(57)【要約】【課題】触針を被測定物の表面形状に追従させた高精度の測定を迅速に達成することができる形状測定装置用の検出器を提供すること。【解決手段】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の接触圧すなわち押圧力が適正値で一定となるように制御される。この際、超精密レギュレータＲ１，Ｒ２の存在によって、圧力作用室２７内の第１空気圧を０．０６ｋＰａ以下の精度で制御することができ、接触部３５ａの接触圧を約２ｍｇ程度以下の変動量に抑えることができる。つまり、接触圧の変動に起因するワークＷの変形の変動が１ｎｍ以下となり、ワークＷの変形による測定誤差が１ｎｍ以下を実現することができる。【選択図】図１
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【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と、当該接触体を一端部に支持する軸状部材とを有する接触子と、
軸方向を鉛直方向とし前記一端部を下端とした状態で、前記軸状部材を保持する保持体と、
第１空気圧の供給を受けて、前記接触子に対して前記軸方向に沿って鉛直方向上方又は下方の付勢力を与える付勢手段と、
第２空気圧の供給を受けて、前記接触子を非接触で前記軸方向に変位可能に支持する空気軸受と、
前記付勢手段に供給される前記第１空気圧を、第１分解能で調整する第１給気制御部と、
前記空気軸受に供給される前記第２空気圧を、前記第１分解能と略等価以下の第２分解能で調整する第２給気制御部と、
を備える形状測定装置用の検出器。
【請求項２】
前記第１給気制御部は、前記接触子の自重の一部をキャンセルするとともに、キャンセルされずに残った自重部分を前記接触体の測定対象に対する接触圧とする請求項１記載の検出器。
【請求項３】
前記第１給気制御部は、前記第１空気圧を０．０２ｋＰａ以下の前記第１分解能で制御する圧力レギュレータを有し、前記第２給気制御部は、前記第２空気圧を０．０２ｋＰａ以下の前記第２分解能で制御する圧力レギュレータを有する請求項２記載の検出器。
【請求項４】
前記第１給気制御部は、前記第１空気圧を０．０６ｋＰａの変動量で制御する圧力レギュレータを有し、前記第２給気制御部は、前記第２空気圧を０．０６ｋＰａの変動量で制御する圧力レギュレータを有する請求項３記載の検出器。
【請求項５】
測定対象である被検知体に接触する接触体と、当該接触体を一端部に支持する軸状部材とを有する接触子と、
軸方向を鉛直方向とし前記一端部を下端とした状態で、前記軸状部材を保持する保持体と、
第１空気圧の供給を受けて、前記接触子に対して前記軸方向に沿って鉛直方向上方又は下方の付勢力を与える付勢手段と、
第２空気圧の供給を受けて、前記接触子を非接触で前記軸方向に変位可能に支持する空気軸受と、
前記付勢手段に供給される前記第１空気圧を、０．０２ｋＰａ以下の分解能で調整する第１給気制御部と、
前記空気軸受に供給される前記第２空気圧を、０．０２ｋＰａ以下の分解能で調整する第２給気制御部と
を備える形状測定装置用の検出器。
【請求項６】
前記付勢手段は、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段差状の応力発生面を有する請求項１から請求項５のいずれか一項記載の検出器。
【請求項７】
前記軸状部材に設けられて検査光を反射する光検出面と、当該光検出面に検査光を照射するとともに反射光を検出する変位センサとをさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項記載の検出器。
【請求項８】
請求項７記載の検出器と、
被測定物を前記接触子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、
前記移動手段による被測定物の相対移動に際して被測定物の表面と前記接触子との接触によって生ずる前記接触子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、被測定物の形状を測定する演算手段と
を備える形状測定装置。
【請求項９】
被測定物の表面に接触する接触子を被測定物の表面に接触させながら相対走査させることにより、前記接触子の軸方向の位置を測定して被測定物の表面形状を測定する形状測定方法であって、
前記接触子に対して前記軸方向に沿って鉛直方向上方又は下方の付勢力を与える付勢手段に供給する第１空気圧の第１分解能に対して、前記接触子を非接触で前記軸方向に変位可能に支持する空気軸受に供給する第２空気圧の第２分解能を、略等価以下にすることを特徴とする形状測定方法。
【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形状測定装置用の検出器と、かかる検出器を利用した形状測定装置及び方法とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ミラー面やレンズ面を有する光学素子について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）。
【０００３】
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。このような接触式測定方法として、触針をエアベアリング型のシリンダで支持するものがあり、シリンダブロック中のロッドに対して、例えば制御された空気圧によって触針の自重をキャンセルする付勢力を与えている（特許文献３参照）。
【特許文献１】特開平５−２０９７４１号公報
