(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、プローブ軸体の先端に取り付けられ、その中心がＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の原点であるとともに各軸上に前記スタイラスをそれぞれ装着する装着体と、この装着体に形成された装着面に設けられ前記スタイラスに被測定物が接触した際に生じる衝撃力を検出する検出素子と、この検出素子からの信号の状態変化を観測し、信号状態の変化に応じてトリガ信号を出力する検出回路とを備えて構成されたタッチ信号プローブであって、
前記装着体は前記装着面が前記各軸から離隔して形成され、かつ、前記装着面上の位置に少なくとも２カ所以上の検出素子装着部が突出形成され、
前記各検出素子は、前記プローブ軸体及び／又は少なくとも一部のスタイラスと所定の隙間をもって挿通する貫通孔が開口され、かつ前記検出素子装着部を介して前記装着面に固定された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、前記検出素子装着部が形成されるとともに前記検出素子が設けられた前記装着面は、前記各軸対称の形状とされた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、前記検出素子装着部が形成された前記装着面は、原点対称の形状とされ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、前記装着面は矩形状に形成され、前記検出素子装着部は前記装着面の隅角部の頂角対称位置に配置されてい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ために用いられる衝撃検出型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三次元測定機が知られている。
この三次元移動装置は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動可能とされ、かつ、プローブ軸体の先端にスタイラスを取り付けたタッチ信号プローブを備えて構成されている。
このタッチ信号プローブには、スタイラスの先端部分に設けた球状の接触部が被測定物と接触したことを圧電素子等の検出素子で検出する衝撃検出型タッチ信号プローブが知られている。
【０００３】
図６（ａ）には、先に本出願人が出願した衝撃検出型タッチ信号プローブ（特願平9-32149号）が示されている。
このタッチ信号プローブは、先端に被測定物と接触する球状の接触部１Ａを有するスタイラス１の各側面に４枚の圧電素子２Ａ〜２Ｄを取り付けた構造であり、スタイラス１は、スタイラス本体１Ａと、このスタイラス本体１Ａの先端に一体形成された前記接触球１Ｂと、スタイラス本体１Ａの他端部に一体形成された略角柱状の圧電素子支持部１Ｃと、この圧電素子支持部１Ｃの後端部に設けられ図示しないプローブ軸体に装着されるねじ部１Ｄとを備えている。
【０００４】
圧電素子支持部１Ｃは、スタイラス軸周りの断面が正方形とされた略直方体であり、この直方体の各側面に前記圧電素子２Ａ〜２Ｄが接着剤によりそれぞれ固着されている。
このうち、圧電素子２Ａ，２Ｃは、圧電素子支持部１Ｃを挟んで互いに表裏の関係にあり、また圧電素子２Ｂ，２Ｄは圧電素子２Ａ，２Ｃと隣り合う位置において、互いに表裏の関係にあり、接触部１Ａに対する接触圧が生じると、圧電素子２Ａ〜２Ｄに曲げ応力が生じ、この時の各圧電素子２Ａ〜２Ｄ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き接触検知信号を発生させる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上のタッチ信号プローブにあっては、プローブ軸体に軸方向を互いに一致させてスタイラスを装着する場合には不都合はないが、プローブ軸に対してスタイラスを直角に装着してＬ形に形成し、プローブ軸にモーメントの作用する方向から測定力が付与された場合には、検出感度が低下するという問題点がある。
【０００６】
即ち、図６（ｂ）に示される通り、プローブ軸体３の角柱部３Ｃの側面に４枚の圧電素子２Ａ〜２Ｄを取り付け、この角柱部３Ｃの先端に円柱部３Ａを形成し、この円柱部３Ａに取付用ブロック３Ｂを取り付け、この取付用ブロック３Ｂにスタイラス１をＺ軸（プローブ軸）に対して直角に取り付けた場合、プローブ軸に対する回りモーメントの作用する方向から測定力Ｐが付与されると、圧電素子２Ａ〜２Ｄには曲げと捻りとが混在して発生することになる。
