JP2007114095A - Surface property measuring device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a surface property measuring device for copy-measuring an inclined surface of an object under measurement with high accuracy. <P>SOLUTION: The surface of the object under measurement is copy-measured by a measurement part 210. The measurement part 210 comprises a stylus 211 having a contact part 212 at its end and a measurement force detection means for detecting measurement force in a stylus axis direction when the contact part 212 makes contact with the surface of the object. A movement mechanism relative-moves the measurement part 210 with respect to the surface of the object while keeping measurement force constant. The movement mechanism is equipped with a turning mechanism 400 for making the stylus 211 perpendicular to the surface of the object by turning the measurement part 210 with the contact part 212 used as a turning center. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、表面性状測定装置に関する。
例えば、接触式プローブにより被測定物表面を検出して被測定物表面形状を測定する表面性状測定装置に関する。
The present invention relates to a surface texture measuring device.
For example, the present invention relates to a surface property measuring apparatus that detects the surface of an object to be measured by a contact probe and measures the surface shape of the object to be measured.

被測定物表面を走査して被測定物の立体的形状や粗さやうねり等の表面性状を測定する測定装置が知られ、例えば、粗さ測定機、輪郭形状測定機、真円度測定機、三次元測定機などが知られている。このような測定装置において、被測定物表面を検出するセンサとしてのプローブが使用される(特許文献1)。
図5に、プローブ200を利用した表面性状測定装置100の構成を示す。
表面性状測定装置100は、プローブ200と、このプローブ200を被測定物表面Sに沿って三次元的に移動させる移動機構としての三次元駆動機構300と、を備えている。
Measuring devices that scan the surface of the object to be measured and measure surface properties such as the three-dimensional shape, roughness, and undulation of the object to be measured are known, for example, a roughness measuring machine, a contour shape measuring machine, a roundness measuring machine, A three-dimensional measuring machine is known. In such a measuring apparatus, a probe as a sensor for detecting the surface of the object to be measured is used (Patent Document 1).
FIG. 5 shows a configuration of the surface texture measuring apparatus 100 using the probe 200.
The surface texture measuring apparatus 100 includes a probe 200 and a three-dimensional drive mechanism 300 as a moving mechanism that moves the probe 200 along the surface S of the object to be measured three-dimensionally.

プローブ200は、図6に示されるように、先端に接触部212を有するスタイラス211と、このスタイラス211を支持するスタイラスホルダ213と、スタイラス211を軸方向に固有振動数で定常振動させる加振手段214と、スタイラス211の振動変化を検出して検出信号を出力する検出手段217と、を備える加振型接触式プローブである。
加振手段214は、スタイラスホルダ213に設けられスタイラス211を振動させる圧電素子215と、この圧電素子215に所定周波数の出力信号(パルスあるいは正弦波信号など)を印加する加振回路216と、で構成されている。
検出手段217は、スタイラス211の振動を電圧変換する圧電素子218と、この圧電素子218からの電圧を検出して検出信号を出力する検出回路219と、で構成されている。
As shown in FIG. 6, the probe 200 includes a stylus 211 having a contact portion 212 at the tip, a stylus holder 213 that supports the stylus 211, and a vibration unit that constantly vibrates the stylus 211 at a natural frequency in the axial direction. 214 is an excitation-type contact probe including 214 and detection means 217 that detects a vibration change of the stylus 211 and outputs a detection signal.
The vibration means 214 includes a piezoelectric element 215 that is provided in the stylus holder 213 and vibrates the stylus 211, and an excitation circuit 216 that applies an output signal (such as a pulse or a sine wave signal) having a predetermined frequency to the piezoelectric element 215. It is configured.
The detection means 217 includes a piezoelectric element 218 that converts the vibration of the stylus 211 into a voltage, and a detection circuit 219 that detects a voltage from the piezoelectric element 218 and outputs a detection signal.

三次元駆動機構300は、従来の三次元測定装置に用いられるX、YおよびZ方向スライド機構を備えたものが利用される。三次元駆動機構300の各軸には駆動量を検出するリニアエンコーダが設けられている。   As the three-dimensional drive mechanism 300, a mechanism including X, Y, and Z-direction slide mechanisms used in a conventional three-dimensional measuring apparatus is used. Each axis of the three-dimensional drive mechanism 300 is provided with a linear encoder that detects a drive amount.

このような構成において、図7に示されるように接触部212を被測定物表面Sに沿って移動させると、接触部212と被測定物表面Sとの位置関係により、図8(D)に示されるような検出信号の変化が生じる。
接触部212がフリーの状態(A)から接触部212が被測定物表面Sに接触を開始し(B)、所定の測定力で接触部212が被測定物表面Sに接触したとき(C)、接触部212の振動が束縛されて、検出信号が予め設定された参照レベルに達する。
In such a configuration, when the contact portion 212 is moved along the object surface S as shown in FIG. 7, the positional relationship between the contact portion 212 and the object surface S is shown in FIG. A change in the detection signal occurs as shown.
When the contact part 212 starts to contact the object surface S to be measured (B) from the state where the contact part 212 is free (A), and the contact part 212 contacts the object surface S to be measured with a predetermined measuring force (C). The vibration of the contact part 212 is constrained and the detection signal reaches a preset reference level.

なお、測定力とは、接触部212を被測定物表面Sに接触させて被測定物表面Sを検出する際に、接触部212を被測定物表面Sに押し当てるときの力をいう。   The measurement force refers to a force when the contact portion 212 is pressed against the measurement object surface S when the contact portion 212 is brought into contact with the measurement object surface S and the measurement object surface S is detected.

検出信号値が参照レベルとなるように接触部212を被測定物表面Sに押し当てた状態で接触部212を被測定物表面Sに沿って倣い移動させ、検出信号が参照レベルに達したときのプローブ200の位置情報を三次元駆動機構300のX、Y、Z軸スライド量からサンプリングする。サンプリングされたプローブ200の位置情報から接触部212と被測定物表面Sとの接点を算出することにより、被測定物表面Sの形状を知ることができる。   When the contact portion 212 is moved along the surface to be measured S in a state where the contact portion 212 is pressed against the surface to be measured S so that the detection signal value becomes the reference level, and the detection signal reaches the reference level. The position information of the probe 200 is sampled from the X, Y, and Z axis slide amounts of the three-dimensional drive mechanism 300. By calculating the contact point between the contact portion 212 and the object surface S from the sampled position information of the probe 200, the shape of the object surface S can be known.

ここで、接触部212と被測定物表面Sとが接触する角度によって検出信号の減衰の仕方が異なる。つまり、スタイラス211が軸方向に振動するように加振されるので、スタイラス211の軸方向から接触部212が被測定物表面Sに当接する場合(例えば図7中のA)と、スタイラス211の軸方向からずれた方向で接触部212が被測定物表面Sに当接する場合(例えば図7中のB)と、では、スタイラス211の振動を束縛する程度が異なってくる。   Here, the way in which the detection signal is attenuated differs depending on the angle at which the contact portion 212 and the surface S of the object to be measured contact. That is, since the stylus 211 is vibrated so as to vibrate in the axial direction, when the contact portion 212 comes into contact with the surface S of the object to be measured from the axial direction of the stylus 211 (for example, A in FIG. 7), The degree to which the vibration of the stylus 211 is constrained differs from the case where the contact portion 212 abuts on the measurement object surface S in a direction shifted from the axial direction (for example, B in FIG. 7).

そこで、加振型接触プローブ200では、スタイラス211の軸方向から被測定物に接触することを前提として、検出信号の参照レベルが設定されている。したがって、スタイラス211の軸方向から接触部212が被測定物表面Sに接触する場合には検出信号を参照レベルとするように加振型接触プローブ200を倣い移動させて、測定力一定で被測定物表面Sを走査することができる。   Therefore, in the vibrating contact probe 200, the reference level of the detection signal is set on the premise that the object to be measured is contacted from the axial direction of the stylus 211. Therefore, when the contact portion 212 comes into contact with the workpiece surface S from the axial direction of the stylus 211, the vibrating contact probe 200 is moved so as to make the detection signal a reference level, and the measurement is performed with a constant measurement force. The object surface S can be scanned.

