JP2012068208A - Shape measurement sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、接触式表面形状測定に用いる形状測定センサ、より詳しくは、被検物の表面に接触するプローブにかかる負荷を好適に検知することができる形状測定センサに関する。 The present invention relates to a shape measurement sensor used for contact-type surface shape measurement, and more particularly to a shape measurement sensor that can suitably detect a load applied to a probe that contacts the surface of a test object.
従来、レンズや金型等の光学関連素子の表面形状測定を行う装置として、プローブ(触針子)を光学関連素子等の被検物の面上に接触させて追従させる接触走査式の測定方法を採用した接触式形状測定センサ(以下、単に「形状測定センサ」と称することがある。)が用いられている。 Conventionally, as a device for measuring the surface shape of an optical-related element such as a lens or a mold, a contact scanning measurement method in which a probe (stylus) is brought into contact with the surface of a test object such as an optical-related element to follow it. Is used as a contact type shape measuring sensor (hereinafter sometimes simply referred to as “shape measuring sensor”).
形状測定センサを用いた表面形状測定においては、プローブの先端が被検物の表面上をスムーズに走査されると、良好に測定を行うことができ、好ましい。
しかしながら、実際には、プローブの先端と被検物の表面との間には摩擦が生じるため、プローブの先端には摩擦力による負荷がかかる。この負荷が大きくなりすぎると、プローブに対して、軸線と交差する方向に過剰な力がかかり、測定精度が低下するほか、プローブを傷めたり破損したりする原因にもなる。
In the surface shape measurement using the shape measurement sensor, it is preferable that the probe tip can be smoothly scanned on the surface of the object to be measured, which is preferable.
However, in reality, friction occurs between the tip of the probe and the surface of the test object, so that a load due to frictional force is applied to the tip of the probe. If this load becomes too large, an excessive force is applied to the probe in the direction intersecting the axis, which lowers the measurement accuracy and also causes the probe to be damaged or damaged.
この問題に対処するため、特許文献1に記載の表面形状測定機では、被検物に接触しないプローブの基端を鏡面とし、当該鏡面の位置変化をレーザ干渉計で測定することにより、負荷がかかることによるプローブのぶれを検出しようとしている。
In order to cope with this problem, in the surface shape measuring machine described in
しかしながら、特許文献1の表面形状測定機における検出機構では、プローブの剛性が高い等の場合、先端側に比べて基端の鏡面は変位しにくく、先端に相当大きな負荷がかからなければレーザ干渉計によりぶれを検出することができない。したがって、プローブの先端に微小なぶれや傾きを生じさせる程度の負荷を検出することが困難であるという問題がある。
However, in the detection mechanism in the surface shape measuring instrument of
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、プローブの構成に関係なく、先端にかかる負荷を高感度に検出することができる形状測定センサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a shape measuring sensor capable of detecting a load applied to the tip with high sensitivity regardless of the configuration of the probe.
本発明は、被検物の表面形状を測定するための形状測定センサであって、自身の軸方向に摺動可能に支持され、前記軸方法に摺動することにより前記被検物の表面形状に追従するプローブと、前記プローブに向かって流体を供給しつつ、前記プローブを前記軸方向に摺動可能に支持する軸受部と、前記流体の動態の変化を監視することにより、前記プローブの先端部にかかる負荷を検出する負荷検出部とを備えることを特徴とする。 The present invention is a shape measurement sensor for measuring the surface shape of a test object, and is supported so as to be slidable in the axial direction of the test object, and the surface shape of the test object by sliding in the shaft method. A probe that follows the probe, a bearing that supports the probe so as to be slidable in the axial direction while supplying a fluid toward the probe, and a tip of the probe by monitoring a change in dynamics of the fluid And a load detection unit for detecting a load applied to the unit.
前記負荷検出部は、前記流体の動態の変化に伴う前記プローブの固有振動数の変化を監視する加速度センサであってもよい。
また、前記加速度センサの検出方向の少なくとも1つは、前記プローブの走査方向と平行に設定されてもよい。
The load detection unit may be an acceleration sensor that monitors a change in the natural frequency of the probe accompanying a change in the dynamics of the fluid.
Further, at least one of the detection directions of the acceleration sensor may be set in parallel with the scanning direction of the probe.
前記負荷検出部は、前記流体の動態の変化に伴う音圧の変化を監視する音響センサであってもよいし、前記流体の動態の変化に伴う風量または風圧の変化を監視する機構であってもよい。 The load detection unit may be an acoustic sensor that monitors a change in sound pressure accompanying a change in fluid dynamics, or a mechanism that monitors a change in air volume or wind pressure accompanying a change in fluid dynamics. Also good.
