JP2005134332A - Shape measuring apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レンズ等の光学部品の凹凸形状を高精度に測定するためのサブμｍオーダの測定精度を有する、接触式プローブを用いた形状測定装置に関するものである。 The present invention relates to a shape measuring apparatus using a contact type probe having a measurement accuracy on the order of sub-μm for measuring an uneven shape of an optical component such as a lens with high accuracy.
従来、被測定物面の凹凸形状を高精度に測定することができる装置に接触式プローブがいくつか提案されている（例えば、特許文献１ないし３参照）。
従来、接触式プローブを用いた形状測定装置による測定は、接触式プローブ先端に固定された先端球によって、被測定面上を走査させることで行われる。接触式プローブは被測定面に押し付けられると、被測定面から受ける反力と、ばねによる力とが釣り合う位置に変位し、それに伴って接触式プローブの変位量を測定する変位計の出力が変化する。
移動ステージを駆動して変位計の出力が常に一定になるように接触式プローブを支持するホルダの位置を制御することにより、接触荷重が一定に保たれる。このようにして接触荷重を一定に保った状態で被測定面を走査し、走査中の移動ステージの動作軌跡と接触式プローブの変位量を測定することにより、被測定面の形状が測定される。
Conventionally, measurement by a shape measuring apparatus using a contact probe is performed by scanning the surface to be measured with a tip sphere fixed to the tip of the contact probe. When the contact probe is pressed against the surface to be measured, the reaction force received from the surface to be measured is displaced to a position where the force of the spring is balanced, and the output of the displacement meter that measures the displacement of the contact probe changes accordingly. To do.
By controlling the position of the holder that supports the contact probe so that the output of the displacement meter is always constant by driving the moving stage, the contact load is kept constant. In this way, the shape of the surface to be measured is measured by scanning the surface to be measured while keeping the contact load constant, and measuring the movement trajectory of the moving stage and the displacement amount of the contact probe during scanning. .
しかしながら、特許文献２に開示された技術によれば、真球が接触式プローブの一端に固定されている。接触式プローブは、給気孔から給気される静圧空気案内で非接触支持されることにより、半径方向の運動は拘束され、上下方向には摺動抵抗なく運動する。
接触式プローブ先端に固定された先端球が被測定面に押し付けられると、接触式プローブは、被測定面から受ける反力と、引張りばねによる力とが釣り合う位置に変位する。
接触式プローブに対して１軸方向に作用する粘性流体を用いた振動減衰機構を備えている。また、プローブの変位量を測定する変位計が備えられており、接触式プローブは保持したハウジングとともに移動ステージに搭載されている。
ここで粘性流体を用いることで、第１に先端球を被測定面に押しつけようとするさいの振動を抑える作用があり、これにより、被測定面との接触状態を誤検出する可能性が低くなり、被測定面に先端球が激しく衝突するような事故を未然に防ぐことができる。また、第２に走査中の振動を抑える作用があり、被測定面と先端球との間のスティックスリップに起因する接触式プローブの振動を抑えられる。
又、特許文献１に開示の技術では、被測定物と接触するプローブを被測定物へ向かい移動可能に支持し、かつ、これを被測定物に向けて付勢するプローブヘッドとプローブヘッドの変位を非接触で高精度に計測するレーザ干渉変位計とを備えている。
プローブヘッドは、中間部に段差を持つプローブシャフトと、段差の前後を支持する空気軸受とを備えている。空気軸受により半径方向の剛性を高く、摺動抵抗を小さく案内している。段差部に供給する別の圧縮空気により段差部の面積差で被測定物へ向かう付勢力を所定範囲の微小荷重に一定に保持している。
これにより、プローブの軸受剛性を低下させることなく測定圧を微小荷重に一定に調整することができ、かつ測定圧を自由に変化させることができ、０．１μm程度のサブミクロン精度を得ている。
However, according to the technique disclosed in Patent Document 2, the true sphere is fixed to one end of the contact probe. The contact-type probe is supported in a non-contact manner by a static pressure air guide supplied from an air supply hole, so that the movement in the radial direction is restricted, and the contact probe moves in the vertical direction without sliding resistance.
When the tip sphere fixed to the tip of the contact probe is pressed against the surface to be measured, the contact probe is displaced to a position where the reaction force received from the surface to be measured and the force of the tension spring balance.
A vibration damping mechanism using a viscous fluid acting in one axial direction with respect to the contact probe is provided. Further, a displacement meter for measuring the amount of displacement of the probe is provided, and the contact probe is mounted on the moving stage together with the holding housing.
Here, by using the viscous fluid, there is an action of suppressing vibrations when trying to press the tip sphere against the surface to be measured, thereby reducing the possibility of erroneously detecting the contact state with the surface to be measured. Thus, it is possible to prevent an accident in which the tip sphere collides violently with the surface to be measured. Second, there is an effect of suppressing vibration during scanning, and vibration of the contact probe due to stick-slip between the surface to be measured and the tip sphere can be suppressed.
In the technique disclosed in
The probe head includes a probe shaft having a step at an intermediate portion and an air bearing that supports the front and rear of the step. Air bearings provide high radial rigidity and low sliding resistance. By another compressed air supplied to the stepped portion, the biasing force toward the object to be measured is kept constant at a minute load within a predetermined range due to the area difference of the stepped portion.
