專利名稱：振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器，具體涉及利用三維測(cè)量機(jī)等測(cè)量工件等外形的振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器。
迄今為止，已經(jīng)公知測(cè)高計(jì)(一維測(cè)量?jī)x)、三維測(cè)量機(jī)、表面特性測(cè)量機(jī)、小孔徑測(cè)量機(jī)等等都是測(cè)量工件尺寸和外形的測(cè)量機(jī)。為檢測(cè)測(cè)量機(jī)主要部件與工件之間的位置關(guān)系而將各種探頭用于測(cè)量機(jī)。探頭分成非接觸型探頭和接觸型探頭、連續(xù)測(cè)量探頭(或掃描探頭)以及觸發(fā)發(fā)射探頭(或接觸探頭)等。
已知如圖10所示的振動(dòng)型接觸傳感器100就是上述測(cè)量機(jī)(指日本未審專利公開號(hào)2000-55643)的接觸型觸發(fā)發(fā)射探頭，它具有支座101、觸針102和兩個(gè)壓電元件103。
觸針支座101包括固定部件111和觸針支撐部分112。固定部件111連接到測(cè)量機(jī)的移動(dòng)軸(未示出)上。觸針支撐部分112將觸針102接合并固定在其中。觸針支撐部分112為兩叉形，在其叉頂兩點(diǎn)處沿軸向方向支撐觸針102。觸針支撐部分112的每個(gè)頂端在橫截面上為有棱角的U形，觸針102就位于觸針支撐部分112頂端的開口內(nèi)。
觸針102實(shí)質(zhì)由圓柱體構(gòu)成，并在頂端設(shè)置與工件接觸的接觸部分121。
壓電元件103振動(dòng)觸針102，這樣觸針102在軸向方向振動(dòng)，并檢測(cè)接觸部分121開始與工件接觸時(shí)產(chǎn)生的觸針振動(dòng)狀態(tài)變化。一個(gè)壓電元件103與觸針支撐部分112的上表面相接，另一個(gè)壓電元件與觸針支撐部分的底表面相接，這兩個(gè)壓電元件都貫穿觸針支撐部分的叉形部分。如果壓電元件103的振動(dòng)狀態(tài)得到調(diào)整使觸針振動(dòng)開始進(jìn)入諧振狀態(tài)，便能高靈敏度地檢測(cè)觸針與工件的接觸。
在圖10中，普通電極分別設(shè)置在位于上側(cè)的壓電元件103的底表面和位于下側(cè)的壓電元件103的上表面。位于圖中上側(cè)的壓電元件103的上表面在與觸針支撐部分112兩個(gè)支撐點(diǎn)之間的中心相對(duì)應(yīng)的位置分成振動(dòng)器131(更具體的是振動(dòng)器的電極部分)和檢測(cè)器132(更具體的是檢測(cè)器的電極部分)兩個(gè)部分。換句話說，振動(dòng)器131與檢測(cè)器132都作為單獨(dú)的固態(tài)元件。圖中位于下側(cè)的壓電元件103的下表面也分成兩部分。
在該結(jié)構(gòu)中，如果通過施加來自振動(dòng)器131電極的交變信號(hào)使觸針102發(fā)生振動(dòng)，觸針就沿軸向方向以諧振狀態(tài)振動(dòng)。在該狀態(tài)下，如果接觸部分121開始與工件接觸，觸針102的諧振狀態(tài)就會(huì)產(chǎn)生變化。利用通過電線與檢測(cè)器132電極相連的外部檢測(cè)電路(未示出)測(cè)量諧振狀態(tài)的變化，就能檢測(cè)接觸部分121與工件之間的接觸。
在如上所述的振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器100中，壓電元件103設(shè)置在觸針支撐部分112的上表面和下表面，觸針支撐部分112具有相對(duì)較高剛度的觸針支座101，由此觸針102的振動(dòng)和狀態(tài)變化經(jīng)由觸針支座傳播，而不是直接傳播到檢測(cè)器132。由此，觸針102的振動(dòng)和狀態(tài)變化在傳播到檢測(cè)器132之前便在觸針支撐部分112上被衰減，由此擔(dān)心檢測(cè)器132的靈敏度下降。
具體地，如果觸針102的長(zhǎng)度直徑比很大或觸針102由軟質(zhì)材料制成，觸針支座101中觸針102振動(dòng)的衰減就需值得注意。因此，無法檢測(cè)觸針102諧振狀態(tài)變化的可能也會(huì)發(fā)生，這取決于觸針102的形狀或材料。
此外，如果觸針102從與觸針軸向方向成直角的方向開始與工件接觸，觸針102就會(huì)彎曲，這就避免了觸針102的損壞。然而，如果觸針102以觸針的軸向方向接近并開始與工件接觸，觸針和工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)就不會(huì)立即停止，由此在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生超程。在該情況下，在觸針102軸向方向由于超程觸針會(huì)受到過度應(yīng)力作用，這就擔(dān)心觸針102遭到損壞，例如塑性變形或斷裂；這是一個(gè)問題。
