JP5470038B2 - 接触検出器 - Google Patents

Description

この発明は、検出対象物との接触を検出する検出針を備えた接触検出器に関するもので、たとえば工作機械の工具軸と加工対象物との位置関係を計測する計測装置などに用いられる接触検出器に関するものである。

図５に示すように、工作機械の工具軸に嵌着するシャンク３ｂを一体に設けたハウジング３と、このハウジングから伸びる検出針１とを備え、検出針先端の検出端１ａをシャンク３ｂの中心軸線上に位置させた位置検出器は公知である。この種の位置検出器は、ハウジング３をシャンク３ｂにより工作機械（たとえばマシニングセンタ）の工具軸に装着し、ＮＣ装置で当該工具軸を移動させ、検出端１ａが加工対象物１４と接触したときの工具軸の座標をＮＣ装置で読み取ることにより、工具軸と加工対象物との位置関係を計測するのに用いられている。

この種の位置検出器で正確な計測を行うためには、検出端１ａが常にシャンク３ｂの中心軸線上に位置していることが必要である。そして、検出針１が加工対象物１４と衝突したときに検出針１が曲がったり折れたりするのを防止するために、検出針１は、揺動ないし遊動可能にかつ押圧ばねにより元の位置（安定位置）に復帰する構造で、ハウジング３に支持されている。

検出針１の支持構造として、検出針の基部を三角形の頂点位置に配置した合計６個の支持点に押圧ばねで押し付けて支持する構造が広く用いられている。図６はその一例を示した図で、検出針１の基部１ｂから１２０度間隔で放射方向に伸びる丸棒からなる支え部９を、押圧ばね８で２個一組の球体１０で形成された３個の受座１１に押し付ける構造である。球体１０は、調整ねじなどでハウジング３に対して位置調整可能に設けた支持部材２（図１参照）に装着されており、ハウジング３に対する支持部材２の位置を調整することにより、検出端１ａを正確にシャンク３ｂの中心軸線上に来るように調整している。

なお、図６は、正三角形の３頂点の位置に配置した各２個一組の支持点（図の例では支え部９と球体１０の接点）掛ける３組（２×３＝）の合計６個の支持点で、検出針１の安定位置を規定する構造であるが（特許文献１）、特許文献２には、三角形の頂点位置にそれぞれ１個、２個及び３個の支持点を設けることにより、検出針の安定位置を規定する構造が示されている。

検出端１ａと検出対象物１４との接触は、通常電気回路が開閉されることによって検出される。すなわち、検出端１ａと検出対象物１４との接触点を接点（外部接点）とする電気回路を形成するか、図７に示すように、検出針を支持している６個の支持点を接点（内部接点）とする電気回路２１によって検出する。図７に示す構造は、３個の支え部９とそれぞれの支え部９を支持する２個の球体１０とで形成される６個の支持点を電気接点として、当該接点を直列接続した構造である。この構造の場合、検出針の基部１ｂ及び球体１０を保持する支持部材２は、絶縁体で形成される。検出端１ａが検出対象物１４に接触して検出針１が揺動すると、支持点のいずれか１点において支え部９と球体１０とが離隔するので、電気回路２１が閉成（遮断）され、それによって検出端１ａと検出対象物１４との接触が電気的に検出されるのである。

検出端１ａと検出対象物１４との接触を内部接点で検出するときは、検出針１の揺動によって生ずる支持点の離隔を検出するので検出遅れが起る。この検出遅れは、支持点が離隔して電気回路２１が遮断されるときの検出端１ａの移動量を予め計測しておくことによって補正することができる。

一方、前記外部接点で検出端１ａと検出対象物１４との接触を検出する構造は、検出遅れは生じないが、検出対象物が電気絶縁体である場合や工具軸がセラミックス製のボール軸受で軸支されている場合などは、利用することができない。近年、工具軸の回転が高速になるに伴って工具軸がセラミックス製のボール軸受によって支持されている工作機械が多くなっており、そのため、内部接点で接触を検出する接触検出器の必要性が増大している。
日本国特許公開公報昭和５９年第１７０７０４号 日本国実用新案公開公報昭和６３年第１４０３４８号

内部接点型の接触検出器に生ずる検出遅れの主な原因は、検出針１の撓みや支持点の変形であると考えられる。すなわち、押圧ばね８で支持点に押し付けられている支え部９をその支持点の一つから離隔させるためには、検出端１ａと検出対象物１４との接触点に作用する接触反力により、検出針１が揺動することが必要である。このとき、検出針１は接触反力によって撓み、支持点は押圧ばね８の押し付け力により生じていた変形が回復したあと離隔する。この撓みや変形は非常に小さいものであり、通常は無視しうるが、高い計測精度が要求されるときは、前述のような補正をする必要があった。

