JP5297735B2 - Contact displacement sensor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a contact type displacement sensor which reduces the effect of friction or stick slip occurring between a stylus and a measuring object and enables measurement of a shape by a scanning method. <P>SOLUTION: The contact type displacement sensor 1 which senses displacement of the measuring object 100 includes a movable shaft 3 which is so fitted as to be movable back and forth in relation to the measuring object 100, the stylus 4 which is fitted to the tip of the movable shaft 3 and made to scan on the surface of the measuring object 100, and a vibrator 5 which is fitted between the stylus 4 and the movable shaft 3. The vibrator 5 is made to vibrate at a frequency in a suitable frequency band which is determined on the basis of the spring constant of the vibrator 5, the spring constant and a viscosity coefficient in the fitting part of the vibrator 5 and the stylus 4, the spring constant and the viscosity coefficient in the fitting part of the vibrator 5 and the movable shaft 3, the equivalent mass of the vibrator 5, the mass of the movable shaft 3 and the mass of the stylus 4, while the stylus 4 is vibrated in the axial direction at a prescribed amplitude, and the movable shaft 3 hardly vibrates. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、形状測定等に用いられる接触式変位センサ、より詳しくは、振動子を有するスタイラスが取り付けられて走査法で形状測定を行う接触式変位センサに関する。   The present invention relates to a contact-type displacement sensor used for shape measurement or the like, and more particularly to a contact-type displacement sensor that is attached with a stylus having a vibrator and performs shape measurement by a scanning method.

接触式変位センサによる測定は、細いスタイラスを使用し、その先端と測定対象の測定面とを接触させ、測定面に追従させることによって形状を測定するものである。接触式変位センサによる形状測定は、外乱に強く、真空等の特別な条件を必要とせず、測定対象に油等が付着していても高い精度の測定が可能なため、産業分野において重要な手段となっている。また、接触式変位センサは光を使った顕微鏡等では、光が散乱してしまうことにより測定できないような急角度の傾斜を有する形状も測定できるといった特徴を持つ。   The measurement by the contact-type displacement sensor uses a thin stylus, contacts its tip with the measurement surface to be measured, and measures the shape by following the measurement surface. Shape measurement using a contact-type displacement sensor is an important means in the industrial field because it is resistant to disturbances, does not require special conditions such as vacuum, and can measure with high accuracy even if oil is attached to the measurement target. It has become. In addition, the contact displacement sensor has a feature that it can measure a shape having a steep angle that cannot be measured by light scattering in a microscope or the like using light.

接触式変位センサを用いた測定法には点測定法と走査法がある。点測定法は、接触式変位センサをある測定点で測定対象に接触させ、その位置を測定した後、一度測定対象から離間させ、次の測定点に移動する方法である。点測定法による形状測定を行う装置としては、例えば特許文献1に記載の装置が知られている。
特開2007−309684号公報
Measurement methods using a contact-type displacement sensor include a point measurement method and a scanning method. The point measurement method is a method in which a contact-type displacement sensor is brought into contact with a measurement object at a certain measurement point, the position thereof is measured, and then once separated from the measurement object and moved to the next measurement point. As an apparatus for performing shape measurement by the point measurement method, for example, an apparatus described in Patent Document 1 is known.
JP 2007-309684 A

しかしながら、特許文献1に記載のような点測定法の装置による測定は、測定時間が長いという問題がある。
これに対し、走査法は、接触式変位センサと測定対象とが接触したままその形状を測定する方法であるため、点測定法に比べ測定時間は短くなるものの、スタイラスと測定対象との間にスティックスリップ現象が発生するという問題がある。
However, the measurement using the point measurement method apparatus described in Patent Document 1 has a problem that the measurement time is long.
In contrast, the scanning method is a method of measuring the shape of the contact-type displacement sensor and the measurement object in contact with each other. Therefore, although the measurement time is shorter than that of the point measurement method, the scanning method is performed between the stylus and the measurement object. There is a problem that the stick-slip phenomenon occurs.

特に、マイクロマシンを構成するマイクロパーツやマイクロレンズアレイのような100マイクロメートル(μm)ないし200μmのサイズの微細形状を測定する場合、先端が数十μmの細く長いスタイラス軸が必要となり、さらに摩擦やスティックスリップの影響が大きくなる。
この問題点を解決するために、接触式変位センサの接触圧を大きくして測定する方法も考えられるが、測定対象をいためてしまったり、スタイラスの先端が曲がったりする等の問題がある。
In particular, when measuring a micro shape having a size of 100 micrometers (μm) to 200 μm such as a micro part or a micro lens array constituting a micro machine, a thin and long stylus shaft having a tip of several tens of μm is required, and further, friction or The effect of stick-slip is increased.
In order to solve this problem, a method of measuring by increasing the contact pressure of the contact type displacement sensor is conceivable, but there are problems such as damaging the measurement object and bending the tip of the stylus.

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、スタイラスと測定対象との間に生じる摩擦やスティックスリップの影響を低減して走査法により形状測定を行うことができる接触式変位センサを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a contact-type displacement sensor capable of measuring the shape by a scanning method while reducing the influence of friction and stick-slip generated between the stylus and a measurement object. The purpose is to do.

