JP3393982B2 - タッチ信号プローブ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、固定部材と可動部
材とを備え、可動部材に外部から力が作用したとき固定
部材に対する可動部材の変位を許容し、かつ、可動部材
に作用する力がなくなったときに可動部材を静止位置に
復帰させるプローブの着座機構を備えたタッチ信号プロ
ーブに関する。 【０００２】 【背景技術】三次元測定機では、固定台上に置かれたワ
ークに対して、三次元方向に移動可能なプローブを接触
させ、プローブがワークに接触した瞬間をトリガ信号を
発生して各軸（三次元方向の各軸）の送り座標値を読み
取り、これらの座標値を基にワークの寸法や形状を測定
する。この測定に用いられるプローブは、ワークとの接
触状態を電気的なタッチ信号として出力することができ
るタッチ信号プローブと称され、広く用いられている。 【０００３】一般に、このタッチ信号プローブは、ワー
クと接触するときのスタイラスの僅かな動きを検知する
ための検出機構と、プローブの大きな動きに対してプロ
ーブの破損を防止するためのセイフティ機構とを備え
る。セイフティ機構には、プローブのハウジングに対し
てスタイラスが大きく動けるようにした逃げ機能と、そ
の逃げ動作の後にスタイラスを動作前の元の位置に戻す
レシート機能とが要求される。ここで、この２つの機能
を備えたものを着座機構と呼ぶ。後者のレシート機能
は、測定動作の直前にはスタイラスを常に一定位置（こ
の位置を着座位置あるいは休止位置と称す）に位置づけ
る機能であり、繰り返し精度そのものに直接影響する。 【０００４】従来、この２つの機能を満足させる着座機
構として、６点接触型の着座機構が知られている。６点
接触型の着座機構は、スタイラスに固定された可動部材
に３本の円柱体をスタイラスに放射状に突設し、ハウジ
ングに設けられた固定部材にＶ字状係止部を３組、可動
部材の円柱体と対応する位置に固定し、可動部材を付勢
力発生機構（ばね）で固定部材に押圧して可動部材を所
定の位置に静止させる構造が知られている。この着座機
構は、安定位置が一義的に決まるため、位置の再現性は
理想的であると思われるが、これは、接触点の摩擦力が
零の場合であって、実際にはこの摩擦力のために、位置
の再現性が悪化するという問題がある。 【０００５】そのため、従来では、固定部材と可動部材
とを相対的に振動させ、これにより位置の再現性を高め
る（ディザー効果）プローブ（特開平2-69613 号公報；
従来例１）がある。この従来例１では、固定部材と可動
部材とを相対振動させる時期をプロービング工程の終了
後、つまり、プローブが測定のために一定速度で被測定
物に接近し、測定子が被測定物と接触し、トリガ信号を
発し、多少のオーバートラベルの後、再び測定子と被測
定物が離れるまでの工程の終了後に調整可能な時間中に
行うと良いことが提案されている。 【０００６】また、本件出願人は、可動部材と固定部材
との接触点をスタイラス軸を中心として略放射方向に所
定の手順で相対変位させ、常に摩擦力の作用方向を揃え
ることにより着座位置の復帰性能を高めるタッチ信号プ
ローブを提案した（特願平8-253554号；従来例２）。こ
のタッチ信号プローブは、従来例１とは動作原理が全く
異なり、相対変位により摩擦力の作用方向を揃えること
が肝要なため、時間をかけて相対変位を与える方が余分
な振動が発生せずに確実に摩擦力が揃うという特性を有
している。従来例２では、相対変位させる時期、つま
り、着座位置復帰性能向上のための相対変位を起こすた
めに変位発生機構を作動させるタイミングは、プロービ
ング工程中において、プローブが一定速度で被測定物に
近接中が最も良いと記載されている。これは、測定動作
（トリガ信号を発生する時）直前において、着座位置が
再現されていればよく、しかも、外乱振動等に最も影響
