JP5320050B2 - 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６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、
前記本体に取り付けられ、前記スライダにスライダ支持力を上向きに作用させることで、前記スライダの重量を支持する重量支持機構と、
前記本体に取り付けられ、前記スライダに対し鉛直上向きまたは下向きに鉛直弾性力を作用させる弾性力作用機構と、を備え、
前記スライダには、鉛直面から水平軸回りに傾斜した傾斜面が設けられ、
前記弾性力作用機構は、
前記傾斜面に接触するローラと、
前記ローラを前記傾斜面に弾性的に押し付ける押付機構と、を有し、
前記ローラを前記傾斜面に弾性的に押し付けることで、前記鉛直弾性力を前記スライダに作用させ、
前記接触子が被測定物に非接触の状態において、前記スライダ支持力と前記鉛直弾性力が前記スライダに作用することで、前記スライダ支持力、前記鉛直弾性力、および前記スライダの重量が釣り合う位置に、前記スライダが弾性的に保持される、ことを特徴とする形状測定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、次のように接触圧を小さくすることができる。本発明では、前記接触子が被測定物に非接触の状態において、前記スライダ支持力と前記鉛直弾性力が前記スライダに作用することで、前記スライダ支持力、前記鉛直弾性力、および前記スライダの重量が釣り合う位置に、前記スライダが弾性的に保持されるので、この状態から本体を下降させて接触子を被測定物に接触させると、スライダが本体に対し上方に少し変位するが、この変位は弾性変位である。このように接触による変位を弾性変位にすることで、接触圧を小さく抑えることができる。
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。

好ましくは、前記スライダの全重量のうち、重量支持機構が大部分を支持し、残りの僅かな部分を前記鉛直弾性力で支持する。
代わりに、重量支持機構は、前記スライダの重量よりも僅かに大きい上向きスライダ支持力をスライダに作用させ、この上向きスライダ支持力のうち当該僅かに大きい部分を支持するために、前記鉛直弾性力を、スライダ支持力と反対方向に作用させるようにしてもよい。

また、接触子が被測定物に接触してスライダが本体に対し上方に変位すると、この変位量のうち、前記傾斜面に垂直な方向の成分に相当する量だけ、前記ローラが変位する。従って、押付機構の弾性変位量は、スライダの上方変位量より小さくなる。その結果、被測定物が接触子から受ける弾性作用力を、さらに小さくすることができる。
好ましくは、鉛直面に対する傾斜面の傾斜角を小さくする（例えば、１度〜４度）ことで、押付機構の弾性変位量は、スライダの上方変位量より大幅に小さくなる。その結果、被測定物が接触子から受ける弾性作用力（即ち、接触圧）を、大幅に小さくすることができる。

前記押付機構は、例えば次の構成を有していてよい。
即ち、本発明の好ましい実施形態によると、前記押付機構は、
前記ローラが取り付けられ、前記本体に設けられた水平揺動軸を中心に揺動可能な揺動部材と、
一端部が前記本体の第１取付位置に固定され、その他端部が前記水平揺動軸から離間した第２取付位置にて前記揺動部材に固定される弾性体と、を有し、
前記弾性体は、前記ローラを前記傾斜面に押し付ける揺動方向に弾性力を前記揺動部材に付与する。

本発明の好ましい実施形態によると、前記重量支持機構は、
前記本体に取り付けられる重量支持部と、
前記重量支持部に支持される支点を中心に揺動可能なバランスレバーと、
前記バランスレバーに第１作用点で下向き重量を作用させるウエイトと、を有し、
前記支点を基準に第１作用点と反対側にある第２作用点で、前記スライダの重量が前記バランスレバーに下向きに作用する。

この実施形態では、シーソー式のバランスレバーにおいて、第１作用点でウエイトの重量を作用させ、第２作用点で、前記スライダの重量を作用させることで、スライダの重量を支持する。

本発明の好ましい実施形態によると、前記傾斜面は、スライダに取り付けられる傾斜部材に形成されており、前記傾斜部材は、水平揺動軸の回りの揺動位置を調節可能に前記本体に固定される、ことを特徴とする。

