JP4528028B2 - 端度器 - Google Patents

Description

本発明は、ブロックゲージ等の端度器、特にガラスを材料とした端度器の改良に関する。

従来より長さの基準として端度器が用いられている。端度器は両端の面間距離で規定の寸法を表す標準であり、代表的なものとしてブロックゲージがある。
このブロックゲージは極めて高い寸法精度をもち、その測定面が他のブロックゲージの測定面に容易に密着（リンギング）する。そして、数個のブロックゲージを密着することで必要な寸法が得られる。その反面、このブロックゲージは、測定面が常に他の測定面と接触するような使い方をするので、傷や摩耗を生じやすく、材料の経年変化もあり、定期的な校正が必要である。

ブロックゲージの相対向する端面間の寸法の校正を高精度に行うために、光波干渉測定装置が用いられている（特許文献１を参照）。さらに、特許文献２〜３に記載された非密着光波干渉測定装置では、ブロックゲージの両端面に光を照射し、それぞれの端面からの反射光による干渉縞を用いて寸法測定をすることで、ブロックゲージをベースプレートにリンギングさせる必要がない非密着測定を行うことができる。

上述したようにブロックゲージは物理的な接触やリンギング等を伴った使用方法が前提である。そのため、端面間の寸法を測定する場合、両端面のそれぞれの粗さ曲線の最外部（特に突出する部分は除く）を測定位置として寸法を測定する。しかし、光波干渉測定では、表面粗さの問題、材質の光学的性質による光の反射時の位相変化の問題、の２点の問題でこの位置が測定位置とはならない。

図１に示すようにブロックゲージ（ＧＢ）の端面は微視的には凹凸のある状態となっている。接触子を端面に接触して寸法を測る場合、図１（Ａ）のように接触子は凹凸の一番高い部分に触れることとなり、その部分を測定位置として寸法が測定される。しかしながら、光波干渉法で測定した場合、図１（Ｂ）のように、粗さ曲線の最上部からの反射光や、最下部からの反射光の重ね合わせた光で測定を行うため、反射面を特定できない。そのため、最上部と最下部の中間（粗さ曲線の算術平均粗さ）を測定位置とした寸法が測定される。よって、測定端面に粗さがある以上、表面最外部で測定することができず、機械的な接触による寸法よりも短く測定されてしまう。つまり、補正を行わないと、常に測りたい表面よりも潜り込んだ位置を測定するため、実際よりも短く測定されてしまう。また、表面粗さが大きいほど潜り込みの影響も大きくなる。この影響による位相変化を形状補正値と呼ぶ。

また、測定表面が粗さのない理想面であったとしても、材質の光学的性質による光の位相変化の問題がある。垂直入射する光の反射時の位相変化は、複素屈折率の虚数部分（吸収係数）の小さい材質の場合は無視することができる。しかし、金属等のように吸収係数が大きい材質の場合、反射時の位相変化は無視することができない量となる。つまり、図１（Ｃ）に示すように反射時に光の位相の遅れが生じるため、見かけ上あたかも実際の表面よりも潜り込んだ中程の部分で測定を行った状態と同様な測定結果となる。このため、測定面が表面粗さのない理想面であったとしても、実際の寸法よりも短く測定されることになる。この影響による位相変化量を光学補正値という。

実際の測定では、形状補正値と光学補正値とを同時に考慮する必要があり、形状補正値と光学補正値との和を位相補正値と呼ぶ。この位相補正値を光波干渉測定による測定結果に加えることで前述の端面間における機械的寸法（両端面の粗さ曲線の最外部間の寸法）を求めることができる。
特開平６−３４１８０９号公報 特開平８−２７１２１６号公報 特開２００３−１９４５２３号公報 特開２００３−２５４７０８号公報