為避免該問題，可考慮的是對(duì)觸針102的長(zhǎng)度直徑比、材質(zhì)等進(jìn)行限制。然而，例如，如果將振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器100與小孔徑測(cè)量機(jī)一起使用，則測(cè)量具有大長(zhǎng)度直徑比的小孔需要大縱長(zhǎng)度直徑的觸針，即，測(cè)量物體根據(jù)使用振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器100的測(cè)量機(jī)而變化，由此所要求的觸針形狀和材質(zhì)也會(huì)變化。由于該原因，如果對(duì)觸針102的形狀和材質(zhì)等進(jìn)行限制，則能使用振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器100的測(cè)量機(jī)類型的數(shù)量和能測(cè)量的物體類型就會(huì)減少；這是一個(gè)問題。
此外，為避免由于觸針102與工件在觸針軸向方向接觸而引起的觸針損壞，設(shè)置了觸針軸向方向回避機(jī)構(gòu)，以便防止觸針遭到損害，然而，由于整個(gè)傳感器的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和成本激增很難保證測(cè)量精度。
本發(fā)明的目的是提供一種振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器，它能高靈敏度地檢測(cè)與工件的接觸而不用限制觸針的形狀、材質(zhì)等。
至此，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器，它包括柱狀觸針，在其頂端設(shè)有與工件接觸的接觸部分；振動(dòng)器，用以從觸針軸向方向振動(dòng)觸針；檢測(cè)器，用以根據(jù)接觸部分與工件開始相互接觸時(shí)產(chǎn)生的觸針振動(dòng)狀態(tài)變化來檢測(cè)接觸部分與工件的接觸；支座，設(shè)有支撐部分，以便利用支撐部分支撐觸針、振動(dòng)器和檢測(cè)器，其中振動(dòng)器和檢測(cè)器中至少有振動(dòng)器固定在支座的支撐部分上，振動(dòng)器和檢測(cè)器中至少有檢測(cè)器固定在觸針上，以及其中支座的支撐部分與觸針處在不會(huì)相互接觸的位置。
在上面提到的傳感器中，優(yōu)選的是調(diào)整振動(dòng)器，以便使觸針的振動(dòng)成為諧振狀態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明，通過振動(dòng)器使觸針以諧振狀態(tài)振動(dòng)，并且通過檢測(cè)器檢測(cè)接觸部分開始與工件相互接觸時(shí)發(fā)生的觸針諧振狀態(tài)變化，便可測(cè)得觸針與工件間的接觸。
例如，觸針直接安裝到檢測(cè)器上，檢測(cè)器直接安裝到支座上，由此以一定狀態(tài)構(gòu)成了振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器，其中支座與觸針設(shè)置在不會(huì)相互接觸的位置，而觸針與檢測(cè)器設(shè)置在能相互接觸的位置。
由于支座與觸針處在不會(huì)相互接觸的位置，這避免了由于支座引起的觸針振動(dòng)衰減和狀態(tài)變化(振動(dòng)變化)，所以檢測(cè)器能高靈敏度地檢測(cè)到觸針振動(dòng)和狀態(tài)變化。因此，可以高靈敏度地檢測(cè)到觸針接觸部分開始與工件接觸時(shí)產(chǎn)生的觸針狀態(tài)變化，從而能高靈敏度地檢測(cè)觸針與工件的接觸。
觸針振動(dòng)和狀態(tài)變化不會(huì)因支座而衰減。由此，如果將振動(dòng)衰減值得注意的觸針、具有高長(zhǎng)度直徑比的觸針、由軟質(zhì)材料制成的觸針或其它任何觸針與振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器一起使用，也能可靠地檢測(cè)觸針的振動(dòng)和狀態(tài)變化。因此，各種形狀和材質(zhì)的觸針都可用來與各種類型測(cè)量機(jī)和測(cè)量物體相匹配，這就拓寬了本發(fā)明振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器的應(yīng)用范圍。
另一方面，由于觸針和檢測(cè)器能相互接觸，所以觸針的振動(dòng)和狀態(tài)變化能直接傳播到檢測(cè)器。由此，即使是觸針開始與工件接觸時(shí)產(chǎn)生的觸針振動(dòng)變化很輕微，檢測(cè)器也能可靠地檢測(cè)到該變化。因此，由于觸針接觸部分的結(jié)構(gòu)引起的檢測(cè)靈敏度下降就能得到避免。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器，它包括柱形觸針，在其頂端設(shè)有與工件接觸的接觸部分；振動(dòng)器，用于從觸針的軸向方向振動(dòng)觸針；檢測(cè)器，用于根據(jù)接觸部分與工件開始相互接觸時(shí)產(chǎn)生的觸針振動(dòng)狀態(tài)變化來檢測(cè)接觸部分與工件的接觸；支座，它設(shè)有支撐部分，用于利用支撐部分支撐觸針、振動(dòng)器和檢測(cè)器，其中至少將振動(dòng)器和檢測(cè)器中的振動(dòng)器固定在支座的支撐部分上，至少將振動(dòng)器和檢測(cè)器中的檢測(cè)器固定到觸針上，已及其中將支座的支撐部分與觸針設(shè)置成不會(huì)相互接觸。支座的支撐部分包括多個(gè)實(shí)質(zhì)上與觸針成直角并相互平行放置的片簧，設(shè)置該片簧是為了能在軸向方向用輕微的力移動(dòng)觸針。
