(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所定の速度ベクトルで運動する支持体と、
前記スタイラスの軸方向に直交する方向に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の法線方向に制御する手段を有する第２加振手段と、
前記駆動機構を制御して、前記スタイラスを前記被測定物の端面に沿った方向と、前記第２加振手段による前記スタイラスの振動方向に沿った方向とに前記支持体を動作させる制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記第２加振手段により前記スタイラスを振動させながら、前記被測定物の端面に前記接触部を接触させて前記被測定物の走査を開始し、走査中に前記検出手段で検出される検出信号の最小値が一定の値となるように、前記被測定物の端面に沿った方向の動作と、前記第２加振手段による前記スタイラスの振動方向に沿った方向の動作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、互いに９０°をなすように配置される２つ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３】
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、等配で配置される少なくとも３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４】
請求項２又は請求項３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５】
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互いに直交する２方向に加振させ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５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５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、一方向への加振素子と、異なる方向への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１７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、上述した小孔測定用のタッチ信号プローブ１００で小孔等の内側面に沿って連続測定を行う場合、次のような問題がある。
すなわち、前記タッチ信号プローブ１００では、スタイラス１０２の軸径を小さくした結果、スタイラス１０２の軸剛性は低くなってしまうため、接触部１０２Ａを被測定物に接触させながら、該被測定物の側面等に沿って移動させると、スタイラス１０２にたわみが生じ、いわゆる凝着現象が生じることとなる。
【０００９】
そして、この凝着現象は、被測定物と接触部１０２Ａの接触の有無を検出するだけならば大きな問題とはならないが、被測定物の端面に沿って接触連続測定を行う場合、機械的な位相遅れが発生することとなり、凝着力により機械的な変形が発生し位置誤差が生じるという問題がある。
【００１０】
本発明の目的は、被測定物との接触により生ずるスタイラスの凝着現象を防止し、被測定物の表面に沿って連続測定を行う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。
【００１１】
【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所定の速度ベクトルで運動する支持体と、
前記スタイラスの軸方向に直交する方向に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の法線方向に制御する手段を有する第２加振手段と、
前記駆動機構を制御して、前記スタイラスを前記被測定物の端面に沿った方向と、前記第２加振手段による前記スタイラスの振動方向に沿った方向とに前記支持体を動作させる制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記第２加振手段により前記スタイラスを振動させながら、前記被測定物の端面に前記接触部を接触させて前記被測定物の走査を開始し、走査中に前記検出手段で検出される検出信号の最小値が一定の値となるように、前記被測定物の端面に沿った方向の動作と、前記第２加振手段による前記スタイラスの振動方向に沿った方向の動作を制御することを特徴とする。
【００１２】
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、凝着現象を回避してタッチ信号プローブを被測定物表面の連続測定に用いることが可能となる。
すなわち、図１（Ａ）に示すように、スタイラス１０２の接触部１０２Ａを被測定物Ｗの端面近傍に配置し、第２加振手段により被測定物の端面の法線方向に周波数ｆ２で振動させると、接触部１０２Ａは、被測定物Ｗの端面との接触、非接触を繰り返し、いわゆるタッピング動作をすることとなる。
【００１３】
このとき、加振手段によるスタイラス１０２の軸方向の周波数ｆ１の振動は、非接触状態では自由振動し、接触状態では接触力Ｆにより振動が拘束され、図１（Ｂ）に示すように、接触力Ｆが増加するにしたがって、スタイラス１０２の軸方向の振動の振幅Ａが小さくなっていく。ここで、検出手段により検出される振動の変化（例えば、振動の振幅）を表す検出信号Ｖは、図２に示すように、第２加振手段による周波数ｆ２の振動周期（１／ｆ２）に応じて、走査中の検出信号の最小値Ｖａをとるようになる。
このような状態で図３に示すように、被測定物Ｗの端面に沿ったＢ方向にスタイラス１０２を移動させると、その検出信号Ｖは前記の図２のように、走査中の検出信号の最小値Ｖａをとり、かつ振動周期ごとの走査中の検出信号の最小値Ｖａは一定となる。
【００１４】
一方、図４に示すように、被測定物Ｗの端面に対してスタイラス１０２の移動方向Ｂが傾いている場合、タッピング動作による検出信号Ｖの変化は、接触部１０２Ａが被測定物Ｗの端面に徐々に接近すると、接触部１０２Ａの接触力が増加し、図５に示すように、極値Ｖａが変化していく。
従って、検出信号Ｖが所定の走査中の検出信号の最小値Ｖａをとるように、かつ該走査中の検出信号の最小値Ｖａ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１００の動作制御を行えば、タッチ信号プローブ１００は被測定物Ｗの端面に沿って移動して該被測定物Ｗの端面の連続測定を行うことが可能となる。そして、前記走査中の検出信号の最小値Ｖａを所定の値以上にならないように設定することにより、機械的位相遅れが極めて少ない状態に設定することができ、凝着現象に伴う検出位置の誤差が生じることを防止し、被測定物の端面の連続測定を行うことが可能となる。
【００１５】
具体的には、図６に示すように、第２加振手段によるスタイラスの軸方向に直交する方向の振動方向に沿った方向Ｃにスタイラス１０２接近、離間するような動作制御を行えばよく、前記方向Ｂの動作とこの方向Ｃの動作とを繰り返すことにより、被測定物Ｗの端面に沿ってスタイラス１０２を移動させることが可能となる。
