JPH10253310A - 接触型変位測定器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ワークの大小にかかわらず、常に一定の測定
圧になる接触型変位測定装置の実現。 【解決手段】 固定台１１と、被測定物１０１、１０２
の表面に接触する測子１４を有する変位部材１３と、変
位部材１３を固定台１１に対して移動可能に支持する支
持機構１２ａ、１２ｂと、変位部材１３の変位を検出す
るための変位検出機構１５とを備え、変位部材の移動に
応じて測子１４の被測定物の表面との接触圧が変化する
接触型変位測定器において、固定台１１と変位部材の間
に設けられ、固定台と変位部材を、変位部材の移動方向
に対して略垂直方向に押し広げるように働く圧縮バネ１
６と、圧縮バネ１６を固定台１１と変位部材１３に対し
て回転自在に保持するバネ保持機構１７とを備え、接触
圧の変化が、圧縮バネ１６のバネ圧の変位部材１３の移
動方向の成分で相殺されるように設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、測子が被測定物
（ワーク）の表面に接触し、表面位置に応じて変化する
測子の変位を検出することによりワークの表面位置を測
定する電気マイクロメータなどの接触型変位測定器に関
し、特にセット位置を変えずに表面位置の異なるワーク
を測定する場合も、測子のワーク表面に対する接触圧が
変化しない接触型変位測定器に関する。

【０００２】

【従来の技術】ワークの表面位置を測定する装置として
電気マイクロメータなどの装置が広く使用されている
が、このような電気マイクロメータを２個組み合わせる
ことによりワークの寸法を測定することができる。この
ようなワークの寸法を測定する装置を使用して、加工中
のワークの寸法を測定し、その検出値に応じて加工動作
を制御することにより、高精度の加工を行うことが行わ
れており、このような目的で使用される寸法測定装置を
自動定寸装置と呼んでいる。

【０００３】電気マイクロメータなどで表面位置又は寸
法を測定する場合、測子を所定の圧力でワークの表面に
接触させる必要がある。この接触圧を測定圧と呼んでい
る。一般に、非常に精密な測定を行う場合には、測定圧
を小さくしてワークを移動させる速度を小さくして測定
を行うが、上記のような加工中のワークの寸法を測定す
る自動定寸装置などでは、ワークが加工のために高速で
回転している上、切削油が供給されるため、ある程度の
測定圧が必要である。

【０００４】電気マイクロメータなどの接触型変位測定
器では、ワークの表面に接触する測子が設けられる変位
部材が、接触位置に応じて変位するようになっており、
その変位部材の位置を検出するようにしている。例えば
電気マイクロメータでは、一端に測子が設けられ、他端
に鉄心が設けられたアームを、支点の回りに回転自在に
支持し、測子の位置に応じてアームが回転して鉄心の位
置が変化し、その位置変化を差動トランスで検出してい
る。このようなアームが支点の回りを回転できる機構で
は、使用に従って支点部が磨耗するという問題がある。
このような問題を防止するため、板バネで弾性支点を形
成する機構が使用されている。

【０００５】図１は、板バネで弾性支点を形成した接触
型変位測定装置の基本構成を示す図である。図１に示す
ように、固定台１１に２枚の板バネ１２ａと１２ｂが平
行に取り付けられている。板バネ１２ａと１２ｂの他の
端は、変位部材１３に取り付けられている。このような
機構により、変位部材１３は固定台１１に対する姿勢を
維持したまま変位できる。変位部材１３にはワーク１０
０の表面に接触する測子１４と鉄心１５が設けられてお
り、ワーク１００の表面位置に応じて測子１３が変位
し、それに応じて変位部材１３と鉄心１５が変位する。
鉄心１５の回りには、差動トランスのボビン２１が設け
られており、鉄心１５の変位が検出できるようになって
いる。差動トランスについては広く知られているので、
ここでは差動トランスについての説明は省略する。上記
の定寸装置では、このような機構が２組設けられてお
り、ワークの径に相当する部分に２個の測子が接触する
ようになっている。

