JP6788207B2 - 変位検出器、表面性状測定機、及び真円度測定機 - Google Patents

Description

本発明は変位検出器に係り、特に２方向の測定が可能な変位検出器に関する。

従来より、真円度測定及び平面度測定等において、接触子を測定対象物に接触させた状態で接触子と測定対象物とを相対的に移動させ、その際の接触子の変位を検出する変位検出器が用いられている。通常、１方向のみを測定可能な変位検出器では測定方向に合わせて変位検出器の姿勢を変更することが必要となる。

しかしながら、このような姿勢変更は煩雑であり、作業効率を低下させる原因となっている。そこで、姿勢変更を不要とする変位検出器として、従来から、複数の方向を測定可能な変位検出器が提案されている。

例えば、特許文献１には、２方向を測定可能な変位検出器であって、差動変圧器（ＬＶＤＴ：Linear Variable differential Transformer）を１つのみ有する変位検出器が記載されている。特許文献１に記載された変位検出器は２つの接触子を有する。一方の接触子はＬＶＤＴのボビンに接続されており、水平方向の変位を検出するために用いられる。他方の接触子はＬＶＤＴのコアに接続されており、上下方向の変位を検出するために用いられる。

国際公開第２００７／０９７１３５号

しかし、特許文献１に記載の変位検出器は２つの接触子を有するために、測定時の変位検出器の姿勢が制限される（姿勢の自由度が低くなる）という問題がある。また、変位検出器の構成が複雑になるという問題もある。更に、一方の接触子で測定している際に、２つの接触子のアームを接続する軸を介して他方の接触子が動くことを考慮する必要があるなどの改良の余地がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、複数の方向の変位を測定可能な変位検出器であって、単純な構成を有し、且つ、高精度な測定が可能な変位検出器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係わる変位検出器は、検出器本体と、測定対象物の被測定面に接触する接触子を有するスタイラスと、検出器本体に設けられ、互いに直交する第１方向及び第２方向を含む面を揺動面としてスタイラスを揺動可能に保持するスタイラス保持部と、検出器本体に設けられ、接触子と被測定面との接触に伴う接触子の変位を検出する変位検出部と、を備え、スタイラスは、第１一端部と第１他端部とを有し、第１一端部がスタイラス保持部に保持され、第１一端部から第１他端部に向かって第１方向に延びる第１アームと、第２一端部と第２他端部とを有し、第２一端部が第１他端部に接続され、第２一端部から第２他端部に向かって第２方向に延び、第２他端部に接触子が設けられた第２アームと、を有する。

上記の変位検出器において、スタイラスは第１方向及び第２方向を含む面を揺動可能であるため、接触子は第１方向及び第２方向の２方向に変位可能である。これにより１つの変位検出部のみで２方向の変位を測定できるため、変位検出器の構成の単純化を実現することができる。ひいては、変位検出器の製造コストを低減することが可能となる。また、変位検出器は可動部として揺動中心を１つ有するだけであるため、可動部に起因する誤差の発生を低減し、高精度な測定を実現することが可能となる。

ここで、好ましくは、スタイラスはスタイラス保持部を介して揺動面に直交する回転軸を中心に揺動可能に軸支される。この場合、変位検出器は接触子を被測定面に向かう方向に付勢する力を付与する測定力付与部を備えることが望ましい。測定力付与部として、例えばバネ、カウンターウェイト等が挙げられる。

あるいは、好ましくは、スタイラス保持部は検出器本体に弾性体を介して揺動可能に取り付けられる。弾性体として、例えばバネが挙げられる。この場合、変位検出器から測定力付与部を省くことができる。

好ましくは、スタイラスの揺動中心から接触子に向かう方向を接触子方向とした場合、接触子方向は、第１方向の成分と第２方向の成分とを有する。

好ましくは、接触子が被測定面に接触しない状態において、第１方向の成分と第２方向の成分との両方が、接触子方向の成分全体の５０％以上である。より好ましくは、接触子が被測定面に接触しない状態において、第１方向の成分と第２方向の成分との両方が、接触子方向の成分全体の６０％以上である。更により好ましくは、接触子が変位した場合、変位検出部は、接触子の変位として第１方向の変位と第２方向の変位とを検出可能である。第１方向の成分と第２方向の成分とを適切な範囲内にすることにより、測定方向によって感度に大きな差ができないようにすることができる。

また、好ましくは、上記の変位検出器において、変位検出部は第１方向及び第２方向それぞれについて校正値を有する。２つの測定方向のそれぞれについて校正値を設定するため、変位検出器はいずれの測定方向でも高精度に測定することが可能である。

また、好ましくは、上記の変位検出器において、変位検出部は、コアと複数のコイルと有する差動変圧器を備え、スタイラス保持部は、揺動中心から見てスタイラスを支持する側とは反対側の端部においてコアを支持する。

