JP4299066B2

JP4299066B2 - Contact type probe and measuring apparatus using the same

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Publication number: JP4299066B2
Application number: JP2003188097A
Authority: JP
Inventors: 武山本; 克彦三枝
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2023-06-30
Also published as: JP2005024326A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は接触式プローブ及びそれを用いた測定装置、特にスタイラスの保持機構の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、被測定物の各部の寸法や形状を測定するため、三次元測定機等の測定装置が用いられている。
測定装置は、互いに直交する案内と、案内の移動量を求めるスケール及びプローブをもち、それぞれの移動量からプローブの座標値を求めることができる。そして、測定によって得られた被測定物上の座標値から必要とする穴径や穴位置・段差などの寸法や、各部の形状がデータ処理によって求められる。
【０００３】
ところで、前述のような測定装置では、被測定物との相対移動を行う接触式プローブが用いられる（例えば特許文献１〜４参照）。
接触式プローブとしては、タッチプローブ（例えば特許文献３参照）、倣いプローブ（例えば特許文献４参照）等がある。
例えばタッチプローブを用いた場合は、タッチプローブと被測定物との相対移動を行い、スタイラス先端部が被測定物に接触した瞬間の座標値情報を収集する。また倣いプローブを用いた場合は、スタイラス先端部が被測定物に接触した状態で、倣いプローブと被測定物との相対移動を行いながら、座標値情報を収集する。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−２２３５５７号公報
【特許文献２】
特開２００２−３１０６３６号公報
【特許文献３】
特開平５−２４８８４７号公報
【特許文献４】
特開平５−２５６６４０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記測定装置であっても、被測定物に対するプローブの接触方向の違いによる感度のばらつきは、改善の余地が残されていた。
すなわち、測定装置の高精度化に伴って、プローブにも高精度が要求されている。
本発明者らによれば、接触式プローブにおいても、被測定物との接触がどの方向からでも同一の精度で測定するために、全方向での感度を同一にすることが重要であることがわかった。
【０００６】
しかしながら、プローブ全体を高精度化しても、スタイラスないしエクステンションロッド自体が、加わる力の方向によって変形量が異なるため、プローブの高精度化にも限界があった。
すなわち、図７に示すようにスタイラス１０の球状先端部１２を被測定物１４に当て、測定力１６を加えると、同図に示されるような微小変位が発生、つまりスタイラス軸１８の撓み（撓み量δ）が発生する。
このため測定力１６を加えた位置２０と、真に接触した位置２２とにずれが生じる。これにより接触式プローブでは、真のボール半径ｒでなく、見かけのボール半径ｒ´で測定を行うことになる。
この見かけのボール半径ｒ´の２倍を補正ボール径と呼び、通常、三次元測定機では、測定前に基準球を測定し、補正ボール径を求めている。求められた補正ボール径で測定結果を補正している。
【０００７】
ここで、プローブと被測定物との接触方向は、任意の方向が考えられるので、高精度の測定を行うためには、この補正ボール径はどの方向より測定しても等しいことが必要である。
しかしながら、スタイラスが軸方向に測定力を加えた場合と、半径方向に加えた場合とでは、スタイラス１０の軸線の変形量が異なり、この差は測定誤差となってしまう。
特に図８に示されるような被測定物１４の深部の測定を行うため、スタイラス１０と三次元用プローブ（プローブ本体）２４間にエクステンションロッド２６を設け、スタイラス１０の球状先端部１２の三次元用プローブ２４よりの突出長さを伸ばすと、より大きな測定誤差となる。
【０００８】
そこで、従来は、高精度の測定結果を得るため、被測定物との接触方向に応じたボール補正量で、測定結果を補正する必要があるが、手間がかかり、また精度の面でも満足のゆくものでなかった。
すなわち、測定結果を修正するのに用いられる補正ボール径としては、実際の被測定物との接触方向と厳密に一致する方向のものを選択する必要があるが、実際の被測定物との接触方向の高精度な特定は難しいので、実際の被測定物との接触方向とは厳密に一致しない方向の補正ボール径を選択してしまうことがある。
【０００９】
従来、補正ボール径は、方向によって異なる可能性があるので、測定結果を、最適な補正ボール径で修正することができないことがあった。
したがって、従来より、プローブと被測定物との接触方向にかかわらず、精度の高い測定結果が得られる技術の開発が望まれていたものの、従来はこれを解決することのできる適切な技術が存在しなかった。
本発明は前記従来技術の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、被測定物との接触方向にかかわらず、精度の高い測定結果が得られる接触式プローブ及びそれを用いた測定装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らが、接触式プローブの感度の方向性改善について鋭意検討を行った結果、被測定物との接触方向にかかわらず、精度の高い測定結果を得るためには、スタイラス先端部の全方向において、同じボール補正量とすることが重要であることがわかった。
そして、本発明者らは、以下に示すような平行リンク機構を用いて、スタイラスないしエクステンションロッドに対し、軸方向への適切な量の変位を行わせ、その軸方向と半径方向とで実質的な変形量（剛性）を同じにすることにより、一定のボール補正量が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、前記目的を達成するために本発明にかかる接触式プローブは、スタイラスと、プローブ本体と、を備えた接触式プローブにおいて、前記スタイラスの略球状先端部における剛性が、その全方向において同一であることを特徴とする。
【００１１】
ここで、前記スタイラスは、被測定物に対し所定の測定力で任意の方向より接触する略球状先端部をもつ。
またプローブ本体は、前記スタイラスを保持する。
ここにいうスタイラスの略球状先端部における剛性とは、測定力によるスタイラス軸の圧縮量ないし撓み量、測定力によるスタイラス略球状先端部の半径方向の変形量を含めていう。
ここにいう剛性が、その全方向において同一であるとは、測定力の大きさが同じであれば、その測定力の方向にかかわらず、前記変形量が同じであることをいう。
ここにいう略球状とは、完全な球体の場合と、球体の一部のみを構成する場合、例えば半球体等を含めていう。
【００１２】
本発明のスタイラスとしては、エクステンションロッドが設けられているもの、エクステンションロッドが設けられていないものを含めていう。
本発明の接触式プローブとしては、三次元測定機用タッチプローブ、倣いプローブ等が一例として挙げられる。
なお、本発明においては、前記スタイラスの略球状先端部における剛性が、該スタイラスの軸方向及び該軸方向と略直交する半径方向において同一であることが好適である。
【００１３】
また本発明においては、エクステンションロッドを備え、前記エクステンションロッドが設けられた状態で、前記スタイラスの略球状先端部における剛性が、その全方向において同一であることが好適である。
ここで、前記エクステンションロッドは、前記スタイラスの軸線上に位置する軸をもち、前記プローブ本体と該スタイラス間に設けられる。
本発明のエクステンションロッドとしては、例えばプローブ本体とスタイラス略球状先端部間の軸方向の長さを延長するために用いられるものが一例として挙げられる。
【００１４】
また本発明においては、平行リンク機構を備えることが好適である。
ここで、前記平行リンク機構は、前記スタイラスの略球状先端部における剛性が、前記軸方向及び半径方向において同一となるように、該スタイラスをその軸方向に変位自在となるように保持する。
また本発明において、前記平行リンク機構は、前記スタイラス略球状先端部の軸方向への変形量δ_３が、下記数２の関係を満足するように、該スタイラスをその軸方向に変位自在に保持することが好適である。
【００１５】
【数２】
δ_２＝δ_１＋δ_３
ただし、前記δ_１は、前記スタイラス略球状先端部の軸方向に所定の大きさの測定力を加えた場合の、前記平行リンク機構による変形量を除いた該スタイラス略球状先端部での軸方向への変形量。
前記δ_２は、前記スタイラス略球状先端部の半径方向に前記測定力と同じ大きさの測定力を加えた場合の、該スタイラス略球状先端部での半径方向への変形量。
