JPH0360364B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はタツチ信号プローブ、特に圧電素子を
用いて触針とワークとの接触を電気的に検出する
プローブの改良に関するものである。

［従来の技術］ 三次元座標測定機等においては基台上に置かれ
たワークにプローブを接触させ、この接触点を三
次元的に測定することによつて複雑な形状のワー
クに対しても正確な立体測定を行うことができ、
精密測定分野において広範囲の利用に供されてい
る。

この種の測定機では、三次元方向に任意に手動
あるいは自動的に移動可能なプローブがワークに
対して所定測定点で接触し、このときの各軸の送
り座標が読取られるが、近年のプローブにおいて
は、ワークとの接触を自動的に電気的なタツチ信
号とし検出するタツチ信号プローブが広く用いら
れており、プローブの自動送りそして複雑な形状
のワークを自動測定することを可能にしている。

従来の一般なタツチ信号プローブはワークと接
触する触針がプローブケースと移動自在に支持さ
れており、ワークとの接触時の触針の変移を吸収
する構成から成り、またタツチ信号を電気的に出
力するために、触針とワークとの間あるいは触針
の支持機構部に設けられた電気接点が設けられて
いる。

しかしながら、このような従来の接点式プロー
ブにおいては、触針の支持部に設けられた接点
は、通常の場合支持部が３点支持であるために測
定に方向性が生じ、全方位に対して安定した測定
力を得ることができず、大きな誤差要因となり、
またこのような方向性は補正不能であるために問
題であつた。

従来の他のタツチ信号プローブとして前述した
電気接点を用いることなく他の検出素子を用いる
プローブも提案されており、例えば特開昭53−
117464には圧電素子を用いたプローブが開示され
ている。

このような圧電素子によれば、触針とワークと
の接触時に圧電素子に加わる圧縮力（張力）を電
気的な信号として取出すことができ、この圧電検
出信号がタツチ信号として用いられる。

しかしながら、このような圧縮力（張力）を用
いた圧電素子では温度変化により焦電効果が発生
し、ノイズの原因となるという欠点があつた。

［発明の目的］ 本発明は上記従来の課題に鑑み為されたもので
あり、その目的は、剪断力に対して感応する圧電
素子を用いて、温度変化による影響のない等方向
性で高感度な安定した検出器を提供することにあ
る。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明は、プロー
ブケース内に単一の静止位置を有しかつ移動自在
に支持された触針基台を設け、この基台の上下面
に沿つて平行なダイアフラムを固定支持し、これ
ら両ダイアフラムにそれぞれ触針ホルダを固定
し、前記触針をこれらの触針ホルダによつて支持
したものであり、更に、詳細には、触針は支持バ
ネにて上触針ホルダに固定され、触針と下触針ホ
ルダとの間には剪断に対して感応する圧電素子が
介挿されている。

前記両ダイアフラムには両者を吸引あるいは引
き離す方向にプレロードが掛けられており、これ
によつて、触針の上下方向の静止位置が確実に位
置決めされている。

また、本発明によれば、前記触針と下触針ホル
ダとの間に圧電素子、好ましくは各３軸方向に対
応する圧電素子が介挿され、触針がワークに接触
したときに各圧電素子に生じる剪断力を用いて検
出電圧が取出されることを特徴とする。

従つて、本発明によれば、触針の正確な静止位
置が定められ、またダイアフラムと支持バネの組
合せによつて機械的な感度を上昇させ、更に、電
気的な信号を取出すために圧電素子の圧電変換作
用をその剪断力から得ているのでで電気的にも極
めて高感度とプローブを提供することが可能とな
る。

［実施例］ 以下図面に基づいて本発明の好適な実施例を説
明する。

第１図には本発明に係るタツチ信号プローブの
好適な実施例が示され、プローブケース１０はそ
の上面に固定された取付ブラケツト１２によつて
図示していないが周知の三次元座標測定器の可動
部に着脱自在に装着される。

プローブケース１０の下面開口部１０ａには底
板１４がネジ固定され、該底板１４とプローブケ
ース１０との間にほぼリング状の受け板１６が挟
持固定されている。

前記プローブケース１０の内部には触針基台１
８が単一の静止位置を保ちながら移動自在に支持
されており、後述する触針２０を保持する。

実施例における触針基台１８は基台スプール２
２の上下面に上板２４及び下板２６が固定された
形状からなり、前記受け板１６の上に単一の静止
位置にて載置されている。

すなわち、受け板１６にはほぼ120度間隔で３
個の受座２８ａ，２８ｂ，２８ｃが嵌着され、ま
た、前記触針基台１８の下板２６にはそれぞれ前
記受座２８と対応する位置にボール受３０が嵌着
され、受座２８とボール受３０との間に受ボール
３２を挿入することにより、触針基台１８を正し
い位置に位置決め装置することができる。

