JP5468721B2 - Displacement detector and shape measuring device - Google Patents
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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。 The present invention relates to a displacement detector for measuring the surface shape and the like of a lens and other optical elements, and a shape measuring apparatus incorporating the same.
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。
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。 However, in the above-described contact type measurement method, the variation in the contact pressure is the same as the difference in the deformation amount of the object to be measured, resulting in a measurement error. Therefore, in order to improve the measurement accuracy, it is necessary to keep the contact pressure constant more precisely.
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。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a displacement detector that can easily support a stylus and can increase the accuracy of surface shape measurement.
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。 It is another object of the present invention to provide a highly accurate and compact shape measuring apparatus incorporating the above displacement detector.
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。 To solve the above problems, engaging Ru displacement detector of the present invention a rod member for supporting the one axial end of the contact body in contact with the sensing object which is measured, the axial and vertical direction the A holding body that holds the rod member so as to be movable in the vertical direction so that the one end portion is a lower end, and a vertical upward direction along the axial direction with respect to the rod member by using atmospheric pressure. A first urging unit that applies one urging force, and a mechanism that differs from the first urging unit by applying a second urging force that is constant upward in the vertical direction along the axial direction to the rod member . Different types of second urging means that operate in the above-described manner, and both of the urging forces of the first and second urging means are smaller than the force of the weight of the rod member .
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。 In the displacement detector, the first and second biasing means, because it provides a predetermined biasing force upward in the vertical direction along the axial direction relative to the rod member, a first biasing means the weight of the rod member It will be shared and supported by the second urging member. As a result, the levitation force applied to the rod member by a pair of different types of urging means can be made relatively small, so that the responsiveness of the rod member is ensured and applied by the first and second urging means. The setting accuracy of levitation force can be improved. As a result, not only the contact pressure of the contact body with respect to the detection target can be set minutely, but also the contact pressure can be set with high resolution (that is, high accuracy). Thereby, since the contact pressure of the contact body with respect to a to-be-detected body can be set with high precision, the displacement amount detection accuracy of a rod member or a shaft-like member can be raised, and the measurement accuracy of the surface shape of the to-be-detected body can be improved. Can be improved.
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。 In a specific aspect or aspect of the present invention, in the first and second displacement detectors, the shaft through which the first urging means is inserted into an insertion hole of an outer frame body constituting the holding body. A stress generating surface formed to face the one end side of the side surface of the cylindrical member, and vertically upward along the axial direction by applying a predetermined atmospheric pressure to the stress generating surface of the axial member. And an axial levitation means for providing a levitation force corresponding to the first urging force.
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。 In the displacement amount detector, the axial levitation means constituting the first urging means gives a levitation force upward in the vertical direction by applying a predetermined atmospheric pressure to the stress generating surface. At this time, the levitation force applied to the shaft-like member by the axial levitation means via the stress generating surface can be made relatively small, so that the setting accuracy of the levitation force can be improved. As a result, not only can the contact pressure of the contact body with respect to the object to be detected be set minutely, but also the contact pressure can be set with high resolution.
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。 In another aspect of the present invention, a bearing portion that is disposed between a side surface of the shaft-shaped member and an inner surface of the outer frame body and supports the shaft-shaped member in a state displaceable in the axial direction without contact. Is provided. In this case, since the bearing portion supports the shaft-like member in a non-contact manner, the play in the horizontal direction perpendicular to the axial direction can be reduced.
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。 In yet another aspect of the present invention, pressure control is performed to statically support the shaft-shaped member in a non-contact state by applying an air pressure between the inner surface and the outer wall surface of the shaft-shaped member on the inner surface of the bearing portion. Part. In this case, since the shaft-like member is supported in a non-contact state on the bearing portion, it is possible to improve the responsiveness of the displacement of the shaft-like member, and it is possible to measure the displacement amount precisely and with high accuracy.
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。 In still another aspect of the present invention, in the displacement detector, the stress generating surface is formed in a stepped portion provided on the side surface of the shaft-shaped member. In this case, a stress generating surface can be easily formed on the side surface of the shaft-shaped member.
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。 In still another aspect of the present invention, the levitation force applied to the shaft-shaped member by the axial levitation means is smaller than the second urging force applied to the shaft-shaped member by the second urging means. In this case, the setting accuracy of the levitation force can be further improved, and the contact pressure of the contact body with respect to the detected body can be made higher resolution.
