(57)【要約】  【課題】屋外での固体微粒子等の測定対象物の表面形状の測定に適し、測定時間を著しく短縮できると共にコンパクトで且つ振動により測定精度が低下することない表面形状測定装置を提供することを目的とする。  【解決手段】本発明の表面形状測定装置１は、測定対象物Ａ，Ｂが載置される載置面３を有する載置部２と、載置面３に対向してマトリックス状に配設され載置面３に向かって各々進退自在に配設された複数のプローブ支持部４と、各々のプローブ支持部４の先端部に配設されたプローブ５と、各々のプローブ５の変位を個別に検出する変位検出部６と、を備えた構成を有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物が載置される載置面を有する載置部と、前記載置面に対向してマトリックス状に配設され前記載置面に向かって各々進退自在に配設された複数のプローブ支持部と、各々の前記プローブ支持部の先端部に配設されたプローブと、各々の前記プローブの変位を個別に検出する変位検出部と、を備えていることを特徴とする表面形状測定装置。
【請求項２】
前記載置部の上方に前記載置面に向かって近接自在に配設されたベース部と、前記ベース部の下面に沿ってＸ軸方向及びＹ軸方向に移動自在に配設された移動ステージと、を備え、前記マトリックス状に配設された複数のプローブ支持部が前記移動ステージに保持されていることを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。
【請求項３】
前記載置面に対向してマトリックス状に配設された永久磁石又は電磁石からなる複数の保持筒部と、各々の前記保持筒部に挿設された磁性体からなる前記プローブ支持部と、を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の表面形状測定装置。
【請求項４】
前記プローブ支持部は自由端に前記プローブを有し片持ち支持されたカンチレバーであることを特徴とする請求項１又は２に記載の表面形状測定装置。
【請求項５】
測定対象物が載置される載置面を有する載置部と、前記載置面に対向してマトリックス状に配設された複数の微動機構部と、各々の前記微動機構部に配設されたプローブと、各々の前記プローブと前記測定対象物との間に作用する物理量を個別に検出する物理量検出部と、検出された各々の前記物理量に基づいて対応する前記微動機構部を制御する微動機構制御部と、各々の前記プローブの変位を個別に検出する変位検出部と、を備えていることを特徴とする表面形状測定装置。
【請求項６】
前記変位検出部で検出された各々前記プローブの変位に基づいて前記測定対象物の表面の２次元形状又は３次元形状を表示する表面形状表示部を備えていることを特徴とする請求項１乃至５の内いずれか１項に記載の表面形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浮遊微粒子捕集体等に付着した固体微粒子等の測定対象物の２次元形状又は３次元形状を測定するための表面形状測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、大気汚染の原因となる物質としては、炭酸ガスやＮＯｘ、ＳＯｘ等のガス状化学物質が重視されてきたが、これらは基本的に大気中の濃度の平均値として把握されてきた。また、大気汚染の原因となる他の物質としては煤塵や粉塵等のガス状でない物質もあるが、これらも捕集された後分析され大気中の濃度の平均値として測定されてきた。
従来の測定方法としては、一般的に、大気等の雰囲気中に浮遊する微粒子を一旦フィルタ等に捕集し、捕集された個々の微粒子を分析する方法が用いられていた。しかしながら、このような方法では、いずれも浮遊微粒子を一旦捕集し、さらに捕集した浮遊微粒子を気体や液体中で分離して分析するため、捕集された浮遊微粒子の種類によっては微粒子同士が反応してしまい大気中での浮遊状態とは異なる化合物になる可能性があり正確な分析を行うことができず、また、大型且つ高価な分析装置を用いる必要があるという問題点があった。
【０００３】
このような問題点を解決するために、特許文献１には「開口部を有する筐体と、所定領域が開口部から露出するように筐体内部に配設される帯状の微粒子捕集体と、微粒子捕集体の両端部が各々巻回される一対の支持軸を有し支持軸を回動させることにより開口部に新しい所定領域を送り出す捕集体送り部と、を備えた浮遊微粒子捕集装置」が開示されている。
特許文献１の浮遊微粒子捕集装置では、浮遊微粒子捕集体の表面に浮遊微粒子を付着させることにより捕集しているので、浮遊微粒子の形状、大きさ、性質だけでなく、浮遊微粒子間の相対的な位置或いは距離を測定することができ、大気中等のある平面における浮遊微粒子の二次元分布や粒径分布の時間的な変化を求めることができる。なお、この浮遊微粒子捕集装置は、微粒子捕集面の所定領域を撮像するためにＣＣＤカメラ等の撮像装置を備え、撮像画像を画像処理して測定や分析を行っている。
【０００４】
一方、測定対象物の表面形状を測定する装置としては、特許文献２に「Ｘ、Ｙ、Ｚ座標系を定義した装置上の被測定物体の表面に、Ｚ軸方向に個々に移動自在な複数のプローブを接触させ、各プローブのＸ、Ｙ、Ｚ方向、又はＸ、Ｙ、Ｚ方向及びＸ軸周りの回転、Ｙ軸周りの回転の移動量から各測定位置における被測定物体の表面のＺ方向位置を測定し、複数のプローブをＸＹ面内方向に移動させて被測定物体の表面を走査し、被測定物体の表面の三次元形状を測定することを特徴とするマルチプローブ形状測定装置」が開示されている。
