JPH0587509A - Touch probe - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To obtain a touch probe which can detect contact sensitively without any directionality in measurement force and with a simple configuration and has less error due to influence of an external environment. CONSTITUTION:When a feeler which is in ultrasonic vibration in resonance state by a piezoelectric element contacts an object to be measured, the resonance state is disturbed and a phase difference between a current and a voltage between electrodes 3c and 3d of the piezoelectric element 3 changes. This change is detected by allowing a touch signal to be output from a comparator 29 when a measurement value exceeds a setting value by comparing a measurement value of a phase-difference measurement circuit 31 at the time of contact with a setting value which is set to a latch 28. An oscillation frequency of an oscillation circuit 10 is changed at each specified time by a CPU 30 and a minimum value of the phase difference is set as the setting value.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a probe for touch detection, that is, a touch probe, and is particularly suitable for use in a coordinate measuring machine.

【０００２】[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。In a coordinate measuring machine, a probe is brought into contact with an object to be measured placed on a base, and the contact point is three-dimensionally detected to perform three-dimensional measurement of the object to be measured having a complicated shape. ing. At this time, if there is an error in the detection of the contact point, it causes an error in shape measurement. A touch probe used in this type of measuring machine elastically presses three pins provided on a base holding a feeler to three sets of V-shaped bearings, and the pins and the bearings form an electrical contact. To form a closed circuit,
When the feeler comes into contact with the object to be measured and deviates, the contact opens to output a touch signal.

【０００３】[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。In the prior art as described above, the three pins of the base for holding the feeler are elastically pressed against the V-shaped bearing by the springs, and therefore the springs are used to open the contacts. There is a problem that it is difficult to reduce the measuring force because the pin has to be lifted against.

【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。Further, since there are three contact points, the measuring force is directional, and there is a problem that an error that is difficult to correct occurs. The present invention has been made in view of such conventional problems,
It is an object of the present invention to provide a touch probe that has no directivity in measuring force, can detect a contact sensitively with a simple configuration, and has less error due to the influence of external environment such as temperature.

【０００５】[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。In order to solve the above problems, a touch probe of the present invention comprises a feeler 1c for contacting an object to be measured, holding members 1a and 1d for holding the feeler, and the feeler 1c. Element 3 attached to the holding members 1a, 1d for ultrasonically vibrating
a, 3b, 3 and the electrodes 3 of the piezoelectric elements 3a, 3b, 3
Oscillating means 10 and 50 for applying a high frequency electric signal between c and 3d to ultrasonically vibrate the feeler 1c and the holding members 1a and 1d in a resonance state, and the electrodes 3c and 3d.
Phase difference measuring means 22, 23, 24, 2 for measuring the phase difference between the current flowing between d and the voltage between the electrodes 3c and 3d.
5, 26, 27, 31 and the frequency of the high frequency electric signal output from the oscillating means 10, 50 are sequentially changed in predetermined steps, and the phase differences are compared between adjacent steps to minimize the phase difference. A minimum value detecting means 30 for obtaining a value and outputting the minimum value of the phase difference, and the minimum value detecting means 3
Storage means 28 for holding the phase difference output as 0 as a set value, and the phase difference measuring means 22, 23, 24, 25,
The phase difference measured at 26, 27 and 31 and the storage means 2
8 and the phase difference comparison means 29 which compares the set value held in 8 and outputs a touch signal when they do not match.

【０００６】[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。In the present invention, when the feeler vibrating ultrasonically in the resonance state comes into contact with the object to be measured, the resonance state is disturbed and the phase difference between the current flowing between the electrodes of the piezoelectric element and the voltage between the electrodes is changed. Occurs. The change is detected by setting the phase difference in the resonance state before the feeler comes into contact with the object to be measured as a set value, and comparing the phase difference when the feeler comes into contact with the set value. Since this comparison is performed by counting the phase difference with a pulse, the contact of the feeler tip can be detected very sensitively and accurately. Further, no matter which direction the tip of the feeler comes into contact with the object to be measured, the vibration is disturbed and the phase difference is changed, so that the measuring force is not directional. Furthermore, the set value is automatically updated at predetermined time intervals or immediately before the feeler comes into contact with the object to be measured, and by setting the set value according to the change in the resonance state due to the influence of the external environment,
A stable touch signal can be obtained.

