(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物と接触する接触部を先端に有するスタイラスと、このスタイラスを支持するスタイラスホルダと、前記スタイラスを軸方向に周波数ｆ１で振動させる加振手段と、この加振手段による前記スタイラスの振動の変化を検出する検出手段とを備えたタッチ信号プローブの動作制御を行うタッチ信号プローブの動作制御構造であって、
前記スタイラスホルダと機械的に結合され、駆動機構により三次元空間内を前記被測定物に対して所定の速度ベクトルで相対運動する支持体と、
前記スタイラスの軸方向に直交する平面内で前記スタイラスを周波数f２で振動させる加振素子、及びこの加振素子の振動方向を前記被測定物の端面に沿って制御する振動方向制御手段を有する第２加振手段と、
前記被測定物の端面に前記接触部を接触させ、前記第２加振手段により前記スタイラスを振動させた際、前記被測定物に接触していない状態における検出信号よりも小さな所定の値となるように、前記駆動機構を制御して前記支持体を動作させる制御手段とを備えていることを特徴とするタッチ信号プローブの動作制御構造。
【請求項２】
請求項１に記載のタッチ信号プローブの動作制御構造において、
前記振動方向制御手段は、前記第２加振手段により前記スタイラスホルダを任意の方向に振動させ、前記検出手段からの検出信号が最小となった方向を振動方向として設定することを特徴とするタッチ信号プローブの動作制御構造。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のタッチ信号プローブの動作制御構造において、
前記制御手段は、前記支持体を前記被測定物の端面の方向に動作させるように前記駆動機構を制御することを特徴とするタッチ信号プローブの動作制御構造。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のタッチ信号プローブの動作制御構造において、
前記加振手段および前記第２加振手段は、前記スタイラスの軸周りに、一定角度をなすように配置される２つ以上の加振素子から構成されていることを特徴とするタッチ信号プローブの動作制御構造。
【請求項５】
請求項４に記載のタッチ信号プローブの動作制御構造において、
前記加振素子は、圧電素子から構成されていることを特徴とするタッチ信号プローブの動作制御構造。
【請求項６】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のタッチ信号プローブの動作制御構造において、前記第２加振手段は、前記スタイラスホルダを１方向に加振させる加振素子と、異なる方向に加振させる加振素子とを直列に配置して構成されることを特徴とするタッチ信号プローブの動作制御構造。
【請求項７】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のタッチ信号プローブの動作制御構造において、前記第２加振手段は、前記スタイラスホルダを１方向に加振させる加振素子と、異なる方向に加振させる加振素子とを並列に配置して構成されることを特徴とするタッチ信号プローブの動作制御構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定物と接触する接触部を先端に有するスタイラスと、このスタイラスを支持するスタイラスホルダと、前記スタイラスを軸方向に周波数ｆ１で共振させる加振手段と、この加振手段による前記スタイラスの振動の変化を検出する検出手段とを備えたタッチ信号プローブの動作制御を行うタッチ信号プローブの動作制御構造に関する。
【０００２】
【背景技術】
被測定物の形状や寸法の測定を行う測定機器としてハイトゲージ（一次元測定器）、三次元測定機や輪郭測定器が知られている。これらの測定機器には、測定機器本体と被測定物との位置関係を検出するために各種プローブが使用される。これらのプローブは、非接触式プローブと接触式プローブに、あるいは連続測定プローブとタッチトリガプローブ等に分類される。
そして、三次元測定機用の接触式タッチトリガプローブとしては、特開平６−２２１８０６号公報で開示される超音波式タッチ信号プローブが知られている。
【０００３】
前記公報に開示されるタッチ信号プローブは、被測定物と接触する接触部を先端に有するスタイラスと、このスタイラスを支持するスタイラスホルダと、スタイラスを軸方向に共振させる加振手段と、この加振手段によるスタイラスの振動の変化を検出する検出手段とを含んで構成される。
このようなタッチ信号プローブによれば、加振手段によりスタイラスを振動させた状態で先端部を被測定物の端面と接触させると、接触力によりスタイラスの振動の状態が変化するので、この変化を検出手段により検出することにより、被測定物の端面位置を検出することができる。
【０００４】
一方、このような超音波式タッチ信号プローブを用いて小孔径等の測定を行うこともあり、小孔等を測定可能とするために、小型化が図られた超音波式タッチ信号プローブとして、特願平１０−２２０４７４号に示されるタッチ信号プローブが提案されている。
このタッチ信号プローブ１００は、図１３に示すように、スタイラスホルダ１０１、スタイラス１０２、加振手段１０３Ａ、および検出手段１０３Ｂを備えている。スタイラス１０２の先端には、被測定物と接触する接触部１０２Ａが設けられるとともに、その基端にはカウンタバランス１０２Ｂが設けられ、スタイラス１０２の軸方向中央位置が重心位置とされている。そして、スタイラス１０２を軸方向に振動させると、振動の節はこの重心位置となる。
【０００５】
このようなタッチ信号プローブ１００は、小孔測定を可能とするために、スタイラス１０２を、細い棒状部材で構成するとともに、接触部１０２Ａをこのスタイラス１０２に合わせて小径の球状体で構成している。また、スタイラスホルダ１０１は、このような細いスタイラス１０２を１カ所で支持するのは困難であるため、スタイラス１０２の重心位置を挟んで２カ所でスタイラス１０２を支持している。