前記３個の受座２８はそれぞれの受面が異なる
形状を有し、第１図における受座２８ａは擂り鉢
状の受面を有し、また他の受座２８ｂ，２８ｃは
それぞれ第２，３図に示されるように、Ｖ溝及び
平面形状からなり、これらの各受座２８によつて
基台１８の静止位置が確実に定められる。

前記触針基台１８を前記受座群２８に落着かせ
るため、触針基台１８のスプール２２に設けられ
たバネ受部２２ａと前記受板１６に固定されたバ
ネ受プラグ３４との間には付勢スプリング３６が
装着され、このスプリング３６をほぼ120度間隔
で３本設けることによつて触針基台１８は確実に
受板１６に向つて押付けられ、その静止位置を保
持することが可能となる。

前述した触針基台１８に触針２０を連結すれ
ば、触針２０は図示していないワークに接触した
ときに触針基台１８を所定方向に向つて移動させ
得るが、本発明においては、触針２０の各３軸、
すなわちＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に対して良好な感度で
移動できるように、触針２０が触針基台１８に対
して２枚のダイアフラムと１本の支持バネによつ
て支持されていることを特徴とする。

すなわち、スプール２２と前記上板２４及び下
板２６との間には第４図に示されるような上ダイ
アフラム３８及び下ダイアフラム４０がそれらの
外周で強固に狭持固定されている。

そして、上ダイアフラム３８の中央部には上触
針ホルダ４２がワツシヤ４４及び止めネジ４６に
よつてしつかりと固定保持されている。

そして、上触針ホルダ４２は触針２０のXY平
面上の成分に対してはたわみを生ずる支持ババネ
４８によつて前記触針２０とに連結されており、
このために、支持バネ４８の上端はネジ５０によ
つて割りリング５２を締付けることによつて上触
針ホルダ４２にしつかりと固定され、また支持バ
ネ４８の下端は触針２０が着脱自在に固定されい
る触針受５４の上部に固定され、これによつて、
上触針ホルダ４２と触針２０との連結固定構造が
達成されている。

また、前記下ダイアフラム４０の中央部には下
触針ホルダ５６が前記上触針ホルダ４２と同様に
ワツシヤ５８及びネジ止め６０にて強固に固定結
合されている。

本発明においては、更に、前記下触針ホルダ５
６と触針２０との連結部に後記手段を用いて触針
２０のワークとの接触を検出するための圧電素子
が介挿されていることを特徴とし、この圧電素子
は触針２０の移動が剪断力として作用する構成か
らなり、実施例においては、３軸方向にそれぞれ
圧電素子が設けられている。

すなわち、前記下触針ホルダ５６の下面にはＹ
軸圧電素子６２、スペーサ６４、Ｘ軸圧電素子６
６及びカツプ６８が積層固定されており、前記両
圧電素子６２，６６はそれぞれ正方形あるいは矩
形状の薄板素子からなる。

前記カツプ６８と前述した触針受５４との間に
はリング状のＺ軸圧電素子７０が介挿されてお
り、以上の構造から、下触針ホルダ５６と触針２
０との連結部には順次３軸方向の圧電素子が設け
られていることが理解される。

本実施例における圧電素子６２，６６，７０は
それぞれPZT等の圧縮力、引張力には感応しな
いが、剪断力及びねじり力には感応するセラミツ
ク圧電素子からなり、Ｙ軸及びＸ軸圧電素子６
２，６６にはそれぞれ上下面に電圧検出用の電極
が設けられ、またＺ軸圧電素子７０にはその内外
周面に検出電圧を取出す電極が設けられている。

本発明において、前記各圧電素子６２，６６，
７０は触針２０と下触針ホルダ５６との間に加わ
る作用力に基づいて各素子に生じる剪断力が圧電
作用に寄与し、このような剪断力を利用した圧電
検出特性には、第５図に示されるごとき分極方向
に依存する方向特性があり、図から明らかごと分
極方向に作用力が加わつた時には高感度が得られ
るが、これと直交方向の作用力に対しては低感度
特性を示す。

従つて、本実施例においては、Ｙ軸圧電素子６
２はその分極方向がＹ軸と並行にまたＸ軸圧電素
子６６はその分極方向がＸ軸に並行にまたＺ軸圧
電素子７０はその分極方向がＺ軸にそれぞれ並行
となるように配置されている。

本発明において、前述した２枚の並行なダイア
フラム３８，４０はその組込み時にプレロードが
かけられ、実施例においては、上触針ホルダ４２
を上ダイアフラム３８に固定するときに上ダイア
フラム３８が下向きにそして上ダイアフラム４０
が上向きに反りを生ずるようにし、これによつて
両ダイアフラム３８，４０は互いに引張るように
プレロードが与えられる。