【０００６】図２は、図１に示した機構で測子１４が変
位した時の様子を示す図であり、（１）はワーク１０１
の径が小さく、測子１４が変位範囲の一方の端（下限）
付近にある場合を示し、（２）はワーク１０２の径が大
きく、測子１４が上側大きく変位した場合を示す。参照
番号１０は固定台１１が取付けられるベースを示す。こ
の機構では、板バネ１２ａと１２ｂが弾性支点を形成す
るため、図２の（２）の場合は、板バネ１２ａと１２ｂ
によるバネの力が下方向に働き、測定圧が図２の（１）
の場合に比べて大きくなる。変位部材の自重のみが測定
圧になる場合を除いて、変位部材に何らかのバネ機構が
接続されている場合には、このような変位に応じた測定
圧の変化が生じる。図３はそのような機構の他の例を示
す図であり、測子がワークの下側に接触する場合の機構
を示しており、（１）はワーク１０１の径が小さく、測
子５５が変位範囲の一方の端（上限）付近にある場合を
示し、（２）はワーク１０２の径が大きく、測子５５が
下側に大きく変位した場合を示す。図３の機構では、ベ
ース５０に設けられた摺動軸５１に、変位部材５４に設
けられた摺動部材５２ａと５２ｂが嵌め合わされ、変位
部材５４が摺動軸５１、すなわち、ベース５０に対して
移動可能になっている。変位部材５４は、ベース５０か
ら引張バネ５３で吊り下げられており、所定の変位範囲
では上側に測定圧が生じるようになっている。図３の機
構は、上記の摺動部の磨耗という問題がある。また、図
３の機構は、図２の場合と同様に、変位に応じて測定圧
が変化する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、接触型
変位測定装置では、変位部材の自重のみが測定圧になる
場合以外の、変位部材に何らかのバネ機構が接続されて
いる場合には、変位に応じて測定圧が変化する。ワーク
の硬度が十分に高く測定圧の変化が問題にならない場合
もあるが、ワークが柔らかい材質である場合には、測定
圧が大きくなると変形や傷等の問題が発生し、正確な測
定ができない。また、一般的に、高精度の測定を行うた
めには、常時一定の測定圧であることが望ましい。もち
ろん、ワークの表面位置を測定するだけであれば表面位
置に応じて測定装置の位置を調整することも可能である
が、寸法を測定する場合は不可能である。しかも、測定
するワークが異なる度にそのような調整を行うのは煩雑
で、生産工程で使用される定寸装置の場合にはそのよう
な設定を行うために、生産工程を一時停止する必要があ
り、コストアップを招くという問題があった。そのた
め、ワークの大小にかかわらず、常に一定の測定圧にな
る接触型変位測定装置が要望されていた。

【０００８】本発明はこのような要望を実現するための
もので、ワークの大小にかかわらず、常に一定の測定圧
になる接触型変位測定装置の実現を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】図４は、図１及び図２に
示した板バネで弾性支点を形成する構成に本発明を適用
した時の基本構成を示す図であり、図５は本発明の原理
を説明する図である。図４に示すように、板バネで弾性
支点を形成する構成に本発明を適用した接触型変位測定
装置では、上記目的を実現するため、固定台１１と変位
部材１３の間に板バネ１２ａと１２ｂに平行に圧縮バネ
１６を設け、この圧縮バネ１６をバネ保持機構１７によ
り固定台１１と変位部材１３に対して回転自在に保持す
る。

【００１０】すなわち、本発明の接触型変位測定装置
は、固定台１１と、被測定物１０１、１０２の表面に接
触する測子１４を有する変位部材１３と、変位部材１３
を固定台１０に対して移動可能に支持し、変位部材１３
の移動に応じて測子１４の被測定物１０１、１０２の表
面との接触圧が変化するように支持する支持機構と、変
位部材１３の変位を検出するための変位検出機構１５と
を備える接触型変位測定器において、固定台１１と変位
部材１３の間に設けられ、固定台１１と変位部材１３
を、変位部材１３の移動方向に対して略垂直方向に押し
広げるように働く圧縮バネ１６と、圧縮バネ１６を、固
定台１１と変位部材１３に対して回転自在に保持するバ
ネ保持機構１７とを備え、変位部材１３の移動に応じた
測子１４の被測定物１０１、１０２の表面との接触圧の
変化が、圧縮バネ１６のバネ圧の変位部材１３の移動方
向の成分で相殺されるように設定されていることを特徴
とする。