前記δ_３は、前記スタイラス略球状先端部の軸方向に前記測定力と同じ大きさの測定力を加えた場合の、前記平行リンク機構による該スタイラス略球状先端部の軸方向への変形量。
本発明の変形（変位）とは、前記スタイラス略球状先端部での定位置からの変形（変位）をいう。
【００１６】
また本発明において、前記平行リンク機構は、前記数２の関係を満足するように選定された板ばねを備えることが好適である。
本発明の板ばねは、前記数２の関係を満足するような寸法ないし材質であることが好適である。またその種類は、例えば重ね板ばね、薄板ばね等が一例として用いられる。
【００１７】
また本発明において、前記エクステンションロッドは、前記平行リンク機構を内蔵できるように中空状に構成される。前記平行リンク機構は、互いに平行に配置され、かつ同じ長さをもつ前記板ばねと共に、平行四辺形を構成するように、互いに平行に配置され、かつ同じ長さをもつ固定部材及び可動部材を備える。前記固定部材は、前記エクステンションロッド内に固定される。前記可動部材は、前記エクステンションロッド内で、前記板ばねを介して前記固定部材に対し、前記スタイラスの軸方向に変位する。前記スタイラスは、前記可動部材に設けられ、該可動部材と共に該固定部材に対し、その軸方向に変位することが好適である。
【００１８】
また前記目的を達成するために本発明にかかる測定装置は、前記接触式プローブと、座標値情報取得手段と、仮試料情報取得手段と、補正情報記憶手段と、真試料情報取得手段と、を備え、前記接触式プローブと被測定物との接触方向にかかわらず、同一の補正情報を用いて、前記仮試料情報取得手段により得られた被測定物の仮の寸法情報ないし形状情報を補正することを特徴とする。
ここで、前記座標値情報取得手段は、前記被測定物と接触式プローブとの相対移動量情報に基づいて、前記接触式プローブの座標値情報を得る。
【００１９】
また前記仮試料情報取得手段は、前記座標情報取得手段により得られた座標値情報に基づいて、前記被測定物の仮の寸法情報ないし形状情報を得る。
前記補正情報記憶手段は、前記接触式プローブにより予め得ておいた補正ボール径に基づいて定められた一の補正情報を記憶している。
前記真試料情報取得手段は、前記仮試料情報取得手段により得られた被測定物の仮の寸法情報ないし形状情報を、前記補正情報記憶手段に記憶しておいた一の補正情報で補正し、前記被測定物の真の値とみなし得る寸法情報ないし形状情報を得る。
【００２０】
【発明の実施の形態】
まず本発明において第一に特徴的なことは、スタイラスの略球状先端部の位置で、その略球状先端部の半径方向とその軸方向との剛性を同一にしたことである。
以下、図面に基づき本発明の好適な一実施形態について説明する。
【００２１】
図１には本発明の一実施形態にかかる接触式プローブの概略構成が示されている。図２には同様の接触式プローブのエクステンションロッド及びスタイラスの外観斜視図が示されている。なお、前記従来技術と対応する部分には符号１００を加えて示し説明を省略する。
【００２２】
同図に示す接触式プローブ１３０は、スタイラス１１０と、プローブ本体１２４を備える。
ここで、前記スタイラス１１０は、被測定物１１４に対し適切な測定力で任意の方向より接触することのできる略球状先端部１１２をもつ。
また前記プローブ本体１２４は、スタイラス１１０を保持し、スタイラス１１０の略球状先端部１１２が被測定物１１４に接触した瞬間にタッチ信号を出力する。
【００２３】
本発明において特徴的なことは、スタイラス１１０の略球状先端部１１２における剛性をその全方向、特に半径方向と軸方向において同一としたことである。このために本実施形態においては、エクステンションロッド１２６を設けた状態で、スタイラス１１０の略球状先端部１１２における剛性を、その全方向（任意の接触方向）、特に軸方向（図中矢印Ｚ方向）と、半径方向（図中矢印Ｚ方向以外の方向）において同一としている。
すなわち、本実施形態においては、スタイラス１１０の略球状先端部１１２のプローブ本体１２４よりの突出長さ（軸方向）を延長するためにエクステンションロッド１２６を備える。
エクステンションロッド１２６は、スタイラス１１０の軸線上に位置する軸をもち、プローブ本体１２４とスタイラス１１０間に設けられている。
本実施形態にかかる接触式プローブ１３０は概略以上のように構成され、以下にその作用について説明する。
【００２４】
本実施形態においては、接触式プローブ１３０と被測定物１１４との接触方向による補正ボール径の誤差を排除するために、スタイラス１１０の略球状先端部１１２の位置で、全方向（特に半径方向と軸方向）に均一な剛性をもつエクステンションロッド１２６を使用している。
この結果、本実施形態においては、補正ボール径を、どの方向より測定しても等しくできるので、より高精度な測定が行える。
すなわち、接触式プローブでは、測定力が弱すぎると繰返し精度が悪くなり、逆に強すぎると測定誤差が大きくなるため、使用する前に測定力を適切に設定する必要がある。
しかしながら、接触式プローブでは、測定力のためにスタイラス軸の変形が発生してしまい、真のボール半径でなく、見かけのボール半径で測定を行うことになる。
【００２５】
従来、補正ボール径は、プローブと被測定物との接触方向によって異なるので、各方向について補正ボール径を得ていたが、このような方向性をもつ補正ボール径で測定結果を補正していたのでは、満足のゆく精度の結果が得られなかった。
そこで、本実施形態においては、エクステンションロッドを設けた状態で、スタイラスの略球状先端部の位置で、半径方向と軸方向の剛性を同一にしている。この結果、本実施形態においても、スタイラスを被測定物にあてて、測定力を加えたときにスタイラスの変形が発生するので、真のボール半径でなく、見かけのボール半径で測定を行うことになる。しかしながら、本実施形態においては、プローブと被測定物との接触方向にかかわらず、同じボール半径で測定を行うことになる。
すなわち、従来方式では、同じ大きさの測定力であっても、プローブと被測定物との接触方向によってスタイラスの変形量が異なる。
【００２６】
これに対し、本実施形態においては、同じ大きさの測定力であれば、プローブと被測定物との接触方向にかかわらず、同じスタイラスの変形量となる。特にスタイラスが半径方向に測定力を加えた場合の変形量と、軸方向に測定力を加えた場合の変形量が同じとなる。
したがって、本実施形態においては、プローブと被測定物との接触方向にかかわらず、同じボール半径で測定を行うことになる。
【００２７】
このため、本実施形態においては、エクステンションロッドを用いても、プローブと被測定物との接触方向にかかわらず、同一の精度で測定できるので、全方向での測定感度が同一になる。
したがって、本実施形態においては、スタイラス及びエクステンションロッドの高精度化が図られるので、接触式プローブの高精度化を図ることができる。これにより、測定装置の高精度化も図ることができる。
【００２８】
特に従来はエクステンションロッドを用いると、スタイラスの略球状先端部の突出長さも長くなるので、スタイラスの変形量も大きくなり、プローブと被測定物との接触方向によってボール半径の差も大きい。
これに対し、本実施形態においては、ボール半径をどの方向から測定しても等しくできる。これにより本実施形態においては、従来方式、つまりスタイラスの略球状先端部での半径方向及び軸方向の剛性の対策がなされていないものに比較し、より高精度な測定が行える。
【００２９】
平行リンク機構
また本発明において第二に特徴的なことは、補正ボール径を全方向においてより確実に同一とするため、エクステンションロッドに対して、軸方向にスタイラスを作動させる平行リンク機構を設けたことである。
以下に、平行リンク機構について説明する。
【００３０】
図３には本実施形態にかかるエクステンションロッド１２６の内部構造が示されている。なお、同図（Ａ）はエクステンションロッド１２６の断面図及び平行リンク機構の側面図である。同図（Ｂ）はエクステンションロッド１２６に内蔵された平行リンク機構の外観斜視図である。同図（Ｃ）は同様の平行リンク機構をスタイラスの略球状先端部側より見た正面図である。
【００３１】
同図に示すエクステンションロッド１２６は、平行リンク機構を内蔵できるように中空状に構成されたエクステンションロッド本体１３２を備える。エクステンションロッド本体１３２に平行リンク機構１３４が内蔵固定されている。
またこの平行リンク機構１３４は、スタイラス１１０をその軸方向に、測定力の大きさに基づいて定められた所定の距離だけ変位自在に保持する。
なお、本実施形態においては、エクステンションロッド本体１３２のスタイラス側の端部とは反対側の端部に、固定ねじ１３６が設けられている。この固定ねじ１３６を介してエクステンションロッド１２６をプローブ本体に固定している。
【００３２】
次に、前記平行リンク機構の具体的な構成について説明する。
図４に示すように平行リンク機構１３４は、固定部材１３８及び可動部材１４０と、板ばね１４２，１４４を供える。
板ばね１４２，１４４は、互いに平行に配置され、かつ同じ長さをもつ。
固定部材１３８及び可動部材１４０は、板ばね１４２，１４４と共に、平行四辺形を構成するように、互いに平行に配置され、かつ同じ長さをもつ。
【００３３】
本実施形態において特徴的なことは、平行リンク機構１３４が、スタイラス１１０の軸方向に、測定力の大きさに基づいて定められた所定の距離だけ変位自在に、スタイラス１１０の保持部を保持したことである。
