JP2004325159A - Micro-shape measuring probe and micro-shape measuring method - Google Patents

Micro-shape measuring probe and micro-shape measuring method Download PDF

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JP2004325159A JP2003118024A JP2003118024A JP2004325159A JP 2004325159 A JP2004325159 A JP 2004325159A JP 2003118024 A JP2003118024 A JP 2003118024A JP 2003118024 A JP2003118024 A JP 2003118024A JP 2004325159 A JP2004325159 A JP 2004325159A
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Masanori Arai
雅典 新井
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Mitsutoyo Kiko Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a micro-shape measuring probe capable of measuring safely with high reliability even a micro-shape difficult to be viewed such as a micro-hole H on a measuring object W, and a micro-shape measuring method using the micro-shape measuring probe. <P>SOLUTION: This probe equipped with a gage head for measuring the micro-shape of the measuring object is equipped with an observation means capable of instant visual observation of the periphery of a measuring point where the gage head is concerned with the measuring object. Especially, the observation means is equipped with an imaging means for imaging an image near the measuring point, and a display for displaying the imaged result by the imaging means on a separated position. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微細形状測定プローブおよびそのプローブを使用した微細形状測定方法に関し、特に目視が困難な微細スタイラスを備え、被測定物の微細形状の測定を行う微細形状測定プローブおよびそのプローブを使用した測定方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
被測定物の粗さ、うねり、形状などの表面性状や表面形状を測定する手段としては、表面粗さ測定機、輪郭形状測定機、真円度測定機、画像測定機、三次元測定機などが用いられるが、測定対象箇所の形状が例えば0.5mm以下程度の微細形状である場合には、表面粗さ測定機によって被測定物の表面を走査して測定を行う他、顕微鏡に画像測定機能を付加して拡大画像を得て測定が行われる。
【0003】
表面粗さ測定機の検出器は先端に触針を設けたレバーを回動可能に保持し、触針を被測定物表面に当接した状態で検出器を表面方向へ走査することによって被測定物表面の凹凸に応じて触針が変位し、その変位に伴うレバーの回動を検出して測定を行うものが一般的である。しかし、このような表面粗さ測定機によって被測定物の表面を走査して測定を行う場合には、例えば触針が被測定物の形状にならって走査可能か否かが問題となる。この構造の検出器では、被測定物表面の凹凸の検出は可能であるが、例えば穴の内部の側壁など被測定物表面に直交する部位、あるいは微細穴内部の測定を行うことは困難である。
【0004】
また、顕微鏡に画像測定機能を付加して拡大画像を得て測定を行う場合は、非接触測定であるために利点も多いが基本的にはXY平面の二次元の測定しか行えない。画像測定を行う際の焦点調節機能を拡張してZ軸方向の寸法を測定することも可能であるが、一般に測定精度精度は低い。
いずれの場合においても、被測定物表面に直交するZ軸方向の穴の側壁を測定して、側壁の形状や穴の内径を直接的に求めることは困難であり、特に微細穴の場合はさらに困難となる。
このような微細形状の測定を可能とするセンサとして例えば加振型接触検出センサがある(例えば、特許文献1)。
【0005】
このセンサの基本構造は、先端に接触部を有する細長のスタイラスと圧電素子およびこれらを支持する支持手段から構成される。圧電素子は、発信回路に接続されてスタイラスをその軸方向に加振する加振用圧電素子と、スタイラスの振動を検出する検出用圧電素子からなり、検出用圧電素子の出力は検出回路に入力されて振動の振幅や位相が検出される。
このスタイラスの接触部が被測定物に接触するとスタイラスの振動が拘束されて振動振幅が減少する。この振動振幅の減少を検出してその時点のセンサと被測定物との相対位置関係から接触部の座標を求めて測定データとする。
【0006】
この構造のセンサは原理的に微細なセンサを構成することが可能で、例えば、スタイラス直径が50μm、スタイラスの突出部の長さが1mm程度のものが製作可能であり、このようなセンサを用いれば、例えば、直径0.1mmの微細穴の内壁面の測定が可能になる。
しかし、このようなセンサを用いる場合は、スタイラスや測定箇所が微細であるために、目視確認も難しく、相互の位置合せやセンサの座標系の設定が容易ではない。
この問題を解決するために、加振型接触検出センサに顕微鏡を併置して座標系を容易に設定可能とした微細加工形状測定装置がある(例えば、特許文献2)。
【0007】
【特許文献1】
特開2002−39737号公報
【特許文献2】
特開2001−174211号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
この微細加工形状測定装置のプローブは、例えば図8に示す構成である。
プローブ7はホルダベース70にスタイラス73を備えた微細プローブ72をプローブスペーサ71を介して取り付け、隣接する位置に顕微鏡81を併置する。顕微鏡の焦点中央位置とスタイラス73との離隔距離Lは前もって正確に測定されており既知である。
【0009】
このプローブ7の使用にあたっては、まず被測定物Wの測定対象箇所(例えば微細穴H)を顕微鏡81で観察し、その焦点中央位置が測定対象箇所に一致するようにプローブ7を位置決めする。そして、例えば微細穴Hの中心位置が焦点中央位置に一致した位置を座標系の原点として設定する。焦点中央位置とスタイラス73との離隔距離Lは既知であるから、プローブ7と被測定物Wを相対移動させて、図9に示すようにスタイラス73を微細穴Hに正確に位置決めすることは容易に行える。従って、目視確認が難しい微細穴であっても容易に測定を行うことができる。
【0010】
ところが、スタイラス73は例えば直径が50μm以下程度であるので、スタイラス自体の目視確認が極めて困難である。例えば、測定の過程において、被測定物Wにスタイラス73が衝突して欠損したり、あるいは座屈などの事故が発生してもその確認が難しく、測定の過程においてこのような事故が発生すると測定結果に異常を生じる。このような微細なスタイラスを用いた測定においては、常にこのような不安要因があり、測定結果に対する信頼性の確保が難しく、万が一事故が生じた場合は、測定そのものを最初からやり直す必要があって、能率が低下する。例えば、測定対象となる微細穴が数百個もある場合には、測定のやり直しにかかる時間と費用は膨大なものとなり、極めて非能率であるという問題があった。
【0011】
本願発明は、このような問題を解決するために、スタイラス73の先端部が被測定物Wを測定する測定点近傍を観察可能とした微細形状測定プローブおよび測定方法を提供する。
