JP2018048857A - 検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】対象物との接触を再現性のある状態で検出して、再現性のある正確な接触検出が可能な検出装置を提供する。【解決手段】対象物との接触を検出する装置であって、検出装置に設けられる固定部１０と、軸部２及び軸部２に接続され、固定部１０に対して可動となるよう設けられた基部４と、対象物及び軸部２の接触による、固定部１０に対する基部４の傾斜に起因する変位量を測定するセンサと、測定された変位量に基づいて、対象物との接触の有無を判断する制御部と、を備えた検出装置。【選択図】図３

Description

本発明は、対象物との接触を検出する検出装置に関する。

工作機械における寸法測定をはじめとして、対象物との接触を検出する検出装置が様々な分野で用いられている。このような検出装置において、３点支持されたスタイラスが対象物と接触したときの初期歪みを検出して、対象物との接触を検出する接触プローブが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特表平０９−５０７９１８号公報

特許文献１に記載の接触プローブでは、スタイラスに連結された部材に歪みゲージが貼り付けられており、スタイラスが対象物と接触したとき、歪みゲージが示す初期歪み（抵抗値変化）に基づいて、対象物との接触を検出する。つまり、対象物との接触によりスタイラスが僅かに動いた瞬間に、対象物との接触が検出される。

特許文献１に記載された３点支持のスタイラスでは、スタイラスが着座している状態におけるリシート性は高いと言える。しかし、スタイラスが動いた瞬間に３点支持が崩れて力学的に不安定な状態に陥るので、対象物からの押力によりスタイラスが更に動いた状態を正確に検出することは困難である。特許文献１に記載された接触プローブは、ローブ特性が良好だとは言えず、ローブ特性が良好なプローブの出現が望まれている。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、対象物との接触を再現性のある状態で検出して、再現性のある正確な接触検出が可能な検出装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の１つの実施態様に係る検出装置は、
対象物との接触を検出する装置であって、
当該検出装置に設けられる固定部と、
軸部及び前記軸部に接続され、前記固定部に対して可動となるよう設けられた基部と、
前記対象物及び前記軸部の接触による、前記固定部に対する前記基部の傾斜に起因する変位量を測定するセンサと、
測定された前記変位量に基づいて、前記対象物との接触の有無を判断する制御部と、
を備えている。

上記の実施態様によれば、対象物との接触を再現性のある状態で検出して、再現性のある正確な接触検出が可能な検出装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る検出装置のプローブを模式的に示す側面図である。 図１に示すプローブのスタイラスを模式的に示す斜視図である。 図１に示すプローブのスタイラス及び固定部を模式的に示す斜視図である。 図１に示すプローブにおいて、圧縮バネによりスタイラスが固定部に押しつけられた状態を模式的に示す側面図である。 対象物との接触により傾斜したスタイラスの回転モーメントの釣り合いを説明するための模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る検出装置の制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る検出装置の制御部で行われる制御処理を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る検出装置のプローブの変形例を模式的に示す側面図であって、スタイラスの軸部が対象物と接触していない状態を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る検出装置のプローブの変形例を模式的に示す側面図であって、スタイラスの軸部が対象物と接触している状態を示す図である。 スタイラスが固定部から離脱する可能性のある構造を模式的に示す図である。 スタイラスが固定部から離脱する可能性のある場合の回転モーメントの状態を模式的に示す図である。 スタイラスが固定部から離脱することのない構造及び回転モーメントの釣り合いを模式的に示す図である。 図１０Ａの矢印Ｂで示す領域の拡大図であって、固定部における反力を模式的に示す図である。 固定部における反力及びスタイラスの傾きの関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る検出装置のプローブを模式的に示す側面図である。 本発明の第３の実施形態に係る検出装置のプローブを模式的に示す側面図である。 ３点支持のスタイラスを有するプローブを模式的に示す分解斜視図及び平面図である。

以下、本発明の実施形態に係る検出装置ついて、図面を参照しながら説明する。
（本発明の第１の実施形態に係る検出装置のプローブの説明）
はじめに、図１から図４を参照ながら、本発明の第１の実施形態に係る検出装置のプローブの説明を行う。図１は、本発明の第１の実施形態に係る検出装置のプローブ３０を模式的に示す側面図であり、図２は、図１に示すプローブ３０のスタイラス６を模式的に示す斜視図であり、図３は、図１に示すプローブ３０のスタイラス６及び固定部１０を模式的に示す斜視図であり、図４は、図１に示すプローブ３０において、圧縮バネ１８によりスタイラス６が固定部１０に押しつけられた状態を模式的に示す側面図である。なお、以下の記載においては、何れも図面に対応させて上下左右を表現する。

