(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象である被検知体に接触する接触体を軸方向の一端部に支持する軸状部材を含むロッド部材と、
軸方向を鉛直方向とし前記一端部を下端とするように、前記ロッド部材を鉛直方向に移動可能なように保持する保持体と、
気圧を利用することによって前記ロッド部材に対して前記軸方向に沿って鉛直方向上方に第１の付勢力を与える第１付勢手段と、
前記ロッド部材に対して前記軸方向に沿って鉛直方向上方に一定である第２の付勢力を与え、前記第１付勢手段とは異なる機構で動作する異なる種類の第２付勢手段と、
を備え、
前記ロッド部材の自重の力に比較して前記第１及び第２付勢手段による付勢力のいずれもが小さい変位量検出器。
【請求項２】
前記第１付勢手段は、前記保持体を構成する外枠体の挿通孔に挿通される前記軸状部材の側面において前記一端部側に面するように形成された応力発生面と、前記軸状部材の前記応力発生面に所定の気圧を付与することによって前記軸方向に沿った鉛直方向上方に第１の付勢力に対応する浮上力を与える軸方向浮上手段とを備える請求項１記載の変位量検出器。
【請求項３】
前記軸状部材の側面と前記外枠体の内面との間に配置されて、当該軸状部材を前記軸方向に変位可能な状態に非接触で支持する軸受け部を備える請求項２記載の変位量検出器。
【請求項４】
前記軸受け部の内面に、当該内面と前記軸状部材の外壁面との間に気圧を付与して、前記軸状部材を非接触状態で静圧支持するための圧力制御部を有する請求項３記載の変位量検出器。
【請求項５】
前記応力発生面は、前記軸状部材の側面に設けられた段差状の部分に形成されている請求項２から請求項４のいずれか一項記載の変位量検出器。
【請求項６】
前記軸方向浮上手段によって前記軸状部材に付与される前記浮上力は、前記第２付勢手段によって前記軸状部材に付与される前記第２の付勢力よりも小さい請求項２から請求項５のいずれか一項記載の変位量検出器。
【請求項７】
前記軸方向浮上手段によって前記軸状部材に付与される前記浮上力は、前記被検知体の形状、前記被検知体の表面硬度、前記軸状部材及び前記接触体の総重量、前記第２付勢手段によって付与される前記第２の付勢力、及び前記接触体の硬度の少なくとも１つに基づいて設定される請求項２から請求項６のいずれか一項記載の変位量検出器。
【請求項８】
前記ロッド部材は、前記軸状部材の前記軸方向に関する変位量を検出する際に使用される被測定部を備える請求項１から請求項７のいずれか一項記載の変位量検出器。
【請求項９】
前記被測定部は、検査光を反射する光検出面を有する請求項８記載の変位量検出器。
【請求項１０】
前記接触体は、前記軸状部材に対して交換可能に取り付けられている請求項１から請求項９のいずれか一項記載の変位量検出器。
【請求項１１】
前記軸状部材の前記軸方向の変位量を検出する変位センサを備える請求項１から請求項１０のいずれか一項記載の変位量検出器。
【請求項１２】
請求項１１記載の変位量検出器と、
前記被検知体を前記軸状部材に対し前記軸方向に垂直な方向に相対移動させる移動手段と、
前記移動手段による前記被検知体の相対移動に際して前記被検知体の表面と前記接触体との接触によって生ずる前記軸状部材の前記軸方向の変位量を、前記変位センサの出力に基づいて算出し、被検知体の形状を測定する演算手段と
を備える形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レンズその他の光学素子の表面形状等を測定するための変位量検出器及びこれを組み込んだ形状測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、被測定物として５０ｍｍ以下のサイズの光学素子（いわゆるマイクロレンズ）について３次元形状(立体形状)を測定するための技術として、様々な技術が提案されてきた。例えば、被測定物の表面に対して触針を直接接触させて、その変位量を測定する接触式測定方法がある（特許文献１参照）。また、被測定物の表面にレーザ光線等を入射させて、その反射光を受光することにより表面の凹凸を測定する非接触式測定方法も提案されている（特許文献２参照）。前者の接触式測定方法は、触針を被測定物に直接接触させるので、被測定物の表面物性に依存しない。このため、接触式測定方法は、多様な被測定物に対して正確な計測が可能である。
