特許 7219944 超近接スイッチ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-02-01

(45)【発行日】2023-02-09

(54)【発明の名称】超近接スイッチ

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/14 20060101AFI20230202BHJP

   G01Q 80/00 20100101ALI20230202BHJP

   G01Q 60/18 20100101ALI20230202BHJP

   G01V 8/12 20060101ALI20230202BHJP

   G02B 26/00 20060101ALI20230202BHJP

【ＦＩ】

G01B11/14 H

G01Q80/00

G01Q60/18

G01V8/12 A

G02B26/00

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2018050775

(22)【出願日】2018-03-19

(65)【公開番号】P2019164205

(43)【公開日】2019-09-26

【審査請求日】2020-12-14

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 平成２９年１２月２日に開催された平成２９年度公益社団法人精密工学会九州支部第１８回学生研究発表会にて発表。

(73)【特許権者】

【識別番号】504174135

【氏名又は名称】国立大学法人九州工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】100090697

【弁理士】

【氏名又は名称】中前 富士男

(74)【代理人】

【識別番号】100176142

【弁理士】

【氏名又は名称】清井 洋平

(74)【代理人】

【識別番号】100127155

【氏名又は名称】来田 義弘

(72)【発明者】

【氏名】カチョーンルンルアン パナート

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 恵友

(72)【発明者】

【氏名】シンソムブーン カウィー

(72)【発明者】

【氏名】井上 智輝

【審査官】眞岩 久恵

(56)【参考文献】

【文献】特開２００１－１９４１１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１６４６６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１６１４３６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ １１／００－１１／３０

Ｇ０２Ｂ ２６／００

Ｇ０１Ｑ ８０／００

Ｇ０１Ｑ ６０／１８

Ｇ０１Ｖ ８／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

透光体を具備し、該透光体の所定の面Ｆの表側近傍に検出対象物が配されていることを検知する超近接スイッチであって、
第１の光を照射して、近接場光Ｅ１が存在する層Ｌ１を、前記面Ｆの表側に発生させ、前記第１の光と波長が異なる第２の光を照射して、近接場光Ｅ２が存在する、前記層Ｌ１より厚い層Ｌ２を、該層Ｌ１及び該層Ｌ２が重複する領域を有する状態で、前記面Ｆの表側に発生させる照射手段と、
前記近接場光Ｅ１が前記検出対象物に反射されて生じる第１の散乱光、及び、前記近接場光Ｅ２が前記検出対象物に反射されて生じる第２の散乱光の検出に基づいて、前記層Ｌ２外、該層Ｌ２内かつ前記層Ｌ１外の領域、又は、該層Ｌ１内のいずれに前記検出対象物が配されているかを検知する検出手段と、
外部に信号Ｓ１、Ｓ２を出力する信号発信手段とを備え、
前記第１、第２の光の前記照射手段から前記面Ｆまでの光路は一致し、
前記照射手段は、前記第１、第２の光を同時に照射し、
前記信号発信手段は、前記層Ｌ２外に前記検出対象物が配されている状態で前記信号Ｓ１を出力し、前記層Ｌ２内かつ前記層Ｌ１外の領域への前記検出対象物の進入の前記検出手段による検出によって、前記信号Ｓ２を出力し、前記層Ｌ１内への前記検出対象物の進入の前記検出手段による検出によって、前記信号Ｓ１を出力し、
前記検出手段は、１つであって、前記第２の散乱光と同波長の光の強度の計測値の前記検出対象物が前記層Ｌ２内に不在時の値に対する増加から前記層Ｌ２内かつ前記層Ｌ１外の領域に前記検出対象物が進入したのを検出し、前記第１の散乱光と同波長の光の強度の計測値の前記検出対象物が前記層Ｌ２内に不在時の値に対する増加から前記層Ｌ１内に前記検出対象物が進入したのを検出し、
前記透光体は、該透光体を通って該透光体から出る前記第１、第２の散乱光を該検出手段に向けて屈折させる円弧状面を有し、
前記検出対象物は、工具の先端部であることを特徴とする超近接スイッチ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、基準位置から所定距離の範囲内に検出対象物が配されているか否かを検出する超近接スイッチに関する。

