JP2007155401A - 変位センサおよび形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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を提供する。
【解決手段】測定子２００と、測定子２００を支持するセンサ本体部３００と、を備える。センサ本体部３００は、光源４２１と、受光光学系４３０と、光束シフト手段６００と、を備える。受光光学系４３０は、光を受光して受光信号を出力する光センサ４４０と、光センサ４４０の前段に配設されたスリットプレート４５０と、を備える。光束シフト手段６００は、測定子とともに変位する反射ミラー４１０と、反射ミラー４１０と受光光学系４３０との間に配設された集光レンズ４２３と、を備える。スリットプレート４５０は、４本のスリット４５１〜４５４を有する。光センサ４４０は、４つの受光部４４１〜４４４に分割され、受光部４４１〜４４４ごとに各スリット４５１〜４５４を通過した光を受光して受光信号を出力する。
【選択図】図１

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および形状測定装置に関する。

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１５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１６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、スタイラス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の三次元的変位を検出する。
このような複数の光源を備えてスタイラス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。

特開２０００−３９３０２号公報 特開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、複数の光源を使用するところ、光源は熱源となるので複数の熱源による熱膨張によって接触プローブの検出精度が低下するという問題が生じる。
また、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。
そして、複数の光源および複数の光センサを使用するので部品コストが増大し、組立コストも高価であった。

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、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、光を発射する光発射手段と、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およびこの光センサの前段に配設されたスリットプレートを有する受光光学系と、前記測定子の変位に応じて前記受光光学系に入射する光束の中心位置および光束の光束径の少なくともいずれか一方を変化させる光束シフト手段と、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演算処理部と、を備え、前記スリットプレートと前記光センサとは光の入射方向からの視認において互いの中心点を一致させて配設され、前記スリットプレートは、前記スリットプレートの中心点を点対称の中心として放射方向に複数設けられたスリットを有し、前記光センサは、中心点を点対称の中心とする放射方向に沿った複数の分割線によって複数の受光部に分割されて、かつ、前記スリットを通過した光を前記受光部ごとに受光して受光量に応じた受光信号を出力することを特徴とする。

このような構成において、光発射手段から発射される光は受光光学系にて受光される。受光光学系では、スリットを通過する光が光センサにて受光される。スリットはスリットプレートにおいて放射状に複数設けられ、また、複数の分割線によって光センサが複数の受光部に分割されており、各スリットを通過した光が各受光部で受光される。
ここで、測定子が変位すると、この測定子の変位に応じて光発射手段からの光が光束シフト手段によってシフトされ、受光光学系に入射する光束の中心位置および光束径の両方または一方が変化する。すなわち、光束シフト手段にて中心位置および光束径の少なくともいずれか一方が変化した状態で光がスリットプレートに入射する。すると、光束の中心位置や光束径の変化により各スリットを通過する光の量が異なってくる。各スリットを通過する光の量が異なってくることにより、光センサの受光部で受光する受光光量も異なってくる。

例えば、測定子の変位に応じて光束シフト手段により光束が＋ｘ方向にシフトされた場合、スリットプレートの＋ｘ方向側に位置するスリットを通過する光量は多くなり、逆に−ｘ方向側に位置するスリットを通過する光量は少なくなる。そのため、光センサの＋ｘ方向側に位置する分割領域では受光量が多くなり、逆に−ｘ方向側に位置する分割領域では受光光量が少なくなる。あるいは、測定子の変位に応じて光束シフト手段により光束の径が絞られると、スリットプレートにて遮蔽される光が少なくなり、スリットを通過する光量が多くなって、光センサにて受光される光量が多くなる。そして、光センサの各受光部が受光した光量に応じて各受光部から受光信号が出力される。受光信号は演算処理部にて演算処理され、測定子の変位量および変位方向が求められる。

このような構成によれば、光源となる光発射手段は一つであり、従来のごとく複数の光源を使用しないので、光源による発熱の影響を少なくして測定子の変位を検出する精度を向上させることができる。また、従来、測定子等の変位を検出するためのその他の構成としては、例えば、３つのリニアエンコーダを３次元的に組み合わせる構成などがあるが、このような構成に比べて本発明はスリットと光センサとの簡易な構成によって測定子の３次元的変位を検出するので、構成部品を非常に少なくして簡易な構成とすることができる。その結果、本発明の変位センサを非常に小型化し、かつ、部品コストや組立コストを非常に低減することができる。

