JP2001241933A - 振動検出方式のプローブ駆動方式および測長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 精度の高い移動機構や移動量測定装置を利用
せずともプローブの接触検出を精度よく行う。部品点数
を削減する。 【解決手段】 プローブを励振するための励振用アクチ
ュエータおよびプローブの接触端を移動させるための移
動用アクチュエータの両機能を備えた励振・移動用アク
チュエータを各移動方向に１つずつ設け、励振用電圧と
移動用電圧を重畳して励振・移動用アクチュエータを駆
動する。励振用電圧と移動用電圧はそれぞれ独立に機能
するので、単一のアクチュエータによるプローブの励振
・移動が可能となる。また、プローブ自体に設けた検出
用アクチュエータによって移動量を検出した場合、摺動
軸の直進精度の影響や測長手段の影響を受けないように
し、コストを低減させながら高い精度で測長できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動検出方式のプ
ローブ駆動方式および測長装置に関する。さらに詳述す
ると、本発明は被測定物に振動するプローブを接触さ
せ、当該プローブの位置座標を求める際のプローブ駆動
および振動検出の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】被測定物（ワーク）の３次元的な寸法を
測長するにあたり、振動するプローブを接触させたとき
の振動波形の変化を基に外形座標を測るものがある。こ
のような振動接触方式では、励振用アクチュエータ、移
動用アクチュエータなど、励振、移動、検出の各機能を
独立して備え、プローブの励振・移動をそれぞれ制御す
ることが一般的である。

【０００３】例えば図８に示す測長装置１０１は、プロ
ーブ１０２を駆動（振動）させながら被測定物（ワー
ク）１０３を載せたテーブル１０４を移動用モータ１０
５で移動させ、被測定物１０３に振動プローブ１０２が
接触したときの接触状態とテーブル１０４の移動量とか
ら測長するものである。プローブ１０２の励振は励振用
アクチュエータ（例えば励振用圧電素子）１０６で行
い、プローブ１０２の振動は検出用アクチュエータ１０
７でみている。

【０００４】一方、テーブル１０４を移動させる代わり
に、移動機構上に取り付けたプローブ１０２の移動量を
検出して測長を行うものがある。

【０００５】また、測定に必要な空間自由度の内のいく
つかをテーブル機構に持たせ、残りの自由度をプローブ
移動機構に持たせることで各々の移動機構より測定され
る移動量を基に測長を行うものもある。

【０００６】これらの測長方式では、いずれもプローブ
１０２や被測定物１０３（あるいはテーブル１０４）の
移動量が測定対象となることから、測長装置１０１には
リニアエンコーダやレーザー測長器などの移動量測定装
置が駆動軸に併設されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
測長方式では、摺動軸の直進精度あるいは組み付け相対
精度がそのまま測定精度に影響し、さらに、直動機構の
移動距離を検出する測長手段の精度もそのまま影響する
という問題がある。しかも、これら移動機構や移動量測
定装置は高い精度が求められるため一般に高価である。

【０００８】また、移動手段と振動手段を同一の弾性変
形機構とした場合、移動の為の弾性変形時に発生する応
力の為、機構の振動特性が変化するといった問題が発生
し、単純に振動振幅の変化だけに着目しているだけでは
安定な接触の検出精度は得られない。

【０００９】一方、移動機構に旋回軸を使用したものも
見受けられるが、誤差がアーム長さにより増幅されるた
め精度を出すことは一般に困難である。

【００１０】そこで、本発明は、精度の高い移動機構や
移動量測定装置を利用せずともプローブの接触検出を精
度よく行うことができ、かつ部品点数削減を可能とする
振動検出方式のプローブ駆動方式および測長装置を提供
することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
め、請求項１記載の発明は、振動するプローブを接触さ
せたときの振動波形の変化を基に被測定物の外形座標を
測る振動検出方式のプローブ駆動方式において、プロー
ブを励振するための励振用アクチュエータおよびプロー
ブの接触端を移動させるための移動用アクチュエータの
両機能を備えた励振・移動用アクチュエータを各移動方
向に１つずつ設けたものである。

