JP3323081B2

JP3323081B2 - タッチ信号プローブ

Info

Publication number: JP3323081B2
Application number: JP25355496A
Authority: JP
Inventors: 和彦日高; 国俊西村
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1995-09-25
Filing date: 1996-09-25
Publication date: 2002-09-09
Anticipated expiration: 2016-09-25
Also published as: JPH1096618A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固定部材と可動部
材とを備え、可動部材に外部から力が作用したとき固定
部材に対する可動部材の変位を許容し、かつ、可動部材
に作用する力がなくなったときに可動部材を静止位置に
復帰させるプローブの着座機構を備えたタッチ信号プロ
ーブに関する。このタッチ信号プローブは三次元測定機
などに用いられる。

【０００２】

【背景技術】三次元測定機では、固定台上に置かれたワ
ークに対して、三次元方向に移動可能なプローブを接触
させ、プローブがワークに接触した瞬間を電気的トリガ
として各軸（三次元方向の各軸）の送り座標値を読み取
り、これらの座標値を基にワークの寸法や形状を測定す
る。この測定に用いられるプローブは、ワークとの接触
状態を電気的なタッチ信号として出力することができる
タッチ信号プローブと称され、広く用いられている。

【０００３】一般に、このタッチ信号プローブは、ワー
クと接触するときのスタイラスの僅かな動きを検知する
ための検出機構と、プローブの大きな動きに対してプロ
ーブの破損を防止するためのセイフティ機構とを備え
る。セイフティ機構には、プローブのハウジングに対し
てスタイラスが大きく動けるようにした逃げ機能と、そ
の逃げ動作の後にスタイラスを動作前の元の位置に戻す
レシート機能とが要求される。ここで、この２つの機能
を備えたものを着座機構と呼ぶ。後者のレシート機能
は、測定動作の直前にはスタイラスを常に一定位置（こ
の位置を着座位置あるいは休止位置と称す）に位置づけ
る機能であり、繰り返し精度そのものに直接影響する。

【０００４】従来、この２つの機能を満足させる着座機
構として、６点接触形の着座機構が知られている。図１
は６点接触形の着座機構を有するタッチトリガプローブ
の全体構成を示している。図１において、スタイラス１
は可動部材２に固定されている。可動部材２の周囲に
は、３本の円柱体３が、スタイラス１の軸線に対して直
角な面内で、かつ、スタイラス１の軸線を中心として１
２０度間隔で放射状に突設されている。一方、プローブ
のハウジング４に設けられる固定部材（ハウジング４の
底壁）５には、２本の円柱体をＶ字状に組み合わせたＶ
字状係止部６が３組、可動部材２の円柱体３と対応する
位置にそれぞれ固定されている。

【０００５】このような構成において、可動部材２を付
勢力発生機構としてのばね７で固定部材５に押圧する
と、可動部材２は所定の位置に静止する。このとき、可
動部材２上の各円柱体３はＶ字状係止部６と２点、全体
として６点で接触するので、６点接触形の逃げ機構、あ
るいは、６点接触形の着座機構と呼ばれる。また、この
ときの静止する位置を静止位置、休止位置、あるいは、
着座位置と呼ぶ。

【０００６】ここでは、円柱体３とＶ字状係止部６との
組合せ、つまり、円柱体どうしの組合せを示したが、こ
れに限らず、図２に示す円柱体３と硬球８との組合せ、
あるいは、図３に示す硬球９とＶ溝１０との組合せでも
同様な機能をもたらすことができる。なお、図３では、
円柱体３とＶ溝１０が組み合わされているように見える
が、円柱体３の下側には硬球９が一体に設けられてい
る。円柱体どうしの組合せ、円柱体と硬球との組合せ、
あるいは、硬球とＶ溝との組合せは、一対の接触点を形
成し、これらにおける接触を保ちながら、固定部材と可
動部材との相対変位が可能な変位許容位置は限定され
る。この変位許容方向は、例えば、硬球とＶ溝の組み合
わせにおいては、Ｖ溝の方向であり、円柱体と硬球との
組み合わせの場合には、円柱体の軸方向となる。

【０００７】図４は図３における着座機構の一部を拡大
図示したものである。図４において、第１の方向には硬
球９の動きが阻止され、第２の方向には硬球９に加わる
押圧力により硬球９の動きが阻止される。そのため、第
３の方向にのみ硬球９の動きが許容される。なお、第
１、第２および第３の方向は互いに直交している。円柱
体どうしの組合せ、円柱体と硬球との組合せにおいて
も、両者の接触点における接平面を考えると、それぞれ
に変位許容方向あるいは変位許容面のあることが理解で
きる。

【０００８】ここで、６つの接点を形成する円柱体３や
硬球８，９は両者の繰り返し接触に対しても変形や摩耗
が生じないように超硬合金で作られるなどの工夫がされ
ている。また、硬球８，９はきわめて硬くつくられた球
の意味であり、鉄を主成分とする場合、鋼球とも記され
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述した着座機構は、
安定位置が一義的に決まるため、位置の再現性は理想的
であると思われるが、これは、接触点の摩擦力が零の場
合であって、実際にはこの摩擦力のために、位置の再現
性が悪化するという問題がある。

【００１０】ここで、硬球９とＶ溝１０を例に、何故、
着座位置にばらつきが生じるのかを考察する。逃げ機構
の各要素は金属のブロックより作られているので、一
見、剛体のように見えるが、接点付近をミクロ的に見れ
ば、様々なばねの組み合わせとして表すことができる。
すなわち、両者は相対的に動き得るわけである。しか
し、接点付近がいくら弾性変形しても、そこに作用する
押し付け力が一定であれば、着座位置は一義的に決ま
り、位置の再現性はきわめて高いものとなるはずであ
る。

