WO2024053571A1 - 変位検出装置 - Google Patents

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WO2024053571A1
WO2024053571A1 PCT/JP2023/032046 JP2023032046W WO2024053571A1 WO 2024053571 A1 WO2024053571 A1 WO 2024053571A1 JP 2023032046 W JP2023032046 W JP 2023032046W WO 2024053571 A1 WO2024053571 A1 WO 2024053571A1
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WO
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shaft
displacement
stylus
fulcrum
axis
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PCT/JP2023/032046
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English (en)
French (fr)
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健 尾上
英生 前島
良祐 神子
寿 満田
Original Assignee
Dmg森精機株式会社
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B3/00—Measuring instruments characterised by the use of mechanical techniques
    • G01B3/22—Feeler-pin gauges, e.g. dial gauges
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q17/00—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools
    • B23Q17/20—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring workpiece characteristics, e.g. contour, dimension, hardness
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B5/00—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques

Definitions

  • the present invention relates to a displacement detection device that detects displacement by rotation of a stylus.
  • a displacement detection device called a so-called lever gauge is known.
  • the lever gauge includes a slylus having a contact, a scale that is displaced in the axial direction in conjunction with rotation of the stylus, and a sensor that detects the displacement of the scale (see Patent Document 1).
  • the surface shape and displacement of the measurement object can be measured by converting the rotational displacement when the stylus contacts the measurement object into displacement in the axial direction of the scale.
  • a displacement detection device includes a stylus that rotates about a first fulcrum when it comes into contact with a measurement target, a shaft provided with a scale, a displacement transmission mechanism that transmits displacement of the stylus to the shaft, and a scale.
  • a sensor that detects displacement.
  • the displacement transmission mechanism includes (i) a first fulcrum provided on the axis of the shaft, and (ii) a second fulcrum located closer to the shaft than the first fulcrum and further away from the axis of the shaft. , (iii) a connecting member provided between the shaft and the stylus, and by pushing the connecting member about the first fulcrum in response to rotation of the stylus, the shaft is moved in the first direction along the axis of the shaft. By displacing the connecting member and rotating the connecting member about the second fulcrum in accordance with the rotation of the stylus, the shaft is displaced secondly in the shaft direction of the axis of the shaft.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of a displacement detection device according to an embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing the internal structure of the measuring instrument.
  • FIG. 3 is a diagram showing the internal structure of the measuring instrument.
  • 4 is a sectional view taken along the line AA in FIG. 3.
  • FIG. It is a figure showing the structure of a connection member in detail. It is a figure showing operation of a tilting mechanism.
  • FIG. 3 is a diagram showing the configuration and operation of a stylus and its surroundings.
  • FIG. 3 is a diagram schematically representing an operation conversion mechanism and a displacement amplification mechanism. It is a figure showing typically the 2nd amplification mechanism which constitutes a displacement amplification mechanism.
  • FIG. 3 is a diagram schematically representing the principle of displacement amplification.
  • FIG. 3 is a diagram showing the internal structure of the measuring instrument.
  • 4 is a sectional view taken along the line AA in FIG. 3.
  • FIG. It is a figure showing the structure of
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing differences in configuration and operation between the embodiment and a comparative example.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing differences in configuration and operation between the embodiment and a comparative example.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of an error between a measured length and an actual length.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the external appearance of a displacement detection device according to an embodiment.
  • the displacement detection device 1 includes a measuring device 3 and a processing device (not shown).
  • the processing device has a display unit that displays information detected by the measuring device 3, and is connected to the measuring device 3 via a cable (not shown).
  • the measuring instrument 3 includes a case 2 that houses an internal mechanism, a stylus 4 that has a contact portion with a measurement target, and a support member 6 that supports the stylus 4.
  • the support member 6 has an arch shape and is rotatably provided around a rotation axis L1 set with respect to the case 2. Both ends of the support member 6 are located on the rotation axis L1.
  • a stylus 4 is removably attached to the center of the tip of the support member 6.
  • the axis L2 of the stylus 4 is orthogonal to the rotation axis L1 of the support member 6. Both ends of the support member 6 are located on the side surfaces of the case 2, respectively.
  • the support member 6 is rotatable around the rotation axis L1, and is supported in an overhanging manner toward the front of the case 2.
  • a spherical contact 7 is provided at the tip of the stylus 4.
  • a power line for supplying power to the internal mechanism and a signal line (not shown) for outputting detected position information are connected to the case 2 .
  • FIG. 2 and 3 are diagrams showing the internal structure of the measuring instrument 3.
  • FIG. 2 is a perspective view
  • FIG. 3 is a plan view.
  • FIG. 4 is a sectional view taken along the line AA in FIG. 3.
  • Each figure shows the measuring instrument 3 with a part of the case 2 removed.
  • a bearing 8 and a cylinder 10 are provided inside the case 2.
  • the bearing 8 functions as a fulcrum (first fulcrum) of the support member 6 on the rotation axis L1.
  • the cylinder 10 accommodates a scale and the like (described later).
  • the bearing 8 is a spherical bearing in the embodiment, and includes an annular outer ring 12 and an inner ring 14 whose outer peripheral surface is spherical.
  • the outer ring 12 is fixed to the case 2.
  • the internal mechanism of the case 2 and the inner ring 14 are connected via a connecting portion 16.
  • the support member 6 has a support part 18 fixed to the connection part 16 and a main body 20 fixed to the support part 18.
  • the support portion 18 and the main body 20 both have an arch shape.
  • the support member 6 has a double arch structure in which the support portion 18 is an inner arch and the main body 20 is an outer arch.
  • the center portion of the support portion 18 is fastened to the connection portion 16 with a screw 22, and both ends of the main body 20 are fastened to both ends of the support portion 18 with screws 24, respectively.
  • the support part 18 and the main body 20 are fixed at a reference position where their front ends are parallel to each other, the axis L2 of the stylus 4 and the axis of the connecting part 16 are arranged on the same axis. There is.
  • a mounting portion 26 to which the stylus 4 can be attached and detached is provided at the front end of the main body 20.
  • a mounting member 28 is provided at the center of the front surface of the mounting portion 26, and the stylus 4 is fixed to the mounting member 28.
  • a female thread provided on the mounting member 28 and a male thread provided at the base end of the stylus 4 are screwed together, and the stylus 4 is fastened to the mounting member 28.
  • the stylus 4 rotates together with the support member 6 about the bearing 8 (the "first fulcrum P1" to be described later) due to the resistance (pressing force) when the contactor 7 contacts the object to be measured.
  • This rotational displacement of the stylus 4 is converted into an axial displacement of the scale inside the case 2, which is detected by a sensor (details will be described later).
  • the fastening force of the main body 20 to the support part 18 by the screw 24 is greater than the resistance force when the stylus 4 contacts the measurement target, and is greater than the fastening force of the screw 22 to the connection part 16 of the support part 18. is also set small. That is, the user can change the attachment angle (relative angle) of the main body 20 with respect to the support part 18 from the reference position shown in FIG. 2 as appropriate, and even if the change is made, the measuring instrument 3 can function normally.
  • the mounting angle may be changed depending on the purpose of the displacement detection device 1, the shape of the object to be measured, etc. (details will be described later).
  • the cylinder 10 has a cylindrical shape and is fixed to the case 2.
  • the cylinder 10 is arranged so that the axis L3 of the cylinder 10 and the rotation axis L1 are perpendicular to each other.
  • the first fulcrum P1 is located on the rotation axis L1.
  • the position of the first fulcrum P1 in the measuring instrument 3 does not change.
  • the axis L2 and the axis L3 of the stylus 4 coincide.
  • a shaft 32 extending along the axis L3, a support portion 34 that supports the shaft 32 so as to be displaceable in the axial direction, and a connecting member 36 for connecting the shaft 32 and the connecting portion 16 are provided inside the cylinder 10, a shaft 32 extending along the axis L3, a support portion 34 that supports the shaft 32 so as to be displaceable in the axial direction, and a connecting member 36 for connecting the shaft 32 and the connecting portion 16 are provided. .