【０００７】
ここで、曲げと捻りとの成分の比率は圧電素子２Ａ〜２Ｄの端縁からスタイラス１の軸心までの寸法Ｌとスタイラス１の長さ寸法ｌとの比によって決定されるため、Ｌが無限大（Ｌ＝∞）の場合、圧電素子２Ａ〜２Ｄには捻り成分しか発生しなくなる。
つまり、個々の圧電素子２Ａ〜２Ｄは捻られて出力は変化しないことになり、検出感度は低下し、検出感度の方向依存性を引き起こすことになる。
【０００８】
本発明の目的は、スタイラスの接触方向にかかわらず、十分な検出感度を得られるタッチ信号プローブを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そのため、本発明は、装着体のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸にそれぞれスタイラスを取り付けてスタースタイラス化し、これらのスタイラスやプローブ軸体と所定の間隔をもって挿通する貫通孔が形成された検出素子を装着体の装着面に設けて前記目的を達成しようとするものである。
【００１０】
具体的には、本発明のタッチ信号プローブは、先端に被測定物と接触する接触部を有するスタイラスと、プローブ軸体の先端に取り付けられ、その中心がＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の原点であるとともに各軸上に前記スタイラスをそれぞれ装着する装着体と、この装着体に形成された装着面に設けられ前記スタイラスに被測定物が接触した際に生じる衝撃力を検出する検出素子と、この検出素子からの信号の状態変化を観測し、信号状態の変化に応じてトリガ信号を出力する検出回路とを備えて構成されたタッチ信号プローブであって、前記装着体は前記装着面が前記各軸から離隔して形成され、かつ、前記装着面上の位置に少なくとも２カ所以上の検出素子装着部が突出形成され、前記各検出素子は、前記プローブ軸体及び／又は少なくとも一部のスタイラスと所定の隙間をもって挿通する貫通孔が開口され、かつ前記検出素子装着部を介して前記装着面に固定されたことを特徴とする。
【００１１】
測定のため、タッチ信号プローブを移動してスタイラスの接触部を被測定物に接触させると、接触時の衝撃力が検出素子で検出され、検出素子から検出信号が出力される。各検出素子から出力される信号の和及び差を検出回路でそれぞれ生成し、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。
自乗和から生成された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。
【００１２】
本発明では、スタイラスがＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸のそれぞれに設けられるとともに、プローブ軸体及び／又は少なくとも一部のスタイラスが設けられた装着面に検出素子装着部を介して検出素子が固定されているため、いずれかの検出素子に曲げが生じることになる。
そのため、スタイラスが被測定物にいかなる接触方向から接触しても、その接触を確実に検出素子で検出することができるので、十分な検出感度を得ることができる。
【００１３】
ここで、本発明では、前記検出素子装着部が形成された前記装着面を原点対称の形状としてもよい。
この構成では、各検出素子に対する曲げの伝達が均一なものとなるので、検出感度がより向上する。
これに対して、本発明では、前記検出素子装着部が形成されるとともに前記検出素子が設けられた前記装着面を、前記各軸対称の形状としてもよい。
また、前記装着面は矩形状に形成され、前記検出素子装着部は前記装着面の隅角部の頂角対称位置に配置されている構造としてもよい。
この構造では、一の検出素子の固定部が互いに離れた位置に形成されているため、スタイラスが被測定部に接触した際に検出素子に確実に曲げが発生することになり、この点からも十分な検出感度を得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態につき、添付図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明にかかるタッチ信号プローブの分解斜視図、図２はその斜視図である。