【００１１】ところが、実際には、接触点に摩擦力が作
用するので、たとえ押し付け力が一定であっても、硬球
９がＶ溝１０の壁面を押す力は一定とはならない。すな
わち、硬球９がＶ溝１０に着座、あるいは、休止してい
る状態では、摩擦力の作用方向が様々であり、従って、
硬球〜Ｖ溝壁面間の力の大きさが様々に異なるため、位
置の再現性が悪くなるわけである。摩擦力の作用方向
は、硬球とＶ溝の接触点の相対的な滑りの方向によって
決定するため、プロービングの際におけるスタイラスへ
加わる力の方向が異なると、その前後における着座位置
が大きく異なる。この現象は、実際にも多くの装置にお
いて確認されている。従来、潤滑剤の工夫、つまり、摩
擦力を低減するための工夫がなされてきたが、潤滑剤の
劣化などのため長期安定性に問題があった。

【００１２】また、米国特許第5018280 号公報に見られ
るように、固定部材と可動部材とを相対的に振動させ、
これにより位置の再現性を高める（ディザー効果）ため
の工夫がなされてきたが、「振動させる」ことは「反復
運動させる」ことであり、ある程度の時間を必要とする
うえ、接触子の摩耗、劣化を招く。図１ないし図３に示
すような着座機構の場合、接触面の粗さが再現能力に大
きく影響を及ぼすため、適用が困難であった。さらに、
ディザー効果を得るためには、振動数と振幅を選択する
必要があり、正しく選択されると効果を発揮するが、摩
擦係数が変化するなど環境が変化すると、振動数や振幅
を再調整する必要があり、長期にわたり高い位置の再現
性を確保できなかった。

【００１３】本発明の目的は、このような従来の点に鑑
み、摩擦力が作用する状態にあっても、長期にわたり高
い位置の再現性を確保できる着座機構を備えたタッチ信
号プローブを提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】一般に、可動部材が固定
部材の所定位置で接触することにより着座、あるいは、
休止している状態においては、接触点における摩擦力の
作用方向が様々であり、従って、各接触点に働く力の大
きさが様々に異なり、着座位置がばらつく。これが復帰
精度の悪化の元凶であることに鑑み、本発明において
は、各接触点に作用する摩擦力の大きさの低減を図るの
ではなく、摩擦力の作用方向を一定にすることにより、
復帰位置の再現性を高めるようにしたものである。

【００１５】具体的には、ハウジングに取り付けられた
固定部材と、可動部材と、前記固定部材と前記可動部材
とが互いに離隔した３箇所のそれぞれにおいて一対の接
触点で接触し、これにより前記固定部材と前記可動部材
との相対位置を一義的に定める機能を有する着座機構
と、前記可動部材に設けられ先端に被測定物と接触する
接触子を有するスタイラスと、前記接触子に外部から力
が加えられたとき前記固定部材に対する前記可動部材の
変位を許容し、かつ、前記接触子に加えられる力がなく
なったとき前記可動部材を静止位置に復帰させるための
付勢力発生手段と、を有するタッチ信号プローブにおい
て、前記接触子へ加えられる力がなくなった後、前記着
座機構における前記固定部材と前記可動部材の接触状態
を保ちつつ、各接触点において前記固定部材と前記可動
部材とを、その作動時には常に一定の方向へ所定の手順
で相対変位させる変位発生機構を、前記可動部材および
前記固定部材の少なくとも一方に設けることを特徴とす
る。

【００１６】また、本願の異なる発明は、ハウジングに
取り付けられた固定部材と、可動部材と、前記固定部材
と前記可動部材の相対位置を一義的に定めることのでき
る互いに離隔した６箇所の接触点において前記固定部材
と前記可動部材とを接触させる着座機構と、前記可動部
材に設けられ先端に被測定物と接触する接触子を有する
スタイラスと、前記接触子に外部から力が加えられたと
き前記固定部材に対する前記可動部材の変位を許容し、
かつ、前記接触子に加えられる力がなくなったとき前記
可動部材を静止位置に復帰させるための付勢力発生手段
と、を有するタッチ信号プローブにおいて、前記接触子
へ加えられる力がなくなった後、前記着座機構における
前記固定部材と前記可動部材の６箇所の接触点における
接触状態を保ちつつ、各接触点において前記固定部材と
前記可動部材とを、その作動時には常に一定の方向へ所
定の手順で相対変位させる変位発生機構を、前記可動部
材および前記固定部材の少なくとも一方に設けることを
特徴とする。

【００１７】このような構成により、スタイラスに働く
力がゼロになり前記付勢力により前記所定の静止位置に
ほぼ着座した後、前記付勢力の接触部位における分力
と、接触部位の摩擦係数に応じてその大きさが定まる接
触部位の摩擦力の着座後の向きが前記変位発生機構の作
動により所定の向きに揃えられることになるので、結果
的には前記静止位置に正確に復帰させることが可能とな
る。もとより、米国特許第5018280 号公報に見られるよ
うに、固定部材と可動部材とを相対的に振動させるもの
でないため、接触子の摩耗が少なく、長期にわたり高い
位置の再現性を確保できる。

【００１８】さらに、本発明では、前記変位発生機構
は、複数の圧電素子等を用いて、固定部材と可動部材と
の各接触点における相対変位の方向を互いに異なる複数
の方向とし、さらに、これらの方向が前記スタイラスの
軸を中心として略放射状である構造、あるいは、放射方
向と略直交する方向である構造としてもよい。また、上
記各構成において、前記固定部材または前記可動部材の
前記各接触点と前記スタイラスの軸との間に複数（例え
ば、３個）の収納孔が設けられ、これらの収納孔にそれ
ぞれ収納され、かつ、略前記放射方向に伸縮する複数個
（３個）の駆動素子を備えて前記変位発生機構が構成さ
れたものでもよい。このような構成によれば、収納孔内
において各圧電素子が放射方向に伸縮するため、固定部
材と可動部材とを放射方向に正確に変位させることがで
きる。

【００１９】また、前記固定部材または前記可動部材の
６個の接触点により囲まれる範囲より内側に貫通孔が設
けられ、この貫通孔内に収納される中空輪状の駆動素子
を備えて前記変位発生機構が構成されたものでもよい。
この構成では、変位発生機構を１個の駆動素子によって
構成することができるから、部品点数および組立工数を
低減できる。さらに、前記駆動素子は、圧電素子または
磁歪素子としてもよい。このような構成によっても、上
記と同様に部品点数および組立工数を低減できる。

