JPH07167638A - タッチプローブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 誤動作しないタッチプローブを提供する。 【構成】 圧電素子７の電流と電圧との位相差を定期的
に監視し、検出した位相差の変化量と変化時間とに基づ
いて超音波振動ホーン１の機械的固有振動数と一致する
高周波電気信号の周波数に修正するようにしたので、自
動的に共振周波数を取り直すことができ、フィーラー３
が被測定物に接触していないにもかかわらずタッチ信号
が出力されるのを防ぐことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はタッチプローブに関
し、特に三次元座標測定機に用いられるタッチプローブ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のタッチプローブとして、高周波電
気信号を超音波振動に変換する圧電素子が装着された圧
電素子装着部と、一端が前記圧電素子装着部に接続さ
れ、他端が被測定物に接触する接触子を有するフィーラ
ーとで構成される超音波振動ホーンと、超音波振動ホー
ンの機械的固有振動数と高周波電気信号の周波数とがほ
ぼ一致するように、圧電素子に高周波電気信号を入力す
る入力装置と、圧電素子の電極間の電気特性値を監視
し、フィーラーの他端が被測定物に接触した瞬間に生じ
る電気特性値の変化によって、被測定物と接触子との接
離を検出するタッチ検出装置とを備えたものがある（特
開平4-140601号公報）。

【０００３】超音波振動ホーンの機械的固有振動数及び
位相差は形状によって異なる値を取る。そこで、未知の
機械的固有振動数をもつ超音波振動ホーンにおいては、
圧電素子に高周波電気信号を入力する入力装置に、入力
する高周波電気信号の周波数を変化させ、圧電素子の電
極間の電流と電圧との位相差が極小になったときの周波
数を機械的固有振動数として圧電素子に与える。タッチ
検出装置には、極小となった位相差より若干大きな値を
比較値として設定し、この値を越える位相差となった瞬
間にタッチトリガ信号を出力する。

【０００４】従来、機械的固有振動数の探索とタッチ検
出用位相差の設定を行う作業を、タッチプローブとして
使用する前に１度行なっていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】超音波振動ホーンの機
械的固有振動数に一致するように、圧電素子に与えられ
た高周波電気信号を入力する入力装置において、入力す
る高周波電気信号の周波数を変化させ、位相差検出手段
で検出した位相差が極小となったときの周波数を機械的
固有振動数とする。更に、位相差が極小となる値より若
干大きな値をタッチ検出用位相差の設定値としてタッチ
検出装置に設定する。

【０００６】この状態で超音波振動ホーンのフィーラー
部分が被測定物に接触すると、位相差が大きい値へと変
化する。その位相差がタッチ検出用位相差を越えたと
き、直ちにタッチトリガ信号が出力される。

【０００７】しかし、超音波振動ホーンの機械的固有振
動数は温度変化によって変化し、その結果圧電素子の電
極間の電流と電圧との位相差が極小値からずれ、わずか
ながら大きい値になる。この温度変化による位相差の変
化は緩やかではあるが、放置しておくとタッチ検出用位
相差の設定値を越えて、超音波振動ホーンのフィーラー
部分が被測定物に接触していないにもかかわらずタッチ
トリガ信号が出力され、誤動作を招くという問題があっ
た。

【０００８】この発明はこのような事情に鑑みてなされ
たもので、その課題は誤動作しないタッチプローブを提
供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めこの発明のタッチプローブは、高周波電気信号を超音
波振動に変換する圧電素子が装着された圧電素子装着部
と、一端が前記圧電素子装着部に接続され、他端が被測
定物に接触する接触子を有するフィーラーとで構成され
る超音波振動ホーンと、前記超音波振動ホーンの機械的
固有振動数と前記高周波電気信号の周波数とがほぼ一致
し、前記機械的固有振動数と前記高周波電気信号の周波
数とが共振するように、前記圧電素子に前記高周波電気
信号を入力する入力手段と、前記圧電素子の電極間の電
気特性値を監視し、前記フィーラーの他端が前記被測定
物に接触した瞬間に生じる前記電気特性値の変化によっ
て、前記被測定物と前記接触子との接離を検出するタッ
チ検出手段とを備えたタッチプローブにおいて、前記超
音波振動ホーンの機械的固有振動数と前記高周波電気信
号の周波数との共振状態を監視する共振状態検出手段
と、前記共振状態検出手段によって検出した共振状態に
基づいて、前記超音波振動ホーンの機械的固有振動数と
ほぼ一致する高周波電気信号の周波数に修正する周波数
修正手段とを備えている。

