WO1998036241A1

WO1998036241A1 - Sonde d'injection de signaux tactiles non directionnels

Info

Publication number: WO1998036241A1
Application number: PCT/JP1998/000613
Authority: WO
Inventors: Nobuhiro Ishikawa; Kunitoshi Nishimura
Original assignee: Mitutoyo Corporation
Priority date: 1997-02-17
Filing date: 1998-02-16
Publication date: 1998-08-20
Also published as: EP0897100B1; CN1217785A; EP0897100A1; CN1155803C; US6215225B1; EP0897100A4

Description

明細書無方向性タツチ信号プローブ技術分野

本発明は、三次元測定機等によつて被測定物の形状等を測定するために用いられる無方向性タツチ信号プローブ（Touch Signal Probe ) に関するものである。背景技術

被測定物の形状、寸法等の測定を行う測定機として、三次元測定機（Coordinate Measuring Machine)等が知られているが、その場合の座標検出や位置検出を行うために、測定機には、スタイラスの先端部分に接触部（touching part ) を備え、この接触部が被測定物と接触したことを検出するタツチ信号プロ一ブが用いられる。

このタツチ信号プローブとして、スタイラスに圧電素子等の検出素子を設け、スタィラス先端の接触部が被測定物に接触する際の衝撃をその検出素子により検出し、接触検知を行う従来例があるが、この従来例は比較的に構成が簡単となる長所があるものの、接触部がどの方向から接触したかにより感度が異なる、つまり、方向依存性を有するという短所があった。

このような夕ツチ信号プローブの従来例が特公昭 60-48681号（USP4，177,568に対応；従来例 1 ) 、特開昭 54-78164号（ GB2006435Bに対応；従来例 2 )及び特開平 8- 327308号（従来例 3 ) に示されている。

従来例 1では、測定へッドあるいは測定プローブは可動部分と固定部分とからなり、これらは互いに着座機構を介して連結されている。

可動部分は 2分割された 2つの部材から構成され、これらの部材間に引張及び圧縮に高感度に応答する検出素子（圧電素子 Piezoelectric element ) が設けられている。

従来例 2では、スタイラスの一部に圧電素子が組み込まれたり、スタイラスを 2 分割し、これらの分割されたスタイラスの間に圧電素子が挟み込まれたり、スタイラスの先端に設けられた接触部に圧電素子を細工したり、さらには、接触部とスタィラスの接続部分に圧電素子を挟み込む構造である。

従来例 3では、円盤状の基板の中心にスタイラスが取り付けられ、このスタイラスの周囲に複数の圧電素子が放射状に配置されている。スタイラスが被測定物に当接したことを検知するために、各圧電素子から出力される信号の絶対値の和が検出される。

従来例 1及び 2では、圧電素子を 1個設置する場合、複数個設置する場合等、各種の場合が開示されている。

一般に、圧電素子の数が少ない方が、スタイラスの構造が単純で組み立てが容易であるため、コストを低くできるという利点があるものの、異なる方向での検出精度が十分でなく、方向依存性を有することになる。

これに対して、圧電素子（検出素子）を複数組み込む場合には、これらの組み合わせの仕方によって方向依存性が少なくなるが、構造が複雑になるという不都合がめる。

ここで、方向依存性とは、スタイラスの先端部分の接触部と被測定物とが接触する際に、接触部の接触箇所により検出素子の応答の異なる程度を意味するものである力従来例 1では、測定素子が X軸測定用と Y軸測定用とに分かれているものの、それ以上に方向依存性を考慮したものではなく、よって、方向依存性の改善が必ずしも十分とはいえない。同様に、従来例 2においても、方向依存性と圧電素子の配置との関係までは考慮されていない。

また、従来例 3では、スタイラスの先端部分が被測定物と接触する際の検出感度に方向性が生じないように複数の圧電素子から出力される信号の絶対値の和を演算して検出信号を取り出している力、スタィラス軸に直交する方向から被測定物に接する場合においては、検出感度の方向依存性の改善は十分とはいえない。また、スタイラス軸方向から接する場合に関しては何ら言及されていない。

又、タツチ信号プローブを用いて座標検出や位置検出を行うにあたり、スタイラスを交換することは一般に行われている力従来のタツチ信号プローブでは、スタィラスが一定の場合を想定しており、交換される場合までは想定していない。

発明の開示

本発明の目的は、構造が簡易であり、方向依存性がないタツチ信号プローブを提供することにある。

本発明の他の目的は、いかなるスタイラスを装着しても、方向依存性がないタッチ信号プローブを提供することにある。

そのため、本発明は、正多角形体の圧電素子支持部の側面に取り付けた検出素子 (例えば圧電素子ゃストレインゲージ）から出力される信号の和、差及び自乗和に基づいて接触検知信号（Touch Detection Signal )を発生して前記目的を達成しようとするものである。

具体的には本発明にかかるタツチ信号プローブは、先端に被測定物と接触する接触部を有する略柱状のスタィラスに、前記接触部が被測定物に接触したことを検出する検出素子を配置したタツチ信号プローブにおいて、前記スタイラスは前記検出素子を支持固定するための検出素子支持部を有し、この検出素子支持部は前記ス夕ィラスの軸と直交する断面が正多角形とされる正多角形体であり、この正多角形体の各側面のうち少なくとも 2面に前記検出素子をそれぞれ取り付け、これらの検出素子から出力される信号、及び、該信号間に演算処理（例えば、加算、減算、定数乗算、遅延のいずれか、又は、それらの組み合わせ）を施し、この演算結果信号に基づいて接触検知信号を発生することを特徴とする。

測定のため、本発明のタツチ信号プローブを移動してスタィラスの接触部が被測定物に接触すると、接触時の衝撃力が検出素子で検出される。この際、各検出素子から接触信号が出力されるが、まず、各検出素子から出力される信号の和及び差をそれぞれ生成する。各検出素子から出力される信号の和を演算するのは、スタイラス軸に作用する曲げ歪成分を除去してスタイラス軸方向に作用する縦歪成分を抽出するためであり、各検出素子から出力される信号の差を演算するのは、各検出素子から出力される位相の異なる信号からスタイラス軸に作用する曲げ歪成分を抽出するためである。

