JPH05332705A

JPH05332705A - タッチ信号プローブ

Info

Publication number: JPH05332705A
Application number: JP13879392A
Authority: JP
Inventors: Kunitoshi Nishimura; 国俊西村; Toshitaka Shimomura; 俊隆下村
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 1992-05-29
Filing date: 1992-05-29
Publication date: 1993-12-14
Anticipated expiration: 2012-06-04
Also published as: JP2617651B2

Abstract

(57)【要約】【目的】機械的固有振動数を下げることなく、高い検
出感度を備え、かつ、構成的にも簡易で安価なタッチ信
号プローブを提供する。【構成】スタイラス２１と被測定物との接触状態を電
気的に検出してタッチ信号を発する検出手段４１を、ス
タイラス２１の表面に化学的処理により形成された歪み
ゲージ４２と、この歪みゲージの抵抗値の変化からスタ
イラスと被測定物との接触状態を電気的に検出する信号
処理回路４６とを含み構成する。スタイラスの表面に化
学的処理により歪みゲージを形成してあるから、機械的
固有振動数を下げることがない上、高い検出感度が得ら
れる。しかも、単純な構成であるから安定性、信頼性が
高く、安価に構成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被測定物との接触状態
を電気的に検出してタッチ信号を発するタッチ信号プロ
ーブに関する。例えば、三次元測定機やハイトゲージな
どに利用することができる。

【０００２】

【背景技術】例えば、三次元測定機では、プローブと定
盤上に載置された被測定物とを三次元方向へ相対移動さ
せ、プローブが被測定物に接触した瞬間を捉え、この瞬
間を電気的トリガとして各送り軸方向の座標値を読み取
り、その座標値から被測定物の寸法や形状などを測定し
ている。従って、測定精度の向上をはかるためには、次
の性質を備えたタッチ信号プローブを実現する必要があ
る。

【０００３】つまり、a.三次元測定機は停止命令が発せ
られてもある距離は行き過ぎるため、これを許容できる
ようにスタイラスの許容変位量が大きいこと、b.静止位
置が正確に確定されること、c.応答信号が迅速であるこ
と、d.スタイラスに働く力が十分小さいときにタッチ信
号を発生できること、e.プローブを加速または減速する
際にスタイラスまたはプローブの他の構成部材に作用す
る慣性力により疑似信号が発生しないこと、などが要求
される。

【０００４】これらの要求のうち、前の２つ( a および
b）は逃げ機構に関する要求性能である。後の３つ（ｃ
, d および e )は、検出機構に関するもので、検出感
度が高く、かつ、固有振動数が高いことと集約される。
検出機構に関しては、従来から各種提案されているが、
その中から、代表的なものを３つ示す。

【０００５】特開昭５４−７８１６４号公報これは、スタイラスの一部に圧電素子を組み込み、スタ
イラスの先端部分が被測定物に接触した場合の衝撃によ
る電圧変化や、圧電素子を振動させておき、スタイラス
の先端部分が被測定物に接触した場合の振動波形の変化
から、被測定物との接触を電気的に検出するものであ
る。

【０００６】特開昭５６−８５０２号公報これは、スタイラスの基部とハウジングとの間に圧電素
子を設け、スタイラスの先端部分が被測定物に接触した
場合の衝撃による電圧変化から、被測定物との接触を電
気的に検出するものである。

【０００７】特公平１−３９５２２号公報これは、スタイラスホルダと基体との間に圧電結晶体か
らなる３つの検知装置を等間隔に配置し、スタイラスの
先端部分が被測定物に接触した場合の衝撃による電圧変
化から、被測定物との接触を電気的に検出するものであ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】まず、上記の例で
は、スタイラスの一部に圧電素子を組み込まなければな
らないから、精度の高い加工技術や組立技術が要求され
る。また、上記およびの例では、検出感度を高める
ためには機械的な剛性を下げる必要がある。このこと
は、機械的な固有振動数を低下させることになり、外乱
の影響を受けやすくなるという欠点につながる。