特開2004−61322号公報JP 2004-61322 A

しかしながら、被測定物表面Sの傾斜状態によっては、スタイラス軸方向からではなく、スタイラス211の軸方向からずれた方向で接触部212が被測定物表面Sに当接することになる(例えば図7中のB)。
この場合、被測定物表面Sからプローブ200にかかる力(Fv)のうち検出信号の変化にはスタイラス軸方向の分力(Fz)しか反映されない。そのため、検出信号を参照レベルに制御しようとすると被測定物に対する接触部212の押し込みが強くなり、測定力を一定に保つことができない。このように測定力を一定に保てないと、強い押し込みにより被測定物表面Sが損傷したり、また、スタイラス211が湾曲して正確に被測定物表面Sを検出できなくなる。そのため、加振型接触プローブ200による被測定物表面Sの測定では、表面が略平面である被測定物に限定されていた。
However, depending on the inclination state of the surface of the object to be measured S, the contact portion 212 comes into contact with the surface of the object to be measured S not in the stylus axis direction but in a direction shifted from the axial direction of the stylus 211 (for example, in FIG. 7). B).
In this case, only the component force (Fz) in the stylus axis direction is reflected in the change of the detection signal among the force (Fv) applied to the probe 200 from the surface S to be measured. Therefore, when the detection signal is controlled to the reference level, the pressing of the contact portion 212 against the object to be measured becomes strong, and the measurement force cannot be kept constant. If the measurement force cannot be kept constant in this way, the object surface S to be measured is damaged by strong pressing, or the stylus 211 is bent and the object surface S cannot be accurately detected. Therefore, in the measurement of the surface S to be measured by the vibration contact probe 200, the surface is limited to the object to be measured having a substantially flat surface.

また、被測定物表面が傾斜していた場合、プローブ200の接触部212のうち被測定物表面に当接する部分が異なってくる。例えば、図7のAに示されるように、被測定物表面Sが水平であれば接触部212の最下点で被測定物表面に当接するが、被測定物表面が傾斜してくると、接触部212のうち最下点ではなくて側面寄りの点で被測定物表面と当接することになる(図7中のB)。
このように接触部212のうちどの点で被測定物表面に当接するかわからないので、接触部212の形状によって測定データの信頼性が異なってくる。そこで、測定精度を保証するためには、接触部212を非常に高精度の真球にするか、あるいは基準となるマスタ(基準球等)を測定した結果に基づいて基準球からの接触部212のずれを補正しなければならない。
Further, when the surface of the object to be measured is inclined, the portion of the contact portion 212 of the probe 200 that comes into contact with the surface of the object to be measured is different. For example, as shown in FIG. 7A, if the object surface S is horizontal, it contacts the object surface at the lowest point of the contact portion 212, but when the object surface is inclined, The contact portion 212 comes into contact with the surface of the object to be measured at a point closer to the side surface than the lowest point (B in FIG. 7).
In this way, since it is not known at which point of the contact portion 212 it contacts the surface of the object to be measured, the reliability of the measurement data varies depending on the shape of the contact portion 212. Therefore, in order to guarantee the measurement accuracy, the contact portion 212 is a very accurate sphere, or the contact portion 212 from the reference sphere is based on the result of measuring a master (reference sphere or the like) as a reference. The deviation must be corrected.

しかしながら、接触部212を真球に形成することは困難である。また、被測定物表面を測定する際に求められる測定精度が高度化する近年にあっては、求められる測定精度以上の精度で較正されたマスタ(基準球)を常に入手することは困難であり、また、基準球の真球度にも限界がある。したがって、測定精度を保証するには、接触部212のうちのどの点で被測定物に当接するかを限定する必要があり、この点においても従来では略平面である被測定物に測定対象が限定されていた。   However, it is difficult to form the contact portion 212 in a true sphere. In recent years, when the measurement accuracy required when measuring the surface of an object to be measured has been advanced, it is difficult to always obtain a master (reference sphere) calibrated with an accuracy higher than the required measurement accuracy. There is also a limit to the sphericity of the reference sphere. Therefore, in order to guarantee the measurement accuracy, it is necessary to limit at which point of the contact portion 212 the object to be measured comes into contact. It was limited.

本発明の目的は、傾斜を有する被測定物表面を高精度に倣い測定する表面性状測定装置を提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a surface property measuring apparatus that measures the surface of an object to be measured with a high degree of accuracy.

本発明の表面性状測定装置は、被測定物表面に接触する接触部を先端に有するスタイラスおよび前記接触部が被測定物表面に当接した際のスタイラス軸方向の測定力を検出する測定力検出手段を有し前記被測定物表面を倣い走査する測定部と、前記測定力を一定にしながら前記測定部を前記被測定物表面に対して相対移動させる移動機構と、を備え、前記移動機構は、前記接触部を回転中心として前記測定部を回転させて前記スタイラスを前記被測定物表面に垂直にする回転機構を備えることを特徴とする。   The surface texture measuring device according to the present invention includes a stylus having a contact portion that contacts the surface of the object to be measured, and a measuring force detection that detects a measuring force in the stylus axial direction when the contact portion contacts the surface of the object to be measured. And a measuring unit that scans and scans the surface of the object to be measured, and a moving mechanism that moves the measuring unit relative to the surface of the object to be measured while keeping the measuring force constant. And a rotation mechanism that rotates the measurement unit with the contact portion as a rotation center so that the stylus is perpendicular to the surface of the object to be measured.

このような構成において、移動機構により測定部が被測定物表面を倣い走査する。このとき、スタイラス軸方向に作用する測定力が測定力検出手段にて検出され、この測定力を一定とするように移動機構は測定部を移動させる。倣い走査中に、回転機構により測定部が回転調整されてスタイラスが被測定物表面に垂直になるように調整される。このようにしてスタイラスを被測定物表面に垂直とした状態で倣い走査が行われ、所定ピッチでサンプリングされる座標値により被測定物の表面形状が求められる。   In such a configuration, the measuring unit scans the surface of the object to be measured by the moving mechanism. At this time, the measurement force acting in the stylus axis direction is detected by the measurement force detection means, and the moving mechanism moves the measurement unit so that the measurement force is constant. During the scanning, the measurement unit is rotated and adjusted by the rotation mechanism so that the stylus is perpendicular to the surface of the object to be measured. In this way, scanning is performed with the stylus perpendicular to the surface of the object to be measured, and the surface shape of the object to be measured is obtained from the coordinate values sampled at a predetermined pitch.

このような構成によれば、回転機構を備えているので、測定部を回転させてスタイラスを被測定物表面に対して垂直にすることができる。
例えば、被測定物表面が傾斜を有する場合であっても、回転機構による測定部の回転角度調整によりスタイラスを被測定物表面に対して垂直にすることができる。スタイラスが被測定物表面に対して垂直となるように調整されることにより、測定力検出手段は接触部と被測定物表面との間に作用する測定力を正確に検出することができる。測定力検出手段により測定力を正確に検出できることにより、測定力を一定とする倣い測定を高精度に行うことができ、さらに、傾斜を有する被測定物表面に対しても高精度な倣い測定を実行することができる。
According to such a configuration, since the rotation mechanism is provided, the measurement unit can be rotated to make the stylus perpendicular to the surface of the object to be measured.
For example, even when the surface of the object to be measured has an inclination, the stylus can be made perpendicular to the surface of the object to be measured by adjusting the rotation angle of the measurement unit by the rotation mechanism. By adjusting the stylus so that it is perpendicular to the surface of the object to be measured, the measuring force detecting means can accurately detect the measuring force acting between the contact portion and the surface of the object to be measured. Since the measuring force can be accurately detected by the measuring force detecting means, it is possible to perform a high-precision scanning measurement with a constant measuring force, and also to perform a high-accuracy scanning measurement even on the surface of the object having an inclination. Can be executed.

回転機構による測定部の回転において、回転の中心は接触部であるので、回転機構によって測定部が回転されても接触部は変位しない。よって、回転機構による測定部の回転が行われても接触部が被測定物表面に当接している接触点(測定点)はずれない。したがって、倣い走査中に回転機構によって測定部を回転させて被測定物表面に対するスタイラスの角度を随時調整しながら倣い走査を継続することができる。   In the rotation of the measurement part by the rotation mechanism, the center of rotation is the contact part, so that the contact part is not displaced even if the measurement part is rotated by the rotation mechanism. Therefore, even if the measurement unit is rotated by the rotation mechanism, the contact point (measurement point) where the contact unit is in contact with the surface of the object to be measured does not come off. Therefore, the scanning scanning can be continued while adjusting the angle of the stylus with respect to the surface of the object to be measured by rotating the measuring unit by the rotating mechanism during the scanning scanning.