本発明の形状測定センサによれば、プローブの構成に関係なく、先端にかかる負荷を高感度に検出することができる。 According to the shape measuring sensor of the present invention, the load applied to the tip can be detected with high sensitivity regardless of the configuration of the probe.
本発明の一実施形態について、図1から図6を参照して説明する。なお、特に説明のない限り、「前方」および「後方」とは、それぞれ図1に示すZ軸の負方向及び正方向を指すものとする。 An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Unless otherwise specified, “front” and “back” refer to the negative and positive directions of the Z-axis shown in FIG. 1, respectively.
図1は、本実施形態の形状測定センサ1の一例を示す図である。形状測定センサ1は、被検物の表面形状を測定するものであり、プローブ11が取り付けられた触針子部10と、被検物100が支持される被検物保持部20と、触針子部10を移動させるためのY軸駆動機構30と、被検物保持部20を移動させるためのX軸駆動機構40と、形状測定センサ1全体の動作制御及び取得された表面形状データの処理を行うパソコン50とを備えている。
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a
触針子部10は、自身の軸方法に摺動することにより前記被検物の表面形状に追従するプローブ11と、プローブ11が挿通される静圧軸受(軸受部)12と、プローブ11の傾斜角を調整する傾斜角調整部13とを備えている。
プローブ11は、被検物100に接触する先端部11Aと、先端側に先端部11Aが取り付けられた略円柱状の軸部11Bとを有する公知の構成のものを適宜選択して採用可能であり、静圧軸受12内を滑らかに摺動可能に静圧軸受12に挿通されている。静圧軸受12は、挿通されたプローブ11の先端部11Aが被検物100の配置された前方に向くようにベース平板14上に固定される。軸部11Bのうち、先端部11Aが取り付けられていない後端側には、プローブ11の変位量を検出するための変位計15が取り付けられている。
The
The
図2は、プローブ11および静圧軸受12の構造を説明する図であり、プローブ11を形状測定センサ1の上方(図1に示すY軸正側)から見た状態かつ一部断面で示している。静圧軸受12は、外形が略直方体状であり、径方向の断面が円形の貫通孔12Aを有する。プローブ11の軸部11Bは、貫通孔12Aに挿通されている。貫通孔12Aの内面と、軸部11Bの外周面との間には、貫通孔12Aの径方向両側において、数マイクロメートル(μm)程度のクリアランスが確保されている。
FIG. 2 is a diagram for explaining the structure of the
また、静圧軸受12には、エア供給ライン12Bが接続されており、図示しない供給源から空気等の気体(流体)が供給される。供給された気体は、静圧軸受内に形成された図示しない管路を通って貫通孔12Aの内面に形成された図示しない多数の送気穴から貫通孔12Aと軸部11Bとの間の空間に気流として供給される。この気流により、プローブ11と静圧軸受12との間に生じる摩擦力が低減され、プローブ11が静圧軸受12の貫通孔12A内を滑らかに摺動可能に支持される。
Further, an
静圧軸受12には、プローブ11の先端部11Aにかかる負荷を検出するための加速度センサ(負荷検出部)16が取り付けられている。加速度センサ16は、公知のものを、感度等を考慮して適宜選択して用いることができる。加速度センサ16は、検出する加速度の方向(検出方向)が貫通孔12Aの軸線と交差する方向となるように設置されるのが好ましく、検出方向が当該軸線と直交する方向かつプローブ11の走査方向と平行となるように設置されるのがさらに好ましい。形状測定センサ1では、走査方向は図1に示すX軸に平行な方向であるため、加速度センサ16は、静圧軸受12のX軸方向両端の側面のいずれかに取り付けられる。
An acceleration sensor (load detection unit) 16 for detecting a load applied to the
傾斜角調整部13は、前方の支点13Aと、図1に示すY軸方向に伸縮可能な伸縮部13Bとを備えており、プローブ11の傾斜角を変化させてプローブ11を前方に摺動させ、被検物100の表面に接触させる。伸縮部13Bとしては、例えば圧電アクチュエータやねじと角度調整部材とからなる機構等を採用することができる。
The tilt
被検物保持部20は、基台2上に取り付けられたベース21と、ベース21に取り付けられた揺動部22とを備えている。被検物100は、揺動部22に固定されてプローブ11に対向配置される。揺動部22は、ベース21に対して揺動可能であり、揺動部22とベース21との位置関係を変化させることによって、後述するように、揺動部22に取り付けられた被検物100とプローブ11とがなす角度を変化させることができる。
なお、本実施形態では、測定される表面が球面状の被検物を示しているが、測定される表面の形状には特に制限はない。
The
In the present embodiment, the surface to be measured is a spherical object, but the shape of the surface to be measured is not particularly limited.