本発明の第２の態様に係わる表面性状測定機は、第１の態様に係わる変位検出器と変位検出器を保持し、且つ、水平方向及び水平方向に対して直交する鉛直方向に測定対象物に対して相対的に変位検出器を移動させる移動機構と、を備える。第１の態様に係わる変位検出器を採用することにより、表面性状測定機の構成を単純化することが可能となる。

好ましくは、第２の態様に係わる表面性状測定機は、測定開始時に変位検出器の接触子が測定対象物に接触した際の移動機構の移動方向に基づいて変位検出器の測定方向を検出する制御部を更に備える。測定方向を自動的に検出することにより、測定の効率を向上させることができる。ここで、好ましくは、制御部は移動機構の駆動を制御する信号に基づいて変位検出器の移動方向を検出する。

本発明の第３の態様に係わる真円度測定機は、第１の態様に係わる変位検出器と、鉛直方向に対して平行なステージ回転軸周りに測定対象物を回転させる回転ステージを備える。第１の態様に係わる変位検出器を採用することにより、真円度測定機の構成を単純化することが可能となる。

また、好ましくは、第３の態様に係わる真円度測定機は、変位検出器を保持し、且つ、水平方向及び水平方向に対して直交する鉛直方向に測定対象物に対して相対的に変位検出器を移動させる移動機構と、測定開始時に変位検出器の接触子が測定対象物に接触した際の移動機構の移動方向に基づいて変位検出器の測定方向を検出する制御部を更に備える。測定方向を自動的に検出することにより、測定の効率を向上させることができる。ここで、好ましくは、制御部は移動機構の駆動を制御する信号に基づいて変位検出器の移動方向を検出する。

本発明によれば、複数の方向の変位を高精度に測定可能な変位検出器であって、単純な構成を有する変位検出器を実現することができる。

第１実施形態に係わる表面性状測定機（真円度測定機）の構成の一例を示す図 水平方向の変位を測定する際における変位検出器の姿勢の一例を示す図 上下方向の変位を測定する際における変位検出器の姿勢の一例を示す図 水平方向の変位を測定する際における変位検出器の姿勢の他の一例を示す図 スタイラスの傾斜角度と変位検出器のゲインとの関係を示すグラフ 表面性状測定機（真円度測定機）を用いた測定の手順を示すフローチャート 第２実施形態に係る変位検出器の構成の一例を示す図 第３実施形態に係る変位検出器の構成の一例を示す図 第４実施形態に係る変位検出器の構成の一例を示す図

以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る表面性状測定機（真円度測定機）の全体構成を示す図である。なお、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向は互いに直交する方向であり、Ｘ軸方向は水平方向、Ｙ軸方向はＸ軸方向に直交する水平方向、Ｚ軸方向は上下方向（鉛直方向）である。図１に示すように、表面性状測定機１０は、水平移動機構１２、垂直移動機構１４、回転テーブル１６、変位検出器２０及び制御部５０を備える。

水平移動機構１２は水平方向（図１中のＸ軸方向）に延設される。水平移動機構１２の一方端は変位検出器２０を着脱可能に保持し、水平移動機構１２の他方端は垂直移動機構１４により保持される。水平移動機構１２はモータ（不図示）の駆動により水平方向に移動される。

垂直移動機構１４は鉛直方向に本体ベース（不図示）上に立設される。水平移動機構１２は垂直移動機構１４のモータ（不図示）の駆動により、垂直移動機構１４に沿って上下方向に移動される。水平移動機構１２の移動により変位検出器２０の水平方向及び上下方向の位置が調節される。

回転テーブル１６は本体ベース上に設けられる。Ｘ軸方向微動つまみ（不図示）及びＹ軸方向微動つまみ（不図示）によって回転テーブル１６をＸ軸方向及びＹ軸方向に微動送りすることが可能である。また、Ｘ軸方向傾斜つまみ（不図示）及びＹ軸方向傾斜つまみ（不図示）によって回転テーブル１６のＸ軸方向及びＹ軸方向の傾斜が調整される。本体ベースに設けられたモータ（不図示）により、回転ステージ１４は、Ｚ軸方向に平行な回転軸を中心に回転される。

回転テーブル１６の上面には測定対象物となるワークＷが載置される。回転テーブル１６の回転軸はＺ軸方向と平行である。ワークＷはその中心軸が回転テーブル１６の回転軸と一致するように載置される。回転テーブル１６に載置されたワークＷは、回転テーブル１６とともに回転軸を中心に回転される。

制御部５０は不図示のＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及び入出力インターフェース等を備える。制御部５０では、ＲＯＭに記憶されている制御プログラム等の各種プログラムがＲＡＭに展開され、ＲＡＭに展開されたプログラムがＣＰＵによって実行されることにより、入出力インターフェースを介して各種の演算処理や制御処理が実行される。

