JP3071907B2 - 非接触タッチプローブ - Google Patents
非接触タッチプローブInfo
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- JP3071907B2 JP3071907B2 JP3298542A JP29854291A JP3071907B2 JP 3071907 B2 JP3071907 B2 JP 3071907B2 JP 3298542 A JP3298542 A JP 3298542A JP 29854291 A JP29854291 A JP 29854291A JP 3071907 B2 JP3071907 B2 JP 3071907B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、合焦点方式の非接触タ
ッチプローブに係り、特に、高精度の変位計、粗さ計、
オートフォーカスの検出器として用いるのに好適な、プ
ローブが測定面に接近しているときにのみタッチ信号を
発生することが可能な非接触タッチプローブに関するも
のである。
ッチプローブに係り、特に、高精度の変位計、粗さ計、
オートフォーカスの検出器として用いるのに好適な、プ
ローブが測定面に接近しているときにのみタッチ信号を
発生することが可能な非接触タッチプローブに関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】例えば、三次元測定機のタッチプローブ
として、接触式及び非接触式プローブが用いられてい
る。
として、接触式及び非接触式プローブが用いられてい
る。
【０００３】前記非接触タッチプローブでは、遠点より
プローブを測定面に近づけていき、測定面がプローブの
焦点位置となったときにタッチ信号を発生させ、このタ
ッチ信号が発生したときのプローブ位置をエンコーダに
よって読取って、相対位置を求めている。プローブは、
焦点位置を通過した測定面に接触しない範囲内で止めら
れ、次の測定のため、遠点方向に移動する。
プローブを測定面に近づけていき、測定面がプローブの
焦点位置となったときにタッチ信号を発生させ、このタ
ッチ信号が発生したときのプローブ位置をエンコーダに
よって読取って、相対位置を求めている。プローブは、
焦点位置を通過した測定面に接触しない範囲内で止めら
れ、次の測定のため、遠点方向に移動する。
【０００４】例えば、出願人が特願平２−１３０９６１
で提案した光学式変位計においては、光ビームを照射す
るプローブが測定面に接近するにつれて、対物レンズの
焦点位置の直前では負の値となり、焦点位置では零とな
り、焦点位置の直後では正の値となるＳカーブ信号を発
生する非接触タッチプローブが用いられている。
で提案した光学式変位計においては、光ビームを照射す
るプローブが測定面に接近するにつれて、対物レンズの
焦点位置の直前では負の値となり、焦点位置では零とな
り、焦点位置の直後では正の値となるＳカーブ信号を発
生する非接触タッチプローブが用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
非接触タッチプローブでは、プローブが測定面に接近す
るときだけでなく、焦点位置通過後、次の測定のために
遠点方向に移動する際にも、再び焦点位置を通過するた
め、往復でタッチ信号が発生してしまう。
非接触タッチプローブでは、プローブが測定面に接近す
るときだけでなく、焦点位置通過後、次の測定のために
遠点方向に移動する際にも、再び焦点位置を通過するた
め、往復でタッチ信号が発生してしまう。
【０００６】従って、従来は、ソフトウエア上で判別し
ていたが、この方法では、ソフトウエアの負担が増加
し、又、判別のための時間がかかるという問題点を有し
ていた。
ていたが、この方法では、ソフトウエアの負担が増加
し、又、判別のための時間がかかるという問題点を有し
ていた。
【０００７】本発明は、前記従来の問題点を解消するべ
