JP2007101491A - 変位センサ - Google Patents

Abstract

【課題】可動部の構造の簡素化および軽量化を図れかつ、接触部の変位位置を高精度に検出できる変位センサを提供する。
【解決手段】変位センサ１００を構成するセンサ本体部３００は、測定子２００を変位可能に支持する支持プレート３２０と、測定子２００に取り付けられ基準反射面４１１を有する反射ミラー４１０と、所定位置に固定され参照反射面４２１を有する参照反射板４２０と、光束を射出する光源４３１と、基準反射面４１１および参照反射面４２１にて反射され重ね合わされた光学像を撮像する撮像素子４４１と、撮像された光学像に基づいて基準反射面４１１および参照反射面４２１からの各反射光が重ね合わされることで生じる干渉縞の強度分布に関する強度分布情報を認識し、強度分布情報に基づいて接触部２１１の変位位置を算出する演算処理手段４５０とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定子を構成する接触部の変位位置を検出する変位センサに関する。

従来、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（例えば、特許文献１参照）。

図７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８に示すように、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接触部１４の変位方向および変位量（変位位置）を検出する。

また、例えば、センサ本体部１５において、接触部１４の変位位置を検出する技術として、以下の構成が知られている（例えば、特許文献２参照）。
センサ本体部１５は、互いに直交する軸方向をＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向とした場合に、Ｚ軸方向に移動可能とする第１の移動機構と、第１の移動機構と接続しＹ軸方向に移動可能とする第２の移動機構と、第２の移動機構と接続しＸ軸方向に移動可能とする第３の移動機構とを備える。そして、第３の移動機構がスタイラス１３を支持固定する。また、各移動機構の内部には、それぞれ測定機構が設けられている。各測定機構は、いわゆるＬＶＤＴ(Linear Variable-Diffential Transformer)機構で構成され、各移動機構のＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向の変位位置を検出することで、接触部の変位位置を検出する。

特開２０００−３９３０２号公報 特開平８−４３０６６号公報

しかしながら、特許文献２に記載の技術では、スタイラスを３つの移動機構により移動させる構造であるため、スタイラスを移動させる可動部（３つの移動機構）の構造が複雑化しかつ、可動部の質量が増加してしまう。このため、測定子を被測定物に沿って高速に移動させた場合には、測定子を被測定物の形状に沿って高速に変位させることが難しく、被測定物の形状を迅速に測定することが難しい。
また、３つの測定機構により３つの移動機構の変位位置をそれぞれ検出する構造であるため、接触部の変位位置の検出精度が３つの移動機構の製造精度に大きく左右され、接触部の変位位置を高精度に検出することが難しい。

本発明の目的は、可動部の構造の簡素化および軽量化を図れかつ、接触部の変位位置を高精度に検出できる変位センサを提供することにある。

本発明の変位センサは、被測定物に接触する接触部を有する測定子と、前記測定子を変位可能に支持するとともに前記接触部の変位位置を検出するセンサ本体部とを備え、前記センサ本体部は、前記測定子を変位可能に支持する支持手段と、前記測定子に取り付けられ、入射した光束の少なくとも一部を反射可能とする基準反射面を有する基準反射手段と、所定位置に固定され、入射した光束の少なくとも一部を反射可能とする参照反射面を有する参照反射手段と、前記基準反射面および前記参照反射面に向けて光束を射出する光束射出手段と、前記基準反射面および前記参照反射面にてそれぞれ反射され撮像面上に重ね合わされた光学像を撮像する撮像手段と、前記撮像手段にて撮像された光学像に基づいて前記基準反射面および前記参照反射面からの各反射光が重ねあわされることで生じる干渉縞の強度分布に関する強度分布情報を認識し、前記強度分布情報に基づいて前記接触部の変位位置を算出する演算処理手段とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、支持手段にて測定子が変位可能に支持されているので、従来の３つの移動機構により測定子を変位可能に支持する構成と比較して、可動部（支持手段）を単体で構成することが可能となり、可動部の構造の簡素化を図れかつ、軽量化を図れる。このため、測定子を被測定物に沿って高速に移動させた場合であっても、測定子を被測定物の形状に沿って高速に変位させることができ、被測定物の形状を迅速に測定できる。