その後、これらの和の信号と差の信号との自乗和をそれぞれ生成する。各信号をそれぞれ自乗するのは、各検出素子から出力される信号の極大値を検出素子の取付方位と被測定物との接触方位のなす角度にかかわらず完全一定にするためである。さらに、各信号を自乗和することにより、大きな検出信号を得ることができ、測定精度を向上王させることができる。

自乗和から生成された検知信号に基づいて接触検知信号を発生し、接触検知信号が発生された点における座標を測定値として読みとる。

従って、本発明では、各検出素子から出力される信号の処理により方向依存性を無くして精度の高い測定が行える。

さらに、多角形体の側面に検出素子を取り付けるものであるから、タツチ信号プ口一ブの構造を簡易なものにできる。

ここで、本発明では、前記検出素子支持部の断面を正方形とするとともに、その各側面に合計 4個の前記検出素子をそれぞれ取り付けた構造でもよい。この場合、これらの検出素子のうち前記検出素子支持部を挟んでそれぞれ互 L、に表裏の関係に位置する 2組の検出素子から出力される 2つの差動信号と、 4個の検出素子の全てから出力される和の信号あるいは互いに表裏の関係に位置する 2個の検出素子から出力される和の信号とから接触検知信号を発生する構成でもよい。

この構成では、スダイラス軸を中心として互いに 9 0度間隔に配置された 4個の検出素子から出力される信号に基づ、て接触検知信号が発生されるため、精度のよい測定が行える。さらに、前記表裏の関係に位置する 2組の検出素子から出力される 2つの差動信号をそれぞれ自乗して和した自乗和信号より第 1の検知信号を生成するとともに、前記 4個の検出素子から出力される和の信号あるいは表裏に位置する 2個の検出素子から出力される和の信号より第 2の接触信号を生成し、該第 2の検知信号を所定の時間だけ遅延させた後、前記第 1の検知信号との論理和により接触検知信号を発生する構成でもよい。

この構成では、第 1の検知信号と第 2の検知信号とから論理和により接触検知信号を生成するにあたり、時間的に早く極大値を形成する第 2の検知信号を所定の時間だけ遅らせることにより、接触部の接触部位にかかわらず同じ接触検知信号が発生する。

また、前記第 1の検知信号は、前記表裏の関係に位置する 2組の検出素子から出力される 2つの差動信号の自乗和信号が基準値を越えた場合に生成され、前記第 2 の検知信号は、前記 4個の圧電素子から出力される和の信号あるいは表裏の関係に位置する 2個の検出素子から出力される和の信号が基準値を越えた場合に生成される構成でもよい。

この構成では、前述と同様に、接触部の接触部位にかかわらず同じ出力が発生する o

又、前記各検出素子から出力される和の信号あるいは表裏の関係に位置する 2個の検出素子から出力される和の信号の大きさを調整して所定時間遅らせた 1つの信号と、前記表裏の関係に位置する検出素子から出力される 2つの差動信号との合計 3つの信号をそれぞれ自乗した後に和した信号を用いて接触検知信号を発生する構成でも良い。

又、本発明は、装着するスタイラス毎に縦振動成分に対応する第 1の検知信号と横振動成分に対応する第 2の検知信号との時間差を求め、この時間差を補正して前記目的を達成しょうとするものである。

具体的には、本発明に係るタツチ信号プ□ーブは、先端に被測定物と接触する接触部を有する略柱状のスタィラスに、前記接触部が被測定物に接触したことを検出する検出素子を複数配置し、これらの検出素子から出力される信号の和、差及び自乗和を演算することによって、前記スタイラスの軸方向に沿つた縦振動成分に対応する信号と、前記スタイラスの軸方向と直交する方向に沿つた横振動成分に対応する信号とをそれぞれ生成し、前記縦振動成分に対応する信号から第 1の検知信号を生成し、前記横振動成分に対応する信号から第 2の検知信号を生成し、前記第 1の検知信号と前記第 2の検知信号との論理和により、接触検知信号を発生するタツチ信号プローブであって、前記第 1の検知信号が発生してから前記第 2の検知信号が発生するまでの時間差を測定する時間差測定回路と、前記第 1の検知信号と前記第 2の検知信号との論理和を求めるに際して、前記第 1の検知信号を、設定された遅延時間遅延させる遅延回路とを備え、前記時間差測定回路は、前記スタイラスを交換する毎に前記時間差を前記遅延時間として前記遅延回路に設定する遅延時間設定動作を行うことを特徴とする。

測定のため、本発明のタツチ信号プローブを移動してスタイラスの接触部が被測定物に接触すると、接触時の衝撃力が検出素子で検出される。この際、各検出素子から検出信号が検出される力まず、各検出素子から出力される信号の和及び差をそれぞれ生成する。各検出素子から出力される信号の和を演算するのは、スタイラス軸に作用する曲げ歪成分を除去してスタイラス軸方向に作用する縦振動成分を抽出するためであり、各検出素子から出力される信号の差を演算するのは、各検出素子から出力される位相の異なる信号からスタイラス軸に作用する横振動成分を抽出するためである。

その後、これら差の信号について自乗和を生成する。各信号の自乗和を生成するのは、各検出素子から出力される信号の極大値を検出素子の取付方位と被測定物との接触方位のなす角度に拘らず一定にするためである。更に、大きな検出信号を得ることができ、測定精度を向上させることができる。

自乗和から生成された信号に基づいて前記スタィラスの軸方向に沿った縦振動成分に対応して第 1の検知信号と、前記スタイラスの軸方向と直交する方向に沿つた横振動成分に対応して第 2の検知信号とをそれぞれ生成し、第 1の検知信号と第 2の検知信号とから論理和により接触検知信号を生成する。

この接触検知信号を生成するにあたり、時間的に早く極大値を形成する第 1の検知信号が遅延回路によって所定の時間差 Δ tだけ遅れることにより、接触部の接触部位に拘らず同じ接触検知信号が発生する。

本発明では、測定に先立ち、装着したスタイラスの接触部を所定の角度、例えば、 4 5度で被測定物に接触させ、この時の前記第 1の検知信号が発生してから前記第 2の検知信号が発生するまでの時間差 Δ tを時間差測定回路によって求める。