【特許文献１】特開平５−２０９７４１号公報
【特許文献２】特許３０４６６３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記接触式測定方式においては、接触圧の変動がそのまま、被測定物の変形量の差となり測定誤差となる。よって、測定精度を向上させるためには、より精密に接触圧を一定に保つ必要がある。
【０００４】
そこで、本発明は、触針を簡易に支持することができ、表面形状の計測を高精度化することができる変位量検出器を提供することを目的とする。
【０００５】
また、本発明は、上記のような変位量検出器を組み込んだ高精度で小型の形状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】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明に係る変位量検出器は、測定対象である被検知体に接触する接触体を軸方向の一端部に支持するロッド部材と、軸方向を鉛直方向とし前記一端部を下端とするように、前記ロッド部材を鉛直方向に移動可能なように保持する保持体と、気圧を利用することによって前記ロッド部材に対して前記軸方向に沿って鉛直方向上方に第１の付勢力を与える第１付勢手段と、前記ロッド部材に対して前記軸方向に沿って鉛直方向上方に一定である第２の付勢力を与え、前記第１付勢手段とは異なる機構で動作する異なる種類の第２付勢手段とを備え、前記ロッド部材の自重の力に比較して前記第１及び第２付勢手段による付勢力のいずれもが小さい。
【０００７】
上記変位量検出器では、第１及び第２付勢手段が、ロッド部材に対して軸方向に沿って鉛直方向上方に所定の付勢力を与えるので、ロッド部材の重量を第１付勢手段と第２付勢部材とで分担して支えることになる。この結果、異なる種類の一対の付勢手段によってロッド部材に与える浮上力を比較的小さくすることができるので、ロッド部材の応答性を確保しつつ、第１及び第２付勢手段によって付与される浮上力の設定精度を向上させることができる。結果的に、被検知体に対する接触体の接触圧を微小に設定することができるだけでなく、接触圧を高分解能（すなわち高精度）に設定することができる。これにより、被検知体に対する接触体の接触圧を高精度に設定することができるので、ロッド部材又は軸状部材の変位量検出精度を高めることができ、被検知体の表面形状の測定精度を向上させることができる。
【００１０】
本発明の具体的な態様又は観点では、上記第１及び第２の変位量検出器において、前記第１付勢手段が、前記保持体を構成する外枠体の挿通孔に挿通される前記軸状部材の側面において前記一端部側に面するように形成された応力発生面と、前記軸状部材の前記応力発生面に所定の気圧を付与することによって前記軸方向に沿った鉛直方向上方に第１の付勢力に対応する浮上力を与える軸方向浮上手段とを備える。
【００１１】
上記変位量検出器では、前記第１付勢手段を構成する軸方向浮上手段が、応力発生面に対して所定の気圧を付与することによって鉛直方向上方に浮上力を与える。この際、軸方向浮上手段が応力発生面を介して軸状部材に与える浮上力を比較的小さくすることができるので、浮上力の設定精度を向上させることができる。結果的に、被検知体に対する接触体の接触圧を微小に設定することができるだけでなく、接触圧を高分解能で設定することができる。
【００１２】
