JP3140476U - Excitation contact detection sensor - Google Patents

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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加振型接触検出センサを提供すること。
【解決手段】略軸状のスタイラス本体21および接触部22を有するスタイラス2と、加振手段と、検出手段と、スタイラス2を支持するスタイラスホルダ1とを備える。スタイラスホルダ1は、固定部11と、スタイラス本体21の軸を中心とする仮想円筒Sの外周上に設けられる3本の腕部12とを有する。スタイラス2は、仮想円筒Sの内方空間に配置され、かつ、6本の弾性片4を介して腕部12に支持される。弾性片4は、スタイラス本体21と腕部12との間に、スタイラス本体21における軸方向の2箇所から軸を中心に、等間隔で放射状に3つ以上設けられ、かつ、軸方向に沿って弾性変形可能な状態で設けられている。
【選択図】図2
The present invention provides an excitation type contact detection sensor that can maintain vibration characteristics and can reduce the influence of a difference in rigidity caused by the direction of receiving a load upon contact on measurement accuracy.
A stylus having a substantially shaft-like stylus body and a contact portion, a vibrating means, a detecting means, and a stylus holder that supports the stylus are provided. The stylus holder 1 has a fixed portion 11 and three arm portions 12 provided on the outer periphery of the virtual cylinder S centering on the axis of the stylus main body 21. The stylus 2 is disposed in the inner space of the virtual cylinder S and is supported by the arm portion 12 via the six elastic pieces 4. Three or more elastic pieces 4 are provided radially between the stylus body 21 and the arm portion 12 from the two axial positions of the stylus body 21 around the axis at equal intervals, and along the axial direction. It is provided in an elastically deformable state.
[Selection] Figure 2

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。   The present invention relates to an excitation-type contact detection sensor, and is used, for example, when measuring the shape of an object to be measured with a three-dimensional measuring machine or the like.

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。   Conventionally, height gauges (one-dimensional measuring machines), three-dimensional measuring machines, surface texture measuring machines, small hole measuring machines, and the like are known as measuring machines for measuring the shape and dimensions of an object to be measured. In these measuring instruments, various probes are used to detect the positional relationship between the measuring instrument main body and the object to be measured. These probes are classified into non-contact probes and contact probes, or continuous measurement probes and touch trigger probes.

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6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。   As a contact-type touch trigger probe of a measuring machine as described above, an excitation type contact detection sensor 100 as shown in FIG. 6 is known (see Patent Document 1). The vibration-type contact detection sensor 100 includes a stylus holder 101, a stylus 102, and two piezoelectric elements 103. The stylus holder 101 includes a fixed portion 111 for attaching to a moving shaft of a measuring machine (not shown) and a pair of arm portions 112. The stylus 102 is supported by an elastic piece 104 disposed between the arm portion 112 and the stylus 102. Further, a contact portion 121 that comes into contact with the object to be measured is provided at the tip of the stylus 102.

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。
The pair of arms 112, the elastic piece 104, and the stylus 102 have the same thickness dimension (dimension indicated by T1 in the drawing). The thickness dimension T1 is smaller than the thickness dimension T2 of the fixed portion 111.
The piezoelectric element 103 is mounted so as to straddle the stylus 102, vibrates the stylus 102 in the resonance state in the axial direction, and detects a change in the resonance state of the stylus 102 that occurs when the contact portion 121 contacts the object to be measured. Is to do.

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。   In such a configuration, when the stylus 102 is vibrated by the piezoelectric element 103, the stylus 102 vibrates in a resonance state along the axial direction. In this state, when the contact part 121 comes into contact with the object to be measured, a change occurs in the resonance state of the stylus 102. By detecting this change with the piezoelectric element 103, the contact between the contact part 121 and the object to be measured is detected. become able to.

