JPH0431710A - 三次元測定プローブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） この発明は三次元測定機などに用いられる三次元測定プ
ローブに関する。

（従来の技術） 一般に、三次元自由曲面の形状測定を行う場合、三次元
測定機か用いられる。三次元測定機は周知のように被測
定物に接触する三次元測定プロブを備えている。三次元
測定方式には、三次元測定プローブと被測定物との接触
点の座標を検出するタッチ方式と、三次元測定プローブ
を被測定物に連続的に接触させて上記三次元測定プロー
ブの変位量をアナログ的に検出する倣い方式とがある。

しかしながら、前者のタッチ方式は、基本的には間接、
推定測定であるため、最近では後者の倣い方式か注目さ
れている。

倣い方式に用いられる三次元測定プローブとしては、西
ドイツのＺＥＩＳＳ（ツァイス）社製のものが知られて
いる。この先行技術は、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向に
変形可能な３組の平行ばね部を有するプローブ本体と、
このプローブ本体の先端部に設けられた接触体とから構
成されている。

接触体の先端にはプローブ球が設けられ、このプローブ
球を被測定物に接触させて三次元測定プローブを走査さ
せる。それによって、上記３組の平行ばね部が被測定物
の三次元自由曲面に沿ってそれぞれＸ方向、Ｙ方向およ
びＺ方向に変形するから、その変形量を検出することで
被測定物の形状を測定することかできるようになってい
る。

（発明が解決しようとする課題） ところで、上述した従来の三次元測定プロブにおいては
、各ばね部の変形量の測定を差動トランスを用いて行っ
ていた。つまり、差動トランスはばね部の変形に応じて
変位する軸と、ばね部が変形しても変位しない位置に取
付けられ上記軸がスライド自在に挿入されたコイルとか
ら形成され、上記軸の変位量を電圧値の変化として検出
すプローブ本体は、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向の３組
の差動トランスを組込むことができる大きさにしなけれ
ばならないから、−辺が２０ｍｔｓ以上とかなり大きく
なることが避けられず、しかも構成も複雑化するという
ことがあった。

プローブ本体が大型化すると、その固有振動が低くなる
から、三次元測定機が設置された床面などからの外部振
動を拾い、共振しやすいという問題かある。

この発明は上記事情にもとずきなされたもので、その目
的とするところは、簡単な構成で、小形化することがで
きるようにした三次元測定プローブを提供することにあ
る。

［発明の構成〕 （課題を解決するための手段及び作用）上記課題を解決
するためにこの発明は、プロブ本体と、このプローブ本
体の先端部に設けられ被測定物に接触する接触体とを具
備し、上記プローブ本体には、それぞれＸ方向、Ｙ方向
およびＺ方向に沿って弾性変形するＸばね部、Ｙばね部
およびＺばね部と、各ばね部の変形量をそれぞれ検出す
るＸ歪みゲージ、Ｙ歪みゲージおよびＺ歪みゲージとが
設けられる。

このような構成とすれば、各歪みゲージはプローブ本体
を大きくせずに設けることができるから、プローブ本体
を十分に小形化することができる。

（実施例） 以下、この発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図乃至第４図はこの発明の第１の実施例を示す。第
１図は三次元測定プローブ１の全体構成を示し、この三
次元測定プローブ１はプローブ本体２と、このプローブ
本体２の先端面（下端面）に設けられた接触体３とから
構成されている。上記プローブ本体２は、Ｘブロック体
４、Ｙプロ９フ体５およびＺブロック体６を順次積層し
てなる。

各ブロック体４．５．６は立方体状の単結晶シリコンか
らなり、この単結晶シリコンは断面がほぼＨ状の空洞部
７．８．９に形成されるようくり抜き加工されている。

このように、各ブロック体４．５．６に空洞部７．８．
９をくり抜くと、各ブロック体４．５．６には平行に離
間対向する一対の平行ばね１１　ａ　％１２ａ、１３ａ
からなるＸばね部１１、Ｙばね部１２およびＺばね部１
３が形成される。上記各平行ばねｌｌａ、１２ａ％１３
ａの両端部内面は上記空洞部７．８．９の一部によって
薄肉なヒンジ部１１ｂ、１２ｂ、１３ｂに形成されてい
る。各ばね部１１．１２．１３は上記ヒンジ部１１ｂ、
１２ｂ、１３ｂを支点として弾性的に変形可能となって
いる。