Y軸駆動機構30は、触針子部10と基台2との間に設けられており、Y軸方向に移動することによって、傾斜角調整部13が設定したプローブ11の傾斜角を保持したまま、触針子部10を上下に移動させることができる。Y軸駆動機構30の後方には、Y軸駆動機構の移動量を検出するための変位計31が設けられている。
The Y-
X軸駆動機構40は、被検物保持部20のベース21と基台2との間に設けられており、X軸方向に移動することによって、被検物保持部20全体をX軸方向に移動させることができる。X軸駆動機構40の前方には、被検物保持部20のX軸方向の変位を検出する変位計41が設けられる。
The
パソコン50は、使用者の入力や指示等を受け付ける入力部51と各種情報を表示する表示部52とを備えている。パソコン50は、傾斜角調整部13、揺動部22、Y軸駆動機構30、及びX軸駆動機構40に接続されており、これらの機構の動作を制御可能である。また、パソコン50は、各変位計15、31、および41とも接続されており、これらの検出値を受信して被検物100の複数の部分表面形状データに再構成するとともに、各部分表面形状データをつなぎ合わせて被検物100全体の表面形状データを取得する処理を行う。
さらに、図示を省略するが、パソコン50はエア供給ライン12Bおよび加速度センサ16とも接続されている。静圧軸受12への気体供給はパソコン50によって制御され、加速度センサ16の検出値は随時パソコン50に送られる。
The
Further, although not shown, the
上記の構成を備えた形状測定センサ1の使用時の動作について、以下に説明する。
まず使用者は、被検物100を、形状測定を行う面が触針子部10に対向するように、被検物保持部20の揺動部22に支持固定する。次に、使用者は静圧軸受12へ気体を供給しつつ、入力部51を介して傾斜角調整部13を操作して、ベース平板14の後部を上方に移動させる。すると、ベース平板14は支点13Aを支点として傾斜し、静圧軸受12で保持されたプローブ11は、自身の重力によって、静圧軸受12内を滑らかに摺動する。摺動によってプローブ11の先端は前方に向かって移動し、被検物100の表面に接触して停止する。
The operation at the time of use of the
First, the user supports and fixes the
この状態で、パソコン50によってX軸駆動機構40とY軸駆動機構30とを駆動し、被検物100とプローブ11とを相対移動させることにより、被検物100の表面をプローブ11によって走査させる。プローブ11の走査方向はX軸に平行な方向であり、Y軸駆動機構30により先端部11Aの高さを変化させながら被検物100の表面全体が走査される。各変位計15、31及び41の検出値はパソコン50に入力される。プローブ11の走査中、静圧軸受12の貫通孔12A内に供給される気体の動態は、常時加速度センサ16によって監視される。
In this state, the
被検物100とプローブ11とを相対移動させて走査する際に、被検物100とプローブ11の先端部11Aとの間に過剰な摩擦力が生じると、図3に示すように、先端部11Aの走査移動が当該摩擦力によって妨げられ、静圧軸受12内でプローブ11が傾く。当初の傾きはわずかである(図3は、変化をわかりやすくするために誇張して示している。)が、この状態を放置すると、プローブ11の傾きが徐々に大きくなって先端部11Aに過度の負荷がかかった異常状態となり、先端部11Aや被検物100の表面を傷めたりする原因となる。
When an excessive frictional force is generated between the
形状測定センサ1では、プローブ11が傾くと、その傾き量が微小であっても、静圧軸受12の内面と軸部11Bの外周面との間隙の形状が変化し、これに伴って、図3に矢印で示すように、エア供給ライン12Bから間隙に供給される気体の気流の動態が変化する。気流の動態が変化すると、プローブ11および静圧軸受12の固有振動数が変化し、当該変化が加速度センサ16によって検出される。固有振動数の変化量が所定の閾値以上となると、使用者に注意を喚起するメッセージや画像等の情報が、パソコン50の表示部52に表示される。
使用者は、表示部52の表示により、先端部11Aに過剰な負荷がかかっていることを認識し、必要に応じてプローブ11の走査を一時停止したり、プローブ11を、例えば鋭利な先端を有し、被検物との間に摩擦を生じにくいダイヤモンドスタイラス等に交換したりする等の措置を講じる。
In the
The user recognizes from the display on the
本実施形態の形状測定センサ1によれば、被検物100の表面とプローブ11の先端部11Aとの摩擦に起因するプローブ11の傾きを、加速度センサ16が静圧軸受12の貫通孔12A内に供給される気体の気流の動態変化を監視することにより検知する。
上述のように、軸部11Bと貫通孔12Aとの間には、数μm程度のクリアランスしかないため、プローブ11がわずかに傾いただけでも、気流の動態は大きく変化する。
したがって、プローブの基端の変位量を監視するのに比べて、プローブの傾きに伴う先端部の負荷の検出感度を著しく向上することができる。そして、使用者が当該負荷を認識して必要な対応を早めに取ることで、プローブや被検物表面を傷める事態を好適に防止することができるとともに、高精度に形状測定が行える環境を好適に保持することができる。
According to the
As described above, since there is only a clearance of about several μm between the
Therefore, compared to monitoring the displacement amount of the proximal end of the probe, it is possible to remarkably improve the detection sensitivity of the load at the distal end portion accompanying the inclination of the probe. And by recognizing the load and taking the necessary action as soon as possible, the situation where the probe and the surface of the test object can be damaged can be suitably prevented, and an environment where the shape can be measured with high accuracy is preferable. Can be held in.
