JP2009162675A - 接触式一軸変位センサ - Google Patents

Abstract

【課題】電極の位置あわせが容易、かつ小型で検出感度が高く、安価に構成可能な静電容量式の接触式一軸変位センサを提供する。
【解決手段】本体１０と、スタイラス１２と、スタイラス支持手段１１と、スタイラス１２の変位を検出する検出手段１３と、を備えた接触式一軸変位センサ１であって、スタイラス支持手段１１は、支持部材１１１および保持部材１１２を有し、支持部材１１１は、板状の弾性材料から形成され、外周部１１１Ａを保持部材１１２に固定されるとともに中心部１１１Ｂにスタイラス１２を支持し、検出手段１３は、支持部材１１１に設けられた可動電極１３１と、保持部材１１２の基部１１２Ｂに設けられた固定電極１３２と、を有し、可動電極１３１と固定電極１３２の間の静電容量の変化によりスタイラス１２の変位を検出することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、接触式一軸変位センサに関する。例えば、三次元測定機等によって被測定物の形状等を測定する場合に利用する接触式一軸変位センサに関する。

被測定物の形状、寸法等の測定を行う測定機としてハイトゲージ（一次元測定機）、三次元測定機、輪郭測定機等が知られている。このような測定機には、座標検出や位置検出を行うために、被測定物との接触を検出する接触式一軸変位センサなどが備えられている（例えば、特許文献１）。
接触式一軸変位センサは、通常、本体と、本体に軸方向に変位可能に支持され先端に被測定物との接触部を有する棒状のスタイラスと、スタイラスの変位を検出する検出手段と、を備える。

接触式一軸変位センサにおいて、被測定物との接触を検出する一般的な方法として、光の干渉や静電容量の変化を用いる方法が挙げられる。
干渉計を用いた光学的な検出手段を用いる場合、検出手段から測定個所までの距離を長くすることができ、検出の感度が高いという利点がある。しかし、精密な加工が必要なプリズムやビームスプリッタ、光源などを用いるため高価であり、部品点数が多いので装置を大型化させる。
一方、電極間の静電容量の変化によって被測定物との接触を検出する方法によれば、検出手段の部品数が少なく装置の小型化が可能であり、材料が安価なうえに検出感度も高い。

特開２００６−９８０６０号公報

しかしながら、静電容量式の検出手段において被測定物との接触を正確に検出するには、電極間の距離を短くし、厳密に電極の位置あわせをする必要があり、接触式一軸変位センサの製造が困難であった。

本発明の目的は、電極の位置あわせが容易、かつ小型で検出感度が高く、安価に構成可能な静電容量式の接触式一軸変位センサを提供することである。

本発明の接触式一軸変位センサは、本体と、前記本体に設けられたスタイラス支持手段と、前記スタイラス支持手段に軸方向に変位可能に支持され一端に被測定物と接触される接触部を有するスタイラスと、前記スタイラスの変位を検出する検出手段と、を備え、前記スタイラス支持手段は、支持部材および保持部材を有し、前記支持部材は、板状の弾性材料から形成され、外周部を前記保持部材に固定されるとともに中心部に前記スタイラスを支持し、前記保持部材は、前記本体に固定され、前記検出手段は、前記支持部材に前記スタイラスと垂直に設けられた可動電極と、前記保持部材に前記可動電極と対向するように設けられた固定電極と、を有し、前記可動電極と前記固定電極の間の静電容量の変化により前記スタイラスの変位を検出することを特徴とする。

このような本発明では、スタイラスの接触部が被測定物と接触されると、スタイラスが軸方向に変位し、これにともなって、スタイラスを支持している支持部材が弾性変形する。
この時、支持部材に設けられた可動電極が、保持部材に設けられた固定電極に対して移動され、両電極間の静電容量が変化し、接触部と被測定物との接触が検出される。
そして、接触部が被測定物から離れると、スタイラス、支持部材および固定電極は元の位置にもどる。

本発明の接触式一軸変位センサにおいては、固定電極を設けた保持部材と、可動電極を設けた支持部材とを固定することで、両電極を容易に位置決めすることができ、小型で検出感度が高い静電容量式の検出手段を安価に構成することができる。

また、接触部が被測定物から離れると、支持部材が元の形状に戻るので、非接触状態においては、固定電極と可動電極との距離は常に一定に保たれ、両電極間の静電容量も一定である。したがって、あらかじめ非接触時の静電容量を記録しておく、いわゆるゼロ点合わせを実施する必要がなく、測定作業の効率化が図れる。

さらに、スタイラスを、板状の弾性材料から形成した支持部材の中心部に支持したので、スタイラスおよび接触部の変位を限定することができる。これにより、所定方向以外への接触部の変位を排除し、被測定物との接触時における接触部の位置を正確に算出することができる。よって、被測定物の寸法や形状などを正確に測定することができる。