【０００７】[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。Embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the drawings. 1 is a perspective view showing a mechanical structure portion of an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a vertical sectional view of FIG. Holding member 1a, flange 1b connected to the lower end surface of holding member 1a, feeler 1c connected to the lower end surface of flange 1b, piezoelectric elements 3a, 3b and electrodes arranged on the upper end surface of holding member 1a. 3c, 3d, 3e and the piezoelectric element 3
The vibrating horn 1 includes a holding member 1d for fixing the electrodes 3a, 3b and the electrodes 3c, 3d, 3e to the upper end surface of the holding member 1a, and a screw 1e for fixing the holding member 1d to the holding member 1a.
To form. The flange 1b is fixed to the support member 2 with a screw, and the support member 2 is supported by a probe body or a probe head (not shown). The piezoelectric elements 3a and 3b are of a laminated type, and the piezoelectric element 3a is sandwiched between the electrodes 3c and 3d, and the piezoelectric element 3b is sandwiched between the electrodes 3c and 3e. As clearly shown in FIG. 5, the common electrode 3c and the electrode 3d
A high-frequency power source 50 is connected between and, and the electrodes 3d and 3e are short-circuited. The piezoelectric element is polarized as shown in FIG. 5, and as a result, the vibrating horn 1 ultrasonically vibrates in the axial direction. At this time, the frequency applied by the high frequency power supply 50 between the electrodes 3c and 3d and between the electrodes 3c and 3e is the vibration horn 1.
Is approximately equal to the mechanical resonance frequency of. Also,
The shape of the vibrating horn 1 is larger than the outer diameter of the feeler 1c, and the holding members 1a and 1d, the piezoelectric elements 3a and 3b, and the electrode 3 are formed.
The outer diameters of c, 3d, and 3e are large, the sound velocity of a longitudinal wave in the material forming the vibration horn 1 is C, and the mechanical resonance frequency of the vibration horn 1 is f, n = 0, 1, 2, 3, ...
.., m = 0, 1, 2, 3, ..., FIG. 6 (a)
As shown in, the length L of the large diameter portion and the length l of the small diameter portion
Is L = C (1 + 2n) / 4f, l = C (1 + 2m) / 4
It is determined by f.

【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。For example, when the material of the vibrating horn 1 is steel, the sound velocity of the longitudinal wave transmitted through the steel is C = 5200 m / s, and when n = 0, m = 1, f = 100 kHz, L =
It becomes 13 mm and l = 39 mm. FIG. 6B shows the state of the vibration mode of the vibrating horn 1 at this time. The length L of the large diameter portion and the small diameter portion are arranged so that the flange 1b is located in the portion where the vibration amplitude is almost zero. The length l of the vibrating horn 1 is determined by the flange 1b provided at this position.
Fixed to. In this way, the influence of fixing the vibrating horn 1 on the vibration is minimized. In this vibrating state, the amplitude of the tip of the feeler 1c of the vibrating horn 1 is maximum, so that when this portion contacts, the vibration is significantly hindered. When the vibration is disturbed, the resonance frequency of the entire vibrating horn 1 slightly changes. As a result, the phase difference between the current flowing between the electrodes 3c and 3d and the voltage between the electrodes 3c and 3d changes.
That is, an equivalent circuit of a vibration system using the piezoelectric elements 3a and 3b has a configuration in which a coil L _m , a capacitor C _m , and a resistor R _m are connected in series and a capacitor C _d is connected in parallel as shown in FIG. Can be represented. L _m and C _m at the resonance point
Are series-resonated and canceled to form a circuit as shown in FIG. 3, and the impedance of the vibrating element Z can be expressed as 1 / Z = jωC _d + 1 / R _m . Where ω is the angular velocity of vibration.

【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_d Ｒ_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。R _m has the property that it increases as the mechanical load such as the obstruction of vibration increases. Piezoelectric elements 3a, 3
When the voltage applied between the electrodes 3c and 3d of b is E, the current flowing between the electrodes 3c and 3d of the piezoelectric elements 3a and 3b is i = E (jωC _d + 1 / R _m ). This is because θ = tan ⁻¹ between the current i and the voltage E.
It indicates that there is a phase difference of (ωC _d R _m ). Here, when the resistance R _m increases, the phase difference θ also increases. That is,
When the feeler 1c contacts the object to be measured, the piezoelectric element 3
The current flowing between the electrodes 3c and 3d of a and 3b and the electrode 3c,
A change occurs in the phase difference with the voltage between 3d.

