JP4557657B2 - Contact type probe and shape measuring device - Google Patents

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  • A Measuring Device Byusing Mechanical Method (AREA)
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Description

本発明は、特にレンズやミラー等の光学素子形状などを精密に測定するための形状測定装置に搭載される接触式プローブおよび形状測定装置に関するものである。   The present invention relates to a contact-type probe and a shape measuring device mounted on a shape measuring device for accurately measuring the shape of an optical element such as a lens or a mirror.

レンズやミラー等の光学素子形状を精密に測定する3次元形状測定装置は、被測定物の形状をトレースするプローブと、そのプローブの座標位置を測定する座標位置測定手段の2つに分けて構成を考えることができる。この時、プローブにとって重要なことは、被測定物の表面位置を座標測定可能な移動部材に写しとることである。プローブが被測定面をトレースする時の誤差をトレース誤差と呼ぶ。従来、接触式のプローブを支持する構成として、特許文献1や非特許文献1に開示されているように、エアー軸受を用いて上下に移動可能にプローブシャフトを設け、ばねでプローブの自重を支える構成が知られている。   A three-dimensional shape measuring apparatus for accurately measuring the shape of an optical element such as a lens or a mirror is divided into a probe for tracing the shape of the object to be measured and a coordinate position measuring means for measuring the coordinate position of the probe. Can think. At this time, what is important for the probe is to copy the surface position of the object to be measured on a moving member capable of measuring coordinates. An error when the probe traces the surface to be measured is called a trace error. Conventionally, as disclosed in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, as a structure for supporting a contact-type probe, a probe shaft is provided so as to be movable up and down using an air bearing, and the probe's own weight is supported by a spring. The configuration is known.

このような接触式プローブを用いて形状をトレースする場合、前述したようにトレース誤差が生じるため、トレース誤差があってもプローブの押しつけ力の誤差にならないように充分弱いばね、つまりばね定数が充分小さいばねが必要である。なぜなら、トレース誤差にばね定数を掛けた量が押しつけ力の誤差になるからである。   When a shape is traced using such a contact type probe, a trace error occurs as described above. Therefore, even if there is a trace error, a sufficiently weak spring, that is, a spring constant is sufficient so as not to cause an error in the pressing force of the probe. A small spring is needed. This is because the amount obtained by multiplying the trace error by the spring constant is an error in the pressing force.

また、別の従来例として、特許文献2には磁力を利用してプローブの自重をキャンセルする方法が開示されている。これは、ヨーク、永久磁石およびコイルからなる磁気回路を設けて、ヨークがプローブを挟むように固定し、前記磁気回路の磁力によりプローブの自重をキャンセルするものである。   As another conventional example, Patent Document 2 discloses a method of canceling the weight of a probe using magnetic force. In this method, a magnetic circuit comprising a yoke, a permanent magnet and a coil is provided, the yoke is fixed so as to sandwich the probe, and the weight of the probe is canceled by the magnetic force of the magnetic circuit.

なお、プローブは、しばしば、スタイラス、触針子、フィーラーと呼ばれることがあるが、本明細書ではプローブに統一する。
特開平6−265340号公報 特開2003−42742号公報 1992年度精密工学会春期大会学術講演論文集P697
The probe is often called a stylus, a stylus, or a feeler, but in this specification, the probe is unified.
JP-A-6-265340 JP 2003-42742 A Academic Lecture Proceedings P697 of the 1992 Precision Engineering Society Spring Meeting

しかしながら、上記従来の技術においては以下のような未解決の課題があった。   However, the above conventional techniques have the following unsolved problems.

(1)押しつけ力を小さくするために、ばねのサイズが大きくなる。ばねが発生する力はプローブの自重に押しつけ力を加えた力である。押しつけ力は非常に小さいが、それに対してプローブの自重は大きい。このため、ばねが発生する力は比較的大きくなる。   (1) The size of the spring is increased in order to reduce the pressing force. The force generated by the spring is a force obtained by applying a pressing force to the weight of the probe. The pressing force is very small, but the weight of the probe is large. For this reason, the force generated by the spring is relatively large.

しかし前述したように、トレース誤差の影響を小さくする必要がある。そこで、ばね定数を小さくし、トレース誤差があっても押しつけ力の変化が小さくなるようにしなければならない。従来例のように機械的なばねでこれを実現しようとすると、ばねのたわみ長さ、すなわち、ばねの発生力をばね定数で割った長さが非常に長くなってしまう。つまり大きなばねが必要となる。   However, as described above, it is necessary to reduce the influence of the trace error. Therefore, it is necessary to reduce the spring constant so that the change in pressing force is small even if there is a trace error. If this is achieved with a mechanical spring as in the conventional example, the length of the spring, that is, the length obtained by dividing the generated force of the spring by the spring constant becomes very long. In other words, a large spring is required.

例えば、プローブの質量を10g、押しつけ力を0.1mNとすると、ばねが発生する力は重力加速度を9.8m/s2 として F=9.8×10+0.1=98.1mNとなる。また、許容できる押しつけ力誤差を10%、すなわち0.1×10/100=0.01mNとする。さらに、トレース誤差を10μmとすると、ばね定数は K=0.01/10=0.001mN/μmとなる。 For example, if the mass of the probe is 10 g and the pressing force is 0.1 mN, the force generated by the spring is F = 9.8 × 10 + 0.1 = 98.1 mN with a gravitational acceleration of 9.8 m / s 2 . Further, the allowable pressing force error is 10%, that is, 0.1 × 10/100 = 0.01 mN. Furthermore, if the trace error is 10 μm, the spring constant is K = 0.01 / 10 = 0.001 mN / μm.

従って、ばねのたわみはF/K=98.1mmとなり、約100mmのたわみが必要である。このときのばねのサイズは、力をかけていない状態でのばねの長さもこれに加えるのでもっとずっと大きくなるはずである。   Therefore, the deflection of the spring is F / K = 98.1 mm, and a deflection of about 100 mm is necessary. The size of the spring at this time should be much larger because the length of the spring when no force is applied is added to this.

このように、ばねを用いた従来例では、ばね定数を下げるためにばねを長くしたり大型化したりする必要があり、その結果、プローブ部の全体サイズが大きくなってしまう。このようにプローブ部が大きくなると、温度を均一に保つことが難しく、形状測定精度が悪化するうえに、大型化によって、プローブを走査する測定軸も大きくならざるを得ず、装置コストが高くなる。   As described above, in the conventional example using the spring, it is necessary to lengthen or enlarge the spring in order to lower the spring constant, and as a result, the entire size of the probe portion increases. When the probe portion becomes large in this way, it is difficult to keep the temperature uniform, the shape measurement accuracy deteriorates, and the measurement axis for scanning the probe must be increased due to the increase in size, resulting in an increase in apparatus cost. .

また、押しつけ力を下げようとすると、さらに弱いばねが必要となるため、プローブのばねの部分が非常に大きくなり、従来の方法では実質的に実現不可能になってしまう。   Further, if the pressing force is to be reduced, a weaker spring is required, so that the spring portion of the probe becomes very large, which is practically impossible with the conventional method.

(2)プローブの押しつけ力が変化しやすい。ばねは周囲の温度変化などの影響により伸びたり縮んだりすることが考えられる。従来例においては、ばねが発生する力はプローブの自重を含んでいるので大きかった。従って、ばねの伸び縮みでばねの発生力が変化すると、プローブ押しつけ力への影響も大きい。   (2) The pressing force of the probe is likely to change. It is conceivable that the spring expands or contracts due to the influence of ambient temperature change or the like. In the conventional example, the force generated by the spring is large because it includes the weight of the probe. Therefore, if the generated force of the spring changes due to the expansion and contraction of the spring, the influence on the probe pressing force is great.

例えば、前述の例ではばねの受け持つ力はF=9.8×10+0.1=98.1mNであった。従って、わずか0.1%の変化でも0.0981mNの変化となり、プローブ押しつけ力0.1mNに対して非常に大きな誤差になってしまう。このため、精密な形状測定が難しい。   For example, in the above-mentioned example, the force that the spring has is F = 9.8 × 10 + 0.1 = 98.1 mN. Accordingly, even a change of only 0.1% results in a change of 0.0981 mN, which is a very large error with respect to the probe pressing force of 0.1 mN. For this reason, precise shape measurement is difficult.

(3)このようなばねの代わりに、磁気回路を用いる従来例の場合は、プローブの自重キャンセル部分が大きくなる。すなわち、特許文献2に開示されたように磁力を利用してプローブの自重をキャンセルする方法は、ヨーク、永久磁石およびコイルからなる磁気回路を用いてヨークがプローブを挟むように固定し、ヨークとプローブの間に発生する磁力により自重をキャンセルするものである。従って、プローブの周囲に、ヨーク、永久磁石、コイルからなる磁気回路を設ける必要があり、その磁気回路を流れる磁束を乱すと、プローブとヨークの間に発生する力が変化し、測定誤差につながってしまう。従って、磁束を乱す材料、例えば鉄系の材料でできた部品をプローブの周囲に配置することができない。その結果、プローブの自重キャンセル部分が大きくなってしまう。加えて、コイルによる発熱によるトラブルや、コイルの通電を制御するだけではプローブの押しつけ力を大きく変更することは難しいという未解決の課題もある。   (3) In the case of the conventional example using a magnetic circuit instead of such a spring, the weight cancellation part of a probe becomes large. That is, as disclosed in Patent Document 2, the method of canceling the weight of the probe using magnetic force is to fix the yoke so that the probe is sandwiched between the yoke, the permanent magnet and the magnetic circuit using the magnetic circuit. The dead weight is canceled by the magnetic force generated between the probes. Therefore, it is necessary to provide a magnetic circuit consisting of a yoke, permanent magnet, and coil around the probe. If the magnetic flux flowing through the magnetic circuit is disturbed, the force generated between the probe and the yoke changes, leading to measurement errors. End up. Therefore, a part made of a material that disturbs the magnetic flux, for example, an iron-based material, cannot be arranged around the probe. As a result, the weight cancellation portion of the probe becomes large. In addition, there are problems due to heat generated by the coil and unsolved problems that it is difficult to greatly change the pressing force of the probe only by controlling the energization of the coil.

本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、形状測定装置のプローブの自重を箱形状のヨークと永久磁石からなる磁気回路によって補償することでプローブサイズの小型化を図るとともに、測定精度を大幅に向上させることのできる接触式プローブおよび形状測定装置を提供することを目的とするものである。   The present invention has been made in view of the above-mentioned unsolved problems of the prior art, and compensates the weight of the probe of the shape measuring device by a magnetic circuit composed of a box-shaped yoke and a permanent magnet. It is an object of the present invention to provide a contact probe and a shape measuring apparatus that can be downsized and can greatly improve measurement accuracy.

上記目的を達成するため、本発明の接触式プローブは、3次元的に移動可能な移動部材に、重力の方向に変位自在に保持されたプローブを被測定物に接触させて走査することにより、座標位置を測定する接触式プローブであって、前記プローブは先端球とプローブシャフトとからなり、前記プローブシャフトに固定された永久磁石と、前記永久磁石を囲み、前記永久磁石との間に下に向かって距離が拡大するすきまをもって対向する内面を有する磁性体からなる箱形状のヨークとを備え、前記ヨークが前記移動部材に保持され、前記永久磁石と前記ヨークに流れる磁束によって発生する磁力により、前記プローブにかかる重力をキャンセルする力と、前記ヨークに対する前記プローブの変位に従って変化するばね要素としての力を発生させることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the contact type probe of the present invention scans a moving member that can be moved three-dimensionally by bringing a probe held so as to be displaceable in the direction of gravity into contact with the object to be measured. A contact probe for measuring a coordinate position, the probe comprising a tip sphere and a probe shaft, and a permanent magnet fixed to the probe shaft , surrounding the permanent magnet, and below the permanent magnet A box-shaped yoke made of a magnetic body having inner surfaces facing each other with a gap that increases in distance toward the distance , and the yoke is held by the moving member, and by the magnetic force generated by the permanent magnet and the magnetic flux flowing through the yoke, A force for canceling gravity applied to the probe and a force as a spring element that changes according to the displacement of the probe with respect to the yoke are generated. And wherein the door.

プローブに取り付けた永久磁石と、それを取り囲む箱形状のヨークからなる磁気回路の磁力によって、プローブの自重をキャンセルする力と、プローブを被測定物に押しつけるためのばね要素としての力を発生させるものであるため、永久磁石やヨークの内面形状、材質等を調整することにより、大きなばねを用いた場合と同等にばね定数を下げることが可能であり、また、永久磁石とヨークによる磁力を利用しているので、ばねやコイルを用いた場合のように温度変化に起因する寸法変化の影響も無く、測定精度を向上させることができる。さらに、磁気回路は箱形状のヨークで囲まれているため、この部分が磁気シールドの役目を兼ねており、周囲に鉄などの磁性体があっても影響されず、磁気回路の必要スペースを縮小できる。   A magnetic circuit consisting of a permanent magnet attached to the probe and a box-shaped yoke surrounding it, generates a force that cancels the weight of the probe and a force that acts as a spring element to press the probe against the object to be measured Therefore, by adjusting the inner surface shape and material of the permanent magnet or yoke, the spring constant can be reduced as much as when using a large spring, and the magnetic force of the permanent magnet and yoke can be used. Therefore, the measurement accuracy can be improved without being affected by dimensional changes caused by temperature changes as in the case of using a spring or coil. In addition, since the magnetic circuit is surrounded by a box-shaped yoke, this part also serves as a magnetic shield, and even if there is a magnetic substance such as iron around it, it is not affected, reducing the space required for the magnetic circuit it can.

このように、大きなばねを必要としない磁気回路による接触式プローブを、より一層小型化することによって、形状測定装置全体を小型化、かつ簡素化し、製作コストを下げることができる。   Thus, by further reducing the size of the contact probe using a magnetic circuit that does not require a large spring, the entire shape measuring apparatus can be reduced in size and simplified, and the manufacturing cost can be reduced.

また、ヨーク内面を曲率が一定である曲面にすることで、ヨーク内面の加工を旋盤で容易に行うことを可能とし、コスト低減に貢献できる。加えて、ヨークの加工精度も向上するため、プローブの自重補償をより一層安定させ、極めて精密な形状測定が可能となる。   In addition, by making the inner surface of the yoke a curved surface with a constant curvature, the inner surface of the yoke can be easily processed with a lathe, which can contribute to cost reduction. In addition, since the processing accuracy of the yoke is improved, the self-weight compensation of the probe is further stabilized, and extremely precise shape measurement can be performed.

図1の(a)に示す接触式プローブであるプローブは、先端に球1を有するプローブチップ2と、これを支持するプローブシャフト4等を有し、図2等に示す形状測定装置の計測軸15と一体的に移動する移動部材であるハウジング10に対して重力の方向(Z方向)に移動可能にガイドGを介して保持される。プローブシャフト4の上端には、ホルダ5により、図1の(b)に示すように箱形状のヨーク7にすきまδをもって嵌挿された永久磁石8が鉄心9を介して固定されている。永久磁石8とヨーク7の間には磁力が働き互いに吸引しあうが、プローブシャフト4は、ガイドGによって前述の重力の方向(Z方向)に移動可能にガイドされており、すきまδに発生する磁力は永久磁石8とヨーク7の間隔(距離)が小さくなる方向に力を発生するので、永久磁石8に対向するヨーク7の内面が、例えば曲率半径Rの円筒状であれば、プローブはガイドGに沿ってZ方向に対しても力を受ける。
A probe that is a contact type probe shown in FIG. 1A has a probe tip 2 having a sphere 1 at the tip, a probe shaft 4 that supports the probe tip 2, and the like, and the measurement axis of the shape measuring apparatus shown in FIG. 15 is held via a guide G so as to be movable in the direction of gravity (Z direction) with respect to the housing 10 which is a moving member that moves integrally with the housing 15. At the upper end of the probe shaft 4, a permanent magnet 8 fitted and inserted into a box-shaped yoke 7 with a clearance δ as shown in FIG. Magnetic force acts between the permanent magnet 8 and the yoke 7 to attract each other, but the probe shaft 4 is guided by the guide G so as to be movable in the above-described direction of gravity (Z direction), and is generated in the clearance δ. Since the magnetic force generates a force in the direction in which the distance (distance) between the permanent magnet 8 and the yoke 7 is reduced, if the inner surface of the yoke 7 facing the permanent magnet 8 is, for example, cylindrical with a radius of curvature R, the probe is a guide. A force is also applied along G in the Z direction.