ところで、所定の光路差を有するように配置された各反射面からの各反射光を重ね合わせた光学像には、前記光路差に応じた干渉縞が生じることが知られている。また、前記干渉縞は、前記光路差に依存したものであり、前記光路差を変更することで、前記干渉縞が所定方向に移動したり縞数が変化したり、前記干渉縞に変化が生じる。このため、前記干渉縞の変化を認識することで、前記光路差の変化、すなわち、各反射面の相対位置を検出することが可能となる。
そして、センサ本体部は、支持手段、基準反射手段、参照反射手段、光束射出手段、撮像手段、および演算処理手段で構成されているため、以下に示すように、接触部の変位位置を検出できる。
すなわち、光束射出手段から光束を射出させ、基準反射面および参照反射面に光束を照射する。
また、基準反射面および参照反射面にて反射され撮像面上に重ね合わされた光学像を撮像手段に撮像させる。
そして、演算処理手段は、撮像手段にて撮像された光学像に基づいて基準反射面および参照反射面からの各反射光が重ね合わされることで生じる干渉縞の強度分布に関する強度分布情報を認識する。また、演算処理手段は、認識した強度分布情報に基づいて、例えば認識した強度分布情報の変化を検出することで、基準反射面および参照反射面の相対位置の変化を算出する。ここで、基準反射手段は、測定子に取り付けられ、測定子の変位に応じて変位する。このため、演算処理手段は、基準反射面および参照反射面の相対位置の変化を算出することで、基準反射面の変位位置、すなわち、接触部の変位位置を算出する。

以上のように、基準反射面の変位位置（接触部の変位位置）を光学的に直接、検出するので、従来のように測定機構が移動機構の変位位置を検出する構成と比較して、接触部の変位位置を高精度に検出できる。また、従来のように各測定機構にＬＶＤＴ機構を採用した構成と比較して、構造の簡素化を図れ、センサ本体部の軽量化を図れる。

本発明では、前記演算処理手段は、前記強度分布情報に基づいて前記干渉縞の位相に関する位相情報を抽出し、予め設定された前記干渉縞の位相に関する設定位相情報と前記位相情報とを比較して位相の変化量に関する変化量情報を生成し、前記変化量情報に基づいて前記接触部の変位位置を算出することが好ましい。
ここで、演算処理手段による位相情報の抽出方法としては、特に限定されず、例えば、位相シフト法やフーリエ変換法等のいずれの方法を採用しても構わない。
本発明によれば、演算処理手段が干渉縞の位相の変化量に基づいて接触部の変位位置を算出するので、簡単な演算処理にて高精度かつ迅速に接触部の変位位置を算出できる。

本発明では、前記参照反射手段は、入射した光束の一部を反射し他の光束を透過する部材で構成され、前記光束射出手段から射出され前記基準反射手段に至る光束の光路上で前記基準反射手段の光路前段側に配設されていることが好ましい。
ところで、参照反射手段はいずれの位置に配設されても、基準反射手段および参照反射手段からの各反射光を重ね合わせた光学像に干渉縞が生成される。例えば、参照反射手段の配設位置としては、光束射出手段から射出され基準反射手段に至る光束の光路上に配設してもよく、あるいは、光束射出手段から射出され基準反射手段に至る光束の光路とは異なる光路上に配設しても構わない。しかしながら、参照反射手段を、光束検出手段から射出され基準反射手段に至る光束の光路とは異なる光路上に配設する構成を採用した場合には、光束射出手段から射出される光束の光路を２つ形成する必要があり、センサ本体部の小型化を阻害する恐れがある。
本発明によれば、光束射出手段から射出され基準反射手段に至る光束の光路上に参照反射手段が配設されているので、光束射出手段から射出される光束の光路を１つのみ形成すればよく、センサ本体部の小型化を図れる。

本発明では、前記撮像手段は、前記基準反射面および前記参照反射面にてそれぞれ反射された光束の前記撮像手段への入射方向に直交する平面内で所定位置から互いに直交する方向に延出する十字状に配設されたラインセンサで構成されていることが好ましい。
ところで、干渉縞の強度分布情報に基づいて基準反射面の変位位置（接触部の変位位置）を算出する際には、基準反射面の形状の算出方法とは異なり、光学像内における干渉縞の強度分布情報のうち直交する２軸方向のみの強度分布情報に基づいて接触部の変位位置を算出することが可能である。
本発明の一実施例で示すように、撮像手段を十字状に配設されたラインセンサで構成すれば、光学像内における干渉縞の強度分布情報のうち直交する２軸方向のみの強度分布情報を含む情報を撮像手段から演算処理手段に出力できる。このため、演算処理手段において、最小限の強度分布情報のみを用いるため、情報量を削減して情報の処理時間を短縮し迅速に接触部の変位位置を算出できる。

