(57)【要約】【課題】  光源から測定対象に対して光ビームを照射して得られる反射ビームの光路の変化から該測定対象の変位量を測定する変位測定装置において、高い分解能と広い測定レンジを有する変位量測定装置を提供することを目的とする。【解決手段】  前記測定対象を介して得られる反射ビーム４の光路が変化する方向に間隙２０１Ａ、２０１Ｂ、……、２０１Ｎをおいて複数の受光素子２００Ａ、２００Ｂ、………２００Ｎを配し、反射ビーム４のスポットが受光素子と間隙とに峻別されて照射される受光部受光部１１５と、  反射ビーム４の光路の変位によって受光部２００Ａ、２００Ｂ、……２００Ｎから得られる受光量の変化を検出する検出部検出部１１６とから構成したことを特徴とする。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から測定対象に対して光ビームを照射して得られる反射ビームの光路の変化から該測定対象の変位量を測定する変位測定装置において、
前記測定対象を介して得られる反射ビームの光路が変化する方向に間隙をおいて複数の受光素子を配し、該反射ビームのスポットが該受光素子と該間隙とに峻別されて照射される受光部と、
前記反射ビームの光路の変位によって前記受光部から得られる受光量の変化を検出する検出部とから構成したことを特徴とする変位測定装置。
【請求項２】
前記検出部は、前記反射ビームが前記受光素子と前記間隙とを照射して得られた受光量の差異を検出することを特徴とする請求項１に記載の変位量測定装置。
【請求項３】
前記受光部は、前記反射ビームの変位する方向に位置を変更して設定される位置設定部により装置本体に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の変位測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、被測定物の変位量を測定する変位量測定装置に関するものであって、特に極めて微小な変位量の測定に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】  従来、この種の測定方法としては、例えば被測定物の変位量を対向する電極の静電容量に変換し、この静電容量の変化を計測するものがある。この方法は、いわゆるマイクロマシン等のように微小機構の場合に対向電極の面積が確保できないという欠点があった。そこで、光学的に測定する装置が考えられるが、被測定物に対して光ファイバーを用いて投光し、被測定物からの反射光を受光するようにしているが、光ファイバーの端面にやはりある程度の対向面積を必要とする。【０００３】  そこで、従来においては、下記の特許文献１に示すように、光ビームを絞り込んだレーザ光による光テコを利用した方法が提案されている。これは試料の表面にカンチレバーの先端に形成された短針が対向されている。そして、レーザ光がカンチレバーの背面で反射されてように照射されている。カンチレバーにおいてねじれや撓みが生じると受光面におけるレーザ光の入射位置が変化するので、この変化を光検出器で検出信号として検出するようになっている。また，下記の特許文献２で示すように、反射されたレーザ・ビームの受光位置にはホトダイオードを用いているが、この受光面は２分割もしくは４分割され夫々の面の受光量によってレーザ光の反射角の変化から被測定物の表面の変化を計測したものである。このような構成の変位量測定装置は、分割領域における分割された各素子の出力差を検出することによって被測定物の表面の変化を高い制度で計測できる。【０００４】  上記特許文献１及び特許文献２で示す従来技術によれば、光ビームを用いて微小な変位量を検出することができる。この技術は、表面の粗さ検出装置、半導体デバイスの生産過程における基板の表面の凹凸の計測装置等に適用されている。
【特許文献１】特開２００３−４２９２８号公報（段落〔０００６〕）
