WO2020213432A1 - 変位検出器、表面性状測定機、及び真円度測定機 - Google Patents

変位検出器、表面性状測定機、及び真円度測定機 Download PDF

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WO2020213432A1
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displacement detector
contactor
stylus
measurement
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森井　秀樹
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株式会社東京精密
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Definitions

  • the present invention relates to a displacement detector, and particularly to a displacement detector capable of measuring in two directions.
  • the contactor and the object to be measured are relatively moved with the contactor in contact with the object to be measured, and the displacement of the contact at that time is detected.
  • Displacement detectors are used. Normally, in a displacement detector that can measure only one direction, it is necessary to change the posture of the displacement detector according to the measurement direction.
  • Patent Document 1 describes a displacement detector capable of measuring in two directions and having only one differential transformer (LVDT: Linear Variable differential Transformer).
  • the displacement detector described in Patent Document 1 has two contacts. One contactor is connected to the bobbin of the LVDT and is used to detect horizontal displacement. The other contact is connected to the core of the LVDT and is used to detect vertical displacement.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and is a displacement detector capable of measuring displacements in a plurality of directions, having a simple configuration, and capable of highly accurate measurement.
  • the purpose is to provide.
  • the displacement detector according to the first aspect of the present invention is provided on the detector main body, a stylus having a contactor in contact with the surface to be measured of the object to be measured, and the detector main body.
  • a stylus holding portion that oscillates the stylus with surfaces including the first and second directions orthogonal to each other as oscillating surfaces, and a stylus holding portion provided on the detector body, which accompanies contact between the contactor and the surface to be measured.
  • the stylus has a first one end portion and a first other end portion, and the first one end portion is held by the stylus holding portion, and is provided from the first one end portion.
  • It has a first arm extending in the first direction toward the first other end, a second one end, and a second other end, and the second end is connected to the first other end and the second end. It has a second arm extending in a second direction from the portion toward the second other end portion and having a contactor provided at the second other end portion.
  • the stylus can swing the surface including the first direction and the second direction
  • the contactor can be displaced in two directions, the first direction and the second direction.
  • the displacement in two directions can be measured by only one displacement detection unit, so that the configuration of the displacement detector can be simplified.
  • the manufacturing cost of the displacement detector can be reduced.
  • the displacement detector since the displacement detector has only one swing center as the movable portion, it is possible to reduce the occurrence of an error due to the movable portion and realize highly accurate measurement.
  • the stylus is swingably supported around a rotation axis orthogonal to the swing plane via the stylus holding portion.
  • the displacement detector is provided with a measuring force applying unit that applies a force for urging the contactor in the direction toward the surface to be measured.
  • the measuring force applying unit include a spring and a counterweight.
  • the stylus holding portion is swingably attached to the detector body via an elastic body.
  • the elastic body include a spring.
  • the measuring force applying unit can be omitted from the displacement detector.
  • the contactor direction has a component in the first direction and a component in the second direction.
  • both the component in the first direction and the component in the second direction are 50% or more of the total components in the contact direction in a state where the contactor does not contact the surface to be measured. More preferably, both the component in the first direction and the component in the second direction are 60% or more of the total components in the contact direction in a state where the contact is not in contact with the surface to be measured. Even more preferably, when the contactor is displaced, the displacement detection unit can detect the displacement in the first direction and the displacement in the second direction as the displacement of the contactor. By keeping the component in the first direction and the component in the second direction within an appropriate range, it is possible to prevent a large difference in sensitivity depending on the measurement direction.
  • the displacement detection unit has calibration values in each of the first direction and the second direction. Since the calibration value is set for each of the two measurement directions, the displacement detector can measure with high accuracy in either measurement direction.
  • the displacement detection unit includes a differential transformer having a core and a plurality of coils, and the stylus holding unit is opposite to the side supporting the stylus when viewed from the swing center. Support the core at the side edge.
  • the surface property measuring machine holds the displacement detector and the displacement detector according to the first aspect, and is a measurement object in the horizontal direction and in the vertical direction orthogonal to the horizontal direction. It is provided with a moving mechanism for moving the displacement detector relative to the relative. By adopting the displacement detector according to the first aspect, it is possible to simplify the configuration of the surface texture measuring machine.
  • the surface texture measuring machine detects the measuring direction of the displacement detector based on the moving direction of the moving mechanism when the contactor of the displacement detector comes into contact with the object to be measured at the start of measurement. Further provided with a control unit. By automatically detecting the measurement direction, the efficiency of measurement can be improved.
  • the control unit detects the moving direction of the displacement detector based on the signal that controls the driving of the moving mechanism.
  • the roundness measuring machine includes a displacement detector according to the first aspect and a rotating stage for rotating a measurement object around a stage rotation axis parallel to the vertical direction.
  • the roundness measuring machine holds the displacement detector and is displaced relative to the object to be measured in the horizontal direction and the vertical direction orthogonal to the horizontal direction. It further includes a moving mechanism for moving the detector and a control unit for detecting the measurement direction of the displacement detector based on the moving direction of the moving mechanism when the contactor of the displacement detector comes into contact with the object to be measured at the start of measurement. By automatically detecting the measurement direction, the efficiency of measurement can be improved.
  • the control unit detects the moving direction of the displacement detector based on the signal that controls the driving of the moving mechanism.
  • a displacement detector having a simple configuration, which is a displacement detector capable of measuring displacements in a plurality of directions with high accuracy.
  • the figure which shows an example of the structure of the surface texture measuring machine (roundness measuring machine) which concerns on 1st Embodiment The figure which shows an example of the posture of the displacement detector when measuring the displacement in the horizontal direction.
  • Graph showing the relationship between the tilt angle of the stylus and the gain of the displacement detector Flow chart showing the procedure of measurement using a surface texture measuring machine (roundness measuring machine)
  • the figure which shows an example of the structure of the displacement detector which concerns on 2nd Embodiment The figure which shows an example of the structure of the displacement detector which concerns on 3rd Embodiment
  • FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a surface texture measuring machine (roundness measuring machine) according to the first embodiment.
  • the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction are orthogonal to each other, the X-axis direction is the horizontal direction, the Y-axis direction is the horizontal direction orthogonal to the X-axis direction, and the Z-axis direction is the vertical direction (vertical).
  • the surface texture measuring machine 10 includes a horizontal movement mechanism 12, a vertical movement mechanism 14, a rotary table 16, a displacement detector 20, and a control unit 50.
  • the horizontal movement mechanism 12 is extended in the horizontal direction (X-axis direction in FIG. 1). One end of the horizontal movement mechanism 12 holds the displacement detector 20 detachably, and the other end of the horizontal movement mechanism 12 is held by the vertical movement mechanism 14. The horizontal movement mechanism 12 is moved in the horizontal direction by driving a motor (not shown).
  • the vertical movement mechanism 14 is installed vertically on the main body base (not shown).
  • the horizontal movement mechanism 12 is moved in the vertical direction along the vertical movement mechanism 14 by driving a motor (not shown) of the vertical movement mechanism 14.
  • the horizontal and vertical positions of the displacement detector 20 are adjusted by the movement of the horizontal movement mechanism 12.
  • the rotary table 16 is provided on the main body base. It is possible to finely feed the rotary table 16 in the X-axis direction and the Y-axis direction by using the X-axis direction fine movement knob (not shown) and the Y-axis direction fine movement knob (not shown). Further, the inclination of the rotary table 16 in the X-axis direction and the Y-axis direction is adjusted by the X-axis direction inclination knob (not shown) and the Y-axis direction inclination knob (not shown).
  • the rotation stage 14 is rotated about a rotation axis parallel to the Z-axis direction by a motor (not shown) provided on the main body base.
  • a work W to be measured is placed on the upper surface of the rotary table 16.
  • the rotation axis of the rotary table 16 is parallel to the Z-axis direction.
  • the work W is placed so that its central axis coincides with the rotation axis of the rotary table 16.
  • the work W placed on the rotary table 16 is rotated around the rotary axis together with the rotary table 16.
  • the control unit 50 includes a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), an input / output interface, and the like (not shown).
  • various programs such as a control program stored in the ROM are expanded in the RAM, and the programs expanded in the RAM are executed by the CPU, so that various arithmetic processes and controls are performed via the input / output interface. The process is executed.
  • control unit 50 Although one control unit 50 is shown in FIG. 1, one control unit 50 may be divided into a plurality of control units for each function. Further, the position of the control unit 50 can be arbitrarily determined.
