JPH0498114A - 変位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、被測定物にスタイラスを接触させて相対的に
移動させることにより被測定物の形状を検知する変位測
定装置に関する。

（従来の技術） 被測定物の形状を検知する変位測定装置は、軸方向に移
動自在に支持されたプローブ軸の先端部にスタイラスが
設けられ、このスタイラスを被測定物に接触させ、被測
定物の形状に倣って進退動作するスタイラスのストロー
クを前記プローブ軸に伝達するようになっている。前記
プローブ軸は、摩擦力を軽減するために空気軸受により
非接触軸支されている。また、前記スタイラスは、その
位置に関係なく被測定物に一定の接触圧で接触するよう
になっている。

すなわち、第１０図は、従来の変位測定装置（＾）を示
している。この変位測定装置（＾）は、円筒状のハウジ
ング（Ｘ）　　と、このハウジング（Ｘｌ　の内部に設
けられた空気軸受（＋１）　と、この空気軸受（Ｂ）に
軸方向に移動自在に軸支されたプローブ軸（Ｃ）　　と
、このプローブ軸（Ｃ）の先端に設けられたスタイラス
（ｆ））　　と、プローブ軸（Ｃ）の末端に設けられプ
ローブ軸（Ｃ）の移動量を検出するためのコーナキュー
ブ（Ｉりと、プローブ軸（Ｃ）の後端部に環装されたコ
ア（Ｆ）と、このコア（１’）を非接触で囲繞するよう
にハウジング（Ｘ）に設けられたバイアスコイル（Ｇｌ
　とからなっている。前記プローブ軸（Ｃ）　は、横断
面形状が矩形であって、これに対応して空気軸受（Ｂ）
の軸受穴も矩形になっていて、プローブ軸（Ｃ）の軸の
回りの回転を防止できるようになっている。

一方、第１１図は、従来の他の変位測定装置（旧を示し
ている。この変位測定装置（旧　は、円筒状のハウジン
グ（１）と、このハウジング（１）の内部に設けられた
軸受（」）と、この軸受（Ｊ）に軸方向に移動自在に静
圧軸支されたプローブ軸（Ｋ）と、このプローブ軸（Ｋ
）の先端に取付られたスタイラス（Ｌ）と、プローブ軸
（Ｋ）の後端に軸方向に沿って設けられた凹溝ｆＭ）　
　と、ハウジング（１）の内部に凹溝（Ｍ）に遊挿する
ように突設され回転止めピン（Ｎ）　　とからなってい
る。そして、軸受（１１とプローブ軸（Ｋ）　　とのギ
ャップには、空気流路（Ｐ）を経由して空気流入口（Ｒ
）から圧縮空気が供給されるようになっている。さらに
、軸受（１）　　とプローブ軸（Ｋ）　　とのギャップ
に供給された圧縮空気は、空気流出［１（Ｓｌ　から外
部に放出されるようになっている。そして、空気流出口
（Ｐ）の開「１面積の調整は、図示せぬ調整ねじにより
行うようになっている。

（発明が解決しようとする課題） しかして、前者の変位測定装置（八）においては、スタ
イラス（Ｄ）の被測定物への接触圧の調整は、バイアス
コイル（６）に印加する電流量を加減することにより行
うようになっている。そのため、バイアスコイル（Ｇ）
への電流の印加にともなう発熱が問題となる。すなわち
、温度管理が厳しい精密な測定や、長時間にわたる測定
では、バイアスコイル（Ｇ）の発熱は、データの信頼性
という点から重大な悪影響を与える虞がある。そこで、
この問題を解消するためには、放熱機構を付設する必要
があるが、変位測定装置（Ａ）の構造の複雑化を招き、
設計上、好ましくなかった。また、従来の変位測定装置
（＾）は、スタイラス（Ｄ）の被測定物への接触圧を検
出するセンサが設けられていないので、測定中における
接触圧の微妙な変動に忠実に即応して、バイアスコイル
（Ｇ）への印加電流の調整を行うことはできなかった。

したがって、この問題は、被測定物の形状を安定した状
態で測定するための大きな障害となっていた。

一方、後者の変位測定装置（１１）においては、スタイ
ラス（１，）の被測定物への接触圧の調整は、調整ねじ
により空気流出口（Ｓ）の開［−１面積を加減して圧縮
空気の空気流出Ｄ（Ｓ）からの排出量を調整することに
より行なっていた。このため、接触圧の調整による空気
軸受特性の変化や測定中の接触圧の変動に対する配慮は
全くなされていなかった。

本発明は、上記事情を参酌してなされたもので、発熱が
少なく且つ測定中における接触圧の変動がない変位測定
装置を提供することを目的とする。

［発明の構成１ （課題を解決するための手段と作用） 本発明の変位測定装置は、接触圧検出部にて接触圧を検
出し、この検出した接触圧に基づいて、接触圧調整部に
よりプローブ軸の被測定物に対する接触圧を制御するよ
うにしたもので、変位測定中の微妙な接触圧変動に忠実
に即応して、リアルタイムで接触圧を厳密に制御するこ
とができる。

また、接触圧調整部は、はとんど発熱せず、発熱による
変位量測定値への悪影響がない。したがって、これらの
諸効果が相俟って、変位測定精度が著しく向上する。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳述する。

