JP3863168B2 - 加振型接触検出センサ - Google Patents

Description

本発明は、加振型接触検出センサに係り、たと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加振型接触検出センサに関する。

従来より、被測定物の形状や寸法の測定を行う測定機としてハイトゲージ（一次元測定機）、三次元測定機、表面性状測定機や小穴測定機等が知られている。これらの測定機には、測定機本体と被測定物との位置関係を検出するために各種プローブが使用される。これらのプローブは、非接触式プローブと接触式プローブとに、あるいは連続測定プローブとタッチトリガプローブ等に分類される。

上述したような測定機の接触式タッチトリガプローブとしては、図１２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を含んで構成されている。

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、スタイラス１０２を接着固定するためのスタイラス取付部１１２とを備えている。このうち、スタイラス取付部１１２は、二股に分かれており、この二股の先端２箇所でスタイラス１０２を軸方向に沿って２点支持している。スタイラス取付部１１２の先端は、断面コ字状に形成されており、その開口内にスタイラス１０２が位置している。
スタイラス１０２は、略柱状に形成され、その先端には被測定物と接触する接触部１２１が設けられている。

圧電素子１０３は、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り、２枚の圧電素子１０３は、スタイラス取付部１１２の二股部分に跨って上面及び下面にそれぞれ取り付けられている。
図１２中上側に配置される圧電素子１０３の下面および下側に配置される圧電素子１０３の上面には、共通電極が形成され、図中上側に配置される圧電素子１０３の上面には、スタイラス取付部１１２の２つの支持点間の中央に対応した位置で、加振手段１３１および検出手段１３２に二分されている。また、図中下側に配置される圧電素子１０３の下面も同様に二分されている。

このような構成において、加振手段１３１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、この変化を検出手段１３２で検出することで、接触部１２１と被測定物との接触を検出できるようになる。

特開２０００−５５６４３号公報

ところで、上述したような加振型接触検出センサ１００では、スタイラス１０２が、その軸方向と略直交する方向から被測定物に接触した場合、スタイラス１０２と被測定物との相対移動が瞬時停止出来ずにオーバーラン（オーバートラベル）を生じても、スタイラス１０２が湾曲（弾性変形）することにより、スタイラス１０２の損傷を免れることが可能となる。
これに対して、スタイラス１０２が、その軸方向から被測定物に接近して接触した場合、スタイラス１０２と被測定物の相対移動が瞬時停止出来ずにオーバーランを生じると、このオーバーランによってスタイラス１０２にはその軸方向に対して過大な応力がかかり、スタイラス１０２が塑性変形又は折損して損傷することがある。

このようなスタイラス１０２における軸方向での被測定物への接触時の損傷問題に対しては、接触時にスタイラス１０２を軸方向に逃げさせる軸方向逃げ機構を設けることで損傷を防止することは可能だが、構造が複雑となって測定精度の維持が難しいこと、あるいはコストの大幅な上昇を招くという問題がある。

本発明の目的は、スタイラスの軸方向逃げ機構を設けることなく、スタイラスの損傷を防止できる加振型接触検出センサを提供することにある。

本発明の加振型接触検出センサは、上記目的を達成するために、以下の構成を備える。
請求項１に記載の発明は、略柱状に形成されかつ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、このスタイラスを軸方向に直接的もしくは間接的に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加振型接触検出手段と、ホルダとを備えた加振型接触検出センサであって、前記ホルダには、複数の板ばねを含んで構成される平行板ばねが設けられるとともに、前記加振型接触検出手段の前記加振手段および検出手段のうちの少なくとも加振手段が前記平行板ばねに支持され、前記スタイラスは、その軸方向が前記平行板ばねの弾性変形可能な方向に略沿う状態で配置され、かつ、当該スタイラスの振動の節をはさんで前記スタイラスの軸方向に沿って略等距離離隔した少なくとも一対の点において、または、前記少なくとも一対の点および前記節において、前記加振手段および検出手段のうちの少なくとも検出手段により支持され、前記平行板ばねと前記スタイラスとが互いに非接触な構成とされ、前記平行板ばねは、前記スタイラスの軸方向振動を許容しつつ、前記スタイラスが被測定物に接触して前記スタイラスに対して軸方向の力がかかった際に弾性変形して前記加振型接触検出手段を前記スタイラスの軸方向へ変位させることを特徴とするものである。