【０００５】
また、測定対象物の微細形状を測定する装置としては、走査型プローブ顕微鏡（以下、ＳＰＭという）が用いられている。ＳＰＭは、プローブを測定対象物の表面の微細な凹凸に沿ってＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に走査し、そのプローブの変位を検出して測定対象物の表面の形状を画像化する装置である。代表的なものとしては、導電性を有するプローブの先端部を測定対象物の表面に対して１ｎｍ程度に近づけた状態で走査し、その際プローブと測定対象物との間の距離を一定にするためにトンネル電流を用いた走査型トンネル顕微鏡や、トンネル電流に替えて原子間力を用いた原子間力顕微鏡、プローブの先端部と測定対象物とを近づけることにより生じる静電容量を用いた走査型静電容量顕微鏡等が用いられている。なお、このようなＳＰＭにおいては、プローブの先端部の大きさを原子と同程度の大きさとすることにより、測定対象物の原子の大きさや形状、配列等を測定することが可能となっている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３０１７６８号公報
【特許文献２】特開２００２−２５７５０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来の技術では、以下のような課題を有していた。
（１）特許文献１のようにＣＣＤカメラ等の撮像装置を用いた場合、そのまま撮像しただけでは例えば１μｍ〜１０μｍ程度の大きさの固体微粒子の形状を測定することはできないため、通常光学顕微鏡等を用いて拡大して撮像することが考えられるが、光学顕微鏡等の光学的手段を用いた顕微鏡では所定の光路長さが必要であり、装置のコンパクト化が図れないという課題を有していた。
（２）特許文献２のマルチプローブ形状測定装置や従来のＳＰＭでは、プローブを測定対象物に沿って走査させるため測定に多大な時間がかかり面積の大きい領域の形状を測定するには非効率であると共に、装置が手ぶれ等により振動すると走査精度が著しく低下し測定精度に欠けるため携帯用の装置することができないという課題を有していた。特に、測定対象面に分散した複数の微粒子等の表面形状を測定する場合であっても、測定対象面の全体を走査して測定を行うため、多大な時間がかかると共に極めて非効率であるという課題を有していた。
（３）また、プローブを測定対象物に接触させた状態で走査させるため、測定対象物が脆弱な又は軟質な物質である場合は、測定対象物の表面をプローブで傷つけたり壊したり変形させたりし易く、正確な表面形状の測定が行えないという課題を有していた。
（４）ＳＰＭやレーザ形状測定器等の走査機構やステージの送り機構を有するものは、振動に弱いと共に機構が複雑になりコンパクト化が図れず携帯性や搬送性に欠けるという課題を有していた。
【０００８】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、屋外での固体微粒子等の測定対象物の表面形状の測定に適し、測定時間を著しく短縮できると共にコンパクトで且つ振動により測定精度が低下することない表面形状測定装置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】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明の表面形状測定装置は、以下の構成を有している。
本発明の請求項１に記載の表面形状測定装置は、測定対象物が載置される載置面を有する載置部と、前記載置面に対向してマトリックス状に配設され前記載置面に向かって各々進退自在に配設された複数のプローブ支持部と、各々の前記プローブ支持部の先端部に配設されたプローブと、各々の前記プローブの変位を個別に検出する変位検出部と、を備えた構成を有している。
【００１０】
この構成により、以下のような作用を有する。
（１）載置部の載置面上に測定対象物を載置し、マトリックス状に配設された複数のプローブ支持部を測定対象物に接近させプローブを測定対象物の表面に接触させることにより、プローブ支持部を測定対象物の表面の凹凸に沿って上下に移動させ、このプローブ支持部の変位、すなわちプローブの変位を変位検出部で検出することができ、変位検出部はすべてのプローブの変位を個別に検出することができるので、検出されたすべてプローブの変位に基づいて測定対象物の表面の２次元形状又は３次元形状を測定することができる。
（２）マトリックス状に配置された複数のプローブを測定対象物の表面に接触させて、走査することなくその表面形状を測定することができるので、振動が生じても測定精度が低下することなく、屋外等においても高精度の形状測定を行うことができると共に、測定対象物の表面をプローブで傷つけたり壊したりすることなく測定対象物が脆弱な又は軟質な物質であっても形状を維持させたまま測定できる。
（３）複数のプローブを略同時に測定対象物の表面に接触させて走査することなく測定を行うことができるので、測定精度を低下させることなく測定時間を大幅に短縮できる。