くなされたもので、簡単な回路により、プローブが遠方
から測定面に接近して焦点位置に到達したときのみタッ
チ信号を発生させ、逆に近点から遠点に離れる際にはタ
ッチ信号を発生させないようにした非接触タッチプロー
ブを提供することを目的とする。
くなされたもので、簡単な回路により、プローブが遠方
から測定面に接近して焦点位置に到達したときのみタッ
チ信号を発生させ、逆に近点から遠点に離れる際にはタ
ッチ信号を発生させないようにした非接触タッチプロー
ブを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、光ビームを照
射するプローブが測定面に接近するにつれて、対物レン
ズの焦点位置の直前では第１の値となり、焦点位置では
第２の値となり、焦点位置の直後では前記第２の値に関
して前記第１の値と反対側の第３の値となるＳカーブ信
号を発生する合焦点方式の非接触タッチプローブにおい
て、前記Ｓカーブ信号を前記第２の値と比較するコンパ
レータを備え、該コンパレータの出力が、プローブが測
定面に接近している時の方向に変化した時に、タッチ信
号を発生するようにして、前記目的を達成したものであ
る。
射するプローブが測定面に接近するにつれて、対物レン
ズの焦点位置の直前では第１の値となり、焦点位置では
第２の値となり、焦点位置の直後では前記第２の値に関
して前記第１の値と反対側の第３の値となるＳカーブ信
号を発生する合焦点方式の非接触タッチプローブにおい
て、前記Ｓカーブ信号を前記第２の値と比較するコンパ
レータを備え、該コンパレータの出力が、プローブが測
定面に接近している時の方向に変化した時に、タッチ信
号を発生するようにして、前記目的を達成したものであ
る。
【０００９】又、前記第２の値を零とし、前記コンパレ
ータを零クロスコンパレータとしたものである。
ータを零クロスコンパレータとしたものである。
【００１０】
【作用】本発明は、光ビームを照射するプローブが測定
面に接近するにつれて、対物レンズの焦点位置の直前で
は第１の値（例えば負値）となり、焦点位置では第２の
値（例えば零）となり、焦点位置の直後では前記第２の
値に関して前記第１の値と反対側の第３の値（例えば正
値）となるＳカーブ信号を、前記第２の値と比較するコ
ンパレータに通したとき、遠点から近点に近づくとき
と、近点から遠点に離れるときでは、該コンパレータの
出力の変化方向が異なる（例えば前記の場合には遠点か
ら近点に近づく方向で立上がり信号が、近点から遠点に
離れる方向では立下がり信号が得られる）を利用したも
のである。
面に接近するにつれて、対物レンズの焦点位置の直前で
は第１の値（例えば負値）となり、焦点位置では第２の
値（例えば零）となり、焦点位置の直後では前記第２の
値に関して前記第１の値と反対側の第３の値（例えば正
値）となるＳカーブ信号を、前記第２の値と比較するコ
ンパレータに通したとき、遠点から近点に近づくとき
と、近点から遠点に離れるときでは、該コンパレータの
出力の変化方向が異なる（例えば前記の場合には遠点か
ら近点に近づく方向で立上がり信号が、近点から遠点に
離れる方向では立下がり信号が得られる）を利用したも
のである。
【００１１】従って、前記コンパレータの出力の変化方
向を考慮することによって、プローブが測定面に接近し
ているときにのみタッチ信号が発生するようにできる。
向を考慮することによって、プローブが測定面に接近し
ているときにのみタッチ信号が発生するようにできる。
【００１２】
【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳
細に説明する。
細に説明する。
【００１３】本実施例は、本発明を、出願人が特願平２
−１３０９６１で提案した非接触タッチプローブに適用
したもので、図１に示す如く、光源としての半導体レー
ザ（ＬＤ）１０と、該半導体レーザ１０から放射された
光を平行ビームとするためのコリメータレンズ１２と、
