JP6426202B2 - 測定装置および測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、測定装置および測定方法に関する。

従来、例えば、特開２００７―１８７５７０号公報に記載されているように、発光素子から測定対象へ光を照射して測定対象からの反射光を受光素子で受光することによって、測定対象の測定面の表面粗さを検出する装置が知られている。

本開示の測定装置は、支持板と、固定部材と、光学センサを備えている。支持板は、上面の中央部に対象物が載置され、前記中央部から上下方向に伸びた回転軸の周りを回転可能である。固定部材は、平面方向に伸びている。光学センサは、前記固定部材の端部に固定されて、前記支持板に対向するように前記支持板の上方に配され、前記対象物に光を照射する発光素子および前記対象物で反射する正反射光および拡散反射光を受光する受光素子を有し、前記発光素子および前記受光素子が１つの基板上に形成されている。

本開示の測定方法は、上記の測定装置に対象物を載置する工程と、前記測定装置の前記光学センサを前記対象物の一点に光が照射される位置で固定する工程と、前記光学センサを固定した状態のまま前記支持板を回転させつつ、前記光学センサの前記受光素子で前記対象物からの反射光を受光する工程とを備える。

本開示の測定装置を模式的に示す斜視図である。 本開示の測定装置を模式的に示す上面図である。 本開示の測定装置を模式的に示す上面図である。 本開示の測定装置を模式的に示す断面図である。 本開示の測定装置が備える光学センサを模式的に示す断面図である。

＜測定装置＞
本開示の測定装置の一実施形態について、図１〜５を参照しつつ説明する。なお、本発明は本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。

図１は、測定装置の概略を示す。図２は、測定装置における支持板と光学センサとの位置関係を示す。図３は、測定装置によって測定される対象物の測定領域について説明する図である。図３中の矢印は対象物の回転方向を示す。図４は、測定装置における支持板と光学センサとの位置関係を示す。図５（ａ）は、光学センサの概略を模式的に示しており、図５（ｂ）は発光素子を模式的に示している。

測定装置１は、例えば、対象物２の表面粗さ、または対象物２の表面の疎密度などの表面状態を測定することができる。対象物２の測定面は、例えば、凸曲面または凹曲面などの曲面であればよい。対象物２は、対象物２の平面形状の中心を通って対象物２を上下方向（Ｚ軸方向）に切断したときの断面において、対象物２の中心から上下方向に伸びる仮想線に対して線対称である形状を有していてもよい。対象物２は、例えば、薬の錠剤などであればよい。なお、対象物２は、測定面が曲面の物に限られず、測定面が平坦面の物でもよい。

測定装置１は、図１に示したように、光学センサ３と支持板４とを備えている。光学センサ３は、発光素子３１と受光素子３２とを備えており、対象物２に光を照射して対象物２で反射した反射光を受光することができる。

支持板４には、対象物２が載置される。言い換えれば、支持板４は、対象物２を支持することができる。光学センサ３は、図２、４に示したように、支持板４の上方に位置しており、支持板４上の対象物２へ光の照射などを行なうことができる。その結果、測定装置１は、対象物２の表面状態を測定することができる。

光学センサ３の発光素子３１は、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザーダイオード（ＬＤ）などであればよい。光学センサ３の受光素子３２は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ）またはフォトトランジスタ（ＰＴ）などであればよい。発光素子３１および受光素子３２は、個別の部品としてそれぞれ配線基板に実装されてもよい。また、発光素子３１および受光素子３２は、１つのウェハ上に形成されていてもよい。

本実施形態に係る光学センサ３は、１つの基板３３（ウェハ）上に発光素子３１と受光素子３２とを一体的に形成したものである。すなわち、発光素子３１は、一導電型を呈する半導体材料を有する基板３３の上面に、複数の半導体層を積層して形成することができる。また、受光素子３２は、基板３３の上面における発光素子３１に隣接した領域に、逆導電型の不純物をドーピングすることによって形成することができる。このように、１つの光学センサ３における発光素子３１および受光素子３２を、１つの基板３３上に形成することによって、発光素子３１および受光素子３２を近接して配置することができる。その結果、光学センサ３を小型化することができ、測定装置１に複数の光学センサ３を搭載することができる。したがって、例えば錠剤等の小さい物を測定するときでも、複数の光学センサ３を同時に使用して測定することができる。

