JPH07181004A - タッチ信号プローブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 接触部が被測定物に接触して振幅が減衰した
後で振動の立ち上がりを短くして応答性を高めるタッチ
信号プローブを提供する。 【構成】 検出手段１６Ｂから取り出される電気的信号
を加振手段１６Ａに増幅してフィードバックするフィー
ドバックループ４４を、接触部を有する振動子１４をそ
の固有振動数で自励振動させる第１フィードバックルー
プ４２Ａと、この第１フィードバックループ４２Ａのフ
ィードバックゲインより大きなフィードバックゲインの
第２フィードバックループ４２Ｂとを備えて構成し、検
出手段１６Ｂから取り出される信号を基に接触部の被測
定物に対する接触が検出された時、あるいはそれ以後に
第１フィードバックループ４２Ａから第２フィードバッ
クループ４２Ｂに所定時間切り替えて、フィードバック
ゲインを一時的に高める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はタッチ信号プローブに係
り、例えば三次元測定機等によって被測定物の形状等を
測定する場合に用いられるタッチ信号プローブに関す
る。

【０００２】

【背景技術】被測定物の形状、寸法等の測定を行う測定
機としてハイトゲージ（一次元測定機）、三次元測定
機、輪郭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、測定機には被測定物との接
触を検出するタッチ信号プローブが用いられる。

【０００３】このタッチ信号プローブには、一端に被測
定物と接触する接触部を有する振動子と、この振動子を
往復振動させる加振手段と、振動子の往復振動を電気的
信号として取り出す検出手段とを備えたタイプのものが
ある。そのタイプのタッチ信号プローブとして特願平4-
324201号に示すものがあり、そのタッチ信号プローブが
図５に示されている。図５において、タッチ信号プロー
ブは、スタイラスホルダ１２と、このスタイラスホルダ
１２にピン１８を介して略中央部が支持されているとと
もに一端に被測定物と接触する接触部１４Ａを有する振
動子１４と、この振動子１４の振動の節近傍に配置され
るとともに溝２０に接着剤等で固着された２枚の圧電素
子１６とを備えた構造である。振動子１４は、その他端
に前記接触部１４Ａと同重量のバランサー１４Ｂを有す
る構造であり、かつ、その振動の節でスタイラスホルダ
１２に支持されている。このバランサー１４Ｂは、振動
子１４の一端に接触部１４Ａがあるため、共振時におけ
る振動の節が振動子１４の中心から外れないように重量
バランスをとり、且つタッチ信号プローブの全体が振動
子１４の振動方向と交差する方向に移動して加速度を受
けた時に支持点の回りのモーメントを受けないようにす
るためのものである。圧電素子１６は、振動子１４を往
復振動させる加振用電極１６Ａと振動子１４の往復振動
の状態を電気的交流信号として取り出す検出用電極１６
Ｂとに分割されている。

【０００４】このタッチ信号プローブは軸方向振動の共
振状態で使用されることが好ましい。共振状態を維持す
る方法には、外部発振器で他励式に駆動する方法と自励
発振させる方法とがある。自励発振方式は回路構成が単
純化できる利点がある。この自励発振の回路構成が図６
に示されている。図６において、加振用電極１６Ａは振
動子１４を振動させる駆動回路２４に信号線２２Ａを介
して接続されている。検出用電極１６Ｂは振動子１４の
振動を検出する検出回路２６に信号線２２Ｂを介して接
続されている。２つの圧電素子１６の裏面には同一電極
で共通のアース線２２Ｃが接続されている。検出回路２
６からの信号は信号線２２Ｄを介して前記駆動回路２４
に送られる。従って、信号線２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｄ、
駆動回路２４及び検出回路２６からフィードバックルー
プが構成され、このフィードバックループは検出用電極
１６Ｂで取り出された電気的信号を検出回路２６及び駆
動回路２４で増幅して加振用電極１６Ａに送るものであ
る。前記検出回路２６はタッチトリガ信号発生回路２８
に接続されている。このタッチトリガ信号発生回路２８
は、検出用電極１６Ｂからの交流信号を全波整流し、こ
の整流回路で整流された交流信号をローパスフィルタで
直流信号に変換した後、基準値と比較してこの交流信号
が基準値になった時点でタッチトリガ信号を発する構成
である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図６に示され
る回路構成で自励発振させる場合、接触部１４Ａの被測
定物に対する接触力を増加させると、振動子１４の振動
の振幅は小さくなる。図７に示される通り、接触力を少
しずつ増加させると、振幅は少しずつ減少する。更に接
触量を増加すると発振が停止し、振幅は急に零になる。
一旦、零になると接触力を零あるいは零に近い値に戻さ
ないと振動は元に戻らない。即ち、振動子１４の振動は
著しいヒステリシス特性を有する。このヒステリシス特
性はフィードバックゲインの大きさにより異なり、フィ
ードバックゲインが大きい程、大きな接触力でなければ
振幅は零にならない。フィードバックゲインが小さいと
僅かな接触力で振幅が零になるので、フィードバックゲ
インが小さい程、感度が高いといえる。このことは、一
般にフィードバックゲインを増すことは外乱に強くする
ことであり、フィードバックゲインの低下は外乱、つま
り接触力に対して変化を大きくすることになることから
も明らかである。従って、前述のステリシス特性は、振
幅が零になると簡単に復帰しないので、チャッタリング
は起きないという長所がある。この特性は、タッチトリ
ガ信号を発生する時に都合がよい性質であるが、一旦、
振幅が零に落ちると接触力を無くしても元の振動状態に
復帰するのに時間がかかるという問題点がある。この時
間は感度が高い程、つまり、フィードバックゲインが小
さい程長い。

