(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スタイラスホルダと、このスタイラスホルダに支持されているとともに先端に被測定物と接触する接触部を有する略柱状の振動子と、この振動子の軸方向固有振動の節近傍に配置されるとともに前記固有振動数に略一致した振動数で前記振動子を加振する加振素子と、前記振動子の軸方向固有振動の節近傍に配置されるとともに前記接触部が被測定物に接触する際にこの接触による振動状態の変化を検出する検出素子とを含むタッチ信号プローブにおいて、
前記振動子は、スタイラス本体と、このスタイラス本体の軸方向固有振動の節部に設けられるとともに前記加振素子及び前記検出素子を取り付けるための取付部とを備え、
この取付部は、前記振動子の軸方向固有振動の節部にあって前記振動子の軸方向と交差する方向の片側に延伸する腕部を有し、この腕部にて前記振動子を前記スタイラスホルダに結合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、前記取付部及び前記スタイラスホルダが一体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３】
請求項１記載のタッチ信号プローブにおいて、前記スタイラスホルダはホルダ側取付板部を備え、前記振動子は、前記腕部に設けられ前記ホルダ側取付板部に取付可能なスタイラス側取付板部を有することを特徴とするタッチ信号プローブ。
【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等によって被測定物の形状等を測定する場合に用いられるタッチ信号プローブに係り、特に、振動子の支持部の構造の改良に関する。
【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イトゲージ（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。
【０００３】
このタッチ信号プローブの従来構造が特開平６−２２１８０６号に示されている。このタッチ信号プローブ１１０は、図６に示される通り、中空の円筒状のスタイラスホルダ１１２を備え、このスタイラスホルダ１１２の内側下端には略円柱状の振動子１１４がその軸方向の略中央部の支持点に貫通された支持ピン１１８で支持されている。
【０００４】
振動子１１４の下端には、測定時に被測定物と当接する接触球１１４Ａが取り付けられているとともに、その上端には、接触球１１４Ａと同重量のバランサー１１４Ｂが取り付けられている。振動子１１４の略中央部には圧電素子１１６が接着剤等で取り付けられている。
この圧電素子１１６の表面電極は、振動子１１４を振動させる加振素子と、振動子１１４の振動を電気信号として取り出す検出素子とに分割されている。加振素子に適当な周波数の電気を印加すると、振動子１１４は支持ピン１１８を振動の節とし、接触球１１４Ａを振動の腹として共振振動する。
【０００５】
この共振振動を拘束しないように、振動子１１４をスタイラスホルダ１１２に支持するが必要がある。理想的には、振動の節部を面積のない点で強固に支持することである。即ち、振動を拘束すると、拘束部分においてエネルギー損失が生じ、感度の劣化につながることになるため、なるべく柔らかく振動子１１４をスタイラスホルダ１１２に支持しなければならない。
しかしながら、振動子１１４の先端側接触球１１４Ａは三次元測定機等の本体に直接接続されるスタイラスホルダ１１２と一定の幾何学的関係にあるという前提で計測原理が成り立っているので、スタイラスホルダ１１２と振動子１１４との位置関係を常に一定に保つように強固に支持しなければならない。
従って、振動子１１４へのスタイラスホルダ１１２の支持は、共振状態を拘束しないように柔らかく行うとともに、両者の位置関係を多少の外乱によらず一定に保つように行うという相反する要求を満たさなければならない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特開平６−２２１８０６号で示される従来例では、振動子１１４の中央部に細い径の支持ピン１１８を挿通して取り付け、そのピン１１８の両端をスタイラスホルダ１１２に固定しているので、振動子１１４の振動が拘束されにくいという利点はあるが、振動子１１４の先端部に過度の力が作用すると、振動子１１４が支持ピン１１８の軸回りに回転し、振動子１１４とスタイラスホルダ１１２との位置関係がずれるという問題点がある。