【００２０】さらに、前記付勢力発生機構は、前記固定
部材と前記可動部材との接触点に弾性体の弾性力により
押圧力を付与するように構成されたものでもよく、より
具体的には、前記固定部材と前記可動部材との間に配置
され前記固定部材と前記可動部材とを互いに近接する方
向に引張する引張ばねを備えて構成されたものでもよ
い。付勢力発生機構を圧縮ばねから構成する場合には、
ばねの座屈変形により、着座精度が必ずしも高くはない
が、引張ばねを利用すれば、ばねの座屈変形に伴う問題
がなくなり、着座精度の向上が図れる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図を参
照しながら詳細に説明する。ここで、各実施形態中、同
一構成要素は同一符号を付して説明を省略もしくは簡略
にする。図５から図７には第１の実施形態が示されてい
る。図５は圧電素子を用いた着座機構を有するタッチ信
号プローブの実施形態を示す分解斜視図である。この着
座機構は、固定部材１１と、可動部材２１と、この可動
部材２１に外部から力が作用したとき固定部材１１に対
する可動部材２１の変位を許容し、かつ、可動部材２１
に作用する力がなくなったとき可動部材２１を静止位置
に復帰させる付勢力発生手段（図示していないが、図１
で示した付勢力発生用ばね７と同じ）とを備える。

【００２２】固定部材１１は、その中心部分がプローブ
のハウジング（図示せず）に固定されており、可動部材
２１のスタイラス２２の軸を中心に１２０度間隔で放射
状に延びた３本の腕部１２₁〜１２₃を有し、その各腕
部１２₁〜１２₃の先端上面に硬球１３₁〜１３₃が配
置されている。３個の硬球１３₁〜１３₃の中心位置
は、スタイラス２２の軸に対して等距離で、かつ、１２
０度間隔である。また、各腕部１２₁〜１２₃におい
て、硬球１３₁〜１３₃より内側部分には収納孔１４₁
〜１４₃が上下面に貫通形成され、その各収納孔１４₁
〜１４₃内には変位発生機構としての圧電素子１５₁〜
１５₃が予圧を加えられた状態で埋め込まれている。

【００２３】各圧電素子１５₁〜１５₃は前記放射方向
に略沿って伸縮するように配置されている。従って、各
圧電素子１５₁〜１５₃に電圧を印加すると、各硬球１
３₁〜１３₃はスタイラス２２の軸を中心に略放射方向
に変位されるように構成される。なお、１６は固定部材
１１の中心に穿設された挿通孔で、前記可動部材２１の
スタイラス２２が挿通される。可動部材２１の中心に
は、スタイラス２２が直角にかつ下方に向かって突設さ
れている。

【００２４】スタイラス２２の下端部には被測定物と接
触する球状の接触子２３が設けられている。また、スタ
イラス２２の軸を中心として１２０度間隔でかつ互いに
離間した３箇所にはＶ溝２４₁〜２４₃が設けられてい
る。各Ｖ溝２４₁〜２４₃は、溝方向が前記放射方向に
略一致するように配置されている。以上のような構成に
おいて、固定部材１１に対して可動部材２１を着座させ
る。着座状態では、固定部材１１および可動部材２１の
それぞれの３箇所において、硬球１３₁〜１３₃とＶ溝
２４₁〜２４₃とが１対で２箇所、３対で６箇所におい
て点接触した状態で、固定部材１１に対し可動部材２１
が着座、静止される。

【００２５】図６は本実施形態の回路構成を示すブロッ
ク図である。同回路は、接触子２３に被測定物が接触す
ることにより生じる可動部材２１の変位を検知し、タッ
チ信号を出力する接触検知回路３１と、そのタッチ信号
の入力を時間基準にし、所定の電圧を圧電素子１５₁〜
１５₃に印加する変位制御回路３２とから構成されてい
る。従って、全体の回路の動作としては、可動部材２１
の変位変化が接触検知回路３１で検知されると、それに
伴いタッチ信号が出力され、その信号を受けて変位制御
回路３２では然るべきタイミングで圧電素子１５₁〜１
５₃に所定の電圧を印加する。

【００２６】図７（Ａ）は圧電素子１５₁〜１５₃へ印
加する電圧波形と、その駆動動作をプロービング動作の
どの点で行うかを説明するための略図である。この図に
示されるように、通常、プロービング動作は、接触子２
３が被測定物に接触している接触状態Ａと、接触子２３
が被測定物から逃避してから再び被測定物に接触して測
定し得る安定状態Ｅに達するまでの状態、つまり、接触
を検知してから安定状態Ｅになるまでの間の着座状態Ｂ
とで１サイクルを形成する。着座状態Ｂの最初の状態は
スタイラス２２が大きく変位して着座位置まで戻る時
間、即ち、移動状態Ｃが避けられない。この移動状態Ｃ
では、圧電素子１５₁〜１５₃を駆動しても効果が不確
かとなるため、変位制御回路３２は、検知回路３１によ
る検知信号が消えてから一定時間Ｃを経過した後一定時
間Ｄの間、圧電素子１５₁〜１５₃を駆動する。

【００２７】圧電素子１５₁〜１５₃へ印加する電圧
は、例えば、図７（Ａ）中にＶＥ₁で示され、正弦波に
近似した波形を有し、波高値±１５Ｖ、信号幅１０msで
ある。なお、電圧ＶＥ₁に代えて、図７（Ｂ）の矩形波
形電圧ＶＥ₂や図７（Ｃ）の三角波形電圧ＶＥ₃を用い
ても同じ効果が得られる。このような電圧信号の印加に
より、圧電素子１５₁〜１５₃は、各硬球１３₁〜１３
₃をスタイラス２２の方向へ一旦近づけてから逆に遠ざ
けた後に元の位置に戻る（あるいはその逆の）伸縮変位
を与える。