従って、本発明では、装着するスタイラスの形状が変わっても、スタイラス毎に第 1の検知信号と第 2の検知信号との時間差 Δ tが補正されるため、方向依存性を無くして精度の高い測定が行える。

ここで、本発明では、前記時間差測定回路は、前記第 1の検知信号が発生してから前記第 2の検知信号が発生するまで出力信号を出力するフリップフロップ回路と、このフリップフロップ回路で出力信号が出力された時間を計時して、前記時間差を演算する計時回路とを備えた構成でもよい。

この構成では、装着したスタイラスの第 1の検知信号と第 2の検知信号との時間差 Δ tをフリップフロップ回路及び計時回路で求めると共に、この時間差 Δ tを求めた後、通常の測定を行う。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の第 1実施例に係わる夕ツチ信号プローブを示すもので、図 1 ( A )は圧電素子が取り付けられる前の状態を示す斜視図であり、図 1 ( B )は圧電素子が取り付けられた後の状態を示す斜視図である。

図 2 ( A )は、タツチ信号プローブの接触部にスタイラス軸と直交する方向から被測定物に接触する場合を示す正面図であり、図 2 ( B )は、図 2 ( A )の場合における 1個の圧電素子の出力の時間的な変化を示すグラフである。

図 3は、圧電素子の取付方位とスタイラスが被測定物と接触する方位とのなす角度 Θを説明するためのタツチ信号プロ一ブの斜視図である。

図 4は、角度 Θと圧電素子の出力極大値 V 0との関係を示すグラフである。図 5は、圧電素子から出力された信号から接触信号を生成する構成を示すプロック図である。

図 6は、圧電素子から出力された信号から接触信号を生成する構成を示す回路図でめる。

図 7は、スタイラス軸と直交する方向と接触部が被測定物に当たる方向とがなす角度を説明するためのスタイラスの斜視図である。

図 8は、本発明の変形例を示すもので、圧電素子から出力された信号から接触信号を生成する構成を示す回路図である。

図 9は、本発明の第 2実施例で、圧電素子から出力された信号から接触信号を生成する構成を示す回路図である。

図 1 0は、遅延回路及び時間差測定回路の構成を示す回路図である。

図 1 1は、第 1の検知信号 S _H、第 2の検知信号 S _v、及びフリップフ口ップ回路の出力信号 Sェとの関係を示すグラフである。

図 1 2は、第 2実施例の変形例を示すもので、図 1 0に相当する図である。図 1 3は、前記変形例を構成するロード信号発生回路を示す回路図である。図 1 4は、本発明の変形例（圧電素子支持部の形状が異なる例）の全体を示すもので、図 1 4 ( A )は圧電素子が取り付けられる前の状態を示す斜視図であり、図 1 4 ( B ) は圧電素子が取り付けられた後の状態を示す斜視図である。

図 1 5は、本発明の変形例（圧電素子の数が異なる例）の全体を示すもので、図 1 5 ( A )は圧電素子が取り付けられる前の状態を示す斜視図であり、図 1 5 ( B ) は圧電素子が取り付けられた後の状態を示す斜視図である。

図 1 6は、本発明の変形例（圧電素子支持部の断面形状が異なる例）の全体を示す斜視図である。

図 1 7は、本発明の変形例（圧電素子支持部の中央部形状が異なる例）の全体を示す分解斜視図である。発明を実施するための最良の形態

以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。

図 1には、本発明の第 1実施例にかかる無方向性タツチ信号プローブの全体構成が示されており、（A )は圧電素子が取り付けられる前の状態を示し、（B )は圧電素子が取り付けられた後の状態を示す。

図 1 ( A )において、本実施例のタツチ信号プローブは、先端に被測定物と接触する接触部 1 Aを有する略柱状のスタイラス 1に 4個の圧電素子 2 1〜2 4を取り付けた構造であり、スタイラス 1は、前記接触部 1 Aと、この接触部 1 Aがー端部に取り付けられた断面円形のスタイラス本体 1 Bと、このスタイラス本体 1 Bの他端部に一体形成された圧電素子支持部 1 Cと、この圧電素子支持部 1 Cの端部に設けられ図示しないプロ一ブ本体に装着するねじ部 1 Dとを備え、これらの部材はスタイラス軸上に配置されている。

圧電素子支持部 1 Cはスタイラス軸と直交する断面が正方形とされる直方体であり、この直方体の各側面に前記圧電素子 2 1〜2 4がその全面において接着剤等でそれぞれ固着されている。

このうち、圧電素子 2 1， 2 3は圧電素子支持部 1 Cを挟んで互いに表裏の関係にあり、圧電素子 2 2 , 2 4は圧電素子 2 1 , 2 3と隣り合う位置において、互いに表裏の関係にある。

図 1 ( B ) に示される通り、圧電素子 2 1〜2 4は、その長手方向がスタイラス軸と平行である平面矩形状とされている。

図 2 ( A )はタツチ信号プロ一ブの接触部 1 Aにスタイラス軸と直交する方向から被測定物に接触する場合を示す正面図であり、図 2 ( B )は、図 2 ( A ) の場合における 1個の圧電素子 21の出力の時間的な変化を示すグラフである。

図 2 (B)において、被測定物と接触後、スタイラス 1の固有振動数等によって定まる Toの時点で圧電素子 21の出力は極大値 Voとなる。

この極大値 Voの大きさは圧電素子 21の取付方位とスタイラス 1が被測定物と接触する方位とのなす角度、つまり、圧電素子 21のスタイラス 1の軸周りの角度

Θ (図 3参照）によって異なり、図 4で示すように、 360度の周期で正弦波状に変化する。

出力極大値（OUTPUT MAXIMAL VALUE)Voが最大値 Vmaxとなるのは、圧電素子 21 が曲げ変形を受けやすい角度（ Θ = 0 )で被測定物とスタイラス 1が接触する場合であることがわかる。

