形状測定装置及び形状測定方法
【課題】物体に形成された測定対象物の形状を低測定力で高感度かつ高精度で測定が可能な形状測定装置及び形状測定方法を提供する。
【解決手段】基部側に発光器１１及び受光器１２が設けられ、先端に光を反射する光反射部１３が設けられて自由状態で垂直配置された先側領域１４を有し、先側領域１４の一部の曲げ歪みによって通過光に光量変化を発生させる撓み検知部１５が形成された光ファイバ１６と、光ファイバ１６の先端部に固着配置された探触子１７と、光ファイバ１６の下方に配置され測定対象物１８が形成された物体１９を載せるＸＹテーブル２０と、ＸＹテーブル２０を相対的に上下するＺ方向昇降手段２１とを有し、探触子１７に測定対象物１８を側方から当接させて受光器１２での光量変化を検知し、探触子１７に測定対象物１８が当接した際の探触子１７の位置から測定対象物１８の二次元形状を測定する。
【解決手段】基部側に発光器１１及び受光器１２が設けられ、先端に光を反射する光反射部１３が設けられて自由状態で垂直配置された先側領域１４を有し、先側領域１４の一部の曲げ歪みによって通過光に光量変化を発生させる撓み検知部１５が形成された光ファイバ１６と、光ファイバ１６の先端部に固着配置された探触子１７と、光ファイバ１６の下方に配置され測定対象物１８が形成された物体１９を載せるＸＹテーブル２０と、ＸＹテーブル２０を相対的に上下するＺ方向昇降手段２１とを有し、探触子１７に測定対象物１８を側方から当接させて受光器１２での光量変化を検知し、探触子１７に測定対象物１８が当接した際の探触子１７の位置から測定対象物１８の二次元形状を測定する。
【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、小穴、微細突起、又は微細溝等の測定対象物の形状を測定する形状測定装置及び形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超精密機器や光通信機器、微細金型を製作する微細加工技術の進歩に伴い、加工物に形成されている微細幾何形状を測定する重要性が増加している。例えば、自動車用エンジンでは、次期排出ガス規制をクリアするには燃焼室に噴射する燃料の微粒化が不可欠で、そのためには、自動車用燃料噴射ノズルの内径を小さくする必要がある（一般に、自動車用燃料噴射ノズルの内径を０．１ｍｍ以下にできるかが燃費向上を左右する）。また、医療、光通信、電子デバイス等の分野においても、高性能化、環境への配慮、エネルギー効率の向上といった観点から、更に微細かつ精密な幾何形状の形成が要求されている。
ここで、内径が０．１ｍｍ以下で、アスペクト比（深さと内径の比）が１０以上の小径深穴の加工にはドリル、放電加工等が用いられており、小径深穴を精密に加工するためには、穴の内径や幾何形状（例えば、真円度、真直度、円筒度等）を高精度に測定しながら、加工を進める必要がある。一般に、穴の内径や幾何形状の測定方法としては、１）ピンゲージやボアゲージを使用する機械式方法、２）測定顕微鏡を使用する方法、３）電気的導通現象を用いる方法、４）光学触針を測定対象物に接触させる光学式方法（例えば、特許文献１、２参照）等が挙げられる。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１２１３３０号公報
【特許文献２】特開平８−２３３５４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、機械式方法では、ピンゲージで測定可能な最小内径は０．１ｍｍ、ボアゲージで測定可能な最小内径は０．５ｍｍなので、内径が０．１ｍｍ未満の穴に対しては適用できないという問題が生じる。また、測定顕微鏡を使用する方法では、穴の入口部形状の測定しか行なうことができず、穴内壁の評価ができないという問題があり、電気的導通現象を用いる方法では、測定対象が導電性を有する素材（例えば、金属）に限られるという問題が生じる。更に、光学式方法では、測定精度が対象となる材料やその表面の粗さの影響を受け易く、測定の原理上、深穴、及び深溝などの形状に対しては測定が困難になるとともに、測定可能な最小内径が０．１ｍｍであるという問題がある。
【０００５】
本発明は係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形状を低測定力で高感度かつ高精度で測定が可能な形状測定装置及び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】
【０００６】
前記目的に沿う第１の発明に係る形状測定装置は、基部側に発光器及び受光器が設けられ、先端に前記発光器から入射した光を反射する光反射部が設けられて自由状態で垂直配置された先側領域を有し、前記光反射部より基側の前記先側領域に該先側領域の一部の曲げ歪みによって通過光に光量変化を発生させる撓み検知部が形成された光ファイバと、
前記光ファイバの先端部に固着配置された探触子と、
前記探触子が設けられた前記光ファイバの下方に配置され、測定対象物が形成された物体を載せるＸＹテーブルと、
前記探触子が設けられた前記光ファイバの少なくとも前記先側領域に対して前記ＸＹテーブルを相対的に上下するＺ方向昇降手段とを有し、
前記探触子に対して前記ＸＹテーブルに載せた前記物体に形成された前記測定対象物を側方から当接させて前記受光器で受光する光の光量変化を検知し、前記探触子が前記測定対象物に当接した際の該探触子の位置を前記ＸＹテーブルから読み出して、前記測定対象物の二次元形状を測定する。
【０００７】
第１の発明に係る形状測定装置において、前記Ｚ方向昇降手段は前記ＸＹテーブル又は前記光ファイバを昇降するものであり、前記探触子が前記測定対象物に当接した際の該ＸＹテーブル及び前記Ｚ方向昇降手段からの各出力に基づいて、該測定対象物の三次元形状を測定することができる。
【０００８】
前記目的に沿う第２の発明に係る形状測定装置は、自由状態で垂直配置され先端部に探触子が設けられた触針と、
基部側に発光器及び受光器が設けられ、先端に前記発光器から入射した光を反射する光反射部が設けられた先側領域を有し、前記触針に固着され該触針とともに撓んで通過光に光量変化を発生させる撓み検知部が形成された光ファイバと、
前記探触子が設けられた前記触針の下方に配置され、測定対象物が形成された物体を載せるＸＹテーブルと、
前記探触子が設けられた前記触針に固着された前記光ファイバの先側領域に対して前記ＸＹテーブルを相対的に上下するＺ方向昇降手段とを有し、
前記探触子に対して前記ＸＹテーブルに載せた前記物体に形成された前記測定対象物を側方から当接させて前記受光器で受光する光の光量変化を検知し、前記探触子が前記測定対象物に当接した際の該探触子の位置を前記ＸＹテーブルから読み出して、前記測定対象物の二次元形状を測定する。
【０００９】
第２の発明に係る形状測定装置において、前記Ｚ方向昇降手段は前記ＸＹテーブル又は前記触針を昇降するものであり、前記探触子が前記測定対象物に当接した際の該ＸＹテーブル及び前記Ｚ方向昇降手段からの各出力に基づいて、該測定対象物の三次元形状を測定することができる。
【００１０】
第１、第２の発明に係る形状測定装置において、前記光ファイバは芯線部とその周囲のクラッド部とを有し、前記撓み検知部は、該芯線部に届く１又は２以上の溝又は疵によって形成することができる。
また、前記光ファイバは芯線部とその周囲のクラッド部とを有し、前記撓み検知部は、該芯線部内に存在する屈折率変化領域によって形成することもできる。
そして、前記測定対象物は内側寸法が０．５ｍｍ以下の小穴とすることができる。
【００１１】
前記目的に沿う第３の発明に係る形状測定方法は、基部側に発光器及び受光器が設けられ、先端に前記発光器から入射した光を反射する光反射部が設けられて自由状態で垂直配置された先側領域を有し、前記光反射部より基側の前記先側領域に該先側領域の一部の曲げ歪みによって通過光に光量変化を発生させる撓み検知部が形成された光ファイバと、該光ファイバの先端部に固着配置された探触子とを有する光ファイバセンサを、前記探触子を下端にして垂直配置し、
前記探触子の下方に配置されたＸＹテーブルに測定対象物が形成された物体を載置して、前記探触子を前記測定対象物に側方から当接可能な位置に配置し、前記ＸＹテーブルを移動させることによって、前記測定対象物と前記探触子とを接触させて、前記受光器で受光する光の光量変化が発生したときの前記ＸＹテーブルの出力から前記測定対象物の二次元形状を測定する。
【００１２】
前記目的に沿う第４の発明に係る形状測定方法は、自由状態で垂直配置され先端部に探触子が設けられた触針と、該触針に固着され、基部側に発光器及び受光器が設けられ、先端に前記発光器から入射した光を反射する光反射部が設けられた先側領域を有し、前記触針とともに撓んで通過光に光量変化を発生させる撓み検知部が形成された光ファイバとを有する光ファイバセンサを前記探触子を下端にして垂直配置し、
前記探触子の下方に配置されたＸＹテーブルに測定対象物が形成された物体を載置して、前記探触子を前記測定対象物に側方から当接可能な位置に配置し、前記ＸＹテーブルを移動させることによって、前記測定対象物と前記探触子とを接触させて、前記受光器で受光する光の光量変化が発生したときの前記ＸＹテーブルの出力から前記測定対象物の二次元形状を測定する。
【００１３】
第３、第４の発明に係る形状測定方法において、前記測定対象物は内側寸法が０．５ｍｍ以下の小穴とすることができる。
また、前記ＸＹテーブル又は前記光ファイバセンサを垂直に上下させるＺ方向昇降手段を備え、前記探触子が前記測定対象物に当接した際の前記ＸＹテーブルからの出力及び前記Ｚ方向昇降手段からの出力から前記測定対象物の三次元形状を測定することができる。
【００１４】
第１、第２の発明に係る形状測定装置において、前記先側領域の前記光反射部より基側で前記撓み検知部より先側の撓み部の側面には光反射層が形成され、該光反射層の外側には隙間を設けて該光反射層に向かって光を照射する光照射手段が配置され、該光反射層で反射された光の検知が可能な高さ位置で該光照射手段の両側には第１、第２の光検知手段がそれぞれ設けられている構成とすることができる。
【００１５】
第１、第２の発明に係る形状測定装置において、前記先側領域の前記光反射部より基側で前記撓み検知部より先側の撓み部の外側には隙間を設けて該撓み部に向かって光を照射する光照射手段が配置され、更に該撓み部を間にして該光照射手段の反対側には該撓み部を透過した光を検知する光検知手段が配置されている構成とすることもできる。
ここで、前記光検知手段は１又は２以上設けられていることが好ましい。
【００１６】
第３、第４の発明に係る形状測定方法において、前記先側領域の前記光反射部より基側で前記撓み検知部より先側の撓み部の側面に光反射層を形成し、該光反射層の外側に隙間を設けて配置した光照射手段から光を該光反射層に照射し該光反射層で反射した光を該光の検知が可能な高さ位置で該光照射手段の両側に配置した第１、第２の光検知手段でそれぞれ検知して、該第１、第２の光検知手段で検知された光強度差から前記探触子と前記測定対象物との当接を検知することができる。
【００１７】
第３、第４の発明に係る形状測定方法において、前記先側領域の前記光反射部より基側で前記撓み検知部より先側の撓み部の外側に隙間を設けて該撓み部に向かって光を照射する光照射手段を配置し、更に該撓み部を間にして該光照射手段に対向して該撓み部を透過した光を検知する光検知手段を配置して、該光検知手段で検知される光強度の変化から前記探触子と前記測定対象物との当接を検知することもできる。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１〜７、１２〜１４記載の形状測定装置及び請求項８〜１１、１５、１６記載の形状測定方法においては、測定対象物と探触子が接した場合の光ファイバを通じての反射光の光量変化に基づいて形状測定を行なうので、測定対象物の材質の影響を受けず、しかも、電気的なノイズに強く高精度の測定を行なうことができる。
特に、請求項１及びこれに従属する請求項２、５〜７、１２〜１４記載の形状測定装置並びに請求項８及びこれに従属する請求項１０、１１、１５、１６記載の形状測定方法においては、光ファイバの先側領域の先端部に固着配置された探触子を測定対象物に接触させて形状を測定するので、光ファイバと探触子のサイズを選定することで、例えば、測定対象物が微小の穴であってもその形状を測定することができる。
また、請求項３及びこれに従属する請求項４〜７、１２〜１４記載の形状測定装置並びに請求項９及びこれに従属する請求項１０、１１、１５、１６記載の形状測定方法においては、触針の先端部の探触子を測定対象物に接触させて形状を測定するので、触針と探触子のサイズを選定することで、例えば、測定対象物が微小の穴であってもその形状を測定することができる。
また、触針の先端部に取付ける探触子の質量を極めて小さくできるので、測定対象物に探触子が接することを検知する動特性を向上させることができ、これに伴い、測定精度を高めることができる。
【００１９】
請求項２、４記載の形状測定装置及び請求項１１記載の形状測定方法においては、測定対象物の三次元形状を測定することができるので、例えば、超精密機器、光通信機器、微細金型に形成された小穴の真直度、円筒度を容易に測定することが可能になる。
請求項５記載の形状測定装置においては、光ファイバの撓み検知部は芯線部に届く溝又は疵によって形成されているので、探触子が測定対象物に接触した際に、より小さな測定力（測定対象物の表面を押す力）で先側領域を大きく撓ませることができ、光ファイバの通過光の光量変化を大きくすることが可能になる。その結果、高感度、高精度の形状測定を行なうことができる。
【００２０】
請求項７記載の形状測定装置及び請求項１０記載の形状測定方法においては、例えば、超精密機器、光通信機器、微細金型に形成された小穴の形状を測定することができ、高性能の超精密機器、光通信機器、微細金型を製造することができる。
【００２１】
請求項１２記載の形状測定装置及び請求項１５記載の形状測定方法においては、光ファイバが撓むことにより、撓み部と第１、第２の光検知手段との距離がそれぞれ変化するため、第１、第２の光検知手段でそれぞれ検知される反射光の強度に変化が現われる。このため、光ファイバが垂直配置されている場合と撓んだ場合における第１、第２の光検知手段でそれぞれ検知される反射光の強度変化挙動を求めることで、探触子が測定対象物に当接したか否かを感度よく検知することができると共に、探触子が測定対象物に当接して光ファイバがどの方向に撓んだかを検知することができる。その結果、探触子を測定対象物に接触させて形状を測定する際の、形状測定精度をより向上させることができる。
【００２２】
請求項１３、１４記載の形状測定装置及び請求項１６記載の形状測定方法においては、光ファイバが撓むことにより、撓み部と光検知手段との距離が拡縮するため、光検知手段で検知される透過光の強度に変化が現われる。このため、光ファイバが垂直配置されている場合と撓んだ場合における光検知手段でそれぞれ検知される透過光の強度変化を求めることで、探触子が測定対象物に当接したか否かを感度よく検知することができる。その結果、探触子を測定対象物に接触させて形状を測定する際の、形状測定精度をより向上させることができる。
請求項１４記載の形状測定装置においては、複数の光検知手段でそれぞれ検知される透過光の強度変化挙動を求めることで、探触子が測定対象物に当接した際に光ファイバがどの方向に撓んだかを検知することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
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。
ここで、図１は本発明の第１の実施の形態に係る形状測定装置のブロック図、図２は同形状測定装置の使用状態を示す部分拡大図、図３は接触時及び非接触時に受光器で測定される反射光の光量変化を示す説明図、図４は本発明の第２の実施の形態に係る形状測定装置の光ファイバセンサの説明図、図５は本発明の第３の実施の形態に係る形状測定装置の使用状態を示す部分拡大図、図６は本発明の第４の実施の形態に係る形状測定装置の光ファイバセンサの説明図、図７（Ａ）は非接触時に第１、第２の光検知手段で測定される反射光の光路を示す正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＰ−Ｐ矢視断面図、図８（Ａ）は接触時に第１、第２の光検知手段で測定される反射光の光路を示す正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＰ’−Ｐ’矢視断面図、図９は本発明の第５の実施の形態に係る形状測定装置の光ファイバセンサの説明図、図１０（Ａ）は非接触時に光検知手段で測定される透過光の光路を示す正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＱ−Ｑ矢視断面図、図１１（Ａ）は接触時に光検知手段で測定される透過光の光路を示す正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＱ’−Ｑ’矢視断面図、図１２は変形例に係る形状測定装置において、（Ａ）は非接触時に第１、第２の光検知手段で測定される透過光の光路を示す説明図、（Ｂ）は接触時に第１、第２の光検知手段で測定される透過光の光路を示す説明図である。
