JP4669566B2 - Contact probe - Google Patents

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Description

本発明は、レンズやミラー等の光学素子などの表面形状を精密に測定する際に用いる接触式プローブに関する。   The present invention relates to a contact probe used when measuring the surface shape of an optical element such as a lens or a mirror precisely.

レンズやミラー等の光学素子などの表面形状を精密に測定する3次元測定装置は、被測定物の形状をトレースするプローブと、そのプローブの位置を測定する座標測定手段の2つに分けて構成を考えることができる。このとき、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部材にうつしとることである。プローブが被測定物表面に対してトレースする時の誤差をトレース誤差と呼ぶ。従来、このプローブの構成として、1992年度精密工学会春期大会学術講演論文集p697〜698や特開平6−265340号公報等に、エアー軸受けを用いて上下に移動可能にプローブシャフトを設け、プローブシャフトの自重をばねで支える構成が提案されている。   A three-dimensional measuring apparatus that precisely measures the surface shape of an optical element such as a lens or a mirror is divided into two parts: a probe that traces the shape of the object to be measured and a coordinate measuring means that measures the position of the probe. Can think. At this time, what is important for the probe is to pass the surface position of the object to be measured to a member capable of measuring coordinates. An error when the probe traces the surface of the object to be measured is called a trace error. Conventionally, as a configuration of this probe, a probe shaft that can be moved up and down by using an air bearing is disclosed in p. The structure which supports the dead weight of a spring with a spring is proposed.

この種のプローブを用いて形状をトレースする場合、前述したトレース誤差が生じる。トレース誤差があってもプローブの押しつけ力誤差にならないように十分弱いばねすなわちばね定数が十分に小さいばねを用いる必要がある。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 this type of probe, the aforementioned trace error occurs. It is necessary to use a sufficiently weak spring, that is, a spring having a sufficiently small spring constant so as not to cause a probe pressing force error even if there is a trace error. 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1に開示されているように、スタイラス本体と先端部分と別体とし、先端部分をスタイラス本体にネジ止めすることによって、先端部分の交換を容易にできるように工夫した例がある。   As another conventional example, as disclosed in Patent Document 1, the tip portion can be easily replaced by separating the tip portion from the stylus body and screwing the tip portion to the stylus body. There is an example devised.

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。   The probe is often called a stylus, a stylus, or a feeler, but in this specification, the probe is unified.

特開平11−132757号公報JP-A-11-132757

しかしながら、前述した従来技術においては次の問題点があった。   However, the above-described prior art has the following 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。この押しつけ力は非常に小さいが、自重のほうはそうはいかない。したがって、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. This pressing force is very small, but the weight is not so. Therefore, 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ので、ばね定数は小さくしなければならなかった。したがって、ばねのたわみ量、すなわち、ばねの発生力をばね定数で割った量が非常に大きくなってしまう。   However, since the influence of the trace error needs to be reduced as described above, the spring constant has to be reduced. Therefore, the amount of spring deflection, that is, the amount obtained by dividing the generated force of the spring by the spring constant becomes very large.

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/s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とし、さらに、トレース誤差を10μmとすると、ばね定数K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, assuming that the acceleration of gravity is 9.8 m / s 2. . Further, if the allowable pressing force error is 10%, that is, 0.1 × 10/100 = 0.01 mN, and the trace error is 10 μm, the spring constant K is K = 0.01 / 10 = 0. 001 mN / μm.

したがって、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.

したがって、従来例のようにばねを配置すると、ばね定数を下げるためにばねを長くしたりサイズを大きくしたりする必要があり、プローブのサイズが大きくなってしまう。サイズが大きくなると、環境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ほか、大型化によって、プローブを走査する測定軸の大きさも大きくならざるを得ず、装置コストが高くなる。   Therefore, when the spring is arranged as in the conventional example, it is necessary to lengthen the spring or increase the size in order to lower the spring constant, which increases the size of the probe. When the size is increased, it is difficult to keep the ambient temperature uniform, the shape measurement accuracy is deteriorated, and the size of the measurement axis for scanning the probe is inevitably increased due to the increase in size, which increases the cost of the apparatus.

さらに、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。   Furthermore, if the pressing force is to be lowered, 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)プローブ押しつけ力が変化しやすい。
ばねは周囲の温度変化等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。したがって、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 probe pressing force 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、前述した例ではばねの受け持つ力はF=9.8×10+0.1=98.1mNであった。したがって、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 example described above, the force of the spring is F = 9.8 × 10 + 0.1 = 98.1 mN. Therefore, 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)プローブ先端に取り付ける球の交換が難しい。
接触式プローブを用いた測定では、どんなに押しつけ力を低くしても、被測定物とプローブとの相互作用により、先端に取り付ける球が損傷を受けることは本質的に避けられない。そこで先端の球を交換する必要があるが、従来例のように、先端球と一体になっているプローブの構造では、先端球だけの交換は不可能である。したがって、先端球と一体になっている先端部分をそっくり交換する必要があるため、効率が悪い。交換に手間がかかるだけではなく、球を取り付けた先端部分を多数用意しておく必要もあるからである。こうした手間は測定コストの上昇につながり、光学素子の生産から見て、非経済的である。
(3) It is difficult to replace the sphere attached to the probe tip.
In the measurement using the contact type probe, no matter how low the pressing force is, it is inevitable that the ball attached to the tip is damaged due to the interaction between the object to be measured and the probe. Therefore, it is necessary to replace the tip sphere. However, in the structure of the probe integrated with the tip sphere as in the conventional example, it is impossible to replace only the tip sphere. Therefore, since it is necessary to completely replace the tip portion integrated with the tip sphere, the efficiency is poor. This is because not only is it time-consuming to exchange, but it is also necessary to prepare a large number of tip portions to which balls are attached. Such effort leads to an increase in measurement cost, which is uneconomical in terms of optical element production.

(4)押しつけ力の微調整が難しい。
プローブ先端の交換等によってプローブの自重が変化することが考えられるが、プローブの自重が変わると接触力も変わる。従来例では、ばねの位置を調節することができないため、この押しつけ力の誤差を微調整することが難しい。
(4) Fine adjustment of the pressing force is difficult.
Although it is conceivable that the weight of the probe changes due to the exchange of the probe tip or the like, the contact force also changes when the weight of the probe changes. In the conventional example, since the position of the spring cannot be adjusted, it is difficult to finely adjust the error of the pressing force.

押しつけ力の誤差は、被測定物やプローブの変形量を変化させるため、高精度な形状測定ができない。   Since the error in the pressing force changes the deformation amount of the object to be measured or the probe, highly accurate shape measurement cannot be performed.

(5)接触判定が難しい。
従来例のプローブを用いて形状を測定する場合、先ずプローブを被測定物に接近させ、接触したら止まるという動作が必ず必要である。この時、プローブを支持している部材を動かす必要があるので、当然プローブ自身も動く。プローブが動くとその時の振動でプローブに外乱振動が加わる。ところが、従来例のように非常に弱いばねで支えられているプローブはわずかな外乱振動でも、その影響を受けて大きく揺れてしまう。
(5) Contact determination is difficult.
When measuring the shape using the probe of the conventional example, it is always necessary to bring the probe close to the object to be measured and stop when it comes into contact. At this time, since the member supporting the probe needs to be moved, the probe itself naturally moves. When the probe moves, disturbance vibration is applied to the probe by the vibration at that time. However, a probe supported by a very weak spring as in the conventional example is greatly shaken under the influence of a slight disturbance vibration.

大きく揺れているプローブが被測定物に接触したかどうかを検出することは難しい。プローブの変位が揺れによって生じているのか、接触によって生じているのか判断するのに時間がかかるからである。   It is difficult to detect whether a probe that is greatly shaken has contacted the object to be measured. This is because it takes time to determine whether the displacement of the probe is caused by shaking or contact.

前述した数値例では、プローブの質量M=10g、ばね定数K=0.001mN/μmであったので、プローブ部分の固有振動数は、sqrt(K/M)/2π =1.6Hzと非常に低い。この揺れを判定するには、最低でも1周期分の時間が必要なことから、1/1.6=0.6秒ごとにしか判定できない。したがって、非常にゆっくりと接近させなければ接触判定ができない。   In the numerical example described above, since the probe mass M = 10 g and the spring constant K = 0.001 mN / μm, the natural frequency of the probe portion is sqrt (K / M) /2π=1.6 Hz. Low. In order to determine this fluctuation, at least one period of time is required, and therefore it can be determined only every 1 / 1.6 = 0.6 seconds. Therefore, contact determination cannot be made unless the approach is very slow.

この時間は測定に要する時間を引き延ばしてしまう。これは測定コストの上昇につながり、光学素子の生産から見て、非経済的である。   This time extends the time required for measurement. This leads to an increase in measurement costs and is uneconomical from the viewpoint of optical element production.

そこで、本発明は、上記従来技術の有する未解決な課題に鑑みてなされたものであって、自由曲面光学素子等の形状測定に用いる接触式プローブにおいて、自重を補償して接触力を小さくして小型化を図るとともに測定精度を向上させることができ、さらに、先端球の交換を簡便に行うことができる接触式プローブを提供することを目的とするものである。   Therefore, the present invention has been made in view of the above-mentioned unsolved problems of the prior art, and in a contact probe used for measuring the shape of a free-form surface optical element or the like, the contact force is reduced by compensating for its own weight. It is an object of the present invention to provide a contact-type probe that can be reduced in size and improved in measurement accuracy and can be easily replaced with a tip sphere.

上記目的を達成するため、本発明の接触式プローブは、プローブの先端部を被測定物に接触させて走査するとともに前記プローブの座標位置を測定することで被測定物の形状を測定する接触式プローブにおいて、3次元的に移動可能な移動部材と、前記移動部材に対して重力の方向に移動可能に設けられたプローブと、前記移動部材に支点を取り付けた天秤またはプーリーと、前記移動部材に固定され、ヨーク、永久磁石、通電可能なコイルまたは前記ヨークとの隙間が可変の調節ネジ、からなる磁気回路と、を有し、前記天秤またはプーリーの一端部にプローブを吊下げ、他端部には、強磁性体からなるバランス重りを連結し、前記磁気回路は、前記永久磁石と、前記コイルまたは前記調節ネジとが前記ヨークを介して、前記バランス重りに対して並列に配されていて、かつ前記バランスおもりは該磁気回路のヨークによって空隙をもって挟まれている、ことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the contact type probe of the present invention is a contact type that measures the shape of the object to be measured by scanning the probe tip while contacting the object to be measured and measuring the coordinate position of the probe. In the probe, a movable member that can be moved three-dimensionally, a probe that is movable in the direction of gravity with respect to the movable member, a balance or a pulley having a fulcrum attached to the movable member, and a movable member A magnetic circuit comprising a fixed yoke, a permanent magnet, a coil that can be energized, or an adjustment screw whose gap between the yoke is variable, and a probe suspended from one end of the balance or pulley, and the other end In the magnetic circuit, the permanent magnet and the coil or the adjusting screw are connected to the balance weight via the yoke. Have been arranged in parallel for, and the balance weight is sandwiched with a gap by the magnetic circuit of the yoke, it is characterized.

以上説明するように、本発明によれば、ヨーク、永久磁石およびコイルからなる磁気回路をプローブに設け、磁気回路の発生する磁力が、プローブの自重をキャンセルする一定の力とプローブの変位によって変化するばね要素の力を発生することによって、従来例のようにサイズの大きい弱いばねを設ける必要がなくなり、プローブを小型化することができる。さらに、機械的なばねを用いないので、環境温度の変化などでばねが変形して押しつけ力が変化する心配が無く、測定精度を向上させることができる。また、コイルに通電する電流を変化させることにより、磁力が変化するので、押しつけ力の精密な調整が可能となり、プローブ先端球の交換になどによってプローブの自重が変化しても、調整しなおすことにより、その影響を軽減し、測定精度を上げることができる。さらに、遠隔操作での調節が可能となり、作業が容易になるため効率的な測定装置の運用が可能となる。   As described above, according to the present invention, a magnetic circuit composed of a yoke, a permanent magnet, and a coil is provided in the probe, and the magnetic force generated by the magnetic circuit varies depending on the constant force for canceling the weight of the probe and the displacement of the probe. By generating the force of the spring element, it is not necessary to provide a large weak spring as in the conventional example, and the probe can be miniaturized. Furthermore, since a mechanical spring is not used, there is no fear that the spring is deformed due to a change in environmental temperature or the like and the pressing force changes, and the measurement accuracy can be improved. Also, since the magnetic force changes by changing the current applied to the coil, it is possible to precisely adjust the pressing force. Even if the probe's own weight changes due to replacement of the probe tip sphere, etc., it is necessary to adjust it again. Therefore, the influence can be reduced and the measurement accuracy can be increased. Furthermore, it is possible to make adjustments by remote operation, and the operation becomes easy, so that an efficient measurement apparatus can be operated.

また、本発明の他の接触式プローブによれば、移動部材に支点を固定した天秤またはプーリーの一端部にプローブを吊下げそして他端部にバランス重りを接続することにより、プローブにかかる重力のほとんどをバランス重りによりキャンセルすることができ、残りの力の一部をうけるばね要素をプローブまたはバランス重りに接続することで、ばねが受け持つ力を非常に小さくすることができ、弱いばねを採用しても、ばねが長く伸び、プローブ全体のサイズが大きくなる問題を回避することができる。また、温度変化などによってばねが変形しても、もともとばねの受け持つ発生力が小さいので、プローブ押しつけ力誤差への影響も少なく、測定精度が向上できる。   Further, according to another contact type probe of the present invention, the probe is suspended from one end of a balance or pulley having a fulcrum fixed to the moving member, and a balance weight is connected to the other end so that the gravity applied to the probe can be reduced. Most of the force can be canceled by the balance weight, and by connecting a spring element that receives a part of the remaining force to the probe or balance weight, the force that the spring bears can be made very small, and a weak spring is used. However, the problem that the spring extends long and the size of the entire probe increases can be avoided. Further, even if the spring is deformed due to a temperature change or the like, since the generated force of the spring is originally small, the influence on the probe pressing force error is small and the measurement accuracy can be improved.