なお、スリットの本数や光センサの分割数などは特に限定されない。

本発明では、一のスリットが隣接する他のスリットとなす角は９０°であることが好ましい。

このような構成によれば、スリットプレートの中心から十字状に４つのスリットが設けられる。そして、例えば、この４つのスリットに対応して光センサが十字線によって４つの受光部に分割される。このとき、光センサの十字の分割線を例えば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束の中心位置の変化を二次元直交座標系において算出することができる。さらに、測定子の変位に応じて光束シフト手段により光束径が変化されたことを光センサの受光光量の総和に基づいて検出することにより、ｘ軸ｙ軸に直交するｚ軸方向の変位の変位を検出することができ、あわせて測定子の三次元的変位を求めることができる。

本発明では、前記一のスリットが隣接する他のスリットとなす角は１０°以下であることが好ましい。

このような構成において、スリットが非常に細かく設けられ、そして、例えば、これらスリットに対応して、光センサが各スリットを通過する光を受光する複数の受光部に分割される。測定子の変位に応じて光束シフト手段により光束の中心位置が変位する場合、光束のシフト方向に位置するスリットを通過する光量が多くなるので、光束のシフト方向に位置する光センサの受光部において受光する光量が多くなる。

このとき、スリットおよび光センサの受光部は隣接するスリットあるいは受光部と１０°以下の角をなす程度に細密に設けられているので、受光光量が増大した光センサの受光部を特定し、さらに受光光量の増分を特定すれば、複雑な演算を要することなく光束の変化方向および変化量を特定することができる。
その結果、簡便に測定子の変位方向および変位量を求めることができる。

なお、スリットプレートに設けられるスリットと光センサの受光部とが一対一に対応している必要はない。例えば、スリットプレートに非常に細かく多くのスリットを設けた場合に、光センサが４分割されていてもよい。このような構成においても、スリットを通過する光量とスリットプレートで反射される光量との比率が中心から遠ざかるにつれて変わっていくので、光センサの各受光部でスリットを通過してくる光の量を検出することにより、測定子の変位量を求めることができる。

本発明では、前記光束シフト手段は、前記測定子の変位に応じて変位し前記光発射手段からの光を反射または屈折させる光学素子と、前記光学素子と前記受光光学系との間に配設された集光レンズと、を備えることが好ましい。

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か、あるいは光学素子の変位により光学素子と集光レンズとの距離が変化する。そして、光学素子からの光は集光レンズを介して受光光学系に入射して受光される。

このような構成によれば、測定子の変位に応じた光学素子の変位により光の反射方向あるいは屈折方向が変化すると、受光光学系に入射する光束の中心位置が変位する。
また、測定子の変位に応じた光学素子の変位により光学素子と集光レンズとの距離が変化すると、集光レンズによる光の結像位置が変わってくるので、受光光学系に入射する光束の径が変化する。すなわち、測定子の変位に応じて光学素子を変位させることにより、受光光学系に入射する光束の中心位置および光束径を変化させることができる。そして、この光束の中心位置の変化および光束径の変化を光センサにて検出することにより、測定子の三次元的変位を検出することができる。

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集光レンズを介して受光光学系に入射することにより、測定子の変位に応じて受光光学系に入射する光束の中心位置および光束径が変化する。

本発明では、前記スリットプレートは、前記光束シフト手段と前記受光光学系とを結ぶ光軸に沿って変位可能に設けられ、前記スリットプレートと前記集光レンズとの間の距離が調整可能であることが好ましい。

このような構成において、スリットプレートと集光レンズとの距離を調整することにより、スリットプレートに入射する際の光束の径の大きさを調整することができる。スリットプレートに入射する際の光束の径が調整されることにより、スリットプレートにて遮蔽される光の量とスリットを通過する光の量との割合が調整される。そして、スリットプレートの位置を調整してスリットプレートに入射する光束径を調整することで、集光レンズと光学素子との距離の変化に対し、スリットを通過する光量の変化率を大きくすることができる。すなわち、スリットプレートの位置を調整することにより、集光レンズと光学素子との距離の変化に対する受光信号の変化率を大きくして、測定子の変位を高感度で検出することができる。

