(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料表面の表面粗さを測定する表面粗さ測定装置であって、
前記材料表面に接触する触針を有するスタイラスと、
前記触針が前記材料表面上を接触しながら移動して該触針が前記材料表面の表面粗さの凹凸に従って上下動するように、前記スタイラスを前記材料表面に対して並行に走査するキャリッジと、
前記スタイラスに設けられ、前記触針の前記上下動に応じて上下動する光反射部材であって、該上下動の方向に湾曲した反射面を有する光反射部材と、
第１端面を有する第１端部、及び前記第１端面とは反対側の第２端面を有する第２端部を有し、前記第１端面が前記光反射部材の前記反射面に面するように前記第１端部が前記キャリッジに固定された細長い導光部材であって、前記第２端面から入射された光を前記第１端面まで導き該第１端面から出射して前記反射面に照射し、前記反射面で反射して前記第１端面に入射する反射光を前記第２端面まで導く導光部材と、
を備え、
前記材料表面が孔の内周面であり、前記キャリッジが前記孔内に挿入されて前記内周面上を摺動するようにされ、
前記導光部材は、前記内周面の測定中に前記第２端面が前記孔の外に位置するのに十分な長さを有する光ファイバーであり、
前記光ファイバーの前記第２端面に入射する光の光源と、前記光反射部で反射して戻ってきて前記第２端面から出射される反射光の光強度を検出する受光素子と、を有する制御部をさらに備えており、該制御部は前記キャリッジから離れて前記孔の外側に配置されるようになっている、
表面粗さ測定装置。
【請求項２】
前記キャリッジの前後方向に間隔をあけて設けられた複数のスキッドであって、前記材料表面に接触して当該キャリッジの該材料表面に対する姿勢を規定する複数のスキッドを有する姿勢保持装置を備える請求項１に記載の表面粗さ測定装置。
【請求項３】
前記姿勢保持装置が、前記キャリッジの周囲に設けられた弾性保持部材をさらに有し、該弾性保持部材が、前記内周面と弾性係合しながら前記キャリッジの軸線方向での移動に伴って前記内周面上を摺動して、前記複数のスキッドとともに前記内周面に対する当該キャリッジの姿勢を保持するようにされている、請求項２に記載の表面粗さ測定装置。
【請求項４】
前記弾性保持部材がバネ部材であり、該バネ部材は、前記キャリッジと前記内周面との間で付勢され、それによって前記複数のスキッドが前記内周面に押し付けられるように、前記キャリッジに配置されている、請求項３に記載の表面粗さ測定装置。
【請求項５】
前記スタイラスは、前記キャリッジに枢着されて該キャリッジから当該表面粗さ測定装置の前方に向かって延びる細長い支持部材を有し、前記触針が該支持部材の前端部分に設けられている請求項１乃至４のいずれか一項に記載の表面粗さ測定装置。
【請求項６】
前記スタイラスの前記支持部材と前記キャリッジのどちらか一方がＶ字状の溝を有し、他方が尖端縁をもつ突起部を有しており、
前記スタイラスの前記枢着が、前記尖端縁と前記Ｖ字状の溝とが枢動可能に係合することによりなされる、請求項５に記載の表面粗さ測定装置。
【請求項７】
前記スタイラスの前記支持部材は前記キャリッジに弾性部材を介して保持されており、前記スタイラスの前記枢着が前記弾性部材の弾性変形によりなされる、請求項５に記載の表面粗さ測定装置。
【請求項８】
前記スタイラスは第１端部と第２端部を有する細長い支持部材を有し、該支持部材は前記第１及び第２端部において前記キャリッジに弾性部材を介して保持されており、該弾性部材が弾性変形することで前記触針が前記上下方向に略直線状に動くようになされる、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の表面粗さ測定装置。
【請求項９】
前記複数のスキッドが前記触針を間に挟んで前記キャリッジの前後方向に間隔をあけて配置されている、請求項２乃至４のいずれか一項に記載の表面粗さ測定装置。
【請求項１０】
前記スタイラスは前記支持部材に配置された荷重調整機構を備えており、該荷重調整機構は前記触針の前記材料表面に対する荷重を調整するとともに、非測定時には前記触針を前記材料表面から離間させることができるようになされている、請求項５乃至８のいずれか一項に記載の表面粗さ測定装置。
【請求項１１】
前記光反射部材がシリンドリカルミラーである、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の表面粗さ測定装置。
【請求項１２】
前記キャリッジが、内孔を有し外径が１ｍｍ以下の細管であり、