【００１６】
以上において、上述した制御手段としては、前記被測定物の端面の法線と直交する方向に、前記支持体を動作させる制御手段を採用することができる。
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移動させる駆動機構を制御するように構成すればよい。
【００１７】
すなわち、このような制御手段を採用すれば、図７に示されるように、被測定物Ｗに形成された小孔Ｗ１の内側面を測定する場合において、接触部１０２Ａを小孔の内周方向Ｈに沿って移動させることが可能となり、小孔Ｗ１の開口部分の連続測定が可能となる。また、図７に示されるように接触部１０２Ａを小孔Ｗ１の深さ方向Ｄに移動させることが可能となり、小孔Ｗ１の深さ方向の連続測定が可能となる。
【００１８】
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、互いに９０°をなすように配置される２つ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。
さらに、他の加振手段および第２加振手段としては、スタイラスの軸周りに等配で配置される少なくとも３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。
そして、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。
【００１９】
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ればよい。
そして、各圧電素子に２種類の周波数ｆ１、ｆ２を与えることにより、スタイラスを軸方向に周波数ｆ１で振動させ、かつスタイラスを曲げ方向に周波数ｆ２で振動させることが可能となる。
【００２０】
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周りの任意の方向に設定することが可能となる。
【００２１】
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。
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。
【００２２】
【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、既に説明した部分又は部材と同一又は類似の部分等については、同一符号を付してその説明を省略又は簡略する。
図８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内外側面測定装置が示されている。
【００２３】
この内外側面測定装置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からの検出信号がコントローラ３を介して入力され、該検出信号の演算処理を行ってワークＷの真円度等の評価を行う。
【００２４】
測定器本体２は、ワークＷを設置して表面形状を測定するものであり、該ワーク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。
ＸＹＺテーブル２１は、図８では図示を略したが、ワークＷを所定の位置に設置するために、ワーク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、ワーク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、ワーク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ワークの正確な正確な位置調整を行う。
【００２５】
支持体２３は、図８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。
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および回避手段３２を備えている。
【００２６】
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からの検出信号Ｖが走査中の検出信号の最小値Ｖａをとるように、かつ該走査中の検出信号の最小値Ｖａが一定となるように（図２参照）、支持体２３の動作制御を行う。
回避手段３２は、検出回路５からの検出信号Ｖが所定の走査中の検出信号の最小値Ｖａを維持できない場合、制御手段３１による動作制御を中止し、それまでの制御手段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。この回避手段３２により、タッチ信号プローブ１００は、ワークＷと非接触状態となり、過大な接触力による損傷が防止される。
【００２７】
タッチ信号プローブ１００は、図９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の軸に直交する方向に振動させる第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。
【００２８】
駆動回路４は、加振手段１０３Ａおよび第２加振手段１１０に所定の周波数で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。
【００２９】
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の振動を同期させることにより、スタイラス１０２は、周波数ｆ２でスタイラス１０２の軸に直交する任意の方向に振動する。
【００３０】
次に、上述した第１実施形態に係る内径測定装置１の動作を、図１０に示すような小孔Ｗ１の内側面測定を行う場合について説明する。
(1) 図１０に示すように、予め、三点測定等により小孔Ｗ１の内径の中心Ｏの位置座標、および概ねの半径Ｒを取得する。
(2) スタイラス１０２の第２加振手段１１０による振幅を考慮し、半径ＲよりもΔｒだけ小さい円Ｓ１を接触部１０２Ａの基本的な動作軌跡として制御手段３１に設定する。具体的には、図１０における測定開始点Ｐ０からの角度θと、半径Ｒ−Δｒに基づいて接触部１０２Ａの動作制御を行う。尚、加振手段２によるスタイラス１０２の軸に直交する振動の振幅が極めて微小であるため、このΔｒは、接触部１０２Ａの半径に略等しい値と考えても、実際上は差し支えない。
【００３１】
(3) スタイラス１０２の第２加振手段１１０による振動が小孔Ｗ１の内側面の法線方向となるように、第２加振回路４２の電気信号を前記角度θの関数として設定し、第２加振手段１１０を構成するＸ軸加振素子１１０Ｘ、Ｙ軸加振素子１１０Ｙを動作させる。具体的には、円Ｓ１の中心点Ｏおよび測定開始点Ｐ０を結ぶ方向をＸ軸加振素子１１０Ｘの振動方向とし、Ｘ軸加振素子１１０ＸおよびＹ軸加振素子１１０Ｙのスタイラス１０２の軸に直交する方向の最大力をＦ、第２加振回路による周波数をｆ２とすると、Ｘ軸加振素子１１０ＸによるＸ軸方向の力Ｆｘ、およびＹ軸加振素子１１０ＹによるＹ軸方向の力Ｆｙは、以下の関数として設定される。
Ｆｘ＝Ｆ・ｓｉｎ（２π・ｆ２・ｔ）・ｃｏｓθ
Ｆｙ＝Ｆ・ｓｉｎ（２π・ｆ２・ｔ）・ｓｉｎθ