【００１０】

【作用】上述のように共振状態検出手段によって超音波
振動ホーンの機械的固有振動数と高周波電気信号の周波
数との共振状態を監視し、周波数修正手段によって検出
した共振状態に基づいて、超音波振動ホーンの機械的固
有振動数とほぼ一致する高周波電気信号の周波数に修正
するようにしたので、自動的に共振周波数を取り直すこ
とができ、タッチ信号はフィーラーが被測定物に接触し
ないかぎり出力されない。

【００１１】

【実施例】以下この発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００１２】図１はこの発明の一実施例に係るタッチプ
ローブの斜視図、図２は図１のタッチプローブの縦断面
図である。超音波振動ホーン１は、圧電素子装着部２
と、圧電素子装着部２にフランジ４を介して接続された
棒状のフィーラー３とで構成されている。フィーラー３
は、フランジ４に接続された棒状部３ａと、棒状部３ａ
の先端に設けられた先端球（測定子）３ｂとからなる。

【００１３】フランジ４は、固定ネジ５で支持部材６に
固定され、支持部材６は図示しないプローブ本体又はプ
ローブヘッドに保持されている。

【００１４】圧電素子装着部２は上部２ａと下部２ｂと
に分けられ、上部２ａと下部２ｂとの間には圧電素子７
が挟持されている。上部２ａと下部２ｂとは圧電素子７
を介して固定ネジ９で連結されている。圧電素子７は、
図２及び３に示すように、超音波振動ホーン１の軸方向
に分極され、上部圧電素子部７ａ，下部圧電素子部７ｂ
は電極板８ａ，８ａに挟まれ、電極板８ｂは上部圧電素
子部７ａ，下部圧電素子部７ｂに挟まれている。電極板
８ａ，８ａは短絡されている。図示しない電源装置で両
電極板８ａ間に高周波電圧を印加すると、超音波振動ホ
ーン１は軸方向に振動する。このとき印加する周波数は
超音波振動ホーン１の機械的共振周波数にほぼ等しい周
波数である。

【００１５】図４は圧電素子に接続される高周波発振回
路及び位相差検出回路のブロック図である。ＣＰＵ２１
から発振回路２２に周波数が与えられる。発振回路２２
の出力は電流値測定用の抵抗２３を介して圧電素子７の
電極板８ａにつながり、電極板８ｂより戻ってくる。圧
電素子７と抵抗２３との間の点２４は接地されている。
ここで圧電素子７の非接地側の点２５の電圧と抵抗２３
の電圧との位相差を監視する。機械的共振周波数で超音
波振動ホーン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、電圧と電流との位相差が変化する。こ
の図の回路の場合、振動を妨げる力が働くと電圧と電流
との位相差が大きくなる。この変化は非常に敏感であ
り、わずかな外力にも反応する。

【００１６】位相差検出回路２６は電圧と電流との位相
差を検出する。周波数を変化させて位相差が極小値をと
るようにして、超音波振動ホーン１の共振をとる。この
ときのカウント値より若干大きな値を設定値として、ラ
ッチ回路２７に与える。この状態で超音波振動ホーン１
の先端球３ｂが被測定物に触れると、位相差が大きくな
り、カウント値が設定値を越えて、デジタルコンパレー
タ２８から直ちにタッチ信号が送出される。

【００１７】また、ＣＰＵ２１は、一定時間毎に位相差
検出回路２６より電圧と電流との位相差をカウント値と
して読み出す。量子化誤差を取り除くため適当な数のサ
ンプルで平均化を行い、その値が共振点となる周波数に
おける電圧と電流との位相差を越え、且つ一定時間を要
して徐々に大きな値となったとき、ＣＰＵ２１は、温度
変化による共振周波数の変化が生じ、その結果として位
相差の変化が発生したと判断する。共振周波数が変化し
たのであるからＣＰＵ２１は、極小値となる共振周波数
を探索し、ラッチ回路２７に設定値を再設定する。

【００１８】この実施例のタッチプローブの作用を説明
する。

【００１９】軸方向に分極された圧電素子７を用いてフ
ィーラー３を機械的共振周波数で超音波振動させる。こ
のとき振動のモードは、図５に示すように、フランジ４
が節となり、超音波振動ホーン１の両端が腹となる。つ
まり、フィーラー３の先端球３ｂでの振動が最大とな
る。この部分が被測定物に接触すると、フィーラー３の
振動は著しく妨げられて、圧電素子７のインピーダンス
が変化する。

【００２０】結果的に、フィーラー３が被測定物に接触
すると、圧電素子７に流れる電流値が変化する。あるい
は、電流と電圧との位相差に変化が生じる。これらの変
化は接離の有無に対して非常に敏感であるので、極めて
高感度にタッチ信号を得ることができる。また、フィー
ラー３の先端球３ｂにいかなる方向から接触しようと
も、フィーラー３の振動は等しく妨げられるので、測定
力に方向性が生じない。

