JPS6231281B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は二つの部材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図は従来の光干渉を利用した微小隙間の測
定方法の原理図を示したもので、この原理により
例えば磁気デイスク装置のデイスクとヘツドとの
間の微小隙間を測定する場合について説明する。

１は波長λのレーザ光を発振するレーザ発振器
で、このレーザ発振器１からのレーザビームはビ
ームスプリツタ２により図示下方に曲げられる。
３は不透明な材料より成る実物のデイスクの代り
に透明な材料、例えば石英ガラスで作られた一方
の被測定物である模擬デイスク、４は不透明な材
料より成るヘツドで、このヘツド４はデイスク３
との間に、デイスク３が回転するときの浮上によ
つて微小な隙間ｈが形成される。

上記の測定装置において、先ず、レーザ発振器
１から発振されたレーザビームはデイスク３を透
過してヘツド４に入射する。このとき、前記レー
ザビームはデイスク３の表面３ａと裏面３ｂで一
部反射すると共にヘツド４の表面４ａでも反射す
る。このようにデイスク３およびヘツド４で反射
されたレーザビームはビームスプリツタ２を透過
して光電変換素子５に入射する。ここで、ヘツド
４の表面４ａから反射したレーザビームとデイス
ク３の表面３ａおよび裏面３ｂから反射したレー
ザビームとが干渉して生ずる干渉光について着目
すると、この干渉光は前記それぞれの反射光の明
るさが等しいとすると、デイスク３とヘツド４と
の隙間ｈの大小によつて明るさが第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
は最も暗くなり、隙間ｈ＝λ／４のとき、レーザビー ムは最も明るくなる。したがつて、この干渉光の
明るさの変化量を光電変換素子５により電気信号
に変換して測定すれば隙間ｈを求めることができ
る。しかし、この測定法ではつぎのような問題点
を有する。

(a) 干渉光の明るさは単に光路差によつて変化す
るだけでなく、反射光の明るさによつて異な
る。したがつて、入射光が変化したり、デイス
ク３、ヘツド４の傾きが変化した等の場合に
は、測定精度が低下する。

(b) デイスク３とヘツド４との間に形成される隙
間の測定範囲が０〜λ／４以内になければならない 等の制限がある。

(c) 光電変換素子５の特性はそのまま測定精度に
影響するので、高精度のものが必要になる。

(d) 実物の測定が不可能であるため、デイスク３
またはヘツド４のいずれか一方をガラス等の透
明物体に置き換える必要がある。このため、ヘ
ツド４をガラス材に置き換え、デイスク３を実
物で測定しようとすると、デイスク３の表面は
ある荒さをもつており、デイスク３からの反射
光の明るさが一定にならず変化するため測定精
度が低下する。

本発明の目的は、上記の点に鑑み、二つの部材
間に形成される微小隙間の測定を容易に行なうこ
とができ、しかもその測定精度を向上させること
のできる微小隙間の光学的測定方法を提供するこ
とである。

この目的を達成するため、本発明は、二つの部
材からの反射光を干渉させ、この干渉光を利用し
て二つの部材間に形成される微小隙間を測定する
ものであつて、二つの部材のうちレーザ光照射側
の部材（第１部材）に孔を形成すると共に１／４波長 板（λ／４板）を結合して、レーザ光を第１部材を透 過させて他方の部材（第２部材）に照射し、この
結果得られる第１部材のλ／４板からの反射光および 第２部材からの板を通過した反射光を得て、この
二つの反射光の光路中に配置した偏光ビームスプ
リツタによりこの二つの反射光を分離し、分離後
のいずれか一方の反射光を、この一方の反射光の
光路中に配置されており、電圧印加により光路長
を可変する素子およびこの素子面に形成されたミ
ラーからなる光路長調節器のそのミラーによつて
反射させ、このミラーで反射された反射光と二つ
の反射光の他方の反射光とを干渉させ、二つの部
材の微小な隙間の変化によつて発生するこの干渉
光の干渉光強度変化を光電変換素子を介して電気
信号として検出し、この検出信号により干渉光強
度が常に最小または最大になるような制御量を求
め、この制御量に見合う電圧を光路長調節器の上
記素子に印加し、このときの制御量を用いて二つ
の部材間の微小隙間を測定する。