根據(jù)本發(fā)明，在觸針軸向方向可移動(dòng)地支撐觸針。因此，如果觸針的接觸部分在觸針軸向方向上開始與工件接觸并在觸針和工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生超程，則觸針由于片簧的作用而不會(huì)發(fā)生很大變形，整個(gè)觸針在觸針軸向方向上發(fā)生移動(dòng)，由此避免了觸針損壞。
圖1為表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器的分解透視圖；圖2為表示根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器的全視透視圖；圖3為沿圖2中線Ⅲ-Ⅲ剖開的截面圖；圖4為表示根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器的分解透視圖；圖5A到5C為表示本發(fā)明變型實(shí)施例主要部分的放大透視圖；圖6為表示本發(fā)明另一個(gè)變型實(shí)施例的全視透視圖；圖7A和7B為表示本發(fā)明又一另一個(gè)變型實(shí)施例的視圖；圖8A和8B為表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器與工件接觸狀態(tài)的視圖。
圖9為表示根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)變型實(shí)施例的振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器的分解透視圖；圖10表示已有技術(shù)中一個(gè)示例的透視圖。
現(xiàn)在參照


本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
(第一實(shí)施例)圖1表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器1。振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器1包括由鈹銅合金制成的支座10、觸針20、以及作為固態(tài)元件的壓電元件30。
支座10包括固定部件11、一對(duì)臂部件12、以及連接部件13。固定部件11與三維測(cè)量機(jī)等(未示出)的Z-軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相接。一對(duì)臂部件12由固定部件11平行延伸。連接部件13實(shí)質(zhì)上與臂部件12成直角，以便連接一對(duì)臂部件12的頂部。在連接部件13的中心部分形成方形開口部分13A，旁邊沿連接部件13的開口部分13A形成窄片形狀的一對(duì)平行(平行于壓電部件的支撐部分)片簧14。平行片簧14與臂部件12成直角(即，平行片簧14與觸針的軸向方向成直角)，平行片簧14的兩端部分由一對(duì)臂12支撐。片簧部件14材質(zhì)的揚(yáng)氏模量?jī)?yōu)選小于110000N/mm2。
觸針20實(shí)質(zhì)為類似柱形的形狀，并在頂端設(shè)有與工件接觸的球狀接觸部件21，如果需要的話可在后端設(shè)置配重(未示出)。將觸針20固定到壓電部件30的部位與包括配重或鄰接部分的觸針20的重心相重合。
形狀類似方形平板的壓電元件30使觸針20在軸向方向以諧振狀態(tài)振動(dòng)，并檢測(cè)接觸部分21與工件接觸時(shí)產(chǎn)生的觸針20諧振狀態(tài)的變化。
通過粘合、焊接等方式將壓電元件30固定(安裝)到平行片簧部件14上，并使該壓電元件處于橫跨一對(duì)平行片簧部件(壓電元件支撐部分)14的位置。在位于平行片簧部件14(圖底面)上的壓電元件30的安裝面上形成共用電極(未示出)，而將與安裝面(圖中上表面)相對(duì)的表面從中心分成兩個(gè)電極31A和32A。
通過形成具有振動(dòng)電極31A的壓電元件30，并為振動(dòng)電極31A設(shè)置能向振動(dòng)電極31A以預(yù)定頻率施加電壓的導(dǎo)線(未示出)，便可形成能使觸針20在軸向方向以諧振狀態(tài)振動(dòng)的振動(dòng)器31。另一方面，通過形成表示電絕緣特性已形成的壓電元件來構(gòu)成用于檢測(cè)接觸部分21與工件接觸時(shí)產(chǎn)生的觸針20諧振狀態(tài)變化的檢測(cè)器32，通過粘合、焊接等方式將觸針20固定到帶形區(qū)域。由此形成了具有不會(huì)相互接觸的平行片簧部件14和觸針20的振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器1，即，支座10與觸針20不會(huì)相互接觸，而觸針20與壓電元件30相互接觸。
觸針20的重心位置位于壓電元件30的實(shí)質(zhì)中心上。
