KR101217217B1 - 접촉식 표면형상측정기의 측정력 자동 보정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 캔틸레버(1)의 자유단에 설치된 스타일러스(2)가 측정물(3)을 하방으로 가압하여 접촉상태에서 이동되게 구성되고 스타일러스의 위치를 변위센서(4) 및 콘트롤러에서 좌표값으로 읽어들여 출력장치로 표면형상을 출력하는 접촉식 표면형상 측정기에 있어서, 스타일러스가 설치된 캔틸레버의 회동점을 기준으로 스타일러스의 반대쪽에 코일이 감겨있는 코일보빈(5)을 캔틸레버와 일체로 연동하여 회동되게 설치하되, 상기 코일보빈은 같은 극이 마주보는 방식으로 2개의 영구자석(6)이 설치된 자석설치판(7)의 둘레에 코일이 감겨있는 코일보빈이 상하이동 가능하게 설치되고, 상기 자석설치판은 하우징(8)에 고정설치되어, 자기장 내에 위치한 코일에 전류를 흘릴 때 발생하는 전자기력으로 코일보빈과 연동하여 회동하는 캔틸레버에 가해지는 힘을 가감하는 것이 가능하게 구성되며, 측정물의 높낮이 변화에 따른 캔틸레버의 회동각도를 변위센서(4)로 검출하고 콘트롤러에서 코일에 흐르는 전류의 세기를 캔틸레버의 회동각도에 따라 변화시켜, 측정물의 경사면이나 높이에 따라 스타일러스의 측정력을 자동으로 보정하는 것이 가능케 구성된 것이 특징인 접촉식 표면형상측정기의 측정력 자동 보정장치에 관한 것으로서, 측정물의 측정면을 변형시키지 않고, 높은 정밀도로 표면형상을 측정할 수 있으며, 스타일러스의 마모를 크게 감소시킬 수 있고, 측정물의 높이 변화가 심한 경우에도 표면형상을 정밀하게 측정할 수 있는 현저한 효과가 있는 것이다.

Description

접촉식 표면형상측정기의 측정력 자동 보정장치{MEASURE POWER AUTOMATIC COMPENSATION DEVICE OF SURFACE PROFILE MEASURING INSTRUMENT}

본 발명은, 캔틸레버의 자유단에 설치된 스타일러스가 측정물을 하방으로 가압하여 접촉상태에서 이동되게 구성되고 스타일러스의 위치를 변위센서 및 콘트롤러에서 좌표값으로 읽어들여 출력장치로 표면형상을 출력하는 접촉식 표면형상 측정기에 있어서, 전기장 내에 위치한 코일에 전류를 흘릴 때 발생하는 힘으로 캔틸레버의 일측에 가해지는 힘을 가감하는 것이 가능하게 구성되고, 측정물의 높낮이 변화에 따른 캔틸레버의 회동각도 및 측정력의 변화에 대응하여 코일에 흐르는 전류를 변화시켜 캔틸레버의 자유단에 설치된 스타일러스의 측정력을 자동으로 보정하는 것이 가능하게 구성된 것이 특징인 접촉식 표면형상측정기의 측정력 자동 보정장치에 관한 것이다.

본 발명은 접촉식 표면형상 측정기의 측정력 자동 보정장치에 관한 것이다.

표면형상 측정기는 물체의 형상을 빠르고 정확하게 측정하여 피측정물의 형상 정보를 3차원 공간 좌표 형태로 얻는 장비로, 가공된 제품이나 부품의 형상 측정 결과를 설계된 형상치수와 비교하여 가공정밀도를 평가하는데 이용하거나 도면 등의 설계 자료가 없는 제품의 역설계 등에 이용되는 측정 장비이다.

일반적으로, 표면형상 측정기는 스타일러스(또는 프로브)를 이용하는 접촉식과 레이저 간섭계나 CCD 카메라 등을 이용하는 비접촉식 방식으로 구분된다.

또한, 접촉식 표면형상 측정기는 선형가변 자동변압계(LVDT; Linear Variable Differential Transformer)를 이용하는 방식, 스캐닝 방식 및 스위칭 방식 등으로 크게 분류된다.