回転機構によって測定部が回転されることによりスタイラスが被測定物表面に対して垂直となるので、接触部はスタイラス軸方向から被測定物表面に当接することになる。接触部が被測定物表面に当接する方向がスタイラス軸方向からのみに限定されるので、接触部が被測定物表面と接する点が一点に限定される。よって、接触部の全体を高精度の真球にしたり、接触部の全体を高精度に較正する必要がなくなるので、測定作業の簡便化および低コスト化を図ることができる。
また、被測定物表面に接する一点についてのみ接触部の較正を行うことで測定精度を向上させることができる。
Since the measurement unit is rotated by the rotation mechanism, the stylus becomes perpendicular to the surface of the object to be measured, so that the contact part comes into contact with the surface of the object to be measured from the stylus axis direction. Since the direction in which the contact portion contacts the surface of the object to be measured is limited only from the stylus axis direction, the point where the contact portion contacts the surface of the object to be measured is limited to one point. Therefore, it is not necessary to make the entire contact portion into a highly accurate sphere or to calibrate the entire contact portion with high accuracy, so that the measurement operation can be simplified and the cost can be reduced.
Further, the measurement accuracy can be improved by calibrating the contact portion only at one point in contact with the surface of the object to be measured.

なお、回転機構による測定部の回転は、予め決められた一平面内における回転であってもよく、あるいは、一平面内における回転に限定されず、接触部を含む総ての面内において回転可能であってもよい。   Note that the rotation of the measurement unit by the rotation mechanism may be rotation within a predetermined plane, or is not limited to rotation within one plane, and can be rotated in all planes including the contact portion. It may be.

本発明では、前記移動機構の駆動量を所定のサンプリングピッチでサンプリングするカウンタと、カウンタのカウント値に基づいて被測定物表面の法線の角度を算出するとともに前記スタイラスを前記法線と平行するための調整角度を算出する調整角度算出部と、を備えることが好ましい。   In the present invention, a counter that samples the driving amount of the moving mechanism at a predetermined sampling pitch, a normal angle of the surface of the object to be measured is calculated based on the count value of the counter, and the stylus is parallel to the normal line It is preferable to include an adjustment angle calculation unit that calculates an adjustment angle.

このような構成において、調整角度算出部により被測定物表面の法線が算出される。そして、この被測定物表面の法線とスタイラスとの角度差が調整角度として算出される。この調整角度分だけ回転機構により測定部が回転されることにより、スタイラスが被測定物表面に垂直になるように調整される。倣い走査の実行中に取得したカウント値に基づいて調整角度を算出できるので、スタイラスが被測定物表面に垂直になるように随時調整しながら倣い走査を実行することができる。   In such a configuration, the normal of the surface of the object to be measured is calculated by the adjustment angle calculation unit. Then, the angle difference between the normal of the surface of the object to be measured and the stylus is calculated as the adjustment angle. The measurement unit is rotated by the rotation mechanism by this adjustment angle, so that the stylus is adjusted to be perpendicular to the surface of the object to be measured. Since the adjustment angle can be calculated based on the count value acquired during the execution of the scanning scan, the scanning scanning can be executed while adjusting the stylus so as to be perpendicular to the surface of the object to be measured.

本発明では、前記調整角度算出部は、現在の測定点と前の測定点とを結んだ直線に垂直な線に基づいて現在の測定点における前記被測定物表面の法線を算出することが好ましい。   In the present invention, the adjustment angle calculation unit may calculate a normal of the surface of the object to be measured at the current measurement point based on a line perpendicular to a straight line connecting the current measurement point and the previous measurement point. preferable.

このような構成において、調整角度算出部により現在の測定点と前の測定点とを結んだ直線が算出される。そして、現在の測定点における前記直線の垂線が算出される。現在の測定点と前の測定点とのサンプリングピッチが短ければ、現在の測定点と前の測定点とを結んだ直線は現在の測定点における被測定物表面の曲率円の接線に近似する直線となる。したがって、この直線の垂線により、現在の測定点における被測定物表面の法線に近似した直線を求めることができる。
そして、前記垂線とスタイラスとが平行となるように回転機構によって測定部を回転させることでスタイラスを被測定物表面に対して垂直にすることができる。
In such a configuration, the adjustment angle calculation unit calculates a straight line connecting the current measurement point and the previous measurement point. Then, the perpendicular of the straight line at the current measurement point is calculated. If the sampling pitch between the current measurement point and the previous measurement point is short, the straight line connecting the current measurement point and the previous measurement point is a straight line that approximates the tangent of the curvature circle on the surface of the object to be measured at the current measurement point. It becomes. Therefore, a straight line that approximates the normal of the surface of the object to be measured at the current measurement point can be obtained from the perpendicular of the straight line.
Then, the stylus can be made perpendicular to the surface of the object to be measured by rotating the measurement unit with a rotation mechanism so that the perpendicular line and the stylus are parallel to each other.

なお、現在の測定点と一つ前の測定点とに基づいて被測定物表面の法線を求めてもよく、あるいは、現在の測定点と現在の測定点からみて過去の複数の測定点とに基づいて被測定物表面の法線を算出してもよい。   The normal of the surface of the object to be measured may be obtained based on the current measurement point and the previous measurement point, or a plurality of past measurement points in view of the current measurement point and the current measurement point. The normal of the surface of the object to be measured may be calculated based on the above.

また、被測定物の設計データ等に基づいて被測定物表面の形状データを予め調整角度算出部に設定入力し、被測定物表面上の各点においてスタイラスを被測定物表面に対して垂直にするための調整角度を予め求めておいてもよい。
そして、倣い測定の実行中には、予め算出した調整角度を逐次読み出すとともに回転機構により測定部を回転させてもよい。
In addition, shape data of the surface of the object to be measured is set and inputted in advance to the adjustment angle calculation unit based on design data of the object to be measured, and the stylus is perpendicular to the surface of the object to be measured at each point on the surface of the object to be measured. You may obtain | require beforehand the adjustment angle for doing.
During the scanning measurement, the adjustment angle calculated in advance may be read sequentially and the measurement unit may be rotated by the rotation mechanism.

本発明では、前記測定力検出手段は、前記スタイラスを軸方向に固有振動数で定常振動させる加振手段と、前記スタイラスの振動変化を検出して検出信号を出力する検出手段と、を備えることが好ましい。   In the present invention, the measurement force detection means includes: an excitation means that causes the stylus to vibrate at a natural frequency in the axial direction; and a detection means that detects a change in vibration of the stylus and outputs a detection signal. Is preferred.

このような構成において、加振手段によりスタイラスが軸方向に振動される。
そして、接触部が被測定物表面に接触すると、スタイラスの振動が束縛されて振動が小さくなる。このスタイラスの振動変化が検出手段によって検出される。
このような構成によれば、スタイラスの軸方向の振動を束縛する力、すなわち、スタイラスの軸方向からスタイラスに作用する力を検出することができる。そして、回転機構によりスタイラスが被測定物表面に垂直になる状態が維持されるので、倣い走査において測定力はスタイラス軸方向に作用する。したがって、倣い走査中の測定力を高精度に検出することができ、測定力を一定とする倣い測定を高精度に実行することができる。
In such a configuration, the stylus is vibrated in the axial direction by the vibration means.
And when a contact part contacts the to-be-measured object surface, the vibration of a stylus will be restrained and a vibration will become small. This vibration change of the stylus is detected by the detecting means.
According to such a configuration, it is possible to detect a force that constrains vibration in the axial direction of the stylus, that is, a force that acts on the stylus from the axial direction of the stylus. Since the rotation mechanism maintains the state in which the stylus is perpendicular to the surface of the object to be measured, the measuring force acts in the stylus axis direction in the scanning. Therefore, it is possible to detect the measurement force during the scanning scan with high accuracy, and it is possible to execute the scanning measurement with a constant measurement force with high accuracy.

本発明では、前記移動手段は、前記測定部を微小変位させる微動機構と、前記微動機構とともに前記測定部を前記微動機構よりも大変位させる粗動機構と、を備えることが好ましい。   In the present invention, it is preferable that the moving means includes a fine movement mechanism that slightly displaces the measurement unit, and a coarse movement mechanism that displaces the measurement unit together with the fine movement mechanism more than the fine movement mechanism.

ここで、例えば、微動機構としては応答速度が速い駆動機構であることが望ましく、例えば、圧電素子を用いた圧電アクチュエータが例として挙げられる。
また、粗動機構としては、電磁アクチュエータを用いることが例として挙げられる。
Here, for example, it is desirable that the fine movement mechanism is a drive mechanism having a high response speed. For example, a piezoelectric actuator using a piezoelectric element can be given as an example.
An example of the coarse movement mechanism is an electromagnetic actuator.