【０００７】
この問題点を解決するため、図７に示される通り、支持ピン１１８に代えて支持ピン１１８より断面積の大きい角柱１２０で振動子１１４を支持することが考えられる。
しかし、角柱１２０で振動子１１４の中央部両側を支持することは、振動子１１４の振動を拘束し、感度が低下するという不都合がある。
【０００８】
その上、図６及び図７で示されるタッチ信号プローブでは、振動子１１４の中央部両側に支持ピン１１８や角柱１２０を張り出し、その両端をスタイラスホルダ１１２の固定する構造のため、剛性が高くなり、外乱振動に対して強いという利点があるが、温度変化がある場合、往々にしてスタイラスホルダ１１２の全体の温度分布が均一となり難い。
そのため、前記タッチ信号プローブでは、温度変化に伴ってスタイラスホルダ１１２の形状が歪んだ際に、支持部分を介して振動子１１４に熱応力が与えられることになり、振動子１１４の振動モードが変化するという問題点がある。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、振動子をスタイラスホルダに確実に支持し、かつ、温度変化があっても振動を妨害せずに高感度・高精度を達成できる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、本発明は、振動子を、その軸方向と交差する方向の片側に延伸された腕部を介してスタイラスホルダに片持ち状態で結合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、本発明のタッチ信号プローブは、スタイラスホルダと、このスタイラスホルダに支持されているとともに先端に被測定物と接触する接触部を有する略柱状の振動子と、この振動子の軸方向固有振動の節近傍に配置されるとともに前記固有振動数に略一致した振動数で前記振動子を加振する加振素子と、前記振動子の軸方向固有振動の節近傍に配置されるとともに前記接触部が被測定物に接触する際にこの接触による振動状態の変化を検出する検出素子とを含むタッチ信号プローブにおいて、前記振動子は、スタイラス本体と、このスタイラス本体の軸方向固有振動の節部に設けられるとともに前記加振素子及び前記検出素子を取り付けるための取付部とを備え、この取付部は、前記振動子の軸方向固有振動の節部にあって前記振動子の軸方向と交差する方向の片側に延伸する腕部を有し、この腕部にて前記振動子を前記スタイラスホルダに結合することを特徴とする。
【００１１】
この構成の本発明では、振動子と支持部である腕部とを一体化して結合したから、スタイラスホルダと振動子との位置関係を一定に維持し、振動子のスタイラスホルダへの支持を確実なものにできる。その上、振動子がスタイラスホルダに片持ち状態で支持されているから、熱変形によりスタイスホルダの変形があっても、支持部分を介して振動子に熱応力が与えられることが少なく、振動子の振動モードが変化することがない。
【００１２】
ここで、本発明では、前記振動子は、前記取付部及び前記スタイラスホルダを一体形成した構造でもよい。
この構造では、タッチ信号プローブの構造を簡易にできるとともに組立作業が容易に行える。
【００１３】
また、本発明では、前記スタイラスホルダはホルダ側取付板部を備え、前記振動子は、前記腕部に設けられ前記ホルダ側取付板部に取付可能なスタイラス側取付板部を有する構造としてもよい。
この構造では、スタイラスホルダに対して振動子が着脱自在に取り付けられるので、振動子の交換作業が容易に行える。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係るタッチ信号プローブの好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。ここで、各実施の形態中、同一又は同様構成要素は同一符号を付して説明を省略もしくは簡略にする。