特開2005−345483号公報JP 2005-345483 A

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6(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。
In the vibration-type contact detection sensor 100 described in Patent Document 1, the arm portion 112 and the stylus 102 are formed with the same thickness dimension T1, as shown in FIG. 6B, and the thickness dimension T1 is The thickness dimension T2 of the fixed portion 111 is smaller. That is, since the stylus holder 101 has a shape in which the arm portion 112 is thinned with respect to the fixed portion 111, the longitudinal direction (X direction) of the elastic piece 104 when an external load acts on the contact portion 121, and the arm A difference in rigidity of the entire sensor occurs in the thickness direction (Y direction) of the portion 112.
For example, when measuring a measurement object with a sensor attached to a three-dimensional shape measuring machine, touch measurement (intermittent measurement) or measurement of a steeply inclined surface is performed using the sensor in order to approach the measurement object from various directions. If it is performed, a measurement result having a different shape may be obtained in spite of measuring a symmetrical shape in the X direction and the Y direction.

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。
Due to the difference in rigidity depending on the shape of the support portion of the stylus 102, the deflection amount in the X direction and the deflection amount in the Y direction of the entire sensor when the contact portion 121 contacts the object to be measured are different. There is a problem that the measurement accuracy is affected by the difference (direction dependency).
In particular, when measurement accuracy on the nanometer order is required, the influence on the measurement accuracy due to the difference in the amount of deflection in each direction is large.
On the other hand, it is conceivable to increase the thickness dimension in the Y direction of the entire sensor to ensure the rigidity in the Y direction. However, regarding the portions of the stylus 102 and the elastic piece 104 that are vibrated by the piezoelectric element 103, If the thickness is changed, the detection sensitivity of the measuring force, the vibration frequency, and the Q value (an index indicating the sharpness of the resonance state) may change greatly, and the sensor function may not be performed. For this reason, there has been a great demand for securing rigidity without changing the basic structure of the sensor.

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加振型接触検出センサを提供することである。   An object of the present invention is to provide an excitation-type contact detection sensor that can maintain vibration characteristics and can reduce the influence of the difference in rigidity caused by the direction of receiving a load upon contact on measurement accuracy.

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、前記スタイラスを支持するホルダと、を備える加振型接触検出センサであって、前記ホルダは、前記スタイラス本体の軸と同軸上に設けられる固定部と、この固定部から前記軸を中心とする仮想円筒の外周上に当該軸に沿って延設される支持部とを有し、前記スタイラスは、前記仮想円筒の内方に形成される空間に配置され、かつ、複数の弾性片を介して前記支持部に支持され、前記弾性片は、前記スタイラス本体と前記支持部との間に、前記スタイラス本体における前記軸方向の2箇所から当該軸を中心に等間隔で放射状に3つ以上設けられ、かつ、前記軸方向に沿って弾性変形可能な状態で設けられることを特徴とする。   An excitation-type contact detection sensor of the present invention includes a stylus body formed in a substantially shaft shape, a stylus having a contact portion provided at a distal end portion of the stylus body and in contact with an object to be measured, and the stylus in a resonance state. A vibrating means comprising: a vibrating means for vibrating at a position; a detecting means for detecting the contact from a change in a resonance state of the stylus that occurs when the contact portion and the object to be measured are brought into contact; and a holder that supports the stylus. In the mold contact detection sensor, the holder extends along the axis on a fixed portion provided coaxially with the shaft of the stylus body, and on an outer periphery of a virtual cylinder centering on the shaft from the fixed portion. The stylus is disposed in a space formed inside the virtual cylinder, and is supported by the support through a plurality of elastic pieces. Between the stylus body and the support portion, three or more radial portions are provided at equal intervals around the axis from two positions in the axial direction of the stylus body, and elastically deformable along the axial direction. It is provided in a state.

ここで、スタイラス本体の軸方向をZ方向とし、このZ方向に直交して互いに直交する2方向をX,Y方向として、以下の説明を行う。
例えば、仮想円筒の外周上に軸(Z方向)に沿って延設される支持部としては、スタイラス本体の軸を中心とする円筒状の支持部を採用することができる。あるいは、固定部から軸に沿って延びる複数の腕部が仮想円筒の外周上に設けられた支持部であってもよい。
Here, the axial direction of the stylus body is defined as a Z direction, and two directions orthogonal to the Z direction and perpendicular to each other are defined as X and Y directions.
For example, as the support portion extending along the axis (Z direction) on the outer periphery of the virtual cylinder, a cylindrical support portion centering on the axis of the stylus body can be employed. Or the support part in which the several arm part extended along an axis | shaft from a fixing | fixed part was provided on the outer periphery of the virtual cylinder may be sufficient.

