JP3650556B2

JP3650556B2 - Touch sensor

Info

Publication number: JP3650556B2
Application number: JP27245299A
Authority: JP
Inventors: 達也鳴海
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1999-09-27
Filing date: 1999-09-27
Publication date: 2005-05-18
Anticipated expiration: 2019-09-27
Also published as: JP2001091236A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば、微細形状測定機や表面粗さ測定機などによって被測定物の微細な表面形状を測定する場合、あるいは、小穴測定機で穴の内面形状を測定する場合などに用いられるプローブ用のタッチセンサに関する。
【０００２】
【背景技術】
微細形状測定機や小穴測定機には各種プローブが使用される。
たとえば、小穴測定機用の接触式タッチトリガプローブの１つに、特願平１０−２２０４７４号（本出願人が出願したもの）で開示される超音波式のタッチ信号プローブがある。図７に、そのプローブ用センサの概略を示す。
このプローブ用センサ１００は、図７に示すように、スタイラスホルダ１０１と、このスタイラスホルダ１０１に２個所の支持部１０２，１０３で支持されるとともに、先端に被測定物と接触する接触部１０４を有するスタイラス１０５と、このスタイラス１０５の２個所の支持部１０２，１０３の中央部を振動の節として、スタイラス１０５の軸方向の固有振動数に等しい振動数でスタイラス１０５を加振する加振手段１０６と、スタイラス１０５の接触部１０４が被測定物に接触する際に発生する振動状態の変化から、その接触を検知する検出手段１０７とを含む構造であって、スタイラス１０５の２個所の支持部１０２，１０３の中央部が、スタイラス１０５の重心と一致するように、しかも、スタイラス１０５の軸方向振動の節となるようしたことを特徴としている。なお、図中に示す１０８はカウンタバランス、１０９は支持部１０２，１０３を形成する支持部材である。
【０００３】
ここで、スタイラス１０５は形状的には軸方向に略対称の構造を有し、加振手段１０６と検出手段１０７とを支持部１０２，１０３の近傍に配置している。加振手段１０６により、スタイラス１０５自身は非接触時には共振状態にあり、スタイラス１０５の先端にある接触部１０４が被測定物に接触する際の共振状態の変化を検出手段１０７により検出し、その接触状態を知る。
これが、スタイラス１０５が振動子と呼ばれる所以であり、また、スタイラス１０５自身が接触状態を検知できる機能を有しているのでセンサとも呼ばれる所以である。加振手段１０６と検出手段１０７とは、たとえば、圧電素子で実装される。
【０００４】
上記のほかに、微細形状測定機や小穴測定機に用いられる接触式タッチトリガプローブとして、特願平１０−２４０３５１号（本出願人が出願したもの）で開示されるプローブ用センサがある。図８に、そのプローブ用センサの概略を示す。
このプローブ用センサ２００は、図８に示すように、１枚の金属板をエッチングなどでくり抜き、水熱合成法で加振手段２０１および検出手段２０２をスタイラス２０３の表面に形成（加振手段２０１の裏側に検出手段２０２が形成される）した構造である。
ここで、２０１Ａは加振手段２０１を構成する圧電材料膜、２０１Ｂは加振手段２０１を構成する導電材料層、２０４はスタイラス２０３の先端にある接触部、２０５はスタイラスホルダ、２０６，２０７はスタイラス２０３の軸方向と直交する方向に設けられてスタイラス２０３を支持する支持部、２０８は取り付け用の孔である。
【０００５】
これは、図７で開示されるプローブ用センサ１００と同様に、スタイラス２０３がその軸方向に縦振動の共振を起こすように、加振手段２０１に正弦波の駆動信号が与えられ、スタイラス２０３の先端にある接触部２０４が被測定物に接触したときの振動変化を検出手段２０２で検出することで、被測定物との接触を検知する原理のセンサである。図７で開示されるプローブ用センサ１００と比較して、小形化が可能であり、また、大量生産が可能であることで安価なものとなるという特徴がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した２つのプローブ用センサ（第１、第２のプローブ用センサ）１００，２００の大きな違いの１つは、スタイラスの支持法である。すなわち、図７に示す第１のプローブ用センサ１００では、スタイラス１０５の支持部１０２，１０３は、スタイラス１０５の軸方向に沿った２個所であるが、図８に示す第２のプローブ用センサ２００では、スタイラス２０３の支持部２０６，２０７は、スタイラス２０３の軸に対して直角方向に位置する２個所である。この違いにより、それぞれ長所、短所が生ずる。
【０００７】
図７で示す第１のプローブ用センサ１００は、高感度でありながら、外乱振動に強い特徴を有し、小型化に適した構造である。
しかしながら、スタイラス１０５は片側で支持され、支持部１０２，１０３を形成する支持部材１０９の重心がスタイラス１０５の軸上にないため、スタイラス１０５の曲げ剛性は方向によって異なる結果となる。すなわち、スタイラス１０５の先端において、スタイラス軸に対して直角方向に様々な方向から力を加える場合、その方向により曲げの量が異なることになる。このため、スタイラス１０５の軸方向に共振振動をさせる場合、軸方向ばかりでなく、曲げ振動が重畳されることになる。
【０００８】
この状態のスタイラス１０５を表面形状測定機のプローブ用センサとして用いる場合を図９に示す。同図に示すように、スタイラス１０５の触針部（先端）は理想的には実線で示すように垂直方向のみの振動であるが、曲げ振動が重畳されると、点線で示すように、斜めの姿勢で被測定物の表面に接することになる。従って、被測定物表面との接触点がスタイラス軸の延長上より外れるため、本来の形状を忠実に表現できない欠点が生ずる。
