JP3618035B2

JP3618035B2 - タッチプローブおよびそのタッチプローブを用いた測定方法

Info

Publication number: JP3618035B2
Application number: JP04775097A
Authority: JP
Inventors: 和彦日高
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1997-03-03
Filing date: 1997-03-03
Publication date: 2005-02-09
Anticipated expiration: 2017-03-03
Also published as: JPH10246606A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、三次元測定機などにおいて、被測定物の寸法や形状などを測定するために用いられるタッチプローブおよびそれを用いた測定方法に関する。詳しくは、被測定物に接触する接触部を有するスタイラスを振動させ、接触部が被測定物に接触したときのスタイラスの状態量の変化を捉えて被測定物との接触を検知する加振型のタッチプローブおよびそれを用いた測定方法に関する。
【０００２】
【背景技術】
三次元測定機などにおいて、被測定物の寸法や形状などを測定するためにタッチプローブが用いられている。
タッチプローブとして、特開平６−２２１８０６号公報に開示されているように、先端に被測定物に接触する接触部を有するスタイラスを振動させ、この状態において接触部を被測定物に接触させ、このときのスタイラスの振動状態の変化を電気的に捉えて接触信号を出力する、いわゆる、加振型のタッチプローブが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の加振型のタッチプローブの検出原理によると、スタイラスの接触部と被測定物とが接触するときの相対移動速度によって振動状態の変化の様子が異なるため、接触信号の検出位置が不安定になってしまっていた。
この理由により、いわゆる接触信号の測定速度依存性が大きくなっていた。
【０００４】
本発明の目的は、加振型タッチプローブの近接覚性能を活かし、そのタッチプローブを用いた装置の高速化、高精度化および耐外乱性の向上に寄与できるタッチプローブおよびそのタッチプローブを用いた測定方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のタッチプローブは、被測定物に接触する接触部を有するスタイラスと、このスタイラスに配置されそのスタイラスに振動を加える加振素子と、この加振素子を振動させる駆動手段と、前記スタイラスに配置されそのスタイラスの状態量を検出する検出素子と、この検出素子の出力信号を前記スタイラスの状態量に対応した信号として出力する検出手段と、この検出手段の出力信号を基に、前記接触部が被測定物に接触することによってスタイラスの状態量が変化したときを捉え、接触信号を出力する接触検出部とを備えたタッチプローブにおいて、前記検出手段の出力信号を用いて、前記接触部が被測定物に近接する際に、加振された前記接触部から出力される音波の反射波により変化するスタイラスの状態量を捉え、近接信号を出力する近接検出部を備えることを特徴とする。
【０００６】
以上の構成において、タッチプローブのスタイラスを加振素子の駆動によって振動させる。この状態において、タッチプローブと被測定物とを相対移動させ、スタイラスの接触部と被測定物とを接触させる。すると、スタイラスの振動が拘束され、それにより、スタイラスの状態量が変化するため、接触検出部から接触信号が出力される。
この際、スタイラスの接触部と被測定物とが接触前において、スタイラスの接触部と被測定物とが接近すると、スタイラスの振動状態が微妙に変化する。これは、スタイラスの接触部と被測定物とが接近すると、接触部より放射される音波が被測定物より反射され、接触部がその反射波の影響を受けるために、振動状態が変化するためである。
すると、その振動状態の変化が近接検出部によって検出され、その近接検出部から近接信号が出力される。つまり、スタイラスの接触部と被測定物とが接近直前である旨の信号が出力される。
