JP2012068208A - Shape measurement sensor - Google Patents

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Yasunari Nagaike
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a shape measurement sensor for detecting a load to be imposed on the top end of a probe with high sensitivity regardless of the composition of the probe.SOLUTION: The shape measurement sensor for measuring the surface shape of an object to be detected includes: a probe 11 supported so as to slide in the self-axial direction for following up the surface shape of the object to be detected; a hydrostatic bearing 12 for supporting the probe to slide to the axial direction while supplying fluid to the probe; and an acceleration sensor 16 for detecting a load to be imposed on the top end of the probe by monitoring the change of the dynamic state of the fluid.

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 Patent Document 1, the load is increased by measuring the positional change of the mirror surface with a laser interferometer using the base end of the probe that does not contact the object as a mirror surface. An attempt is made to detect shake of the probe due to such a situation.

特開2007−64670号公報JP 2007-64670 A

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 Patent Document 1, when the probe has a high rigidity, the mirror surface at the base end is less likely to be displaced than the tip side, and laser interference is not required unless a considerable load is applied to the tip. The shake cannot be detected by the total. Therefore, there is a problem that it is difficult to detect a load that causes a minute blur or tilt at the tip of the probe.

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の形状測定センサの概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the shape measurement sensor of one Embodiment of this invention. 同形状測定センサのプローブおよび静圧軸受を一部断面で示す図である。It is a figure which shows the probe and static pressure bearing of the same shape measurement sensor in a partial cross section. 同プローブに負荷がかかった状態を示す図である。It is a figure which shows the state in which the load was applied to the same probe. 同形状測定センサを用いた実験の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the experiment using the same shape measurement sensor. 同実験における加速度センサの検出値を示すグラフである。It is a graph which shows the detected value of the acceleration sensor in the same experiment. 同実験における静電容量センサの検出値を示すグラフである。It is a graph which shows the detected value of the electrostatic capacitance sensor in the same experiment.

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 shape measuring sensor 1 according to the present embodiment. The shape measuring sensor 1 measures the surface shape of a test object, and includes a stylus part 10 to which a probe 11 is attached, a test object holding part 20 on which the test object 100 is supported, and a stylus. The Y-axis drive mechanism 30 for moving the slave unit 10, the X-axis drive mechanism 40 for moving the test object holding unit 20, the overall operation control of the shape measuring sensor 1, and the processing of the acquired surface shape data And a personal computer 50 for performing the above.

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 stylus part 10 includes a probe 11 that follows the surface shape of the test object by sliding in its own axis method, a hydrostatic bearing (bearing part) 12 through which the probe 11 is inserted, and a probe 11. And an inclination angle adjusting unit 13 for adjusting the inclination angle.
The probe 11 can be appropriately selected and used in a known configuration having a tip portion 11A in contact with the test object 100 and a substantially cylindrical shaft portion 11B having the tip portion 11A attached to the tip side. The hydrostatic bearing 12 is inserted into the hydrostatic bearing 12 so that it can slide smoothly. The hydrostatic bearing 12 is fixed on the base flat plate 14 so that the distal end portion 11A of the inserted probe 11 faces the front where the test object 100 is disposed. A displacement meter 15 for detecting the amount of displacement of the probe 11 is attached to the rear end side of the shaft portion 11B where the tip portion 11A is not attached.

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 probe 11 and the hydrostatic bearing 12, and shows the probe 11 as viewed from above the shape measuring sensor 1 (Y axis positive side shown in FIG. 1) and in a partial cross section. Yes. The hydrostatic bearing 12 has a substantially rectangular parallelepiped outer shape, and has a through hole 12A having a circular cross section in the radial direction. The shaft portion 11B of the probe 11 is inserted through the through hole 12A. A clearance of about several micrometers (μm) is secured between the inner surface of the through hole 12A and the outer peripheral surface of the shaft portion 11B on both sides in the radial direction of the through hole 12A.

