JP6605857B2

JP6605857B2 - 測定装置

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Publication number: JP6605857B2
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Authority: JP
Inventors: 雅仁宮▲崎▼
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Priority date: 2015-06-29
Filing date: 2015-06-29
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Description

本発明は、測定対象に対して光を出射し、前記測定対象により反射された光を受光する測定装置に関する。

従来、測定対象に対して光を出射し、前記測定対象により反射された光を受光するとともに、光出射方向を変更可能な光プローブが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の三次元測定装置では、光プローブを備え、当該光プローブには、出射光の出射方向を変更するガルバノミラーが設けられている。このガルバノミラーにより光出射方向を変更することで、測定対象に対する走査を行っている。

また、特許文献１に記載の光プローブでは、１つのガルバノミラーにより出射光を設定し、戻り光を当該ガルバノミラーで元の光路に戻し、戻り光と参照光とを合成した干渉光を受光することで形状測定を実施している。
これに対して、図７に示すような構成の光プローブが知られている。図７は、従来の光プローブの一例を示す図である。図７に示す光プローブは、一対のガルバノミラー９３，９４を用い、三角測量法により光プローブ９０から測定対象Ａの距離を測定し、光プローブ９０の位置情報から測定対象の形状を測定する。このような光プローブでは、レーザ光源９１から出射されたレーザ光をコリメートレンズ９２により平行化して、入射側ガルバノミラー９３に測定対象Ａに向かって反射させる。また、測定対象Ａにて反射された戻り光は、受光側ガルバノミラー９４により反射された後、集光レンズ９５によりイメージセンサ９６に受光される。この場合、入射側ガルバノミラー９３と、受光側ガルバノミラー９４とを同期させて駆動させることで、精度の高い測定が可能となる。

特開２００２−１１６０１０号公報

ところで、特許文献１や図７に示す例では、出射光を揺動させて測定対象に対する走査処理を行う機構としてガルバノミラーを用いている。
しかしながら、このようなガルバノミラーは、モーターによりミラーを駆動させる構成であるため、小型化や軽量化には限界がある。
このため、例えば三次元測定装置において、多関節アームの先端に光プローブを装着したアームタイプの測定機を用いる場合、測定者が手動で光プローブを操作する際に、重量負担が大きくなり、操作性が悪化するとの課題がある。また、例えば、ステージ上に、光プローブを三軸方向に移動させる移動機構を設け、自動で光プローブを移動させるステージタイプの測定機においても、光プローブの荷重制限があり、これを超えると移動精度が低下するとの課題がある。

本発明では、小型化及び軽量化が可能な測定装置を提供することを１つの目的とする。

本発明の光プローブは、駆動軸を中心に回動可能に設けられた第一ミラーを有し、光源からの出射光を測定対象に向かって反射させる第一レゾナントスキャナと、前記駆動軸を中心に回動可能に設けられた第二ミラーを有し、前記測定対象にて反射された光を受光部に向かって反射させる第二レゾナントスキャナと、を備え、前記第一ミラーと前記第二ミラーとが同期して回動されることを特徴とする。

本発明では、第一レゾナントスキャナの第一ミラーと第二レゾナントスキャナの第二ミラーとが同軸上で回動可能となり、これらのミラーを同期して回動駆動させる。
これにより、第一レゾナントスキャナの第一ミラーにて反射から出射させたレーザ光をライン上で走査させることができ、かつ、走査位置により反射されたレーザ光を第二レゾナントスキャナの第ミラーによりイメージセンサ等の受光部に精度よく導くことができる。
そして、このようなレゾナントスキャナを用いる構成では、従来のようなガルバノモーターを用いる構成に比べて、小型化及び軽量化が可能であり、光プローブの小型化及び軽量化を促進できる。よって、例えば多関節アームの先端に光プローブを設け、測定者自身が光プローブを移動させるアームタイプの測定装置の場合では、軽量化により測定者の負担を軽減でき操作性を向上させることができる。また、例えば、ステージタイプの測定装置においては、ステージの移動機構により保持可能な荷重制限内の光プローブを簡素な構成で提供できるので、移動機構の移動精度を向上させ、ひいては測定精度の向上を図ることができる。
さらに、モーター駆動により出射光を走査させるガルバノミラーを用いた光プローブに対して、レゾナントスキャナは、電磁共振により出射光を走査させるものであり、より高速な走査が可能となる。

本発明の光プローブにおいて、前記第一ミラー及び前記第二ミラーの少なくともいずれか一方の傾斜角を検出する傾斜角検出手段を備えていることが好ましい。
本発明では、傾斜角検出手段により、第一ミラー及び第二ミラーの少なくともいずれか一方の傾斜角を検出する。ここで、第一ミラーと第二ミラーとは、上述のように同じ駆動軸を中心に駆動され、同期駆動させている。このため、第一ミラー及びは第二ミラーのいずれか一方の傾斜角が判れば他方の傾斜角も同様に求められる。また、第一ミラー及び第二ミラーの双方の傾斜角を検出してもよい。
本発明では、第一ミラー及び第二ミラーを駆動させた際の各傾斜角を検出することができ、これらの傾斜角により、レーザ光の出射角や戻り光の入射角を容易に求めることができるので、測定対象における走査位置も容易に検出できる。

