JP3628938B2 - タッチ信号プローブ - Google Patents
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Description
【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等が知られているが、その場合の座標検出や位置検出を行うために、測定機には、スタイラスの先端部分に接触球を備え、この接触球が被測定物と接触したことを検出するタッチ信号プローブが用いられる。
このタッチ信号プローブの従来例が特開平１０−２８８５０２号に示されている。
【０００３】
この従来例は、図１１（Ａ）に示される通り、スタイラス１０１に４個の圧電素子１２１〜１２４を取り付けた構造であり、スタイラス１０１は、接触球１０１Ａが先端部に取り付けられたロッド１０１Ｂと、このロッド１０１Ｂの基端部に一体形成された検出素子支持部１０１Ｃとを備えている。この検出素子支持部１０１Ｃは、その両端側に断面正方形のフランジ部１０１Ｄがそれぞれ形成され、これらのフランジ部１０１Ｄの各側面に圧電素子１２１〜１２４が固着されている。これらの圧電素子１２１〜１２４は、図１１（Ｂ）に示される通り、その長手方向がスタイラス軸と平行な平面矩形状とされている。
この従来例では、接触球１０１Ａが被測定物と接触すると、接触時の衝撃力が圧電素子１２１〜１２４で検出される。これらの圧電素子１２１〜１２４から出力される信号の和、差及び自乗和に基づいて接触検知信号が発生し、これらの信号を処理することで、方向依存性をなくして精度の高い測定が行える。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来例では、圧電素子１２１〜１２４は、その長手方向がスタイラス軸と平行に配置されているため、ロッド１０１Ｂを曲げる方向Ｐの接触による外力の作用に対しては、当該長手方向に沿って伸縮する力が生じて感度が極めて良好となるが、ロッド１０１Ｂの作用する外力の方向によっては、必ずしも感度が十分ではない。
実際のプローブには、図１２で示される通り、ロッド１０１Ｂに径方向に延びて複数の接触球１０１Ａ１〜１０１Ａ４が設けられる場合がある。図１２で示されるプローブでは、実際の測定動作において、接触球１０１Ａ１〜１０１Ａ４のいずれかに外力が作用し、スタイラス本体１０１Ｂに矢印Ｑで示す捻り方向の測定力が付与された場合には、圧電素子１２１〜１２４の長手方向に沿って伸縮する力が働かない。そのため、圧電素子１２１〜１２４の感度が低くなり、状態量の変化を十分に検出できない。
【０００５】
そのため、従来例では、被測定物と接触しているのにもかかわらず、タッチ信号が発生しないという不都合が生じる。
一般的に、タッチ信号プローブを装着した三次元測定機は、タッチ信号をもとに測定動作を停止し回避動作を行う。そのため、図１２で示されるプローブにおいて、捻り方向Ｑの測定力が発生するような場合には、測定動作を停止することができず、被測定物、三次元測定機双方を破損させる虞れがある。
【０００６】
本発明の目的は、スタイラスの曲げ方向だけでなく捻り方向の測定力に対しても高感度の検出が行えるタッチ信号プローブを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そのため、本発明は、スタイラスの曲げ方向と捻り方向との双方の測定力に対して検出を行うため、変位検出素子をスタイラスの軸に対して所定の角度傾斜した状態で取り付けることで前記目的を達成しようとするものである。
具体的には、本発明にかかるタッチ信号プローブは、先端に被測定物と接触する接触球を有するスタイラスに、前記接触球が被測定物に接触したことを検出する変位検出素子を配置したタッチ信号プローブにおいて、前記スタイラスは、前記変位検出素子を支持固定するための検出素子支持部とこの検出素子支持部に設けられたロッドとを有し、この検出素子支持部は前記ロッドの軸と直交する断面がそれぞれ正多角形をなす複数のフランジ部を有し、これらのフランジ部の側面にそれぞれ前記変位検出素子を前記ロッドの軸に対して所定の角度α（０°＜α＜９０°）傾斜した状態で取り付け、これらの変位検出素子から出力される信号の和、差及び自乗和を演算することによって前記スタイラスの軸に作用する曲げ歪成分に対応する信号と、前記スタイラスの軸方向に作用する縦歪成分に対応する信号とをそれぞれ生成し、前記曲げ歪成分に対応する信号から第１の接触信号を生成し、前記縦歪成分に対応する信号から第２の接触信号を生成し、前記第１の接触信号と、前記第２の接触信号を遅延させた信号との論理和に基づいて接触検知信号を発生することを特徴とする。
【０００８】
本発明では、複数のフランジ部の側面に変位検出素子がそれぞれロッドの軸に対して所定の角度傾斜した状態で取り付けられた構造なので、接触球を介してロッドに捻り方向の測定力が生じると、この測定力が変位検出素子の略長手方向に沿って伝達される。
そのため、変位検出素子は、確実に伸縮されることで感度が高くなり、状態量の変化を十分に検出することができる。
【０００９】
これに対して、接触球を介してロッドに曲げ方向の測定力が生じると、この測定力が変位検出素子の略長手方向に沿って伝達される。
そのため、変位検出素子は、確実に伸縮されることで感度が高くなり、状態量の変化を十分に検出することができる。
つまり、いずれの方向から被測定物に接触球が接触しても、変位検出素子の感度が高いため、タッチ信号が確実に発生する。さらに、多角形体の側面に変位検出素子を取り付けるものであるから、タッチ信号プローブの構造を簡易なものにできる。
【００１０】
ここで、本発明では、前記フランジ部の前記ロッドの軸と直交する断面を正方形とするとともに、前記フランジ部の各側面に合計４個の前記変位検出素子を互いに９０度間隔離して取り付けた構成が好ましい。
この構成では、スタイラス軸を中心として互いに９０度間隔に配置された４個の変位検出素子から出力される信号に基づいて接触検知信号が発生されるため、精度のよい測定が行える。しかも、フランジ部の断面を正方形としたので、タッチ信号プローブの構造を簡易なものとすることができる。
【００１１】
また、前記変位検出素子のうち互いに対向する変位検出素子が略鏡面対称となるように前記検出素子支持部に装着されている構成としてもよい。
この構成では、捻り方向の測定力がスタイラスに生じた場合には、フランジ部を挟んで互いに対向配置された一対２個の変位検出素子に正負の異なる出力信号がそれぞれ発生するから、これらの信号の差を２対の変位検出素子毎にとり、これらの差の信号を自乗和することにより、大きな検出信号を得ることができ、測定精度を向上させることができる。
【００１２】
さらに、前記変位検出素子のうち互いに対向する変位検出素子が前記スタイラスの軸対称となるように前記検出素子支持部に装着されている構成としてもよい。
この構成では、捻り方向の測定力がスタイラスに生じた場合には、４個の変位検出素子の全てに同じ正又は負の出力信号が発生するから、これらの信号を加算することで簡単に接触信号を得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１には本発明の第１実施形態にかかるタッチ信号プローブの全体構成が示されている。
図１において、第１実施形態のタッチ信号プローブは、スタイラス１に４個の変位検出素子としての圧電素子２１〜２４を取り付けた構造であり、スタイラス１は、被測定物と接触する接触球１Ａと、この接触球１Ａが先端部に取り付けられた円柱状の取付部１Ｂと、この取付部１Ｂの基端部にブロック体１Ｃを介して先端部が取り付けられた断面略円形のロッド１Ｄと、このロッド１Ｄの他端部に一体形成された検出素子支持部１Ｅとを備えた構造である。