As a result, the measurement pressure can be adjusted to a small load without lowering the bearing rigidity of the probe, and the measurement pressure can be freely changed to obtain submicron accuracy of about 0.1 μm. .
しかしながら、特許文献２に開示された技術では、次のような不具合がある。すなわち、プローブの自重をキャンセルするために、ハウジングに引っ張りばねなどを設けている。
このため、プローブシャフトの上下方向の動きに対し、復元力を有するばねでプローブシャフトの自重を支える構成の場合、被測定面を走査するプローブシャフトの位置によって、復元力が変化してしまう。
それによって、正確にプローブシャフトの自重と釣り合う位置にプローブシャフトを移動させることが難しく、プローブシャフトが振動し易くなり、形状測定を高精度に行えなくなるという不具合がある。
粘性流体による振動減衰効果は大きいが、その反面、装置内に流体を包含するものであるがゆえにプローブ周辺部を汚染しやすいという欠点がある。とくに静圧空気案内を用いる場合には、空隙に流体が入り込むとプローブのスムーズな動きを妨げるなどの不具合を生じる。
プローブシャフトは、１軸方向に移動可能となるように空気軸受を介してハウジングに保持される構成となっているが、自重をキャンセルするための引っ張りばね及び振動減衰機構はプローブ上端で作用するようになっているため、プローブシャフトに対し、ラテラル方向に変位する力が作用するため、プローブシャフトが傾いて測定してしまう恐れが生じるという不具合がある。
However, the technique disclosed in Patent Document 2 has the following problems. That is, a tension spring or the like is provided in the housing in order to cancel the weight of the probe.
For this reason, in the structure which supports the weight of a probe shaft with the spring which has a restoring force with respect to the vertical motion of a probe shaft, a restoring force will change with the position of the probe shaft which scans a to-be-measured surface.
As a result, it is difficult to move the probe shaft to a position that accurately balances the weight of the probe shaft, and the probe shaft is liable to vibrate, making it impossible to measure the shape with high accuracy.
Although the vibration damping effect by the viscous fluid is large, it has a drawback that the peripheral portion of the probe is easily contaminated because the fluid is included in the apparatus. In particular, when a static pressure air guide is used, problems such as hindering the smooth movement of the probe occur when fluid enters the gap.
The probe shaft is configured to be held by the housing via an air bearing so as to be movable in one axial direction. However, a tension spring and a vibration damping mechanism for canceling the dead weight act at the upper end of the probe. Therefore, a lateral displacement force acts on the probe shaft, which causes a problem that the probe shaft may be tilted and measured.
また、特許文献１に開示された技術では、次のような不具合がある。すなわち、プローブヘッドの自重をキャンセルするために、プローブシャフトの途中に切欠きを設け、そこに加圧気体を供給することで、自重の作用する方向と反対方向に作用する力を発生させている。
しかし、この方法では、プローブシャフトの位置によっては、切り欠き部で発生させるために設けた空気たまり部の容量が変化するために、空気の圧縮性により、自重をキャンセルするための力を発生するまでの応答性が悪い。このため、瞬間的にプローブの移動量が大きい場合、被測定面に作用する押付け力が変動し、最悪の場合、被測定面を傷つけてしまうという不具合がある。
プローブシャフトの自重補償に用いる力も被測定面に押し付けるための付勢力のいずれにも、加圧気体を用いており、プローブシャフトの一軸方向の振動を減衰させる機構を備えていない。
このため、一度、被測定面の形状に起因するような振動がプローブシャフトに生じた場合、これを減衰することができないため、形状測定は不安定なものとなり、高精度な測定を行えなくなるという不具合がある。
プローブシャフトを空気軸受により支持しているが、プローブシャフト中央部に上下対称に切欠きがあるため、プローブシャフトの同軸がでておらず、組み付けしにくいという不具合がある。
そこで、本発明の目的は、上述した実情を考慮してなされたもので、被測定面に過大な接触荷重が掛かるのを防ぎ、被測定面に傷をつけることなく、かつ、被測定面を走査中に、被測定面と先端球との間のスティックスリップに起因して生じるプローブの振動を減衰させることで、被測定面への追従性能を高め、サブμｍオーダの測定精度を有する接触式プローブを用いる形状測定装置を提供することにある。
Further, the technique disclosed in
However, in this method, depending on the position of the probe shaft, the capacity of the air pool provided to generate at the notch changes, so that force for canceling its own weight is generated by the compressibility of air. The responsiveness until is bad. For this reason, when the movement amount of the probe is instantaneously large, the pressing force acting on the surface to be measured fluctuates, and in the worst case, the surface to be measured is damaged.
Both the force used for compensating the weight of the probe shaft and the urging force for pressing the probe shaft against the surface to be measured use pressurized gas, and are not provided with a mechanism for attenuating vibration in one axial direction of the probe shaft.
For this reason, once the vibration caused by the shape of the surface to be measured has occurred in the probe shaft, it cannot be attenuated, so that the shape measurement becomes unstable and it becomes impossible to perform highly accurate measurement. There is a bug.
Although the probe shaft is supported by an air bearing, since the notch is vertically symmetrical at the center of the probe shaft, there is a problem that the probe shaft is not coaxial and is difficult to assemble.