【００１１】図４の（１）に示すように、板バネ１２ａ
と１２ｂが上下どちらにも変位しておらず、圧縮バネ１
６のバネ力が板バネ１２ａと１２ｂと平行である場合に
は、図５の（１）に示すように、圧縮バネ１６は変位部
材１３を板バネ１２ａと１２ｂと平行な方向（ここでは
水平方向）に押し、圧縮バネ１６のバネ力は板バネ１２
ａと１２ｂに垂直な方向には働かない。圧縮バネ１６の
板バネ１２ａと１２ｂと平行な方向のバネ力は、板バネ
１２ａと１２ｂの延ばす方向に働くが、実際に延びるこ
とはなく、この力は実際の動作には影響しない。従っ
て、接触圧（測定圧）はほとんどゼロである。

【００１２】変位部材１３が、図４の（２）に示すよう
に、上方に変位した場合には、圧縮バネ１６はバネ保持
機構１７により固定台１０と変位部材１３に対して回転
自在に保持されているので、図４の（２）に示すように
図４の（１）の状態から若干斜めに傾く。従って、図５
の（２）に示すように、圧縮バネ１６は変位部材１３を
斜め上方に押し上げる。このバネ力をＦとし、圧縮バネ
１６の水平からの傾きをθとすると、バネ力Ｆは、垂直
方向の力Ｆｓｉｎθと水平方向の力Ｆｃｏｓθに分解で
き、Ｆｃｏｓθは板バネ１２ａと１２ｂの延ばす方向に
働くので実際にはほとんど影響せず、垂直方向の力Ｆｓ
ｉｎθのみが働く。この力Ｆｓｉｎθは、変位部材１３
を上方に移動させる力として働くので、図４の（２）の
状態で板バネ１６が変位部材１３を下方に移動させる力
と同じになるようにすれば、相互に相殺し合い、変位部
材１３を上下方向に移動させる力、すなわち測定圧はゼ
ロになる。従って、図４の（２）での測定圧は、図４の
（１）と同様にゼロであり、変位しても測定圧は変化し
ない。

【００１３】なお、ここでは測定圧がほとんどゼロとす
る例について説明したが、常時所定の測定圧になるよう
に設定することも可能である。例えば、変位部材が下限
の位置にあり、板バネが水平である時でも、圧縮バネ１
６が板バネに対して斜めになり、変位部材を下方に押す
成分が生じるようにすれば、所定の測定圧に設定でき
る。

【００１４】本発明は、図４に示したような、変位に応
じて測定圧が変化する支持機構を対象とする。前述のよ
うに、変位部材の自重のみが測定圧になる機構以外の、
変位部材にバネが接続される機構では変位に伴って測定
圧が変化するので、本発明が適用できる。従って、本発
明は、図４に示したような、固定台１１と変位部材１３
に固定された、移動方向に略垂直な平面が板面である複
数枚の平行な板バネ１２ａ、１２ｂで弾性支点を構成す
る機構や、図３に示した機構でも適用可能である。ま
た、図４に示した複数枚の平行な板バネで弾性支点を構
成し、更に引張バネ又は圧縮バネで変位部材をバイアス
するようにした機構に適用することも可能である。この
場合、複数枚の平行な板バネによる測定圧の変化を相殺
するための圧縮バネと、引張バネ又は圧縮バネによる測
定圧の変化を相殺するための圧縮バネを別々にもうけて
もよい。これにより、板バネと引張バネ又は圧縮バネに
よる測定圧の変化を精密に相殺できるようになり、板バ
ネと引張バネ又は圧縮バネの設計の自由度が増す。

