位置測定装置、位置測定装置を用いた形状測定装置及び位置測定方法、並びに位置測定方法を用いた形状測定方法
【課題】測定対象物の位置測定装置、形状測定装置、位置測定方法、及び形状測定方法を提供する。
【解決手段】位置測定装置１０は、支持部材１４と、支持部材１４に上端部が固定され自由状態で垂直配置された光ファイバー１１と、光ファイバー１１の下端部に設けられた探触子１２と、光ファイバー１１の上下方向中間位置にあって光ファイバー１１の撓みを検知する光学振れ検知機構１５と、測定対象物２３を載せてＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に測定対象物２３を移動させるＸＹＺステージ２５と、光学振れ検知機構１５及びＸＹＺステージ２５の制御部２６とを有し、光ファイバー１１は、光ファイバー１１を揺らす振動手段３０を介して支持部材１４に取付けられ、探触子１２がＸＹＺテーブル２５に載った測定対象物２３に当接した場合の光ファイバー１１の撓み量を光学振れ検知機構１５で検知し、測定対象物２３の特定部位の座標を検知する。
【解決手段】位置測定装置１０は、支持部材１４と、支持部材１４に上端部が固定され自由状態で垂直配置された光ファイバー１１と、光ファイバー１１の下端部に設けられた探触子１２と、光ファイバー１１の上下方向中間位置にあって光ファイバー１１の撓みを検知する光学振れ検知機構１５と、測定対象物２３を載せてＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に測定対象物２３を移動させるＸＹＺステージ２５と、光学振れ検知機構１５及びＸＹＺステージ２５の制御部２６とを有し、光ファイバー１１は、光ファイバー１１を揺らす振動手段３０を介して支持部材１４に取付けられ、探触子１２がＸＹＺテーブル２５に載った測定対象物２３に当接した場合の光ファイバー１１の撓み量を光学振れ検知機構１５で検知し、測定対象物２３の特定部位の座標を検知する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体に形成された、例えば、小孔、小穴、微細突起、又は微細溝等の測定対象物の特定部位の座標を検知する位置測定装置、位置測定装置を用いた形状測定装置及び位置測定方法、並びに位置測定方法を用いた形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の精密微細加工技術の進歩に伴い、微細形状を測定する重要性が増加している。特に、微細金型、超精密機器、マイクロマシン等に使用するマイクロ部品、燃料噴射用や化学繊維用の各種ノズル孔、フェルール等の光通信機器、医療機器の微小径深穴、マイクロチャネル等の深溝といった微細物の形状の測定技術が加工技術向上や品質保証のために要望されている。
例えば、微小径孔の測定に関しては、各種の顕微鏡による測定が行なわれているが、顕微鏡による測定は、孔の上面からの測定となるため、孔の入口部あるいは出口部の形状のみしか測定できず、孔の内部の真円度、真直度、円筒度、及び表面粗さに関しては評価できないという問題がある。そして、孔の内部形状を測定する場合、孔が形成された物体を切断して、孔の断面形状を顕微鏡を用いて測定するという破壊検査が行なわれている。しかし、破壊検査を実行すると、その検査対象物は利用できないので、実際の加工物の品質（加工精度）を保証することができないという問題がある。
【０００３】
そこで、微小径穴の測定に関しては、貫通穴（孔）の測定では光を穴内壁に反射させ、その反射光を穴出口で検出する光学的方式（例えば、非特許文献１、２参照）が報告されている。また、止まり穴にも適用可能な方法として、バイブロスキャニング方式のプローブを用いた方式（例えば、非特許文献３参照）、振動させたプローブの接触に伴う振幅変化を用いた方式（加振プローブ式）、プローブと測定対象面との接近をトンネル現象により検出する方式（例えば、非特許文献４、５参照）、空気圧により接触子の保持と接触の検出を行う方式（例えば、非特許文献６参照）等が報告されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】丸山六男、「光学的方法による小穴内径測定装置の開発」、精密工学会誌、１９９６年１月、第６２巻、１号、ｐ１４５−１４９
【非特許文献２】秋山信幸、外５名、「微小径深穴用光学式内径測定装置の開発」、精密工学会誌、１９９６年４月、第６２巻、４号、ｐ５８４−５８８
【非特許文献３】山本正樹、外２名、「バイブロスキャニング法を用いた微細形状測定システムの開発」、精密工学会誌、２００１年２月、第６７巻、２号、ｐ２５１−２５５
【非特許文献４】白石利治、外１名、「マイクロ部品用形状測定装置の開発−装置の構成ならびに測定結果」、精密工学会誌、１９９８年９月、第６４巻、９号、ｐ１３９５−１３９９
【非特許文献５】白石利也、外３名、「マイクロ部品の形状・寸法測定に関する研究（装置の改良ならびにプローブの校正と寸法測定結果）」、日本機械学会論文集（Ｃ編）、２００２年 ９月、第６８巻、６７３号、ｐ２７８３−２７９０
【非特許文献６】高橋潔、外５名、「吸気型ボールプローブの開発（第１報）−基本的構成−」、精密工学会誌、１９９８年８月、第６４巻、８号、ｐ１１５３−１１５７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、非特許文献１に記載された方法では、測定対象物が貫通穴に限定され、止まり穴、溝の測定ができないという問題がある。
また、非特許文献２〜６に記載された方法、加振プローブ式では、プローブの小径化が困難なため、例えば、１０μｍ未満の内径、幅を有する測定対象物の形状の測定ができないという問題がある。
【０００６】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、物体に形成された測定対象物の特定部位の座標を、低測定力で高感度かつ高精度で測定することが可能な位置測定装置、位置測定装置を用いた形状測定装置及び位置測定方法、並びに位置測定方法を用いた形状測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的に沿う第１の発明に係る位置測定装置は、支持部材と、該支持部材に上端部が固定され自由状態で垂直配置された光ファイバーと、該光ファイバーの下端部に設けられた探触子と、前記光ファイバーの上下方向中間位置にあって該光ファイバーの測定対象物への接触に伴う撓みを検知する光学振れ検知機構と、前記測定対象物を載せてＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に該測定対象物を移動させるＸＹＺステージと、前記光学振れ検知機構及び前記ＸＹＺステージに連結される制御部とを有する位置測定装置であって、
前記光ファイバーは、該光ファイバーを揺らす振動手段を介して前記支持部材に取付けられ、前記探触子が前記ＸＹＺテーブルに載った前記測定対象物に当接した場合の前記光ファイバーの撓み量を前記光学振れ検知機構で検知し、前記測定対象物の特定部位の座標を検知している。
【０００８】
第１の発明に係る位置測定装置において、前記振動手段は、前記光ファイバーを横方向、縦方向、又は縦横方向に振動させることが好ましい。ここで、横方向及び縦方向は、ＸＹＺステージのＸ方向及びＹ方向と一致させる必要はないが、一致させると信号処理が容易となる。
【０００９】
第１の発明に係る位置測定装置において、前記光学振れ検知機構は、平面視して前記光ファイバーに対して交差する方向からレーザ光を照射する第１、第２のレーザ光照射手段と、前記光ファイバーを中央にして、前記第１、第２のレーザ光照射手段にそれぞれ対向して配置された第１、第２の受光部を備えた第１、第２のレーザ光受光手段とを有することが好ましい。
【００１０】
第１の発明に係る位置測定装置において、前記第１、第２のレーザ光照射手段からのレーザ光は直交状態で前記光ファイバーに照射されていることが好ましい。
【００１１】
この場合、前記第１、第２の受光部にはそれぞれ２分割型あるいは４分割型光半導体が使用され、前記撓み量は、前記第１、第２の受光部で受光したレーザ光の各光受光センサの受光量の差から検知されることが好ましい。
【００１２】
第１の発明に係る位置測定装置において、前記振動手段は振動信号を生成するファンクションジェネレータを備え、前記第１、第２のレーザ光受光手段は、前記第１、第２の受光部から出力される検出信号を、前記振動信号（場合によってはレーザ変調信号）を参照信号として検出するロックインアンプを備えていることが好ましい。
