特許 7513510 変位センサ及び形状測定装置

(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】2024-07-01

(45)【発行日】2024-07-09

(54)【発明の名称】変位センサ及び形状測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/00 20060101AFI20240702BHJP

   G01B 11/24 20060101ALI20240702BHJP

【ＦＩ】

G01B11/00 H

G01B11/24 K

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2020194314

(22)【出願日】2020-11-24

(65)【公開番号】P2022083072

(43)【公開日】2022-06-03

【審査請求日】2023-10-11

(73)【特許権者】

【識別番号】000137694

【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ

(74)【代理人】

【識別番号】110004222

【氏名又は名称】弁理士法人創光国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100166006

【弁理士】

【氏名又は名称】泉 通博

(74)【代理人】

【識別番号】100154070

【弁理士】

【氏名又は名称】久恒 京範

(74)【代理人】

【識別番号】100153280

【弁理士】

【氏名又は名称】寺川 賢祐

(72)【発明者】

【氏名】木村 彰秀

【審査官】信田 昌男

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－０２０７８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２７４４２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６２－１７２２０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－２９４２１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１３８８１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－０１９８１１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ １１／００

Ｇ０１Ｂ １１／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定の変位方向に変位可能なワークに対して、前記変位方向と平行な照射方向に光を照射する照射部と、
前記照射部から照射された光の前記ワークからの反射光を受光する受光面を有する受光部と、
前記ワークからの反射光を受けて、前記受光部の前記受光面に縞を生成する生成手段が設けられた縞生成面を有する縞生成部と、を備え、
前記縞生成面及び前記受光面は、前記変位方向に対して平行になるように、又は前記変位方向の虚像に対して平行になるように、配置されている、
変位センサ。

【請求項2】

前記縞生成部は、前記生成手段としての複数の開口が形成された回折格子を含み、前記開口を通過した前記反射光によって前記受光面に縞を生成する、
請求項１に記載の変位センサ。

【請求項3】

前記縞生成部は、前記生成手段としての複数の段差が形成された基板を含み、前記段差を透過する前記反射光によって前記受光面に縞を生成する、
請求項１に記載の変位センサ。

【請求項4】

前記縞生成部は、所定間隔で配置された複数の前記生成手段を有し、
前記縞生成面と、前記照射部が照射する光の光軸を含む照射面との間の距離は、前記縞生成部と前記受光面との間の距離と同じ長さである、
請求項１から３のいずれか１項に記載の変位センサ。

【請求項5】

前記縞生成部は、前記生成手段として、前記変位方向に沿って隣接するように一列に配置された複数の結像素子を有する、
請求項１に記載の変位センサ。

【請求項6】

前記縞生成部は、前記縞生成面が前記変位方向に対して平行になるように、又は前記虚像に対して平行になるように配置された異なる複数の前記生成手段を有し、
前記複数の前記生成手段の各々の配置間隔が、それぞれ異なる、
請求項１から５のいずれか１項に記載の変位センサ。

【請求項7】

前記受光部は、前記反射光を検出するフォトダイオードが複数配列されたフォトダイオードアレイを有する、
請求項１から６のいずれか１項に記載の変位センサ。

【請求項8】

前記生成手段は、前記変位方向に沿って隣接する生成手段同士の間隔がランダムになるように配置されている、
請求項１から５のいずれか１項に記載の変位センサ。

【請求項9】

前記ワークからの反射光を前記縞生成部へ向けて反射させる反射部材を更に備え、
前記縞生成面及び前記受光面は、前記反射部材から見て前記変位方向の虚像に対して平行になるように、配置されている、
請求項１に記載の変位センサ。

【請求項10】

前記照射部は、前記ワークに対してライン状の光であるライン光を照射し、
前記縞生成部は、直交する２軸での位置を検出可能な前記受光面に縞を生成させる、
請求項１から９のいずれか１項に記載の変位センサ。

【請求項11】

所定の変位方向に変位可能なワークに対して、前記変位方向と平行な照射方向に光を照射する照射部と、前記照射部から照射された光の前記ワークからの反射光を受光する受光面を有する受光部と、前記ワークからの反射光を受けて、前記受光部の前記受光面に縞を生成する生成手段が設けられた縞生成面を有する縞生成部と、を備える変位センサと、
前記受光部の出力に基づいて、ワークの形状を演算する演算部と、
を有し、
前記縞生成面及び前記受光面は、前記変位方向に対して平行になるように、又は前記変位方向の虚像に対して平行になるように、配置されている、
形状測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、変位センサ及び形状測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、ワークの変位を検出するための変位センサとして、三角測量式センサが利用されている。三角測量式センサでは、まず、照射部の光源から照射された光が、ワークで反射される。ワークからの反射光は、結像レンズによって、受光部（例えば撮像素子）の受光面（撮像面）に結像される。

