JP5054318B2 - Displacement sensor, shape measuring device - Google Patents
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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。 The present invention relates to a displacement sensor and a shape measuring device. For example, the present invention relates to a displacement sensor that detects a displacement amount and a displacement direction of a probe.
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)。 Measuring devices that scan the surface of the object to be measured and measure the surface properties and three-dimensional shape of the object to be measured are known, such as a roughness measuring machine, a contour shape measuring machine, a roundness measuring machine, and a three-dimensional measuring machine. It has been 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 (Patent Document 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。
FIG. 16 shows a configuration of the
The
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)。
For example, the sensor
In order to detect the three-dimensional displacement of the
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。
In such a configuration, the
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。
However, since the
In addition, if a plurality of optical sensors are provided, the installation space is increased, which leads to an increase in the size of the probe and further increases in cost.
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。 An object of the present invention is to provide a displacement sensor that has a simple configuration and detects the displacement of a probe with high accuracy, and a shape measuring device including the displacement sensor.
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。 The displacement sensor of the present invention includes a measuring element, and a sensor main body that supports the measuring element in a displaceable manner and detects a displacement amount and a displacement direction of the measuring element, and the sensor main body includes the measuring element. Support means for supporting displaceability, two or more light sources, an optical sensor that receives light and outputs a light reception signal corresponding to the amount of received light through photoelectric conversion, and the optical sensor that emits light emitted from each of the light sources An optical shift unit that shifts the incident position of the probe according to the displacement of the probe, and a signal processing unit that calculates a displacement amount and a displacement direction of the probe based on the received light signal, and the two or more light sources Emits modulated light, each of which is modulated differently, toward the light shift means, and the optical sensor is divided into a plurality of light receiving parts by a plurality of dividing lines, and the received light quantity for each of the light receiving parts. Received light Outputs, the signal processing unit includes a separating means for respectively separating the signals of the respective modulated lights from the light receiving signal outputted from the optical sensor, on the basis of the signals of the modulated light split by said separating means Shift amount calculating means for calculating the shift amount of the incident position where each modulated light is incident on the optical sensor; and a probe displacement calculating unit for calculating the displacement of the probe based on the shift amount of each modulated light. It is characterized by that.
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。 In such a configuration, modulated light that is modulated differently from each light source is emitted, and the emitted light is received by the optical sensor. At this time, when the probe is displaced, the modulated light from each light source is shifted by the light shift means according to the displacement of the probe, and the incident position on the optical sensor is changed. When light is received by the optical sensor, a light reception signal is output according to the amount of received light. The received light signal is sent to the signal processing unit for signal processing. At this time, the signal of each modulated wave is separated from the received light signal by the separating means of the signal processing unit. Then, the shift amount calculation means calculates the shift amount of each modulated wave on the optical sensor based on the signal of each modulated wave thus separated. Based on the shift amount of each modulated wave, the displacement of the probe is calculated by the probe displacement calculator. For example, the displacement of the tracing stylus is obtained by combining simultaneous shift amounts of the modulated waves and establishing simultaneous equations with the displacement of the tracing stylus as an unknown.
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。
According to such a configuration, by using the light from each light source as a modulated wave, even if all the modulated waves are received by one optical sensor, the signal of each modulated wave can be separated from the received light signal. Therefore, sufficient information for specifying the three-dimensional displacement of the probe can be obtained. Therefore, only one optical sensor that receives light is used, and a plurality of optical sensors are not used as in the prior art. Therefore, in the present invention, it is not necessary to calibrate a plurality of optical sensors, and the labor of measurement is greatly simplified. can do.
Furthermore, since the number of parts can be reduced by using one optical sensor, the displacement sensor can be simplified and the displacement sensor can be downsized.
Also, by converting the light from the light source into a modulated wave, even if disturbance noise is superimposed on the received light signal due to vibration or electrical noise applied to the displacement sensor, the separating means separates the modulated wave signal from the received light signal. The influence of disturbance noise can be eliminated at the stage of generating. In particular, if the detection resolution is improved, it is likely to be affected by disturbance noise. However, according to the present invention, the disturbance noise can be eliminated, so that the detection resolution can be improved and the accuracy can be improved. Can do.
