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Titel der Erfindung
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MESSSONDE UND MESSSONDENSYSTEM
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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
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Die Offenbarung der
Japanischen Patentanmeldung Nr. 2016-75420 , angemeldet am 4. April 2016, einschließlich Beschreibungen, Zeichnungen und Ansprüchen, wird hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen.
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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messsonde und ein Messsondensystem, und betrifft insbesondere eine Messsonde und ein Messsondensystem, das eine berührungslose Hochpräzisionsmessung eines spezifizierten Bereichs von einer Form einer Seitenoberfläche eines relativ bewegbaren Werks ermöglicht.
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Stand der Technik
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Herkömmlich wird eine in
JP 2010-2392 A beschriebene Messsonde verwendet. Diese Messsonde umfasst einen Berührungsabschnitt (Stylus bzw. Stift), der in eine Nockennut eines zylindrischen Nockens einzuführen ist. Und die Messsonde ist ausgestaltet, um ein Profil des zylindrischen Nockens, welches eine Seitenoberflächenform eines Werks ist, dadurch zu messen, dass der Stift in Kontakt mit oberen und unteren Oberflächen der Nockennut von dem gedrehten zylindrischen Nocken gebracht wird und der Stift nach oben und nach unten bewegt wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Technisches Problem
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Da der Stift der in
JP 2010-2392 A beschriebenen Messsonde vom Kontakttyp ist, wird jedoch lediglich ein den Stift berührender Kontaktpunkt an dem Profil reflektiert. Das heißt, der Stift misst den Kontakt ”punkt” und kann nicht eine Form eines „Bereichs” messen. Da dieser Stift eine Ausgestaltung aufweist, bei welcher eine Bewegung davon lediglich an den oberen und unteren Oberflächen der Nockennut beschränkt sein muss, ist es auch schwierig zu klären, welche der oberen und unteren Oberflächen der Nockennut an dem Profil des zylindrischen Nockens reflektiert wird.
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Die vorliegende Erfindung ist ausgeführt worden um die vorangehenden Probleme zu lösen, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Messsonde und ein Messsondensystem bereitzustellen, die eine berührungslose Hochpräzisionsmessung eines spezifizierten Bereichs einer Form von einer Seitenoberfläche eines relativ bewegbaren Werks ermöglichen.
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Lösung des Problems
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Die Erfindung gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Anmeldung hat die obigen Probleme gelöst durch Bereitstellen einer Messsonde zum Messen einer Seitenoberflächenform eines relativ bewegbaren Werks bzw. Erzeugnisses, mit einer Lichtquelle, einer Objektivlinse, die ausgebildet ist, um der Form der Seitenoberfläche des Werks zu entsprechen, wobei sie angeordnet ist, um zu der Seitenoberfläche des Werks berührungslos gegenüberliegend zu sein, und ausgestaltet ist, um Licht von der Lichtquelle zu der Seitenoberfläche des Werks zu emittieren, und einem Sensor, der ausgestaltet ist, um ein Interferenzmuster zu erfassen, das durch reflektiertes Licht von der Seitenoberfläche des Werks und reflektiertes Licht an einer Oberfläche der Objektivlinse erzeugt ist.
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Bei der Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Anmeldung ist das Werk ein rotierender Körper und ist relativ zu der Messsonde rotierbar bzw. drehbar.
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Bei der Erfindung gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Anmeldung ist das Werk eine Kugelgewindespindel bzw. Kugelumlaufspindel, die Seitenoberflächenform ist eine Schraubnut bzw. ein Schneckengang, und eine Querschnittform der Objektivlinse ist eine Form, wo Bögen von zwei Kreisen miteinander überlappen.
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Bei der Erfindung gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Anmeldung ist die Oberfläche der Objektivlinse in einer Draufsicht in einen Bogen entlang eines Schraubnut-Mittenabschnitts der Schraubnut ausgebildet.
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Bei der Erfindung gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Anmeldung ist der Sensor ein Liniensensor bzw. Zeilensensor, mit einer Vielzahl an Erfassungselementen lediglich in einer Linie in einer Rotationswellen- bzw. Drehwellenrichtung des Werks.
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Bei der Erfindung gemäß einem sechsten Aspekt der vorliegenden Anmeldung umfasst die Messsonde ferner eine Kollimatorlinse, die ausgestaltet ist, um von der Lichtquelle emittiertes Licht zu kollimieren bzw. parallel zu richten, einen Strahlteiler, der ausgestaltet ist, um das kollimierte Licht zu reflektieren, das durch die Kollimatorlinse zu der Seitenoberfläche des Werks durchgeht, und ein optisches Element, das ausgestaltet ist, um das an dem Strahlteiler reflektierte, kollimierte Licht zu verdichten bzw. zu bündeln, um Licht von der Lichtquelle vertikal in eine Richtung zu der Oberfläche der Objektivlinse und der Seitenoberfläche des Werks hin zu emittieren.
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Bei der Erfindung gemäß einem siebten Aspekt der vorliegenden Anmeldung umfasst die Messsonde ferner einen Isolator, der ausgestaltet ist, um eine Reflexion von Licht, das durch beide der Kollimatorlinse und des Strahlteilers durchgeht, und an dem Sensor reflektiertem Licht zu verhindern.
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Bei der Erfindung gemäß einem achten Aspekt der vorliegenden Anmeldung umfasst die Messsonde ferner ein Gleitelement bzw. Schiebelement, das ausgestaltet ist, um die Seitenoberfläche des Werks zu berühren.
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Bei der Erfindung gemäß einem neunten Aspekt der vorliegenden Anmeldung weist das Gleitelement ein Paar an Stücken auf, und die Stücke sind angeordnet, um die Objektivlinse dazwischen anzuordnen.
