(57)【要約】 【課題】  加振手段の振動周期の変動にかかわらず安定した精度で変位測定を行うことが可能な変位センサを提供する。【解決手段】  音叉振幅検出器２３からの位置信号Ｓ２をＰＬＬ回路３０によって逓倍してなる基準クロック信号Ｓ４に同期したタイミングでＰＤ１９で受光量をサンプリングする。そして、サンプリングされた受光量に基づいて曲線近似することにより最大受光時点を捉え、このときの音叉振幅検出器２３からの位置信号Ｓ２に基づき被測定物体１７の変位測定を行う。【選択図】  図１
2005315705.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出光を出射する投光手段と、
少なくとも１つの光学部品を備え、前記投光手段からの検出光を収束させて被測定物体に照射させる光学手段と、
前記光学手段からの収束された検出光の焦点をその光軸方向に沿って周期的に往復移動させるべく、前記光学部品を振動させる加振手段と、
その振動による前記光学部品の位置変位に応じて周期的に変化する位置信号を出力する位置検出手段と、
前記被測定物体で反射される反射検出光を受光する受光手段と、
前記受光手段で受光される前記反射検出光の受光量が最大となる最大受光時点を検出する最大受光検出手段と、
前記最大受光検出手段で検出される前記最大受光時点と、前記位置検出手段からの前記位置信号とに基づき、前記被測定物体の前記光軸方向における変位を測定する測定手段と、を備える変位センサにおいて、
前記位置検出手段からの前記位置信号を受けて、この位置信号の周波数を逓倍してなる基準クロック信号を出力するタイミング生成手段を備え、
前記最大受光検出手段は、前記受光手段で受光される前記反射検出光の受光量を、前記タイミング生成手段からの前記基準クロック信号の周期に同期したタイミングでサンプリングすることにより前記最大受光時点を検出することを特徴とする変位センサ。
【請求項２】
検出光を出射する投光手段と、
少なくとも１つの光学部品を備え、前記投光手段からの検出光を収束させて被測定物体に照射させる光学手段と、
前記光学手段からの収束された検出光の焦点をその光軸方向に沿って周期的に往復移動させるべく、前記光学部品を振動させる加振手段と、
その振動による前記光学部品の位置変位に応じて周期的に変化する位置信号を出力する位置検出手段と、
前記被測定物体で反射される反射検出光を受光する受光手段と、
前記受光手段で受光される前記反射検出光の受光量が最大となる最大受光時点を検出する最大受光検出手段と、
前記最大受光検出手段で検出される前記最大受光時点と、前記位置検出手段からの前記位置信号とに基づき、前記被測定物体の前記光軸方向における変位を測定する測定手段と、を備える変位センサにおいて、
前記位置検出手段からの位置信号を受けて、この位置信号の周波数を逓倍してなる基準クロック信号を出力するタイミング生成手段を備え、
前記測定手段は、前記最大受光検出手段で検出された前記最大受光時点に対して、前記タイミング生成手段からの前記基準クロック信号の周期に応じた時間だけ遅れた時点で前記位置検出手段から受けた位置信号に基づき前記被測定物体の前記光軸方向における変位を測定することを特徴とする変位センサ。
【請求項３】
前記最大受光検出手段は、前記タイミング生成手段からの前記基準クロック信号の周期に同期したタイミングでサンプリングした複数の受光量レベルに基づき曲線近似することにより前記最大受光時点を検出することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の変位センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変位センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、合焦装置を備え、光学部品を光軸方向に振動させることに伴って対物レンズを介して出射される光の集光点位置を往復運動させる変位センサとして、特許文献１に示されるものがある。この変位センサは、被測定物体に対面される対物レンズを備えると共に、投光部からの検出光を当該対物レンズに導くことにより対物レンズを介して集光させる構成をなし、この集光させた光の集光点が被測定物体上と一致するときに、その反射光による受光量が最大受光量となるように構成された合焦点光学系を備えている。さらに、最大受光量となる時点（合焦タイミング。以下、「最大受光時点」という）を検出するタイミング検出手段と、合焦点光学系を構成する光学部品の少なくとも１つを振動させることにより、集光点を光軸方向に所定周期で往復移動させる加振手段と、振動に対応して変化する光学部品の位置を示す位置信号を出力する位置検出手段とを有しており、最大受光時点と位置情報とに基づき、被測定物体の光軸方向における変位を測定するように構成されている。具体的には、光学部品に相当する対物レンズを、加振手段としての音叉により振動させる構成をなしている。