本発明の光プローブでは、前記傾斜角検出手段は、前記第一ミラーの傾斜角に応じた電流を出力する第一検出用コイル、及び前記第二ミラーの傾斜角に応じた電流を出力する第二検出用コイルの少なくともいずれか一方を備えていることが好ましい。
レゾナントスキャナにおけるミラーの傾斜角の検出としては、例えば、歪ゲージによりミラーの傾斜を検出したり、ミラーに設けられたピエゾ素子からの電流値を検出したりする等が考えられるが、構成の複雑化や、検出精度が課題となる。これに対して、本発明では、第一検出用コイル又は第二検出用コイルを用いて、ミラーの揺動駆動に伴って電磁誘導により発生する電流信号を検出する。このような電流信号は、ミラーの傾斜角に対応した信号レベル（電流波形における振幅）となるため、この電流信号の信号レベルを検出することで、容易に各ミラーの傾斜角を検出でき、これにより、容易に測定対象における走査位置を特定することができる。

本発明の光プローブでは、前記傾斜角検出手段は、前記第一ミラーの傾斜角に応じた電流を出力する第一検出用コイルと、前記第二ミラーの傾斜角に応じた電流を出力する第二検出用コイルとを備えていることが好ましい。
本発明では、上述した第一検出用コイルと第二検出用コイルとの双方が設けられている。このため、第一検出用コイルからの電流信号、及び第二検出用コイルからの電流信号を比較して、位相ずれがないか否かを判定することで、第一ミラーと第二ミラーとが同期して駆動されているか否かを判定することができる。
特に、光プローブを用いた測定に先立って実施されるキャリブレーション処理において、上記判定を実施することで、測定精度の低下を未然に防ぐことができる。

本発明の測定装置は、上述したような光プローブと、前記光プローブによる測定結果に基づいた測定処理を実施する測定手段と、を備えていることを特徴とする。
なお、光プローブによる測定結果とは、受光部により受光された光の測定位置等を示す測定データであり、例えばイメージセンサにより光を受光した場合は、その撮像画像データとなる。
本発明では、上記光プローブと同様に、従来のようなガルバノモーターを用いる構成に比べて、小型化及び軽量化が可能となる。よって、アームタイプの測定装置では、測定者の負担を軽減することができ、ステージタイプの測定装置では、測定精度の向上を図ることができる。また、高速な走査測定が可能であるため、測定に係る時間を短縮でき、さらに、短時間により多くのフレームを取得することができ、これらのフレームに基づいた精度の高い測定を実施できる。

本発明の測定装置では、前記光プローブは、前記第一ミラーの傾斜角に応じた電流を出力する第一検出用コイル、及び前記第二ミラーの傾斜角に応じた電流を出力する第二検出用コイルの少なくともいずれか一方を備え、前記測定手段は、前記第一検出用コイル及び前記第二検出用コイルの少なくとも一方から入力される電流信号の正負に基づいて、前記第一ミラー及び前記第二ミラーの回動方向を示す角度信号を出力する傾斜方向検出手段と、前記角度信号及び前記電流信号に基づいて、前記第一ミラー及び前記第二ミラーの少なくとも一方の傾斜角を検出する傾斜角検出手段と、前記傾斜角に基づいて前記測定対象物における走査位置を検出する解析手段と、を備えることを特徴とする。
本発明では、上述したように、第一検出用コイル又は第二検出用コイルから出力された電流信号に基づいて、光プローブから出射された出射光が測定対象にて反射された位置（走査位置）を、容易かつ精度よく検出することができる。
また、本発明の測定装置では、前記傾斜角検出手段は、前記角度信号が示す前記回動方向と前記電流信号の微分値の正負との組み合わせに基づいて、前記傾斜角の範囲を判定することが好ましい。

本発明の測定装置では、前記光プローブは、前記第一ミラーの傾斜角に応じた電流を出力する第一検出用コイルと、前記第二ミラーの傾斜角に応じた電流を出力する第二検出用コイルとを備え、前記第一検出用コイル及び前記第二検出用コイルから出力された各電流信号に基づいて、前記第一ミラー及び前記第二ミラーの位相ずれを検出する位相ずれ検出手段を備えていることが好ましい。
本発明では、位相ずれ検出手段により、各レゾナントスキャナに設けられた検出用コイルからの電流信号を検出することで、第一ミラー及び第二ミラーにおける同期が正確に行われているか否かを判定することができる。

本発明では、光プローブの小型化、軽量化を促進できる。

本発明に係る一実施形態の測定装置の概略構成を示す図。本実施形態の光プローブの概略構成を示す図。本実施形態の測定装置の制御構成を示すブロック図。検出用コイルから入力された電流信号と、ミラーの回動方向（Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ信号）とを示す図。測定装置の動作を説明するフローチャート。本発明における他の測定装置の構成を示す図。従来の光プローブの概略構成を示す図。

以下、本発明に係る一実施形態の測定装置（三次元測定装置）について、図面に基づいて説明する。
［測定装置の構成］
図１は、本発明に係る一実施形態の測定装置の概略構成を示す図である。
測定装置１は、三次元測定装置であり、測定者にて光プローブ２を直接手で動かすことが可能に構成され、光プローブ２による測定結果（測定データ）を取り込むことにより、測定対象の三次元形状、表面性状等の測定を行う。
この三次元測定装置１は、図１に示すように、光プローブ２と、多関節アーム３と、角度センサ４（図３参照）と、制御装置５（図３参照）と、を含んで構成されている。