如果以預(yù)定頻率向振動(dòng)電極31A施加電壓，振動(dòng)器31將使觸針20在軸向方向以諧振狀態(tài)振動(dòng)。觸針20的振動(dòng)直接傳播到壓電元件30，該壓電元件也以與觸針20相同的頻率振動(dòng)。通過觀察來自檢測(cè)電極32A的檢測(cè)信號(hào)就能檢測(cè)振動(dòng)狀態(tài)。這意味著檢測(cè)器32能檢測(cè)觸針20的振動(dòng)狀態(tài)。由于觸針20直接安裝在壓電元件30上，因此觸針20的振動(dòng)能直接傳播到壓電元件30，即檢測(cè)器32上。
所述振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器1可用作三維測(cè)量機(jī)等的接觸或觸發(fā)發(fā)射探頭。
顯然，觸針20由于振動(dòng)器31而沿軸向方向以諧振狀態(tài)振動(dòng)。在該狀態(tài)中，如果工件和振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器1相對(duì)移動(dòng)，接觸部分21與工件接觸，就抑制觸針20的振動(dòng)，并使觸針20的諧振狀態(tài)(振動(dòng))產(chǎn)生變化。由檢測(cè)器32檢測(cè)諧振狀態(tài)的變化，這樣就能檢測(cè)到觸針20與工件之間的接觸。
如果將振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器1裝到三維測(cè)量機(jī)等的Z-軸滑動(dòng)觸頭上，并且觸針20能在該軸上移動(dòng)，通過使觸針20與工件垂直接觸就能測(cè)量Z-軸方向上的坐標(biāo)。在該情況下，當(dāng)觸針20的接觸部分21與工件接觸時(shí)，需要立即使Z-軸滑動(dòng)觸頭停止移動(dòng)。然而，實(shí)際上，Z-軸滑動(dòng)觸頭具有固有的慣性，在滑動(dòng)觸頭的控制中存在延遲。由此當(dāng)接觸部分開始與工件接觸時(shí)Z-軸滑動(dòng)觸頭很難立刻停止，除非觸針20以非常低的速度運(yùn)動(dòng)。例如，如果觸針20以每秒幾毫米的速度開始與工件接觸，就會(huì)產(chǎn)生幾微米的超程。此時(shí)，由于超程的量觸針20就會(huì)擠入工件，由此導(dǎo)致引起觸針損壞，例如根據(jù)觸針材質(zhì)不同而產(chǎn)生塑性變形或斷裂。根據(jù)本發(fā)明，施加到觸針上的力遇到平行片簧部件14，然后當(dāng)平行片簧部件彎曲變形時(shí)就會(huì)吸收過度力。結(jié)果，即使產(chǎn)生超程，也能避免例如觸針20塑性變形或斷裂的損壞。
根據(jù)所述實(shí)施例，具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)觸針20直接安裝到檢測(cè)器32上，壓電元件30的振動(dòng)器31和檢測(cè)器32中至少有振動(dòng)器31安裝在支座10的平行片簧部件14上，由此形成了具有不會(huì)相互接觸的支座10和觸針20的振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器1。在實(shí)施例中，壓電元件30的振動(dòng)器31與檢測(cè)器32都安裝在支座10的平行片簧部件14上。
由于支座10的平行片簧部件14與觸針20不會(huì)相互接觸，所以避免了由支座10帶來的觸針20振動(dòng)和狀態(tài)變化(振動(dòng)變化)的衰減，因而檢測(cè)器32能高靈敏度地檢測(cè)觸針20的振動(dòng)和狀態(tài)變化。因此，能高靈敏度地檢測(cè)到觸針20的接觸部分21開始與工件接觸時(shí)產(chǎn)生的觸針20的狀態(tài)變化，從而就能高靈敏度地檢測(cè)到與工件的接觸。
(2)支座10的平行片簧部件14使觸針20振動(dòng)與狀態(tài)變化的衰減比降低。由此，如果將振動(dòng)衰減值得注意的觸針、具有高長(zhǎng)度直徑比的觸針、由軟質(zhì)材料制成的觸針、或任何其它觸針與振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器1一起使用，也能可靠地檢測(cè)觸針的振動(dòng)和狀態(tài)變化。因此，可將各種形狀和材質(zhì)的觸針用來與各種類型的測(cè)量機(jī)和測(cè)量物體相匹配，這樣就拓寬了振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器1的應(yīng)用范圍。
(3)由于觸針20與壓電元件30(即檢測(cè)器32)相互接觸，觸針20的振動(dòng)和狀態(tài)變化直接傳播到檢測(cè)器32。因此，即使是觸針20與工件接觸時(shí)產(chǎn)生的觸針20的振動(dòng)變化很輕微，檢測(cè)器32也能可靠地檢測(cè)到該變化。因此，這避免了由于觸針20接觸部分21的結(jié)構(gòu)帶來的檢測(cè)靈敏度降低問題。
(4)振動(dòng)器31和檢測(cè)器32構(gòu)成一個(gè)分成兩部分的壓電元件30。由此，如果至少使用一個(gè)壓電元件30，則可以在振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器1上設(shè)置振動(dòng)器31和檢測(cè)器32，這樣振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器就可以以較低成本制成，并可以小型化。