本発明の別の態様では、前記軸状部材の側面と前記外枠体の内面との間に配置されて、当該軸状部材を前記軸方向に変位可能な状態に非接触で支持する軸受け部を備える。この場合、軸受け部が軸状部材を非接触で支持するので、軸方向に垂直な水平方向のガタを少なくすることができる。
【００１３】
本発明のさらに別の態様では、軸受け部の内面に、当該内面と軸状部材の外壁面との間に気圧を付与して、軸状部材を非接触状態で静圧支持するための圧力制御部を有する。この場合、軸状部材が軸受け部に非接触状態で支持されるので、軸状部材の変位の応答性等を高めることができ、厳密で精度の高い変位量計測が可能になる。
【００１４】
本発明のさらに別の態様では、上記変位量検出器において、応力発生面が、軸状部材の側面に設けられた段差状の部分に形成されている。この場合、軸状部材の側面に応力発生面を簡易に形成することができる。
【００１５】
本発明のさらに別の態様では、軸方向浮上手段によって軸状部材に付与される浮上力が、第２付勢手段によって軸状部材に付与される第２の付勢力よりも小さい。この場合、浮上力の設定精度をより向上させることができ、被検知体に対する接触体の接触圧をより高分解能とすることができる。
【００１６】
本発明のさらに別の態様では、軸方向浮上手段によって軸状部材に付与される浮上力が、被検知体の形状、被検知体の表面硬度、軸状部材及び接触体の総重量、第２付勢手段によって付与される第２の付勢力、及び接触体の硬度の少なくとも１つに基づいて設定される。この場合、浮上力を測定条件に合わせて合理的なものに設定することができる。
【００１７】
本発明のさらに別の態様では、軸状部材の軸方向に関する変位量を検出する際に使用される被測定部を備える。この場合、被測定部の変位を検出することによって、軸状部材の変位ひいては被検知体の表面形状を測定することができる。
【００１８】
本発明のさらに別の態様では、被測定部が検査光を反射する光検出面を有する。この場合、軸状部材の変位量を非接触でありながら高精度に計測することができる。
【００１９】
本発明のさらに別の態様では、接触体が、軸状部材の本体に対して交換可能に取り付けられている。この場合、被検知体の材料や形状に合わせた接触体を選択して軸状部材の一端に取り付けることができる。
【００２０】
本発明のさらに別の態様では、軸状部材の軸方向の変位量を検出する変位センサを備える。この場合、変位センサによって軸状部材の変位量すなわち接触体の変位量を計測することができ、この計測結果に基づいて、被検知体の表面の起伏等を測定することができる。
【００２１】
本発明に係る形状測定装置は、上述の変位量検出器と、被検知体を軸状部材に対し軸方向に垂直な方向に相対移動させる移動手段と、移動手段による被検知体の相対移動に際して被検知体の表面と接触体との接触によって生ずる軸状部材の軸方向の変位量を、変位センサの出力に基づいて算出し、被検知体の形状を測定する演算手段とを備える。
【００２２】
上記形状測定装置では、移動手段によって被検知体を軸状部材に対して相対移動させつつ、演算手段によって変位センサの出力から軸状部材の変位量を算出するので、被検知体の表面形状を一連の処理として効率的に計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の一実施形態である変位量検出器を、図面に基づき具体的に説明する。なお、この変位量検出器は、面形状計測装置に組み込まれる。
【００２４】
図１は、実施形態の変位量検出器１０の正面図であり、図２は、図１に示す変位量検出器１０の要部を説明する側方拡大断面図である。
【００２５】
変位量検出器１０は、本体側のプローブ装置１０Ａと、プローブ装置１０Ａの可動部の変位を検出するレーザ干渉計１０Ｂとを備える。ここで、プローブ装置１０Ａは、外枠体或いは保持体であるシリンダブロック２と、軸状部材を含むロッド部材３と、支持体４と、支柱部材５と、コイルバネ６とを備える。
【００２６】