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の中心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。

本発明では、前記光発射手段は、発射する光の強度を所定の周波数で変動させ、前記演算処理手段は、前記光センサからの受光信号を復調することが好ましい。

本発明では、前記光発射手段は、発射する光の強度を所定の周波数ｆで変動させるとともに、さらに前記周波数ｆを周期的に時間変動する周波数Δｆ（ｔ）によって変動させ、前記演算処理手段は、前記光センサからの受光信号を復調することが好ましい。

このような構成において、例えば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、光発射手段からの光の強度を所定周波数で変動させるとともに演算処理手段において光センサからの受光信号を復調させることにより、受光信号に重畳する外乱ノイズ等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、この点、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。

本発明の形状測定装置は、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の基端側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。そして、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。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。

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受光光学系４３０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演算処理部５００と、を備える。
反射ミラー４１０、照射光学系４２０および受光光学系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の角度が変化する。

照射光学系４２０は、光を発射する光源（光発射手段）４２１と、光源４２１からの光を反射ミラー４１０に向けて反射するハーフミラー４２２と、ハーフミラー４２２からの光を反射ミラー４１０の面上に集光させる集光レンズ４２３と、を備える。

光源４２１は、ハウジング部３１０内に固定されており、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を発射する。ハーフミラー４２２は、中心線Ａ上に配設され、光源４２１からの光を反射ミラー４１０に向けて反射するとともに、さらに、反射ミラー４１０からの反射光は透過させる。集光レンズ４２３は、ハーフミラー４２２と反射ミラー４１０との間に配設されている。なお、集光レンズ４２３は、ハウジング部３１０内に配設された中仕切り板３１３によってその位置が固定されている。

受光光学系４３０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光センサ４４０と、光センサ４４０と反射ミラー４１０との間に配設されて反射ミラー４１０からの反射光のうち光センサ４４０に入射する光を制限するスリット４５１〜４５４を有するスリットプレート４５０と、を備える。

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。スリットプレート４５０は、集光レンズ４２３と光センサ４４０との間において中心線Ａに沿って変位可能に配設されている。

図５は、スリットプレート４５０を示す図である。
スリット４５１〜４５４は、４本が十字状に刻まれており、第１スリット４５１が−１３５°方向に設けられ、第２スリット４５２が＋４５°方向に設けられ、第３スリット４５３が−４５°方向に設けられ、第４スリット４５４が−１３５°方向に刻まれている。すなわち、スリット４５１〜４５４は、光センサ４４０の分割線４４５と立体的に交差する関係にある。

演算処理部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、この反射ミラー４１０からの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。

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の変位量および変位方向を検出する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に測定子２００の変位量および変位方向を検出する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。

光源４２１から発射される光は、ハーフミラー４２２および集光レンズ４２３を介して反射ミラー４１０に照射されて反射ミラー４１０により反射されているところ、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から集光レンズ４２３を通った光は、測定子２００が基準位置に位置するときよりも集光レンズ４２３側で結像し、この結像位置から広がってスリットプレート４５０に入射する。
すなわち、スリットプレート４５０に入射する際の光束径ｒ_ｚは、測定子２００が基準位置に位置するときの光束径ｒ_０よりも大きくなる（図７参照）。

ここに、反射ミラー４１０と集光レンズ４２３とにより、測定子２００の変位に応じて受光光学系４３０に入射する光束の光束径を変化させる光束シフト手段６００が構成される。

スリットプレート４５０に入射した光のうちスリット４５１〜４５４を通過した光は、光センサ４４０にて受光される（図８参照）。
つまり、第１スリット４５１を通過した光は、第１受光部４４１にて受光され、第２スリット４５２を通過した光は第２受光部４４２にて受光され、第３スリット４５３を通過した光は第３受光部４４３にて受光され、第４スリット４５４を通過した光は第４受光部４４４にて受光される。

第１から第４受光部４４１〜４４４に光が入射すると第１から第４受光部４４１〜４４４より受光量に応じた受光信号が出力され、演算処理部５００に入力される。
そして、演算処理部５００において受光信号に基づく演算処理が行われて測定子２００の変位が算出される。