【0012】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明にかかる請求項1に記載の微細形状測定プローブは、被測定物の微細形状を測定する測定子を備えたプローブであって、前記測定子が前記被測定物と関与する測定点の近傍を観察可能な観察手段を備えたことを特徴とする。
【0013】
ここで、微細形状とは目視確認が困難な大きさの形状であって、略0.5mm以下程度の大きさの形状をいう。また、測定子が被測定物と関与する測定点の近傍とは、例えば触針式のスタイラスの場合、被測定物と接触して測定を行うスタイラス先端部の近傍をいい、被測定物がこのスタイラス先端部に近接している場合は、その近接部の被測定物も含めていう。さらに、観察手段とは、データを収集する手段とその収集データを表示、印刷などによって出力する手段とを含むものをいい、データ収集と収集データ出力は所定時間以内に行えるものである。
【0014】
この発明によれば、被測定物の微細形状を測定する測定子が被測定物を測定する測定点と、この測定点に近接する被測定物表面を観察可能となるので、測定の過程において、任意の時点で即時的にスタイラスの状態や被測定物表面を極めて容易に確認可能となる。例えば測定子の折損、座屈の有無が容易に確認できるほか、被測定物の微細な測定対象箇所の確認が行えるので、測定の信頼性が向上し、これに伴って測定能率が飛躍的に向上する。
【0015】
また、本発明にかかる請求項2に記載の微細形状測定プローブは、前記観察手段は前記測定点近傍の画像を撮像する撮像手段と、前記撮像手段による撮像結果を出力する出力手段とを含むことが好ましい。
ここで、撮像手段とは測定点近傍のデータを画像データの形で収集するものをいい、出力手段とは画像データを印刷あるいは表示するものをいう。
【0016】
この発明によれば、測定点近傍のデータが画像データとして収集され、視認可能に表示されるので、微細な形状であっても目視観察が容易になる。また、出力手段によって、測定点から離隔した位置で画像データが印刷あるいは表示されるので、測定点が狭所であっても観察が容易に行える。
【0017】
さらに、本発明にかかる請求項3に記載の微細形状測定プローブは、前記撮像手段はCCDカメラであることが好ましい。
この発明によれば、撮像手段を小型、低発熱、軽量、廉価なCCDカメラで構成できるので、微細形状測定プローブを小型かつ軽量に構成できる。また、発熱が少ないので、発熱に起因する測定精度の劣化を防止できる。
【0018】
また、本発明にかかる請求項4に記載の微細形状測定プローブは、前記撮像手段はファイバスコープであることが好ましい。
ここで、ファイバスコープとは測定点近傍のデータを画像データとして収集し、光ファイバーによってこの画像データを離隔した位置へ伝達可能なものをいう。
【0019】
この発明によれば、測定点近傍のデータを画像データとして収集し、光ファイバーによってこの画像データを離隔した位置へ伝達し、その離隔した位置において画像データを出力するので、微細形状測定プローブを小型化できるほか、発熱が全くないので発熱に起因する測定精度の劣化を防止できる。
【0020】
さらに、本発明にかかる請求項5に記載の微細形状測定プローブは、前記撮像手段は前記測定点から離隔した位置から撮像可能な望遠鏡であることが好ましい。
この発明によれば、測定点から離隔した位置から測定点近傍を観察できるので測定子の近傍に観察手段を配置する必要がなく、測定子回りの視認性と作業性が向上する。これによって測定子の取り付け、交換などが容易に行えるようになる。
【0021】
また、本発明にかかる請求項6に記載の微細形状測定プローブは、前記プローブは前記測定子を振動させた状態で前記被測定物との接触を検出する加振型プローブであることが好ましい。
この発明によれば、感度の高い加振型プローブを極めて小型に構成できるので、微細形状の測定を精度良く行うことができる。
【0022】
さらに、本発明にかかる請求項7に記載の微細形状測定プローブは、加振型プローブにおいて前記観察手段は、前記測定子が前記被測定物に近接した際に生じる音圧現象に基づいて前記測定点の近傍を観察することが好ましい。
【0023】
ここで音圧現象とは、振動する測定子が被測定物に近接(数μm以上)した際に測定子と被測定物との間に介在する媒質(例えば空気)の粘性に基づいてスクイーズ効果(圧縮効果)が発生し、測定子と被測定物間の音圧が変化する現象をいう。この音圧が変化すると測定子の振動は抑制され、測定子が被測定物に接触していなくとも、その振動振幅が減少する。この振幅減少によって被測定物までの距離が推定できるので、この状態で測定子を被測定物表面に沿って走査すれば被測定物表面の形状がおおよそ推定できる。これによって測定子の測定点近傍を観察することができる。
【0024】
この発明によれば、加振型プローブにおいては、測定子の振動振幅が所定範囲内であるか否かを判定して音圧現象領域にあることを判断し、その振動振幅の変化状態に基づいて測定点近傍を観察する観察手段を構成することができるので、プローブの構成が単純化される。また、データ収集手段として特別な付加手段を必要としないので小型、軽量化を図ることができる。
【0025】
また、本発明にかかる請求項8に記載の微細形状測定方法は、請求項1から請求項7のいずれかに記載の微細形状測定プローブを用いて前記被測定物の微細形状を測定する方法であって、前記観察手段によって前記被測定物の表面を観察する観察ステップと、前記観察ステップで得られた結果に基づいて前記被測定物の測定箇所を確認する確認ステップと、前記確認ステップの後に前記測定箇所を前記微細形状測定プローブによって測定する測定ステップと、を備えたことを特徴とする。
【0026】
この発明によれば、測定子が被測定物と関与する測定点の近傍を観察することによって被測定物表面の測定対象箇所を確認し、その結果に基づいて測定箇所を微細形状測定プローブによって本測定を行えるので、測定対象箇所の目視確認が困難であっても、信頼性の高い測定を行うことができる。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の好適な実施形態について説明する。
(第1実施形態)
図1は本発明の第1実施形態にかかる微細形状測定プローブを装着した三次元測定機本体100を示す。
この三次元座標測定機100は、測定テーブル1の両端に立設されたコラム2とサポータ3との間に架け渡されたX軸ビーム4を備えている。このX軸ビーム4に対して空気軸受けによって支持されX軸方向に移動可能なX軸スライダ6(X軸移動機構)と、このX軸スライダ6に対して空気軸受けによって支持されZ軸方向に移動可能なZ軸スピンドル(Z軸移動機構)とを備えている。このZ軸スピンドルの下端にプローブ7(微細形状測定プローブ)が装着されている。
【0028】
コラム2とサポータ3も空気軸受けによって測定テーブル1から浮上して支持されており、コラム2は測定テーブル1の一端に設けられたY軸ガイド機構5によってY軸方向に空気軸受けによりガイドされているので、コラム2とサポータ3は一体となってY軸方向に移動可能となっている(Y軸移動機構)。
【0029】
X軸移動機構、Y軸移動機構、Z軸移動機構は、各々のスライダやコラムの移動量がリニヤスケールによって検出可能となっている。ここで、X軸、Y軸、Z軸は各々直交関係にある。
プローブ7は測定テーブル1上に載置された被測定物の測定箇所へ微細プローブ72のスタイラス73の下側先端部(測定点)を接触させることによってタッチ信号が出力され、その瞬間の各移動機構の移動量が読取られて測定値として出力される。このスタイラス73の下側先端部は球状に形成されており、測定対象箇所に対して各方向から接触可能である。
【0030】
各移動機構は空気軸受けによって非接触で支持されているので接触抵抗がほとんどなく、プローブ7の移動に際しては、プローブ7の本体を手で支持して移動させるだけで良く、極めて軽快に移動可能である。しかしプローブ7の本体を手で支持して移動させた場合は1mm以下の微細な移動は必ずしも容易ではない。
そこで、コラム2に操作盤11を設け、この操作盤11の同一面にX軸微動つまみ8、Y軸微動つまみ9、Z軸微動つまみ10を近接して集中配置している。
【0031】
また、この三次元測定機本体100は図示しない駆動手段によってX軸、Y軸、Z軸方向の移動を自動制御可能となっており、図示しないジョイスティックを操作して各軸方向へ任意の速度で移動させることが出来る。さらに、図示しないコンピュータによって、測定パートプログラムを解読して、その指令に従って、自動測定を行うことも可能である。
操作盤11に設けられた表示器95は後に述べる撮像手段によって収集された測定点近傍の画像データを表示する液晶表示器である。
