JP3818881B2 - Contact type sensor - Google Patents
Contact type sensor Download PDFInfo
- Publication number
- JP3818881B2 JP3818881B2 JP2001259975A JP2001259975A JP3818881B2 JP 3818881 B2 JP3818881 B2 JP 3818881B2 JP 2001259975 A JP2001259975 A JP 2001259975A JP 2001259975 A JP2001259975 A JP 2001259975A JP 3818881 B2 JP3818881 B2 JP 3818881B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- stylus
- contact
- cross
- sectional area
- measured
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- A Measuring Device Byusing Mechanical Method (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば、三次元測定機や表面性状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に用いられる接触型センサに関する。
【0002】
【背景技術】
従来より、精密機械加工または半導体製造分野での研究、開発および生産現場での検査において、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、表面形状測定機や小穴測定機等が知られている。その場合、被測定物における微細形状の座標検出や位置検出を行うために、これら測定機には、被測定物との接触を検出する接触型センサが用いられる。
【0003】
たとえば、このような接触型センサの従来例として、特願2000−141469の加振型接触検出センサがある。この加振型接触検出センサ1は、図8に示すように、ホルダ10と、スタイラス20と、圧電素子30とを備えて構成されている。
【0004】
ホルダ10は、図示しない三次元測定機等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、これら腕部12と略直交して一対の腕部12の先端側を結合する結合部13とを備えている。結合部13には、長手方向に沿って長孔13Aが形成され、これにより、長孔13Aの外周付近に細い棒状の平行な一対の圧電素子支持部14が腕部12と略直交して形成されている。
スタイラス20は、略柱状に形成され、その先端側には被測定物と接触する球状の接触部21が設けられている。
【0005】
圧電素子30は、スタイラス20を軸方向に共振状態で加振するとともに、接触部21と被測定物との接触に際して生じるスタイラス20の共振状態の変化を検出するためのものであり、一対の圧電素子支持部14に跨った状態で、ホルダ10に装着されている。
また、ホルダ10との装着面には、図示しない共通電極が形成され、装着面と反対側の面には、加振用電極31Aと検出用電極32Aとが分割して形成されている。
【0006】
このような構成において、加振用電極31Aに所定周波数の電圧を印加すると、スタイラス20が軸方向に共振状態で振動する。この状態で、接触部21が被測定物に接触すると、スタイラス20の共振状態に変化が生じるため、この変化を検出用電極32Aによって出力することで、接触部21と被測定物との接触を検出できる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、機械部品のサブミリオーダの内面形状を測定するような、被測定物の形状が小穴であった場合、上記センサが計測することができる小穴の深さは、圧電素子やホルダが被測定物と干渉しない深さ、すなわち、スタイラス先端からスタイラスが装着されている圧電素子までの突出している長さである。さらに深い小穴や谷を計測しようとする場合、スタイラスのホルダから突出している長さを、さらに長くするための加工が必要となってくるが、その加工は困難である。
【0008】
極細のスタイラスを製造加工する方法としては、特開平11−271345号の微細表面形状測定装置及び触針製造方法に開示されている加工方法がある。ここでは、微細放電加工法を用いており、放電時の熱を利用して材料を加工していく。また、熱を利用して加工を施していくために、加工後の材料に加工変質層が形成されるので、砥粒を含むスラリーを加工後の材料にかけ流しながら、さらに砥粒加工を行っている。
【0009】
しかしながら、上記のような加工方法を用いて、スタイラスの突出している長さを、さらに長くするためには、スタイラスのアスペクト比がかなり大きいものとなり、スタイラスの加工変質層の形成およびそれを解消するための砥粒加工等から、加工限界があった。
【0010】
さらに、一般的な加振振動型のセンサは、スタイラスの曲げ振動を利用していることもあり、むやみにスタイラスの形状を変更することができない。なぜならば、スタイラスの曲げ振動の共振周波数を決定する形状面でのパラメータは、スタイラスの長さの他に、スタイラスの断面積およびスタイラスの断面2次モーメントが含まれ、スタイラスの形状の変更を行うと、スタイラスの共振周波数が変わり、さらに、スタイラスの共振周波数の見積もりが困難になるためである。また、複雑な形状の変更を行う場合、振動のモードも複雑になり、安定したセンサ感度が得られなくなるおそれがあった。
ちなみに、スタイラスの曲げ振動の共振周波数fBは以下の式で求められる。
【0011】