上記の位相補正値を小さく抑えるためには、表面粗さが小さい、光学定数が小さいという２つの条件を兼ね備えた材料でブロックゲージを製作すればよく、この条件に合致する材料として、合成石英を代表とするガラス系材料が通常採用される。例えば、鋼を材料としたブロックゲージでは、端面の表面粗さＲ_ａを約２ｎｍ程度までしか加工できず、位相補正値は１８ｎｍ程度となるのに対し、合成石英を材料とするブロックゲージでは、端面の表面粗さＲ_ａを１ｎｍ以下に加工可能であり、また複素屈折率の虚数部分がほとんど０であるため、位相補正値もほとんど０と見なすことができる。

また、位相補正値を測定する方法として、特許文献４に示されたようなものがあるが、この方法は、位相補正値が既知、もしくは位相変化値が無視出来るほど小さい、のどちらかを満たすブロックゲージを参照端度器として用いることが必要である。このため、参照端度器としてガラス素材のブロックゲージを用いることが必要となる。

しかしながら、特許文献２〜３であげたような非密着光波干渉測定装置では、ブロックゲージに光を照射し、端面からの反射光を利用して寸法測定を行っている。そのため、ガラスによって構成されたブロックゲージをそのまま用いた場合、照射した光がブロックゲージを透過してしまい、この余分な透過光が反射光に混ざってしまうことによって正確な寸法測定を行うことが不可能となってしまう。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は、ガラスを材料とした端度器であって、光波干渉測定が可能なものを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の端度器は、ガラスを材料として成型される端度器において、該端度器の測定対象となる両端面に挟まれた部分の少なくとも一部に、前記端面からの透過光を遮断もしくは減衰する非透過部を設けたことを特徴とする。
上記の端度器において、前記端面での光反射率に対して、前記端度器の両端面間の光透過率が０．０１％以下であることが好適である。

上記の端度器において、前記端度器の一部を空洞部とし、該空洞部内部に遮光物を詰めることにより、前記非透過部が構成されていることが好適である。
上記の端度器において、前記端度器の一部を空洞部とし、該空洞部の内壁面に非透過処置もしくは光減衰処置を施すことにより、前記非透過部が構成されていることが好適である。

上記の端度器において、前記非透過部は、ガラスを失透させたものであることが好適である。
上記の端度器において、前記非透過部は、前記端度器の少なくとも一部に色ガラスを溶かしこむことで構成されることが好適である。
上記の端度器において、ガラスを材料として形成された測定対象となる両端面部間に、非透過材を挟みこんで接合することで、前記非透過部を構成されたものであることが好適である。

本発明の端度器によれば、ガラスを材料として形成されており、端度器の測定対象となる両端面に挟まれた部分の少なくとも一部を非透過部としているため、光波干渉測定による寸法測定が可能となり、不確かさが小さく校正された端度器を提供することができる。
また、複素屈折率の虚数部分が実質的に０と見なせるガラス系の材料で端面が形成されているため、位相補正値がほとんど０と見なすことのできる端度器を提供することができる。

以下に図面を参照して、本発明の好適な実施形態を説明する。図２は本発明の実施形態に係る端度器の概略構成図である。
図２の端度器（ブロックゲージ１０）は、ガラスを材料として形成されており、該端度器の測定対象となる両端面（被測定面１０ａ，１０ｂ）に挟まれた部分の少なくとも一部に、前記端面からの透過光を遮断もしくは減衰する非透過部１２を設けたことを特徴とする。このように、被測定面となる端面１０ａを有するガラス部と、被測定面１０ｂを有するガラス部との間に非透過部１２が挟みこまれた構成となっている。つまり、一方の端面を透過した光は、この非透過部１２によって遮断もしくは減衰され、他方の端面に届くことがない。