【特許文献１】特許第３３００８０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上記最大受光時点を捉える方法の一例として、従来、次の方法がある。つまり、図７（Ａ）に示すように、加振動手段の振動周期Ｔ１に非同期で生成した所定間隔のパルスタイミング（時間ｔ間隔）で受光手段での受光量を順次サンプリングし、このサンプリングされた複数の受光量データの中から最大受光量を示す受光量データを受けた時点を最大受光時点として捉える方法である。
【０００４】
しかしながら、加振手段の振動周期は、例えば周囲温度変化等によって変動し得る。従って、この加振手段の振動周期の変動に応じて受光手段での最大受光時点も変動する。これにより、図７（Ｂ）に示すように、周囲温度変化等によって加振手段の振動周期が例えばＴ２（＞Ｔ１）に変動すると、最大受光時点に対し受光量のサンプルタイミングが一致しなくなり、上記所定間隔ｔのタイミングでは最大受光量の受光量データをサンプリングすることができず、正規の最大受光時点を捉えることができなくなり、安定した精度で変位測定ができないという問題があった。
【０００５】
これに対処するために、サンプリング周期をより短くする方法も考えられるが、そうすると、単位時間辺りにサンプリングされる受光量データのデータ量が多くなり測定時間が長くなったり、それらを格納するためのメモリ容量が大きくなるという問題が生じる。
なお、このような問題は、上記サンプリングタイミングで順次取得した複数の受光量データに基づき曲線近似によって最大受光時点を捉える構成についても同様に生じる。
【０００６】
一方、このような変位センサでは、最大受光時点での対物レンズの位置を求める必要があるが、対物レンズの位置を検出する位置検出手段からの位置信号と、実際の対物レンズの位置との間で誤差が生じてしまう。例えば、位置検出手段として磁気センサが用いられる場合、この磁気センサからの位置信号が、実際の対物レンズの位置に対して遅れてしまう。これは、磁気センサの応答時間が受光回路の応答時間に対して遅れ（例えば数十μsec程度の遅れ）があるためである。このため、最大受光時点に対応する位置信号に基づいて被測定物体の変位を測定すると、そのままでは測定値が実際の変位とずれてしまう。
【０００７】
そこで、最大受光時点を検出した後に、上記遅れ時間だけ遅れたタイミングでの位置信号を取得し、この位置信号に基づいて変位測定を行う構成がある。具体的には、このものは、最大受光時点から、やはり加振手段の振動周期に無関係に定められた所定間隔のパルスタイミングで当該パルスを所定回数カウントすることで遅れ時間経過したものとしてこのときの位置信号を取得する構成になっていた。このような構成においても、周囲温度等の変化によって加振手段の振動周期が変動し、これに伴って遅れ時間も変動するため、同じ時間間隔でパルスを所定回数カウントした時間が正規の遅れ時間からずれてしまい、やはり加振手段の振動周期の変動によって正確な変位測定が行えなくなるという問題があった。
なお、上述した問題に対して別途温度検出手段を設けて、温度変化に応じて補正処理を行う方法も考えられるが、これでは温度検出手段と補正処理のための構成が別途必要となるため好ましい方法とはいえない。
【０００８】
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、加振手段の振動周期の変動にかかわらず安定した精度で変位測定を行うことが可能な変位センサ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】
【０００９】