【背景技術】

【0002】

近年の精密微細加工の先端技術は、高精度なマシニングセンターの利用により、加工精度が高まっている。これに伴って、ツールセッタには、工具長や工具切れ刃の先端位置等をサブミクロン（１μｍの１０分の１）オーダの精度で検出することが求められる。
ツールセッタは、例えば、検出方法の違いから、接触式（例えば、非特許文献１）と非接触式（例えば、非特許文献２）に大別できる。接触式は工具切れ刃をツールセッタに接触させる必要があることから、工具切れ刃が破損したり欠損したりするおそれがある。近年では接触力の低減化が図られたツールセッタが存在するが、回転中の工具をツールセッタに接触させることはできず切れ刃の位置の検出ができない。これに対し、非接触式は、工具を接触させる必要がないため、工具切れ刃の破損等を防止することができ、回転中の工具の切れ刃位置の検出が可能である。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【文献】株式会社メトロール、工作機械用ツールセッタ／タッチプローブ、総合カタログ、Ｎｏ．Ｃ５－１、２－２５（２０１５）

【文献】中井敦生、機上計測用ソフト「フォームコントロール」と極小工具計測用レーザ、機械技術、２００６年、第５４巻、第７号、ｐ．４７－５０

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、非接触式は高精度（例えば、サブミクロンオーダの精度）な検出ができないという課題があった。また、非接触式による高精度な検出は、ツールセッタに対してだけでなく、超近接スイッチに想定される広範囲の用途（例えば、光ディスクの読み書きを行うヘッドの位置検出や、半導体製品の製造工程における製品の位置検出）に対しても有効である。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、検出精度が高い超近接スイッチを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

前記目的に沿う本発明に係る超近接スイッチは、透光体を具備し、該透光体の所定の面Ｆの表側近傍に検出対象物が配されていることを検知する超近接スイッチであって、第１の光を照射して、近接場光Ｅ１が存在する層Ｌ１を、前記面Ｆの表側に発生させ、前記第１の光と波長が異なる第２の光を照射して、近接場光Ｅ２が存在する、前記層Ｌ１より厚い層Ｌ２を、該層Ｌ１及び該層Ｌ２が重複する領域を有する状態で、前記面Ｆの表側に発生させる照射手段と、前記近接場光Ｅ１が前記検出対象物に反射されて生じる第１の散乱光、及び、前記近接場光Ｅ２が前記検出対象物に反射されて生じる第２の散乱光の検出に基づいて、前記層Ｌ２外、該層Ｌ２内かつ前記層Ｌ１外の領域、又は、該層Ｌ１内のいずれに前記検出対象物が配されているかを検知する検出手段と、外部に信号Ｓ１、Ｓ２を出力する信号発信手段とを備え、前記第１、第２の光の前記照射手段から前記面Ｆまでの光路は一致し、前記照射手段は、前記第１、第２の光を同時に照射し、前記信号発信手段は、前記層Ｌ２外に前記検出対象物が配されている状態で前記信号Ｓ１を出力し、前記層Ｌ２内かつ前記層Ｌ１外の領域への前記検出対象物の進入の前記検出手段による検出によって、前記信号Ｓ２を出力し、前記層Ｌ１内への前記検出対象物の進入の前記検出手段による検出によって、前記信号Ｓ１を出力し、前記検出手段は、１つであって、前記第２の散乱光と同波長の光の強度の計測値の前記検出対象物が前記層Ｌ２内に不在時の値に対する増加から前記層Ｌ２内かつ前記層Ｌ１外の領域に前記検出対象物が進入したのを検出し、前記第１の散乱光と同波長の光の強度の計測値の前記検出対象物が前記層Ｌ２内に不在時の値に対する増加から前記層Ｌ１内に前記検出対象物が進入したのを検出し、前記透光体は、該透光体を通って該透光体から出る前記第１、第２の散乱光を該検出手段に向けて屈折させる円弧状面を有し、前記検出対象物は、工具の先端部である。

【0006】

【0007】

【0008】

【発明の効果】

【0009】

本発明に係る超近接スイッチは、波長が異なる第１、第２の光を照射して、近接場光Ｅ１が存在する層Ｌ１と、近接場光Ｅ２が存在する、層Ｌ１より厚い層Ｌ２とを、透光体の面Ｆの表側に発生させ、近接場光Ｅ１が検出対象物に反射されて生じる第１の散乱光、及び、近接場光Ｅ２が検出対象物に反射されて生じる第２の散乱光の検出に基づいて、層Ｌ２外、層Ｌ２内かつ層Ｌ１外の領域、又は、層Ｌ１内のいずれに検出対象物が配されているかを検知するので、層Ｌ１、Ｌ２の厚みレベル（例えば、サブミクロンオーダ）の精度で検出対象物の配置を検出可能である。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の一実施の形態に係る超近接スイッチの説明図である。

【図2】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は検出対象物の位置と第１、第２の散乱光の発生の関係を示す説明図である。