第１図は、この実施例の変位測定装置（Ｐｌ）を示して
いる。この変位測定装置（Ｐｌ）は、円筒状のハウジン
グ（１）と、このハウジング（１）の内部に設けられた
空気軸受（２）と、この空気軸受（２）により軸方向に
移動自在に非接触軸支された円柱状のプローブ軸（３）
と、このプローブ軸（３）の前端に同軸に設けられ変位
量が測定される被測定物に直接当接するスタイラス（４
）と、プローブ軸（３）とスタイラス（４）の間に介設
されプローブ軸（３）の軸方向の移動を規制するストッ
パ（５）と、プローブ軸（３）の後端部に設けられこの
プローブ軸（３）の移動量を検出するためのコーナキュ
ーブ（６ａ）を有する測長部（６）と、プローブ軸（３
）及びハウジンク（１）の内部の後端部に設けられた接
触圧調整部（７）　と、プローブ軸（３）とストッパ（
５）の間に設けられスタイラス（４）の被測定物への接
触圧を検出する接触圧検出部（８）と、この接触圧検出
部（８）における検出結果に基づいて接触圧調整部（７
）に接触圧を最適値にするための制御信号を印加する接
触圧制御部（９）とからなっている。しかして、ハウジ
ング（１）は、コーナキューブ（６ａ）を同軸に囲繞す
る第１ハウジング部（１０）と、この第１ハウジング部
（１０）に連接し接触圧調整部（７）を保持する第２ハ
ウジング部（１１）と、この第２ハウジング部（１１）
に連接し空気軸受（２）を保持する第３ハウジング部（
１２）と、この第３ハウジング部（１２）に連接し接触
圧検出部（８）を同軸に囲繞する第４ハウジング部（１
３）と、この第４ハウジング部（１３）に連接しストッ
パ（５）が同軸に遊挿される第５ハウジング部（１４）
とからなっている。この第５ハウジング部（１４）は、
円筒部（１５）と、この円筒部（１５）の一端部に設け
られた端板（１６）とからなっている。そして、円筒部
（１５）の一端部側の周縁部にはテーパ面（１６ａ）が
形成されている。このテーパ面（１６ａ）には、一端部
が円筒部（１５）の内部に開口する透孔（１７）・・・
の他端部が開１コしている。また、端板（１６）には、
ストッパ（５）の一部が挿通ずる透孔（１８）が、同軸
に穿設されている。さらに、空気軸受（２）は、第３ハ
ウジング部（１２）に内嵌された金属製のブツシュ（１
９）と、このブツシュ（１９）の外面に設けられた一対
のリング状案内溝（２０）、　（２０）　　と、これら
の案内溝（２０）、　（２０）に連通してブツシュ（１
９）の等配位置にて複数個穿設されプローブ軸（３）向
かって圧縮空気を噴出する絞り孔（２１）・・と、ブツ
シュ（１９）の一対のリング状案内溝（２０Ｌ　（２０
ｊ間に等配して穿設され絞り孔（２１）・・からブツシ
ュ（１９）の内部に供給された空気を外部に排出するた
めの排気孔（２２）・・・とからなっている。また、第
３ハウジング部（１２）の排気孔（２２）・・・に対応
する位置には、排気孔（２２）・・・に対して同軸に排
気孔（２２ａ）・・が穿設されている。また、第３ハウ
ジング部（１２）の案内溝（２０）、　（２０）に対応
する位置には、圧縮空気をこれら案内溝（２Ｇ）、　（
２０）に導入するための圧縮空気導入孔（２４）、　（
２４）が穿設されている。この圧縮空気導入孔（２４）
、　（２４）は、図示せぬ導管を介して、図示せぬ圧縮
空気源に接続されている。さらに、ストッパ（５）は、
プローブ軸（３）に同軸に連結され一端部が透孔（１８
）から突出する軸部（２５）と、この軸部（２５）の中
途部に設けられた鍔部（２６）とからなっている。しか
して、この鍔部（２６）は、ブツシュ（１９）と端板（
１６）により規制される範囲内で進退自在となっ−Ｃい
る。さらに、スタイラス（１１）は、軸部（２５）の先
端に同軸に取付けられた基軸（２７）と、この基軸（２
７）の先端に同軸に連結されたルビー製の球体部（２８
）とからなっている。一方、測長部（６）は、プローブ
軸（３）の軸線に対して４５度傾斜し且つ互いに直交す
る一対の反射面（２１ａ）（２９ｂ）か設けられたコー
ナキューブ（６ａ）と、一対の反射面（２９ａ）、　ｆ
２９ｔ＋）にて入反射したレーザ光（３０）、（３１）
の干渉特性によりプローブ軸（３）の変位量を検出する
レーザ干渉式測長器（３２）とからなっている。上記レ
ーザ干渉式測長器（３２）は、プローブ軸（３）の軸線
に沿って一対の反射面（２９ａＬ　（２９ｂ）のうち一
方のものにレーザ光（３０）を投射するように設けられ
ている。そして、一方の反射面（２９ａ）に入射したレ
ーザ光（３０）は、他方の反射面（２９ｂ）にて反射し
、このとき反射したレーザ光（３１）が、再びプローブ
軸（３）の軸線に沿ってレーザ干渉式測長器（３２）に
戻ってくるようになっている。さらに、接触圧調整部（
７）は、第２ハウジング部（１１）に内嵌され非磁性体
からなる円筒状のボビン（３３）と、このボビン（３３
）にその軸線り向に埋設状態にて並設された一対の永久
磁石（３４）、　（３５）　と、これら永久磁石（３４
）、　（３５）上に巻回された一対のコイル（３６）、
　（３７）　　と、プローブ軸（３）のボビン（３３）
に対向する位置に外嵌された円筒状のコア（３８Ｂ！：
からなっている。そして、上記コイル（３６）、　（３
７）は、図示せぬ電源から給電され、給電量の調整によ
りコイル（３６）、　（３７）並びに永久磁石（３４）
、　（３５）　と、コア（３８）との間に発生する磁力
を変化させることができるようになっている。この給電
によりコイル（３６）、　（３７）が発熱するので、第
２ハウジング部（１１）の外周部には、鍔状のフィン（
３９）・・・が突設されている。なお、コイル（３６）
、　（３’ｌ）並びに永久磁石（３４）、　（３５）　
　と、コア（３８）との間に発生する磁力により、被測
定物に対するプローブ軸（３）の接触圧を発生させるよ
うにしている。この場合、永久磁石（３４）、　（３５
）　とコア（３８）との間に発生する磁力により、固定
的な基準接触圧ＰＯを得るようにしている。そして、コ
イル（３６）、　（３７１とコア（３８）との間に発生
する磁力により、上記固定的な基準接触圧ＰＯを増減さ
せ、所望の目標接触圧ＰＡを得るようにしている。さら
に、接触圧検出部（８）は、第２図に示すように、スト
ッパ（５）の軸部（２５）とプローブ軸（３）との間に
同軸に介挿・固定された円柱状の弾性体（４０）と、こ
の弾性体（３９）の外周面の軸線に直交する円周方向に
沿う４箇所に等配して貼着されたひずみゲージ（４１）
・・・とからなっている。これらひずみゲージ（４１）
・・・は、弾性体（４０）の変形量に対応した大きさの
電圧の変位検出信号ＳΔ・・を出力するように設けられ
ている。そして、この弾性体（４０）を囲繞する第４ハ
ウジング部（１３）には、複数の透孔（４２）・・・が
穿設されている。最後に、接触圧制御部（９）は、ひず
みゲージ（４１）・・に電気的に接続され変位検出信号
ＳＡ・・・を増幅する増幅器（４３）と、この増幅器（
４３）の出力側に接続され増幅された変位検出信号ＳＢ
・・・を入力してこの変位検出信号ＳＢ・・・に基づい
て弾性体（４０）の軸心部分におけるひずみ量を接触圧
Ｐとして算出するとともに弾性体（４０）のプローブ軸
（３）の軸線に対する傾き八Ｔを算出する第１演算部（
４４）と、被測定物に対するプローブ軸（３）の目標接
触圧ＰＡを設定するための接触圧設定部（４５）と、こ
の第１演算部（４４）から出力された接触圧Ｐ及び傾き
八Ｔを示す電気信号ＳＣを入力するとともに接触圧設定
部（４５）から出力された目標接触圧ＰＡを示す電気信
号ＳＤを入力して目標接触圧ＰＡと接触圧検出部（８）
にて検出された接触圧Ｐとの差である接触圧変動分ΔＰ
を解消させるための制御信号Ｓ　ＥＳＦを出力する制御
部（４８）と、この制御部（４８）から出力された制御
信号ＳＥ、ＳＦを増幅してコイル（３６）、　（３７）
に給電する増幅器（４９）、　（５Ｇ＋　と、レーザ干
渉式測長器（３２）から出力されたプローブ軸（３）の
変位量を示す計測信号ＳＧを並びに第１演算部（４４）
から出力された接触圧Ｐ及び傾き八Ｔを示す電気信号Ｓ
Ｃを入力して弾性体（４０）の軸心部分でのひずみ量ε
と傾き八Ｔを修正しプローブ軸（３）の真の変位量を算
出する第２演算部（５１）とからなっている。