この発明によれば、スタイラスと加振手段と検出手段とを含む加振型接触検出手段は、平行板ばねを介してホルダへ支持される。従って、加振型接触検出手段は、板ばねの弾性変形により、スタイラスの軸方向へ変位可能に支持されるので、スタイラスがその軸方向から被測定物に接触して、スタイラスと被測定物との相対移動にオーバーラン（オーバートラベル）が生じ、スタイラスの接触部が被測定物に対して過大に押し込まれた場合であっても、平行板ばねの作用によってスタイラスの姿勢を崩すことなく、加振型接触検出手段全体がスタイラスの軸方向へ変位することができる。これにより、スタイラスの軸方向に過大な応力がかかるのを防止でき、スタイラスの損傷を防止することができる。
また、平行板ばねとしては、２つの板ばねで構成されたものであってもよく、または、３つ以上の板ばねから構成されたものであってもよく、２つ以上の板ばねから構成された平行板ばねを用いることによって、加振型接触検出手段のスタイラスの支持安定性を必要に応じて増すことができる。
また、軸方向に伸縮振動を行う略柱状のスタイラスにおける振動の節をはさんで等距離だけスタイラスの軸方向に離隔した少なくとも一対の点において、または、少なくとも一対の点および節において、スタイラスは、複数（支持する位置の数に対応した数）の平行な板ばねによって支持される構成であるため、スタイラスの軸方向の振動は板ばねの弾性変形によって許容される。従って、スタイラスが振動状態であっても、確実な支持が可能であるとともに、加振手段による振動が減衰することがない。なお、振動の節を挟んで略等距離だけスタイラスの軸方向に隔離した対となる点は、一対の点であってもよく、また、二対以上の複数対の点であってもよい。
また、スタイラスの接触部が被測定物と接触することによる振動状態の変化は、検出手段へ伝えられるが、板ばねはスタイラスの振動方向に対して弾性を有するので、板ばねの振動状態の変化は、スタイラスの振動状態の変化に容易に追従できる。従って、スタイラスの振動状態の変化を、確実に検出手段に伝達することができる。
さらに、スタイラスの振動の節をはさんで等距離だけスタイラスの軸方向に離隔した対となる点のみならず、必要に応じて振動の節においても板ばねによってスタイラスを支持しているので、スタイラスの振動状態を損なわずに、より確実にスタイラスの支持が可能となる。
また、前記平行板ばねには、前記加振手段および検出手段のうちの少なくとも加振手段が支持され、前記スタイラスは、前記加振手段および検出手段のうちの少なくとも検出手段により支持され、前記平行板ばねと前記スタイラスとが互いに非接触な構成になっているから、加振手段によってスタイラスを直接的もしくは間接的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。
検出手段に直接スタイラスを装着し、このような検出手段をたとえば平行板ばねに直接装着することで、ホルダあるいは平行板ばねとスタイラスとを互いに非接触の状態で、かつスタイラスと検出手段とを接触の状態で加振型接触検出センサを構成している。
ホルダあるいは平行板ばねとスタイラスとが互いに非接触の状態にあるため、ホルダあるいは平行板ばねによるスタイラスの振動および状態変化（振動変化）の減衰を回避でき、検出手段によるスタイラスの振動および状態変化の検出をより高感度にできる。従って、スタイラスの接触部と被測定物との接触に際して生じるスタイラスの状態変化を高感度にできるので、被測定物との接触を高感度に検出できる。
また、スタイラスの振動および状態変化は、ホルダあるいは平行板ばねによって減衰されることがないので、たとえば振動の減衰が顕著なスタイラス、アスペクト比が大きいスタイラスや、軟質材料から形成されたスタイラス等を加振型接触検出センサに用いたとしてもスタイラスの振動および状態変化を確実に検出できる。従って、測定機の種類や測定対象の種類に合わせて様々な形状や材質のスタイラスを用いることで、本発明の加振型接触検出センサの使用範囲を広めることができる。
一方、スタイラスと検出手段とが互いに接触の状態にあるため、スタイラスの振動および状態変化が検出手段に直接伝搬される。これにより、スタイラスと被測定物との接触の際に生じるスタイラスの振動変化がわずかであったとしても、検出手段で確実に検出できる。従って、スタイラスの接触部形状による検出感度の劣化を防止できる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の加振型接触検出センサにおいて、前記ホルダには、前記平行板ばねを支持するばね支持部が設けられ、前記平行板ばねは、各板ばねの両端が前記ばね支持部に支持されているとともに、前記加振型接触検出手段は、前記平行板ばねの各板ばねの略中央で支持されていることを特徴とするものである。
この発明によれば、ホルダに設けられたばね支持部により、複数の板ばねが平行に橋渡しした状態で支持されるとともに、加振型接触検出手段がこの橋渡しした状態の複数の板ばねの略中央で支持されるため、加振型接触検出手段のスタイラスの軸方向への変位可能量を犠牲にすることなく、スタイラスの支持安定性を向上させることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の加振型接触検出センサにおいて、前記ホルダには、前記平行板ばねを支持するばね支持部が設けられ、前記平行板ばねは、各板ばねの一端が前記ばね支持部に支持されているとともに、前記加振型接触検出手段は、前記平行板ばねの各板ばねの他端に支持されていることを特徴とするものである。
この発明によれば、平行板ばねにおける複数の板ばねの各一端がばね支持部によって支持され、各他端が加振型接触検出手段を支持する構造であるから、板ばねを弾性変形させるために必要な応力、つまり、加振型接触検出手段をスタイラスの軸方向へ変位させるために必要な力が小さくて済む。このため、剛性の低い、たとえば通常のものより細いスタイラスを使用し、当該スタイラスの軸方向に力が加えられたとしても、小さな力で平行板ばねが弾性変形可能であるから、加振型接触検出手段をスタイラスの軸方向に変位させて逃がすことができる。これにより、スタイラスに過度の力がかかることによるスタイラスの損傷を防止することが出来る。