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。 In still another aspect of the present invention, the levitation force applied to the shaft-shaped member by the axial levitation means is the shape of the detected body, the surface hardness of the detected body, the total weight of the shaft-shaped member and the contact body, It is set based on at least one of the second urging force applied by the urging means and the hardness of the contact body. In this case, the levitation force can be set to a reasonable value according to the measurement conditions.
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。 In still another aspect of the present invention, the device includes a portion to be measured that is used when detecting the amount of displacement in the axial direction of the shaft-shaped member. In this case, by detecting the displacement of the portion to be measured, the displacement of the shaft-like member and thus the surface shape of the detected body can be measured.
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。 In yet another aspect of the present invention, the part to be measured has a light detection surface that reflects the inspection light. In this case, the displacement amount of the shaft-like member can be measured with high accuracy while being non-contact.
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。 In still another aspect of the present invention, the contact body is attached to the main body of the shaft-like member in a replaceable manner. In this case, the contact body matched with the material and shape of the to-be-detected body can be selected and attached to one end of the shaft-shaped member.
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。 In still another aspect of the present invention, a displacement sensor that detects the amount of axial displacement of the shaft-like member is provided. In this case, the displacement sensor can measure the displacement amount of the shaft member, that is, the displacement amount of the contact body, and based on the measurement result, the undulation of the surface of the detection object can be measured.
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。 The shape measuring apparatus according to the present invention includes the above-described displacement detector, a moving means for moving the detected body relative to the shaft member in a direction perpendicular to the axial direction, and a relative movement of the detected body by the moving means. Computation means for calculating the amount of axial displacement of the shaft-like member caused by contact between the surface of the detected body and the contact body based on the output of the displacement sensor and measuring the shape of the detected body.
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。 In the shape measuring apparatus, the displacement of the shaft-shaped member is calculated from the output of the displacement sensor by the computing means while the detected body is moved relative to the shaft-shaped member by the moving means. It can be efficiently measured as a series of processes.
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。 Hereinafter, a displacement detector according to an embodiment of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. The displacement detector is incorporated in the surface shape measuring device.
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。
FIG. 1 is a front view of a
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。
The
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。
In the
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。
The
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。
A
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。
The upper surface of the
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。
The
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。
On the
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。
An
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。
An
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。
A
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。
A
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。
When the control air is supplied to the
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。
FIG. 3 is a graph illustrating the relationship between the pressure value of the pressurized air set by the ultraprecision regulator R2 and the levitation force applied to the
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。
In a specific measurement example, when a diamond sphere having a radius of 4 μm is used as the
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。
The setting of the pressure value of the pressurized air is any one of the surface shape of the workpiece W, the surface hardness of the workpiece W, the total weight of the
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。
Returning to FIG. 1, the
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。
In the
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。
A differential sensor (not shown) is provided at the upper end of the
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。
FIGS. 4A and 4B are a front view and a side view for explaining the structure of the surface
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。
The
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。
The
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。
In the elevating
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。
The displacement of the tip position of the probe
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。
Although the present invention has been described based on the above embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments. For example, the number and shape of the stepped
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。
Further, the arrangement and number of the
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。
Further, the
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。
Further, the workpiece W is fixed on the
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
DESCRIPTION OF
Claims (12)
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。 A rod member including a shaft-like member that supports a contact body that is in contact with the body to be detected, which is a measurement target, at one end in the axial direction;
A holding body for holding the rod member so as to be movable in the vertical direction so that the axial direction is the vertical direction and the one end is the lower end;
First urging means for applying a first urging force vertically upward along the axial direction to the rod member by utilizing atmospheric pressure;
A second urging unit of a different type that applies a second urging force that is constant upward in the vertical direction along the axial direction to the rod member , and operates by a mechanism different from the first urging unit;
With
A displacement amount detector in which both of the urging forces of the first and second urging means are smaller than the force of the weight of the rod member .
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。 A displacement detector according to claim 11 ;
Moving means for moving the detected body relative to the axial member in a direction perpendicular to the axial direction;
Based on the output of the displacement sensor, the amount of displacement of the shaft-like member caused by the contact between the surface of the detected body and the contact body during the relative movement of the detected body by the moving means is calculated. A shape measuring device comprising: an arithmetic means for measuring the shape of the body to be detected.
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