(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端部を被検物に接触させて前記被検物の表面を追従させることにより、前記被検物の表面形状を測定するためのスタイラスであって、
前記スタイラスの外面に取りつけられ、前記先端部の先端よりも前方の所定位置を通るように光を照射する発光素子と、
前記スタイラスの外面に取りつけられ、前記発光素子から照射された光が反射された反射光を検知する受光素子と、
を備えることを特徴とするスタイラス。
【請求項２】
前記発光素子は、前記所定位置と前記先端との距離を変更可能に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載のスタイラス。
【請求項３】
前記所定位置は、前記先端部の軸上に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のスタイラス。
【請求項４】
スタイラスを被検物に接触させて前記被検物の表面を追従させることにより、前記被検物の表面形状を測定するための接触式変位センサであって、
前記被検物に対して進退可能に配置され、前記被検物に接触させる先端部を有するスタイラスと、
前記先端部との相対位置関係を保持しつつ前記スタイラスとともに前記被検物に対して進退可能に配置され、前記先端部の先端よりも前方の所定位置を通るように光を照射する発光部と、
前記先端部との相対位置関係を保持しつつ前記スタイラスとともに前記被検物に対して進退可能に配置され、前記発光部から照射された光が反射された反射光を検知する受光部と、
前記受光部が検知した前記反射光にもとづいて、前記先端部と前記被検物との距離が所定値以下であるかどうかを判定する判定部と、
を備え、
前記先端部と前記被検物との距離が所定値以下であると前記判定部が判定したときに、前記スタイラスの前記被検物への接近速度を低下させる
ことを特徴とする接触式変位センサ。
【請求項５】
前記受光部は、前記反射光の光量を検知可能であり、
前記判定部は、前記光量が所定値以上となったときに前記先端部と前記被検物との距離が所定値以下であると判定することを特徴とする請求項４に記載の接触式変位センサ。
【請求項６】
前記発光部は、前記所定位置と前記先端との距離を変更可能に取り付けられていることを特徴とする請求項４に記載の接触式変位センサ。
【請求項７】
前記所定位置は、前記先端部の軸上に設定されていることを特徴とする請求項４に記載の接触式変位センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接触式表面形状測定に用いるスタイラス及び接触式変位センサ、より詳しくは、先端と被検物との間の距離を検知可能なスタイラス及び接触式変位センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レンズや金型等の光学関連素子の表面形状評価を行う装置として、スタイラス（触針子）を光学関連素子等の被検物の面上に接触させて追従させる接触走査式の測定方法を採用した接触式変位センサ（以下、単に「変位センサ」と称することがある。）が用いられている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
接触式変位センサを用いた表面形状測定においては、被検物の表面にスタイラスを接触させる必要があるが、両者を勢いよく接触させると、被検物の表面やスタイラスの先端を傷める恐れがある。このため、スタイラスを低速で静かに被検物に接触させることが好ましい。
特許文献１に記載の変位センサにおいては、バネで吊るされたスタイラスの後端部をレーザ変位計で測長し、変位量が変化するタイミングを接触とみなすことによってスタイラスと被検物との接触を検知している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−９７９３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の変位センサにおいては、スタイラスと被検物とが接触するまで低速でスタイラスと被検物とを相対移動させる（低速アプローチ）と、接触まで長い時間を要し、測定効率が悪いという問題がある。
【０００６】
接触までの時間を短縮するためには、被検物とスタイラスとの間の距離が一定の値以下に近づくまで高速で両者を接近させてから低速アプローチに切り替える方法が考えられる。しかし、特許文献１の変位センサにおいては、スタイラスと被検物との接触は検知できるものの、スタイラスと被検物との間の距離を検知する機能はないので、無理に高速で両者を接近させると両者が勢いよく衝突してしまう恐れがある。