上記の目的を達成するための手段として、請求項１の発明に係る変位センサは、検出光を出射する投光手段と、少なくとも１つの光学部品を備え、前記投光手段からの検出光を収束させて被測定物体に照射させる光学手段と、前記光学手段からの収束された検出光の焦点をその光軸方向に沿って周期的に往復移動させるべく、前記光学部品を振動させる加振手段と、その振動による前記光学部品の位置変位に応じて周期的に変化する位置信号を出力する位置検出手段と、前記被測定物体で反射される反射検出光を受光する受光手段と、前記受光手段で受光される前記反射検出光の受光量が最大となる最大受光時点を検出する最大受光検出手段と、前記最大受光検出手段で検出される前記最大受光時点と、前記位置検出手段からの前記位置信号とに基づき、前記被測定物体の前記光軸方向における変位を測定する測定手段と、を備える変位センサにおいて、前記位置検出手段からの前記位置信号を受けて、この位置信号の周波数を（設定分周係数に応じて）逓倍してなる基準クロック信号を出力するタイミング生成手段を備え、前記最大受光検出手段は、前記受光手段で受光される前記反射検出光の受光量を、前記タイミング生成手段からの前記基準クロック信号の周期に同期したタイミングでサンプリングすることにより前記最大受光時点を検出することを特徴とする。
【００１０】
請求項２の発明に係る変位センサは、検出光を出射する投光手段と、少なくとも１つの光学部品を備え、前記投光手段からの検出光を収束させて被測定物体に照射させる光学手段と、前記光学手段からの収束された検出光の焦点をその光軸方向に沿って周期的に往復移動させるべく、前記光学部品を振動させる加振手段と、その振動による前記光学部品の位置変位に応じて周期的に変化する位置信号を出力する位置検出手段と、前記被測定物体で反射される反射検出光を受光する受光手段と、前記受光手段で受光される前記反射検出光の受光量が最大となる最大受光時点を検出する最大受光検出手段と、前記最大受光検出手段で検出される前記最大受光時点と、前記位置検出手段からの前記位置信号とに基づき、前記被測定物体の前記光軸方向における変位を測定する測定手段と、を備える変位センサにおいて、前記位置検出手段からの位置信号を受けて、この位置信号の周波数を逓倍してなる基準クロック信号を出力するタイミング生成手段を備え、前記測定手段は、前記最大受光検出手段で検出された前記最大受光時点に対して、前記タイミング生成手段からの前記基準クロック信号の周期に応じた時間だけ遅れた時点で前記位置検出手段から受けた位置信号に基づき前記被測定物体の前記光軸方向における変位を測定することを特徴とする。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の変位センサにおいて、前記最大受光検出手段は、前記タイミング生成手段からの前記基準クロック信号の周期に同期したタイミングでサンプリングした複数の受光量レベルに基づき曲線近似することにより前記最大受光時点を検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
＜請求項１の発明＞
本構成によれば、位置検出手段からの位置信号を受けて、この位置信号の周波数を逓倍してなる基準クロック信号を出力するタイミング生成手段が備えられている。そして、最大受光検出手段は、受光手段で受光される反射検出光の受光量を、上記タイミング生成手段からの基準クロック信号の周期に同期したタイミングでサンプリングすることにより最大受光時点を検出するようにした。
ここで、例えば周囲温度変化等による加振手段の振動周期の変動があった場合、これに伴って最大受光時点も変動するが、それとともに、タイミング生成手段で生成される基準クロック信号のクロックタイミングも最大受光時点の変動に追従するように変化する。つまり、加振手段の振動周期変動にかかわらず、ほぼ同じ振幅率での受光量をサンプリングすることができる。例えば、ある周囲温度下において受光量サンプリングタイミングの１つが最大受光時点に一致しているときには、周囲温度が変動し加振手段の振動周期が変動してもやはり受光量サンプリングタイミングの１つを最大受光時点に一致させることができる。
これにより、加振手段の振動周期変動にかかわらず安定した精度で被測定物体の変位測定が可能になる。
【００１３】
＜請求項２の発明＞
本構成によれば、位置検出手段からの位置信号を受けて、この位置信号の周波数を逓倍してなる基準クロック信号を出力するタイミング生成手段が備えられている。そして、最大受光検出手段で検出された最大受光時点に対して、タイミング生成手段からの基準クロック信号の周期に応じた時間だけ遅れた時点で位置検出手段から受けた位置信号に基づき被測定物体の光軸方向における変位を測定する構成とした。