しかし、より高い計測精度、たとえばサブミクロン台の計測精度が要求されると、補正しても所望の計測精度を得ることができないという問題が発生していた。この発明は、従来装置に比べてより高い計測精度が得られる接触検出器を得ることを課題としている。

請求の範囲第１項に記載の発明は、基部１ｂに３個の支え部９を備えた検出針１と、この３個の支え部９のそれぞれを正三角形の頂点位置で支持する３個の受座１１を備えた支持部材２と、支え部９を受座１１に押付ける押圧ばね８とを備えた接触検出器において、基部１ｂに固定された支点部材（検出針が揺動するときの支点を形成する部材）４と、支持部材２と実質上一体の支点受（支点部材が形成する支点を受ける部材）７とを備え、支点部材４と支点受７とは、検出針１の軸心を中心としかつその半径Ｒが前記軸心から最も遠い受座１１までの距離より大きい円の円周上に外側支点が形成されるように対向しており、かつ、支点部材４と支点受７は、支え部９が受座１１に押圧ばね８のばね力で押圧された状態で、前記外側支点が押圧されることなく接触するように設けられていることを特徴とする接触検出器を提供することにより、上記課題を解決している。

支え部９が受座１１に押圧ばね８のばね力で押圧された状態で、外側支点が押圧されることなく接触するとは、検出針の支え部９を受座１１に押付けるように付勢している押圧ばね８のばね力が、支え部９と受座１１の接触点で受止められて、支点部材４と支点受７との接触部である外側支点には作用していない状態で、という意味である。すなわち、検出針１が検出対象物１４から接触反力を受けていない状態では、押圧ばね８のばね力による接触部の局部的な微小変形が支え部９と受座１１との接触部で生じており、支点部材４と支点受７には局部的な変形が生じていない状態で、外側支点の位置で支点部材４と支点受７とが接触している。

また、請求の範囲第２項に記載の発明は、工作機械の工具軸に嵌着するシャンク３ｂを備えたハウジング３と、基部１ｂに３個の支え部９を備えた検出針１と、この３個の支え部９のそれぞれを正三角形の頂点位置で支持する３個の受座１１を備えた支持部材２と、支え部９を受座１１に押付ける押圧ばね８と、検出針１の検出端１ａがシャンク３ｂの中心軸線上に来るようにハウジング３内での支持部材２の位置を調整する調整手段１２、１３とを備えた接触検出器において、基部１ｂに固定された支点部材４と、支持部材２と実質上一体の支点受７とを備え、支点部材４と支点受７とは、検出針１の軸心を中心としかつその半径Ｒが当該軸心から最も遠い受座１１までの距離より大きい円の円周上に外側支点が形成されるように対向しており、支点部材４は、支え部９が押圧ばね８のばね力で受座１１に押し付けられた状態で前記調整をした後、支点受７に載置して接着剤により基部１ｂに接着して固定されていることを特徴とする接触検出器を提供することにより、上記課題を解決している。

請求の範囲第３項に記載の発明は、上記手段を備えた接触検出器において、支点受７が、受座１１より同一外力に対する弾性変形の小さい材料で作られていることを特徴とする接触検出器を提供するものである。

また、請求の範囲第４項に記載の発明は、上記手段を備えた接触検出器において、支点部材４が支え部９を形成している部材より同一外力に対する弾性変形の小さい材料で作られていることを特徴とする接触検出器を提供するものである。

請求の範囲第３項及び第４項に記載の構造は、検出針１が検出対象物１４からの接触反力で傾動して、押圧ばね８のばね力が支点部材４と支点受７とで形成される外側支点に作用したとき、当該外側支点に生ずる局部的な微小変形が、接触反力が作用していない状態において支え部９と受座１１との接触部で生じている微小変形より小さい構造である。これにより、検出針の検出精度はより高くなる。

支点部材４は、平板ないし下向きカップ状の円板ないし多角形板とするのが実用的である。支点部材４の周縁は、検出針１の支え部９が押圧ばね８のばね力で受座１１に押付けられている安定位置（支え部９や受座を形成している球体１０はばね力により弾性変形している。）において、支持部材２と一体に形成した支点受７に力が加えられていない状態で接触している。この接触状態は、押圧ばね８のばね力で支え部９を受座１１に押付けた状態で支点部材４を支点受７上に静かに載せ、この状態で外力をかけずに支点部材４を検出針の基部１ｂに接着することにより実現できる。