従って、この近接信号を利用して、タッチプローブと被測定物との接触条件や検出方式などを変化させることにより、加振型タッチプローブのもつ欠点を解消できる。
【０００７】
一般的に、加振型のタッチプローブは、動作原理上、測定速度に比例して検出素子からの出力信号が不安定になり、これが基で検出位置精度の不確かさが大きくなると考えられる。この測定速度依存を回避する方法として、予め、被測定物の大まかな形状を測定機に認識させておき、被測定物に近接すると移動機構を減速させる方式が知られている。しかし、この方式の場合、予め、被測定物の形状を測定機に認識させる必要があるため、すなわち、ティーチングの作業を行う必要があるため、効率的といえない。
【０００８】
本発明の測定方法は、上記構成のタッチプローブと被測定物とを相対移動させながら接触させ、前記接触検出部から接触信号が出力されたときの前記タッチプローブと前記被測定物との相対移動位置から被測定物の寸法を測定する測定方法であって、前記近接検出部から出力される近接信号を基に前記タッチプローブと被測定物との相対移動速度を減速させることを特徴とする。
いま、タッチプローブと被測定物とが、任意の十分に速い速度Ｖで相対移動しながら接近していき、接触直前に近接信号が出力されると、減速されるから、十分に低い測定速度でタッチプローブと被測定物との接触が可能になる。従って、効率的な高速高精度測定が可能である。
【０００９】
また、上述のように、加振型のタッチプローブは高速測定に不向きであり、接触時における移動機構の減速を余儀なくされるという欠点をもつ。
【００１０】
本発明の測定方法は、上記構成のタッチプローブと被測定物とを相対移動させながら接触させ、前記接触検出部から接触信号が出力されたときの前記タッチプローブと前記被測定物との相対移動位置から被測定物の寸法を測定する測定装置であって、前記近接検出部から出力される近接信号を基に前記加振素子の振動を停止させ、前記スタイラスが前記被測定物と接触する際に前記検出素子に生じる衝撃力または歪み力を前記検出手段により観測し、この衝撃力または歪み力に応じて前記接触検出部から接触信号を出力することを特徴とする。
【００１１】
タッチプローブと被測定物とが相対移動しながら接近していくと、近接検出部から近接信号が出力される。すると、加振素子の振動が停止される。この状態において、スタイラスの接触部と被測定物とが接触すると、スタイラスには被測定物から衝撃力が与えられる。この衝撃力またはそれに起因する歪み力が検出素子を介して検出手段で検出され、その衝撃力または歪み力に応じて接触検出部から接触信号が出力される。つまり、加振型の接触センサが衝撃力（歪み力）検出センサに変わる。
従って、衝撃力（歪み力）検出センサは、加振型の接触センサのような振動による影響を受けないので、検出位置の不安定性の問題を回避できる。
【００１２】
ただ、衝撃力（歪み力）検出センサでは、その検出原理に基づく欠点として、衝撃力（歪み力）の大きさは測定速度、具体的には接触部と被測定物の衝突速度に依存することが挙げられる。つまり、低測定領域では、検出信号が小さく、電気、外乱ノイズなどに埋もれ、接触を検知できない虞がある。
【００１３】
本発明の測定方法では、前記近接信号が出力される際に、前記加振素子の振動を停止させるか否かを前記タッチープローブと被測定物との相対移動速度に応じて選択することを特徴とする。
いま、タッチプローブを取り付けた測定機が通常の三次元測定機と同様に自身の移動速度を認識しているものとする。近接信号が出力されたとき、移動速度が低速領域であれば、近接検出部は駆動手段への駆動停止指令を行わず、そのまま加振型接触センサとする。逆に、移動速度が高速領域であれば、駆動手段への駆動停止指令を行う。つまり、測定速度に応じて、低速領域においては加振型接触検出を行い、高速領域においては衝撃（歪み）検出を行う。
【００１４】
近接検出部からの近接信号により駆動手段のオン／オフを行うことで、低高速領域において、高精度な測定を行うことが可能となる。また、自身の移動速度を認識できない、たとえば、手動型の移動機構のような場合においても、その用途に応じて近接信号の出力後どちらの検出法を用いるか、つまり、加振素子の振動を停止させるか否かを、測定前に選択できるようにすれば、対応できる。
【００１５】