【図3】検出手段の接続を示すブロック図である。

【図4】工具先端の位置と光の強度の計測値の関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１～図３に示すように、本発明の一実施の形態に係る超近接スイッチ１０は、透光体１１と、光Ｐ１（第１の光）及び光Ｐ２（第２の光）を照射する照射手段１２と、光の強度の計測から検出対象物Ｗの配置を検出する検出手段１３とを備えて、透光体１１の所定の面１４（面Ｆ）の表面側の近接位置に検出対象物Ｗが配されていることを検知する。以下、詳細に説明する。

【0012】

超近接スイッチ１０は、図１に示すように、照射手段１２及び検出手段１３を内包した筺体１６を有し、透光体１１は筺体１６に置かれた状態で固定されている。本実施の形態では、シリアガラスを素材とする透光体１１を採用しており、透光体１１は、筺体１６から距離を有して水平配置された面１４、平行配置された半円形状の側面１７、１８及び一部が筺体１６に接触し面１４及び側面１７、１８に連接する円弧状面１９を有している。

【0013】

照射手段１２から照射される光Ｐ１、Ｐ２は光Ｐ１の波長が光Ｐ２の波長より短く（即ち、光Ｐ１、Ｐ２は波長が異なる）、本実施の形態では、照射手段１２に光Ｐ１、Ｐ２を同時に照射する光ファイバを用いているが、照射手段１２はこれに限定されない。照射手段１２は、照射した光Ｐ１、Ｐ２がそれぞれ、図１、図２（Ａ）に示すように、透光体１１の円弧状面１９から透光体１１内に進入して、面１４に裏側から到達し、面１４で全反射され、透光体１１の円弧状面１９から透光体１１外に出る向きに配置されている。

【0014】

光Ｐ１、Ｐ２が透光体１１の面１４で全反射される際、面１４の表側には、光Ｐ１が染み出した近接場光（エバネセント光）Ｅ１及び光Ｐ２が染み出した近接場光（エバネセント光）Ｅ２がそれぞれ生じる。従って、照射手段１２は、光Ｐ１、Ｐ２を照射して、透光体１１の面１４の表側に、近接場光Ｅ１が存在（局在）する層Ｌ１及び近接場光Ｅ２が存在（局在）する層Ｌ２を発生させる。層Ｌ１及び層Ｌ２は、図２（Ａ）に示すように、それぞれ透光体１１の面１４から連続して（面１４との間に隙間を挟まないように）設けられており、層Ｌ２は層Ｌ１より厚く、層Ｌ１と層Ｌ２は重複する領域を有している。本実施の形態では、層Ｌ１、Ｌ２の厚みがそれぞれ２２０ｎｍ、３００ｎｍであり、層Ｌ１全体が層Ｌ２の一部と重なり合っている。

【0015】

検出対象物Ｗは工具Ｔの先端部であり、工具Ｔは、図１に示すように、透光体１１の上方で、図示しない位置調整部材によって支持されている。位置調整部材は工具Ｔを昇降させることができ、工具Ｔは、図２（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、位置調整手段によって降下されて、検出対象物Ｗが層Ｌ１、Ｌ２内に進入する。
検出対象物Ｗが、図２（Ａ）に示すように、層Ｌ２の上方、即ち層Ｌ２外（層Ｌ１外かつ層Ｌ２外の領域）に配された状態では、近接場光Ｅ１、Ｅ２が検出対象物Ｗに当たらず散乱光は発生しない。

【0016】

これに対し、検出対象物Ｗが、図２（Ｂ）に示すように、層Ｌ２内かつ層Ｌ１外の領域に配された状態では、近接場光Ｅ２が検出対象物Ｗに反射されて散乱光Ｑ２（第２の散乱光）が生じ、検出対象物Ｗが、図２（Ｃ）に示すように、層Ｌ１内（層Ｌ１内かつ層Ｌ２内の領域）に配された状態では、近接場光Ｅ２が検出対象物Ｗに反射されて生じる散乱光Ｑ２に加え、近接場光Ｅ１が検出対象物Ｗに反射されて散乱光Ｑ１（第１の散乱光）が生じる。散乱光Ｑ１、Ｑ２の波長はそれぞれ光Ｐ１、Ｐ２の波長に実質的に等しい。

【0017】

検出手段１３は、図３に示すように、散乱光Ｑ１と同じ（実質的に同じ）波長の光（以下、λ１の波長の光とする）の強度及び散乱光Ｑ２と同じ（実質的に同じ）波長の光（以下、λ２の波長の光とする）の強度をそれぞれ計測可能なセンサ部２０と、センサ部２０の計測結果（計測値）を基に、検出対象物Ｗの配置を導出する位置検知部２１を具備している。なお、筺体１６は、照射手段１２から透光体１１に向かう光Ｐ１、Ｐ２及び透光体１１を通過して検出手段１３に向かう散乱光Ｑ１、Ｑ２が透過するように設計されている。