【００１５】なお、変位部材１３が変位して圧縮バネ１
６が斜めになった場合、圧縮バネ１６がたわんで圧縮バ
ネ１６が変位部材１３を押す角度が所定の角度になら
ず、変位部材１３を押し上げる力が所定値にならないこ
とがある。このような問題を解決するには、バネ保持機
構１７を、固定台１１と変位部材１３に回転自在に取り
付けられ、圧縮バネ１６を収容する筒部材とし、筒部材
が固定台１１と変位部材１３に回転自在に取り付けられ
る支持点間の距離を、圧縮バネ１６の全長より短くす
る。これにより、圧縮バネのたわみが低減され、圧縮バ
ネのバネ圧が所望の方向に働き、２つのバネ力が正確に
相殺できるようになる。

【００１６】

【発明の実施の形態】図６は、本発明の第１実施例にお
ける定寸装置の検出ヘッドの機構を模式的に示す斜視図
であり、図７はこの検出ヘッドの断面図である。第１実
施例における定寸装置は、加工ラインで加工中のワーク
の寸法を測定するもので、２個の測子がワークの寸法を
測定する部分に接触し、その接触位置の差から寸法を測
定するもので、２個の測子の変位をそれぞれ独立に測定
できる２個の検出機構が１つの筐体６０内に設けられて
いる。この定寸装置は、測定する寸法部分の長さが短
く、寸法部分の両側に別の部材が存在するため、厚み方
向が非常に狭いことが要求される。参照番号６１は筐体
６０に取り付けられる固定台である。ワークの上側に接
触する測子６４を有する変位部材６３は、固定台６１に
取り付けられた板バネ６２ａと６２ｂに取り付けられて
いる。２枚の離れた板バネ６２ａと６２ｂに取り付けら
れているため、変位部材６３は図２の（２）に示すよう
に紙面内でのみ変位可能であり、ワークに対する姿勢を
保持したまま上下に変位する。このような機構のため、
摺動部分はなく、磨耗の問題は生じない。変位部材６３
には、筐体６０に固定された差動トランス９１内を変位
する鉄心６５が設けられており、鉄心６５の上下方向の
変位、すなわち測子６４の上下方向の変位が検出できる
ようになっている。

【００１７】同様に、ワークの下側に接触する測子７４
を有する変位部材７３は、固定台６１に取り付けられた
板バネ７２ａと７２ｂに取り付けられており、紙面内を
ワークに対する姿勢を保持したまま上下に変位する。変
位部材７３には、筐体６０に固定された差動トランス９
２内を変位する鉄心７５が設けられており、鉄心７５の
上下方向の変位、すなわち測子７４の上下方向の変位が
検出できるようになっている。また、変位部材７３に
は、上下方向に穴が開けられており、その中に引張バネ
８２が収容され、変位部材７３を筐体６０に引っ張り上
げている。このように変位部材７３を引張バネ８２で引
っ張り上げているのは、変位部材７３の自重のため、単
に板バネ７２ａと７２ｂで保持したのでは所定の測定圧
が得られないためであり、変位部材７３の自重の分をこ
の引張バネ８２で相殺している。ただし、変位部材７３
の自重の分を相殺するのは、変位部材７３がもっとも上
にある時であり、変位部材７３が下方に移動するに従っ
て、引張バネ８２が伸びて変位部材７３の自重より大き
な力で引っ張り上げる。そのため、この分は測定圧の変
化となって表れるので、この分の補正も行う必要があ
る。また、参照番号８３は、鉄心６５と７５が収容され
る図示していない２個の差動トランス間で磁界が相互に
影響するのを防止するための磁界遮蔽板である。

【００１８】上記のように、この定寸装置は厚み方向が
非常に狭いことが必要である。一方、板バネはねじれな
どが生じないためには、できるだけ広く２枚の板バネは
相互に離れていることが望ましい。そこで、変位部材６
３と７３は、図６に示すように、薄い平行な部分が設け
られており、板バネなどを取り付ける必要のある部分の
み広くした部材が取り付けられた構造になっている。ま
た、上記の引張バネ８２を変位部材７３の穴の内部に収
容するのも、厚みを低減するためである。厚みに余裕が
あれば、引張バネ８２を変位部材７３の外部に設けても
よい。