【0032】
図2はプローブ7の概略構成を示す。このプローブ7はホルダベース70の一端に顕微鏡81が設置され、ホルダベース70の他端にはプローブスペーサ71を介してスタイラス73を備えた微細プローブ72が設置されている。
さらに、プローブスペーサ71にはスタイラス73の測定点近傍を観察可能な2台の観察顕微鏡90が設置されている。ここで測定点とは、スタイラス73の被測定物Wに接触する部位であり、より具体的にはスタイラス73の下部球状先端部位である。この球状先端が被測定物Wに近接している場合は、その被測定物Wの近接部位も観察可能となる。
【0033】
観察顕微鏡90には、図示しないCCDカメラが内蔵されており、撮像された画像データは図示しないケーブルを介して表示器95(出力手段)に即時的(リアルタイム)に表示される。観察顕微鏡90と表示器95によって観察手段が構成される。
スタイラス73の直径は50μmで下方への突出長さは1mmである。
【0034】
この微細プローブ72は被測定物Wの微細穴Hを測定するが、その微細穴Hの内径は略0.1mm以上であれば測定可能である。
このプローブ7によって座標系の原点設定を行う方法は図8と図9によって説明した方法と同一であるので、説明を省略する。
【0035】
この第1実施形態によれば次の効果がある。
(1)被測定物Wの微細形状を測定するスタイラス73が被測定物を測定する測定点(スタイラス下部先端球状部位)と、この測定点に近接する被測定物表面を即時的に観察できるので、測定の過程において、任意の時点でスタイラス73の状態や被測定物Wの表面を極めて容易に確認可能となる。従ってスタイラス73の折損、座屈の有無が容易に確認できるほか、被測定物Wの微細な測定対象箇所(例えば微細穴H)の異常有無確認が行えるので、測定の信頼性が向上し、これに伴って測定能率が飛躍的に向上する。
【0036】
(2)観察顕微鏡90によって測定点近傍のデータが画像データとして収集され、その結果が液晶表示器95に表示されるので、スタイラス73の測定点近傍の微細領域の目視観察が容易になる。
(3)複数の観察顕微鏡90を備えることによって、各方向から測定点近傍の観察を行えるのでスタイラス73や測定対象箇所の異常の有無の確認が容易になる。
【0037】
(第2実施形態)
次に図3によって、本発明の第2実施形態について説明する。この第2実施形態は、撮像手段であるCCDカメラ91を微細プローブ72に組み込んだもので、他の構成は第1実施形態と同一である。
図3に示すように、プローブスペーサ71の下部に微細プローブ72の微細プローブホルダ721が取り付けられ、この微細プローブホルダ721から下部方向へ2本の微細プローブアーム722が突出している。そしてこの2本の微細プローブアーム722の下部先端にビームが架け渡され、そのビームの中央位置に圧電素子723が取り付けられ、圧電素子723の中央部には上下に細長いスタイラス73が固定されている。
【0038】
圧電素子723は、図示しない発信回路に接続されてスタイラス73をその軸方向に加振する加振用圧電素子と、スタイラス73の振動を検出する検出用圧電素子からなり、検出用圧電素子の出力は図示しない検出回路に入力されて振動の振幅や位相が検出される。
このスタイラス73の下部先端球状接触部(測定点)が被測定物Wに接触するとスタイラス73の振動が拘束されて振動振幅が減少する。この振動振幅の減少を検出してその時点のプローブ7と被測定物Wとの相対位置関係から測定点の座標を求めて測定データとする。
【0039】
微細プローブホルダ721において、スタイラス73の上部位置にはレンズ911とCCDセンサー912によって構成されるCCDカメラ91が取り付けられており、このレンズ911とCCDセンサー912が形成する光学軸が、スタイラス73の軸と一致するように位置関係が調整されている。CCDセンサー912へは、スタイラス73の測定点付近の画像が結像するようにレンズ911が構成されている。CCDセンサー912の出力は図示しないケーブルを介して液晶表示器95に接続され、測定点近傍の画像データが液晶表示器で容易に目視観察できるようになっている。
【0040】
この第2実施形態における観察装置のCCDカメラ91(撮像手段)はスタイラス73の真上に設けられているので、スタイラス73の測定点そのものは観察できないが、被測定物Wの測定箇所を含む測定点近傍は観察可能である。例えば、スタイラス73が座屈した場合は観察可能である。
【0041】
この第2実施形態によれば、第1実施形態における効果(1)、(2)の他に次の効果がある。
(4)撮像手段を小型、低発熱、軽量、廉価なCCDカメラ91で構成すると共に微細プローブ72に組み込んだので、微細形状測定プローブを小型かつ軽量に構成できる。
(5)CCDカメラ91の発熱が少ないので、発熱に起因する測定精度の劣化を防止できる。
【0042】
(第3実施形態)
次に図4によって、本発明の第3実施形態について説明する。この第3実施形態は、撮像手段として第2実施形態におけるCCDカメラ91に代えてファイバスコープ92を微細プローブ72に組み込んだもので、他の構成は第2実施形態と同一である。
図4に示すように、ファイバスコープ92はレンズ921と光ファイバ922から構成され、スタイラス73の測定点近傍の画像が液晶表示器95に表示されるようになっている。
【0043】
この第3実施形態においては、光ファイバ922の出力を直接、液晶表示器95に接続できないので、光ファイバ922の出力を一旦、図示しないCCDデバイスに結像させて画像データを生成し、その画像データを液晶表示器95に表示する構成となっている。
【0044】
この第3実施形態によれば、第1実施形態における効果(1)、(2)の他に次の効果がある。
(6)撮像手段をファイバスコープ92で構成すると共に微細プローブ72に組み込んだので、微細形状測定プローブを小型かつ軽量に構成できる。
(7)ファイバスコープ92の発熱が全くないので、発熱に起因する測定精度の劣化がない。
【0045】
(第4実施形態)
次に図5によって、本発明の第4実施形態について説明する。この第4実施形態は、第1実施形態における撮像手段である観察顕微鏡90に代えてリモート観察手段93をプローブスペーサ71に設けたもので、他の構成は第1実施形態と同一である。
【0046】
図5に示すように、リモート観察手段93はプローブスペーサ71に図示しない支持手段によって支持されるミラー931と望遠鏡932から構成される。望遠鏡932はミラー931に光路を屈折されるので、スタイラス73の測定点近傍を拡大して観察可能である。
望遠鏡932には、図示しないCCDカメラが内蔵されており、撮像された測定点近傍の画像データは図示しないケーブルを介して表示器95(出力手段)に即時的(リアルタイム)に表示される。
ここで、ミラー931は平面鏡を用いたが凹面鏡を用いて、測定点近傍をさらに拡大可能としても良い。
【0047】
この第4実施形態によれば、第1実施形態における効果(1)、(2)の他に次の効果がある。
(8)測定点から離隔した位置から測定点近傍を望遠鏡932によって観察できるのでスタイラス73の近傍に観察手段を配置する必要がなく、スタイラス回りの視認性と作業性が向上する。これによってスタイラス73や微細プローブ72の取り付け、交換などが容易に行える。
【0048】
(第5実施形態)
次に図6によって第5実施形態を説明する。この第5実施形態における観察手段は、第1〜第4実施形態とは異なり、画像データを光学的に収集するものではない。
図6は加振型微細プローブ72のスタイラス73と圧電素子723を示す。スタイラス73の下部先端球状部位は被測定物Wに接触して測定を行う接触部731(測定点)である。
【0049】
圧電素子723は、加振回路VCに接続されてスタイラス73をその軸方向に振動させる加振用圧電素子723vと、スタイラス73の振動を検出して検出回路DCへ出力する検出用圧電素子723dから構成される。検出回路DCはスタイラス73の振動振幅OUTを出力する。
被測定物Wの測定に際して、接触部731の下端あるいは側端が被測定物Wに接触すると、スタイラス73の振動が拘束されるので、検出回路DCからの検出出力OUTは信号レベルが低下する。この検出出力OUTが所定値以下となった位置を接触部731と被測定物Wの測定位置とし、その位置における微細プローブ72と被測定物Wとの相対位置関係から測定データを得る。
【0050】
この加振型微細プローブ72の測定原理は、第1〜第4実施形態と同一であるが、第5実施形態における観察手段は、振動するスタイラス73と被測定物Wとが非接触状態において、両者間に介在する空気の粘性に基づくスクイーズ効果(圧縮効果)による音圧現象に基づいて観察を行う。
