JP5255422B2 - 形状測定プローブ - Google Patents

Description

本発明は、形状測定プローブに関する。

形状測定プローブは、被測定物の形状を測定するために、被測定物に（例えば上方から）接触する接触子を有する。この接触子は、本体に対し（例えば上下に）移動可能なスライダの先端に設けられる。

形状測定プローブには、空圧により、スライダを支持する空圧式のものがある。空圧式の形状測定プローブを図８に示す。空圧式の形状測定プローブは、電空レギュレータにより制御される気体供給手段４１、４３、４５を有する。

気体供給手段４１は、空気軸受けとしての機能を果たす。気体供給手段４１から空間４７へ空圧が供給されることで、スライダ４９は、本体４２内で、本体４２と半径方向において非接触に支持される。

気体供給手段４３は、スライダ４９の重力を支持する機能を果たす。気体供給手段４３から空間５１へ空圧が供給されることで、この加圧気体により段差５３に上向きの圧力がかけられる。これによって、スライダ４９の重力を支持する。従って、接触子５３と被測定物１との接触圧を小さくでき、接触子５３で被測定物１に傷がつくことを防止できる。

気体供給手段４５は、省略できるが、省略しない場合には、スライダ４９に推力を付与する機能を果たす。気体供給手段４５から空間５５へ空圧が供給されることで、この加圧気体により段差５７に下向きの圧力がかけられる。これによって、スライダ４９に対し下向き推力が付与される。

上述した形状測定プローブは、３次元的に本体４２を移動させることが可能な移動装置に搭載される。この移動により、（または、これと共に気体供給手段４５により）形状測定プローブの接触子５３を被測定物１に上方から接触させる。この接触時に、本体４２の位置、および本体４２に対する接触子５３の位置を測定して接触位置として取得する。次いで、本体４２を水平方向に移動させ、他の水平方向位置において、同様に接触位置を取得する。このような動作を繰り返すことで、多数の接触位置を取得し、これら接触位置から被測定物１の表面形状を求める。

なお、本体４２に対する接触子５３の位置は、反射鏡５７とレーザー変位計５９を用いて、次のように求める。反射鏡５７は、スライダ４９の後端部に設けられている。レーザー変位計５９は、導光手段６１を通してレーザー光を反射鏡５７に向けて放射し、反射鏡５７と放射端面６１ａからの反射光に基づいて、接触子５３の位置を測定するようになっている。なお、スライダ４９の長さや放射端面６１ａの位置は既知であるとする。

上述のような形状測定プローブは、例えば下記の特許文献１に記載されている。
特開２００７−１５５４４０号公報

しかし、上述した空圧式の形状測定プローブにおいて、空圧で適切にスライダを支持、動作させるためには、ダストなどが存在しないクリーンな環境で、この形状測定プローブを用いる必要がある。即ち、通常の工場環境では、空圧式の形状測定プローブを使用できない。

そこで、本発明の目的は、クリーンな環境以外の環境でも使用できるとともに、接触圧を小さくできる形状測定プローブを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明によると、被測定物の形状を測定するために、被測定物に上方から接触する接触子を有する形状測定プローブであって、
前記接触子を先端に有し、本体に対し上下に移動可能なスライダと、
前記本体と前記スライダとに接続され、前記スライダに上向き弾性力を作用させる弾性体と、
前記本体に設けられた第１磁力作用部と、
この第１磁力作用部と上下方向に対向するように前記スライダに設けられた第２磁力作用部と、を備え、
第１磁力作用部と第２磁力作用部とは互いに磁力を作用させることで、前記スライダに下向き磁力が付与されるようになっており、
前記接触子が被測定物に接触することで前記スライダが押し戻されると、前記上向き弾性力が減少し、前記下向き磁力も減少する、ことを特徴とする形状測定用プローブが提供される。

上述した本発明の形状測定用プローブによると、次のように接触圧力を小さくすることができる。本発明では、スライダには、前記上向き弾性力と前記下向き磁力の両方が作用するようになっている。スライダ先端の前記接触子が被測定物に接触して押し戻されると、前記上向き弾性力が減少する。上向き弾性力の減少分だけ、接触圧が増加するが、本発明では、この時、前記下向き磁力も減少するので、下向き磁力の減少分だけ、接触圧が減少する。その結果、接触圧を小さくすることができる。
また、本発明の形状測定用プローブは、空圧式ではないので、クリーンな環境以外でも使用可能である。