つぎに、上記構成の変位測定装置（Ｐｌ）の作動につい
て述べる。

まず、図示せぬ圧縮空気源から圧縮空気を圧縮空気導入
孔（２Ｆ）、　（２４）から案内溝（２０）、　（２０
）に供給する。すると、圧縮空気は、これら案内溝（２
Ｇ）、　（２０）から絞り孔（２１）・・・を経由して
プローブ軸（３）とハウジング（・１）の内壁面との間
のギャップに供給される。その結果、プローブ軸（３）
は、ハウジング（１）に静圧軸支される。このとき、絞
り孔（２１）・・・から噴出した圧縮空気は、排気孔（
２２）・・排気孔（２２ａ）・・・、透孔（１７）・・
・及び透孔（４２）・・・を介して、外部に放出される
。つぎに、被測定物にスタイラス（４）を当接させる。

このとき、レーザ干渉式測長器（３２）からは、レーザ
光（３０）をコーナキューブ（６ａ）（７）反射面（２
９ａ）　ｌ：投射し、反射面（２９ｂ）から反射された
レーザ光（３１）を受光して、プローブ軸（３）の変位
量を測定できるようにしておく。

また、コイル（３６）、　（３７）には、所定量だけ給
電しておく。かくて、プローブ軸（３）がスタイラス（
４）を介して被測定物に当接した際には、プローブ軸（
３）は、矢印（５２ａ）方向に後退するが、コイル（３
６）、　（３７）並びに永久磁石（３４）、　（３５）
と、コア（３８）との間に発生する磁力により、プロー
ブ軸（３）は、矢印（５２ｂ）方向に押し戻され、これ
により被測定物に対するプローブ軸（３）の接触圧が発
生する。その結果、弾性体（４０）にひずみが発生ずる
。

このひずみの発生に伴って、ひずみゲージ（４１）・・
からは、弾性体（４０）の変形量に対応した大きさの電
圧の変位検出信号ＳＡ・・・が、増幅器（４３）・・・
に出力される。そして、これら増幅器（４３）・・にて
は、変位検出信号ＳＡ・・・が増幅され、変位検出信号
ＳＢ・・・が第１演算部（４４）に出力される。すると
、第１演算部（４４）にては、変位検出信号ＳＢ・・・
に基づいて弾性体（４０）の軸心部分におけるひずみＦ
ｉｔを接触圧Ｐとして算出するとともに、弾性体（４０
）のプローブ軸（３）の軸線に対する傾きΔＴを算出す
る。

そして、この第１演算部（４４）からは、算出した接触
圧Ｐ及び傾き八Ｔを示す電気信号ＳＣが制御部（４８）
に出力される。一方、制御部（４８）にては、接触圧設
定部（４５）からの電気信号ＳＤが示す目標接触圧ＰＡ
と接触圧検出部（８）にて検出された接触圧Ｐとの差で
ある接触圧変動分ΔＰを解消させるための制御信号ＳＥ
、ＳＦが、増幅器（４９）、　（５（１）に出力される
。そして、制御信号ＳＥ、ＳＦは、増幅器（４９１，（
５１１）にて増幅され、増幅された制御信号ＳＥ−，Ｓ
Ｆ−が、コイル（３６）、　（３７）に給電される。す
ると、制御信号ＳＥ”、ＳＦ−の給電により発生する可
変的磁力により、上記永久磁石（３４）、（３５）とコ
ア（３８）との間に発生する固定的磁力による基準接触
圧ＰＯを増減させ、所望の目標接触圧ＰＡを得る。この
ようなフィードバック制御は、変位測定中、継続してリ
アルタイムにて行われる。一方、測定中、第２演算部（
５１）には、レーザ干渉式測長器（３２）からプローブ
軸（３）の変位量を示す計測信号ＳＧ並びに第１演算部
（４４）から接触圧Ｐ及び傾きΔＴを示す電気信号ＳＣ
が印加されている。そして、この第２演算部（５１）に
は、これら計測信号ＳＧと電気信号ＳＣとに基づいて、
弾性体（４０）の軸心部分でのひずみ量εと傾きΔＴを
修正しプローブ軸（３）の真の変位量を算出する。