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Bei der Erfindung gemäß einem zehnten Aspekt der vorliegenden Anmeldung umfasst ein Messsondensystem mit der Messsonde nach einem der ersten bis neunten Aspekte eine Signalverarbeitungseinrichtung, die ausgestaltet ist, um das in dem Sensor erfasste Interferenzmuster zu analysieren und die Form der Seitenoberfläche des Werks abzuleiten.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen spezifizierten Bereich einer Form von einer Seitenoberfläche eines relativ bewegbaren Werks berührungslos mit hoher Präzision zu messen.
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Diese und andere neue Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen offenkundig werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die bevorzugten Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden, wobei ähnliche bzw. gleiche Elemente durchweg in den Figuren mit ähnlichen bzw. gleichen Bezugszeichen bezeichnet worden sind, und wobei:
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1 eine schematische Darstellung ist, die ein Beispiel eines Messsondensystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2A eine Seitenansicht um eine Messsonde in 1 herum ist, und 2B eine obere Ansicht um die Messsonde in 1 herum ist;
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3A eine Seitenansicht ist, die eine Positionsbeziehung zwischen einer Objektivlinse und einer Kugelgewindespindel in 2A und 2B darstellt, und 3B eine Vorderansicht ist, welche die Positionsbeziehung zwischen der Objektivlinse und der Kugelgewindespindel in 2A und 2B darstellt;
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4A eine schematische Darstellung ist, die eine Beziehung zwischen einer Position von einer Schraubnut gegen die Objektivlinse in 2A und 2B und einem Interferenzmuster darstellt, und einen normalen Zustand darstellt, 4B eine schematische Darstellung ist, die eine Beziehung zwischen der Position der Schraubnut gegen die Objektivlinse in 2A und 2B und einem Interferenzmuster darstellt, und einen Zustand darstellt, bei welchem sich ein Durchmesser der Schraubnut geändert hat, und jede von 4C und 4D eine schematische Darstellung ist, die eine Beziehung zwischen der Position der Schraubnut gegen die Objektivlinse in 2A und 2B und einem Interferenzmuster darstellt, und einen Zustand darstellt, bei welchem sich eine Ganghöhensteigung der Schraubnut geändert hat;
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5A Formfehler der Schraubnut darstellt und eine Spitzbogenform der Schraubnut und Kontaktpunkte darstellt, 5B die Formfehler der Schraubnut darstellt und Nutdurchmesserunregelmäßigkeiten darstellt, und 5C die Formfehler der Schraubnut darstellt und Ganghöhenunregelmäßigkeiten darstellt;
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6A eine schematische Darstellung um eine Messsonde gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung herum ist, 6B eine schematische Ansicht um eine Messsonde gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung herum ist, und 6C eine schematische Ansicht um eine Messsonde gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung herum ist;
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7A eine obere Ansicht ist, die eine Beziehung zwischen einem Spitzenende einer Messsonde gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und einer Kugelgewindespindel darstellt, und jede von 7B und 7C eine Seitenansicht ist, welche die Beziehung zwischen dem Spitzenende der Messsonde gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und der Kugelgewindespindel darstellt; und
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8 eine schematische Darstellung ist, die ein Beispiel eines Messsondensystems gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Untenstehend wird ein Beispiel einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf 1 bis 5C beschrieben werden.
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Zuerst wird eine Übersicht eines Messsondensystems beschrieben werden.
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Ein Messsondensystem 100 umfasst eine Basis 106, einen Rotationsmechanismus 108, eine Messsonde 124, einen Sondenstützmechanismus 142 und eine Signalverarbeitungseinrichtung 168, wie in 1 dargestellt.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform ist ein zu messendes Werk eine Kugelgewindespindel 102, die als ein rotierender Körper dient. Die Kugelgewindespindel 102 wird verwendet, um zum Beispiel einen Gleiter bzw. Schieber oder dergleichen (nicht dargestellt) von einer Linearbewegungsstufe bzw. -haltevorrichtung zu bewegen, der an einer (Gewinde-)Mutter NT über Kugeln BL mit hoher Präzision fixiert ist, wie in 5A dargestellt. Eine spiralförmige Schraubnut 102A (Rollbewegungsoberfläche der Kugel BL) an regelmäßigen Ganghöhensteigungen ist an einer Seitenoberfläche der Schraubnut 102 vorgesehen, wie in 3A und 5A dargestellt (das heißt eine Seitenoberflächenform des Werks ist die Schraubnut 102A). Der Querschnitt der Schraubnut 102A ist in eine Spitzbogenform ausgebildet, wo Bögen von zwei Kreisen CS (eine Querschnittform von einer oberen Schraubnutoberfläche 102B und eine Querschnittform von einer unteren Schraubnutoberfläche 102C) miteinander überlappen, um zum Beispiel eine Anpassung eines Raums zwischen der Schraubnut 102A und der Kugel BL zu erleichtern, wie in 5A dargestellt. Die Kugel BL berührt die Schraubnut 102A an zwei Kontaktpunkten TP, die insgesamt aus einem Kontaktpunkt an der oberen Schraubnutoberfläche 102B und einem Kontaktpunkt an der unteren Schraubnutoberfläche 102C bestehen. Bei der tatsächlichen Schraubnut 102A treten Nutdurchmesserunregelmäßigkeiten EG an jedem dieser Kreise CS auf, wie in 5B dargestellt, wenn die Schraubnut 102A ausgebildet wird. Somit verursacht die Schraubnut 102A, dass entsprechende Ganghöhenunregelmäßigkeiten EL (wie beispielsweise Zufallsgang des Kontaktpunkts TP) auftreten, wie in 5C dargestellt. Folglich treten bei der Kugelgewindespindel 102 nicht nur Formfehler eines Basismaterials davon (ein Außendurchmesserfehler, ein Axialmittenfehler, ein Rundheitsfehler und dergleichen), sondern auch Formfehler der Schraubnut 102A (ein Ganghöhensteigungsfehler, eine Ganghöhenunregelmäßigkeit und dergleichen) entsprechend auf.
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Die Basis 106 ist eine Basis, die den Rotationsmechanismus 108 und den Sondenstützmechanismus 142 stützt, wie in 1 dargestellt. Die Basis 106 stützt auch die Kugelgewindespindel 102.