【０００９】ここに、本発明の目的は、このような従来
の欠点を解消し、機械的固有振動数を下げることなく、
高い検出感度を備え、かつ、構成的にも簡易で安価なタ
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、本発明のタッ
チ信号プローブは、プローブ本体と、スタイラスと、こ
のスタイラスを前記プローブ本体の中立位置に保持する
とともにそのスタイラスを中立位置に対して変位可能か
つ復帰可能に保持する保持機構と、前記スタイラスと被
測定物との接触状態を電気的に検出してタッチ信号を発
する検出手段とを有するタッチ信号プローブにおいて、
前記検出手段を、前記スタイラスの表面に化学的処理に
より形成された歪みゲージと、この歪みゲージの抵抗値
の変化からスタイラスと被測定物との接触状態を電気的
に検出する信号処理回路とを含み構成した、ことを特徴
とする。

【００１１】

【作用】スタイラスの表面に化学的処理により歪みゲー
ジを形成してあるから、機械的固有振動数を下げること
がない上、高い検出感度が得られる。しかも、単純な構
成であるから安定性、信頼性が高く、安価に構成するこ
とができる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明のタッチ信号プローブについて
好適な実施例を挙げ、添付図面を参照しながら詳細に説
明する。

【００１３】図１は三次元測定機を示している。同図に
おいて、基台１の上には被測定物（図示省略）を載置す
るテーブル２が設けられている。テーブル２には、門型
コラム３が前後方向（Ｙ軸方向）へ、また、門型コラム
３の水平ビーム４に沿ってスライダ５が左右方向（Ｘ軸
方向）へ、更に、スライダ５にＺ軸スピンドル６が上下
方向（Ｚ軸方向）へ、それぞれ移動可能に設けられてい
る。Ｚ軸スピンドル６の下端には、本実施例のタッチ信
号プローブ７が設けられている。つまり、タッチ信号プ
ローブ７と被測定物とが、三次元方向へ相対移動可能に
構成されている。

【００１４】前記タッチ信号プローブ７は、図２に示す
如く、前記Ｚ軸スピンドル６の下端に着脱自在に取り付
けられるプローブ本体１１と、スタイラス２１と、この
スタイラス２１を前記プローブ本体１１の中立位置に保
持するとともにそのスタイラス２１を中立位置に対して
変位可能かつ復帰可能に保持する保持機構３１と、前記
スタイラス２１と被測定物との接触状態を電気的に検出
してタッチ信号を発する検出手段４１とから構成されて
いる。

【００１５】前記プローブ本体１１には、上壁面に前記
Ｚ軸スピンドル６の下端に着脱自在に取り付けられるシ
ャンク１２が形成されているとともに、底壁１３より下
方に筒部１４が形成されている。前記スタイラス２１に
は、その下端に被測定物と接触する球状の接触球２２が
一体的に形成されているとともに、前記プローブ本体１
１内に突出した上端部に支持盤２３が直角にかつ一体的
に形成されている。

【００１６】前記保持機構３１は、支持盤２３において
中立軸線Ｌ（一般にはシャンク１２の軸線と同じ）を中
心とする同一円周上の１２０度間隔位置に中立軸線Ｌに
対して直角に突設された３本の係合ピン３２Ａ，３２
Ｂ，３２Ｃと、前記プローブ本体１１の底壁１３におい
て前記各係合ピン３２Ａ〜３２Ｃを前記円周上の両側か
らテーパ状に挟む一対の保持ピンからなる保持部３３
Ａ，３３Ｂ，３３Ｃと、この各保持部３３Ａ〜３３Ｃに
各係合ピン３２Ａ〜３２Ｃが接触するように前記支持盤
２３を中立軸線Ｌ方向へ付勢するコイルばね３４とから
構成されている。