【０００９】
図８で示す第２のプローブ用センサ２００は、同様に高感度であることに加えて、図７で示すプローブ用センサ１００の欠点であった、スタイラス軸に直角方向から接触する場合の方向による感度の差が顕著に現れないという長所がある。
しかし、スタイラス２０３を支持する支持部２０６，２０７がスタイラス２０３の軸方向に関しては１個所しかないため、本来はスタイラスホルダ２０５の作る面と振動子（スタイラス２０３）の作る面とは一致する筈であるが、僅かな加工誤差や加工歪みにより両者の面がねじれるという欠点がある。この欠点は、振動子（スタイラス２０３）の大きさが小さいほど顕著となり、所望の振動を阻害する要因となる。つまり、センサとしての感度を鈍化させる原因となる。
【００１０】
また、仮に、このような問題が解決された場合でも、この支持法では測定の誤差を発生しかねないという問題が残る。なぜならば、支持部２０６，２０７がスタイラス２０３の軸方向に関して１個所であるため、被測定物の外力によりスタイラス２０３が支持部２０６，２０７を支点として図中の矢印の方向に回転運動を起こし易く、これがために、図９に示すように、走査方向に依存してスタイラス先端に作用する摩擦力により、スタイラス２０３の先端があるべき位置から位置ずれを起こしてしまうからである。
【００１１】
更に、上記第１および第２のプローブセンサのほかに、精密形状測定機に用いられる接触式タッチ信号プローブとして、特願平１１−０９６３７７号（本出願人が出願したもの）で開示される振動式プローブがある。
この第３のプローブ用センサは、前述した第１および第２のプローブ用センサに対して、更に、プローブの軸に直交する方向へ振動させる振動手段を付加し、軸方向の振動のみならず、軸に直交する方向への振動が重畳されるという特徴を有する。
しかし、この第３のプローブセンサにおいても、同様に有害な曲げ振動が重畳され、接触子の軸直交方向振動が、あるべき振幅範囲から位置ずれをおこし、そのために測定の誤差を発生しかねないという問題が残る。
【００１２】
本発明の目的は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、スタイラスの軸方向に対して有害な曲げ振動の発生を防止することで、微細な表面形状の測定を実現可能とするタッチセンサを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明のタッチセンサは、スタイラスホルダと、このスタイラスホルダに支持されるスタイラスと、前記スタイラスを共振状態で振動させるための加振手段と、前記スタイラスの先端部が被測定物に接触する際に生ずる前記共振状態の変化から前記接触を検出する検出手段とを含むタッチセンサにおいて、前記スタイラスは、その軸方向に略対称の構造であり、前記スタイラスと前記スタイラスホルダとを連結する支持部材のスタイラス側の支持部は、前記スタイラスの重心に対して前記スタイラスの軸方向に対称となる複数個所で、更に、その各個所において前記スタイラスの軸に対称な複数個所であり、前記スタイラスの軸方向同一個所における各組の支持部材の重心が略前記軸上に有る、ことを特徴とする。
【００１４】
ここで、上述した本発明のタッチセンサの構成を、図１を参照して説明する。図中、１はスタイラス、２はスタイラス１の先端に設けられる接触部、３はスタイラス重心、４はスタイラス軸、５はスタイラスホルダ、６，７，８，９は支持部材を構成するスタイラス支持部材、１０，１１，１２，１３は支持部を構成するスタイラス支持部である。
本発明では、支持部は、スタイラス１の重心３に対してスタイラス１の軸方向に対称となる複数個所で、更に、その各個所においてスタイラス１の軸４に対称な複数個所（たとえば、２個所）であり、この構成に従って、図１に示すように、スタイラス１をたとえば４点で支持するようにしたことを特徴としている。
【００１５】
すなわち、図７に示す第１のプローブ用センサ１００の場合、スタイラス１０５の支持は、スタイラス１０５の軸方向に沿った２個所であり、図８に示す第２のプローブ用センサ２００の場合、スタイラス２０３の支持は、スタイラス２０３の軸方向に直交する方向の２個所であるのに対して、本発明では、スタイラス１をたとえば４点で支持するようにしたことを特徴としている。
【００１６】
本発明では、図１に示すように、スタイラス１をその軸方向に複数個所で支持することにより、スタイラス１の先端に設けられる接触部２の位置決めを確固たるものとし、また、その各個所で、スタイラス１の軸方向と直交する方向に複数個所、たとえば、２個所でスタイラス１を支持することにより、スタイラス軸方向と直交する方向への有害な横ぶれ振動が無視できるほど微小なものとすることを実現している。
【００１７】
本発明においても、振動形態がスタイラスの重心からスタイラス軸方向に対称な振動モードとなる軸方向振動である場合には、前記支持部材をスタイラス軸に対して軸対称構造とすることで、前記支持部の中心がスタイラスの軸方向振動の節と一致し、かつ、スタイラスの重心と一致するように構成することが好ましい。
更に、この効果を確かなものとするために、スタイラスホルダをスタイラス軸に対して軸対称構造とすることが好ましい。
【００１８】
また、この効果をより確かなものとするために、スタイラスを支持する全ての支持部を軸方向に平均した位置がスタイラスの振動の節に略一致するように設定されていることが好ましい。
更に、スタイラスの振動の節が１つ以上ある場合に、少なくとも１組の支持部の軸方向位置をスタイラスの振動の節に略一致させることにより、更に確実なスタイラスの支持が可能になる。
このようなスタイラスの支持構造によれば、スタイラスの振動が軸方向の振動のほか、スタイラスの軸に直交する方向の振動である場合にも、スタイラスの支持を確実に行うことができる。
また、前記加振手段および前記検出手段の少なくとも一方は、前記重心から等距離となる少なくとも前記スタイラス上の２個所に橋渡しされるように設ける構造とすることによって、スタイラスをコンパクトにまとめることができる。