図１は第１の実施の形態に係るタッチ信号プローブの要部を示す斜視図、図２は図１のタッチ信号プローブの分解斜視図である。
図１に示すように、第１の実施の形態に係るタッチ信号プローブ１は、側面Ｌ形状のスタイラスホルダ２と、このスタイラスホルダ２の一片部２Ａに支持された略柱状の振動子３と、この振動子３に取り付けられた圧電素子４とを備え、スタイラスホルダ２が図示しない三次元測定機等の移動軸に取り付けられ、この移動軸が移動しながら被測定物との接触を検出し、接触時の座標を読み取ることによって形状等を測定する。
【００１５】
振動子３は、略円柱状のスタイラス本体５と、このスタイラス本体５の軸方向固有振動の節部である中央部に設けられるとともに圧電素子４を取り付けるための取付部６とを備えた構成である。
スタイラス本体５は、その一端に測定時に被測定物と当接する接触部である接触球５Ａを有し、その他端に接触球５Ａと同重量のバランサー５Ｂを有する構造である。このバランサー５Ｂは、振動子３の一端に接触球５Ａが取り付けられているため、共振時における振動の節が振動子３の中心から外れないように重量バランスをとり、且つタッチ信号プローブ１の全体が振動子３の振動方向と交差する方向に移動して加速度を受けた時に支持点の回りのモーメントを受けないようにするためのものである。従って、バランサー５Ｂの形状は接触球５Ａと同一であってもよく、相違してもよい。
【００１６】
図２に示される通り、取付部６は、表裏両面に取付片６Ａを有するとともに、その内部にスタイラス本体５を挿通する挿通孔６Ｂを有するボックス状に形成されている。スタイラス本体５は挿通孔６Ｂに挿通された後ロー付け等により取付部６に固定される。なお、スタイラス本体５の挿通孔６Ｂへの挿通作業を容易にするため、スタイラスホルダ２の他片部２Ｂには挿通孔２Ｃが形成され、接触球５Ａは、挿通孔６Ｂへ挿通された後にスタイラス本体５にロー付等で固定されるようになっている。
【００１７】
取付部６のスタイラス本体５の軸方向と直交する方向の片側に腕部７が延伸され、この腕部７を介して振動子３がスタイラスホルダ２に結合されている。腕部７は取付部６及びスタイラスホルダ２に一体に形成されるものである。腕部７の断面形状は、図１及び図２で示す矩形状の他に、円形状、楕円形状等の種々の形状である。
【００１８】
圧電素子４は、同一形状の２個が接着剤等によって、取付部６の取付片６Ａに取り付けられている。
これらの圧電素子４は、振動子３の固有振動数に略一致した振動数で振動子３を加振する加振素子４Ａと、振動子３の接触球５Ａが被測定物に接触する際にこの接触による振動状態の変化を検出する検出素子４Ｂとに二分されており、これらの素子４Ａ，４Ｂは、特開平６−２２１８０６号に示される回路により作動される。即ち、加振素子４Ａ及び検出素子４Ｂには図示しない２本の信号線が配線されており、これらの信号線のうち一方の信号線はアクチュエータとして振動子３を振動させる駆動回路に接続され、他方の信号線は振動子３の振動を検出する検出回路に接続されている。２つの圧電素子４から配線された各信号線は各々並列に接続され、また、これらの圧電素子４の裏面には同一電極で共通のアース線が接続されている。
【００１９】
次に、第１の実施の形態に係るタッチ信号プローブ１の作用を説明する。
被測定物の形状等を測定する際は、加振素子４Ａに適当な周波数の電気を印加する。すると、加振素子４Ａが所定の振動数で発振を始め、圧電素子４は共振状態となる。共振時には、振動子３の中心である腕部７が振動の節となり、振動子３の端部、つまり、接触球５Ａ、バランサー５Ｂが振動の腹となる。
共振状態で接触球５Ａが被測定物に接触すると、この接触による振動の拘束に対応して振動子３にエネルギの損失が生じるため、検出素子４Ｂから送られる振動子３のセンサ信号が変化する。すると、このセンサ信号の変化が回路によって検出され、測定機本体にタッチ信号が出力される。その結果、そのときの座標値が測定機本体に取り込まれ、これにより座標検出が行われる。
【００２０】
