(57)【要約】【課題】振動特性を維持でき、接触時の負荷を受ける方向によって生じる剛性の差が測定精度に与える影響を軽減できる加振型接触検出センサを提供すること。【解決手段】略軸状のスタイラス本体２１および接触部２２を有するスタイラス２と、加振手段と、検出手段と、スタイラス２を支持するスタイラスホルダ１とを備える。スタイラスホルダ１は、固定部１１と、スタイラス本体２１の軸を中心とする仮想円筒Ｓの外周上に設けられる３本の腕部１２とを有する。スタイラス２は、仮想円筒Ｓの内方空間に配置され、かつ、６本の弾性片４を介して腕部１２に支持される。弾性片４は、スタイラス本体２１と腕部１２との間に、スタイラス本体２１における軸方向の２箇所から軸を中心に、等間隔で放射状に３つ以上設けられ、かつ、軸方向に沿って弾性変形可能な状態で設けられている。【選択図】図２
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
略軸状に形成されたスタイラス本体と、このスタイラス本体の先端部に設けられ被測定物に接触する接触部とを有するスタイラスと、
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、
前記スタイラスを支持するホルダと、を備える加振型接触検出センサであって、
前記ホルダは、前記スタイラス本体の軸と同軸上に設けられる固定部と、この固定部から前記軸を中心とする仮想円筒の外周上に当該軸に沿って延設される支持部とを有し、
前記スタイラスは、前記仮想円筒の内方に形成される空間に配置され、かつ、複数の弾性片を介して前記支持部に支持され、
前記弾性片は、前記スタイラス本体と前記支持部との間に、前記スタイラス本体における前記軸方向の２箇所から当該軸を中心に等間隔で放射状に３つ以上設けられ、かつ、前記軸方向に沿って弾性変形可能な状態で設けられる
ことを特徴とする加振型接触検出センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の加振型接触検出センサにおいて、
前記支持部は、互いに平行に延設され、かつ、前記仮想円筒の外周方向に等間隔に配置される３つ以上の腕部によって構成され、
前記弾性片は、前記各腕部とスタイラス本体との間にそれぞれ配置される
ことを特徴とする加振型接触検出センサ。
【請求項３】
請求項２に記載の加振型接触検出センサにおいて、
前記ホルダは、低熱膨張材で形成されることを特徴とする加振型接触検出センサ。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、加振型接触検出センサに関し、例えば、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。
【背景技術】
【０００２】
従来、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。
【０００３】
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６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、一対の腕部１１２とを備える。スタイラス１０２は、腕部１１２との間に配置された弾性片１０４によって支持される。また、スタイラス１０２の先端には、被測定物と接触する接触部１２１が設けられる。
【０００４】
一対の腕部１１２、弾性片１０４およびスタイラス１０２は、同じ厚さ寸法（図中のＴ１で示す寸法）を有する。厚さ寸法Ｔ１は、固定部１１１の厚さ寸法Ｔ２よりも小さくなっている。
圧電素子１０３は、スタイラス１０２を跨いだ状態で装着され、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る。
【０００５】
このような構成において、圧電素子１０３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、この変化を圧電素子１０３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。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−３４５４８３号公報