  • a finite stroke bearing is adopted as the support part 34. Since this bearing is a preload type ball bearing, there is no play between it and the shaft 32, and the straightness of the shaft 32 can be ensured. Furthermore, hysteresis during reciprocating of the shaft 32 can be eliminated and stable guidance can be achieved.
  • the connecting member 36 includes a main body 40 supported by a base member 38 fixed to the cylinder 10, a rod 42 connecting the main body 40 and the connecting portion 16, and a rod 42 provided at an end of the main body 40 opposite to the base member 38. and a sphere 48.
  • the base member 38 has a disc shape and is provided so as to close the front end opening of the cylinder 10.
  • An insertion hole 44 is provided in the center of the base member 38 .
  • the main body 40 has a stepped cylindrical shape and is supported by a plurality of pins (described later) extending from the base member 38.
  • a sphere 48 is fixed to the end of the main body 40 opposite to the base member 38 in a fitting manner.
  • the rod 42 is press-fitted along the axis L4 of the main body 40 and fixed to the main body 40.
  • the tip of the rod 42 extends from the main body 40, passes through the insertion hole 44, and is connected to the bearing 8 in a manner that fits into the connecting portion 16 (details will be described later).
  • the center P of the sphere 48 is located on the axis L4. That is, the main body 40 holds the sphere 48 on the axis L4.
  • a receiving portion 50 is fixed to one end of the shaft 32.
  • the receiving portion 50 has an inverted conical receiving surface 52.
  • the sphere 48 is received in the receiving part 50 while contacting the receiving surface 52.
  • the receiving surface 52 is a tapered surface and has an inclination angle ⁇ (30 degrees in this embodiment) with respect to a reference line perpendicular to the axis L3 of the shaft 32.
  • a scale 54 is provided at the other end of the shaft 32 (that is, the end opposite to the sphere 48).
  • the shaft 32, the receiving portion 50, and the scale 54 are arranged along the axis L3.
  • a ring-shaped spring receiver 55 is provided at the other end of the cylinder 10, and a spring 57 is provided between the receiver portion 50 and the spring receiver 55.
  • the spring 57 urges the receiving portion 50 and thus the shaft 32 forward, that is, toward the sphere 48 .
  • the urging force of the spring 57 connects the connecting member 36 (sphere 48), the receiving portion 50, and the scale 54, allowing them to be displaced in the axial direction of the shaft 32 (also referred to as the "shaft direction").
  • the first transmission member which is an assembly of the connecting member 36 and the sphere 48
  • the second transmission member which is an assembly of the receiving part 50, the shaft 32, and the scale 54, are in contact with each other and are perpendicular to the axis L3. It can be displaced in the direction of the axis L3 while being relatively displaced in the direction. Further, the position of the stylus 4 can be returned to the reference position after the displacement measurement.
  • the scale 54 is exposed to the outside of the cylinder 10.
  • a sensor 56 is provided inside the case 2.
  • the scale 54 and the sensor 56 constitute a so-called linear scale (linear encoder).
  • the sensor 56 is a magnetic sensor and is provided to face the pattern of the scale 54. With this configuration, when the shaft 32 is displaced, the sensor 56 reads the pattern of the scale 54 as position information.
  • a detection signal from the sensor 56 is output to an external processing device (not shown) via a signal line 58.
  • FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the connecting member 36 in detail.
  • 5(A) is a perspective view
  • FIG. 5(B) is a front view
  • FIG. 5(C) is a side view.
  • the connecting member 36 is provided with a tilting mechanism 60 for tilting the main body 40 with respect to the base member 38.
  • the tilting mechanism 60 includes four pins 62 provided on the base member 38 and four pins 64 provided on the main body 40.
  • the pin 62 is fixed to the base member 38 while passing through the base member 38 in the axial direction.
  • the pin 64 is fixed to the front end surface of the main body 40.
  • an insertion hole 44 is provided in the center of the base member 38, and a rod 42 coaxially passes through the insertion hole 44.
  • the base member 38 is provided with four through holes 66 centered around the insertion hole 44, and a pin 62 is inserted and fixed into each through hole 66.
  • the four through holes 66 are provided at the vertices of an imaginary square centered on the insertion hole 44, respectively.
  • each pin 62 is provided with a slight inclination so that it approaches the axis L4 as it goes toward the rear (towards the sphere 48). In other words, the angle of the through hole 66 is set in this manner.
  • the main body 40 is provided with an insertion hole 68 on a surface facing each pin 62, and is configured to allow the pin 62 to be inserted therethrough.
  • the inner diameter of the insertion hole 68 is sufficiently larger than the outer diameter of the pin 62.
  • walls 70 are provided on the upper and lower and left and right outer peripheral edges of the front end surface of the main body 40, and pins 64 are arranged and fixed inside each wall part 70.
  • Each pin 64 is provided parallel to the front end surface of the main body 40.
  • the two upper and lower pins 64 are arranged parallel to each other, and the two left and right pins 64 are arranged parallel to each other.
  • the four pins 62 are located inside the corners of the square area formed by the four pins 64. As also shown in FIG. 5(C), each pin 62 abuts on two pins 64 forming a corner thereof. Such a configuration allows the tilting mechanism 60 to function as described later.
  • FIG. 6 is a diagram showing the operation of the tilting mechanism 60.
  • 6(A) shows a state in which the tilting mechanism 60 is inactive
  • FIG. 6(B) shows a state in which the tilting mechanism 60 operates in the vertical direction
  • FIG. 6(C) shows a state in which the tilting mechanism 60 operates in the horizontal direction. Indicates the state in which Note that in these figures, illustration of the rod 42 is omitted for convenience.
  • either the upper or lower pin 64 becomes a fulcrum (second fulcrum P2: see FIG. 4), and the main body 40 is moved relative to the axis L5. tilt.
  • the connecting member 36 is tilted upward
  • the upper pin 64 that contacts the base member 38 functions as a second fulcrum P2
  • the main body 40 is tilted upward with the second fulcrum P2 as a base point.
  • the sphere 48 is displaced upward.
  • the two upper pins 62 remain pushed into the respective insertion holes 68.
  • each pin 64 is displaced according to the operation of the tilting mechanism 60.
  • Each second fulcrum P2 (see FIG. 4) functions as a center of rotation (base point of inclination) of the tilting mechanism 60 by overlapping the pins 64.
  • either the left or right pin 64 becomes a fulcrum (second fulcrum), and the main body 40 tilts with respect to the axis L5.
  • the connecting member 36 is tilted to the left
  • the left pin 64 that contacts the base member 38 functions as a second fulcrum
  • the main body 40 is tilted to the left about the second fulcrum.
  • the sphere 48 is displaced to the left.
  • the two pins 62 on the left side remain pushed into the respective insertion holes 68.
  • the pin 64 on the right side is separated from the base member 38, the two pins 62 on the right side will come out of the insertion hole 68.
  • the pin 64 on the right side that contacts the base member 38 functions as a second fulcrum, and the main body 40 is tilted to the right about the second fulcrum.
  • the sphere 48 is displaced to the right.
  • the stylus 4 can be displaced both vertically and horizontally, as shown by the dotted arrow in FIG.
  • vertical and horizontal displacements of the object to be measured can be measured.
  • the operation of the tilt mechanism 60 described above is related to the offset function and the function of the displacement amplification mechanism, which will be described later.
  • FIG. 7 is a diagram showing the configuration and operation of the stylus 4 and its surroundings.
  • FIG. 7(A) shows the operation of the stylus 4 during displacement detection.
  • 7(B) and (C) show a method of adjusting the angle of the stylus 4.
  • FIG. 7(A) shows the operation of the stylus 4 during displacement detection.
  • 7(B) and (C) show a method of adjusting the angle of the stylus 4.
  • FIG. 7 is a diagram showing the configuration and operation of the stylus 4 and its surroundings.
  • FIG. 7(A) shows the operation of the stylus 4 during displacement detection.
  • 7(B) and (C) show a method of adjusting the angle of the stylus 4.
  • the stylus 4 is fixed to the main body 20 of the support member 6, and the support part 18 of the support member 6 is fixed to the connection part 16.
  • the connecting portion 16 is fixed to the inner ring 14 of the bearing 8. Therefore, as shown in FIG. 7(A), the stylus 4 rotates together with the support member 6 about the rotation axis L1 with the bearing 8 (first fulcrum) as the base point.