本発明は、被測定物の変位を感知する接触式変位センサであって、前記被測定物に対して進退可能に取り付けられる可動軸と、前記可動軸の先端に取り付けられ、前記被測定物の表面を走査されるスタイラスと、前記スタイラスと前記可動軸との間に取り付けられる振動子と、前記振動子がその帯域内の周波数で振動される好適周波数帯域を決定する制御部とを備え、前記制御部は、前記振動子のばね定数、前記振動子と前記スタイラスの取り付け部におけるばね定数と粘性係数、前記振動子と前記可動軸の取り付け部におけるばね定数と粘性係数、前記振動子の等価質量、前記可動軸の質量、及び前記スタイラスの質量に基づいて、前記振動子の振動周波数ごとの前記可動軸の移動量の推移を示す曲線を取得して、前記可動軸の振幅がほぼゼロに収束する第一の振動周波数を抽出し、前記振動子の振動周波数ごとの前記スタイラスの移動量の推移を示す曲線を取得して、前記振動子の振動周波数の変化に対して前記スタイラスの振幅が急激に変化する第一の振動周波数帯を抽出し、前記第一の振動周波数以上であって前記第一の振動周波数帯を除くように前記好適周波数帯域を決定し、前記スタイラスは所定の振幅で軸線方向に振動され、かつ前記可動軸はほとんど振動しないことを特徴とする。 The present invention is a contact-type displacement sensor that senses the displacement of an object to be measured, and includes a movable shaft that is attached to the object to be measured so as to be able to advance and retreat, a tip of the movable shaft, A stylus whose surface is scanned, a vibrator attached between the stylus and the movable shaft, and a controller that determines a suitable frequency band in which the vibrator is vibrated at a frequency within the band, The control unit includes a spring constant of the vibrator, a spring constant and a viscosity coefficient at a mounting portion of the vibrator and the stylus, a spring constant and a viscosity coefficient at a mounting portion of the vibrator and the movable shaft, and an equivalent mass of the vibrator. the mass of the movable shaft, and based on the weight of the stylus, to obtain a curve showing changes in the amount of movement of the movable axis of each of the vibration frequency of the vibrator, the amplitude of the movable shaft is substantially The first vibration frequency that converges to b) is extracted, a curve indicating the transition of the amount of movement of the stylus for each vibration frequency of the vibrator is obtained, and the change of the vibration frequency of the vibrator A first vibration frequency band whose amplitude changes rapidly is extracted, the preferred frequency band is determined so as to be equal to or higher than the first vibration frequency and exclude the first vibration frequency band, and the stylus has a predetermined The movable shaft is vibrated in the axial direction with an amplitude, and the movable shaft hardly vibrates.

なお、本発明において、「ほとんど振動しない」とは、全く振動しない状態と、振動しているが、その振幅が、当該接触式変位センサの検出限界に鑑みて無視できる程度に小さい状態との両方を含む。   In the present invention, “almost no vibration” means both a state where there is no vibration at all and a state where the vibration is small enough to be ignored in view of the detection limit of the contact displacement sensor. including.

本発明の接触式変位センサによれば、振動子が好適周波数帯域内の周波数で振動されることによって、スタイラスが所定の振幅で軸線方向に振動され、被測定物の表面から断続的に離間される。一方、可動軸はほとんど振動しないので、接触式変位センサの検出値には影響を与えない。   According to the contact type displacement sensor of the present invention, when the vibrator is vibrated at a frequency within the preferred frequency band, the stylus is vibrated in the axial direction with a predetermined amplitude, and is intermittently separated from the surface of the object to be measured. The On the other hand, since the movable shaft hardly vibrates, the detection value of the contact displacement sensor is not affected.

前記好適周波数帯域は、前記振動子の振動周波数をω、前記ばね定数をk、前記振動子の等価質量の1/2と前記可動軸の質量との和をm、前記振動子の等価質量の1/2と前記スタイラスの質量との和をmg、前記振動子と前記スタイラスの取り付け部におけるばね定数と粘性係数をそれぞれk、c、前記振動子と前記可動軸の取り付け部におけるばね定数と粘性係数をそれぞれk、c、として、下記数1及び数2の数式にもとづいて、前記スタイラスの移動量ξ g 及び前記可動軸の移動量ξ h の、前記振動子の振動周波数ごとの推移に関する曲線を取得して決定されてもよい。この場合、振動子の振動周波数ごとの推移を当該曲線によって容易に把握することができるので、容易かつ的確に好適周波数帯域を決定することができる。 The preferred frequency band includes the vibration frequency of the vibrator ω, the spring constant k i , the sum of 1/2 of the equivalent mass of the vibrator and the mass of the movable shaft, m h , and the equivalent of the vibrator. The sum of 1/2 of the mass and the mass of the stylus is mg, the spring constant and the viscosity coefficient of the vibrator and the stylus attachment part are k g and c g , respectively, and the attachment part of the vibrator and the movable shaft The spring constant and the viscosity coefficient of the oscillator are k h and c h , respectively, and the movement amount ξ g of the stylus and the movement amount ξ h of the movable shaft are calculated based on the following mathematical formulas 1 and 2. It may be determined by acquiring a curve related to the transition for each vibration frequency. In this case, since the transition for each vibration frequency of the vibrator can be easily grasped by the curve, a suitable frequency band can be determined easily and accurately.

Figure 0005297735
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Figure 0005297735
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前記振動子は、ピエゾ素子であってもよい。この場合、印加する電圧を任意に変調することによって、振動子の振動周波数を好適に制御することができる。   The vibrator may be a piezo element. In this case, the vibration frequency of the vibrator can be suitably controlled by arbitrarily modulating the applied voltage.

本発明の接触式変位センサによれば、スタイラスと測定対象との間に生じる摩擦やスティックスリップの影響を低減して走査法により形状測定を行うことができる。   According to the contact-type displacement sensor of the present invention, it is possible to reduce the influence of friction and stick-slip generated between the stylus and the measurement object and perform shape measurement by the scanning method.

本発明の一実施形態について、図1から図18を参照して説明する。図1は、本実施形態の接触式変位センサ(以下、単に「変位センサ」と称する。)1を示す図である。図1に示すように、変位センサ1は、被測定物100の表面形状を測定するための変位センサであって、本体2と、本体2に対して摺動自在に取り付けられた可動軸3と、可動軸3の先端に取り付けられたスタイラス4と、スタイラス4と可動軸3との間に取り付けられた振動子5とを備えて構成されている。   An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a diagram showing a contact-type displacement sensor (hereinafter simply referred to as “displacement sensor”) 1 of the present embodiment. As shown in FIG. 1, the displacement sensor 1 is a displacement sensor for measuring the surface shape of the measurement object 100, and includes a main body 2 and a movable shaft 3 slidably attached to the main body 2. The stylus 4 is attached to the tip of the movable shaft 3, and the vibrator 5 is attached between the stylus 4 and the movable shaft 3.