In addition, the optical sensor is divided into a plurality of light receiving units by a plurality of dividing lines and outputs a light reception signal corresponding to the amount of light received for each light receiving unit. For example, the optical sensor is divided into crosses. If the line is divided into four light receiving parts and these dividing lines are made to correspond to the x-axis and the y-axis, the shift amount of the incident position of the light is two-dimensional based on the change of the light-receiving signal output from the four divided regions. It can be easily obtained in an orthogonal coordinate system.
As described above, the displacement amount of the probe can be calculated by combining the results of calculating the shift amount of the incident position of each modulated wave on the optical sensor in the two-dimensional coordinate system.
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。 As an example of the separating means, a configuration in which a band pass filter and a demodulating circuit are combined can be given.
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。 Note that the number of divisions and how to divide the optical sensor are not particularly limited as long as the change in the incident position of light can be detected two-dimensionally.
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。 In the present invention, the method for modulating the light from the light source is preferably any one of amplitude modulation, phase modulation, and frequency modulation.
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。 In such a configuration, regardless of whether the light modulation method is amplitude modulation, phase modulation, or even frequency modulation, each modulated wave is detected from the light reception signal of the optical sensor by a predetermined detection method. Since the signals can be separated, the shift amount of each modulated wave can be obtained. Then, the displacement of the probe can be obtained based on the shift amount of each modulated wave.
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。 In this invention, it is preferable that the said light shift means is an optical element which changes according to the displacement of the said probe, and reflects or refracts the light from the said light source.
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。 In such a configuration, when the probe is displaced, the optical element is displaced according to the displacement of the probe. Then, the reflection direction or refraction direction of light by the optical element changes. And the incident position of the light to an optical sensor is shifted.
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。 In the present invention, it is preferable that the optical element is a reflecting mirror attached to the measuring element via the support means and displaced together with the measuring element to change a position and a reflecting surface angle.
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。 In such a configuration, the reflection mirror, which is an optical element, is displaced by the displacement of the probe, and the reflection surface position and the reflection surface angle of the reflection mirror change. Then, when the light reflected by the reflecting mirror enters the optical sensor, the position of the light incident on the optical sensor is shifted according to the displacement of the probe.
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。 The reflection mirror may be a plane mirror or a polygonal pyramid having an inclined surface such as a triangular pyramid or a quadrangular pyramid. When the reflecting mirror is a plane mirror, the incident angle of the light to the optical sensor changes as the tilt angle of the reflecting surface changes or the reflecting surface moves up and down. Further, when the reflecting mirror is a polygonal pyramid having an inclined surface, the incident position of the light to the optical sensor also changes due to the rotation or two-dimensional displacement of the reflecting mirror. The displacement amount of freedom can be obtained independently.
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。 In the present invention, it is preferable that the support means is a plate having elasticity, and has a plurality of cut lines with point symmetry with respect to the center of the plate, and supports the measuring element at the center of the plate.
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。
In such a configuration, the plate acts as an elastic leaf spring by having a plurality of cut lines. By supporting the measuring element by this plate, the measuring element is supported so as to be displaceable while being given an urging force to return to the reference position. In addition, the cutting line is provided symmetrically with the center of the plate as the center of point symmetry, so that the measuring element for the same stress can be obtained even when the measuring element is displaced from any direction without giving anisotropy to the measuring element. Can be made the same amount of displacement. Further, as a configuration for supporting the measuring element while allowing the three-dimensional displacement of the measuring element, a structure including an x-axis direction sliding mechanism, a y-direction sliding mechanism, and a z-direction sliding mechanism including a guide rail and a slider is known. However, in such a configuration, the configuration is complicated, and anisotropy tends to occur in the sliding mechanism in each direction.
In this respect, the support means of the present invention has a simple configuration and can support the measuring element so that it can be displaced without anisotropy.
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。
As the optical element, a reflection mirror may be attached to the support means.