さらに、プローブまたはバランス重りに接続したばねを調節機構を有するてこに取り付けることにより、調節機構によってばねの長さを調節でき、これによってプローブの接触力の精密な調整が可能となり、また、プローブ先端球の交換等によってプローブの自重が変化しても、調整しなおすことでその影響を軽減することができるため、測定精度を上げることができる。   Furthermore, by attaching a spring connected to the probe or balance weight to a lever having an adjustment mechanism, the length of the spring can be adjusted by the adjustment mechanism, thereby enabling precise adjustment of the contact force of the probe, and the probe tip. Even if the weight of the probe changes due to exchange of a sphere or the like, the influence can be reduced by adjusting it again, so that the measurement accuracy can be increased.

また、ヨークと永久磁石からなる磁気回路をばねに代えて用いることにより、プローブの自重を支えるための力を永久磁石による磁力を利用して発生させることができ、バランス重りの質量を軽くすることができ、その慣性が小さくすることで、被測定物の微少な凹凸に対する追従性能が向上して測定精度の向上につながる。さらに、磁気回路はばね要素の作用も有しているので、ばねを必要とせず、小型化が可能となる。   Also, by using a magnetic circuit consisting of a yoke and a permanent magnet instead of a spring, the force to support the weight of the probe can be generated using the magnetic force of the permanent magnet, and the mass of the balance weight can be reduced. Since the inertia can be reduced, the follow-up performance with respect to minute irregularities of the object to be measured is improved, leading to improvement in measurement accuracy. Furthermore, since the magnetic circuit also has an action of a spring element, it does not require a spring and can be miniaturized.

また、ヨーク、永久磁石およびコイルからなる磁気回路を用いることにより、ヨークと永久磁石からなる磁気回路を用いる場合に奏することができる作用効果に加えて、コイルに通電する電流を変化させることにより、磁気回路の発生する力を微調整することができ、プローブの接触力の精密な調整が可能となり、プローブ先端球の交換等によってプローブの自重が変化しても、調整しなおすことにより、その影響を軽減することができるため、測定精度を上げることができる。さらに、遠隔操作が可能となり、作業能率を向上させることができ、測定コストを軽減することが可能となる。   Further, by using a magnetic circuit composed of a yoke, a permanent magnet, and a coil, in addition to the effects that can be achieved when using a magnetic circuit composed of a yoke and a permanent magnet, by changing the current supplied to the coil, The force generated by the magnetic circuit can be finely adjusted, and the contact force of the probe can be precisely adjusted. Even if the probe's own weight changes due to replacement of the probe tip ball, etc. Measurement accuracy can be increased. Furthermore, remote control is possible, work efficiency can be improved, and measurement costs can be reduced.

さらに、本発明の接触式プローブによれば、プローブやバランス重りを空気軸受けを介して支持することにより、プローブやバランス重りの摩擦のない動きが可能となり、プローブの押しつけ力の誤差をなくして、高精度なプローブ押しつけ力を実現することができ、測定精度を向上させることができる。   Furthermore, according to the contact type probe of the present invention, by supporting the probe and balance weight via the air bearing, the probe and the balance weight can be moved without friction, and the error of the pressing force of the probe is eliminated. A highly accurate probe pressing force can be realized, and measurement accuracy can be improved.

また、プローブの軸内に真空路を設け、プローブ先端に球を真空吸着する構成とすることにより、プローブ先端球の交換を簡便に行うことができ、しかも、先端球だけの交換ですむため、交換部分が少なく非常に短時間で交換することができ、測定コストを下げることができる。さらに、先端球の交換が容易となることで、全測定に対して新しい球を使用することも可能となり、先端球の摩耗の問題を軽減し、測定信頼性および測定精度を向上させることできる。   Also, by providing a vacuum path in the probe shaft and vacuum-adsorbing the sphere at the probe tip, the probe tip sphere can be replaced easily, and only the tip sphere needs to be replaced. Since there are few exchange parts, they can be exchanged in a very short time, and the measurement cost can be reduced. Furthermore, since the tip sphere can be easily replaced, a new sphere can be used for all measurements, and the problem of tip sphere wear can be reduced, and measurement reliability and measurement accuracy can be improved.

さらに、プローブ軸内の真空路に真空度計を接続することにより、真空度計でプローブ先端球の有無をチェックできるため、プローブ先端球を吸着しない状態で形状測定する危険を回避することができ、真空度のチェックにより、先端球の吸着状態の良否判定が可能となり、先端球の吸着状態が悪ければ測定を中断することが可能となり、測定の失敗率を軽減でき、測定信頼性を向上させることができる。   In addition, by connecting a vacuum gauge to the vacuum path in the probe shaft, the vacuum gauge can check the presence or absence of the probe tip sphere, avoiding the risk of measuring the shape without adsorbing the probe tip sphere. By checking the degree of vacuum, it is possible to judge whether the tip sphere is attracted or not, and if the tip sphere is stuck, the measurement can be interrupted, reducing the measurement failure rate and improving the measurement reliability. be able to.

また、力センサーをプローブの可動領域内に設けることにより、この力センサーを用いて、測定の直前にプローブ押しつけ力を自動的に校正することができ、作業能率が向上し、測定コストを軽減することができる。さらに、周囲の温度変化等の影響により、押しつけ力が微妙に変化したとしても、その影響を排除することができるため、高精度な測定が可能となる。また、人為的な要因によるプローブ押しつけ力調整ミスの確立をゼロにすることができ、測定の信頼性を向上することができる。   Also, by providing a force sensor in the movable area of the probe, the force sensor can be used to automatically calibrate the probe pressing force immediately before measurement, improving work efficiency and reducing measurement costs. be able to. Furthermore, even if the pressing force changes slightly due to the influence of ambient temperature change or the like, the influence can be eliminated, so that highly accurate measurement is possible. In addition, it is possible to eliminate the possibility of adjusting the probe pressing force due to human factors, thereby improving the measurement reliability.

プローブまたはバランス重りの移動を規制するストッパーを移動部材に設けるとともに、プローブまたはバランス重りに対する空気の吹き付けあるいは空気の吸引によりプローブまたはバランス重りを移動しうるように構成することにより、測定前において、プローブをストッパーに突き当てることによって移動部材に固定することができるため、プローブの振動が抑えられ、プローブを被測定物に接触させるときの接触判定を容易にしかも短時間で行うことができるため、測定時間が短縮でき測定コストの低減を可能にする。   The probe or balance weight is provided with a stopper that regulates the movement of the probe or balance weight, and the probe or balance weight can be moved by blowing air or sucking air to the probe or balance weight before measurement. Since the probe can be fixed to the moving member by abutting against the stopper, the vibration of the probe is suppressed, and the contact determination when the probe is brought into contact with the object to be measured can be performed easily and in a short time. Time can be shortened and measurement cost can be reduced.

本発明の第1の参考例の接触式プローブを組み込んだ形状測定装置を一部破断して示す構成図である。It is a block diagram which shows the shape measuring apparatus incorporating the contact-type probe of the 1st reference example of this invention partially fractured | ruptured. (a)はプローブと、ヨーク、永久磁石およびコイルとの関係を示す概略図であり、(b)はヨークに磁気抵抗調節ネジおよびギャップ調節ネジを配設した概略図である。(A) is the schematic which shows the relationship between a probe and a yoke, a permanent magnet, and a coil, (b) is the schematic which arrange | positioned the magnetoresistive adjustment screw and the gap adjustment screw in the yoke. 本発明の第1の参考例の接触式プローブを説明するための図であって、(a)は本参考例の接触式プローブの模式図であり、(b)はその磁気回路を示し、(c)は従来の接触式プローブを説明するための模式図である。It is a figure for demonstrating the contact-type probe of the 1st reference example of this invention, (a) is a schematic diagram of the contact-type probe of this reference example, (b) shows the magnetic circuit, c) A schematic view for explaining a conventional contact probe. 本発明の形状測定装置の測定動作を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the measurement operation | movement of the shape measuring apparatus of this invention. 本発明の第2の参考例の接触式プローブを組み込んだ形状測定装置を一部破断して示す構成図である。It is a block diagram which shows the shape measuring apparatus incorporating the contact type probe of the 2nd reference example of this invention partially fractured | ruptured. (a)ないし(c)は、それぞれ、本発明の第2の参考例の接触式プローブを説明するための模式図である。(A) thru | or (c) is a schematic diagram for demonstrating the contact-type probe of the 2nd reference example of this invention, respectively. 本発明の第1の実施形態の接触式プローブを組み込んだ形状測定装置を一部破断して示す構成図である。It is a lineblock diagram showing a shape measuring device incorporating a contact type probe of a 1st embodiment of the present invention partially fractured. 本発明の第1の実施形態の接触式プローブを説明するための図であって、(a)は本実施形態の接触式プローブの模式図であり、(b)はその磁気回路を示す。It is a figure for demonstrating the contact type probe of the 1st Embodiment of this invention, Comprising: (a) is a schematic diagram of the contact type probe of this embodiment, (b) shows the magnetic circuit. 本発明の第2の実施形態の接触式プローブを組み込んだ形状測定装置を一部破断して示す構成図である。It is a block diagram which shows the shape measuring apparatus incorporating the contact type probe of the 2nd Embodiment of this invention partially fractured | ruptured. 本発明の第2の実施形態の接触式プローブを説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the contact type probe of the 2nd Embodiment of this invention.

本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1の参考例)
図1は、本発明の第1の参考例の接触式プローブを組み込んだ形状測定装置を一部破断して示す構成図であり、図2の(a)は、プローブと、ヨーク、永久磁石およびコイルとの関係を示す概略図であり、同図(b)はヨークに磁気抵抗調節ネジおよびギャップ調節ネジを配設した概略図であり、図3は、本発明の第1の参考例の接触式プローブを説明するための図であって、(a)は本参考例の接触式プローブの模式図であり、(b)はその磁気回路を示し、(c)は従来の接触式プローブを説明するための模式図である。
(First reference example)
FIG. 1 is a block diagram showing a partially broken shape measuring apparatus incorporating a contact probe according to a first reference example of the present invention. FIG. 2 (a) shows a probe, a yoke, a permanent magnet, It is the schematic which shows the relationship with a coil, The same figure (b) is the schematic which arrange | positioned the magnetoresistive adjustment screw and the gap adjustment screw in the yoke, FIG. 3 is the contact of the 1st reference example of this invention. It is a figure for demonstrating a type | formula probe, Comprising: (a) is a schematic diagram of the contact type probe of this reference example, (b) shows the magnetic circuit, (c) demonstrates the conventional contact type probe. It is a schematic diagram for doing.

先ず、本発明の第1の参考例における接触式プローブについて、図3を参照して説明する。   First, a contact probe according to a first reference example of the present invention will be described with reference to FIG.

図3の(c)は従来の接触式プローブを模式的に示す図であり、3次元的に移動可能な測定軸等の移動部材103の先端部に一方向に移動可能にプローブ102を配設し、プローブ102は、その先端に球101を有し、ばね104によって移動部材103に吊下げられている。このばね104は、前述したように、非常に弱いばねとする必要がある一方プローブ102の自重を支えなければならないので、ばね104の伸びが非常に大きくなるため、プローブ102全体のサイズも大きくなり、問題であった。   FIG. 3C schematically shows a conventional contact probe, and a probe 102 is arranged to be movable in one direction at the tip of a moving member 103 such as a measurement shaft that can be moved three-dimensionally. The probe 102 has a ball 101 at its tip, and is suspended from the moving member 103 by a spring 104. As described above, the spring 104 needs to be a very weak spring, but has to support the weight of the probe 102. Therefore, since the spring 104 is very stretched, the entire size of the probe 102 is also increased. It was a problem.

これに対し、本参考例における接触式プローブにおいては、図3の(a)に示すように、プローブ102に強磁性体からなる部材105を取り付けるとともに、ヨーク106、永久磁石107およびコイル108からなる磁気回路をプローブ102に設ける。ヨーク106とプローブ102(強磁性部材105)の間に働く磁力は、後述するように、プローブ102の重力方向の力をキャンセルする一定の力と、プローブ102の変位にしたがって変化するばね要素の力とがある。   On the other hand, in the contact type probe in this reference example, as shown in FIG. 3A, a member 105 made of a ferromagnetic material is attached to the probe 102, and a yoke 106, a permanent magnet 107, and a coil 108 are included. A magnetic circuit is provided on the probe 102. As will be described later, the magnetic force acting between the yoke 106 and the probe 102 (ferromagnetic member 105) is a constant force that cancels the force in the gravitational direction of the probe 102 and the force of the spring element that changes according to the displacement of the probe 102. There is.

図3の(a)における磁気回路の作用について説明すると、この磁気回路は、模式的に図3の(b)のように描くことができる。永久磁石107を簡単なモデルとして起磁力Mと内部抵抗Rで表すことにし、永久磁石107から発生する磁束をΦとする。また、プローブ102(強磁性部材105)とヨーク106の間のギャップをδとし、ギャップδの磁気抵抗をRとする。コイル108部分のモデルは、起磁力をM’、発生する磁束をΦ’、ヨーク等の内部抵抗をR’とする。 The operation of the magnetic circuit in FIG. 3A will be described. This magnetic circuit can be schematically drawn as shown in FIG. The permanent magnet 107 is represented as a simple model by a magnetomotive force M and an internal resistance R 0 , and a magnetic flux generated from the permanent magnet 107 is Φ. Further, the gap between the probe 102 and the (ferromagnetic member 105) the yoke 106 and [delta], the magnetic resistance of the gap [delta] between R 1. In the coil 108 model, the magnetomotive force is M ′, the generated magnetic flux is Φ ′, and the internal resistance of the yoke or the like is R 0 ′.