このような構成によれば、微動機構と粗動機構とを備えているので、倣い測定において、被測定物表面の微小凹凸に対しては応答速度が速い微動機構にて接触部を迅速に微小変位させることができ、被測定物表面の大きな形状変化(うねり等)に対しては大きな変位を許容できる粗動機構によって対応できる。その結果、接触部を高精度かつ高速に被測定物表面に沿って倣い移動させることができる。   According to such a configuration, since the fine movement mechanism and the coarse movement mechanism are provided, in the scanning measurement, the contact portion is quickly minutely formed by the fine movement mechanism having a high response speed with respect to the minute unevenness on the surface of the object to be measured. It can be displaced, and can cope with a large shape change (swell or the like) on the surface of the object to be measured by a coarse motion mechanism that can tolerate a large displacement. As a result, the contact portion can be moved along the surface of the object to be measured with high accuracy and high speed.

以下、本発明の実施の形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
(第1実施形態)
本発明の表面性状測定装置に係る第1実施形態について説明する。
図1は、本発明の表面性状測定装置100に係る第1実施形態の構成を示す図である。
なお、第1実施形態としては、表面が略平らな被測定物を略水平に配置し、この被測定物表面Sの上方からプローブ200を被測定物表面Sにアプローチさせて測定する場合について説明する。
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be illustrated and described with reference to reference numerals attached to respective elements in the drawings.
(First embodiment)
A first embodiment according to the surface texture measuring apparatus of the present invention will be described.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a first embodiment according to the surface texture measuring apparatus 100 of the present invention.
In the first embodiment, a case is described in which a measurement object having a substantially flat surface is arranged substantially horizontally and the probe 200 is approached to the measurement object surface S from above the measurement object surface S for measurement. To do.

表面性状測定装置100は、被測定物表面Sに当接する測定部210を上下駆動機構220により上下方向に移動させながら被測定物表面Sを検出するプローブ200と、プローブ200を三次元的に移動させる三次元駆動機構300と、プローブ200を回転させてプローブ200を被測定物表面に対して垂直にする回転機構400と、上下駆動機構220を駆動制御する上下駆動機構制御部500と、全体の動作制御を行うコントローラ部600と、を備えている。   The surface texture measuring apparatus 100 includes a probe 200 that detects the surface of the object to be measured S while moving the measuring unit 210 in contact with the surface of the object to be measured S in the vertical direction by the vertical drive mechanism 220, and the probe 200 is moved in three dimensions. A three-dimensional drive mechanism 300 to be rotated, a rotation mechanism 400 that rotates the probe 200 to make the probe 200 perpendicular to the surface of the object to be measured, a vertical drive mechanism control unit 500 that drives and controls the vertical drive mechanism 220, And a controller unit 600 that performs operation control.

プローブ200は、被測定物表面Sに接触して被測定物表面Sに対する測定力を検出する測定部210と、被測定物表面Sの形状に応じて測定部210を上下動させる上下駆動機構220と、測定部210の上下変位量を検出する変位量検出センサ230と、を備える。   The probe 200 is in contact with the measurement object surface S to detect a measurement force on the measurement object surface S, and a vertical drive mechanism 220 that moves the measurement unit 210 up and down according to the shape of the measurement object surface S. And a displacement amount detection sensor 230 that detects the amount of vertical displacement of the measurement unit 210.

測定部210は、背景技術で説明した加振型接触式プローブ200であり、
先端に接触部212を有するスタイラス211と、このスタイラス211を支持するスタイラスホルダ213と、スタイラス211を軸方向に固有振動数で定常振動させる加振手段214と、スタイラス211の振動変化を検出して測定力信号を出力する検出手段217と、を備える。
加振手段214は、スタイラスホルダ213に設けられスタイラス211を振動させる圧電素子215と、この圧電素子215に所定周波数の出力信号(パルスあるいは正弦波信号など)を印加する加振回路216と、を備える。
検出手段217は、スタイラス211の振動を電圧変換する圧電素子218と、
この圧電素子218からの電圧を検出して測定力信号を出力する測定力検出回路219と、を備える。
The measurement unit 210 is the vibration contact probe 200 described in the background art.
A stylus 211 having a contact portion 212 at the tip; a stylus holder 213 that supports the stylus 211; a vibration means 214 that oscillates the stylus 211 at a natural frequency in the axial direction; and a vibration change of the stylus 211 is detected. Detecting means 217 for outputting a measuring force signal.
The vibration means 214 includes a piezoelectric element 215 that is provided in the stylus holder 213 and vibrates the stylus 211, and an excitation circuit 216 that applies an output signal (pulse or sine wave signal or the like) having a predetermined frequency to the piezoelectric element 215. Prepare.
The detection means 217 includes a piezoelectric element 218 that converts the vibration of the stylus 211 into a voltage,
A measurement force detection circuit 219 that detects a voltage from the piezoelectric element 218 and outputs a measurement force signal.

測定力検出回路219は、圧電素子218からの電圧を検出するところ、接触部212がフリーで振動する状態で検出される電圧と、被測定物表面Sに接触して接触部212が束縛された状態で検出される電圧との差分を接触部212が被測定物表面Sから受けている測定力の情報として出力する。
例えば、図8を参照すると、非接触の時の電圧レベルL1から所定測定力で接触部212を被測定物表面Sに押し込んだときの電圧レベルである参照値L2を減じた値が測定力検出回路219で検出される測定力である。
When the measuring force detection circuit 219 detects the voltage from the piezoelectric element 218, the voltage detected when the contact portion 212 vibrates freely, and the contact portion 212 is constrained by contact with the surface S to be measured. The difference from the voltage detected in the state is output as information on the measuring force that the contact portion 212 receives from the surface S of the object to be measured.
For example, referring to FIG. 8, a value obtained by subtracting a reference value L2 that is a voltage level when the contact portion 212 is pushed into the surface S of the object to be measured with a predetermined measurement force from the voltage level L1 at the time of non-contact is detected by the measurement force The measurement force detected by the circuit 219.

上下駆動機構220は、測定部210を微小範囲で変位させる微動機構221と、この微動機構221とともに測定部210を大変位させる粗動機構222と、を備える。そして、応答速度が速い微動機構221と可動範囲が大きい粗動機構222とにより、被測定物表面の微小な凹凸には微動機構221にて迅速に対応し、うねり等の大きな変化には粗動機構222で対応して、倣い測定の際に接触部212を被測定物表面に沿って高精度かつ迅速に倣い移動させる。   The vertical drive mechanism 220 includes a fine movement mechanism 221 that displaces the measurement unit 210 in a very small range, and a coarse movement mechanism 222 that displaces the measurement unit 210 together with the fine movement mechanism 221. Then, the fine movement mechanism 221 having a fast response speed and the coarse movement mechanism 222 having a large movable range allow the fine movement mechanism 221 to quickly cope with minute irregularities on the surface of the object to be measured, and coarse movement to a large change such as swell. Corresponding with the mechanism 222, the contact portion 212 is moved along the surface of the object to be measured with high accuracy and quickly at the time of scanning measurement.

微動機構221は、例えば圧電素子で構成され、粗動機構222の可動部223に取り付けられる。
測定部210は、微動機構221の下端により支持されている。
The fine movement mechanism 221 is composed of, for example, a piezoelectric element, and is attached to the movable portion 223 of the coarse movement mechanism 222.
Measurement unit 210 is supported by the lower end of fine movement mechanism 221.

粗動機構222は、例えば、筐体であるハウジング224に固定された永久磁石とこの磁石の磁界中を上下方向に移動する可動コイルとを備えた電磁アクチュエータで構成される。そして、この場合、可動コイルには可動コイルと一体的に移動する可動部223が設けられる。   The coarse movement mechanism 222 is configured by, for example, an electromagnetic actuator including a permanent magnet fixed to a housing 224 that is a casing and a movable coil that moves in the vertical direction in the magnetic field of the magnet. In this case, the movable coil is provided with a movable portion 223 that moves integrally with the movable coil.

変位量検出センサ230は、測定部210と一体となって上下動するスケール231と、スケール231の変位を検出する検出ヘッド232と、を備えたリニアエンコーダで構成されている。変位量検出センサ230は、ハウジング224に対する測定部210の変位量を検出する。すなわち、変位量検出センサ230は、粗動機構222および微動機構221の合成変位量を検出することになる。
変位量検出センサ230による検出結果は変位量信号として出力される。
The displacement amount detection sensor 230 includes a linear encoder that includes a scale 231 that moves up and down integrally with the measurement unit 210 and a detection head 232 that detects the displacement of the scale 231. The displacement amount detection sensor 230 detects the displacement amount of the measurement unit 210 with respect to the housing 224. That is, the displacement amount detection sensor 230 detects the combined displacement amount of the coarse movement mechanism 222 and the fine movement mechanism 221.
The detection result by the displacement detection sensor 230 is output as a displacement signal.