すなわち、固定部材１３８にはねじ穴１４６ａ，１４６ｂが設けられ、エクステンションロッド本体１３２にも同位置にねじ穴１４８ａ，１４８ｂが設けられている。
この固定部材１３８のねじ穴１４６ａ，１４６ｂ及びエクステンションロッド本体１３２のねじ穴１４８ａ，１４８ｂに、それぞれ固定ねじ１５０ａ，１５０ｂが設けられている。
【００３４】
この結果、固定部材１３８の外周壁が、エクステンションロッド１３２の内周壁に対し、しっかり固定されている。
可動部材１４０の下部には板ばね１４４を介して、スタイラス取付部材１５２が設けられている。
このスタイラス取付部材１５２の下部の略中央部にはスタイラス１１０が設けられている。
この結果、可動部材１４０、取付部材１５２は、エクステンションロッド本体１３２内で、板ばね１４２，１４４を介して固定部材１３８に対し、軸方向に変位する。
【００３５】
すなわち、スタイラス略球状先端部１１２が被測定物に対し、その軸方向（図中、下方）に測定力を加えると、その測定力と同じ大きさで方向が反対の力（図中、上方の荷重）がスタイラス略球状先端部１１２に作用する。このため平行リンク機構１３４の板ばね１４２，１４４は、上側固定点Ａ、下側固定点Ｂを支点として、上側可動点Ｃ、下側可動点Ｄが軸方向（図中、上方）に変位する。
このため、スタイラス１１０は、可動部材１４０、取付部材１５２と共に、固定部材１３８に対し図中、上方に変位する。
【００３６】
なお、本実施形態においては、可動部材１４０の上部には板ばね１４２を介して、略Ｔ字状の上側ストッパ１５４が設けられており、固定部材１３８の上部には板ばね１４２を介して上側当接部１５６が設けられている。また固定部材１３８の下部には板ばね１４４を介して下側当接部１５８が設けられている。
このため、スタイラス１１０が図中矢印Ｚ方向に所定の距離を超える変位をしないようにしている。すなわち、スタイラス１１０が上方に移動すると、下側当接部１５８と取付部材１５２とが当接し、スタイラス１１０がそれ以上、上方に移動しないようにしている。またスタイラスが下方に移動すると、上側当接部１５６と上側ストッパ１５４とが当接し、スタイラス１１０がそれ以上、下方に移動しないようにしている。
【００３７】
以下に、本実施形態において特徴的な平行リンク機構１３４の作用について、図５を参照しつつ、より詳細に説明する。
すなわち、本発明者らは、まずスタイラスないしエクステンションは、円筒状の形状を持ち、荷重（測定力と大きさが同じで方向が反対の力）が軸方向に加わる場合と半径方向に加わる場合とでは変形量が異なる点に着目した。
その一例を同図（Ａ）を参照しつつ説明する。
すなわち、直径Ｄ、長さＬのスタイラス１１０の軸方向と半径方向に、同一荷重１１６（大きさＰ）をそれぞれ加えたときの変形量δ_１，δ_２は、それぞれ下記式３、４で表わせる。
【００３８】
【数３】
δ_１＝ＰＬ／ＥＡ＝４ＰＬ／πＥＤ^２
【数４】
δ_２＝ＰＬ^３／３ＥＩ＝６４ＰＬ^３／３πＥＤ^４
ただし、Ｅ：ヤング率
Ａ：断面積
Ｉ：断面２次モーメント
前記数３，数４に基づいて、スタライス１１０の軸方向の変形量δ_１と、半径方向の変形量δ_２の比は、下記数５で表わせる。
【００３９】
【数５】
δ_２／δ_１＝６４Ｌ^２／１２Ｄ^２
前記数５より明らかなように、通常は、直径Ｄよりも全長Ｌのほうが寸法上大きくなるので、同じ大きさＰの荷重１１６であっても、半径方向の変形量δ_２が軸方向の変形量δ_１よりもはるかに大きくなり、この変形量の差は、測定の方向による測定誤差を生じることになる。
そこで、本発明者らが、このような問題を解決するため、さらに鋭意検討を進めた結果、スタイラス１１０の軸方向の剛性を平行リンク機構１３４を用いて弱めることにより、スタイラス１１０の軸方向の実質的な変形量と、半径方向の変形量とを同一とし、実質的な剛性を同一にすることができることを見出し、本発明を完成するに至った。
このために本実施形態においては、平行リンク機構１３４によるスタイラス１１０の軸方向への変形量δ_３が、下記数６、数７を満足するように、平行リンク機構１３４がスタイラス１１０を軸方向に変位自在に保持している。
【００４０】
【数６】
δ_２＝δ_１＋δ_３
【数７】
Ｐ＝ｋδ_３
ただし、前記δ_１は、スタイラス略球状先端部１１２の軸方向に大きさＰをもつ荷重１１６が加わった場合の、平行リンク機構１３４による変形量を除いたスタイラス略球状先端部１１２における軸方向への変形量。
前記δ_２は、スタイラス略球状先端部１１２の半径方向に大きさＰをもつ荷重１１６が加わった場合の、スタイラス略球状先端部１１２における半径方向への変形量。
前記δ_３は、スタイラス略球状先端部１１２の軸方向に大きさＰをもつ荷重１１６が加わった場合の、平行リンク機構１３４によるスタイラス略球状先端部１１２の軸方向への変形量。
前記ｋは、板ばね１４２，１４４に基づいて求められた平行リンク機構１３４の全体的なばね定数。
【００４１】
このため、本実施形態においては、同図（Ｂ）に示されるように、スタイラス略球状先端部１１２に軸方向に、大きさＰをもつ荷重１１６が加わると、スタイラス１１６には荷重１１６による圧縮である軸方向の変形（変形量δ_１）が生じると共に、スタイラス１１０が平行リンク機構１３４により軸方向（図中、Ｚ方向）に変位する。
ここで、スタイラス略球状先端部１１２に対し軸方向に荷重１１６が加わった場合の平行リンク機構１３４によるスタイラス１１０の軸方向への変形量δ_３、及び荷重１１６によるスタイラス１１０の圧縮量（変形量δ_１）とを加えた全体の量が、前記半径方向に荷重１１６が加わった場合の変形量δ_２と同じとなるように、平行リンク機構１３４はスタイラス１１０を軸方向（図中、Ｚ方向）に変位させる（δ_３＝δ_２−δ_１）。
【００４２】
このように本実施形態においては、スタイラス１１０の略球状先端部１１２の位置で、測定力１６を半径方向に加えた場合のスタイラス１１０の半径方向の変形量δ_２と、測定力１６を軸方向に加えた場合のスタイラス１１０の軸方向の変形量δ_１及び平行リンク機構１３４によるスタイラス１１０の軸方向への変形量δ_３を加えた量とを同じにすることで、実質的にスタイラス１１０の半径方向と軸方向の剛性を、より同じものとすることができる。したがって、本実施形態においては、補正ボール径を、どの方向より測定しても、より等しくできるので、より高精度な測定が行える。
なお、本実施形態において、前記板ばね１４２，１４４は、前記数３の関係をより確実に満足するように寸法ないし材質が選定されていることが好ましい。
【００４３】
測定装置
図６には本実施形態にかかる接触式プローブ１３０を用いた測定装置の概略構成が示されている。なお、本実施形態においては、測定装置として三次元測定機を想定し、三次元測定機に接触式プローブ１３０としてタッチプローブを用いた例について説明する。
同図に示す三次元測定機（測定装置）１６０は、本実施形態にかかる接触式プローブ１３０が、三次元測定機本体１６２のＺ軸スピンドル１６４に着脱自在に設けられている。
同図に示す三次元測定機１６０において特徴的なことは、接触式プローブ１３０と被測定物１１４との接触方向にかかわらず、同一の補正情報を用いて、被測定物１１４の寸法情報ないし形状情報を補正したことである。
【００４４】
すなわち、同図に示す三次元測定機１６０は、コントロールボックス１６６と、コンピュータ１６８を備える。三次元測定機本体１６２はコントロールボックス１６６を介してコンピュータ１６８に接続されている。
コントロールボックス１６６は、座標値情報取得手段である、例えばプローブインターフェース１７０と、データ記憶回路１７２と、リニヤスケール１７４と、カウンタ１７６等を備える。
【００４５】
このような座標値情報取得手段は、リニヤスケール１７４、カウンタ１７６等よりの被測定物１１４と接触式プローブ１３０との相対移動量情報に基づいて、接触式プローブ１３０の座標値情報を得る。
プローブインターフェース１７０は、信号線１７８を介して接触式プローブ１３０と接続され、接触式プローブ１３０よりのタッチ信号が入力される。
データ記憶回路１７２は、プローブインターフェース１７０に信号線１８０を介して直接接続され、さらに信号線１８２，１８４によりカウンタ１７６を介して接続されている。
【００４６】
カウンタ１７６は信号線１８６を介してリニヤスケール１７４に接続されており、リニヤスケール１７４よりのスケール信号が入力される。
またコントロールボックス１６６は、制御回路１８８を備える。
この制御回路１８８は、三次元測定機本体１６２のベース１８９に設けられた送り機構（ボールねじ等）１９０を駆動するためのモータ１９２に、信号線１９４を介して接続されている。またこの制御回路１８８は、モータ１９２の後段に設けられたエンコーダ１９６に、信号線１９８を介して接続されている。
【００４７】
データ記憶回路１７２は、信号線２００を介してコンピュータ１６８に接続されている。
このコンピュータ１６８は、ＣＰＵ２０２と、メモリ２０４を備える。
このＣＰＵ２０２は、仮試料情報取得手段２０６と、真試料情報取得手段２０８を備える。
メモリ２０４は、仮試料情報記憶手段２１０と、補正情報記憶手段２１２と、真試料情報記憶手段２１４を備える。
仮試料情報記憶手段２１０は、データ記憶回路１７２よりの座標値情報に基づいて得られた補正前の試料情報を記憶する。