されないタイミングであるからである。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】従来例１における固定
部材と可動部材との相対的な振動は、機械的な固有振動
に一致した振動数の振動か、あるいは、この固有振動数
を成分に含んだランダムな振動である必要があり、スタ
イラスを変えた場合には、機械的な固有振動数が変化す
るため、その振動数を調整し、直す必要がある。また、
可動部材と固定部材との間の６つの接触点における相対
的なすべりが多数繰り返されるため、接触点における磨
耗が急激に進行する不都合を有している。 【０００８】また、従来例２では、プローブが一定速度
で被測定物に接近する時間あるいは距離は、測定毎に異
なるため、極端な場合、相対変位を起こさせる直前に測
定子が被測定物に接触してしまうことが生じる。この不
都合を回避するには、測定子と被測定物との間に十分な
距離を保つことが考えられるが、十分な距離を保つと、
測定時間がかかるという不都合が生じる。いずれの従来
例の場合も、相対変位を与えるタイミングは、上位の制
御装置からの指令かトリガ信号を基準としてプローブ内
で作られる必要があった。 【０００９】本発明の目的は、このような従来の点に鑑
み、長期にわたり高い位置の再現性を確保できる着座機
構を備えるとともに測定時間を短縮できるタッチ信号プ
ローブを提供することにある。 【００１０】 【課題を解決するための手段】そのため、本発明は、ス
タイラスに設けられた接触検知センサが接触信号を発生
すると同時にあるいは一定時間遅延した後にハウジング
に取り付けられた固定部材と、スタイラスが設けられた
可動部材とを徐々に相対変位駆動し、あるいは、徐々に
想定変位駆動を停止して前記目的を達成しようとするも
のである。 【００１１】具体的には、本発明のタッチ信号プローブ
は、ハウジングに取り付けられた固定部材と、可動部材
と、前記固定部材と前記可動部材とが互いに離隔した３
箇所のそれぞれにおいて一対の接触点で接触し、これに
より前記固定部材と前記可動部材との相対位置を一義的
に定める機能を有する着座機構と、前記可動部材に設け
られ先端に被測定物と接触する接触子を有するスタイラ
スと、このスタイラスに設けられ前記接触子が前記被測
定物と接触することを検知するための接触検知センサ
と、前記接触子に外部から力が加えられたとき前記固定
部材に対する前記可動部材の変位を許容し、かつ、前記
接触子に加えられる力がなくなったとき前記可動部材を
着座位置に復帰させるための付勢力発生手段と、前記接
触子へ加えられる力がなくなった後、前記着座機構にお
ける前記固定部材と前記可動部材の接触状態を保ちつ
つ、各接触点において前記固定部材と前記可動部材とを
相対変位させる変位発生機構と、を備えたタッチ信号プ
ローブであって、前記変位発生機構は、前記接触検知セ
ンサが前記接触子と前記被測定物の接触開始を示す接触
信号を発生すると同時にあるいは前記接触信号を発生し
て一定時間遅延した後に徐々に前記固定部材と前記可動
部材とを相対変位駆動し、前記接触検知センサが前記接
触子と前記被測定物の接触終了を示す接触信号を発生す
ると同時にあるいは前記接触信号を発生して一定時間遅
延した後に徐々に前記固定部材と前記可動部材との相対
変位駆動を停止することを特徴とする。 【００１２】このような構成により、タッチ信号プロー
ブが測定のために一定速度で被測定物に接近し、測定子
が被測定物と接触すると、これを接触検知センサが検知
してトリガ信号を発し、その位置が測定値として読み込
まれる。接触検知センサが接触子と被測定物の接触開始
を示す接触信号を発生すると同時にあるいは接触信号を
発生して一定時間遅延した後に変位発生機構は固定部材
と可動部材とを徐々に相対変位駆動する。その後、接触
検知センサが接触子と被測定物の接触終了を示す接触信
号を発生すると同時にあるいは接触信号を発生して一定
時間遅延した後に変位発生機構は、固定部材と可動部材
との相対変位駆動を徐々に停止する。従って、固定部材