本体2は、可動軸3の動きを変位量として内蔵のリニアエンコーダ(不図示)で読み取る公知の構成を有する。
可動軸3は、図示しないエアベアリングを介して本体2に進退可能に取り付けられており、スタイラス4で被測定物100の走査をする際に、被測定物100の表面形状に応じて進退する。可動軸3の測定圧は、エアベアリングによって、1ミリニュートン(mN)と低くなっているが、円滑に摺動可能となっていれば、他の機構によって本体2に取り付けられてもよい。
The main body 2 has a known configuration in which the movement of the movable shaft 3 is read as a displacement amount with a built-in linear encoder (not shown).
The movable shaft 3 is attached to the main body 2 through an air bearing (not shown) so as to be able to advance and retract, and moves forward and backward according to the surface shape of the object 100 when the object 100 is scanned with the stylus 4. The measurement pressure of the movable shaft 3 is as low as 1 millinewton (mN) by the air bearing, but it may be attached to the main body 2 by another mechanism as long as it can slide smoothly.

図2は、スタイラス4及び振動子5を示す拡大図である。スタイラス4は、先端を尖らせて形成されており、基端は振動子5に固定されている。振動子5は、スタイラス4及び可動軸3の軸線方向にある特定の周波数で振動可能なものであり、ピエゾ素子や磁歪素子、水晶振動子、マイクロ電子機械システム(Micro-electro-mechanical Systems:MEMS)等を好適に採用することができる。振動子5の基端には、スタイラス4及び振動子5を可動軸3に取り付けるためのホルダ6が取り付けられている。ホルダ6はネジ部6Aを有し、ネジ部6Aを可動軸3の図示しないネジ孔にねじ込むことによって、スタイラス4、振動子5、及び可動軸3が略同軸に一体に固定される。スタイラス4と振動子5、及び振動子5とホルダ6との固定には熱硬化性樹脂等からなる接着剤等を好適に使用することができる。   FIG. 2 is an enlarged view showing the stylus 4 and the vibrator 5. The stylus 4 is formed with a pointed tip, and the base end is fixed to the vibrator 5. The vibrator 5 can vibrate at a specific frequency in the axial direction of the stylus 4 and the movable shaft 3, and is a piezo element, a magnetostrictive element, a crystal vibrator, a micro-electro-mechanical system (MEMS). Etc.) can be suitably employed. A holder 6 for attaching the stylus 4 and the vibrator 5 to the movable shaft 3 is attached to the base end of the vibrator 5. The holder 6 has a screw portion 6A, and the screw portion 6A is screwed into a screw hole (not shown) of the movable shaft 3, so that the stylus 4, the vibrator 5, and the movable shaft 3 are integrally fixed substantially coaxially. For fixing the stylus 4 and the vibrator 5 and between the vibrator 5 and the holder 6, an adhesive made of a thermosetting resin or the like can be suitably used.

上記のように構成された変位センサ1を用いて被測定物100の表面形状を測定する場合は、図1に示すように、被測定物100をスピンドル101に取り付ける。そして、スピンドル101を回転させることによって被測定物100を回転させた状態で、スタイラス4の先端で被測定物100の表面を走査させ、被測定物100の各回転角における可動軸3の変位量を本体2のリニアエンコーダで記録し、リニアエンコーダの記録値を再構成することで被測定物100の表面形状が取得される。   When measuring the surface shape of the device under test 100 using the displacement sensor 1 configured as described above, the device under test 100 is attached to the spindle 101 as shown in FIG. Then, in a state in which the object to be measured 100 is rotated by rotating the spindle 101, the surface of the object to be measured 100 is scanned with the tip of the stylus 4, and the displacement amount of the movable shaft 3 at each rotation angle of the object to be measured 100. Is recorded by the linear encoder of the main body 2, and the surface shape of the DUT 100 is obtained by reconstructing the recorded values of the linear encoder.

このとき、スタイラス4の先端と被測定物100の表面とを常に密着させて走査させると、スタイラス4と被測定物100との間でスティックスリップ等が発生し、形状測定の精度が低下することがある。特に、被測定物100の測定面が、例えば図3に示すように、波長λに対する振幅dの比が約2/3ないし1/2、最大斜度θ1が70度ないし30度の高アスペクト比の形状のような場合は、よりスティックスリップ等が発生しやすくなる。   At this time, if the tip of the stylus 4 and the surface of the object to be measured 100 are always in close contact with each other and scanned, stick slip or the like occurs between the stylus 4 and the object to be measured 100, and the accuracy of the shape measurement is reduced. There is. In particular, as shown in FIG. 3, for example, the measurement surface of the DUT 100 has a high aspect ratio in which the ratio of the amplitude d to the wavelength λ is about 2/3 to 1/2 and the maximum inclination θ1 is 70 degrees to 30 degrees. In the case of such a shape, stick slip or the like is more likely to occur.

そこで、スティックスリップ等の発生を低減するために、図4に示すように、振動子5をスタイラス4の軸線方向に振動させ、スタイラス4を被測定物100の表面から断続的に離間させながら走査をさせる。このようにすることで、マイクロマシンを構成するマイクロパーツやマイクロレンズアレイのような微細形状を測定する場合等であっても、摩擦やスティックスリップの影響を小さくすることができる。   Therefore, in order to reduce the occurrence of stick-slip or the like, as shown in FIG. 4, the vibrator 5 is vibrated in the axial direction of the stylus 4, and scanning is performed while the stylus 4 is intermittently separated from the surface of the object 100 to be measured. Let By doing so, the influence of friction and stick-slip can be reduced even when measuring a micro shape such as a micro part or a micro lens array constituting the micro machine.

しかし、このときに可動軸3に振動子5の振動が伝達してしまうと、図5に示すように可動軸3の変位量が当該振動によって変化するため、本体2のリニアエンコーダの検出値にノイズが加わってしまう。これを避けるためには、スタイラス4にだけ振動子5の振動が伝達される(すなわち、図4に示す状態となる)、あるいは、可動軸3に振動は伝達されるが、その際の可動軸3の振幅が、変位センサ1の検出限界に対して無視できる程度の値となるような所定の周波数帯域(以下、これを「好適周波数帯域」と称する。)に属する周波数で振動子5を振動させる必要がある。   However, if the vibration of the vibrator 5 is transmitted to the movable shaft 3 at this time, the displacement amount of the movable shaft 3 is changed by the vibration as shown in FIG. Noise is added. In order to avoid this, the vibration of the vibrator 5 is transmitted only to the stylus 4 (that is, the state shown in FIG. 4 is obtained), or the vibration is transmitted to the movable shaft 3, but the movable shaft at that time 3 vibrates the vibrator 5 at a frequency belonging to a predetermined frequency band (hereinafter referred to as “preferred frequency band”) such that the amplitude of 3 becomes a value that can be ignored with respect to the detection limit of the displacement sensor 1. It is necessary to let