請求項４に記載の発明は、請求項２または請求項３に記載の加振型接触検出センサにおいて、前記平行板ばねは、前記ばね支持部と同一材質により一体に形成されていることを特徴とするものである。
この発明によれば、ホルダのばね支持部と板ばね（平行板ばね）とを同一部材から、たとえば削り出しによって製作できるため、ばね支持部と板ばねの接続部の肉厚をばね支持部から板ばねにかけて徐々に薄くしていく（あるいは、ばね支持部と板ばねとでなす隅部にＲをつける）等することで、ばね支持部と板ばねとの接続部分の強化を容易に図ることができる。
また、ばね支持部および平行板ばねを一体に形成しているので、両者を締結する締結手段が不要となって軽量化が図れる。
さらに、ホルダおよび加振型接触検出手段の全体の形状寸法が小さい場合には、前述の締結手段を用いることが困難となるが、ばね支持部および平行板ばねが一体形成される構造であることにより、製造が容易となる。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の加振型接触検出センサにおいて、前記平行板ばねの材質のヤング率は、３００００Ｎ／ｍｍ^２〜１１００００Ｎ／ｍｍ^２であることを特徴とするものである。
この発明によれば、板ばねの材質として、ばね用ステンレス、ばね用りん青銅、ばね用洋白、ベリリウム銅などの弾性能力の高いものが使用できるので、加振型接触検出手段の加振手段による常時加振や、スタイラスと被測定物との相対移動のオーバーラン（オーバートラベル）が繰り返し発生しても、板ばねの劣化を防止でき、加振型接触検出センサの長寿命化が期待できる。
また、ヤング率が３００００Ｎ／ｍｍ^２以上の材質を板ばねに採用すれば、平行板ばねの共振周波数および剛性が、通常の外乱（本発明の加振型接触検出センサを、たとえば測定機に装着した場合には、当該加振型接触検出センサを移動させる際に生じる振動等）の影響を大きく受けずに済む。
一方、ヤング率が１１００００Ｎ／ｍｍ^２以下の材質を板ばねに採用すれば、スタイラスの軸方向への変位（逃げ）を十分に許容できるようになる。

請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の加振型接触検出センサにおいて、前記加振手段および前記検出手段の各々は、圧電素子、磁歪素子、形状記憶素子の何れかにより構成されていることを特徴とするものである。
この発明によれば、入手、製造共容易であるとともに、経年変化が少なくて長寿命化が可能で、かつ安価で小型な加振手段および検出手段を構成することが出来る。

請求項７の発明は、請求項１に記載の加振型接触検出センサにおいて、前記スタイラスは、その軸方向に外力が加わったときに、弾性変形して湾曲することで、前記外力を許容することを特徴とするものである。
この発明によれば、スタイラスの接触部が被測定物に軸方向に相対的に押込まれるような、いわゆる過大なオーバーランが生じた場合において、スタイラスを弾性変形の範囲で湾曲させることによって、オーバーラン量（つまり、軸方向の押込み量）を許容することが可能となり、スタイラスの塑性変形や折損といった損傷を防止することが出来る。特にスタイラス径に比べてスタイラス長さが長い、いわゆるアスペクト比の大きなスタイラスの場合において、特に顕著な効果がある。

請求項８の発明は、請求項７に記載の加振型接触検出センサにおいて、前記スタイラスには、部分的に剛性が異なる部分が設けられ、これにより、前記スタイラスが、一定の方向へ湾曲しやすく形成されていることを特徴とするものである。
この発明によれば、スタイラスに部分的に剛性が異なる部分を設けることで、スタイラスを一定の方向へ湾曲しやすくなるように形成しているので、スタイラスの軸方向において過大な外力がかかった場合、スタイラスが一定の方向へ容易に湾曲して、外力を許容できるようになり、スタイラスの塑性変形や折損などによる損傷を防止することが出来る。

請求項９の発明は、請求項８に記載の加振型接触検出センサにおいて、前記スタイラスの軸方向剛性はこの軸の直交面内において、軸を中心とした一定角度領域の剛性を低下させることにより、前記スタイラスに対してこの軸方向に力が加えられた場合に、前記スタイラスは前記一定角度方向へ湾曲することを特徴とするものである。
この発明によれば、スタイラスが軸方向において被測定物に過大に押込まれた場合、すなわち、スタイラスの軸方向において過大な力がかかった場合、スタイラスの軸に直交する面内の特定角度領域の剛性が低くされているため、その方向にスタイラスの湾曲が容易に発生して、オーバーラン量を許容することが容易となり、スタイラスの塑性変形や折損などによる損傷を防止することが出来る。

