JPH0360363B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はタツチ信号プローブ、特に圧電素子を
用いて触針とワークとの接触を電気的に検出する
プローブの改良に関するものである。

［従来の技術］ 三次元座標測定機等においては基台上に置かれ
たワークにプローブを接触させ、この接触点を三
次元的に測定することによつて複雑な形状のワー
クに対しても正確な立体測定を行うことができ、
精密測定分野において広範囲の利用に供されてい
る。

この種の測定機では、三次元方向に任意に手動
あるいは自動的に移動可能なプローブがワークに
対して所定測定点で接触し、このときの各軸の送
り座標が読取られるが、近年のプローブにおいて
は、ワークとの接触を自動的に電気的なタツチ信
号として検出するタツチ信号プローブが広く用い
られており、プローブの自動送りそして複雑な形
状のワークを自動測定することを可能にしてい
る。

従来の一般的なタツチ信号プローブはワークと
接触する触針がプローブケースに移動自在に支持
されており、ワークとの接触時の触針の変移を吸
収する構成から成り、またタツチ信号を電気的に
出力するために、触針の支持機構部に設けられた
電気接点が設けられている。

また、触針の支持部に設けられた接点は、通常
の場合支持部が３点支持であるために測定に方向
性が生じ、全方位に対して安定した測定力を得る
ことができず、誤差原因となり、またこのような
方向性は補正不能であるために問題であつた。

従来の他のタツチ信号プローブとして前述した
電気接点を用いることなく他の検出素子を用いる
プローブも提案されており、例えば特開昭53−
117464には圧電素子を用いたプローブが開示され
ている。

このような圧電素子によれば、触針とワークと
の接触時に圧電素子に加わる圧縮力（張力）を電
気的な信号として取出すことができ、この圧電検
出信号がタツチ信号として用いられる。

しかしながら、このような圧縮力（張力）を用
いた圧電素子では環境温度変化により焦電効果が
発生し、誤差の原因となる他、より構造が簡単で
検出感度の良好な方向性のない安定した検出器が
求められていた。

［発明の目的］ 本発明は上記従来の課題に鑑み為されたもので
あり、その目的は、剪断力に対して感応する圧電
素子を用いて温度変化による影響のない等方向性
で高感度な安定した検出器を提供することにあ
る。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明は、触針と
ワークとの接触時に生じる作用力を従来のような
圧電素子に対する圧縮力（張力）方向ではなく剪
断力方向に働かせるように触針と触針基台との間
に少なくとも２個の剪断に対して感応する圧電素
子を介挿したことを特徴とし、これら２個の圧電
素子はそれぞれ印加剪断力に対する感度が方向性
を有し、この方向性を互いに補うために、前記２
個の圧電素子は異なる方向に配置されていること
を特徴とする。

このために、本発明によれば、触針は触針ホル
ダに固定され、またこの触針ホルダは各軸方向に
対して連結板によつて触針基台に連結され、触針
ホルダと連結板との間に少なくとも２個の圧電素
子が直交配置されている。

両圧電素子は同一の圧電検出方向特性を有し、
これらの直交配置によつて、触針とワークとの接
触によるあらゆる方向の作用力が両圧電素子の合
成出力によつて補完され、極めて安定した高感度
のタツチ信号検出作用を行うことができる。

［実施例］ 以下図面に基づいて本発明の好適な実施例を説
明する。

第１〜３図には三次元測定機に好適な本発明に
係るタツチ信号プローブの実施例が示されてお
り、三次元測定機の移動部に固定される基部１０
はほぼリング状の側板１２及び受け板１４が順次
積層固定され、またその外周をカバー１６にて覆
つてプローブケース１８が形成されている。そし
て、このプローブケース１８の内部には触針２０
を後述する連結部を介して担持する触針基台２２
が支持されている。

