DE10016070B4

DE10016070B4 - Bewegungssteuervorrichtung einer Schwingsonde eines Kontakttyps

Info

Publication number: DE10016070B4
Application number: DE10016070.0A
Authority: DE
Inventors: Kazuhiko Hidaka; Kaoru Matsuki; Kiyokazu Okamoto
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1999-04-02
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2019-04-18
Anticipated expiration: 2020-04-01
Also published as: DE10016070A1; US6457366B1; GB0007892D0; GB2348706B; GB2348706A

Abstract

Bewegungssteuervorrichtung zum Steuern einer Bewegung einer Schwingsonde eines Kontakttyps, wobei die Schwingsonde eines Kontakttyps einen Stift, welcher mit einem Kontaktabschnitt versehen ist, welcher mit einem Werkstück an einem Spitzenende davon in Kontakt ist, einen Stifthalter zum Halten des Stifts, eine Schwingungsvorrichtung, um den Stift mit einer Frequenz f1 in einer ersten Richtung entlang der Achse des Stifts in Schwingung zu versetzen, und einen Detektor zum Erfassen einer Änderung der Schwingung entlang der ersten Richtung des Stifts durch die Schwingungsvorrichtung aufweist, wobei die Bewegungssteuervorrichtung umfasst:
einen mechanisch mit dem Stift verbundenen Haltekörper zum Bewegen in einem dreidimensionalen Raum mit einem vorbestimmten Geschwindigkeitsvektor gemäß einem Befehl von einer Antriebsvorrichtung;
eine zweite Schwingungsvorrichtung, um den Stift mit einer Frequenz f2 in einer zweiten Richtung entlang einer Stirnfläche des Werkstücks in eine Schwingung zu versetzen; und
eine Steuervorrichtung zum Steuern der Antriebsvorrichtung, um den Haltekörper zu bewegen, so dass eine Änderung eines Erfassungssignals, erfasst durch den Detektor, konstant wird, nachdem der Kontaktabschnitt das Werkstück berührt in Bezug auf das Erfassungssignal bevor der Kontaktabschnitt das Werkstück berührt, wenn der Kontaktabschnitt die Stirnfläche des Werkstücks berührt, während der Stift durch die zweite Schwingungsvorrichtung in eine Schwingung in der zweiten Richtung versetzt wird; und
eine Schwingungsrichtungs-Steuervorrichtung zum Steuern einer Schwingungsrichtung in der zweiten Richtung durch die zweite Schwingungsvorrichtung, um die zweite Richtung festzulegen, so dass, wenn der Kontaktabschnitt die Stirnfläche des Werkstücks berührt und der Stift und das Werkstück durch die zweite Schwingungsvorrichtung in eine relative Schwingung versetzt werden, das Erfassungssignal von dem Detektor einen Schwellenwert entsprechend eine Kontaktkraft aufweist, die den Stift nicht beschädigt, und so dass die Änderung des Erfassungssignals mit dem Schwellenwert minimal ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bewegungssteuervorrichtung einer Schwingsonde eines Kontakttyps zum Steuern einer Bewegung einer Schwingsonde eines Kontakttyps, wobei die Schwingsonde eines Kontakttyps einen Stift mit einem Kontaktabschnitt, welcher mit einem Werkstück an einem Spitzenende davon in Anschlag gebracht werden soll, einen Stifthalter zum Halten des Stifts, eine Schwingungsvorrichtung, welche den Stift in einer Axialrichtung mit einer Frequenz f1 in Resonanz versetzt und einen Detektor zum Erfassen einer Änderung der Schwingung des Stifts durch die Schwingungsvorrichtung aufweist.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Eine Höhenmeßvorrichtung (eindimensionale Meßvorrichtung), eine Koordinatenmeßvorrichtung und eine Profilmeßvorrichtung sind als Meßvorrichtung zum Messen einer Gestaltung und/oder eines Ausmaßes eines Werkstückes bekannt. Verschiedene Sonden werden für die Meßvorrichtungen verwendet, um ein Positionsverhältnis zwischen der Meßvorrichtung und dem Werkstück zu erfassen. Die Sonden sind in eine Sonde des kontaktfreien Typs und eine Sonde des Kontakttyps und in eine Sonde zur kontinuierlichen Messung und eine Auslöser-Übertragungs-Sonde klassifiziert.
Eine in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift JP H06 - 22 1806 A offenbarte Schwingsonde eines Kontakttyps ist als Auslöser-Übertragungs-Sonde (Berührungs-Auslöser-Sonde) bekannt, welche bei der Koordinatenmeßvorrichtung verwendet wird.
Die in der Veröffentlichung offenbarte Schwingsonde eines Kontakttyps umfaßt einen Stift mit einem Kontaktabschnitt, welcher mit ein Werkstück an einem Spitzenende davon in Kontakt ist, einen Stifthalter zum Halten des Stifts, eine Schwingungsvorrichtung, welche den Stift in einer Axialrichtung davon durch Anwenden einer Ultraschallschwingung in Resonanz versetzt, und einen Detektor zum Erfassen einer Änderung der Schwingung des Stifts durch die Schwingungsvorrichtung.
Gemäß der Schwingsonde eines Kontakttyps kann aufgrund der Tatsache, daß sich der Schwingungsstatus des Stifts durch Berühren des Spitzenendes mit dem Endabschnitt des Stifts während eines Schwingens des Stifts durch die Schwingungsvorrichtung ändert, eine Stirnseitenposition des Werkstücks durch Erfassen der Änderung durch den Detektor erfaßt werden.
Jedoch wird eine derartige Schwingsonde eines Kontakttyps manchmal zum Messen eines Durchmessers eines kleinen Lochs etc. verwendet.
Zum Messen derart kleiner Löcher wurde eine weitere Sonde des Kontakttyps als Schwingsonde eines Kontakttyps geringer Größe vorgeschlagen.
Wie in 24 dargestellt, umfaßt die Schwingsonde 100 eines Kontakttyps einen Stifthalter 101, einen Stift 102, eine Schwingungsvorrichtung 103A und einen Detektor 103B. Ein Kontaktabschnitt 102A, welcher das Werkstück berührt, ist an einem Ende des Stifts 102 vorgesehen, und ein Gegengewicht 102B ist an einem Basisende des Stifts 102 vorgesehen, so daß eine Axialmittenposition des Stifts 102 zur Schwerpunktposition wird. Schwingt der Stift 102 in einer Axialrichtung, so wird die Schwerpunktposition zu einem Schwingungsknoten.
Bei der Schwingsonde 100 eines Kontakttyps ist der Stift 102 aus einem dünnen Stabelement aufgebaut, und der Kontaktabschnitt 102A ist aus einer kleinen Kugel gemäß dem Stift zur Anpassung an die Messung kleiner Löcher aufgebaut. Ferner hält aufgrund der Tatsache, daß der dünne Stift schwer an einem Punkt gehalten werden kann, der Stifthalter 101 den Stift 102 an zwei Punkten, wobei sich der Schwerpunkt des Stifts 102 zwischen diesen beiden Punkten befindet.
Die Schwingungsvorrichtung 103A und der Detektor 103B sind hergestellt durch Teilen eines piezoelektrischen Elements 103, welches sich über die beiden Halteabschnitte des Stifthalters 101 erstreckt. Wird der Stift 102 längs der Axialrichtung durch die Schwingungsvorrichtung 103A in Resonanz versetzt, so wird der Schwingungsknoten an der Schwerpunktposition des Stifts 102 erzeugt, und die Halteabschnitte des Stifts 102 des Stifthalters 101 schließen den Schwingungsknoten zwischen sich ein.
Gemäß der Schwingsonde 100 eines Kontakttyps kann aufgrund der Tatsache, daß der Stifthalter 101 den Stift 102 an den beiden Abschnitten hält, welche den Schwingungsknoten zwischen sich einschließen, der Stift 102 durch den Stifthalter 101 selbst dann gehalten werden, wenn der Stift 102 aus einem äußerst dünnen Stabelement hergestellt ist, wodurch eine Innenflächenmessung eines kleinen Lochs mit großen Seitenverhältnis ermöglicht wird.
Jedoch tritt bei einer kontinuierlichen Messung entlang einer Innenwand eines kleinen Lochs durch die oben beschriebene Schwingsonde 100 eines Kontakttyps zur Messung eines kleinen Lochs folgender Nachteil auf.
Da der Stift 102 der Schwingsonde 100 eines Kontakttyps lediglich einen kleinen Achsendurchmesser aufweist, wird die Achsensteifigkeit des Stifts 102 verringert, so daß sich der Stift 102 biegt, wenn sich der Kontaktabschnitt längs der Seitenfläche des Werkstücks bewegt, während der Kontaktabschnitt 102A mit dem Werkstück in Berührung ist, wodurch eine sogenanntes „Haftungsphänomen“ bewirkt wird.
Das Haftungsphänomen bewirkt ein kleines Problem beim Erfassen eines Kontakts zwischen dem Kontaktabschnitt 102A und dem Werkstück. Jedoch kann, wenn eine kontinuierliche Kontaktmessung längs einer Stirnfläche des Werkstücks durchgeführt wird, eine mechanische Phasenverzögerung erzeugt werden, was dazu führt, daß eine mechanische Verformung durch die Haftungskraft einen Positionsfehler bewirkt.
Ferner tritt ebenso folgendes Problem auf.
Die oben beschriebene Schwingsonde eines Kontakttyps kann einen Kontakt mit dem Werkstück mit hoher Genauigkeit erfassen, da sich ein Erfassungssignal durch Ausüben einer äußerst geringen Kontaktkraft empfindlich ändert. Hingegen ist es für die Schwingsonde eines Kontakttyps unmöglich zu unterscheiden, an welcher Längsposition (ein Punkt auf der Kontaktabschnittsfläche, definiert als Winkel auf einer Ebene senkrecht zu der Stiftachse) des Kugelkontaktabschnitts eine Berührung der Stirnfläche des Werkstücks erfolgt. Dementsprechend weist die Schwingsonde eines Kontakttyps keinen Empfindlichkeitsunterschied hinsichtlich einer Längsrichtung des Kugelkontaktabschnitts auf, so daß es unmöglich ist zu wissen, in welcher Richtung der Kontaktabschnitt die Stirnfläche des Werkstücks berührt. Dementsprechend wird die Schwingsonde eines Kontakttyps nicht in geeigneter Weise als Sonde für eine Profilmessung und eine kontinuierliche Messung verwendet.
Die US 5 283 442 A betrifft Obertlächenprofilmessungen unter Verwendung eines Rasterkraftmikroskops. Dieses Dokument offenbart einen Bewegungssteuerungs-mechanismus zum Steuern der Bewegung eines Stifts eines Rasterkraftmikroskops, in dem der Stift in zwei zueinander senkrechten Richtungen mit verschiedenen Frequenzen oszilliert.