【０００６】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、その目的は、接触部が被測定物に接触して振幅
が減衰した後で振動の立ち上がりを短くして応答性を高
めるタッチ信号プローブを提供するところにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、振動子の固有
振動数で振動子を自励振動させるフィードバックループ
のフィードバックゲインを一時的に高めて前記目的を達
成しようとするものである。具体的には、本発明のタッ
チ信号プローブは、一端に被測定物と接触する接触部を
有する振動子と、この振動子を往復振動させる加振手段
と、振動子の往復振動を電気的信号として取り出す検出
手段と、この検出手段から取り出される信号を加振手段
に増幅してフィードバックするフィードバックループと
を含んで構成され、このフィードバックループは、前記
振動子をその固有振動数で自励振動させる第１フィード
バックループと、この第１フィードバックループのフィ
ードバックゲインより大きなフィードバックゲインの第
２フィードバックループとを有し、前記検出手段から取
り出される信号を基に前記接触部の被測定物に対する接
触が検出されたことを条件として第１フィードバックル
ープから第２フィードバックループに所定時間切り替え
ることを特徴とする。

【０００８】

【作用】本発明では、測定にあたり、加振手段により振
動子を往復振動させるとともに検出手段から取り出され
る電気的信号を第１フィードバックループにより加振手
段にフィードバックする。この状態で被測定物に接触部
が接触すると、振動子の振動は、その振幅が減衰する。
被測定物に接触部が適正に接触すると、検出手段から取
り出される電気的信号を基に前記接触部の被測定物に対
する接触が検出され、その直後あるいはそれから所定時
間の経過後、加振手段に送る信号の流れを第１フィード
バックループから第２フィードバックループに切り替
え、検出手段から取り出される電気的信号を第２フィー
ドバックループにより加振手段へフィードバックする。
すると、フィードバックゲインが一時的に高まり、振動
子の振幅が大きくなり、振動子の振動は迅速に元に復帰
する。振動子の振動が元に復帰したなら、信号の流れを
第２フィードバックループから第１フィードバックルー
プへ切り替える。

【０００９】

【実施例】以下に、本発明に係るタッチ信号プローブの
好適な実施例を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に
説明する。ここで、本実施例では、図５及び図６で示さ
れたタッチ信号プローブと同一構成部分は同一符号を付
して説明を省略もしくは簡略にする。図１は本実施例の
タッチ信号プローブの要部を示す概略図である。図１に
おいて、前記加振用電極１６Ａは信号線３０Ａを介して
ゲイン切替回路３２に接続されている。このゲイン切替
回路３２は、それぞれ加振用電極１６Ａに発振信号を与
える第１の負帰還ループ付き増幅器３４Ａ及び第２の負
帰還ループ付き増幅器３４Ｂと、これらの第１及び第２
の負帰還ループ付き増幅器３４Ａ，３４Ｂを択一的に切
り替える切換手段であるアナログスイッチ３６とから構
成されている。第１の負帰還ループ付き増幅器３４Ａ
は、その抵抗値が振動子１４をその固有振動数で自励振
動させるに十分なフィードバックゲインになるように設
定されている。第２の負帰還ループ付き増幅器３４Ｂ
は、その抵抗値が第１の負帰還ループ付き増幅器３４Ａ
のフィードバックゲインより大きなフィードバックゲイ
ンになるように設定されている。