従って、第１の実施の形態によれば、▲１▼スタイラスホルダ２に略柱状の振動子３を支持し、この振動子３の軸方向固有振動の節近傍に加振素子４Ａ及び検出素子４Ｂを配置したタッチ信号プローブ１において、振動子３の軸方向固有振動の節部にあって振動子３の軸方向と交差する方向の片側に腕部７を延伸し、この腕部７を介して振動子３をスタイラスホルダ２に結合したから、スタイラスホルダ２と振動子３との位置関係を一定に維持して振動子３のスタイラスホルダ２への支持を確実なものにでき、その上、振動子３がスタイラスホルダ２に片持ち状態で支持されることになるため、熱変形によりスタイスホルダ２の変形があっても、振動子３に熱応力が与えられることが少なく、振動を妨害せずにプローブの高感度・高精度を達成できる。
【００２１】
さらに、▲２▼振動子３は、スタイラスホルダ２に対して共振時の節の部分で支持されているので、外乱振動に対して鈍感な、即ち、安定性が高く誤検出が生じないプローブが実現可能である。
また、第１の実施の形態では、▲３▼振動子３は、スタイラス本体５と、このスタイラス本体５の軸方向固有振動の節部に設けられるとともに圧電素子４（加振素子４Ａ及び検出素子４Ｂ）を取り付けるための取付部６とを備え、この取付部６、スタイラスホルダ２及び腕部７を一体形成したから、タッチ信号プローブ１の構造を簡易にできるとともに組立作業が容易に行える。従って、組み立てが容易であるから、安価で長期の使用にも性能劣化のないタッチ信号プローブ１を実現できる。
【００２２】
さらに、▲４▼取付部６は、その内部に１本のスタイラス本体５を挿通する挿通孔６Ｂを有する構造とされているから、振動子３の組立作業を容易に行える。
また、▲５▼スタイラス本体５と腕部７との角度を直交するようにしたから、この点からもタッチ信号プローブ１の製造が容易となる。
【００２３】
次に、本発明の第２の実施の形態を図３ないし図５に基づいて説明する。
第２の実施の形態はスタイラスホルダ、振動子及び腕部の構成が第１の実施の形態と相違するものであり、他の構成は第１の実施の形態と同じである。
図３は第２の実施の形態に係るタッチ信号プローブの要部を示す断面図、図４は図３のタッチ信号プローブの分解斜視図である。
これらの図において、第２の実施の形態に係るタッチ信号プローブ１１は、スタイラスホルダ１２と、このスタイラスホルダ１２に支持された略柱状の振動子１３と、この振動子１３に取り付けられた前記圧電素子４とを備え、スタイラスホルダ１２が図示しない三次元測定機等の移動軸に取り付けられている。
【００２４】
スタイラスホルダ１２は、略有底円筒状に形成されるとともに開口部に軸方向に沿って所定の長さのスリット１２Ｂが形成された本体１２Ａと、この本体１２Ａのスリット１２Ｂの近傍に一体形成されたホルダ側取付板部１２Ｃとを備えた構成である。
振動子１３は、前記スタイラス本体５と、このスタイラス本体５の軸方向固有振動の節部に設けられるとともに圧電素子４を取り付けるための取付部１６とを備え、この取付部１６は、前記取付部６と同様構成の本体１６Ａと、この本体１６Ａのスタイラス本体５の軸方向と直交する方向の片側に延伸された前記腕部７を介して設けられねじ２０でホルダ側取付板部１２Ｃに取付可能なスタイラス側取付板部１６Ｂとから構成されている。
【００２５】
ここで、腕部７、本体１６Ａ及びスタイラス側取付板部１６Ｂは一体に形成されている。スタイラスホルダ１２のスリット１２Ｂは、腕部７が挿通されるに十分な幅寸法を有する。
スタイラス本体５は、その中央部で接触球５Ａを有する第１分割体５Ｃとバラサー５Ｂを有する第２分割体５Ｄとに２分割され、これらの分割体５Ｃ，５Ｄは挿通孔６Ｂに左右両側から挿通された後ロー付け等により取付部１６に固定される。
【００２６】
第２の実施の形態では、第１の実施の形態と作用が同じであり、第１の実施の形態の▲１▼▲２▼の効果を奏することができる他に次の効果を奏することができる。
即ち、第２実施例では、スタイラスホルダ１２はホルダ側取付板部１２Ｃを備え、振動子１３は、スタイラス本体５と、このスタイラス本体５の軸方向固有振動の節部に設けられるとともに加振素子４Ａ及び検出素子４Ｂを取り付けるための取付部１６とを備え、この取付部１６は、スタイラス本体５の軸方向と直交する方向の片側に延伸された腕部７を介して設けられホルダ側取付板部１２Ｃに取付可能なスタイラス側取付板部１６Ｂを有する構成としたから、スタイラスホルダ１２に対して振動子１３が着脱自在に取り付けられるので、振動子１３の交換作業が容易に行える。