When the base end of the probe is supported by such a plate-like support means, the rotation of the probe around the central axis and the two-dimensional displacement of the probe are restricted, and the probe only moves up and down and swings. Will be allowed. Accordingly, since the degree of freedom of the measuring element is 3 (vertical direction, rotation about the x axis, rotation about the y axis), even if the reflecting mirror is a plane mirror, the degree of freedom is specified for each of the measuring elements. Can be obtained.
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。 The shape measuring apparatus according to the present invention includes the displacement sensor, a drive mechanism that moves the displacement sensor relative to the object to be measured to bring the displacement sensor into contact with the object to be measured, and the displacement sensor by the drive mechanism; A drive sensor that detects a relative displacement amount with the object to be measured, and an analysis unit that analyzes the shape of the object to be measured based on the displacement sensor and a detection value by the drive sensor.
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。 According to the displacement sensor, the displacement direction and displacement amount of the measuring element can be detected. Therefore, the measuring element is moved in contact with the surface of the object to be measured with a predetermined pressing pressure, and the locus of the measuring element at this time is determined. By detecting, the surface shape of the object to be measured can be measured.
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。
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be illustrated and described with reference to reference numerals attached to respective elements in the drawings.
(First embodiment)
A
FIG. 1 is a perspective view illustrating the inside of the
FIG. 2 is a cross-sectional view of the
For the following explanation, the z-axis is taken in the vertical direction of the paper in FIG. 2, the x-axis is taken in the horizontal direction of the paper, and the y-axis is taken in the vertical direction of the paper.
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。
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。
The measuring
A direction along 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。
The sensor
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。
The
A
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。
The
Here, FIG. 3 is a top view of the
The
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。
The measuring
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。
The
The
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。
The
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)
The irradiation
The two
In FIG. 2, the light sources 421 </ b> A and 421 </ b> B cause light to enter the
For example, LEDs can be used as the
The two
In FIG. 1 and FIG. 2, for example, modulated light Sa amplitude-modulated at frequency fa is emitted from a
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。
The
FIG. 4 is a view of the
The
Here, the light receiving unit disposed at the position (+ y, −x) is referred to as the first
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。
The
FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of the
The
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。
Four band-
Similarly, four
Examples of the demodulation circuit include a peak hold circuit and a smoothing circuit.
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。
With these four
The
A calculation example in the
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。
Here, the band-
Also, a shift amount calculating means for calculating the shift amount of the incident position where each modulated light enters the optical sensor by the
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。
An operation when the
First, with reference to FIG. 6, the operation when the measuring
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。
FIG. 6 is a diagram illustrating a state in which the
When stress acts on the
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。
Lights Sa and Sb emitted from the
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。
Next, the case where the
FIG. 8 is a diagram illustrating a state in which the
When stress acts on the
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)。
The light emitted from the
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。
Next, the case where the
FIG. 10 is a diagram illustrating a state in which the
When stress is applied to the
At this time, when the
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)。
The light emitted from the
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。
Next, a case where stress is applied to the
When the
At this time, the following expressions hold for the displacement (ΔXa, ΔYa) of the light Sa and the displacement (ΔXb, ΔYb) of the light Sb.
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。
Here, the shift amount of the light Sa on the
Further, the incident angle of light from the
In the reference state (the state in which the
The displacement of the
The rotation angle around the x axis of the reflection mirror 410 (or contact portion 220) is θx, and the rotation angle around the y axis of the reflection mirror 410 (or contact portion 220) is θy.
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。
When the length of the
以上の式をまとめると次のようになる。 The above formula is summarized as follows.
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。
The displacement amount (x, y, z) of the
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。 According to 1st Embodiment provided with such a structure, there can exist the following effects.
(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。
(1) By using light from each of the
(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。
(2) By using light from the
(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。
(3) Since the
(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。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The basic configuration of the second embodiment is the same as that of the first embodiment, except that the second embodiment has three
In FIG. 12, the irradiation optical system includes three
The three
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。
The
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。
In the reference state where the displacement of the
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。
Although not described in detail in FIG. 12 (FIG. 12), since there are three
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。
In such a configuration, the modulated light emitted from each of the
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。
Here, when the
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。
Further, since the
That is, the incident position of light on the
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。
When light enters the
The
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。
When the origin of the orthogonal coordinate system is taken at the
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。
According to such 2nd Embodiment, in addition to the effect of the said 1st Embodiment, there can exist the following effect.