【００１４】
これらのブロック体１Ｃ、ロッド１Ｄ及び検出素子支持部１Ｅはスタイラス軸上に配置されている。
ロッド１Ｄはブロック体側が円柱状であり検出素子支持部側が円錐状に形成されている。
取付部１Ｂとロッド１Ｄとはブロック体１Ｃを中心として直角に形成されている。なお、本実施形態では、先端に接触球１Ａが設けられた取付部１Ｂをロッド１Ｄの径方向及び軸方向に延びてブロック体１Ｃに複数取り付ける構造としてもよい（図１２参照）。
【００１５】
検出素子支持部１Ｅは、ロッド１Ｄの軸と直交する断面がそれぞれ正方形をなす２個のフランジ部１Ｆと、これらのフランジ部１Ｆを連結する略円柱状の連結部１Ｇとから構成されている。
これらのフランジ部１Ｆの矩形状側面にそれぞれ圧電素子２１〜２４がロッド１Ｄの軸に対して所定角度α（０°＜α＜９０°）傾斜した状態で取り付けられている。圧電素子２１〜２４は、それぞれ平面が略平行四辺形状に形成されており、その長手方向に沿った両端部が互いに対向するフランジ部１Ｆの側面に接着剤等でそれぞれ固着されている。
【００１６】
このうち、圧電素子２１と圧電素子２４はともに同じ形状であり、圧電素子２２と圧電素子２３はともに同じ形状であり、圧電素子２１，２４と圧電素子２２，２３とは左右対称である点を除いて同じ形状である。
圧電素子２１〜２４は、その全面が電極を形成するものであって、互いに対向する圧電素子２１，２３は略鏡面対称となるように検出素子支持部１Ｅに装着されており、同様に、互いに対向する圧電素子２２，２４は略鏡面対称となるように検出素子支持部１Ｅに装着されている。
【００１７】
ここで、接触球１Ａに被測定物が接触してロッド１Ｄに曲げ方向Ｐの力が作用する場合を考えると、この力は各圧電素子２１〜２４の略長手方向に沿った方向Ｓ１に伝達される。そのため、接触球１Ａが被測定物と接触後、スタイラス１の固有振動数等によって定まる時点で所定の圧電素子、例えば、圧電素子２１の出力は極大値となり、この極大値の大きさは圧電素子２１の取付方位とスタイラス１が被測定物と接触する方位とのなす角度、つまり、圧電素子２１のスタイラス１の軸周りの角度θによって異なり、３６０度の周期で正弦波状に変化する。
出力極大値が最大値となるのは、圧電素子２１が曲げ変形を受けやすい角度（θ＝０）で被測定物とスタイラス１が接触する場合である（特開平１０−２８８５０２号参照）。
【００１８】
図２は４個の圧電素子２１〜２４からの出力により接触信号を生成するためのブロック図であり、図３は、その回路図である。
図２及び図３において、各圧電素子２１〜２４から出力される信号は、増幅回路３１〜３４で増幅されてＶ１〜Ｖ４とされた後、互いに表裏の関係にある圧電素子２１，２３から出力される信号Ｖ１，Ｖ３は、その差Ｖ１３が差動増幅回路４１で演算され、互いに表裏の関係にある圧電素子２２，２４から出力される信号Ｖ２，Ｖ４は、その差Ｖ２４が差動増幅回路４２で演算される。これらの差動増幅回路４１，４２で第１の接触信号が生成される。
【００１９】
さらに、圧電素子２１〜２４から出力されて増幅回路３１〜３４で増幅された信号Ｖ１〜Ｖ４は、これらの和Ｖ１２３４が加算回路５で演算され、この加算回路５で第２の接触信号が生成される。
ここで、圧電素子２１，２３（２２，２４）の出力信号の差Ｖ１３（Ｖ２４）を演算するのは、スタイラス軸を中心として１８０度取付角度の異なる圧電素子２１，２３（２２，２４）からの出力信号の位相が１８０度異なり、この演算によりスタイラス軸に作用する曲げ歪成分を抽出するためである。
【００２０】
また、４個の圧電素子２１〜２４の和Ｖ１２３４を演算するのは、スタイラス軸に作用する曲げ歪成分を除去してスタイラス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、本実施形態では、縦歪成分を抽出するにあたり、４個全ての圧電素子２１〜２４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、互いに表裏関係にある２個の圧電素子２１，２３又は圧電素子２２，２４から出力信号の和を演算するものでもよい。
【００２１】
差動増幅回路４１，４２で生成された第１の接触信号と、加算回路５で生成された第２の接触信号とから接触信号検知回路６で検知信号が生成される。
接触信号検出回路６では、第１の接触信号である出力信号の差（Ｖ１３，Ｖ２４）は、自乗回路７１，７２でそれぞれ自乗された後、加算回路８で加算されて１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２１，２３（２２，２４）からの出力の最大値を角度θによらず一定にするためである。
即ち、圧電素子２１，２３の差動出力の極大値を
【００２２】
【数１】
【００２３】
圧電素子２２，２４の差動出力の極大値を
【００２４】
【数２】
【００２５】
と、それぞれ表すと、
【００２６】
【数３】
【００２７】
であるから、角度によらず、所定時間における出力の極大値は（Ｖｍａｘ）２となる。
以上の説明はスタイラス１がスタイラス軸と直交する方向から接触球１Ａに被測定物が接触した場合であり、スタイラス軸と角度βの角度で接する場合の出力の極大値は｛Ｖｍａｘ×ＣＯＳβ｝２となる。ここで、角度βとは、スタイラス軸（ロッド１Ｄの軸）と直交する方向と接触球１Ａとが被測定物に接触する方向とがなす角度である。
第１の接触信号Ｖ１３（Ｖ２４）はスタイラス軸に表裏に貼られた圧電素子２１，２３（２２，２４）の差動信号であるから、Ｖｍａｘ×ＣＯＳβは検出素子支持部１Ｅの曲げ歪成分を表す信号といえる。
【００２８】
図３において、加算回路５で演算された和の信号Ｖ１２３４は、Ｋを増幅率とすると、次の式で求められる。
【００２９】
【数４】
【００３０】
Ｖ１２３４は、曲げ歪成分を除いた縦歪成分を表す信号であり、βが９０度、即ち、スタイラス軸の方向から被測定物に接触球１Ａが接触した場合に最大値ＶＭとなり、スタイラス軸とβの角度で接する場合の出力の極大値は、
【００３１】
【数５】
【００３２】
となる。
ただし、｛Ｖｍａｘ×ＣＯＳβ｝２の極大値を形成する時間とＶ１２３４が極大値を形成する時間は一般的に異なっている。つまり、曲げ剛性より縦方向の剛性が一般的に高いので、Ｖ１２３４の方が時間的に早い。
従って、ＶＭ＝Ｖｍａｘとなるようにゲイン調整した後、遅延回路９でＶ１２３４信号に適当な時間遅れをもたせ、さらに、しかる後、自乗回路７３で自乗する。
自乗回路７３で自乗した（Ｖ１２３４）２信号と、｛Ｖｍａｘ×ＣＯＳβ｝２信号とを加算回路１０で加算すると、
【００３３】
【数６】
【００３４】
となり、接触角度βによらず、一定の信号となる。
つまり、時間的に早く極大値を形成する縦歪に相当する信号を所定の時間だけ遅らせることにより、曲げ歪に相当する信号と同じタイミングで極大値を形成するようにして測定球１Ａのどこと接触しても同じ出力が発生できるようにした。その後、比較回路１１で所定の基準値と比較し、この基準値を越えた場合に接触信号が発生する。
なお、本実施形態では、（Ｖ１２３４）信号を自乗した後に適当な時間遅れをかける手法に限定されるものではなく、遅延させた後に自乗する等、本実施形態の趣旨に従って変更してもよい。
さらに、（Ｖ１２３４）信号に適当な時間遅れをかけた後に
【００３５】
【数７】
【００３６】
の演算をしてもよい。この場合でも前述と同じ結果を得ることができる。
【００３７】
