JP2007271368A - 検出器、形状測定装置、及び形状測定方法 - Google Patents

Abstract

【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】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。この際、ロッド部材３のワークＷに対する押圧力Ｆと、ロッド部材３の質量ｍとをバランスさせているので、ロッド部材３のワークＷ表面に対する追従性が良くなり、高精度で表面形状を測定することができる。
【選択図】図２

Description

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。

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）。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。
特開平５−２０９７４１号公報 特許３０４６６３５号公報

しかし、上記接触式測定方式においては、触針を被測定物に直接接触させて走査を行うので、触針を被測定物の表面形状に追従させる必要があり、形状測定の速度向上が容易でない。

そこで、本発明は、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を目的とする。

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。

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、被測定物の表面に接触する接触子と、当該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。そして、本検出器は、前記接触子の被測定物に対する押圧力をＦ〔ｇｍｍ／ｓ^２〕、前記接触子の質量をｍ〔ｇ〕とした場合に、以下の条件式
１．５９＜√（Ｆ／ｍ）＜４０．８ … （１）
を満足する。

上記形状測定装置用の検出器では、接触子の被測定物に対する押圧力Ｆと、接触子の質量ｍとをバランスさせて、それらの比の平方根が一定範囲内に収まるようにしているので、接触子の被測定物の表面形状に対する追従性が良くなり、被測定物の表面に機械加工等に起因してうねりが形成されている場合であっても、高精度で表面形状を測定することができる。なお、値√（Ｆ／ｍ）を下限以上とすることで、接触子が相対的に重くなって応答性が悪くなることを防止でき、値√（Ｆ／ｍ）を上限以下とすることで、接触子が相対的に軽くなって安定性が低下することを防止できる。

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、被測定物の表面に、表面加工に付随して周期的なうねりが形成されており、当該うねりのスカラップハイトをＡ〔ｍｍ〕とした場合に、以下の条件式
１０×１０^−６＜Ａ＜５０×１０^−６ … （２）
を満足する。この場合、スカラップハイトＡを下限程度以上に設定することができ、高精度で表面加工された被測定物を高精度で測定できる。なお、スカラップハイトＡを上記のように定めることで、１０×１０^−６〜５０×１０^−６ｍｍの凹凸に相当するうねりを対象として、被測定物の表面形状に対する接触子の追従性を良好にすることができ計測精度を高めることができる。

本発明の別の態様では、被測定物の表面に形成されたうねりの周期が、前記接触子が所定の速度で移動する場合に、８０〜４００Ｈｚである。この場合、３２０〜４００Ｈｚの凹凸に相当するうねりを対象として、被測定物の表面形状に対する接触子の追従性を良好にすることができ計測精度を高めることができる。

本発明のさらに別の態様では、以下の条件式
１００＜Ｆ＜５００ … （３）
０．３＜ｍ＜１９８ … （４）
を満足する。ここで、接触子の押圧力Ｆを上記下限以上とすることで被測定物の表面における接触子の応答精度を高めることができ、接触子の押圧力Ｆを上記上限以下することで接触子が被測定物に作用して測定精度を劣化させることを防止できる。つまり、被測定物の表面が接触子によって変形したり傷が形成されたりする可能性を低減できる。また、接触子の質量ｍを上記下限以上とすることで被測定物の表面凹部における接触子の変位速度を高めることができ、接触子の質量ｍを上記上限以下とすることで接触子が被測定物に沿って追従しないことを防止できる。

本発明のさらに別の態様では、
８．９９＜√（Ｆ／ｍ） … （５）
である。この場合、接触子をより高速で移動させても接触子の応答性を確保できるので、比較的大面積の被測定物を測定する際に良好な結果が得られる。

本発明のさらに別の態様では、被測定物の表面に、表面加工に付随して周期的なうねりが形成されており、当該うねりのスカラップハイトをＡとした場合に、以下の条件式
２０×１０^−６＜Ａ＜５０×１０^−６ … （６）
を満足する。スカラップハイトＡを上記のように定めることで、２０×１０^−６〜５０×１０^−６ｍｍの凹凸に相当するうねりを対象として、被測定物の表面形状に対する接触子の追従性を良好にすることができ計測精度を高めることができる。

本発明のさらに別の態様では、被測定物の表面に形成されたうねりの周期が、前記接触子が所定の速度で移動する場合に、３２０〜４００Ｈｚである。この場合、３２０〜４００Ｈｚの凹凸に相当するうねりを対象として、被測定物の表面形状に対する接触子の追従性を良好にすることができ計測精度を高めることができる。