【００１２】これまでは励振用アクチュエータと移動用
アクチュエータという異なる機能をもつ別個のアクチュ
エータに対しそれぞれ別系統の電圧を印加したが、本発
明では単一のアクチュエータに両機能を備えさせるとと
もに、この励振・移動用アクチュエータに対して両系統
の電圧を印加する。このように単一のアクチュエータに
両電圧を印加した場合、励振用電圧はプローブを振動さ
せ、移動用電圧はプローブを移動させるように機能し、
これらは互いに独立である。したがって、このプローブ
駆動方式によれば、単一のアクチュエータによってプロ
ーブを振動・移動させることが可能となる。

【００１３】そして、このアクチュエータによりプロー
ブを移動させる場合、プローブ自体に設けた検出用アク
チュエータによって移動量を検出でき、リニアエンコー
ダやレーザー測長器を用いた場合のような摺動軸の直進
精度の影響あるいは測長手段の影響を受けない。このた
め、コストを低減させながらも高い精度で測長できるよ
うになる。

【００１４】請求項２記載は、請求項１記載の振動検出
方式のプローブ駆動方式において励振用電圧と移動用電
圧を重畳して励振・移動用アクチュエータを駆動するも
のである。励振用電圧と移動用電圧は、重畳するしない
にかかわらずそれぞれ独立に機能し、プローブを移動さ
せ、あるいは振動させる。

【００１５】このような振動検出方式のプローブ駆動方
式では、請求項３に記載したように励振・移動用アクチ
ュエータによってプローブの振動状態を検出することが
できる。この場合、単一のアクチュエータによって励振
・移動・検出のそれぞれを独立に機能させ得る。

【００１６】また、励振・移動用アクチュエータは、請
求項４記載のように圧電素子で構成し、あるいは請求項
５記載のように磁歪素子で構成することが好ましい。こ
れら圧電素子や磁歪素子によれば、電気的信号と機械的
信号との変換を好適に行い得る。

【００１７】請求項６記載の発明は、振動するプローブ
を接触させたときの振動波形の変化を基に被測定物の外
形座標を測る振動検出方式の測長装置において、プロー
ブを励振するための励振用アクチュエータおよびプロー
ブの接触端を移動させるための移動用アクチュエータの
両機能を備えた励振・移動用アクチュエータを各移動方
向に１つずつ設けたものである。

【００１８】この測長器では、単一のアクチュエータに
励振・移動の両機能を備えさせ、両系統の電圧を印加す
る。この場合、励振用電圧はプローブを振動させ、移動
用電圧はプローブを移動させるように機能し、しかも互
いは独立である。したがって、この測長器によれば単一
のアクチュエータによってプローブを振動・移動させる
ことができる。

【００１９】そしてこの、アクチュエータによりプロー
ブ移動させる場合、このアクチュエータ自体が検出プロ
ーブとなっており移動を行うため、テーブルを移動させ
る場合とは異なり、高い精度のテーブル摺動機構、案内
機構が不要となる。またテーブル移動量検出の検出器
も、高い精度のエンコーダやレーザ測長器などでなく簡
単な光テコを用いてプローブ変位を直接的に計測する事
ができる。

【００２０】また、アクチュエータとして圧電素子をも
ちいた場合、圧電素子に貯えられる電気量と発生力は比
例関係があり、１ミクロン程度精度であれば外部にセン
サーは不要となる。このためコストを低減させながら、
高い精度の測長を行う事ができる。

【００２１】請求項７記載の発明は、請求項６記載の振
動検出方式の測長装置において、励振用電圧と移動用電
圧を重畳して励振・移動用アクチュエータを駆動するも
のである。励振用電圧と移動用電圧は、重畳するしない
にかかわらずそれぞれ独立に機能し、プローブを移動さ
せ、あるいは振動させる。

