JPH0342505A - 接触式光センサを備えたスキャンニングピン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、接触式光センサを備えたスキャンニングピン
に関するものである。

〔従来の技術と問題点〕

被測定物に接触して偏向するスキャンニングピンを備え
たスキャナを３Ｄ測測定に使用するため。

接触要素を可能な限り無限小に偏向させて信号を発する
ようにすることは公知である。

この種のスキャンニングピンにおいて、光学系によって
接触を検知することは西ドイツ特許第２９３７４３１号
公報、米国特許第４４５３０８２号公報、米国特許第４
５７４１９９号公報から知られている。この場合光学系
は光源と１機械的な作用を受ける光学要素と、光検出器
とを有している。光源は、光学要素によって偏向または
フェードアウトされる安定した光流を生じさせ、その結
果その後に光検出器に到達する光束の位置及び／または
強度が影響を受ける。

前記両米国公報には、光検出器としてフォトダイオード
アレイを使用することが開示されている。

フォトダイオードアレイを使用することにより、接触要
素の偏向の大きさを定量的に測定する（測定スキャンニ
ング）ことも可能になる。前記米国特許第４４５３０８
２号公報からは、光源として半導体レーザーダイオード
を使用できることも知られている。

前記西ドイツ特許第２９３７４３１号公報に記載の構成
では、接触要素が被測定物に衝突することによりミラー
が振動する。その結果、スキャンニングピンの定常的な
当接または変形は検知されない。

米国特許第４６５５５９７号公報及びＴ、Ｙｏｓｈｉｎ
ｏらのＡｐｐｌ、　０ｐｔｉｃｓ　２６　（１９８７）
、第８９２頁−第８９７頁からは、レーザーダイオード
・フィードバック干渉計を用いて位置変化を測定するこ
とが知られている。この場合、レーザーダイオードによ
って検出される光はミラーからレーザーダイオードに戻
される。従ってミラーは、レーザーダイオードの２つの
エンドミラーをも有している複合共振器の第３の共振器
ミラーとして作用する。レーザーダイオードに対する第
３の共振器ミラーの位置変化は、複合共振器のグレード
（［ｉｉ；ｔｅ）を変化させる。即ちレーザーダイオー
ドの光放射は第３の共振器の位置の影響を受ける。レー
ザーダイオードの光流はフォトダイオードによって検出
される。また、レーザーダイオードの作動電流を安定な
、即ち一定に修正された光放射に調整する調整回路が設
けられている。従って、図示された実験装置（Ｔ、　Ｙ
ｏｓｈｉｎｏらによる前掲群）では、線形イ３昔により
数μｍ以上の相対位置測定を行なうことができる。両文
献ともミラーの影響及び傾動に関しては説明していない
。

０、　Ｍｉｌｅｓ　らによるＪ、　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ
　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ。

Ｖｏｌ、　１．　Ｎｏ、　ｌ、　Ｍａｒｃｈ　１９８３
．第８１頁から第９３′ｊ１までには、レーザーダイオ
ードと外部の近距ｒａ場・空胴共振器とを備えた光セン
サが開示されている。外部の反射体とレーザーダイオー
ドの共振器との間隔は共振器の長さに対して短がく、光
センサを加速センサとして実施した場合には、外部の反
射体の小さな傾動も検出される。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の課題は、接触式光センサを備えた冒頭で述べた
種類のスキャンニングピンを、定常的な接触の場合にも
高接触感度が得られるように構成することである。また
、全体の構成を簡潔に、安定に、且つ機能的にも安定に
させることをも課題とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記課題を解決するため、接触式光センサを
レーザー・フィードバック・干渉計として構成し、その
外面に設けたミラーを接触要素と連結させて、レーザー
・フィードバック・干渉計の共振器形状と共振器グレー
ドとを、スキャンニング過程によって決定される接触要
素の位置変化により変化させるようにしたことを特徴と
するものである。

〔発明の効果〕

本発明によるスキャンニングピンは、被測定物を光学的
に直接スキャンニングするものに比べて。

光学系が周囲の影響を受けず、被測定物の光学的特性が
全く問題にならないという効果を奏する。

レーザー・フィードバック・干渉計はスキャナーに一体
化された構成要素である。

外部の反射体とレーザーダイオードとの間隔を大きくで
きることが判明した。これによりスキャナーを簡潔に構
成できる。この原理は切換えスキャナー及び測定スキャ
ナーに適している。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例を添付の図面を用いて説明する。