多関節アーム３は、光プローブ２を支持するとともに、当該光プローブ２を三次元空間内で外部からの力（測定者による操作）に対して移動可能に構成されている。
この多関節アーム３は、図１に示すように、例えば円柱状の支柱３Ａと、例えば円柱状の第一〜第六リンク３Ｂ〜３Ｇと、第一〜第六関節部３Ｈ〜３Ｍと、プローブヘッド３Ｎとを備える。
支柱３Ａは、第一軸Ａｘ１に沿うように作業台等に固定される。
第一関節部３Ｈは、第一リンク３Ｂが例えば鉛直方向に沿った第一軸Ａｘ１に沿う状態で、支柱３Ａと第一リンク３Ｂの一端とを連結する。そして、第一リンク３Ｂは、第一関節部３Ｈにより支柱３Ａに連結されることで、支柱３Ａに対して、第一軸Ａｘ１を中心として回転可能となる。

第二関節部３Ｉは、第一リンク３Ｂの他端と第二リンク３Ｃの一端とを連結する。そして、第一，第二リンク３Ｂ，３Ｃは、第二関節部３Ｉにより互いに連結されることで、例えば水平面に沿った第二軸Ａｘ２を中心として相対的に回転可能となる。
第三関節部３Ｊは、互いの中心軸Ａｘ３が一致する状態で、第二リンク３Ｃの他端と第三リンク３Ｄの一端とを連結する。
そして、第二，第三リンク３Ｃ，３Ｄは、第三関節部３Ｊにより互いに連結されることで、中心軸Ａｘ３を中心として相対的に回転可能となる。
第四関節部３Ｋは、第三リンク３Ｄの他端と第四リンク３Ｅの一端とを連結する。
そして、第三，第四リンク３Ｄ，３Ｅは、第四関節部３Ｋにより互いに連結されることで、中心軸Ａｘ３に直交する第三軸Ａｘ４を中心として相対的に回転可能となる。

第五関節部３Ｌは、互いの中心軸Ａｘ５が一致する状態で、第四リンク３Ｅの他端と第五リンク３Ｆの一端とを連結する。
そして、第四，第五リンク３Ｅ，３Ｆは、第五関節部３Ｌにより互いに連結されることで、中心軸Ａｘ５を中心として相対的に回転可能となる。
第六関節部３Ｍは、第五リンク３Ｆの他端と第六リンク３Ｇの一端とを連結する。
そして、第五，第六リンク３Ｆ，３Ｇは、第六関節部３Ｍにより互いに連結されることで、中心軸Ａｘ５に直交する第四軸Ａｘ６を中心として相対的に回転可能となる。
以上のように、多関節アーム３は、複数軸（本実施形態では６軸）により操作可能に構成されている。
プローブヘッド３Ｎは、第六リンク３Ｇの他端に取り付けられるとともに、光プローブ２を着脱可能に支持する。

角度センサ４は、具体的な図示は省略したが、第一〜第六関節部３Ｈ〜３Ｍにそれぞれ取り付けられている。
そして、６つの角度センサ４は、第一〜第六関節部３Ｈ〜３Ｍにより互いに連結された第一〜第六リンク３Ｂ〜３Ｇの相対的な回転角度を検出する。
例えば、第一関節部３Ｈに設けられた角度センサ４は、支柱３Ａ及び第一リンク３Ｂ同士の第一軸Ａｘ１を中心とした相対的な回転角度を検出する。

［光プローブ２の構成］
次に、光プローブ２の構成について説明する。
図２は、光プローブ２の概略構成を示す図である。
光プローブ２は、測定対象Ａにレーザ光（出射光）を照射し、測定対象Ａにて反射されたレーザ光を検出するレーザプローブで構成されている。
この光プローブ２は、レーザ光源２１（光源）と、コリメートレンズ２２と、第一レゾナントスキャナ２３と、第二レゾナントスキャナ２４と、集光レンズ２５と、イメージセンサ２６（受光部）と、これらの各部材を格納する外装筐体２７と、を含んで構成されている。

本実施形態では、レーザ光源２１は、例えば半導体レーザであり、レーザ光を出射する。レーザ光源２１から出射されたレーザ光は、コリメートレンズ２２により平行光とされ、第一レゾナントスキャナ２３のミラー（第一ミラー２３Ａ）により反射されて、光プローブ２から出射される。光プローブ２から出射され、測定対象Ａにより反射された反射光は再び光プローブ２に入射し、第二レゾナントスキャナ２４のミラー（第二ミラー２４Ａ）にて反射されて集光レンズ２５に入射し、集光レンズ２５によりイメージセンサ２６に集光される。

第一レゾナントスキャナ２３は、第一ミラー２３Ａと、第一梁２３Ｂと、第一駆動コイル２３Ｃと、第一検出用コイル２３Ｄと、を備えている。
第一ミラー２３Ａは、駆動軸Ｌに対して対称となる形状（例えば円形や矩形状等）に形成され、第一梁２３Ｂにより、駆動軸Ｌを中心として回動可能に支持される。
第一梁２３Ｂは、例えばトーションバネにより構成され、上記のように、駆動軸Ｌに沿って第一ミラー２３Ａを回動可能に支持する。
また、第一ミラー２３Ａの光反射面とは反対側の裏面には、駆動軸Ｌ上に小磁石が設けられている。この磁石は、第一駆動コイル２３Ｃ側と、第一検出用コイル２３Ｄ側とでそれぞれ異なる磁極となる。例えば、第一駆動コイル２３Ｃ側がＳ極であり、第一検出用コイル２３Ｄ側がＮ極となっている。
第一駆動コイル２３Ｃは、駆動軸Ｌを挟んで第一ミラー２３Ａの一方側に配置され、第一検出用コイル２３Ｄは、他方側に配置されている。