本発明のさらに別の態様では、以下の条件式
３００＜Ｆ＜５００ … （７）
０．９＜ｍ＜６．２ … （８）
を満足する。ここで、接触子の押圧力Ｆを上記下限以上とすることで被測定物の表面における接触子の応答精度を高めることができ、接触子の押圧力Ｆを上記上限以下することで接触子が被測定物に作用して測定精度を劣化させることを防止できる。また、接触子の質量ｍを上記下限以上とすることで被測定物の表面凹部における接触子の変位速度を高めることができ、接触子の質量ｍを上記上限以下とすることで接触子が被測定物に沿って追従しないことを防止できる。

第２の発明に係る形状測定装置用の検出器は、被測定物の表面に接触する接触子と、当該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。そして、被測定物の表面には、表面加工に付随して周期的なうねりが形成されており、前記接触子の被測定物に対する押圧力をＦ〔ｇｍｍ／ｓ^２〕、前記接触子の質量をｍ〔ｇ〕、うねりのスカラップハイトをＡ〔ｍｍ〕とした場合に、以下の条件式
１．５９＜√（Ｆ／ｍ）＜４０．８ … （１）
１０×１０^−６＜Ａ＜５０×１０^−６ … （２）
を満足する。

上記形状測定装置用の検出器では、接触子の被測定物に対する押圧力Ｆと、接触子の質量ｍとをバランスさせて、それらの比の平方根が一定範囲内に収まるようにしているので、接触子の被測定物の表面形状に対する追従性が良くなり、被測定物の表面に機械加工等に起因して１０×１０^−６〜５０×１０^−６ｍｍの凹凸に相当する比較的小さなうねりが形成されている場合であっても、高精度で表面形状を測定することができる。なお、値√（Ｆ／ｍ）を下限以上とすることで、接触子が相対的に重くなって応答性が悪くなることを防止でき、値√（Ｆ／ｍ）を上限以下とすることで、接触子が相対的に軽くなって安定性が低下することを防止できる。

第３の発明に係る形状測定装置用の検出器は、被測定物の表面に接触する接触子と、当該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。そして、被測定物の表面には、表面加工に付随して周期的なうねりが形成されており、前記接触子の被測定物に対する押圧力をＦ〔ｇｍｍ／ｓ^２〕、前記接触子の質量をｍ〔ｇ〕、うねりのスカラップハイトをＡ〔ｍｍ〕とした場合に、以下の条件式
８．９９＜√（Ｆ／ｍ）＜４０．８ … （９）
２０×１０^−６＜Ａ＜５０×１０^−６ … （１０）
を満足する。

上記形状測定装置用の検出器では、接触子の被測定物に対する押圧力Ｆと、接触子の質量ｍとをバランスさせて、それらの比の平方根が一定範囲内に収まるようにしているので、比較的高速で接触子を走査する場合であっても、接触子の被測定物の表面形状に対する追従性が良くなり、被測定物の表面に機械加工等に起因して２０×１０^−６〜５０×１０^−６ｍｍの凹凸に相当するうねりが形成されている場合であっても、高精度で表面形状を測定することができる。なお、値√（Ｆ／ｍ）を下限以上とすることで、接触子が相対的に重くなって応答性が悪くなることを防止でき、値√（Ｆ／ｍ）を上限以下とすることで、接触子が相対的に軽くなって安定性が低下することを防止できる。

本発明の具体的な態様では、前記接触子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。

本発明の形状測定装置は、上述の検出器と、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。

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。

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と、当該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。そして、本形状測定方法は、前記接触子の被測定物に対する押圧力をＦ〔ｇｍｍ／ｓ^２〕、前記接触子の質量をｍ〔ｇ〕とした場合に、以下の条件式
１．５９＜√（Ｆ／ｍ）＜４０．８ … （１）
を満足する。

上記形状測定方法では、接触子の被測定物に対する押圧力Ｆと、接触子の質量ｍとをバランスさせて、それらの比の平方根が一定範囲内に収まるようにしているので、接触子の被測定物の表面形状に対する追従性が良くなり、被測定物の表面に機械加工等に起因してうねりが形成されている場合であっても、高精度で表面形状を測定することができる。

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。

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。

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、支持体４とを備える。

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。

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。

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。

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。

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（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。

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。

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。

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。

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付勢力を与える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０．０２〜０．１０ｋＰａ程度に設定される。

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。

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。

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。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。
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。

以下、接触部３５ａに付与する押圧力等の設定について説明する。ワークＷが高精度のレンズ等である場合、形状計測のドリフトを低減する観点や、スループット向上の観点から、計測時間を短くする必要があり、実用上は、１０〜２０分程度以内に計測を完了することが望まれる。一方で、高速処理のためＸＹ走査を速くした場合、ロッド部材３や接触部３５ａがワークＷの表面形状に十分追従しなくなり、或いはワークＷの表面にダメージを与える。このため、接触部３５ａの走査速度を例えば２〜１０ｍｍ／ｓ程度にすることで、ドリフトを低減しつつ測定の信頼性を確保できることが分かっている。