図 5は、 4個の圧電素子 21〜24からの出力により接触信号を生成するためのブロック図であり、図 6は，その回路図である。

図 5及び図 6において、各圧電素子 21〜24から出力される信号は、増幅回路 (Amplifying circuit) 31〜34で増幅されて V、〜 ₄とされた後、互いに表裏の関係にある圧電素子 21， 23から出力される信号 Vい V ₃は、その差 V₁₃が差動増幅回路（Differential amplifying circuit ) 41で演算され、互いに表裏の関係にある圧電素子 22, 24から出カされる信号¥₂,¥ ₄は、その差 V₂₄が差動増幅回路 42で演算される。これらの差動増幅回路 41 ,42で第 1の接触信号が生成される。

さらに、圧電素子 21〜24から出力されて増幅回路 31〜34で増幅された信号 V V は、これらの和 V ₁₂₃₄が加算回路 (Adding circuit) 5で演算され、この加算回路 5で第 2の接触信号が生成される。

ここで、圧電素子 21， 23 ( 22， 24 )の出力信号の差 V ₁₃ ( V _2J) を演算するのは、スタイラス軸に作用する曲げ歪成分を油出するためである。

また、 4個の圧電素子 21〜24の和 V ₁₂₃₄を演算するのは、スタイラス軸に作用する曲げ歪成分を除去してスタイラス軸方向に作用する縦歪成分を抽出するためである。ただし、本実施形態では、縦歪成分を抽出するにあたり、 4個全ての圧電素子 21〜24の出力信号の和を求めるものに限定されるものではなく、互いに表裏関係にある 2個の圧電素子 21， 23又は圧電素子 22， 24からの出力信号の和を演算するものでもよい。

差動増幅回路 41, 42で生成された第 1の接触信号と、加算回路 5で生成された第 2の接触信号とから接触信号検知回路（Touch Signal Detecting Circuit) 6で接触検知信号が生成される。

接触信号検出回路 6では、第 1の接触信号である出力信号の差（ V ₁₃， V ₂₄)は、自乗回路（Square Circuit) 71. 72でそれぞれ自乗された後、加算回路 8で加算されて 1つの信号となる。ここで、自乗して加算するのは、 90度取付角度が異なる圧電素子 21， 23 ( 22, 24 )からの出力の最大値を角度 Θによらず一定にするためである。

即ち、圧電素子 21， 23の差動出力の極大値を

1₃= X c o s (Θ₀) 圧電素子 22, 24の差動出力の極大値を

2 = V _ffiax X c o s (Θ ₀+90 ) と、それぞれ表すと、

(V ₁₃) ²+ (V₂₄) ²= (V_Bax) ²

であるから、角度 Θ οによらず、時間 Τ 0における出力の極大値は（V max) ²となる。

以上の説明はスタイラス 1がスタイラス軸と直交する方向から接触部 1 Aに被測定物が接触した場合であり、スタィラス軸と角度の角度で接する場台（図 7参照）の出力の極大値は {Vmaxx c o s } ²となる。なお、図 7において、角度とは、スタイラス軸と直交する方向と、接触部 1 Aが被測定物に当たる方向とがなす角度である。

第 1の接触信号 V ₁₃ ( V ₂₄)はスタイラス軸に表裏に貼られた圧電素子 21， 2 3 ( 22, 24 ) の差動信号であるから、 V maxx c o s /3は圧電素子支持部 1 Cの曲げ歪成分を表す信号といえる。

図 6において、加算回路 5で演算された和の信号 V ₁₂₃₄は、 Kを増幅率とすると、次の式で求められる。

ν ₁₂₃₄=κ (V₁+V₂+V₃+V₄)

V ₁₂₃₄は、曲げ歪成分を除いた縦歪成分を表す信号であり、が 90度、即ち、スタイラス軸の方向から被測定物に接触部 1 Aが接触した場合に最大値 V _Mとなり、スタイラス軸と /3の角度で接する場合の出力の極大値は、

V ₁₂₃₄= _M X S i

となる。

ただし、 { V _BaxX c o s ^ } ²の極大値を形成する時間と V i ^が極大値を形成する時間は一般的に異なっている。つまり、曲げ剛性より縦方向の剛性が一般的に高いので、

V ₁₂₃₁の方が時間的に早い。

従って、 V_M=V_maxとなるように加算回路 5及び差動増幅回路 41、 42のゲインを調整した後、遅延回路（Delay circuit) 9で V i ^信号に適当な時間遅れをもたせ、さらに、しかる後、自乗回路 73で自乗する。

自乗回路73で自乗した（ ₁₂₃₄ ) ²信号と、 {V _Baxx c o s；3 } 言号とを加算回路 10で加算すると、

(V ₁₂₃₄ ) ²+ iV _fflasX c o s ,8 } ^ = V_max となり、接触角度によらず、一定の信号となる。

つまり、時間的に早く極大値を形成する縦歪に相当する信号を所定の時間だけ遅らせることにより、曲げ歪に相当する信号と同じタイミングで極大値を形成するようにして接触部 1 Aのどこと接触しても同じ出力が発生できるようにした。

その後、比較回路 1 1で所定の基準値と比較し、この基準値を越えた場合に接触検知信号が発生する。

なお、本実施例では、（V ₁₂₃₄ ) 信号を遅延させた後に自乗する手法に限定されるものではなく、（V _ffiax ) ²の演算後に遅延させた（ V ₁₂₃₄ ) ²を加算する手法等、本実施例の趣旨に従つて変更してもよい。

さらに、（V ₁₂₃₄ )信号に適当な時間遅れをかけた後に

( v ₁₃) ²+ ( v ₂₄) ²= ( v ₁₂₃₄ "

( ν ₁₃·"+ ( ν ₂₄) ² + ( ν ₁₂₃₄ "

の演算をしてもよい。この場合でも前述と同じ結果を得ることができる。

従って、本実施例では、先端に接触部 1 Αを有する略柱状のスタイラス 1に接触部 1 Aが被測定物に接触したことを検出する圧電素子 2 1〜24を配置し、スタイラス 1は圧電素子 2 1〜2 4を支持固定するための圧電素子支持部 1 Cを有し、この圧電素子支持部 1 Cはスタイラス 1の軸と直交する断面が正多角形とされる正多角形体であり、この正多角形体の各側面のうち少なくとも 2面に圧電素子 2 1〜 2 4をそれぞれ取り付け、これらの圧電素子 2 1〜2 4から出力される信号の和、差及び自乗和を生成し、この生成した信号に基づいて接触検知信号を発生する構成としたから、各圧電素子 2 1〜2 4から出力される信号の処理により方向依存性をなくして精度の高し、測定が行える。