【式(1)】
【0012】
ここでλは振動の次数により変化する係数、Iはスタイラスの断面2次モーメント、Eはスタイラス材料のヤング率、Aはスタイラスの断面積、ρはスタイラスの密度、Lはスタイラスの長さを表している。
【0013】
本発明の目的は、機械加工、化学工程で製作したスタイラスのアスペクト比の限界により生じる、深穴測定の限界を補い、深い穴や谷を有する表面形状の測定を可能にする接触型センサを提供することである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の課題を解決するために、スタイラスの軸方向の共振周波数が形状的にスタイラス長さだけで決定されることを利用して、これまで困難とされた深穴の測定を、この深穴の形状に応じて、スタイラスの形状を加工することで深穴の三次元形状を測定することを考えた。ここで、スタイラスの軸方向の共振周波数fLは以下の式で表現される。
【0015】
【式(2)】
【0016】
上記式(2)におけるパラメータは、式(1)と同様であり、スタイラスの形状に関係するパラメータは、スタイラスの長さLだけであることがわかる。
【0017】
具体的に、請求項1に記載の発明は、先端側に被測定物と接触する接触部を有するスタイラスと、このスタイラスを直接的あるいは間接的に支持し、一端が移動軸(スライダ)に結合されるホルダと、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を含んで構成される接触型センサにおいて、前記加振手段は、前記スタイラスをスタイラス軸方向の一軸方向のみに共振状態で振動させ、前記スタイラスは、略柱状の基端部と、断面積を小さくする加工が施されることにより前記基端部断面積よりも小さい断面積を有する略柱状の先端部と、前記基端部および前記先端部の間に位置し前記基端部側へ向うにしたがって次第に拡径するテーパ部とで構成され、サブミリオーダの内面形状を測定可能とし、前記先端部は、加工上、アスペクト比限界となる長さで形成されていることを特徴とするものである。
【0018】
ここで、基端部断面積および先端部断面積は、スタイラス軸方向に直交した断面における断面積を表す。
本発明によれば、加振手段によってスタイラスをスタイラス軸方向に共振状態で振動させ、接触部と被測定物との接触の際に生じるスタイラスの共振状態の変化を検出手段によって検出することで、スタイラスと被測定物との接触を検出できる。
【0019】
また、スタイラスは略柱状に形成されるとともに、ホルダに支持されるスタイラスの基端部断面積が先端部断面積よりも大きくなるように形成されているので、複雑な表面形状を持つ機械部品等のサブミリオーダの内面形状を測定するような場合、スタイラスのアスペクト比上、これまで困難とされた複雑な加工が施された深穴の測定も可能になる。
【0020】
つまり、通常の加工において、比較的大きい断面積を有するスタイラスは容易に加工を行うことができ、このようなスタイラスは全長を長く形成することができる。ここで、その先端部に断面積を小さくする加工を施し、また、その長さをアスペクト比上限界となる長さになるように加工を施すことで、長い全長を有し、かつ被測定物近傍に位置される細い先端部を有するスタイラスを製作することができる。したがって、前述した接触型センサの測定範囲を示す、スタイラスのホルダから突出した長さを長くすることができ、深穴の最深部の三次元的な測定を可能にすることができる。
【0021】
また、スタイラスは、該スタイラスの先端部と基端部とが、基端部側へ次第に拡径するテーパ部を介して一体的に形成されているので、被測定物の表面開口から内部に向けて、この方向に沿った断面における幅が次第に縮小するようなテーパ面を有する深穴、いわゆる皿状座ぐりを有する深穴の測定に対応できる。
【0024】
また、請求項2に記載の発明は、前記接触部は、当該接触部の断面積が前記基端部の断面積より小さくなるように形成されていることを特徴とする。
ここで、接触部の断面積および基端部の断面積は、スタイラス軸方向に直交した断面における断面積を表す。
このような構成では、接触部は、当該接触部の断面積が基端部の断面積より小さくなるように形成されているので、測定対象である深穴の孔径によって決まる測定可能範囲が接触部によって制限されることはなく、先端部を極細に加工したスタイラスを用いて測定を行う場合でも、効果的に測定を行うことができる。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。
[第1実施形態]
図1に示すように、本発明の第1実施形態に係る接触型センサ1は、ホルダ10と、スタイラス20と、圧電素子30とを備えている。
【0026】
ホルダ10は、図示しない三次元測定機等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、これら腕部12と略直交して一対の腕部12の先端側を結合する結合部13とを備えている。結合部13には、長手方向に沿って長孔13Aが形成され、これにより、長孔13Aの外周付近に細い棒状の平行な一対の圧電素子支持部14が腕部12と略直交して形成されている。つまり、一対の腕部12で一対の圧電素子支持部14が支持された状態となっている。
【0027】
スタイラス20は、略円柱状に形成され、その基端部20Bの径は、先端部20Aの径よりも大きくなるように形成されており、先端部20Aと基端部20Bとは基端部20B側へ向かうにしたがって次第に拡径するようなテーパ20Cを介して一体的に形成されている。また、先端部20Aには、被測定物と接触する球状の接触部21が設けられており、接触部21の径は、基端部20Bの径よりも小さくなるように形成されている。なお、基端部20Bには、必要に応じて図示しないカウンタバランスが設けられている。