ここで、レーザ変調信号とは高周波でレーザ光に変調をかけることをいい、これによって、振動手段無しで、対象物の位置測定が可能となる。
【００１３】
第１の発明に係る位置測定装置において、前記探触子の表面には、撥水層が形成されていることが好ましい。
また、第１の発明に係る位置測定装置において、前記支持部材は透明材料で形成されていることが好ましい。
そして、第１の発明に係る位置測定装置において、前記探触子と前記測定対象物との相対位置を観察する撮像手段を有していることが好ましい。
【００１４】
前記目的に沿う第２の発明に係る形状測定装置は、第１の発明に係る位置測定装置を用い、前記測定対象物の複数の特定部位の座標を検知して、該測定対象物の形状を特定する。
【００１５】
前記目的に沿う第３の発明に係る位置測定方法は、支持部材に上端部が振動手段を介して固定され、下端部に探触子が設けられた光ファイバーを自由状態で垂直配置し、前記光ファイバーの上下方向中間位置に該光ファイバーの撓み量（軸振れ）を検知する光学振れ検知機構を設け、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に移動させるＸＹＺステージに載せた測定対象物を前記探触子に向けて移動させ、前記振動手段によって振動させた前記光ファイバーの振動振幅変化量及び／又は受光部から出力される検出信号と振動信号の位相差の変化量（位相変化量）から前記測定対象物が前記探触子に当接したとを検知して前記測定対象物の特定位置の座標を検知している。
【００１６】
前記目的に沿う第４の発明に係る形状測定方法は、第３の発明に係る位置測定方法を用い、前記測定対象物の特定位置を複数箇所検知するか、或いは前記振動振幅変化量及び／又は前記位相変化量が一定範囲に維持するようにして、前記ＸＹＺステージを移動させて、前記測定対象物の形状を特定する。
【発明の効果】
【００１７】
第１の発明に係る位置測定装置、第２の発明に係る形状測定装置、第３の発明に係る位置測定方法、及び第４の発明にかかる形状測定方法においては、測定対象物に当接する部分が、自由状態で垂直配置された光ファイバーの下端部に設けられた探触子からなる簡単な構成のため、装置の製造が容易になる。
【００１８】
そして、探触子と測定対象物が当接した際の光ファイバーの撓み量を、光学振れ検知機構により非接触で検出するので、光ファイバーの弾性の影響を除去して、探触子と測定対象物との当接（接触）を検知できる。また、光ファイバーを振動することで探触子が測定対象物に付着することが防止でき、探触子と測定対象物との当接を繰返し行うことができる。
【００１９】
ここで、レーザ光が光ファイバーを透過する場合、光ファイバーはロッドレンズとして作用するので、光ファイバーの撓み量（軸振れ）に伴うレーザ光の光路変化が拡大されることにより光路変化の分解能が向上し、探触子と測定対象物との当接を高精度で検知できる。また、探触子と測定対象物とが当接すると光ファイバーは容易に撓むので、光ファイバーの破損を抑制することができると共に、探触子を介して測定対象物に加わる測定力が小さくなって、測定対象物の表面に生じる損傷を防止することができる。
【００２０】
第１の発明に係る位置測定装置において、振動手段を用いて、光ファイバーを横方向、縦方向、又は縦横方向に振動させる場合、探触子と測定対象物が当接した際の光ファイバーの撓み量が異なるため、測定対象物と探触子との接触方向を検出することができ、測定対象物に対する探触子の接触位置を考慮することで、測定対象物の特定部位の座標を精度よく検知することができる。
【００２１】
第１の発明に係る位置測定装置において、光学振れ検知機構が、平面視して光ファイバーに対して交差する方向からレーザ光を照射する第１、第２のレーザ光照射手段と、光ファイバーを中央にして、第１、第２のレーザ光照射手段にそれぞれ対向して配置された第１、第２の受光部を備えた第１、第２のレーザ光受光手段とを有する場合、探触子と測定対象物が当接した際の光ファイバーの撓み量を効率的に検出することができる。
【００２２】
第１の発明に係る位置測定装置において、第１、第２のレーザ光照射手段からのレーザ光が直交状態で光ファイバーに照射されている場合、探触子と測定対象物が当接した際の光ファイバーの撓み量及び撓んだ方向を精度よく検出することができる。
【００２３】
第１の発明に係る位置測定装置において、撓み量が、第１、第２の受光部で受光したレーザ光の各光受光センサの受光量の差から検知される場合（更に、この差が一定の閾値を超えたことから撓み量が検知される場合）、撓み量の検知を自動で行うことができる。
【００２４】
第１の発明に係る位置測定装置において、第１、第２の受光部にそれぞれ２分割型又は４分割型の光半導体を使用する場合、撓み量を２分割型又は４分割型の光半導体の各光半導体からの出力差の変化から容易に検出することができる。
【００２５】
第１の発明に係る位置測定装置において、振動手段が振動信号を生成するファンクションジェネレータを備え、第１、第２のレーザ光受光手段が、第１、第２の受光部から出力される検出信号を、振動信号を参照信号として増幅（検出）するロックインアンプを備えている場合、撓み量に伴う第１、第２のレーザ光受光手段からの出力変化をノイズの影響を少なくして検出することができる。
【００２６】
第１の発明に係る位置測定装置において、探触子の表面に、撥水層が形成されている場合、水分の影響で探触子が測定対象物に付着することを防止して、探触子と測定対象物との当接を繰返し行うことが容易になる。
【００２７】
第１の発明に係る位置測定装置において、支持部材が透明材料で形成されている場合、支持部材を介して測定対象物を上方から直接観察することができ、探触子と測定対象物との位置関係を容易に把握することができる。
【００２８】
第１の発明に係る位置測定装置において、探触子と測定対象物との相対位置を観察する撮像手段を有している場合、測定対象物の移動状況を容易に把握することができ、探触子と測定対象物との当接を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施の形態に係る位置測定装置及び位置測定装置を用いた形状測定装置の説明図である。
【図２】同位置測定装置の自由状態で振動させた光ファイバーの撓み量を振れ検知手段で検知する際の説明図である。
【図３】同位置測定装置の光ファイバーに生じたＸ方向への撓みを光学振れ検知機構で検知する際の説明図である。
【図４】同位置測定装置の光ファイバーに生じたＹ方向への撓みを光学振れ検知機構で検知する際の説明図である。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）は、光ファイバーがＸ方向に変位した際の第１、第２のレーザ光受光手段の出力測定値と出力予想値との関係を示す説明図である。
【図６】探触子が小穴の内側表面に当接する前後における第２のレーザ光受光手段の出力の変化の説明図である。
【図７】（Ａ）、（Ｂ）は、実施例１の微小径穴の形状測定方法における測定開始時、測定中の測定対象物の位置を示す説明図である。
【図８】実施例２のルビー球の形状測定方法における測定中の探触子とルビー球の位置関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
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に示すように、本発明の一実施の形態に係る位置測定装置１０（形状測定装置も同じ）は、支持部材１４と、支持部材１４に上端部が固定され自由状態で垂直配置された光ファイバー１１と、光ファイバー１１の下端部に設けられた探触子１２とを有している。このような構成とすることで、位置測定装置１０のプローブ１３が構成されている。
【００３１】
また、位置測定装置１０は、光ファイバー１１の上下方向中間位置にあって光ファイバー１１の測定対象物への接触に伴う撓み量（即ち、異常撓み、光ファイバーの異常軸振れ）を検知する光学振れ検知機構１５と、測定対象物の一例である小穴２３が形成された部品２４を載せてＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に小穴２３を移動させるＸＹＺステージ２５と、光学振れ検知機構１５及びＸＹＺステージ２５に連結される制御部２６とを有している。更に、位置測定装置１０は、プローブ１３（探触子１２）と小穴２３との相対位置を観察する撮像手段２７を有している。ここで、小穴２３の内側寸法は、例えば、１〜１００μｍの範囲である。以下、詳細に説明する。なお、制御部２６には公知の表示部４０を備えている。