この構成によれば、スタイラス本体の軸方向に弾性変形する複数の弾性片を介して、スタイラス本体が支持部に支持されるので、加振手段がスタイラスを加振させると、スタイラスはその軸方向に沿って共振状態で振動する。この状態で接触部が被測定物に接触すると、検出手段が共振状態の変化を検出して、被測定物と加振型接触検出センサとの位置関係が測定される。
このような加振型接触検出センサにおいて、スタイラスを支持する弾性片がスタイラスの軸を中心に等間隔で放射状に設けられ、かつ、弾性片がスタイラス本体の軸方向の2箇所にそれぞれ放射状に設けられているので、スタイラスの軸(Z方向)に直交するX,Y方向における剛性の差を抑制することができる。従って、従来のセンサのようなX方向の剛性に対してY方向の剛性が小さくなるという剛性の方向依存性を低減でき、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。
According to this configuration, since the stylus body is supported by the support portion via the plurality of elastic pieces that are elastically deformed in the axial direction of the stylus body, when the vibration unit vibrates the stylus, the stylus is moved in the axial direction. Vibrates in a resonant state along When the contact portion comes into contact with the object to be measured in this state, the detecting means detects a change in the resonance state, and the positional relationship between the object to be measured and the vibration-type contact detection sensor is measured.
In such an excitation-type contact detection sensor, elastic pieces supporting the stylus are provided radially at equal intervals around the stylus axis, and elastic pieces are provided radially at two locations in the axial direction of the stylus body. Therefore, the difference in rigidity in the X and Y directions orthogonal to the stylus axis (Z direction) can be suppressed. Therefore, it is possible to reduce the direction dependency of the rigidity that the rigidity in the Y direction is smaller than the rigidity in the X direction as in the conventional sensor, and the influence of the difference in rigidity caused by the direction of receiving the load at the time of contact on the measurement accuracy. Can be reduced.

また、スタイラスに関しては、スタイラス本体を支持する弾性片の配置が従来のセンサに対して異なるが、スタイラス自体は略同様の構造を採用することができる。従って、測定力の検出感度、振動周波数やQ値が大きく変化することなく、従来のセンサの振動特性を容易に維持することができる。
また、支持部がスタイラスの軸を中心とする仮想円筒の外周上にその軸に沿って設けられ、スタイラスがこの仮想円筒の内方空間に配置されているので、複数の弾性片を放射状に配置することができる。従って、スタイラスが確実に保持され、スタイラスの支持構造が安定し、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5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、Y方向の剛性をX方向の剛性と同一にすることができる。
Further, regarding the stylus, although the arrangement of the elastic pieces that support the stylus body is different from that of the conventional sensor, the stylus itself can adopt a substantially similar structure. Therefore, the vibration characteristics of the conventional sensor can be easily maintained without greatly changing the detection sensitivity, vibration frequency, and Q value of the measuring force.
In addition, since the support part is provided on the outer periphery of the virtual cylinder around the axis of the stylus along the axis, and the stylus is arranged in the inner space of the virtual cylinder, a plurality of elastic pieces are arranged radially. can do. Therefore, the stylus is securely held, the stylus support structure is stabilized, and high measurement accuracy can be obtained.
The rigidity in each direction was calculated by the finite element method using the shape of the vibration contact detection sensor of the present invention. As shown in FIG. 5, in the conventional sensor, the rigidity in the Y direction is changed to the rigidity in the X direction. On the other hand, only 30% was obtained, but according to the sensor of the present invention, the rigidity in the Y direction can be made the same as the rigidity in the X direction.

