JP5054318B2

JP5054318B2 - 変位センサ、形状測定装置

Info

Publication number: JP5054318B2
Application number: JP2006039510A
Authority: JP
Inventors: 和彦日高
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2006-02-16
Filing date: 2006-02-16
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2026-02-16
Also published as: JP2007218734A

Description

本発明は、変位センサおよび形状測定装置に関する。例えば、測定子の変位量および変位方向を検出する変位センサに関する。

被測定物表面を走査して被測定物の表面性状や立体的形状を測定する測定装置が知られ、例えば、粗さ測定機、輪郭形状測定機、真円度測定機、三次元測定機などが知られている。このような測定装置において、接触部が被測定物表面に接触した際における接触部の微小変位に基づいて被測定物表面を検出する変位センサとして接触プローブが使用される（特許文献１）。

図１６に、接触プローブを利用した形状測定装置１０の構成を示す。
形状測定装置１０は、接触プローブ１１と、この接触プローブ１１を被測定物表面に沿って三次元的に移動させる駆動機構１２と、を備えている。接触プローブ１１は、図１７に示されるように、先端に接触部１４を有するスタイラス１３と、スタイラス１３の基端を支持するセンサ本体部１５と、を備えている。センサ本体部１５は、スタイラス１３をｘｐ、ｙｐ、ｚｐ方向の一定の範囲内で変位可能に支持するとともにスタイラス１３の変位量を検出する。

例えば、センサ本体部１５は、複数の光源と、これらの各光源に組み合わせられ光の受光位置を検出する複数の光センサとを備える。そして、スタイラス１３の変位により光源からの光の光路が変化する量を光センサで検出し、複数の光センサによる検出結果を合成してスタイラス１３の三次元的変位を検出する。
このような複数の光源および複数の光センサを備えてスタイラス１３の三次元的変位を検出するものとして、プローブの軸方向変位を三角測量法の変位センサにより測定するとともに、オートコリメータ光学系によって傾斜を測定するものがある（例えば、特許文献２参照）。

このような構成において、接触部１４を基準押込量Δｒで被測定物表面に当接させた状態で、駆動機構１２によって接触プローブ１１を被測定物表面に沿って倣い移動させる。このとき、駆動機構１２の駆動量から接触プローブ１１の移動軌跡が得られ、接触プローブ１１の移動軌跡から被測定物の表面形状が求められる。

特許公開２０００−３９３０２号公報特許公開２０００−３０４５２９号公報（段落（００１４）、図５）

しかしながら、従来の接触プローブ１１では、複数の光源および複数の光センサを使用するので、これら光学部品の個体差を校正する必要があり、非常に手間がかかるうえに高精度化が困難であった。
また、複数の光センサを備えるとなると設置スペースを大きくとるので、プローブの大型化に繋がり、さらにコスト増になるという問題があった。

本発明の目的は、簡易な構成であって、測定子の変位を高精度に検出する変位センサおよびこの変位センサを備える形状測定装置を提供することにある。

本発明の変位センサは、測定子と、前記測定子を変位可能に支持するとともに前記測定子の変位量および変位方向を検出するセンサ本体部と、を備え、センサ本体部は、前記測定子を変位可能に支持する支持手段と、二以上の光源と、光を受光して光電変換により受光量に応じた受光信号を出力する光センサと、前記各光源から発射された光の前記光センサへの入射位置を前記測定子の変位に応じてシフトさせる光シフト手段と、前記受光信号に基づいて前記測定子の変位量および変位方向を算出する信号処理部と、を備え、前記２以上の光源は、それぞれ異なる変調がなされた変調光を前記光シフト手段に向けて発射し、前記光センサは、複数の分割線によって複数の受光部に分割されて、かつ、前記受光部ごとの受光光量に応じた受光信号を出力し、前記信号処理部は、前記光センサから出力される受光信号から各変調光の信号をそれぞれ分離する分離手段と、前記分離手段にて分離された各変調光の信号に基づいて前記各変調光が前記光センサに入射する入射位置のシフト量を算出するシフト量算出手段と、各変調光のシフト量に基づいて前記測定子の変位を算出する測定子変位算出部と、を備えることを特徴とする。

このような構成において、各光源から互いに異なる変調を受けた変調光が発射され、発射された光は光センサにて受光される。このとき、測定子が変位すると、この測定子の変位に応じて各光源からの変調光が光シフト手段によってシフトされ、光センサへの入射位置が変化する。光センサにて光が受光されると、受光光量に応じて受光信号が出力される。受光信号は信号処理部に送られて信号処理される。このとき、信号処理部の分離手段において受光信号のなかから各変調波の信号がそれぞれ分離される。そして、このように分離された各変調波の信号に基づいてシフト量算出手段により光センサ上での各変調波のシフト量が算出される。各変調波のシフト量に基づいて測定子変位算出部により測定子の変位量が算出される。例えば、各変調波のシフト量を組み合わせるとともに測定子の変位量を未知数とした連立方程式を立てることにより、測定子の変位が求められる。