つまり、圧電素子 2 1〜24から出力される信号の和を演算することにより、スタイラス軸に作用する曲げ歪成分を除去してスタイラス軸方向に作用する歪成分を抽出し、圧電素子 2 1〜2 4から出力される信号の差を演算することにより、各圧電素子 2 1〜24から出力される位相の異なる信号に基づいてスタィラス軸に作用する曲げ歪成分を抽出し、さらに、これらの和の信号と差の信号との自乗和をそれぞれ生成することにより、スタイラス軸に対して取付角度の異なる各圧電素子 2 1〜2 4から出力される信号の極大値を検出用圧電素子の取付方位と被測定物との接触方位のなす角度 Θにかかわらず一定にしたから、測定球 1 Αの被測定物に接触する角度にかかわらず測定の高精度化を図ることができる。

しかも、多角形体の側面に圧電素子 21〜24を取り付ける構造であるから、タツチ信号プローブの構造を簡易なものにできる。

また、本実施形態では、圧電素子支持部 1Cの断面を正方形とするとともに、その各側面に合計 4個の圧電素子 21〜 24をそれぞれ取り付けた構造であるから、圧電素子 21〜24のうち圧電素子支持部 1 Cを挟んでそれぞれ互いに表裏の関係に位置する 2組の検出用圧電素子 21, 23 (22, 24)から出力される 2つの差動信号 V ₁₃,V ₂₄と、 4個の圧電素子 21〜24の全てから出力される和の信号 V ₁₂₃₄あるいは表裏に位置する 2個の検出用圧電素子から出力される和の信号とから接触検知信号を発生する構成であるから、スタイラス軸を中心として互いに 9 0度間隔に配置された 4個の圧電素子 21〜 24から出力される信号に基づいて接触検知信号が発生されるため、精度のよい測定が行える。

さらに、表裏に位置する 2組の検出用圧電素子 21， 23 (22, 24 )から出力される 2つの差動信号 V ₁₃, V ₂₄より第 1の接触信号を生成するとともに、 4個の検出用圧電素子 21〜24から出力される和の信号 V ₁₂₃₄あるいは表裏に位置する 2個の検出用圧電素子 21， 23 ( 22, 24 )から出力される和の信号より第 2の接触信号を生成し、第 2の接触信号を所定の時間だけ遅延させた後、第 1の接触信号との加算により接触検知信号を発生する構成としたから、第 1の接触信号と第 2の接触信号とから加算により接触検知信号を生成するにあたり、時間的に早く極大値を形成する縦歪に相当する第 2の接触信号を所定の時間だけ遅らせることにより、接触部のどこと接触しても同じ出力が発生するから、この点からも測定の高精度化を図ることができる。

なお、本発明は前述の第 1実施例に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲であれば次に示す変形例を含むものである。

例えば、本発明では、図 8に示される通り、加算回路 8から出力された信号 {V maxx c o s ^ } ²を比較回路 1 2で基準値と比較し、その基準値を越えた場合に O R回路 1 3を経由して接触検知信号を発生し、他方、加算回路 5で演算された和の信号 V ₁₂₃₄を比較回路 1 4で基準値と比較し、この信号が基準値を越えた場合に、遅延回路 1 5で所定時間遅らせて O R回路 1 3を経由して接触検知信号を発生する構成でもよい。

さらに、図 6及び図 8では、接触信号生成回路をアナログ回路から構成したが、この接触信号生成回路をデジタル回路から構成してもよい。又、精度が要求されない場合には、図 6の遅延回路 9、あるいは、図 8の遅延回路 1 5は省略することが出来 0

次に、本発明の第 2実施例を詳細に説明する。本実施例の無方向性タツチ信号プ口一ブの全体構成ゃ圧電素子の出力波形は、第 1実施例と同一であるので説明は省略する。

図 9は、本実施例において、 4個の圧電素子 2 1〜2 4からの出力により接触検知信号を生成するための回路図である。

図 9において、各圧電素子 2 1〜2 4から出力される信号は、増幅回路 3 1〜 3 4で増幅されて〜V ₄ とされた後、互いに表裏の関係にある圧電素子 2 1、 2 3から出力される信号 V 、 V ₃ は、その差（ν ! - V 3 ) が差動増幅回路 4 1で演算され、互いに表裏の関係にある圧電素子 2 2、 2 4から出力される信号 V ₂、 V ₄ は、その差（V ₂ - V ₄ ) が差動増幅回路 4 2で演算される。

ここで、圧電素子 2 1、 2 3 ( 2 2、 2 4 ) の出力信号の差（ V ェ —V ₃ )、 ( V ₂ — V ₄ ) を演算するのは、横振動成分を抽出するためである。

又、圧電素子 2 1〜2 4から出力されて増幅回路 3 1〜3 4で増幅された信号 V 1〜V は、これらの和が加算回路 5で演算される。 4個の圧電素子 2 1〜2 4 の和を演算するのは、スタィラス軸に作用する横振動成分を除去してスタイラス軸方向に作用する縦振動成分を抽出するためである。但し、本実施例では、縦振動成分を抽出するにあたり、 4個全ての圧電素子 2 1〜2 4の出力信号の和を求めるものに限定されるものでなく、互いに表裏関係にある 2個の圧電素子 21、 23又は圧電素子 22、 24から出力信号の和を演算するものでもよい。

差動増幅回路 41、 42で生成された第 1の接触信号と、加算回路 5で生成された第 2の接触信号とから、接触検知回路 6で接触検知信号が生成される。

加算回路 5で演算された和の信号 V Hは、 K 1 を増幅率とすると、次の式で求められる。

V _H ( V j +V ₂ +V 3 +v ₄ )

又、差動増幅回路 41、 42で生成された信号は、自乗和回路 71、 72でそれそれ自乗された後、加算回路 8で加算されて信号 V _v となる。この信号 V_v はスタイラス軸と垂直方向に沿った横振動成分に対応する信号である。ここで、自乗して加算するのは、 90度取付角度が異なる圧電素子 21、 23 ( 22、 24)からの出力信号を Θによらず一定にするためである。