図１において１つの制御部５０を示すが、１つの制御部５０を機能ごとに複数の制御部に分けてもよい。また、制御部５０の位置も任意に決めることが可能である。

制御部５０は、制御プログラム等の各種プログラムに従って、水平移動機構１２、垂直移動機構１４、回転テーブル１６及び変位検出器２０を統括的に制御する。例えば、不図示の入出力インターフェースを介して入力されたユーザの指示に基づいて、制御部５０は水平移動機構１２、垂直移動機構１４及び回転テーブル１６を駆動する。また、例えば、制御部５０は変位検出器２０を校正する。また、例えば、制御部５０は測定開始時に水平移動機構１２及び垂直移動機構１４の駆動方向に基づいて変位検出器２０の測定方向を検出する。制御部５０が行う各種の処理について詳しくは後述する。

変位検出器２０は検出器本体３０及びスタイラス４０を備える。検出器本体３０は変位検出部３１、測定力付与部３２、及びスタイラス保持部３３を備える。本実施形態では変位検出部３１の例としてＬＶＤＴについて説明する。

変位検出部３１は複数のコイルを有するボビンとコアとを有する。ボビンは固定部、例えば検出器本体３０に固定されている。コアの一方端はスタイラス保持部３３に接続され、他方端は自由端である。ＬＶＤＴの構成は公知であるため、詳しい説明については省略する。

スタイラス保持部３３の一方端は変位検出部３１のコアに接続される。スタイラス保持部３３の他方端はスタイラス４０を揺動可能（又は回動可能）に保持する。第１実施形態では、スタイラス保持部３３は他方端に軸受３４を有し、軸受３４を回転軸（揺動中心）にしてスタイラス４０を揺動可能に保持する。軸受３４は、例えば各種のベアリングである。図１では、スタイラス４０はＹ軸方向に平行な回転軸を中心に揺動可能に保持される。

測定時にスタイラス４０の先端にある接触子４４の位置が変位すると、その変位はスタイラスアーム４２及びスタイラス保持部３３を介して変位検出部３１のコアに伝えられ、コアの位置が変位する。変位検出部３１はコアの位置の変位量及び変位の向きを検出することにより、接触子４４の変位量及び変位の向きを検出する。

測定力付与機構３２は、接触子４４を測定面に向かって押し付けるように作用する(付勢する）測定力をスタイラス４０に付与する。測定力付与機構３２は例えば弾性体を有する。本実施形態では、一例として弾性体をコイルバネとして説明する。コイルバネは引張りバネ（引きバネ）でもよいし、圧縮バネでもよい。測定力付与機構３２のコイルバネの一方端はスタイラス保持部３３に接続され、コイルバネの他方端は固定部、例えば検出器本体３０に固定されている。

また、本実施形態では、制御部５０は、変位検出器２０によって変位を測定する方向（測定方向）を自動的に検出することができる。測定方向の検出について詳しくは後述する。

スタイラス４０はスタイラスアーム４２及び接触子４４を備える。スタイラスアーム４２は、例えば略Ｌ字形であり、Ｘ軸方向に延びる水平アーム部４５とＺ軸方向に延びる垂直アーム部４６とを備える。水平アーム部４５の基端は変位検出器２０のスタイラス保持部３３に保持され、水平アーム部４５の先端は垂直アーム部４６の基端に一致する。垂直アーム部４６は水平アーム部４５の先端から鉛直方向下向きに延び、垂直アーム部４６の先端には接触子４４が設けられる。

測定時には、接触子４４はワークＷの測定面に接触し、測定面の変位に従って接触子４４の位置が変位する。接触子４４の形状及び材質は特に限定されないが、接触子４４の形状の例として、球形、半球形、円筒形、円板形、斧形、円錐形、多角錐形等が挙げられる。接触子４４の材質の例として、例えば、ルビー、ジルコニア、セラミック等が挙げられる。

本実施形態では、接触子４４は略Ｌ字形のスタイラスアーム４２を介して変位検出器２０に接続されるため、接触子４４の位置は変位検出器２０の直下ではない。接触子４４の中心とスタイラス４０の揺動の中心（軸受３４の中心）とを結ぶ線（図１において一点鎖線で示す線Ｌ）は、鉛直線に対して角度（スタイラス４０の傾斜角度）θを形成する。この角度θは特に限定されないが、好ましくは、角度θは３０°から６０°であり、より好ましくは、角度θは３８°から５２°であり、更により好ましくは、角度θは略４５°である。図１では例として角度θが４５°である場合を示す。角度θについて詳しくは後述する。

以下、図２から図４を用いて、表面性状測定機１０を用いて水平方向（Ｘ軸方向）及び上下方向（Ｚ軸方向）の変位を測定する際の変位検出器２０の姿勢について説明する。例として、中空円柱形のワークＷについて説明するが、ワークＷの形状を限定する趣旨ではない。図２から図４は、それぞれ、外周側面の真円度、上面の平面度、及び内周側面の真円度を測定する場合の変位検出器２０の姿勢を示す。