  • the rotation axis L1 is located at a position perpendicular to the axis L3 of the shaft 32.
  • the axis L2 of the stylus 4 forms an angle ⁇ with the axis L3 according to its rotation.
  • the initial position (initial angle) of the stylus 4 can be changed depending on the purpose of the displacement detection device 1, the shape of the object to be measured, and the like.
  • the angle of the main body 20 with respect to the support portion 18, that is, the initial angle ⁇ set of the stylus 4 can be changed around the screw 24. That is, a mechanism for swinging the stylus 4 relative to the case 2 can be realized.
  • the stylus 4 comes to rotate based on the initial angle ⁇ set after the change, as shown in FIG. 7(C).
  • the center of rotation of the stylus 4 becomes the rotation axis L1, that is, the base point of rotation remains unchanged at the bearing 8 (first fulcrum).
  • the fulcrum of the stylus 4 is located away from the connection point between the connecting portion 16 and the rod 42 (see FIG. 9(B)). Therefore, measurement errors do not become large.
  • the measuring instrument 3 includes an operation conversion mechanism that converts the rotation of the stylus 4 into an axial movement of the shaft 32, and a displacement amplification mechanism that amplifies the displacement of the shaft 32 in response to the rotation of the stylus 4.
  • These operation conversion mechanism and displacement amplification mechanism constitute a displacement transmission mechanism that amplifies the displacement of the stylus 4 and transmits it to the shaft 32 and eventually to the scale 54. The mechanism will be explained below.
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing an operation conversion mechanism and a displacement amplification mechanism.
  • FIG. 9 is a diagram schematically showing the second amplification mechanism that constitutes the displacement amplification mechanism.
  • FIG. 9(A) is an enlarged view of part B in FIG. 4.
  • FIG. 9(B) is a diagram showing the configuration and operation of the second amplification mechanism.
  • the connecting portion 16 rotates together with the stylus 4
  • the rod 42 is inclined toward the side opposite to the connecting portion 16 and is pushed slightly in the axial direction (rearward).
  • the connecting portion 16 has a stepped cylindrical shape and has a concave fitting portion 71 that receives the tip of the rod 42.
  • the outer circumferential surface of the tip of the rod 42 has an inclined surface 72 (tapered surface) whose diameter decreases toward the tip. Therefore, as shown in FIG. 9(B), when the stylus 4 rotates, the rod 42 is not locked and can rotate.
  • the rod 42 is displaced slightly rearward (rearward in the shaft direction: rightward in the figure) with respect to the connecting portion 16 while rotating about the second fulcrum P2 (first displacement).
  • the sphere 48 moves on the receiving surface 52 of the receiving part 50, and its center P is offset from the axis L3 of the shaft 32.
  • the connecting member 36 rotates around the second fulcrum P2 offset from the axis L3, thereby pushing the receiving surface 52 largely rearward in the axial direction (rearward in the shaft direction: right side in the figure). This increases the amount by which the receiving portion 50 is pushed rearward (to the right in the figure).
  • this series of mechanisms functions as an operation conversion mechanism, an offset mechanism, and a displacement amplification mechanism.
  • the pushing amount by the displacement amplification mechanism can be increased as the inclination angle ⁇ of the receiving surface 52 is increased.
  • the resistance to movement of the sphere 48 increases, making it difficult for the offset mechanism to function. If this resistance increases, the force (measuring force) that must be applied from the object to be measured to the stylus 4 during measurement also increases, which may cause problems such as heavier measurements. Therefore, the inclination angle ⁇ is preferably 20 to 40 degrees, more preferably 20 to 30 degrees, and is set to 30 degrees in this embodiment.
  • the displacement amplification mechanism of the embodiment includes a first amplification mechanism made up of the sphere 48 and the receiving surface 52, and a second amplification mechanism made up of the connection part 16 and the rod 42.
  • the shaft 32 and thus the scale 54 are displaced to the same extent or more as the stylus 4 is displaced in the vertical direction.
  • the processing device that processes the output signal of the measuring instrument 3 stores a correction coefficient for correcting this error, and uses the corrected value as the measured value.
  • FIG. 10 is a diagram schematically representing the principle of displacement amplification.
  • FIG. 10(A) shows the principle of the embodiment
  • FIG. 10(B) shows the principle of Comparative Example 1.
  • the left side of FIG. 10(A) shows the state immediately before the stylus 4 comes into contact with the measurement target W.
  • the right side of FIG. 10(A) shows the state after the stylus 4 comes into contact with the measurement target W.
  • the displacement transmission mechanism transmits the displacement of the stylus 4 due to the contact 7 contacting the measurement object W to the shaft 32.
  • the displacement transmission mechanism includes a first fulcrum P1 and a second fulcrum P2. This displacement transmission mechanism transmits the displacement of the stylus 4 to the shaft 32 in accordance with the rotation of the stylus 4.
  • the connecting member 36 rotates about a second fulcrum P2 located closer to the shaft 32 than the first fulcrum P1.
  • the first fulcrum P1 is provided on the axis L3 of the shaft 32, while the second fulcrum P2 is provided at a position offset from the axis L3 of the shaft 32.
  • the displacement amplification mechanism rotates the connecting member 36 about the second fulcrum P2 in response to the rotation of the stylus 4 about the first fulcrum P1. At this time, the connecting member 36 is pushed in the axial direction of the shaft 32 while rotating about the second fulcrum P2.
  • the sphere 48 moves on the slope (receiving surface 52) of the receiving portion 50 while being pushed in the axial direction of the shaft 32.
  • the deflection angle of the rod 42 relative to the displacement of the stylus 4 also increases.
  • the axial displacement of the shaft 32 increases. That is, as the stylus 4 rotates about the first fulcrum P1, the connecting member 36 is pushed toward the shaft 32 while being displaced relative to the stylus 4 in the axial direction of the shaft 32.
  • the connecting member 36 rotates about the second fulcrum P2 in response to the rotation of the stylus 4, the shaft 32 is pushed in while being displaced relative to the connecting member 36 in the axial direction.
  • the shaft 32 can be further pushed in while pushing the sphere 48 itself.
  • the illustrated dimensions (mm) are adopted, and the displacement of the stylus 4 (displacement of the contact point Pc with the measurement object W) is 1 mm, the displacement of the shaft 32 in the axial direction (displacement of the scale 54) is 1 mm. .12mm.
  • FIG. 10(B) shows the state immediately before the stylus 104 comes into contact with the measurement target W in Comparative Example 1.
  • the right side of FIG. 10(B) shows the state after the stylus 104 comes into contact with the measurement target W.
  • Comparative Example 1 has a first fulcrum P1, but does not have a second fulcrum P2.
  • a rod 142, to which a sphere 48 is fixed at the tip, and a stylus 104 are integrally configured and rotate about a first fulcrum P1.
  • FIG. 10(B) shows the state immediately before the stylus 104 comes into contact with the measurement target W in Comparative Example 1.
  • Comparative Example 1 has a first fulcrum P1, but does not have a second fulcrum P2.
  • a rod 142, to which a sphere 48 is fixed at the tip, and a stylus 104 are integrally configured and rotate about a first fulcrum P1.
  • FIG. 10(B) shows the right side of FIG.
  • the displacement of the scale relative to the displacement of the stylus can be made larger (that is, amplified) than in Comparative Example 1. Can be done.
  • FIG. 11 is a diagram schematically showing the differences in configuration and operation between the embodiment and the comparative example.
  • FIG. 11(A) shows the operation of the embodiment
  • FIG. 11(B) shows the operation of Comparative Example 2.
  • FIG. 11(A) it is assumed that the contactor 7 is displaced by x1 due to contact with the measurement object W.
  • the stylus 4 rotates in one direction (for example, counterclockwise) around the first fulcrum P1
  • the connecting member 36 rotates in the opposite direction (clockwise) around the second fulcrum P2.
  • the connecting member 36 is pushed in so as to undergo a first displacement in the axial direction of the shaft 32, and the sphere 48 moves downward in the figure on a circular orbit with a radius r1 centered on the second fulcrum P2.