プローブ装置１０Ａにおいて、シリンダブロック２は、支持体４に固定されて安定した状態で支持されている。シリンダブロック２は、ロッド部材３をその軸方向が鉛直方向すなわちＺ方向に延びるように保持する部分であり、図２に示すように中心にロッド挿通孔２１を有している。ロッド挿通孔２１は、断面略矩形状であって、シリンダブロック２が延びるべきＺ方向に沿って延びている。このロッド挿通孔２１は、Ｚ方向に貫通しており、シリンダブロック２の上下両端面の中央部にて開口している。
【００２７】
後者のロッド部材３は、測定対象或いは被検知体であるワークＷの表面形状に追従して±Ｚ方向に昇降する部分であり、シリンダブロック２に設けたロッド挿通孔２１に挿通されて、その軸方向であるＺ方向に変位可能となっている。ロッド部材３の一端部である下端部３１は、ロッド挿通孔２１の下端面側の開口から下側に突出しており、ロッド部材３の上端部３３は、ロッド挿通孔２１の上端面側の開口から上側に突出している。なお、ロッド部材３は、四角柱状の軸状部材ＢＤの両端部３１，３３に、後述するプローブ本体３５とミラー部材３６とをそれぞれ設けたものである。軸状部材ＢＤは、例えば低膨張係数で軽量なセラミック材料等によって一体的に形成される。
【００２８】
ロッド部材３の下端部３１から突起するプローブ本体３５の先端には、ルビー、ダイヤモンド又は鋼材からなる球状の接触部３５ａが固着されている。接触部３５ａは、被測定対象であるワークＷに接触するための接触体となっており、軸状部材ＢＤとともにＺ方向に変位可能となっている。このような接触部３５ａを設けることにより、プローブ本体３５によってワークＷ表面が傷つけられることを回避でき、かつ、プローブ本体３５をワークＷ表面に安定して接触させることができる。なお、接触部３５ａは、プローブ本体３５とともに交換可能になっている。つまり、プローブ本体３５の上部には例えば雄ネジ３５ｃが形成されており、下端部３１の下部には例えば雌ネジ３５ｄが形成されている。下端部３１にプローブ本体３５を固定した状態では、両者に設けた雄ネジ３５ｃ及び雌ネジ３５ｄが互いに螺合して確実な固定が確保される。また、プローブ本体３５を下端部３１に対して軸まわりに適宜回転させることにより、プローブ本体３５を下端部３１から分離することができ、下端部３１に対して別の種類のプローブ本体３５を取り付けることができる。つまり、ワークＷの形成材料や表面形状に応じて複数種類のプローブ本体３５を使い分けることができ、接触部３５ａの材料や形状を適宜変更することができる。具体的には、接触部３５ａとして、ダイヤモンド球、ルビー球、鋼球等を用いることができる。
【００２９】
ロッド部材３の上端部３３に固定された被測定部であるＺミラー部材３６の上面は、ＸＹ面内に延びる鏡面であり、ロッド部材３のＺ方向の変位を検出するための光検出面すなわちＺミラー３６ａとなっている。このＺミラー３６ａは、上方に設けた変位センサすなわち光照射手段としてのレーザ干渉計１０Ｂ（図１参照）からの検出光ＭＬを反射するので、レーザ干渉計１０Ｂでは、反射光ＲＬに基づいてロッド部材３の変位量を算出することができる。
【００３０】
なお、ロッド部材３の上端部３３には、上方から延びるコイルバネ６（図１参照）の下端に固定される係止部３８が設けられている。コイルバネ６の上端は、シリンダブロック２を支持する支持体４から鉛直方向上方に延びる支柱部材５の上端部５１に設けた係止部５１ａに固定されている。つまり、ロッド部材３には、コイルバネ６に吊るされた状態で鉛直方向上方すなわち＋Ｚ方向に適当な付勢力が与えられており、ロッド部材３は、重量が一部相殺されて軽くなったような状態となっている。コイルバネ６は、後述する超精密レギュレータＲ２等からなる第１付勢手段とは種類が異なる駆動装置であり、ロッド部材３に対して鉛直方向上方に第２の付勢力を与える第２付勢手段である。
【００３１】
