JPH0682238A - 三次元測定プロ−ブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】被測定物に損傷を与えることなく、測定精度が
高い三次元測定プロ−ブを提供することにある。 【構成】弾性変形可能な平行ばね６と、この平行ばね６
に取付けられ先端にプロ−ブ球１２ａを有するとともに
プロ−ブ球１２ａを被測定物４に接触させながら移動
し、被測定物４の表面の凹凸に応じて平行ばね６を弾性
変形させる接触体１２と、平行ばね６の変形量を光てこ
式に検出する検出部９とを具備した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば三次元形状測定
機等に備えられる接触式の三次元測定プロ−ブに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、被測定物表面の平面度、輪郭度
などの形状測定を行う場合、三次元測定機が用いられ
る。この三次元測定機には、被測定物の表面の凹凸を測
定するための三次元測定プロ−ブが備えられている。そ
して、この三次元測定プロ−ブには、非接触式、接触式
の二種類がある。

【０００３】非接触式プロ−ブには、レ−ザの反射光を
検出するものや、カメラを用いるもの等がある。しか
し、非接触式プロ−ブは被測定物の表面性状の影響を受
け易く、接触式に比べて測定の信頼性が低い。したがっ
て、実用化された非接触式プロ−ブは少ない。

【０００４】一方、接触式プロ−ブには、接触体と被測
定物との接触点の座標を検出するタッチ方式と、接触体
を被測定物に連続的に接触させて変位量をアナログ的に
検出する倣い方式とがある。前者のタッチ方式は基本的
に間接・推定測定であるため、最近では後者の倣い方式
が注目されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述の倣い
方式の三次元測定プロ−ブには以下のような不具合があ
る。すなわち、接触体が被測定物に直に接触するため、
被測定物に打痕などの損傷を与えやすい。

【０００６】また、レンズやミラ−等のような超精密加
工部品の測定を行う場合、現在の三次元測定プロ−ブで
は測定精度が不足しており、これらの超精密加工部品を
高精度に測定することは困難である。本発明の目的とす
るところは、被測定物に損傷を与えることなく、測定精
度が高い三次元測定プロ−ブを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段および作用】上記目的を達
成するために本発明は、弾性変形可能なプロ−ブ本体
と、このプロ−ブ本体に取付けられ先端に球体を有する
とともに球体を被測定物に接触させながら移動し、被測
定物の表面の凹凸に応じてプロ−ブ本体を弾性変形させ
る接触体と、プロ−ブ本体の変形量を光てこ式に検出す
る検出部とを具備したことにある。こうすることによっ
て本発明は、被測定物に加わる荷重を低減するととも
に、測定精度を向上できるようにしたことにある。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１〜図３に基づ
いて説明する。

【０００９】図１は本発明の一実施例を示すもので、図
中の符号１は接触式の三次元測定プロ−ブ（以下、測定
プロ−ブと称する）、符号２はこの三次元測定プロ−ブ
１が備えられた三次元形状測定機である。三次元形状測
定機２は、測定プロ−ブ１を保持する基台３と、被測定
物４を保持する一次元スライドテ−ブル５とを有してい
る。測定プロ−ブ１は、プロ−ブ本体としての平行ばね
６と、投光部７及び受光部８を有する検出部９を備えて
おり、これらは基台３に固定されている。

【００１０】平行ばね６は単結晶シリコンからなり、図
２に示すように立方体状に成形されている。さらに、平
行ばね６はくり抜き加工されており、二側面に開口する
Ｈ状の空洞部１０を有している。くり抜き加工に伴っ
て、平行ばね６には、上下に対向する一対のばね部６
ａ、６ａと、薄肉なヒンジ部６ｂ、６ｂが形成される。
ヒンジ部６ｂ、６ｂは各ばね部６ａの両端に位置すると
ともに、それぞれ半円状にくり抜かれている。

【００１１】この平行ばね６の外形寸法は、後で詳述す
るように、高い検出精度を得るとともに測定力を低く抑
えられるよう小さく設定されている。そして、具体的に
は、平行ばね６の一片は数mm程度に設定されている。

【００１２】平行ばね６は、ばね部６ａ、６ａを水平に
向けた状態で、基台３に片持ち支持されている。平行ば
ね６に外力Ｆが加わると、図２中に点線で示すように、
ばね部６ａ、６ａが片側のヒンジ部６ｂ、６ｂを中心と
して上方に回動し、平行関係を保ったまま傾斜する。こ
の結果、平行ばね６が平行四辺形状に変形する。