これにより、前記スライダに対して鉛直方向に作用する前記鉛直弾性力の大きさを調節できる。

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１１を透視した部分を示す。図２は、本体１１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、重量支持機構７、および弾性力作用機構９を備える。

スライダ５は、接触子３を先端に有し、本体１１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１１に設けられたガイド輪１３により上下にガイドされる。ガイド輪１３は、その回転軸１３ａまたは２１ａを介して、本体１１に回転自在に取り付けられている。なお、回転軸２１ａは、後述する揺動部材２１の水平揺動軸２１ａを兼ねている。図１の例では、スライダ５を左右に挟む左右一対のガイド輪１３を含めた複数のガイド輪１３が設けられている。なお、図１の左側のガイド輪１３は、後述のウエイト２８の上下動を案内する機能を兼ねてよい。

重量支持機構７は、本体１１に取り付けられ、スライダ５にスライダ支持力を上向きに作用させることで、スライダ５の重量を支持する。

弾性力作用機構９は、本体１１に取り付けられ、スライダ５に対し鉛直方向に鉛直弾性力を作用させる。

このような構成により、接触子３が被測定物１に非接触の状態において、前記スライダ支持力と前記鉛直弾性力がスライダ５に作用することで、前記スライダ支持力、前記鉛直弾性力、およびスライダ５の重量が釣り合う位置に、スライダ５が弾性的に保持される。

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。

（弾性力作用機構）
スライダ５には、鉛直面から水平軸回りに傾斜した傾斜面１５が設けられる。弾性力作用機構９は、傾斜面１５に接触するローラ１７と、ローラ１７を傾斜面１５に弾性的に押し付ける押付機構１９と、を有する。ローラ１７を傾斜面１５に弾性的に押し付けることで、前記鉛直弾性力をスライダ５に作用させる。
押付機構１９は、揺動部材２１および弾性体２３を有する。揺動部材２１には、ローラ１７が取り付けられる。また、揺動部材２１は、本体１１に設けられた水平揺動軸２１ａを中心に揺動可能である。弾性体２３は、その一端部が本体１１の第１取付位置Ａに取り付けられ、その他端部が水平揺動軸２１ａから離間した第２取付位置Ｂにて揺動部材２１に固定される。弾性体２３は、ローラ１７を傾斜面１５に押し付ける揺動方向に弾性力を揺動部材２１に付与する。この例では、弾性体２３は、コイルバネである。なお，ローラ１７は、揺動部材２１に取り付けられた水平回転軸１７ａを中心に回転自在である。ローラ１７は、揺動部材２１と一体的に揺動する。また、図２の例では、弾性体（コイルバネ）２３は、図２の左右方向にスライダ５を貫通する貫通孔８を通るようになっている。この貫通孔８は、スライダ５が本体１１に対し上下に移動しても、弾性体２３とスライダ５が干渉しないようにする上下方向寸法を有する。

（重量支持機構）
重量支持機構７は、本体１１に取り付けられる水平な重量支持部２５と、重量支持部２５に支持される支点Ｐｓを中心に揺動可能なバランスレバー２７と、バランスレバー２７に第１作用点Ｐ１で下向き重量を作用させるウエイト２８と、を有する。支点Ｐｓを基準に第１作用点Ｐ１と反対側にある第２作用点Ｐ２で、スライダ５の重量がバランスレバー２７に下向きに作用する。図１、図２の例では、ウエイト２８に設けられた重量作用部２８ａが、第１作用点Ｐ１ウエイト２９の重量をバランスレバー２７に作用させ、スライダ５に設けられた重量作用部５ａが、第２作用点Ｐ２でスライダ５の重量をバランスレバー２７に作用させる。
従って、図１、図２に示すように、スライダ５は、バランスレバー２７に吊り下げられた態様となり、ウエイト２８も、バランスレバー２７に吊り下げられた態様となる。なお、ウエイト２８は、本体１１に設けられて適切なガイド（この例では、図１の左側のガイド輪１３と本体１１の内壁１１ａ）に上下方向に案内されてよい。
好ましくは、スライダ５の全重量のうち、重量支持機構７が大部分を支持し、残りの僅かな部分を前記鉛直弾性力で支持する。
なお、図３（Ａ）は、図２のＩＩＩＡ−ＩＩＩＡ線断面図であり、図３（Ｂ）は図２のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線断面図である。図３に示すように、重量作用部２８ａはウエイト２８の窪み部内に設けられ、重量作用部５ａもスライダ５の窪み部内に設けられる。