Die US 5 345 816 A offenbart einen integrierten Spitzen-Verformungs-Sensor zur Verwendung in Kombination mit einem Ein-Achsenatomkraftmikroskop.
GB 2070 249 A betrifft eine kontaktempfindliche Sonde und offenbart eine Fingersonde mit einem aktiven Kopf zum Kontaktieren einer Testfläche, einer Antriebseinrichtung, um die Sonde in eine oder mehrere Schwingungsmoden in einem oder mehreren Bewegungsfreiheitsgraden anzuregen, und eine Messeinrichtung zum Erfassen von Änderungen des Schwingungsmodus oder der Schwingungsmoden, wenn der Sondenkopf die Testoberfläche kontaktiert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bewegungssteuervorrichtung einer Schwingsonde eines Kontakttyps zu schaffen, welche die oben genannte Schwingsonde eines Kontakttyps als Sonde für eine Profilmessung und eine kontinuierliche Messung verwenden kann, wodurch die Gestaltung des Werkstücks mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann.
Um die Aufgabe der vorliegenden Erfindung zu lösen, wird eine Bewegungssteuervorrichtung zum Steuern einer Bewegung einer Schwingsonde eines Kontakttyps gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
Gemäß der Betriebssteuervorrichtung einer Schwingsonde eines Kontakttyps kann die Schwingsonde eines Kontakttyps für eine Profilmessung und eine kontinuierliche Messung verwendet werden, während eine Längsposition des Kontaktabschnitts, welcher mit dem Werkstück in Kontakt ist, wie folgt erfaßt wird.
Wie in 1(B) dargestellt, wird der Kontaktabschnitt 102A des Stifts 102 in Kontakt mit der Stirnfläche des Werkstücks W gebracht, und die Amplitude A einer Axialschwingung des Stifts 102 wird als durch den Detektor erfaßtes Erfassungssignal erfaßt, wobei eine Änderung davon beobachtet wird. Die Amplitude A ist am größten, wenn der Kontaktabschnitt 102A nicht mit der Stirnfläche des Werkstücks W in Kontakt ist. Wird der Kontaktabschnitt 102A auf die Stirnfläche des Werkstücks W gepreßt, um die Kontaktkraft F zu erhöhen, so verringert sich die Amplitude A in Übereinstimmung damit. Der Wert der Amplitude A der Kontaktkraft, welcher den Kontakt zwischen dem Werkstück W und dem Kontaktabschnitt 102A beibehalten kann und an dem Stift 102 keinen Schaden bewirkt, wird als vorbestimmter Wert (Schwellenwert) A0 festgelegt.
Der Stift 102 wird durch die zweite Schwingungsvorrichtung mit einer Frequenz f2 zum Schwingen gebracht, während der Kontaktabschnitt 102A mit einer vorbestimmten Kontaktkraft in Kontakt mit der Stirnfläche des Werkstücks W ist, so daß das Erfassungssignal den Schwellenwert A0 aufweist.
Ist die Schwingungsrichtung der Schwingung durch die zweite Schwingungsvorrichtung mit einer Frequenz f2 entlang der Stirnfläche des Werkstücks W, wie in 9 dargestellt, so weist die Amplitude A als durch den Detektor erfaßtes Erfassungssignal einen konstanten Wert A0 auf, welcher kleiner ist als die Amplitude des Graphen G2, welcher die Amplitude während einer freien Schwingung des Stifts 102, wie in dem Graph von 10 gezeigt, darstellt. Es gibt keine Änderung des in 10 dargestellten Zustands, nachdem der Stift 102 entlang einer Schwingungsrichtung M1 der Schwingung durch die zweite Schwingungsvorrichtung bewegt wurde.
Wird hingegen die Schwingungsrichtung M1 der Schwingung durch die zweite Schwingungsvorrichtung mit einer Frequenz f2 bezüglich der Stirnfläche des Werkstücks W leicht geneigt, wie in 11 dargestellt, so ändert sich die Kontaktkraft des Kontaktabschnitts 102A bezüglich der Stirnfläche des Werkstücks W durch die Schwingung der zweiten Schwingungsvorrichtung, und die durch den Detektor erfaßte Amplitude A ändert sich ebenso in Übereinstimmung damit. Dies liegt daran, daß sich die Kontaktkraft aufgrund der Tatsache ändert, daß eine Kontaktlängsposition des Kontaktabschnitts 102A vor einer Schwingung durch die zweite Schwingungsvorrichtung von der Kontaktlängsposition während einer Schwingung verschieden ist, wodurch eine Änderung der Kontaktkraft bewirkt wird.
Dementsprechend verringert sich bei einer relativen Bewegung des Stifts 102 entlang der Schwingungsrichtung M1 der Schwingung durch die zweite Schwingungsvorrichtung die durch den Detektor erfaßte Amplitude A in einer Richtung hin zu der Stirnseite des Werkstücks W, und erhöht sich in einer Richtung weg von der Stirnfläche des Werkstücks, wie in einem Graph G3 von 12 dargestellt.
Bei der vorliegenden Erfindung steuert die Steuervorrichtung, wenn die durch den Detektor erfaßte Amplitude A Änderungen bewirkt, während der Stift und das Werkstück durch die zweite Schwingungsvorrichtung relativ entlang der Stirnfläche des Werkstücks in Schwingung versetzt werden, die Bewegung der Schwingsonde eines Kontakttyps und/oder des Werkstücks derart, daß die Änderung der Amplitude A als Erfassungssignal konstant ist, so daß sich die Schwingsonde des Kontakttyps in einer Richtung M2 entlang der Stirnfläche des Werkstücks W bewegen kann, um eine kontinuierliche Messung der Stirnfläche des Werkstücks W bei einer konstanten Kontaktkraft auszuführen.
Bei der vorliegenden Erfindung schwingt aufgrund der Tatsache, daß die oben genannte zweite Schwingungsvorrichtung dazu dient, den Stift mit einer Frequenz f2 entlang der Stirnfläche des Werkstücks in Schwingung zu versetzen und das Werkstück eine dreidimensionale Gestaltung aufweist, die zweite Schwingungsvorrichtung vorzugsweise in dreidimensionalen Richtungen. Genauer kann bei einer Erläuterung unter Verwendung eines Raumkoordinatensystems, dargestellt durch eine X-Achse, Y-Achse und Z-Achse, die zweite Schwingungsvorrichtung vorzugsweise eine X-Achsen-Schwingungsvorrichtung zum Schwingen des Stifts in einer X-Achsenrichtung, eine Y-Achsen-Schwingungsvorrichtung zum Schwingen des Stifts in einer Y-Achsenrichtung und eine Z-Achsen-Schwingungsvorrichtung zum Schwingen des Stifts in einer Z-Achsenrichtung umfassen.
Durch Anordnen der zweiten Schwingungsvorrichtung in der oben beschriebenen Weise kann die Schwingungsrichtung der zweiten Schwingungsvorrichtung dreidimensional gesteuert werden, wodurch eine Profilmessung und eine kontinuierliche Messung eines Werkstücks mit einer komplizierten dreidimensionalen Gestaltung ausgeführt wird. Ferner sind, wenn die Innenwand entlang einer Umfangsrichtung eines zylindrischen Werkstücks gemessen wird, lediglich die X-Achsen-Schwingungsvorrichtung und die Y-Achsen-Schwingungsvorrichtung für die zweite Schwingungsvorrichtung erforderlich, und die Z-Achsen-Schwingungsvorrichtung ist nicht erforderlich. Kurz gesagt kann die Anordnung der zweiten Schwingungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der Kompliziertheit der Gestaltung des Werkstücks bestimmt werden.
Genauer kann die Steuervorrichtung derart angeordnet werden, daß diese eine Antriebsvorrichtung antreibt, um den Haltekörper in einer X-Achsenrichtung und einer Y-Achsenrichtung des XY-Tischs, auf welchen das Werkstück gelegt wird, und in einer Z-Achsenrichtung als Normalenlinienrichtung der XY-Tischfläche relativ zu bewegen, um die Zustandsgröße des Erfassungssignals von dem Detektor zu erhalten und die Bewegung der jeweiligen Antriebsvorrichtung derart zu steuern, daß die Änderung der Zustandsgröße minimal ist, so daß der Haltekörper und/oder das Werkstück hin zu der Stirnfläche des Werkstücks relativ bewegt werden.
Gemäß der oben genannten Steuervorrichtung kann sich aufgrund der Tatsache, daß die Bewegung des Haltekörpers und/oder des Werkstücks gesteuert wird, während eine Zustandsgröße des von dem Detektor erfaßten Erfassungssignals erhalten wird, der Kontaktabschnitt 102A entlang der Stirnfläche des Werkstücks W bewegen, so daß eine Profilmessung des Werkstücks bei minimaler Kontaktkraft ausgeführt wird.
Bei der oben beschriebenen Schwingungsrichtungs-Steurvorrichtung kann die Schwingungsrichtung der relativen Schwingung durch die zweite Schwingungsrichtung zu einer Richtung entlang der Stirnfläche des Werkstücks in Übereinstimmung mit der Änderung der Zustandsgröße des Erfassungssignal geändert werden. Dementsprechend sind aufgrund der Tatsache, daß die Schwingungsrichtung des Kontaktabschnitts, welcher mit dem Werkstück mit der Frequenz f2 in Kontakt ist, in Richtung der Stirnfläche des Werkstücks immer aufrechterhalten werden kann, die Profilmessung und kontinuierliche Messung des Werkstücks möglich, ohne eine angenäherte Gestaltung des Werkstücks im Vorfeld zu erfassen.
Bei der vorliegenden Erfindung kann die folgende spezifische Anordnung vorzugsweise verwendet werden.
Bei der vorliegenden Erfindung kann die Bewegungssteuervorrichtung vorzugsweise ferner eine Aussetzschaltung zum Aussetzen der Bewegungssteuerung durch die Steuervorrichtung, wenn die Änderung der Zustandsgröße des Erfassungssignals nicht auf einem konstanten Pegel gehalten werden kann, und zum derartigen Bewegen des Haltekörpers, daß der Kontaktabschnitt nicht mit der Stirnfläche des Werkstücks in Kontakt ist, umfassen.
Soll eine Gestaltung eines Bodens eines Lochs bzw. eines Werkstücks mit einer Wand in einer Vorschubrichtung des Stifts gemessen werden, so können das Werkstück und/oder die Schwingsonde eines Kontakttyps beschädigt werden, wenn der Stift weiterhin durch die Steuervorrichtung bewegt wird, selbst wenn der Kontaktabschnitt die Wand erreicht.
