CN105937870B - 接触探针 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种接触探针。所述接触探针包括触针、弹簧、磁性体和永磁体。触针能够在X方向上移位，并且触针的前端与被测物体接触。将弹簧的第一端固定，并且第二端提供沿X轴方向的弹力。相对于触针固定磁性体的位置。将永磁体与磁性体分开配置，从而在磁性体和永磁体之间生成沿X方向的磁力。

Description

接触探针

技术领域

本发明涉及接触探针。

背景技术

在坐标测量机中，通过使扫描探针与被测物体的表面相接触来进行扫描测量。当在扫描探针的引导机构(X、Y、Z轴三个轴方向)中使用弹性铰链时，通过弹性铰链的弯曲方向上的弹性常数来生成探针的测量力。引导机构的刚性越高，弹性常数变得越大，并且探针的测量力变得越大。在探针的测量力变大的情况下，诸如来自测量期间工件与触针之间所生成的摩擦力的影响以及来自探针上所安装的触针的弯曲的影响等的某些影响增大。结果，高精度的测量变得困难。

相反，已知一种使测量力稳定化的技术，在该技术中，通过检测和控制检测器的测量力来抑制该测量力的变动(日本特开2010-286475)。

另外，提出了一种使用弹性铰链机构的测量装置所用的技术，在该技术中，使用磁体来调整弹性铰链的恢复特性(日本特开平11-141537)。

然而，本发明的发明人发现了与上述技术有关的以下问题。例如，为了调整测量力，使提供测量力的弹簧或弹性铰链的刚性降低，并且在弯曲方向上的弹性常数变小的情况下，诸如扭转或弯曲等的其它方向的刚性也会变低。结果，由于测量力所导致的除弯曲方向以外的变形的影响变大并导致测量精度的劣化。因此，为了实现扫描探针的高精度，需要刚性高且弯曲方向上的弹性常数小的扫描探针。

相反，在日本特开2010-286475所公开的技术中，尽管测量力是可调整的，但是控制测量力会生热，这会对形状测量机在热变形等方面产生影响并且会导致测量精度下降。另外，通过执行测量力的控制会产生电噪声，这导致测量精度的进一步下降。另外，在形状测量机上安装控制器的必要性增加了形状测量机的成本。

发明内容

有鉴于上述情形设计了本发明，并且本发明使用简单的结构来调整接触探针的测量力。

本发明的一个方面是接触探针，其包括前端与被测物体接触、能够在第一方向上移位的触针；弹性部件(也称为弹性体)，其中第一端固定并且第二端沿第一方向对触针提供力；第一磁性部件(第一磁体)，其相对于所述触针的位置固定；以及第二磁性部件(第二磁体)，其与所述第一磁性部件分开配置以在所述第一磁性部件和所述第二磁性部件之间生成沿所述第一方向的磁力。因此，作用于触针的测量力可以是弹力和磁力的合成力。因此，响应于触针的移位的弹力和磁力的变化可以使用简单的结构调整测量力。

本发明的另一方面是上述接触探针，其中，所述磁力是引力，并且作用于所述第一磁性部件和所述第二磁性部件之间的区域。因此，磁力发挥作用以抵消弹力。因此，能够抑制作用于触针的力的大小并且能够使力的大小平均化。结果，能够抑制作用于被测物体的测量力并使其平均化。

本发明的另一方面是上述接触探针，其中，通过所述弹性部件施加至所述触针的力和所述引力的合成力的大小相对于所述触针的移位是恒定的。因此，能够使测量期间的触针的测量力稳定化。

本发明的另一方面是上述接触探针，其中，所述磁力所生成的斥力作用于所述第一磁性部件和所述第二磁性部件之间的区域。因此，生成与弹力在同一方向上的磁力。因此，可以增大作用于第二磁性部件的力的大小。结果，可以增大作用于被测物体的测量力并且改变测量的响应性。