前記スタイラスが、該スタイラスの少なくとも一部が前記内孔の中に位置し前記触針が該細管の前端面から突き出た位置となるように配置されている、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の表面粗さ測定装置。
【請求項１３】
前記キャリッジに取り付けられ、前記内周面の表面粗さの測定中に前記孔の外にまで延在するのに十分な長さを有する細長い剛性部材をさらに備え、該細長い剛性部材を押し引きすることによって、前記孔内に設定された前記キャリッジを前後方向に駆動するようになされている、請求項３又は４に記載の表面粗さ測定装置。
【請求項１４】
前記キャリッジは超音波振動素子をさらに有しており、該超音波振動素子の超音波振動によって前記キャリッジを前記内周面に沿って前後方向に駆動するようになされている、請求項３又は４に記載の表面粗さ測定装置。
【請求項１５】
前記キャリッジは磁石をさらに有しており、前記孔の外側から印加される磁界によって前記キャリッジを前記内周面に沿って前後方向に駆動するようになされている、請求項３又は４に記載の表面粗さ測定装置。
【請求項１６】
材料表面の表面粗さを測定する表面粗さ測定装置であって、
前記材料表面に接触する触針を有するスタイラスと、
前記触針が前記材料表面上を接触しながら移動して該触針が前記材料表面の表面粗さの凹凸に従って上下動するように、前記スタイラスを前記材料表面に対して並行に走査するキャリッジと、
前記スタイラスに設けられ、前記触針の前記上下動に応じて上下動する光反射部材であって、該上下動の方向に湾曲した反射面を有する光反射部材と、
第１端面を有する第１端部、及び前記第１端面とは反対側の第２端面を有する第２端部を有し、前記第１端面が前記光反射部材の前記反射面に面するように前記第１端部が前記キャリッジに固定された細長い導光部材であって、前記第２端面から入射された光を前記第１端面まで導き該第１端面から出射して前記反射面に照射し、前記反射面で反射して前記第１端面に入射する反射光を前記第２端面まで導く導光部材と、
を備え、
前記キャリッジが、内孔を有し、外径が１ｍｍ以下である細管であり、
前記スタイラスが、該スタイラスの少なくとも一部が前記内孔の中に位置し前記触針が該細管の前端面から突き出た位置となるように配置されている、表面粗さ測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触針式の表面粗さ測定装置に関する。より具体的には、触針周辺の測定部を小型化して狭い領域内の表面粗さを測定することを可能とする表面粗さ測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被測定物の表面粗さを測定する装置として、スタイラスを測定表面に沿って走査し、表面の凹凸に伴うスタイラスの上下動を検知して表面粗さを測定する表面粗さ測定装置が従来から知られている。すなわち表面粗さ測定装置は、スタイラスと、該スタイラスを支持する装置本体とを備えており、スタイラスを装置本体に対して測定方向に移動させることにより、該スタイラスが測定表面の凹凸に従って上下動するのを電気信号に変換して、それに基づき測定を行うようになっている。この場合、スタイラスの上下動を電気変換するのは、スタイラスとともに移動して、スタイラスの上下動を直接電気信号に変換する差動トランスなどの検知装置であるために、測定表面に沿って動かされるスタイラス及び差動トランスからなる測定部のサイズは比較的大きなものとなり、従って狭い部分での表面粗さ測定は困難となる。（特許文献１）
【０００３】
近年、自動車などのエンジンの燃料噴射部や医療用カテーテルなどの細長い管状部材の内周面の表面粗さを測定するニーズが高まっている。上述のような従来の表面粗さ測定装置でこのような細管の内周面の表面粗さを測定する場合、スタイラスの先端が届く細管の入口から数ｍｍから数ｃｍの範囲でしか測定ができず、細管の奥まで測定するためには細管を軸線方向に切断して破壊検査をするしかなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３１０５２９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明は、細管内部などの狭い部分の奥深くにまでスタイラスを挿入することができるように小型化が可能な測定部を備えた表面粗さ測定装置を提供することを目的とする。また、細管内での表面粗さの測定を安定して行うことができる構成を有する表面粗さ測定装置を提供することも一つの目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
すなわち本発明は、