(5)檢測(cè)器由平行片簧部件14支撐。如果觸針擠入工件，施加到觸針上的力就遇到平行片簧部件14，然后平行片簧部件14發(fā)生形變。由此就能避免施加到觸針20上的過度的力。結(jié)果是，即使發(fā)生超程，也能避免例如因觸針20發(fā)生塑性形變或損壞而造成的損害。
(第二實(shí)施例)圖2和3表示根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器2。第二實(shí)施例與上述第一實(shí)施例的區(qū)別僅在于觸針在壓電元件上的安裝位置，而其它部分和功能都相同，因此在圖2和3中，與參考圖1描述的前述部件相同的部件用相同的附圖標(biāo)記表示，這些部件就不再次詳細(xì)討論了。
觸針20固定在位于平行片簧部件14上的壓電元件30的安裝面上。支座10的一對(duì)平行片簧部件14沿觸針20的軸向方向形成作為凹口的槽13B。如圖3所示，壓電元件30安裝在平行片簧部件14上，并跨越凹口部分(槽)13B，觸針20設(shè)置在由壓電元件30和凹口部分13B構(gòu)成的空間內(nèi)。支座10和觸針20處在相互間不會(huì)接觸的位置，而觸針20與壓電元件30(即檢測(cè)器32)處在相互接觸的位置。
根據(jù)所述實(shí)施例，除具有上述第一實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)(1)到(5)外還有以下優(yōu)點(diǎn)(6)支座10的平行片簧部件14沿觸針20的軸向方向形成有凹口部分13B，至少使壓電元件30的振動(dòng)器31和檢測(cè)器32中的振動(dòng)器31處在跨越凹口部分13B的位置，觸針21至少固定在振動(dòng)器31和檢測(cè)器32中的檢測(cè)器32上，并位于由凹口部分13B與振動(dòng)器31構(gòu)成的空間內(nèi)。
特別是，在實(shí)施例中，壓電元件30設(shè)置在跨越凹口部分13B的位置，觸針20固定在振動(dòng)器31和檢測(cè)器32上并處于由凹口部分13B與壓電元件30構(gòu)成的空間內(nèi)。由此，如果觸針20夾在振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器2中的支座10的平行片簧部件14與振動(dòng)器31(壓電元件30)之間，支座10和觸針20就處在不會(huì)相互接觸的位置。
(第三實(shí)施例)圖4表示根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器3。第三實(shí)施例與上述第一實(shí)施例的區(qū)別僅在于振動(dòng)器與檢測(cè)器為分離的壓電元件；該實(shí)施例在其它元件和功能方面都與第一實(shí)施例相同，因此在圖4中使用相同的附圖標(biāo)記表示與參照?qǐng)D1所述前述部件相同的部分，在此不再詳細(xì)論述這些部分了。
振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器3包括構(gòu)成振動(dòng)器31的振動(dòng)壓電元件41和構(gòu)成檢測(cè)器32的檢測(cè)壓電元件42。在兩個(gè)壓電元件41和42的前面和后面分別形成電極。壓電元件41和42相互對(duì)置，并以在其中間夾入一對(duì)元件支撐部分14并跨越元件支撐部分14的狀態(tài)安裝到支座10上。觸針20以面向檢測(cè)壓電元件42的狀態(tài)安裝在平行片簧部件(壓電元件支撐部分)14上。
在振動(dòng)器31的這種結(jié)構(gòu)中，如果將預(yù)定頻率的電壓施加到振動(dòng)壓電元件41上，振動(dòng)就從支座10的平行片簧部件14傳播到檢測(cè)器32，再?gòu)臋z測(cè)器32傳播到觸針20，觸針20將在軸向方向以諧振狀態(tài)振動(dòng)。這意味著振動(dòng)器31間接振動(dòng)了觸針20。觸針20的振動(dòng)直接傳播到檢測(cè)壓電元件42，該檢測(cè)壓電元件然后也以與觸針20相同的頻率振動(dòng)。通過觀察來自檢測(cè)壓電元件42電極的檢測(cè)信號(hào)就能檢測(cè)到振動(dòng)狀態(tài)。這意味著檢測(cè)器32能檢測(cè)到觸針20的振動(dòng)狀態(tài)。
根據(jù)所述實(shí)施例，其除具有上述第一實(shí)施例所具有的優(yōu)點(diǎn)(1)到(3)外還具有以下優(yōu)點(diǎn)(7)將振動(dòng)器31和檢測(cè)器32作成分離的壓電元件41和42，由此簡(jiǎn)化了它們的電極結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明并不限于所述實(shí)施例，它包括能完成本發(fā)明發(fā)明目的范圍內(nèi)的更改和改進(jìn)。
例如，平行片簧部件14的數(shù)量可以用三個(gè)代替第一實(shí)施例中所述的兩個(gè)。在該情況下，在每個(gè)平行片簧部件中，固定壓電元件的位置優(yōu)選為三個(gè)點(diǎn)，即，一個(gè)點(diǎn)位于軸點(diǎn)的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)處，即，一個(gè)點(diǎn)位于觸針20軸向方向的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)處，是兩個(gè)點(diǎn)中的每個(gè)點(diǎn)都與該節(jié)點(diǎn)相隔相等距離，這兩個(gè)點(diǎn)將節(jié)點(diǎn)夾在中間。