本実施形態ではスタイラスアーム４２は軸受３４によってＹ軸方向に平行な回転軸を中心に揺動可能であるため、接触子４４はＸ−Ｚ平面上を揺動する。つまり、接触子４４はＸ軸方向及びＺ軸方向に変位可能である。したがって、ワークＷの外周側面の真円度を測定するために水平方向の変位を測定する場合（図２）と、ワークＷの上面の平面度を測定するために水平方向の変位を測定する場合（図３）とで、変位検出器２０の姿勢を変更する必要がない。

更に、本実施形態では変位検出器２０の姿勢変更の手間を低減するために、スタイラスアーム４２の形状も工夫している。つまり、スタイラスアーム４２は略Ｌ字形であるため、接触子４４は検出器本体３０のＸ軸方向及びＺ軸方向の延長線上にはない。検出器本体３０がワークＷと干渉する恐れがないため、ワークＷの内周側面の真円度を測定する場合（図４）でも変位検出器２０の姿勢を変更する必要がない。これにより、姿勢変更に伴う作業効率の低下を防ぐことが可能となる。

本実施形態の変位検出器２０は、Ｙ軸方向を中心に揺動可能な（回動可能な）スタイラス４０を用いているため、変位検出器２０により検出される接触子４４が変位する方向は、スタイラス４０の回転軸を中心とする円弧に接する接線方向となる。つまり、接触子４４の変位はＸ軸方向成分とＺ軸方向成分とを含む。そこで、制御部５０は、接触子４４の変位量及び角度θに基づいて測定方向に対応する変位量（Ｘ軸方向の変位量又はＺ軸方向の変位量）を算出する。

以下、制御部５０による変位量の算出について説明する。測定開始前において接触子４４の中心とスタイラス４０の回転軸とを結ぶ線（図１において一点鎖線で示す線Ｌ）と、鉛直線とがなす角度をθとする。測定中に接触子４４は微小な円弧を描くように揺動し、接触子４４の揺動により生じるこの角度θの変化量（角度変化量）をｄθとする。

この角度変化量ｄθは十分に小さいため、接触子４４の微小な円弧形の変位を、接触子４４の中心と揺動の回転軸とを結ぶ線に対して垂直な線分（つまり円弧の接線方向の線分）に近似することができる。

接触子４４の揺動半径は接触子４４の中心と揺動の回転軸との距離であり、既知であるから、制御部５０は、三角関数を用いてＸ−Ｚ平面上の接触子４４の変位量を水平方向（Ｘ軸方向）の変位量と、垂直方向（Ｚ軸方向）の変位量とに分解することが可能である。より具体的には、接触子４４が揺動により描く円弧の接線方向の線分の長さをＤとすると、Ｘ軸方向の変位量はＤ・ｃｏｓ θで、Ｚ軸方向の変位量はＤ・ｓｉｎ θで算出可能である。

制御部５０は水平方向の変位を測定する場合には接触子４４の変位量にｃｏｓ θを乗算した結果を測定結果として出力し、上下方向の変位を測定する場合には接触子４４の変位量にｓｉｎ θを乗算した結果を測定結果として出力する。

このように、本実施形態によれば、１つのＬＶＤＴを有する変位検出器２０を用いて２方向の変位を測定することが可能である。これにより、構造の単純化、製造コスト削減、及び装置の小型化を実現することができる。

また、変位検出器２０が有する可動な部品は軸受３４だけであり、可動部の数が少ない（運動自由度が１である）。これにより、可動部に起因する誤差の発生を低減することができる。また、本実施形態の変位検出器２０は接触子を１つ有するだけであるため、接触子を２つ備える特許文献１の発明と比べて、変位検出器２０の姿勢の自由度及び各方向での変位の測定精度を向上させることができる。

以下、図５を用いてスタイラス４０の傾斜角度θの望ましい大きさについて説明する。図５は角度θと変位検出器２０のゲインとの関係を示すグラフであり、横軸が角度θ（単位：°）を示し、縦軸がゲインの大きさを示す。図５において、点線がＸ軸方向のゲインを示し、実線がＺ軸方向のゲインを示す。ゲインは接触子４４の変位量に対応し、図５のグラフではゲインは１を最大値とする相対値で示される。

ゲイン全体の中でＸ軸方向の成分が占める割合とＺ軸方向の成分が占める割合との間の差が大きい場合、測定方向によって測定感度の差が大きくなる。そこで、測定感度が不利になる方の方向のゲインが最大感度（角度θが０（ゼロ）°の場合）の２分の１以上となるようにθの大きさを決めることが望ましい。この場合、図５から分かるように、Ｘ軸方向の成分が占める割合とＺ軸方向の成分が占める割合との比は約１：０．５８から１：１．７３までの範囲となり、角度θは３０°から６０°までの範囲となる。

