JP2625364B2 - タッチ信号プローブ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はタッチ信号プローブに係
り、例えば三次元測定機等によって被測定物の形状等を
測定する場合に用いられるタッチ信号プローブに関す
る。

【０００２】

【背景技術】被測定物の形状、寸法等の測定を行う測定
機としてハイトゲージ（一次元測定機）、三次元測定
機、輪郭測定機等が知られているが、その場合の座標検
出や位置検出を行うために、測定機には被測定物との接
触を検出するタッチ信号プローブが用いられる。

【０００３】従来、タッチ信号プローブの接触検出機構
としては、（Ａ）プローブのスタイラスの根元に圧電素
子、歪みゲージ等の検出素子を設け、これらの検出素子
によって被測定物との接触時にスタイラスに生じる歪み
や衝撃を検出するようにしたもの、（Ｂ）スタイラスの
先端部に圧電素子を設け、この圧電素子によって被測定
物との接触時にスタイラスに生じる衝撃を検出するよう
にしたもの、（Ｃ）できるだけ長いスタイラスを使用で
き、且つ応答時間の短縮を目的として、圧電素子をねじ
によってスタイラスの途中に取付け、この圧電素子によ
ってスタイラスを振動させ、先端球が被測定物に接触し
た際の振幅の減少具合から接触状態を検出するもの（ド
イツ国特許２８４１４２４号）等が知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述した
（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）のいずれにも次のような欠点が
ある。まず、（Ａ）のスタイラスの根元に検出素子を設
けたプローブでは、スタイラスを長くした場合に、被測
定物と接触する先端球から検出素子までの距離が長くな
るから被測定物との接触時と、検出素子での振動の検出
時とに時間差が生じ、この結果、接触時の座標位置を正
確に測定機が読みとることができなくなり、測定精度が
低下する欠点がある。

【０００５】特に、スタイラスには被測定物との接触の
方向に応じて異なる波が生じるため、つまり、スタイラ
スの軸方向に被測定物が接触する場合には縦波が、横方
向に被測定物が接触する場合には横波が生じるため、こ
の縦波と横波との伝播速度の差により、スタイラスの先
端部から検出素子に伝わる時間が接触の方向によって異
なり、接触時と検出時の時間差が必ずしも一定にならな
い。しかも、横波には速度依存性があるため、先端球と
被測定物との衝突速度がばらつくと精度のばらつきとな
る。

【０００６】また、これらのプローブにおいて検出感度
を向上させるにはスタイラスの剛性を低下させることが
考えられるが、剛性を低下させるとスタイラスの固有振
動数が低下してスタイラスが外乱振動によって振動しや
すくなるため誤検出が生じやすく、やはり精度を悪化さ
せてしまう。

【０００７】（Ｂ）の圧電素子をスタイラスの先端部に
設置したプローブについては、前述の縦波と横波との関
係で理由付けられるように、スタイラスに対する縦方向
の力と横方向の力とに対する検出感度が異なるため、被
測定物との接触方向に検出感度が依存するという欠点が
ある。

【０００８】更に、（Ｃ）のスタイラスを振動させるタ
イプのプローブでは振幅を検出する圧電素子がプローブ
の軸方向に螺合するねじによってスタイラスに押圧され
て取付けられているため、ねじによる押圧力が低いと、
圧電素子とスタイラスとの間に滑りが生じて高い振動振
幅を得ることができず、検出感度が低下する欠点があ
る。逆に、ねじによる押圧力を高くすると、圧電素子の
性能を劣化させる問題がある。

【０００９】また、（Ｃ）のプローブは、少なくとも軸
方向に対称に構成されていないため、共振時における振
動エネルギ／電気エネルギの効率は極めて低いものとな
る。このことは、先端球が被測定物に接触して振動エネ
ルギが散逸してもあまり振幅が変化しないことを、即ち
検出感度が低いことを意味する。