本発明では、前記支持手段は、前記基準反射手段および前記測定子の重心位置にて前記測定子を変位可能に支持することが好ましい。
本発明によれば、支持手段が基準反射手段を含む測定子の重心位置にて測定子を変位可能に支持するので、自重により測定子の姿勢が変更されることがない。このため、例えば、変位センサを種々の姿勢で用いた場合であっても、接触部の変位が測定子の自重による姿勢変更の影響を受けることがなく被測定物への接触による変位のみとなり、接触部の変位位置を高精度に検出できる。

以下、本発明の実施の一形態を図面に基づいて説明する。
図１は、変位センサとしての接触プローブ１００の全体構成を示す断面図である。
なお、図１では、説明の便宜上、紙面上下方向をＺ軸とし、該Ｚ軸に直交する２軸を、Ｘ軸（紙面左右方向）、Ｙ軸（紙面垂直方向）とする。
接触プローブ１００は、例えば、図７に示す形状測定装置１０の接触プローブ１１として用いることができ、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の変位位置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２１１とを備える。そして、測定子２００に変位がない初期状態では、スタイラス２１０の軸線がＺ軸に略平行な状態となるように設定されている。
なお、以下では、前記初期状態においてスタイラス２１０の軸線の延長線を中心線Ａと記載する。

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を支持する支持プレート（支持手段）３２０と、測定子２００の変位位置を検出する変位位置検出手段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および変位位置検出手段４００を収納配置する。

支持プレート３２０は、弾性体から構成される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は、ハウジング部３１０の円筒軸と中心線Ａとが略一致するように、中心位置にて測定子２００を支持固定する。
図２は、支持プレート３２０の構造の一例を示す平面図である。
この支持プレート３２０としては、例えば、図２に示すような弾性体である薄板ばね等を採用できる。具体的に、この支持プレート３２０は、３本の切込み線３２１を有し、３本の切込み線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。そして、３本の切込み線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。切込み線３２１の部分において支持プレート３２０がＺ軸方向に変位可能となり、測定子２００がこの支持プレート３２０の中心に形成された孔３２４に取り付けられることにより測定子２００が三次元的に変位可能に支持される。
また、本実施形態では、支持プレート３２０は、変位位置検出手段４００を構成する後述する反射ミラー４１０を含めた測定子２００の重心位置にて測定子２００を変位可能に支持する。

変位位置検出手段４００は、測定子２００の変位に応じて変位する反射ミラー（基準反射手段）４１０と、ハウジング部３１０内部に固定される参照反射板（参照反射手段）４２０と、反射ミラー４１０および参照反射板４２０に向けて光束を照射する照明光学系４３０と、反射ミラー４１０および参照反射板４２０からの各反射光が重ね合わされた光学像を撮像する撮像光学系４４０と、撮像光学系４４０にて撮像された画像に基づいて接触部２１１の変位位置を算出する演算処理手段４５０とを備える。

反射ミラー４１０は、入射光束を反射する基準反射面４１１を有する平板部材で構成され、基準反射面４１１がスタイラス２１０の軸線に略直交するようにスタイラス２１０の基端に取り付けられている。すなわち、反射ミラー４１０は、測定子２００の変位に応じて基準反射面４１１の角度が変化する。そして、前記初期状態では、基準反射面４１１がＸＹ平面に略平行な状態となる。

参照反射板４２０は、入射光束の一部を反射し他を透過する平板部材で構成され、照明光学系４３０から射出され反射ミラー４１０に至る光束の光路中において照明光学系４３０および反射ミラー４１０の間に配設される。すなわち、照明光学系４３０から射出された光束の一部が参照反射板４２０の参照反射面４２１にて反射され、参照反射板４２０を透過した光束が反射ミラー４１０に到達する。そして、参照反射板４２０は、入射光束の一部を反射する参照反射面４２１がＸＹ平面に略平行な状態で、周端部がハウジング部３１０に固定される。

照明光学系４３０は、光束を射出する光源（光束射出手段）４３１と、光源４３１からの光束を参照反射板４２０および反射ミラー４１０に向けて反射するビームスプリッタ４３２と、ビームスプリッタ４３２からの光束をＺ軸に略平行化して照射するコリメートレンズ４３３とを備える。