プローブが前記移動方向に受ける力は、ヨークの内面形状、材質、および永久磁石の形状、材質、そしてヨークと永久磁石の間の隙間寸法などのパラメータによって調節することができる。例えば、強力な磁石を使用すれば強い力を発生させることができる。   The force that the probe receives in the moving direction can be adjusted by parameters such as the inner surface shape and material of the yoke, the shape and material of the permanent magnet, and the gap size between the yoke and the permanent magnet. For example, if a strong magnet is used, a strong force can be generated.

またプローブの位置によって、永久磁石との隙間寸法が急激に変化するヨークの内面形状とすれば、プローブの位置によって力を大きく変化させることができる。例えばヨークの内面形状を凸面とすれば最も突き出た位置に向かって磁石が移動するように、力を発生させることができる。このように磁力を利用して、プローブの自重をキャンセルするオフセットの力と、プローブの変位に従って変化するばね要素の力を発生させることができる。   Further, if the inner surface of the yoke has a shape in which a gap between the permanent magnet and the permanent magnet changes abruptly depending on the position of the probe, the force can be greatly changed depending on the position of the probe. For example, if the inner surface of the yoke is convex, a force can be generated so that the magnet moves toward the most protruding position. In this way, the magnetic force can be used to generate an offset force that cancels the weight of the probe and a spring element force that changes according to the displacement of the probe.

図1の(e)は一従来例による接触式プローブを示すもので、先端に球101を有するプローブシャフト104は、ばね103を介してガイドGを有するハウジング110に支持される。このばね103は、非常に弱いばねである必要がある一方で、プローブの自重を支えなければならず、ばね103ののびが非常に大きくなるため、プローブ全体が長尺になる。   FIG. 1E shows a contact probe according to a conventional example. A probe shaft 104 having a ball 101 at the tip is supported by a housing 110 having a guide G through a spring 103. While this spring 103 needs to be a very weak spring, it has to support the weight of the probe, and the extension of the spring 103 becomes very large, so that the entire probe becomes long.

これに対して本実施の形態によれば、ヨーク7と永久磁石8による磁力を用いるものであるため、従来例のようにサイズの大きい弱いばねを使わなくてすみ、小型のプローブを実現できる。また、従来例のように温度変化などでばねが変形し、押しつけ力が変化することはないので、押しつけ力の安定性が向上する。   On the other hand, according to the present embodiment, since the magnetic force generated by the yoke 7 and the permanent magnet 8 is used, it is not necessary to use a large weak spring as in the conventional example, and a small probe can be realized. Further, since the spring is not deformed and the pressing force is not changed due to a temperature change or the like as in the conventional example, the stability of the pressing force is improved.

さらに、ヨーク7の周囲に鉄系材料からなる部材を配置しても、ヨーク内部の磁気回路は影響を受けない箱形状のヨークであり、ヨーク内部の磁気回路が外部磁場に対してシールドされるため、プローブの自重キャンセル部分を大幅に小型化することができる。   Further, even if a member made of an iron-based material is disposed around the yoke 7, the magnetic circuit inside the yoke is a box-shaped yoke that is not affected, and the magnetic circuit inside the yoke is shielded against an external magnetic field. Therefore, the self-weight canceling part of the probe can be greatly reduced in size.

なお、プローブシャフトのガイドは、転がりガイド、平行板ばね、あるいは空気軸受等任意のものを用いることができる。   As the guide for the probe shaft, an arbitrary one such as a rolling guide, a parallel leaf spring, or an air bearing can be used.

また、ヨーク7の内面形状は、前述のように一定の曲率を有する円筒面とすれば、ヨーク内面を旋盤などで簡単に加工することができる。複雑な曲面を用いた場合に比べて、加工が簡単で、加工精度も高いので、プローブの製作コストを下げるとともに、精密な荷重設定が可能となる。   Moreover, if the inner surface shape of the yoke 7 is a cylindrical surface having a certain curvature as described above, the inner surface of the yoke can be easily machined with a lathe or the like. Compared to the case where a complicated curved surface is used, the processing is simple and the processing accuracy is high, so that the manufacturing cost of the probe can be reduced and the precise load setting can be performed.

次に、図1の(a)、(b)に示す磁気回路の作用について説明する。この磁気回路は、模式的に図1の(c)に示すように表わすことができる。ここで、永久磁石8の定数として残磁束密度Br、保持力Hcとし、磁気回路をながれる磁束をΦとする。ヨーク部分の磁気抵抗はRy、鉄心部分の磁気抵抗Rc、永久磁石8とヨーク7の間の磁気抵抗をRgで表す。   Next, the operation of the magnetic circuit shown in FIGS. 1A and 1B will be described. This magnetic circuit can be schematically represented as shown in FIG. Here, let the residual magnetic flux density Br and the holding force Hc be constants of the permanent magnet 8, and let the magnetic flux flowing through the magnetic circuit be Φ. The magnetic resistance of the yoke portion is represented by Ry, the magnetic resistance Rc of the iron core portion, and the magnetic resistance between the permanent magnet 8 and the yoke 7 is represented by Rg.

また、永久磁石8とヨーク7の間のすきまδは図1の(d)に示すように、X=A(z)という関数で表わし、永久磁石8の厚さをlmとし、磁束路の断面積をSとし、空気の透磁率をua、鉄の透磁率をufとすると、磁気抵抗Ry、Rc、Rgは、   Further, as shown in FIG. 1D, the clearance δ between the permanent magnet 8 and the yoke 7 is expressed by a function X = A (z), the thickness of the permanent magnet 8 is lm, and the magnetic flux path is interrupted. When the area is S, the magnetic permeability of air is ua, and the magnetic permeability of iron is uf, the magnetic resistances Ry, Rc, Rg are

Figure 0004557657
Figure 0004557657

磁気回路を流れる磁束密度Bは、

Figure 0004557657
The magnetic flux density B flowing through the magnetic circuit is
Figure 0004557657

z方向ずり力(磁力)Fは、次の式から計算できる。

Figure 0004557657
The z-direction shear force (magnetic force) F can be calculated from the following equation.
Figure 0004557657

これと、式(4)から、

Figure 0004557657
となる。式(6)中のAを From this and equation (4),
Figure 0004557657
It becomes. A in formula (6)

Figure 0004557657
と表されるXZ平面内で(R+δ、Zu)を中心とする半径Rの円の一部であるとする。
Figure 0004557657
And a part of a circle with a radius R centered at (R + δ, Zu) in the XZ plane expressed as

ここで、
L:40[mm]
lm:1.5[mm]
lc:9[mm]
S:7.068[mm-2
Br:1.2[T]
Hc:900000[A/m]
ua:1.26e−9[H/m]
uf:8.82e−7[H/m]
R:100[mm]
δ:2[mm]
という値を式(6)に代入して、z=0のまわりで1次までテーラー展開すると、
F=0.06467−11.14z(ただし、F[N]、Z[m]) (8)
となる。
here,
L: 40 [mm]
lm: 1.5 [mm]
lc: 9 [mm]
S: 7.068 [mm -2 ]
Br: 1.2 [T]
Hc: 900000 [A / m]
ua: 1.26e-9 [H / m]
uf: 8.82e-7 [H / m]
R: 100 [mm]
δ: 2 [mm]
Substituting this value into equation (6) and Taylor expansion to the first order around z = 0,
F = 0.06467-11.14z (however, F [N], Z [m]) (8)
It becomes.

式(8)における第1項は、定数でプローブの自重を支えるオフセットの力を発生させる項である。第2項は、プローブの移動量zを含み、zが大きくなればなるほど力が減少することを示している。プローブが変位するに従って発生力が変化するので、機械的なばねに相当するばね要素の力である。   The first term in Equation (8) is a term that generates an offset force that supports the weight of the probe with a constant value. The second term includes the movement amount z of the probe, and indicates that the force decreases as z increases. Since the generated force changes as the probe is displaced, it is the force of the spring element corresponding to a mechanical spring.

また、式(6)から、

Figure 0004557657
From equation (6),
Figure 0004557657

Figure 0004557657
である。式(9)から永久磁石8とヨーク7のすきまδが広がる程、ずり力Fの値は大きくなることがわかる。
Figure 0004557657
It is. It can be seen from equation (9) that the shear force F increases as the clearance δ between the permanent magnet 8 and the yoke 7 increases .

以上説明したように、図1に示す磁気回路は、プローブの自重を支える一定の力によるカウンタバランス作用に加え、ばね要素の作用を兼ねている。なお、式(8)中の第1項の大きさと第2項の傾き(勾配)は、磁気抵抗、保持力、磁束路の断面積などを変えることにより調節できる。   As described above, the magnetic circuit shown in FIG. 1 also serves as a spring element in addition to a counter balance action by a constant force that supports the weight of the probe. In addition, the magnitude | size of the 1st term in Formula (8) and the inclination (gradient) of the 2nd term can be adjusted by changing a magnetic resistance, a coercive force, the cross-sectional area of a magnetic flux path, etc.

図2の(a)は図1の接触式プローブを組み込んだ形状測定装置を示すもので、球1を取り付けるための円錐状の先端を持ったプローブチップ2は、スペーサ3を挟んで、プローブシャフト4の下側にねじ込み固定される。また、ホルダ5上には、ミラー6がミラー固定駒を介して接着固定され、ホルダ5の中空部には、2つの永久磁石8を両端に接着した鉄心9が挿入され、ホルダ5は、プローブシャフト4の上側にねじ込み固定される。   2A shows a shape measuring apparatus incorporating the contact probe of FIG. 1. A probe tip 2 having a conical tip for attaching a sphere 1 has a probe shaft sandwiched by a spacer 3. 4 is fixed by screwing. Further, a mirror 6 is bonded and fixed on the holder 5 via a mirror fixing piece, and an iron core 9 having two permanent magnets 8 bonded to both ends is inserted into the hollow portion of the holder 5. Screwed to the upper side of the shaft 4.

プローブシャフト4は、薄い空気膜を介して非接触に支持するガイドである空気軸受11を介して、ハウジング10に対して上下方向に移動可能に支持されており、ハウジング10には、空気軸受11に圧縮空気を導くための圧縮空気穴12が穿設してある。これらの圧縮空気穴12は、ドリルで片面からあけ必要に応じて穴の表面部分をネジ止めや接着材等で塞ぐなどすれば、ハウジング10の内部を自由に引き回すことができる。この圧縮空気穴12は圧縮空気配管13に接続され、さらに図示しない圧縮空気源に接続されている。この構成により、プローブシャフト4は上下方向に摩擦なしに自由に移動することができる。   The probe shaft 4 is supported so as to be movable in the vertical direction with respect to the housing 10 via an air bearing 11 that is a guide that is supported in a non-contact manner through a thin air film. A compressed air hole 12 for guiding compressed air is drilled in the hole. These compressed air holes 12 can be freely drawn around the inside of the housing 10 by drilling from one side with a drill and closing the surface portion of the hole with screws or an adhesive as necessary. The compressed air hole 12 is connected to a compressed air pipe 13 and further connected to a compressed air source (not shown). With this configuration, the probe shaft 4 can freely move in the vertical direction without friction.

ハウジング10にはその下面部に突起状の下側ストッパー10bが設けられており、スペーサ3と衝突することによってプローブシャフト4の上方向への過剰な動きを規制する。下方向への過剰な動きに対しても同様に、突起状の上側ストッパー10aがハウジング10の上面部に設けられており、プローブシャフト4に設けられた突起4aに突き当たるようになっている。これらのストッパー10a、10bには衝撃を和らげるために、例えば薄いゴムシート等のダンパーを接着固定しておく。ハウジング10は、測定軸15に固定された第2のハウジング16に固定され支持されている。   The housing 10 is provided with a protruding lower stopper 10 b on the lower surface thereof, and restricts excessive movement of the probe shaft 4 in the upward direction by colliding with the spacer 3. Similarly, a projection-like upper stopper 10a is provided on the upper surface portion of the housing 10 so as to abut against the projection 4a provided on the probe shaft 4 for excessive downward movement. In order to reduce the impact, a damper such as a thin rubber sheet is bonded and fixed to these stoppers 10a and 10b. The housing 10 is fixed and supported by a second housing 16 fixed to the measurement shaft 15.

第2のハウジング16にはヨーク連結治具17によりヨーク7が固定してあり、図2の(a)はこの部分を下からみたときのヨーク7、永久磁石8等の配置を示す。箱形状のヨーク7は、プローブシャフト4に固定された永久磁石8、鉄心9を囲み、図1の(c)に示す磁気回路を構成する。永久磁石8と対向するヨーク7の内面は、図2の(c)に示すように、プローブ移動方向において一定の曲率半径Rを有する曲面である。   The yoke 7 is fixed to the second housing 16 by a yoke connecting jig 17, and FIG. 2A shows the arrangement of the yoke 7, the permanent magnet 8, etc. when this part is viewed from below. A box-shaped yoke 7 surrounds a permanent magnet 8 and an iron core 9 fixed to the probe shaft 4 and constitutes a magnetic circuit shown in FIG. The inner surface of the yoke 7 facing the permanent magnet 8 is a curved surface having a constant radius of curvature R in the probe moving direction, as shown in FIG.

前記磁気回路が発生する力は、前述の式(8)に基づき、プローブの自重を支える力を発生するカウンタバランス作用に加え、変位に従って力が変化するばね要素の作用を兼ねている。   The force generated by the magnetic circuit is based on the above-described equation (8), and also serves as a spring element in which the force changes in accordance with the displacement, in addition to a counterbalance effect that generates a force that supports the weight of the probe.

測定軸15は、プローブシャフト4と同じ方向に、すなわち上下方向(Z方向)に、ガイド31を用いて移動可能に走査手段であるXYテーブル28に支持され、ボールネジ36とサーボモータ29で駆動される。XYテーブル28は、図示しない定盤に対してXおよびY方向に移動可能にガイドされ、サーボモータ(不図示)で位置決めされる。測定軸15を駆動するサーボモータ29はサーボアンプ32に接続され、サーボアンプ32は、制御系切り替え装置33に接続される。サーボモータ29の回転軸にはエンコーダ30が接続してあり、その出力を位置制御補償回路35に接続する。制御系切り替え装置33が位置制御系に接続している時は、測定軸15の位置を制御することができる。この制御系切り替え装置33は図示していないコントローラで自動制御され、図3に示すフローチャートに従って後述するように測定動作が行われる。   The measurement shaft 15 is supported by an XY table 28 as scanning means so as to be movable in the same direction as the probe shaft 4, that is, in the vertical direction (Z direction), and is driven by a ball screw 36 and a servo motor 29. The The XY table 28 is guided so as to be movable in the X and Y directions with respect to a surface plate (not shown), and is positioned by a servo motor (not shown). A servo motor 29 that drives the measuring shaft 15 is connected to a servo amplifier 32, and the servo amplifier 32 is connected to a control system switching device 33. An encoder 30 is connected to the rotation shaft of the servo motor 29, and its output is connected to the position control compensation circuit 35. When the control system switching device 33 is connected to the position control system, the position of the measurement shaft 15 can be controlled. The control system switching device 33 is automatically controlled by a controller (not shown), and a measurement operation is performed as described later according to the flowchart shown in FIG.

また、干渉計27は、測定軸15に固定され、その上方に基準ミラー26を配置し、基準ミラー26はフレーム25に固定される。この構成により、干渉計27はミラー6とミラー26の間の距離を測定することができる。フレーム25の下方部分には被測定物24を載置する載置台が設けられる。   Further, the interferometer 27 is fixed to the measurement axis 15, a reference mirror 26 is disposed above it, and the reference mirror 26 is fixed to the frame 25. With this configuration, the interferometer 27 can measure the distance between the mirror 6 and the mirror 26. A mounting table on which the object to be measured 24 is mounted is provided below the frame 25.