【００３２】
光ファイバー１１は、例えば、直径が３μｍ、長さが２ｍｍである。
探触子１２は、例えば超硬金属、ガラス、立方晶窒化ケイ素等の高硬度材料で形成された例えば直径が５μｍの球体であり、エポキシ樹脂等の接着剤を介して光ファイバー１１の先端に固定されている。ここで、探触子１２の表面には、例えばフッ素樹脂系の撥水層が形成されている。これによって、水分の影響で探触子１２が小穴２３の内側表面に付着することを防止できる。
【００３３】
支持部材１４は、垂直状態の光ファイバー１１の上端部がエポキシ樹脂等の接着剤を介して下端面の中央部に固定される円柱形状のプローブ固定部２８と、プローブ固定部２８の上端部を把持する円柱形状の取付け部２９とを有し、プローブ固定部２８と取付け部２９はいずれもガラス等の透明材料で形成されている。これにより、支持部材１４を介して小穴２３を上方から直接観察することができ、小穴２３に対するプローブ１３の位置決めを容易に行うことができる。そして、取付け部２９は、ＸＹＺステージ２５の上方に配置されるように、ＸＹＺステージ２５を載置したフレーム（図示せず）に、図示しない保持部材を介して固定されている。このような構成とすることにより、自由状態で垂直配置される光ファイバー１１の先端部に設けられた探触子１２の下方に、ＸＹＺステージ２５を配置することができる。
【００３４】
振動手段３０は、支持部材１４のプローブ固定部２８の側面に周方向に沿って複数（例えば、等間隔に４つ）取付けられる、例えば圧電体から構成される側振動部（振動子）３０ａと、プローブ固定部２８の上端面に取付けられる、例えば圧電体から構成される上振動部（図示せず）と、側振動部３０ａ及び上振動部にそれぞれ駆動用信号を入力する振動制御器３１と、振動制御器３１に振動信号（振動指令信号）を入力する振動信号生成器の一例であるファンクションジェネレータ３２とを有している。このような構成とすることにより、光ファイバー１１を任意の振動数で振動させることができる。これによって、探触子１２を小穴２３の内側表面に当接させた際、探触子１２が小穴２３の内側表面に付着することを効果的に防止できる。
【００３５】
ここで、複数の側振動部３０ａを同期して、又はその一部を振動させることにより、光ファイバー１１を三次元内で自由に振動させることができる。即ち、光ファイバー１１を水平横方向、水平縦方向、上下方向のいずれか１又は２以上の方向に振動させることができる。
【００３６】
光学振れ検知機構１５は、平面視して光ファイバー１１に対して交差する方向（例えば、直交する方向）からレーザ光を照射する第１、第２のレーザ光照射手段１７、１８と、光ファイバー１１を中央にして、第１、第２のレーザ光照射手段１７、１８にそれぞれ対向して配置された第１、第２の受光部である第１、第２の２分割型光半導体１９、２０を備えた第１、第２のレーザ光受光手段２１、２２とを有している。ここで、２分割型光半導体素子の代わりに４分割型の光半導体素子あるいは他の受光素子を使用することもできる。
第１、第２のレーザ光照射手段１７、１８は、発光ダイオード、半導体レーザ等の発光素子を用いて構成され、対物レンズ（収束レンズ１６）を用いて集光する。
【００３７】
第１、第２のレーザ光受光手段２１、２２は、プローブ１３の光ファイバー１１を透過してＸ方向、Ｙ方向に沿って進むレーザ光をそれぞれ受光する第１、第２の２分割型光半導体１９、２０と、第１、第２の２分割型光半導体１９、２０から出力される検出信号を用いて、プローブ１３を振動させるファンクションジェネレータ３２の信号（振動信号）を参照信号としロックインアンプ３５、３５ａを用いて同期検波することで各種ノイズを取り除く。ここで、プローブ１３を加振せずにレーザ光を変調することで各種信号ノイズを取り除くことも可能である。この場合、測定はプローブ１３に振動を加えずに実施する。
【００３８】
図２に示すように、光ファイバー１１の下端部に設けられた探触子１２が部品２４に形成された小穴２３の内側表面に接触していない場合、以下に説明する光半導体素子３３ａ、３４ａからの出力値ＩＰＹ１、ＩＰＹ２は等しい。また、光半導体素子３３、３４からの出力値においても同じである。なお、図２において、Ｄは光ファイバー１１の直径、
【００３９】
光ファイバー１１を加振し測定する際、光ファイバー１１が振動しＸ軸方向に変位した場合、あるいはプローブ１３を振動させずに測定しプローブ１３先端が小穴２３の内側表面（測定対象面）に接触し、プローブ１３がＸ軸方向に変位した場合、第１の２分割型光半導体１９の光半導体素子（光受光センサの一例）３３、３４からの出力値ＩＰＸ１、ＩＰＸ２は等しいが、第２の２分割型光半導体２０の光半導体素子３３ａ、３４ａからの出力値ＩＰＹ１、ＩＰＹ２は等しくなくなる（図３ではＩＰＹ１＞ＩＰＹ２）。これによりプローブ１３の変位量及び変位する方向を検出できる。即ち、各光受光センサの受光量の差から測定対象物を検知できる。
【００４０】
図４に示すようにＹ軸方向についても同様の原理で検出できる。これにより、振動させたプローブ１３の振動振幅及び参照信号との位相差を求めることができる。プローブ１３の先端部が測定対象面に接触すると振幅が減少し、また位相差が生じることから、プローブ１３の先端部の測定対象面への接触を検出できる。また、プローブ１３を振動させずに測定する場合は測定対象面への接触に伴うプローブ１３の先端部変位量を検出可能である。なお、測定前の初期状態では、光ファイバー１１、第１、第２のレーザ光照射手段１７、１８、第１、第２のレーザ光受光手段２１、２２を、出力値がそれぞれ等しくなるようにしておく。このような状態から、各光受光センサの受光量の差から（撓み量を検知し）測定対象物を検知できる。
【００４１】
図５（Ａ）、（Ｂ）に、光ファイバー１１の直径（Ｄ）が３μｍ、軸長が２ｍｍの場合における、プローブ１３の先端変位量と信号変化量の実測値とシミュレーション値の関係を示す。実測値とシミュレーション値が一致していることが判る。なお、レーザ光の軸心、光ファイバー１１の軸心、光半導体の軸心は直線上に配置され、好ましくは、レーザ光は、軸心に対して広がって入射するようにしている（図２参照）。
【００４２】
ＸＹＺステージ２５は、部品２４を載置するテーブル３６と、テーブル３６をＸ方向及びＹ方向に独立して、例えば１ｎｍピッチで移動させることが可能な移動機構を備えたＸＹ方向移動手段３７と、フレームに取付けられ、テーブル３６をＸＹ方向移動手段３７を介して、例えば１０ｎｍピッチでＺ方向に上下移動させることが可能な移動機構を備えたＺ方向昇降手段３８とを有している。また、ＸＹＺステージ２５は、設定された移動方向、移動範囲、及び移動速度でテーブル３６を移動する駆動制御部（図示せず）を有している。また、本実施の形態では測定対象物を移動させて測定しているが、プローブを移動させることで測定することも可能である。なお、高さ方向の形状を測定しない場合は、Ｚ方向の移動を省略したＸＹテーブルであってもよい。
【００４３】
撮像手段２７は、探触子１２と小穴２３の位置関係を撮影するカメラ部３９と、カメラ部３９を操作する図示しない操作部を有し、カメラ部３９はＸＹＺステージ２５を載置したフレームに、図示しない支持部材を介して取付けられ、操作部はフレームに載置されている。
【００４４】
続いて、本発明の一実施の形態に係る位置測定装置１０を用いた位置（形状）測定方法について説明する。
先ず、上端部が支持部材１４に固定され、下端部に探触子１２が設けられた光ファイバー１１を自由状態で垂直配置する。そして、ファンクションジェネレータ３２から出力される振動信号に基づいて振動制御器３１から駆動用信号を側振動部３０ａに入力して光ファイバー１１を自由状態で振動する。次いで、自由状態で振動している光ファイバー１１の上下方向中間位置の外側に設けた第１、第２のレーザ光照射手段１７、１８から、平面視して光ファイバー１１に向けて直交する方向からそれぞれ集束したレーザ光を照射し、光ファイバー１１を透過したレーザ光を光ファイバー１１を中央にして第１、第２のレーザ光照射手段１７、１８にそれぞれ対向して配置した第１、第２の２分割型光半導体１９、２０を備えた第１、第２のレーザ光受光手段２１、２２で受光する。
【００４５】
前記した原理により、光ファイバー１１（プローブ１３）の振動振幅量及び位相を監視し、プローブ１３の先端の測定対象面への接触にともなう振動振幅変化及び位相変化（撓み量となる）を検出することで測定対象面の形状を測定する。この際、変化量に閾値を設けて閾値を超える箇所（即ち、閾値となる）の座標を記録することで形状を測定する。また、このほかにも振幅や位相の変化量から形状を逆算することで形状を測定することも可能である。