より好ましくは、測定感度が不利になる方の方向のゲインが最大感度（角度θが０（ゼロ）°の場合）の約６０％以上となるように角度θの大きさを決めることである。この場合、図５から分かるように、Ｘ軸方向の成分が占める割合とＺ軸方向の成分が占める割合との比は約１：０．７５から１：１．３３までの範囲となり、角度θは約３８°から５２°までの範囲となる。

更により好ましくは、Ｘ軸方向とＺ軸方向とで測定感度に差がないことである。図５ではＸ軸方向のゲインとＺ軸方向のゲインとが交わる時の角度θに相当し、この時の角度θは略４５°である。

続いて、変位検出器２０の校正について説明する。例えば、校正は表面性状測定機１０の出荷前に行われる。出荷後も、必要に応じて適宜校正が行われ、校正値が更新されることにしてもよい。本実施形態では変位検出器２０は１つのＬＶＤＴを用いて２方向の変位を測定するため、２つの測定方向のそれぞれについて校正を行う。

まず、Ｘ軸方向及びＺ軸方向のそれぞれについて、実際の変位量（既知）と変位検出部３１で得られる信号量との相関関係を示すデータを取得する。相関関係を示すデータとして、例えば校正値テーブル及び校正カーブが挙げられる。続いて、それぞれの測定方向ついて、この相関関係を示すデータに基づいて良好な信号量が得られるゲインを校正値として決定する。

ここで、ワークＷが中空円柱形等の場合、内周側面（内周方向）を測定する際に用いる校正値を更に決定してもよい。決定された校正値は、例えば、制御部５０に設けられた不図示のメモリに記憶される。メモリの種類は特に限定されないが、例えばメモリはＲＯＭ又はＲＡＭである。

なお、ＬＶＤＴの校正方法は従来と大きくは変わらないため、詳しい説明を省略する。２つの測定方向のそれぞれについて校正値を設定するため、本実施形態の変位検出器２０はいずれの測定方向でも高精度に測定することが可能である。

次に、図６を用いて本実施形態の表面性状測定機１０を用いた測定手順について説明する。図６は測定の手順を示すフローチャートである。まず、制御部５０は、水平移動機構１２及び垂直移動機構１４を用いて変位検出器２０を移動させ、接触子４４をワークＷの測定面に接触させる（ステップＳ１０）。

続いて、水平移動機構１２及び垂直移動機構１４の駆動方向に基づいて制御部５０は測定方向を自動的に検出する（ステップＳ１２）。以下、図２から図４を用いて本実施形態での測定方向の自動検出について説明する。例として中空円柱形のワークＷについて説明するが、ワークＷの形状を限定する趣旨ではない。

ワークＷの外周側面の真円度を測定する場合、図２に示すように、制御部５０は水平移動機構１２をＸ軸の負の方向（図２では水平に左側に向かって）に駆動させ、回転テーブル１６上のワークＷの外周側面に接触子４４を接触させる。接触子４４がワークＷに接触すると、変位検出部３１は接触子４４の変位を検出する。水平移動機構１２をＸ軸の負の方向に駆動させた際に接触子４４の変位を検出したことに基づいて、制御部５０はＸ軸方向の変位（外径）の測定が行われることを自動的に検出する。なお、図２に示す状態で垂直移動機構１４をＺ軸方向に移動させながら外周側面の真直度を測定する場合も同様にして測定方向を検出可能である。

ワークＷの上面の平面度を測定する場合、図３に示すように、制御部５０は垂直移動機構１４をＺ軸の負の方向（図２では垂直に下側に向かって）に駆動させ、回転テーブル１６上のワークＷの上面に接触子４４を接触させる。接触子４４がワークＷに接触すると、変位検出部３１は接触子４４の変位を検出する。垂直移動機構１４をＺ軸の負の方向に駆動させた際に接触子４４の変位を検出したことに基づいて、制御部５０はＺ軸方向の変位の測定が行われることを自動的に検出する。なお、図３に示す状態で水平移動機構１２をＸ軸方向に移動させながら上面の真直度を測定する場合も同様にして測定方向を検出可能である。

ワークＷの内側側面の平面度を測定する場合、図４に示すように、制御部５０は水平移動機構１２をＸ軸の正の方向（図４では水平に右側に向かって）に駆動させ、回転テーブル１６上のワークＷの内側側面に接触子４４を接触させる。接触子４４がワークＷに接触すると、変位検出部３１は接触子４４の変位を検出する。水平移動機構１２をＸ軸の正の方向に駆動させた際に接触子４４の変位を検出したことに基づいて、変位検出部３１はＸ軸方向の変位（内径方向）の測定が行われることを自動的に検出する。なお、図４に示す状態で垂直移動機構１４をＺ軸方向に移動させながら内側側面の真直度を測定する場合も同様にして測定方向を検出可能である。