【０００６】
加振手段１０３Ａおよび検出手段１０３Ｂは、スタイラスホルダ１０１の２カ所の支持部分にまたがるように配置される圧電素子１０３を二分割して構成される。そして、加振手段１０３Ａによりスタイラス１０２を軸方向に沿って共振させると、振動の節は、スタイラス１０２の重心位置に生じ、スタイラスホルダ１０１のスタイラス１０２の支持部分は、この振動の節を挟むような位置とされる。
【０００７】
このようなタッチ信号プローブ１００によれば、スタイラスホルダ１０１がスタイラス１０２を振動の節を挟んで２カ所で支持しているので、スタイラス１０２を極めて細い棒状部材で構成しても、スタイラスホルダ１０１により支持させることができ、アスペクト比の大きい小孔の内面測定等を行うことができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなタッチ信号プローブは、極めて小さい接触力の印加で敏感に検出信号が変化するので、被測定物との接触を高精度に検出できるという利点があるが、被測定物の端面が球状の接触部のどの経度位置（スタイラスの軸に直交する平面内の角度として規定される接触部表面の点）で接触したかが判別できない。従って、球状の接触部の経度方向について感度差異がなく、どの方向で被測定物の端面と接触しているか判らないため、被測定物の形状測定を行う倣い測定、連続測定用のプローブとしては必ずしも適切ではない。
【０００９】
本発明の目的は、上述した超音波式タッチ信号プローブを倣い測定、連続測定用のプローブとして用いることができ、かつ被測定物の形状を高精度に測定することのできるタッチ信号プローブの動作制御構造を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明に係るタッチ信号プローブの動作制御構造は、
被測定物と接触する接触部を先端に有するスタイラスと、このスタイラスを支持するスタイラスホルダと、前記スタイラスを軸方向に周波数ｆ１で振動させる加振手段と、この加振手段による前記スタイラスの振動の変化を検出する検出手段とを備えたタッチ信号プローブの動作制御を行うタッチ信号プローブの動作制御構造であって、
前記スタイラスホルダと機械的に結合され、駆動機構により三次元空間内を前記被測定物に対して所定の速度ベクトルで相対運動する支持体と、
前記スタイラスの軸方向に直交する平面内で前記スタイラスを周波数f２で振動させる加振素子、及びこの加振素子の振動方向を前記被測定物の端面に沿って制御する振動方向制御手段を有する第２加振手段と、
前記被測定物の端面に前記接触部を接触させ、前記第２加振手段により前記スタイラスを振動させた際、前記被測定物に接触していない状態における検出信号よりも小さな所定の値となるように、前記駆動機構を制御して前記支持体を動作させる制御手段とを備えていることを特徴とする。
【００１１】
このような構成のタッチ信号プローブの動作制御構造によれば、以下のようにして被測定物と接触する接触部の経度位置を検出しながら、超音波式タッチ信号プローブを倣い測定、連続測定に用いることが可能となる。
すなわち、今、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、スタイラス１０２の接触部１０２Ａを被測定物Ｗの端面に接触させ、スタイラス１０２の軸方向振動の振幅Ａを、検出手段で検出信号として検出し、その変化を考察する。すると、前記振幅Ａは、接触部１０２Ａが被測定物Ｗの端面に接触していない状態が最も大きく、接触部１０２Ａを被測定物Ｗの端面に押し込み、接触力Ｆを次第に大きくしていくと、これに伴い、振幅Ａも小さくなっていく。ここで、被測定物Ｗと接触部１０２Ａとの接触が維持されながら、スタイラス１０２が損傷しない程度の接触力における振幅Ａの値を所定の値（閾値）Ａ０として設定する。
【００１２】
検出信号が前記閾値Ａ０を取るように、所定の接触力で被測定物Ｗの端面に接触させた状態でスタイラス１０２を第２加振手段によって周波数ｆ２で振動させる。
第２加振手段の周波数ｆ２による振動の振動方向が、図２（Ａ）に示すように、被測定物Ｗの端面に沿った方向である場合、図２（Ｂ）のグラフＧ１に示すように、検出手段で検出される検出信号となる振幅Ａは、スタイラス１０２の自由振動時の振幅を表すグラフＧ２の振幅よりも小さな一定の値Ａ０を取ることとなる。さらに、第２加振手段による振動の振動方向Ｍ１に沿ってスタイラス１０２を移動させても、図２（Ｂ）に示す状態に変化はない。
【００１３】
一方、第２加振手段の周波数ｆ２による振動の振動方向Ｍ１が、図３（Ａ）に示すように、被測定物Ｗの端面に対して若干の傾きがある場合、第２加振手段の振動により、接触部１０２Ａの被測定物Ｗの端面に対する接触力が変化し、これに伴い検出手段で検出される振幅Ａも変化する。これは、第２加振手段による振動前における接触部１０２Ａ上の接触経度位置と、振動時における接触経度位置が異なり、接触力が変化するためである。
このため、第２加振手段による振動の振動方向Ｍ１に沿って、スタイラス１０２を相対移動させると、図３（Ｂ）のグラフＧ３に示すように、検出手段で検出される振幅Ａは、被測定物Ｗの端面に接近する方向で小さくなり、被測定物Ｗの端面に離間する方向で大きくなる。
【００１４】
そこで、本発明では、第２加振手段で被測定物の端面に沿ってスタイラスおよび被測定物を相対的に振動させた状態において、検出手段で検出される振幅Ａに変化が生じた場合、検出信号である振幅Ａの変化が一定となるように、制御手段によりタッチ信号プローブまたは被測定物の動作制御を行えば、タッチ信号プローブは被測定物Ｗの端面に沿った方向Ｍ２に移動して該被測定物Ｗの端面の連続測定を一定の接触力で行うことが可能となる。