【００４６】
図６に、光ファイバー１１の探触子１２が小穴２３の内側表面に接触して、光ファイバー１１が例えばＸ方向に撓んだ場合における、接触前後の第２のレーザ光受光手段２２の出力としてロックインアンプ３５ａから出力される出力値の振幅の変化を示す。接触前後で、第２のレーザ光受光手段２２の出力値の振幅値及び位相が変化していることがわかる。
【００４７】
以上説明した位置測定装置１０を用いて、対象物の複数箇所の位置を測定して測定対象物の形状を検知（又は推定）する形状測定装置とすることもできる。また、第１、第２の受光部の出力値に対応する光ファイバーの撓み量を一定範囲となるようにＸＹＺステージを動かすことによって、対象物の輪郭（形状）を測定することもできる。
【実施例】
【００４８】
（実施例１）
図７（Ａ）に示す長さが２ｍｍ、直径が３μｍの光ファイバーの先端に、直径が５μｍのガラス球からなる探触子を設けたプローブを、図７（Ｂ）に示すように、直径が１０μｍ、深さが４０μｍとなるように部品に形成した微小径穴内に挿入して、微小径穴の形状を測定した。
測定は、テーブル上に部品を載置してＸＹＺステージを操作し、微小径穴の穴壁に設定した複数の当接目標位置をＸＹ面内で１μｍ／秒の速度で探触子に向けて順次移動し、探触子が当接する都度、光ファイバーの撓み量に伴う第１、第２のレーザ光受光手段からの出力値Ｉ（＝（ＩＸ２＋ＩＹ２）１／２）を求め、出力値Ｉが予め求めておいた閾値と等しくなるときのステージ座標（ＸＹ方向の分解能１ｎｍ）をそれぞれ記録した。ここで、ＩＸはＩＰＸ１−ＩＰＸ２、ＩＹはＩＰＹ１−ＩＰＹ２である。
【００４９】
（実施例２）
実施例１で使用したプローブを用いて、図８に示すように、直径が６００μｍとなるように形成したルビー球の形状を測定した。測定範囲は、Ｘ方向及びＹ方向に３００μｍ、Ｚ方向に１００μｍである。
測定は、テーブル上にルビー球を載置してＸＹＺステージを操作し、プローブのＸＹ方向位置を固定した状態で探触子に対して、Ｚ方向から１μｍ／秒の速度でルビー球の球面を接近させ、探触子にルビー球が当接して光ファイバーに撓みが生じたことを第１、第２のレーザ光受光手段からの出力値Ｉの変化から検出し、ルビー球をＺ方向に戻して出力値Ｉが閾値と等しくなるときのステージ座標を記録した。
【００５０】
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。
【００５１】
例えば、光ファイバーを振動する振動部（振動手段）として圧電体（ピエゾ素子）を使用したが、振動数範囲に応じて、モータ、電磁石、アクチュエータ等を使用することもできる。
なお、光ファイバーの振動を停止し、探触子に測定対象物の表面を当接させて測定対象物の表面に沿って移動させながら、第１、第２のレーザ光受光手段で受光する出力値を検出することにより、光ファイバーの撓み量を介して測定対象物の表面に対する探触子の位置変化を検出することができ、測定対象物の表面粗さを求めることができる。また、光ファイバーを振動させず、レーザ光を変調しその変調信号を参照信号に用いてロックイン検出することで低ノイズで測定することも可能である。
更に、光ファイバーの上端部を振動させないで、レーザー光に高周波変調（例えば、１００ｋＨｚ）をかけて、前記した第１、第２のレーザ光照射手段、及び第１、第２のレーザ光受光手段を用いて、プローブが測定対象物に当接するのを検知することもできる。
【符号の説明】
【００５２】
１０：位置測定装置、１１：光ファイバー、１２：探触子、１３：プローブ、１４：支持部材、１５：光学振れ検知機構、１６：集束レンズ、１７：第１のレーザ光照射手段、１８：第２のレーザ光照射手段、１９：第１の２分割型光半導体、２０：第２の２分割型光半導体、２１：第１のレーザ光受光手段、２２：第２のレーザ光受光手段、２３：小穴、２４：部品、２５：ＸＹＺステージ、２６：制御部、２７：撮像手段、２８：プローブ固定部、２９：取付け部、３０：振動手段、３０ａ：側振動部（振動子）、３１：振動制御器、３２：ファンクションジェネレータ、３３、３４、３３ａ、３４ａ：光半導体素子、３５、３５ａ：ロックインアンプ、３６：テーブル、３７：ＸＹ方向移動手段、３８：Ｚ方向昇降手段、３９：カメラ部、４０：表示分
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体に形成された、例えば、小孔、小穴、微細突起、又は微細溝等の測定対象物の特定部位の座標を検知する位置測定装置、位置測定装置を用いた形状測定装置及び位置測定方法、並びに位置測定方法を用いた形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の精密微細加工技術の進歩に伴い、微細形状を測定する重要性が増加している。特に、微細金型、超精密機器、マイクロマシン等に使用するマイクロ部品、燃料噴射用や化学繊維用の各種ノズル孔、フェルール等の光通信機器、医療機器の微小径深穴、マイクロチャネル等の深溝といった微細物の形状の測定技術が加工技術向上や品質保証のために要望されている。
例えば、微小径孔の測定に関しては、各種の顕微鏡による測定が行なわれているが、顕微鏡による測定は、孔の上面からの測定となるため、孔の入口部あるいは出口部の形状のみしか測定できず、孔の内部の真円度、真直度、円筒度、及び表面粗さに関しては評価できないという問題がある。そして、孔の内部形状を測定する場合、孔が形成された物体を切断して、孔の断面形状を顕微鏡を用いて測定するという破壊検査が行なわれている。しかし、破壊検査を実行すると、その検査対象物は利用できないので、実際の加工物の品質（加工精度）を保証することができないという問題がある。
【０００３】
そこで、微小径穴の測定に関しては、貫通穴（孔）の測定では光を穴内壁に反射させ、その反射光を穴出口で検出する光学的方式（例えば、非特許文献１、２参照）が報告されている。また、止まり穴にも適用可能な方法として、バイブロスキャニング方式のプローブを用いた方式（例えば、非特許文献３参照）、振動させたプローブの接触に伴う振幅変化を用いた方式（加振プローブ式）、プローブと測定対象面との接近をトンネル現象により検出する方式（例えば、非特許文献４、５参照）、空気圧により接触子の保持と接触の検出を行う方式（例えば、非特許文献６参照）等が報告されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】丸山六男、「光学的方法による小穴内径測定装置の開発」、精密工学会誌、１９９６年１月、第６２巻、１号、ｐ１４５−１４９
【非特許文献２】秋山信幸、外５名、「微小径深穴用光学式内径測定装置の開発」、精密工学会誌、１９９６年４月、第６２巻、４号、ｐ５８４−５８８
【非特許文献３】山本正樹、外２名、「バイブロスキャニング法を用いた微細形状測定システムの開発」、精密工学会誌、２００１年２月、第６７巻、２号、ｐ２５１−２５５
【非特許文献４】白石利治、外１名、「マイクロ部品用形状測定装置の開発−装置の構成ならびに測定結果」、精密工学会誌、１９９８年９月、第６４巻、９号、ｐ１３９５−１３９９
【非特許文献５】白石利也、外３名、「マイクロ部品の形状・寸法測定に関する研究（装置の改良ならびにプローブの校正と寸法測定結果）」、日本機械学会論文集（Ｃ編）、２００２年 ９月、第６８巻、６７３号、ｐ２７８３−２７９０
【非特許文献６】高橋潔、外５名、「吸気型ボールプローブの開発（第１報）−基本的構成−」、精密工学会誌、１９９８年８月、第６４巻、８号、ｐ１１５３−１１５７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、非特許文献１に記載された方法では、測定対象物が貫通穴に限定され、止まり穴、溝の測定ができないという問題がある。
また、非特許文献２〜６に記載された方法、加振プローブ式では、プローブの小径化が困難なため、例えば、１０μｍ未満の内径、幅を有する測定対象物の形状の測定ができないという問題がある。