本考案の加振型接触検出センサでは、前記支持部は、互いに平行に延設され、かつ、前記仮想円筒の外周方向に等間隔に配置される3つ以上の腕部によって構成され、前記弾性片は、前記各腕部とスタイラス本体との間にそれぞれ配置されることが好ましい。
ここで、3つ以上の腕部が仮想円筒の外周方向に等間隔に配置されているので、各腕部を放射状の弾性片に対応する位置に配置することによって、スタイラスを支持する構造が形成される。
In the vibration-type contact detection sensor of the present invention, the support portion is constituted by three or more arm portions that extend in parallel with each other and are arranged at equal intervals in the outer circumferential direction of the virtual cylinder, and The pieces are preferably arranged between the arm portions and the stylus body.
Here, since three or more arms are arranged at equal intervals in the outer circumferential direction of the virtual cylinder, a structure for supporting the stylus is formed by arranging each arm at a position corresponding to the radial elastic piece. Is done.

この構成によれば、互いに平行に延設される3つの部材(腕部)によって支持部を構成し、かつ、それぞれの支持部(腕部)を仮想円筒の外周方向に等間隔に配置するので、各腕部間には所定の隙間を確保することができる。従って、スタイラスおよび弾性片からなるスタイラスの支持構造を腕部の内方に形成する際に、腕部間の隙間からその形成作業を行うことができるので、例えば、支持部が円筒状に形成される場合と比べて、スタイラスの支持構造を容易に形成できる。   According to this configuration, the support portion is configured by three members (arm portions) extending in parallel with each other, and the respective support portions (arm portions) are arranged at equal intervals in the outer circumferential direction of the virtual cylinder. A predetermined gap can be secured between the arms. Therefore, when the support structure of the stylus including the stylus and the elastic piece is formed inside the arm portion, the forming operation can be performed from the gap between the arm portions. For example, the support portion is formed in a cylindrical shape. Compared with the case where it is, the support structure of a stylus can be formed easily.

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。
In the vibration-type contact detection sensor of the present invention, the holder is preferably formed of a low thermal expansion material.
According to this configuration, since the holder is made of a low thermal expansion material, the holder hardly undergoes thermal expansion, and the influence on measurement accuracy due to temperature change can be reduced.

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2〜4は、圧電素子3が装着される前の状態の加振型接触検出センサ10の斜視図、正面図および底面図である。
図1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、6枚の圧電素子3とを含んで構成される。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a perspective view of the vibration-type contact detection sensor 10 of the present embodiment. 2 to 4 are a perspective view, a front view, and a bottom view of the vibration-type contact detection sensor 10 in a state before the piezoelectric element 3 is mounted.
As shown in FIG. 1, the vibration-type contact detection sensor 10 includes a stylus holder (holder) 1, a stylus 2, and six piezoelectric elements 3.

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3本の腕部12からなる支持部13とを備える。ここで、固定部11は、スタイラス2と同軸上に設けられる。また、支持部13を構成する3本の腕部12は、図2に示すように、スタイラス2の軸を中心とする仮想円筒Sの外周上に、この外周方向に等間隔に配置され、スタイラス2の軸に沿って延設される。   The stylus holder 1 includes a fixing portion 11 for attaching to a moving shaft of a measuring machine (not shown) and a support portion 13 including three arm portions 12 extending in parallel from the fixing portion 11. Here, the fixing portion 11 is provided coaxially with the stylus 2. Further, as shown in FIG. 2, the three arm portions 12 constituting the support portion 13 are arranged on the outer periphery of the virtual cylinder S around the axis of the stylus 2 at equal intervals in the outer peripheral direction. 2 along the axis.

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3本の腕部12の間に配置される。すなわち、スタイラス本体21は、仮想円筒Sの内方に形成される空間に配置され、6本の弾性片4を介して腕部12に支持される。
The stylus 2 includes a stylus main body 21 formed in a substantially shaft shape, and a contact portion 22 provided at the tip of the stylus main body 21 and in contact with an object to be measured.
The stylus body 21 is disposed between the three arms 12 of the stylus holder 1. That is, the stylus body 21 is arranged in a space formed inside the virtual cylinder S and is supported by the arm portion 12 via the six elastic pieces 4.