支点部材４は、検出針１の軸心を中心とする円の周縁全体を均一に支点受７に接触させるのが最も良い（無限の数の外側支点が形成される。）が、前記円周上の正多角形の頂点となる複数点で接触するようにしてもよい。ここで言う正多角形は、少なくとも四角形以上でなければならず、好ましくは六角形以上、より好ましくは八角形以上がよい。

この出願の発明者は、三角形の頂点位置で検出針を支持する接触検出器において、高い精度の計測が要求されたときに、計測誤差を補正することができないのは次のような理由によるものと考えた。すなわち、図８（ａ）に示す正三角形の頂点位置にある３個の受座１１ａ、１１ｂ、１１ｂで検出針１を支持している場合、これを同図（ａ）の下方（検出針の側面）から見た同図（ｂ）、（ｃ）において、検出対象物が右側から接触した（ｂ）においては、図の左側の受座１１ａを離隔させるのに必要な接触反力ＰはＦＬ／２ｈとなる。ここでＦは検出針の基部中心を押し付けている押圧ばね８のばね力、Ｌは検出針の軸心から各支持点までの長さ、ｈは支持点から検出端までの長さである。一方、同図（ｃ）に示すように、検出対象物が左側から接触したときは、同図の右側の受座１１ｂを離隔させるのに必要な接触反力は、ＦＬ／ｈとなり、同図（ｂ）の場合の２倍になる。

この理由は、同図（ｃ）の場合、図の左側の受座１１ａが検出針の揺動支点となり、そのときの押圧ばねＦによるばね力のモーメントがＬＦであるのに対し、同図（ｂ）の場合は、ばね力Ｆの作用点と検出針の揺動支点となる右側の受座１１ｂの距離がＬsin３０°＝Ｌ／２となるからである。そして、この接触反力の相違に伴い、検出針がいずれかの支持点から離隔するときの検出針先端の撓み量は、同図（ｂ）の場合をδとしたとき、同図（ｃ）の場合は２δとなり、検出針の軸心を中心とする円周上でδの値をプロットすれば、図９に示すようなおむすび形２３になってしまう。すなわち、検出遅れの内の検出針１の撓みに起因する部分が検出対象物の接触方向によって変化し、一定の補正値によって補正をすることができないのである。

同様のことが支え部９と球体１０の接点部分の変形にも言える。すなわち、図８（ｂ）の場合は、受座１１ａが離隔したときばね力Ｆが２個の受座１１ｂの４個の球体で受けられるのに対し、同図（ｃ）の場合は、受座１１ｂのいずれかが離隔するときはばね力Ｆが受座１１ａの２個の球体で受けられることとなり、変形量が大きくなる。

これに対してこの発明の接触検出器では、検出端１ａが検出対象物１４に接触すると、接触反力に押されて持上げられる側の支持点の変形が開放されると共に反対側の支持点の変形が大きくなり、これと共に支点部材４の支点受７と接触している周縁の当該反対の側の縁が支点受７に押圧されて外側支点が形成される。そして、前記反対の側の支持点から検出針中心までの距離よりこの外側支点から検出針中心までの距離の方が大きいので、検出針１は新たに形成された外側支点を支点として傾動することとなる。

この検出針１が揺動するときの揺動支点の支持点から外部支点への移行は、外部支点を形成する支点部材４や支点受７の剛性を支持点を形成する支え部９や受座１１の剛性より高くする（同一の外力が作用したときの外部支点の弾性変形量を支持点の弾性変形量より小さくする。）ことにより、確実かつ円滑になる。

支点受７に当接する支点部材４の周縁を検出針を中心とする円形としておけば、外側支点から押圧ばね８の付勢力の作用点までの距離が一定となり、検出針１を揺動させるのに必要な検出端１ａと検出対象物１４との接触点に作用する接触反力は一定となり、検出針１の撓み量も一定となって、図９の誤差曲線２４が円形２４ないし少なくともおむすび形２３より円に近い形となり、検出対象物の接触方向による誤差の変化量が少なくなるので、計測値に対して一定量の補正をするという従来と同様な補正方法によって、より高い検出精度を実現することができる。

以上の理由により、この出願の接触検出器では、検出対象物と検出針の接触方向がどの方向であっても検出針の撓みや支点の変形が一定となり、従って一定の補正値で補正することにより、より高い検出精度を実現できるという効果がある。