【特許文献２】特許３０４６６３５号公報
【特許文献３】特開２００２−１６２２２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のようなエアベアリング型のシリンダを用いた例では、触針に精密な付勢力を与えるために付勢力制御用のレギュレータを設けているが、エアベアリングについは、特別のレギュレータを設けておらず、加圧ガス源に接続されているだけである。しかしながら、本発明者による検討の結果、触針に対する付勢力制御用のレギュレータを設けただけでは、触針の被測定物に対する接触圧を十分に制御できないことが判明した。そして、エアベアリングに供給する空気圧の変動に起因して触針の接触圧が影響を受け、結果的に形状測定精度が下がることが判明した。
【０００５】
そこで、本発明は、触針の接触圧を精密に制御することによって高精度の測定を実現することができる形状測定装置用の検出器を提供することを目的とする。
【０００６】
また、本発明は、上記検出器を組み込んだ形状測定装置と、上記検出器を利用した形状測定方法と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】
【０００７】
上記課題を解決するため、第１の発明に係る形状測定装置用の検出器は、測定対象である被検知体に接触する接触体と、当該接触体を一端部に支持する軸状部材とを有する接触子と、軸方向を鉛直方向とし一端部を下端とした状態で、軸状部材を保持する保持体と、第１空気圧の供給を受けて、接触子に対して軸方向に沿って鉛直方向上方又は下方の付勢力を与える付勢手段と、第２空気圧の供給を受けて、接触子を非接触で軸方向に変位可能に支持する空気軸受と、付勢手段に供給される第１空気圧を、第１分解能で調整する第１給気制御部と、空気軸受に供給される第２空気圧を、第１分解能と略等価以下の第２分解能で調整する第２給気制御部とを備える。ここで、第１分解能と第２分解能とが略等価であるとは、両分解能の差が０〜０．０１ｋＰａ以下であることを意味する。
【０００８】
上記検出器では、第２給気制御部が、空気軸受に供給される第２空気圧を第１分解能と略等価以下の第２分解能で調整するので、空気軸受が付勢手段に干渉して被測定物に対する接触体の接触圧の設定精度が低下することを防止できる。これにより、付勢手段を本来の状態で動作させることができ、接触体の接触圧を精密に制御することができるので、高精度の形状測定を実現することができる。
【０００９】
本発明の具体的な態様又は観点では、上記検出器において、第１給気制御部が、接触子の自重の一部をキャンセルするとともに、キャンセルされずに残った自重部分を接触体の測定対象に対する接触圧とする。この場合、接触子の自重を部分的に相殺した簡易な加重による接触圧の設定が可能になる。
【００１０】
本発明の別の態様によれば、第１給気制御部は、第１空気圧を０．０２ｋＰａ以下の第１分解能で制御する圧力レギュレータを有し、第２給気制御部が、第２空気圧を０．０２ｋＰａ以下の第２分解能で制御する圧力レギュレータを有する。この場合、第１空気圧だけでなく第２空気圧を０．０２ｋＰａ以下の第１分解能で制御することができ、結果的に接触体の接触圧を約０．７ｍｇ程度以下の分解能で制御することができる。
【００１１】
本発明のさらに別の態様によれば、第１給気制御部が、第１空気圧を０．０６ｋＰａの変動量で制御する圧力レギュレータを有し、第２給気制御部が、第２空気圧を０．０６ｋＰａの変動量で制御する圧力レギュレータを有する。この場合、第１空気圧だけでなく第２空気圧を０．０６ｋＰａ以下の変動量で制御することができ、結果的に接触体の接触圧を約２ｍｇ程度以下の変動量で制御することができる。これにより、例えば樹脂等の成形品を測定対象とした場合において、測定対象の変形の変動が１ｎｍ以下となり、変形による測定誤差が１ｎｍ以下を実現することができる。
【００１２】
第２の発明に係る形状測定装置用の検出器は、測定対象である被検知体に接触する接触体と、当該接触体を一端部に支持する軸状部材とを有する接触子と、軸方向を鉛直方向とし一端部を下端とした状態で、軸状部材を保持する保持体と、第１空気圧の供給を受けて、接触子に対して軸方向に沿って鉛直方向上方又は下方の付勢力を与える付勢手段と、第２空気圧の供給を受けて、接触子を非接触で軸方向に変位可能に支持する空気軸受と、付勢手段に供給される第１空気圧を、０．０２ｋＰａ以下の分解能で調整する第１給気制御部と、空気軸受に供給される第２空気圧を、０．０２ｋＰａ以下の分解能で調整する第２給気制御部とを備える。
【００１３】
上記検出器では、第１給気制御部が、付勢手段に供給される第１空気圧を０．０２ｋＰａ以下の分解能で調整し、第２給気制御部が、空気軸受に供給される第２空気圧を０．０２ｋＰａ以下の分解能で調整するので、空気軸受が付勢手段に干渉して被測定物に対する接触体の接触圧の設定精度が低下することを防止できる。これにより、付勢手段を本来の状態で動作させることができ、接触体の接触圧を精密に制御することができるので、高精度の形状測定を実現することができる。
【００１４】
本発明の具体的な態様によれば、上記検出器において、付勢手段が、保持体を構成する外枠体の挿通孔に挿通される軸状部材の側面において、一端部側に面するように形成された段差状の応力発生面を有する。この場合、軸状部材の側面に簡易に形成することができる応力発生面によって、接触子に付与される付勢力を高精度で調整することができる。
【００１５】