請求項１０の発明は、請求項７に記載の加振型接触検出センサにおいて、当該加振型接触検出センサを、前記ホルダを介して、所定方向へ移動可能な移動部材に装着した場合、前記スタイラスの軸方向は、前記移動部材の移動方向に対して、傾斜して配置されていることを特徴とするものである。
この発明によれば、ホルダを介して加振型接触検出センサを、移動部材、例えば三次元測定機のＺ軸スピンドルへ取り付けた場合において、この三次元測定機のＺ軸とスタイラスの軸との間に若干の傾斜を持たせておくことにより、スタイラスがＺ軸方向へ被測定物に対して過大に押込まれた場合に、スタイラスにかかる力の成分はスタイラスの軸に対して傾斜しているため、スタイラスの湾曲が容易に発生してオーバーラン量を許容することが容易となり、スタイラスの塑性変形や折損などによる損傷を防止することが出来る。

請求項１１の発明は、請求項７に記載の加振型接触検出センサにおいて、前記スタイラスの中心軸上には、前記接触部における前記被測定物との接触点が配置されないことを特徴とするものである。
この発明によれば、スタイラスの中心軸上には、接触部の被測定物との接触点が配置されないから、接触部の接触点が被測定物に接触した場合、外力が、スタイラスの軸方向からオフセットされた方向にかかることとなり、スタイラスが湾曲（弾性変形）しやすくなる。従って、スタイラスと被測定物との相対移動にオーバーランが生じても、オーバーランをスタイラスの湾曲変形によって許容することができるから、スタイラスの塑性変形や折損等を防止することができる。

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には、本発明の第１実施形態に係る加振型接触検出センサ１が示されている。この加振型接触検出センサ１は、ベリリウム銅から形成されたホルダ１０と、スタイラス２０と、固体素子としての圧電素子３０とを備えている。ここで、スタイラス２０と圧電素子３０は加振型接触検出手段を構成している。
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の先端の間に配置された平行板ばねとしての平行板ばね部１４とを備えている。
平行板ばね部（圧電素子支持部）１４は、スタイラス２０の軸方向と略直交する方向に沿って配列されかつ各々がスタイラス２０の軸方向へ弾性変形可能な一対の板ばね１４１から構成されている。これら一対の板ばね１４１の両端は、ばね支持部１３を介して、それぞれ一対の腕部１２の先端で支持されている。また、各板ばね１４１の略中央では、スタイラス２０および圧電素子３０からなる加振型接触検出手段を支持している。
ここで、ホルダ１０を構成する固定部１１、一対の腕部１２、ばね支持部１３、および平行板ばね部１４は、一体に形成されている。

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が設けられているとともに、後端側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。

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、平行板ばね部（圧電素子支持部）１４の一対の板ばね１４１に跨った状態で、接着、はんだ付け等により平行板ばね部１４に装着されている。圧電素子３０の平行板ばね部１４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つ電極３１Ａ，３２Ａが形成されている。

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。

このような圧電素子３０上面には、スタイラス２０が接着、はんだ付け等により装着されており、平行板ばね部１４とスタイラス２０とが互いに非接触の状態、つまりホルダ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加振型接触検出センサ１が構成されている。
また、スタイラス２０は、２つの電極３１Ａ，３２Ａ間に位置しており、かつ、その重心位置が圧電素子３０の略中心上に位置している。

加振手段３１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が直接圧電素子３０に装着されているため、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。

このような構成を備えた加振型接触検出センサ１は、三次元測定機等の接触式タッチトリガ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、被測定物と加振型接触検出センサ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。

このような加振型接触検出センサ１を、たとえば、三次元測定機等のＺ軸方向へ移動可能な移動部材としてのＺ軸スライダに取り付けた場合について、以下に説明する。
スタイラス２０の軸方向がＺ軸方向に略沿った状態で、加振型接触検出センサ１をＺ軸スライダに取付け、この後に、Ｚ軸スライダをＺ軸方向へ移動させて、被測定物に略垂直にスタイラス２０を接触させれば、Ｚ軸方向の座標を測定することが可能であるが、この場合、スタイラス２０の接触部２１が被測定物に接触した瞬間にＺ軸スライダを停止させる必要がある。
ところが、実際には、Ｚ軸スライダには一定の慣性があることと、制御遅れのため、余程の低速でスタイラス２０を移動させない限り、接触部２１が接触した瞬間にＺ軸スライダを停止させることは困難である。具体的には、数ｍｍ／ｓ程度の速度でＺ軸スライダを移動させてスタイラス２０を被測定物に接触させた場合、数μｍ程度のオーバーラン（オーバートラベル）が発生する。
この時、スタイラス２０は軸方向にオーバーラン量だけ被測定物に押込まれることになり、スタイラス２０の形状、材質によっては塑性変形や折損等の損傷の原因となる。