【００１５】
以上において、上述した第２加振手段は、被測定物の端面に沿ってスタイラスを周波数ｆ２で振動させる手段であるから、被測定物が三次元形状を有する以上、第２加振手段は、三次元方向に振動可能に構成する必要がある。具体的には、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸で表される空間座標系を用いて説明すれば、第２加振手段は、Ｘ軸方向にスタイラスを振動させるＸ軸振動機構、Ｙ軸方向にスタイラスを振動させるＹ軸振動機構、およびＺ軸方向にスタイラスを振動させるＺ軸振動機構を含んで構成することができる。
【００１６】
そして、このように第２加振手段を構成すれば、第２加振手段の振動方向を三次元的に制御することにより、複雑な三次元形状を有する被測定物の倣い測定、連続測定を行うことができる。尚、円筒状の被測定物の円周方向に沿って内側面測定を行う場合、第２加振手段は、Ｘ軸振動機構およびＹ軸振動機構のみで足り、Ｚ軸振動機構までは要しない。要するに、被測定物の形状の複雑さに応じて、第２加振手段の構成は適宜決定すればよい。
【００１７】
また、上述した制御手段は、第２加振手段によりスタイラスを被測定物の端面方向に相対振動させながら、被測定物の端面に接触部を接触させた際、被測定物に接触していない状態における検出信号よりも小さな所定の値となるように動作制御を行うように構成できる。
具体的には、制御手段は、被測定物を載置するＸＹテーブルのＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＸＹテーブル面の法線方向となるＺ軸方向に沿って支持体を相対移動させる駆動機構を制御するように構成し、検出信号の状態量を検出手段から取得し、検出信号が最小となるように各軸駆動機構の動作制御を行うように構成し、支持体または被測定物を被測定物の端面の方向に相対動作させればよい。
【００１８】
すなわち、このような制御手段によれば、検出手段からの検出信号を取得しながら支持体または被測定物の動作制御を行っているので、接触部１０２Ａを被測定物Ｗの端面に沿って移動させることが可能となり、最小の接触力で被測定物Ｗの倣い測定等が可能となる。
【００１９】
さらに、上述したタッチ信号プローブの動作制御構造では、
前記第２加振手段は、前記スタイラスホルダを、前記スタイラスの軸線に対して直交する任意の方向に加振させ、
前記第２加振手段による振動方向を制御する振動方向制御手段を備え、
前記振動方向制御手段は、前記第２加振手段により前記スタイラスホルダを任意の方向に振動させ、前記検出手段からの検出信号が最小となった方向を振動方向として設定するのが好ましい。
【００２０】
すなわち、このような振動方向制御手段を備えていれば、被測定物に接触していない状態における検出信号よりも小さな所定の値となるように、第２加振手段による相対振動の振動方向を被測定物の端面に沿った方向に修正できる。従って、被測定物と接触する接触部の周波数ｆ２による振動方向を、常に被測定物の端面方向に維持することができるので、予め被測定物の概略形状を把握することなく、被測定物の倣い測定、連続測定を行うことができる。
【００２１】
そして、上述したタッチ信号プローブの動作制御構造は、前記検出手段による前記被測定物に接触していない状態における検出信号よりも小さな所定の値が一定に維持できないとき、前記制御手段による前記駆動機構の制御を中止し、前記制御手段によって制御される前記スタイラスの移動方向とは反対方向に、前記スタイラスを移動させるように、前記駆動機構を制御する回避手段を備えているのが好ましい。
【００２２】
すなわち、穴の底部やスタイラスの移動方向に壁のあるような被測定物の形状を測定する場合、接触部が壁に到達しているにもかかわらず制御手段によるスタイラスの移動を続けると、被測定物またはタッチ信号プローブの破損を招くことがある。従って、タッチ信号プローブの動作制御構造が上述した回避手段を備えていれば、制御手段による動作制御を中止し、接触部が被測定物の端面と非接触状態となるように支持体を動作させることができるので、被測定物またはタッチ信号プローブの破損を防止することが可能となる。尚、回避手段による支持体または被測定物の動作方向としては、例えば、制御手段によるスタイラスの相対移動方向と逆向きの方向が考えられる。
【００２３】
また、上述した加振手段および第２加振手段としては、スタイラスの軸周りに、一定角度をなすように配置される２つ以上の加振素子から構成された加振手段および第２加振手段を採用することができる。
ここで、「一定角度をなすように配置される２つ以上の加振素子」とは、例えば、加振素子が２つであれば、スタイラスの軸周りに、互いに９０°をなすように配置されること、加振素子が３つ以上であれば、スタイラスの軸周りに等配で配置されることを意味する。
さらに、上述した加振素子としては、圧電素子を採用することができる。
【００２４】
このような加振手段および第２加振手段は、棒状のスタイラスが挿通される円筒体の表面に圧電素子を配置することにより構成することができ、該圧電素子２つを円筒表面に互いに９０°をなすように設けたり、該圧電素子３つを円筒表面に互いに１２０°をなすように等配で設けるのが好ましい。
そして、各圧電素子を周波数ｆ１、ｆ２で動作させる２種類の電気信号を与えることにより、周波数ｆ１を与える電気信号でスタイラスを軸方向に振動させ、かつ周波数ｆ２を与える電気信号でスタイラスを曲げ方向に振動させることが可能となる。
【００２５】
具体的には、周波数ｆ１は、スタイラスを軸方向に共振させる固有振動数に設定し、周波数ｆ２は、スタイラスを曲げ方向に振動させる固有振動数以下の振動数に設定する。
各圧電素子に周波数ｆ１の電気信号を同期して与えれば、各圧電素子の軸方向力が相殺されることがないので、スタイラスを軸方向に共振させることが可能となる。