本発明の別の態様によれば、軸状部材に設けられて検査光を反射する光検出面と、当該光検出面に検査光を照射するとともに反射光を検出する変位センサとをさらに備える。この場合、接触子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、この計測結果に基づいて、被検知体の表面の起伏等を高精度で測定することができる。
【００１６】
本発明の形状測定装置は、上述の検出器と、被測定物を接触子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、移動手段による被測定物の相対移動に際して被測定物の表面と接触子との接触によって生ずる接触子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、被測定物の形状を測定する演算手段と
を備える。
【００１７】
上記形状測定装置では、移動手段によって被測定物を接触子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接触子の変位量を算出するので、被測定物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。
【００１８】
本発明の形状測定方法は、被測定物の表面に接触する接触子を被測定物の表面に接触させながら相対走査させることにより、接触子の軸方向の位置を測定して被測定物の表面形状を測定する形状測定方法であって、接触子に対して軸方向に沿って鉛直方向上方又は下方の付勢力を与える付勢手段に供給する第１空気圧の第１分解能に対して、接触子を非接触で軸方向に変位可能に支持する空気軸受に供給する第２空気圧の第２分解能を、略等価以下にすることを特徴とする。
【００１９】
上記形状測定方法では、第２給気制御部が、空気軸受に供給される第２空気圧を第１分解能と略等価以下の第２分解能で調整するので、空気軸受が付勢手段に干渉して被測定物に対する接触体の接触圧の設定精度が低下することを防止できる。これにより、付勢手段を本来の状態で動作させることができ、接触体の接触圧を精密に制御することができるので、高精度の形状測定を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態である形状測定装置用の検出器を、図面に基づき具体的に説明する。
【００２１】
図１は、実施形態の検出器１０の正面図であり、図２は、図１に示す検出器１０の要部を説明する側方拡大断面図である。
【００２２】
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、保持体であるシリンダブロック２と、軸状部材であるロッド部材３と、支持部材４とを備える。
【００２３】
プローブ装置１０Ａにおいて、シリンダブロック２は、支持部材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外枠体としての部分であり、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。
【００２４】
ロッド部材３は、被測定物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すなわち接触子であり、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の上下方向に関する両端部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。
【００２５】
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等からなる球状の接触部３５ａが固着されている。接触部３５ａは、被測定物であるワーク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可能性を低減でき、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が形成されており、下端部３１に対して複数種類のプローブ本体３５を着脱可能に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。
【００２６】
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。
【００２７】
ロッド部材３の側面３ａには、鉛直上方の＋Ｚ方向に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の自重を少なくとも部分的に解消する鉛直方向上方の推力又は付勢力（浮上力）をロッド部材３にもたらす付勢手段としての役割を果たす。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又は付勢力により、ロッド部材３の自重を部分的に相殺した中吊り状態にでき、さらに、ロッド部材３が鉛直方向下方に降下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。
【００２８】
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。この上側軸受部材２３は、ロッド部材３の外周面ＳＳに対面する複数組の多孔質板を備えて構成される。また、ロッド挿通孔２１の内壁面２１ａにおける下側部分にも、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。この下側軸受部材２４も、ロッド部材３の外周面ＳＳに対面する複数組の多孔質板を備えて構成される。以上説明した上側軸受部材２３及び下側軸受部材２４は、下記のロッド部材３の外周面ＳＳとともに、ロッド部材３をＺ方向に変位可能に非接触で支持する空気軸受として機能する。