【0003】

上記の三角測量式センサでは、受光部が受光する光分布にムラが発生し、位置変動が生じるおそれがある。そこで、光分布のムラを抑制するために、下記の特許文献１に開示された技術の適用が検討されうる。特許文献１には、光源からの光を格子に照射して縞を発生させ、縞の位相を受光部で検出した結果から、光源の位置を測定する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許４５０３９０２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、上記の技術を適用した場合には、ワークの位置によって、受光部が検出する縞の周期が変化する。このため、ワークに変位すると、受光部の縞を検出する検出素子の周期と、縞の周期とにずれが発生してしまい、検出精度が低下してしまう。

【0006】

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、ワークが変位しても受光部で検出する縞の周期の変化を抑制することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の第１の態様においては、所定の変位方向に変位可能なワークに光を照射する照射部と、前記照射部から照射された光の前記ワークからの反射光を受光する受光部と、前記ワークからの反射光を受けて、前記受光部の受光面に縞を生成する生成手段を有する縞生成部と、を備え、前記縞生成部及び前記受光部は、前記変位方向に対して平行になるように、又は前記変位方向の虚像に対して平行になるように、配置されている、変位センサを提供する。

【0008】

また、前記縞生成部は、前記生成手段としての複数の開口が形成された回折格子を含み、前記開口を通過した前記反射光によって前記受光面に縞を生成することとしてもよい。

【0009】

また、前記縞生成部は、前記生成手段としての複数の段差が形成された基板を含み、前記段差を透過する前記反射光によって前記受光面に縞を生成することとしてもよい。

【0010】

また、前記縞生成部は、所定間隔で配置された複数の前記生成手段を有し、前記縞生成部と前記照射部の照射面との間の距離は、前記縞生成部と前記受光面との間の距離と同じ長さであることとしてもよい。

【0011】

また、前記縞生成部は、前記生成手段として、前記変位方向に沿って隣接するように一列に配置された複数の結像素子を有することとしてもよい。

【0012】

また、前記縞生成部は、前記変位方向に対して平行になるように、又は前記虚像に対して平行になるように配置された異なる複数の前記生成手段を有し、前記複数の前記生成手段の各々の配置間隔が、それぞれ異なることとしてもよい。

【0013】

また、前記受光部は、前記反射光を検出するフォトダイオードが複数配列されたフォトダイオードアレイを有することとしてもよい。

【0014】

また、前記生成手段は、前記変位方向に沿って隣接する生成手段同士の間隔がランダムになるように配置されていることとしてもよい。

【0015】

また、前記ワークからの反射光を前記縞生成部へ向けて反射させる反射部材を更に備え、前記縞生成部及び前記受光部は、前記反射部材から見て前記変位方向の虚像に対して平行になるように、配置されていることとしてもよい。

【0016】

また、前記照射部は、前記ワークに対してライン状の光であるライン光を照射し、前記縞生成部は、直交する２軸での位置を検出可能な前記受光面に縞を生成させることとしてもよい。

【0017】

本発明の第２の態様においては、所定の変位方向に変位可能なワークに光を照射する照射部と、前記照射部から照射された光の前記ワークからの反射光を受光する受光部と、前記ワークからの反射光を受けて、前記受光部の受光面に縞を生成する生成手段を有する縞生成部と、を備える変位センサと、前記受光部の出力に基づいて、ワークの形状を演算する演算部と、を有し、前記縞生成部及び前記受光部は、前記変位方向に対して平行になるように、又は前記変位方向の虚像に対して平行になるように、配置されている、形状測定装置を提供する。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、ワークが変位しても受光部で検出する縞の周期の変化を抑制できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】第１の実施形態に係る変位センサ１０の構成を説明するための模式図である。