此外，例如，在第二實(shí)施例中，將凹口部分13B作為支座10中平行片簧部件14內(nèi)的凹口，而在此它是凹口部分13C，如圖7A-B所示的凹口部分13C。
如圖7A所示，特別是，每個(gè)平行片簧部件14沿其縱向按預(yù)定間隔形成一對(duì)凸起部分13D，在凸起部分13D之間形成每個(gè)凹口部分13C。壓電元件30呈跨越該對(duì)平行片簧部件14上形成的四個(gè)凸起部分13D的狀態(tài)設(shè)置，觸針20設(shè)置在由壓電元件30和凹口部分13C構(gòu)成的空間內(nèi)。由此，如圖7B所示，即使通過設(shè)置凸起部分13D而構(gòu)成的凹口部分13C也能使平行片簧部件14與觸針20處在不會(huì)相互接觸的位置，也就是，支座10與觸針20都設(shè)置在相互不會(huì)接觸的位置。
此外，在圖4所示的第三實(shí)施例中，可用振動(dòng)器31代替檢測(cè)器32，而如圖9所示，檢測(cè)器32可以是沿觸針圓周表面設(shè)置的柱狀檢測(cè)器，以此代替平板狀固體元件。在該情況下，檢測(cè)器優(yōu)選為觸針圓周表面上的振動(dòng)器。
在上述實(shí)施例中，觸針20的接觸部分21形狀類似球體，但本發(fā)明的接觸部分并不限于該形狀，可依據(jù)利用本發(fā)明振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器的測(cè)量機(jī)要測(cè)量的物體來適當(dāng)?shù)卮_定接觸部分的形狀。特別是，例如，為使振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器能與小孔徑測(cè)量機(jī)一起使用，接觸部分可以是形狀類似圖5A所示的圓盤形接觸部分21A；為使振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器能與表面特性測(cè)量機(jī)一起使用，接觸部分可以是類似圖5B所示的針形接觸部分21B，或類似于圖5C所示的實(shí)際上與觸針20軸向方向成直角延伸的凸起的接觸部分21C。
由此，根據(jù)通過利用振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器的測(cè)量機(jī)來測(cè)量的物體適當(dāng)?shù)卮_定接觸部分的形狀，從而在觸針與工件相互接觸時(shí)引起的觸針的振動(dòng)變化變得更加值得注意而且能以較高靈敏度檢測(cè)到觸針與工件間的接觸。
在所述實(shí)施例中，例如，如圖6所示，每個(gè)平行片簧部件14在兩端都由一對(duì)臂部件12支撐，而振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器可以是這樣結(jié)構(gòu)的振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器4其中，一個(gè)臂部件12支撐每個(gè)壓電元件支撐部分14的一端。此外，平行片簧部件14的數(shù)目可以是四個(gè)或更多，以此代替兩個(gè)或三個(gè)。在所述實(shí)施例中，壓電元件30、41和42可用作固體部件，但也可以采用磁力控制元件、形狀記憶元件等固體元件。
此外如圖8A所示，在所述實(shí)施例中，觸針20的形狀是相對(duì)于軸的不對(duì)稱形狀，由此在與軸向成直角的平面中，觸針20的軸剛度具有這樣的特性當(dāng)將軸作為中心時(shí)，某一區(qū)域預(yù)定角度內(nèi)的剛度降低。在該情況下，如果觸針20受到軸向方向的力，觸針20就向預(yù)定角度方向彎曲。換句話說，如果由于超程等情況使觸針20在軸向方向受過度力作用，觸針20就發(fā)生彎曲，形成圖8B所示的塑性變形。在該情況下構(gòu)成的觸針，當(dāng)將軸線作為中心時(shí)，觸針在整個(gè)角度形方向的重量是固定的，而在與觸針20的軸線成直角的平面中，當(dāng)將軸線作為中心時(shí)，預(yù)定角度區(qū)域(在圖8的直角方向)的剛度下降。由此，即使在軸向方向振動(dòng)觸針時(shí)，觸針振動(dòng)是均勻的，其僅在軸向方向振動(dòng)。
此外，如果將振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器通過支座10安裝到三維測(cè)量機(jī)的Z-軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，則應(yīng)將觸針20設(shè)置成使觸針的軸向方向相對(duì)于三維測(cè)量機(jī)的Z-軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的Z-軸略微傾斜。由此如果觸針從Z-軸方向擠入工件，當(dāng)作用于觸針的力相對(duì)于觸針的軸略微傾斜時(shí)，觸針容易彎曲，這樣就容易地避免了超程的影響。因此，也就避免了觸針例如因塑性變形或斷裂而引起的損壞。