特に、被検物の表面の一部が凹面形状である場合は、スタイラスと被検物との間の距離を側方から視認することが困難であるため、安全に高速で両者を接近させることがさらに困難となり、測定効率の向上が更に難しいという問題がある。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、被検物の表面付近まで安全に接近させることができるスタイラスを提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、スタイラスを被検物の表面付近まで安全に接近させ、効率よく被検物の表面形状を測定することができる接触式変位センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様は、先端部を被検物に接触させて前記被検物の表面を追従させることにより、前記被検物の表面形状を測定するためのスタイラスであって、前記スタイラスの外面に取りつけられ、前記先端部の先端よりも前方の所定位置を通るように光を照射する発光素子と、前記スタイラスの外面に取りつけられ、前記発光素子から照射された光が反射された反射光を検知する受光素子とを備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明の第２の態様は、スタイラスを被検物に接触させて前記被検物の表面を追従させることにより、前記被検物の表面形状を測定するための接触式変位センサであって、前記被検物に対して進退可能に配置され、前記被検物に接触させる先端部を有するスタイラスと、前記先端部との相対位置関係を保持しつつ前記スタイラスとともに前記被検物に対して進退可能に配置され、前記先端部の先端よりも前方の所定位置を通るように光を照射する発光部と、前記先端部との相対位置関係を保持しつつ前記スタイラスとともに前記被検物に対して進退可能に配置され、前記発光部から照射された光が反射された反射光を検知する受光部と、前記受光部が検知した前記反射光にもとづいて、前記先端部と前記被検物との距離が所定値以下であるかどうかを判定する判定部を備え、前記先端部と前記被検物との距離が所定値以下であると前記判定部が判定したときに、前記スタイラスの前記被検物への接近速度を低下させることを特徴とする。
【００１０】
前記受光部は、前記反射光の光量を検知可能であり、前記判定部は、前記光量が所定値以上となったときに前記先端部と前記被検物との距離が所定値以下であると判定するように構成されてもよい。
【００１１】
また、本発明の接触式変位センサにおいては、前記発光部が前記所定位置と前記先端との距離を変更可能に取り付けられてもよいし、前記所定位置は、前記先端部の軸上に設定されてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のスタイラスによれば、発光部の照射した光の反射光を受光部で検知することによって、被検物の表面付近まで安全に接近させることができる。
また、本発明の接触式変位センサによれば、スタイラスを被検物の表面付近まで安全に接近させ、効率よく被検物の表面形状を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態の接触式変位センサの概略構成を示す図である。
【図２】同接触式変位センサのスタイラスの先端部付近を示す拡大図である。
【図３】同接触式変位センサの使用時におけるスタイラスの先端部付近を示す図である。
【図４】同接触式変位センサの使用時におけるスタイラスの先端部付近を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態の接触式変位センサにおけるスタイラス及び軸受部を示す平面図である。
【図６】本発明の変形例の接触式変位センサにおけるスタイラス先端部付近を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の第１の実施形態について、図１から図４を参照して説明する。なお、特に説明のない限り、「前方」および「後方」とは、それぞれ図１に示すＺ軸の負方向及び正方向を指すものとする。
【００１５】
図１は、本実施形態の変位センサ１の概略構成を示す図である。変位センサ１は、本発明のスタイラスを備えるものであり、図１に示すように、スタイラス１０と、スタイラスが取り付けられた軸受部２０と、被検物Ｓが設置される被検物取付部３０と、スタイラスと被検物との距離を判定するパソコン（判定部）４０とを備えている。
【００１６】
スタイラス１０は、本体部１１と、それぞれ本体部１１の一方の端部に取り付けられた先端部１２、発光部１３、及び受光部１４とを備えている。
本体部１１は細長の棒状に形成されており、軸受部２０の後述する軸受２１に、軸受２１内を滑らかに摺動可能に配置されている。
【００１７】