【００２４】
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る形状測定装置１０は、基部側に発光器１１及び受光器１２が設けられ、先端に発光器１１から入射した光を反射する光反射部１３が設けられて自由状態で垂直配置された先側領域１４を有し、光反射部１３より基側の先側領域１４にその部分（先側領域１４の一部）の曲げ歪みによって通過光に光量変化を発生させる撓み検知部１５が形成された光ファイバ１６と、光ファイバ１６の先端部に固着配置された探触子１７とを有している。なお、光ファイバ１６と探触子１７で光ファイバセンサ１７ａが構成されている。
【００２５】
また、形状測定装置１０は、探触子１７が設けられた光ファイバ１６の下方に配置され、測定対象物の一例である内側寸法が０．５ｍｍ以下の小穴１８が形成された物体１９（図２参照）を載せるＸＹテーブル２０と、探触子１７が設けられた光ファイバ１６の先側領域１４に対してＸＹテーブル２０を上下するＺ方向昇降手段２１と、探触子１７に対してＸＹテーブル２０に載せた物体１９に形成された小穴１８を側方から当接させて受光器１２で受光する光の光量変化を検知し、探触子１７が小穴１８に当接した際の探触子１７の位置をＸＹテーブル２０から読み出して、小穴１８の平面形状を測定する制御部２２とを有している。以下、詳細に説明する。なお、小穴１８の内側寸法とは、小穴１８の平面形状が円形の場合は内径を指し、小穴１８の平面形状が非円形の場合は、最大内幅長さを指す。
【００２６】
発光器１１は、例えば、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ている。また、受光器１２は、例えば、光電子倍増管、光ダイオード、光トランジスタ等の光応答素子を用いて構成されている。そして、発光器１１の出力側、受光器１２の入力側にはそれぞれ光ファイバ２３、２４が接続され、光ファイバ２３、２４は光分岐コネクタ
２５を介して光ファイバ１６の基部に接続している。
【００２７】
光ファイバ１６は、例えば、外径Ｄが３〜６０μｍであって、中央部に光が通過する直径ｄが１〜９μｍの芯線部２６（例えば、石英ガラス製の線材）、その周囲に厚さｔが１〜６０μｍのクラッド部２７（例えば、芯線部２６より屈折率が低い石英ガラス層）が形成されている。また、光ファイバ１６の先端には、鏡面状に研磨加工された後、例えば、金蒸着を行なって形成された厚さｗが０．００１〜１ｍｍの光反射部１３が設けられている。そして、光ファイバ１６の先端の光反射部１３から基側に向けて長さＬ（Ｌ／Ｄが、例えば、３０〜３００）の範囲に形成される先側領域１４には、光ファイバ１６のクラッド部２７の、例えば、半周部分に芯線部２６に届く複数の溝２８が、例えば、フェムト秒レーザ加工機を用いて形成されて撓み検知部１５を形成している。
【００２８】
ここで、溝２８は、先側領域１４の範囲であれば任意の位置に形成でき、溝２８の形状（例えば、Ｖ字状、Ｕ字状、矩形状、又は台形状における開口部幅と深さ）及び間隔も任意に設定できるが、溝２８は探触子１７が小穴１８の内周面に触れた際に一番撓む部分に形成するのがよい。そして、溝２８の形状及び間隔は先側領域１４の撓み量に影響するので、溝２８の形状及び間隔を選定して先側領域１４の撓み量を調整する。
また、探触子１７は、例えば、超硬、ガラス、立方晶窒化硼素で形成された直径が０．００５〜０．１５ｍｍの球体であり、例えば、エポキシ樹脂を用いた接着剤層２８ａを介して光ファイバ１６の先端部に固着されている。更に、光ファイバ１６の先側領域１４より基側の領域はガイド部材２９内に収納されている。これによって、探触子１７を下方に向けて先側領域１４を自由状態で垂直配置することができるとともに、撓み検知部１５で撓み易くすることができる。
【００２９】
以上の構成とすることにより、発光器１１を駆動して光ファイバ２３及び光分岐コネクタ２５を介して光を光ファイバ１６内に入射させると、光は、光ファイバ１６の芯線部２６とその周囲のクラッド部２７との境界面３０で全反射を繰り返しながら芯線部２６内を先端に向かって進行する。そして、先端に達した光は光反射部１３で反射して光ファイバ１６内を基部に向かって逆向きに進行し、光分岐コネクタ２５及び光ファイバ２４を介して受光器１２に到達し光量が測定される。なお、先側領域１４のクラッド部２７には溝２８が形成されているため、先側領域１４が垂直配置されている場合は、光が先側領域１４を通過する際に、溝２８に入射する光は溝２８で散乱されて光ファイバ１６の外部に漏れ出し、先側領域１４内の溝２８で散乱されずに通過した反射光が受光器１２に到達して、その光量が測定される。
【００３０】
これに対して、光ファイバ１６の先端の探触子１７が小穴１８の側壁に当接して先側領域１４に曲げ歪みが発生すると、先側領域１４を通過する光が溝２８に入射する際の入射角度は、曲げ歪み量に応じて変化する。
このため、光が溝２８で散乱される割合が少なくなるような入射角度に変化すると、反射光の光ファイバ１６からの漏れが減少し受光器１２に到達する反射光の光量が増加する。これに対して、光が溝２８で散乱される割合が多くなるような入射角度に変化すると、光の溝２８での散乱が多くなって反射光が光ファイバ１６から漏れる割合が増加し受光器１２に到達する反射光の光量が減少する。従って、光ファイバ１６の先側領域１４が垂直配置されている場合に受光器１２で測定される反射光の光量に対して、反射光の光量変化が生じたか否かを検知することで、探触子１７が小穴１８の内周面に接触したか否かを判定することができる。
【００３１】
ＸＹテーブル２０は、小穴１８が形成された物体１９を載せるテーブル３１と、テーブル３１をＸ方向及びＹ方向に独立して、例えば、０．１μｍピッチで移動させることが可能な送り機構を備えたＸＹ方向移動手段３２とを有している。また、光ファイバ１６の先側領域１４より基側の領域をガイドするガイド部材２９は、ＸＹテーブル２０とは別に設けられた固定手段（図示せず）に支持されている。更に、ＸＹテーブル２０は、光ファイバ１６の先側領域１４、探触子１７、及び小穴１８の平面的な位置関係を撮像するカメラ部（図示せず）と、カメラ部で撮像した画像を表示する表示部（図示せず）とを有している。
【００３２】
また、Ｚ方向昇降手段２１には、ＸＹテーブル２０を、例えば、０．１μｍピッチで上下動することが可能な送り機構が設けられている。これによって、物体１９をＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向にそれぞれ移動させることができ、物体１９を移動させることにより、物体１９に形成された小穴１８をＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向に移動させることができる。その結果、物体１９の表面に形成された小穴１８の開口端３３から、探触子１７が一定距離だけ小穴１８内に進入するようにＸＹテーブル２０のＺ方向の位置を調整し、探触子１７に対してＸＹテーブル２０に載せた物体１９に形成された小穴１８の内周面を側方から当接させることができる。
【００３３】
制御部２２は、ＸＹテーブル２０の原点位置を任意の点（例えば、探触子１７の中心位置）に設定する機能、ＸＹテーブル２０をＸ方向及びＹ方向に移動させて、このとき受光器１２で測定される反射光の光量をＸＹテーブル２０のＸＹ方向移動手段３２から出力される出力値（ＸＹテーブル２０の原点に対するテーブル３１のＸ方向及びＹ方向への移動量）とともに読み込む機能とを有している。更に、制御部２２は、読み込んだ反射光の光量から光量変化を検出する機能と、光量変化が生じたときのＸＹ方向移動手段３２からの出力値、すなわち、探触子１７との接触点のＸ座標及びＹ座標を求める機能と、探触子１７との接触点のＸ座標及びＹ座標から小穴１８の二次元形状である内側寸法（小穴１８が円形穴の場合は内径と真円度、小穴１８が非円形穴の場合は最大内幅長さ）を求める機能とを有している。
【００３４】
更に、制御部２２は、物体１９の表面に形成された小穴１８の開口端３３から小穴１８内に進入する探触子１７の進入距離、すなわち、小穴１８の内周面上における探触子１７との接触点のＺ方向位置（Ｚ方向昇降手段２１の出力値）を変えながら小穴１８の二次元形状を求めて、小穴１８の三次元形状を形成する機能を有している。これにより、小穴１８の内周面の深さ方向の凹凸状況、真直度、及び円筒度を求めることができる。
なお、制御部２２は、上記の各機能を発現するプログラムを、例えば、パーソナルコンピュータに搭載することにより構成することができる。
【００３５】
続いて、本発明の第１の実施の形態に係る形状測定装置１０を使用した形状測定方法について説明する。
先ず、光ファイバセンサ１７ａにガイド部材２９を装着させ、ガイド部材２９を固定手段に取付けて、光ファイバ１６の先側領域１４を探触子１７を下端にして垂直配置する。そして、ＸＹテーブル２０の原点位置を探触子１７の中心位置に設定する。
次いで、内側寸法が０．５ｍｍ以下の小穴１８が形成された物体１９をＸＹテーブル２０のテーブル３１上に載置し、カメラ部で撮像した光ファイバ１６の先側領域１４、探触子１７、及び小穴１８の平面的な位置関係を表示部で確認しながら、ＸＹ方向移動手段３２を操作して測定しようとする小穴１８のＸ方向及びＹ方向位置を調整する。そして、小穴１８の開口端３３から、探触子１７が一定距離だけ小穴１８内に進入するようにＺ方向昇降手段２１を操作してＸＹテーブル２０のＺ方向の位置を調整する。
【００３６】
次いで、発光器１１及び受光器１２を稼動させて、発光器１１で発生させた光を光ファイバ２３及び光分岐コネクタ２５を介して光ファイバ１６に入射させ、光ファイバ１６の先端の光反射部１３で反射し光ファイバ１６内を基部に向かって進行した反射光を光分岐コネクタ２５及び光ファイバ２４を介して受光器１２に入射させる。そして、受光器１２で反射光の光量を測定する。
【００３７】
ＸＹテーブル２０をＸ方向及びＹ方向に移動させて、探触子１７の位置とその位置での反射光の光量を測定する。小穴１８の内周面が探触子１７に当接した場合、探触子１７は小穴１８の内周面からの反力を受けて光ファイバ１６の先側領域１４に曲げ歪みが発生する。これによって、先側領域１４を通過する光が芯線部２６とクラッド部２７との境界面３０に入射する際の入射角度が変化し、先側領域１４が探触子１７を下端にして垂直配置されている場合（探触子１７が小穴１８の内周面に接触していない場合）と比較して、先側領域１４を通過する光が溝２８で散乱される割合が変化（減少又は増加）する。これに伴って、受光器１２で検出される反射光の光量も変化する。図３に、発光器１１で発生させた赤外線を光ファイバ１６内に入射させ、受光器１２で反射光の光量を測定した結果を示す。探触子１７が小穴１８の内側面に接触した場合先側領域１４に曲げ歪みが発生し、受光器１２に到達する反射光の光量が減少していることが判る。
【００３８】
受光器１２で測定される反射光の光量をＸＹテーブル２０のＸＹ方向移動手段３２から出力される出力値とともに読み込み、読み込んだ反射光の光量から光量変化が検出されたときのＸＹ方向移動手段３２からの出力値Ｘ、Ｙを求めると、この出力値Ｘ、Ｙは、小穴１８内周面を探触子１７に接触させるために、小穴１８をＸ方向及びＹ方向に移動させたときのそれぞれの移動量となる。移動量Ｘ、Ｙが求まると、探触子１７に接触している小穴１８内周面上の接触点は探触子１７の中心（ＸＹテーブル２０の原点）に対して、ｔａｎθ＝Ｙ／Ｘを満たす角度θ方向に存在していることになるので、小穴１８内周面上の接触点に接する探触子１７上の点の座標は、探触子１７の半径をｒとすると、（ｒｃｏｓθ，ｒｓｉｎθ，Ｚ）となる。ここで、Ｚは、小穴１８内に進入している探触子１７の中心と小穴１８の開口端３３との距離を示す。そして、小穴１８内周面上の接触点の探触子１７の中心に対する座標は、（ｒｃｏｓθ＋Ｘ，ｒｓｉｎθ＋Ｙ，Ｚ）となる。従って、探触子１７に接触する小穴１８の内周面上の他の接触点の座標を順次求めると、Ｚ座標が一定の各接触点のＸ座標及びＹ座標から、小穴１８の内周面の二次元形状（小穴１８が円形穴の場合は内径と真円度、小穴１８が非円形穴の場合は最大内幅長さ）が求まる。
【００３９】
更に、小穴１８の開口端３３から小穴１８内に進入する探触子１７の進入距離Ｚ、すなわち、探触子１７と小穴１８の内周面との接触点のＺ方向位置を変えながら、探触子１７と接触している小穴１８内周面上の接触点のＸ座標及びＹ座標を求める、これにより、探触子１７と接触した小穴１８内周面上の接触点のＸ座標、Ｙ座標、及びＺ座標が求まり、小穴１８の内周面の三次元形状（小穴１８の内壁面の深さ方向、すなわちＺ方向の凹凸状況）、小穴１８の真直度、小穴１８の円筒度が求まる。
【００４０】
本発明の第２の実施の形態に係る形状測定装置について説明するが、第２の実施の形態に係る形状測定装置は、第１の実施の形態に係る形状測定装置１０と比較して、図４に示すように、光ファイバセンサ３４の撓み検知部３５の構成が異なることが特徴となっている。このため、撓み検知部３５に関してのみ詳細に説明し、同一の構成部材には同一の符号を付して説明を省略する。
【００４１】
光ファイバ３６の先端の光反射部１３から基側に向けて長さＬ（Ｌ／Ｄが、例えば、３０〜３００）の範囲に形成される先側領域３７の芯線部２６内には、芯線部２６の軸方向に対して層状に１又は２以上の屈折率変化領域（ファイバーグレーティング）３８が形成されて撓み検知部３５を形成している。ここで、屈折率変化領域３８は、その屈折率が前後の芯線部２６の屈折率より高く又は低くなっている領域で、例えば、低出力のレーザ光を芯線部２６に照射して光ファイバ３６の芯線部２６の組成を変質させることにより形成できる。なお、この変質部は層状であってもよいし、部分的であってもよい。
【００４２】
先側領域３７の芯線部２６には、屈折率変化領域３８が形成されているため、光ファイバ３６内を伝播する光のうち、屈折率変化領域３８の間隔、すなわち、グレーティング間隔によって決まる特定波長及びその近傍波長の光が屈折率変化領域３８で反射され、先側領域３７内の屈折率変化領域３８で反射されずに通過した波長の反射光が受光器（例えば、光スペクトラムアナライザ）に到達して、その光量が測定される。このため、光ファイバ３６の先端の探触子１７が小穴１８の側壁に当接して先側領域３７に曲げ歪みが発生すると、屈折率変化領域３８の間隔が変化し、屈折率変化領域３８で反射される光の波長が変化する。従って、受光器に到達する光の波長変化を検知することにより、探触子１７が小穴１８の内周面に接触したか否かを判定することができる。
【００４３】
なお、本発明の第２の実施の形態に係る形状測定装置を使用した形状測定方法は、第１の実施の形態に係る形状測定装置１０を使用した形状測定方法と実質的に同一なので、形状測定方法に関する説明は省略する。
【００４４】
本発明の第３の実施の形態に係る形状測定装置について説明するが、第３の実施の形態に係る形状測定装置は、第１の実施の形態に係る形状測定装置１０と比較して、図５に示すように、光ファイバセンサ４０の構成が異なるとともに、光ファイバ４１が触針４２に固着されていることが特徴となっている。このため、光ファイバセンサ４０を構成する光ファイバ４１及び触針４２に関してのみ詳細に説明し、同一の構成部材には同一の符号を付して説明を省略する。
【００４５】
触針４２は、自由状態で垂直配置され、先端部には探触子４３が設けられている。ここで、触針４２は、例えば、外径Ｗが１０〜１００μｍであって、例えば、金属、ガラス繊維、炭素繊維などの弾性体で形成されている。また、探触子４３は、例えば、超硬、ガラス、立方晶窒化硼素で形成された直径が０．００５〜０．１５ｍｍの球体であり、例えば、エポキシ樹脂を用いた接着剤層４４を介して触針４２の先端部に固着されている。これによって、触針４２の先側を小穴１８内に挿入し、探触子４３を小穴１８の内周面に接触させることにより、触針４２を撓ませることができる。
【００４６】