【００１９】圧縮バネ６６は、測子６４の測定圧が一定
になるように、板バネ６２ａと６２ｂの上下方向のバネ
圧を相殺するもので、固定台６１に回転自在に取り付け
られた筒６７と、変位部材６３に回転自在に取り付けら
れた筒６７の間に保持されている。同様に、圧縮バネ７
６は、測子７４の測定圧が一定になるように、板バネ７
２ａと７２ｂの上下方向のバネ圧を相殺するもので、固
定台６１に回転自在に取り付けられた筒７７と、変位部
材７３に回転自在に取り付けられた筒７７の間に保持さ
れている。圧縮バネ７９は、引張バネ８２による測定圧
の変化を相殺するためのもので、固定台６１に回転自在
に取り付けられた筒８０と、変位部材７３に回転自在に
取り付けられた筒８０の間に保持されている。板バネ７
２ａと７２ｂのバネ圧と引張バネ８２のバネ圧は、共に
変位部材７３に作用するが、バネ定数が異なる上、無負
荷状態の位置が異なる。そのため、板バネ７２ａと７２
ｂと引張バネ８２による測定圧の変化を１つの圧縮バネ
で操作するのは難しいので、本実施例では板バネ７２ａ
と７２ｂによる測定圧の変化と引張バネ８２による測定
圧の変化をそれぞれ別々に相殺するための圧縮バネ７６
と７９を設けている。圧縮バネ６６、７６及び７９が、
図４及び図５に示した原理で、板バネ６２ａと６２ｂに
よる測定圧の変化、板バネ７２ａと７２ｂによる測定圧
の変化及び引張バネ８２による測定圧の変化を相殺する
ので、常に一定の測定圧になる。

【００２０】図８は、第１実施例における板バネ６２ａ
と６２ｂ、及び圧縮バネ６６の設計例での相殺の様子を
示す図であり、参照番号１が変位部材６３の変位量に応
じた圧縮バネ６６が上方向に発生するバネ力の変化を示
し、２が変位部材６３の変位量に応じた板バネ６２ａと
６２ｂが上方向に発生するバネ力の変化を示し、３がそ
れらの差を示す図である。このように、本実施例の機構
を使用することにより、測定圧をほぼ一定にすることが
できる。

【００２１】図４に示した例で、変位部材１３が変位す
ると、圧縮バネ１６は図９の（１）に示すように、たわ
む状態になる。これは、圧縮バネ１６を固定台と変位部
材に取り付ける支点１８の位置が、圧縮バネ１６の両端
より外側にあるためである。このようなたわんだ状態に
なると、圧縮バネ１６の変位部材を押す力が所定の角度
方向にならず、圧縮バネ１６の力が逃げてしまって、板
バネの上下方向の力を相殺できなくなるという問題が生
じる。第２実施例では、この問題が解決される。

【００２２】図９の（２）と（３）は、第２実施例の圧
縮バネの取付け構造を示す図である。図示のように、第
２実施例では、固定台１１と変位部材１３の一部を内側
に延ばし、そこで筒１７の支持点１８’を回転自在に支
持する。筒１７には圧縮バネ１６が収容され、支持点１
８’は筒１７の途中の位置とする。これにより、２個の
筒１７の支持点１８’間の距離は圧縮バネ１６の全長よ
り短くなり、たわみが生じることがなくなる。従って、
圧縮バネ１６は変位部材１３の変位に伴って所定の角度
に傾くので、圧縮バネ１６のバネ力の上下方向の成分は
常に所定の値になり、板バネや引張バネによる上下方向
のバネ力の変化を正確に相殺できる。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ワークの大小にかかわらず、常に一定の測定圧になる接
触型変位測定装置が実現され、ワークが柔らかい材質で
ある場合でも変形や傷等の問題を発生せずに正確な測定
が行えるようになる。また、ワークの形状が変化しても
測定装置の位置を調整する必要がないため、煩雑な作業
を必要とせず、生産工程の効率を向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】板バネで弾性支点を形成した従来の接触型変位
測定装置の基本構成を示す図である。