【００２９】
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からの加圧エアは、超精密レギュレータ（圧力密レギュレータ）Ｒ２及び配管Ｌ２を介して上側軸受部材２３や下側軸受部材２４に供給される。給気ポート２６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、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、両軸受部材２３，２４の背面に供給される気圧は、第２給気制御部である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。超精密レギュレータＲ２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が非接触でシリンダブロック２のロッド挿通孔２１に対して上下方向に変位可能に支持される。
【００３０】
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。ここで、超精密レギュレータＲ１の圧力分解能は、後述するように例えば０．０２ｋＰａ程度以下に設定される。
【００３１】
シリンダブロック２の外側面の中段には、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、超精密レギュレータ（圧力密レギュレータ）Ｒ１及び配管Ｌ１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Ｌ１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、圧力制御弁を内蔵する超精密レギュレータＲ１にフィードバックされる。つまり、圧力作用室２７内の気圧は、第１給気制御部である超精密レギュレータＲ１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、及び推力ポート２８は、ロッド部材３の側面３ａに設けた段差部３９とともに、鉛直上方の＋Ｚ方向に浮上力を作用させる部分、すなわちロッド部材３に対して鉛直方向上方に付勢力を与えるための付勢手段として機能する。ここで、超精密レギュレータＲ１の圧力分解能は、後述するように例えば０．０２ｋＰａ程度以下に設定される。
【００３２】
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Ｒ１から供給される加圧エアの圧力を制御することによって、ロッド部材３の自重を解消するような鉛直方向上方の付勢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Ｒ１から供給される加圧エアの気圧値を調整することによって、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。
【００３３】
ここで、軸受部材２３，２４用の超精密レギュレータＲ２と、圧力作用室２７用の超精密レギュレータＲ１とについて、それらの役割を具体的に説明する。
【００３４】
ロッド部材３に与えられる付勢力すなわち浮上力を制御することによって、ワークＷ表面に対する接触部３５ａの接触圧の制御が達成される。ワークＷが例えば樹脂等の成形品である場合、接触部３５ａの接触圧によって表面が変形するので、このような接触圧の変動を抑えることで表面形状の測定誤差も低減される。樹脂等の成形品であるワークＷの変形による測定誤差を例えば１ｎｍ以下に抑えるためには、表面変形による誤差発生を低減することが前提となり、接触部３５ａの接触圧を約２ｍｇ程度以下の変動量に抑える必要がある。具体例で説明すると、樹脂成型品であるワークＷをルビー製の接触部３５ａによって計測する場合、１０ｍｇの接触圧の変動が３．６ｎｍの表面変形の増減を生じさせることが分かっており、このような表面変形の増減がそのまま測定誤差となる。
【００３５】
接触部３５ａの接触圧を上記のように約２ｍｇ程度以下の変動量に抑えるためには、圧力作用室２７用に設けた超精密レギュレータＲ１の生成する第１空気圧を０．０６ｋＰａ以下の変動量で制御する必要がある。これは、ロッド部材３に設けた応力発生面３９ａの面積が０．７ｍｍ２程度以下であることを前提としている。逆にいうと、超精密レギュレータＲ１が第１空気圧を０．０６ｋＰａ以下の精度で制御できるならば、接触部３５ａの接触圧を約２ｍｇ程度以内の変動に収めることができ、ワークＷの変形による測定誤差を１ｎｍ程度以下にできることが期待される。この際、超精密レギュレータＲ１が生成する第１空気圧を０．０６ｋＰａ以下の精度で制御するためには、一般に、超精密レギュレータＲ１の性能である第１分解能を０．０２ｋＰａ程度以下とする必要がある。
【００３６】