上記各ブロック体４．５．６を単結晶シリコンによって
形成すると、通常の金属材料に比べて均質であるから、
ヒンジ部１１ｂ、１２ｂ、１３ｂのヤング率や熱特性、
さらには応カー歪み特性などの機械的特性を均一にする
ことかできる。したがって、プローブ本体１の機械的特
性か一定になるから、ばらつきのない性能を得ることが
できるばかりか、製造時の歩留まりを向上させることが
できる。

上記Ｚブロック体６の一対の平行ばね１３ａの一方の外
面の一端側には第１の凸条６ａがヒンジ部１３ｂと平行
に突設され、他方の外面の他端側には同じくヒンジ部１
３ｂと平行に第２の凸条６ｂが突設されている。

各ブロック体４．５．６のヒンジ部１１ｂ、１２ｂ、１
３ｂの外面中央部分にはそれぞれＸ歪みゲージ１４、Ｙ
歪みゲージ１５およびＺ歪みケ−ジ１６が設けられてい
る。つまり、各ブロック体４．５．６にはそれぞれ４つ
の歪みゲージが設けられている。これら歪みゲージ１４
．１５．１６は、第２図に示すようにヒンジ部１１ｂ、
１２ｂ、１３ｂの長手方向と直交する方向に平行に離間
して形成された複数のピエゾ抵抗１７と、各ピエゾ抵抗
１７を電気的に直列に接続した複数の導電パッド１７ａ
と、導通されたピエゾ抵抗１７の両末端にそれぞれ設け
られたリード線取出し用の配線バッド１７ｂから形成さ
れている。各ブロック体４．５．６は単結晶シリコンか
らなるから、ボロンなどの不純物を拡散させることで上
記各歪みゲージ１４．１５．１６が形成されている。つ
まり、各歪みゲージ１４．１５．１６は、半導体に回路
パターンを形成するのと同様、フォトリソグラフィー技
術によって形成されている。

そのため、被測定部位に歪みゲージを接着剤によって貼
着する場合のように歪みゲージの特性が接着剤の影響を
受けるということがないから、検出精度が向上するとと
もに剥離しずらく、さらにはブロック体に同じ品質の歪
みゲージを精度よく形成することができる。つまり、各
ブロック体４．５．６の品質を均一化することができる
。

このように形成された各ブロック体４．５．６は第１図
に示すように順次積層されている。つまり、Ｘブロック
体４には、平行ばね１１ａに形成されていない一対の側
面のうちの一方の側面に下部取付板１８が接着固定され
、他方の側面にＹブロック体５の平行ばね１２ａに形成
されていない一対の側面の一方が接着固定されている。

このＹブロック体５の他方の側面の一端側には２ブッロ
ク体６の第１の凸条６ａが接着固定されている。

このＺブロック体６の第２の凸条６ｂには上部取付板１
９が接着固定されている。つまり、第１図に示すｘＳｙ
、ｚの三輪方向のうち、上記Ｘブロック体４は一対の平
行ばねＩｌａをＸ方向に沿わせており、Ｙブロック体５
は一対の平行ばね１２ａをＸ方向と直交するＹ方向に沿
わせて配置されている。さらに、Ｚブロック体６は一対
のばね部１３ａをＸ方向とＹ方向とがなす平面に対して
直交するＺ方向に沿わせて配置されている。

上記下部取付板１８には先端にプローブ球３ａを有する
上記接触体３が垂設され、上記上部取付板１９は図示し
ない三次元測定機のアームに取付けられる。したがって
、上記接触体３のプローブ球３ａが図示しない被測定物
に接触し、この接触体３に外力が作用すると、その外力
のｘＳｙ、ｚ方向の成分に応じて各ブロック体４．５．
６のばね部１１．１２．１３がそれぞれＸ、、ＹＳＺ方
向に変形することになる。

上記各ブロック体４．５．６に設けられた４つの歪みゲ
ージ１４．１５．１６はそれぞれブリッジ回路を形成し
ている。第４図はＸブロック体４に設けられたＸ歪みゲ
ージ１４（第３図と第４図とにおいて、４つのＸ歪みゲ
ージの符号は１４ａ〜１４ｄとする）によって形成され
たブリッジ回路２５を示す。４つのＸ歪みゲージ１４ａ
〜１４ｄのうち、１４ａと１４ｃはＸブロック体４が第
３図に示すように変形したときに圧縮歪みが発生し、１
４ｂと１４ｄは引張り歪みが発生する。