本発明の一実施例を示す縦断面図 図１の装置の検出針の破壊斜視図 図１のＡ矢視図 支点部材の他の例を示した斜視図 接触検出器の検出動作を示すを示す模式図 検出針の支持構造の例を示す斜視図 内部接点形の電気回路の例を示す図 誤差の発生理由を示す説明図 検出針回りの誤差の分布を示す説明図

符号の説明

１ 検出針
1a 検出端
1b 基部
２ 支持部材
３ ハウジング
3b シャンク
４ 支点部材
７ 支点受
８ 押圧ばね
９ 支え部
10 球体
11 受座（支持点）
12 支えねじ
13 固定ねじ
14 検出対象物
21 電気回路
Ｒ 半径

図１ないし図３は、この発明の第１実施例を示した図で、図１は検出器の縦断面図、図２は検出針の破壊斜視図、図３は図１のＡ矢視図である。

図中、３はハウジングで、本体３ａ、本体３ａと一体のシャンク３ｂ及び本体３ａの内側下部に設けた雌ねじに螺合して本体３ａに固定した底板３ｃとで形成されている。２はハウジング３の内部に調整ねじ１２、１３で位置調整可能にして固定されている支持部材、１１は支持部材２に設けた３個の受座、１は検出針である。各受座１１は、支持部材２の上面に形成した平面視で長円形の凹所に装填した２個１組の球体１０からなり、２個の球体１０の間に形成される円弧Ｖ形の凹部で検出針１の基部１ｂに植設した支え部９を支持している。支持部材２の上面には、円環板状のセラミックスからなる支点受７が固着されている。

検出針１は、先端に球状の検出端１ａを備え、前記支え部９は、検出針の基部１ｂから１２０度間隔で放射方向に延びている。３個の支え部９は、ハウジング３の天井と検出針の基部１ｂとの間に介装された押圧ばね８のばね力により、支持部材２の３個の受座１１に押圧されている。

調整ねじ１２、１３は、図３に示すように、検出針１の軸心を中心とする円周上にそれぞれが１２０度間隔で交互に配置された支えねじ１２と固定ねじ１３との２種類のねじである。支えねじ１２は、ハウジングの底板３ｃに螺合されて先端が支持部材２の底面に当接しているねじである。固定ねじ１３は、底板３ｃの挿通孔を貫通して先端を支持部材２に螺合した頭付ねじである。３個の支えねじ１２と固定ねじ１３を締めたり緩めたりすることにより、ハウジング３内での支持部材２の傾斜を調整し、検出針の先端（検出端）１ａをシャンク３ｂの中心軸線上に正確に位置させることができる。

４は検出針の基部１ｂに接着剤１６で接着された支点部材である。支点部材４は、支点受７に対向する下向きの鍔６を有する逆皿状の円板で、中心に検出針の基部１ｂに遊嵌される内孔５を備えている。図の鍔６の断面はＵ字形であり、内孔５の縁の断面は横Ｖ形である。

支点部材４は、検出針の基部１ｂに内孔５を遊嵌して鍔６を支点受７に載置しておき、この状態で押圧ばね８で検出針の支え部９を受座１１に押圧し、調整ねじ１２、１３を調整して検出端１ａをシャンク３ｂの軸線上に調整したあと、内孔５と基部１ｂの外周面との間に接着剤１６を流し込んで固化させることにより、基部１ｂに固定されている。すなわち、検出針１に外力が作用していない状態では、押圧ばね８のばね力は３個の受座１１で受けられて、支点部材４と支点受７との当接部には押圧力が作用していない。このとき、支え部９と受座１１の支持点は、押圧ばね８の付勢力で微小に弾性変形している。なお、接着剤１６は、常温硬化型の２液性接着剤を用いるのが望ましい。図の装置は、ハウジング本体３ａの天井部分に複数の開口を設けておき、この開口から接着剤の注入器を差込んで接着剤１６を注入し、その後この開口を接着剤で封鎖したものである。

上記構造の接触検出器の検出端１ａを、図５に示すように横方向から検出対象物１４に接触させると、その接触反力により、支え部９と受座１１とで形成されている３個の支持点に作用する押圧力のバランスが崩れる。押圧力が小さくなる支持点では前記弾性変形が回復し、押圧力がゼロになると支え部９と受座１１とが離隔する。一方、その反対の側の支持点は、押圧力が増大し、上記弾性変形も増大する。この弾性変形の回復と増大とにより、検出針１は微小傾動することとなるが、支持点と検出針の軸心までの距離より支点部材４と支点受７の当接点（当接線）から検出針の軸心までの距離が大きいので、この微小傾動に伴う下動量は、押圧力が増大する支持点の下動量より支点部材４と支点受７の当接点における下動量が大きくなる。従って、支点部材４と支点受７の当接点（当接線のうちの押圧力が増大する箇所）が新たな支点となって検出針１が傾動した状態で、支え部９と受座１１とで形成されている支持点の一個が離隔することとなる。