本发明的另一方面是上述接触探针，其中，通过所述弹性部件施加至所述触针的力和所述引力的合成力的大小相对于所述触针的移位线性改变。因此，能够响应于触针的移位改变测量期间的触针的测量力。

本发明的另一方面是上述接触探针，其中，所述第一磁性部件和所述第二磁性部件均为永磁体。因此，在使用电磁体或致动器的情况下，能够防止热和控制噪声的发生。

本发明的另一方面是上述接触探针，其中，所述第一磁性部件和所述第二磁性部件中的一个为永磁体，并且所述第一磁性部件和所述第二磁性部件中的另一个为磁性体。因此，在使用电磁体或致动器的情况下，能够防止热和控制噪声的发生。

本发明的另一方面是上述接触探针，其中，第一磁性部件设置在触针的与前端相反的端部，以及第二磁性部件相对于所述第一磁性部件在第一方向上分开设置。因此，能够使用简单的结构调整第一方向上的测量力。

本发明的另一方面是上述接触探针，其进一步包括：杆，其在垂直于所述第一方向的第二方向上延伸，所述杆具有连接至所述触针的与所述前端相反的端部的第一端；臂，其在所述第二方向上延伸并且具有连接至所述杆的第二端的第一端；以及支点部，其保持所述杆和所述臂，从而所述杆和所述臂能够以垂直于所述第一方向和所述第二方向的第三方向作为转动轴进行转动，其中所述第一磁性部件设置在与所述杆或所述臂的所述支点部分开的位置。因此，在杆型接触探针中，可以使用简单结构来调整作用于触针的测量力。

本发明的另一方面是上述接触探针，其进一步包括：接触防止部，其用于防止所述第一磁性部件和所述第二磁性部件之间的接触。因此，在第一磁性部件和第二磁性部件彼此接近的情况下，可以防止第一磁性部件和第二磁性部件之间的接触。特别地，在第一磁性部件和第二磁性部件之间生成引力的情况下，能够防止触针的移位变得不稳定。

本发明的另一方面是上述接触探针，其中，所述第一磁性部件和所述第二磁性部件之间的距离能够针对各测量而改变。因此，能够根据测量目的来调整测量量。

根据本发明，可以通过简单的结构来调整接触探针的测量力。

将通过以下详细说明和附图来阐述和补充本发明的上述目标、特征和优点。附图仅提供参考以促进理解并且不用于限制本发明。

附图说明

在以下的详细说明中，以本发明的示例性实施例的非限制性示例的方式参考下述多个附图对本发明进行进一步的说明，其中，相同的附图标记表示附图的各视图中的相同部件，在这些图中：

图1是示意性示出根据第一实施例的接触探针的结构的正视图；

图2是示出作用于根据第一实施例的接触探针的力的图；

图3是示意性示出根据第二实施例的接触探针的结构的正视图；

图4是示意性示出根据第三实施例的接触探针的结构的正视图；

图5是示出作用于根据第三实施例的接触探针的力的图；

图6是示意性示出根据第四实施例的接触探针的结构的正视图。

具体实施方式

在此示出的细节采用示例的方式，仅用于对本发明的实施例进行说明性的讨论，并且呈现此细节仅为了提供被视为是对本发明的原理和概念方面最为有益且易于理解的说明。在这一点上，除了本发明的基本理解的必要性外，并没有试图更详细地示出本发明的结构细节，对附图的说明会使本领域技术人员更清楚如何在实际中实现本发明的各种形式。

之后，将参考附图说明本发明的实施例。在多个附图的各附图中，对相同的元件赋予相同的附图标记，因此在必要的情况下省略了重复的说明。

第一实施例

首先，将说明根据第一实施例的接触探针100。图1是示意性示出根据第一实施例的接触探针100的结构的正视图。在图1中，将沿图面的竖直方向的从下向上的方向表示为X方向。另外，将图1中的X方向称为第一方向。