光学センサ３は、少なくとも１つの発光素子３１と、少なくとも１つの受光素子３２を有しているが、複数の発光素子３１と、複数の受光素子３２とを有していてもよい。本実施形態に係る光学センサ３は、図５（ａ）に示すように、１つの発光素子３１と、２つの受光素子３２とを有している。本実施形態に係る光学センサ３は、一方の受光素子３２で正反射光を受光し、他方の受光素子３２で拡散反射光を受光することによって、測定精度を向上することができる。

本実施形態に係る光学センサ３は、基板３３上に配されて、発光素子３１および受光素子３２に電気的に接続した電極パターン３４を有している。電極パターン３４は、発光素子３１が駆動するための電流を供給したり、受光素子３２で光を受光することによって発生する電流を取り出したりしている。

基板３３は、例えば、シリコン（Ｓｉ）ウェハにｎ型の不純物またはｐ型の不純物をドーピングして形成することができる。本実施形態に係る基板３３は、ｎ型の半導体材料で形成している。具体的には、基板３３は、シリコン（Ｓｉ）ウェハにｎ型の不純物をドーピングして形成している。ｎ型の不純物としては、例えば、リン（Ｐ）、窒素（Ｎ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）またはビスマス（Ｂｉ）などを使用してもよい。

発光素子３１は、図５（ｂ）に示すように、基板３３上に、バッファ層３１ａ、ｎ型コンタクト層３１ｂ、ｎ型クラッド層３１ｃ、活性層３１ｄ、ｐ型クラッド層３１ｅおよびｐ型コンタクト層３１ｆが順次積層して形成することができる。発光素子３１の発する光の波長は、例えば、０．７μｍ以上２．５μｍ以下に設定することができる。

バッファ層３１ａは、基板３３とｎ型コンタクト層３１ｂとの格子定数の差を緩和することができる。バッファ層３１ａ、例えば、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）などで形成することができる。

ｎ型コンタクト層３１ｂは、発光素子３１と電極パターン３４とを導通させることができる。ｎ型コンタクト層３１ｂは、例えば、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）に、ｎ型不純物であるシリコン（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）などをドーピングして形成することができる。

ｎ型クラッド層３１ｃは、活性層３１ｄに正孔を閉じ込めることができる。ｎ型クラッド層３１ｃは、例えば、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）に、ｎ型不純物であるシリコン（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）などをドーピングして形成することができる。

活性層３１ｄは、電子および正孔が集中して再結合することによって光を発することができる。活性層３０ｄは、例えば、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）などで形成することができる。

ｐ型クラッド層３１ｅは、活性層３１ｄに電子を閉じ込めることができる。ｐ型クラッド層３１ｅは、例えば、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）に、ｐ型不純物である亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）または炭素（Ｃ）などをドーピングして形成することができる。

ｐ型コンタクト層３１ｆは、発光素子３１と電極パターン３４とを導通させることができる。ｐ型コンタクト層３１ｆは、例えばアルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）に、ｐ型不純物である亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）または炭素（Ｃ）などをドーピングして形成することができる。

支持板４は、対象物２を支持することができる。支持板４は、上面の中央部から上下方向に伸びた回転軸の周りを回転することができる。言い換えれば、支持板４は、自転することができる。対象物２は、支持板４の上面の中央部に載置される。その結果、例えば、対象物２の曲面の頂点が支持板４の回転軸上に位置するように配置して、支持板４の回転に合わせて対象物２を回転させることによって、対象物２の回転方向に沿った領域の表面状態を測定することができる。すなわち、対象物２を直線移動させる場合と比較して、光学センサ３と対象物２との距離の変化を小さくすることができ、照射光の光軸と測定点における法線とでなす角度の変化を小さくすることができる。したがって、受光素子３２で反射光を受光しやすくなり、測定装置１では、対象物２を測定することができる。

発光素子３１は、対象物２に照射する光の光軸が、対象物２の上面において支持板４の回転軸と交わらないように位置してもよい。その結果、対象物２の測定領域を大きく確保することができる。

発光素子３１の照射領域には、対象物２の上面において回転軸を含んでいてもよい。その結果、対象物２の頂点の表面状態も測定することができる。なお、発光素子３１の照射領域が回転軸を含んでいる場合は、対象物２の測定領域は円状にすることができる。また、発光素子３１の照射領域が回転軸を含んでいない場合は、対象物２の測定領域は環状にすることができる。なお、発光素子３１の照射領域は、例えば、スポット径が１００μｍ以上１０００μｍ以下に設定することができる。