ロッド部材３の側面３ａには、鉛直上方の＋Ｚ方向に追加的な浮上力を作用させる部分として、段差部３９が形成されている。この段差部３９は、プローブ本体３５側すなわち鉛直方向下方に面するように形成された応力発生面３９ａを有する。この応力発生面３９ａは、後に詳述するように、ロッド部材３の自重を部分的に解消する鉛直方向上方の推力（浮上力）をロッド部材３にもたらす役割を果たす。段差部３９によってロッド部材３に対して付与される鉛直方向上方の推力と、コイルバネ６によってロッド部材３に対して付与される鉛直方向上方の付勢力とを併せることにより、ロッド部材３の自重を相殺した中吊り状態にでき、さらに、ロッド部材３が鉛直方向下方に移動しようとする力を調節することができる。これにより、ロッド部材３下端の接触部３５ａをワークＷ表面に対して任意の力で接触させることができる。
【００３２】
シリンダブロック２に形成されたロッド挿通孔２１の内壁面２１ａにおける上側部分には、この内壁面２１ａに沿って多孔質体からなる上側軸受部材２３が設けられている。また、ロッド挿通孔２１の内壁面２１ａにおける下側部分には、この内壁面２１ａに沿って多孔質体からなる下側軸受部材２４が設けられている。
【００３３】
シリンダブロック２の外側面には給気ポート２６が形成されている。この給気ポート２６は、軸受け部である上側軸受部材２３及び下側軸受部材２４を介してロッド挿通孔２１の内壁面２１ａに連通しており、エア供給源Ｐからの加圧エアが配管Ｌ１を介して直接的に供給される。結果的に、エア供給源Ｐからの加圧エアは、上側軸受部材２３や下側軸受部材２４を通り抜けて外表面に達し、ロッド部材３の側面３ａに向けて噴出される。両軸受部材２３，２４から噴出された加圧エアの静圧により、ロッド部材３がシリンダブロック２のロッド挿通孔２１に対して上下の適所にて非接触で支持される。つまり、両軸受部材２３，２４は、静圧スラスト軸受として機能している。
【００３４】
上側軸受部材２３と下側軸受部材２４との間であって、ロッド部材３の段差部３９の下側には、圧力作用室２７が形成されている。この圧力作用室２７は、ロッド挿通孔２１にロッド部材３を挿通した場合に、ロッド挿通孔２１の内壁面２１ａとロッド部材３の側面３ａや応力発生面３９ａとの間に挟まれた半気密状態の空間となる。
【００３５】
シリンダブロック２の外側面の中段上側には、推力ポート２８が形成されている。この推力ポート２８は、ロッド挿通孔２１内壁側の圧力作用室２７に連通しており、エア供給源Ｐからの加圧エアは、配管Ｌ２及び超精密レギュレータＲ２を介して圧力作用室２７に供給される。推力ポート２８への制御エアの供給圧力は、例えば配管Ｌ２の経路上に設けた圧力センサＰＳによって監視されており、圧力センサＰＳの検出結果は、軸方向浮上手段であり圧力制御弁を内蔵する超精密レギュレータＲ２にフィードバックされる。つまり、圧力作用室２７の気圧は、超精密レギュレータＲ２によって高精度に調整可能であり、不図示の制御装置によって遠隔的に制御される。以上説明した圧力作用室２７、推力ポート２８、圧力センサＰＳ、及び超精密レギュレータＲ２は、ロッド部材３に対して鉛直方向上方に第１の付勢力を与える第１付勢手段として機能する。ここで、超精密レギュレータＲ２の圧力分解能は、例えば０．０３〜０．０５Ｐａ程度に設定される。そして、推力ポート２８によってロッド部材３に付与される圧力分解能は、（推力ポート２８の全浮上力）／（推力ポート２８の全給エアー圧）×（超精密レギュレータＲ２の分解能）で与えられる。なお、推力ポート２８によってロッド部材３に付与される圧力分解能は、コイルバネ６によってロッド部材３に付与される浮上力の分解能と同等かそれ以下となっている。コイルバネ６によって与えられる浮上力の分解能が推力ポート２８によって与えられる浮上力の分解能よりも低い場合、超精密レギュレータＲ２による圧力制御がコイルバネ６によって阻害されることになるからである。
【００３６】