検出手段であるポジションセンサ23は、センサーアンプ14に接続され、プローブシャフト4とハウジング10の相対位置を電気信号に変換する。センサーアンプ14は針圧制御補償回路34に接続され、さらに制御系切り替え装置33に接続されている。この制御系切り替え装置33が針圧制御系に接続されているときは、センサーアンプ14の出力が一定になるように、サーボモータ29を制御する。   A position sensor 23 as detection means is connected to the sensor amplifier 14 and converts the relative position between the probe shaft 4 and the housing 10 into an electrical signal. The sensor amplifier 14 is connected to a needle pressure control compensation circuit 34 and further connected to a control system switching device 33. When the control system switching device 33 is connected to the needle pressure control system, the servo motor 29 is controlled so that the output of the sensor amplifier 14 is constant.

次に、以上のように構成された形状測定装置を用いて行う測定動作を図3のフローチャートを用いて説明する。   Next, the measurement operation performed using the shape measuring apparatus configured as described above will be described with reference to the flowchart of FIG.

まず、制御系切替え装置33を位置制御系に設定する。すなわち、測定軸15の位置が一定になるようにフィードバック制御系を選択し、そして、安全位置、すなわち、プローブが最も被測定物24から離れる方向に測定軸15を退避させる(ステップS1)。   First, the control system switching device 33 is set to the position control system. That is, the feedback control system is selected so that the position of the measurement axis 15 is constant, and the measurement axis 15 is retracted in the safe position, that is, the direction in which the probe is farthest from the object to be measured 24 (step S1).

そして、最初の測定点の上に来るようにXYテーブル28を移動させ(ステップS2)、測定軸15を下げて、プローブと被測定物24を接触させ、ポジションセンサ23が所定の位置になるまで測定軸15を下降させる(ステップS3)。   Then, the XY table 28 is moved so as to be on the first measurement point (step S2), the measurement shaft 15 is lowered, the probe and the object to be measured 24 are brought into contact, and the position sensor 23 is in a predetermined position. The measuring shaft 15 is lowered (step S3).

ここで、プローブ先端の球1が、被測定物24に接触して反力を受けると、プローブシャフト4が押し上げられる。プローブシャフト4が押し上げられると、前述の式(8)中のzがプラス側に増える。すると、磁気回路の発生力が弱まるので、プローブ先端の球1が被測定物24を押しつける力がその分だけ次第に増える。これはばね要素がそこにあるのと同じ作用である。従って、ポジションセンサアンプ14の出力は、プローブ押しつけ力を表している。   Here, when the sphere 1 at the tip of the probe contacts the object to be measured 24 and receives a reaction force, the probe shaft 4 is pushed up. When the probe shaft 4 is pushed up, z in the above formula (8) increases to the plus side. Then, since the generated force of the magnetic circuit is weakened, the force with which the sphere 1 at the tip of the probe presses the object to be measured 24 gradually increases accordingly. This is the same effect as the spring element is there. Therefore, the output of the position sensor amplifier 14 represents the probe pressing force.

プローブ先端の球1と被測定物24の接触は、プローブの変位測定信号、すなわち、センサーアンプ14の信号をモニタしていれば判別できる。   The contact between the probe tip sphere 1 and the object 24 to be measured can be determined by monitoring the probe displacement measurement signal, that is, the sensor amplifier 14 signal.

そして、制御系切り替えスイッチ33を針圧制御系に切り替えて、ポジションセンサ23の値が一定になるように制御する(ステップS4)。そのまま、被測定物24の測定領域をXY軸を用いて走査(トレース)し、同時に測定軸15の位置を図示しない座標位置測定手段で測定する(ステップS5)。また、プローブの上下方向については、ミラー6と参照ミラー26の間の距離を測定する干渉計27で直接測定する。全測定領域を走査したら、制御系切り替え装置33を再び位置制御系に切り替え、測定軸15を安全位置に退避させ(ステップS6)、測定を終了する。   Then, the control system changeover switch 33 is switched to the needle pressure control system to control the value of the position sensor 23 to be constant (step S4). As it is, the measurement area of the object to be measured 24 is scanned (traced) using the XY axes, and at the same time, the position of the measurement axis 15 is measured by a coordinate position measuring means (not shown) (step S5). Further, the vertical direction of the probe is directly measured by an interferometer 27 that measures the distance between the mirror 6 and the reference mirror 26. When the entire measurement area is scanned, the control system switching device 33 is switched again to the position control system, the measurement shaft 15 is retracted to the safe position (step S6), and the measurement is terminated.

本実施例によれば、プローブ先端の球1、プローブチップ2、スペーサ3、プローブシャフト4、ホルダ5、ミラー6等にかかる重力を磁気回路が発生する磁力でキャンセルするため、従来例のようにサイズの大きいばねを用いる必要がない。その結果、小型のプローブが実現可能である。   According to the present embodiment, the gravity applied to the probe tip sphere 1, probe tip 2, spacer 3, probe shaft 4, holder 5, mirror 6 and the like is canceled by the magnetic force generated by the magnetic circuit. There is no need to use large springs. As a result, a small probe can be realized.

磁束漏れに関しても、永久磁石が強磁性体で構成された箱形状のヨークによって囲まれているため、従来のように磁気回路の近辺に鉄系材料の部品を配置できないという制約がない。従って、プローブの自重キャンセル部分を大幅に縮小することが可能になり、プローブの小型化により一層貢献できる。   Regarding the magnetic flux leakage, since the permanent magnet is surrounded by a box-shaped yoke made of a ferromagnetic material, there is no restriction that it is not possible to place a ferrous material component in the vicinity of the magnetic circuit as in the prior art. Accordingly, it is possible to greatly reduce the weight canceling portion of the probe, which can further contribute to the miniaturization of the probe.

さらに、温度変化等の環境変化に対して発生力が変化するばねや発熱するコイル等を使用していないため、プローブの押しつけ力の精度が向上し、その結果測定精度が向上する。   Furthermore, since a spring or a coil that generates heat with respect to environmental changes such as temperature changes is not used, the accuracy of the pressing force of the probe is improved, and as a result, the measurement accuracy is improved.

また、ヨークの永久磁石と対向する内面の断面形状が、プローブ移動方向において曲率が一定の円形状であるため、ヨークの設計・製作が簡易であり、従って、製作コストを下げることができる。   Further, since the cross-sectional shape of the inner surface of the yoke facing the permanent magnet is a circular shape with a constant curvature in the probe moving direction, the yoke can be easily designed and manufactured, and thus the manufacturing cost can be reduced.

図4に示すように、本実施例は、テーパー状の開口37aを有する箱形状のヨーク37を用いて、ヨーク37と永久磁石8からなる磁気回路によるプローブの押しつけ力の大きさを、開口37aのテーパー部のテーパー方向にヨーク37を移動させることで調節するためのヨーク駆動手段を設けたものである。この構成により、例えばプローブの球1の交換等によってプローブ重量が変化しても、磁気回路の発生力を自在に調節してプローブ押しつけ力を一定に保つことができる。   As shown in FIG. 4, in this embodiment, a box-shaped yoke 37 having a tapered opening 37a is used, and the magnitude of the pressing force of the probe by the magnetic circuit composed of the yoke 37 and the permanent magnet 8 is changed to the opening 37a. Yoke driving means for adjusting the taper by moving the yoke 37 in the taper direction is provided. With this configuration, even if the weight of the probe changes due to, for example, replacement of the probe ball 1 or the like, the force generated by the magnetic circuit can be freely adjusted to keep the probe pressing force constant.

図4の(a)において、図1の(a)と同様に、球1を取り付けるための円錐状の先端を持ったプローブチップ2は、スペーサ3を挟んで、プローブシャフト4の下側にねじ込み固定される。また、ホルダ5上には、ミラー6がミラー固定駒を介して接着固定され、ホルダ5の中空部には、2つの永久磁石8を両端に接着した鉄心9が挿入され、ホルダ5はプローブシャフト4の上側にねじ込み固定される。   4A, as in FIG. 1A, the probe tip 2 having a conical tip for attaching the sphere 1 is screwed under the probe shaft 4 with the spacer 3 interposed therebetween. Fixed. A mirror 6 is bonded and fixed on the holder 5 via a mirror fixing piece, and an iron core 9 having two permanent magnets 8 bonded to both ends is inserted into the hollow portion of the holder 5, and the holder 5 is a probe shaft. 4 is fixed by screwing.

プローブシャフト4は、薄い空気膜を介して非接触に支持するガイドである空気軸受11を介して、ハウジング10に対して上下方向に移動可能に支持されており、ハウジング10には、空気軸受11に圧縮空気を導くための圧縮空気穴12が穿設してある。これらの圧縮空気穴12は、ドリルで片面からあけ必要に応じて穴の表面部分をネジ止めや接着材等で塞ぐなどすれば、ハウジング10の内部を自由に引き回すことができる。この圧縮空気穴12は圧縮空気配管13に接続され、さらに図示しない圧縮空気源に接続されている。この構成により、プローブシャフト4は上下方向に摩擦なしに自由に移動することができる。   The probe shaft 4 is supported so as to be movable in the vertical direction with respect to the housing 10 via an air bearing 11 that is a guide that is supported in a non-contact manner through a thin air film. A compressed air hole 12 for guiding compressed air is drilled in the hole. These compressed air holes 12 can be freely drawn around the inside of the housing 10 by drilling from one side with a drill and closing the surface portion of the hole with screws or an adhesive as necessary. The compressed air hole 12 is connected to a compressed air pipe 13 and further connected to a compressed air source (not shown). With this configuration, the probe shaft 4 can freely move in the vertical direction without friction.

ハウジング10にはその下面部に突起状の下側ストッパー10bが設けられており、スペーサ3と衝突することによってプローブシャフト4の上方向への過剰な動きを規制する。下方向への過剰な動きに対しても同様に、突起状の上側ストッパー10aがハウジング10の上面部に設けられており、プローブシャフト4に設けられた突起4aに突き当たるようになっている。ハウジング10は、測定軸15に固定された第2のハウジング16に固定され支持されている。   The housing 10 is provided with a protruding lower stopper 10 b on the lower surface thereof, and restricts excessive movement of the probe shaft 4 in the upward direction by colliding with the spacer 3. Similarly, a projection-like upper stopper 10a is provided on the upper surface portion of the housing 10 so as to abut against the projection 4a provided on the probe shaft 4 for excessive downward movement. The housing 10 is fixed and supported by a second housing 16 fixed to the measurement shaft 15.

ヨーク37は、プローブシャフト4と直交する方向に、すなわち前後方向(Y方向)に、ガイド21を用いて移動可能なように第2のハウジング16に対して支持され、ヨーク移動手段であるピニオンラック機構40とサーボモータ38により移動される。ヨーク37を駆動するサーボモータ38はサーボモータジグ39に支持され、サーボアンプ41に接続される。サーボモータ38の回転軸にはエンコーダ38aが接続してあり、その出力を位置制御補償回路42に接続する。   The yoke 37 is supported by the second housing 16 so as to be movable using the guide 21 in a direction orthogonal to the probe shaft 4, that is, in the front-rear direction (Y direction), and is a pinion rack serving as a yoke moving means. It is moved by the mechanism 40 and the servo motor 38. A servo motor 38 for driving the yoke 37 is supported by a servo motor jig 39 and connected to a servo amplifier 41. An encoder 38 a is connected to the rotation shaft of the servo motor 38, and its output is connected to the position control compensation circuit 42.

図4の(b)はヨーク37と永久磁石8等の配置を上方からみた図である。箱形状のヨーク37は、X方向の開口幅αがY方向に変化するテーパー形状の開口37aを有し、プローブシャフト4に固定された永久磁石8、鉄心9とともに磁気回路を構成する。永久磁石8と対向するヨーク37の内面にはプローブ移動方向において一定の曲率が設けられている。   FIG. 4B is a view of the arrangement of the yoke 37 and the permanent magnets 8 as viewed from above. The box-shaped yoke 37 has a tapered opening 37 a whose opening width α in the X direction changes in the Y direction, and constitutes a magnetic circuit together with the permanent magnet 8 and the iron core 9 fixed to the probe shaft 4. A constant curvature is provided on the inner surface of the yoke 37 facing the permanent magnet 8 in the probe moving direction.

このように構成される磁気回路が発生する力は、前述した式(8)に基づいて説明したように、プローブの自重を支えるオフセットの力を発生するカウンタバランス作用に加え、変位に従って力が変化するばね要素の作用を兼ねている。   The force generated by the magnetic circuit configured as described above is changed according to the displacement in addition to the counter balance action that generates the offset force that supports the weight of the probe, as described above based on the equation (8). It also functions as a spring element.

また、前述したように、サーボモータ38を駆動して、ヨーク37をプローブ移動方向であるZ方向と直交するY方向に変位させることにより、永久磁石8とヨーク37の間のすきまが変化し、プローブ自重を支える力を変化させることができる。あらかじめ、ヨーク37のプローブ移動方向と直交するY方向の変位とプローブ自重を支える力の関係を把握しておくことにより、測定時の押しつけ力を任意の値に調節することができる。また、先端チップ、先端球の交換によりプローブ自重が変化した時の押しつけ力の補正を行うことができる。   Further, as described above, the clearance between the permanent magnet 8 and the yoke 37 is changed by driving the servo motor 38 and displacing the yoke 37 in the Y direction perpendicular to the Z direction which is the probe moving direction. The force that supports the probe's own weight can be changed. By grasping in advance the relationship between the displacement of the yoke 37 in the Y direction perpendicular to the probe moving direction and the force that supports the probe's own weight, the pressing force at the time of measurement can be adjusted to an arbitrary value. Further, it is possible to correct the pressing force when the weight of the probe changes due to the replacement of the tip and the tip sphere.

測定軸15は、プローブシャフト4に沿った方向に、すなわち上下方向(Z方向)に、ガイド31を用いて移動可能にXYテーブル28に対して支持され、ボールネジ36とサーボモータ29で駆動される。XYテーブル28は、図示しない定盤に対してXおよびY方向に移動可能にガイドされ、サーボモータ(不図示)で位置決めされる。測定軸15を駆動するサーボモータ29はサーボアンプ32に接続され、サーボアンプ32は、制御系切り替え装置33に接続される。サーボモータ29の回転軸にはエンコーダ30が接続してあり、その出力を位置制御補償回路35に接続する。制御系切り替え装置33が位置制御系に接続している時は、測定軸15の位置を制御することができる。この制御系切り替え装置33は図示していないコントローラで自動制御され、図5に示すフローチャートに従って後述するように測定動作が行われる。   The measuring shaft 15 is supported by the XY table 28 so as to be movable in the direction along the probe shaft 4, that is, in the vertical direction (Z direction), and is driven by the ball screw 36 and the servo motor 29. . The XY table 28 is guided so as to be movable in the X and Y directions with respect to a surface plate (not shown), and is positioned by a servo motor (not shown). A servo motor 29 that drives the measuring shaft 15 is connected to a servo amplifier 32, and the servo amplifier 32 is connected to a control system switching device 33. An encoder 30 is connected to the rotation shaft of the servo motor 29, and its output is connected to the position control compensation circuit 35. When the control system switching device 33 is connected to the position control system, the position of the measurement shaft 15 can be controlled. The control system switching device 33 is automatically controlled by a controller (not shown), and a measurement operation is performed as described later according to the flowchart shown in FIG.

また、干渉計27は、測定軸15に固定され、その上方に基準ミラー26を配置し、基準ミラー26はフレーム25に固定する。この構成により、干渉計27はミラー6とミラー26の間の距離を測定することができる。フレーム25の下方部分には被測定物24を載置する載置台が設けられる。   Further, the interferometer 27 is fixed to the measurement axis 15, a reference mirror 26 is disposed above it, and the reference mirror 26 is fixed to the frame 25. With this configuration, the interferometer 27 can measure the distance between the mirror 6 and the mirror 26. A mounting table on which the object to be measured 24 is mounted is provided below the frame 25.

ポジションセンサ23は、センサーアンプ14に接続され、プローブシャフト4とハウジング10の相対位置を電気信号に変換する。センサーアンプ14は針圧制御補償回路34に接続され、さらに制御系切り替え装置33に接続されている。この制御系切り替え装置33が針圧制御系に接続されているときは、センサーアンプ14の出力が一定になるように、サーボモータを制御する。   The position sensor 23 is connected to the sensor amplifier 14 and converts the relative position between the probe shaft 4 and the housing 10 into an electrical signal. The sensor amplifier 14 is connected to a needle pressure control compensation circuit 34 and further connected to a control system switching device 33. When the control system switching device 33 is connected to the needle pressure control system, the servo motor is controlled so that the output of the sensor amplifier 14 becomes constant.