【００１７】前記検出手段４１は、前記スタイラス２１
の軸外周表面に化学的処理により一体的に形成された歪
みゲージ４２と、この歪みゲージ４２の抵抗値の変化か
らスタイラス２１と被測定物との接触状態を電気的に検
出する信号処理回路４６とを含み構成されている。な
お、信号処理回路４６は、前記プローブ本体１１の筒部
１４内に収納されている。

【００１８】前記歪みゲージ４２は、図３に示す如く、
スタイラス２１の軸外周表面に化学的処理により、細幅
線状の導電膜をスタイライ２１の周方向に沿ってジグザ
グ状に折り返し形成したもので、スタイラス２１の軸方
向に沿ってＸ方向検出部４３、Ｙ方向検出部４４、Ｚ方
向検出部４５を有する。なお、ジグザク状パターンの線
幅、折り返しの回数、ピッチ、長さなどは、歪みゲージ
４２を構成する材料の特性、検出感度やスタイラス２１
の形状などによって決められている。

【００１９】前記Ｘ方向検出部４３は、図４（Ａ）に示
すように、Ｙ軸を中心とする対称位置にＸ軸に対してお
およそ４５度の範囲内に形成された２つの歪みゲージ素
子４３_1,４３₂を含む。各歪みゲージ素子４３_1,４３₂
の端子番号をＡ_1,Ａ_2,Ａ_3,Ａ ₄とすれば、前記信号処理
回路４６において、図４（Ｂ）に示すブリッジ回路４６
ｘが組まれている。なお、矩形枠で囲まれた抵抗はダミ
ー抵抗である（以下、同様である。）。従って、ブリッ
ジ回路４６ｘからは、スタイラス２１に作用するＸ方向
の力Ｆｘに比例した出力Ｖｘを得ることができる。

【００２０】前記Ｙ方向検出部４４は、図５（Ａ）に示
すように、Ｘ軸を中心とする対称位置にＹ軸に対してお
およそ４５度の範囲内に形成された２つの歪みゲージ素
子４４_1,４４₂を含む。各歪みゲージ素子４４_1,４４₂
の端子番号をＢ_1,Ｂ_2,Ｂ_3,Ｂ ₄とすれば、前記信号処理
回路４６において、図５（Ｂ）に示すブリッジ回路４６
ｙが組まれている。従って、ブリッジ回路４６ｙから
は、スタイラス２１に作用するＹ方向の力Ｆｙに比例し
た出力Ｖｙを得ることができる。

【００２１】前記Ｚ方向検出部４５は、図６（Ａ）に示
すように、ＸおよびＹ軸に対しておおよそ４５度で４分
割した範囲内に形成された４つの歪みゲージ素子４５_1,
４５ ₂,４５_3,４５₄を含む。各歪みゲージ素子４５₁〜
４５₄の端子番号をＣ_1,Ｃ_2,Ｃ_3,Ｃ₄,Ｃ_5,Ｃ_6,Ｃ_7,Ｃ₈
とすれば、前記信号回路４６において、図６（Ｂ）に示
す２つのブリッジ回路４６_Z1,４６_Z2が組まれている。
従って、２つのブリッジ回路４６_Z1,４６_Z2の出力Ｖ
_Z1,Ｖ_Z2を加算すれば、スタイラス２１に作用するＺ方
向の力Ｆｚに比例した出力Ｖ_Z1＋Ｖ_Z2を得ることができ
る。

【００２２】なお、図４（Ｂ）、図５（Ｂ）、図６
（Ｂ）のブリッジ回路４６ｘ，４６ｙ，４６_Z1,４６_Z2
において、矩形枠で囲まれたダミー抵抗は、信号処理回
路４６内に抵抗素子として設けても、あるいは、スタイ
ラス２１の軸表面の応力変化を受けない部分に歪みゲー
ジと同様な方法で形成してもよい。温度補償の立場から
は後者の方が好ましい。