【0018】

位置検知部２１は、図２（Ａ）に示すように、散乱光Ｑ１、Ｑ２が共に検出されていないと判定した際に検出対象物Ｗが層Ｌ２外に配されていると検知し、図２（Ｂ）に示すように、散乱光Ｑ１が検出されず散乱光Ｑ２が検出されていると判定した際に検出対象物Ｗが層Ｌ２内かつ層Ｌ１外の領域に配されていると検知し、図２（Ｃ）に示すように、散乱光Ｑ１、Ｑ２が共に検出されていると判定した際に検出対象物Ｗが層Ｌ１内に配されていると検知する。

【0019】

即ち、位置検知部２１は、センサ部２０による散乱光Ｑ１、Ｑ２の検出（検出結果）に基づいて、層Ｌ２外、層Ｌ２内かつ層Ｌ１外の領域、又は、層Ｌ１内のいずれに検出対象物Ｗが配されているかを検知する。
ここで、検出手段１３は、図１に示すように、光Ｐ１、Ｐ２を直接受光しない配置となっているが、検出対象物Ｗが散乱光Ｑ１、Ｑ２を生じさせない層Ｌ２外に配置されている状態で、センサ部２０は波長がλ１の光及び波長がλ２の光を僅かに計測する（これは、外乱光や透光体１１の面１４で反射した光Ｐ１、Ｐ２の一部等と考えられる）。

【0020】

従って、本実施の形態では、センサ部２０が波長λ１の光を検出したことを散乱光Ｑ１の検出とは扱えず、センサ部２０が波長λ２の光を検出したことを散乱光Ｑ２の検出とは扱えない。
そこで、検出対象物Ｗが層Ｌ２内に配されていない状態でセンサ部２０が計測している、波長λ１の光の強度及び波長λ２の光の強度をそれぞれＲ１、Ｒ２として、位置検知部２１は、センサ部２０による波長λ１の光の強度の計測値がＲ１で、センサ部２０による波長λ２の光の強度の計測値がＲ２のとき、検出対象物Ｗは層Ｌ２外に配されていることを検知する。

【0021】

位置検知部２１は、センサ部２０によって計測された、波長λ１の光の強度がＲ１で、波長λ２の光の強度がＲ２より大きい際に（即ち、波長λ２の光の強度の計測値の増加から）、層Ｌ２内かつ層Ｌ１外の領域に検出対象物Ｗが進入したのを検出し、センサ部２０によって計測された、波長λ１の光の強度がＲ１より大きく、波長λ２の光の強度がＲ２より大きい際に（即ち、波長λ１の光の強度の計測値の増加から）、層Ｌ１内に検出対象物Ｗが進入したのを検出する。

【0022】

そして、検出対象物Ｗが層Ｌ２内かつ層Ｌ１外の領域に配されている状態では、検出対象物Ｗが透光体１１の面１４に接近するほど散乱光Ｑ２の強度が上昇することから、センサ部２０が計測する波長がλ２の光の強度に基づいて層Ｌ２内における検出対象物Ｗの位置を算出可能である。この点、センサ部２０による波長λ１の光の強度の計測値及びセンサ部２０による波長λ２の光の強度の計測値と、層Ｌ１内における検出対象物Ｗの位置との関係でも同様である。
本実施の形態では、位置検知部２１が、センサ部２０による散乱光Ｑ２の強度から層Ｌ２内かつ層Ｌ１外の領域に配された検出対象物Ｗの当該領域内での位置を導出し、散乱光Ｑ１の強度及び散乱光Ｑ２の強度の一方又は両方から層Ｌ１内に配された検出対象物Ｗの層Ｌ１内での位置を計測する。

【0023】

また、超近接スイッチ１０は、図３に示すように、位置検知部２１に接続され、外部に信号Ｓ１、Ｓ２を出力する信号発信手段２２を備えている。信号発信手段２２は、層Ｌ２外に検出対象物Ｗが配されている状態で信号Ｓ１を外部に出力し、層Ｌ２内かつ層Ｌ１外の領域への検出対象物Ｗの進入の位置検知部２１による検出によって、信号Ｓ２を外部に出力し、層Ｌ１内への検出対象物Ｗの進入の位置検知部２１による検出によって、信号Ｓ１を外部に出力する。