先端部１２は、形状測定時に被検物Ｓの表面に接触する部位であり、先端がとがった針状に形成されている。本実施形態において、先端部１２はダイヤモンドからなり、先端１２Ａの曲率半径Ｒが２マイクロメートル（μｍ）程度に形成されたものが採用されているが、先端部の材質や形状は、これには限定されない。
【００１８】
図２は、スタイラス１０の先端部１２付近の拡大図である。図２に示すように、発光部１３及び受光部１４は、先端部１２の後端付近に位置するように、本体部１１の一方の端部に取り付けられている。
発光部１３は、レーザーダイオード（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）等の光源を有して構成されており、先端部１２の先端１２Ａよりも所定距離Ｄ１だけ前方かつ先端部１２の軸線Ｘ上の所定位置Ｐを通る光Ｌを照射できるように本体部１１に配置されている。光Ｌの種類には特に制限はないが、ＬＥＤ等を用いて白色光等を照射する場合は、光学系等を用いて所定位置Ｐに光を集光させるのが好ましい。
受光部１４は、発光部１３の照射した光Ｌが所定位置Ｐにおいて軸線Ｘに垂直（略垂直を含む）な被検物面で反射された反射光を受光して検知できるように本体部１１に配置されている。受光部１４としては、フォトディテクタ（ＰＤ）やＣＣＤ等の固体撮像素子等を好適に採用することができる。また、発光部１３及び受光部１４として公知の反射型フォトセンサ等が採用されてもよい。
【００１９】
軸受部２０は、基台２上に設置されており、スタイラス１０が取り付けられる軸受２１と、軸受をＺ軸方向に進退させる第１駆動機構２２と、スタイラス１０の変位量を検出する変位計２３とを備えている。
【００２０】
軸受２１には、上述のように、スタイラス１０の本体部１１が摺動可能に挿通される。
第１駆動機構２２は、モータ等の公知の機構を有し、軸受２１及び軸受２１に取り付けられたスタイラス１０を、被検物取付部３０に取り付けられた被検物Ｓに対して進退させる。第１駆動機構２２は、スタイラス１０と被検物Ｓとの接触時に先端部１２の先端１２Ａ及び被検物Ｓの表面が損傷されない程度の速度（例えば、秒速０．０１〜０．０５ミリメートル（ｍｍ／ｓ））で両者を相対的に接近させる低速アプローチと、低速アプローチよりも早い速度（例えば、５〜１５ｍｍ／ｓ）で両者を相対的に接近させる高速アプローチとの２種類のアプローチが可能に構成されている。
変位計２３は公知の構成を有し、スタイラス１０の後端側に配置されている。
【００２１】
被検物取付部３０は、基台２上であって軸受部２０の前方に設けられており、被検物Ｓを保持する保持部材３１と、保持部材３１をＸ軸及びＹ軸方向に移動させる第２駆動機構３２と、保持部材３１に取り付けられた被検物Ｓの変位量を検出する変位計３３とを備えている。
【００２２】
保持部材３１は公知の構成を有し、形状測定を行う測定面Ｓ１がスタイラス１０の先端部１２側に向くように被検物Ｓが取り付けられて支持固定される。図１では、被検物の例として、凹面状の測定面Ｓ１を有する被検物Ｓが示されているが、被検物の形状はこれには限定されず、後述する一定の条件を満たせば、スタイラスと被検物との距離を好適に検知することができる。
【００２３】
第２駆動機構３２は、例えばモータや圧電アクチュエータ等の公知の各種駆動機構を有して構成され、保持部材３１に取り付けられている。第２駆動機構３２が駆動することにより、保持部材１４に支持固定された被検物Ｓは、Ｘ軸方向（図１における紙面に垂直な方向）及びＹ軸方向に移動可能である。
変位計３３は公知の構成を有し、第２駆動機構３２の前方に配置されている。変位計３３として、変位計２３と同一の構成のものが採用されてもよい。
【００２４】
パソコン４０は、各種演算を行う演算部４１と、本体４１に接続された表示部４２とを備えている。
演算部４１には、スタイラス１０の発光部１３及び受光部１４が接続されており、受光部１４の反射光の検知状況にもとづいて、スタイラス１０の先端１２Ａと被検物Ｓの被検面Ｓ１との距離が予め設定した所定値（例えば、１ｍｍ）以下であるか否かを判定する。また、演算部４１は、軸受部２０の第１駆動機構２２及び変位計２３、並びに被検物保持部３０の第２駆動機構３２及び変位計３３と接続されており、上記判定の結果を参照しつつ変位センサ１全体の動作制御を行う。
表示部４２は公知のディスプレイ等からなり、演算部４１の演算結果の一部や、変位センサ１の設定パラメータ等の各種情報が、必要に応じて表示される。
【００２５】
上記の構成を備えた変位センサ１の使用時の動作について、以下に説明する。
まず使用者は、測定面Ｓ１がスタイラス１０の先端部１２に対向するように、被検物Ｓを保持部材３１に支持固定する。次に、パソコン４０を操作して第１駆動機構２２を作動させ、高速アプローチで軸受部２０及び軸受２１に取り付けられたスタイラス１０を被検物Ｓに向かって接近させる。
【００２６】