（４）プローブを走査する走査機構や載置部をＸ軸、Ｙ軸、或いはＺ軸方向に移動させる送り機構等を備える必要がないため、装置を簡略化且つコンパクト化でき、携帯性に優れる。
（５）プローブの先端部の尖鋭度を向上させたり、プローブの配設個数を増加させたり、プローブ間の間隔を小さくすることにより、容易に表面形状測定の分解能を向上させることができる。
【００１１】
ここで、プローブ支持部としては、片持ち支持された板状のカンチレバーや、保持筒部の内部に磁力により浮遊状態で上下にスライド自在に配設された棒体等が用いられる。
複数のプローブ支持部は、載置面に近接自在に配設されたベース部や該ベース部の下面に配設された移動ステージ等に載置面に向かって各々進退自在に保持される。
複数のプローブは、例えば縦１０個×横１０個〜縦１００個×横１００個となるようにマトリックス状に配設される。また各プローブ間の間隔は、例えば０．５μｍ〜１００μｍとなるように配設される。プローブの配設個数や間隔は必要とする分解能や測定対象物の大きさに応じて適宜設定される。
変位検出部としては、レーザダイオード等のレーザ照射部とフォトダイオード等のレーザ受光部とを備え、レーザ照射部からプローブの上端面やプローブ支持部の上端面、カンチレバーの背面等にレーザ光を照射し、その反射光をレーザ受光部で受光することにより、プローブの変位を受光したレーザの角度差や位相差として検出するもの等が用いられる。
載置面には固体微粒子等が付着した浮遊微粒子捕集体等の試料支持体が載置される。浮遊微粒子捕集体としては、合成樹脂製のフィルムやガラス繊維フィルタ、石英繊維フィルタ、或いは多数の孔部を有するいわゆるハニカム状の合成樹脂シート等が用いられる。
【００１２】
本発明の請求項２に記載の表面形状測定装置は、請求項１に記載の発明において、前記載置部の上方に前記載置面に向かって近接自在に配設されたベース部と、前記ベース部の下面に沿ってＸ軸方向及びＹ軸方向に移動自在に配設された移動ステージと、を備え、前記マトリックス状に配設された複数のプローブ支持部が前記移動ステージに保持された構成を有している。
【００１３】
この構成により、請求項１の作用に加え、以下のような作用を有する。
（１）移動ステージに複数のプローブを保持させることにより、マトリックス状に配設された複数のプローブ群を測定対象物の直上に移動させた後、接近させるだけで走査することなく短時間で表面形状の測定を行うことができる。
（２）載置面上に分散した複数の固体微粒子等を各々測定する場合であっても、移動ステージにより各々の微粒子の直上にプローブ群を移動させ微粒子毎に測定を行うことができるので、広範囲に分散した複数の微粒子を短時間で測定することができる。
【００１４】
本発明の請求項３に記載の表面形状測定装置は、請求項１又は２に記載の発明において、前記載置面に対向してマトリックス状に配設された永久磁石又は電磁石からなる複数の保持筒部と、各々の前記保持筒部に挿設された磁性体からなる前記プローブ支持部と、を備えた構成を有している。
【００１５】
この構成により、請求項１又は２の作用に加え、以下のような作用を有する。
（１）プローブ支持部を保持筒部の内部において磁気による反発力により浮遊させて上下に進退自在に保持しているので、構造が簡単で装置全体の小型化が可能である。
（２）保持筒部を永久磁石により形成した場合は、チルト素子や圧電素子等を用いて測定対象物の傾斜や凹凸等を検出する場合のように高電圧を必要としないので、消費電力を低減できバッテリによる駆動が可能で携帯性に優れる。
【００１６】
本発明の請求項４に記載の表面形状測定装置は、請求項１又は２に記載の発明において、前記プローブ支持部は自由端に前記プローブを有し片持ち支持されたカンチレバーである構成を有している。
【００１７】
この構成により、請求項１又は２の作用に加え、以下のような作用を有する。
（１）パターンエッチング等を用いて基板上に複数の微小なカンチレバー及びプローブを容易に形成することができるので、高い分解能を実現することができる。
【００１８】
本発明の請求項５に記載の表面形状測定装置は、測定対象物が載置される載置面を有する載置部と、前記載置面に対向してマトリックス状に配設された複数の微動機構部と、各々の前記微動機構部に配設されたプローブと、各々の前記プローブと前記測定対象物との間に作用する物理量を個別に検出する物理量検出部と、検出された各々の前記物理量に基づいて対応する前記微動機構部を制御する微動機構制御部と、各々の前記プローブの変位を個別に検出する変位検出部と、を備えた構成を有している。
【００１９】
この構成により、以下のような作用を有する。
（１）載置部の載置面上に載置された測定対象物に複数のプローブを接近させ、プローブの先端部と測定対象物との間に生じる物理量を物理量検出部で検出し、微動機構制御部により検出された物理量が一定の値になるように、すなわちプローブの先端部と測定対象物との間の距離が一定となるように微動機構部を制御し、プローブ及びプローブ支持部を変位させる。同時にプローブ支持部の変位、すなわちプローブの変位を変位検出部で検出する。変位検出部はすべてのプローブの変位を個別に検出し、検出されたすべてプローブの変位に基づいて測定対象物の表面の２次元形状又は３次元形状を測定することができる。
