することにより微小隙間に比例した電気信号を精度
よく得ることができる。すなわち、光電変換部７の受光
面で干渉縞が変化しても前記偏差信号によって電気的に
静止させることができるため、この偏差信号を計測すれ
ば、微小隙間を高精度に測定することができる。

前記光電変換部７の構成を第４図に示す。第４図におい
て、光電変換部７は倍率を調整する光学レンズｌＯ１検
出器１１．　　ビデオプリアンプ１２、偏向回路１３、
ＸＹ偏向駆動回路１４、ＴＶ信号出力回路１５などで構
成される。

との１＊変換部７の動作は、光学レンズ１０を介して検
出器１１に結偉した干渉縞僧を外部からＸＹ偏向駆動回
路１４に印加する走査電圧により干渉縞儂を任意に走査
して明るさを比例した電気出力をビデオプリアンプ１２
から出力する。ＴＶ信号出力回路１５は検出器１１の全
面を走査して通常のＴＶ信号を出力する。千渉縞倫全体
はＴＶモニター８により観測する。

第５図において、（ａ）はヘッド４の浮上状態を、（ｂ
）は光電変換部７の受光面に結倫される干渉縞状態を、
（Ｃ）はビデオプリアンプ１２の出力信号をそれぞれ示
したものである。

ヘッド４の表面ｆｌ！線状であるとし、以下において走
査方向はＸ方向のみとしてＹ方向は一定電圧Ｖ丁を印加
して固定しておくものとする。干渉縞の暗部と隙間との
関係は次式で示すと七ができる。

・・・・・・・・・・・・　（１） （１次数） 干渉縞が２本以上観測できれば が成立する。ここで８０はヘッド４上面の長さで受光面
上ではＸｏの長さに相当する。θはヘッド４のディスク
３に対する傾き角を示す。Ｍ５図（ｂ）。

（Ｃ）から次式を得る。

（３）、（４）式より最小隙間ｈ　ｓａｌｍはとなる。

ここで％　　ｘｌ　＠　ｘｌは光電変換部７の受光面上
で、ヘッド４面上に発生した干渉縞の暗部の位置を示す
。ｈｊ　ｅ　ｈｌ＊１は実際の隙間量（次ａｔ：ｏ、１
，２．・・・・・・）を示す。

図５（Ｃ）に示すように干渉縞をＸ方向に走査すれは明
るさ信号が光電変換部７から出力する。ヘッド４上の干
渉縞の位置ｘ１＊　ｘｌに対しては走査電圧レベルＶ、
　Ｖ、が対応する。直接的に計測する信号はＶ、、Ｖ、
及びΔＶ（ΔＸ、Δｈに対応）等である。従って（５）
式から として最小隙間が求まる。（αは換算係数）本発明では
隙間が士Δｈの間で変動するときに受光面上で変化する
士Δｘ１すなわち走査電圧に換算して十ΔＶの変化を検
出する。

この十ΔＶは暗部のピークが変化する偏差信号として検
出される。この偏差信号を第３図及び第５図の回路構成
とより光電変換部７にフィードバックすることにより静
止状態から変化する隙間に対応して静的に移動する＠ｘ
、　、　ｘ、を逐一追跡することができる。このことは
、第５図（ｂ）の干渉縞の次数は一意的に定まってしま
うことを示して尚％　Ｖ、、ｖ、は干渉縞の暗部のピー
ク位置で、この決定は第５図（Ｃ）の明るさ信号レベル
の最小値を比較回路等を構成して検出することにより求
めることができる。この検出方法については省略する。

以上から変動成分り、とともにｈｏ　　（隙間の平均値
）を容易に決楚できることが分る。動的成分り、に当し
ては十分早い走査速度で干渉縞を走査プし静的成分ｈ０
に対しては低速に干渉縞を走査することで良い。

次にΔｈとΔＶとが１＝１に対応することについて説明
する。

ディスク３とヘッド４とが第５図のような浮上状態にあ
り隙間Ｊ（ｉ＝ｌのとき）で発生した干渉縞に着目して
ｈｔに対して士Δｈの隙間が変動する場合について考え
る。Δｈに比例して第５図（ｂ）、　（Ｃ）では士ΔＸ
１士ΔＶが対応する。浮上状態においてはヘッド４の姿
勢は一定と考えられるから（３）式のディスク３の傾き
角θは一定となる。