好適周波数帯域を設定するための検討について説明する。まず、好適周波数帯域を設定するために、可動軸3、スタイラス4、及び振動子5を、図6に示すように2台の台車3A及び4Aがバネ5Aで接続されたモデルとして考える。ここで、台車3Aとバネ5A、および台車4Aとバネ5Aは、それぞれ所定のばね定数、粘性係数を有して取り付けられているものとする。台車3A、4Aは、それぞれ可動軸3、スタイラス4に相当し、バネ5Aは振動子5に相当する。したがって、以下の記載においては、台車3A、4Aをそれぞれ可動軸3、スタイラス4と、バネ5Aを振動子5と置き換えて説明する。   A study for setting a suitable frequency band will be described. First, in order to set a suitable frequency band, the movable shaft 3, the stylus 4, and the vibrator 5 are considered as a model in which two carriages 3A and 4A are connected by a spring 5A as shown in FIG. Here, it is assumed that the carriage 3A and the spring 5A, and the carriage 4A and the spring 5A are attached with predetermined spring constants and viscosity coefficients, respectively. The carriages 3A and 4A correspond to the movable shaft 3 and the stylus 4, respectively, and the spring 5A corresponds to the vibrator 5. Therefore, in the following description, the carriages 3A and 4A will be described by replacing the movable shaft 3 and the stylus 4, and the spring 5A with the vibrator 5, respectively.

を振動子5の等価質量の1/2とスタイラス4の質量との和、mを振動子5の等価質量の1/2と可動軸3の質量との和とし、振動子5の中心点の前後でのばね定数をそれぞれkとする。また、ξ、ξを、それぞれスタイラス4、可動軸3の移動量とし、振動子5の中心部をa・sinωtだけ振動させたときを考える。このとき、振動子5の中心点からスタイラス4側の部分は、図7の等価回路で表わされる。 m g is the sum of 1/2 of the equivalent mass of the vibrator 5 and the mass of the stylus 4, m h is the sum of 1/2 of the equivalent mass of the vibrator 5 and the mass of the movable shaft 3, and Let the spring constants before and after the center point be k i , respectively. Let ξ g and ξ h be the movement amounts of the stylus 4 and the movable shaft 3, respectively, and consider the case where the central portion of the vibrator 5 is vibrated by a · sin ωt. At this time, the portion on the stylus 4 side from the center point of the vibrator 5 is represented by the equivalent circuit of FIG.

これを解くと、スタイラス4の移動量ξは、下記の数3のように表される。 When this is solved, the movement amount ξ g of the stylus 4 is expressed by the following equation (3).

Figure 0005297735
Figure 0005297735

同様に、可動軸3の移動量ξは、下記の数4のように表される。 Similarly, the movement amount ξ h of the movable shaft 3 is expressed by the following equation (4).

Figure 0005297735
Figure 0005297735

上記数1及び数2の式を用いた好適周波数帯域のシミュレーションの一例を図8及び図9に示す。このシミュレーションでは、スタイラス4の質量を1ミリグラム(mg)、可動軸3の質量を37グラム(g)、振動子5のばね定数kを4.0×10N/m、振動子5の等価質量を8mg、振動子5とスタイラス4の取り付け部におけるばね定数kと減衰比ζをそれぞれ3.0×105N/m、0.3、振動子5と可動軸3の取り付け部におけるバネ定数kと減衰比ζをそれぞれ1×104N/m、0.3として計算を行った。なお、減衰比ζとは、質量m、ばね定数k、粘性係数cから、数1の式で求められる(減衰比ζも数2の式で同様に求められる)。 An example of a simulation of a suitable frequency band using the above equations 1 and 2 is shown in FIGS. In this simulation, the mass of the stylus 4 is 1 milligram (mg), the mass of the movable shaft 3 is 37 g (g), the spring constant k i of the vibrator 5 is 4.0 × 10 7 N / m, the equivalent mass 8 mg, the spring constant k g and damping ratio zeta g each 3.0 × 10 5 N / m in the mounting portion of the vibrator 5 and the stylus 4, 0.3, vibrator 5 and the mounting portion of the movable shaft 3 The calculation was performed with the spring constant k h and the damping ratio ζ h at 1 × 10 4 N / m and 0.3, respectively. Note that the damping ratio ζ g is obtained by the formula 1 from the mass mg , the spring constant k g , and the viscosity coefficient c g (the damping ratio ζ h is similarly obtained by the formula 2).

図8は振動子5の振動周波数とスタイラス4の振幅との関係を示すグラフであり、図9は、振動子5の振動周波数と可動軸3の振幅との関係を示すグラフである。スタイラス4及び可動軸3の振幅は、振動子5の振幅との比率で示している。すなわち、振幅が0に近いほど振動子5の振動が伝達されていないことを示している。   FIG. 8 is a graph showing the relationship between the vibration frequency of the vibrator 5 and the amplitude of the stylus 4, and FIG. 9 is a graph showing the relation between the vibration frequency of the vibrator 5 and the amplitude of the movable shaft 3. The amplitude of the stylus 4 and the movable shaft 3 is shown as a ratio to the amplitude of the vibrator 5. That is, as the amplitude is closer to 0, the vibration of the vibrator 5 is not transmitted.

図8のグラフを見ると、スタイラス4の振幅は、振動子5の振動周波数が20キロヘルツ(kHz)を過ぎたあたりで急激に上昇し、振動周波数が約36kHzとなったときにピークを迎え、100kHzあたりでは約0.3と、振動子5の振幅の1/3となっている。周波数帯域20〜50kHzの領域R1では、振動周波数が僅かに変化しただけでもスタイラス4の振幅が急激に変化する可能性があるため、振動子5の損傷等の可能性があり、振動子5の振動周波数としては適切ではない。したがって、領域R1のような帯域は、好適周波数帯域から除外されるのが好ましい。   When the graph of FIG. 8 is seen, the amplitude of the stylus 4 rapidly increases when the vibration frequency of the vibrator 5 exceeds 20 kilohertz (kHz), and reaches a peak when the vibration frequency reaches about 36 kHz. About 100 kHz, it is about 0.3, which is 1/3 of the amplitude of the vibrator 5. In the region R1 of the frequency band 20 to 50 kHz, the amplitude of the stylus 4 may change abruptly even if the vibration frequency is slightly changed. Therefore, there is a possibility that the vibrator 5 is damaged. It is not appropriate as a vibration frequency. Therefore, it is preferable that the band like the region R1 is excluded from the preferred frequency band.