従つて、本発明によれば、触針２０のＺ軸方向
における静止位置を安定化し、またその機械的な
感度を著しく上昇させることができる。

第１図において、前記プローブケース１０の内
部には触針基台１６の周囲にプリント基板７２が
設けられ、このプリント基板７２に各軸方向の圧
電素子６２，６６，７０からの検出信号をインピ
ーダンス変換するためのプリアンプが固定配線さ
れ、プローブケース１０の内部に検出信号の前置
増幅を行うことができる。

本実施例は以上の構成からなり、以下にその作
用を説明する。

第１図において、触針基台１８は３個のスプリ
ング３６によつて常時受板１６側に押圧付勢され
ており、その位置決めは３個のボール３２とこれ
に対応する受座２８の組合せによつて定まり、実
施例においては、擂り鉢、Ｖ溝及び平面の３個の
受面にて確実に単一の静止位置が定められる。

また、本発明においては、更にこのようにして
単一に位置決めされた触針基台１８に対して２枚
の並行に配置されたダイアフラム３８，４０を設
け、上ダイアフラム３８に対して支持バネ４８を
介して触針２０が保持され、また触針２０は各圧
電素子群を介して前記下ダイアフラム４０に固定
されている下触針ホルダ５６に連結されるので、
前記両ダイアフラム間に与えられているプレロー
ドとともに触針２０は単一の静止位置を取るとと
もに、触針２０に対する接触において、Ｘ、Ｙ平
面上の分力に対しては、上触針ホルダ４２を回動
中心として上ダイアフラム３８、支持ばね４８の
撓みにより、下触針ホルダに対し、カツプ６８が
水平方向に移動するように力が加わり、XY圧電
素子６２，６６は剪断力が加わり、またＺ軸上の
分力に対しては、上ダイアフラムにはプリロード
が減少するように作用するが下ダイヤフラムには
スプリング３６の力も加わり、移動しないように
作用するため、下ダイヤフラムと連結されたカツ
プ６８と触針受５４とのこのような構成のためそ
の各３軸方向に対して高感度で触針２０の接触を
検知することが可能となる。

通常の場合、タツチ信号プローブにおける各軸
方向の機械的な移動感度Ｘ、Ｙ平面上の力の成分
に対して方向性があり、また、Ｘ、Ｙ軸に対して
Ｚ軸の力の成分は感度が悪いなどの等方向性に欠
けていた。

しかしながら、本発明によれば、前記プレロー
ドが与えられた２枚の並行ダイアフラム３８，４
０によつて触針２０を保持する結果、Ｚ軸方向に
対しても極めて高い感度を得ることができ、また
XY軸方向の感度は支持バネ４８の撓み及びこれ
らの撓みを支持する上ダイアフラム３８の傾きに
よつて確保され、これによつて各３軸方向に対し
ても極めて安定した等方向性のある高感度な検出
をすることができる。

また、このようにして得られた触針２０の機械
的な動きは本発明において圧電素子の剪断力とし
て電気的に検出され、従来のような圧電素子の圧
縮力（張力）を用いた場合のような低感度とは異
なり、剪断力を用いた高感度の電気的検出作用を
得ることができるので、ワークとの接触時におけ
る微小変位をも確実に捕らえることが可能とな
る。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、タツチ
信号プローブの触針を静止位置において極めて安
定した単一の静止位置に位置決めすることがで
き、また機械的及び電機的な感度を著しく向上さ
せ、三次元座標測定器等に有益な測定誤差の少な
いタツチ信号プローブを提供可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るタツチ信号プローブの好
適な実施例を示す縦断面図、第２，３図は第１図
における触針基台の受座構造を示す断面図、第４
図は第１図におけるダイアフラムの平面図、第５
図は本発明に用いられる圧電素子の特性図であ
る。 １０……プローブケース、１８……触針基台、
２０……触針、３８……上ダイアフラム、４０…
…下ダイアフラム、４２……上触針ホルダ、４８
……支持バネ、５６……下触針ホルダ、６２……
Ｙ軸圧電素子、６６……Ｘ軸圧電素子、７０……
Ｚ軸圧電素子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ プローブケース内に触針を担持した触針基台
   が単一の静止位置を有するとともに多軸方向に移
   動自在に位置決め支持され、ワークに対する触針
   の接触を電気的に検出するタツチ信号プローブに
   おいて、前記触針基台の上下には互いに並行に配
   置された上ダイアフラム及び下ダイアフラムが支
   持され、両ダイアフラムにはそれぞれ上触針ホル
   ダ及び下触針ホルダが各ダイアフラムの中央部に
   おいて固定されており、前記触針は径方向に等方
   向性の曲り特性を有する支持バネを介して前記上
   触針ホルダに固定され、また前記触針と前記下触
   針ホルダとの間には両者間に生じる剪断力を受け
   る圧電素子が介挿された状態で固定され、前記両
   ダイアフラムには触針の静止位置を定めるために
   プレロードが与えられており、触針の移動を３軸
   方向に高感度で検出することを特徴とするタツチ
   信号プローブ。