JP2884846B2 - タッチプローブ - Google Patents

タッチプローブ

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義之 藤田
清 大家
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は接触検知用のプローブす
なわちタッチプローブに関し、特に三次元測定機に用い
るに好適のものである。
【0002】
【従来技術】三次元測定機においては基台上に置かれた
被測定物にプローブを接触させ、接触点を三次元的に検
知することによって複雑な形状をした被測定物の立体測
定を行っている。このとき接触点の検知に誤差があると
形状測定の誤差となる。この種の測定機で用いられるタ
ッチプローブは、フィーラーを保持する基台に設けた三
本のピンを、三組のV字型支承部に弾圧し、これらのピ
ンと支承部とでは電気接点を形成して閉回路を構成し、
フィーラーが被測定物に接触して偏位すると、この接点
が開いてタッチ信号を出力する構造であった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の技術
においては、フィーラーを保持する基台の三本のピンは
バネによってV字型支承部に弾圧されているため、接点
を開くにはバネに抗してピンを持ち上げなければなら
ず、測定力を小さくすることが難しいという問題点があ
った。
【0004】また、接点が三箇所であるため測定力に方
向性があり、補正困難な誤差を生じる問題もあった。本
発明はこの様な従来の問題点に鑑みてなされたもので、
その目的とするところは、測定力に方向性がなく、かつ
簡単な構成で敏感に接触を検出できるタッチプローブを
提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記課題の解決の為に本
発明のタッチプローブは、被測定物に接触させるための
フィーラー1cと、前記フィーラー1cを保持する保持
部材1a、1dと、前記フィーラー1cを超音波振動さ
せるために前記保持部材1a、1dに装着した圧電素子
3a、3b、3と、前記圧電素子3a、3b、3の電極
3cと3dとの間に高周波電気信号を印加して前記フィ
ーラー1cと前記保持部材1a、1dとを共振状態で超
音波振動させる発振手段10、50と、前記電極3c、
3d間に流れる電流と前記電極3c、3d間の電圧との
位相差を測定する位相差測定手段22、23、24、2
5、26、27と、前記フィーラー1cの共振状態にお
いて基準となる位相差を設定値として保持する記憶手段
28と、前記位相差測定手段22、23、24、25、
26、27で測定された位相差と前記記憶手段28に保
持された設定値とを比較し、不一致の場合にはタッチ信
号を出力する位相差比較手段29、34と、を有する。
【0006】
【作用】本発明においては、共振状態で超音波振動して
いるフィーラーが被測定物に接触すると、共振状態が乱
れ、圧電素子の電極間に流れる電流と電極間の電圧との
位相差に変化が生じる。この変化の検出は、フィーラー
が被測定物に接触する前の共振状態での位相差を設定値
として設定しておき、接触したときの位相差を設定値と
比較して行う。この比較は位相差をパルスでカウントし
て行うので、フィーラー先端の接触を非常に敏感に、か
つ正確に検出できる。また、フィーラーの先端が被測定
物にどの方向から接触しても、振動は妨げられ位相差に
変化が生じるので、測定力に方向性を生じない。
【0007】
【実施例】以下図面に基づいて、本発明の実施例を詳細
に説明する。図1は本発明における一実施例の機械構造
部分を示す斜視図で、図4は図1の縦断面図である。保
持部材1aと、保持部材1aの下端面に接続されたフラ
ンジ1bと、フランジ1bの下端面に接続されたフィー
ラー1cと、保持部材1aの上端面に配設された圧電素
子3a、3b及び電極3c、3d、3eと、圧電素子3
a、3b及び電極3c、3d、3eを保持部材1aの上
端面との間に固定する保持部材1d及び保持部材1dを
保持部材1aに固定するねじ1eと、から振動ホーン1
を形成する。フランジ1bは支持部材2にねじで固定さ
れ、支持部材2は図示されないプローブ本体またはプロ
ーブヘッドに支持される。圧電素子3a、3bは積層型
のもので、圧電素子3aが電極3c、3dの間に挟ま
れ、圧電素子3bが電極3c、3eの間に挟まれてい
る。図5に明瞭に示すように、共通電極3cと電極3d
との間には高周波電源50が接続されて、電極3dと電
極3eは短絡されている。圧電素子は図5のように分極
しており、その結果、振動ホーン1は軸方向に超音波振
動する。このとき、高周波電源50が電極3c、3d間
及び電極3c、3e間に印加する周波数は振動ホーン1
の機械的共振周波数にほぼ等しい周波数である。また、
振動ホーン1の形状は、フィーラー1cの外径に比べて
保持部材1a、1d、圧電素子3a、3b及び電極3