Accordingly, an object of the present invention is made in consideration of the above-described circumstances, and prevents an excessive contact load from being applied to the surface to be measured, and does not damage the surface to be measured. Contact type with sub-μm measurement accuracy by improving the follow-up performance to the surface to be measured by attenuating probe vibration caused by stick slip between the surface to be measured and the tip sphere during scanning An object of the present invention is to provide a shape measuring apparatus using a probe.
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、接触式プローブと、この接触式プローブを一方向に移動可能に保持するホルダと、このホルダを取り付け三次元的に移動可能な可動部材と、この可動部材に取り付け、前記接触式プローブの変位量を測定する変位計とを備え、前記接触式プローブを被測定面に接触させながら走査することによって、そのときの位置を測定して被測定物の形状を測定する形状測定装置において、前記接触式プローブが被測定面に押し付ける測定圧を一定に保ちながら走査させるにあたり、前記接触式プローブの外周に第１の永久磁石を設け、前記ホルダの内周に第２の永久磁石を設け、復元力を得るために、前記接触式プローブと前記ホルダの相対的な位置関係のずれによって生じる磁束の剪断方向に働く磁気吸引力をばね力として用い、このばね力は、その大きさが前記接触式プローブ自重から被測定面に押し付ける押し付け力を差し引いた力だけ発生させるようにした形状測定装置を特徴とする。
また、請求項２に記載の発明は、前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石の間に導体板を前記ホルダと内接しないように非導電体を介して配置し、前記磁気吸引力をばね力として用い、前記接触式プローブと前記ホルダの相対的な移動によって、前記導体板を横切る磁束の変化に伴う渦電流を発生させ、これが磁束と作用することにより運動方向と逆方向に働く抵抗力を減衰要素として作用させた請求項１記載の形状測定装置を特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、前記接触式プローブが空気軸受を介して、前記ホルダに支持されている請求項１または２記載の形状測定装置を特徴とする。
また、請求項４に記載の発明は、前記接触式プローブを支持する前記空気軸受が上下に分割して支持されている請求項１ないし３のいずれか１項記載の形状測定装置を特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, the invention according to
According to a second aspect of the present invention, a magnetic plate is disposed between the first permanent magnet and the second permanent magnet via a non-conductor so as not to be inscribed in the holder, and the magnetic attraction is performed. Using the force as a spring force, the relative movement of the contact probe and the holder generates an eddy current accompanying a change in magnetic flux across the conductor plate, and this acts on the magnetic flux to reverse the direction of motion. The shape measuring apparatus according to
The invention according to claim 3 is characterized by the shape measuring apparatus according to
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the shape measuring apparatus according to any one of the first to third aspects, wherein the air bearing that supports the contact probe is divided and supported in the vertical direction. .
また、請求項５に記載の発明は、前記空気軸受が、前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石を挟んだ両側に設けられる請求項１ないし３のいずれか１項記載の形状測定装置を特徴とする。
また、請求項６に記載の発明は、前記接触式プローブが複数の材質の異なる部材から構成される組み立て構造になっている請求項１ないし３のいずれか１項記載の形状測定装置を特徴とする。
また、請求項７に記載の発明は、前記第１の永久磁石、前記第２の永久磁石、および前記導体板のそれぞれの形状を矩形にした請求項２記載の形状測定装置を特徴とする。
また、請求項８に記載の発明は、前記第１の永久磁石を軸方向に第１の非磁性体を挟んで複数設け、また、前記第２の永久磁石を軸方向に第２の非磁性体を挟んで複数設けた請求項１又は２記載の形状測定装置を特徴とする。
また、請求項９に記載の発明は、前記第１の永久磁石および前記第２の永久磁石の代わりに、前記接触式プローブ外周および前記ホルダ内周自体に、直接、着磁した請求項１または２記載の形状測定装置を特徴とする。
また、請求項１０に記載の発明は、前記第２の永久磁石の位置を調整することができる微調整機構を設け、前記接触式プローブ内周と対向する永久磁石とのギャップの大きさを変えることで、発生する磁気吸引力を調整可能とする請求項１または２記載の形状測定装置を特徴とする。
The invention according to
The invention according to
The invention according to claim 7 is characterized by the shape measuring apparatus according to claim 2, wherein each of the first permanent magnet, the second permanent magnet, and the conductor plate is rectangular.
According to an eighth aspect of the present invention, a plurality of the first permanent magnets are provided in the axial direction with the first non-magnetic material sandwiched therebetween, and the second permanent magnet is provided in the second non-magnetic direction in the axial direction. The shape measuring device according to
According to a ninth aspect of the present invention, in place of the first permanent magnet and the second permanent magnet, the contact probe outer periphery and the holder inner periphery itself are directly magnetized. 2 is a shape measuring apparatus.