【０００６】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、物体に形成された測定対象物の特定部位の座標を、低測定力で高感度かつ高精度で測定することが可能な位置測定装置、位置測定装置を用いた形状測定装置及び位置測定方法、並びに位置測定方法を用いた形状測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的に沿う第１の発明に係る位置測定装置は、支持部材と、該支持部材に上端部が固定され自由状態で垂直配置された光ファイバーと、該光ファイバーの下端部に設けられた探触子と、前記光ファイバーの上下方向中間位置にあって該光ファイバーの測定対象物への接触に伴う撓みを検知する光学振れ検知機構と、前記測定対象物を載せてＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に該測定対象物を移動させるＸＹＺステージと、前記光学振れ検知機構及び前記ＸＹＺステージに連結される制御部とを有する位置測定装置であって、
前記光ファイバーは、該光ファイバーを揺らす振動手段を介して前記支持部材に取付けられ、前記探触子が前記ＸＹＺテーブルに載った前記測定対象物に当接した場合の前記光ファイバーの撓み量を前記光学振れ検知機構で検知し、前記測定対象物の特定部位の座標を検知している。
【０００８】
第１の発明に係る位置測定装置において、前記振動手段は、前記光ファイバーを横方向、縦方向、又は縦横方向に振動させることが好ましい。ここで、横方向及び縦方向は、ＸＹＺステージのＸ方向及びＹ方向と一致させる必要はないが、一致させると信号処理が容易となる。
【０００９】
第１の発明に係る位置測定装置において、前記光学振れ検知機構は、平面視して前記光ファイバーに対して交差する方向からレーザ光を照射する第１、第２のレーザ光照射手段と、前記光ファイバーを中央にして、前記第１、第２のレーザ光照射手段にそれぞれ対向して配置された第１、第２の受光部を備えた第１、第２のレーザ光受光手段とを有することが好ましい。
【００１０】
第１の発明に係る位置測定装置において、前記第１、第２のレーザ光照射手段からのレーザ光は直交状態で前記光ファイバーに照射されていることが好ましい。
【００１１】
この場合、前記第１、第２の受光部にはそれぞれ２分割型あるいは４分割型光半導体が使用され、前記撓み量は、前記第１、第２の受光部で受光したレーザ光の各光受光センサの受光量の差から検知されることが好ましい。
【００１２】
第１の発明に係る位置測定装置において、前記振動手段は振動信号を生成するファンクションジェネレータを備え、前記第１、第２のレーザ光受光手段は、前記第１、第２の受光部から出力される検出信号を、前記振動信号（場合によってはレーザ変調信号）を参照信号として検出するロックインアンプを備えていることが好ましい。
ここで、レーザ変調信号とは高周波でレーザ光に変調をかけることをいい、これによって、振動手段無しで、対象物の位置測定が可能となる。
【００１３】
第１の発明に係る位置測定装置において、前記探触子の表面には、撥水層が形成されていることが好ましい。
また、第１の発明に係る位置測定装置において、前記支持部材は透明材料で形成されていることが好ましい。
そして、第１の発明に係る位置測定装置において、前記探触子と前記測定対象物との相対位置を観察する撮像手段を有していることが好ましい。
【００１４】
前記目的に沿う第２の発明に係る形状測定装置は、第１の発明に係る位置測定装置を用い、前記測定対象物の複数の特定部位の座標を検知して、該測定対象物の形状を特定する。
【００１５】
前記目的に沿う第３の発明に係る位置測定方法は、支持部材に上端部が振動手段を介して固定され、下端部に探触子が設けられた光ファイバーを自由状態で垂直配置し、前記光ファイバーの上下方向中間位置に該光ファイバーの撓み量（軸振れ）を検知する光学振れ検知機構を設け、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に移動させるＸＹＺステージに載せた測定対象物を前記探触子に向けて移動させ、前記振動手段によって振動させた前記光ファイバーの振動振幅変化量及び／又は受光部から出力される検出信号と振動信号の位相差の変化量（位相変化量）から前記測定対象物が前記探触子に当接したとを検知して前記測定対象物の特定位置の座標を検知している。
【００１６】
前記目的に沿う第４の発明に係る形状測定方法は、第３の発明に係る位置測定方法を用い、前記測定対象物の特定位置を複数箇所検知するか、或いは前記振動振幅変化量及び／又は前記位相変化量が一定範囲に維持するようにして、前記ＸＹＺステージを移動させて、前記測定対象物の形状を特定する。
【発明の効果】
【００１７】
第１の発明に係る位置測定装置、第２の発明に係る形状測定装置、第３の発明に係る位置測定方法、及び第４の発明にかかる形状測定方法においては、測定対象物に当接する部分が、自由状態で垂直配置された光ファイバーの下端部に設けられた探触子からなる簡単な構成のため、装置の製造が容易になる。
【００１８】
そして、探触子と測定対象物が当接した際の光ファイバーの撓み量を、光学振れ検知機構により非接触で検出するので、光ファイバーの弾性の影響を除去して、探触子と測定対象物との当接（接触）を検知できる。また、光ファイバーを振動することで探触子が測定対象物に付着することが防止でき、探触子と測定対象物との当接を繰返し行うことができる。
【００１９】
ここで、レーザ光が光ファイバーを透過する場合、光ファイバーはロッドレンズとして作用するので、光ファイバーの撓み量（軸振れ）に伴うレーザ光の光路変化が拡大されることにより光路変化の分解能が向上し、探触子と測定対象物との当接を高精度で検知できる。また、探触子と測定対象物とが当接すると光ファイバーは容易に撓むので、光ファイバーの破損を抑制することができると共に、探触子を介して測定対象物に加わる測定力が小さくなって、測定対象物の表面に生じる損傷を防止することができる。
【００２０】
第１の発明に係る位置測定装置において、振動手段を用いて、光ファイバーを横方向、縦方向、又は縦横方向に振動させる場合、探触子と測定対象物が当接した際の光ファイバーの撓み量が異なるため、測定対象物と探触子との接触方向を検出することができ、測定対象物に対する探触子の接触位置を考慮することで、測定対象物の特定部位の座標を精度よく検知することができる。
【００２１】
第１の発明に係る位置測定装置において、光学振れ検知機構が、平面視して光ファイバーに対して交差する方向からレーザ光を照射する第１、第２のレーザ光照射手段と、光ファイバーを中央にして、第１、第２のレーザ光照射手段にそれぞれ対向して配置された第１、第２の受光部を備えた第１、第２のレーザ光受光手段とを有する場合、探触子と測定対象物が当接した際の光ファイバーの撓み量を効率的に検出することができる。
【００２２】
第１の発明に係る位置測定装置において、第１、第２のレーザ光照射手段からのレーザ光が直交状態で光ファイバーに照射されている場合、探触子と測定対象物が当接した際の光ファイバーの撓み量及び撓んだ方向を精度よく検出することができる。
【００２３】
第１の発明に係る位置測定装置において、撓み量が、第１、第２の受光部で受光したレーザ光の各光受光センサの受光量の差から検知される場合（更に、この差が一定の閾値を超えたことから撓み量が検知される場合）、撓み量の検知を自動で行うことができる。
【００２４】
第１の発明に係る位置測定装置において、第１、第２の受光部にそれぞれ２分割型又は４分割型の光半導体を使用する場合、撓み量を２分割型又は４分割型の光半導体の各光半導体からの出力差の変化から容易に検出することができる。
【００２５】
第１の発明に係る位置測定装置において、振動手段が振動信号を生成するファンクションジェネレータを備え、第１、第２のレーザ光受光手段が、第１、第２の受光部から出力される検出信号を、振動信号を参照信号として増幅（検出）するロックインアンプを備えている場合、撓み量に伴う第１、第２のレーザ光受光手段からの出力変化をノイズの影響を少なくして検出することができる。
【００２６】
第１の発明に係る位置測定装置において、探触子の表面に、撥水層が形成されている場合、水分の影響で探触子が測定対象物に付着することを防止して、探触子と測定対象物との当接を繰返し行うことが容易になる。
【００２７】
第１の発明に係る位置測定装置において、支持部材が透明材料で形成されている場合、支持部材を介して測定対象物を上方から直接観察することができ、探触子と測定対象物との位置関係を容易に把握することができる。
【００２８】
第１の発明に係る位置測定装置において、探触子と測定対象物との相対位置を観察する撮像手段を有している場合、測定対象物の移動状況を容易に把握することができ、探触子と測定対象物との当接を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施の形態に係る位置測定装置及び位置測定装置を用いた形状測定装置の説明図である。