ここで、光ファイバ４１は、例えば、外径Ｄが３〜６０μｍであって、中央部に光が通過する直径ｄが１〜９μｍの芯線部２６（例えば、石英ガラス製の線材）、その周囲に厚さｔが１〜６０μｍのクラッド部２７（例えば、芯線部２６より屈折率が低い石英ガラス層）が形成されている。また、光ファイバ４１の先端には、鏡面状に研磨加工された後、例えば、金蒸着を行なって形成された厚さδが０．００１〜１ｍｍの光反射部４５が設けられている。更に、光ファイバ４１の先端の光反射部４５から基側に向けて長さＬ（Ｌ／Ｄが、例えば、３０〜３００）の範囲に形成される先側領域４６には、光ファイバ４１のクラッド部２７の、例えば、半周部分に芯線部２６に届く複数の溝４８が形成されて撓み検知部４９を形成している。
【００４７】
また、光ファイバ４１は、エポキシ樹脂を用いて、触針４２の軸心方向と平行になるようにその軸心方向を揃えて触針４２の側部に貼り付けられている。このため、触針４２が撓むと、光ファイバ４１も触針４２とともに撓む。このため、光が溝４８で散乱される割合が少なくなるような入射角度に変化すると、反射光の光ファイバ４１からの漏れが減少し受光器１２に到達する反射光の光量が増加する。これに対して、光が溝４８で散乱される割合が多くなるような入射角度に変化すると、光の溝４８での散乱が多くなって反射光が光ファイバ４１から漏れる割合が増加し受光器１２に到達する反射光の光量が減少する。従って、光ファイバ４１の先側領域４６が垂直配置されている場合に受光器１２で測定される反射光の光量に対して、反射光の光量変化が生じたか否かを検知することで、探触子４３が小穴１８の内周面に接触したか否かを判定することができる。なお、符号５０は、光ファイバ４１が固着された触針４２の先側領域４６より基側の領域を収納するガイド部材である。これによって、探触子４３を下方に向けて触針４２を自由状態で垂直配置することができる。
【００４８】
本発明の第３の実施の形態に係る形状測定装置を使用した形状測定方法は、第１の実施の形態に係る形状測定装置１０を使用した形状測定方法と比較して、触針４２の先端部に固着配置された探触子４３を小穴１８の内周面に接触させることが特徴となっており、それ以外は第１の実施の形態に係る形状測定装置１０を使用した形状測定方法と実質的に同一とすることができる。このため、本発明の第３の実施の形態に係る形状測定装置を使用した形状測定方法に関する説明は省略する。
【００４９】
続いて、本発明の第４の実施の形態に係る形状測定装置５１について説明するが、第４の実施の形態に係る形状測定装置５１は、第１の実施の形態に係る形状測定装置１０と比較して、図６に示すように、光ファイバセンサ１７ａの光ファイバ１６の先側領域１４において光反射部１３より基側で撓み検知部１５より先側の撓み部５７の側面には光反射層の一例である金蒸着膜５８が形成され、金蒸着膜５８の外側には隙間を設けて、金蒸着膜５８に向かって光を照射する光照射手段５９が配置され、金蒸着膜５８で反射された光を検知可能な高さ位置、例えば、光照射手段５９と同一高さ位置で光照射手段５９の両側には第１、第２の光検知手段６０、６１がそれぞれ設けられていることが特徴となっている。
【００５０】
ここで、図６、図７（Ａ）、（Ｂ）、図８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、光照射手段５９として、例えば、基側に発光器の一例である半導体レーザ（図示せず）が接続され、先側に光照射口６２が形成された光ファイバ６３を使用することができる。また、第１、第２の光検知手段６０、６１として、例えば、アバランシェフォトダイオードを検出素子に用いた受光器（図示せず）が基側に接続され、先側に光受入口６４、６５が形成された光ファイバ６６、６７を使用することができる。
【００５１】
そして、各光ファイバ６３、６６、６７は、図６に示すように、光ファイバ１６の撓み部５７を取囲んで配置された、例えば筒状のファイバ固定部材６８の外側部に沿って基側から先側まで配設され、各光ファイバ６３、６６、６７の先側はファイバ固定部材６８の先部の同一高さ位置に並べて形成された各挿通孔６９よりファイバ固定部材６８の内側に引き込まれて、光ファイバ６３の光照射口６２、光ファイバ６６、６７の光受入口６４、６５をそれぞれ光ファイバ１６の撓み部５７に形成された金蒸着膜５８に向けて配置されている。
【００５２】
本発明の第４の実施の形態に係る形状測定装置５１を使用した形状測定方法は、第１の実施の形態に係る形状測定装置１０を使用した形状測定方法において、先ず、光反射部１３より基側で撓み検知部１５より先側の撓み部５７の側面に金蒸着膜５８を形成し、金蒸着膜５８の外側に隙間を設けて配置した光照射手段５９から光を金蒸着膜５８に照射し金蒸着膜５８で反射した光を、この光の検知が可能な高さ位置、例えば、光照射手段５９と同一高さ位置で光照射手段５９の両側に配置した第１、第２の光検知手段６０、６１でそれぞれ検知して、第１、第２の光検知手段６０、６１で検知された光強度差から探触子１７が物体１９に当接したか否かを判定することが特徴となっている。このため、光照射手段５９から照射した光を第１、第２の光検知手段６０、６１で検知して探触子１７と物体１９との当接を検知する方法に関してのみ説明し、探触子１７が物体１９に当接したことが確認された後に行う形状測定装置５１を使用した形状測定方法は形状測定装置１０の場合と同様なので説明は省略する。
【００５３】
図７（Ａ）、（Ｂ）に示すように、探触子１７が物体１９に接触していない状態では、光照射手段５９の光照射口６２から光ファイバ１６に形成された金蒸着膜５８に向けて照射された光は、金蒸着膜５８で反射され、反射した光の一部は第１、第２の光検知手段６０、６１の光受入口６４、６５から光ファイバ６６、６７内に進入し、光ファイバ６６、６７を通過して受光器で光強度が測定される。第１、第２の光検知手段６０、６１で検知される光の強度は、光照射手段５９に対する第１、第２の光検知手段６０、６１の位置関係で決まり、例えば、光照射口６２の中心線が光ファイバ１６の軸心に向けて配置し、第１、第２の光検知手段６０、６１を光照射手段５９の両側に対称に配置した場合、光照射手段５９の光照射口６２から金蒸着膜５８に向けて照射され金蒸着膜５８で反射した光は、第１、第２の光検知手段６０、６１の光受入口６４、６５に均等に入射することになる。このため、第１、第２の光検知手段６０、６１で検知される光の強度は等しくなる。
【００５４】
探触子１７が物体１９の小穴１８の内周面に接触していない状態から、図８（Ａ）、（Ｂ）に示すように探触子１７が小穴１８の内周面、すなわち物体１９に接触する状態になって、例えば、光ファイバセンサ１７ａが光ファイバ６３、６６、６７から遠ざかる方向に変位した場合、光受入口６４、６５に入射する反射光が増加することになって第１、第２の光検知手段６０、６１で検知される光の強度が増加する。逆に、光ファイバセンサ１７ａが光ファイバ６３、６６、６７に接近する方向に変位した場合、光受入口６４、６５に入射する反射光が減少することになって第１、第２の光検知手段６０、６１で検知される光の強度が減少する。
【００５５】
また、図８（Ｂ）において、探触子１７が物体１９に接触して、例えば、探触子１７が光ファイバ６６側に撓んだ場合、第１の光検知手段６０で検知される光の強度が増加すると共に第２の光検知手段６１で検知される光の強度が低下する。逆に、光ファイバセンサ１７ａが光ファイバ６７に接近する方向に変位した場合、第１の光検知手段６０で検知される光の強度が減少すると共に第２の光検知手段６１で検知される光の強度が増加する。このため、探触子１７が物体１９に接触したことが検知できると共に、探触子１７が物体１９に接触してどの方向に移動したかも検知できる。
なお、第１、第２の光検知手段６０、６１で検知される光の強度が、探触子１７が物体１９に接触していない状態で検知された光の強度に変化することから、探触子１７が物体１９から離脱したことが検知できる。
【００５６】
本発明の第５の実施の形態に係る形状測定装置について説明する。
第５の実施の形態に係る形状測定装置は、第１の実施の形態に係る形状測定装置１０と比較して、図９に示すように、光ファイバセンサ１７ａの先側領域１４において光反射部１３より基側で撓み検知部１５より先側の撓み部５７の外側には隙間を設けて撓み部５７に向かって光を照射する光照射手段７３が配置され、更に撓み部５７を間にして光照射手段７３の反対側には撓み部５７を透過した光を検知する光検知手段７４が配置されていることが特徴となっている。
【００５７】
ここで、光照射手段７３として、例えば、基側に発光器の一例である半導体レーザ（図示せず）が接続され、先側に光照射口７５が形成された光ファイバ７６を使用することができる。また、光検知手段７４として、例えば、アバランシェフォトダイオードを検出素子に用いた受光器（図示せず）が基側に接続され、先側に光受入口７７が形成された光ファイバ７８を使用することができる。また、図９に示すように、光ファイバ１７ａの外側には、撓み部５７を取囲むように、例えば筒状のファイバ固定部材７９が設けられ、ファイバ固定部材７９の先部の同一高さ位置には向かい合って挿通孔８０、８１が形成されている。そして、各光ファイバ７６、７８は、ファイバ固定部材７９の外側部に沿って基側から先側までそれぞれ配設され、挿通孔８０、８１よりファイバ固定部材７９の内側に引き込まれて、光ファイバ７６の光照射口７５、光ファイバ７８の光受入口７７は撓み部５７を間にして向かい合って配置されている。
【００５８】
本発明の第５の実施の形態に係る形状測定装置を使用した形状測定方法は、第１の実施の形態に係る形状測定装置１０を使用した形状測定方法を用いて、先ず、先側領域１４の光反射部１３より基側で撓み検知部１５より先側の撓み部５７の外側に隙間を設けて撓み部７２に向かって光を照射する光照射手段７３を配置し、更に撓み部５７を間にして光照射手段７３に対向して撓み部５７を透過した光を検知する光検知手段７４を配置して、光検知手段７４で検知される光強度の変化から探触子１７が物体１９に当接したか否かを判定することが特徴となっている。このため、光照射手段７３から照射した光検知手段７４で検知して探触子１７と物体１９との当接を検知する方法に関してのみ説明し、探触子１７が物体１９に当接したことが確認された後に行う形状測定装置を使用した形状測定方法は形状測定装置１０の場合と同様なので説明は省略する。
【００５９】
図１０（Ａ）、（Ｂ）に示すように、探触子１７が物体１９に接触していない状態では、光照射手段７３の光照射口７５から撓み部５７に向けて照射された光は撓み部５７を透過し、透過した光の一部は光検知手段７４の光受入口７７から光ファイバ７８内に進入し、光ファイバ７８を通過して受光器で光強度が測定される。なお、光検知手段７４で検知される光の強度は、光ファイバ１６、光照射手段７３、及び光検知手段７４の位置関係で決まり、探触子１７が物体１９に接触していない状態では光ファイバ１６、光照射手段７３、及び光検知手段７４の位置関係は一定に保たれるので、光検知手段７４で検知される光強度は一定となる。
【００６０】
探触子１７が物体１９に接触していない状態から、図１１（Ａ）、（Ｂ）に示すように探触子１７が物体１９に接触する状態になると、物体１９に接触した探触子１７が物体１９から押返されて、光ファイバ１６は撓む。例えば、撓み部５７が光照射口７５から離れるように変位した場合、撓み部５７を透過する光量が増加する。その結果、光受入口７７から入射す透過光が増加することになって光検知手段７４で検知される光の強度が強くなる。逆に、撓み部５７が光照射口７５に接近するように変位した場合、撓み部５７を透過する光量は減少する。このため、光検知手段７４で検知される光の強度の変化を検知することにより、探触子１７が物体１９に接触したことが検知できる。なお、光検知手段７４で検知される光の強度が、探触子１７が物体１９に接触していない状態で検知された光の強度に戻ることから、探触子１７が物体１９から離脱したことが検知できる。
【００６１】
図１２（Ａ）、（Ｂ）に第５の実施の形態に係る形状測定装置の変形例を示す。変形例では、撓み部５７を間にして光照射手段７３に対向させて複数、例えば、２つの光検知手段８２、８３が配置されていることが特徴となっている。ここで、光検知手段８２、８３は、例えば、アバランシェフォトダイオードを検出素子に用いた受光器（図示せず）が基側に接続され、先側に光受入口８４、８５が形成された光ファイバ８６、８７を使用することができる。
【００６２】
従って、図１２（Ａ）に示すように、探触子１７が物体１９に接触していない状態では、光照射手段７３の光照射口７５から光ファイバ１６に向けて照射された光は、光ファイバ１６を透過し光検知手段８２、８３の光受入口８４、８５から光ファイバ８６、８７内に進入し、光ファイバ８６、８７を通過して受光器で光強度が測定される。光検知手段８６、８７で検知される光の強度は、光ファイバ１６、光照射手段７３、及び光検知手段８２、８３の位置関係で決まりる。例えば、光照射口７５の中心線に対して光検知手段８２、８３が対称位置に配置されるようにすると、光照射手段７３の光照射口７５から照射され光ファイバ１６を透過した光は、光検知手段８２、８３の光受入口８４、８５に均等に入射することになる。このため、探触子１７が物体１９に接触していない状態では、光ファイバ１６、光照射手段７３、及び光検知手段８２、８３の位置関係は一定に保たれるので、光検知手段８２、８３で検知される光の強度は同一強度に保たれる。
【００６３】
一方、図１２（Ｂ）に示すように、探触子１７が物体１９に接触して、例えば、光ファイバ１６が光ファイバ８７側に撓んだ場合、光受入口８４と光ファイバ１６との距離より光受入口８５と光ファイバ１６との距離が短くなって、光検知手段８３で検知される光の強度が強くなる。このため、探触子１７が物体１９に接触したことが検知できると共に、探触子１７が物体１９に接触してどの方向に移動したかも検知できる。なお、光検知手段８２、８３で検知される光の強度が、探触子１７が物体１９に接触していない状態で検知された光の強度に戻ることから、探触子１７が物体１９から離脱したことが検知できる。
【００６４】
本発明の第６の実施の形態に係る形状測定装置は、第３の実施の形態の光ファイバセンサ４０の先側領域４６において、光反射部４５より基側で撓み検知部４９より先側の撓み部の側面には光反射層の一例である金蒸着膜が形成され、金蒸着膜の外側には隙間を設けて、金蒸着膜に向かって光を照射する光照射手段が配置され、金蒸着膜で反射された光の検知が可能な高さ位置、例えば、光照射手段と同一高さ位置で光照射手段の両側には第１、第２の光検知手段がそれぞれ設けられていることが特徴となっており、本発明の第４の実施の形態に係る形状測定装置５１において、光ファイバセンサ１７ａの先側領域１４において光反射部１３より基側で撓み検知部１５より先側の撓み部５７の側面には光反射層の一例である金蒸着膜５８が形成され、金蒸着膜５８の外側には隙間を設けて、金蒸着膜５８に向かって光を照射する光照射手段５９が配置され、光照射手段５９と同一高さ位置で光照射手段５９の両側には、金蒸着膜５８で反射された光を検知する第１、第２の光検知手段６０、６１がそれぞれ設けた構成と同様にすることができる。このため、本発明の第６の実施の形態に係る形状測定装置についての説明は省略する。
【００６５】
また、本発明の第６の実施の形態に係る形状測定装置を使用した形状測定方法にいて、探触子４３が物体１９の小孔８の内周面に当接したか否かの判定は、第４の実施の形態に係る形状測定装置５１を使用した形状測定方法において、探触子１７が物体１９に当接したか否かの判定と同様に行うことができ、探触子４３が物体１９に当接したことが確認された後に行う形状測定装置を使用した形状測定方法は形状測定装置１０の場合と同様なので、本発明の第６の実施の形態に係る形状測定装置を使用した形状測定方法についての説明は省略する。
【００６６】
本発明の第７の実施の形態に係る形状測定装置は、第３の実施の形態の光ファイバセンサ４０の先側領域４６において、光反射部４５より基側で撓み検知部４９より先側の撓み部の外側には隙間を設けて撓み部向かって光を照射する光照射手段が配置され、更に撓み部を間にして光照射手段の反対側には撓み部を透過した光を検知する光検知手段が配置されていることが特徴となっており、本発明の第５の実施の形態に係る形状測定装置において、光ファイバセンサ１７ａの先側領域１４において光反射部１３より基側で撓み検知部１５より先側の撓み部５７の外側には隙間を設けて撓み部５７向かって光を照射する光照射手段７３が配置され、更に撓み部５７を間にして光照射手段７３の反対側には撓み部５７を透過した光を検知する光検知手段７４が配置されている構成と同様にすることができる。このため、本発明の第７の実施の形態に係る形状測定装置についての説明は省略する。
【００６７】