ここで、図４に示される通り、接触球１Ａに被測定物が接触してロッド１Ｄに捻り方向Ｑの力が作用する場合を考えると、この力Ｑによって２個のフランジ部１Ｆは互いに反対方向に力Ｑ２が働き、これにより、各圧電素子２１〜２４の略長手方向に沿った方向Ｓ２に力が伝達される。本実施形態では、互いに対向する圧電素子２１，２３は、検出素子支持部１Ｅを挟んで互いに鏡面対称とされているため、図４（Ａ）に示される通り、圧電素子２１にはＳ２方向に沿って外向き（伸びる方向）の剪断力が働き、図４（Ｂ）に示される通り、圧電素子２３にはＳ２方向に沿って内向き（縮む方向）の剪断力が働く。捻り方向がＱと逆になる場合には圧電素子２１，２３に働く剪断力の方向がぞれぞれ逆となる。
つまり、圧電素子２１から出力される振幅信号Ｖ１に対して圧電素子２３から出力される振幅信号Ｖ３は反転された状態となる。同様に、圧電素子２２から出力される振幅信号Ｖ２に対して圧電素子２４から出力される振幅信号Ｖ４は反転された状態となる。
【００３８】
各圧電素子２１〜２４で出力された信号は、図３の制御回路によって処理されて接触信号が生成される。
つまり、各圧電素子２１〜２４は、増幅回路３１〜３４で増幅されてＶ１〜Ｖ４とされた後、互いに表裏の関係にある圧電素子２１，２３から出力される信号Ｖ１，Ｖ３は、その差Ｖ１３が差動増幅回路４１で演算され、互いに表裏の関係にある圧電素子２２，２４から出力される信号Ｖ２，Ｖ４は、その差Ｖ２４が差動増幅回路４２で演算される。これらの差動増幅回路４１，４２で演算された差Ｖ１３（Ｖ１−Ｖ３）は自乗回路７１で自乗演算され、差Ｖ２４（Ｖ２−Ｖ４）は自乗回路７２で自乗演算され、これらの自乗演算された値は、加算回路８で加算されて１つの信号となる（図５のグラフ参照）。
【００３９】
この信号は、比較回路１１で所定の基準値と比較され、この基準値を越えた場合に接触信号が発生する。なお、増幅回路３１〜３４で増幅された信号Ｖ１〜Ｖ４は加算回路５に送られるが、本実施形態では、互いに表裏の関係にある圧電素子２１（２２），２３（２４）から出力される信号Ｖ１（Ｖ２），Ｖ３（Ｖ４）は互いに反転された状態にあるため、これらの信号を単純に加算すると０又は極めて小さな値となり、加算回路５から自乗回路７３及び加算回路１０に送られる信号を無視することができる。
【００４０】
従って、（１）第１実施形態では、接触球１Ａが被測定物に接触したことを検出するスタイラス１に変位検出素子（圧電素子２１〜２４）を配置したタッチ信号プローブにおいて、スタイラス１は、変位検出素子を支持固定するための検出素子支持部１Ｅと、この検出素子支持部１Ｅに設けられたロッド１Ｄとを有し、この検出素子支持部１Ｅはロッド１Ｄの軸と直交する断面がそれぞれ正多角形をなす複数のフランジ部１Ｆを有し、これらのフランジ部１Ｆの側面にそれぞれ変位検出素子をロッド１Ｄの軸に対して所定角度α傾斜した状態で取り付け、これらの変位検出素子から出力される信号に基づいて接触検知信号を発生する構成としたから、接触球１Ａを介してロッド１Ｄに捻り方向Ｑの測定力が生じると、この測定力が変位検出素子の略長手方向に沿って伝達されるため、変位検出素子が確実に伸縮されることで状態量の変化を十分に検出することができる。これに対して、接触球１Ａを介してロッド１Ｄに曲げ方向Ｐの測定力が生じると、この測定力が変位検出素子の略長手方向に沿って伝達されるため、変位検出素子が確実に伸縮されることで状態量の変化を十分に検出することができる。
【００４１】
（２）変位検出素子として圧電素子２１〜２４を用いたから、スタイラス１の接触球１Ａが被測定物に接触した際の衝撃力を確実に検出することができるため、精度の高い測定が行える。
（３）フランジ部１Ｆのロッド１Ｄの軸と直交する断面を正方形とするとともに、フランジ部１Ｆの各側面に合計４個の圧電素子２１〜２４を９０度間隔で取り付けたから、スタイラス軸を中心として互いに９０度間隔に配置された４個の圧電素子２１〜２４から出力される信号に基づいて接触検知信号が発生されるため、精度のよい測定が行える。しかも、フランジ部１Ｆの断面が正方形であるため、タッチ信号プローブの構造を簡易なものとすることができる。
【００４２】
（４）曲げ方向Ｐの測定力がスタイラス１に生じた場合には、表裏に位置する２組の圧電素子２１，２３（２２，２４）から出力される２つの差動信号Ｖ１３，Ｖ２４より第１の接触信号を生成するとともに、４個の圧電素子２１〜２４から出力される和の信号Ｖ１２３４あるいは表裏に位置する２個の変位検出素子２１，２３（２２，２４）から出力される和の信号より第２の接触信号を生成し、第２の接触信号を所定の時間だけ遅延させた後、第１の接触信号との論理和により接触検知信号を発生する構成としたから、第１の接触信号と第２の接触信号とから論理和により接触検知信号を生成するにあたり、時間的に早く極大値を形成する縦歪に相当する第２の検知信号を所定の時間だけ遅らせることにより、接触球のどこと接触しても同じ出力が発生するから、この点からも測定の高精度化を図ることができる。
【００４３】
（５）ロッド１Ｄの曲げ方向に測定力が生じた場合に接触検知信号を生成する回路構成、つまり、互いに表裏の関係にある圧電素子２１，２３（２２，２４）から出力される信号の差を演算する差動増幅回路４１，４２と、全ての圧電素子２１〜２４から出力される信号の和を演算する加算回路５と、差動増幅回路４１，４２で生成された接触信号と加算回路５で生成された接触信号とから検知信号を生成する接触信号検知回路６とを備えた回路構成によって、ロッド１Ｄに捻り方向の測定力が生じた場合の接触検知信号を生成するので、回路構造を共通化してタッチ信号プローブの構造を簡易なものとすることができる。
（６）圧電素子２１〜２４のうち互いに対向する圧電素子２１，２３（２２，２４）が略鏡面対称となるように検出素子支持部１Ｅに装着されているため、捻り方向Ｑの測定力がスタイラスに生じた場合には、フランジ部１Ｆを挟んで互いに対向配置された一対２個の圧電素子２１，２３（２２，２４）に正負の異なる出力信号がそれぞれ発生するから、これらの信号の差を２対の圧電素子２１，２３（２２，２４）毎にとり、これらの差の信号を自乗和することにより、大きな検出信号を得ることができ、測定精度を向上させることができる。
【００４４】
次に、本発明の第２実施形態を図６に基づいて説明する。
第２実施形態は圧電素子の構成が第１実施形態と異なるもので、他の構成は第１実施形態と同じである。そのため、第２実施形態の説明においては、第１実施形態と同一構成部分は同一符号を付して説明を省略若しくは簡略する。
図６において、第２実施形態は、変位検出素子が圧電素子２１，２２０，２３０，２４から構成され、このうち互いに対向する一対の圧電素子２１，２３０がスタイラスの軸対称となるように検出素子支持部１Ｅに装着され、残り一対の圧電素子２２０，２４もスタイラスの軸対称となるように検出素子支持部１Ｅに装着されている。これらの圧電素子２１，２２０，２３０，２４は、同一形状とされている。
【００４５】
第２実施形態では、第１実施形態と同様に、圧電素子２１，２２０，２３０，２４からの出力により接触信号を生成するための構造は図２及び図３で示される構造である。
第２実施形態において、接触球１Ａに被測定物が接触してロッド１Ｄに曲げ方向Ｐの測定力が作用する場合に接触信号が生成される手順は第１実施形態の場合と同じである。
【００４６】
接触球１Ａに被測定物が接触してロッド１Ｄに捻り方向Ｑの力が作用する場合では、この力Ｑによって各圧電素子２１、２２０，２３０，２４の略長手方向に沿った方向Ｓ２に力が伝達される。
全ての圧電素子２１，２２０，２３０，２４にはＳ２方向に沿って同じ方向の剪断力が働き、これらの圧電素子２１，２２０，２３０，２４から同じ検出信号が出力される。
【００４７】
これらの検出信号は、増幅回路３１〜３４で増幅されてＶ１〜Ｖ４とされた後、これらの和Ｖ１２３４が加算回路５で演算される。