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 air supply line 12B is connected to the hydrostatic bearing 12, and a gas (fluid) such as air is supplied from a supply source (not shown). The supplied gas passes through a pipe line (not shown) formed in the hydrostatic bearing, and is a space between the through hole 12A and the shaft portion 11B from a large number of air supply holes (not shown) formed on the inner surface of the through hole 12A. Supplied as an air flow. By this air flow, the frictional force generated between the probe 11 and the hydrostatic bearing 12 is reduced, and the probe 11 is supported so as to be able to slide smoothly in the through hole 12A of the hydrostatic bearing 12.

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 distal end portion 11 </ b> A of the probe 11 is attached to the hydrostatic bearing 12. As the acceleration sensor 16, a known sensor can be appropriately selected in consideration of sensitivity and the like. The acceleration sensor 16 is preferably installed such that the direction of acceleration to be detected (detection direction) is a direction that intersects the axis of the through-hole 12A, and the detection direction is orthogonal to the axis and the scanning direction of the probe 11 More preferably, it is installed so as to be in parallel with each other. In the shape measurement sensor 1, the scanning direction is a direction parallel to the X axis shown in FIG. 1, and thus the acceleration sensor 16 is attached to either side surface of the hydrostatic bearing 12 at both ends in the X axis direction.

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 angle adjustment unit 13 includes a front fulcrum 13A and an expandable unit 13B that can be expanded and contracted in the Y-axis direction shown in FIG. 1, and causes the probe 11 to slide forward by changing the tilt angle of the probe 11. Then, the surface of the test object 100 is brought into contact. For example, a mechanism including a piezoelectric actuator or a screw and an angle adjusting member can be employed as the extendable portion 13B.

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 specimen holding unit 20 includes a base 21 attached on the base 2 and a swinging part 22 attached to the base 21. The test object 100 is fixed to the swinging portion 22 and is disposed to face the probe 11. The oscillating part 22 is oscillatable with respect to the base 21, and by changing the positional relationship between the oscillating part 22 and the base 21, a test object attached to the oscillating part 22 as will be described later. The angle formed by 100 and the probe 11 can be changed.
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-axis drive mechanism 30 is provided between the stylus part 10 and the base 2 and moves in the Y-axis direction to maintain the inclination angle of the probe 11 set by the inclination angle adjustment part 13. The stylus part 10 can be moved up and down as it is. A displacement meter 31 for detecting the amount of movement of the Y-axis drive mechanism is provided behind the Y-axis drive mechanism 30.

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 X-axis drive mechanism 40 is provided between the base 21 of the test object holding unit 20 and the base 2 and moves in the X-axis direction so that the entire test object holding unit 20 is moved in the X-axis direction. Can be moved. In front of the X-axis drive mechanism 40, a displacement meter 41 for detecting the displacement of the specimen holding unit 20 in the X-axis direction is provided.

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 personal computer 50 includes an input unit 51 that receives user input, instructions, and the like, and a display unit 52 that displays various types of information. The personal computer 50 is connected to the tilt angle adjusting unit 13, the swinging unit 22, the Y-axis drive mechanism 30, and the X-axis drive mechanism 40, and can control the operations of these mechanisms. Further, the personal computer 50 is also connected to each of the displacement meters 15, 31, and 41, receives these detection values, reconstructs them into a plurality of partial surface shape data of the test object 100, and each partial surface shape. A process of connecting the data and obtaining the surface shape data of the entire test object 100 is performed.
Further, although not shown, the personal computer 50 is also connected to the air supply line 12 </ b> B and the acceleration sensor 16. Gas supply to the hydrostatic bearing 12 is controlled by the personal computer 50, and the detection value of the acceleration sensor 16 is sent to the personal computer 50 as needed.