図3の(a)に示すように、ヨーク106とプローブ102(強磁性部材105)の重なり部分をz、紙面に垂直な方向である厚さをb、隙間(ギャップ)をδ、透磁率をμとすると、ギャップ部分の磁気抵抗は、   As shown in FIG. 3A, the overlapping portion of the yoke 106 and the probe 102 (ferromagnetic member 105) is z, the thickness perpendicular to the paper surface is b, the gap (gap) is δ, and the magnetic permeability is If μ, the gap magnetoresistance is

Figure 0004669566
z方向のずり力(磁力)Fは次の式から計算できる。
Figure 0004669566
The shear force (magnetic force) F in the z direction can be calculated from the following equation.

Figure 0004669566
これではわかりにくいので、z=0のまわりで1次までテーラー展開すると、
Figure 0004669566
This is difficult to understand, so if you develop a tailor around z = 0 to the first order,

Figure 0004669566
Figure 0004669566

式(3)における第1項は、定数でプローブ102の自重を支える力を発生させる項である。項の中にコイル108の起磁力M’があるので、これを調節することにより、この力を微調節できることがわかる。また、第2項は、プローブ102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102が変位するにしたがって発生力がかわるので、機械的なばねに相当する。   The first term in equation (3) is a term that generates a force that supports the weight of the probe 102 by a constant. It can be seen that there is a magnetomotive force M ′ of the coil 108 in the term, and this force can be finely adjusted by adjusting this. The second term includes the amount of movement z of the probe 102, and indicates that the force decreases as z increases. Since the generated force changes as the probe 102 is displaced, it corresponds to a mechanical spring.

つまり、図3の(a)の磁気回路は、プローブ102の自重を支えるカウンタバランスの質量と同じ作用に加え、ばね要素の作用をかねている。また、磁気抵抗Rなどは磁石107やヨーク106の材質や形状を変えることにより調節することができる。 That is, the magnetic circuit shown in FIG. 3A functions as a spring element in addition to the same action as the counter balance mass that supports the weight of the probe 102. Further, the magnetic resistance R 0 and the like can be adjusted by changing the material and shape of the magnet 107 and the yoke 106.

以上のように、プローブ102にこれらの磁力を作用させることによって、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、小型のプローブが実現できる。また、従来例のように環境温度の変化等でばねが変形し、押しつけ力が変化することもないので、押しつけ力の安定性が向上する。   As described above, by applying these magnetic forces to the probe 102, it is not necessary to use a weak spring having a large size as in the conventional example, and a small probe can be realized. In addition, unlike the conventional example, the spring is deformed due to a change in environmental temperature or the like, and the pressing force does not change, so that the stability of the pressing force is improved.

また、コイル108に通電する電流を変化させることにより、磁力が変化するので、押しつけ力の精密な調整が可能となる。プローブ先端の球101の交換等によってプローブの自重が変化しても、調整しなおすことにより、その影響を軽減し、測定精度を上げることができる。さらに、電流を制御するだけで押しつけ力を調節できるので、遠隔操作で調節することが可能となり、作業が容易になるため効率的な測定装置の運用が可能となる。   Further, since the magnetic force is changed by changing the current supplied to the coil 108, the pressing force can be precisely adjusted. Even if the weight of the probe changes due to the exchange of the sphere 101 at the tip of the probe or the like, the influence can be reduced and the measurement accuracy can be increased by adjusting again. Furthermore, since the pressing force can be adjusted only by controlling the electric current, it is possible to adjust the pressing force by remote operation, and the operation becomes easy, so that an efficient measurement apparatus can be operated.

なお、プローブ102の支持方法として、図3の(a)の模式図では転がりガイドを用いているが、平行板ばねで支持してもいいし、空気軸受けで支持することもできる。   As a method for supporting the probe 102, a rolling guide is used in the schematic diagram of FIG. 3A, but it may be supported by a parallel leaf spring or may be supported by an air bearing.

次に、以上のように構成される本参考例の接触式プローブを組み込んだ形状測定装置について、図1および図2を用いて説明する。   Next, a shape measuring apparatus incorporating the contact probe of this reference example configured as described above will be described with reference to FIGS. 1 and 2.

図1において、球1を取り付けるための円錐状の先端をもち、中心に小さな穴を貫通させたプローブチップ2を、スペーサ3を挟んで、中心に小さな穴を設けたプローブシャフト4の下側にねじ込み固定する。ミラー6を強磁性材料で製作したミラー固定駒5に接着固定し、このミラー固定駒5をプローブシャフト4の上側にねじ込み固定する。プローブシャフト4の中央部には小さな穴に連通する真空配管7が固定されており、真空配管7は真空度計9に接続され、さらにエアーバルブ8を介して、図示しない真空源に接続されている。このとき、エアーバルブ8は、真空配管7を、真空源に接続するか、大気に解放するかを選択できるものを用いる。   In FIG. 1, a probe tip 2 having a conical tip for attaching a sphere 1 and penetrating a small hole in the center is placed below a probe shaft 4 having a small hole in the center with a spacer 3 interposed therebetween. Secure with screws. The mirror 6 is bonded and fixed to a mirror fixing piece 5 made of a ferromagnetic material, and the mirror fixing piece 5 is screwed and fixed to the upper side of the probe shaft 4. A vacuum pipe 7 communicating with a small hole is fixed at the center of the probe shaft 4, and the vacuum pipe 7 is connected to a vacuum gauge 9 and further connected to a vacuum source (not shown) via an air valve 8. Yes. At this time, the air valve 8 is one that can select whether the vacuum pipe 7 is connected to a vacuum source or released to the atmosphere.

このように、プローブ内に真空路を設け、プローブチップ2の円錐状の先端部に球1を真空吸着できるように構成することにより、真空路の圧力を大気圧にすれば球1は簡単に取り外すことができ、先端の球1の交換が簡単である。従来のように先端球を取り付けた部品を製作し組立てる必要がないので交換に要する費用や交換に要する時間を軽減することができる。また、この構成により、先端の球1を頻繁に交換することが経済的に考えても可能となる。例えば、先端球に鋼球を使用する場合、球の値段は1〜3円程度であり、その効果は大きい。しかも、従来例のようにプローブ先端部分を固定する操作、例えばねじ締め等が必要ないために、交換に要する時間も格段に短縮できる。これらの結果、常に新しい球に交換して測定することが交換コスト、測定時間などを考慮しても十分可能となり、常に新しい球で測定することにより、問題点のところで指摘した先端球の損傷が生じても、その影響範囲をその測定のみ、つまり最小限に抑えることができる。したがって、測定の信頼性が向上する。   In this way, by providing a vacuum path in the probe so that the sphere 1 can be vacuum-adsorbed to the conical tip of the probe tip 2, the sphere 1 can be easily obtained by setting the pressure in the vacuum path to atmospheric pressure. It can be removed and the tip 1 can be easily replaced. Since it is not necessary to manufacture and assemble a part to which a tip sphere is attached as in the prior art, the cost and time required for replacement can be reduced. Further, with this configuration, it is possible to economically replace the tip sphere 1 frequently. For example, when a steel ball is used for the tip sphere, the price of the sphere is about 1 to 3 yen, and the effect is great. In addition, since the operation for fixing the probe tip, for example, screw tightening, is not required as in the conventional example, the time required for replacement can be remarkably shortened. As a result, it is possible to always replace and measure with a new sphere, considering the replacement cost, measurement time, etc., and always measuring with a new sphere will damage the tip sphere pointed out in the problem. Even if it occurs, the range of influence can be minimized, that is, only the measurement. Therefore, measurement reliability is improved.

また、プローブチップ2の先端に球1を真空吸着したときに、ゴミを挟んだりすることがあり、その場合には測定誤差が非常に大きくなるため、測定信頼性が悪化する。しかし、先端球1がゴミを挟んでいると隙間があるために、空気が漏れ、真空度が悪化する。そこで、真空路に配設した真空度計9で真空度を監視することにより、先端球の吸着状態の良否判定が可能となる。もし先端球の吸着状態が悪ければ測定を中断する工程を設けることにより、測定信頼性を向上することができる。   In addition, dust may be caught when the sphere 1 is vacuum-adsorbed to the tip of the probe tip 2, and in this case, the measurement error becomes very large, so that the measurement reliability deteriorates. However, if the tip sphere 1 sandwiches dust, there is a gap, so air leaks and the degree of vacuum deteriorates. Therefore, it is possible to determine whether the tip sphere is attracted or not by monitoring the degree of vacuum with the vacuum gauge 9 disposed in the vacuum path. If the tip sphere adsorption state is bad, the measurement reliability can be improved by providing a step of interrupting the measurement.

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け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、空気軸受け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、プローブのミラー固定駒5に突き当たるようになっている。これらストッパー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 mirror fixing piece 5 of the probe for excessive downward movement. For example, a damper such as a thin rubber sheet is bonded and fixed to these stoppers 10a and 10b in order to reduce the impact. 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には磁気回路を構成するヨーク17が固定してあり、この部分を上からみた図を図2の(a)に示し、ヨーク17には、永久磁石18とコイル19が取り付けられており、プローブの磁気回路を構成し、コイル19は配線を介して電流源20に接続されている。なお、ヨーク17と強磁性材で製作したミラー固定駒5との隙間(ギャップ)をδ、重なり部分の上下方向の長さをzとする。上からみたヨーク17とミラー固定駒5の重なり部分をbとする。   A yoke 17 constituting a magnetic circuit is fixed to the second housing 16, and a top view of this part is shown in FIG. 2A, and a permanent magnet 18 and a coil 19 are attached to the yoke 17. The magnetic circuit of the probe is configured, and the coil 19 is connected to the current source 20 through wiring. It is assumed that the gap (gap) between the yoke 17 and the mirror fixing piece 5 made of a ferromagnetic material is δ, and the vertical length of the overlapping portion is z. An overlapping portion of the yoke 17 and the mirror fixing piece 5 seen from above is denoted by b.

このように構成される図1および図2の(a)に図示するプローブの磁気回路が発生する力は、前述した式(3)に基づいて説明するように、プローブの自重を支える一定の力を発生する作用に加え、変位にしたがって力が変化するばね要素の作用をかねている。   The force generated by the magnetic circuit of the probe shown in FIG. 1 and FIG. 2A configured as described above is a constant force that supports the weight of the probe, as will be described based on the aforementioned equation (3). In addition to the action of generating, the action of a spring element whose force changes according to the displacement is also served.

また、プローブの磁気回路に関して、図2の(b)に示すように、ヨーク17に磁気抵抗を調節するための磁気抵抗調節ネジ17aを設け、また、ヨーク17とミラー固定駒5とのギャップδを調節するためギャップ調節ネジ17bを設けることもできる。   As for the magnetic circuit of the probe, as shown in FIG. 2B, the yoke 17 is provided with a magnetic resistance adjusting screw 17a for adjusting the magnetic resistance, and the gap δ between the yoke 17 and the mirror fixing piece 5 is provided. A gap adjusting screw 17b may be provided to adjust the angle.

磁気抵抗調節ネジ17aを出し入れすると、磁束がそこを通るときの磁気抵抗が増減し、式(3)における磁気抵抗R、R’を調節できるようになるため、磁気回路の発生する一定の力と、ばね要素に相当する力を調節することが可能となる。また、ギャップ調節ネジ17bを出し入れすることでギャップδを調節することができ、ギャップδを変化させることにより、磁気回路の発生する磁力が変化する。この構成によれば、磁気回路が発生する2種類の力、すなわち一定の力と変位に比例する力の割合を調節することができるので、部品の製作精度を緩和することができる。 When the magnetic resistance adjusting screw 17a is inserted or removed, the magnetic resistance when the magnetic flux passes through the magnetic resistance increases or decreases, and the magnetic resistances R 0 and R 0 ′ in the equation (3) can be adjusted. It is possible to adjust the force and the force corresponding to the spring element. Further, the gap δ can be adjusted by inserting and removing the gap adjusting screw 17b, and the magnetic force generated by the magnetic circuit is changed by changing the gap δ. According to this configuration, it is possible to adjust the ratio of two types of forces generated by the magnetic circuit, that is, a constant force and a force proportional to the displacement, so that the manufacturing accuracy of the parts can be relaxed.

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21が設けられており、ノズル21に接続された配管22は、エアーバルブ23を介して図示しない圧縮空気源に接続されている。このエアーバルブ23は図示していないコントローラで自動制御され、図4に示すフローチャートにしたがって測定動作が行われる。図4については後述する。   The second housing 16 is provided with a nozzle 21 that blows air in a direction to push down the probe. A pipe 22 connected to the nozzle 21 is connected to a compressed air source (not shown) via an air valve 23. ing. The air valve 23 is automatically controlled by a controller (not shown), and a measurement operation is performed according to the flowchart shown in FIG. FIG. 4 will be described later.

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24を用いて移動可能にXYテーブル26に対して支持され、ボールネジ25とサーボモータ27で駆動される。XYテーブル26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27はサーボアンプ29に接続され、サーボアンプ29は、制御系切り替え装置31に接続される。サーボモータ27の回転軸にはエンコーダ33が接続してあり、その出力を位置制御補償回路30に接続する。制御系切り替え装置31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31は図示していないコントローラで自動制御され、図4に示すフローチャートにしたがって測定動作が行われる。   The measurement shaft 15 is supported by an XY table 26 so as to be movable using a guide 24 in the same direction as the probe shaft 4, that is, in the vertical direction (Z direction), and is driven by a ball screw 25 and a servo motor 27. The XY table 26 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 27 that drives the measuring shaft 15 is connected to a servo amplifier 29, and the servo amplifier 29 is connected to a control system switching device 31. An encoder 33 is connected to the rotation shaft of the servo motor 27, and its output is connected to the position control compensation circuit 30. When the control system switching device 31 is connected to the position control system, the position of the measurement shaft 15 can be controlled. The control system switching device 31 is automatically controlled by a controller (not shown), and a measurement operation is performed according to the flowchart shown in FIG.

また、干渉計34および4分の1波長板35は、測定軸15に固定され、その上方にミラー36を配置し、ミラー36はフレーム37に固定する。この構成により、干渉計34はミラー6とミラー34の間の距離を測定することができる。フレーム37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38が固定される。   Further, the interferometer 34 and the quarter-wave plate 35 are fixed to the measurement axis 15, a mirror 36 is disposed above the measurement axis 15, and the mirror 36 is fixed to the frame 37. With this configuration, the interferometer 34 can measure the distance between the mirror 6 and the mirror 34. A mounting table (not shown) for an object to be measured is provided in a lower portion of the frame 37, and the object to be measured 38 is fixed to the mounting table.