ここで、例えば周囲温度変化等による加振手段の振動周期の変動があった場合、これに伴って位置検出手段での遅れ時間も変動するが、それとともに、タイミング生成手段で生成される基準クロック信号のクロックタイミングも上記遅れ時間の変動に追従するように変化する。つまり、加振手段の振動周期変動にかかわらず、上記基準クロック信号に応じた時間だけ遅れた時点での位置信号を取得することで、最大受光時点に対応する光学部品の正規の位置を取得することができるのである。
これにより、加振手段の振動周期変動にかかわらず安定した精度で被測定物体の変位測定が可能になる。
【００１４】
＜請求項３の発明＞
本構成によれば、最大受光検出手段は、タイミング生成手段からの基準クロック信号の周期に同期したタイミングでサンプリングした複数の受光量レベルに基づき曲線近似することにより最大受光時点を検出する構成である。このような構成であっても加振手段の振動周期変動による影響を排して安定した精度で変位測定を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
＜実施形態１＞
本発明の実施形態１を図１ないし図５によって説明する。
１．変位測定装置の構成
（１）合焦装置の構成
図１には、本実施形態に係る変位測定装置１０の全体構成が示されている。
投光手段であるレーザダイオード(以下、ＬＤと称する)１１はレーザ駆動制御回路１２で駆動された状態でレーザ光（検出光）を出射し、そのレーザ光は、光分割手段であるビームスプリッタ１３を通過した後、コリメータレンズ１４で平行光に変換される。
【００１６】
コリメータレンズ１４で変換された平行光は、後述する補助光学手段としての２枚の収束レンズ１５Ａ，１５Ｂにより若干発散され完全平行ではなく近似平行光（略平行光）とされた状態で対物レンズ１６に入射することにより被測定物体１７に集光状態で投射される。これらのコリメータレンズ１４、収束レンズ１５Ａ，１５Ｂ及び対物レンズ１６は複数のレンズからなる複合レンズで構成されている。なお、複合レンズではなく単レンズで構成したものであってもよい。
被測定物体１７からの反射光（反射検出光）は、対物レンズ１６、収束レンズ１５Ａ，１５Ｂ、コリメータレンズ１４を通過してビームスプリッタ１３で反射することにより、光絞り部１８のピンホール１８ａを通過して受光手段であるフォトダイオード(以下、ＰＤと称する)１９へ入射するようになっている。
【００１７】
ＰＤ１９で光電変換した信号（受光信号Ｓ１）は増幅器２０へ入力され、その出力信号は、制御手段であるＣＰＵ２１へ入力されメモリ２２に格納されるようになっている。
本実施形態では、上述したＬＤ１１、ビームスプリッタ１３、コリメータレンズ１４、収束レンズ１５Ａ，１５Ｂ、対物レンズ１６、光絞り部１８、ＰＤ１９、ＣＰＵ２１から、いわゆる合焦装置が構成されている。
【００１８】
ここで、ＬＤ１１の光軸に対して直交する方向を指向するように加振手段としての音叉１が配設されており、その音叉１の両自由端２Ａ，２Ａの先端に収束レンズ１５Ａ，１５Ｂの周縁部分がそれぞれ連結されている。これらの収束レンズ１５Ａ，１５Ｂは、コリメータレンズ１４からの平行光を若干発散させて完全平行ではなく近似平行光（略平行光）とした状態で対物レンズ１６へ入射させるもので、音叉１の微振動によりＬＤ１１からのレーザ光の光軸に沿って所定振幅で振動するようになっており、このような構成が本実施形態の特徴となっている。この場合、音叉１の振幅は極めて小さいことから、２枚の収束レンズ１５Ａ，１５Ｂは光軸に沿って振動しているとみなすことができる。
【００１９】
一方、音叉１の自由端２Ａの側方の近接した位置には、例えば渦電流式磁気センサ、或は光センサ、或は静電容量センサを利用した位置検出手段（位置センサ）たる音叉振幅検出器２３が配設されており、音叉１の振動位置、つまり収束レンズ１５Ａ，１５Ｂの位置を検出するようになっている。音叉振幅検出器２３が検出した検出振幅信号は増幅器２４へ入力され、その出力信号は本発明の位置信号Ｓ２としてＣＰＵ２１へ入力される。
【００２０】
音叉１の自由端２Ａの側方には、当該音叉１を振動させるためのソレノイド２５が配設されている。このソレノイド２５は、制御手段としてのＣＰＵ２１からの駆動信号Ｓ３に基づいて音叉振幅制御回路２６から制御電流が供給されることに応じて駆動するようになっている。音叉振幅制御回路２６には増幅器２４の位置信号Ｓ２が与えられており、音叉１の振幅を一定にするようにフィードバック制御するようになっている。
【００２１】
このような構成において、音叉振幅制御回路２６からソレノイド２５に所定周波数のパルス電流または交流電流を供給すると、ソレノイド２５から磁界（交流磁界）が発生する。この磁界により音叉１が微振動し、収束レンズ１５Ａ，１５ＢをＬＤ１１の光軸に沿って振動させる。なお、この音叉１の振幅周期は例えば周囲温度等によって変動する。