The invention according to
本発明によれば、接触式プローブとホルダの相対的な位置関係のずれによって生じる磁束の剪断方向に働く磁気吸引力をばね力として用い、接触式プローブの可動範囲をばね力が略一定となる範囲で使用し、このばね力は、その大きさが接触式プローブ自重から被測定面に押し付ける押し付け力を差し引いた力だけ発生させる。
これにより、被測定物に作用する押し付け力を、所定の可動範囲内で略一定にすることができるので、ワークを傷つけることがなく、また、接触式プローブ位置は、所定の可動範囲内の中央に戻るように制御されるが、多少、ずれた位置にあっても良いので、高速な位置決めをする必要がないので、接触式プローブが被測定物の形状によって、高速に位置決め制御しようとして振動的になるような状態にはならなくてすむ。
According to the present invention, the magnetic attraction force acting in the shearing direction of the magnetic flux generated by the relative positional relationship between the contact probe and the holder is used as the spring force, and the movable range of the contact probe becomes substantially constant. This spring force is generated by the force obtained by subtracting the pressing force that presses against the surface to be measured from the weight of the contact type probe.
As a result, the pressing force acting on the object to be measured can be made substantially constant within a predetermined movable range, so that the workpiece is not damaged, and the contact probe position is the center within the predetermined movable range. However, since the position may be slightly shifted, there is no need to perform high-speed positioning. You don't have to
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は本発明の接触式プローブを用いた形状測定装置の第１の実施の形態を示す部分断面図である。
図１において、形状測定装置の接触式プローブ１は、ホルダ２に設けたガイド３、４によって、一方向にのみ移動可能に保持されている。本実施の形態の場合は、上下方向に接触式プローブ１を移動可能としている。
接触式プローブ１の外周には第１の永久磁石５が配置され、ホルダ２の内周には第２の永久磁石６が配置されている。復元力を得るために、第１の永久磁石５と第２の永久磁石６は互いに異磁極となるようにして、一定の間隔を空けて対向して配置されている。
このことにより、接触式プローブ１とホルダ２の相対的な位置関係のずれによって生じる磁束の剪断方向に働く磁気吸引力をばね力として作用させている。また、接触式プローブ１の先端、すなわち被測定面と接触する部分には真球の接触部材７が取り付けられている。
また、接触式プローブ１の上端には端板８が一体的に取り付けられており、接触式プローブ１が落下しないようにストッパの役割も負っている。端板８には、反射ミラー９が取り付けられている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a partial sectional view showing a first embodiment of a shape measuring apparatus using a contact probe of the present invention.
In FIG. 1, the
A first
As a result, a magnetic attraction force acting in the shear direction of the magnetic flux generated by a shift in the relative positional relationship between the
Further, an
本発明による形状測定装置は接触式プローブ１と、この接触式プローブ１を一方向に移動可能に保持するホルダ２と、このホルダ２を取り付け三次元的に移動可能な可動部材１１（図３参照）と、この可動部材１１に取り付け、前記接触式プローブの変位量を測定する変位計１２（図３参照）とを備えている。
その場合に、前記接触式プローブ１を被測定面１０（図３参照）に接触させながら走査することによって、そのときの位置を測定して被測定物１０の形状を測定する。前記接触式プローブ１が被測定面１０に押し付ける測定圧を一定に保ちながら走査させるにあたり、前記接触式プローブ１の外周に第１の永久磁石５を設け、前記ホルダ２の内周に第２の永久磁石６を設けている。
復元力を得るために、前記第１の永久磁石５と第２の永久磁石６が互いに異磁極となるようにして、一定の間隔を空けて対向して配置することによって、前記接触式プローブ１と前記ホルダ２の相対的な位置関係のずれによって生じる磁束の剪断方向に働く磁気吸引力をばね力として用いる。
前記接触式プローブ１の可動範囲を前記ばね力が略一定となる範囲で使用し、このばね力は、その大きさが前記接触式プローブ自重から被測定面１０に押し付ける押し付力を差し引いた力だけ発生させるようにしている。
また、復元力を得るために、前記第１の永久磁石５と前記第２の永久磁石６が互いに異磁極となるようにして、一定の間隔を空けて対向して配置し、この間に導体板１３を前記ホルダ２と内接しないように非導電体１４を介して配置することで、前記接触式プローブ１と前記ホルダ２の相対的な位置関係のずれによって生じる磁束の剪断方向に働く磁気吸引力をばね力として用いる。
前記接触式プローブ１と前記ホルダ２の相対的な移動によって、導体板１３を横切る磁束の変化に伴う渦電流を発生させ、これが磁束と作用することにより運動方向と逆方向に働く抵抗力を減衰要素として作用させる。
The shape measuring apparatus according to the present invention includes a
In that case, the contact-
In order to obtain a restoring force, the
The movable range of the
Further, in order to obtain a restoring force, the first
The relative movement of the
図２は本発明による磁気吸引力の発生力を中立点からの位置に応じて示す図である。図２において、磁気吸引力は、第１の永久磁石５と第２の永久磁石６の位置が完全に対抗している場合を磁力の中立点とし、そこから相対的にずれた量によって、生じる大きさが異なることがわかる。
また、この大きさは、ある範囲で略一定の大きさが生じるように設計することができる。本実施の形態の場合、接触式プローブ１の自重が３ｇｆであり、押し付け力が０．１ｇｆとすると、ばね力の大きさとして、略一定の範囲で２．９ｇｆの力が生じるように設計している。
そこで、図１に示す本実施の形態の場合、意図的に、ホルダ２に対して、接触式プローブ１が磁力の中立点より下側になるようにして、測定を行うようにしている。このことにより、接触式プローブ１に作用する磁気吸引力は、必ず、上側に、つまり、接触式プローブ１を押し上げる方向に力が作用することになる。
また、測定に用いる接触式プローブ１の可動範囲を先ほど説明したように、ばね力が略一定となる範囲で使用するようにし、そのばね力の大きさが接触式プローブ１の自重から被測定面１０に押し付ける押し付け力を差し引いた力だけ発生させるようにしている。