プローブのZ方向の位置調整は、プローブシャフト4に固定した凸球面ミラー46に対向する位置に配置されたポジションセンサー47によりプローブシャフト4のZ方向の位置を測定し、調整を行う。すなわち、図示しない光源から光ファイバー42に光を入射し、光ファイバー固定駒43から光束を出射させる。この光ファイバー固定駒43は、固定部材44で第2のハウジング16に固定される。レンズ45を固定部材44に固定して設け、光束を集光させる。集光した光はプローブシャフト4に固定された凸球面ミラー46で反射し、ポジションセンサー27上で焦点を結ぶ。ここで、凸球面ミラー46の球面の中心を、プローブシャフト4のセンター軸上に配置する。ポジションセンサー47は、測定軸15に固定された微動テーブル48の上に固定されており、Z方向に位置を調整して固定できる。   The position adjustment of the probe in the Z direction is performed by measuring the position of the probe shaft 4 in the Z direction with a position sensor 47 disposed at a position facing the convex spherical mirror 46 fixed to the probe shaft 4. That is, light is incident on the optical fiber 42 from a light source (not shown), and a light beam is emitted from the optical fiber fixing piece 43. The optical fiber fixing piece 43 is fixed to the second housing 16 by a fixing member 44. The lens 45 is provided fixed to the fixing member 44, and the light beam is condensed. The condensed light is reflected by a convex spherical mirror 46 fixed to the probe shaft 4 and focused on the position sensor 27. Here, the center of the spherical surface of the convex spherical mirror 46 is arranged on the center axis of the probe shaft 4. The position sensor 47 is fixed on a fine movement table 48 fixed to the measurement shaft 15 and can be fixed by adjusting the position in the Z direction.

ポジションセンサー47は、センサーアンプ49に接続され、光点位置を電気信号に変換する。センサーアンプ49は針圧制御補償回路32に接続され、さらに制御系切り替え装置31に接続されている。この制御系切り替え装置31が針圧制御系に接続されているときは、センサーアンプ49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 47 is connected to the sensor amplifier 49 and converts the light spot position into an electrical signal. The sensor amplifier 49 is connected to the needle pressure control compensation circuit 32 and further connected to the control system switching device 31. When the control system switching device 31 is connected to the needle pressure control system, the servo motor is controlled so that the output of the sensor amplifier 49 becomes constant.

また、プローブの可動範囲内にプローブ押しつけ力を測定するための力センサー39を設置する。   In addition, a force sensor 39 for measuring the probe pressing force is installed within the movable range of the probe.

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4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.

先ず、測定前にプローブの準備を行う。最初にプローブを下端に固定する(ステップS01)。すなわち、エアーバルブ23を開いて圧縮空気をノズル21から吹き出させてプローブを下方へ移動させる。すると、ミラー固定駒5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 prepared before measurement. First, the probe is fixed to the lower end (step S01). That is, the air valve 23 is opened to blow the compressed air from the nozzle 21 to move the probe downward. Then, the mirror fixing piece 5 comes into contact with the upper stopper 10a, and the probe is fixed to the lower end.

次に、先端の球1を次のようにセットする(ステップS02)。エアーバルブ55を開き、プローブチップ2内部の穴の圧力を下げた状態で、先端の球1をプローブチップ2に真空吸着する。球1が真空吸着されると配管内部の圧力が下がるので、真空度計9の測定値が真空に近づく。したがって、この真空度計9の測定値を監視することによって、プローブ先端球の有無を検出することができる(ステップS03)。もしも圧力が異常ならば、なんらかの故障なので処理を中断する(ステップS20)。圧力が正常なら次の処理(ステップS04以降)に進む。   Next, the tip sphere 1 is set as follows (step S02). With the air valve 55 opened and the pressure in the hole inside the probe tip 2 lowered, the tip ball 1 is vacuum-adsorbed to the probe tip 2. When the sphere 1 is vacuum-adsorbed, the pressure inside the pipe decreases, and the measured value of the vacuum gauge 9 approaches a vacuum. Therefore, the presence or absence of the probe tip sphere can be detected by monitoring the measurement value of the vacuum gauge 9 (step S03). If the pressure is abnormal, the process is interrupted because of some failure (step S20). If the pressure is normal, the process proceeds to the next process (after step S04).

制御系切り替え装置31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な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38から離れる方向に測定軸15を退避させる(ステップS04)。次に、力センサー39の上にプローブがくるようにXYテーブル26を移動させ(ステップS05)、そして、測定軸15を下げて、プローブを力センサー39に接触させる(ステップS06)。   The control system switching device 31 is set as a position control system, that is, a feedback control system is selected so that the position of the measurement axis 15 is constant, and the safe position, that is, the direction in which the probe is farthest from the object to be measured 38. The measuring shaft 15 is retracted (step S04). Next, the XY table 26 is moved so that the probe is placed on the force sensor 39 (step S05), and the measurement shaft 15 is lowered to bring the probe into contact with the force sensor 39 (step S06).

ここで、先端の球1が、被測定物や力センサー等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、その変位を光りてこの原理を使用した変位計で読みとることができる。この変位計部分の動作を次に説明する。   Here, when the ball 1 at the tip comes into contact with an object to be measured, a force sensor or the like and receives a reaction force, the probe shaft 4 is pushed up, and its displacement can be illuminated and read by a displacement meter using this principle. . The operation of this displacement meter portion will now be described.

光ファイバー固定駒43から出射した光束は次第に広がりながらレンズ45に入射し、そして、集光しながら、プローブシャフト4に固定された凸球面ミラー46で反射し、ポジションセンサー47の上で焦点を結ぶ。その焦点の位置がポジションセンサー47の中心位置にくるように、あらかじめ、微動テーブル48を調整し固定しておく。プローブシャフト4が移動すると、前に説明したとおり、凸球面ミラー46に入射する光束と反射する光束の中間方向に垂直な方向、すなわち、図1に矢印Aで示す方向の移動量が拡大されて、ポジションセンサー47上の焦点位置が移動する。プローブシャフト4は上下方向だけに移動可能に支持されているので、矢印Aで示す方向はほぼプローブシャフト4の移動方向と考えられる。このプローブ移動方向と変位測定方向の角度差をθとすると、プローブ移動量のcosθを測定することになる。その位置変化をセンサーアンプ49で電気信号に変える。   The light beam emitted from the optical fiber fixing piece 43 is incident on the lens 45 while gradually spreading, and is reflected by the convex spherical mirror 46 fixed to the probe shaft 4 while focusing, and is focused on the position sensor 47. The fine movement table 48 is adjusted and fixed in advance so that the focal position is at the center position of the position sensor 47. When the probe shaft 4 moves, the amount of movement in the direction perpendicular to the intermediate direction between the light beam incident on the convex spherical mirror 46 and the reflected light beam, that is, the direction indicated by the arrow A in FIG. The focal position on the position sensor 47 moves. Since the probe shaft 4 is supported so as to be movable only in the vertical direction, the direction indicated by the arrow A is considered to be substantially the direction of movement of the probe shaft 4. When the angle difference between the probe moving direction and the displacement measuring direction is θ, cos θ of the probe moving amount is measured. The position change is converted into an electric signal by the sensor amplifier 49.

プローブシャフト4が押し上げられると、ヨーク17とミラー固定駒5との重なる長さzがプラス側に増える。すると、前述した式(3)より磁気回路の発生する力が弱まるので、プローブの先端球1が被測定物等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。したがって、センサーアンプ49の出力は、プローブの押しつけ力を表している。なお、このセンサーアンプ49の出力は、凸球面ミラー46の中心まわりの傾斜には影響されない。これは凸球面ミラー46の球面の中心がプローブシャフト4のセンター軸に一致しているからである。   When the probe shaft 4 is pushed up, the overlapping length z between the yoke 17 and the mirror fixing piece 5 increases to the plus side. Then, since the force generated by the magnetic circuit is weakened from the above-described equation (3), the force with which the tip sphere 1 of the probe presses the object to be measured and the like gradually increases. This is the same effect as the spring element is there. Therefore, the output of the sensor amplifier 49 represents the pressing force of the probe. The output of the sensor amplifier 49 is not affected by the inclination around the center of the convex spherical mirror 46. This is because the center of the spherical surface of the convex spherical mirror 46 coincides with the center axis of the probe shaft 4.

プローブの先端球が被測定物等に接触したかしないかは、プローブの変位測定信号、すなわち、センサーアンプ49の信号をモニタしていれば判別できる。プローブはミラー固定駒5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。したがって、センサーアンプ49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。   Whether or not the tip sphere of the probe is in contact with the object to be measured can be determined by monitoring the displacement measurement signal of the probe, that is, the signal of the sensor amplifier 49. Since the probe is in contact with the mirror fixing piece 5 and the protruding 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 49 is not shaken 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、エアーバルブ23を閉め、ノズル21から圧縮空気を吹き付けるのを止め、プローブの動きを自由にする(ステップS07)。変位センサーの値があらかじめ定められた値、例えば0ボルトになるまで測定軸15を移動させる。そして、制御系切り替え装置31を針圧制御系に切り替える(ステップS08)。すなわち、測定軸15をセンサーアンプ49の出力が一定になるように制御する。   Next, the air valve 23 is closed, the blowing of compressed air from the nozzle 21 is stopped, and the movement of the probe is made free (step S07). The measuring shaft 15 is moved until the value of the displacement sensor reaches a predetermined value, for example, 0 volts. Then, the control system switching device 31 is switched to the needle pressure control system (step S08). That is, the measuring shaft 15 is controlled so that the output of the sensor amplifier 49 is constant.

次いで、力センサー39を用いてプローブの押しつけ力を測定する(ステップS09)。この時の押しつけ力の値が所定の値かどうかを判断する(ステップS10)。この時、押しつけ力の良否の判定は例えば設定値の±10%と設定する。もし、この値に入っていなければ異常なのでプローブ押しつけ力を調節する(ステップS21)。押しつけ力はコイル19に流す電流を変化させれば調節できる。そこで、力センサー39で測定したプローブ押しつけ力が所定の値になるように電流源20の電流を調節する。   Next, the pressing force of the probe is measured using the force sensor 39 (step S09). It is determined whether or not the value of the pressing force at this time is a predetermined value (step S10). At this time, whether the pressing force is good or bad is set, for example, as ± 10% of the set value. If not, the probe pressing force is adjusted (step S21). The pressing force can be adjusted by changing the current flowing through the coil 19. Therefore, the current of the current source 20 is adjusted so that the probe pressing force measured by the force sensor 39 becomes a predetermined value.

プローブ押しつけ力の判定(ステップS10)が良好だった場合には、制御系切り替え装置31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S11)、再びエアーバルブ23を開いてプローブを下端に固定する(ステップS12)。   If the determination of the probe pressing force (step S10) is good, the control system switching device 31 is switched to the position control system again, the measuring shaft 15 is retracted to the safe position (step S11), and the air valve 23 is opened again. The probe is fixed to the lower end (step S12).

以上で、プローブの準備が完了し、次に被測定物の形状測定の工程に入る。   Thus, the preparation of the probe is completed, and then the process of measuring the shape of the object to be measured starts.

先ず、最初の測定位置にXYテーブル26を移動する(ステップS13)。そして、先ほどと同じ手順で、測定軸15を下げて、プローブの先端球1を被測定物21に接触させる(ステップS14)。   First, the XY table 26 is moved to the first measurement position (step S13). Then, in the same procedure as before, the measurement shaft 15 is lowered and the tip sphere 1 of the probe is brought into contact with the object to be measured 21 (step S14).

次に、エアーバルブ23を閉め、ノズル21から圧縮空気を吹き付けるのを止め、プローブの動きを自由にする(ステップS15)。   Next, the air valve 23 is closed, the spraying of compressed air from the nozzle 21 is stopped, and the movement of the probe is made free (step S15).

そして、制御系切り替え装置31を針圧制御系に切り替え(ステップS16)、被測定物の測定領域をXYテーブル26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測定装置で測定する(ステップS17)。また、プローブの上下方向については、参照ミラー6と参照ミラー36の間の距離を測定する干渉計34で直接測定する。   Then, the control system switching device 31 is switched to the needle pressure control system (step S16), and the measurement area of the object to be measured is scanned (traced) using the XY table 26, and at the same time, the position of the measurement axis is not shown. (Step S17). Further, the vertical direction of the probe is directly measured by an interferometer 34 that measures the distance between the reference mirror 6 and the reference mirror 36.

全測定領域を走査したら、制御系切り替え装置31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S18)、再びエアーバルブ23を開いてプローブを下端に固定する(ステップS19)。   When the entire measurement area is scanned, the control system switching device 31 is switched to the position control system again, the measurement axis is retracted to the safe position (step S18), and the air valve 23 is opened again to fix the probe to the lower end (step S19). .

以上説明してきたように、本参考例によれば、先端球1、プローブチップ2、スペーサ3、プローブシャフト4、ミラー固定駒5、ミラー6、配管7等にかかる重力を図2に示す磁気回路が発生する磁力でキャンセルする。したがって、従来例のように弱くしかも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 reference example, the gravity applied to the tip sphere 1, the probe tip 2, the spacer 3, the probe shaft 4, the mirror fixing piece 5, the mirror 6, the pipe 7, and the like is shown in FIG. Cancel by the magnetic force generated. Therefore, it is not necessary to use a weak and large spring as in the conventional example. For this reason, a small probe is realizable.

また、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。   In addition, since a spring whose generated force changes with respect to environmental changes such as temperature changes is not used, the accuracy of the probe pressing force is improved, and as a result, the measurement accuracy is improved.