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。

６は波長λの直線偏光されたレーザビームを発
振する発光源であるレーザ発振器、７は入射する
レーザビームの振動面に関係なくレーザビームを
透過または反射させるビームスプリツタ、８は入
射するレーザビームの振動面に応じてレーザビー
ムを透過または反射させる偏光ビームスプリツ
タ、９，１０，１１は１／４波長板（λ／４板）、１２
，１ ３はレーザビームの光軸方向に対して鏡面１４，
１５を変位させることにより光路の長さを可変に
する調節器、例えば電歪素子で、電歪素子１２は
検出される干渉光の明るさに応じて鏡面１４を変
位させ、電歪素子１３は鏡面１５を後述する高周
波発振器からの高周波振動で変位させるとともに
光路差の位置を判別する機能を有している。１６
は偏光板、１７は光電変換素子、１８は一方の被
測定物で不透明な実物のデイスク、１９は他方の
被測定物で不透明な実物のヘツドで、このヘツド
１９は中心部分に小孔１９ａが形成され、且つデ
イスク１８と対向する面に前記１／４波長板（λ／４板
） １１が設けられている。２０は前記電歪素子１２
をフイードバツク制御する回路で、この制御回路
２０は正弦波の周波数を発振する高周波発振器２
１、増幅器２２，２３，２６，２７、光電変換素
子１７からの出力信号と高周波発振器２１からの
出力信号との積を演算する乗算器２４およびロー
パスフイルタ２５から成つている。

次に本発明の測定方法について説明する。

レーザ発振器６から発振されたレーザビームは
（このレーザビームをB₀とよぶ）、ビームスプリ
ツタ７および偏光ビームスプリツタ８を透過した
後、ヘツド１９の小孔１９ａからλ／４板１１に入射 する。このλ／４波長板１１に入射したレーザビーム B₀の内、一部のレーザビームは反射し（このレ
ーザビームをB₁と呼ぶ）、他の一部のレーザビー
ムは透過した後、デイスク１８の表面で反射し
（このレーザビームをB₂と呼ぶ）、再びλ／４波長板 １１に入射する。このとき、前者のレーザビーム
B₁の振動面は、レーザ発振器６から発振された
レーザビームの振動面と等しくなるため、レーザ
ビームB₁は偏光ビームスプリツタ８を再び透過
し、ビームスプリツタ７で反射して偏光板１６に
入射する。

また、後者のレーザビームB₂の振動面は、レ
ーザビームB₁の振動面と90゜異なるため、レー
ザビームB₂は偏光ビームスプリツタ８で反射
し、λ／４板９を経て電歪素子１２の鏡面１４で反射 した後、再びλ／４板９を経て偏光ビームスプリツタ ８に入射する。この偏光ビームスプリツタ８に入
射したレーザビームB₂はλ／４板９を１往復してお り、振動面がレーザ発振器６からの振動面と等し
くなるため、レーザビームB₂は偏光ビームスプ
リツタ８、λ／４板１０を透過した後、電歪素子１３ の鏡面１５で反射し、再びλ／４板１０を経て偏光ビ ームスプリツタ８、ビームスプリツタ７で反射し
て偏光板１６に入射する。このとき、偏光板１６
に入射されたレーザビームB₁，B₂の振動面は90
゜異なつており、それぞれのレーザビームB₁，
B₂の明るさを_１，_２とすると第４図のよう
になる。ここで、偏光板１６の主軸をレーザビー
ムB₁の振動面に対してθの角度に設定すると、
偏光板１６を透過後のレーザビームB₁，B₂の明
るさは、それぞれ₁sinθ，₂cosθとなり、か
つ振動面が等しくなるので、両レーザビーム
B₁，B₂は干渉する。この干渉光の明るさを光電
変換素子１７により電気信号に変換して出力す
る。