c、3d、3eの外径は大きくなっており、振動ホーン
1を構成している物質中の縦波の音速をC、振動ホーン
1の機械的共振周波数をf、n=0、1、2、3、・・・・
・・、m=0、1、2、3、・・・・・・とすると、図6(a)
に示したように大径部分の長さLと、小径部分の長さl
は、 L=C(1+2n)/4f、 l=C(1+2m)/4
f で決定される。
【0008】例えば振動ホーン1の材質を鉄鋼材とする
と、鉄鋼材を伝わる縦波の音速はC=5200m/sで
あり、n=0、m=1、f=100kHzとすると、L=
13mm、l=39mmとなる。図6(b)はこのときの振
動ホーン1の振動モードの状態を示したもので、振動の
振幅がほぼ0である部分にフランジ1bが位置するよう
に大径部分の長さLと小径部分の長さlを決定し、この
位置に設けたフランジ1bで振動ホーン1を支持部材2
に固定する。この様にして振動ホーン1の固定が振動に
与える影響を極力少なくする。この振動状態では、振動
ホーン1のフィーラー1cの先端の振幅が最大であるた
め、この部分が接触すると振動が著しく妨げられる。振
動が妨げられると振動ホーン1全体の共振周波数が微少
に変化する。その結果、電極3c、3d間に流れる電流
と電極3c、3d間の電圧との位相差に変化が生じる。
すなわち、圧電素子3a、3bを用いた振動系の等価回
路は図2のように、コイルLm 、コンデンサCm 、抵抗
m が直列に接続したものにコンデンサCd が並列につ
ながった形で表すことができる。共振点ではLm とCm
は直列共振しキャンセルされて図3のような回路にな
り、振動素子のインピーダンスはZは、 1/Z=jωCd +1/Rm と表すことができる。ここでωは振動の角速度である。
【0009】Rm は振動の妨げ等の機械的な負荷が増大
すると大きくなるという性質を持つ。圧電素子3a、3
bの電極3c、3d間に印加する電圧をEとすると、圧
電素子3a、3bの電極3c、3d間に流れる電流は、 i=E(jωCd +1/Rm ) となる。これは、電流iと電圧Eとの間にθ=tan-1
(ωCd m )の位相差があることを表している。ここ
で抵抗Rm が増大すると位相差θも増大する。つまり、
フィーラー1cが被測定物に接触すると、圧電素子3
a、3bの電極3c、3d間に流れる電流と電極3c、
3d間の電圧との位相差に変化が生じる。
【0010】図7は本発明の実施例のブロック図であ
る。ここでは、位相差測定回路は、簡単のため単層の圧
電素子3を用いた例で説明するが位相差測定に関して
は、圧電素子を積層にした場合でも全く同じである。位
相差測定回路は、圧電素子3の電極3d側の接続点21
の電圧と抵抗11側の接続点13の電圧との位相差を監
視する。機械的共振周波数で振動ホーン1を超音波振動
させているとき、振動を妨げる力が働くと、圧電素子3
に流れる電流と圧電素子3間の電圧との位相差が変化す
る。この変化は非常に敏感で、わずかな外力にも反応す
る。さて、接続点21及び接続点13の出力波形は正弦
波形なので、波形整形回路22及び23で方形波に変換
し、それぞれをフリップフロップ24のクロックとクリ
アーに入力する。すると、フリップフロップ24の出力
端子24bに現れる出力102(後述の図9参照)は圧
電素子3に流れる電流と圧電素子3間の電圧との位相差
をパルス幅としたパルスになる。フリップフロップ24
の出力とクロック発振器25の出力とがAND回路26
に入力される。AND回路26は、フリップフロップ2
4の出力102とクロック発振器25の出力103(後
述の図9参照)とのANDをとり、アップカウンター2
7に出力する。このカウンター27は、AND回路26
の出力パルスをカウントすると共に、リセット端子が波
形整形回路23に接続されており、電流出力のパルスの
立ち上がりでリセットされる。カウントされた値は、デ
ジタルコンパレータ29によって、ラッチ回路28に記
憶された設定値と比較され、設定値を越えたときデジタ
ルコンパレータ29よりタッチ信号が出力される。
【0011】図8は別の実施例のブロック図である。図
7に示した位相差測定回路のアップカウンター27での
カウント値をD/Aコンバータ32によりアナログ変換
した値と、ラッチ回路28に記憶されている設定値をD
/Aコンバータ33によりアナログ変換した値とをアナ
ログコンパレータ34で比較し、設定値を越えたときア
ナログコンパレータ34よりタッチ信号が出力される。
なお、図8において図7と同機能の部材には同一符号を
付して説明を省略する。
【0012】図9は、図7及び図8の各点の波形を示
し、一部前述してあるが、信号100は図7及び図8の
点22bにおけるもの、信号101は図7及び図8の点
23bにおけるもの、信号102は図7及び図8の点2
4bにおけるもの、信号103は図7及び図8の点25
bにおけるもの、信号104は図7及び図8の点26b
におけるものである。
【0013】さて、図7及び図8の回路においては、共
振状態の位相差は非共振状態の位相差に比べて小さく、
