JP3140322U - 加振型接触検出センサ - Google Patents

Abstract

【課題】振動特性を維持でき、接触時の負荷を受ける方向によって生じる剛性の差が測定精度に与える影響を軽減できるとともに、製造中、使用中の取扱いを容易にできる加振型接触検出センサを提供すること。
【解決手段】スタイラス本体２１および接触部２２を有するスタイラス２と、加振手段３１と、検出手段３２と、スタイラス２と所定間隔を有して配置されるスタイラスホルダ１と、一端がスタイラスホルダ１に連接され、他端がスタイラス本体２１に連接される互いに平行な複数の弾性片４とを備える。スタイラス本体２１は、その軸方向が弾性片４の弾性変形可能な方向に略沿う状態で配置される。弾性片４の弾性変形可能な方向に対して直交し、かつ、弾性片４の長手方向に対して直交する方向に沿ったスタイラスホルダ１の厚さ寸法は、弾性片４の厚さ寸法よりも大きく形成されている。
【選択図】図１

Description

本考案は、加振型接触検出センサに関し、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用いられる。

従来、被測定物の形状や寸法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、表面性状測定機や小穴測定機等が知られている。これらの測定機には、測定機本体と被測定物との位置関係を検出するために各種プローブが使用される。これらのプローブは、非接触式プローブと接触式プローブとに、あるいは連続測定プローブとタッチトリガプローブ等に分類される。

上述したような測定機の接触式タッチトリガプローブとしては、図５に示すような加振型接触検出センサ１００が知られている（特許文献１参照）。この加振型接触検出センサ１００は、スタイラスホルダ１０１と、スタイラス１０２と、２枚の圧電素子１０３を含んで構成される。スタイラスホルダ１０１は、図示しない測定機の移動軸に取り付けるための固定部１１１と、一対の腕部１１２とを備える。スタイラス１０２は、腕部１１２との間に配置された弾性片１０４によって支持される。また、スタイラス１０２の先端には、被測定物と接触する接触部１２１が設けられる。

一対の腕部１１２、弾性片１０４およびスタイラス１０２は、同じ厚さ寸法（図中のＴ１で示す寸法）を有する。厚さ寸法Ｔ１は、固定部１１１の厚さ寸法Ｔ２よりも小さくなっている。
圧電素子１０３は、スタイラス１０２を跨いだ状態で装着され、スタイラス１０２を軸方向に共振状態で加振するとともに、接触部１２１と被測定物との接触に際して生じるスタイラス１０２の共振状態の変化を検出するためのものである。

このような構成において、圧電素子１０３でスタイラス１０２を加振すると、スタイラス１０２が軸方向に沿って共振状態で振動する。この状態で、接触部１２１が被測定物に接触すると、スタイラス１０２の共振状態に変化が生じるため、この変化を圧電素子１０３で検出することで、接触部１２１と被測定物との接触を検出できるようになる。

特開２００５−３４５４８３号公報

前述の特許文献１に記載の加振型接触検出センサ１００では、図５（Ｂ）に示すように、腕部１１２およびスタイラス１０２が同一の厚さ寸法Ｔ１で形成され、この厚さ寸法Ｔ１は、固定部１１１の厚さ寸法Ｔ２よりも小さくなっている。すなわち、スタイラスホルダ１０１は、固定部１１１に対して腕部１１２が薄く削られた形状であるため、接触部１２１に外部負荷が作用した際の弾性片１０４の長手方向（Ｘ方向）と、腕部１１２の厚さ方向（Ｙ方向）とでセンサ全体の剛性の違いが生じる。
例えば、３次元形状測定機にセンサを取り付けて被測定物を測定する場合、様々な方向から被測定物にアプローチするため、上記センサを用いてタッチ測定（間欠測定）や急傾斜面の測定を行った場合、Ｘ方向とＹ方向とで対称な形状を測定しているにも関わらず、形状の異なった測定結果を得てしまうことがある。

このようなスタイラス１０２の支持部分の形状による剛性の違いによって、接触部１２１が被測定物に接触した際の、センサ全体のＸ方向の撓み量と、Ｙ方向の撓み量とが異なり、検出感度の違い（方向依存性）が生じて、測定精度に影響を与えるという問題があった。
特に、ナノメートルオーダーの測定精度が必要とされる場合には、各方向での撓み量の差による測定精度に与える影響が大きい。
これに対して、センサ全体のＹ方向の厚さ寸法を大きくして、Ｙ方向の剛性を確保することが考えられるが、圧電素子１０３によって加振されるスタイラス１０２および弾性片１０４の部分に関しては、厚みを変更すると、測定力の検出感度、振動周波数やＱ値（共振状態の鋭さを示す指数）が大きく変化し、センサとしての機能を果たさなくなる可能性もある。そのため、センサの基本的な構造部分を変更しないで剛性を確保したいという要求が大きかった。
また、従来の構造では、センサ全体の剛性が十分でなく、製造中、使用中にセンサが破損し易く、取扱いが容易でなかった。