そして、この真の変位量は、図示せぬデイスプレィ装置
にて表示される。

以上のように、この実施例の変位測定装置（Ｐｌ）は、
接触圧検出部（８）にて接触圧を検出し、この検出した
接触圧に基づいて、変位測定中の微妙な接触圧変動に忠
実に即応して、リアルタイムでプローブ軸（３）の被測
定物に対する接触圧を制御することができる。また、コ
イル（３６）、　（３’＋１並びに永久磁石（３４）、
　（３５）　と、コア（３８）との間に発生する磁力に
より、被測定物に対するプローブ軸（３）の接触圧を発
生させるようにしているので、永久磁石（３４）、　（
３５）の分だけコイル（３６）、　（３７）への通電量
が少なくてすむので発熱量が小さく、それだけ発熱によ
る変位量測定値への悪影響を減殺ずることかできる。し
たがって、これらの諸効果が相俟って、変位測定精度が
著しく向上する。

なお、第３図は、本発明の他の実施例の変位測定装置（
Ｐ２）を示している。なお、この第３図において、接触
圧調整部ｆ７−１）以外は、変位測定装ｆｆ１（ＰＩ）
と同一構成なので、同一部分には同一符号を付し、詳細
な説明を省略する。しかして、上記接触圧調整部（７−
１）は、第４図及び第５図に示すように、第２ハウジン
グ部（１１）の内壁面にその円周方向に等配して３個固
設され且つ非磁性体からなる板状のスペーサ（６Ｉ）・
・・と、これらのスペーサ（６１）・・上に固着された
板状をなす積層型の圧電アクチュエータ（６２）・・・
と、これら圧電アクチュエータ（６２）・・・上に固着
された強磁性体からなる板状のヨーク（６３）・・・と
、これらヨーク（６３）・・上に軸方向に２段に一定の
間隔をおいて隣接して固着された横断面が円弧状の永久
磁石（６４）・・・と、これら永久磁石（６４）・・・
に対向するようプローブ軸（３）の外周面に等配して目
、つ軸方向に２段に一定の間隔をおいて隣接して固着さ
れた横断面が円弧状の３対の永久磁石（６５）・・・と
からなっている。そして、圧電アクチュエータ（６２）
・・・は、増幅器（６５）・・・を介して制御部（４８
）に接続されている。また、圧電アクチュエータ（６２
）・・・は、増幅器（６５）・・・からの電圧の印加に
より変位測定装置（Ｐ２）の半径方向に伸縮自在に設け
られている。これらの圧電アクチュエータ（６２）・・
・は、焼結したセラミックスを切断、加工し、これに電
極を塗布した後、接着若しくは圧着して積層化したもの
であって、セラミックスとしては、Ｐｂ（２＋、Ｔｉ）
ｌ］う（Ｐ　Ｚ　Ｔ　）　、ＰｂＴｉ０３系（ＰＴ）、
（Ｐｂ、　Ｌａ）　（ｚｒ、　Ｔｉ）０３（ｒ’　Ｌ　
Ｚ　Ｔ　）が好ましい。

方、永久磁石（６４）・・・と永久磁石（６５）・・・
とは、第５図に示すように、磁気ループ（６６）・・・
が形成され、互いに吸引力が作用するように、互いに対
向するもの同志が異極となり、目、っ、軸方向に２段に
隣接して並設されたもの同志の極性が互いに逆となるよ
うに設けられている。たとえば、永久磁石（６４）の変
位測定装置（Ｐ２）への対向面がＳ極とすると、この永
久磁石（６４）への永久磁石（６５）の対向面は、Ｎ極
となっている。また、永久磁石（６４）の変位量定装置
（Ｐ２）への対向面がＳ極とすると、軸方向に一定の間
隔をおいて隣接して設けられた永久磁石（６４）の変位
測定装置（Ｐ２）への対向面はＮ極となる。

そうして、永久磁石（６４）・・・と永久磁石（６５）
・・・との間隔は、圧電アクチュエータ（６２）・・・
の矢印（６７）方向の伸縮により、調整されるようにな
っている。

しかして、上記構成の変位測定装置（Ｐ２）において、
まず、図示せぬ圧縮空気源から圧縮空気を圧縮空気導入
孔（２４）、　（２４）から案内溝（２Ｇ）、　（２０
）に供給する。すると、圧縮空気は、これら案内溝（２
０１，（２０）から絞り孔（２１）・・・を経由してプ
ローブ軸（３）とハウジング（１）の内壁面との間のギ
ャップに供給される。その結果、プローブ軸（３）は、
ハウジング（１）に静圧軸支される。このとき、絞り孔
（２１）・・・から噴出した圧縮空気は、排気孔（２２
）・・・、排気孔（２２ａ）・・・、透孔（１７）・・
・及び透孔（４２）・・・を介して、外部に放出される
。つぎに、被測定物にスタイラス（４）を当接させる。

