JP5291517B2

JP5291517B2 - 内側寸法測定器

Info

Publication number: JP5291517B2
Application number: JP2009092896A
Authority: JP
Inventors: 淳富永
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2009-04-07
Filing date: 2009-04-07
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2029-04-07
Also published as: JP2010243350A

Description

本発明は、内側寸法測定器に係り、特に、小口径シリンダゲージプローブなどの狭い間隙部に組込み可能な高分解能な内側寸法測定器に関する。

被測定物の孔径や溝幅等を測定する内側寸法測定器として、シリンダゲージが知られている。従来の小口径シリンダゲージは、被測定物の内壁の直径方向の変位をメカ機構を用いて直交方向に変換し伝達する方法を用いている。例えば、特許文献１では、一対の接触子間の変位量をカムを介して、その一対の接触子が配置されている方向と直交する方向に配置されたロッドに変位量を伝達して、その変位量を表示器で表示している。

特開２００３−２８６０３号公報

しかし、特許文献１に示されるような内側寸法測定器は、その構造上複雑であり、例えば直径が数ｍｍ以下の小口径シリンダゲージに適用する場合には、接触子、カム、及びロッドそれぞれにおけるガタや摩擦の影響が相対的に大きくなり、精度の高い測定が困難となる。同時に、用いられる接触子には高い加工精度が必要とされ、且つその作製が困難で、コスト高になるといったことが問題として挙げられる。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、構成が単純で小口径シリンダゲージにも適用可能で、且つ高精度な内側寸法測定を可能にすることを課題とする。

本願の請求項１に係る発明は、被測定物に接触する複数の接触部と、該複数の接触部の内側に配置されると共に、該複数の接触部間の距離の変化で変形する空間を内部に有する有底筒状部材と、前記空間を密閉するように該有底筒状部材の開口部に取付けられると共に、該空間の変形で生じる自身の撓み量を検出する変位センサと、を備え、該有底筒状部材が、更に、外周に複数の弾性部を備え、該複数の弾性部が前記複数の接触部の内側に当接したことにより、前記課題を解決したものである。

本願の請求項２に係る発明は、前記複数の弾性部を凸形状とし、該複数の弾性部を前記複数の接触部それぞれの内側に点で当接させたものである。

本願の請求項３に係る発明は、少なくとも前記変位センサをＭＥＭＳプロセスにより製作したものである。ここで、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）プロセスとは、主にシリコン基板に対して行うフォトリソグラフィ技術、薄膜成形技術、及びエッチング技術などの半導体微細加工技術により機械・電子・光・化学などの複合機能を一体化した微小構造体を製作するためのプロセスをいう。

又、本願の請求項４に係る発明は、前記変位センサを、ＳＯＩ基板で形成すると共に、前記空間の変形で生じる自身の撓み量を静電容量の変化として検出するとしたものである。ここで、ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板とは、基材層上の絶縁層の上に活性層である単結晶シリコンを備える基板をいう。

又、本願の請求項５に係る発明は、前記有底筒状部材に温度センサを設けたものである。

又、本願の請求項６に係る発明は、前記有底筒状部材の開口部を、前記複数の接触部が配置される方向と直交する方向に設けたものである。

本発明によれば、構成が単純で且つ高精度な内側寸法測定が可能となる。このため、高性能な内側寸法測定器を低コストで提供することが可能となる。そして、少なくとも変位センサがＭＥＭＳプロセスにより製作された場合には、特に小口径シリンダゲージ用として高精度な内側寸法測定が可能となる。

本発明の第１実施形態に係る内側寸法測定器である内径測定器の概略斜視図同じく内径測定器の縦断面模式図同じく内径測定器の横断面模式図同じく内径測定器の接触部の模式図同じく内径測定器の筒部の分解模式図

以下、図面を参照して、本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。

図１は本発明の第１実施形態に係る内側寸法測定器である内径測定器の概略斜視図、図２は同じく内径測定器の縦断面模式図、図３は同じく内径測定器の図２のIII−III線に沿う横断面模式図、図４は同じく内径測定器の接触部の模式図、図５は同じく内径測定器の筒部の分解模式図、である。なお、各図は、必ずしも構成要素の大きさを正確に表したものではない。