【考案の開示】
【考案が解決しようとする課題】
【０００７】
前述の特許文献１に記載の加振型接触検出センサ１００では、図６（Ｂ）に示すように、腕部１１２およびスタイラス１０２が同一の厚さ寸法Ｔ１で形成され、この厚さ寸法Ｔ１は、固定部１１１の厚さ寸法Ｔ２よりも小さくなっている。すなわち、スタイラスホルダ１０１は、固定部１１１に対して腕部１１２が薄く削られた形状であるため、接触部１２１に外部負荷が作用した際の弾性片１０４の長手方向（Ｘ方向）と、腕部１１２の厚さ方向（Ｙ方向）とでセンサ全体の剛性の違いが生じる。
例えば、３次元形状測定機にセンサを取り付けて被測定物を測定する場合、様々な方向から被測定物にアプローチするため、上記センサを用いてタッチ測定（間欠測定）や急傾斜面の測定を行った場合、Ｘ方向とＹ方向とで対称な形状を測定しているにも関わらず、形状の異なった測定結果を得てしまうことがある。
【０００８】
このようなスタイラス１０２の支持部分の形状による剛性の違いによって、接触部１２１が被測定物に接触した際の、センサ全体のＸ方向の撓み量と、Ｙ方向の撓み量とが異なり、検出感度の違い（方向依存性）が生じて、測定精度に影響を与えるという問題があった。
特に、ナノメートルオーダーの測定精度が必要とされる場合には、各方向での撓み量の差による測定精度に与える影響が大きい。
これに対して、センサ全体のＹ方向の厚さ寸法を大きくして、Ｙ方向の剛性を確保することが考えられるが、圧電素子１０３によって加振されるスタイラス１０２および弾性片１０４の部分に関しては、厚みを変更すると、測定力の検出感度、振動周波数やＱ値（共振状態の鋭さを示す指数）が大きく変化し、センサとしての機能を果たさなくなる可能性もある。そのため、センサの基本的な構造部分を変更しないで剛性を確保したいという要求が大きかった。
【０００９】
本考案の目的は、振動特性を維持でき、接触時の負荷を受ける方向によって生じる剛性の差が測定精度に与える影響を軽減できる加振型接触検出センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本考案の加振型接触検出センサは、略軸状に形成されたスタイラス本体と、このスタイラス本体の先端部に設けられ被測定物に接触する接触部とを有するスタイラスと、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、前記スタイラスを支持するホルダと、を備える加振型接触検出センサであって、前記ホルダは、前記スタイラス本体の軸と同軸上に設けられる固定部と、この固定部から前記軸を中心とする仮想円筒の外周上に当該軸に沿って延設される支持部とを有し、前記スタイラスは、前記仮想円筒の内方に形成される空間に配置され、かつ、複数の弾性片を介して前記支持部に支持され、前記弾性片は、前記スタイラス本体と前記支持部との間に、前記スタイラス本体における前記軸方向の２箇所から当該軸を中心に等間隔で放射状に３つ以上設けられ、かつ、前記軸方向に沿って弾性変形可能な状態で設けられることを特徴とする。
【００１１】
ここで、スタイラス本体の軸方向をＺ方向とし、このＺ方向に直交して互いに直交する２方向をＸ，Ｙ方向として、以下の説明を行う。
例えば、仮想円筒の外周上に軸（Ｚ方向）に沿って延設される支持部としては、スタイラス本体の軸を中心とする円筒状の支持部を採用することができる。あるいは、固定部から軸に沿って延びる複数の腕部が仮想円筒の外周上に設けられた支持部であってもよい。
【００１２】
この構成によれば、スタイラス本体の軸方向に弾性変形する複数の弾性片を介して、スタイラス本体が支持部に支持されるので、加振手段がスタイラスを加振させると、スタイラスはその軸方向に沿って共振状態で振動する。この状態で接触部が被測定物に接触すると、検出手段が共振状態の変化を検出して、被測定物と加振型接触検出センサとの位置関係が測定される。