図7に示すように、振動するスタイラス73と被測定物Wとの間隙Gが数μm程度になると、スタイラス73と被測定物Wとの間に介在する空気が圧縮され、その結果、スタイラス73の振動が拘束され始める。図7においては、間隙GがSQの範囲において音圧現象による検出出力OUTの低下が生じる。このように、スタイラス73と被測定物Wとの間隙Gが変化すると検出出力OUTが変化するので、この性質を用いれば、検出出力OUTを電圧計やコンピュータのディスプレイに表示することによって測定点近傍の観察が行える。
【0051】
例えば、図6において間隙Gを音圧現象を生じるG1の状態に保ってスタイラス73を図中右側へ走査する。そしてスタイラス73が微細穴Hの位置へ到達すると、間隙GがG1より大きくなるため、検出出力OUTが増大する。その後、スタイラス73が微細穴Hを通過して間隙GがG1に戻ると、検出出力OUTも元の値まで小さくなる。このことから、微細穴Hのおおよその位置が観察できる。
【0052】
この観察によってスタイラス73の異常を検出することも可能である。例えば、スタイラス73が折損している場合は、間隙Gが所定値となる位置へスタイラス73を位置決めしても音圧現象によるスタイラス73の振動振幅変化は生じない。また、スタイラス73にわずかな曲がりなどが生じている場合は、微細穴Hの位置へスタイラス73を位置決めしても接触部731と微細穴Hとの間にずれが生じているため、振動振幅は増大しない。これらのことからスタイラス73の異常を検出することが出来る。
【0053】
さらに、微細穴Hにゴミなどによるつまりがあった場合などにおいても音圧現象が正常値から変化するため、被測定物の異常を検出することが出来る。
なお、この第5実施形態における観察手段を、第1〜第4実施形態における観察手段と併用しても良いし、単独で観察手段として用いても良い。
【0054】
この第5実施形態によれば、次の効果がある。
(9)加振型プローブにおいて測定子の振動振幅が所定範囲内であるか否かを判定して音圧現象領域にあることを判断し、その振動振幅の変化状態に基づいて測定点近傍を観察する観察手段を構成することができるので、プローブの構成が単純化される。また、データ収集手段として特別な付加手段を必要としないので小型、軽量化を図ることができる。
(10)光学的観察手段と併用できるので、測定点と被測定物間の微細間隙の観察も可能となる。
【0055】
次に、本発明の微細プローブ72を用いて、被測定物Wの微細形状を確実に測定する方法を説明する。
まず測定に先立って、微細プローブ72のスタイラス73を被測定物Wの測定対象箇所に近接させ、観察手段によってスタイラス73の測定点と被測定物Wの表面を観察する。
次に、この観察結果に基づいて被測定物Wの測定対象箇所とスタイラス73の測定点の異常の有無を確認する。
その後、測定対象箇所を微細プローブ72によって測定する。
【0056】
この方法によれば、スタイラス73が被測定物Wと関与する測定点の近傍を観察することによって被測定物表面の測定対象箇所を確認し、その結果に基づいて測定対象箇所を微細プローブ72よって本測定を行うので、測定対象箇所の目視確認が困難であっても、信頼性の高い測定を行うことができる。
本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
【0057】
例えば、本発明による微細プローブ72を三次元測定機100のZ軸スピンドルの先端に装着して被測定物Wの微細形状を測定する例を示したが、これに限らず、画像測定機に本発明の微細プローブ72を用いても良い。この場合、画像測定機が本来備える撮像手段を顕微鏡81として用いることができるので、微細プローブ72の構成が簡略化できる。
また、その他の真円度測定機、輪郭形状測定機などの表面性状測定機にこの微細プローブ72を用いても良い。
【0058】
さらに、出力手段として、三次元測定機100の操作盤11に備えた液晶表示機95を用いる例を示したが、コンピュータのディスプレイなどに表示しても良い。しかし、この実施形態におけるように微細プローブの近辺に表示器(出力手段)を備えた方が操作性が良い。
また、観察手段として光学的観察手段と音圧現象を用いる観察手段を例として示したが、これに限らず、静電的、電磁的などいかなる原理に基づく観察手段であっても良い。
【0059】
さらに、微細プローブの測定原理として加振型プローブの例を示したが、微細形状を測定可能なプローブであれば、接触式、非接触式を問わずいかなるプローブであっても良い。
また、微細プローブは、タッチ信号プローブの例に限って説明したが、倣い微細プローブであっても良い。
【0060】
さらに、微細プローブはプローブホルダに固定して用いるものを示したが、微細プローブあるいはスタイラスは交換式であっても良い。
また、撮像手段の撮像出力はケーブルを介して出力手段へ送出する例を示したが、この伝送手段に限らず無線伝送など、どのような伝送手段であっても良い。
【0061】
【発明の効果】
以上説明したように本発明にかかる微細形状測定プローブおよび微細形状測定方法によれば、被測定物の微細形状の測定を高い信頼性で行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態にかかる微細形状測定プローブを装着した三次元測定機の外観図である。
【図2】本発明の第1実施形態にかかる微細形状測定プローブの構成を示す図である。
【図3】本発明の第2実施形態にかかる微細形状測定プローブの構成を示す図である。
【図4】本発明の第3実施形態にかかる微細形状測定プローブの構成を示す図である。
【図5】本発明の第4実施形態にかかる微細形状測定プローブの構成を示す図である。
【図6】本発明の第5実施形態にかかる微細形状測定プローブの構成を示す図である。
【図7】本発明の第5実施形態にかかる微細形状測定プローブの観察原理を示す図である。
【図8】従来技術にかかる微細形状測定プローブを示す図である。
【図9】従来技術にかかる微細形状測定プローブを示す他の図である。
【符号の説明】
72 微細プローブ
73 スタイラス
90 観察顕微鏡
91 CCDカメラ
92 ファイバースコープ
93 リモート観察手段
95 液晶表示器
100 三次元測定機本体
731 接触部(測定点)
H 微細穴
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fine shape measuring probe and a fine shape measuring method using the probe, particularly using a fine stylus that is difficult to visually observe, and using the fine shape measuring probe for measuring the fine shape of an object to be measured and the probe. Related to the measurement method.
[0002]
[Prior art]
Means for measuring the surface properties and surface shape such as roughness, waviness, and shape of the object to be measured include surface roughness measuring instruments, contour shape measuring instruments, roundness measuring instruments, image measuring instruments, and three-dimensional measuring instruments. Is used, when the shape of the measurement target portion is a fine shape of, for example, about 0.5 mm or less, in addition to performing measurement by scanning the surface of the object to be measured with a surface roughness measuring device, and measuring the image with a microscope The measurement is performed by adding a function to obtain an enlarged image.