【0028】
圧電素子30は、スタイラス20を軸方向に共振状態で加振するとともに、接触部21と被測定物との接触に際して生じるスタイラス20の共振状態の変化を検出するためのものである。
この圧電素子30は、一対の圧電素子支持部14に跨った状態で、接着、はんだ付け等によりホルダ10に装着されている。圧電素子30のホルダ10との装着面(図中下側の面)には、図示しない共通電極が形成され、装着面と反対側の面(図中上側の面)には、その中央で分割された2つの電極31A,32Aが形成されている。
【0029】
スタイラス20を軸方向に共振状態で加振する加振手段31は、圧電素子30に加振用電極31Aを形成し、この加振用電極31Aに所定周波数の電圧を印加するためのリード線(図示せず)を設けることで構成されている。
一方、接触部21と被測定物との接触に際して生じるスタイラス20の共振状態の変化を検出する検出手段32は、圧電素子30に検出用電極32Aを形成し、この検出用電極32Aに検出信号を取り出すためのリード線(図示せず)を設けることで構成されている。
【0030】
このような圧電素子30上面には、スタイラス20が中心振り分けになるように、2つの電極31A,32A間に接着、はんだ付け等により装着されており、ホルダ10とスタイラス20とが互いに非接触の状態で、スタイラス20と圧電素子30とが互いに接触の状態で接触型センサ1が構成されている。
【0031】
加振手段31において、加振用電極31Aに所定周波数の電圧を印加すると、スタイラス20がスタイラス軸方向に共振状態で振動する。このスタイラス20の振動は、直接圧電素子30に伝搬し、この圧電素子30もスタイラス20と同周波数で振動する。そして、この振動状態は、検出用電極32Aからの検出信号を観測することで検出可能となっている。つまり、検出手段32によって、スタイラス20の振動状態の検出が可能となっている。ここにおいて、スタイラス20の振動は、直接圧電素子30、すなわち検出手段32に伝搬するようになっている。
【0032】
このような構成を備えた接触型センサ1は、三次元測定機等のプローブとして用いられる。
具体的には、加振手段31によってスタイラス20が軸方向に沿って共振状態で振動する。この状態において、図2に示すような、入り口にテーパW1が施された有底の深穴を有する被測定物Wと接触型センサ1とを相対移動させ、接触部21が被測定物Wに接触すると、スタイラス20の振動が拘束され、スタイラス20の共振状態(振動)に変化が生じる。この共振状態の変化を検出手段32によって検出することで、スタイラス20と被測定物Wとの接触を検出し、被測定物Wの三次元形状を測定できるようになる。
【0033】
上述のような本実施形態によれば、次のような効果がある。
(1)本実施形態におけるスタイラス20は、先端部20Aの径よりも基端部20Bの径が大きくなるように形成され、また、該先端部20Aの長さはアスペクト比上限界となる長さとすれば、基端部の長さ分、スタイラス20の全長を長くできる。例えば、図3(b)の場合、スタイラス20のアスペクト比上限界となる長さをLmとすると、スタイラス20のホルダ10から突出した長さはLmであるが、本実施形態の場合には、図3(a)のように、先端部20Aの長さに基端部20Bの長さを付加できるので、スタイラス20のホルダ10から突出する長さLを図3(b)より長くできる。したがって、接触型センサ1の測定可能範囲を示すスタイラス20のホルダ10から突出する長さLを、一様な径のスタイラス20(図3(b))に比べ、さらに長く形成することができるから、接触型センサ1の測定可能範囲を広げ、深穴の最深部における三次元形状測定を可能にすることができる。
【0034】
(2)スタイラス20は、先端部20Aと基端部20Bとは基端部20B側に拡径するテーパ20Cを介して形成されているので、図2に示すような入り口にテーパW1が施された有底の深穴の測定を行う際に、テーパW1に対応したスタイラス20のテーパ20Cにより、スタイラス20の基端部20Bが被測定物Wに接触することなく、三次元形状測定が可能となる。
【0035】
(3)スタイラスの形状が図3(a)に示す形状であっても、図3(b)に示す円柱状の形状であっても、スタイラスの共振周波数は式(2)よりそれぞれL、Lmで概ね決定する。つまり、本発明におけるスタイラス20のような形状であっても、式(2)の単純な式で導くことができ、加振素子を加振する加振用回路や検出手段の出力信号を処理する信号処理回路の定数設定が簡易にできる。したがって、測定機の種類や測定対象の種類に合わせて、様々な形状のスタイラスを用いることで、接触型センサ1の使用範囲を広めることができる。
【0036】
(4)スタイラス20は、加振用電極31Aおよび検出用電極32Aが形成された圧電素子30を介してホルダ10に支持固定され、ホルダ10とスタイラス20とを互いに非接触の状態で接触型センサ1を構成しているので、ホルダ10によるスタイラス20の振動および状態変化(振動変化)の減衰を回避でき、検出手段32によるスタイラス20の振動および状態変化の検出を高感度にできる。したがって、スタイラス20の接触部21と被測定物Wとの接触に際して生じるスタイラス20の状態変化を高感度にできるので、被測定物Wとの接触を高感度に検出できる。
【0037】
(5)スタイラス20は圧電素子30上面に中心振り分けされるように接着、はんだ付け等されているので、スタイラス20の振動の節が圧電素子上面に位置し、振動の効率がよくなる。
【0038】
(6)スタイラス20と圧電素子30、すなわち検出手段32とが互いに接触の状態にあるため、スタイラス20の振動および状態変化が検出手段32に直接伝搬される。これにより、スタイラス20と被測定物との接触の際に生じるスタイラス20の振動変化がわずかであったとしても、検出手段32で確実に検出できる。したがって、スタイラス20の接触部21の形状による検出感度の劣化を防止できる。
