JP4774269B2 - Displacement sensor - Google Patents
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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。 The present invention relates to a displacement sensor that detects a displacement position of a contact portion constituting a measuring element.
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)。
Conventionally, a measuring device that scans the surface of the object to be measured and measures the surface property or three-dimensional shape of the object to be measured is known, such as a roughness measuring machine, a contour shape measuring machine, a roundness measuring machine, and a three-dimensional measurement. The machine is known.
In such a measuring apparatus, a contact probe is used as a displacement sensor that detects the surface of the object to be measured based on the minute displacement of the contact part when the contact part contacts the surface of the object to be measured (see, for example, Patent Document 1). ).
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。
FIG. 7 shows the configuration of the
The
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。
Further, for example, the following configuration is known as a technique for detecting the displacement position of the
The sensor
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。
However, since the technique described in Patent Document 2 has a structure in which the stylus is moved by three moving mechanisms, the structure of the movable part (three moving mechanisms) for moving the stylus is complicated and the mass of the movable part is increased. Resulting in. For this reason, when the probe is moved at high speed along the object to be measured, it is difficult to displace the probe at high speed along the shape of the object to be measured, and the shape of the object to be measured is measured quickly. It is difficult.
In addition, since the displacement positions of the three moving mechanisms are detected by the three measuring mechanisms, the detection accuracy of the displacement position of the contact portion is greatly influenced by the manufacturing accuracy of the three moving mechanisms, and the displacement position of the contact portion is determined. It is difficult to detect with high accuracy.
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。 An object of the present invention is to provide a displacement sensor capable of simplifying and reducing the weight of the structure of the movable portion and detecting the displacement position of the contact portion with high accuracy.
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X軸方向、Y軸方向、およびZ軸方向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。 The displacement sensor of the present invention includes a measuring element having a contact portion that comes into contact with an object to be measured, and a sensor main body portion that supports the measuring element in a displaceable manner and detects a displacement position of the contact portion. The unit is fixed at a predetermined position, a support means for displacing the measuring element, a reference reflecting means attached to the measuring element and having a reference reflecting surface capable of reflecting at least a part of the incident light beam. A reference reflecting means having a reference reflecting surface capable of reflecting at least a part of the incident light flux, a light flux emitting means for emitting a light flux toward the reference reflecting surface and the reference reflecting surface, the reference reflecting surface and the reference reflecting surface. An imaging unit that captures an optical image that is reflected by the reference reflecting surface and superimposed on the imaging surface, and the reference reflecting surface and the reference based on the optical image captured by the imaging unit The intensity distribution information related to the intensity distribution of the interference fringes generated by the reflected light is superimposed from elevation plane confirmed, X-axis direction of the contact portion based on the intensity distribution information, Y-axis, and the Z-axis direction And an arithmetic processing means for calculating the displacement position.
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。 According to the present invention, since the measuring element is supported by the supporting means so as to be displaceable, the movable part (supporting means) is provided in comparison with a configuration in which the measuring element is supported by the three moving mechanisms so as to be displaceable. A single unit can be configured, the structure of the movable part can be simplified, and the weight can be reduced. For this reason, even when the probe is moved at high speed along the object to be measured, the probe can be displaced at high speed along the shape of the object to be measured, and the shape of the object to be measured can be quickly changed. It can be measured.
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X軸方向、Y軸方向、およびZ軸方向の変位位置(以下、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。
By the way, it is known that an interference fringe corresponding to the optical path difference is generated in an optical image obtained by superimposing the reflected lights from the reflecting surfaces arranged so as to have a predetermined optical path difference. The interference fringes depend on the optical path difference, and changing the optical path difference causes the interference fringes to move in a predetermined direction, change the number of fringes, or change the interference fringes. . For this reason, it is possible to detect the change in the optical path difference, that is, the relative position of each reflecting surface by recognizing the change in the interference fringes.