【図２】同位置測定装置の自由状態で振動させた光ファイバーの撓み量を振れ検知手段で検知する際の説明図である。
【図３】同位置測定装置の光ファイバーに生じたＸ方向への撓みを光学振れ検知機構で検知する際の説明図である。
【図４】同位置測定装置の光ファイバーに生じたＹ方向への撓みを光学振れ検知機構で検知する際の説明図である。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）は、光ファイバーがＸ方向に変位した際の第１、第２のレーザ光受光手段の出力測定値と出力予想値との関係を示す説明図である。
【図６】探触子が小穴の内側表面に当接する前後における第２のレーザ光受光手段の出力の変化の説明図である。
【図７】（Ａ）、（Ｂ）は、実施例１の微小径穴の形状測定方法における測定開始時、測定中の測定対象物の位置を示す説明図である。
【図８】実施例２のルビー球の形状測定方法における測定中の探触子とルビー球の位置関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
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に示すように、本発明の一実施の形態に係る位置測定装置１０（形状測定装置も同じ）は、支持部材１４と、支持部材１４に上端部が固定され自由状態で垂直配置された光ファイバー１１と、光ファイバー１１の下端部に設けられた探触子１２とを有している。このような構成とすることで、位置測定装置１０のプローブ１３が構成されている。
【００３１】
また、位置測定装置１０は、光ファイバー１１の上下方向中間位置にあって光ファイバー１１の測定対象物への接触に伴う撓み量（即ち、異常撓み、光ファイバーの異常軸振れ）を検知する光学振れ検知機構１５と、測定対象物の一例である小穴２３が形成された部品２４を載せてＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に小穴２３を移動させるＸＹＺステージ２５と、光学振れ検知機構１５及びＸＹＺステージ２５に連結される制御部２６とを有している。更に、位置測定装置１０は、プローブ１３（探触子１２）と小穴２３との相対位置を観察する撮像手段２７を有している。ここで、小穴２３の内側寸法は、例えば、１〜１００μｍの範囲である。以下、詳細に説明する。なお、制御部２６には公知の表示部４０を備えている。
【００３２】
光ファイバー１１は、例えば、直径が３μｍ、長さが２ｍｍである。
探触子１２は、例えば超硬金属、ガラス、立方晶窒化ケイ素等の高硬度材料で形成された例えば直径が５μｍの球体であり、エポキシ樹脂等の接着剤を介して光ファイバー１１の先端に固定されている。ここで、探触子１２の表面には、例えばフッ素樹脂系の撥水層が形成されている。これによって、水分の影響で探触子１２が小穴２３の内側表面に付着することを防止できる。
【００３３】
支持部材１４は、垂直状態の光ファイバー１１の上端部がエポキシ樹脂等の接着剤を介して下端面の中央部に固定される円柱形状のプローブ固定部２８と、プローブ固定部２８の上端部を把持する円柱形状の取付け部２９とを有し、プローブ固定部２８と取付け部２９はいずれもガラス等の透明材料で形成されている。これにより、支持部材１４を介して小穴２３を上方から直接観察することができ、小穴２３に対するプローブ１３の位置決めを容易に行うことができる。そして、取付け部２９は、ＸＹＺステージ２５の上方に配置されるように、ＸＹＺステージ２５を載置したフレーム（図示せず）に、図示しない保持部材を介して固定されている。このような構成とすることにより、自由状態で垂直配置される光ファイバー１１の先端部に設けられた探触子１２の下方に、ＸＹＺステージ２５を配置することができる。
【００３４】
振動手段３０は、支持部材１４のプローブ固定部２８の側面に周方向に沿って複数（例えば、等間隔に４つ）取付けられる、例えば圧電体から構成される側振動部（振動子）３０ａと、プローブ固定部２８の上端面に取付けられる、例えば圧電体から構成される上振動部（図示せず）と、側振動部３０ａ及び上振動部にそれぞれ駆動用信号を入力する振動制御器３１と、振動制御器３１に振動信号（振動指令信号）を入力する振動信号生成器の一例であるファンクションジェネレータ３２とを有している。このような構成とすることにより、光ファイバー１１を任意の振動数で振動させることができる。これによって、探触子１２を小穴２３の内側表面に当接させた際、探触子１２が小穴２３の内側表面に付着することを効果的に防止できる。
【００３５】
ここで、複数の側振動部３０ａを同期して、又はその一部を振動させることにより、光ファイバー１１を三次元内で自由に振動させることができる。即ち、光ファイバー１１を水平横方向、水平縦方向、上下方向のいずれか１又は２以上の方向に振動させることができる。
【００３６】
光学振れ検知機構１５は、平面視して光ファイバー１１に対して交差する方向（例えば、直交する方向）からレーザ光を照射する第１、第２のレーザ光照射手段１７、１８と、光ファイバー１１を中央にして、第１、第２のレーザ光照射手段１７、１８にそれぞれ対向して配置された第１、第２の受光部である第１、第２の２分割型光半導体１９、２０を備えた第１、第２のレーザ光受光手段２１、２２とを有している。ここで、２分割型光半導体素子の代わりに４分割型の光半導体素子あるいは他の受光素子を使用することもできる。
第１、第２のレーザ光照射手段１７、１８は、発光ダイオード、半導体レーザ等の発光素子を用いて構成され、対物レンズ（収束レンズ１６）を用いて集光する。
【００３７】
第１、第２のレーザ光受光手段２１、２２は、プローブ１３の光ファイバー１１を透過してＸ方向、Ｙ方向に沿って進むレーザ光をそれぞれ受光する第１、第２の２分割型光半導体１９、２０と、第１、第２の２分割型光半導体１９、２０から出力される検出信号を用いて、プローブ１３を振動させるファンクションジェネレータ３２の信号（振動信号）を参照信号としロックインアンプ３５、３５ａを用いて同期検波することで各種ノイズを取り除く。ここで、プローブ１３を加振せずにレーザ光を変調することで各種信号ノイズを取り除くことも可能である。この場合、測定はプローブ１３に振動を加えずに実施する。
【００３８】
図２に示すように、光ファイバー１１の下端部に設けられた探触子１２が部品２４に形成された小穴２３の内側表面に接触していない場合、以下に説明する光半導体素子３３ａ、３４ａからの出力値ＩＰＹ１、ＩＰＹ２は等しい。また、光半導体素子３３、３４からの出力値においても同じである。なお、図２において、Ｄは光ファイバー１１の直径、
【００３９】
光ファイバー１１を加振し測定する際、光ファイバー１１が振動しＸ軸方向に変位した場合、あるいはプローブ１３を振動させずに測定しプローブ１３先端が小穴２３の内側表面（測定対象面）に接触し、プローブ１３がＸ軸方向に変位した場合、第１の２分割型光半導体１９の光半導体素子（光受光センサの一例）３３、３４からの出力値ＩＰＸ１、ＩＰＸ２は等しいが、第２の２分割型光半導体２０の光半導体素子３３ａ、３４ａからの出力値ＩＰＹ１、ＩＰＹ２は等しくなくなる（図３ではＩＰＹ１＞ＩＰＹ２）。これによりプローブ１３の変位量及び変位する方向を検出できる。即ち、各光受光センサの受光量の差から測定対象物を検知できる。
【００４０】
図４に示すようにＹ軸方向についても同様の原理で検出できる。これにより、振動させたプローブ１３の振動振幅及び参照信号との位相差を求めることができる。プローブ１３の先端部が測定対象面に接触すると振幅が減少し、また位相差が生じることから、プローブ１３の先端部の測定対象面への接触を検出できる。また、プローブ１３を振動させずに測定する場合は測定対象面への接触に伴うプローブ１３の先端部変位量を検出可能である。なお、測定前の初期状態では、光ファイバー１１、第１、第２のレーザ光照射手段１７、１８、第１、第２のレーザ光受光手段２１、２２を、出力値がそれぞれ等しくなるようにしておく。このような状態から、各光受光センサの受光量の差から（撓み量を検知し）測定対象物を検知できる。
【００４１】
図５（Ａ）、（Ｂ）に、光ファイバー１１の直径（Ｄ）が３μｍ、軸長が２ｍｍの場合における、プローブ１３の先端変位量と信号変化量の実測値とシミュレーション値の関係を示す。実測値とシミュレーション値が一致していることが判る。なお、レーザ光の軸心、光ファイバー１１の軸心、光半導体の軸心は直線上に配置され、好ましくは、レーザ光は、軸心に対して広がって入射するようにしている（図２参照）。
