(57)【要約】【課題】本発明は、試料の微小平面の角度を光学顕微鏡の接眼レンズ及び対物レンズの中間に２個のビームスプリッタを設置した光学系を用いて測定することにより、数十μm程度 (マイクロビッカース試験の領域に対応) の測定面に対し、高い精度で角度測定が行える装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の微小平面の角度測定装置は、試料テーブルに裁置される試料の微小平面の角度を光学系を用いて測定する装置において、光学系の光軸を通る参照光と試料の微小平面で反射した測定光とを撮像素子に入射させ、撮像素子における参照光と測定光の位置のずれから試料の微小平面の角度を測定するようにしたことを特徴としている。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料テーブルに裁置される試料の微小平面の角度を光学系を用いて測定する装置において、光学系の光軸を通る参照光と試料の微小平面で反射した測定光とを撮像素子に入射させ、撮像素子における参照光と測定光の位置のずれから試料の微小平面の角度を測定するようにしたことを特徴とする微小平面の角度測定装置。
【請求項２】
二軸回転ステージで構成される試料テーブルに試料の基準面が光学系の光軸と直交するように試料を裁置し、試料テーブル側から順に、対物レンズ、ハーフミラー、対物レンズ側ビームスプリッタ、接眼レンズ側ビームスプリッタ、及び接眼レンズを光軸上に設けて光学系を構成し、対物レンズ側ビームスプリッタに光源からの光を入射させ、ハーフミラーを透過した光を対物レンズを介して試料の測定面に照射し、測定面で反射された測定光とハーフミラーで反射された参照光とを接眼レンズ側ビームスプリッタを介して測定用撮像素子に入射させるようにしたことを特徴とする請求項１記載の微小平面の角度測定装置。
【請求項３】
試料の測定面の１辺が数十μｍであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の微小平面の角度測定装置。
【請求項４】
試料が硬さ試験用の圧子であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の微小平面の角度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、数十μm程度の微小平面の角度を精密に測定する角度測定装置に関し、特にビッカース硬さ試験機、マイクロビッカース硬さ試験機、ナノインデンテーション装置など、四角または三角錐型ダイヤモンド圧子を用いる硬さ試験機用圧子の検証のために利用される微小平面の角度測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ビッカース硬さ圧子の角度を光学顕微鏡と回転テーブルを用いて測定する方法が発表されており（例えば、非特許文献１参照。）、この原理に基づいた測定機が企業から製品化されている。しかし、測定には数百μm程度の平面が必要であり、マイクロビッカースなどの押し込み深さの小さい硬さ試験には対応できない。なお、マイクロビッカースは硬さ試験の中では最も産業界でのニーズが高い。
また、ビッカース硬さ圧子の角度を顕微干渉計を用いて測定する製品について紹介されている（例えば、非特許文献２参照。）。しかしながら、干渉縞を用いて面の法線方向を検出するので、対象となる平面が小さくなるほど測定精度が低下する。
【非特許文献１】樋田並照、ビッカース硬さ標準の精度向上に関する研究、計量研究所報告、２６，４ (１９７７)
【非特許文献２】A. Liguori, et al., Galindent: The Reference Metrological System for the Verification of the Geometrical Characteristics of Rockwell and Vickers Diamond Indenters, VDI-Berichte, １６８５(２００２)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
硬さ試験は産業界で広く使われている材料試験法であるが、正しい測定値を得るためには試験機を正しく校正された状態で使用することが不可欠である。特に、使用する圧子の形状は硬さ値に直接影響する重要な因子であるが、微小な三次元形状を正確に測定・検証することは容易でない。近年、被測定物の微小化・薄膜化にともない、圧子進入量の小さいマイクロビッカース試験やナノインデンテーション試験の需要が高まっており、圧子の検証も先端近傍のごく狭い領域で行うことが求められている。
しかしながら、今日用いられている方法は、数百μm程度の比較的大きな測定面を必要とする物や、観察倍率を上げると十分な角度の測定精度が得られない物がほとんどである。
【０００４】
