JPH04140601A - タッチブローブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は接触探知用のプローブ、特に三次元座標測定機
に用いられるタッチプローブに関するものである。

〔従来の技術〕

三次元測定機等においては基台上におかれた被測定物に
プローブを接触させ、接触点を三次元的に探知すること
によって複雑な形状の被測定物の立体測定を行っている
。このとき接触点の探知に誤差があると測定形状の誤差
となる。

従来この種の測定機で使われるタッチプローブではフィ
ーラーを保持する基台に設けられた３本のピンを、３＆
ｌｌのＶ字型支承部で受けており、さらにこれらのピン
と支承部は電気接点となってし）て閉回路を構成してお
り、フイーラーが被測定物に接触して押されるとこの接
点が開き、タッチ信号を得るという機構のものが一般的
に使用されてきた。

〔発明が解決しようとする課題］ 上記の如き従来の技術にいては、フィーラーの３本のビ
ンはばねによって接点に押しつけられているために、そ
の接点を開く時にはばねに抗してビンを持ち上げなけれ
ばならず測定力を小さくすることが難しいという問題点
があった。

また、接点が３箇所であるため測定力に方向性があり、
測定結果に補正不能な誤差を生じさせる問題点もあった
。

本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、測定力が小さく、な
おかつ測定力に方向性のないタッチプローブを提供する
ことにある。

〔課題を解決する為の手段〕

上記目的のために本発明では三次元座標測定機に用いら
れるタッチプローブにおいて高周波電気信号を超音波振
動に変換する圧電素子ｌｅａ、１ｅｂ、ｌｅｃ、を一端
または内部に装着すると共に他端に被測定物に接触する
フィーラ−ＩＣを有する超音波振動ホーンｌと、該超音
波振動ホーン１の機械的固有振動数にほぼ一致する如く
、前記圧電素子ｔｅａ、ｌｅｂ、Ｉｅｃ、に高周波電気
信号を入力する振動手段１０と、前記圧電素子１ｅａ、
ｌｅｂ、ｌｅｃ、の電極１ｅｂ、Ｉｅｃ間の電流を監視
し、前記フィーラ−１ｃが被測定物に接触した瞬間に生
じる電流値の変化によって、被測定物とフィーラ−１ｃ
との接離を検出するタッチ検出手段１４．１５と、を有
することを第１の課題解決手段とし、 高周波電気信号を超音波振動に変換する圧電素子ｌｅａ
、ｌｅｂ、ｌｅｃを一端または内部に装着すると共に他
端に被測定物に接触するフイーラ−Ｉｃを有する超音波
振動ホーン１と、該超音波振動ホーン１の機械的固有振
動数にほぼ一致する如く、前記圧電素子ｌｅａ、ｌｅｂ
、ｌｅｃ、に高周波電気信号を入力する振動手段１０と
、前記圧電素子ｌｅａ、ｌｅｂ、ｌｅｃ、の電極１ｅｂ
。

Ｉｅｃ間の電流と電圧の位相差を監視し、前記フィーラ
ーが被測定物に接触した瞬間に生しる位相差の変化によ
って、被測定物とフイーラーの接離を検出するタッチ検
出手段２２．２３．２４と有することを第２の課題解決
手段とするものである。

〔作用〕

上記の如く構成された本発明のタッチプローブの作用を
、縦振動を利用した場合を例に採って説明する。まず、
軸方向に分極した圧電素子を用いてフィーラーを機械的
共振周波数で超音波振動させる。このとき、振動のモー
ドはフイーラーの支持部であるフランジが節となり、両
端が腹となる。

つまり、フィーラーの先端部での振幅が最大となる。こ
の部分が被測定物に接触すると、フイーラーの振動は、
著しく妨げられて、圧電素子のインピーダンスが変化す
る。この様子を電気回路で表すと次のようになる。圧電
素子を用いた振動系の等価回路は第２図のように、コイ
ルＬ１１、コンデンサＣ１、抵抗Ｒ，が直列につながっ
たものにコンデンサＣ４が並列につながった形で表すこ
とができる。共振点ではり、とＣ，は直列共振しキャン
セルされて第３図のような回路になり、振動素子のイン
ピーダンスＺは、−＝ｊωＣ，＋と表わせる。ここにω
は、振動の角速度Ｒ。

である。

Ｒ１は振動の妨げ等の機械的な負荷が増大すると大きく
なるという性質を持つため、振動ホーンの先端球が被測
定物に触れるとインピーダンスＺが増大する。したがっ
て先端球が被測定物に触れると圧電素子を流れる電流は
減少する。