【００２８】これに伴い、硬球１３₁〜１３₃が前述し
た変位許容方向に変位し、各接触点における摩擦力の方
向が一定方向に揃えられ、結果として所定位置への高い
復帰精度が得られる。さらに詳細に述べれば、硬球１３
₁〜１３₃とＶ溝２４₁〜２４₃との相対的な滑りを、
毎回同じ一定方向に一定の手順で起こさせると、摩擦力
とＶ溝間に働く力を常に一定にできるということであ
り、着座位置のばらつきをなくすことができる。

【００２９】変位量がミクロ的に微小であれば、硬球１
３₁〜１３₃とＶ溝２４₁〜２４₃とは自由に動き得る
ので、圧電素子１５₁〜１５₃による変位を加える一定
方向がＶ溝２４₁〜２４₃の方向と厳密に一致している
必要はなく、微小な範囲であれば、これらの方向がかな
りずれていても摩擦力の方向を一定方向に揃えることが
可能である。

【００３０】なお、第１の実施形態では、硬球とＶ溝と
の相対変位を行うために、３個のＶ溝２４₁〜２４₃に
対し硬球１３₁〜１３₃を変位させたが、本発明は硬球
１３ ₁〜１３₃とＶ溝２４₁〜２４₃を所定の方向に相
対変位させることが重要であるため、たとえば、３個の
硬球１３₁〜１３₃に対してＶ溝２４₁〜２４₃を変位
させても何ら差し支えない。

【００３１】図８は本発明の第２の実施形態を示すもの
である。図８において、第２の実施形態は、隣接する硬
球１３₁〜１３₃の中心を結ぶ線上に収納孔４１₁〜４
１₃を形成し、この各収納孔４１₁〜４１₃内に圧電素
子１５₁〜１５₃を予圧を加えた状態で収納配置した例
である。これは、スタイラス２２の軸を中心とする放射
方向に対して、各圧電素子１５₁〜１５₃の伸縮方向が
異なっているが、それぞれの硬球１３₁〜１３₃への力
の合力が、３個の硬球１３₁〜１３₃を略放射方向に変
位させるようになっている。これによれば、図５の構成
に比べ、スタイラス２２の軸から硬球１３₁〜１３₃ま
での距離を短くできるから、プローブ径を小さくでき
る。

【００３２】図９は本発明の第３の実施形態を示すもの
である。図９において、第３の実施形態は、固定部材１
１の中心に大きな６角形状の貫通孔４２を形成し、この
貫通孔４２内に３個の押圧子４３₁〜４３₃を介して中
空輪状の圧電素子１５₄を１個配置した例である。な
お、この場合には、圧電素子１５₄の中心中空部をスタ
イラス２２が通るようになっている。これによれば、圧
電素子１５₄が１個で実現できるから、部品点数および
組立工数を低減できる。

【００３３】図１０および図１１は本発明の第４の実施
形態を示すものである。これらの図において、第４の実
施形態は、固定部材１１の曲げにより硬球１３ ₁〜１３
₃を変位させる例である。構成的には、固定部材１１の
中心に３個の接触周面部４４₁〜４４₃を有する貫通孔
４４を形成するとともに、各接触周面部４４₁〜４４₃
の両側に薄肉部４５_1A,４５_1B、４５_2A,４５_2B、４５
_3A,４５ _3Bを有する逃げ溝４６_13,４６_12,４６₂₃を形
成し、前記３つの接触周面部４４ ₁〜４４₃の内周面に
接するように中空輪状の圧電素子１５₄を１個配置した
構造である。なお、３個の接触周面部４４₁〜４４
₃は、硬球１３₁〜１３₃の間に配置されている。圧電
素子１５₄が伸縮すると、固定部材１１にはＡ方向の力
が作用するから、薄肉部４５_1A,４５_1B、４５_2A,４５
_2B、４５_3A,４５_3Bの作用によって、硬球１３₁〜１３
₃をスタイラス２２の軸に対して略放射方向に変位させ
ることができる。これによれば、図９と同じ効果が期待
できる。

【００３４】図１２は本発明の第５の実施形態を示すも
のである。図１２において、第５の実施形態は、駆動手
段として励磁コイルを用いた例である。これは、固定部
材１１に励磁コイル４７を内蔵し、この励磁コイル４７
によって磁性体からなる可動部材２１の中心部分を任意
の力で圧縮するようにしたものである。可動部材２１の
３箇所にはＶ溝２４₁〜２４₃が配置され、その内側に
ヒンジ部４８₁〜４８₃が設けられている。励磁コイル
４７によって可動部材２１の中心部分を圧縮すると、可
動部材２１の中心部分が上下に変位するから、３箇所の
Ｖ溝２４₁〜２４₃を硬球１３₁〜１３₃に対して、略
放射状に変位させることができる。これによっても、図
９の第３の実施形態と同じ効果が期待できる。

【００３５】次に、本発明の第６の実施形態を図１３か
ら図１８に基づいて説明する。第６の実施形態は、固定
部材６１にＶ溝２４₁〜２４₃を配置し、可動部材６２
に硬球１３₁〜１３₃に配置した点で第１の実施形態と
相違する。全体構成を示す図１３において、固定部材６
１は、有底円筒状のプローブのハウジング（図示せず）
の開口端部に固定されたリング状部材から構成され、こ
のリング状部材の上面には１２０度間隔離れて３個のブ
ロック２４が配置されている。これらのブロック２４の
上部にはＶ溝２４₁〜２４₃が形成されている。なお、
符号６３は付勢力発生手段としてのコイルばねであり、
このコイルばねは、図１で示した付勢力発生用ばね７と
同じである。

【００３６】可動部材６２は、スタイラス２２が取り付
けられた中心部から１２０度間隔で放射状に延びた３本
の腕部６２₁〜６２₃を有し、その各腕部６２₁〜６２
₃の先端下面に硬球１３₁〜１３₃が配置されている。
３個の硬球１３₁〜１３₃は、それぞれＶ溝２４₁〜２
４₃と一致し、固定部材６１に対する可動部材６２の位
置は一義的に決定される。腕部６２₁〜６２₃には、そ
れぞれ図示しない収納孔が形成され、その各収納孔内に
は変位発生機構としての圧電素子１５₁〜１５₃が予圧
を加えられた状態で埋め込まれている。各圧電素子１５
₁〜１５₃は前記放射方向に略沿って伸縮するように配
置されている。