第１図は、３Ｄ測測定において切換えスキャンニングピ
ンとして通常用いられるようなスキャンニングピン１を
示す、スキャンニングピン１は接触要素２（典型的なも
のとしては、研磨されたサファイア球）と、アーム３と
、ベース４とを有している。

サファイア球２と被測定体５の間にはたらく力を制限す
るため、ベース４は自在軸受６で支持され、保持ばね７
により静止位置に保持される。

本発明によれば、レーザー８はベース４に設けられ、ア
ーム３は中空の管として形成され、管のサファイア球２
を設けた領域はミラー２ａとして用いられる。

レーザー８の第１及び第２のエンドミラー８ａ。

８ｂと、第３の共振ミラーとしてのミラー２ａとは、結
合されたレーザー共振器を形成している。

レーザー出力は、外側のレーザーミラー８ｂの後方に配
置したモニターフォトダイオード９によって測定される
。

ミラー２ａとレーザーダイオード８との相対位置がスラ
イドまたは傾動により変化すると、フィードバックが変
化し、即ち結合−されたレーザー共振器のグレードが変
化する。これによりフォトダイオード９の放射流が変化
したことがわかる。レーザー８としてはレーザーダイオ
ード８を使用するのが有利である。適当なレーザーダイ
オード８とモニターフォトダイオード９とは完全なユニ
ットとして市販されている（例えば日立ＨＬ　　７８０
６、シャープＬＴＯ３０ＭＤ／ＭＦ）。一方共振器のグ
レードに伴なってレーザーダイオード８の電気抵抗も変
化する。従ってこの電気抵抗も評価することができる。

この場合フォトダイオード９を省略することができる。

接続部８１を備えた電子回路８１は給電と評価に用いる
。

共振器のグレードを正確に測定するため、レーザーダイ
オード８の電流及び／または温度によって該レーザーダ
イオード８の波長も修正することができる。

上記の効果を得るためには、レーザーダイオード８から
の光流の一部分だけがミラー２ａによって反射されねば
ならないので、接触要素２として研磨されるのが有利で
あるサファイア球２を、加工せずにミラー２ａとして用
いることもできる。

接触要素２と被測定物５の間にはたらく力を最小にして
ミラー２ａの位置変化を検出できるようにするためには
、アーム３として形成される管が細いレーザー光ｖＡ１
０だけを覆い、必ずしも堅牢である必要はないので、管
を非常に薄く軽量にしてもよい。

管の内部は埃、湿気の侵入を防ぎ、レーザー共振器の圧
力及び密度変動を防止するため、一定圧の大気で満たさ
れているが、真空であってもよい。

第２図は、アーム３の長さ部、即ちスキャンニングピン
１の長さ部と、レーザー共振器の長さ部との連結をはず
した構成を示したものである。レーザーダイオード８は
ベース４に設けた堅牢な担持体１１に固定され、管のな
かへ突出してほぼミラー２ａの付近まで達して１Ｘる。

共振器の長さが短かいと、レーザーダイオード８に対し
てミラー２ａを大きくさせることができる。図の例では
レーザーダイオード８の内部抵抗が測定されるので。

フォトダイオード９　（第１図）を省略することができ
る。

第３図の実施例は、スキャンニングピンを交換可能にす
るうえで特に適した実施例を示している。

レーザー８とモニターフォトダイオード９とは保持部１
２により自在軸受６と結合され、ベース４の近くにして
スキャンニングピン１の中空のアーム３を延長した位置
に配置されている。即ちスキャンニングピン１は能動的
な構成要素を有しておらず、従って特にコスト上好都合
に交換可能な部品として製造することができる。またこ
の構成により、自在軸受６におけるスキャンニングピン
１の基本位置の調整不良も検出することができる。

