| 【発明の名称】 |
タッチ信号プローブ |
| 【発明者】 |
【氏名】西沖 暢久
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| 【要約】 |
【課題】スタイラスを同一平面でラジアル方向に加振して高精度の測定を行えるとともに小型化できるタッチ信号センサを提供すること。
【解決手段】スタイラス支持体１０は、その中心が複数の軸の原点に一致するものであり、その側面にスタイラス１３を配置し、一の軸に垂直な面の外側部に加振・検出素子１２を固定する。スタイラス支持体１０にプローブ本体１５を嵌合するための被嵌合部１４を形成し、この被嵌合部１４の周囲に空隙１７を前記一の軸方向に沿って貫通形成し、スタイラス支持体１０の振動をプローブ本体１５の嵌合位置周縁部から絶縁する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】プローブ本体と、このプローブ本体の先端部に備えられたスタイラス支持体と、このスタイラス支持体から突出支持されるとともに先端に被測定物と接触する接触部を有するスタイラスと、このスタイラスの固有振動数と略一致した振動数で前記スタイラスを加振するとともに前記接触部が被測定物に接触する際の接触に伴う振動状態の変化を検出する加振・検出素子と、を備えたタッチ信号プローブにおいて、前記スタイラス支持体に前記プローブ本体を嵌合するための被嵌合部を形成し、この被嵌合部の周囲に空隙を設けることにより、前記スタイラス支持体の振動を前記プローブ本体の嵌合位置周縁部から絶縁することを特徴とするタッチ信号プローブ。
【請求項２】請求項１記載のタッチ信号プローブにおいて、前記スタイラス支持体は、前記空隙を挟んで互いに対向配置された前記嵌合位置周縁部とスタイラス支持部とが弾性ヒンジで連結され、この弾性ヒンジは前記スタイラス支持体の振動の節となる位置に配置したことを待徴とするタッチ信号プローブ。
【請求項３】請求項１又は２記載のタッチ信号プローブにおいて、前記スタイラス支持体を振動させた際の振動の腹となる位置に前記スタイラスを突出支持したことを特徴とするタッチ信号プローブ。
【請求項４】請求項１又は２記載のタッチ信号プローブにおいて、前記スタイラス支持体を振動させた際の振動の節となる位置に前記スタイラスを突出支持したことを特徴とするタッチ信号プローブ。
【請求項５】請求項１から４のいずれかに記載のタッチ信号プローブにおいて、前記スタイラス支持体は前記プローブ本体を通る中心軸と直交する面が正方形である略直方体に形成されていることを特徴とするタッチ信号プローブ。
【請求項６】請求項１から４のいずれかに記載のタッチ信号プローブにおいて、前記スタイラス支持体は前記プローブ本体を通る中心軸と直交する面が円形である略円柱状体に形成されていることを特徴とするタッチ信号プローブ。
【請求項７】請求項１から６のいずれかに記載のタッチ信号プローブにおいて、前記スタイラスは、前記スタイラス支持体の中心を通る第１の軸線上で且つ対称に配置された一対の第１のスタイラスと、前記スタイラス支持体の中心を通るとともに前記第１の軸線に直交する第２の軸線上で且つ対称に配置された一対の第２のスタイラスとを備えたことを特徴とするタッチ信号プローブ。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、三次元測定機あるいは工作機械等の形状測定に好適なタッチ信号プローブに関するもので、より詳しくは、低測定力、高感度の加振式タッチ信号プローブに関するものである。
【０００２】
【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ハィトゲージ（一次元測定機）、三次元測定機、輪郭測定機等が知られている。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、被測定物との接触を検出するタッチ信号プローブが用いられる。このタッチ信号プローブの検出原理としては、先端に被測定物と接触する接触部を有する略円柱状のスタイラスと、このスタイラスを加振するとともに前記接触部が被測定物に接触する際の接触に伴う振動状態の変化を検出する加振・検出素子とを備えた構造がある。