【００２３】ところで、前記スタイラス２１の表面に歪
みゲージ４２を化学的処理により一体的に形成するに
は、次のようにして行う。図７はそのプロセスを示して
いる。なお、ここでは、スタイラス２１が金属製の場合
である。まず、（Ａ）において、スタイラス２１を回転
させ、そのスタイラス２１の表面にＣＶＤ法などにより
絶縁膜５１（例えば、ＳｉＯ₂など）を形成する。続い
て、（Ｂ）において、この絶縁膜５１の上に蒸着、メッ
キなどの処理により金属膜や半導体膜などの導電膜５２
を形成する。

【００２４】次に、（Ｃ）において、その上にポジ形レ
ジスト膜５３をコーティングした後、（Ｄ）において、
レーザビーム５４などにより図３に示すジグザグパター
ンを描く。このとき、歪みゲージ４２の部分における線
は細く、配線部分における線は十分太く描く。続いて、
（Ｅ）において、現像により光を照射した部分以外のレ
ジスト膜５３を取り去ったのち、露出した導電膜５２を
エッチングにより除去する。これにより、図３に示す歪
みゲージができるが、最後に保護膜で覆えば完成であ
る。

【００２５】ちなみに、ここで説明した化学的処理は、
ＬＳＩ製造のプロセスとほぼ同様であるが、パターン形
成の表面が平坦でなく、円筒面であるある点で異なる。
しかし、ＬＳＩの製造装置にスタイラス２１を回転させ
るための回転駆動機構を付加すれば実現することができ
る。しかも、パターンルールが１００μｍオーダ以上で
あることを考えれば、ＬＳＩ製造よりはるかに容易であ
る。

【００２６】次に、本実施例の作用を説明する。測定に
当たって、テーブル２上に被測定物を載置したのち、タ
ッチ信号プローブ７を三次元方向へ移動させながら被測
定物に接触させる。つまり、門型コラム３を前後方向
（Ｙ軸方向）へ、スライダ５を左右方向（Ｘ軸方向）
へ、Ｚ軸スピンドル６を上下方向（Ｚ軸方向）へそれぞ
れ移動させながら、タッチ信号プローブ７を被測定物に
接触させる。

【００２７】いま、タッチ信号プローブ７が被測定物に
接触したとき、タッチ信号プローブ７のスタイラス２１
にＸ方向の力Ｆｘが作用すると、その力Ｆｘによってス
タイラス２１が撓む。すると、Ｘ方向検出部４３の２つ
の歪みゲージ素子４３_1,４３ ₂のうちの一方の抵抗値が
増加し、他方の抵抗値が減少するので、ブリッジ回路４
６ｘからは力Ｆｘに比例した出力Ｖｘが得られる。

【００２８】また、タッチ信号プローブ７が被測定物に
接触したとき、タッチ信号プローブ７のスタイラス２１
にＹ方向の力Ｆｙが作用すると、その力Ｆｙによってス
タイラス２１が撓む。すると、Ｙ方向検出部４４の２つ
の歪みゲージ素子４４_1,４４ ₂のうちの一方の抵抗値が
増加し、他方の抵抗値が減少するので、ブリッジ回路４
６ｙからは力Ｆｙに比例した出力Ｖｙが得られる。

【００２９】また、タッチ信号プローブ７が被測定物に
接触したとき、タッチ信号プローブ７のスタイラス２１
にＺ方向の力Ｆｚが作用すると、その力Ｆｚによってス
タイラス２１が軸方向に縮む。すると、Ｚ方向検出部４
５の４つの歪みゲージ素子４５_1,４５₂,４５_3,４５₄の
全ての抵抗値が減少するので、各ブリッジ回路４６_Z1 _,
４６_Z2の出力Ｖ_Z1,Ｖ_Z2を加算すれば、力Ｆｚに比例し
た出力Ｖ_Z1＋Ｖ_Z2が得られる。