このような加振型接触検出センサにおいて、スタイラスを支持する弾性片がスタイラスの軸を中心に等間隔で放射状に設けられ、かつ、弾性片がスタイラス本体の軸方向の２箇所にそれぞれ放射状に設けられているので、スタイラスの軸（Ｚ方向）に直交するＸ，Ｙ方向における剛性の差を抑制することができる。従って、従来のセンサのようなＸ方向の剛性に対してＹ方向の剛性が小さくなるという剛性の方向依存性を低減でき、接触時の負荷を受ける方向によって生じる剛性の差が測定精度に与える影響を軽減できる。
【００１３】
また、スタイラスに関しては、スタイラス本体を支持する弾性片の配置が従来のセンサに対して異なるが、スタイラス自体は略同様の構造を採用することができる。従って、測定力の検出感度、振動周波数やＱ値が大きく変化することなく、従来のセンサの振動特性を容易に維持することができる。
また、支持部がスタイラスの軸を中心とする仮想円筒の外周上にその軸に沿って設けられ、スタイラスがこの仮想円筒の内方空間に配置されているので、複数の弾性片を放射状に配置することができる。従って、スタイラスが確実に保持され、スタイラスの支持構造が安定し、高い測定精度を得ることができる。
本考案の加振型接触検出センサに係る形状を用いて有限要素法による各方向の剛性を算出したところ、図５に示すように、従来のセンサでは、Ｙ方向の剛性がＸ方向の剛性に対して３０％しか得られなかったのに対して、本考案のセンサによれば、Ｙ方向の剛性をＸ方向の剛性と同一にすることができる。
【００１４】
本考案の加振型接触検出センサでは、前記支持部は、互いに平行に延設され、かつ、前記仮想円筒の外周方向に等間隔に配置される３つ以上の腕部によって構成され、前記弾性片は、前記各腕部とスタイラス本体との間にそれぞれ配置されることが好ましい。
ここで、３つ以上の腕部が仮想円筒の外周方向に等間隔に配置されているので、各腕部を放射状の弾性片に対応する位置に配置することによって、スタイラスを支持する構造が形成される。
【００１５】
この構成によれば、互いに平行に延設される３つの部材（腕部）によって支持部を構成し、かつ、それぞれの支持部（腕部）を仮想円筒の外周方向に等間隔に配置するので、各腕部間には所定の隙間を確保することができる。従って、スタイラスおよび弾性片からなるスタイラスの支持構造を腕部の内方に形成する際に、腕部間の隙間からその形成作業を行うことができるので、例えば、支持部が円筒状に形成される場合と比べて、スタイラスの支持構造を容易に形成できる。
【００１６】
本考案の加振型接触検出センサでは、前記ホルダは、低熱膨張材で形成されることが好ましい。
この構成によれば、ホルダの材質を低熱膨張材とすることで、ホルダの熱膨張がほとんど生じなくなるので、温度変化による測定精度への影響を軽減できる。
【考案を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本考案の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態の加振型接触検出センサ１０の斜視図である。図２〜４は、圧電素子３が装着される前の状態の加振型接触検出センサ１０の斜視図、正面図および底面図である。
図１に示すように、加振型接触検出センサ１０は、スタイラスホルダ（ホルダ）１と、スタイラス２と、６枚の圧電素子３とを含んで構成される。
【００１８】
スタイラスホルダ１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１１と、この固定部１１から平行に延びた３本の腕部１２からなる支持部１３とを備える。ここで、固定部１１は、スタイラス２と同軸上に設けられる。また、支持部１３を構成する３本の腕部１２は、図２に示すように、スタイラス２の軸を中心とする仮想円筒Ｓの外周上に、この外周方向に等間隔に配置され、スタイラス２の軸に沿って延設される。
【００１９】
スタイラス２は、略軸状に形成されるスタイラス本体２１と、このスタイラス本体２１の先端に設けられ被測定物と接触する接触部２２とから構成される。
スタイラス本体２１は、スタイラスホルダ１の３本の腕部１２の間に配置される。すなわち、スタイラス本体２１は、仮想円筒Ｓの内方に形成される空間に配置され、６本の弾性片４を介して腕部１２に支持される。
【００２０】
弾性片４は、図２〜図４に示すように、その長手方向がスタイラス２の軸方向と略直交して配置され、一端が腕部１２の内周面に連接され、他端がスタイラス本体２１の外周面に連接される。