さらに第３図かられかるように、接触要素２は光学系に
対して最適であるように特殊に構成されたミラー２ｂ）
備えていることもできる。例えばコーティングを施した
平面ミラー２ｂを設けることができる。この場合、レー
ザーダイオード８と平面ミラー２ｂの位置調整は簡屯で
あるが、平面ミラー２ｂの製造コストが高くなる。

５第４図は、スキャンニングピン１のベース４にレーザ
ーダイオード８を配置し、平面ミラー２ｂを接触要素２
に配置した実施例を示す。この実施例では、接触要素２
は筒と円錐を組み合わせたものとして構成されている。

レーザーダイオード８の横にはモニターフォトダイオー
ド１３ａと１３ｂが設けられ、該モニターフォトダイオ
ード１３ａと１３ｂは、レーザーダイオード８からミラ
ー２ｂを経て該モニターフォトダイオード１３ａ。

１３ｂへ至る経路をとる光を検出する。

従って光学酌む構成は、通常の反射光障壁のような構成
になっている。モニターフォトダイオード１３ａ、１３
ｂがリング状のアレイの一部であるならば、米国特許第
４５７４１９９号公報に記載されているようにして、フ
ォトダイオードアレイ上の反射位置から、ミラー２ｂと
レーザーダイオード８の間の傾動の軸線を読み取ること
ができる。

本発明によれば、レーザーダイオード８はそのエンドミ
ラー８ａと８ｂ及びミラー２ｂとともに、３つのミラー
を備えた結合されたレーザー共振器として配植される。

このため基本位置における共振器のグレードとレーザー
ダイオード８の作動条件とは、電流及び温度と同様に、
レーザー光放射に対する閾値を越えるように選定される
。

レーザー光束１０は細く、従って実際にはモニターフォ
トダイオード１３ａ、１３ｂに当たる光線は存在しない
。

ミラー２ｂが一定の角度傾動すると、共振器のグレード
が低下する。それによってレーザーダイオード８は蛍光
作動に移行し、比較的拡散性の高い蛍光光線１４だけが
放射される。

従って、ミラー２ｂの傾動方向によって設定されるモニ
ターフォトダイオード１３ａにはかなりの光強度が入射
する。即ちこの実施例は閾値切換え器として作動する。

ミラー２ｂの位置変化によりレーザー光放射に対する閾
値を下回らむい限りは、この実施例は第１図の実施例の
場合と同様に作動し、共振器グレード変化はレーザーダ
イオード８の励起電流により、または付加的に設けたモ
ニターフォＩ−ダイオードにより検知される。光路がモ
ニターフォトダイオード１３ａ、１３ｂのほうへ拡散し
ているので、中空のアーム３は第１図から第３図までの
実施例に比べてより幅広でなければならない。

第５図は、第３の共振ミラー１５を接触要素２からも分
離させることができるようにした、第３図の変形例であ
る。分離を可能にするため、公知の堅牢なスキャンニン
グピン構造を本発明にしたかって改変したものである。

この場合共振ミラー１５はスキャンニングピン１のベー
ス４に装着されている。付加的にレーザー光線１０の光
路内にレンズ１６が設けられ、その結果レーザーダイオ
ード８から放射された光の拡散を抑えることができ、フ
ィードバックを改善することができる。その際特に有利
なのは、屈折率しこ傾斜があるレンズ要素１６を使用す
ることである。

第６図の実施例では、レーザーダイオード８と接触要素
２に設けた第３の共振ミラー２ａとの間の光路内に光波
誘導体１７が設けられている。

光波誘導体１７をアーム３の領域で遊隙をもって（ｆｒ
ｅｉｓｔｅｈｅｎｄ　）　Ｌ／　ッかりと設置するなら
ば、第２図の実施例の利点が得られるが、能動的な構成
要素であるレーザーダイオード８と場合によってはフォ
トダイオード９を第３図の実施例の場合のように自在軸
受６に収納させてもよい。モノモードファイバーのよう
な適当な光波誘導体１７を選択すると、極端な場合には
レーザーダイオード８を、スキャンニングピン３を装着
した完全な３Ｄ測測定の制御箱内に収納させることがで
きる。