図２（Ａ）において、図示しない三次元測定機のＺ軸スライダに取り付けられた加振型接触検出センサ１をＺ軸方向（図の下方向）へ移動させて、図２（Ｂ）に示すように、スタイラス２０の接触部２１を被測定物表面に接触させると、スタイラス２０および圧電素子３０からなる加振型接触検出手段は、平行板ばね部１４によって支持されているため、スタイラス２０が被測定物に押込まれることによって、スタイラス２０の軸方向に加えられた力が平行板ばね部１４に作用して平行板ばね部１４を弾性変形させる。これにより、スタイラス２０および圧電素子３０からなる加振型接触検出手段を、ホルダ１０に対して図中上方向へ変位させることができるようになる。
この結果、スタイラス２０の軸方向に無理な力が加わることを防止でき、スタイラス２０と被測定物との相対移動でオーバーラン（オーバートラベル）が発生してもスタイラス２０の塑性変形や折損などによる損傷を防止することが出来る。

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）検出手段３２に直接スタイラス２０を装着し、圧電素子３０の加振手段３１および検出手段３２のうち、少なくとも加振手段３１をホルダ１０の平行板ばね部１４に装着することで、ホルダ１０とスタイラス２０とを互いに非接触の状態で加振型接触検出センサ１を構成している。なお、本実施形態では、圧電素子３０の加振手段３１および検出手段３２の両方をホルダ１０の平行板ばね部１４に装着している。
ホルダ１０の平行板ばね部１４とスタイラス２０とが互いに非接触の状態にあるため、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。従って、スタイラス２０の接触部２１と被測定物との接触に際して生じるスタイラス２０の状態変化を高感度にできるので、被測定物との接触を高感度に検出できる。

（２）スタイラス２０の振動および状態変化は、ホルダ１０の平行板ばね部１４によって減衰される割合が少ないので、たとえば振動の減衰が顕著なスタイラス、アスペクト比が大きいスタイラスや、軟質材料から形成されたスタイラス等を加振型接触検出センサ１に用いたとしてもスタイラスの振動および状態変化を確実に検出できる。従って、測定機の種類や測定対象の種類に合わせて様々な形状や材質のスタイラスを用いることで、加振型接触検出センサ１の使用範囲を広めることができる。

（３）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。従って、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。

（４）加振手段３１および検出手段３２は二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を設ければ加振型接触検出センサ１に加振手段３１および検出手段３２を設けることができ、安価且つ小型に構成できる。

（５）スタイラス２０および圧電素子３０からなる加振型接触検出手段は、平行板ばね部１４によって支持されているため、スタイラス２０が被測定物に押込まれたことによって、スタイラス２０に加えられた力が平行板ばね部１４に作用して平行板ばね部１４を変形させる。従って、スタイラス２０に無理な力が加わることを防止でき、その結果、オーバーランが発生してもスタイラス２０の塑性変形や折損などによる損傷を防止することが出来る。

［第２実施形態］
図３および図４には、本発明の第２実施形態に係る加振型接触検出センサ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、圧電素子へのスタイラスの装着位置が異なるのみで、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。
スタイラス２０は、圧電素子３０の平行板ばね部１４への装着面に装着されている。ここで、ホルダ１０の平行板ばね部１４の各板ばね１４１には、スタイラス２０の軸方向へ沿う溝部１３Ｂが切り欠いて形成されている。圧電素子３０は、図４にも示すように、この溝部１３Ｂを跨いだ状態で平行板ばね部１４に装着されており、スタイラス２０は、圧電素子３０と溝部１３Ｂとで形成される空間内に配置されている。ここにおいて、ホルダ１０の平行板ばね部１４とスタイラス２０とが互いに非接触の状態とされ、かつスタイラス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とされている。

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）〜（５）に加えて、次のような効果がある。
（６）ホルダ１０の平行板ばね部１４には、スタイラス２０の軸方向へ沿う溝部１３Ｂが形成されるとともに、この溝部１３Ｂには、圧電素子３０の加振手段３１および検出手段３２のうちの少なくとも加振手段３１が跨って設けられ、スタイラス２０は、加振手段３１および検出手段３２のうちの少なくとも検出手段３２に装着され、かつ、溝部１３Ｂと加振手段３１とで形成される空間内に配置されている。
具体的に、本実施形態では、溝部１３Ｂに圧電素子３０が跨って設けられ、スタイラス２０は、加振手段３１および検出手段３２に装着され、かつ、溝部１３Ｂと圧電素子３０とで形成される空間内に配置されている。従って、加振型接触検出センサ２において、スタイラス２０をホルダ１０の平行板ばね部１４と加振手段３１（圧電素子３０）とで挟み込んだ状態で設けても、ホルダ１０とスタイラス２０とを互いに非接触の状態で構成できる。