測定装置１は、複数の光学センサ３を備えていてもよい。本実施形態では、測定装置１は、第１光学センサ３ａと第２光学センサ３ｂとを備えている。そして、図３に示したように、第１光学センサ３ａの発光素子３１からの第１照射領域Ｒ１は、第２光学センサ３ｂの発光素子３１からの第２照射領域Ｒ２よりも内側に位置していてもよい。言い換えれば、第１照射領域Ｒ１は、第２照射領域Ｒ２よりも回転軸側に位置していてもよい。その結果、測定装置１の測定範囲を広くすることができる。

第１照射領域Ｒ１と第２照射領域Ｒ２とは離れていてもよい。その結果、第１光学センサ３ａおよび第２光学センサ３ｂのそれぞれの光が他方に入射することを低減することができる。

第１照射領域Ｒ１と第２照射領域Ｒ２とは、回転軸を挟むように対向して位置していてもよい。その結果、第１照射領域Ｒ１と第２照射領域Ｒ２との距離を大きく確保することができ、第１光学センサ３ａおよび第２光学センサ３ｂのそれぞれの光が、迷光として他方の光学センサ３で受光されることを低減することができる。

第１光学センサ３ａの第１測定領域Ｒａは、図３に示したように、第２光学センサ３ｂの第２測定領域Ｒｂと離れて配されていてもよい。その結果、測定領域同士の一部が重複している場合と比較して、広範囲に測定をすることができる。

一方で、第１光学センサ３ａの第１測定領域Ｒａの外側の縁部は、第２光学センサ３ｂの第２測定領域Ｒｂの内側の縁部と重なっていてもよい。その結果、対象物２の表面状態を隙間なく測定することができ、より詳細に測定することができる。

支持板４は、平面方向（ＸＹ平面方向）に移動可能であってもよい。その結果、対象物２を支持板４に載せる際に、支持板４を引き出してから対象物２を載せることができ、作業効率を向上させることができる。

支持板４は、黒色でもよい。その結果、支持板４に入射する光の反射を低減することができるため、光学センサ３の受光素子３２に余分な光が入射することを低減することができる。また、支持板４に入射する光の反射を低減する観点から、支持板４の上面は、シボ加工してもよい。なお、支持板４は、例えばアルミなどの金属材料で形成することができる。

支持板４は、対象物２の載置領域の縁上に配された凸部を有していてもよい。その結果、対象物２の位置決めが容易になることから、作業効率を向上させることができる。また、支持板４が凸部を有する場合には、凸部の高さは、対象物２の厚みよりも小さくてもよい。その結果、凸部が光学センサ３の光路を妨げないようにすることができる。凸部の高さは、例えば対象物２の厚みの１／２倍以下に設定される。

測定装置１は、光学センサ３を制御する制御用回路５をさらに備えている。制御用回路５は、光学センサ３の電極パターン３４に電気的に接続されて、例えば、発光素子３１を駆動するための駆動回路、受光素子３２からの電流を処理する演算回路または外部機器と通信するための通信回路などを含んでいる。

測定装置１は、上下方向に伸びて測定装置１の支柱として機能する支持部材６と、支持部材６から平面方向に伸びて光学センサ３を固定する固定部材７とをさらに備えている。支持部材６は、例えば柱状または板状に形成されている。支持部材６は、例えばアルミ等の金属材料で形成される。また、支持部材６は、支持部材６に入射する光の反射を低減する観点から、黒色に形成されてもよいし、さらに表面にはシボ加工が施されていてもよい。

支持部材６は、上下方向に伸縮可能であってもよい。その結果、対象物２に対して、光学センサ３の焦点距離を調整しやすくすることができる。なお、本実施形態では、支持部材６が伸縮することによって光学センサ３の焦点距離を調整する構成であるが、支持板４を上下方向に移動可能に設置することによって光学センサ３の焦点距離を調整してもよい。

固定部材７は、一端部が支持部材６に固定されており、他端部が支持板４の上方の領域に位置している。固定部材７の他端部には、樹脂材料から成る接着剤を介して光学センサ３を取り付けることができる。光学センサ３は、固定部材７を挟んで支持板４に対向するように、固定部材７に取り付けられている。そして、固定部材７は他端部に開口を有しており、光学センサ３は、固定部材７の開口を介して対象物２に光を照射したり、反射光を受光したりすることができる。

固定部材７は、例えば棒状または板状に形成することができる。固定部材７は、例えばアルミなどの金属材料などで形成することができる。また、固定部材７は、固定部材７に入射する光の反射を低減する観点から、黒色に形成されてもよいし、さらに表面にはシボ加工が施されていてもよい。