また、上述の加振型検出、衝撃検出（歪み検出）ともにスタイラスの状態量の変化を捉えることが基本原理であるため、被測定物と接触した場合のみならず、移動機構の加減速中にノイズとして出力される接触信号を接触によるものとみなさないように、通常は判定機能を付加してこれに対応する必要がある。
【００１６】
本発明の測定方法は、前記近接信号を判定信号として、その近接信号が出力された後に前記接触検出部から出力された信号を接触信号としたことを特徴とする。
このようにすれば、近接信号を上記判定信号として適用できる。つまり、接触検出部では、近接信号の出力後に変化する状態量のみを検出手段から受け、接触検出部内蔵のしきい値以下に状態量が変化したとき、接触信号を出力する。また、近接信号の出力のタイミングを接触直前に予め調整しておけば、耐外乱性能を更に向上させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本実施形態のタッチプローブを示している。同タッチプローブは、被測定物１と相対移動可能に設けられたスタイラス１１を備える。ここでは、被測定物１が移動機構２を介して、スタイラス１１に対して移動可能に設けられている。なお、移動機構２としては、スタイラス１１を被測定物１に対して移動させるもの、あるいは、両者（スタイラス１１と被測定物１）を移動させるものでもよい。移動方向についても、図では一方向のみしか示していないが、二次元、三次元方向への移動を含む。
【００１８】
スタイラス１１には、先端部に被測定物１と接触する接触部１２が設けられているとともに、基端部にそのスタイラス１１に振動を加える加振素子１３およびスタイラス１１の状態量を検出する検出素子１４がそれぞれ配置されている。加振素子１３にはそれを振動させる駆動手段としての駆動回路１５が、検出素子１４には検出手段としての検出回路１６がそれぞれ接続されている。
【００１９】
検出回路１６は、前記検出素子１４の出力信号をスタイラス１１の状態量に対応した信号、つまり、検出素子１４から出力される振動状態の振幅を、これに対応するＤＣレベルに変換し後段に出力する。たとえば、接触部１２が被測定物１に接触すると、スタイラス１１の振動は拘束され、検出素子１４の出力振動振幅は減少し、ＤＣレベルは下がる。ここでは、観測方法として、上述の方法を示したが、振動の状態量には振幅以外に周波数、位相などがあり、この検出回路の観測する状態量は振幅以外の状態量、もしくは、それらの組合せであっても差し支えない。
【００２０】
通常、スタイラス１１は、その接触部１２が被測定物１に接触すると、振動状態が変化するが、細かに観察すると、接触部１２が被測定物１と非接触状態においても両者の距離に応じて微妙に変化する。これは、接触部１２より放射される音波が被測定物１より反射され、接触部１２がその反射波の影響を受けるために振動の状態が変化するからである。
【００２１】
図２は検出回路１６から出力される上記変化の様子を多少誇張して示したものである。接触状態にあるとき、状態量が変化する現象を近接覚により変化すると表現することもある。同図からも分かるように、近接覚は接近とともに状態量が大きくなる場合もあれば、小さくなる場合もある。
【００２２】
前記検出回路１６の後段には、近接検出部１７と接触検出部１８とがそれぞれ接続されている。スタイラス１１が被測定物１から十分に離れた位置にあるときのＤＣレベルをＷｏとすると、近接検出部１７では、スタイラス１１が被測定物１に接近しＷｏが僅かに変化したときに近接信号Ａを出力する。また、接触検出部１８では、スタイラス１１が被測定物１に接触し、状態量が大きく変化したときに接触信号を発生する。
【００２３】
この近接検出部１７および接触検出部１８の機能を図３および図４に示す。図３は近接状態における状態量の変化が減少する場合である。図４は増加する場合である。よって、近接検出部１７では、図３、４に示すように、所定の観測領域をもっており、この観測領域を状態量が超えた場合に近接信号Ａを出力する（ウインドコンパレータ）。また、接触検出部１８では、近接検出部１７の観測領域の下側に所定の観測点をもっており、接触により状態量が大きく変化し、この観測点を超えると接触信号を出力する（コンパレータ）。
【００２４】