［第３実施形態］
図５には、本発明の第３実施形態に係る加振型接触検出センサ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、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。

加振型接触検出センサ３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、互いに平行板ばね部１４を挟み込んだ状態で、かつ一対の板ばね１４１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の平行板ばね部１４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。

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の平行板ばね部１４から検出手段３２へ、検出手段３２からスタイラス２０へと加振振動が伝播し、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。

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）〜（３），（５）に加えて、次のような効果がある。
（７）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。

［第４実施形態］
図６には、本発明の第４実施形態に係る加振型接触検出センサ４が示されており、この加振型接触検出センサ４は、第１実施形態の加振型接触検出センサ１と、平行板ばね部が３つの板ばねから構成されている点、平行板ばね部を構成する３つの板ばねの各一端がばね支持部を介して一本の腕部で支持されている点、スタイラスが直接平行板ばね部に装着されている点において異なる。
本実施形態のホルダ１０では、固定部１１から延びた一本の腕部１２の先端に、ばね支持部１３を介して平行板ばね部１４が一体に設けられている。この平行板ばね部１４は、スタイラス２０の軸方向と略直交する方向に沿って配列されかつ各々がスタイラス２０の軸方向へ弾性変形可能な３つの板ばね１４１から構成されている。

平行板ばね部１４の図６中上部には、スタイラス２０が直接装着され、図６中下部には、加振手段３１および検出手段３２を構成する圧電素子３０が直接装着されている。なお、加振手段および検出手段を構成するものとしては、１つの圧電素子３０に限らず、第３実施形態における加振用圧電素子４１および検出用圧電素子４２等を用いてもよい。また、スタイラスは、圧電素子３０を介して、平行板ばね部１４に間接的に装着されたものであってもよい。
平行板ばね部１４の３つの板ばね１４１によるスタイラス２０の支持部位は、スタイラス２０の軸方向振動における節２０Ａ、および、この振動の節２０Ａをはさんで略等距離ｄだけスタイラス２０の軸方向に離隔した一対の点２０Ｂ，２０Ｃの計３個所としている。
このような構成では、加振手段３１は平行板ばね部１４を加振し、その結果スタイラス２０が加振される。スタイラス２０の接触部２１が被測定物に接触してスタイラス２０の振動状態が変化すると、この状態変化は、平行板ばね部１４を経由して検出手段３２に伝えられる。

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（４），（５）に加えて、次のような効果がある。
（８）すなわち、平行板ばね部１４によってスタイラス２０を支持するようにし、更にスタイラス２０の支持部位を節２０Ａおよび節２０Ａを挟んで軸方向に略等距離離隔した一対の点２０Ｂ，２０Ｃの３個所にしたので、確実な支持が行える上、振動の減衰を軽減することが出来る。又、スタイラス２０が被測定物に対してオーバーランした場合でも、平行板ばね部１４においてオーバーラン量に応じた変形によってオーバーラン量を許容できるので、スタイラス２０に対して無理な力がかからず、スタイラス２０の塑性変形や折損などによる損傷を防ぐことが出来る。

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、改良は、本発明に含まれるものである。
たとえば、第２実施形態において、溝部１３Ｂは、ホルダ１０の平行板ばね部１４に切り欠いて形成されているが、これに限らず、図７の第１変形例に示すような溝部１３Ｃであってもよい。
具体的に、図７（Ａ）に示すように、平行板ばね部１４の各板ばね１４１には、その長手方向へ沿って所定間隔をあけて一対の突部１３Ｄが形成され、これら一対の突部１３Ｄ間に溝部１３Ｃが形成されている。圧電素子３０は、一対の平行板ばね部１４に形成された計４つの突部１３Ｄに跨って設けられ、スタイラス２０は、圧電素子３０と溝部１３Ｃとで形成される空間内に配置されている。これにより、突部１３Ｄを設けることで形成された溝部１３Ｃであっても、図７（Ｂ）にも示すように、平行板ばね部１４とスタイラス２０とを互いに非接触の状態に、つまりホルダ１０とスタイラス２０とを互いに非接触の状態にできる。

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、本発明の加振型接触検出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、たとえば小穴測定機に用いた場合には、図８（Ａ）の第２変形例に示すような円盤状の接触部２１Ａとすればよく、表面性状測定機に用いた場合には、図８（Ｂ）の第３変形例に示すような針状の接触部２１Ｂや、図８（Ｃ）の第４変形例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。

前記第１〜第３実施形態では、ホルダ１０の平行板ばね部１４は、その両端が一対の腕部１２に支持される構造となっているが、これに限らず、たとえば図９の第５変形例に示すように、一本の腕部１２で平行板ばね部１４の一端を支持する構造の加振型接触検出センサ４であってもよい。
また、平行板ばね部の板ばね、２個あるいは３個の場合を示したが、４個以上としても良い。