このような構成によれば、各光源からの光を変調波とすることにより、一つの光センサで総ての変調波を受光しても受光信号から各変調波の信号を分離することができるので、測定子の三次元的変位を特定するための十分な情報を得ることができる。よって、光を受光する光センサは一つでよく、従来のごとく複数の光センサを使用しないので、本発明では、複数の光センサをキャリブレーションする必要がなく、測定の手間を非常に簡略化することができる。
さらに、光センサを一つにすることにより、部品点数を少なくできるので、変位センサを簡易な構成とし、変位センサを小型化することができる。
また、光源からの光を変調波とすることにより、変位センサに与えられる振動や電気的ノイズによって受光信号に外乱ノイズが重畳する場合でも、分離手段にて受光信号から各変調波の信号を分離させる段階で外乱ノイズの影響を排除することができる。特に、検出分解能を向上させると外乱ノイズの影響を受けやすくなる恐れがあるが、本発明によれば、外乱ノイズを排除することができるので、検出分解能を向上させ、かつ、精度を向上させることができる。
また、光センサは、複数の分割線によって複数の受光部に分割されて、かつ、前記受光部ごとの受光光量に応じた受光信号を出力する構成であるから、例えば、光センサを十字の分割線にて４つの受光部に分割し、この分割線をｘ軸とｙ軸に対応させると、４つの分割領域から出力される受光信号の変化に基づいて光の入射位置のシフト量を二次元直交座標系において簡単に求めることができる。
このように光センサ上での各変調波の入射位置のシフト量を二次元座標系で算出した結果を組み合わせて、測定子の変位量を算出することができる。

なお、分離手段としては、バンドパスフィルタと復調回路と組み合わせた構成が例として挙げられる。

なお、光センサの分割数や分割の仕方は特に限定されず、光の入射位置の変化を二次元的に検出できればよい。

本発明では、前記光源からの光を変調する方式は、振幅変調、位相変調および周波数変調のいずれかであることが好ましい。

このような構成な構成において、光の変調方式が振幅変調であっても位相変調であっても、さらには周波数変調であっても、所定の検波方式によって光センサの受光信号から各変調波の信号を分離できるので、各変調波のシフト量を求めることができる。そして、各変調波のシフト量に基づいて測定子の変位を求めることができる。

本発明では、前記光シフト手段は、前記測定子の変位に応じて変位し前記光源からの光を反射または屈折させる光学素子であることが好ましい。

このような構成において、測定子が変位すると、この測定子の変位に応じて光学素子が変位する。すると、この光学素子による光の反射方向または屈折方向が変化する。そして、光センサへの光の入射位置がシフトされる。

本発明では、前記光学素子は、前記支持手段を介して前記測定子に付設され前記測定子とともに変位して位置および反射面角度を変化させる反射ミラーであることが好ましい。

このような構成において、測定子の変位によって光学素子である反射ミラーが変位し、反射ミラーの反射面位置および反射面角度が変化する。そして、反射ミラーにて反射された光が光センサに入射することにより、測定子の変位に応じて光センサに入射する光の位置がシフトする。

なお、反射ミラーは平面ミラーであってもよく、あるいは三角錐や四角錐などのように傾斜面を有する多角錐体であってもよい。反射ミラーが平面ミラーである場合には、反射面の傾斜角度が変化したり、反射面が上下動することによって光センサへの光の入射位置が変わってくる。さらに、反射ミラーが傾斜面を有する多角錐体である場合には、反射ミラーの回転や二次元的変位によっても光センサへの光の入射位置が変化するので、測定子が変位した際に６自由度の変位量をそれぞれ独立に求めることができる。

本発明では、前記支持手段は、弾性を有するプレートであってこのプレートの中心を点対称とした複数の切込み線を有し、前記測定子をこのプレートの中心にて支持することが好ましい。

このような構成において、複数の切込み線を有することによりプレートは弾性板バネとして作用する。このプレートにて測定子が支持されることにより、基準位置に復帰する付勢力を付与されつつ変位可能に測定子が支持される。そして、切込み線がプレートの中心を点対称の中心として対称に設けられることにより、測定子に異方性を与えることなく、任意の方向から測定子を変位させた場合でも同一の応力に対する測定子の変位量を同じにすることができる。また、測定子の三次元的変位を許容しつつ測定子を支持する構成としては、ガイドレールとスライダにより構成されるｘ軸方向スライド機構、ｙ方向スライド機構およびｚ方向スライド機構を備える構成が知られているが、このような構成では構成が複雑であり、かつ、各方向のスライド機構で異方性が生じやすい。
この点、本発明の支持手段は、構成が簡便であり、かつ、異方性なく測定子を変位可能に支持できる。

