JPH0587509A

JPH0587509A - タツチプローブ

Info

Publication number: JPH0587509A
Application number: JP3251654A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Oya; 清大家; Yoshiyuki Fujita; 義之藤田; Norio Tsuburaya; 寛夫圓谷; Osamu Arai; 治荒井
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1991-09-30
Filing date: 1991-09-30
Publication date: 1993-04-06

Abstract

(57)【要約】【目的】測定力に方向性がなく、かつ簡単な構成で敏
感に接触を検出でき、さらに外部環境の影響による誤差
の少ないタッチプローブを提供する。【構成】圧電素子によって共振状態で超音波振動して
いるフィーラーが被測定物に接触すると、共振状態が乱
れ、圧電素子３の電極３ｃ、３ｄ間の電流と電圧との位
相差が変化する。この変化は、接触したときの位相差測
定回路３１の測定値とラッチ２８に設定した設定値とを
比較し、測定値が設定値を越えたときコンパレータ２９
よりタッチ信号を出力して検出する。設定値には、所定
の時間毎にＣＰＵ３０により発振回路１０の発振周波数
を変化させ、位相差の極小値を自動的に設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は接触検知用のプローブす
なわちタッチプローブに関し、特に三次元測定機に用い
るに好適のものである。

【０００２】

【従来技術】三次元測定機においては基台上に置かれた
被測定物にプローブを接触させ、接触点を三次元的に検
知することによって複雑な形状をした被測定物の立体測
定を行っている。このとき接触点の検知に誤差があると
形状測定の誤差となる。この種の測定機で用いられるタ
ッチプローブは、フィーラーを保持する基台に設けた三
本のピンを、三組のＶ字型支承部に弾圧し、これらのピ
ンと支承部とでは電気接点を形成して閉回路を構成し、
フィーラーが被測定物に接触して偏位すると、この接点
が開いてタッチ信号を出力する構造のものであった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の技術
においては、フィーラーを保持する基台の三本のピンは
バネによってＶ字型支承部に弾圧されているため、接点
を開くにはバネに抗してピ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。

【０００４】また、接点が三箇所であるため測定力に方
向性があり、補正困難な誤差を生じる問題もあった。本
発明はこの様な従来の問題点に鑑みてなされたもので、
その目的とするところは、測定力に方向性がなく、かつ
簡単な構成で敏感に接触を検出でき、さらに温度などの
外部環境の影響による誤差の少ないタッチプローブを提
供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題の解決の為に本
発明のタッチプローブは、被測定物に接触させるための
フィーラー１ｃと、前記フィーラーを保持する保持部材
１ａ、１ｄと、前記フィーラー１ｃを超音波振動させる
ために前記保持部材１ａ、１ｄに装着した圧電素子３
ａ、３ｂ、３と、前記圧電素子３ａ、３ｂ、３の電極３
ｃと３ｄとの間に高周波電気信号を印加して前記フィー
ラー１ｃと前記保持部材１ａ、１ｄとを共振状態で超音
波振動させる発振手段１０、５０と、前記電極３ｃ、３
ｄ間に流れる電流と前記電極３ｃ、３ｄ間の電圧との位
相差を測定する位相差測定手段２２、２３、２４、２
５、２６、２７、３１と、前記発振手段１０、５０の出
力する高周波電気信号の周波数を順次所定のステップで
変化させつつ、隣接するステップ間で前記位相差を比較
して前記位相差の極小値を求め、この位相差の極小値を
出力する極小値検出手段３０と、前記極小値検出手段３
０で出力された位相差を設定値として保持する記憶手段
２８と、前記位相差測定手段２２、２３、２４、２５、
２６、２７、３１で測定された位相差と前記記憶手段２
８に保持された設定値とを比較し、不一致の場合にはタ
ッチ信号を出力する位相差比較手段２９と、を有する。