弾性片4は、図2〜図4に示すように、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の内周面に連接され、他端がスタイラス本体21の外周面に連接される。
また、この弾性片4は、スタイラス本体21の略中央位置から、軸方向に沿って等間隔に、3本ずつ配置された構成となっており、それぞれの3本の弾性片4は、軸周りに120度間隔で放射状に設けられる。このような構成により、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。
なお、本実施形態では、スタイラス本体21の軸周りに120度間隔で3本の弾性片4が連接された構成で説明しているが、スタイラス本体21の軸周りに連接される弾性片4の本数は必ずしも3本に限定されるものではない。つまり、スタイラス本体21の軸周りに等間隔に連接されていれば、弾性片4の本数は3本以上であれば何本でもよい。例えば、弾性片4は、スタイラス本体21の軸周りに90度の間隔で4本連接されていたり、60度の間隔で6本連接されていてもよい。
As shown in FIGS. 2 to 4, the elastic piece 4 is arranged such that its longitudinal direction is substantially perpendicular to the axial direction of the stylus 2, one end is connected to the inner peripheral surface of the arm portion 12, and the other end is the stylus body. It is connected to the outer peripheral surface of 21.
Further, three elastic pieces 4 are arranged at regular intervals along the axial direction from a substantially central position of the stylus main body 21, and each of the three elastic pieces 4 is arranged around the axis. Are provided radially at intervals of 120 degrees. With such a configuration, each elastic piece 4 can be elastically deformed in the axial direction of the stylus 2.
In the present embodiment, a description is given of a configuration in which three elastic pieces 4 are connected around the axis of the stylus main body 21 at intervals of 120 degrees, but the elastic pieces 4 connected around the axis of the stylus main body 21 are described. The number is not necessarily limited to three. That is, as long as the number of the elastic pieces 4 is three or more as long as it is connected at equal intervals around the axis of the stylus main body 21, any number may be used. For example, four elastic pieces 4 may be connected around the axis of the stylus body 21 at intervals of 90 degrees, or may be connected at intervals of 60 degrees.

スタイラスホルダ1、スタイラス2および弾性片4は、いずれも低熱膨張材を素材として形成される。これらのうちの、スタイラス2および6本の弾性片4は、同じ厚さ寸法(図4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3本の腕部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の軸方向と各弾性片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、各弾性片4の弾性変形可能な方向に対して直交し、かつ、各弾性片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。   The stylus holder 1, the stylus 2, and the elastic piece 4 are all formed from a low thermal expansion material. Of these, the stylus 2 and the six elastic pieces 4 have the same thickness dimension (dimension indicated by T1 in FIG. 4). On the other hand, the fixed portion 11 and the three arm portions 12 constituting the stylus holder 1 have a thickness dimension T2 larger than the thickness dimension T1. Here, the thickness dimensions T1 and T2 are dimensions along an orthogonal direction of a plane formed by the axial direction of the stylus 2 and the longitudinal direction of each elastic piece 4, that is, directions in which the elastic pieces 4 can be elastically deformed. , And a dimension along a direction perpendicular to the longitudinal direction of each elastic piece 4.

圧電素子3は、図1に示すように、平行な一対の弾性片4に架け渡された状態で装着される。2枚の圧電素子3が一対の弾性片4を挟むようにして圧電素子3が配置される。この一対の弾性片4に対する一方の側には、加振手段31としての圧電素子3が接着され、他方の側には、検出手段32としての圧電素子3が接着される。ここで、加振手段31は、スタイラス2を軸方向に共振状態で加振するためのものであり、検出手段32は、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。   As shown in FIG. 1, the piezoelectric element 3 is mounted in a state of being spanned between a pair of parallel elastic pieces 4. The piezoelectric elements 3 are arranged such that the two piezoelectric elements 3 sandwich the pair of elastic pieces 4. The piezoelectric element 3 as the vibration means 31 is bonded to one side of the pair of elastic pieces 4, and the piezoelectric element 3 as the detection means 32 is bonded to the other side. Here, the vibration means 31 is for vibrating the stylus 2 in the axial direction in a resonance state, and the detection means 32 is a resonance state of the stylus 2 that is generated when the contact portion 22 contacts the object to be measured. It is for detecting a change.