このとき、レーザ干渉式測長器（３２）からは、レーザ
光（３０）をコーナキューブ（６ａ）の反射面（２９ａ
）に投射し、反射面（２９ｂ）から反射されたレーザ光
（３１）を受光して、プローブ軸（３）の変位量を測定
できるようにしておく。かくて、プローブ軸（３）がス
タイラス（４）を介して被測定物に当接した際には、プ
ローブ軸（３）は、矢印（５２ａ）方向に後退するが、
永久磁石（６４）・・・と永久磁石（６５）・・・間に
発生する磁力により、プローブ軸（３）　４Ｆ、矢印（
５２ｂ）方向に押し戻され、これにより被測定物に対す
るプローブ軸（３）の接触圧が発生するの結果、弾性体
（４０）にひずみが発生ずる。このひずみの発生に伴っ
て、ひずみゲージ（４１）・・・からは、弾性体（４０
）の変形眼に対応した大きさの電圧の変位検出信号ＳＡ
・・・が、増幅器（４３）・・・に出力される。そして
、これら増幅器（４３）・・・にては、変位検出信号Ｓ
Δ・・が増幅され、変位検出信号ＳＢ・・・が第１演算
部（４４）に出力される。すると、第１演算部（４４）
にては、変位検出信号ＳＢ・・・に基づいて弾性体（４
０）の軸心部分におけるひずみ量を接触圧Ｐとして算出
するとともに、弾性体（４０）のプローブ軸（３）の軸
線に対する傾き八Ｔを算出する。そして、この第１演算
部（４４）からは、算出した接触圧Ｐ及び傾き△Ｔを示
す電気信号ＳＣが制御部（４８）に出力される。一方、
制御部（４８）にては、接触圧設定部（４５）からの電
気信号ＳＤが示す目標接触圧ＰＡと接触圧検出部（８）
にて検出された接触圧Ｐとの差である接触圧変動分へＰ
を解消させるための制御信号ＳＨ・・・が、増幅器（６
５）、・・に出力される。そして、制御信号ＳＨ・・・
は、増幅器（６５）・・・にて増幅され、増幅された制
御信号ＳＨ′が、圧電アクチュエータ（６２）・・に給
電される。

すると、圧電アクチュエータ（６２）・・は、制御信号
ＳＨ−の電圧の大きさに従って矢印（６７）方向に伸縮
する。この圧電アクチュエータ（６２）・・・の伸縮に
伴い永久磁石（６４）・・′と永久磁石（６５）・・・
との間隔が変化する。すると、この間隔が変化にしたが
って、第６図に示すように、永久磁石（６４）・・と永
久磁石（６５）・・・との磁気的吸引力も反比例的に変
化する。

すなわち、圧電アクチュエータ（６２）・・・の伸縮量
を制御信号ＳＨ−の印加により制御することにより、被
測定物に対するプローブ軸（３）の接触圧を調整するこ
とができる。ここで、第６図の曲線への勾配が大きいと
ころに永久磁石（６４）・・・と永久磁石（６５）・・
・との間隔を設定すると、圧電アクチュエータ（６２）
・・・の変位ΔＤに対する磁気的吸引力の変化ΔＭを大
きくとることができる。したがって、変位測定中の微妙
な接触圧変動に忠実に即応して、リアルタイムでプロー
ブ軸（３）の被測定物に対する接触圧を所望値に制御で
きる。

以上のように、この実施例の変位測定装置（Ｐ２）は、
接触圧検出部（８）にて接触圧を検出し、この検出した
接触圧に基づいて、接触圧調整部（７−１）により、変
位測定中の微妙な接触圧変動に忠実に即応して、リアル
タイムでプローブ軸（３）の被測定物に対する接触圧を
制御することができる。

とくに、接触圧調整部（７−１）を構成している圧電ア
クチュエータ（６２）・・・は、伸縮量の厳密な制御か
可能なので、接触圧の精密な制御が可能となる。

また、圧電アクチュエータ（６２）・・・へ給電しても
、発熱の虞は、はとんどない。したがって、これらの諸
効果が相俟って、変位測定精度が著しく向」−する。

つぎに、第７図は、この発明の他の実施例の変位測定装
置（Ｐ３）を示している。なお、この実施例において、
変位測定装置（Ｐｌ）と同一構成部分には同一符号を付
し、詳細な説明を省略する。

この変位測定装置（Ｐ３）は、円筒状のハウジング（＋
）　と、このハウジング（＋）の内部に設けられた空気
軸受（２）と、この空気軸受（２）により軸方向に移動
自在に非接触軸支された円柱状のプローブ軸（３）と、
このプローブ軸（３）の前端に同軸に設けられ変位量が
測定される被測定物に直接当接するスタイラス（４）と
、プローブ軸（３）とスタイラス（４）の間に介設され
プローブ軸（３）の軸方向の移動を規制するストッパ（
５）と、プローブ軸（３）の後端部に設けられこのプロ
ーブ軸（３）の移動量を検出するためのコーナキューブ
（６ａ）を有する測長部（６）と、プローブ軸（３）及
びハウジング（）の内部の後端部に設けられた接触圧調
整部（７−２）と、プローブ軸（３）とストッパ（５）
の間に設けられスタイラス（４）の被測定物への接触圧
を検出する接触圧検出部（８）と、この接触圧検出部（
８）における検出結果に基づいて接触圧調整部（７−２
）に接触圧を最適値にするための制御信号を印加する接
触圧制御部（９）とからなっている。しかして、ハウジ
ング（１）は、コーナキューブ（６ａ）を同軸に囲繞す
る第１ハウジング部（１０）と、この第１ハウジング部
（１０）に連接し接触圧調整部（７−２１の一部を保持
する第２ハウジング部（１１）と、この第２ハウジング
部（１１）に連接し空気軸受（２）を保持する第３ハウ
ジング部（１２）と、この第３ハウジング部（１２）に
連接し接触圧検出部（８）を同軸に囲繞する第４ハウジ
ング部（１３）と、この第４ハウジング部（１３）に連
接しストッパ（５）が同軸に遊挿される第５ハウジング
部（１４）とからなっている。しかして、空気軸受（２
）は、第３ハウジング部（１２）に内嵌された金属製の
ブツシュ（１９）と、このブツシュ（１９）の外面に設
けられた一対のリング状案内溝（２０）、（２０）と、
これらの案内溝（２１１）、　（２０）に連通してブツ
シュ（１９）の等配位置にて複数個穿設されノ＼ウジン
グ（１）に向かって圧縮空気を噴出する絞り孔（２１）
・・・と、ブツシュ（１ｇ）の一対のリング状案内溝（
２０）、　（２Ｇ１　間及び第１ハウジング部（１０）
側のリング状案内溝（２０）に隣接して等開状態で穿設
され絞り孔（２１）・・・からハウジング（１）の内部
に供給された空気を外部に排出するためのυ１気孔（２
２）・・・とからなっている。また、第３ハウジング部
（１２）の排気孔（２２）・・・に対応する位置には、
υ１気孔（２２）・・・に対して同軸に排気孔（２２ａ
）・・・が穿設されている。また、第３ハウジング部（
１２）の案内溝（２０Ｌ　（２０）に対応する位置には
、圧縮空気をこれら案内溝（２０）（２０）に導入する
ための圧縮空気導入孔（２４）、　（２４）が穿設され
ている。この圧縮空気導入孔（２４）、（２４）は、導
管（２４ａ）を介して、第１の圧縮空気源（２４ｂ）に
接続されている。さらに、接触圧調整部（７−２）は、
第２ハウジング部（１１）に内嵌されプローブ軸（３）
が遊挿される円筒状の電歪素子（７１）と、プローブ軸
（３）の第３ハウジング部（１２）における電歪素子（
７１）に近接部位に設けられた段差部（７２）と、第３
ハウジング部（１２）に内嵌されたブツシュ（１９）の
内面側に等配して設けられこの段差部（７２）と電歪素
子（７１）により挾まれた空間（７３）に圧縮空気を噴
出する絞り孔（７４）・・・と、第３ハウジング部（１
２）に内嵌されたブツシュ（７１）の外面側に設けられ
絞り孔（７４）・・・に連通ずるリング状の案内溝（７
５）と、第３ハウジング部（Ｉ２）の案内溝（７５）に
対応する位置に穿設された圧縮空気導入孔（７６）と、
この圧縮空気導入孔（７６）に接続された導管（７７）
と、この導管（７７）を介して圧縮空気を圧縮空気導入
孔（７６）に供給する第２の圧縮空気源（７８）とから
なっている。そして、電歪素子（７１）は、増幅器（７
９）を介して制御部（４８）に接続されている。この電
歪素子（７１）は、セラミックスを焼成したものであっ
て、セラミックスとしては、Ｐｂ　（ｌｔ、　Ｔｉ）０
３（Ｐ　Ｚ　Ｔ　）、１’ｂＴｉＯ＊系（ＰＴ）　、（
１’ｂ、Ｌａ）（２＋４ｉ）Ｏｇ　（ＰＬＺＴ）が好ま
しい。また、電歪素子（７１）は、増幅器（７９）から
の電圧の印加により変位測定装置（Ｐ３）の半径方向に
伸縮自在に設けられている。一方、プローブ軸（３）は
、電歪素子（７１）を挿通ずる部分に直径はＤｌであり
、また、ブツシュ（７１）を挿通する部分の直径はＤ２
であって、直径Ｄ１は直径Ｄ２よりも小さく（Ｄｌ、＜
Ｄ２）設けられている。