【0039】
(7)加振手段31および検出手段32は二つに分割された一つの圧電素子30から構成されているから、少なくとも一つの圧電素子30を設けることで、接触型センサ1に加振手段31および検出手段32を設けることができ、安価に構成できる。
【0040】
[第2実施形態]
図4には本発明の第2実施形態に係る接触型センサ2が示されている。ここにおいて、本実施形態と前述の第1実施形態とは、加振手段および検出手段が一つの圧電素子で構成されるかそれぞれ別個の圧電素子で構成されるかが異なるのみで、その他の構成および作用は同一であるから、同一符号を付してそれらの説明を省略、または簡略する。
【0041】
接触型センサ2は、加振手段31を構成する加振用圧電素子41と、検出手段32を構成する検出用圧電素子42とを備えており、二枚の圧電素子41、42の表裏面にはそれぞれ電極が形成されている。これら圧電素子41、42は、対向配置され、互いに圧電素子支持部14を挟み込んだ状態で、かつ一対の圧電素子支持部14にそれぞれ跨った状態でホルダ10に装着されている。このうち、検出用圧電素子42のホルダ10への装着面と反対側の面には、スタイラス20が装着されている。
【0042】
このような構成では、加振手段31において、加振用圧電素子41に所定周波数の電圧を印加すると、ホルダ10から検出手段32へ、検出手段32からスタイラス20へと振動が伝搬し、スタイラス20が軸方向に共振状態で振動する。つまり、加振手段31は、間接的にスタイラス20を振動させている。このスタイラス20の振動は、直接検出用圧電素子42に伝搬し、この検出用圧電素子42もスタイラス20と同周波数で振動する。そして、この振動状態は、検出用圧電素子42の電極からの検出信号を観測することで検出可能となっている。つまり、検出手段32によってスタイラス20の振動状態の検出が可能となっている。
【0043】
上述のような本実施形態によれば、前述の第1実施形態の効果(1)〜(7)に加えて、次のような効果がある。
(8)加振手段31および検出手段32は、それぞれ別個の圧電素子41、42から構成されているので、それらの電極構造を簡素化できる。
【0044】
[第3実施形態]
図5には本発明の第3実施形態に係る接触型センサ3が示されている。ここにおいて、本実施形態と前述の第1実施形態とは、スタイラスが圧電素子に対して、中心振り分けとなって支持固定される構成であるか、スタイラスが圧電素子に対して、非対称に配置され支持固定される構成であるかが異なるのみで、その他の構成および作用は同一であるから、同一符号を付してそれらの説明を省略、または簡略する。
【0045】
接触型センサ3は、圧電素子30上面に、スタイラス20の基端部20Bが片側に突出しない状態で、2つの電極31A、32A間に接着、はんだ付け等により装着されており、ホルダ10とスタイラス20とが互いに非接触の状態で、かつ、スタイラス20と圧電素子30とが互いに接触の状態で接触型センサ3が構成されている。
【0046】
このような構成では、加振手段31において、加振用電極31Aに、式(2)に示されるスタイラス20の長さによって決まる共振周波数に対応した所定の周波数の電圧を印加すると、スタイラス20は軸方向に沿って共振状態で振動する。この状態において、被測定物と接触型センサ1とを相対移動させ、接触部21が被測定物に接触すると、スタイラス20の振動が拘束され、スタイラス20の共振状態(振動)に変化が生じる。この共振状態の変化を検出手段32によって検出することで、スタイラス20と被測定物との接触を検出できるようになる。
【0047】
上述のような本実施形態によれば、前述の第1実施形態の効果(1)〜(4)、(6)および(7)に加えて、次のような効果がある。
(9)スタイラス20を圧電素子30上面に、中心振り分けに固定するのではなく、非対称に固定することで、スタイラス20の接触部21からスタイラス20が装着されている圧電素子30までの突出している長さを長くすることができ、被測定物の最深部が深くなっても、三次元的な形状測定が可能になる。また、スタイラス20自体を中心振り分けで使用されるスタイラス20の長さより短くすることができることにより、スタイラス20の製造加工を簡易にすることができる。
【0048】
なお、本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
たとえば、前記各実施形態では、スタイラス20の接触部21が球状に形成されていたが、本発明の接触部はこれに限定されるものではなく、本発明の接触型センサが用いられる測定機の測定対象に応じて接触部の形状を適宜決定すればよい。具体的に、たとえば、表面形状測定機に用いた場合には、図6(A)に示すような針状の接触部21Aや、図6(B)に示すようなスタイラス20の軸方向と略直交方向へ延びる突起状の接触部21Bとすればよく、また、小穴測定機に用いた場合には、図6(C)に示すような算盤玉状の接触部21Cとすればよい。
このように用いられる測定機の測定対象に応じて、スタイラスの接触部の形状を適宜決定することで、スタイラスと被測定物とが接触した際のスタイラスの振動の変化がより顕著となり、スタイラスと被測定物との接触をより高感度に検出できる。
【0049】
前記各実施形態では、スタイラス20は、略円柱状に形成され、スタイラス基端部20Bの径が先端部20Aの径よりも大きく、先端部20Aと基端部20Bとは、基端部20B側に拡径するテーパ20Cを介して一体的に形成されている構成としたが、これに限らず、たとえば、図7(a)に示すように、途中でテーパを介さず細い径の先端部20Aと太い径の基端部20Bが段差を介して一体的に形成されてもよく、または、図7(b)に示すように、先端部20Aが基端部20Bから接触部21に向かうにしたがって次第に縮径する略針状に形成されてもよい。本発明におけるスタイラス20は、基端部20Bの径が先端部20Aの径よりも大きく形成されていればよい。