なお、前記光学素子として、この支持手段に反射ミラーを貼り付けてもよい。
そして、このようなプレート状の支持手段で測定子の基端を支持すると、中心軸回りの測定子の回転や測定子の二次元的変位が規制され、測定子は、上下動と揺動のみが許容されることになる。したがって、測定子の自由度は３となるので（上下方向、ｘ軸回りの回転、ｙ軸回りの回転）、反射ミラーが平面ミラーであっても、３つの自由度をそれぞれ特定して測定子の三次元的変位を求めることができる。

本発明の形状測定装置は、前記変位センサと、前記変位センサを被測定物に対して相対移動させて前記変位センサを被測定物に当接させる駆動機構と、前記駆動機構による前記変位センサと前記被測定物との相対変位量を検出する駆動センサと、前記変位センサおよび前記駆動センサによる検出値に基づいて前記被測定物の形状を解析する解析手段と、を備えることを特徴とする。

上記変位センサによれば、測定子の変位方向および変位量を検出できるので、被測定物の表面に測定子を所定押込圧で当接させながら倣い移動させて、このときの測定子の軌跡を検出することにより、被測定物表面形状を測定することができる。

以下、本発明の実施の形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
（第１実施形態）
本発明の変位センサに係る第１実施形態としての接触プローブ１００について説明する。
図１は、接触プローブ１００の全体構成を示すために内部を透視した斜視図である。
図２は、接触プローブ１００を垂直方向に切断した横断面図である。
なお、以下の説明のために図２の紙面上下方向にｚ軸をとり、紙面左右方向にｘ軸をとり、紙面垂直方向にｙ軸をとる。

接触プローブ１００は、被測定物表面に当接した際に接触圧によって変位する測定子２００と、この測定子２００を変位可能に支持するとともに測定子２００の変位を検出するセンサ本体部３００と、を備える。

測定子２００は、スタイラス２１０と、このスタイラス２１０の先端に設けられた接触部２２０と、を備える。スタイラス２１０の基端がセンサ本体部３００に取り付けられ、測定子２００はセンサ本体部３００から垂下する状態に支持されている。
なお、測定子２００に変位がない基準状態においてスタイラス２１０の軸線に沿った方向を中心線方向Ａと称する。

センサ本体部３００は、下端面が開口し内部に収納空間３１１を有する円筒形のハウジング部３１０と、ハウジング部３１０の下端側において測定子２００の基端を支持する支持プレート（支持手段）３２０と、測定子２００の変位を検出する変位検出手段４００と、を備えている。

ハウジング部３１０は、内部の収納空間３１１に支持プレート３２０と、変位検出手段４００と、を備えている。
ハウジング部３１０の下端側には、開口を閉塞して内部への塵埃等の侵入を防止する可撓性のシート材３１２が配設されている。そして、このシート材３１２を挿通する状態で測定子２００が配設されている。

支持プレート３２０は、円形状の金属プレートであり、周端部がハウジング部３１０に固定されている。そして、支持プレート３２０の中心において補強板３２４を介して支持プレート３２０の下面側に測定子２００が取付固定されている。
ここで、図３は、支持プレート３２０の上面図である。
支持プレート３２０は、３本の切込み線３２１、３２１、３２１を有し、３本の切込み線３２１、３２１、３２１は支持プレート３２０の中心Ｃ１を点対称の中心として対称に設けられている。各切込み線３２１は、円弧部３２２と、直線部３２３と、を有し、略くの字状に曲がっている。３本の切込み線３２１、３２１、３２１が支持プレート３２０の中心Ｃ１を取り巻いて配置され、一の切込み線３２１の円弧部３２２の内側に他の切込み線３２１の直線部３２３が位置する（図３参照）。切込み線３２１の部分において支持プレート３２０が上下変位可能となり、測定子２００がこの支持プレート３２０の中心に取り付けられることにより測定子２００が揺動可能に支持される。

この支持プレート３２０にて支持された測定子２００は、その接触部２２０が上下（Δｚ方向）、左右（Δｘ方向）、前後（Δｙ方向）に変位可能である。その一方、測定子２００は、スタイラス２１０の中心軸周りの回転および支持プレート３２０の平面方向へのスタイラス基端２１０Ａの変位は規制されている。すなわち、測定子２００は、Ｚ方向への変位と、基端を中心としたＸ方向への揺動と、基端を中心としたＹ方向への揺動と、が許容されている。

変位検出手段４００は、測定子２００の変位に応じて変位する反射ミラー（光学素子）４１０と、反射ミラー４１０に向けて光を照射する照射光学系４２０と、反射ミラー４１０からの反射光を受光する光センサ４４０と、受光光学系４３０から出力される受光信号に基づいて測定子２００の変位量および変位方向を算出する信号処理部５００と、を備える。
反射ミラー４１０、受光光学系４３０は、中心線Ａに沿って配列されている。