三次元駆動機構300は、(図1には明示しないが)背景技術において説明した構成と同様であり(図5参照)、X、YおよびZ方向スライド機構を備えたものが利用される。
具体的には、三次元駆動機構300は、載物台310に対して前後にスライド移動可能に立設された門型フレーム320と、この門型フレーム320の梁部321を左右にスライド移動可能に設けられたZコラム330と、このZコラム330内を上下にスライド可能に設けられたZスピンドル340と、を備える。
このZスピンドル340にプローブ200が回転機構400を介して取り付けられる。また、三次元駆動機構300の各軸には駆動量を検出するエンコーダ(不図示)が設けられている。
The three-dimensional drive mechanism 300 has the same configuration as that described in the background art (not explicitly shown in FIG. 1) (see FIG. 5), and one having an X, Y, and Z direction slide mechanism is used.
Specifically, the three-dimensional drive mechanism 300 is slidable to the left and right through a portal frame 320 erected so as to be slidable back and forth with respect to the mounting table 310 and a beam portion 321 of the portal frame 320. And a Z spindle 340 slidable up and down in the Z column 330.
The probe 200 is attached to the Z spindle 340 via the rotation mechanism 400. Each axis of the three-dimensional drive mechanism 300 is provided with an encoder (not shown) that detects a drive amount.

回転機構400は、図2に示されるように、Zスピンドル340の側面に設けられた円弧形状のガイドレール410と、プローブ200に設けられガイドレール410に沿って摺動可能であるスライダ420と、を備える。
ガイドレール410は、円弧状であって、この円弧は、接触部212を中心とする円Cの一部である。
なお、この円弧の半径rとしては、粗動機構222および微動機構221の変位量がゼロである状態でガイドレール410の取り付け位置から接触部212までの長さを半径にとる。
スライダ420は、ガイドレール410に跨乗するように設けられている(図1参照)。このスライダ420がガイドレール410を摺動すると、接触部212を回転中心としてプローブ200が回動し、プローブ200が傾斜する。そして、ガイドレール410とスライダ420との間には、スライダ420のスライド量を検出するエンコーダが設けられている。
As shown in FIG. 2, the rotating mechanism 400 includes an arc-shaped guide rail 410 provided on the side surface of the Z spindle 340, a slider 420 provided on the probe 200 and slidable along the guide rail 410, Is provided.
The guide rail 410 has an arc shape, and this arc is a part of a circle C centered on the contact portion 212.
The radius r of this arc is the length from the mounting position of the guide rail 410 to the contact portion 212 in a state where the displacement amounts of the coarse motion mechanism 222 and the fine motion mechanism 221 are zero.
The slider 420 is provided so as to straddle the guide rail 410 (see FIG. 1). When the slider 420 slides on the guide rail 410, the probe 200 rotates about the contact portion 212 as the center of rotation, and the probe 200 tilts. An encoder that detects the sliding amount of the slider 420 is provided between the guide rail 410 and the slider 420.

ここに、上下駆動機構220と、三次元駆動機構300と、回転機構400と、により移動機構が構成されている。
また、加振手段214と検出手段217とにより測定力検出手段が構成されている。
Here, the vertical drive mechanism 220, the three-dimensional drive mechanism 300, and the rotation mechanism 400 constitute a moving mechanism.
Further, the vibrating means 214 and the detecting means 217 constitute a measuring force detecting means.

上下駆動機構制御部500は、微動機構221を駆動制御する微動機構制御部510と、粗動機構222を駆動制御する粗動機構制御部520と、を備える。   The vertical drive mechanism control unit 500 includes a fine movement mechanism control unit 510 that drives and controls the fine movement mechanism 221, and a coarse movement mechanism control unit 520 that drives and controls the coarse movement mechanism 222.

微動機構制御部510は、測定力検出回路219で検出される測定力を指定測定力で一定にするための微動機構221の変位量を微動変位情報算出回路511で算出し、微動機構駆動回路512を介して微動機構221に電圧等の制御信号を印加する。
粗動機構制御部520は、微動機構221の変位量が予め決められたバランス変位となるための粗動機構222の変位量を算出して、粗動機構駆動アンプ550を介して粗動機構222に電流等の制御信号を印加する。
The fine movement mechanism control unit 510 calculates a displacement amount of the fine movement mechanism 221 for making the measurement force detected by the measurement force detection circuit 219 constant at the specified measurement force, by the fine movement displacement information calculation circuit 511, and the fine movement mechanism drive circuit 512. A control signal such as a voltage is applied to the fine movement mechanism 221 via.
The coarse movement mechanism control unit 520 calculates the displacement amount of the coarse movement mechanism 222 that causes the displacement amount of the fine movement mechanism 221 to be a predetermined balance displacement, and the coarse movement mechanism 222 via the coarse movement mechanism drive amplifier 550. A control signal such as current is applied to.

なお、微動機構制御部510は、測定力比較器513、微動変位情報算出回路511および微動機構駆動回路512により測定力を指定作用力で一定とするためのフィードバックループとなっている。
また、粗動機構制御部520は、位置比較器531と位置補償器532とを有する粗動変位制御部530から粗動速度制御部540を経由して粗動機構駆動アンプ550に至る位置の制御ループと、プローブカウンタ541から変位比較器542、微分回路543、速度比較器544を経由して速度補償器545に至る速度の制御ループと、を備えている。
Fine movement mechanism control unit 510 is a feedback loop for making measurement force constant at a specified acting force by means of measurement force comparator 513, fine movement displacement information calculation circuit 511, and fine movement mechanism drive circuit 512.
The coarse movement mechanism control section 520 controls the position from the coarse movement displacement control section 530 having the position comparator 531 and the position compensator 532 to the coarse movement mechanism drive amplifier 550 via the coarse movement speed control section 540. A loop, and a speed control loop from the probe counter 541 to the speed compensator 545 via the displacement comparator 542, the differentiation circuit 543, and the speed comparator 544.

コントローラ部600は、三次元駆動機構制御部610と、カウンタ部620と、形状解析部630と、調整角度算出部640と、回転機構制御部650と、CPU660と、を備えている。   The controller unit 600 includes a three-dimensional drive mechanism control unit 610, a counter unit 620, a shape analysis unit 630, an adjustment angle calculation unit 640, a rotation mechanism control unit 650, and a CPU 660.

三次元駆動機構制御部610は、三次元駆動機構300を駆動制御してプローブ200をX方向、Y方向およびZ方向に移動させる。
例えば、倣い測定を実行する場合には、プローブ200を所定の倣い方向に向けて移動させる。
The three-dimensional drive mechanism control unit 610 controls the three-dimensional drive mechanism 300 to move the probe 200 in the X direction, the Y direction, and the Z direction.
For example, when performing scanning measurement, the probe 200 is moved in a predetermined scanning direction.

カウンタ部620は、三次元カウンタ621と、回転量カウンタ622と、を備える。
三次元カウンタ621は、三次元駆動機構300の駆動量をX方向、Y方向、Z方向でそれぞれカウントする。
回転量カウンタ622は、スライダ420の変位量を検出することによりプローブ200の回転角度をカウントする。
The counter unit 620 includes a three-dimensional counter 621 and a rotation amount counter 622.
The three-dimensional counter 621 counts the driving amount of the three-dimensional drive mechanism 300 in the X direction, the Y direction, and the Z direction.
The rotation amount counter 622 counts the rotation angle of the probe 200 by detecting the displacement amount of the slider 420.

形状解析部630は、プローブカウンタ541およびカウンタ部620にてカウントされる上下駆動機構220、三次元駆動機構300および回転機構400の駆動量に基づいて被測定物表面形状を算出する。
すなわち、形状解析部630は、上下駆動機構220、三次元駆動機構300の駆動量を合成して接触部212の変位量を算出するとともに、プローブ200の回転角に基づいて接触部212の変位量を補正して接触部212の移動軌跡を算出する。
この接触部212の移動軌跡が被測定物表面形状となる。
The shape analysis unit 630 calculates the surface shape of the object to be measured based on the drive amounts of the vertical drive mechanism 220, the three-dimensional drive mechanism 300, and the rotation mechanism 400 counted by the probe counter 541 and the counter unit 620.
That is, the shape analysis unit 630 calculates the displacement amount of the contact unit 212 by combining the drive amounts of the vertical drive mechanism 220 and the three-dimensional drive mechanism 300, and the displacement amount of the contact unit 212 based on the rotation angle of the probe 200. Is corrected to calculate the movement locus of the contact portion 212.
The movement trajectory of the contact portion 212 becomes the surface shape of the object to be measured.