【０００６】

【作用】本発明においては、共振状態で超音波振動して
いるフィーラーが被測定物に接触すると、共振状態が乱
れ、圧電素子の電極間に流れる電流と電極間の電圧との
位相差に変化が生じる。この変化の検出は、フィーラー
が被測定物に接触する前の共振状態での位相差を設定値
として設定しておき、接触したときの位相差を設定値と
比較して行う。この比較は位相差をパルスでカウントし
て行うので、フィーラー先端の接触を非常に敏感に、か
つ正確に検出できる。また、フィーラーの先端が被測定
物にどの方向から接触しても、振動は妨げられ位相差に
変化が生じるので、測定力に方向性を生じない。さらに
所定の時間毎に、あるいはフィーラーが被測定物に接触
する直前に設定値を自動的に更新し、外部環境の影響に
よる共振状態の変化に応じた設定値を設定することで、
安定したタッチ信号が得られる。

【０００７】

【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。図１は本発明における一実施例の機械構造
部分を示す斜視図で、図４は図１の縦断面図である。保
持部材１ａと、保持部材１ａの下端面に接続されたフラ
ンジ１ｂと、フランジ１ｂの下端面に接続されたフィー
ラー１ｃと、保持部材１ａの上端面に配設された圧電素
子３ａ、３ｂ及び電極３ｃ、３ｄ、３ｅと、圧電素子３
ａ、３ｂ及び電極３ｃ、３ｄ、３ｅを保持部材１ａの上
端面との間に固定する保持部材１ｄ及び保持部材１ｄを
保持部材１ａに固定するねじ１ｅと、から振動ホーン１
を形成する。フランジ１ｂは支持部材２にねじで固定さ
れ、支持部材２は図示されないプローブ本体またはプロ
ーブヘッドに支持される。圧電素子３ａ、３ｂは積層型
のもので、圧電素子３ａが電極３ｃ、３ｄの間に挟ま
れ、圧電素子３ｂが電極３ｃ、３ｅの間に挟まれてい
る。図５に明瞭に示すように、共通電極３ｃと電極３ｄ
との間には高周波電源５０が接続されて、電極３ｄと電
極３ｅは短絡されている。圧電素子は図５のように分極
しており、その結果、振動ホーン１は軸方向に超音波振
動する。このとき、高周波電源５０が電極３ｃ、３ｄ間
及び電極３ｃ、３ｅ間に印加する周波数は振動ホーン１
の機械的共振周波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、フィーラー１ｃの外径に比べて
保持部材１ａ、１ｄ、圧電素子３ａ、３ｂ及び電極３
ｃ、３ｄ、３ｅの外径は大きくなっており、振動ホーン
１を構成している物質中の縦波の音速をＣ、振動ホーン
１の機械的共振周波数をｆ、ｎ＝０、１、２、３、・・・・
・・、ｍ＝０、１、２、３、・・・・・・とすると、図６（ａ）
に示したように大径部分の長さＬと、小径部分の長さｌ
は、Ｌ＝Ｃ（１＋２ｎ）／４ｆ、ｌ＝Ｃ（１＋２ｍ）／４
ｆで決定される。

【０００８】例えば振動ホーン１の材質を鉄鋼材とする
と、鉄鋼材を伝わる縦波の音速はＣ＝５２００ｍ／ｓで
あり、ｎ＝０、ｍ＝１、ｆ＝１００ｋHzとすると、Ｌ＝
１３mm、ｌ＝３９mmとなる。図６（ｂ）はこのときの振
動ホーン１の振動モードの状態を示したもので、振動の
振幅がほぼ０である部分にフランジ１ｂが位置するよう
に大径部分の長さＬと小径部分の長さｌを決定し、この
位置に設けたフランジ１ｂで振動ホーン１を支持部材２
に固定する。この様にして振動ホーン１の固定が振動に
与える影響を極力少なくする。この振動状態では、振動
ホーン１のフィーラー１ｃの先端の振幅が最大であるた
め、この部分が接触すると振動が著しく妨げられる。振
動が妨げられると振動ホーン１全体の共振周波数が微少
に変化する。その結果、電極３ｃ、３ｄ間に流れる電流
と電極３ｃ、３ｄ間の電圧との位相差に変化が生じる。
すなわち、圧電素子３ａ、３ｂを用いた振動系の等価回
路は図２のように、コイルＬ_m、コンデンサＣ_m、抵抗
Ｒ_mが直列に接続したものにコンデンサＣ_dが並列につ
ながった形で表すことができる。共振点ではＬ_mとＣ_m
は直列共振しキャンセルされて図３のような回路にな
り、振動素子のインピーダンスはＺは、１／Ｚ＝ｊωＣ_d＋１／Ｒ_m と表すことができる。ここでωは振動の角速度である。