また、この弾性片４は、スタイラス本体２１の略中央位置から、軸方向に沿って等間隔に、３本ずつ配置された構成となっており、それぞれの３本の弾性片４は、軸周りに１２０度間隔で放射状に設けられる。このような構成により、各弾性片４は、スタイラス２の軸方向へ弾性変形可能となっている。
なお、本実施形態では、スタイラス本体２１の軸周りに１２０度間隔で３本の弾性片４が連接された構成で説明しているが、スタイラス本体２１の軸周りに連接される弾性片４の本数は必ずしも３本に限定されるものではない。つまり、スタイラス本体２１の軸周りに等間隔に連接されていれば、弾性片４の本数は３本以上であれば何本でもよい。例えば、弾性片４は、スタイラス本体２１の軸周りに９０度の間隔で４本連接されていたり、６０度の間隔で６本連接されていてもよい。
【００２１】
スタイラスホルダ１、スタイラス２および弾性片４は、いずれも低熱膨張材を素材として形成される。これらのうちの、スタイラス２および６本の弾性片４は、同じ厚さ寸法（図４中のＴ１で示す寸法）を有する。一方、スタイラスホルダ１を構成する固定部１１および３本の腕部１２は、厚さ寸法Ｔ１よりも大きい厚さ寸法Ｔ２を有する。ここで厚さ寸法Ｔ１，Ｔ２とは、スタイラス２の軸方向と各弾性片４の長手方向とから形成される平面の直交方向に沿った寸法、すなわち、各弾性片４の弾性変形可能な方向に対して直交し、かつ、各弾性片４の長手方向に対して直交する方向に沿った寸法を示す。
【００２２】
圧電素子３は、図１に示すように、平行な一対の弾性片４に架け渡された状態で装着される。２枚の圧電素子３が一対の弾性片４を挟むようにして圧電素子３が配置される。この一対の弾性片４に対する一方の側には、加振手段３１としての圧電素子３が接着され、他方の側には、検出手段３２としての圧電素子３が接着される。ここで、加振手段３１は、スタイラス２を軸方向に共振状態で加振するためのものであり、検出手段３２は、接触部２２と被測定物との接触に際して生じるスタイラス２の共振状態の変化を検出するためのものである。
【００２３】
このような構成において、加振手段３１でスタイラス２を加振すると、スタイラス２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２２が被測定物に接触すると、スタイラス２の共振状態に変化が生じ、この変化を検出手段３２が検出することによって、接触部２２と被測定物との接触を検出することができる。このようにして、被測定物と加振型接触検出センサ１０との位置関係が測定される。
【００２４】
［本実施形態による効果］
本実施形態によれば、次のような効果を奏することができる。
（１）スタイラス２を支持する弾性片４がスタイラス２の軸を中心に等間隔で放射状に設けられ、かつ、弾性片４がスタイラス本体２１の軸方向の２箇所にそれぞれ放射状に設けられているので、図３，４に示すようにスタイラス２の軸（Ｚ方向）に直交するＸ，Ｙ方向における剛性の差を抑制することができる。従って、従来のセンサのようなＸ方向の剛性に対してＹ方向の剛性が小さくなるという剛性の方向依存性を低減でき、接触時の負荷を受ける方向によって生じる剛性の差が測定精度に与える影響を軽減できる。
【００２５】
（２）スタイラス２に関しては、スタイラス本体２１を支持する弾性片４の配置が従来のセンサに対して異なるが、スタイラス２自体は略同様の構造を採用することができる。従って、測定力の検出感度、振動周波数やＱ値が大きく変化することなく、従来のセンサの振動特性を容易に維持することができる。
【００２６】
（３）互いに平行に延設される３本の部材によって腕部１２を構成し、かつ、それぞれの腕部１２を仮想円筒Ｓの外周方向に等間隔に配置するので、スタイラス２は、これらの腕部１２の内方空間に配置され、弾性片４によって放射状に支持され、これによって確実に保持される。従って、スタイラス２の支持構造が安定し、高い測定精度を得ることができる。
【００２７】