在第一和第二實(shí)施例中，振動(dòng)器31和檢測(cè)器32(壓電元件30)安裝在支座10的平行片簧部件14上，同時(shí)也安裝在觸針20上。在第三實(shí)施例中，振動(dòng)器31(壓電元件41)和檢測(cè)器32(壓電元件42)安裝在支座10的平行片簧部件14上，同時(shí)僅將檢測(cè)器32安裝在觸針20上。然而，振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器可以是這樣的振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器它包括安裝在支座上的振動(dòng)器、安裝在振動(dòng)器上的檢測(cè)器、安裝在檢測(cè)器上的觸針。簡(jiǎn)而言之，振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器可以是這樣一種振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器其中振動(dòng)器和檢測(cè)器中至少有振動(dòng)器安裝在支座上，振動(dòng)器和檢測(cè)器中至少有檢測(cè)器安裝在觸針上，支座和觸針不會(huì)相互接觸。
根據(jù)本發(fā)明，觸針直接安裝在檢測(cè)器上，由此能高靈敏度地檢測(cè)到觸針與工件的接觸，而不會(huì)限制觸針的形狀、材質(zhì)等。
權(quán)利要求
1．一種振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器，它包括柱狀觸針，在其頂端設(shè)置設(shè)有與工件接觸的接觸部分；振動(dòng)器，用以使所述觸針在所述觸針的軸向方向產(chǎn)生振動(dòng)；檢測(cè)器，用以根據(jù)接觸部分與工件相互接觸時(shí)引起的所述觸針振動(dòng)狀態(tài)的變化檢測(cè)接觸部分與工件的接觸；支座，設(shè)有支撐部分，支座利用支撐部分支撐所述觸針、所述振動(dòng)器和所述檢測(cè)器，其中所述振動(dòng)器和所述檢測(cè)器中至少有所述振動(dòng)器固定在所述支座的支撐部分上，所述振動(dòng)器和所述檢測(cè)器中至少有所述檢測(cè)器固定到所述觸針上，其中所述支座的支撐部分與所述觸針設(shè)置在不會(huì)相互接觸的位置。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器，其中所述振動(dòng)器使所述觸針以諧振狀態(tài)振動(dòng)。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器，其中所述觸針的軸向剛度具有這樣的特性在與所述觸針的軸向方向成直角的平面中，當(dāng)將所述觸針的軸作為中心時(shí)，在預(yù)定角度的區(qū)域內(nèi)的剛度降低。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器，其中所述觸針由所述支座的支撐部分支撐，由此當(dāng)將所述支座固定到測(cè)量機(jī)的Z-軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上時(shí)，所述觸針的軸線相對(duì)于Z-軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的Z-軸略微傾斜。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器，其中所述支座的支撐部分具有多個(gè)實(shí)際上與所述觸針成直角并相互平行設(shè)置的片簧，所述片簧在所述觸針的軸向方向是可變形的。
6．根據(jù)權(quán)利要求5所述的振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器，其中每個(gè)片簧的兩端固定到所述支座上。
7．根據(jù)權(quán)利要求5所述的振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器，其中每個(gè)片簧的一端固定到所述支座上。
8．根據(jù)權(quán)利要求5所述的振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器，其中片簧由與所述支座相同的材質(zhì)制成，片簧與所述支座整體地形成。
9．根據(jù)權(quán)利要求5所述的振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器，其中片簧材料的楊氏模量小于110000N/mm2。
10．根據(jù)權(quán)利要求5所述的振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器，其中所述振動(dòng)器固定在所述支座支撐部分的一個(gè)表面上，而所述檢測(cè)器固定在所述支座支撐部分的另一個(gè)表面上。