【0050】
ここで、図7(a)のような構成によれば、被測定物の表面側に径の大きな穴、内部に径の小さな穴を持った段付き穴の三次元形状測定に対応でき、また、スタイラス20の製造加工を容易に行うことができる。また、図7(b)のような構成によれば、被測定物の表面から内部に向けて縮径するように形成された深穴の三次元形状測定に対応でき、さらに、先端部を略針状に形成していることにより、一部に応力が集中的にかからないのでスタイラス20の先端部20Aを長く形成でき、深穴の最深部の三次元形状測定を可能にする。このように、測定対象の形状に応じてスタイラスの形状を適宜決定すればよい。
この際、ホルダ10から突出したスタイラスの長さLを全て同一の長さに形成することにより、式(2)から、スタイラス20の形状が異なっても、同一の共振周波数を有し、加振手段31に与える加振周波数を変更せずに、測定を行うことができる。
【0051】
前記各実施形態では、スタイラス20を略円柱状に形成された構成を説明したが、これに限定されるものではなく、略角柱状に形成された構成であってもよく、式(2)より、スタイラス20の共振周波数における形状パラメータは、スタイラス20の長さのみであるので、スタイラス20の断面形状はどのようなものであっても構わない。
【0052】
前記各実施形態では、固体素子として圧電素子30、41、42を用いたが、これに限定されるものではなく、磁歪素子、形状記憶素子等の固体素子であってもよい。
【0053】
前記各実施形態では、ホルダ10の形状がスタイラス20に対し、左右対称な両持ち梁構造であったが、これに限定されるものではなく、片持ち梁の音叉構造であってもよい。
【0054】
前記各実施形態では、スタイラス20は、ホルダ10に圧電素子30を介して間接的に支持される構成を説明したが、スタイラス20が、ホルダ10に圧電素子30を介さずに直接的に支持される構成でもよい。しかしながら、スタイラス20の振動および状態変化の検出を高感度に行うには、スタイラス20の振動および状態変化の減衰を回避することができる前者のような間接的な支持による構成が好ましい。
【0055】
【発明の効果】
本発明によれば、機械加工、化学工程で製作したスタイラスのアスペクト比の限界により生じる、深穴測定の限界を補い、深い穴や谷を有する表面形状の測定を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係る接触型センサを示す分解斜視図である。
【図2】本発明の測定例を示す図である。
【図3】本発明の要部を示す拡大図である。
【図4】本発明の第2実施形態に係る接触型センサを示す分解斜視図である。
【図5】本発明の第3実施形態に係る接触型センサを示す分解斜視図である。
【図6】本発明の変形例の要部を示す拡大斜視図である。
【図7】本発明の他の変形例を示す図である。
【図8】従来例を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
1,2,3 接触型センサ
10 ホルダ
20 スタイラス
20A 先端部
20B 基端部
20C テーパ
21,21A,21B,21C 接触部
31 加振手段
32 検出手段
30,41,42 圧電素子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is, for example, a contact type sensor that is used when measuring the fine surface shape of an object to be measured with a three-dimensional measuring machine or a surface texture measuring machine, or when measuring the inner surface shape of a hole with a small hole measuring machine. About.
[0002]
[Background]
Conventionally, height gauges (one-dimensional measuring machines), three-dimensional measuring machines have been used as measuring machines to measure the shape and dimensions of objects to be measured in research, development, and inspection at production sites in the field of precision machining or semiconductor manufacturing. Surface shape measuring machines, small hole measuring machines, and the like are known. In that case, in order to perform coordinate detection and position detection of a fine shape in the object to be measured, a contact type sensor that detects contact with the object to be measured is used for these measuring machines.
