JP2009020048A - 接触式センサ - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー消費を抑制しつつ、接触子を被測定物に押し付ける力を変化させることができ、かつ任意の測定方向において使用できる小型の接触式センサを提供する。
【解決手段】軸１２の軸端に設けられるとともにシリンダ１の外部に突出した接触子１３と、接触子１３とは反対側の軸端に設けられる第１の永久磁石１４と、シリンダ１に固定されるとともに軸１２と摺接し、軸１２を軸の長手方向に案内する直動軸受８と、軸１２の長手方向の位置を測定するセンサ素子１０と、磁性体で構成された磁心３に絶縁電線による巻線４を捲回することにより形成されるとともに、第１の永久磁石１４と対向しかつ磁界の向きが第１の永久磁石１４と反対方向となるように設けられた電磁石５と、磁界の向きが第１の永久磁石１４と反対方向でかつ電磁石５と同一となるよう磁心３に設けられた第２の永久磁石７とを備えた接触式センサ。
【選択図】図１

Description

本発明は、接触式センサに関し、更に特定的には表面粗さ測定装置や突き押し強度測定装置等に使用される接触式センサに関する。

接触子を被測定物に接触させて被測定物の表面粗さや突き押し強度を測定する測定装置において、接触式センサが広く用いられている。接触式センサは接触子を被測定物に押し当てることにより、接触子に締結されている軸の位置が変位し、かかる変位をセンサ端子により検出することにより、被測定物の表面粗さを測定することができる。また、接触子を被測定物に押し付ける力を算出することにより、資料の突き押し強度を測定することもできる。

従来、接触子を被測定物に押し付ける力として、接触子および軸にかかる重力を利用した形式の接触式センサが用いられている。しかし同式の接触式センサは被測定物に対して接触子を鉛直方向からしか押し当てることができないため、例えば鉛直方向に設置された壁の表面荒さなどを測定することは困難である。また、軸や接触子を取り替えることなく接触子を被測定物に押し付ける力を変化させることができないため、１つの接触式センサで強度の大きく異なる被測定物の突き押し強度を測定することは困難である。

かかる問題点を解決するため、空気アクチュエータを内蔵した形式の接触式センサが知られている。同形式の接触式センサは空気アクチュエータにより生じた空気圧により接触子を被測定物に押し付ける力を発生させているので、重力方向にかかわらず使用することができる。また、空気圧を変えることにより接触子を被測定物に押し付ける力を変えることができるので、強度の異なる被測定物の突き押し強度を容易に測定できる。

また、板ばねおよび電磁石を内蔵した形式の接触式センサが知られている（例えば特許文献１）。同形式の接触式センサは板ばねの弾性および電磁石の反発力により接触子を被測定物に押し付ける力を発生させているので、重力方向にかかわらず使用することができる。また、電磁石の反発力を変えることにより接触子を被測定物に押し付ける力を変えることができるため、強度の異なる被測定物の突き押し強度を容易に測定できる。
特開２００７−８５８１５号公報

しかし、空気アクチュエータを内蔵した形式の接触式センサはアクチュエータを使用するため、測定中常に空気を圧縮する必要があり、エネルギー消費が大きい。また、たとえば宇宙空間など、空気がない場所では使用することができない。一方、板ばねおよび電磁石を内蔵した形式の接触式センサも測定中常に電磁石に通電し磁力を発生させる必要があるため、エネルギー消費が大きい。また、電磁石と別に、板ばね等の構造物を接触式センサ内部に設けることが必要であるため、接触式センサが大型化する。

本発明はかかる実情を鑑みなされたもので、エネルギー消費を抑制しつつ、接触子を被測定物に押し付ける力を変化させることができ、かつ空気の有無と無関係に使用でき、更に任意の測定方向において使用できる小型の接触式センサを提供することを課題とする。