したがって（３）式に示した静的な干渉縞の発生状態か
ら次式が求まる。

ΔＸはΔＶと等価でありＫはこの比例定数である。

Ｋは次により定義できる。

（８）式よりΔＶを求めればΔｈ　＝　Ｋ　ｔａｎθΔ
Ｖる。

一以下Δｈに対応したΔＶを検出する方法について、そ
の動作原理を述べる。

光電ｆ換部７に結僧した干渉縞像から隙間の変動成分に
相当する。電圧成分ΔＶを検出する方法を第６図に示す
計測回路９により述べる。第６図において計測回路９は
光電変換部７からの明るさ信号を得ると同時に制御信号
を発生する。

まず構成を示すと、明るさ信号を増幅する増幅器１６、
走査信号と明るさ信号を乗算する乗算回路１７、乗算信
号を積分する積分回路１８と、光電変換部と制御するた
めに、まずあらかじめ走査を開始するスタート点を設定
する走査位置設定回路１９、走査関数発撮器２０．走査
信号の電圧レベルと走査速度、走査関数（三角波、正弦
波等）を設定する走査信号設定回路２１、それにめらが
しめ設定した■、と走査信号及び積分回路１８からの出
力を加算する加算回路２２、それに記録部２３などから
なる。

前記増幅器１６は光を変換部７のビデオプリアンプ１２
からの明るさ信号（ビデオ出力）を受けて増幅、ｆｌ形
整形し乗算回路１７に入力する。明るさ信号は走査信号
により干渉縞の暗部を中心に走査するときに発生し乗算
回路１７ではこの明るさ信号と走査信号と全像　する。

積分回路１８でこの出力を積分することにより乗算信号
の平均値が出力する。この値はあらかじめ走査位置設定
回路１９で設定した走査中心から干渉縞暗部のピークが
ずれた偏差信号に対応する。この偏差信号を得る方法に
ついては更に後述する。

一方走査信号発撮器２０からはあらかじめ走査信号設定
回路２１でセットした走査関数、走査速度、走査幅に対
応する走査信号が田方するう加算回路２２でＶｘｔ、走
査信号、積分回路出方全加算することにより計測回路９
と光電変換部７がマイナーのフィードバック系を構成し
、あらかじめ走査を開始した点からの偏差量を常にフィ
ードバックすることになる。従って積分回路１８からの
出力は隙間の変動成分を示しこれはまた干渉縞の変化を
もどすための信号となる。例えば干渉縞が徐々に移動す
る時の変化量もΔＶが徐々に変化する値として含まれて
くる。走査速度を上げることにより変動成分の測定可能
な周波数も上昇する。走査幅、走査関数、走査速度は干
渉縞の発生状態、変動成分の発生状態により任意に選択
する。また２本以上の干渉縞が発生していれば隣接の干
渉縞にシフトすることもできる。（ｖｘＩを変更する。

）マイナーのフィードバック系のために積分回路１８の
出力を偏向回路１３に入力することは、干渉縞を光電変
換部上に、電気的に固定させる。この時の固定のために
要した出力信号が隙間に対応した偏差信号になることを
示す。

次にΔｖｋ得る方法について述べる。第７図に走査関数
として三角波を使用した場合の動作原理を示す。まず第
７図（→の干渉縞像を全幅走査することにより、第７図
（ｂ）に示すような明るさ信号がｌ／ＩＪ６図における
光電変換部７から出力される。これに対して第７図（Ｃ
）に示す如く部分走査信号を設定することにより第７図
（→に示す如く干渉縞の明るさに対応するビデオ出力（
明るさ信号）が増幅器１６から出力される。これは走査
位置設定回路１９でそれぞれの干渉縞像の位置Ｘ、、Ｘ
ｂ。