【００３７】ここで、Ｖ溝２４₁〜２４₃の軸方向（硬
球１３₁〜１３₃とＶ溝２４₁〜２４₃とを相対変位さ
せる方向）は、図１３では、スタイラス２２の軸を中心
として略放射方向であるが、第６の実施形態では、この
方向に限定されるものではない。例えば、図１４に示さ
れる通り、各Ｖ溝２４₁〜２４₃が同じ略円周方向（円
周方向に対して若干ずれた角度）に向いていてもよく、
あるいは、図１５および図１６に示される通り、各Ｖ溝
２４₁〜２４₃がそれぞれランダムな角度を向いている
ものでもよい。なお、図１４および図１５では、圧電素
子の図示を省略する。

【００３８】一般に、ある物体の位置を一義的に決定す
るのは３つの並進成分と３つの回転成分であり、６個の
拘束があれば物体が一義的に決定する。従って、第６の
実施形態によれば、第１の実施形態と同じ作用効果を奏
することができる。逆に、図１７（Ａ）に示される通
り、全てのＶ溝２４₁〜２４₃が正確な円周方向を向い
ていたり、図１７（Ｂ）に示される通り、各Ｖ溝２４₁
〜２４₃が同一方向を向いていたり、図１７（Ｃ）に示
される通り、１つのＶ溝２４₁が正確な円周方向を向い
ている場合には、物体を５個以下でしか拘束していない
ので、位置を一義的に決定できない。

【００３９】なお、第６の実施形態では、図１８に示さ
れる通り、各Ｖ溝２４₁〜２４₃をスタイラス２２の軸
心に対して傾斜させ、これらのＶ溝２４₁〜２４₃に接
触するように硬球１３₁〜１３₃を可動部材６２の腕部
６２₁〜６２₃の端部に取り付ける構造としてもよい。
これらの腕部６２₁〜６２₃には図示しない圧電素子が
設けられている。

【００４０】次に、本発明の第７の実施形態を図１９お
よび図２０に基づいて説明する。第７の実施形態は、接
触面の構成が第６の実施形態と相違するもので、他の構
成は第６の実施形態と同じである。図１９において、固
定部材７１は、有底円筒状のプローブのハウジング（図
示せず）の開口端部に固定されたリング状部材から構成
され、このリング状部材の内周面にはテーパ面７１₁〜
７１₆が六角錐状に形成されている。これらのテーパ面
７１₁〜７１₆は、その頂点がスタイラス２２の軸線上
に位置する。

【００４１】可動部材７２は、スタイラス２２が取り付
けられた中心部から６０度間隔で放射状に延びた６本の
腕部７２₁〜７２₆を有し、その各腕部７２₁〜７２₆
の先端側下面に硬球１３₁〜１３₆が配置されている。
６個の硬球１３₁〜１３₆は、それぞれテーパ面７１₁
〜７１₆と一致し、固定部材７１に対する可動部材７２
の位置は一義的に決定される。腕部７２₁〜７２₆に
は、それぞれ図示しない収納孔が形成され、その各収納
孔内には変位発生機構としての圧電素子１５₁〜１５₆
が予圧を加えられた状態で埋め込まれている。各圧電素
子１５₁〜１５₆は前記放射方向に略沿って伸縮するよ
うに配置されている。

【００４２】従って、第７の実施形態によれば、第６の
実施形態と同じ作用効果を奏することができる。なお、
第７の実施形態では、図２０に示される通り、固定部材
７１の内周面に形成される接触面を三角錐状のテーパ面
７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃとしてもよい。この場合、１つ
のテーパ面７１Ａ（７１Ｂ，７１Ｃ）に２個の硬球１３
₁，１３ ₂（１３₃〜１３₆）が接触する。

【００４３】次に、本発明の第８の実施形態を図２１か
ら図２３に基づいて説明する。第８の実施形態は可動部
材の形状ならびに圧電素子の取付構造が図２０で示す第
７の実施形態と相違するもので、他の構成は第７の実施
形態と同じである。図２１は第８の実施形態の要部を示
す斜視図、図２２はその断面図である。これらの図にお
いて、固定部材７１は、有底円筒状のプローブのハウジ
ング（図示せず）の開口端部に固定されたリング状部材
から構成され、このリング状部材の内周面には三角錐状
に接触面としてのテーパ面７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃが形
成されている。これらのテーパ面７１Ａ，７１Ｂ，７１
Ｃは、その頂点がスタイラス２２の軸線上に位置する。

【００４４】可動部材８２は、３つのテーパ面８２Ａを
有する三角錐台状に形成され、その中心部にはスタイラ
ス２２が取り付けられている。各テーパ面８２Ａには、
第２接触面としての硬球１３がそれぞれ２個ずつ、合計
６個設けられている。１つのテーパ面７１Ａ（７１Ｂ，
７１Ｃ）に２個の硬球１３が接触する。この硬球１３の
取付構造が図２３（Ａ）に拡大して示されている。図２
３（Ａ）において、可動部材８２のテーパ面８２Ａには
収納孔８２Ｂが形成され、その収納孔８２Ｂの側面に
は、剛性を有する薄板８３が２枚ずつ互いに所定間隔離
れ合計４枚対向配置され、これらの薄板８３の端部には
硬球１３を一部埋設したブロック８４が支持固定されて
いる。

【００４５】このブロック８４の側面と２枚の薄板８３
と収納孔８２Ｂの側面との間に形成されたスペースには
圧電素子１５が設けられている。この圧電素子１５は、
ブロック８４を挟んで２枚対向配置されており、一方の
圧電素子１５が伸びる時は他方の圧電素子１５が縮むよ
うに電気制御されている。これらの圧電素子１５に電圧
を印加すると、圧電素子１５は薄板８３の剛性に打ち勝
って伸縮し、ブロック８４を介して硬球１３が変位す
る。