演算処理部５００における受光信号に基づく演算について簡単に説明する。
上記の説明のように測定子２００が＋ｚ方向に変位してスリットプレート４５０に入射する光束の径ｒが大きくなったときに光センサ４４０（第１から第４受光部４４１〜４４４）より出力される受光信号の総和をＩｚとすると、測定子２００が＋ｚ方向に移動することによる受光信号の変化分ΔＩｚは次のように表される。
なお、測定子２００が基準状態に位置するときに光センサ４４０から出力される受光信号の総和をＩ_０とする。

ΔＩ_ｚ＝（Ｉ_ｚ−Ｉ_０）／Ｉ_０・・・・・・（１）

この受光信号の変化分ΔＩｚに基づいて測定子２００のｚ方向変位が算出される。

次に、図９を参照して、測定子２００が＋ｘ方向に変位する場合に測定子２００の変位量および変位方向を検出する動作について説明する。
図９は、接触部２２０が＋ｘ方向に変位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４２１から発射される光は、ハーフミラー４２２および集光レンズ４２３を介して反射ミラー４１０に照射されて反射ミラー４１０により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−ｘ方向に変位する。すると、反射ミラー４１０から集光レンズ４２３を通った光は、測定子２００が基準位置に位置するときよりも−ｘ側で結像し、この結像位置から広がって＋ｘ側にシフトしてスリットプレート４５０に入射する。すなわち、スリットプレート４５０に入射する際の光束Ｌｘは、測定子２００が基準位置に位置するときの光束Ｌ_０よりも＋ｘ側にシフトする（図１０参照）。

ここに、反射ミラー４１０と集光レンズ４２３とにより、測定子２００の変位に応じて受光光学系４３０に入射する光束の中心位置を変化させる光束シフト手段６００が構成される。

スリットプレート４５０に入射した光のうちスリット４５１〜４５４を通過した光は、光センサ４４０にて受光される（図１１参照）。つまり、第１スリット４５１を通過した光は、第１受光部４４１にて受光され、第２スリット４５２を通過した光は第２受光部４４２にて受光され、第３スリット４５３を通過した光は第３受光部４４３にて受光され、第４スリット４５４を通過した光は第４受光部４４４にて受光される。

第１から第４受光部４４１〜４４４に光が入射すると第１から第４受光部４４１〜４４４より受光量に応じた受光信号が出力され、演算処理部５００に入力される。そして、演算処理部５００において受光信号に基づく演算処理が行われて測定子２００の変位が算出される。

演算処理部５００における受光信号に基づく演算について簡単に説明する。
上記の説明のように測定子２００が＋ｘ方向に変位してスリットプレート４５０に入射する光束が＋ｘ方向にシフトしたとき各受光部４４１〜４４４から出力される受光信号を次のように表す。すなわち、第１受光部４４１から出力される受光信号をI_１、第２受光部４４２から出力される受光信号をI_２、第３受光部４４３から出力される受光信号をI_３、第４受光部４４４から出力される受光信号をI_４とする。
なお、第１から第４受光部４４１〜４４４より出力される受光信号の総和Ｉ（＝Ｉ_１＋Ｉ_２＋Ｉ_３＋Ｉ_４）は、測定子２００が基準状態に位置するときに光センサ４４０から出力される受光信号の総和Ｉ_０に等しい。
ここで、ｘ方向信号Ｉ_ｘと、ｙ方向信号Ｉ_ｙとを次のように定義する。

Ｉ_ｘ＝（Ｉ_２+Ｉ_３）−（Ｉ_１+Ｉ_４）

Ｉ_ｙ＝（Ｉ_１+Ｉ_２）−（Ｉ_３＋Ｉ_４）

すると、光センサ４４０上における受光像の中心位置（ｘ_ｃ、ｙ_ｃ）の変化量（Δｘ_ｃ、Δｙ_ｃ）は、ｘ方向信号Ｉ_ｘおよびｙ方向信号Ｉ_ｙにより次のように表される。