本発明は、試料の微小平面の角度を光学顕微鏡の接眼レンズ及び対物レンズの中間に２個のビームスプリッタを設置した光学系を用いて測定することにより、数十μm程度 (マイクロビッカース試験の領域に対応) の測定面に対し、高い精度で角度測定が行える装置を提供することを目的とする。また、この技術を応用することによりＡＦＭ等でも使用可能な微小角度ゲージの校正も可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため本発明の微小平面の角度測定装置は、試料テーブルに裁置される試料の微小平面の角度を光学系を用いて測定する装置において、光学系の光軸を通る参照光と試料の微小平面で反射した測定光とを撮像素子に入射させ、撮像素子における参照光と測定光の位置のずれから試料の微小平面の角度を測定するようにしたことを特徴としている。
また、本発明の微小平面の角度測定装置は、二軸回転ステージで構成される試料テーブルに試料の基準面が光学系の光軸と直交するように試料を裁置し、試料テーブル側から順に、対物レンズ、ハーフミラー、対物レンズ側ビームスプリッタ、接眼レンズ側ビームスプリッタ、及び接眼レンズを光軸上に設けて光学系を構成し、対物レンズ側ビームスプリッタに光源からの光を入射させ、ハーフミラーを透過した光を対物レンズを介して試料の測定面に照射し、測定面で反射された測定光とハーフミラーで反射された参照光とを接眼レンズ側ビームスプリッタを介して測定用撮像素子に入射させるようにしたことを特徴としている。
また、本発明の微小平面の角度測定装置は、試料の測定面の１辺が数十μｍであることを特徴とする。
また、本発明の微小平面の角度測定装置は、試料が硬さ試験用の圧子であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）近年、産業界で用いられる様々な計測に国家標準へのトレーサビリティが求められている。硬さに関しても計量法校正事業者認定制度 (JCSS) の枠組みの中でトレーサビリティ体系の構築が進められているが、例えば、マイクロビッカース試験に関しては、微小な三次元形状を有する圧子の校正技術がなかったため整備が立ち後れており、本発明がブレークスルーの役割を果たすことが期待される。産業界では(株)東京ダイヤモンド工具製造所が圧子の製作、(財)日本軸受検査協会が圧子の校正事業を行うことで既に協力体制・役割分担ができており、本発明の技術移転を円滑に進めることが可能であると考えられる。
（２）ＡＦＭ用角度ゲージへの応用という観点では、現状ではＡＦＭのｘｙｚ三軸を標準サンプルにより校正することにより角度の校正を間接的に行っているが、現状では標準サンプルの不確かさが大きいため (特にｚ方向) 満足できる角度の校正が行えない状況である。数十μmという大きさは、光学顕微鏡でも観察可能であり、かつＡＦＭの測定範囲にも含まれる大きさなので、そのようなサイズの角度ゲージに対してより精度の高い校正値を付与することができれば、ＡＦＭの角度校正の不確かさが大幅に低減することが期待される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明に係る微小平面の角度測定装置を実施するための最良の形態を実施例に基づいて図面を参照して以下に説明する。  
【実施例１】
【０００８】
図１乃至図４は、本発明の微小平面の角度測定装置を説明するためのものであって、図１は本装置の概略を示す正面図、図２は本装置における参照光の経路を示す正面図、図３は本装置における測定光の経路（角度誤差がある場合）を示す正面図、また、図４は図１のＡ−Ａ視図である。  
図１において、測定される試料はマイクロビッカース試験に用いられる硬さ試験用の圧子１であって、圧子１の先端部は正四角錐の形状をしており、該正四角錐の４つの面２、２、２，２が順次測定される面である。測定される面２の１辺の長さは数十μｍである。
圧子１の正四角錐の面２の角度は、圧子の中心軸に対し６８°と規格で決められている。本明細書においては、規格で決められた誤差のない正四角錐の面を便宜上「基準面」という。
なお、試料としてはマイクロビッカース試験に用いられる硬さ試験用の圧子に限らず測定面の１辺の長さが数μｍ以上のものであればよく、望ましくは測定面の１辺の長さが１０μｍ以上あればよい。また、圧子の角度は、ビッカース試験の場合６８°であるが、ビッカース試験以外の場合は別の角度であることはいうまでもない。
【０００９】
圧子１は、直交する２面を持つくの字型の試料テーブル３の一面４（垂直面）にロータリーエンコーダ６を介して支持されている。試料テーブル４の他面５（水平面）はｘ軸（図１の紙面に平行かつ上下方向に延びる軸）回りに回転自在なロータリーエンコーダ７に固定され、試料テーブル３全体がｘ軸回りに回転自在となっている。このように、試料テーブル４は二軸回転ステージで構成されている。
後述する光学系の光軸をＺ軸（図１乃至３においては、紙面に平行且つ水平な軸）とすると、圧子１は、その正四角錐の基準面がＺ軸と直交するようにロータリーエンコーダ６、７を制御することによりセットされる。
【００１０】