それによって例えば電磁的な障害を抑えることができる
。

さらに第６図の実施例では、光波誘導体１７と第３の共
振ミラー２ａとの間にレンズ要：Ｍ１８が配置されてい
る。これによって、放射された光が共振ミラー２ａを形
成している接触要素２の球の球中心点にフォーカシング
され、その結果光はミラー表面に垂直に当たる。

さらに光波誘導体１７に市販のプラグ１９とソケット２
０を備えさせることができる。この場合スキャンニング
ピン全体を簡単に交換することができる。

光波誘導体ｔ７は、レーザー８と第３の共振ミラー２ａ
、２ｂの間の全長をも埋めることができ、即ち第１図の
アーム３の中空空間の代用であることができ、光のロス
を減少させる。この場合、特にグラジェントインデック
スファイバーを光波誘導体１７として使用すると、レン
ズ要素１６゜１８を省略することができる。この場合接
触要素２が被測定物Ｓに接触すると、光波誘導体１７が
湾曲または圧縮される。光波誘導体１７を５例えばＩｒ
Ｉ！衝のような光学的特性の変化または偏光特性の変化
に応答するように構成すると、これらの変化は接触時に
共振器の等緑変化を増大させる６種々の接触形状を可能
にするため、スキャンニングピン１は、ベース４と、異
なるアーム要１ｉ４３ｂと、接触要素２と、分岐・角形
部材ととキノに１つのユニットシステムのなかに設けら
れている。

個々の要素は、ある一定の測定課題に適合するように互
いに継ぎ合わせられる。

上記の構成は１本発明によるスキャンニングピン１の場
合も、第７図に図示するように実現することができる。

この場合ベース４とアーム要素３ｂとは光波誘導体１７
と連結要素を備えている。連結要素は光波誘導体プラグ
１９及び光波誘導体ソケット２０として形成されている
。第３の共振ミラー２ａを備えた接触要素２は直接アー
ム要素３ｂに固定するか、もしくは同様にプラグ１９を
備えていることができる。光波誘導体１７のための分岐
要素２１（アーム要素３ｂのための機械的な分岐要素と
して構成されている）とともに、スキャンニングピンの
構成に必要なすべての構成を実現できる。

図示した本発明によるスキャンニングピンは単なる例で
あり、個々の実施例の特徴を組み合わせることができる
。

本発明によるスキャナーを作動させるために必要な電子
回路８０と接続部８１　（第１図）に関しては詳細に説
明しなかったが、従来の技術の欄で述べた技術から知ら
れているものであり、必要に応じて３Ｄｌ定機に容易に
適合できるものである。