例えば、特許文献２、３に示されたような非密着光波干渉測定は、被測定物であるブロックゲージの被測定面である両端面に照射し、両端面からの反射光を、該反射光と可干渉な光を参照光として、互いに干渉させることによって生ずる干渉縞を利用して被測定物の寸法を測定する。しかし、ガラス素材のブロックゲージに対して上記の非密着光波干渉測定を行う場合、一方の被測定面からの反射光に、他方の面からの透過光が混入してしまう。ガラス素材のブロックゲージでは、通常、被測定面からの反射光は入射光量の数％であり、これに余分な透過光が混ざってしまうと測定がほぼ不可能になってしまう。

しかしながら、本発明では非透過部を設け、透過光を非透過もしくは高減衰させている。その結果、被測定面からの反射光に、他方の被測定面からの透過光が混入することがないため、光波干渉測定を行うことが可能となった。そして、光が照射される被測定面自体はガラス素材でできており、該ガラス素材は、複素屈折率の虚数部分が実質的に０と見なせ、また、表面粗さが十分に小さくなるように加工できる。そのため、本実施形態の端度器の位相補正値は実質的に０と見なせる。
なお、この非透過部１２は、ブロックゲージの端面（被測定面）を透過した光の光路上のみに施せばよく、必ずしも全面に処置を行う必要はない。

ここで光波干渉測定に利用する光の波長域で、端面での光反射率に対して、端度器の両端面間の光透過率が０．０１％以下であることが好適であり、さらに好適には０．００１％以下であることが好適である。０．０１％以下であれば１０ｎｍオーダーの精度の光波干渉測定にも十分使用することができ、さらに、０．００１％以下であれば、ｎｍオーダーの精度にも十分対応する。

本実施形態のブロックゲージのガラス素材としては、光波干渉測定に利用する光の波長域で、その複素屈折率の虚数部分（吸収係数）が実質的に０であり、表面粗さが十分に小さくなるよう加工できるものであるなら特に限定されない。さらに、端度器として好ましい性質、例えば、測定に使用する温度領域で線膨張係数が小さい等の性質、をもつものであればより好適である。ここで、吸収係数が実質的に０であるとは、そのときに要求される測定精度で無視し得る程度のことであり、具体的には、どの程度の測定精度を要求するかで異なってくるが、その複素屈折率の虚数部分が０．１以下、さらに好適には０．０４以下であれば十分である。また、ここでいうガラスとしては結晶化ガラスも含む。結晶化ガラスとは、一旦ガラスとして融解、成形、徐冷したものを、再度加熱して結晶集合体化したものであり、結晶の大きさを十分に小さく（１０ｎｍ程度以下）なるよう制御することで実質的に透明なものも作られる。
本実施形態で使用されるガラス素材の具体例としては、合成石英、硼珪酸ガラス、これらに金属等を添加し特定の性質を持たせたもの（例えば、シリカに少量のチタンを添加することで常温付近で線膨張係数が略０となるように設計されたＵＬＥ^ＴＭ（ＣＯＲＮＩＮＧ社製）等）、Zerodur^（Ｒ）（ドイツ・ショット社製）やクリアセラム^（Ｒ）−Ｚ（株式会社オハラ製）のような低膨張透明結晶化ガラス、等が挙げられる。

次に非透過部のより具体的な実施形態を図３〜５を参照して述べる。また、図２と対応する部材には同一符号を付け、説明を省略する。
図３に示したブロックゲージ１０では、その一部を空洞部としている。そして、空洞部内部に遮光物を詰める、もしくは該空洞部の内壁面に非透過処置もしくは光減衰処置を施すことにより、非透過部１２が構成される。

また、空洞部内壁面に施す非透過処置もしくは光減衰処置としては、内壁面に塗装を施すことによって、透過光を吸収もしくは拡散するようにしたり、砂ずりやフッ素荒らし等で内壁面表面に細かい傷をつけることによって、透過光を散乱させるようにすることが好適である。
図３では空洞部として、端度器の側面（被測定面でない面）を完全に貫通した貫通孔として構成したものを示したが、切り込み、止まり孔、等としてもよいし、溶解成形時にできる空洞等を利用してもよい。
ここで、遮光物、塗料は、十分に透過光を遮光、もしくは減衰させるものであるなら、特に材質は限定されない。