光源４３１は、ハウジング部３１０内部に固定されており、中心線Ａから外れた位置において中心線Ａに直交する向きへ光束を射出する。なお、この光源４３１としては、特に限定されず、基準反射面４１１と参照反射面４２１からの反射光間の光路長差よりも可干渉距離が長い光源であれば、いずれの光源でも構わない。逆に、光路長差を短くする光学配置を採用することで可干渉距離の長い短いを問わず、発光ダイオードや有機ＥＬ(Electro Luminescence)素子、シリコン発光素子等の各種自己発光素子や、レーザ光を射出するレーザ光源といった多くの光源を採用することができる。
ビームスプリッタ４３２は、中心線Ａ上に配設され、光源４３１からの光束を参照反射板４２０および反射ミラー４１０に向けて反射するとともに、参照反射板４２０および反射ミラー４１０からの各反射光を透過させる。
コリメートレンズ４３３は、中心線Ａ上でビームスプリッタ４３２および参照反射板４２０の間に配設されている。

撮像光学系４４０は、撮像素子（撮像手段）４４１と、参照反射板４２０および反射ミラー４１０からの各反射光が重ね合わされた光学像を撮像素子４４１の撮像面４４１Ａ上に結像する結像レンズ４４２とを備える。
図３は、撮像面４４１Ａ上に結像した光学像Ｆの一例を示す図である。
所定の間隔を空けて配置された参照反射板４２０および反射ミラー４１０にてそれぞれ反射された各反射光が重ね合わされることで、参照反射板４２０および反射ミラー４１０の光路差に応じて、光学像Ｆには、干渉縞ＩＦが生じる。
撮像素子４４１は、参照反射板４２０および反射ミラー４１０にてそれぞれ反射された各反射光の該撮像素子４４１への入射方向に直交する平面（ＸＹ平面、撮像面４４１Ａ）内で、中心線Ａに一致する位置Ｏから互いに直交する方向に延出する十字状に配設されたラインセンサで構成されている。撮像素子４４１の十字形状の各延出方向は、上述したＸ軸方向およびＹ軸方向に一致する。そして、撮像素子４４１は、撮像面４４１Ａ上の光学像を撮像して電気信号を演算処理手段４５０に出力する。

演算処理手段４５０は、図示しないメモリに記憶された所定のプログラムにしたがって所定の処理を実行する演算処理回路を含んで構成されている。
ところで、接触部２１１が被測定物に接触し測定子２００の姿勢が変化すると、測定子２００の変位に応じて参照反射面４２１に対する基準反射面４１１の相対位置が変位（参照反射面４２１および基準反射面４１１間の光路差が変化）し、上述した干渉縞ＩＦの移動や干渉縞ＩＦの縞数の変化等、干渉縞ＩＦに変化が生じる。そして、演算処理手段４５０は、撮像素子４４１からの電気信号に基づいて、干渉縞ＩＦの変化を認識し、基準反射面４１１の変位位置、すなわち、接触部２１１の変位位置を算出する。より具体的には、演算処理手段４５０は、撮像素子４４１からの電気信号に基づいて、干渉縞ＩＦの位相に関する位相情報を抽出し、該位相情報の変化に基づいて基準反射面４１１の変位位置、すなわち、接触部２１１の変位位置を算出する。
本実施形態では、演算処理手段４５０は、位相情報を電子位相シフトモアレ法に基づく方法にて抽出する。

次に、演算処理手段４５０の動作を説明する。
図４は、演算処理手段４５０による接触部２１１の変位位置を算出する処理動作を示すフローチャートである。
図５は、基準反射面４１１の姿勢の変化と接触部２１１の位置の変化を説明するための図である。具体的に、図５（Ａ）は、参照反射板４２０、反射ミラー４１０、および測定子２００を模式的に示した図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）における測定子２００の先端部分を拡大した図である。なお、図５において、破線は、測定子２００および反射ミラー４１０の初期状態を示し、実線が測定子２００および反射ミラー４１０の変位した状態を示している。
先ず、演算処理手段４５０は、撮像素子４４１からの電気信号に基づいて、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の干渉縞ＩＦの強度分布を認識する（ステップＳ１）。
具体的に、Ｘ軸方向の干渉縞ＩＦの強度分布Ｉ(x)（強度分布情報）は、以下の式（１）で表される。