高速アプローチが開始されると、演算部４１は、発光部１３から光Ｌを照射させる。光Ｌは、スタイラス１０の先端１２Ａから所定距離Ｄ１だけ前方の所定位置Ｐに向かって照射される。本実施形態では、パソコン４０に設定された上述の所定値が１ｍｍであり、所定距離Ｄ１は１ｍｍに設定されている。
【００２７】
図２に示すように、先端１２Ａと測定面Ｓ１との距離が所定距離Ｄ１より大であるときは、光Ｌが測定面Ｓ１で反射された反射光Ｌ１は、受光部１４に入射せず、検知されない。演算部４１は、受光部１４が反射光Ｌ１を受光していないときは、先端１２Ａと測定面Ｓ１との距離が所定値以下でないと判定し、高速アプローチを継続させる。
【００２８】
スタイラス１０が被検物Ｓにさらに接近して、先端１２Ａと測定面Ｓ１との距離が所定値である１ｍｍとなると、図３に示すように、光Ｌは所定位置Ｐに位置する被測定面Ｓ１で反射され、反射光Ｌ１が受光部１４に入射して検知される。演算部４１は、受光部１４が受光したときに先端１２Ａと測定面Ｓ１との距離が所定値以下であると判定し、第１駆動機構２２を制御して、高速アプローチから低速アプローチに切り替える。その結果、スタイラス１０は、先端１２Ａ及び被測定面Ｓ１を傷めない程度のスピードでゆっくりと被検物Ｓに接近する。
【００２９】
演算部４１は、低速アプローチの速度からスタイラス１０が所定距離Ｄ１進むために必要な時間を算出し、当該時間経過後に第１駆動機構２２を停止させる。その結果、図４に示すように先端１２Ａが被測定面Ｓ１に安全に接触して停止する。
上述のような第１駆動機構２２の動作時間制御に代えて、公知の接触検知機構によりスタイラス１０と被検物Ｓとの接触を検知し、接触検知時に第１駆動機構２２を停止させてもよい。
【００３０】
スタイラス１０の先端部１２と被検物Ｓとが接触した後、使用者は被検物Ｓの表面形状測定を開始する。演算部４１は、被検物取付部３０の第２駆動機構３２を駆動し、被検物Ｓとスタイラス１０とを相対的に動かすことにより、被検物Ｓの表面をスタイラス１０によって追従走査させる。スタイラス１０の走査中の各変位計２３、３３の検出値は演算部４１に入力され、図示しないメモリ等の記憶媒体に記憶される。スタイラス１０の走査終了後、当該検出値は、演算部４１によって解析、再構成されて被検物Ｓの表面形状が評価可能となる。
【００３１】
本実施形態の変位センサ１によれば、スタイラス１０の先端１２Ａと被検物Ｓとの距離が所定値以下となるまでは、高速アプローチで両者間の距離が迅速に詰められる。そして、スタイラス１０の先端１２Ａと被検物Ｓとの距離が所定値以下となると、反射光Ｌ１が受光部１４で受光されて検知され、これにもとづいてパソコン４０の演算部４１が両者間の距離が所定値以下であると判定し、第１駆動機構２２を制御して低速アプローチに切り替える。
したがって、被検物Ｓのように、凹面の被測定面Ｓ１を有し、側方からスタイラスと被検物との間隙を視認することが困難な被検物の形状測定を行う場合であっても、迅速かつ安全にスタイラス１０を被検物Ｓに接触させることができる。その結果、測定効率を著しく向上させることができる。
【００３２】
また、スタイラス１０の先端１２Ａと被検物Ｓとの距離を検知するための発光部１３及び受光部１４が本体部１１に取り付けられてスタイラス１０と一体となっているので、スタイラス１０が移動しても先端部１２と発光部１３及び受光部１４との相対位置関係が変化せずに保持され、光Ｌは、常に所定位置Ｐを通るように照射される。したがって、先端１２Ａと被検物Ｓとの距離を安定して検知することができる。
【００３３】
本発明の変位センサにおいては、被検物Ｓが所定位置Ｐに達した時に軸線Ｘに垂直（略垂直を含む）な被検物面で光Ｌ１を反射するようにすると、受光部１４で反射光Ｌ１を受光させることが容易であり、好ましい。したがって、凸面あるいは凹面の光学面を有するような光学素子や光学素子成形用金型等が被検物である場合は、当該被検物の光軸を軸線Ｘと一致するように保持部材３１に取り付けると、面頂あるいは面頂近傍の部位が軸線Ｘに略垂直な状態で所定位置Ｐに達するため、スタイラスと被検物との距離を好適に検知することができる。ただし、受光部の配置態様はこれには限定されず、反射光を受光できるようにその位置や面積等が適宜設定されればよい。
【００３４】
一方、粗い表面を有する被検物は、光Ｌ１を乱反射するために受光部での反射光の受光が困難であり、本発明の変位センサの被検物としては適さない。また、鏡面状の表面を有するが、自身の光軸に対して傾斜した光学面を有するような被検物では、光学面に光Ｌを照射しても受光部に反射光Ｌ１が戻りにくい。このような場合は、被検物の光軸と軸線Ｘとが平行になるように配置したときに軸線Ｘと垂直をなす接触部位を被検物のどこか一箇所に形成し、この接触部位が軸線Ｘ上に位置するように被検物を配置してからスタイラスと被検物とを接近させてもよい。この場合は、スタイラスが被検物の接触部位に接触した後に、スタイラスの先端を光学面上に移動させて走査を行えばよい。