と可動部材との相対変位が滑らかに起こるため、静止位
置に正確に復帰させることが可能となる。しかも、固定
部材と可動部材とを相対変位させる時期がプロービング
工程中ではないため、測定子と被測定物との間に十分な
距離を保つ必要がなく、測定時間を短縮することができ
る。 【００１３】 【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図を
参照しながら詳細に説明する。図１は本実施形態にかか
るタッチ信号プローブを示す分解斜視図である。タッチ
信号プローブは、図示しないハウジングに取り付けられ
た固定部材１と、可動部材２と、固定部材１と可動部材
２との相対位置を一義的に定める機能を有する着座機構
３と、可動部材２に設けられ先端に被測定物と接触する
球状の接触子４Ａを有するスタイラス４と、このスタイ
ラス４に設けられ接触子４Ａが被測定物と接触すること
を検知するための接触検知センサ５と、可動部材２を固
定部材１に向けて付勢する付勢力発生手段６と、接触子
４Ａへ加えられる力がなくなった後、着座機構３におけ
る固定部材１と可動部材２の接触状態を保ちつつ、固定
部材１と可動部材２とを相対変位させる変位発生機構７
とを備えた構造である。 【００１４】固定部材１は、スタイラス４の軸を中心に
１２０度間隔で放射状に延びた３本の腕部２１〜２３を
有し、その各腕部２１〜２３の先端上面に硬球３１〜３
３が配置されている。３個の硬球３１〜３３の中心位置
は、スタイラス４の軸に対して等距離で、かつ、１２０
度間隔である。また、各腕部２１〜２３において、硬球
３１〜３３より内側部分には収納孔２１Ａ，２２Ａ，２
３Ａが上下面に貫通形成され、その各収納孔２１Ａ，２
２Ａ，２３Ａ内には変位発生機構７として圧電素子７１
〜７３が予圧を加えられた状態で埋め込まれている。 【００１５】各圧電素子７１〜７３は前記放射方向に略
沿って伸縮するように配置されている。従って、各圧電
素子７１〜７３に電圧を印加すると、各硬球３１〜３３
はスタイラス４の軸を中心に略放射方向に変位されるよ
うに構成される。なお、８は固定部材１の中心に穿設さ
れた挿通孔で、可動部材２のスタイラス４が挿通され
る。可動部材２の中心には、スタイラス４が直角にかつ
下方に向かって突設されている。 【００１６】このスタイラス４は、図２（Ａ）（Ｂ）に
示される通り、前記接触子４Ａと、この接触子４Ａが一
端部に取り付けられた断面円形のスタイラス本体４Ｂ
と、このスタイラス本体４Ｂの他端部に一体形成された
圧電素子支持部４Ｃと、この圧電素子支持部４Ｃの端部
に設けられ可動部材２の中心部に装着するねじ部４Ｄと
を備え、これらの部材はスタイラス軸上に配置されてい
る。圧電素子支持部４Ｃは、その中央部が括れるように
形成された略直方体であり、その両側部に接触検知セン
サ５としての４枚の圧電素子５１〜５４の両端部が接着
剤等でそれぞれ固着されている。 【００１７】図１において、スタイラス４の軸を中心と
して１２０度間隔でかつ互いに離間した３箇所にはＶ溝
４１〜４３が設けられている。各Ｖ溝４１〜４３は、溝
方向が前記放射方向に略一致するように配置されてい
る。以上のような構成において、硬球３１〜３３とＶ溝
４１〜４３とを備えて前記着座機構３が構成され、この
着座機構３は、固定部材１に対して可動部材２を着座さ
せた状態では、固定部材１及び可動部材２のそれぞれの
３箇所において、硬球３１〜３３とＶ溝４１〜４３とが
１対で２箇所、３対で６箇所において点接触した状態
で、固定部材１に対し可動部材２が着座、静止される。 【００１８】付勢力発生手段６は、接触子４Ａに外部か
ら力が加えられたとき固定部材１に対する可動部材２の
変位を許容し、かつ、接触子４Ａに加えられる力がなく
なったとき可動部材２を着座位置に復帰させるために可
動部材２と図示しないハウジングとの間に設けられたコ
イルばねである。接触検知センサ５には、接触子４Ａに
