特開 2022-180009 表面形状測定装置及び表面形状測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022180009

(43)【公開日】2022-12-06

(54)【発明の名称】表面形状測定装置及び表面形状測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/04 20060101AFI20221129BHJP

   G01B 11/14 20060101ALI20221129BHJP

【ＦＩ】

G01B11/04 Z

G01B11/14 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021086882

(22)【出願日】2021-05-24

(71)【出願人】

【識別番号】000006666

【氏名又は名称】アズビル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100079108

【弁理士】

【氏名又は名称】稲葉 良幸

(74)【代理人】

【識別番号】100109346

【弁理士】

【氏名又は名称】大貫 敏史

(74)【代理人】

【識別番号】100117189

【弁理士】

【氏名又は名称】江口 昭彦

(74)【代理人】

【識別番号】100134120

【弁理士】

【氏名又は名称】内藤 和彦

(72)【発明者】

【氏名】衣笠 静一郎

(72)【発明者】

【氏名】古谷 雅

【テーマコード（参考）】

2F065

【Ｆターム（参考）】

2F065AA22

2F065AA51

2F065BB06

2F065BB16

2F065DD03

2F065FF11

2F065GG04

2F065HH04

2F065MM07

2F065PP02

2F065PP13

2F065QQ25

2F065QQ28

(57)【要約】

【課題】測定対象物の凹部の幅を正確かつ簡易に測定可能な表面形状測定装置を提供する。
【解決手段】
測定対象物１０に光を照射し、測定対象物１０で反射された光を受光して、測定対象物１０に対する相対速度を測定するために構成された光学式速度計２０と、光学式速度計２０を一定方向に移動させる移動装置３０と、光学式速度計２０による相対速度の測定値が閾値以下になる間隔の距離を、測定対象物１０が有する凹部１５の幅として算出する幅算出部３０１と、を備える表面形状測定装置。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定対象物に光を照射し、測定対象物で反射された前記光を受光して、前記測定対象物に対する相対速度を測定するために構成された光学式速度計と、
前記光学式速度計を一定方向に移動させる移動装置と、
前記光学式速度計による前記相対速度の測定値が閾値以下になる間隔の距離を、前記測定対象物が有する凹部の幅として算出する幅算出部と、
を備える、表面形状測定装置。

【請求項2】

前記移動装置が、前記光学式速度計を一定速度で移動させる、請求項１に記載の表面形状測定装置。

【請求項3】

前記幅算出部が、前記光学式速度計による前記相対速度の測定値が前記閾値以下となる間に前記光学式速度計が進んだ距離を、前記測定対象物が有する前記凹部の前記幅として算出する、請求項１又は２に記載の表面形状測定装置。

【請求項4】

前記光学式速度計が、レーザードップラー式速度計である、請求項１から３のいずれか１項に記載の表面形状測定装置。

【請求項5】

前記光学式速度計が、自己結合式速度計である、請求項１から３のいずれか１項に記載の表面形状測定装置。

【請求項6】

前記光学式速度計が、空間フィルタ式速度計である、請求項１から３のいずれか１項に記載の表面形状測定装置。

【請求項7】

前記測定対象物が少なくとも２つの要素を有し、前記凹部が前記少なくとも２つの要素の間隔である、請求項１から６のいずれか１項に記載の表面形状測定装置。

【請求項8】

前記要素がローラーである、請求項７に記載の表面形状測定装置。

【請求項9】

前記測定対象物が前記移動装置の移動方向に移動しない、請求項１から８のいずれか１項に記載の表面形状測定装置。

【請求項10】

測定対象物に光を照射し、測定対象物で反射された前記光を受光して、前記測定対象物に対する相対速度を測定するために構成された光学式速度計を一定方向に移動させることと、
前記光学式速度計で測定された前記相対速度の測定値が閾値以下になる間隔の距離を、前記測定対象物が有する凹部の幅として算出することと、
を含む、表面形状測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、表面形状測定装置及び表面形状測定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