[0003]
The detector of the surface roughness measuring instrument is measured by holding the lever with a stylus at the tip rotatably and scanning the detector in the surface direction with the stylus in contact with the surface of the object to be measured. In general, a stylus is displaced in accordance with irregularities on the surface of an object, and measurement is performed by detecting rotation of a lever accompanying the displacement. However, in the case where the measurement is performed by scanning the surface of the object to be measured by such a surface roughness measuring device, for example, it is a problem whether or not the stylus can scan according to the shape of the object to be measured. With the detector having this structure, it is possible to detect irregularities on the surface of the object to be measured, but it is difficult to measure a portion orthogonal to the surface of the object to be measured, such as a side wall inside a hole, or inside a fine hole. .
[0004]
In addition, in the case of performing measurement by obtaining an enlarged image by adding an image measurement function to a microscope, since it is a non-contact measurement, there are many advantages, but basically only two-dimensional measurement on the XY plane can be performed. Although it is possible to measure the dimension in the Z-axis direction by extending the focus adjustment function when performing image measurement, measurement accuracy is generally low.
In any case, it is difficult to measure the side wall of the hole in the Z-axis direction perpendicular to the surface of the workpiece and directly determine the shape of the side wall and the inner diameter of the hole. It will be difficult.
As a sensor capable of measuring such a fine shape, for example, there is a vibration-type contact detection sensor (for example, Patent Document 1).
[0005]
The basic structure of this sensor is composed of an elongated stylus having a contact portion at the tip, a piezoelectric element, and supporting means for supporting them. The piezoelectric element is composed of a piezoelectric element for vibration, which is connected to the transmission circuit and vibrates the stylus in its axial direction, and a piezoelectric element for detection, which detects vibration of the stylus. The output of the piezoelectric element for detection is input to the detection circuit. Then, the amplitude and phase of the vibration are detected.
When the contact portion of the stylus comes into contact with the object to be measured, the vibration of the stylus is restricted, and the vibration amplitude decreases. The decrease in the vibration amplitude is detected, and the coordinates of the contact portion are obtained from the relative positional relationship between the sensor and the object under measurement at that time, and are used as measurement data.
[0006]
In principle, a sensor having this structure can constitute a fine sensor. For example, a sensor having a stylus diameter of 50 μm and a protruding portion of the stylus of about 1 mm can be manufactured. For example, it becomes possible to measure the inner wall surface of a fine hole having a diameter of 0.1 mm, for example.
However, when such a sensor is used, the stylus and the measurement location are minute, so that it is difficult to visually confirm it, and it is not easy to perform mutual alignment and setting of the sensor coordinate system.
In order to solve this problem, there is a micro-machined shape measuring apparatus in which a microscope is juxtaposed to a vibration-type contact detection sensor and a coordinate system can be easily set (for example, Patent Document 2).
[0007]
[Patent Document 1]
JP 2002-39737 A
[Patent Document 2]
JP 2001-174221 A
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The probe of the micromachined shape measuring apparatus has, for example, the configuration shown in FIG.
In the probe 7, a fine probe 72 having a stylus 73 is attached to a holder base 70 via a probe spacer 71, and a microscope 81 is juxtaposed at an adjacent position. The distance L between the center of the microscope focal point and the stylus 73 has been accurately measured in advance and is known.
[0009]
In using the probe 7, first, a measurement target portion (for example, a fine hole H) of the measured object W is observed with the microscope 81, and the probe 7 is positioned so that the focal center position coincides with the measurement target portion. Then, for example, a position where the center position of the minute hole H coincides with the focal center position is set as the origin of the coordinate system. Since the distance L between the center of the focal point and the stylus 73 is known, it is easy to move the probe 7 and the workpiece W relative to each other to accurately position the stylus 73 in the minute hole H as shown in FIG. Can be done. Therefore, it is possible to easily measure even a fine hole which is difficult to visually confirm.
[0010]
However, since the stylus 73 has a diameter of, for example, about 50 μm or less, it is extremely difficult to visually confirm the stylus itself. For example, in the measurement process, it is difficult to confirm whether the stylus 73 collides with the object to be measured W and loses or an accident such as buckling occurs. If such an accident occurs in the measurement process, the measurement is performed. Abnormal results. In the measurement using such a fine stylus, there are always such anxiety factors, and it is difficult to ensure the reliability of the measurement result.If an accident should occur, it is necessary to restart the measurement from the beginning. , Efficiency is reduced. For example, when there are hundreds of micro holes to be measured, the time and cost required for re-measurement become enormous, and there has been a problem that it is extremely inefficient.
[0011]
In order to solve such a problem, the present invention provides a fine shape measurement probe and a measurement method that enable the tip of the stylus 73 to observe the vicinity of a measurement point for measuring the object W to be measured.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the fine shape measuring probe according to claim 1 according to the present invention is a probe including a measuring element for measuring a fine shape of an object to be measured, wherein the measuring element is the measuring object. An observation means capable of observing the vicinity of a measurement point related to an object is provided.
[0013]
Here, the fine shape is a shape having a size that is difficult to visually confirm, and refers to a shape having a size of about 0.5 mm or less. In addition, in the case of a stylus of a stylus type, for example, in the case of a stylus of a stylus type, the vicinity of a tip of a stylus that performs measurement by contacting with the object to be measured is referred to as the vicinity of the stylus tip. When it is close to the tip of the stylus, it includes the object to be measured in the vicinity. Further, the observation means refers to a means including a means for collecting data and a means for displaying the collected data and outputting the collected data by printing or the like. The data collection and the output of the collected data can be performed within a predetermined time.
[0014]
According to the present invention, the measuring point for measuring the fine shape of the object to be measured and the measurement point for measuring the object to be measured, and the surface of the object to be measured close to the measurement point can be observed. At any time, the state of the stylus and the surface of the object to be measured can be checked very easily and immediately. For example, it is possible to easily check for breakage or buckling of the stylus, and to check the fine measurement target portion of the object to be measured, improving the reliability of the measurement and thereby dramatically increasing the measurement efficiency. improves.
[0015]
In the fine shape measurement probe according to claim 2 of the present invention, the observation unit includes an imaging unit that captures an image near the measurement point, and an output unit that outputs an imaging result obtained by the imaging unit. Is preferred.
Here, the imaging means means for collecting data near the measurement point in the form of image data, and the output means means for printing or displaying the image data.
[0016]
According to the present invention, data in the vicinity of the measurement point is collected as image data and displayed so as to be visually recognizable, so that visual observation becomes easy even in a fine shape. In addition, since the image data is printed or displayed at a position separated from the measurement point by the output means, observation can be easily performed even when the measurement point is narrow.
[0017]
Further, in the fine shape measuring probe according to claim 3 of the present invention, it is preferable that the imaging means is a CCD camera.
According to the present invention, since the imaging means can be constituted by a compact, low heat generation, lightweight, and inexpensive CCD camera, the fine shape measuring probe can be constituted to be small and lightweight. In addition, since heat generation is small, deterioration of measurement accuracy due to heat generation can be prevented.
[0018]
In the fine shape measuring probe according to claim 4 of the present invention, it is preferable that the imaging means is a fiberscope.
Here, a fiber scope refers to a device that collects data near a measurement point as image data and transmits the image data to a separated position by an optical fiber.
[0019]
According to the present invention, the data in the vicinity of the measurement point is collected as image data, the image data is transmitted to the separated position by the optical fiber, and the image data is output at the separated position. In addition, since there is no heat generation, deterioration of measurement accuracy due to heat generation can be prevented.