調整角度算出部640は、プローブ200は被測定物表面に対して垂直にするためにプローブ200を回転させる調整角度を算出する。調整角度算出部640は、まず、現在の測定点と前の測定点とを結んだ直線に垂直な線によって現在の測定点における被測定物表面の法線を算出する。そして、算出された被測定物表面の法線とスタイラス211と平行にするために必要なプローブ200の回転角度を調整角度として算出する。   The adjustment angle calculation unit 640 calculates an adjustment angle for rotating the probe 200 so that the probe 200 is perpendicular to the surface of the object to be measured. First, the adjustment angle calculation unit 640 calculates the normal of the surface of the object to be measured at the current measurement point using a line perpendicular to the straight line connecting the current measurement point and the previous measurement point. Then, the rotation angle of the probe 200 necessary for making the calculated normal to the surface of the object to be measured parallel to the stylus 211 is calculated as an adjustment angle.

例えば、図3は、プローブ200が点Pから点Pに移動した状態を示す図である。点Pから点Pに移動して、現在の測定点であるP1においてスタイラス211を被測定物表面に対して垂直にする場合について説明する。
まず、一つ前の測定点ある点Pと現在の測定点である点Pとを結ぶ直線lを算出する。
次に、この直線lに対して点P1における垂線nを算出する。
そして、現在のプローブ200と垂線nとのなす角θを求める。
この角θが点Pにおける調整角度となる。
For example, FIG. 3 is a diagram illustrating a state in which the probe 200 has moved from the point P 0 to the point P 1 . A case will be described in which the point P 0 is moved to the point P 1 and the stylus 211 is made perpendicular to the surface of the object to be measured at the current measurement point P 1 .
First, a straight line l 1 connecting the point P 0 that is the previous measurement point and the point P 1 that is the current measurement point is calculated.
Next, the perpendicular n 1 at the point P1 is calculated with respect to the straight line l 1 .
Then, an angle θ 1 formed by the current probe 200 and the perpendicular n 1 is obtained.
This angle θ 1 is the adjustment angle at the point P 1 .

回転機構制御部650は、回転機構400を駆動制御してプローブ200を調整角度に応じて回転させる。すなわち、回転機構制御部650は、調整角度算出部640にて算出された調整角度に従って回転機構400を駆動させてプローブ200を被測定物表面に対して垂直にする。   The rotation mechanism control unit 650 drives and controls the rotation mechanism 400 to rotate the probe 200 according to the adjustment angle. That is, the rotation mechanism control unit 650 drives the rotation mechanism 400 according to the adjustment angle calculated by the adjustment angle calculation unit 640 to make the probe 200 perpendicular to the surface of the object to be measured.

なお、CPU660は、コントローラ部600を制御するとともに、測定力比較器513に向けて倣い指定測定力の指令を出力する。   The CPU 660 controls the controller unit 600 and outputs a copy designation measuring force command to the measuring force comparator 513.

このような構成を備える第1実施形態の動作を説明する。
まず、測定力比較器513に入力する指定測定力と、位置比較器531に入力する微動機構221のバランス変位量を設定する。そして、三次元駆動機構制御部610による駆動制御にて三次元駆動機構300が駆動され、接触部212が被測定物表面に当接した状態で移動する。このとき、被測定物の設計データおよび倣い測定における測定部位等のデータが三次元駆動制御部に予め入力されており、プローブ200が被測定物表面を倣い走査するように三次元駆動機構制御部610により三次元駆動機構300は制御される。測定力検出回路219にて測定力が検出される。この検出される測定力が指定測定力で一定となるように上下駆動機構220(微動機構221、粗動機構222)が上下駆動機構制御部500によって駆動制御され、測定部210が被測定物表面の凹凸に従って上下動される。
The operation of the first embodiment having such a configuration will be described.
First, the designated measurement force input to the measurement force comparator 513 and the balance displacement amount of the fine movement mechanism 221 input to the position comparator 531 are set. Then, the three-dimensional drive mechanism 300 is driven by the drive control by the three-dimensional drive mechanism control unit 610, and the contact unit 212 moves while being in contact with the surface of the object to be measured. At this time, design data of the object to be measured and data such as a measurement site in the scanning measurement are input to the three-dimensional drive control unit in advance, and the three-dimensional drive mechanism control unit so that the probe 200 scans the surface of the object to be measured. The three-dimensional drive mechanism 300 is controlled by 610. The measuring force is detected by the measuring force detection circuit 219. The vertical drive mechanism 220 (fine movement mechanism 221 and coarse movement mechanism 222) is driven and controlled by the vertical drive mechanism control section 500 so that the detected measurement force becomes constant at the specified measurement force, and the measurement section 210 is measured on the surface of the object to be measured. It is moved up and down according to the unevenness.

ここで、測定力検出回路219は、スタイラス211の軸方向に作用する測定力のみを検出可能であるため、倣い走査中にスタイラス211が被測定物表面に対して垂直になるように回転機構400によりプローブ200が回転駆動される。   Here, since the measuring force detection circuit 219 can detect only the measuring force acting in the axial direction of the stylus 211, the rotating mechanism 400 is arranged so that the stylus 211 is perpendicular to the surface of the object to be measured during the scanning. Thus, the probe 200 is rotationally driven.

図3および図4を参照して、被測定物表面の傾斜に応じてプローブ角度が調整される動作について説明する。
図3および図4において、プローブ200は、点P→点P→点Pの順に被測定物表面を測定したとする。
図3において、点Pから点Pにプローブ200が移動する際には、まず、点Pの位置でプローブ200が被測定物表面に対して垂直である状態からスタートする。三次元駆動機構300および上下駆動機構220(微動機構221、粗動機構222)により次の測定点である点Pまで測定力一定で倣い走査が行われる。
点Pに至ったところで、点Pの座標値が検出される。すなわち、三次元カウンタ621でカウントされる三次元駆動機構300の駆動量とプローブカウンタ541でカウントされる上下駆動機構220の駆動量が形状解析部630により合成されて点Pの座標値が求められる。
With reference to FIG. 3 and FIG. 4, the operation | movement in which a probe angle is adjusted according to the inclination of the to-be-measured object surface is demonstrated.
3 and 4, it is assumed that the probe 200 measures the surface of the object to be measured in the order of point P 0 → point P 1 → point P 2 .
In FIG. 3, when the probe 200 moves from the point P 0 to the point P 1 , first, the probe 200 starts from a state where the probe 200 is perpendicular to the surface of the object to be measured at the point P 0 . Three-dimensional drive mechanism 300 and the vertical movement drive mechanism 220 (the fine feed mechanism 221, the coarse feed mechanism 222) scanning scanning at constant measuring force to the point P 1 is the next measurement point is performed by.
Now that led to the point P 1, the coordinate value of the point P 1 is detected. That is, the driving amount of the three-dimensional driving mechanism 300 counted by the three-dimensional counter 621 and the driving amount of the vertical driving mechanism 220 counted by the probe counter 541 are combined by the shape analysis unit 630 to obtain the coordinate value of the point P 1. It is done.

点Pにおいて、プローブ200の角度が被測定物表面に垂直になるように調整される。このとき、一つ前の測定点である点Pの座標値と現在の測定点である点Pの座標値が形状解析部630から調整角度算出部640に出力される。
そして、調整角度算出部640において、まず、点Pと点Pとを結ぶ直線lが算出される。
続いて、調整角度算出部640において、点Pにおける直線lの垂線nが算出される。そして、この垂線nとプローブ200との角度差θが調整角度として算出される。
At the point P 1, the angle of the probe 200 is adjusted to be perpendicular to the workpiece surface. At this time, the coordinate value of the point P 0 that is the previous measurement point and the coordinate value of the point P 1 that is the current measurement point are output from the shape analysis unit 630 to the adjustment angle calculation unit 640.
Then, the adjustment angle calculation unit 640 first calculates a straight line l 1 that connects the point P 0 and the point P 1 .
Subsequently, the adjustment angle calculation unit 640 calculates a perpendicular line n 1 of the straight line l 1 at the point P 1 . Then, the angle difference θ 1 between the perpendicular n 1 and the probe 200 is calculated as the adjustment angle.