  • the control unit 50 comprehensively controls the horizontal movement mechanism 12, the vertical movement mechanism 14, the rotary table 16, and the displacement detector 20 according to various programs such as a control program.
  • the control unit 50 drives the horizontal movement mechanism 12, the vertical movement mechanism 14, and the rotary table 16 based on a user's instruction input via an input / output interface (not shown).
  • the control unit 50 calibrates the displacement detector 20.
  • the control unit 50 detects the measurement direction of the displacement detector 20 based on the drive directions of the horizontal movement mechanism 12 and the vertical movement mechanism 14 at the start of measurement. The various processes performed by the control unit 50 will be described in detail later.
  • the displacement detector 20 includes a detector body 30 and a stylus 40.
  • the detector main body 30 includes a displacement detecting unit 31, a measuring force applying unit 32, and a stylus holding unit 33.
  • the LVDT will be described as an example of the displacement detection unit 31.
  • the displacement detection unit 31 has a bobbin having a plurality of coils and a core.
  • the bobbin is fixed to a fixed portion, for example, the detector body 30.
  • One end of the core is connected to the stylus holding portion 33 and the other end is a free end. Since the configuration of the LVDT is known, detailed description thereof will be omitted.
  • the stylus holding unit 33 is connected to the core of the displacement detecting unit 31.
  • the other end of the stylus holding portion 33 holds the stylus 40 swingably (or rotatably).
  • the stylus holding portion 33 has a bearing 34 at the other end, and holds the stylus 40 swingably with the bearing 34 as a rotation axis (swing center).
  • the bearing 34 is, for example, various bearings.
  • the stylus 40 is held swingably around a rotation axis parallel to the Y-axis direction.
  • the displacement detection unit 31 detects the displacement amount and the displacement direction of the contact 44 by detecting the displacement amount and the displacement direction of the core position.
  • the measuring force applying mechanism 32 applies a measuring force that acts (urges) the contact 44 toward the measuring surface to the stylus 40.
  • the measuring force applying mechanism 32 has, for example, an elastic body.
  • an elastic body will be described as a coil spring as an example.
  • the coil spring may be a tension spring (pull spring) or a compression spring.
  • One end of the coil spring of the measuring force applying mechanism 32 is connected to the stylus holding portion 33, and the other end of the coil spring is fixed to a fixed portion, for example, the detector main body 30.
  • control unit 50 can automatically detect the direction (measurement direction) in which the displacement is measured by the displacement detector 20. The detection of the measurement direction will be described in detail later.
  • the stylus 40 includes a stylus arm 42 and a contactor 44.
  • the stylus arm 42 is, for example, substantially L-shaped, and includes a horizontal arm portion 45 extending in the X-axis direction and a vertical arm portion 46 extending in the Z-axis direction.
  • the base end of the horizontal arm portion 45 is held by the stylus holding portion 33 of the displacement detector 20, and the tip of the horizontal arm portion 45 coincides with the base end of the vertical arm portion 46.
  • the vertical arm portion 46 extends downward in the vertical direction from the tip of the horizontal arm portion 45, and a contactor 44 is provided at the tip of the vertical arm portion 46.
  • the contactor 44 comes into contact with the measurement surface of the work W, and the position of the contactor 44 is displaced according to the displacement of the measurement surface.
  • the shape and material of the contactor 44 are not particularly limited, and examples of the shape of the contactor 44 include a spherical shape, a hemispherical shape, a cylindrical shape, a disk shape, an ax shape, a conical shape, and a polygonal pyramid shape. Examples of the material of the contactor 44 include ruby, zirconia, ceramic and the like.
  • the line connecting the center of the contactor 44 and the swing center of the stylus 40 (the center of the bearing 34) (line L shown by a single point chain line in FIG. 1) is an angle (inclination angle of the stylus 40) ⁇ with respect to the vertical line.
  • the angle ⁇ is not particularly limited, but preferably the angle ⁇ is 30 ° to 60 °, more preferably the angle ⁇ is 38 ° to 52 °, and even more preferably the angle ⁇ is approximately 45 °. is there.
  • FIG. 1 shows a case where the angle ⁇ is 45 ° as an example. The angle ⁇ will be described in detail later.
  • the posture of the displacement detector 20 when measuring the displacement in the horizontal direction (X-axis direction) and the vertical direction (Z-axis direction) using the surface texture measuring machine 10 will be described with reference to FIGS. 2 to 4. .
  • the hollow cylindrical work W will be described, but the purpose is not to limit the shape of the work W. 2 to 4 show the postures of the displacement detector 20 when measuring the roundness of the outer peripheral side surface, the flatness of the upper surface, and the roundness of the inner peripheral side surface, respectively.
  • the stylus arm 42 can swing about the rotation axis parallel to the Y-axis direction by the bearing 34, so that the contact 44 swings on the XX plane. That is, the contactor 44 can be displaced in the X-axis direction and the Z-axis direction. Therefore, when measuring the displacement in the horizontal direction to measure the roundness of the outer peripheral side surface of the work W (FIG. 2), and when measuring the displacement in the horizontal direction to measure the flatness of the upper surface of the work W. With (FIG. 3), it is not necessary to change the posture of the displacement detector 20.
  • the shape of the stylus arm 42 is also devised in order to reduce the trouble of changing the posture of the displacement detector 20. That is, since the stylus arm 42 is substantially L-shaped, the contactor 44 is not on the extension lines of the detector main body 30 in the X-axis direction and the Z-axis direction. Since there is no possibility that the detector main body 30 interferes with the work W, it is not necessary to change the posture of the displacement detector 20 even when measuring the roundness of the inner peripheral side surface of the work W (FIG. 4). This makes it possible to prevent a decrease in work efficiency due to a change in posture.
  • the displacement detector 20 of the present embodiment uses a stylus 40 that is swingable (rotatable) about the Y-axis direction, the direction in which the contact 44 detected by the displacement detector 20 is displaced is , The direction is tangential to the arc centered on the rotation axis of the stylus 40. That is, the displacement of the contactor 44 includes an X-axis direction component and a Z-axis direction component. Therefore, the control unit 50 calculates the displacement amount (displacement amount in the X-axis direction or the displacement amount in the Z-axis direction) corresponding to the measurement direction based on the displacement amount of the contactor 44 and the angle ⁇ .
  • the angle formed by the line connecting the center of the contact 44 and the rotation axis of the stylus 40 (line L indicated by the alternate long and short dash line in FIG. 1) and the vertical line is ⁇ .
  • the contactor 44 swings so as to draw a minute arc, and the amount of change (angle change amount) of this angle ⁇ caused by the swing of the contactor 44 is defined as d ⁇ .
  • the minute arc-shaped displacement of the contact 44 is a line segment perpendicular to the line connecting the center of the contact 44 and the rotation axis of the swing (that is, the arc). It can be approximated to a line segment in the tangential direction).
  • the control unit 50 uses a triangular function to move the contact 44 on the XX plane.
  • the amount of displacement can be decomposed into the amount of displacement in the horizontal direction (X-axis direction) and the amount of displacement in the vertical direction (Z-axis direction). More specifically, assuming that the length of the line segment in the tangential direction of the arc drawn by the contact 44 by swinging is D, the displacement amount in the X-axis direction is D ⁇ cos ⁇ , and the displacement amount in the Z-axis direction is D. ⁇ It can be calculated by sin ⁇ .
  • the control unit 50 outputs the result of multiplying the displacement amount of the contactor 44 by cos ⁇ when measuring the displacement in the horizontal direction as a measurement result, and outputs the displacement amount of the contactor 44 when measuring the displacement in the vertical direction. Is multiplied by sin ⁇ and the result is output as the measurement result.
  • the displacement detector 20 having one LVDT As described above, according to the present embodiment, it is possible to measure the displacement in two directions by using the displacement detector 20 having one LVDT. As a result, it is possible to realize simplification of the structure, reduction of manufacturing cost, and miniaturization of the device.
  • the displacement detector 20 has only the bearing 34 as a movable part, and the number of movable parts is small (the degree of freedom of movement is 1). As a result, it is possible to reduce the occurrence of an error caused by the movable portion. Further, since the displacement detector 20 of the present embodiment has only one contactor, the degree of freedom of the posture of the displacement detector 20 and each direction are different from those of the invention of Patent Document 1 provided with two contacts. It is possible to improve the measurement accuracy of the displacement of.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the angle ⁇ and the gain of the displacement detector 20, where the horizontal axis represents the angle ⁇ (unit: °) and the vertical axis represents the magnitude of the gain.