また、印加する電圧をＥとすると圧電素子に流れる電流
は、 １＝Ｅ（ｊωＣａ＋　　　　）となる。

Ｒ１ これは、電流ｉと電圧Ｅの間にθ−ｔａｎ　−’　（ω
ｃ、Ｒ，）の位相差があることを表している。ここで抵
抗Ｒ０が増大すると、位相角θは増大する。

つまり、フィーラーが被測定物に接触すると、圧電素子
に流れる電流値が変化する。あるいは、電流と電圧の位
相差に変化が生じる。これらの変化は、接離の有無に対
して非常に敏感であるため、きわめて高感度にタッチ信
号を得ることができる。

また、フィーラー先端のどの方向より接触しても、振動
の妨げは等しく起こるので、測定力に方向性が生じない
。

〔実施例〕

以下図面に基づいて、本発明の実施例を詳細に説明する
。

第１図は本発明における一実施例を示す斜視図で、第４
図は第１図の縦断面図である。振動ホーンｌは、段付き
軸の形状で太い部分１ａと細い部分１ｂと先端球１ｃと
フランジ１ｄとからなる。

フランジ１ｄは支持部材２に固定され支持部材２は図示
されないプローブ本体またはプローブヘッドに保持され
ている。振動ホーンの太い部分１ａは、さらにＬａａと
ｌａｂに分けられ圧電素子１ｅを挟み込んだ状態で固定
さている。圧電素子１ｅは積層型のもので、第５図に示
すように振動ホーン１の軸方向に分極されており、３枚
の電極板Ｉｅｂおよびｌｅｅで素子ｌｅａを挟み込んだ
形で、両端の２枚の電極板が短絡されている０図示され
ていない！＃装置で電極板１ｅｂ−ｌｅｅ間に高周波電
圧を印加すると、振動ホーン１は軸方向に超音波振動す
る。このとき、印加する周波数は振動ホーン１の機械的
共振振動数にほぼ等し”い周波数である。また、振動ホ
ーン１の形状は、Ｃを振動ホーンを構成している物質中
の縦波の音速、ｆを振動ホーンの機械的固有振動数、ｎ
−Ｑ、ｌ、２．３……、ｒｒ＋−０，１，２，３・・・
・・・とすると、軸の太い部分の長さしと、細い部分の
長さｌはで決定される。

例えば振動ホーンの材質を鉄鋼材とすると、鉄鋼材を伝
わる縦波の音波Ｃ＝５２００ｍ／ｓまた、ｎ−０、ｍ−
１、ｆ＝１００ｋＨｚとすると、Ｌ＝１３−５！−３９
閣となる。

第６図はこのときの振動ホーンの振動モードの状態を表
したもので、振動振幅がほぼ０である部分にフランジを
設け、このフランジで振動ホーンをプローブ本体に固定
する。こうして振動ホーンの固定方法が振動に与える影
響を極力少なくする。

振動状態では、振動ホーンの先端球ＩＣでの振幅が最大
であるため、この部分が拘束を受けると振動は著しく妨
げられる。振動が妨げられると圧電素子の電気的なイン
ピーダンスが変化し、その結果、圧電素子を流れる電流
値が変化する。あるいは、振動ホーン全体の共振周波数
の微少な変化の結果、電流と電圧の位相差に変化が生し
る。

第７図は、第１図の振動素子に接続される高周波発振回
路及び検出回路の一例のブロック図である。発振回路１
０の出力はｔ２ｉ！Ｌ（Ｉｉｉｌ１１１定用の抵抗ｌｌ
を介して圧電素子の電極１ｅｃにつながり電極ｌｅｂよ
り戻ってくる。圧電素子と抵抗Ｉｆの間の点１２は接地
されている。したがって抵抗１１の非接地側の点１３に
現れる電圧は回路を流れる電流に比例する。抵抗の電圧
は整流回路１４で直流に変換されたあとウィンドコンパ
レータ等の比較回路１５にはいる。共振状態でしきい値
を設定しておくと、振動ホーンの先端球が被測定物に触
れると電圧値がしきい値からはずれる。このとき、タッ
チ信号を出力する。

第８図は、検出回路の別の例のブロック図である。但し
第７図と同一の物は同一符号を付して説明を省略する。

ここでは、圧電素子の非接地側の点２］の電圧と抵抗の
電圧との位相差を監視する。

機械的共振周波数で振動ホーンを超音波振動させている
とき、振動を妨げる力が働くと、電圧と電流の位相差が
変化する。この変化は非常に敏感で、わずかの外力にも
反応する。さて、点２１および点１３の出力は正弦波形
であるので波形整形回路２２および２３で方形波に変換
し、ＡＮＤ回路によってふたつの波形のＡＮＤをとる。

第９図は、各点の波形で、１００は、第８図の点２２ｂ
におけるもの、１０１は、第８図の点２３ｂにおけるも
ので、１０２はそれぞれのＡＮＤをとったものである。

波形１００と１０１の位相差が変化すると１０２のパル
ス幅が変化する。振動ホーンの先端球が被測定物に触れ
ると電流と電圧の位相差が変化し、１０２のパルス幅が
変化する。この変化を検出しタッチ信号を出力する。