【0024】

本実施の形態では、信号Ｓ１、Ｓ２がそれぞれオフ信号及びオン信号であり、超近接スイッチ１０を備える設備には、信号発信手段２２から出力される信号を受信する図示しない情報処理装置が設けられている。情報処理装置は、信号発信手段２２からオン信号を受信している際に、検出対象物Ｗが層Ｌ２内かつ層Ｌ１外の領域に検出対象物Ｗが配されているのを検出することができ、工具Ｔを昇降させる位置調整部材と連動して、検出対象物Ｗを層Ｌ２内かつ層Ｌ１外の領域（透光体１１の面１４からの距離が２２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲）に配した状態を維持することが可能である。

【実施例】

【0025】

次に、本発明の作用効果を確認するために行った実験について説明する。
実験では、波長４５０ｎｍの第１の光及び波長６３５ｎｍの第２の光を照射して、透光体の所定の面Ｆの表側に近接場光Ｅ１、Ｅ２を発生させた状態にし、工具の先端部を透光体の面Ｆの上方から徐々に面Ｆに近づけながら、波長４５０ｎｍの光の強度及び波長６３５ｎｍの光の強度を計測し、各計測値の変化を記録した。

【0026】

計測結果は図４に示す通りとなった。図４のグラフにおいて、縦軸は各波長の光の強度の計測値を示し、横軸は工具先端部の基準位置からの変位（以下、単に「変位」とも言う）を示す。変位３５０ｎｍで波長４５０ｎｍの光の強度及び波長６３５ｎｍの光の強度の各計測値が、工具先端部を表面に接触させて予め計測した光の強度と等しくなったため、変位３５０ｎｍで工具先端部が面Ｆに接触したと考えられる。測定結果では変位が６０～１７５ｎｍの範囲で波長６３５ｎｍの光の強度の計測値のみが増加し、変位が１７５～３５０ｎｍの範囲で波長４５０ｎｍの光の強度の計測値及び波長６３５ｎｍの光の強度の計測値が増加した。

【0027】

従って、変位６０ｎｍ付近で工具先端部が、近接場光Ｅ２が存在する層Ｌ２内に進入し、変位１７５ｎｍ付近で工具先端部が、近接場光Ｅ１が存在する層Ｌ１内に進入したものと考えられる。
よって、工具先端部が層Ｌ２外に配されている際に計測される、波長４５０ｎｍの光の強度の計測値をＶ１、波長６３５ｎｍの光の強度の計測値をＶ２とすると、波長４５０ｎｍの光の強度の計測値がＶ１で波長６３５ｎｍの光の強度の計測値がＶ２より大きければ、工具先端部が層Ｌ２内かつ層Ｌ１外の領域、即ち、幅が約１１５ｎｍ（＝１７５－６０ｎｍ）の領域に工具先端部が配されているとの判定ができ、波長４５０ｎｍの光の強度の計測値がＶ１より大きく、波長６３５ｎｍの光の強度の計測値がＶ２より大きければ、層Ｌ１内、即ち、約１７５ｎｍ（＝３５０－１７５ｎｍ）の領域に工具先端部が配されているとの判定ができる。

【0028】

また、波長４５０ｎｍの光の強度の計測値及び波長６３５ｎｍの光の強度の計測値は共に、工具先端部の変位に伴った増加が始まってから工具先端部が透光体の面Ｆに接触するまで、継続的に増加することから、光の強度の計測値と工具先端部の位置は一対一の関係となり、計測された光の強度を基に工具先端部の位置を導出できることが確認できた。

【0029】

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記した形態に限定されるものでなく、要旨を逸脱しない条件の変更等は全て本発明の適用範囲である。
例えば、信号発信手段は無くてもよい。
また、第１、第２の散乱光の強度をそれぞれ計測する２つのセンサ部を有する検出手段を採用すること、及び、第１の光を照射する照射部及び第２の光を照射する照射部を有する照射手段を用いることが可能である。
そして、検出対象物Ｗが第１、第２の散乱光を生じさせない位置に配されている状態で、第１の散乱光と同じ波長の光及び第２の散乱光と同じ波長の光が検出手段によって検出されなければ、検出手段が第１の散乱光と同じ波長の光を検出したことを第１の散乱光の検出とみなし、検出手段が第２の散乱光と同じ波長の光を検出したことを第２の散乱光の検出とみなすことができる。

【符号の説明】

【0030】

１０：超近接スイッチ、１１：透光体、１２：照射手段、１３：検出手段、１４：面、１６：筺体、１７、１８：側面、１９：円弧状面、２０：センサ部、２１：位置検知部、２２：信号発信手段、Ｌ１、Ｌ２：層、Ｐ１、Ｐ２：光、Ｑ１、Ｑ２：散乱光、Ｔ：工具、Ｗ：検出対象物

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】