Hingegen kann, wenn die Bewegungssteuervorrichtung der Schwingsonde eines Kontakttyps die oben beschriebene Aussetzschaltung aufweist, die Bewegungssteuerung durch die Steuerschaltung gestoppt und der Haltekörper derart bewegt werden kann, daß der Kontaktabschnitt nicht mit der Stirnfläche des Werkstücks in Kontakt ist, verhindert werden, daß das Werkstück und/oder die Schwingsonde eines Kontakttyps beschädigt werden.
Ferner können der Haltekörper und/oder das Werkstück beispielsweise in einer Richtung entgegengesetzt zu der relativen Bewegungsrichtung des Stifts durch die Steuervorrichtung bewegt werden. Bei der vorliegenden Erfindung können die Schwingungsvorrichtung und die zweite Schwingungsvorrichtung mehr als ein Schwingungselement umfassen, welche um die Stiftachse in einem vorbestimmten Winkel, beispielsweise 90 Grad, angeordnet sind.
Alternativ können die Schwingungsvorrichtung und die zweite Schwingungsvorrichtung mehr als zwei Schwingungselemente umfassen, welche um die Stiftachse in einem gleichen Intervall angeordnet sind.
Das oben beschriebene Schwingungselement kann ein piezoelektrisches Element sein.
Die Schwingungsvorrichtung und die zweite Schwingungsvorrichtung können aufgebaut sein durch Anordnen der piezoelektrischen Elemente auf einer Fläche eines Zylinderkörpers, in welchen ein stabförmiger Stift eingeführt wird, wobei zwei piezoelektrische Elemente auf den piezoelektrischen Elementen in 90 Grad relativ zueinander angeordnet sind bzw. wobei drei piezoelektrische Elemente auf der Zylinderfläche in 120 Grad in einem gleichen Intervall angeordnet werden können.
Durch Anwenden von zwei Arten von Frequenzen f1 und f2 auf jeweilige piezoelektrische Elemente kann der Stift in der Axialrichtung mit einer Frequenz f1 schwingen, und der Stift kann in einer Biegerichtung mit einer Frequenz f2 schwingen.
Genauer wird die Frequenz f1 unter der natürlichen Frequenz festgelegt, um den Stift in der Axialrichtung in Resonanz zu versetzen, und die Frequenz f2 wird unter der natürlichen Frequenz festgelegt, um den Stift in der Biegerichtung zu schwingen.
Durch synchrones Anlegen eines elektrischen Signals der Frequenz f1 an die jeweiligen piezoelektrischen Elemente kann aufgrund der Tatsache, daß die Kraft der piezoelektrischen Elemente in Axialrichtung nicht aufgehoben ist, der Stift in Axialrichtung in Resonanz versetzt werden.
Wird hingegen die Frequenz f2 auf die Vielzahl von um die Achse in 90 Grad bzw. einem gleichen Intervall vorgesehenen piezoelektrischen Elementen angewendet, so kann aufgrund der Tatsache, daß die Kraft des Stifts in Biegerichtung kombiniert ist und auf den Stift ausgeübt wird, die Schwingungsfläche der Schwingung durch die zweite Schwingungsvorrichtung in jegliche gewünschte Richtung um den Stift festgelegt werden.
Bei der vorliegenden Erfindung kann die oben beschriebene zweite Schwingungsvorrichtung als Körper vorgesehen werden, welcher von der Schwingungsvorrichtung unabhängig ist, so daß der Stifthalter in zwei Richtungen zum Schwingen gebracht werden kann, welche wechselseitig senkrecht zueinander relativ zu der Achsenlinie des Stifts sind.
Genauer kann die zweite Schwingungsvorrichtung eine Reihenanordnung aus einem Schwingungselement, welches den Stifthalter in eine Richtung in Schwingung versetzt, und aus einem weiteren Schwingelement, welches den Stifthalter in die andere Richtung in Schwingung versetzt, aufweisen.
Alternativ kann die zweite Schwingungsvorrichtung eine Parallelanordnung aus einer Schwingungsvorrichtung, welche den Stifthalter in eine Richtung in Schwingung versetzt, und einer weiteren Schwingungsvorrichtung, welche den Stifthalter in die andere Richtung in Schwingung versetzt, aufweisen.
Da eine derartige zweite Schwingungsvorrichtung als Körper vorgesehen ist, welcher von der Schwingungsvorrichtung unabhängig ist, kann die vorliegende Erfindung realisiert werden, indem die Schwingsonde eines Kontakttyps mit einer herkömmlichen Schwingungsvorrichtung verwendet wird, und lediglich der Stift kann einfach ausgetauscht werden, während die zweite Schwingungsvorrichtung nicht verändert wird.
Figurenliste

1 ist eine schematische Ansicht zum Veranschaulichen einer Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Graph zum Veranschaulichen einer Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung;
3 ist ein Graph, welcher eine Änderung eines Erfassungssignals zum Veranschaulichen einer Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung darstellt;
4 ist eine schematische Ansicht, welche eine Bewegungsrichtung eines Stifts und eine Anordnung einer Stirnfläche eines Werkstücks zum Veranschaulichen einer Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung darstellt;
5 ist eine schematische Ansicht, welche eine Bewegungsrichtung eines Stifts und eine Anordnung einer Stirnfläche eines Werkstücks zum Veranschaulichen einer Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung darstellt;
6 ist ein Graph, welcher eine Änderung eines Erfassungssignals zum Veranschaulichen einer Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung darstellt;
7 ist eine schematische Ansicht, welche eine Bewegungssteuerung der Schwingsonde eines Kontakttyps durch die erfindungsgemäße Bewegungssteuervorrichtung der Schwingsonde eines Kontakttyps darstellt;
8 ist eine schematische Ansicht, welche eine Abtastrichtung der Schwingsonde eines Kontakttyps durch die erfindungsgemäße Bewegungssteuervorrichtung der Schwingsonde eines Kontakttyps darstellt;
9 ist eine schematische Ansicht zum Veranschaulichen einer Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung;
10 ist ein Graph zum Veranschaulichen einer Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung;
11 ist eine schematische Ansicht zum Veranschaulichen einer Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung;
12 ist ein Graph zum Veranschaulichen einer Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung;
13 ist ein schematisches Diagramm, welches eine Bewegungssteuervorrichtung der Schwingsonde eines Kontakttyps gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
14 ist eine schematische Ansicht, welche eine Struktur der Schwingsonde eines Kontakttyps gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel darstellt;
15 ist eine schematische Ansicht, welche einen Meßvorgang bei dem ersten Ausführungsbeispiel darstellt;
16 ist eine zusammengefaßte perspektivische Ansicht, welche eine Struktur der Schwingsonde eines Kontakttyps einer Bewegungssteuervorrichtung der Schwingsonde eines Kontakttyps gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
17 ist eine schematische Ansicht, welche eine Anordnung einer Schwingungsvorrichtung und einer zweiten Schwingungsvorrichtung bei dem zweiten Ausführungsbeispiel darstellt;
18 ist eine zusammengefaßte perspektivische Ansicht, welche eine Struktur einer Schwingsonde eines Kontakttyps einer Bewegungssteuervorrichtung der Schwingsonde eines Kontakttyps gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel des vorliegenden Ausführungsbeispiels darstellt;
19 ist eine zusammengefaßte perspektivische Ansicht, welche eine Anordnung einer Schwingungsvorrichtung und einer zweiten Schwingungsvorrichtung bei dem dritten Ausführungsbeispiel darstellt;
20 ist eine zusammengefaßte perspektivische Ansicht, welche eine Struktur einer Schwingsonde eines Kontakttyps einer Bewegungssteuervorrichtung der Schwingsonde eines Kontakttyps gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
21 ist eine zusammengefaßte perspektivische Ansicht, welche eine Struktur eines Stifts und einer Schwingungsvorrichtung bei dem vierten Ausführungsbeispiel darstellt;
22 ist eine schematische Ansicht, welche eine Bewegungssteuervorrichtung einer Schwingsonde eines Kontakttyps gemäß einem fünften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung darstellt;
23 ist eine schematische Ansicht, welche eine Struktur der Schwingsonde eines Kontakttyps des fünften Ausführungsbeispiels darstellt; und
24 ist eine zusammengefaßte perspektivische Ansicht, welche eine Struktur einer herkömmlichen Schwingsonde einer Kontakttyps darstellt.

GENAUE BESCHREIBUNG EINES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS BZW. BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben. Ferner sind Abschnitte bzw. Elemente, welche identisch mit den oben beschriebenen Komponenten sind bzw. diesen ähneln, mit denselben Bezugszeichen versehen, wodurch eine Beschreibung davon weggelassen bzw. vereinfacht ist.
[Erstes Ausführungsbeispiel]
13 zeigt eine Innen-Außen-Meßvorrichtung, welche mit einer Bewegungssteuervorrichtung der Schwingsonde eines Kontakttyps gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist.
Die Innen-Außen-Meßvorrichtung 1 umfaßt einen Meßvorrichtungskörper 2, eine Steuervorrichtung 3, eine Treiberschaltung 4, eine Erfassungsschaltung 5 und einen Computer 6. Die Treiberschaltung 4 bringt die Schwingsonde 100 des Kontakttyps in der Axialrichtung des Stifts und in einer Richtung senkrecht zu der Achse zum Schwingen. Die Erfassungsschaltung 5 verarbeitet ein elektrisches Signal von dem an dem Stift vorgesehenen Detektor, welches an die Steuervorrichtung 3 ausgegeben wird. Der Computer 6 gibt ein Steuersignal an die Steuervorrichtung 3 aus, um eine Bewegung des Meßvorrichtungskörpers 2 zu steuern, und ein Erfassungssignal von der Erfassungsschaltung 5 wird in den Computer 6 über die Steuervorrichtung 3 eingegeben, so daß das Erfassungssignal arithmetisch verarbeitet wird, um die Abrundung etc. eines Werkstücks W einzuschätzen.
Das Werkstück W wird auf den Meßvorrichtungskörper 2 gelegt, um eine Flächengestaltung davon zu messen. Der Meßvorrichtungkörper 2 umfaßt einen XYZ-Tisch 21, auf welchen das Werkstück gelegt wird, eine Säule 22, welche an einem Endabschnitt des XYZ-Tischs 21 angeordnet ist, einen Haltekörper 23, welcher in einer Richtung gleiten kann, welche ausgehend von der Säule 22 verläuft, und eine Schwingsonde 100 eines Kontakttyps, welche durch den Haltekörper 23 gehalten wird.
Obwohl in 13 nicht dargestellt, weist der XYZ-Tisch 21, um das Werkstück W an eine vorbestimmte Position zu setzen, eine X-Achsen-Einstellvorrichtung und eine Y-Achsen-Einstellvorrichtung auf, um das Werkstück W entlang der Oberfläche des XYZ-Tischs 21 zu bewegen, und eine Z-Achsen-Einstellvorrichtung, um das Werkstück W in einer Normalenlinienrichtung der Oberfläche des XYZ-Tischs 21 zu bewegen. Nachdem das Werkstück W auf den XYZ-Tisch 21 gelegt ist, werden die Achseneinstellvorrichtungen derart betrieben, daß die Position des Werkstücks genau eingestellt wird.