材料表面の表面粗さを測定する表面粗さ測定装置であって、
前記材料表面に接触する触針を有するスタイラスと、
前記触針が前記材料表面上を接触しながら移動して該触針が前記材料表面の表面粗さの凹凸に従って上下動するように、前記スタイラスを前記材料表面に対して並行に走査するキャリッジと、
前記スタイラスに設けられ、前記触針の前記上下動に応じて上下動する光反射部材であって、該上下動の方向に湾曲した反射面を有する光反射部材と、
第１端面を有する第１端部、及び前記第１端面とは反対側の第２端面を有する第２端部を有し、前記第１端面が前記光反射部材の前記反射面に面するように前記第１端部が前記キャリッジに固定された細長い導光部材であって、前記第２端面から入射された光を前記第１端面まで導き該第１端面から出射して前記反射面に照射し、前記反射面で反射して前記第１端面に入射する反射光を前記第２端面まで導く導光部材と、
を備える表面粗さ測定装置を提供する。
【０００７】
この装置は、測定表面の凹凸に伴うスタイラスの上下動を光反射部材で反射した光の光量の変化によって検出するものであり、反射光はキャリッジに取り付けられた細長い導光部材により、所要の検出装置まで送ることがでるようにしてある。従って、測定表面上を移動するスタイラス及び該スタイラスを支持するキャリッジからなる測定部は、前述の従来装置の測定部に較べて大幅に小型化することができ、当該測定部を上述のような細管などの狭い場所の奥にまで送って表面粗さの測定を行うことできる。また、光反射部材の反射面がスタイラスの上下動方向で湾曲した曲面であるので、スタイラスの僅かな上下動でも反射方向が大きく変化して受光される反射光の光量が大きく変わるので、測定感度を向上させることもできる。
【０００８】
また、前記キャリッジは、前記材料表面上を摺動するようにされているようにすることができる。
【０００９】
スタイラスを支持するキャリッジを材料表面上で摺動することで、測定表面の大きなうねりや測定装置又は測定材料の振動などに対してスタイラスとキャリッジが共に移動するので、そのような変動をスタイラスの上下動から相殺することができるようになる。つまり、外乱の影響を小さくしてより正確な表面粗さの測定ができるようになる。
【００１０】
また、前記キャリッジの前後方向に間隔をあけて設けられ、前記材料表面に接触して当該キャリッジの該材料表面に対する姿勢を規定する複数のスキッドを有する姿勢保持装置を備えるようにすることができる。
【００１１】
複数のスキッドが材料表面に接触するようにすることで、キャリッジを直接材料表面に接触させる場合に比べてさらにキャリッジの測定表面に対する安定性を向上させることができる。
【００１２】
具体的には、前記スタイラスは、前記キャリッジに枢着されて該キャリッジから当該表面粗さ測定装置の前方に向かって延びる細長い支持部材を有し、前記触針が該支持部材の前端部分に設けられているようにすることができる。
【００１３】
さらに、
前記測定表面が孔の内周面であり、
当該表面粗さ測定装置は、前記キャリッジ及び前記スタイラスを前記孔の中に設定して該孔の軸線方向に動かすことによって、該軸線方向での該孔の内周面の表面粗さを測定する装置とされ、
前記姿勢保持装置が、前記キャリッジの周囲に設けられた弾性保持部材であって、前記内周面と弾性係合しながら前記キャリッジの軸線方向での移動に伴って前記内周面上を摺動して、前記複数のスキッドとともに前記内周面に対する当該キャリッジの姿勢を保持する弾性保持部材をさらに有するようにすることができる。
【００１４】
具体的には、前記弾性保持部材がバネ部材であり、該バネ部材は、前記キャリッジと前記内周面との間で付勢され、それによって前記複数のスキッドが前記内周面に押し付けられるように、前記キャリッジに配置されているようにすることができる。
【００１５】
当該装置は細管などの孔の内周面の表面粗さを測定することができ、その場合に孔の内周面と弾性係合する弾性保持部材を備えることで、孔の大きさのある程度の変化に影響されること無く当該装置の姿勢を内周面内で安定的に保持することが可能となる。また、内周面内で保持されるので、スキッドを内周面の側面や上面に接触させた状態で、内周面の側面や上面の表面粗さを測定することもできるようになる。
【００１６】
好ましくは、前記導光部材は、前記内周面の測定中に前記第２端面が前記孔の外に位置するのに十分な長さを有する光ファイバーであり、
前記光ファイバーの前記第２端面に入射する光の光源と、前記光反射部で反射して戻ってきて前記第２端面から出射される反射光の光強度を検出する受光素子と、を有する制御部をさらに備えており、該制御部は前記キャリッジから離れて前記孔の外側に配置されるようにすることができる。
