JPS6176902A - 非接触形プロ−ブ - 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】 （ａ）、産業上の利用分野 本発明は３次元測定機、平面変測定機、形状測定機等の
精密測定機に用いるに好適な非接触形プローブに関する
。

（ｂ）、従来の技術 従来、この種の精密測定機に用いられろプローブはスタ
イラスを被測定物に接触させて測定を行う方式が一般的
であり、その構造も機城式のものがほとんどであった。

（Ｃ）６発明が屏決しようとする問題点従って、被測定
物に剛性が無い場合には、スクイラスが被測定物に接触
することにより被測定物が変形してしまい、また被測定
物上に圧痕を残すなどの不都合が有り、更にそうした事
態の発生を防止するために、スタイラスの剛性を弱める
と、スタイラスが被測定物に接触した際に、スタイラス
が変形してしまい、正確な測定が出来なくなる不都合が
有った７、４：た、機織式の構造であることからスタイ
ラスが被測定物に接触したことを検出する機構の動作遅
れにより、プローブを被測定物に接触させる際の測定速
度に制限が生じ、高速での測定が困難になるなどの欠点
ｆ）Ｃ有った。

本発明は、前述の欠点を解消すべく、被測定物を、被測
定物に接触する乙となく検出することが出来、かつ動作
遅れが極めて少なく、従って高速での測定が可能な非接
触形プローブを提供することを目的とするものである。

（ｄｌ、問題点を解決するための手段 即ち、本発明は、白色光源を有し、前３己白色光源から
の光線を２つの光線ζこ分割するヒ゛−ムスプ’Ｊ　２
夕を設け、前記分割された光線の一方の光線を’ａｍ定
物に照射してその反射光を再度前に己ヒ゛−ムスプリツ
タに入射させる導光素子を設＋１、前記分割された光線
の他方の光線を再度ヒ゛−ムスプリツタに入射させる反
射手段を設＋１　、前５己導光素子により導かれる被測
定物から反射しｔ二光線と前記反射手段から反射してき
た光線カー再結合した際の光強度を測定する光強度測定
手段を設（す、更（こ、前記光強度測定手段からの信号
力）ら、光強度測定手段に入射する光線の強度の最大ピ
ークを検出して所定の信号を出力する被測定物検出回路
を設客すて構成されろ。

（ｅ）３作用 上記した構成により、本発明は、白色光源からの光線が
ビームスプリッタにより分割され、分割された光線の一
方の光線は被測定物に反射して再度前記ビームスプリッ
タに入射し、前記分割された光線の他方の光線は反射手
段により、再度ビームスプリッタに入射してビームスプ
リフタ内で被測定物からの光線と再結合して干渉する、
その際、２つの光線の光路長が等しくなった時点で、光
強度測定手段は干渉光の最大強度をｗｔｌ！ＩＩＩシ、
被測定物検出手段から所定の４１号が出力され、その時
点で被測定物が検出されろように作用する。

（ｆ）、実施例 以下、本発明の実施例を図面に基づき説明する。

第１図は本発明による非接触形プローブの一実施例を用
いた３次元測定機の一例を示す制御ブロック図、第２図
は本発明の動作原理を示す非接触形プローブの一例を示
す図、第３図はフォトダイオードへの入光強度分布を示
す図、第４図は本発明による非接触形プローブの一実施
例を用いた３次元測定機の一例を示す斜視図、第５図は
非接触形プローブにおける信号処理態様を示すタイムチ
ャート、第６図は本発明の別の実施例が用いられた３次
元測定機の一例を示す制御ブロック図である。