[0003]
For example, as a conventional example of such a contact type sensor, there is an excitation type contact detection sensor of Japanese Patent Application No. 2000-141469. As shown in FIG. 8, the vibration contact detection sensor 1 includes a
[0004]
The
The
[0005]
The
In addition, a common electrode (not shown) is formed on the mounting surface with the
[0006]
In such a configuration, when a voltage having a predetermined frequency is applied to the
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, when the shape of the object to be measured is a small hole, such as measuring the inner shape of the sub-millimeter order of the machine part, the depth of the small hole that can be measured by the sensor is determined by the piezoelectric element or the holder. Depth that does not interfere with the stylus, that is, the length from the stylus tip to the piezoelectric element on which the stylus is mounted. In order to measure a deeper hole or valley, a process for further extending the length protruding from the stylus holder is required, but this process is difficult.
[0008]
As a method of manufacturing and processing an ultrafine stylus, there is a processing method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-271345, a fine surface shape measuring device and a stylus manufacturing method. Here, a fine electrical discharge machining method is used, and the material is processed using heat during discharge. In addition, since the process-affected layer is formed on the processed material in order to perform the processing using heat, further polishing is performed while pouring the slurry containing abrasive grains over the processed material. Yes.
[0009]
However, in order to further increase the protruding length of the stylus using the processing method as described above, the aspect ratio of the stylus becomes considerably large, and the formation of the work-modified layer of the stylus and the elimination thereof Because of the abrasive grain processing and the like, there was a processing limit.
[0010]
Furthermore, a general vibration vibration type sensor may use the bending vibration of a stylus, and the shape of the stylus cannot be changed unnecessarily. This is because the shape plane parameters that determine the resonance frequency of the bending vibration of the stylus include the stylus cross-sectional area and the stylus cross-sectional moment in addition to the stylus length, and change the stylus shape. This is because the resonance frequency of the stylus changes and it becomes difficult to estimate the resonance frequency of the stylus. In addition, when changing a complicated shape, the vibration mode is also complicated, and there is a possibility that stable sensor sensitivity cannot be obtained.
By the way, the resonance frequency f of the bending vibration of the stylus B Is obtained by the following equation.
[0011]
[Formula (1)]
[0012]
Where λ is a coefficient that varies depending on the order of vibration, I is the moment of inertia of the cross section of the stylus, E is the Young's modulus of the stylus material, A is the cross sectional area of the stylus, ρ is the density of the stylus, and L is the length of the stylus. ing.
[0013]
An object of the present invention is to provide a contact sensor that compensates for the limitations of deep hole measurement caused by the limit of the aspect ratio of a stylus manufactured by machining and chemical processes, and enables measurement of a surface shape having deep holes and valleys. It is to be.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventor has made measurement of deep holes, which has been difficult until now, by utilizing the fact that the axial resonance frequency of the stylus is determined solely by the stylus length. In consideration of the shape of the deep hole, the three-dimensional shape of the deep hole was measured by processing the shape of the stylus. Where the axial resonance frequency f of the stylus L Is expressed by the following expression.
[0015]
[Formula (2)]
[0016]
It can be seen that the parameters in the above equation (2) are the same as those in the equation (1), and the only parameter related to the shape of the stylus is the stylus length L.
[0017]
Specifically, according to the first aspect of the present invention, the stylus having a contact portion that contacts the object to be measured on the tip side, and the stylus is directly or indirectly supported, and one end is coupled to the moving shaft (slider). A holder to which the stylus vibrates in a resonance state, and a 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. In the configured contact sensor, the vibration means vibrates the stylus in a resonance state only in one axial direction of the stylus, and the stylus has a substantially columnar shape. The proximal end of By processing to reduce the cross-sectional area Said Than the base cross-sectional area It is composed of a substantially columnar tip portion having a small cross-sectional area, and a tapered portion that is located between the base end portion and the tip end portion and gradually increases in diameter toward the base end portion side, It is possible to measure the inner shape of the sub-millimeter order The tip portion is formed with a length that limits the aspect ratio in processing. It is characterized by this.
[0018]
Here, the cross-sectional area of the base end portion and the cross-sectional area of the distal end portion represent cross-sectional areas in a cross section orthogonal to the stylus axis direction.
According to the present invention, the vibrating means vibrates the stylus in the stylus axial direction in a resonance state, and the detection means detects the change in the resonance state of the stylus that occurs when the contact portion and the object to be measured are in contact. Contact between the stylus and the object to be measured can be detected.
[0019]
In addition, the stylus is formed in a substantially columnar shape, and the cross-sectional area of the base end portion of the stylus supported by the holder is larger than the cross-sectional area of the tip portion. In the case of measuring the inner surface shape of sub-millimeters, it is possible to measure deep holes that have been subjected to complicated processing that has been difficult until now due to the aspect ratio of the stylus.