本発明の接触式一軸変位センサにおいて、前記支持部材は、導電性を有する材料により形成され、前記検出手段の前記可動電極としても作用することが好ましい。
このような構成によれば、支持部材を可動電極と兼用することで部品数を減らすことができ、接触式一軸変位センサの小型化と製造コストの低減を図ることができる。

本発明の接触式一軸変位センサにおいて、前記保持部材は、導電性を有する材料により形成され、前記固定電極は、前記保持部材に前記可動電極に面して設けられた絶縁部材と、前記絶縁部材の前記支持部材側に設けられた背面電極と、前記支持部材側から前記背面電極を覆う絶縁層と、前記絶縁層の前記支持部材側に設けられ前記背面電極と同一の形状を有する表面電極と、を有し、前記検出手段は、前記可動電極と前記表面電極との間に電圧を印加する表面回路と、前記保持部材と前記背面電極との間に前記表面回路と同相同電圧の電圧を印加する背面回路と、を有し、前記表面回路に流れる電流と前記背面回路に流れる電流とに基づいて前記スタイラスの変位を検出することが望ましい。

保持部材を導電性の材料で形成した場合、固定電極と保持部材との間の容量が寄生容量となって、検出手段の検出感度を低下させる。
これに対し、本発明では、固定電極を表面電極と背面電極とに分け、それぞれに別個の回路から同相同電圧の電圧を印加する構成としたので、寄生容量による影響を取り除いて、接触部と被測定物との接触を正確に検出することができる。

本発明の接触式一軸変位センサにおいて、前記保持部材は、前記本体に固定される基部と、前記基部に設けられ前記支持部材の外周部と固定される固定部と、前記基部と前記支持部材との間に設けられた空洞部と、を有し、前記基部は、前記支持部材と略同一の形状および材質を有するとともに、中心部にダミーウェイトを有し、前記支持部材に掛かる荷重と、前記基部に掛かる荷重とは等しいことが好ましい。

このような構成によれば、基部が支持部材と略同一の形状および材質を有し、支持部材にかかる荷重と基部に掛かる荷重とが等しいので、荷重による支持部材の変形と基部の変形とが常に等しくなる。
よって、接触部が被測定物と接触していない状態においては、接触式一軸変位センサの姿勢を変えても、固定電極と可動電極との距離が一定に保たれる。つまり、姿勢の変化による静電容量変化が無く、測定の前にゼロ点あわせを実施する必要がない。したがって、作業を簡略化して効率的に測定を実施することができる。

本発明の接触式一軸変位センサにおいて、前記支持部材は、円盤状の形状を有し、前記保持部材の前記固定部は、前記支持部材の径方向に厚みを有する輪状の突起部であり、前記支持部材は前記固定部よりも熱膨張係数が大きく、前記支持部材と前記固定部とは、室温より高温の環境において互いに溶接されることが好ましい。

このような構成によれば、溶接後のスタイラス支持手段を室温に戻す際に、支持部材の熱収縮は固定部の熱収縮よりも大きい。しかし、支持部材の外周部と固定部とが溶接により固定されているので、支持部材は保持部材と同程度にしか収縮することができない。したがって、室温に戻った状態において、支持部材には径方向の引張り応力が掛かった状態となる。
この引張り応力により、支持部材の復元性を高め、被測定物と非接触の状態において、固定電極と可動電極とをより確実に一定距離に保つことができる。

本発明の接触式一軸変位センサにおいて、前記支持部材は、円盤状の形状を有し、前記保持部材の前記固定部は、前記支持部材の径方向に厚みを有する輪状の突起部であり、前記支持部材は前記固定部よりも熱膨張係数が小さく、前記支持部材と前記固定部とは、室温より低温の環境において互いに溶接されることとしてもよい。

このような構成によれば、溶接後のスタイラス支持手段を室温に戻す際に、支持部材の熱膨張は固定部の熱膨張よりも小さい。しかし、支持部材の外周部と固定部とが溶接により固定されているので、支持部材は保持部材の膨張に引張られる形となる。したがって、室温に戻った状態において、支持部材には径方向の引張り応力が掛かった状態となる。
この引張り応力により、支持部材の復元性を高め、被測定物と非接触の状態において、固定電極と可動電極とをより確実に一定距離に保つことができる。

本発明の接触式一軸変位センサにおいて、前記支持部材は、前記スタイラスを支持する中心部と、前記保持部材に固定された外周部と、前記中心部と前記外周部との間に放射状に設けられ前記中心部と前記外周部とを連結する複数のリムと、を有することが好ましい。
このような構成によれば、支持部材は、スタイラスを支持する中心部と、プローブ本体に固定された外周部と、中心部と外周部との間に放射状に設けられ中心部と外周部とを連結する複数のリムと、を備えるので、剛性の高い中心部がしっかりとスタイラスを支持し、剛性の低いリムが弾性変形してスタイラスの変位を許容することができる。