一方、図9のグラフを見ると、可動軸3の振幅は、振動子5の振動周波数が80ヘルツ(Hz)付近となったときにピークを迎えた後、0に収束しており、1kHzでは振幅約0.05と振動子5の振幅の1/20となり、振動子5の振動がほぼ伝わらない、あるいは仮に伝達されても変位センサ1の検出限界に対して無視できる程度に小さくなっていることがわかる。   On the other hand, when viewing the graph of FIG. 9, the amplitude of the movable shaft 3 converges to 0 after reaching a peak when the vibration frequency of the vibrator 5 is close to 80 hertz (Hz). The amplitude is about 0.05 and 1/20 of the amplitude of the vibrator 5, and the vibration of the vibrator 5 is hardly transmitted, or even if it is transmitted, it is small enough to be ignored with respect to the detection limit of the displacement sensor 1. I understand that.

再び図8に戻ると、振動子5の振動周波数が1kHzのときのスタイラス4の振幅は約1.000であり、振動子5とほぼ同じ振幅で振動していることがわかる。
以上より、本シミュレーションにおけるおおよその好適周波数帯域は、例えば、1〜15kHz、及び50〜100kHzの範囲として設定することができる。
Returning to FIG. 8 again, it can be seen that the amplitude of the stylus 4 when the vibration frequency of the vibrator 5 is 1 kHz is about 1.000 and vibrates with substantially the same amplitude as that of the vibrator 5.
From the above, the approximate suitable frequency band in this simulation can be set as a range of 1 to 15 kHz and 50 to 100 kHz, for example.

上述したシミュレーションの結果を検証するために、図10に示す実験系で実験を行った。スタイラス4の質量、可動軸3の質量、振動子5のばね定数k及び等価質量が上述のシミュレーションと同一に設定された変位センサ1Aを準備し、スタイラス4の先端を剛体102に接触させた。そして、可動軸3の動きを、前方から最大サンプリング周波数160kHzのファイバセンサ103で測定した。 In order to verify the simulation results described above, an experiment was performed using the experimental system shown in FIG. A displacement sensor 1A in which the mass of the stylus 4, the mass of the movable shaft 3, the spring constant k i and the equivalent mass of the vibrator 5 are set to be the same as those in the above simulation is prepared, and the tip of the stylus 4 is brought into contact with the rigid body 102 . Then, the movement of the movable shaft 3 was measured from the front with the fiber sensor 103 having a maximum sampling frequency of 160 kHz.

図11は、図10の実験系において、振動子5を100Hzで振動させたときのファイバセンサ103の出力と振動子5への入力電圧波形を示すグラフである。曲線C1は入力電圧波形を示しており、100Hzで約10Vの電圧がかかっている。一方、ファイバセンサ103の出力は、曲線C2に示すように約150ナノメートル(nm)の振幅となっている。これは、振動子5の振動が可動軸3に伝達されて可動軸3が振動していることを示している。   FIG. 11 is a graph showing the output of the fiber sensor 103 and the input voltage waveform to the vibrator 5 when the vibrator 5 is vibrated at 100 Hz in the experimental system of FIG. A curve C1 shows an input voltage waveform, and a voltage of about 10 V is applied at 100 Hz. On the other hand, the output of the fiber sensor 103 has an amplitude of about 150 nanometers (nm) as shown by the curve C2. This indicates that the vibration of the vibrator 5 is transmitted to the movable shaft 3 and the movable shaft 3 is vibrating.

図12は、図10の実験系において、振動子5を1kHzで振動させたときのファイバセンサ103の出力と振動子5への入力電圧波形を示すグラフである。曲線C3は入力電圧波形を示しており、1kHzで約10Vの電圧がかかっている。一方、曲線C4で示すファイバセンサ103の出力は、変位センサ1Aの検出限界に対してほぼ無視できる数nm程度の振幅となっており、振動子5の振動が可動軸3にほとんど伝わっていないことが確認された。   FIG. 12 is a graph showing the output of the fiber sensor 103 and the input voltage waveform to the vibrator 5 when the vibrator 5 is vibrated at 1 kHz in the experimental system of FIG. A curve C3 shows an input voltage waveform, and a voltage of about 10 V is applied at 1 kHz. On the other hand, the output of the fiber sensor 103 shown by the curve C4 has an amplitude of about several nanometers that can be ignored with respect to the detection limit of the displacement sensor 1A, and the vibration of the vibrator 5 is hardly transmitted to the movable shaft 3. Was confirmed.

以上より、振動子5を1kHzの周波数で振動させたときは、可動軸3はほとんど振動しないため、本体2のリニアエンコーダで検出される変位センサ1Aの検出値にはノイズは発生せず、スタイラス4だけが振動されている。すなわち、1kHzはこの条件下における好適周波数帯域に属する周波数であることが確認された。   As described above, when the vibrator 5 is vibrated at a frequency of 1 kHz, the movable shaft 3 hardly vibrates. Therefore, no noise is generated in the detection value of the displacement sensor 1A detected by the linear encoder of the main body 2, and the stylus is used. Only 4 is vibrating. That is, it was confirmed that 1 kHz is a frequency belonging to the preferred frequency band under these conditions.