該コリメータレンズ１２によって平行光線化された光ビ
ーム１４を測定面１６に向けて反射するための偏光ビー
ムスプリッタ（ＰＢＳ）１８と、該偏光ビームスプリッ
タ１８により進行方向を変えられた光ビーム１４を測定
面１６に集光して光スポット２２を形成するための対物
レンズ２０と、測定面１６による散乱反射光が半導体レ
ーザ１０に戻らないようにすると共に、偏光ビームスプ
リッタ１８との組合わせで、ハーフミラーを用いた場合
よりも効率を高めるための１／４波長板２４と、前記偏
光ビームスプリッタ１８を通過した反射光を結像するた
めの結像レンズ２６と、該結像レンズ２６を通過した光
を分割するためのビームスプリッタ２８と、該ビームス
プリッタ２８により分割された各反射光の合焦位置より
も前及び後にそれぞれ配置された、２つの絞り（ピンホ
ール）３０Ａ、３０Ｂと、各絞り３０Ａ、３０Ｂを通過
した反射光の光量をそれぞれ検出するための、２つの受
光素子（例えばホトダイオード）３２Ａ、３２Ｂと、各
受光素子３２Ａ、３２Ｂの出力電流を電圧に変換するた
めの電流−電圧（Ｉ−Ｖ）変換器３４Ａ、３４Ｂと、各
Ｉ−Ｖ変換器３４Ａ、３４の出力電圧を増幅するための
増幅器３６Ａ、３６Ｂと、該増幅器３６Ａと３６Ｂの出
力の差信号（図２参照）を演算する差演算器３８と、前
記増幅器３６Ａと３６Ｂの出力の和信号（図２参照）を
演算する和演算器４０と、前記差演算器３８出力の差信
号を和演算器４０出力の和信号で割ってＳカーブ信号
（図２参照）とするための除算器４２と、前記和演算器
４０出力の和信号を設定値Ｖref と比較して、焦点位置
近傍でのみオンとなるゲート信号を発生するためのゲー
ト用コンパレータ４４と、前記除算器４２出力のＳカー
ブ信号を零と比較して、零クロス信号（図２参照）を発
生するための方向判定用零クロスコンパレータ４６と、
該零クロスコンパレータ４６出力の零クロス信号が、前
記ゲート用コンパレータ４４出力のゲート信号が零レベ
ルである焦点位置近傍において零レベルから１レベルへ
立上がったときにのみタッチ信号を発生するためのモノ
マルチバイブレータ４８とから構成されている。
−１３０９６１で提案した非接触タッチプローブに適用
したもので、図１に示す如く、光源としての半導体レー
ザ（ＬＤ）１０と、該半導体レーザ１０から放射された
光を平行ビームとするためのコリメータレンズ１２と、
該コリメータレンズ１２によって平行光線化された光ビ
ーム１４を測定面１６に向けて反射するための偏光ビー
ムスプリッタ（ＰＢＳ）１８と、該偏光ビームスプリッ
タ１８により進行方向を変えられた光ビーム１４を測定
面１６に集光して光スポット２２を形成するための対物
レンズ２０と、測定面１６による散乱反射光が半導体レ
ーザ１０に戻らないようにすると共に、偏光ビームスプ
リッタ１８との組合わせで、ハーフミラーを用いた場合
よりも効率を高めるための１／４波長板２４と、前記偏
光ビームスプリッタ１８を通過した反射光を結像するた
めの結像レンズ２６と、該結像レンズ２６を通過した光
を分割するためのビームスプリッタ２８と、該ビームス
プリッタ２８により分割された各反射光の合焦位置より
も前及び後にそれぞれ配置された、２つの絞り（ピンホ
ール）３０Ａ、３０Ｂと、各絞り３０Ａ、３０Ｂを通過
した反射光の光量をそれぞれ検出するための、２つの受
光素子（例えばホトダイオード）３２Ａ、３２Ｂと、各
受光素子３２Ａ、３２Ｂの出力電流を電圧に変換するた
めの電流−電圧（Ｉ−Ｖ）変換器３４Ａ、３４Ｂと、各
Ｉ−Ｖ変換器３４Ａ、３４の出力電圧を増幅するための
増幅器３６Ａ、３６Ｂと、該増幅器３６Ａと３６Ｂの出
力の差信号（図２参照）を演算する差演算器３８と、前
記増幅器３６Ａと３６Ｂの出力の和信号（図２参照）を
演算する和演算器４０と、前記差演算器３８出力の差信
号を和演算器４０出力の和信号で割ってＳカーブ信号
（図２参照）とするための除算器４２と、前記和演算器