また、本発明の第７の実施の形態に係る形状測定装置を使用した形状測定方法にいて、探触子４３が物体１９の小穴１８の内周面に当接したか否かの判定は、第５の実施の形態に係る形状測定装置を使用した形状測定方法において、探触子１７が物体１９に当接したか否かの判定と同様に行うことができ、探触子４３が物体１９に当接したことが確認された後に行う形状測定装置を使用した形状測定方法は形状測定装置１０の場合と同様なので、本発明の第７の実施の形態に係る形状測定装置を使用した形状測定方法についての説明は省略する。
【００６８】
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。
例えば、第１、第３の実施の形態で、光ファイバの先側領域に存在するクラッド部の半周部分に複数の溝を形成することで撓み検知部を構成したが、溝は１本だけ形成することも、溝の代りに１又は２本以上の疵を形成することもできる。また、溝又は疵は、クラッド部の全周に形成するようにしてもよい。更に、クラッド部に複数の溝（疵）を形成する場合、溝（疵）の間隔を変化させてもよい。溝（疵）の間隔を変化させることにより、先側領域の溝（疵）で光が散乱される割合を波長毎に変化させることができ、受光器で検知する反射光の光量を波長毎に変えることができる。
また、第３の実施の形態で、撓み検知部を光ファイバの芯線部に届く１又は２以上の溝によって形成したが、芯線部内に存在する屈折率変化領域によって形成してもよい。
【００６９】
測定対象物を小穴とし小穴の内周面の二次及び三次元形状を求めたが、測定対象物は任意の形状とすることができ、例えば、測定対象物を溝とすると、溝の二次元形状（一定深さ位置での溝幅）及び三次元形状（内側面の深さ方向の凹凸状況）を求めることができ、測定対象物を突起とすると、突起の二次元形状（一定高さ位置での外幅）及び三次元形状（外側面の高さ方向の凹凸状況）を求めることができる。
また、Ｚ方向昇降手段でＸＹテーブルを上下させるようにしたが、Ｚ方向昇降手段で光ファイバセンサ又は光ファイバ又は触針を上下させるようにしてもよい。
【００７０】
第４〜第７の実施の形態では、光検知手段の受光器に使用する検出素子としてアバランシェフォトダイオードを使用したが、光検出に光電子倍増管、フォトダイオード、スペクトルアナライザを使用してもよい。
第４の実施の形態で、光ファイバ１６の先側領域１４において、光反射部１３より基側で撓み検知部１５より先側の撓み部５７の側面に光反射層の一例である金蒸着膜５８を形成し、金蒸着膜５８の外側に隙間を設けて、金蒸着膜５８に向かって光を照射する光照射手段５９を配置すると共に、光照射手段５９と同一高さ位置で光照射手段５９の両側には、金蒸着膜５８で反射された光を検知する第１、第２の光検知手段６０、６１をそれぞれ設けるようにしたが、光ファイバ１６とは別の光ファイバの先端部に探触子を取付け、光ファイバの先側領域の側面に光反射層の一例である金蒸着膜を形成し、金蒸着膜の外側には隙間を設けて、金蒸着膜に向かって光を照射する光照射手段を配置すると共に、
金蒸着膜で反射された光の検知が可能な高さ位置（例えば、光照射手段と同一高さ位置）で光照射手段の両側に第１、第２の光検知手段をそれぞれ設けるようにすることもできる。これにより、光ファイバの先端部に取付けた探触子が物体に接触したか否かのみを検知することができる。
【００７１】
また、第５の実施の形態で、光ファイバ１６の先側領域１４において、光反射部１３より基側で撓み検知部１５より先側の撓み部５７の外側に隙間を設けて撓み部５７に向かって光を照射する光照射手段７３を配置し、更に撓み部５７を間にして光照射手段７３の反対側に撓み部５７を透過した光を検知する光検知手段７４を配置したが、光ファイバ１６とは別の光ファイバの先端部に探触子を取付け、光ファイバの先側領域の外側に先側領域に向かって光を照射する光照射手段を配置し、先側領域を間にして光照射手段の反対側に先側領域を透過した光を検知する光検知手段を配置するようにすることもできる。これにより、光ファイバの先端部に取付けた探触子が物体に接触したか否かのみを検知することができる。
【００７２】
第６の実施の形態で、光ファイバ４１の先側領域４６において、光反射部４５より基側で撓み検知部４９より先側の撓み部の側面に光反射層の一例である金蒸着膜を形成し、金蒸着膜の外側に隙間を設けて、金蒸着膜に向かって光を照射する光照射手段を配置すると共に、光照射手段と同一高さ位置で光照射手段の両側に金蒸着膜で反射された光を検知する第１、第２の光検知手段をそれぞれ設けるようにしたが、光ファイバ４１とは別の光ファイバの先側領域の側面に光反射層の一例である金蒸着膜を形成し、金蒸着膜の外側には隙間を設けて、金蒸着膜に向かって光を照射する光照射手段を配置すると共に、金蒸着膜で反射された光の検知が可能な高さ位置（例えば、光照射手段と同一高さ位置）で光照射手段の両側に第１、第２の光検知手段をそれぞれ設けるようにして、この光ファイバを触針４２に固着することもできる。これにより、触針４２の探触子４３が物体１９に接触したか否かのみを検知することができる。
【００７３】
第７の実施の形態で、光ファイバ４１の先側領域４６において、光反射部４５より基側で撓み検知部４９より先側の撓み部の外側に隙間を設けて撓み部向かって光を照射する光照射手段を配置し、更に撓み部を間にして光照射手段の反対側に撓み部を透過した光を検知する光検知手段を配置したが、光ファイバ４１とは別の光ファイバの先側領域の外側に先側領域に向かって光を照射する光照射手段を配置し、先側領域を間にして光照射手段の反対側に先側領域を透過した光を検知する光検知手段を配置するようにして、この光ファイバを触針４２に固着することもできる。これにより、触針４２の探触子４３が物体１９に接触したか否かのみを検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る形状測定装置のブロック図である。
【図２】同形状測定装置の使用状態を示す部分拡大図である。
【図３】接触時及び非接触時に受光器で測定される反射光の光量変化を示す説明図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る形状測定装置の光ファイバセンサの説明図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係る形状測定装置の使用状態を示す部分拡大図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態に係る形状測定装置の光ファイバセンサの説明図である。
【図７】（Ａ）は非接触時に第１、第２の光検知手段で測定される反射光の光路を示す正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＰ−Ｐ矢視断面図である。
【図８】（Ａ）は接触時に第１、第２の光検知手段で測定される反射光の光路を示す正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＰ’−Ｐ’矢視断面図である。
【図９】本発明の第５の実施の形態に係る形状測定装置の光ファイバセンサの説明図である。
【図１０】（Ａ）は非接触時に光検知手段で測定される透過光の光路を示す正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＱ−Ｑ矢視断面図である。
【図１１】（Ａ）は接触時に光検知手段で測定される透過光の光路を示す正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＱ’−Ｑ’矢視断面図である。
【図１２】変形例に係る形状測定装置において、（Ａ）は非接触時に第１、第２の光検知手段で測定される透過光の光路を示す説明図、（Ｂ）は接触時に第１、第２の光検知手段で測定される透過光の光路を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７５】
１０：形状測定装置、１１：発光器、１２：受光器、１３：光反射部、１４：先側領域、１５：撓み検知部、１６：光ファイバ、１７：探触子、１７ａ：光ファイバセンサ、１８：小穴、１９：物体、２０：ＸＹテーブル、２１：Ｚ方向昇降手段、２２：制御部、２３、２４：光ファイバ、２５：光分岐コネクタ、２６：芯線部、２７：クラッド部、２８：溝、２８ａ：接着剤層、２９：ガイド部材、３０：境界面、３１：テーブル、３２：ＸＹ方向移動手段、３３：開口端、３４：光ファイバセンサ、３５：撓み検知部、３６：光ファイバ、３７：先側領域、３８：屈折率変化領域、４０：光ファイバセンサ、４１：光ファイバ、４２：触針、４３：探触子、４４：接着剤層、４５光反射部、４６：先側領域、４８：溝、４９：撓み検知部、５０：ガイド部材、５１：形状測定装置、５７：撓み部、５８：金蒸着膜、５９：光照射手段、６０：第１の光検知手段、６１：第２の光検知手段、６２：光照射口、６３：光ファイバ、６４、６５：光受入口、６６、６７：光ファイバ、６８：ファイバ固定部材、６９：挿通孔、７３：光照射手段、７４：光検知手段、７５：光照射口、７６：光ファイバ、７７：光受入口、７８：光ファイバ、７９：ファイバ固定部材、８０、８１：挿通孔、８２、８３：光検知手段、８４、８５：光受入口、８６、８７：光ファイバ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体に形成された、例えば、小穴、微細突起、又は微細溝等の測定対象物の形状を測定する形状測定装置及び形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超精密機器や光通信機器、微細金型を製作する微細加工技術の進歩に伴い、加工物に形成されている微細幾何形状を測定する重要性が増加している。例えば、自動車用エンジンでは、次期排出ガス規制をクリアするには燃焼室に噴射する燃料の微粒化が不可欠で、そのためには、自動車用燃料噴射ノズルの内径を小さくする必要がある（一般に、自動車用燃料噴射ノズルの内径を０．１ｍｍ以下にできるかが燃費向上を左右する）。また、医療、光通信、電子デバイス等の分野においても、高性能化、環境への配慮、エネルギー効率の向上といった観点から、更に微細かつ精密な幾何形状の形成が要求されている。
ここで、内径が０．１ｍｍ以下で、アスペクト比（深さと内径の比）が１０以上の小径深穴の加工にはドリル、放電加工等が用いられており、小径深穴を精密に加工するためには、穴の内径や幾何形状（例えば、真円度、真直度、円筒度等）を高精度に測定しながら、加工を進める必要がある。一般に、穴の内径や幾何形状の測定方法としては、１）ピンゲージやボアゲージを使用する機械式方法、２）測定顕微鏡を使用する方法、３）電気的導通現象を用いる方法、４）光学触針を測定対象物に接触させる光学式方法（例えば、特許文献１、２参照）等が挙げられる。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１２１３３０号公報
【特許文献２】特開平８−２３３５４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、機械式方法では、ピンゲージで測定可能な最小内径は０．１ｍｍ、ボアゲージで測定可能な最小内径は０．５ｍｍなので、内径が０．１ｍｍ未満の穴に対しては適用できないという問題が生じる。また、測定顕微鏡を使用する方法では、穴の入口部形状の測定しか行なうことができず、穴内壁の評価ができないという問題があり、電気的導通現象を用いる方法では、測定対象が導電性を有する素材（例えば、金属）に限られるという問題が生じる。更に、光学式方法では、測定精度が対象となる材料やその表面の粗さの影響を受け易く、測定の原理上、深穴、及び深溝などの形状に対しては測定が困難になるとともに、測定可能な最小内径が０．１ｍｍであるという問題がある。
【０００５】
本発明は係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形状を低測定力で高感度かつ高精度で測定が可能な形状測定装置及び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】
【０００６】
前記目的に沿う第１の発明に係る形状測定装置は、基部側に発光器及び受光器が設けられ、先端に前記発光器から入射した光を反射する光反射部が設けられて自由状態で垂直配置された先側領域を有し、前記光反射部より基側の前記先側領域に該先側領域の一部の曲げ歪みによって通過光に光量変化を発生させる撓み検知部が形成された光ファイバと、
前記光ファイバの先端部に固着配置された探触子と、
前記探触子が設けられた前記光ファイバの下方に配置され、測定対象物が形成された物体を載せるＸＹテーブルと、
前記探触子が設けられた前記光ファイバの少なくとも前記先側領域に対して前記ＸＹテーブルを相対的に上下するＺ方向昇降手段とを有し、
前記探触子に対して前記ＸＹテーブルに載せた前記物体に形成された前記測定対象物を側方から当接させて前記受光器で受光する光の光量変化を検知し、前記探触子が前記測定対象物に当接した際の該探触子の位置を前記ＸＹテーブルから読み出して、前記測定対象物の二次元形状を測定する。
【０００７】
第１の発明に係る形状測定装置において、前記Ｚ方向昇降手段は前記ＸＹテーブル又は前記光ファイバを昇降するものであり、前記探触子が前記測定対象物に当接した際の該ＸＹテーブル及び前記Ｚ方向昇降手段からの各出力に基づいて、該測定対象物の三次元形状を測定することができる。
【０００８】
前記目的に沿う第２の発明に係る形状測定装置は、自由状態で垂直配置され先端部に探触子が設けられた触針と、
基部側に発光器及び受光器が設けられ、先端に前記発光器から入射した光を反射する光反射部が設けられた先側領域を有し、前記触針に固着され該触針とともに撓んで通過光に光量変化を発生させる撓み検知部が形成された光ファイバと、
前記探触子が設けられた前記触針の下方に配置され、測定対象物が形成された物体を載せるＸＹテーブルと、
前記探触子が設けられた前記触針に固着された前記光ファイバの先側領域に対して前記ＸＹテーブルを相対的に上下するＺ方向昇降手段とを有し、
前記探触子に対して前記ＸＹテーブルに載せた前記物体に形成された前記測定対象物を側方から当接させて前記受光器で受光する光の光量変化を検知し、前記探触子が前記測定対象物に当接した際の該探触子の位置を前記ＸＹテーブルから読み出して、前記測定対象物の二次元形状を測定する。
【０００９】
第２の発明に係る形状測定装置において、前記Ｚ方向昇降手段は前記ＸＹテーブル又は前記触針を昇降するものであり、前記探触子が前記測定対象物に当接した際の該ＸＹテーブル及び前記Ｚ方向昇降手段からの各出力に基づいて、該測定対象物の三次元形状を測定することができる。
【００１０】
第１、第２の発明に係る形状測定装置において、前記光ファイバは芯線部とその周囲のクラッド部とを有し、前記撓み検知部は、該芯線部に届く１又は２以上の溝又は疵によって形成することができる。
また、前記光ファイバは芯線部とその周囲のクラッド部とを有し、前記撓み検知部は、該芯線部内に存在する屈折率変化領域によって形成することもできる。
そして、前記測定対象物は内側寸法が０．５ｍｍ以下の小穴とすることができる。
【００１１】
前記目的に沿う第３の発明に係る形状測定方法は、基部側に発光器及び受光器が設けられ、先端に前記発光器から入射した光を反射する光反射部が設けられて自由状態で垂直配置された先側領域を有し、前記光反射部より基側の前記先側領域に該先側領域の一部の曲げ歪みによって通過光に光量変化を発生させる撓み検知部が形成された光ファイバと、該光ファイバの先端部に固着配置された探触子とを有する光ファイバセンサを、前記探触子を下端にして垂直配置し、
前記探触子の下方に配置されたＸＹテーブルに測定対象物が形成された物体を載置して、前記探触子を前記測定対象物に側方から当接可能な位置に配置し、前記ＸＹテーブルを移動させることによって、前記測定対象物と前記探触子とを接触させて、前記受光器で受光する光の光量変化が発生したときの前記ＸＹテーブルの出力から前記測定対象物の二次元形状を測定する。
【００１２】
前記目的に沿う第４の発明に係る形状測定方法は、自由状態で垂直配置され先端部に探触子が設けられた触針と、該触針に固着され、基部側に発光器及び受光器が設けられ、先端に前記発光器から入射した光を反射する光反射部が設けられた先側領域を有し、前記触針とともに撓んで通過光に光量変化を発生させる撓み検知部が形成された光ファイバとを有する光ファイバセンサを前記探触子を下端にして垂直配置し、
前記探触子の下方に配置されたＸＹテーブルに測定対象物が形成された物体を載置して、前記探触子を前記測定対象物に側方から当接可能な位置に配置し、前記ＸＹテーブルを移動させることによって、前記測定対象物と前記探触子とを接触させて、前記受光器で受光する光の光量変化が発生したときの前記ＸＹテーブルの出力から前記測定対象物の二次元形状を測定する。
【００１３】
第３、第４の発明に係る形状測定方法において、前記測定対象物は内側寸法が０．５ｍｍ以下の小穴とすることができる。