（２）マトリックス状に配置された複数のプローブを測定対象物の表面から一定の距離ととなるように接近させて、走査することなくその表面形状を測定することができるので、振動が生じても測定精度が低下することなく、屋外等においても高精度の形状測定を行うことができる。
（３）複数のプローブを略同時に測定対象物の表面に接近させて走査することなく測定を行うことができるので、測定精度を低下させることなく測定時間を大幅に短縮できる。
（４）プローブを走査する走査機構や載置部をＸ軸、Ｙ軸、或いはＺ軸方向に移動させる送り機構等を備える必要がないため、装置を簡略化且つコンパクト化でき、携帯性に優れる。
（５）プローブの先端部の尖鋭度を向上させたり、プローブの配設個数を増加させたり、プローブ間の間隔を小さくすることにより、容易に表面形状測定の分解能を向上させることができる。
【００２０】
ここで、微動機構部としては圧電素子等が用いられる。物理量としては、原子間力、トンネル電流、静電容量、電位位相差等が用いられる。
【００２１】
本発明の請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５の内いずれか１項に記載の表面形状測定装置であって、前記変位検出部で検出された各々前記プローブの変位に基づいて前記測定対象物の表面の２次元形状又は３次元形状を表示する表面形状表示部を備えた構成を有している。
【００２２】
この構成により、請求項１乃至５の内いずれか１項の作用に加え、以下のような作用を有する。
（１）変位検出部から入力されたすべてプローブの変位に基づいて測定対象物の表面の２次元形状又は３次元形状を表示することができる。
【００２３】
ここで、表面形状表示部としては、ストレージオシロスコープを用いたり、凹凸情報をデジタル変換してパーソナルコンピュータに入力しそのＣＲＴ等に表示したりすることができる。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように本発明の表面形状測定装置によれば、以下のような有利な効果が得られる。
【００２５】
請求項１に記載の発明によれば、
（１）マトリックス状に配置された複数のプローブを測定対象物の表面に接触させて、走査することなくその表面形状を測定することができるので、振動が生じても測定精度が低下することなく、屋外等においても高精度の形状測定を行うことができる高精度で、且つ従来の装置に比べ耐振動性に優れた表面形状測定装置を提供することができる。
（２）複数のプローブを略同時に測定対象物の表面に接触させて走査することなく測定を行うことができるので、測定精度を低下させることなく測定時間を大幅に短縮でき屋外等での使用性に優れた表面形状測定装置を提供することができる。
（３）走査することなく測定を行うことができるので、測定対象物の表面をプローブで傷つけたり壊したりすることなく測定対象物が脆弱な又は軟質な物質であっても形状を維持させたまま測定できる表面形状測定装置を提供することができる。
（４）プローブを走査する走査機構や載置部をＸ軸、Ｙ軸、或いはＺ軸方向に移動させる送り機構等を備える必要がないため、装置を簡略化且つコンパクト化でき、携帯性に優れた表面形状測定装置を提供することができる。
（５）プローブの先端部の尖鋭度を向上させたり、プローブの配設個数を増加させたり、プローブ間の間隔を小さくすることにより、容易に表面形状測定の分解能を向上させることができる表面形状測定装置を提供することができる。
（６）プローブの先端部に導電性材を用いることにより、測定対象物の静電容量の測定や微小領域の導電性分布の測定を行うことができ測定対象物が無機物や有機物等の非導電性物質か金属等の導電性物質かどうかを簡易に判定することができる表面形状測定装置を提供することができる。
【００２６】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の効果に加え、
（１）移動ステージに複数のプローブを保持させることにより、マトリックス状に配設された複数のプローブ群を測定対象物の直上に移動させた後、接近させるだけで走査することなく短時間で表面形状の測定を行うことができる表面形状測定装置を提供することができる。
（２）移動ステージにより測定面上に分散した微粒子の直上にプローブ群を移動させ微粒子毎に測定を行うことができるので、広範囲に分散した複数の微粒子を短時間で測定することができる表面形状測定装置を提供することができる。
【００２７】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２の効果に加え、
（１）プローブ支持部を保持筒部の内部において磁気による反発力により浮遊させて上下に進退自在に保持しているので、測定対象物にプローブの先端部を接触させても測定対象物を傷つけたり破壊したりすることがなく測定を行うことができる表面形状測定装置を提供することができる。
（２）プローブ支持部を保持筒部の内部に磁気により保持して浮遊させる構造なので、構造が簡単で装置全体の小型化が可能である表面形状測定装置を提供することができる。
（３）保持筒部を永久磁石により形成した場合は、消費電力を低減できバッテリによる駆動が可能で携帯性に優れた表面形状測定装置を提供することができる。
【００２８】
請求項４に記載の発明によれば、請求項１又は２の効果に加え、