これらの図において、タッチ信号プローブは、略立方体形状とされ６面が装着面とされた装着体１０と、この装着体１０の上面中心位置に先端を固定したＺ軸となるプローブ軸体１２と、このプローブ軸体１２側の装着面を除いて装着体１０の全ての装着面中心位置に、これと直交して装着されたＸ，Ｙ，Ｚ軸を構成する５本のスタイラス１４と、装着体１０の各装着面における四隅部に固定配置された各面合計４つの矩形状の装着ブロック１６と、これらの装着ブロック１６のそれぞれに四隅を固定された６つの検出素子としての圧電素子１８Ａ〜１８Ｆと、各圧電素子１８Ａ〜１８Ｆに接続されてそれぞれの出力信号を読込み、これに応じたトリガ信号を出力する検出回路２０とから構成されている。
【００１５】
前記装着体１０は、前記各部材の固定と接触歪み検出体機能とを兼用したもので、スタイラス１４と同じ材質からなり、その各面の中心位置に前記プローブ軸体１２及び各スタイラス１４をねじ込み固定するためのねじ孔１０Ａを形成している。また、各取付面の隅角部に前記装着ブロック１６を一体に突出形成している。この装着ブロック１６は検出素子装着部を構成するもので、略立方体状に形成されている。
前記プローブ軸体１２は、先端に前記装着体１０をねじ込み固定し、上端を図示しない三次元移動装置の下部に装着されたものである。
前記各スタイラス１４は、スタイラス本体１４Ａの先端に球状の接触部１４Ｂを一体形成するとともに、後端に前記ネジ孔Ａにねじ込まれる雄ねじ部１４Ｃを形成したものである。
【００１６】
前記各圧電素子１８Ａ〜１８Ｆは、前記装着体１０の各装着面と同一外形であって、その中心に前記プローブ軸体１２あるいは各スタイラス１４との干渉をさけるべく、これらを遊嵌状態に挿通する貫通孔１８Ｇを開口形成したもので、それぞれの四隅部を各装着ブロック１６の取付面に接着剤などにより固定され、各スタイラス１４が被測定物に接触することによる装着体１０の歪みを各装着ブロック１６を介して受け、それに応じた出力電圧を発生する。
そして、圧電素子１８Ａ，１８Ｂは、Ｘ軸方向における両スタイラス１４の軸周り対称位置に配置され、圧電素子１８Ｃ，１８Ｄは、Ｙ軸方向における両スタイラス１４の軸周り対称位置に配置され、圧電素子１８Ｅ，１８Ｆは、Ｚ軸方向におけるプローブ軸体１２周り及びその対称位置のスタイラス１４の軸周りに配置されている。
【００１７】
この構造においては各軸方向のスタイラス１４のいずれかが、被測定物に接触した際、装着体１０に伝達されて歪みが発生し、各面それぞれの装着ブロック１６を介して各圧電素子１８Ａ〜１８Ｆに伝達される。
つまり、一つ当りのスタイラス１４に作用する測定力に対して６つの圧電素子が出力を発生し、各圧電素子１８Ａ〜１８Ｆからはその分力に応じた信号が出力し、検出回路２０により各信号の和、及び各軸対称位置にある圧電素子同士の信号の差、及び自乗和を生成させ、この生成した信号に基づき接触検知信号を発生させ、その座標位置における、被測定物の外形、寸法などの形状を検出することになる。
【００１８】
図３は検出回路２０の概略を示す。検出回路２０は図６に示すタッチ信号プローブに付属する検出回路（特願平9-32149号参照）と同等の作動原理のものである。
図３において、各圧電素子１８Ａ〜１８Ｆから生成した信号は、加算回路２２に出力され、その和Ｖ123456が演算される一方、各軸対称の圧電素子の対１８Ａ，１８Ｂ（Ｘ軸）、１８Ｃ，１８Ｄ（Ｙ軸）、及び１８Ｅ，１８Ｆ（Ｚ軸）から出力された信号は、第一、第二、第三の差動増幅回路２４，２６，２８によりその差Ｖ12，Ｖ34，Ｖ56が演算され、これら和信号及び差信号は接触信号検知回路３０に入力され、ここでトリガ信号を生成する。
【００１９】
ここで、６個の圧電素子１８Ａ〜１８Ｆの和Ｖ123456を演算するのは、スタイラス１４に作用する曲げ歪成分を除去して各スタイラス１４の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、縦歪成分を抽出するにあたり、６個全て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、各軸方向における表裏関係にある２個の圧電素子１８Ａ，１８Ｂ、１８Ｃ，１８Ｄ、１８Ｅ，１８Ｆからの出力信号の和を演算するものでもよい。
また、各圧電素子１８Ａ，１８Ｂ、１８Ｃ，１８Ｄ、１８Ｅ，１８Ｆの出力信号の差Ｖ12，Ｖ34，Ｖ56を演算するのは、各軸対称の圧電素子からの出力信号の位相が１８０度異なり、この演算により各スタイラス１４に作用する曲げ歪成分を抽出するためである。