[0020]
That is, in normal processing, a stylus having a relatively large cross-sectional area can be easily processed, and such a stylus can be formed to have a long overall length. Here, the tip part is processed to reduce the cross-sectional area, and the length is set to a length that is the upper limit of the aspect ratio, so that it has a long overall length and the object to be measured. A stylus with a narrow tip located in the vicinity can be made. Therefore, it is possible to increase the length protruding from the stylus holder, which indicates the measurement range of the contact-type sensor described above, and to enable three-dimensional measurement of the deepest part of the deep hole.
[0021]
Also , Su Since the stylus is integrally formed with the distal end portion and the proximal end portion of the stylus through a tapered portion that gradually expands in diameter toward the proximal end portion, from the surface opening of the object to be measured toward the inside, It is possible to cope with measurement of a deep hole having a tapered surface whose width in a cross section along this direction is gradually reduced, that is, a so-called countersunk deep hole.
[0024]
Here, the cross-sectional area of the contact portion and the cross-sectional area of the base end portion represent the cross-sectional area in a cross section orthogonal to the stylus axis direction.
In such a configuration, the contact part is formed such that the cross-sectional area of the contact part is smaller than the cross-sectional area of the base end part, and therefore the measurable range determined by the diameter of the deep hole to be measured is the contact part. However, the measurement can be effectively performed even when the measurement is performed using a stylus whose tip is finely processed.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, each embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[First Embodiment]
As shown in FIG. 1, the contact sensor 1 according to the first embodiment of the present invention includes a
[0026]
The
[0027]
The
[0028]
The
The
[0029]
A vibration means 31 for vibrating the
On the other hand, the detection means 32 for detecting a change in the resonance state of the
[0030]
The upper surface of the
[0031]
In the vibration means 31, when a voltage having a predetermined frequency is applied to the
[0032]
The contact sensor 1 having such a configuration is used as a probe for a coordinate measuring machine or the like.
Specifically, the
[0033]
According to this embodiment as described above, the following effects are obtained.
(1) The
[0034]
(2) Since the
[0035]
(3) Regardless of whether the shape of the stylus is the shape shown in FIG. 3A or the cylindrical shape shown in FIG. 3B, the resonance frequency of the stylus is L and Lm from equation (2), respectively. In general, decide. In other words, even the shape like the
[0036]
(4) The
[0037]
(5) Since the
[0038]
(6) Since the
[0039]
(7) Since the vibration means 31 and the detection means 32 are composed of one
[0040]
[Second Embodiment]
FIG. 4 shows a
[0041]
The contact-
[0042]
In such a configuration, when a voltage having a predetermined frequency is applied to the
[0043]
According to the present embodiment as described above, the following effects can be obtained in addition to the effects (1) to (7) of the first embodiment.
(8) Since the excitation means 31 and the detection means 32 are each comprised from the separate
[0044]
[Third Embodiment]
FIG. 5 shows a contact sensor 3 according to a third embodiment of the present invention. Here, the present embodiment and the first embodiment described above have a configuration in which the stylus is supported and fixed in a centrally distributed manner with respect to the piezoelectric element, or the stylus is disposed asymmetrically with respect to the piezoelectric element. Since only the configuration to be supported and fixed is different and the other configurations and operations are the same, the same reference numerals are given and the description thereof is omitted or simplified.
[0045]
The contact sensor 3 is mounted on the upper surface of the
[0046]
In such a configuration, when the excitation means 31 applies a voltage having a predetermined frequency corresponding to the resonance frequency determined by the length of the
[0047]
According to the present embodiment as described above, in addition to the effects (1) to (4), (6) and (7) of the first embodiment, the following effects are obtained.
(9) The
[0048]
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 each of the above embodiments, the
By appropriately determining the shape of the contact portion of the stylus according to the measurement object of the measuring machine used in this way, the change in the vibration of the stylus when the stylus and the object to be measured come into contact becomes more prominent. Contact with the object to be measured can be detected with higher sensitivity.
[0049]
In each of the embodiments described above, the
[0050]
Here, according to the configuration as shown in FIG. 7 (a), it is possible to correspond to the three-dimensional shape measurement of a stepped hole having a hole having a large diameter on the surface side of the object to be measured and a hole having a small diameter inside. The
At this time, by forming all the lengths L of the stylus protruding from the
[0051]
In each of the above embodiments, the configuration in which the
[0052]
In each of the embodiments, the
[0053]
In each of the above-described embodiments, the shape of the
[0054]
In each of the embodiments described above, the configuration in which the
[0055]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the limit of the deep hole measurement produced by the limit of the aspect ratio of the stylus manufactured by the machining process and the chemical process can be compensated, and the surface shape having deep holes and valleys can be measured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a contact sensor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a measurement example of the present invention.
FIG. 3 is an enlarged view showing a main part of the present invention.