前記干渉光は、レーザビームB₁，B₂の光路差
によつて生じるが、つぎにこの光路差について説
明する。

第３図において、レーザ発振器６から発振され
たレーザビームはヘツド１９のλ／４板１１に入射す る。そしてλ／４板１１で反射した後のレーザビーム B₁は、偏光ビームスプリツタ８、ビームスプリ
ツタ７および偏光板１６までが光路長となる。こ
れに対し、λ／４波長板１１を透過した後のレーザビ ームB₂の光路長は、ヘツド１９のλ／４板１１から デイスク１８の入射面までの光学的距離ｈ／２の往復 距離ｈと、電歪素子１２の鏡面１４と電歪素子１
３の鏡面１５までの光学的距離ｌ／２の往復距離ｌだ けレーザビームB₁の光路長より長くなる。すな
わち、レーザビームB₁とレーザビームB₂との光
路差は（ｌ＋ｈ）となる。そしてレーザビーム
B₁とレーザビームB₂とが干渉して生じる干渉光
の明るさを_Tとすると、Ｉ_Tは(1)式で示される。

_T＝21（１−cos） ……(1) ここで、レーザビームB₁，B₂の明るさは等し
く共にとする。

また、はレーザビームB₁とレーザビームB₂
の光路差によつて生じる位相差で、(2)式で示され
る。

＝４π／λ（ｌ＋ｈ） ……(2) 但し、λ：レーザ光の波長 第５図イは前記光路差（ｌ＋ｈ）と干渉光の明
るさ_Tとの関係を示したものである。

前に戻つて、電歪素子１３に制御回路２０の高
周波発振器２１から正弦波の周波数に相当する信
号を印加すると、鏡面１５は微小変位し、レーザ
ビームB₂の光学的距離が±Δｌだけ変化する。
いま、鏡面１５を変位させる前のレーザビーム
B₁とレーザビームB₂との光路差が第５図イに示
すａ点にあつたとする。この状態で鏡面１５を高
周波振動させると、干渉光の明るさは第５図ロの
点線で示す如く変化する。この干渉光の明るさの
変化を光電変換素子１７によつて検出するととも
に出力信号Ａを増幅器２３を介して乗算器２４に
供給する。また、乗算器２４には高周波発振器２
１から第５図ロの実線で示す如く出力信号Ｃを供
給する。この乗算器２４は、前記両出力信号Ａ，
Ｃの積を演算して第５図ロの一点鎖線で示す如く
正負非対称の出力信号Ｄをローパスフイルタ２５
に供給する。この出力信号Ｄをローパスフイルタ
２５により低周波数分のみ取り出した後、増幅器
２６で電圧を増幅し、さらに増幅器２７で電力増
幅して電歪素子１２に供給すると、電歪素子１２
の鏡面は微小変位する。この結果、第５図イに示
すａ点がｂ点に移動したとすると、このｂ点を中
心として鏡面１４を±Δｌだけ変位することによ
り、干渉光の明るさは第５図ハの点線で示す如く
変化する。このとき、乗算器２４からの出力信号
Ｄは、第５図ハの一点鎖線で示す如く正負対称と
なる。

したがつて、電歪素子１２の入力電圧と鏡面１
４の変位を予め校正しておけば、電歪素子１２に
印加する電圧を測定することにより、デイスク１
８とヘツド１９との間に形成されるある基準の位
置からの隙間を求めることができる。すなわち、
測定開始時にはデイスク１８の回転による浮上に
よつてデイスク１８とヘツド１９の間に隙間が形
成されている。このとき、電歪素子１２に印加さ
れる電圧を零とする。そして、この状態を基準に
してその後の隙間の変化量を電圧の変化量から求
めることができる。

また、測定開始時にλ／４板１１とデイスク１８と を接触させることが可能な場合には、この状態
（隙間が零の状態）を基準にして隙間の絶対値を
測定することもできる。

以上の実施例の説明では、電歪素子１２の鏡面
１４を変位させる前の光路差の位置ａ点が常にｂ
点に移動するように制御されるとしたが、電歪素
子１２に印加する電圧の極性を変えることによ
り、第５図イのＣ点に移動して動作させることも
可能である。また、電歪素子１２，１３の代りに
磁歪素子またはムービングコイルを用いても同等
の効果を奏する。