Ｉ(x)＝Ａ(x)＋Ｂ(x)cos[2π/λ{(α_θy＋κ_θy)x＋ｈ(x)＋s＋t}]・・・・・・・・（１）

同様に、Ｙ軸方向の干渉縞ＩＦの強度分布I(y)（強度分布情報）は、以下の式（２）で表される。

Ｉ(y)＝Ａ(y)＋Ｂ(y)cos[2π/λ{(α_θx＋κ_θx)y＋ｈ(y)＋s＋t}]・・・・・・・・（２）

式（１）、（２）において、Ａ(x)、Ａ(y)は、光源４３１の照度ムラや参照反射面４２１および基準反射面４１１の反射率分布等に依存するＸ軸方向およびＹ軸方向でのバイアス強度成分である。Ｂ(x)、Ｂ(y)は、上記同様の理由などで生じるＸ軸方向およびＹ軸方向での干渉縞の振幅強度成分である。λは、光源４３１から射出される光の波長である。α_θxは、測定子２００の変位に応じて生じる基準反射面４１１の初期状態からのＸ軸回りの角度変化であり、α_θyは、測定子２００の変位に応じて生じる基準反射面４１１の初期状態からのＹ軸回りの角度変化である。κ_θxは、初期状態での基準反射面４１１の参照反射面４２１からの相対的なＸ軸回りの傾斜角度であり、κ_θyは、初期状態での基準反射面４１１の参照反射面４２１からの相対的なＹ軸回りの傾斜角度である。ｈ(x)、ｈ(y)は、基準反射面４１１の参照反射面４２１に対する相対的なＸ軸方向およびＹ軸方向の形状である。sは、基準反射面４１１の初期状態におけるＺ軸方向の位置、すなわち、接触部２１１の初期状態におけるＺ軸方向の位置である。tは、基準反射面４１１の初期状態からのＺ軸方向の変位量、すなわち、接触部２１１の初期状態からのＺ軸方向の変位量である。

そして、演算処理手段４５０は、以下の処理において、基準反射面４１１の変位を示す式（１）、（２）におけるα_θx、α_θy、ｔの値を演算処理して算出する。
先ず、式（１）に基づいて、α_θy、ｔの値を算出する処理動作を説明する。
ここで、式（１）を簡略化するために、ω＝(α_θy＋κ_θy)／λ、ｇ(x)＝ｈ(x)＋s＋tとして、式（１）を以下の式（３）に置き換える。

Ｉ(x)＝Ａ(x)＋Ｂ(x)cos[2π{ωx＋ｇ(x)}]・・・・・・・・（３）

ステップＳ１の後、演算処理手段４５０は、式（３）で示した干渉縞ＩＦのＸ軸方向の強度分布情報に対して、以下の式（４）に示す参照信号（参照情報）Ｉ_{ref i}(x)を乗算して以下の式（５）に示すモアレ縞のＸ軸方向の強度分布（強度分布情報）Ｉ(x)Ｉ_{ref i}(x)を生成する（ステップＳ２）。

Ｉ_{ref i}(x)＝Ｃcos[2πω_refx＋φ_i]・・・・・・・・（４）

Ｉ(x)Ｉ_{ref i}(x)＝Ａ(x)Ｃcos[2πω_refx＋φ_i]
＋Ｂ(x)cos[2π{ωx＋ｇ(x)}]cos[2πω_refx＋φ_i]
＝Ａ(x)Ｃcos[2πω_refx＋φ_i]
＋(Ｂ(x)Ｃ／２)・cos[2π{(ω＋ω_ref)x＋ｇ(x)}＋φ_i]
＋(Ｂ(x)Ｃ／２)・cos[2π{(ω−ω_ref)x＋ｇ(x)}−φ_i]・・・・・・（５）

ステップＳ２の後、演算処理手段４５０は、式（５）のモアレ縞のＸ軸方向の強度分布情報に対して、所定の周波数以上の高周波成分（式（５）の第１項、第２項）を除去する低域通過フィルタリング処理を実施し、以下の式（６）に示すモアレ縞のＸ軸方向の強度分布（強度分布情報）Ｉ_i ^´(x)を生成する（ステップＳ３）。