（４）互いに平行に延設される３本の部材によって腕部１２を構成し、かつ、それぞれの腕部１２を仮想円筒Ｓの外周方向に等間隔に配置するので、各腕部１２間には所定の隙間を確保することができる。従って、弾性片４からなるスタイラス２の支持構造を腕部１２の内方に形成する際に、腕部１２間の隙間からその形成作業を行うことができるので、例えば、腕部１２が円筒状に形成される場合と比べて、スタイラス２の支持構造を容易に形成できる。
【００２８】
（５）スタイラスホルダ１の材質を低熱膨張材とすることで、腕部１２の熱膨張がほとんど生じなくなるので、温度変化による測定精度への影響を軽減できる。
【００２９】
［本考案の変形例］
なお、本考案は前述の実施形態に限定されるものではなく、本考案の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本考案に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、スタイラスホルダ１が３本の腕部１２からなる支持部１３を有する場合を説明したが、本考案の支持部としては、仮想円筒Ｓの外周上に形成される円筒状のものであってもよい。
また、加振手段３１および検出手段３２としては、前記実施形態の圧電素子３に限られず、例えば、MEMS（Micro Electro Mechanical System）を利用して各弾性片４の表面に形成される圧電素子の膜で構成してもよい。
また、前記実施形態ではスタイラスホルダ１を構成する固定部１１および３本の腕部１２は、弾性片４の厚さ寸法Ｔ１よりも大きい厚さ寸法Ｔ２を有すると説明したが、これに限られず、スタイラスホルダ１の固定部１１についてはその厚さを寸法Ｔ２とし、腕部１２についてはその厚さを弾性片４の厚さと同じ寸法Ｔ１としてもよい。
【実施例】
【００３０】
以下、本考案の実施例について説明する。本実施例では、前記実施形態で述べた構成と略同様の構成である加振型接触検出センサを用いて、以下の評価を行う。
【００３１】
〔１．評価項目〕
設計モデルを用いた剛性ＦＥＭ解析を実施した。ここでは、実際の測定条件下と略同じ状態となるように、スタイラス先端の接触部に各方向に沿って負荷を作用させ、各方向の剛性を算出する。
〔２．測定条件〕
スタイラスの接触部に１０μＮの力を各方向（図３および図４に示すＸ、Ｙ方向）へ作用させ、撓み量を解析し、各方向の剛性を算出する。
【００３２】
〔３．結果・考察〕
図５には、加振型接触検出センサの剛性ＦＥＭ解析の結果を示す。なお、従来のセンサの設計モデルでの結果を用いて、そのＸ方向の剛性を１００として、従来および本考案のＸ、Ｙ方向における剛性比をそれぞれ示す。
この剛性ＦＥＭ解析によれば、本考案の加振型接触検出センサでのＸ方向の剛性が、従来のセンサでのＸ方向の剛性と同一となった。
また、従来のセンサでは、Ｙ方向の剛性がＸ方向の剛性の約３０％であった。これに対して、本考案の加振型接触検出センサでは、Ｙ方向の剛性がＸ方向の剛性の約１００％となった。このように、本考案のセンサでは、Ｘ方向とＹ方向の各剛性が一致することが判明した。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本考案は、表面性状測定装置の加振型接触式センサに利用できる他、原子間力顕微鏡等の走査型顕微鏡の触針にも利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本考案の一実施形態に係る加振型接触検出センサを示す斜視図。
【図２】前記加振型接触検出センサに圧電素子を装着する前の状態を示す図。
【図３】前記加振型接触検出センサを示す正面図。
【図４】前記加振型接触検出センサを示す底面図。
【図５】本考案の実施例に係る解析結果を示す図。
【図６】(Ａ)，(Ｂ)は、従来のセンサを示す正面図および側面図。
【符号の説明】
【００３５】
１…スタイラスホルダ（ホルダ）
２…スタイラス
３…圧電素子
４…弾性片
１０…加振型接触検出センサ
１１…固定部
１２…腕部
１３…支持部
２１…スタイラス本体
２２…接触部
３１…加振手段
３２…検出手段
Ｓ…仮想円筒。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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