【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。FIG. 7 is a block diagram of a phase difference measuring circuit which constitutes an embodiment of the present invention. Here, the phase difference measuring circuit will be described using an example using a single-layer piezoelectric element 3 for simplification, but the phase difference measuring circuit is exactly the same even when the piezoelectric elements are laminated. The phase difference measuring circuit includes a voltage at a connection point 21 on the electrode 3d side of the piezoelectric element 3 and a connection point 13 on the resistor 11 side.
Monitor the phase difference from the voltage. When ultrasonically vibrating the vibrating horn 1 at the mechanical resonance frequency, when a force that impedes vibration acts, the phase difference between the voltage between the piezoelectric elements 3 and the current flowing through the piezoelectric elements 3 changes. This change is very sensitive and responds to even small external forces. Now, connection point 21 and connection point 1
Since the output waveform of 3 is a sine waveform, it is converted into a square wave by the waveform shaping circuits 22 and 23, and each is converted into a flip-flop 2
Input 4 clock and clear. Then, the output 102 appearing at the output terminal 24b of the flip-flop 24 (see FIG. 8 described later) is the current flowing through the piezoelectric element 3 and the piezoelectric element 3.
The pulse has a pulse width that is the phase difference from the voltage between the two. The output of the flip-flop 24 and the output of the clock oscillator 25 are input to the AND circuit 26. The AND circuit 26 is
Output 102 of flip-flop 24 and clock oscillator 2
AND with the output 103 of 5 (see FIG. 8 described later),
Output to the up counter 27. This counter 27
Counts the output pulses of the AND circuit 26, and has a reset terminal connected to the waveform shaping circuit 23, and is reset at the rising edge of the current output pulse.
The counted value is compared with the set value stored in the latch circuit 28 by the digital comparator 29, and when the set value is exceeded, a touch signal is output from the digital comparator 29.

【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。FIG. 8 shows the waveforms at the points in FIG. 7, part of which has been described above. Signal 100 is at point 22b in FIG. 7, signal 101 is at point 23b in FIG.
02 is at point 24b in FIG. 7, signal 103 is shown in FIG.
At point 25b, the signal 104 is point 26b in FIG.
It is in. Now, in the circuit of FIG. 7, the phase difference in the resonance state is smaller than that in the non-resonance state,
The phase difference has a minimum value at the resonance point. Therefore, the point at which the phase difference becomes the minimum value by changing the frequency input to the piezoelectric element is the resonance point. A value slightly larger than the count value of the up counter 27 at this time is set as the set value. Therefore, the count value of the counter 27 is read by the computer,
The resonance point can be automatically set by controlling the computer to change the frequency input to the piezoelectric element and running a program that minimizes the count value. In this circuit, the phase difference in the non-resonant state is about 27.
It is 0 degree and about 180 degrees in the resonance state.

【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。Therefore, in this embodiment, the set value of the latch circuit 28 is obtained by the configuration shown in FIG. In FIG. 9, the CPU 30 commands the oscillation frequency to be output to the oscillation circuit 10, and the phase difference measuring circuit 31 reads the phase difference between the current flowing in the piezoelectric element 3 and the voltage between the electrodes of the piezoelectric element 3 and outputs the count value. .. Here, the phase difference measuring circuit 31 corresponds to the blocks 22, 23, 24, 25, 26 and 27 of FIG. 7. The CPU 30 changes the frequency output from the oscillation circuit 10 so that the phase difference takes a minimum value based on the change in the count value output from the phase difference measuring circuit 31, and resonates the vibration feeler. The CPU 30 gives a value larger than the count value at that time by several pulses to the latch circuit 28 as a set value. This is to prevent the touch signal from being output even if an erroneous count occurs due to a response delay of the circuit or the like.

【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。An example of a flowchart of the CPU 30 is shown in FIG.
Shown in. The CPU 30 first gives an initial value of the vibration frequency to the oscillation circuit 10 (step 130), and the phase difference measurement circuit 3
The count value of 1 is read (step 131). Next, the frequency is lowered by a constant value (step 132), and the count value obtained as a result is compared with that of step 131 (step 133). If the count value is large, it is judged whether the frequency is within a certain search range (step 134),
If it is within the search range, the process returns to step 132. If it is not within the search range, the frequency is raised by a certain value (step 13
5) If the count value becomes small (136), it is judged whether the frequency is within a certain search range (137). If it is within the search range, the process returns to step 135, and if it is not within the search range, an error occurs. If the count value is increased in step 136, the value is set in the latch 28 as latch data (step 138). When the count value increases in step 133, the frequency is lowered by a constant value (step 13
9) It is determined whether or not the count value has decreased (step 140). When the count value decreases, it is determined whether the frequency is within a predetermined search range (step 141),
If it is within the fixed search range, the process returns to step 139.
If the count value is high in step 140, the count value at that time is set in the latch 28 as latch data (step 142). When the vibration feeler comes into contact with the object under measurement in this state, the phase difference between the voltage between the electrodes of the piezoelectric element 3 and the current flowing through the piezoelectric element 3 becomes large, and the count value counted by the phase difference measuring circuit 31 reaches the set value. After that, the touch signal is immediately output from the digital comparator 29.