Δｘ_ｃ＝ｒ_０×Ｉ_ｘ／Ｉ_０・・・・・・（２）

Δｙ_ｃ＝ｒ_０×Ｉ_ｘ／Ｉ_０・・・・・・（３）

演算処理部５００は、上記式（１）から式（３）によってΔＩ_ｚ、Δｘ_ｃ、Δｙ_ｃを算出し、さらに、集光レンズ４２３、スリットプレート４５０および光センサ４４０の配置および光学特性、測定子２００の形状や剛性等に基づいて、接触部２２０の変位方向および変位量を算出する。

なお、接触部２２０が−ｘ方向、±ｙ方向に変位する場合も＋ｘ方向に変位する場合と同様にして測定子２００の変位を検出する。

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。
（１）本実施形態の接触プローブ１００では、光発射手段である光源４２１が一つであって、従来のごとく複数の光源４２１を使用しないので、光源４２１による発熱の影響を少なくして測定子２００の変位を検出する精度を向上させることができる。また、測定子２００等の変位を検出するためのその他の構成としては、例えば、３つのリニアエンコーダを３次元的に組み合わせる構成などがあるが、このような構成に比べて、本実施形態では、スリット４５１〜４５４と光センサ４４０との簡易な構成によって測定子２００の３次元的変位を検出するので、構成部品を非常に少なくして簡易な構成とすることができる。その結果、接触プローブ１００を非常に小型化できるとともに部品コストや組立コストを非常に低減することができる。特に、測定子２００、支持プレート３２０、反射ミラー４１０は簡易な構成であるので、シリコンエッチングやマイクロ放電加工によりマイクロパーツ化が可能であるので、接触プローブ１００を極めて小型化することができる。

（２）スリット４５１〜４５４が放射状であって異方性がないので、測定子２００の変位に応じて光束シフト手段６００（反射ミラー４１０、集光レンズ４２３）により光束の中心位置が二次元的にどの方向に移動した場合でも、スリット４５１〜４５４を通過する光を光センサ４４０で受光して光束の中心位置（ｘ_ｃ、ｙ_ｃ）の変位を等しく検出することができる。さらに、測定子２００の変位に応じて光束シフト手段６００により光束の径が変化した場合、スリット４５１〜４５４を通過する光量の増減を光センサ４４０にて検出することにより光束径の変化を検出することができる。よって、測定子２００の三次元的変位に対応して光束シフト手段６００（反射ミラー４１０、集光レンズ４２３）により光束の中心位置および光束径が変化されると、この変化を光センサ４４０にて検出し、測定子２００の三次元変位を求めることができる。

（３）スリットプレート４５０の中心から十字状に４つのスリット４５１〜４５４が設けられ、４つのスリット４５１〜４５４に対応して光センサ４４０が分割線４４５によって４つの受光部４４１〜４４４に分割されているので、光センサ４４０の十字の分割線４４５をｘ軸とｙ軸に対応させることにより、４つの受光部４４１〜４４４から出力される受光信号の変化に基づいて光束の中心位置の変化を二次元直交座標系において算出することができる。

（４）スリット４５１〜４５４を光センサ４４０の前段に設けているので、反射ミラー４１０からの光束径が変化したことを光センサ４４０によって検出することができる。すなわち、スリット４５１〜４５４が無ければ、光束径が変化しても光センサ４４０に入射する光量は同じであるところ、スリット４５１〜４５４を光センサ４４０の前段に配設することにより、光束径と光センサ４４０に入射する光量とを負の相関関係で変化させることができる。よって、光束径の変化を受光信号から検出することにより測定子２００のｚ方向変位を検出することができる。
なお、スリットプレート４５０上における光束の半径ｒ_０と、スリット４５１〜４５４の幅ｄ（ｄ／２＜ｒ_０）と、第１から第４受光部４４１〜４４４より出力される受光信号の総和Ｉ_０との関係を具体的に式として表せば次のようになる。
ここで、Ｉ_Ｔは、スリット４５１〜４５４が無い状態における光センサ４４０からの受光信号の総和を表す。