次に、図13及び図14に、上記の入力電圧とファイバセンサ103の出力を、高速フーリエ変換(FFT)アナライザを用いて解析した結果を示す。図13の曲線C5はゲインを、図14の曲線C6は位相を示している。
図13及び図14を見ると、シミュレーション結果と同様に、振動子5の振動周波数を1kHzとすると、ゲインが−40デシベル(dB)以下となり、可動軸3にはほとんど伝達されていないことがわかる。また、その傾向は、周波数を増加するほど強くなることがわかる。
Next, FIGS. 13 and 14 show the results of analyzing the input voltage and the output of the fiber sensor 103 using a fast Fourier transform (FFT) analyzer. A curve C5 in FIG. 13 indicates a gain, and a curve C6 in FIG. 14 indicates a phase.
13 and 14, similarly to the simulation results, it is understood that when the vibration frequency of the vibrator 5 is 1 kHz, the gain becomes −40 decibels (dB) or less and is hardly transmitted to the movable shaft 3. . Moreover, it turns out that the tendency becomes so strong that the frequency is increased.

さらに、振動子5の振動とスタイラス4に発生する摩擦及びスティックスリップへの影響との関係を調べるために、実験を行った。図15は、当該実験を行うための実験系を示す図である。
力センサ104を一軸自動ステージ105上に取り付け、スタイラス4と力センサ104を接触させる。このとき、図15に示す力センサ104の感度方向と変位センサ1Aの感度方向とがなす角度θは110度に設定されている。
Further, an experiment was conducted in order to investigate the relationship between the vibration of the vibrator 5 and the effect on the friction and stick slip generated in the stylus 4. FIG. 15 is a diagram showing an experimental system for performing the experiment.
The force sensor 104 is mounted on the uniaxial automatic stage 105, and the stylus 4 and the force sensor 104 are brought into contact with each other. At this time, the angle θ 2 formed by the sensitivity direction of the force sensor 104 and the sensitivity direction of the displacement sensor 1A shown in FIG. 15 is set to 110 degrees.

この状態で、一軸自動ステージ105を図15に矢印で示す方向に移動させ、力センサ104及び変位センサ1Aの出力を測定することで、摩擦及びスティックスリップ等の変化を調べる。スティックスリップが起こらず、摩擦が一定であれば、一軸自動ステージ105を移動させても力センサ104及び変位センサ1Aの出力は一定となる。反対にスティックスリップや摩擦の変動があれば力センサ104及び変位センサ1Aの出力に変化が生じる。   In this state, the uniaxial automatic stage 105 is moved in the direction indicated by the arrow in FIG. 15, and the outputs of the force sensor 104 and the displacement sensor 1A are measured to examine changes such as friction and stick-slip. If stick-slip does not occur and the friction is constant, the outputs of the force sensor 104 and the displacement sensor 1A are constant even if the uniaxial automatic stage 105 is moved. On the contrary, if there is a change in stick-slip or friction, the output of the force sensor 104 and the displacement sensor 1A will change.

図16及び図17は、図15の実験系による実験結果を示すグラフであり、一軸自動ステージ105を矢印の方向に一往復させたときの力センサ104及び変位センサ1Aの出力を示している。
図16は振動子5を振動させずに実験した結果を示すグラフである。横軸はサンプリング時間、縦軸左側は変位センサ1Aの出力、縦軸右側は力センサ104の出力である。曲線C7は変位センサ1Aの出力、曲線C8は力センサ104の出力を示しているが、往路(図15における左向きの動き)と復路(図15における右向きの動き)で出力に違いが出ている。変位センサ1A、力センサ104のどちらの出力も復路で大きく振動しているが、これはスティックスリップが発生しているためと考えられる。
16 and 17 are graphs showing the experimental results of the experimental system of FIG. 15, and show the outputs of the force sensor 104 and the displacement sensor 1A when the single-axis automatic stage 105 is reciprocated once in the direction of the arrow.
FIG. 16 is a graph showing a result of an experiment performed without vibrating the vibrator 5. The horizontal axis is the sampling time, the left vertical axis is the output of the displacement sensor 1A, and the right vertical axis is the output of the force sensor 104. A curve C7 shows the output of the displacement sensor 1A, and a curve C8 shows the output of the force sensor 104, but there is a difference in output between the forward path (leftward movement in FIG. 15) and the backward path (rightward movement in FIG. 15). . Both outputs of the displacement sensor 1A and the force sensor 104 vibrate greatly on the return path, which is considered to be caused by stick slip.

図17は、振動子5の振動周波数を80kHzに設定して振動させたときの実験結果を示すグラフである。図17に示すように、往路と復路における曲線C7、C8の形状の違いが、図16の結果と比べて小さくなっていることがわかる。
以上の結果から、振動子5を好適周波数帯域に属する周波数で振動させることにより、スティックスリップ及び摩擦の発生を低減できることが確認された。
FIG. 17 is a graph showing experimental results when the vibrator 5 is vibrated with the vibration frequency set to 80 kHz. As shown in FIG. 17, it can be seen that the difference in the shapes of the curves C7 and C8 between the forward path and the return path is smaller than the result of FIG.
From the above results, it was confirmed that the occurrence of stick-slip and friction can be reduced by vibrating the vibrator 5 at a frequency belonging to the preferred frequency band.

最後に、変位センサ1Aを用いて、図3に示すような測定面の形状を有する被測定物を、図1に示すようにスピンドル101に取り付けて実際に測定した結果を図18及び図19に示す。
図18は振動子5を振動させずに測定した結果を示すグラフである。横軸はスピンドル101の回転角、縦軸左側は変位センサ1Aの出力、縦軸右側は測定を2回行ったときの繰り返し誤差を示している。曲線C9は変位センサ1Aによって得られた被測定物の表面形状を示しており、曲線C10は繰り返し誤差を示している。曲線C9の傾斜の急な場所で繰り返し誤差の値が大きくなっており、スティックスリップの影響により誤差が生じていることが推測できる。
Finally, using the displacement sensor 1A, the measurement object having the shape of the measurement surface as shown in FIG. 3 is attached to the spindle 101 as shown in FIG. Show.
FIG. 18 is a graph showing the results of measurement without vibrating the vibrator 5. The horizontal axis shows the rotation angle of the spindle 101, the left side of the vertical axis shows the output of the displacement sensor 1A, and the right side of the vertical axis shows the repeat error when the measurement is performed twice. A curve C9 shows the surface shape of the measurement object obtained by the displacement sensor 1A, and a curve C10 shows a repetition error. The value of the repeated error is large at a place where the slope of the curve C9 is steep, and it can be estimated that an error has occurred due to the effect of stick-slip.