本発明の好ましい実施形態によると、第１磁力作用部は、第２磁力作用部の下側に位置し、
前記接触子が被測定物に接触していない状態では、第２磁力作用部が第１磁力作用部に接触して支持されることで、前記スライダは、前記弾性体を介して前記本体に支持されるだけでなく、前記第２磁力作用部と第１磁力作用部を介して前記本体に支持されるようになっている。

この実施形態では、前記接触子が被測定物に接触していない状態では、第２磁力作用部が第１磁力作用部に接触して支持されることで、前記スライダは、前記弾性体を介して前記本体に支持されるだけでなく、前記第２磁力作用部と第１磁力作用部を介して前記本体に支持されるようになっているので、非接触時に、スライダの上下方向位置が安定する。

本発明の好ましい実施形態によると、第１磁力作用部は、第２磁力作用部の下側に位置し、
前記第１磁力作用部と第２磁力作用部のうち、一方は磁石であり、他方は磁性体であり、
前記磁性体の水平面による断面積は、前記磁石から鉛直方向に離れるにつれ大きくなっている。

この実施形態では、次のように、前記スライダが押し戻される量の所定範囲において、小さい一定値に接触圧を維持でき、または、接触圧の変動を小さく抑えることができる。前記スライダが押し戻される量が増加するにつれ、第１磁力作用部と第２磁力作用部の距離は大きくなる。この距離の２乗に、前記下向き磁力は比例するので、当該距離が大きくなると、前記下向き磁力は、著しく減少する。これに対し、当該実施形態では、前記磁性体の水平面による断面積は、前記磁石から鉛直方向に離れるにつれ大きくなっているので、前記距離の増加による下向き磁力の減少量を抑えることができる。これにより、前記スライダが押し戻される時において、下向き磁力の減少量と上向き弾性力の減少量との差を低減または無くすことができる。これにより、前記スライダが押し戻される量の所定範囲において、小さい一定値に接触圧を維持でき、または、接触圧の変動を小さく抑えることができる。
なお、この実施形態は、前記磁性体は、磁性の強さが３次元的に一様である場合において特に有効である。

本発明の他の実施形態によると、第１磁力作用部は、第２磁力作用部の下側に位置し、
前記第１磁力作用部と第２磁力作用部のうち、一方は磁石であり、他方は磁性体であり、
前記磁性体は、前記磁石から鉛直方向に離れるにつれ磁性が強くなっている。

この実施形態でも、前記スライダが押し戻される量の所定範囲において、小さい一定値に接触圧を維持でき、または、接触圧の変動を小さく抑えることができる。前記スライダが押し戻される量が増加するにつれ、第１磁力作用部と第２磁力作用部の距離は大きくなる。この距離の２乗に、前記下向き磁力は比例するので、当該距離が大きくなると、前記下向き磁力は、著しく減少する。これに対し、当該実施形態では、前記磁性体は、前記磁石から鉛直方向に離れるにつれ磁性が強くなっているので、前記距離の増加による下向き磁力の減少量を抑えることができる。これにより、前記スライダが押し戻される時において、下向き磁力の減少量と上向き弾性力の減少量との差を低減または無くすことができる。これにより、前記スライダが押し戻される量の所定範囲において、小さい一定値に接触圧を維持でき、または、接触圧の変動を小さく抑えることができる。

上述した本発明によると、クリーンな環境以外の環境でも使用できるとともに、接触圧を小さくできる。

本発明を実施するための最良の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態による形状測定プローブ１０の構成図である。図１において、破線は、形状測定プローブ１０の本体１３を透視した部分を示す。図２は、本体の図示を省略して、形状測定プローブ１０を示した図である。
形状測定プローブ１０は、被測定物１の形状を測定するために、接触子３を上方から被測定物１に接触させる。形状測定プローブ１０は、スライダ５、弾性体７、第１磁力作用部９、および第２磁力作用部１１を備える。

スライダ５は、接触子３を先端に有し、本体１３に対し上下に移動可能である。この例では、スライダ５は、本体１３に設けられたガイド輪１５により上下にガイドされる。ガイド輪１５は、その回転軸１５ａを介して、本体１３に回転自在に取り付けられている。図１、図２の例では、スライダ５を左右に挟む左右一対のガイド輪１５が上下２箇所に設けられているが、さらに、紙面に垂直な前後方向にスライダ５を前後に挟む前後一対のガイド輪１５（図示せず）を上下２箇所に設けてもよい。