したがって、段差部（７２）は、直径Ｄ１と直径Ｄ２と
の径差により形成されている。さらに、電歪素子（７１
）とプローブ軸（３）とのギャップε１は、ブツシュ（
７１）とプローブ軸（３）とのギャップε２より小さく
　（ε１〈ε２）設けられている。ただ、ギャップε１
は、電歪素子（７１）への増幅器（７９）からの電圧の
印加により可変となっている。

しかして、上記構成の変位測定装置（Ｐ３）において、
まず、第１及び第２の圧縮空気源（２，４ｂ）、　（７
８）から圧縮空気を圧縮空気導入孔（２４）、　（２４
）、　（７６）から案内溝（２０）、　（２０＋、　（
７５）に供給する。すると、圧縮空気は、これら案内溝
ｆ２０）、　（２０）、　（７５）から絞り孔（２１）
・・・、　　（７４）・・・を経由してギャップε２並
びに段差部（７２）と電歪素子（７１）により挾まれた
空間（７３）に供給される。その結果、プローブ軸（３
）は、ブツシュ（１９）内に静圧軸支されると同時に、
空間（７３）に供給された圧縮空気は、第８図に示すよ
うに、プローブ軸（３）に形成された段差部（７２）に
対して矢印（８０ａ　）方向に作用し、この結果、プロ
ーブ軸（３）の被測定物に対する接触圧が発生する。

なお、このとき、絞り孔（２１）・・・、　　（７４）
・・・から噴出した圧縮空気は、排気孔（２２）・・、
排気孔（２２ａ　）透孔（１７）・・・及び透孔（４２
）・・・を介して、外部に放出される。このとき、レー
ザ干渉式測長器（３２）がらは、レーザ光（３０）をコ
ーナキューブ（６ａ）の反射面（２９ａｌ　に投射し、
反射面（２９ｂ）から反射されたレーザ光（３１）を受
光して、プローブ軸（３）の変位量を測定できるように
しておく。かくて、プローブ軸（３）がスタイラス（４
）を介して被測定物に当接した際には、プローブ軸（３
）は、矢印（８０ｂ）方向に後退するが、段差部（７２
）に対して矢印（８０ａ）方向に作用する圧縮空気の力
により、プローブ軸（３）は、矢印（ＢＯａ）方向に押
し戻され、これにより被測定物に対するプローブ軸（３
）の接触圧が発生する。その結果、弾性体（４ｏ）にひ
ずみが発生する。

このひずみの発生に伴って、ひずみゲージ（４１）・・
・からは、弾性体（４０）の変形量に対応した大きさの
電圧の変位検出信号ＳＡ・・・が、増幅器（４３）・・
・に出力される。そして、これら増幅器（４３）・・・
にては、変位検出信号ＳＡ・・・が増幅され、変位検出
信号ＳＢ・が第１演算部（４４）に出力される。すると
、第１演算部（４４）にては、変位検出信号ＳＢ・・・
に基づいて弾性体（４０）の軸心部分におけるひずみ量
を接触圧Ｐとして算出するとともに、弾性体（４０）の
プローブ軸（３）の軸線に対する傾き八Ｔを算出する。