図19は、振動子5の振動周波数を10kHzに設定して振動させて被測定物の表面形状を測定した結果を示すグラフである。図18の実験結果に比べて繰り返し誤差が小さくなっており、傾斜の急な場所でも振動子5を振動させてスタイラス4を振動させることにより、スティックスリップの影響を小さくできていることが示された。   FIG. 19 is a graph showing the result of measuring the surface shape of the object to be measured by vibrating the vibrator 5 with the vibration frequency set to 10 kHz. The repetition error is smaller than the experimental result of FIG. 18, and it is shown that the influence of stick-slip can be reduced by vibrating the vibrator 5 and vibrating the stylus 4 even at a steep place. It was.

以上のように、本発明の変位センサ1及び1Aによれば、振動子5が好適周波数帯域に属する周波数で振動されることにより、可動軸3をほとんど振動させずにスタイラス4のみを振動させることができる。その結果、本体2で検出される出力値にはノイズが含まれず、スタイラス4の先端は断続的に被測定物の表面から引き離されてスティックスリップ等の発生が好適に低減される。したがって、より精度の高い測定を短時間で行うことができる。   As described above, according to the displacement sensors 1 and 1A of the present invention, the vibrator 5 is vibrated at a frequency belonging to the preferred frequency band, so that only the stylus 4 is vibrated without substantially vibrating the movable shaft 3. Can do. As a result, the output value detected by the main body 2 does not include noise, and the tip of the stylus 4 is intermittently pulled away from the surface of the object to be measured, and the occurrence of stick-slip or the like is preferably reduced. Therefore, more accurate measurement can be performed in a short time.

なお、好適周波数帯域は、スタイラス4の質量、可動軸3の質量、振動子5のばね定数k及び等価質量等が変化することによって当然連動して変化するが、これらを適宜代入して図8及び図9に示すようなグラフを取得することによって、任意の設計パラメータを有する変位センサにおいても、同様に好適周波数帯域を決定することが可能である。
また、これらの計算をプログラム等を含む制御部に自動に行わせ、好適周波数帯域が制御部で自動的に決定され、当該好適周波数帯域に属する振動周波数で自動的に振動子が振動されるように変位センサが構成されてもよい。
The preferred frequency band naturally changes in conjunction with changes in the mass of the stylus 4, the mass of the movable shaft 3, the spring constant k i and the equivalent mass of the vibrator 5, etc. By acquiring the graphs as shown in FIG. 8 and FIG. 9, it is possible to determine a suitable frequency band in the same manner even in a displacement sensor having an arbitrary design parameter.
In addition, the control unit including a program or the like automatically performs these calculations so that the suitable frequency band is automatically determined by the control unit and the vibrator is automatically vibrated at the vibration frequency belonging to the suitable frequency band. A displacement sensor may be configured.

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上述の実施形態においては、スタイラスの先端がとがっている例を説明したが、これに代えて、図20に示す変形例のように、先端14Aが球状に形成されたスタイラス14が用いられてもよい。あるいは半球状の先端であってもよい。このような形状の先端14Aは、ルビー球、ガラス球等を用いて好適に形成することが可能である。
Although one embodiment of the present invention has been described above, the technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. is there.
For example, in the above-described embodiment, an example in which the tip of the stylus is sharp has been described, but instead, a stylus 14 in which the tip 14A is formed in a spherical shape is used as in the modification shown in FIG. May be. Alternatively, it may be a hemispherical tip. The tip 14A having such a shape can be suitably formed using a ruby sphere, a glass sphere, or the like.

本発明の一実施形態の接触式変位センサ及び被測定物を示す図である。It is a figure which shows the contact-type displacement sensor and to-be-measured object of one Embodiment of this invention. 同接触式変位センサのスタイラス及び振動子を示す拡大図である。It is an enlarged view which shows the stylus and vibrator | oscillator of the contact-type displacement sensor. 被測定物の表面形状の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the surface shape of a to-be-measured object. 同振動子が好適周波数帯域に属する周波数で振動されたときの同接触式変位センサのスタイラス及び可動軸の動きを示す図である。It is a figure which shows the movement of the stylus and movable axis | shaft of the contact-type displacement sensor when the vibrator is vibrated with the frequency which belongs to a suitable frequency band. 同振動子が好適周波数帯域に属さない周波数で振動されたときの同スタイラス及び同可動軸の動きを示す図である。It is a figure which shows the motion of the stylus and the movable shaft when the vibrator is vibrated at a frequency not belonging to the preferred frequency band. 図1に示したスタイラス及び可動軸のモデル図である。FIG. 2 is a model diagram of a stylus and a movable shaft shown in FIG. 1. 図6に示したモデル図の中心点からスタイラス側の部分の等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit of the part by the side of a stylus from the center point of the model figure shown in FIG. シミュレーションの一例における同振動子の振動周波数と同スタイラスの振幅との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the vibration frequency of the vibrator | oscillator in the example of simulation, and the amplitude of the stylus. シミュレーションの一例における同振動子の振動周波数と同スタイラスの振幅との関係を同シミュレーションにおける同振動子の振動周波数と同可動軸の振幅との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the vibration frequency of the vibrator | oscillator in the example of simulation, and the amplitude of the same stylus in the same simulation and the vibration frequency of the vibrator | oscillator in the same simulation, and the amplitude of the movable axis. 同シミュレーションの結果を検証するための実験系を示す図である。It is a figure which shows the experimental system for verifying the result of the simulation. 同実験系において、同振動子が好適周波数帯域に属さない周波数で振動されたときの入力電圧とファイバセンサの出力との関係を示すグラフである。In the same experimental system, it is a graph which shows the relationship between the input voltage and the output of a fiber sensor when the vibrator is vibrated with the frequency which does not belong to a suitable frequency band. 同実験系において、同振動子が好適周波数帯域に属する周波数で振動されたときの入力電圧とファイバセンサの出力との関係を示すグラフである。In the same experiment system, it is a graph which shows the relationship between the input voltage when the same vibrator is vibrated with the frequency which belongs to a suitable frequency band, and the output of a fiber sensor. 入力電圧とファイバセンサの出力とを高速フーリエ変換によって解析した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having analyzed input voltage and the output of a fiber sensor by fast Fourier transform. 入力電圧とファイバセンサの出力とを高速フーリエ変換によって解析した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having analyzed input voltage and the output of a fiber sensor by fast Fourier transform. 同振動子と同スタイラスとの間の摩擦及びスティックスリップを検討するための実験系を示す図である。It is a figure which shows the experimental system for examining the friction and stick slip between the vibrator | oscillator and the stylus. 同実験系において、同振動子を振動させずに行った実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the experimental result conducted without vibrating the same vibrator in the same experimental system. 同実験系において、同振動子を好適周波数帯域に属する周波数で振動させて行った実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the experimental result conducted by vibrating the vibrator with the frequency which belongs to a suitable frequency band in the same experimental system. 同接触式変位センサを用いて、同振動子を振動させずに被測定物の表面形状を測定した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having measured the surface shape of the to-be-measured object, using the contact displacement sensor, without vibrating the vibrator. 同接触式変位センサを用いて、同振動子を好適周波数帯域に属する周波数で振動させて被測定物の表面形状を測定した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having measured the surface shape of the to-be-measured object by vibrating the vibrator with the frequency which belongs to a suitable frequency band using the contact type displacement sensor. シミュレーションの一例における同振動子の振動周波数と同スタイラスの振幅との関係を本発明の一実施形態の接触式変位センサの変形例におけるスタイラスを示す図である。It is a figure which shows the stylus in the modification of the contact-type displacement sensor of one Embodiment of this invention about the relationship between the vibration frequency of the vibrator | oscillator in the example of simulation, and the amplitude of the stylus.