【００４６】この構成の第８の実施形態では、第６の実
施形態と同様の作用効果を奏することができる他に、２
枚の圧電素子１５で硬球１３を確実に変位させることが
できる。なお、第８の実施形態では、図２３（Ｂ）に示
される通り、Ｖ溝２４₁（２４ ₂，２４₃）の部材２４
を挟むように配置された２個の圧電素子１５で変位させ
る構成としてもよい。つまり、図２３（Ｂ）に示される
通り、固定部材６１には収納孔６１Ｂが形成され、その
収納孔６１Ｂの側面には４枚の薄板８３が配置され、こ
れらの薄板８３の端部にはＶ溝２４₁が形成されたブロ
ック２４が支持固定されている。このブロック２４の側
面と２枚の薄板８３と収納孔６１Ｂの側面との間に形成
されたスペースには圧電素子１５が設けられている。

【００４７】次に、本発明の第９の実施形態を図２４お
よび図２５に基づいて説明する。第９の実施形態は固定
部材、可動部材および変位発生機構の構成が第６の実施
形態と相違するもので、他の構成は第６の実施形態と同
じである。図２４および図２５において、固定部材９１
は、円盤状のベース９２と、このベース９２の周縁下部
に設けられた複数個（図では３個）のブラケット９３
と、これらのブラケット９３の下端部にそれぞれ設けら
れたブロック２４とを備え、ベース９２は図示しないハ
ウジングに取り付けられている。

【００４８】ブラケット９３は、その長手方向がスタイ
ラス２２の軸線と同じ方向となるように配置された板部
材であり、その途中に下端部のスタイラス２２の軸線と
交差する方向の変位を許容する切欠ヒンジ９３Ａが形成
されている。ブラケット９３は切欠ヒンジ９３Ａより下
方に第１の側板９３Ｂと第２の側板９３Ｃとを備えてい
る。第１の側板９３Ｂの先端部にはブロック２４が固定
され、このブロック２４に形成されたＶ溝２４₁は可動
部材６２の腕部６２₁〜６２₃に設けられた硬球１３を
支持している。

【００４９】第２の側板９３Ｃの先端部には押し板９４
が支持され、この押し板９４はベース９２との間で変位
発生機構である１個のアクチュエータ９５を支持固定す
る。このアクチュエータ９５は３個のＶ溝面２４₁を同
時に変位させるように上下方向に伸縮する圧電素子であ
る。なお、図２５には付勢力発生手段９７が可動部材６
２の上に配置された状態が示されている。この付勢力発
生手段９７は、固定部材９１に対して可動部材６２を磁
気力により変位させる磁気力発生機構、あるいは、固定
部材９１に対して可動部材６２を流体圧で変位させる流
体圧発生機構である。

【００５０】この構成の第９の実施形態によれば、第６
の実施形態と同様の作用効果を奏する他に、固定部材９
１は、ベース９２と、このベース９２に変位可能に設け
られそれぞれＶ溝面２４₁が形成された複数個のブラケ
ット９３とを備え、変位発生機構は、ベース９２とブラ
ケット９３との間に配置されたアクチュエータ９４であ
り、このアクチュエータ９４はブラケット９３に形成さ
れたＶ溝面２４₁を同時に変位させるように伸縮する構
造としたから、前記相対変位させるためのアクチュエー
タ９４を１個設ければ十分となり、装置の構造が簡単と
なる。

【００５１】次に、本発明の第１０の実施形態を図２６
から図２８に基づいて説明する。図２６は第１０の実施
形態のタッチ信号プローブの要部を示す斜視図である。
図２６において、タッチ信号プローブは、互いに接触可
能とされた可動部材１００と固定部材２００とを備えて
構成されている。この固定部材２００は図示しないハウ
ジングに取り付けられている。可動部材１００は、三角
テーブルの形状をした第１部材１０１と、この第１部材
１０１の脚部に取り付けられた第２部材１０２とからな
り、第２部材１０２の中心部に形成された貫通孔１０３
には図示しないスタイラスが取り付けられる。このスタ
イラスは、その先端に図示しない接触子を有する。第１
部材１０１の上部側面部には３個の円柱体１０４の一部
が埋設されており、これらの円柱体１０４の軸方向は、
互いにスタイラスの軸Ｚの回りに等しい方位角間隔を形
成する。

【００５２】固定部材２００は、板状部材の３箇所の端
部に側板部材２０１が形成されており、それぞれの側板
部材２０１の上端面には２個の硬球２０２の下半分が埋
め込まれている。固定部材２００の中心部は、可動部材
１００の内部空間に配置され、これらの部材１００，２
００の間には固定部材２００と可動部材１００とを互い
に近接する方向に引張する付勢力発生機構としての引張
ばね３００（図２７参照）が連結されている。この引張
ばね３００の引張力により、可動部材１００の円柱体１
０４と固定部材２００の硬球２０２とが６箇所で接触す
る。

【００５３】図２７は固定部材２００の上面図であり、
２つの側板部材２０１については、２つの円柱体１０４
との接触した状態が描かれ、残りの側板部材２０１につ
いては、その下方部分の断面が描かれている。固定部材
２００の３方向に伸びた腕部分の中央には正方形状の収
納孔２０３がそれぞれ形成されており、この収納孔２０
３の内部には圧電素子４００が収納されている。固定部
材２００の３個の腕部分の先端部には、収納孔２０３に
まで達するねじ孔２０４げ形成されており、このねじ孔
２０４に螺合するねじ４０１を回転調整することによ
り、収納孔２０３内の圧電素子４００に加える予圧を加
減することができる。

【００５４】この第１０の実施形態によれば、第１の実
施形態と同様の作用効果を奏することができる。この効
果を確認するために、実際の装置で得られた実験結果を
図２８で示す。図２８はプローブの先端の接触子がプロ
ーブの軸と垂直な±３００ナノメータ四方の平面を表し
ている。実験は、プローブの軸回りに等しい方位角１０
度間隔で接触子に力を与え、休止位置に復帰した時の接
触子の位置を特殊な装置で測定したものである。破線円
Ｐ内の３箇所に集中した３６の微小円で表される測定結
果は着座状態において変位を与えなかった時のものであ
り、破線円Ｑ内に集中する３６の微小円で表される測定
結果は着座状態において変位を与えた時のものである。
これらの結果から、第１０の実施形態による復帰精度の
向上が５倍以上であることがわかる。