[0020]
Further, in the fine shape measurement probe according to claim 5 of the present invention, it is preferable that the imaging means is a telescope capable of imaging from a position separated from the measurement point.
According to the present invention, the vicinity of the measuring point can be observed from a position distant from the measuring point, so that there is no need to arrange an observation means near the measuring element, and the visibility and workability around the measuring element are improved. This facilitates attachment and replacement of the tracing stylus.
[0021]
In the fine shape measuring probe according to claim 6 of the present invention, it is preferable that the probe is a vibrating probe for detecting contact with the object to be measured while the measuring element is vibrated.
According to the present invention, the vibrating probe having high sensitivity can be configured to be extremely small, so that the measurement of a fine shape can be performed with high accuracy.
[0022]
8. The fine shape measurement probe according to claim 7, wherein the observation means in the vibrating probe is configured to perform the measurement based on a sound pressure phenomenon that occurs when the measurement element approaches the object to be measured. It is preferable to observe the vicinity of the point.
[0023]
Here, the sound pressure phenomenon refers to a squeeze effect based on the viscosity of a medium (for example, air) interposed between the tracing stylus and the DUT when the vibrating stylus approaches the DUT (more than several μm). (Compression effect) is a phenomenon in which the sound pressure between the stylus and the DUT changes. When the sound pressure changes, the vibration of the tracing stylus is suppressed, and the vibration amplitude decreases even when the tracing stylus is not in contact with the object to be measured. Since the distance to the object to be measured can be estimated by the decrease in the amplitude, the shape of the surface of the object to be measured can be roughly estimated by scanning the tracing stylus along the surface of the object to be measured in this state. Thereby, the vicinity of the measuring point of the tracing stylus can be observed.
[0024]
According to the invention, in the excitation type probe, it is determined whether or not the vibration amplitude of the tracing stylus is within a predetermined range to determine that it is in the sound pressure phenomenon area, and based on the change state of the vibration amplitude. As a result, the observation means for observing the vicinity of the measurement point can be configured, so that the configuration of the probe is simplified. Further, since no special additional means is required as the data collecting means, the size and weight can be reduced.
[0025]
The fine shape measuring method according to claim 8 of the present invention is a method for measuring the fine shape of the object to be measured using the fine shape measuring probe according to any one of claims 1 to 7. There is an observation step of observing the surface of the object to be measured by the observation means, a confirmation step of confirming a measurement point of the object to be measured based on a result obtained in the observation step, and after the confirmation step. And a measurement step of measuring the measurement location by the fine shape measurement probe.
[0026]
According to the present invention, the measuring element observes the vicinity of the measuring point related to the object to be measured, thereby confirming the measuring object location on the surface of the measuring object, and based on the result, the measuring location is determined by the fine shape measuring probe. Since the measurement can be performed, highly reliable measurement can be performed even if it is difficult to visually confirm the measurement target portion.
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(1st Embodiment)
FIG. 1 shows a three-dimensional measuring machine main body 100 equipped with a fine shape measuring probe according to a first embodiment of the present invention.
The three-dimensional coordinate measuring machine 100 includes an X-axis beam 4 spanned between a column 2 erected at both ends of a measurement table 1 and a supporter 3. An X-axis slider 6 (X-axis moving mechanism) supported by an air bearing and movable in the X-axis direction with respect to the X-axis beam 4, and moved in the Z-axis direction supported by the air bearing on the X-axis slider 6 And a possible Z-axis spindle (Z-axis moving mechanism). A probe 7 (fine shape measurement probe) is mounted on the lower end of the Z-axis spindle.
[0028]
The column 2 and the supporter 3 are also floated and supported from the measurement table 1 by an air bearing, and the column 2 is guided by the air bearing in the Y-axis direction by a Y-axis guide mechanism 5 provided at one end of the measurement table 1. Therefore, the column 2 and the supporter 3 are integrally movable in the Y-axis direction (Y-axis moving mechanism).
[0029]
In the X-axis moving mechanism, the Y-axis moving mechanism, and the Z-axis moving mechanism, the amount of movement of each slider or column can be detected by a linear scale. Here, the X axis, the Y axis, and the Z axis are orthogonal to each other.
The probe 7 outputs a touch signal by bringing the lower end portion (measurement point) of the stylus 73 of the fine probe 72 into contact with the measurement location of the object to be measured placed on the measurement table 1, and each movement at that moment The movement amount of the mechanism is read and output as a measured value. The lower end portion of the stylus 73 is formed in a spherical shape, and can contact a measurement target portion from various directions.
[0030]
Since each moving mechanism is supported by the air bearing in a non-contact manner, there is almost no contact resistance, and when the probe 7 is moved, it is only necessary to move the probe 7 while supporting it by hand, and it can be moved very lightly. is there. However, when the main body of the probe 7 is moved while being supported by hand, fine movement of 1 mm or less is not always easy.
Therefore, an operation panel 11 is provided on the column 2, and an X-axis fine movement knob 8, a Y-axis fine movement knob 9, and a Z-axis fine movement knob 10 are closely arranged on the same surface of the operation panel 11.
[0031]
The CMM main body 100 can automatically control movements in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions by driving means (not shown), and operate a joystick (not shown) at any speed in each axis direction. Can be moved. Furthermore, it is also possible to use a computer (not shown) to decode the measurement part program and perform automatic measurement according to the instruction.
A display 95 provided on the operation panel 11 is a liquid crystal display for displaying image data near a measurement point collected by an imaging unit described later.
[0032]
FIG. 2 shows a schematic configuration of the probe 7. The probe 7 has a microscope 81 installed at one end of a holder base 70, and a fine probe 72 provided with a stylus 73 via a probe spacer 71 at the other end of the holder base 70.
Further, two observation microscopes 90 that can observe the vicinity of the measurement point of the stylus 73 are installed on the probe spacer 71. Here, the measurement point is a portion of the stylus 73 that comes into contact with the workpiece W, more specifically, a lower spherical tip portion of the stylus 73. When the spherical tip is close to the workpiece W, the proximity portion of the workpiece W can also be observed.
[0033]
The observation microscope 90 has a built-in CCD camera (not shown), and captured image data is immediately (real-time) displayed on a display 95 (output means) via a cable (not shown). The observation means is constituted by the observation microscope 90 and the display 95.
The diameter of the stylus 73 is 50 μm, and the length protruding downward is 1 mm.
[0034]
The fine probe 72 measures the fine hole H of the workpiece W, and can be measured if the inner diameter of the fine hole H is approximately 0.1 mm or more.
The method of setting the origin of the coordinate system using the probe 7 is the same as the method described with reference to FIGS. 8 and 9, and a description thereof will be omitted.
[0035]
According to the first embodiment, the following effects can be obtained.
(1) Since the stylus 73 for measuring the fine shape of the workpiece W can measure the measurement point (the spherical portion at the lower end of the stylus) for measuring the workpiece and the surface of the workpiece close to the measurement point immediately. In the measurement process, the state of the stylus 73 and the surface of the workpiece W can be checked very easily at any time. Therefore, it is possible to easily check whether the stylus 73 is broken or buckled, and to check whether there is an abnormality in a minute measurement target portion (for example, a minute hole H) of the measured object W, thereby improving the reliability of the measurement. As a result, the measurement efficiency is dramatically improved.
[0036]
(2) Since data near the measurement point is collected as image data by the observation microscope 90 and the result is displayed on the liquid crystal display 95, visual observation of the fine area near the measurement point of the stylus 73 is facilitated.