これにより、接触部１０２Ａは、小孔Ｗ１の内側面を所定の周期（１／ｆ２）でタッピングする。
(4) 加振手段１０３Ｂによりスタイラス１０２を軸方向に振動させるとともに、接触部１０２Ａで小孔Ｗ１の内側面をタッピングしながら、制御手段３１により小孔Ｗ１の内側面の走査を開始する。
【００３２】
(5) 走査中、検出手段１０３Ｂからの検出信号Ｖの走査中の検出信号の最小値Ｖａが図５に示すように変化してきた場合、すなわち、制御手段３１で設定された円弧軌跡Ｓ１に対して小孔Ｗ１の内周がずれている場合、変化する走査中の検出信号の最小値Ｖａは、検出回路５を介して制御手段３１に入力され、制御手段３１は、第２加振手段１１０による振動面に沿ってスタイラス１０２を移動させ、走査中の検出信号の最小値Ｖａに戻るように支持体２３の動作制御をする。具体的には、走査中の検出信号の最小値Ｖａが小さくなるような変化であれば、制御手段３１は、接触部１０２Ａが小孔Ｗ１の内側面から中心点Ｏに向かって離間する方向に動作制御し、走査中の検出信号の最小値Ｖａが大きくなるような変化であれば、接触部１０２が中心点Ｏから小孔Ｗ１の内側面に接近する方向に動作制御する。
【００３３】
(6) 検出手段１０３Ｂからの検出信号Ｖの走査中の検出信号の最小値Ｖａが制御手段３１の動作によっても所定の値を維持できない場合、コントローラ３は、制御手段３１による支持体２３の動作制御を中止し、回避手段３２に回避動作をさせる。具体的には、回避手段３２は、制御手段３１による動作方向とは逆向きに支持体２３を動作させる。
(7) 一方、小孔Ｗ１の深さ方向測定を行う場合、制御手段３１は、支持体２３を上下に動作させるように動作制御すればよい。尚、支持体２３が下方に動作するように制御されている場合、接触部１０２ＡがＸＹＺテーブル２１の面に当接すると、検出信号Ｖが全体に亘って非接触状態における検出信号よりも小さくなるので、回避手段３２により支持体２３は上方に動作される。
【００３４】
前述のような第１実施形態によれば、以下のような効果がある。
すなわち、接触部１０２Ａが被測定物である小孔Ｗ１の内側面をタッピングし、その際の検出信号Ｖが走査中の検出信号の最小値Ｖａをとるように、制御手段３１が支持体２３の動作制御を行っているので、スタイラス１０２に過大な曲げ方向力が作用することを防止することができ、機械的位相遅れが極めて少ない状態で小孔Ｗ１の内測面の測定を行うことができ、凝着現象に伴う検出位置の誤差が生じることを防止し、小孔Ｗ１の内側面測定を行うことができる。
【００３５】
また、制御手段３１が支持体２３をＸＹＺテーブル２１のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に移動させる駆動機構を制御するように構成されているので、小孔Ｗ１のように三次元的に複雑な内側面を有する被測定物であっても、連続測定を行うことができる。
さらに、検出信号Ｖの走査中の検出信号の最小値Ｖａが変化すると、制御手段３１が第２加振手段４１による振動の振動面の接近または離間方向に支持体２３を動作制御するように構成されているので、接触部１０２Ａを常に一定の接触力で小孔Ｗ１の内側面に接触させることができ、タッチ信号プローブ１００による連続測定を高精度に行うことができる。
【００３６】
そして、タッチ信号プローブの動作制御構造が回避手段３２を備えているので、検出手段１０３Ｂからの検出信号Ｖが走査中の検出信号の最小値Ｖａを維持できない場合、制御手段３１による支持体２３の動作方向とは逆向きに支持体２３を移動させることができ、スタイラス１０２に過大な接触力が作用することを防止し、タッチ信号プローブ１００の損傷を防止できるので、止まり孔等の測定においても、タッチ信号プローブ１００を採用することができる。
また、第２加振手段１１０が加振手段１０３Ｂと別体で設けられているので、従来公知の加振手段１０３Ｂが設けられたタッチ信号プローブを用いることができ、種々の形状、大きさのタッチ信号プローブで本発明を実施することができる。
【００３７】
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はスタイラスホルダ１０１上に設けられ、第２加振手段４１は支持体２３とスタイラスホルダ１０１との間に設けられ、両加振手段１０２Ａ、４１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。
【００３８】
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１１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。
【００３９】
この円筒体２０２の外周には、図１２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が装着される内外側面測定装置の構造は、前記第１実施形態と同様なので、その説明を省略する。
【００４０】
圧電素子２０３Ａ、２０３Ｂは、図１２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。
【００４１】
一方、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、前述の図１０を参照し、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、以下のようになる。
ＦA2＝Ｆ・ｓｉｎ（２π・ｆ２・ｔ）・ｃｏｓθ
ＦB2＝Ｆ・ｓｉｎ（２π・ｆ２・ｔ）・ｓｉｎθ
このようなタッチ信号プローブ２００により、図１０に示される小孔Ｗ１の内側面測定を行う場合、第１実施形態と同様に、まず、小孔の内径の中心位置座標Ｏ、および半径Ｒを求めた後、θ＝０となるような方向にタッチ信号プローブ２００を運動させ、小孔Ｗ１の内側面と接触させる。検出手段である圧電素子２０３Ｃ、２０３Ｄが接触による固有振動数ｆ１の共振状態変化を検出回路５に出力し、この位置座標を認識し、これを、小孔Ｗ１の内側面に沿って連続して行うことにより、小孔Ｗ１の内側面形状を把握することができる。
【００４２】
ここで、上述した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。
【００４３】
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。
【００４４】
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、各圧線素子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Ｗ１の内側面の連続測定を行うことができる。
【００４５】
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、種々の内外側面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。
【００４６】
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。
【００４７】
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１３に示すように、スタイラスホルダ２１０、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。