測定対象物の一方の側から光を照射し、測定対象物の他方の側から光を受光して、測定対象物のエッジを検出する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。また、測定対象物の隙間の一方の側から光を照射し、隙間を通過した光を、測定対象物の他方の側から受光して、測定対象物の隙間の幅を検出する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００４－１７７３３５号公報

【特許文献2】特開２０１８－４４７７１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、従来のエッジを検出する技術は、エッジが直角でないと、正確にエッジを検出できない。また、従来の隙間の幅を検出する技術は、例えば隙間の幅が狭い場合に、隙間の間に光が通るよう、発光素子と受光素子の光軸を調整することが煩雑である。そこで、本発明は、測定対象物の隙間を含む凹部の幅を正確かつ簡易に測定可能な表面形状測定装置及び表面形状測定方法を提供することを目的の一つとする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の態様によれば、測定対象物に光を照射し、測定対象物で反射された光を受光して、測定対象物に対する相対速度を測定するために構成された光学式速度計と、光学式速度計を一定方向に移動させる移動装置と、光学式速度計による相対速度の測定値が閾値以下になる間隔の距離を、測定対象物が有する凹部の幅として算出する幅算出部と、を備える、表面形状測定装置が提供される。

【0006】

上記の表面形状測定装置において、移動装置が、光学式速度計を測定対象物と交差しない一定方向に移動させてもよい。

【0007】

上記の表面形状測定装置において、移動装置が、光学式速度計を一定速度で移動させてもよい。

【0008】

上記の表面形状測定装置において、幅算出部が、光学式速度計による相対速度の測定値が閾値以下となる間に光学式速度計が進んだ距離を、測定対象物が有する凹部の幅として算出してもよい。

【0009】

上記の表面形状測定装置において、光学式速度計が、レーザードップラー式速度計であってもよい。

【0010】

上記の表面形状測定装置において、光学式速度計が、自己結合式速度計であってもよい。

【0011】

上記の表面形状測定装置において、光学式速度計が、空間フィルタ式速度計であってもよい。

【0012】

上記の表面形状測定装置において、測定対象物が少なくとも２つの要素を有し、凹部が少なくとも２つの要素の間隔であってもよい。

【0013】

上記の表面形状測定装置において、測定対象物が有する要素がローラーであってもよい。

【0014】

上記の表面形状測定装置において、測定対象物が移動装置の移動方向に移動しなくともよい。

【0015】

また、本発明の態様によれば、測定対象物に光を照射し、測定対象物で反射された光を受光して、測定対象物に対する相対速度を測定するために構成された光学式速度計を移動させることと、光学式速度計で測定された相対速度の測定値が閾値以下になる間隔の距離を、測定対象物が有する凹部の幅として算出することと、を含む、表面形状測定方法が提供される。

【0016】

上記の表面形状測定方法において、光学式速度計を測定対象物と交差しない一定方向に移動させてもよい。

【0017】

上記の表面形状測定方法において、光学式速度計を一定速度で移動させてもよい。

【0018】

上記の表面形状測定方法において、光学式速度計による相対速度の測定値が閾値以下となる間に光学式速度計が進んだ距離を、測定対象物が有する凹部の幅として算出してもよい。

【0019】

上記の表面形状測定方法において、光学式速度計が、レーザードップラー式速度計であってもよい。

【0020】

上記の表面形状測定方法において、光学式速度計が、自己結合式速度計であってもよい。

【0021】

上記の表面形状測定方法において、光学式速度計が、空間フィルタ式速度計であってもよい。

【0022】

上記の表面形状測定方法において、測定対象物が少なくとも２つの要素を有し、凹部が少なくとも２つの要素の間隔であってもよい。

【0023】

上記の表面形状測定方法において、測定対象物が有する要素がローラーであってもよい。

【0024】

上記の表面形状測定方法において、測定対象物が光学式速度計の移動方向に移動しなくともよい。

【発明の効果】

【0025】

本発明によれば、測定対象物の凹部の幅を正確かつ簡易に測定可能な表面形状測定装置及び表面形状測定方法を提供可能である。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】図１は、実施形態に係る表面形状測定装置を示す模式図である。