Ferner weist der Haltekörper 23, obwohl in 13 nicht dargestellt, eine X-Achsen-Antriebsvorrichtung und eine Y-Achsen-Antriebsvorrichtung zum Bewegen der Schwingsonde 100 eines Kontakttyps entlang der Oberfläche des XYZ-Tischs 21 auf, und eine Z-Achsen-Antriebsvorrichtung zum Anheben des Haltekörpers 23 entlang der Säule 22, wobei eine Bewegung der Achsen-Antriebsvorrichtungen durch die nachfolgend beschriebene Steuervorrichtung 3 gesteuert wird.
Die Steuervorrichtung 3 steuert die Bewegung des Haltekörpers 23, wobei die Steuervorrichtung 3 eine Steuerschaltung 31 und eine Aussetzschaltung 32 umfaßt.
Die Steuerschaltung 31 steuert die Bewegung des Haltekörpers 23 des Meßvorrichtungskörpers 2 auf der Grundlage des Meßstartsignals von dem Computer 6 und steuert die Bewegung des Haltekörpers 23 derart, daß ein Erfassungssignal V von der Erfassungsschaltung 5 einen Umkehrwert Va aufweist und der Umkehrwert Va konstant wird (siehe 3). Genauer steuert die Steuerschaltung 31 die Bewegung des Haltekörpers 23 derart, daß sich der Stift 102 in einer Richtung hin zu der Stirnfläche des Werkstücks W bewegt.
Die Aussetzschaltung 32 stoppt einen Betrieb durch die Steuerschaltung 31 und gibt ein Steuersignal zum Bewegen des Haltekörpers 23 in eine Richtung entgegengesetzt zu der Bewegungsrichtung der Schwingsonde 100 eines Kontakttyps durch die Steuerschaltung 31 aus, wenn das Erfassungssignal V von der Erfassungsschaltung 5 den vorbestimmten Umkehrwert Va nicht beibehalten kann. Die Aussetzschaltung 32 bringt die Schwingsonde 100 eines Kontakttyps in einen kontaktfreien Zustand bezüglich des Werkstücks W, wodurch eine Beschädigung verhindert wird, welche durch eine übermäßige Kontaktkraft bewirkt wird.
Wie in 14 dargestellt, weist die Schwingsonde 100 eines Kontakttyps den Stifthalter 101, den Stift 102, den Kontaktabschnitt 102A, das Gegengewicht 102B, die Schwingungsvorrichtung 103A und den Detektor 103B auf. Eine zweite Schwingungsvorrichtung 110, um den Stift 102 in einer Richtung senkrecht zu der Achse des Stifts 102 in Schwingung zu versetzen, ist zwischen dem Haltekörper 23 und dem durch den Haltekörper 23 gehaltenen Stifthalter 101 vorgesehen. Ferner weist die zweite Schwingungsvorrichtung 110 ein X-Achsen-Schwingungselement 110X und ein Y-Achsen-Schwingungselement 110Y auf, welche in zueinander senkrechten Richtungen schwingen, um den Stift 102 auf einer Ebene senkrecht zu der Achse des Stifts 102 in einer gewünschten Richtung in Schwingung zu versetzen. Das X-Achsen-Schwingungselement 110X und das Y-Achsen-Schwingungselement 110Y sind zwischen dem Stifthalter 101 und dem Haltekörper 23 in Reihe angeordnet.
Die Treiberschaltung 4 legt ein elektrisches Signal einer vorbestimmten Frequenz (beispielsweise Ultraschallbereich) an die Schwingungsvorrichtung 103A und die zweite Schwingungsvorrichtung 110 an, wobei die Treiberschaltung 4 aus einer Schwingungsschaltung 41 und einer zweiten Schwingungsschaltung 42 besteht.
Die Schwingungsschaltung 41 weist einen Oszillator zum Erzeugen eines elektrischen Signals auf, um die Schwingungsvorrichtung 103A mit einer vorbestimmten Amplitude und Frequenz zu betreiben, wodurch der Stift 102 mit einer Frequenz f1 in Axialrichtung in Schwingung versetzt wird.
Die zweite Schwingungsschaltung 42 umfaßt einen Oszillator zum Erzeugen eines elektrischen Signals, um das oben beschriebene X-Achsen-Schwingungselement 110X und das Y-Achsen-Schwingungselement 110Y mit einer vorbestimmten Amplitude und Frequenz zu betreiben. Ferner kann, obwohl der Oszillator das X-Achsen-Schwingungselement 110X und das Y-Achsen-Schwingungselement 110Y synchron betreibt, die Amplitude des elektrischen Signals jeweiliger Schwingungselemente 110X und 110Y unabhängig eingestellt werden. Durch Anlegen elektrischer Signale mit unterschiedlicher Amplitude an jeweilige Schwingungselemente 110X und 110Y schwingt der Stift 102 in jeglicher gewünschten Richtung, wodurch die Schwingung der Schwingungselemente 110X und 110Y synchronisiert wird. Mit anderen Worten, die Schwingungsfrequenz beider Schwingungselemente 110X und 110Y stimmt miteinander überein, um Phasen davon zu steuern. Dementsprechend schwingt der Stift 102 in jeglichen Richtungen auf einer zu der Achse des Stifts 102 senkrechten Ebene mit einer Frequenz f2.
Nachfolgend wird der Betrieb der Innen-Außen-Meßvorrichtung 1 des oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine Innenwandmessung eines kleinen Lochs W1, wie in 15 dargestellt, beschrieben.
(1) Wie in 15 dargestellt, wird eine Mittenkoordinate des Innendurchmessers O des kleinen Lochs W1 im voraus durch ein Drei-Punkte-Verfahren etc. gemessen, und es wird ein Näherungsradius erhalten.
(2) Betrachtet man eine Amplitude des Stifts 102 durch die zweite Schwingungsvorrichtung 110, so wird ein Kreis S1, welcher um Δr kleiner ist als der Radius R, bei der Steuerschaltung 31 als grundlegende Bewegungsortskurve des Kontaktabschnitts 102A festgelegt. Genauer wird die Bewegung des Kontaktabschnitts 102A gesteuert auf der Grundlage eines Winkels θ von einem Meßstartpunkt P0 in 15 und einem Radius R-Δr. Ferner kann aufgrund der Tatsache, daß eine Amplitude der Schwingung senkrecht zu der Achse des Stifts 102 durch die zweite Schwingungsvorrichtung äußerst klein ist, Δr praktisch als ein Wert angesehen werden, welcher etwa gleich dem Radius des Kontaktabschnitts 102A ist.
(3) Das elektrische Signal der zweiten Schwingungsschaltung 42 ist festgelegt als eine Funktion des Winkels θ, so daß der Stift 102 entlang einer Normalenlinie der Innenwand des kleinen Lochs W1 durch die zweite Schwingungsvorrichtung 110 schwingt, und das X-Achsen-Schwingungselement 110X und das Y-Achsen-Schwingungselement 110Y, welche die zweite Schwingungsvorrichtung 110 bilden, werden betätigt. Genauer können, wenn das X-Achsen-Schwingungselement 110X in einer Richtung in Schwingung versetzt wird, welche sich ausgehend von der Mitte O des Kreises S1 zu dem Meßstartpunkt P0 erstreckt, wenn eine Maximalkraft des X-Achsen-Schwingungselements 110X und des Y-Achsen-Schwingungselements 110Y in einer Richtung senkrecht zu der Achse des Stifts 102 als F definiert ist und wenn die Frequenz durch die zweite Schwingungsschaltung 42 f2 ist, die Kraft Fx in einer Y-Achsenrichtung durch das X-Achsen-Schwingungselement 110X und die Kraft Fy in einer Y-Achsenrichtung durch das Y-Achsen-Schwingungselement 110Y als folgende Funktionen festgelegt werden. Ferner stellt t die Zeit dar. $Fx = F*sin (2 π∗ f2*t) * cos θ$
$Fy = F*sin (2 π∗ f2*t) * sin θ$
Dementsprechend greift der Kontaktabschnitt 102A die Innenwand des kleinen Lochs W1 mit einer vorbestimmten Frequenz (1/f2) ab.
(4) Während der Stift 102 in der Axialrichtung durch die Schwingungsvorrichtung 103B in Schwingung versetzt wird und der Kontaktabschnitt 102A die Innenwand des kleinen Lochs W1 abgreift, wird ein Abtasten der Innenwand des kleinen Lochs W1 durch die Steuerschaltung 31 eingeleitet.
(5) Während eines Abtastverfahrens wird, wenn sich der Umkehrwert Va des Erfassungssignals V des Detektors 103B wie in 6 dargestellt ändert, mit anderen Worten, wenn ein Innenumfang des kleinen Lochs W1 relativ zu der Bogenortskurve S1, festgelegt durch die Steuerschaltung 31, verschoben wird, der ÄnderungsUmkehrwert Va der Steuerschaltung 31 über die Erfassungsschaltung 5 eingegeben. Dann steuert die Steuerschaltung 31 die Bewegung des Haltekörpers 23, um den Stift 102 entlang einer Schwingungsoberfläche durch die zweite Schwingungsvorrichtung 110 zu bewegen, wodurch der Umkehrwert Va erneut auf ein vorbestimmtes Niveau gebracht wird. Genauer steuert, wenn der Umkehrwert Va abnimmt, die Steuerschaltung 31 die Bewegung des Kontaktabschnitts 102A derart, daß sich dieser von der Innenwand des kleinen Lochs W1 hin zu der Mitte O trennt. Hingegen steuert, wenn sich der Umkehrwert Va verringert, die Steuerschaltung 31 die Bewegung des Kontaktabschnitts 102A derart, daß sich der Kontaktabschnitt 102A der Innenwand des kleinen Lochs W1 ausgehend von der Mitte O nähert.
(6) Kann der Umkehrwert Va der Erfassungssignals von dem Detektor 103B trotz des Betriebs durch die Steuerschaltung 31 nicht innerhalb eines vorbestimmten Werts gehalten werden, so stoppt die Steuervorrichtung 3 eine Betriebssteuerung des Haltekörpers 23 durch die Steuerschaltung 31 und führt einen Aussetzbetrieb durch die Aussetzschaltung 32 aus. Genauer bewegt die Aussetzschaltung 32 den Haltekörper 23 in einer Richtung entgegengesetzt zu der Bewegungsrichtung durch die Steuerschaltung 31.