そして、この第１演算部（４４）からは、算出した接触
圧Ｐ及び傾き八Ｔを示す電気信号ＳＣが制御部（４８）
に出力される。一方、制御部（４８）にては、接触圧設
定部（４５）からの電気信号ＳＤが示す目標接触圧ＰＡ
と接触圧検出部（８）にて検出された接触圧Ｐとの差で
ある接触圧変動分ΔＰを解消させるための制御信号ＳＪ
・・・が、増幅器（７９）・・・に出力される。そして
、制御信号ＳＪ・・・は、増幅器（７９）・・・にて増
幅され、増幅された制御信号ＳＪ−が、電歪素子（７１
）に給電される。すると、電歪素子（７１）は、制御信
号ＳＪ−の電圧の大きさに従って矢印（８１）方向に伸
縮する。この電歪素子（７１）の伸縮に従って、電歪素
子（７１）とプローブ軸（３）とのギャップε、が変化
する。すると、このギャップε１の゛変化によって、段
差部（７２）に対して矢印（８０ａ）方向に作用する圧
縮空気の力も反比例的に変化する。つまり、ギャップε
１が大きくなれば、接触圧は小さくなり、ギャップε１
が小さくなれば、接触圧は大きくなる。したがって、電
歪素子（７１）の伸縮量を制御信号ＳＪ−の印加により
制御することにより、被測定物に対するプローブ軸（３
）の接触圧を調整することができる。したがって、変位
測定中の微妙な接触圧変動に忠実に即応して、リアルタ
イムでプローブ軸（３）の被測定物に対する接触圧を所
望値に制御できる。

以上のように、この実施例の変位測定装置（Ｐ３）は、
接触圧検出部（８）にて接触圧を検出し、この検出した
接触圧に基づいて、接触圧調整部（７−２）により、変
位測定中の微妙な接触圧変動に忠実に即応して、リアル
タイムでプローブ軸（３）の被測定物に対する接触圧を
制御するこ吉ができる。

とくに、接触圧調整部（７−２）を構成している電歪素
子（７１）は、伸縮量の厳密な制御が可能なので、接触
圧の精密な制御が可能となる。また、電歪素子（７１）
へ給電しても、発熱の虞は、はとんどない。

したがって、これらの諸効果が相俟って、変位測定精度
が著しく向」二する。

つぎに、第９図は、他の実施例の変位測定装ｆＷ（Ｐ４
）を示すものであるが、この変位測定装置（Ｐ４）の接
触圧調整部（７−３）は、上記変位測定装置（Ｐ３）に
おいて、電歪素子（７１）の代わりに、第１ハウジング
部（１０）の鍔部（１０ｇ）と第３ハウジング部（１２
）の鍔部（１２ｇ）　　との間に円板状の金属製の排気
調整板（９１）を介装したものである。この排気調整板
（９１）にプローブ軸（３）は、ギャップε、の間隔を
残して遊挿されている。このギャップε、と、ブツシュ
（７１）とプローブ軸（３）とのギャップε２との関係
は、上記変位測定装置（Ｐ３）の場合と同じである。し
かし、ギャップε１の大きさは、不変である。そして、
この変位測定装置（Ｐ４）においては、絞り孔（７４）
・・・から噴出する圧縮空気の圧力を、導管（７７）の
中途部に設けられた噴出圧力調整部（９２）により加減
することにより、段差部（７２）に対して矢印（８０ａ
）方向に作用する圧縮空気の力を正比例的に変化させ、
プローブ軸（３）の被測定物に対する接触圧を制御する
ようにしている。この実施例の変位測定装置（Ｐ４）も
上記変位測定装置（Ｐ３）と同様の効果を奏する。

なお、上記四つの実施例において、プローブ軸の回転１
１二め機構については示さなかったが、回転１にめの具
体的な方式については限定されない。

たとえば、ブツシュ又はプローブ軸に半径方向に立設し
たピンを、対向するプローブ軸又はブツシュにそれらの
軸方向に設けられた係止溝に、遊挿させることにより、
プローブ軸の回転１１−めを行う方式などでもよい。さ
らにまた、上記四つの実施例において、接触圧検出部及
び接触圧制御部を省略し、接触圧調整部のみを備える変
位測定装置であってもよく、この場合でも、接触圧調整
部の発熱を防止できることによる格別の効果を奏するこ
とができる。

［発明の効果］ 本発明の変位測定装置は、接触圧検出部にて接触圧を検
出し、この検出した接触圧に基づいて、接触圧調整部に
より、リアルタイムでプローブ軸の被測定物に対ジーる
接触圧を制御するようにしたものて、変位測定中の微妙
な接触圧変動に忠実に即応して接触圧を厳密に制御する
ことができる。