このことにより、接触式プローブ１の自重は不変であり、ばね力も接触式プローブ１の位置によらず略一定であるため、被測定物１０に作用する押し付け力も一定にすることができる。
このとき、接触式プローブ１が、被測定物１０と接触していない場合には、押し付け力が作用しないため、接触式プローブ１の自重によって、この接触式プローブ１は最下点まで落ち、端板８によって、脱落しないようになっている。
FIG. 2 is a diagram showing the generation force of the magnetic attraction force according to the present invention according to the position from the neutral point. In FIG. 2, the magnetic attraction force is generated by an amount relatively shifted from the neutral point of the magnetic force when the positions of the first
Also, this size can be designed to produce a substantially constant size within a certain range. In the case of the present embodiment, when the weight of the
Therefore, in the case of the present embodiment shown in FIG. 1, the measurement is intentionally performed with respect to the holder 2 such that the
Further, as described above, the movable range of the
As a result, the weight of the
At this time, when the
図３は本発明の接触式プローブを搭載した形状測定ヘッドの構成を示す図である。ホルダ２は三次元的に移動可能な可動部材１１に固定されている。この可動部材１１には、変位計１２が取り付けられている。
この変位計１２は、好ましくは、レーザ変位計で構成されており、接触式プローブ１の端板８に取り付けられた反射ミラー９にレーザを照射することで、接触式プローブ１と可動部材１１との相対的な変位量を高精度に測定することができる。
可動部材１１は、図示しないアクチュエータによって移動することが可能で、また、図示しない他の変位計によってその位置を測定することができる構成となっている。
FIG. 3 is a diagram showing the configuration of a shape measuring head equipped with the contact probe of the present invention. The holder 2 is fixed to a
The
The
次に、この形状測定ヘッドを用いた形状測定装置による形状測定動作について説明する。所定の位置に被測定物１０がセットされると、接触式プローブ１を搭載した可動部材１１は、上方からアプローチし、接触式プローブ１を被測定物１０に接触させる。
接触式プローブ１の変位量を測定する変位計１２の出力値が所定の値を示すまで、接触式プローブ１を被測定物１０に押し付けていく。本実施の形態では、接触式プローブ１に作用するばね力の出力が略一定となる範囲の中央値を接触式プローブ１の基準位置としており、このときの変位計１２の出力値を設定している。
接触式プローブ１が基準位置まで移動した後に測定を開始する。被測定物１０の形状に応じて、被測定面によって、接触式プローブ１の接触部材７が押し込まれた場合は、接触式プローブ１はホルダ２との基準位置に対して相対的に上昇する。その結果、接触式プローブ１の端板８も変位計１２側に移動するため、変位計１２の出力が変化する。
このとき、変位計１２の出力が所定の値になるように、アクチュエータを制御して、可動部材１１を移動させる。これにより、接触式プローブ１はホルダ２との関係が基準位置に戻り、接触部材７の被測定面に押し付ける押し付け力が一定に保たれる。
また、接触式プローブ１の接触部材７が被測定面から離れた場合は、接触式プローブ１は自重が作用し、接触式プローブ１はホルダ２との基準位置に対して相対的に下降する。その結果、接触式プローブ１の端板８も変位計１２から離れる側に移動するため、変位計１２の出力が変化する。
このとき、変位計１２の出力が所定の値になるように、図示しないアクチュエータを制御して、可動部材１１を移動させる。これにより、接触式プローブ１はホルダ２との関係が基準位置に戻り、接触部材７の被測定面に押し付ける押し付け力が一定に保たれる。
このように、変位計１２の出力が所定の値になるように可動部材１１の位置を制御しつつ、被測定面１０を走査し、可動部材１１の動作軌跡と変位計１２の出力値を測定することにより、被測定物１０の形状が測定される。
Next, the shape measuring operation by the shape measuring apparatus using this shape measuring head will be described. When the object to be measured 10 is set at a predetermined position, the
The
The measurement is started after the
At this time, the actuator is controlled to move the
Further, when the contact member 7 of the
At this time, the
In this way, while controlling the position of the
磁気吸引力をばね力として用い、接触式プローブ１の可動範囲をばね力が略一定となる範囲で使用し、このばね力は、その大きさが接触式プローブ１の自重から被測定面に押し付ける押し付け力を差し引いた力だけ発生させている。
そのため、被測定物１０に作用する押し付け力を、所定の可動範囲内で略一定にすることができ、接触荷重により、ワークを傷つけることがない。また、接触式プローブ１の位置は、所定の可動範囲内の中央（基準位置）に戻るように制御されるが、多少、位置決め誤差があっても、作用するばね力が略一定させてあるため許容される。
従来技術のように引っ張りばねを用いたものでは、位置決め誤差を許容できないため、高速に位置決めする必要があり、うまく制御できないと、かえって振動的な状態に陥ることがあったが、本発明ではその心配がない。
また、磁力を利用して、接触式プローブ自重を補償しているので、この他に自重を補償するためのカウンターウェイト等を必要としないため、接触式プローブを軽量化でき、作用する慣性力を小さくすることができるので、被測定面１０を走査するさいに追従性能を高めることができる。
また、接触式プローブを被測定面に押し付ける押し付け力は、接触式プローブ可動範囲内において、常に一定であるので、引っ張りばね等を設ける必要がなく、それらを配置するためのスペースが不要とり、装置を小型化することができる。
Using the magnetic attraction force as a spring force, the movable range of the
Therefore, the pressing force acting on the
In the case of using a tension spring as in the prior art, since positioning errors cannot be allowed, it is necessary to position at high speed, and if it cannot be controlled well, it may fall into a vibrating state. There is no worry.