加算回路５で演算された和の信号は、遅延回路９で適当な時間遅れをもたされた後、自乗回路７３で自乗される。自乗回路７３から出力された信号は比較回路１１で所定の基準値と比較され、この基準値を越えた場合に接触信号が発生される。なお、増幅回路３１〜３４で増幅された信号Ｖ１〜Ｖ４は差動増幅回路４１，４２に送られるが、これらの信号Ｖ１〜Ｖ４は同じ値の検出信号であるため、差動増幅回路４１，４２において、０又は極めて小さな値となり、加算回路８，１０に送られる信号を無視することができる。なお、圧電素子２１，２２０，２３０，２４から負の信号が出力されることもあるが、この場合には、適宜な手段により、信号の絶対値をとるようにする。
【００４８】
従って、第２実施形態では、第１実施形態の（１）（２）（３）（４）（５）と同様の作用効果を奏することができる他に、（７）圧電素子２１，２２０，２３０，２４のうち互いに対向する圧電素子２１，２３０（２２０，２４）がスタイラスの軸対称となるように検出素子支持部１Ｅに装着したから、捻り方向Ｑの測定力がスタイラス１に生じた場合には、４個の圧電素子２１，２２０，２３０，２４ の全てに同じ正又は負の出力信号が発生するので、これらの信号を加算することで簡単に接触信号を得ることができる。
【００４９】
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、前記各実施形態では、圧電素子２１〜２４，２２０，２３０自体をロッド１Ｄの軸に対して所定角度α傾斜した状態で取り付けた構造としたが、本発明では、変位検出素子を構成する電極２０Ａがロッド１Ｄの軸に対して所定角度α傾斜して形成されていれば、図７に示される通り、平面矩形状の圧電素子２１１、２２１，２３，２４１自体を、その長手方向がロッド１Ｄの軸と平行となるように配置してもよい。
【００５０】
また、前記各実施形態では、圧電素子２１〜２４，２２０，２３０を平面平行四辺形としたが、本発明では、ロッド１Ｄの軸に対して所定角度α傾斜して形成されていれば、図８に示される通り、圧電素子２１２，２２２，２３２，２４２を長方形状に形成してもよい。
さらに、前記各実施形態では、変位検出素子を圧電素子２１〜２４，２２０，２３０としたが、本発明では、スタイラス１の曲げ方向及び捻り方向の変位を検出できるものであれば、図９に示される通り、圧電素子に代えて歪みゲージ２１３，２２３，２３３，２４３を用いてもよい。
要するに、本発明では、変位検出素子の種類、大きさ、形状、取付角度α、縦横比等は、スタイラス１の形状、その他の条件に従って設定される。
【００５１】
さらに、本発明では、図１０に示される通り、加算回路８から出力された信号｛Ｖｍａｘ×ＣＯＳβ｝２を比較回路１２で基準値と比較し、その基準値を越えた場合にＯＲ回路１３を経由して接触信号を発生し、他方、加算回路５で演算された和の信号Ｖ１２３４を比較回路１４で基準値と比較し、この信号が基準値を越えた場合に、遅延回路１５で所定時間遅らせてＯＲ回路１３を経由して接触信号を発生する構成でもよい。
さらに、図３及び図１０では、接触信号生成回路をアナログ回路から構成したが、この接触信号生成回路をデジタル回路から構成してもよい。
【００５２】
さらに、前記各実施形態では、圧電素子２１〜２４、２２０，２３０を４個設置する場合について説明したが、本発明では、検出素子支持部１Ｅの互いに隣り合う２側面に２個の圧電素子を固着する構造でもよい。
また、本発明では、検出素子支持部１Ｅの断面を正三角形とするとともに、その各側面に合計３個の圧電素子を取り付けた構造でもよく、さらには、検出素子支持部１Ｅの断面を正五角形、正六角形等に形成するものでもよい。
さらに、フランジ部１Ｆの数を２個としたが、本発明では、３個以上の複数個としてもよい。
【００５３】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、先端に被測定物と接触する接触球を有するスタイラスに、前記接触球が被測定物に接触したことを検出する変位検出素子を配置したタッチ信号プローブにおいて、前記スタイラスは、前記変位検出素子を支持固定するための検出素子支持部とこの検出素子支持部に設けられたロッドとを有し、この検出素子支持部は前記ロッドの軸と直交する断面がそれぞれ正多角形をなす複数のフランジ部を有し、これらのフランジ部の側面にそれぞれ前記変位検出素子を前記ロッドの軸に対して所定角度傾斜した状態で取り付け、これらの変位検出素子から出力される信号に基づいて接触検知信号を発生する構成としたので、接触球を介してロッドに捻り方向の測定力が生じると、この測定力が変位検出素子の略長手方向に沿って伝達されて変位検出素子の感度が高くなる。これに対して、接触球を介してロッドに曲げ方向の測定力が生じると、この測定力が変位検出素子の略長手方向に沿って伝達されるため、変位検出素子の感度が高くなる。
さらに、互いに表裏の関係にある変位検出素子から出力される信号の差を演算する差動増幅回路と、全ての変位検出素子から出力される信号の和を演算する加算回路と、差動回路で生成された接触信号と加算回路で生成された接触信号とから検知信号を生成する接触信号検知回路とを備えた回路構成によって、ロッドに曲げ方向の測定力が生じた場合と捻り方向の測定力が生じた場合との双方で接触検知信号が生成できるので、回路構造を共通化してタッチ信号プローブの構造を簡易なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るタッチ信号プローブを示すもので、変位検出素子としての圧電素子が取り付けられる前の状態を示す斜視図である。
【図２】変位検出素子（圧電素子）から出力された信号から接触信号を生成する構成を示すブロック図である。
【図３】変位検出素子（圧電素子）から出力された信号から接触信号を生成する構成を示す回路図である。
【図４】互いに対向配置された変位検出素子の取付状態を示す概略図とこれらの変位検出素子から出力される出力信号の波形を示すグラフである。
【図５】４個の変位検出素子（圧電素子）の取付状態を示す模式図と、これらの変位検出素子から出力される出力信号の波形を示すグラフ並びにこれらの波形を合成した波形を示すグラフである。
【図６】本発明の第２実施形態に係るタッチ信号プローブを示すもので、変位検出素子としての圧電素子が取り付けられる前の状態を示す斜視図である。
【図７】本発明の変形例を示す斜視図である。
【図８】本発明の異なる変形例を示す斜視図である。
【図９】本発明のさらに異なる変形例を示す斜視図である。
【図１０】本発明のさらに異なる変形例を示すもので、変位検出素子から出力された信号から接触信号を生成する構成を示す回路図である。
【図１１】従来例を示すもので、（Ａ）は変位検出素子が取り付けられる前の状態を示す斜視図であり、（Ｂ）は変位検出素子が取り付けられた後の状態を示す斜視図である。
【図１２】従来例の不具合を説明するための斜視図である。
【符号の説明】
１ スタイラス
１Ａ 接触球
１Ｄ ロッド
１Ｅ 検出素子支持部
１Ｆ フランジ部
２１〜２４，２２０，２３０，２１１，２２１，２３１，２４１ 変位検出素子（圧電素子）
２１３，２２３，２３３，２４３ 変位検出素子（歪みゲージ）
【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等が知られているが、その場合の座標検出や位置検出を行うために、測定機には、スタイラスの先端部分に接触球を備え、この接触球が被測定物と接触したことを検出するタッチ信号プローブが用いられる。
このタッチ信号プローブの従来例が特開平１０−２８８５０２号に示されている。
【０００３】
この従来例は、図１１（Ａ）に示される通り、スタイラス１０１に４個の圧電素子１２１〜１２４を取り付けた構造であり、スタイラス１０１は、接触球１０１Ａが先端部に取り付けられたロッド１０１Ｂと、このロッド１０１Ｂの基端部に一体形成された検出素子支持部１０１Ｃとを備えている。この検出素子支持部１０１Ｃは、その両端側に断面正方形のフランジ部１０１Ｄがそれぞれ形成され、これらのフランジ部１０１Ｄの各側面に圧電素子１２１〜１２４が固着されている。これらの圧電素子１２１〜１２４は、図１１（Ｂ）に示される通り、その長手方向がスタイラス軸と平行な平面矩形状とされている。