【００１７】
導光部材として光ファイバーを用いることで、その長さを容易に長くすることができる。また、光ファイバーは柔軟性を有するので、測定部の位置を制御部に近い位置から遠い位置にまで比較的に自由に変えることができるようになる。それによって、比較的に小さく構成することが可能な測定部だけを孔内に挿入することが可能となり、孔の奥深くの内周面の表面粗さの測定を行うことができるようになる。
【００１８】
前記スタイラスは、前記キャリッジに枢着されて該キャリッジから当該表面粗さ測定装置の前方に向かって延びる細長い支持部材を有し、前記触針が該支持部材の前端部分に設けられているようにすることができる。
【００１９】
より具体的には、前記スタイラスの前記支持部材と前記キャリッジのどちらか一方がＶ字状の溝を有し、他方が尖端縁をもつ突起部を有しており、前記スタイラスの前記枢着が、前記尖端縁と前記Ｖ字状の溝とが枢動可能に係合することによりなされるようにすることができる。
【００２０】
このような構成とすることで、スタイラスの触針の測定表面に対する追従性を向上させることができる。
【００２１】
また、前記スタイラスの前記支持部材は前記キャリッジに弾性部材を介して保持されており、前記スタイラスの前記枢着が前記弾性部材の弾性変形によりなされるようにすることができる。
【００２２】
さらにまた、前記スタイラスは第１端部と第２端部を有する細長い支持部材を有し、該支持部材は前記第１及び第２端部において前記キャリッジに弾性部材を介して保持されており、該弾性部材が弾性変形することで前記触針が前記上下方向に略直線状に動くようになされるようにすることができる。
【００２３】
スタイラスが第１端部と第２端部の２箇所で保持されることで、振動等の外乱に対する安定性が増すとともに、触針の円弧状の動きを抑制できるため、より正確な測定が可能となる。
【００２４】
さらにまた、前記複数のスキッドが前記触針を間に挟んで前記キャリッジの前後方向に間隔をあけて配置されているようにすることができる。
【００２５】
スキッドのこのような配置によりキャリッジの安定性が向上するので、測定の安定性をさらに向上させることが可能となる。
【００２６】
好ましくは、前記スタイラスは前記支持部材に配置された荷重調整機構を備えており、該荷重調整機構は前記触針の前記材料表面に対する荷重を調整するとともに、非測定時には前記触針を前記材料表面から離間させることができるようにすることができる。
【００２７】
触針の荷重を調整できるようにすることで、材料表面の損傷を最小限にとどめることができるようになる。また、非測定時には触針を材料表面に接触させないようにすることで、触針の損傷を抑えることもできるようになる。
【００２８】
具体的には、前記光反射部材がシリンドリカルミラーであるようにすることができる。
【００２９】
さらに具体的には、
前記キャリッジが、内孔を有し外径が１ｍｍ以下の細管であり、
前記スタイラスが、該スタイラスの少なくとも一部が前記内孔の中に位置し前記触針が該細管の前端面から突き出た位置となるように配置されているようにすることができる。
【００３０】
このような構成によりスタイラス及びキャリッジを含む測定部をより小さくすることができるので、より小さな孔の内周面の表面粗さ測定が可能となる。
【００３１】
またさらに、前記キャリッジに取り付けられ、前記内周面の表面粗さの測定中に前記孔の外にまで延在するのに十分な長さを有する細長い剛性部材をさらに備え、該細長い剛性部材を押し引きすることによって、前記孔内に設定された前記キャリッジを前後方向に駆動するようにすることができる。
【００３２】
また、前記キャリッジは超音波振動素子をさらに有しており、該超音波振動素子の超音波振動によって前記キャリッジを前記内周面に沿って前後方向に駆動するようにすることもできる。
【００３３】
さらに、前記キャリッジは磁石をさらに有しており、前記孔の外側から印加される磁界によって前記キャリッジを前記内周面に沿って前後方向に駆動するようにすることもできる。
【００３４】
キャリッジを孔の外側から前後方向に駆動するこれらの機構を備えていることで、キャリッジの駆動が容易になると共に、キャリッジの移動距離をより正確に制御することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る表面粗さ測定装置の全体を示す図である。
【図２】制御部の概略図である。
【図３】反射面の上下動による反射光の変化を示す第１の図である。
【図４】反射面の上下動による反射光の変化を示す第２の図である。