なお、支持部材としては、例えば、円形の金属箔の径方向の中間部に、エッチング等によって、金属箔の外周部と中心部とをつなぐリムを形成したものが使用できる。
このような金属箔の中心部にスタイラスを固定すれば、金属箔の中心部が有する剛性により、スタイラスを確実に支持することができるとともに、リムの弾性変形により、スタイラスの軸方向への変位が許容される。
また、支持部材の径を小さくすることが容易で、接触式一軸変位センサを大幅に小型化することが可能である。

本発明の接触式一軸変位センサにおいて、前記リムは、前記支持部材の周方向または径方向への折り返し構造を介して前記支持部材の前記中心部と前記外周部とを連結することが好ましい。
このような構成によれば、支持部材のリムが、支持部材の周方向または径方向に折り返し構造を有するので、リムの剛性が低くなり、弱い力でリムが弾性変形を起こすことができる。これにより、小さな接触力でもスタイラスの変位が起こりやすくなり、接触部の被測定物に対する接触を高精度に検出することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
［第１実施形態］
図１に、第１実施形態の接触式一軸変位センサ１の斜視図を、図２に、第１実施形態の接触式一軸変位センサ１の断面図を示す。
図１および図２に示すように、接触式一軸変位センサ１は、円筒形の本体１０と、本体１０に設けられたスタイラス支持手段１１と、スタイラス支持手段１１に軸方向に変位可能に支持された棒状のスタイラス１２と、スタイラス１２の変位を検出する検出手段１３と、を備える。

スタイラス支持手段１１は、本体１０の両端に設けられ、それぞれが支持部材１１１および保持部材１１２を有する。
支持部材１１１は、板状の弾性材料から形成され、その外周部１１１Ａを保持部材１１２の固定部１１２Ａに固定されるとともに、補強板１１３を介して中心部１１１Ｂにスタイラス１２を支持している。
支持部材１１１は、スタイラス１２を支持する中心部１１１Ｂと、保持部材１１２の固定部１１２Ａに固定された外周部１１１Ａと、中心部１１１Ｂと外周部１１１Ａとの間に放射状に設けられ中心部１１１Ｂと外周部１１１Ａとを連結する複数のリム１１１Ｃと、を備える。支持部材１１１は、円形の金属箔の径方向の中間部に、エッチング等によって、金属箔の外周部１１１Ａと中心部１１１Ｂとをつなぐリム１１１Ｃを形成したものである。
補強板１１３は、支持部材１１１の中心部１１１Ｂに設けられ、支持部材１１１の中心部１１１Ｂの剛性を補強し、中心部１１１Ｂとともにスタイラス１２を支持する樹脂製の円盤状部材である。

保持部材１１２は、本体１０に固定される基部１１２Ｂと、基部１１２Ｂに設けられ支持部材の外周部と固定される固定部１１２Ａと、基部１１２Ｂと支持部材１１１との間に設けられた空洞部１１２Ｃと、を有する。
保持部材１１２の基部１１２Ｂは、本体１０および支持部材１１１と同径の円盤形状を有し、外周部が本体１０の一端に固定されている。また、基部１１２Ｂの中心部には、スタイラス１２を挿通するための孔部１１２Ｄが設けられている。
保持部材１１２の固定部１１２Ａは、基部１１２Ｂの本体１０と逆側の面の外周部に設けられ、支持部材１１１の径方向に厚みを有する輪状の突起部である。

ここで、支持部材１１１は、保持部材１１２の固定部１１２Ａよりも熱膨張係数が大きく、支持部材１１１と固定部１１２Ａとは、図３に示すように、室温より高温の環境において互いに溶接される。
溶接後のスタイラス支持手段１１を室温に戻す際に、支持部材１１１の熱収縮は固定部１１２Ａの熱収縮よりも大きい。しかし、支持部材１１１の外周部１１１Ａと保持部材１１２の固定部１１２Ａとが溶接により固定されているので、支持部材１１１は固定部１１２Ａと同程度にしか収縮することができない。したがって、室温に戻った状態において、支持部材１１１には径方向の引張り応力Ｆが掛かった状態となる。
なお、支持部材１１１、固定部１１２Ａの材料は特に限定されないが、具体例として、例えば、支持部材１１１をリン青銅（熱膨張係数１７×１０^−６／℃）、固定部１１２Ａを鋼材（熱膨張係数１０×１０^−６／℃）とする構成が挙げられる。溶接時の温度としては、例えば、２２０℃程度でよい。