本実施形態に係るプローブ３０は、軸部２及び軸部２に接続された基部４とから構成されるスタイラス６を備える。軸部２は、基部４の中央部から基部４に対して略垂直方向に伸び、先端に対象物との接触領域２Ａを有する。基部４には、四角形の４辺を形成するように配置された４つの支持棒８が、軸部２を取り囲むように配置されている。
プローブ３０には、更に、固定部１０を有する筐体２０が備えられ、スタイラス６の基部４は、この筐体２０の内部に配置され、スタイラス６の軸部２は、固定部１０の中心部に設けられた開口を介して、筐体２０の外側に伸びている。軸部２と開口の間にはクリアランスがあり、スタイラス６の基部４は、固定部１０に対して可動な状態になっている。
なお、何れの図面においても、本発明の実施形態に係る検出装置は、対象物と接触する接触領域２Ａがプローブの上側に配置されるように示されている。

固定部材１０にも、四角形の４辺を形成するように配置された４つの固定部側支持棒１２が備えられている。４つの固定部側支持棒１２は、スタイラス６の基部４に備えられた４つの支持棒８とそれぞれ略平行に配置されている。スタイラス６の基部４は、固定部１０より下側（接触領域２Ａから遠い側）に配置されている。また、本実施形態では、固定部側支持棒１２が支持棒８よりも内側（軸部２の中心側）に配置されている。つまり、四角形の各辺において、固定部側支持棒１２が支持棒８の斜め内側上方に配置されている。このような配置による利点については、図１０Ａ及び図１０Ｂを用いて後述する。

図４に示すように、スタイラス６の基部４の下面には圧縮バネ１８が接しており、圧縮バネ１８の他端は、筐体２０の底面に接している。圧縮バネ１８は、予め圧縮した状態で取り付けられており、圧縮バネ１８により、スタイラス６の基部４が固定部１０側に押しつけられている。これにより、スタイラス６の軸部２が対象物と接触しない初期状態においては、スタイラス６の基部４に備えられた４つの支持棒８と、固定部１０に備えられた４つの固定部側支持棒１２とが、それぞれ線接触するようになっている。なお、支持棒８にも固定部側支持棒１２にも、厳密には微少な凹凸があるので、ここでいう線接触は、複数の箇所で点接触している状態ということもできる。
軸部２の対象物が接触していない初期状態では、基部４の面と固定部１０の面とが略平行に配置されている。軸部２は基部４から略垂直に伸びているので、初期状態では、軸部２は、固定部材１０に対して略垂直に伸びている。

次に、図５を参照しながら、スタイラス６の軸部２が対象物と接触したときに、スタイラス６の基部４が固定部１０に対して傾斜する状態について説明する。ここで、図５は、対象物との接触により傾斜したスタイラス６の回転モーメントの釣り合いを説明するための模式図である。
図５では、スタイラス６の軸部２が、固定部１０に対して略垂直な初期状態から角度θだけ傾斜したことを示しているが、軸部２及び基部４は略直交しているので、初期状態から基部４が傾斜角度θだけ傾斜しているといえる。なお、他の図面に示す角度θも同様である。

図５に示すように、スタイラス６の軸部２が対象物と接触することによる対象物からの押力Ｆにより、スタイラス６の基部４が固定部１０に対して傾斜する。これにより、基部４に備えられた４つの支持棒８のうち、３つの支持棒８は固定部側支持棒１２から離間し、当接箇所に配置された４つの支持棒８のうちの１つと、固定部材１０に備えられた４つの支持棒１２の１つとが線接触した状態になる。この接触箇所が傾斜中心となって、スタイラス６の基部４が傾斜する。この基部４の傾斜に起因する変位量に基づいて、対象物の接触を検出することができる。

なお、軸部２の先端に配置された対象物と接触する接触領域２Ａは、対象物が工作機械の刃物等の場合を考えると、刃物に当てても削れたり、傷がつかない材質である超硬材(タングステンカーバイド)またはセラミックが好ましい。軸部２の接触領域２Ａ側は、固定部１０に対して、直角、平行等の調整ができるように、可動可能な形状が好ましい。

スタイラス６の軸部２は、固定部材１０の基部４との当接箇所（具体的には、支持棒８と固定部側支持棒１２との線接触箇所）と対象物との間に配置されている。対象物が軸部２に接触する方向（図５の押力Ｆの方向）は、支持棒８または固定部側支持棒１２が形成する４つの辺に略直交する方向である。