加算回路 8で演算された信号 V_v は、 K ₂ を増幅率とすると、次の式で求められる。

ν =K₂ { (V _t -ν₃ ) ² + ( V₂ -V₄ ) ² }

信号 V _ν の極大値を形成する時間と信号 V „ が極大値を形成する時間は一般的に異なっている。つまり、曲げ剛性より縦方向の剛性が一般的に高いので、信号 V

„ の方が時間的に早い。そのため、時間的に早く極大値を形成する縦振動成分に相当する信号 V _Η を所定の時間だけ遅らせることにより、横振動成分に相当する信号と同じタイミングで極大値を形成するようにして、接触部 1 Αのどこと接触しても同じ出力が発生できるようにされている。

具体的には、加算回路 5で演算された信号 V_Hを比較回路 14で基準値（Hレべル）と比較し、この信号が基準値（Hレベル）を越えた場合に出力される第 1の検知信号 S_Hを遅延回路 15で所定時間遅れた後、 OR回路 13を介して発生させる _c 又、加算回路 8で演算された信号 V_vを比較回路 12で基準値（Hレベル）と比較し、この信号が基準値（Hレベル）を越えた場合に出力される第 2の検知信号 S _vを O R回路 1 3を介して発生させる。

本実施例では、スタイラス軸を含む平面内の角度 /3 (図 7参照）を所定角度、例えば、 4 5度としてスタイラス 1を被測定物に当接し、その時に第 1の検知信号 S _Hが発生してから第 2の検知信号 S _vが発生するまでの時間差 Δ tを、時間差測定回路 1 6で測定する。ここで、スタイラス 1の被測定物への当接角度 ^は 4 5度に限定されるものではない。スタイラス軸方向の縦振動成分と軸方向と直交する方向の横振動成分の 2つの成分が生じるような角度であればよく、理論上は 0度、 9 0 度以外であればよい。但し、実用上は、それぞれの振動成分が発生した際の時間を検出しなければならないので、それぞれの振動成分の振幅がある程度の大きさでなければならず、そのため、 4 5度が好ましい。

この時間差測定回路 1 6は、スタイラス 1を交換する毎に時間差 Δ tを遅延時間として遅延回路 1 5に設定する遅延時間設定動作を行うものであり、その構成は、図 1 0に示されるとおり、第 1の検知信号 S _Hが発生してから第 2の検知信号 S _v が発生するまで出力信号を出力するフリップフロップ回路 1 8と、このフリップフ口ップ回路 1 8で出力信号が出力された時間を計時して前記時間差 Δ tを演算する計時回路 1 9とを備えたものである。

フリップフ口ップ回路 1 8は、リセット 'セット 'フリップフロップ（ R S— F F ) であり、第 1の検知信号 S _Hが送られる比較回路 1 4をセッ卜の端子に接続し、第 2の検知信号 S _vが送られる比較回路 1 2をリセッ卜の端子に接続し、第 1の検知信号 S ₁₁が11レベルとなつてから第 2の接触信号 S \,が15レベルとなるまでの間、その出力信号 S 丄は Hレベルとなる（図 1 1参照）。

計時回路 1 9は、クロックジヱネレータ 5 1と、このクロックジヱネレータ 5 1 の信号、フリップフロップ回路 1 8の出力信号及び遅延時間設定動作信号を受けて出力するアン.ド回路 5 2と、このアンド回路 5 2からの信号を受けて出力信号 S iが Hレベルとなっている時間から時間差 Δ tを演算するアップカウンタ 5 3とから構成されている。このアップカウンタ 5 3は、リセット端子 5 3 Aを備えており、このリセット端子 5 3 Aは三次元測定機の制御部（図示せず）に接続されている。遅延時間設定動作を行う際に、遅延時間設定動作信号が出力されると、ァップカウンタ 5 3はリセットされ、 Δ tを計時する。

又、遅延回路 1 5は、前記クロックジヱネレ一タ 5 1からの信号、第 1の検知信号 S _H及び前記遅延時間設定動作信号の反転信号を受けて出力するアンド回路 5 6 と、第 1の検知信号 S _Hを受けて、前記アップカウンタ 5 3より時間差 Δ tがロードされると共に、クロック信号が入力されてダウンカウントが開始されるダウン力ゥンタ 5 7とから構成されている。

ダウンカウンタ 5 7は、その値が 0となるとボロウ（ BORROW )信号が出力されるが、この信号は第 1の検知信号 S _Hが時間差 Δ tだけ遅延させた信号 S _HDとして用いられる。

本実施例では、遅延回路 1 5及び時間差測定回路 1 6の構成は、前述の構成に限定されるものではない。例えば、クロックジェネレータ 5 1は遅延回路 1 5及び時間差測定回路 1 6で共通にしないで、別々に設ける構成であってもよい。

従って、本実施例では、第 1の検知信号 S _Hが発生してから第 2の検知信号 S _v が発生するまでの時間差を測定する時間差測定回路 1 6と、第 1の検知信号 S _Hと第 2の検知信号 S Vとの論理和を求めるに際して、第 1の検知信号 S _Hを設定された遅延時間 Δ tだけ遅延させる遅延回路 1 5とを備えて接触検知回路 6を構成し、時間差測定回路 1 6はスタイラス 1を交換する毎に時間差 Δ tを遅延時間として遅延回路 1 5に設定する遅延時間設定動作を行う構成であるから、測定に先立ち、装着したスタイラス 1の接触部 1 Aを所定の角度、例えば、 4 5度で被測定物に接触させ、この時の第 1の検知信号 S _Hが発生してから第 2の検知信号 S Vが癸生するまでの時間差 tを時間差測定回路によって求めることにより、装着するスタイラス 1の形状が変わつても、スタイラス 1毎に第 1の検知信号 S _Hと第 2の検知信号 S _vとの時間差 Δ tが補正されるため、方向依存性をなくして精度の高い測定が行える。

更に、遅延時間設定動作と通常の測定動作とは、遅延時間設定動作信号により識別されるから、誤った時間差 Δ tを使用することがない。そのため、測定の高精度化が確保される。