接触探针100具有固定部1、弹簧2、引导件3、触针4、磁性体6以及永磁体7。

固定部1是固定至测量装置(诸如坐标测量机等)的部分。为使图简化，图1中没有示出测量装置的细节。

将X方向作为长度方向，触针4的X(-)侧的端部与被测物体接触。通过引导件3保持触针4以使触针4仅在X方向可移动。磁性体6固定至触针4的X(+)侧的端部。在该示例中，磁性体6为球形。弹簧连接部5是触针4的一部分并且是从触针4向与X方向垂直的方向突出、延伸至固定部1的上方(X(+)侧)的位置的部件。

弹簧2的第一端与固定部1连接并且第二端与弹簧连接部5连接，使得弹簧2的伸缩方向沿X方向。

永磁体7配置在磁性体6上方(X(+)侧)、与磁性体6分开。与固定部1相同，永磁体7例如固定至测量装置(诸如坐标测量机等)。在本示例中，永磁体7的X(+)侧表面为北极，X(-)侧表面为南极。因此，磁性体6的X(+)侧表面为北极。

在通过弹簧2的拉伸而使触针4向被测物体提供测量力的情况下，接触探针100扫描被测物体。另外，通过检测X方向上相对于基准位置的移位来测量被测物体的轮廓。

图2是示出作用于根据第一实施例的接触探针100的力的图。如图2所示，在将触针4从基准位置向X(+)侧移位的情况下，弹簧2进一步拉伸并且施加至触针4的X(-)方向的弹力Fs变强。另外，由于磁性体6靠近永磁体7，因此作用于磁性体6和永磁体7之间的区域的磁力所产生的引力Fm变强。

在触针4从基准位置向X(-)侧移位的情况下，弹簧2收缩并且施加至触针4的X(-)方向的弹力Fs变弱。另外，由于磁性体6远离永磁体7，因此作用于磁性体6和永磁体7之间的区域的磁力所产生的引力Fm变弱。

根据上述内容，X(-)方向的弹力和X(+)方向的磁力作用于触针4。具体地，可以将其理解为作用于触针4的磁力与弹力相抵消。另外，当触针4向X(+)方向的移位变大时，弹力和磁力变大。当触针4向X(-)方向的移位变大时，弹力和磁力变小。因此，能够抑制实质上作用于触针4的力Fa的大小，并且使力的大小平均化。结果，能够抑制作用于被测物体的测量力并使其平均化。

另外，如果将图2所示的范围MR设定为测量范围，则可以使该测量范围内的测量力Fa大致保持恒定。

如上所述，接触探针100使用将平板状弹性部件(板簧)与永磁体组合的简单结构来调整测量力。即，没有必要引入诸如致动器等的进行主动控制的结构来调整测量力。因此，由于能够防止与控制相关联地生成的热和噪声，因此能够进行高精度的测量。

另外，上述永磁体7的极性仅为示例性的。例如，可以交换永磁体7的磁极。在这种情况下，永磁体7的X(+)侧的表面为南极、X(-)侧的表面为北极。因此，磁性体6的X(+)侧的表面为南极。

另外，弹簧2仅为弹性体的示例。即，可以使用诸如卷簧等的不同类型的弹簧或者其它弹性部件。

在本实施例和以下实施例中，将永磁体和包括磁性材料的部件(磁性体)称为磁性部件。

第二实施例

说明根据第二实施例的接触探针200。图3是示意性示出根据第二实施例的接触探针200的结构的正视图。接触探针200具有通过永磁体8来代替接触探针100的磁性体6的结构。

在该示例中，永磁体8的X(+)侧的表面为北极，并且永磁体8的X(-)侧的表面为南极。永磁体7的X(+)侧的表面为北极，并且永磁体7的X(-)侧的表面为南极。因此，与接触探针100相同，磁力所生成的引力作用于永磁体7和永磁体8之间的区域。

