JP2005221446A

JP2005221446A - 接触式変位測長器

Info

Publication number: JP2005221446A
Application number: JP2004031480A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Mitsuhashi; 正三ツ橋
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 2004-02-09
Filing date: 2004-02-09
Publication date: 2005-08-18

Abstract

【課題】スピンドルの移動に伴って増加する測定圧力を低減させ、被測定物へ加わる荷重を減らし正確な計測を可能とする接触式変位測長器を提供する。
【解決手段】測定子が被測定面に当接し、前記測定子に連なるスピンドルの位置の変化を検出して被測定面の寸法を計測する接触式変位測長器において、スピンドルの先端に設けられた測定子を被測定面に対して一定方向に付勢するためのコイルバネを有し、前記スピンドルが下死点位置にある時、前記コイルバネの軸線と前記スピンドルの軸線とが所定の角度で交差するように前記コイルバネを配置したことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、スピンドルの軸線方の変位を検出する接触式の変位測長器に関し、特に、スピンドルの先端に設けられた測定子を被測定面に対して一定方向に付勢させるためのバネを設け被測定面に対する測定圧力が所定の範囲となるように調整した接触式変位測長器に関する。

接触式変位測長器の周知の構成は、位置を検出するための検出部を内蔵するためのフレームを有し、フレームの上部の適当な位置に、検出ヘッドが取り付けられている。フレームには検出ヘッドからの信号を外部へ出力するためのケーブルが接続されており、そのケーブルの他端は電源及び表示器に接続される。スピンドルの上部にはスケールが検出ヘッドに対向するように取り付けられており、そのスケールはスピンドルと共に軸線方向に移動することができ、スケールと検出ヘッドによって変位検出部が構成される。またフレームの一部にステムが取り付けられており、ステムに形成された軸線方向の孔内に軸受けが設けてあり、スピンドルが滑動可能に配置されている。そして、スピンドルの一部にはスピンドルが一方向に付勢されるようにバネが取り付けられており、スピンドルの先端には測定子が取り付けられている。この測定子が被測定面に接触することで、バネの弾性力により被測定面に測定子を押し当てて測定を行う（例えば、特許文献１参照。）。

以下、図面を参照して従来技術における接触式変位測長器の具体的例について説明する。図４は、従来技術における接触式変位測長器を示す平面図である。この接触式変位測長器は測長位置を検出するための検出部を内蔵するためのフレーム１００を有し、そのフレーム１００の一部にステム１０１が取り付けられている。そのステム１０１には軸線方向に孔が形成されており、その孔内をスピンドル１０２が滑動可能に配置されている。そして、スピンドル１０２の上部にはスケールホルダー１０３が取り付けられており、そのスケールホルダー１０３には等ピッチの明暗の縞が形成されたスケール１０４が、スピンドル１０２の軸線方向に対してスケール１０４上の縞が直角方向となるように取り付けられており、スケール１０４はスピンドル１０２と共に軸線方向に一緒に移動することになる。そして、スピンドル１０２の上部に取り付けられたスケールホルダー１０３には、廻り止めピン１０５が取り付けられており、廻り止めピン１０５の一端はフレーム１００上に設けられたガイド溝１０６に接しており、スピンドル１０２がその中心を軸に回転しないようにしている。そして、その廻り止めピン１０５に設けられた溝１０７には引っ張りコイルバネ１０８のフックが掛けられており、他方のバネ掛けピン１０９は、引っ張りコイルバネ１０８の軸線がスピンドル１０２の軸線方向に平行な向きになるような位置に取り付けられている。

そして、スピンドル１０２の先端には測定子１１０が取り付けられており、引っ張りコイルバネ１０８の弾性力がスピンドル１０２の軸線方向に働きスピンドル１０２を下方向に押し付けるよう付与し、スピンドル１０２等の部材の自重とにより、被測定面１５０に測定子１１０を押し当てて測定が行われることになる。そして、そのスケール１０４を挟むかたちで受発光素子が配置されており、発光素子として反射型のＬＥＤ１１１がフレーム１００上に取り付けられている。受光素子には、フォトダイオード上に固定スケールパターンが焼き付けられた受光ＩＣ１１２が用いられており、その受光ＩＣ１１２は電源等の電子部品を搭載した基板１１３の裏面側にスケール１０４に対向するように取り付けられている。そして基板１１３はフレーム１００上に形成されたボス１１４上にネジで取り付けるようになっている。このようにして、スケール１０４とＬＥＤ１１１と受光ＩＣ１１２によって変位検出部が構成される。そして受光ＩＣ１１２の出力信号を外部に取り出
すためのケーブル１１５がフレーム１００に設けられた孔１１６を通して基板１１３上の端子１１７に接続されており、そのケーブル１１５の他端は図示しない電源及び表示器に接続されている。