また、プローブ先端球の着脱および交換が容易であり、プローブ先端球を頻繁に交換することが可能となる。その結果、傷付いた先端球で形状測定する危険を軽減することが可能となり、測定信頼性が向上する。   Also, the probe tip sphere can be easily attached and detached, and the probe tip sphere can be frequently replaced. As a result, it becomes possible to reduce the risk of measuring the shape with the damaged tip sphere, and the measurement reliability is improved.

また、測定軸15の制御を本参考例ではサーボモータとボールネジで構成しているが、例えばリニアモータ等の他の駆動手段を用いることもできる。   Further, although the control of the measuring shaft 15 is constituted by a servo motor and a ball screw in this reference example, other driving means such as a linear motor can be used.

本参考例ではプローブの準備として、押しつけ力の調整を図4のフローチャートを用いて説明したが、毎回の測定でこの調整が必要とは限らない。つまり、押しつけ力の調整を省略することも考えられる。   In this reference example, the adjustment of the pressing force has been described with reference to the flowchart of FIG. 4 as preparation of the probe. However, this adjustment is not always necessary for each measurement. That is, the adjustment of the pressing force may be omitted.

第2の参考例
図5は、本発明の第2の参考例の接触式プローブを組み込んだ形状測定装置を一部破断して示す構成図であり、図6の(a)ないし(c)は、それぞれ、本発明の第2の参考例の接触式プローブを説明するための模式図である。なお、本参考例において、前述した第1の参考例における要素や部材と同様な要素や部材には同一符号を付して説明する。
( Second reference example )
FIG. 5 is a block diagram showing a partially broken shape measuring apparatus incorporating a contact type probe according to a second reference example of the present invention. FIGS. 6 (a) to 6 (c) respectively show the present invention. It is a schematic diagram for demonstrating the contact-type probe of the 2nd reference example . In this reference example , elements and members similar to those in the first reference example described above will be described with the same reference numerals.

参考例における接触式プローブは、天秤とバランス重りを用いてプローブの自重を補償するものであり、先ず、図6の(a)を参照して説明する。 The contact-type probe in this reference example compensates the weight of the probe using a balance and a balance weight, and will be described first with reference to FIG.

図6の(a)において、3次元的に移動可能な測定軸等の移動部材103に支点110の回りを揺動自在な天秤111を配設し、天秤111の一端につり糸112を介してプローブ102を接続し、天秤111の他端につり糸113を介してバランス重り114を吊り下げ、バランス重り114に弱い微調整用のばね115の一端を接続し、このばね115の他端を移動部材103に形成した支点の回りを回転自在なてこ116に接続する。てこ116の他端部には調節用のネジ117を設けてある。   6A, a balance 111 that can swing around a fulcrum 110 is provided on a moving member 103 such as a measurement shaft that can be moved three-dimensionally, and a suspension thread 112 is connected to one end of the balance 111. The probe 102 is connected, the balance weight 114 is suspended from the other end of the balance 111 via a suspension thread 113, one end of a weak fine adjustment spring 115 is connected to the balance weight 114, and the other end of the spring 115 is moved. A fulcrum formed on the member 103 is connected to a rotatable lever 116. An adjustment screw 117 is provided at the other end of the lever 116.

このように、天秤111を介してバランス重り114を設けることにより、バランス重り114がプローブ102にかかる重力のほとんどを受けるので、ばね115が受け持つ力は従来例(例、図3の(c)参照)に対して非常に少なくなる。したがって、弱いばねを採用しても、ばねが長く伸びてプローブ全体のサイズが大きくなるという問題を回避することができる。さらに、ばね115の一端を調節ネジ117を配置したてこ116に接続することにより、調節ネジ117を調節することでばね115の長さを調節することができ、ばね115の長さを変化させることができるために精密なばね力の調節が可能となり、これによってプローブ102の接触力の精密な調整ができる。また、プローブ102の球101の交換等によってプローブ102の自重が変化しても、調節ネジ117により調整しなおすことにより、その影響を軽減することができるため、測定精度を上げることができる。   In this way, by providing the balance weight 114 via the balance 111, the balance weight 114 receives most of the gravity applied to the probe 102, so the force that the spring 115 has is the conventional example (eg, see FIG. 3C). ) Very much. Therefore, even if a weak spring is employed, the problem that the spring extends long and the size of the entire probe increases can be avoided. Furthermore, the length of the spring 115 can be adjusted by adjusting the adjustment screw 117 by connecting one end of the spring 115 to the lever 116 provided with the adjustment screw 117, and the length of the spring 115 can be changed. Therefore, it is possible to precisely adjust the spring force, and thus the contact force of the probe 102 can be precisely adjusted. Further, even if the weight of the probe 102 changes due to exchange of the ball 101 of the probe 102 or the like, the influence can be reduced by adjusting the adjustment screw 117 again, so that the measurement accuracy can be increased.

また、温度変化等によってばね115が変形しても、もともとばね115の受け持つ発生力が小さいので、プローブ押しつけ力誤差への影響も少ない。プローブ押しつけ力の誤差が小さくなるので、測定精度が向上できる。   Further, even if the spring 115 is deformed due to a temperature change or the like, since the generated force of the spring 115 is originally small, the influence on the probe pressing force error is small. Since the error of the probe pressing force is reduced, the measurement accuracy can be improved.

また、図6の(b)には、同図(a)に図示する接触式プローブにおいて調節ネジ117による調節機能を省略した接触式プローブの模式図を示す。すなわち、バランス重り114の下に接続した微調整用のばね115の他端を移動部材103に接続するものである。このような構造においても、天秤111を介するバランス重り114がプローブ102にかかる重力のほとんどを受けるので、ばね115が受け持つ力は従来例に対して非常に少なくなり、弱いばねを採用しても、ばねが長く伸びてプローブ全体のサイズが大きくなるという問題を回避することができ、温度変化等によってばね115が変形しても、もともとばね115の受け持つ発生力が小さいので、プローブ押しつけ力誤差への影響も少ない。プローブ押しつけ力の誤差が小さくなるので、測定精度が向上できる。   FIG. 6B is a schematic diagram of a contact probe in which the adjustment function by the adjustment screw 117 is omitted in the contact probe shown in FIG. That is, the other end of the fine adjustment spring 115 connected under the balance weight 114 is connected to the moving member 103. Even in such a structure, since the balance weight 114 via the balance 111 receives most of the gravity applied to the probe 102, the force that the spring 115 has is very small compared to the conventional example, and even if a weak spring is adopted, It is possible to avoid the problem that the spring extends long and the entire size of the probe increases. Even if the spring 115 is deformed due to temperature change or the like, the generated force of the spring 115 is originally small. There is little influence. Since the error of the probe pressing force is reduced, the measurement accuracy can be improved.

また、図6の(c)に示すように、天秤111に代えてプーリー118を用いることもできる。すなわち、移動部材103に支点110の回りを回動自在なプーリー118を配設し、このプーリー118の回りに掛けられたつり糸119の一端にプローブ102を接続して他端にバランス重り114を接続し、そして、バランス重り114の下に微調整用のばね115の一端を接続し、このばね115の他端を移動部材103に接続する。このような構成としても、図6の(b)に示す接触式プローブと同様の作用効果を奏することができる。   In addition, as shown in FIG. 6C, a pulley 118 can be used instead of the balance 111. That is, a pulley 118 that is rotatable around a fulcrum 110 is disposed on the moving member 103, the probe 102 is connected to one end of a suspension thread 119 hung around the pulley 118, and a balance weight 114 is connected to the other end. Then, one end of a fine adjustment spring 115 is connected under the balance weight 114, and the other end of the spring 115 is connected to the moving member 103. Even with such a configuration, the same effects as the contact probe shown in FIG. 6B can be obtained.

なお、微調整用のばね115は、図6の(a)ないし(c)においては、バランス重り114に接続しているが、プローブ102側に接続しても同じことである。また、プローブ102の支持方法は、図6の(a)ないし(c)においては転がりガイドを用いているが、平行板ばねで支持してもいいし、空気軸受けで支持することもできる。   Note that the fine adjustment spring 115 is connected to the balance weight 114 in FIGS. 6A to 6C, but it is the same when connected to the probe 102 side. The probe 102 is supported by a rolling guide in FIGS. 6A to 6C. However, the probe 102 may be supported by a parallel leaf spring or by an air bearing.

次に、図6の(a)に示すように構成された本参考例の接触式プローブを組み込んだ形状測定装置について、図5を用いて説明する。 Next, a shape measuring apparatus incorporating the contact probe of the present reference example configured as shown in FIG. 6A will be described with reference to FIG.

図5において、球1を取り付けるための円錐状の先端をもち、中心に小さな穴を貫通させたプローブチップ2を、スペーサ3を挟んで、中心に小さな穴を設けたプローブシャフト4の下側にねじ込み固定する。中心に穴を有するミラー6をミラー固定駒5に接着固定し、このミラー固定駒5をプローブシャフト4の上側にねじ込み固定する。プローブシャフト4の中央部には小さな穴に連通する真空配管7が固定されており、真空配管7は真空度計9に接続され、さらにエアーバルブ8を介して、図示しない真空源に接続されている。このとき、エアーバルブ8は、真空配管7を、真空源に接続するか、大気に解放するかを選択できるものを用いる。これにより、プローブチップ2の円錐状の先端部に球1を真空吸着することができ、先端球の交換が簡単となる。さらに、真空度計9で真空度を監視することにより、先端球の吸着状態の良否判定が可能となり、測定信頼性を向上することができる。   In FIG. 5, a probe tip 2 having a conical tip for attaching a sphere 1 and penetrating a small hole in the center is placed below the probe shaft 4 having a small hole in the center with a spacer 3 in between. Secure with screws. A mirror 6 having a hole in the center is bonded and fixed to the mirror fixing piece 5, and this mirror fixing piece 5 is screwed and fixed to the upper side of the probe shaft 4. A vacuum pipe 7 communicating with a small hole is fixed at the center of the probe shaft 4, and the vacuum pipe 7 is connected to a vacuum gauge 9 and further connected to a vacuum source (not shown) via an air valve 8. Yes. At this time, the air valve 8 is one that can select whether the vacuum pipe 7 is connected to a vacuum source or released to the atmosphere. Thereby, the sphere 1 can be vacuum-sucked to the conical tip of the probe tip 2, and the tip sphere can be easily replaced. Furthermore, by monitoring the degree of vacuum with the vacuum gauge 9, it is possible to determine whether the tip sphere is in an attracting state and to improve measurement reliability.

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け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、ハウジング10には、空気軸受け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. Compressed air holes 12 are provided for guiding. 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.

また、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、プローブのミラー固定駒5に突き当たるようになっている。これらストッパー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 10b 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 mirror fixing piece 5 of the probe 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. 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、固定したピン50の回りを揺動自在な天秤51が配設されており、天秤51の一端にはつり糸52を介してミラー固定駒5が吊下げられ、天秤51の他の一端にはつり糸53を介してバランス重り54が接続されている。このバランス重り54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け55を介して、第2のハウジング16に対して上下方向に移動可能に支持され、バランス重り54は上下方向に摩擦なしに自由に移動することができる。バランス重り54の質量はプローブシャフト側の質量よりも少なくしておく。第2のハウジング16には空気軸受け55に圧縮空気を導くための圧縮空気穴56が穿設され、この圧縮空気穴56は圧縮空気配管57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。   The second housing 16 is provided with a balance 51 that can swing around a fixed pin 50, and the mirror fixing piece 5 is suspended from one end of the balance 51 via a suspension thread 52. A balance weight 54 is connected to the other end via a suspension thread 53. The balance weight 54 is supported so as to be movable in the vertical direction with respect to the second housing 16 via a so-called air bearing 55 that supports the balance weight 54 in a non-contact manner through a thin air film. It can move freely without friction. The mass of the balance weight 54 is set smaller than the mass on the probe shaft side. The second housing 16 is provided with a compressed air hole 56 for guiding compressed air to the air bearing 55. The compressed air hole 56 is connected to a compressed air pipe 57, and further connected to a compressed air source (not shown). Yes.

また、第2のハウジング16には、バランス重り54を上方に吹き上げる方向にノズル21が設けられており、ノズル21には配管22が接続され、配管22はエアーバルブ23を介して図示しない圧縮空気源に接続されている。このエアーバルブ23は図示していないコントローラで自動制御される。   The second housing 16 is provided with a nozzle 21 in a direction in which the balance weight 54 is blown upward. A pipe 22 is connected to the nozzle 21, and the pipe 22 is compressed air (not shown) via an air valve 23. Connected to the source. The air valve 23 is automatically controlled by a controller (not shown).

バランス重り54の下方には弱い微調整用のばね58の一端が接続されており、このばね58の他端は、調節用のネジ60を備えたてこ59に接続されている。このてこ59は、図5に示すように第2のハウジング16の一部をヒンジとして一体で構成することができる。この場合、ヒンジの位置が支点となるためばね調節用のネジ60を調節することにより、ネジ60の動きを縮小してばねの長さを変化させることができるため精密なばね力の調節が可能となる。   One end of a weak fine adjustment spring 58 is connected below the balance weight 54, and the other end of the spring 58 is connected to a lever 59 having an adjustment screw 60. As shown in FIG. 5, the lever 59 can be configured integrally with a part of the second housing 16 as a hinge. In this case, since the position of the hinge serves as a fulcrum, adjustment of the spring adjusting screw 60 can reduce the movement of the screw 60 and change the length of the spring, so that precise adjustment of the spring force is possible. It becomes.

また、測定軸15は、プローブシャフト4と同じ方向、すなわち上下方向(Z方向)にガイド24を用いて移動可能にXYテーブル26に対して支持され、ボールネジ25とサーボモータ27で駆動される。XYテーブル26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27はサーボアンプ29に接続され、サーボアンプ29は、制御系切り替え装置31に接続される。サーボモータ15の回転軸にはエンコーダ33が接続してあり、その出力を位置制御補償回路30に接続する。制御系切り替え装置31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31は図示していないコントローラで自動制御される。   The measurement shaft 15 is supported by the XY table 26 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 25 and a servo motor 27. The XY table 26 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 27 that drives the measuring shaft 15 is connected to a servo amplifier 29, and the servo amplifier 29 is connected to a control system switching device 31. An encoder 33 is connected to the rotating shaft of the servo motor 15, and its output is connected to the position control compensation circuit 30. When the control system switching device 31 is connected to the position control system, the position of the measurement shaft 15 can be controlled. The control system switching device 31 is automatically controlled by a controller (not shown).