ｘ、、ｘ４に対応する電圧Ｖａ＠Ｖｂ、Ｖｓ＊Ｖａを中
心に、振幅ΔＶ９周期Ｔの三角波で往復走査すれば、干
渉縞像の明るさに比例した第７図（ｄ）のＦ（Ｖ−）、
Ｆ（Ｖｂ　）、Ｆ（Ｖ、）。

Ｆ（ｖ−）が増幅器１６の出力すなわち明るさ信号とし
て得られることを示す。今、走査中心Ｖｂ。

Ｖ−、Ｖａで往復走査した明るさ信号と走査電圧との乗
算を行う場合について考える。第８図にその動作につい
て示す。

第８図（ａ）は、光電変換部７での干渉縞の位置と干渉
光の明るさとの関係を示し、Ｖ　ｂ　＠　Ｖ　＊　＠■
−は部分走査の中心電圧を示す。また第８図（ｂ）にお
いて、（イ）は第８図（旬に示した干渉光の明るさ信号
のｂ点を中心として走査したときに得られる明るさ信号
（実線）と走査電圧（点線）、明るさ信号Ｘ走査電圧（
一点鎖線）を示す。同様に（ロ）Ｆ２Ｏ点を中心に、ｅ
→Ｕｄ点を中心にそれぞれ走査したときの波形を示す。

干渉縞像の部分走査をＶｂ（ｂ点中心）で行うと明るさ
信号は第８図（＃、（イ）の実線となる。これと走査電
圧とを乗算すると、ｂ点を中心に正側の走査期間で正の
値で小さく、負側の走査期間で負の値で大きくなる。従
って乗算出力を積分すると負側に大きな出力となる。次
にｖ、（０点中心）で走査すると干渉光の明るさｆｌｃ
点を中心にほぼられる。

従がって乗算回路１７からは正負対称な信号が出力され
る。これを積分回路１８に入力すると積分出力は０とな
る。更にＶｉ（ｄ点中心）で走査するとこんどは正側の
短命で明るさ信号がより高い出力で得られるため明るさ
信号と走査電圧との乗算出力は、ｂ点中心の場合とＩハ
逆に正側に大きな出力となる。２の乗算回路１７の出力
を次の積分回路１８に入力してするとその出力は周期毎
の正の平均値を出力する。すなわち、ｂ点中心では負の
出力、０点ではｔｌぼ０．６点では正の出力が得られる
ことになる。

従がって乗算回路１７の出力を一担、積分回路１８に入
力して平均をとり波形整形し−これをＶｂ　、Ｖ−、Ｖ
−の走査位置設定回路からの出力と、加算回路２２で信
号を反転して加えてやれば走査中心が自動的に干渉光の
最も暗い部分に移動する。

この動作は干渉縞像の変動に応じて位置偏差出力のマイ
ナールーベとしてくりかえされることになる。従って積
分回路１８の出力が微小隙間の変動成分を示しており、
この積分回路１８の出力を測定することにより微小隙間
の動的成分が検出できる。

以上は三角波を例として説明したが正弦波でも全く同様
である。

加算回路２２で信号を反転して加えることは注目してい
る干渉縞像を常時ある点に固定しておく作用をする。

このことはまた最初静止状態からスタートして干渉縞の
暗部が発生し、まずこの点を中心に走査・を開始すれば
１次の干渉縞が光電変換部７から消えるまで追跡できる
。

すなわち、干渉縞が２本以上ある場合は隣、りの干渉縞
にとばして、この出力電圧からり、に対応したＸ、を測
定できる。干渉縞が１木根度しかないような場合でもこ
れを常時追跡することにより干渉縞の発生状況が分り隙
間りの変化を把欄できる。

次に本発明の他の実施例を第９図により説明する。第９
図において第１図、第６図と同一符号のものは同一部分
を示す。

２４は光源部１における広帯域の波長λを発光する白色
光源、２５は白色光源の波長から任意の波長λを選択し
て単色光束とする波長選択部、２６は計測回路９からの
偏差信号Ｂによって波長を選択するための動作信号と出
方する動作回路である。