【図５】反射面の上下動による反射光の変化を示す第３の図である。
【図６】試験片の表面粗さを測定した結果を示すグラフである。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る表面粗さ測定装置の測定部の側面断面図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る表面粗さ測定装置の測定部の正面図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る表面粗さ測定装置の測定部の側面図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係る表面粗さ測定装置の測定部の側面図である。
【図１１】本発明の第５の実施形態に係る表面粗さ測定装置の測定部の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
本願発明の第１の実施形態に係る表面粗さ測定装置１０は、図１に示すように測定部１００と制御部２００とに分れている。測定部１００は全体的に円筒状とされたキャリッジ１１０と、該キャリッジに支持されたスタイラス１２０とを有する。キャリッジ１１０の内周面底部には、尖端縁１１４を有する突起部１１２が設けられている。スタイラス１２０は、この突起部１１２に係合支持されるＶ字状の溝１１４を有し、キャリッジの長手軸線方向で延びる細長い支持部材１２２と、この支持部材１２２の前端部分１２６に設けられた触針１２８とを備えている。スタイラス１２０のＶ字状の溝１１４は、キャリッジ１１０の突起部１１２の尖端縁１１４よりも大きな開き角を有しており、尖端縁１１４と溝の頂部とが係合することにより、スタイラス１２０がキャリッジ１１０に対して枢動可能とされ、触針１２８が測定表面９０の凹凸に応じて上下動できるようにされている。なお、スタイラスの枢動可能な支持は、キャリッジ側に設けたＶ字状の溝にスタイラス側に設けた突起部を係合するなど、他の態様でなされるようにしてもよい。
【００３７】
スタイラス１２０には光反射部材１３０としてのシリンドリカルミラー１３０が設けられており、このシリンドリカルミラー１３０は触針１２８の上下動に応じて上下動するように、触針１２８の近くに配置されている。また、当該表面粗さ測定装置１０は、導光部材１４０としての光ファイバー１４０を備えており、この光ファイバー１４０はその第１端部１４４がキャリッジ１１０に固定されており、その端面である第１端面１４２がシリンドリカルミラー１３０の反射面１３２に面するようにされている。第１端面１４２の反対側にある第２端面１４６を有する当該光ファイバー１４０の第２端部１４８は後に詳しく説明する制御部２００まで伸長している。
【００３８】
キャリッジ１１０は、その外周面下部に、キャリッジ１１０の前後方向で間隔を空けた位置に複数のスキッド１５０を備えており、これらのスキッド１５０が測定表面９０に接触してキャリッジ１１０を支持するようになっている。本実施形態では、キャリッジの前端及び後端付近にそれぞれ、周方向で間隔をあけて設けられた一対のスキッドが設けられている（図８参照）。スキッド１５０の測定表面９０との接触面は、測定する表面粗さの凹凸に比べて十分に大きな曲率をもっており、これによってスキッド１５０を測定表面９０上で摺動させたときに、キャリッジ１１０が細かい表面粗さの凹凸の影響を受けることなく測定面のうねりや曲がりに対しては追従するように測定表面９０に対して並行に移動するようになる。スタイラス１２０全体もキャリッジ１１０と一緒に移動するので、測定表面９０に接触している触針１２８が測定表面９０上を走査して、主として測定表面９０の表面粗さの凹凸にのみ追従してキャリッジ１１０に対する上下動をするようになる。このとき、スタイラス１２０に設けられたシリンドリカルミラー１３０も上下動する。なお、スキッド１５０の配置及び数は、測定対象となる表面の形状に合わせて適宜変更されるものである。
【００３９】
表面粗さ測定装置１０の制御部２００には、第１、第２及び第３ポート２１１、２１２、２１３を有する光サーキュレータ２１０が備えられている。この光サーキュレータ２１０は、第１ポート２１１から第２ポート２１２に進む光、第２ポート２１２から第３ポート２１３に進む光、及び第３ポート２１３から第１ポート２１１に進む光は低損失で伝送され、それ以外の方向に進む光は高損失で伝送されるようになっている。つまり、上述の方向には光が伝送されるが、それ以外の方向にはほとんど伝送されないようになっている。光ファイバー１４０の第２端面１４６は、光サーキュレータ２１０の第２ポート２１２に接続されている。第１ポート２１１には光源としてのレーザーダイオード２２０が接続されており、レーザーダイオードドライバ２３０で制御されたレーザーダイオード２２０からのレーザー光は、光サーキュレータ２１０を介して光ファイバー１４０の第２端面１４６から光ファイバー１４０内に入射し、第１端面１４２から出射する。光ファイバー１４０の第１端面１４２は、図３に示すように、出射される光がシリンドリカルミラー１３０の反射面１３２に集光するようなレンズ面となっている。レンズ面を形成するために、第１端面１４２をレンズ形状に加工してもよいし、別のマイクロレンズを第１端面１４２に固定するようにしてもよい。