【０００９】Ｒ_m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。圧電素子３ａ、３
ｂの電極３ｃ、３ｄ間に印加する電圧をＥとすると、圧
電素子３ａ、３ｂの電極３ｃ、３ｄ間に流れる電流は、ｉ＝Ｅ（ｊωＣ_d＋１／Ｒ_m）となる。これは、電流ｉと電圧Ｅとの間にθ＝ｔａｎ^-1
（ωＣ_dＲ_m）の位相差があることを表している。ここ
で抵抗Ｒ_mが増大すると位相差θも増大する。つまり、
フィーラー１ｃが被測定物に接触すると、圧電素子３
ａ、３ｂの電極３ｃ、３ｄ間に流れる電流と電極３ｃ、
３ｄ間の電圧との位相差に変化が生じる。

【００１０】図７は本発明の実施例を構成する位相差測
定回路のブロック図である。ここでは、位相差測定回路
は、簡単のため単層の圧電素子３を用いた例で説明する
が位相差測定に関しては、圧電素子を積層にした場合で
も全く同じである。位相差測定回路は、圧電素子３の電
極３ｄ側の接続点２１の電圧と抵抗１１側の接続点１３
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１を超音波振動させているとき、振動を妨げる力
が働くと、圧電素子３間の電圧と圧電素子３に流れる電
流の位相差が変化する。この変化は非常に敏感で、わず
かな外力にも反応する。さて、接続点２１及び接続点１
３の出力波形は正弦波形なので、波形整形回路２２及び
２３で方形波に変換し、それぞれをフリップフロップ２
４のクロックとクリアーに入力する。すると、フリップ
フロップ２４の出力端子２４ｂに現れる出力１０２（後
述の図８参照）は圧電素子３に流れる電流と圧電素子３
間の電圧との位相差をパルス幅としたパルスになる。フ
リップフロップ２４の出力とクロック発振器２５の出力
とがＡＮＤ回路２６に入力される。ＡＮＤ回路２６は、
フリップフロップ２４の出力１０２とクロック発振器２
５の出力１０３（後述の図８参照）とのＡＮＤをとり、
アップカウンター２７に出力する。このカウンター２７
は、ＡＮＤ回路２６の出力パルスをカウントすると共
に、リセット端子が波形整形回路２３に接続されてお
り、電流出力のパルスの立ち上がりでリセットされる。
カウントされた値は、デジタルコンパレータ２９によっ
て、ラッチ回路２８に記憶された設定値と比較され、設
定値を越えたときデジタルコンパレータ２９よりタッチ
信号が出力される。

【００１１】図８は、図７の各点の波形を示し、一部前
述してあるが、信号１００は図７の点２２ｂにおけるも
の、信号１０１は図７の点２３ｂにおけるもの、信号１
０２は図７の点２４ｂにおけるもの、信号１０３は図７
の点２５ｂにおけるもの、信号１０４は図７の点２６ｂ
におけるものである。さて、図７の回路においては、共
振状態の位相差は非共振状態の位相差に比べて小さく、
共振点で位相差は極小値となる。従って、圧電素子に入
力する周波数を変化させ、位相差が極小値となった点が
共振点である。このときのアップカウンター２７のカウ
ント値より若干大きい値を設定値とする。そこで、カウ
ンター２７のカウント値をコンピューターで読み込み、
圧電素子に入力する周波数をコンピューターで制御して
変化させるようにし、カウント値が極小値となるような
プログラムを走らせれば、自動的に共振点をとることが
できる。この回路では、非共振状態での位相差は約２７
０度、共振状態では１８０度前後になる。