【特許文献２】特開２００３−１５６３１９号公報（段落〔０００６〕、段落〔００１０９〕、段落〔００１６〕〜段落〔００２０〕）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  しかしながら、上記特許文献１に示す従来技術にあっては、カンチレバーが大きくねじれたり撓んだりした場合は、反射されるレーザ光が光検出器の受光面からはずれて測定不可能な状態になってしまう。そのため、広い測定範囲を得ることができなかった。特に、分解能を高める必要性から光路長を大きくすると、ますます測定範囲が狭くなってしまうという問題点があった。【０００６】  一方、上記特許文献２で示す従来技術のように、受光面が分割された光検出装置を用いたものにあっては、分解能を高めるために光スポットを小さくすると分割線における光スポットの移動量の測定範囲が狭くなり測定レンジが小さくなってしまうという問題点があった。【０００７】  そこで、本発明は従来の問題点を除去した、高い分解能と広い測定レンジを有する変位量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】
【０００８】  前記課題を解決するために、本願の請求項１に係る発明の変位量測定装置は、光源から測定対象に対して光ビームを照射して得られる反射ビームの光路の変化から該測定対象の変位量を測定する変位測定装置において、
前記測定対象を介して得られる反射ビームの光路が変化する方向に間隙をおいて複数の受光素子を配し、該反射ビームのスポットが該受光素子と該間隙とに峻別されて照射される受光部（例えば、受光部１１５）と、
前記反射ビームの光路の変位によって前記受光部から得られる受光量の変化を検出する検出部（例えば、検出部１１６）とから構成したことを特徴とする。【０００９】  また、本願の請求項２に係る発明の変位量測定装置においては、前記検出部は、前記反射ビームが受光素子と間隙とを照射して得られた受光量の差異を検出することを特徴とする。【００１０】  また、本願の請求項３に係る発明の変位量測定装置においては、前記受光部は、前記反射ビームの変位する方向に位置を変更して設定される位置設定部（例えば、積層型ピエゾ素子２０３）により装置本体に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】  本発明は上述のような構成をとることにより以下のような効果を呈する。本願の請求項１の変位測定装置によれば、前記受光部は反射ビームの光路が変化する方向に間隙をおいて複数の受光素子が配されているので反射ビームの光路の変化量を広範囲にわたって検出できる。そのため、前記測定対象の変位量を微小な値から大きな値まで広範囲に測定できる変位量測定装置を提供できる。【００１２】  また、請求項２に係る発明の変位量億邸装置においては、前記反射ビームを絞り込むと共に前記間隙と前記受光素子との間を接近させた状態において、前記検出部が受光量の差異を検出し該検出出力により前記測定対象の変化量を算出できるので、極めて微小な変化量からの測定を可能とする変位量測定装置を提供できる。【００１３】  前記位置設定部が前記受光部を反射ビームの変位する方向で位置の調整を行うようにしたので初期設定を容易に正確にできる変位量測定装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】  本発明を実施するための最良の形態としては、以下に説明する実施例である。
【実施例１】
【００１５】  本発明の実施例１を図１〜図４によって説明する。図１は本発明の実施例１における変位量測定装置を示す側面図、図２は本発明の実施例１における変位量測定装置を示す底面図、図３は本発明の実施例１における要部を概略的に示す説明図、図４は本発明の実施例１における更に要部を概略的に示す説明図、図５は本発明の実施例１における検出出力の状態を示す特性図である。【００１６】  図１、図２において示すように、変位量測定装置１は、基台１０と、基台１０に対して上下方向に可動可能に取り付けられた測定部１１と、測定部１１を上下に可動して位置を設定する位置設定用操作部１２と、基台１０の底面の３箇所に設けられた鋼球１３とから構成されている。そして、変位量測定装置１は鋼球１３によって表面の粗さが測定される測定対象の被測定面２上に三点支持で設置されるようになっている。【００１７】  測定部１１は、一端が支持部１１０に固定され他端が遊端とされた板ばね１１１と、遊端に被測定面２に向かって取り付けられた触針１１２と、レーザ光を発光するレーザダイオード１１３と、レーザ光を絞り込んで光ビームとして板ばね１１１の遊端の背面を照射するためのレンズ１１４と、背面から反射した光ビームを受光するための受光部１１５と、受光部１１５で得られた受光量の変化を電気的に検出出力として得る検出部１１６、支持部１１０と測定部本体１１７との間に設けられたＸ軸用移動部１１８と、同じく支持部１１０と測定部本体１１７との間に設けられたＹ軸用移動部１１９とから構成されている。