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、この変化を検出手段32が検出することによって、接触部22と被測定物との接触を検出することができる。このようにして、被測定物と加振型接触検出センサ10との位置関係が測定される。   In such a configuration, when the stylus 2 is vibrated by the vibration means 31, the stylus 2 vibrates in a resonance state along the axial direction. In this state, when the contact portion 22 comes into contact with the object to be measured, a change occurs in the resonance state of the stylus 2, and the detection means 32 detects this change, thereby detecting the contact between the contact portion 22 and the object to be measured. be able to. In this way, the positional relationship between the object to be measured and the vibration-type contact detection sensor 10 is measured.

[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2を支持する弾性片4がスタイラス2の軸を中心に等間隔で放射状に設けられ、かつ、弾性片4がスタイラス本体21の軸方向の2箇所にそれぞれ放射状に設けられているので、図3,4に示すようにスタイラス2の軸(Z方向)に直交するX,Y方向における剛性の差を抑制することができる。従って、従来のセンサのようなX方向の剛性に対してY方向の剛性が小さくなるという剛性の方向依存性を低減でき、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。
[Effects of this embodiment]
According to this embodiment, the following effects can be achieved.
(1) The elastic pieces 4 that support the stylus 2 are provided radially at equal intervals around the axis of the stylus 2, and the elastic pieces 4 are provided radially at two locations in the axial direction of the stylus body 21. Therefore, as shown in FIGS. 3 and 4, the difference in rigidity in the X and Y directions orthogonal to the axis (Z direction) of the stylus 2 can be suppressed. Therefore, it is possible to reduce the direction dependency of the rigidity that the rigidity in the Y direction is smaller than the rigidity in the X direction as in the conventional sensor, and the influence of the difference in rigidity caused by the direction of receiving the load at the time of contact on the measurement accuracy. Can be reduced.

(2)スタイラス2に関しては、スタイラス本体21を支持する弾性片4の配置が従来のセンサに対して異なるが、スタイラス2自体は略同様の構造を採用することができる。従って、測定力の検出感度、振動周波数やQ値が大きく変化することなく、従来のセンサの振動特性を容易に維持することができる。 (2) Regarding the stylus 2, the arrangement of the elastic pieces 4 that support the stylus body 21 is different from that of the conventional sensor, but the stylus 2 itself can adopt a substantially similar structure. Therefore, the vibration characteristics of the conventional sensor can be easily maintained without greatly changing the detection sensitivity, vibration frequency, and Q value of the measuring force.

(3)互いに平行に延設される3本の部材によって腕部12を構成し、かつ、それぞれの腕部12を仮想円筒Sの外周方向に等間隔に配置するので、スタイラス2は、これらの腕部12の内方空間に配置され、弾性片4によって放射状に支持され、これによって確実に保持される。従って、スタイラス2の支持構造が安定し、高い測定精度を得ることができる。 (3) Since the arm portion 12 is constituted by three members extending in parallel with each other and the respective arm portions 12 are arranged at equal intervals in the outer circumferential direction of the virtual cylinder S, the stylus 2 It arrange | positions in the inner space of the arm part 12, is supported radially by the elastic piece 4, and is hold | maintained reliably by this. Therefore, the support structure of the stylus 2 is stabilized and high measurement accuracy can be obtained.

(4)互いに平行に延設される3本の部材によって腕部12を構成し、かつ、それぞれの腕部12を仮想円筒Sの外周方向に等間隔に配置するので、各腕部12間には所定の隙間を確保することができる。従って、弾性片4からなるスタイラス2の支持構造を腕部12の内方に形成する際に、腕部12間の隙間からその形成作業を行うことができるので、例えば、腕部12が円筒状に形成される場合と比べて、スタイラス2の支持構造を容易に形成できる。 (4) Since the arms 12 are constituted by three members extending in parallel with each other and the arms 12 are arranged at equal intervals in the outer circumferential direction of the virtual cylinder S, Can secure a predetermined gap. Therefore, when forming the support structure of the stylus 2 including the elastic piece 4 on the inner side of the arm portion 12, the forming operation can be performed from the gap between the arm portions 12, so that, for example, the arm portion 12 is cylindrical. Compared to the case where the stylus 2 is formed, the support structure of the stylus 2 can be easily formed.