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、これに限らず、磁歪素子、形状記憶素子等の固体素子であってもよい。

更に、スタイラスとしては、図１０の第６変形例に示すような軸非対象の形状を有するスタイラス５０とし、スタイラス５０の軸方向剛性がこの軸の直交面内において、軸を中心とした一定角度領域の剛性が低下する形状とすることにより、スタイラス５０に対してこの軸方向に力が加えられた場合に、スタイラス５０が一定角度方向へ湾曲しやすい構造としても良い。
すなわち、図１０（Ａ）のスタイラス５０に対して、オーバーランなどによって、その軸方向に過度な力が加わった場合、同図（Ｂ）のようにスタイラス５０は弾性変形して一定角度方向へ湾曲し、これにより、軸方向の過度な力を許容できるようになる。
この場合、スタイラス５０の軸の直交面内において、軸を中心とした一定角度領域（同図（Ｂ）の右方向）の剛性を低下させてあるが、スタイラス５０の軸の直交面内における、軸を中心とした全周囲に渡る質量は一定となる形状としている。これにより、軸方向に加振した場合でも、振動の偏りがなく、軸方向にのみ振動させることが出来るようにしている。
なお、部分的に剛性が異なる部分が設けられたスタイラスとしては、スタイラス軸方向の略全てに渡って軸非対称形状を有するスタイラス５０に限らず、スタイラス軸方向に渡って部分的に軸非対称形状を有するスタイラスであってもよく、要するに、一定の方向へ湾曲（弾性変形）しやすくなるように形成されたものであればよい。

また、スタイラスとしては、図１１の第７変形例に示すようなスタイラス６０であってもよい。
このスタイラス６０は、図１１（Ａ）にしめすように、スタイラス６０の中心軸Ｃ上に、接触部２１の被測定物と接触する接触点Ｐが配置されないように構成されている。
このような構成において、図１１（Ａ）のスタイラス６０が下降して、接触部２１の接触点Ｐが被測定物に接触した場合（図１１（Ｂ）の状態）、外力が、スタイラス６０の軸方向からオフセットされた方向にかかることとなり、スタイラス６０が湾曲（弾性変形）しやすくなる。従って、スタイラス６０と被測定物との相対移動にオーバーランが生じても、オーバーランをスタイラス６０の湾曲変形によって許容することができるから、スタイラス６０の塑性変形や折損等を防止することができる。
なお、このようなスタイラス６０においても、上述したスタイラス５０と同様に、カウンタバランスを必要に応じて設ける等して、軸を中心とした全周囲に渡る質量は一定となる形状としている。これにより、軸方向に加振した場合でも、振動の偏りがなく、軸方向にのみ振動させることが出来るようにしている。
また、上述したようなスタイラス５０，６０を加振型接触検出センサに採用した場合には、スタイラス自身の弾性変形によって、軸方向にかかる外力を許容できるので、平行板ばねを介してホルダに装着しなくともよく、比較的剛性のある支持部を介してホルダに装着しても良い。

さらに、本発明の加振型接触検出センサを、ホルダを介してたとえば、Ｚ軸方向へ移動可能な測定機のＺ軸スライダ等の移動部材へ装着する場合、スタイラスをＺ軸方向に対して、その軸方向がわずかに傾斜するように取り付けても良い。これによって、スタイラスがＺ軸方向へ被測定物に対して過大に押込まれた場合に、スタイラスにかかる力の成分はスタイラスの軸に対してわずかに傾斜しているため、スタイラスの湾曲が容易に発生してオーバーラン量を吸収（許容）することが容易となり、スタイラスの塑性変形や折損などのよる損傷を防止することが出来る。

第１および第２実施形態において、ホルダ１０の平行板ばね部１４には加振手段３１および検出手段３２（圧電素子３０）が装着され、スタイラス２０にも加振手段３１および検出手段３２が装着されており、第３実施形態において、ホルダ１０の平行板ばね部１４には加振手段３１（圧電素子４１）および検出手段３２（圧電素子４２）が装着され、スタイラス２０には検出手段３２のみが装着されているが、これに限らず、たとえば、ホルダに加振手段を装着し、この加振手段に検出手段を装着し、この検出手段にスタイラスを装着した加振型接触検出センサであってもよい。要するに、ホルダに加振手段および検出手段のうちの少なくとも加振手段が装着され、スタイラスに加振手段および検出手段のうちの少なくとも検出手段が装着され、ホルダとスタイラスとが互いに非接触な構成になっている加振型接触検出センサであればよい。