(7) Hingegen steuert, wenn die Messung in einer Tiefenrichtung des kleinen Lochs W1 ausgeführt wird, die Steuerschaltung 31 den Haltekörper 23 derart, daß dieser sich in Vertikalrichtung bewegt. Ferner wird, wenn der Haltekörper 23 derart gesteuert wird, daß dieser sich nach unten bewegt und der Kontaktabschnitt 102A an die Oberfläche des XYZ-Tischs 21 stößt, das Erfassungssignal V kleiner als das Erfassungssignal in einem kontaktfreien Zustand, in dem gesamten Bereich. Dementsprechend wird der Haltekörper 23 durch die Aussetzschaltung 32 angehoben.
Gemäß dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel können folgende Wirkungen erzielt werden.
Da der Kontaktabschnitt 102A die Innenwand des kleinen Lochs W1 des Werkstücks abgreift und die Steuerschaltung 31 die Bewegung des Haltekörpers 23 derart steuert, daß das Erfassungssignal V einen vorbestimmten Umkehrwert Va aufweist, kann verhindert werden, daß eine übermäßige Biegekraft auf den Stift 102 ausgeübt wird, wodurch eine Messung der Innenwand des kleinen Lochs W1 mit einer äußerst geringen mechanischen Phasenverzögerung ausgeführt wird. Dementsprechend kann ein Erfassungspositionsfehler, welcher mit einem Haftungsphänomen einhergeht, während einer Innenseitenmessung des kleinen Lochs W1 verhindert werden.
Ferner ist aufgrund der Tatsache, daß die Steuerschaltung 31 die Antriebsvorrichtung zum Bewegen des Haltekörpers 23 in einer X-, Y-, Z-Achsenrichtung des XYZ-Tischs 21 steuert, eine kontinuierliche Messung selbst bei einem Werkstück mit einer komplizierten dreidimensionalen Innenwand, wie einem kleinen Loch W1, möglich. Ferner kann aufgrund der Tatsache, daß die Steuerschaltung 31 den Haltekörper 23 derart steuert, daß sich dieser hin zu und weg von der Schwingungsoberfläche der Schwingung durch die zweite Schwingungsvorrichtung 41 bewegt, wenn sich der Umkehrwert Va des Erfassungssignals V ändert, der Kontaktabschnitt 102A immer mit der Innenwand des kleinen Lochs W1 mit einer konstanten Kontaktkraft in Kontakt sein, wodurch eine kontinuierliche Messung der Schwingsonde 100 eines Kontakttyps mit hoher Genauigkeit ausgeführt wird.
Ferner kann aufgrund der Tatsache, daß die Bewegungssteuervorrichtung der Schwingsonde eines Kontakttyps die Aussetzschaltung 32 umfaßt, der Haltekörper 23 in einer Richtung entgegengesetzt zu der Bewegungsrichtung des Haltekörpers 23 durch die Steuerschaltung 31 bewegt werden, wenn das Erfassungssignal V von dem Detektor 103B den vorbestimmten Umkehrwert Va nicht beibehalten kann, wodurch ein Ausüben einer übermäßigen Kontaktkraft auf den Stift 102 und eine Beschädigung der Schwingsonde eines Kontakttyps 100 verhindert wird, so daß die Schwingsonde 100 eines Kontakttyps zum Messen eines Totlochs etc. verwendet werden kann. Ferner kann aufgrund der Tatsache, daß die zweite Schwingungsvorrichtung als unabhängiger Körper der Schwingungsvorrichtung 103B vorgesehen ist, die Schwingsonde eines Kontakttyps mit der bekannten Schwingungsvorrichtung 103B verwendet werden, wodurch die vorliegende Erfindung mit einer Schwingsonde eines Kontakttyps von unterschiedlicher Gestaltung und Größe realisiert werden kann.
[Zweites Ausführungsbeispiel]
Nachfolgend wird ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Bei der oben beschriebenen Bewegungssteuervorrichtung der Schwingsonde eines Kontakttyps gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel weist die Schwingsonde 100 eines Kontakttyps eine Schwingungsvorrichtung 103A auf, welche an dem Stifthalter 101 vorgesehen ist, und die zweite Schwingungsvorrichtung 41, welche zwischen dem Haltekörper 23 und dem Stifthalter 101 vorgesehen ist, wobei beide Schwingungsvorrichtungen 102A und 41 jeweils durch unabhängige Schwingungsschaltungen 41 und 42 angetrieben werden.
Hingegen weicht die Bewegungssteuervorrichtung der Schwingsonde eines Kontakttyps gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel dahingehend ab, daß die Schwingungsvorrichtung und die zweite Schwingungsvorrichtung einstückig um die Achse des Stifts vorgesehen sind, wodurch die Schwingsonde eines Kontakttyps gebildet ist.
Mit anderen Worten, wie in 16 dargestellt, weist die Schwingsonde 200 eines Kontakttyps gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel einen Stifthalter 201 und einen Zylinderkörper 202 auf, welcher zwischen den beiden Halteelementen 201A, in welche der Stift 102 einzusetzen ist, eingeschlossen ist.
An einem Außenumfang des Zylinderkörpers 202 sind vier piezoelektrische Elemente 203A, 203B, 203C und 203D vorgesehen, wie in 17 dargestellt. Unter den piezoelektrischen Elementen stellen zwei piezoelektrische Elemente 203A und 203B, angeordnet um die Achse des Stifts 102 in einem rechten Winkel, die Schwingungselemente dar, welche jeweils die Schwingungsvorrichtung und die zweite Schwingungsvorrichtung bilden.
Die piezoelektrischen Elemente 203C und 203D, welche den piezoelektrischen Elementen 203A und 203B gegenüberliegen, haben die Funktion eines Detektors. Das Erfassungssignal V, welches durch die jeweiligen piezoelektrischen Elemente 203C und 203D ausgegeben wird, wird durch die Erfassungsschaltung 5 verarbeitet.
Ferner sind andere Abschnitte der Schwingsonde 200 eines Kontakttyps und der Struktur der Meßvorrichtung von inneren und äußeren Seitenflächen für die Schwingsonde 200 eines Kontakttyps, welche anzubringen ist, identisch mit dem zuvor genannten ersten Ausführungsbeispiel, und auf eine Beschreibung davon wird hierin verzichtet.
Obwohl in 17 nicht dargestellt, werden die piezoelektrischen Elemente 203A und 203B durch zwei elektrische Signale zweier Arten von Frequenzen f1 und f2 durch die Schwingungsschaltung angetrieben. Eine Frequenz ist eine natürliche Frequenz f1 des Stifts 102 in Axialrichtung, und die andere ist eine Biegerichtungsfrequenz f2 des Stifts 102.
Kräfte FA1 und FB1 für die piezoelektrischen Elemente 203A und 203B, welche durch die natürliche Frequenz f1 in eine Schwingung versetzt werden, sind zueinander synchron, und der Stift 102 wird in Axialrichtung in Resonanz versetzt, da FA1 gleich FB1 ist.
Hingegen können Kräfte FA2 und FB2 der piezoelektrischen Elemente 203A und 203 B, welche senkrecht zu der Achse des Stifts 102 sind und durch die Frequenz f2 erzeugt werden, durch den rechtsläufigen Winkel θ von dem Basispunkt eines Meßstartpunkts P0 auf dem Kreis S1 um die Mitte O hinsichtlich 15 wie folgt definiert werden: $FA2 = F*sin (2 π∗ f2*t) * cos θ$
$FB2 = F*sin (2 π∗ f2*t) * sin θ$
Wird die Innenwand des kleinen Lochs W1, dargestellt in 15, durch die Schwingsonde 200 eines Kontakttyps gemessen, so werden die Mittenpositionskoordinate O und der Radius R des Innendurchmessers des kleinen Lochs in derselben Weise gemessen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Nachfolgend wird die Schwingsonde 200 eines Kontakttyps in einer Richtung bewegt, in welcher θ zu 0 wird, um mit der Innenwand des kleinen Lochs W1 in Kontakt zu gelangen. Die piezoelektrischen Elemente 203C und 203D als der Detektor geben eine Resonanzänderung einer natürlichen Frequenz f1 durch den Kontakt an die Erfassungsschaltung 5 aus, wodurch die Positionskoordinate erfaßt wird. Durch kontinuierliches Wiederholen des Vorgangs entlang der Innenwand des kleinen Lochs W1 kann eine Gestaltung der Innenwand des kleinen Lochs W1 erfaßt werden.
Wird die oben beschriebene Schwingsonde 200 eines Kontakttyps an dem Haltekörper angebracht, so sollte die Richtung, in welcher θ zu 0 wird, berücksichtigt werden. Da die Richtung strukturell durch die Anordnung der piezoelektrischen Elemente 203A und 203B, welche die Schwingungsvorrichtung und die zweite Schwingungsvorrichtung bilden, bestimmt wird, muß die Position um den Stift 102 eindeutig bestimmt werden, wenn die Schwingsonde 200 eines Kontakttyps an dem Haltekörper angebracht wird.
Gemäß dem oben beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel können sowohl die folgenden Wirkungen als auch die bei dem ersten Beispiel erwähnten Wirkungen erzielt werden.
Da die Frequenz f1 synchron auf die piezoelektrischen Elemente 203A und 203B angewendet wird, werden die Kräfte in Axialrichtung FA1 und FB2 der piezoelektrischen Elemente, welche die Schwingungsvorrichtung darstellen, nicht aufgehoben, so daß der Stift 102 in Axialrichtung in Resonanz versetzt werden kann.
Ferner werden aufgrund der Tatsache, daß die piezoelektrischen Elemente 203A und 203B, welche die zweite Schwingungsvorrichtung bilden, um die Achse des Stifts 102 im rechten Winkel angeordnet sind, die Kräfte FA2 und FB2 der jeweiligen piezoelektrischen Elemente 203A und 203B in einer Biegerichtung kombiniert und auf den Stift 102 ausgeübt, so daß die Schwingungsoberfläche der Schwingung des Stifts 102 durch die zweite Schwingungsvorrichtung in einer gewünschten Richtung um die Achse des Stifts 102 festgelegt werden kann, wodurch eine kontinuierliche Messung der Innenwand des kleinen Lochs W1 ausgeführt wird.
Ferner kann aufgrund der Tatsache, daß die Schwingungsvorrichtung und die zweite Schwingungsvorrichtung einstückig an dem Zylinderkörper 202 vorgesehen sind, die Größe der Schwingsonde 200 eines Kontakttyps derart verringert werden, daß ein kleines Loch mit einem äußerst geringen Durchmesser gemessen werden kann.
Da die zweite Schwingungsvorrichtung nicht notwendigerweise zwischen dem Haltekörper 23 und dem Stifthalter 101 im Gegensatz zu dem ersten Ausführungsbeispiel vorgesehen ist, kann die Bewegungssteuervorrichtung der erfindungsgemäßen Schwingsonde eines Kontakttyps bei verschiedenen Meßvorrichtungen für innere und äußere Seitenflächen verwendet werden, wodurch eine Anwendbarkeit davon deutlich verbessert ist.