【図2】図２は、実施形態に係る表面形状測定装置の光学式速度計を示す模式図である。

【図3】図３は、実施形態に係る表面形状測定装置の光学式速度計を示す模式図である。

【図4】図４は、実施形態に係る表面形状測定装置の光学式速度計を示す模式図である。

【図5】図５は、実施形態に係る表面形状測定装置を示す模式図である。

【図6】図６は、実施形態に係る表面形状測定方法を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0027】

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。ただし、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

【0028】

実施形態に係る表面形状測定装置は、図１に示すように、測定対象物１０に光を照射し、測定対象物１０で反射された光を受光して、測定対象物１０に対する相対速度を測定するために構成された光学式速度計２０と、光学式速度計２０を一定方向に移動させる移動装置３０と、光学式速度計２０による相対速度の測定値が閾値以下になる間隔の距離を、測定対象物１０が有する凹部１５の幅として算出する幅算出部３０１と、を備える。

【0029】

測定対象物１０は、少なくとも２つの要素を有し、凹部１５が少なくとも２つの要素の間隔であってもよい。間隔は、隙間であってもよい。以下においては、測定対象物が２つのローラー１１、１２を有し、凹部１５が２つのローラー１１、１２の間隔である例を説明する。

【0030】

光学式速度計２０は、レーザードップラー式速度計であってもよい。光学式速度計２０がレーザードップラー式速度計である場合、光学式速度計２０は、図２に示すように、レーザー光を発する光源２０１を備える。レーザー光は、コリメートレンズ２０２を経て、ハーフミラー２０３で二分割される。分割された一方のレーザー光は、ミラー２０４で反射され、二つのレーザー光は、それぞれ、入射角θで測定対象物１０に入射し、干渉する。測定対象物１０で反射された散乱光は、集光レンズ２０５で集光され、受光素子２０６で受光される。

【0031】

受光素子２０６から得られるドップラー信号の周波数Ｆと、光学式速度計２０と測定対象物１０の相対速度Ｖと、レーザー光の波長λと、レーザー光の入射角θと、の関係は、下記（１）式で与えられる。
F=(2V/λ)sinθ (1)
レーザー光の波長λと、レーザー光の入射角θと、は、予め取得可能であるため、ドップラー信号の周波数Ｆを測定することにより、測定対象物１０に対する光学式速度計２０の相対速度Ｖを算出可能である。

【0032】

光学式速度計２０は、自己結合式速度計であってもよい。光学式速度計２０が自己結合式速度計である場合、光学式速度計２０は、図３に示すように、レーザー光を発する光源２１１を備える。レーザー光は測定対象物１０に入射する。測定対象物１０で反射された散乱光は、照射光と同じ光路を逆に進み、光源２１１内で、照射光と自己結合する。自己結合により生じた干渉波形を受光素子２１２で検出する。干渉波形の周期に基づき、測定対象物１０に対する光学式速度計２０の相対速度を算出可能である。

【0033】

光学式速度計２０は、空間フィルタ式速度計であってもよい。光学式速度計２０が空間フィルタ式速度計である場合、光学式速度計２０は、図４に示すように、光を発する光源２２１を備える。測定対象物１０は、集光された光で、光学式速度計２０の受光光学系に対して暗視野照明となるよう、斜め方向から照射される。測定対象物１０で散乱された光は、集光レンズ２２２で集光され、周期的な透過率分布を有する格子２２３上に、測定対象物１０の像を形成する。

【0034】

受光光学系の倍率をＭ、測定対象物１０に対する光学式速度計２０の相対速度をＶとすると、格子２２３上の像は速度ＭＶで移動する。格子２２３からの透過光を、受光素子２２４で受光する。受光素子２２４が受光する透過光の信号の周期Ｆは、格子２２３の間隔をｐとすると、下記（２）式で与えられる。
F=MV/p (2)
受光光学系の倍率Ｍ、格子２２３の間隔ｐと、は予め取得可能であるため、周波数Ｆを測定することにより、測定対象物１０に対する光学式速度計２０の相対速度Ｖを算出可能である。