（１）パターンエッチング等を用いて基板上に複数の微小なカンチレバー及びプローブを容易に形成することができるので、高い分解能を有する表面形状測定装置を提供することができる。
【００２９】
請求項５に記載の発明によれば、
（１）マトリックス状に配置された複数のプローブを測定対象物の表面から一定の距離ととなるように接近させて、走査することなくその表面形状を測定することができるので、振動が生じても測定精度が低下することなく、屋外等においても高精度の形状測定を行うことができる表面形状測定装置を提供することができる。
（２）複数のプローブを略同時に測定対象物の表面に接近させて走査することなく測定を行うことができるので、測定精度を低下させることなく測定時間を大幅に短縮でき、屋外等の使用性に優れた表面形状測定装置を提供することができる。
（３）プローブを走査する走査機構や載置部をＸ軸、Ｙ軸、或いはＺ軸方向に移動させる送り機構等を備える必要がないため、装置を簡略化且つコンパクト化でき、携帯性に優れた表面形状測定装置を提供することができる。
（４）プローブの先端部の尖鋭度を向上させたり、プローブの配設個数を増加させたり、プローブ間の間隔を小さくすることにより、容易に表面形状測定の分解能を向上させることができる表面形状測定装置を提供することができる。
（５）プローブの先端部に導電性材を用いることにより、測定対象物の静電容量の測定や微小領域の導電性分布の測定を行うことができ測定対象物が無機物や有機物等の非導電性物質か金属等の導電性物質かどうかを簡易に判定することができる表面形状測定装置を提供することができる。
【００３０】
請求項６に記載の発明によれば、請求項１乃至５の内いずれか１項の効果に加え、
（１）変位検出部から入力されたすべてプローブの変位に基づいて測定対象物の表面の２次元形状又は３次元形状を表示することができる表面形状測定装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明の一実施の形態について、図１乃至図４を用いて説明する。
（実施の形態１）
図１（ａ）は本実施の形態１における表面形状測定装置の原理説明図であり、図１（ｂ）は本実施の形態１における表面形状測定装置の概略側面図である。
図中、１は本実施の形態１における表面形状測定装置、２は測定対象物が載置される載置部、３は載置部２の上面に形成された平滑な載置面、４，４′は載置面３に対向してマトリックス状に配設された複数のプローブ支持部であり、各々のプローブ支持部４は載置面３に向かって各々進退自在に配設されている。５，５′は各々のプローブ支持部４の先端部に配設されたプローブ、６は各々のプローブ支持部４について載置面３に垂直な方向の変位を個別に検出する変位検出部、７は変位検出部６で検出された各々のプローブ５，５′の変位に基づいて測定対象物の表面の２次元形状又は３次元形状を表示する表面形状表示部、８は載置部２の上方に載置面３に向かって近接自在に配設されたベース部、９はベース部８の下面に沿ってＸ軸方向及びＹ軸方向に移動自在に配設された移動ステージ、Ａは測定対象物としての固体微粒子Ｂが表面に付着したシート状の浮遊微粒子捕集体である。
プローブ支持部４，４′及びプローブ５，５′は、縦１０個×横１０個〜縦１００個×横１００個程度が１００〜４００×１０4個／ｍｍ2の密度でマトリックス状に配設されている。
ベース部８を載置部２に近接させる手段としては、螺子を用いた送り機構やラック・ピン機構、或いはベース部８を載置部２に蝶番等を介して回動自在に配設して手動により近接させる手段等が用いられる。
移動ステージ９は、ベース部８の下面に形成されたＸ軸方向に延びるＸ軸ガイドに沿って摺動自在に配設されたＸ軸ステージと、Ｘ軸ステージに形成されたＹ軸方向に延びるＹ軸ガイドに沿って摺動自在に配設されたＹ軸ステージと、を有し、Ｘ軸ステージ及びＹ軸ステージは螺子を用いた送り機構等により各ガイドに沿って摺動する。Ｙ軸ステージにはマトリックス状に配設された複数のプローブ支持部４がＺ軸方向（移動ステージ９に直交する方向）に移動（進退）自在に保持されている。なお、プローブ５の先端部を測定対象物に接触又は接近させたまま、移動ステージ９をＸ軸方向及びＹ軸方向に高速で移動させることによりプローブ５を走査して測定対象物全体を測定することもでき、必要に応じてＳＰＭとして使用することもできる。
【００３２】
以上のように構成された本実施の形態１における表面形状測定装置１について、以下その表面形状測定動作の原理を図１を用いて説明する。
まず、載置部２の載置面３上に、海塩粒子や黄砂、金属系酸化物、花粉、塵埃等の固体微粒子Ｂが付着した浮遊微粒子捕集体Ａを載置する。次に、移動ステージ９をＸ軸方向及びＹ軸方向へ移動させ、マトリックス状の複数のプローブ５が固体微粒子Ｂ全体に接触するような位置に位置合わせする。次に、ベース部８を載置面３に向かって移動させ、複数のプローブ支持部４，４′を固体微粒子Ｂに接近させ先端のプローブ５，５′を固体微粒子Ｂ及びその周囲の浮遊微粒子捕集体Ａの表面に接触させる。固体微粒子Ｂに接触したプローブ５′を支持するプローブ支持部４′は固体微粒子Ｂの表面の凹凸に沿って上方へ移動する。プローブ支持部４′の変位Ｚ、すなわちプローブ５′の変位Ｚは変位検出部６で検出される。変位検出部６はすべてのプローブ５，５′の変位を個別に検出して表面形状表示部７に出力する。表面形状表示部７を入力されたすべてプローブ５，５′の変位に基づいて固体微粒子Ｂの表面の２次元形状又は３次元形状をモニタ等に表示する。また、変位検出部６で検出されたプローブ５，５′の変位をパーソナルコンピュータ等に入力し、入力データに基づく画像化等の処理を行うことにより、固体微粒子Ｂの大きさや２次元形状、３次元形状をＣＲＴ等に表示することもできる。