접촉식 표면형상 측정기에 관한 종래의 기술로서, "삼차원(三次元) 측정 프로브(등록특허공보 등록번호 10-0922034, 등록일자 2009년10월08일)"에는 일단(一端)에 측정물의 표면에 접하는 스타일러스를 설치함과 더불어, 타단(他端)에 자성체 핀을 축방향과는 직교하는 방향을 따라 설치한 원기둥형의 소-미끄럼 축부와, 상기 소-미끄럼 축부와 끼워 맞춰지는 원기둥형의 구멍이 형성되어, 상기 소-미끄럼 축부와의 간극에 압축 공기의 막을 형성하는 공기 취출부를 가지는 소-에어 베어링부와, 상기 소-에어 베어링부의 단부에 배치된 자석과 복수의 요크가 상기 핀과 비접촉으로 배치되어, 상기 자석으로부터 발생한 자속이, 상기 복수의 요크 중 하나의 요크를 통하고, 상기 하나의 요크와 상기 자성체 핀의 일단(一端)과의 사이에 형성된 한쪽의 간극부를 통해 상기 자성체 핀을 통하고, 상기 자성체 핀의 타단(他端)과 상기 복수의 요크 중 별개의 요크와의 사이에 형성된 다른 쪽의 간극부를 통하고, 상기 별개의 요크를 통해, 상기 자석에 복귀하는 자기 회로를 형성함으로써, 상기 원기둥형의 소-미끄럼 축부의 축방향인 Z-방향으로의 이동과 상기 Z-방향의 주위의 회전방향으로의 이동을 방해하는 자력을 발생시키는 자력 발생 수단과, 상기 소-에어 베어링부에 대한 상기 소-미끄럼 축부의 상기 Z-방향의 변위를 검출하는 변위 검출 수단과, 상기 소-에어 베어링부의 상기 Z-방향으로의 이동을 안내하는 Z-스테이지와, 상기 측정물, 또는 상기 Z-스테이지를 상기 Z-방향과 각각 직교하고, 또한 서로 직교하는 XY-방향으로 이동시킴과 더불어, 상기 스타일러스가 상기 측정물의 형상에 따라 상기 Z-방향으로 이동할 때, 상기 Z-방향의 변위가 일정해지도록 상기 Z-스테이지를 구동하는 Z-스테이지 구동장치를 구비하고, 상기 핀과 상기 요크의 간극부 부근의 형상을, 상기 Z-방향으로는 두껍고 상기 회전 방향으로는 얇게 하고, 상기 핀보다 상기 요크를 두껍게 한, 삼차원 측정 프로브가 개시되어 있으며, 또한 "접촉식 삼차원 표면 형상 측정장치(등록특허공보 등록번호 10-0764465, 등록일자 2007년09월29일)"에는, 표면의 높낮이를 측정하는 접촉식 삼차원 표면 형상 측정장치에 있어서, 적어도 하나의 슬릿을 구비하는 길쭉한 막대 형상으로 형성되고, 일단부에는 스타일러스를 구비하는 스타일러스 이동부; 상기 스타일러스 이동부를 적어도 하나의 판 스프링을 이용하여 지지하고, 관통홀(150)에 대응되는 위치에 배치되는 광 위치 감지 센서를 구비하는 몸체부; 및 상기 관통홀 전면에 설치되어 관통홀로 레이저 광을 조사하는 레이저 조사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉식 삼차원 표면 형상 측정장치가 개시되어 있다.

또한, 상기 "접촉식 삼차원 표면 형상 측정장치(등록특허공보 등록번호 10-0764465, 등록일자 2007년09월29일)"의 종래기술로서, 단부에 스타일러스를 구비하는 스타일러스 바디부를 피봇을 이용하여 구동하는 구조를 갖으며, 스타일러스의 위치 변화는 정전 용량 센서 또는 위치 센서로 구성되는 위치 센서에 의해서 감지하고, 위치 센서(40)에 의해 감지된 신호는 프리 앰프에 의해 일차증폭된 후, 필터에 의해 필터링되고, 증폭기를 통하여 신호 증폭이 되며, 증폭된 신호를 분석함으로써 샘플 표면의 높이를 파악할 수 있다고 기재되어 있다.

