(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空基部の上端開口の周囲にて支持された可撓性の支持部と、
該支持部の表面に位置して検出対象となる固体表面に接触する突起部と、
前記支持部の裏面に配置されて、前記固体表面を前記突起部に接触させて前記支持部がその裏面側に撓んだ状態にて前記突起部を前記固体表面側に押し付けて前記支持部が同固体表面に向けて湾曲するように駆動する駆動手段と、
該駆動手段による前記突起部の駆動時に同突起部の変位量を検出する変位検出手段とを備え、
前記変位検出手段により検出される前記突起部の変位量と前記駆動手段の駆動力の大きさとの相対関係に基づいて前記固体表面の硬さを検出することを特徴とする固体表面の硬さ検出器。
【請求項２】
中空基部の上端開口の周囲にて弾性的に変形可能に支持された可撓性の支持部と、
該支持部の表面に位置して検出対象となる固体表面に接触する突起部と、
前記支持部の裏面に配置されて、前記固体表面を前記突起部に接触させて前記支持部がその裏面側に撓んだ状態にて前記突起部を前記固体表面側に周期的に駆動して振動させる駆動手段と、
該駆動手段による前記突起部の駆動時に同突起部の変位を検出する変位検出手段とを備え、
前記駆動手段の周期的な駆動力と前記変位検出手段により検出される前記突起部の変位との間の位相差から前記固体表面の硬さを検出することを特徴とする固体表面の硬さ検出器。
【請求項３】
加熱により膨張する金属部材を前記支持部の裏面に配置して、同金属部材がその熱膨張により前記駆動手段として機能するようにしたことを特徴とする請求項１に記載した固体表面の硬さ検出器。
【請求項４】
請求項１又は２に記載した固体表面の硬さ検出器を基本素子として採用し、同基本素子を格子状に複数配列して、各基本素子が前記駆動手段によりそれぞれ独立に駆動されるようにしたことを特徴とする固体表面の硬さ検出器。
【請求項５】
請求項１又は２に記載した固体表面の硬さ検出器において、前記突起部の変位を検出する変位検出手段として前記支持部に設けた歪みゲージを採用したことを特徴とする固体表面の硬さ検出器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体表面の硬さを検出する固体表面の硬さ検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、固体表面の硬さを検出する方法としては、対象とする固体について振動子を接触させて加振することにより共振周波数を調べて、この共振周波数に基づいて振動子が固体表面に接触している接触圧と固体表面の硬さを算出するという方法が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の方法においては、接触圧及び硬さを互いに分離して算出することが現実的には困難であった。
【０００４】
本発明の目的は、上記問題に対処するため、固体表面の硬さを簡単に検出できる固体表面の硬さ検出器を提供することにある。
【０００５】
本発明は、上記の目的を達成するため、中空基部の上端開口の周囲にて支持された可撓性の支持部と、該支持部の表面に位置して検出対象となる固体表面に接触する突起部と、前記支持部の裏面に配置されて、前記固体表面を前記突起部に接触させて前記支持部がその裏面側に撓んだ状態にて前記突起部を前記固体表面側に押し付けて前記支持部が同固体表面に向けて湾曲するように駆動する駆動手段と、該駆動手段による前記突起部の駆動時に同突起部の変位量を検出する変位検出手段とを備え、前記変位検出手段により検出される前記突起部の変位量と前記駆動手段の駆動力の大きさとの相対関係に基づいて前記固体表面の硬さを検出することを特徴とする固体表面の硬さ検出器を提供するものである。
【０００６】