【００４８】
補正情報記憶手段２１２は、本実施形態にかかる接触式プローブ１３０により予め基準球を測定して得ておいた補正ボール径に基づいて定められた一の補正情報を記憶している。
ここで、通常は各方向において補正ボール径を用意する必要があるが、本実施形態においては、補正ボール径をどの方向（全方向）から測定しても等しくできる接触式プローブ１３０を用いているので、各方向において同一の補正ボール径を用いることができる。
【００４９】
真試料情報記憶手段２１４は、仮試料情報記憶手段２１０に記憶されている被測定物１１４の仮の寸法情報ないし形状情報を、補正情報記憶手段２１２に記憶しておいた一の補正情報で補正した、被測定物の真の値とみなし得る寸法情報ないし形状情報を記憶する。
仮試料情報取得手段２０６は、データ記憶回路１７２よりの座標値情報に基づいて、被測定物１１４の仮の寸法情報ないし形状情報を得る。これを仮試料情報記憶手段２１０に記憶する。
【００５０】
真試料情報取得手段２０８は、仮試料情報取得手段２０６により得られた被測定物１１４の仮の寸法情報ないし形状情報を、補正情報記憶手段２１２に記憶しておいた一の補正情報で補正し、被測定物１１４の真の値とみなし得る寸法情報ないし形状情報を得る。これを真試料情報記憶手段２１４に記憶する。
なお、本実施形態においては、Ｚ軸スピンドル１６４をＺ軸方向に移動自在に保持する門２１６を備え、門２１６は、送り機構１９０により、ベース１８９に対しＸ，Ｙ軸方向に移動する。
【００５１】
[補正ボール径]
次に、同図に示す三次元測定機１６０を用いた補正ボール径の求め方について説明する。
すなわち、同図に示す三次元測定機１６０を用いて、形状精度（半径Ｒ）が高い精密球上を均一に２５点を測定する。
そして、コンピュータ１６８は、２５点全ての測定結果を用いて、最小二乗法による基準球の中心座標を求める。
【００５２】
補正ボール径ｄ´は、２５点それぞれについて半径ｒ_１、ｒ_２…ｒ_２５を計算し、次式による。
ｄ´＝{（ｒ_１−Ｒ）＋（ｒ_２−Ｒ）＋…＋（ｒ_２５−Ｒ）}／２５
ここで、本実施形態においては、測定力が一定に調整されているときのスタイラス１１０の略球状先端部１１２での変形量δは、どの方向でもほぼ一定とすることができる。
【００５３】
したがって、測定データを処理するのに、実際のボール径ｄの代わりに、δを加味したボール径ｄ´を用いれば、かたよりのない正確な測定値が得られる。このｄ´を補正ボール径と呼べば、次式となる。
ｄ´＝ｄ−２δ
コンピュータ１６８は、このようにして得られた補正ボール径に基づいて補正情報を得る。これを補正情報記憶手段２１２に記憶しておき、方向性のない補正情報で、次のようにして得られた測定結果を補正している。
【００５４】
[通常の測定]
次に、同図に示す三次元測定機１６０を用いた通常の測定例について説明する。
プローブ１３０と被測定物１１４との相対移動を行い、スタイラス１１０の略球状先端部１１２が被測定物１１４に接触した瞬間の座標値情報を収集する。
すなわち、三次元測定機本体１６２の各軸の移動量はカウンタ１７６にて計数され、このデータ出力信号が、コントロールボックス１６６のデータ記憶回路１７２に入力される。
そして、プローブ１３０が被測定物１１４に接触した瞬間にＸ，Ｙ，Ｚ軸の座標値情報を収集し、コンピュータ１６８に入力する。コンピュータ１６８では、座標値情報に基づいて、被測定物１１４の寸法、表面形状を求める。
【００５５】
ここで、本実施形態においては、仮試料情報取得手段２０６によりデータ記憶回路１７２よりの座標値情報に基づいて、被測定物１１４の仮の寸法情報ないし形状情報を得た後に、さらに真試料情報取得手段２０８により、この被測定物１１４の仮の寸法情報ないし形状情報を、補正情報記憶手段２１２に記憶しておいた補正情報で補正し、被測定物１１４の真の値とみなし得る寸法情報ないし形状情報を得る。
【００５６】
ここで、同図に示す三次元測定機１６０においては、本実施形態にかかる接触式プローブ１３０を用いているので、つまりスタイラス１１０の略球状先端部１１２の位置で、半径方向と軸方向の剛性を同一とすることとしたので、補正ボール径を、どの方向に測定しても等しくできる。
したがって、同図に示す三次元測定機１６０においても、プローブ１３０が被測定物１１４に接触した瞬間に得られた座標値情報に基づいて得られた各方向の測定結果を、同一の補正ボール径で補正することができるので、精度の良い測定結果が得られる。
【００５７】
なお、前記構成のエクステンションロッドは、任意の接触プローブに使用することができるが、一般的なプローブに比較し、高精度化が要求される三次元測定機用タッチプローブ、倣いプローブ等に使用することが特に好ましい。何れの接触式プローブに用いても、被測定物との接触方向にかかわらず、一定のボール補正量で補正することができる。
【００５８】
また前記構成では、プローブ本体に対しエクステンションロッドを介してスタイラスを設け、エクステンションロッドに平行リンク機構を設けた例について説明したが、スタイラスが、エクステンションロッド程度の長さをもつものであれば、エクステンションロッドを設けることなく、プローブ本体に対し直接平行リンクを設け、該平行リンクにスタイラスを設けることも好ましい。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明にかかる接触式プローブによれば、スタイラスの略球状先端部における剛性が、その全方向において同一であることとしたので、被測定物との接触方向にかかわらず、精度の高い測定結果が得られる。
また本発明においては、前記スタイラスの略球状先端部における剛性が、半径方向と軸方向において同一であることにより、前記精度の高い測定結果が、より確実に得られる。
また本発明においては、エクステンションロッドがスタイラスをその軸方向に変位自在に保持する平行リンク機構を備えることにより、エクステンションロッドを用いても、前記精度の高い測定結果が、より確実に得られる。
また本発明においては、平行リンク機構が板ばねを備えることにより、前記精度の高い測定結果が、より確実に得られる。
また本発明にかかる測定装置によれば、前記接触式プローブを用いることとしたので、被測定物との接触方向にかかわらず、同一の補正情報で、測定結果を補正することができるので、精度の良い試料情報が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる接触式プローブの概略構成の説明図である。
【図２】本実施形態にかかる接触式プローブに用いられるエクステンションロッド及びスタイラスの外観斜視図である。
【図３】本実施形態にかかる接触式プローブに用いられるエクステンションロッドの内部構造の説明図である。
【図４】本実施形態にかかるエクステンションロッドに用いられる平行リンク機構の概略構成の説明図である。
【図５】図４に示した平行リンク機構の作用の説明図である。
【図６】本実施形態にかかる接触式プローブを用いた測定装置の概略構成の説明図である。
【図７】接触式プローブと被測定物との接触状態の説明図である。
【図８】一般的なエクステンションロッドを用いた接触式プローブの説明図である。
【符号の説明】
１１０スタイラス
１１２略球状先端部
１２４プローブ本体
１２６エクステンションロッド
１３０接触式プローブ
１３４平行リンク機構
１４２，１４４板ばね
１６０三次元測定機（測定装置）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a contact type probe and a measuring device using the same, and more particularly to an improvement of a stylus holding mechanism.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a measuring device such as a three-dimensional measuring machine has been used to measure the size and shape of each part of an object to be measured.
The measuring device has a guide orthogonal to each other, a scale and a probe for determining the amount of movement of the guide, and can determine the coordinate value of the probe from each amount of movement. Then, from the coordinate values on the object to be measured obtained by the measurement, the required hole diameter, hole position, level difference and the like, and the shape of each part are obtained by data processing.