なお、対象物が軸部２に接触する方向は、４つの辺と厳密に直交する必要はない。仮に、４つの辺と直交する方向に対して、角度αの角度をなして対象物が軸部２に接触する場合、支持棒８及び固定部側支持棒１２の間の摩擦係数をμとすれば、角度αが、ｔａｎα＜μを満たす範囲内であれば、支持棒８及び固定部側支持棒１２が横ずれすることなく、正確な検出を行うことができる。

＜３点支持のスタイラスの傾斜に関する説明＞
ここで、図１４を参照しながら、従来の３点支持のスタイラスが対象物と接触して傾斜する場合を説明する。図１４は、３点支持のスタイラスを有するプローブ１３０を模式的に示す分解斜視図及び平面図である。左側にプローブ１３０の分解斜視図を示し、右側に基部１０４及び固定部１１０を上方から見た平面図を示す。図１４では、対象物との接触領域がプローブの下側に配置されている。
図１４に示すように、スタイラス１０６の基部１０４に取り付けられた３点支持の各棒１０８Ａ、１０８Ｂ、１０８Ｃを、それぞれ２つの球体１１２で支える構造を有する。スタイラスの軸部１０２が対象物と接触して、３点支持の１点でも接触が離れた瞬間に、安定構造は崩壊し不安定な構造となる。３点支持の１点が浮くような動作であっても、動作した時点以降の動作起動の再現性は失われる。

よって、スタイラス１０６が少しでも動くと対象物の接触を検出してしまうこととなり、振動等があると誤作動に繋がる。振動等でスタイラス１０６が動かないようにするには、基部１０４を固定部１１０に押しつける圧縮バネ１１８のバネ力を強めることが考えられる。しかし、この場合には、スタイラス１０６の動きが重くなり、細い径の測定物を測定すると折れてしまったり、測定物に傷を付けたりする可能性がある。また、３点支持部にバネ力が強くかかることから、ローブ特性の悪化も生じる。

更に、３点支持のため、逆方向からの差動力が均一にならない問題も生じる。図１４に示すように、方向１における対象物からの押力Ｆ１による回転モーメントと、圧縮バネ１１８によるバネ力ｆによる回転モーメントの釣り合いは、
Ｆ１＝ｆ・ｌ１／Ｌ
となり、方向２における対象物からの押力Ｆ２による回転モーメントと、圧縮バネ１１８によるバネ力ｆによる回転モーメントの釣り合いは、
Ｆ２＝ｆ・ｌ２／Ｌ
となり、両者は一致しない。

＜本実施形態に係るスタイラスの傾斜に関する説明＞
一方、本実施形態では、図５に示すように、対象物からの押力Ｆによる回転モーメントにより、スタイラス６の基部４が傾斜すると、圧縮バネ１８が初期状態よりも圧縮されてバネ力ｆを発生する。そして、基部４が角度θだけ傾斜したとき、押力Ｆによる回転モーメントＦ×Ｌ×ｃｏｓθとバネ力ｆによる回転モーメントｆ×ｌとが釣り合う状態となる。
つまり、
Ｆ×Ｌ×ｃｏｓθ＝ｆ×ｌ（Ｆ＝ｆ・ｌ／Ｌｃｏｓθ）
となる。

この場合、図５に示す場合の反対側（図面左から右）から、対象物による押力Ｆが加わった場合も、紙面垂直方向で対象物による押力Ｆが加わった場合も、同様な回転モーメントの釣り合いが成り立ち、常に再現性のある安定した状態が形成される。よって、４方向からの押力に応じて、再現性のある状態で基部４が傾斜し、この基部４の傾斜に起因する変位量に基づいて、対象物との接触を正確に検出することができる。本実施形態では、４方向からの対象物の接触を検出できるので、例えば、本検出装置を工作機械に適用した場合には、測定の効率化に貢献できる。

後述するように、本実施形態では、対象物との接触により基部４が傾斜を開始した時点ではなく、それ以降の反復性のある状態における傾斜に起因する変位量に基づいて接触の判定を行うので、振動による誤作動を防止するため、圧縮バネ１８のバネ力をむやみに高める必要がない。よって、３点支持のスタイラスにおける上記問題も生じることがない。

＜本発明の第１の実施形態に係る検出装置の制御装置及び制御処理の説明＞
次に、図６及び図７を参照しながら、本発明の第１の実施形態に係る検出装置の制御装置及び制御処理について説明する。ここで、図６は、本発明の第１の実施形態に係る検出装置５０の制御装置の構成を示すブロック図であり、図７は、本発明の第１の実施形態に係る検出装置５０の制御部４０で行われる制御処理を示すフローチャートである。

図６に示すように、本発明の第１の実施形態に係る検出装置５０では、対象物及び軸部２の接触によって生じる基部４の傾斜に起因する変位量を測定するセンサ３２と、センサ３２からの信号を受信する制御部４０とを備える。制御部４０は、センサ３２によって測定された変位量に基づいて、対象物との接触の有無を判断することができる。