しかし、本発明によるスキャンニングピンは３Ｄ測測定
での使用に限定されるものではなく、接触式検知センサ
として一般に広く使用できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は３Ｄ測測定に使用される本発明によるスキャン
ニングピンを示す図、第２図はスキャンニングピンの長
さと共振器の長さとを互いに独立にさせた１例を示す図
、第３図は特に交換可能なスキャンニングピンに適した
１例を示す図、第４図は閾値切換え器を形成するために
レーザー作動から蛍光作動への迅速な変換を利用した１
例を示す図、第５図は光路内に１個のレンズを配置し、
スキャンニングピンのベースに共振ミラーを配置した例
を示す図、第６図は光路内に光波誘導体を設けた１例を
示す図、第７図は光波誘導体のためのプラグと分岐手段
とを備えたユニットシステム内にスキャンニングピンを
配置した例を示す図である。 １・・・・・・スキャンニングピン ２・・・・・・接触要素 ２ａ・・・・・・ミラー ８・・・・・・レーザーダイオード ８ａ、８ｂ・・・・・・エンドミラー 、！２〈ず４）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）接触要素（２）と接触式光センサとを備えたスキ
   ャンニングピンにおいて、 接触式光センサをレーザー・フィードバッ ク・干渉計（８、８ａ、８ｂ、２ａ）として構成し、そ
   の外面に設けたミラー（２ａ）を接触要素（２）と連結
   させて、レーザー・フィードバック・干渉計（８、８ａ
   、８ｂ、２ａ）の共振器形状と共振器グレードとを、ス
   キャンニング過程によって決定される接触要素（２）の
   位置変化により変化させるようにしたことを特徴とする
   スキャンニングピン。（２）共振器グレードに依存する
   レーザー（８）の放射流を測定するための装置が設けら
   れていることを特徴とする、請求項１に記載のスキヤン
   ニングピン。 （３）レーザーとしてレーザーダイオード（８）を使用
   し、共振器グレードに依存するレーザーダイオード（８
   ）の内部抵抗を測定するための装置が設けられているこ
   とを特徴とする、請求項１に記載のスキャンニングピン
   。 （４）レーザー・フィードバック・干渉計（８、８ａ、
   ８ｂ、２ｂ）を、蛍光とレーザーのレーザー作動効率と
   の間の閾値の範囲内で作動させることを特徴とする、請
   求項１に記載のスキャンニングピン。 （５）分散光を検出する検出器（１３ａ、１３ｂ）を設
   け、レーザー放射軸線に対して大きな角度を成して分散
   する分散光の急激な増大を、レーザー作動から蛍光作動
   への移行時に、低下したグレードによって検出するよう
   にしたことを特徴とする、請求項１に記載のスキャンニ
   ングピン。 （６）スキャンニングピン（１）が接触要素（２）と、
   アーム（３）と、ベース（４）とを有していることと、
   ベース（４）にエンドミラー（８ａ、８ｂ）を備えたレ
   ーザー（８）を付設し、且つ接触要素（２）にミラー（
   ２ａ）を固設し、その際外面に設けた第３の共振器ミラ
   ーとしてのミラー（２ａ）がレーザー （８）の自己フィードバックを生じせしめるようにして
   、スキャンニングにより決定される接触要素（２）の位
   置変化が、エンドミラー（８ａ、８ｂ）を備えたレーザ
   ー（８）とミラー（２ａ）から成る共振器のグレードを
   変化させるようにしたことを特徴とする、請求項１に記
   載のスキャンニングピン。 （７）スキャンニングピン（１）を、アーム（３）とし
   ての中空の管と、一端に固定される接触要素（２）とし
   てのスキャンニング球から構成し、該スキャンニング球
   （２）の、前記管の中空空間に向けられる面を、ミラー
   （２ａ）として利用することを特徴とする、請求項６に
   記載のスキャンニングピン。 （８）レーザー（８）をスキャンニングピン（１）のベ
   ース（４）に固定したことを特徴とする、請求項６に記
   載のスキャンニングピン。 （９）スキャンニングピン（１）のベース（４）が自在
   軸受（６）で可動に支持され、レーザー（８）がベース
   （４）の領域において自在軸受（６）に固定されている
   ことを特徴とする、請求項６に記載のスキャンニングピ
   ン。 （１０）スキャンニングピン（１）が接触要素（２）と
   、堅牢なアーム（３）と、ベース（４）とを有している
   ことと、スキャンニングピン （１）が軸受（６）で可動に支持されていることと、レ
   ーザー・フィードバック・干渉計の外面に設けた第３の
   共振器ミラー（１５）がベース（４）に固定されている
   ことを特徴とする、請求項１に記載のスキャンニングピ
   ン。 （１１）レーザー・フィードバック・干渉計のなかに光
   波誘導体（１７）を配置したことを特徴とする、請求項
   １に記載のスキヤンニングピン。 （１２）レーザー・フィードバック・干渉計のなかに光
   学的傾斜要素を配置したことを特徴とする、請求項１に
   記載のスキャンニングピン。 （１３）レーザー・フィードバック・干渉計のなかに偏
   光要素を配置したことを特徴とする、請求項１に記載の
   スキャンニングピン。 （１４）ユニットシステムに基づくスキャンニングピン
   （１）が、分岐した異なるアーム要素 （３ｂ）と、複数個の異なる接触要素（２）とを備え、
   アーム要素（３ｂ）が光波誘導体（１７）と光波誘導体
   （１７）用の連結部材（１９、２０）及び分岐部材（２
   １）とを備え、且つ接触要素（２）が共振器ミラー（２
   ａ、２ｂ）を備えていることを特徴とする、請求項１に
   記載のスキャンニングピン。 （１５）レーザーダイオードの電流及び／または温度を
   修正することによってレーザーダイオードの波長を修正
   して共振器グレードを測定するようにしたことを特徴と
   する、請求項１に記載のスキャンニングピン。