スタイラス１２は、支持部材１１１に垂直に支持され、一端に被測定物と接触される球状の接触部１２１を有する。
スタイラス１２は、例えば、タングステンカーバイトの粉末をコバルト中に分散させて焼結したものから形成される。

検出手段１３は、接触部１２１側のスタイラス支持手段１１に設けられている。
検出手段１３は、図２に示すように、支持部材１１１にスタイラス１２と垂直に設けられた可動電極１３１と、基部１１２Ｂに可動電極１３１と対向するように設けられた固定電極１３２と、を有する。
可動電極１３１は、支持部材１１１の中心部１１１Ｂである。
固定電極１３２は、支持部材１１１の中心部１１１Ｂと同径の円形金属箔であり、保持部材１１２の基部１１２Ｂに、輪状の絶縁部材１３２Ａを介して固定されている。固定電極１３２の中心部には、スタイラス１２を挿通するための孔部１３２Ｂが設けられている。
検出手段１３は、可動電極１３１と固定電極１３２との間の静電容量の変化によりスタイラス１２の変位を検出する。

このような接触式一軸変位センサ１の接触部１２１を、被測定物に接触させた時の作用を説明する。
測定器の載物台等によって、接触式一軸変位センサ１を被測定物に対して相対移動させ、接触部１２１を、被測定物に接触させる。
すると、接触部１２１が、Ｚ方向に押されるので、スタイラス１２が軸方向に変位し、これにともなって、スタイラス１２を支持している支持部材１１１が、保持部材１１２の空洞部１１２Ｃ側に弾性変形する。
この時、可動電極１３１である支持部材１１１の中心部１１１Ｂが、保持部材１１２に設けられた固定電極１３２に近接する方向に移動されるから、両電極１３１，１３２間の静電容量が変化し、接触部１２１と被測定物との接触が検出され、検出手段１３が測定機に接触部１２１と被測定物とが接触したことを通知する。
接触部１２１が被測定物から離れると、スタイラス１２、支持部材１１１および可動電極１３１は元の位置にもどる。

本実施形態によれば、以下に示すような効果がある。
(１) 固定電極１３２を設けた保持部材１１２と、中心部１１１Ｂを可動電極１３１とする支持部材１１１とを固定することで、両電極１３１，１３２を容易に位置決めすることができ、小型で検出感度が高い静電容量式の検出手段１３を安価に構成することができる。
（２）接触部１２１が被測定物から離れると、支持部材１１１が元の形状に戻るので、非接触状態においては、固定電極１３２と可動電極１３１との距離は常に一定に保たれ、両電極１３１，１３２間の静電容量も一定である。したがって、あらかじめ非接触時の静電容量を記録しておく、いわゆるゼロ点合わせを実施する必要がなく、測定作業の効率化が図れる。

（３）スタイラス１２を、板状の弾性材料から形成した支持部材１１１の中心部１１１Ｂに垂直に支持したので、スタイラス１２および接触部１２１の変位を軸方向のみに限定することができる。これにより、軸方向以外への接触部１２１の変位を排除し、被測定物との接触時における接触部１２１の位置を正確に算出することができる。よって、被測定物の寸法や形状などを正確に測定することができる。
特に、本実施形態では、スタイラス支持手段１１を本体１０の両端に設けたので、より確実に、スタイラスの変位方向を一方向のみに規制することができる。
（４）支持部材１１１の中心部１１１Ｂを可動電極１３１と兼用するので、部品数を減らすことができ、接触式一軸変位センサ１の小型化と製造コストの低減を図ることができる。
（５）保持部材１１２の固定部１１２Ａよりも熱膨張係数が大きい支持部材１１１を、室温より高温の環境において溶接したので、支持部材１１１には径方向の引張り応力Ｆが掛かった状態となる。この引張り応力Ｆにより、支持部材１１１の復元性を高め、被測定物と非接触の状態において、固定電極１３２と可動電極１３１とをより確実に一定距離に保つことができる。