【００２２】請求項８記載の発明は、振動するプローブ
を接触させたときの振動波形の変化を基に被測定物の外
形座標を測る振動検出方式の測長装置において、プロー
ブを励振するための励振用アクチュエータおよびプロー
ブの接触端を移動させるための移動用アクチュエータの
両機能を備えた励振・移動用アクチュエータをプローブ
の移動方向に１つずつ設け、振動波形の変化を検出し被
測定物との接触を判定する際の判定条件を移動量によっ
て変化させるものである。ここでは、移動による応力に
より、周波数特性が変動する事に対しあらかじめ測定、
記憶されている、移動、変形、応力による共振周波数の
変化を用いて、移動量に応じて、振動の駆動周波数を変
化させる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の構成を図面に示す
実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

【００２４】図１〜図５に、振動検出方式のプローブ駆
動方式および測長装置の一実施形態を示す。振動検出方
式のプローブ駆動方式とはプローブ２を振動させる際の
駆動駆動方式のことであり、測長装置１はこの方式を利
用し、振動するプローブ２を接触させたときの振動波形
の変化を基に被測定物３の外形座標を測る。

【００２５】そして、本実施形態では、プローブ２を励
振するための励振用アクチュエータおよびプローブ２の
接触端を移動させるための移動用アクチュエータの両機
能を、単一の励振・移動用のアクチュエータ４に備えさ
せ、この励振・移動用アクチュエータ４によってプロー
ブ２を駆動するようにしている。

【００２６】例えば図１に示す測長装置１は１次元の測
長を対象にしたもので、図中の励振・移動用アクチュエ
ータ４に対して移動のための直流電圧と振動のための発
振電圧を重畳して加える事で、移動と振動の２つの機能
を１つのアクチュエータで行うことを可能とするもので
ある。この場合、励振・移動用アクチュエータ４は図示
するようにプローブ２の一の面に設けられ、１次元つま
り一方向にのみプローブ２の先端を移動させる。また、
プローブ２の他の面には検出用アクチュエータ５を設
け、プローブ２の振動や変位を検出している。

【００２７】励振・移動用アクチュエータ４は電気的信
号と機械的信号の変換を可能とするもので、例えば圧電
素子を用いる。同様に、検出用アクチュエータ５にも圧
電素子を用いる。ただし圧電素子は好適な一例に過ぎ
ず、他の手段、例えば磁気ひずみの特性を利用して電気
振動と機械振動とを変換可能な磁歪素子などを用いるこ
とができる。

【００２８】ここで、このプローブ駆動方式における駆
動・制御の一例を示す。駆動・制御回路は、図２に示す
ように計算器６、ＤＡコンバータ７、発信器８、ＡＤ変
換器（コンバータ）９、加算器１０、高周波数検波フィ
ルタ１１などを備え、検出用アクチュエータ（検出圧電
素子）５からの振動発振と駆動指令を加算することで実
際の駆動電圧を作り出している。この加算の方式として
はＯＰアンプ等による加算回路でもよいが、振動発生は
基本的に交流正弦波でありトランスによる重畳でもかま
わない。

【００２９】また、測長装置１は上述のように１次元の
駆動方式とする他、複数のアクチュエータをそれぞれ独
立に駆動し、プローブ２を複数の系統で駆動することが
できる。例えば図３に示す測長装置１は、１つのプロー
ブ２に対し２つの励振・移動用アクチュエータ４を設け
たもので、これによってプローブ２に異なる２系統の独
立した励振・移動のための駆動をさせる。