本発明の一実施形態においては、中空基部の上端開口の周囲にて支持された可撓性の支持部と、該支持部の表面に位置して検出対象となる固体表面に接触する突起部と、前記支持部の裏面に配置されて、前記固体表面を前記突起部に接触させて前記支持部がその裏面側に撓んだ状態にて前記突起部を前記固体表面に向けて周期的に駆動して振動させる駆動手段と、該駆動手段による前記突起部の駆動時に同突起部の変位を検出する変位検出手段とを備え、前記駆動手段の周期的な駆動力と前記変位検出手段により検出される前記突起部の変位との間の位相差から前記固体表面の硬さを検出することを特徴とする固体表面の硬さ検出器を採用してもよい。
【０００７】
本発明の他の実施形態においては、上記のように構成した固体表面の硬さ検出器において、加熱により膨張する金属部材を前記支持部の裏面に配置して、同金属部材がその熱膨張により前記駆動手段として機能するようにしてもよい。
【０００８】
さらに、本発明の実施にあたっては、上記のように構成した固体表面の硬さ検出器を基本素子として複数個採用し、これら複数の基本素子を格子状に配列して各基本素子が前記駆動手段によりそれぞれ独立に駆動されるようにしてもよい。
【０００９】
【発明の効果】
上記のように構成した本発明による固体表面の検出器においては、単に、変位検出手段による検出に基づいて、駆動手段が発生した駆動力と該駆動力により駆動された突起部の実際の変位の状況とを比較しているだけであるため、固体表面の硬さを簡単に検出することができる。
【００１０】
【発明の実施形態】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。この実施形態における固体表面の硬さ検出器は、図１，２に示すように、格子状に並設された複数の基本素子１０を備えている。この場合、各基本素子１０は、単結晶シリコン又はガラスなどにより形成した基板上にホトマスクを用いた一括加工を行い成形するとよい。各基本素子１０は、図３，４に詳細に示すように、検出対象とする固体Ｘの表面Ｘ１（図１にのみ図示）に接触する突起部１１と、突起部１１を基部１２上にて弾性的に支持する可撓性の支持部１３と、支持部１３を変形させながら突起部１１を固体表面Ｘ１に押し付ける方向に駆動する駆動手段としての駆動部材１４と、駆動部材１４による突起部１１の駆動時に突起部１１の変位量を検出する変位検出手段としての複数の歪みゲージ１５とを備えている。
【００１１】
突起部１１は、検出対象である固体表面Ｘ１の形状及び材質、並びに駆動部材１４の設計に基づきその形状を決定されて、支持部１３の外枠１３ａより固体表面Ｘ１側に突出するように形成されている。支持部１３は、箱状の基部１２の開口上端を塞ぐようなダイヤフラム状の部材であり、その中央に配置した突起部１１と一体的にシリコンにより形成されている。この場合、突起部１１は、支持部１３の面上にて、アルカリ水溶液による異方性エッチングを行うか、硝酸、フッ化水素酸、及び酢酸若しくは水の混合液による等方正エッチングを行うか、又は、反応性ガスによるドライエッチングによって成形するとよい。
【００１２】
なお、突起部１１と支持部１３は別体として形成してもよく、その場合、突起部１１を樹脂などにより形成し、支持部１３を金属などにより形成するようにしてもよい。また、支持部１３は、図５に示すように、梁状に形成して弾性を調整するようにしてもよい。
【００１３】
駆動部材１４は、支持部１３を形成するシリコンと比較して熱膨張係数が大きい金属材（例えばニッケル、アルミニウムなど）により平板状に形成して支持部１３の裏面側に組み付けた部材であり、図示しない通電機構により通電加熱されて同通電加熱時に熱膨張により支持部１３を図示上方向に湾曲させて突起部１１を固体表面Ｘ１に押しつける方向に駆動する。歪みゲージ１５は、半導体により形成されて支持部１３の四方縁部にそれぞれ組み付けられており、支持部１３の変形に伴う歪みの大きさを抵抗率の変化によって感知することにより突起部１１の変位量を検出する。
【００１４】
次に、上記のように構成した硬さ検出器を用いて固体の表面情報を調べる場合について説明する。
【００１５】