【００３３】
次に、浮遊微粒子捕集体Ａの別の例について図２を用いて説明する。
図２は浮遊微粒子捕集体の一部破断要部斜視図である。
図中、１０は浮遊微粒子捕集体Ａに形成された複数の孔部である。浮遊微粒子捕集体Ａは、ポリスチレンやポリメチルメタクリレート等の高分子化合物をベンゼンやトルエン等の疎水性有機溶媒に溶解した溶液を基板上に流延し、高湿度空気を吹き付け、疎水性有機溶媒を蒸発させて作成される。孔部１０は太鼓状や樽状等の上下に開口部を有する球形又は多角形の空洞部からなり、浮遊微粒子捕集体Ａは該空洞部が全面に渡って最密構造で規則的に充填された形状に形成されている。
浮遊微粒子捕集体Ａを用いて固体微粒子Ｂの表面形状の測定を行う場合、まず、浮遊微粒子捕集体Ａの上面を基準の高さに設定し、上述したようにプローブ５の先端部を固体微粒子Ｂの表面に接触させる。プローブ５の変位は基準の高さからの相対的な変位として測定される。また、孔部１０が規則的に形成されているため、所定の孔部１０の縁部等を基準位置に設定することにより、固体微粒子ＢのＸ−Ｙ平面における位置は基準位置からの相対的な位置として測定される。これにより、従来のように基準の高さや基準位置を設定しない絶対値測定に比べて測定精度を向上できる。
【００３４】
なお、固体微粒子Ｂが脆弱な又は軟質な物質である場合には、プローブ支持部４，４′をエアベアリングや磁力等により抵抗なく円滑に進退するように保持する、或いはプローブ支持部４，４′としてカンチレバーを用いた場合はカンチレバーのバネ定数の小さくする。これにより、プローブ５，５′が固体微粒子Ｂを強く押圧して変形させたり破壊したりすることなくその表面に沿って正確に移動させることができる。
【００３５】
以上のように本実施の形態１における表面形状測定装置１は構成されているので、以下のような作用を有する。
（１）マトリックス状に配設された複数のプローブ支持部４を載置部２の載置面３に載置した浮遊微粒子捕集体Ａ上の固体微粒子Ｂに接近させプローブ５を固体微粒子Ｂ及びその周囲の浮遊微粒子捕集体Ａの表面に接触させると、複数のプローブ支持部４は固体微粒子Ｂの表面の凹凸に沿って上方へ移動する。このプローブ支持部４、すなわちプローブ５の変位を変位検出部６で個別に検出し、検出されたプローブ４の変位に基づいて固体微粒子Ｂの２次元形状又は３次元形状を測定することができ、表面形状表示部７に表示させることができる。
（２）マトリックス状に配置された複数のプローブ５を固体微粒子Ｂの表面に接触させて、走査することなくその表面形状を測定することができるので、振動が生じても測定精度が低下することなく、屋外等においても高精度の形状測定を行うことができると共に、装置１を簡略化且つコンパクト化でき、携帯性に優れる。
（３）複数のプローブ５を略同時に固体微粒子Ｂ及びその周囲の浮遊微粒子捕集体Ａの表面に接触させて走査することなく測定を行うことができるので、測定精度を低下させることなく測定時間を大幅に短縮できる。
（４）プローブ５の先端部の尖鋭度を向上させたり、プローブ５の配設個数を増加させたり、プローブ５間の間隔を小さくすることにより、容易に表面形状測定の分解能を向上させることができる。
（５）移動ステージ９にマトリックス状に配設された複数のプローブ支持部４が保持されているので、移動ステージ９を測定対象物の任意の位置に移動させて測定範囲を絞って測定することができると共に、移動ステージ９を自動でＸ軸方向及びＹ軸方向に走査することで必要に応じてＳＰＭとして使用することができる。
（６）複数の孔部１０が形成された浮遊微粒子捕集体Ａを用いた場合、孔部１０の縁部等を基準の高さや基準位置として設定して測定することにより、高精度の測定が可能で、孔部１０、浮遊微粒子捕集体Ａ、固体微粒子Ｂの凹凸が鮮明になり、コントラストの高い画像を表面形状表示部７に表示させることができる。
（７）浮遊微粒子捕集体Ａで固体微粒子Ｂを捕集した後、そのまま載置面３に載置するだけでよいので、前処理等が不要で簡易性に優れる。
【００３６】
（実施の形態２）
図３（ａ）は本実施の形態２における表面形状測定装置のプローブの概略構成図であり、図３（ｂ）はプローブの要部側面図である。
図中、１１はプローブ支持部としての平面視Ｖ字状のカンチレバー、１２はカンチレバー１１の先端部の下面に突設されたプローブ、１３はカンチレバー１１及びプローブ１２をマトリックス状に形成した基板である。カンチレバー１１は基板１３に片持ち支持された板状部材からなり、その自由端にプローブ１２を有している。これにより、プローブ１２を測定対象物に接触させるとカンチレバー１１が弾性変形してプローブ１２を測定対象物の表面形状に沿って進退させることができる。
【００３７】
次にプローブ１２の変位を検出する変位検出部について図４を用いて説明する。
図４は変位検出部の概略構成図である。
図中、１４はレーザダイオード等のレーザ照射部、１５はフォトダイオード等のレーザ受光部、１６は変位を算出する変位算出部、Ｌ１は照射光、Ｌ２，Ｌ３は反射光である。