センサ３２として、基部４の傾斜に起因する任意の変位量を検知するものを用いることができる。測定する変位量としては、基部４の傾斜角度でもよいし、傾斜角度に対応した移動量でもよいし、傾斜角度に対応した変形量でもよい。センサ３２は、図６に示すようなプローブ３０の内部に備えられる場合だけでなく、プローブ３０の外部に備えられる場合もあり得る。制御部４０は、演算部及び記憶装部を備え、検出装置５０専用に設けられることもできる。その場合には、制御部４０が、プローブ３０の内部に組み込まれる場合もあり得る。逆に、制御部４０を、プローブ３０が設置された装置（例えば、工作機械）の制御装置の一部として構成することもできる。

次に、図７のフローチャートを参照しながら、制御部４０における制御処理を説明する。図７において、まず、センサ３２が傾斜による変位量を検出したか否か判断する（ステップＳ１０）。この判断で、もし、変位量を検出していない（ＮＯ）と判別したときには、そのまま、この判断処理を繰り返す。つまり、変位量を検出するまで待機状態になっている。
ステップＳ１０の判断で、もし、センサ３２が傾斜による変位量を検出した（ＹＥＳ）と判別したときには、次に、測定した変位量が閾値１を超えたか否か判断する（ステップＳ１２）。この判断で、もし、測定値が閾値１を超えていないと判断した場合には、本制御処理を終了する。ステップＳ１２の判断で、もし、変位量の測定値が閾値１を超えた（ＹＥＳ）と判別したときは、対象物が接触したと判断する（ステップＳ１４）。

次に、測定した変位量が、閾値１よりも値の大きい閾値２を超えたか否か判断する（ステップＳ１６）。この判断で、もし、変位量が閾値２を超えていない（ＮＯ）と判断した場合には、一連の本制御処理を終了する。ステップＳ１６の判断で、もし、変位量の測定値が閾値２を超えた（ＹＥＳ）と判別したときは、異常事態が発生したと判断し（ステップＳ１８）、一連の制御処理を終了する。
変位量の測定値が閾値２を超える場合とは、図５において、対象物により、スタイラス６の軸部２が図面左側に過剰に押しつけられた場合を意味するので、軸部２を押しつける動作を緊急停止させ、対象物を図面右側に待避させるための信号を送信する。

本実施形態では、測定した変位量が閾値１を超えたとき、制御部４０が、対象物との接触ありと判断するので、第１の閾値を適性に定めることにより、再現性のある状態における正確な対象物の接触検出を実現できる。また、測定した変位量が、閾値１よりも値の大きい閾値２を超えたとき、制御部４０が異常事態発生と判断するので、第２の閾値を適性に定めることにより、対象物が過剰に軸部を押すような異常事態を適確に検出して、大きな問題が生じるのを未然に防ぐことができる。

なお、再現性のある接触検出は、上記のような制御部４０の制御処理だけでなく、例えば、センサに渦電流センサを用いて、基部４の傾きにより生じたインダクタンスの変化に基づいて、電気回路上で閾値を設けることにより、同様な機能を果たすこともできる。

以上のように、本実施形態に係る検出装置５０は、対象物との接触を検出する装置であって、検出装置５０に設けられる固定部１０と、軸部２及び軸部２に接続され、固定部１０に対して可動となるよう設けられた基部４を有するスタイラス６と、対象物及び軸部２の接触による、固定部１０に対する基部４の傾斜に起因する変位量を測定するセンサ３２と、測定された変位量に基づいて、対象物との接触の有無を判断する制御部４０とを備えている。
測定された変位量に基づいて、制御部４０が対象物との接触の有無を判断するので、対象物との接触を再現性のある状態で検出して、再現性のある正確な接触検出が可能となる。

また、軸部２が対象物に接触した状態において、基部４と当接する固定部材（本実施形態では固定部側支持棒１２）を固定部１０に更に備え、固定部材の基部４との当接箇所（本実施形態では支持棒８、１２どうしの線接触箇所）と、対象物との間に軸部２が配置されており、基部４が、固定部材との当接箇所を傾斜中心として固定部１０に対して傾斜するようになっている。
このように、固定部１０が基部４と当接する固定部材を備えるので、基部４を、固定部１０に対して再現性のある状態で安定して傾斜させることができる。