最初に、本実施形態の構成について説明する。

内径測定器１００は、主に図１〜図３に示す如く、被測定物（の内壁）に直接接触する接触部材（接触子）１０２と、接触部材１０２を介して伝えられた変位を電気信号に変えるセンサ部材１１１と、接触部材１０２とセンサ部材１１１とを一体的に固定するベース部材１７２と、を有する。更に、センサ部材１１１は、接触部材１０２の内側に配置される有底筒状部材１２０と、メンブレン構造部（膜状構造部）１５０を有する変位センサ１４０と、主に変位センサ１４０の出力を増幅する電装セル１７０と、を備える。内径測定器１００の大きさは、本実施形態では、縦横幅方向でいずれの寸法も１ｍｍ以下である。しかし、本発明は、必ずしも各方向で１ｍｍ以下に制限されるものではない。

接触部材１０２は、図４に示す如く、支持部１０４、ビーム部１０６、カバー部１０８、及び接触部１１０を有する。支持部１０４は、図２に示す如く、複数のビーム部１０６を介してそれぞれのカバー部１０８に設けられた接触部１１０を変位センサ１４０に固定している。図２に示す如く、本実施形態では、支持部１０４は、周方向で連続するリング形状を有して、カバー部１０８と共に、全てのビーム部１０６（本実施形態では２つ）と一体的に成形されている。即ち、接触部１１０を除き、接触部材１０２は円筒形状の部材から一体的に容易に成形することができる。支持部１０４は、ベース部材１７２の外周に固定されている。

ビーム部１０６は、図４に示す如く、周方向で幅が狭く（本実施形態ではカバー部１０８よりも狭い幅）成形されて、中心軸Ｏ方向で各カバー部１０８を支持している。このため、中心軸Ｏ方向への力Ｆｖ（図２）が加わっても、カバー部１０８の内側に力を伝えないように、カバー部１０８を支持することができる。同時に、中心軸Ｏに向かう方向（半径方向と称する）への力Ｆｈ（図２）に対しては高い感度で、カバー部１０８を変位させることができる。

カバー部１０８は、図４に示す如く、それぞれビーム部１０６と一体に成形されて、周方向に等間隔で複数（本実施形態では２つ）並べられている。なお、必ずしもカバー部１０８の周方向の幅がビーム部１０６の周方向の幅よりも広い必要はない。カバー部１０８は、有底筒状部材１２０の弾性部１２６が変形した際にその接触する領域が点から面へと拡がっても、その面の領域をそのカバー部１０８の内側に確保でき、且つ接触部１１０を安定して支持できれば、ビーム部１０６と同等以下の幅であってもよい。

接触部１１０は、図４に示す如く、カバー部１０８に各々設けられている。そして、接触部１１０の外側表面は、被測定物の中空部表面（内壁）に接触する部分となる。接触部１１０の形は球形であり、その表面の一点で被測定物と接触するので、高い感度で正確に変位することができる。接触部１１０には、耐摩耗性に優れた超硬合金球（主成分はタングステンカーバイト）を用いるのが好ましい。

このような接触部材１０２の構成により、接触部１１０に中心軸Ｏ方向の力（図２で矢印Ｆｖ）が作用していても、その力Ｆｖは支持部１０４で受けることとなり、接触部１１０の内側に配置された有底筒状部材１２０に伝わることを防止することができる。同時に、半径方向の変位のみ（図２で矢印Ｆｈ）を有底筒状部材１２０に正確に伝えることができる。即ち、接触部材１０２は、簡単な構造でありながら、接触部１１０の半径方向の位置変化を高い感度で正確に有底筒状部材１２０に伝えて、有底筒状部材１２０の破損や磨耗損を防止して、有底筒状部材１２０の長寿命化を図ることができる。