Since the
(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。
(Modification 1)
Next,
The basic configuration of
In particular, even when an LED or the like having a low directivity is used as a light source, light is imaged by the
(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、T1、T2、T3・・・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。
(Modification 2)
In the above-described embodiment, the
Then, the modulated lights Sa and Sb from the
Here, as a modulation pattern of the light emitted from each of the
Then, in detecting (holding) the light reception signal from the optical sensor in the
For example, in FIG. 14, by detecting signals at timings T 1 , T 2 , T 3 ..., The modulated lights Sa and Sb can be detected separately.
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。 Further, as shown in FIG. 15, the modulated light Sa and Sb may be pulsed light, and the phases of each other may be shifted by a half cycle.
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。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and modifications, improvements, and the like within the scope that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.
Of course, the number of light sources is not two or three but may be more.
The light source may be an LED or a laser light source.
The optical element is described as an example of a reflection mirror, but may be a prism that refracts light.
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。 As a configuration for improving the detection sensitivity with respect to the displacement of the contact portion, the distance from the center to the cut line in the support plate may be shortened so that the tilt of the reflection mirror is increased even if the probe is slightly swung. . Alternatively, the lever ratio may be increased by increasing the distance from the reflection mirror to the optical sensor. Or you may enlarge the incident angle of the light from a light source to a reflective mirror.
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。 The displacement sensor may be used as a touch probe, for example, or may be used as a scanning probe.
本発明は、変位センサ、形状測定装置に利用できる。 The present invention can be used for a displacement sensor and a shape measuring apparatus.
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。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
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。 A measuring element;
A sensor main body for supporting the measuring element in a displaceable manner and detecting a displacement amount and a displacement direction of the measuring element,
The sensor body is
Support means for supporting the measuring element in a displaceable manner;
Two or more light sources,
An optical sensor that receives light and outputs a light reception signal corresponding to the amount of light received by photoelectric conversion;
A light shift means for shifting the incident position of the light emitted from each light source to the optical sensor in accordance with the displacement of the probe;
A signal processing unit that calculates a displacement amount and a displacement direction of the probe based on the light reception signal, and
The two or more light sources emit modulated light, each of which is modulated differently, toward the light shift means,
The optical sensor is divided into a plurality of light receiving parts by a plurality of dividing lines, and outputs a light reception signal corresponding to the amount of light received for each light receiving part,
The signal processing unit
Separating means for separating each modulated light signal from the light receiving signal output from the optical sensor;
Shift amount calculating means for calculating the shift amount of the incident position where each modulated light is incident on the optical sensor based on the signal of each modulated light separated by the separating means;
A displacement measuring unit for calculating displacement of the measuring element based on a shift amount of each modulated light.
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。 The displacement sensor according to claim 1,
A displacement sensor characterized in that a method for modulating light from the light source is any one of amplitude modulation, phase modulation and frequency modulation.
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。 The displacement sensor according to claim 1 or 2 ,
The light shifting means is
A displacement sensor, wherein the displacement sensor is an optical element that is displaced according to the displacement of the probe and reflects or refracts light from the light source.
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。 The displacement sensor according to claim 3 ,
The displacement sensor, wherein the optical element is a reflection mirror that is attached to the measuring element via the support means and is displaced together with the measuring element to change a position and a reflection surface angle.
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。 The displacement sensor according to any one of claims 1 to 4 ,
The displacement means is a displacement sensor characterized in that the support means is an elastic plate and has a plurality of cut lines with point symmetry with respect to the center of the plate, and supports the measuring element at the center of the plate.
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。 The displacement sensor according to any one of claims 1 to 5 ,
A drive mechanism for moving the displacement sensor relative to the object to be measured to bring the displacement sensor into contact with the object to be measured;
A drive sensor for detecting a relative displacement amount between the displacement sensor and the object to be measured by the drive mechanism;
Analyzing means for analyzing the shape of the object to be measured based on detection values obtained by the displacement sensor and the drive sensor. A shape measuring apparatus comprising:
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