第１０図はねしり振動用の振動ホーンの一例である。ま
た、第１Ｉ図は第１．０図底面図でありねじり方向を説
明する図である。ホーンの材質を鉄鋼材とすると、鉄鋼
材を伝わるねじり振動の音速Ｃ−３２００ｍ／ｓ また、ｎ＝ｏ、ｍ＝１、ｆ＝１００ｋ）ｔｚとすると、
Ｌ＝８閣、！＝２４閣となる。

第１２図はたわみ振動用の振動ホーンの一例である。た
わみ振動の場合、ホーンの形状を一様太さの棒とする。

たわみ振動の音速をＣｂ、棒の直径をｄ、振動の周波数
をｆとすると、棒の長さり。は、１次のモードでは ホーンの材質を鉄鋼材とすると、Ｃ，＝４２００ｍ／ｓ
。

また、ｆ＝１００ｋＨｚ、ｄ＝５ｍとすると、Ｌ、−１
３，７■となる。

２次のモードでは ２２．７鵬となる。

（発明の効果） 以上のよう番こ本発明によれば、圧電素子を用いてフィ
ーラーを機械的共振周波数で縦振動、ねじり振動、及び
たわみ振動等の超音波振動をさせながら被測定物に接触
させ、圧電素子のインピーダンスの変化、またはその結
果性しる諸現象を検出してフィーラーが被測定物に接触
したことを検地するようにしたので、単純な形状の機械
部品点簡単な電気回路を用いるだけで、非常に高感度で
なおかつ測定力に方向性がない、タッチプローブが得ら
れる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による実施例の斜視図、第２図は、圧
電素子の等価回路、第３図は、共振時の等価回路、第４
図は第１図の縦断面図、第５図は圧電素子を説明する図
、第６図は振動ホーンの振幅モードを表した図、第７図
は第１図の圧電素子に接続される発振回路および検出回
路を示すブロック図、第８図は同じ（第１図の圧電素子
に接続される検出回路の他の実施例を示すブロック図、
第９図は第８図の各点における信号の波形を説明する図
、第１０図はねじり振動子の図、第１１図は第１０図の
底面図、第１２図はたわみ振動子を説明する図である。 〔主要部分の符号の説明〕

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、高周波電気信号を超音波振動に変換する圧電素子を
   一端または内部に装着すると共に他端に被測定物に接触
   するフィーラーを有する超音波振動ホーンと、 該超音波振動ホーンの機械的固有振動数にほぼ一致する
   如く、前記圧電素子に高周波電気信号を入力する振動手
   段と、 前記圧電素子の電極間の電流を監視し、前記フィーラー
   が被測定物に接触した瞬間に生じる電流値の変化によっ
   て、被測定物とフィーラーとの接離を検出するタッチ検
   出手段と、 を有することを特徴とするタッチプローブ。 ２、高周波電気信号を超音波振動に変換する圧電素子を
   一端、または内部に装着すると共に他端に被測定物に接
   触するフィーラーを有する超音波振動ホーンと、 該超音波振動ホーンの機械的固有振動数にほぼ一致する
   如く、前記圧電素子に高周波電気信号を入力する振動手
   段と、 前記圧電素子の電極間の電流と電圧の位相差を監視し、
   前記フィーラーが被測定物に接触した瞬間に生じる位相
   差の変化によって、被測定物とフィーラーの接離を検出
   するタッチ検出手段と、を有することを特徴とするタッ
   チプローブ。 ３、前記超音波振動ホーンの形状は段付棒状であり、そ
   の段差の部分に、前記超音波振動ホーンを保持する保持
   手段を有し、 超音波振動ホーンを構成する物質中の縦波の音速をＣ、 超音波振動ホーンの機械的固有振動数をｆ、ｎ＝０、１
   、２、３……、 ｍ＝０、１、２、３……、とすると 前記段差によって分岐される前記超音波振動ホーンの太
   い部分の長さＬと、細い部分の長さｌはＬ＝Ｃ／４ｆ（
   １＋２ｎ） ｌ＝Ｃ／４ｆ（１＋２ｍ） で決定されることを特徴とする特許請求の範囲第１項、
   第２項記載のタッチプローブ。 ４、前記超音波振動ホーンの持つ機械的固有振動モード
   の節の位置に、前記超音波振動ホーンを保持する保持手
   段を有し、 超音波振動ホーンを構成する物質中の縦波の音速をＣ、 超音波振動ホーンの機械的固有振動数をｆ、ｎ＝０、１
   、２、３……、 ｍ＝０、１、２、３……、とすると、 前記機械的固有振動モードの節で分岐される前記超音波
   振動ホーンの圧電素子側の長さＬとフィーラー側の長さ
   ｌは Ｌ＝Ｃ／４ｆ（１＋２ｎ） ｌ＝Ｃ／４ｆ（１＋２ｍ） で決定されることを特徴とする特許請求の範囲第１項、
   第２項記載のタッチプローブ。