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Der Rotationsmechanismus 108 ist ein Mechanismus, der ausgestaltet ist, um die Kugelgewindespindel 102 zu drehen, wie in 1 dargestellt. Der Rotationsmechanismus 108 umfasst eine Säule 110, eine Führung 112, eine Antriebsquelle (Motor) 118 und einen Drehwertgeber 120. Die Säule 110 ist vorgesehen, um auf der Basis 106 aufgerichtet zu sein, und stützt die Führung 112. Die Führung 112 stützt ein Werkstützelement 114, um dem Werkstützelement 114 zu ermöglichen, sich dem anderen Werkstützelement 114, das direkt in der Basis 106 angeordnet ist, anzunähern und sich von ihm zu trennen. Die Werkstützelemente 114 stützen drehbar die Kugelgewindespindel 102 über eine Rotationswelle 104. Das heißt, durch Bewegen des an der Führung 112 gestützten Werkstützelements 114 können die zwei Werkstützelemente 114 jede der Kugelgewindespindeln 102 mit verschiedenen Längen drehbar stützen.
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Wie in 1 dargestellt, ist die Rotationswelle 104 an der Kugelgewindespindel 102 lösbar angebracht, und wird angetrieben, um über einen Steuerriemen 116 durch die Antriebsquelle 118 gedreht zu werden. Auch ist die Rotationswelle 104 direkt mit dem Drehwertgeber 120 verbunden (die Rotationswelle 104 kann integriert mit der Kugelgewindespindel 102 fixiert sein). Der Drehwertgeber 120 ist mit einer Anzeigeeinrichtung 122 verbunden. Dies ermöglicht, dass ein Rotationswinkel bzw. Drehwinkel der Kugelgewindespindel 102 auf einer Anzeigeeinheit 122A der Anzeigeeinrichtung 122 bestätigt wird. Die Antriebsquelle 118 und die Anzeigeeinrichtung 122 sind mit der Signalverarbeitungseinrichtung 168 verbunden.
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Die Messsonde 124 ist angeordnet, um zu einer Seitenoberfläche der Kugelgewindespindel 102 gegenüberliegend zu sein, und kann die Seitenoberflächenform (Schraubnut 102A) der Kugelgewindespindel 102 messen, die durch den Rotationsmechanismus 108 gedreht werden kann, wie in 1 dargestellt. Die Messsonde 124 wird unten im Detail beschrieben werden.
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Der Sondenstützmechanismus 142 ist ein Mechanismus, der ausgestaltet ist, um die Messsonde 124 zu stützen, um der Messsonde 124 zu ermöglichen, gegenüberliegend zu der Seitenoberfläche der Kugelgewindespindel 102 zu sein, wie in 1 dargestellt. Der Sondenstützmechanismus 142 umfasst eine Anpassungs- bzw. Einstellungsstufe 144, eine Säule 146, eine Z-Stufe 148, einen Linearencoder bzw. Linearwertgeber 150 und einen Balancemechanismus 158. Die Anpassungsstufe 144 ist in einer X-Richtung an der Basis 106 bewegbar, um die Messsonde 124 in Bezug auf die axiale Mitte O der Rotationswelle 104 zu positionieren (die Anpassungsstufe 144 kann nicht nur in der X-Richtung, sondern auch in einer Y-Richtung senkrecht zu der X-Richtung bewegbar sein). Die Säule 146 ist vorgesehen, um auf der Anpassungsstufe 144 aufgerichtet zu sein, und stützt die Z-Stufe 148. Die Z-Stufe 148 stützt die Messsonde 124, so dass die Messsonde 124 in einer Z-Richtung bewegbar ist. Der Linearwertgeber 150 ist in der Säule 146 vorgesehen.
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Wie in 1 dargestellt, umfasst der Linearwertgeber 150 einen Erfassungskopf 152 und eine lineare Skala bzw. einen Linearmaßstab 154. Der Erfassungskopf 152 ist an der Messsonde 124 fixiert, und die lineare Skala 154 ist an der Säule 146 fixiert. Der Linearwertgeber 150 ist mit einer Anzeigeeinrichtung 156 verbunden. Dies ermöglicht, dass eine Position der Messsonde 124 in der Z-Richtung auf einer Anzeigeeinheit 156A der Anzeigeeinrichtung 156 bestätigt wird. Wie in 1 dargestellt, sind die Anpassungsstufe 144, die Z-Stufe 148 und die Anzeigeeinrichtung 156 mit der Signalverarbeitungseinrichtung 168 verbunden.
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Wie in 1 dargestellt, ist der Balancemechanismus 158 ein Mechanismus, der ausgestaltet ist, um eine Bewegung der Messsonde 124 mit einer kleinen Kraft zu erzielen. Das heißt, der Balancemechanismus 158 ermöglicht der Z-Stufe 148 die Messsonde 124 mit kleinem Drehmoment zu bewegen. Der Balancemechanismus 158 umfasst einen Draht 160, zwei Seilscheiben bzw. Umlenkrollen 162 und 164 und einen Ausgleicher 166. Der Draht 160 verbindet den Ausgleicher 166, welcher im Gewicht ungefähr äquivalent zu der Messsonde 124 ist, mit der Messsonde 124. Die zwei Seilscheiben 162 und 164 sind an der Säule 146 drehbar fixiert und stützen den Draht 160 drehbar. Ein derartiger Balancemechanismus ist jedoch nicht essentiell.