【図２】図１に示した機構で測子が変位した時の様子を
示す図である。

【図３】変位に応じて測定圧の変化が生じる他の機構例
を示す図である。

【図４】本発明を板バネで弾性支点を形成した機構に適
用した場合の基本構成を示す図である。

【図５】本発明の原理を説明する図である。

【図６】本発明の第１実施例の定寸装置の検出ヘッドの
機構を示す斜視図である。

【図７】第１実施例の定寸装置の検出ヘッドを示す断面
図である。

【図８】第１実施例におけるバネ圧の相殺の様子を示す
グラフである。

【図９】本発明の第２実施例の圧縮バネの取付け構造を
示す図である。

【符号の説明】

１０…ベース １１…固定台 １２ａ、１２ｂ…板バネ １３…変位部材 １４…測子 １５…鉄心 １６…圧縮バネ １７…バネ保持機構（筒） １８…支点

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鬼崎 廣一 東京都三鷹市下連雀九丁目７番１号 株式 会社東京精密内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固定台（１１）と、 被測定物（１０１、１０２）の表面に接触する測子（１
   ４）を有する変位部材（１３）と、 該変位部材（１３）を前記固定台（１１）に対して移動
   可能に支持する支持機構と、 前記変位部材（１３）の変位を検出するための変位検出
   機構（１５、２１）とを備え、前記変位部材（１３）の
   移動に応じて前記測子（１４）の前記被測定物（１０
   １、１０２）の表面との接触圧が変化する接触型変位測
   定器において、 前記固定台（１１）と前記変位部材（１３）の間に設け
   られ、前記固定台（１１）と前記変位部材（１３）を、
   前記変位部材（１３）の移動方向に対して略垂直方向に
   押し広げるように働く圧縮バネ（１６）と、 前記圧縮バネ（１６）を、前記固定台（１１）と前記変
   位部材（１３）に対して回転自在に保持するバネ保持機
   構（１７）とを備え、 前記変位部材（１３）の移動に応じた前記測子（１４）
   の前記被測定物（１０１、１０２）の表面との接触圧の
   変化が、前記圧縮バネ（１６）のバネ圧の前記変位部材
   （１３）の前記移動方向の成分で相殺されるように設定
   されていることを特徴とする接触型変位測定器。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の接触型変位測定器であ
   って、 前記支持機構は、前記固定台（１１）と前記変位部材
   （１３）に固定され、前記移動方向に略垂直な平面が板
   面である複数枚の平行な板バネ（１２ａ、１２ｂ）であ
   る接触型変位測定器。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の接触型変位測定器であ
   って、 前記支持機構は、前記固定台（１１）と前記変位部材
   （１３）に固定され、前記移動方向に略垂直な平面が板
   面である複数枚の平行な板バネ（１２ａ、１２ｂ）と、
   前記固定台（１１）と前記変位部材（１３）の間に設け
   られた前記移動方向に力が働くバネ（８２）とで構成さ
   れる接触型変位測定器。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の接触型変位測定器であ
   って、 前記圧縮バネ（１６）は、前記複数枚の平行な板バネ
   （１２ａ、１２ｂ）による前記接触圧の変化を相殺する
   ための第１の圧縮バネ（７６）と、前記移動方向に力が
   働く前記バネ（８２）による前記接触圧の変化を相殺す
   るための第２の圧縮バネ（７９）を備える接触型変位測
   定器。
5. 【請求項５】 請求項１から４のいずれか１項に記載の
   接触型変位測定器であって、 前記バネ保持機構（１７）は、前記固定台（１１）と前
   記変位部材（１３）に回転自在に取り付けられ、前記圧
   縮バネ（１６）を収容する筒部材であり、該筒部材が前
   記固定台（１１）と前記変位部材（１３）に回転自在に
   取り付けられる支持点間の距離は、前記圧縮バネ（１
   ６）の全長より短い接触型変位測定器。