  • the dotted line shows the gain in the X-axis direction
  • the solid line shows the gain in the Z-axis direction.
  • the gain corresponds to the displacement amount of the contactor 44, and in the graph of FIG. 5, the gain is shown as a relative value with 1 as the maximum value.
  • the ratio of the component in the X-axis direction to the ratio of the component in the Z-axis direction is in the range of about 1: 0.58 to 1: 1.73, and the angle ⁇ . Is in the range of 30 ° to 60 °.
  • the size of the angle ⁇ is determined so that the gain in the direction in which the measurement sensitivity becomes disadvantageous is about 60% or more of the maximum sensitivity (when the angle ⁇ is 0 (zero) °).
  • the ratio of the component in the X-axis direction to the ratio of the component in the Z-axis direction is in the range of about 1: 0.75 to 1: 1.33, and the angle ⁇ . Ranges from about 38 ° to 52 °.
  • the calibration of the displacement detector 20 will be described. For example, calibration is performed before shipment of the surface texture measuring machine 10. Even after shipment, calibration may be performed as necessary and the calibration value may be updated. In the present embodiment, since the displacement detector 20 measures the displacement in two directions using one LVDT, calibration is performed in each of the two measurement directions.
  • data showing the correlation between the actual displacement amount (known) and the signal amount obtained by the displacement detection unit 31 is acquired in each of the X-axis direction and the Z-axis direction.
  • Examples of the data showing the correlation include a calibration value table and a calibration curve.
  • a gain at which a good signal amount can be obtained is determined as a calibration value based on the data showing this correlation.
  • the calibration value used when measuring the inner peripheral side surface may be further determined.
  • the determined calibration value is stored in, for example, a memory (not shown) provided in the control unit 50.
  • the type of memory is not particularly limited, but for example, the memory is ROM or RAM.
  • the displacement detector 20 of the present embodiment can measure with high accuracy in any measurement direction.
  • FIG. 6 is a flowchart showing the measurement procedure.
  • the control unit 50 moves the displacement detector 20 by using the horizontal movement mechanism 12 and the vertical movement mechanism 14, and brings the contact 44 into contact with the measurement surface of the work W (step S10).
  • control unit 50 automatically detects the measurement direction based on the drive directions of the horizontal movement mechanism 12 and the vertical movement mechanism 14 (step S12).
  • automatic detection of the measurement direction in the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2 to 4.
  • a hollow cylindrical work W will be described as an example, but the purpose is not to limit the shape of the work W.
  • the control unit 50 drives the horizontal movement mechanism 12 in the negative direction of the X-axis (horizontally toward the left side in FIG. 2).
  • the contactor 44 is brought into contact with the outer peripheral side surface of the work W on the rotary table 16.
  • the displacement detection unit 31 detects the displacement of the contactor 44.
  • the control unit 50 measures the displacement (outer diameter) in the X-axis direction. Detect automatically. In the state shown in FIG. 2, when the straightness of the outer peripheral side surface is measured while moving the vertical movement mechanism 14 in the Z-axis direction, the measurement direction can be detected in the same manner.
  • the control unit 50 drives the vertical movement mechanism 14 in the negative direction of the Z axis (vertically downward in FIG. 2).
  • the contactor 44 is brought into contact with the upper surface of the work W on the rotary table 16.
  • the displacement detection unit 31 detects the displacement of the contactor 44.
  • the control unit 50 automatically detects that the displacement in the Z axis direction is measured. To do.
  • the straightness of the upper surface is measured while moving the horizontal movement mechanism 12 in the X-axis direction in the state shown in FIG. 3, the measurement direction can be detected in the same manner.
  • the control unit 50 drives the horizontal movement mechanism 12 in the positive direction of the X-axis (horizontally toward the right side in FIG. 4).
  • the contactor 44 is brought into contact with the inner side surface of the work W on the rotary table 16.
  • the displacement detection unit 31 detects the displacement of the contactor 44. Based on the fact that the displacement of the contact 44 is detected when the horizontal movement mechanism 12 is driven in the positive direction of the X-axis, the displacement detection unit 31 measures the displacement (inner diameter direction) in the X-axis direction. Is automatically detected.
  • the measurement direction can be detected in the same manner.
  • the measurement direction is automatically set based on which direction the horizontal movement mechanism 12 or the vertical movement mechanism 14 is driven at the start of measurement when the contactor 44 comes into contact with the work W. Can be detected. Thereby, the efficiency of measurement can be improved.
  • the control unit 50 reads out the calibration value according to the detected measurement direction from the memory and sets it (step S14), and measures the displacement of the contact 44 (step S16).
  • the displacement detection unit 31 when measuring the roundness of the outer peripheral side surface of the columnar work W, the displacement detection unit 31 measures the displacement of the contact 44 while rotating the rotary table 16 (and the work W) in the state shown in FIG. .. Further, for example, when measuring the straightness of the outer peripheral side surface of the work W, the displacement detection unit 31 drives the vertical movement mechanism 14 to move the detector main body 30 in the Z-axis direction in the state shown in FIG. Measure the displacement of 44.
  • the displacement of the contact 44 is measured by the displacement detection unit 31 while rotating the rotary table 16 (and the work W) in the state shown in FIG. Further, for example, when measuring the straightness of the upper surface of the work W, the displacement detection unit 31 drives the horizontal movement mechanism 12 to move the detector main body 30 in the X-axis direction in the state shown in FIG. Measure the displacement of.
  • the displacement detection unit 31 moves the contact 44 while rotating the rotary table 16 (and the work W) in the state shown in FIG. Measure the displacement.
  • the vertical movement mechanism 14 is driven in the state shown in FIG. 4 to move the detector main body 30 in the Z-axis direction while contacting with the displacement detection unit 31. The displacement of the child 44 is measured.
  • the displacement amount of the contactor 44 includes the X-axis direction component and the Z-axis direction component. Therefore, the control unit 50 uses the displacement amount of the contactor 44 measured by the displacement detection unit 31 as the displacement amount in the measurement direction. The calculation is performed to convert to, and the calculation result is output as the measurement result (step S18). Specifically, when measuring the displacement in the X-axis direction (horizontal direction), the control unit 50 calculates the displacement amount in the X-axis direction by multiplying the displacement amount of the contactor 44 by cos ⁇ . The result is output as a measurement result.
  • control unit 50 calculates the displacement amount in the Z-axis direction by multiplying the displacement amount of the contactor 44 by sin ⁇ , and measures the calculated result. Output as a result.
  • step S18 when measuring in another direction (step S20: Yes), the process returns to step S10.
  • step S20 when changing the measurement direction, it is not necessary to change the posture of the displacement detector 20 in this embodiment, so that the measurement can be performed efficiently. If the measurement is not performed in the other direction (step S20: No), the measurement is terminated.
  • the stylus 40 capable of swinging on the XX plane with the bearing 34 as the swing center is used. Since the line connecting the center of the contactor 44 and the rotation axis of the stylus 40 forms a predetermined angle ⁇ with respect to the vertical line, the direction from the swing center of the stylus 40 toward the contactor 44 (contactor direction) is Includes an X-axis direction component and a Z-axis direction component. Since the contactor 44 is displaced in a direction perpendicular to the direction from the rotation axis of the swing toward the contactor 44, the displacement of the contactor 44 also includes an X-axis direction component and a Z-axis direction component. Therefore, it is possible to measure the displacement in the X-axis direction and the Z-axis direction with the displacement detector 20 including one LVDT.
  • the configuration of the displacement detector is different from that of the first embodiment.
  • the displacement detector includes an elastic body instead of the bearing 34. Since the overall configuration of the surface texture measuring machine according to the second embodiment is basically the same as that of the first embodiment, the description thereof will be omitted.
  • FIG. 7 shows the configuration of the displacement detector 60 according to the second embodiment.
  • the displacement detector 60 includes a leaf spring 61 as an example of an elastic body. As shown in FIG. 7, one end of the leaf spring 61 is held by the spring holding member 62, and the spring holding member 62 is fixed to a fixing portion, for example, the detector main body 30. The other end of the leaf spring 61 is held by the spring holding member 63, and the spring holding member 63 is connected to the stylus holding portion 33.