【００２２】
そして、音叉振幅検出器２３は、音叉１の振幅、即ち収束レンズ１５Ｂの振幅を検出し、収束レンズ１５Ｂの振幅を示す正弦波状信号を出力する。この正弦波状信号を増幅器２４で増幅し、増幅器２４から出力される位置信号Ｓ２をＣＰＵ２１へ入力させることにより、ＣＰＵ２１は、収束レンズ１５Ｂの位置を検出可能となっている。
【００２３】
（２）補助光学手段について
ところで、本実施形態では、図１にも示すように、音叉１の両自由端２Ａ，２Ａに連結された２枚の収束レンズ１５Ａ，１５Ｂで補助光学手段を構成したものとしている。具体的には、コリメータレンズ１４からの平行光は、収束レンズ１５Ａにて収束される。そして、その収束レンズ１５Ａの収束点Ｐ１（焦点位置）を超えて発散した光が収束レンズ１５Ｂで収束され、結果としてやや拡散した光が対物レンズ１６に向けて照射されるようになっている。
【００２４】
このようにＬＤ１１からの光を、一旦集光させて平行光にした後、補助光学手段によって若干発散させて再び近似平行光（略平行光）とした光を対物レンズ１６に照射する構成の方が、集光させずにそのまま上記近似平行光を照射させる場合に比べて対物レンズ１６等の光学系による収差の影響が少なく、正確な変位測定ができることが実験的に確かめられている。
【００２５】
（３）補助光学手段（発散レンズを例に挙げて説明する）と対物レンズの焦点距離との関係
次に、発散レンズ１５と対物レンズ１６の焦点距離との関係について図２及び図３に基づいて説明する。
図２は、物点ｃからの光線が対物レンズ１６により屈折されて像点ｃ'で結像する際の光学系を示している。ここで、物点ｃの微小変位量xc1とその像点変位量xc2の比αを縦倍率といい、通常の横倍率に対して光軸に沿った方向の倍率であり、次の式で求めることができる。
【００２６】
【数１】
2005315705.tif 000003
ここで、対物レンズ１６の焦点距離をｆ、物体側焦点位置から物体までの距離をｘ、像側焦点位置から像までの距離をｘ’とすると、図中に示すように物点ｃを基点とする矢印が像点ｃ’を基点として結像したとすると、矢印の基点と先端のそれぞれに関して、ニュートンの公式に基づいて次に示す式を導き出すことができる。
【００２７】
【数２】
2005315705.tif 000004
上記（２）式の左辺ｘ’を右辺に移し、上記（２）式を用いて整理すると、
【００２８】
【数３】
2005315705.tif 000005
となる。従って、対物レンズ１６の縦倍率は、
【００２９】
【数４】
2005315705.tif 000006
により求めることができる。つまり、対物レンズ１６の縦倍率は、対物レンズ１６の焦点距離を物点ｃと対物レンズ１６の焦点Fとの距離で除した値の２乗で示すことができる。この式から、対物レンズ１６の縦倍率は、対物レンズ１６の焦点距離が大きくなるほど大きくなり、物点ｃと対物レンズ１６の焦点Ｆとの距離が大きくなるほど小さくなる関係であることが分る。
【００３０】
ところで、本実施形態では、コリメータレンズ１４からの平行光を発散レンズ１５により発散させた状態で対物レンズ１６に入射させていることから、発散レンズ１５の焦点位置を物点ｃに一致させるように配置した場合、発散レンズ１５に入射した平行光はあたかも物点ｃから放射されたように出射するようになる。また、発散レンズ１５が変位した場合は、その移動に応じてあたかも物点ｃが同様に変位したことになる。
【００３１】
さて、上記関係式に基づいて、物点ｃと像点ｃ’の微小変位量が互いに等しくなる物点位置ｘは、α＝１であり、
【００３２】
【数５】
2005315705.tif 000007
の関係になるときである。このような関係は、発散レンズ１５の変位量と対物レンズ１６の集光位置の変位量とが一致する場合であり、従来と同様な関係となる。
【００３３】
また、物点の微小変位量が像点の微小変位量の２倍になる物点位置ｘは、α＝１／２であり、
【００３４】
【数６】
2005315705.tif 000008
の関係になるときである。このような関係は、発散レンズ１５の変位量よりも対物レンズ１６の集光位置の変位量が小さくなる場合であり、被測定物体１７の測定精度を高めることができる。これは、被測定物体１７の測定範囲を小さく設定できる結果、検出可能な分解能を高められるからである。
【００３５】
また、物点の微小変位量が像点の微小変位量の１／２倍になる物点位置ｘは、α＝２であり、