有底筒状部材１２０は、図１に示す如く、主に筒部１２２と弾性部１２６と底部１２８とから構成されている。筒部１２２は、外径６００μｍ程度の円筒中空パイプであり、その側面には接触部１１０の位置に対応して、凸形状の弾性部１２６を外周に突出させるための弾性部用孔１２４（図２、図５）が複数（本実施形態では２つ）等間隔で設けられている。図５に示す如く、弾性部１２６は、シリコーンゴムなどの変形性に富む材料でできており、凸部１２６Ａとその外周部１２６Ｂとを有する。凸部１２６Ａの先端部分は、接触部１１０（厳密には接触部１１０を支持するカバー部１０８）の内側に点で接触する構成とされている。そして、凸部１２６Ａの内側は、その外形に倣う形で凹形状に成形されている（必ずしも凹形状でなくてよい）。外周部１２６Ｂは弾性部用孔１２４よりも大きく、筒部１２２の内側から外周部１２６Ｂを接着固定することで、筒部１２２の内側の空間１３６の密封性が確保される。このため、接触部１１０の半径方向の変位が高い感度で正確に弾性部１２６へ伝わり、空間１３６の密封性を保持しつつ、弾性部１２６が変形する。

有底筒状部材１２０の底部１２８は、図２に示す如く、筒部１２２と共に変形せずに空間１３６の密封状態を維持する。このため、底部１２８は、筒部１２２と同質の剛性の高い材料から構成されて、筒部１２２の下部に接着されている。筒部１２２の外周には、薄膜状の温度センサ１３０（図１）が形成されている。このため、温度センサを別に用意することなく、内径測定器１００として使用環境温度を測定することが可能となる。即ち、内径測定器１００として、構成部材の各熱膨張率に対して補正を行うと共に、空間１３６内の温度変化も測定できるので、高精度な寸法測定が可能となる。なお、温度センサ１３０を筒部１２２の外周に直接形成してもよいし、別体で形成後の温度センサ１３０を後から筒部１２２に貼付けてもよい。

図２に示す如く、有底筒状部材１２０の開口部１２０Ａにシール部材１３４を介して変位センサ１４０が取付けられる。そして、有底筒状部材１２０の内部の空間１３６が密閉される。なお、空間１３６には、空気もしくは作動油（流体で、反応性が低くシール能力を長寿命化可能なものが好ましい）などが充填されて、リークがないように各部材は接着剤などで厳重にシーリングされる。

変位センサ１４０は、図２に示す如く、ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板１４２とガラス基板１６０とを備えて、ＭＥＭＳプロセスで製作される。ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）プロセスとは、主にシリコン基板に対して行うフォトリソグラフィ技術、薄膜成形技術、及びエッチング技術などの半導体微細加工技術により機械・電子・光・化学などの複合機能を一体化した微小構造体を製作するためのプロセスである。ＳＯＩ基板１４２は、シリコンの基材層１４４と、絶縁層１４６と、活性層１４８とからなる。

図２で示す変位センサ１４０の製作について以下に説明する。フォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて、活性層１４８に凹部１５２を形成する。又、基材層１４４から絶縁層１４６までを、凹部１５２よりも若干狭い幅の範囲で除去してメンブレン構造部１５０を成形する。なお、凹部１５２の深さは、ガラス基板１６０を接合した際に、メンブレン構造部１５０の対向面（図２でメンブレン構造部１５０の上側面）と電極膜１６２との間隔Ｇが２〜３μｍとなるように形成する。ガラス基板１６０の表面のうち凹部１５２に対峙した領域に、電極膜１６２が薄膜成形技術により成形される。そして、電極膜１６２をメンブレン構造部１５０に対向させた状態で、活性層１４８とガラス基板１６０とを陽極接合する。ここで、貫通孔１６４は電極膜１６２と、貫通孔１６６、１６８は活性層１４８と、にそれぞれ導通を取るために設けられている。即ち、変位センサ１４０は、貫通孔１６４〜１６８を介して中心軸Ｏ方向のメンブレン構造部１５０（変位センサ１４０）の撓み量を電気容量の変化という形で検出することが可能となる。

ガラス基板１６０のもう一方の面（図２で上面）に電装セル１７０が取付けられている。電装セル１７０は、外形が円筒形状であり、内側に変位センサ１４０の出力を増幅するプリアンプや、温度センサ１３０への配線などを収納している（図２では省略）。

電装セル１７０は、接触部材１０２と共に、図２の上側でベース部材１７２に固定されている。ベース部材１７２には取付ピン１７４が設けられている。取付ピン１７４により、内径測定器１００が取付けられる測定子への機械的固定がなされる。同時に、電装セル１７０との電気的接続がなされる。