第６図は本発明の他の実施例を示すもので、ヘ
ツド１９のλ／４板１１とデイスク１８とを接触する ことが不可能な場合である。

第６図において、第３図と同一符号のものは同
一部分を示す。

２８は偏光ビームスプリツタ８のヘツド１９と
対向する面に取り外し可能に設けられる隙間零補
正用部材で、この隙間零補正用部材２８は、ガラ
ス基板２９に貼付けられる反射膜３０と、この反
射膜３０に貼付けられ、且つ厚さが前記λ／４板１１ と等しいλ／４板３１とから成つている。

このように偏光ビームスプリツタ８に隙間零補
正用部材２８を設けることにより、あたかもデイ
スク１８とλ／４板１１との隙間が零になつた状態と 等しくなる（ｈ／２−ｔ、ここではｔはλ／４板３１の
厚 さ）。したがつて、この状態で電歪素子１２に印
加される電圧を測定し、つぎに偏光ビームスプリ
ツタ８から隙間零補正用部材２８を取外したとき
の電歪素子１２に印加される電圧を測定し、その
電圧の差より前記隙間量（ｈ／２−ｔ）を求めること ができる。

本発明の微小隙間の光学的測定方法は、二つの
部材の間に形成される微小隙間を、それぞれの部
材からの反射光により発生する光干渉を利用して
測定する方法において、前記反射光のいずれか一
方の光路の途中に、この光路の光学距離を可変に
する調節器を設置し、光路差によつて発生する干
渉光の明るさを検出し、この検出された信号によ
り前記調節器を干渉光の明るさが常に最小または
最大になるように制御し、前記調節器の制御量か
ら微小隙間を測定するようにしたので、つぎのよ
うな効果を有する。

(1) 二つの部材からの反射光の強さに無関係に微
小隙間を測定することができるため、測定精度
を大幅に向上させることができる。

(2) 測定精度は検出器、制御器等の特性に関係な
く調節器に供給する印加電圧のみによつて決定
されるため、高精度の測定ができる。

(3) ほぼ実物の被測定物に近い測定が可能であ
る。

(4) 測定範囲は発光源から発振される光線の波長
に無関係になり、光線に可視光を使用すること
ができるため、測定およびその取扱いが簡単に
なる。

【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示
す原理図、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
の測定方法を示す原理図、第４図は反射光の明る
さを説明するための図、第５図イ，ロ，ハは本発
明方法の動作原理を説明するための図、第６図は
本発明の他の実施例を示す図である。 ６…レーザ発振器、８…偏光ビームスプリツ
タ、９，１０，１１…１／４波長板（λ／４板）、１２
，１ ３…調節器、１７…光電変換素子、１８，１９…
被測定物、２０…制御回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ レーザ光を第１部材および第２部材に照射
   し、これら二つの部材間の対向面からの反射光を
   利用して該二つの部材間に形成される微小隙間を
   測定する微小隙間の光学的測定方法において、 該二つの部材のうちレーザ光照射側の該第１部
   材に形成された孔および該第１部材の前記対向面
   に結合された１／４波長板を介して、該レーザ光を該 第２部材表面に照射するようになし、 該レーザ光を該第１および該第２部材に照射し
   た際の該１／４波長板からの反射光および該第２部材 表面で反射し該１／４波長板を透過した反射光の二つ の反射光を得て、 該二つの反射光の光路中に配置した偏光ビーム
   スプリツタにより該二つの反射光を分離し、 該分離後のいずれか一方の反射光を、該一方の
   反射光の光路中に配置されており、電圧印加によ
   り光路長を可変する素子および該素子面に結合さ
   れた、ミラーからなる光路長調節器の該ミラーに
   よつて反射させ、 その後、該ミラーで反射された反射光と前記二
   つの反射光の他方の反射光とを干渉させ、 前記二つの部材の微小な隙間の変化によつて発
   生する該干渉光の干渉光強度変化を光電変換素子
   を介して電気的信号として検出し、 該検出信号を用いて該干渉光強度が常に最小ま
   たは最大になるような制御量を求め、該制御量に
   見合う電圧を前記光路長調節器の前記素子に印加
   し、 該制御量を用いて前記二つの部材間の前記微小
   隙間を測定することを特徴とする微小隙間の光学
   的測定方法。