Ｉ_i ^´(x)＝ｕ(x)cos[2π{(ω−ω_ref)x＋ｇ(x)}−φ_i]・・・・・・（６）

なお、式（６）において、ｕ(x)＝Ｂ(x)Ｃ／２である。
ステップＳ３の後、演算処理手段４５０は、式（６）に基づいて、干渉縞ＩＦのＸ軸方向の位相に関する位相情報Φ(x)を抽出する（ステップＳ４）。
具体的に、演算処理手段４５０は、式（６）において参照情報の位相φ_iを０、π／２、π、３π／２として、位相が９０度ずつシフトした４つのモアレ縞のＸ軸方向の強度分布情報Ｉ₁ ^´、Ｉ₂ ^´、Ｉ₃ ^´、Ｉ₄ ^´を生成する。

そして、演算処理手段４５０は、生成した強度分布情報Ｉ₁ ^´、Ｉ₂ ^´、Ｉ₃ ^´、Ｉ₄ ^´に基づいて以下の式（７）に示すアンラップ処理を施して干渉縞ＩＦのＸ軸方向の位相に関する位相情報Φ(x)を抽出する。

Φ(x)＝tan^-1[(Ｉ₂ ^´−Ｉ₄ ^´)／(Ｉ₁ ^´−Ｉ₃ ^´)]
＝2π{(ω−ω_ref)x＋ｇ(x)}・・・・・・（７）

ステップＳ４の後、演算処理手段４５０は、初期状態での干渉縞ＩＦのＸ軸方向の位相に関する初期位相情報（設定位相情報）Φ_ori(x)に対する位相情報Φ(x)の変化量に関する変化量情報ΔΦ(x)を生成する（ステップＳ５）。
ここで、位相情報Φ(x)は、上述したように置き換えたωおよびｇ(x)を元に戻すと、以下の式（８）で表される。

Φ(x)＝2π{((α_θy＋κ_θy)／λ−ω_ref)x＋ｈ(x)＋s＋t}・・・・・・（８）

また、初期状態での干渉縞ＩＦのＸ軸方向の位相に関する初期位相情報（設定位相情報）Φ_ori(x)は、式（８）において、基準反射面４１１の変位を示すα_θy、ｔを除いたものとなり、以下の式（９）で表される。

Φ_ori(x) ＝2π{(κ_θy／λ−ω_ref)x＋ｈ(x)＋s}・・・・・・（９）

そして、演算処理手段４５０は、式（８）、（９）に基づいて、以下の式（１０）に示すように、変化量情報ΔΦ(x)を生成する。

ΔΦ(x)＝Φ(x)−Φ_ori(x)
＝2π{(α_θy／λ)x＋t}・・・・・・（１０）

ステップＳ５の後、演算処理手段４５０は、生成した変化量情報ΔΦ(x)に基づいて、接触部２１１の変位位置を算出する（ステップＳ６）。
具体的に、演算処理手段４５０は、ステップＳ５において生成したＸ軸方向の位置に応じた変化量情報ΔΦ(x)の数値データに対して、最小二乗法等の近似処理を実施することで以下の式(１１)に示す一次関数を算出する。

ΔΦ(x)＝ax＋b・・・・・・（１１）

そして、演算処理手段４５０は、式（１０）、（１１）を比較することで、以下の式（１２）、（１３）に示すように、基準反射面４１１の初期状態からのＹ軸回りの角度変化量α_θyおよび基準反射面４１１の初期状態からのＺ軸方向の変位量tを算出する。

α_θy＝(λ／(２π))a・・・・・・（１２）

t＝b／(２π)・・・・・・（１３）

同様に、演算処理手段４５０は、式（２）に示すＹ軸方向の干渉縞ＩＦの強度分布Ｉ(y)に対しても、上述した式（３）〜（１１）に示したものと同様の手順により、基準反射面４１１の初期状態からのＸ軸回りの角度変化量α_θyを算出する。

ここで、測定子２００の中心線Ａ方向の長さ寸法をＬとした場合には、α_θx、α_θy、tを用いて、以下の式（１４）〜（１６）にて接触部２１１の初期状態からのＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向の各変位量ｍ_x、ｍ_y、ｍ_zを表すことができる。なお、以下の式（１４）、（１５）では、α_θx、α_θyが十分に小さい値であるものとして展開している。

ｍ_x＝Ｌsin(α_θy)＝Ｌα_θy・・・・・・（１４）

ｍ_y＝Ｌsin(α_θx)＝Ｌα_θx・・・・・・（１５）

ｍ_z＝t・・・・・・（１６）

そして、演算処理手段４５０は、算出したα_θx、α_θy、tを式（１４）〜（１６）に代入することで、初期状態からの接触部２１１の変位量ｍ_x、ｍ_y、ｍ_zを算出し、すなわち、接触部２１１の変位位置を算出する。