根据上述内容，与接触探针100相同，X(-)方向的弹力和X(+)方向的磁力作用于触针4。结果，可以将其理解为作用于触针4的磁力与弹力相抵消。另外，与接触探针100相同，能够抑制实质上作用于触针4的力Fa的大小，并且使力的大小平均化。结果，能够抑制作用于被测物体的测量力并使其平均化。

另外，上述永磁体7和8的极性仅为示例性的。例如，可以交换永磁体7和8的磁极。在该示例中，永磁体7和8的X(+)侧的表面为南极，并且X(-)侧的表面为北极。

第三实施例

说明根据第三实施例的接触探针300。图4是示意性示出根据第三实施例的接触探针300的结构的正视图。接触探针300具有通过永磁体9来代替接触探针100的磁性体6的结构。

在该示例中，永磁体9的X(+)侧的表面为南极，并且永磁体9的X(-)侧的表面为北极。永磁体7的X(+)侧的表面为北极，并且永磁体7的X(-)侧的表面为南极。因此，磁力所生成的斥力作用于永磁体7和永磁体9之间的区域。

图5是示意性示出作用于根据第三实施例的接触探针300的力的图。如图5所示，在将触针4从基准位置向X(+)侧移位的情况下，弹簧2进一步拉伸，并且因此施加至触针4的X(-)方向的弹力变强。另外，由于永磁体9靠近永磁体7，因此，作用于永磁体9和永磁体7之间的区域的磁力所产生的斥力变强。

在将触针4从基准位置向X(-)侧移位的情况下，弹簧2收缩，并且因此施加至触针4的X(-)方向的弹力变弱。另外，由于永磁体9远离永磁体7，因此，作用于永磁体9和永磁体7之间的区域的磁力所产生的斥力变弱。

根据上述内容，X(-)方向的弹力和X(-)方向的磁力(斥力)作用于触针4。结果，可以将其理解为作用于触针4的磁力与弹力相叠加。另外，当触针4向X(+)方向的移位变大时，弹力和磁力变大。当触针4向X(-)方向的移位变大时，弹力和磁力变小。因此，当触针4向X(+)方向移位时，能够增大实质上作用于触针4的力的大小。结果，可以响应于触针的移位来线性地改变作用于被测物体的测量力，并且因此改变测量的响应性。另外，图5所示的范围MR是测量范围的示例。

另外，上述永磁体7和9的极性仅为示例性的。例如，可以交换永磁体7和9的磁极。在该示例中，永磁体7的X(+)侧的表面为北极，并且永磁体7的X(-)侧的表面为南极。永磁体9的X(+)侧的表面为南极，并且永磁体9的X(-)侧的表面为北极。

第四实施例

说明根据第四实施例的接触探针400。图6是示意性示出根据第四实施例的接触探针400的结构的图。在图6中，将沿图面的水平方向的从左向右的方向表示为X方向，将沿与图面垂直的方向的从纸张的前侧向纸张的后侧的深度方向表示为Y方向，并且将沿与图面垂直的方向的从下向上的方向表示为Z方向。即，X、Y和Z方向为相互垂直的方向。另外，在以下所参考的附图和以下的说明中，X、Y和Z方向之间的关系是相同的。在该示例中，将X方向称为第二方向，将Y方向称为第三方向，并且将Z方向称为第一方向。

接触探针400具有支点部11、弹簧12、杆13、臂4、触针15、固定部16、磁性体18和永磁体19。

向下(Z(-)侧)突出的触针15连接至在X方向上延伸的杆13的第一端(X(-)侧的端部)。触针15的Z(-)侧端与被测物体接触。在X方向上延伸的臂14的第一端(X(-)侧的端部)连接至杆13的第二端(X(+)侧的端部)。通过位于杆13和臂14彼此连接的位置附近的支点部11来保持杆13和臂14。因此，杆13和臂14能够以支点部11为中心绕Y方向上的转动轴来进行转动。