４０出力の和信号を設定値Ｖref と比較して、焦点位置
近傍でのみオンとなるゲート信号を発生するためのゲー
ト用コンパレータ４４と、前記除算器４２出力のＳカー
ブ信号を零と比較して、零クロス信号（図２参照）を発
生するための方向判定用零クロスコンパレータ４６と、
該零クロスコンパレータ４６出力の零クロス信号が、前
記ゲート用コンパレータ４４出力のゲート信号が零レベ
ルである焦点位置近傍において零レベルから１レベルへ
立上がったときにのみタッチ信号を発生するためのモノ
マルチバイブレータ４８とから構成されている。
【００１４】以下実施例の作用を説明する。
【００１５】今、反射光量をＱ0 とすると、ビームスプ
リッタ２８の透過側（前ピン側）及び反射側（後ピン
側）には、それぞれ（１／２）Ｑ0 の光量が向う。図３
に示す如く、前ピン側の絞り３０Ａの位置におけるレー
ザビームの半径をw a 、後ピン側の絞り３０Ｂの位置で
のレーザビームの半径をw b とし（但しレーザビームの
半径は、強度分布の１／e 2とする）、絞りの半径をr
とすると、絞りを通過する光量Ｑa （前ピン側）、Ｑb
（後ピン側）は、それぞれ次式で表わされる。
リッタ２８の透過側（前ピン側）及び反射側（後ピン
側）には、それぞれ（１／２）Ｑ0 の光量が向う。図３
に示す如く、前ピン側の絞り３０Ａの位置におけるレー
ザビームの半径をw a 、後ピン側の絞り３０Ｂの位置で
のレーザビームの半径をw b とし（但しレーザビームの
半径は、強度分布の１／e 2とする）、絞りの半径をr
とすると、絞りを通過する光量Ｑa （前ピン側）、Ｑb
（後ピン側）は、それぞれ次式で表わされる。
【００１６】 Ｑa ＝（１／２）Ｑ0 ×［１− exp｛−２（r ／wa）2 ｝］ …（１）
【００１７】 Ｑb ＝（１／２）Ｑ0 ×［１− exp｛−２（r ／wb）2 ｝］ …（２）
【００１８】従って、Ｓカーブ信号は、次式で表わされ
る。
る。
【００１９】 Ｓ＝（Ｑb −Ｑa ）／（Ｑb ＋Ｑa ） ＝［ exp｛−２（r ／wa）2 ｝− exp｛−２（r ／wb）2 ｝］ ／［２− exp｛−２（r ／wa）2 ｝− exp｛−２（r ／wb）2 ）｝］ …（３）
【００２０】この（３）式から明らかなように、Ｓカー
ブ信号は反射光量Ｑ0と無関係となる。
ブ信号は反射光量Ｑ0と無関係となる。
【００２１】今、各受光素子３２Ａ、３２Ｂの出力が、
それぞれ図２に示す如くであったとすると、その時に得
られるＳカーブ信号は、図２に示す如く、従来とほぼ同
様のＳ字状カーブとなり、測定面の変位に応じたＳカー
ブ信号を得ることができる。
それぞれ図２に示す如くであったとすると、その時に得
られるＳカーブ信号は、図２に示す如く、従来とほぼ同
様のＳ字状カーブとなり、測定面の変位に応じたＳカー
ブ信号を得ることができる。
【００２２】本実施例においては、増幅器３６Ａのゲイ
ンＫを可変としているので、対物レンズ２０のピント位
置で簡単にＳカーブ信号を０に調整することができる。
このようにゲインＫが前ピン側の反射光量Ｑa に乗ぜら
れている場合のＳカーブ信号は、次式に示す如くとな
る。
ンＫを可変としているので、対物レンズ２０のピント位
置で簡単にＳカーブ信号を０に調整することができる。
このようにゲインＫが前ピン側の反射光量Ｑa に乗ぜら
れている場合のＳカーブ信号は、次式に示す如くとな
る。
【００２３】 Ｓ＝（Ｑb −Ｋ・Ｑa ）／（Ｑb ＋Ｋ・Ｑa ） …（４）
【００２４】この場合でも、（３）式と同様に、Ｓカー
ブ信号は反射光量Ｑ0と無関係である。
ブ信号は反射光量Ｑ0と無関係である。
【００２５】又、前記Ｓカーブ信号を零と比較する零ク
ロスコンパレータ４６の出力は、プローブが遠点から近
点に近づく際には、焦点位置で立上がり、逆に近点から
遠点へ離れる場合には焦点位置で立下がる。
ロスコンパレータ４６の出力は、プローブが遠点から近
点に近づく際には、焦点位置で立上がり、逆に近点から
遠点へ離れる場合には焦点位置で立下がる。