ただし、スタイラス１１の形状、振動条件などにより、検出感度が異なるため、ウインドコンパレータ、コンパレータのしきい値はこの検出感度に応じた設定とする。また、上記のように、近接検出部１７、接触検出部１８の実現方法を一例として示したが、これら方法に限定されるものでなく、他の方法であっても差し支えない。
【００２５】
このような近接検出部１７を内蔵した構成のタッチプローブを用いて、以下に示すような測定方法を採ることにより様々な効果が期待できる。
【００２６】
（１）測定の高速化
一般的に、加振型のタッチプローブは、動作原理上、測定速度に比例して検出素子からの出力信号が不安定になり、これが基で検出位置精度の不確かさが大きくなると考えられる。この測定速度依存を回避する方法として、予め、被測定物の大まかな形状を測定機に認識させておき、タッチプローブと被測定物とが近接すると移動機構を減速させる方式が知られている。
しかし、この方式の場合、予め、被測定物の形状を測定機に認識させる必要があるため、すなわち、ティーチングの作業を行う必要があるため、効率的といえない。
【００２７】
これに対して、図５に示すように、近接信号Ａを減速指令として移動機構２に与えるように構成する。移動機構２は、任意の十分に速い速度Ｖでタッチプローブと被測定物１との接近動作を行い、接触前に近接信号Ａを受け取ると、減速を行う。これにより、十分に低い測定速度でタッチプローブと被測定物１との接触が可能になる。従って、上記測定方法を用いれば、効率的な高速高精度測定が可能になる。
【００２８】
（２）更なる高速測定への対応化
上記（１）の効果には振動状態の変化を捉える加振型の接触センサの場合で説明した。しかし、前述のように、加振型の接触センサは高速測定に不向きであり、接触時における移動機構の減速を余儀なくされる。
【００２９】
これに対して、図６に示すような方式にすることにより、上記問題を解決できる。加振素子１３、検出素子１４に一例として圧電素子を用いる。近接信号Ａが近接検出部１７から駆動回路１５に出力されると、この近接信号Ａを受けて駆動回路１５では圧電素子の駆動を停止させる。先端の接触部１２が被測定物１と接触する際に圧電素子はスタイラス１１が被測定物１からの衝撃波を受ける。圧電素子はこの衝撃力を検出できる特性を合わせ持つ。接触検出部１８では、この衝撃波の影響で生じる圧電素子の状態量の変化を捉え、接触信号を外部へ出力する。つまり、近接信号Ａを受ける加振型の接触センサは衝撃力検出センサに変わるのである。衝撃力検出センサは、加振型の接触センサのような振動による影響を受けないので、検出位置の不安定性はあまりないと考えられる。従って、この測定方法によれば、高速測定領域での測定が可能になる。
【００３０】
（３）低高速測定への対応化
上記（１）（２）では、それぞれの検出原理に基づく性能を引き出すことが可能になった。ところが、上記（２）では、つまり、衝撃力検出センサでは、その検出原理に基づく欠点として、圧電素子から出力される衝撃力の大きさは測定速度、具体的には接触部１２と被測定物１の衝突速度に依存することが挙げられる。つまり、低測定領域では、検出信号が小さく、電気、外乱ノイズなどに埋もれ、接触を検知できない虞がある。
【００３１】
これに対して、図７に示すような方式とすることにより、それぞれが有する特長のみを抽出することが可能となる。
まず、移動機構２は、通常の三次元測定機と同様に自身の移動速度を認識しているものとする。近接信号Ａが出力されたとき、移動速度が低速領域であれば、近接検出部１７は駆動回路１５への駆動停止指令を行わず、そのまま加振型接触センサとする。逆に、移動速度が高速領域であれば、駆動回路１５への駆動停止指令を行う。つまり、測定速度に応じて、低速領域においては加振型接触検出を行い、高速領域においては衝撃検出を行う。
【００３２】
近接検出部１７からの近接信号Ａにより駆動回路１５の駆動オン／オフを行うことで、低高速領域において、高精度な測定を行うことが可能となる。また、自身の移動速度を認識できない、たとえば、手動型の移動機構のような場合においても、その用途に応じて近接信号Ａの出力後どちらの検出法を用いるか、予め測定前に選択できる機能を付加することで対応できることは容易に推測できる。
なお、上記（２）（３）の効果として、圧電素子を用いた衝撃波検出法を例に挙げたが、これに限られるものでなく、たとえば、歪み検出法など、他の素子を用いた検出法であってもよい。
【００３３】
（４）耐外乱性能の向上