【００１０】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、その目的は三次元測定機等に利用されるタッチ
信号プローブにおいて、被測定物に対する検出感度が高
く低接触力での測定が可能であるとともに、外乱振動に
よっては誤検出が生ぜず、方向性、速度依存性が少なく
且つロングスタイラス化を図ることができるタッチ信号
プローブを提供するところにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明のタッチ信号プロ
ーブは、スタイラスホルダと、このスタイラスホルダに
支持されるとともに先端に被測定物と接触する接触部を
有する振動子と、この振動子のスタイラスホルダに対す
る支持点を振動の節としてその固有振動数に等しい振動
数で加振する加振手段と、被測定物との接触に際して発
生する前記振動の変化から当該接触を検出する検出手段
とを含むタッチ信号プローブにおいて、前記振動子は、
前記支持点を中心とし、振動子の軸方向に略対称の構造
を有し、前記加振手段と前記検出手段とをこの支持点近
傍に配置し、前記支持点がこの振動子の重心と一致する
とともに、この振動の中心をなすようにしたことを特徴
とする。ここで、前記加振手段及び前記検出手段は、各
々１つずつの一対を前記振動子の軸を中心に互いに対向
する位置に配置し、一対の加振手段の同相の加振によ
り、前記振動子の両端の振動が軸方向に沿った成分のみ
を有するようにし、且つ、一対の検出手段からの検出信
号により、前記振動子の軸方向以外の振動成分を打ち消
すようにした構成でもよい。さらに、前記振動子の一端
をなす接触部は、接触に対する耐久性を有し接触の方向
依存性を幾何学的にもたない形状である球をなし、前記
振動子の他端は振動的に前記接触部と釣り合うバランサ
ーを備えた構成でもよい。また、前記加振手段及び前記
検出手段はハウジングで密閉され、このハウジングの固
有振動数（基本周波数及びその高調波成分）が前記振動
子の共振振動数と相違する構造としてもよい。

【００１２】

【作用】本発明では、支持点からみて略対称構造をなし
ていることを最大特徴とする。略対称構造とは、外観的
には、支持点を中心として上下あるいは左右に略同じ形
態をなしていること、また、力学的には支持点と重心位
置と振動の中心が概ね一致していることを意味する。す
なわち、略対称構造をなす振動子をスタイラスホルダに
その軸方向の略中心部（対称点）を支持させるととも
に、振動子の支持点を振動の節（振動の中心）として振
動させる加振手段を振動子に設けている。そのため、振
動子はスタイラスホルダにその重心を支持され、且つ振
動の節の部分で支持されるので、外乱振動に対する安定
性が向上するとともに加振手段によって極めて容易に振
動するようになる。また、振動子が被測定物と接触した
ときの振動の減衰を検出手段によってとらえて被測定物
との接触を検出するので、極めて精度よく、つまり、低
接触力での測定が可能になる。ここで、振動子の固有振
動数に等しい振動数で振動子を加振することにしたのは
振動子の振幅を大きくして被測定物との接触を確実に検
出するためである。

【００１３】

【実施例】次に、本発明に係るタッチ信号プローブの好
適な実施例を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説
明する。ここで、各実施例中、同一又は同様構成要素は
同一符号を付して説明を省略もしくは簡略にする。

【００１４】図１は第１実施例に係るタッチ信号プロー
ブの要部を示す一部破断斜視図、図２及び図３は図１の
タッチ信号プローブの振動子と圧電素子との関係を示す
側面図、図４は図１のタッチ信号プローブにおける回路
構成の概略を示す説明図である。

【００１５】図１に示すように、第１実施例に係るタッ
チ信号プローブ１０は、スタイラスホルダ１２、振動子
１４、圧電素子１６等から構成される。スタイラスホル
ダ１２は図示しない三次元測定機等の移動軸に取付けら
れ、この移動軸が移動しながら被測定物との接触を検出
し、接触時の座標を読み取ることによって形状等を測定
する。

【００１６】スタイラスホルダ１２は、中空の円筒状に
形成され、その内側下端には振動子１４がその軸方向の
略中央部の支持点に設けられた一対の係合ピン１８によ
って支持されている。振動子１４の下端には、測定時に
被測定物と当接する接触球１４Ａが取付けられていると
ともに、その上端には、接触球１４Ａと同重量のバラン
サー１４Ｂが取付けられている。このバランサー１４Ｂ
は、振動子１４の先端に接触球１４Ａが取付けられてい
るため、共振時における振動の節が振動子１４の中心か
ら外れないように重量バランスをとり、且つタッチ信号
プローブ１０の全体が振動子１４の振動方向と交差する
方向に移動して加速度を受けた時に支持点の回りのモー
メントを受けないようにするためのものである。従っ
て、バランサー１４Ｂは接触球１４Ａと同一の球であっ
ても差し支えない。

【００１７】また、図２に示すように、振動子１４に
は、圧電素子１６の取付部として一対の溝部２０が外周
部に切り欠かれて形成されており、図３に示すようにこ
の溝部２０には、同一形状の２つの圧電素子１６が接着
剤等によって、その両端が密着した状態で取付けられて
いる。ここで、振動子１４の中心軸をＸ軸、それと直角
方向にＹ軸、Ｚ軸をとれば、溝部２０は概ね原点に対し
て対称な構造が望ましい。また、圧電素子１６は、この
溝部２０に、Ｘ−Ｚ平面に平行で且つＸ−Ｚ平面に対称
となる位置に取付けることが望ましい。

【００１８】これらの圧電素子１６は、図４に示すよう
に、加振素子である加振用電極１６Ａと検出素子である
検出用電極１６Ｂとに二分されており、これらの電極１
６Ａ，１６Ｂには２本の信号線２２Ａ，２２Ｂが配線さ
れている。これらの信号線のうち、信号線２２Ａはアク
チュエータとして振動子１４を振動させる駆動回路２４
に接続されており、信号線２２Ｂは振動子１４の振動を
検出する検出回路２６に接続されている。更に検出回路
２６には信号処理回路２８が接続されている。ここに、
圧電素子１６の加振用電極１６Ａ及び駆動回路２４を含
んでＸ軸方向に振動を付加する加振手段が構成され、圧
電素子１６の検出用電極１６Ｂ、検出回路２６及び信号
処理回路２８を含んで振動子１４の振動の変化から接触
球１４Ａの被測定物に対する接触を検出する検出手段が
構成されている。

【００１９】２つの圧電素子１６から配線された各信号
線２２Ａ，２２Ｂは各々並列に接続され、又、これらの
圧電素子１６の裏面には同一電極で共通のアース線２２
Ｃが接続されている。従って、２つの圧電素子１６は同
一電圧で同じ変形をするので、溝部２０から振動子１４
に振動が加えられ、振動子１４にＸ軸方向の振動モード
が励起され、軸方向の振動成分のみを、すなわち、軸方
向以外の振動成分を打ち消すように取り出すことができ
る。以上の構成は閉ループ構成で共振状態を励起する方
法であるが、共振状態を励起する方法はこれに限定され
るものでなく、外部の発振器で駆動することにより共振
状態を励起する方法でもよい。

【００２０】尚、図示していないが、駆動回路の電源と
して小型電池を使用するとともに、図４の駆動回路２４
等の回路をＩＣ化して振動子１４の近辺に設置し、且つ
タッチ信号のみを信号線で取り出すようにすれば、プロ
ーブ１０と三次元測定機本体との電気的接続は極めて単
純化される。

【００２１】前記の如く構成した第１実施例に係るタッ
チ信号プローブの作用は以下の通りである。

【００２２】被測定物の形状等を測定する際は、検出回
路２８からセンサ信号を駆動回路２４に正帰還する。す
ると、圧電素子１６が所定の振動数で発振を始め、圧電
素子１６は共振状態となる。共振時には、図１に示す振
動子１４の中心である係合ピン１８が振動の節となり、
振動子１４の端部、つまり、接触球１４Ａ、バランサー
１４Ｂが振動の腹となる。従って、接触球１４Ａは矢印
１４０Ａに示すＸ軸方向に振動しているとともにバラン
サー１４Ｂは矢印１４０Ａと同じ矢印１４０Ｂ方向に振
動している。

【００２３】共振状態で接触球１４Ａが被測定物に接触
すると、この接触による振動の拘束に対応して振動子１
４にエネルギの損失が生じるため、検出用電極１６Ｂか
ら送られる振動子１４のセンサ信号が変化する。する
と、このセンサ信号の変化が信号処理回路２８によって
検出され、測定機本体にタッチ信号が出力される。その
結果、そのときの座標値が測定機本体に取り込まれ、こ
れにより座標検出が行われる。

【００２４】以上、説明したように、本実施例によれば
圧電素子１６の両端を図３に示すように振動子１４の中
央部の溝部２０に密着した状態で取付けているので、圧
電素子１６と振動子１４との間に滑りが生ぜず、振動子
１４を圧電素子１６によって高い振動振幅で確実に振動
させることが可能となる。これにより、タッチ信号プロ
ーブ１０の検出感度が向上する。

【００２５】また、振動子１４はその略中央部でスタイ
ラスホルダ１２に支持されているので圧電素子１６によ
って容易に共振させることができ、従って、極めてＱ値
（横軸を振動数、縦軸に振幅をとった場合の共振特性曲
線の鋭さを示す指標）の高い、即ち、検出感度が高く、
低接触力で測定が可能なスタイラスを実現することがで
きる。このため、前記実施例によれば、検出レベルは、
接触球１４Ａと被測定物との接触力を１ｇ以下に設定す
ることも可能であり、従って、被測定物が軟質物の場合
でも測定が可能となる利点がある。