[0003]
By the way, in the measuring apparatus as described above, a contact type probe that performs relative movement with the object to be measured is used (for example, see Patent Documents 1 to 4).
Examples of the contact probe include a touch probe (see, for example, Patent Document 3), a scanning probe (see, for example, Patent Document 4), and the like.
For example, when a touch probe is used, relative movement between the touch probe and the object to be measured is performed, and coordinate value information at the moment when the stylus tip contacts the object to be measured is collected. When the scanning probe is used, coordinate value information is collected while the stylus tip is in contact with the object to be measured and the copying probe and the object to be measured are relatively moved.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-5-223557
[Patent Document 2]
JP 2002-310636 A
[Patent Document 3]
JP-A-5-248847
[Patent Document 4]
JP-A-5-256640
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, even in the measurement apparatus, there is still room for improvement in the variation in sensitivity due to the difference in the contact direction of the probe with the object to be measured.
That is, as the measurement apparatus becomes more accurate, the probe is also required to have high precision.
According to the present inventors, even in a contact-type probe, it is important that the sensitivity in all directions is the same in order to measure the contact with the object to be measured with the same accuracy from any direction. all right.
[0006]
However, even if the accuracy of the entire probe is increased, the amount of deformation of the stylus or the extension rod itself varies depending on the direction of the applied force, so that there is a limit to increasing the accuracy of the probe.
That is, as shown in FIG. 7, when the spherical tip 12 of the stylus 10 is applied to the object to be measured 14 and the measurement force 16 is applied, a minute displacement as shown in FIG. A quantity δ) is generated.
For this reason, a deviation occurs between the position 20 where the measuring force 16 is applied and the position 22 where the measuring force 16 is truly contacted. As a result, the contact-type probe measures with the apparent ball radius r ′ instead of the true ball radius r.
Twice the apparent ball radius r ′ is called a corrected ball diameter, and a three-dimensional measuring machine usually measures a reference sphere before measurement to obtain a corrected ball diameter. The measurement result is corrected with the calculated correction ball diameter.
[0007]
Here, since any direction can be considered as the contact direction between the probe and the object to be measured, this correction ball diameter needs to be equal no matter which direction is measured in order to perform highly accurate measurement. .
However, the amount of deformation of the axis of the stylus 10 differs between when the stylus applies a measuring force in the axial direction and when it applies in the radial direction, and this difference results in a measurement error.
In particular, an extension rod 26 is provided between the stylus 10 and a three-dimensional probe (probe body) 24 to measure the deep part of the object 14 to be measured as shown in FIG. 8, and the three-dimensional shape of the spherical tip 12 of the stylus 10 is provided. If the protruding length from the probe 24 is increased, a larger measurement error occurs.
[0008]
Therefore, conventionally, in order to obtain a highly accurate measurement result, it is necessary to correct the measurement result with a ball correction amount corresponding to the contact direction with the object to be measured. However, it takes time and is satisfactory in terms of accuracy. It wasn't going.
In other words, as the correction ball diameter used to correct the measurement result, it is necessary to select a ball having a direction that exactly matches the direction of contact with the actual object to be measured. Since it is difficult to specify the direction with high accuracy, a correction ball diameter in a direction that does not exactly match the actual contact direction with the object to be measured may be selected.
[0009]
Conventionally, the correction ball diameter may vary depending on the direction, and thus the measurement result may not be corrected with the optimum correction ball diameter.
Therefore, while it has been desired to develop a technology that can obtain highly accurate measurement results regardless of the contact direction between the probe and the object to be measured, there is an appropriate technology that can solve this problem in the past. I did not.
The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a contact-type probe capable of obtaining a high-precision measurement result regardless of the contact direction with the object to be measured, and a measuring apparatus using the same. It is to provide.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies on the improvement in the directionality of the sensitivity of the contact probe, the present inventors have found that all of the tip of the stylus tip must It was found that it is important to set the same ball correction amount in the direction.
Then, the present inventors use a parallel link mechanism as shown below to cause the stylus or extension rod to perform an appropriate amount of displacement in the axial direction, substantially in the axial direction and the radial direction. It has been found that a constant ball correction amount can be obtained by making the same amount of deformation (rigidity) the same, and the present invention has been completed.
That is, in order to achieve the above object, the contact probe according to the present invention is a contact probe including a stylus and a probe body, and the rigidity at the substantially spherical tip of the stylus is the same in all directions. It is characterized by being.
[0011]
Here, the stylus has a substantially spherical tip that comes into contact with an object to be measured from a predetermined direction with a predetermined measuring force.
The probe body holds the stylus.
The rigidity at the substantially spherical tip of the stylus mentioned here includes the amount of compression or deflection of the stylus shaft caused by the measuring force and the amount of deformation of the stylus substantially spherical tip caused by the measuring force in the radial direction.
Here, the fact that the rigidity is the same in all directions means that if the magnitude of the measuring force is the same, the deformation amount is the same regardless of the direction of the measuring force.
The term “substantially spherical” as used herein refers to a complete sphere or a part of a sphere, for example, including a hemisphere.
[0012]
The stylus of the present invention includes those provided with an extension rod and those not provided with an extension rod.
Examples of the contact probe according to the present invention include a touch probe for a coordinate measuring machine, a scanning probe, and the like.
In the present invention, it is preferable that the rigidity at the substantially spherical tip portion of the stylus is the same in the axial direction of the stylus and the radial direction substantially orthogonal to the axial direction.
[0013]
In the present invention, it is preferable that an extension rod is provided and the rigidity at the substantially spherical tip portion of the stylus is the same in all directions in the state where the extension rod is provided.
Here, the extension rod has an axis positioned on the axis of the stylus and is provided between the probe body and the stylus.
As an extension rod of the present invention, for example, an extension rod used for extending the axial length between the probe main body and the stylus substantially spherical tip can be cited as an example.
[0014]
Moreover, in this invention, it is suitable to provide a parallel link mechanism.
Here, the parallel link mechanism holds the stylus so that it can be displaced in the axial direction so that the rigidity at the substantially spherical tip of the stylus is the same in the axial direction and the radial direction.
Also, in the present invention, the parallel link mechanism includes an amount of deformation δ in the axial direction of the substantially spherical tip of the stylus.₃However, it is preferable to hold the stylus so as to be displaceable in the axial direction so that the relationship of the following formula 2 is satisfied.
[0015]
[Expression 2]
δ₂= Δ₁+ Δ₃
Where δ₁Is the amount of deformation in the axial direction of the stylus substantially spherical tip excluding the amount of deformation by the parallel link mechanism when a measuring force of a predetermined magnitude is applied in the axial direction of the stylus substantially spherical tip.
Δ₂Is the amount of deformation in the radial direction of the stylus substantially spherical tip when a measurement force having the same magnitude as the measurement force is applied in the radial direction of the stylus substantially spherical tip.
Δ₃Is the amount of deformation of the stylus substantially spherical tip portion in the axial direction by the parallel link mechanism when a measurement force having the same magnitude as the measurement force is applied in the axial direction of the stylus substantially spherical tip portion.
The deformation (displacement) of the present invention refers to a deformation (displacement) from a fixed position at the stylus substantially spherical tip.
[0016]
Moreover, in this invention, it is suitable for the said parallel link mechanism to provide the leaf | plate spring selected so that the relationship of the said number 2 may be satisfied.
The leaf spring of the present invention is preferably of a size or material that satisfies the relationship of Equation (2). For example, a laminated leaf spring, a thin leaf spring, or the like is used as an example.
[0017]
In the present invention, the extension rod is formed in a hollow shape so that the parallel link mechanism can be incorporated. The parallel link mechanism includes a fixed member and a movable member arranged in parallel to each other and having the same length so as to form a parallelogram together with the leaf springs arranged in parallel to each other and having the same length. Prepare. The fixing member is fixed in the extension rod. The movable member is displaced in the axial direction of the stylus with respect to the fixed member via the leaf spring in the extension rod. The stylus is preferably provided on the movable member, and is displaced in the axial direction with respect to the fixed member together with the movable member.
[0018]
In order to achieve the above object, the measuring apparatus according to the present invention includes the contact probe, coordinate value information acquisition means, temporary sample information acquisition means, correction information storage means, and true sample information acquisition means. Regardless of the contact direction between the contact-type probe and the object to be measured, the same correction information is used to correct provisional dimension information or shape information of the object to be measured obtained by the temporary sample information acquisition means. It is characterized by that.
Here, the coordinate value information acquisition means obtains coordinate value information of the contact probe based on relative movement amount information between the object to be measured and the contact probe.