周知のごとく、触針２０すなわち触針基台２２
は触針２０がワークと接触していない状態では単
一の静止位置に位置決めされなければならず、ま
た触針２０がワークと接触したときにはあらゆる
方向に触針２０を退避させるように移動できなけ
ればならず、このために、実施例における触針基
台２２は第２図に詳細に示されるごとく120度の
角度間隔で３個の突出腕２２ａ，２２ｂそして２
２ｃを有し、各突出腕にはそれぞれ先端が球状の
支持脚２４がねじ止め固定されている。

一方、前記受け板１４の上面には、第３図に詳
細に示されるごとく、前記各突出腕２２ａ，２２
ｂ，２２ｃと対応して３個の受け座２６ａ，２６
ｂ，２６ｃがねじ止め固定されている。そして、
受け座２６ａはその表面が平面に、受け座２６ｂ
は擂り鉢面にそして受け座２６ｃはＶ溝面に形成
されており、前記３本の支持脚２４の球面がこれ
ら平面、擂り鉢面そしてＶ溝に当接することによ
つて、接触基台２２はその静止位置が確実に１個
の位置に規制されることとなる。

前記触針基台２２を第１図の下方に向かつて押
圧し、前記３本の支持脚２４を各受け座２６に押
圧付勢するため、触針基台２２と基部１０との間
には付勢スプリング２８が挿入されている。

すなわち、付勢スプリング２８の上端は基部１
０にねじ止めされたばね受け３０と係合し、また
その下端に固定された先端が尖つたばね受け駒３
２が前記触針基台２２の上面に固定された受け座
３４と係合している。

本実施例における触針基台２２は以上のごとく
その静止位置が単一に位置決めされたまた触針２
０がワークに接触したときにはあらゆる方向に退
避移動可能であるが、以下に触針基台２２と触針
２０との連結部の構造を説明する。

前記触針２０は触針ホルダ３６にねじ３８でね
じ止め固定され、実施例において、触針２０はホ
ルダ３６に対して任意の形状に交換可能である。

前記触針ホルダ３６は第３図に示されるごと
く、その上面が正方形状を有し、その各４辺には
後述するごとく圧電素子を介して連結板４０ａ，
４０ｂ，４０ｃ，４０ｄが装着されている。

そして、前記連結板４０の外側には更に固定板
４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄによつてそれぞ
れ保持ばね４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄが強
固にねじ止め固定されている。

前記４枚の保持ばね４４は、第１図に示される
ように、その上部が前記触針基台２２の升型凸部
２２ｄの各４辺にねじ止め固定されている。

従つて触針ホルダ３６は保持ばね４４ａ，４４
ｃ対によつてＹ方向に沿つて触針基台２２に対し
て平行移動可能となり、同様に、板ばね４４ｂ，
４４ｄ対によつてＸ方向に沿つて触針基台２２に
対して移動可能に支持される。

もつとも、図示のごとく、直交する２組の平行
ばねによつて触針ホルダ３６が触針基台２２に対
して支持される結果、実際上は、Ｘ軸に沿つた触
針ホルダ３６の移動は他方の平行板ばね対４４
ａ，４４ｃの長手方向剛性によつて移動不能であ
り、同様にＹ方向に沿つた触針ホルダ３６の移動
はＸ方向の平行板ばね対４４ｂ，４４ｄによつて
移動不能となり、短に、このような直交平行ばね
支持機構は触針ホルダ３６すなわち触針２０と触
針基台２２との間に介挿される後述する圧電素子
にＸ及びＹ軸方向の剪断力を与えるために機能す
ることとなる。

本発明において特徴的なことは、触針２０と触
針基台２２との連結部に少なくとも２個の圧電素
子が異なる方向で介挿固定されていることであ
り、実施例において、前記触針ホルダ３６の４辺
と連結板４０との間に圧電素子４６ａ，４６ｂ，
４６ｃ，４６ｄが介挿固定されている。