【００３５】
次に、本発明の第２実施形態について図５を参照して説明する。本実施形態の変位センサ５１と第１実施形態の変位センサ１との異なる点は、発光部および受光部の設置位置である。なお、既に説明したものと共通する構成については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００３６】
図５は、変位センサ５１のスタイラス５２及び軸受部５３を、上方（図１におけるＹ軸の正側）から見た図である。発光部１３及び受光部１４は、スタイラス５２の本体部５４には取り付けられておらず、軸受部５３上に配置されている。発光部１３及び受光部１４は、それぞれ先端部１２の軸線Ｘと平行に形成されたレール５５上を進退可能である。
【００３７】
また、発光部１３及び受光部１４は、スタイラス５２の進退と連動してレール５５上を進退するように演算部４１によって動作制御されており、進退にともなってスタイラス５２の先端部１２との相対位置関係は変化しない。したがって、発光部１３から照射される光Ｌは、常に先端１２Ａから所定距離Ｄ１だけ前方の所定位置Ｐを通るように照射される。
【００３８】
本実施形態の変位センサ５１においても、第１実施形態の変位センサ１同様、迅速かつ安全にスタイラス１０を被検物Ｓに接触させることができ、測定効率を著しく向上させることができる。
【００３９】
以上、本発明の各実施形態を説明したが、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上述した各実施形態においては、スタイラスが針状にとがった先端部を有する例を説明したが、これに代えて、図６に示す変形例のように、先端にルビー球６１等の球体が取り付けられた先端部６０を有しても良い。この場合は、図６に示すように、光Ｌ及び反射光Ｌ１がルビー球６１に当たらないように発光部１３及び受光部１４の位置や光Ｌの光束等を設定すればよい。
【００４０】
また、本発明のスタイラス及び変位センサにおいては、所定位置Ｐを規定する所定距離Ｄ１は、ワークの種類や第１駆動機構の性能等に応じて適宜設定されてよい。このとき、所定距離Ｄ１を適宜変更して所定位置Ｐを変化させることができるように、光Ｌの照射方向を調節可能に発光部を配置してもよい。なお、この場合、受光部も受光領域の向きを調節可能に配置することが好ましいが、これは必須ではなく、受光部の配置位置や受光領域の面積を適宜設定することによって、一定範囲の所定位置における反射光を受光できるように受光部を構成してもよい。
【００４１】
さらに、上述の各実施形態においては、判定部であるパソコン４０の演算部４１が、受光部の反射光受光の有無にもとづいてスタイラスと被検物との距離が所定値以下であるか否かを判定する例を説明したが、これに代えて、受光部として反射光を定量的に検知することができるものを採用し、受光部の反射光の受光量にもとづいて判定部が当該判定を行うように構成されてもよい。
この場合は、まず被検物を用いた予備実験等により、スタイラス−被検物間距離の変化にともなう受光部の反射光受光量の推移を示す曲線を取得する。次に、高速アプローチから低速アプローチに安全に切り替えるために必要なスタイラス−被検物間距離に安全係数を乗ずる等により所定距離Ｄ１を決定し、所定距離Ｄ１における反射光Ｌ１の受光量を判定閾値に設定する。そして、受光部の受光量と当該判定閾値とにもとづいて判定部がスタイラスと被検物との距離が所定値以下であるか否かを判定するように設定すればよい。
【００４２】
加えて、上述の各実施形態では、所定位置Ｐが先端部の軸線Ｘ上に設定されている例を説明したが、所定位置Ｐを軸線Ｘからわずかに離間するように設定しても、スタイラスと被検物との距離を検知することは可能である。ただし、所定位置Ｐを軸線Ｘ上に設定した方が、受光部の配置が容易であり、距離の検知もより好適に行えることは言うまでもない。
また、上述の各実施形態では、スタイラスと被検物との距離を光を用いて検知する例を説明したが、これに代えて、超音波を用いて当該距離が検知されてもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１、５１  接触式変位センサ
１０、５２  スタイラス
１２  先端部
１２Ａ  先端
１３  発光部
１４  受光部
４０  パソコン（判定部）
Ｐ  所定位置
Ｓ  被検物
【図１】
0005424832.tif 000002
【図２】
0005424832.tif 000003
【図３】
0005424832.tif 000004
【図４】
0005424832.tif 000005
【図５】
0005424832.tif 000006
【図６】
0005424832.tif 000007