【００５５】また、第１０の実施形態では、付勢力発生
機構を、固定部材２００と可動部材１００との間に配置
され固定部材２００と可動部材１００とを互いに近接す
る方向に引張する引張ばね３００を備えて構成したか
ら、固定部材２００から可動部材１００が離れた時に、
ばね３００に座屈変形並びに捻じれ挙動が生じることが
ないから、スタイラスの着座精度が向上する。

【００５６】次に、本発明の第１１の実施形態を図２９
に基づいて説明する。図２９において、スタイラス１を
固定した略円板状の可動部材２の周囲には、３本の円柱
体３が放射状に突設されている。一方、図示しないプロ
ーブケースに設けられる固定部材（プローブケースの底
壁）には、２個が一対となった硬球８が３組、可動部材
２の円柱体３と対応する位置にそれぞれ固定されてい
る。

【００５７】可動部材２の周囲にはアクチュエータ９９
が配置されている。このアクチュエータ９９は、固定部
材に固定された本体９９Ａと、可動部材２をその軸心に
向かって矢印Ｐ方向に変位させる可動片９９Ｂとを備
え、電気的に駆動されるソレノイドタイプ、空気圧駆動
タイプ、油圧駆動タイプ等から構成されるリニアアクチ
ュエータである。可動片９９Ｂと可動部材２は機械的に
は分離されており、可動部材２を軸心に向かって変位さ
せる時にのみ可動片９９Ｂは可動部材２の側面に接す
る。

【００５８】また、可動片９９Ｂは可動部材２を最大変
位位置まで押した後には、可動部材２が付勢力発生手段
（図示せず）により静止位置に戻る以上の速度で、戻る
必要があるが、これは容易に実現可能である。これは、
可動部材２に作用する外乱要素をできる限り排除し、静
止位置における力の作用状態を常に一定にせんがためで
ある。なお、第１０の実施形態では可動部材２全体を変
位させる構成であれば、アクチュエータはリニアタイプ
に限定されない。従って、第１１の実施形態では、１個
のアクチュエータ９９で可動部材２全体を変位させる構
成であるから、装置全体を簡易な構造とすることができ
る。

【００５９】以上、本発明について好適な実施形態を挙
げて説明したが、本発明は、この実施形態に限られるも
のでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での変更が可
能である。たとえば、前記各実施形態では、放射方向へ
のすべりを圧電素子や励磁コイルを用いて生じさせる例
であったが、これに限定されるものでなく、静電力、空
圧力、油圧力などの他の駆動手段を用いてもいっこうに
差し支えない。さらに、本発明では、変位発生機構を固
定部材と可動部材の双方に設けてもよい。

【００６０】

【発明の効果】本発明のタッチ信号プローブによれば、
摩擦力が存在する状態にあっても、長期にわたり高い位
置の再現性を確保することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の６点接触形着座機構を有するタッチトリ
ガプローブを示す図である。