（６）スタイラス１２が、タングステンカーバイトの粉末をコバルト中に分散させて焼結したものから形成され、超硬と呼ばれる特質を有するので、スタイラス１２が長く径小であっても、スタイラス１２の変形、破損が起こりにくい。
（７）支持部材１１１は、スタイラス１２を支持する中心部１１１Ｂと、保持部材１１２の固定部１１２Ａに固定された外周部１１１Ａと、中心部１１１Ｂと外周部１１１Ａとの間に放射状に設けられ中心部１１１Ｂと外周部１１１Ａとを連結する複数のリム１１１Ｃと、を備えるので、中心部１１１Ｂがしっかりとスタイラス１２を支持し、剛性の低いリム１１１Ｃが弾性変形してスタイラス１２の変位を許容することができる。
また、支持部材１１１の径を小さくすることが容易で、接触式一軸変位センサ１を大幅に小型化することが可能である。
（８）支持部材１１１の中心部１１１Ｂに設けられた補強板１１３が、中心部１１１Ｂの剛性を補強し、中心部１１１Ｂとともにスタイラス１２を支持するので、スタイラス１２の支持を確実なものとすることができる。また、樹脂製の補強板１１３は、軽量なので、スタイラス１２の変位を妨げることなく、支持部材１１１の中心部１１１Ｂを補強することができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態に係る接触式一軸変位センサ１の、スタイラス支持手段１１の断面図を図４に示す。
ここにおいて、本実施形態は、スタイラス支持手段１１に設けられた検出手段１３の構成が、前述の第１実施形態と異なる。その他の構成および作用は同一であるから、同一符号を付してそれらの説明を省略する。

本実施形態において、保持部材１１２の基部１１２Ｂは、導電性を有する材料により形成される。
検出手段１３の固定電極１３２は、図４に示すように、保持部材１１２の基部１１２Ｂに可動電極１３１に面して設けられた絶縁部材１３３と、絶縁部材１３３の支持部材１１１側に設けられた背面電極１３４と、支持部材１１１側から背面電極１３４を覆う絶縁層１３５と、絶縁層１３５の支持部材１１１側に設けられ背面電極１３４と同一の形状を有する表面電極１３６と、を有する。
背面電極１３４、絶縁層１３５、表面電極１３６は、それぞれ、可動電極１３１（支持部材１１１の中心部１１１Ｂ）と外径の等しい円形の金属膜または絶縁膜である。
固定電極１３２の中心部には、スタイラス１２を挿通するため、背面電極１３４、絶縁層１３５、表面電極１３６を貫通する孔部１３２Ｂが設けられている。

図５に、検出手段１３の回路図を示す。
検出手段１３は、可動電極１３１と表面電極１３６との間に電圧を印加する表面回路１３７と、基部１１２Ｂと背面電極１３４との間に表面回路１３７と同相同電圧の電圧を印加する背面回路１３８と、電源１３９とを有する。
電源１３９は、電源装置１３９Ａと１次コイル１３９Ｂとを有する。
表面回路１３７および背面回路１３８は、それぞれ、電流計１３７Ａ，１３８Ａと、２次コイル１３７Ｂ，１３８Ｂと、ダイオード１３７Ｃ，１３８Ｃとを有する。
１次コイル１３９Ｂ、２次コイル１３７Ｂ，１３８Ｂは、１つのコアを共用している。
検出手段１３は、表面回路１３７に流れる電流と背面回路１３８に流れる電流との差、つまり両電流計１３７Ａ，１３８Ａの検出値の差に基づいてスタイラス１２の変位を検出する。

上述のような本実施形態によれば、前述の第１実施形態の効果（１）ないし（８）に加えて、次のような効果がある。
（９）保持部材１１２の基部１１２Ｂを導電性の材料で形成した場合、固定電極１３２と基部１１２Ｂとの間の容量が寄生容量となって、検出手段１３の検出感度を低下させる。
これに対し、本実施形態の接触式一軸変位センサ１では、固定電極１３２を表面電極１３６と背面電極１３４とに分け、それぞれに別個の回路１３７，１３８から同相同電圧の電圧を印加する構成としたので、寄生容量による影響を取り除いて、接触部１２１と被測定物との接触を正確に検出することができる。

［第３実施形態］
図６に、本発明の第３実施形態に係る接触式一軸変位センサ１のスタイラス支持手段１１の断面図を示す。
ここにおいて、本実施形態は、スタイラス支持手段１１の構成が、前述の第２実施形態と異なる。その他の構成および作用は同一であるから、同一符号を付してそれらの説明を省略する。

本実施形態において、保持部材１１２の基部１１２Ｂは、支持部材１１１と略同一の形状および材質を有するとともに、その中心部１１２Ｅにダミーウェイト１１４を有する。
基部１１２Ｂは、中心部１１２Ｅにスタイラス１２を挿通するための孔部１１２Ｄを有し、スタイラス１２との固定がない点で支持部材１１１と異なる。なお、支持部材１１１の中心部１１１Ｂと、基部１１２Ｂの中心部１１２Ｅとは形状が異なるが、質量は等しくなるように調整されている。
ダミーウェイト１１４は、円盤状の重りであり、基部１１２Ｂの中心部１１２Ｅの固定電極１３２と反対側に設けられている。これにより、支持部材１１１に掛かる荷重と、基部１１２Ｂに掛かる荷重とが等しくなるように調整されている。具体的には、支持部材１１１に掛かる荷重は、スタイラス１２、接触部１２１、補強板１１３の質量の和であり、基部１１２Ｂに掛かる荷重は、固定電極１３２、ダミーウェイト１１４の質量の和である。