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Die Signalverarbeitungseinrichtung 168 ist außerhalb der Messsonde 124 angeordnet, und umfasst eine Speichereinheit (nicht dargestellt), die ausgestaltet ist, um verschiedene Ausgangswerte zu speichern, und eine Verarbeitungseinheit 170 (2A), die ausgestaltet ist, um die verschiedenen Ausgangswerte, die in der Speichereinheit gespeichert sind, auszulesen und um eine Berechnung durchzuführen, wie in 1 dargestellt. Insbesondere liest die Verarbeitungseinheit 170 Designdaten der Kugelgewindespindel 102 aus der Speichereinheit aus, und leitet Koordinaten ab, welche die Form der Schraubnut 102A repräsentieren. Die Verarbeitungseinheit 170 steuert die Antriebsquelle 118 und dreht die Kugelgewindespindel 102 basierend auf den abgeleiteten Koordinaten. Die Verarbeitungseinheit 170 steuert auch den Sondenstützmechanismus 142 und bewegt die Messsonde 124 in die Z-Richtung (und die X-Richtung). Die Verarbeitungseinheit 170 korreliert einen Rotationswinkel der Kugelgewindespindel 102 mit einer Position der Messsonde 124 in der Z-Richtung, und verarbeitet ein Ausgangssignal der Messsonde 124. Die Signalverarbeitungseinrichtung 168 ist mit Eingabeeinrichtungen (nicht dargestellt), beispielsweise eine Tastatur und eine Maus, verbunden, und die Eingabeeinrichtungen ermöglichen eine Eingabe von Anweisungen bzw. Instruktionen, Festlegen von Ausgangswerten und Auswahl und Bestimmung von Verarbeitungsvorgängen auf eine angemessene Weise.
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Als nächstes wird die Messsonde 124 hauptsächlich unter Bezugnahme auf 2A und 2B im Detail beschrieben werden.
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Die Messsonde 124 umfasst ein Gehäuse 126, eine Lichtquelle 128, eine Kollimatorlinse 130, einen Strahlteiler 132, eine Kondensorlinse 134, eine Objektivlinse 136, einen Isolator 138 und einen Liniensensor (Sensor) 140, wie in 2A dargestellt. Eine nicht dargestellte Lichtabschirmstruktur ist angemessen mit dem Gehäuse 126 versehen, um Streulicht, zerstreutes Licht und dergleichen vor einer Außenseite und die Lichtquelle 128 an einem Eintreten in den Liniensensor 140 zu hindern. Das Gehäuse 126 fixiert die Lichtquelle 128, die Kollimatorlinse 130, den Strahlteiler 132, die Kondensorlinse 134, die Objektivlinse 136, den Isolator 138 und den Liniensensor 140. Die Lichtquelle 128 ist eine punktartige Lichtquelle, wie beispielsweise eine monochromatische LED. Die Wellenlänge der Lichtquelle 128 ist vorzugsweise so lang wie möglich (z. B. Infrarotlicht), von einem Gesichtspunkt des Erfassens eines Formfehlers im Vergleich mit einer idealen Form (Designform) der Schraubnut 102A, und dies ist nicht notwendigerweise der Fall. Die Kollimatorlinse 130 ist ein optisches Element, das ausgestaltet ist, um von der Lichtquelle 128 emittiertes Licht zu kollimieren. Der Strahlteiler 132 ist ein optisches Element, das ausgestaltet ist, um das kollimierte Licht, das durch die Kollimatorlinse 130 durchgeht, in eine Richtung zu der axialen Mitte O der Kugelgewindespindel 102 (eine Richtung einer optischen Achse P) hin zu reflektieren. Die Kondensorlinse 134 ist ein optisches Element, das ausgestaltet ist, um das kollimierte Licht zu verdichten, das an dem Strahlteiler 132 reflektiert wird, um Licht R0 von der Lichtquelle 128 vertikal zu einer Oberfläche 136A der Objektivlinse 136, die nachfolgend auf die Kondensorlinse 134 vorgesehen ist, und einem spezifizierten Bereich der Schraubnut 102A zu emittieren.
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Die Objektivlinse 136 ist eine ungefähr halbkreisförmige zylindrische Linse, wie in 2A, 2B, 3A und 3B dargestellt. Die Objektivlinse 136 ist in einer der Schraubnut 102A der Kugelgewindespindel 102 entsprechenden Form (Designform). Das heißt, wie in 3A dargestellt, entsprechen eine obere Linsenoberfläche 136B und eine untere Linsenoberfläche 136C der Objektivlinse 136 der oberen Schraubnutoberfläche 102B beziehungsweise der unteren Schraubnutoberfläche 102C, und eine Querschnittform der Oberfläche 136A der Objektivlinse 136 ist eine Form, wo zwei Bögen miteinander überlappen. Die Objektivlinse 136 ist angeordnet, um berührungslos (Spalt Gp) gegenüberliegend zu der Schraubnut 102A zu sein, um zu ermöglichen, dass das Licht R0 von der Lichtquelle 128 zu der Schraubnut 102A emittiert wird, wie in 3A dargestellt.
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Wie in 3A dargestellt, ist das Licht R0 von der Lichtquelle 128 senkrecht zu der Oberfläche 136A der Objektivlinse 136. Somit wird das Licht R0 von der Lichtquelle 128 an der Oberfläche 136A der Objektivlinse 136 partiell reflektiert und folgt dem Einfallspfad des Lichts R0 von der Lichtquelle 128 in eine umgekehrte Richtung (reflektiertes Licht R2). Andererseits wird das Licht R0 von der Lichtquelle 128, das nicht an der Oberfläche 136A der Objektivlinse 136 reflektiert worden ist, vertikal zu der Schraubnut 102A emittiert. Somit folgt an der Schraubnut 102A reflektiertes Licht (reflektiertes Licht R1) auch dem Einfallspfad des Lichts R0 von der Lichtquelle 128 in eine umgekehrte Richtung. Das heißt, der Lichtpfadunterschied zwischen dem reflektierten Licht R1 und dem reflektierten Licht R2 ist zweimal der Spalt Gp zwischen der Schraubnut 102A und der Oberfläche 136A der Objektivlinse 136. Der Spalt Gp kann zum Beispiel weniger als 10 μm betragen. Die Objektivlinse 136 kann mittels Formgebung, Schleifen oder Polieren, oder direkt durch einen 3D-Drucker, ausgebildet werden.