符号の説明Explanation of symbols

1、1A 接触式変位センサ
3 可動軸
4、14 スタイラス
5 振動子
100 被測定物
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1A Contact-type displacement sensor 3 Movable shaft 4, 14 Stylus 5 Vibrator 100 Measured object

Claims (3)

被測定物の表面形状を測定するための接触式変位センサであって、
前記被測定物に対して進退可能に取り付けられる可動軸と、
前記可動軸の先端に取り付けられ、前記被測定物の表面を走査されるスタイラスと、
前記スタイラスと前記可動軸との間に取り付けられる振動子と、
前記振動子がその帯域内の周波数で振動される好適周波数帯域を決定する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記振動子のばね定数、前記振動子と前記スタイラスの取り付け部におけるばね定数と粘性係数、前記振動子と前記可動軸の取り付け部におけるばね定数と粘性係数、前記振動子の等価質量、前記可動軸の質量、及び前記スタイラスの質量に基づいて、
前記振動子の振動周波数ごとの前記可動軸の移動量の推移を示す曲線を取得して、前記可動軸の振幅がほぼゼロに収束する第一の振動周波数を抽出し、
前記振動子の振動周波数ごとの前記スタイラスの移動量の推移を示す曲線を取得して、前記振動子の振動周波数の変化に対して前記スタイラスの振幅が急激に変化する第一の振動周波数帯を抽出し、
前記第一の振動周波数以上であって前記第一の振動周波数帯を除くように前記好適周波数帯域を決定し、
前記スタイラスは所定の振幅で軸線方向に振動され、かつ前記可動軸はほとんど振動しないことを特徴とする接触式変位センサ。
A contact-type displacement sensor for measuring the surface shape of an object to be measured,
A movable shaft attached to the object to be measured so as to be able to advance and retreat;
A stylus attached to the tip of the movable shaft and scanned over the surface of the object to be measured;
A vibrator mounted between the stylus and the movable shaft;
A control unit for determining a suitable frequency band in which the vibrator is vibrated at a frequency within the band;
With
The control unit includes a spring constant of the vibrator, a spring constant and a viscosity coefficient in a mounting part of the vibrator and the stylus, a spring constant and a viscosity coefficient in a mounting part of the vibrator and the movable shaft, and an equivalent of the vibrator. Based on the mass, the mass of the movable shaft, and the mass of the stylus ,
Obtain a curve indicating the transition of the moving amount of the movable shaft for each vibration frequency of the vibrator, and extract the first vibration frequency at which the amplitude of the movable shaft converges to substantially zero,
A curve indicating the transition of the movement amount of the stylus for each vibration frequency of the vibrator is obtained, and a first vibration frequency band in which the amplitude of the stylus rapidly changes with respect to a change in the vibration frequency of the vibrator is obtained. Extract and
Determining the preferred frequency band to be greater than or equal to the first vibration frequency and excluding the first vibration frequency band;
The contact-type displacement sensor, wherein the stylus is vibrated in an axial direction with a predetermined amplitude, and the movable shaft hardly vibrates.
前記好適周波数帯域は、前記振動子の振動周波数をω、前記ばね定数をk、前記振動子の等価質量の1/2と前記可動軸の質量との和をm、前記振動子の等価質量の1/2と前記スタイラスの質量との和をmg、前記振動子と前記スタイラスの取り付け部におけるばね定数と粘性係数をそれぞれk、c、前記振動子と前記可動軸の取り付け部におけるばね定数と粘性係数をそれぞれk、c、として、
(1)
Figure 0005297735
及び
(2)
Figure 0005297735
の数式にもとづいて、前記スタイラスの移動量ξ g 及び前記可動軸の移動量ξ h の、前記振動子の振動周波数ごとの推移に関する曲線を取得して決定されることを特徴とする請求項1に記載の接触式変位センサ。
The preferred frequency band includes the vibration frequency of the vibrator ω, the spring constant k i , the sum of 1/2 of the equivalent mass of the vibrator and the mass of the movable shaft, m h , and the equivalent of the vibrator. The sum of 1/2 of the mass and the mass of the stylus is mg, the spring constant and the viscosity coefficient of the vibrator and the stylus attachment part are k g and c g , respectively, and the attachment part of the vibrator and the movable shaft The spring constant and the viscosity coefficient at k h , c h , respectively,
(1)
Figure 0005297735
And (2)
Figure 0005297735
2. The curve of the movement amount ξ g of the stylus and the movement amount ξ h of the movable shaft ξ h is determined by obtaining a curve relating to the transition of each vibrator vibration frequency. A contact displacement sensor according to claim 1.
前記振動子は、ピエゾ素子であることを特徴とする請求項1又は2に記載の接触式変位センサ。   The contact displacement sensor according to claim 1, wherein the vibrator is a piezo element.
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