（傾斜面の調節）
傾斜面１５は、スライダ５に取り付けられる傾斜部材２９に形成されている。傾斜部材２９は、水平揺動軸２９ａの回りの揺動位置を調節可能に本体１１に固定される。固定されたら、傾斜部材２９は、揺動できない。例えば、水平揺動軸２９ａは、ネジであってよい。この場合、ネジ２９ａの先端部には雄ネジが切られ、この先端部がスライダ５に設けられた雌ネジに螺合し、ネジ２９ａの中間部には、傾斜部材２９の貫通孔が位置するようになっている。前記螺合を緩めた状態で、傾斜部材２９をネジ２９ａの回りに揺動させて位置調節し、調節したらネジ２９ａを締めることで、前記中間部より寸法の大きい拡径したネジ２９ａの頭で傾斜部材２９をスライダ５に押し付け、これにより、傾斜部材２９をスライダ５に固定する。なお、傾斜部材２９は、図２において、紙面の手前側面から紙面と垂直方向に窪んだ窪み部６内に配置されてよい。
図４は、ローラ１７が、傾斜面１５に弾性的に作用させる押付力Ｆと、この押圧力Ｆの鉛直成分Ｆ×ｓｉｎθとを示す。図４は接触子３が被測定物１と接触している状態を示す。この状態において、Ｆ×ｓｉｎθは、スライダ５の全重量から前記スライダ支持力と前記接触圧を差し引いた大きさである。

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１１を移動させる本体１１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１１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１１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１１を位置させて、本体１１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１１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１１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１１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１１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１１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１１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１１の３次元位置（ｘ，ｙ，ｚ）、本体１１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１１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）〜（３）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。上述した実施形態では、接触子３が被測定物１に非接触の状態において、前記スライダ支持力と前記鉛直弾性力がスライダ５に作用することで、前記スライダ支持力、前記鉛直弾性力、およびスライダ５の重量が釣り合う位置に、スライダ５が弾性的に保持されるので、この状態から本体１１を下降させて接触子を被測定物に接触させると、スライダ５が本体１１に対し上方に少し変位するが、この変位は弾性変位である。このように接触による変位を弾性変位にすることで、接触圧を小さく抑えることができる。

（２）また、上述した実施形態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。

（３）接触子が被測定物１に接触してスライダ５が本体１１に対し上方に変位すると、この変位量のうち、傾斜面１５に垂直な方向の成分に相当する量だけ、揺動部材２１が揺動することで、ローラ１７が変位する。従って、押付機構１９の弾性変位量は、スライダ５の上方変位量より小さくなる。その結果、被測定物１が接触子から受ける弾性作用力を、さらに小さくすることができる。好ましくは、鉛直面に対する傾斜面１５の傾斜角を小さくする（例えば、１度〜４度）ことで、押付機構１９の弾性変位量は、スライダ５の上方変位量より大幅に小さくなる。その結果、被測定物１が接触子から受ける弾性作用力（即ち、接触圧）を、大幅に小さくすることができる。
上述の実施形態では、前記傾斜角を１度にした場合に、０．０９６ｇの接触圧が得られ、前記傾斜角を２度にした場合に、０．１９２ｇの接触圧が得られ、前記傾斜角を３度にした場合に、０．２８８ｇの接触圧が得られ、前記傾斜角を４度にした場合に、０．３８５ｇの接触圧が得られた。このように、本実施形態により、非常に小さい接触圧を実現することができる。