【００２０】
また、スタイラスの振動を妨げないようにするために、前記支持部材のスタイラス軸方向の曲げ剛性がスタイラスの軸方向の剛性よりも低いように構成することが好ましい。
また、タッチセンサを構成する、前記スタイラス、前記スタイラスホルダおよび前記支持部材は、一体的に生成もしくは加工されていることが好ましい。
このようにすれば、スタイラスホルダに対する取付強度が強固なものとなることから、多少の外力が加わっても変形の心配がなく、安定した測定が可能になるうえ、ワイヤーカットや精密ロストワックスや電着メッキ等の手段により一体化した製作が可能となることから、安価で安定した特性のものを提供できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図２に、本実施形態にかかるタッチセンサを示す。同図に示すように、スタイラスホルダ５は取付部５０と固定部５１とを持つ。取付部５０には、スタイラス１との連結を実現するための４つのスタイラス支持部材６，７，８，９が設けられ、一方、固定部５１には、図示しない測定器本体等に固定するためのねじ穴等（図示せず）が設けられている。
【００２２】
スタイラス１の一端には、被測定物と接触する接触部２が設けられ、スタイラス１の他端には、カウンタバランス２０が必要に応じて設けられている。このスタイラス１は、概ね同一断面形状からなる柱状体であり、その重心位置３は、略スタイラス１の軸方向の中心であり、かつ、スタイラス軸４上にある。つまり、スタイラス１は、軸方向に略対称な構造である。
【００２３】
ちなみに、スタイラス１を小穴測定機のプローブ用センサとして用いる場合には、接触部２は球形あるいは円盤状の形状となり、表面粗さ計のプローブ用センサとして用いる場合には、図２に示すように、接触部２はその先端が尖った触針形状となる。
また、カウンタバランス２０は接触部２と同一形状でもよいが、重量が同一の角形などの別形状でもよいし、その重量がスタイラス重量に比較して無視できる場合には省略することも可能である。
【００２４】
スタイラス１には、４個所のスタイラス支持部１０，１１，１２，１３が形成され、この部分でスタイラス支持部材６，７，８，９と連結することで、スタイラスホルダ５と連結する。
スタイラス支持部１０，１１のスタイラス重心３からの距離は、スタイラス支持部１２，１３のスタイラス重心３からの距離と一致している。つまり、スタイラス支持部１０，１１とスタイラス支持部１２，１３とは、スタイラス１の重心３に対してスタイラス１の軸方向に対称となる位置、具体的には、スタイラス１の重心３からスタイラス１の軸方向に等距離となる個所に設けられている。そして、スタイラス支持部１０とスタイラス支持部１１とは、スタイラス軸４に対して軸対称の位置に設けられ、また、スタイラス支持部１２とスタイラス支持部１３とは、スタイラス軸４に対して軸対称の位置に設けられる。
【００２５】
すなわち、４個所のスタイラス支持部１０，１１，１２，１３は、スタイラス１の重心（中心）３に対して対称の位置に設けられ、かつ、スタイラス軸４に対して軸対称の位置に設けられている
これらのスタイラス支持部１０，１１，１２，１３には、スタイラスホルダ５の取付部５０から突出するスタイラス支持部材６，７，８，９が連結されており、スタイラス支持部材６とスタイラス支持部材７との組の重心がスタイラス軸４上にあるとともに、スタイラス支持部材８とスタイラス支持部材９との組の重心がスタイラス軸４上にあるように、これらのスタイラス支持部材６，７，８，９はスタイラス軸対称に設けられている。
【００２６】
更に、スタイラス支持部材６，７，８，９のスタイラス軸方向の曲げ剛性がスタイラス１の軸方向の剛性よりも低くなるように、スタイラス支持部材６，７，８，９の腕が細くなるように形成されている。これは、スタイラス支持部材６，７，８，９の曲げの剛性がスタイラス１の軸方向の振動を妨げないようにするためである。
【００２７】
一方、加振手段３１および検出手段３２は一体の圧電素子３０に形成され、そして、スタイラス１の重心３を境にして、スタイラス１の軸方向に、たとえば加振手段３１がカウンタバランス２０の側に配置され、たとえば検出手段３２が接触部２の側に配置されるという形で並んで配列されるように形成される。このようにして形成される圧電素子３０は、スタイラス１の重心３から等距離に設けられる２個所の支持部１４，１５に、それらの中間にある窪み部分１６を跨ぐような形で、接着や半田付けなどの手段により固着される。
【００２８】
同様にして、スタイラス１の裏面にも、スタイラス軸４が対称軸となるように同一形状の圧電素子３０が固着される。
スタイラス１の中央部分が若干薄く削られることより形成される窪み部分１６が設けられることで、圧電素子３０との固定部分がその両端になるようにと工夫されているが、これは圧電素子３０を橋渡しするための一手段に過ぎず、他の手段を用いることも可能である。たとえば、圧電素子３０の両端にのみ接着剤を塗布し、スタイラス１に圧電素子３０を押し付けて接着を行うようにすれば、スタイラス１の中央部分を薄く削らなくても固定部分が両端のみとなることで、この橋渡しを実現できる。
【００２９】
圧電素子３０の表面の電極は駆動電極と検出電極とに２分割されているが、接着面となる裏面は共通電極として１つの電極構造となっている。そして、駆動電極に駆動電圧を印加するためのリード線を設け、また、検出電極に検出信号を取り出すためのリード線を設けることで、それぞれ加振手段３１、検出手段３２が構成される。
【００３０】
この実施形態においては、加振手段３１によりスタイラス１は軸方向に振動させられ、その振動の節はスタイラス１の重心３の位置に略一致する。また、４個所のスタイラス支持部１０，１１，１２，１３のそれぞれの位置を軸方向に平均した位置はスタイラス１の重心３、すなわち、振動の節に略一致することになる。
【００３１】