また、干渉計34および4分の1波長板35は、測定軸15に固定され、その上方にミラー36を設け、ミラー36はフレーム37に固定する。このように構成することにより、干渉計34はミラー6とミラー34の間の距離を測定することができる。フレーム37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38が固定される。   The interferometer 34 and the quarter-wave plate 35 are fixed to the measurement axis 15, a mirror 36 is provided above the measurement shaft 15, and the mirror 36 is fixed to the frame 37. With this configuration, the interferometer 34 can measure the distance between the mirror 6 and the mirror 34. A mounting table (not shown) for an object to be measured is provided in a lower portion of the frame 37, and the object to be measured 38 is fixed to the mounting table.

プローブシャフト4のZ方向の位置調整は、プローブシャフト4に固定した凸球面ミラー46に対向する位置に配置されたポジションセンサー47によりプローブシャフト4のZ方向の位置を測定し、調整を行う。すなわち、図示しない光源から光ファイバー42に光を入射し、光ファイバー固定駒43から光束を出射させる。この光ファイバー固定駒43は、固定部材44で第2のハウジング16に固定される。レンズ45を固定部材44に固定して設け、光束を集光させる。集光した光はプローブシャフト4に固定された凸球面ミラー46で反射し、ポジションセンサー27上で焦点を結ぶ。ここで、凸球面ミラー46の球面の中心を、プローブシャフト4のセンター軸上に配置する。ポジションセンサー47は、測定軸15に固定された微動テーブル48の上に固定されており、Z方向に位置を調整して固定できる。   The position of the probe shaft 4 in the Z direction is adjusted by measuring the position of the probe shaft 4 in the Z direction with a position sensor 47 disposed at a position facing the convex spherical mirror 46 fixed to the probe shaft 4. That is, light is incident on the optical fiber 42 from a light source (not shown), and a light beam is emitted from the optical fiber fixing piece 43. The optical fiber fixing piece 43 is fixed to the second housing 16 by a fixing member 44. The lens 45 is provided fixed to the fixing member 44, and the light beam is condensed. The condensed light is reflected by a convex spherical mirror 46 fixed to the probe shaft 4 and focused on the position sensor 27. Here, the center of the spherical surface of the convex spherical mirror 46 is arranged on the center axis of the probe shaft 4. The position sensor 47 is fixed on a fine movement table 48 fixed to the measurement shaft 15 and can be fixed by adjusting the position in the Z direction.

ポジションセンサー47は、センサーアンプ49に接続され、光点位置を電気信号に変換する。センサーアンプ49は針圧制御補償回路32に接続され、さらに制御系切り替え装置31に接続されている。この制御系切り替え装置31が針圧制御系に接続されている時は、センサーアンプ49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 47 is connected to the sensor amplifier 49 and converts the light spot position into an electrical signal. The sensor amplifier 49 is connected to the needle pressure control compensation circuit 32 and further connected to the control system switching device 31. When the control system switching device 31 is connected to the needle pressure control system, the servo motor is controlled so that the output of the sensor amplifier 49 becomes constant.

また、プローブの可動範囲内にプローブ押しつけ力を測定する力センサー39を設置する。   Further, a force sensor 39 for measuring the probe pressing force is installed within the probe movable range.

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前述した図4のフローチャートを参照して説明する。   Next, a measurement operation performed using the shape measuring apparatus configured as described above will be described with reference to the flowchart of FIG. 4 described above.

先ず、測定前にプローブの準備を行う。最初にプローブを下端に固定する(ステップS01)。すなわち、エアーバルブ23を開いて圧縮空気をノズル21から吹き出させ、バランス重り54を上方に持ち上げる。すると天秤51が傾き、プローブは下方へ移動し、やがてミラー固定駒5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 prepared before measurement. First, the probe is fixed to the lower end (step S01). That is, the air valve 23 is opened to blow compressed air from the nozzle 21, and the balance weight 54 is lifted upward. Then, the balance 51 is tilted, the probe moves downward, and the mirror fixing piece 5 comes into contact with the upper stopper 10a, and the probe is fixed to the lower end.

次に、先端の球1を次のようにセットする(ステップS02)。エアーバルブ55を開き、プローブチップ2内部の穴の圧力を下げた状態で、先端の球1をプローブチップ2に真空吸着する。プローブが真空吸着されると配管内部の圧力が下がるので、真空度計9の測定値が真空に近づく。従ってこの真空度計9の測定値を監視することによって、プローブ先端球の有無を検出することができる(ステップS03)。もしも圧力が異常ならば、なんらかの故障なので処理を中断する(ステップS20)。圧力が正常ならば、次の処理(ステップS04以降)に進む。   Next, the tip sphere 1 is set as follows (step S02). With the air valve 55 opened and the pressure in the hole inside the probe tip 2 lowered, the tip ball 1 is vacuum-adsorbed to the probe tip 2. When the probe is vacuum-sucked, the pressure inside the pipe decreases, and the measured value of the vacuum gauge 9 approaches a vacuum. Therefore, the presence or absence of the probe tip sphere can be detected by monitoring the measured value of the vacuum gauge 9 (step S03). If the pressure is abnormal, the process is interrupted because of some failure (step S20). If the pressure is normal, the process proceeds to the next process (after step S04).

制御系切り替え装置31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な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38から離れる方向に測定軸15を退避させる(ステップS04)。次に、力センサー39の上にプローブがくるようにXYテーブル26を移動させ(ステップS05)、そして、測定軸15を下げて、プローブを力センサー39に接触させる(ステップS06)。   The control system switching device 31 is set as a position control system, that is, a feedback control system is selected so that the position of the measurement axis 15 is constant, and the safe position, that is, the direction in which the probe is farthest from the object to be measured 38. The measuring shaft 15 is retracted (step S04). Next, the XY table 26 is moved so that the probe is placed on the force sensor 39 (step S05), and the measurement shaft 15 is lowered to bring the probe into contact with the force sensor 39 (step S06).

ここで、先端の球1が、被測定物や力センサー等に接触して、反力を受けると、プローブシャフト4が押し上げられ、その変位を光りてこの原理を使用した変位計で読みとることができる。この変位計部分の動作を次に説明する。   Here, when the sphere 1 at the tip comes into contact with the object to be measured, a force sensor or the like and receives a reaction force, the probe shaft 4 is pushed up, and the displacement can be lit and read with a displacement meter using this principle. it can. The operation of this displacement meter portion will now be described.

光ファイバー固定駒43から出射した光束は次第に広がりながらレンズ45に入射し、そして、集光しながら、プローブシャフト4に固定された球面ミラー46に反射し、ポジションセンサー47の上で焦点を結ぶ。その焦点の位置がポジションセンサー47の中心位置にくるように、あらかじめ、微動テーブル48を調整し固定しておく。プローブシャフト4が移動すると、前に説明したとおり、凸球面ミラー46に入射する光束と反射する光束の中間方向に垂直な方向、すなわち、図6に矢印Aで示す方向の移動量が拡大されて、ポジションセンサー47上の焦点位置が移動する。プローブシャフト4は上下方向だけに移動可能に支持されているので、矢印Aで示す方向は、ほぼ、プローブシャフト4の移動方向と考えられる。このプローブ移動方向と変位測定方向の角度差をθとすると、プローブ移動量のcosθを測定することになる。その位置変化をセンサーアンプ49で電気信号に変える。   The light beam emitted from the optical fiber fixing piece 43 is incident on the lens 45 while gradually spreading, and is reflected by the spherical mirror 46 fixed to the probe shaft 4 while focusing, and is focused on the position sensor 47. The fine movement table 48 is adjusted and fixed in advance so that the focal position is at the center position of the position sensor 47. When the probe shaft 4 moves, the amount of movement in the direction perpendicular to the intermediate direction between the light beam incident on the convex spherical mirror 46 and the reflected light beam, that is, the direction indicated by the arrow A in FIG. The focal position on the position sensor 47 moves. Since the probe shaft 4 is supported so as to be movable only in the vertical direction, the direction indicated by the arrow A is considered to be substantially the moving direction of the probe shaft 4. When the angle difference between the probe moving direction and the displacement measuring direction is θ, cos θ of the probe moving amount is measured. The position change is converted into an electric signal by the sensor amplifier 49.

プローブシャフト4が押し上げられると、天秤51が傾き、ばね58が縮む。その変化長さにばね58のばね定数をかけた力が反力として発生する。その力が球1と被測定物等との間の押しつけ力になる。すなわち、押しつけ力とプローブシャフトの移動量が比例する。したがって、センサーアンプ49の出力は、プローブの押しつけ力を表している。なお、このセンサーアンプ49の出力は、凸球面ミラー46の中心まわりの傾斜には影響されない。これは凸球面ミラー46の球面の中心がプローブシャフト4のセンター軸に一致しているからである。   When the probe shaft 4 is pushed up, the balance 51 tilts and the spring 58 contracts. A force obtained by multiplying the change length by the spring constant of the spring 58 is generated as a reaction force. The force becomes a pressing force between the ball 1 and the object to be measured. That is, the pressing force is proportional to the amount of movement of the probe shaft. Therefore, the output of the sensor amplifier 49 represents the pressing force of the probe. The output of the sensor amplifier 49 is not affected by the inclination around the center of the convex spherical mirror 46. This is because the center of the spherical surface of the convex spherical mirror 46 coincides with the center axis of the probe shaft 4.

プローブが被測定物に接触したかしないかは、プローブの変位測定信号、すなわち、センサーアンプ49の信号をモニタしていれば判別できる。プローブはミラー固定駒5とハウジング10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。したがって、センサーアンプ49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。   Whether the probe is in contact with the object to be measured can be determined by monitoring the displacement measurement signal of the probe, that is, the signal of the sensor amplifier 49. Since the probe is in contact with the mirror fixing piece 5 and the 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 49 is not shaken 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、エアーバルブ23を閉め、ノズル21から圧縮空気を吹き上げるのを止め、プローブの動きを自由にする(ステップS07)。変位センサーの値があらかじめ定められた値、例えば0ボルトになるまで測定軸15を移動させる。そして、制御系切り替え装置31を針圧制御系に切り替える(ステップS08)。すなわち、測定軸15をセンサーアンプ49の出力が一定になるように制御する。   Next, the air valve 23 is closed to stop blowing compressed air from the nozzle 21, and the movement of the probe is made free (step S07). The measuring shaft 15 is moved until the value of the displacement sensor reaches a predetermined value, for example, 0 volts. Then, the control system switching device 31 is switched to the needle pressure control system (step S08). That is, the measuring shaft 15 is controlled so that the output of the sensor amplifier 49 is constant.

次いで、力センサー39を用いてプローブの押しつけ力を測定する(ステップS09)。この時の押しつけ力の値が所定の値かどうかを判断する(ステップS10)。この時、押しつけ力の良否の判定は例えば設定値の±10%と設定する。もし、この値に入っていなければ異常なのでプローブ押しつけ力を調節する(ステップS21)。プローブ押しつけ力を所定の値にするためには、調節ネジ60を回す。すると、てこ59の傾斜角度が変化し、弱いばね58の下端の位置が変化する。一方プローブは力センサー39に接触しているので位置の変化がない。したがって、バランス重り54の位置も変化しないので、結局、弱いばね58の長さが変化する。そして、ばねの発生する力が変化し、その結果プローブの押しつけ力が変化する。こうしてプローブ押しつけ力が所定の値になるまで調節ネジ60の回転角度を調節する。   Next, the pressing force of the probe is measured using the force sensor 39 (step S09). It is determined whether or not the value of the pressing force at this time is a predetermined value (step S10). At this time, whether the pressing force is good or bad is set, for example, as ± 10% of the set value. If not, the probe pressing force is adjusted (step S21). In order to set the probe pressing force to a predetermined value, the adjusting screw 60 is turned. Then, the inclination angle of the lever 59 changes, and the position of the lower end of the weak spring 58 changes. On the other hand, since the probe is in contact with the force sensor 39, the position does not change. Accordingly, since the position of the balance weight 54 does not change, the length of the weak spring 58 eventually changes. Then, the force generated by the spring changes, and as a result, the pressing force of the probe changes. Thus, the rotation angle of the adjusting screw 60 is adjusted until the probe pressing force reaches a predetermined value.

プローブ押しつけ力の判定(ステップS10)が良好だった場合には、制御系切り替え装置31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S11)、再びエアーバルブ23を開いてプローブを固定する(ステップS12)。   If the determination of the probe pressing force (step S10) is good, the control system switching device 31 is switched to the position control system again, the measurement axis is retracted to the safe position (step S11), and the air valve 23 is opened again. The probe is fixed (step S12).

以上で、プローブの準備が完了し、次に被測定物の形状測定の工程に入る。   Thus, the preparation of the probe is completed, and then the process of measuring the shape of the object to be measured starts.

先ず、最初の測定位置にXYテーブル26を移動する(ステップS13)。そして、先ほどと同じ手順で、測定軸15を下げて、プローブの先端球1を被測定物21に接触させる(ステップS14)。   First, the XY table 26 is moved to the first measurement position (step S13). Then, in the same procedure as before, the measurement shaft 15 is lowered and the tip sphere 1 of the probe is brought into contact with the object to be measured 21 (step S14).

次に、エアーバルブ23を閉め、ノズル21から圧縮空気を吹き上げるのを止め、プローブの動きを自由にする(ステップS15)。   Next, the air valve 23 is closed to stop blowing compressed air from the nozzle 21, and the probe moves freely (step S15).

そして、制御系切り替え装置31を針圧制御系に切り替え(ステップS16)、被測定物の測定領域をXYテーブル26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測定装置で測定する(ステップS17)。また、プローブの上下方向については、参照ミラー6と参照ミラー36の間の距離を測定する干渉計34で直接測定する。   Then, the control system switching device 31 is switched to the needle pressure control system (step S16), and the measurement area of the object to be measured is scanned (traced) using the XY table 26, and at the same time, the position of the measurement axis is not shown. (Step S17). Further, the vertical direction of the probe is directly measured by an interferometer 34 that measures the distance between the reference mirror 6 and the reference mirror 36.