反射ミラー４１０は、支持プレート３２０の上面側において支持プレート３２０の略中心に配設されている。測定子２００が変位した際には支持プレート３２０の中心が測定子２００とともに変位するので、反射ミラー４１０も測定子２００の変位に応じて変位し、反射面４１１の位置および角度が変化する。

照射光学系４２０は、光を発射する２つの光源４２１Ａ、４２１Ｂを備えている。
２つの光源４２１Ａ、４２１Ｂは、光センサ４４０を間にしてｘ方向に離間して配設されている。光源４２１Ａ、４２１Ｂは、光を反射ミラー４１０に向けて発射し、かつ、測定子２００の変位が無い基準状態において反射ミラー４１０で反射された光が光センサ４４０の中心に入射するように姿勢が調整される。
図２中では、光源４２１Ａ、４２１Ｂは、反射ミラー４１０に対して入射角θで光を入射させる。
光源４２１Ａ、４２１Ｂとしては、例えば、ＬＥＤを利用することができる。
また、２つの光源４２１Ａ、４２１Ｂは、互いに異なる周波数で振幅変調された変調光を発射する。
図１および図２中において、例えば、−ｘ側に配設された光源４２１Ａから周波数ｆａで振幅変調された変調光Ｓａが発射され、＋ｘ側に配設された光源４２１Ｂから周波数ｆｂで振幅変調された変調光Ｓｂが発射される。（ただし、ｆａ≠ｆｂ）

光センサ４４０は、反射ミラー４１０からの光を受光して光電変換により受光信号を出力する。
図４は、光センサ４４０を受光面側から見た図である。
光センサ４４０は、ｘ軸とｙ軸とに沿った分割線４４５によって４分割されており、第１から第４受光部４４１〜４４４を備える。
ここで、（＋ｙ、−ｘ）の位置に配置される受光部を第１受光部４４１とし、（＋ｙ、＋ｘ）の位置に配置される第２受光部４４２とし、（−ｙ、＋ｘ）の位置に配置される受光部を第３受光部４４３とし、（−ｙ、−ｘ）の位置に配置される受光部を第４受光部４４４とする。

信号処理部５００は、光センサ４４０の各受光部４４１〜４４４から出力される受光信号に基づいて反射ミラー４１０からの光のシフト方向およびシフト量を算出し、光のシフト方向およびシフト量に基づいて測定子２００の変位量および変位方向を算出する。
図５は、信号処理部５００の構成を示す図である。
信号処理部５００は、各受光部４４１〜４４４から出力される受光信号から変調光Ｓａ、Ｓｂの信号をそれぞれ分離して取り出すバンドパスフィルタ部５１０と、変調光であるＳａ、Ｓｂから元の信号であるｆａ、ｆｂを復元する復調回路部５２０と、復調回路部５２０で復調された信号に基づいて接触部２２０の変位を算出する演算処理部５３０と、を備えている。

４つの受光部４４１〜４４４に応じて、バンドパスフィルタ部５１０は４つ設けられ、各バンドパスフィルタ部５１０は、中心周波数がｆａであるバンドパスフィルタ５１１Ａと、中心周波数がｆｂであるバンドパスフィルタ５１１Ｂと、の二つのバンドパスフィルタを備えている。
同様に、４つのバンドパスフィルタ部５１０に応じて、復調回路部５２０は４つ設けられ、各復調回路部５２０は、変調光Ｓａから元の信号ｆａを復調する復調回路５２１Ａと、変調光Ｓｂから元の信号ｆｂを復調する復調回路５２１Ｂと、を備えている。
復調回路としては、例えば、ピークホールド回路や平滑化回路などが例として挙げられる。

これら４つの復調回路部５２０により、ｆａとｆｂとの組み合わせで構成される信号組が４組得られる。
演算処理部５３０は、４つの信号組に基づいて接触部２２０の変位を算出する。すなわち、演算処理部５３０は、４つの信号組から光センサ４４０上における２つの光束のそれぞれのシフト量を求めたうえで、２つの光束の変位量から接触部２２０の変位量を算出する。
なお、演算処理部５３０における計算例は後述する。

ここで、バンドパスフィルタ部５１０と復調回路部５２０とにより、受光信号から各変調光の信号をそれぞれ分離する分離手段が構成されている。
また、演算処理部５３０により、各変調光が光センサに入射する入射位置のシフト量を算出するシフト量算出手段と、各変調光のシフト量に基づいて測定子の変位を算出する測定子変位算出部と、が構成されている。

このような構成を備える接触プローブ１００において測定子２００が変位した際の動作について説明する。
まず、図６を参照して、測定子２００が＋ｚ方向に変位する場合の動作について説明する。

図６は、接触部２２０が＋Ｚ方向に変位した状態を示す図である。
接触部２２０に−ｚ方向から＋Ｚ方向に向けて応力が作用すると、測定子２００が＋Ｚ方向に押し上げられる。すると、支持プレート３２０の切込みにおいて支持プレート３２０が上下変位し、測定子２００の＋Ｚ方向への変位を許容する。測定子２００とともに支持プレート３２０の中心が＋Ｚ方向に変位することにより、反射ミラー４１０が＋Ｚ方向に変位する。