【００４０】
本発明の触針１２８の上下動の検出原理について図３−５を参照して説明する。図３は、光ファイバー１４０の第１端面１４２の正面にシリンドリカルミラー１３０の円弧状の反射面１３２の頂部が位置している状態である。このとき、反射面１３２上に集光している照射光１３４が当る位置の反射面１３２は第１端部１４４に対してほぼ平行であるので、反射面１３２で反射した反射光１３６のほとんどが光ファイバー１４０の第１端面１４２に再び戻り、光ファイバー１４０内に導かれる。次に触針１２８が表面粗さの凹凸に従って下がると、それに伴ってシリンドリカルミラー１３０の反射面１３２も下がり、図４の状態となる。このときには、シリンドリカルミラー１３０の頂部は光ファイバー１４０の第１端面１４２の正面からわずかにずれているため、照射光１３４が集光する位置の反射面１３２は光ファイバー１４０の第１端面１４２に対してある傾きをもつ。そのために、照射光１３４は全体に図で見て上側の領域に向かって反射することになる。そうなると、反射光１３６の一部が第１端面１４２から外れたところに進むことになるため、第１端面１４２に戻ってくる光量が図３の状態に比べて少なくなる。さらに触針１２８及びシリンドリカルミラー１３０が下がって図５のような状態となると、反射光１３６はさらに上側に向かって反射することになり、光ファイバー１４０の第１端面１４２に入射される反射光１３６の光量はさらに少なくなる。このように、触針１２８の上下動に伴ってシリンドリカルミラー１３０が光ファイバー１４０に対して上下動することで、光ファイバー１４０の第１端面１４２からの照射光１３４が照射される位置の反射面１３２の傾斜角度が変化し、照射光１３４が反射される方向が変化する。そうすると、光ファイバー１４０の第１端面１４２に再び戻って光ファイバー１４０内に入射する光量が変化することになる。このように反射面１３２が上下動の方向で曲がっているような曲面であるため、僅かな上下動に対して大きな光量変化をおこすことができるため、高感度な測定が実現できる。なお、本実施形態では、円弧状の曲面をもつシリンドリカルミラー１３０を用いているが、放物線などの円弧以外の曲面の反射面１３２を持つミラーでもよいし、さらには凹面のミラーとしてもよい。
【００４１】
第１端面１４２から入射した反射光１３６は、光ファイバー１４０内を通って第２端面１４６にまで到達し光サーキュレータ２１０の第２ポート２１２から第３ポート２１３へと導かれる。光サーキュレータ２１０の第３ポート２１３には、光量を測定するため受光素子２４０としてフォトダイオード２４０が接続されている。このフォトダイオード２４０によって測定された光量をもとに触針１２８の上下動の大きさを求めるようになっている。フォトダイオード２４０は、照射された光量に応じた電流を出力する。この電流を電流/電圧変換器２５０で電圧出力に変換し、さらにＡ／Ｄ変換器２６０でデジタル値に変換する。デジタル値に変換された信号は、コンピュータ２７０に入力され、コンピュータ２７０内で所定の演算を行って触針１２８の上下動の大きさを求めるとともに、表面粗さを求めるようになっている。本実施形態では、光源としてレーザーダイオード２２０を用いているが、ＬＥＤ等の他の光源を用いてもよし、また他の光受光素子を用いてもよい。
【００４２】
上述のように構成された本実施形態に係る表面粗さ測定装置１０で、４μｍの凹凸が周期的に形成された測定試験片の表面粗さを測定したときの測定結果を図６に示す。４μｍの凹凸に対して約０．２３Ｖの出力変化が得られた。本実施形態の表面粗さ測定装置１０の測定実験においては、温度変化や空気の揺らぎなどの環境ノイズ、振動などの機械ノイズ、及び回路などからの電気ノイズ等の影響により最終的に測定データに表れたノイズはおよそ５ｍＶであったので、測定精度は約８７ｎｍということになる。この測定精度は、各種ノイズ対策によりノイズを小さくすることによっても向上するが、シリンドリカルミラー１３０の曲率を小さくするなどの、構造上の改良によっても向上する。
