(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定要素と、スタイラスを含む可動要素と、前記固定要素と可動要素とが互いに離隔した複数箇所において接触し、これにより固定要素と可動要素との相対位置を一義的に定める着座要素と、この着座要素を介して前記可動要素を固定要素に強制的に接触させる付勢要素と、前記固定要素と可動要素との接触部において固定要素と可動要素とを相対変位させ接触部間に発生した摩擦力を管理する変位発生要素とを含み、
前記変位発生要素は、前記固定要素とその固定要素側の前記着座要素の接触部との間に設けられた中空型圧電素子と、この中空型圧電素子の一端にある前記固定要素と前記中空型圧電素子の他端にある前記着座要素の接触部とを前記中空型圧電素子の中空部を通して連結し、その中空部の軸方向に前記中空型圧電素子を圧縮するプリロード素子とから構成されていることを特徴とする着座機構。
【請求項２】
固定要素と、スタイラスを含む可動要素と、前記固定要素と可動要素とが互いに離隔した複数箇所において接触し、これにより固定要素と可動要素との相対位置を一義的に定める着座要素と、この着座要素を介して前記可動要素を固定要素に強制的に接触させる付勢要素と、前記固定要素と可動要素との接触部において固定要素と可動要素とを相対変位させ接触部間に発生した摩擦力を管理する変位発生要素とを含み、
前記変位発生要素は、前記可動要素とその可動要素側の前記着座要素の接触部との間に設けられた中空型圧電素子と、この中空型圧電素子の一端にある前記可動要素と前記中空型圧電素子の他端にある前記着座要素の接触部とを前記中空型圧電素子の中空部を通して連結し、その中空部の軸方向に前記中空型圧電素子を圧縮するプリロード素子とから構成されていることを特徴とする着座機構。
【請求項３】
固定要素と、スタイラスを含む可動要素と、前記固定要素と可動要素とが互いに離隔した複数箇所において接触し、これにより固定要素と可動要素との相対位置を一義的に定める着座要素と、この着座要素を介して前記可動要素を固定要素に強制的に接触させる付勢要素と、前記固定要素と可動要素との接触部において固定要素と可動要素とを相対変位させ接触部間に発生した摩擦力を管理する変位発生要素とを含み、
前記変位発生要素は、前記固定要素とその固定要素側の前記着座要素の接触部との間に設けられた第１の中空型圧電素子と、この第１の中空型圧電素子の一端にある前記固定要素と前記第１の中空型圧電素子の他端にある前記着座要素の接触部とを前記第１の中空型圧電素子の中空部を通して連結し、その中空部の軸方向に前記第１の中空型圧電素子を圧縮する第１のプリロード素子と、前記可動要素とその可動要素側の前記着座要素の接触部との間に設けられた第２の中空型圧電素子と、この第２の中空型圧電素子の一端にある前記可動要素と前記第２の中空型圧電素子の他端にある前記着座要素の接触部とを前記第２の中空型圧電素子の中空部を通して連結し、その中空部の軸方向に前記第２の中空型圧電素子を圧縮する第２のプリロード素子とから構成されていることを特徴とする着座機構。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の着座機構において、前記プリロード素子は、前記固定要素または可動素子から突設され前記中空型圧電素子の中空部が挿入される連結軸部と、この連結軸部の先端に螺合され前記中空型圧電素子を中空部の軸方向に圧縮する押圧ねじとから構成されていることを特徴とする着座機構。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の着座機構において、前記中空型圧電素子は、前記スタイラスの軸を中心とする放射方向に伸縮するように配置されていることを特徴とする着座機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タッチ信号プローブの構成要素となる着座機構に関する。詳しくは、固定要素と、スタイラスを含む可動要素と、前記固定要素と可動要素とが互いに離隔した複数箇所において接触し、これにより固定要素と可動要素との相対位置を一義的に定める着座要素と、この着座要素を介して前記可動要素を固定要素に強制的に接触させる付勢要素と、前記固定要素と可動要素との接触部において固定要素と可動要素とを相対変位させ接触部間に発生した摩擦力を管理する変位発生要素とを含む着座機構において、着座時の位置の再現性を高める構造に関する。