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 shape measuring sensor 1 having the above configuration will be described below.
First, the user supports and fixes the test object 100 on the swinging part 22 of the test object holding part 20 so that the surface on which the shape measurement is performed faces the stylus part 10. Next, the user operates the inclination angle adjusting unit 13 via the input unit 51 and moves the rear part of the base flat plate 14 upward while supplying gas to the hydrostatic bearing 12. Then, the base flat plate 14 is inclined with the fulcrum 13A as a fulcrum, and the probe 11 held by the hydrostatic bearing 12 slides smoothly in the hydrostatic bearing 12 by its own gravity. By sliding, the tip of the probe 11 moves forward and comes into contact with the surface of the test object 100 and stops.

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 personal computer 50 drives the X-axis drive mechanism 40 and the Y-axis drive mechanism 30 to move the test object 100 and the probe 11 relative to each other, thereby causing the probe 11 to scan the surface of the test object 100. . The scanning direction of the probe 11 is a direction parallel to the X axis, and the entire surface of the test object 100 is scanned while changing the height of the tip portion 11A by the Y axis driving mechanism 30. Detection values of the displacement meters 15, 31 and 41 are input to the personal computer 50. During the scanning of the probe 11, the dynamic state of the gas supplied into the through hole 12 </ b> A of the hydrostatic bearing 12 is constantly monitored by the acceleration sensor 16.

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 test object 100 and the tip 11A of the probe 11 when scanning the test object 100 and the probe 11 relative to each other, as shown in FIG. The scanning movement of 11 </ b> A is hindered by the frictional force, and the probe 11 tilts within the hydrostatic bearing 12. Although the initial inclination is slight (FIG. 3 is exaggerated for easy understanding of the change), if this state is left as it is, the inclination of the probe 11 becomes gradually larger and excessively applied to the distal end portion 11A. This causes an abnormal state where the load is applied, causing damage to the tip 11A and the surface of the test object 100.

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 shape measuring sensor 1, when the probe 11 is tilted, the shape of the gap between the inner surface of the hydrostatic bearing 12 and the outer peripheral surface of the shaft portion 11B changes even if the tilt amount is very small. As indicated by arrows in FIG. 3, the dynamics of the airflow of the gas supplied from the air supply line 12B to the gap changes. When the dynamics of the airflow change, the natural frequencies of the probe 11 and the hydrostatic bearing 12 change, and the change is detected by the acceleration sensor 16. When the amount of change in the natural frequency exceeds a predetermined threshold, information such as a message or an image that alerts the user is displayed on the display unit 52 of the personal computer 50.
The user recognizes from the display on the display unit 52 that an excessive load is applied to the distal end portion 11A, and pauses the scanning of the probe 11 if necessary, or moves the probe 11 to a sharp tip, for example. And take measures such as exchanging with a diamond stylus or the like that does not easily cause friction with the specimen.

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 shape measurement sensor 1 of the present embodiment, the acceleration sensor 16 has the inside of the through hole 12 </ b> A of the hydrostatic bearing 12 in accordance with the inclination of the probe 11 caused by the friction between the surface of the test object 100 and the tip 11 </ b> A of the probe 11. This is detected by monitoring the change in the dynamics of the gas flow supplied to the gas.
As described above, since there is only a clearance of about several μm between the shaft portion 11B and the through-hole 12A, even if the probe 11 is slightly tilted, the airflow dynamics greatly change.
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 probe 11 is caused by an excessive frictional force generated when the test object 100 and the probe 11 are relatively moved, and greatly affects the scanning direction.
Therefore, the detection direction of the acceleration sensor 16 is preferably a direction intersecting the axis of the through hole 12A, and more preferably a direction parallel to the scanning direction of the probe 11. By doing so, the load detection sensitivity can be further improved. In addition, if a three-dimensional acceleration sensor is used, any one of the three axes satisfies the above-described conditions, and therefore, it is possible to perform detection with high sensitivity without having to strictly consider the installation direction.

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 shape measurement sensor 1 of the present embodiment has been described. However, in order to examine the detection sensitivity of the shape measurement sensor 1, an experiment was performed in comparison with a conventional detection mechanism, and the results are shown below.