  • the receiving portion 50 and thus the shaft 32 are further pushed into the second displacement. That is, the shaft 32 is first displaced in the axial direction (shaft direction) by pushing the connecting member 36 based on the first fulcrum P1 in accordance with the rotation of the stylus 4.
  • the shaft 32 undergoes a second displacement in the axial direction (shaft direction).
  • the rod 242 is slightly bent in a dogleg shape at its intermediate portion, and the first fulcrum P1 is located at the bending point.
  • a sphere 248 is provided at the end of the rod 242 opposite to the contactor 7 .
  • a receiving portion 250 is provided at the tip of the shaft 32.
  • the receiving surface 252 of the receiving portion 250 is a slope inclined in one direction with respect to the axis L3. The angle of this slope is equal to the angle of the receiving surface 52 (for example, 30 degrees).
  • the sphere 248 moves upward in the figure on a circular orbit with a radius r2 centered on the first fulcrum P1 (r2>r1). That is, even though the shaft 32 can be pushed in by the sphere 248 moving on the receiving surface 252, the sphere 248 itself is displaced in the opposite direction to the pushing direction, so the displacement h2 of the shaft 32 is becomes smaller (h1>h2).
  • the shaft 32 can be pushed into two stages.
  • the displacement of the shaft 32 can be made larger than in Example 2.
  • FIG. 12 is a diagram schematically showing differences in configuration and operation between the embodiment and the comparative example.
  • FIG. 12(A) shows the operation of the embodiment
  • FIG. 12(B) shows the operation of Comparative Example 3.
  • the operation of this embodiment is similar to that shown in FIG. 11(A).
  • the figure is shown to make the comparison with Comparative Example 3 easier to understand.
  • Comparative Example 3 is substantially the same as Comparative Example 1 (FIG. 10(B)), except that the receiving part 50 is provided at the end of the rod 142 and the sphere 48 is provided at the end of the shaft 32. It's different.
  • Comparative Example 3 when the contactor 7 contacts the measurement object W and is displaced by x1, the rod 142 rotates in one direction (for example, counterclockwise) about the first fulcrum P1. As a result, the center of the receiving portion 50 moves in a direction away from the axis L3, so that the sphere 48 is relatively displaced on the receiving surface 52, and the sphere 48 and, by extension, the shaft 32 are pushed in.
  • the rod 142 rotates only around the first fulcrum P1. Therefore, as the rod 142 rotates, the receiving portion 50 is displaced forward in the axial direction of the shaft 32 (upward in the figure).
  • the receiving part 50 moves upward in the figure on a circular orbit with a radius r3 centered on the first fulcrum P1 (r3>r1). That is, although it is possible to push in the shaft 32 by the relative displacement of the receiving part 50 with respect to the sphere 48, since the receiving part 50 itself is displaced in the opposite direction to the pushing direction, the shaft 32 is pushed in by that amount.
  • the displacement h3 becomes smaller (h1>h3). That is, according to the present embodiment, the displacement of the shaft 32 can be made larger than in Comparative Example 3.
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of the error between the measured length by the displacement detection device 1 and the actual length.
  • the measured length is smaller than the actual length, and the larger the measured length, the larger the error. Therefore, based on this tendency, a correction coefficient is set to bring the error closer to zero according to the measurement length. Thereby, more accurate measurement values can be obtained.
  • the displacement of the shaft 32 according to the rotation of the stylus 4 is amplified by the mechanism, so there is no need to electrically amplify it. Therefore, the measurement results can be directly reflected, and detection accuracy can be maintained favorably. That is, the displacement of the measurement target can be detected with high accuracy.
  • the displacement amplification mechanism can be realized with a simple mechanism centered on the connecting member 36, the sphere 48, and the receiving part 50, it can be constructed relatively compactly, which is advantageous in terms of cost, and can suppress problems such as failure. .
  • a configuration is illustrated in which the tilting mechanism 60 is realized using four pins 62 extending from the base member 38 and four pins 64 (two pairs of parallel pins) provided on the main body 40 as fulcrum constituent members.
  • a sphere (ball) may be used instead of either or both of the pins 62 and 64.
  • protrusions may be used. Any configuration may be used as long as the fulcrum component on the base member side and the fulcrum component on the main body side come into point contact (contact at two points) when the tilting mechanism is operated.
  • both the fulcrum component on the base member side and the fulcrum component on the main body side may be O-ring shaped so that the tilting mechanism can tilt not only in the vertical and horizontal directions but also at any angle.
  • the senor 56 is a magnetic sensor.
  • analog sensors such as optical sensors, capacitance sensors, differential transformers using coils, and other sensors may be used.
  • the support portion 34 In the above embodiment, a finite stroke bearing is used as the support portion 34, but a ball bearing without preload may also be used.
  • the support portion may be constructed from a sliding bearing.
  • the support portion may be formed of a cylindrical member or the like without providing a bearing, and the shaft 32 may be slidably inserted therethrough and guided in the axial direction.
  • an inverted conical slope is used as the receiving surface 52 of the receiving portion 50, but an arc-shaped slope may be used.
  • the curved profile shown in FIG. 13 can be corrected not electrically but by shape.

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Abstract

変位検出装置は、測定対象と接触すると第１支点を基点として回転するスタイラスと、スケールが設けられたシャフトと、スタイラスの変位をシャフトに伝達する変位伝達機構と、スケールの変位を検出するセンサと、を備える。変位伝達機構は、(i)シャフトの軸線上に設けられた第１支点と、(ii)第１支点よりもシャフト側に位置し、シャフトの軸線から離れた位置に設けられた第２支点と、(iii)シャフトとスタイラスとの間に設けられた連結部材と、を含み、スタイラスの回転に応じ第１支点を基点に連結部材を押し込むことで、シャフトをシャフトの軸線のシャフト方向に第１変位させ、スタイラスの回転に応じ第２支点を基点に連結部材を回転させることにより、シャフトをシャフトの軸線のシャフト方向に第２変位させる。

Description

変位検出装置
　本発明は、スタイラスの回転により変位を検出する変位検出装置に関する。
　いわゆるレバーゲージ（てこ式ゲージ）と呼ばれる変位検出装置が知られている。レバーゲージは、接触子を有するスライラスと、スタイラスの回転に連動して軸線方向に変位するスケールと、スケールの変位を検出するセンサを備える（特許文献１参照）。
　このようなレバーゲージによれば、スタイラスが測定対象に接触したときの回転変位をスケールの軸線方向の変位に変換して検出することにより、測定対象の表面形状や変位などを計測できる。工作機械の主軸に保持されたワークにスタイラスを接触させ、その状態でワークを回転させることにより、ワークの軸振れなども計測できる。
特開２０２１－７１３７６号公報
　しかしながら、スタイラスの回転量に対してスケールの変位が微小であるために、その微小変位をセンサで精度よく検出するのは容易ではない。
　本発明のある態様の変位検出装置は、測定対象と接触すると第１支点を基点として回転するスタイラスと、スケールが設けられたシャフトと、スタイラスの変位をシャフトに伝達する変位伝達機構と、スケールの変位を検出するセンサと、を備える。
　変位伝達機構は、(i)シャフトの軸線上に設けられた第１支点と、(ii)第１支点よりもシャフト側に位置し、シャフトの軸線から離れた位置に設けられた第２支点と、(iii)シャフトとスタイラスとの間に設けられた連結部材と、を含み、スタイラスの回転に応じ第１支点を基点に連結部材を押し込むことで、シャフトをシャフトの軸線のシャフト方向に第１変位させ、スタイラスの回転に応じ第２支点を基点に連結部材を回転させることにより、シャフトをシャフトの軸線のシャフト方向に第２変位させる。
　本発明によれば、測定対象の変位を精度良く検出可能な変位検出装置を提供できる。
実施形態に係る変位検出装置の外観を表す斜視図である。 計測器の内部構造を表す図である。 計測器の内部構造を表す図である。 図３のＡ－Ａ矢視断面図である。 連結部材の構成を詳細に表す図である。 傾斜機構の動作を表す図である。 スタイラスおよびその周辺の構成および動作を表す図である。 作動変換機構および変位増幅機構を模式的に表す図である。 変位増幅機構を構成する第２増幅機構を模式的に表す図である。 変位増幅の原理を模式的に表す図である。 実施形態と比較例との構成および動作の相異を模式的に表す図である。 実施形態と比較例との構成および動作の相異を模式的に表す図である。 測定長と実際の長さとの誤差の一例を表す図である。
　以下、図面を参照しつつ、本発明の一実施形態について説明する。なお、以下の説明においては便宜上、図示の状態を基準に各構造の位置関係を表現することがある。また、以下の実施形態およびその変形例について、ほぼ同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
　図１は、実施形態に係る変位検出装置の外観を表す斜視図である。
　変位検出装置１は、計測器３および図示略の処理装置を備える。処理装置は、計測器３で検出された情報を表示する表示部を有し、図示略のケーブルを介して計測器３と接続されている。計測器３は、内部機構を収容するケース２と、測定対象との接触部を有するスタイラス４と、スタイラス４を支持する支持部材６を備える。支持部材６はアーチ状をなし、ケース２に対して設定される回転軸Ｌ１を中心に回転可能に設けられる。支持部材６の両端が回転軸Ｌ１上に位置する。
　支持部材６の先端部中央にスタイラス４が着脱可能に取り付けられている。スタイラス４の軸線Ｌ２は、支持部材６の回転軸Ｌ１と直交する。支持部材６の両端がそれぞれケース２の側面に位置する。支持部材６は、回転軸Ｌ１を中心に回転可能であり、ケース２の前方に向けてオーバハングする態様で支持される。スタイラス４の先端には球状の接触子７が設けられている。ケース２には、内部機構に電力を供給するための電源ラインおよび検出した位置情報を出力する信号ライン（図示略）が接続される。
　図２および図３は、計測器３の内部構造を表す図である。図２は斜視図であり、図３は平面図である。図４は、図３のＡ－Ａ矢視断面図である。各図は、計測器３においてケース２の一部を取り外した状態を示す。
　図２に示すように、ケース２の内部には軸受８およびシリンダ１０が設けられている。軸受８は、回転軸Ｌ１上で支持部材６の支点（第１支点）として機能する。シリンダ１０は、スケール等（後述）を収容する。軸受８は、実施形態では球面軸受であり、環状の外輪１２と、外周面が球面状の内輪１４を含む。外輪１２は、ケース２に対して固定される。ケース２の内部機構と内輪１４とが接続部１６を介して接続されている。
　図３にも示すように、支持部材６は、接続部１６に固定される支持部１８と、支持部１８に固定される本体２０を有する。支持部１８および本体２０は、いずれもアーチ状をなしている。支持部材６は、支持部１８を内側アーチ、本体２０を外側アーチとする二重アーチ構造を有する。
　図２に戻り、支持部１８の中央部が接続部１６にねじ２２で締結され、本体２０の両端部が支持部１８の両端部にそれぞれねじ２４で締結されている。支持部１８と本体２０とが互いの前端部が平行となる基準位置にて固定された状態において、スタイラス４の軸線Ｌ２と接続部１６の軸線とが同一軸線上に位置するように構成されている。
　本体２０の前端部にスタイラス４を着脱可能な取付部２６が設けられている。取付部２６の前面中央に取付部材２８が設けられ、その取付部材２８にスタイラス４が固定されている。取付部材２８に設けられた雌ねじと、スタイラス４の基端部に設けられた雄ねじとが螺合し、スタイラス４が取付部材２８に締結されている。
　このような構成において、スタイラス４は、接触子７が測定対象に接触したときの抵抗（押圧力）により、支持部材６とともに軸受８（後述の「第１支点Ｐ１」）を基点として回転する。このスタイラス４の回転変位がケース２内のスケールの軸線方向の変位に変換され、センサにより検出される（詳細後述）。
　なお、ねじ２４による本体２０の支持部１８への締結力が、スタイラス４が測定対象に接触したときの抵抗力よりも大きく、かつ、ねじ２２による支持部１８の接続部１６への締結力よりも小さく設定されている。すなわち、ユーザは、支持部１８に対する本体２０の取付角度（相対角度）を、図２に示す基準位置から適宜変更でき、変更しても計測器３を正常に機能させることができる。変位検出装置１の用途や測定対象の形状等に応じてその取付角度を変更してもよい（詳細後述）。
　図４に示すように、シリンダ１０は円筒状をなし、ケース２に固定されている。シリンダ１０の軸線Ｌ３と回転軸Ｌ１とが直交するようにシリンダ１０が配置されている。第１支点Ｐ１は、回転軸Ｌ１上に位置する。計測器３における第１支点Ｐ１の位置は変化しない。スタイラス４が上述した基準位置にあるとき、スタイラス４の軸線Ｌ２と軸線Ｌ３とが一致する。シリンダ１０内には、軸線Ｌ３に沿って延びるシャフト３２と、シャフト３２を軸線方向に変位可能に支持する支持部３４と、シャフト３２と接続部１６とを連結するための連結部材３６が設けられる。
　支持部３４は、本実施形態では有限ストロークベアリングが採用される。このベアリングは、予圧式のボールベアリングであるため、シャフト３２との間にガタツキがなく、シャフト３２の直進性を確保できる。また、シャフト３２の往復時のヒステリシスをなくし、安定にガイドすることができる。
　連結部材３６は、シリンダ１０に固定されるベース部材３８に支持される本体４０と、本体４０と接続部１６とを連結するロッド４２と、本体４０のベース部材３８とは反対側端部に設けられる球体４８と、を含む。ベース部材３８は円板状をなし、シリンダ１０の前端開口部を閉じるように設けられる。ベース部材３８の中央には挿通孔４４が設けられている。本体４０は段付円筒状をなし、ベース部材３８から延びる複数のピン（後述）により支持されている。本体４０のベース部材３８とは反対側端部に球体４８が嵌合する態様で固定されている。
　ロッド４２は、本体４０の軸線Ｌ４に沿って圧入され、本体４０に固定されている。ロッド４２の先端部が本体４０から延出して挿通孔４４を貫通し、接続部１６に嵌合する態様で軸受８と連結される（詳細後述）。球体４８の中心Ｐは軸線Ｌ４上に位置する。すなわち、本体４０は、球体４８を軸線Ｌ４上に保持する。
　シャフト３２の一端には受け部５０が固定されている。受け部５０は、逆円錐状の受け面５２を有する。球体４８は、受け面５２に当接しつつ受け部５０に受け入れられる。受け面５２は、テーパ面となっており、シャフト３２の軸線Ｌ３に対して直角な基準線に対する傾斜角度α（本実施形態では３０度）を有する。
　シャフト３２の他端（つまり球体４８とは反対側端部）にはスケール５４が設けられる。シャフト３２、受け部５０およびスケール５４は、軸線Ｌ３に沿って配置される。
　シリンダ１０の他端にはリング状のばね受け５５が設けられ、受け部５０とばね受け５５との間にスプリング５７が設けられている。スプリング５７は、受け部５０ひいてはシャフト３２を前方、つまり球体４８の側に付勢する。このスプリング５７の付勢力により、連結部材３６（球体４８）、受け部５０およびスケール５４が連結し、シャフト３２の軸線方向（「シャフト方向」ともいう）に変位できる。詳細には、連結部材３６と球体４８との組立体である第１伝達部材と、受け部５０とシャフト３２とスケール５４との組立体である第２伝達部材とが当接し、軸線Ｌ３と直角方向に相対変位しつつ軸線Ｌ３の方向に変位できる。また、変位測定後にスタイラス４の位置を基準位置に戻すことができる。
　スケール５４は、シリンダ１０の外部に露出する。ケース２内にはセンサ５６が設けられている。スケール５４およびセンサ５６は、いわゆるリニアスケール（リニアエンコーダ）を構成する。センサ５６は磁気センサであり、スケール５４のパターンと対向するように設けられている。このような構成により、シャフト３２が変位したときに、センサ５６がスケール５４のパターンを位置情報として読み取る。センサ５６の検出信号は、信号線５８を介して外部の処理装置（図示せず）へ出力される。
　図５は、連結部材３６の構成を詳細に表す図である。図５（Ａ）は斜視図、図５(Ｂ)は正面図、図５（Ｃ）は側面図である。
　図５（Ａ）に示すように、連結部材３６は、ベース部材３８に対して本体４０を傾斜させるための傾斜機構６０が設けられている。傾斜機構６０は、ベース部材３８に設けられた４つのピン６２と、本体４０に設けられた４つのピン６４を含む。ピン６２は、ベース部材３８を軸線方向に貫通しつつベース部材３８に固定されている。ピン６４は、本体４０の前端面に固定されている。
　図５（Ｂ）にも示すように、ベース部材３８の中央に挿通孔４４が設けられ、ロッド４２が同軸に貫通している。ベース部材３８には挿通孔４４を中心に４つの貫通孔６６が設けられ、各貫通孔６６にピン６２が挿通され固定されている。４つの貫通孔６６は、挿通孔４４を中心とする仮想の正方形の頂点の位置にそれぞれ設けられている。
　図５（Ｃ）にも示すように、各ピン６２は、後方（球体４８側）に向かうほど軸線Ｌ４に近づくようにやや傾斜して設けられている。言い換えれば、そのように貫通孔６６の角度が設定されている。本体４０には、各ピン６２との対向面に挿通穴６８が設けられ、ピン６２を挿通可能に構成されている。挿通穴６８の内径は、ピン６２の外径よりも十分に大きい。
　一方、図５（Ａ）に示すように、本体４０の前端面の上下および左右の外周縁に壁部７０が設けられ、各壁部７０の内側にピン６４が配置され固定されている。各ピン６４は、本体４０の前端面に平行に設けられている。上下の２つのピン６４が互いに平行となり、左右の２つのピン６４が互いに平行となるように配置されている。
　図５（Ｂ）にも示すように、４つのピン６２は、４つのピン６４により形成される正方形領域の角部内側にそれぞれ位置する。図５（Ｃ）にも示すように、各ピン６２は、その角部を形成する２つのピン６４に当接する。このような構成により、後述のように傾斜機構６０を機能させることができる。
　図６は、傾斜機構６０の動作を表す図である。図６（Ａ）は傾斜機構６０が非作動の状態を示し、図６（Ｂ）は傾斜機構６０が上下方向に動作した状態を示し、図６（Ｃ）は傾斜機構６０が左右方向に動作した状態を示す。なお、これらの図においては便宜上、ロッド４２の図示を省略している。
　図６（Ａ）に示すように、傾斜機構６０が非作動の状態では、ベース部材３８の軸線Ｌ５と本体４０の軸線Ｌ４とが一致する。なお、図４に示したように、ベース部材３８はシリンダ１０に固定されているので、その軸線Ｌ５はシャフト３２の軸線Ｌ３と一致する。
　一方、図６（Ｂ）に示すように傾斜機構６０が上下方向に動作したとき、上下のいずれかのピン６４が支点（第２支点Ｐ２：図４参照）となり、本体４０が軸線Ｌ５に対して傾斜する。具体的には、連結部材３６を上方に傾ける場合、ベース部材３８に当接する上側のピン６４が第２支点Ｐ２として機能し、その第２支点Ｐ２を基点として本体４０が上方に傾く。それにより、球体４８が上方に変位する。このとき、上側の２つのピン６２は、それぞれ挿通穴６８に押し込まれたままとなる。一方、下側のピン６４がベース部材３８から離間するため、下側の２つのピン６２は、挿通穴６８から抜けることとなる。逆に、連結部材３６を下方に傾ける場合、ベース部材３８に当接する下側のピン６４が第２支点Ｐ２として機能し、その第２支点Ｐ２を基点として本体４０が下方に傾く。それにより、球体４８が下方に変位する。このように、計測器３における複数の第２支点Ｐ２のそれぞれの位置は変化しないが、傾斜機構６０の動作に応じて各ピン６４は変位する。各第２支点Ｐ２（図４参照）は、ピン６４が重なることで傾斜機構６０の回転中心（傾きの基点）として機能する。
　図６（Ｃ）に示すように傾斜機構６０が左右方向に動作したとき、左右のいずれかのピン６４が支点（第２支点）となり、本体４０が軸線Ｌ５に対して傾斜する。具体的には、連結部材３６を左方に傾ける場合、ベース部材３８に当接する左側のピン６４が第２支点として機能し、その第２支点を基点として本体４０が左方に傾く。それにより、球体４８が左方に変位する。このとき、左側の２つのピン６２は、それぞれ挿通穴６８に押し込まれたままとなる。一方、右側のピン６４がベース部材３８から離間するため、右側の２つのピン６２は、挿通穴６８から抜けることとなる。逆に、連結部材３６を右方に傾ける場合、ベース部材３８に当接する右側のピン６４が第２支点として機能し、その第２支点を基点として本体４０が右方に傾く。それにより、球体４８が右方に変位する。このような構成により、図２に点線矢印にて示したように、スタイラス４を上下方向および左右方向のいずれにも変位させることができる。その結果、測定対象の上下方向および左右方向の変位を計測できる。以上に述べた傾斜機構６０の動作が、後述するオフセット機能ひいては変位増幅機構の機能に関わる。
　図７は、スタイラス４およびその周辺の構成および動作を表す図である。図７（Ａ）は、変位検出の際のスタイラス４の動作を示す。図７（Ｂ）および（Ｃ）は、スタイラス４の角度調整方法を示す。
　上述のように、スタイラス４は支持部材６の本体２０に固定され、支持部材６の支持部１８は接続部１６に固定されている。接続部１６は、軸受８の内輪１４に固定されている。このため、図７（Ａ）に示すように、スタイラス４は、支持部材６と一体に軸受８（第１支点）を基点とし、回転軸Ｌ１を中心に回転する。回転軸Ｌ１は、シャフト３２の軸線Ｌ３と直交する位置にある。スタイラス４の軸線Ｌ２は、その回転に応じて軸線Ｌ３と角度θをなすこととなる。
　また上述のように、変位検出装置１の用途や測定対象の形状等に応じてスタイラス４の初期位置(初期角度)を変更することもできる。図７（Ｂ）に示すように、ねじ２４を中心に支持部１８に対する本体２０の角度、つまりスタイラス４の初期角度θsetを変更できる。すなわち、ケース２に対するスタイラス４の首振り機構を実現できる。変更後にねじ２４を再び締結することで、図７（Ｃ）に示すように、スタイラス４は、変更後の初期角度θsetを基準に回転するようになる。
　初期角度θsetを０度以外に設定したとしても、スタイラス４の回転中心は回転軸Ｌ１となる、つまり回転の基点が軸受８（第１支点）のまま変化しない。スタイラス４の支点は、接続部１６とロッド４２との連結点から離間した位置となる（図９（Ｂ）参照）。このため、測定誤差が大きくなることもない。
　次に、本実施形態の作動変換機構および変位増幅機構について説明する。
　計測器３は、スタイラス４の回転をシャフト３２の軸線運動に変換する作動変換機構と、スタイラス４の回転に応じたシャフト３２の変位を増幅する変位増幅機構を備える。これら作動変換機構と変位増幅機構とが、スタイラス４の変位を増幅してシャフト３２ひいてはスケール５４に伝達する変位伝達機構を構成する。以下、そのメカニズムについて説明する。
　図８は、作動変換機構および変位増幅機構を模式的に表す図である。図９は、変位増幅機構を構成する第２増幅機構を模式的に表す図である。図９（Ａ）は、図４のＢ部拡大図である。図９（Ｂ）は、第２増幅機構の構成および動作を表す図である。
　図８に示すように、スタイラス４とともに接続部１６が回転すると、ロッド４２が接続部１６とは反対側に傾斜するとともに軸線方向（後方）にやや押し込まれる。
　詳細には図９（Ａ）に示すように、接続部１６が段付円筒状をなし、ロッド４２との先端部を受け入れる凹状の嵌合部７１を有する。一方、ロッド４２の先端部の外周面が、先端に向けて小径化される傾斜面７２（テーパ面）を有する。このため、図９（Ｂ）に示すように、スタイラス４が回転したときにロッド４２がロックされずに回転可能となる。ロッド４２は、第２支点Ｐ２を基点に回転しつつ、接続部１６に対してやや後方（シャフト方向後方：図の右方）に変位する（第１変位）。
　図８に戻り、このときロッド４２と一体の本体４０も傾斜するため、球体４８が受け部５０の受け面５２上で移動し、その中心Ｐがシャフト３２の軸線Ｌ３からオフセットする。このとき、連結部材３６が、軸線Ｌ３からオフセットされた第２支点Ｐ２を中心に回転することで、受け面５２を軸線方向後方（シャフト方向後方：図の右方）に大きく押し込む。それにより、受け部５０の後方（図の右方）への押し込み量を増大させる。
　このように、スタイラス４の回転がシャフト３２の軸線運動に変換されるとともに、その回転に応じたシャフト３２の変位が増幅される。すなわち、この一連の機構が作動変換機構、オフセット機構、および変位増幅機構として機能する。
　なお、変位増幅機構による押し込み量は、受け面５２の傾斜角度αを大きくするほど大きくできる。しかし、傾斜角度αが大きくなるほど球体４８の移動に対する抵抗が大きくなり、オフセット機構を機能させ難くなる。この抵抗が大きくなると、測定に際して測定対象からスタイラス４に負荷すべき力（測定力）も大きくなり、計測が重くなるといった問題も生じうる。このため、傾斜角度αは２０～４０度、より好ましくは２０～３０度がよく、本実施形態では３０度に設定している。
　変位増幅機構としては、球体４８と受け面５２との相対変位（図８参照）だけでなく、接続部１６とロッド４２との相対変位（図９（Ｂ）参照）も寄与している。このため、実施形態の変位増幅機構は、球体４８と受け面５２とによる第１増幅機構と、接続部１６とロッド４２とによる第２増幅機構を含むともいえる。本実施形態では、スタイラス４の上下方向の変位と同程度以上にシャフト３２ひいてはスケール５４が変位する。
　以上のように構成された変位検出装置１を用いることにより、測定対象の変位や長さを計測できるが、機械構造を用いた計測であるため、測定値と実際の値との間にはわずかな誤差も発生しうる。そこで、計測器３の出力信号を処理する処理装置は、この誤差を補正するための補正係数を記憶し、補正した値を測定値とする。
　図１０は、変位増幅の原理を模式的に表す図である。図１０（Ａ）は実施形態の原理を示し、図１０（Ｂ）は比較例１の原理を示す。
　図１０（Ａ）の左段は、スタイラス４が測定対象Ｗと接触する直前の状態を示す。図１０（Ａ）の右段は、スタイラス４が測定対象Ｗと接触した後の状態を示す。本実施形態では、変位伝達機構が、接触子７が測定対象Ｗと接触することによるスタイラス４の変位をシャフト３２に伝達する。変位伝達機構は、第１支点Ｐ１および第２支点Ｐ２を備える。この変位伝達機構は、スタイラス４の回転に応じてスタイラス４の変位をシャフト３２に伝達させる。
　図１０（Ａ）の右段に示すように、連結部材３６は、第１支点Ｐ１よりもシャフト３２側に位置する第２支点Ｐ２を基点として回転する。第１支点Ｐ１がシャフト３２の軸線Ｌ３上に設けられる一方、第２支点Ｐ２がシャフト３２の軸線Ｌ３からオフセットした位置に設けられる。変位増幅機構は、第１支点Ｐ１を基点としたスタイラス４の回転に応じて、第２支点Ｐ２を基点として連結部材３６を回転させる。このとき、連結部材３６が第２支点Ｐ２を中心に回転しつつ、シャフト３２の軸線方向に押し込まれる。このため、球体４８がシャフト３２の軸線方向に押し込まれつつ受け部５０の斜面（受け面５２）を移動する。スタイラス４の変位に対するロッド４２の振れ角も大きくなる。その結果、シャフト３２の軸線方向変位が大きくなる。すなわち、第１支点Ｐ１を基点としたスタイラス４の回転に応じて、連結部材３６がスタイラス４に対してシャフト３２の軸線方向に相対変位しつつシャフト３２側に押し込まれる。さらに、そのスタイラス４の回転に応じて連結部材３６が第２支点Ｐ２を基点に回転することにより、シャフト３２が連結部材３６に対して軸線方向に相対変位しつつ押し込まれる。
　本実施形態によれば、軸線Ｌ３からオフセットした位置に設けた第２支点Ｐ２を基点に連結部材３６を回転させることで、球体４８そのものを押し込みつつシャフト３２をさらに押し込むことができる。例えば図示の寸法（ｍｍ）を採用した場合、スタイラス４の変位（測定対象Ｗとの接触点Ｐｃの変位）を１ｍｍとしたときに、シャフト３２の軸線方向の変位（スケール５４の変位）は１．１２ｍｍとなる。
　図１０（Ｂ）の左段は、比較例１において、スタイラス１０４が測定対象Ｗと接触する直前の状態を示す。図１０（Ｂ）の右段は、スタイラス１０４が測定対象Ｗと接触した後の状態を示す。図１０（Ｂ）の左段に示すように、比較例１は、第１支点Ｐ１を有するが、第２支点Ｐ２を有していない。球体４８が先端に固定されるロッド１４２とスタイラス１０４とが一体に構成され、第１支点Ｐ１を基点に回転する。図１０（Ｂ）の右段に示すように、このような構成では、スタイラス１０４の変位にともなって球体４８そのものが押し込まれることはないため、本実施形態のような変位増幅効果は得られない。例えば図示の寸法（ｍｍ）を採用した場合、スタイラス１０４の変位（測定対象Ｗとの接触点Ｐｃの変位）を１ｍｍとしたときに、シャフト３２の軸線方向の変位（つまりスケール５４の変位）が０．５９となり、本実施形態よりも小さくなる。
　すなわち、本実施形態によれば、２つの支点（第１支点Ｐ１，第２支点Ｐ２）を設けたことにより、スタイラスの変位に対するスケールの変位を比較例１よりも大きくする（つまり増幅する）ことができる。
　図１１は、実施形態と比較例との構成および動作の相異を模式的に表す図である。図１１（Ａ）は実施形態の動作を示し、図１１（Ｂ）は比較例２の動作を示す。
　図１１（Ａ）に示すように、接触子７が測定対象Ｗと接触することによりｘ１だけ変位したと仮定する。本実施形態では、このときスタイラス４が第１支点Ｐ１を中心に一方向（例えば反時計回り）に回転すると、連結部材３６は第２支点Ｐ２を中心に反対方向（時計回り）に回転する。第２支点Ｐ２がシャフト３２の軸線Ｌ３から離れているため（つまり第２支点Ｐ２がシャフト３２の軸線Ｌ３上にないため）、連結部材３６が回転するにつれてロッド４２ひいては球体４８がシャフト３２の軸線方向後方（図の下方）に押し込まれる。