図４に示したブロックゲージ１０では、部分加熱処理によって、ガラスを再結晶化により失透（不透明化）させ、光遮断部１２としている。

図５に示したブロックゲージ１０では、部分的に色ガラス等を溶かし込む、もしくは、非透過材を接合することで複合材料化し、非透過部１２を構成している。つまり、被測定面１０ａを有するガラス部と、被測定面１０ｂを有するガラス部との間に、非透過材料が挟みこまれて接合されている。非透過材を挟み込んだり、色ガラスを溶かし込むことで、光の透過率を下げている。
ここで、非透過材としては、例えばセラミクス、コバール等を用いればよい。ただし、十分に透過光を遮光できるものであれば、特に材質は限定されない。

本発明のブロックゲージによれば、位相補正の影響を無視することができ、非密着光波干渉測定（例えば特許文献２，３を参照）を用いた校正も可能である。そのため、通常のブロックゲージより不確かさが小さく校正できる。したがって、本発明のブロックゲージを、既存のリンギング方式の光波干渉測定装置により測定することで、そのリンギング層厚さを算出することも可能となる。

また、本発明の端度器は、次に説明するような位相補正値測定における基準端度器として好適に用いることができる。
位相補正値を測定したいブロックゲージＸ（被測定物）と、それと同じ呼び寸法の基準ブロックゲージＳ（基準端度器）を用意する。この基準ブロックゲージＳは位相補正値が既知の（もしくは位相補正値が十分小さく無視できる）ものを使用する。そして、２つのブロックゲージの寸法差を、非密着光波干渉測定、接触式比較測定によってそれぞれ測定し、２つの測定値から位相補正値を求める。

図６に示すように、非密着光波干渉測定によって光学的な寸法測定を行う。このときのブロックゲージＸの光波干渉測定結果をＬ_ＩＸ、測定面の片側で発生する位相変化分をＣ_Ｘとすると、ブロックゲージＸの端面間の機械的寸法Ｌ_Ｘは、
Ｌ_Ｘ＝Ｌ_ＩＸ＋２Ｃ_Ｘ …（式１）
となる。ここで、非密着式の光波干渉測定では、測定光は測定対象物の両側の面で反射するため、片側の位相変化分の２倍が位相補正値となる。

また、同様に基準ブロックゲージＳは、光学的寸法をＬ_ＩＳ、測定面片側で発生する位相変化分をＣ_Ｓとすると、端面間の機械的寸法Ｌ_Ｓは、
Ｌ_Ｓ＝Ｌ_ＩＳ＋２Ｃ_Ｓ …（式２）
となる。ただし、本発明の端度器を基準ブロックゲージとして用いた場合、この位相補正分Ｃ_Ｓは０と見なせる。

次に図７に示すように被測定ブロックゲージと基準ブロックゲージとを接触式の測長装置を用いて機械的寸法差を比較測定する。図７の接触式比較測定器３０は、変位計３２、３４が測定対象物の両測定面側で支持された構成となっている。つまり、被測定物（位相補正値を測定するブロックゲージ（ＧＢ））、及び基準端度器（基準ブロックゲージ（ＧＢ））は、測長軸を鉛直にして支持台３８上に置かれる。そして、支持柱３６によって支持された変位計３２が測定対象物の上部測定面側に設置され、変位計３４は支持台３８の下に置かれ、測定対象物の下部測定面側に設置される。変位計３４の接触子４２は、支持台３８面にある穴を通して、測定対象物の下部測定面にその先端を接触できるようになっている。また、変位計３２の接触子４０は測定対象物の上部測定面に接触できるようになっている。そして、比較する２つのブロックゲージのうち一方のブロックを支持台３８面にある穴の上に測長軸を鉛直方向にして設置する。変位計３２、３４の接触子４０、４２を上下の両端面に所定の測定力で接触させ、このときのそれぞれの変位計の値を原点としてセットする。次にもう一方のブロックゲージを支持台３８面にある穴の上に、測長軸を鉛直方向にして設置して、変位計３２、３４の接触子４０、４２を上下両端面に接触させる。変位計３２、３４の変位量は比較器４４に送られ、先にセットした原点からの変位量が計測される。こうして求めた変位計３２、３４の変位量から、二つのブロックゲージの機械的寸法差が求められる。