  • the immovable part of the configuration of the displacement detector 60 is shaded (shaded) so that it can be distinguished from the moving part.
  • the stylus 40 is configured to swing around the substantially center of the leaf spring 61 (the center of the portion not held by the spring holding members 62 and 63) (the center of swing).
  • the displacement is transmitted to the core of the displacement detection unit 31 via the stylus arm 42 and the stylus holding unit 33, and the displacement detection unit 31 detects this displacement. To do.
  • the spring holding member 63 is movable, but the spring holding member 62 is immovable. Therefore, as a result of the displacement of the position of the contactor 44, when the leaf spring 61 is displaced (deformed) from the neutral point, a reaction force is generated by the leaf spring 61. Since the direction in which this reaction force acts is opposite to the direction in which the contactor 44 is displaced, the reaction force acts to press the contactor 44 against the measurement surface. Since this reaction force plays the role of the measuring force by the measuring force applying mechanism 32 in the first embodiment, the measuring force applying mechanism 32 can be eliminated in the second embodiment. This makes it possible to further simplify the configuration of the displacement detector 60.
  • the displacement detector includes an elastic body instead of the bearing 34. Since the overall configuration of the surface texture measuring machine according to the third embodiment is basically the same as that of the first embodiment, the description thereof will be omitted.
  • FIG. 8 shows the configuration of the displacement detector 70 according to the third embodiment.
  • the displacement detector 70 includes a cross spring 71 as an example of an elastic body. As shown in FIG. 8, two of the four ends of the cross spring 71 are held by the spring holding member 72, and the spring holding member 72 is fixed to a fixing portion, for example, the detector main body 30. The remaining two ends of the four ends of the cross spring 71 are held by the spring holding member 73, and the spring holding member 73 is connected to the stylus holding portion 33.
  • the immovable part of the configuration of the displacement detector 70 is shaded (shaded) so that it can be distinguished from the moving part.
  • the stylus 40 is configured to be swingable with the center of the cross spring 71 (intersection of the cross) as the center (center of swing).
  • the displacement is transmitted to the core of the displacement detection unit 31 via the stylus arm 42 and the stylus holding unit 33, so that the displacement detection unit 31 can detect the displacement. it can.
  • the spring holding member 73 is movable, but the spring holding member 72 is immovable.
  • a reaction force is generated by the cross spring 71. Similar to the second embodiment, in the third embodiment, since this reaction force plays the role of the measuring force by the measuring force applying mechanism 32 in the first embodiment, the measuring force applying mechanism 32 can be eliminated.
  • the displacement detector includes a counterweight instead of the measuring force applying mechanism 32. Since the overall configuration of the surface texture measuring machine according to the fourth embodiment is basically the same as that of the first embodiment, the description thereof will be omitted.
  • FIG. 9 shows the configuration of the displacement detector 80 according to the fourth embodiment.
  • the displacement detector 80 includes a counterweight 81 on the side opposite to the stylus 40 when viewed from the bearing 34.
  • the counterweight 81 swings in the direction opposite to the swing direction of the stylus 40.
  • the number of movable parts of the displacement detectors 20, 60, 70 and 80 is small (because the degree of freedom of movement is low), it is possible to reduce the occurrence of errors due to the movable parts. Moreover, since the calibration value is set for each measurement direction, it is possible to measure with high accuracy in any measurement direction.