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Wie in 3B dargestellt, wird das Licht R0 zum Messen der Schraubnut 102A an Bereiche emittiert, welche die Kugel BL höchst wahrscheinlich berührt (Messbereiche MAO), die sich zwischen einem Schraubnutmittenabschnitt 102D und einem oberen Schraubnutendabschnitt 102E an der oberen Schraubnutoberfläche 102B befinden, und zwischen dem Schraubnutmittenabschnitt 102D und einem unteren Schraubnutendabschnitt 102F an der unteren Schraubnutoberfläche 102C. Die Kugelgewindespindel 102 wird gegen die Messsonde 124 gedreht. Somit kann, durch Bewegen der Messsonde 124 in die Z-Richtung zusammen mit einer Rotation der Kugelgewindespindel 102, die Messsonde 124 streifenartige Bereiche (Messzielbereiche MA) entlang von Ganghöhen der Schraubnut 102A kontinuierlich messen. Wie in 2B dargestellt, während die gesamte Form der Objektivlinse 136 die ungefähr halbkreisförmige Form ist, ist auch die Oberfläche 136A in gewissem Maße in einen Bogen entlang des Schraubnutmittenabschnitts 102D ausgebildet, in einer Draufsicht zu einer XY-Ebene. Somit kann ein Bereich mit etwas großem Umfang der Schraubnut 102A in der Y-Richtung ein Messziel der Messsonde 124 sein.
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Der Isolator 138 verhindert eine Reflexion von Licht, das durch beide die Kollimatorlinse 130 und den Strahlteiler 132 durchgeht, und an dem Liniensensor 140 reflektiertem Licht, um einen Schattenstreifen bzw. Echo an dem Liniensensor 140 und eine Abnahme eines S/N-Verhältnisses von einem Interferenzmuster zu verhindern, wie in 2A dargestellt.
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Der Liniensensor 140 erfasst ein Interferenzmuster, das erzeugt wird durch das reflektierte Licht R1 an der Schraubnut 102A, das durch beide die Objektivlinse 136 und den Strahlteiler 132 durchgeht, und das reflektierte Licht R2 an der Oberfläche 136A der Objektivlinse 136, wie in 2A dargestellt. Bei der vorliegenden Ausführungsform umfasst der Liniensensor 140 separat einen Liniensensor 140A, der ausgestaltet ist, um eine Form (Haltung) der unteren Schraubnutoberfläche 102C zu messen, und einen Liniensensor 140B, der ausgestaltet ist, um eine Form (Haltung) der oberen Schraubnutoberfläche 102B zu messen. Lediglich ein Liniensensor kann jedoch verwendet werden, um die Formen der oberen Schraubnutoberfläche 102B und der unteren Schraubnutoberfläche 102C zu messen. Der Liniensensor 140 umfasst eine Vielzahl an Erfassungselementen lediglich in einer Linie in einer Rotationswellenrichtung (Richtung der axialen Mitte O der Rotationswelle 104) der Kugelgewindespindel 102. Pixel der Erfassungselemente sind äußerst eng in der Z-Richtung und äußerst weit in der Y-Richtung. Folglich kann der Liniensensor 140 das Interferenzmuster mit einem hohen Kontrast erfassen.
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4A bis 4D stellen Zustände von durch die Liniensensoren 140A und 140B erfassten Interferenzmustern in einem Fall dar, in welchem sich eine Positionsbeziehung zwischen der Objektivlinse 136 und der Schraubnut 102A geändert hat.
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Wie in 4A dargestellt, in einem Fall, in welchem die Form der Schraubnut 102A gleich der Designform ist, ist der Spalt Gp zwischen der Schraubnut 102A und der Oberfläche 136A der Objektivlinse 136 an den Messbereichen MAO konstant. Somit sind die Interferenzmuster-Streifen in den Messbereichen MAO in regelmäßigen Intervallen bzw. Abständen.
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Umgekehrt, wie in 4B dargestellt, in einem Fall, in welchem der Durchmesser der Schraubnut 102A von der Designform abweicht (zum Beispiel in einem Fall, in welchem der Durchmesser groß ist, wie durch den Pfeil mit leerer Mitte dargestellt), ist der Spalt Gp zwischen der Schraubnut 102A und der Oberfläche 136A der Objektivlinse 136 nicht konstant, sondern ändert sich in den Messbereichen MAO. Somit sind die Interferenzmuster-Streifen in den Messbereichen MAO in unregelmäßigen Abständen. Es ist anzumerken, dass die Pfeile mit leerer Mitte an der niedrigen Stufe in 4B eine Expansion und Kontraktion der Intervalle der Interferenzmuster-Streifen repräsentieren.
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Wie in 4C dargestellt, in einem Fall, in welchem eine Ganghöhensteifung der Schraubnut 102A kürzer als die Designform ist, wie durch den Pfeil mit leerer Mitte dargestellt, nimmt außerdem der Spalt Gp zwischen der oberen Schraubnutoberfläche 102B und der oberen Linsenoberfläche 136B der Objektivlinse 136 ab, während der Spalt Gp zwischen der unteren Schraubnutoberfläche 102C und der unteren Linsenoberfläche 136C der Objektivlinse 136 zunimmt. Somit bewegt sich das Interferenzmuster an dem Liniensensor 140A zu der unteren Seite des Zeichnungsblatts, und die Phase ändert sich. Zur gleichen Zeit bewegt sich das Interferenzmuster an dem Liniensensor 140B zu der oberen Seite des Zeichnungsblatts, und die Phase ändert sich. Es ist anzumerken, dass die Pfeile mit leerer Mitte an der unteren Stufe in 4C Bewegungsrichtungen der Interferenzmuster darstellen.