最初、固体Ｘの表面Ｘ１をこの検出器に接触させると、図１（ａ）に示したように、各基本素子１０においてそれぞれ突起部１１が固体表面Ｘ１に接触して支持部１３を撓ませながら変位する。このとき、各基本素子１０における突起部１１の変位量は同突起部１１の固体表面Ｘ１に対する接触圧に応じて定まるため、各基本素子１０にて歪みゲージ１５により突起部１１の変位量を検出することにより、各基本素子１０位置にて突起部１１が固体表面Ｘ１に接触する接触圧をそれぞれ検出することができる。
【００１６】
また、上記各基本素子１０における突起部１１の変位量すなわち固体表面Ｘ１に対する接触圧は、各突起部１１位置における固体表面Ｘ１の凹凸形状に応じて相対的に定まる。例えば、固体表面Ｘ１が突出している部分に接触した突起部１１の変位量及び接触圧は相対的に大きくなり、固体表面Ｘ１が窪んでいる部分に接触した突起部１１の変位量及び接触圧は相対的に小さくなる。また、図１に示したように、固体表面Ｘ１に穴Ｘ２が形成されていれば、同穴Ｘ２の位置においては突起部１１は固体表面Ｘ１に接触せず変位しない。したがって、各基本素子１０における突起部１１の変位量をそれぞれ検出することにより、固体表面Ｘ１全体の形状も検出することができる。
【００１７】
次に、固体表面Ｘ１の硬さを調べる場合について説明する。この場合、まず、図１（ｂ）に示したように、各基本素子１０の突起部１１を固体表面Ｘ１に接触させた状態にて、駆動部材１４に所定電流を流して突起部１２をさらに固体表面Ｘ１に押し付ける方向に駆動する。次に、十分な時間だけこの駆動部材１４への通電を継続して突起部１１に対し一定の駆動力を付与し続けて、突起部１１の変位が完了したら、同変位完了状態における突起部１１の変位量を歪みゲージ１５により検出する。そして、駆動部材１４が発生した駆動力の大きさすなわち駆動部材１４に対する通電量と、この駆動力により突起部１１が変位した量すなわち歪みゲージ１５により検出した突起部１１の駆動前後の変位量の差との相対関係から、例えば図６に示したようなマップを参照して、固体表面Ｘ１の硬さを検出する。なお、図６においては、固体Ａ，Ｂ，Ｃの順に硬い固体である。このようにして、当該実施形態においては、固体表面Ｘ１の硬さ及び形状、並びに固体Ｘに対する接触圧を簡単に検出することができる。
【００１８】
また、逆に、各基本素子１０にてそれぞれ独立に駆動部材１４により突起部１１を駆動することにより、各基本素子１０における突起部１１の固体表面Ｘ１に対する接触圧をそれぞれ独立に制御することも可能である。これにより、例えば、凸凹形状を有する表面Ｘ１に対して各基本素子１０の突起部１１が一様な接触圧にて接触するようにするなど、表面Ｘ１全体に対する接触圧の制御も可能となっている。
【００１９】
なお、上記実施形態においては、各基本素子１０において突起部１１を支持部１３の外枠１３ａより固体表面Ｘ１側に突出するように形成したが、これは当該検出器を用いて固体表面Ｘ１の硬さ以外に固体表面Ｘ１の形状及び固体表面Ｘ１に対する接触圧も検出できるようにしたためであり、当該検出器を固体表面Ｘ１の硬さを検出するためにのみ用いる場合には、突起部１１を支持部１３の外枠１３ａより固体表面Ｘ１側に突出しないように形成するとよい。これによれば、突起部１１の非駆動時に固体表面Ｘ１が突起部１１に接触することなく支持部１３の外枠１３ａに接触することになるため、突起部１１の駆動時に比較的小さな駆動力により突起部１１を固体表面Ｘ１側に変位させて硬さを検出できるようになる。
【００２１】
また、上記実施形態においては、駆動部１５による突起部１１の駆動時、突起部１１を固体表面Ｘ１に押し付ける方向に単に一度だけ駆動するようにしたが、これに代えて、突起部１１を固体表面Ｘ１に押し付ける方向に周期的に駆動して突起部１１を振動させるようにしてもよい。この場合、駆動部材１４に対しては通電及び非通電を周期的に繰り返すようにすればよく、固体表面Ｘ１の硬さは、駆動部材１４が発生している周期的な駆動力と歪みゲージ１５により検出される突起部１１の振動との間の位相差から検出するようにするとよい。
【００２２】