(3) By providing the plurality of observation microscopes 90, the vicinity of the measurement point can be observed from each direction, so that it is easy to confirm whether the stylus 73 or the measurement target is abnormal.
[0037]
(2nd Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the second embodiment, a CCD camera 91 as an image pickup means is incorporated in a fine probe 72, and the other configuration is the same as that of the first embodiment.
As shown in FIG. 3, a fine probe holder 721 of the fine probe 72 is attached to a lower portion of the probe spacer 71, and two fine probe arms 722 protrude downward from the fine probe holder 721. A beam is bridged over the lower ends of the two fine probe arms 722, and a piezoelectric element 723 is attached to a center position of the beam, and a vertically elongated stylus 73 is fixed to the center of the piezoelectric element 723. .
[0038]
The piezoelectric element 723 includes a vibrating piezoelectric element that is connected to a transmitting circuit (not shown) and vibrates the stylus 73 in the axial direction thereof, and a detecting piezoelectric element that detects the vibration of the stylus 73. Is input to a detection circuit (not shown) to detect the amplitude and phase of the vibration.
When the spherical contact portion (measurement point) at the lower end of the stylus 73 comes into contact with the workpiece W, the vibration of the stylus 73 is restrained and the vibration amplitude decreases. The decrease in the vibration amplitude is detected, and the coordinates of the measurement point are obtained from the relative positional relationship between the probe 7 and the DUT at that time to obtain measurement data.
[0039]
In the fine probe holder 721, a CCD camera 91 composed of a lens 911 and a CCD sensor 912 is attached to an upper position of the stylus 73, and the optical axis formed by the lens 911 and the CCD sensor 912 is The positional relationship has been adjusted to match. A lens 911 is formed on the CCD sensor 912 so that an image near the measurement point of the stylus 73 is formed. The output of the CCD sensor 912 is connected to a liquid crystal display 95 via a cable (not shown) so that image data near the measurement point can be easily visually observed on the liquid crystal display.
[0040]
Since the CCD camera 91 (imaging means) of the observation device according to the second embodiment is provided right above the stylus 73, the measurement point itself of the stylus 73 cannot be observed, but the measurement including the measurement location of the workpiece W is performed. The vicinity of the point is observable. For example, when the stylus 73 buckles, it can be observed.
[0041]
According to the second embodiment, the following effects are obtained in addition to the effects (1) and (2) of the first embodiment.
(4) Since the imaging means is composed of the small, low heat generation, lightweight, and inexpensive CCD camera 91 and is incorporated in the fine probe 72, the fine shape measurement probe can be configured to be small and lightweight.
(5) Since the heat generation of the CCD camera 91 is small, it is possible to prevent the measurement accuracy from deteriorating due to the heat generation.
[0042]
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the third embodiment, a fiber scope 92 is incorporated in a fine probe 72 instead of the CCD camera 91 in the second embodiment as an image pickup means, and the other configuration is the same as that of the second embodiment.
As shown in FIG. 4, the fiber scope 92 includes a lens 921 and an optical fiber 922, and an image near the measurement point of the stylus 73 is displayed on the liquid crystal display 95.
[0043]
In the third embodiment, since the output of the optical fiber 922 cannot be directly connected to the liquid crystal display 95, the output of the optical fiber 922 is once formed into an image on a CCD device (not shown) to generate image data. The data is displayed on the liquid crystal display 95.
[0044]
According to the third embodiment, the following effects are obtained in addition to the effects (1) and (2) of the first embodiment.
(6) Since the imaging means is constituted by the fiber scope 92 and incorporated in the fine probe 72, the fine shape measuring probe can be made small and lightweight.
(7) Since there is no heat generation in the fiber scope 92, there is no deterioration in measurement accuracy due to heat generation.
[0045]
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the fourth embodiment, a remote observation means 93 is provided on the probe spacer 71 instead of the observation microscope 90 as the imaging means in the first embodiment, and the other configuration is the same as that of the first embodiment.
[0046]
As shown in FIG. 5, the remote observation means 93 includes a mirror 931 and a telescope 932 supported by support means (not shown) on the probe spacer 71. Since the optical path of the telescope 932 is refracted by the mirror 931, the vicinity of the measurement point of the stylus 73 can be enlarged and observed.
The telescope 932 has a built-in CCD camera (not shown), and the captured image data in the vicinity of the measurement point is immediately (real-time) displayed on a display 95 (output means) via a cable (not shown).
Here, a flat mirror is used as the mirror 931, but a concave mirror may be used so that the vicinity of the measurement point can be further enlarged.
[0047]
According to the fourth embodiment, the following effects are obtained in addition to the effects (1) and (2) of the first embodiment.
(8) Since the vicinity of the measurement point can be observed by the telescope 932 from a position distant from the measurement point, there is no need to arrange an observation means near the stylus 73, and the visibility around the stylus and workability are improved. Thus, the stylus 73 and the fine probe 72 can be easily attached and exchanged.
[0048]
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment will be described with reference to FIG. Unlike the first to fourth embodiments, the observation unit in the fifth embodiment does not optically collect image data.
FIG. 6 shows the stylus 73 and the piezoelectric element 723 of the excitation type fine probe 72. The spherical portion at the lower end of the stylus 73 is a contact portion 731 (measurement point) that comes into contact with the workpiece W and performs measurement.
[0049]
The piezoelectric element 723 is connected to a vibration circuit VC and vibrates the stylus 73 in the axial direction. The vibration piezoelectric element 723v and the detection piezoelectric element 723d that detects the vibration of the stylus 73 and outputs the vibration to the detection circuit DC. Be composed. The detection circuit DC outputs the vibration amplitude OUT of the stylus 73.
When the lower end or the side end of the contact portion 731 comes into contact with the measured object W when measuring the measured object W, the vibration of the stylus 73 is restrained, so that the signal level of the detection output OUT from the detection circuit DC decreases. A position at which the detection output OUT becomes a predetermined value or less is set as a measurement position of the contact portion 731 and the object W, and measurement data is obtained from a relative positional relationship between the fine probe 72 and the object W at that position.
[0050]
The measurement principle of the vibrating microprobe 72 is the same as that of the first to fourth embodiments, but the observation means in the fifth embodiment is configured such that the vibrating stylus 73 and the object W are in a non-contact state. Observation is performed based on the sound pressure phenomenon caused by the squeeze effect (compression effect) based on the viscosity of air interposed between the two.
As shown in FIG. 7, when the gap G between the vibrating stylus 73 and the workpiece W becomes about several μm, the air interposed between the stylus 73 and the workpiece W is compressed, and as a result, the stylus 73 Starts to be restrained. In FIG. 7, when the gap G is in the range of SQ, the detection output OUT decreases due to the sound pressure phenomenon. As described above, when the gap G between the stylus 73 and the device under test W changes, the detection output OUT changes. Therefore, if this property is used, the detection output OUT is displayed on a voltmeter or a computer display so that the vicinity of the measurement point can be obtained. Can be observed.
[0051]
For example, in FIG. 6, the stylus 73 is scanned rightward in the figure while maintaining the gap G in the state of G1 where a sound pressure phenomenon occurs. When the stylus 73 reaches the position of the minute hole H, the gap G becomes larger than G1, and the detection output OUT increases. Thereafter, when the stylus 73 passes through the minute hole H and the gap G returns to G1, the detection output OUT also decreases to the original value. From this, the approximate position of the fine hole H can be observed.