固定部16是固定至测量装置(诸如坐标测量机等)的部分。为使图简化，图6中没有示出测量装置的细节。弹簧12的第一端连接至臂14并且第二端连接至固定部16，使得弹簧12的伸缩方向沿Z方向。

作为臂14的一部分、向上(Z(+)侧)突出的磁性体连接部17连接至臂14。磁性体18设置在磁性体连接部17的Z(+)侧的端部。在该示例中，磁性体18为球形。因此，与根据上述实施例的相对于触针4固定磁性体6和永磁体7的位置相同，相对于触针15来固定磁性体18的位置。

永磁体19相对于磁性体18在X(+)方向上分开设置。与固定部16相同，永磁体19例如固定至测量装置(诸如坐标测量机等)。在该示例中，永磁体19的X(+)侧的表面为北极，并且永磁体19的X(-)侧的表面为南极。因此，磁性体18的X(+)侧的表面为北极。

接下来，说明接触探针400的操作。在该示例中，对于触针15的移位量，将相对于基准位置在逆时针方向的移位表示为-，并且将相对于基准位置在顺时针方向的移位表示为+。

在杆13和臂14处于基准位置的情况下，由于弹簧12处于拉伸状态，因此在-(负)方向(逆时针方向)产生转矩。此时，磁性体18和永磁体19之间的区域中的引力仅在X方向。因此，在Z方向不产生转矩。

在测量时，根据被测物体的形状来使触针15移位。因此，弹簧12和磁力所生成的转矩改变。在触针15在-方向(逆时针方向)移位的情况下，弹簧12在-方向(逆时针方向)所生成的转矩减小。另外，磁性体18在逆时针方向发生转动移位。此时，磁性体18和永磁体19之间的区域中的引力产生沿Z方向的分量。因此，磁性体18和永磁体19之间的区域中的引力产生+方向(顺时针方向)的转矩。

在触针15在+方向(顺时针方向)移位的情况下，弹簧12在-方向(逆时针方向)所生成的转矩变大。另外，磁性体18在顺时针方向发生转动移位。此时，磁性体18和永磁体19之间的区域中的引力产生沿Z方向的分量。因此，磁性体18和永磁体19之间的区域中的引力产生-方向(逆时针方向)的转矩。

如上所述，通过作为弹簧12生成的转矩和磁力生成的转矩的组合的-方向(逆时针)的转矩生成触针15的测量力。当触针15在Z(-)方向上的移位增大时，弹力减小，并且与弹力反向的磁力减小，因此弹力和磁力彼此抵消。当触针15在Z(+)方向上的移位增大时，弹力增大，并且与弹力相反的方向上的磁力增大。因此，当触针15向Z(+)方向移位时，能够保持实质上作用于触针15的力的大小在测量范围内恒定。结果，能够使用较少的测量力变化来进行高精度的测量。

如这里所限定的，弹簧12为在变形后释放时恢复其原始形状的任意弹性体或装置，并且不限于金属弹簧。相反，弹簧12仅为弹性部件或弹性体的示例。即，可以使用诸如卷簧等的不同类型的弹簧或其它弹性部件或弹性体。

在上述说明中，磁性体18连接至臂14，但这仅为示例性的。只要在测量期间没有干扰，可以将磁性体18连接至杆13。另外，只要在测量期间没有干扰，可以将磁性体18配置在与支点部11在Z方向上分开的位置。另外，磁性体连接部17不是必要的，并且磁性体18可以简单地连接至杆13或臂14，使得相对于触针15固定磁性体18的位置。另外，可以将永磁体19简单地配置在相对磁性体18在磁性体18移位的轨道(圆形轨道)的径向方向上分开的位置。