【図２】着座機構の各要素を円柱体と硬球との組合せで
構成した例を示す図である。

【図３】着座機構の各要素を硬球とＶ溝との組合せで構
成した例を示す図である。

【図４】硬球とＶ溝との組合せにおいて相対変位が可能
な方向を説明するための図である。

【図５】本発明の第１の実施形態を示す分解斜視図であ
る。

【図６】同上実施形態における回路構成を示すブロック
図である。

【図７】圧電素子へ印加する電圧波形と、その駆動動作
をプロービング動作のどの点で行うかを説明するための
略図である。

【図８】本発明の第２の実施形態（３つの硬球を結ぶ線
上に圧電素子を配置した駆動手段の例）を示す斜視図で
ある。

【図９】本発明の第３の実施形態（中空輪状の圧電素子
を用いた駆動手段の例）を示す斜視図である。

【図１０】本発明の第４の実施形態（中空輪状の圧電素
子を用いて固定部材の曲げにより駆動させる例）を示す
斜視図である。

【図１１】図１０の平面図である。

【図１２】本発明の第５の実施形態（励磁コイルを用い
た駆動手段の例）を示す斜視図である。

【図１３】本発明の第６の実施形態を示す斜視図であ
る。

【図１４】同上実施形態においてＶ溝の向きが異なる場
合を示す斜視図である。

【図１５】同上実施形態においてＶ溝の向きがさらに異
なる場合を示す斜視図である。

【図１６】図１５の要部を示す平面図である。

【図１７】同上実施形態においてＶ溝の向きが不適切で
ある場合を示す平面図である。

【図１８】同上実施形態においてＶ溝の配置状態が異な
る場合を示す斜視図である。

【図１９】本発明の第７の実施形態を示す斜視図であ
る。

【図２０】同上実施形態の変形例を示す斜視図である。

【図２１】本発明の着座機構の第８の実施形態を示す斜
視図である。

【図２２】同上実施形態の断面図である。

【図２３】同上実施形態の要部斜視図である。

【図２４】本発明の第９の実施形態を示す斜視図であ
る。

【図２５】同上実施形態の断面図である。

【図２６】本発明の第１０の実施形態の要部を示す斜視
図である。

【図２７】同上実施形態の固定部材を示す上面図であ
る。

【図２８】同上実施形態の実験結果を示す図である。

【図２９】本発明の第１１の実施形態を示す斜視図であ
る。

【符号の説明】

７，６３,300 付勢力発生用ばね（付勢力発生手
段） 11,61,71,91,200 固定部材 13₁〜13₆,13,202 硬球 14₁〜14₃ 収納孔 15₁〜15₄,15,400 圧電素子（変位発生機構）２,21,62,72,81,100 可動部材２２スタイラス２３接触子２４₁〜２４₃ Ｖ溝４１₁〜４１₃ 収納孔４２，４４貫通孔４７励磁コイル（変位発生機構）７１₁〜７１₆ テーパ面 71A,71B,71C テーパ面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平２−69613（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−263406（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−92301（ＪＰ，Ａ) 特開平８−201009（ＪＰ，Ａ) 特開平８−178608（ＪＰ，Ａ) 実開平１−58109（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 21/00 G01B 5/20 G01B 7/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ハウジングに取り付けられた固定部材と、
可動部材と、前記固定部材と前記可動部材とが互いに離
隔した３箇所のそれぞれにおいて一対の接触点で接触
し、これにより前記固定部材と前記可動部材との相対位
置を一義的に定める機能を有する着座機構と、前記可動
部材に設けられ先端に被測定物と接触する接触子を有す
るスタイラスと、前記接触子に外部から力が加えられた
とき前記固定部材に対する前記可動部材の変位を許容
し、かつ、前記接触子に加えられる力がなくなったとき
前記可動部材を静止位置に復帰させるための付勢力発生
手段と、を有するタッチ信号プローブにおいて、前記接触子へ加えられる力がなくなった後、前記着座機
構における前記固定部材と前記可動部材の接触状態を保
ちつつ、各接触点において前記固定部材と前記可動部材
とを、その作動時には常に一定の方向へ所定の手順で相
対変位させる変位発生機構を、前記可動部材および前記
固定部材の少なくとも一方に設ける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に記載のタッチ信号プローブにお
いて、前記固定部材と前記可動部材との各一対の接触点
における相対移動が特定の許容方向に許容され、前記変
位発生機構による相対変位方向が前記許容方向と略一致
するように構成し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２に記載のタッチ信号プローブにお
いて、前記着座機構の各一対の接触点における各許容方
向が前記スタイラスの軸を中心とする放射方向と略一致
するように構成し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から３のいずれかに記載のタッチ
信号プローブにおいて、前記固定部材または前記可動部
材の前記各一対の接触点と前記スタイラスの軸との間に
３個の収納孔が設けられ、これらの収納孔にそれぞれ収
納され、かつ、略前記放射方向に伸縮する３個の駆動素
子を備えて前記変位発生機構が構成されたことを特徴と
するタッチ信号プローブ。
【請求項５】請求項１から３のいずれかに記載のタッチ
信号プローブにおいて、前記固定部材または前記可動部
材の３組一対の前記接触点により囲まれる範囲より内側
に貫通孔が設けられ、この貫通孔内に収納される中空輪
状の駆動素子を備えて前記変位発生機構が構成されたこ
とを特徴とするタッチ信号プローブ。
【請求項６】請求項４または５に記載のタッチ信号プロ
ーブにおいて、前記駆動素子は、圧電素子または磁歪素
子であることを特徴とするタッチ信号プローブ。
【請求項７】請求項２から６のいずれかに記載のタッチ
信号プローブにおいて、前記着座機構の各一対の接触点
における各許容方向が前記スタイラスの軸を中心とする
放射方向と略直交する方向であることを特徴とするタッ
チ信号プローブ。
【請求項８】請求項１から７のいずれかに記載のタッチ
信号プローブにおいて、前記付勢力発生機構は、前記固
定部材と前記可動部材との接触点に弾性体の弾性力によ
り押圧力を付与するように構成されたことを特徴とする
タッチ信号プローブ。
【請求項９】請求項８に記載のタッチ信号プローブにお
いて、前記付勢力発生機構は、前記固定部材と前記可動
部材との間に配置され前記固定部材と前記可動部材とを
互いに近接する方向に引張する引張ばねを備えて構成さ
れたことを特徴とするタッチ信号プローブ。
【請求項１０】ハウジングに取り付けられた固定部材
と、可動部材と、前記固定部材と前記可動部材の相対位
置を一義的に定めることのできる互いに離隔した６箇所
の接触点において前記固定部材と前記可動部材とを接触
させる着座機構と、前記可動部材に設けられ先端に被測
定物と接触する接触子を有するスタイラスと、前記接触
子に外部から力が加えられたとき前記固定部材に対する
前記可動部材の変位を許容し、かつ、前記接触子に加え
られる力がなくなったとき前記可動部材を静止位置に復
帰させるための付勢力発生手段と、を有するタッチ信号
プローブにおいて、前記接触子へ加えられる力がなくなった後、前記着座機
構における前記固定部材と前記可動部材の６箇所の接触
点における接触状態を保ちつつ、各接触点において前記
固定部材と前記可動部材とを、その作動時には常に一定
の方向へ所定の手順で相対変位させる変位発生機構を、
前記可動部材および前記固定部材の少なくとも一方に設
けることを特徴とするタッチ信号プローブ。
【請求項１１】請求項１０に記載のタッチ信号プローブ
において、前記固定部材と前記可動部材との各接触点に
おける相対移動が特定の許容方向に許容され、前記変位
発生機構による相対変位方向が前記許容方向と略一致す
るように構成したことを特徴とするタッチ信号プロー
ブ。
【請求項１２】請求項１１に記載のタッチ信号プローブ
において、前記着座機構の各接触点における各許容方向
が前記スタイラスの軸を中心とする放射方向と略一致す
るように構成したことを特徴とするタッチ信号プロー
ブ。
【請求項１３】請求項９から１２のいずれかに記載のタ
ッチ信号プローブにおいて、前記固定部材または前記可
動部材の前記各接触点と前記スタイラスの軸との間に複
数の収納孔が設けられ、これらの収納孔にそれぞれ収納
され、かつ、略前記放射方向に伸縮する複数個の駆動素
子を備えて前記変位発生機構が構成されたことを特徴と
するタッチ信号プローブ。
【請求項１４】請求項９から１２のいずれかに記載のタ
ッチ信号プローブにおいて、前記固定部材または前記可
動部材の６個の接触点により囲まれる範囲より内側に貫
通孔が設けられ、この貫通孔内に収納される中空輪状の
駆動素子を備えて前記変位発生機構が構成されたことを
特徴とするタッチ信号プローブ。