[0052]
It is possible to detect an abnormality of the stylus 73 by this observation. For example, when the stylus 73 is broken, even if the stylus 73 is positioned at a position where the gap G has a predetermined value, the vibration amplitude of the stylus 73 does not change due to the sound pressure phenomenon. When the stylus 73 is slightly bent or the like, the vibration amplitude is small because the contact portion 731 and the minute hole H are displaced even when the stylus 73 is positioned at the position of the minute hole H. Does not increase. From these facts, an abnormality of the stylus 73 can be detected.
[0053]
Further, even when the minute hole H is clogged with dust or the like, the sound pressure phenomenon changes from the normal value, so that an abnormality of the measured object can be detected.
Note that the observation unit in the fifth embodiment may be used together with the observation units in the first to fourth embodiments, or may be used alone as the observation unit.
[0054]
According to the fifth embodiment, the following effects can be obtained.
(9) In the excitation type probe, it is determined whether or not the vibration amplitude of the tracing stylus is within a predetermined range to determine that it is in the sound pressure phenomenon area, and the vicinity of the measurement point is determined based on the change state of the vibration amplitude. Since the observation means for observing can be configured, the configuration of the probe is simplified. Further, since no special additional means is required as the data collecting means, the size and weight can be reduced.
(10) Since it can be used together with the optical observation means, it is possible to observe a fine gap between the measurement point and the object to be measured.
[0055]
Next, a method for reliably measuring the fine shape of the device under test W using the fine probe 72 of the present invention will be described.
First, prior to the measurement, the stylus 73 of the fine probe 72 is brought close to the measurement target portion of the workpiece W, and the measurement point of the stylus 73 and the surface of the workpiece W are observed by the observation means.
Next, based on this observation result, it is confirmed whether or not there is an abnormality in the measurement target portion of the workpiece W and the measurement point of the stylus 73.
Thereafter, the measurement target portion is measured by the fine probe 72.
[0056]
According to this method, the stylus 73 observes the vicinity of the measurement point related to the workpiece W to confirm the location to be measured on the surface of the workpiece, and based on the result, the location to be measured is determined by the fine probe 72. Since this measurement is performed, highly reliable measurement can be performed even if it is difficult to visually confirm the measurement target portion.
The present invention is not limited to these embodiments.
[0057]
For example, an example has been shown in which the fine probe 72 according to the present invention is mounted on the tip of the Z-axis spindle of the coordinate measuring machine 100 to measure the fine shape of the workpiece W. However, the present invention is not limited to this. The fine probe 72 of the invention may be used. In this case, since the imaging means originally provided in the image measuring device can be used as the microscope 81, the configuration of the fine probe 72 can be simplified.
Further, the fine probe 72 may be used for a surface texture measuring device such as a roundness measuring device and a contour shape measuring device.
[0058]
Further, the example in which the liquid crystal display 95 provided in the operation panel 11 of the coordinate measuring machine 100 is used as the output means has been described, but it may be displayed on a display of a computer. However, operability is better if a display (output means) is provided near the fine probe as in this embodiment.
Further, the optical observation means and the observation means using the sound pressure phenomenon have been described as examples of the observation means, but the observation means is not limited thereto, and may be any observation means based on any principle such as electrostatic or electromagnetic.
[0059]
Further, an example of a vibrating probe has been described as a measurement principle of a fine probe, but any probe that can measure a fine shape, regardless of a contact type or a non-contact type, may be used.
Further, the fine probe has been described as an example of the touch signal probe, but may be a scanning fine probe.
[0060]
Further, although the fine probe is shown as being fixed to the probe holder, the fine probe or stylus may be replaceable.
Also, an example has been described in which the imaging output of the imaging unit is sent to the output unit via a cable, but the transmission unit is not limited to this transmission unit, but may be any transmission unit such as wireless transmission.
[0061]
【The invention's effect】
As described above, according to the fine shape measuring probe and the fine shape measuring method according to the present invention, there is an effect that the fine shape of the object to be measured can be measured with high reliability.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an external view of a CMM equipped with a fine shape measurement probe according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a fine shape measurement probe according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a fine shape measurement probe according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a fine shape measurement probe according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a fine shape measurement probe according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a fine shape measurement probe according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram illustrating an observation principle of a fine shape measurement probe according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a fine shape measurement probe according to the related art.
FIG. 9 is another view showing a fine shape measurement probe according to the related art.
[Explanation of symbols]
72 Fine Probe
73 stylus
90 Observation microscope
91 CCD camera
92 Fiberscope
93 Remote observation means
95 Liquid crystal display
100 CMM
731 Contact part (measurement point)
H micro hole

Claims (8)

被測定物の微細形状を測定する測定子を備えたプローブであって、
前記測定子が前記被測定物と関与する測定点の近傍を観察可能な観察手段
を備えたことを特徴とする微細形状測定プローブ。
A probe provided with a probe for measuring a fine shape of an object to be measured,
A fine shape measuring probe, comprising: an observing means capable of observing a vicinity of a measuring point where the tracing stylus relates to the object to be measured.
前記観察手段は前記測定点近傍の画像を撮像する撮像手段と、前記撮像手段による撮像結果を出力する出力手段とを含むことを特徴とする請求項1に記載の微細形状測定プローブ。2. The probe according to claim 1, wherein the observation unit includes an imaging unit that captures an image near the measurement point, and an output unit that outputs an imaging result obtained by the imaging unit. 3. 前記撮像手段はCCDカメラであることを特徴とする請求項2に記載の微細形状測定プローブ。The probe according to claim 2, wherein the imaging means is a CCD camera. 前記撮像手段はファイバスコープであることを特徴とする請求項2に記載の微細形状測定プローブ。The probe according to claim 2, wherein the imaging unit is a fiberscope. 前記撮像手段は前記測定点から離隔した位置から撮像可能な望遠鏡であることを特徴とする請求項2に記載の微細形状測定プローブ。The microscopic shape measurement probe according to claim 2, wherein the imaging unit is a telescope capable of imaging from a position separated from the measurement point. 前記プローブは前記測定子を振動させた状態で前記被測定物との接触を検出する加振型プローブであることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載の微細形状測定プローブ。The fine shape measurement probe according to any one of claims 1 to 5, wherein the probe is a vibrating probe that detects contact with the object under measurement while the probe is vibrated. . 前記観察手段は、前記測定子が前記被測定物に近接した際に生じる音圧現象に基づいて前記測定点の近傍を観察することを特徴とする請求項6に記載の微細形状測定プローブ。The fine shape measurement probe according to claim 6, wherein the observation unit observes the vicinity of the measurement point based on a sound pressure phenomenon that occurs when the measurement element approaches the object to be measured. 請求項1から請求項7のいずれかに記載の微細形状測定プローブを用いて前記被測定物の微細形状を測定する方法であって、
前記観察手段によって前記被測定物の表面を観察する観察ステップと、
前記観察ステップで得られた結果に基づいて前記被測定物の測定箇所を確認する確認ステップと、
前記確認ステップの後に前記測定箇所を前記微細形状測定プローブによって測定する測定ステップと、
を備えたことを特徴とする微細形状測定方法。
A method for measuring a fine shape of the object to be measured using the fine shape measuring probe according to any one of claims 1 to 7,
An observation step of observing the surface of the measured object by the observation means,
A confirmation step of confirming a measurement location of the object to be measured based on the result obtained in the observation step,
A measurement step of measuring the measurement location by the fine shape measurement probe after the confirmation step,
A method for measuring a fine shape, comprising:
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