【図2】ワークＷが変位する際の縞の周期ｄ_Ｄを説明するための模式図である。

【図3】比較例に係る変位センサ１１０を説明するための模式図である。

【図4】形状測定装置１の構成を説明するための模式図である。

【図5】第２の実施形態に係る変位センサ１０の構成を説明するための模式図である。

【図6】第３の実施形態に係る変位センサ１０の構成を説明するための模式図である。

【図7】第４の実施形態に係る変位センサ１０の構成を説明するための模式図である。

【図8】第５の実施形態に係る変位センサ１０の構成を説明するための模式図である。

【図9】第６の実施形態に係る変位センサ１０の構成を説明するための模式図である。

【図10】第７の実施形態に係る変位センサ１０の構成を説明するための模式図である。

【図11】第８の実施形態に係る変位センサ１０の構成を説明するための模式図である。

【図12】第９の実施形態に係る変位センサ１０の構成を説明するための模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

＜第１の実施形態＞
（変位センサの構成）
第１の実施形態に係る変位センサ１０の構成について、図１を参照しながら説明する。

【0021】

図１は、第１の実施形態に係る変位センサ１０の構成を説明するための模式図である。変位センサ１０は、ワークＷに光を照射して、ワークＷまでの距離（変位）を測定する。変位センサ１０は、三角測量式センサである。変位センサ１０は、図１に示すように、照射部２０と、受光部３０と、縞生成部４０とを有する。

【0022】

照射部２０は、ワークＷに光を照射する。例えば、照射部２０は、下方へ向けて直線状の光をワークＷに照射する。ワークＷは、所定の変位方向として上下方向に変位する。照射部２０は、照射面２６に沿う上下方向に移動して変位するワークＷに対して、光を照射することになる。照射面２６は、照射部２０が照射する光の光軸を含む面である。

【0023】

照射部２０は、光源２２と、レンズ２４とを有する。光源２２は、所定波長のレーザ光を出射する。レンズ２４は、例えばコリメータレンズやロッドレンズであり、光源２２が出射した光を、直線状の光としてワークＷに照射する。照射部２０から照射された光は、ワークＷ（具体的には、照射点Ｐ）で反射される。ワークＷからの反射光は、図１に示すように、散乱する。

【0024】

受光部３０は、照射部２０から照射された光のワークＷからの反射光を受光する。受光部３０は、反射光（具体的には、縞生成部４０が生成する反射光による縞）を受光する受光面３２を有する。受光面３２は、変位センサ１０からワークＷまでの距離（変位）に対応する位置に、反射光を受光する。このため、受光面３２において反射光が受光された位置を特定できれば、ワークＷの変位を検出する。受光面３２は、ワークＷの変位方向（上下方向）に対して平行になるように、配置されている。
受光部３０は、例えば縞を撮像するイメージセンサである。一例として、受光部３０は、ＣＭＯＳ受光素子を含む。

【0025】

縞生成部４０は、一の位置に位置するワークＷからの反射光を受けて、受光部３０の受光面３２に縞を生成する生成手段を有する。例えば、縞生成部４０は、複数の反射光（図１では３つの反射光）を受けて、受光面３２の複数の位置に干渉縞を生成する。受光面３２に縞を生成することで、光分布のムラを抑制できるので、ワークＷの変位を適切に検出可能となる。縞は、受光面３２に所定の周期ｄ_Ｄで生成される。

【0026】

図２は、ワークＷが変位する際の縞の周期ｄ_Ｄを説明するための模式図である。図２（ａ）には、位置Ｘ１に位置するワークＷが示され、図２（ｂ）には、位置Ｘ２に位置するワークＷが示されている。図２（ａ）及び図２（ｂ）から、ワークＷが位置Ｘ１から位置Ｘ２へ移動すると、受光面３２における縞の位置が移動する。一方で、ワークＷが位置Ｘ１から位置Ｘ２へ移動しても、縞の周期ｄ_Ｄは同じ大きさである。

【0027】

縞生成部４０は、縞を生成する生成手段として、ここでは回折格子４２を有する。回折格子４２には、図１に示すように、所定間隔で複数の開口４４が配列されている。開口４４が、ワークＷからの反射光を透過させる透過部であり、回折格子４２において開口４４以外の部分が、反射光を透過させない非透過部である。回折格子４２は、回折を利用して干渉縞を生成する。

【0028】

本実施形態の縞生成部４０は、図１に示すように、回折格子４２がワークＷの変位方向（上下方向）に対して平行になるように、配置されている。別言すれば、縞生成部４０は、回折格子４２が照射部２０の照射面２６と平行になるように、配置されている。このため、回折格子４２は、受光部３０の受光面３２とも平行になっている。ここでは、縞生成部４０（回折格子４２）と照射点Ｐ（照射面２６）の間の距離ｕと、縞生成部４０と受光面３２の間の距離ｖは、異なる大きさである。