各光源４２１Ａ、Ｂから発射される光Ｓａ、Ｓｂは、反射ミラー４１０に入射した後、反射ミラー４１０により反射されるところ、反射ミラー４１０の＋Ｚ方向への変位によって反射位置が＋Ｚ方向に変位する。すると、反射ミラー４１０にて反射された光は、測定子２００が基準位置に位置するときよりも、光源４２１Ａからの光Ｓａは−Ｘ側にシフトし、光源４２１Ｂからの光Ｓｂは＋Ｘ側にシフトする。このとき、光センサ４４０にて受光される光束を図７に示す。

次に、接触部２２０がＸ方向に変位する場合について図８、図９を参照して説明する。
図８は、接触部２２０が＋Ｘ方向に変位（揺動）した状態を示す図である。
接触部２２０に−Ｘ方向から＋Ｘ方向に向けて応力が作用すると、測定子２００が＋Ｘ方向に揺動する。このとき、支持プレート３２０の切込みにおいて支持プレート３２０が＋Ｘ方向では上方へ変位し、−Ｘ方向では下方に変位して支持プレート３２０が弾性変形することにより測定子２００のＸ方向への変位が許容される。すると、支持プレート３２０の弾性変形に伴って反射ミラー４１０が傾斜して反射面４１１が−Ｘ方向側へ傾斜する。

光源４２１Ａ、Ｂから発射される光は、反射ミラー４１０に入射した後、反射ミラー４１０にて反射されているところ、反射ミラー４１０の−Ｘ方向への傾斜によって光の反射方向がーＸ方向に変位する。すると、反射ミラー４１０からの反射光は、測定子２００が基準位置に位置するときよりも光センサ４４０上で−Ｘ側へシフトする（図９参照）。

次に、接触部２２０がＹ方向に変位する場合について図１０、図１１を参照して説明する。
図１０は、接触部２２０が＋Ｙ方向に変位した状態を示す図である。
接触部２２０に−Ｙ方向から＋Ｙ方向に向けて応力が作用すると、測定子２００が＋Ｙ方向に揺動する。
このとき、支持プレート３２０の切込みにおいて支持プレート３２０が＋Ｙ方向では上方へ変位し、−Ｙ方向では下方に変位して支持プレート３２０が弾性変形することにより測定子２００の＋Ｙ方向への変位が許容される。すると、支持プレート３２０の弾性変形に伴って反射ミラー４１０が傾斜して反射面４１１が−Ｙ方向側へ傾斜する。

光源４２１Ａ、Ｂから発射される光は、反射ミラー４１０に入射した後、反射ミラー４１０にて反射されているところ、反射ミラー４１０の−Ｙ方向への傾斜によって光の反射方向がーＹ方向に変位する。すると、反射ミラー４１０からの反射光は、測定子２００が基準位置に位置するときよりも光センサ４４０上で−Ｙ側へシフトする（図１１参照）。

次に、接触部２２０に任意の方向から応力が作用し、接触部２２０が３次元的に任意の方向へ変位した場合ついて考察する。
接触部２２０が３次元的に変位した場合、測定子２００の変位を許容するように支持プレート３２０が弾性変形し、支持プレート３２０の弾性変形にともなって反射ミラー４１０が上下動および傾斜する。すると、光源４２１Ａ、Ｂから発射される光Ｓａ、Ｓｂが反射ミラー４１０にて反射され、光センサ４４０上における光Ｓａ、Ｓｂの入射点がそれぞれ変位する。
このとき、光Ｓａの変位（ΔＸａ、ΔＹａ）、光Ｓｂの変位（ΔＸｂ、ΔＹｂ）について次の式が成り立つ。

ここで、光センサ４４０上における光Ｓａのシフト量を（ΔＸａ、ΔＹａ）、光Ｓｂのシフト量を（ΔＸｂ、ΔＹｂ）とする。
また、光源４２１Ａ、４２１Ｂから反射ミラー４１０への光の入射角をθとする。
基準状態（接触部２２０の変位が無い状態）においてスタイラス２１０から反射ミラー上の光反射位置までの距離をＬａ、光センサ４４０から反射ミラー４１０までの垂直距離をＬとする。
反射ミラー４１０のＺ方向への変位をｄｚとする。
そして、反射ミラー４１０（あるいは接触部２２０）のｘ軸回りの回転角をθｘ、反射ミラー４１０（あるいは接触部２２０）のｙ軸回りの回転角をθｙとする。

また、スタイラス２１０の長さをＬｓとするとき、接触部２２０の座標（ｘ、ｙ、ｚ）と反射ミラー４１０の姿勢および位置（θｙ、θｘ、ｄｚ）との間には次の関係が成り立つ。