算出された調整角度θは回転機構制御部650に出力される。回転機構制御部650は、調整角度θだけ回転機構400を駆動させ、スライダ420をスライド移動させる。すると、点Pの位置でプローブ200が接触部212を中心として回転し、プローブ200が被測定物表面に対して垂直になる。 The calculated adjustment angle θ 1 is output to the rotation mechanism control unit 650. The rotation mechanism control unit 650 drives the rotation mechanism 400 by the adjustment angle θ 1 and slides the slider 420. Then, rotating the probe 200 at the position of the point P 1 is about the contact portion 212, the probe 200 is perpendicular to the workpiece surface.

なお、プローブ200が接触部212を中心とした回転運動を行うため、回転機構制御部650が回転機構400を駆動するのは、回転機構400が接触部212までの距離が回転機構400の駆動半径rに等しいときであり、すなわち、粗動機構222および微動機構221の変位量がゼロであるときである。
したがって、必要に応じて、回転機構400の駆動の前に上下駆動機構220が駆動されて接触部212と回転機構400との距離が調整される。
In addition, since the probe 200 performs a rotational motion around the contact portion 212, the rotation mechanism control unit 650 drives the rotation mechanism 400 because the distance from the rotation mechanism 400 to the contact portion 212 is the driving radius of the rotation mechanism 400. This is when r is equal to r, that is, when the amount of displacement of the coarse movement mechanism 222 and the fine movement mechanism 221 is zero.
Therefore, the vertical drive mechanism 220 is driven before the rotation mechanism 400 is driven to adjust the distance between the contact portion 212 and the rotation mechanism 400 as necessary.

このように点Pでプローブ200が被測定物表面に垂直になった状態で、次にプローブ200が点Pに倣い移動される。そして、点Pにおいて座標値が検出されるとともに、点Pにおいてプローブ200が被測定物表面に垂直になるようにプローブ200の角度が調整される。すなわち、調整角度算出部640によって点Pと点Pとを結ぶ直線lが算出され、点Pにおけるこの直線lの垂線nが算出される。そして、調整角度算出部640により垂線nとプローブ200との角度差θが算出されて、この角度差θに基づいてプローブ200が被測定物表面に対して垂直になるように回転機構制御部650により回転機構400が駆動される。 Thus the probe 200 at point P 1 is in a condition that the normal to the workpiece surface, then the probe 200 is moved Following the point P 2. Then, the coordinate values are detected at the point P 2, the angle of the probe 200 as the probe 200 at the point P 2 is perpendicular to the workpiece surface is adjusted. That is, the adjustment angle calculation unit 640 calculates a straight line l 2 connecting the point P 1 and the point P 2 and calculates a perpendicular line n 2 of the straight line l 2 at the point P 2 . Then, the adjustment angle calculation unit 640 calculates the angle difference θ 2 between the perpendicular n 2 and the probe 200, and the rotation mechanism so that the probe 200 is perpendicular to the surface of the object to be measured based on the angle difference θ 2. The rotation mechanism 400 is driven by the control unit 650.

このようにプローブ200による被測定物表面の倣い走査が行われ、三次元カウンタ621およびプローブカウンタ541のカウント値に基づいて形状解析部630により被測定物の表面形状が求められる。   In this way, the scanning of the surface of the object to be measured by the probe 200 is performed, and the surface shape of the object to be measured is obtained by the shape analysis unit 630 based on the count values of the three-dimensional counter 621 and the probe counter 541.

このような構成を備える第1実施形態によれば、次の効果を奏することができる。
(1)回転機構400を備えているので、プローブ200を回転させてスタイラス211を被測定物表面に対して垂直にすることができる。従って、被測定物表面が傾斜を有する場合であっても、回転機構400によるプローブ200の回転角度調整によりスタイラス211を被測定物表面に対して垂直にすることができる。スタイラス211を被測定物表面に対して垂直となるように調整することにより、接触部212と被測定物表面との間に作用する測定力を正確に検出することができる。測定力を正確に検出できることにより、測定力を一定とする倣い測定を高精度に行うことができ、さらに、傾斜を有する被測定物表面に対しても高精度な倣い測定を実行することができる。
According to 1st Embodiment provided with such a structure, there can exist the following effects.
(1) Since the rotation mechanism 400 is provided, the probe 200 can be rotated to make the stylus 211 perpendicular to the surface of the object to be measured. Therefore, even when the surface of the object to be measured has an inclination, the stylus 211 can be made perpendicular to the surface of the object to be measured by adjusting the rotation angle of the probe 200 by the rotation mechanism 400. By adjusting the stylus 211 to be perpendicular to the surface of the object to be measured, the measuring force acting between the contact portion 212 and the surface of the object to be measured can be accurately detected. Since the measuring force can be accurately detected, scanning measurement with a constant measuring force can be performed with high accuracy, and further, high-accuracy scanning measurement can be performed even on an object surface having an inclination. .

(2)回転機構400によるプローブ200の回転において、回転の中心を接触部212とするので、回転機構400によってプローブ200を回転しても接触部212が変位しない。よって、回転機構400によるプローブ200の回転を行っても接触部212が被測定物表面に当接している接触点(測定点)はずれない。したがって、倣い走査中に回転機構400によってプローブ200を回転させて被測定物表面に対するスタイラス211の角度を随時調整しながら倣い走査を継続することができる。 (2) When the probe 200 is rotated by the rotation mechanism 400, the center of rotation is the contact portion 212. Therefore, even if the probe 200 is rotated by the rotation mechanism 400, the contact portion 212 is not displaced. Therefore, even if the probe 200 is rotated by the rotation mechanism 400, the contact point (measurement point) where the contact portion 212 is in contact with the surface of the object to be measured does not come off. Accordingly, the scanning scan can be continued while the probe 200 is rotated by the rotating mechanism 400 during the scanning scanning and the angle of the stylus 211 with respect to the surface of the object to be measured is adjusted as needed.

(3)回転機構400によってプローブ200を回転することによりスタイラス211が被測定物表面に対して垂直となるので、接触部212はスタイラス軸方向から被測定物表面に当接することになる。接触部212が被測定物表面に当接する方向をスタイラス軸方向からのみに限定するので、接触部212が被測定物表面と接する点を一点に限定することができる。よって、接触部212の全体を高精度の真球にしたり、接触部212の全体を高精度に較正する必要がなくなるので、測定作業の簡便化および低コスト化を図ることができる。また、被測定物表面に接する一点についてのみ接触部212の較正を行うことで測定精度を向上させることができる。 (3) When the probe 200 is rotated by the rotation mechanism 400, the stylus 211 becomes perpendicular to the surface of the object to be measured, so that the contact portion 212 comes into contact with the surface of the object to be measured from the stylus axis direction. Since the direction in which the contact part 212 contacts the surface of the object to be measured is limited only from the stylus axis direction, the point where the contact part 212 contacts the surface of the object to be measured can be limited to one point. Therefore, it is not necessary to make the entire contact portion 212 a highly accurate sphere or to calibrate the entire contact portion 212 with high accuracy, so that the measurement operation can be simplified and the cost can be reduced. In addition, the measurement accuracy can be improved by calibrating the contact portion 212 only at one point in contact with the surface of the object to be measured.

なお、本発明は前述の実施形態に限定されず、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
例えば、回転機構の構成としては上記実施形態に限定されず、接触部を回転中心としてプローブを回転させる構成であればよい。なお、回転機構による測定部の回転は、予め決められた一平面内における回転であってもよく、あるいは、一平面内における回転に限定されず、接触部を含む総ての面内において回転可能であってもよい。具体的には、ガイドレール410のガイド方向とは直交する面内においてさらに円弧状のガイドレールを設けて、プローブ200が直交する2平面内において回転する構成としてもよい。
また、回転機構としてガイドレール410に代えて球面軸受けを用い、プローブ200を任意方向に回転可能に保持することにより、スタイラス211の軸線方向をワーク表面の法線方向に一致させることが可能な構成であってもよい。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and modifications, improvements, and the like within the scope that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.
For example, the configuration of the rotation mechanism is not limited to the above embodiment, and any configuration may be used as long as the probe is rotated about the contact portion as the rotation center. Note that the rotation of the measurement unit by the rotation mechanism may be rotation within a predetermined plane, or is not limited to rotation within one plane, and can be rotated in all planes including the contact portion. It may be. Specifically, an arcuate guide rail may be provided in a plane orthogonal to the guide direction of the guide rail 410, and the probe 200 may be rotated in two planes orthogonal to each other.
Further, a spherical bearing is used instead of the guide rail 410 as a rotation mechanism, and the probe 200 is rotatably held in an arbitrary direction, whereby the axial direction of the stylus 211 can be made coincident with the normal direction of the workpiece surface. It may be.