次に第１０図は波長選択部２５の具体的な実例を示す。

第１θ図において、２７は第１のレンズ、２８はピンホ
ール、２９は第２のレンズ、３ｏは第３のレンズ、３１
は連続の透過波長可変干渉フィルタで、３２は干渉フィ
ルタ３１を直線的に移動させるリニアモータ、３３は速
度検出器、３４は位を検出器を示す。透過波長可変干渉
フィルタ３１の構造を第１１図に示す。これは透過波長
が連続的に異なるように干渉フィルタを配列したもので
レンズ２９により光束を絞りこみ、焦点部分に干渉フィ
ルタ３１を配置することによりレンズ３０に入力する白
色光は例えばλ、の単色光となる。

レンズ３０からの光は平行光束となって前記の光源と同
様に干渉縞を発生する。リニアモータ３２により干渉フ
ィルタ３１を駆動することにより所ＷＩ７）波長λｍ（
ｎ＝ｔ・・・・・・）を得ることができる。

このとき位置検出器３４によりλと移動量の関係を対応
つける。速度検出器３３Ｆ′ｉリニアモータ３２を制御
するために必要とする部分である。

第１０図のりニアモータ３２に前記の偏差信号Ｂに比例
したある信号を入力することによりこれに比例して波長
λが変化する。

これは第９図において動作回路２６により出力した信号
をリニアモータ３２に入力する。動作回路２６は計測回
路９からの偏差信号を用いて、前記９ΔＶがΔｈに対応
するように比例演算を行いリニアモータ３２の位置信号
がΔｈと対応するようにしてこの信号を出力する。

このようにすればすきま変動及び静止状態からの隙間の
移動量は波長の変化として直読できる。

尚、第１０図においては透過波長が変化する干渉フィル
ターを配置してこれを直線的に動作させたが、光源の発
を波長を変化させても同様の効果が生ずることは明らか
である。この場合比較的広帯域の波長が可変できる光源
として色素レーザなどがある。

本発明の微小隙間の光学的測定方法によれば、通常の光
学系により創出した干渉縞に対して、干渉縞儂が変化す
る成分を適確にとらえることが可能となるため、微小隙
間の平均的隙間量および時間的に変化する隙間量を高精
度に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の微小隙間の光学的測定方法を説明するた
めの原理図、第２図は隙間と干渉光の明るさの関係を説
明するための図、第３図は本発明の微小隙間の光学的測
定方法を説明するための原理図１第４図は本発一方法に
おける光電変換部を説明するための図、第５図は隙間と
干渉縞イ象の対応関係を説明するための図、第６図は本
発明方法における計測回路を説明するための図、第７図
および第８図は本発明方法の動作原理を説明するための
図、第９図は本発明方法の他の実施例を説明するための
原理図、第１０図は本発明方法の他の実施例における波
長選択部を説明するための図、第１１図は本発明方法の
他の実施例における透過波長可変干渉フィルタを説明す
るための図である。 ３・・・ディスク、４・・・ヘッド、７・・・光！変換
部、９・・・計測回路。 ＶＩｌ　　口 謀閏尤 聞　３　図 １１Ａ４図 １ −」 聞　５　図 （α） （ｂ） （Ｃ） ′！！Ｉ６　　図 ７ 第７　口 第　δ　図 （α） （ｂ） 藁　９　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、被測定物間の微小隙間を光干渉法により干渉縞を結
   倫させ、この干渉縞を光電変換部により走査し、干渉縞
   の暗部又は明部の明るさに対応した出力信号から微小隙
   間を光学的に測定する方法において、前記干渉縞を干渉
   縞の縞間隔で決定される走査幅で走査し、前記光電変換
   部からの出力信号と走査信号から干渉縞の変化量を計測
   回路により算出し、前記干渉縞の暗部又は明部がみかけ
   上静止するように前記干渉縞の変化量をフィードバック
   して干渉縞を追跡し、このときのフィードバック量から
   微小隙間を測定するようにしたことを特徴とする微小隙
   間の光学的測定方法。 ２　前記フィードバック量に相当する信号を光電変換部
   に供給するようにしたことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の微小隙間の光学的測定方法。 ＆　前記フィードバック量に相当する信号を光源部に供
   給するようにし食ことを特徴とする特許請求の範囲第１
   墳記載の微小隙間の光学的測定方法。