以上の式をまとめると次のようになる。

以上の（式８）から（式１１）の連立方程式により、接触部２２０の変位量（ｘ、ｙ、ｚ）を求めることができる。

このような構成を備える第１実施形態によれば、次の効果を奏することができる。

（１）各光源４２１Ａ、４２１Ｂからの光を変調光とすることにより、一つの光センサ４４０で総ての変調波を受光しても受光信号から各変調波の信号を分離することができる。よって、光を受光する光センサ４４０は一つでよく、従来のごとく複数の光センサ４４０を使用しないので、複数の光センサ４４０をキャリブレーションする必要がないので測定の手間を非常に簡略化することができる。さらに、光センサ４４０を一つにすることにより、部品点数を少なくできるので、接触プローブ１００を簡易な構成とし、接触プローブ１００を小型化することができる。

（２）光源４２１Ａ、４２１Ｂからの光を変調光とすることにより、接触プローブ１００に与えられる振動や電気的ノイズによって受光信号に外乱ノイズが重畳する場合でも、分離手段（バンドパスフィルタ部５１０と復調回路部５２０）にて受光信号から各変調光の信号を分離させる段階で外乱ノイズの影響を排除することができる。特に、検出分解能を向上させると外乱ノイズの影響を受けやすくなる恐れがあるが、本第１実施形態によれば、外乱ノイズを排除することができるので、検出分解能を向上させ、かつ、精度を向上させることができる。

（３）光センサ４４０を十字の分割線４４５にて４つの受光部４４１〜４４４に分割し、この分割線４４５をｘ軸とｙ軸に対応させるので、４つの分割領域から出力される受光信号の変化に基づいて光の入射位置のシフト量を二次元直交座標系において簡便に求めることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図１２を参照して説明する。
第２実施形態の基本的構成は、第１実施形態に同様であるが、第２実施形態は、光源４２１Ａ、４２１Ｂ、４２１Ｃが三つであり、かつ、反射ミラー４６０が三角錐である点に特徴を有する。
図１２において、照射光学系は三つの光源４２１Ａ、４２１Ｂ、４２１Ｃを備えている。
３つの光源４２１Ａ、４２１Ｂ、４２１Ｃは、光センサ４４０の周囲において６０°間隔で配設されている。また、各光源４２１Ａ、４２１Ｂ、４２１Ｃは、中心軸Ａに略平行に光を発射する。なお、各光源４２１Ａ、４２１Ｂ、４２１Ｃからの光がそれぞれ異なる変調をうけた変調光である点は第１実施形態に同様である。

反射ミラー４６０は、三角錐状であり、各反射面４６１Ａ、４６１Ｂ、４６１Ｃは、各光源４２１Ａ、４２１Ｂ、４２１Ｃの向きに向いている。そして、各光源４２１Ａ、４２１Ｂ、４２１Ｃと反射ミラー４６０との間には三角プリズム４７０Ａ、４７０Ｂ、４７０Ｃが配設され、三角プリズム４７０Ａ、４７０Ｂ、４７０Ｃにより光源４２１Ａ、４２１Ｂ、４２１Ｃからの光を反射して反射ミラー４６０に入射させる。

なお、接触部２２０の変位がゼロである基準状態において、各光源４２１Ａ、４２１Ｂ、４２１Ｃからの光は、反射ミラー４６０にて反射された後、光センサ４４０の中心に入射するように調整されている。光センサ４４０が４つの受光部４４１〜４４４に分割されており、各受光部４４１〜４４４から受光信号が出力される点は、第１実施形態と同様である。

詳細に図面（図１２）に記載しないが、光源４２１Ａ、４２１Ｂ、４２１Ｃが三つであり、光センサ４４０にて受光する変調光が３つであることから、信号処理部５００の各バンドパスフィルタ部が各変調波に対応した３つのバンドパスフィルタを有し、各復調回路部がそれぞれ３つの復調回路を有していることはいうまでもない。

このような構成において、各光源４２１Ａ、４２１Ｂ、４２１Ｃから発射された変調光が三角プリズム４７０Ａ、４７０Ｂ、４７０Ｃを介して反射ミラー４６０に入射する。そして、反射ミラー４６０で反射された各変調光が光センサ４４０に入射する。このとき、測定子２００の変位に応じて反射ミラー４６０が変位するので、反射ミラー４６０による光の反射方向が変化し、光センサ４４０への光の入射位置がシフトする。

ここで、接触部２２０がＺ方向、Ｘ方向、Ｙ方向に変化した際に、反射ミラー４６０もΔＺ方向に変位したり、あるいはＸ方向、Ｙ方向に傾斜して光の反射方向を変化させる点は第１実施形態に同様である。さらに、第２実施形態においては、反射ミラー４６０が三角錐形状であって、反射面４６１Ａ、４６１Ｂ、４６１Ｃが中心軸Ａに対して傾斜した面となっているので、反射ミラー４６０が中心軸Ａを中心として回転した場合であっても、各光源４２１Ａ、４２１Ｂ、４２１Ｃからの変調光が光センサ４４０に入射する位置がシフトする。