【００２６】更に、振動子１４は、スタイラスホルダ１
２に対して共振時の節の部分で支持されているので、外
乱振動に対して鈍感な、即ち、安定性が高く誤検出が生
じないプローブが実現可能である。

【００２７】加えて、振動子１４は、図１に示すよう
に、その中央の係合ピン１８によってスタイラスホルダ
１２に支持され、振動子１４とスタイラスホルダ１２と
の組み合わせによってスタイラスを構成している。従っ
て、スタイラスを長くするにはスタイラスホルダ１２の
みを長くすればよく、この結果、検出感度に影響を与え
ることなくロングスタイラス化が可能となる。これによ
り、形状測定等の自由度が向上する。

【００２８】次に、本発明の第２実施例を図５及び図６
に基づいて説明する。第２実施例は第１実施例に比べて
スタイラスホルダの構造が相違し、他の構造は第１実施
例と同じである。図５は第２実施例に係るタッチ信号プ
ローブの要部を示す一部破断斜視図、図６はタッチ信号
プローブの断面と振動子の振動モードを示す図である。
なお、図６では、振動方向は第１実施例と同様に、矢印
１４０Ａで示す方向であるが、振動の形態をわかりやす
くするため、振動の方向と直角方向に示した。図５に示
すように、スタイラスホルダ１２は前記振動子１４を支
持するリング状の支持部材３０と、この支持部材３０と
ともに前記圧電素子１６の加振用電極１６Ａ及び検出用
電極１６Ｂを密閉する円筒状のハウジング３２と、この
ハウジング３２の上端に設けられた移動軸取付用の装着
部３４とから構成されている。図６に示すように、前記
支持部材３０が前記振動子１４を支持する位置は振動子
１４の振動の節と同一である。この支持部材３０の近傍
かつ振動子１４の振動の節と略同一部分に加振用電極１
６Ａ及び検出用電極１６Ｂが位置する。振動子１４のバ
ランサー１４Ｂと接触球１４Ａとは振動子１４の腹にあ
り、図６中、隣合う腹と節との間に相当する寸法をｍと
すると、バランサー１４Ｂと接触球１４Ａとの間の寸法
は２ｍである。前記ハウジング３２の固有振動数（基本
周波数及びその高調波成分）が前記振動子１４の共振振
動数と相違する。

【００２９】前記の如く構成した第２実施例では第１実
施例と作用が同じであり、タッチ信号プローブ１０の検
出感度が向上するという第１実施例の効果を奏すること
ができる他に次の効果を奏することができる。即ち、第
２実施例では、ハウジング３２及び支持部材３０で圧電
素子１６を密閉する構造としたから、圧電素子１６が外
気にさらされることがなく、湿気、汚水等により圧電素
子１６が劣化することを防ぐことができる。従って、過
酷な作業環境であっても、湿気、汚水等による影響を受
けないようにした信頼性の高いタッチ信号プローブを実
現できる。

【００３０】更に、第２実施例では、ハウジング３２は
固有振動数並びにその高調波成分が振動子１４の固有振
動数と相違する構造としたから、装着部３４等から伝達
される外乱振動と振動子１４の加振による振動とは互い
に影響を及ぼさないので、極めて安定した共振状態を実
現できる。尚、第２実施例では、圧電素子１６は振動子
１４の振動の節より若干ずれて配置されているが、この
節と略同一の位置にあるので、実用上問題はない。

【００３１】

【００３２】

【００３３】

【００３４】

【００３５】

【００３６】

【００３７】

【００３８】以上、本発明について好適な実施例を挙げ
て説明したが、本発明はこの実施例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の
改良並びに設計の変更が可能なことは勿論である。

【００３９】例えば本実施例では、三次元測定機に適用
した場合について説明したが、これに限らずハイトゲー
ジ（一次元測定機）、二次元測定機、輪郭測定機等に適
用することも可能である。また、本実施例では被測定物
との接触を検出する場合について説明したが、共振時の
振動子１４の振幅と、被測定物との接触力は、ほぼ比例
関係にあるので、タッチ信号プローブ１０を力センサと
しても使用可能である。更に、本実施例では加振手段と
して圧電素子１６を使用したが、振動子１４を確実に振
動させることができれば他のアクチュエータを利用して
もよい。