11．根據(jù)權(quán)利要求5所述的振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器，其中所述振動(dòng)器為固體元件，在固體元件一個(gè)表面上的相對(duì)側(cè)邊部分連接在所述支座的片簧上，所述觸針固定在固體元件的另一個(gè)表面上，其中在所述觸針的所述接觸部分和所述觸針的固定部分之間設(shè)置所述檢測(cè)器，而所述振動(dòng)器位于所述觸針的圓周表面上。
12．一種振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器，它包括柱狀觸針，在其頂端設(shè)有能與工件接觸的接觸部分；振動(dòng)器，用以使所述觸針在所述觸針的軸向方向振動(dòng)，所述振動(dòng)器包括輸入振動(dòng)信號(hào)的振動(dòng)電極；檢測(cè)器，用以根據(jù)接觸部分與工件相互接觸時(shí)引起的所述觸針振動(dòng)狀態(tài)的變化檢測(cè)接觸部分與工件的接觸，所述檢測(cè)器包括輸出檢測(cè)信號(hào)的檢測(cè)電極；支座，它設(shè)有支撐部分，支座利用支撐部分支撐所述觸針、所述振動(dòng)器和所述檢測(cè)器；其中所述振動(dòng)器和所述檢測(cè)器為一個(gè)固體元件，在固體元件的一個(gè)表面上形成振動(dòng)電極和檢測(cè)電極，這樣這兩個(gè)電極將帶形電絕緣區(qū)域夾在中間，在固體元件的另一個(gè)表面上形成接地電極，其中所述觸針固定到電絕緣區(qū)域上，以及其中所述支座的支撐部分固定到固體元件的另一個(gè)表面上。
13．根據(jù)權(quán)利要求12所述的振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器，其中所述支座的支撐部分具有多個(gè)實(shí)際上與所述觸針成直角并相互平行設(shè)置的片簧，所述片簧在所述觸針的軸向方向上可變形，所述固體元件另一個(gè)表面上的相對(duì)側(cè)緣部分固定到片簧上。
14．根據(jù)權(quán)利要求12所述的振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器，其中固體元件包括固體元件、磁力控制元件或形狀記憶元件。
15．一種振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器，它包括柱狀觸針，在其頂端設(shè)有能與工件接觸的接觸部分；振動(dòng)器，用以使所述觸針在所述觸針的軸向方向振動(dòng)，所述振動(dòng)器包括輸入振動(dòng)信號(hào)的振動(dòng)電極；檢測(cè)器，用以根據(jù)接觸部分與工件相互接觸時(shí)引起的所述觸針振動(dòng)狀態(tài)的變化檢測(cè)接觸部分與工件的接觸，所述檢測(cè)器包括輸出檢測(cè)信號(hào)的檢測(cè)電極；支座，它設(shè)有支撐部分，支座利用支撐部分支撐所述觸針、所述振動(dòng)器和所述檢測(cè)器；其中所述振動(dòng)器和所述檢測(cè)器為一個(gè)固體元件，在固體元件的一個(gè)表面上形成振動(dòng)電極和檢測(cè)電極，這樣這兩個(gè)電極將帶形電絕緣區(qū)域夾在中間，在固體元件的另一個(gè)表面上形成接地電極，其中所述觸針對(duì)應(yīng)于電絕緣區(qū)域固定到固體元件的另一個(gè)表面上，以及其中所述支座的支撐部分固定到固體元件的另一個(gè)表面上，該支撐部分形成有防止所述觸針與所述支座的支撐部分相接觸的凹口部分。
16．根據(jù)權(quán)利要求15所述的振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器，其中所述支座的支撐部分具有多個(gè)實(shí)際上與所述觸針成直角并相互平行設(shè)置的片簧，所述片簧在所述觸針的軸向方向上可變形，所述固體元件另一個(gè)表面上的相對(duì)邊緣部分固定到片簧上。
17．根據(jù)權(quán)利要求15所述的振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器，其中固體元件包括固體元件、磁力控制元件或形狀記憶元件。
18．根據(jù)權(quán)利要求16所述的振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器，其中固體元件包括固體元件、磁力控制元件或形狀記憶元件。
全文摘要
觸針20直接固定在檢測(cè)器32上,檢測(cè)器32直接固定在支座10上。由此,以這樣的狀態(tài)構(gòu)成了振動(dòng)型接觸檢測(cè)傳感器:其中支座10與觸針20設(shè)置在相互間不會(huì)接觸的位置,觸針20與檢測(cè)器32設(shè)置在相互接觸的位置。由此,避免了由支座10引起觸針20的振動(dòng)和狀態(tài)變化的衰減,觸針20的振動(dòng)和狀態(tài)變化直接傳播到檢測(cè)器32,這樣檢測(cè)器32就能高靈敏度地檢測(cè)到觸針20的振動(dòng)和狀態(tài)變化,和高靈敏度地檢測(cè)到觸針與工件的接觸。
文檔編號(hào)H01L41/08GK1325018SQ01121268
公開日2001年12月5日 申請(qǐng)日期2001年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月15日
發(fā)明者松木薰, 日高和彥, 新井雅典 申請(qǐng)人:株式會(huì)社三豐