【0029】

第１の実施形態において、縞生成部４０及び受光部３０が、ワークＷの変位方向に対して平行に配置されているため、ワークＷが変位しても、ワークＷの照射点Ｐと縞生成部４０の間の距離ｕが変化しない。このため、ワークＷが変位しても、受光部３０の受光面３２に生成される縞の周期が変化しない。

【0030】

図３は、比較例に係る変位センサ１１０を説明するための模式図である。変形例に係る変位センサ１１０は、照射部１２０と、受光部１３０と、縞生成部１４０とを有する。照射部１２０の構成は、図１に示す変位センサ１０の照射部２０と似た構成である。一方で、受光部１３０及び縞生成部１４０のワークＷに対する配置は、変位センサ１０の受光部３０及び縞生成部４０のワークＷに対する配置とは異なる。すなわち、受光部１３０及び縞生成部１４０は、ワークＷの変位方向に対して直交するように配置されている点で、ワークＷの変位方向に対して平行に配置された受光部３０及び縞生成部４０とは異なる。

【0031】

比較例に係る構成の場合には、受光面１３２に生成される縞１３４の周期ｄ_Ｄは、下記の式（１）で示される。

式（１）において、ｕは照射点Ｐと縞生成部１４０の間の距離であり、ｖは縞生成部１４０と受光面１３２との間の距離であり、ｄ_Ｇは回折格子１４２の格子定数である。

【0032】

比較例において、ワークＷが変位方向（上下方向）に変位すると、ワークＷの照射点Ｐと縞生成部１４０の間の距離ｕが変化するため、式（１）から明らかなように縞１３４の周期ｄ_Ｄが変化してしまう。この結果、受光面１３２に生成される縞１３４の周期と、受光面１３２に配置された検出素子の周期にずれが生じてしまい、縞１３４を精度良く検出できない。

【0033】

これに対して、第１の実施形態の変位センサ１０においては、ワークＷが変位方向に変位しても、ワークＷの照射点Ｐと縞生成部４０との間の距離ｕは変化しない。また、縞生成部４０と受光面３２の間の距離ｖも変化しない。このため、図２に示すように、ワークＷが変位しても、受光面３２に生成される縞の周期も変化しない。この結果、縞の周期と、受光面３２の検出素子の周期とにずれが生じないので、ワークＷが変位しても縞を精度良く検出できる。

【0034】

（形状測定装置の構成）
上述した構成の変位センサ１０を含む形状測定装置１の構成について、図４を参照しながら説明する。

【0035】

図４は、形状測定装置１の構成を説明するための模式図である。形状測定装置１は、変位センサ１０の検出結果に基づいて、ワークＷの形状を測定する装置である。形状測定装置１は、図４に示すように、変位センサ１０と、制御装置９０とを含む。

【0036】

変位センサ１０の構成は、前述した図１に示す構成であるので、ここでは詳細な説明は省略する。
制御装置９０は、変位センサ１０（具体的には、照射部２０及び受光部３０）の動作を制御する。また、制御装置９０は、例えば、ワークＷを変位方向（上下方向）に移動させる駆動源を制御し、ワークＷを移動させうる。制御装置９０は、記憶部９２と、制御部９４とを含む。

【0037】

記憶部９２は、例えばＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）を含む。記憶部９２は、制御部９４によって実行可能なプログラムや各種データを記憶する。例えば、記憶部９２は、変位センサ１０が検出した結果を記憶する。

【0038】

制御部９４は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）である。制御部９４は、記憶部９２に記憶されたプログラムを実行することにより、変位センサ１０の動作を制御する。
制御部９４は、照射部２０の光源２２によるワークＷへの光の照射を制御する。また、制御部９４は、受光部３０の出力を取得し、ワークＷの形状を演算する。すなわち、制御部９４は、変位センサ１０の受光部３０の出力に基づいて、ワークＷの形状を演算する演算部として機能する。

【0039】

（第１の実施形態における効果）
第１の実施形態に係る変位センサ１０においては、受光部３０及び縞生成部４０が、ワークＷの変位方向に対して平行になるように配置されている。
これにより、ワークＷが変位しても、ワークＷの照射点Ｐと縞生成部４０との間の距離ｕと、縞生成部４０と受光部３０の間の距離ｖは変化しないので、受光部３０の受光面３２に生成される縞の周期も変化しない。この結果、縞の周期と、受光面３２の検出素子の周期とにずれが生じないので、ワークＷが変位しても縞を精度良く検出できる。