弾性体７は、本体１３とスライダ５とに接続され、本体１３に対するスライダ５の上下方向位置に応じた上向き弾性力を、スライダ５に作用させる。図１、図２の例では、弾性体７は、１対のコイルバネからなる。各コイルバネ７は、その一端部が本体１３に固定され、その他端部がスライダ５に固定されて、上下方向を向くように配置される。図１、図２の例では、各コイルバネ７の一端部は、本体１３に取り付けられ図１、図２の紙面と垂直方向に延びるピン１７に固定され、各コイルバネ７の他端部は、スライダ５から水平方向に延びる取付部１９に固定される。

第１磁力作用部９は、本体１３（この例では、後述の本体１３の取付台２７）に設けられる。第２磁力作用部１１は、第１磁力作用部９と上下方向に対向するようにスライダ５に設けられる。第１磁力作用部９と第２磁力作用部１１とは互いに磁力を作用させることで、本体１３に対するスライダ５の上下方向位置に応じた下向き磁力が、スライダ５に付与されるようになっている。この例では、第１磁力作用部９は、磁性を有する材料（例えば磁性を有するステンレス）で構成された磁性体であり、第２磁力作用部１１は、永久磁石である。
接触子３が被測定物１に接触することでスライダ５が押し戻されると、前記上向き弾性力が減少し、前記下向き磁力も減少する。

本実施形態による形状測定プローブ１０を、より詳しく説明する。

図１、図２の例では、第１磁力作用部９は、第２磁力作用部１１の下側に位置する。接触子３が被測定物１に接触していない状態では、第２磁力作用部１１が第１磁力作用部９に接触して支持されることで、スライダ５は、弾性体７を介して本体１３に支持されるだけでなく、第２磁力作用部１１と第１磁力作用部９を介して本体１３に支持されるようになっている。好ましくは、接触子３が被測定物１に接触していない状態では、スライダ５の全重力のうち、ほとんどが弾性体７を介して本体１３に支持され、残りのわずかな部分が第２磁力作用部１１と第１磁力作用部９を介して本体１３に支持されるように、弾性体７が調整されている。

このような弾性体７の調整は、例えば次の調整機構２１によってなされてよい。図３は、図１において紙面と反対側から形状測定プローブ１０を見た図であり、調整機構２１を示す。調整機構２１は、本体１３に対して上下方向に位置調整可能な調整板２３と、位置調整された調整板２３を本体１３に固定するネジ２５と、を有する。調整板２３には、弾性体７が取り付けられた前記ピン１７が固定されている。ネジ２５は、雄ネジが切られたネジ部２５ａと、このネジ部よりも寸法が大きいネジ頭２５ｂを有する。このネジ２５が、調整板２３に設けられた上下に長い貫通孔２３ａを通して本体１３に設けられた雌ネジ部に螺合させることで、調整板２３を上下に位置調整して本体１３に固定することができる。

第１磁力作用部９は、図１、図２の例では、本体１３に設けられた取付台２７に取り付けられている。この取付台２７は、調整機構２１と同様に機構により、または他の適切な機構により本体１３に対し上下に位置調整されて本体１３に固定されるようにしてもよい。

図４は、図２のＩＶ−ＩＶ線矢視図であり、スライダ５に形成された窪み部６を示す。図４に示すように、第１磁力作用部９と第２磁力作用部１１は、窪み部６内に配置される。なお、符号６ａは、窪み部６の底面を示す。

第１磁力作用部９である磁性体９の水平面による断面積は、前記磁石から鉛直方向に離れるにつれ大きくなっている。図１、図２の例では、磁性体９は、四角推であるが、代わりに、三角推、円錐、切頭四角推、または他の適切な形状を有していてもよい。