本発明にかかる磁気軸受装置は、シリンダと、前記シリンダに挿入された軸と、前記軸の軸端に設けられるとともに前記シリンダの外部に突出した接触子と、前記接触子とは反対側の軸端に設けられる第１の永久磁石と、前記シリンダに固定されるとともに前記軸と摺接し、当該軸を当該軸の長手方向に案内する直動軸受と、前記軸の長手方向の位置を測定するセンサ素子と、磁性体で構成された磁心に絶縁電線による巻線を捲回することにより形成されるとともに、前記第１の永久磁石と対向しかつ磁界の向きが前記第１の永久磁石と反対方向となるように設けられた電磁石と、前記第１の永久磁石に対向するとともに磁界の向きが第１の永久磁石と反対方向となりかつ前記電磁石と同一となるよう前記磁心に設けられた第２の永久磁石とを備える。

上記構成によると、第１の永久磁石に対向するとともに磁界の向きが第１の永久磁石と反対方向となるように設けられた第２の永久磁石を備えるため、第１の永久磁石と第２の永久磁石とが反発力を生じ、接触子を被測定物に押し付ける力として当該反発力を利用する。従って、エネルギー消費を抑制しつつ、接触子を被測定物に押し付ける力を得ることができる。また、前記第１の永久磁石と対向しかつ磁界の向きが第１の永久磁石と反対方向となるように設けられた電磁石を有するため、通電時において電磁石と第１の永久磁石とは反発力を生じ、第１の永久磁石と第２の永久磁石とが生じさせた反発力を補強する。従って接触子を被測定物に押し付ける力を一層強めることができる。また、接触子を被測定物に押し付ける力は空気の有無と無関係に発生するため、当該接触式センサは宇宙など空気の環境でも使用できる。また、接触子を被測定物に押し付ける力は重力に依存しないため、当該接触式センサは、任意の測定方向において使用できる。また、上記特許文献１に示された技術において使用した板ばねが不要となるので、小型の接触式センサとすることができる。

本発明にかかる磁気軸受装置の第２の永久磁石は、第１の永久磁石と対向する磁心の端部に設けられることが好ましい。
上記構成によると、第２の永久磁石を、第１の永久磁石と対向する磁心の端部に設けるため、第２の永久磁石と第１の永久磁石とが最も近接する。従って、同一の反発力を得るために要する第２の永久磁石の磁力が小さくてすみ、第２の永久磁石を小型かつ安価に構成することができる。

本発明にかかる磁気軸受装置の第２の永久磁石は、第１の永久磁石と対向する磁心の端部から磁心内部まで延設して設けられることも好ましい。
上記構成によると、第２の永久磁石を、第１の永久磁石と対向する磁心の端部から磁心内部まで延設して設けるため、第２の永久磁石としてより大きな永久磁石を使用することができる。従って、容易により大きな反発力を発生させることができ、接触子を被測定物に押し付ける力をより強くすることができる。かかる効果は電力を使用せずにできるので、よりエネルギー消費を抑えることができる。

本発明にかかる磁気軸受装置の電磁石は複数の前記巻線を備えることが好ましい。
複数の巻線を備えることにより、必要に応じて必要な数の巻線のみに通電することができる。従って電磁石の発生する磁力を容易に変化させることができ、接触子を被測定物に押し付ける力を容易に切り替えることができる。よって、同一の接触センサによって、強度の異なる被測定物の突き押し強度を、容易に測定できる。

本発明によれば、エネルギー消費を抑制しつつ、接触子を被測定物に押し付ける力を変化させることができ、かつ空気の有無と無関係に使用でき、更に任意の測定方向において使用できる小型の接触式センサを提供することができる。

本発明に係る接触式センサを具体化した実施形態を図１を用いて説明する。
図１に示すように、本実施形態にかかる接触式センサのシリンダ１は略有底円筒状であるとともに、開口部を略円環状の蓋２によって封じられている。

シリンダ１の底部内面には磁心３と磁心３の周りに絶縁電線を捲回して形成されたコイル４からなる電磁石５が、軸の長手方向に磁界を向けて固定されている。なお、磁心３の開口部側の端部には第２の永久磁石７がＮ極を開口部側に向けて締結されている。また、電磁石５も開口部側がＮ極となるように捲線されているため、通電時において電磁石５は第２の永久磁石７の磁界を補強する。