次に、以上のように構成された形状測定装置を用いて行う測定動作を図5のフローチャートを用いて説明する。   Next, a measurement operation performed using the shape measuring apparatus configured as described above will be described with reference to the flowchart of FIG.

最初にプローブを下端に固定する(ステップS101)。すなわち、ヨーク37を永久磁石8とヨーク37のすきまが広がるY方向へ移動させることにより、永久磁石8とヨーク37の間に作用する磁力が弱まり、プローブを下降させることができる。このようにして、プローブシャフト4の突起4aを上側ストッパー10aに当接させ、プローブを下端に固定する。   First, the probe is fixed to the lower end (step S101). That is, by moving the yoke 37 in the Y direction in which the clearance between the permanent magnet 8 and the yoke 37 is widened, the magnetic force acting between the permanent magnet 8 and the yoke 37 is weakened, and the probe can be lowered. In this way, the protrusion 4a of the probe shaft 4 is brought into contact with the upper stopper 10a, and the probe is fixed to the lower end.

プローブを下端に固定したら、ポジションセンサ23の値z1を読み取り図示しない記憶装置により記憶する(ステップS102)。   When the probe is fixed to the lower end, the value z1 of the position sensor 23 is read and stored in a storage device (not shown) (step S102).

そして、あらかじめ設定したプローブ質量測定位置へヨーク37を移動し(ステップS103)、プローブがバランスする時のポジションセンサ23の値z2を読み取り、z2とz1の差z3(=z2−z1)を図示しない記憶装置により記憶する(ステップS104)。z3はストッパー10aからのプローブの浮き上がり量である。   Then, the yoke 37 is moved to a preset probe mass measurement position (step S103), the value z2 of the position sensor 23 when the probe is balanced is read, and the difference z3 (= z2−z1) between z2 and z1 is not shown. Stored by the storage device (step S104). z3 is a floating amount of the probe from the stopper 10a.

次に、プローブ質量の測定を行う(ステップS105)。すなわち、あらかじめプローブ質量が基準質量mである場合のプローブ浮き上がり量zdを事前に把握しておけば、zdとz3の差にプローブ移動方向におけるバネ係数をかけることにより、プローブ先端の球1の交換などにより変化した質量m1を計算することができる。   Next, the probe mass is measured (step S105). That is, if the probe lift amount zd in the case where the probe mass is the reference mass m is known in advance, the probe tip sphere 1 can be replaced by multiplying the difference between zd and z3 by the spring coefficient in the probe moving direction. It is possible to calculate the mass m1 changed due to the above.

例えば、バネ係数が、30〔mN/mm〕で、基準質量mが80mNの時の浮き上がり量zdが、1〔mm〕であるとする。このとき、測定した浮き上がり量z3が例えば0.95mmであれば、変化した質量m1は、m1=(zd−z3)×30=1.5mNとなる。すなわち、1.5mNだけプローブが基準質量mより重くなっていることがわかる。   For example, it is assumed that the lifting amount zd when the spring coefficient is 30 [mN / mm] and the reference mass m is 80 mN is 1 [mm]. At this time, if the measured lifting amount z3 is, for example, 0.95 mm, the changed mass m1 is m1 = (zd−z3) × 30 = 1.5 mN. That is, it can be seen that the probe is heavier than the reference mass m by 1.5 mN.

計算したm1が許容値Δmを超えていなければ、正常に球交換が行われたものとみなし、測定動作を継続する。もし、m1がΔmを超えていれば、球交換がうまくいかなかったものとして測定を終了する。   If the calculated m1 does not exceed the allowable value Δm, it is considered that the ball has been exchanged normally, and the measurement operation is continued. If m1 exceeds Δm, it is determined that the ball exchange was not successful and the measurement is terminated.

以上でプローブの準備が完了し、形状測定の工程に入る。まず、制御系切替え装置33を位置制御系に設定し、すなわち、測定軸15の位置が一定になるようにフィードバック制御系を選択し、そして、安全位置、すなわち、プローブが最も被測定物24から離れる方向に測定軸15を退避させる(ステップS106)。次に、ステップS101と同様な方法でプローブを下端に固定する(ステップS107)。そして、最初の測定点の上に来るようにXY軸28を移動させ、測定軸15を下げて、プローブと被測定物24を接触させ、ポジションセンサ23が所定の位置になるまで測定軸15を下降させる(ステップS109)。   Thus, the preparation of the probe is completed, and the shape measurement process starts. First, the control system switching device 33 is set to the position control system, that is, the feedback control system is selected so that the position of the measurement shaft 15 is constant, and the safe position, that is, the probe is the most from the object to be measured 24. The measuring shaft 15 is retracted in the direction of leaving (step S106). Next, the probe is fixed to the lower end in the same manner as in step S101 (step S107). Then, the XY axis 28 is moved so as to be above the first measurement point, the measurement axis 15 is lowered, the probe and the object to be measured 24 are brought into contact, and the measurement axis 15 is moved until the position sensor 23 reaches a predetermined position. Lower (step S109).

ここで、先端の球1が、被測定物24に接触して反力を受けると、プローブシャフト4が押し上げられる。プローブシャフト4が押し上げられると、前述の式(8)中のzがプラス側に増える。すると、磁気回路の発生力が弱まるので、プローブ先端の球1が被測定物24を押しつける力がその分だけ次第に増える。これはばね要素がそこにあるのと同じ作用である。従って、ポジションセンサアンプ14の出力は、プローブの押しつけ力を表している。   Here, when the ball 1 at the tip contacts the object to be measured 24 and receives a reaction force, the probe shaft 4 is pushed up. When the probe shaft 4 is pushed up, z in the above formula (8) increases to the plus side. Then, since the generated force of the magnetic circuit is weakened, the force with which the sphere 1 at the tip of the probe presses the object to be measured 24 gradually increases accordingly. This is the same effect as the spring element is there. Therefore, the output of the position sensor amplifier 14 represents the pressing force of the probe.

プローブ先端の球1と被測定物24の接触は、プローブの変位測定信号、すなわち、センサーアンプ14の信号をモニタしていれば判別できる。プローブはプローブシャフト4の突起4aとハウジング10の突起状の上側ストッパー10aが接触しているので、測定軸15が動き外乱振動があってもプローブは動かない。従って、センサーアンプ14の信号が外乱振動によって揺れることがなく、接触の判定を容易に行うことができる。すなわち、あらかじめ定めた信号レベルに達するかどうかを監視していればよいため、非常に高速で、例えば1msで接触の有無が判定できる。   The contact between the probe tip sphere 1 and the object 24 to be measured can be determined by monitoring the probe displacement measurement signal, that is, the sensor amplifier 14 signal. Since the probe is in contact with the protrusion 4a of the probe shaft 4 and the protruding upper stopper 10a of the housing 10, the probe does not move even if the measurement shaft 15 moves and there is disturbance vibration. Therefore, the signal of the sensor amplifier 14 is not swayed by disturbance vibration, and contact determination can be easily performed. That is, since it is only necessary to monitor whether or not a predetermined signal level is reached, the presence or absence of contact can be determined at a very high speed, for example, 1 ms.

次に、押しつけ力が設定値になるようにヨーク37を移動する(ステップS110)。前述したようにヨーク37をプローブ移動方向と直交するY方向に動かすと、永久磁石8とヨーク37のすきまが変化し、前述した式(8)のプローブの自重を支える力が変化する。あらかじめ、基準質量mのプローブにおいて、ヨーク37の位置yと押しつけ力fの関係をy=G(f)として把握しておき、それに従って押しつけ力の設定値に対応したヨーク37の位置を決定し、ヨーク37を移動する。しかし、プローブ先端の球1などを取り替えるとプローブ質量がずれてしまうため、ステップS105で求めたプローブ質量のズレ量m1を利用してこれを補正する。すなわち、それまでの押しつけ力の設定値がf0であった場合には、設定値をf0−m1と補正して、ヨーク位置yを求めれば、プローブ質量のズレ量をキャンセルして正確に押しつけ力を設定することができる。例えば、f0が100mgで、m1が40mgである場合には、押しつけ力を100−40=60mgと補正して、ヨーク位置yを求めれば、球交換などによるプローブ質量のズレ量を補正できる。   Next, the yoke 37 is moved so that the pressing force becomes a set value (step S110). As described above, when the yoke 37 is moved in the Y direction orthogonal to the probe moving direction, the clearance between the permanent magnet 8 and the yoke 37 changes, and the force that supports the weight of the probe of the formula (8) changes. In advance, in the probe having the reference mass m, the relationship between the position y of the yoke 37 and the pressing force f is grasped as y = G (f), and the position of the yoke 37 corresponding to the set value of the pressing force is determined accordingly. The yoke 37 is moved. However, if the sphere 1 etc. at the tip of the probe is replaced, the probe mass shifts, and this is corrected using the probe mass deviation amount m1 obtained in step S105. That is, when the set value of the pressing force so far is f0, if the set value is corrected to f0-m1 and the yoke position y is obtained, the displacement amount of the probe mass is canceled and the pressing force is accurately determined. Can be set. For example, when f0 is 100 mg and m1 is 40 mg, if the pressing force is corrected to 100−40 = 60 mg and the yoke position y is obtained, the displacement amount of the probe mass due to ball exchange or the like can be corrected.

そして、制御系切り替えスイッチ33を針圧制御系に切り替えて、ポジションセンサ23の値が一定になるように制御する(ステップS111)。そのまま、被測定物24の測定領域をXY軸を用いて走査(トレース)し、同時に測定軸15の位置を図示しない座標位置測定手段で測定する(ステップS112)。また、プローブの上下方向については、ミラー6と参照ミラー26の間の距離を測定する干渉計27で直接測定する。全測定領域を走査したら、制御系切り替え装置33を再び位置制御系に切り替え、測定軸を安全位置に退避させ(ステップS113)、測定を終了する。   Then, the control system changeover switch 33 is switched to the needle pressure control system to control the value of the position sensor 23 to be constant (step S111). As it is, the measurement area of the object to be measured 24 is scanned (traced) using the XY axes, and at the same time, the position of the measurement axis 15 is measured by a coordinate position measuring means (not shown) (step S112). Further, the vertical direction of the probe is directly measured by an interferometer 27 that measures the distance between the mirror 6 and the reference mirror 26. When the entire measurement area is scanned, the control system switching device 33 is switched again to the position control system, the measurement axis is retracted to the safe position (step S113), and the measurement is terminated.

以上説明してきたように、本実施例によれば、プローブ先端の球1、プローブチップ2、スペーサ3、プローブシャフト4、ホルダ5、ミラー6等にかかる重力を、磁気回路が発生する磁力でキャンセルする。従来例のようにサイズの大きいばねを用いる必要がないため、小型のプローブが実現可能である。   As described above, according to the present embodiment, gravity applied to the sphere 1 at the probe tip, the probe tip 2, the spacer 3, the probe shaft 4, the holder 5, and the mirror 6 is canceled by the magnetic force generated by the magnetic circuit. To do. Since it is not necessary to use a large spring as in the conventional example, a small probe can be realized.

さらに、温度変化等の環境変化に対して発生力が変化するばねを使用していないため、プローブの押しつけ力の精度が向上し、その結果、測定精度が向上する。   Furthermore, since a spring whose generated force changes with respect to environmental changes such as temperature changes is not used, the accuracy of the pressing force of the probe is improved, and as a result, the measurement accuracy is improved.

また、磁気回路を構成するヨークを移動することにより、プローブチップや球の交換などにより生じたプローブ質量の変化を補正することが可能となり、押しつけ力の精度が向上し、その結果、形状測定精度が向上する。   Also, by moving the yoke that constitutes the magnetic circuit, it is possible to correct the change in probe mass caused by the exchange of the probe tip and sphere, etc., and the accuracy of the pressing force is improved. As a result, the shape measurement accuracy Will improve.

加えて、ヨーク移動手段によってヨークを移動させることで、プローブを上側ストッパーに当接して原点出しを行う工程や、ポジションセンサによってプローブの重量と磁気回路の磁力がバランスする位置を測定する工程を設けることが可能となり、プローブ質量やプローブ位置を高精度で管理し、形状測定精度をより一層大幅に向上できる。   In addition, there is a step of moving the yoke by the yoke moving means to bring the probe into contact with the upper stopper to make the origin, and a step of measuring the position where the weight of the probe and the magnetic force of the magnetic circuit are balanced by the position sensor. Therefore, the probe mass and the probe position can be managed with high accuracy, and the shape measurement accuracy can be greatly improved.

図6は、実施例3による形状測定装置を示すもので、図2の装置と同様にヨーク7と永久磁石8等による磁気回路を有し、プローブ移動方向と平行するZ方向にヨーク7を移動して、磁気回路の発生力を調整するヨーク駆動手段を設ける。   FIG. 6 shows a shape measuring apparatus according to the third embodiment, which has a magnetic circuit including a yoke 7 and permanent magnets 8 as in the apparatus of FIG. 2, and moves the yoke 7 in the Z direction parallel to the probe moving direction. A yoke driving means for adjusting the generated force of the magnetic circuit is provided.

図6の(a)、(c)に示すように、ヨーク7は、プローブシャフト4に沿った上下方向(Z方向)に移動するヨーク移動ガイド51とこれを移動自在に支持する支持部材52を介して第2のハウジング16に支持されたヨーク駆動手段であるヨーク移動体55に保持され、サーボモータ53によるボールねじ56によって駆動される。ヨーク7を上下動するサーボモータ53はサーボアンプ41に接続され、サーボモータ53の回転軸にはエンコーダ54が接続してあり、その出力を位置制御補償回路42に接続する。   As shown in FIGS. 6A and 6C, the yoke 7 includes a yoke moving guide 51 that moves in the vertical direction (Z direction) along the probe shaft 4 and a support member 52 that supports the yoke movably. Is held by a yoke moving body 55 which is a yoke driving means supported by the second housing 16 and is driven by a ball screw 56 by a servo motor 53. A servo motor 53 that moves up and down the yoke 7 is connected to a servo amplifier 41, an encoder 54 is connected to the rotating shaft of the servo motor 53, and its output is connected to a position control compensation circuit 42.

図6の(b)は、ヨーク7と永久磁石8の配置を上からみた平面図である。ヨーク7は箱形状であり、プローブシャフト4に固定された永久磁石8、鉄心9とともに磁気回路を構成する。永久磁石8と対向するヨーク7の内面形状はプローブ移動方向において一定の曲率を有する曲面である。   FIG. 6B is a plan view of the arrangement of the yoke 7 and the permanent magnet 8 as seen from above. The yoke 7 has a box shape, and constitutes a magnetic circuit together with the permanent magnet 8 and the iron core 9 fixed to the probe shaft 4. The inner surface shape of the yoke 7 facing the permanent magnet 8 is a curved surface having a constant curvature in the probe moving direction.

このように構成された磁気回路が発生する力は、前述の式(8)に基づいて説明したように、プローブの自重を支えるオフセットの力を発生するカウンタバランス作用に加え、変位に従って力が変化するばね要素の作用を兼ねている。   The force generated by the magnetic circuit configured as described above is changed according to the displacement in addition to the counter balance action that generates the offset force that supports the weight of the probe as described above based on the equation (8). It also functions as a spring element.

また、前述したようにプローブの移動方向と平行するZ方向のヨーク7の変位により、永久磁石8とヨーク7の間のすきまが変化し、プローブ自重を支える力が変化する。あらかじめ、測定位置でのヨーク7のプローブ移動方向と平行する方向の変位とプローブ自重を支える力の関係を把握しておくことにより、測定時の押しつけ力を可変にすることができる。また、先端チップ、先端球の交換によりプローブ自重が変化した時の押しつけ力の補正を行うことができる。   Further, as described above, due to the displacement of the yoke 7 in the Z direction parallel to the moving direction of the probe, the clearance between the permanent magnet 8 and the yoke 7 changes, and the force that supports the probe's own weight changes. By grasping in advance the relationship between the displacement in the direction parallel to the probe movement direction of the yoke 7 at the measurement position and the force that supports the probe's own weight, the pressing force at the time of measurement can be made variable. Further, it is possible to correct the pressing force when the weight of the probe changes due to the replacement of the tip and the tip sphere.