  • the measurement direction can be automatically detected based on the movement direction of the drive mechanism (horizontal movement mechanism 12 and vertical movement mechanism 14) at the start of measurement, the measurement efficiency can be improved.

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Abstract

複数の方向の変位を測定可能であって、単純な構成を有し、且つ、高精度な測定が可能な変位検出器、表面性状測定機及び真円度測定機を提供する。変位測定器（２０）は、検出器本体（３０）と、測定対象物（Ｗ）の被測定面に接触する接触（４４）を有する略Ｌ字形のスタイラス（４０）と、検出器本体（３０）に設けられ、互いに直交する第１方向及び第２方向を含む面を揺動面としてスタイラス（４０）を揺動可能に保持するスタイラス保持部（３３）と、検出器本体（３０）に設けられ、接触子（４４）と被測定面との接触に伴う接触子（４４）の変位を検出する変位検出部と、を備える。

Description

変位検出器、表面性状測定機、及び真円度測定機
　本発明は変位検出器に係り、特に２方向の測定が可能な変位検出器に関する。
　従来より、真円度測定及び平面度測定等において、接触子を測定対象物に接触させた状態で接触子と測定対象物とを相対的に移動させ、その際の接触子の変位を検出する変位検出器が用いられている。通常、１方向のみを測定可能な変位検出器では測定方向に合わせて変位検出器の姿勢を変更することが必要となる。
　しかしながら、このような姿勢変更は煩雑であり、作業効率を低下させる原因となっている。そこで、姿勢変更を不要とする変位検出器として、従来から、複数の方向を測定可能な変位検出器が提案されている。
　例えば、特許文献１には、２方向を測定可能な変位検出器であって、差動変圧器（ＬＶＤＴ：Linear Variable differential Transformer）を１つのみ有する変位検出器が記載されている。特許文献１に記載された変位検出器は２つの接触子を有する。一方の接触子はＬＶＤＴのボビンに接続されており、水平方向の変位を検出するために用いられる。他方の接触子はＬＶＤＴのコアに接続されており、上下方向の変位を検出するために用いられる。
国際公開第２００７／０９７１３５号
　しかし、特許文献１に記載の変位検出器は２つの接触子を有するために、測定時の変位検出器の姿勢が制限される（姿勢の自由度が低くなる）という問題がある。また、変位検出器の構成が複雑になるという問題もある。更に、一方の接触子で測定している際に、２つの接触子のアームを接続する軸を介して他方の接触子が動くことを考慮する必要があるなどの改良の余地がある。
　本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、複数の方向の変位を測定可能な変位検出器であって、単純な構成を有し、且つ、高精度な測定が可能な変位検出器を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係わる変位検出器は、検出器本体と、測定対象物の被測定面に接触する接触子を有するスタイラスと、検出器本体に設けられ、互いに直交する第１方向及び第２方向を含む面を揺動面としてスタイラスを揺動可能に保持するスタイラス保持部と、検出器本体に設けられ、接触子と被測定面との接触に伴う接触子の変位を検出する変位検出部と、を備え、スタイラスは、第１一端部と第１他端部とを有し、第１一端部がスタイラス保持部に保持され、第１一端部から第１他端部に向かって第１方向に延びる第１アームと、第２一端部と第２他端部とを有し、第２一端部が第１他端部に接続され、第２一端部から第２他端部に向かって第２方向に延び、第２他端部に接触子が設けられた第２アームと、を有する。
　上記の変位検出器において、スタイラスは第１方向及び第２方向を含む面を揺動可能であるため、接触子は第１方向及び第２方向の２方向に変位可能である。これにより１つの変位検出部のみで２方向の変位を測定できるため、変位検出器の構成の単純化を実現することができる。ひいては、変位検出器の製造コストを低減することが可能となる。また、変位検出器は可動部として揺動中心を１つ有するだけであるため、可動部に起因する誤差の発生を低減し、高精度な測定を実現することが可能となる。
　ここで、好ましくは、スタイラスはスタイラス保持部を介して揺動面に直交する回転軸を中心に揺動可能に軸支される。この場合、変位検出器は接触子を被測定面に向かう方向に付勢する力を付与する測定力付与部を備えることが望ましい。測定力付与部として、例えばバネ、カウンターウェイト等が挙げられる。
　あるいは、好ましくは、スタイラス保持部は検出器本体に弾性体を介して揺動可能に取り付けられる。弾性体として、例えばバネが挙げられる。この場合、変位検出器から測定力付与部を省くことができる。
　好ましくは、スタイラスの揺動中心から接触子に向かう方向を接触子方向とした場合、接触子方向は、第１方向の成分と第２方向の成分とを有する。
　好ましくは、接触子が被測定面に接触しない状態において、第１方向の成分と第２方向の成分との両方が、接触子方向の成分全体の５０％以上である。より好ましくは、接触子が被測定面に接触しない状態において、第１方向の成分と第２方向の成分との両方が、接触子方向の成分全体の６０％以上である。更により好ましくは、接触子が変位した場合、変位検出部は、接触子の変位として第１方向の変位と第２方向の変位とを検出可能である。第１方向の成分と第２方向の成分とを適切な範囲内にすることにより、測定方向によって感度に大きな差ができないようにすることができる。
　また、好ましくは、上記の変位検出器において、変位検出部は第１方向及び第２方向それぞれについて校正値を有する。２つの測定方向のそれぞれについて校正値を設定するため、変位検出器はいずれの測定方向でも高精度に測定することが可能である。
　また、好ましくは、上記の変位検出器において、変位検出部は、コアと複数のコイルと有する差動変圧器を備え、スタイラス保持部は、揺動中心から見てスタイラスを支持する側とは反対側の端部においてコアを支持する。
　本発明の第２の態様に係わる表面性状測定機は、第１の態様に係わる変位検出器と変位検出器を保持し、且つ、水平方向及び水平方向に対して直交する鉛直方向に測定対象物に対して相対的に変位検出器を移動させる移動機構と、を備える。第１の態様に係わる変位検出器を採用することにより、表面性状測定機の構成を単純化することが可能となる。
　好ましくは、第２の態様に係わる表面性状測定機は、測定開始時に変位検出器の接触子が測定対象物に接触した際の移動機構の移動方向に基づいて変位検出器の測定方向を検出する制御部を更に備える。測定方向を自動的に検出することにより、測定の効率を向上させることができる。ここで、好ましくは、制御部は移動機構の駆動を制御する信号に基づいて変位検出器の移動方向を検出する。
　本発明の第３の態様に係わる真円度測定機は、第１の態様に係わる変位検出器と、鉛直方向に対して平行なステージ回転軸周りに測定対象物を回転させる回転ステージを備える。第１の態様に係わる変位検出器を採用することにより、真円度測定機の構成を単純化することが可能となる。
　また、好ましくは、第３の態様に係わる真円度測定機は、変位検出器を保持し、且つ、水平方向及び水平方向に対して直交する鉛直方向に測定対象物に対して相対的に変位検出器を移動させる移動機構と、測定開始時に変位検出器の接触子が測定対象物に接触した際の移動機構の移動方向に基づいて変位検出器の測定方向を検出する制御部を更に備える。測定方向を自動的に検出することにより、測定の効率を向上させることができる。ここで、好ましくは、制御部は移動機構の駆動を制御する信号に基づいて変位検出器の移動方向を検出する。
　本発明によれば、複数の方向の変位を高精度に測定可能な変位検出器であって、単純な構成を有する変位検出器を実現することができる。
第１実施形態に係わる表面性状測定機（真円度測定機）の構成の一例を示す図 水平方向の変位を測定する際における変位検出器の姿勢の一例を示す図 上下方向の変位を測定する際における変位検出器の姿勢の一例を示す図 水平方向の変位を測定する際における変位検出器の姿勢の他の一例を示す図 スタイラスの傾斜角度と変位検出器のゲインとの関係を示すグラフ 表面性状測定機（真円度測定機）を用いた測定の手順を示すフローチャート 第２実施形態に係る変位検出器の構成の一例を示す図 第３実施形態に係る変位検出器の構成の一例を示す図 第４実施形態に係る変位検出器の構成の一例を示す図
　以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。
　＜第１実施形態＞
　図１は、第１実施形態に係る表面性状測定機（真円度測定機）の全体構成を示す図である。なお、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向は互いに直交する方向であり、Ｘ軸方向は水平方向、Ｙ軸方向はＸ軸方向に直交する水平方向、Ｚ軸方向は上下方向（鉛直方向）である。図１に示すように、表面性状測定機１０は、水平移動機構１２、垂直移動機構１４、回転テーブル１６、変位検出器２０及び制御部５０を備える。
　水平移動機構１２は水平方向（図１中のＸ軸方向）に延設される。水平移動機構１２の一方端は変位検出器２０を着脱可能に保持し、水平移動機構１２の他方端は垂直移動機構１４により保持される。水平移動機構１２はモータ（不図示）の駆動により水平方向に移動される。