変位を検出する場合、まず、レーザ照射部１４からカンチレバー１１の背面に向かってレーザ光が照射される。照射光Ｌ１はカンチレバー１１の背面で反射し、その反射光Ｌ２はレーザ受光部１５で受光される。
プローブ１２が測定対象物に接触し、カンチレバー１１が変位Ｚだけ撓むと、照射光Ｌ１の反射位置が変わるため、その反射光はＬ３となり反射光Ｌ２とは異なる角度でレーザ受光部１５に入射する。この入射角度の相異に基づいて変位算出部１６により変位Ｚが算出される。なお、反射光Ｌ２とＬ３はレーザ受光部１５で受光された際の位相も異なっているため、その位相差に基づいて変位算出部１６により変位Ｚを算出することもできる。
【００３８】
なお、本実施の形態２における表面形状測定装置の表面形状測定原理は実施の形態１で説明したものと同様であるので、説明を省略する。
【００３９】
以上のように本実施の形態２における表面形状測定装置は構成されているので、実施の形態１の作用に加え、以下のような作用を有する。
（１）変位検出部としてレーザ照射部１４とレーザ受光部１５と変位算出部１６とを備えているので、レーザ照射部１４からカンチレバー１１の背面にレーザ光を照射し、その反射光をレーザ受光部１５で受光し、受光したレーザ光の角度差や位相差としてカンチレバー１１の変位、すなわちプローブ１２の変位を検出することができ、複数のプローブ１２のすべてについて容易に且つ正確にその変位を検出することができ、装置のコンパクト化も可能である。
（２）パターンエッチング等を用いて基板１３上に複数の微小なカンチレバー１１及びプローブ１２を容易に形成することができるので、多数のカンチレバー１１及びプローブ１２をマトリックス状に形成することで高い分解能を実現することができる。
【００４０】
（実施の形態３）
図５（ａ）は本実施の形態３における表面形状測定装置のプローブの概略構成図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ線の要部矢視断面図である。
図中、１７は磁性体により形成された棒状のプローブ支持部、１８はプローブ支持部１７の下端部に配設されたプローブ、１９は筒状の永久磁石又は電磁石により形成された保持筒部、２０は保持筒部１９がマトリックス状に配設された基板である。プローブ支持部１７は保持筒部１９の磁力によりその内部に浮遊状態で保持されている。プローブ１２を測定対象物に接触させるとプローブ支部部１７は保持筒部１９の内部において上下にスライドしプローブ１８を測定対象物の表面形状に沿って進退させることができる。
【００４１】
なお、本実施の形態３における表面形状測定装置の表面形状測定原理及びプローブ１８の変位を検出する変位検出部は、実施の形態１又は２で説明したものと同様であるので、説明を省略する。
【００４２】
以上のように本実施の形態３における表面形状測定装置は構成されているので、実施の形態１又は２の作用に加え、以下のような作用を有する。
（１）プローブ支持部１７を保持筒部１９の内部において磁気による反発力により浮遊させて上下に進退自在に保持しているので、構造が簡単で装置全体の小型化が可能である。
（２）プローブ支持部１７を保持筒部１９の内部において浮遊させて上下に進退自在に保持しているので、外部の振動が直接プローブに伝わらず、従来の装置と比べて耐振動性に優れる。
（２）保持筒部１９を永久磁石により形成した場合は、チルト素子や圧電素子等を用いて測定対象物の傾斜や凹凸を検出する場合のように高電圧を必要としないので、消費電力を低減できバッテリによる駆動が可能で携帯性に優れる。
【００４３】
（実施の形態４）
図６（ａ）は本実施の形態４における表面形状測定装置の原理説明図であり、図６（ｂ）はプローブの先端部の要部拡大斜視図である。
図中、２１は本実施の形態４における表面形状測定装置、２２は測定対象物Ｗが載置される載置面、２３は載置面２２に対向して配設された圧電素子等の微動機構部、２４は微動機構部２３の下端部に固定されたプローブ支持部、２５はプローブ支持部２４に支持されたプローブである。なお、図示を省略しているが、載置面２２の上方には複数の微動機構部２３が載置面２２に対向してマトリックス状に配設され、各々の微動機構部２３の下端部にはプローブ支持部２４を介してプローブ２５が配設されている。また、プローブ２５の先端部は測定対象物Ｗとの間に生じる静電容量を検出するために、金属等の導電性材により形成されると共に図６（ｂ）に示すように平面状に形成されている。
２６は各々のプローブ２５と測定対象物Ｗとの間に生じる静電容量をプローブ２５毎に個別に検出する静電容量検出部（物理量検出部）、２７は検出された各々の静電容量に基づいて対応する微動機構部２３を制御する微動機構制御部、２８はプローブ２５の変位Ｚを個別に検出する変位検出部、２９は変位検出部２８で検出された各々のプローブ２５の変位Ｚに基づいて測定対象物Ｗの表面の２次元形状又は３次元形状を表示する表面形状表示部である。
【００４４】
以上のように構成された本実施の形態４における表面形状測定装置２１について、以下その表面形状測定動作の原理を図６を用いて説明する。