測定軸15は、プローブシャフト4に沿った方向に、すなわち上下方向(Z方向)に、ガイド31を用いて移動可能にXYテーブル28に対して支持され、ボールネジ36とサーボモータ29で駆動される。XYテーブル28は、図示しない定盤に対してXおよびY方向に移動可能にガイドされ、サーボモータ(不図示)で位置決めされる。測定軸15を駆動するサーボモータ29はサーボアンプ32に接続され、サーボアンプ32は、制御系切り替え装置33に接続される。サーボモータ29の回転軸にはエンコーダ30が接続してあり、その出力を位置制御補償回路35に接続する。制御系切り替え装置33が位置制御系に接続している時は、測定軸15の位置を制御することができる。この制御系切り替え装置33は図示していないコントローラで自動制御され、図7に示すフローチャートに従って後述するように測定動作が行われる。   The measuring shaft 15 is supported by the XY table 28 so as to be movable in the direction along the probe shaft 4, that is, in the vertical direction (Z direction), and is driven by the ball screw 36 and the servo motor 29. . The XY table 28 is guided so as to be movable in the X and Y directions with respect to a surface plate (not shown), and is positioned by a servo motor (not shown). A servo motor 29 that drives the measuring shaft 15 is connected to a servo amplifier 32, and the servo amplifier 32 is connected to a control system switching device 33. An encoder 30 is connected to the rotation shaft of the servo motor 29, and its output is connected to the position control compensation circuit 35. When the control system switching device 33 is connected to the position control system, the position of the measurement shaft 15 can be controlled. The control system switching device 33 is automatically controlled by a controller (not shown), and a measurement operation is performed as described later according to the flowchart shown in FIG.

また、干渉計27は、測定軸15に固定され、その上方に基準ミラー26を配置し、基準ミラー26はフレーム25に固定する。この構成により、干渉計27はミラー6とミラー26の間の距離を測定することができる。フレーム25の下方部分には被測定物の載置台(不図示)が設けられ、この載置台に被測定物24が固定される。   Further, the interferometer 27 is fixed to the measurement axis 15, a reference mirror 26 is disposed above it, and the reference mirror 26 is fixed to the frame 25. With this configuration, the interferometer 27 can measure the distance between the mirror 6 and the mirror 26. A mounting table (not shown) for an object to be measured is provided in a lower portion of the frame 25, and the object to be measured 24 is fixed to the mounting table.

ポジションセンサ23は、センサーアンプ14に接続され、プローブシャフト4とハウジング10の相対位置を電気信号に変換する。センサーアンプ14は針圧制御補償回路34に接続され、さらに制御系切り替え装置33に接続されている。この制御系切り替え装置33が針圧制御系に接続されているときは、センサーアンプ14の出力が一定になるように、サーボモータを制御する。   The position sensor 23 is connected to the sensor amplifier 14 and converts the relative position between the probe shaft 4 and the housing 10 into an electrical signal. The sensor amplifier 14 is connected to a needle pressure control compensation circuit 34 and further connected to a control system switching device 33. When the control system switching device 33 is connected to the needle pressure control system, the servo motor is controlled so that the output of the sensor amplifier 14 becomes constant.

次に、以上のように構成された形状測定装置を用いて行う測定動作を図7のフローチャートを用いて説明する。   Next, a measurement operation performed using the shape measuring apparatus configured as described above will be described with reference to the flowchart of FIG.

最初にプローブを下端に固定する(ステップS101a)。すなわち、ヨーク7を永久磁石8とヨーク7のすきまが狭くなるZ方向へ移動することにより、永久磁石8とヨーク7の間に作用する磁力が弱まり、プローブを下降させることができる。このようにして、プローブシャフト4の突起4aを上側ストッパー10aに当接させ、プローブを下端に固定する。 First, the probe is fixed to the lower end (step S101a). That is, by moving the yoke 7 in the Z direction where the clearance between the permanent magnet 8 and the yoke 7 becomes narrow , the magnetic force acting between the permanent magnet 8 and the yoke 7 is weakened, and the probe can be lowered. In this way, the protrusion 4a of the probe shaft 4 is brought into contact with the upper stopper 10a, and the probe is fixed to the lower end.

プローブを下端に固定したら、ポジションセンサ23の値z1を読み取り図示しない記憶装置により記憶する(ステップS102)。   When the probe is fixed to the lower end, the value z1 of the position sensor 23 is read and stored in a storage device (not shown) (step S102).

そして、あらかじめ設定したプローブ質量測定位置へヨーク7を移動し(ステップS103a)、プローブがバランスする時のポジションセンサ23の値z2を読み取り、z2とz1の差z3(=z2−z1)を図示しない記憶装置により記憶する(ステップS104)。z3はストッパー10aからのプローブの浮き上がり量である。   Then, the yoke 7 is moved to a preset probe mass measurement position (step S103a), the value z2 of the position sensor 23 when the probe is balanced is read, and the difference z3 (= z2−z1) between z2 and z1 is not shown. Stored by the storage device (step S104). z3 is a floating amount of the probe from the stopper 10a.

次に、プローブ質量の測定を行う(ステップS105)。すなわち、あらかじめプローブ質量が基準質量mである場合のプローブ浮き上がり量zdを事前に把握しておけば、zdとz3の差にプローブ移動方向におけるバネ係数をかけることにより、プローブ先端の球1の交換などにより変化した質量m1を計算することができる。   Next, the probe mass is measured (step S105). That is, if the probe lift amount zd in the case where the probe mass is the reference mass m is known in advance, the probe tip sphere 1 can be replaced by multiplying the difference between zd and z3 by the spring coefficient in the probe moving direction. It is possible to calculate the mass m1 changed due to the above.

例えば、バネ係数が、30〔mN/mm〕で、基準質量mが80mNの時の浮き上がり量zdが、1〔mm〕であるとする。このとき、測定した浮き上がり量z3が例えば0.95mmであれば、変化した質量m1は、m1=(zd−z3)×30=1.5mNとなる。すなわち、1.5mNだけプローブが基準質量mより重くなっていることがわかる。   For example, it is assumed that the lifting amount zd when the spring coefficient is 30 [mN / mm] and the reference mass m is 80 mN is 1 [mm]. At this time, if the measured lifting amount z3 is, for example, 0.95 mm, the changed mass m1 is m1 = (zd−z3) × 30 = 1.5 mN. That is, it can be seen that the probe is heavier than the reference mass m by 1.5 mN.

計算したm1が許容値Δmを超えていなければ、正常に球交換が行われたものとみなし、測定動作を継続する。もし、m1がΔmを超えていれば、球交換がうまくいかなかったものとして測定を終了する。   If the calculated m1 does not exceed the allowable value Δm, it is considered that the ball has been exchanged normally, and the measurement operation is continued. If m1 exceeds Δm, it is determined that the ball exchange was not successful and the measurement is terminated.

以上でプローブの準備が完了し、形状測定の工程に入る。まず、制御系切替え装置33を位置制御系に設定し、すなわち、測定軸15の位置が一定になるようにフィードバック制御系を選択し、そして、安全位置、すなわち、プローブが最も被測定物24から離れる方向に測定軸15を退避させる(ステップS106)。次に、ステップS101aと同様な方法でプローブを下端に固定する(ステップS107a)。そして、最初の測定点の上に来るようにXY軸28を移動させ、測定軸15を下げて、プローブと被測定物24を接触させ、ポジションセンサ23が所定の位置になるまで測定軸を下降させる(ステップS109)。   Thus, the preparation of the probe is completed, and the shape measurement process starts. First, the control system switching device 33 is set to the position control system, that is, the feedback control system is selected so that the position of the measurement shaft 15 is constant, and the safe position, that is, the probe is the most from the object to be measured 24. The measuring shaft 15 is retracted in the direction of leaving (step S106). Next, the probe is fixed to the lower end in the same manner as in step S101a (step S107a). Then, the XY axis 28 is moved so as to be above the first measurement point, the measurement axis 15 is lowered, the probe and the object 24 are brought into contact, and the measurement axis is lowered until the position sensor 23 reaches a predetermined position. (Step S109).

ここで、先端の球1が、被測定物24に接触して反力を受けると、プローブシャフト4が押し上げられる。プローブシャフト4が押し上げられると、前述の式(8)中のzがプラス側に増える。すると、磁気回路の発生力が弱まるので、プローブ先端の球1が被測定物24を押しつける力がその分だけ次第に増える。これはばね要素がそこにあるのと同じ作用である。従って、ポジションセンサアンプ14の出力は、プローブの押しつけ力を表している。   Here, when the ball 1 at the tip contacts the object to be measured 24 and receives a reaction force, the probe shaft 4 is pushed up. When the probe shaft 4 is pushed up, z in the above formula (8) increases to the plus side. Then, since the generated force of the magnetic circuit is weakened, the force with which the sphere 1 at the tip of the probe presses the object to be measured 24 gradually increases accordingly. This is the same effect as the spring element is there. Therefore, the output of the position sensor amplifier 14 represents the pressing force of the probe.

プローブ先端の球1と被測定物24の接触は、プローブの変位測定信号、すなわち、センサーアンプ14の信号をモニタしていれば判別できる。プローブはプローブシャフト4の突起4aとハウジング10の突起状の上側ストッパー10aが接触しているので、測定軸15が動き外乱振動があってもプローブは動かない。従って、センサーアンプ14の信号が外乱振動によって揺れることがなく、接触の判定を容易に行うことができる。すなわち、あらかじめ定めた信号レベルに達するかどうかを監視していればよいため、非常に高速で、例えば1msで接触の有無が判定できる。   The contact between the probe tip sphere 1 and the object 24 to be measured can be determined by monitoring the probe displacement measurement signal, that is, the sensor amplifier 14 signal. Since the probe is in contact with the protrusion 4a of the probe shaft 4 and the protruding upper stopper 10a of the housing 10, the probe does not move even if the measurement shaft 15 moves and there is disturbance vibration. Therefore, the signal of the sensor amplifier 14 is not swayed by disturbance vibration, and contact determination can be easily performed. That is, since it is only necessary to monitor whether or not a predetermined signal level is reached, the presence or absence of contact can be determined at a very high speed, for example, 1 ms.

次に、押しつけ力が設定値になるようにヨーク7を移動する(ステップS110a)。前述したようにヨーク7をプローブ移動方向に動かすと、永久磁石8とヨーク7のすきまが変化し、前述した式(8)のプローブの自重を支える一定の力が変化する。あらかじめ、基準質量mのプローブにおいて、ヨーク7の位置yと押しつけ力fの関係をy=G(f)として把握しておき、それに従って押しつけ力の設定値に対応したヨーク7の位置を決定し、ヨーク7を移動する。しかし、プローブ先端の球1などを取り替えるとプローブ質量がずれてしまう。ステップS105で求めたプローブ質量のズレ量m1を利用してこれを補正する。すなわち、押しつけ力の設定値がf0であった場合には、設定値をf0−m1と補正して、ヨーク位置yを求めれば、プローブ質量のズレ量をキャンセルして正確に押しつけ力を設定することができる。例えば、f0が100mgで、m1が40mgだった場合には、押しつけ力を100−40=60mgと補正して、ヨーク位置yを求めれば、球交換などによるプローブ質量のズレ量を補正できる。   Next, the yoke 7 is moved so that the pressing force becomes a set value (step S110a). As described above, when the yoke 7 is moved in the probe moving direction, the clearance between the permanent magnet 8 and the yoke 7 changes, and the constant force that supports the weight of the probe of the formula (8) changes. In advance, in the probe of the reference mass m, the relationship between the position y of the yoke 7 and the pressing force f is grasped as y = G (f), and the position of the yoke 7 corresponding to the set value of the pressing force is determined accordingly. The yoke 7 is moved. However, if the sphere 1 etc. at the tip of the probe is replaced, the probe mass will shift. This is corrected using the probe mass deviation m1 obtained in step S105. That is, when the setting value of the pressing force is f0, the setting value is corrected to f0-m1 and the yoke position y is obtained, so that the displacement amount of the probe mass is canceled and the pressing force is accurately set. be able to. For example, when f0 is 100 mg and m1 is 40 mg, if the pressing force is corrected to 100−40 = 60 mg and the yoke position y is obtained, the displacement amount of the probe mass due to ball exchange or the like can be corrected.

そして、制御系切り替えスイッチ33を針圧制御系に切り替えて、ポジションセンサ23の値が一定になるように制御する(ステップS111)。そのまま、被測定物24の測定領域をXY軸を用いて走査(トレース)し、同時に測定軸15の位置を図示しない座標測定装置で測定する(ステップS112)。また、プローブの上下方向については、ミラー6と参照ミラー26の間の距離を測定する干渉計27で直接測定する。全測定領域を走査したら、制御系切り替え装置33を再び位置制御系に切り替え、測定軸を安全位置に退避し(ステップS113)、測定を終了する。   Then, the control system changeover switch 33 is switched to the needle pressure control system to control the value of the position sensor 23 to be constant (step S111). As it is, the measurement area of the DUT 24 is scanned (traced) using the XY axes, and at the same time, the position of the measurement axis 15 is measured by a coordinate measuring device (not shown) (step S112). Further, the vertical direction of the probe is directly measured by an interferometer 27 that measures the distance between the mirror 6 and the reference mirror 26. When the entire measurement area is scanned, the control system switching device 33 is switched to the position control system again, the measurement axis is retracted to the safe position (step S113), and the measurement is terminated.

その他の点は実施例2と同様であるから、説明は省略する。   Since other points are the same as those of the second embodiment, description thereof is omitted.

本実施例は、図8に示すように、ヨーク7と永久磁石8等による磁気回路の磁力に抗してプローブを下降させ、プローブシャフト4の突起4aを上側ストッパー10aに当接させるための電流制御装置71と永久磁石72とコイル73から構成されるプローブ駆動手段を備えており、プローブの変位履歴をリセットして、ヨーク7と永久磁石8による磁気回路の発生力のヒステリシスを除去することができるように構成されている。これによって、プローブの押しつけ力を安定させ、より一層精密な形状測定を行うことができる。   In this embodiment, as shown in FIG. 8, the probe is lowered against the magnetic force of the magnetic circuit by the yoke 7 and the permanent magnet 8, etc., and the current for bringing the protrusion 4a of the probe shaft 4 into contact with the upper stopper 10a. A probe driving means comprising a control device 71, a permanent magnet 72, and a coil 73 is provided, and the displacement history of the probe can be reset to remove the hysteresis of the generated force of the magnetic circuit by the yoke 7 and the permanent magnet 8. It is configured to be able to. As a result, the pressing force of the probe can be stabilized and more accurate shape measurement can be performed.

永久磁石8やヨーク7には、その磁気的特性においてヒステリシスが存在するので、磁力をバネ要素として使用する場合にも変位と発生力の間にヒステリシスが存在する。すなわち、プローブ変位が同じでも、それまでのプローブの変位履歴により発生力が異なる。このように発生力が変化すると、プローブは、ばね要素で懸架される構造なのでプローブが待機している位置が変わってしまう。その場合でも測定時の押しつけ力をいつも一定にしようとすると、ばね定数は一定なので測定時のプローブ位置が変わる。測定時のプローブ位置変化は、プローブの3次元的な位置姿勢も変化することを意味しているので測定誤差につながる。しかもプローブの変位履歴という不確定なものによってそれが変わるため、毎回変化する測定誤差を生じる。また逆に、測定時のプローブ位置をいつも一定にしようとすると、ばね定数は一定なので測定時の押しつけ力が変わる。測定時の押しつけ力の変化は、被測定物24やプローブの変形量が変化することを意味しているので測定誤差につながる。しかもプローブ変位履歴という不確定なものによってそれが変わるため、毎回変化する測定誤差を生じる。そこで、ヨーク7と永久磁石8の磁気回路が発生する力のヒステリシスを除去するため、ローレンツ力を発生させる永久磁石72とコイル73から構成される磁気手段を設ける。   Since the permanent magnet 8 and the yoke 7 have hysteresis in their magnetic characteristics, there is hysteresis between the displacement and the generated force even when the magnetic force is used as a spring element. That is, even if the probe displacement is the same, the generated force varies depending on the displacement history of the probe so far. When the generated force changes in this way, the probe is suspended by the spring element, so the position where the probe is waiting changes. Even in that case, if the pressing force during measurement is always made constant, the probe constant during measurement changes because the spring constant is constant. The change in probe position at the time of measurement means that the three-dimensional position and orientation of the probe also change, leading to a measurement error. Moreover, since it changes due to an uncertain probe displacement history, a measurement error that changes every time is generated. Conversely, if the probe position at the time of measurement is always made constant, the spring constant is constant, and the pressing force at the time of measurement changes. The change in the pressing force at the time of measurement means that the deformation amount of the object to be measured 24 or the probe changes, which leads to a measurement error. Moreover, since it changes due to an uncertain probe displacement history, a measurement error that changes every time is generated. Therefore, in order to remove the hysteresis of the force generated by the magnetic circuit of the yoke 7 and the permanent magnet 8, a magnetic means comprising a permanent magnet 72 and a coil 73 for generating a Lorentz force is provided.