３次元測定８！１は、第４図に示すように、被測定物が
搭載されるテーブル３を有しており、テーブル３上には
ガイドレール３ａが設けられている。ガイドレール３ａ
には全体門形のガータ４がガイドレール３ａに沿ってＸ
軸方向、即ち矢印Ａ１Ｂ方向に移動駆動自在に設けられ
ており、ガータ４にはヘッド５が、Ｘ軸と直角な方向で
あるＹ軸方向、即ち矢印Ｃ，Ｄ方向に移動駆動自在に設
けられている。ヘッド５にはスピンドル６がＸ軸及びＹ
軸に直角な方向であるＺ軸方向、即ち矢印Ｅ１Ｆ方向に
移動駆動自在に設けられており、スピンドル６の図中下
端には、本発明による非接触形プローブ７が装着されて
いる。なお、ガイドレール３ａにはガータ４のＸ軸方向
の移動量を測定するためのリニアスケール９等の移動量
検出手段が設けられており、ガータ４にはヘッド５のＹ
軸方向の移動量を測定するためのリニアスケール１０等
の移動量検出手段が設けられ、更にヘッド５にはスピン
ドル６のＺ軸の方向の移動量を検出するためのリニアス
ケール１１等の移動量検出手段が設けられている。

非接触形プ四−ブ７は、第１図に示すように、ハウジン
グ１２を有しており、ハウジング１２には白色光１１ｉ
１１３が設けられている。白色光源１３０図中左方には
ピノナール１５を介してコリメータレンズ１４が設けら
れており、コリメータレンズ１４の更に左方には５０ｖ
二の透過率を有するビームスプリッタク１６が設けられ
ている。ビームスプＩＪ　、−）り１６の上下両側には
反射鏡１７．１９が設けられており、反射鏡１７の右方
にはりト四リフレクタであるコーナキューブ２０が設け
られている。また、反射鏡１９の右方にはフォトダイオ
ード２１が設けられており、更に、ピームスブリ・ツク
１６の左方には、導光素子であろ光ファイバ２２が設け
られている。

フォトダイオード２１には、増幅回路２３を介してフィ
ルタ２５が接続しており、フィルタ２５には波形整形回
路２６を介して主制御部２７が接続している。主制御部
２７には、プリンタ又はディスプレイ等の出力手段２９
、ガータ４、ヘッド５、スピンドル６等をそれぞれＸ、
Ｙ、Ｚ軸方向に駆動制御する機構制御部２８及び前述の
リニアスケール９．１０．１１等の移動量検出手段に接
続された移動量演算部３３が接続しており、更に前述の
白色光源１３には白色光源１３駆動用の電源３０が接続
している。

３次元測定機１は、以上のような構成を有するが、本発
明の測定原理について、第２図により説明する。第２図
には、第１ｒｇｉに示した非接触形プローブ７のハウジ
ング１２部分を示すが、その詳細な各構成部分について
は、第１図において既に説明したので、同一の部分には
同一の番号を付してその部分の説明を省略する。

即ち、白色光源１３から射出された光線３１′　（よピ
ノホール１５を介してコリメータレンズ１４で平行光線
になり、更にビームスプリッタ１６により、その一部の
光線３１Ａは透過して光ファイバ２２からハウジング１
２の外部に射出され、更に測定すべき被測定物３２の表
面で反射して再度光）ｒイバ２２を通って、ビームスブ
リック１６、反射鏡１９を介してフォトダイオード２１
に入射する。一方、ビームスプリッタ１６において、分
割された光線３１６以外の光線３１．は、反射ｆｉ１７
からコーナキューブ２０に入射し、更１．！：　ＩＱＩ
−ノ入射角で反射鏡１７側に反射して、ビームスプリッ
タ１６内で、被測定物３２から反射してきた光線３１Ａ
と再結合して反射鏡１９からフォトダイオード２１に入
射する。この時、各光線３１Ａ、３１はビームスプリッ
タ１６内で再結合した際に、干渉今生じる。ビームスプ
リッタ１６から反射鏡１７迄の光路長をＬｌとし、反射
鏡１７からコーナキューブ２０までの光路長をＬ２とし
、更にビームスブ「１ツタ１６から被測定物３２までの
光路長をＬ３として、Ｘ÷Ｌ３−　（Ｌ１＋Ｌ２）をパ
ラメータとして、フォトダイオード２１に入射する光の
強度ＬＸを測定すると、第３図に示すようになる。図か
らも明らかなよう゛に、光線３１が分割されろビームス
プリッタ１６から導光［３１Ａ、３１　が反射されるコ
ーナキューブ２０及び被測定物３２までの光路長が等し
くなる、即ちＬ３＝Ｌ１＋Ｌ２　（Ｘ＝Ｏ）となるよう
に、非接触形プローブ７が被測定物３２に対して位置決
めされると、各光線３１Ａ、　３１．が再結合した後の
強度ＬＸが最大になり、フォトダイオード２１はいわゆ
るＯ（ゼロ）縞を検出することになる。従って、Ｌ３＝
ＬＬ＋Ｌ２となるように、非接触形プローブ７を被測定
物３２に対して位置決めし、その時点の非接触形プロー
ブ７の位置を３次元的に検出することにより、被測定物
３２の特定の被測定点３２ａの座標が正しく求められろ
。