また、反射ミラー４６０が中心軸Ａに対して傾斜した面となっているので、反射ミラー４６０がＸ方向あるいはＹ方向へ二次元的に変位した場合でも、各変調光が光センサ４４０に入射する位置がシフトする。したがって、反射ミラー４６０が傾斜したりＺ方向に変位したりする場合はもちろん、反射ミラー４６０の二次元的変位（Ｘ方向、Ｙ方向への変位）や中心軸回りの回転でも光センサ４４０への光の入射位置はシフトする。
つまり、測定子２００の６自由度の変位に応じて光センサ４４０への光の入射位置が変わる。

光センサ４４０に光が入射すると、各受光部４４１〜４４４から受光信号が出力される。
信号処理部５００にて受光信号から各変調光の信号が分離され、各変調光のシフト量が算出される。そして、各変調波のシフト量を組み合わせるとともに接触部２２０の変位量（ｘ、ｙ、ｚ、θｘ、θｙ、θｒ）に関する連立方程式を立てることにより、接触部２２０の三次元的変位量が求められる。

なお、スタイラス２１０の基端２１０Ａに直交座標系の原点をとったときに、θｘは、ｘ軸を揺動中心として接触部２２０がＸ方向に変位した際のスタイラス２１０の揺動角であり、θｙは、ｙ軸を揺動中心として接触部２２０がＹ方向に変位した際のスタイラス２１０の揺動角であり、θｒは、ｚ軸を中心としたスタイラス２１０の回転角である。

このような第２実施形態によれば、上記第１実施形態の効果に加えて次の効果を奏することができる。
反射ミラー４６０が傾斜した反射面４６１Ａ、４６１Ｂ、４６１Ｃを有する三角錐であるので、反射ミラー４６０の回転や二次元的変位によっても光の反射方向が変化する。したがって、測定子２００の６自由度の変位をそれぞれ求めて、接触部２２０の三次元的変位を得ることができる。

（変形例１）
次に、本発明の変形例１について図１３を参照して説明する。
変形例１の基本的構成は第２実施形態に同様であるが、反射ミラー４６０と光センサ４４０との間に集光レンズ４８０を備える点に特徴を有する。そして、この集光レンズ４８０によって各光を光センサ４４０上で結像させ、光センサ４４０にスポット状に入射させることにより、光センサ４４０よる光入射位置の検出分解能を向上させることができる。
特に、指向性が弱いＬＥＤ等を光源に用いた場合であっても、集光レンズ４８０で光を結像させるので、光センサ４４０による光入射位置の検出分解能を向上させることができる。

（変形例２）
上記実施形態において、照明光学系４２０の光源４２１Ａ、４２１Ｂは互いに異なる変調がなされた変調光Ｓａ、Ｓｂをそれぞれ発射するとして説明した。
そして、各光源４２１Ａ、４２１Ｂからの変調光Ｓａ、Ｓｂが光センサ４４０で受光され、光センサ４４０から出力される受光信号から信号処理部５００により各変調光Ｓａ、Ｓｂがそれぞれ分離して取り出される。
ここで、各光源４２１Ａ、４２１Ｂから発射される光の変調パターンとしては、図１４のように、共に正弦波状に振幅変調させつつ互いの位相を１８０度ずらすことが例として挙げられる。
そして、信号処理部５００において、光センサからの受光信号を検出（ホールド）するにあたっては、一方の信号レベルが０になった際に他方の信号レベルを検出すればよい。
例えば、図１４においては、Ｔ_１、Ｔ_２、Ｔ_３・・・のタイミングで信号を検出することにより、変調光Ｓａ、Ｓｂをそれぞれ分離して検出することができる。

また、図１５に示されるように、変調光Ｓａ、Ｓｂをパルス光とし、互いの位相を半周期ずらしておいてもよい。

なお、本発明は前述の実施形態に限定されず、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
光源の数は２つや３つではなく、それ以上であってもよいことがもちろんである。
光源は、ＬＥＤでもよく、あるいはレーザー光源であってもよい。
光学素子は、反射ミラーである場合を例にして説明したが、光を屈折させるプリズムであってもよい。

接触部の変位に対する検出感度を向上させる構成としては、支持プレートにおいて中心から切込み線までの距離を短くすることで、測定子のわずかな揺動でも反射ミラーの傾斜が大きくなるようにしてもよい。あるいは、反射ミラーから光センサまでの距離を大きくして、てこ比を大きくしてもよい。または、光源から反射ミラーへの光の入射角を大きくしてもよい。