載置面２２上に載置された測定対象物Ｗに複数のプローブ２５を接近させる。プローブ２５の先端部が測定対象物Ｗに接近するとプローブ２５と測定対象物Ｗとの間に静電容量が生じる。静電容量検出部２６は生じた静電容量を検出する。静電容量Ｃは、プローブ２５の先端の平面部の面積Ｓ、プローブ２５と測定対象物Ｗとの距離Ｄ、及びプローブ２５と測定対象物Ｗとの間の誘電率εから、Ｃ＝ε・Ｓ／Ｄにより算出される。なお、面積Ｓ及び誘電率εはプローブ２５の形状や材質、測定対象物の材質等により決定される。
微動機構制御部２７は算出された静電容量Ｃが一定の値になるように、すなわち距離Ｄが一定となるように微動機構部２３を制御し、プローブ２５及びプローブ支持部２４を変位Ｚだけ移動させる。微動機構制御部２７は入力された静電容量Ｃの値に基づいて微動機構部２３に印加する電圧を変化させるフィードバック回路を有する。これにより、プローブ２５の先端部は測定対象物Ｗから距離Ｄだけ離隔した位置に制御される。
プローブ支持部２４の変位Ｚ、すなわちプローブ２５の変位Ｚは変位検出部２８で検出される。変位検出部２８はすべてのプローブ２５の変位を個別に検出して表面形状表示部２９に出力する。表面形状表示部２９を入力されたすべてプローブ２５の変位に基づいて測定対象物Ｗの表面の２次元形状又は３次元形状をモニタ等に表示する。
【００４５】
なお、本実施の形態４においては、物理量として静電容量を用いたがこれに限られるものではなく、測定対象物Ｗが非導電性物質であれば物理量として原子間力を用いることができ、この場合、物理量検出部２６においてプローブ２５の尖鋭の先端部と測定対象物Ｗとの間に生じる原子間力を検出する。また、測定対象物Ｗが導電性物質であればトンネル電流を用いることができ、物理量検出部２６においてプローブ２５の先端部を測定対象物Ｗに近接させた時に流れるトンネル電流を検出する。
【００４６】
以上のように本実施の形態４における形状測定装置は構成されているので、以下のような作用を有する。
（１）複数のプローブ２５を載置面２２に載置された測定対象物Ｗに接近させ、プローブ２５の先端部と測定対象物Ｗとの間に生じる静電容量を静電容量検出部（物理量検出部）２６で検出し、微動機構制御部２７により検出された静電容量が一定の値になるように、すなわちプローブ２５の先端部と測定対象物Ｗとの間の距離が一定となるように微動機構部２３をフィードバック制御する。同時にプローブ支持部２４の変位、すなわちプローブ２５の変位を変位検出部２８で個別に検出し、検出されたすべてのプローブ２５の変位に基づいて測定対象物Ｗの表面の２次元形状又は３次元形状を測定することができ、表面形状表示部７に表示させることができる。
（２）マトリックス状に配置された複数のプローブ２５を測定対象物Ｗの表面に接触させて、走査することなくその表面形状を測定することができるので、振動が生じても測定精度が低下することなく、屋外等においても高精度の形状測定を行うことができると共に、装置２１を簡略化且つコンパクト化でき、携帯性に優れる。
（３）複数のプローブ２５を略同時に測定対象物Ｗの表面に接近させて走査することなく測定を行うことができるので、測定精度を低下させることなく測定時間を大幅に短縮できる。
（４）プローブ２５の先端部の尖鋭度を向上させたり、プローブ２５の配設個数を増加させたり、プローブ２５間の間隔を小さくすることにより、容易に表面形状測定の分解能を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
以上説明したように、本発明は、浮遊微粒子捕集体等に付着した固体微粒子等の測定対象物の２次元形状又は３次元形状を測定するための形状測定装置に関し、特に本発明によれば、屋外での固体微粒子等の測定対象物の表面形状の測定に適し、測定時間を著しく短縮できると共にコンパクトで且つ振動により測定精度が低下することない形状測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】実施の形態１における表面形状測定装置の原理説明図
【図２】浮遊微粒子捕集体の一部破断要部斜視図
【図３】（ａ）実施の形態２における表面形状測定装置のプローブの概略構成図（ｂ）プローブの要部側面図
【図４】変位検出部の概略構成図
【図５】（ａ）実施の形態３における表面形状測定装置のプローブの概略構成図（ｂ）図４（ａ）のＡ−Ａ線の要部矢視断面図
【図６】（ａ）実施の形態４における表面形状測定装置の原理説明図（ｂ）プローブの先端部の要部拡大斜視図
【符号の説明】
【００４９】
１  形状測定装置
２  載置部
３  載置面
４，４′  プローブ支持部
５，５′  プローブ
６  変位検出部
７  表面形状表示部
８  ベース部
９  移動ステージ
１０  孔部
１１  カンチレバー
１２  プローブ
１３  基板
１４  レーザ照射部
１５  レーザ受光部
１６  変位算出部
１７  プローブ支持部
１８  プローブ
１９  保持筒部
２０  基板
２１  表面形状測定装置
２２  載置面
２３  微動機構部
２４  プローブ支持部
２５  プローブ
２６  静電容量検出部（物理量検出部）
２７  微動機構制御部
２８  変位検出部
２９  表面形状表示部
Ｗ  測定対象物
Ａ  浮遊微粒子捕集体
Ｂ  固体微粒子
【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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