一方、スタイラスの軸周りに９０°をなすように、または等配で配置される複数の圧電素子に周波数ｆ２の電気信号を与えれば、各圧電素子のスタイラスの曲げ方向の力が合成されてスタイラスに作用するので、第２加振手段による振動の振動面をスタイラスの軸に直交する面内で任意の方向に設定することが可能となる。
【００２６】
そして、上述した第２加振手段は、加振手段と別体で設けることもでき、スタイラスホルダをスタイラスの軸線に対して互いに直交する２方向に加振させるように構成することができる。
具体的には、第２加振手段は、スタイラスホルダおよび支持体の間に１方向に加振させる加振素子、および異なる方向に加振させる加振素子を直列に設けることで構成することができる。
【００２７】
また、他の第２加振手段としては、加振手段が設けられたスタイラスホルダを支持する円筒体表面に複数の加振素子を並列に設けることにより構成することができる。
このような第２加振手段は加振手段と別体に設けられているので、従来公知の加振手段が設けられたタッチ信号プローブを用いて本発明を実施することが可能となるうえ、第２加振手段をそのままにしてスタイラスのみを簡単に交換することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の一形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の説明では、既に説明した部分または部材と同一または類似の部分等については、同一または類似の符号を付してその説明を省略または簡略する。
図４には、本発明の第１実施形態に係るタッチ信号プローブの動作制御構造を組み込んだ倣い測定装置１が示されている。
【００２９】
この倣い測定装置１は、測定器本体２、コントローラ３、駆動回路４、検出回路５、およびパーソナルコンピュータ６を含んで構成される。駆動回路４は、タッチ信号プローブ１００をスタイラスの軸方向および軸に直交する方向に振動させるためのものであり、検出回路５は、スタイラスに設けられた検出手段からの電気信号を処理してコントローラ３に出力する部分である。また、パーソナルコンピュータ６は、コントローラ３に制御信号を出力して測定器本体２の動作制御を行うとともに、検出回路５からの検出信号Ｖがコントローラ３を介して入力され、該検出信号Ｖの演算処理を行って被測定物Ｗの外径形状等を取得する。
【００３０】
測定器本体２は、被測定物Ｗを設置して該被測定物Ｗの表面形状を測定するものであり、該被測定物Ｗが設置されるＸＹＺテーブル２１と、このＸＹＺテーブル２１の端部に立設される支柱２２と、この支柱２２の延出方向に摺動自在に設けられる支持体２３と、この支持体２３に支持されるタッチ信号プローブ１００とを含んで構成される。
【００３１】
ＸＹＺテーブル２１は、図４では図示を略したが、被測定物Ｗを所定の位置に設置するために、被測定物ＷをＸＹＺテーブル２１の面に沿って移動させるＸ軸調整機構およびＹ軸調整機構と、被測定物ＷをＸＹＺテーブル２１の面の法線方向に移動させるＺ軸調整機構とを備えている。そして、被測定物ＷをＸＹＺテーブル２１に設置した後、これらの軸調整機構を操作して該被測定物Ｗの正確な正確な位置調整を行う。
支持体２３は、図４では図示を略したが、タッチ信号プローブ１００をＸＹＺテーブル２１の面に沿って移動させるＸ軸駆動機構およびＹ軸駆動機構と、支柱２２に沿って上下に支持体２３を移動させるＺ軸駆動機構とを備え、これらの軸駆動機構は、後述するコントローラ３により動作制御される。
【００３２】
タッチ信号プローブ１００は、図５に示すように、スタイラスホルダ１０１、スタイラス１０２、接触部１０２Ａ、カウンタバランス１０２Ｂ、加振手段１０３Ａ、および検出手段１０３Ｂを備えている。そして、支持体２３とこの支持体２３に支持されるスタイラスホルダ１０１との間には、スタイラス１０２を該スタイラス１０２の軸に直交する平面内で周波数ｆ２で振動させる第２加振手段１１０が設けられている。尚、スタイラス１０２の軸に直交する平面内で任意の方向に該スタイラス１０２を振動させるために、第２加振手段１１０は、互いに直交する方向に振動させるＸ軸加振素子１１０ＸおよびＹ軸加振素子１１０Ｙを備え、Ｘ軸加振素子１１０ＸおよびＹ軸加振素子１１０Ｙは、スタイラスホルダ１０１および支持体２３の間に直列に配置されている。
【００３３】
駆動回路４は、加振手段１０３Ａおよび第２加振手段１１０を所定の周波数で振動させる電気信号を与える部分であり、加振回路４１および第２加振回路４２から構成されている。
加振回路４１は、加振手段１０３Ａが所定の振幅、所定の周波数で動作するような電気信号を発生させる発信器を備え、これにより、スタイラス１０２は周波数ｆ１で軸方向に振動する。
【００３４】
第２加振回路は、上述したＸ軸加振素子１１０ＸおよびＹ軸加振素子１１０Ｙを所定の振幅、所定の周波数で動作するような電気信号を発生させる発信器を備えている。尚、この発信器は、Ｘ軸加振素子１１０ＸおよびＹ軸加振素子１１０Ｙを同期して動作させるが、各加振素子１１０Ｘ、１１０Ｙの電気信号の振幅は、独立で調整可能となっている。そして、各加振素子１１０Ｘ、１１０Ｙに振幅の異なる電気信号を与えることにより、スタイラス１０２は任意の方向に振動し、両加振素子１１０Ｘ、１１０Ｙの振動の周波数を一致させ、位相を制御することにより、スタイラス１０２は、周波数ｆ２でスタイラス１０２の軸に直交する平面内で任意の方向に振動する。
【００３５】
図４において、コントローラ３は、支持体２３を動作制御する部分であり、制御手段３１、振動方向制御手段３２、および回避手段３３を備えている。