この従来例では、接触球１０１Ａが被測定物と接触すると、接触時の衝撃力が圧電素子１２１〜１２４で検出される。これらの圧電素子１２１〜１２４から出力される信号の和、差及び自乗和に基づいて接触検知信号が発生し、これらの信号を処理することで、方向依存性をなくして精度の高い測定が行える。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来例では、圧電素子１２１〜１２４は、その長手方向がスタイラス軸と平行に配置されているため、ロッド１０１Ｂを曲げる方向Ｐの接触による外力の作用に対しては、当該長手方向に沿って伸縮する力が生じて感度が極めて良好となるが、ロッド１０１Ｂの作用する外力の方向によっては、必ずしも感度が十分ではない。
実際のプローブには、図１２で示される通り、ロッド１０１Ｂに径方向に延びて複数の接触球１０１Ａ１〜１０１Ａ４が設けられる場合がある。図１２で示されるプローブでは、実際の測定動作において、接触球１０１Ａ１〜１０１Ａ４のいずれかに外力が作用し、スタイラス本体１０１Ｂに矢印Ｑで示す捻り方向の測定力が付与された場合には、圧電素子１２１〜１２４の長手方向に沿って伸縮する力が働かない。そのため、圧電素子１２１〜１２４の感度が低くなり、状態量の変化を十分に検出できない。
【０００５】
そのため、従来例では、被測定物と接触しているのにもかかわらず、タッチ信号が発生しないという不都合が生じる。
一般的に、タッチ信号プローブを装着した三次元測定機は、タッチ信号をもとに測定動作を停止し回避動作を行う。そのため、図１２で示されるプローブにおいて、捻り方向Ｑの測定力が発生するような場合には、測定動作を停止することができず、被測定物、三次元測定機双方を破損させる虞れがある。
【０００６】
本発明の目的は、スタイラスの曲げ方向だけでなく捻り方向の測定力に対しても高感度の検出が行えるタッチ信号プローブを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そのため、本発明は、スタイラスの曲げ方向と捻り方向との双方の測定力に対して検出を行うため、変位検出素子をスタイラスの軸に対して所定の角度傾斜した状態で取り付けることで前記目的を達成しようとするものである。
具体的には、本発明にかかるタッチ信号プローブは、先端に被測定物と接触する接触球を有するスタイラスに、前記接触球が被測定物に接触したことを検出する変位検出素子を配置したタッチ信号プローブにおいて、前記スタイラスは、前記変位検出素子を支持固定するための検出素子支持部とこの検出素子支持部に設けられたロッドとを有し、この検出素子支持部は前記ロッドの軸と直交する断面がそれぞれ正多角形をなす複数のフランジ部を有し、これらのフランジ部の側面にそれぞれ前記変位検出素子を前記ロッドの軸に対して所定の角度α（０°＜α＜９０°）傾斜した状態で取り付け、これらの変位検出素子から出力される信号の和、差及び自乗和を演算することによって前記スタイラスの軸に作用する曲げ歪成分に対応する信号と、前記スタイラスの軸方向に作用する縦歪成分に対応する信号とをそれぞれ生成し、前記曲げ歪成分に対応する信号から第１の接触信号を生成し、前記縦歪成分に対応する信号から第２の接触信号を生成し、前記第１の接触信号と、前記第２の接触信号を遅延させた信号との論理和に基づいて接触検知信号を発生することを特徴とする。
【０００８】
本発明では、複数のフランジ部の側面に変位検出素子がそれぞれロッドの軸に対して所定の角度傾斜した状態で取り付けられた構造なので、接触球を介してロッドに捻り方向の測定力が生じると、この測定力が変位検出素子の略長手方向に沿って伝達される。
そのため、変位検出素子は、確実に伸縮されることで感度が高くなり、状態量の変化を十分に検出することができる。
【０００９】
これに対して、接触球を介してロッドに曲げ方向の測定力が生じると、この測定力が変位検出素子の略長手方向に沿って伝達される。
そのため、変位検出素子は、確実に伸縮されることで感度が高くなり、状態量の変化を十分に検出することができる。
つまり、いずれの方向から被測定物に接触球が接触しても、変位検出素子の感度が高いため、タッチ信号が確実に発生する。さらに、多角形体の側面に変位検出素子を取り付けるものであるから、タッチ信号プローブの構造を簡易なものにできる。
【００１０】
ここで、本発明では、前記フランジ部の前記ロッドの軸と直交する断面を正方形とするとともに、前記フランジ部の各側面に合計４個の前記変位検出素子を互いに９０度間隔離して取り付けた構成が好ましい。
この構成では、スタイラス軸を中心として互いに９０度間隔に配置された４個の変位検出素子から出力される信号に基づいて接触検知信号が発生されるため、精度のよい測定が行える。しかも、フランジ部の断面を正方形としたので、タッチ信号プローブの構造を簡易なものとすることができる。
【００１１】
また、前記変位検出素子のうち互いに対向する変位検出素子が略鏡面対称となるように前記検出素子支持部に装着されている構成としてもよい。
この構成では、捻り方向の測定力がスタイラスに生じた場合には、フランジ部を挟んで互いに対向配置された一対２個の変位検出素子に正負の異なる出力信号がそれぞれ発生するから、これらの信号の差を２対の変位検出素子毎にとり、これらの差の信号を自乗和することにより、大きな検出信号を得ることができ、測定精度を向上させることができる。
【００１２】
さらに、前記変位検出素子のうち互いに対向する変位検出素子が前記スタイラスの軸対称となるように前記検出素子支持部に装着されている構成としてもよい。
この構成では、捻り方向の測定力がスタイラスに生じた場合には、４個の変位検出素子の全てに同じ正又は負の出力信号が発生するから、これらの信号を加算することで簡単に接触信号を得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１には本発明の第１実施形態にかかるタッチ信号プローブの全体構成が示されている。
図１において、第１実施形態のタッチ信号プローブは、スタイラス１に４個の変位検出素子としての圧電素子２１〜２４を取り付けた構造であり、スタイラス１は、被測定物と接触する接触球１Ａと、この接触球１Ａが先端部に取り付けられた円柱状の取付部１Ｂと、この取付部１Ｂの基端部にブロック体１Ｃを介して先端部が取り付けられた断面略円形のロッド１Ｄと、このロッド１Ｄの他端部に一体形成された検出素子支持部１Ｅとを備えた構造である。
【００１４】
これらのブロック体１Ｃ、ロッド１Ｄ及び検出素子支持部１Ｅはスタイラス軸上に配置されている。
ロッド１Ｄはブロック体側が円柱状であり検出素子支持部側が円錐状に形成されている。
取付部１Ｂとロッド１Ｄとはブロック体１Ｃを中心として直角に形成されている。なお、本実施形態では、先端に接触球１Ａが設けられた取付部１Ｂをロッド１Ｄの径方向及び軸方向に延びてブロック体１Ｃに複数取り付ける構造としてもよい（図１２参照）。
【００１５】
検出素子支持部１Ｅは、ロッド１Ｄの軸と直交する断面がそれぞれ正方形をなす２個のフランジ部１Ｆと、これらのフランジ部１Ｆを連結する略円柱状の連結部１Ｇとから構成されている。
これらのフランジ部１Ｆの矩形状側面にそれぞれ圧電素子２１〜２４がロッド１Ｄの軸に対して所定角度α（０°＜α＜９０°）傾斜した状態で取り付けられている。圧電素子２１〜２４は、それぞれ平面が略平行四辺形状に形成されており、その長手方向に沿った両端部が互いに対向するフランジ部１Ｆの側面に接着剤等でそれぞれ固着されている。