【０００３】この加振型タッチ信号プローブの応用範囲を広げるためにスタースタイラス化を図るためには、スタイラスを十字に配置した形態が有効である。図４は従来の加振型タッチ信号プローブにおいてスタイラスを十字型に組み合わせた例を示す。図におけるタッチ信号プローブは、両端にスタイラス２を突出させた一対のスタイラス支持体３をＸ，Ｙ軸方向に組合わせ、各スタイラス支持体３の上部にそれぞれ加振・検出素子である圧電素子４を配置するとともに、各スタイラス支持体３をプローブ軸となるプローブ本体５の先端に固定した構造であり、各スタイラス２を圧電素子４で振動させつつその先端の接触球２ａを被測定物に接触させることで、その振動状態の変化を検出するものである。
【０００４】しかしながら、この構造では、スタイラス２を２組重ねて十字型に組み合わせることになるので、各スタイラス２の先端の接触球２ａは同一平面上には配置されず、使いにくくなるうえ、小型化しにくい。そのため、スタイラス先端の接触球が同一平面上に配置された形態で加振型タッチセンサを実現する必要があり、タッチ信号プローブのスタイラス支持体を同一平面上でラジアル方向に加振する構造が本出願人によって提案された（特願平8-336986号）。
【０００５】図５（ａ）（ｂ）及び図６（ａ）は、そのタッチ信号プローブの具体的構造を示す。スタイラス支持体１０は、その中心をＸ，Ｙ，Ｚ軸の原点に一致すべく、Ｘ，Ｙ平面の形状が正方形であって、扁平なブロックであり、その上下面の四隅に突設された設置用突起部１１にそれぞれ圧電素子により構成された加振・検出素子１２を接着配置し、さらに各側面中心位置にそれぞれＸ軸、Ｙ軸方向に一致する互いに対称な第１，第２のスタイラスの合計４つのスタイラス１３を配置している。
【０００６】スタイラス支持体１０の支持構造としては、スタイラス支持体１０の平面中心に貫通した嵌合孔１４にＺ軸に延びるプローブ本体１５の先端１５ａを嵌合することによって行われる。プローブ本体１５に対する加振・検出素子１２の干渉を防止するため、各圧電素子１２の中心に先端１５ａの外径より十分大きな内径の挿通孔１６を形成する。従って、この構造を実現できれば、各スタイラス１３先端の球状の接触部１３ａが同一平面上に配置された十字型タッチセンサを得ることができ、機構が簡素で小型化にも好適なものとなる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかし、特願平8-336986号で示されるタッチ信号プローブの構造では、加振・検出素子１２が振動しているとき、スタイラス支持体１０は図６（ｂ）及び（ｃ）に示すようなラジアル方向に拡縮する変形運動を行っている。そのため、スタイラス支持体１０をプローブ本体１５に取り付けると、この変形運動が阻害されてしまい、タッチ信号プローブが被測定物との接触に対して鋭敏に反応するような振動状態を維持したままスタイラス支持体１０を支持することが困難となり、測定精度に影響するという問題点がある。
【０００８】本発明の目的は、スタイラスを同一平面でラジアル方向に加振して高精度の測定を行えるとともに小型化できるタッチ信号プローブを提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】そのため、本発明は、スタイラス支持体に形成された被嵌合部の周囲にスタイラス支持体の振動をプローブ本体の嵌合位置周縁から絶縁するための空隙を設けて前記目的を達成しようとするものである。具体的には、本発明のタッチ信号プローブは、プローブ本体と、このプローブ本体の先端部に備えられたスタイラス支持体と、このスタイラス支持体から突出支持されるとともに先端に被測定物と接触する接触部を有するスタイラスと、このスタイラスの固有振動数と略一致した振動数で前記スタイラスを加振するとともに前記接触部が被測定物に接触する際の接触に伴う振動状態の変化を検出する加振・検出素子と、を備えたタッチ信号プローブにおいて、前記スタイラス支持体に前記プローブ本体を嵌合するための被嵌合部を形成し、この被嵌合部の周囲に空隙を設けることにより、前記スタイラス支持体の振動を前記プローブ本体の嵌合位置周縁部から絶縁することを特徴とする。
【００１０】この構成の本発明では、測定のため、タッチ信号プローブを移動させて被測定物に接触させるが、この際、加振・検出素子でスタイラス支持体を介してスタイラスを振動させる。このスタイラスの接触部が被測定物に接触すると、スタイラスの振動が拘束され、その振動状況が加振・検出素子で検出される。本発明のタッチ信号プローブでは、前記スタイラス支持体を振動させた際の振動の腹となる位置に前記スタイラスを突出支持した構成とすると、前記スタイラス支持体の振動に伴う外側部の拡縮は、前記空隙により吸収され、その振動はプローブ本体に対して絶縁される。そのため、スタイラスを同一平面でラジアル方向（スタイラスの軸方向）に加振できるだけでなく、プローブ本体でスタイラス支持体を固定支持してもスタイラス支持体の変形運動を阻害することがないため、接触感度を劣化させることなく高精度測定に適したタッチ信号プローブを構成できる。しかも、スタイラスを同一平面内に配置できるから、タッチ信号プローブを４方向にスタイラスを支持したにもかかわらず、小型化することができる。