[Drittes Ausführungsbeispiel]
Nachfolgend wird ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Bei der Schwingsonde 200 eines Kontakttyps gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel sind vier piezoelektrische Elemente 203A bis 203D einstückig an dem Zylinderkörper 202, angeordnet um den Stift 102, vorgesehen, und die zueinander im rechten Winkel angeordneten piezoelektrischen Elemente 203A und 203B stellen die Schwingungsvorrichtung und die zweite Schwingungsvorrichtung dar.
Wie in 18 dargestellt, weist die Schwingsonde 300 eines Kontakttyps gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel hinsichtlich dem Stifthalter 210, dem Stift 102, dem Kontaktabschnitt 102A dieselbe Anordnung auf wie die Schwingsonde 200 eines Kontakttyps gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, weicht jedoch dahingehend ab, daß sechs piezoelektrische Elemente in einem gleichen Intervall an einem Außenumfang eines Zylinderkörpers 302, in welchen der Stift 102 eingesetzt wird, angeordnet sind.
Wie in 19 dargestellt, sind piezoelektrische Elemente 303A, 303B, 303C, 303D, 303E und 303F an dem Außenumfang des Zylinderkörpers in einem gleichen Intervall vorgesehen. Drei piezoelektrische Elemente 303A, 303C und 303E, angeordnet in 120 Grad in einem vorbestimmten Intervall um den Stift 102, sind Schwingungselemente, welche eine Schwingungsvorrichtung und die zweite Schwingungsvorrichtung darstellen. Die drei piezoelektrischen Elemente 303B, 303D und 303F, welche den drei piezoelektrischen Elementen 303A, 303C und 303E gegenüberliegen, stellen einen Detektor dar.
Den drei piezoelektrischen Elementen 303A, 303C und 303E, welche die Schwingungsvorrichtung und die zweite Schwingungsvorrichtung bilden, wird synchron ein Signal einer Frequenz f1 zugeführt, um den Stift 102 in einer Axialrichtung in Schwingung zu versetzten, und ihnen wird ferner ein elektrisches Signal einer Frequenz f2 zugeführt, um den Stift 102 in einer Richtung senkrecht zu der Achse davon in Schwingung zu versetzten. Ferner ist die Kraft, welche senkrecht zu der Achse des Stifts 102 ist, als resultierende Kraft der Kräfte definiert, welche durch eine Schwingung einer Frequenz f2 der drei piezoelektrischen Elemente 303A, 303C und 303E erzeugt werden.
Gemäß der Schwingsonde 300 eines Kontakttyps des vorliegenden dritten Ausführungsbeispiels können sowohl die folgenden Wirkungen als auch die bei dem zweiten Ausführungsbeispiel erwähnten Wirkungen erzielt werden.
Da piezoelektrische Elemente 303A, 303C und 303E um die Achse des Stifts 102 in 120 Grad in einem vorbestimmten Intervall angeordnet sind, kann der Stift 102 in jeglicher gewünschten Richtung senkrecht zu dem Stift 102 in Schwingung versetzt werden, ohne die Anordnung der piezoelektrischen Elemente 303A, 303C und 303E zu berücksichtigen.
Ferner kann aufgrund der Tatsache, daß die piezoelektrischen Elemente 303A, 303C und 303E in Axialrichtung symmetrisch angeordnet sind, eine Abgreifwirkung des Stifts 102 sogar in sämtlichen Richtungen der Meßfläche erfolgen.
Ferner kann ein Einfluß einer Ungleichmäßigkeit der Eigenschaft der piezoelektrischen Elemente bei der vorliegenden Anordnung verringert werden.
[Viertes Ausführungsbeispiel]
Nachfolgend wird ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die Schwingsonde 200 eines Kontakttyps gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel weist den Zylinderkörper 203 zum Einsetzen der Achse des Stifts 102 auf, und die an dem Außenumfang des Zylinderkörpers 203 angeordneten piezoelektrischen Elemente 203A und 203B wirken als Schwingungsvorrichtung und zweite Schwingungsvorrichtung.
Im Gegensatz dazu weicht, wie in 20 und 21 zu sehen, die Schwingsonde 400 eines Kontakttyps gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel dahingehend ab, daß diese eine Vielzahl piezoelektrischer Elemente 403A an dem Zylinderkörper 402, in welchen die Achse des Stifts 102 eingesetzt wird, und ein piezoelektrisches Element 103A an der Schwerpunktsposition des Stifts 102 aufweist, wobei das piezoelektrische Element 403A die zweite Schwingungsvorrichtung und das piezoelektrische Element 103A die Schwingungsvorrichtung ist.
Genauer, wie in 20 zu sehen, weist die Schwingsonde 400 eines Kontakttyps den Stift 102, den Kontaktabschnitt 102A, das Gegengewicht 102B, den Stifthalter 201, einen zweiten Stifthalter 401, den Zylinderkörper 402 und eine Basis 410 als Haltekörper auf. Ein Basisende des Zylinderkörpers 402 ist an der Basis 410 befestigt, und der zweite Stifthalter 401 ist an dem Spitzenende des Zylinderkörpers 402 angebracht. Der Zylinderkörper 402 ist zwischen der Basis 410 und dem zweiten Stifthalter 401 eingeschlossen.
Die Vielzahl piezoelektrischer Elemente 403A ist parallel auf dem Außenumfang des Zylinderkörpers 402 vorgesehen, wodurch die zweite Schwingungsvorrichtung gebildet wird. Ferner ist die Vielzahl piezoelektrischer Elemente 403A an dem Außenumfang des Zylinderkörpers 403 durch vier bis sechs vorgesehen, wobei die piezoelektrischen Elemente zueinander in einem gleichen Intervall angeordnet sind.
Der zweite Stifthalter 401 ist ein Zylinderkörper mit einem Stufenabschnitt an einem Zwischenabschnitt der Seite davon. Der Zylinderkörper 402 ist an dem oberen Abschnitt des Stufenabschnitts mit kleinerem Außendurchmesser angebracht, und bei dem zweiten Stifthalter 401 ist der Schlitz 401A und das Befestigungselement 401B an der zylindrischen Seite des Stifthalters 401 ausgebildet.
Wie in 21 dargestellt, wird der Stift 102 durch den Stifthalter 201 an zwei Punkten gehalten, welche die Schwerpunktsposition als Schwingungsknoten in Axialrichtung einschließen. Der Stifthalter 201 ist mit der Schwingungsvorrichtung 103A und dem Detektor 103B, bestehend aus dem piezoelektrischen Element, ausgestattet.
Der Stifthalter 201 wird in den Schlitz 401A des zweiten Stifthalters 401 eingesetzt und ist an dem zweiten Stifthalter 401 durch ein Befestigungselement 401B befestigt.
Ein elektrisches Signal der Frequenz f2 wird von der zweiten (nicht dargestellten) Schwingungsschaltung an das piezoelektrische Element 403A angelegt, welches die zweite Schwingungsvorrichtung darstellt, und ein elektrisches Signal der Frequenz f1 wird von der Schwingungsschaltung an das piezoelektrische Element 103A angelegt, welches die Schwingungsvorrichtung darstellt. Ferner ist die Richtung der Schwingungsoberfläche der Schwingung senkrecht zu der Achsenrichtung des Stifts 102 als zusammengesetzter Vektor der Vielzahl von piezoelektrischen Elementen 403A gegeben, wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel, und auf eine Beschreibung davon ist hierin verzichtet.
Gemäß der Schwingsonde 400 eines Kontakttyps des vierten Ausführungsbeispiels können sowohl die folgenden Wirkungen als auch die bei dem zweiten Ausführungsbeispiel erwähnten Wirkungen erzielt werden.
Da das auf dem Zylinderkörper 402 vorgesehene piezoelektrische Element 403A keine Erfassungselektrode erforderlich macht, kann die Anzahl davon verhältnismäßig verringert werden, wodurch eine Struktur der Schwingsonde 400 eines Kontakttyps vereinfacht ist.
Da das piezoelektrische Element 103A zum Erzeugen einer Axialschwingung des Stifts und das piezoelektrische Element 403A zum Erzeugen einer Schwingung in einer Richtung senkrecht zu der Achse unabhängig vorgesehen sind, übt die Abgreifwirkung des Stifts 102 keinen Einfluß auf die Axialschwingung des Stifts 102 aus, so daß eine Schwingung ohne Störung in Axialrichtung erhalten werden kann, wodurch eine Messung mit hoher Genauigkeit erfolgt.
Ferner kann zum Austausch des Stifts 102 aufgrund der Tatsache, daß die zweite Schwingungsvorrichtung nicht einstückig mit dem Stift 102 vorgesehen ist, der Stift 102 ausgetauscht werden, während das piezoelektrische Element 403A als zweite Schwingungsvorrichtung beibehalten wird, wodurch die Herstellungskosten verringert werden.
Da das piezoelektrische Element 403A auf dem Zylinderkörper 402 als zweite Schwingungsvorrichtung und das piezoelektrische Element 103A als Schwingungsvorrichtung unabhängig vorgesehen sind und der Stift 102 an dem zweiten Stifthalter 401 durch das Befestigungselement 401B befestigt ist, kann die herkömmliche Schwingsonde eines Kontakttyps verwendet werden, wodurch ein Austauschvorgang des Stifts 102 vereinfacht wird.
[Fünftes Ausführungsbeispiel]
Nachfolgend wird das fünfte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Das oben beschriebene erste Ausführungsbeispiel betrifft die Innen-Außen-Meßvorrichtung 1 zum Schätzen einer Abrundung etc. des Werkstücks W. Im Gegensatz dazu betrifft das vorliegende Ausführungsbeispiel eine Profilmeßvorrichtung 1A zum Verarbeiten des Erfassungssignals V und zum Erhalten einer Außendurchmessergestaltung des Werkstücks W.
Wie in 22 dargestellt, weist die Profilmeßvorrichtung 1A einen Meßvorrichtungskörper 2, eine Steuervorrichtung 3, eine Treiberschaltung 4, eine Erfassungsschaltung 5, einen Computer 6 und eine Schwingsonde 100 eines Kontakttyps auf. Da die Anordnung der jeweiligen Komponenten die gleiche ist wie bei dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel, sind gleiche Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, so daß auf eine Beschreibung davon verzichtet wird. Lediglich Komponenten, welche für das vorliegende Ausführungsbeispiel charakteristisch sind, werden nachfolgend beschrieben.
In 22 steuert die Steuervorrichtung die Bewegung des Haltekörpers 23, wobei die Steuervorrichtung 3 sowohl eine Schwingungsrichtungs-Steuervorrichtung 33 als auch die Steuerschaltung 31 und die Aussetzschaltung 32 umfaßt.