【0035】

図１に示す移動装置３０は、例えば、光学式速度計２０を一定速度で移動させる。光学式速度計２０の移動方向は、光学式速度計２０が測定対象物１０と交差しない方向である。例えば、光学式速度計２０の移動方向は、測定対象物１０と略平行である。少なくとも光学式速度計２０が測定対象物１０に対する相対速度を測定している間、測定対象物１０は、移動装置３０の移動方向に移動しない。

【0036】

測定対象物１０が、光学式速度計２０に対して垂直に対向している場合、光学式速度計２０による相対速度の測定値は、光学式速度計２０の移動速度と等しくなる。しかし、測定対象物１０が傾斜する部分では、光学式速度計２０に戻る反射光が減少するため、光学式速度計２０の移動速度が一定であっても、光学式速度計２０による相対速度の測定値は、光学式速度計２０の移動速度より低くなる。２つのローラー１１、１２の間の部分では、光学式速度計２０に戻る反射光がさらに減少するか、なくなるため、光学式速度計２０の移動速度が一定であっても、光学式速度計２０による相対速度の測定値は、光学式速度計２０の移動速度よりさらに低くなるか、０になる。

【0037】

したがって、光学式速度計２０による相対速度の測定値が所定の閾値以下となる間に光学式速度計２０が進んだ距離を、測定対象物１０が有する凹部１５の幅とみなすことが可能である。なお、所定の閾値は、反射光がなくても生じ得るノイズ、光学式速度計２０が発する光束の幅と凹部１５の幅との関係、及び測定対象物１０の反射特性等に基づき、任意に設定し得る。

【0038】

光学式速度計２０は、幅算出部３０１に電気的に接続されている。幅算出部３０１は、例えば、コンピューターシステム３００に含まれる。コンピューターシステム３００は、制御部３０２をさらに含む。制御部３０２は、光学式速度計２０及び移動装置３０を制御する。幅算出部３０１は、光学式速度計２０から反射光の測定値のデータを受け取る。幅算出部３０１は、反射光の測定値に基づき、測定時間に対する相対速度の測定値を算出する。幅算出部３０１は、測定時間と、相対速度の測定値と、の関係を測定データ記憶装置４０１に保存する。

【0039】

幅算出部３０１は、閾値記憶装置４０２から所定の閾値を読み出す。また、幅算出部３０１は、図５に示すように、相対速度の測定値が閾値より高い値から閾値に到達した第１時間と、その後、相対速度の測定値が閾値より低い値から閾値に到達した第２時間と、を特定する。さらに、幅算出部３０１は、第２時間と第１時間の時間間隔と、光学式速度計２０の移動速度と、に基づき、第２時間と第１時間の時間間隔に光学式速度計２０が進んだ距離を、測定対象物１０が有する凹部１５の幅として算出する。

【0040】

あるいは、幅算出部３０１は、相対速度の測定値が閾値より高い値から閾値に到達したときの光学式速度計２０の第１座標と、その後、相対速度の測定値が閾値より低い値から閾値に到達したときの光学式速度計２０の第２座標と、を特定する。さらに、幅算出部３０１は、第２座標と第１座標の間の距離を、測定対象物１０が有する凹部１５の幅として算出する。

【0041】

幅算出部３０１は、算出した測定対象物１０が有する凹部１５の幅を、出力装置４０３に出力させる。出力装置４０３としては、表示装置、プリンタ、及びインターフェース等が使用可能である。

【0042】

次に、図６を参照して、実施形態に係る表面形状測定方法について説明する。

【0043】

ステップＳ１０１で、制御部３０２は、光学式速度計２０及び移動装置３０の状態を判定する。光学式速度計２０及び移動装置３０の電源が入っていない場合、制御部３０２は、光学式速度計２０及び移動装置３０の電源を入れる。

【0044】

ステップＳ１０２で、制御部３０２は、光学式速度計２０及び移動装置３０を制御し、光学式速度計２０を移動させながら、測定対象物１０に光を照射させ、測定対象物１０からの反射光を測定させる。幅算出部３０１は、光学式速度計２０から反射光の測定値のデータを受け取る。