【００２０】
図４は、前記接触信号検知回路３０の詳細を示す。なお、図中符号３２は、各圧電素子１８Ａ〜１８Ｆのそれぞれに接続された増幅回路であり、それぞれ所定の増幅率の検出信号Ｖ1〜6を生成する。
接触信号検知回路３０では、差出力（Ｖ12，Ｖ34，Ｖ56）は、自乗回路３４，３６，３８でそれぞれ自乗された後、加算回路４０，４２，４４で加算されてｌ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からの出力の最大値を角度によらず一定にするためである。
一方、和信号Ｖ123456は、遅延回路４６により適度な時間遅れを持たせて前記信号にタイミングを取り、さらに自乗回路４８で自乗した後、加算回路５０により前記信号に加算することで、各スタイラスの被測定物に対する接触角によらず、一定の信号となる。
【００２１】
この生成した信号を比較回路５２により基準信号と比較し、この信号が基準値を上回った場合に、トリガ信号が出力されることになる。
以上のごとく、圧電素子１８Ａ〜１８Ｆから出力される信号の和を演算することにより、各スタイラス１４に作用する曲げ歪成分を除去してスタイラス１４の軸方向に作用する歪成分を抽出し、圧電素子１８Ａ〜１８Ｆ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１８Ａ〜１８Ｆから出力される位相の異なる信号に基づいて各スタイラス１４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、各スタイラス１４に対して取付角度の異なる各圧電素子１８Ａ〜１８Ｆから出力される信号の極大値を圧電素子１８Ａ〜１８Ｆ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一定とすることにより、接触部１４Ｂの被測定物に接触する角度にかかわらず測定感度を一定とすることができることになる。
【００２２】
従って、本実施形態では、接触部１４Ｂを有するスタイラス１４と、プローブ軸体１２の先端に取り付けられ、その中心がＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の原点であるとともに各軸上にスタイラス１４をそれぞれ装着する装着体１０と、この装着体１０に形成された装着面に設けられスタイラス１４に被測定物が接触した際に生じる衝撃力を検出する検出素子１８Ａ〜１８Ｆと、これらの検出素子１８Ａ〜１８Ｆからの信号の状態変化を観測し、信号状態の変化に応じてトリガ信号を出力する検出回路２０とを備えてタッチ信号プローブを構成し、装着体１０は装着面が各軸から離隔して形成され、かつ、装着面上の位置に４カ所の検出素子装着部１６が突出形成され、各検出素子１８Ａ〜１８Ｆは、プローブ軸体１２及び５本全てのスタイラス１４と所定の隙間をもって挿通する貫通孔１８Ｇが開口され、かつ検出素子装着部１６を介して装着体１０の装着面に固定されたから、スタイラス１４がＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸のそれぞれに設けられたスタースタイラス構造とさるとともに、プローブ軸体１２及びスタイラス１４が設けられた装着面に検出素子装着部１６を介して検出素子１８Ａ〜１８Ｆが固定されているため、スタイラス１４が被測定物に接触すると、いずれかの検出素子１８Ａ〜１８Ｆに曲げが生じることになる。
そのため、スタイラス１４が被測定物にいかなる接触方向から接触しても、その接触を確実に検出素子で検出することができるので、十分な検出感度を得ることができる。
【００２３】
さらに、本実施形態では、検出素子装着部（装着ブロック）１６が形成された装着面を原点対称の形状としたから、各検出素子１８Ａ〜１８Ｆに対する曲げの伝達が均一なものとなるので、検出感度がより向上する。
また、装着体１０の装着面は正方形に形成され、検出素子装着部１６は装着面の四隅角部の頂角対称位置に配置されているから、一の検出素子１８Ａ〜１８Ｆの固定部が互いに離れた位置に形成されることになる。
そのため、スタイラス１４が被測定部に接触した際に検出素子１８Ａ〜１８Ｆに確実に曲げが発生することになり、この点からも十分な検出感度を得ることができる。
【００２４】