【００２６】前記モノマルチバイブレータ４８は、ゲー
ト用コンパレータ４４出力のゲート信号が零レベルとな
る焦点位置近傍において、零クロス信号の立上がりのみ
を捉えてタッチ信号を発生するので、プローブが遠点か
ら近点に近づいたときのみタッチ信号が発生され、逆
に、近点から遠点へ離れた場合には、零クロス信号が立
下がるため、タッチ信号は発生されない。
ト用コンパレータ４４出力のゲート信号が零レベルとな
る焦点位置近傍において、零クロス信号の立上がりのみ
を捉えてタッチ信号を発生するので、プローブが遠点か
ら近点に近づいたときのみタッチ信号が発生され、逆
に、近点から遠点へ離れた場合には、零クロス信号が立
下がるため、タッチ信号は発生されない。
【００２７】本実施例においては、Ｓカーブ信号が２つ
の絞り３０Ａ、３０Ｂと２つの受光素子３２Ａ、３２Ｂ
を用いて発生するようにされていたので、測定面性状や
鋭いエッジを持つ段差による回折像やレンズの収差等に
より、特定の受光面に強力なピーク光が入った場合で
も、その影響を小さくすることができる。なお、Ｓカー
ブ信号を発生する方法はこれに限定されない。
の絞り３０Ａ、３０Ｂと２つの受光素子３２Ａ、３２Ｂ
を用いて発生するようにされていたので、測定面性状や
鋭いエッジを持つ段差による回折像やレンズの収差等に
より、特定の受光面に強力なピーク光が入った場合で
も、その影響を小さくすることができる。なお、Ｓカー
ブ信号を発生する方法はこれに限定されない。
【００２８】又、本実施例においては、Ｓカーブ信号
が、焦点位置では零となり、対物レンズの焦点位置の直
前では負値となり、焦点位置の直後では正値となるよう
にされていたが、Ｓカーブ信号の変化状態及びレベルは
これに限定されない。例えば、実施例とは逆に、対物レ
ンズの焦点位置の直前では正値となり、焦点位置の直後
では負値となるものであってもよい。又、焦点位置で零
でなく、特定のオフセット値を採るものであってもよ
い。
が、焦点位置では零となり、対物レンズの焦点位置の直
前では負値となり、焦点位置の直後では正値となるよう
にされていたが、Ｓカーブ信号の変化状態及びレベルは
これに限定されない。例えば、実施例とは逆に、対物レ
ンズの焦点位置の直前では正値となり、焦点位置の直後
では負値となるものであってもよい。又、焦点位置で零
でなく、特定のオフセット値を採るものであってもよ
い。
【００２９】又、前記実施例においては、ビームスプリ
ッタ２８が、結像レンズ２６と絞り３０Ａ、３０Ｂの間
に配設されていたが、ビームスプリッタ２８の配設位置
はこれに限定されず、結像レンズ２６（２枚必要とな
る）と偏光ビームスプリッタ１８の間に設けてもよい。
ッタ２８が、結像レンズ２６と絞り３０Ａ、３０Ｂの間
に配設されていたが、ビームスプリッタ２８の配設位置
はこれに限定されず、結像レンズ２６（２枚必要とな
る）と偏光ビームスプリッタ１８の間に設けてもよい。
【００３０】又、偏光ビームスプリッタ１８の代わりに
ハーフミラーを用いてもよい。
ハーフミラーを用いてもよい。
【００３１】
【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、ソ
フトウエアに依ることなく、簡単な回路で、プローブが
遠方から測定面に近づく方向の焦点位置でのみタッチ信
号を発生させ、逆に近点から遠点に遠ざかる方向ではタ
ッチ信号の発生を防止することができる。
フトウエアに依ることなく、簡単な回路で、プローブが
遠方から測定面に近づく方向の焦点位置でのみタッチ信
号を発生させ、逆に近点から遠点に遠ざかる方向ではタ
ッチ信号の発生を防止することができる。
【００３２】従って、ソフトウエアに余計な負担を与え
ることなく、又、判別のために時間がかかることもな
い。
ることなく、又、判別のために時間がかかることもな
い。
【図１】図１は、本発明に係る非接触タッチプローブの
実施例の全体構成を示す、一部光路図を含むブロック線