共振点で位相差は極小値となる。従って、圧電素子に入
力する周波数を変化させ、位相差が極小値となった点が
共振点である。このときのアップカウンター27のカウ
ント値より若干大きい値をラッチ28への設定値とす
る。それは、回路の応答遅れ等により誤カウントが生じ
ても、タッチ信号が出力されないようにするためであ
る。
【0014】なお、この回路では、非共振状態での位相
差は約270度、共振状態では180度前後である。
【0015】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、圧電素子
を用いてフィーラーを機械的共振周波数で超音波振動さ
せながら被測定物に接触させ、そのときの振動状態の変
化により生じる位相差の変化を検出して、フィーラーが
接触したことを検知するようにしたものであるから、非
常に高感度で、かつ測定力に方向性がないタッチプロー
ブが得られる。また、位相差の測定値と設定値とを比較
して位相差の変化の検出を行うので、構成が簡単である
という利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による実施例の機械構造部分の斜視図で
ある。
【図2】圧電素子の等価回路図である。
【図3】共振時の圧電素子の等価回路図である。
【図4】図1の縦断面図である。
【図5】圧電素子の説明図である。
【図6】振動ホーンの振幅モードを表した図である。
【図7】図1の圧電素子に接続される、本発明の実施例
の位相差測定回路を示すブロック図である。
【図8】図1の圧電素子に接続される、本発明の別の実
施例の位相差測定回路を示すブロック図である。
【図9】図7及び図8の各点における信号波形の説明図
である。
【符号の説明】
1 振動ホーン 1a 保持部材 1b フランジ 1c フィーラー 1d 保持部材 1e ねじ 2 支持部材 3 圧電素子 3a 圧電素子 3b 圧電素子 3c 電極 3d 電極 3e 電極 10 発振回路 11 抵抗 22 波形整形回路 23 波形整形回路 24 フリップフロップ 25 クロックゼネレータ 26 AND回路 27 アップカウンター 28 ラッチ回路 29 デジタルコンパレータ 32 D/Aコンバータ 33 D/Aコンバータ 34 アナログコンパレータ 50 高周波電源
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−109912(JP,A) 特開 平4−140601(JP,A) 特開 平5−87508(JP,A) 特開 平5−87509(JP,A) 実開 昭54−178543(JP,U) 特表 昭56−501462(JP,A) 特表 昭55−500002(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01B 7/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被測定物に接触させるためのフィーラー
    と、 前記フィーラーを保持する保持部材と、 前記フィーラーを超音波振動させるために前記保持部材
    に装着した圧電素子と、 前記圧電素子の電極間に高周波電気信号を入力して、前
    記フィーラーと前記保持部材とを共振状態で超音波振動
    させる発振手段と、 前記電極間に流れる電流と前記電極間の電圧との位相差
    を測定する位相差測定手段と、 前記フィーラーの共振状態において基準となる位相差を
    設定値として保持する記憶手段と、 前記位相差測定手段で測定された位相差と前記記憶手段
    に保持された設定値とを比較し、不一致の場合にはタッ
    チ信号を出力する位相差比較手段と、を有することを特
    徴とするタッチプローブ。
  2. 【請求項2】 前記設定値は前記発振手段の出力する高
    周波電気信号の周波数を変化させたときに得られる位相
    差の極小値であることを特徴とする請求項1記載のタッ
    チプローブ。
  3. 【請求項3】 前記設定値は前記発振手段の出力する高
    周波電気信号の周波数を変化させたときに得られる位相
    差の極小値より若干大きい値であることを特徴とする請
    求項1記載のタッチプローブ。
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JP2625364B2 (ja) * 1992-12-03 1997-07-02 株式会社ミツトヨ タッチ信号プローブ
JP3500125B2 (ja) 2001-02-14 2004-02-23 株式会社ミツトヨ 弾性体の振動検出システム
GB0609022D0 (en) 2006-05-08 2006-06-14 Renishaw Plc Contact sensing probe

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