【００３６】
【数７】
2005315705.tif 000009
の関係になるときである。このような関係は、発散レンズ１５の変位量よりも対物レンズ１６の集光位置の変位量が大きくなる場合であり、被測定物体１７の測定可能な変位量(測定レンジ)を拡大することができる。
【００３７】
なお、発散レンズ１５と対物レンズ１６の位置関係は、発散レンズ１５の焦点位置が対物レンズ１６の焦点Ｆに対して物点側となるように位置決めする必要がある。これは、発散レンズ１５に平行光が入射したときは、発散レンズ１５の焦点から投光されたように発散レンズ１５から出射することから、発散レンズ１５の焦点位置が対物レンズ１６の焦点位置に対して対物レンズ１６側に位置した状態では、対物レンズ１６からの出射光は集光しないからである。
【００３８】
このような位置関係を満足した場合は、上述した縦倍率αの関係から、発散レンズ１５の変位量と対物レンズ１６による集光位置の変位量とが異なるように設定することが可能となる。つまり、対物レンズ１６の焦点距離に対して発散レンズ１５の焦点位置と対物レンズ１６の焦点位置との距離が小さな場合は、発散レンズ１５の変位量に比べて対物レンズ１６による集光位置の変位量を大きく設定することができる。これに対して、対物レンズ１６の焦点距離に対して発散レンズ１５の焦点位置と対物レンズ１６の焦点位置とが大きな場合は、発散レンズ１５の変位量に比べて対物レンズ１６による集光位置の変位量を小さく設定することができる。
【００３９】
（４）受光量サンプリングのための構成
さて、本実施形態に係る変位測定装置１０には、図１に示すように、音叉振幅検出器２３から出力されコンパレータ３６によってパルス状にされた位置信号Ｓ２が入力され、この位置信号Ｓ２の周波数を予め設定された分周係数に基づき逓倍してなる基準クロック信号Ｓ４を生成するタイミング生成手段としての周波数逓倍器であるＰＬＬ（Phase Locked Loop；位相同期）回路３０が設けられている。図４は、このＰＬＬ回路３０の構成を示したブロック図である。分周器３１は、受けた周波数ｆｓの位置信号Ｓ２を予め設定した分周比に基づき分周した位置信号Ｓ２（周波数ｆｓ／Ｒ）に変換する（つまり、位置信号Ｓ２の発振周期を分周する）。また、ＶＣＯ３４（Voltage Controlled Oscillater）は、受けた制御用の電圧で発振周波数が変わる発振器であり、ここで発振した局発信号は１／Ｎ分周器３５で１／Ｎに分周される。この結果として得られた１／Ｎ分周器３５の出力信号と、分周器３１からの位置信号Ｓ２とが位相比較器３２で比較される。
【００４０】
そして、これらに誤差があればそれをなくすように位相比較器からの信号がループフィルタ３３を介してＶＣＯ３４に与えられる。ループフィルタ３３は帰還ループの応答性を決定する役目を果たすもので、ＶＣＯ３４はこれに応答して発振周波数ｆo（＝ｆｓ＊Ｎ／Ｒ）の基準クロック信号Ｓ４を生成する。このようにして、ＰＬＬ回路３０は、音叉振幅検出器２３からの位置信号Ｓ２を、設定した分割係数Ｎ，Ｒに基づき逓倍した基準クロック信号Ｓ４に変換して出力する。つまり、振動周期が変わり得る位置信号Ｓ２を、分割係数Ｎ，Ｒに応じて均等分割した基準クロック信号Ｓ４（周期Ｔo＝Ｔｓ＊Ｒ／Ｎ）が生成されるのである。
【００４１】
ＣＰＵ２１は、上記ＰＬＬ回路３０からの基準クロック信号Ｓ４を受けて、この基準クロック信号Ｓ４のパルスタイミングに同期したタイミングで順次ＰＤ１９からの受光信号Ｓ１を取り込んで受光量をサンプリングする。なお、上記分割係数Ｎ，Ｒは勿論変更できる構成としてもよい。
【００４２】
２．本実施形態の動作
本実施形態の動作について図５を参照しつつ説明する。なお、同図（Ａ）（Ｂ）は、被測定物体１７の変位が同じであり、周囲環境変化によって音叉１の振幅周期が変動した場合における、音叉変位、受光量レベル、受光量サンプリングタイミングをそれぞれ表す。
【００４３】
変位測定装置１０が起動されると、ある周囲環境下（例えば周囲温度Ｘ）において、図５（Ａ）に示すように振動周期Ｔ１で音叉１が振動する。そして、音叉振幅検出器２３から位置信号Ｓ２がＰＬＬ回路３０によって周期ｔ１（＝Ｔ１＊Ｎ／Ｒ）の基準クロック信号Ｓ４に変換されＣＰＵ２１に与えられるようになる。これにより、ＣＰＵ２１は、この基準クロック信号Ｓ４に同期した時間ｔ１間隔のタイミングで順次ＰＤ１９からの受光信号Ｓ１を取り込んで受光量データを取得する。すると、最大受光レベルに対してやや低い２点Ｕ，Ｕでの受光量レベルが取得され、この２点Ｕ，Ｕでの受光量レベルから曲線近似により最大受光時点が検出され、このときの位置信号Ｓ２に基づき音叉１の位置がＨとされる。