【００１１】ここで、本発明では、前記スタイラス支持体は、前記空隙を挟んで互いに対向配置された前記嵌合位置周縁部とスタイラスを突出支持するスタイラス支持部とが弾性ヒンジで連結され、この弾性ヒンジは前記スタイラス支持体の振動の節となる位置に配置した構造としてもよい。この構造では、弾性ヒンジが振動を確実に吸収するように変形し、しかも、この弾性ヒンジが振動の節に位置するから、加振・検出素子で生じる振動がスタイラス支持体のプローブ本体の嵌合位置周縁に伝達されることがない。そのため、嵌合位置周縁部が変形することがないから、プローブ本体に振動が伝達されることがなく、この点からも高精度な測定に適したタッチ信号プローブを構成できる。
【００１２】さらに、本発明では、前記スタイラス支持体を振動させた際の振動の節となる位置に前記スタイラスを突出支持した構成としてもよい。この構成では、スタイラス先端の接触部は円弧方向に振動するため、この方向に略一致する方向から被測定物に接触したとき、ラジアル方向（スタイラスの軸方向）にスタイラスを振動させた場合よりも感度よく接触を検知可能である。
【００１３】また、本発明では、前記スタイラス支持体は前記プローブ本体を通る中心軸と直交する面が正方形である略直方体に形成されている構成でもよい。この構成では、スタイラス支持体の中心位置を複数の軸の原点に容易に一致させることができるので、タッチ信号プローブの組立作業が容易となる。これに対して、前記スタイラス支持体は前記プローブ本体を通る中心軸と直交する面が円形である略円柱状に形成された構成でもよい。この構成では、スタイラス支持体の最も剛性の高い部分である加振・検出素子の取付位置を避けて弾性ヒンジを配置することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明に好適な実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。ここで、各実施形態中、同一構成要素は同一符号を付して説明を省略若しくは簡略にする。図１及び図２には本発明の第１実施形態が示されている。なお第１実施形態は基本的に従来の図６に示す構造であるので、その同一部分には同一符号を付し、新たに付加された部分にのみ、異なる符号を用いて説明する。
【００１５】図１（ａ）は第１実施形態にかかるタッチ信号プローブの分解斜視図、図１（ｂ）はタッチ信号プローブの斜視図、図２（ａ）はタッチ信号プローブの平面図である。これらの図において、スタイラス支持体１０は、その中心をＸ，Ｙ，Ｚ軸の原点に一致すべく、平面形が正方形の扁平な略直方体状のブロックであり、その上下面の四隅に突設された設置用突起部１１にそれぞれ平面形が正方形の扁平な加振・検出素子としての圧電素子１２を接着配置し、さらに各側面中心位置にそれぞれＸ軸、Ｙ軸方向に軸心が一致して延び原点に対して対称な一対の第１，第２のスタイラスの合計４つのスタイラス１３を配置している。これらのスタイラス１３はスタイラス支持体１０を振動させた際の振動の腹となる位置に突出支持されている。
【００１６】圧電素子１２は、その表面電極が少なくとも４分割されており、その裏面は共通電極とされている。圧電素子１２の表面電極は、スタイラス１３を軸方向（ラジアル方向）に沿って振動させる加振用電極と検出用電極とが正方向と負方向とに分けて構成されている。これらの電極には特開平6-221806号で示される既存の駆動回路及び検出回路が接続されている。なお、第１実施形態では、複数枚（例えば、４枚）の圧電素子を利用し、これらの圧電素子を加振専用又は検出専用として使用するものでもよい。第１実施形態では、スタイラス１３がその軸方向に一致した方向から被測定物に接触した場合が最も感度が高い。
【００１７】スタイラス支持体１０の支持構造は、スタイラス支持体１０の平面中心に貫通した嵌合孔１４にＺ軸に延びたプローブ本体１５の先端１５ａを嵌合することで行われる。ここで、嵌合孔１４は被嵌合部を構成するものであり、この被嵌合部は本実施形態ではスタイラス支持体１０に形成された非貫通状態の穴でもよい。プローブ本体１５に対する圧電素子１２の干渉を防止するため、各圧電素子１２の中心に先端１５ａの外径より十分大きな内径の挿通孔１６が形成されている。