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 shape measurement sensor 1 including the acceleration sensor 16, a capacitance sensor 60 for monitoring the amount of displacement is attached to the proximal end of the shaft portion 11 </ b> B of the probe 11. The capacitance sensor 60 detects the displacement of the probe 11 in the axial direction as indicated by reference numeral 60A in FIG. 4 and the displacement in the direction substantially orthogonal to the axis of the probe 11 as indicated by reference numeral 60B. Two types of arrangements were examined.

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 tip portion 11A, vibration is applied five times at a cycle of about 1 second, and the probe 11 is detected by the acceleration sensor 16 and the capacitance sensor 60. The natural frequency of was monitored.

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 acceleration sensor 16. In the graph, the waveform indicated by reference sign S1 is white noise generated by airflow in a state where no external force is applied to the probe 11. The arrow shown in the upper part of the graph is the timing at which the vibration is applied to the predetermined location P1, and it can be seen that the detection value of the acceleration sensor 16 has greatly changed to twice or more the value of white noise.

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 capacitance sensor 60. The waveform indicated by reference sign S <b> 2 in the graph is white noise in the capacitance sensor 60. In the capacitance sensor 60, the detected value did not change sharply with respect to the first vibration, but at other timings, each detected value is observed as a peak.

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 acceleration sensor 16 has a value of about 0.5136, and the capacitance sensor 60 has a value of about 0.00375. The ratio (sensitivity) between the absolute value of the actually measured value and the standard deviation was 9.735 (= 5 / 0.5136) and 5.33 (= 0.02 / 0.00375), respectively. That is, compared to monitoring the displacement amount of the probe base end, the method of monitoring the dynamic change of the air flow inside the hydrostatic bearing 12 with the acceleration sensor is 9.735 / 5.33 = 1.83 times the sensitivity. It was shown to have
Regarding the capacitance sensor 60, the graph waveform of the detected value hardly changed between the arrangement of 60A and the arrangement of 60B, and the calculated sensitivity was the same.

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 personal computer 50 and the warning information is displayed on the display unit 52 or the scanning of the probe is automatically stopped. In the case of configuring, in order to reliably prevent malfunction, it is preferable to set a threshold value that is about five times the standard deviation in the detection value of the load detection unit. In such a setting, the above abnormal state can be detected without any problem if the sensitivity is about the acceleration sensor 16, but the abnormal state may not be detected if the sensitivity is about the capacitance sensor 60. sell. In order to prevent this, the threshold value may be lowered. However, if the threshold value is lowered, false detection increases accordingly, which is not preferable. As described above, the shape measuring sensor according to the present invention includes the load detection unit that monitors the dynamics of the fluid in the bearing unit, so that the load applied to the tip of the probe and the occurrence of an abnormal state with sufficient sensitivity to withstand automatic discrimination. Can be detected.

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 SYMBOLS 1 Shape measuring sensor 11 Probe 11A Tip part 12 Hydrostatic bearing (bearing part)
16 Acceleration sensor (load detector)
100 specimen

Claims (5)

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:
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ることを特徴とする請求項1に記載の形状測定センサ。   The shape measurement sensor according to claim 1, wherein the load detection unit is an acceleration sensor that monitors a change in a natural frequency of the probe accompanying a change in dynamics of the fluid. 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いることを特徴とする請求項2に記載の形状測定センサ。   The shape measuring sensor according to claim 2, wherein at least one of detection directions of the acceleration sensor is set in parallel with a 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ることを特徴とする請求項1に記載の形状測定センサ。   The shape measurement sensor according to claim 1, wherein the load detection unit is an acoustic sensor that monitors a change in sound pressure accompanying a change in dynamics of the fluid. 前記負荷検出部は、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ることを特徴とする請求項1に記載の形状測定センサ。   The shape measurement sensor according to claim 1, wherein the load detection unit is a mechanism that monitors a change in an air volume or a wind pressure accompanying a change in dynamics of the fluid.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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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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