【0040】

＜第２の実施形態＞
第２の実施形態に係る変位センサ１０の構成について、図５を参照しながら説明する。
第１の実施形態の縞生成部４０の生成手段が回折格子４２であったのに対して、第２の実施形態では、生成手段が段差である点で相違する。

【0041】

図５は、第２の実施形態に係る変位センサ１０の構成を説明するための模式図である。第２の実施形態の変位センサ１０は、図５に示すように、照射部２０と、受光部３０と、縞生成部４０とを有する。第２の実施形態の照射部２０及び受光部３０の構成は、第１の実施形態と同様であるので、以下では説明を省略する。

【0042】

縞生成部４０は、開口が形成された回折格子４２の代わりに、複数の段差５２が形成された基板５０を有する。基板５０は、透明体であり、ワークＷからの反射光を透過させる。段差５２は、ここでは基板５０の凸部である。基板５０は、ワークＷの変位方向（別言すれば、照射面２６）と平行になるように配置されている。縞生成部４０によって、受光面３２には周期ｄ_Ｄの縞が生成される。
なお、図５では、説明の便宜上、ワークＷが位置Ｘ１に位置する際の縞の周期が示されているが、ワークＷが変位しても、縞の周期は変化しない。

【0043】

縞生成部４０は、基板５０を設けることで、段差５２を透過する反射光によって受光面３２に縞を生成する。この際、基板５０の段差５７の部分を透過する反射光と、段差５７以外の部分を透過する反射光とに、位相差が生じ、反射光の干渉が引き起こされる。段差５７の厚さは、照射部２０が照射する光の波長をλとした場合に、反射光の位相差がλ／２になるように設定されることが望ましい。

【0044】

第２の実施形態では、段差５２が形成された基板５０をワークＷの変位方向に対して平行に配置することで、第１の実施形態と同様に、ワークＷが変位しても、受光面３２に生成される縞の周期が変化しない。この結果、縞の周期と、受光面３２の検出素子の周期とにずれが生じないので、ワークＷが変位しても縞を精度良く検出できる。

【0045】

＜第３の実施形態＞
第３の実施形態に係る変位センサ１０の構成について、図６を参照しながら説明する。
第１の実施形態では、縞生成部４０と照射点Ｐの間の距離ｕと、縞生成部４０と受光面３２の間の距離ｖとが異なる長さであったのに対して、第４の実施形態では、２つの距離が同じ長さである点で相違する。

【0046】

図６は、第３の実施形態に係る変位センサ１０の構成を説明するための模式図である。第３の実施形態の変位センサ１０は、図６に示すように、照射部２０と、受光部３０と、縞生成部４０とを有する。第３の実施形態の照射部２０及び受光部３０の構成は、第１の実施形態と同様である。

【0047】

第３の実施形態の縞生成部４０は、所定間隔で配置された複数の生成手段を有する。例えば、縞生成部４０は、生成手段として、回折格子４２において所定間隔で配置された複数の開口４６を有する。ここでは、複数の開口４６が、一定の周期ｇで配置されているものとする。

【0048】

縞生成部４０は、照射部２０の照射点Ｐと受光面３２との中間位置に位置する。すなわち、縞生成部４０と照射点Ｐの間の距離ｕは、縞生成部４０と受光面３２の間の距離ｖと同じ長さである。

【0049】

上記のように、複数の開口４６が一定の周期ｇで配置され、かつ、距離ｕ及び距離ｖが同じ長さである場合には、受光面３２に周期ｇの縞が生成される。すなわち、開口４６の周期と、縞の周期ｇとが、同じ大きさとなる。これにより、開口４６の間隔を小さくすることで、受光面３２に細かな縞を生成できる。

【0050】

第３の実施形態でも、縞生成部４０及び受光部３０が、ワークＷの変位方向と平行になるように配置されている。このため、ワークＷが変位方向に変位しても、縞の周期ｇが変化しない。この結果、縞の周期と、受光面３２の検出沿いの周期とにずれが生じないので、ワークＷが変位しても縞を精度良く検出できる。

【0051】

＜第４の実施形態＞
第４の実施形態に係る変位センサ１０の構成について、図７を参照しながら説明する。
第１の実施形態の縞生成部４０の生成手段が回折格子４２であったのに対して、第４の実施形態では、生成手段が結像素子である点で相違する。結像素子は、光学系を利用して像を得る結像機能を有する素子である。