形状測定プローブ１０は、さらに、図示を省略するが、３次元的に本体１３を移動させる本体１３を移動させる移動装置と、接触子３が被測定物１に接触した時における接触子３の接触位置を検出することで被測定物１の形状を求める形状取得装置と、を備える。
移動装置は、本体１３の向きを同じ鉛直下向きに維持したまま、互いに交差（直交）する第１水平方向と第２水平方向、および鉛直方向に、本体１３を（例えば、直線的に）移動させる。例えば、移動装置により、１つの水平方向位置に本体１３を位置させて、本体１３を鉛直下方に移動させることで接触子３を被測定物１に上方から接触させる。移動装置は、公知の適切なものであってよい。
形状取得装置は、接触子３が被測定物１に接触した接触時に、本体１３の３次元位置（ｘ，ｙ，ｚ）を測定する本体位置計測装置と、当該接触時に、本体１３に対する接触子３の位置を測定する接触子位置測定装置と、を有する。本体位置計測装置は、本体１３の第１水平方向位置ｘを計測する位置計測器（例えば、リニアスケール）、本体１３の第２水平方向位置ｙを計測する位置計測器（例えば、リニアスケール）、および、本体１３の鉛直方向位置ｚを計測する位置計測器（例えば、リニアスケール）を有する。接触子位置測定装置は、反射鏡３１とレーザー変位計３３を有する（図１を参照）。反射鏡３１は、スライダ５の後端部に設けられている。レーザー変位計３３は、導光手段３５を通してレーザー光を反射鏡３１に向けて放射し、反射鏡３１からの反射光、および導光手段３５の放射端面３５ａからの反射光に基づいて、本体１３に対する接触子３の位置を算出する。
このように求めた本体１３の３次元位置（ｘ，ｙ，ｚ）、本体１３に対する接触子３の位置、スライダ５の長さなどに基づいて、形状取得装置は、接触子３が被測定物１に接触した接触時における被測定物１に対する接触子３の接触位置を算出する。なお、スライダ５の長さや放射端面３５ａの位置は既知であるとする。
次いで、移動装置により本体１３を第１水平方向または第２水平方向に移動させ、他の水平方向位置において、同様に、前記接触時における、被測定物１に対する接触子３の接触位置を取得する。このような動作を繰り返すことで、形状取得装置は、多数の接触位置を取得し、これら接触位置から被測定物１の表面形状を求める。

上述した本発明の形状測定用プローブによると、以下の効果（１）〜（４）が得られる。

（１）次のように接触圧力を小さくすることができる。本実施形態では、スライダ５には、前記上向き弾性力と前記下向き磁力の両方が作用するようになっている。スライダ５先端の接触子３が被測定物１に接触して押し戻されると（図５の状態）、前記上向き弾性力が減少する。上向き弾性力の減少分だけ、接触圧が増加するが、本実施形態では、この時、前記下向き磁力も減少するので、下向き磁力の減少分だけ、接触圧が減少する。その結果、接触圧を小さくすることができる。

（２）本実施形態による形状測定用プローブは、空圧式ではないので、クリーンな環境以外でも使用可能である。

（３）接触子３が被測定物１に接触していない状態では、第２磁力作用部１１が第１磁力作用部９に接触して支持されることで、スライダ５は、弾性体７を介して本体１３に支持されるだけでなく、第２磁力作用部１１と第１磁力作用部９を介して本体１３に支持されるようになっているので、非接触時に、スライダ５の上下方向位置が安定する。

（４）スライダ５が押し戻される量の所定範囲において、小さい一定値に接触圧を維持でき、または、接触圧の変動を小さく抑えることができる。スライダ５が押し戻される量が増加するにつれ、第１磁力作用部９と第２磁力作用部１１の距離は大きくなる。この距離の２乗に、前記下向き磁力は比例するので、当該距離が大きくなると、前記下向き磁力は、著しく減少する。
これに対し、本実施形態では、磁性体９の水平面による断面積は、前記磁石から鉛直方向に離れるにつれ大きくなっているので、前記距離の増加による下向き磁力の減少量を抑えることができる。図１、図２の例では、前記距離の増加による下向き磁力の減少量は、前記距離の増加量に比例する。これにより、スライダ５が押し戻される時において、下向き磁力の減少量と上向き弾性力の減少量との差を低減または無くすことができる。これにより、スライダ５が押し戻される量の所定範囲において、小さい一定値に接触圧を維持でき、または、接触圧の変動を小さく抑えることができる。

図６は、本実施形態による形状測定プローブ１０で得られた接触圧特性を示すグラフである。図６において、横軸は、スライダ５が押し戻された量（ｍｍ）を示す。即ち、横軸は、前記移動装置により本体１３が下方に移動させられることで、接触子３が被測定物１に接触し、これにより、スライダ５が押し戻された距離（ｍｍ）を示す。図６において、縦軸は、接触子３と被測定物１との接触圧（ｇ）を示す。また、図６において、正方形で示す測定点を結んだグラフは、菱形で示す測定点を結んだグラフよりもスライダ５の重量が２ｇ重い場合を示している。
図６において、押し戻された量が、１ｍｍ以上になると、接触圧が小さい一定値（２ｇ程度）になる。特に、押し戻された量が、１．２ｍｍ〜２．３ｍｍの範囲では、高い精度で接触圧が一定に維持されている。なお、接触圧は、例えば重量を計測する計りの計り台を被測定物１として、この計り台に接触子３を接触させることで、接触圧を計測できる。