制御手段３１は、パーソナルコンピュータ６からの測定開始信号に基づいて、測定器本体２の支持体２３の動作制御を行うとともに、検出回路５からの接触していない状態における検出信号よりも小さな所定の値Ｖが一定となるように、支持体２３の動作制御を行う。具体的には、制御手段３１による支持体２３の動作制御は、被測定物Ｗの端面の方向にスタイラス１０２を移動させるように行われる。
【００３６】
振動方向制御手段３２は、検出回路５から入力される検出信号Ｖに基づいて、第２加振手段１１０によるスタイラス１０２の振動方向を制御するものである。具体的には、振動方向制御手段３２は、第２加振回路４２に制御信号を与え、Ｘ軸加振素子１１０Ｘ、Ｙ軸加振素子１１０Ｙの振幅を調整し、検出信号Ｖの変化が最小となるようなＸ軸加振素子１１０ＸおよびＹ軸加振素子１１０Ｙの組み合わせを見つけることにより、スタイラス１０２の振動方向の制御と被測定物Ｗの端面方向の検知を行う。
【００３７】
回避手段３３は、検出回路５からの被測定物Ｗに接触していない状態における検出信号よりも小さな所定の値を一定にできない場合、制御手段３１による動作制御を中止し、制御手段３１によるタッチ信号プローブ１００の移動方向とは反対方向に支持体２３を移動させる制御信号を出力する部分である。そして、この回避手段３３が動作することにより、タッチ信号プローブ１００は、被測定物Ｗと非接触状態となり、過大な接触力によるプローブまたは被測定物の損傷が防止される。
【００３８】
次に、上述した倣い測定装置１の動作を説明する。
まず、パーソナルコンピュータ６からコントローラ３に制御信号を出力し、制御手段３１によって支持体２３を動作させ、所定の接触力が作用するように、接触部１０２Ａを被測定物Ｗの端面に接触させる。尚、所定の接触力が作用しているか否かは、加振手段１０３Ａによりスタイラス１０２を軸方向に振動させた状態で、検出回路５からの検出信号Ｖが所定の閾値となっているかによって判断される。
【００３９】
次に、所定の接触力が作用した状態で、振動方向制御手段３２から制御信号を第２加振回路４２に出力して、第２加振手段１１０による振動を開始する。振動方向制御手段３２は、検出回路５からの検出信号Ｖを監視しながら、第２加振回路４２に制御信号を出力して、第２加振手段１１０の振動方向を調整し、前記検出信号Ｖの変化が最小となる部分を振動方向として設定する。
【００４０】
具体的には、第２加振回路４２は、Ｘ軸加振素子１１０ＸとＹ軸加振素子１１０Ｙの各々を、同一の周波数ｆ２で振動させるが、このとき、接触部１０２Ａの振動方向は、スタイラス１０２の軸に直交する面内で、Ｘ軸加振素子１１０Ｘによる振動とＹ軸加振素子１１０Ｙによる振動の合成振動となる。例えば、両者の周波数、位相、振幅が同一ならば、合成される振動の振動方向は、Ｘ軸に対して４５°方向となり、その振幅は約１．４倍（２の平方根）となる。ここで、Ｘ軸加振素子１１０Ｘに印加する加振信号と、Ｙ軸加振素子１１０Ｙに印加する加振信号の各々の振幅と位相の制御を振動方向制御手段３２によって適切に行えば、振動方向を０°から１８０°の範囲にわたって変えることができ、かつ振動振幅を一定に保つことができる。
【００４１】
このようにして振動方向を変えながら、前記検出信号Ｖの変化を観測し、その変化が最小となる時の振動方向を求めれば、その振動方向が被測定物Ｗの端面方向であることが検出できる。接触部１０２Ａが被測定物Ｗに接触している際には、このように振動方向制御手段３２は、適時、接触部１０２Ａの振動方向を変化させることによって、被測定物Ｗの端面方向を検出するとともに、スタイラス１０２の振動方向を被測定物Ｗの端面方向に設定することができる。
【００４２】
被測定物Ｗの概略形状が既知であった場合には、振動方向制御手段３２へ被測定物Ｗの端面方向を指示して、接触部１０２Ａの振動方向を設定することができる。一方、被測定物Ｗの概略形状が未知の場合には、振動方向検出手段３２が検出した被測定物Ｗの端面方向から接触部１０２Ａの振動方向を設定することができる。
【００４３】
制御手段３１は、振動方向制御手段３２で設定された振動方向に沿って支持体２３を動作させる制御信号を出力し、被測定物Ｗの端面の走査が開始される。
支持体２３を動作させて被測定物Ｗの表面を走査している間、検出回路５からの検出信号Ｖが測定当初に比較して大きくなってきた場合、被測定物Ｗの端面が接触部１０２Ａから遠ざかる方向に湾曲していると考えられる。そこで、制御手段３１は、この被測定物Ｗに接触していない状態における検出信号よりも小さな所定の値Ｖとなるように、接触部１０２Ａを被測定物Ｗの端面に接近させる方向に支持体２３を動作させる制御信号を出力する。一方、検出信号Ｖが測定当初に比較して小さくなってきた場合、被測定物Ｗの端面が接触部１０２Ａが接近する方向に湾曲していると考えられるので、制御手段３１は、接触部１０２Ａが被測定物Ｗの端面から離間する方向の制御信号を支持体２３に出力する。
【００４４】
このとき、接触部１０２Ａが被測定物Ｗに接触している限りにおいて、被測定物Ｗに接触していない状態における検出信号よりも小さな所定の値Ｖとなるように制御手段３１による制御を行えば、スタイラス１０２は被測定物Ｗに対して、最小の接触力を維持できる。また、接触部１０２Ａが被測定物Ｗに接触していない場合は、図１（Ｂ）における検出信号Ｖの振幅Ａが最大値を示すことや、あるいは振動方向を変化させても、検出信号Ｖの変化が生じないことからも、接触部１０２Ａの被測定物Ｗへの非接触を検知することができる。尚、この制御手段３１による支持体２３の動作制御に伴い、検出信号Ｖの変化に基づいて、前記振動方向制御手段３１によるスタイラス１０２の振動方向制御も行われる。
【００４５】
以上のような手順による被測定物Ｗの表面の走査中、タッチ信号プローブ１００の進行方向を遮るように被測定物Ｗの表面が屈曲して壁があり、接触部１０２Ａが壁に到達し、被測定物Ｗに接触していない状態における検出信号よりも小さな所定の値Ｖを一定に維持できなくなると、制御手段３１による支持体２３の動作制御が中止され、回避手段３３による支持体２３の動作制御が行われる。尚、回避手段３３からの制御信号は、制御手段３１の制御信号に基づくタッチ信号プローブ１００の進行方向とは逆向きの制御信号であり、回避手段３３による制御信号は、接触部１０２Ａと被測定物Ｗとが非接触状態になるまで出力される。