第１図に示されるように、これら圧電素子４６
は触針ホルダ３６と連結板４０との間に絶縁材を
挟んで接着固定されている。各圧電素子４６は
PZT等の圧縮力、引帳力には感応しないが、剪
断力及びねじり力には感応するセラミツク圧電素
子から成り矩形薄板形状から成り、これらの圧電
素子４６によつて触針ホルダ３６と連結板４０と
が固定される結果、触針２０がワークと接触した
ときの作用力はこれらの圧電素子４６を介して触
針基台２２へ伝達されることとなる。従つて、圧
電素子には、ワークとの接触時に大きな作用力が
与えられるが、本発明において特徴的なことは、
この作用力が各圧電素子４６の薄板面方向に沿つ
て剪断力又はねじり力として作用することを特徴
とする。

すなわち、圧電素子は通常の場合その薄板平面
に垂直な方向に圧縮力あるいは張力として印加さ
れるが、このような作用力印加方法によれば、タ
ツチ信号プローブに圧電素子を組込んだ場合、触
針２０のワークとの接触時の動きを確実に圧電素
子の平面に垂直な方向に加えることが極めて困難
であり、また、素子の取付方法によつては圧縮力
でなくモーメント力が作用するとか、素子の大き
さもスペースの関係から小さなものを選択しなけ
ればならないなどのため、この結果、従来におい
ては、その検出感度が著しく低下してしまうとい
う問題があつた。

本発明においては、触針２０あるいは触針ホル
ダ３６の側面に沿つて圧縮力、引帳力には感応し
ないが、剪断力及びねじり力には感応する圧電素
子を配置したことにより、圧電素子４６には触針
２０のワークとの接触時にその作用力が剪断力と
して加わり、微小な接触状態における触針ホルダ
３６の回転中心はホルダ３６の中心になり、触針
に対するどの方向からの接触に対しても、すべて
ねじり力と剪断力として素子に作用する上、構造
上素子の大きさも大きくでき、また現在の段階に
おいてはこの種の剪断用圧電素子の方が圧縮用の
圧電素子により感度が高い等のため従来に比して
十分に大きな圧電出力を取出すことが可能とな
る。

前述した本発明に係る圧電素子群はその剪断力
によつて出力が取出されるが、この剪断力は各圧
電素子の分極方向に対して特定の方向特性を示
し、一般に、分極方向に対しては高感度の出力特
性そして分極方向に対して直交方向には低感度の
出力特性を示す。

第４Ａ，４Ｂ図にはそれぞれ、本実施例におけ
る各圧電素子４６の固定配置方向が示されてお
り、各圧電素子４６はその分極方向がＺ軸に並行
するように配置される。

従つて、Ｘ軸に平行圧電素子４６ａ，４６ｃ
は、第４Ａ図に示されるようにXZ軸において八
の字特性を示し、同様に、Ｙ軸に平行配置された
圧電素子４６ｂ，４６ｄはYZ軸に沿つた八の字
特性を示す。

いずれにしても、本実施例によれば、各圧電素
子４６にＺ方向の作用力が加わつた時にこれが分
極方向と一致するので大きな出力を得ることが可
能となる。

第５図には前述した配置による圧電素子の各軸
に対する出力作用が示されている。

まずＸ軸方向に作用力が加わると、触針２０を
介して、触針ホルダ３６にはこの作用力がホルダ
３６の基部を中心としたモーメントとして加わ
り、圧電素子４６ｂにはZb（＋）なるＺ軸を上向
きに沿つた剪断力が生じ、一方において、圧電素
子４６ｄ側にはZd（−）なるＺ軸の下側に向かう
剪断力が生じ、また、このＸ軸方向の作用力に対
して、圧電素子子４６ｃには図示のごときZc
（＋）、Zc（−）なるねじりモーメントが加わり、
同様に圧電素子４６ａにもこれと類似したねじり
モーメントが加わつて、これらは互いに各圧電素
子４６ｃ，４６ａに対する剪断力として作用す
る。従つて、これら圧電素子４６ａ，４６ｂ，４
６ｃ，４６ｄの剪断力をその絶対値又は２乗演算
値として加算すれば、高感度の検出信号を得るこ
とが可能となる。