In addition, since the contact probe's own weight is compensated by using magnetic force, no other counterweight is required to compensate for its own weight, so the contact probe can be reduced in weight and the acting inertia force can be reduced. Since it can be made small, the tracking performance can be improved when scanning the
In addition, the pressing force for pressing the contact probe against the surface to be measured is always constant within the contact probe movable range, so there is no need to provide a tension spring or the like, and there is no need for a space for arranging them. Can be miniaturized.
図１のように、接触式プローブ１の外周には第１の永久磁石５が配置され、ホルダ２の内周には第２の永久磁石６が配置されている。復元力を得るために、第１の永久磁石５と第２の永久磁石６は互いに異磁極となるようにして、一定の間隔を空けて対向して配置されている。
このことにより、接触式プローブ１とホルダ２の相対的な位置関係のずれによって生じる磁束の剪断方向に働く磁気吸引力をばね力として作用させている。また、第１の永久磁石５と第２の永久磁石６の間に、アルミのような非磁性材料からなる金属の導体板１３をホルダ２内周と内接しないよう非導電体１４を介してホルダ２と固定する。
このことにより、接触式プローブ１とホルダ２の相対的な移動によって、導体板１３を横切る磁束は変化し、この変化に伴い導体板１３に渦電流を発生させ、これが磁束と作用することにより運動方向と逆方向に働く抵抗力が生じ（フレミング左手の法則）、これを減衰要素として作用させている。
As shown in FIG. 1, the first
As a result, a magnetic attraction force acting in the shear direction of the magnetic flux generated by a shift in the relative positional relationship between the
As a result, the relative movement of the
図４は本発明の接触式プローブ１の振動減衰要素となる抵抗力を発生する原理を模式的に示す、接触式プローブ１とホルダ２の関係が基準位置にある状態における図である。
図５は被測定物の形状測定によって、接触式プローブ１が上方に押し上げられた状態での接触式プローブ内周の第１の永久磁石５とホルダ外周の第２の永久磁石６によって生じる磁束を示す図である。
図６は電磁誘導が生じ、導体板１３上での磁束の変化を打ち消すように、渦電流が発生することを示す図である。図７は第１の永久磁石５と反発するように作用する抵抗力を発生させることを示す図である。
図４は接触式プローブ１とホルダ２の関係が基準位置にある状態での、接触式プローブ１内周の第１の永久磁石５とホルダ２外周の第２の永久磁石６によって生じる磁束を示したものである。
図５は、被測定物１０の形状測定によって、接触式プローブ１が上方に押し上げられた状態での接触式プローブ１内周の第１の永久磁石５とホルダ２外周の第２の永久磁石６によって生じる磁束を示したものである。
図５から判明するように、接触式プローブ１の移動に伴い、第１の永久磁石５も上昇し、導体板１３を貫通する磁束が、導体板１３の上方で増えていることがわかる。これにより、図６のように、電磁誘導が生じ、導体板１３上での磁束の変化を打消すように、渦電流２３が発生する。
この誘導された渦電流２３が磁束の影響を受け、磁界ができ、これが、図７のように、第１の永久磁石５と反発するように作用する抵抗力を発生させることができる。
本実施形態では、粘性流体を用いない構成のため、接触式プローブ周辺が汚れることはない。また、接触式プローブ１の外周に第１の永久磁石５とホルダ２の内周に第２の永久磁石６の間に導体を接触しないように配置するだけで、接触式プローブ振動に伴い相対的な移動が生じたさいに、導体板１３を横切る磁束の変化に伴う渦電流を発生させ、これが磁束と作用することにより運動方向と逆方向に働く抵抗力を減衰要素として利用することができる。
非常に簡単な構成で、従来と同様の振動減衰効果を得ることができ、コスト低下にも繋がる。このように本発明は、被測定面１０と先端球７との間のスティックスリップに起因する接触式プローブの振動によって生じる測定精度の悪化を抑えることができるので、サブミクロン等級の精度を要求される測定にも応用可能である。
FIG. 4 is a diagram schematically showing the principle of generating a resistance force as a vibration damping element of the
FIG. 5 shows the magnetic flux generated by the first
FIG. 6 is a diagram showing that eddy current is generated so that electromagnetic induction occurs and the change in magnetic flux on the
FIG. 4 shows the magnetic flux generated by the first
FIG. 5 shows the first
As can be seen from FIG. 5, with the movement of the
The induced
In this embodiment, since the viscous fluid is not used, the periphery of the contact probe is not soiled. Further, the
With a very simple configuration, it is possible to obtain the same vibration damping effect as in the prior art, leading to cost reduction. As described above, the present invention can suppress the deterioration of measurement accuracy caused by the vibration of the contact probe caused by stick-slip between the measured
図１に示すように、本実施の形態の接触式プローブ１は、断面が円形になっている部分を上下の円筒状であるガイド３、４内の空気軸受を用いて、ホルダ２に支持するようにしている。