그러나, 상기한 바와 같은 종래의 기술로는 스타일러스의 측정력(스타일러스가 측정물 표면을 하방으로 가압하는 힘)을 작은 값으로 일정하게 자동보정하는 기술을 구현할 수 없는 문제점이 있다. 스타일러스의 측정력이 크면 측정물의 측정면을 변형시키므로 측정 정밀도가 떨어지며 측정면에 접하는 스타일러스의 마모가 빨라지게 되며, 또한, 측정면이 경사져 있거나 높이가 변하면 스타일러스가 설치된 캔틸레버가 회동점을 중심으로 회동함에 따라 스타일러스가 측정물을 하방으로 가압하는 힘 즉, 측정력이 변하게 되어 표면형상 측정값의 오차가 커지는 문제점이 있게 된다.

따라서, 초고정밀도로 측정물의 표면형상을 측정하기 위하여서는 스타일러스의 측정력을 일정하게 자동으로 보정할 수 있는 장치가 요구되는 실정이다.

본 발명은, 캔틸레버의 자유단에 설치된 스타일러스가 측정물을 하방으로 가압하여 접촉상태에서 이동되게 구성되고 스타일러스의 위치를 변위센서 및 콘트롤러에서 좌표값으로 읽어들여 출력장치로 표면형상을 출력하는 접촉식 표면형상 측정기에 있어서, 스타일러스의 측정력을 일정하게 자동으로 보정할 수 있는 장치를 제공함으로써, 측정물의 측정면을 변형시키지 않고, 높은 정밀도로 표면형상을 측정할 수 있으며, 스타일러스의 마모를 크게 감소시킬 수 있으며, 측정물의 높이 변화가 심한 경우에도 표면형상을 정밀하게 측정할 수 있는 접촉식 표면형상 측정기의 측정력 자동 보정장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 접촉식 표면형상 측정기의 측정력 자동 보정장치는, 캔틸레버의 자유단에 설치된 스타일러스가 측정물을 하방으로 가압하여 접촉상태에서 이동되게 구성되고 스타일러스의 위치를 변위센서 및 콘트롤러에서 좌표값으로 읽어들여 출력장치로 표면형상을 출력하는 접촉식 표면형상 측정기에 있어서, 스타일러스가 설치된 캔틸레버의 회동점을 기준으로 스타일러스의 반대쪽에 코일이 감겨있는 코일보빈을 캔틸레버와 일체로 연동하여 회동되게 설치하되, 상기 코일보빈은 같은 극이 마주보는 방식으로 2개의 영구자석이 설치된 자석설치판 둘레에 코일이 감겨있는 코일보빈이 상하이동 가능하게 설치되고, 상기 자석설치판은 하우징에 고정설치되어, 자기장 내에 위치한 코일에 전류를 흘릴 때 발생하는 전자기력으로 코일보빈과 연동하여 회동하는 캔틸레버에 가해지는 힘을 가감하는 것이 가능하게 구성되며, 측정물의 높낮이 변화에 따른 캔틸레버의 회동각도 및 측정력의 변화에 대응하여 코일에 흐르는 전류의 세기를 콘트롤러에 입력된 값에 따라 변화시켜, 측정물의 경사면이나 높낮이에 따라 스타일러스의 측정력을 자동으로 보정하는 것이 가능케 구성된다.

본 발명의 접촉식 표면형상 측정기의 측정력 자동 보정장치는, 측정물의 측정면을 변형시키지 않고, 높은 정밀도로 표면형상을 측정할 수 있으며, 스타일러스의 마모를 크게 감소시킬 수 있고, 측정물의 높이 변화가 심한 경우에도 표면형상을 정밀하게 측정할 수 있는 현저한 효과가 있는 것이다.

도 1은 본 발명의 접촉식 표면형상 측정기의 측정력 자동 보정장치 실시예 사시도
도 2는 본 발명에 있어서, 코일보빈과 자석설치판의 조립 사시도
도 3은 본 발명에 있어서, 코일보빈과 자석설치판의 조립 정면도

이하 제시된 도면을 참조하여 본 발명의 접촉식 표면형상측정기의 측정력 자동 보정장치를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