特開平０６−１８６０１８号公報（第３頁、図１）

この種の接触式変位測長器では、測長範囲を長くした場合にはスピンドルの変位に伴ってコイルバネの付勢力が増加するため、測定位置によって測定圧力が異なってしまい、被測定面に対する測定子の接触圧力がその都度変化してしまうから、これに応じた反力で被測定面自身が変化したり被測定物の支持状態が変化してしまい、正しい計測結果や再現性のある計測結果が得られない。

また、接触式変位測長器の測定子に加わる測定圧力はスピンドルが下死点付近にある場合は低圧力にあるが、スピンドルが上死点側に移動するに連れ圧力は増し、スピンドルの移動範囲が大きくなる程、下死点側と上死点側の測定圧力の差は大きくなる。この測定圧力の差はスピンドルに接続されたバネの特性に依存し、用いられている引っ張り式のコイルバネの許容範囲内での撓み量に対する荷重の変化は略直線的に増加する。

例えば、バネ材質をピアノ線とし、このバネ材の横弾性係数Ｇを７８５００Ｎ／ｍｍ^２とし、線径ｄを０．２３ｍｍ、コイル平均径Ｄを２．７７ｍｍ、有効巻数Ｎを２０巻、フック内径を２．５４ｍｍ、自由長さを１０．４２ｍｍとした場合に、バネ定数ｋはＧｄ^４／８ＮＤ^３より０．０６４６Ｎ／ｍｍとなり、スピンドルが下死点にあるときのバネの長さを１２ｍｍとした場合のバネに生じる荷重は０．２１Ｎとなる。そして、スピンドルが下死点から上死点まで移動する距離を１０ｍｍとした場合に、スピンドルが上死点にあるときのバネの長さは２２ｍｍになり、バネ荷重は０．８５Ｎとなる。バネ荷重は０．２１Ｎから０．８６Ｎまでに変化し、スピンドルの動作範囲においてバネ荷重は０．６５Ｎ変動することになる。

よって、この従来技術に示した接触式変位測長器では、スピンドルの移動量即ち測長範囲を大きくする程に測定圧力が増してしまうことが判る。

上記理由から、測定範囲を広くした場合にはスピンドルの変位に伴って測定圧力が増加するため、測定位置によって測定圧力が異なってくる。測定子の移動量に伴ってコイルバネの付勢力が変化すると、被測定面に対する測定子の接触圧力がその都度変化してしまうから、これに応じた反力で被測定面自体が変化したり被測定物の支持状態が変化してしまい、正しい計測結果や再現性のある計測結果が得られない。

したがって、正しい計測結果を得ようとする場合には測定範囲内において一定の測定圧を確保できるような構成にすることが望ましい。

そこで本発明は、スピンドルの先端に設けられた測定子を被測定物に対して一定方向に付勢させるためのバネの配置を改善することによって、スピンドルの移動に伴って増加する測定圧力を低減させ、被測定物へ加わる荷重を減らし正確な計測を可能とする接触式変位測長器を提供することを目的としたものである。

前述した目的を達成するために、本発明の接触式変位測長器は、測定子が被測定面に当接し、前記測定子に連なるスピンドルの位置の変化を検出して被測定面の寸法を計測する
接触式変位測長器において、スピンドルの先端に設けられた測定子を被測定面に対して一定方向に付勢するためのコイルバネを有し、前記スピンドルが下死点位置にある時、前記コイルバネの軸線と前記スピンドルの軸線とが所定の角度で交差するように前記コイルバネを配置したことを特徴とする。
また、前記スピンドルが下死点位置にある時、前記コイルバネの軸線と前記スピンドルの軸線とのなす角度が略９０度となるように前記コイルバネを配置したことを特徴とする。
また、スピンドルの軸受けがリニアボールベアリング方式であることを特徴とする。