本考案の目的は、振動特性を維持でき、接触時の負荷を受ける方向によって生じる剛性の差が測定精度に与える影響を軽減できるとともに、製造中、使用中の取扱いを容易にできる加振型接触検出センサを提供することである。

本考案の加振型接触検出センサは、略軸状に形成されたスタイラス本体と、このスタイラス本体の先端部に設けられ被測定物に接触する接触部とを有するスタイラスと、前記スタイラスを共振状態で振動させる加振手段と、前記接触部と前記被測定物との接触に際して生じる前記スタイラスの共振状態の変化から当該接触を検出する検出手段と、前記スタイラスに所定間隔隔てて配置されるホルダと、前記スタイラスと前記ホルダとの間に配置され、一端が前記ホルダに連接され、他端が前記スタイラス本体に連接される互いに平行な複数の弾性片と、を備えて構成される加振型接触検出センサであって、前記スタイラス本体は、当該スタイラス本体の軸方向が前記弾性片の弾性変形可能な方向に略沿う状態で配置され、前記弾性片の弾性変形可能な方向に対して直交し、かつ、前記弾性片の長手方向に対して直交する方向に沿った前記ホルダの厚さ寸法は、このホルダの厚さ方向と同方向に沿った前記弾性片の寸法よりも大きいことを特徴とする。

ここで、例えば、従来のセンサにおいて、スタイラスを支持する部分の厚さ方向（Ｙ方向）の寸法を変更せずに、ホルダの厚さ方向（Ｙ方向）の寸法だけを大きくしてもよい。
この構成によれば、ホルダのＹ方向の寸法が、弾性片のＹ方向の寸法よりも大きいので、スタイラス、加振手段および検出手段については従来のセンサと同一の構造であっても、センサ全体でのＹ方向の剛性を従来よりも高めることができ、剛性の方向依存性を低減できる。従って、センサの振動特性を維持したまま、接触時の負荷を受ける方向によって生じる剛性の差が測定精度に与える影響を軽減できる。

さらに、従来、製造中や使用中に、接触等の外力がセンサに作用してセンサが破損する可能性があったが、ホルダの剛性が向上するので、ホルダがスタイラス部分を防護してセンサの破損を抑制できる。従って、製造中や使用中のセンサの取扱いを容易にすることができる。

本考案のセンサに係る形状を用いて有限要素法による各方向の剛性を算出したところ、図４に示すように、従来のセンサでは、Ｙ方向の剛性がＸ方向の剛性に対して３０％しか得られなかったのに対して、本考案のセンサによれば、センサの振動特性を維持したまま、Ｙ方向の剛性を９０％まで向上させることができることが確認できた。

本考案の加振型接触検出センサでは、前記ホルダは、固定部と、この固定部から平行に延設される一対の腕部とを含んで構成され、前記スタイラスは、前記一対の腕部の間に配置され、かつ、前記スタイラス本体の軸方向が前記腕部の延設方向に略沿う状態で配置され、前記弾性片は、前記スタイラス本体と前記一対の各腕部との間にそれぞれ複数設けられることが好ましい。
この構成によれば、ホルダが固定部と一対の腕部とによって略コ字状に形成され、この略コ字状の内部にスタイラスが配置される。そして、スタイラスは、その両側に配置される腕部にそれぞれ複数の弾性片で支持されるので、スタイラスの支持構造が安定し、より高い測定精度を得ることができる。

本考案の加振型接触検出センサでは、前記スタイラス本体と、前記ホルダと、前記弾性片とは、一体で形成されることが好ましい。
この構成によれば、スタイラス本体とホルダと弾性片とを一体構造とすることによって、これらを個別に形成して組立てる場合と比べて、組立てによる測定精度や検出感度、測定力への影響を軽減できる。

本考案の加振型接触検出センサでは、前記ホルダは、低熱膨張材で形成されることが好ましい。
この構成によれば、ホルダの材質を低熱膨張材とすることで、ホルダの熱膨張がほとんど生じなくなるので、温度変化による測定精度への影響を軽減できる。

以下、本考案の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態の加振型接触検出センサ１０の斜視図である。図２（Ａ）,（Ｂ）は、加振型接触検出センサ１０の正面図および側面図であり、図３は、加振型接触検出センサ１０の断面図である。
図１，２に示すように、加振型接触検出センサ１０は、スタイラスホルダ（ホルダ）１と、スタイラス２と、２枚の圧電素子３を含んで構成される。