The sensor main body is composed of a support means, a standard reflection means, a reference reflection means, a light beam emission means, an imaging means, and an arithmetic processing means. Therefore, as shown below, the X-axis direction of the contact portion , Y The displacement position in the axial direction and the Z-axis direction (hereinafter, the displacement position of the contact portion) can be detected.
That is, a light beam is emitted from the light beam emitting means, and the standard reflection surface and the reference reflection surface are irradiated with the light beam.
Further, the imaging means picks up an optical image that is reflected by the standard reflecting surface and the reference reflecting surface and superimposed on the imaging surface.
Then, the arithmetic processing means recognizes intensity distribution information regarding the intensity distribution of the interference fringes generated by superimposing the reflected lights from the standard reflecting surface and the reference reflecting surface based on the optical image picked up by the image pickup means. . In addition, the arithmetic processing unit calculates a change in the relative position of the reference reflection surface and the reference reflection surface by detecting, for example, a change in the recognized intensity distribution information based on the recognized intensity distribution information. Here, the reference reflecting means is attached to the probe and is displaced according to the displacement of the probe. For this reason, the arithmetic processing means calculates the displacement position of the reference reflection surface, that is, the displacement position of the contact portion by calculating the change in the relative position of the reference reflection surface and the reference reflection surface.
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。 As described above, since the displacement position (displacement position of the contact portion) of the reference reflecting surface is directly detected optically, it is compared with the conventional configuration in which the measurement mechanism detects the displacement position of the moving mechanism. The displacement position of the part can be detected with high accuracy. In addition, the structure can be simplified and the sensor body can be reduced in weight compared to the conventional configuration in which the LVDT mechanism is adopted for each measurement mechanism.
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X軸方向、Y軸方向、およびZ軸方向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。
In the present invention, the arithmetic processing unit extracts phase information related to the phase of the interference fringes based on the intensity distribution information, and compares the preset phase information related to the phase of the interference fringes with the phase information. It is preferable to generate change amount information regarding the change amount of the phase and calculate the displacement position of the contact portion in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction based on the change amount information.
Here, the extraction method of the phase information by the arithmetic processing means is not particularly limited, and for example, any method such as a phase shift method and a Fourier transform method may be adopted.
According to the present invention, since the arithmetic processing means calculates the displacement position of the contact portion based on the amount of change in the phase of the interference fringes, the displacement position of the contact portion can be calculated with high accuracy and speed with a simple arithmetic processing.
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。
In the present invention, the reference reflecting means is constituted by a member that reflects a part of the incident light beam and transmits another light beam, and the reference beam is reflected on the optical path of the light beam emitted from the light beam emitting device and reaching the reference reflecting device. It is preferable that the reflector is disposed on the upstream side of the optical path.
By the way, regardless of the position of the reference reflecting means, interference fringes are generated in an optical image obtained by superimposing the reflected lights from the standard reflecting means and the reference reflecting means. For example, the reference reflecting means may be disposed on the optical path of the light beam emitted from the light beam emitting means and reaching the reference reflecting means, or the light beam emitted from the light beam emitting means and reached the reference reflecting means. You may arrange | position on the optical path different from an optical path. However, when the configuration in which the reference reflecting means is disposed on an optical path different from the optical path of the light beam emitted from the light beam detecting means and reaching the reference reflecting means, the optical path of the light beam emitted from the light beam emitting means is 2 It is necessary to form the sensor body, which may hinder downsizing of the sensor main body.
According to the present invention, the reference reflecting means is disposed on the optical path of the light beam emitted from the light beam emitting means and reaching the reference reflecting means. Therefore, if only one optical path of the light beam emitted from the light beam emitting means is formed. Well, the sensor body can be downsized.
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。
In the present invention, the imaging unit extends in a direction orthogonal to each other from a predetermined position in a plane orthogonal to the incident direction of the light flux respectively reflected on the reference reflecting surface and the reference reflecting surface to the imaging unit. It is preferable that the line sensor is arranged in a cross shape.