図である。
実施例の全体構成を示す、一部光路図を含むブロック線
図である。
【図２】図２は、前記実施例における各部信号波形の例
を示す線図である。
を示す線図である。
【図３】図３は、前記実施例における絞りを通過する光
ビームの光量を示す線図である。
ビームの光量を示す線図である。
【符号の説明】 １０…半導体レーザ、 １２…コリメータレンズ、 １４…光ビーム、 １６…測定面、 １８…偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、 ２０…対物レンズ、 ２２…光スポット、 ２６…結像レンズ、 ２８…ビームスプリッタ、 ３０Ａ、３０Ｂ…絞り、 ３２Ａ、３２Ｂ…受光素子、 ３８…差演算器、 ４０…和演算器、 ４２…除算器、 ４４…ゲート用コンパレータ、 ４６…零クロスコンパレータ、 ４８…モノマルチバイブレータ。
フロントページの続き (72)発明者 馬場 哲郎 神奈川県川崎市高津区坂戸165番地 株 式会社ミツトヨ 開発研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−148909（ＪＰ，Ａ) 特表 平２−501958（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 102 G01C 3/00 - 3/32
Claims (2)
- 【請求項１】光ビームを照射するプローブが測定面に接
近するにつれて、対物レンズの焦点位置の直前では第１
の値となり、焦点位置では第２の値となり、焦点位置の
直後では前記第２の値に関して前記第１の値と反対側の
第３の値となるＳカーブ信号を発生する合焦点方式の非
接触タッチプローブにおいて、 前記Ｓカーブ信号を前記第２の値と比較するコンパレー
タを備え、 該コンパレータの出力が、プローブが測定面に接近して
いる時の方向に変化した時に、タッチ信号を発生するよ
うにしたことを特徴とする非接触タッチプローブ。 - 【請求項２】請求項１において、 前記第２の値を零とし、 前記コンパレータを零クロスコンパレータとしたことを
特徴とする非接触タッチプローブ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3298542A JP3071907B2 (ja) | 1991-10-17 | 1991-10-17 | 非接触タッチプローブ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3298542A JP3071907B2 (ja) | 1991-10-17 | 1991-10-17 | 非接触タッチプローブ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05107058A JPH05107058A (ja) | 1993-04-27 |
| JP3071907B2 true JP3071907B2 (ja) | 2000-07-31 |
Family
ID=17861079
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3298542A Expired - Fee Related JP3071907B2 (ja) | 1991-10-17 | 1991-10-17 | 非接触タッチプローブ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3071907B2 (ja) |
-
1991
- 1991-10-17 JP JP3298542A patent/JP3071907B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05107058A (ja) | 1993-04-27 |
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