また、上記実施形態においては、各基本素子１０毎にそれぞれ独立して各基本素子１０位置における固体表面Ｘの特性を検出するようにしていたが、各基本素子１０を駆動用素子又は検出用素子として使い分けて、固体Ｘの表面Ｘ１に沿った方向の特性を検出するようにしてもよい。この場合、各基本素子１０の突起部１１が固体表面Ｘ１に接触した状態にて、駆動用素子においては駆動部材１４により突起部１１を固体表面Ｘ１に押し付ける方向に周期的に駆動して突起部１１を振動させ、検出用素子においては突起部１１を駆動することなく歪みゲージ１５により突起部１１の変位量を検出するようにする。そして、駆動用素子の駆動部材１４による突起部１１の駆動時、検出用素子の歪みゲージ１５による検出に基づいて、駆動用素子の駆動部材１４が発生している周期的な駆動力と検出用素子の突起部１１の振動との間の位相差から駆動用素子及び検出用素子間における固体Ｘの表面Ｘ１に沿った方向の弾性特性を検出するようにする。
【００２３】
また、上記各基本素子１０は、図７にて示したように、可撓性の連結部１６により互いに変位可能に連結するようにしてもよい。この場合、連結部１６は、例えばポリイミドなどの樹脂材により形成するとよい。これによれば、当該固体の表面情報検出器を任意の曲面上に接触させて用いることが可能となる。
【００２４】
次に、上記実施形態の変形例について図面を参照して説明する。
【００２５】
図８，９に示した固体表面の硬さ検出器の基本素子２０，３０は、突起部２１，３１の駆動手段として電磁力を採用したものである。
【００２６】
基本素子２０は、基部２２の底部２２ａを永久磁石により構成し、同底部２２ａに対向して支持部２３の裏面上にコイルパターン２４を配設したものである。コイルパターン２４は、図示しない通電機構により通電されて磁場を発生し、同磁場の発生時に底部２２ａにより形成された磁場と干渉して突起部２１を駆動する。コイルパターン２４と底部２２ａの間に働く力の向きはコイルパターン２４を流れる電流の向きに応じて決まり、突起部２１は、コイルパターン２４と底部２２ａの間に斥力が発生した場合には固体表面Ｘ１に押し付けられる方向（図示上方向）に駆動され、コイルパターン２４と底部２２ａの間に引力が発生した場合にはその反対方向（図示下方向）に駆動される。したがって、同変形例においては、コイルパターン２４に対して交流電圧を印加することにより、簡単に突起部２１を振動させることが可能である。この場合、印加電圧の周波数を支持部２３の固有振動数と等しくなるように設定すれば、共振現象により、小さな電圧で突起部２１を効率的に振動させることができる。
【００２７】
基本素子３０は、突起部３１を永久磁石により構成し、基部３２の底部３２ａの上面上にコイルパターン３４を配設したものである。コイルパターン３４は、図示しない通電機構により通電されて磁場を発生するようになっており、同磁場の発生時に突起部３１により形成された磁場と干渉して突起部３１を駆動する。突起部３１とコイルパターン３４の間に働く力の向きはコイルパターン３４を流れる電流の向きに応じて決まり、突起部３１は、コイルパターン３４との間に斥力が発生した場合には固体表面Ｘ１に押し付けられる方向（図示上方向）に駆動され、コイルパターン３４との間に引力が発生した場合にはその反対方向（図示下方向）に駆動される。したがって、この場合も、簡単かつ効率的に突起部３１を振動させることができる。
【００２８】
上記各基本素子２０，３０にて突起部２１，３１に対して加えられる駆動力は、コイルパターン２４，３４の巻き数、コイルパターンに流す電流の大きさ、底部２２ａ又は突起部３１を構成する永久磁石により形成される磁場の大きさ、及び底部２２ａ又は突起部３１を構成する永久磁石とコイルパターン２４，３４との相対位置関係により定まる。コイルパターン２４，３４は、基板上にホトリソグラフィーにて形成した型内に金属材を満たすことにより形成されている。この場合、コイルパターン２４，３４の厚さが薄ければ（例えば、数ミクロン以下）、真空蒸着、スパッタリングなど薄膜形成プロセスを利用して金属材を充填するようにするとよい。コイルパターン２４，３４の厚さが比較的厚い場合には、厚膜形成が可能な金属めっきプロセスを利用してコイルパターン２４，３４を形成するようにするとよい。
【００２９】
図１０，１１に示した固体表面の硬さ検出器の基本素子４０，５０は、突起部４１，５１の駆動手段として圧電素子を採用したものである。