【００４４】
一方、図５（Ｂ）に示すように、周囲環境が変化（例えば周囲温度がＹに変化）し、音叉１の振動周期が例えばＴ２（＞Ｔ１）に変動すると、ＰＬＬ回路３０から基準クロック信号Ｓ４の周期もｔ２（＝Ｔ２＊Ｎ／Ｒ）に変わる。つまり、音叉１の振動周期に比例して基準クロック信号Ｓ４の周期も変わるのである。これにより、ＰＤ１９での受光量変化に対して最大受光レベルに対する振幅率、即ち、音叉１の位置が上記図５（Ａ）のときと同一のタイミングである２点Ｕ’，Ｕ’で受光量をサンプリングすることができる。従って、これらの２点Ｕ’，Ｕ’に基づき曲線近似して得られた最大受光時点に対応する音叉１の位置Ｈは、図５（Ａ）での場合と同じ結果になる。
【００４５】
３．本実施形態の効果
以上のように、本実施形態では、音叉振幅検出器２３からの位置信号Ｓ２をＰＬＬ回路３０によって逓倍してなる基準クロック信号Ｓ４に同期したタイミングでＰＤ１９で受光量をサンプリングする構成であるから、音叉１の振動周期が変動しても同一変位の被測定物体１７に対して同じ結果を得ることができる。つまり、音叉１の振動周期変動にかかわらず安定した精度で被測定物体１７の変位測定が可能になる。
【００４６】
＜実施形態２＞
図６は（請求項２の発明に対応する）実施形態２を示す。前記実施形態との相違は、ＣＰＵ２１の処理内容にあり、その他の点は前記実施形態１と同様である。従って、実施形態１と同一符号を付して重複する説明を省略し、異なるところのみを次に説明する。
【００４７】
前述した変位測定装置１０では、音叉振幅検出器２３の応答遅れによって音叉１の位置変位を示す位置信号Ｓ２の、ＣＰＵ２１に対する送信タイミングが、ＰＤ１９からの受光信号Ｓ１のそれに対して遅れる。なお、図６図（Ａ）（Ｂ）は、被測定物体１７の変位が同じであり、周囲環境変化によって音叉１の振幅周期が変動した場合における、音叉変位、受光量レベル、カウントタイミングをそれぞれ表す。また、同図の音叉変位において、一点破線Ｍ１が実際の音叉の変位であり、実線Ｍ２がＣＰＵ２１に送られる位置信号Ｓ２の変位である。
【００４８】
そこで、本実施形態では、最大受光時点を基準に、音叉振幅検出器２３での応答時間遅れに応じた時間だけ遅れたタイミングでの位置信号Ｓ２を検出し、この位置信号Ｓ２を最大受光時点に対応する音叉１の正規の位置として変位測定を行う構成になっている。具体的には、ＣＰＵ２１は、図６（Ａ）に示すように、最大受光時点を基準に、上記ＰＬＬ回路３０からの基準クロック信号Ｓ４（パルス間隔ｔ３）に同期したタイミングで例えばそのパルスを４カウント（応答遅れ時間ｄ１に対応した時間）し、このときに取得した位置信号Ｓ２に基づき被測定物体１７の変位測定を行うようにしている。
【００４９】
ところで、前述したように、周囲環境の変化（例えば周囲温度変化）によって音叉１の振動周期が変動すると、これに伴って音叉振幅検出器２３の応答遅れ時間もｔ４に変動する。しかしながら、本実施形態では、この応答遅れ時間をＰＬＬ回路３０からの基準クロック信号Ｓ４に同期したタイミングでカウントする構成であるから、図６（Ｂ）に示すように、音叉１の振動周期（応答遅れ時間ｄ２）の変動に比例して基準クロック信号のパルス間隔（ｔ４）も変動し、図６（Ａ）のときと同様にそのパルスを４カウントし、このときに取得した位置信号Ｓ２が最大受光時点に対応する音叉１の正規の位置となる。
【００５０】
以上のように、本実施形態では、音叉振幅検出器２３からの位置信号Ｓ２をＰＬＬ回路３０によって逓倍してなる基準クロック信号Ｓ４に同期したタイミングでＰＤ１９で応答遅れ時間をカウントする構成であるから、音叉１の振動周期が変動しても同一変位の被測定物体１７に対して同じ結果を得ることができる。つまり、音叉１の振動周期変動にかかわらず安定した精度で被測定物体１７の変位測定が可能になる。なお、上記カウント数は勿論変更できる構成としてもよい。
【００５１】
＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
（１）被測定物体の変位量を、縦倍率を求める数式に基づいて演算するのに代えて、実施形態１における発散レンズ１５、収束レンズ１５Ａ，１５Ｂの位置に基づいて求めるようにしてもよい。つまり、発散レンズ１５或は収束レンズ１５Ａ，１５Ｂと集光位置との対応関係をテーブルに記憶したり、或は関数で演算したりするようにし、受光量が最大となる時点における発散レンズ１５或は収束レンズ１５Ａ，１５Ｂの位置に基づいて被測定物体の変位量を求めるものである。