このように、本実施形態では、測定開始時に水平移動機構１２及び垂直移動機構１４のどちらがどの方向に駆動された際に接触子４４がワークＷに接触したのかに基づいて、測定方向を自動的に検出することができる。これにより、測定の効率を向上させることができる。続いて、制御部５０は検出された測定方向に応じた校正値をメモリから読みだして設定し（ステップＳ１４）、接触子４４の変位の測定を行う（ステップＳ１６）。

例えば、円柱状のワークＷの外周側面の真円度を測定する場合、図２に示す状態で回転テーブル１６（及びワークＷ）を回転させながら変位検出部３１で接触子４４の変位を測定する。また、例えば、ワークＷの外周側面の真直度を測定する場合、図２に示す状態で垂直移動機構１４を駆動して検出器本体３０をＺ軸方向に移動させながら変位検出部３１で接触子４４の変位を測定する。

また、例えば、ワークＷの上面の平面度を測定する場合、図３に示す状態で回転テーブル１６（及びワークＷ）を回転させながら変位検出部３１で接触子４４の変位を測定する。また、例えば、ワークＷの上面の真直度を測定する場合、図３に示す状態で水平移動機構１２を駆動して検出器本体３０をＸ軸方向に移動させながら変位検出部３１で接触子４４の変位を測定する。

また、例えば、中空円柱状のワークＷの内周側面の真円度を測定する場合、図４に示す状態で回転テーブル１６（及びワークＷ）を回転させながら変位検出部３１で接触子４４の変位を測定する。また、例えば、ワークＷの内周側面の真直度を測定する場合、図４に示す状態で垂直移動機構１４を駆動して検出器本体３０をＺ軸方向に移動させながら変位検出部３１で接触子４４の変位を測定する。

本実施形態では接触子４４の変位量はＸ軸方向成分とＺ軸方向成分とを含むため、制御部５０は変位検出部３１によって測定された接触子４４の変位量を、測定方向の変位量に変換する演算を行い、演算結果を測定結果として出力する（ステップＳ１８）。具体的には、Ｘ軸方向（水平方向）の変位を測定する場合には、制御部５０は接触子４４の変位量にｃｏｓ θを乗算してＸ軸方向の変位量を算出し、算出した結果を測定結果として出力する。一方、Ｚ軸方向（上下方向）の変位を測定する場合には、制御部５０は接触子４４の変位量にｓｉｎ θを乗算してＺ軸方向の変位量を算出し、算出した結果を測定結果として出力する。

ステップＳ１８の後、他の方向についても測定を行う場合には（ステップＳ２０：Ｙｅｓ）、ステップＳ１０に戻る。上述のように、測定方向を変更する際、本実施形態では変位検出器２０の姿勢を変更する必要がないため、測定を効率的に行うことができる。他の方向についても測定を行わない場合には（ステップＳ２０：Ｎｏ）、測定を終了する。

このように、本実施形態によれば、軸受３４を揺動中心としてＸ−Ｚ平面上を揺動可能なスタイラス４０を用いる。接触子４４の中心とスタイラス４０の回転軸とを結ぶ線は、鉛直線に対して所定の角度θを形成するため、スタイラス４０の揺動中心から接触子４４に向かう方向（接触子方向）はＸ軸方向成分とＺ軸方向成分とを含む。接触子４４は、揺動の回転軸から接触子４４に向かう方向に対して垂直な方向に変位するため、接触子４４の変位もまたＸ軸方向成分とＺ軸方向成分とを含む。よって、１つのＬＶＤＴを備える変位検出器２０でＸ軸方向及びＺ軸方向の変位を測定することが可能である。

これにより、変位検出器２０の構成を単純化し、製造コストを低減することが可能となる。また、本実施形態の変位検出器２０では可動部の数が少ないため、誤差が発生しにくくなる。

＜第２実施形態＞
以下の第２実施形態では変位検出器の構成が第１実施形態と異なる。具体的には、第２実施形態では変位検出器は軸受３４の代わりに弾性体を備える。第２実施形態に係る表面性状測定機の全体構成は基本的に第１実施形態と同じであるため、説明を省略する。図７は第２実施形態に係わる変位検出器６０の構成を示す。

図７では、変位検出器６０は弾性体の一例として板バネ６１を備える。図７に示すように、板バネ６１の一方端はバネ保持部材６２により保持されており、バネ保持部材６２は固定部、例えば検出器本体３０に固定されている。板バネ６１の他方端はバネ保持部材６３により保持されており、バネ保持部材６３はスタイラス保持部３３に接続される。

図７では、可動部と区別できるように変位検出器６０の構成のうち不動な部分はシェーディング（網掛け）されている。第２実施形態では、スタイラス４０は板バネ６１のほぼ中央（バネ保持部材６２及び６３によって保持されていない部分の中央）を中心（揺動の中心）として揺動可能に構成されている。測定時にスタイラス４０の先端にある接触子４４の位置が変位すると、その変位はスタイラスアーム４２及びスタイラス保持部３３を介して変位検出部３１のコアに伝えられ、変位検出部３１はこの変位を検出する。