By the way, when calculating the displacement position of the reference reflection surface (displacement position of the contact portion) based on the interference fringe intensity distribution information, unlike the calculation method of the shape of the reference reflection surface, the interference fringe in the optical image is calculated. It is possible to calculate the displacement position of the contact portion based on the intensity distribution information only in two orthogonal directions among the intensity distribution information.
As shown in one embodiment of the present invention, if the imaging means is constituted by a line sensor arranged in a cross shape, intensity distribution information only in two orthogonal directions among the intensity distribution information of interference fringes in the optical image. Can be output from the imaging means to the arithmetic processing means. For this reason, since only the minimum intensity distribution information is used in the arithmetic processing means, the amount of information can be reduced, the information processing time can be shortened, and the displacement position of the contact portion can be calculated quickly.
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。
In this invention, it is preferable that the said support means supports the said measuring element so that a displacement is possible in the gravity center position of the said reference | standard reflection means and the said measuring element.
According to the present invention, since the supporting means supports the measuring element so as to be displaceable at the center of gravity of the measuring element including the reference reflecting means, the posture of the measuring element is not changed by its own weight. For this reason, for example, even when the displacement sensor is used in various postures, the displacement of the contact portion is not affected by the posture change due to the weight of the measuring element, and only the displacement due to the contact with the object to be measured. The displacement position of the contact portion can be detected with high accuracy.
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。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an overall configuration of a
In FIG. 1, for convenience of explanation, the vertical direction on the paper surface is the Z axis, and the two axes orthogonal to the Z axis are the X axis (left and right direction on the paper surface) and the Y axis (vertical direction on the paper surface).
The
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。
The measuring
Hereinafter, an extension line of the axis of the
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。
The sensor
The
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。
The
FIG. 2 is a plan view showing an example of the structure of the
As the
Further, in the present embodiment, the
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。
The displacement position detection means 400 includes a reflection mirror (standard reflection means) 410 that is displaced according to the displacement of the measuring
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。
The
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。
The
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。
The illumination
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。
The
The
The
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。
The imaging
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the optical image F formed on the
By superimposing the reflected lights respectively reflected by the
The
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。
The arithmetic processing means 450 includes an arithmetic processing circuit that executes predetermined processing in accordance with a predetermined program stored in a memory (not shown).
By the way, when the
In the present embodiment, the
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。
Next, the operation of the
FIG. 4 is a flowchart showing the processing operation for calculating the displacement position of the
FIG. 5 is a diagram for explaining a change in the posture of the
First, the
Specifically, the intensity distribution I (x) (intensity distribution information) of the interference fringe IF in the X-axis direction is expressed by the following equation (1).
I(x)=A(x)+B(x)cos[2π/λ{(αθy+κθy)x+h(x)+s+t}]・・・・・・・・(1) I (x) = A (x) + B (x) cos [2π / λ {( αθy + κθy ) 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。 Similarly, the intensity distribution I (y) (intensity distribution information) of the interference fringe IF in the Y-axis direction is expressed by the following equation (2).
I(y)=A(y)+B(y)cos[2π/λ{(αθx+κθx)y+h(y)+s+t}]・・・・・・・・(2) 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。αθx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、αθy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。κθx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、κθy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。
In equations (1) and (2), A (x) and A (y) are the X-axis direction and Y-axis depending on the illuminance unevenness of the
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αθx、αθy、tの値を演算処理して算出する。
先ず、式(1)に基づいて、αθy、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=(αθy+κθy)/λ、g(x)=h(x)+s+tとして、式(1)を以下の式(3)に置き換える。
Then, in the following processing, the arithmetic processing means 450 calculates and calculates the values of α θx , α θy , and t in the expressions (1) and (2) indicating the displacement of the
First, the processing operation for calculating the values of α θy and t will be described based on the equation (1).
Here, in order to simplify Equation (1), Equation (1) is replaced with Equation (3) below, assuming that ω = (α θy + κ θy ) / λ and g (x) = h (x) + s + t. .