また、前記ＸＹテーブル又は前記光ファイバセンサを垂直に上下させるＺ方向昇降手段を備え、前記探触子が前記測定対象物に当接した際の前記ＸＹテーブルからの出力及び前記Ｚ方向昇降手段からの出力から前記測定対象物の三次元形状を測定することができる。
【００１４】
第１、第２の発明に係る形状測定装置において、前記先側領域の前記光反射部より基側で前記撓み検知部より先側の撓み部の側面には光反射層が形成され、該光反射層の外側には隙間を設けて該光反射層に向かって光を照射する光照射手段が配置され、該光反射層で反射された光の検知が可能な高さ位置で該光照射手段の両側には第１、第２の光検知手段がそれぞれ設けられている構成とすることができる。
【００１５】
第１、第２の発明に係る形状測定装置において、前記先側領域の前記光反射部より基側で前記撓み検知部より先側の撓み部の外側には隙間を設けて該撓み部に向かって光を照射する光照射手段が配置され、更に該撓み部を間にして該光照射手段の反対側には該撓み部を透過した光を検知する光検知手段が配置されている構成とすることもできる。
ここで、前記光検知手段は１又は２以上設けられていることが好ましい。
【００１６】
第３、第４の発明に係る形状測定方法において、前記先側領域の前記光反射部より基側で前記撓み検知部より先側の撓み部の側面に光反射層を形成し、該光反射層の外側に隙間を設けて配置した光照射手段から光を該光反射層に照射し該光反射層で反射した光を該光の検知が可能な高さ位置で該光照射手段の両側に配置した第１、第２の光検知手段でそれぞれ検知して、該第１、第２の光検知手段で検知された光強度差から前記探触子と前記測定対象物との当接を検知することができる。
【００１７】
第３、第４の発明に係る形状測定方法において、前記先側領域の前記光反射部より基側で前記撓み検知部より先側の撓み部の外側に隙間を設けて該撓み部に向かって光を照射する光照射手段を配置し、更に該撓み部を間にして該光照射手段に対向して該撓み部を透過した光を検知する光検知手段を配置して、該光検知手段で検知される光強度の変化から前記探触子と前記測定対象物との当接を検知することもできる。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１〜７、１２〜１４記載の形状測定装置及び請求項８〜１１、１５、１６記載の形状測定方法においては、測定対象物と探触子が接した場合の光ファイバを通じての反射光の光量変化に基づいて形状測定を行なうので、測定対象物の材質の影響を受けず、しかも、電気的なノイズに強く高精度の測定を行なうことができる。
特に、請求項１及びこれに従属する請求項２、５〜７、１２〜１４記載の形状測定装置並びに請求項８及びこれに従属する請求項１０、１１、１５、１６記載の形状測定方法においては、光ファイバの先側領域の先端部に固着配置された探触子を測定対象物に接触させて形状を測定するので、光ファイバと探触子のサイズを選定することで、例えば、測定対象物が微小の穴であってもその形状を測定することができる。
また、請求項３及びこれに従属する請求項４〜７、１２〜１４記載の形状測定装置並びに請求項９及びこれに従属する請求項１０、１１、１５、１６記載の形状測定方法においては、触針の先端部の探触子を測定対象物に接触させて形状を測定するので、触針と探触子のサイズを選定することで、例えば、測定対象物が微小の穴であってもその形状を測定することができる。
また、触針の先端部に取付ける探触子の質量を極めて小さくできるので、測定対象物に探触子が接することを検知する動特性を向上させることができ、これに伴い、測定精度を高めることができる。
【００１９】
請求項２、４記載の形状測定装置及び請求項１１記載の形状測定方法においては、測定対象物の三次元形状を測定することができるので、例えば、超精密機器、光通信機器、微細金型に形成された小穴の真直度、円筒度を容易に測定することが可能になる。
請求項５記載の形状測定装置においては、光ファイバの撓み検知部は芯線部に届く溝又は疵によって形成されているので、探触子が測定対象物に接触した際に、より小さな測定力（測定対象物の表面を押す力）で先側領域を大きく撓ませることができ、光ファイバの通過光の光量変化を大きくすることが可能になる。その結果、高感度、高精度の形状測定を行なうことができる。
【００２０】
請求項７記載の形状測定装置及び請求項１０記載の形状測定方法においては、例えば、超精密機器、光通信機器、微細金型に形成された小穴の形状を測定することができ、高性能の超精密機器、光通信機器、微細金型を製造することができる。
【００２１】
請求項１２記載の形状測定装置及び請求項１５記載の形状測定方法においては、光ファイバが撓むことにより、撓み部と第１、第２の光検知手段との距離がそれぞれ変化するため、第１、第２の光検知手段でそれぞれ検知される反射光の強度に変化が現われる。このため、光ファイバが垂直配置されている場合と撓んだ場合における第１、第２の光検知手段でそれぞれ検知される反射光の強度変化挙動を求めることで、探触子が測定対象物に当接したか否かを感度よく検知することができると共に、探触子が測定対象物に当接して光ファイバがどの方向に撓んだかを検知することができる。その結果、探触子を測定対象物に接触させて形状を測定する際の、形状測定精度をより向上させることができる。
【００２２】
請求項１３、１４記載の形状測定装置及び請求項１６記載の形状測定方法においては、光ファイバが撓むことにより、撓み部と光検知手段との距離が拡縮するため、光検知手段で検知される透過光の強度に変化が現われる。このため、光ファイバが垂直配置されている場合と撓んだ場合における光検知手段でそれぞれ検知される透過光の強度変化を求めることで、探触子が測定対象物に当接したか否かを感度よく検知することができる。その結果、探触子を測定対象物に接触させて形状を測定する際の、形状測定精度をより向上させることができる。
請求項１４記載の形状測定装置においては、複数の光検知手段でそれぞれ検知される透過光の強度変化挙動を求めることで、探触子が測定対象物に当接した際に光ファイバがどの方向に撓んだかを検知することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
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。
ここで、図１は本発明の第１の実施の形態に係る形状測定装置のブロック図、図２は同形状測定装置の使用状態を示す部分拡大図、図３は接触時及び非接触時に受光器で測定される反射光の光量変化を示す説明図、図４は本発明の第２の実施の形態に係る形状測定装置の光ファイバセンサの説明図、図５は本発明の第３の実施の形態に係る形状測定装置の使用状態を示す部分拡大図、図６は本発明の第４の実施の形態に係る形状測定装置の光ファイバセンサの説明図、図７（Ａ）は非接触時に第１、第２の光検知手段で測定される反射光の光路を示す正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＰ−Ｐ矢視断面図、図８（Ａ）は接触時に第１、第２の光検知手段で測定される反射光の光路を示す正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＰ’−Ｐ’矢視断面図、図９は本発明の第５の実施の形態に係る形状測定装置の光ファイバセンサの説明図、図１０（Ａ）は非接触時に光検知手段で測定される透過光の光路を示す正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＱ−Ｑ矢視断面図、図１１（Ａ）は接触時に光検知手段で測定される透過光の光路を示す正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＱ’−Ｑ’矢視断面図、図１２は変形例に係る形状測定装置において、（Ａ）は非接触時に第１、第２の光検知手段で測定される透過光の光路を示す説明図、（Ｂ）は接触時に第１、第２の光検知手段で測定される透過光の光路を示す説明図である。
【００２４】
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る形状測定装置１０は、基部側に発光器１１及び受光器１２が設けられ、先端に発光器１１から入射した光を反射する光反射部１３が設けられて自由状態で垂直配置された先側領域１４を有し、光反射部１３より基側の先側領域１４にその部分（先側領域１４の一部）の曲げ歪みによって通過光に光量変化を発生させる撓み検知部１５が形成された光ファイバ１６と、光ファイバ１６の先端部に固着配置された探触子１７とを有している。なお、光ファイバ１６と探触子１７で光ファイバセンサ１７ａが構成されている。
【００２５】
また、形状測定装置１０は、探触子１７が設けられた光ファイバ１６の下方に配置され、測定対象物の一例である内側寸法が０．５ｍｍ以下の小穴１８が形成された物体１９（図２参照）を載せるＸＹテーブル２０と、探触子１７が設けられた光ファイバ１６の先側領域１４に対してＸＹテーブル２０を上下するＺ方向昇降手段２１と、探触子１７に対してＸＹテーブル２０に載せた物体１９に形成された小穴１８を側方から当接させて受光器１２で受光する光の光量変化を検知し、探触子１７が小穴１８に当接した際の探触子１７の位置をＸＹテーブル２０から読み出して、小穴１８の平面形状を測定する制御部２２とを有している。以下、詳細に説明する。なお、小穴１８の内側寸法とは、小穴１８の平面形状が円形の場合は内径を指し、小穴１８の平面形状が非円形の場合は、最大内幅長さを指す。
【００２６】
発光器１１は、例えば、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ている。また、受光器１２は、例えば、光電子倍増管、光ダイオード、光トランジスタ等の光応答素子を用いて構成されている。そして、発光器１１の出力側、受光器１２の入力側にはそれぞれ光ファイバ２３、２４が接続され、光ファイバ２３、２４は光分岐コネクタ
２５を介して光ファイバ１６の基部に接続している。
【００２７】
光ファイバ１６は、例えば、外径Ｄが３〜６０μｍであって、中央部に光が通過する直径ｄが１〜９μｍの芯線部２６（例えば、石英ガラス製の線材）、その周囲に厚さｔが１〜６０μｍのクラッド部２７（例えば、芯線部２６より屈折率が低い石英ガラス層）が形成されている。また、光ファイバ１６の先端には、鏡面状に研磨加工された後、例えば、金蒸着を行なって形成された厚さｗが０．００１〜１ｍｍの光反射部１３が設けられている。そして、光ファイバ１６の先端の光反射部１３から基側に向けて長さＬ（Ｌ／Ｄが、例えば、３０〜３００）の範囲に形成される先側領域１４には、光ファイバ１６のクラッド部２７の、例えば、半周部分に芯線部２６に届く複数の溝２８が、例えば、フェムト秒レーザ加工機を用いて形成されて撓み検知部１５を形成している。
【００２８】
ここで、溝２８は、先側領域１４の範囲であれば任意の位置に形成でき、溝２８の形状（例えば、Ｖ字状、Ｕ字状、矩形状、又は台形状における開口部幅と深さ）及び間隔も任意に設定できるが、溝２８は探触子１７が小穴１８の内周面に触れた際に一番撓む部分に形成するのがよい。そして、溝２８の形状及び間隔は先側領域１４の撓み量に影響するので、溝２８の形状及び間隔を選定して先側領域１４の撓み量を調整する。
また、探触子１７は、例えば、超硬、ガラス、立方晶窒化硼素で形成された直径が０．００５〜０．１５ｍｍの球体であり、例えば、エポキシ樹脂を用いた接着剤層２８ａを介して光ファイバ１６の先端部に固着されている。更に、光ファイバ１６の先側領域１４より基側の領域はガイド部材２９内に収納されている。これによって、探触子１７を下方に向けて先側領域１４を自由状態で垂直配置することができるとともに、撓み検知部１５で撓み易くすることができる。
【００２９】
以上の構成とすることにより、発光器１１を駆動して光ファイバ２３及び光分岐コネクタ２５を介して光を光ファイバ１６内に入射させると、光は、光ファイバ１６の芯線部２６とその周囲のクラッド部２７との境界面３０で全反射を繰り返しながら芯線部２６内を先端に向かって進行する。そして、先端に達した光は光反射部１３で反射して光ファイバ１６内を基部に向かって逆向きに進行し、光分岐コネクタ２５及び光ファイバ２４を介して受光器１２に到達し光量が測定される。なお、先側領域１４のクラッド部２７には溝２８が形成されているため、先側領域１４が垂直配置されている場合は、光が先側領域１４を通過する際に、溝２８に入射する光は溝２８で散乱されて光ファイバ１６の外部に漏れ出し、先側領域１４内の溝２８で散乱されずに通過した反射光が受光器１２に到達して、その光量が測定される。
【００３０】
これに対して、光ファイバ１６の先端の探触子１７が小穴１８の側壁に当接して先側領域１４に曲げ歪みが発生すると、先側領域１４を通過する光が溝２８に入射する際の入射角度は、曲げ歪み量に応じて変化する。
このため、光が溝２８で散乱される割合が少なくなるような入射角度に変化すると、反射光の光ファイバ１６からの漏れが減少し受光器１２に到達する反射光の光量が増加する。これに対して、光が溝２８で散乱される割合が多くなるような入射角度に変化すると、光の溝２８での散乱が多くなって反射光が光ファイバ１６から漏れる割合が増加し受光器１２に到達する反射光の光量が減少する。従って、光ファイバ１６の先側領域１４が垂直配置されている場合に受光器１２で測定される反射光の光量に対して、反射光の光量変化が生じたか否かを検知することで、探触子１７が小穴１８の内周面に接触したか否かを判定することができる。
【００３１】
ＸＹテーブル２０は、小穴１８が形成された物体１９を載せるテーブル３１と、テーブル３１をＸ方向及びＹ方向に独立して、例えば、０．１μｍピッチで移動させることが可能な送り機構を備えたＸＹ方向移動手段３２とを有している。また、光ファイバ１６の先側領域１４より基側の領域をガイドするガイド部材２９は、ＸＹテーブル２０とは別に設けられた固定手段（図示せず）に支持されている。更に、ＸＹテーブル２０は、光ファイバ１６の先側領域１４、探触子１７、及び小穴１８の平面的な位置関係を撮像するカメラ部（図示せず）と、カメラ部で撮像した画像を表示する表示部（図示せず）とを有している。
【００３２】
また、Ｚ方向昇降手段２１には、ＸＹテーブル２０を、例えば、０．１μｍピッチで上下動することが可能な送り機構が設けられている。これによって、物体１９をＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向にそれぞれ移動させることができ、物体１９を移動させることにより、物体１９に形成された小穴１８をＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向に移動させることができる。その結果、物体１９の表面に形成された小穴１８の開口端３３から、探触子１７が一定距離だけ小穴１８内に進入するようにＸＹテーブル２０のＺ方向の位置を調整し、探触子１７に対してＸＹテーブル２０に載せた物体１９に形成された小穴１８の内周面を側方から当接させることができる。
【００３３】
制御部２２は、ＸＹテーブル２０の原点位置を任意の点（例えば、探触子１７の中心位置）に設定する機能、ＸＹテーブル２０をＸ方向及びＹ方向に移動させて、このとき受光器１２で測定される反射光の光量をＸＹテーブル２０のＸＹ方向移動手段３２から出力される出力値（ＸＹテーブル２０の原点に対するテーブル３１のＸ方向及びＹ方向への移動量）とともに読み込む機能とを有している。更に、制御部２２は、読み込んだ反射光の光量から光量変化を検出する機能と、光量変化が生じたときのＸＹ方向移動手段３２からの出力値、すなわち、探触子１７との接触点のＸ座標及びＹ座標を求める機能と、探触子１７との接触点のＸ座標及びＹ座標から小穴１８の二次元形状である内側寸法（小穴１８が円形穴の場合は内径と真円度、小穴１８が非円形穴の場合は最大内幅長さ）を求める機能とを有している。
【００３４】
更に、制御部２２は、物体１９の表面に形成された小穴１８の開口端３３から小穴１８内に進入する探触子１７の進入距離、すなわち、小穴１８の内周面上における探触子１７との接触点のＺ方向位置（Ｚ方向昇降手段２１の出力値）を変えながら小穴１８の二次元形状を求めて、小穴１８の三次元形状を形成する機能を有している。これにより、小穴１８の内周面の深さ方向の凹凸状況、真直度、及び円筒度を求めることができる。
なお、制御部２２は、上記の各機能を発現するプログラムを、例えば、パーソナルコンピュータに搭載することにより構成することができる。
【００３５】
続いて、本発明の第１の実施の形態に係る形状測定装置１０を使用した形状測定方法について説明する。