このように構成されるタッチセンサでは、スタイラス１をその軸方向に複数箇所（２個所）で支持することにより、スタイラス１の先端に設けられる接触部２の位置決めを確固たるものとし、また、その各個所で、スタイラス１の軸方向と直交する方向に、たとえば、２個所でスタイラス１を支持することにより、スタイラス軸方向と直交する方向への横ぶれ振動が無視できるほど微小なものとすることができる。
【００３２】
その結果、本実施形態のタッチセンサによれば、スタイラス１の軸方向共振振動が完全に軸方向成分のみとなり、微細な表面形状の測定を実現できるようになる。
【００３３】
上述した図２のセンサでは、スタイラス１とスタイラスホルダ５とを連結するスタイラス支持部材６〜９のスタイラス１側の支持部１０〜１３が、スタイラス１の重心３に対してスタイラス１の軸方向に対称となる各個所において、スタイラス１の軸４に対称な２個所であったが、スタイラス１の重心３に対してスタイラス１の軸方向に対称となる各個所において、スタイラス１の軸４に対称な３個所以上であってもよい。
【００３４】
また、図２においては、スタイラス１の軸方向２個所において左右から、計４個所を支持する例を示したが、スタイラス１の重心３位置を含む軸方向の奇数個所で支持する構造とすることもできる。
図３は、その例を示すタッチセンサの側方断面図である。このセンサでは、図２に対して、スタイラス１の重心３（振動の節にあたる）の両側（左右）に支持部１７，１８が追加されている。振動の節においては、振動変位が少ないため、この支持部１７，１８の部材には他の支持個所より剛性の高い支持部材を用いることができる。このような支持構造とすることによって、更に支持の安定度を高めることができる。
【００３５】
また、図２においては、スタイラス１の軸方向に振動を付与する例を示したが、スタイラスの軸に対して、直交する方向の振動を生じるタッピングプローブにも適用できる。
図４は、そのタッピングプローブ用センサの側方断面図である。この例においては、スタイラス１の接触部２は加振手段によって曲げ振動を加えられ、その振動の節は、支持部１０（１１），１２（１３）に一致する２個所で生じる。このような支持構造とすることによって、軸に直交する方向の振動を生じるタッピングプローブにおいても、剛性を低下させずに、支持の安定度を高めつつ、有害な横ぶれ振動が無視できるほど微小なものとすることができる。
【００３６】
また、図２のセンサ構造では、スタイラス軸４に対して完全対称な構造となっているが、本発明はこれに限定されるものではなく、たとえば、図５に示すように、測定機本体のアーム４０との装着法によっては様々なスタイラスホルダ５の形状が考えられる。
【００３７】
また、圧電素子３０に一体形成される加振手段３１および検出手段３２の配置についても、図２や図５に示す実施形態に限定されるものではなく、たとえば、図６に示すように、加振手段３１と検出手段３２とをスタイラス１の軸方向に平行に配置する形で設けるようにしてもよい。
【００３８】
また、圧電素子３０の装着位置についても、図２や図５に示す実施形態のように、スタイラス１の軸に沿った平面の表裏に配置する場合に限らず、たとえば、図６に示すように、前記平面（スタイラス１の軸に沿った平面）と直交する２個所、具体的には、スタイラス１の側面に装着するようにしてもよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のタッチセンサによれば、スタイラスの軸方向に対して有害な曲げ振動の発生を防止できるので、微細な表面形状の測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の模式図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかるタッチセンサの斜視図である。
【図３】本発明の他の実施形態にかかるタッチセンサの側方断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態にかかるタッチセンサの側方断面図である。
【図５】本発明の他の実施形態にかかるタッチセンサの斜視図である。
【図６】本発明の他の実施形態にかかるタッチセンサの斜視図である。
【図７】先に出願したプローブ用センサの斜視図である。
【図８】先に出願したプローブ用センサの斜視図である。
【図９】本発明が解決すべき問題点の説明図である。
【符号の説明】
１スタイラス
２接触部
３スタイラス重心
４スタイラス軸
５スタイラスホルダ
６〜９スタイラス支持部材
１０〜１３スタイラス支持部
１７，１８スタイラス支持部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is, for example, a probe used when measuring a fine surface shape of an object to be measured with a fine shape measuring machine or a surface roughness measuring machine, or when measuring an inner surface shape of a hole with a small hole measuring machine. The present invention relates to a touch sensor.
[0002]
[Background]
Various probes are used in the fine shape measuring machine and the small hole measuring machine.
For example, an ultrasonic touch signal probe disclosed in Japanese Patent Application No. 10-220474 (filed by the present applicant) is one of contact-type touch trigger probes for small hole measuring machines. FIG. 7 shows an outline of the probe sensor.