【００３０】
基本素子４０は、基部４２の底部４２ａと支持部４３の間に積層型の圧電素子４４を配設したものである。圧電素子４４は、図示しない通電機構による通電時、電流の向きに応じて図示上下方向に伸縮し、突起部４１を固体表面Ｘ１に押し付ける方向（上方向）及びその反対方向（下方向）に駆動する。同変形例においても、圧電素子４４に対して交流電圧を印加することにより簡単に突起部４１を振動させることが可能であり、印加電圧の周波数を支持部４３の固有振動数と等しく設定することにより突起部１１を効率的に振動させることができる。
【００３１】
基本素子５０は、平板状の基部５２と支持部５３の間に平板型の圧電素子５４を配設したものである。圧電素子５４は、図示しない通電機構による通電時、電流の向きに応じて図示上下方向に湾曲し、突起部５１を固体表面Ｘ１に押し付ける方向（上方向）及びその反対方向（下方向）に駆動する。したがって、この場合も、簡単かつ効率的に突起部５１を振動させることができる。また、同変形例においては、突起部５１の変位の幅が比較的小さくなるが、基本素子５０の幅が薄くなるため、当該検出器を小型に構成することが可能である。
【００３２】
図１２，１３に示した固体表面の硬さ検出器の基本素子６０，７０は、突起部６１，７１の駆動手段として液体の熱膨張を採用したものである。
【００３３】
基本素子６０，７０は、それぞれ、基部６２，７２と支持部６３，７３により画定した液室６６，７６内に例えば塩化メチルなどの液体を封入したものである。基本素子６０の液室６６内の液体は、光ファイバ６４により光を照射されたとき、同光の熱エネルギーにより膨張して突起部６１を固体表面Ｘ１に押し付ける方向に駆動する。同実施形態においては、光ファイバ６４による光の照射を間欠的かつ周期的に繰り返すことにより、突起部６１を振動させることができる。
【００３４】
基本素子７０の液室７６内の液体は、液室７６内に配設されたヒータ７４が図示しない通電機構により通電加熱されたとき、同ヒータ７４の熱エネルギーにより膨張して突起部７１を固体表面Ｘ１に押し付ける方向に駆動する。同実施形態においては、ヒータ７４に対して通電及び非通電を周期的に繰り返すことにより、突起部７１を振動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の一実施形態に係る固体表面の硬さ検出器の一状態を示す縦断面図である。
【図２】前記固体表面の硬さ検出器の平面図である。
【図３】図１，２の基本素子の詳細を示す拡大縦断面図である。
【図４】前記基本素子の詳細を示す拡大平面図である。
【図５】図１〜４の支持部の変形例を示す拡大平面図である。
【図６】図１〜４の駆動部による駆動力と突起部の変位量と固体表面の硬さとの関係を示すグラフである。
【図７】前記固体表面の硬さ検出器の変形例を示す縦断面図である。
【図８】前記基本素子の変形例を示す拡大縦断面図である。
【図９】前記基本素子の変形例を示す拡大縦断面図である。
【図１０】前記基本素子の変形例を示す拡大縦断面図である。
【図１１】前記基本素子の変形例を示す拡大縦断面図である。
【図１２】前記基本素子の変形例を示す拡大縦断面図である。
【図１３】前記基本素子の変形例を示す拡大縦断面図である。
【図１】
0004636745.tif 000002
【図２】
0004636745.tif 000003
【図３】
0004636745.tif 000004
【図４】
0004636745.tif 000005
【図５】
0004636745.tif 000006
【図６】
0004636745.tif 000007
【図７】
0004636745.tif 000008
【図８】
0004636745.tif 000009
【図９】
0004636745.tif 000010
【図１０】
0004636745.tif 000011
【図１１】
0004636745.tif 000012
【図１２】
0004636745.tif 000013
【図１３】
0004636745.tif 000014