図４では、角度誤差のない圧子を一点鎖線で、角度誤差のある圧子１を実線で示しており、図１乃至図３におけるマイクロビッカース試験用の圧子１の中心軸は左から右に向かって光学系の光軸であるＺ軸を基準にして紙面手前方向に２２゜傾けた状態で配置されていることがわかる。すなわち、基準面が光学系の光軸であるＺ軸に対して直交するように圧子１の中心軸をＺ軸に対して２２°傾けた角度で配置しており、実線で示す測定しようとする圧子１の正四角錐の面２に角度誤差がある場合は、該角度誤差のある面２は光学系の光軸Ｚに対して直交しないため、面２で反射された光は光軸Ｚに対して一定角度を有するものとなる。
【００１１】
圧子１に対向して光学顕微鏡の対物レンズ８が配置され、対物レンズ８の後方には光学顕微鏡の接眼レンズ９が配置されている。
対物レンズ８と接眼レンズ９の間には、光学系の光軸Ｚ上に対物レンズ８側に位置するビームスプリッタ１０及び接眼レンズ９側に位置するビームスプリッタ１１が設けられる。対物レンズ８側に位置するビームスプリッタ１０の対物レンズ８側に隣接してハーフミラー１２が設けられ、対物レンズ８側に位置するビームスプリッタ１０には図示のようにレーザー光源１３のレーザー光１４が導入されるようになっている。また、接眼レンズ９側に位置するビームスプリッタ１１で反射された反射光を導入する位置には測定用撮像素子１５が設置されている。
さらに、接眼レンズ９の後方には観察用撮像素子１６が配置されている。
【００１２】
レーザー光源１３から出射されたレーザー光１４は、ビームスプリッタ１０に入射され、その反射光１７の半分は図３に示すようにハーフミラー１２を透過し対物レンズ８を介して圧子１の先端部の正四角錐の測定面２に照射される。
一方、ハーフミラー１２で反射された光１９は、図２に示すようにビームスプリッタ１０を透過して接眼レンズ９側に位置するビームスプリッタ１１に入射し、反射された光２０が測定用撮像素子１５に入射する。
なお、本明細書においては、ハーフミラー１２で反射され、測定用撮像素子１５に入射する光を参照光２０という。
【００１３】
他方、図３に示すように、圧子１の先端部の正四角錐の測定面２で反射された光１８は、対物レンズ８を介してビームスプリッタ１１に入射し、そこで二方向に分けられ、透過した一方の光２１は接眼レンズ９により結像され、観察用撮像素子１６において測定面２上に照射されているレーザー光の位置を示すものとなる。
ビームスプリッタ１１で反射したもう一方の光２２は非結合光学系 (無限遠光学系) として測定用撮像素子１５に入射する。
なお、本明細書においては、測定面２で反射され、測定用撮像素子１５に入射する光を測定光２２という。
測定用撮像素子１５ではレーザー光源１３から直接入射する参照光２０と、測定面で反射された測定光２２とのふたつのスポット２３、２４が観察されるので、その位置のずれから測定面の法線方向を検出する。すなわち、測定用撮像素子１５上のふたつのスポット２３、２４を一致させるようにロータリーエンコーダ７により圧子１の向きを調整し、その際の調整角度から圧子１の測定面２の法線方向を検出することができる。
【００１４】
このように、図１に示す装置を用いて測定面の角度を測定するには、測定面にレーザー光を照射することのできる大きさの面があればよい。例えば、マイクロビッカース試験の圧子の四角錐の測定面の１辺の長さは数十μｍであるから、図１に示す装置により十分に測定可能である。
【産業上の利用の可能性】
【００１５】
本発明は、硬さ試験機の校正事業 (JCSS)、圧子製作時の製品検査に利用できる。
また、圧子の校正結果はトレーサビリティが必要な硬さ試験を行うすべての事業所に必要な物であり、このような事業者すべてに間接的に影響する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態に係る微小平面の角度測定装置を説明するための概略正面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る微小平面の角度測定装置おける参照光の経路示す正面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る微小平面の角度測定装置おける測定光の経路示す正面図である。
【図４】図１のＡ−Ａ視図である。
【符号の説明】
【００１７】
１    圧子
２    正四角錐の４つの面（測定面）
３    試料テーブル
４    試料テーブルの垂直面
５    試料テーブルの水平面
６    ロータリーエンコーダ
７    ロータリーエンコーダ
８    対物レンズ
９    接眼レンズ
１０  ビームスプリッタ
１１  ビームスプリッタ
１２  ハーフミラー
１３  レーザー光源
１４  レーザー光
１５  測定用撮像素子
１６  観察用撮像素子
１７  ビームスプリッタ１０における反射光
１８  測定面２で反射された光
１９  ハーフミラー１２で反射された光
２０  参照光
２１  観察用撮像素子１６に入射する光
２２  測定光
２３、２４  測定用撮像素子上のふたつのスポット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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