上述のように、加振型検出、衝撃検出（歪み検出）ともにスタイラス１１の状態量の変化を捉えることが基本原理であるため、被測定物１と接触した場合のみならず、移動機構２の加減速中にノイズとして出力される接触信号を接触によるものとみなさないように、通常は判定機能を付加してこれに対応する必要がある。
【００３４】
これに対しては、図８のような方式にすることで、近接信号Ａを上記判定信号として適用できる。つまり、接触検出部１８では、信号Ａの出力後に変化する状態量のみを検出回路１６から受け、接触検出部１８内蔵のしきい値以下に状態量が変化したとき、接触信号を出力する。また、信号Ａの出力のタイミングを接触直前に予め調整しておけば、耐外乱性能は更に向上することが推測できる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、加振式タッチプローブの近接覚性能を活かし、タッチプローブを用いた装置の高速化、高精度化および耐外乱性の向上に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るタッチプローブの一実施形態の概略構成を示す図である。
【図２】スタイラスが被測定物に接近してきたときに生じる状態量の変化を説明するための図である。
【図３】近接状態における状態量の変化が減少する場合を示すタイムチャートである。
【図４】近接状態における状態量の変化が増加する場合を示すタイムチャートである。
【図５】本発明の測定方法（１）を示すための図である。
【図６】本発明の測定方法（２）を示すための図である。
【図７】本発明の測定方法（３）を示すための図である。
【図８】本発明の測定方法（４）を示すための図である。
【符号の説明】
１被測定物
２移動機構
１１スタイラス
１２接触部
１３加振素子
１４検出素子
１５駆動回路（駆動手段）
１６検出回路（検出手段）
１７近接検出部
１８接触検出部

Claims

被測定物に接触する接触部を有するスタイラスと、
このスタイラスに配置されそのスタイラスに振動を加える加振素子と、
この加振素子を振動させる駆動手段と、
前記スタイラスに配置されそのスタイラスの状態量を検出する検出素子と、
この検出素子の出力信号を前記スタイラスの状態量に対応した信号として出力する検出手段と、
この検出手段の出力信号を基に、前記接触部が被測定物に接触することによってスタイラスの状態量が変化したときを捉え、接触信号を出力する接触検出部とを備えたタッチプローブにおいて、
前記検出手段の出力信号を用いて、前記接触部が被測定物に近接する際に、加振された前記接触部から出力される音波の反射波により変化するスタイラスの状態量を捉え、近接信号を出力する近接検出部を備えることを特徴とするタッチプローブ。
請求項１に記載のタッチプローブと被測定物とを相対移動させながら接触させ、前記接触検出部から接触信号が出力されたときの前記タッチプローブと前記被測定物との相対移動位置から被測定物の寸法を測定する測定方法であって、
前記近接検出部から出力される近接信号を基に前記タッチプローブと被測定物との相対移動速度を減速させることを特徴とする測定方法。
請求項１に記載のタッチプローブと被測定物とを相対移動させながら接触させ、前記接触検出部から接触信号が出力されたときの前記タッチプローブと前記被測定物との相対移動位置から被測定物の寸法を測定する測定方法であって、
前記近接検出部から出力される近接信号を基に前記加振素子の振動を停止させ、
前記スタイラスが前記被測定物と接触する際に前記検出素子に生じる衝撃力または歪み力を前記検出手段により観測し、この衝撃力または歪み力に応じて前記接触検出部から接触信号を出力することを特徴とする測定方法。
請求項３に記載の測定方法において、
前記近接信号が出力される際に、前記加振素子の振動を停止させるか否かを前記タッチプローブと被測定物との相対移動速度に応じて選択することを特徴とする測定方法。
請求項３に記載の測定方法において、
前記近接信号が出力される際に、前記加振素子の振動を停止させるか否かを測定前に選択することを特徴とする測定方法。
請求項２〜請求項５のいずれかに記載の測定方法において、前記近接信号を判定信号として、その近接信号が出力された後に前記接触検出部から出力された信号を接触信号としたことを特徴とする測定方法。