図６に示すように、スタイラス１２が水平方向に向くように、接触式一軸変位センサ１が配置されている場合、支持部材１１１および基部１１２Ｂに変形は無く、可動電極１３１と固定電極１３２との間隔は距離Ａである。
これに対し、図７に示すように、スタイラス１２が重力方向に向くように、接触式一軸変位センサ１が配置されている場合、支持部材１１１はスタイラス１２などの荷重により変形し、可動電極１３１は距離Ｂだけ移動する。
一方、基部１１２Ｂも、固定電極１３２などの荷重により変形するが、支持部材１１１にかかる荷重と基部１１２Ｂに掛かる荷重とが等しいので、基部１１２Ｂの変形量は支持部材１１１と等しい。よって、固定電極１３２は可動電極１３１と同じ方向に同じ距離Ｂだけ移動する。
したがって、接触式一軸変位センサ１の姿勢が変化しても、可動電極１３１と固定電極１３２との間隔は距離Ａのまま維持される。

上述のような本実施形態によれば、前述の第１実施形態の効果（１）ないし（８）、第２実施形態の効果（９）に加えて、次のような効果がある。
（１０）基部１１２Ｂが支持部材１１１と略同一の形状および材質を有し、支持部材１１１にかかる荷重と基部１１２Ｂに掛かる荷重とが等しいので、荷重による支持部材１１１の変形と基部１１２Ｂの変形とが常に等しくなる。
よって、接触部１２１が被測定物と接触していない状態においては、接触式一軸変位センサ１の姿勢を変えても、固定電極１３２と可動電極１３１との距離が一定に保たれる。つまり、姿勢の変化による静電容量変化が無く、測定の前にゼロ点あわせを実施する必要がない。したがって、作業を簡略化して効率的に測定を実施することができる。

［変形例］
なお、本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。
（１）上述の各実施形態において、本体１０の両端部にスタイラス支持手段１１を設ける構成を例示したが、これに限らず、どちらか一方のみとしてもよい。
例えば、スタイラス支持手段１１は、１つのみであってもスタイラス１２を軸方向に変位可能に支持することができ、上述の各実施形態と同様の優れた作用効果を得ることができる。
（２）上述の各実施形態において、長いスタイラス１２が本体１０を貫通する構成を例示したが、これに限定されない。
例えば、短いスタイラス１２を用い、その接触部１２１と逆側の端部を支持部材１１１が支持する構成としてもよい。

（３）上述の各実施形態において、接触部１２１側のスタイラス支持手段１１に検出手段１３を設ける構成を例示したが、これに限らない。
例えば、接触部１２１から離隔した側のスタイラス支持手段１１に検出手段１３を設けてもよい。
接触部１２１が被測定物と接触した際には、可動電極１３１が固定電極１３２と離れる方向に移動されることとなるが、この場合でも、静電容量の変化により検出手段１３が接触部１２１と被測定物との接触を検出できる。したがって、上述の各実施形態と同様の優れた作用効果を得ることができる。
（４）上述の各実施形態において、支持部材１１１の中心部１１１Ｂを可動電極１３１とする構成を例示したが、これに限定されない。
例えば、導電性を有さない支持部材を用い、その中心部１１１Ｂに金属などからなる電極を設けて可動電極１３１としてもよい。この場合でも、上述の各実施形態と同様の優れた作用効果を得ることができる。

（５）上述の各実施形態において、保持部材１１２の固定部１１２Ａよりも熱膨張係数が大きい支持部材１１１を、室温より高温の環境において溶接する構成を例示したが、これに限らない。
例えば、保持部材１１２の固定部１１２Ａよりも熱膨張係数が小さい支持部材１１１を、室温より低温の環境において溶接してもよい。
この場合、溶接後のスタイラス支持手段１１を室温に戻す際に、支持部材１１１の熱膨張は固定部１１２Ａの熱膨張よりも小さい。しかし、支持部材１１１の外周部１１１Ａと固定部１１２Ａとが溶接により固定されているので、支持部材１１１は固定部１１２Ａの膨張に引張られる形となる。したがって、室温に戻った状態において、支持部材１１１には径方向の引張り応力が掛かった状態となる。

この引張り応力により、支持部材１１１の復元性を高め、被測定物と非接触の状態において、固定電極１３２と可動電極１３１とをより確実に一定距離に保つことができる。
なお、支持部材１１１、固定部１１２Ａの材料は特に限定されないが、具体例として、例えば、支持部材１１１をスーパーインバー（熱膨張係数０．１×１０^−６／℃）、固定部１１２Ａを銅材（熱膨張係数１７×１０^−６／℃）とする構成が挙げられる。溶接時の温度としては、例えば、−６０℃程度でよい。
ただし、スタイラス支持手段１１は、このような特別な溶接によって構成されたものに限定されない。スタイラス支持手段１１は、支持部材１１１が保持部材１１２に固定されたものであればよい。