(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。 (5) Since the material of the stylus holder 1 is a low thermal expansion material, the thermal expansion of the arm portion 12 hardly occurs, so that the influence on the measurement accuracy due to the temperature change can be reduced.

[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3本の腕部12からなる支持部13を有する場合を説明したが、本考案の支持部としては、仮想円筒Sの外周上に形成される円筒状のものであってもよい。
また、加振手段31および検出手段32としては、前記実施形態の圧電素子3に限られず、例えば、MEMS(Micro Electro Mechanical System)を利用して各弾性片4の表面に形成される圧電素子の膜で構成してもよい。
また、前記実施形態ではスタイラスホルダ1を構成する固定部11および3本の腕部12は、弾性片4の厚さ寸法T1よりも大きい厚さ寸法T2を有すると説明したが、これに限られず、スタイラスホルダ1の固定部11についてはその厚さを寸法T2とし、腕部12についてはその厚さを弾性片4の厚さと同じ寸法T1としてもよい。
[Variations of the present invention]
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and modifications, improvements, and the like within the scope that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.
For example, in the above-described embodiment, the case where the stylus holder 1 has the support portion 13 including the three arm portions 12 has been described. However, as the support portion of the present invention, a cylindrical shape formed on the outer periphery of the virtual cylinder S is used. It may be.
Further, the vibration means 31 and the detection means 32 are not limited to the piezoelectric element 3 of the above-described embodiment. For example, a piezoelectric element formed on the surface of each elastic piece 4 using MEMS (Micro Electro Mechanical System). You may comprise with a film | membrane.
In the above-described embodiment, the fixed portion 11 and the three arm portions 12 constituting the stylus holder 1 have been described as having the thickness dimension T2 larger than the thickness dimension T1 of the elastic piece 4. However, the present invention is not limited to this. The thickness of the fixed portion 11 of the stylus holder 1 may be the dimension T2, and the thickness of the arm portion 12 may be the same as the thickness T1 of the elastic piece 4.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. In this example, the following evaluation is performed using a vibration-type contact detection sensor having a configuration substantially similar to the configuration described in the above embodiment.

〔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(図3および図4に示すX、Y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。
[1. Evaluation item〕
Rigid FEM analysis using the design model was performed. Here, a load is applied to the contact portion of the stylus tip along each direction so as to be in substantially the same state as actual measurement conditions, and the rigidity in each direction is calculated.
[2. Measurement condition〕
A force of 10 μN is applied to the contact portion of the stylus in each direction (X and Y directions shown in FIGS. 3 and 4), the amount of deflection is analyzed, and the rigidity in each direction is calculated.

〔3.結果・考察〕
図5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、従来および本考案のX、Y方向における剛性比をそれぞれ示す。
この剛性FEM解析によれば、本考案の加振型接触検出センサでのX方向の剛性が、従来のセンサでのX方向の剛性と同一となった。
また、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100%となった。このように、本考案のセンサでは、X方向とY方向の各剛性が一致することが判明した。
[3. Results and discussion)
In FIG. 5, the result of the rigidity FEM analysis of an excitation type | mold contact detection sensor is shown. Using the results of the conventional sensor design model, the stiffness in the X and Y directions of the conventional and the present invention is shown with the stiffness in the X direction as 100.
According to this stiffness FEM analysis, the stiffness in the X direction of the vibration-type contact detection sensor of the present invention is the same as the stiffness in the X direction of the conventional sensor.
In the conventional sensor, the rigidity in the Y direction is about 30% of the rigidity in the X direction. On the other hand, in the vibration-type contact detection sensor of the present invention, the rigidity in the Y direction is about 100% of the rigidity in the X direction. Thus, in the sensor of the present invention, it has been found that the respective stiffnesses in the X direction and the Y direction match.