Die Schwingungsrichtungs-Steuervorrichtung 33 steuert eine Schwingungsrichtung des Stifts 102 durch die zweite Schwingungsvorrichtung 110 auf der Grundlage des Erfassungssignals V, eingegeben von der Erfassungsschaltung 5. Genauer gibt die Schwingungsrichtungs-Steuervorrichtung 33 ein Steuersignal an die zweite Schwingungsschaltung 42 aus und stellt die Amplitude des X-Achsen-Schwingungselements 110X und der Y-Achsen-Schwingungselements 110Y derart ein, daß eine Kombination des X-Achsen-Schwingungselements 110X und des Y-Achsen-Schwingungselements 110Y gefunden wird, so daß die Änderung des Erfassungssignals am kleinsten ist, wodurch eine Schwingungsrichtung des Stifts 102 gesteuert und eine Stirnflächenrichtung des Werkstücks W erfaßt wird.
Nachfolgend wird ein Betrieb der oben beschriebenen Profilmeßvorrichtung 1 beschrieben.
Anfänglich wird ein Steuersignal von dem Computer 6 an die Steuervorrichtung 3 ausgegeben, um die Steuerschaltung 31 derart zu betreiben, daß diese den Haltekörper 23 derart bewegt, daß der Kontaktabschnitt 102A die Stirnfläche des Werkstücks W zum Ausüben einer vorbestimmten Kontaktkraft berührt. Ferner wird, ob die vorbestimmte Kontaktkraft ausgeübt wird oder nicht, dadurch bestimmt, ob das Erfassungssignal V von dem Erfassungssignal auf dem vorbestimmten Schwellenwert ist, während der Stift 102 in Axialrichtung durch die Schwingungsvorrichtung 103A in Schwingung versetzt wird.
Nachfolgend wird, während die vorbestimmte Kontaktkraft ausgeübt wird, das Steuersignal von der Schwingungsrichtungs-Vorrichtung 33 an die zweite Schwingungsschaltung 42 ausgegeben, um eine Schwingung durch die zweite Schwingungsvorrichtung 110 zu starten. Die Schwingungsrichtungs-Steuervorrichtung 33 gibt das Steuersignal an die zweite Schwingungsschaltung 42 aus, um eine Schwingungsrichtung der zweiten Schwingungsvorrichtung während einer Beobachtung des Erfassungssignals V von der Erfassungsschaltung 5 einzustellen, und legt die Schwingungsrichtung dort fest, wo die Änderung des Erfassungssignals V am kleinsten wird.
Genauer ist, wenn die zweite Schwingungsschaltung 42 das X-Achsen-Schwingungselement 110X und das Y-Achsen-Schwingungselement 110Y jeweils mit derselben Frequenz in Schwingung versetzt, die Schwingungsrichtung des Kontaktabschnitts 102A eine Zusammensetzung aus der Schwingung durch das X-Achsen-Schwingungselement 110X und das Y-Achsen-Schwingungselement 110Y auf einer Ebene senkrecht zu der Achse des Stifts 102. Beispielsweise ist, wenn die Frequenz, Phase und Amplitude beider Schwingungen identisch sind, die Schwingungsrichtung der zusammengesetzten Schwingung 45 Grad relativ zu der X-Achse, und eine Amplitude davon ist etwa 1,4mal ([Wurzel aus zwei]mal) so groß wie die ursprüngliche Schwingung. Durch ein geeignetes Steuern einer Amplitude und einer Phase des Schwingungssignals, welches an das X-Achsen-Schwingungselement 110X angelegt wird, und des Schwingungssignals, welches an das Y-Achsen-Schwingungselement 110Y angelegt wird, durch die Schwingungsrichtungs-Steuervorrichtung 33 kann die Schwingungsrichtung von dem Bereich von 0 bis 180 Grad geändert werden, und die Schwingungsamplitude kann auf ein konstantes Niveau gebracht werden.
Durch ein Beobachten der Änderung des Erfassungssignals V während eines Änderns der Schwingungsrichtung und eines Erhaltens der Schwingungsrichtung, bei welcher die Änderung am kleinsten wird, wird die Stirnflächenrichtung als die Schwingungsrichtung zu diesem Zeitpunkt festgelegt. Ist der Kontaktabschnitt 102A mit dem Werkstück W in Kontakt, so kann die Schwingungsrichtungs-Steuervorrichtung 33 die Stirnflächenrichtung des Werkstücks W erfassen und die Schwingungsrichtung des Stifts 102 in der Stirnflächenrichtung des Werkstücks W festlegen durch ein geeignetes Ändern der Schwingungsrichtung des Kontaktabschnitts 102A.
Ist eine angenäherte Gestaltung des Werkstücks W bekannt, so kann die Schwingungsrichtung des Kontaktabschnitts festgelegt werden durch Vermitteln der Endflächenrichtung des Werkstücks W an die Schwingungsrichtungs-Steuervorrichtung 33. Hingegen kann, wenn die angenäherte Gestaltung des Werkstücks W nicht bekannt ist, die Schwingungsrichtung des Kontaktabschnitts 102A durch die durch die Schwingungsrichtungs-Steuervorrichtung 33 erfaßte Stirnflächenrichtung des Werkstücks W festgelegt werden.
Die Steuerschaltung 31 gibt ein Steuersignal aus, um den Haltekörper 33 entlang der durch die Schwingungsrichtungs-Steuervorrichtung 33 festgelegten Schwingungsrichtung zu bewegen, wodurch ein Abtasten der Stirnfläche des Werkstücks W eingeleitet wird.
Wird das Erfassungssignal V von der Erfassungsschaltung 5 größer im Vergleich zu dem Beginn der Messung während eines Abtastens der Fläche des Werkstücks W durch ein Bewegen des Haltekörpers 23, so wird davon ausgegangen, daß die Stirnseite des Werkstücks W in einer Richtung weg von dem Kontaktabschnitt 102A gekrümmt ist. Dann gibt die Steuerschaltung 31 ein Steuersignal aus, um den Haltekörper 23 derart in eine Richtung zu bewegen, daß sich der Kontaktabschnitt 102A hin zu der Stirnfläche des Werkstücks W auf der Grundlage der Änderung der Zustandsgröße des Erfassungssignals V bewegt. Wird hingegen das Erfassungssignal V kleiner als bei Beginn der Messung, so ist die Stirnfläche des Werkstücks W in einer Richtung gekrümmt ist, in welche sich der Kontaktabschnitt 102A hin bewegt. Dementsprechend gibt die Steuerschaltung 31 ein derartiges Steuersignal an den Haltekörper 23 aus, daß sich der Kontaktabschnitt 102A weg von der Stirnfläche des Werkstücks W bewegt.
Wird die Steuerung durch die Steuerschaltung 31 derart ausgeführt, daß die Änderung der Zustandsgröße des Erfassungssignals V minimiert wird, während der Kontaktabschnitt 102A in Berührung mit dem Werkstück W ist, so kann der Stift 102 eine minimale Kontaktkraft gegen das Werkstück W beibehalten. Ferner kann, wenn der Kontaktabschnitt 102A nicht in Kontakt mit dem Werkstück ist, der kontaktfreie Zustand des Kontaktabschnitts 102A gegen das Werkstück W erfaßt werden, wenn die Amplitude A des Erfassungssignals V in 2 einen maximalen Wert anzeigt bzw. wenn die Änderung der Zustandsgröße nicht erzeugt wird, selbst wenn sich die Schwingungsrichtung ändert. Ferner wird, parallel zu der Bewegungssteuerung des Haltekörpers 23 durch die Steuerschaltung 31, die Schwingungsrichtung des Stifts 102 durch die Schwingungsrichtungs-Steuervorrichtung 31 auf der Grundlage der Änderung des Erfassungssignals V gesteuert.
Erreicht der Kontaktabschnitt 102A eine Wand einer gekrümmten Fläche des Werkstücks, welche die Vorschubrichtung der Schwingsonde 100 eines Kontakttyps blockiert, während die Fläche des Werkstücks W gemäß dem oben beschriebenen Verfahren abgetastet wird und eine Änderung der Zustandsgröße des Erfassungsignals V nicht auf einem konstanten Niveau gehalten werden kann, so wird die Bewegungssteuerung des Haltekörpers 23 durch die Steuerschaltung 31 gestoppt, und die Bewegung des Haltekörpers 23 wird durch die Aussetzschaltung 32 gesteuert. Ferner ist das Steuersignal von der Aussetzschaltung 32 ein Steuersignal entgegengesetzt zu der Vorschubrichtung der Schwingsonde 100 eines Kontakttyps durch das Steuersignal der Steuerschaltung 31, welches ausgegeben wird, bis der Kontaktabschnitt 102A und das Werkstück W nicht miteinander in Kontakt sind.
Gemäß dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel können folgende Wirkungen erzielt werden.
Da der Stift 102 entlang der Stirnfläche des Werkstücks W durch die zweite Schwingungsvorrichtung 110 schwingt und die Bewegung des Haltekörpers 23 durch die Steuerschaltung 31 derart gesteuert wird, daß die Änderung der Zustandsgröße des von dem Detektor erfaßten Erfassungssignals V konstant ist, kann sich der Stift 102 entlang der Fläche des Werkstücks W bewegen, wodurch eine Profilmessung unter Verwendung der Schwingsonde 100 eines Kontakttyps ausgeführt wird. Ferner kann die Gestaltung des Werkstücks W mit hoher Genauigkeit unter Verwendung der Schwingsonde 100 eines Kontakttyps gemessen werden.
Ferner kann aufgrund der Tatsache, daß die Profilmeßvorrichtung 1 die Schwingungsrichtungs-Steuervorrichtung 33 aufweist, die Schwingungsrichtung der Relativschwingung durch die zweite Schwingungsvorrichtung 110 in eine Richtung entlang der Stirnfläche des Werkstücks W in Übereinstimmung mit der Änderung der Zustandsgröße des Erfassungssignals V geändert werden. Dementsprechend sind aufgrund der Tatsache, daß die Schwingungsrichtung des Kontaktabschnitts 102A, welcher das Werkstück W mit der Frequenz f2 berührt, immer in der Stirnflächenrichtung des Werkstücks beibehalten werden kann, eine Profilmessung und kontinuierliche Messung des Werkstücks W möglich, ohne eine angenäherte Gestaltung des Werkstücks W im voraus abzugreifen.
Ferner kann aufgrund der Tatsache, daß die oben beschriebene Profilmeßvorrichtung 1 die Aussetzschaltung 32 aufweist, die Beschädigung des Werkstücks W und/oder der Schwingsonde 100 eines Kontakttyps durch Steuern der Bewegung des Haltekörpers 23 durch die Aussetzschaltung 32 verhindert werden.