【００４６】
以上のような本実施形態によれば、次のような効果がある。
すなわち、第２加振手段１１０により、スタイラス１０２を被測定物Ｗの端面に沿って振動させ、この際の検出回路５で検出された被測定物Ｗに接触していない状態における検出信号よりも小さな所定の値Ｖが一定となるように、制御手段３１により支持体２３の動作制御を行っているので、スタイラス１０２を被測定物Ｗの表面に沿って移動させることができ、タッチ信号プローブ１００を用いて倣い測定を行うことができる。そして、このようなタッチ信号プローブ１００を用いているので、被測定物Ｗの形状を高精度に測定することができる。
【００４７】
また、倣い測定装置１が振動方向制御手段３２を備えているので、被測定物Ｗに接触していない状態における検出信号よりも小さな所定の値Ｖに応じて、第２加振手段１１０による相対振動の振動方向を、被測定物Ｗの端面に沿った方向に修正することができる。従って、被測定物Ｗと接触する接触部１０２Ａの周波数ｆ２による振動方向を常に被測定物の端面方向に維持することができるので、予め被測定物Ｗの概略形状を把握することなく、被測定物Ｗの倣い測定、連続測定を行うことができる。
【００４８】
さらに、上述した倣い測定装置１が回避手段３３を備えているので、スタイラス１０２の移動方向に壁のあるような場合であっても、回避手段３３による支持体２３の動作制御を行うことにより、被測定物Ｗまたはタッチ信号プローブ１００の破損を防止することができる。
【００４９】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
前述の第１実施形態に係るタッチ信号プローブの動作制御構造では、タッチ信号プローブ１００は、加振手段１０３Ａがスタイラスホルダ１０１上に設けられ、第２加振手段１１０が支持体２３とスタイラスホルダ１０１との間に設けられ、両加振手段１０３Ａ、１１０はそれぞれ独立した加振回路４１、４２によって駆動されていた。
【００５０】
これに対して、第２実施形態に係るタッチ信号プローブの動作制御構造では、加振手段および第２加振手段がタッチ信号プローブを構成するスタイラスの軸周りに一体的に設けられている点が相違する。
すなわち、図６に示すように、第２実施形態に係るタッチ信号プローブ２００は、スタイラスホルダ２０１と、スタイラスホルダ２０１に設けられる２つの支持片２０１Ａに狭持され、スタイラス１０２が挿通される円筒体２０２を備えている。
【００５１】
この円筒体２０２の外周には、図７に示すように、４つの圧電素子２０３Ａ、２０３Ｂ、２０３Ｃ、２０３Ｄが設けられ、これらのうちスタイラス１０２の軸周りに互いに９０°をなすように配置される２つの圧電素子２０３Ａ、２０３Ｂが加振素子とされ、加振手段および第２加振手段を構成している。
そして、これらの圧電素子２０３Ａ、２０３Ｂに対向配置される圧電素子２０３Ｃ、２０３Ｄは、検出手段として構成され、各圧電素子２０３Ｃ、２０３Ｄから出力される検出信号Ｖは、検出回路５により処理される。
尚、タッチ信号プローブ２００のこれ以外の部分、およびこのタッチ信号プローブ２００が装着される倣い測定装置の構造は、前記第１実施形態と同様なので、その説明を省略する。
【００５２】
圧電素子２０３Ａ、２０３Ｂは、図７では図示を略したが、加振回路からそれぞれ２種類の周波数ｆ１、ｆ２の電気信号で駆動されている。ひとつはスタイラス１０２の軸方向の固有振動数ｆ１であり、もうひとつはスタイラス１０２の曲げ方向の振動数ｆ２である。
固有振動数ｆ１で圧電素子２０３Ａ、２０３Ｂが振動するような力ＦA1、ＦB1は、同期しており、ＦA1＝ＦB1となるためスタイラス１０２は軸方向に共振する。
【００５３】
一方、同時に重畳された振動数ｆ２によって生じる圧電素子２０３Ａ、２０３Ｂのスタイラス１０２の軸に直交する方向の力ＦA2、ＦB2は、例えば、被測定物が図８に示すような小孔Ｗの内側面測定をする場合であれば、中心点Ｏを中心とする円Ｓ１上の測定開始点Ｐ０を基点とする時計周りの角度θから、以下のように与えられる。
ＦA2＝Ｆ・ｓｉｎ（２π・ｆ２・ｔ）・ｃｏｓθ
ＦB2＝Ｆ・ｓｉｎ（２π・ｆ２・ｔ）・ｓｉｎθ
【００５４】
このようなタッチ信号プローブ２００により、小孔Ｗの内側面測定を行う場合、第１実施形態と同様に振動方向制御手段によって支持体の動作とともに、検出信号Ｖの変化に応じて、逐次振動方向を修正するように構成してもよいが、予め三点測定等により小孔の内径の中心位置座標Ｏ、および半径Ｒを求めておき、スタイラス１０２が移動する概ねの軌道を振動方向制御手段に与えておいてもよい。そして、接触部１０２Ａを小孔Ｗの内側面と接触させた状態で加振素子となる圧電素子２０３Ａ、２０３Ｂにより、スタイラス１０２を軸方向および内側面に沿った方向に振動させる。
【００５５】
このようなタッチ信号プローブ２００を支持体に装着する際に注意すべきことは、上述したθ＝０の向きである。これは、加振手段および第２加振手段を構成する圧電素子２０３Ａ、２０３Ｂの配置により決定される構造的な問題であるから、支持体にタッチ信号プローブ２００を装着する場合、スタイラス１０２の軸周りの位置を一義的に決定しておく必要がある。
【００５６】
前述のような第２実施形態によれば、前記第１実施形態で述べた効果に加えて、次のような効果がある。
すなわち、圧電素子２０３Ａ、２０３Ｂに周波数ｆ１が同期して与えられているので、加振手段を構成する圧電素子２０３Ａ、２０３Ｂの軸方向力ＦA1、ＦB1が相殺されることがなく、スタイラス１０２を軸方向に共振させることができる。