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Wie in 4D dargestellt, in einem Fall, in welchem eine Ganghöhensteigung der Schraubnut 102A länger als die Designform ist, wie durch den Pfeil mit leerer Mitte dargestellt, nimmt außerdem der Spalt Gp zwischen der oberen Schraubnutoberfläche 102B und der oberen Linsenoberfläche 136B der Objektivlinse 136 zu, während der Spalt Gp zwischen der unteren Schraubnutoberfläche 102C und der unteren Linsenoberfläche 136C der Objektivlinse 136 abnimmt. Somit bewegt sich das Interferenzmuster an dem Liniensensor 140A zu der oberen Seite des Zeichnungsblatts, und die Phase ändert sich. Zur gleichen Zeit bewegt sich das Interferenzmuster an dem Liniensensor 140B zu der unteren Seite des Zeichnungsblatts, und die Phase ändert sich. Es ist anzumerken, dass die Pfeile mit leerer Mitte an der unteren Stufe in 4D Bewegungsrichtungen der Interferenzmuster darstellen.
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Wie in 1 dargestellt, ist unterdes die Messsonde 124 mit der Signalverarbeitungseinrichtung 168 verbunden. Das heißt, die Signalverarbeitungseinrichtung 168 kann das in dem Liniensensor 140 erfasste Interferenzmuster analysieren und die Form der Schraubnut 102A ableiten.
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Als nächstes wird eine Verfahrensweise zum Messen der Schraubnut 102A, die durch die Messsonde 124 durchgeführt wird, beschrieben werden.
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Als erstes wird die Kugelgewindespindel 102, als ein zu messendes Ziel, an dem Werkstützelement 114 angebracht, so dass die Kugelgewindespindel 102 um die Rotationswelle 104 herum drehbar ist. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Anpassung bzw. Einstellung durchgeführt, so dass die axiale Mitte O der Rotationswelle 104 gleich der axialen Mitte der Kugelgewindespindel 102 sein kann. Nachfolgend wird unter Verwendung des Sondenstützmechanismus 142 die Höhe der Messsonde 124 an die Höhe einer Messstartposition der Kugelgewindespindel 102 angepasst, und eine Anpassung wird so durchgeführt, dass sich die optische Achse P der Messsonde 124 mit der axialen Mitte O schneiden kann. Der Winkel der Kugelgewindespindel 102 wird dann unter Verwendung des Rotationsmechanismus 108 so angepasst, dass sich die Schraubnut 102A an bzw. auf der optischen Achse P der Messsonde 124 befinden kann. Eine Positionsanpassung der Messsonde 124 in der X-Richtung wird dann unter Verwendung der Anpassungsstufe 144 des Sondenstützmechanismus 142 durchgeführt, so dass die Objektivlinse 136 der Messsonde 124 und die Schraubnut 102A einen angemessenen Spalt Gp dazwischen aufweisen können.
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Mittels einer Anweisung von einer Eingabeeinrichtung (nicht dargestellt) wird nachfolgend in der Signalverarbeitungseinrichtung 168 ein Messprogramm für die Schraubnut 102A gestartet. Somit wird zur gleichen Zeit wie die Kugelgewindespindel 102 mit vorbestimmter Geschwindigkeit gedreht wird, die Höhe der Messsonde 124 verändert. Die Objektivlinse 136 der Messsonde 124 ist in einem Zustand festgelegt, dass sie jederzeit der Schraubnut 102A gegenüberliegt. Erfassungssignale werden in Echtzeit von der Messsonde 124 ausgegeben, und die Ausgabesignale werden in der Signalverarbeitungseinrichtung 168 verarbeitet. Unterdes kann dieses Verarbeiten zur gleichen Zeit wie die Steuerung oder nach dem Ende der Steuerung durchgeführt werden.
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Ein Messen der Kugelgewindespindel 102 wird durch das Ende des Messprogramms oder eine Anweisung von der Eingabeeinrichtung beendet.
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Auf diese Weise wird bei der vorliegenden Ausführungsform die Objektivlinse 136 ausgebildet, um der Schraubnut 102A zu entsprechen, wird angeordnet, um zu der Schraubnut 102A berührungslos gegenüberliegend zu sein, und emittiert das Licht R0 von der Lichtquelle 128 zu der Schraubnut 102A. Der Liniensensor 140 erfasst dann das Interferenzmuster des reflektierten Lichts R1 von der Schraubnut 102A und des reflektierten Lichts R2 von der Oberfläche 136A der Objektivlinse 136. Das heißt, die vorliegende Ausführungsform nutzt eine Ausgestaltung bei welcher der Liniensensor 140 das Interferenzmuster erfasst, das durch einen Lichtpfadunterschied basierend auf dem Spalt Gp zwischen der Objektivlinse 136 und der Schraubnut 102A erzeugt wird. Folglich kann durch Verarbeiten einer Ausgabe des Liniensensors 140 in der Signalverarbeitungseinrichtung 168 der Messzielbereich MA der Schraubnut 102A für die Objektivlinse 136, an welche das Licht R0 von der Lichtquelle 128 emittiert wird, spezifiziert werden, und eine Form des Messzielbereichs MA kann gemessen werden.
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Auch kann bei der vorliegenden Ausführungsform die Schraubnut 102A berührungslos gemessen werden. Somit kann die Form des Messzielbereichs (spezifizierter Bereich) MA, einschließlich nicht nur eines relativ vorstehenden „Punkts” in der Schraubnut 102A, sondern auch eines ausgesparten Bereichs um den Punkt herum, gemessen werden. Da die Messsonde 124 nicht ausgestaltet ist, um sich durch Berühren der Kugelgewindespindel 102 zu bewegen, hängt eine Bewegung der Messsonde 124 auch nicht von der tatsächlichen Ganghöhensteigung der Schraubnut 102A ab. Somit können bei der vorliegenden Ausführungsform Änderungen beim Durchmesser der Schraubnut 102, Änderungen bei der Ganghöhensteigung und dergleichen, wie in 4B bis 4D dargestellt, gemessen werden. Das heißt, Formfehler der Schraubnut 102A der Kugelgewindespindel 102 (ein Ganghöhensteigungsfehler, eine Ganghöhenunregelmäßigkeit und dergleichen) können gemessen werden.