　垂直移動機構１４は鉛直方向に本体ベース（不図示）上に立設される。水平移動機構１２は垂直移動機構１４のモータ（不図示）の駆動により、垂直移動機構１４に沿って上下方向に移動される。水平移動機構１２の移動により変位検出器２０の水平方向及び上下方向の位置が調節される。
　回転テーブル１６は本体ベース上に設けられる。Ｘ軸方向微動つまみ（不図示）及びＹ軸方向微動つまみ（不図示）によって回転テーブル１６をＸ軸方向及びＹ軸方向に微動送りすることが可能である。また、Ｘ軸方向傾斜つまみ（不図示）及びＹ軸方向傾斜つまみ（不図示）によって回転テーブル１６のＸ軸方向及びＹ軸方向の傾斜が調整される。本体ベースに設けられたモータ（不図示）により、回転ステージ１４は、Ｚ軸方向に平行な回転軸を中心に回転される。
　回転テーブル１６の上面には測定対象物となるワークＷが載置される。回転テーブル１６の回転軸はＺ軸方向と平行である。ワークＷはその中心軸が回転テーブル１６の回転軸と一致するように載置される。回転テーブル１６に載置されたワークＷは、回転テーブル１６とともに回転軸を中心に回転される。
　制御部５０は不図示のＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及び入出力インターフェース等を備える。制御部５０では、ＲＯＭに記憶されている制御プログラム等の各種プログラムがＲＡＭに展開され、ＲＡＭに展開されたプログラムがＣＰＵによって実行されることにより、入出力インターフェースを介して各種の演算処理や制御処理が実行される。
　図１において１つの制御部５０を示すが、１つの制御部５０を機能ごとに複数の制御部に分けてもよい。また、制御部５０の位置も任意に決めることが可能である。
　制御部５０は、制御プログラム等の各種プログラムに従って、水平移動機構１２、垂直移動機構１４、回転テーブル１６及び変位検出器２０を統括的に制御する。例えば、不図示の入出力インターフェースを介して入力されたユーザの指示に基づいて、制御部５０は水平移動機構１２、垂直移動機構１４及び回転テーブル１６を駆動する。また、例えば、制御部５０は変位検出器２０を校正する。また、例えば、制御部５０は測定開始時に水平移動機構１２及び垂直移動機構１４の駆動方向に基づいて変位検出器２０の測定方向を検出する。制御部５０が行う各種の処理について詳しくは後述する。
　変位検出器２０は検出器本体３０及びスタイラス４０を備える。検出器本体３０は変位検出部３１、測定力付与部３２、及びスタイラス保持部３３を備える。本実施形態では変位検出部３１の例としてＬＶＤＴについて説明する。
　変位検出部３１は複数のコイルを有するボビンとコアとを有する。ボビンは固定部、例えば検出器本体３０に固定されている。コアの一方端はスタイラス保持部３３に接続され、他方端は自由端である。ＬＶＤＴの構成は公知であるため、詳しい説明については省略する。
　スタイラス保持部３３の一方端は変位検出部３１のコアに接続される。スタイラス保持部３３の他方端はスタイラス４０を揺動可能（又は回動可能）に保持する。第１実施形態では、スタイラス保持部３３は他方端に軸受３４を有し、軸受３４を回転軸（揺動中心）にしてスタイラス４０を揺動可能に保持する。軸受３４は、例えば各種のベアリングである。図１では、スタイラス４０はＹ軸方向に平行な回転軸を中心に揺動可能に保持される。
　測定時にスタイラス４０の先端にある接触子４４の位置が変位すると、その変位はスタイラスアーム４２及びスタイラス保持部３３を介して変位検出部３１のコアに伝えられ、コアの位置が変位する。変位検出部３１はコアの位置の変位量及び変位の向きを検出することにより、接触子４４の変位量及び変位の向きを検出する。
　測定力付与機構３２は、接触子４４を測定面に向かって押し付けるように作用する(付勢する）測定力をスタイラス４０に付与する。測定力付与機構３２は例えば弾性体を有する。本実施形態では、一例として弾性体をコイルバネとして説明する。コイルバネは引張りバネ（引きバネ）でもよいし、圧縮バネでもよい。測定力付与機構３２のコイルバネの一方端はスタイラス保持部３３に接続され、コイルバネの他方端は固定部、例えば検出器本体３０に固定されている。
　また、本実施形態では、制御部５０は、変位検出器２０によって変位を測定する方向（測定方向）を自動的に検出することができる。測定方向の検出について詳しくは後述する。
　スタイラス４０はスタイラスアーム４２及び接触子４４を備える。スタイラスアーム４２は、例えば略Ｌ字形であり、Ｘ軸方向に延びる水平アーム部４５とＺ軸方向に延びる垂直アーム部４６とを備える。水平アーム部４５の基端は変位検出器２０のスタイラス保持部３３に保持され、水平アーム部４５の先端は垂直アーム部４６の基端に一致する。垂直アーム部４６は水平アーム部４５の先端から鉛直方向下向きに延び、垂直アーム部４６の先端には接触子４４が設けられる。
　測定時には、接触子４４はワークＷの測定面に接触し、測定面の変位に従って接触子４４の位置が変位する。接触子４４の形状及び材質は特に限定されないが、接触子４４の形状の例として、球形、半球形、円筒形、円板形、斧形、円錐形、多角錐形等が挙げられる。接触子４４の材質の例として、例えば、ルビー、ジルコニア、セラミック等が挙げられる。
　本実施形態では、接触子４４は略Ｌ字形のスタイラスアーム４２を介して変位検出器２０に接続されるため、接触子４４の位置は変位検出器２０の直下ではない。接触子４４の中心とスタイラス４０の揺動の中心（軸受３４の中心）とを結ぶ線（図１において一点鎖線で示す線Ｌ）は、鉛直線に対して角度（スタイラス４０の傾斜角度）θを形成する。この角度θは特に限定されないが、好ましくは、角度θは３０°から６０°であり、より好ましくは、角度θは３８°から５２°であり、更により好ましくは、角度θは略４５°である。図１では例として角度θが４５°である場合を示す。角度θについて詳しくは後述する。
　以下、図２から図４を用いて、表面性状測定機１０を用いて水平方向（Ｘ軸方向）及び上下方向（Ｚ軸方向）の変位を測定する際の変位検出器２０の姿勢について説明する。例として、中空円柱形のワークＷについて説明するが、ワークＷの形状を限定する趣旨ではない。図２から図４は、それぞれ、外周側面の真円度、上面の平面度、及び内周側面の真円度を測定する場合の変位検出器２０の姿勢を示す。
　本実施形態ではスタイラスアーム４２は軸受３４によってＹ軸方向に平行な回転軸を中心に揺動可能であるため、接触子４４はＸ－Ｚ平面上を揺動する。つまり、接触子４４はＸ軸方向及びＺ軸方向に変位可能である。したがって、ワークＷの外周側面の真円度を測定するために水平方向の変位を測定する場合（図２）と、ワークＷの上面の平面度を測定するために水平方向の変位を測定する場合（図３）とで、変位検出器２０の姿勢を変更する必要がない。
　更に、本実施形態では変位検出器２０の姿勢変更の手間を低減するために、スタイラスアーム４２の形状も工夫している。つまり、スタイラスアーム４２は略Ｌ字形であるため、接触子４４は検出器本体３０のＸ軸方向及びＺ軸方向の延長線上にはない。検出器本体３０がワークＷと干渉する恐れがないため、ワークＷの内周側面の真円度を測定する場合（図４）でも変位検出器２０の姿勢を変更する必要がない。これにより、姿勢変更に伴う作業効率の低下を防ぐことが可能となる。
　本実施形態の変位検出器２０は、Ｙ軸方向を中心に揺動可能な（回動可能な）スタイラス４０を用いているため、変位検出器２０により検出される接触子４４が変位する方向は、スタイラス４０の回転軸を中心とする円弧に接する接線方向となる。つまり、接触子４４の変位はＸ軸方向成分とＺ軸方向成分とを含む。そこで、制御部５０は、接触子４４の変位量及び角度θに基づいて測定方向に対応する変位量（Ｘ軸方向の変位量又はＺ軸方向の変位量）を算出する。
　以下、制御部５０による変位量の算出について説明する。測定開始前において接触子４４の中心とスタイラス４０の回転軸とを結ぶ線（図１において一点鎖線で示す線Ｌ）と、鉛直線とがなす角度をθとする。測定中に接触子４４は微小な円弧を描くように揺動し、接触子４４の揺動により生じるこの角度θの変化量（角度変化量）をｄθとする。
　この角度変化量ｄθは十分に小さいため、接触子４４の微小な円弧形の変位を、接触子４４の中心と揺動の回転軸とを結ぶ線に対して垂直な線分（つまり円弧の接線方向の線分）に近似することができる。
　接触子４４の揺動半径は接触子４４の中心と揺動の回転軸との距離であり、既知であるから、制御部５０は、三角関数を用いてＸ－Ｚ平面上の接触子４４の変位量を水平方向（Ｘ軸方向）の変位量と、垂直方向（Ｚ軸方向）の変位量とに分解することが可能である。より具体的には、接触子４４が揺動により描く円弧の接線方向の線分の長さをＤとすると、Ｘ軸方向の変位量はＤ・ｃｏｓ θで、Ｚ軸方向の変位量はＤ・ｓｉｎ θで算出可能である。
　制御部５０は水平方向の変位を測定する場合には接触子４４の変位量にｃｏｓ θを乗算した結果を測定結果として出力し、上下方向の変位を測定する場合には接触子４４の変位量にｓｉｎ θを乗算した結果を測定結果として出力する。
　このように、本実施形態によれば、１つのＬＶＤＴを有する変位検出器２０を用いて２方向の変位を測定することが可能である。これにより、構造の単純化、製造コスト削減、及び装置の小型化を実現することができる。
　また、変位検出器２０が有する可動な部品は軸受３４だけであり、可動部の数が少ない（運動自由度が１である）。これにより、可動部に起因する誤差の発生を低減することができる。また、本実施形態の変位検出器２０は接触子を１つ有するだけであるため、接触子を２つ備える特許文献１の発明と比べて、変位検出器２０の姿勢の自由度及び各方向での変位の測定精度を向上させることができる。