図8の(a)において、図2の(a)と同様に球1を取り付けるための円錐状の先端を持ったプローブチップ2を、スペーサ3を挟んで、プローブシャフト4の下側にねじ込み固定する。また、ホルダ5上には、ミラー6がミラー固定駒を介して接着固定され、ホルダ5の中空部には、2つの永久磁石8を両端に接着した鉄心9が挿入され、ホルダ5はプローブシャフト4の上側にねじ込み固定される。   In FIG. 8A, the probe tip 2 having a conical tip for attaching the sphere 1 is screwed and fixed to the lower side of the probe shaft 4 with the spacer 3 interposed therebetween as in FIG. To do. A mirror 6 is bonded and fixed on the holder 5 via a mirror fixing piece, and an iron core 9 having two permanent magnets 8 bonded to both ends is inserted into the hollow portion of the holder 5, and the holder 5 is a probe shaft. 4 is fixed by screwing.

プローブシャフト4は、薄い空気膜を介して非接触に支持する手段いわゆる空気軸受11を介して、ハウジング10に対して上下方向に移動可能に支持されており、ハウジング10には、空気軸受11に圧縮空気を導くための圧縮空気穴12が穿設してある。これらの圧縮空気穴12は、ドリルで片面からあけ必要に応じて穴の表面部分をネジ止めや接着材等で塞ぐなどすれば、ハウジング10の内部を自由に引き回すことができる。この圧縮空気穴12は圧縮空気配管13に接続され、さらに図示しない圧縮空気源に接続されている。この構成により、プローブシャフト4は上下方向に摩擦なしに自由に移動することができる。   The probe shaft 4 is supported so as to be movable in the vertical direction with respect to the housing 10 via a so-called air bearing 11 that supports the probe shaft 4 in a non-contact manner through a thin air film. A compressed air hole 12 is formed to guide the compressed air. These compressed air holes 12 can be freely drawn around the inside of the housing 10 by drilling from one side with a drill and closing the surface portion of the hole with screws or an adhesive as necessary. The compressed air hole 12 is connected to a compressed air pipe 13 and further connected to a compressed air source (not shown). With this configuration, the probe shaft 4 can freely move in the vertical direction without friction.

ハウジング10にはその下面部に突起状の下側ストッパー10bが設けられており、スペーサ3と衝突することによってプローブシャフト4の上方向への過剰な動きを規制する。下方向への過剰な動きに対しても同様に、突起状の上側ストッパー10aがハウジング10の上面部に設けられており、プローブシャフト4に設けられた突起4aに突き当たるようになっている。ハウジング10は、測定軸15に固定された第2のハウジング16に固定され支持されている。   The housing 10 is provided with a protruding lower stopper 10 b on the lower surface thereof, and restricts excessive movement of the probe shaft 4 in the upward direction by colliding with the spacer 3. Similarly, a projection-like upper stopper 10a is provided on the upper surface portion of the housing 10 so as to abut against the projection 4a provided on the probe shaft 4 for excessive downward movement. The housing 10 is fixed and supported by a second housing 16 fixed to the measurement shaft 15.

また、プローブシャフト4には永久磁石72が、ハウジング10にはコイル73が配設されている。コイル73は、電流制御装置71に接続されており、コイル73に通電することによりプローブシャフト4をZ方向に駆動するローレンツ力を発生できる。   The probe shaft 4 is provided with a permanent magnet 72, and the housing 10 is provided with a coil 73. The coil 73 is connected to the current control device 71, and can generate a Lorentz force that drives the probe shaft 4 in the Z direction by energizing the coil 73.

ヨーク7は、第2のハウジング16に対してヨーク連結治具17を介して固定されている。図8の(b)は、ヨーク7と永久磁石8の配置を下からみたものである。ヨーク7は箱形状であり、プローブシャフト4に固定された永久磁石8、鉄心9とともに磁気回路を構成する。永久磁石8と対向するヨーク7の内面にはプローブ移動方向において一定の曲率が設けられている。   The yoke 7 is fixed to the second housing 16 via a yoke connecting jig 17. FIG. 8B shows the arrangement of the yoke 7 and the permanent magnet 8 from below. The yoke 7 has a box shape, and constitutes a magnetic circuit together with the permanent magnet 8 and the iron core 9 fixed to the probe shaft 4. A constant curvature is provided on the inner surface of the yoke 7 facing the permanent magnet 8 in the probe moving direction.

このように構成される磁気回路の発生力は、前述した式(8)に基づいて説明したように、プローブの自重を支える一定のオフセットの力を発生するカウンタバランス作用に加え、変位に従って力が変化するばね要素の作用を兼ねている。   The generated force of the magnetic circuit configured as described above is not limited to the counterbalance function that generates a constant offset force that supports the weight of the probe, as described based on the above-described equation (8). It also functions as a changing spring element.

測定軸15は、プローブシャフト4に沿って上下方向(Z方向)に、ガイド31を用いて移動可能にXYテーブル28に対して支持され、ボールネジ36とサーボモータ29で駆動される。XYテーブル28は、図示しない定盤に対してXおよびY方向に移動可能にガイドされ、サーボモータ(不図示)で位置決めされる。測定軸15を駆動するサーボモータ29はサーボアンプ32に接続され、サーボアンプ32は、制御系切り替え装置33に接続される。サーボモータ29の回転軸にはエンコーダ30が接続してあり、その出力を位置制御補償回路35に接続する。制御系切り替え装置33が位置制御系に接続している時は、測定軸15の位置を制御することができる。この制御系切り替え装置33は図示していないコントローラで自動制御され、図9に示すフローチャートに従って後述する測定動作が行われる。   The measurement shaft 15 is supported by the XY table 28 so as to be movable in the vertical direction (Z direction) along the probe shaft 4 using a guide 31, and is driven by a ball screw 36 and a servo motor 29. The XY table 28 is guided so as to be movable in the X and Y directions with respect to a surface plate (not shown), and is positioned by a servo motor (not shown). A servo motor 29 that drives the measuring shaft 15 is connected to a servo amplifier 32, and the servo amplifier 32 is connected to a control system switching device 33. An encoder 30 is connected to the rotation shaft of the servo motor 29, and its output is connected to the position control compensation circuit 35. When the control system switching device 33 is connected to the position control system, the position of the measurement shaft 15 can be controlled. The control system switching device 33 is automatically controlled by a controller (not shown), and a measurement operation described later is performed according to the flowchart shown in FIG.

また、干渉計27は、測定軸15に固定され、その上方に基準ミラー26を配置し、基準ミラー26はフレーム25に固定する。この構成により、干渉計27はミラー6と基準ミラー26の間の距離を測定することができる。フレーム25の下方部分には被測定物24を載置する載置台が設けられる。   Further, the interferometer 27 is fixed to the measurement axis 15, a reference mirror 26 is disposed above it, and the reference mirror 26 is fixed to the frame 25. With this configuration, the interferometer 27 can measure the distance between the mirror 6 and the reference mirror 26. A mounting table on which the object to be measured 24 is mounted is provided below the frame 25.

ポジションセンサ23は、センサーアンプ14に接続され、プローブシャフト4とハウジング10の相対位置を電気信号に変換する。センサーアンプ14は針圧制御補償回路34に接続され、さらに制御系切り替え装置33に接続されている。この制御系切り替え装置33が針圧制御系に接続されているときは、センサーアンプ14の出力が一定になるように、サーボモータを制御する。   The position sensor 23 is connected to the sensor amplifier 14 and converts the relative position between the probe shaft 4 and the housing 10 into an electrical signal. The sensor amplifier 14 is connected to a needle pressure control compensation circuit 34 and further connected to a control system switching device 33. When the control system switching device 33 is connected to the needle pressure control system, the servo motor is controlled so that the output of the sensor amplifier 14 becomes constant.

次に、以上のように構成された形状測定装置を用いて行う測定動作を図9のフローチャートを用いて説明する。   Next, a measurement operation performed using the shape measuring apparatus configured as described above will be described with reference to the flowchart of FIG.

最初にプローブ駆動手段によってプローブを下端に固定する(ステップS201)。すなわち、電流制御装置71により、コイル73に通電し、プローブへZの負方向の力をかける。これによって、プローブシャフト4は、下方へ移動しプローブシャフト4の突起4aが上側ストッパー10aに当接し、プローブは下端に固定される。   First, the probe is fixed to the lower end by the probe driving means (step S201). That is, the current controller 71 energizes the coil 73 and applies a negative Z force to the probe. As a result, the probe shaft 4 moves downward, the protrusion 4a of the probe shaft 4 contacts the upper stopper 10a, and the probe is fixed to the lower end.

次に、制御系切り替え装置33を位置制御系に設定し、すなわち、測定軸15の位置が一定になるようにフィードバック制御系を選択し、そして、安全位置、すなわち、プローブが最も被測定物24から離れる方向に測定軸15を退避させる(ステップS202)。   Next, the control system switching device 33 is set to the position control system, that is, the feedback control system is selected so that the position of the measurement shaft 15 is constant, and the safe position, that is, the probe is the object to be measured 24 most. The measuring shaft 15 is retracted in the direction away from the center (step S202).

そして、最初の測定点の上に来るようにXY軸28を移動させ(ステップS203)、測定軸15を下げて、プローブと被測定物24を接触させ、ポジションセンサ23が所定の位置になるまで測定軸15を下降させる(ステップS204)。   Then, the XY axis 28 is moved so as to be above the first measurement point (step S203), the measurement axis 15 is lowered, the probe and the object 24 are brought into contact, and the position sensor 23 is in a predetermined position. The measuring shaft 15 is lowered (step S204).

ここで、先端の球1が、被測定物24に接触して反力を受けると、プローブシャフト4が押し上げられる。プローブシャフト4が押し上げられると、前述の式(8)中のzがプラス側に増える。すると、磁気回路の発生する力が弱まるので、プローブ先端の球1が被測定物24を押しつける力がその分だけ次第に増える。これはばね要素がそこにあるのと同じ作用である。従って、ポジションセンサアンプ14の出力は、プローブの押しつけ力を表している。   Here, when the ball 1 at the tip contacts the object to be measured 24 and receives a reaction force, the probe shaft 4 is pushed up. When the probe shaft 4 is pushed up, z in the above formula (8) increases to the plus side. Then, since the force generated by the magnetic circuit is weakened, the force with which the sphere 1 at the tip of the probe presses the object to be measured 24 gradually increases accordingly. This is the same effect as the spring element is there. Therefore, the output of the position sensor amplifier 14 represents the pressing force of the probe.

プローブ先端の球1と被測定物24の接触は、プローブの変位測定信号、すなわち、センサーアンプ14の信号をモニタしていれば判別できる。プローブはプローブシャフト4の突起4aとハウジング10の突起状の上側ストッパー10aが接触しているので、測定軸15が動き外乱振動があってもプローブは動かない。従って、センサーアンプ14の信号が外乱振動によって揺れることがなく、接触の判定を容易に行うことができる。すなわち、あらかじめ定めた信号レベルに達するかどうかを監視していればよいため、非常に高速で、例えば1msで接触の有無が判定できる。   The contact between the probe tip sphere 1 and the object 24 to be measured can be determined by monitoring the probe displacement measurement signal, that is, the sensor amplifier 14 signal. Since the probe is in contact with the protrusion 4a of the probe shaft 4 and the protruding upper stopper 10a of the housing 10, the probe does not move even if the measurement shaft 15 moves and there is disturbance vibration. Therefore, the signal of the sensor amplifier 14 is not swayed by disturbance vibration, and contact determination can be easily performed. That is, since it is only necessary to monitor whether or not a predetermined signal level is reached, the presence or absence of contact can be determined at a very high speed, for example, 1 ms.

次に、プローブをフリーにする(ステップS205)。すなわち、電流制御装置71によりコイル73への通電をやめ、プローブの動きを自由にする。   Next, the probe is freed (step S205). That is, the current controller 71 stops energization of the coil 73, and the probe moves freely.

そして、制御系切り替え装置33を針圧制御系に切り替えて、ポジションセンサ23の値が一定になるように制御する(ステップS206)。そのまま、被測定物24の測定領域をXY軸を用いて走査(トレース)し、同時に測定軸15の位置を図示しない座標位置測定手段で測定する(ステップS207)。また、プローブの上下方向については、ミラー6と参照ミラー26の間の距離を測定する干渉計27で直接測定する。全測定領域を走査したら、制御系切り替え装置33を再び位置制御系に切り替え、測定軸15を安全位置に退避し(ステップS208)、測定を終了する。   Then, the control system switching device 33 is switched to the needle pressure control system, and control is performed so that the value of the position sensor 23 becomes constant (step S206). As it is, the measurement area of the object to be measured 24 is scanned (traced) using the XY axes, and at the same time, the position of the measurement axis 15 is measured by a coordinate position measuring means (not shown) (step S207). Further, the vertical direction of the probe is directly measured by an interferometer 27 that measures the distance between the mirror 6 and the reference mirror 26. When the entire measurement area is scanned, the control system switching device 33 is switched to the position control system again, the measurement axis 15 is retracted to the safe position (step S208), and the measurement is terminated.

以上説明してきたように、本実施例によれば、プローブ先端の球1、プローブチップ2、スペーサ3、プローブシャフト4、ホルダ5、ミラー6等にかかる重力をヨーク7と永久磁石8による磁気回路が発生する磁力でキャンセルする。従って、従来例のようにサイズの大きいばねを用いる必要がない。このため小型のプローブが実現可能である。   As described above, according to this embodiment, the gravity applied to the probe tip sphere 1, probe tip 2, spacer 3, probe shaft 4, holder 5, mirror 6, etc. Cancel by the magnetic force generated. Therefore, it is not necessary to use a large spring as in the conventional example. For this reason, a small probe is realizable.

さらに、温度変化等の環境変化に対して発生力が変化するばねを使用していないため、プローブの押しつけ力の精度が向上し、その結果、形状測定精度が向上する。   Furthermore, since a spring whose generated force changes with respect to environmental changes such as temperature changes is not used, the accuracy of the pressing force of the probe is improved, and as a result, the shape measurement accuracy is improved.

また、プローブを被測定物24に接触させる前に、コイル73に通電することにより、プローブシャフト4を下方へさげる力が働き、突起4aをストッパー10aに当接させることができる。これにより、プローブの変位の履歴がリセットされるため、ヨーク7、永久磁石8、鉄心9から構成される磁気回路が発生する力のヒステリシスがなくなり、プローブの押しつけ力の精度が向上する。その結果、形状測定精度が向上する。   In addition, by energizing the coil 73 before bringing the probe into contact with the object to be measured 24, a force that lowers the probe shaft 4 works, and the protrusion 4a can be brought into contact with the stopper 10a. Thereby, since the displacement history of the probe is reset, there is no hysteresis of the force generated by the magnetic circuit composed of the yoke 7, the permanent magnet 8, and the iron core 9, and the accuracy of the pressing force of the probe is improved. As a result, the shape measurement accuracy is improved.