シリンダ１の内周面であるとともに開口部側には、略円環状の直動軸受８が固定されている。また、シリンダ１の内周面であるとともに直動軸受８と電磁石５との間にはフランジ状の突出部９を介してセンサ素子１０が備えられている。

シリンダ１には略円柱状の軸１２が挿入されており、軸１２の外周面は直動軸受８の内周面に摺接している。そのため、軸１２はシリンダ１内を軸の長手方向に移動可能であるが、ラジアル方向には移動できない。

軸１２の一方の末端には接触子１３が締結されているとともに、蓋２の中央部の貫通孔１５を介してシリンダ１の外部に突出している。軸１２の接触子１３が締結されている側の端部であってシリンダ１内部に挿入されている部分の外周面には略円環状のストッパ１１が備えられている。ストッパ１１の径は蓋２の貫通孔１５より大きいため、軸１２がシリンダ１外部に抜け落ちることを防止している。また、ストッパ１１が直動軸受８に当たることにより、軸１２がシリンダ内部に深く入り過ぎることも防止される。

軸１２の接触子１３が締結されている末端の反端側の末端には第１の永久磁石１４が設けられている。なお、第１の永久磁石１４は、上述した第２の永久磁石７にＮ極を向けて対向している。軸１２の第１の永久磁石１４が設けられた端部にはセンサターゲット１６が更に設けられており、センサ素子１０と対向している。

このような構造の接触センサは測定時において以下のように動作する。
接触子が被測定物に押し当てられると、被測定物からの反力を受けて、接触子および接触子が設けられている軸１２が軸の長手方向であるとともにシリンダ１の底部向きに変位する。このとき同時に軸１２の端部に設けられたセンサターゲット１６も変位し、センサターゲット１６の変位をセンサ素子１０が検出する。この接触式センサを表面粗さ測定装置に使用するときは、被測定物に当該接触式センサの接触子を押し当てた状態で、接触子の押し当て方向と垂直な方向に等速度でセンサまたは被測定物を移動させ、センサ素子１０が検出した変位と時間の関係から、被測定物の表面粗さを算出する。

接触子を被測定物に押し当てる力は第２の永久磁石７と電磁石５とにより生じる磁界の合力と、第１の永久磁石１４とが生じさせる磁界と、第２の永久磁石７および電磁石５と第１の永久磁石１４との距離により決定する。ここで、第１の永久磁石１４および第２の永久磁石７の磁界の強さは一定であるので、電磁石５に流す電流量を一定にすれば、接触子を被測定物に押し当てる力は、第２の永久磁石７および電磁石５と第１の永久磁石１４との距離のみの関数となるため、センサ素子１０が検出した変位より算出できる。従って、この接触式センサを突き押し強度測定装置に使用するときは、被測定物に当該接触式センサの接触子を一定速度で押し当て、押し当て強度の変化と時間の関係から、被測定物の突き押し強度を算出する。

上記実施形態の接触式センサによれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）上述したように、上記実施形態において、第１の永久磁石１４に対向するとともに磁界の向きが第１の永久磁石１４と反対方向となるように設けられた第２の永久磁石７を備えるため、第１の永久磁石１４と第２の永久磁石７とに反発力を生じさせる。本実施形態においては、接触子１３を被測定物に押し付ける力として、当該反発力を利用する。従って、エネルギー消費を抑制しつつ、接触子１３を被測定物に押し付ける力を得ることができる。

（２）また、第１の永久磁石１４と対向しかつ磁界の向きが第１の永久磁石１４と反対方向となるように設けられた電磁石５を有するため、通電時において電磁石５と第１の永久磁石１４とは反発力を生じ、第１の永久磁石１４と第２の永久磁石７とが生じさせた反発力を補強する。従って、電磁石５に通電することにより接触子を被測定物に押し付ける力をより強めることができる。更に通電する電流を変化させることにより、電磁石５の磁界を変化させ、接触子を被測定物に押し付ける力を変えることもできる。