【００１０】前記検出用電極１６Ｂは信号線３０Ｂを介
して増幅器３８とこの増幅器３８に引く続く制御回路４
０に接続されている。この制御回路４０は、信号線３０
Ｃを介して第１及び第２の負帰還ループ付き増幅器３４
Ａ，３４Ｂに接続されている。ここで、信号線３０Ｂ、
増幅器３８、制御回路４０、信号線３０Ｃ、第１の負帰
還ループ付き増幅器３４Ａ及び信号線３０Ａから第１フ
ィードバックループ４２Ａが構成され、信号線３０Ｂ、
増幅器３８、制御回路４０、信号線３０Ｃ、第２の負帰
還ループ付き増幅器３４Ｂ及び信号線３０Ａから第２フ
ィードバックループ４２Ｂが構成され、これらの第１及
び第２フィードバックループ４２Ａ，４２Ｂとアナログ
スイッチ３８とから検出用電極１６Ｂから取り出された
電気的交流信号を加振用電極１６Ａにフィードバックす
るフィードバックループ４４が構成されている。

【００１１】前記制御回路４０は、検出用電極１６Ｂか
ら取り出された電気的交流信号の状態変化から被測定物
に接触部１４Ａが適正に接触したことを検出するタッチ
トリガ信号を出力するとともに切換指令信号をアナログ
スイッチ３８に送るものである。これらの信号は図２の
タイムチャートに従って出力される。図２に示される通
り、検出用電極１６Ｂから取り出された交流信号（Ａ）
を図示しない整流回路で全波整流し、この整流回路で整
流された交流信号をローパスフィルタで直流信号に変換
し、その直流に変換された信号（Ｂ）が基準信号レベル
に達したとき、タッチトリガ信号（Ｃ）を出力する。こ
の時から時間T₁が経過した後、第１の負帰還ループ付き
増幅器３４Ａから第２の負帰還ループ付き増幅器３４Ｂ
へ切り替え動作させるゲイン切替信号（Ｄ）をアナログ
スイッチ３６に送り、さらに、時間T₁から時間T₂経過
後、逆に、第２の負帰還ループ付き増幅器３４Ｂから第
１の負帰還ループ付き増幅器３４Ａへ切り替え動作させ
るゲイン切替信号をアナログスイッチ３６に送る。

【００１２】ここで、時間T₁は、接触部１４Ａの接触が
完全に終了するまでの時間であるが、具体的には、タッ
チ信号プローブを被測定物に対して移動させる移動機構
（図示せず）の応答性により決定される。即ち、被測定
物に接触部１４Ａを接触させてタッチトリガ信号が発せ
られれば、接触部１４Ａは元の位置に戻されるが、移動
機構に慣性力があるため、タッチトリガ信号が発せられ
ても、接触部１４Ａは、暫くの間、押し込み方向に移動
し、その後、戻り動作を行う。従って、一旦、タッチト
リガ信号を発した場合、次にタッチトリガ信号を発する
までには所定時間を要する。この所定時間は、移動機構
の応答が遅い場合、十分に大きく設定する必要がある。
また、時間T₂は、センサ原信号の振幅が増大して元の値
に戻るまでに時間であり、具体的には第２の負帰還ルー
プ付き増幅器３４Ｂのフィードバックゲインとの関係で
決定される。この時間T₂が適正な時間より長過ぎたり、
あるいは、第２の負帰還ループ付き増幅器３４Ｂのフィ
ードバックゲインが適正な値より大き過ぎたりすると、
振動子１４を固有振動数とは異なる振動数で振動させる
ことになり、誤動作するおそれがある。

【００１３】従って、本実施例によれば、フィードバッ
クループ４４を、振動子１４をその固有振動数で自励振
動させる第１フィードバックループ４２Ａと、この第１
フィードバックループ４２Ａのフィードバックゲインよ
り大きなフィードバックゲインの第２フィードバックル
ープ４２Ｂとを備え、被測定物に接触部１４Ａが適正に
接触して検出用電極１４Ｂから取り出される電気的交流
信号の振幅が基準値になってタッチトリガ信号が発せら
れた後に第１フィードバックループ４２Ａから第２フィ
ードバックループ４２Ｂに切り替えるように構成したか
ら、接触部１４Ａが被測定物に接触して振幅が減衰した
後で振動の立ち上がりを短くしてタッチ信号プローブの
応答性を高めることができる。また、本実施例では、第
１フィードバックループ４２Ａから第２フィードバック
ループ４２Ｂへの切り替えをタッチトリガ信号が発せら
れてから時間T₁経過後、つまり、接触部１４Ａの接触が
完全に終了する時に行ったから、接触部１４Ａが被測定
物に接触している状態でフィードバックゲインが異常に
高められることが防止され、よって、振動子１４が不適
正な振動数で振動されて誤動作を起こすことを回避でき
る。

【００１４】以上、本発明について好適な実施例を挙げ
て説明したが、本発明はこの実施例に限定されるもので
はなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の
改良並びに設計の変更が可能なことは勿論である。