[0019]
In addition, the temporary sample information acquisition unit acquires temporary dimension information or shape information of the object to be measured based on the coordinate value information obtained by the coordinate information acquisition unit.
The correction information storage means stores one correction information determined based on a correction ball diameter obtained in advance by the contact probe.
The true sample information acquisition means corrects the temporary dimension information or shape information of the object to be measured obtained by the temporary sample information acquisition means with one correction information stored in the correction information storage means, Dimension information or shape information that can be regarded as a true value of the object to be measured is obtained.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
First, the first characteristic of the present invention is that the rigidity in the radial direction and the axial direction of the substantially spherical tip portion is made the same at the position of the substantially spherical tip portion of the stylus.
Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0021]
FIG. 1 shows a schematic configuration of a contact probe according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 shows an external perspective view of an extension rod and stylus of a similar contact probe. In addition, the code | symbol 100 is added to the part corresponding to the said prior art, and description is abbreviate | omitted.
[0022]
A contact-type probe 130 shown in the figure includes a stylus 110 and a probe main body 124.
Here, the stylus 110 has a substantially spherical tip 112 that can contact the object to be measured 114 from an arbitrary direction with an appropriate measuring force.
The probe main body 124 holds the stylus 110 and outputs a touch signal at the moment when the substantially spherical tip 112 of the stylus 110 contacts the measurement object 114.
[0023]
What is characteristic in the present invention is that the rigidity at the substantially spherical tip 112 of the stylus 110 is the same in all directions, particularly in the radial direction and the axial direction. For this reason, in this embodiment, with the extension rod 126 provided, the rigidity at the substantially spherical tip 112 of the stylus 110 is determined in all directions (arbitrary contact direction), particularly in the axial direction (arrow Z direction in the figure). And in the radial direction (the direction other than the arrow Z direction in the figure).
That is, in this embodiment, the extension rod 126 is provided to extend the protruding length (axial direction) of the substantially spherical tip 112 of the stylus 110 from the probe body 124.
The extension rod 126 has an axis located on the axis of the stylus 110 and is provided between the probe main body 124 and the stylus 110.
The contact probe 130 according to the present embodiment is configured as described above, and the operation thereof will be described below.
[0024]
In the present embodiment, in order to eliminate an error in the correction ball diameter due to the contact direction between the contact probe 130 and the object 114 to be measured, at the position of the substantially spherical tip 112 of the stylus 110, all directions (especially in the radial direction) An extension rod 126 having uniform rigidity in the axial direction) is used.
As a result, in the present embodiment, the correction ball diameter can be made equal regardless of which direction is measured, so that more accurate measurement can be performed.
That is, with a contact type probe, if the measuring force is too weak, the repeatability deteriorates. Conversely, if the measuring force is too strong, the measurement error increases. Therefore, it is necessary to set the measuring force appropriately before use.
However, in the contact type probe, the stylus shaft is deformed due to the measuring force, and the measurement is performed with the apparent ball radius instead of the true ball radius.
[0025]
Conventionally, the correction ball diameter differs depending on the contact direction between the probe and the object to be measured. Therefore, the correction ball diameter was obtained for each direction, but the measurement result was corrected with the correction ball diameter having such directionality. As a result, satisfactory accuracy was not obtained.
Therefore, in the present embodiment, the radial and axial rigidity are made the same at the position of the substantially spherical tip of the stylus with the extension rod provided. As a result, also in the present embodiment, since the stylus is deformed when the stylus is applied to the object to be measured and the measurement force is applied, the measurement is performed with the apparent ball radius instead of the true ball radius. Become. However, in the present embodiment, the measurement is performed with the same ball radius regardless of the contact direction between the probe and the object to be measured.
That is, in the conventional method, even if the measurement force has the same magnitude, the amount of stylus deformation varies depending on the contact direction between the probe and the object to be measured.
[0026]
On the other hand, in this embodiment, if the measuring force has the same magnitude, the deformation amount of the stylus is the same regardless of the contact direction between the probe and the object to be measured. In particular, the amount of deformation when the stylus applies a measuring force in the radial direction is the same as the amount of deformation when the measuring force is applied in the axial direction.
Therefore, in this embodiment, measurement is performed with the same ball radius regardless of the contact direction between the probe and the object to be measured.
[0027]
For this reason, in this embodiment, even if an extension rod is used, measurement can be performed with the same accuracy regardless of the contact direction between the probe and the object to be measured, so that the measurement sensitivity in all directions is the same.
Therefore, in this embodiment, since the precision of the stylus and the extension rod can be improved, the precision of the contact probe can be improved. Thereby, the accuracy of the measuring apparatus can be improved.
[0028]
In particular, conventionally, when an extension rod is used, the protruding length of the substantially spherical tip of the stylus increases, so that the amount of deformation of the stylus increases, and the difference in ball radius varies depending on the contact direction between the probe and the object to be measured.
On the other hand, in this embodiment, the ball radius can be made equal regardless of which direction is measured. As a result, in this embodiment, more accurate measurement can be performed as compared to the conventional method, that is, a method in which measures for rigidity in the radial direction and the axial direction at the substantially spherical tip of the stylus are not taken.
[0029]
Parallel link mechanism
The second characteristic of the present invention is that a parallel link mechanism for operating the stylus in the axial direction is provided for the extension rod in order to make the correction ball diameter the same in all directions. .
The parallel link mechanism will be described below.
[0030]
FIG. 3 shows the internal structure of the extension rod 126 according to this embodiment. FIG. 4A is a sectional view of the extension rod 126 and a side view of the parallel link mechanism. FIG. 2B is an external perspective view of the parallel link mechanism built in the extension rod 126. FIG. 3C is a front view of the same parallel link mechanism as viewed from the substantially spherical tip side of the stylus.
[0031]
The extension rod 126 shown in the figure includes an extension rod main body 132 configured to be hollow so that a parallel link mechanism can be incorporated. A parallel link mechanism 134 is built in and fixed to the extension rod main body 132.
Further, the parallel link mechanism 134 holds the stylus 110 in the axial direction so as to be displaceable by a predetermined distance determined based on the magnitude of the measuring force.
In the present embodiment, a fixing screw 136 is provided at the end of the extension rod main body 132 opposite to the end on the stylus side. The extension rod 126 is fixed to the probe body via the fixing screw 136.
[0032]
Next, a specific configuration of the parallel link mechanism will be described.
As shown in FIG. 4, the parallel link mechanism 134 includes a fixed member 138 and a movable member 140, and leaf springs 142 and 144.
The leaf springs 142 and 144 are arranged in parallel to each other and have the same length.
The fixed member 138 and the movable member 140 are arranged in parallel to each other so as to form a parallelogram together with the leaf springs 142 and 144, and have the same length.
[0033]
What is characteristic in the present embodiment is that the parallel link mechanism 134 holds the holding portion of the stylus 110 so that it can be displaced in the axial direction of the stylus 110 by a predetermined distance determined based on the magnitude of the measurement force. That is.
That is, the fixing member 138 is provided with screw holes 146a and 146b, and the extension rod main body 132 is also provided with screw holes 148a and 148b at the same position.
Fixing screws 150a and 150b are provided in the screw holes 146a and 146b of the fixing member 138 and the screw holes 148a and 148b of the extension rod main body 132, respectively.
[0034]
As a result, the outer peripheral wall of the fixing member 138 is firmly fixed to the inner peripheral wall of the extension rod 132.
A stylus mounting member 152 is provided below the movable member 140 via a leaf spring 144.
A stylus 110 is provided at a substantially central portion below the stylus mounting member 152.
As a result, the movable member 140 and the attachment member 152 are displaced in the axial direction with respect to the fixed member 138 via the leaf springs 142 and 144 in the extension rod main body 132.
[0035]
That is, when the stylus substantially spherical tip 112 applies a measurement force to the object to be measured in the axial direction (downward in the figure), a force having the same magnitude as that of the measurement force and an opposite direction (upward in the figure). Load) acts on the stylus substantially spherical tip 112. Therefore, the plate springs 142 and 144 of the parallel link mechanism 134 have the upper movable point C and the lower movable point D displaced in the axial direction (upward in the figure) with the upper fixed point A and the lower fixed point B as fulcrums. .
For this reason, the stylus 110 is displaced upward in the drawing with respect to the fixed member 138 together with the movable member 140 and the mounting member 152.
[0036]
In the present embodiment, a substantially T-shaped upper stopper 154 is provided above the movable member 140 via a leaf spring 142, and an upper side via the leaf spring 142 is provided above the fixed member 138. A contact portion 156 is provided. Further, a lower contact portion 158 is provided below the fixing member 138 via a leaf spring 144.