As shown in FIG. 7, this probe sensor 100 is supported by a stylus holder 101 and two support portions 102 and 103 on the stylus holder 101, and a contact portion 104 that comes into contact with an object to be measured at the tip. The stylus 105 having the stylus 105 and the central portions of the two support portions 102 and 103 of the stylus 105 are vibration nodes, and the vibration means 106 vibrates the stylus 105 at a frequency equal to the natural frequency in the axial direction of the stylus 105. And a detecting means 107 for detecting the contact from the change in the vibration state generated when the contact portion 104 of the stylus 105 contacts the object to be measured, and two support portions 102 of the stylus 105. , 103 so that the center part of the stylus 105 coincides with the center of gravity of the stylus 105, and the axial vibration of the stylus 105 Is characterized in that intoxicated the. In the figure, reference numeral 108 denotes a counter balance, and 109 denotes a support member that forms the support portions 102 and 103.
[0003]
Here, the stylus 105 has a substantially symmetrical structure in the axial direction in shape, and the vibrating means 106 and the detecting means 107 are arranged in the vicinity of the support portions 102 and 103. The vibration means 106 causes the stylus 105 itself to be in a resonance state when not in contact, and the detection means 107 detects a change in the resonance state when the contact portion 104 at the tip of the stylus 105 contacts the object to be measured. Know the state.
This is the reason why the stylus 105 is called a vibrator, and also because the stylus 105 itself has a function of detecting a contact state. The vibration means 106 and the detection means 107 are mounted with a piezoelectric element, for example.
[0004]
In addition to the above, there is a probe sensor disclosed in Japanese Patent Application No. 10-240351 (filed by the present applicant) as a contact-type touch trigger probe used in a fine shape measuring machine and a small hole measuring machine. FIG. 8 shows an outline of the probe sensor.
As shown in FIG. 8, this probe sensor 200 cuts out a single metal plate by etching or the like, and forms a vibration means 201 and a detection means 202 on the surface of the stylus 203 by a hydrothermal synthesis method (vibration means 201). The detection means 202 is formed on the back side of the substrate).
Here, 201A is a piezoelectric material film constituting the vibration means 201, 201B is a conductive material layer constituting the vibration means 201, 204 is a contact portion at the tip of the stylus 203, 205 is a stylus holder, and 206 and 207 are styluses. A support portion 208 provided in a direction orthogonal to the axial direction of the 203 to support the stylus 203, 208 is a mounting hole.
[0005]
Similar to the probe sensor 100 disclosed in FIG. 7, a sinusoidal drive signal is given to the excitation means 201 so that the stylus 203 resonates in the longitudinal direction in the axial direction of the stylus 203. This is a sensor based on the principle of detecting contact with the object to be measured by detecting a vibration change when the contact portion 204 at the tip contacts the object to be measured. Compared to the probe sensor 100 disclosed in FIG. 7, the sensor can be miniaturized and can be manufactured at low cost by being mass-produced.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, one of the major differences between the two probe sensors (first and second probe sensors) 100 and 200 described above is the stylus support method. That is, in the first probe sensor 100 shown in FIG. 7, the support portions 102 and 103 of the stylus 105 are two portions along the axial direction of the stylus 105, but the second probe sensor 200 shown in FIG. Then, the support parts 206 and 207 of the stylus 203 are two positions located in a direction perpendicular to the axis of the stylus 203. This difference has its advantages and disadvantages.
[0007]
The first probe sensor 100 shown in FIG. 7 has a high sensitivity and is strong against disturbance vibration, and has a structure suitable for downsizing.
However, since the stylus 105 is supported on one side and the center of gravity of the support member 109 forming the support portions 102 and 103 is not on the axis of the stylus 105, the bending rigidity of the stylus 105 varies depending on the direction. That is, when a force is applied from various directions in a direction perpendicular to the stylus axis at the tip of the stylus 105, the amount of bending differs depending on the direction. For this reason, when resonance vibration is caused in the axial direction of the stylus 105, not only the axial direction but also bending vibration is superimposed.
[0008]
FIG. 9 shows a case where the stylus 105 in this state is used as a probe sensor for a surface shape measuring machine. As shown in the figure, the stylus portion (tip) of the stylus 105 ideally vibrates only in the vertical direction as shown by the solid line, but when bending vibration is superimposed, the stylus part (tip) is oblique as shown by the dotted line. In contact with the surface of the object to be measured. Therefore, the point of contact with the surface of the object to be measured is deviated from the extension of the stylus axis, so that the original shape cannot be faithfully expressed.
[0009]
The second probe sensor 200 shown in FIG. 8 is not only highly sensitive, but also depends on the direction when contacting the stylus axis from a right angle, which is a drawback of the probe sensor 100 shown in FIG. There is an advantage that the difference in sensitivity does not appear remarkably.
However, since there is only one support portion 206, 207 for supporting the stylus 203 with respect to the axial direction of the stylus 203, the surface made by the stylus holder 205 and the surface made by the vibrator (stylus 203) should be the same. However, there is a drawback that both surfaces are twisted due to a slight processing error or processing distortion. This defect becomes more prominent as the size of the vibrator (stylus 203) is smaller, and becomes a factor that inhibits desired vibration. That is, it becomes a cause of slowing down the sensitivity as a sensor.