スタイラスホルダ１は、図示しない測定機の移動軸に取り付けるための固定部１１と、この固定部１１から平行に延びた一対の腕部１２とを備える。
スタイラス２は、略軸状に形成されるスタイラス本体２１と、このスタイラス本体２１の先端に設けられ被測定物と接触する接触部２２とから構成される。
スタイラス本体２１は、スタイラスホルダ１の一対の腕部１２の間に配置され、４枚の弾性片４を介して腕部１２に支持される。ここで、スタイラス２の軸方向は、腕部１２が固定部１１から平行に延びる方向に沿うように配置される。

４枚の弾性片４は、その長手方向がスタイラス２の軸方向と略直交して配置され、一端が腕部１２に連接され、他端がスタイラス２の長手方向の中央位置から等間隔の位置に連接される。このうち２枚の弾性片４は、一方の腕部１２とスタイラス２との間に互いに平行に設けられ、他の２枚の弾性片４は、他方の腕部１２とスタイラス２との間に同様に設けられ、４枚の弾性片４は、スタイラス本体２１の軸を中心に線対称となるように配置される。各弾性片４は、スタイラス２の軸方向へ弾性変形可能となっている。

スタイラスホルダ１とスタイラス２と弾性片４とは、低熱膨張材を素材として一体に形成される。これらのうちの、スタイラス２および４枚の弾性片４は、同じ厚さ寸法（図３中のＴ１で示す寸法）を有する。一方、スタイラスホルダ１を構成する固定部１１および一対の腕部１２は、厚さ寸法Ｔ１よりも大きい厚さ寸法Ｔ２を有する。ここで厚さ寸法Ｔ１，Ｔ２とは、スタイラス２の軸方向と弾性片４の長手方向とから形成される平面の直交方向に沿った寸法、すなわち、弾性片４の弾性変形可能な方向に対して直交し、かつ、弾性片４の長手方向に対して直交する方向に沿った寸法を示す。

圧電素子３は、４枚の弾性片４によって支持される。すわなち、圧電素子３は、スタイラス２を跨いだ状態で４枚の弾性片４に装着される。２枚の圧電素子３は、スタイラス２および弾性片４で形成される平面の両側の面にそれぞれ取り付けられる。
圧電素子３は、スタイラス２を軸方向に共振状態で加振するとともに、接触部２２と被測定物との接触に際して生じるスタイラス２の共振状態の変化を検出するためのものである。

図１に示される表側に配置される圧電素子３には、図示しない共通電極が形成される。また、圧電素子３は、スタイラス２の軸を中心に加振手段３１および検出手段３２に二分される。裏側に配置される圧電素子３も同様に二分される。

このような構成において、加振手段３１でスタイラス２を加振すると、スタイラス２が軸方向に沿って共振状態で振動する。この状態で、接触部２２が被測定物に接触すると、スタイラス２の共振状態に変化が生じるため、この変化を検出手段３２で検出することで、接触部２２と被測定物との接触を検出できるようになる。

［本実施形態による効果］
本実施形態によれば、次のような効果を奏することができる。
（１）スタイラスホルダ１のＹ方向の寸法Ｔ２が、弾性片４のＹ方向の寸法Ｔ１よりも大きいので、スタイラス２、弾性片４、圧電素子３については従来のセンサと同一の構造であっても、センサ全体でのＹ方向の剛性を従来よりも高めることができ、剛性の方向依存性を低減できる。従って、加振型接触検出センサ１０の振動特性を維持したまま、接触時の負荷を受ける方向によって生じる剛性の差が測定精度に与える影響を軽減できる。

（２）従来、製造中や使用中に、接触等の外力が加振型接触検出センサ１０に作用して加振型接触検出センサ１０が破損する可能性があったが、腕部１２の剛性が向上するので、腕部１２がスタイラス２を防護してスタイラス２の破損を抑制できる。従って、製造中や使用中の加振型接触検出センサ１０の取扱いを容易にすることができる。

（３）スタイラスホルダ１が固定部１１と一対の腕部１２とによって略コ字状に形成され、この略コ字状の内部にスタイラス２が配置される。そして、スタイラス２は、その両側に配置される腕部１２にそれぞれ複数の弾性片４で支持されるので、スタイラス２の支持構造が安定し、より高い測定精度を得ることができる。

（４）スタイラス本体２１と腕部１２と弾性片４とを一体構造とすることによって、これらを個別に形成して組立てる場合と比べて、組立てによる測定精度や検出感度、測定力への影響を軽減できる。