【００１８】スタイラス支持体１０の嵌合孔１４の周縁にはスタイラス支持体１０の各辺に沿って４つの長穴状の空隙１７が上下（Ｚ軸方向）に貫通して形成されている。スタイラス支持体１０は、空隙１７を挟んで互いに対向配置された嵌合位置周縁部とスタイラス支持部とから構成され、これらは弾性ヒンジ１８を介して互いに連結されている。これらの弾性ヒンジ１８はスタイラス支持体１０が振動する際に、振動の節となる位置に配置されている。
【００１９】以上のような構造とすることにより、プローブ本体１５に固定してラジアル方向に振動させたとき、スタイラス支持体１０は、図２（ｂ）及び（ｃ）に示すようなラジアル方向に拡縮する変形運動を行う。この振動による変形は空隙１７が吸収するうえ、振動が最小となる弾性ヒンジ１８でつながっており、弾性ヒンジ１８が弾性変形して中心軸まわりの回転変形成分を吸収するため、スタイラス支持体１０とプローブ本体１５の間では振動が絶縁される。
【００２０】従って、第１実施形態では、■プローブ本体１５と、このプローブ本体１５の先端部に備えられたスタイラス支持体１０と、このスタイラス支持体１０から突出支持されるとともに先端に被測定物と接触する接触部１３ａを有するスタイラス１３と、このスタイラス１３の固有振動数と略一致した振動数でスタイラス１３を加振するとともに接触部１３ａが被測定物に接触する際の接触に伴う振動状態の変化を検出する加振・検出素子１２とを備え、スタイラス支持体１０にプローブ本体１５を嵌合するための被嵌合部１４を形成し、この被嵌合部１４の周囲に空隙１７を設けることにより、スタイラス支持体１０の振動をプローブ本体１５の嵌合位置周縁部から絶縁したから、スタイラス支持体１０の振動に伴う外側部の拡縮は、空隙１７により吸収され、その振動はプローブ本体１５に対して絶縁される。そのため、加振型タッチ信号プローブのラジアル方向の振動が阻害されず、プローブの振動特性に影響を与えることがなく、しかも、プローブ本体１５でスタイラス支持体１０を固定支持してもスタイラス支持体１０の変形運動を阻害することがないため、測定精度を高いものにできる。しかも、スタイラス１３を同一平面内に配置できるから、タッチ信号プローブを４方向にスタイラスを支持したにもかかわらず小型化することができる。その上、スタイラス支持体１０への加振により変形する部分が加振・検出素子（圧電素子）１２を支持するための部分と機能的に独立した構造なので、設計の自由度が高く、振動特性を犠牲にしない形状や寸法を設定できる。
【００２１】さらに、第１実施形態では、■空隙１７をスタイラス支持体１０の嵌合位置である嵌合孔１７の周りに４ヶ所配置し、この空隙１７を挟んで互いに対向配置されたスタイラス支持体１０のを挟んで嵌合位置周縁部とスタイラス支持部とを弾性ヒンジ１８で連結し、これらの弾性ヒンジ１８をスタイラス支持体１０の振動の節となる位置に配置したから、加振・検出素子１２によってスタイラス１３を振動させた際に、４ヶ所の空隙１７が振動を確実に吸収するように変形し、かつ、弾性ヒンジ１８が振動の節に位置するから、加振・検出素子１２で生じる振動がスタイラス支持体１０の嵌合位置周縁に伝達されることがない。よって、嵌合位置周縁が変形することがないから、プローブ本体１５に振動が伝達されることがなく、この点からも高精度な測定を行うことができる。
【００２２】さらに、■スタイラス支持体１０はＸ，Ｙ平面が正方形とされた直方体に形成されているから、スタイラス支持体１０の中心位置をＸ，Ｙ，Ｚ軸の原点に容易に一致させることができるので、タッチ信号プローブの組立作業を容易に行える。
【００２３】次に、本発明の第２実施形態を図３に基づいて説明する。第２実施形態は加振・検出素子及びスタイラス支持体の平面形状が第１実施形態と相違するもので、他の構造は第１実施形態と同じである。図３において、スタイラス支持体２０は、その中心をＸ，Ｙ，Ｚ軸の原点に一致すべく、Ｘ、Ｙ平面が円盤状の短寸円柱状ブロックであり、その上下の４ヶ所に突設された設置用突起部２１にそれぞれ平面形が円盤状の扁平な加振・検出素子としての圧電素子２２を接着配置し、さらに側面中心位置にそれぞれＸ軸、Ｙ軸方向に一致する一対の第１，第２のスタイラスの合計４つのスタイラス２３を配置している。これらのスタイラス２３は、その先端に被測定物と接触する接触部２３ａを備えて構成されている。スタイラス２３はスタイラス支持体２０を振動させた際の振動の節となる位置に取り付けられている。圧電素子２２は、径方向に沿って四分割されており、その作動により、スタイラス２３先端の接触部２３ａがＺ軸の軸回り方向（矢印Ｐ方向）に振動する。第２実施形態では、スタイラス１３がその軸方向に対して垂直な方向から被測定物に接触した場合が最も感度が高い。