　以下、図５を用いてスタイラス４０の傾斜角度θの望ましい大きさについて説明する。図５は角度θと変位検出器２０のゲインとの関係を示すグラフであり、横軸が角度θ（単位：°）を示し、縦軸がゲインの大きさを示す。図５において、点線がＸ軸方向のゲインを示し、実線がＺ軸方向のゲインを示す。ゲインは接触子４４の変位量に対応し、図５のグラフではゲインは１を最大値とする相対値で示される。
　ゲイン全体の中でＸ軸方向の成分が占める割合とＺ軸方向の成分が占める割合との間の差が大きい場合、測定方向によって測定感度の差が大きくなる。そこで、測定感度が不利になる方の方向のゲインが最大感度（角度θが０（ゼロ）°の場合）の２分の１以上となるようにθの大きさを決めることが望ましい。この場合、図５から分かるように、Ｘ軸方向の成分が占める割合とＺ軸方向の成分が占める割合との比は約１：０．５８から１：１．７３までの範囲となり、角度θは３０°から６０°までの範囲となる。
　より好ましくは、測定感度が不利になる方の方向のゲインが最大感度（角度θが０（ゼロ）°の場合）の約６０％以上となるように角度θの大きさを決めることである。この場合、図５から分かるように、Ｘ軸方向の成分が占める割合とＺ軸方向の成分が占める割合との比は約１：０．７５から１：１．３３までの範囲となり、角度θは約３８°から５２°までの範囲となる。
　更により好ましくは、Ｘ軸方向とＺ軸方向とで測定感度に差がないことである。図５ではＸ軸方向のゲインとＺ軸方向のゲインとが交わる時の角度θに相当し、この時の角度θは略４５°である。
　続いて、変位検出器２０の校正について説明する。例えば、校正は表面性状測定機１０の出荷前に行われる。出荷後も、必要に応じて適宜校正が行われ、校正値が更新されることにしてもよい。本実施形態では変位検出器２０は１つのＬＶＤＴを用いて２方向の変位を測定するため、２つの測定方向のそれぞれについて校正を行う。
　まず、Ｘ軸方向及びＺ軸方向のそれぞれについて、実際の変位量（既知）と変位検出部３１で得られる信号量との相関関係を示すデータを取得する。相関関係を示すデータとして、例えば校正値テーブル及び校正カーブが挙げられる。続いて、それぞれの測定方向ついて、この相関関係を示すデータに基づいて良好な信号量が得られるゲインを校正値として決定する。
　ここで、ワークＷが中空円柱形等の場合、内周側面（内周方向）を測定する際に用いる校正値を更に決定してもよい。決定された校正値は、例えば、制御部５０に設けられた不図示のメモリに記憶される。メモリの種類は特に限定されないが、例えばメモリはＲＯＭ又はＲＡＭである。
　なお、ＬＶＤＴの校正方法は従来と大きくは変わらないため、詳しい説明を省略する。２つの測定方向のそれぞれについて校正値を設定するため、本実施形態の変位検出器２０はいずれの測定方向でも高精度に測定することが可能である。
　次に、図６を用いて本実施形態の表面性状測定機１０を用いた測定手順について説明する。図６は測定の手順を示すフローチャートである。まず、制御部５０は、水平移動機構１２及び垂直移動機構１４を用いて変位検出器２０を移動させ、接触子４４をワークＷの測定面に接触させる（ステップＳ１０）。
　続いて、水平移動機構１２及び垂直移動機構１４の駆動方向に基づいて制御部５０は測定方向を自動的に検出する（ステップＳ１２）。以下、図２から図４を用いて本実施形態での測定方向の自動検出について説明する。例として中空円柱形のワークＷについて説明するが、ワークＷの形状を限定する趣旨ではない。
　ワークＷの外周側面の真円度を測定する場合、図２に示すように、制御部５０は水平移動機構１２をＸ軸の負の方向（図２では水平に左側に向かって）に駆動させ、回転テーブル１６上のワークＷの外周側面に接触子４４を接触させる。接触子４４がワークＷに接触すると、変位検出部３１は接触子４４の変位を検出する。水平移動機構１２をＸ軸の負の方向に駆動させた際に接触子４４の変位を検出したことに基づいて、制御部５０はＸ軸方向の変位（外径）の測定が行われることを自動的に検出する。なお、図２に示す状態で垂直移動機構１４をＺ軸方向に移動させながら外周側面の真直度を測定する場合も同様にして測定方向を検出可能である。
　ワークＷの上面の平面度を測定する場合、図３に示すように、制御部５０は垂直移動機構１４をＺ軸の負の方向（図２では垂直に下側に向かって）に駆動させ、回転テーブル１６上のワークＷの上面に接触子４４を接触させる。接触子４４がワークＷに接触すると、変位検出部３１は接触子４４の変位を検出する。垂直移動機構１４をＺ軸の負の方向に駆動させた際に接触子４４の変位を検出したことに基づいて、制御部５０はＺ軸方向の変位の測定が行われることを自動的に検出する。なお、図３に示す状態で水平移動機構１２をＸ軸方向に移動させながら上面の真直度を測定する場合も同様にして測定方向を検出可能である。
　ワークＷの内側側面の平面度を測定する場合、図４に示すように、制御部５０は水平移動機構１２をＸ軸の正の方向（図４では水平に右側に向かって）に駆動させ、回転テーブル１６上のワークＷの内側側面に接触子４４を接触させる。接触子４４がワークＷに接触すると、変位検出部３１は接触子４４の変位を検出する。水平移動機構１２をＸ軸の正の方向に駆動させた際に接触子４４の変位を検出したことに基づいて、変位検出部３１はＸ軸方向の変位（内径方向）の測定が行われることを自動的に検出する。なお、図４に示す状態で垂直移動機構１４をＺ軸方向に移動させながら内側側面の真直度を測定する場合も同様にして測定方向を検出可能である。
　このように、本実施形態では、測定開始時に水平移動機構１２及び垂直移動機構１４のどちらがどの方向に駆動された際に接触子４４がワークＷに接触したのかに基づいて、測定方向を自動的に検出することができる。これにより、測定の効率を向上させることができる。続いて、制御部５０は検出された測定方向に応じた校正値をメモリから読みだして設定し（ステップＳ１４）、接触子４４の変位の測定を行う（ステップＳ１６）。
　例えば、円柱状のワークＷの外周側面の真円度を測定する場合、図２に示す状態で回転テーブル１６（及びワークＷ）を回転させながら変位検出部３１で接触子４４の変位を測定する。また、例えば、ワークＷの外周側面の真直度を測定する場合、図２に示す状態で垂直移動機構１４を駆動して検出器本体３０をＺ軸方向に移動させながら変位検出部３１で接触子４４の変位を測定する。
　また、例えば、ワークＷの上面の平面度を測定する場合、図３に示す状態で回転テーブル１６（及びワークＷ）を回転させながら変位検出部３１で接触子４４の変位を測定する。また、例えば、ワークＷの上面の真直度を測定する場合、図３に示す状態で水平移動機構１２を駆動して検出器本体３０をＸ軸方向に移動させながら変位検出部３１で接触子４４の変位を測定する。
　また、例えば、中空円柱状のワークＷの内周側面の真円度を測定する場合、図４に示す状態で回転テーブル１６（及びワークＷ）を回転させながら変位検出部３１で接触子４４の変位を測定する。また、例えば、ワークＷの内周側面の真直度を測定する場合、図４に示す状態で垂直移動機構１４を駆動して検出器本体３０をＺ軸方向に移動させながら変位検出部３１で接触子４４の変位を測定する。
　本実施形態では接触子４４の変位量はＸ軸方向成分とＺ軸方向成分とを含むため、制御部５０は変位検出部３１によって測定された接触子４４の変位量を、測定方向の変位量に変換する演算を行い、演算結果を測定結果として出力する（ステップＳ１８）。具体的には、Ｘ軸方向（水平方向）の変位を測定する場合には、制御部５０は接触子４４の変位量にｃｏｓ θを乗算してＸ軸方向の変位量を算出し、算出した結果を測定結果として出力する。一方、Ｚ軸方向（上下方向）の変位を測定する場合には、制御部５０は接触子４４の変位量にｓｉｎ θを乗算してＺ軸方向の変位量を算出し、算出した結果を測定結果として出力する。
　ステップＳ１８の後、他の方向についても測定を行う場合には（ステップＳ２０：Ｙｅｓ）、ステップＳ１０に戻る。上述のように、測定方向を変更する際、本実施形態では変位検出器２０の姿勢を変更する必要がないため、測定を効率的に行うことができる。他の方向についても測定を行わない場合には（ステップＳ２０：Ｎｏ）、測定を終了する。
　このように、本実施形態によれば、軸受３４を揺動中心としてＸ－Ｚ平面上を揺動可能なスタイラス４０を用いる。接触子４４の中心とスタイラス４０の回転軸とを結ぶ線は、鉛直線に対して所定の角度θを形成するため、スタイラス４０の揺動中心から接触子４４に向かう方向（接触子方向）はＸ軸方向成分とＺ軸方向成分とを含む。接触子４４は、揺動の回転軸から接触子４４に向かう方向に対して垂直な方向に変位するため、接触子４４の変位もまたＸ軸方向成分とＺ軸方向成分とを含む。よって、１つのＬＶＤＴを備える変位検出器２０でＸ軸方向及びＺ軸方向の変位を測定することが可能である。
　これにより、変位検出器２０の構成を単純化し、製造コストを低減することが可能となる。また、本実施形態の変位検出器２０では可動部の数が少ないため、誤差が発生しにくくなる。
　＜第２実施形態＞
　以下の第２実施形態では変位検出器の構成が第１実施形態と異なる。具体的には、第２実施形態では変位検出器は軸受３４の代わりに弾性体を備える。第２実施形態に係る表面性状測定機の全体構成は基本的に第１実施形態と同じであるため、説明を省略する。図７は第２実施形態に係わる変位検出器６０の構成を示す。