【００３０】従って、本実施例によれば、スタイラス２
１の軸外周表面に歪みゲージ４２を形成してあるから、
機械的固有振動数を下げることがない上、高い検出感度
が得られる。しかも、単純な構成であるから安定性、信
頼性が高く、安価に構成することができる。

【００３１】また、歪みゲージ４２を化学的処理により
スタイラス２１の軸外周表面に一体的に形成するように
したので、精度よく、安定した歪みゲージパターンを形
成することができる。更に、その歪みゲージ４２から比
較的近接した位置に信号処理回路４６を設けてあるか
ら、ノイズの影響が少なく、信頼性の高い検出を保障で
きる。

【００３２】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、この実施例に限られるもので
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である。

【００３３】例えば、Ｚ方向検出部４５については、上
記実施例に限られるものでなく、図８に示す構成でもよ
い。これは、図８（Ａ）に示す如く、Ｘ軸を中心として
２分割したジグザグパターンの２つの歪みゲージ素子４
５_5,４５₆を含んで構成してある。各歪みゲージ素子４
５_5,４５₆の端子番号をＣ_9,Ｃ_10,Ｃ_11,Ｃ₁₂とすれ
ば、前記信号処理回路４６において、図８（Ｂ）に示す
ブリッジ回路４６ｚが組まれている。

【００３４】また、歪みゲージ４２については、上記実
施例のように３つの検出部をもつものに限らず、少なく
とも１つの検出部をもつものであればよい。つまり、一
方向の接触を検出できればよい。また、スタイラス２１
の軸表面に歪みゲージ４２を形成する場合、上記実施例
では、始めに絶縁膜を形成したが、スタイラス２１の材
質が絶縁性素材、例えば、セラミックなどの場合には、
絶縁膜の形成工程は当然省略しても構わない。

【００３５】また、保持機構３１については、上記実施
例で述べた構造に限られるものでなく、他の構成でもよ
い。また、上記実施例では、三次元測定機に用いた例に
ついて説明したが、本発明のタッチ信号プローブについ
ては、これ以外に、ハイトゲージなどにも利用すること
ができる。

【００３６】

【発明の効果】以上の通り、本発明のタッチ信号プロー
ブによれば、スタイラスの表面に歪みゲージを化学的処
理により形成してあるから、機械的固有振動数を下げる
ことがない上、高い検出感度が得られ、しかも、単純な
構成であるから安定性、信頼性が高く、安価に構成する
ことができるという効果が期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のタッチ信号プローブを三次元測定機に
適用した例を示す斜視図である。

【図２】図１のタッチ信号プローブを示す一部を切り欠
いた斜視図である。

【図３】図２のスタイラスの要部を示す拡大図である。

【図４】図３のＸ方向検出部４３およびブリッジ回路を
示す図である。

【図５】図３のＹ方向検出部４４およびブリッジ回路を
示す図である。

【図６】図３のＺ方向検出部４５およびブリッジ回路を
示す図である。

【図７】スタイラスの軸表面に歪みゲージを形成するプ
ロセスを示す図である。

【図８】Ｚ方向検出部４５およびブリッジ回路の他の例
を示す図である。

【符号の説明】

７タッチ信号プローブ、１１プローブ本体２１スタイラス３１保持機構４１検出手段４２歪みゲージ４３Ｘ方向検出部４４Ｙ方向検出部４５Ｚ方向検出部４６信号処理回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プローブ本体と、スタイラスと、このスタ
イラスを前記プローブ本体の中立位置に保持するととも
にそのスタイラスを中立位置に対して変位可能かつ復帰
可能に保持する保持機構と、前記スタイラスと被測定物
との接触状態を電気的に検出してタッチ信号を発する検
出手段とを有するタッチ信号プローブにおいて、前記検出手段を、前記スタイラスの表面に化学的処理に
より形成された歪みゲージと、この歪みゲージの抵抗値
の変化からスタイラスと被測定物との接触状態を電気的
に検出する信号処理回路とを含み構成した、ことを特徴
とするタッチ信号プローブ。