【００３０】この場合、２つの励振・移動用アクチュエ
ータ４は、励振あるいは移動方向が異なる少なくとも２
つの箇所へ設けてそれぞれ独立駆動するようにする。例
えば本実施形態では、図示するように２つの励振・移動
用アクチュエータ４を圧電素子の積層方向軸が直交する
ように配置し、図４に示すようにプローブ２の先端球が
直交方向に移動（さらには振動）するようにしている
（以下の説明ではこの直交軸をＸ軸およびＹ軸とす
る）。また、３つ以上の励振・移動用アクチュエータ４
を設ける場合も、励振・移動方向を適宜異ならせて配置
する。

【００３１】次に、励振・移動用アクチュエータ４への
電圧印加形態（駆動指令、高周波の重畳関係）について
説明する。本実施形態では、図５（Ａ）に示すように別
系統のアクチュエータに対し別個に印加していたＹ軸方
向の励振電圧と移動電圧とを、単一のアクチュエータ
（励振・移動用アクチュエータ）４に対し重畳して印加
する。この様に移動の為の駆動と励振の為の駆動を１つ
の素子で行う場合、移動によって生じる機構及びアクチ
ュエータ４の歪みが振動特性の変化をもたらす。この変
化は多くは共振点回り(共振点や反共振点）の周波数シ
フトと振幅の変動であり、極端に大きな移動を与えない
限り、顕著な存在していない共振点が新たに発生する事
はない。この現象に対応するためには、変位に応じた駆
動周波数及び駆動電圧を変化させる事で対応している。

【００３２】この方法として、 （１）事前に移動を与えない状態での周波数特性をと
り、接触検出感度の良い共振点を決定する。この周波
数、及び振幅は製造ばらつきなどで多少の変動を含むが
大まかには同程度の周波数、振幅が得られる。 （２）何段階かに分けて変位を順に与えていき、その着
目する共振点の周波数、振幅がどのように変化するかを
記憶する。 （３）実際の測定段階では徐々に接触子を被測定対象に
近づける様に移動させて行く事となるがその移動に際し
て、（２）で記憶された共振周波数を用いて励振を与え
ていく上記に対して、（１）は製造段階や、定期校正時
の作業とし（２）は測定事前の測定対象がない状態、つ
まり接触が生じない状態で行い、（３）が測定のための
動作となる。

【００３３】なお、この実施例では共振周波数を使用し
ての接触検出に絞っての内容であるが、接触時の共振を
利用した方式や、反共振点を利用した方式でも同様の手
法で変位による振動特性の変化を探る事で、変位によ
る、振動特性の変化の問題は補償可能である。

【００３４】この結果、Ｙ軸方向の励振・移動用アクチ
ュエータ４に印加される電圧波形は図５（Ｂ）に示すよ
うに重畳波形となり、プローブ２はこの重畳電圧によっ
てＹ軸方向へ移動しながら振動することも可能である。
このことは、図示するようにＸ軸方向波形についても同
様である。

【００３５】なお、上述の実施形態は本発明の好適な実
施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発
明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能で
ある。例えば、上述の実施形態ではプローブ２を１次元
つまり直線的に駆動する場合、直交する２軸方向へ駆動
する場合について説明したが、駆動方式はこれらに限定
されない。例えば、第３の励振・移動用アクチュエータ
４を設け、直交する３軸方向へ３次元的に振動・移動さ
せることも可能である。

【００３６】また、上述した実施形態では、図１に示し
たように励振・移動用アクチュエータ４と検出用アクチ
ュエータ５を別個独立に設けたが、圧電素子は電圧→変
位の特性のほか変位→電荷発生の逆動作も行うため、図
６に示すように励振・移動用アクチュエータ４に検出機
能を備えさせ、検出用アクチュエータを不要とすること
も可能である。このようにした場合の制御・検出回路
は、例えば図７に示すように、図２に示した駆動・制御
回路に必要な減算器１２などを加えたものである。