以上のような超精密レギュレータＲ２によって推力ポート２８に制御エアが供給された場合、段差部３９の応力発生面３９ａに対して制御エアが作用する。つまり、推力ポート２８からの制御エアによって、ロッド部材３に対して根元側の＋Ｚ方向に押し出す推力すなわち浮上力が与えられる。ここで、段差部３９の段差面積である応力発生面３９ａの面積は、加圧エアの圧力に対応して必要とする浮上力を生じさせることができるようになっているので、超精密レギュレータＲ２から供給される加圧エアの気圧を制御することによって、ロッド部材３の自重をコイルバネ６を補って部分的に解消するような鉛直方向上方の推力すなわち浮上力をロッド部材３に付与することができる。さらに、超精密レギュレータＲ２から供給される加圧エアの気圧値を変化させることによって、段差部３９によってロッド部材３に与えられる浮上力が変化するので、ロッド部材３下端の接触部３５ａをワークＷ表面に対して任意の押圧力で接触させることができる。
【００３７】
図３は、超精密レギュレータＲ２によって設定される加圧エアの気圧値と、加圧エアによってロッド部材３に与えられる浮上力との関係を説明するグラフである。実線は、コイルバネ６による付勢力を加えた場合であり、加圧エアによる浮上力を小さく設定できる例を示し、点線は、加圧エアによる浮上力のみを用いた例を示す。いずれの場合においても、加圧エアの気圧値を大きくすることによって、ロッド部材３の浮上力を直線的に増大させることができる。ただし、気圧値と浮上力とのグラフの傾き値が小さいほど、ロッド部材３の浮上力の分解能を小さくすることができ、より精密な押圧力で接触部３５ａをワークＷ表面に接触させることができ、ロッド部材３の上下動をより高感度で精密なものとすることができる。具体的な実施例では、加圧エアの気圧値を０〜０．２ＭＰａとして、接触部３５ａによる接触圧の分解能を０．０１〜０．０２ｍＮとすることができた。一方、コイルバネ６を用いないで加圧エアのみでロッド部材３を浮上させた比較例では、加圧エアの気圧値を０〜０．２ＭＰａとして、接触部３５ａによる接触圧の分解能を０．０５〜０．１０ｍＮまでしか設定できない。
【００３８】
また、具体的な測定例において、接触部３５ａとして半径４μｍのダイヤモンド球を用いた場合、ワークＷ表面に対する接触部３５ａの押圧力すなわち接触圧を例えば１５ｍｇ程度とした。また、別の実施例において、接触部３５ａとして半径０．２５ｍｍのルビー球を用いた場合、ワークＷ表面に対する接触部３５ａの押圧力すなわち接触圧を例えば５０ｍｇ程度とした。
【００３９】
なお、加圧エアの気圧値の設定は、ワークＷの表面形状、ワークＷの表面硬度、ロッド部材３の総重量、コイルバネ６によって付与される浮上力、及び接触部３５ａの硬度のいずれか又は２つ以上の組み合わせに基づいて設定される。以上において、ワークＷの表面形状には、滑らかな面、段差、Ｖ溝等が含まれ、ワークＷの表面硬度には、金属材料や樹脂材料を含む各種素材の広範な硬度が含まれる。また、ロッド部材３の総重量や接触部３５ａの硬度は、接触部３５ａの材料がルビーやダイヤモンドといったいずれの材料であるかによって変化する。
【００４０】
図１に戻って、プローブ装置１０Ａの上方に配置されたレーザ干渉計１０Ｂは、図示を省略するが、レーザ光源、干渉用光学系、センサ等からなる公知の構造を有している。レーザ干渉計１０Ｂからの検出光ＭＬレーザ光は、ロッド部材３の上端部に設けられたＺミラー部材３６のＺミラー３６ａに向けて照射されるようになっており、Ｚミラー３６ａからの反射光ＲＬ検出光は、レーザ干渉計１０Ｂの方向に反射されてレーザ干渉計１０Ｂで検出されるようになっている。レーザ干渉計１０Ｂでは、反射光ＲＬの位相変化に基づいてロッド部材３のＺ方向の変位量を算出することができる。
【００４１】