【００４０】更に、本実施例では、振動子１４をスタイ
ラスホルダ１２に対して鉛直方向に支持しているが、こ
れに限らず振動子１４を水平方向に逆Ｔ字状に支持する
ことも可能である。要は、振動子１４の軸方向の略中央
部を支持できれば、振動子の向きは問わない。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
振動子をその軸方向振動の振動の節でスタイラスホルダ
に支持しているので、振動子の共振特性及び検出感度が
向上し、低接触力での測定が可能となる。また、外乱振
動によっては誤検出が生じないので測定精度の悪化を防
止することができるとともに、且つロングスタイラス化
が可能となり測定の自由度が向上する。更に、接触部と
被測定物との接触方向、接触速度による影響を受けるこ
となく測定が可能なので、測定精度の向上に寄与する。
更に、ハウジング及び支持部材で加振素子及び検出素子
を密閉する構造とすれば、加振素子及び検出素子が外気
にさらされることがなく、湿気、汚水等によりこれらの
素子が劣化することを防ぐことができる。従って、過酷
な作業環境であっても、湿気、汚水等による影響を受け
ないようにした信頼性の高いタッチ信号プローブを実現
できる。更に、ハウジングの固有振動数並びにその高調
波成分を前記振動子の共振振動数と相違する構造とすれ
ば、外乱振動と振動子の加振による振動とは互いに影響
を及ぼさないから、極めて安定した共振状態を実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係るタッチ信号プローブ
の要部を示す一部破断斜視図である。

【図２】図１のタッチ信号プローブの振動子を示す側面
図である。

【図３】図１のタッチ信号プローブの振動子と圧電素子
との関係を示す側面図である。

【図４】図４は図１のタッチ信号プローブにおける回路
構成の概略を示す説明図である。

【図５】本発明の第２実施例に係るタッチ信号プローブ
の要部を示す一部破断斜視図である。

【図６】第２実施例に係るタッチ信号プローブの断面と
振動子の振動モードを示す図である。

【符号の説明】

１０ タッチ信号プローブ１２ スタイラスホルダ１４ 振動子 １６ 圧電素子 １６Ａ 加振素子である加振用電極（加振手段） １６Ｂ 検出素子である検出用電極（検出手段） ２０ 溝部 ２４ 駆動回路（加振手段） ２６ 検出回路（検出手段） ２８ 信号処理回路（検出手段）

フロントページの続き (72)発明者 丸茂 千尋 神奈川県川崎市高津区坂戸１−20−１ 株式会社ミツトヨ内 (72)発明者 西村 国俊 神奈川県川崎市高津区坂戸１−20−１ 株式会社ミツトヨ内 (72)発明者 岡本 清和 神奈川県川崎市高津区坂戸１−20−１ 株式会社ミツトヨ内 (56)参考文献 特開 昭54−31776（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−140601（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−60653（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−87507（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−87508（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−87509（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】スタイラスホルダと、このスタイラスホル
   ダに支持されるとともに先端に被測定物と接触する接触
   部を有する振動子と、この振動子のスタイラスホルダに
   対する支持点を振動の節としてその固有振動数に等しい
   振動数で加振する加振手段と、被測定物との接触に際し
   て発生する前記振動の変化から当該接触を検出する検出
   手段とを含むタッチ信号プローブにおいて、 前記振動子は、前記支持点を中心とし、振動子の軸方向
   に略対称の構造を有し、前記加振手段と前記検出手段と
   をこの支持点近傍に配置し、前記支持点がこの振動子の
   重心と一致するとともに、この振動の中心をなすように
   したことを特徴とするタッチ信号プローブ。
2. 【請求項２】請求項１に記載されたタッチ信号プローブ
   において、前記加振手段及び前記検出手段は、各々１つ
   ずつの一対を前記振動子の軸を中心に互いに対向する位
   置に配置し、一対の加振手段の同相の加振により、前記
   振動子の両端の振動が軸方向に沿った成分のみを有する
   ようにし、且つ、一対の検出手段からの検出信号によ
   り、前記振動子の軸方向以外の振動成分を打ち消すよう
   にしたことを特徴とするタッチ信号プローブ。
3. 【請求項３】請求項１又は２に記載されたタッチ信号プ
   ローブにおいて、前記振動子の一端をなす接触部は、接
   触に対する耐久性を有し接触の方向依存性を幾何学的に
   もたない形状である球をなし、前記振動子の他端は振動
   的に前記接触部と釣り合うバランサーを備えたことを特
   徴とするタッチ信号プローブ。
4. 【請求項４】請求項１から３のいずれかに記載されたタ
   ッチ信号プローブにおいて、前記加振手段及び前記検出
   手段はハウジングで密閉され、このハウジングの固有振
   動数並びにその高調波成分が前記振動子の共振振動数と
   相違することを特徴とするタッチ信号プローブ。