FIG. 4 is an exploded perspective view showing a contact sensor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an exploded perspective view showing a contact sensor according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an enlarged perspective view showing a main part of a modification of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing another modification of the present invention.
FIG. 8 is an exploded perspective view showing a conventional example.
[Explanation of symbols]
1,2,3 Contact type sensor
10 Holder
20 Stylus
20A tip
20B Base end
20C taper
21, 21A, 21B, 21C Contact part
31 Excitation means
32 Detection means
30, 41, 42 Piezoelectric element
Claims (2)
このスタイラスを直接的あるいは間接的に支持し、一端が移動軸に結合されるホルダと、
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を含んで構成される接触型センサにおいて、
前記加振手段は、前記スタイラスをスタイラス軸方向の一軸方向のみに共振状態で振動させ、
前記スタイラスは、略柱状の基端部と、断面積を小さくする加工が施されることにより前記基端部断面積よりも小さい断面積を有する略柱状の先端部と、前記基端部および前記先端部の間に位置し前記基端部側へ向うにしたがって次第に拡径するテーパ部とで構成され、サブミリオーダの内面形状を測定可能とし、
前記先端部は、加工上、アスペクト比限界となる長さで形成されていることを特徴とする接触型センサ。A stylus having a contact portion in contact with the object to be measured on the distal end side;
A holder that directly or indirectly supports the stylus, one end of which is coupled to the moving shaft;
Vibration means for vibrating the stylus in a resonance state;
In a contact-type sensor configured to include detection means for detecting the contact from a change in the resonance state of the stylus that occurs when the contact portion and the object to be measured are in contact with each other,
The vibration means vibrates the stylus in a resonance state only in one axial direction of the stylus axis,
The stylus includes a substantially columnar base end portion, a substantially columnar tip having a smaller cross-sectional area than the proximal cross-sectional area by machining to reduce the cross-sectional area is performed, the base end and the It is composed of a tapered portion that is located between the distal end portions and gradually increases in diameter toward the proximal end portion side, and enables measurement of the inner surface shape of the submillimeter order ,
The contact-type sensor is characterized in that the tip is formed with a length that is an aspect ratio limit in processing .
前記接触部は、当該接触部の断面積が前記基端部の断面積よりも小さくなるように形成されていることを特徴とする接触型センサ。The contact sensor according to claim 1 ,
The contact portion is formed so that a cross-sectional area of the contact portion is smaller than a cross-sectional area of the base end portion.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001259975A JP3818881B2 (en) | 2001-08-29 | 2001-08-29 | Contact type sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001259975A JP3818881B2 (en) | 2001-08-29 | 2001-08-29 | Contact type sensor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2003065702A JP2003065702A (en) | 2003-03-05 |
JP3818881B2 true JP3818881B2 (en) | 2006-09-06 |
Family
ID=19087248
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2001259975A Expired - Fee Related JP3818881B2 (en) | 2001-08-29 | 2001-08-29 | Contact type sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3818881B2 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB0608998D0 (en) * | 2006-05-08 | 2006-06-14 | Renishaw Plc | Contact sensing probe |
-
2001
- 2001-08-29 JP JP2001259975A patent/JP3818881B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2003065702A (en) | 2003-03-05 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3863168B2 (en) | Excitation contact detection sensor | |
US8699728B2 (en) | Acoustic sensor | |
JP2005526227A (en) | Sensor for non-contact electrostatic detector | |
US20110100125A1 (en) | Acceleration sensor | |
JP3130289B2 (en) | Touch signal probe | |
JP3818881B2 (en) | Contact type sensor | |
JPH06221806A (en) | Touch signal probe | |
US20050279177A1 (en) | Strain gauge apparatus having a point-distributed sensor | |
JP3650555B2 (en) | Touch sensor | |
JP2000205940A (en) | Sensor element and oscillatory wave sensor | |
JP3650496B2 (en) | Touch signal probe | |
JP4070891B2 (en) | Excitation contact sensor | |
JP3140322U (en) | Excitation contact detection sensor | |
JP3140476U (en) | Excitation contact detection sensor | |
US6796176B2 (en) | Inertial sensor with an integrated temperature probe | |
JP3587915B2 (en) | Touch signal probe | |
JP3986944B2 (en) | Excitation sensor | |
JP3650556B2 (en) | Touch sensor | |
JPH1047941A (en) | Touch signal probe | |
JP4913467B2 (en) | Potential sensor | |
JPH032569A (en) | Acceleration sensor | |
JP4179774B2 (en) | Excitation contact detection sensor | |
JPH1073430A (en) | Touch signal probe | |
JP5022164B2 (en) | Angular velocity sensor | |
JPH11352136A (en) | Probe and microscope using same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20040623 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20050512 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20050531 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20050727 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20051227 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20060221 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20060523 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20060613 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 3818881 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120623 Year of fee payment: 6 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150623 Year of fee payment: 9 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |