(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スタイラスホルダと、このスタイラスホルダに支持されるスタイラスと、前記スタイラスを共振状態で振動させるための加振手段と、前記スタイラスの先端部が被測定物に接触する際に生ずる前記共振状態の変化から前記接触を検出する検出手段とを含むタッチセンサにおいて、
前記スタイラスは、その軸方向に略対称の構造であり、
前記スタイラスと前記スタイラスホルダとを連結する支持部材のスタイラス側の支持部は、前記スタイラスの重心に対して前記スタイラスの軸方向に対称となる複数個所で、更に、その各個所において前記スタイラスの軸に対称な複数個所であり、
前記スタイラスの軸方向同一個所における各組の支持部材の重心が略前記軸上に有る、
ことを特徴とするタッチセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のタッチセンサにおいて、
前記各組の支持部材は、前記スタイラスの軸に対して軸対称構造に配置されていることを特徴とするタッチセンサ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のタッチセンサにおいて、
前記スタイラスホルダは、前記スタイラスの軸に対して軸対称構造に形成されていることを特徴とするタッチセンサ。
【請求項４】
請求項１に記載のタッチセンサにおいて、
前記全ての支持部の位置を軸方向に平均した位置が前記スタイラスの振動の節に略一致するように設定されていることを特徴とするタッチセンサ。
【請求項５】
請求項１に記載のタッチセンサにおいて、
前記少なくとも１組の支持部の位置がスタイラスの振動の節に略一致するように設定されていることを特徴とするタッチセンサ。
【請求項６】
請求項１に記載のタッチセンサにおいて、
前記振動の方向が、前記スタイラスの軸に直交する方向の振動であることを特徴とするタッチセンサ。
【請求項７】
請求項１に記載のタッチセンサにおいて、
前記加振手段および前記検出手段の少なくとも一方は、前記重心から等距離となる少なくとも前記スタイラス上の２個所に橋渡しされるように設けられていることを特徴とするタッチセンサ。
【請求項８】
請求項１に記載のタッチセンサにおいて、
前記支持部材の前記軸方向の曲げ剛性が前記スタイラスの軸方向の剛性よりも低いことを特徴とするタッチセンサ。
【請求項９】
請求項１に記載のタッチセンサにおいて、
前記スタイラス、前記スタイラスホルダおよび前記支持部材は、一体的に生成もしくは加工されていることを特徴とするタッチセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば、微細形状測定機や表面粗さ測定機などによって被測定物の微細な表面形状を測定する場合、あるいは、小穴測定機で穴の内面形状を測定する場合などに用いられるプローブ用のタッチセンサに関する。
【０００２】
【背景技術】
微細形状測定機や小穴測定機には各種プローブが使用される。
たとえば、小穴測定機用の接触式タッチトリガプローブの１つに、特願平１０−２２０４７４号（本出願人が出願したもの）で開示される超音波式のタッチ信号プローブがある。図７に、そのプローブ用センサの概略を示す。
このプローブ用センサ１００は、図７に示すように、スタイラスホルダ１０１と、このスタイラスホルダ１０１に２個所の支持部１０２，１０３で支持されるとともに、先端に被測定物と接触する接触部１０４を有するスタイラス１０５と、このスタイラス１０５の２個所の支持部１０２，１０３の中央部を振動の節として、スタイラス１０５の軸方向の固有振動数に等しい振動数でスタイラス１０５を加振する加振手段１０６と、スタイラス１０５の接触部１０４が被測定物に接触する際に発生する振動状態の変化から、その接触を検知する検出手段１０７とを含む構造であって、スタイラス１０５の２個所の支持部１０２，１０３の中央部が、スタイラス１０５の重心と一致するように、しかも、スタイラス１０５の軸方向振動の節となるようしたことを特徴としている。なお、図中に示す１０８はカウンタバランス、１０９は支持部１０２，１０３を形成する支持部材である。
【０００３】
ここで、スタイラス１０５は形状的には軸方向に略対称の構造を有し、加振手段１０６と検出手段１０７とを支持部１０２，１０３の近傍に配置している。加振手段１０６により、スタイラス１０５自身は非接触時には共振状態にあり、スタイラス１０５の先端にある接触部１０４が被測定物に接触する際の共振状態の変化を検出手段１０７により検出し、その接触状態を知る。
これが、スタイラス１０５が振動子と呼ばれる所以であり、また、スタイラス１０５自身が接触状態を検知できる機能を有しているのでセンサとも呼ばれる所以である。加振手段１０６と検出手段１０７とは、たとえば、圧電素子で実装される。
【０００４】
上記のほかに、微細形状測定機や小穴測定機に用いられる接触式タッチトリガプローブとして、特願平１０−２４０３５１号（本出願人が出願したもの）で開示されるプローブ用センサがある。図８に、そのプローブ用センサの概略を示す。
このプローブ用センサ２００は、図８に示すように、１枚の金属板をエッチングなどでくり抜き、水熱合成法で加振手段２０１および検出手段２０２をスタイラス２０３の表面に形成（加振手段２０１の裏側に検出手段２０２が形成される）した構造である。
ここで、２０１Ａは加振手段２０１を構成する圧電材料膜、２０１Ｂは加振手段２０１を構成する導電材料層、２０４はスタイラス２０３の先端にある接触部、２０５はスタイラスホルダ、２０６，２０７はスタイラス２０３の軸方向と直交する方向に設けられてスタイラス２０３を支持する支持部、２０８は取り付け用の孔である。
【０００５】
これは、図７で開示されるプローブ用センサ１００と同様に、スタイラス２０３がその軸方向に縦振動の共振を起こすように、加振手段２０１に正弦波の駆動信号が与えられ、スタイラス２０３の先端にある接触部２０４が被測定物に接触したときの振動変化を検出手段２０２で検出することで、被測定物との接触を検知する原理のセンサである。図７で開示されるプローブ用センサ１００と比較して、小形化が可能であり、また、大量生産が可能であることで安価なものとなるという特徴がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した２つのプローブ用センサ（第１、第２のプローブ用センサ）１００，２００の大きな違いの１つは、スタイラスの支持法である。すなわち、図７に示す第１のプローブ用センサ１００では、スタイラス１０５の支持部１０２，１０３は、スタイラス１０５の軸方向に沿った２個所であるが、図８に示す第２のプローブ用センサ２００では、スタイラス２０３の支持部２０６，２０７は、スタイラス２０３の軸に対して直角方向に位置する２個所である。この違いにより、それぞれ長所、短所が生ずる。
【０００７】
図７で示す第１のプローブ用センサ１００は、高感度でありながら、外乱振動に強い特徴を有し、小型化に適した構造である。
しかしながら、スタイラス１０５は片側で支持され、支持部１０２，１０３を形成する支持部材１０９の重心がスタイラス１０５の軸上にないため、スタイラス１０５の曲げ剛性は方向によって異なる結果となる。すなわち、スタイラス１０５の先端において、スタイラス軸に対して直角方向に様々な方向から力を加える場合、その方向により曲げの量が異なることになる。このため、スタイラス１０５の軸方向に共振振動をさせる場合、軸方向ばかりでなく、曲げ振動が重畳されることになる。
【０００８】
この状態のスタイラス１０５を表面形状測定機のプローブ用センサとして用いる場合を図９に示す。同図に示すように、スタイラス１０５の触針部（先端）は理想的には実線で示すように垂直方向のみの振動であるが、曲げ振動が重畳されると、点線で示すように、斜めの姿勢で被測定物の表面に接することになる。従って、被測定物表面との接触点がスタイラス軸の延長上より外れるため、本来の形状を忠実に表現できない欠点が生ずる。
【０００９】
図８で示す第２のプローブ用センサ２００は、同様に高感度であることに加えて、図７で示すプローブ用センサ１００の欠点であった、スタイラス軸に直角方向から接触する場合の方向による感度の差が顕著に現れないという長所がある。
しかし、スタイラス２０３を支持する支持部２０６，２０７がスタイラス２０３の軸方向に関しては１個所しかないため、本来はスタイラスホルダ２０５の作る面と振動子（スタイラス２０３）の作る面とは一致する筈であるが、僅かな加工誤差や加工歪みにより両者の面がねじれるという欠点がある。この欠点は、振動子（スタイラス２０３）の大きさが小さいほど顕著となり、所望の振動を阻害する要因となる。つまり、センサとしての感度を鈍化させる原因となる。
【００１０】
また、仮に、このような問題が解決された場合でも、この支持法では測定の誤差を発生しかねないという問題が残る。なぜならば、支持部２０６，２０７がスタイラス２０３の軸方向に関して１個所であるため、被測定物の外力によりスタイラス２０３が支持部２０６，２０７を支点として図中の矢印の方向に回転運動を起こし易く、これがために、図９に示すように、走査方向に依存してスタイラス先端に作用する摩擦力により、スタイラス２０３の先端があるべき位置から位置ずれを起こしてしまうからである。
【００１１】
更に、上記第１および第２のプローブセンサのほかに、精密形状測定機に用いられる接触式タッチ信号プローブとして、特願平１１−０９６３７７号（本出願人が出願したもの）で開示される振動式プローブがある。
この第３のプローブ用センサは、前述した第１および第２のプローブ用センサに対して、更に、プローブの軸に直交する方向へ振動させる振動手段を付加し、軸方向の振動のみならず、軸に直交する方向への振動が重畳されるという特徴を有する。
しかし、この第３のプローブセンサにおいても、同様に有害な曲げ振動が重畳され、接触子の軸直交方向振動が、あるべき振幅範囲から位置ずれをおこし、そのために測定の誤差を発生しかねないという問題が残る。
【００１２】
本発明の目的は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、スタイラスの軸方向に対して有害な曲げ振動の発生を防止することで、微細な表面形状の測定を実現可能とするタッチセンサを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明のタッチセンサは、スタイラスホルダと、このスタイラスホルダに支持されるスタイラスと、前記スタイラスを共振状態で振動させるための加振手段と、前記スタイラスの先端部が被測定物に接触する際に生ずる前記共振状態の変化から前記接触を検出する検出手段とを含むタッチセンサにおいて、前記スタイラスは、その軸方向に略対称の構造であり、前記スタイラスと前記スタイラスホルダとを連結する支持部材のスタイラス側の支持部は、前記スタイラスの重心に対して前記スタイラスの軸方向に対称となる複数個所で、更に、その各個所において前記スタイラスの軸に対称な複数個所であり、前記スタイラスの軸方向同一個所における各組の支持部材の重心が略前記軸上に有る、ことを特徴とする。
【００１４】
ここで、上述した本発明のタッチセンサの構成を、図１を参照して説明する。図中、１はスタイラス、２はスタイラス１の先端に設けられる接触部、３はスタイラス重心、４はスタイラス軸、５はスタイラスホルダ、６，７，８，９は支持部材を構成するスタイラス支持部材、１０，１１，１２，１３は支持部を構成するスタイラス支持部である。
本発明では、支持部は、スタイラス１の重心３に対してスタイラス１の軸方向に対称となる複数個所で、更に、その各個所においてスタイラス１の軸４に対称な複数個所（たとえば、２個所）であり、この構成に従って、図１に示すように、スタイラス１をたとえば４点で支持するようにしたことを特徴としている。
【００１５】
すなわち、図７に示す第１のプローブ用センサ１００の場合、スタイラス１０５の支持は、スタイラス１０５の軸方向に沿った２個所であり、図８に示す第２のプローブ用センサ２００の場合、スタイラス２０３の支持は、スタイラス２０３の軸方向に直交する方向の２個所であるのに対して、本発明では、スタイラス１をたとえば４点で支持するようにしたことを特徴としている。
【００１６】
本発明では、図１に示すように、スタイラス１をその軸方向に複数個所で支持することにより、スタイラス１の先端に設けられる接触部２の位置決めを確固たるものとし、また、その各個所で、スタイラス１の軸方向と直交する方向に複数個所、たとえば、２個所でスタイラス１を支持することにより、スタイラス軸方向と直交する方向への有害な横ぶれ振動が無視できるほど微小なものとすることを実現している。
【００１７】
本発明においても、振動形態がスタイラスの重心からスタイラス軸方向に対称な振動モードとなる軸方向振動である場合には、前記支持部材をスタイラス軸に対して軸対称構造とすることで、前記支持部の中心がスタイラスの軸方向振動の節と一致し、かつ、スタイラスの重心と一致するように構成することが好ましい。
更に、この効果を確かなものとするために、スタイラスホルダをスタイラス軸に対して軸対称構造とすることが好ましい。
【００１８】
また、この効果をより確かなものとするために、スタイラスを支持する全ての支持部を軸方向に平均した位置がスタイラスの振動の節に略一致するように設定されていることが好ましい。
更に、スタイラスの振動の節が１つ以上ある場合に、少なくとも１組の支持部の軸方向位置をスタイラスの振動の節に略一致させることにより、更に確実なスタイラスの支持が可能になる。
このようなスタイラスの支持構造によれば、スタイラスの振動が軸方向の振動のほか、スタイラスの軸に直交する方向の振動である場合にも、スタイラスの支持を確実に行うことができる。
また、前記加振手段および前記検出手段の少なくとも一方は、前記重心から等距離となる少なくとも前記スタイラス上の２個所に橋渡しされるように設ける構造とすることによって、スタイラスをコンパクトにまとめることができる。
【００２０】
また、スタイラスの振動を妨げないようにするために、前記支持部材のスタイラス軸方向の曲げ剛性がスタイラスの軸方向の剛性よりも低いように構成することが好ましい。
また、タッチセンサを構成する、前記スタイラス、前記スタイラスホルダおよび前記支持部材は、一体的に生成もしくは加工されていることが好ましい。
このようにすれば、スタイラスホルダに対する取付強度が強固なものとなることから、多少の外力が加わっても変形の心配がなく、安定した測定が可能になるうえ、ワイヤーカットや精密ロストワックスや電着メッキ等の手段により一体化した製作が可能となることから、安価で安定した特性のものを提供できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図２に、本実施形態にかかるタッチセンサを示す。同図に示すように、スタイラスホルダ５は取付部５０と固定部５１とを持つ。取付部５０には、スタイラス１との連結を実現するための４つのスタイラス支持部材６，７，８，９が設けられ、一方、固定部５１には、図示しない測定器本体等に固定するためのねじ穴等（図示せず）が設けられている。
【００２２】
スタイラス１の一端には、被測定物と接触する接触部２が設けられ、スタイラス１の他端には、カウンタバランス２０が必要に応じて設けられている。このスタイラス１は、概ね同一断面形状からなる柱状体であり、その重心位置３は、略スタイラス１の軸方向の中心であり、かつ、スタイラス軸４上にある。つまり、スタイラス１は、軸方向に略対称な構造である。
【００２３】
ちなみに、スタイラス１を小穴測定機のプローブ用センサとして用いる場合には、接触部２は球形あるいは円盤状の形状となり、表面粗さ計のプローブ用センサとして用いる場合には、図２に示すように、接触部２はその先端が尖った触針形状となる。
また、カウンタバランス２０は接触部２と同一形状でもよいが、重量が同一の角形などの別形状でもよいし、その重量がスタイラス重量に比較して無視できる場合には省略することも可能である。
【００２４】
スタイラス１には、４個所のスタイラス支持部１０，１１，１２，１３が形成され、この部分でスタイラス支持部材６，７，８，９と連結することで、スタイラスホルダ５と連結する。
スタイラス支持部１０，１１のスタイラス重心３からの距離は、スタイラス支持部１２，１３のスタイラス重心３からの距離と一致している。つまり、スタイラス支持部１０，１１とスタイラス支持部１２，１３とは、スタイラス１の重心３に対してスタイラス１の軸方向に対称となる位置、具体的には、スタイラス１の重心３からスタイラス１の軸方向に等距離となる個所に設けられている。そして、スタイラス支持部１０とスタイラス支持部１１とは、スタイラス軸４に対して軸対称の位置に設けられ、また、スタイラス支持部１２とスタイラス支持部１３とは、スタイラス軸４に対して軸対称の位置に設けられる。
【００２５】
すなわち、４個所のスタイラス支持部１０，１１，１２，１３は、スタイラス１の重心（中心）３に対して対称の位置に設けられ、かつ、スタイラス軸４に対して軸対称の位置に設けられている
これらのスタイラス支持部１０，１１，１２，１３には、スタイラスホルダ５の取付部５０から突出するスタイラス支持部材６，７，８，９が連結されており、スタイラス支持部材６とスタイラス支持部材７との組の重心がスタイラス軸４上にあるとともに、スタイラス支持部材８とスタイラス支持部材９との組の重心がスタイラス軸４上にあるように、これらのスタイラス支持部材６，７，８，９はスタイラス軸対称に設けられている。
【００２６】
更に、スタイラス支持部材６，７，８，９のスタイラス軸方向の曲げ剛性がスタイラス１の軸方向の剛性よりも低くなるように、スタイラス支持部材６，７，８，９の腕が細くなるように形成されている。これは、スタイラス支持部材６，７，８，９の曲げの剛性がスタイラス１の軸方向の振動を妨げないようにするためである。
【００２７】
一方、加振手段３１および検出手段３２は一体の圧電素子３０に形成され、そして、スタイラス１の重心３を境にして、スタイラス１の軸方向に、たとえば加振手段３１がカウンタバランス２０の側に配置され、たとえば検出手段３２が接触部２の側に配置されるという形で並んで配列されるように形成される。このようにして形成される圧電素子３０は、スタイラス１の重心３から等距離に設けられる２個所の支持部１４，１５に、それらの中間にある窪み部分１６を跨ぐような形で、接着や半田付けなどの手段により固着される。
【００２８】
同様にして、スタイラス１の裏面にも、スタイラス軸４が対称軸となるように同一形状の圧電素子３０が固着される。
スタイラス１の中央部分が若干薄く削られることより形成される窪み部分１６が設けられることで、圧電素子３０との固定部分がその両端になるようにと工夫されているが、これは圧電素子３０を橋渡しするための一手段に過ぎず、他の手段を用いることも可能である。たとえば、圧電素子３０の両端にのみ接着剤を塗布し、スタイラス１に圧電素子３０を押し付けて接着を行うようにすれば、スタイラス１の中央部分を薄く削らなくても固定部分が両端のみとなることで、この橋渡しを実現できる。
【００２９】
圧電素子３０の表面の電極は駆動電極と検出電極とに２分割されているが、接着面となる裏面は共通電極として１つの電極構造となっている。そして、駆動電極に駆動電圧を印加するためのリード線を設け、また、検出電極に検出信号を取り出すためのリード線を設けることで、それぞれ加振手段３１、検出手段３２が構成される。
【００３０】
この実施形態においては、加振手段３１によりスタイラス１は軸方向に振動させられ、その振動の節はスタイラス１の重心３の位置に略一致する。また、４個所のスタイラス支持部１０，１１，１２，１３のそれぞれの位置を軸方向に平均した位置はスタイラス１の重心３、すなわち、振動の節に略一致することになる。
【００３１】
このように構成されるタッチセンサでは、スタイラス１をその軸方向に複数箇所（２個所）で支持することにより、スタイラス１の先端に設けられる接触部２の位置決めを確固たるものとし、また、その各個所で、スタイラス１の軸方向と直交する方向に、たとえば、２個所でスタイラス１を支持することにより、スタイラス軸方向と直交する方向への横ぶれ振動が無視できるほど微小なものとすることができる。
【００３２】
その結果、本実施形態のタッチセンサによれば、スタイラス１の軸方向共振振動が完全に軸方向成分のみとなり、微細な表面形状の測定を実現できるようになる。
【００３３】
上述した図２のセンサでは、スタイラス１とスタイラスホルダ５とを連結するスタイラス支持部材６〜９のスタイラス１側の支持部１０〜１３が、スタイラス１の重心３に対してスタイラス１の軸方向に対称となる各個所において、スタイラス１の軸４に対称な２個所であったが、スタイラス１の重心３に対してスタイラス１の軸方向に対称となる各個所において、スタイラス１の軸４に対称な３個所以上であってもよい。
【００３４】
また、図２においては、スタイラス１の軸方向２個所において左右から、計４個所を支持する例を示したが、スタイラス１の重心３位置を含む軸方向の奇数個所で支持する構造とすることもできる。
図３は、その例を示すタッチセンサの側方断面図である。このセンサでは、図２に対して、スタイラス１の重心３（振動の節にあたる）の両側（左右）に支持部１７，１８が追加されている。振動の節においては、振動変位が少ないため、この支持部１７，１８の部材には他の支持個所より剛性の高い支持部材を用いることができる。このような支持構造とすることによって、更に支持の安定度を高めることができる。
【００３５】
また、図２においては、スタイラス１の軸方向に振動を付与する例を示したが、スタイラスの軸に対して、直交する方向の振動を生じるタッピングプローブにも適用できる。
図４は、そのタッピングプローブ用センサの側方断面図である。この例においては、スタイラス１の接触部２は加振手段によって曲げ振動を加えられ、その振動の節は、支持部１０（１１），１２（１３）に一致する２個所で生じる。このような支持構造とすることによって、軸に直交する方向の振動を生じるタッピングプローブにおいても、剛性を低下させずに、支持の安定度を高めつつ、有害な横ぶれ振動が無視できるほど微小なものとすることができる。
【００３６】
また、図２のセンサ構造では、スタイラス軸４に対して完全対称な構造となっているが、本発明はこれに限定されるものではなく、たとえば、図５に示すように、測定機本体のアーム４０との装着法によっては様々なスタイラスホルダ５の形状が考えられる。
【００３７】
また、圧電素子３０に一体形成される加振手段３１および検出手段３２の配置についても、図２や図５に示す実施形態に限定されるものではなく、たとえば、図６に示すように、加振手段３１と検出手段３２とをスタイラス１の軸方向に平行に配置する形で設けるようにしてもよい。
【００３８】
また、圧電素子３０の装着位置についても、図２や図５に示す実施形態のように、スタイラス１の軸に沿った平面の表裏に配置する場合に限らず、たとえば、図６に示すように、前記平面（スタイラス１の軸に沿った平面）と直交する２個所、具体的には、スタイラス１の側面に装着するようにしてもよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のタッチセンサによれば、スタイラスの軸方向に対して有害な曲げ振動の発生を防止できるので、微細な表面形状の測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の模式図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかるタッチセンサの斜視図である。
【図３】本発明の他の実施形態にかかるタッチセンサの側方断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態にかかるタッチセンサの側方断面図である。
【図５】本発明の他の実施形態にかかるタッチセンサの斜視図である。
【図６】本発明の他の実施形態にかかるタッチセンサの斜視図である。
【図７】先に出願したプローブ用センサの斜視図である。
【図８】先に出願したプローブ用センサの斜視図である。
【図９】本発明が解決すべき問題点の説明図である。
【符号の説明】
１          スタイラス
２          接触部
３          スタイラス重心
４          スタイラス軸
５          スタイラスホルダ
６〜９      スタイラス支持部材
１０〜１３  スタイラス支持部
１７，１８  スタイラス支持部
【図１】
0003650556.tif 000002
【図２】
0003650556.tif 000003
【図３】
0003650556.tif 000004
【図４】
0003650556.tif 000005
【図５】
0003650556.tif 000006
【図６】
0003650556.tif 000007
【図７】
0003650556.tif 000008
【図８】
0003650556.tif 000009
【図９】
0003650556.tif 000010