　すなわち、上述のように連結部材３６がシャフト３２の軸線方向に第１変位するよう押し込まれ、球体４８は、第２支点Ｐ２を中心とする半径ｒ１の円軌道上を図の下方へ動く。加えて、球体４８が受け面５２上を軸線Ｌ３から離れる方向に移動することで、受け部５０ひいてはシャフト３２がさらに第２変位するよう押し込まれる。つまり、スタイラス４の回転に応じて第１支点Ｐ１を基点に連結部材３６が押し込まれることで、シャフト３２が軸線方向（シャフト方向）に第１変位する。また、そのスタイラス４の回転に応じて第２支点Ｐ２を基点に連結部材３６が回転することにより、シャフト３２が軸線方向（シャフト方向）に第２変位する。シャフト３２は第１変位と第２変位の２段階に押し込まれることとなり、その変位ｈ１（＝第１変位＋第２変位）を大きくできる。
　一方、比較例２は、ロッド２４２がその中間部分において「く」の字状にやや屈曲しており、その屈曲点に第１支点Ｐ１が位置する。ロッド２４２における接触子７とは反対側端部に球体２４８が設けられている。シャフト３２の先端には受け部２５０が設けられている。受け部２５０の受け面２５２は、軸線Ｌ３に対して一方向に傾斜する斜面とされている。この斜面の角度は受け面５２の角度と等しい（例えば３０度）。
　比較例２では、接触子７が測定対象Ｗと接触してｘ１だけ変位すると、ロッド２４２が第１支点Ｐ１を中心に一方向（例えば反時計回り）に回転する。それにより、球体２４８が受け面２５２上を軸線Ｌ３から離れる方向に移動することで、受け部２５０ひいてはシャフト３２が押し込まれる。しかし、比較例２では第２支点Ｐ２が存在しないため、ロッド２４２は、軸線Ｌ３上にある第１支点Ｐ１のみを中心に回転することとなる。このため、ロッド２４２が回転するにつれて、球体２４８はシャフト３２の軸線方向前方（図の上方）に変位することとなる。球体２４８は、第１支点Ｐ１を中心とする半径ｒ２の円軌道上を図の上方へ動く（ｒ２＞ｒ１）。すなわち、球体２４８が受け面２５２上を移動することで、シャフト３２を押し込むことはできても、球体２４８そのものがその押し込み方向とは反対方向に変位するため、その分、シャフト３２の変位ｈ２は小さくなる（ｈ１＞ｈ２）。
　このように、本実施形態によれば、第１支点Ｐ１よりもシャフト３２の側に軸線Ｌ３からオフセットした位置に第２支点Ｐ２を設けることで、シャフト３２を２段階に押し込むことができ、比較例２よりもシャフト３２の変位を大きくすることができる。
　図１２は、実施形態と比較例との構成および動作の相異を模式的に表す図である。図１２（Ａ）は実施形態の動作を示し、図１２（Ｂ）は比較例３の動作を示す。
　図１２（Ａ）に示すように、本実施形態の動作は図１１（Ａ）に示したものと同様である。比較例３との対比を分かり易くするために図示している。
　一方、比較例３は、比較例１（図１０（Ｂ））と実質的に同様であるが、受け部５０をロッド１４２の端部に設け、球体４８をシャフト３２の端部に設けた点で異なる。比較例３では、接触子７が測定対象Ｗと接触してｘ１だけ変位すると、ロッド１４２が第１支点Ｐ１を中心に一方向（例えば反時計回り）に回転する。それにより、受け部５０の中心が軸線Ｌ３から離れる方向に移動することで、球体４８が受け面５２上を相対変位し、球体４８ひいてはシャフト３２が押し込まれる。
　しかし、比較例３にも第２支点Ｐ２が存在しないため、ロッド１４２は第１支点Ｐ１のみを中心に回転することとなる。このため、ロッド１４２が回転するにつれて、受け部５０はシャフト３２の軸線方向前方（図の上方）に変位することとなる。受け部５０は、第１支点Ｐ１を中心とする半径ｒ３の円軌道上を図の上方へ動く（ｒ３＞ｒ１）。すなわち、受け部５０が球体４８に対して相対変位することで、シャフト３２を押し込むことはできても、受け部５０そのものがその押し込み方向とは反対方向に変位するため、その分、シャフト３２の変位ｈ３は小さくなる（ｈ１＞ｈ３）。すなわち、本実施形態によれば、比較例３よりもシャフト３２の変位を大きくすることができる。
　図１３は、変位検出装置１による測定長と実際の長さとの誤差の一例を表す図である。
　この例では、測定長が実際の長さよりも小さくなり、測定長が大きくなるほど誤差も大きくなる。そこで、この傾向に基づき、測定長に応じて誤差をゼロに近づけるための補正係数を設定する。それにより、より正確な測定値を得ることができる。本実施形態では、ほぼリニアな補正（直線補正）をかければ足りる。
　以上に説明したように、本実施形態の変位検出装置１によれば、スタイラス４の回転に応じたシャフト３２の変位が機構により増幅されるため、電気的に増幅させる必要がない。このため、測定結果をダイレクトに反映でき、検出精度を良好に維持できる。すなわち、測定対象の変位を精度良く検出できる。
　また、その変位増幅機構を連結部材３６、球体４８および受け部５０を中心とした簡易な機構で実現できるため、比較的コンパクトに構成でき、コスト面で有利であるとともに故障等の不具合も抑制できる。
［変形例］
　上記実施形態では、図４に示したように、連結部材３６側に球体４８を設け、シャフト３２側に受け部５０を設ける構成を例示した。変形例においては逆に、連結部材側に受け部を設け、シャフト側に球体を設けてもよい。すなわち、球体をシャフトの軸線上に保ちつつ、受け部側が傾斜することで変位増幅機構としての機能を発揮させてもよい。
　上記実施形態では、ベース部材３８から延びる４つのピン６２と、本体４０に設けた４つのピン６４（二対の平行ピン）とを支点構成部材とし、傾斜機構６０を実現する構成を例示した。変形例においては、ピン６２とピン６４のいずれか一方又は双方に代えて球体（ボール）を採用してもよい。あるいは突起を採用してもよい。傾斜機構の作動に際してベース部材側の支点構成部材と本体側の支点構成部材とが点接触（二点で接触）するような構成であればよい。
　また、ベース部材側の支点構成部材と本体側の支点構成部材をともにＯリング形状とし、傾斜機構が上下左右方向のみならず、任意の角度で傾斜できるようにしてもよい。
　上記実施形態では、センサ５６を磁気センサとする例を示した。変形例においては光学式センサ、静電容量式センサ、コイルを用いた差動トランス等のアナログセンサその他のセンサを用いてもよい。
　上記実施形態では、支持部３４として有限ストロークベアリングを採用したが、予圧のないボールベアリングとしてもよい。変形例においては、支持部を滑り軸受で構成してもよい。あるいは、軸受を設けることなく、支持部を円筒部材などで構成し、シャフト３２を摺動可能に挿通させ、軸線方向にガイドしてもよい。
　上記実施形態では、受け部５０の受け面５２として逆円錐形状の斜面を採用したが、円弧状の斜面としてもよい。それにより、図１３に示されるような曲線のプロファイルを電気的にではなく形状により補正することもできる。
　なお、本発明は上記実施形態や変形例に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。上記実施形態や変形例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成してもよい。また、上記実施形態や変形例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。
　この特許出願は、日本の特願２０２２－１４３５９１（２０２２年９月９日出願）、特願２０２３－８７４１０（２０２３年５月２９日出願）および特願２０２３－１３６３２６（２０２３年８月２４日出願）の優先権を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれるものとする。

Claims (5)

  1. 　測定対象と接触すると第１支点を基点として回転するスタイラスと、
    　スケールが設けられたシャフトと、
    　前記スタイラスの変位を前記シャフトに伝達する変位伝達機構と、
    　前記スケールの変位を検出するセンサと、を備え、
    　前記変位伝達機構は、(i)前記シャフトの軸線上に設けられた前記第１支点と、(ii)前記第１支点よりも前記シャフト側に位置し、前記シャフトの軸線から離れた位置に設けられた第２支点と、(iii)前記シャフトと前記スタイラスとの間に設けられた連結部材と、を含み、前記スタイラスの回転に応じ前記第１支点を基点に前記連結部材を押し込むことで、前記シャフトを前記シャフトの軸線のシャフト方向に第１変位させ、前記スタイラスの回転に応じ前記第２支点を基点に前記連結部材を回転させることにより、前記シャフトを前記シャフトの軸線のシャフト方向に第２変位させる、変位検出装置。
  2. 　前記変位伝達機構は、
    　逆円錐状の受け面を有し、前記シャフトの軸線上に設けられる受け部と、
    　前記受け面に当接するよう前記受け部に受け入れられる球体と、
    　を含む、請求項１に記載の変位検出装置。
  3. 　前記変位伝達機構は、
    　前記第１支点としての軸受の内輪に設けられた接続部と、
    　一端が前記接続部に連結され、他端に前記球体が設けられた前記連結部材と、
    　前記シャフトの一端に設けられた前記受け部と、
    　を含む、請求項２に記載の変位検出装置。
  4. 　前記連結部材は、
    　前記球体を保持する本体と、
    　前記本体の軸線に沿って設けられるロッドと、
    　を含み、
    　前記接続部が、前記ロッドの先端部を受け入れる嵌合部を有し、
    　前記先端部の外周面が、先端に向けて小径化される傾斜面を有することで、前記スタイラスが回転したときに前記ロッドが前記接続部に対して相対変位可能である、請求項３に記載の変位検出装置。
  5. 　前記本体が、前記スタイラスの回転に応じて前記第２支点を基点として回転する、請求項４に記載の変位検出装置。
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