[0010]
Further, even if such a problem is solved, there remains a problem that this support method may cause a measurement error. This is because, since the support portions 206 and 207 are provided in one place with respect to the axial direction of the stylus 203, the stylus 203 easily causes rotational movement in the direction of the arrow in the figure with the support portions 206 and 207 as fulcrums due to the external force of the measurement object. For this reason, as shown in FIG. 9, a frictional force acting on the stylus tip depending on the scanning direction causes a position shift from the position where the tip of the stylus 203 should be.
[0011]
Further, in addition to the first and second probe sensors, as disclosed in Japanese Patent Application No. 11-096377 (filed by the present applicant) as a contact-type touch signal probe used in a precision shape measuring machine. There is an expression probe.
The third probe sensor is further provided with vibration means for vibrating in the direction perpendicular to the probe axis, in addition to the first and second probe sensors described above. It has the characteristic that the vibration to the direction orthogonal to an axis | shaft is superimposed.
However, in this third probe sensor as well, harmful bending vibrations are similarly superimposed, and the vibration in the direction perpendicular to the axis of the contact may cause a positional deviation from the desired amplitude range, which may cause measurement errors. The problem remains.
[0012]
An object of the present invention has been made in view of such circumstances, and a touch sensor capable of realizing measurement of a fine surface shape by preventing generation of harmful bending vibration in the axial direction of the stylus. Is to provide.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve this object, a touch sensor according to the present invention comprises a stylus holder, a stylus supported by the stylus holder, a vibration means for vibrating the stylus in a resonance state, and a tip portion of the stylus. A touch sensor including a detection unit that detects the contact from a change in the resonance state that occurs when the object is in contact with the object to be measured, wherein the stylus has a substantially symmetrical structure in an axial direction thereof, and the stylus and the stylus holder The support portion on the stylus side of the support member that connects to the stylus is a plurality of locations that are symmetrical with respect to the center of gravity of the stylus in the axial direction of the stylus, and further, at each location that is symmetrical with respect to the axis of the stylus. And the center of gravity of each pair of support members at the same position in the axial direction of the stylus is substantially on the axis.
[0014]
Here, the configuration of the touch sensor of the present invention described above will be described with reference to FIG. In the figure, 1 is a stylus, 2 is a contact portion provided at the tip of the stylus 1, 3 is a stylus center of gravity, 4 is a stylus shaft, 5 is a stylus holder, and 6, 7, 8, and 9 are stylus support members constituting a support member. Reference numerals 10, 11, 12, and 13 denote stylus support portions constituting the support portion.
In the present invention, the support portion is provided at a plurality of locations symmetrical with respect to the center of gravity 3 of the stylus 1 in the axial direction of the stylus 1, and further at a plurality of locations (for example, two locations) symmetrical with respect to the axis 4 of the stylus 1 According to this configuration, as shown in FIG. 1, the stylus 1 is supported at, for example, four points.
[0015]
That is, in the case of the first probe sensor 100 shown in FIG. 7, the stylus 105 is supported at two points along the axial direction of the stylus 105, and in the case of the second probe sensor 200 shown in FIG. Whereas 203 is supported at two points in a direction orthogonal to the axial direction of the stylus 203, the present invention is characterized in that the stylus 1 is supported at, for example, four points.
[0016]
In the present invention, as shown in FIG. 1, the positioning of the contact portion 2 provided at the tip of the stylus 1 is firmly established by supporting the stylus 1 at a plurality of positions in the axial direction thereof. By supporting the stylus 1 in a plurality of, for example, two locations in a direction perpendicular to the axial direction of the stylus 1, the harmful lateral vibration in the direction perpendicular to the stylus axial direction can be minimized. Is realized.
[0017]
Also in the present invention, when the vibration mode is an axial vibration in which the vibration mode is symmetric with respect to the stylus axis direction from the center of gravity of the stylus, the support member has an axially symmetric structure with respect to the stylus axis. It is preferable that the center of the portion coincides with the axial vibration node of the stylus and coincides with the center of gravity of the stylus.
Furthermore, in order to ensure this effect, it is preferable that the stylus holder has an axisymmetric structure with respect to the stylus axis.
[0018]
In order to make this effect more reliable, it is preferable that the average position of all support portions supporting the stylus in the axial direction is set so as to substantially coincide with the vibration node of the stylus.
Furthermore, when there are one or more stylus vibration nodes, the axial position of at least one pair of support portions is substantially matched to the stylus vibration nodes, thereby enabling more reliable stylus support.
According to such a stylus support structure, the stylus can be reliably supported even when the vibration of the stylus is vibration in the direction perpendicular to the axis of the stylus in addition to vibration in the axial direction.
Further, at least one of the excitation means and the detection means is structured to be provided so as to be bridged to at least two places on the stylus that are equidistant from the center of gravity, so that the stylus can be compactly assembled. .
[0020]
In order not to disturb the vibration of the stylus, it is preferable that the bending rigidity of the support member in the stylus axial direction is lower than the rigidity of the stylus in the axial direction.
Moreover, it is preferable that the stylus, the stylus holder, and the support member constituting the touch sensor are integrally generated or processed.
In this way, the strength of the attachment to the stylus holder becomes strong, so there is no risk of deformation even when a slight external force is applied, and stable measurement is possible, as well as wire cutting, precision lost wax, and electrical power. Since integrated production by means such as plating is possible, it is possible to provide inexpensive and stable characteristics.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 2 shows a touch sensor according to the present embodiment. As shown in the figure, the stylus holder 5 has an attachment portion 50 and a fixing portion 51. The mounting portion 50 is provided with four stylus support members 6, 7, 8, 9 for realizing the connection with the stylus 1, while the fixing portion 51 is fixed to a measuring instrument main body (not shown). Screw holes or the like (not shown).