【００４３】
本発明に係る表面粗さ測定装置１０は上述のように測定部１００と制御部２００とが分れており、その間を可撓性のある光ファイバー１４０で繋いでいるので、当該光ファイバー１４０を例えばコイル状にし、必要に応じて延出することができるようにすることにより、測定部１００を制御部２００に近い位置から、例えば数ｍ以上離れた位置まで変位させることが可能となる。このように光源や制御回路などを含み比較的に大きくなってしまう制御部２００から測定部１００を離すことで、比較的に小さい測定部１００のみを狭い空間に挿入することが可能となるので、細管などの狭い領域の表面粗さ測定が可能となる。例えば本実施形態では、直径１ｍｍの細長い孔９２の内周面の表面粗さを測定することができるように、キャリッジ１１０を直径１ｍｍ以下の細管（マイクロキャピラリ−）により形成している。しかし、このように小さくなると、測定部１００の重量は非常に軽くなり、測定表面９０に対して自重だけで安定的に姿勢を保つことが難しくなるので、このような姿勢の不安定さを軽減するための機構が必要となる。
【００４４】
図７及び図８に示す第２の実施形態に係る表面粗さ測定装置２０は、特に細長い孔９２の中での測定を安定化させるために、キャリッジ１１０の上部に弾性保持部材１６０を設けている。この弾性保持部材１６０は測定対象となる孔９２の上面と摺動係合し、キャリッジ１１０と孔９２の上面との間で圧縮されるように設定されており、それによってキャリッジ１１０の下部に取り付けられているスキッド１５０を孔９２の内周面９４に押しつけるように作用する。弾性保持部材１６０及びスキッド１５０からなる姿勢保持装置によって、キャリッジ１１０は孔９２内で図８に示すように少なくとも３方向から支持されるようになるので、その姿勢が安定する。具体的には。弾性保持部材１６０は、孔９２の大きさの変化を吸収し且つ付勢力を発生するための弾性部材１６２と、孔９２の内周面９４に接触しキャリッジ１１０の移動時に内周面９４に対して摺動する摺動部材１６４とからなっている。弾性部材１６２は例えばバネ部材１６２から構成することができ、摺動部材１６４はポリテトラフルオロエチレンなどのような低摩擦性の材料から構成することができる。
【００４５】
図７及び図８に示す第２の実施形態では、測定部１００を丸い孔９２の内周面９４の軸方向に動かして、同内周面の下面の軸線方向での表面粗さを測定するようになっているが、測定部１００を所定角度だけ回転させて内周面９４の側面や上面の軸方向での表面粗さを測定したり、また、測定部１００を一回転させて内周面の周方向での表面粗さを測定したりすることも可能である。
【００４６】
スタイラス１２０の支持部材１２２には荷重調整機構（図示せず）が備えられており、触針１２８の材料表面に対する荷重を調整できるようになっている。これにより、例えば材料表面に触針１２８による傷を残したくないような測定対象の場合などには荷重を小さく設定したり、測定部を回転させて孔の上面を測定するときなどには上面に対する触針の接触圧を適正に制御したりするなど、測定対象や測定状態に合わせて荷重を選択できるようになる。また、この荷重調整機構は触針１２８を材料表面から離間させて非接触状態とすることもできるようになっており、例えば細長い孔９２の奥深くの表面を測定したい場合などに測定位置まで測定部１００を移動させる間は触針を材料表面から離間させるようにして、不必要な触針１２８の損傷や材料表面の損傷を防ぐことができるようになる。荷重調整機構は種々の構成により実現でき、例えばコイルばねやボイスコイルで実現することができる。
【００４７】
細長い孔９２内で表面粗さを測定する場合には、孔９２の外部からキャリッジ１１０を含む測定部１００を前後方向で駆動する必要がある。前後方向での駆動は、測定部１００から制御部２００まで延びる光ファイバー１４０を押し引きすることによって行なうことができる。しかし、光ファイバー１４０は必ずしも高い剛性を有するわけではないので別の機構を設けることが望ましい。一つの例として、金属ワイヤーなどの細長い剛性部材をキャリッジ１１０に取り付けて孔９２の外側まで延在するようにし、この外側に延在している部分を押し引きすることで測定部１００を前後方向で駆動するようにすることができる。
【００４８】
前後方向での駆動機構の別の例として、キャリッジ１１０又はスキッド１５０に超音波振動素子を設けて、超音波モータの場合のように、スキッド１５０の測定表面９０との接触点に微視的な楕円運動を発生させてスキッド１５０と測定表面９０との間の摩擦力により測定部１００を駆動することもできる。
【００４９】