【0052】

図７は、第４の実施形態に係る変位センサ１０の構成を説明するための模式図である。第４の実施形態の変位センサ１０は、図７に示すように、照射部２０と、受光部３０と、縞生成部４０とを有する。第４の実施形態の照射部２０及び受光部３０の構成は、第１の実施形態と同様である。

【0053】

縞生成部４０は、生成手段として、互いに隣接するように配置された複数の結像素子５５を有する。具体的には、図７に示すように、３つの結像素子５５は、ワークＷの変位方向に対して平行になるように配置されている。これにより、ワークＷが変位しても、３つの結像素子５５によって、受光面３２に縞を生成できる。なお、上記では、結像素子５５が３つ設けられていることとしたが、これに限定されず、結像素子５５が４つ以上設けられていてもよい。

【0054】

複数の結像素子５５は、一例として集光レンズである。集光レンズを用いる場合には、受光面３２で受光される光のパワーが大きくなる。なお、上記では、結像素子５５が集光レンズであることとしたが、これに限定されない。例えば、結像素子５５は、フレネルレンズ等の他のレンズであってもよいし、フレネルゾーンプレート等の回折光学素子であってもよい。これにより、厚みが小さい結像素子５５を配置できる。

【0055】

第４の実施形態でも、縞生成部４０及び受光部３０が、ワークＷの変位方向と平行になるように配置されている。このため、ワークＷが変位方向に変位しても、縞の周期が変化しない。この結果、縞の周期と、受光面３２の検出沿いの周期とにずれが生じないので、ワークＷが変位しても縞を精度良く検出できる。

【0056】

＜第５の実施形態＞
第５の実施形態に係る変位センサ１０の構成について、図８を参照しながら説明する。
第１の実施形態では、縞生成部４０は一つの回折格子４２を有していたのに対して、第５の実施形態では、複数の回折格子が設けられている点で相違する。

【0057】

図８は、第５の実施形態に係る変位センサ１０の構成を説明するための模式図である。第５の実施形態の変位センサ１０は、図８に示すように、照射部２０と、受光部３０と、縞生成部４０とを有する。第５の実施形態の照射部２０の構成は、第１の実施形態と同様である。

【0058】

第３の実施形態の縞生成部４０は、生成手段が複数形成された回折格子を複数有する。例えば、縞生成部４０は、第１回折格子６０と、第２回折格子６２と、第３回折格子６４とを有する。第１回折格子６０、第２回折格子６２及び第３回折格子６４は、ワークＷの変位方向と平行になるように、一列に配置されている。

【0059】

図８では簡略して図示されているが、第１回折格子６０、第２回折格子６２及び第３回折格子６４には、前述した回折格子４２と同様に、複数の開口が形成されている。第１回折格子６０は、第１周期で配列された開口を有し、第２回折格子６２は、第２周期で配列された開口を有し、第３回折格子６４は、第３周期で配列された開口を有する。第１周期、第２周期及び第３周期の大きさは、それぞれ異なる。

【0060】

受光部３０は、縞生成部４０の複数の回折格子に対応した複数の受光面を有する。例えば、受光部３０は、第１受光面３６と、第２受光面３７と、第３受光面３８とを有する。第１受光面３６、第２受光面３７及び第３受光面３８は、ワークＷの変位方向と平行になるように、一列に配置されている。

【0061】

第１受光面３６には、第１回折格子６０による縞が生成され、第２受光面３７には、第２回折格子６２による縞が生成され、第３受光面３８には、第３回折格子６４による縞が生成される。第１受光面３６、第２受光面３７及び第３受光面３８に生成される縞の周期は、それぞれ異なる。これにより、第１受光面３６、第２受光面３７及び第３受光面３８は、異なる波長の信号を出力可能となる。そして、異なる波長の信号を出力することで、ワークＷの絶対位置を求めることが可能となる。

【0062】

第５の実施形態でも、縞生成部４０及び受光部３０が、ワークＷの変位方向と平行になるように配置されている。このため、ワークＷが変位方向に変位しても、縞の周期が変化しない。この結果、縞の周期と、受光面３２の検出沿いの周期とにずれが生じないので、ワークＷが変位しても縞を精度良く検出できる。

【0063】

＜第６の実施形態＞
第６の実施形態に係る変位センサ１０の構成について、図９を参照しながら説明する。
第１の実施形態では、受光部３０がイメージセンサを有することとしたのに対して、第６の実施形態では、受光部３０が複数のフォトダイオードを並べたフォトダイオードアレイを有する点で相違する。