次に、内径測定器１００の動作について説明する。

内径測定器１００全体を、被測定物である、例えば元々内径測定器１００の接触部１１０の外径よりも小さい内径の小口径ワークに挿入する。すると、小口径ワークの内壁で接触部１１０が押される。接触部１１０は内側に移動して、２つの接触部１１０間の距離が狭まる。このとき、接触部１１０は先端の一点で被測定物と接触するので、接触部１１０で得られる変位は、複数の点で被測定物と接触する場合に比べて、より正確且つ高感度となる。

接触部１１０の内側への変位によって、弾性部１２６が半径方向で中心軸Ｏ側に押されて、空間１３６が変形する。空間１３６は密閉されているので、空間１３６の変形で空間１３６内の圧力が変化する。この圧力変化で、２つの接触部１１０の配置される方向と直交する中心軸Ｏ方向に取付けられた変位センサ１４０のメンブレン構造部１５０が押されてメンブレン構造部１５０の中央部が撓む。なお、各弾性部１２６はカバー部１０８（接触部１１０）それぞれの内側に一点で当接するので、メンブレン構造部１５０の撓み量が、接触部１１０間の距離の変化を、複数の点で当接するよりも正確且つ高感度に反映する。

メンブレン構造部１５０の中央部の撓みにより、中心軸Ｏ方向においてメンブレン構造部１５０と電極膜１６２との距離の変化が生じるので、メンブレン構造部１５０と電極膜１６２との間の静電容量が変化することとなる。このときのメンブレン構造部１５０と電極膜１６２との距離の変化による静電容量の変化は微小であるが、変位センサ１４０に隣接する電装セル１７０において静電容量の変化が増幅される。このため、電装セル１７０では、ノイズの影響を最小限に増幅することができる。ここで、静電容量の変化量が接触部１１０の変化量にほぼ比例するので、取付ピン１７４からの出力である増幅された静電容量の変化量を調べることで、接触部１１０間の距離の変化をノイズの影響が少ない状態（誤差の少ない状態）で求めることができる（変位センサ１４０による自身の撓み量の検出）。

このように、変位センサ１４０は、ＭＥＭＳプロセスを用いて製造されるので、変位センサ１４０は小型で一括加工でき、低コストで特性ばらつきを少くすることが可能である。更に、ＳＯＩ基板１４２を用いた静電容量型の変位センサ１４０なので、メンブレン構造部１５０を少ない工数で容易に形成でき、変位センサ１４０を歩留り高く製作でき、且つその特性をより安定させることができる。このため、変位センサ１４０を組み込んだ内径測定器１００は小型化が容易であり、同時に高性能化を図ることができる。

又、変位センサ１４０は、接触部１１０が配置される方向と直交する方向（中心軸Ｏ方向）に設けられた有底筒状部材１２０の開口部１２０Ａに取付けられているので、仮に変位センサ１４０の厚みが厚くても、接触部１１０間の距離には影響を与えずに小さくできて、１ｍｍ以下という極めて小さな隙間の内径であっても測定することを可能とする。

又、環境温度が変化した場合であっても、温度センサ１３０からの出力により温度変化による静電容量の変動を補正することで、温度補正しない場合に比べて、より高精度な測定を行うことが可能となる。又、温度センサ１３０が一体化されているので、小型の寸法測定が可能である。

従って、本発明によれば、内径測定器１００の構成が単純でありながら且つ高精度・高分解能な内側寸法測定が可能となる。このため、内側寸法測定器として高性能な内径測定器１００を低コストで提供することが可能となる。そして、変位センサ１４０がＭＥＭＳプロセスにより製作されているので、特に小口径シリンダゲージに適用して高精度な内側寸法測定が可能である。

本発明について上記実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。即ち本発明の要旨を逸脱しない範囲においての改良並びに設計の変更が可能なことは言うまでもない。

本実施形態においては、小口径シリンダゲージを対象としたが、本発明はこれに限定されずに、大きな口径に対して適用してもよい。

又、本実施形態においては、接触部１１０と弾性部１２６とはそれぞれ２つであったが、本発明はこれに限定されない。例えば、それぞれ３つ以上設けてもよい。その場合には、内径の測定を更に正確に行うことが可能となる。