この変位量検出器１０では、エア供給源Ｐから供給される加圧エアによって、ロッド部材３が、ロッド挿通孔２１内の軸受部材２３，２４とに対して非接触で支持される。また、エア供給源Ｐから推力ポート２８を介して圧力作用室２７に供給される制御エアによって、ロッド部材３に対して鉛直方向上方すなわち＋Ｚ方向に任意の浮上力（推力）が付与される。この際、ロッド部材３は、コイルバネ６に吊るされた状態で、その自重を一部相殺する付勢力で持ち上げられる。結果的に、ロッド部材３は、シリンダブロック２内でほとんど浮いた状態で−Ｚ方向にわずかに付勢された状態となる。この状態で、ワークＷの表面にロッド部材３の下端に設けた接触部３５ａを接触させ、プローブ装置１０ＡをワークＷに対してＸＹ面内で相対的に走査させることにより、ロッド部材３は、ワークＷの表面形状に沿って±Ｚ方向に変位する。プローブ装置１０ＡのＸＹ走査に際しては、圧力作用室２７に供給する制御エアの調整により、ワークＷの表面に対する接触部３５ａの接触圧が任意に設定可能な適正値で一定となるように制御される。そして、プローブ装置１０ＡのＸＹ走査と並行して、レーザ干渉計１０Ｂからのレーザ光がＺミラー３６ａに向けて照射され、ロッド部材３のＺ方向の変位量が算出される。このＺ変位量に基づいてワークＷの立体形状が計測される。
【００４２】
なお、シリンダブロック２の例えば上端部には、差動センサ（不図示）が設けられている。この差動センサは、シリンダブロック２中の基準位置からロッド部材３が変位した方向を検出するためのものである。これにより、シリンダブロック２中でロッド部材３が上昇した場合、例えばＨ信号が出力され、これに応じてシリンダブロック２全体を不図示の機構によって緩やかに上昇させることができ、ロッド部材３を基準位置に戻すことが可能になる。逆に、シリンダブロック２中でロッド部材３が降下した場合、例えばＬ信号が出力され、これに応じてシリンダブロック２を不図示の機構によって緩やかに上昇させてロッド部材３を基準位置に戻すことが可能になる。つまり、シリンダブロック２に対するロッド部材３の位置を略一定に保ちつつプローブ装置１０Ａを全体として±Ｚ方向に昇降させることができる。
【００４３】
図４（ａ）及び４（ｂ）は、図１に示す変位量検出器１０を変位両検出手段として組み込んだ面形状測定装置１００の構造を説明する正面図及び側面図である。この面形状測定装置１００は、定盤８１上に、ＸＹステージ装置８２と、Ｚ駆動装置８４とを固定した構造を有する。ＸＹステージ装置８２やＺ駆動装置８４等の動作は、演算出段段としての制御装置９９によって制御されている。
【００４４】
ＸＹステージ装置８２は、移動手段であり、制御装置９９の制御下で図示を省略する駆動制御部に駆動されて動作する。ＸＹステージ装置８２は、このＸＹステージ装置８２の上部に設けた載置台８２ａ上に着脱可能に固定された測定用治具ＨＤを、ＸＹ面内で２次元的に任意の位置に滑らかに移動させることができる。測定用治具ＨＤの位置は、載置台８２ａに設けたＸミラー部材８３ａとＹミラー部材８３ｂとを利用して検出される。すなわち、Ｘミラー部材８３ａに対向して定盤８１上に取り付けたレーザ干渉計８３ｄを利用して載置台８２ａのＸ軸方向の位置が分かる。また、Ｙミラー部材８３ｂに対向して定盤８１上に取り付けたレーザ干渉計８３ｅを利用して載置台８２ａのＹ軸方向の位置が分かる。
【００４５】
Ｚ駆動装置８４は、フレーム８５上に昇降機構８６を固定したものであり、昇降機構８６は、フレーム８５上部に固定されＺ方向に延びる支持軸８６ａと、支持軸８６ａに支持されてＺ軸方向に移動する昇降部材８６ｂと、昇降部材８６ｂを昇降させる昇降駆動装置８６ｃと、昇降部材８６ｂに支持されたプローブ装置１０Ａとを備える。
【００４６】