【００１２】そこで、本実施例では、図９に示した構成
により、ラッチ回路２８の設定値を求めている。図９に
おいて、ＣＰＵ３０は発振回路１０へ出力する発振周波
数を指令し、位相差測定回路３１は圧電素子３に流れる
電流と圧電素子３の電極間の電圧との位相差を読み取り
カウント値を出力する。ここで、位相差測定回路３１は
図７のブロック２２、２３、２４、２５、２６、２７に
相当する。ＣＰＵ３０は発振回路１０が出力する周波数
を変化させて、位相差測定回路３１の出力するカウント
値の変化から前記位相差が極小値をとるようにして、振
動フィーラーの共振をとる。ＣＰＵ３０はそのときのカ
ウント値より数パルス大きい値を設定値としてラッチ回
路２８に与える。それは、回路の応答遅れ等により誤カ
ウントが生じても、タッチ信号が出力されないようにす
るためである。

【００１３】ＣＰＵ３０のフローチャートの例を図１０
に示す。ＣＰＵ３０は、まず発振回路１０に振動周波数
の初期値を与え（ステップ１３０）、位相差測定回路３
１のカウント値を読む（ステップ１３１）。ついで周波
数を一定値低くし（ステップ１３２）、その結果得られ
たカウント値をステップ１３１のそれと比較する（ステ
ップ１３３）。カウント値が大きくなっていれば、周波
数が一定のサーチ範囲内か判断し（ステップ１３４）、
サーチ範囲内の場合にはステップ１３２に戻る。サーチ
範囲内でなければ周波数を一定値高くし（ステップ１３
５）、カウント値が小さくなれば（１３６）周波数が一
定のサーチ範囲内か判断し（１３７）、サーチ範囲内な
らステップ１３５に戻り、サーチ範囲でなければエラー
となる。また、ステップ１３６でカウント値が大きくな
ればその値をラッチデータとしてラッチ２８に設定する
（ステップ１３８）。ステップ１３３でカウント値が大
きくなると、周波数を一定値低くし（ステップ１３
９）、カウント値が小さくなったか否かを判断する（ス
テップ１４０）。カウント値が小さくなると、周波数が
所定のサーチ範囲内か否か判断し（ステップ１４１）、
一定のサーチ範囲内の場合にはステップ１３９に戻る。
ステップ１４０でカウント値が高くなっていれば、その
ときのカウント値をラッチデータとしてラッチ２８に設
定する（ステップ１４２）。この状態で振動フィーラー
が被測定物に接触すると、圧電素子３の電極間の電圧と
圧電素子３に流れる電流との位相差が大きくなり、位相
差測定回路３１の計数するカウント値が設定値を越え
て、デジタルコンパレータ２９より直ちにタッチ信号が
出力される。

【００１４】さて、振動フィーラーの機械的共振周波数
は外部環境により変化することがある。とくに、劣悪な
温度環境にあれば位相差が徐々に大きくなって、ついに
は設定値を越えることがある。この場合所定の時間毎あ
るいは振動フィーラーが被測定物に接触する直前の経過
点毎に共振をとり、設定値を更新することによって安定
したタッチ信号を得ることができる。すなわち、図１０
のＣＰＵ３０は、図１１のフローチャートに示すよう
に、所定の時間の経過を判断し（ステップ１４３）、所
定の時間が経過する毎に、図１０の共振周波数の設定動
作を行う（ステップ１４４）。または、図１０のＣＰＵ
３０は、図１２のフローチャートに示すように、プロー
ブの移動軌跡を制御する外部コンピュータからの指令に
より（ステップ１４５）、振動フィーラーが被測定物に
接触する直前の経過点毎に図１０の共振周波数の設定動
作を行う（ステップ１４６）。このような構成により、
電源投入時に補正をしたり、作業者の指令により補正を
行う場合に比べ、外部環境の影響を受け難く、かつ作業
性の良い装置とすることができる。なお、以上のように
説明した位相差測定は、図７に示したように位相差の変
化をデジタル処理で監視しているが、図７の点２４ｂに
おける信号１０２を図示されない積分器で電圧に変換
し、設定電圧と比較するアナログ処理を用いてもよい。

