JPH10246606A - 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 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 加振型の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
よびそれを用いた測定方法を提供する。 【解決手段】 接触部１２を有するスタイラス１１を振
動させ、この状態で接触部１２を被測定物１に接触さ
せ、このときのスタイラス１１の状態量の変化を捉えて
接触信号を出力するタッチプローブにおいて、接触部１
２が被測定物１に近接する際、加振された接触部１２か
らの音波の反射波により変化するスタイラス１１の状態
量を捉え、近接信号を出力する近接検出部１７を備え
る。近接信号を用いて、測定速度の減速指令、検出方式
の切換、接触／外乱信号判定を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【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６−２２１８
０６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１
１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 (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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。
2. 【請求項２】 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。
3. 【請求項３】 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。
4. 【請求項４】 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。
5. 【請求項５】 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。
6. 【請求項６】 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。