この検出針１の傾動状態で、検出端１ａに作用する接触反力Ｐは、検出針１の軸心から支点部材の当接線（鍔６の下端）までの半径をＲとしてＦＲ／ｈとなり、Ｒが円周方向すべての位置で一定であることから、接触反力Ｐも一定で、それに伴う検出針１の撓み量も一定となり、検出対象物の接触方向に起因する誤差の変動がなくなる。従って、検出針１を撓ませるのに要する検出遅れは一定の補正値で補正することが可能で、補正後の検出精度は従来構造のものに比べて高精度にできる。

図４は、支点部材４の他の例を示した図で、支点受７に当接して外側支点となる突部１５を支点部材４の周縁上の正多角形（図の例では正八角形）の頂点位置に形成した例である。

この図４に示した支点部材４を用いたときは、検出対象物との接触により検出針１が傾動するときの外側支点が突部１５のいずれかが支点受７に接触した位置で設定されることとなる。この場合、隣接する２個の突部１５が支点受７に押圧される事態が生じても、そのときの揺動支点から検出針の軸心までの距離Ｒ´は、Ｒcos１２．５°となり、ＲとＲ´との差は、受座が３箇所である従来構造に比べて遥かに小さくなるので、この第２実施例のような六角形ないし八角形以上の正多角形の頂点位置で突部１５が支点受７に当接する支点部材４を設けた場合でも、補正後の検出精度を高くすることができる。

Claims (6)

1. 基部(1b)に３個の支え部(9)を備えた検出針(1)と、この３個の支え部のそれぞれを正三角形の頂点位置で支持する３個の受座(11)を備えた支持部材(2)と、前記支え部を前記受座に押付ける押圧ばね(8)とを備えた接触検出器において、
   前記基部に固定された支点部材(4)と前記支持部材と実質上一体の支点受(7)とを備え、当該支点部材と支点受とは、前記検出針の軸心を中心としかつその半径(R)が前記軸心から最も遠い受座までの距離より大きい円の円周上に外側支点が形成されるように対向しており、かつ、当該支点部材と支点受は、前記支え部が前記受座に前記押圧ばねのばね力で押圧された状態で、前記外側支点が押圧されることなく接触するように設けられていることを特徴とする、接触検出器。
2. 工作機械の工具軸に嵌着するシャンク(3b)を備えたハウジング(3)と、基部(1b)に３個の支え部(9)を備えた検出針(1)と、この３個の支え部のそれぞれを正三角形の頂点位置で支持する３個の受座(11)を備えた支持部材(2)と、前記支え部を前記受座に押付ける押圧ばね(8)と、前記検出針の検出端(1a)が前記シャンクの軸線上に来るようにハウジング内での前記支持部材の位置を調整する調整手段(12,13)とを備えた接触検出器において、
   前記基部に固定された支点部材(4)と前記支持部材と実質上一体の支点受(7)とを備え、当該支点部材と支点受とは、前記検出針の軸心を中心としかつその半径(R)が前記軸心から最も遠い受座までの距離より大きい円の円周上に外側支点が形成されるように対向しており、前記支点部材は、前記支え部が前記押圧ばねのばね力で前記受座に押圧された状態で前記調整をした後、前記支点受に載置して接着剤により前記基部に接着して固定されていることを特徴とする、接触検出器。
3. 前記支点受(7)が、前記受座(11)より同一外力に対する弾性変形の小さい材料で作られていることを特徴とする、請求の範囲第１項又は第２項記載の接触検出器。
4. 前記支点部材(4)が、前記支え部(9)を形成している部材より同一外力に対する弾性変形の小さい材料で作られていることを特徴とする、請求の範囲第１項又は第２項記載の接触検出器。
5. 前記３個の支え部(9)と３個の受座(11)との間に６個の電気接点が形成され、これらの電気接点を直列接続する電気回路(21)で検出針(1)と検出対象物(14)との接触を検出する、請求の範囲第１項又は第２項記載の接触検出器。
6. ６個の電気接点が、検出針(1)の基部(1b)から１２０度間隔で放射方向に伸びる丸棒からなる支え部(9)と、各支え部(9)を受ける２個一組の球体(10)で形成された受座(11)の３個との間に形成されている、請求の範囲第５項に記載の接触検出器。

Images