[Sechstes Ausführungsbeispiel]
Nachfolgend wird ein sechstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist grundlegend dasselbe wie das oben beschriebene fünfte Ausführungsbeispiel, mit der Ausnahme, daß die Schwingungsvorrichtung und die zweite Schwingungsvorrichtung einstückig um die Stiftachse vorgesehen sind, wodurch die Schwingsonde eines Kontakttyps gebildet wird.
Mit anderen Worten, obwohl die Schwingsonde 100 eines Kontakttyps bei dem fünften Ausführungsbeispiel verwendet wird, wird die Schwingsonde 200 eines Kontakttyps, welche in 16 und 17 dargestellt ist, bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendet. Die Anordnung der Schwingsonde 200 eines Kontakttyps ist identisch mit dem zweiten Ausführungsbeispiel, und eine Beschreibung davon ist hier weggelassen.
Zum Messen einer Innenwand des kleinen Lochs W durch die Schwingsonde 200 eines Kontakttyps kann die Schwingungsrichtung sukzessiv durch die Schwingungsrichtungs-Steuervorrichtung in Übereinstimmung mit der Änderung des Erfassungssignals V eingestellt werden, und der Haltekörper kann in der gleichen Weise wie bei dem fünften Ausführungsbeispiel bewegt werden. Hingegen können die Mittenpositionskoordinate O und ein Radius R des Innendurchmessers des kleinen Lochs im voraus durch ein Drei-Punkte-Verfahren etc. gemessen werden (siehe 15), und eine angenäherte Ortskurve, auf welcher sich der Stift 102 bewegt, kann der Schwingungsrichtungs-Steuervorrichtung vermittelt werden. Anschließend wird, während der Kontaktabschnitt 102A mit der Innenwand des kleinen Lochs W in Kontakt ist, der Stift 102 in Axialrichtung und in einer Richtung entlang der Innenwand durch die piezoelektrischen Elemente 203A und 203B als das Schwingungselement in Schwingung versetzt.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel können sowohl die Wirkungen des zweiten Ausführungsbeispiel als auch die Wirkungen des fünften Ausführungsbeispiel erhalten werden.
[Siebtes Ausführungsbeispiel]
Nachfolgend wird das siebte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist grundlegend das gleiche wie das oben beschriebene fünfte Ausführungsbeispiel, mit der Ausnahme, daß sechs piezoelektrische Elemente in einem gleichen Intervall an dem Außenumfang der Zylinderkörpers 302, in welchen der Stift 102 eingesetzt wird, vorgesehen sind, wie in 18 und 19 zu sehen.
Mit anderen Worten, wird, obwohl die Schwingsonde 100 eines Kontakttyps bei dem fünften Ausführungsbeispiel verwendet wird, die in 18 und 19 dargestellte Schwingsonde 300 eines Kontakttyps bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendet. Die Anordnung der Schwingsonde 300 eines Kontakttyps ist die gleiche wie bei dem dritten Ausführungsbeispiel, und auf eine Beschreibung davon wird hier verzichtet.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel können sowohl die Wirkungen des dritten Ausführungsbeispiels als auch die Wirkungen des fünften Ausführungsbeispiels erhalten werden.
[Achtes Ausführungsbeispiel]
Nachfolgend wird ein achtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist grundlegend das gleiche wie das oben beschriebene fünfte Ausführungsbeispiel, mit der Ausnahme, daß eine Vielzahl piezoelektrischer Elemente 403A an dem Zylinderkörper 402, in welchen die Achse des Stifts 102 eingesetzt wird, vorgesehen ist und das piezoelektrische Element 103A an der Schwerpunktposition des Stifts 102 vorgesehen ist, wobei die piezoelektrischen Elemente 403A die zweite Schwingungsvorrichtung und das piezoelektrische Element 103A die Schwingungsvorrichtung darstellen.
Mit anderen Worten wird, obwohl die Schwingsonde 100 eines Kontakttyps bei dem fünften Ausführungsbeispiel verwendet wird, die in 20 und 21 dargestellte Schwingsonde 400 eines Kontakttyps bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendet. Die Anordnung der Schwingsonde 400 eines Kontakttyps ist die gleiche wie bei dem vierten Ausführungsbeispiel, und auf eine Beschreibung davon wird hier verzichtet.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden sowohl die Wirkungen des vierten Ausführungsbeispiels als auch die Wirkungen des fünften Ausführungsbeispiels erhalten.
[Abwandlung]
Ferner ist der Umfang der vorliegenden Erfindung bei den oben beschriebenen jeweiligen Ausführungsbeispielen nicht eingeschränkt, beinhaltet jedoch folgende Abwandlungen.
Obwohl die Bewegungssteuervorrichtung der Schwingsonde eines Kontakttyps gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zum Messen der Innenwand des kleinen Lochs W1 verwendet wird, ist die Verwendung nicht begrenzt. Beispielsweise kann die vorliegende Verwendung für eine kontinuierliche Messung des Außenumfangs des zylindrischen Werkstücks und anderer Werkstücke mit einer dreidimensionalen komplizierten Gestaltung verwendet werden.
Ferner können, obwohl die Schwingungsvorrichtung und die zweite Schwingungsvorrichtung in dem zweiten und dem sechsten Ausführungsbeispiel aus den piezoelektrischen Elementen 203A und 203B aufgebaut sind, die Schwingungsvorrichtung und die zweite Schwingungsvorrichtung aus der anderen Anordnung aufgebaut sein. Kurz gesagt, eine andere Anordnung kann verwendet werden, solange die Schwingungsvorrichtung und die zweite Schwingungsvorrichtung den Stift mit einer vorbestimmten Frequenz in Axialrichtung und in einer Richtung senkrecht zur Achse in Schwingung versetzen können.
Eine andere Anordnung und Gestaltung sind für eine Realisierung der vorliegenden Erfindung möglich, solange eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung gelöst wird.

Claims

Bewegungssteuervorrichtung zum Steuern einer Bewegung einer Schwingsonde eines Kontakttyps, wobei die Schwingsonde eines Kontakttyps einen Stift, welcher mit einem Kontaktabschnitt versehen ist, welcher mit einem Werkstück an einem Spitzenende davon in Kontakt ist, einen Stifthalter zum Halten des Stifts, eine Schwingungsvorrichtung, um den Stift mit einer Frequenz f1 in einer ersten Richtung entlang der Achse des Stifts in Schwingung zu versetzen, und einen Detektor zum Erfassen einer Änderung der Schwingung entlang der ersten Richtung des Stifts durch die Schwingungsvorrichtung aufweist, wobei die Bewegungssteuervorrichtung umfasst: einen mechanisch mit dem Stift verbundenen Haltekörper zum Bewegen in einem dreidimensionalen Raum mit einem vorbestimmten Geschwindigkeitsvektor gemäß einem Befehl von einer Antriebsvorrichtung; eine zweite Schwingungsvorrichtung, um den Stift mit einer Frequenz f2 in einer zweiten Richtung entlang einer Stirnfläche des Werkstücks in eine Schwingung zu versetzen; und eine Steuervorrichtung zum Steuern der Antriebsvorrichtung, um den Haltekörper zu bewegen, so dass eine Änderung eines Erfassungssignals, erfasst durch den Detektor, konstant wird, nachdem der Kontaktabschnitt das Werkstück berührt in Bezug auf das Erfassungssignal bevor der Kontaktabschnitt das Werkstück berührt, wenn der Kontaktabschnitt die Stirnfläche des Werkstücks berührt, während der Stift durch die zweite Schwingungsvorrichtung in eine Schwingung in der zweiten Richtung versetzt wird; und eine Schwingungsrichtungs-Steuervorrichtung zum Steuern einer Schwingungsrichtung in der zweiten Richtung durch die zweite Schwingungsvorrichtung, um die zweite Richtung festzulegen, so dass, wenn der Kontaktabschnitt die Stirnfläche des Werkstücks berührt und der Stift und das Werkstück durch die zweite Schwingungsvorrichtung in eine relative Schwingung versetzt werden, das Erfassungssignal von dem Detektor einen Schwellenwert entsprechend eine Kontaktkraft aufweist, die den Stift nicht beschädigt, und so dass die Änderung des Erfassungssignals mit dem Schwellenwert minimal ist.
Bewegungssteuervorrichtung einer Schwingsonde eines Kontakttyps nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung den Haltekörper relativ hin zu der Stirnfläche des Werkstücks bewegt.
Bewegungssteuervorrichtung einer Schwingsonde eines Kontakttyps nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend eine Aussetzschaltung zum Aussetzen der Bewegungssteuerung durch die Steuervorrichtung, wenn die Änderung des Erfassungssignals nicht auf einem vorbestimmten Niveau gehalten werden kann, und zum Bewegen des Haltekörpers derart, dass der Kontaktabschnitt nicht mit der Stirnfläche des Werkstücks in Kontakt ist.
Bewegungssteuervorrichtung einer Schwingsonde eines Kontakttyps nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schwingungsvorrichtung und die zweite Schwingungsvorrichtung mehr als ein Schwingungselement umfassen, welche um die Achse des Stifts in einem vorbestimmten Winkel angeordnet sind.
Bewegungssteuervorrichtung einer Schwingsonde eines Kontakttyps nach Anspruch 4, wobei der vorbestimmte Winkel 90 Grad beträgt.
Bewegungssteuervorrichtung einer Schwingsonde eines Kontakttyps nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schwingungsvorrichtung und die zweite Schwingungsvorrichtung mehr als zwei Schwingungselemente umfassen, welche um die Achse des Stifts (102) in einem vorbestimmten Intervall angeordnet sind.
Bewegungssteuervorrichtung einer Schwingsonde eines Kontakttyps nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das Schwingungselement ein piezoelektrisches Element ist.
Bewegungssteuervorrichtung einer Schwingsonde eines Kontakttyps nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zweite Schwingungsvorrichtung den Stifthalter in jede der zwei Richtungen in Schwingung versetzt, welche wechselseitig senkrecht zu einer Axiallinie des Stifts sind.
Bewegungssteuervorrichtung einer Schwingsonde eines Kontakttyps nach Anspruch 8, wobei die zweite Schwingungsvorrichtung eine Reihenanordnung aus einem Schwingungselement, um den Stifthalter in eine Richtung in Schwingung zu versetzen, und einem weiteren Schwingungselement, um den Stifthalter in die andere Richtung in Schwingung zu versetzen, aufweist.
Bewegungssteuervorrichtung einer Schwingsonde eines Kontakttyps nach Anspruch 8, wobei die zweite Schwingungsvorrichtung eine Parallelanordnung aus einer Schwingungsvorrichtung, um den Stifthalter in eine Richtung in Schwingung zu versetzen, und einer weiteren Schwingungsvorrichtung, um den Stifthalter in die andere Richtung in Schwingung zu versetzen, umfasst.