被測定物が接触することを検知した際にタッチ信号を出
力する接触検知回路９が接続され、この接触検知回路９
には、変位発生機構７を構成するものであり、所定の電
圧を圧電素子７１〜７３に印加する変位発生機構駆動回
路１０が接続されている。即ち、スタイラス４の変位変
化が接触検知回路９で検知されると、それに伴いタッチ
信号が出力され、その信号を受けて変位発生機構駆動回
路１０では然るべきタイミングで圧電素子７１〜７３に
所定の電圧を印加する。 【００１９】図３には変位発生機構駆動回路１０を駆動
するタイミングを示したタイムチャートが示されてい
る。図３において、（ａ）はスタイラス４に設けられた
接触検知センサ５からの出力信号を示す。この出力信号
として、測定子４Ａが被測定物に接触している間にセン
サ信号が発せられる。このセンサ信号について、所定の
スライスレベルを設定しておき、このスライスレベルを
センサ信号が越えた時に測定子４Ａが被測定物に接触を
開始したことを示す（ｂ）のトリガ信号が発生する。こ
のトリガ信号が発生した時の測定子４Ａの位置が測定値
として読み込まれる。 【００２０】測定子４Ａが被測定物から離れると、測定
子４Ａの被測定物への接触を終了したことを示す（ｄ）
のトリガ信号を発生させる。（ｂ）のトリガ信号をある
時間Ｔ₁ だけ遅延させた後に（ｃ）で示す遅延信号１を
発生させ、（ｄ）のトリガ信号をある時間Ｔ₂ だけ遅延
させた後に（ｅ）で示す遅延信号２を発生させる。
（ａ）から（ｅ）で示す信号は接触検知回路９で発生さ
れるものであり、このうち、（ｃ）で示す遅延信号１を
受けて変位発生機構駆動回路１０が駆動し、（ｅ）で示
す遅延信号２を受けて変位発生機構駆動回路１０の駆動
が停止する。前記時間Ｔ₁ 及びＴ₂ は適宜設定されるも
のであり、時間Ｔ₁ 及びＴ₂ の双方あるいはいずれか一
方は０であってもよい。ただし、測定の安定性を確保す
るために、前記時間Ｔ₁ 及びＴ₂ をそれぞれ０とする
（Ｔ₁≠０，Ｔ₂ ≠０）ことが好ましい。即ち、接触子
４Ａと被測定物とが接触するとセンサ信号（ａ）が変化
し、トリガ信号（ｂ）を発生するが、実際は、この瞬
間、接触したり、再び離れたりして複雑な動きをする場
合があるので、接触子４Ａと被測定物とが完全に接触し
てから駆動をさせることが測定の安定性を確保する上
で、Ｔ₁ ≠０が好ましい。同様の理由からＴ₂ ≠０が好
ましい。 【００２１】変位発生機構駆動回路１０が駆動して圧電
素子７１〜７３へ電圧が印加されると、圧電素子７１〜
７３は、各硬球３１〜３３をスタイラス４の方向へ一旦
近づけてから逆に遠ざけた後に元の位置に戻る（あるい
はその逆の）伸縮変位を与える。これに伴い、硬球３１
〜３３が前述した変位許容方向に変位し、各接触点にお
ける摩擦力の方向が一定方向に揃えられ、結果として所
定位置への高い復帰精度が得られる。さらに詳細に述べ
れば、硬球３１〜３３とＶ溝４１〜４３との相対的な滑
りを、毎回同じ一定方向に一定の手順で起こさせると、
摩擦力とＶ溝間に働く力を常に一定にできるということ
であり、着座位置のばらつきをなくすことができる。 【００２２】ここで、変位発生機構駆動回路１０は、遅
延信号１を受けた後に動作を開始、つまり、圧電素子７
１〜７３への通電を開始し、（ｆ）で示す通り、Ｔ₃ の
時間をかけて電圧を時間と正比例するように立ち上げ
る。これにより、硬球３１〜３３が設けられた固定部材
１とＶ溝４１〜４３が設けられた可動部材２とが徐々に
相対変位駆動する。電圧が所定値に達すると、その電圧
を保持する。その後、変位発生機構駆動回路１０は、遅
延信号２を受けた後に動作を終了、つまり、圧電素子７
１〜７３へ通電する電圧を低下させるが、（ｆ）で示す
通り、Ｔ₄ の時間をかけて電圧を時間と正比例するよう
に立ち下げ、つまり、電圧を前記所定値から０まで下げ
る。これにより、固定部材１と可動部材２との相対変位
駆動が徐々に停止される。 【００２３】本実施形態では、前記時間Ｔ₃ 及びＴ₄ は