（６）上述の各実施形態において、保持部材１１２の材質については特に言及しなかったが、溶接を実施する場合や導電性を要する場合をのぞいて、材質には何らの限定もされない。
また、固定部１１２Ａと基部１１２Ｂとは、同一の材料で形成されていてもよく、異なる材料で形成されていてもよい。

（７）検出手段１３の回路構成は、上述の第２実施形態において例示した構成に限定されない。
例えば、図８または図９に示すような回路の構成を採用してもよい。
図８に示す検出手段１３は、背面回路１３８のダイオード１３８Ｃの向きのみが、第２実施形態の検出手段１３と異なる。
この場合、検出手段１３は、表面回路１３７に流れる電流と背面回路１３８に流れる電流との和、つまり電流計１３７Ａ，１３８Ａの検出値の和に基づいてスタイラス１２の変位を検出できる。したがって、上述の第２実施形態と同様の優れた作用効果を得ることができる。

図９に示す検出手段１３は、表面回路１３７と背面回路１３８との間に、４つのダイオード１４１〜１４４により構成されるスタック１４０を設けた点が、第２実施形態の検出手段１３と異なる。
この場合、検出手段１３は、表面回路１３７に流れる電流と背面回路１３８に流れる電流との差、つまり電流計１３７Ａ，１３８Ａの検出値の差に基づいてスタイラス１２の変位を検出できる。したがって、上述の第２実施形態と同様の優れた作用効果を得ることができる。

（８）スタイラス支持手段１１の構成は、上述の第３実施形態において例示した構成に限らない。
例えば、図１０に示すように、基部１１２Ｂの支持部材１１１と逆側に、第１および第２実施形態での保持部材１１２と同様の形状を有する保護部材１１５を設けてもよい。
この場合、保護部材１１５が基部１１２Ｂを保護し、スタイラス支持手段１１の剛性を高めるので、例えば、本体１０への組み付け前にスタイラス支持手段１１が破損することを防止できる。

（９）支持部材１１１は、スタイラス１２を支持する剛性と、スタイラス１２の軸方向への移動を許容する弾性を有するものであればよく、その形状および材質は上述の各実施形態で例示したもの（図１１（Ａ））に限定されない。
例えば、図１１（Ｂ）に示すように、リム１１１Ｃが、支持部材１１１の周方向に折り返し構造を備えていてもよく、また、図１１（Ｃ）に示すように、リム１１１Ｃが、支持部材１１１の径方向に折り返し構造を備えていてもよい。このような支持部材１１１においては、リム１１１Ｃの剛性が低くなり、弱い力で支持部材１１１が弾性変形を起こすことができる。これにより、スタイラス１２の変位が起こりやすくなり、接触部１２１の被測定物に対する接触を高精度に検出することができる。

（１０）上述の各実施形態において、スタイラス１２は、タングステンカーバイトの粉末をコバルト中に分散させて焼結したものから形成されるとしたが、これに限定されない。
例えば、他の金属や樹脂等でもよく、接触部１２１の被測定物に対する接触により変形や破損を起こさない程度の剛性を有する材質からなるものであれば、問題なく利用することができる。

（１１）上述の各実施形態において、中心部１１１Ｂは樹脂製で円盤状の補強板１１３を有するが、補強板１１３はなくてもよい。例えば、支持部材１１１の中心部１１１Ｂを肉厚にすれば、補強板１１３を設けなくても、中心部１１１Ｂの剛性を高めることができる。
また、補強板１１３は、高い剛性を有し、支持部材１１１の中心部１１１Ｂを補強することができるものであれば良く、樹脂製のものに限定されない。例えば、補強板１１３は、金属やセラミックス等で形成されていてもよい。

本発明は、例えば、三次元測定機等によって被測定物の形状等を測定する場合に利用する接触式一軸変位センサとして利用できる。

本発明の第１実施形態に係る接触式一軸変位センサの斜視図。 本発明の第１実施形態に係る接触式一軸変位センサの断面図。 本発明の第１実施形態に係るスタイラス支持手段の製造方法を示す図。 本発明の第２実施形態に係るスタイラス支持手段の断面図。 本発明の第２実施形態に係る検出手段の回路図。 本発明の第３実施形態に係るスタイラス支持手段の断面図。 本発明の第３実施形態に係るスタイラス支持手段の断面図。 本発明の第２実施形態の変形例に係る検出手段の回路図。 本発明の第２実施形態の変形例に係る検出手段の回路図。 本発明の第３実施形態の変形例に係るスタイラス支持手段の断面図。 本発明の実施形態の変形例に係る支持部材を示す図。