【００３７】なお、これまで行ってきた実験では、検出
時の振動数を数１００Hzから数１０KHzの範囲とした
が、より微小なプローブ構造ではこれより高い周波数で
ある。またその振幅はプローブ２の先端において数１０
〜数１００ｎｍ程度の微振動である。また、本実施形態
では測長の為の移動距離を数１０μｍから数１００μｍ
程度としたが、この範囲は数μｍから数ｍｍまで測定対
象によって異なってくるものである。

【００３８】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
１記載の振動検出方式のプローブ駆動方式によると、単
一のアクチュエータにおいてプローブの励振・移動機能
を独立して発揮できる。このとき、プローブ自体に設け
た検出用アクチュエータによって移動量を検出でき、リ
ニアエンコーダやレーザー測長器を用いた場合のような
摺動軸の直進精度の影響あるいは測長手段の影響を受け
ない。このため、コストを低減させながらも高い精度で
測長することが可能となる。

【００３９】しかも、励振・移動用アクチュエータを各
移動方向に１つずつ設けた場合には、各移動方向におい
て別個独立にプローブを振動・移動させることも可能と
なる。

【００４０】また請求項２記載の振動検出方式のプロー
ブ駆動方式は励振用電圧と移動用電圧を重畳して励振・
移動用アクチュエータを駆動するもので、単一のアクチ
ュエータにおいて励振機能と移動機能をそれぞれ独立に
発揮させ、プローブを移動・振動させることができる。

【００４１】さらに請求項３記載の振動検出方式のプロ
ーブ駆動方式によると、単一のアクチュエータによって
プローブを振動・移動さえることに加え、プローブの振
動状態を検出することもできる。

【００４２】そして、請求項４記載の発明によれば、電
気的信号と機械的信号との変換を好適に行い得る圧電素
子でアクチュエータを構成し、励振・振動を精度よく行
うことができる。また、請求項５記載の発明によれば、
電気的信号と機械的信号との変換を好適に行い得る磁歪
素子でアクチュエータを構成し、励振・振動を精度よく
行うことができる。

【００４３】請求項６記載の振動検出方式の測長装置に
よると、単一のアクチュエータにおいてプローブの励振
・移動機能を独立して発揮できる。このとき、プローブ
自体に設けた検出用アクチュエータによって移動量を検
出でき、リニアエンコーダやレーザー測長器を用いた場
合のような摺動軸の直進精度の影響あるいは測長手段の
影響を受けない。このため、コストを低減させつつ高い
精度で測長することが可能となる。

【００４４】しかも、励振・移動用アクチュエータを各
移動方向に１つずつ設けた場合には、各移動方向におい
て別個独立にプローブを振動・移動させることも可能と
なる。

【００４５】請求項７記載の振動検出方式の測長装置は
励振用電圧と移動用電圧を重畳して励振・移動用アクチ
ュエータを駆動するもので、単一のアクチュエータにお
いて励振機能と移動機能をそれぞれ独立に発揮させ、プ
ローブを移動・振動させることができる。

【００４６】また、請求項８記載の振動検出方式の測長
装置によると、プローブを励振するための励振用アクチ
ュエータおよびプローブの接触端を移動させるための移
動用アクチュエータの両機能を備えた励振・移動用アク
チュエータをプローブの移動方向に１つずつ設け、振動
波形の変化を検出し被測定物との接触を判定する際の判
定条件を移動量によって変化させ、移動による応力によ
り、周波数特性が変動する事に対しあらかじめ測定、記
憶されている、移動、変形、応力による共振周波数の変
化を用いて、移動量に応じて、振動の駆動周波数を変化
させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す測長装置の（Ａ）側
面図と（Ｂ）正面図である。

【図２】本実施形態のプローブ駆動方式における駆動・
制御回路を示す図である。

【図３】２つの励振・移動用アクチュエータを備えた測
長装置を示す（Ａ）平面図と（Ｂ）正面図である。

【図４】プローブの先端が直交方向に移動する様子を示
す図である。

【図５】励振・移動用アクチュエータへの電圧印加形態
を示す図で、（Ａ）は励振電圧と移動電圧を別個に印加
した場合、（Ｂ）は励振電圧と移動電圧を重畳させて印
加した場合である。