（５）スタイラスホルダ１の材質を低熱膨張材とすることで、腕部１２の熱膨張がほとんど生じなくなるので、温度変化による測定精度への影響を軽減できる。

［本考案の変形例］
なお、本考案は前述の実施形態に限定されるものではなく、本考案の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本考案に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、スタイラスホルダ１が一対の腕部１２を備えて略コ字状に形成されているが、スタイラスホルダとしてはスタイラスを片持ち支持する構成であってもよい。この場合、センサは、固定部および固定部から延設される１本の腕部を備えるスタイラスホルダと、この腕部に略平行となるように配置されるスタイラスと、腕部とスタイラスとの間に配置されスタイラスを支持する複数の弾性片とを含んで構成されてもよい。

以下、本考案の実施例について説明する。本実施例では、前記実施形態で述べた構成と略同様の構成である加振型接触検出センサを用いて、以下の評価を行う。

〔１．評価項目〕
設計モデルを用いた剛性ＦＥＭ解析を実施した。ここでは、実際の測定条件下と略同じ状態となるように、スタイラス先端の接触部に各方向に沿って負荷を作用させ、各方向の剛性を算出する。
〔２．測定条件〕
スタイラスの接触部に１０μＮの力を各方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ方向）へ作用させ、撓み量を解析し、各方向の剛性を算出する。

〔３．結果・考察〕
図４には、加振型接触検出センサの剛性ＦＥＭ解析の結果を示す。なお、従来のセンサの設計モデルでの結果を用いて、そのＸ方向の剛性を１００として、Ｙ、Ｚ方向における剛性比をそれぞれ示す。
この剛性ＦＥＭ解析により、まず、従来のセンサでは、Ｙ方向の剛性がＸ方向の剛性の約３０％であった。これに対して、本考案の加振型接触検出センサでは、Ｙ方向の剛性がＸ方向の剛性の約９０％となった。Ｚ方向の剛性は従来と同程度であった。
このことから、ホルダの厚さ寸法を大きくすることで、Ｘ，Ｚ方向の剛性を維持しつつ、Ｙ方向の剛性のみを向上させ得ることが確認できた。

本考案は、表面性状測定装置の加振型接触式センサに利用できる他、原子間力顕微鏡等の走査型顕微鏡の触針にも利用することができる。

本考案の一実施形態に係る加振型接触検出センサを示す斜視図。 (Ａ)，(Ｂ)は、前記加振型接触検出センサを示す正面図および側面図。 前記加振型接触検出センサを示す断面図。 本考案の実施例に係る解析結果を示す図。 (Ａ)，(Ｂ)は、従来のセンサを示す正面図および側面図。

符号の説明

１…スタイラスホルダ（ホルダ）
２…スタイラス
３…圧電素子
４…弾性片
１０…加振型接触検出センサ
１１…固定部
１２…腕部
２１…スタイラス本体
２２…接触部
３１…加振手段
３２…検出手段
Ｔ１…弾性片の厚さ寸法
Ｔ２…ホルダの厚さ寸法

Claims (4)

1. 略軸状に形成されたスタイラス本体と、このスタイラス本体の先端部に設けられ被測定物に接触する接触部とを有するスタイラスと、
   前記スタイラスを共振状態で振動させる加振手段と、
   前記接触部と前記被測定物との接触に際して生じる前記スタイラスの共振状態の変化から当該接触を検出する検出手段と、
   前記スタイラスに所定間隔隔てて配置されるホルダと、
   前記スタイラスと前記ホルダとの間に配置され、一端が前記ホルダに連接され、他端が前記スタイラス本体に連接される互いに平行な複数の弾性片と、を備えて構成される加振型接触検出センサであって、
   前記スタイラス本体は、当該スタイラス本体の軸方向が前記弾性片の弾性変形可能な方向に略沿う状態で配置され、
   前記弾性片の弾性変形可能な方向に対して直交し、かつ、前記弾性片の長手方向に対して直交する方向に沿った前記ホルダの厚さ寸法は、このホルダの厚さ方向と同方向に沿った前記弾性片の寸法よりも大きいことを特徴とする加振型接触検出センサ。
2. 請求項１に記載の加振型接触検出センサにおいて、
   前記ホルダは、固定部と、この固定部から平行に延設される一対の腕部とを含んで構成され、
   前記スタイラスは、前記一対の腕部の間に配置され、かつ、前記スタイラス本体の軸方向が前記腕部の延設方向に略沿う状態で配置され、
   前記弾性片は、前記スタイラス本体と前記一対の各腕部との間にそれぞれ複数設けられることを特徴とする加振型接触検出センサ。
3. 請求項１または請求項２に記載の加振型接触検出センサにおいて、
   前記スタイラス本体と、前記ホルダと、前記弾性片とは、一体で形成されることを特徴とする加振型接触検出センサ。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の加振型接触検出センサにおいて、
   前記ホルダは、低熱膨張材で形成されることを特徴とする加振型接触検出センサ。

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