【００１５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、圧電素子
を用いてフィーラーを機械的共振周波数で超音波振動さ
せながら被測定物に接触させ、そのときの振動状態の変
化により生じる位相差の変化を検出して、フィーラーが
接触したことを検知するようにしたものであるから、非
常に高感度で、かつ測定力に方向性がないタッチプロー
ブを得られる。また、位相差の測定値を設定値と比較し
て検出を行うので構成が簡単であるという利点があると
いうばかりでなく、所定の時間毎あるいはフィーラーが
被測定物に接触する直前に、設定値が自動的に更新され
るようになっているので、外部環境の影響によるフィー
ラーの振動状態の変化に応じた設定値を設定することが
でき、安定したタッチ信号を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による実施例の機械構造部分の斜視図で
ある。

【図２】圧電素子の等価回路図である。

【図３】共振時の圧電素子の等価回路図である。

【図４】第１図の縦断面図である。

【図５】圧電素子の説明図である。

【図６】振動ホーンの振幅モードを表した図である。

【図７】図１の圧電素子に接続される発振器及び位相差
測定回路を示すブロック図である。

【図８】図７の各点における信号の波形の説明図であ
る。

【図９】本発明の実施例の全体を示すブロック図であ
る。

【図１０】図９のＣＰＵの動作を説明するためのフロー
チャートである。

【図１１】一定時間毎に共振周波数を設定するＣＰＵの
動作を説明するためのフローチャートである。

【図１２】経過点毎に共振周波数を設定するＣＰＵの動
作を説明するためのフローチャートである。

【符号の説明】

１振動ホーン１ａ保持部材１ｂフランジ１ｃフィーラー１ｄ保持部材１ｅねじ２支持部材３圧電素子３ａ圧電素子３ｂ圧電素子３ｃ電極３ｄ電極３ｅ電極１０発振回路１１抵抗２２波形整形回路２３波形整形回路２４フリップフロップ２５クロックゼネレータ２６ＡＮＤ回路２７アップカウンター２８ラッチ回路２９デジタルコンパレータ３０ＣＰＵ３１位相差測定回路５０高周波電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者荒井治神奈川県横浜市栄区長尾台町471番地株式会社ニコン横浜製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定物に接触させるためのフィーラー
と、前記フィーラーを保持する保持部材と、前記フィーラーを超音波振動させるために前記保持部材
に装着した圧電素子と、前記圧電素子の電極間に高周波電気信号を入力して、前
記フィーラーと前記保持部材とを共振状態で超音波振動
させる発振手段と、前記電極間に流れる電流と前記電極間の電圧との位相差
を測定する位相差測定手段と、前記発振手段の出力する高周波電気信号の周波数を順次
所定のステップで変化させつつ、隣接するステップ間で
前記位相差を比較して前記位相差の極小値を求め、この
位相差の極小値を出力する極小値検出手段と、前記極小値検出手段で出力された位相差を設定値として
保持する記憶手段と、所定の時間毎に前記設定値を更新する更新手段と、前記位相差測定手段で測定された位相差と前記記憶手段
に保持された設定値とを比較し、不一致の場合にはタッ
チ信号を出力する位相差比較手段と、を有することを特
徴とするタッチプローブ。
【請求項２】前記設定値は前記極小値検出手段で得ら
れた極小値よりも若干大きい値であることを特徴とする
請求項１記載のタッチプローブ。
【請求項３】前記設定値の更新は前記フィーラーが被
測定物に接触する直前に行うことを特徴とする請求項１
記載のタッチプローブ。