본 발명의 접촉식 표면형상측정기의 측정력 자동 보정장치는, 캔틸레버(cantilever)(1)의 자유단에 설치된 스타일러스(stylus)(2)가 측정물(3)을 하방으로 가압하여 접촉상태에서 이동되게 구성되고 스타일러스의 위치를 변위센서(4) 및 콘트롤러에서 좌표값으로 읽어들여 출력장치로 표면형상을 출력하는 접촉식 표면형상 측정기에 있어서, 스타일러스가 설치된 캔틸레버의 회동점을 기준으로 스타일러스의 반대쪽에 코일이 감겨있는 코일보빈(coil bobbin)(5)을 캔틸레버와 일체로 연동하여 회동되게 설치하되, 상기 코일보빈은 같은 극이 마주보는 방식으로 2개의 영구자석(6)이 설치된 자석설치판(7)의 둘레에 코일이 감겨있는 코일보빈이 상하이동 가능하게 설치되고, 상기 자석설치판은 하우징(8)에 고정설치되어, 자기장 내에 위치한 코일에 전류를 흘릴 때 발생하는 전자기력으로 코일보빈과 연동하여 회동하는 캔틸레버에 가해지는 힘을 가감하는 것이 가능하게 구성되며, 측정물의 높낮이 변화에 따른 캔틸레버의 회동각도를 변위센서(4)로 검출하고 콘트롤러에서 코일에 흐르는 전류의 세기를 캔틸레버의 회동각도에 따라 변화시켜, 측정물의 경사면이나 높이에 따라 스타일러스의 측정력을 자동으로 보정하는 것이 가능케 구성된 것이 특징인 접촉식 표면형상측정기의 측정력 자동 보정장치이다.

상기 자석설치판은 두께에 비하여 비교적 양측면에 넓은 면적을 가진 직육면체의 판으로서 정위치에 자석을 부착하기 위하여 양측면의 자석 부착 위치에 홈을 형성할 수 있다.

상기 자석설치판에 설치되는 자석은 영구자석으로서, 에너지 곱이 크고 내열성이 좋으며 열에 의한 자석의 감소가 적은 neodymium*철*보론 계 영구자석을 사용한다.

상기 자석이 설치된 자석설치판의 둘레에는 코일이 감겨있는 코일보빈이 설치되는 데. 코일보빈의 중심부에는 자석설치판 및 자석설치판에 부착된 자석이 관통되는 수직관통공이 형성되어, 코일에 전류를 흘려주면 자석 둘레에 형성된 자기장과 코일에 흐르는 전류에 의하여 전자기력이 발생하여 코일이 감겨있는 코일보빈이 힘을 받게 되는 것은 당연한 사실이다. 그런데 코일보빈이 수직으로 설치된 자석설치판 둘레의 자기장 내에서 상향이나 하향으로 힘을 받으려면 자석설치판에 양측면에 부착되는 2개의 영구자석이 같은 극끼리 서로 마주보도록 설치되어야 한다. 또한 2개의 영구자석을 같은 극끼리 마주보게 편행하게 설치하면 양측면의 자기력을 모두 이용할 수 있으므로 상대적으로 강한 힘을 얻을 수 있다.

상기 코일보빈의 둘레에는 코일이 감겨지는 데, 상기 자석설치판의 양측면에 수직으로 부착된 자석으로부터 생기는 자기력의 방향과 코일에 흐르는 전류의 방향이 직교할 때 최대의 힘을 받으므로 코일보빈의 둘레에 감겨지는 코일도 수평으로 나란하게 최대한 촘촘하게 감겨져야 하며, 또한 직사각형 모양으로 자석의 측면과 나란하게 감겨지는 것이 바람직하다.

상기 자석설치판(7)은 상부와 하부에 그 수직단면이 각각 "

"모양과 "

"으로서 양측면이 개구되어 있는 코일보호용 상,하부덮개(9, 10)가 추가로 설치되어 코일을 보호하는 것이 바람직하며, 또한, 상기 코일보빈(5)은 직육면체 모양으로서 둘레부에는 코일이 감겨지고 중심부에는 자석설치판이 통과되는 수직관통공이 형성된다.

상기 코일에 흐르는 전류만으로 스타일러스가 설치된 쪽의 캔틸레버를 들어올리거나 내리는 방향으로 코일보빈에 힘을 가할 수도 있으나, 바람직하게는 상기 캔틸레버의 회동점을 기준으로 스타일러스가 설치된 반대쪽에 추(11)를 더 설치하여, 코일보빈에 감겨있는 코일에 전류가 흐르지 않을 때에는 추의 무게로 인하여 스타일러스가 설치된 쪽의 캔틸레버가 상향으로 회동되게 구성하는 것이 바람직하다.