【００１３】平行ばね６の材質に単結晶シリコンを採用
した場合、鉄鋼材料や非鉄金属材料等の通常の金属を利
用した場合に比べて組織が均質であるので、ヒンジ部６
ｂ、６ｂのヤング率や熱特性、さらには応力−変位特性
等の機械的特性が均一になる。したがって、平行ばね６
の性能のばらつきがなくなるとともに、製造時の歩留ま
りを向上できる。

【００１４】平行ばね６の自由側の側面には台座１１が
取付けられており、台座１１には棒状の接触体１２が下
向きに取付けられている。また、接触体１２はその下端
に球体としてのプロ−ブ球１２ａを有しており、プロ−
ブ球１２ａは、一次元スライドテ−ブル５上の被測定物
４の表面に接触している。

【００１５】前記投光部７は半導体レ−ザ光（以下、レ
−ザ光と称する）１３を出力するもので、レ−ザドライ
バ１４に連結されている。そして、投光部７は平行ばね
６に向けられており、平行ばね６の上面１５にレ−ザ光
１３を斜めに入射させる。

【００１６】前記受光部８は集光レンズ１６やホトディ
テクタ（図示しない）を備えており、平行ばね６の上面
１５で反射したレ−ザ光１３は、集光レンズ１６により
集光されて受光部８に入射する。さらに、受光部８は処
理回路１７に接続されている。そして、処理回路１７が
受光部８の出力信号を位置情報に変換する。つぎに、上
述の測定プロ−ブ１の作用を説明する。

【００１７】図１中に示すように、投光部７から出力さ
れたレ−ザ光１３は平行ばね６の上面１５で反射し、正
反射光が集光レンズ１６を通って受光部８に入射する。
また、一次元スライドテ−ブル５が被測定物４をｘ方向
に移動させ、被測定物４と接触体１２との相対位置が変
化すると、接触体１２が被測定物４の表面の凹凸に応じ
てｚ方向に上下する。ここで、被測定物４が変位する間
に接触体１２を被測定物４に接触させ続ける手段とし
て、一般的な種々の手段を適用することが可能である。

【００１８】接触体１２が例えば上方に変位した場合、
接触体１２及び台座１１から平行ばね６の片側に上向き
の力Ｆが加わり、図３中に示すように平行ばね６が押し
上げられて弾性変形する。そして、ばね部６ａ、６ａが
平行状態を保ったままヒンジ部７ａ…を中心に回動変位
し、上面１５が角度θだけ傾斜する。ここで、図２及び
図３において、平行ばね６の変形の様子は、説明を分か
り易くするために実際よりも大きく示されている。

【００１９】図３中に示すように、ばね部６ａ、６ａの
変位量をｄとし、ヒンジ部６ｂ、６ｂの間隔をｌとする
と、変位量ｄと回転各θの関係は以下の（１）式によっ
て表される。 θ＝ｄ／ｌ …（１）

【００２０】受光部８に入射するレ−ザ光１３の位置
は、平行ばね６の変形前と変形後ではずれる。つまり、
平行ばね６が変形すると上面１５が傾斜するので、レ−
ザ光１３の反射方向が変化し、受光部８への入射位置も
変化する。

【００２１】平行ばね６の上面１５の元の位置と受光部
８の受光面１８との間の距離をＬとし、レ−ザ光１３の
入射位置のずれ量をＤとすると、ずれ量Ｄは以下の
（２）式によって表される。 Ｄ＝Ｌ・ tan２θ …（２） 平行ばね６の変形量は実際には極く小さく、θ＜＜１で
あるので、（２）式は以下の（３）式に書き換えられ
る。 Ｄ＝２Ｌθ …（３） 上述の（１）式及び（３）式から以下の（４）式及び
（５）式が得られる。 Ｄ＝２Ｌｄ／ｌ …（４） Ｄ／ｄ＝２Ｌ／ｌ …（５）

【００２２】レ−ザ光１３の入射位置のずれ量Ｄが大き
くなれば、平行ばね６の変形に対する反射光の応答性が
高まり、変位検出感度が向上する。つまり、（５）式よ
り、Ｌを大きくするか、或いは、ｌを小さくすればＤが
大きくなり、変位検出感度が向上する。