I(x)=A(x)+B(x)cos[2π{ωx+g(x)}]・・・・・・・・(3) 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)Iref 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)Iref i(x)を生成する(ステップS2)。
After step S1, the
Iref i(x)=Ccos[2πωrefx+φi]・・・・・・・・(4) I ref i (x) = Ccos [2πω ref x + φ i ] (4)
I(x)Iref i(x)=A(x)Ccos[2πωrefx+φi]
+B(x)cos[2π{ωx+g(x)}]cos[2πωrefx+φi]
=A(x)Ccos[2πωrefx+φi]
+(B(x)C/2)・cos[2π{(ω+ωref)x+g(x)}+φi]
+(B(x)C/2)・cos[2π{(ω−ωref)x+g(x)}−φi]・・・・・・(5)
I (x) I ref i (x) = A (x) C cos [2πω ref x + φ i ]
+ B (x) cos [2π {ωx + g (x)}] cos [2πω ref x + φ i ]
= A (x) Ccos [2πω ref x + 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)Ii ´(x)を生成する(ステップS3)。
After step S <b> 2, the
Ii ´(x)=u(x)cos[2π{(ω−ωref)x+g(x)}−φi]・・・・・・(6) 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φi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。
In Equation (6), u (x) = B (x) C / 2.
After step S3, the
Specifically, the
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。 Then, the arithmetic processing means 450 performs an unwrap process shown in the following formula (7) based on the generated intensity distribution information I 1 ′ , I 2 ′ , I 3 ′ , I 4 ′, and the X axis of the interference fringe IF Extract phase information Φ (x) regarding the phase of the direction.
Φ(x)=tan-1[(I2 ´−I4 ´)/(I1 ´−I3 ´)]
=2π{(ω−ωref)x+g(x)}・・・・・・(7)
Φ (x) = tan −1 [(I 2 ′ −I 4 ′ ) / (I 1 ′ −I 3 ′ )]
= 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)Φori(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。
After step S4, the
Here, the phase information Φ (x) is expressed by the following equation (8) when ω and g (x) replaced as described above are restored.
Φ(x)=2π{((αθy+κθy)/λ−ωref)x+h(x)+s+t}・・・・・・(8) 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)Φori(x)は、式(8)において、基準反射面411の変位を示すαθy、tを除いたものとなり、以下の式(9)で表される。
Further, initial phase information (set phase information) Φ ori (x) regarding the phase in the X-axis direction of the interference fringe IF in the initial state is expressed by α θy , t indicating the displacement of the
Φori(x) =2π{(κθy/λ−ωref)x+h(x)+s}・・・・・・(9) 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。 And the arithmetic processing means 450 produces | generates variation | change_quantity information (DELTA) (PHI) (x) as shown to the following formula | equation (10) based on Formula (8) and (9).
ΔΦ(x)=Φ(x)−Φori(x)
=2π{(αθy/λ)x+t}・・・・・・(10)
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。
After step S5, the
Specifically, the
ΔΦ(x)=ax+b・・・・・・(11) 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αθy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。
Then, the
αθy=(λ/(2π))a・・・・・・(12) α θy = (λ / (2π)) a (12)
t=b/(2π)・・・・・・(13) 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αθyを算出する。
Similarly, the
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、αθx、αθy、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mx、my、mzを表すことができる。なお、以下の式(14)、(15)では、αθx、αθyが十分に小さい値であるものとして展開している。
Here, when the length dimension of the measuring
mx=Lsin(αθy)=Lαθy・・・・・・(14) m x = Lsin (α θy ) = Lα θy (14)
my=Lsin(αθx)=Lαθx・・・・・・(15) m y = Lsin (α θx) = Lα θx ······ (15)
mz=t・・・・・・(16) m z = t (16)
そして、演算処理手段450は、算出したαθx、αθy、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mx、my、mzを算出し、すなわち、接触部211の変位位置を算出する。
Then, the
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。
The embodiment described above has the following effects.
(1) Since the
(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。
(2) The
(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。
(3) Since the
(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。
(4) Since the
(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。
(5) When the
(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。
(6) Since the
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。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and modifications, improvements, and the like within the scope that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.