上述した実施形態によれば、以下の効果がある。
（１）支持プレート３２０が弾性体から構成され測定子２００を三次元的に変位可能に支持するので、従来の３つの移動機構により測定子を三次元的に変位可能に支持する構成と比較して、可動部である支持プレート３２０を単体で構成でき、支持プレート３２０の構造の簡素化を図れかつ、軽量化を図れる。このため、測定子２００を被測定物に沿って高速に移動させた場合であっても、測定子２００を被測定物の形状に沿って高速に変位させることができ、被測定物の形状を迅速に測定できる。

（２）反射ミラー４１０がスタイラス２１０に取り付けられ、反射ミラー４１０、参照反射板４２０、光源４３１、撮像素子４４１、および演算処理手段４５０により、基準反射面４１１の変位位置（接触部２１１の変位位置）を光学的に直接、検出するので、従来のように測定機構が移動機構の変位位置を検出する構成と比較して、接触部２１１の変位位置を高精度に検出できる。また、従来のように各測定機構にＬＶＤＴ機構を採用した構成と比較して、構造の簡素化を図れ、センサ本体部３００の軽量化を図れる。

（３）演算処理手段４５０が干渉縞ＩＦの位相の変化量（変化量情報）に基づいて接触部２１１の変位位置を算出するので、簡単な演算処理で高精度かつ迅速に接触部２１１の変位位置を算出できる。

（４）光源４３１から反射ミラー４１０に至る光束の光路上（中心線Ａ上）に参照反射板４２０が配設されているので、例えば参照反射板４２０を光源４３１から射出され、反射ミラー４１０に至る光束の光路とは異なる光路上に配設する構成と比較して、光源４３１から射出される光束の光路を１つのみ形成すればよく、センサ本体部３００の小型化を図れる。

（５）撮像素子４４１が十字状に配設されたラインセンサで構成された場合には、光学像Ｆ内における干渉縞ＩＦの強度分布情報のうち直交する２軸方向のみの強度分布情報Ｉ(x)、Ｉ(y)を含む情報を撮像素子４４１から演算処理手段４５０に出力できる。このため、演算処理手段４５０において、最小限の強度分布情報Ｉ(x)、Ｉ(y)のみを用いることができ、情報量を削減して情報の処理時間を短縮し迅速に接触部２１１の変位位置を算出できる。

（６）支持プレート３２０は、反射ミラー４１０を含めた測定子２００の重心位置にて測定子２００を変位可能に支持するので、自重により測定子２００の姿勢が変更されることがない。このため、例えば、接触プローブ１００を種々の姿勢で用いた場合であっても、接触部２１１の変位が測定子２００の自重による姿勢変更の影響を受けることがなく被測定物への接触による変位のみとなり、接触部２１１の変位位置を高精度に検出できる。

なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、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ものである。
前記実施形態では、演算処理手段４５０は、電子位相シフトモアレ法に基づく方法（ステップＳ２〜Ｓ６）により、接触部２１１の変位位置を算出していたが、干渉縞ＩＦの強度分布に関する強度分布情報Ｉ(x)、Ｉ(y)に基づいて接触部２１１の変位位置を算出すれば、その他のいずれの方法を採用しても構わない。
例えば、演算処理手段４５０は、位相情報を電子位相シフトモアレ法に基づく方法により抽出していたが、これに限らず、位相シフト法やフーリエ変換法等の他の方法により位相情報を抽出する構成を採用してもよい。
また、例えば、強度分布情報Ｉ(x)、Ｉ(y)において、初期状態および測定子２００の変位時でのＸ軸方向およびＹ軸方向での干渉縞の振幅強度成分Ｂ(x)、Ｂ(y)の変化を検出し、該変化に基づいて接触部２１１の変位位置を算出する方法を採用してもよい。

前記実施形態において、ハウジング部３１０内部における参照反射板４２０、照明光学系４３０、および撮像光学系４４０の配置位置は、前記実施形態で説明した配置位置に限らず、その他の配置位置を採用してもよい。
例えば、前記実施形態で説明した配置位置に対して、光源４３１の配置位置と、撮像光学系４４０の配置位置とを逆の配置位置にした構成を採用してもよい。
また、例えば、前記実施形態で説明した配置位置に対して、参照反射板４２０の配置位置を、ビームスプリッタ４３２を挟んで光源４３１の配置位置に対向する配置位置にした構成を採用してもよい。