以上のようにして測定される二つのブロックゲージの機械的寸法差ΔＬは
ΔＬ＝Ｌ_Ｘ−Ｌ_Ｓ …（式３）
となる。接触式の比較測定器では接触子をブロックゲージの端面に接触させて測定を行うため、測定される寸法は端面の粗さ曲線の最上部を測定位置としたものが得られる。また、機械寸法差を、基準端度器との比較による比較測定によって求めているため、誤差の少ない非常に高精度な値が得られる。

そこで（式３）に（式１），（式２）を代入すると、
ΔＬ＝Ｌ_ＩＸ−Ｌ_ＩＳ＋２Ｃ_Ｘ−２Ｃ_Ｓ
これをＣ_Ｘについて解くと、
Ｃ_Ｘ＝Ｃ_Ｓ＋（Ｌ_ＩＳ−Ｌ_ＩＸ＋ΔＬ）／２ …（式４）
となる。これにより、基準ブロックゲージＳの位相変化分Ｃ_Ｓが既知であるので（式４）によりブロックゲージＸの測定面片側で発生する位相変化分Ｃ_Ｘが求められ、これが位相補正値となる。

本発明のブロックゲージを基準ブロックゲージとして用いた場合、位相補正値Ｃ_Ｓは０とすることができる。さらに、本発明のブロックゲージは、非密着光波干渉測定を行うことができるため、不確かさが小さく校正される。そのため、上記のような位相差補正方法の基準ブロックゲージとして好適に用いることができる。

表面粗さ、光学定数による位相変化の説明図 本発明の実施形態に係る端度器の基本的な概略構成図 本発明の実施形態に係る端度器の概略構成図 本発明の実施形態に係る端度器の概略構成図 本発明の実施形態に係る端度器の概略構成図 非密着光波干渉測定の説明図 接触式比較測定の説明図

符号の説明

１０ 端度器
１０ａ，１０ｂ 端面（被測定面）
１２ 非透過部

Claims (7)

1. ガラスを材料として成型される端度器において、該端度器の測定対象となる両端面に挟まれた部分の少なくとも一部に、前記端面からの透過光を遮断もしくは減衰する非透過部を設けたことを特徴とする端度器。
2. 請求項１に記載の端度器において、
   前記端面での光反射率に対して、前記端度器の両端面間の光透過率が０．０１％以下であることを特徴とする端度器。
3. 請求項１または２に記載の端度器において、
   前記端度器の一部を空洞部とし、該空洞部内部に遮光物を詰めることにより、前記非透過部が構成されていることを特徴とする端度器。
4. 請求項１または２に記載の端度器において、
   前記端度器の一部を空洞部とし、該空洞部の内壁面に非透過処置もしくは光減衰処置を施すことにより、前記非透過部が構成されていることを特徴とする端度器。
5. 請求項１または２に記載の端度器において、
   前記非透過部は、ガラスを失透させたものであることを特徴とする端度器。
6. 請求項１または２に記載の端度器において、
   前記非透過部は、前記端度器の少なくとも一部に色ガラスを溶かしこむことで構成されたことを特徴とする端度器。
7. 請求項１または２に記載の端度器において、
   ガラスを材料として形成された測定対象となる両端面部間に、非透過材を挟みこんで接合することで、前記非透過部を構成したことを特徴とする端度器。
   

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