上述した様に、前記スピンドルが下死点位置にある時、前記コイルバネの軸線と前記スピンドルの軸線とが所定の角度で交差するように前記コイルバネが取り付けられているため、スピンドルの移動量に対してコイルバネの撓み量は少なくなり、前記コイルバネの軸線と前記スピンドルの軸線とのなす角度が略９０度の時、コイルバネの撓み量は最も少なくなる。このため、スピンドルが上死点側に移動した場合の測定圧力は小さく抑えられるので被測定物に対する応力を小さくすることができるので被測定物の変形による測定誤差を抑えることができ、より弾性体への計測が可能になる。

以上述べたように、本発明によれば、スピンドルの移動量に伴って増加する測定圧力を低減させることによって、被測定物へ加わる荷重を減らし被測定物の変形を押さえることができる。この結果、正しい計測結果や再現性のある計測結果が得られる高精度な接触式変位測長器を提供することができる。

更に、本発明の接触式変位測長器の機構は簡素であり、小型で高精度な接触式変位測長器を低コストで得ることができる。

以下に、本発明に係わる接触式変位測長器の具体例について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明に係わる接触式変位測長器の一具体例の全体構成を示す。接触式変位測長器３０には、測長位置を検出するための検出部を内蔵するためのフレーム１を有し、そのフレーム１の一部にステム２が取り付けられている。そのステム２には軸線方向に孔３が形成されており、その孔内３には図示されていないリニアボールベアリングが内蔵されたリテーナ４を配しており、そのリテーナ４内をスピンドル５が滑動可能に配置されている。そして、スピンドル５の上部にはスケールホルダー６がネジにより固定されており、そのスケールホルダー６にはバネ掛けピン７が取り付けられており、そのバネ掛ピン７には引っ張りコイルバネ８のフックが掛けられている。そして、引っ張りコイルバネ８の他方のフックを掛けるためのバネ掛けピン９は、スピンドル５が下死点位置にある時に引っ張りコイルバネ８がスピンドル５の移動方向に対して略直角方向となる位置にあって、フレーム１上に取り付けられている。即ち、図２（ａ）に示すように、引っ張りコイルバネ８は、スピンドル５の軸線５ａと引っ張りコイルバネ８の軸線８ａとなす角度θａが略９０度となるように配置されている。そして、スピンドル５の先端には測定子９が取り付けられており、引っ張りコイルバネ８の弾性力に基づくスピンドル５の軸線方向の分力とスピンドル５等の部材の自重とにより、被測定面５０に測定子９を押し当てて測定が行われることになる。そして、スケールホルダー６の一部には廻り止めピン１０が取り付けられており、廻り止めピン１０の一端はフレーム１上に設けられたガイド溝１１に接しており、スピンドル５がその中心を軸に回転しないようになっている。そして、スケールホルダー６には等ピッチの明暗の縞が形成されたスケール１２が、スピンドル５の軸線方向に対してスケール上の縞が直角方向となるように取り付けられており、スケール１２はスピンドル５と共に軸線方向に一緒に移動することになる。そして、そのスケール１２を挟むかたちで受発光素子が配置されており、発光素子として反射型のＬＥＤ１３がフレー
ム1上に取り付けられている。受光素子には、フォトダイオード上に固定スケールパターンが焼き付けられた受光ＩＣ１４が用いられており、その受光ＩＣ１４は電源等の電子部品を搭載した基板１５の裏面側にスケール１２に対向するように取り付けられている。そして基板１５はフレーム１上に形成されたボス１６上にネジで取り付けるようになっている。このようにして、スケール１２とＬＥＤ１３と受光ＩＣ１４によって変位検出部２０が構成される。そして受光ＩＣ１４の出力信号を外部に取り出すためのケーブル１７がフレーム１の孔１８を通して基板１５上の端子１９に接続されており、そのケーブル１７の他端は図示しない電源及び表示器に接続されている。

次に図２は本発明に係わる接触式変位測長器の測定力バネの動作状態を示す。引っ張りコイルバネ８の一方のフックはバネ掛けピン９に掛けられており、他方のフックはスケールホルダー６上にあるバネ掛けピン１０に掛けられている。図2（ａ）は、スピンドル５が下死点にある状態を示し、図２（ｂ）は、スピンドル５が上死点にある状態を示している。図２（ａ）に示すように、スピンドル５が下死点位置である時は、引っ張りコイルバネ８はスピンドル５の移動方向である軸線５ａと引っ張りコイルバネ８の軸線８ａとのなす角度θａが略９０度となるような位置関係にある。スピンドル５が図２（ｂ）に示す上死点側に移動するに連れ、引っ張りコイルバネ８はスピンドル５の移動方向に向け斜め方向に引かれることになり、図２（ｂ）に示すようにスピンドル５が上死点にある時、引っ張りコイルバネ８の軸線８ａとスピンドル５の軸線５ａとのなす角度θｂは９０度よりも小さくなる。