このような構成の第一レゾナントスキャナ２３では、第一ドライバ５１（図３参照）から第一駆動コイル２３Ｃに交番電流が流され、当該交番電流の周波数と、第一梁２３Ｂ及び第一ミラー２３Ａの小磁石により構成される機械系の固有振動数とが一致すると共振により、第一ミラー２３Ａが振動（揺動）する。
まだ、第一ミラー２３Ａの振動により、第一検出用コイル２３Ｄに入力される磁界の強さが変化することで、第一検出用コイル２３Ｄから電流が出力される。出力された電流は、制御装置５に入力されることで、第一レゾナントスキャナ２３がフィードバック制御される。また、本実施形態では、制御装置５は、この電流値に基づいて、測定対象Ａにおける走査位置（レーザ光が照射される位置）を検出する。

第二レゾナントスキャナ２４は、第一レゾナントスキャナ２３と同様の構成を有し、第二ミラー２４Ａと、第二梁２４Ｂと、第二駆動コイル２４Ｃと、第二検出用コイル２４Ｄと、を備える。各部の構成は、上記第一レゾナントスキャナ２３と同様であるため、ここでの説明は省略する。
また、第二レゾナントスキャナ２４における第二梁２４Ｂは、第一レゾナントスキャナ２３における駆動軸Ｌと同軸上に配置されている。したがって、第二ミラー２４Ａは、第一ミラー２３Ａと同軸の駆動軸Ｌを中心に振動（揺動）可能となる。

なお、上記では、ミラー２３Ａ，２４Ａを挟む位置に駆動コイル２３Ｃ，２４Ｃと、検出用コイル２３Ｄ，２４Ｄが設けられる構成を示すが、レゾナントスキャナ２３，２４の構成や駆動方式としては、これに限定されない。例えば、ミラーの外周に沿ってコイルを配置し、駆動軸Ｌを挟んで配置された磁石間に配置する。そして、コイルに対して駆動電流を流すことで、ミラーを揺動させる構成などとしてもよい。また、ミラー２３Ａ，２４Ａに電極（−）を形成し、駆動軸Ｌを挟む２つの領域に、それぞれ駆動電極（＋）を配置する構成（静電型レゾナントスキャナ）などとしてもよい。その他、公知のレゾナントスキャナの構成を用いることができる。

［制御装置の構成］
図３は、測定装置１の制御構成を示すブロック図である。
制御装置５は、図３に示すように、第一ドライバ５１と、第二ドライバ５２と、マウスやキーボード等で構成された入力部５３と、ディスプレイ等の表示部５４と、記憶部５５と、制御部５６と、を含んで構成されている。
第一ドライバ５１は、制御部５６からの指令信号に基づいて、第一レゾナントスキャナ２３の第一駆動コイル２３Ｃに交番交流を流す。
第二ドライバ５２は、制御部５６からの指令信号に基づいて、第二レゾナントスキャナ２４の第二駆動コイル２４Ｃに交番電流を流す。ここで、制御部５６から出力される指令信号は、第一ドライバ５１及び第二ドライバ５２の双方に同時に入力される。これにより、第一ドライバ５１からの第一駆動コイル２３Ｃへの電流印加と、第二ドライバ５２からの第二駆動コイル２４Ｃへの電流印加とが、同タイミングで実施され、第一レゾナントスキャナ２３及び第二レゾナントスキャナ２４が同期駆動される。

記憶部５５は、例えばハードディスクやメモリ等により構成され、測定装置１を制御するための各種プログラムや各データを記憶する。
制御部５６は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)等の演算回路や記憶回路により構成され、記憶部５５に記憶された各プログラムを読み込み実行することで、光プローブ２の測定データ（イメージセンサ２６にて検出された画像データ）、及び角度センサ４の検出値（回転角度）等に基づいて、測定対象Ａの三次元形状、表面性状等の測定を行う。
具体的には、制御部５６は、各種プログラムとの協働により、光源制御手段５６１、走査制御手段５６２、形状解析手段５６３（走査位置検出手段）、及び位相ずれ検出手段５６４等として機能する。

光源制御手段５６１は、光プローブ２（レーザ光源２１）のレーザ光の照射状態を制御する。
走査制御手段５６２は、第一レゾナントスキャナ２３及び第二レゾナントスキャナ２４を制御し、レーザ光を測定対象Ａに対して走査させる。具体的には、走査制御手段５６２は、駆動コイル２３Ｃ，２４Ｃへの駆動指令信号を、第一ドライバ５１及び第二ドライバ５２に対して同時に出力する。これにより、上述のように、第一ドライバ５１及び第二ドライバ５２から、第一駆動コイル２３Ｃ及び第二駆動コイル２４Ｃに交番電流が流れ、第一レゾナントスキャナ２３（第一ミラー２３Ａ）及び第二レゾナントスキャナ２４（第二ミラー２４Ａ）が同期して振動駆動する。