【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。The mechanical resonance frequency of the vibration feeler may change depending on the external environment. In particular, in a poor temperature environment, the phase difference may gradually increase and eventually exceed the set value. In this case, a stable touch signal can be obtained by taking resonance at every predetermined time or at each elapsed point immediately before the vibration feeler comes into contact with the object to be measured and updating the set value. That is, FIG.
As shown in the flowchart of FIG. 11, the CPU 30 determines whether a predetermined time has elapsed (step 143), and performs the resonance frequency setting operation of FIG. 10 every time the predetermined time has elapsed (step 144). Alternatively, the CPU of FIG.
As shown in the flowchart of FIG. 12, 30 is a resonance frequency of FIG. 10 for each elapsed point immediately before the vibration feeler comes into contact with the object to be measured according to a command from an external computer that controls the movement trajectory of the probe (step 145). (Step 146). With this configuration,
As compared with the case where the correction is performed when the power is turned on or the correction is performed by the operator's command, the device is less affected by the external environment and has good workability. In the phase difference measurement described above, the change in the phase difference is monitored by digital processing as shown in FIG. 7, but the signal 102 at the point 24b in FIG. 7 is converted into a voltage by an integrator (not shown). An analog process of converting and comparing with the set voltage may be used.

【００１５】[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。As described above, according to the present invention, the feeler is brought into contact with the object to be measured while ultrasonically vibrating at the mechanical resonance frequency using the piezoelectric element, and the phase difference caused by the change of the vibration state at that time is brought about. Is detected to detect the contact of the feeler, so that a touch probe with extremely high sensitivity and no directivity in the measuring force can be obtained. In addition, not only is there an advantage that the configuration is simple because detection is performed by comparing the measured value of the phase difference with the set value, and the set value is set at predetermined time intervals or immediately before the feeler contacts the object to be measured. Is automatically updated, it is possible to set a set value according to a change in the vibration state of the feeler due to the influence of the external environment, and a stable touch signal can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【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。FIG. 1 is a perspective view of a mechanical structure portion of an embodiment according to the present invention.

【図２】圧電素子の等価回路図である。FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of a piezoelectric element.

【図３】共振時の圧電素子の等価回路図である。FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of the piezoelectric element during resonance.

【図４】第１図の縦断面図である。FIG. 4 is a vertical sectional view of FIG.

【図５】圧電素子の説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram of a piezoelectric element.

【図６】振動ホーンの振幅モードを表した図である。FIG. 6 is a diagram showing an amplitude mode of a vibrating horn.

【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。FIG. 7 is a block diagram showing an oscillator and a phase difference measuring circuit connected to the piezoelectric element of FIG.

【図８】図７の各点における信号の波形の説明図であ
る。FIG. 8 is an explanatory diagram of a signal waveform at each point in FIG.

【図９】本発明の実施例の全体を示すブロック図であ
る。FIG. 9 is a block diagram showing an entire embodiment of the present invention.

【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。10 is a flow chart for explaining the operation of the CPU of FIG.

【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。FIG. 11 is a flowchart for explaining the operation of the CPU that sets the resonance frequency at regular time intervals.

【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。FIG. 12 is a flowchart for explaining the operation of the CPU that sets the resonance frequency for each elapsed point.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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 ２６ ＡＮＤ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 ３０ ＣＰＵ ３１ 位相差測定回路 ５０ 高周波電源 1 Vibration Horn 1a Holding Member 1b Flange 1c Feeler 1d Holding Member 1e Screw 2 Supporting Member 3 Piezoelectric Element 3a Piezoelectric Element 3b Piezoelectric Element 3c Electrode 3d Electrode 3e Electrode 10 Oscillation Circuit 11 Resistor 22 Waveform Shaping Circuit 23 Flip Flop 25 Clock generator 26 AND circuit 27 Up counter 28 Latch circuit 29 Digital comparator 30 CPU 31 Phase difference measuring circuit 50 High frequency power supply

───────────────────────────────────────────────────── 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 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Osamu Arai 471 Nagaodai-cho, Sakae-ku, Yokohama, Kanagawa Prefecture Nikon Yokohama Works

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【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。1. A feeler for contacting an object to be measured, a holding member for holding the feeler, a piezoelectric element mounted on the holding member for ultrasonically vibrating the feeler, and a space between electrodes of the piezoelectric element. An oscillating means for ultrasonically vibrating the feeler and the holding member in a resonance state by inputting a high-frequency electric signal into the phase difference measuring device for measuring a phase difference between a current flowing between the electrodes and a voltage between the electrodes. Means and the frequency of the high-frequency electric signal output by the oscillating means are sequentially changed in predetermined steps, while comparing the phase differences between adjacent steps to obtain the minimum value of the phase difference, and the minimum value of the phase difference A minimum value detecting means for outputting a value, a storage means for holding the phase difference output by the minimum value detecting means as a set value, and an updating means for updating the set value every predetermined time And a phase difference comparison unit that compares the phase difference measured by the phase difference measurement unit with a set value held in the storage unit, and outputs a touch signal if they do not match. Touch probe. 【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。2. The touch probe according to claim 1, wherein the set value is a value slightly larger than the minimum value obtained by the minimum value detecting means. 【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。3. The update of the set value is performed immediately before the feeler comes into contact with the object to be measured.
Touch probe described.