For this reason, the stylus 110 is prevented from being displaced beyond a predetermined distance in the arrow Z direction in the figure. That is, when the stylus 110 moves upward, the lower contact portion 158 and the attachment member 152 come into contact with each other, so that the stylus 110 does not move further upward. Further, when the stylus moves downward, the upper contact portion 156 and the upper stopper 154 come into contact with each other so that the stylus 110 does not move further downward.
[0037]
Hereinafter, the action of the parallel link mechanism 134 characteristic in the present embodiment will be described in more detail with reference to FIG.
That is, the present inventors firstly have a stylus or extension having a cylindrical shape, and a case where a load (a force having the same magnitude as the measurement force and an opposite direction) is applied in the axial direction and in the radial direction. Now, we focused on the difference in deformation.
One example will be described with reference to FIG.
That is, the deformation amount δ when the same load 116 (size P) is applied to the axial direction and the radial direction of the stylus 110 having the diameter D and the length L, respectively.₁, Δ₂Can be expressed by the following formulas 3 and 4, respectively.
[0038]
[Equation 3]
δ₁= PL / EA = 4PL / πED²
[Expression 4]
δ₂= PL³/ 3EI = 64PL³/ 3πED⁴
Where E: Young's modulus
A: Cross-sectional area
I: Sectional moment of inertia
Based on Equations 3 and 4, the axial deformation amount δ of Stalice 110₁And radial deformation δ₂The ratio can be expressed by the following formula 5.
[0039]
[Equation 5]
δ₂/ Δ₁= 64L²/ 12D²
As apparent from Equation 5, since the overall length L is usually larger in size than the diameter D, even if the load 116 has the same magnitude P, the radial deformation δ₂Is the axial deformation δ₁This difference in the amount of deformation causes a measurement error depending on the direction of measurement.
Accordingly, as a result of further diligent studies by the present inventors to solve such problems, the axial rigidity of the stylus 110 is reduced by using the parallel link mechanism 134 to weaken the axial rigidity of the stylus 110. The inventors have found that the substantial deformation amount and the radial deformation amount can be made the same, and the substantial rigidity can be made the same, and the present invention has been completed.
For this reason, in this embodiment, the amount of deformation δ in the axial direction of the stylus 110 by the parallel link mechanism 134.₃However, the parallel link mechanism 134 holds the stylus 110 so as to be displaceable in the axial direction so as to satisfy the following expressions 6 and 7.
[0040]
[Formula 6]
δ₂= Δ₁+ Δ₃
[Expression 7]
P = kδ₃
Where δ₁Is a deformation amount in the axial direction of the stylus substantially spherical tip portion 112 excluding a deformation amount by the parallel link mechanism 134 when a load 116 having a size P is applied in the axial direction of the stylus substantially spherical tip portion 112.
Δ₂Is the amount of deformation of the stylus substantially spherical tip 112 in the radial direction when a load 116 having a size P is applied in the radial direction of the stylus substantially spherical tip 112.
Δ₃Is the amount of deformation of the stylus substantially spherical tip 112 in the axial direction by the parallel link mechanism 134 when a load 116 having a size P is applied in the axial direction of the stylus substantially spherical tip 112.
K is an overall spring constant of the parallel link mechanism 134 obtained based on the leaf springs 142 and 144.
[0041]
Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 5B, when a load 116 having a size P is applied to the stylus substantially spherical tip 112 in the axial direction, the stylus 116 is compressed by the load 116. Axial deformation (deformation amount δ)₁) Occurs, and the stylus 110 is displaced in the axial direction (Z direction in the drawing) by the parallel link mechanism 134.
Here, the amount of deformation δ in the axial direction of the stylus 110 by the parallel link mechanism 134 when a load 116 is applied in the axial direction to the substantially spherical tip portion 112 of the stylus.₃, And the compression amount of the stylus 110 due to the load 116 (deformation amount δ₁) Is the amount of deformation δ when the load 116 is applied in the radial direction.₂The parallel link mechanism 134 displaces the stylus 110 in the axial direction (Z direction in the figure) (δ₃= Δ₂−δ₁).
[0042]
As described above, in this embodiment, the amount of deformation δ in the radial direction of the stylus 110 when the measuring force 16 is applied in the radial direction at the position of the substantially spherical tip 112 of the stylus 110.₂And the axial deformation amount δ of the stylus 110 when the measuring force 16 is applied in the axial direction.₁And the amount of deformation δ of the stylus 110 in the axial direction by the parallel link mechanism 134.₃By making the added amount the same, the radial and axial rigidity of the stylus 110 can be made substantially the same. Therefore, in the present embodiment, the correction ball diameter can be made equal even if measured from any direction, so that more accurate measurement can be performed.
In the present embodiment, it is preferable that the plate springs 142 and 144 have dimensions or materials selected so as to satisfy the relationship of Equation 3 more reliably.
[0043]
measuring device
FIG. 6 shows a schematic configuration of a measuring apparatus using the contact probe 130 according to the present embodiment. In the present embodiment, an example in which a three-dimensional measuring machine is assumed as the measuring apparatus and a touch probe is used as the contact probe 130 in the three-dimensional measuring machine will be described.
In the coordinate measuring machine (measuring device) 160 shown in the figure, the contact probe 130 according to the present embodiment is detachably provided on the Z-axis spindle 164 of the coordinate measuring machine main body 162.
What is characteristic of the coordinate measuring machine 160 shown in the figure is that the same correction information is used regardless of the contact direction between the contact probe 130 and the object to be measured 114, and the dimensional information or shape of the object to be measured 114 is used. The information was corrected.
[0044]
That is, the coordinate measuring machine 160 shown in the figure includes a control box 166 and a computer 168. The coordinate measuring machine main body 162 is connected to a computer 168 through a control box 166.
The control box 166 includes coordinate value information acquisition means, for example, a probe interface 170, a data storage circuit 172, a linear scale 174, a counter 176, and the like.
[0045]
Such coordinate value information acquisition means obtains coordinate value information of the contact probe 130 based on relative movement amount information between the object 114 to be measured and the contact probe 130 from the linear scale 174, the counter 176, and the like.
The probe interface 170 is connected to the contact probe 130 via the signal line 178, and a touch signal from the contact probe 130 is input.
The data storage circuit 172 is directly connected to the probe interface 170 via a signal line 180, and further connected via signal lines 182 and 184 via a counter 176.
[0046]
The counter 176 is connected to the linear scale 174 via the signal line 186, and the scale signal from the linear scale 174 is input.
The control box 166 includes a control circuit 188.
The control circuit 188 is connected via a signal line 194 to a motor 192 for driving a feed mechanism (ball screw or the like) 190 provided on the base 189 of the coordinate measuring machine main body 162. The control circuit 188 is connected to an encoder 196 provided at the subsequent stage of the motor 192 via a signal line 198.
[0047]
The data storage circuit 172 is connected to the computer 168 through the signal line 200.
The computer 168 includes a CPU 202 and a memory 204.
The CPU 202 includes temporary sample information acquisition means 206 and true sample information acquisition means 208.
The memory 204 includes temporary sample information storage means 210, correction information storage means 212, and true sample information storage means 214.
The temporary sample information storage unit 210 stores the sample information before correction obtained based on the coordinate value information from the data storage circuit 172.
[0048]
The correction information storage unit 212 stores one piece of correction information determined based on a correction ball diameter obtained by measuring a reference sphere in advance with the contact probe 130 according to the present embodiment.
Here, normally, it is necessary to prepare a correction ball diameter in each direction. However, in this embodiment, a contact probe 130 that can equalize the correction ball diameter from any direction (all directions) is used. Therefore, the same correction ball diameter can be used in each direction.
[0049]
The true sample information storage unit 214 corrects the temporary dimension information or shape information of the measurement object 114 stored in the temporary sample information storage unit 210 with one correction information stored in the correction information storage unit 212. The size information or shape information that can be regarded as the true value of the object to be measured is stored.
The temporary sample information acquisition unit 206 obtains temporary dimension information or shape information of the DUT 114 based on the coordinate value information from the data storage circuit 172. This is stored in the temporary sample information storage unit 210.
[0050]
The true sample information acquisition unit 208 corrects the temporary dimension information or shape information of the measurement object 114 obtained by the temporary sample information acquisition unit 206 with one correction information stored in the correction information storage unit 212. Dimension information or shape information that can be regarded as a true value of the DUT 114 is obtained. This is stored in the true sample information storage unit 214.
In the present embodiment, a gate 216 that holds the Z-axis spindle 164 so as to be movable in the Z-axis direction is provided, and the gate 216 is moved in the X and Y-axis directions with respect to the base 189 by the feed mechanism 190.
[0051]
[Corrected ball diameter]
Next, how to obtain the corrected ball diameter using the coordinate measuring machine 160 shown in FIG.