【図６】励振・移動用アクチュエータに検出機能を備え
させた測長装置を示す（Ａ）側面図と（Ｂ）正面図であ
る。

【図７】励振・移動用アクチュエータに検出機能を備え
させた場合の駆動制御・検出回路を示す図である。

【図８】従来の測長装置の一例を示す図である。

【符号の説明】

１ 測長装置 ２ プローブ ３ 被測定物 ４ 励振・移動用アクチュエータ ５ 検出用アクチュエータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F063 AA02 AA03 AA04 AA50 CA34 DA02 DB04 DB05 DB06 DD02 DD03 DD04 EA20 EB02 EB15 EB18 EB22 EC09 GA29 GA56 HA20 JA01 KA02 LA23 2F069 AA02 AA03 AA04 AA98 DD12 DD27 DD30 GG01 GG06 GG19 GG62 GG63 GG64 GG65 HH01 HH30 JJ06 JJ07 JJ08 JJ25 LL02 MM04 MM32 2G064 AB23 BD18 BD24 BD60 5H680 AA00 BB01 BB13 BB19 BB20 BC00 BC10 DD01 DD23 DD30 DD53 DD82 EE22 FF24 FF32 FF33 FF35

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動するプローブを接触させたときの振
   動波形の変化を基に被測定物の外形座標を測る振動検出
   方式のプローブ駆動方式において、前記プローブを励振
   するための励振用アクチュエータおよび前記プローブの
   接触端を移動させるための移動用アクチュエータの両機
   能を備えた励振・移動用アクチュエータを各移動方向に
   １つずつ設けたことを特徴とする振動検出方式のプロー
   ブ駆動方式。
2. 【請求項２】 励振用電圧と移動用電圧を重畳して前記
   励振・移動用アクチュエータを駆動することを特徴とす
   る請求項１記載の振動検出方式のプローブ駆動方式。
3. 【請求項３】 前記励振・移動用アクチュエータによっ
   て前記プローブの振動状態を検出することを特徴とする
   請求項１または２記載の振動検出方式のプローブ駆動方
   式。
4. 【請求項４】 前記励振・移動用アクチュエータを圧電
   素子で構成したことを特徴とする請求項１から３のいず
   れかに記載の振動検出方式のプローブ駆動方式。
5. 【請求項５】 前記励振・移動用アクチュエータを磁歪
   素子で構成したことを特徴とする請求項１から３のいず
   れかに記載の振動検出方式のプローブ駆動方式。
6. 【請求項６】 振動するプローブを接触させたときの振
   動波形の変化を基に被測定物の外形座標を測る振動検出
   方式の測長装置において、前記プローブを励振するため
   の励振用アクチュエータおよび前記プローブの接触端を
   移動させるための移動用アクチュエータの両機能を備え
   た励振・移動用アクチュエータを各移動方向に１つずつ
   設けたことを特徴とする振動検出方式の測長装置。
7. 【請求項７】 励振用電圧と移動用電圧を重畳して前記
   励振・移動用アクチュエータを駆動することを特徴とす
   る請求項６記載の振動検出方式の測長装置。
8. 【請求項８】 振動するプローブを接触させたときの振
   動波形の変化を基に被測定物の外形座標を測る振動検出
   方式の測長装置において、前記プローブを励振するため
   の励振用アクチュエータおよび前記プローブの接触端を
   移動させるための移動用アクチュエータの両機能を備え
   た励振・移動用アクチュエータを前記プローブの移動方
   向に１つずつ設け、振動波形の変化を検出し被測定物と
   の接触を判定する際の判定条件を移動量によって変化さ
   せる事を特徴とする振動検出方式の測長装置。