次に、第１図に基づいて、３次元測定機１によって、被
測定物３２の被測定点３２ａの位置を求める場合につい
て説明する。被測定点３２ａの位置を測定する場合には
、まず機構制御部２８により図示しないモータ等のアク
チェータｔ！！駆動して、ガータ４を矢印Ａ、Ｂ方向に
、ヘッド５を矢印Ｃ，Ｄ方向に、スピンドル６を矢印Ｅ
、Ｆ方向（こ移動駆動する。これにより、スピンドル６
先端に装看された非接触形プローブ７はＸ、Ｙ、Ｚ軸方
向に移動駆動されて、その先端の光ファイバ２２の光線
３１Ａの射出口２２ａと被測定物３２の被測定点３２１
Ｎが所定の間隙を介して対向する。非接触形プローブ７
のＸ、Ｙ、Ｚ空間中での座標位置は、リニアスケール９
．１ｏ、１１の出力から、移動量演算部３３が演算する
ことにより求められ、その座標値ＸＰ、　ＹＰ、　ＺＰ
は主制御部２７０指令により主制御部２７に対して出力
されろ。従って、主制御部２７は移動量演算部３３がら
出力される非接触形プローブ７の座標値χ２、Ｙｐ、　
Ｚ、を参照しつつ、機構制御部２８を駆動して非接触形
プローブ７をその被測定点３２ａに向けて近づけてゆく
。非接触形プロ゛−ブ７で１よ、既に第２図において説
明したように、被測定物３２がらの反射光線３１Ａとコ
ーナキューブ２０からの反射光Ｒ３工が再結合した後の
干渉光の強度ＬＸに対応した信号Ｓ１が、フォトダイオ
ード２１から増幅回路２３に出力され、該信号ｓ１は、
第５図（ａｌに示すように、ビームスプリッタ１６と被
測定物３２との間の距離、即ち、光路長Ｌ３がＬ３＝Ｌ
１＋Ｌ２となった時点Ｔ１を最大ピークＰＫとする波形
となる。そこで、フィルタ２５を介して、第５図ｔｂ＋
に示すように、サイドピークを抑制する形で波形整形し
、更に波形整形回路２６により、最大ピークＰＫについ
て、第５図（Ｃ１に示すような方形波パルスＰＳに波形
整形する。そこで、主制御部２７は、非接触形プローブ
７を被測定物３２の付近で、第１図矢印Ｇ、Ｈ方向に移
動させ、連続的にフォトダイオード２１から出力される
信号ｓ１の出力状態を監視し、最大ピークＰＫに対応す
る方形波パルスＰＳが出力された時点で（この時点で、
プローグ７は被測定物３２を検出したことになる。）、
移動量演算部３３に非接触形プローブ７の位置の演算を
指令し、移動量演算部３３は該指令に基づいてその時点
の非接触形プローブ７の座標値Ｘ２、Ｙ、、Ｚｐを演算
して求め、その演算された座標値Ｘ、、Ｙ、、Ｚ２を主
制御部２７に出力する。主制御部２７はこの座標値Ｘｐ
、　ＹｐＳＺｐを被測定物３２の被測定点３２ａの座標
値ＷｘＡ％ＹＡ、ＺＡとして、出力手段２９上に表示す
る。この際、光路長Ｌ３は固定長であるＬｌ＋Ｌ２に等
しく、従って、非接触形プローブ７の位置が判明すると
、被測定物３２の被測定点３２ａの位置も１対１に対応
するので、移動量演算部３３により演算された座標値ｘ
、、、Ｙｐ、Ｚ、をそのまま被測定点３２ａの座標位置
ｘＡ、ＹＡ１Ｚ、１として採用しても何らの支障も乗じ
ろことは無く、正確な被測定物３２の位置が測定される
（又は、予め光路長Ｌ３に相当する量を、移動量演算部
３３による演算に際して考慮した形で演算することも当
然可能である。）。