形状解析手段５６３は、本発明の測定手段であり、検出用コイル２３Ｄ，２４Ｄにより検出された電流信号に基づいて、光プローブ２から測定対象Ａに照射されたレーザ光の位置（走査位置）を検出し、測定対象Ａの形状を解析する（測定処理）。具体的には、形状解析手段５６３は、傾斜方向検出手段５６３Ａ、傾斜角検出手段５６３Ｂ、及び解析手段５６３Ｃとして機能する。
なお、本実施形態では、第一レゾナントスキャナ２３の第一ミラー２３Ａと、第二レゾナントスキャナ２４の第二ミラー２４Ａとが、同軸上に配置され、かつ同期して同一傾斜角となるように振動駆動される。したがって、第一検出用コイル２３Ｄからの電流信号を用いて走査位置を検出してもよく、第二検出用コイル２４Ｄからの電流信号を用いてもよく、双方の電流信号を用いてもよい。

図４は、検出用コイル２３Ｄ，２４Ｄから入力された電流信号と、ミラー２３Ａ，２４Ａの振動方向を示す角度信号（Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ信号）とを示す図である。
レゾナントスキャナ２３，２４では、駆動コイル２３Ｃ，２４Ｃに交番電流を流すことで、周期的にミラー２３Ａ，２４Ａが駆動軸Ｌを中心に振動する。したがって、検出用コイル２３Ｄ，２４Ｄからは、図４に示すような正弦波状の電流信号が出力される。
図４において、ミラー２３Ａ，２４Ａの傾斜角θが、最大傾斜角（θ＝＋θ_１）から最小傾斜角（θ＝−θ_１）まで回動すると、図４におけるタイミングＴ１〜Ｔ３に示すように、検出用コイル２３Ｄ，２４Ｄから振幅レベルが正値となる電流信号が出力される。なお、タイミングＴ２において、ミラー２３Ａ，２４Ａの傾斜角θはθ＝０°となる。
一方、ミラー２３Ａ，２４Ａの傾斜角θが、最小傾斜角（θ＝−θ_１）から最大傾斜角（θ＝＋θ_１）まで回動すると、図４におけるタイミングＴ３〜Ｔ５に示すように、検出用コイル２３Ｄ，２４Ｄから振幅レベルが負値となる電流信号が出力される。なお、タイミングＴ４において、ミラー２３Ａ，２４Ａの傾斜角θが、θ＝０°となる。
したがって、出力された電流信号の正負を判定することで、ミラー２３Ａ，２４Ａの回動方向を検出できる。また、ミラー２３Ａ，２４Ａの傾斜角θが検出されると、光プローブ２からレーザ光が出射される方向、測定対象にて反射された反射光の光プローブ２への入射方向が特定されるので、これらの角度に基づいて、例えば三角測量法により、光プローブ２から測定対象における走査位置（レーザ光が照射された点）を検出することが可能となる。

すなわち、形状解析手段５６３の傾斜方向検出手段５６３Ａは、信号レベルが正値である場合に、ミラー２３Ａ，２４ＡがＣＷ（Clock Wise）信号を出力し、負値である場合に、ＣＣＷ（Counter Clock Wise）信号を出力する。

また、傾斜角検出手段５６３Ｂは、各検出用コイル２３Ｄ，２４Ｄからの電流信号、及び角度信号により、傾斜角を検出する。
例えば、角度信号がＣＷ信号であって、検出用コイル２３Ｄ，２４Ｄから出力される電流の微分信号が正値である場合、傾斜角θが０＜θ≦θ_１であり、負値である場合、傾斜角θが０＞θ≧−θ_１であると判定する。同様に、角度信号がＣＣＷ信号であって、検出用コイル２３Ｄ，２４Ｄから出力される電流の微分信号が正値である場合、傾斜角θが０＜θ≦θ_１であり、負値である場合、傾斜角θが０＞θ≧−θ_１であると判定する。
また、記憶部５５に、検出用コイル２３Ｄ，２４Ｄから出力される電流信号の信号レベル（絶対値）に対する傾斜角のデータを記憶しておき、傾斜角検出手段５６３Ｂは、当該データと電流信号の信号レベルとに基づいて、ミラー２３Ａ，２４Ａの傾斜角を検出する。
そして、解析手段５６３Ｃは、ミラー２３Ａ，２４Ａの傾斜角、測定データ、角度センサ４の検出値、及び第一〜第六リンク３Ｂ〜３Ｇの各長さ（既知）等に基づいて、走査位置の三次元座標値（測定値）を算出する。

位相ずれ検出手段５６４は、第一検出用コイル２３Ｄからの電流信号と、第二検出用コイル２４Ｄからの電流信号とを比較することで、第一ミラー２３Ａ及び第二ミラー２４Ａの駆動において位相ずれがないか否かを検出する。すなわち、図４におけるタイミングＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５が、双方で一致しているか否かを判定する。

［測定装置の動作］
次に、測定装置１の動作について図面を参照して説明する。
図５は、測定装置１の動作を説明するフローチャートである。
操作者によって、光プローブ２が操作され、測定を開始する旨の操作が入力されると、光源制御手段５６１は、レーザ光源２１を制御して、レーザ光を出射させる（ステップＳ１）。

そして、走査制御手段５６２は、ステップＳ１において測定が開始されると、走査制御手段５６２は、駆動指令信号を第一ドライバ５１及び第二ドライバ５２に同時に出力する。これにより、第一ドライバ５１から第一駆動コイル２３Ｃへの交番電流の印加と、第二ドライバ５２からの第二駆動コイル２４Ｃへの交番電流の印加とが同時に実施され、第一ミラー２３Ａ及び第二ミラー２４Ａが同じ駆動軸Ｌ上で、同期して、共振駆動される。これにより、光プローブ２からレーザ光が測定対象Ａ上でライン走査される（ステップＳ２）。