【００４８】
すなわち、図１４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。
【００４９】
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合力として与えられる。
【００５０】
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。
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のタッピング動作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。
更にこのような構成とすれば、圧電素子の特性のバラツキによる影響を低減しやすくなる。
【００５１】
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２０３を有し、この円筒体２０３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１５および図１６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。
【００５２】
すなわち、タッチ信号プローブ４００は、図１５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。
【００５３】
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４０３の外周に４〜６つ設けられ、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。
【００５４】
スタイラス１０２は、図１６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。
【００５５】
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。
【００５６】
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のタッピング動作がスタイラス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。
【００５７】
さらに、スタイラス１０２の変更を考えた場合、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。
【００５８】
尚、本発明は、前述の各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は、小孔Ｗ１の内側面測定を行うために利用されていたが、これに限られない。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。
【００５９】
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、スタイラスを軸方向および軸に直交する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。
【００６０】
【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加振手段により被測定物の端面に対して接触部をタッピング動作させることができるので、凝着現象を回避することができ、タッチ信号プローブにより被測定物の表面に沿って連続測定を行うことができる。
【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検出信号の変化を表すグラフである。
【図３】本発明の作用を説明するためのスタイラスの移動方向と被測定物の端面の配置を表す模式図である。
【図４】本発明の作用を説明するためのスタイラスの移動方向と被測定物の端面の配置を表す模式図である。
【図５】本発明の作用を説明するための検出信号の変化を表すグラフである。
【図６】本発明に係るタッチ信号プローブの動作制御構造によるタッチ信号プローブの動作制御を表す模式図である。
【図７】本発明に係るタッチ信号プローブの動作制御構造によるタッチ信号プローブの走査方向を表す模式図である。
【図８】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９】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１０】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１１】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１２】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１３】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１４】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１５】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１６】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１７】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】
１  タッチ信号プローブの動作制御構造
２３  支持体
３１  制御手段
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
Ｄ  スタイラスの軸方向
Ｈ  振動面の接線方向
Ｖ  検出信号
Ｖａ  走査中の検出信号の最小値
Ｗ  被測定物
【図１】
0004399052.tif 000002
【図２】
0004399052.tif 000003
【図３】
0004399052.tif 000004
【図４】
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【図５】
0004399052.tif 000006
【図６】
0004399052.tif 000007
【図７】
0004399052.tif 000008
【図８】
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【図９】
0004399052.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
0004399052.tif 000012
【図１２】
0004399052.tif 000013
【図１３】
0004399052.tif 000014
【図１４】
0004399052.tif 000015
【図１５】
0004399052.tif 000016
【図１６】
0004399052.tif 000017
【図１７】
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