適宜設定されるものであり、図３の（ｆ）に示される通
り、時間Ｔ₃ 及びＴ₄ と電圧との関係が直線的に変化す
るものでもよく、あるいは、曲線的に変化するものでも
よい。ただし、高い復帰精度を得るためには、連続的に
滑らかに変化させることが望ましい。さらに、時間Ｔ ₄
は事情が許す限り、大きくとることが望ましい。即ち、
本実施形態は、固定部材１と可動部材２との接触点間に
相対変化を行わせることにより位置の再現性を高める機
構である。この相対変位の速度は特に制限がないが、ゆ
っくりさせた方が安定していると考えられるため、時間
Ｔ₄ は事情が許す限り、大きくとることが望ましい。 【００２４】従って、本実施形態では、固定部材１と、
可動部材２と、固定部材１と可動部材２とが互いに離隔
した３箇所のそれぞれにおいて一対の接触点で接触し、
これにより固定部材１と可動部材２との相対位置を一義
的に定める着座機構３と、可動部材２に設けられ被測定
物と接触する接触子４Ａを有するスタイラス４と、この
スタイラス４に設けられ接触子４Ａが被測定物と接触す
ることを検知するための接触検知センサ５と、接触子４
Ａに外部から力が加えられたとき固定部材１に対する可
動部材２の変位を許容し、かつ、接触子４Ａに加えられ
る力がなくなったとき可動部材２を着座位置に復帰させ
るための付勢力発生手段６と、接触子４Ａへ加えられる
力がなくなった後、着座機構３における固定部材１と可
動部材２の接触状態を保ちつつ、各接触点において固定
部材１と可動部材２とを相対変位させる変位発生機構７
とを備え、変位発生機構７は、接触検知センサ５が接触
子４Ａと被測定物の接触開始を示す接触信号を発生する
と同時にあるいは接触信号を発生して一定時間Ｔ₁ 遅延
した後に徐々に固定部材１と可動部材２とを相対変位駆
動し、接触検知センサ５が接触子４Ａと被測定物の接触
終了を示す接触信号を発生すると同時にあるいは前記接
触信号を発生して一定時間Ｔ₂ 遅延した後に徐々に固定
部材１と可動部材２との相対変位駆動を停止する構成と
したので、固定部材１と可動部材２との相対変位が滑ら
かに起こるため、静止位置に正確に復帰させることが可
能となる。 【００２５】その上、固定部材１と可動部材２とを相対
変位させる時期がプロービング工程中ではないため、測
定子４Ａと被測定物との間に十分な距離を保つ必要がな
く、測定時間を短縮することができる。さらに、変位発
生機構７の作動信号は、三次元測定機の制御装置自体か
ら受けることがないため、配線の簡略化が図れる等、回
路構成が簡単になる。 【００２６】しかも、本実施形態では、硬球３１〜３３
とＶ溝４１〜４３との相対的な滑りを毎回同じ一定方向
に一定の手順で起こさせることになるから、摩擦力とＶ
溝間に働く力を常に一定にできることになり、着座位置
のばらつきをなくすことができる。さらに、変位量がミ
クロ的に微少であれば、硬球３１〜３３とＶ溝４１〜４
３とは自由に動き得るので、圧電素子７１〜７３による
変位を加える一定方向がＶ溝４１〜４３の方向と厳密に
一致している必要はなく、微少な範囲であれば、これら
の方向がずれていても、摩擦力を一定方向に揃えること
ができる。 【００２７】以上、本発明について好適な実施形態を挙
げて説明したが、本発明は、この実施形態に限られるも
のでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での変更が可
能である。例えば、前記実施形態では、付勢力発生手段
６としてコイルばねを用いたが、本発明では、可動部材
２を固定部材１に付勢するものであれば、その具体的な
構成は問われない。例えば、空気等の流体力でも、磁
力、あるいは、静電力でも付勢力発生手段として利用す
ることができる。 【００２８】また、前記実施形態では、硬球３１〜３３
をＶ溝４１〜４３の放射方向へ滑らせるために圧電素子
７１〜７３を用いたが、励磁コイルや、静電力、空圧
力、あるいは、油圧力などの他の駆動手段を用いてもい