[0022]
One end of the stylus 1 is provided with a contact portion 2 that comes into contact with an object to be measured, and the other end of the stylus 1 is provided with a counter balance 20 as required. The stylus 1 is a columnar body having substantially the same cross-sectional shape, and its center-of-gravity position 3 is substantially the center in the axial direction of the stylus 1 and is on the stylus shaft 4. That is, the stylus 1 has a substantially symmetric structure in the axial direction.
[0023]
Incidentally, when the stylus 1 is used as a probe sensor for a small hole measuring machine, the contact portion 2 has a spherical or disk shape, and when used as a probe sensor for a surface roughness meter, as shown in FIG. The contact portion 2 has a stylus shape with a sharp tip.
The counter balance 20 may have the same shape as the contact portion 2, but may have another shape such as a square having the same weight, or may be omitted if the weight is negligible compared to the stylus weight. .
[0024]
The stylus 1 is formed with four stylus support portions 10, 11, 12, and 13, and is connected to the stylus holder 5 by connecting to the stylus support members 6, 7, 8, and 9 at this portion.
The distance from the stylus center of gravity 3 of the stylus support portions 10 and 11 coincides with the distance from the stylus center of gravity 3 of the stylus support portions 12 and 13. That is, the stylus support portions 10 and 11 and the stylus support portions 12 and 13 are symmetric with respect to the center of gravity 3 of the stylus 1 in the axial direction of the stylus 1, specifically, from the center of gravity 3 of the stylus 1 to the stylus 1. It is provided in the place which becomes equidistance in the axial direction of. The stylus support portion 10 and the stylus support portion 11 are provided at positions symmetrical with respect to the stylus shaft 4, and the stylus support portion 12 and the stylus support portion 13 are axially symmetric with respect to the stylus shaft 4. It is provided in the position.
[0025]
That is, the four stylus support portions 10, 11, 12, and 13 are provided at positions symmetrical with respect to the center of gravity (center) 3 of the stylus 1 and are provided at positions symmetrical with respect to the stylus shaft 4. These stylus support portions 10, 11, 12, and 13 are connected to stylus support members 6, 7, 8, and 9 protruding from the mounting portion 50 of the stylus holder 5, so that the stylus support member 6 and the stylus support are supported. These stylus support members 6, 7, 8 are such that the center of gravity of the set with the member 7 is on the stylus shaft 4 and the center of gravity of the set of the stylus support member 8 and the stylus support member 9 is on the stylus shaft 4. , 9 are provided symmetrically about the stylus axis.
[0026]
Further, the arms of the stylus support members 6, 7, 8, 9 are made thin so that the bending rigidity in the stylus axial direction of the stylus support members 6, 7, 8, 9 is lower than the rigidity in the axial direction of the stylus 1. Is formed. This is so that the bending rigidity of the stylus support members 6, 7, 8, 9 does not hinder the axial vibration of the stylus 1.
[0027]
On the other hand, the vibration means 31 and the detection means 32 are formed in an integrated piezoelectric element 30 and, for example, the vibration means 31 is located on the counter balance 20 side in the axial direction of the stylus 1 with the center of gravity 3 of the stylus 1 as a boundary. For example, the detection means 32 is arranged side by side in the form of being arranged on the contact portion 2 side. The piezoelectric element 30 formed in this manner is bonded to two support portions 14 and 15 provided at an equal distance from the center of gravity 3 of the stylus 1 in such a manner as to straddle the hollow portion 16 between them. It is fixed by means such as soldering.
[0028]
Similarly, the piezoelectric element 30 having the same shape is also fixed to the back surface of the stylus 1 so that the stylus axis 4 is an axis of symmetry.
Although the center portion of the stylus 1 is provided with the recessed portion 16 formed by being slightly thinned, the fixed portion to the piezoelectric element 30 is devised so that both ends thereof are provided. It is only one means for bridging, and other means can be used. For example, if an adhesive is applied only to both ends of the piezoelectric element 30 and the piezoelectric element 30 is pressed against the stylus 1 for bonding, the fixed portion becomes only both ends even if the central portion of the stylus 1 is not thinly cut. This bridge can be realized.
[0029]
The electrode on the front surface of the piezoelectric element 30 is divided into a drive electrode and a detection electrode, but the back surface serving as the adhesive surface has a single electrode structure as a common electrode. Then, by providing a lead wire for applying a drive voltage to the drive electrode and providing a lead wire for taking out a detection signal to the detection electrode, the excitation means 31 and the detection means 32 are configured, respectively.
[0030]
In this embodiment, the stylus 1 is vibrated in the axial direction by the vibration means 31, and the vibration node substantially coincides with the position of the center of gravity 3 of the stylus 1. Further, the average of the positions of the four stylus support portions 10, 11, 12, 13 in the axial direction substantially coincides with the center of gravity 3 of the stylus 1, that is, the vibration node.
[0031]
In the touch sensor configured as described above, the stylus 1 is supported at a plurality of locations (two locations) in the axial direction, thereby firmly positioning the contact portion 2 provided at the tip of the stylus 1. However, by supporting the stylus 1 in a direction orthogonal to the axial direction of the stylus 1, for example, by supporting the stylus 1 in two locations, the lateral vibration in the direction orthogonal to the stylus axial direction may be so small that it can be ignored. it can.