【００５７】
また、第２加振手段を構成する圧電素子２０３Ａ、２０３Ｂがスタイラス１０２の軸周りに９０°をなすように配置されているので、各圧電素子２０３Ａ、２０３Ｂのスタイラス１０２の曲げ方向の力ＦA2、ＦB2が合成されてスタイラス１０２に作用し、第２加振手段によるスタイラス１０２の振動の振動面をスタイラス１０２の軸周りの任意の方向に設定することができ、小孔Ｗの内側面の連続測定を行うことができる。
【００５８】
さらに、加振手段および第２加振手段が円筒体２０２上に一体的に構成されているので、タッチ信号プローブ２００の小型化を図ることができ、より小径の小孔測定を可能とすることができる。
そして、第１実施形態の場合と異なり、支持体２３およびスタイラスホルダ１０１の間に別途第２加振手段を設ける必要がないので、種々の倣い測定装置で本発明に係るタッチ信号プローブの動作制御構造を実施することができ、その汎用性が著しく向上する。
【００５９】
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
前述の第２実施形態に係るタッチ信号プローブ２００では、スタイラス１０２の周りに配置される円筒体２０２上に４つの圧電素子２０３Ａ〜２０３Ｄが一体的に設けられ、互いに９０°をなすように配置される圧電素子２０３Ａおよび２０３Ｂが加振手段および第２加振手段を構成していた。
【００６０】
これに対して、第３実施形態に係るタッチ信号プローブ３００は、図９に示すように、スタイラスホルダ２０１、スタイラス１０２、接触部１０２Ａ等については、第２実施形態に係るタッチ信号プローブ２００と同様であるが、スタイラス１０２が挿通される円筒体３０２の外周に６つの圧電素子が等配で設けられている点が相違する。
【００６１】
すなわち、図１０に示すように、円筒体の外周には、圧電素子３０３Ａ、３０３Ｂ、３０３Ｃ、３０３Ｄ、３０３Ｅ、３０３Ｆが等配で設けられ、互いにスタイラス１０２の軸周りに１２０°をなして等配で配置される３つの圧電素子３０３Ａ、３０３Ｃ、３０３Ｅが加振素子とされ、加振手段および第２加振手段を構成し、これら３つの圧電素子３０３Ａ、３０３Ｃ、３０３Ｅと対向配置される圧電素子３０３Ｂ、３０３Ｄ、３０３Ｆが検出手段を構成している。
【００６２】
そして、加振手段および第２加振手段を構成する３つの圧電素子３０３Ａ、３０３Ｃ、３０３Ｅには、スタイラス１０２を軸方向に振動させる周波数ｆ１の信号が同期して与えられるとともに、スタイラス１０２を軸に直交する方向に振動させる周波数ｆ２の電気信号が重畳されて与えられる。尚、スタイラス１０２の軸に直交する方向の力は、前記３つの圧電素子３０３Ａ、３０３Ｃ、３０３Ｅの周波数ｆ２の振動により生ずる力のベクトル合成力として与えられるので、振動方向と振幅の制御は容易である。
【００６３】
このような第３実施形態に係るタッチ信号プローブ３００によれば、第２実施形態で述べた効果に加えて、以下のような効果がある。
すなわち、スタイラス１０２の軸周りに圧電素子３０３Ａ、３０３Ｃ、３０３Ｅが互いに１２０°をなすように等配で配置されているので、圧電素子３０３Ａ、３０３Ｃ、３０３Ｅの配置によらず、スタイラス１０２の直交する方向であれば、任意の方向にスタイラス１０２を振動させることができる。
【００６４】
また、圧電素子３０３Ａ、３０３Ｃ、３０３Ｅが偏りなく軸対象に配置されているので、スタイラス１０２の振動方向を測定面内のどの方向であっても均一とすることができる。
さらに、このような構成とすれば、圧電素子３０３Ａ、３０３Ｃ、３０３Ｅの特性のばらつきによる影響を少なくすることができる。
【００６５】
次に、本発明の第４実施形態について説明する。
前述の第２実施形態に係るタッチ信号プローブ２００は、スタイラス１０２の軸が挿通される円筒体２０２を有し、この円筒体２０２の外周部分に設けられる圧電素子２０３Ａ、２０３Ｂが加振手段および第２加振手段の役割を備えていた。
これに対して、第４実施形態に係るタッチ信号プローブ４００は、図１１および図１２に示すように、スタイラス１０２の軸が挿通される円筒体４０２上に設けられる複数の圧電素子４０３Ａの他、スタイラス１０２の重心位置に別途圧電素子１０３Ａが設けられ、圧電素子４０３Ａが第２加振手段となり、圧電素子１０３Ａが加振手段とされている点が相違する。
【００６６】
すなわち、タッチ信号プローブ４００は、図１１に示すように、スタイラス１０２、接触部１０２Ａ、カウンタバランス１０２Ｂ、スタイラスホルダ２０１、第２スタイラスホルダ４０１、円筒体４０２、および支持体としてのベース４１０を含んで構成される。円筒体４０２は、基端がベース４１０に固定されるとともに、先端に第２スタイラスホルダ４０１が取り付けられ、ベース４１０および第２スタイラスホルダ４０１により狭持される。
【００６７】
円筒体４０２の外周には、複数の圧電素子４０３Ａが並列に設けられ、これらが第２加振手段を構成している。尚、複数の圧電素子４０３Ａは、円筒体４０２の外周に４〜６つ設けられ、スタイラス１０２の軸周り互いに等配で配置されている。
第２スタイラスホルダ４０１は、側面中間部分に段差が形成された円筒状体であり、外周半径の小さい段差上部に前記円筒体４０２が嵌合するとともに、スタイラスホルダ４０１の円筒側面に形成されるスリット４０１Ａと、固定ビス４０１Ｂとを備えている。
【００６８】
スタイラス１０２は、図１２に示すように、軸方向振動の節となる重心位置を挟むように２カ所でスタイラスホルダ２０１によって支持され、スタイラスホルダ２０１には、圧電素子からなる加振手段１０３Ａおよび検出手段１０３Ｂが設けられている。
そして、スタイラスホルダ２０１は、第２スタイラスホルダ４０１のスリット４０１Ａに挿入され、固定ビス４０１Ｂにより第２スタイラスホルダ４０１に固定される。