上記変位センサは、例えば、タッチプローブとして利用されてもよく、または、倣いプローブとして利用されてもよい。

本発明は、変位センサ、形状測定装置に利用できる。

第１実施形態において、接触プローブ１００の全体構成を示すために内部を透視した斜視図。第１実施形態において、接触プローブ１００を垂直方向に切断した横断面図。第１実施形態において、支持プレート３２０の上面図。第１実施形態において、光センサ４４０を受光面側から見た図。第１実施形態において、信号処理部の構成を示す図。第１実施形態において、接触部２２０が＋Ｚ方向に変位した状態を示す図。第１実施形態において、接触部がＺ方向に変位した際に光センサにて受光される光束を示す図。第１実施形態において、接触部２２０が＋Ｘ方向に変位（揺動）した状態を示す図。第１実施形態において、接触部がＸ方向に変位（揺動）した際に光センサにて受光される光束を示す図。第１実施形態において、接触部２２０が＋Ｙ方向に変位した状態を示す図。第１実施形態において、接触部がＹ方向に変位（揺動）した際に光センサにて受光される光束を示す図。第２実施形態において、接触プローブ１００の全体構成を示す図。変形例１の構成を示す図。変形例２において、光源から発射される変調光を示す図。変形例２において、光源から発射される変調光を示す図。従来の接触プローブを利用した形状測定装置の構成を示す図。従来技術として接触プローブを示す図。

符号の説明

１０…形状測定装置、１１…接触プローブ、１２…駆動機構、１３…スタイラス、１４…接触部、１５…センサ本体部、１００…接触プローブ、２００…測定子、２１０…スタイラス、２１０Ａ…スタイラス基端、２２０…接触部、３００…センサ本体部、３１０…ハウジング部、３１１…収納空間、３１２…シート材、３２０…支持プレート、３２１…切込み線、３２２…円弧部、３２３…直線部、３２４…補強板、４００…変位検出手段、４１０…反射ミラー、４１１…反射面、４２０…照射光学系、４２１Ａ、４２１Ｂ…光源、４３０…受光光学系、４４０…光センサ、４４１…第１受光部、４４２…第２受光部、４４３…第３受光部、４４４…第４受光部、４４５…分割線、４６０…反射ミラー、５００…信号処理部、５１０…バンドパスフィルタ部、５１１Ａ…バンドパスフィルタ、５１１Ｂ…バンドパスフィルタ、５２０…復調回路部、５２１Ａ…復調回路、５２１Ｂ…復調回路、５３０…演算処理部。

Claims

測定子と、
前記測定子を変位可能に支持するとともに前記測定子の変位量および変位方向を検出するセンサ本体部と、を備え、
センサ本体部は、
前記測定子を変位可能に支持する支持手段と、
二以上の光源と、
光を受光して光電変換により受光量に応じた受光信号を出力する光センサと、
前記各光源から発射された光の前記光センサへの入射位置を前記測定子の変位に応じてシフトさせる光シフト手段と、
前記受光信号に基づいて前記測定子の変位量および変位方向を算出する信号処理部と、を備え、
前記２以上の光源は、それぞれ異なる変調がなされた変調光を前記光シフト手段に向けて発射し、
前記光センサは、複数の分割線によって複数の受光部に分割されて、かつ、前記受光部ごとの受光光量に応じた受光信号を出力し、
前記信号処理部は、
前記光センサから出力される受光信号から各変調光の信号をそれぞれ分離する分離手段と、
前記分離手段にて分離された各変調光の信号に基づいて前記各変調光が前記光センサに入射する入射位置のシフト量を算出するシフト量算出手段と、
各変調光のシフト量に基づいて前記測定子の変位を算出する測定子変位算出部と、を備える
ことを特徴とする変位センサ。
請求項１に記載の変位センサにおいて、
前記光源からの光を変調する方式は、振幅変調、位相変調および周波数変調のいずれかである
ことを特徴とする変位センサ。
請求項１または請求項２に記載の変位センサにおいて、
前記光シフト手段は、
前記測定子の変位に応じて変位し前記光源からの光を反射または屈折させる光学素子である
ことを特徴とする変位センサ。
請求項３に記載の変位センサにおいて、
前記光学素子は、前記支持手段を介して前記測定子に付設され前記測定子とともに変位して位置および反射面角度を変化させる反射ミラーである
ことを特徴とする変位センサ。
請求項１から請求項４のいずれかに記載の変位センサにおいて、
前記支持手段は、弾性を有するプレートであってこのプレートの中心を点対称とした複数の切込み線を有し、前記測定子をこのプレートの中心にて支持する
ことを特徴とする変位センサ。
請求項１から請求項５のいずれかに記載の変位センサと、
前記変位センサを被測定物に対して相対移動させて前記変位センサを被測定物に当接させる駆動機構と、
前記駆動機構による前記変位センサと前記被測定物との相対変位量を検出する駆動センサと、
前記変位センサおよび前記駆動センサによる検出値に基づいて前記被測定物の形状を解析する解析手段と、を備える
ことを特徴とする形状測定装置。