【００１６】
このうち、圧電素子２１と圧電素子２４はともに同じ形状であり、圧電素子２２と圧電素子２３はともに同じ形状であり、圧電素子２１，２４と圧電素子２２，２３とは左右対称である点を除いて同じ形状である。
圧電素子２１〜２４は、その全面が電極を形成するものであって、互いに対向する圧電素子２１，２３は略鏡面対称となるように検出素子支持部１Ｅに装着されており、同様に、互いに対向する圧電素子２２，２４は略鏡面対称となるように検出素子支持部１Ｅに装着されている。
【００１７】
ここで、接触球１Ａに被測定物が接触してロッド１Ｄに曲げ方向Ｐの力が作用する場合を考えると、この力は各圧電素子２１〜２４の略長手方向に沿った方向Ｓ１に伝達される。そのため、接触球１Ａが被測定物と接触後、スタイラス１の固有振動数等によって定まる時点で所定の圧電素子、例えば、圧電素子２１の出力は極大値となり、この極大値の大きさは圧電素子２１の取付方位とスタイラス１が被測定物と接触する方位とのなす角度、つまり、圧電素子２１のスタイラス１の軸周りの角度θによって異なり、３６０度の周期で正弦波状に変化する。
出力極大値が最大値となるのは、圧電素子２１が曲げ変形を受けやすい角度（θ＝０）で被測定物とスタイラス１が接触する場合である（特開平１０−２８８５０２号参照）。
【００１８】
図２は４個の圧電素子２１〜２４からの出力により接触信号を生成するためのブロック図であり、図３は、その回路図である。
図２及び図３において、各圧電素子２１〜２４から出力される信号は、増幅回路３１〜３４で増幅されてＶ１〜Ｖ４とされた後、互いに表裏の関係にある圧電素子２１，２３から出力される信号Ｖ１，Ｖ３は、その差Ｖ１３が差動増幅回路４１で演算され、互いに表裏の関係にある圧電素子２２，２４から出力される信号Ｖ２，Ｖ４は、その差Ｖ２４が差動増幅回路４２で演算される。これらの差動増幅回路４１，４２で第１の接触信号が生成される。
【００１９】
さらに、圧電素子２１〜２４から出力されて増幅回路３１〜３４で増幅された信号Ｖ１〜Ｖ４は、これらの和Ｖ１２３４が加算回路５で演算され、この加算回路５で第２の接触信号が生成される。
ここで、圧電素子２１，２３（２２，２４）の出力信号の差Ｖ１３（Ｖ２４）を演算するのは、スタイラス軸を中心として１８０度取付角度の異なる圧電素子２１，２３（２２，２４）からの出力信号の位相が１８０度異なり、この演算によりスタイラス軸に作用する曲げ歪成分を抽出するためである。
【００２０】
また、４個の圧電素子２１〜２４の和Ｖ１２３４を演算するのは、スタイラス軸に作用する曲げ歪成分を除去してスタイラス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、本実施形態では、縦歪成分を抽出するにあたり、４個全ての圧電素子２１〜２４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、互いに表裏関係にある２個の圧電素子２１，２３又は圧電素子２２，２４から出力信号の和を演算するものでもよい。
【００２１】
差動増幅回路４１，４２で生成された第１の接触信号と、加算回路５で生成された第２の接触信号とから接触信号検知回路６で検知信号が生成される。
接触信号検出回路６では、第１の接触信号である出力信号の差（Ｖ１３，Ｖ２４）は、自乗回路７１，７２でそれぞれ自乗された後、加算回路８で加算されて１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２１，２３（２２，２４）からの出力の最大値を角度θによらず一定にするためである。
即ち、圧電素子２１，２３の差動出力の極大値を
【００２２】
【数１】
圧電素子２２，２４の差動出力の極大値を
【００２４】
【数２】
と、それぞれ表すと、
【００２６】
【数３】
であるから、角度によらず、所定時間における出力の極大値は（Ｖｍａｘ）２となる。
以上の説明はスタイラス１がスタイラス軸と直交する方向から接触球１Ａに被測定物が接触した場合であり、スタイラス軸と角度βの角度で接する場合の出力の極大値は｛Ｖｍａｘ×ＣＯＳβ｝２となる。ここで、角度βとは、スタイラス軸（ロッド１Ｄの軸）と直交する方向と接触球１Ａとが被測定物に接触する方向とがなす角度である。
第１の接触信号Ｖ１３（Ｖ２４）はスタイラス軸に表裏に貼られた圧電素子２１，２３（２２，２４）の差動信号であるから、Ｖｍａｘ×ＣＯＳβは検出素子支持部１Ｅの曲げ歪成分を表す信号といえる。
【００２８】
図３において、加算回路５で演算された和の信号Ｖ１２３４は、Ｋを増幅率とすると、次の式で求められる。
【００２９】
【数４】
Ｖ１２３４は、曲げ歪成分を除いた縦歪成分を表す信号であり、βが９０度、即ち、スタイラス軸の方向から被測定物に接触球１Ａが接触した場合に最大値ＶＭとなり、スタイラス軸とβの角度で接する場合の出力の極大値は、
【００３１】
【数５】
となる。
ただし、｛Ｖｍａｘ×ＣＯＳβ｝２の極大値を形成する時間とＶ１２３４が極大値を形成する時間は一般的に異なっている。つまり、曲げ剛性より縦方向の剛性が一般的に高いので、Ｖ１２３４の方が時間的に早い。
従って、ＶＭ＝Ｖｍａｘとなるようにゲイン調整した後、遅延回路９でＶ１２３４信号に適当な時間遅れをもたせ、さらに、しかる後、自乗回路７３で自乗する。
自乗回路７３で自乗した（Ｖ１２３４）２信号と、｛Ｖｍａｘ×ＣＯＳβ｝２信号とを加算回路１０で加算すると、
【００３３】
【数６】
となり、接触角度βによらず、一定の信号となる。
つまり、時間的に早く極大値を形成する縦歪に相当する信号を所定の時間だけ遅らせることにより、曲げ歪に相当する信号と同じタイミングで極大値を形成するようにして測定球１Ａのどこと接触しても同じ出力が発生できるようにした。その後、比較回路１１で所定の基準値と比較し、この基準値を越えた場合に接触信号が発生する。
なお、本実施形態では、（Ｖ１２３４）信号を自乗した後に適当な時間遅れをかける手法に限定されるものではなく、遅延させた後に自乗する等、本実施形態の趣旨に従って変更してもよい。
さらに、（Ｖ１２３４）信号に適当な時間遅れをかけた後に
【００３５】
【数７】
の演算をしてもよい。この場合でも前述と同じ結果を得ることができる。
【００３７】
ここで、図４に示される通り、接触球１Ａに被測定物が接触してロッド１Ｄに捻り方向Ｑの力が作用する場合を考えると、この力Ｑによって２個のフランジ部１Ｆは互いに反対方向に力Ｑ２が働き、これにより、各圧電素子２１〜２４の略長手方向に沿った方向Ｓ２に力が伝達される。本実施形態では、互いに対向する圧電素子２１，２３は、検出素子支持部１Ｅを挟んで互いに鏡面対称とされているため、図４（Ａ）に示される通り、圧電素子２１にはＳ２方向に沿って外向き（伸びる方向）の剪断力が働き、図４（Ｂ）に示される通り、圧電素子２３にはＳ２方向に沿って内向き（縮む方向）の剪断力が働く。捻り方向がＱと逆になる場合には圧電素子２１，２３に働く剪断力の方向がぞれぞれ逆となる。
つまり、圧電素子２１から出力される振幅信号Ｖ１に対して圧電素子２３から出力される振幅信号Ｖ３は反転された状態となる。同様に、圧電素子２２から出力される振幅信号Ｖ２に対して圧電素子２４から出力される振幅信号Ｖ４は反転された状態となる。
【００３８】
各圧電素子２１〜２４で出力された信号は、図３の制御回路によって処理されて接触信号が生成される。
つまり、各圧電素子２１〜２４は、増幅回路３１〜３４で増幅されてＶ１〜Ｖ４とされた後、互いに表裏の関係にある圧電素子２１，２３から出力される信号Ｖ１，Ｖ３は、その差Ｖ１３が差動増幅回路４１で演算され、互いに表裏の関係にある圧電素子２２，２４から出力される信号Ｖ２，Ｖ４は、その差Ｖ２４が差動増幅回路４２で演算される。これらの差動増幅回路４１，４２で演算された差Ｖ１３（Ｖ１−Ｖ３）は自乗回路７１で自乗演算され、差Ｖ２４（Ｖ２−Ｖ４）は自乗回路７２で自乗演算され、これらの自乗演算された値は、加算回路８で加算されて１つの信号となる（図５のグラフ参照）。