ここで、本発明での実施例における引っ張りコイルバネ８の最大荷重Ｐを式１、式２より求めると、引っ張りコイルバネ８の初期位置長さＬａを１２ｍｍとして、スピンドル５の移動量Ｌｂを１０ｍｍとした場合に０．４４Ｎとなる。この値からスピンドル５の軸線５ａ方向に加わる力Ｐｘを式３、式４により求めると０．２８Ｎとなる。

図３は本発明に係わる接触式変位測長器の測定力バネの取り付け有効範囲を示す。スピンドル５が下死点位置の初期状態において、スピンドル５の軸線５ａに対して引っ張りコイルバネ８の軸線８ａを平行な位置関係から所定の角度θａを持たせるようにする事で、
スピンドル５が距離Ｌｂだけ移動した場合の引っ張りコイルバネ８の変形時長さＬｘは、引っ張りコイルバネ８の軸線８ａがスピンドル５の軸線５ａと平行な位置関係にある時の変形時長さよりも短くなり、引っ張りコイルバネ８に生じる荷重Ｐも小さくなる。そしてバネ荷重方向はスピンドル５の軸線５ａに対しても角度θｂを持つため、結果としてスピンドル５の軸線５ａ方向に加わる力Ｐｘはより小さくなる。そして更にスピンドル５の軸線５ａに対して引っ張りコイルバネ８の軸線８ａの角度θａを小さくしていくと、スピンドル５がＬｂ移動した場合の引っ張りコイルバネ８の変形時長さＬｘは、上述した状態にある時よりも短くなり、バネに生じる荷重Ｐも小さくすることができる。ここで角度θａが１２０度程度とした時に、スピンドル５の軸線５ａ方向に加わる力Ｐｘは、スピンドル５と引っ張りコイルバネ８が平行状態にある時の約５０％程度まで減少し、上述した実施例にあるスピンドル５の軸線５ａに対する引っ張りコイルバネ８の軸線８ａとのなす角度θａを９０度にすることで、スピンドル５の軸線５ａ方向に加わる力Ｐｘは最小となり、スピンドル５と引っ張りコイルバネ８が平行状態にある時に比べ２０％程度まで減少する。

上述した様に、本実施例で示した接触式変位測長器の構成とすることで、スピンドルの移動量に伴って増加する測定圧力を低減させることによって、被測定物へ加わる荷重を減らし被測定物の変形を押さえることができる。この結果、正確で再現性のある計測結果が得られる高精度な接触式変位測長器を構成することができる。

本発明の接触式変位測長器の一具体例の構成を示す斜視図である。本発明の接触式変位測長器に於けるスピンドルの移動に伴うコイルバネの動作状態を示す平面図である。本発明の接触式変位測長器に於ける測定力バネの取り付け有効範囲を示す図である。従来技術の接触式変位測長器の構成を示す斜視図である。

符号の説明

１フレーム
２ステム
３孔
４リテーナ
５スピンドル
６スケールホルダー
７バネ掛けピン
８引っ張りコイルバネ
９測定子
１０バネ掛けピン
１１ガイド溝
１２スケール
１３ＬＥＤ
１４受光ＩＣ
１５基板
１６ボス
１７ケーブル
１８孔
１９端子
２０変位検出部
３０接触式変位測長器
５０被測定面

Claims

測定子が被測定面に当接し、前記測定子に連なるスピンドルの位置の変化を検出して被測定面の寸法を計測する接触式変位測長器において、スピンドルの先端に設けられた測定子を被測定面に対して一定方向に付勢するためのコイルバネを有し、前記スピンドルが下死点位置にある時、前記コイルバネの軸線と前記スピンドルの軸線とが所定の角度で交差するように前記コイルバネを配置したことを特徴とする接触式変位測長器。
前記スピンドルが下死点位置にある時、前記コイルバネの軸線と前記スピンドルの軸線とのなす角度が略９０度となるように前記コイルバネを配置したことを特徴とする接触式変位測長器。
スピンドルの軸受けがリニアボールベアリング方式であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の接触式変位測長器。