【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なトリガとして各軸（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求める。このため、プローブと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が広く用いられている。
【０００３】
図３は従来のタッチ信号プローブを示している。同図において、スタイラス１は可動要素２に固定されている。可動要素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１２０度間隔で放射状に突設されている。一方、プローブケース４に設けられる固定要素（プローブケース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、可動要素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。ここに、円柱体３とＶ字状係止部６とは、固定要素５と可動要素２との相対位置を一義的に定める着座要素を構成している。
【０００４】
このような構成において、可動要素２を付勢要素である付勢力発生用ばね７で固定要素５に押圧し、着座要素を介して可動要素２を固定要素５に強制的に接触させる。スタイラス１の先端に被測定物からの測定力が付与されていない状態では、可動要素２は固定要素５に６ヶ所の着座部位で静止している。つまり、可動要素２の各円柱体３がＶ字状係止部６と２点、全体として６点で静止している。従って、これを６点接触型着座機構と呼ぶ。
【０００５】
ところで、スタイラス１の先端に付与される被測定物からの測定力は方向が限定されない。従って、スタイラス１の下方のあらゆる方向からスタイラス１の先端に向かって測定力が付与されることを想定しなければならない。このような測定条件下にある場合、その動作後の着座位置も測定力の方向に依存して異なる。
【０００６】
本来ならばどの向きから着座した場合であっても、可動要素２の最終的な着座静止位置は一義的に決定されることが望ましい。しかし、実際には、前述の６ヶ所の着座部位に作用する摩擦力が測定力の方向に依存して異なる。つまり、測定毎に摩擦力の状態が異なるため、可動要素２の着座位置がばらついてしまうという問題がある。
【０００７】
図４は６点接触型着座機構を用いた場合のスタイラスの先端位置のばらつきをスタイラスが法線となる平面に投影したものである。この測定では、スタイラスと直角をなす方向からの測定力をスタイラスの軸回りに２０度ピッチで付与し、各測定後のスタイラスの先端の静止位置を観測している。
この図からもわかるように、可動要素の一部であるスタイラスの先端位置は三角形状にばらつくことがわかる。この着座機構が一要素となるタッチ信号プローブでは、この着座位置のばらつきがタッチ信号プローブの性能を劣化させてしまうことになる。
【０００８】
そこで、この着座位置のばらつきが６ヶ所の着座部位に作用する摩擦力に依存するものであるのなら、この摩擦力の方向を管理すれば、着座位置のばらつきは改善されるはずである。
本出願人は、先に、このような摩擦力を管理した着座機構を提案した（特願平７−２４６０６６号参照）。これは、図５に示すように、固定要素１１と、スタイラス２２を含む可動要素２１とを備える。
【０００９】
固定要素１１は、可動要素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１２Ａ〜１２Ｃを有し、その各腕部１２Ａ〜１２Ｃの先端部上面には接触部としての硬球１３Ａ〜１３Ｃが配置されている。各腕部１２Ａ〜１２Ｃにおいて、硬球１３Ａ〜１３Ｃより内側部分には矩形状の収納孔１４Ａ〜１４Ｃが貫通形成され、その各収納孔１４Ａ〜１４Ｃには変位発生要素としての圧電素子１５Ａ〜１５Ｃが予圧を加えられた状態で埋め込まれている。
【００１０】
可動要素２１の中心には、下端に接触球２３を有するスタイラス２２が直角にかつ下方に向かって突設されている。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、前記硬球１３Ａ〜１３Ｃに接触する接触部としてのＶ溝２４Ａ〜２４Ｃがスタイラス２２の軸を中心として放射方向に設けられている。ここに、前記硬球１３Ａ〜１３ＣとＶ溝２４Ａ〜２４Ｃとは、固定要素１１と可動要素２１との相対位置を一義的に定める着座要素を構成している。