【００３９】
この信号は、比較回路１１で所定の基準値と比較され、この基準値を越えた場合に接触信号が発生する。なお、増幅回路３１〜３４で増幅された信号Ｖ１〜Ｖ４は加算回路５に送られるが、本実施形態では、互いに表裏の関係にある圧電素子２１（２２），２３（２４）から出力される信号Ｖ１（Ｖ２），Ｖ３（Ｖ４）は互いに反転された状態にあるため、これらの信号を単純に加算すると０又は極めて小さな値となり、加算回路５から自乗回路７３及び加算回路１０に送られる信号を無視することができる。
【００４０】
従って、（１）第１実施形態では、接触球１Ａが被測定物に接触したことを検出するスタイラス１に変位検出素子（圧電素子２１〜２４）を配置したタッチ信号プローブにおいて、スタイラス１は、変位検出素子を支持固定するための検出素子支持部１Ｅと、この検出素子支持部１Ｅに設けられたロッド１Ｄとを有し、この検出素子支持部１Ｅはロッド１Ｄの軸と直交する断面がそれぞれ正多角形をなす複数のフランジ部１Ｆを有し、これらのフランジ部１Ｆの側面にそれぞれ変位検出素子をロッド１Ｄの軸に対して所定角度α傾斜した状態で取り付け、これらの変位検出素子から出力される信号に基づいて接触検知信号を発生する構成としたから、接触球１Ａを介してロッド１Ｄに捻り方向Ｑの測定力が生じると、この測定力が変位検出素子の略長手方向に沿って伝達されるため、変位検出素子が確実に伸縮されることで状態量の変化を十分に検出することができる。これに対して、接触球１Ａを介してロッド１Ｄに曲げ方向Ｐの測定力が生じると、この測定力が変位検出素子の略長手方向に沿って伝達されるため、変位検出素子が確実に伸縮されることで状態量の変化を十分に検出することができる。
【００４１】
（２）変位検出素子として圧電素子２１〜２４を用いたから、スタイラス１の接触球１Ａが被測定物に接触した際の衝撃力を確実に検出することができるため、精度の高い測定が行える。
（３）フランジ部１Ｆのロッド１Ｄの軸と直交する断面を正方形とするとともに、フランジ部１Ｆの各側面に合計４個の圧電素子２１〜２４を９０度間隔で取り付けたから、スタイラス軸を中心として互いに９０度間隔に配置された４個の圧電素子２１〜２４から出力される信号に基づいて接触検知信号が発生されるため、精度のよい測定が行える。しかも、フランジ部１Ｆの断面が正方形であるため、タッチ信号プローブの構造を簡易なものとすることができる。
【００４２】
（４）曲げ方向Ｐの測定力がスタイラス１に生じた場合には、表裏に位置する２組の圧電素子２１，２３（２２，２４）から出力される２つの差動信号Ｖ１３，Ｖ２４より第１の接触信号を生成するとともに、４個の圧電素子２１〜２４から出力される和の信号Ｖ１２３４あるいは表裏に位置する２個の変位検出素子２１，２３（２２，２４）から出力される和の信号より第２の接触信号を生成し、第２の接触信号を所定の時間だけ遅延させた後、第１の接触信号との論理和により接触検知信号を発生する構成としたから、第１の接触信号と第２の接触信号とから論理和により接触検知信号を生成するにあたり、時間的に早く極大値を形成する縦歪に相当する第２の検知信号を所定の時間だけ遅らせることにより、接触球のどこと接触しても同じ出力が発生するから、この点からも測定の高精度化を図ることができる。
【００４３】
（５）ロッド１Ｄの曲げ方向に測定力が生じた場合に接触検知信号を生成する回路構成、つまり、互いに表裏の関係にある圧電素子２１，２３（２２，２４）から出力される信号の差を演算する差動増幅回路４１，４２と、全ての圧電素子２１〜２４から出力される信号の和を演算する加算回路５と、差動増幅回路４１，４２で生成された接触信号と加算回路５で生成された接触信号とから検知信号を生成する接触信号検知回路６とを備えた回路構成によって、ロッド１Ｄに捻り方向の測定力が生じた場合の接触検知信号を生成するので、回路構造を共通化してタッチ信号プローブの構造を簡易なものとすることができる。
（６）圧電素子２１〜２４のうち互いに対向する圧電素子２１，２３（２２，２４）が略鏡面対称となるように検出素子支持部１Ｅに装着されているため、捻り方向Ｑの測定力がスタイラスに生じた場合には、フランジ部１Ｆを挟んで互いに対向配置された一対２個の圧電素子２１，２３（２２，２４）に正負の異なる出力信号がそれぞれ発生するから、これらの信号の差を２対の圧電素子２１，２３（２２，２４）毎にとり、これらの差の信号を自乗和することにより、大きな検出信号を得ることができ、測定精度を向上させることができる。
【００４４】
次に、本発明の第２実施形態を図６に基づいて説明する。
第２実施形態は圧電素子の構成が第１実施形態と異なるもので、他の構成は第１実施形態と同じである。そのため、第２実施形態の説明においては、第１実施形態と同一構成部分は同一符号を付して説明を省略若しくは簡略する。
図６において、第２実施形態は、変位検出素子が圧電素子２１，２２０，２３０，２４から構成され、このうち互いに対向する一対の圧電素子２１，２３０がスタイラスの軸対称となるように検出素子支持部１Ｅに装着され、残り一対の圧電素子２２０，２４もスタイラスの軸対称となるように検出素子支持部１Ｅに装着されている。これらの圧電素子２１，２２０，２３０，２４は、同一形状とされている。
【００４５】
第２実施形態では、第１実施形態と同様に、圧電素子２１，２２０，２３０，２４からの出力により接触信号を生成するための構造は図２及び図３で示される構造である。
第２実施形態において、接触球１Ａに被測定物が接触してロッド１Ｄに曲げ方向Ｐの測定力が作用する場合に接触信号が生成される手順は第１実施形態の場合と同じである。
【００４６】
接触球１Ａに被測定物が接触してロッド１Ｄに捻り方向Ｑの力が作用する場合では、この力Ｑによって各圧電素子２１、２２０，２３０，２４の略長手方向に沿った方向Ｓ２に力が伝達される。
全ての圧電素子２１，２２０，２３０，２４にはＳ２方向に沿って同じ方向の剪断力が働き、これらの圧電素子２１，２２０，２３０，２４から同じ検出信号が出力される。
【００４７】
これらの検出信号は、増幅回路３１〜３４で増幅されてＶ１〜Ｖ４とされた後、これらの和Ｖ１２３４が加算回路５で演算される。
加算回路５で演算された和の信号は、遅延回路９で適当な時間遅れをもたされた後、自乗回路７３で自乗される。自乗回路７３から出力された信号は比較回路１１で所定の基準値と比較され、この基準値を越えた場合に接触信号が発生される。なお、増幅回路３１〜３４で増幅された信号Ｖ１〜Ｖ４は差動増幅回路４１，４２に送られるが、これらの信号Ｖ１〜Ｖ４は同じ値の検出信号であるため、差動増幅回路４１，４２において、０又は極めて小さな値となり、加算回路８，１０に送られる信号を無視することができる。なお、圧電素子２１，２２０，２３０，２４から負の信号が出力されることもあるが、この場合には、適宜な手段により、信号の絶対値をとるようにする。
【００４８】
従って、第２実施形態では、第１実施形態の（１）（２）（３）（４）（５）と同様の作用効果を奏することができる他に、（７）圧電素子２１，２２０，２３０，２４のうち互いに対向する圧電素子２１，２３０（２２０，２４）がスタイラスの軸対称となるように検出素子支持部１Ｅに装着したから、捻り方向Ｑの測定力がスタイラス１に生じた場合には、４個の圧電素子２１，２２０，２３０，２４ の全てに同じ正又は負の出力信号が発生するので、これらの信号を加算することで簡単に接触信号を得ることができる。
【００４９】