さらに別の例として、キャリッジ１１０に永久磁石を設置し、孔９２の外周面の外側から磁界を印加して磁力で測定部１００を駆動することもできる。
【００５０】
図９に示す第３の実施形態に係る表面粗さ測定装置３０は、キャリッジがそれぞれ半円柱状とされた下側キャリッジ３１０及び該下側キャリッジの上に取り付けられた上側キャリッジ３１１の２つの部材から構成されており、光ファイバー３４０がその間に把持されて固定されるようになっている。また、スタイラス３２０は、その支持部材３２２の基端が弾性部材３２６を介してキャリッジに保持されるようになっている。本実施形態では、弾性部材３２６として板バネを用いているが、スタイラスをキャリッジに対して枢動可能に保持できるものであればそれ以外の構成でもよい。
【００５１】
図１０に示す第４の実施形態に係る表面粗さ測定装置４０は、上述の第３の実施形態に対して、上側キャリッジ４１１がスタイラス４２０の前端よりもさらに前方に延在しており、スキッド４５０がスタイラス４２０を間に挟んだ前後の位置に配置されるようになっている点で異なる。ただし、スタイラス４２０を弾性部材４２６により保持する代わりに第１及び第２の実施形態のような尖端縁とＶ字状の溝とにより保持するようにしてももちろん良い。
【００５２】
図１１に示す第５の実施形態に係る表面粗さ測定装置５０は、スタイラス５２０が、その支持部材５２２の第１端部５２３及び第２端部５２４において，弾性部材５２６を介して下側キャリッジ５１０に保持されて両持ち支持されるようになっている。触針５２８が支持部材５２２下側の前後方向のほぼ中央に配置されており、シリンドリカルミラー５３０は触針５２８のほぼ直上に配置されている。このような構成により、上述の実施形態のようにスタイラスが片持ち支持される場合に比べて、触針の円弧状の移動を抑えて触針を直線状に上下動させることができるようになる。
【００５３】
以上、本発明の測定装置の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、キャリッジは細管（マイクロキャピラリ−）に限定されるものではなく、スタイラスを上下動可能に支持し、且つ、導光部材を支持で来るものであれば、種々の形状とすることができる。また、スタイラスの保持は、実施形態に示した構造に限らず、例えばベアリングで回転可能に保持するなど、スタイラスの触針が上下動できるようにするものであればどのような機構のものでもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１０、２０、３０、４０、５０    表面粗さ測定装置
９０    測定表面                      ９２    孔
９４    内周面                        １００  測定部
１１０  キャリッジ                    １１２  突起部
１１４  尖端縁
１２０、３２０、４２０、５２０  スタイラス
１２２，３２２、５２２  支持部材
１１４  Ｖ字状の溝                    １２６  前端部分
１２８、５２８  触針
１３０  光反射部材、シリンドリカルミラー
１３２  反射面                        １３４  照射光
１３６  反射光                        １４０  導光部材、光ファイバー
１４２  第１端面                      １４２  第１端部
１４４  第２端面                      １４６  第２端部
１５０、３５０、４５０  スキッド      １６０  弾性保持部材
１６２  弾性部材、バネ部材            １６４  摺動部材
２００  制御部                        ２１０  光サーキュレータ
２１１  第１ポート                    ２１２  第２ポート
２１３  第３ポート                    ２２０  レーザーダイオード
２３０  レーザーダイオードドライバ    ２４０  フォトダイオード
２５０  電流／電圧変換器              ２６０  Ａ／Ｄ変換器
２７０  コンピュータ
３１０、５１０  下側キャリッジ        ３１１，４１１  上側キャリッジ
３２６，４２６，５２６  弾性部材、板バネ
５２３  第１端部                      ５２４  第２端部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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