　図７では、変位検出器６０は弾性体の一例として板バネ６１を備える。図７に示すように、板バネ６１の一方端はバネ保持部材６２により保持されており、バネ保持部材６２は固定部、例えば検出器本体３０に固定されている。板バネ６１の他方端はバネ保持部材６３により保持されており、バネ保持部材６３はスタイラス保持部３３に接続される。
　図７では、可動部と区別できるように変位検出器６０の構成のうち不動な部分はシェーディング（網掛け）されている。第２実施形態では、スタイラス４０は板バネ６１のほぼ中央（バネ保持部材６２及び６３によって保持されていない部分の中央）を中心（揺動の中心）として揺動可能に構成されている。測定時にスタイラス４０の先端にある接触子４４の位置が変位すると、その変位はスタイラスアーム４２及びスタイラス保持部３３を介して変位検出部３１のコアに伝えられ、変位検出部３１はこの変位を検出する。
　また、バネ保持部材６３は可動であるが、バネ保持部材６２は不動である。このため、接触子４４の位置が変位した結果、板バネ６１が中立点から変位する（変形する）と、板バネ６１により反力が発生する。この反力の作用する方向は接触子４４の変位の方向とは反対であるため、反力は接触子４４を測定面に押し付けるように作用する。この反力が第１実施形態での測定力付与機構３２による測定力の役割を果たすため、第２実施形態では測定力付与機構３２を不要にすることができる。これにより、変位検出器６０の構成を一層単純化することが可能となる。
　＜第３実施形態＞
　第２実施形態と同様に第３実施形態でも、変位検出器は軸受３４の代わりに弾性体を備える。第３実施形態に係る表面性状測定機の全体構成は基本的に第１実施形態と同じであるため、説明を省略する。図８は第３実施形態に係わる変位検出器７０の構成を示す。
　図８では、変位検出器７０は弾性体の一例として十字バネ７１を備える。図８に示すように、十字バネ７１の４端のうちの２端はバネ保持部材７２により保持されており、バネ保持部材７２は固定部、例えば検出器本体３０に固定されている。十字バネ７１の４端のうちの残る２端端はバネ保持部材７３により保持されており、バネ保持部材７３はスタイラス保持部３３に接続される。
　図８では、可動部と区別できるように変位検出器７０の構成のうち不動な部分はシェーディング（網掛け）されている。第３実施形態では、スタイラス４０は十字バネ７１の中心（十字の交点）を中心（揺動の中心）として揺動可能に構成されている。測定時にスタイラス４０の接触子４４の位置が変位すると、その変位はスタイラスアーム４２及びスタイラス保持部３３を介して変位検出部３１のコアに伝えられるため、変位検出部３１は変位を検出することができる。
　また、バネ保持部材７３は可動であるが、バネ保持部材７２は不動である。接触子４４の位置が変位した結果、十字バネ７１が中立点から変位すると、十字バネ７１により反力が発生する。第２実施形態と同様に、第３実施形態でもこの反力が第１実施形態での測定力付与機構３２による測定力の役割を果たすため、測定力付与機構３２を不要とすることができる。
　＜第４実施形態＞
　第４実施形態では、変位検出器は測定力付与機構３２の代わりにカウンターウェイトを備える。第４実施形態に係る表面性状測定機の全体構成は基本的に第１実施形態と同じであるため、説明を省略する。図９は第４実施形態に係わる変位検出器８０の構成を示す。
　図９に示すように、変位検出器８０は軸受３４から見てスタイラス４０とは反対側にカウンターウェイト８１を備える。例えば、スタイラス４０が軸受３４を中心に揺動すると、カウンターウェイト８１はスタイラス４０の揺動方向とは反対方向に揺動する。これにより、第１実施形態における測定力付与機構３２を不要とすることができる。
　＜効果＞
　以上説明したように、各実施形態に係わる変位検出器２０，６０，７０及び８０は１つの変位検出部３１のみを有するため、より単純な構成で２方向の変位を測定可能である。これにより、変位検出器２０，６０，７０及び８０の製造コストを低減することが可能となる。
　変位検出器２０，６０，７０及び８０が有する可動部の数が少ないため（運動自由度が低いため）、可動部に起因する誤差の発生を低減することが可能となる。また、測定方向それぞれについて校正値を設定するため、いずれの測定方向でも高精度に測定することが可能である。
　測定開始時の駆動機構（水平移動機構１２及び垂直移動機構１４）の移動方向に基づいて測定方向を自動的に検出することが可能であるため、測定効率を向上することができる。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、以上の例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはもちろんである。
　１０…表面性状測定機、１２…水平移動機構、１４…垂直移動機構、１６…回転テーブル、２０，６０，７０，８０…変位検出器、３０…検出器本体、３１…変位検出部、３２…測定力付与機構、３３…スタイラス保持部、３４…軸受、４０…スタイラス、４２…スタイラスアーム、４４…接触子、４５…水平アーム部、４６…垂直アーム部、５０…制御部、６１…板バネ、６２，６３，７２，７３…バネ保持部材、７１…十字バネ、Ｗ…ワーク

Claims (17)

  1. 　検出器本体と、
    　測定対象物の被測定面に接触する接触子を有するスタイラスと、
    　前記検出器本体に設けられ、互いに直交する第１方向及び第２方向を含む面を揺動面として前記スタイラスを揺動可能に保持するスタイラス保持部と、
    　前記検出器本体に設けられ、前記接触子と前記被測定面との接触に伴う前記接触子の変位を検出する変位検出部と、
    　を備え、
    　前記スタイラスは、
    　第１一端部と第１他端部とを有し、前記第１一端部が前記スタイラス保持部に保持され、前記第１一端部から前記第１他端部に向かって前記第１方向に延びる第１アームと、
    　第２一端部と第２他端部とを有し、前記第２一端部が前記第１他端部に接続され、前記第２一端部から前記第２他端部に向かって前記第２方向に延び、前記第２他端部に前記接触子が設けられた第２アームと、
    　を有する、変位検出器。
  2. 　前記スタイラスは、前記スタイラス保持部を介して前記揺動面に直交する回転軸を中心に揺動可能に軸支される、請求項１に記載の変位検出器。
  3. 　前記接触子を前記被測定面に向かう方向に付勢する力を付与する測定力付与部を備える、請求項２に記載の変位検出器。
  4. 　前記スタイラス保持部は前記検出器本体に弾性体を介して揺動可能に取り付けられる、請求項１に記載の変位検出器。
  5. 　前記スタイラスの揺動中心から前記接触子に向かう方向を接触子方向とした場合、前記接触子方向は、前記第１方向の成分と前記第２方向の成分とを有する、請求項１から４のいずれか１項に記載の変位検出器。
  6. 　前記接触子が前記被測定面に接触しない状態において、前記第１方向の成分と前記第２方向の成分との比は１：０．５８から１：１．７３までの範囲内にある、請求項５に記載の変位検出器。
  7. 　前記接触子が前記被測定面に接触しない状態において、前記第１方向の成分と前記第２方向の成分との比は１：０．７５から１：１．３３までの範囲内にある、請求項５に記載の変位検出器。
  8. 　前記接触子が前記被測定面に接触しない状態において、前記第１方向の成分と前記第２方向の成分とが等しい、請求項５に記載の変位検出器。
  9. 　前記接触子が変位した場合、前記変位検出部は、前記接触子の変位として前記第１方向の変位と前記第２方向の変位とを検出可能である、請求項１から８のいずれか１項に記載の変位検出器。
  10. 　前記変位検出部は前記第１方向及び前記第２方向それぞれについて校正値を有する、請求項１から９のいずれか１項に記載の変位検出器。
  11. 　前記変位検出部は、コアと複数のコイルと有する差動変圧器を備え、
    　前記スタイラス保持部は、揺動中心からみて前記スタイラスを支持する側とは反対側の端部において前記コアを支持する、
    　請求項１から１０のいずれか１項に記載の変位検出器。
  12. 　請求項１から１１のいずれか１項に記載の変位検出器と、
    　前記変位検出器を保持し、且つ、水平方向及び前記水平方向に対して直交する鉛直方向に測定対象物に対して相対的に前記変位検出器を移動させる移動機構と、
    　を備える表面性状測定機。
  13. 　測定開始時に前記変位検出器の接触子が前記測定対象物に接触した際の前記移動機構の移動方向に基づいて前記変位検出器の測定方向を検出する制御部を更に備える、
    　請求項１２に記載の表面性状測定機。
  14. 　前記制御部は、前記移動機構の駆動を制御する信号に基づいて前記変位検出器の測定方向を検出する、請求項１３に記載の表面性状測定機。
  15. 　請求項１から１１のいずれか１項に記載の変位検出器と、
    　鉛直方向に対して平行なステージ回転軸周りに測定対象物を回転させる回転ステージと、
    　を備える真円度測定機。
  16. 　前記変位検出器を保持し、且つ、水平方向及び前記水平方向に対して直交する鉛直方向に測定対象物に対して相対的に前記変位検出器を移動させる移動機構と、
    　測定開始時に前記変位検出器の接触子が前記測定対象物に接触した際の前記移動機構の移動方向に基づいて前記変位検出器の測定方向を検出する制御部を更に備える、
    　請求項１５に記載の真円度測定機。
  17. 　前記制御部は、前記移動機構の駆動を制御する信号に基づいて前記変位検出器の測定方向を検出する、請求項１６に記載の真円度測定機。
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