っこうに差し支えない。さらに、本発明では、変位発生
機構６を固定部材１と可動部材２の双方に設けてもよ
い。また、前記実施形態では、硬球とＶ溝との相対変位
を行うために、３個のＶ溝４１〜４３に対し硬球３１〜
３３を変位させたが、本発明は硬球３１〜３３とＶ溝４
１〜４３を所定の方向に相対変位させることが重要であ
るため、例えば、３個の硬球３１〜３３に対してＶ溝４
１〜４３を変位させても何ら差し支えない。 【００２９】 【発明の効果】本発明のタッチ信号プローブによれば、
長期にわたり高い位置の再現性を確保できるとともに測
定時間を短縮できるという効果を達成することができ
る。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の一実施形態にかかるタッチ信号プロー
ブを示す分解斜視図である。 【図２】スタイラスの構成を詳細に示すもので、（Ａ）
は圧電素子が取り付けられる前の状態を示す斜視図であ
り、（Ｂ）は圧電素子が取り付けられた後の状態を示す
斜視図である。 【図３】変位発生機構を駆動するためのタイムチャート
である。 【符号の説明】 １ 固定部材 ２ 可動部材 ３ 着座機構 ４ スタイラス ４Ａ 接触子 ５ 接触検知センサ ６ 付勢力発生手段 ７ 変位発生機構 ９ 接触検知回路 １０ 変位発生機構駆動回路

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−96618（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−206105（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−178608（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−69613（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−58109（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 7/00 G01B 21/00

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】ハウジングに取り付けられた固定部材と、
   可動部材と、前記固定部材と前記可動部材とが互いに離
   隔した３箇所のそれぞれにおいて一対の接触点で接触
   し、これにより前記固定部材と前記可動部材との相対位
   置を一義的に定める機能を有する着座機構と、前記可動
   部材に設けられ先端に被測定物と接触する接触子を有す
   るスタイラスと、このスタイラスに設けられ前記接触子
   が前記被測定物と接触することを検知するための接触検
   知センサと、前記接触子に外部から力が加えられたとき
   前記固定部材に対する前記可動部材の変位を許容し、か
   つ、前記接触子に加えられる力がなくなったとき前記可
   動部材を着座位置に復帰させるための付勢力発生手段
   と、前記接触子へ加えられる力がなくなった後、前記着
   座機構における前記固定部材と前記可動部材の接触状態
   を保ちつつ、各接触点において前記固定部材と前記可動
   部材とを相対変位させる変位発生機構と、を備えたタッ
   チ信号プローブであって、 前記変位発生機構は、前記接触検知センサが前記接触子
   と前記被測定物の接触開始を示す接触信号を発生すると
   同時にあるいは前記接触信号を発生して一定時間遅延し
   た後に徐々に前記固定部材と前記可動部材とを相対変位
   駆動し、前記接触検知センサが前記接触子と前記被測定
   物の接触終了を示す接触信号を発生すると同時にあるい
   は前記接触信号を発生して一定時間遅延した後に徐々に
   前記固定部材と前記可動部材との相対変位駆動を停止す
   ることを特徴とするタッチ信号プローブ。