（５）スリットプレート４５０が変位可能に設けられているので、集光レンズ４２３とスリットプレート４５０との距離を調整して、スリットプレート４５０上における光束の径（ｒ）を変化させることができる。
例えば、上記の式（５）により、光束の半径ｒ_０を小さくするようにすれば、測定子２００がｚ方向に変位した際に光束径ｒ_０が変化することによる受光信号の変化分ΔＩ_ｚが大きくなる。よって、測定子２００のｚ方向変位に対する検出感度を向上させることができる。

（６）支持プレート３２０を介して測定子２００に反射ミラー４１０を付設し、集光レンズ４２３を介して反射ミラー４１０からの光を受光光学系４３０に入射させるので、測定子２００のｘまたはｙ方向変位に応じた反射ミラー４１０の傾斜により光の反射方向が変化すると、受光光学系４３０に入射する光束の中心位置が変位する。また、測定子２００のｚ方向変位に応じた反射ミラー４１０の変位により反射ミラー４１０と集光レンズ４２３との距離が変化すると、集光レンズ４２３による光の結像位置が変わってくるので、受光光学系４３０に入射する光束の径が変化する。すなわち、反射ミラー４１０が測定子２００の変位に応じて変位することにより、受光光学系４３０に入射する光束の中心位置および光束径を変化させることができる。そして、この光束の中心位置および光束径の変化を光センサ４４０にて検出して測定子２００の変位量および変位方向を求めることができる。

（７）複数の切込み線３２１を有することにより支持プレート３２０は弾性板バネとして作用し、この支持プレート３２０にて測定子２００に基準位置へ復帰する付勢力を付与しつつ変位可能に支持することができる。そして、切込み線３２１が支持プレート３２０の中心Ｃ_１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２００に異方性を与えることなく、任意の方向から測定子２００を変位させた場合でも同一の応力に対する測定子２００の変位量を同じにすることができる。

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。
例えば、上記実施形態では、スリットプレート４５０には十字状のスリット４５１〜４５４が設けられる場合を例にして説明したが、例えば、図１２に示すように、スリットプレート４６０にスリット４６１を細密に設けてもよい。そして、このスリットプレート４６０のスリット４６１を通過してきた光を前記光センサ４４０で受光し、第１から第４受光部４４１〜４４４での受光量に基づいて測定子の変位を算出してもよい。 あるいは、上記のようにスリット４６１が細密に設けられたスリットプレート４６０を用いる場合に、図１３に示されるように、図１２のスリット４６１に対応して光センサ４７０の受光部４７１を細密に設け、各スリット４６１を通過する光を対応する各受光部４７１にて受光するようにしてもよい。このような構成において、光束がシフトする方向では受光部４７１の受光光量が多くなるので、受光光量が増大した受光部４７１を特定しさらに受光光量の増分を特定すれば、複雑な演算を要することなく光束の変化方向および変化量を特定することができる。なお、光センサ４７０に代えてＣＣＤを用い、ＣＣＤからの受光信号を処理するソフトウェア上において、受光信号を出力するＣＣＤ素子を特定して図１３に示される光センサ４７０と同様の出力を得るようにしてもよい。

あるいは、光束径が変化したときにスリット４５１〜４５４を通過する光量が大きく変化するように、例えば図１４に示すように、スリット４５１〜４５４の幅が中心部では広く、かつ、末端に向けて狭くなるようにスリット４５１〜４５４を設けてもよい。このような構成によれば、光束のシフトに対して光センサ４４０からの受光信号の変化が大きくなるので、測定子２００の変位を検出する感度を非常に高めることができ、検出分解能を向上させることができる。
なお、スリットの形状は限定されず、上記の他、光束径ｒの変化に対して光センサの受光光量がリニアに変化するようにしてもよい。

反射ミラー４１０としては、反射面４１１が平面形状であってもよく、あるいは、凸型曲面としてもよい。このように反射ミラー４１０の反射面４１１を凸型曲面とすると、反射ミラー４１０が微小に傾斜するだけで光の反射方向が大きく変化するので、ｘｙ方向の検出感度を向上させることができる。

光源（光発射手段）４２１は、光を発射するにあたって、発射する光の強度を所定の周波数で変動させてもよい。さらには、光源４２１は、発射する光の強度を所定の周波数ｆで変動させるとともに、さらに周波数ｆを周期的に時間変動する周波数Δｆ（ｔ）によって変動させてもよい。この場合、演算処理部５００は、光センサ４４０からの受光信号を所定の復調回路によって復調する。例えば、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、光源４２１からの光の強度を所定周波数で変動させるとともに演算処理部５００において光センサ４４０からの受光信号を復調させることにより、受光信号に重畳する外乱ノイズ等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、この点、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。