本発明は、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利用することができる。

本発明の第１実施形態に係る加振型接触検出センサを示す分解斜視図である。 前記第１実施形態における作用を説明するための模式図である。 本発明の第２実施形態に係る加振型接触検出センサを示す全体斜視図である。 図３のIII−III線に沿った端面図である。 本発明の第３実施形態に係る加振型接触検出センサを示す分解斜視図である。 本発明の第４実施形態に係る加振型接触検出センサを示す分解斜視図である。 本発明の第１変形例を示す図である。 本発明の第２〜第４変形例の要部を拡大して示す斜視図である。 本発明の第５変形例を示す斜視図である。 本発明の第６変形例を示す模式図である。 本発明の第７変形例を示す模式図である。 従来例を説明するための図である。

符号の説明

１，２，３，４ 加振型接触検出センサ
１０ ホルダ
１３Ｂ 溝部
１３ ばね支持部
１４ 平行板ばね
２０，５０，６０ スタイラス
２１，２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ 接触部
３１ 加振手段
３２ 検出手段
３０，４１，４２ 固体素子である圧電素子
１４１ 板ばね

Claims (11)

1. 略柱状に形成されかつ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、このスタイラスを軸方向に直接的もしくは間接的に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加振型接触検出手段と、
   ホルダとを備えた加振型接触検出センサであって、
   前記ホルダには、複数の板ばねを含んで構成される平行板ばねが設けられるとともに、
   前記加振型接触検出手段の前記加振手段および検出手段のうちの少なくとも加振手段が前記平行板ばねに支持され、
   前記スタイラスは、その軸方向が前記平行板ばねの弾性変形可能な方向に略沿う状態で配置され、かつ、当該スタイラスの振動の節をはさんで前記スタイラスの軸方向に沿って略等距離離隔した少なくとも一対の点において、または、前記少なくとも一対の点および前記節において、前記加振手段および検出手段のうちの少なくとも検出手段により支持され、
   前記平行板ばねと前記スタイラスとが互いに非接触な構成とされ、
   前記平行板ばねは、前記スタイラスの軸方向振動を許容しつつ、前記スタイラスが被測定物に接触して前記スタイラスに対して軸方向の力がかかった際に弾性変形して前記加振型接触検出手段を前記スタイラスの軸方向へ変位させることを特徴とする加振型接触検出センサ。
2. 請求項１に記載の加振型接触検出センサにおいて、
   前記ホルダには、前記平行板ばねを支持するばね支持部が設けられ、
   前記平行板ばねは、各板ばねの両端が前記ばね支持部に支持されているとともに、
   前記加振手段は、前記平行板ばねの各板ばねの略中央で支持されていることを特徴とする加振型接触検出センサ。
3. 請求項１に記載の加振型接触検出センサにおいて、
   前記ホルダには、前記平行板ばねを支持するばね支持部が設けられ、
   前記平行板ばねは、各板ばねの一端が前記ばね支持部に支持されているとともに、
   前記加振手段は、前記平行板ばねの各板ばねの他端に支持されていることを特徴とする加振型接触検出センサ。
4. 請求項２または請求項３に記載の加振型接触検出センサにおいて、
   前記平行板ばねは、前記ばね支持部と同一材質により一体に形成されていることを特徴とする加振型接触検出センサ。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の加振型接触検出センサにおいて、
   前記平行板ばねの材質のヤング率は、３００００Ｎ／ｍｍ^２〜１１００００Ｎ／ｍｍ^２であることを特徴とする加振型接触検出センサ。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の加振型接触検出センサにおいて、
   前記加振手段および前記検出手段の各々は、圧電素子、磁歪素子、形状記憶素子の何れかにより構成されていることを特徴とする加振型接触検出センサ。
7. 請求項１に記載の加振型接触検出センサにおいて、
   前記スタイラスは、その軸方向に外力が加わったときに、弾性変形して湾曲することで、前記外力を許容することを特徴とする加振型接触検出センサ。
8. 請求項７に記載の加振型接触検出センサにおいて、
   前記スタイラスには、部分的に剛性が異なる部分が設けられ、これにより、前記スタイラスが、一定の方向へ湾曲しやすく形成されていることを特徴とする加振型接触検出センサ。
9. 請求項８に記載の加振型接触検出センサにおいて、
   前記スタイラスの軸方向剛性はこの軸の直交面内において、軸を中心とした一定角度領域の剛性を低下させることにより、前記スタイラスに対してこの軸方向に力が加えられた場合に、前記スタイラスは前記一定角度方向へ湾曲することを特徴とする加振型接触検出センサ。
10. 請求項７に記載の加振型接触検出センサにおいて、
    当該加振型接触検出センサを、前記ホルダを介して、所定方向へ移動可能な移動部材に装着した場合、前記スタイラスの軸方向は、前記移動部材の移動方向に対して、傾斜して配置されていることを特徴とする加振型接触検出センサ。
11. 請求項７に記載の加振型接触検出センサにおいて、
    前記スタイラスの中心軸上には、前記接触部における前記被測定物との接触点が配置されないことを特徴とする加振型接触検出センサ。

Images