【００１５】例えば、前記実施例では、第１フィードバ
ックループ４２Ａから第２フィードバックループ４２Ｂ
への切り替えをタッチトリガ信号が発せられてから時間
T₁経過後に行ったが、本発明では、時間T₁を設けること
なくタッチトリガ信号を発すると同時に切替動作を行っ
てもよい。即ち、図３に示される通り、タッチトリガ信
号（Ｃ）を発すると同時にゲイン切替信号（Ｄ）をアナ
ログスイッチ３６に送り第１フィードバックループ４２
Ａから第２フィードバックループ４２Ｂへの切り替えを
行い、フィードバックゲインを一時的に高める。ここ
で、移動機構は慣性力に起因して応答性が良くなく、被
測定物に接触部１４Ａが接触している状態では信号は元
に復帰しないので、タッチトリガ信号を発すると同時に
切替動作を行っても測定上の不都合は生じない。センサ
原信号の振幅が元に復帰したことを確認して復帰信号
（Ｅ）を発し、ゲイン切替信号をアナログスイッチ３６
に送り第２フィードバックループ４２Ｂから第１フィー
ドバックループ４２Ａへの切り替えを行う。このように
タッチトリガ信号を発すると同時に切替動作を行えば、
移動機構の応答性に合わせて最適な時間T₁を設定する手
間が省ける。

【００１６】さらに、前記実施例では、タッチトリガ信
号との関係で第１フィードバックループ４２Ａから第２
フィードバックループ４２Ｂへの切り替えを行ったが、
検出用電極１６Ｂから取り出される信号の状態変化を見
て切替動作を行ってもよい。つまり、図２の直流に変換
された信号（Ｂ）を監視し、この信号が基準信号レベル
あるいはこのレベルより低いレベルの第２の基準信号と
比較し、この第２の基準信号に信号（Ｂ）が達した時に
切替動作を行うようにする。

【００１７】また、本発明では、図４に示される通り、
負帰還ループ付き増幅器を抵抗値が異なる２個のフィー
ドバック抵抗４６Ａ，４６Ｂを有する負帰還ループ付き
増幅器４６とし、このフィードバック抵抗４６Ａ，４６
Ｂをアナログスイッチ３６で切り替えることによっても
前記実施例と同様の効果を達成できる。即ち、本発明で
は、フィードバックゲインを一時的に高められる構成で
あれば、その具体的手段は問わない。

【００１８】さらに、タッチトリガ信号を発するための
構成としては、前記実施例のようにな全波整流とローパ
スフィルタとの組み合わせに限定されず、ピークホール
ド回路を用いても、発振周波数の変化を直流レベルに変
換して基準電圧と比較する回路を用いても、あるいは、
加振用電極１６Ａに作用させる加振電圧と検出用電極１
６Ｂから取り出される交流信号との位相差により検出す
る回路を用いてもよく、要するに、接触部１４Ａの被測
定物への接触時の状態変化を検出できれば、その具体的
手段は問わない。

【００１９】また、前記実施例では、三次元測定機に適
用した場合について説明したが、本発明では、これに限
らずハイトゲージ（一次元測定機）、二次元測定機、輪
郭測定機等に適用することも可能である。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
振動子の固有振動数で振動子を自励振動させるフィード
バックループのフィードバックゲインを一時的に高める
ようにしたから、接触部が被測定物に接触して振幅が減
衰した後で振動の立ち上がりを短くして応答性を高める
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るタッチ信号プローブの
要部を示す概略図である。

【図２】前記実施例を作動させるためのタイムチャート
である。

【図３】前記実施例を作動させるための異なるタイムチ
ャートである。

【図４】本発明の変形例に係るタッチ信号プローブを示
すもので、図１に相当する図である。

【図５】従来のタッチ信号プローブの要部を示すもので
一部を破断した斜視図である。

【図６】従来のタッチ信号プローブの回路構成を示す概
略図である。

【図７】振動子の接触力と振幅の実効値との関係を示す
グラフである。

【符号の説明】

１４ 振動子 １４Ａ 接触部 １６Ａ 加振手段である加振用電極 １６Ｂ 検出手段である検出用電極 ３６ アナログスイッチ ４２Ａ 第１フィードバックループ ４２Ｂ 第２フィードバックループ ４４ フィードバックループ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一端に被測定物と接触する接触部を有す
   る振動子と、この振動子を往復振動させる加振手段と、
   振動子の往復振動を電気的信号として取り出す検出手段
   と、この検出手段から取り出される信号を加振手段に増
   幅してフィードバックするフィードバックループとを含
   んで構成され、このフィードバックループは、前記振動
   子をその固有振動数で自励振動させる第１フィードバッ
   クループと、この第１フィードバックループのフィード
   バックゲインより大きなフィードバックゲインの第２フ
   ィードバックループとを有し、前記検出手段から取り出
   される信号を基に前記接触部の被測定物に対する接触が
   検出されたことを条件として第１フィードバックループ
   から第２フィードバックループに所定時間切り替えるこ
   とを特徴とするタッチ信号プローブ。