【００２１】また、電流と電圧との位相差はフィーラー
３の温度が変化した場合にも変化する。しかし、フィー
ラー３が被測定物に接触したときとフィーラー３が温度
変化したときとの位相差の変化は、位相差の変化量とそ
の変化に要する時間とが異なる。すなわち、単位時間当
たりの位相差の変化量という点では、温度変化による位
相差の変化よりも接触による位相差の変化の方が遥かに
大きい。

【００２２】単位時間ΔＴにおける接触時の位相差の変
化量ΔＢ_TOUCH と、単位時間ΔＴにおける温度変化時の
位相差の変化量ΔＢ_TEMPとのそれぞれの比の関係を式で
表すと、 ΔＢ_TOUCH ／ΔＴ >> ΔＢ_TEMP／ΔＴ となる。

【００２３】このことから位相差を定期的に読み出し、
位相差の監視を行い、読み出した位相差を時系列的に比
較し、瞬間的に位相差の大きく変化したときは、フィー
ラー３が被測定物に接触したものと判断し、逆に比較的
長時間に亘って位相差が少しずつ変化したときは、温度
変化による位相差の変化として判断することによって、
両者を区別することができる。

【００２４】温度変化による位相差の変化と判断した場
合は、周波数を変化させ、位相差の極小値となる周波数
を再度探索することにより、変化した機械的共振周波数
を取り直すことが可能であり、このようにすることによ
り常にフィーラー３として最良の状態を保つことができ
る。

【００２５】この実施例のタッチプローブによれば、圧
電素子７の電流と電圧との位相差を定期的に監視し、検
出した位相差の変化量と変化時間とに基づいて超音波振
動ホーン１の機械的固有振動数と一致する高周波電気信
号の周波数に修正するようにしたので、自動的に共振周
波数を取り直すことができ、フィーラー３が被測定物に
接触していないにもかかわらずタッチ信号が出力される
のを防ぐことができ、誤動作の発生を防止することがで
きる。また、一定時間毎に測定作業を中断し、超音波振
動ホーン１の機械的固有振動数を探索する作業が不要で
あるから、作業性を損なわしめることもない。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明のタッチプ
ローブによれば、共振状態検出手段によって超音波振動
ホーンの機械的固有振動数と高周波電気信号の周波数と
の共振状態を監視し、周波数修正手段によって検出した
共振状態に基づいて、超音波振動ホーンの機械的固有振
動数とほぼ一致する高周波電気信号の周波数に修正する
ようにしたので、自動的に共振周波数を取り直すことが
でき、フィーラーが被測定物に接触していないにもかか
わらずタッチ信号が出力されるのを防ぐことができ、誤
動作の発生を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１はこの発明の一実施例に係るタッチプロー
ブの斜視図である。

【図２】図２は図１のタッチプローブの縦断面図であ
る。

【図３】図３は圧電素子を説明するための断面図であ
る。

【図４】図４は圧電素子に接続される高周波発振回路及
び位相差検出回路のブロック図である。

【図５】図５は振動ホーンの振動モードを示す図であ
る。

【符号の説明】

１ 超音波振動ホーン ２ 圧電素子装着部 ３ フィーラー ３ｂ 先端球 ７ 圧電素子 ８ａ，８ｂ 電極板 ２１ ＣＰＵ ２２ 発振回路 ２３ 抵抗 ２６ 位相差検出回路 ２７ ラッチ回路 ２８ デジタルコンパレータ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高周波電気信号を超音波振動に変換する
   圧電素子が装着された圧電素子装着部と、一端が前記圧
   電素子装着部に接続され、他端が被測定物に接触する接
   触子を有するフィーラーとで構成される超音波振動ホー
   ンと、 前記超音波振動ホーンの機械的固有振動数と前記高周波
   電気信号の周波数とがほぼ一致し、前記機械的固有振動
   数と前記高周波電気信号の周波数とが共振するように、
   前記圧電素子に前記高周波電気信号を入力する入力手段
   と、 前記圧電素子の電極間の電気特性値を監視し、前記フィ
   ーラーの他端が前記被測定物に接触した瞬間に生じる前
   記電気特性値の変化によって、前記被測定物と前記接触
   子との接離を検出するタッチ検出手段とを備えたタッチ
   プローブにおいて、 前記超音波振動ホーンの機械的固有振動数と前記高周波
   電気信号の周波数との共振状態を監視する共振状態検出
   手段と、 前記共振状態検出手段によって検出した共振状態に基づ
   いて、前記超音波振動ホーンの機械的固有振動数とほぼ
   一致する高周波電気信号の周波数に修正する周波数修正
   手段とを備えていることを特徴とするタッチプローブ。