Ｘ軸用移動部１１８とＹ軸用移動部１１９とは積層型ピエゾ素子から形成されており、触針１１２を被測定面２上でＸ軸とＹ軸方向に微小の距離を選択的に移動できるようになっている。【００１８】  レーザダイオード１１４の電源、検出部１１６で得られた測定データ、Ｘ軸用移動部１１８及びＹ軸用移動部１１９の制御用電源等はケーブル１２０によって外部機器（図示せず）に接続されている。【００１９】  受光部１１５は図３で示すように複数の受光素子２００Ａ、２００Ｂ、……、２００Ｎが設けられている。これら受光素子２００Ａ、２００Ｂ、……、２００Ｎは間隙２０１Ａ、２０１Ｂ、……、２０１Ｎを挟んで等間隔に配置され、光ビームの変化する方向に直線上に並んで一体に形成されて設けられている。この一体化された受光素子２００Ａ、２００Ｂ、……、２００Ｎは測定部本体１１５に位置設定部２０２でもって取り付けられている。この位置設定部２０２は受光素子２００Ａ、２００Ｂ、……、２００Ｎを積層型ピエゾ素子でもって測定部本体１１５に取り付け、受光素子２００Ａ、２００Ｂ、……、２００Ｎを全体的に光ビームが変位する方向に微小な距離で位置を変更できるようになっている。【００２０】  レーザダイオード１１３からの光ビームはレンズ１１４で絞り込まれ入射ビーム３として板ばね１１１に照射される。そして、板ばね１１１で反射され反射ビーム４として受光部１１５に至る配置関係になっている。光ビームと受光素子２００Ａ、２００Ｂ、……、２００Ｎと間隙２０１Ａ、２０１Ｂ、……、２０１Ｎとの関係は図４で詳しく示されている。反射ビーム４はそのスポットが受光素子２００Ａ、２００Ｂ、……、２００Ｎと間隙２０１Ａ、２０１Ｂ、……、２０１Ｎとを峻別して照射する大きさにレンズ１１４によって絞り込まれている。【００２１】  検出部１１６は、例えば、受光素子２００Ｂと間隙２０１Ｂとに反射ビーム４が別々に照射したときに得られる受光量の差異を検出できる。この検出出力は板ばね１１の最も微小な変位を測定するために、絞り込まれた反射ビーム４のスポットの大きさと受光素子２００Ｂの受光面の大きさと間隙２０１Ｂの寸法とが限りなく小さく設定されている。例えば、数ミクロンのピッチで配置することができる【００２２】  次に、上述した本発明の実施例１の構成による動作を説明する。まず、使用者は変位量測定装置１を被測定面２の上に載置する。そして、位置設定用走査部１２でもって測定部１１の上下の位置を設定する。この設定は触針１１２が被測定面２に適度の圧力で接する状態にすることである。また、使用者はＸ軸用移動部１１７とＹ軸用移動部１１８とにより反射ビーム４が受光部１１５に至るように調整する。そして、位置設定部２０２に適度の電圧を印加して反射ビーム４が受光素子２００Ａ、２００Ｂ、……、２００Ｎの適当な所に至るように設定する。更に、レンズ１１３により反射ビーム４が適正なスポットとなるように調整する。【００２３】  この初期設定が完了した後は、使用者はＸ軸用移動部１１７又はＹ軸用移動部１１８に外部より所定の電圧を印加して触針１１２を所定の方向に移動させる。この移動により板ばね１１２が被測定面２の粗さによって撓みに変化を生じる。この移動量は微小な距離であり粗さも微小なものである。【００２４】  光ビームと受光部１１５との状態は図３、図４で詳しく示す。板ばね１１１の反射面に相当する部分が距離Ｚだけ撓むと、反射ビーム４は実線で示す経路から鎖線で示す経路に変わる。この変化によって反射ビーム４は受光素子２００Ａ、２００Ｂ、……、２００Ｎを順に横断する。この状態は図５で示すように横軸に反射ビーム４のスポットの移動距離とし縦軸を受光素子２００Ａ、２００Ｂ、……、２００Ｎの検出出力とすると、横断した個数に対応して検出出力のピーク数が得られる。【００２５】  最大の分解能としては、検出出力の最大値Ｐｍａｘと最小値Ｐｍｉｎから得られた板ばね１１１の微小変位量ΔＸが相当する。現在の技術の一例としては、反射ビーム４の光路の角度変化が０．０１ａｒｃｓｅｃまで達している。これは長さが１０ｍｍ程度の板ばね１１５においてサブナノメートルの撓みに相当する。