【００２４】スタイラス支持体２０の支持構造は、スタイラス支持体２０の平面中心に貫通した嵌合孔２４にＺ軸に延びたプローブ本体２５の先端２５ａを嵌合することで行われる。ここで、嵌合孔２４は被嵌合部を構成するものであり、この被嵌合部は本実施形態ではスタイラス支持体２０に形成された非貫通状態の穴でもよい。プローブ本体２５に対する圧電素子２２の干渉を防止するため、各圧電素子２２の中心に先端２５ａの外径より十分大きな内径の挿通孔２６が形成される。嵌合孔２４の周囲にはこれと同心状の４つの空隙２７が上下に貫通形成され、各空隙２７の間の弾性ヒンジ２８はスタイラス支持体２０の周縁部と嵌合孔２４の周囲とを４カ所で連結している。この弾性ヒンジ２８はスタイラス支持体１０が振動する際に、振動の節となる。第１実施形態では、スタイラス支持体１０を振動させた際の振動の腹となる位置にスタイラス１３を突出支持した構成としたが、第２実施形態では、スタイラス支持体２０を振動させた際の振動の節となる位置にスタイラス２３を突出支持した構成にする。
【００２５】従って、第２実施形態においても■■に示す前記第１実施形態と同様な効果が得られる。即ち、第１及び第２のいずれの実施形態においても、スタイラス１３，２３はスタイラス１３，２３の固有振動数と略一致した振動数で振動するように構成され、しかも、プローブ本体１５，２５とは空隙１７，２７及び弾性ヒンジ１８，２８により外乱振動の影響を受けにくい構造になっているので、安定した振動検知が可能である。従って、感度の高い高精度測定に適した振動式のタッチ信号プローブを構成可能である。その上、図示のごとく、スタイラス支持体２０の最も剛性の高い部分である設置用突起部２１の位置をさけて弾性ヒンジ２８を配置し、しかも、スタイラス２３がスタイラス支持体２０を振動させた際の振動の節となる位置に取り付けられたからスタイラス２３がさらに振動しやすいものとなる。
【００２６】なお、本発明は前述の前記各実施形態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、前記各実施形態では、加振・検出素子として圧電素子１２，２２を使用したが、本発明では、これに限らず、他のアクチュエータでもよい。また、特開平6-221806号で開示した超音波共振形タッチセンサを適用したが、これに限定されるものではなく、例えば、特開昭64-69910号に示される圧電センサを適用するものでもよく、あるいは、特開平6-34311号に示されるセンサに適用してもよい。
【００２７】さらに、前記各実施形態では、スタイラス１３，２３をＸ軸方向に延びて配置され互いに対称な一対の第１のスタイラスと、Ｙ軸に延びて配置され互いに対称な一対の第２のスタイラスとの４本から構成したが、本発明では、スタイラスはこの構造に限定されるものではない。例えば、スタイラス１３，２３をＸ軸に沿って配置された１本又は２本の第１のスタイラス、あるいは、Ｙ軸に沿って配置された１本又は２本の第２のスタイラスから構成してもよい。さらに、Ｚ軸に沿って第３のスタイラスを設けるものでもよい。
【００２８】
【発明の効果】従って、本発明ではスタイラスを同一平面でラジアル方向に加振して高精度の測定を行えるとともに小型化できるという効果を奏することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００１３７６９４
【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ
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| 【出願日】 |
平成９年（１９９７）１２月２４日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】木下 實三 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開平１１−１８３１０５ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）７月９日 |
| 【出願番号】 |
特願平９−３５４８７４ |
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