【0064】

図９は、第６の実施形態に係る変位センサ１０の構成を説明するための模式図である。第６の実施形態の変位センサ１０は、図９に示すように、照射部２０と、受光部３０と、縞生成部４０とを有する。第６の実施形態の照射部２０及び縞生成部４０は、第１の実施形態と同様である。

【0065】

第６の実施形態の受光部３０は、複数のフォトダイオード３５ａ～３５ｄを並べたフォトダイオードアレイ３４を有する。フォトダイオード３５ａ～３５ｄは、光を検出する光検出器である。フォトダイオード３５ａ～３５ｄは、照射面２６と平行になるように、一列に配置されている。また、フォトダイオード３５ａ～３５ｄは、交互に配置されている。

【0066】

フォトダイオード３５ａ～３５ｄは、アナログ出力として電流を出力する。このため、受光部３０の応答性が速く、高速に検出可能となる。また、受光部３０にフォトダイオード３５ａ～３５ｄを用いる場合には、イメージセンサを用いる場合に比べて、発熱量を抑制できる。

【0067】

受光部３０は、フォトダイオード３５ａ及びフォトダイオード３５ｃの出力の差分（変位）と、フォトダイオード３５ｂ及びフォトダイオード３５ｄの出力の差分（変位）とを求めることで、ワークＷの変位に伴う縞の変位量を求めることができる。なお、上記の差分が大きくなることで、変位量も大きくなる。

【0068】

第６の実施形態でも、縞生成部４０及び受光部３０が、ワークＷの変位方向と平行になるように配置されている。このため、ワークＷが変位方向に変位しても、縞の周期が変化しない。この結果、縞の周期と、受光面３２の検出沿いの周期とにずれが生じないので、ワークＷが変位しても縞を精度良く検出できる。

【0069】

＜第７の実施形態＞
第７の実施形態に係る変位センサ１０の構成について、図１０を参照しながら説明する。
第１の実施形態では、縞生成部４０の複数の生成手段（回折格子４２の開口）が所定周期で配置されていたのに対して、第７の実施形態では、隣接する生成手段同士の間隔がランダムになるように配置されている点で相違する。

【0070】

図１０は、第７の実施形態に係る変位センサ１０の構成を説明するための模式図である。第７の実施形態の変位センサ１０は、図１０に示すように、照射部２０と、受光部３０と、縞生成部４０とを有する。第７の実施形態の照射部２０及び受光部３０は、第１の実施形態と同様である。

【0071】

第７の実施形態の縞生成部４０は、開口４８同士の間隔がランダムとなるように配置された回折格子４２を有する。複数の開口４８のランダム配置としては、例えば、Ｍ系列符号（Maximum length sequence）という擬似ランダム符号を適用可能である。Ｍ系列符号は、ｎ段のシフトレジスタと加算によって算出される系列のうち最も長い系列によって成り立っている。
ワークＷの位置毎に、受光面３２での３つの縞の受光位置が異なり、重複しない。

【0072】

図４の形状測定装置１の制御装置９０は、受光部３０が出力する３つの縞の受光位置と、予め記憶部９２に記憶している受光位置のパターンとをマッチングして、ワークＷの変位を特定する。

【0073】

記憶部９２は、受光面３２における縞の受光位置（具体的には、３つの縞の受光位置）を示すパターンを複数記憶している。記憶部９２が記憶している複数の記憶パターンは、予め測定されたものであり、３つの受光位置が重複しないパターンである。

【0074】

制御部９４は、受光部３０から、３つの縞の受光位置を取得する。制御部９４は、取得した３つの受光位置が、記憶部９２に記憶された複数の記憶パターンのいずれの記憶パターンに一致するかを判定する。制御部９４は、一致度が最も大きい記憶パターンを選択し、当該記憶パターンによって変位を検出する。

【0075】

第７の実施形態でも、縞生成部４０及び受光部３０が、ワークＷの変位方向と平行になるように配置されている。このため、ワークＷが変位方向に変位しても、縞の周期が変化しない。この結果、縞の周期と、受光面３２の検出沿いの周期とにずれが生じないので、ワークＷが変位しても縞を精度良く検出できる。
また、第７の実施形態の場合には、受光面３２の縞の受光位置が重複しないように複数の結像手段がランダムに配置されることで、ワークＷの変位を精度良く判別できる。