プローブ11の傾きは、被検物100とプローブ11とを相対移動させる際に発生する過剰な摩擦力によるもので、走査方向に大きく作用する。
したがって、加速度センサ16の検出方向は、貫通孔12Aの軸線に交差する方向とされるのが好ましく、プローブ11の走査方向に平行な方向とされるのがさらに好ましい。このようにすることで、負荷の検出感度をさらに向上させることができる。また、3次元加速度センサを用いれば、3軸のいずれか1つが上述の条件を満たすことになるため、厳密に設置方向を考慮する必要なく配置して感度良い検出を行うことができる。
The inclination of the
Therefore, the detection direction of the
以上、本実施形態の形状測定センサ1について説明したが、形状測定センサ1の検出感度を検討するために、従来の検出機構と比較する実験を行ったので、その結果を以下に示す。
As described above, the
図4は、上記実験の概要について説明するための図である。加速度センサ16を備える形状測定センサ1において、プローブ11の軸部11Bの基端に、変位量を監視するための静電容量センサ60を取り付けた。静電容量センサ60は、図4に示す符号60Aのように、プローブ11の軸方向の変位を検出する配置と、符号60Bのように、プローブ11の軸線に略直交する方向の変位を検出する配置との2種類で検討を行った。
FIG. 4 is a diagram for explaining the outline of the experiment. In the
先端部11Aのうち、所定の箇所P1に、モータおよび打撃部材(いずれも不図示)を用いて、約1秒周期で5回の振動を加え、加速度センサ16および静電容量センサ60でプローブ11の固有振動数を監視した。
Using the motor and the striking member (both not shown) at the predetermined portion P1 of the
図5に、加速度センサ16の検出結果を示す。グラフ中、符号S1で示した波形は、プローブ11に外力が加わっていない状態において気流によって発生しているホワイトノイズである。グラフ上部に示す矢印が所定の箇所P1に振動を加えたタイミングであり、加速度センサ16の検出値がホワイトノイズの値の2倍以上と大きく変化していることがわかる。
FIG. 5 shows the detection result of the
図6に、静電容量センサ60の検出結果を示す。グラフ中符号S2で示した波形は、静電容量センサ60におけるホワイトノイズである。静電容量センサ60では、1回目の振動に対して検出値が鋭く変化しなかったが、他のタイミングでは、各検出値がピークとして観察されている。
FIG. 6 shows the detection result of the
図5と図6とでは縦軸のスケールが異なることからもわかるように、両者の検出値を直接比較しても感度の比較をすることはできない。そこで、2つのグラフの値についてそれぞれ標準偏差を求めると、加速度センサ16では約0.5136、静電容量センサ60では約0.00375であり、衝撃実測値(衝撃を加えたときの各センサの実測値の絶対値)と標準偏差との比(感度)は、それぞれ9.735(=5/0.5136)および5.33(=0.02/0.00375)であった。すなわち、プローブ基端の変位量を監視するのに比べて、静圧軸受12内部の気流の動態変化を加速度センサで監視する方法は、9.735/5.33=約1.83倍の感度を有することが示された。
なお、静電容量センサ60については60Aの配置と60Bの配置とで検出値のグラフ波形にほとんど変化はなく、算出された感度も同様であった。
As can be seen from the fact that the scale of the vertical axis is different between FIG. 5 and FIG. 6, it is not possible to compare the sensitivity even if the detected values of the two are directly compared. Therefore, when the standard deviation is calculated for each of the two graph values, the
Regarding the
プローブに過度の負荷がかかった異常状態を、例えばパソコン50等に自動判別させて表示部52に警告情報を表示したり、プローブの走査を自動停止させたりするように本発明の形状測定センサを構成する場合、誤作動を確実に防ぐためには、負荷検出部の検出値における標準偏差の5倍程度の値を閾値とするのが好ましい。このような設定をした場合、加速度センサ16程度の感度があれば問題なく上記異常状態を検出することができるが、静電容量センサ60程度の感度であると、異常状態が検出されない場合が生じうる。これを防ぐためには閾値を下げればよいが、閾値を下げるとその分誤検出が増えることになり、好ましくない。このように、本発明の形状測定センサでは、軸受部における流体の動態を監視する負荷検出部を備えることにより、自動判別にも充分耐えうる感度でプローブの先端部にかかる負荷および異常状態の発生を検出することができる。
The shape measuring sensor of the present invention is used so that an abnormal state in which an excessive load is applied to the probe is automatically discriminated by, for example, the
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上述した実施形態においては、加速度センサの検出値が所定の閾値以上となったときに表示部に情報が表示される例や、プローブの走査が自動停止される例を説明したが、これに代えて、加速度センサの検出値を常時表示部に表示することにより、使用者がプローブの異常状態を認識、判断できるように構成してもよい。
Although one embodiment of the present invention has been described above, the technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