第２加振手段を構成する圧電素子４０３Ａには、不図示の第２加振回路から周波数ｆ２の電気信号が与えられ、加振手段を構成する圧電素子１０３Ａには、加振回路から周波数ｆ１の電気信号が与えられる。尚、スタイラス１０２の軸方向に直交する方向の振動における振動面の方向は、前記第２実施形態と同様に、複数の圧電素子４０３Ａの合成ベクトルとして与えられるので、その説明は省略する。
【００６９】
このような第４実施形態に係るタッチ信号プローブ４００によれば、前記第２実施形態で述べた効果に加えて、以下のような効果がある。
すなわち、円筒体４０２上に設けられる圧電素子４０３Ａは、検出電極を必要としないので、その個数を比較的少なく済ませることができ、タッチ信号プローブ４００の構造の簡素化を図ることができる。
【００７０】
また、スタイラス１０２の軸方向振動を起こす圧電素子１０３Ａと、軸に直交する方向の振動を起こす圧電素子４０３Ａとが別体となっているので、スタイラス１０２の接触動作がスタイラス１０２の軸方向振動に影響することもなく、外乱のない軸方向振動を得られ、高精度の測定を行うことができる。
【００７１】
さらに、スタイラス１０２の交換を考えた場合、第２加振手段がスタイラス１０２に一体的に設けられていないので、第２加振手段となる圧電素子４０３Ａをそのままにしてスタイラス１０２の交換を行うことができ、部品コストの低減化が図られる。
そして、第２加振手段となる円筒体４０２上の圧電素子４０３Ａと加振手段となる圧電素子１０３Ａとが別体に設けられ、スタイラス１０２が固定ビス４０１Ｂにより第２スタイラスホルダ４０１に固定されているので、タッチ信号プローブとして従来公知のものを使用することができ、スタイラス１０２の交換も簡単にできる。
【００７２】
尚、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、以下に示すような変形をも含むものである。
前記各実施形態に係るタッチ信号プローブの動作制御構造は、小孔等の内側面に限られず、種々の形状の被測定物の倣い測定に応用することができる。すなわち、円筒状のワークの外周面や、他の複雑な三次元形状を有するワークの連続測定を行うために、本発明を利用してもよい。
【００７３】
また、前記第２実施形態では、加振手段および第２加振手段を圧電素子２０３Ａ、２０３Ｂから構成していたが、これに限らず、他の構造により加振手段および第２加振手段を構成してもよい。要するに、スタイラスを被測定物の端面に沿った方向に所定の周波数で振動させることができる加振手段および第２加振手段であれば、他の構成を採用してもよい。
その他、本発明の実施の際の具体的な構造および形状等は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等としてもよい。
【００７４】
【発明の効果】
前述のような本発明のタッチ信号プローブの動作制御構造によれば、第２加振手段および制御手段を備えているので、超音波式タッチ信号プローブを倣い測定、連続測定に用いることにより、被測定物の形状を高精度に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の作用を説明するための模式図およびグラフである。
【図２】本発明の作用を説明するための模式図およびグラフである。
【図３】本発明の作用を説明するための模式図およびグラフである。
【図４】本発明の第１実施形態に係るタッチ信号プローブの動作制御構造を表す模式図である。
【図５】前記実施形態におけるタッチ信号プローブの構造を表す模式図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係るタッチ信号プローブの動作制御構造のタッチ信号プローブの構造を表す概要斜視図である。
【図７】前記実施形態における加振手段および第２加振手段の配置を表す模式図である。
【図８】前記実施形態における測定手順を説明するための模式図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係るタッチ信号プローブの動作制御構造のタッチ信号プローブの構造を表す概要斜視図である。
【図１０】前記実施形態における加振手段および第２加振手段の配置を表す模式図である。
【図１１】本発明の第４実施形態に係るタッチ信号プローブの動作制御構造のタッチ信号プローブの構造を表す概要斜視図である。
【図１２】前記実施形態におけるスタイラスおよび加振手段の構造を表す概要斜視図である。
【図１３】従来のタッチ信号プローブの構造を表す概要斜視図である。
【符号の説明】
２３  支持体
３１  制御手段
３２  振動方向制御手段
３３  回避手段
１００、２００、３００、４００  タッチ信号プローブ
１０１、２０１、４０１  スタイラスホルダ
１０２  スタイラス
１０２Ａ  接触部
１０３Ａ  加振手段
１０３Ｂ  検出手段
１１０  第２加振手段
２０３Ａ、２０３Ｂ、３０３Ａ、３０３Ｃ、３０３Ｅ  圧電素子（加振手段および第２加振手段）
４０３Ａ  第２加振手段としての圧電素子
Ｖ  検出信号
Ｗ  被測定物
【図１】
0004399053.tif 000002
【図２】
0004399053.tif 000003
【図３】
0004399053.tif 000004
【図４】
0004399053.tif 000005
【図５】
0004399053.tif 000006
【図６】
0004399053.tif 000007
【図７】
0004399053.tif 000008
【図８】
0004399053.tif 000009
【図９】
0004399053.tif 000010
【図１０】
0004399053.tif 000011
【図１１】
0004399053.tif 000012
【図１２】
0004399053.tif 000013
【図１３】
0004399053.tif 000014