ここで、位相ずれ検出手段５６４は、検出用コイル２３Ｄ，２４Ｄから入力されたそれぞれの電流信号を検出し、位相ずれがないか否かを判定する（ステップＳ３）。
ステップＳ３において、２つの電流信号に位相ずれがあると判定された場合、その位相差を算出する（ステップＳ４）。そして、走査制御手段５６２は、算出された位相差に基づいて遅延時間を算出し、第一ドライバ５１に対する駆動指令信号の出力タイミングから、算出した遅延時間だけ遅延させて、第二ドライバ５２に対する駆動指令信号を出力する（ステップＳ５：キャリブレーション処理）。ステップＳ５の後、再びステップＳ３に戻る。
なお、複数回のキャリブレーション処理を実施しても、電流信号に位相ずれがある場合では、レゾナントスキャナ２３，２４に構造的な異常があるとして、エラーを出力し、処理を中断させてもよい。

また、ステップＳ３において、位相ずれがないと判定されると、本測定を開始する。具体的には、走査制御手段５６２の制御により、レゾナントスキャナ２３，２４が駆動されることで、測定対象Ａの走査測定が実施され、測定対象Ａにて反射された光がイメージセンサ２６にて受光されることで画像データが制御装置５に取り込まれる（ステップＳ６）。また、ステップＳ５による測定データの取得と同時に、制御装置５は、第一検出用コイル２３Ｄからの電流信号を取得する（ステップＳ７）。さらに、制御装置５は、これらの測定データ、電流信号が取得された際に、角度センサ４により検出された検出値を取得する（ステップＳ８）。

この後、形状解析手段５６３は、傾斜方向検出手段５６３Ａにより、ステップＳ７により取得された電流信号に基づいてミラー２３Ａ，２４Ａの回動方向を検出し、角度信号（ＣＷ振動又はＣＷＷ信号）を出力する（ステップＳ９）。
また、傾斜角検出手段５６３Ｂは、角度信号と、電流信号と、記憶部５５に記憶している電流信号の信号レベルに対するミラー２３Ａ，２４Ａの傾斜角を記憶したデータと、を用いて、ミラー２３Ａ，２４Ａの傾斜角θを検出する（ステップＳ１０）。
そして、解析手段５６３Ｃは、ステップＳ６により取り込まれた測定データ、ステップＳ７にて取得した角度センサ４の検出値、ステップＳ１０にて検出されたミラー２３Ａ，２４Ａの傾斜角、及び例えば記憶部５５に記憶された既知のパラメータ（第一〜第六リンク３Ｂ〜３Ｇの各長さ等）に基づいて、レーザの走査位置の三次元座標値（測定値）を算出する（ステップＳ１１）。

［本実施形態の作用効果］
本実施形態の測定装置１では、光プローブ２と制御装置５とを備えている。そして、光プローブ２は、駆動軸Ｌを中心に回動可能な第一ミラー２３Ａを有する第一レゾナントスキャナ２３と、前記駆動軸Ｌを中心に回動可能な第二ミラー２４Ａを有する第二レゾナントスキャナ２４と、を備えており、これらの第一ミラー２３Ａ及び第二ミラー２４Ａが、制御装置５の制御によって同期して振動駆動される。
すなわち、第一ミラー２３Ａの傾斜角θと、第二ミラー２４Ａの傾斜角θが常に同一角度となる。これにより、第一レゾナントスキャナ２３の第一ミラー２３Ａにより反射された光を測定対象Ａに対してライン走査させることができる。また、走査位置で反射された光は、第二レゾナントスキャナ２４の第二ミラー２４Ａにより、イメージセンサ２６に向かって精度よく反射させることができ、精度の高い測定データを得ることができる。
そして、このようなレゾナントスキャナ２３，２４は、従来用いられてきたガルバノミラーに比べて軽量化及び小型化が可能であり、光プローブ２の軽量化及び小型化を促進できる。
具体的には、ガルバノモーターを用いる場合では、モータートルク等にも作用されるものの、モーターの重量が８０〜１００ｇであるのに対し、レゾナントスキャナでは５０ｇ以下の重量となり、光プローブ２の軽量化を図ることができる。
また、ガルバノモーターを用いた光プローブでは、モーターを小型化する必要があり、モーターを小型化すると十分なトルクが得られない等の課題もあり、さらには、モーターを駆動させるための電力を出力する駆動ドライバも大型となる。これに対して、レゾナントスキャナでは、僅かな磁界の変動によりミラー２３Ａ，２４Ａを共振駆動させるので、モーターが不要であり、光プローブ２の小型化を促進でき、省電力化をも図ることができる。
これによって、本実施形態のような多関節アーム３の先端に光プローブ２を装着して、測定者が光プローブ２の位置を手動で移動させる場合であっても、測定者への負担が少なく、操作性を向上させることができる。

また、従来のガルバノモーターによりミラーを駆動させる場合では、走査速度が数十Ｈｚが限界であるのに対し、レゾナントスキャナは、数百Ｈｚの走査速度を実現できる。すなわち、電磁共振によりミラー２３Ａ，２４Ａを高速で揺動駆動させることができるため、レーザ光を用いた走査処理も高速で実現でき、測定時間内により多くの測定データを取得することができるために、測定精度の向上を図れる。また、測定時間自体の短縮を図ることも可能となる。