【0045】

ステップＳ１０３で、幅算出部３０１は、反射光の測定値に基づき、測定時間に対する相対速度の測定値を算出する。幅算出部３０１は、測定時間と、相対速度の測定値と、の関係を測定データ記憶装置４０１に保存する。

【0046】

ステップＳ１０４で、幅算出部３０１は、閾値記憶装置４０２から所定の閾値を読み出す。さらに、幅算出部３０１は、相対速度の測定値が閾値より高い値から閾値に到達した第１時間と、その後、相対速度の測定値が閾値より低い値から閾値に到達した第２時間と、を特定する。

【0047】

ステップＳ１０５で、幅算出部３０１は、第２時間と第１時間の時間間隔と、光学式速度計２０の移動速度と、に基づき、第２時間と第１時間の時間間隔に光学式速度計２０が進んだ距離を、測定対象物１０が有する凹部１５の幅として算出する。幅算出部３０１は、算出した測定対象物１０が有する凹部１５の幅を、出力装置４０３に出力させる。

【0048】

なお、ステップＳ１０４で、幅算出部３０１は、相対速度の測定値が閾値より高い値から閾値に到達したときの光学式速度計２０の第１座標と、その後、相対速度の測定値が閾値より低い値から閾値に到達したときの光学式速度計２０の第２座標と、を特定してもよい。この場合、ステップＳ１０５で、幅算出部３０１は、第２座標と第１座標の間の距離を、測定対象物１０が有する凹部１５の幅として算出してもよい。

【0049】

例えば、リチウムイオン電池やハイバリアフィルムのような高機能フィルムの製造に広く用いられている、ロール・ツー・ロールでの積層フィルムの製造方法は、数μｍから数十μｍ程度の薄いフィルムどうしを、２つの対向するローラーの間を通して貼り合わせる工程を含む。２つの対向するローラーの隙間の幅は、フィルムどうしの密着性に影響する。したがって、２つの対向するローラーの隙間の幅を正確に測定することは重要である。

【0050】

従来、測定対象物の一方の側から光を照射し、測定対象物の他方の側から光を受光して、測定対象物のエッジを検出する技術がある。しかし、従来のエッジを検出する技術は、エッジが直角でないと、正確にエッジを検出できない。そのため、従来のエッジを検出する技術は、ローラーの外縁を正確に検出できない。

【0051】

また、従来、２つの対向するローラーの隙間に対して、一方の側から光を照射し、隙間を透過した光を受光して、隙間の幅を測定する技術がある。しかし、ローラーの隙間の幅が狭い場合、隙間に光を透過させることは困難である。

【0052】

実施形態に係る表面形状測定装置は、ローラーの外縁を正確に検出可能である。また、ローラーの一方の側から光を照射し、同じ側で反射光を受光して、ローラーの隙間の幅を算出することが可能である。したがって、実施形態に係る表面形状測定装置は、測定対象物の凹部の幅を正確かつ簡易に測定可能である。

【0053】

上記のように本発明を実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。例えば、上記の実施形態においては、凹部が２つのローラーの間隔である例を説明したが、凹部はこれに限定されない。例えば、凹部は、１つの物体が有するクラックであってもよい。このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を包含するということを理解すべきである。

【符号の説明】

【0054】

１０・・・測定対象物、１１・・・ローラー、１５・・・凹部、２０・・・光学式速度計、３０・・・移動装置、２０１・・・光源、２０２・・・コリメートレンズ、２０３・・・ハーフミラー、２０４・・・ミラー、２０５・・・集光レンズ、２０６・・・受光素子、２１１・・・光源、２１２・・・受光素子、２２１・・・光源、２２２・・・集光レンズ、２２３・・・格子、２２４・・・受光素子、３００・・・コンピューターシステム、３０１・・・幅算出部、３０２・・・制御部、４０１・・・測定データ記憶装置、４０２・・・閾値記憶装置、４０３・・・出力装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】