[0032]
As a result, according to the touch sensor of the present embodiment, the axial resonance vibration of the stylus 1 becomes completely only the axial component, and a fine surface shape measurement can be realized.
[0033]
In the sensor of FIG. 2 described above, the support portions 10 to 13 on the stylus 1 side of the stylus support members 6 to 9 that connect the stylus 1 and the stylus holder 5 are arranged in the axial direction of the stylus 1 with respect to the center of gravity 3 of the stylus 1. In each symmetric place, there are two places that are symmetric with respect to the axis 4 of the stylus 1, but in each place that is symmetric with respect to the center of gravity 3 of the stylus 1 in the axial direction of the stylus 1 There may be three or more places.
[0034]
2 shows an example in which a total of four locations are supported from the left and right at two locations in the axial direction of the stylus 1. However, the structure is supported at odd locations in the axial direction including the three positions of the center of gravity of the stylus 1. You can also.
FIG. 3 is a side sectional view of the touch sensor showing an example thereof. In this sensor, support portions 17 and 18 are added to both sides (left and right) of the center of gravity 3 (corresponding to a vibration node) of the stylus 1 with respect to FIG. In the vibration node, since vibration displacement is small, a support member having higher rigidity than other support portions can be used as the members of the support portions 17 and 18. By using such a support structure, the stability of the support can be further increased.
[0035]
2 shows an example in which vibration is applied in the axial direction of the stylus 1. However, the present invention can be applied to a tapping probe that generates vibration in a direction orthogonal to the axis of the stylus.
FIG. 4 is a side sectional view of the tapping probe sensor. In this example, the contact portion 2 of the stylus 1 is subjected to bending vibration by the vibration means, and the vibration nodes are generated at two locations corresponding to the support portions 10 (11) and 12 (13). By adopting such a support structure, even in a tapping probe that generates vibration in a direction orthogonal to the axis, the stability of the support is improved without reducing the rigidity, and the harmful lateral vibration is so small that it can be ignored. Can be.
[0036]
2 has a completely symmetric structure with respect to the stylus shaft 4, the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. Depending on the mounting method with the arm 40, various shapes of the stylus holder 5 can be considered.
[0037]
Further, the arrangement of the excitation means 31 and the detection means 32 integrally formed with the piezoelectric element 30 is not limited to the embodiment shown in FIGS. 2 and 5, and for example, as shown in FIG. You may make it provide the vibration means 31 and the detection means 32 in the form arrange | positioned in parallel with the axial direction of the stylus 1. FIG.
[0038]
Further, the mounting position of the piezoelectric element 30 is not limited to the case where the piezoelectric element 30 is arranged on the front and back of the plane along the axis of the stylus 1 as in the embodiment shown in FIG. 2 and FIG. These may be mounted at two points perpendicular to the plane (the plane along the axis of the stylus 1), specifically, on the side surface of the stylus 1.
[0039]
【The invention's effect】
As described above, according to the touch sensor of the present invention, it is possible to prevent generation of harmful bending vibrations with respect to the axial direction of the stylus, so that it is possible to measure a fine surface shape.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of a touch sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a side sectional view of a touch sensor according to another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a side sectional view of a touch sensor according to another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a perspective view of a touch sensor according to another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a perspective view of a touch sensor according to another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a perspective view of a probe sensor filed earlier.
FIG. 8 is a perspective view of a probe sensor filed earlier.
FIG. 9 is an explanatory diagram of problems to be solved by the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Stylus 2 Contact part 3 Stylus center of gravity 4 Stylus shaft 5 Stylus holders 6-9 Stylus support members 10-13 Stylus support parts 17, 18 Stylus support parts

Claims

A stylus holder, a stylus supported by the stylus holder, a vibration means for vibrating the stylus in a resonance state, and a change in the resonance state that occurs when the tip of the stylus contacts an object to be measured. In a touch sensor including detection means for detecting the contact,
The stylus has a substantially symmetrical structure in its axial direction,
The support portion on the stylus side of the support member that connects the stylus and the stylus holder has a plurality of locations that are symmetrical with respect to the center of gravity of the stylus in the axial direction of the stylus, and further, the shaft of the stylus at each location. Are symmetrical places,
The center of gravity of each pair of support members at the same axial position of the stylus is substantially on the axis;
A touch sensor characterized by that.

The touch sensor according to claim 1,
The touch sensor, wherein each set of support members is arranged in an axially symmetric structure with respect to the axis of the stylus.

The touch sensor according to claim 1 or 2,
The touch sensor, wherein the stylus holder is formed in an axially symmetric structure with respect to an axis of the stylus.

The touch sensor according to claim 1,
The touch sensor, wherein a position obtained by averaging the positions of all the support portions in the axial direction is set so as to substantially coincide with a vibration node of the stylus.

The touch sensor according to claim 1,
A touch sensor, wherein the position of the at least one pair of support portions is set so as to substantially coincide with a vibration node of a stylus.

The touch sensor according to claim 1,
The touch sensor, wherein the vibration direction is a vibration in a direction perpendicular to the axis of the stylus.

The touch sensor according to claim 1,
At least one of the vibration means and the detection means is provided so as to be bridged to at least two locations on the stylus that are equidistant from the center of gravity.

The touch sensor according to claim 1,
The touch sensor according to claim 1, wherein a bending rigidity of the support member in the axial direction is lower than an axial rigidity of the stylus.

The touch sensor according to claim 1,
The touch sensor, wherein the stylus, the stylus holder, and the support member are integrally formed or processed.