本実施形態では、第一レゾナントスキャナ２３は、第一ミラー２３Ａの揺動駆動に応じた電気信号を出力する第一検出用コイル２３Ｄを備えている。
第一検出用コイル２３Ｄから出力される電気信号は、第一ミラー２３Ａの傾斜角θに応じた信号レベルを有するため、当該電気信号の信号レベルを検出することで、容易に第一ミラー２３Ａの傾斜角θを求めることができる。また、第一ミラー２３Ａの傾斜角θが求まれば、形状解析手段５６３は、三角測量法により容易に走査位置を検出することができる。
また、第一検出用コイル２３Ｄからの電流信号を制御装置５に出力することで、制御装置５は、当該電流信号に基づいて、第一ドライバ５１及び第二ドライバ５２に出力する駆動指令信号を制御し、駆動状態を制御することができる。すなわち、クローズドループ回路により、フィードバック制御を行うことができ、レーザ光の走査精度を向上させることができる。

本実施形態では、さらに、第二レゾナントスキャナ２４は、第二ミラー２４Ａの揺動駆動に応じた電気信号を出力する第二検出用コイル２４Ｄを備えている。そして、位相ずれ検出手段５６４は、第一検出用コイル２３Ｄからの電気信号及び第二検出用コイル２４Ｄからの電気信号をそれぞれ検出する。このため、これらの電気信号に位相ずれがあるか否かを判定することができ、位相ずれがある場合では、キャリブレーション処理を実施することで、位相ずれ量に応じた遅延時間を設定する等により、第一ミラー２３Ａと第二ミラー２４Ａとの位相ずれをなくし、同期駆動させることができる。

[変形例]
なお、本発明は、前記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。
例えば、上記実施形態では、測定装置１として、多関節アーム３の先端に光プローブ２を装着した構成例を示したが、これに限定されない。
図６は、本発明の測定装置のその他の例である、ステージタイプの測定装置を示す図である。
図６に示す測定装置１Ａは、測定装置本体１０と、制御装置６とを備える。
測定装置本体１０は、台座部１１と、台座部１１に立設され、Ｙ軸方向に移動可能な一対のコラム１２と、これらのコラム１２間にＸ軸方向に沿って架橋されたビーム１３と、ビーム１３上でＸ軸方向に移動可能なスライダ１４とを備える。スライダ１４には、Ｚ軸方向に移動可能なラム１５が設けられ、ラム１５の先端部に上記実施形態と同様の光プローブ２を着脱可能に設けられる。
また、測定装置１Ａは、コラム１２をＹ軸方向に駆動させるＹ駆動機構、スライダ１４をＸ軸方向に駆動させるＸ駆動機構、ラム１５をＺ軸方向に駆動させるＺ駆動機構、コラム１２、スライダ１４、ラム１５のそれぞれの駆動量を計測するＸＹＺスケールを備える。

さらに、制御装置６は、図６に示すように、プローブ移動手段６１、座標検出手段６２、上記実施形態と同様の機能を有する光源制御手段５６１、走査制御手段５６２、形状解析手段５６３、及び位相ずれ検出手段５６４の各機能構成を備える。
ここで、プローブ移動手段６１は、ＸＹＺ駆動機構を制御して光プローブ２を移動させる。また、座標検出手段６２は、ＸＹＺスケールにより検出されたスケール値を取得し、光プローブ２の座標（マシン座標系）を測定する。
そして、本例の測定装置１Ａでは、形状解析手段５６３は、上記実施形態と同様に、検出用コイル２３Ｄ，２４Ｄからの電気信号に基づいて、各ミラー２３Ａ，２４Ａの傾斜角θを検出するとともに、当該傾斜角θと、座標検出手段６２により検出されたスケール値と、光プローブ２による測定データ（イメージデータ）とに基づいて、走査位置の座標を算出する。

このような測定装置１Ａでは、自動で光プローブ２を移動させる構成であり、光プローブ２の重量が大きいと、駆動精度が低下し、測定誤差が発生する。これに対して、光プローブ２は、上記実施形態と同様に、ガルバノモーターを用いた従来の光プローブに比べて、小型かつ軽量であるため、光プローブ２の重量負荷による駆動精度の低下を抑制でき、精度の高い測定結果を得ることができる。

また、上記実施形態では、ステップＳ３において、第一検出用コイル２３Ｄからの電流信号と、第二検出用コイル２４Ｄからの電流信号とに位相ずれがある場合に、ステップＳ３のキャリブレーション処理を実施する例を示したが、これに限らない。
例えば、各検出用コイル２３Ｄ，２４Ｄからの電流信号に位相ずれがある場合に、ステップＳ２に戻って、第一ドライバ５１及び第二ドライバ５２に対して駆動指令信号を再度入力し直し、同期処理をやり直してもよい。また、複数回の同期処理の後に、電流信号の位相ずれがある場合は、レゾナントスキャナ２３，２４に異常があるとして、エラーを出力してもよい。

上記実施形態では、本測定中のステップＳ５において、第一検出用コイル２３Ｄから電流信号に基づいて、走査位置を検出する例を示したが、第二検出用コイル２４Ｄの電気信号を取得し、ステップＳ９及びステップＳ１０において、この第二検出用コイル２４Ｄの電気信号を用いた傾斜角θの算出、及び走査位置の座標算出を行ってもよい。
また、第一検出用コイル２３Ｄ及び第二検出用コイル２４Ｄの双方の電気信号に基づいて、傾斜角θの算出や、走査位置の座標算出を行ってもよい。例えば、双方の電気信号の平均値等に基づいて、傾斜角θの算出や、走査位置の座標算出を行ってもよい。