本実施形態では、特に、基部４上の当接箇所には、四角形の４辺を形成するように配置された４つの支持棒８が配置されている。また、固定部材１０の固定部材は、基部４の当接箇所に配置された４つの支持棒８に対応するように、四角形の４辺を形成するように配置された４つの固定部側支持棒１２からなり、軸部２が対象物と接触することによる対象物からの押力Ｆにより、基部４が固定部１０に対して傾斜して、当接箇所に配置された４つの支持棒８のうちの１つと、固定部材を構成する４つの固定部側支持棒１２のうちの１つとが線接触するようになっている。これにより、４方向からの対象物の接触を、再現性のある状態で検出することができる。

ただし、固定部１０に設けられた固定部材としては、本実施形態に示す固定部側支持棒１２のような形状だけではなく、図１２に示すピンや、図１３に示す湾曲した凹みを有する当接部材を含め、その他の任意の形状のものを採用することができる。本実施形態では、基部４上に４つの支持棒８が配置されているが、これに限られるものではなく、ピン形状のものや、湾曲した凹みを有する部材を含め、その他の任意の形状のものを基部４上に備えることもできる。

以上のように、再現性ある傾斜中心となる当節箇所を形成可能なものであれば、基部４及び固定部１０の組み合わせにおいて、任意の形状のものを採用することができる。傾斜中心となる当節箇所は、線接触である場合だけでなく、少なくとも点接触となる２箇所を有すれば、再現性のある安定した傾斜中心を形成することができる。
また、本実施形態では、４方向からの対象物の接触を検出するようになっているが、少なくとも１方向にからの対象物の接触を検出するようになっていればよく、少なくとも１方向における傾斜中心が形成されるように、基部４及び固定部１０の間に当接箇所を設ければよい。

（本発明の第１の実施形態に係る検出装置のプローブの変形例の説明）
次に、図８Ａ及び図８Ｂを参照しながら、本発明の第１の実施形態に係る検出装置のプローブの変形例の説明を行う。ここで、図８Ａは、本発明の第１の実施形態に係る検出装置のプローブの変形例を模式的に示す側面図であって、スタイラス６の軸部２が対象物と接触していない状態を示す図であり、図８Ｂは、スタイラス６の軸部２が対象物と接触している状態を示す図である。

上記では、スタイラス６の軸部２が対象物と接触していない状態において、基部４（詳細には支持棒８）及び固定部１０の固定部材（詳細には固定部側支持棒１２）が当接しているが、この変形例においては、図８Ａに示すように、軸部２が対象物と接触していない初期状態において、基部４（支持棒８）及び固定部１０の固定部材（固定部側支持棒１２）の間が、距離Ａだけ離間している点で異なる。そして、軸部２が対象物と接触したとき、接触した対象物からの押力により、基部４が図面左側に移動して、図８Ｂに示すように、固定部材（固定部側支持棒１２）に当接する。その後、この当節箇所を傾斜中心として基部４が固定部１０に対して傾斜する。

上記のように、制御部４０が、測定された変位量に基づいて、対象物との接触の有無を判断するので、対象物との接触を再現性のある状態で検出することができる。しかし、この変形例のように、初期状態で隙間を設けた機械的な手段によっても、適切な隙間距離Ａを設定することにより、適切なプレストロークを得て、常に再現性のある状態で基部４が傾斜するようにすることができる。
特に、静摩擦から動摩擦に変わる対象物との接触初期では、再現性の低い不安定な状態に陥り易いが、適切な隙間距離Ａによるプレストロークで、不安定な状態で基部４が傾斜を開始することを防ぐことができる。

（スタイラスの固定部からの離脱に関する説明）
次に、図９Ａから図１１を参照しながら、スタイラスが固定部からの離脱する可能性のある構造及びスタイラスが固定部からの離脱する可能性のない構造について説明する。
はじめに、図９Ａ及び図９Ｂを参照しながら、スタイラスが固定部からの離脱する可能性のある構造について説明する。ここで、図９Ａは、スタイラス６’が固定部１０’から離脱する可能性のある構造を模式的に示す図であり、図９Ｂは、スタイラス６’が固定部１０’から離脱する可能性のある場合の回転モーメントの状態を模式的に示す図である。

図９Ａの左側に、対象物と接触していない初期状態を示し、右側に、対象物と接触して、基部４が傾斜している状態を示す。図９Ａに示す構造は、上記の実施形態と異なり、基部４’が固定部１０’よりも上方（接触領域２Ａ’に近い側）に配置されている。よって、圧縮バネ１８’による上から下の方向の力で、基部４’（詳細には支持軸８’）が固定部１０’（詳細には固定部側支持棒１２’）に押しつけられている。

ここで、
基部４’の傾斜角度をθ（図面では軸部２’の傾斜角度で示されている）、
対象物による接触領域２Ａ’にかかる押力をＦ、
圧縮バネ１８’のバネ力をｆ、
傾斜中心と接触領域２Ａとの間の距離をＬ＝５０ｍｍ、
傾斜中心と圧縮バネ１８’の中心との間の距離をｌ＝６ｍｍ、
支持棒８’、１２’間の摩擦係数をμ＝０．０５
とする。