又、本実施形態においては、複数の弾性部１２６が複数の接触部１１０それぞれの内側に点で当接していたが、本発明はこれに限定されない。例えば、面で当接してもよいし、支持する部分を持たずに弾性部の表面に膜状の接触部を直接成形してもよい。この場合には、更に構成が簡素で低コストの内側寸法測定器を提供することができる。

又、本実施形態においては、変位センサ１４０がＭＥＭＳプロセスにより製作されていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、内側寸法測定器の構成全てをＭＥＭＳプロセスで製作すれば、更に大量に均質な内側寸法測定器を提供できる。又、ＭＥＭＳプロセスを全く用いなくても、構成が簡素であることからある程度の小型にすることもでき、従来よりも低コストで高精度な内側寸法測定器を提供することができる。

又、本実施形態においては、変位センサ１４０が、ＳＯＩ基板１４２に形成されると共に、空間１３６の変形で生じるメンブレン構造部１５０（変位センサ１４０）の撓み量を静電容量の変化として検出していたが、本発明はこれに限定されない。例えば、ＭＥＭＳプロセスを用いても、ＳＯＩ基板を用いない場合には、基板コストを低減できるので、低コストの変位センサを提供できる。又、変位センサは、静電容量の変化を用いなくても、例えば、撓みを抵抗変化で測定するということを利用する変位センサであってもよい。

又、本実施形態においては、有底筒状部材１２０に温度センサ１３０が設けられていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、温度センサを設けない場合には、更に低コストとすることができ、内側寸法測定器とは別体に温度センサを配置して温度による補正を行うことも可能である。

又、本実施形態においては、変位センサ１４０は、接触部１１０が配置される方向と直交する方向（中心軸Ｏ方向）に設けられた有底筒状部材１２０の開口部１２０Ａに取付けられていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、開口部１２０Ａの方向が、接触部の配置される方向であってよいし、又直交しないいずれの方向であってもよい。

又、本実施形態においては、接触部材１０２は円筒形状の部材から成形されたものであり、筒部１２２は円筒中空パイプであったが、本発明はこれに限定されない。例えば、これらが多角形の断面を有する中空部材であってよい。

又、本実施形態においては、図２に示す如く変位センサ１４０はほぼ円形であったが、本発明はこれに限定されない。例えば、多角形などであってもよい。その場合には、変位センサの成形が容易であり、ＳＯＩ基板上のレイアウトの工夫で、ＳＯＩ基板からの取り個数を増やすことができる。

１００…内径測定器
１０２…接触部材
１０４…支持部
１０６…ビーム部
１０８…カバー部
１１０…接触部
１１１…センサ部材
１２０…有底筒状部材
１２２…筒部
１２４…弾性部用孔
１２６…弾性部
１２８…底部
１３０…温度センサ
１３４…シール部材
１３６…空間
１４０…変位センサ
１４２…ＳＯＩ基板
１４４…基材層
１４６…絶縁層
１４８…活性層
１５０…メンブレン構造部
１５２…凹部
１６０…ガラス基板
１６２…電極膜
１６４、１６６、１６８…貫通孔
１７０…電装セル
１７２…ベース部材
１７４…取付ピン

Claims

被測定物に接触する複数の接触部と、
該複数の接触部の内側に配置されると共に、該複数の接触部間の距離の変化で変形する空間を内部に有する有底筒状部材と、
前記空間を密閉するように該有底筒状部材の開口部に取付けられると共に、該空間の変形で生じる自身の撓み量を検出する変位センサと、
を備え、
該有底筒状部材は、更に、外周に複数の弾性部を備え、該複数の弾性部が前記複数の接触部の内側に当接することを特徴とする内側寸法測定器。
前記複数の弾性部は凸形状とされ、該複数の弾性部が前記複数の接触部それぞれの内側に点で当接することを特徴とする請求項１に記載の内側寸法測定器。
少なくとも前記変位センサがＭＥＭＳプロセスにより製作されることを特徴とする請求項１又は２に記載の内側寸法測定器。
前記変位センサは、ＳＯＩ基板に形成されると共に、前記空間の変形で生じる自身の撓み量を静電容量の変化として検出することを特徴とする請求項３に記載の内側寸法測定器。
前記有底筒状部材に温度センサが設けられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の内側寸法測定器。
前記有底筒状部材の開口部は、前記複数の接触部が配置される方向と直交する方向に設けられることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の内側寸法測定器。