本発明は、表面性状測定装置に利用できる。   The present invention can be used for a surface texture measuring apparatus.

本発明の表面性状測定装置に係る第1実施形態の構成を示す図。The figure which shows the structure of 1st Embodiment which concerns on the surface texture measuring apparatus of this invention. 回転機構によりプローブが回転される様子を示す図。The figure which shows a mode that a probe is rotated by the rotation mechanism. プローブが点Pから点Pに移動した状態を示す図。It shows a state in which the probe is moved from point P 0 to point P 1. プローブが点Pから点Pに移動した状態を示す図。It shows a state in which the probe is moved from point P 1 to point P 2. プローブを利用した表面性状測定装置の構成を示す図。The figure which shows the structure of the surface property measuring apparatus using a probe. 加振型接触式プローブを示す図。The figure which shows an excitation type contact type probe. プローブにて被測定物表面を倣い走査する様子を示す図。The figure which shows a mode that the to-be-measured object surface is scanned by a probe. プローブと被測定物表面との位置に対する検出信号の変化を示す図。The figure which shows the change of the detection signal with respect to the position of a probe and a to-be-measured object surface.

符号の説明Explanation of symbols

100…表面性状測定装置、200…プローブ、210…測定部、211…スタイラス、212…接触部、213…スタイラスホルダ、214…加振手段、215…圧電素子、216…加振回路、217…検出手段、218…圧電素子、219…測定力検出回路、220…上下駆動機構、221…微動機構、222…粗動機構、223…可動部、224…ハウジング、230…変位量検出センサ、231…スケール、232…検出ヘッド、300…三次元駆動機構、310…載物台、320…門型フレーム、321…梁部、330…Zコラム、340…Zスピンドル、400…回転機構、410…ガイドレール、420…スライダ、500…上下駆動機構制御部、510…微動機構制御部、511…微動変位情報算出回路、512…微動機構駆動回路、513…測定力比較器、520…粗動機構制御部、530…粗動変位制御部、531…位置比較器、532…位置補償器、540…粗動速度制御部、541…プローブカウンタ、542…変位比較器、543…微分回路、544…速度比較器、545…速度補償器、550…粗動機構駆動アンプ、600…コントローラ部、610…三次元駆動機構制御部、620…カウンタ部、621…三次元カウンタ、622…回転量カウンタ、630…形状解析部、640…調整角度算出部、650…回転機構制御部、660…CPU。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Surface texture measuring device, 200 ... Probe, 210 ... Measurement part, 211 ... Stylus, 212 ... Contact part, 213 ... Stylus holder, 214 ... Excitation means, 215 ... Piezoelectric element, 216 ... Excitation circuit, 217 ... Detection Means, 218 ... piezoelectric element, 219 ... measuring force detection circuit, 220 ... vertical drive mechanism, 221 ... fine movement mechanism, 222 ... rough movement mechanism, 223 ... movable part, 224 ... housing, 230 ... displacement detection sensor, 231 ... scale 232 ... detection head, 300 ... three-dimensional drive mechanism, 310 ... mounting table, 320 ... gate frame, 321 ... beam, 330 ... Z column, 340 ... Z spindle, 400 ... rotation mechanism, 410 ... guide rail, 420 ... Slider, 500 ... Vertical drive mechanism control unit, 510 ... Fine movement mechanism control unit, 511 ... Fine movement displacement information calculation circuit, 512 ... Fine movement mechanism Moving circuit, 513... Measuring force comparator, 520... Coarse movement mechanism control unit, 530... Coarse movement displacement control unit, 531... Position comparator, 532. , 542 ... Displacement comparator, 543 ... Differentiating circuit, 544 ... Speed comparator, 545 ... Speed compensator, 550 ... Coarse mechanism drive amplifier, 600 ... Controller part, 610 ... Three-dimensional drive mechanism control part, 620 ... Counter part 621 ... Three-dimensional counter, 622 ... Rotation amount counter, 630 ... Shape analysis unit, 640 ... Adjustment angle calculation unit, 650 ... Rotation mechanism control unit, 660 ... CPU.

Claims (5)

被測定物表面に接触する接触部を先端に有するスタイラスおよび前記接触部が被測定物表面に当接した際のスタイラス軸方向の測定力を検出する測定力検出手段を有し前記被測定物表面を倣い走査する測定部と、
前記測定力を一定にしながら前記測定部を前記被測定物表面に対して相対移動させる移動機構と、を備え、
前記移動機構は、前記接触部を回転中心として前記測定部を回転させて前記スタイラスを前記被測定物表面に垂直にする回転機構を備える
ことを特徴とする表面性状測定装置。
A surface of the object to be measured, comprising: a stylus having a contact portion in contact with the surface of the object to be measured; and a measuring force detecting means for detecting a measuring force in a stylus axial direction when the contact part contacts the surface of the object to be measured. A measurement unit that scans and scans,
A moving mechanism for moving the measuring unit relative to the surface of the object to be measured while keeping the measuring force constant,
The movement mechanism includes a rotation mechanism that rotates the measurement unit around the contact portion as a rotation center so that the stylus is perpendicular to the surface of the object to be measured.
請求項1に記載の表面性状測定装置において、
前記移動機構の駆動量を所定のサンプリングピッチでサンプリングするカウンタと、
カウンタのカウント値に基づいて被測定物表面の法線の角度を算出するとともに前記スタイラスを前記法線と平行するための調整角度を算出する調整角度算出部と、
を備えることを特徴とする表面性状測定装置。
In the surface texture measuring apparatus according to claim 1,
A counter that samples the driving amount of the moving mechanism at a predetermined sampling pitch;
An adjustment angle calculation unit that calculates an angle of a normal to the surface of the object to be measured based on a count value of the counter and calculates an adjustment angle for making the stylus parallel to the normal,
A surface texture measuring device comprising:
請求項2に記載の表面性状測定装置において、
前記調整角度算出部は、
現在の測定点と前の測定点とを結んだ直線に垂直な線に基づいて現在の測定点における前記被測定物表面の法線を算出する
ことを特徴とする表面性状測定装置。
In the surface texture measuring device according to claim 2,
The adjustment angle calculation unit
A surface property measuring apparatus characterized by calculating a normal of the surface of the object to be measured at the current measurement point based on a line perpendicular to a straight line connecting the current measurement point and the previous measurement point.
請求項1から請求項3のいずれかに記載の表面性状測定装置において、
前記測定力検出手段は、
前記スタイラスを軸方向に固有振動数で定常振動させる加振手段と、
前記スタイラスの振動変化を検出して検出信号を出力する検出手段と、を備える
ことを特徴とする表面性状測定装置。
In the surface texture measuring device according to any one of claims 1 to 3,
The measuring force detecting means includes
Vibration means for causing the stylus to vibrate at a natural frequency in the axial direction;
Detecting means for detecting a change in vibration of the stylus and outputting a detection signal.
請求項1から請求項4のいずれかに記載の表面性状測定装置において、
前記移動手段は、前記測定部を微小変位させる微動機構と、
前記微動機構とともに前記測定部を前記微動機構よりも大変位させる粗動機構と、を備える
ことを特徴とする表面性状測定装置。
In the surface texture measuring device according to any one of claims 1 to 4,
The moving means includes a fine movement mechanism for minutely displacing the measurement unit;
A surface texture measuring apparatus comprising: a coarse motion mechanism that causes the measurement unit to be displaced more than the fine motion mechanism together with the fine motion mechanism.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009036632A (en) * 2007-08-01 2009-02-19 Mitsutoyo Corp Method and device for detecting measurement position of resonance sensor
JP2012127822A (en) * 2010-12-15 2012-07-05 Canon Inc Shape measuring device and shape measuring method

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5882101A (en) * 1981-11-11 1983-05-17 Toyota Motor Corp Configuration measuring machine
JP2004045088A (en) * 2002-07-09 2004-02-12 Mitsutoyo Corp Device and method for measuring surface profile
JP2005043177A (en) * 2003-07-28 2005-02-17 Mitsutoyo Corp Copying probe

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5882101A (en) * 1981-11-11 1983-05-17 Toyota Motor Corp Configuration measuring machine
JP2004045088A (en) * 2002-07-09 2004-02-12 Mitsutoyo Corp Device and method for measuring surface profile
JP2005043177A (en) * 2003-07-28 2005-02-17 Mitsutoyo Corp Copying probe

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009036632A (en) * 2007-08-01 2009-02-19 Mitsutoyo Corp Method and device for detecting measurement position of resonance sensor
JP2012127822A (en) * 2010-12-15 2012-07-05 Canon Inc Shape measuring device and shape measuring method

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