この場合、発散レンズ１５或は収束レンズ１５Ａ，１５Ｂと集光位置との対応関係は、理論値ではなく実際の実験結果から求めるようにしてもよい。
【００５２】
（２）また、サンプルモデルを使ってティーチングを行うようにしてもよい。つまり、例えば、所定高さ（具体的に、1.0mm）のサンプルにおいて、この高さ情報を記憶させると共に、このときの受光量最大点における位置信号を検出し記憶させる。次に、先ほどと高さの違うサンプル（具体的に、1,1mm）をおいて、この高さ情報を記憶させると共に、このときの受光量最大点における位置信号を検出して記憶させる。これによって、O.1mmの変位量に対する位置信号の変位量との関係が求められる。従って、この位置信号の変位量に対応する被測定物体の変位量をテーブルに記憶したり、数式として求めて記憶させたりしてもよい。
【００５３】
（３）実施形態１において、発散レンズ１５、収束レンズ１５Ｂの位置を検出する手段としては、音叉振幅制御回路２６からの駆動信号に基づいて検出するようにしてもよい。この場合、発散レンズ１５等の位置を検出する手段を省略することができる。発散レンズ１５等を振動させるのに代えて、単に直線的に移動させるようにしてもよい。また、光絞り部１８を省略するようにしてもよい。
対物レンズを取り外し可能に設け、集束率の異なる対物レンズを装着可能としてもよい。対物レンズとして、例えば液体が封入され表面の湾曲率を調整することにより集束率を可変可能な構造のものを用いるようにしてもよい。発散レンズ或は収束レンズを変位させると同時に対物レンズの収束率を変更するようにしてもよい。
【００５４】
（４）上記実施形態１のビームスプリッタ１３の代わりに偏光ビームスプリッタに代えた構成であってもよい。なお、偏光ビームスプリッタを使用する場合、その偏光ビームスプリッタを通過したレーザ光が被測定物体１７で反射して偏光ビームスプリッタ１３に戻った際に光の振動方向を９０°回転させる振動方向変換手段としての１／４波長板が設けて、これにより、偏光ビームスプリッタに戻ったレーザ光がＬＤ１１の光軸の直交方向に反射されるようにしてもよい。
【００５５】
（５）上記各実施形態では、加振手段として音叉１を用いた例を説明したが、これに限らず、周期的に変位するものであれば他のものであってもよい。また、収束レンズ１５を振動させるのではなく、対物レンズ１６を振動させる構成であってもよい。また、被測定物体からの反射検出光を反射ミラーを介して受光手段に集光させる構成とし、この反射ミラーを振動させる構成であってもよい。更に、被測定物体からの反射検出光をピンホール板を介して受光手段に受光させる構成とし、このピンホール板を振動させる構成であってもよい。
【００５６】
（６）上記実施形態では、収束レンズ１５Ａ，１５Ｂを備えてこれらを振動させる構成としたが、このうち１つを備えて振動させる構成であってもよい。
【００５７】
（７）上記実施形態１及び２の両方の構成（請求項１の構成及び請求項２の構成）を備えたものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施形態１に係る変位測定装置の構成を示す概略図
【図２】対物レンズの光学系を示す模式図
【図３】発散レンズと対物レンズとを組合わせた光学系を示す模式図
【図４】ＰＬＬ回路のブロック図
【図５】音叉変位、受光量レベル、受光量サンプリングタイミングを示すタイムチャート
【図６】実施形態２の音叉変位、受光量レベル、受光量サンプリングタイミングを示すタイムチャート
【図７】従来構成の音叉変位、受光量レベル、受光量サンプリングタイミングを示すタイムチャート
【符号の説明】
【００５９】
１…音叉（加振手段）
１０…変位測定装置（変位センサ）
１１…ＬＤ
１４…コリメータレンズ（光学手段）
１５Ａ，１５Ｂ…収束レンズ（光学手段、光学部品）
１６…対物レンズ
１７…被測定物体
１９…ＰＤ（受光手段）
２１…ＣＰＵ（最大受光検出手段、測定手段）
２２…メモリ（記憶手段）
２３…音叉振幅検出器（位置検出手段）
３０…ＰＬＬ回路（タイミング生成手段）
Ｓ１…受光信号
Ｓ２…位置信号
Ｓ４…基準クロック信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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