図10はプローブ変位と磁気回路の発生力の関係を説明するための模式図である。横軸は、プローブとハウジング10の相対変位であり、縦軸は磁気回路の発生力である。磁気回路は前述したようにバネ要素として作用するので、プローブとハウジング10の相対変位が変化すると発生力が変化する。ここで、理想的なバネ要素であれば、変位量が最初Z1 で発生力がP0 とする時、一旦変位がZ2 に変化した後、再びZ1 になったときの発生力は最初と同じくP0 となるが、磁気回路が発生する力は永久磁石8の磁気的特性により変位と発生力の間にヒステリシスが存在するため、変位をZ0 に戻しても発生力はP0 とならない。すなわち、Z1 →Z2 →Z1 →Z0 →Z1 という変位履歴の場合の発生力は、P0 →P1 →P2 →P3 →P4 と変化する。プローブは磁気回路のバネ要素によりハウジング10に支持される構造であるので、常に振動などを生じていることを考えると変位履歴は不確定なものであり、発生力は、変位履歴という不確定なものにより左右されるため、押しつけ力を精度良く設定できないという問題があった。 FIG. 10 is a schematic diagram for explaining the relationship between the probe displacement and the generated force of the magnetic circuit. The horizontal axis is the relative displacement between the probe and the housing 10, and the vertical axis is the generated force of the magnetic circuit. Since the magnetic circuit acts as a spring element as described above, the generated force changes when the relative displacement between the probe and the housing 10 changes. Here, with an ideal spring element, when the displacement is initially Z 1 and the generated force is P 0 , the generated force when the displacement once changes to Z 2 and then becomes Z 1 again is the first. When similarly becomes a P 0, since the hysteresis between the forces magnetic circuit generates the displacement by the magnetic properties of the permanent magnet 8 generated force is present, also generated force to return the displacement Z 0 and P 0 Don't be. That is, the generated force in the case of the displacement history of Z 1 → Z 2 → Z 1 → Z 0 → Z 1 changes as P 0 → P 1 → P 2 → P 3 → P 4 . Since the probe is structured to be supported by the housing 10 by the spring element of the magnetic circuit, the displacement history is indeterminate considering that vibration is always generated, and the generated force is indeterminate as the displacement history. There is a problem that the pressing force cannot be set accurately because it depends on the object.

そこで、ハウジング10に、プローブ移動方向における移動範囲を制限するストッパー10a、10bを設け、また、ハウジング10に固定してコイル73、プローブシャフト4に固定して永久磁石72を設け、コイル73に流す電流を制御する電流制御装置71を備える。コイル73に電流を流すことにより、プローブシャフト4がストッパー10aに当接し、変位履歴をキャンセルする。すなわち、図10において、P5 、P6 、P0 をスタート地点とし、プローブの変位をZ2 にした後に、プローブ変位をZ1 に戻せば発生力は必ずP3 になる。 Therefore, the housing 10 is provided with stoppers 10a and 10b that limit the movement range in the probe moving direction, and is fixed to the housing 10 and provided with a coil 73, and fixed to the probe shaft 4 with a permanent magnet 72, and flows through the coil 73. A current control device 71 for controlling the current is provided. By passing a current through the coil 73, the probe shaft 4 comes into contact with the stopper 10a and cancels the displacement history. That is, in FIG. 10, if P 5 , P 6 , and P 0 are set as start points, the probe displacement is returned to Z 1 after the probe displacement is set to Z 2 , the generated force is always P 3 .

このように、一旦プローブをストッパー10aに当接させることにより磁気回路が有するヒステリシスをなくし押しつけ力を精度良く設定できる。   Thus, once the probe is brought into contact with the stopper 10a, the hysteresis of the magnetic circuit is eliminated and the pressing force can be set with high accuracy.

図11は実施例5による形状測定装置を示すもので、ヨーク7と永久磁石8等による磁気回路の磁力に抗してプローブを下降させ、プローブシャフト4の突起4aを上側ストッパー10aに当接するためのノズル81、エアーバルブ82、配管83から構成されるプローブ駆動手段によってプローブの変位履歴をリセットする。プローブをストッパー10aに固定する工程を持たせることで発生力のヒステリシスを除去し、押しつけ力を安定させて、精密な形状測定が行うことができる。   FIG. 11 shows a shape measuring apparatus according to the fifth embodiment for lowering the probe against the magnetic force of the magnetic circuit by the yoke 7 and the permanent magnet 8, etc., so that the protrusion 4a of the probe shaft 4 contacts the upper stopper 10a. The probe displacement history is reset by the probe driving means comprising the nozzle 81, the air valve 82, and the pipe 83. By providing a step of fixing the probe to the stopper 10a, the hysteresis of the generated force is removed, the pressing force is stabilized, and precise shape measurement can be performed.

図11の(a)において、図2の(a)と同様に、球1を取り付けるための円錐状の先端を持ったプローブチップ2を、スペーサ3を挟んで、プローブシャフト4の下側にねじ込み固定する。また、ホルダ5上にはミラー6がミラー固定駒を介して接着固定され、ホルダ5の中空部には、2つの永久磁石8を両端に接着した鉄心9が挿入され、ホルダ5はプローブシャフト4の上側にねじ込み固定される。   In FIG. 11A, as in FIG. 2A, the probe tip 2 having a conical tip for attaching the sphere 1 is screwed into the lower side of the probe shaft 4 with the spacer 3 interposed therebetween. Fix it. A mirror 6 is bonded and fixed on the holder 5 via a mirror fixing piece, and an iron core 9 having two permanent magnets 8 bonded to both ends is inserted into the hollow portion of the holder 5. The holder 5 is connected to the probe shaft 4. It is fixed to the upper side of the screw.

プローブシャフト4は、薄い空気膜を介して非接触に支持する手段いわゆる空気軸受11を介して、ハウジング10に対して上下方向に移動可能に支持されており、ハウジング10には、空気軸受11に圧縮空気を導くための圧縮空気穴12が穿設してある。これらの圧縮空気穴12は、ドリルで片面からあけ必要に応じて穴の表面部分をネジ止めや接着材等で塞ぐなどすれば、ハウジング10内部を自由に引き回すことができる。この圧縮空気穴12は圧縮空気配管13に接続され、さらに図示しない圧縮空気源に接続されている。この構成により、プローブシャフト4は上下方向に摩擦なしに自由に移動することができる。   The probe shaft 4 is supported so as to be movable in the vertical direction with respect to the housing 10 via a so-called air bearing 11 that supports the probe shaft 4 in a non-contact manner through a thin air film. A compressed air hole 12 is formed to guide the compressed air. These compressed air holes 12 can be freely drawn around the inside of the housing 10 by drilling from one side with a drill and closing the surface portion of the hole with screws or an adhesive as necessary. The compressed air hole 12 is connected to a compressed air pipe 13 and further connected to a compressed air source (not shown). With this configuration, the probe shaft 4 can freely move in the vertical direction without friction.

ハウジング10にはその下面部に突起状の下側ストッパー10bが設けられており、スペーサ3と衝突することによってプローブシャフト4の上方向への過剰な動きを規制する。下方向への過剰な動きに対しても同様に、突起状の上側ストッパー10aがハウジング10の上面部に設けられており、プローブシャフト4に設けられた突起4aに突き当たるようになっている。ハウジング10は、測定軸15に固定された第2のハウジング16に固定され支持されている。   The housing 10 is provided with a protruding lower stopper 10 b on the lower surface thereof, and restricts excessive movement of the probe shaft 4 in the upward direction by colliding with the spacer 3. Similarly, a projection-like upper stopper 10a is provided on the upper surface portion of the housing 10 so as to abut against the projection 4a provided on the probe shaft 4 for excessive downward movement. The housing 10 is fixed and supported by a second housing 16 fixed to the measurement shaft 15.

また、第2のハウジング16には、プローブを押し下げる方向にエアーを吹き付けるノズル81が設けられており、ノズル81に接続された配管83はエアーバルブ82を通して図示しない圧縮空気源に接続されている。従って、エアーバルブ82を開くことにより、圧縮空気をノズル81から吹き出して、プローブを下方に移動させ、ストッパー10aとプローブシャフト4の突起4aを当接させることができる。   The second housing 16 is provided with a nozzle 81 that blows air in a direction to push down the probe, and a pipe 83 connected to the nozzle 81 is connected to a compressed air source (not shown) through an air valve 82. Therefore, by opening the air valve 82, compressed air is blown out from the nozzle 81, the probe is moved downward, and the stopper 10a and the protrusion 4a of the probe shaft 4 can be brought into contact with each other.

ヨーク7は、第2のハウジング16に対してヨーク連結治具17を介して固定されている。図11の(b)は、ヨーク7と永久磁石8の配置を下からみた平面図である。ヨーク7は箱形状であり、プローブシャフト4に固定された永久磁石8、鉄心9とともに磁気回路を構成する。永久磁石8と対向するヨーク7の内面にはプローブ移動方向において一定の曲率が設けられている。   The yoke 7 is fixed to the second housing 16 via a yoke connecting jig 17. FIG. 11B is a plan view of the arrangement of the yoke 7 and the permanent magnet 8 as seen from below. The yoke 7 has a box shape, and constitutes a magnetic circuit together with the permanent magnet 8 and the iron core 9 fixed to the probe shaft 4. A constant curvature is provided on the inner surface of the yoke 7 facing the permanent magnet 8 in the probe moving direction.

このように構成される磁気回路が発生する力は、前述した式(8)に基づいて説明したように、プローブの自重を支える一定のオフセットの力を発生するカウンタバランス作用に加え、変位に従って力が変化するばね要素の作用を兼ねている。   The force generated by the magnetic circuit configured as described above is based on the displacement according to the displacement in addition to the counterbalance action that generates a constant offset force that supports the weight of the probe, as described above based on the equation (8). It also functions as a spring element that changes.

測定軸15は、プローブシャフト4に沿って上下方向(Z方向)に、ガイド31を用いて移動可能にXYテーブル28に対して支持され、ボールネジ36とサーボモータ29で駆動される。XYテーブル28は、図示しない定盤に対してXおよびY方向に移動可能にガイドされ、サーボモータ(不図示)で位置決めされる。測定軸15を駆動するサーボモータ29はサーボアンプ32に接続され、サーボアンプ32は、制御系切り替え装置33に接続される。サーボモータ29の回転軸にはエンコーダ30が接続してあり、その出力を位置制御補償回路35に接続する。制御系切り替え装置33が位置制御系に接続している時は、測定軸15の位置を制御することができる。この制御系切り替え装置33は図示していないコントローラで自動制御され、図12に示すフローチャートに従って後述する測定動作が行われる。   The measurement shaft 15 is supported by the XY table 28 so as to be movable in the vertical direction (Z direction) along the probe shaft 4 using a guide 31, and is driven by a ball screw 36 and a servo motor 29. The XY table 28 is guided so as to be movable in the X and Y directions with respect to a surface plate (not shown), and is positioned by a servo motor (not shown). A servo motor 29 that drives the measuring shaft 15 is connected to a servo amplifier 32, and the servo amplifier 32 is connected to a control system switching device 33. An encoder 30 is connected to the rotation shaft of the servo motor 29, and its output is connected to the position control compensation circuit 35. When the control system switching device 33 is connected to the position control system, the position of the measurement shaft 15 can be controlled. The control system switching device 33 is automatically controlled by a controller (not shown), and a measurement operation described later is performed according to the flowchart shown in FIG.

また、干渉計27は、測定軸15に固定され、その上方に基準ミラー26を配置し、基準ミラー26はフレーム25に固定する。この構成により、干渉計27はミラー6とミラー26の間の距離を測定することができる。フレーム25の下方部分には被測定物24を載置する載置台が設けられる。   Further, the interferometer 27 is fixed to the measurement axis 15, a reference mirror 26 is disposed above it, and the reference mirror 26 is fixed to the frame 25. With this configuration, the interferometer 27 can measure the distance between the mirror 6 and the mirror 26. A mounting table on which the object to be measured 24 is mounted is provided below the frame 25.

ポジションセンサ23は、センサーアンプ14に接続され、プローブシャフト4とハウジング10の相対位置を電気信号に変換する。センサーアンプ14は針圧制御補償回路34に接続され、さらに制御系切り替え装置33に接続されている。この制御系切り替え装置33が針圧制御系に接続されているときは、センサーアンプ14の出力が一定になるように、サーボモータを制御する。   The position sensor 23 is connected to the sensor amplifier 14 and converts the relative position between the probe shaft 4 and the housing 10 into an electrical signal. The sensor amplifier 14 is connected to a needle pressure control compensation circuit 34 and further connected to a control system switching device 33. When the control system switching device 33 is connected to the needle pressure control system, the servo motor is controlled so that the output of the sensor amplifier 14 becomes constant.

次に、以上のように構成された形状測定装置を用いて行う測定動作を図12のフローチャートを用いて説明する。   Next, a measurement operation performed using the shape measuring apparatus configured as described above will be described with reference to the flowchart of FIG.

最初にプローブを下端に固定する(ステップS201a)。すなわち、エアーバルブ82を開いて、ノズル81から圧縮空気を吹き出し、プローブを下方に移動させ、ストッパー10aとプローブシャフト4の突起4aを当接させる。   First, the probe is fixed to the lower end (step S201a). That is, the air valve 82 is opened, compressed air is blown out from the nozzle 81, the probe is moved downward, and the stopper 10a and the protrusion 4a of the probe shaft 4 are brought into contact with each other.

次に、制御系切り替え装置33を位置制御系に設定し、すなわち、測定軸15の位置が一定になるようにフィードバック制御系を選択し、そして、安全位置、すなわち、プローブが最も被測定物24から離れる方向に測定軸15を退避させる(ステップS202)。   Next, the control system switching device 33 is set to the position control system, that is, the feedback control system is selected so that the position of the measurement shaft 15 is constant, and the safe position, that is, the probe is the object to be measured 24 most. The measuring shaft 15 is retracted in the direction away from the center (step S202).

そして、最初の測定点の上に来るようにXY軸28を移動させ(ステップS203)、測定軸15を下げて、プローブとワークを接触させ、ポジションセンサ23が所定の位置になるまで測定軸をさげる(ステップS204)。   Then, the XY axis 28 is moved so as to be above the first measurement point (step S203), the measurement axis 15 is lowered, the probe and the work are brought into contact, and the measurement axis is moved until the position sensor 23 reaches a predetermined position. Reduce (step S204).

ここで、プローブ先端の球1が、被測定物24に接触して反力を受けると、プローブシャフト4が押し上げられる。プローブシャフト4が押し上げられると、前述の式(8)中のzがプラス側に増える。すると、磁気回路の発生する力が弱まるので、プローブ先端の球1が被測定物24を押しつける力がその分だけ次第に増える。これはばね要素がそこにあるのと同じ作用である。従って、ポジションセンサアンプ14の出力は、プローブの押しつけ力を表している。   Here, when the sphere 1 at the tip of the probe contacts the object to be measured 24 and receives a reaction force, the probe shaft 4 is pushed up. When the probe shaft 4 is pushed up, z in the above formula (8) increases to the plus side. Then, since the force generated by the magnetic circuit is weakened, the force with which the sphere 1 at the tip of the probe presses the object to be measured 24 gradually increases accordingly. This is the same effect as the spring element is there. Therefore, the output of the position sensor amplifier 14 represents the pressing force of the probe.

プローブ先端の球1と被測定物24の接触は、プローブの変位測定信号、すなわち、センサーアンプ14の信号をモニタしていれば判別できる。プローブはプローブシャフト4の突起4aとハウジング10の突起状のストッパー10aが接触しているので、測定軸15が動き外乱振動があってもプローブは動かない。従って、センサーアンプ14の信号が外乱振動によって揺れることがなく、接触の判定を容易に行うことができる。すなわち、あらかじめ定めた信号レベルに達するかどうかを監視していればよいため、非常に高速で、例えば1msで接触の有無が判定できる。   The contact between the probe tip sphere 1 and the object 24 to be measured can be determined by monitoring the probe displacement measurement signal, that is, the sensor amplifier 14 signal. Since the probe is in contact with the protrusion 4a of the probe shaft 4 and the protrusion-like stopper 10a of the housing 10, the probe does not move even if the measurement shaft 15 moves and there is disturbance vibration. Therefore, the signal of the sensor amplifier 14 is not swayed by disturbance vibration, and contact determination can be easily performed. That is, since it is only necessary to monitor whether or not a predetermined signal level is reached, the presence or absence of contact can be determined at a very high speed, for example, 1 ms.