一方、超精密レギュレータＲ１によって生成される第１空気圧だけを精密に制御しても、現実の検出器１０において、接触部３５ａの接触圧を約２ｍｇ程度以下の変動量に抑えることはできない。これは、軸受部材２３，２４に供給される第２空気圧の変動に起因して接触部３５ａの接触圧が影響を受け、結果的に形状測定精度が下がるからであると考えられる。つまり、圧力作用室２７と軸受部材２３，２４とは、完全に遮断されておらず相互に連通しているため、圧力作用室２７に与えられる第１空気圧と、軸受部材２３，２４に与えられる第２空気圧とは、互いに干渉し合っており測定精度に影響することを本発明者は見いだした。つまり、軸受部材２３，２４に供給される第２空気圧については、本来、軸支持の安定度や滑らかさに影響するものであり、圧力作用室２７に供給される第１空気圧の場合のように圧力変動が形状測定精度に直接影響するものではない。しかしながら、上記のように、軸受部材２３，２４と圧力作用室２７との間である程度の空気の流通が生じる可能性があるので、第２空気圧の変動が圧力作用室２７中における空気圧に外乱を及ぼす可能性があり、これが無視できない程度になる場合があることを本発明者は確認した。このため、超精密レギュレータＲ１によって第１空気圧を０．０６ｋＰａ以下の変動量に制御するだけでなく、超精密レギュレータＲ２によって、第２空気圧を第１空気圧と同等以下である０．０６ｋＰａ以下の変動量に制御する。これにより、接触部３５ａの接触圧を約２ｍｇ程度以下に確実に保持することができ、ワークＷの変形による測定誤差を１ｎｍ程度以下に確実に保持することが期待される。以上において、超精密レギュレータＲ２が生成する第２空気圧を０．０６ｋＰａ以下の精度で制御するためには、一般に、超精密レギュレータＲ２の性能である第２分解能を第１分解能と等価な０．０２ｋＰａ程度以下とする必要がある。なお、超精密レギュレータＲ２の第２分解能は、超精密レギュレータＲ１の第１分解能と正確に一致する必要はなく、略等価以下であればよい。つまり、本実施形態において、超精密レギュレータＲ２の第２分解能は、０．０２ｋＰａ±０．０１ｋＰａ以下となる。  
【００３７】
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からのレーザ光すなわち検出光ＭＬ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からの戻り光である反射光ＲＬ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。
【００３８】
この検出器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。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の接触圧すなわち押圧力が適正値で一定となるように制御される。この際、超精密レギュレータＲ１，Ｒ２の存在によって、圧力作用室２７内の第１空気圧を０．０６ｋＰａ以下の精度で制御することができ、接触部３５ａの接触圧を約２ｍｇ程度以下の変動量に抑えることができる。つまり、接触圧の変動に起因するワークＷの変形の変動を１ｎｍ以下に抑えることができ、ワークＷの変形による測定誤差が１ｎｍ以下に抑えられる。そして、ワークＷ表面に対する接触部３５ａの接触圧が保たれた状態でのプローブ装置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。
【００３９】
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。
【００４０】
図３（ａ）及び３（ｂ）は、図１に示す検出器１０を変位両検出手段として組み込んだ形状測定装置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、演算手段としての制御装置９９によって制御されている。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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Ｒ１等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。
【００４４】
なお、プローブ本体３５の先端位置の変位（Ｚ座標の変化）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。
【００４５】
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。
【００４６】
また、上側軸受部材２３や下側軸受部材２４の配置や個数も、被測定物や測定条件等に応じて適宜変更することができる。
【００４７】
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、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】
【００４８】
【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】（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】
【００４９】
２…シリンダブロック、  ３…ロッド部材、  ３ａ…側面、  ４…支持部材、  １０…検出器、  １０Ａ…プローブ装置、  １０Ｂ…レーザ干渉計、  ２１…ロッド挿通孔、  ２３，２４…軸受部材、  ２６…給気ポート、  ２７…圧力作用室、  ２８…推力ポート、  ３１…下端部、  ３５…プローブ本体、  ３６…ミラー部材、  ３６ａ…ミラー、  ３９…段差部、  ３９ａ…応力発生面、  ８２…ＸＹステージ装置、  ８２ａ…載置台、  ８３ａ，８３ｂ…ミラー部材、  ８３ｄ，８３ｅ…レーザ干渉計、  ８４…Ｚ駆動装置、  ８６…昇降機構、  ９９…制御装置、  ＢＤ…軸状部材、  ＨＤ…測定用治具、  Ｌ１…配管、  Ｌ２…配管、  ＭＬ…検出光、  ＲＬ…反射光、  Ｐ…エア供給源、  ＰＳ…圧力センサ、  Ｒ１，Ｒ２…超精密レギュレータ
【図１】
2007271367.tif 000003
【図２】
2007271367.tif 000004
【図３】
2007271367.tif 000005