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。   The present invention can be used as a stylus of a scanning microscope such as an atomic force microscope as well as an excitation type contact sensor of a surface texture measuring device.

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。The perspective view which shows the vibration type contact detection sensor which concerns on one Embodiment of this invention. 前記加振型接触検出センサに圧電素子を装着する前の状態を示す図。The figure which shows the state before mounting | wearing the said vibration type contact detection sensor with a piezoelectric element. 前記加振型接触検出センサを示す正面図。The front view which shows the said excitation type | mold contact detection sensor. 前記加振型接触検出センサを示す底面図。The bottom view which shows the said vibration type contact detection sensor. 本考案の実施例に係る解析結果を示す図。The figure which shows the analysis result which concerns on the Example of this invention. (A),(B)は、従来のセンサを示す正面図および側面図。(A), (B) is the front view and side view which show the conventional sensor.

符号の説明Explanation of symbols

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
13…支持部
21…スタイラス本体
22…接触部
31…加振手段
32…検出手段
S…仮想円筒。
1 ... Stylus holder (holder)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 ... Stylus 3 ... Piezoelectric element 4 ... Elastic piece 10 ... Excitation type contact detection sensor 11 ... Fixed part 12 ... Arm part 13 ... Supporting part 21 ... Stylus main body 22 ... Contact part 31 ... Excitation means 32 ... Detection means S ... Virtual cylinder.

Claims (3)

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、
前記スタイラスを支持するホルダと、を備える加振型接触検出センサであって、
前記ホルダは、前記スタイラス本体の軸と同軸上に設けられる固定部と、この固定部から前記軸を中心とする仮想円筒の外周上に当該軸に沿って延設される支持部とを有し、
前記スタイラスは、前記仮想円筒の内方に形成される空間に配置され、かつ、複数の弾性片を介して前記支持部に支持され、
前記弾性片は、前記スタイラス本体と前記支持部との間に、前記スタイラス本体における前記軸方向の2箇所から当該軸を中心に等間隔で放射状に3つ以上設けられ、かつ、前記軸方向に沿って弾性変形可能な状態で設けられる
ことを特徴とする加振型接触検出センサ。
A stylus having a stylus body formed in a substantially shaft shape, and a contact portion provided at a tip portion of the stylus body and in contact with an object to be measured;
Vibration means for vibrating the stylus in a resonance state;
Detection means for detecting the contact from a change in the resonance state of the stylus that occurs upon contact between the contact portion and the object to be measured;
An excitation-type contact detection sensor comprising a holder for supporting the stylus,
The holder includes a fixed portion provided coaxially with the shaft of the stylus main body, and a support portion extended from the fixed portion on an outer periphery of a virtual cylinder centering on the shaft along the shaft. ,
The stylus is disposed in a space formed inside the virtual cylinder, and supported by the support portion via a plurality of elastic pieces,
The elastic piece is provided between the stylus main body and the support portion at three or more radial positions at equal intervals around the axis from two axial positions of the stylus main body, and in the axial direction. An excitation-type contact detection sensor provided in a state in which it can be elastically deformed along.
請求項1に記載の加振型接触検出センサにおいて、
前記支持部は、互いに平行に延設され、かつ、前記仮想円筒の外周方向に等間隔に配置される3つ以上の腕部によって構成され、
前記弾性片は、前記各腕部とスタイラス本体との間にそれぞれ配置される
ことを特徴とする加振型接触検出センサ。
The vibration-type contact detection sensor according to claim 1,
The support portion is constituted by three or more arm portions that extend in parallel to each other and are arranged at equal intervals in the outer circumferential direction of the virtual cylinder,
The vibration-type contact detection sensor, wherein the elastic piece is disposed between each arm and the stylus body.
請求項2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。
The vibration-type contact detection sensor according to claim 2,
The vibration contact detection sensor according to claim 1, wherein the holder is made of a low thermal expansion material.
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