図６は、前記実施形態の変形例を示す図である。
前記実施形態では、撮像素子４４１は、撮像面４４１Ａ上に十字状に配設されたラインセンサで構成されていたが、これに限らず、例えば、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)やＭＯＳ(Metal Oxide Semiconductor)センサ等を採用し、図６に示すように、撮像面４４１Ａ上の略矩形領域ＲＡや干渉縞の全領域Ｆを撮像する構成を採用してもよい。

前記実施形態では、基準反射手段としての反射ミラー４１０は、基準反射面４１１がスタイラス２１０の軸線に略直交するようにスタイラス２１０の基端に取り付けられていたが、これに限らず、測定子２００の変位に応じて変位可能に測定子２００に一体的に設けられていれば、いずれの位置に取り付けても構わない。

本発明を実施するための最良の構成などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想及び目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
したがって、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

本発明は、可動部の構造の簡素化および軽量化を図れかつ、接触部の変位位置を高精度に検出できるため、変位センサ、例えば、座標測定機などのプローブで、特に測定対象面を連続的に測定する倣いプローブとして利用できる。

本発明の実施形態に係る変位センサとしての接触プローブの全体構成を示す断面図。 前記実施形態における支持プレートの構造の一例を示す平面図。 前記実施形態における撮像面上に結像した光学像の一例を示す図。 前記実施形態における演算処理手段による接触部の変位位置を算出する処理動作を示すフローチャート。 前記実施形態における基準反射面の姿勢の変化と接触部の位置の変化を説明するための図。 前記実施形態の変形例を示す図。 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。

符号の説明

１００・・・接触プローブ（変位センサ）
２００・・・測定子
２１１・・・接触部
３００・・・センサ本体部
３２０・・・支持プレート（支持手段）
４１０・・・反射ミラー（基準反射手段）
４１１・・・基準反射面
４２０・・・参照反射板（参照反射手段）
４２１・・・参照反射面
４３１・・・光源（光束射出手段）
４４１・・・撮像素子（撮像手段）
４４１Ａ・・・撮像面
４５０・・・演算処理手段
Ｆ・・・光学像
ＩＦ・・・干渉縞。

Claims (5)

1. 被測定物に接触する接触部を有する測定子と、前記測定子を変位可能に支持するとともに前記接触部の変位位置を検出するセンサ本体部とを備え、
   前記センサ本体部は、
   前記測定子を変位可能に支持する支持手段と、
   前記測定子に取り付けられ、入射した光束の少なくとも一部を反射可能とする基準反射面を有する基準反射手段と、
   所定位置に固定され、入射した光束の少なくとも一部を反射可能とする参照反射面を有する参照反射手段と、
   前記基準反射面および前記参照反射面に向けて光束を射出する光束射出手段と、
   前記基準反射面および前記参照反射面にてそれぞれ反射され撮像面上に重ね合わされた光学像を撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段にて撮像された光学像に基づいて前記基準反射面および前記参照反射面からの各反射光が重ね合わされることで生じる干渉縞の強度分布に関する強度分布情報を認識し、前記強度分布情報に基づいて前記接触部の変位位置を算出する演算処理手段とを備えていることを特徴とする変位センサ。
2. 請求項１に記載の変位センサにおいて、
   前記演算処理手段は、前記強度分布情報に基づいて前記干渉縞の位相に関する位相情報を抽出し、予め設定された前記干渉縞の位相に関する設定位相情報と前記位相情報とを比較して位相の変化量に関する変化量情報を生成し、前記変化量情報に基づいて前記接触部の変位位置を算出することを特徴とする変位センサ。
3. 請求項１または請求項２に記載の変位センサにおいて、
   前記参照反射手段は、入射した光束の一部を反射し他の光束を透過する部材で構成され、前記光束射出手段から射出され前記基準反射手段に至る光束の光路上で前記基準反射手段の光路前段側に配設されていることを特徴とする変位センサ。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の変位センサにおいて、
   前記撮像手段は、前記基準反射面および前記参照反射面にてそれぞれ反射された光束の前記撮像手段への入射方向に直交する平面内で所定位置から互いに直交する方向に延出する十字状に配設されたラインセンサで構成されていることを特徴とする変位センサ。
5. 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、前記基準反射手段および前記測定子の重心位置にて前記測定子を変位可能に支持することを特徴とする変位センサ。

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