全測定領域を走査したら、制御系切り替え装置31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S18)、再びエアーバルブ23を開いてプローブを固定する(ステップS19)。   When the entire measurement area is scanned, the control system switching device 31 is switched to the position control system again, the measurement axis is retracted to the safe position (step S18), and the air valve 23 is opened again to fix the probe (step S19).

以上説明してきたように、本参考例によれば、先端球1、プローブチップ2、スペーサ3、プローブシャフト4、ミラー固定駒5、ミラー6、配管7、つり糸52、53等にかかる重力の一部をバランス重り54が受け持つため、ばね58で発生させる力が従来例にくらべて非常に少なくすることが可能である。したがって、弱いばねを採用しても、ばねの伸びが大きくなることはなく、図5に示すように比較的小型に構成できる。 As described above, according to this reference example , the gravity of the tip sphere 1, the probe tip 2, the spacer 3, the probe shaft 4, the mirror fixing piece 5, the mirror 6, the pipe 7, the suspension threads 52 and 53, etc. Since a part of the balance weight 54 takes charge, the force generated by the spring 58 can be greatly reduced as compared with the conventional example. Therefore, even if a weak spring is employed, the extension of the spring does not increase, and the structure can be made relatively small as shown in FIG.

また、ばねが発生する力がもともと少ないので、温度変化などの環境変化に対してばねの発生力が多少変化してもその影響も小さい。したがって、プローブ接触力の精度が向上し、その結果測定精度が向上する。   In addition, since the force generated by the spring is originally small, even if the generated force of the spring slightly changes with respect to environmental changes such as temperature changes, the influence is small. Therefore, the accuracy of the probe contact force is improved, and as a result, the measurement accuracy is improved.

また、プローブ先端球の着脱および交換が容易であり、プローブ先端球を頻繁に交換することが可能となる。その結果、傷付いた先端球で形状測定する危険を軽減することが可能となり、測定信頼性が向上する。   Also, the probe tip sphere can be easily attached and detached, and the probe tip sphere can be frequently replaced. As a result, it becomes possible to reduce the risk of measuring the shape with the damaged tip sphere, and the measurement reliability is improved.

また、測定軸15の制御を本参考例ではサーボモータとボールネジで構成しているが、例えばリニアモータ等の他の駆動手段を用いることもできる。 Further, although the control of the measuring shaft 15 is constituted by a servo motor and a ball screw in this reference example , other driving means such as a linear motor can be used.

参考例ではプローブの準備として、押しつけ力の調整をフローチャートを用いて説明したが、毎回の測定で、この調整が必要とは限らない。つまり、押しつけ力の調整を省略することも考えられる。 In this reference example, the adjustment of the pressing force has been described as a preparation of the probe using the flowchart, but this adjustment is not always necessary in each measurement. That is, the adjustment of the pressing force may be omitted.

また、本参考例では弱いばね58をバランス重り54の下に配置しているが、反対に上に引っ張り上げる構成でも同じことである。 Further, in this reference example , the weak spring 58 is disposed below the balance weight 54, but the same applies to a configuration in which the weak spring 58 is pulled upward.

第1の実施形態
図7は、本発明の第1の実施形態の接触式プローブを組み込んだ形状測定装置を一部破断して示す構成図であり、図8は、本発明の第1の実施形態の接触式プローブを説明するための図であって、(a)は本実施形態の接触式プローブの模式図であり、(b)はその磁気回路を示す。
( First embodiment )
Figure 7 is a block diagram showing a first shape measuring apparatus incorporating a contact probe embodiment of the present invention partially broken, 8, contact probe of the first embodiment of the present invention (A) is a schematic diagram of the contact-type probe of this embodiment, and (b) shows its magnetic circuit.

本実施形態は、前述した第2の参考例に対し、バランス重り側に磁力を利用した力発生機構を設けた点と、プローブを固定するために、圧縮空気を吹き出すのではなく、空気の吸引を利用する点を特徴としており、その他の部分は第1の実施形態と同様であるので、それらの詳細な説明は省略する。なお、本実施形態においても、前述した第1の参考例および第2の参考例における要素や部材と同様な要素や部材には同一符号を付して説明する。 This embodiment is different from the second reference example described above in that a force generation mechanism using magnetic force is provided on the balance weight side, and in order to fix the probe, compressed air is not blown out, but air suction is performed. Since the other parts are the same as those in the first embodiment , their detailed description is omitted. In the present embodiment, the same elements and members as those in the first reference example and the second reference example described above will be described with the same reference numerals.

先ず、本実施形態における接触式プローブについて、図8を参照して説明する。図8の(a)において、3次元的に移動可能な測定軸等の移動部材103に支点110の回りを揺動自在な天秤111を配設し、天秤111の一端につり糸112を介して球101を先端に有するプローブ102を接続し、天秤111の他端につり糸113を介してバランス重り114を吊り下げ、このバランス重り114を挟むように一対のヨーク121、122を配置し、一対のヨーク121、122間に永久磁石123を取り付けて磁気回路を構成し、これらを移動部材103に固定する。また、バランス重り114側に流れる磁束の強さを調節するために、永久磁石123の下方側に調節ネジ124を設け、永久磁石123の発生する磁束を迂回させる。バランス重り114側とヨーク121、122の重なっている領域が異なっていると、いわゆる磁力のずり力が働き、バランス重り114はヨーク121、122の中央部部分に引き込まれる。この力があるので、バランス重り114の質量を小さくすることができる。   First, the contact type probe in this embodiment will be described with reference to FIG. 8A, a balance 111 swingable around a fulcrum 110 is disposed on a moving member 103 such as a measurement shaft that can be moved three-dimensionally, and a suspension thread 112 is connected to one end of the balance 111. A probe 102 having a ball 101 at the tip is connected, a balance weight 114 is suspended from the other end of the balance 111 via a suspension thread 113, and a pair of yokes 121 and 122 are disposed so as to sandwich the balance weight 114. A permanent magnet 123 is attached between the yokes 121 and 122 to constitute a magnetic circuit, and these are fixed to the moving member 103. Further, in order to adjust the strength of the magnetic flux flowing to the balance weight 114 side, an adjustment screw 124 is provided on the lower side of the permanent magnet 123 to bypass the magnetic flux generated by the permanent magnet 123. If the area where the balance weight 114 and the yokes 121 and 122 overlap is different, a so-called magnetic shear force acts, and the balance weight 114 is pulled into the central portion of the yokes 121 and 122. Because of this force, the mass of the balance weight 114 can be reduced.

図8の(a)の磁気回路の作用について説明すると、この磁気回路は、模式的に図8の(b)のように描くことができる。永久磁石123を簡単なモデルとして起磁力Mと内部抵抗Rで表すことにし、永久磁石123から発生する磁束をΦとする。また、バランス重り114側の磁気抵抗をRとし、調節ネジ124側の磁気抵抗をRとする。また、バランス重り114側の重なり部分をz、厚さをb、隙間をδとし、透磁率をμとすると、磁気抵抗は、 The operation of the magnetic circuit of FIG. 8A will be described. This magnetic circuit can be schematically drawn as shown in FIG. 8B. The permanent magnet 123 is represented as a simple model by the magnetomotive force M and the internal resistance R 0 , and the magnetic flux generated from the permanent magnet 123 is Φ. Further, the magnetic resistance of balance weight 114 side is R 1, the magnetic resistance of the adjustment screw 124 1 side is R 2. Further, when the overlapping portion on the balance weight 114 side is z, the thickness is b, the gap is δ, and the magnetic permeability is μ, the magnetic resistance is

Figure 0004669566
また、調節ネジ124側のギャップをh、断面積をSとすると
Figure 0004669566
If the gap on the adjustment screw 124 side is h and the cross-sectional area is S,

Figure 0004669566
また、MとΦには、図8の(b)より次の関係が成り立つ。
Figure 0004669566
Further, the following relationship is established between M and Φ from FIG. 8B.

Figure 0004669566
z方向のずり力はFは、
Figure 0004669566
The shear force in the z direction is F

Figure 0004669566
これではわかりにくいので、z=0のまわりで1次までテーラー展開すると、
Figure 0004669566
This is difficult to understand, so if you develop a tailor around z = 0 to the first order,

Figure 0004669566
Figure 0004669566

式(8)における第1項は、定数でプローブの自重を支える力を発生させる項である。項の中に調節ネジ124とヨーク122の間の隙間hがあるので、調節ネジ124を突き出したり引っ込めたりして隙間hを変えることにより、この力を調節できることがわかる。また、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。変位するにしたがって発生力が変化するので、機械的なばねに相当する。つまり、図8の(a)の磁気回路は、プローブの自重を支えるカウンタバランスの質量と同じ作用に加え、ばね要素の作用をかねている。また、磁気抵抗Rは、磁石123やヨーク121、122の材質や形状を変えることにより調節することができる。 The first term in Equation (8) is a term that generates a force that supports the weight of the probe with a constant value. Since there is a gap h between the adjusting screw 124 and the yoke 122 in the term, it can be seen that this force can be adjusted by changing the gap h by protruding or retracting the adjusting screw 124. The second term includes the amount of movement z of the probe, and indicates that the force decreases as z increases. Since the generated force changes with displacement, it corresponds to a mechanical spring. That is, the magnetic circuit of FIG. 8A has the same action as the counter balance mass that supports the weight of the probe, and also acts as a spring element. Further, the magnetic resistance R 0 can be adjusted by changing the material and shape of the magnet 123 and the yokes 121 and 122.

以上のように、本実施形態においては、プローブの自重を支えるための力を永久磁石による磁力を利用して発生させるので、バランス重りの質量を軽くすることができる。プローブの可動部分の質量が軽くなると、その慣性が小さくなるので、被測定物の微少な凹凸に対する追従速度が向上する。被測定物への追従精度があがるということは、測定精度の向上につながる。   As described above, in the present embodiment, since the force for supporting the weight of the probe is generated using the magnetic force of the permanent magnet, the mass of the balance weight can be reduced. As the mass of the movable part of the probe becomes lighter, its inertia decreases, so that the follow-up speed for minute irregularities of the object to be measured is improved. An increase in the accuracy of following the object to be measured leads to an improvement in measurement accuracy.

次に、以上のように構成される本実施形態の接触式プローブを組み込んだ形状測定装置について、図7を用いて説明する。   Next, a shape measuring apparatus incorporating the contact probe of the present embodiment configured as described above will be described with reference to FIG.

図7において、第2のハウジング16には、バランス重り54を上方に吸引するように構成されたノズル21aが設けられており、ノズル21aには配管22aが接続され、配管22aはエアーバルブ23aを介して図示しない真空源に接続されている。   In FIG. 7, the second housing 16 is provided with a nozzle 21a configured to suck the balance weight 54 upward. A pipe 22a is connected to the nozzle 21a, and the pipe 22a has an air valve 23a. Via a vacuum source (not shown).

磁石63を挟んで形成された一対のヨーク62、62は、その上方部分がバランス重り54を間隔をもって挟むように第2のハウジング16に固定され、また、下方部分には、バランス重り54側に流れる磁束の強さを調節するための調節ネジ64が設けられている。したがって、磁石63から発生した磁束は、その一部がバランス重り54側へ、残りが調節ネジ64側に流れる。そこで、調節ネジ64を回転させて、調節ネジ64とヨーク62の間の隙間を調節することにより、バランス重り54側に流れる磁束の量を調節することができる。本実施形態において、磁石63の発生する力は、前述した式(8)に基づいて説明するように、定数部分と、プローブの変位に比例する部分があり、定数部分はプローブの自重をキャンセルするように作用し、プローブの変位に比例する部分はばね要素として作用する。   A pair of yokes 62, 62 formed with the magnet 63 sandwiched therebetween is fixed to the second housing 16 so that the upper part sandwiches the balance weight 54 with a gap, and the lower part is on the balance weight 54 side. An adjusting screw 64 for adjusting the strength of the flowing magnetic flux is provided. Therefore, a part of the magnetic flux generated from the magnet 63 flows to the balance weight 54 side and the rest flows to the adjustment screw 64 side. Therefore, by rotating the adjustment screw 64 and adjusting the gap between the adjustment screw 64 and the yoke 62, the amount of magnetic flux flowing to the balance weight 54 side can be adjusted. In the present embodiment, the force generated by the magnet 63 has a constant part and a part proportional to the displacement of the probe, as described based on the above-described equation (8), and the constant part cancels the weight of the probe. The part that is proportional to the displacement of the probe acts as a spring element.

以上のように構成される形状測定装置において、その測定動作は前述した図4のフローチャートで説明した方法と同じであるので、説明を省略する。ただし、プローブを固定する方法は、エアーバルブ23aを開き、ノズル21aから空気を吸引することによってバランス重り54を引っ張り上げ、ストッパーにプローブを押し当てる。また、針圧を調節する方法は、調節ネジ64を調節することによって行う。   In the shape measuring apparatus configured as described above, the measuring operation is the same as the method described in the flowchart of FIG. However, the probe is fixed by opening the air valve 23a and drawing air from the nozzle 21a to pull up the balance weight 54 and press the probe against the stopper. Further, the method for adjusting the needle pressure is performed by adjusting the adjusting screw 64.

本実施形態では、前述した第1の実施形態に対してさらに次の効果がある。
(1)磁力を利用してプローブ自重を支えているのでバランス重りを軽くすることができる。したがって、プローブの慣性が小さくなり、プローブの被測定物表面に対する応答性、追従性が向上できる。
(2)磁気回路はばね要素をかねているので、ばねを設ける必要がなくなり、小型化が可能となる。
In the present embodiment, the following effects are further obtained with respect to the first embodiment described above.
(1) Since the probe's own weight is supported using magnetic force, the balance weight can be reduced. Accordingly, the inertia of the probe is reduced, and the response and followability of the probe to the surface of the object to be measured can be improved.
(2) Since the magnetic circuit also serves as a spring element, it is not necessary to provide a spring, and the size can be reduced.