傾斜中心まわりの回転モーメントの釣り合いは、
Ｆ×Ｌ×ｃｏｓθ＝ｆ×ｌ （Ｆ＝ｆ・ｌ／Ｌｃｏｓθ）
となる。
また、力の釣り合いから、当接箇所（傾斜中心）において、接続棒８’、１２’どうしが滑り出さない条件は、
μ・ｆｃｏｓθ＞ｆｓｉｎθ−Ｆ
となる。よって、計算結果としてθ＜９°を得る

以上のように、図９Ａ及び図９Ｂに示す構造では、基部４’が固定部１０’よりも上方に配置されているため、基部４’が９°以上傾くと、スタイラス６’（基部４’）が固定部１０’から離脱することになる。

次に、図１０Ａ、図１０Ｂ及び図１１を参照しながら、スタイラスが固定部からの離脱することのない構造について説明する。ここで、図１０Ａは、スタイラス６が固定部１０から離脱することのない構造及び回転モーメントの釣り合いを模式的に示す図であり、図１０Ｂは、図１０Ａの矢印Ｂで示す領域の拡大図であって、固定部１０における反力Ｒ１、Ｒ２を模式的に示す図であり、図１１は、固定部１０における反力Ｒ１、Ｒ２及びスタイラスの傾きθの関係を示すグラフである。

図１０Ａに示す構造は、上記の第１の実施形態に係る検出装置と同様であり、基部４が固定部１０よりも下方（接触領域２Ａから遠い側）に配置されている。よって、圧縮バネ１８による下から上の方向の力で、基部４（詳細は支持軸８）は固定部１０（詳細には固定部側支持軸１２）に押しつけられている。

ここで、
基部４の傾斜角度をθ（図面では軸部２の傾斜角度で示されている）、
対象物の接触領域２Ａにかかる押力をＦ、
圧縮バネ１８のバネ力をｆ、
傾斜中心と接触領域２Ａとの間の距離をＬ＝５０ｍｍ、
傾斜中心と圧縮バネ１８の中心との間の距離をｌ＝６ｍｍ、
支持棒８、１２間の摩擦係数をμ＝０．０５、
当接箇所における固定部側支持棒１２からの反力をＲ１、
バネ力に対する固定部１０からの反力をＲ２、
反力Ｒ１の水平方向からなす角度をφ
とする。

傾斜中心まわりの回転モーメントの釣り合いは、
Ｆ×Ｌ×ｃｏｓθ＝ｆ×ｌ （Ｆ＝ｆ・ｌ／Ｌｃｏｓθ）
となる。

左右方向の力の釣り合いから、当接箇所（傾斜中心）で接触が保たれる条件は、
Ｆ＋ｆｓｉｎθ＝Ｒ１ｃｏｓθ＞０
となり、この式は常に成り立つ。
また、上下方向の力の釣り合いから、当接箇所（傾斜中心）で接触が保たれる条件は、
Ｒ２＝ｆｃｏｓθ−Ｒ１ｓｉｎφ＝ｆｃｏｓθ−（Ｆ＋ｆｓｉｎθ）・ｔａｎφ＞０
となり、この式は常に成り立つ。

この条件式に基づく固定部１０における反力Ｒ１、Ｒ２及びスタイラスの傾きθの関係を、図１１のグラフに示す。

以上のように、図１０Ａ及び図１０Ｂに示す構造は、基部４が固定部１０よりも下方（接触領域２Ａから遠い側）に配置されている。つまり、固定部１０が対象物と接触する接触領域２Ａ及び基部４の間に位置するので、基部４が傾斜するとき、常に、基部４（支持棒８）が固定部１０（固定部側支持棒１２）に対して所定の面圧で当接して、傾斜中心が形成されるので、スタイラス６（基部４）が固定部１０からの離脱することがない安定した構造が得られる。

（本発明の第２の実施形態に係る検出装置のプローブの説明）
次に、図１２を参照しながら、本発明の第２の実施形態に係る検出装置のプローブの説明を行う。ここで、図１２は、本発明の第２の実施形態に係る検出装置のプローブ３０を模式的に示す側面図である。なお、第２及び第３の実施形態において、同様に機能を有する部材については、第１の実施形態同じ参照番号を付してある。
本実施形態のプローブ３０において、当節箇所に配置された、四角形の４辺を形成するように配置された４つの支持棒８が配置された基部４と、基部４の中央部に略垂直に伸びた軸部２とを備えたスタイラス６についは、上記の第１の実施形態とほぼ同様である。