【００４２】
ＸＹＺステージ２５は、部品２４を載置するテーブル３６と、テーブル３６をＸ方向及びＹ方向に独立して、例えば１ｎｍピッチで移動させることが可能な移動機構を備えたＸＹ方向移動手段３７と、フレームに取付けられ、テーブル３６をＸＹ方向移動手段３７を介して、例えば１０ｎｍピッチでＺ方向に上下移動させることが可能な移動機構を備えたＺ方向昇降手段３８とを有している。また、ＸＹＺステージ２５は、設定された移動方向、移動範囲、及び移動速度でテーブル３６を移動する駆動制御部（図示せず）を有している。また、本実施の形態では測定対象物を移動させて測定しているが、プローブを移動させることで測定することも可能である。なお、高さ方向の形状を測定しない場合は、Ｚ方向の移動を省略したＸＹテーブルであってもよい。
【００４３】
撮像手段２７は、探触子１２と小穴２３の位置関係を撮影するカメラ部３９と、カメラ部３９を操作する図示しない操作部を有し、カメラ部３９はＸＹＺステージ２５を載置したフレームに、図示しない支持部材を介して取付けられ、操作部はフレームに載置されている。
【００４４】
続いて、本発明の一実施の形態に係る位置測定装置１０を用いた位置（形状）測定方法について説明する。
先ず、上端部が支持部材１４に固定され、下端部に探触子１２が設けられた光ファイバー１１を自由状態で垂直配置する。そして、ファンクションジェネレータ３２から出力される振動信号に基づいて振動制御器３１から駆動用信号を側振動部３０ａに入力して光ファイバー１１を自由状態で振動する。次いで、自由状態で振動している光ファイバー１１の上下方向中間位置の外側に設けた第１、第２のレーザ光照射手段１７、１８から、平面視して光ファイバー１１に向けて直交する方向からそれぞれ集束したレーザ光を照射し、光ファイバー１１を透過したレーザ光を光ファイバー１１を中央にして第１、第２のレーザ光照射手段１７、１８にそれぞれ対向して配置した第１、第２の２分割型光半導体１９、２０を備えた第１、第２のレーザ光受光手段２１、２２で受光する。
【００４５】
前記した原理により、光ファイバー１１（プローブ１３）の振動振幅量及び位相を監視し、プローブ１３の先端の測定対象面への接触にともなう振動振幅変化及び位相変化（撓み量となる）を検出することで測定対象面の形状を測定する。この際、変化量に閾値を設けて閾値を超える箇所（即ち、閾値となる）の座標を記録することで形状を測定する。また、このほかにも振幅や位相の変化量から形状を逆算することで形状を測定することも可能である。
【００４６】
図６に、光ファイバー１１の探触子１２が小穴２３の内側表面に接触して、光ファイバー１１が例えばＸ方向に撓んだ場合における、接触前後の第２のレーザ光受光手段２２の出力としてロックインアンプ３５ａから出力される出力値の振幅の変化を示す。接触前後で、第２のレーザ光受光手段２２の出力値の振幅値及び位相が変化していることがわかる。
【００４７】
以上説明した位置測定装置１０を用いて、対象物の複数箇所の位置を測定して測定対象物の形状を検知（又は推定）する形状測定装置とすることもできる。また、第１、第２の受光部の出力値に対応する光ファイバーの撓み量を一定範囲となるようにＸＹＺステージを動かすことによって、対象物の輪郭（形状）を測定することもできる。
【実施例】
【００４８】
（実施例１）
図７（Ａ）に示す長さが２ｍｍ、直径が３μｍの光ファイバーの先端に、直径が５μｍのガラス球からなる探触子を設けたプローブを、図７（Ｂ）に示すように、直径が１０μｍ、深さが４０μｍとなるように部品に形成した微小径穴内に挿入して、微小径穴の形状を測定した。
測定は、テーブル上に部品を載置してＸＹＺステージを操作し、微小径穴の穴壁に設定した複数の当接目標位置をＸＹ面内で１μｍ／秒の速度で探触子に向けて順次移動し、探触子が当接する都度、光ファイバーの撓み量に伴う第１、第２のレーザ光受光手段からの出力値Ｉ（＝（ＩＸ２＋ＩＹ２）１／２）を求め、出力値Ｉが予め求めておいた閾値と等しくなるときのステージ座標（ＸＹ方向の分解能１ｎｍ）をそれぞれ記録した。ここで、ＩＸはＩＰＸ１−ＩＰＸ２、ＩＹはＩＰＹ１−ＩＰＹ２である。
【００４９】
（実施例２）
実施例１で使用したプローブを用いて、図８に示すように、直径が６００μｍとなるように形成したルビー球の形状を測定した。測定範囲は、Ｘ方向及びＹ方向に３００μｍ、Ｚ方向に１００μｍである。
測定は、テーブル上にルビー球を載置してＸＹＺステージを操作し、プローブのＸＹ方向位置を固定した状態で探触子に対して、Ｚ方向から１μｍ／秒の速度でルビー球の球面を接近させ、探触子にルビー球が当接して光ファイバーに撓みが生じたことを第１、第２のレーザ光受光手段からの出力値Ｉの変化から検出し、ルビー球をＺ方向に戻して出力値Ｉが閾値と等しくなるときのステージ座標を記録した。
【００５０】
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。
【００５１】
例えば、光ファイバーを振動する振動部（振動手段）として圧電体（ピエゾ素子）を使用したが、振動数範囲に応じて、モータ、電磁石、アクチュエータ等を使用することもできる。
なお、光ファイバーの振動を停止し、探触子に測定対象物の表面を当接させて測定対象物の表面に沿って移動させながら、第１、第２のレーザ光受光手段で受光する出力値を検出することにより、光ファイバーの撓み量を介して測定対象物の表面に対する探触子の位置変化を検出することができ、測定対象物の表面粗さを求めることができる。また、光ファイバーを振動させず、レーザ光を変調しその変調信号を参照信号に用いてロックイン検出することで低ノイズで測定することも可能である。
更に、光ファイバーの上端部を振動させないで、レーザー光に高周波変調（例えば、１００ｋＨｚ）をかけて、前記した第１、第２のレーザ光照射手段、及び第１、第２のレーザ光受光手段を用いて、プローブが測定対象物に当接するのを検知することもできる。
【符号の説明】
【００５２】
１０：位置測定装置、１１：光ファイバー、１２：探触子、１３：プローブ、１４：支持部材、１５：光学振れ検知機構、１６：集束レンズ、１７：第１のレーザ光照射手段、１８：第２のレーザ光照射手段、１９：第１の２分割型光半導体、２０：第２の２分割型光半導体、２１：第１のレーザ光受光手段、２２：第２のレーザ光受光手段、２３：小穴、２４：部品、２５：ＸＹＺステージ、２６：制御部、２７：撮像手段、２８：プローブ固定部、２９：取付け部、３０：振動手段、３０ａ：側振動部（振動子）、３１：振動制御器、３２：ファンクションジェネレータ、３３、３４、３３ａ、３４ａ：光半導体素子、３５、３５ａ：ロックインアンプ、３６：テーブル、３７：ＸＹ方向移動手段、３８：Ｚ方向昇降手段、３９：カメラ部、４０：表示分
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持部材と、該支持部材に上端部が固定され自由状態で垂直配置された光ファイバーと、該光ファイバーの下端部に設けられた探触子と、前記光ファイバーの上下方向中間位置にあって該光ファイバーの測定対象物への接触に伴う撓みを検知する光学振れ検知機構と、前記測定対象物を載せてＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に該測定対象物を移動させるＸＹＺステージと、前記光学振れ検知機構及び前記ＸＹＺステージに連結される制御部とを有する位置測定装置であって、
前記光ファイバーは、該光ファイバーを揺らす振動手段を介して前記支持部材に取付けられ、前記探触子が前記ＸＹＺテーブルに載った前記測定対象物に当接した場合の前記光ファイバーの撓み量を前記光学振れ検知機構で検知し、前記測定対象物の特定部位の座標を検知することを特徴とする位置測定装置。
【請求項２】
請求項１記載の位置測定装置において、前記振動手段は、前記光ファイバーを横方向、縦方向、又は縦横方向に振動させることを特徴とする位置測定装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の位置測定装置において、前記光学振れ検知機構は、平面視して前記光ファイバーに対して交差する方向からレーザ光を照射する第１、第２のレーザ光照射手段と、前記光ファイバーを中央にして、前記第１、第２のレーザ光照射手段にそれぞれ対向して配置された第１、第２の受光部を備えた第１、第２のレーザ光受光手段とを有することを特徴とする位置測定装置。