昇降機構８６において、昇降部材８６ｂは、支持軸８６ａに非接触に支持されて滑らかに昇降運動する。昇降部材８６ｂは、前方下部に図１で説明したプローブ装置１０Ａを保持しており、プローブ装置１０Ａに設けたプローブ本体３５の昇降運動に伴って滑らかに昇降する。なお、プローブ装置１０Ａは、図２で説明したように、給気ポート２６にエア供給源Ｐから制御エアの供給を受けており、ロッド部材３を非接触で静圧支持しつつＺ軸に可動な状態に保つ。また、プローブ装置１０Ａは、推力ポート２８にエア供給源Ｐから制御エアの供給を受けており、超精密レギュレータＲ２によって昇降する力の調整が可能である。以上により、ロッド部材３先端に設けた接触部３５ａをワークＷの表面に一定の力で押し付けるこことができる。つまり、測定用治具ＨＤに固定された光学素子すなわちワークＷの表面が昇降・変位しても、プローブ本体３５の先端をワークＷの表面に対して低負荷で接した状態に維持できる。また、昇降駆動装置８６ｃは、プローブ装置１０Ａに内蔵した差動センサの検出結果に基づいてフィードバックをかけつつ昇降部材８６ｂとともにプローブ装置１０Ａを昇降させる。これにより、ロッド部材３の先端に一定の低負荷を掛けた状態でロッド部材３を広範囲に亘って昇降させることができる。よって、ロッド部材３すなわちプローブ本体３５を上記のように一定の負荷をかけた状態で昇降させつつ、ＸＹステージ装置８２を適宜動作させて測定用治具ＨＤに載置したワークＷをＸＹ面内で２次元的に走査するように移動させるならば、プローブ本体３５の先端を測定用治具ＨＤに載置したワークＷの光学面に沿って２次元的に移動させることができる。つまり、レーザ干渉計８３ｄ，８３ｅを利用して得た載置台８２ａのＸＹ座標と、レーザ干渉計１０Ｂを利用して得たプローブ本体３５のＺ座標とを、制御装置９９で対応付けつつ必要な演算処理を適宜行うことにより、ワークＷの光学面の３次元的な表面形状を測定することができる。
【００４７】
なお、プローブ本体３５の先端位置の変位は、プローブ本体３５とともに昇降するロッド部材３の上端に設けたＺミラー部材３６を利用して検出される。すなわち、Ｚミラー部材３６に対向してフレーム８５上に取り付けたレーザ干渉計１０Ｂを利用して、検出光ＭＬをＺミラー部材３６に照射させつつ反射光ＲＬを検出させることにより、プローブ本体３５下端すなわちワークＷの表面のＺ軸方向の位置が間接的に分かる。
【００４８】
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態限定されるものではない。例えば、ロッド部材３に形成する段差部３９や応力発生面３９ａの個数や形状は、適宜変更することができる。
【００４９】
また、上側軸受部材２３や下側軸受部材２４の配置や個数も、測定対象や測定条件等に応じて適宜変更することができる。
【００５０】
また、コイルバネ６は、一定の付勢力をロッド部材３に付与できるものであれば、他の代替物に置き換えることができる。
【００５１】
また、ワークＷを定盤８１側に固定し、ＸＹステージ装置８２やＺ駆動装置８４によって、変位量検出器１０を３次元的に移動させつつ、ロッド部材３を変位させることによってワークＷ表面の形状を測定することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の一実施形態に係る変位量検出器の側面図である。
【図２】図１の変位量検出器に組み込まれるプローブ装置の側方断面図である。
【図３】図２のプローブ装置に供給される加圧エアの気圧値と浮上力との関係を説明するグラフである。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ図１に示すプローブ装置を組み込んだ面形状測定装置の構造を説明する正面図及び側面図である。
【符号の説明】
【００５３】
２…シリンダブロック、  ３…ロッド部材、  ３ａ…側面、  ６…コイルバネ、  １０…変位量検出器、  １０Ａ…プローブ装置、  １０Ｂ…レーザ干渉計、  ２１…ロッド挿通孔、  ２１ａ…内壁面、  ２３，２４…軸受部材、  ２７…圧力作用室、  ２８…推力ポート、  ３１…下端部、  ３５…プローブ本体、  ３５ａ…接触部、  ３６…Ｚミラー部材、  ３９…段差部、  ３９ａ…応力発生面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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