なお、上述の実施例は、測定に際して非接触形プローブ
７全体を被測定物３２１ζ対して矢印Ｇ、Ｈ方向に移動
させ、光路長Ｌ３を可変とした場合について述べたが、
可変とする距離は光路長Ｌ３に限らず、光路長Ｌ１又は
Ｌ２を変化させて構成することも当然可能である。第６
図に、光路長Ｌ２を変化させた場合を示す。なお、第１
図と同一の部分は同一の符号を付してその部分の説明を
省略する。

第６図に示す、３次元測定機１は、コーナキ！’−″ブ
２０をエアシリンダ等の１クチエータ３５により、光路
長Ｌ２が変化する方向、即ち矢印Ｇ、Ｈ方向に移動駆動
自在に設け、測定に際しては、まず、被測定物３２に対
して非接触形プローブ７を、適宜な間隙が光ファイバ２
２の射出口２２ｍと被測定点３２ａの間に形成されるよ
うに位置決めする。その状態で非接触形プローブ７のハ
ウジング１２、従って光路長Ｌ３を固定して、移動制御
部３９を介してアクチェータ３５を駆動し、コーナキュ
ーブ２０を矢印Ｇ、Ｈ方向に移動駆動する。すると、光
路長Ｌ２が変化するが、変化する光路長Ｌ２は、コーナ
キューブ２０の位置の測定手段である、レーザ測長器３
６により測定し、方形波パルスＰＳが観測された時点、
即ち、プローブ７が被測定物３２を検出した時点で、主
１１ＪＩＩ！１部２７がレーザ測長器３６の距１Ｉｌｌ
Ｉ演算部３７にコーナキューブ２０の位置の測定を指令
し、該距離演算部３７により演算されたコーナキューブ
２ｏの位置、即ち光路長Ｌ２＋ζ基づいて、Ｌ　３　＝
　Ｌ　、１　＋Ｌ２からビームスプリッタ１６、従って
非接触形プ四−ブ７から被測定物３２までの光路長し３
を求める。これにより、被測定物３２の座標値ＸＡ％Ｙ
Ａ、ＺＡ＋よ、移動景演ＩＩＬ部３３から求められろ非
接触形プローグ７の座標値Ｘ、、Ｙ、、Ｚｌ、に対して
光路長Ｌ３を考慮して適宜加減算することにより、直ち
に求められる。また、第６図においては、コーナキュー
ブ２ｏの位置を測定する場合に、レーザ測長器３６を用
いた場合について述べたが、コーナキューブ２ｏの位置
の測定は、レーザ測長器３６に限らず、光路長Ｌ２が測
定可能であればどのような構成でもよいことは勿論であ
る。

なお、上述の実施例は、本発明である非接触形プローブ
７を３次元測定機１に用いた場合について述べたが、本
発明による非接触プローブ７は、３次元測定機１に限ら
ず、被測定物３２を検出して所定の動作を行うあらゆる
機器に適用が可能なことは言うまでもない。