符号の説明

１ 接触式一軸変位センサ
１０ 本体
１１ スタイラス支持手段
１２ スタイラス
１３ 検出手段
１１１ 支持部材
１１１Ａ 外周部
１１１Ｂ 中心部
１１１Ｃ リム
１１２ 保持部材
１１２Ａ 固定部
１１２Ｂ 基部
１１２Ｃ 空洞部
１１４ ダミーウェイト
１２１ 接触部
１３１ 可動電極
１３２ 固定電極
１３３ 絶縁部材
１３４ 背面電極
１３５ 絶縁層
１３６ 表面電極
１３７ 表面回路
１３８ 背面回路

Claims (8)

1. 本体と、
   前記本体に設けられたスタイラス支持手段と、
   前記スタイラス支持手段に軸方向に変位可能に支持され一端に被測定物と接触される接触部を有するスタイラスと、
   前記スタイラスの変位を検出する検出手段と、を備え、
   前記スタイラス支持手段は、支持部材および保持部材を有し、
   前記支持部材は、板状の弾性材料から形成され、外周部を前記保持部材に固定されるとともに中心部に前記スタイラスを支持し、
   前記保持部材は、前記本体に固定され、
   前記検出手段は、
   前記支持部材に前記スタイラスと垂直に設けられた可動電極と、前記保持部材に前記可動電極と対向するように設けられた固定電極と、を有し、
   前記可動電極と前記固定電極の間の静電容量の変化により前記スタイラスの変位を検出する
   ことを特徴とする接触式一軸変位センサ。
2. 請求項１に記載の接触式一軸変位センサにおいて、
   前記支持部材は、
   導電性を有する材料により形成され、
   前記検出手段の前記可動電極としても作用する
   ことを特徴とする接触式一軸変位センサ。
3. 請求項１または請求項２に記載の接触式一軸変位センサにおいて、
   前記保持部材は、導電性を有する材料により形成され、
   前記固定電極は、
   前記保持部材に前記可動電極に面して設けられた絶縁部材と、
   前記絶縁部材の前記支持部材側に設けられた背面電極と、
   前記支持部材側から前記背面電極を覆う絶縁層と、
   前記絶縁層の前記支持部材側に設けられ前記背面電極と同一の形状を有する表面電極と、を有し、
   前記検出手段は、
   前記可動電極と前記表面電極との間に電圧を印加する表面回路と、
   前記保持部材と前記背面電極との間に前記表面回路と同相同電圧の電圧を印加する背面回路と、を有し、
   前記表面回路に流れる電流と前記背面回路に流れる電流とに基づいて前記スタイラスの変位を検出する
   ことを特徴とする接触式一軸変位センサ。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の接触式一軸変位センサにおいて、
   前記保持部材は、
   前記本体に固定される基部と、
   前記基部に設けられ前記支持部材の外周部と固定される固定部と、
   前記基部と前記支持部材との間に設けられた空洞部と、を有し、
   前記基部は、
   前記支持部材と略同一の形状および材質を有するとともに、
   中心部にダミーウェイトを有し、
   前記支持部材に掛かる荷重と、前記基部に掛かる荷重とは等しい
   ことを特徴とする接触式一軸変位センサ。
5. 請求項４に記載の接触式一軸変位センサにおいて、
   前記支持部材は、円盤状の形状を有し、
   前記保持部材の前記固定部は、前記支持部材の径方向に厚みを有する輪状の突起部であり、
   前記支持部材は前記固定部よりも熱膨張係数が大きく、
   前記支持部材と前記固定部とは、室温より高温の環境において互いに溶接される
   ことを特徴とする接触式一軸変位センサ。
6. 請求項４に記載の接触式一軸変位センサにおいて、
   前記支持部材は、円盤状の形状を有し、
   前記保持部材の前記固定部は、前記支持部材の径方向に厚みを有する輪状の突起部であり、
   前記支持部材は前記固定部よりも熱膨張係数が小さく、
   前記支持部材と前記固定部とは、室温より低温の環境において互いに溶接される
   ことを特徴とする接触式一軸変位センサ。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の接触式一軸変位センサにおいて、
   前記支持部材は、
   前記スタイラスを支持する中心部と、
   前記保持部材に固定された外周部と、
   前記中心部と前記外周部との間に放射状に設けられ前記中心部と前記外周部とを連結する複数のリムと、を有する
   ことを特徴とする接触式一軸変位センサ。
8. 請求項７に記載の接触式一軸変位センサにおいて、
   前記リムは、前記支持部材の周方向または径方向への折り返し構造を介して前記支持部材の前記中心部と前記外周部とを連結する
   ことを特徴とする接触式一軸変位センサ。

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