また、本測定中において、第一検出用コイル２３Ｄ及び第二検出用コイル２４Ｄの双方の電気信号を取得できるので、位相ずれ検出手段５６４は、本測定中における第一ミラー２３Ａと第二ミラー２４Ａとの位相ずれを検出してもよく、位相ずれが検出された際には、キャリブレーション処理を実施してもよい。

上記実施形態では、第一検出用コイル２３Ｄ及び第二検出用コイル２４Ｄの双方が設けられた光プローブ２を例示したが、いずれか一方のみが設けられる構成としてもよい。この場合、位相ずれ検出手段５６４が設けられていなくてもよい。
さらに、第一検出用コイル２３Ｄ及び第二検出用コイル２４Ｄの電気信号が制御装置５に入力され、これらの電気信号に基づいて、第一ドライバ５１及び第二ドライバ５２に対する駆動指令信号をフィードバック制御するクローズドループシステムの構成例を示したが、オープンループシステム構成としてもよい。すなわち、第一検出用コイル２３Ｄや第二検出用コイル２４Ｄは、走査位置の検出のみに用いられ、フィードバック制御には用いられない構成としてもよい。さらに、第一検出用コイル２３Ｄや第二検出用コイル２４Ｄが設けられない構成としてもよい。この場合、測定データに基づいて、走査位置を算出する。

上記実施形態において、光プローブ２としては、レーザ光源からのレーザ光を出射するレーザプローブを例示したが、その他の光源（例えばＬＥＤ等）からの光をコリメータレンズ等により平行光として出射させる構成などとしてもよい。
上記実施形態では、多関節アーム３は、６つのリンク及び関節部を備え、６軸により操作可能に構成されていたが、これに限らず、その他の数のリンク及び関節部を備えた構成とし、５軸や７軸により操作可能に構成しても構わない。

上記実施形態において、第一ドライバ５１及び第二ドライバ５２が制御装置５に設けられる構成を例示したが、例えば、光プローブ２内に、駆動コイル２３Ｃ，２４Ｃに流す交番電流を制御する第一ドライバ５１及び第二ドライバ５２が設けられる構成としてもよい。

本発明は、測定対象に対して光を照射し、測定対象にて反射された光を受光する光プローブを備える測定装置に利用できる。

１，１Ａ…測定装置、２…光プローブ、３…多関節アーム、４…角度センサ、５，６…制御装置、１２…コラム、１３…ビーム、１４…スライダ、１５…ラム、２１…レーザ光源（光源）、２３…第一レゾナントスキャナ、２３Ａ…第一ミラー、２３Ｂ…第一梁、２３Ｃ…第一駆動コイル、２３Ｄ…第一検出用コイル、２４…第二レゾナントスキャナ、２４Ａ…第二ミラー、２４Ｂ…第二梁、２４Ｃ…第二駆動コイル、２４Ｄ…第二検出用コイル、２６…イメージセンサ（受光部）、５１…第一ドライバ、５２…第二ドライバ、５６…制御部、５６２…走査制御手段、５６３…形状解析手段（測定手段）、５６３Ａ…傾斜方向検出手段、５６３Ｂ…傾斜角検出手段、５６３Ｃ…解析手段、５６４…位相ずれ検出手段。

Claims

光プローブと、前記光プローブからの測定結果に基づいた測定処理を実施する測定手段と、を備える測定装置であって、
前記光プローブは、
駆動軸を中心に回動可能に設けられた第一ミラーを有し、光源からの出射光を測定対象に向かって反射させる第一レゾナントスキャナと、
前記駆動軸を中心に回動可能に設けられた第二ミラーを有し、前記測定対象にて反射された光を受光部に向かって反射させる第二レゾナントスキャナと、
前記第一ミラーの傾斜角に応じた電流を出力する第一検出用コイル、及び前記第二ミラーの傾斜角に応じた電流を出力する第二検出用コイルの少なくともいずれか一方と、を備え、
前記第一ミラーと前記第二ミラーとが同期して回動され、
前記測定手段は、
前記第一検出用コイル及び前記第二検出用コイルの少なくとも一方から入力される電流信号の正負に基づいて、前記第一ミラー及び前記第二ミラーの回動方向を示す角度信号を出力する傾斜方向検出手段と、
前記角度信号及び前記電流信号に基づいて、前記第一ミラー及び前記第二ミラーの少なくとも一方の傾斜角を検出する傾斜角検出手段と、
前記傾斜角に基づいて前記測定対象物における走査位置を検出する解析手段と、を備える
ことを特徴とする測定装置。
請求項１に記載の測定装置において、
前記傾斜角検出手段は、
前記角度信号が示す前記回動方向と前記電流信号の微分値の正負との組み合わせに基づいて、前記傾斜角の範囲を判定する
ことを特徴とする測定装置。
請求項１又は請求項２に記載の測定装置において、
前記光プローブは、前記第一ミラーの傾斜角に応じた電流を出力する第一検出用コイルと、前記第二ミラーの傾斜角に応じた電流を出力する第二検出用コイルとを備え、
前記第一検出用コイル及び前記第二検出用コイルから出力された各電流信号に基づいて、前記第一ミラー及び前記第二ミラーの位相ずれを検出する位相ずれ検出手段を備えている
ことを特徴とする測定装置。