其它实施例

另外，本发明并不限于上述实施例，并且可以根据需要在不偏离本发明的范围的情况下进行修改。例如，在上述实施例中，可以根据测量目的改变彼此配置在相对的端部的磁性部件之间的距离。即，可以向根据上述实施例的接触探针添加能够使彼此配置在相对的端部的磁性部件之间的距离改变的机构，并且可以根据需要在开始测量之前改变彼此配置在相对的端部的磁性部件之间的距离。即，在上述实施例中，可以改变磁性体6和永磁体7之间的距离、永磁体7和永磁体8之间的距离、永磁体7和永磁体9之间的距离、以及磁性体18和永磁体19之间的距离中的各个距离。根据测量目的，改变彼此相对配置的磁性部件之间的距离使得能够处理需要高测量力的测量，并且可以通过减小测量力来改变测量的响应性。结果，可以通过简单的结构来处理各种测量和被测物体。

在上述第四实施例中，杆13和臂14彼此独立，但这仅为示例性的。因此，杆13和臂14可以是一体式部件。

可以针对根据上述实施例的接触探针设置用于防止第一磁性部件(磁性体6、永磁体8和9)和第二磁性部件(永磁体7)之间的接触的接触防止部。在引力作用于第一磁性部件和第二磁性部件之间的区域的情况下，该接触防止部特别有效。

注意，提供上述示例仅出于说明的目的，而不构成对本发明的限制。尽管已参考示例实施例说明了本发明，但是应当理解这里使用的用语为说明和阐述的用语，而不是限制的用语。可以在所附权利要求书当前记载的以及修改后的范围内进行改变，而不偏离本发明各方面的范围和精神。尽管已参考特定结构、材料和实施例说明了本发明，但是本发明并不试图限于这里公开的细节；相反，本发明可以扩展到诸如在所附权利要求书的范围内等的所有可能的等效结构、方法和用途。

本发明并不限于上述实施例，并且在不偏离本发明的范围的情况下可以进行各种修改和变更。

Claims (7)

1.一种接触探针，包括：

触针，所述触针在第一端具有前端，并且所述触针能够在第一方向移位，从而所述前端能够与被测物体接触；

弹性体，其具有固定的第一端和用于沿所述第一方向对所述触针施加力的第二端；

第一磁性部件，其固定至所述触针的第二端；

第二磁性部件，其与所述第一磁性部件分开设置，从而在所述第一磁性部件和所述第二磁性部件之间生成沿所述第一方向的磁力，其中，所述磁力所生成的斥力作用于所述第一磁性部件和所述第二磁性部件之间的区域，并且所述磁力与所述弹性体所施加的力在同一方向上。

2.根据权利要求1所述的接触探针，其中，所述第一磁性部件和所述第二磁性部件均为永磁体。

3.根据权利要求1所述的接触探针，其中，所述第一磁性部件和所述第二磁性部件中的一个为永磁体，并且所述第一磁性部件和所述第二磁性部件中的另一个为磁性体。

4.根据权利要求1所述的接触探针，其中，所述触针的第二端位于与所述触针的所述前端相反的一端，并且所述第二磁性部件相对于所述第一磁性部件在所述第一方向上分开设置。

5.根据权利要求1所述的接触探针，还包括：

杆，其在垂直于所述第一方向的第二方向上延伸，所述杆具有连接至所述触针的与所述前端相反的部分的第一端；

臂，其在所述第二方向上延伸并且具有连接至所述杆的第二端的第一端；以及

支点部，其保持所述杆和所述臂，从而所述杆和所述臂能够以垂直于所述第一方向和所述第二方向的第三方向作为转动轴进行转动，其中所述第一磁性部件设置在与所述支点部分开的位置。

6.根据权利要求1所述的接触探针，还包括：接触防止部，其用于防止所述第一磁性部件和所述第二磁性部件之间的接触。

7.根据权利要求1所述的接触探针，其中，所述第一磁性部件和所述第二磁性部件之间的距离能够针对各测量而改变。