上下の空気軸受であるガイド３、４への圧縮空気の供給は、ホルダ２に設けた供給ポート１５を用い、連結通路１６を通して行っている。これにより、接触式プローブ１は、非接触になるため上下方向には摺動抵抗なく移動することができ、かつ、半径方向に高剛性に支持することができる。
プローブの１軸の移動方向にガイド３、４として空気軸受を用いることで、半径方向の剛性を高められるとともに、摺動抵抗を極めて小さくすることができるので、プローブ１に作用する外乱を小さく抑えることができ、被測定物１０にかかる押し付け力を微小な荷重に設定することができ、高精度な測定を行うことができる。
図１に示すように、本実施の形態の接触式プローブ１は上下に分割されたガイド３、４内の空気軸受によって支持されている。したがって、空気軸受の軸受を分割して配置することで、軸受幅を長くした場合とほぼ同程度のラテラル剛性を得ることができるので、被測定物との接触摩擦によって生じる、軸を傾ける力が作用しても、その変形量を極力抑えることができ、高精度な測定を行うことができる。
図１に示すように、本実施の形態の接触式プローブ１を支持するガイド３、４内の空気軸受は、接触式プローブ外周に設けた第１の永久磁石５とホルダ内周に設けた第２の永久磁石６を挟んだ両側に設けるようにしている。
空気軸受の中間に、磁気吸引力をばね力として利用した接触式プローブ１の自重補償などを行う機構と、接触式プローブ１の移動方向と反対方向に作用する振動減衰用の抵抗力を発生させる機構とを効率良く配置することができるので、接触式プローブ１を小型化することができる。
As shown in FIG. 1, the
Supply of compressed air to the guides 3 and 4 which are upper and lower air bearings is performed through the
By using air bearings as the guides 3 and 4 in the direction of movement of one axis of the probe, the rigidity in the radial direction can be increased and the sliding resistance can be extremely reduced, so that the disturbance acting on the
As shown in FIG. 1, the contact-
As shown in FIG. 1, the air bearings in the guides 3 and 4 that support the
In the middle of the air bearing, a mechanism for compensating the weight of the
図８は本実施の形態の接触式プローブ１の組み立てた構造および分解した必要な部品を示す概略図である。図９は接触式プローブ外周に設けた第１の永久磁石５を４つの小さな永久磁石から構成することを示す図８のＡ−Ａ線に沿う概略断面図である。
図８のように、本実施の形態の接触式プローブ１は、パーツ（ａ）〜（ｅ）までの５つのパーツからなる組み立て構造にすることができる。必要な部品精度に応じて組み付け後の修正加工を施すことで、高精度な寸法精度を得ることもできる。
また、各パーツを異なる材質にすることもできる。例えば、本発明の第１の実施の形態では、（ａ）、（ｂ）、（ｄ）、（ｅ）のパーツをアルミ製とし、（ｃ）のパーツのみをアルミ製シャフトに永久磁石を固定したものとすることで、接触式プローブ１の軽量化を行うことができる。
また、本発明の第３の実施の形態では、（ａ）、（ｂ）、（ｄ）、（ｅ）のパーツをアルミ製とし、（ｃ）のパーツのみ磁性材料とすることで、接触式プローブ１の軽量化を行うことができる。
プローブ１は複数の材質の異なる部材から構成された組み立て構造にすることによって、接触式プローブの自重補償機構や振動減衰機構の配置を容易とすることができる。
また、接触式プローブ１の支持する部分は、例えば、アルミのような軽量な材質を用い、接触式プローブ１の自重補償機構や振動減衰機構に局所的に磁性体を配置するようにすることで、全て磁性体で製作したものに比べ、格段に軽量な接触式プローブを製作することができる。接触式プローブ１を軽量化することは、被測定物形状への追従性を高めることができ、安定した測定を行うことができる。
FIG. 8 is a schematic diagram showing the assembled structure and disassembled necessary parts of the
As shown in FIG. 8, the
Also, each part can be made of a different material. For example, in the first embodiment of the present invention, the parts (a), (b), (d), and (e) are made of aluminum, and only the part (c) is fixed to the aluminum shaft. By doing so, the
In the third embodiment of the present invention, the parts (a), (b), (d), and (e) are made of aluminum, and only the part (c) is made of a magnetic material. The
By making the
In addition, for example, a lightweight material such as aluminum is used for the portion supported by the
図９のように、接触式プローブ外周に設けた第１の永久磁石５は、４つの小さな永久磁石から構成することができる。これにより、永久磁石部の形状を矩形にすることができ、これと対抗する、ホルダ２内周の第２の永久磁石との作用により、接触式プローブ１に磁気吸引力を作用させるとともに、接触式プローブ１が測定中に回転しないように保持することができる。
また、第１の永久磁石５および第２の永久磁石６、および導体板１３の形状は円筒状にしても良い。この場合は、第１の永久磁石５および、第２の永久磁石６の円周方向に分割して、異磁極を配置することで、接触式プローブ１の回転方向を規制することができる。
接触式プローブ１の外周に設けた永久磁石の形状を矩形にし、それと対抗するホルダ内周に設けた永久磁石の形状も矩形とすることで、発生する磁気吸引力のバランスにより、接触式プローブ１の回転方向を規制することができる。
これにより、接触式プローブ１が回転しないので、この接触式プローブ１と被測定物１０との接触点が変わることがなく、測定誤差を生じさせなくすることが可能である。
As shown in FIG. 9, the first
The first
The shape of the permanent magnet provided on the outer periphery of the
Accordingly, since the