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Auch kann bei der vorliegenden Ausführungsform die Objektivlinse 136 beide Formen der oberen Schraubnutoberfläche 102B und der unteren Schraubnutoberfläche 102C der Schraubnut 102A gleichzeitig messen. Somit ist eine Positionsanpassung der Objektivlinse 136 gegen die Schraubnut 102A einfach, und eine Messung kann höchst präzise sein. Da beide der Formen der oberen Schraubnutoberfläche 102B und der unteren Schraubnutoberfläche 102C zur gleichen Zeit verglichen und untersucht werden können, können auch Merkmale des Ausbildens der Schraubnut 102A einfach gefunden werden. Ferner kann eine Messung unverzüglicher bzw. zeitnaher durchgeführt werden, als in einem Fall des separaten Messens der oberen Schraubnutoberfläche 102B und der unteren Schraubnutoberfläche 102C. Unterdes ist die vorliegende Erfindung nicht auf dieses beschränkt und kann eine Ausgestaltung der Objektivlinse nutzen, bei welcher lediglich entweder die obere Schraubnutoberfläche oder die untere Schraubnutoberfläche der Schraubnut gemessen wird.
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Auch kann bei der vorliegenden Ausführungsform ein Verwenden des Liniensensors 140 eine Zeit pro Scan bzw. Abtasten weiter verkürzen als ein Verwenden eines Bereichssensors, und kann die Auflösung verbessern. Somit kann eine für eine Messung erforderliche Zeit mit hoher Auflösung drastisch verkürzt werden. Unterdes ist die vorliegende Erfindung nicht auf dieses beschränkt und kann einen Bereichssensor verwenden, ohne den Liniensensor zu verwenden, oder kann ein einzelnes Erfassungselement bewegen, so dass das Erfassungselement arbeitet, anstelle des Liniensensors.
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Auch verarbeitet bei der vorliegenden Ausführungsform die Signalverarbeitungseinrichtung 168, die außerhalb der Messsonde 124 angeordnet ist, die Ausgabe des Liniensensors 140 und leitet die Form der Schraubnut 102A ab. Somit kann die Messsonde 124 selbst in Größe und Gewicht verringert sein. Da diese Signalverarbeitungseinrichtung 168 auch das gesamte System steuert, kann eine Effizienz von Komponenten, die mit einem Verarbeiten befasst sind, verbessert werden. Unterdes ist die vorliegende Erfindung nicht auf dieses beschränkt, und ein Berechnungsteil zum Analysieren des in dem Liniensensor erfassten Interferenzmusters und Ableiten der Form der Schraubnut kann in die Messsonde aufgenommen sein.
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Das heißt, bei der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, einen spezifizierten Bereich (Messzielbereich MA) der relativ bewegbaren Schraubnut 102A berührungslos mit hoher Präzision zu messen.
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Obwohl die vorliegende Erfindung die erste Ausführungsform als ein Beispiel nehmend beschrieben worden ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die obige Ausführungsform beschränkt. Das heißt, es ist zu verstehen, dass die vorliegende Erfindung im Design verändert und modifiziert werden kann, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Obwohl zum Beispiel der Isolator 138 bei der Messsonde 124 bei der ersten Ausführungsform verwendet wird, ist die vorliegende Erfindung nicht auf dieses beschränkt. Zum Beispiel kann eine zweite Ausführungsform, die in 6A dargestellt ist, genutzt werden. Da die zweite Ausführungsform eine Ausgestaltung der ersten Ausführungsform aufweist, von welcher der Isolator entfernt worden ist, sind nur die ersten Zahlen der Bezugszeichen geändert, und eine ausführliche Beschreibung der zweiten Ausführungsform wird weggelassen. Folglich kann bei der vorliegenden Ausführungsform eine Messsonde 224 in Größe, Gewicht und Kosten weiter als bei der ersten Ausführungsform verringert sein.
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Alternativ kann eine dritte Ausführungsform genutzt werden, die in 6B dargestellt ist. Da die dritte Ausführungsform eine Ausgestaltung der ersten Ausführungsform einschließlich einer Kondensorlinse 337 und einer Referenzlinse 338 anstelle des Isolators 138 aufweist, sind nur die ersten Zahlen der Bezugszeichen geändert, und eine Beschreibung der dritten Ausführungsform mit Ausnahme der Kondensorlinse 337 und der Referenzlinse 338 wird im Wesentlichen weggelassen.
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Wie in 6B dargestellt, weist die Kondensorlinse 337 eine gleiche Form zu derjenigen von einer Kondensorlinse 334 auf, und ist angeordnet, um eine gleiche Lichtpfadlänge zu derjenigen der Kondensorlinse 334 für Licht von einer Lichtquelle 328 aufzuweisen, das durch einen Strahlteiler 332 durchgeht. Außerdem weist die Referenzlinse 338 eine gleiche Form zu derjenigen einer Objektivlinse 336 auf, und ist angeordnet, um eine gleiche Lichtpfadlänge zu derjenigen der Objektivlinse 336 für Licht von der Lichtquelle 328 aufzuweisen, das durch beide des Strahlteilers 332 und der Kondensorlinse 337 durchgeht. Das heißt, durch Anordnen der Kondensorlinse 337 und der Referenzlinse 338 wird die Menge an Licht mit einer gleichen Lichtpfadlänge zu derjenigen des reflektierten Lichts von der Oberfläche der Objektivlinse 336 erhöht, welches einen hohen Kontrast des zu erzielenden Interferenzmusters bewirkt, das durch das reflektierte Licht von der Oberfläche der Objektivlinse 336 erzeugt wird. Somit kann das Interferenzmuster an dem Liniensensor 340 mit einem höheren Kontrast als bei den obigen Ausführungsformen erfasst werden. Das heißt, die Form von einer Schraubnut 302A kann genauer als bei den obigen Ausführungsformen gemessen werden.