なお、本発明は、前述の実施例に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲であれば次に示す変形例を含むものである。

例えば、第 2実施例では、図 1 2に示されるとおり、口一ド信号発生回路 6 1を有する構成でもよい。このロード信号発生回路 6 1は、前記信号 S _HDを出力してから所定の時間経過後又は遅延時間設定動作終了後に、ダウンカウンタ 5 7に対してロード信号を発生するものである。

ロード信号発生回路 6 1は、図 1 3に示されるとおり、信号 S _HDを所定時間遅延させた信号 S _HDDを発生する遅延回路 6 2と、この信号 S _HDDと遅延時間設定動作信号の反転信号との論理和を生成する O R回路 6 3とから構成される。

また、本発明では、圧電素子 2 1〜2 4からの出力を増加させるために、図 1 4 ( A ) ( B ) に示される通り、圧電素子支持部 1 Cの中央部が括れるように形成し、圧電素子 2 1〜 2 4は、その雨端部が圧電素子支持部 1 Cの雨側部に支持固定され、その中央部が圧電素子支持部 1 Cとの間で隙間が形成される構造でもよい。この際、圧電素子支持部 1 Cのうち圧電素子 2 1〜2 4を支持する雨側部の断面が正方形とされる。

この構造では、圧電素子支持部 1 Cの剛性が図 1の圧電素子支持部 1 Cより低下しているため、圧電素子 2 1〜2 4の変形量が多くなる。そのため、圧電素子 2 1 〜2 4の出力が大きくなるから、測定精度の向上が図れる。

さらに、前記実施例では、圧電素子 2 1〜2 4を 4個設置する場合について説明したが、本発明では、図 1 5 ( A ) ( B ) に示される通り、圧電素子支持部 1じの互いに隣り合う 2側面に 2個の圧電素子 2 1 , 2 2を固着する構造でもよい。この場合、図 6の接触信号生成回路において、圧電素子 2 1 , 2 2から出力される信号を差動増幅する必要がないが、この信号成分には圧電素子支持部 1 Cの曲げ歪成分だけでなく、縦歪成分も含まれているから、簡易回路といえる。従って、スタイラス軸と直交する方向が被測定物に接する場合は、 Θの方向には方向依存性が発生しないが、そうでない場合は、 /3の方向には方向依存性が残ることになる。ただし、簡易な測定には不都合はない。

また、本発明では、図 1 6に示される通り、圧電素子支持部 1 Cの断面を正三角形とするとともに、その各側面に合計 3個の圧電素子 2 1〜 2 3を取り付けた構造でもよく、さらには、圧電素子支持部 1 Cの断面を正五角形、正六角形等に形成するものでもよい。

圧電素子支持部 1 Cの断面を正三角形とした場合、 3枚の圧電素子 2 1〜2 3の出力を自乗して加算すれば、スタイラス軸と直交する方向から被測定物に接する場合には、角度 Θに依存しない一定の出力、即ち、曲げ歪み成分を得ることができ、 3枚の圧電素子 2 1〜2 3の出力を加算すれば、縦歪み成分を得ることができる。スタイラス軸と直交しない方向から被測定物に接する場合には、 /3の方向には方向依存性が残ることになるが、簡易な測定には不都合はない。

さらに、以上において、圧電素子支持部 1 Cの中央部形状の断面を正多角形である場合について説明したが、本発明では、図 1 7に示される通り、圧電素子支持部 1 Cの中央部を円形断面としてもよい。即ち、本発明では、圧電素子支持部 1じにおいて、圧電素子 2 1〜2 4を直接支持する部分が断面正多角形であれば足り、圧電素子 2 1〜2 4と接しな t、部位の形状は限定されるものではない。産業上の利用可能性

本発明によれば、先端に接触部を有する略柱状のスタイラスに、接触部が被測定物に接触したことを検出する検出素子を配置し、スタイラスは検出素子を支持固定するための検出素子支持部を有し、この検出素子支持部はスタイラスの軸と直交する断面が正多角形とされる正多角形体であり、この正多角形体の各側面のうち少なくとも 2面に検出素子をそれぞれ取り付け、これらの検出素子から出力される信号の和、差及び自乗和を生成し、この生成した信号に基づいて接触検知信号を発生する構成としたから、各検出素子から出力される信号の処理により、方向依存性をなくして精度の高い測定が行え、しかも、多角形体の側面に検出素子を取り付けることによりタツチ信号プローブの構造を簡易なものにできる。

又、本発明によれば、先端に被測定物と接触する接触部を有する略柱状のスタイラスに、前記接触部が被測定物に接触したことを検出する検出素子を複数配置し、これらの検出素子から出力される信号の和、差及び自乗和を演算することによって、前記スタイラスの軸方向に沿った縦振動成分に対応する信号と、前記スタィラスの軸方向と直交する方向に沿った横振動成分に対応する信号とをそれぞれ生成し、前記縦振動成分に対応する信号から第 1の検知信号を生成し、前記横振動成分に対応する信号から第 2の検知信号を生成し、前記第 1の検知信号と前記第 2の検知信号との論理和により接触信号を発生するタツチ信号プローブであって、前記第 1の検知信号が発生してから前記第 2の検知信号が発生するまでの時間差を測定する時間差測定回路と、前記第 1の検知信号と前記第 2の検知信号との論理和を求めるに際して、前記第 1の検知信号を設定された遅延時間遅延させる遅延回路とを備え、前記時間差測定回路は、前記スタイラスを交換する毎に前記時間差を前記遅延時間として前記遅延回路に設定する遅延時間設定動作を行うことにしたから、第 1の検知信号と第 2の検知信号とから論理和により接触検知信号を生成するにあたり、時間的に早く極大値を形成する第 1の検知信号が遅延回路によって所定の時間差 Δ tだけ遅れることにより、接触部の接触部位に拘らず、同じ接触検知信号が発生する。しかも、装着するスタイラスの形状が変わっても、スタイラス毎に第 1の検知信号と第 2の検知信号との時間差 Δ tが補正されるため、方向依存性をなくして精度の高い測定が行える。