また、接触圧調整部は、発熱の虞かほとんどないので、
発熱による測定精度の低下を防Ｉしてきる。

したがって、これら諸効果が相俟って、変位測定精度が
著しく向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の変位測定装置の構成図、第
２図は第１図の変位測定装置の要部断面図、第３図は本
発明の他の実施例の変位測定装置の構成図、第４図は第
３図に示す変位測定装置の要部断面図、第５図は第４図
のＶ＝−■線に沿う断面図、第６図は第３図に示す変位
測定装置の作用説明図、第７図は本発明の他の実施例の
変位測定装置の構成図、第８図は第７図に示す変位測定
装置の要部拡大図、第９図本発明の曲の実施例の変位測
定装置の構成図、第１０図及び第１１図は従来技術の説
明図である。 （１）：ハウジング、　　（２）　　：空気軸受、　　
（３１ニブローブ軸、（４）　　スタイラス、　　（６
）　　：測長部。 （７）：接触圧調整部、（８）　　接触圧検出部（９）
：接触圧制御部。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）筒状のハウジングと、このハウジングの内部に設
   けられた静圧軸受と、この静圧軸受により軸方向に移動
   自在に非接触軸支されたプローブ軸と、このプローブ軸
   の一端に設けられ被測定物に当接するスタイラスと、上
   記プローブ軸及び上記ハウジングの一部に設けられ上記
   プローブ軸の上記被測定物に対する接触圧の大きさを調
   整する接触圧調整部と、上記プローブ軸と上記スタイラ
   スの間に設けられ上記接触圧を検出する接触圧検出部と
   、この接触圧検出部における検出結果に基づいて上記接
   触圧調整部に制御信号を印加し上記接触圧を制御する接
   触圧制御部とを具備することを特徴とする変位測定装置
   。
2. （２）接触圧検出部は、スタイラスとプローブ軸との間
   に介装された柱状の弾性体と、この弾性体の外面に固着
   されたひずみ検出センサとからなることを特徴とする請
   求項（１）記載の変位測定装置。
3. （３）筒状のハウジングと、このハウジングの内部に設
   けられた静圧軸受と、この静圧軸受により軸方向に移動
   自在に非接触軸支されたプローブ軸と、このプローブ軸
   の一端に設けられ被測定物に当接するスタイラスと、上
   記プローブ軸及び上記ハウジングの一部に設けられ上記
   プローブ軸の上記被測定物に対する接触圧の大きさを調
   整する接触圧調整部とを具備し、上記接触圧調整部は、
   上記ハウジングに内嵌された筒状のボビンと、上記プロ
   ーブ軸の上記ボビンに対向する位置に外嵌された円筒状
   のコアと、上記ボビンに設けられ上記コアとの間に磁気
   的吸引力を固定的に発生させる永久磁石と、これら永久
   磁石に重畳して巻回され上記コアとの間に磁気的吸引力
   を可変的に発生させるコイルとからなることを特徴とす
   る変位測定装置。
4. （４）プローブ軸に設けられ上記プローブ軸の被測定物
   に対する接触圧を検出する接触圧検出部と、この接触圧
   検出部における接触圧検出結果に基づいて接触圧調整部
   のコイルに制御信号を印加しコアとの間に発生する磁気
   的吸引力を加減させることにより上記接触圧を制御する
   接触圧制御部とを具備することを特徴とする請求項（３
   ）記載の変位測定装置。
5. （５）筒状のハウジングと、このハウジングの内部に設
   けられた静圧軸受と、この静圧軸受により軸方向に移動
   自在に非接触軸支されたプローブ軸と、このプローブ軸
   の一端に設けられ被測定物に当接するスタイラスと、上
   記プローブ軸及び上記ハウジングの一部に設けられ上記
   プローブ軸の上記被測定物に対する接触圧の大きさを調
   整する接触圧調整部とを具備し、上記接触圧調整部は、
   ハウジングの内壁面にその円周方向に等配して複数個固
   設され電圧の印加により径方向に変位するアクチュエー
   タと、これらアクチュエータ上に固着された第１の永久
   磁石と、これら第１の永久磁石に対向して上記プローブ
   軸の外周面に等配して固着され上記第１の永久磁石との
   間に磁気的吸引力を発生させる第２の永久磁石とを具備
   し、上記アクチュエータにより上記第１の永久磁石と上
   記第２の永久磁石との間隔を変化させることにより上記
   磁気的吸引力を加減することを特徴とする変位測定装置
   。
6. （６）プローブ軸に設けられ上記プローブ軸の被測定物
   に対する接触圧を検出する接触圧検出部と、この接触圧
   検出部における接触圧検出結果に基づいて接触圧調整部
   のアクチュエータに制御信号を印加し第１の永久磁石と
   第２の永久磁石との間隔を変化させることにより上記接
   触圧を制御する接触圧制御部とを具備することを特徴と
   する請求項（５）記載の変位測定装置。
7. （７）筒状のハウジングと、このハウジングの内部に設
   けられた静圧軸受と、大径部分と小径部分からなり上記
   大径部分が上記静圧軸受により軸方向に移動自在に非接
   触軸支されたプローブ軸と、このプローブ軸の一端に設
   けられ被測定物に当接するスタイラスと、上記プローブ
   軸及び上記ハウジングの一部に設けられ上記プローブ軸
   の上記被測定物に対する接触圧の大きさを調整する接触
   圧調整部とを具備し、上記接触圧調整部は、上記ハウジ
   ングに取付けられ且つ上記プローブ軸の小径部分が遊挿
   され電圧の印加により上記プローブ軸とのギャップ量が
   調整自在な円筒状の電歪素子と、上記プローブ軸の上記
   電歪素子に近接する部位にて上記プローブ軸の上記小径
   部分と上記大径部分により形成された段差部と、上記ハ
   ウジングに等配して設けられ上記段差部と上記電歪素子
   により挾まれた空間に圧縮空気を噴出してこの圧縮空気
   により上記プローブ軸に上記接触圧を付与する複数の絞
   り孔とを具備することを特徴とする変位測定装置。
8. （８）プローブ軸に設けられ上記プローブ軸の被測定物
   に対する接触圧を検出する接触圧検出部と、この接触圧
   検出部における接触圧検出結果に基づいて接触圧調整部
   の電歪素子に制御信号を印加し上記プローブ軸と上記電
   歪素子とのギャップ量を変化させることにより上記接触
   圧を制御する接触圧制御部とを具備することを特徴とす
   る請求項（７）記載の変位測定装置。
9. （９）筒状のハウジングと、このハウジングの内部に設
   けられた静圧軸受と、大径部分と小径部分からなり上記
   大径部分が上記静圧軸受により軸方向に移動自在に非接
   触軸支されたプローブ軸と、このプローブ軸の一端に設
   けられ被測定物に当接するスタイラスと、上記プローブ
   軸及び上記ハウジングの一部に設けられ上記プローブ軸
   の上記被測定物に対する接触圧の大きさを調整する接触
   圧調整部とを具備し、上記接触圧調整部は、上記ハウジ
   ングに取付けられ且つ上記プローブ軸の小径部分が遊挿
   される排気調整板と、上記プローブ軸の上記排気調整板
   に近接する部位にて上記プローブ軸の上記小径部分と上
   記大径部分により形成された段差部と、上記ハウジング
   に等配して設けられ上記段差部と上記排気調整板により
   挾まれた空間に圧縮空気を噴出してこの圧縮空気により
   上記プローブ軸に上記接触圧を付与する複数の絞り孔と
   、これらの絞り孔に上記圧縮空気を圧力調整自在に供給
   する圧縮空気供給手段とを具備することを特徴とする変
   位測定装置。
10. （１０）プローブ軸に設けられ上記プローブ軸の被測定
    物に対する接触圧を検出する接触圧検出部と、この接触
    圧検出部における接触圧検出結果に基づいて接触圧調整
    部の圧縮空気供給手段に制御信号を印加し上記圧縮空気
    の圧力を変化させることにより上記接触圧を制御する接
    触圧制御部とを具備することを特徴とする請求項（９）
    記載の変位測定装置。