In the embodiment, the
For example, the
Further, for example, in the intensity distribution information I (x), I (y), the amplitude intensity components B (x), B of the interference fringes in the X-axis direction and the Y-axis direction in the initial state and when the measuring
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。
In the embodiment, the arrangement positions of the
For example, a configuration in which the arrangement position of the
Further, for example, a configuration may be adopted in which the arrangement position of the
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。
FIG. 6 is a diagram showing a modification of the embodiment.
In the above-described embodiment, the
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。
In the above-described embodiment, the
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。
Although the best configuration for carrying out the present invention has been disclosed in the above description, the present invention is not limited to this. That is, the invention has been illustrated and described primarily with respect to particular embodiments, but it is not intended to depart from the technical concept and scope of the invention. Various modifications can be made by those skilled in the art in terms of materials, quantity, and other detailed configurations.
Therefore, the description limited to the shape, material, etc. disclosed above is an example for easy understanding of the present invention, and does not limit the present invention. The description by the name of the member which remove | excluded the limitation of one part or all of such restrictions is included in this invention.
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。 In the present invention, the structure of the movable part can be simplified and reduced in weight, and the displacement position of the contact part can be detected with high accuracy, so that the surface to be measured is continuously connected with a displacement sensor, for example, a probe such as a coordinate measuring machine. It can be used as a scanning probe for measuring automatically.
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。
100 ... Contact probe (displacement sensor)
DESCRIPTION OF
410: Reflection mirror (reference reflection means)
411: Standard reflecting surface 420: Reference reflecting plate (reference reflecting means)
421: Reference reflecting surface 431: Light source (light beam emitting means)
441 ... Imaging element (imaging means)
441A ...
Claims (5)
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X軸方向、Y軸方向、およびZ軸方向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。 A measuring element having a contact portion that comes into contact with an object to be measured; and a sensor main body that supports the measuring element in a displaceable manner and detects a displacement position of the contact portion.
The sensor body is
Support means for supporting the measuring element in a displaceable manner;
Reference reflecting means attached to the measuring element and having a reference reflecting surface capable of reflecting at least a part of the incident light beam;
A reference reflecting means having a reference reflecting surface fixed at a predetermined position and capable of reflecting at least a part of an incident light beam;
A light beam emitting means for emitting a light beam toward the reference reflecting surface and the reference reflecting surface;
An imaging unit that captures an optical image that is reflected by the reference reflection surface and the reference reflection surface and superimposed on the imaging surface;
Recognizing intensity distribution information regarding intensity distribution of interference fringes generated by superimposing each reflected light from the standard reflecting surface and the reference reflecting surface based on an optical image picked up by the image pickup means, A displacement sensor comprising: an arithmetic processing unit that calculates displacement positions of the contact portion in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction based on the information.
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X軸方向、Y軸方向、およびZ軸方向の変位位置を算出することを特徴とする変位センサ。 The displacement sensor according to claim 1,
The arithmetic processing means extracts phase information relating to the phase of the interference fringes based on the intensity distribution information, and compares the preset phase information relating to the phase of the interference fringes with the phase information to change the phase. A displacement sensor that generates change amount information related to an amount , and calculates a displacement position of the contact portion in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction based on the change amount information.
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。 The displacement sensor according to claim 1 or 2,
The reference reflecting means is composed of a member that reflects a part of the incident light beam and transmits another light beam, and is on the optical path of the light beam emitted from the light beam emitting means and reaching the reference reflecting means. Displacement sensor characterized by being arranged on the front side.
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。 The displacement sensor according to any one of claims 1 to 3,
The imaging unit is arranged in a cross shape extending in a direction orthogonal to each other from a predetermined position in a plane orthogonal to the incident direction of the light flux respectively reflected on the reference reflecting surface and the reference reflecting surface to the imaging unit. A displacement sensor comprising a line sensor provided.
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。 The displacement sensor according to any one of claims 1 to 4,
The displacement sensor is characterized in that the support means supports the measurement element to be displaceable at the center of gravity of the reference reflecting means and the measurement element.
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