Claims

請求の範囲

1 . 先端に被測定物と接触する接触部を有する略柱状のスタイラスに、前記接觫部が被測定物に接触したことを検出する検出素子を配置したタツチ信号プロ一ブにおいて、

前記スタイラスは、前記検出素子を支持固定するための検出素子支持部を有し、この検出素子支持部は、前記スタィラスの軸と直交する断面が正多角形とされる正多角形体であり、

この正多角形体の各側面のうち少なくとも 2面に前記検出素子をそれぞれ取り付け、

これらの検出素子から出力される信号、及び、該信号間に演算処理を施し、この演算結果信号に基づ、て接触検知信号を発生することを特徴とする無方向性タツチ信号プローブ。

2 . 請求項 1に記載のタツチ信号プローブにおいて、前記検出素子が圧電素子であることを特徴とする無方向性タツチ信号プローブ。

3 . 請求項 1に記載のタツチ信号プローブにおいて、前記検出素子がストレインゲージであることを特徴とする無方向性タツチ信号プローブ。

4. 請求項 1に記載のタツチ信号プローブにおいて、前記演算処理が加算、減算、自乗、定数乗算、遅延のいずれか、又は、それらの組み合わせであることを特徴とする無方向性タツチ信号プローブ。

5 . 請求項 1に記載のタツチ信号プローブにおいて、

前記検出素子支持部の断面を正方形とするとともに、

その各側面に合計 4個の前記検出素子を取り付け、

これらの検出素—子のうち前記検出素子支持部を挟んでそれぞれ互し、に表裏の関係に位置する 2組の検出素子から出力される 2つの差動信号と、 4個の検出素子の全てから出力される和の信号あるいは互いに表裏に位置する関係の 2個の検出素子から出力される和の信号とから接触検知信号を発生することを特徴とする無方向性タツチ信号プローブ。

6 . 請求項 5に記載のタツチ信号プローブにおいて、

前記表裏の関係に位置する 2組の検出素子から出力される 2つの差動信号をそれぞれ自乗して和した自乗和信号より第 1の検知信号を生成するとともに、前記 4個の検出素子から出力される和の信号あるいは表裏の関係に位置する 2 個の検出素子から出力される和の信号より第 2の検知信号を生成し、

該第 2の検知信号を所定の時間だけ遅延させた後、前記第 1の検知信号との論理和により接触検知信号を発生することを特徴とする無方向性タツチ信号プローブ。

7 . 請求項 6に記載のタツチ信号プローブにおいて、

前記第 1の検知信号は、前記表裏の関係に位置する 2組の検出素子から出力される 2つの差動信号をそれぞれ自乗して和した自乗和信号が所定の基準値を超えた場合に生成され、

前記第 2の検知信号は、前記 4個の検出素子から出力される和の信号あるいは表裏の関係に位置する 2個の検出素子から出力される和の信号が所定の基準値を超えた場合に生成されることを特徴とする無方向性タツチ信号プローブ。

8 . 請求項 5に記載のタツチ信号プローブにおいて、

前記各検出素子から出力される和の信号あるいは表裏の関係に位置する 2個の検出素子から出力される和の信号の大きさを調整して所定時間遅らせた 1つの信号と、前記表裏の関係に位置する検出素子から出力される 2つの差動信号との合計 3つの信号をそれぞれ自乗した後に和した信号を用いて接触検知信号を発生することを特徴とする無方向性タッチ信号プル一ブ。

9 . 請求項 1に記載のタツチ信号プローブにおいて、前記検出素子は、その長手方向がスタィラス軸と並行である平面矩形状とされている無方向性タツチ信号プ口一ブ。

1 0 . 請求項 1に記載のタツチ信号プローブにおいて、前記検出素子支持部の中央部が括れるように形成され、前記検出素子は、その雨端部が検出素子支持部の、断面が正多角形とされた両端部に支持固定され、その中央部が検出素子支持部との間で隙間が形成されている無方向性タツチ信号プローブ。

1 1 . 請求項 1 0に記載のタツチ信号プローブにおいて、前記検出素子支持部の中央部の断面が、雨側部と同じ正多角形とされている無方向性タッチ信号プロ一

1 2 . 請求項 1 0に記載のタツチ信号プローブにおいて、前記検出素子支持部の中央部の断面が、円形とされている無方向性タツチ信号プローブ。

1 3 . 請求項 1に記載のタツチ信号プローブにおいて、前記検出素子支持部の中央部の断面が正方形とされると共に、その互いに隣り合う 2側面に 2個の検出素子が取り付けられている無方向性タツチ信号プローブ。

1 4 . 請求項 1に記載のタツチ信号プローブにおいて、前記検出素子支持部の断面が正三角形とされている無方向性タツチ信号プローブ。

1 5 . 先端に被測定物と接触する接触部を有する略柱状のスタイラスに、前記接触部が被測定物に接触したことを検出する検出素子を複数配置し、

これらの検出素子から出力される信号の和、差及び自乗和を演算することによつて、前記スタイラスの軸方向に沿った縦振動成分に対応する信号と、前記スタイラスの軸方向と直交する方向に沿つた横振動成分に対応する信号とをそれぞれ生成し、

前記縦振動成分に対応する信号から第 1の検知信号を生成し、

前記横振動成分に対応する信号から第 2の検知信号を生成し、

前記第 1の検知信号と前記第 2の検知信号との論理和により、接触検知信号を発生するタツチ信号プローブであって、

前記第 1の検知信号が発生してから前記第 2の検知信号が発生するまでの時間差を測定する時間差測定回路と、

前記第 1の検知信号と前記第 2の検知信号との論理和を求めるのに際して、前記第 1の検知信号を、設定された遅延時間遅延させる遅延回路とを備え、前記時間差測定回路は、前記スタイラスを交換する毎に前記時間差を前記遅延時間として前記遅延回路に設定する遅延時間設定動作を行うことを特徴とする無方向性タツチ信号プローブ。

1 6 . 請求項 1 5に記載のタツチ信号プローブにおいて、前記時間差測定回路は、前記第 1の検知信号が発生してから前記第 2の検知信号が発生するまで出力信号を出力するフリップフロップ回路と、

このフリップフロップ回路で出力信号が出力された時間を計時して、前記時間差を演算する計時回路とを備えたことを特徴とする無方向性タツチ信号プローブ。