図７は、上述の実施形態による形状測定プローブ１０により得られた被測定物の形状測定結果と、高精度の空圧式の形状測定プローブにより得られた被測定物の形状測定結果との比較を示すグラフである。図７において、横軸は、測定位置（ｍｍ）を示し、縦軸は、形状測定プローブの変位（ｍｍ）を示す。菱形の測定点を結んだグラフは、本実施形態の場合を示し、正方形の測定点を結んだグラフは、空圧式の形状測定プローブの場合を示す。図７から分かるように、本実施形態により、高精度の空圧式の形状測定プローブと同程度の精度により形状測定を行える。

本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば、上述の実施形態では、第１磁力作用部９を本体１３に設け、第２磁力作用部１１をスライダ５に設けたが、第２磁力作用部１１を本体１３に設け、第１磁力作用部９をスライダ５に設けてもよい。この場合、形状測定プローブ１０の他の構成は、上述の実施形態と同じであってよい。

また、上述の実施形態では、磁性体９の水平面による断面積は、前記磁石から鉛直方向に離れるにつれ大きくなっているが、代わりに、磁性体９は、前記磁石から鉛直方向に離れるにつれ磁性が強くなっているようにしてもよい。この構成でも、スライダ５が押し戻される量の所定範囲において、小さい一定値に接触圧を維持でき、または、接触圧の変動を小さく抑えることができる。この場合、磁性体９の水平面による断面積は、鉛直方向に関して一定であってもよい。

弾性体７は、コイルバネ以外のものであってもよい。例えば、弾性体７は、油圧シリンダ装置、空圧シリンダ装置、または他の適切なものであってもよい。

第２磁力作用部１１を電磁石とすることも可能である。

本発明の実施形態による形状測定プローブの構成図である。 図１において本体を省略した透視図である。 図１において紙面の反対側から見た図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線矢視図である。 接触子が被測定物に接触することでスライダが押し戻された状態を示す。 本発明の実施形態による形状測定プローブで得られた接触圧特性を示すグラフである。 本発明の実施形態による形状測定プローブで得られた被測定物の形状測定結果と、高精度の空圧式の形状測定プローブにより得られた被測定物の形状測定結果との比較を示すグラフである。 空圧式の形状測定プローブの構成例である。

符号の説明

１ 被測定物、３ 接触子、５ スライダ、６ 窪み部、６ａ 窪み部の底面、７ 弾性体（コイルバネ）、９ 第１磁力作用部（磁性体）、１０ 形状測定プローブ、１１ 第２磁力作用部（永久磁石）、１３ 本体、１５ ガイド輪、１５ａ 回転軸、１７ ピン、１９ 取付部、２１ 調整機構、２３ 調整板、２３ａ 貫通孔、２５ ネジ、２５ａ ネジ部、２５ｂ ネジ頭、２７ 取付台、３１ 反射鏡、３３ レーザー変位計、３５ 導光手段、３５ａ 放射端面

Claims (4)

1. 被測定物の形状を測定するために、被測定物に上方から接触する接触子を有する形状測定プローブであって、
   前記接触子を先端に有し、本体に対し上下に移動可能なスライダと、
   前記本体と前記スライダとに接続され、前記スライダに上向き弾性力を作用させる弾性体と、
   前記本体に設けられた第１磁力作用部と、
   この第１磁力作用部と上下方向に対向するように前記スライダに設けられた第２磁力作用部と、を備え、
   第１磁力作用部と第２磁力作用部とは互いに磁力を作用させることで、前記スライダに下向き磁力が付与されるようになっており、
   前記接触子が被測定物に接触することで前記スライダが押し戻されると、前記上向き弾性力が減少し、前記下向き磁力も減少する、ことを特徴とする形状測定用プローブ。
2. 第１磁力作用部は、第２磁力作用部の下側に位置し、
   前記接触子が被測定物に接触していない状態では、第２磁力作用部が第１磁力作用部に接触して支持されることで、前記スライダは、前記弾性体を介して前記本体に支持されるだけでなく、前記第２磁力作用部と第１磁力作用部を介して前記本体に支持されるようになっている、ことを特徴とする請求項１に記載の形状測定用プローブ。
3. 第１磁力作用部は、第２磁力作用部の下側に位置し、
   前記第１磁力作用部と第２磁力作用部のうち、一方は磁石であり、他方は磁性体であり、
   前記磁性体の水平面による断面積は、前記磁石から鉛直方向に離れるにつれ大きくなっている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の形状測定用プローブ。
4. 第１磁力作用部は、第２磁力作用部の下側に位置し、
   前記第１磁力作用部と第２磁力作用部のうち、一方は磁石であり、他方は磁性体であり、
   前記磁性体は、前記磁石から鉛直方向に離れるにつれ磁性が強くなっている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の形状測定用プローブ。

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