また、バネ保持部材６３は可動であるが、バネ保持部材６２は不動である。このため、接触子４４の位置が変位した結果、板バネ６１が中立点から変位する（変形する）と、板バネ６１により反力が発生する。この反力の作用する方向は接触子４４の変位の方向とは反対であるため、反力は接触子４４を測定面に押し付けるように作用する。この反力が第１実施形態での測定力付与機構３２による測定力の役割を果たすため、第２実施形態では測定力付与機構３２を不要にすることができる。これにより、変位検出器６０の構成を一層単純化することが可能となる。

＜第３実施形態＞
第２実施形態と同様に第３実施形態でも、変位検出器は軸受３４の代わりに弾性体を備える。第３実施形態に係る表面性状測定機の全体構成は基本的に第１実施形態と同じであるため、説明を省略する。図８は第３実施形態に係わる変位検出器７０の構成を示す。

図８では、変位検出器７０は弾性体の一例として十字バネ７１を備える。図８に示すように、十字バネ７１の４端のうちの２端はバネ保持部材７２により保持されており、バネ保持部材７２は固定部、例えば検出器本体３０に固定されている。十字バネ７１の４端のうちの残る２端端はバネ保持部材７３により保持されており、バネ保持部材７３はスタイラス保持部３３に接続される。

図８では、可動部と区別できるように変位検出器７０の構成のうち不動な部分はシェーディング（網掛け）されている。第３実施形態では、スタイラス４０は十字バネ７１の中心（十字の交点）を中心（揺動の中心）として揺動可能に構成されている。測定時にスタイラス４０の接触子４４の位置が変位すると、その変位はスタイラスアーム４２及びスタイラス保持部３３を介して変位検出部３１のコアに伝えられるため、変位検出部３１は変位を検出することができる。

また、バネ保持部材７３は可動であるが、バネ保持部材７２は不動である。接触子４４の位置が変位した結果、十字バネ７１が中立点から変位すると、十字バネ７１により反力が発生する。第２実施形態と同様に、第３実施形態でもこの反力が第１実施形態での測定力付与機構３２による測定力の役割を果たすため、測定力付与機構３２を不要とすることができる。

＜第４実施形態＞
第４実施形態では、変位検出器は測定力付与機構３２の代わりにカウンターウェイトを備える。第４実施形態に係る表面性状測定機の全体構成は基本的に第１実施形態と同じであるため、説明を省略する。図９は第４実施形態に係わる変位検出器８０の構成を示す。

図９に示すように、変位検出器８０は軸受３４から見てスタイラス４０とは反対側にカウンターウェイト８１を備える。例えば、スタイラス４０が軸受３４を中心に揺動すると、カウンターウェイト８１はスタイラス４０の揺動方向とは反対方向に揺動する。これにより、第１実施形態における測定力付与機構３２を不要とすることができる。

＜効果＞
以上説明したように、各実施形態に係わる変位検出器２０，６０，７０及び８０は１つの変位検出部３１のみを有するため、より単純な構成で２方向の変位を測定可能である。これにより、変位検出器２０，６０，７０及び８０の製造コストを低減することが可能となる。

変位検出器２０，６０，７０及び８０が有する可動部の数が少ないため（運動自由度が低いため）、可動部に起因する誤差の発生を低減することが可能となる。また、測定方向それぞれについて校正値を設定するため、いずれの測定方向でも高精度に測定することが可能である。

測定開始時の駆動機構（水平移動機構１２及び垂直移動機構１４）の移動方向に基づいて測定方向を自動的に検出することが可能であるため、測定効率を向上することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、以上の例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはもちろんである。

１０…表面性状測定機、１２…水平移動機構、１４…垂直移動機構、１６…回転テーブル、２０，６０，７０，８０…変位検出器、３０…検出器本体、３１…変位検出部、３２…測定力付与機構、３３…スタイラス保持部、３４…軸受、４０…スタイラス、４２…スタイラスアーム、４４…接触子、４５…水平アーム部、４６…垂直アーム部、５０…制御部、６１…板バネ、６２，６３，７２，７３…バネ保持部材、７１…十字バネ、Ｗ…ワーク

Claims (18)