なお、本発明は前述の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、前記実施形態では、装着体１０の形状を略立方体としたが、本発明では、他の形状、例えば、図５（ａ）に示される通り、略短寸円柱状体としてもよい。
図５（ａ）において、プローブ軸（Ｚ軸）方向に軸心が一致した略円柱状の装着体１００は、その周面に前記スタイラス１４がＸ軸及びＹ軸に沿って４本（図５（ａ）では１本のみ示す）取り付けられ、かつ、その下面に前記スタイラス１４がＺ軸に沿って取り付けられている。
【００２５】
図５（ａ）で示されるタッチ信号プローブでは、装着体１００の両端面及び周面が装着面を構成するものであり、その装着面には複数の検出素子装着部（装着ブロック）１６０が互いに所定間隔離れて突出形成されている。
この検出素子装着部１６０は、Ｚ軸周りの装着面がＺ軸対称の構造とされ、Ｚ軸を法線とする２つの装着面が原点対称の構造とされている。図５（ａ）では、このような構造とされるが、本発明はこれに限定されるものではなく、装着面は、前記規定の各軸において対向する装着面が対称構造となるような各軸対称の構造であればよい。
【００２６】
検出素子は、装着体１００の端面に対向して設けられリング状に形成された第１圧電素子１８０Ａ，１８０Ｂと、装着体１００の周面に対向して設けられ断面円弧状に形成された第２圧電素子１８０Ｃ〜１８０Ｆとから構成されている。
また、検出素子は、図５（ｂ）に示される通り、装着体１００の周面に対向して設けられ外面が４つの電極１８１Ｃ〜１８１Ｆに分離されかつ、内面が一様の電位面を有する電極１８１Ｈで形成された断面円弧状の圧電素子から構成されるものでもよく、あるいは、図５（ｃ）に示される通り、装着体１００の周面に対向して設けられ内面が４つの電極１８２Ｃ〜１８２Ｆに分離されかつ、外面が一様の電位面を有する電極１８２Ｈで形成された断面円弧状の圧電素子から構成されるものでもよい。
【００２７】
これらの圧電素子１８０Ａ〜１８０Ｆ，１８１Ｃ〜１８１Ｆ，１８２Ｃ〜１８２Ｆは、その中心にプローブ軸体１２あるいはスタイラス１４との干渉をさけるべく、これらを遊嵌状態に挿通する貫通孔１８０Ｇ，１８１Ｇ，１８２Ｇが開口形成されたもので、それぞれ周縁部を各検出素子装着部１６０の取付面に接着剤などにより固定されている。
【００２８】
また、装着体１０を図１及び図２に示される通り、略立方体形状とした場合でも、検出素子装着部１６の装着面当たりの数は４個に限定されるものではなく、例えば、本発明では、検出素子装着部１６を装着面の隅角部の頂角対称位置に２カ所配置し、この二カ所で各圧電素子１８Ａ〜１８Ｆを固定する構造も採用できる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明のタッチ信号プローブによれば、スタイラスの接触方向にかかわらず、十分な検出感度を得られるという効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかるタッチ信号プローブの分解斜視図である。
【図２】前記タッチ信号プローブの斜視図である。
【図３】検出回路の概略ブロック図である。
【図４】同検出回路の詳細を示す回路図である。
【図５】（ａ）は本発明の変形例にかかるタッチ信号プローブの分解斜視図であり、（ｂ）は圧電素子の異なる変形例を示す斜視図であり、（ｃ）は圧電素子のさらに異なる変形例を示す斜視図である。
【図６】（ａ）は本出願人が先に開発したタッチ信号プローブの斜視図であり、（ｂ）はそのタッチ信号プローブの問題点を説明するための斜視図である。
【符号の説明】
10,100                 装着体
１２                    プローブ軸体
１４                    スタイラス
16,160                  装着ブロック（装着部）
18A〜18F,180A〜180F     圧電素子（検出素子）
181A〜181F,182A〜182F   圧電素子（検出素子）
18G,180G,181G,182G      貫通孔
２０                    検出回路
【図１】
0003934233.tif 000002
【図２】
0003934233.tif 000003
【図３】
0003934233.tif 000004
【図４】
0003934233.tif 000005
【図５】
0003934233.tif 000006
【図６】
0003934233.tif 000007