【００２３】しかし、Ｌの値を大きくすると測定プロ−
ブ１の外形も大きくなり、測定プロ−ブ１の共振周波数
が小さくなる。このため、測定プロ−ブ１が、三次元形
状測定機２が設置された床面等からの外部振動を拾って
いまい、これを原因として共振が生じ易くなる。また、
測定プロ−ブ１が大きくなると、測定プロ−ブ１が熱的
に不安定になり易く、温度ドリフトが大きくなるという
不具合がある。したがって、これらの不具合を抑制しな
がら変位検出感度を向上させるには、ｌを小さくするこ
とが必要である。また、平行ばね６に加わる力Ｆと変位
量ｄとの関係を考える。本実施例の平行ばね６におい
て、力Ｆと変位量ｄとの関係は以下の（６）式によって
示される。 Ｆ／ｄ＝（Ｅｂｔ^5/2 ）／（９πρ^1/2 ｌ² ） ＝Ｅ・Ｋ …（６）

【００２４】ここで、図２及び図３中に示すように、Ｅ
はヤング率、ｂは平行ばねの板厚、ｔはヒンジ部６ｂの
最小薄肉部厚さ、及び、ρはヒンジ部６ｂの円弧半径で
ある。定数Ｋは平行ばね６の形状に応じて定まり、この
定数Ｋの寸法次元は［Ｌ］である。

【００２５】つまり、平行ばね６の外形を小さくするこ
とにより、平行ばね６の変形量に対する発生力（Ｆ／
ｄ）が小さくなり、接触体１２の測定力（接触体１２か
ら被測定物４に加わる力）を小さくすることができる。

【００２６】すなわち、上述のような測定プロ−ブ１に
おいては平行ばね６の外形が小さく（数mm角）に設定さ
れているので、（４）式より、ｌが小さくなり、Ｄ／ｄ
が大きくなる。したがって、変位検出感度が向上し、測
定精度が高まる。

【００２７】また、平行ばね６の外形が小さく（数mm
角）に設定されているので、（６）式のＫの値が小さく
なり、Ｆ／ｄも小さくなる。したがって、接触体１１の
測定力を低減でき、被測定物４が表面に損傷を受けるこ
とを抑制できる。

【００２８】なお、本実施例においては、平行ばね６が
立方体状に成形されているが、本発明はこれに限定され
るものではなく、平行ばね６の形状を立方体以外の種々
の形状に設定することが可能である。また、平行ばね６
の材質は単結晶シリコンに限らず、レ−ザ光１３を十分
に反射できれば、他の材質であってもよい。

【００２９】さらに、平行ばね６のヒンジ部６ｂ…は単
一円弧ヒンジに限らず、平行バネ６を弾性変形させるこ
とができるものであれば、ヒンジ部６ｂ…を他の形状に
設定してもよい。また、本実施例においては、一つの平
行ばね６が備えられ、ｚ方向の変位のみが検出される
が、例えば、ｘｙｚの三方向について平行ばねを配設し
てもよい。そして、本発明は、要旨を逸脱しない範囲で
種々に変形することが可能である。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、弾性変形
可能なプロ−ブ本体と、このプロ−ブ本体に取付けられ
先端に球体を有するとともに球体を被測定物に接触させ
ながら移動し、被測定物の表面の凹凸に応じてプロ−ブ
本体を弾性変形させる接触体と、プロ−ブ本体の変形量
を光てこ式に検出する検出部とを具備したものである。
したがって本発明は、被測定物に加わる荷重を低減する
とともに、測定精度を向上できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の三次元測定プロ−ブが備え
られた三次元形状測定機を示す概略構成図。

【図２】平行ばねを示す斜視図。

【図３】平行ばねの作用を示す説明図。

【符号の説明】

１…三次元測定プロ−ブ、２…三次元形状測定機、４…
被測定物、６…平行ばね（プロ−ブ本体）、９…検出
部、１２…接触体、１２ａ…プロ−ブ球（球体）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弾性変形可能なプロ−ブ本体と、このプ
   ロ−ブ本体に取付けられ先端に球体を有するとともに上
   記球体を被測定物に接触させながら移動し、上記被測定
   物の表面の凹凸に応じて上記プロ−ブ本体を弾性変形さ
   せる接触体と、上記プロ−ブ本体の変形量を光てこ式に
   検出する検出部とを具備した三次元測定プロ−ブ。