For example, in the above-described embodiment, the example in which the information is displayed on the display unit when the detection value of the acceleration sensor is equal to or greater than the predetermined threshold, or the example in which the probe scanning is automatically stopped has been described. Instead of this, the detection value of the acceleration sensor may be always displayed on the display unit so that the user can recognize and determine the abnormal state of the probe.
また、負荷検出部の機構は、上述の加速度センサには限られず、他の機構により軸受部における流体の動態を監視するものでもよい。例えば、加速度センサに代えて、静圧軸受の貫通孔の端部における風圧や風量を監視する風圧計や風量計等の機構や、貫通孔内に供給される気体によって発生する音圧を監視する音響センサ等の機構が用いられてもよい。 Further, the mechanism of the load detection unit is not limited to the above-described acceleration sensor, and the mechanism of the fluid in the bearing unit may be monitored by another mechanism. For example, instead of an acceleration sensor, a sound pressure generated by an air pressure meter, an air flow meter, or the like that monitors the wind pressure or air volume at the end of the through hole of the hydrostatic bearing, or a gas supplied into the through hole is monitored. A mechanism such as an acoustic sensor may be used.
さらに、プローブを支持する軸受部は、上述の静圧軸受に限られず、例えば、リニアガイドを用いたものであってもよい。この場合も、プローブとレールとの間に存在する間隙等における流体の動態変化を監視することにより、プローブ先端部にかかる負荷を高感度で検出することができる。 Furthermore, the bearing portion that supports the probe is not limited to the above-described hydrostatic bearing, and may be, for example, a linear guide. In this case as well, the load applied to the tip of the probe can be detected with high sensitivity by monitoring the fluid dynamic change in the gap or the like existing between the probe and the rail.
加えて、上述した各構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜組み合わせることが可能である。 In addition, the above-described configurations can be appropriately combined without departing from the spirit of the present invention.
1 形状測定センサ
11 プローブ
11A 先端部
12 静圧軸受(軸受部)
16 加速度センサ(負荷検出部)
100 被検物
DESCRIPTION OF
16 Acceleration sensor (load detector)
100 specimen
Claims (5)
自身の軸方向に摺動可能に支持され、前記軸方法に摺動することにより前記被検物の表面形状に追従するプローブと、
前記プローブに向かって流体を供給しつつ、前記プローブを前記軸方向に摺動可能に支持する軸受部と、
前記流体の動態の変化を監視することにより、前記プローブの先端部にかかる負荷を検出する負荷検出部と、
を備えることを特徴とする形状測定センサ。 A shape measurement sensor for measuring the surface shape of a test object,
A probe that is slidably supported in its own axial direction and follows the surface shape of the test object by sliding in the axial method;
A bearing that supports the probe so as to be slidable in the axial direction while supplying fluid toward the probe;
A load detection unit that detects a load applied to a tip of the probe by monitoring a change in dynamics of the fluid;
A shape measuring sensor comprising:
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN109253676A (en) * | 2018-10-08 | 2019-01-22 | 彩虹(合肥)液晶玻璃有限公司 | measuring device |
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2010
- 2010-09-27 JP JP2010215419A patent/JP2012068208A/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN109253676A (en) * | 2018-10-08 | 2019-01-22 | 彩虹(合肥)液晶玻璃有限公司 | measuring device |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20131203 |