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、前記各実施形態では、圧電素子２１〜２４，２２０，２３０自体をロッド１Ｄの軸に対して所定角度α傾斜した状態で取り付けた構造としたが、本発明では、変位検出素子を構成する電極２０Ａがロッド１Ｄの軸に対して所定角度α傾斜して形成されていれば、図７に示される通り、平面矩形状の圧電素子２１１、２２１，２３，２４１自体を、その長手方向がロッド１Ｄの軸と平行となるように配置してもよい。
【００５０】
また、前記各実施形態では、圧電素子２１〜２４，２２０，２３０を平面平行四辺形としたが、本発明では、ロッド１Ｄの軸に対して所定角度α傾斜して形成されていれば、図８に示される通り、圧電素子２１２，２２２，２３２，２４２を長方形状に形成してもよい。
さらに、前記各実施形態では、変位検出素子を圧電素子２１〜２４，２２０，２３０としたが、本発明では、スタイラス１の曲げ方向及び捻り方向の変位を検出できるものであれば、図９に示される通り、圧電素子に代えて歪みゲージ２１３，２２３，２３３，２４３を用いてもよい。
要するに、本発明では、変位検出素子の種類、大きさ、形状、取付角度α、縦横比等は、スタイラス１の形状、その他の条件に従って設定される。
【００５１】
さらに、本発明では、図１０に示される通り、加算回路８から出力された信号｛Ｖｍａｘ×ＣＯＳβ｝２を比較回路１２で基準値と比較し、その基準値を越えた場合にＯＲ回路１３を経由して接触信号を発生し、他方、加算回路５で演算された和の信号Ｖ１２３４を比較回路１４で基準値と比較し、この信号が基準値を越えた場合に、遅延回路１５で所定時間遅らせてＯＲ回路１３を経由して接触信号を発生する構成でもよい。
さらに、図３及び図１０では、接触信号生成回路をアナログ回路から構成したが、この接触信号生成回路をデジタル回路から構成してもよい。
【００５２】
さらに、前記各実施形態では、圧電素子２１〜２４、２２０，２３０を４個設置する場合について説明したが、本発明では、検出素子支持部１Ｅの互いに隣り合う２側面に２個の圧電素子を固着する構造でもよい。
また、本発明では、検出素子支持部１Ｅの断面を正三角形とするとともに、その各側面に合計３個の圧電素子を取り付けた構造でもよく、さらには、検出素子支持部１Ｅの断面を正五角形、正六角形等に形成するものでもよい。
さらに、フランジ部１Ｆの数を２個としたが、本発明では、３個以上の複数個としてもよい。
【００５３】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、先端に被測定物と接触する接触球を有するスタイラスに、前記接触球が被測定物に接触したことを検出する変位検出素子を配置したタッチ信号プローブにおいて、前記スタイラスは、前記変位検出素子を支持固定するための検出素子支持部とこの検出素子支持部に設けられたロッドとを有し、この検出素子支持部は前記ロッドの軸と直交する断面がそれぞれ正多角形をなす複数のフランジ部を有し、これらのフランジ部の側面にそれぞれ前記変位検出素子を前記ロッドの軸に対して所定角度傾斜した状態で取り付け、これらの変位検出素子から出力される信号に基づいて接触検知信号を発生する構成としたので、接触球を介してロッドに捻り方向の測定力が生じると、この測定力が変位検出素子の略長手方向に沿って伝達されて変位検出素子の感度が高くなる。これに対して、接触球を介してロッドに曲げ方向の測定力が生じると、この測定力が変位検出素子の略長手方向に沿って伝達されるため、変位検出素子の感度が高くなる。
さらに、互いに表裏の関係にある変位検出素子から出力される信号の差を演算する差動増幅回路と、全ての変位検出素子から出力される信号の和を演算する加算回路と、差動回路で生成された接触信号と加算回路で生成された接触信号とから検知信号を生成する接触信号検知回路とを備えた回路構成によって、ロッドに曲げ方向の測定力が生じた場合と捻り方向の測定力が生じた場合との双方で接触検知信号が生成できるので、回路構造を共通化してタッチ信号プローブの構造を簡易なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るタッチ信号プローブを示すもので、変位検出素子としての圧電素子が取り付けられる前の状態を示す斜視図である。
【図２】変位検出素子（圧電素子）から出力された信号から接触信号を生成する構成を示すブロック図である。
【図３】変位検出素子（圧電素子）から出力された信号から接触信号を生成する構成を示す回路図である。
【図４】互いに対向配置された変位検出素子の取付状態を示す概略図とこれらの変位検出素子から出力される出力信号の波形を示すグラフである。
【図５】４個の変位検出素子（圧電素子）の取付状態を示す模式図と、これらの変位検出素子から出力される出力信号の波形を示すグラフ並びにこれらの波形を合成した波形を示すグラフである。
【図６】本発明の第２実施形態に係るタッチ信号プローブを示すもので、変位検出素子としての圧電素子が取り付けられる前の状態を示す斜視図である。
【図７】本発明の変形例を示す斜視図である。
【図８】本発明の異なる変形例を示す斜視図である。
【図９】本発明のさらに異なる変形例を示す斜視図である。
【図１０】本発明のさらに異なる変形例を示すもので、変位検出素子から出力された信号から接触信号を生成する構成を示す回路図である。
【図１１】従来例を示すもので、（Ａ）は変位検出素子が取り付けられる前の状態を示す斜視図であり、（Ｂ）は変位検出素子が取り付けられた後の状態を示す斜視図である。
【図１２】従来例の不具合を説明するための斜視図である。
【符号の説明】
１ スタイラス
１Ａ 接触球
１Ｄ ロッド
１Ｅ 検出素子支持部
１Ｆ フランジ部
２１〜２４，２２０，２３０，２１１，２２１，２３１，２４１ 変位検出素子（圧電素子）
２１３，２２３，２３３，２４３ 変位検出素子（歪みゲージ）
Claims (4)
- 先端に被測定物と接触する接触球を有するスタイラスに、前記接触球が被測定物に接触したことを検出する変位検出素子を配置したタッチ信号プローブにおいて、前記スタイラスは、前記変位検出素子を支持固定するための検出素子支持部とこの検出素子支持部に設けられたロッドとを有し、この検出素子支持部は前記ロッドの軸と直交する断面がそれぞれ正多角形をなす複数のフランジ部を有し、これらのフランジ部の側面にそれぞれ前記変位検出素子を前記ロッドの軸に対して所定の角度傾斜した状態で取り付け、これらの変位検出素子から出力される信号の和、差及び自乗和を演算することによって前記スタイラスの軸に作用する曲げ歪成分に対応する信号と、前記スタイラスの軸方向に作用する縦歪成分に対応する信号とをそれぞれ生成し、前記曲げ歪成分に対応する信号から第１の接触信号を生成し、前記縦歪成分に対応する信号から第２の接触信号を生成し、前記第１の接触信号と、前記第２の接触信号を遅延させた信号との論理和に基づいて接触検知信号を発生することを特徴とするタッチ信号プローブ。
- 請求項１記載のタッチ信号プローブにおいて、前記フランジ部の前記ロッドの軸と直交する断面を正方形とするとともに、前記フランジ部の各側面に合計４個の前記変位検出素子を互いに９０度間隔離して取り付けたことを特徴とするタッチ信号プローブ。
- 請求項２記載のタッチ信号プローブにおいて、前記変位検出素子のうち互いに対向する変位検出素子が略鏡面対称となるように前記検出素子支持部に装着されていることを特徴とするタッチ信号プローブ。
- 請求項２記載のタッチ信号プローブにおいて、前記変位検出素子のうち互いに対向する変位検出素子が前記スタイラスの軸対称となるように前記検出素子支持部に装着されていることを特徴とするタッチ信号プローブ。
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