先ず、光ファイバセンサ１７ａにガイド部材２９を装着させ、ガイド部材２９を固定手段に取付けて、光ファイバ１６の先側領域１４を探触子１７を下端にして垂直配置する。そして、ＸＹテーブル２０の原点位置を探触子１７の中心位置に設定する。
次いで、内側寸法が０．５ｍｍ以下の小穴１８が形成された物体１９をＸＹテーブル２０のテーブル３１上に載置し、カメラ部で撮像した光ファイバ１６の先側領域１４、探触子１７、及び小穴１８の平面的な位置関係を表示部で確認しながら、ＸＹ方向移動手段３２を操作して測定しようとする小穴１８のＸ方向及びＹ方向位置を調整する。そして、小穴１８の開口端３３から、探触子１７が一定距離だけ小穴１８内に進入するようにＺ方向昇降手段２１を操作してＸＹテーブル２０のＺ方向の位置を調整する。
【００３６】
次いで、発光器１１及び受光器１２を稼動させて、発光器１１で発生させた光を光ファイバ２３及び光分岐コネクタ２５を介して光ファイバ１６に入射させ、光ファイバ１６の先端の光反射部１３で反射し光ファイバ１６内を基部に向かって進行した反射光を光分岐コネクタ２５及び光ファイバ２４を介して受光器１２に入射させる。そして、受光器１２で反射光の光量を測定する。
【００３７】
ＸＹテーブル２０をＸ方向及びＹ方向に移動させて、探触子１７の位置とその位置での反射光の光量を測定する。小穴１８の内周面が探触子１７に当接した場合、探触子１７は小穴１８の内周面からの反力を受けて光ファイバ１６の先側領域１４に曲げ歪みが発生する。これによって、先側領域１４を通過する光が芯線部２６とクラッド部２７との境界面３０に入射する際の入射角度が変化し、先側領域１４が探触子１７を下端にして垂直配置されている場合（探触子１７が小穴１８の内周面に接触していない場合）と比較して、先側領域１４を通過する光が溝２８で散乱される割合が変化（減少又は増加）する。これに伴って、受光器１２で検出される反射光の光量も変化する。図３に、発光器１１で発生させた赤外線を光ファイバ１６内に入射させ、受光器１２で反射光の光量を測定した結果を示す。探触子１７が小穴１８の内側面に接触した場合先側領域１４に曲げ歪みが発生し、受光器１２に到達する反射光の光量が減少していることが判る。
【００３８】
受光器１２で測定される反射光の光量をＸＹテーブル２０のＸＹ方向移動手段３２から出力される出力値とともに読み込み、読み込んだ反射光の光量から光量変化が検出されたときのＸＹ方向移動手段３２からの出力値Ｘ、Ｙを求めると、この出力値Ｘ、Ｙは、小穴１８内周面を探触子１７に接触させるために、小穴１８をＸ方向及びＹ方向に移動させたときのそれぞれの移動量となる。移動量Ｘ、Ｙが求まると、探触子１７に接触している小穴１８内周面上の接触点は探触子１７の中心（ＸＹテーブル２０の原点）に対して、ｔａｎθ＝Ｙ／Ｘを満たす角度θ方向に存在していることになるので、小穴１８内周面上の接触点に接する探触子１７上の点の座標は、探触子１７の半径をｒとすると、（ｒｃｏｓθ，ｒｓｉｎθ，Ｚ）となる。ここで、Ｚは、小穴１８内に進入している探触子１７の中心と小穴１８の開口端３３との距離を示す。そして、小穴１８内周面上の接触点の探触子１７の中心に対する座標は、（ｒｃｏｓθ＋Ｘ，ｒｓｉｎθ＋Ｙ，Ｚ）となる。従って、探触子１７に接触する小穴１８の内周面上の他の接触点の座標を順次求めると、Ｚ座標が一定の各接触点のＸ座標及びＹ座標から、小穴１８の内周面の二次元形状（小穴１８が円形穴の場合は内径と真円度、小穴１８が非円形穴の場合は最大内幅長さ）が求まる。
【００３９】
更に、小穴１８の開口端３３から小穴１８内に進入する探触子１７の進入距離Ｚ、すなわち、探触子１７と小穴１８の内周面との接触点のＺ方向位置を変えながら、探触子１７と接触している小穴１８内周面上の接触点のＸ座標及びＹ座標を求める、これにより、探触子１７と接触した小穴１８内周面上の接触点のＸ座標、Ｙ座標、及びＺ座標が求まり、小穴１８の内周面の三次元形状（小穴１８の内壁面の深さ方向、すなわちＺ方向の凹凸状況）、小穴１８の真直度、小穴１８の円筒度が求まる。
【００４０】
本発明の第２の実施の形態に係る形状測定装置について説明するが、第２の実施の形態に係る形状測定装置は、第１の実施の形態に係る形状測定装置１０と比較して、図４に示すように、光ファイバセンサ３４の撓み検知部３５の構成が異なることが特徴となっている。このため、撓み検知部３５に関してのみ詳細に説明し、同一の構成部材には同一の符号を付して説明を省略する。
【００４１】
光ファイバ３６の先端の光反射部１３から基側に向けて長さＬ（Ｌ／Ｄが、例えば、３０〜３００）の範囲に形成される先側領域３７の芯線部２６内には、芯線部２６の軸方向に対して層状に１又は２以上の屈折率変化領域（ファイバーグレーティング）３８が形成されて撓み検知部３５を形成している。ここで、屈折率変化領域３８は、その屈折率が前後の芯線部２６の屈折率より高く又は低くなっている領域で、例えば、低出力のレーザ光を芯線部２６に照射して光ファイバ３６の芯線部２６の組成を変質させることにより形成できる。なお、この変質部は層状であってもよいし、部分的であってもよい。
【００４２】
先側領域３７の芯線部２６には、屈折率変化領域３８が形成されているため、光ファイバ３６内を伝播する光のうち、屈折率変化領域３８の間隔、すなわち、グレーティング間隔によって決まる特定波長及びその近傍波長の光が屈折率変化領域３８で反射され、先側領域３７内の屈折率変化領域３８で反射されずに通過した波長の反射光が受光器（例えば、光スペクトラムアナライザ）に到達して、その光量が測定される。このため、光ファイバ３６の先端の探触子１７が小穴１８の側壁に当接して先側領域３７に曲げ歪みが発生すると、屈折率変化領域３８の間隔が変化し、屈折率変化領域３８で反射される光の波長が変化する。従って、受光器に到達する光の波長変化を検知することにより、探触子１７が小穴１８の内周面に接触したか否かを判定することができる。
【００４３】
なお、本発明の第２の実施の形態に係る形状測定装置を使用した形状測定方法は、第１の実施の形態に係る形状測定装置１０を使用した形状測定方法と実質的に同一なので、形状測定方法に関する説明は省略する。
【００４４】
本発明の第３の実施の形態に係る形状測定装置について説明するが、第３の実施の形態に係る形状測定装置は、第１の実施の形態に係る形状測定装置１０と比較して、図５に示すように、光ファイバセンサ４０の構成が異なるとともに、光ファイバ４１が触針４２に固着されていることが特徴となっている。このため、光ファイバセンサ４０を構成する光ファイバ４１及び触針４２に関してのみ詳細に説明し、同一の構成部材には同一の符号を付して説明を省略する。
【００４５】
触針４２は、自由状態で垂直配置され、先端部には探触子４３が設けられている。ここで、触針４２は、例えば、外径Ｗが１０〜１００μｍであって、例えば、金属、ガラス繊維、炭素繊維などの弾性体で形成されている。また、探触子４３は、例えば、超硬、ガラス、立方晶窒化硼素で形成された直径が０．００５〜０．１５ｍｍの球体であり、例えば、エポキシ樹脂を用いた接着剤層４４を介して触針４２の先端部に固着されている。これによって、触針４２の先側を小穴１８内に挿入し、探触子４３を小穴１８の内周面に接触させることにより、触針４２を撓ませることができる。
【００４６】
ここで、光ファイバ４１は、例えば、外径Ｄが３〜６０μｍであって、中央部に光が通過する直径ｄが１〜９μｍの芯線部２６（例えば、石英ガラス製の線材）、その周囲に厚さｔが１〜６０μｍのクラッド部２７（例えば、芯線部２６より屈折率が低い石英ガラス層）が形成されている。また、光ファイバ４１の先端には、鏡面状に研磨加工された後、例えば、金蒸着を行なって形成された厚さδが０．００１〜１ｍｍの光反射部４５が設けられている。更に、光ファイバ４１の先端の光反射部４５から基側に向けて長さＬ（Ｌ／Ｄが、例えば、３０〜３００）の範囲に形成される先側領域４６には、光ファイバ４１のクラッド部２７の、例えば、半周部分に芯線部２６に届く複数の溝４８が形成されて撓み検知部４９を形成している。
【００４７】
また、光ファイバ４１は、エポキシ樹脂を用いて、触針４２の軸心方向と平行になるようにその軸心方向を揃えて触針４２の側部に貼り付けられている。このため、触針４２が撓むと、光ファイバ４１も触針４２とともに撓む。このため、光が溝４８で散乱される割合が少なくなるような入射角度に変化すると、反射光の光ファイバ４１からの漏れが減少し受光器１２に到達する反射光の光量が増加する。これに対して、光が溝４８で散乱される割合が多くなるような入射角度に変化すると、光の溝４８での散乱が多くなって反射光が光ファイバ４１から漏れる割合が増加し受光器１２に到達する反射光の光量が減少する。従って、光ファイバ４１の先側領域４６が垂直配置されている場合に受光器１２で測定される反射光の光量に対して、反射光の光量変化が生じたか否かを検知することで、探触子４３が小穴１８の内周面に接触したか否かを判定することができる。なお、符号５０は、光ファイバ４１が固着された触針４２の先側領域４６より基側の領域を収納するガイド部材である。これによって、探触子４３を下方に向けて触針４２を自由状態で垂直配置することができる。
【００４８】
本発明の第３の実施の形態に係る形状測定装置を使用した形状測定方法は、第１の実施の形態に係る形状測定装置１０を使用した形状測定方法と比較して、触針４２の先端部に固着配置された探触子４３を小穴１８の内周面に接触させることが特徴となっており、それ以外は第１の実施の形態に係る形状測定装置１０を使用した形状測定方法と実質的に同一とすることができる。このため、本発明の第３の実施の形態に係る形状測定装置を使用した形状測定方法に関する説明は省略する。
【００４９】
続いて、本発明の第４の実施の形態に係る形状測定装置５１について説明するが、第４の実施の形態に係る形状測定装置５１は、第１の実施の形態に係る形状測定装置１０と比較して、図６に示すように、光ファイバセンサ１７ａの光ファイバ１６の先側領域１４において光反射部１３より基側で撓み検知部１５より先側の撓み部５７の側面には光反射層の一例である金蒸着膜５８が形成され、金蒸着膜５８の外側には隙間を設けて、金蒸着膜５８に向かって光を照射する光照射手段５９が配置され、金蒸着膜５８で反射された光を検知可能な高さ位置、例えば、光照射手段５９と同一高さ位置で光照射手段５９の両側には第１、第２の光検知手段６０、６１がそれぞれ設けられていることが特徴となっている。
【００５０】
ここで、図６、図７（Ａ）、（Ｂ）、図８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、光照射手段５９として、例えば、基側に発光器の一例である半導体レーザ（図示せず）が接続され、先側に光照射口６２が形成された光ファイバ６３を使用することができる。また、第１、第２の光検知手段６０、６１として、例えば、アバランシェフォトダイオードを検出素子に用いた受光器（図示せず）が基側に接続され、先側に光受入口６４、６５が形成された光ファイバ６６、６７を使用することができる。
【００５１】
そして、各光ファイバ６３、６６、６７は、図６に示すように、光ファイバ１６の撓み部５７を取囲んで配置された、例えば筒状のファイバ固定部材６８の外側部に沿って基側から先側まで配設され、各光ファイバ６３、６６、６７の先側はファイバ固定部材６８の先部の同一高さ位置に並べて形成された各挿通孔６９よりファイバ固定部材６８の内側に引き込まれて、光ファイバ６３の光照射口６２、光ファイバ６６、６７の光受入口６４、６５をそれぞれ光ファイバ１６の撓み部５７に形成された金蒸着膜５８に向けて配置されている。
【００５２】
本発明の第４の実施の形態に係る形状測定装置５１を使用した形状測定方法は、第１の実施の形態に係る形状測定装置１０を使用した形状測定方法において、先ず、光反射部１３より基側で撓み検知部１５より先側の撓み部５７の側面に金蒸着膜５８を形成し、金蒸着膜５８の外側に隙間を設けて配置した光照射手段５９から光を金蒸着膜５８に照射し金蒸着膜５８で反射した光を、この光の検知が可能な高さ位置、例えば、光照射手段５９と同一高さ位置で光照射手段５９の両側に配置した第１、第２の光検知手段６０、６１でそれぞれ検知して、第１、第２の光検知手段６０、６１で検知された光強度差から探触子１７が物体１９に当接したか否かを判定することが特徴となっている。このため、光照射手段５９から照射した光を第１、第２の光検知手段６０、６１で検知して探触子１７と物体１９との当接を検知する方法に関してのみ説明し、探触子１７が物体１９に当接したことが確認された後に行う形状測定装置５１を使用した形状測定方法は形状測定装置１０の場合と同様なので説明は省略する。
【００５３】
図７（Ａ）、（Ｂ）に示すように、探触子１７が物体１９に接触していない状態では、光照射手段５９の光照射口６２から光ファイバ１６に形成された金蒸着膜５８に向けて照射された光は、金蒸着膜５８で反射され、反射した光の一部は第１、第２の光検知手段６０、６１の光受入口６４、６５から光ファイバ６６、６７内に進入し、光ファイバ６６、６７を通過して受光器で光強度が測定される。第１、第２の光検知手段６０、６１で検知される光の強度は、光照射手段５９に対する第１、第２の光検知手段６０、６１の位置関係で決まり、例えば、光照射口６２の中心線が光ファイバ１６の軸心に向けて配置し、第１、第２の光検知手段６０、６１を光照射手段５９の両側に対称に配置した場合、光照射手段５９の光照射口６２から金蒸着膜５８に向けて照射され金蒸着膜５８で反射した光は、第１、第２の光検知手段６０、６１の光受入口６４、６５に均等に入射することになる。このため、第１、第２の光検知手段６０、６１で検知される光の強度は等しくなる。
【００５４】
探触子１７が物体１９の小穴１８の内周面に接触していない状態から、図８（Ａ）、（Ｂ）に示すように探触子１７が小穴１８の内周面、すなわち物体１９に接触する状態になって、例えば、光ファイバセンサ１７ａが光ファイバ６３、６６、６７から遠ざかる方向に変位した場合、光受入口６４、６５に入射する反射光が増加することになって第１、第２の光検知手段６０、６１で検知される光の強度が増加する。逆に、光ファイバセンサ１７ａが光ファイバ６３、６６、６７に接近する方向に変位した場合、光受入口６４、６５に入射する反射光が減少することになって第１、第２の光検知手段６０、６１で検知される光の強度が減少する。
【００５５】
また、図８（Ｂ）において、探触子１７が物体１９に接触して、例えば、探触子１７が光ファイバ６６側に撓んだ場合、第１の光検知手段６０で検知される光の強度が増加すると共に第２の光検知手段６１で検知される光の強度が低下する。逆に、光ファイバセンサ１７ａが光ファイバ６７に接近する方向に変位した場合、第１の光検知手段６０で検知される光の強度が減少すると共に第２の光検知手段６１で検知される光の強度が増加する。このため、探触子１７が物体１９に接触したことが検知できると共に、探触子１７が物体１９に接触してどの方向に移動したかも検知できる。
なお、第１、第２の光検知手段６０、６１で検知される光の強度が、探触子１７が物体１９に接触していない状態で検知された光の強度に変化することから、探触子１７が物体１９から離脱したことが検知できる。
【００５６】
本発明の第５の実施の形態に係る形状測定装置について説明する。
第５の実施の形態に係る形状測定装置は、第１の実施の形態に係る形状測定装置１０と比較して、図９に示すように、光ファイバセンサ１７ａの先側領域１４において光反射部１３より基側で撓み検知部１５より先側の撓み部５７の外側には隙間を設けて撓み部５７に向かって光を照射する光照射手段７３が配置され、更に撓み部５７を間にして光照射手段７３の反対側には撓み部５７を透過した光を検知する光検知手段７４が配置されていることが特徴となっている。
【００５７】
ここで、光照射手段７３として、例えば、基側に発光器の一例である半導体レーザ（図示せず）が接続され、先側に光照射口７５が形成された光ファイバ７６を使用することができる。また、光検知手段７４として、例えば、アバランシェフォトダイオードを検出素子に用いた受光器（図示せず）が基側に接続され、先側に光受入口７７が形成された光ファイバ７８を使用することができる。また、図９に示すように、光ファイバ１７ａの外側には、撓み部５７を取囲むように、例えば筒状のファイバ固定部材７９が設けられ、ファイバ固定部材７９の先部の同一高さ位置には向かい合って挿通孔８０、８１が形成されている。そして、各光ファイバ７６、７８は、ファイバ固定部材７９の外側部に沿って基側から先側までそれぞれ配設され、挿通孔８０、８１よりファイバ固定部材７９の内側に引き込まれて、光ファイバ７６の光照射口７５、光ファイバ７８の光受入口７７は撓み部５７を間にして向かい合って配置されている。
【００５８】