【００１１】
このような構成において、図示しない付勢要素（図３の付勢力発生用ばね７など）を介して、可動要素２１を固定要素１１に対して着座、つまり、可動要素２１のＶ溝２４Ａ〜２４Ｃを固定要素１１の硬球１３Ａ〜１３Ｃに接触させた着座状態において、各圧電素子１５Ａ〜１５Ｃに電圧を印加すると、各硬球１３Ａ〜１３Ｃはスタイラス２２の軸を中心に略放射方向に変位される。これにより、各硬球１３Ａ〜１３ＣとＶ溝２４Ａ〜２４Ｃの接触部に作用する摩擦力の向きを管理しようとするものである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した構造によると、変位発生部位である硬球１３Ａ〜１３Ｃの部位と固定部位である固定要素１１の中心部位とを２本の平行な腕（収納孔１４Ａ〜１４Ｃの両側の腕）で連結し、その平行な２本の腕の間に圧電素子１５Ａ〜１５Ｃを予圧を加えた状態で挿入した構造であるから、２本の腕の剛性の不均一や、圧電素子１５Ａ〜１５Ｃの挿入位置ずれなどにより、固定要素１１の可動素子２１に対する相対変位の方向が圧電素子１５Ａ〜１５Ｃの伸縮方向と同一にならない場合があり、そのため、摩擦力の向きの管理が正確に行えず、期待する着座機構の高復帰位置精度を安定して確保できないという課題があった。
【００１３】
本発明の目的は、従来のような加工、組立に基づく固体差を改善し、固体差についてロバスト性を高め、高復帰位置精度を安定して確保できる着座機構を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の着座機構は、固定要素と、スタイラスを含む可動要素と、前記固定要素と可動要素とが互いに離隔した複数箇所において接触し、これにより固定要素と可動要素との相対位置を一義的に定める着座要素と、この着座要素を介して前記可動要素を固定要素に強制的に接触させる付勢要素と、前記固定要素と可動要素との接触部において固定要素と可動要素とを相対変位させ接触部間に発生した摩擦力を管理する変位発生要素とを含み、前記変位発生要素は、前記固定要素とその固定要素側の前記着座要素の接触部との間に設けられた中空型圧電素子と、この中空型圧電素子の一端にある前記固定要素と前記中空型圧電素子の他端にある前記着座要素の接触部とを前記中空型圧電素子の中空部を通して連結し、その中空部の軸方向に前記中空型圧電素子を圧縮するプリロード素子とから構成されていることを特徴とする。
【００１５】
ここにおいて、変位発生要素は、固定要素側に設けられる場合に限らず、可動要素側に設けてもよく、あるいは、固定要素と可動要素との双方に設けてもよい。
たとえば、可動要素側に設ける場合の構成としては、前記可動要素とその可動要素側の前記着座要素の接触部との間に設けられた中空型圧電素子と、この中空型圧電素子の一端にある前記可動要素と前記中空型圧電素子の他端にある前記着座要素の接触部とを前記中空型圧電素子の中空部を通して連結し、その中空部の軸方向に前記中空型圧電素子を圧縮するプリロード素子とから構成する。
【００１６】
また、固定要素と可動要素との双方に設ける場合の構成としては、前記固定要素とその固定要素側の前記着座要素の接触部との間に設けられた第１の中空型圧電素子と、この第１の中空型圧電素子の一端にある前記固定要素と前記第１の中空型圧電素子の他端にある前記着座要素の接触部とを前記第１の中空型圧電素子の中空部を通して連結し、その中空部の軸方向に前記第１の中空型圧電素子を圧縮する第１のプリロード素子と、前記可動要素とその可動要素側の前記着座要素の接触部との間に設けられた第２の中空型圧電素子と、この第２の中空型圧電素子の一端にある前記可動要素と前記第２の中空型圧電素子の他端にある前記着座要素の接触部とを前記第２の中空型圧電素子の中空部を通して連結し、その中空部の軸方向に前記第２の中空型圧電素子を圧縮する第２のプリロード素子とから構成する。
【００１７】
このような構成において、中空型圧電素子への通電により中空型圧電素子を伸縮させると、その中空型圧電素子の伸縮に伴って着座要素の接触部も変位される。このとき、中空型圧電素子の両端は、固定要素または可動要素と着座要素の接触部とに面で、しかも、均一に押圧されているから、中空型圧電素子の伸縮方向と同方向に着座要素の接触部が変位される。従って、従来のような加工、組立に基づく固体差を改善できるから、高復帰位置精度を安定して確保できる。