（３）上記実施形態において、接触子１３を被測定物に押し付ける力は重力に依存しないため、上記実施形態にかかる接触式センサは、鉛直方向にかかわらず、任意の測定方向において使用できる。

（４）また、接触子を被測定物に押し付ける力は、空気など外部環境に依存せずに発生する。従って、宇宙空間など空気のない環境でも使用することができる。
（５）本実施形態においては、上記特許文献１に示された技術において用いられた板ばねが不要であるため、特許文献１に示される接触式センサと比して小型の接触式センサとすることができる。

（６）上記実施形態においては、第２の永久磁石７を、第１の永久磁石１４と対向する磁心３の端部に設けるため、第２の永久磁石７と第１の永久磁石１４とが最も近接する。従って、同一の反発力を得るために要する第２の永久磁石７の磁力が小さくてすみ、第２の永久磁石を小型かつ安価に構成することができる。

なお、本実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記実施形態においては、第２の永久磁石７を、第１の永久磁石１４と対向する磁心３の端部に設けたが、図２に示すように、第２の永久磁石７は、磁心３の端部から磁心内部まで延設して設けてもよい。かかる構成によると第２の永久磁石として、上記実施形態において使用した永久磁石に比して、一層大きな永久磁石を使用することができる。従って、大きな反発力をより容易発生させることができ、接触子１３を被測定物に押し付ける力をより強くすることができる。かかる効果は電力を使用せずにできるので、一層エネルギー消費を抑えることができる。

・上記実施形態においては、電磁石５は一つのコイル４（巻線）を有しているが、複数のコイル（巻線）を有していても良い。複数の巻線を備えることにより、必要に応じて必要な数の巻線のみに通電することができる。従って電磁石５の発生する磁力を容易に変化させることができ、接触子１３を被測定物に押し付ける力を容易に切り替えることができる。よって、同一の接触センサによって、強度の異なる被測定物の突き押し強度を、一層容易に測定できる。

・上記実施形態においては第１の永久磁石１４のＮ極と、第２の永久磁石７および電磁石５のＮ極とを対向させたが、第１の永久磁石１４のＳ極と、第２の永久磁石７および電磁石５のＳ極とを対向させてもよい。要するに磁石同士の反発力を利用できれば良い。

本発明は、表面粗さ測定装置や突き押し強度測定装置等に使用される接触式センサに広く利用される。

本発明にかかる接触式センサの一実施形態の軸を含む平面による断面図。 本発明にかかる接触式センサの他の形態の軸を含む平面による断面図。

符号の説明

１…シリンダ、２…蓋、３…磁心、４…コイル、５…電磁石、７…第２の永久磁石、８…直動軸受、９…突出部、１０…センサ素子、１１…ストッパ、１２…軸、１３…接触子、１４…第１の永久磁石、１５…貫通孔、１６…センサターゲット。

Claims (4)

1. シリンダと、
   前記シリンダに挿入された軸と、
   前記軸の軸端に設けられるとともに前記シリンダの外部に突出した接触子と、
   前記接触子とは反対側の軸端に設けられる第１の永久磁石と、
   前記シリンダに固定されるとともに前記軸と摺接し、当該軸を当該軸の長手方向に案内する直動軸受と、
   前記軸の長手方向の位置を測定するセンサ素子と、
   磁性体で構成された磁心に絶縁電線による巻線を捲回することにより形成されるとともに、前記第１の永久磁石と対向しかつ磁界の向きが前記第１の永久磁石と反対方向となるように設けられた電磁石と、
   前記第１の永久磁石に対向するとともに磁界の向きが第１の永久磁石と反対方向となりかつ前記電磁石と同一となるよう前記磁心に設けられた第２の永久磁石とを備えた接触式センサ。
2. 前記第２の永久磁石は前記第１の永久磁石と対向する前記磁心の端部に設けられる請求項１に記載の接触式センサ。
3. 前記第２の永久磁石は前記第１の永久磁石と対向する前記磁心の端部から前記磁心内部まで延設して設けられる請求項１に記載の接触式センサ。
4. 前記電磁石は複数の前記巻線を備える請求項１〜３のいずれか１項に記載の接触式センサ。

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