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。

上述の実施形態では、弾性力作用機構９は、スライダ５に鉛直上向きの鉛直弾性力を作用させたが、スライダ５に鉛直下向きの鉛直弾性力を作用させるようにしてもよい。この場合について説明する。
図５のように、傾斜面１５が、水平方向から斜め上方を向くようにする。これにより、弾性力作用機構９は、傾斜面１５を介して、下向き鉛直弾性力をスライダ５に作用させる。従って、重量支持機構７は、この下向き鉛直弾性力とスライダ５の全重量を合わせた力を支持する。好ましくは、重量支持機構７は、スライダ５の重量よりも僅かに大きい上向きスライダ支持力をスライダ５に作用させ、この上向きスライダ支持力のうち当該僅かに大きい部分を支持するために、前記下向き鉛直弾性力を、スライダ支持力と反対方向に作用させるようにする。他の構成は、上述の実施形態と同じである。

弾性体２３は、コイルバネ以外のものであってもよい。例えば、弾性体２３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。

傾斜面１５は、上述の実施形態では平面であるが、曲面であってもよい。

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。 （Ａ）は、図２のＩＩＩＡ−ＩＩＩＡ線断面図であり、（Ｂ）は図２のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線断面図である。 ローラが傾斜面に作用させる力を示す図である。 本発明の他の実施形態による形状測定プローブの構成図である。 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、７ 重量支持機構、９ 弾性力作用機構、１０ 形状測定プローブ、１１ 本体、１３ ガイド輪、１３ａ 回転軸、１５ 傾斜面、１７ ローラ、１７ａ 回転軸、１９ 押付機構、２１ 揺動部材、２１ａ 水平揺動軸、２３ 弾性体、２５ 重量支持部、２７ バランスレバー、２８ ウエイト、２９ 傾斜部材、２９ａ 水平揺動軸、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、
   前記本体に取り付けられ、前記スライダにスライダ支持力を上向きに作用させることで、前記スライダの重量を支持する重量支持機構と、
   前記本体に取り付けられ、前記スライダに対し鉛直上向きまたは下向きに鉛直弾性力を作用させる弾性力作用機構と、を備え、
   前記スライダには、鉛直面から水平軸回りに傾斜した傾斜面が設けられ、
   前記弾性力作用機構は、
   前記傾斜面に接触するローラと、
   前記ローラを前記傾斜面に弾性的に押し付ける押付機構と、を有し、
   前記ローラを前記傾斜面に弾性的に押し付けることで、前記鉛直弾性力を前記スライダに作用させ、
   前記接触子が被測定物に非接触の状態において、前記スライダ支持力と前記鉛直弾性力が前記スライダに作用することで、前記スライダ支持力、前記鉛直弾性力、および前記スライダの重量が釣り合う位置に、前記スライダが弾性的に保持される、ことを特徴とする形状測定プローブ。
2. 前記押付機構は、
   前記ローラが取り付けられ、前記本体に設けられた水平揺動軸を中心に揺動可能な揺動部材と、
   一端部が前記本体の第１取付位置に固定され、その他端部が前記水平揺動軸から離間した第２取付位置にて前記揺動部材に固定される弾性体と、を有し、
   前記弾性体は、前記ローラを前記傾斜面に押し付ける揺動方向に弾性力を前記揺動部材に付与する、ことを特徴とする請求項１に記載の形状測定プローブ。
3. 前記重量支持機構は、
   前記本体に取り付けられる重量支持部と、
   前記重量支持部に支持される支点を中心に揺動可能なバランスレバーと、
   前記バランスレバーに第１作用点で下向き重量を作用させるウエイトと、を有し、
   前記支点を基準に第１作用点と反対側にある第２作用点で、前記スライダの重量が前記バランスレバーに下向きに作用する、ことを特徴とする、請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の形状測定プローブ。
4. 前記傾斜面は、スライダに取り付けられる傾斜部材に形成されており、
   前記傾斜部材は、水平揺動軸の回りの揺動位置を調節可能に前記本体に固定される、ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の形状測定プローブ。

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