このブリッジ回路２５には定電圧ｖｅｃが印加され、出
力Ｖ　ｏｕｔｘが得られるようになっている。出力Ｖ　
ｏｕｔｘは処理回路２６に入力されて処理されるように
なっている。

詳細は図示しないが、それぞれ４つのＹ歪みゲージ１５
とＺ歪みゲージ１６もＸ歪みゲージ１４と同様のブリッ
ジ回路２６．２７に組まれ、これらブリッジ回路２６．
２７からの出力Ｖ　ｏｕｔｙｓｖ　ｏｕｔｚも上記処理
回路２６に入力されるようになっている。

ここで、Ｘブロック体４に加わるＸ方向の外力をｆｘ、
Ｘばね部１１のばね定数をｋｘ、Ｘ方向の変形量をｄｘ
とすると、 ｆｘ　−ｋｘ　−ｄｘ　　　　　　−（１）式となる。

また、Ｘばね部１１が第３図に示すように外力ｆｘによ
ってｄｘの変形が生じると、歪みゲージ１４ａ、１４ｃ
には圧縮歪みεが生じ、歪みゲージ１４ｂ、１４ｄには
引張り歪み一εが生じる。各歪みゲージが設けられた箇
所のヒンジ部１１ｂは幾何学的に等しい形状に形成して
いるから、圧縮歪みεと引張り歪み−εとの絶対値は等
しい。

各歪みゲージに歪みεが生じると、これら歪みゲージの
抵抗値Ｒの変化δＲも等しくなる。歪みゲージの抵抗値
ＲがδＲ変化したときの第４図におけるブリッジ回路２
５の出力電圧Ｖ　ｏｕｔｘは、となる。したがって、出
力電圧Ｖ　ｏｕｔｘが検出されれば、抵抗値の変化δＲ
を求めることができる。

抵抗値の変化δＲは歪みεに比例し、歪みεはＸばね部
１１の変形量ｄｘに比例するから、上記出力電圧ｖ　ｏ
ｕｔｘから変形量ｄｘを求めることができる。

このようにしてＹばね部１２に変形量ｄｙ、ｚ、ばね８
１３の変形量ｄｚを求めれば、接触体３に加わるｘ、ｙ
、ｚ方向の外力ｆｘ　Ｓｆｙ　ｓ　ｆｚを算出すること
ができる。

ｘ、ｙ、ｚ方向の変形量ｄ　ｘ　Ｓｄ　ｙ　％　ｄ　ｚ
からは接触体３の先端部のプローブ球３ａの上部取付板
１９に対する相対位置を求めることができ、また外力ｆ
Ｘ、　ｆｙＳ　ｆｚからは被測定物かプローブ球３ａに
対して作用した力の方向Ｆを求めることができる。この
力の方向Ｆからは、被測定物とプローブ球３ａとの接点
の方向を求めることができる。

接点の方向が求まれば、プローブ球３ａの中心位置と半
径は既知であるから、被測定物とプローブ球３ａとの接
触点の三次元空間座標を算出することができ、この値が
三次元測定機の接触体３からの最終的な出力となる。こ
の接触体３からの出力によって被測定物との接触点の空
間座標を求めることができるから、それが三次元測定機
からの出力となる。

第５図はこの発明の三次元測定プローブ１の特性を示し
たグラフである。このグラフの横軸はブロック体の一辺
の長さを１０−’−０，１ｍから１０−’−０，１ｔＩ
ｔｘまで変化させた場合に、ブロック体の変形量（ＤＩ
ＳＰＬＡＣＥＭＥＮＴ）　、歪みゲージに加わる歪み（
ＳＴＲＡＩＮ）およびばね部に発生する最小の固有振動
数（ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ　）がどう変わるかを縦軸に示
しである。

同図中Ｄ１〜Ｄ４の直線はブロック体に加える外力（測
定圧）を０．ＩＢｗ、１■ｇｗｘ　１０ｍｇν、および
１００ｍｇｖに変化させた場合のブロック体の大きさと
変形量との関係を示し、８１−８４は同じくブロック体
に加える外力を０．１ｍｇｗ５　ｌｓｇｗＳｌｏｍｇｖ
　、および１００■ｇｗに変化させた場合のブロック体
の大きさと歪みとの関係を示す。また、同図中Ｆはブロ
ック体の大きさと固有振動数との関係を示す。

このグラフから分かるように、ブロック体の一辺のサイ
ズが小さくなると、変形量、歪み、固有振動数がともに
大きくなる。すなわち、本件発明のように単結晶シリコ
ンを加工し、かつ歪みゲージをフォトリソグラフィーに
よって形成するようにすると、たとえば−辺のサイズが
２１ｍ程度のブロック体を形成することが可能となる。