また、第2の参考例で説明したてことばねを用いた押しつけ力の調節機構と、本実施形態で説明した磁力を利用した押しつけ力の調節機構とを両方もつ実施形態も考えられるが、作用効果は同じである。この場合、ばねと磁石の両方の機構が必要になるが、それぞれの受け持つ発生力の範囲を選ぶ時の自由度が高くなる。たとえば、プローブ自重を主に磁石が受け持ち、残りの押しつけ力に関する精密な力をばねが受け持つなどの実施形態が考えられる。つまり、粗い調節を磁石が受け持ち、精密な調節をばねが受け持つといった具合である。 In addition, an embodiment having both the pressing force adjusting mechanism using the spring described in the second reference example and the pressing force adjusting mechanism using the magnetic force described in the present embodiment is also conceivable. The effect is the same. In this case, both the spring and magnet mechanisms are required, but the degree of freedom in selecting the range of generated force for each is increased. For example, an embodiment is conceivable in which the magnet is mainly responsible for the probe's own weight and the spring is responsible for the precise force relating to the remaining pressing force. That is, the magnet takes charge of rough adjustment, and the spring takes charge of precise adjustment.

第2の実施形態
図9は、本発明の第2の実施形態の接触式プローブを組み込んだ形状測定装置を一部破断して示す構成図であり、図10は、本発明の第2の実施形態の接触式プローブを説明するための模式図である。
( Second Embodiment )
Figure 9 is a block diagram showing a shape measuring apparatus incorporating a contact probe in the second embodiment of the present invention partially broken, FIG. 10, contact probe of the second embodiment of the present invention It is a schematic diagram for demonstrating.

本実施形態は、前述した第1の実施形態に対し、バランス重り側に永久磁石とコイルを利用した力発生機構を設けた点を特徴としており、その他の部分は第1の実施形態と同様であり、それらの詳細な説明は省略する。なお、本実施形態においても、前述した第2の参考例または第1の実施形態における要素や部材と同様な要素や部材には同一符号を付して説明する。 The present embodiment is characterized in that a force generation mechanism using a permanent magnet and a coil is provided on the balance weight side with respect to the first embodiment described above, and other parts are the same as those of the first embodiment. Detailed description thereof will be omitted. In the present embodiment, the same reference numerals are used for the same elements and members as those in the second reference example or the first embodiment described above.

先ず、本実施形態における接触式プローブについて、図10を参照して説明する。3次元的に移動可能な測定軸等の移動部材103に支点110の回りを揺動自在な天秤111を配設し、天秤111の一端につり糸112を介して球101を先端に有するプローブ102を接続し、天秤111の他端につり糸113を介してバランス重り114を吊り下げ、このバランス重り114を挟むようにヨーク125を配置し、ヨーク125、永久磁石126およびコイル127からなる磁気回路を構成する。この磁気回路は、図3の(b)のように描くことができる。このような磁気回路は、第1の参考例において説明したところであり、詳細は省略し、結論だけ引用すると、本実施形態における磁気回路においてもプローブの自重を支えるカウンタバランスの質量と同じ作用に加え、ばね要素の作用をかねている。すなわち、コイル127に通電する電流を変化させることにより、磁気回路の発生力が変化するので、接触力の精密な調整が可能となる。プローブ先端の交換になどによってプローブの自重が変化しても、調整しなおすことにより、その影響を軽減することができるため、測定精度を上げることができる。前述した第2の実施形態に対し、構成がやや複雑になるが、電流を制御すればよいので遠隔操作が可能となり、作業が容易になるため効率的な測定装置の運用が可能となる。 First, the contact type probe in this embodiment is demonstrated with reference to FIG. A balance 111 swingable around a fulcrum 110 is disposed on a moving member 103 such as a measurement shaft that can be moved three-dimensionally, and a probe 102 having a ball 101 at the tip thereof via a suspension thread 112 at one end of the balance 111. , A balance weight 114 is suspended from the other end of the balance 111 via a suspension thread 113, a yoke 125 is disposed so as to sandwich the balance weight 114, and a magnetic circuit comprising the yoke 125, the permanent magnet 126, and the coil 127. Configure. This magnetic circuit can be drawn as shown in FIG. Such a magnetic circuit has been described in the first reference example, and the details are omitted. When only the conclusion is cited, the magnetic circuit in this embodiment also has the same action as the mass of the counter balance that supports the weight of the probe. It also acts as a spring element. That is, by changing the current flowing through the coil 127, the generated force of the magnetic circuit changes, so that the contact force can be precisely adjusted. Even if the weight of the probe changes due to replacement of the probe tip or the like, the influence can be reduced by re-adjustment, so that the measurement accuracy can be increased. Compared to the second embodiment described above, the configuration is somewhat complicated, but it is only necessary to control the current, so that remote operation is possible, and the operation is facilitated, so that an efficient measurement apparatus can be operated.

次に、以上のように構成される本実施形態の接触式プローブを組み込んだ形状測定装置について、図9を用いて説明する。   Next, a shape measuring apparatus incorporating the contact probe of the present embodiment configured as described above will be described with reference to FIG.

図9において、ヨーク65と磁石66およびコイル67からなる磁気回路は第2のハウジング16に固定され、ヨーク65の上方部分でバランス重り54を挟むように配置する。コイル67は電流源68に接続する。磁石66とコイル67で発生した磁力が、バランス重り54に作用する力は、前述した式(3)に基づいて説明するように、磁気回路の発生する力は、定数部分と、プローブの変位に比例する部分があり、定数部分はプローブの自重をキャンセルするように作用し、プローブの変位に比例する部分はばね要素として作用する。   In FIG. 9, a magnetic circuit composed of a yoke 65, a magnet 66, and a coil 67 is fixed to the second housing 16, and is arranged so that a balance weight 54 is sandwiched between upper portions of the yoke 65. The coil 67 is connected to a current source 68. The force that the magnetic force generated by the magnet 66 and the coil 67 acts on the balance weight 54 is explained below based on the equation (3). The force generated by the magnetic circuit depends on the constant portion and the probe displacement. There is a proportional part, the constant part acts to cancel the weight of the probe, and the part proportional to the probe displacement acts as a spring element.

以上のように構成される形状測定装置において、その測定動作は前述した図4のフローチャートで説明した方法と同じであるので、説明を省略する。ただし、プローブ押しつけ力の調節は電流源68を調節し、コイル67で発生する磁力を加減すればよいので、第1の実施形態で説明した方法に比べて簡単である。
In the shape measuring apparatus configured as described above, the measuring operation is the same as the method described in the flowchart of FIG. However, the adjustment of the probe pressing force is simpler than the method described in the first embodiment because the current source 68 is adjusted and the magnetic force generated by the coil 67 is adjusted.

本実施形態においては、前述した第1の実施形態に加え次のメリットがある。
(1)プローブ押しつけ力の調整を自動化することができる。コイルへの電流を制御するだけでプローブ押しつけ力が変化するので、自動的にプローブ押しつけ力を調節することが可能となる。したがって、測定の準備時間を短縮することができ、測定コストを下げることができる。
(2)プローブ押しつけ力の調節精度が向上できる。コイルへの電流は精密に制御できるため、ばねや磁力の調節ネジなど機械の動きを伴う方法に対して精度が高い。押しつけ力の設定精度が上がるため、測定精度を向上することができる。
This embodiment has the following advantages in addition to the first embodiment described above.
(1) The adjustment of the probe pressing force can be automated. Since the probe pressing force changes only by controlling the current to the coil, the probe pressing force can be automatically adjusted. Therefore, the measurement preparation time can be shortened, and the measurement cost can be reduced.
(2) The accuracy of adjusting the probe pressing force can be improved. Since the current to the coil can be controlled precisely, it is highly accurate for methods that involve machine movement, such as springs and magnetic adjustment screws. Since the setting accuracy of the pressing force increases, the measurement accuracy can be improved.

1 球
2 プローブチップ
3 スペーサ
4 プローブシャフト
5 ミラー固定駒
6 ミラー
7 真空配管
8 エアーバルブ
9 真空度計
10 ハウジング
10a、10b ストッパー
11 空気軸受け
12 圧縮空気穴
13 圧縮配管
15 測定軸
16 第2のハウジング
17 ヨーク
17a 磁気抵抗調節ネジ
17b ギャップ調節ネジ
18 永久磁石
19 コイル
20 電流源
21、21a ノズル
22、22a 配管
23、23a エアーバルブ
24 ガイド
25 ボールネジ
26 XYテーブル
27 サーボモータ
29 サーボアンプ
30 位置制御補償回路
31 制御系切り替え装置
32 針圧制御補償回路
33 エンコーダ
34 干渉計
35 4分の1波長板
36 ミラー
37 フレーム
38 被測定物
39 力センサ
42 光ファイバー
43 光ファイバー固定駒
44 固定部材
45 レンズ
46 凸球面ミラー
47 ポジションセンサー
48 微動テーブル
49 センサーアンプ
50 ピン
51 天秤
52、53 つり糸
54 バランス重り
55 空気軸受け
56 圧縮空気穴
57 圧縮配管
58 ばね
59 てこ
60 調節ネジ
62 ヨーク
63 磁石
64 調節ネジ
65 ヨーク
66 磁石
67 コイル
68 電流源
101 球
102 プローブ
103 移動部材
104 ばね
105 強磁性部材
106 ヨーク
107 永久磁石
108 コイル
110 支点
111 天秤
112、113 つり糸
114 バランス重り
115 ばね
116 てこ
117 調節ネジ
118 プーリー
119 つり糸
121、122 ヨーク
123 永久磁石
124 調節ネジ
125 ヨーク
126 永久磁石
127 コイル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sphere 2 Probe tip 3 Spacer 4 Probe shaft 5 Mirror fixing piece 6 Mirror 7 Vacuum piping 8 Air valve 9 Vacuum gauge 10 Housing 10a, 10b Stopper 11 Air bearing 12 Compressed air hole 13 Compressed piping 15 Measuring shaft 16 Second housing 17 Yoke 17a Magnetoresistive adjusting screw 17b Gap adjusting screw 18 Permanent magnet 19 Coil 20 Current source 21, 21a Nozzle 22, 22a Piping 23, 23a Air valve 24 Guide 25 Ball screw 26 XY table 27 Servo motor 29 Servo amplifier 30 Position control compensation circuit 31 Control System Switching Device 32 Needle Pressure Control Compensation Circuit 33 Encoder 34 Interferometer 35 Quarter Wave Plate 36 Mirror 37 Frame 38 Object 39 Force Sensor 42 Optical Fiber 43 Optical Fiber Fixed piece 44 Fixed member 45 Lens 46 Convex spherical mirror 47 Position sensor 48 Fine movement table 49 Sensor amplifier 50 Pin 51 Balance 52, 53 Suspension thread 54 Balance weight 55 Air bearing 56 Compressed air hole 57 Compressed pipe 58 Spring 59 Lever 60 Adjusting screw 62 Yoke 63 Magnet 64 Adjustment screw 65 Yoke 66 Magnet 67 Coil 68 Current source 101 Sphere 102 Probe 103 Moving member 104 Spring 105 Ferromagnetic member 106 Yoke 107 Permanent magnet 108 Coil 110 Support point 111 Balance 112, 113 Hanging thread 114 Balance weight 115 Spring 116 Lever 117 Adjustment screw 118 Pulley 119 Suspension thread 121, 122 Yoke 123 Permanent magnet 124 Adjustment screw 125 Yoke 126 Permanent magnet 127 Coil

Claims (3)

プローブの先端部を被測定物に接触させて走査するとともに前記プローブの座標位置を測定することで被測定物の形状を測定する接触式プローブにおいて、
3次元的に移動可能な移動部材と、
前記移動部材に対して重力の方向に移動可能に設けられたプローブと、
前記移動部材に支点を取り付けた天秤またはプーリーと、
前記移動部材に固定され、ヨーク、永久磁石、通電可能なコイルまたは前記ヨークとの隙間が可変の調節ネジ、からなる磁気回路と、を有し、
前記天秤またはプーリーの一端部にプローブを吊下げ、他端部には、強磁性体からなるバランス重りを連結し、前記磁気回路は、前記永久磁石と、前記コイルまたは前記調節ネジとが前記ヨークを介して、前記バランス重りに対して並列に配されていて、かつ前記バランスおもりは該磁気回路のヨークによって空隙をもって挟まれている、ことを特徴とする接触式プローブ。
In the contact type probe for measuring the shape of the object to be measured by scanning the probe tip in contact with the object to be measured and measuring the coordinate position of the probe,
A movable member movable in three dimensions;
A probe provided to be movable in the direction of gravity with respect to the moving member;
A balance or pulley having a fulcrum attached to the moving member;
A magnetic circuit composed of a yoke, a permanent magnet, a coil that can be energized, or an adjustment screw whose gap between the yoke and the yoke is variable.
A probe is suspended from one end of the balance or pulley, and a balance weight made of a ferromagnetic material is connected to the other end. The magnetic circuit includes the permanent magnet and the coil or the adjusting screw. The contact type probe is arranged in parallel with the balance weight via a gap, and the balance weight is sandwiched between the yokes of the magnetic circuit.
プローブおよび/またはバランス重りは空気軸受けを介して移動部材に支持されていることを特徴とする請求項1に記載の接触式プローブ。   The contact probe according to claim 1, wherein the probe and / or the balance weight is supported by the moving member via an air bearing. 前記プローブの可動範囲内にさらに力センサーを設け、前記プローブを力センサーに当接させ、該力センサーの値が所定の値になるように前記コイルの電流を変化する、または前記調節ネジを回転することで、押しつけ力を調節することを特徴とする請求項1または2に記載の接触式プローブ。 A force sensor is further provided within the movable range of the probe, the probe is brought into contact with the force sensor, and the current of the coil is changed so that the value of the force sensor becomes a predetermined value , or the adjustment screw is rotated. The contact type probe according to claim 1 , wherein the pressing force is adjusted.
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