しかし、固定部１０側は異なっており、固定部側支持棒１２の代わりに、固定部１０に対して傾斜していない状態の基部４を位置決めする４つのピン１４が、基部４の４つの支持棒８から形成される四角形の頂点に対応するように、固定部１０の面に備えられている。ピン１４は、
基部４の支持棒８よりも内側（軸部２の中心軸側）に配置されており、軸部２の中心軸に対して、軸部２側へ傾斜するように取り付けられている。

基部４が傾斜するとき、１つの支持棒８に対して２つのピン１４が点接触して、傾斜中心を形成するので、基部４の位置決めが容易に実現できる。
また、内側に配置されたピン１４が軸部２側へ傾斜するように取り付けられているので、傾斜していない状態では基部４をしっかり位置決めできるとともに、傾斜時には、基部４の傾斜先端部と干渉しないようになっている。

なお、ピン１４が、基部４の支持棒８よりも外側に配置されている場合も考えられる。その場合には、ピン１４を軸部２の中心軸に対して外側に傾斜するように取り付けることにより、同様に、傾斜していない状態では基部４をしっかり位置決めできるとともに、傾斜時には、基部４の傾斜先端部と干渉しないようにすることができる。

ピン１４を備えた第２の実施形態においても、上記の変形例と同様に、軸部２が対象物と接触しない初期状態において、基部４の支持棒８とピン１４が所定の隙間を有する場合もあり得る。所定の隙間を有する場合であっても、支持棒８及びピン１４が当接した時点で、ピン１４による基部４の位置決め機能を実現できる。
また、基部４側にピンを備え、固定部１０側に支持棒を備えることによって、２つの点接触による傾斜中心を形成することもできる。

（本発明の第３の実施形態に係る検出装置のプローブの説明）
次に、図１３を参照しながら、本発明の第３の実施形態に係るプローブの説明を行う。ここで、図１３は、本発明の第３の実施形態に係る検出装置のプローブ３０を模式的に示す側面図である。左側に、基部４が傾斜していない初期状態を示し、右側に、基部４が傾斜した状態を示す。
本実施形態のプローブ３０においても、当接箇所に配置された、四角形の４辺を形成するように配置された４つの支持棒８が配置された基部４と、基部４の中央部に略垂直に伸びた軸部２とを備えたスタイラス６についは、上記の第１及び第２の実施形態とほぼ同様である。

一方、固定部材１０には、当接箇所に配置された４つの支持棒８に対応するように、四角形の４辺を形成するように配置された４つの当接部材１６が備えられている。この当接部材１６には、支持棒８の外形に対応した湾曲した凹部が形成されている。これにより、基部４は滑らかに傾斜できる。

本実施形態に係るプローブ３０では、更に、基部４の中央部（軸部２の下側）に配置された回転継ぎ手２２と、回転継ぎ手２２に連結された支持軸２４とを備える。支持軸２４は、回転継ぎ手２２により、基部４と回動自在に連結されている。これにより、対象物に接触して基部４が傾斜すると、支持軸２４が下側へ移動するようになっている。本実施形態では、プローブ３０の筐体に繋がったベース２６に設けられた滑り軸受け２８Ａを有するガイド２８により、支持軸２４は、滑らかに上下移動可能な状態で支持されている。

ここで、
基部４の傾斜角度をθ（図面では軸部２の傾斜角度で示されている）、
傾斜中心から基部４の中心部までの距離をＤ
とすると、
基部４の傾斜により、支持軸２４は、
Ｄ×ｓｉｎθ
の距離だけ下側に移動する。

本実施形態に係るプローブ３０では、支持軸２４に磁石が備えられ、磁石が備えられた支持軸２４に沿って、非接触型のセンサ３２が備えられている。本実施形態に用いる非接触型のセンサ３２として、磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）を用いたセンサを例示できる。センサ３２により、支持軸２４に備えられた磁石の移動を検出できるので、支持軸２４の移動量を正確に検出することができる。

以上のように、本実施形態では、支持軸２４が基部４に回転自在に連結されているので、基部４の傾斜角度を支持軸２４の移動量に変換することができる。よって、高価なセンサを用いることなく正確な測定が実現でき、またセンサ３２を効率的に配置できるので、コンパクトなプローブ３０を実現できる。また、基部４がどの方向に傾斜しても、同様に支持軸２４が上下方向に移動するので、対象物が接触する方向に関わらず、常に正確な検出が実現できる。