次に、プローブをフリーにする(ステップS205a)。すなわち、エアーバルブ82を閉じてノズル81への圧縮空気の供給を止め、プローブの動きを自由にする。   Next, the probe is freed (step S205a). That is, the air valve 82 is closed to stop the supply of compressed air to the nozzle 81, thereby freeing the probe movement.

そして、制御系切り替え装置33を針圧制御系に切り替えて、ポジションセンサ23の値が一定になるように制御する(ステップS206)。そのまま、被測定物24の測定領域をXY軸を用いて走査(トレース)し、同時に測定軸の位置を図示しない座標位置測定手段で測定する(ステップS207)。また、プローブの上下方向については、ミラー6と参照ミラー26の間の距離を測定する干渉計27で直接測定する。全測定領域を走査したら、制御系切り替え装置33を再び位置制御系に切り替え、測定軸15を安全位置に退避し(ステップS208)、測定を終了する。   Then, the control system switching device 33 is switched to the needle pressure control system, and control is performed so that the value of the position sensor 23 becomes constant (step S206). As it is, the measurement area of the object to be measured 24 is scanned (traced) using the XY axes, and at the same time, the position of the measurement axis is measured by a coordinate position measuring means (not shown) (step S207). Further, the vertical direction of the probe is directly measured by an interferometer 27 that measures the distance between the mirror 6 and the reference mirror 26. When the entire measurement area is scanned, the control system switching device 33 is switched to the position control system again, the measurement axis 15 is retracted to the safe position (step S208), and the measurement is terminated.

以上説明してきたように、本実施例によれば、プローブ先端の球1、プローブチップ2、スペーサ3、プローブシャフト4、ホルダ5、ミラー6等にかかる重力を磁気回路が発生する磁力でキャンセルする。従って、従来例のようにサイズの大きいばねを用いる必要がない。このため小型のプローブが実現可能である。   As described above, according to the present embodiment, the gravity applied to the probe tip sphere 1, probe tip 2, spacer 3, probe shaft 4, holder 5, mirror 6, etc. is canceled by the magnetic force generated by the magnetic circuit. . Therefore, it is not necessary to use a large spring as in the conventional example. For this reason, a small probe is realizable.

さらに、温度変化等の環境変化に対して発生力が変化するばねを使用していないため、プローブの押しつけ力の精度が向上し、その結果、形状測定精度が向上する。   Furthermore, since a spring whose generated force changes with respect to environmental changes such as temperature changes is not used, the accuracy of the pressing force of the probe is improved, and as a result, the shape measurement accuracy is improved.

また、プローブを被測定物24に接触させる前に、エアーバルブ82を開いてノズル81から圧縮空気を吹き出させることにより、プローブシャフト4を下げる力が働き、突起4aをストッパー10aに当接させることができる。これにより、プローブの変位の履歴がリセットされるため、ヨーク7、永久磁石8、鉄心9から構成される磁気回路が発生する力のヒステリシスがなくなり、押しつけ力の精度が向上する。その結果、形状測定精度が向上する。   Further, before the probe is brought into contact with the object to be measured 24, the air valve 82 is opened and the compressed air is blown out from the nozzle 81, so that the force for lowering the probe shaft 4 works and the protrusion 4a is brought into contact with the stopper 10a. Can do. Thereby, since the displacement history of the probe is reset, the hysteresis of the force generated by the magnetic circuit composed of the yoke 7, the permanent magnet 8, and the iron core 9 is eliminated, and the accuracy of the pressing force is improved. As a result, the shape measurement accuracy is improved.

一実施の形態を示すもので、(a)は、プローブ、ヨーク、永久磁石の関係を示す概略図、(b)はヨークと永久磁石のみを示す平面図、(c)はヨークと永久磁石、鉄心からなる磁気回路を説明する図、(d)はヨークと永久磁石の位置関係を示す部分断面図、(e)は一従来例による接触式プローブを説明する図である。1 shows an embodiment, (a) is a schematic diagram showing a relationship between a probe, a yoke and a permanent magnet, (b) is a plan view showing only the yoke and the permanent magnet, (c) is a yoke and the permanent magnet, FIG. 6D is a partial cross-sectional view showing a positional relationship between a yoke and a permanent magnet, and FIG. 5E is a view explaining a contact type probe according to a conventional example. 実施例1による形状測定装置を示すもので、(a)は、その主要部を示す模式断面図、(b)はヨークと永久磁石を下からみた平面図、(c)は(b)のC−C線に沿ってとった断面図である。The shape measuring apparatus by Example 1 is shown, (a) is a schematic cross section which shows the principal part, (b) is the top view which looked at the yoke and the permanent magnet from the bottom, (c) is C of (b) It is sectional drawing taken along the -C line. 実施例1による形状測定工程を示すフローチャートである。3 is a flowchart illustrating a shape measurement process according to the first embodiment. 実施例2による形状測定装置を示すもので、(a)は、その主要部を示す模式断面図、(b)はヨークと永久磁石の配置を示す平面図、(c)は(b)のC−C線に沿ってとった断面図である。The shape measuring apparatus by Example 2 is shown, (a) is a schematic cross section which shows the principal part, (b) is a top view which shows arrangement | positioning of a yoke and a permanent magnet, (c) is C of (b). It is sectional drawing taken along the -C line. 実施例2による形状測定工程を示すフローチャートである。10 is a flowchart illustrating a shape measurement process according to a second embodiment. 実施例3による形状測定装置を示すもので、(a)は、その主要部を示す模式断面図、(b)はヨークと永久磁石の配置を示す平面図、(c)は(b)のC−C線に沿ってとった断面図である。The shape measuring apparatus by Example 3 is shown, (a) is a schematic cross section which shows the principal part, (b) is a top view which shows arrangement | positioning of a yoke and a permanent magnet, (c) is C of (b). It is sectional drawing taken along the -C line. 実施例3による形状測定工程を示すフローチャートである。10 is a flowchart illustrating a shape measurement process according to a third embodiment. 実施例4による形状測定装置を示すもので、(a)は、その主要部を示す模式断面図、(b)はヨークと永久磁石の配置を示す平面図、(c)は(b)のC−C線に沿ってとった断面図である。The shape measuring apparatus by Example 4 is shown, (a) is a schematic cross section which shows the principal part, (b) is a top view which shows arrangement | positioning of a yoke and a permanent magnet, (c) is C of (b). It is sectional drawing taken along the -C line. 実施例4による形状測定工程を示すフローチャートである。10 is a flowchart showing a shape measurement process according to Example 4; ヨークと永久磁石による磁気回路のヒステリシスを説明するグラフである。It is a graph explaining the hysteresis of the magnetic circuit by a yoke and a permanent magnet. 実施例5による形状測定装置を示すもので、(a)は、その主要部を示す模式断面図、(b)はヨークと永久磁石の配置を示す平面図、(c)は(b)のC−C線に沿ってとった断面図である。The shape measuring apparatus by Example 5 is shown, (a) is a schematic cross section which shows the principal part, (b) is a top view which shows arrangement | positioning of a yoke and a permanent magnet, (c) is C of (b). It is sectional drawing taken along the -C line. 実施例5による形状測定工程を示すフローチャートである。10 is a flowchart illustrating a shape measurement process according to a fifth embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1 球
2 プローブチップ
3 スペーサ
4 プローブシャフト
4a 突起
5 ホルダ
6 ミラー
7、37 ヨーク
8、72 永久磁石
9 鉄心
10、16 ハウジング
10a、10b ストッパー
11 空気軸受
12 圧縮空気穴
13 圧縮配管
14 ポジションセンサアンプ
15 測定軸
21、51 ヨーク移動ガイド
22 ヨークガイド連結部材
23 ポジションセンサ
24 被測定物
25 フレーム
26 基準ミラー
27 干渉計
28 XY軸
29 モータ
30 エンコーダ
31 ガイド
32 モータアンプ
33 制御系切替え装置
34 針圧制御補償回路
35 位置制御補償回路
36、56 ボールネジ
38、53 サーボモータ
39 サーボモータジグ
40 ピニオンラック機構
41 サーボアンプ
42 位置制御補償回路
54 エンコーダ
55 ヨーク移動体
71 電流制御装置
73 コイル
81 ノズル
82 エアーバルブ
83 配管
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sphere 2 Probe tip 3 Spacer 4 Probe shaft 4a Protrusion 5 Holder 6 Mirror 7, 37 Yoke 8, 72 Permanent magnet 9 Iron core 10, 16 Housing 10 a, 10 b Stopper 11 Air bearing 12 Compressed air hole 13 Compressed pipe 14 Position sensor amplifier 15 Measurement axis 21, 51 Yoke movement guide 22 Yoke guide connecting member 23 Position sensor 24 Object 25 Frame 26 Reference mirror 27 Interferometer 28 XY axis 29 Motor 30 Encoder 31 Guide 32 Motor amplifier 33 Control system switching device 34 Needle pressure control compensation Circuit 35 Position control compensation circuit 36, 56 Ball screw 38, 53 Servo motor 39 Servo motor jig 40 Pinion rack mechanism 41 Servo amplifier 42 Position control compensation circuit 54 Encoder 55 Yoke moving body 71 Current control device 73 Coil 81 Nozzle 82 Air valve 83 Piping

Claims (9)

3次元的に移動可能な移動部材に、重力の方向に変位自在に保持されたプローブを被測定物に接触させて走査することにより、座標位置を測定する接触式プローブであって、
前記プローブは先端球とプローブシャフトとからなり、
前記プローブシャフトに固定された永久磁石と、
前記永久磁石を囲み、前記永久磁石との間に下に向かって距離が拡大するすきまをもって対向する内面を有する磁性体からなる箱形状のヨークとを備え、
前記ヨークが前記移動部材に保持され、前記永久磁石と前記ヨークに流れる磁束によって発生する磁力により、前記プローブにかかる重力をキャンセルする力と、前記ヨークに対する前記プローブの変位に従って変化するばね要素としての力を発生させることを特徴とする接触式プローブ。
A contact-type probe that measures a coordinate position by scanning a movable member that is movable in three dimensions with a probe held in a gravitational direction in contact with an object to be measured.
The probe consists of a tip sphere and a probe shaft,
A permanent magnet fixed to the probe shaft;
A box-shaped yoke made of a magnetic body having an inner surface facing the permanent magnet and having a gap that increases in distance downward from the permanent magnet;
The yoke is held by the moving member, and a force that cancels gravity applied to the probe by a magnetic force generated by the magnetic flux flowing through the permanent magnet and the yoke, and a spring element that changes according to the displacement of the probe with respect to the yoke A contact-type probe that generates force.
3次元的に移動可能な移動部材に、重力の方向に変位自在に保持されたプローブを被測定物に接触させて走査することにより、座標位置を測定する接触式プローブであって、
前記プローブは先端球とプローブシャフトとからなり、
前記プローブシャフトに固定された永久磁石と、
前記永久磁石を囲み、前記永久磁石との間に下に向かって距離が拡大し、かつ前記重力の方向に対して垂直方向に距離が変化するすきまをもって対向する内面を有する磁性体からなる箱形状のヨークと、前記ヨークを前記プローブに対して前記重力の方向に対して垂直な方向に移動させるヨーク駆動手段とを備え、
前記ヨーク駆動手段を介して前記ヨークが前記移動部材に保持され、前記永久磁石と前記ヨークに流れる磁束によって発生する磁力により、前記プローブにかかる重力をキャンセルする力と、前記ヨークに対する前記プローブの変位に従って変化するばね要素としての力を発生させることを特徴とする接触式プローブ。
A contact-type probe that measures a coordinate position by scanning a movable member that is movable in three dimensions with a probe held in a gravitational direction in contact with an object to be measured.
The probe consists of a tip sphere and a probe shaft,
A permanent magnet fixed to the probe shaft;
A box shape made of a magnetic body that surrounds the permanent magnet and has an inner surface facing the gap with a gap that increases in a downward direction between the permanent magnet and changes in a direction perpendicular to the direction of gravity. A yoke driving means for moving the yoke in a direction perpendicular to the direction of gravity with respect to the probe,
The yoke is held by the moving member via the yoke driving means, and the force that cancels the gravity applied to the probe by the magnetic force generated by the magnetic flux flowing through the permanent magnet and the yoke, and the displacement of the probe with respect to the yoke A contact probe characterized by generating a force as a spring element that changes according to the above.
3次元的に移動可能な移動部材に、重力の方向に変位自在に保持されたプローブを被測定物に接触させて走査することにより、座標位置を測定する接触式プローブであって、
前記プローブは先端球とプローブシャフトとからなり、
前記プローブシャフトに固定された永久磁石と、
前記永久磁石を囲み、前記永久磁石との間に下に向かって距離が拡大するすきまをもって対向する内面を有する磁性体からなる箱形状のヨークと、
前記ヨークを前記プローブに対して前記重力の方向に移動させるヨーク駆動手段とを備え、
前記ヨーク駆動手段を介して前記ヨークが前記移動部材に保持され、前記永久磁石と前記ヨークに流れる磁束によって発生する磁力により、前記プローブにかかる重力をキャンセルする力と、前記ヨークに対する前記プローブの変位に従って変化するばね要素としての力を発生させることを特徴とする接触式プローブ。
A contact-type probe that measures a coordinate position by scanning a movable member that is movable in three dimensions with a probe held in a gravitational direction in contact with an object to be measured.
The probe consists of a tip sphere and a probe shaft,
A permanent magnet fixed to the probe shaft;
A box-shaped yoke made of a magnetic material that surrounds the permanent magnet and has an inner surface facing the permanent magnet with a gap that increases in distance downward .
Yoke driving means for moving the yoke in the direction of gravity with respect to the probe;
The yoke is held by the moving member via the yoke driving means, and the force that cancels the gravity applied to the probe by the magnetic force generated by the magnetic flux flowing through the permanent magnet and the yoke, and the displacement of the probe with respect to the yoke A contact probe characterized by generating a force as a spring element that changes according to the above.
箱形状のヨークが、重力の方向に一定の曲率で湾曲する曲面状の内面を有することを特徴とする請求項1ないし3いずれか1項記載の接触式プローブ。   The contact probe according to any one of claims 1 to 3, wherein the box-shaped yoke has a curved inner surface curved with a constant curvature in the direction of gravity. プローブと移動部材との相対位置を検出する検出手段が設けられており、前記検出手段の出力に基づいて前記プローブの質量を計算することを特徴とする請求項1ないし4いずれか1項記載の接触式プローブ。   The detection means which detects the relative position of a probe and a moving member is provided, The mass of the said probe is calculated based on the output of the said detection means, The Claim 1 thru | or 4 characterized by the above-mentioned. Contact probe. 移動部材がプローブの重力の方向の移動を制限するストッパーを有し、前記プローブを前記重力の方向に移動させて前記ストッパーに当接するためのプローブ駆動手段が設けられていることを特徴とする請求項1ないしいずれか1項記載の接触式プローブ。 The moving member has a stopper that restricts the movement of the probe in the direction of gravity, and is provided with probe driving means for moving the probe in the direction of gravity and coming into contact with the stopper. Item 6. The contact probe according to any one of Items 1 to 5 . プローブ駆動手段が、プローブにローレンツ力を発生させる磁気手段を有することを特徴とする請求項記載の接触式プローブ。 The contact probe according to claim 6 , wherein the probe driving means includes magnetic means for generating a Lorentz force on the probe. プローブ駆動手段が、エアーの吹き付けまたは吸引によってプローブを移動させるように構成されていることを特徴とする請求項記載の接触式プローブ。 7. The contact probe according to claim 6 , wherein the probe driving means is configured to move the probe by blowing or sucking air. 請求項1ないしいずれか1項記載の接触式プローブと、前記接触式プローブを被測定物上で走査するための走査手段と、前記プローブの3次元座標位置を測定する座標位置測定手段とを備えたことを特徴とする形状測定装置。 A contact probe of claims 1 to 8 to any one of claims, and scanning means for scanning said contact probe on the test object measurement, the coordinate position measuring means for measuring the three-dimensional coordinate position of the probe A shape measuring apparatus characterized by comprising.
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