【００１８】
以上において、プリロード素子の構成としては、前記固定要素または可動素子から突設され前記中空型圧電素子の中空部が挿入される連結軸部と、この連結軸部の先端に螺合され前記中空型圧電素子を中空部の軸方向に圧縮する押圧ねじとから構成されていることが好ましい。
このようにすれば、連結軸部によって固定要素または可動要素と着座要素の接触部とを中空型圧電素子の中空部を通して簡単に連結することができ、しかも、その連結軸部に螺合された押圧ねじを締め付けるだけで、中空型圧電素子を中空部の軸方向に圧縮することができる。
また、中空型圧電素子の伸縮方向は、固定要素と可動要素との相対変位方向と一致する方向であれば任意であるが、スタイラスの軸を中心とする放射方向と一致するように、中空型圧電素子が配置されていることが好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態の着座機構を示す分解斜視図、図２は図１の断面図である。
本実施形態の着座機構は、固定要素３１と、スタイラス４２を含む可動要素４１と、前記固定要素３１と可動要素４１とが互いに離隔した複数ヶ所（３ヶ所）において接触し、これにより固定要素３１と可動要素４１との相対位置を一義的に定める着座要素５１と、この着座要素５１を介して前記可動要素３１を固定要素４１に強制的に接触させるとともにスタイラス４２に外部から力が加えられたとき前記固定要素３１に対する可動要素４１の変位を許容する付勢要素（図示してないが、図３で示した付勢力発生用ばね７と同じ）と、前記固定要素３１と可動要素４１との接触部において固定要素３１と可動要素４１とを相対変位させ接触部間に発生した摩擦力を管理する変位発生要素６１とを含んで構成されている。
【００２０】
前記固定要素３１には、中央に前記可動素子４１のスタイラス４２が挿通する貫通孔３２が設けられているとともに、外周面の１２０度間隔位置に連結軸部３３が前記スタイラス４２の軸を中心とする放射方向に突設されている。連結軸部３３の中心軸方向にはねじ孔３４が形成されている。
前記可動要素４１には、中央下面に前記スタイラス４２が一体的に突設されているとともに、外周面の１２０度間隔位置に円柱体４３が前記スタイラス４２の軸を中心とする放射方向に突設されている。スタイラス４２の下端には接触球４４が形成されている。
【００２１】
前記着座要素５１は、前記可動要素４１側に設けられた３本の円柱体４３と、前記固定要素３１側に設けられ前記各円柱体４３を受ける２個の硬球５２を上面に有する３つの変位ブロック５３とから構成されている。従って、各円柱体４３が硬球５２と２点で、全体として６点で接触している。各変位ブロック５３に配置された２個の硬球５２は、前記スタイラス４２を中心とする放射方向で、かつ、その２個の硬球５２を通る直線がスタイラス４２を中心とする放射方向に対して直角となるように、配置されている。また、各変位ブロック５３には、外側面に径大な座ぐり穴５４を有す貫通孔５５が形成されている。
【００２２】
前記変位発生要素６１は、前記固定要素３１とその固定要素３１側の前記着座要素５１の接触部である変位ブロック５３との間に設けられた中空型圧電素子６２と、この中空型圧電素子６２の一端にある前記固定要素３１と前記中空型圧電素子６２の他端にある前記着座要素５１の変位ブロック５３とを前記中空型圧電素子６２の中空部を通して連結し、その中空部の軸方向に前記中空型圧電素子６２を圧縮するプリロード素子６３とから構成されている。これにより、各変位ブロック５３は、前記スタイラス４２を中心とする放射方向に変位されるようになっている。
【００２３】
前記プリロード素子６３は、前記固定要素３１に突設され前記中空型圧電素子６２の中空部が挿入される連結軸部３３と、前記各変位ブロック５３の外側より前記連結軸部３３の先端ねじ孔３４に螺合され前記中空型圧電素子６２を中空部の軸方向に圧縮する押圧ねじ６４とから構成されている。
【００２４】
従って、本実施形態では、変位発生要素６１を、固定要素３１と着座要素５１の接触部である変位ブロック５３との間に設けられた中空型圧電素子６２と、この中空型圧電素子６２の中空部を通して固定要素３１と着座要素５１の変位ブロック５３とを連結し、その中空部の軸方向に中空型圧電素子６２を圧縮するプリロード素子６３とから構成したので、中空型圧電素子６２への通電により中空型圧電素子６２を伸縮させると、その中空型圧電素子６２の伸縮に伴って着座要素５１の接触部である変位ブロック５３も変位される。