光学素子としては、反射ミラー４１０である場合を例にして説明したが、反射ミラー４１０に限らず、光を屈折させるプリズム等であってもよい。

本発明は、変位センサとしての接触プローブに利用できる。

第１実施形態において、接触プローブ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、支持プレートの上面図。 第１実施形態において、光センサを受光面側から見た図。 第１実施形態において、スリットプレートを示す図。 第１実施形態において、接触部が＋ｚ方向に変位した状態を示す図。 第１実施形態において、測定子が＋ｚ方向に変位した場合にスリットプレートに入射する光束を示す図。 第１実施形態において、測定子は＋ｚ方向に変位した場合に光センサに入射する光束を示す図。 第１実施形態において、接触部が＋ｘ方向に変位した状態を示す図。 第１実施形態において、測定子が＋ｘ方向に変位した場合にスリットプレートに入射する光束を示す図。 第１実施形態において、測定子が＋ｘ方向に変位した場合に光センサに入射する光束を示す図。 スリットプレートの変形例を示す図。 光センサの変形例を示す図。 スリットプレートの変形例を示す図。 従来技術として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、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、４００…変位検出手段、４１０…反射ミラー、４１１…反射面、４２０…照射光学系、４２１…光源（光発射手段）、４２２…ハーフミラー、４２３…集光レンズ、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、４５０…スリットプレート、４５１…第１スリット、４５２…第２スリット、４５３…第３スリット、４５４…第４スリット、４６０…スリットプレート、４６１…スリット、４７０…光センサ、４７１…受光部、５００…演算処理部、６００…光束シフト手段。

Claims (10)

1. 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、
   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、
   光を発射する光発射手段と、
   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およびこの光センサの前段に配設されたスリットプレートを有する受光光学系と、
   前記測定子の変位に応じて前記受光光学系に入射する光束の中心位置および光束の光束径の少なくともいずれか一方を変化させる光束シフト手段と、
   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演算処理部と、を備え、
   前記スリットプレートと前記光センサとは光の入射方向からの視認において互いの中心点を一致させて配設され、
   前記スリットプレートは、前記スリットプレートの中心点を点対称の中心として放射方向に複数設けられたスリットを有し、
   前記光センサは、中心点を点対称の中心とする放射方向に沿った複数の分割線によって複数の受光部に分割されて、かつ、前記スリットを通過した光を前記受光部ごとに受光して受光量に応じた受光信号を出力する
   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
   一のスリットが隣接する他のスリットとなす角は９０°である。
   ことを特徴とする変位センサ。
3. 請求項１に記載の変位センサにおいて、
   前記一のスリットが隣接する他のスリットとなす角は１０°以下である
   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、
   前記光束シフト手段は、
   前記測定子の変位に応じて変位し前記光発射手段からの光を反射または屈折させる光学素子と、
   前記光学素子と前記受光光学系との間に配設された集光レンズと、を備える
   ことを特徴とする変位センサ。
5. 請求項４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。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の変位センサにおいて、
   前記スリットプレートは、前記光束シフト手段と前記受光光学系とを結ぶ光軸に沿って変位可能に設けられ、前記スリットプレートと前記集光レンズとの間の距離が調整可能である
   ことを特徴とする変位センサ。
7. 請求項１から請求項６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の中心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。
8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載の変位センサにおいて、
   前記光発射手段は、発射する光の強度を所定の周波数で変動させ、
   前記演算処理手段は、前記光センサからの受光信号を復調する
   ことを特徴とする変位センサ。
9. 請求項７に記載の変位センサにおいて、
   前記光発射手段は、発射する光の強度を所定の周波数ｆで変動させるとともに、さらに前記周波数ｆを周期的に時間変動する周波数Δｆ（ｔ）によって変動させ、
   前記演算処理手段は、前記光センサからの受光信号を復調する
   ことを特徴とする変位センサ。
10. 請求項１から請求項９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。

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