以上のような走査速度２〜１０ｍｍ／ｓは、ワークＷの表面形状が比較的平坦であることを前提としているが、実際のワークＷの表面には、うねりと呼ばれる周期的な微細パターンが形成されている。つまり、振動切削等の機械加工によって形成されたワークＷ、或いは振動切削等の機械加工によって形成された金型によって成形されたワークＷの表面には、一定周期のうねりが形成される。このようなうねりは、例えばスカラップハイトと呼ばれる段差や振幅として表現することができ、このようなうねりに追従可能な接触部３５ａによって計測を行う必要がある。

ワークＷの表面に形成されるうねりの距離周期すなわちピッチは、２５μｍ程度であり、接触部３５ａの走査速度を２〜１０ｍｍ／ｓとした場合、接触部３５ａを走査した場合の振動数は、８０〜４００Ｈｚ程度となる。つまり、接触部３５ａとこれを支持するロッド部材３とを含めた接触子は、８０〜４００Ｈｚの追従周波数を有する必要がある。なお、ワークＷの表面に形成されるうねりのうち計測の対象となるスカラップハイトＡ〔ｍｍ〕は、通常の用途では、例えば
１０×１０^−６＜Ａ＜５０×１０^−６ … （２）
の範囲に設定される。つまり、接触部３５ａ及びロッド部材３からなる接触子は、スカラップハイトＡに対応する振幅で振動する必要がある。

以上から明らかなように、接触部３５ａ及びロッド部材３からなる接触子は、一種の振動子であり、接触子のワークＷ表面に対する押圧力をＦ〔ｇｍｍ／ｓ^２〕、接触子の質量をｍ〔ｇ〕とした場合、その追従周波数ｆは、一般に
ｆ＝（１／２π）×√〔Ｆ／（ｍ×Ａ）〕 … （１１）
で与えられる。ここで、押圧力Ｆは、ｇ値に１０×１０^３〔ｍｍ／ｓ^２〕を掛けて得られるものである。以上の式（１１）に基づいて、Ａ＝１０ｎｍ〜５０ｎｍ、ｆ＝８０〜４００Ｈｚを前提として、以下の条件式
１．５９＜√（Ｆ／ｍ）＜４０．８ … （１）
を満足するように、接触部３５ａに付与する押圧力Ｆと、接触部３５ａ及びロッド部材３の質量ｍとを設定するならば、押圧力Ｆと、質量ｍとをバランスさせているので、接触部３５ａのワークＷ表面に対する追従性が良くなり、ワークＷ表面に上記うねりが形成されている場合であっても、高精度で表面形状を測定することができる。なお、値√（Ｆ／ｍ）を下限以上とすることで、接触子が相対的に重くなって応答性が悪くなることを防止でき、値√（Ｆ／ｍ）を上限以下とすることで、接触子が相対的に軽くなって安定性が低下することを防止できる。

具体的実施例において、押圧力Ｆは、以下の条件式
１００＜Ｆ＜５００ … （３）
を満足するような範囲、すなわち１０ｍｇｆ〜５０ｍｇｆの範囲とした。この際、接触部３５ａ及びロッド部材３を合わせた質量ｍは、以下の条件式
０．３＜ｍ＜１９８ … （４）
を満足するような範囲、すなわち０．３ｇ〜１９８ｇの範囲とした。

以上は、ワークＷの表面積があまり大きくない場合であったが、ワークＷの表面積が比較的大きくなると、多少追従性を犠牲にしても走査速度を速くする必要がある。このため、接触部３５ａの走査速度を例えば８〜１０ｍｍ／ｓ程度にすることで、ドリフトを低減しつつ測定精度を確保する。

この場合も、ワークＷの表面に形成されるうねりの距離周期すなわちピッチが２５μｍ程度であるとすると、走査速度を８〜１０ｍｍ／ｓとした場合、接触部３５ａを走査した場合の振動数は、３２０〜４００Ｈｚ程度となる。つまり、接触部３５ａとこれを支持するロッド部材３とを含めた接触子は、３２０〜４００Ｈｚの追従周波数を有する必要がある。なお、ワークＷの表面に形成されるうねりのうち計測の対象となるスカラップハイトＡ〔ｍｍ〕は、以下の条件式
２０×１０^−６＜Ａ＜５０×１０^−６ … （６）
の範囲に設定される。ここでは、走査速度を重視する観点からスカラップハイトＡの検出下限を緩くして１０ｎｍから２０ｎｍに増加させている。この場合、接触部３５ａ及びロッド部材３からなる接触子は、スカラップハイトＡ＝２０〜５０ｎｍに対応する振幅で振動する必要がある。