同様に、Ｙ軸方向の作用力に対しては、圧電素
子４６ａ，４６ｃが検出素子として働き、圧電素
子４６ａ側にはZa（＋）そして４６ｃ側にはZc
（−）なる剪断力が働き、圧電素子４６ｂ，４６
ｄには共にねじりモーメントによる剪断力が働き
これによつて、両者の絶対値又は２乗和を加算す
ることによつて良好な検出作用を得ることができ
る。

以上のように、Ｘ、Ｙ軸方向に対する作用力は
触針２０及び触針ホルダ３６をテコとして用い、
これによつて、圧電素子に効率の良い剪断力を発
生させ、小型の装置であつても充分に高感度の検
出作用を生じさせることができる。

また、Ｚ軸方向の作用力に関しては、全部の圧
電素子にＺ軸に沿つた上向きの剪断力Za（＋）、
Zb（＋）、Zc（＋）、Zd（＋）なる作用力が生じ、こ
れらに関しては触針２０及び触針プローブ３６の
テコ作用は生じないが、４個の圧電素子４６群の
出力の合成により効率の良い検出作用を得ること
が可能となる。

更に、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸に沿つていないどの方向か
らの接触に対しても、これらの素子の配列から各
素子にそれぞれ何らかの剪断力又はねじり力が作
用し高感度に方向性に関係なく検出することが可
能である。

以上のように、本実施例によれば、Ｘ及びＹ軸
方向にそれぞれ一対の圧電素子を配置し、触針が
ワークと接触したときの作用力を剪断力として受
け、これによつて、高感度の検出特性を得ること
ができるので、両圧電素子の出力を合成すること
によつて従来の単なる圧縮力（張力）による圧電
出力では得ることのできない高感度の出力作用を
行うことができ、タツチ信号プローブとしてノイ
ズ混入のない高感度のタツチ信号を検出可能であ
る。

図示した実施例においては、Ｘ及びＹ軸方向の
それぞれ一対の圧電素子が配置されいるが、本発
明においては、いずれか１個づつのの圧電素子で
良好な検出作用を行うことができ、また図におい
ては圧電素子が直交配置されているが、このよう
な配置はプローブの構造に合せて異なる軸方向に
配置すればよく、所定の偏向角度で配置可能であ
る。

また、本実施例においては、触針と触針基台と
の間が２対の直交する平行ばねにて連結されいる
が、このような支持機構も任意の支持機構で代替
可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、圧電素
子の剪断力による信号出力作用を利用して高感度
のタツチ信号検出作用が達成でき、また２個の圧
電素子の組合せによつて方向性のない全方位型検
出作用を得ることができ、三次元測定機構に用い
るタツチ信号プローブとして極めて好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るタツチ信号プローブの好
適な実施例を示す縦断面図、第２図は第１図の
−断面図、第３図は第１図の支持脚２４を除い
た−断面図、第４Ａ図及び第４Ｂ図はそれぞ
れ実施例における圧電素子の検出特性図、第５図
は本実施例における剪断力を用いた圧電素子の検
出作用を説明する要部斜視図である。 １８……プローブケース、２０……触針、２２
……触針基台、２４……支持脚、２６……受け
座、３６……触針ホルダ、４０……連結板、４４
……支持ばね、４６……圧電素子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ プローブケース内に触針を担持した触針基台
   が単一の静止位置を有するとともに多軸方向に移
   動自在に位置決め支持され、ワークに対する触針
   の接触を電気的に検出するタツチ信号プローブに
   おいて、前記触針と前記触針基台との連結部に両
   者の間に生じる剪断力を受ける少なくとも２個の
   圧電素子が介挿され、両圧電素子は異なる軸方向
   に配置され両圧電素子の方向特性を互いに補完し
   てあらゆる方向に対する触針の接触を高感度で検
   出することを特徴とするタツチ信号プローブ。