1. 検出器本体と、
   測定対象物の被測定面に接触する接触子を有するスタイラスと、
   前記検出器本体に設けられ、互いに直交する第１方向及び第２方向を含む面を揺動面として前記スタイラスを揺動可能に保持するスタイラス保持部と、
   前記検出器本体に設けられ、前記接触子と前記被測定面との接触に伴う前記接触子の変位を検出する変位検出部と、
   を備え、
   前記スタイラスは、
   第１一端部と第１他端部とを有し、前記第１一端部が前記スタイラス保持部に保持され、前記第１一端部から前記第１他端部に向かって前記第１方向に延びる第１アームと、
   第２一端部と第２他端部とを有し、前記第２一端部が前記第１他端部に接続され、前記第２一端部から前記第２他端部に向かって前記第２方向に延び、前記第２他端部に前記接触子が設けられた第２アームと、
   を有し、
   前記変位検出部は、前記接触子の変位量、及び前記接触子の中心と前記スタイラスの回転軸とを結ぶ線と、鉛直線とがなす角度に基づいて、前記検出器本体の姿勢を変更することなく、前記接触子の接触子の変位として前記第１方向の変位と前記第２方向の変位とを検出可能である、変位検出器。
2. 前記スタイラスは、前記スタイラス保持部を介して前記揺動面に直交する回転軸を中心に揺動可能に軸支される、請求項１に記載の変位検出器。
3. 前記接触子を前記被測定面に向かう方向に付勢する力を付与する測定力付与部を備える、請求項２に記載の変位検出器。
4. 前記スタイラス保持部は前記検出器本体に弾性体を介して揺動可能に取り付けられる、請求項１に記載の変位検出器。
5. 前記スタイラスの揺動中心から前記接触子に向かう方向を接触子方向とした場合、前記接触子方向は、前記第１方向の成分と前記第２方向の成分とを有する、請求項１から４のいずれか１項に記載の変位検出器。
6. 前記接触子が前記被測定面に接触しない状態において、前記第１方向の成分と前記第２方向の成分との比は１：０．５８から１：１．７３までの範囲内にある、請求項５に記載の変位検出器。
7. 前記接触子が前記被測定面に接触しない状態において、前記第１方向の成分と前記第２方向の成分との比は１：０．７５から１：１．３３までの範囲内にある、請求項５に記載の変位検出器。
8. 前記接触子が前記被測定面に接触しない状態において、前記第１方向の成分と前記第２方向の成分とが等しい、請求項５に記載の変位検出器。
9. 前記接触子が変位した場合、前記変位検出部は、前記接触子の変位として前記第１方向の変位と前記第２方向の変位とを検出可能である、請求項１から８のいずれか１項に記載の変位検出器。
10. 前記変位検出部は前記第１方向及び前記第２方向それぞれについて校正値を有する、請求項１から９のいずれか１項に記載の変位検出器。
11. 前記変位検出部は、コアと複数のコイルと有する差動変圧器を備え、
    前記スタイラス保持部は、揺動中心からみて前記スタイラスを支持する側とは反対側の端部において前記コアを支持する、
    請求項１から１０のいずれか１項に記載の変位検出器。
12. 請求項１から１１のいずれか１項に記載の変位検出器と、
    前記変位検出器を保持し、且つ、水平方向及び前記水平方向に対して直交する鉛直方向に測定対象物に対して相対的に前記変位検出器を移動させる移動機構と、
    を備える表面性状測定機。
13. 測定開始時に前記変位検出器の接触子が前記測定対象物に接触した際の前記移動機構の移動方向に基づいて前記変位検出器の測定方向を検出する制御部を更に備える、
    請求項１２に記載の表面性状測定機。
14. 前記制御部は、前記移動機構の駆動を制御する信号に基づいて前記変位検出器の測定方向を検出する、請求項１３に記載の表面性状測定機。
15. 請求項１から１１のいずれか１項に記載の変位検出器と、
    鉛直方向に対して平行なステージ回転軸周りに測定対象物を回転させる回転ステージと、
    を備える真円度測定機。
16. 前記変位検出器を保持し、且つ、水平方向及び前記水平方向に対して直交する鉛直方向に測定対象物に対して相対的に前記変位検出器を移動させる移動機構と、
    測定開始時に前記変位検出器の接触子が前記測定対象物に接触した際の前記移動機構の移動方向に基づいて前記変位検出器の測定方向を検出する制御部を更に備える、
    請求項１５に記載の真円度測定機。
17. 前記制御部は、前記移動機構の駆動を制御する信号に基づいて前記変位検出器の測定方向を検出する、請求項１６に記載の真円度測定機。
18. 検出器本体と、
    測定対象物の被測定面に接触する接触子を有するスタイラスと、
    前記検出器本体に設けられ、前記スタイラスを揺動可能に保持するスタイラス保持部と、
    前記検出器本体に設けられ、前記接触子と前記被測定面との接触に伴う前記接触子の変位を検出する変位検出部と、
    を備え、
    前記スタイラスは、互いに直交する第１アームと第２アームとを有し、
    前記変位検出部は、前記接触子の変位量、及び前記接触子の中心と前記スタイラスの回転軸とを結ぶ線と、鉛直線とがなす角度に基づいて、前記検出器本体の姿勢を変更することなく、前記接触子の接触子の変位として前記第１アームの長手方向の変位と前記第２アームの長手方向の変位とを検出可能である、変位検出器。

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