固定部材７は、長手方向に沿った軸の周りを回転可能であってもよい。その結果、対象物２に対する照射光の光軸と測定点の法線との角度を調整しやすくすることができる。すなわち、対象物２に対する発光素子３１の光の照射位置を調整しやすくすることができる。

固定部材７は、支持板４の上面に沿った平面方向に移動可能であってもよい。その結果、対象物２に対する発光素子３１の光の照射位置を調整しやすくすることができる。

固定部材７は、板状であってもよい。その結果、固定部材７の上面を光学センサ３の取り付けの基準面とすることができるため、作業効率を向上させることができる。

固定部材７を板状に形成する場合、光学センサ３は、基板３３の主面が固定部材７の主面に沿うように、配置されてもよい。ここで、本実施形態に係る光学センサ３では、１つの基板３３に発光素子３１と受光素子３２が一体的に形成されていることから、基板３３の主面の向きによって、光学センサ３の光路が決定する。したがって、上記構成によって、固定部材７の主面（下面）の向きを調整することによって、光学センサ３の向きを調整することができ、作業効率を向上させることができる。

測定装置１は、支持板４を支える台座８をさらに備えている。台座８は、例えば、板状に形成されている。台座８は、例えばアルミ等の金属材料で形成される。また、台座８は、台座８に入射する光の反射を低減する観点から、黒色に形成されてもよいし、さらに表面にはシボ加工が施されていてもよい。

＜測定方法＞
次に、本開示の測定装置１を使用した、対象物２の表面の測定方法について説明する。なお、本発明は本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。

（１）測定装置１と、測定装置１によって表面状態が測定される対象物２とを準備する。そして、測定装置１の支持板４に対象物２を載置する。なお、対象物２の測定面が凸曲面または凹曲面を有している場合、対象物２の曲面の頂点が支持板４の回転軸に一致するように対象物２を載置してもよい。対象物２は、例えば薬の錠剤などが考えられる。

（２）測定装置１の光学センサ３の発光素子３１を固定する。発光素子３１は、対象物２の一点に光を照射する位置で固定されている。発光素子３１の光が照射されている位置は、対象物２の表面状態を測定したい個所である。なお、測定装置１が複数の光学センサ３を有している場合、個々の光学センサ３が対象物２の異なる個所を照射するように固定する。

（３）光学センサ３を固定した状態のまま支持板４を回転させつつ、光学センサ３の受光素子３２で対象物２からの反射光を受光する。支持板４を回転させることによって、対象物２も同時に回転させることができる。その結果、受光素子３２で受光する光量に応じて受光素子３２から出力される電流を制御用回路５を介して演算処理することによって、対象物２の回転方向に沿った表面の表面状態を測定することができる。

１ 測定装置
２ 対象物
３ 光学センサ
３１ 発光素子
３２ 受光素子
３３ 基板
３４ 電極パターン
３ａ 第１光学センサ
３ｂ 第２光学センサ
４ 支持板
５ 制御用回路
６ 支持部材
７ 固定部材
８ 台座
Ｒ１ 第１照射領域
Ｒ２ 第２照射領域
Ｒａ 第１測定領域
Ｒｂ 第２測定領域

Claims (5)

1. 上面の中央部に対象物が載置され、前記中央部から上下方向に伸びた回転軸の周りを回転可能な支持板と、
   平面方向に伸びた固定部材と、
   前記固定部材の端部に固定されて、前記支持板に対向するように前記支持板の上方に配され、前記対象物に光を照射する発光素子および前記対象物で反射する正反射光および拡散反射光を受光する受光素子を有し、前記発光素子および前記受光素子が１つの基板上に形成されている光学センサと、を備える、測定装置。
2. 前記発光素子は、前記対象物に照射する光の光軸が、前記対象物の上面において前記回転軸と交わらないように位置している、請求項１に記載の測定装置。
3. 前記光学センサは、第１光学センサおよび第２光学センサを有し、
   前記第１光学センサの発光素子からの第１照射領域は、前記第２光学センサの発光素子からの第２照射領域よりも内側に位置している、請求項１または２に記載の測定装置。
4. 前記対象物が錠剤である、請求項１〜３のいずれかに記載の測定装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の測定装置の前記支持板に対象物を載置する工程と、
   前記測定装置の前記光学センサを前記対象物の一点に光が照射される位置で固定する工程と、
   前記光学センサを固定した状態のまま前記支持板を回転させつつ、前記光学センサの前記受光素子で前記対象物からの反射光を受光する工程と、を備える、測定方法。

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