ここで、上記式（１１）に基づいて、Ａ＝２０ｎｍ〜５０ｎｍ、ｆ＝３２０〜４００Ｈｚを前提として、以下の条件式
８．９９＜√（Ｆ／ｍ）＜４０．８ … （９）
を満足するように、接触部３５ａに付与する押圧力Ｆと、接触部３５ａ及びロッド部材３の質量ｍとを設定するならば、押圧力Ｆと、質量ｍとをバランスさせているので、接触部３５ａのワークＷ表面に対する追従性が良くなり、ワークＷ表面に上記うねりが形成されている場合であっても、高精度で表面形状を測定することができる。なお、値√（Ｆ／ｍ）を下限以上とすることで、接触子が相対的に重くなって応答性が悪くなることを確実に防止でき、値√（Ｆ／ｍ）を上限以下とすることで、接触子が相対的に軽くなって安定性が低下することを防止できる。

具体的実施例において、押圧力Ｆは、以下の条件式
３００＜Ｆ＜５００ … （７）
を満足するような範囲、すなわち３０ｍｇｆ〜５０ｍｇｆの範囲とした。この際、接触部３５ａ及びロッド部材３を合わせた質量ｍは、以下の条件式
０．９＜ｍ＜６．２ … （８）
を満足するような範囲、すなわち０．９ｇ〜６．２ｇの範囲とした。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 （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

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，Ｌ２…配管、 ＭＬ…検出光、 ＲＬ…反射光、 Ｐ…エア供給源、 ＰＳ…圧力センサ、 Ｒ２…超精密レギュレータ

Claims (13)

1. 被測定物の表面に接触する接触子と、当該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装置用の検出器であって、
   前記接触子の被測定物に対する押圧力をＦ〔ｇｍｍ／ｓ^２〕、前記接触子の質量をｍ〔ｇ〕とした場合に、以下の条件式
   １．５９＜√（Ｆ／ｍ）＜４０．８
   を満足することを特徴とする検出器。
2. 被測定物の表面には、表面加工に付随して周期的なうねりが形成されており、当該うねりのスカラップハイトをＡ〔ｍｍ〕とした場合に、以下の条件式
   １０×１０^−６＜Ａ＜５０×１０^−６
   を満足することを特徴とする請求項１記載の検出器。
3. 被測定物の表面に形成されたうねりの周期は、前記接触子が所定の速度で移動する場合に、８０〜４００Ｈｚであることを特徴とする請求項１記載の検出器。
4. 以下の条件式
   １００＜Ｆ＜５００
   ０．３＜ｍ＜１９８
   を満足することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項記載の検出器。
5. ８．９９＜√（Ｆ／ｍ）
   であることを特徴とする請求項１記載の検出器。
6. 被測定物の表面には、表面加工に付随して周期的なうねりが形成されており、当該うねりのスカラップハイトをＡとした場合に、以下の条件式
   ２０×１０^−６＜Ａ＜５０×１０^−６
   を満足することを特徴とする請求項５記載の検出器。
7. 被測定物の表面に形成されたうねりの周期は、前記接触子が所定の速度で移動する場合に、３２０〜４００Ｈｚであることを特徴とする請求項６記載の検出器。
8. 以下の条件式
   ３００＜Ｆ＜５００
   ０．９＜ｍ＜６．２
   を満足することを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか一項記載の検出器。
9. 被測定物の表面に接触する接触子と、当該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装置用の検出器であって、
   被測定物の表面には、表面加工に付随して周期的なうねりが形成されており、
   前記接触子の被測定物に対する押圧力をＦ〔ｇｍｍ／ｓ^２〕、前記接触子の質量をｍ〔ｇ〕、うねりのスカラップハイトをＡ〔ｍｍ〕とした場合に、以下の条件式
   １．５９＜√（Ｆ／ｍ）＜４０．８
   １０×１０^−６＜Ａ＜５０×１０^−６
   を満足することを特徴とする検出器。
10. 被測定物の表面に接触する接触子と、当該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装置用の検出器であって、
    被測定物の表面には、表面加工に付随して周期的なうねりが形成されており、
    前記接触子の被測定物に対する押圧力をＦ〔ｇｍｍ／ｓ^２〕、前記接触子の質量をｍ〔ｇ〕、うねりのスカラップハイトをＡ〔ｍｍ〕とした場合に、以下の条件式
    ８．９９＜√（Ｆ／ｍ）＜４０．８
    ２０×１０^−６＜Ａ＜５０×１０^−６
    を満足することを特徴とする検出器。
11. 前記接触子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１０のいずれか一項記載の検出器。
12. 請求項１１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。
13. 被測定物の表面に接触する接触子と、当該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、
    前記接触子の被測定物に対する押圧力をＦ〔ｇｍｍ／ｓ^２〕、前記接触子の質量をｍ〔ｇ〕とした場合に、以下の条件式
    １．５９＜√（Ｆ／ｍ）＜４０．８
    を満足することを特徴とする形状測定方法。

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