이와 같이 스타일러스가 설치된 반대쪽에 추를 설치하여 캔틸레버 자유단의 무게를 추의 무게로 상쇄하거나 무게 중심을 캔틸레버의 회동점 가까이로 이동시키면, 코일보빈에 흐르는 작은 전류의 변화로도 스타일러스의 측정력을 정밀하게 조정할 수 있으며, 캔틸레버 자유단측의 길이가 길더라도 자유단 반대측에 설치된 추의 무게로 상쇄할 수 있으므로 종래보다 훨씬 긴 캐틸레버를 사용하여 정밀측정이 가능한 측정기를 제작할 수 있다.

본 발명에 있어서, 캔틸레버의 회동각도를 검출하여 콘트롤러에 그 값을 송출하는 변위센서는 현재 매우 다양한 변위센서들이 당업자에 의하여 생산 판매되어 사용되고 있는 관용의 기술이므로 자세한 설명은 생략하며, 일예로서 선형가변 자동변압계(LVDT; Linear Variable Differential Transformer)를 사용하여 용이하게 검출할 수 있다.

상기 변위센서로부터 검출된 변위값을 입력받아 코일에 흐르는 전류의 세기를 변화시키는 콘트롤러 제작 기술도 당업자에 의하여 용이하게 실시되는 관용의 기술내용이므로 자세한 설명을 생략한다.

1 : 캔틸레버 2 : 스타일러스
3 : 측정물 4 : 변위센서
5 : 코일보빈 6 : 영구자석
7 : 자석설치판 8 : 하우징
9 : 코일보호용 상부덮개 10 : 코일보호용 하부덮개
11 : 추 12 : LM가이드 레일
13 : LM가이드 블록 14 : 타임벨트
15 : 모터

Claims (3)

1. 캔틸레버(1)의 자유단에 설치된 스타일러스(2)가 측정물(3)을 하방으로 가압하여 접촉상태에서 이동되게 구성되고 스타일러스의 위치를 변위센서(4) 및 콘트롤러에서 좌표값으로 읽어들여 출력장치로 표면형상을 출력하는 접촉식 표면형상 측정기에 있어서, 스타일러스가 설치된 캔틸레버의 회동점을 기준으로 스타일러스의 반대쪽에 코일이 감겨있는 코일보빈(5)을 캔틸레버와 일체로 연동하여 회동되게 설치하되, 상기 코일보빈은 같은 극이 마주보는 방식으로 2개의 영구자석(6)이 설치된 자석설치판(7)의 둘레에 생긴 자기장 내에서 코일이 감겨있는 코일보빈이 상하이동 가능하게 설치되고, 상기 자석설치판은 하우징(8)에 고정설치되어, 자기장 내에 위치한 코일에 전류를 흘릴 때 발생하는 전자기력으로 코일보빈과 연동하여 회동하는 캔틸레버에 가해지는 힘을 가감하는 것이 가능하게 구성되며, 측정물의 높낮이 변화에 따른 캔틸레버의 회동각도를 변위센서(4)로 검출하고 콘트롤러에서 코일에 흐르는 전류의 세기를 캔틸레버의 회동각도에 따라 변화시켜, 측정물의 경사면이나 높이에 따라 스타일러스의 측정력을 자동으로 보정하는 것이 가능케 구성된 것이 특징인 접촉식 표면형상측정기의 측정력 자동 보정장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 자석설치판(7)은 상부와 하부에 그 수직단면이 각각 "

   

   "모양과 "

   

   "으로서 양측면이 개구되어 있는 코일보호용 상,하부덮개(9, 10)가 추가로 설치되며, 상기 코일보빈(5)은 직육면체 모양으로서 둘레부에는 코일이 감겨지고 중심부에는 자석설치판이 통과되는 수직관통공이 형성된 것이 특징인 접촉식 표면형상측정기의 측정력 자동 보정장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 캔틸레버는 회동점을 기준으로 스타일러스가 설치된 반대쪽에 추(11)가 더 설치되어, 코일보빈에 감겨있는 코일에 전류가 흐르지 않을 때에는 추의 무게로 인하여 스타일러스가 설치된 쪽의 캔틸레버가 상향으로 회동되게 구성된 것이 특징인 접촉식 표면형상측정기의 측정력 자동 보정장치.

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