【００２６】  一方、検出出力のピークの個数を計数することにより板ばね１１５の撓み量を求めることができる。測定レンジとしては、受光素子２００Ａ、２００Ｂ、……、２００Ｎの個数分だけ得ることができるので、この受光素子２００Ａ、２００Ｂ、……、２００Ｎの個数を増加することによって測定レンジを大きくすることができる。【００２７】  従って、上述した実施例の変位量測定装置１によれば、受光部１１５は反射ビーム４の光路が変化する方向に間隙２０１Ａ、２０１Ｂ、……、２０１Ｎをおいて複数の受光素子２００Ａ、２００Ｂ、……、２００Ｎが配されているので反射ビーム４の光路の変化量を広範囲にわたって検出できる。一方、反射ビーム４を絞��込むと共に間隙２０１Ａ、２０１Ｂ、……、２０１Ｎと受光素子２００Ａ、２００Ｂ、……、２００Ｎとの間を接近させた状態において、検出部１１６が受光量の差異を検出できる。そのため、該検出出力により触針１１２の上下の変化量を極めて微小な値から大きな値まで算出できるので、被測定面２の粗さを極めて微小な値から大きな値まで広範囲に測定できる。また、位置設定部２０２が受光部１１５を反射ビーム４の変位する方向で位置の調整を行うようにしたので初期設定を容易に正確にできる。
【実施例２】  次に、本発明の実施例２を図６によって説明する。この実施例２は測定対象である被測定物５が平行ばね６によって変位するものである。このような変位量を測定する測定装置は被測定物５自体が傾くものでないため、被測定物５の変位によって傾きを生じる平行ばね６の中央部分に光ビームを照射する構成とする。そして、反射ビーム４の傾きを受光部１１５で得て検出部１１６により被測定物５の変位量として得るようにしたものである。【００２８】  尚、上述した本発明の実施例１及び２においては、受光素子２００Ａ、２００Ｂ、……、２００Ｎを一列に配置しただけである。しかし、本発明はこれに限定されることなく、受光素子を平面状に配置して二次元的に反射ビーム４の変化を検出するようにしてもよい。この場合には、受光素子全体を２つの位置調整部で二次元的に位置の調整を可能にして、初期設定の際に反射ビーム４が平面状の受光素子の略中央に至るように調整できるようにすればよい。【００２９】  尚、また、上述した本発明の実施例１及び２においては、測定対象として表面粗さ、位置の変位を測定する装置について説明したが、これ以外に、ダイヤフラムが圧力により変化する変形状態を利用した圧力測定のための装置、ばねを用いた重量を測定する装置、ばねと付加質量を用いた重力・加速度を測定する装置等の各種の装置に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】  図１は本発明の実施例１における変位量測定装置を示す側面図である。
【図２】  図２は本発明の実施例１における変位量測定装置を示す底面図である。
【図３】  図３は本発明の実施例１における要部を概略的に示す説明図である。
【図４】  図４は本発明の実施例１における更に要部を概略的に示す説明図である。
【図５】  図５は本発明の実施例１における検出出力の状態を示す特性図である。
【図６】  図６は本発明の実施例２における要部の説明図である。
【符号の説明】
【００３１】１            変位量測定装置
２            被測定面
３            入射ビーム
４            反射ビーム
１０          基台
１１          測定部
１２          位置設定用調整部
１３          鋼球
１１０        支持部
１１１        板ばね
１１２        触針
１１３        レーザダイオード
１１４        レンズ
１１５        受光部
１１６        検出部
１１７        測定部本体
１１８        Ｘ軸用移動部
１１９        Ｙ軸用移動部
２００Ａ、２００Ｂ、……、２００Ｎ
受光素子
２０１Ａ、２０１Ｂ、……、２０１Ｎ
間隙
２０２        位置設定部
【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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