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Obwohl bei der zweiten Ausführungsform außerdem ein Einfallswinkel von Licht zu einer Objektivlinse 236 durch eine Kondensorlinse 234 definiert ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf dieses beschränkt. Zum Beispiel kann eine vierte Ausführungsform genutzt werden, die in 6C dargestellt ist. Da die vierte Ausführungsform eine Ausgestaltung von der zweiten Ausführungsform einschließlich eines Beugungsgitters 434 anstelle der Kondensorlinse 234 aufweist, sind nur die ersten Zahlen der Bezugszeichen geändert, und eine Beschreibung der vierten Ausführungsform mit Ausnahme des Beugungsgitters 434 wird im Wesentlichen weggelassen.
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Wie in 6C dargestellt, ist das Beugungsgitter 434 in eine flache Plattenform ausgebildet und ist zum Beispiel ein Doppel-Beugungsgitter. Somit ist bei der vorliegenden Ausführungsform eine Positionsanpassung des Beugungsgitters 434 einfacher als diejenige in dem Fall des Verwendens der Kondensorlinse, und eine Messsonde 424 kann in Größe und Gewicht verringert sein.
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Obwohl bei den obigen Ausführungsformen außerdem eine Bewegung der Messsonde in der Z-Richtung durch die Z-Stufe angetrieben und gesteuert ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf dieses beschränkt. Zum Beispiel kann eine fünfte Ausführungsform genutzt werden, die in 7A bis 7C dargestellt ist. Da sich die fünfte Ausführungsform von den obigen Ausführungsformen lediglich hinsichtlich einer Ausgestaltung von einem Spitzenende bzw. vorderen Ende der Messsonde unterscheidet, sind nur die ersten Zahlen der Bezugszeichen geändert, und eine Beschreibung der fünften Ausführungsform mit Ausnahme der Ausgestaltung des Spitzenendes der Messsonde wird im Wesentlichen weggelassen.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform arbeitet bzw. funktioniert eine Z-Stufe (nicht dargestellt) nur als eine Bewegungsführung der Messsonde. An dem Spitzenende der Messsonde ist ein Paar an Kugellagern (Gleitelemente) 526A in einem Gehäuse (nicht dargestellt) mit einer Objektivlinse 536 dazwischen angeordnet fixiert. Jedes der Kugellager 526A als ein Paar berührt einen Endabschnitt von einer Schraubnut 502A (zum Beispiel ein oberer Schraubnut-Endabschnitt 502E in 7B oder der obere Schraubnut-Endabschnitt 502E und ein unterer Schraubnut-Endabschnitt 502F in 7C) (das heißt, die Messsonde umfasst das Paar an Kugellagern 526A, welche die Schraubnut 502A berühren). Somit bewirkt eine Rotation von einer Kugelgewindespindel 502 eine Bewegung der Schraubnut 502A in die Z-Richtung, welche eine Bewegung der Messsonde in die Z-Richtung verursacht. Folglich kann bei der vorliegenden Ausführungsform, da die Z-Stufe auf eine Antriebsquelle verzichtet und eine Steuerung davon nicht erforderlich ist, das System selbst in Kosten reduziert werden.
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Obwohl bei den obigen Ausführungsformen außerdem das Werk die Kugelgewindespindel ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf dieses beschränkt. Zum Beispiel kann eine sechste Ausführungsform genutzt werden, die in 8 dargestellt ist. Da sich die sechste Ausführungsform von der ersten Ausführungsform nur hinsichtlich eines Werks unterscheidet, sind nur die ersten Zahlen der Bezugszeichen geändert, und eine Beschreibung der sechsten Ausführungsform mit Ausnahme einer das Werk betreffenden Ausgestaltung wird im Wesentlichen weggelassen.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Werk zum Beispiel ein zylindrischer Nocken 602. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der zylindrische Nocken 602 in eine zylindrische Form ausgebildet und ist an einer Seitenoberfläche von ihm mit einer Nockennut bzw. Kurvennut mit einem ungefähr V-förmigen Querschnitt (kann ein ungefähr trapezförmiger Querschnitt sein) versehen. Die Objektivlinse ist ausgebildet, um der Nockennut zu entsprechen, ist angeordnet, um berührungslos gegenüberliegend zu der Nockennut zu sein, und kann Licht von der Lichtquelle an (obere und untere Oberflächen der) die Nockennut emittieren. Somit kann bei der vorliegenden Ausführungsform die Form(en) von (den oberen und unteren Oberflächen von) der Nockennut gemessen werden.
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Alternativ muss das Werk nicht ein rotierender Körper sein, sondern kann ein flacher Körper sein, der mit einer ungefähr V-förmigen Nut an einer gleichen Ebene versehen ist, und der flache Körper kann relativ zu der Messsonde bewegbar sein.
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Obwohl bei den obigen Ausführungsformen außerdem das Werk durch den Rotationsmechanismus gegen die Messsonde gedreht wird, ist die vorliegende Erfindung nicht auf dieses beschränkt. Das Werk kann fixiert sein, und die Messsonde kann um das Werk herum gedreht werden. In jedem Fall muss das Werk lediglich relativ zu der Messsonde drehbar sein.
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Obwohl bei den obigen Ausführungsformen außerdem die Messsonde durch optische Elemente gebildet ist, wie beispielsweise der Strahlteiler, die Kollimatorlinse und die Kondensorlinse, ist die vorliegende Erfindung nicht auf dieses beschränkt. Diese optischen Elemente können, wie benötigt, verändert oder weggelassen werden.
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Die vorliegende Erfindung kann in großem Umfang auf eine Messsonde zum Messen einer Form von einer Seitenoberfläche eines relativ bewegbaren Werks angewandt werden.
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Es sollte Fachleuten offenkundig sein, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen lediglich erläuternd sind, welche die Anwendung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung repräsentieren. Zahlreiche und verschiedene Anordnungen können durch Fachleute innerhalb des Bereichs der angehängten Ansprüche ohne weiteres erdacht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2016-75420 [0001]
- JP 2010-2392 A [0003, 0004]