図１０は本発明の接触式プローブ１の第２の実施の形態を示す部分断面図である。図のように、接触式プローブ１外周に設けた第１の永久磁石５ａ、５ｂを軸方向に第１の非磁性体１７ａを挟むように配置し、ホルダ２内周に設けた第２の永久磁石６ａ、６ｂを軸方向に第２の非磁性体１７ｂを挟むように配置した。
このことにより、接触式プローブ１に作用する磁気吸引力をアップさせることができる。
図１１は本発明の第１の実施の形態によって発生する磁気吸引力を模式的に示した図である。図のように、軸方向に作用する磁気吸引力は、各永久磁石の端部にて発生している。
図１２は本発明の第２の実施の形態によって発生する磁気吸引力を模式的に示した図である。図からわかるように、各永久磁石の長さを短くし、その間に、非磁性体１７ａ、１７ｂを配置するだけで、軸方向に作用する磁気吸引力をおよそ２倍発生させることができる。
接触式プローブ外周に永久磁石を軸方向に非磁性体を挟み複数設けることで、発生する磁気吸引力を大きくすることができる。これにより、トータルとして、永久磁石の大きさを小さくすることができ、接触式プローブを軽量化させることができる。
FIG. 10 is a partial sectional view showing a second embodiment of the
As a result, the magnetic attractive force acting on the
FIG. 11 is a diagram schematically showing the magnetic attractive force generated by the first embodiment of the present invention. As shown in the figure, the magnetic attractive force acting in the axial direction is generated at the end of each permanent magnet.
FIG. 12 is a diagram schematically showing the magnetic attractive force generated by the second embodiment of the present invention. As can be seen from the figure, the magnetic attractive force acting in the axial direction can be generated approximately twice only by shortening the length of each permanent magnet and disposing the
By providing a plurality of permanent magnets on the outer periphery of the contact type probe with a nonmagnetic material sandwiched in the axial direction, the generated magnetic attractive force can be increased. Thereby, as a total, the size of the permanent magnet can be reduced, and the contact type probe can be reduced in weight.
図１３は本発明の接触式プローブの第３の実施の形態を示す部分断面図である。図のように、接触式プローブ１外周、およびホルダ２内周を必要な箇所だけ磁性材料で製作し、直接、着磁させることができる。これにより、接触式プローブ１を製作しやすい丸棒形状に、ホルダ２を本来の円筒に抜いた形状にすることができる。
接触式プローブ外周およびホルダ内周に、永久磁石の代わりに、それ自体を着磁するようにすることで、永久磁石を別途配置することないので、接触式プローブ形状を製作しやすい丸棒形状にすることができるので、非常に高精度な接触式プローブを安価に提供することができる。
図１４は本発明の接触式プローブのプローブ押し付け力調整例を示した図である。図のように、本発明の第１の実施の形態のホルダ２内周に設けた、第２の永久磁石６の位置を調整できるギャップ調整機構１８を用いて、磁気吸引力を微調整することができる。
このプローブ押し付け力調整によれば、接触式プローブが被測定面に押し付ける押し付け力を微調整することができるので、被測定物の材質に応じて最適な押し付け力で測定を行うことができる。
FIG. 13 is a partial sectional view showing a third embodiment of the contact probe of the present invention. As shown in the figure, the outer circumference of the
Since the permanent magnet is magnetized on the outer circumference of the contact probe and the inner circumference of the holder instead of a permanent magnet, the permanent magnet is not arranged separately. Therefore, it is possible to provide a highly accurate contact probe at low cost.
FIG. 14 is a diagram showing an example of adjusting the probe pressing force of the contact probe according to the present invention. As shown in the figure, the magnetic attractive force is finely adjusted by using the
According to this probe pressing force adjustment, the pressing force that the contact-type probe presses against the surface to be measured can be finely adjusted, so that measurement can be performed with an optimal pressing force according to the material of the object to be measured.
１ プローブ
２ ホルダ
３ ガイド
４ ガイド
５ 第１の永久磁石
５ａ 第１の永久磁石
５ｂ 第１の永久磁石
６ 第２の永久磁石
６ａ 第２の永久磁石
６ｂ 第２の永久磁石
９ 反射ミラー
１０ 被測定物
１１ 可動部材
１２ 変位計
１３ 導体板
１４ 非導電体
１５ 供給ポート
１７ａ、１７ｂ 非磁性体
１８ ギャップ調整機構
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