本発明の第５の実施の形態に係る形状測定装置を使用した形状測定方法は、第１の実施の形態に係る形状測定装置１０を使用した形状測定方法を用いて、先ず、先側領域１４の光反射部１３より基側で撓み検知部１５より先側の撓み部５７の外側に隙間を設けて撓み部７２に向かって光を照射する光照射手段７３を配置し、更に撓み部５７を間にして光照射手段７３に対向して撓み部５７を透過した光を検知する光検知手段７４を配置して、光検知手段７４で検知される光強度の変化から探触子１７が物体１９に当接したか否かを判定することが特徴となっている。このため、光照射手段７３から照射した光検知手段７４で検知して探触子１７と物体１９との当接を検知する方法に関してのみ説明し、探触子１７が物体１９に当接したことが確認された後に行う形状測定装置を使用した形状測定方法は形状測定装置１０の場合と同様なので説明は省略する。
【００５９】
図１０（Ａ）、（Ｂ）に示すように、探触子１７が物体１９に接触していない状態では、光照射手段７３の光照射口７５から撓み部５７に向けて照射された光は撓み部５７を透過し、透過した光の一部は光検知手段７４の光受入口７７から光ファイバ７８内に進入し、光ファイバ７８を通過して受光器で光強度が測定される。なお、光検知手段７４で検知される光の強度は、光ファイバ１６、光照射手段７３、及び光検知手段７４の位置関係で決まり、探触子１７が物体１９に接触していない状態では光ファイバ１６、光照射手段７３、及び光検知手段７４の位置関係は一定に保たれるので、光検知手段７４で検知される光強度は一定となる。
【００６０】
探触子１７が物体１９に接触していない状態から、図１１（Ａ）、（Ｂ）に示すように探触子１７が物体１９に接触する状態になると、物体１９に接触した探触子１７が物体１９から押返されて、光ファイバ１６は撓む。例えば、撓み部５７が光照射口７５から離れるように変位した場合、撓み部５７を透過する光量が増加する。その結果、光受入口７７から入射す透過光が増加することになって光検知手段７４で検知される光の強度が強くなる。逆に、撓み部５７が光照射口７５に接近するように変位した場合、撓み部５７を透過する光量は減少する。このため、光検知手段７４で検知される光の強度の変化を検知することにより、探触子１７が物体１９に接触したことが検知できる。なお、光検知手段７４で検知される光の強度が、探触子１７が物体１９に接触していない状態で検知された光の強度に戻ることから、探触子１７が物体１９から離脱したことが検知できる。
【００６１】
図１２（Ａ）、（Ｂ）に第５の実施の形態に係る形状測定装置の変形例を示す。変形例では、撓み部５７を間にして光照射手段７３に対向させて複数、例えば、２つの光検知手段８２、８３が配置されていることが特徴となっている。ここで、光検知手段８２、８３は、例えば、アバランシェフォトダイオードを検出素子に用いた受光器（図示せず）が基側に接続され、先側に光受入口８４、８５が形成された光ファイバ８６、８７を使用することができる。
【００６２】
従って、図１２（Ａ）に示すように、探触子１７が物体１９に接触していない状態では、光照射手段７３の光照射口７５から光ファイバ１６に向けて照射された光は、光ファイバ１６を透過し光検知手段８２、８３の光受入口８４、８５から光ファイバ８６、８７内に進入し、光ファイバ８６、８７を通過して受光器で光強度が測定される。光検知手段８６、８７で検知される光の強度は、光ファイバ１６、光照射手段７３、及び光検知手段８２、８３の位置関係で決まりる。例えば、光照射口７５の中心線に対して光検知手段８２、８３が対称位置に配置されるようにすると、光照射手段７３の光照射口７５から照射され光ファイバ１６を透過した光は、光検知手段８２、８３の光受入口８４、８５に均等に入射することになる。このため、探触子１７が物体１９に接触していない状態では、光ファイバ１６、光照射手段７３、及び光検知手段８２、８３の位置関係は一定に保たれるので、光検知手段８２、８３で検知される光の強度は同一強度に保たれる。
【００６３】
一方、図１２（Ｂ）に示すように、探触子１７が物体１９に接触して、例えば、光ファイバ１６が光ファイバ８７側に撓んだ場合、光受入口８４と光ファイバ１６との距離より光受入口８５と光ファイバ１６との距離が短くなって、光検知手段８３で検知される光の強度が強くなる。このため、探触子１７が物体１９に接触したことが検知できると共に、探触子１７が物体１９に接触してどの方向に移動したかも検知できる。なお、光検知手段８２、８３で検知される光の強度が、探触子１７が物体１９に接触していない状態で検知された光の強度に戻ることから、探触子１７が物体１９から離脱したことが検知できる。
【００６４】
本発明の第６の実施の形態に係る形状測定装置は、第３の実施の形態の光ファイバセンサ４０の先側領域４６において、光反射部４５より基側で撓み検知部４９より先側の撓み部の側面には光反射層の一例である金蒸着膜が形成され、金蒸着膜の外側には隙間を設けて、金蒸着膜に向かって光を照射する光照射手段が配置され、金蒸着膜で反射された光の検知が可能な高さ位置、例えば、光照射手段と同一高さ位置で光照射手段の両側には第１、第２の光検知手段がそれぞれ設けられていることが特徴となっており、本発明の第４の実施の形態に係る形状測定装置５１において、光ファイバセンサ１７ａの先側領域１４において光反射部１３より基側で撓み検知部１５より先側の撓み部５７の側面には光反射層の一例である金蒸着膜５８が形成され、金蒸着膜５８の外側には隙間を設けて、金蒸着膜５８に向かって光を照射する光照射手段５９が配置され、光照射手段５９と同一高さ位置で光照射手段５９の両側には、金蒸着膜５８で反射された光を検知する第１、第２の光検知手段６０、６１がそれぞれ設けた構成と同様にすることができる。このため、本発明の第６の実施の形態に係る形状測定装置についての説明は省略する。
【００６５】
また、本発明の第６の実施の形態に係る形状測定装置を使用した形状測定方法にいて、探触子４３が物体１９の小孔８の内周面に当接したか否かの判定は、第４の実施の形態に係る形状測定装置５１を使用した形状測定方法において、探触子１７が物体１９に当接したか否かの判定と同様に行うことができ、探触子４３が物体１９に当接したことが確認された後に行う形状測定装置を使用した形状測定方法は形状測定装置１０の場合と同様なので、本発明の第６の実施の形態に係る形状測定装置を使用した形状測定方法についての説明は省略する。
【００６６】
本発明の第７の実施の形態に係る形状測定装置は、第３の実施の形態の光ファイバセンサ４０の先側領域４６において、光反射部４５より基側で撓み検知部４９より先側の撓み部の外側には隙間を設けて撓み部向かって光を照射する光照射手段が配置され、更に撓み部を間にして光照射手段の反対側には撓み部を透過した光を検知する光検知手段が配置されていることが特徴となっており、本発明の第５の実施の形態に係る形状測定装置において、光ファイバセンサ１７ａの先側領域１４において光反射部１３より基側で撓み検知部１５より先側の撓み部５７の外側には隙間を設けて撓み部５７向かって光を照射する光照射手段７３が配置され、更に撓み部５７を間にして光照射手段７３の反対側には撓み部５７を透過した光を検知する光検知手段７４が配置されている構成と同様にすることができる。このため、本発明の第７の実施の形態に係る形状測定装置についての説明は省略する。
【００６７】
また、本発明の第７の実施の形態に係る形状測定装置を使用した形状測定方法にいて、探触子４３が物体１９の小穴１８の内周面に当接したか否かの判定は、第５の実施の形態に係る形状測定装置を使用した形状測定方法において、探触子１７が物体１９に当接したか否かの判定と同様に行うことができ、探触子４３が物体１９に当接したことが確認された後に行う形状測定装置を使用した形状測定方法は形状測定装置１０の場合と同様なので、本発明の第７の実施の形態に係る形状測定装置を使用した形状測定方法についての説明は省略する。
【００６８】
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。
例えば、第１、第３の実施の形態で、光ファイバの先側領域に存在するクラッド部の半周部分に複数の溝を形成することで撓み検知部を構成したが、溝は１本だけ形成することも、溝の代りに１又は２本以上の疵を形成することもできる。また、溝又は疵は、クラッド部の全周に形成するようにしてもよい。更に、クラッド部に複数の溝（疵）を形成する場合、溝（疵）の間隔を変化させてもよい。溝（疵）の間隔を変化させることにより、先側領域の溝（疵）で光が散乱される割合を波長毎に変化させることができ、受光器で検知する反射光の光量を波長毎に変えることができる。
また、第３の実施の形態で、撓み検知部を光ファイバの芯線部に届く１又は２以上の溝によって形成したが、芯線部内に存在する屈折率変化領域によって形成してもよい。
【００６９】
測定対象物を小穴とし小穴の内周面の二次及び三次元形状を求めたが、測定対象物は任意の形状とすることができ、例えば、測定対象物を溝とすると、溝の二次元形状（一定深さ位置での溝幅）及び三次元形状（内側面の深さ方向の凹凸状況）を求めることができ、測定対象物を突起とすると、突起の二次元形状（一定高さ位置での外幅）及び三次元形状（外側面の高さ方向の凹凸状況）を求めることができる。
また、Ｚ方向昇降手段でＸＹテーブルを上下させるようにしたが、Ｚ方向昇降手段で光ファイバセンサ又は光ファイバ又は触針を上下させるようにしてもよい。
【００７０】
第４〜第７の実施の形態では、光検知手段の受光器に使用する検出素子としてアバランシェフォトダイオードを使用したが、光検出に光電子倍増管、フォトダイオード、スペクトルアナライザを使用してもよい。
第４の実施の形態で、光ファイバ１６の先側領域１４において、光反射部１３より基側で撓み検知部１５より先側の撓み部５７の側面に光反射層の一例である金蒸着膜５８を形成し、金蒸着膜５８の外側に隙間を設けて、金蒸着膜５８に向かって光を照射する光照射手段５９を配置すると共に、光照射手段５９と同一高さ位置で光照射手段５９の両側には、金蒸着膜５８で反射された光を検知する第１、第２の光検知手段６０、６１をそれぞれ設けるようにしたが、光ファイバ１６とは別の光ファイバの先端部に探触子を取付け、光ファイバの先側領域の側面に光反射層の一例である金蒸着膜を形成し、金蒸着膜の外側には隙間を設けて、金蒸着膜に向かって光を照射する光照射手段を配置すると共に、
金蒸着膜で反射された光の検知が可能な高さ位置（例えば、光照射手段と同一高さ位置）で光照射手段の両側に第１、第２の光検知手段をそれぞれ設けるようにすることもできる。これにより、光ファイバの先端部に取付けた探触子が物体に接触したか否かのみを検知することができる。
【００７１】
また、第５の実施の形態で、光ファイバ１６の先側領域１４において、光反射部１３より基側で撓み検知部１５より先側の撓み部５７の外側に隙間を設けて撓み部５７に向かって光を照射する光照射手段７３を配置し、更に撓み部５７を間にして光照射手段７３の反対側に撓み部５７を透過した光を検知する光検知手段７４を配置したが、光ファイバ１６とは別の光ファイバの先端部に探触子を取付け、光ファイバの先側領域の外側に先側領域に向かって光を照射する光照射手段を配置し、先側領域を間にして光照射手段の反対側に先側領域を透過した光を検知する光検知手段を配置するようにすることもできる。これにより、光ファイバの先端部に取付けた探触子が物体に接触したか否かのみを検知することができる。
【００７２】
第６の実施の形態で、光ファイバ４１の先側領域４６において、光反射部４５より基側で撓み検知部４９より先側の撓み部の側面に光反射層の一例である金蒸着膜を形成し、金蒸着膜の外側に隙間を設けて、金蒸着膜に向かって光を照射する光照射手段を配置すると共に、光照射手段と同一高さ位置で光照射手段の両側に金蒸着膜で反射された光を検知する第１、第２の光検知手段をそれぞれ設けるようにしたが、光ファイバ４１とは別の光ファイバの先側領域の側面に光反射層の一例である金蒸着膜を形成し、金蒸着膜の外側には隙間を設けて、金蒸着膜に向かって光を照射する光照射手段を配置すると共に、金蒸着膜で反射された光の検知が可能な高さ位置（例えば、光照射手段と同一高さ位置）で光照射手段の両側に第１、第２の光検知手段をそれぞれ設けるようにして、この光ファイバを触針４２に固着することもできる。これにより、触針４２の探触子４３が物体１９に接触したか否かのみを検知することができる。
【００７３】
第７の実施の形態で、光ファイバ４１の先側領域４６において、光反射部４５より基側で撓み検知部４９より先側の撓み部の外側に隙間を設けて撓み部向かって光を照射する光照射手段を配置し、更に撓み部を間にして光照射手段の反対側に撓み部を透過した光を検知する光検知手段を配置したが、光ファイバ４１とは別の光ファイバの先側領域の外側に先側領域に向かって光を照射する光照射手段を配置し、先側領域を間にして光照射手段の反対側に先側領域を透過した光を検知する光検知手段を配置するようにして、この光ファイバを触針４２に固着することもできる。これにより、触針４２の探触子４３が物体１９に接触したか否かのみを検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る形状測定装置のブロック図である。
【図２】同形状測定装置の使用状態を示す部分拡大図である。
【図３】接触時及び非接触時に受光器で測定される反射光の光量変化を示す説明図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る形状測定装置の光ファイバセンサの説明図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係る形状測定装置の使用状態を示す部分拡大図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態に係る形状測定装置の光ファイバセンサの説明図である。
【図７】（Ａ）は非接触時に第１、第２の光検知手段で測定される反射光の光路を示す正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＰ−Ｐ矢視断面図である。
【図８】（Ａ）は接触時に第１、第２の光検知手段で測定される反射光の光路を示す正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＰ’−Ｐ’矢視断面図である。
【図９】本発明の第５の実施の形態に係る形状測定装置の光ファイバセンサの説明図である。
【図１０】（Ａ）は非接触時に光検知手段で測定される透過光の光路を示す正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＱ−Ｑ矢視断面図である。
【図１１】（Ａ）は接触時に光検知手段で測定される透過光の光路を示す正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＱ’−Ｑ’矢視断面図である。
【図１２】変形例に係る形状測定装置において、（Ａ）は非接触時に第１、第２の光検知手段で測定される透過光の光路を示す説明図、（Ｂ）は接触時に第１、第２の光検知手段で測定される透過光の光路を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７５】
１０：形状測定装置、１１：発光器、１２：受光器、１３：光反射部、１４：先側領域、１５：撓み検知部、１６：光ファイバ、１７：探触子、１７ａ：光ファイバセンサ、１８：小穴、１９：物体、２０：ＸＹテーブル、２１：Ｚ方向昇降手段、２２：制御部、２３、２４：光ファイバ、２５：光分岐コネクタ、２６：芯線部、２７：クラッド部、２８：溝、２８ａ：接着剤層、２９：ガイド部材、３０：境界面、３１：テーブル、３２：ＸＹ方向移動手段、３３：開口端、３４：光ファイバセンサ、３５：撓み検知部、３６：光ファイバ、３７：先側領域、３８：屈折率変化領域、４０：光ファイバセンサ、４１：光ファイバ、４２：触針、４３：探触子、４４：接着剤層、４５光反射部、４６：先側領域、４８：溝、４９：撓み検知部、５０：ガイド部材、５１：形状測定装置、５７：撓み部、５８：金蒸着膜、５９：光照射手段、６０：第１の光検知手段、６１：第２の光検知手段、６２：光照射口、６３：光ファイバ、６４、６５：光受入口、６６、６７：光ファイバ、６８：ファイバ固定部材、６９：挿通孔、７３：光照射手段、７４：光検知手段、７５：光照射口、７６：光ファイバ、７７：光受入口、７８：光ファイバ、７９：ファイバ固定部材、８０、８１：挿通孔、８２、８３：光検知手段、８４、８５：光受入口、８６、８７：光ファイバ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部側に発光器及び受光器が設けられ、先端に前記発光器から入射した光を反射する光反射部が設けられて自由状態で垂直配置された先側領域を有し、前記光反射部より基側の前記先側領域に該先側領域の一部の曲げ歪みによって通過光に光量変化を発生させる撓み検知部が形成された光ファイバと、