このサイズのブロック体は外力８０ｍｇｖで０．０４μ
ｍ変形し、固有振動数は１０ＫＨｚとなる。また、この
ときの歪みは４ＸｌＯ−６で、この値は通常の半導体歪
みゲージで十分に検出できる値である。

このような結果は、ブロック体の一辺のサイズを２■と
すると、プローブ１の感度を０．０４μｍ以下とし、か
っこのときの外力を８０Ｉｌ１ｇ′ｗ以下としたプロー
ブを実現できることを意味する。さらに、固有振動数は
１０ＫＨｚ程度（通常のプローブは１００Ｈｚ程度）と
高いため、外部振動や床振動によっても振動しずらい利
点がある。

上記第１の実施例では、Ｘ５ＹＳＺの各ブロック体をそ
れぞれ別体に形成して接着固定した。しかしながら、Ｘ
ブロック体とＹブロック体とは一体に形成し、Ｚブロッ
ク体だけを別体として接着固定するようにしてもよく、
または３つのブロック体を全て一体に形成するようにし
てもよい。その場合、プローブ本体は２ブロック体に２
歪みゲージが形成できる形状であることが条件となる。

第６図乃至第８図はそれぞれブロック体の変形例を示す
この発明の第２乃至第４の実施例である。

第６図に示すブロック体３１は、内面側に一対の溝３２
ａを加工することでヒンジ部３２が形成された２枚の単
結晶シリコン板３３を、平行に離間された一対の固定板
３４の両端面に接着固定して形成したもので、このよう
な構成であっても、歪みゲージ３５をヒンジ部３２と対
応する箇所に印刷形成することができる。この場合、固
定板３４は単結晶シリコンを用いず、他の金属板であっ
てもよい。

第７図に示すブロック体４１は、帯状部材４２の両端面
に単結晶シリコンによって形成された薄い弾性板４３の
幅方向一端側を取着し、他端側を固定板４４に取着して
形成するようにしたものである。このような構成によれ
ば、上記弾性板４３がヒンジ部となって弾性的に変形し
、また、この弾性板４３に歪みゲージ４５を印刷形成す
ることができる。

第８図は第６図に示す実施例とほぼ同じ構成であるが、
単結晶シリコン板３３に形成される溝３２ｂを、異方性
エツチングを用いて台形テーパ状に形成したものである
。

第９図は歪みゲージの変形例を示すこの発明の第５の実
施例で、この歪みゲージ５１はピエゾ抵抗５２を連続し
た蛇行状に形成し、その両端に配線パッド５３を形成す
るようにしたものである。

［発明の効果コ 以上述べたようにこの発明は、プローブ本体に、それぞ
れＸ方向、Ｙ方向および２方向に沿って弾性変形するＸ
ばね部、Ｙばね部および２ばね部を設けるとともに、各
ばね部の変形量をそれぞれＸ歪みゲージ、Ｙ歪みゲージ
および２歪みゲージで検出するようにした。したがって
、各ばね部の変形量を差動トランスを用いて検出する場
合に比べて上記プローブ本体を小形化することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１の実施例を示す全体構成の斜視
図、第２図は同じく歪みゲージが設けられた部分を拡大
した斜視図、第３図は同じくブロック体が変形した状態
の側面図、第４図は同じく歪みゲージによって形成され
たブリッジ回路図、第５図はブロク体の特性を示すグラ
フ、第６図乃至第８図はそれぞれこの発明の第２乃至第
４の実施例を示すブロック体の斜視図、第９図はこの発
明の第５の実施例を示す歪み抵抗の拡大図である。 ２・・・プローブ本体、３・・・接触体、１１・・・Ｘ
ばね部、１２・・・Ｙばね部、１３・・・Ｚばね部、１
４・・・Ｘ歪みゲージ、１５・・・Ｙ歪みゲージ、１６
・・・Ｚ歪みゲージ。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第　１　図 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. プローブ本体と、このプローブ本体の先端部に設けられ
   被測定物に接触する接触体とを具備し、上記プローブ本
   体には、それぞれＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向に沿って
   弾性変形するＸばね部、Ｙばね部およびＺばね部と、各
   ばね部の変形量をそれぞれ検出するＸ歪みゲージ、Ｙ歪
   みゲージおよびＺ歪みゲージとが設けられていることを
   特徴とする三次元測定プローブ。