That is, 25 points are measured uniformly on a precision sphere having a high shape accuracy (radius R) using the three-dimensional measuring machine 160 shown in FIG.
Then, the computer 168 obtains the center coordinates of the reference sphere by the least square method using the measurement results of all 25 points.
[0052]
The corrected ball diameter d ′ is a radius r for each of 25 points.₁, R₂... r₂₅Is calculated by the following formula.
d ′ = {(r₁-R) + (r₂-R) + ... + (r₂₅-R)} / 25
Here, in the present embodiment, the deformation amount δ at the substantially spherical tip 112 of the stylus 110 when the measurement force is adjusted to be constant can be made substantially constant in any direction.
[0053]
Accordingly, when the measurement data is processed by using the ball diameter d ′ taking into account δ instead of the actual ball diameter d, an accurate measurement value can be obtained. If this d ′ is called the correction ball diameter, the following equation is obtained.
d ′ = d−2δ
The computer 168 obtains correction information based on the correction ball diameter thus obtained. This is stored in the correction information storage means 212, and the measurement result obtained as follows is corrected with correction information having no directionality.
[0054]
[Normal measurement]
Next, a normal measurement example using the coordinate measuring machine 160 shown in FIG.
The relative movement between the probe 130 and the object to be measured 114 is performed, and coordinate value information at the moment when the substantially spherical tip 112 of the stylus 110 contacts the object to be measured 114 is collected.
That is, the movement amount of each axis of the coordinate measuring machine main body 162 is counted by the counter 176, and this data output signal is input to the data storage circuit 172 of the control box 166.
Then, the coordinate value information of the X, Y, and Z axes is collected and input to the computer 168 at the moment when the probe 130 contacts the object to be measured 114. The computer 168 obtains the dimension and surface shape of the DUT 114 based on the coordinate value information.
[0055]
Here, in the present embodiment, after obtaining temporary dimension information or shape information of the object 114 to be measured based on the coordinate value information from the data storage circuit 172 by the temporary sample information acquisition unit 206, the true sample information is further obtained. The dimensional information that can be regarded as the true value of the device under test 114 by correcting the provisional size information or shape information of the device under test 114 with the correction information stored in the correction information storage unit 212 by the acquisition unit 208. Get shape information.
[0056]
Here, in the coordinate measuring machine 160 shown in the figure, since the contact probe 130 according to the present embodiment is used, that is, the rigidity in the radial direction and the axial direction at the position of the substantially spherical tip 112 of the stylus 110. Are made the same, so that the correction ball diameter can be made equal regardless of which direction is measured.
Therefore, also in the three-dimensional measuring machine 160 shown in the figure, the measurement results in the respective directions obtained based on the coordinate value information obtained at the moment when the probe 130 contacts the object to be measured 114 are obtained by using the same correction ball diameter. Therefore, the measurement result with high accuracy can be obtained.
[0057]
The extension rod having the above-described configuration can be used for any contact probe, but it is used for a three-dimensional measuring machine touch probe, a scanning probe, or the like that requires higher accuracy than a general probe. It is particularly preferred. Whichever contact probe is used, correction can be made with a constant ball correction amount regardless of the direction of contact with the object to be measured.
[0058]
In the above configuration, an example in which a stylus is provided on the probe body via an extension rod and a parallel link mechanism is provided on the extension rod has been described. It is also preferable to provide a parallel link directly to the probe body without providing a rod, and to provide a stylus on the parallel link.
[0059]
【The invention's effect】
As described above, according to the contact-type probe according to the present invention, the rigidity at the substantially spherical tip of the stylus is the same in all directions, so that the accuracy can be achieved regardless of the contact direction with the object to be measured. High measurement results can be obtained.
In the present invention, since the rigidity at the substantially spherical tip of the stylus is the same in the radial direction and the axial direction, the highly accurate measurement result can be obtained more reliably.
In the present invention, the extension rod includes a parallel link mechanism that holds the stylus so as to be displaceable in the axial direction, so that the measurement result with high accuracy can be obtained more reliably even when the extension rod is used.
In the present invention, since the parallel link mechanism includes a leaf spring, the highly accurate measurement result can be obtained more reliably.
Further, according to the measuring apparatus according to the present invention, since the contact type probe is used, the measurement result can be corrected with the same correction information regardless of the contact direction with the object to be measured. Good sample information can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a schematic configuration of a contact probe according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an external perspective view of an extension rod and a stylus used in the contact probe according to the present embodiment.
FIG. 3 is an explanatory diagram of the internal structure of an extension rod used in the contact probe according to the present embodiment.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a schematic configuration of a parallel link mechanism used in the extension rod according to the present embodiment.
FIG. 5 is an explanatory diagram of the operation of the parallel link mechanism shown in FIG. 4;
FIG. 6 is an explanatory diagram of a schematic configuration of a measuring apparatus using a contact probe according to the present embodiment.
FIG. 7 is an explanatory diagram of a contact state between a contact type probe and an object to be measured.
FIG. 8 is an explanatory diagram of a contact type probe using a general extension rod.
[Explanation of symbols]
110 Stylus
112 Spherical tip
124 Probe body
126 Extension rod
130 Contact probe
134 Parallel link mechanism
142, 144 leaf spring
160 CMM (measuring device)

Claims

A stylus having a substantially spherical tip that comes into contact with the object under measurement with a predetermined measuring force from an arbitrary direction;
A probe body for holding the stylus;
In a contact probe with
A parallel link for holding the stylus so that it can be displaced in the axial direction so that the rigidity at the substantially spherical tip of the stylus is the same in the axial direction of the stylus and the radial direction substantially orthogonal to the axial direction. A contact probe comprising a mechanism .

In contact probe according to claim 1 Symbol placement,
Having an axis located on the axis of the stylus, comprising an extension rod provided between the probe body and the stylus;
In a state where the extension rod is provided, the stylus is moved in the axial direction so that the rigidity at the substantially spherical tip of the stylus is the same in the axial direction of the stylus and the radial direction substantially orthogonal to the axial direction. A contact-type probe comprising a parallel link mechanism that is held so as to be freely displaceable .

The contact probe according to claim 1 or 2 ,
The parallel link mechanism is characterized in that the stylus is held so as to be displaceable in the axial direction so that the amount of deformation δ _{3 in} the axial direction of the stylus substantially spherical tip satisfies the following relationship: Contact probe.
[Expression 1]
δ ₂ = δ ₁ + δ ₃
However, δ ₁ is the axial direction at the stylus substantially spherical tip excluding the deformation amount due to the parallel link mechanism when a measuring force of a predetermined magnitude is applied in the axial direction of the stylus substantially spherical tip. The amount of deformation δ ₂ is the amount of deformation in the radial direction at the stylus substantially spherical tip when a measurement force having the same magnitude as the measurement force is applied in the radial direction of the stylus substantially spherical tip. δ ₃ is the amount of deformation of the stylus substantially spherical tip portion in the axial direction by the parallel link mechanism when a measurement force having the same magnitude as the measurement force is applied in the axial direction of the stylus substantially spherical tip portion.

The contact probe according to claim 3 , wherein
The parallel probe mechanism includes a leaf spring selected so as to satisfy the relationship of Equation (1).

The contact probe according to claim 4 , wherein
The contact type probe is characterized in that the leaf spring has a size or a material satisfying the relationship of the formula (1).

The contact probe according to any one of claims 2 to 5 ,
The extension rod is configured to be hollow so that the parallel link mechanism can be incorporated,
The parallel link mechanism are arranged parallel to one another, and with even Tsu leaf spring of the same length, so as to constitute a parallelogram, disposed parallel to one another, and the fixing member and the movable member having the same length Prepared,
The fixing member is fixed in the extension rod;
The movable member is displaced in the axial direction of the stylus with respect to the fixed member via the leaf spring in the extension rod,
The stylus is provided on the movable member, and is displaced in the axial direction with respect to the fixed member together with the movable member.

The contact probe according to any one of claims 1 to 6 ,
Coordinate value information acquisition means for obtaining coordinate value information of the contact probe based on the relative movement amount between the object to be measured and the contact probe;
Based on the coordinate value information obtained by the coordinate value information obtaining means, temporary sample information obtaining means for obtaining temporary dimension information or shape information of the object to be measured;
Correction information storage means for storing one correction information determined based on a correction ball diameter obtained in advance by the contact probe;
The temporary dimension information or shape information of the measurement object obtained by the temporary sample information acquisition means is corrected with one correction information stored in the correction information storage means, and the true value of the measurement object True sample information acquisition means for obtaining dimensional information or shape information that can be regarded as
Regardless of the contact direction of the contact probe and the object to be measured, the same correction information is used to correct the dimension information or shape information of the object to be measured obtained by the temporary sample information acquisition means. Measuring device characterized by.