前記光ファイバの先端部に固着配置された探触子と、
前記探触子が設けられた前記光ファイバの下方に配置され、測定対象物が形成された物体を載せるＸＹテーブルと、
前記探触子が設けられた前記光ファイバの少なくとも前記先側領域に対して前記ＸＹテーブルを相対的に上下するＺ方向昇降手段とを有し、
前記探触子に対して前記ＸＹテーブルに載せた前記物体に形成された前記測定対象物を側方から当接させて前記受光器で受光する光の光量変化を検知し、前記探触子が前記測定対象物に当接した際の該探触子の位置を前記ＸＹテーブルから読み出して、前記測定対象物の二次元形状を測定することを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
請求項１記載の形状測定装置において、前記Ｚ方向昇降手段は前記ＸＹテーブル又は前記光ファイバを昇降するものであり、前記探触子が前記測定対象物に当接した際の該ＸＹテーブル及び前記Ｚ方向昇降手段からの各出力に基づいて、該測定対象物の三次元形状を測定することを特徴とする形状測定装置。
【請求項３】
自由状態で垂直配置され先端部に探触子が設けられた触針と、
基部側に発光器及び受光器が設けられ、先端に前記発光器から入射した光を反射する光反射部が設けられた先側領域を有し、前記触針に固着され該触針とともに撓んで通過光に光量変化を発生させる撓み検知部が形成された光ファイバと、
前記探触子が設けられた前記触針の下方に配置され、測定対象物が形成された物体を載せるＸＹテーブルと、
前記探触子が設けられた前記触針に固着された前記光ファイバの先側領域に対して前記ＸＹテーブルを相対的に上下するＺ方向昇降手段とを有し、
前記探触子に対して前記ＸＹテーブルに載せた前記物体に形成された前記測定対象物を側方から当接させて前記受光器で受光する光の光量変化を検知し、前記探触子が前記測定対象物に当接した際の該探触子の位置を前記ＸＹテーブルから読み出して、前記測定対象物の二次元形状を測定することを特徴とする形状測定装置。
【請求項４】
請求項３記載の形状測定装置において、前記Ｚ方向昇降手段は前記ＸＹテーブル又は前記触針を昇降するものであり、前記探触子が前記測定対象物に当接した際の該ＸＹテーブル及び前記Ｚ方向昇降手段からの各出力に基づいて、該測定対象物の三次元形状を測定することを特徴とする形状測定装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の形状測定装置において、前記光ファイバは芯線部とその周囲のクラッド部とを有し、前記撓み検知部は、該芯線部に届く１又は２以上の溝又は疵によって形成されていることを特徴とする形状測定装置。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の形状測定装置において、前記光ファイバは芯線部とその周囲のクラッド部とを有し、前記撓み検知部は、該芯線部内に存在する屈折率変化領域によって形成されていることを特徴とする形状測定装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の形状測定装置において、前記測定対象物は内側寸法が０．５ｍｍ以下の小穴であることを特徴とする形状測定装置。
【請求項８】
基部側に発光器及び受光器が設けられ、先端に前記発光器から入射した光を反射する光反射部が設けられて自由状態で垂直配置された先側領域を有し、前記光反射部より基側の前記先側領域に該先側領域の一部の曲げ歪みによって通過光に光量変化を発生させる撓み検知部が形成された光ファイバと、該光ファイバの先端部に固着配置された探触子とを有する光ファイバセンサを、前記探触子を下端にして垂直配置し、
前記探触子の下方に配置されたＸＹテーブルに測定対象物が形成された物体を載置して、前記探触子を前記測定対象物に側方から当接可能な位置に配置し、前記ＸＹテーブルを移動させることによって、前記測定対象物と前記探触子とを接触させて、前記受光器で受光する光の光量変化が発生したときの前記ＸＹテーブルの出力から前記測定対象物の二次元形状を測定することを特徴とする形状測定方法。
【請求項９】
自由状態で垂直配置され先端部に探触子が設けられた触針と、該触針に固着され、基部側に発光器及び受光器が設けられ、先端に前記発光器から入射した光を反射する光反射部が設けられた先側領域を有し、前記触針とともに撓んで通過光に光量変化を発生させる撓み検知部が形成された光ファイバとを有する光ファイバセンサを前記探触子を下端にして垂直配置し、
前記探触子の下方に配置されたＸＹテーブルに測定対象物が形成された物体を載置して、前記探触子を前記測定対象物に側方から当接可能な位置に配置し、前記ＸＹテーブルを移動させることによって、前記測定対象物と前記探触子とを接触させて、前記受光器で受光する光の光量変化が発生したときの前記ＸＹテーブルの出力から前記測定対象物の二次元形状を測定することを特徴とする形状測定方法。
【請求項１０】
請求項８及び９のいずれか１項に記載の形状測定方法において、前記測定対象物は内側寸法が０．５ｍｍ以下の小穴であることを特徴とする形状測定方法。
【請求項１１】
請求項８〜１０のいずれか１項に記載の形状測定方法において、前記ＸＹテーブル又は前記光ファイバセンサを垂直に上下させるＺ方向昇降手段を備え、前記探触子が前記測定対象物に当接した際の前記ＸＹテーブルからの出力及び前記Ｚ方向昇降手段からの出力から前記測定対象物の三次元形状を測定することを特徴とする形状測定方法。
【請求項１２】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の形状測定装置において、前記先側領域の前記光反射部より基側で前記撓み検知部より先側の撓み部の側面には光反射層が形成され、該光反射層の外側には隙間を設けて該光反射層に向かって光を照射する光照射手段が配置され、該光反射層で反射された光の検知が可能な高さ位置で該光照射手段の両側には第１、第２の光検知手段がそれぞれ設けられていることを特徴とする形状測定装置。
【請求項１３】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の形状測定装置において、前記先側領域の前記光反射部より基側で前記撓み検知部より先側の撓み部の外側には隙間を設けて該撓み部に向かって光を照射する光照射手段が配置され、更に該撓み部を間にして該光照射手段の反対側には該撓み部を透過した光を検知する光検知手段が配置されていることを特徴とする形状測定装置。
【請求項１４】
請求項１３記載の形状測定装置において、前記光検知手段は１又は２以上設けられていることを特徴とする形状測定装置。
【請求項１５】
請求項８〜１１のいずれか１項に記載の形状測定方法において、前記先側領域の前記光反射部より基側で前記撓み検知部より先側の撓み部の側面に光反射層を形成し、該光反射層の外側に隙間を設けて配置した光照射手段から光を該光反射層に照射し該光反射層で反射した光を該光の検知が可能な高さ位置で該光照射手段の両側に配置した第１、第２の光検知手段でそれぞれ検知して、該第１、第２の光検知手段で検知された光強度差から前記探触子と前記測定対象物との当接を検知することを特徴とする形状測定方法。
【請求項１６】
請求項８〜１１のいずれか１項に記載の形状測定方法において、前記先側領域の前記光反射部より基側で前記撓み検知部より先側の撓み部の外側に隙間を設けて該撓み部に向かって光を照射する光照射手段を配置し、更に該撓み部を間にして該光照射手段に対向して該撓み部を透過した光を検知する光検知手段を配置して、該光検知手段で検知される光強度の変化から前記探触子と前記測定対象物との当接を検知することを特徴とする形状測定方法。
【請求項１】
基部側に発光器及び受光器が設けられ、先端に前記発光器から入射した光を反射する光反射部が設けられて自由状態で垂直配置された先側領域を有し、前記光反射部より基側の前記先側領域に該先側領域の一部の曲げ歪みによって通過光に光量変化を発生させる撓み検知部が形成された光ファイバと、
前記光ファイバの先端部に固着配置された探触子と、
前記探触子が設けられた前記光ファイバの下方に配置され、測定対象物が形成された物体を載せるＸＹテーブルと、
前記探触子が設けられた前記光ファイバの少なくとも前記先側領域に対して前記ＸＹテーブルを相対的に上下するＺ方向昇降手段とを有し、
前記探触子に対して前記ＸＹテーブルに載せた前記物体に形成された前記測定対象物を側方から当接させて前記受光器で受光する光の光量変化を検知し、前記探触子が前記測定対象物に当接した際の該探触子の位置を前記ＸＹテーブルから読み出して、前記測定対象物の二次元形状を測定することを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
請求項１記載の形状測定装置において、前記Ｚ方向昇降手段は前記ＸＹテーブル又は前記光ファイバを昇降するものであり、前記探触子が前記測定対象物に当接した際の該ＸＹテーブル及び前記Ｚ方向昇降手段からの各出力に基づいて、該測定対象物の三次元形状を測定することを特徴とする形状測定装置。
【請求項３】
自由状態で垂直配置され先端部に探触子が設けられた触針と、
基部側に発光器及び受光器が設けられ、先端に前記発光器から入射した光を反射する光反射部が設けられた先側領域を有し、前記触針に固着され該触針とともに撓んで通過光に光量変化を発生させる撓み検知部が形成された光ファイバと、
前記探触子が設けられた前記触針の下方に配置され、測定対象物が形成された物体を載せるＸＹテーブルと、
前記探触子が設けられた前記触針に固着された前記光ファイバの先側領域に対して前記ＸＹテーブルを相対的に上下するＺ方向昇降手段とを有し、
前記探触子に対して前記ＸＹテーブルに載せた前記物体に形成された前記測定対象物を側方から当接させて前記受光器で受光する光の光量変化を検知し、前記探触子が前記測定対象物に当接した際の該探触子の位置を前記ＸＹテーブルから読み出して、前記測定対象物の二次元形状を測定することを特徴とする形状測定装置。
【請求項４】
請求項３記載の形状測定装置において、前記Ｚ方向昇降手段は前記ＸＹテーブル又は前記触針を昇降するものであり、前記探触子が前記測定対象物に当接した際の該ＸＹテーブル及び前記Ｚ方向昇降手段からの各出力に基づいて、該測定対象物の三次元形状を測定することを特徴とする形状測定装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の形状測定装置において、前記光ファイバは芯線部とその周囲のクラッド部とを有し、前記撓み検知部は、該芯線部に届く１又は２以上の溝又は疵によって形成されていることを特徴とする形状測定装置。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の形状測定装置において、前記光ファイバは芯線部とその周囲のクラッド部とを有し、前記撓み検知部は、該芯線部内に存在する屈折率変化領域によって形成されていることを特徴とする形状測定装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の形状測定装置において、前記測定対象物は内側寸法が０．５ｍｍ以下の小穴であることを特徴とする形状測定装置。
【請求項８】
基部側に発光器及び受光器が設けられ、先端に前記発光器から入射した光を反射する光反射部が設けられて自由状態で垂直配置された先側領域を有し、前記光反射部より基側の前記先側領域に該先側領域の一部の曲げ歪みによって通過光に光量変化を発生させる撓み検知部が形成された光ファイバと、該光ファイバの先端部に固着配置された探触子とを有する光ファイバセンサを、前記探触子を下端にして垂直配置し、
前記探触子の下方に配置されたＸＹテーブルに測定対象物が形成された物体を載置して、前記探触子を前記測定対象物に側方から当接可能な位置に配置し、前記ＸＹテーブルを移動させることによって、前記測定対象物と前記探触子とを接触させて、前記受光器で受光する光の光量変化が発生したときの前記ＸＹテーブルの出力から前記測定対象物の二次元形状を測定することを特徴とする形状測定方法。
【請求項９】
自由状態で垂直配置され先端部に探触子が設けられた触針と、該触針に固着され、基部側に発光器及び受光器が設けられ、先端に前記発光器から入射した光を反射する光反射部が設けられた先側領域を有し、前記触針とともに撓んで通過光に光量変化を発生させる撓み検知部が形成された光ファイバとを有する光ファイバセンサを前記探触子を下端にして垂直配置し、
前記探触子の下方に配置されたＸＹテーブルに測定対象物が形成された物体を載置して、前記探触子を前記測定対象物に側方から当接可能な位置に配置し、前記ＸＹテーブルを移動させることによって、前記測定対象物と前記探触子とを接触させて、前記受光器で受光する光の光量変化が発生したときの前記ＸＹテーブルの出力から前記測定対象物の二次元形状を測定することを特徴とする形状測定方法。
【請求項１０】
請求項８及び９のいずれか１項に記載の形状測定方法において、前記測定対象物は内側寸法が０．５ｍｍ以下の小穴であることを特徴とする形状測定方法。
【請求項１１】
請求項８〜１０のいずれか１項に記載の形状測定方法において、前記ＸＹテーブル又は前記光ファイバセンサを垂直に上下させるＺ方向昇降手段を備え、前記探触子が前記測定対象物に当接した際の前記ＸＹテーブルからの出力及び前記Ｚ方向昇降手段からの出力から前記測定対象物の三次元形状を測定することを特徴とする形状測定方法。
【請求項１２】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の形状測定装置において、前記先側領域の前記光反射部より基側で前記撓み検知部より先側の撓み部の側面には光反射層が形成され、該光反射層の外側には隙間を設けて該光反射層に向かって光を照射する光照射手段が配置され、該光反射層で反射された光の検知が可能な高さ位置で該光照射手段の両側には第１、第２の光検知手段がそれぞれ設けられていることを特徴とする形状測定装置。
【請求項１３】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の形状測定装置において、前記先側領域の前記光反射部より基側で前記撓み検知部より先側の撓み部の外側には隙間を設けて該撓み部に向かって光を照射する光照射手段が配置され、更に該撓み部を間にして該光照射手段の反対側には該撓み部を透過した光を検知する光検知手段が配置されていることを特徴とする形状測定装置。
【請求項１４】
請求項１３記載の形状測定装置において、前記光検知手段は１又は２以上設けられていることを特徴とする形状測定装置。
【請求項１５】
請求項８〜１１のいずれか１項に記載の形状測定方法において、前記先側領域の前記光反射部より基側で前記撓み検知部より先側の撓み部の側面に光反射層を形成し、該光反射層の外側に隙間を設けて配置した光照射手段から光を該光反射層に照射し該光反射層で反射した光を該光の検知が可能な高さ位置で該光照射手段の両側に配置した第１、第２の光検知手段でそれぞれ検知して、該第１、第２の光検知手段で検知された光強度差から前記探触子と前記測定対象物との当接を検知することを特徴とする形状測定方法。
【請求項１６】
請求項８〜１１のいずれか１項に記載の形状測定方法において、前記先側領域の前記光反射部より基側で前記撓み検知部より先側の撓み部の外側に隙間を設けて該撓み部に向かって光を照射する光照射手段を配置し、更に該撓み部を間にして該光照射手段に対向して該撓み部を透過した光を検知する光検知手段を配置して、該光検知手段で検知される光強度の変化から前記探触子と前記測定対象物との当接を検知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９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００８−１２２３７０（Ｐ２００８−１２２３７０Ａ）
【公開日】平成２０年５月２９日（２００８．５．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２６９００５（Ｐ２００７−２６９００５）
【出願日】平成１９年１０月１６日（２００７．１０．１６）
【出願人】（５９１０６５５４９）福岡県 (121)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年５月２９日（２００８．５．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月１６日（２００７．１０．１６）
【出願人】（５９１０６５５４９）福岡県 (121)
【Ｆターム（参考）】
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