【００２７】
また、腕部７と取付部１６を構成する本体１６Ａ及びスタイラス側取付板部１６Ｂとを一体に形成したから、振動子１３の構造が簡易になる。
なお、第２の実施の形態では、図５に示される通り、本体１６Ａと腕部７及びスタイラス側取付板部１６Ｂとを別体に製造し、これらをロー付けや接着等の適宜な手段で一体結合する構成でもよい。
【００２８】
以上、本発明について好適な実施の形態を挙げて説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではなく、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なことは勿論である。
【００２９】
例えば、前記各実施の形態では、三次元測定機に適用した場合について説明したが、本発明では、これに限らずハイトゲージ（一次元測定機）、二次元測定機、輪郭測定機等に適用することも可能である。
また、腕部７の延伸方向はスタイラス本体５の軸方向と交差していればよく、必ずしも直交していることを要しない。
さらに、振動子３，１３に取付部６，１６を必ずしも設けることの要せず、スタイラス本体５に圧電素子４を直接取り付ける構造でもよい。
【００３０】
また、前記各実施の形態では、加振素子４Ａ及び検出素子４Ｂを構成する圧電素子４を振動子３，１３の中央に配置したが、本発明では、圧電素子４を特開平６−２２１８０６号に示される他の軸方向固有振動の節近傍に配置してもよい。
さらに、加振素子４Ａ及び検出素子４Ｂは必ずしも１枚の圧電素子４から形成することを要せず、例えば、これらの素子４Ａ，４Ｂを別々の圧電素子から構成し、これらの圧電素子を異なる振動子３，１３の軸方向固有振動の節近傍に配置してもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、スタイラスホルダに略柱状の振動子を支持し、この振動子の軸方向固有振動の節近傍に加振素子及び検出素子を配置したタッチ信号プローブにおいて、振動子の軸方向固有振動の節部にあって振動子の軸方向と交差する方向の片側に腕部を延伸し、この腕部を介して振動子をスタイラスホルダに結合したから、スタイラスホルダと振動子との位置関係を一定に維持して振動子のスタイラスホルダへの支持を確実なものにでき、その上、振動子がスタイラスホルダに片持ち状態で支持されることになるため、熱変形によりスタイスホルダの変形があっても、振動子に熱応力が与えられることが少なく、振動を妨害せずにプローブの高感度・高精度を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るタッチ信号プローブの要部を示す斜視図である。
【図２】図１のタッチ信号プローブの分解斜視図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係るタッチ信号プローブの要部を示す断面図である。
【図４】図３のタッチ信号プローブの分解斜視図である。
【図５】第２の実施の形態に係るタッチ信号プローブの取付部の詳細を示す斜視図である。
【図６】従来のタッチ信号プローブの要部を示す一部を破断した斜視図である。
【図７】本発明の成立の前提となったタッチ信号プローブの要部を示す一部を破断した斜視図である。
【符号の説明】
１，１１        タッチ信号プローブ
２，１２      スタイラスホルダ
３，１３      振動子
４        圧電素子
４Ａ        加振素子
４Ｂ      検出素子
５        スタイラス本体
６，１６    取付部
７        腕部
１２Ｃ    ホルダ側取付板部
１６Ｂ    スタイラス側取付板部
【図１】
0003587915.tif 000002
【図２】
0003587915.tif 000003
【図３】
0003587915.tif 000004
【図４】
0003587915.tif 000005
【図５】
0003587915.tif 000006
【図６】
0003587915.tif 000007
【図７】
0003587915.tif 000008