なお、湾曲した凹部が形成された当接部材１６を備えた第３の実施形態においても、上記の変形例と同様に、軸部２が対象物と接触しない初期状態において、基部４の支持棒８と当接部材１６とが所定の隙間を有する場合もあり得る。
また、第３の実施形態に係る回転継ぎ手２２、支持軸２４及び支持軸２４の移動量を検出するセンサ３２を、上記の第１、第２の実施形態に係るプローブ３０に組み込むこともできる。

（その他の実施形態の説明）
上記の実施形態では、基部側または固定部側の少なくとも一方に、四角形の４辺を形成するように配置された４つの支持棒が備えられ、これにより４方向からの対象物の接触を検出することができる。ただし、これに限られるものではなく、例えば、六角形や八角形の辺を形成するように配置された支持棒を備える場合もあり得る。
本発明に係る検出装置では、基部側または固定部側の少なくとも一方に、Ｎ角形の辺を形成するように配置されたＮ個の支持棒を備え、各々の支持棒で２箇所以上の点接触または線接触が得られれば、Ｎ方向からの対象物の接触を検出できる（Ｎは３以上の整数）。この場合、Ｎの値を偶数とすれば、両方向からの対象物の接触を検出することができるので好ましいといえる。

本願発明には、基部及び固定部の間で、ピン及びピンによる点接触で傾斜中心を形成する場合も含まれる。ただし、基部の位置決めの容易さの観点からは、基部及び固定部のうち、少なくとも一方に支持軸が備えられていることが好ましい。

本発明の実施の形態、実施の態様を説明したが、開示内容は構成の細部において変化してもよく、実施の形態、実施の態様における要素の組合せや順序の変化等は請求された本発明の範囲および思想を逸脱することなく実現し得るものである。

２ 軸部
２Ａ 接触領域
４ 基部
６ スタイラス
８ 支持棒
１０ 固定部
１２ 固定部側支持棒
１４ ピン
１６ 当接部材
１８ 圧縮バネ
２０ 筐体
２２ 回転継ぎ手
２４ 支持軸
２６ ベース
２８ ガイド
２８Ａ 滑り軸受け
３０ プローブ
３２ センサ
４０ 制御部
５０ 検出装置
１０２ 軸部
１０４ 基部
１０６ スタイラス
１０８Ａ〜Ｃ 棒
１１０ 固定部
１１２ 球体
１１８ 圧縮バネ
１２０ 筐体
１３０ プローブ

Claims (7)

1. 対象物との接触を検出する装置であって、
   当該検出装置に設けられる固定部と、
   軸部及び前記軸部に接続され、前記固定部に対して可動となるよう設けられた基部と、
   前記対象物及び前記軸部の接触による、前記固定部に対する前記基部の傾斜に起因する変位量を測定するセンサと、
   測定された前記変位量に基づいて、前記対象物との接触の有無を判断する制御部と、
   を備えたことを特徴とする検出装置。
   
2. 前記基部と回動自在に連結された支持軸を更に備え、
   前記センサが、前記基部の傾斜によって生じる前記支持軸の移動量を測定することを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
   
3. 前記軸部が前記対象物に接触した状態において、前記基部と当接する固定部材を前記固定部上に更に備え、
   前記固定部材の前記基部との当接箇所と、前記対象物との間に前記軸部が配置されており、
   前記基部が、前記固定部材との当接箇所を傾斜中心として前記固定部に対して傾斜することを特徴とする請求項１または２に記載の検出装置。
   
4. 前記軸部材が前記対象物と接触していない状態において、前記基部及び前記固定部材の間が離間しており、接触した前記対象物からの押力により、前記基部が移動して前記固定部材に当接することを特徴とする請求項３に記載の検出装置。
   
5. 前記基部上の前記当接箇所には、四角形の４辺を形成するように配置された４つの支持棒が配置されていることを特徴とする請求項３または４に記載の検出装置。
   
6. 前記固定部材は、前記当接箇所に配置された前記４つの支持棒に対応するように、四角形の４辺を形成するように配置された４つの固定部側支持棒からなり、
   前記軸部が前記対象物と接触することによる前記対象物からの押力により、前記基部が前記固定部に対して傾斜して、前記当接箇所に配置された前記４つの支持棒のうちの１つと、前記固定部材を構成する前記４つの固定部側支持棒の１つとが線接触することを特徴とする請求項５に記載の検出装置。
   
7. 前記基部が前記固定部に対して傾斜していない状態の前記基部を位置決めするピンが、前記当接箇所に配置された前記４つの支持棒から形成される四角形の頂点に対応するよう、前記固定部の面に備えられ、前記ピンは、前記４つの支持棒よりも前記軸部側に配置され、前記軸部の中心軸に対して、前記軸部側へ傾斜するように取り付けられていることを特徴とする請求項５に記載の検出装置。