（ｇ）１発明の効果 以上、説明したように、本発明によれば、白色光源１３
を有し、前記白色光［１３からの光線３１を２つの光線
３１Ａ、３１Ｂに分割するビームスプリッタ１６を設け
、前記分割された光線３１の一方の光線３１Ａを被測定
物３２に照射してその反射光を再度前記ビームスプリッ
タ１６に入射させる光フアイバ２２等の導光素子を設け
、前記分割された光線３１の他方の光線３１　を再度ビ
ームスプリッタ１６に入射させるコーナキューブ２０等
の反射手段を設け、前記導光素子により導かれる被測定
物３２から反射した光線３１Ａと前記反射手段から反射
してきた光ｓ３１．が再結合した際の光強度を測定する
フォトダイオード２１等の光強度測定手段を設け、更に
、前記光強度測定手段からの信号３１から、光強度測定
手段に入射する光線３１の強度の最大ピークＰＫを検出
して方形波パルスＰＳ等の所定の信号を出方する増幅回
ｌ８２３、フィルタ２５、波形整形回路２６等の被測定
物検出回路を設けたので、ビームスプリッタ１日により
分割されて再度ビームスブリνり１６内で再結合する光
線３１Ａ、３１．の光路長が等しくなった時点で、光強
度測定手段は最大強度を観測し、被測定物検出手段から
所定の信号が出力され、その時点で被測定物３２を、被
測定物３２に何ら接触することなく検出することが可能
となり、従来のように、測定に際して被測定物３２とプ
ローブが接触して被測定物３２に圧痕を残したり、被測
定物３２を変形させたりするようなことが無くなるばか
りか、スタイラスが変形するような事態の発生もなく、
正確な被測定物３２の検出が可能となる。更に、被測定
物３２の検出は光線３１の再結合後の、光度の最大位置
を電気的に求めるので、＠域的な検出手段を用いた場合
のように、応答の遅れが無くなり、測定に際して、プロ
ーブの被測定物３２に対する測定速度を飛躍的に速める
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による非接触形プローブの一実施例を用
いた３次元測定機の一例を示す制御プロ°ツク図、第２
図は本発明の動作原理を示す非接触形プローブの一例を
示す図、第３図はフォトダイオードへの入光強度分布を
示す図、第４図は本発明による非接触形プローブの一実
施例を用いた３次元測定機の一例を示す斜視図、第５図
は非接触形プローブにおけろ信号処理態様を示すタイム
チャート、第６図は本発明の別の実施例が用いられた３
次元測定機の一例を示す制御ブロック図である。 ７・・−非接触形プローブ １３・・　白色光源 １６・・・・・ビームスプリッタ １７　・・・反射手段（反射鏡） ２０　・−反射手段（コーナキューブ）２１・　光強度
測定手段（フォトダイオード）２２　・・・・導光素子
（光ファイバ）２３・・・被測定物検出回路（増幅回路
）２５　・・被測定物検出回路（フィルタ）２６・・・
被測定物検出回路（波形整形回路）３１　　・光線 ３２　　・被測定物 Ｓｌ・・・・信号 ＰＫ−最大ピーク ＰＳ・−所定の４８号（方形波パルス）出願人　　株式
会社　山崎鉄工所 代理人　　弁理士　　相１）呻二 （ほか１名） 第２図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 白色光源を有し、前記白色光源からの光線 を２つの光線に分割するビームスプリッタを設け、前記
   分割された光線の一方の光線を被測定物に照射してその
   反射光を再度前記ビームスプリッタに入射させる導光素
   子を設け、前記分割された光線の他方の光線を再度ビー
   ムスプリッタに入射させる反射手段を設け、前記導光素
   子により導かれる被測定物から反射した光線と前記反射
   手段から反射してきた光線が再結合した際の光強度を測
   定する光強度測定手段を設け、更に、前記光強度測定手
   段からの信号から、光強度測定手段に入射する光線の強
   度の最大ピークを検出して所定の信号を出力する被測定
   物検出回路を設けて構成した非接触形プローブ。