【請求項４】
請求項３記載の位置測定装置において、前記第１、第２のレーザ光照射手段からのレーザ光は直交状態で前記光ファイバーに照射されていることを特徴とする位置測定装置。
【請求項５】
請求項３又は４記載の位置測定装置において、前記撓み量は、前記第１、第２の受光部で受光したレーザ光の各光受光センサの受光量の差から検知されることを特徴とする位置測定装置。
【請求項６】
請求項３〜５のいずれか１項に記載の位置測定装置において、前記第１、第２の受光部にはそれぞれ２分割型あるいは４分割型光半導体を使用することを特徴とする位置測定装置。
【請求項７】
請求項３〜６のいずれか１項に記載の位置測定装置において、前記振動手段は振動信号を生成するファンクションジェネレータを備え、前記第１、第２のレーザ光受光手段は、前記第１、第２の受光部から出力される検出信号を、前記振動信号を参照信号として検出するロックインアンプを備えていることを特徴とする位置測定装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の位置測定装置において、前記探触子の表面には、撥水層が形成されていることを特徴とする位置測定装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の位置測定装置において、前記支持部材は透明材料で形成されていることを特徴とする位置測定装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の位置測定装置において、前記探触子と前記測定対象物との相対位置を観察する撮像手段を有していることを特徴とする位置測定装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の位置測定装置を用い、前記測定対象物の複数の特定部位の座標を検知して、該測定対象物の形状を特定することを特徴とする形状測定装置。
【請求項１２】
支持部材に上端部が振動手段を介して固定され、下端部に探触子が設けられた光ファイバーを自由状態で垂直配置し、前記光ファイバーの上下方向中間位置に該光ファイバーの軸振れを検知する光学振れ検知機構を設け、
Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に移動させるＸＹＺステージに載せた測定対象物を前記探触子に向けて移動させ、前記振動手段によって振動させた前記光ファイバーの振動振幅変化量及び／又は位相変化量から前記測定対象物が前記探触子に当接したとを検知して前記測定対象物の特定位置の座標を検知することを特徴とする位置測定方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の位置測定方法を用い、前記測定対象物の特定位置を複数箇所検知するか、或いは、前記振動振幅変化量及び／又は前記位相変化量が一定範囲に維持するようにして前記ＸＹＺステージを移動させて、前記測定対象物の形状を特定することを特徴とする形状測定方法。
【請求項１】
支持部材と、該支持部材に上端部が固定され自由状態で垂直配置された光ファイバーと、該光ファイバーの下端部に設けられた探触子と、前記光ファイバーの上下方向中間位置にあって該光ファイバーの測定対象物への接触に伴う撓みを検知する光学振れ検知機構と、前記測定対象物を載せてＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に該測定対象物を移動させるＸＹＺステージと、前記光学振れ検知機構及び前記ＸＹＺステージに連結される制御部とを有する位置測定装置であって、
前記光ファイバーは、該光ファイバーを揺らす振動手段を介して前記支持部材に取付けられ、前記探触子が前記ＸＹＺテーブルに載った前記測定対象物に当接した場合の前記光ファイバーの撓み量を前記光学振れ検知機構で検知し、前記測定対象物の特定部位の座標を検知することを特徴とする位置測定装置。
【請求項２】
請求項１記載の位置測定装置において、前記振動手段は、前記光ファイバーを横方向、縦方向、又は縦横方向に振動させることを特徴とする位置測定装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の位置測定装置において、前記光学振れ検知機構は、平面視して前記光ファイバーに対して交差する方向からレーザ光を照射する第１、第２のレーザ光照射手段と、前記光ファイバーを中央にして、前記第１、第２のレーザ光照射手段にそれぞれ対向して配置された第１、第２の受光部を備えた第１、第２のレーザ光受光手段とを有することを特徴とする位置測定装置。
【請求項４】
請求項３記載の位置測定装置において、前記第１、第２のレーザ光照射手段からのレーザ光は直交状態で前記光ファイバーに照射されていることを特徴とする位置測定装置。
【請求項５】
請求項３又は４記載の位置測定装置において、前記撓み量は、前記第１、第２の受光部で受光したレーザ光の各光受光センサの受光量の差から検知されることを特徴とする位置測定装置。
【請求項６】
請求項３〜５のいずれか１項に記載の位置測定装置において、前記第１、第２の受光部にはそれぞれ２分割型あるいは４分割型光半導体を使用することを特徴とする位置測定装置。
【請求項７】
請求項３〜６のいずれか１項に記載の位置測定装置において、前記振動手段は振動信号を生成するファンクションジェネレータを備え、前記第１、第２のレーザ光受光手段は、前記第１、第２の受光部から出力される検出信号を、前記振動信号を参照信号として検出するロックインアンプを備えていることを特徴とする位置測定装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の位置測定装置において、前記探触子の表面には、撥水層が形成されていることを特徴とする位置測定装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の位置測定装置において、前記支持部材は透明材料で形成されていることを特徴とする位置測定装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の位置測定装置において、前記探触子と前記測定対象物との相対位置を観察する撮像手段を有していることを特徴とする位置測定装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の位置測定装置を用い、前記測定対象物の複数の特定部位の座標を検知して、該測定対象物の形状を特定することを特徴とする形状測定装置。
【請求項１２】
支持部材に上端部が振動手段を介して固定され、下端部に探触子が設けられた光ファイバーを自由状態で垂直配置し、前記光ファイバーの上下方向中間位置に該光ファイバーの軸振れを検知する光学振れ検知機構を設け、
Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に移動させるＸＹＺステージに載せた測定対象物を前記探触子に向けて移動させ、前記振動手段によって振動させた前記光ファイバーの振動振幅変化量及び／又は位相変化量から前記測定対象物が前記探触子に当接したとを検知して前記測定対象物の特定位置の座標を検知することを特徴とする位置測定方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の位置測定方法を用い、前記測定対象物の特定位置を複数箇所検知するか、或いは、前記振動振幅変化量及び／又は前記位相変化量が一定範囲に維持するようにして前記ＸＹＺステージを移動させて、前記測定対象物の形状を特定することを特徴とする形状測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１５４６３７（Ｐ２０１２−１５４６３７Ａ）
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１１７１（Ｐ２０１１−１１１７１）
【出願日】平成２３年１月２１日（２０１１．１．２１）
【出願人】（５０３３６１８１３）学校法人 中村産業学園 (26)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２１日（２０１１．１．２１）
【出願人】（５０３３６１８１３）学校法人 中村産業学園 (26)
【Ｆターム（参考）】
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