【００２５】
このとき、中空型圧電素子６２の両端は、固定要素３１と着座要素５１の変位ブロック５３とに面で、しかも、均一に押圧されているから、中空型圧電素子６２の伸縮方向と同方向に着座要素５１の変位ブロック５３が変位される。従って、従来のような加工、組立に基づく固体差を改善し、固体差についてロバスト性を高めることができるから、高復帰位置精度を安定して確保できる。なお、このとき、中空型圧電素子６２の両端面、これに接する固定要素３１の端面および変位ブロック５３の端面が、中空型圧電素子６２の伸縮方向を法線とするような面であることが望ましい。
【００２６】
また、プリロード素子６３は、固定要素３１に突設され中空型圧電素子６２の中空部が挿入される連結軸部３３と、この連結軸部３３の先端ねじ孔３４に螺合され中空型圧電素子６２を中空部の軸方向に圧縮する押圧ねじ６４とから構成したので、連結軸部３３によって固定要素３１と着座要素５１の接触部である変位ブロック５３とを中空型圧電素子６２の中空部を通して簡単に連結することができる。しかも、その連結軸部３３の先端ねじ孔３４に螺合された押圧ねじ６４を締め付けるだけで、中空型圧電素子６２を中空部の軸方向に圧縮することができる。
【００２７】
なお、上記実施形態では、中空型圧電素子６２を用いたが、軸心が中空で、閉じた構造の変位発生要素であれば、他のどのような形態であってもよい。
また、上記実施形態では、変位発生要素６１を固定要素３１に配置したが、これに限られるものでなく、可動要素４１側に配置してもよく、あるいは、可動要素４１と固定要素３１との双方に配置してもよい。
たとえば、変位発生要素６１を可動要素４１側に配置する構成としては、前記可動要素４１とその可動要素４１側の前記着座要素５１の接触部である円柱体４３との間に中空型圧電素子を設け、この中空型圧電素子の一端にある前記可動要素４１と中空型圧電素子の他端にある円柱体４３とをプリロード素子によって中空型圧電素子の中空部を通して連結するようにすればよい。この場合、プリロード素子は上記実施形態で挙げた連結軸部３３と押圧ねじ６４とからなる構成でもよい。なお、変位発生要素６１を可動要素４１と固定要素３１との双方に配置する構成としては、上記実施形態で説明した変位発生要素６１を固定要素３１側に配置する構成と、変位発生要素６１を可動要素４１側に配置する構成との組合せによって実現できる。
【００２８】
また、上記実施形態では、中空型圧電素子６２の伸縮方向がスタイラス４２の軸を中心とする放射方向に一致する方向に中空型圧電素子６２を配置したが、中空型圧電素子６２の伸縮方向がスタイラス４２の軸を中心とする放射方向に必ずしも一致していなくてもよい。ただ、固定要素３１と可動要素４１との相対変位方向と一致する方向に中空型圧電素子６２の伸縮方向を一致させることが望ましい。
また、上記実施形態では、６点の接触部位を６個の硬球５２と３本の円柱体４３とで構成したが、この構成に限られるものでなく、他のどのような構成であってもよい。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の着座機構によれば、加工、組立に基づく固体差を改善し、固体差についてロバスト性を高め、高復帰位置精度を安定して確保できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す分解斜視図である。
【図２】同上実施形態の断面図である。
【図３】従来の着座機構を用いたタッチ信号プローブを示す斜視図である。
【図４】図３のタッチ信号プローブでの着座位置のばらつきを示す図である。
【図５】本出願人が先に提案した摩擦力を管理した着座機構を示す図である。
【符号の説明】
７  付勢力発生用ばね
３１  固定要素
３３  連結軸部
４１  可動要素
４２  スタイラス
４３  円柱体（可動要素側における着座要素の接触部）
５１  着座機構
５２  硬球（固定要素側における着座要素の接触部）
５３  変位ブロック
６１  変位発生要素
６２  中空型圧電素子
６３  プリロード素子
６４  押圧ねじ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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