【0076】

なお、図１０に示すワークＷが透明体である場合には、上述した構成を採用することで、透明体の測定点が複数あっても、複数の測定点を分離できる。例えば、図１０の位置Ｘ１が透明体の裏面であり、位置Ｘ２が透明体の表面である場合には、透明体の表面及び裏面を分離して識別できる。

【0077】

＜第８の実施形態＞
第８の実施形態に係る変位センサ１０の構成について、図１１を参照しながら説明する。

【0078】

図１１は、第８の実施形態に係る変位センサ１０の構成を説明するための模式図である。変位センサ１０は、図１１に示すように、照射部２０、受光部３０及び縞生成部４０に加えて、反射部材７０を有する。

【0079】

反射部材７０は、ワークＷからの反射光を縞生成部４０へ向けて反射させる部材である。反射部材７０は、例えばミラーであり、ワークＷの変位方向に対して交差するように配置されている。反射部材７０は、ワークＷの変位方向において、照射部２０の近くに配置されている。

【0080】

第１の実施形態の縞生成部４０及び受光部３０が、ワークＷの変位方向に対して平行になるように配置されているのに対して、第８の実施形態の縞生成部４０及び受光部３０が、ワークＷの変位方向に対して交差するように配置されている。一方で、第８の実施形態の縞生成部４０及び受光部３０は、ワークＷの変位方向の虚像に対して平行になるように配置されている。

【0081】

図１１には、ワークＷの変位方向の虚像７５が示されている。虚像７５は、反射部材７０から見てワークＷの変位方向（上下方向）に対称な位置の仮想の像である。縞生成部４０及び受光部３０は、それぞれ虚像７５と平行になるように配置されている。また、縞生成部４０及び受光部３０は、上下方向において反射部材７０とほぼ同じ位置に配置されている。

【0082】

第８の実施形態では、縞生成部４０及び受光部３０が、ワークＷの変位方向の虚像７５と平行になるように配置されているため、ワークＷが変位方向に変位しても、縞の周期が変化しない。この結果、縞の周期と、受光面３２の検出沿いの周期とにずれが生じないので、ワークＷが変位しても縞を精度良く検出できる。

【0083】

また、第８の実施形態の場合には、反射部材７０を設けたことによって、ワークＷから変位センサ１０を離して位置させやすくなる。すなわち、ワークＷの変位方向において、第１の実施形態の場合には縞生成部４０及び受光部３０がワークＷの近くに位置しているのに対して、第８の実施形態の場合には縞生成部４０、受光部３０及び反射部材７０がワークＷから離れて位置している。

【0084】

＜第９の実施形態＞
第９の実施形態に係る変位センサ１０の構成について、図１２を参照しながら説明する。
第１の実施形態の照射部２０は、ワークＷに対してスポット光を照射していたのに対して、第９の実施形態では、ライン状の光であるライン光をワークＷに対して照射する点で相違する。

【0085】

図１２は、第９の実施形態に係る変位センサ１０の構成を説明するための模式図である。図１２では、太線がライン光を示している。ここでは、ライン光が、ワークＷの幅よりも広くなるように、ワークＷに対して照射されている。縞生成部４０は、ワークＷからの反射光（以下、反射ライン光）を受けて、受光部３０に受光面３２に縞を生成する。縞生成部４０は、縞の生成手段として、例えば前述した回折格子４２や段差５２を有する。

【0086】

受光部３０の受光面３２は、縞生成部４０によって生成される縞の、直交する２軸方向での位置を検出可能である。受光面３２には、例えば、直交する２軸方向での位置を検出可能なエリアセンサが設けられている。

【0087】

第９の実施形態でも、縞生成部４０及び受光部３０が、ワークＷの変位方向と平行になるように配置されている。このため、ワークＷが変位方向に変位しても、縞の周期が変化しない。この結果、縞の周期と、受光面３２の検出沿いの周期とにずれが生じないので、ワークＷが変位しても縞を精度良く検出できる。
また、第９の実施形態の場合には、ワークＷに対してライン光を照射することで、一括でワークＷ全体の変位を検出可能となる。

【0088】

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の全部又は一部は、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を併せ持つ。

【符号の説明】

【0089】

１ 形状測定装置
１０ 変位センサ
２０ 照射部
３０ 受光部
３２ 受光面
３４ フォトダイオードアレイ
３５ａ～３５ｄ フォトダイオード
４０ 縞生成部
４２ 回折格子
５２ 段差
５５ 結像素子
７０ 反射部材
７５ 虚像
９４ 制御部
Ｗ ワーク

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】