(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
座標位置決め機械に用いられる接触プローブであって、
軸線を有する固定構造体と、
少なくとも１つの第１接続要素による第１位置および少なくとも１つの第２接続要素による、第１位置から軸線方向に隔たる第２位置にて前記固定構造体に接続された負荷部材と、
前記負荷部材に接続された少なくとも１つの第１係合要素と、
検出チップをその自由端に有する細長いスタイラスを支持するスタイラスホルダであって、該スタイラスホルダは少なくとも１つの第２係合要素を有し、前記第１および第２係合要素は、相互に係合可能であるスタイラスホルダと、
前記スタイラスホルダに軸線方向に押圧力を作用させて前記第１および第２係合要素を前記相互係合するよう押圧する押圧手段であって、前記スタイラスホルダは力が検出チップに作用される時に、押圧手段の作用に対向して変位可能であり、前記第１および第２係合要素の離脱を生ぜしめ、前記第１および第２係合要素は、前記作用された力が除かれた時に押圧手段の作用の下で再係合可能である押圧手段と、
前記接続要素の１つ以上の変形に基づく前記固定構造体と前記負荷部材との相対的動きの変化に応答した信号を発信する複数個のセンサと、を備え、
前記第１および第２接続要素の剛性および前記センサの感度は、力が前記検出チップに作用されたときに、前記センサの少なくとも１つが前記第１および第２係合要素の離脱の前に前記接続要素の少なくとも１つ内の歪を示す信号を発信することを特徴とする接触プローブ。
【請求項２】
前記第１位置は前記第２位置よりもスタイラスの検出チップに近接して配置され、軸線を横切る方向に作用する前記検出チップへの力の作用時に前記少なくとも１つの第２接続要素は、前記第１および第２の相互に係合可能な要素の離脱の前に固定構造体に対するスタイラスホルダと負荷部材との傾斜変位を許すことを特徴とする請求項１記載の接触プローブ。
【請求項３】
前記少なくとも１つの第２接続要素は、前記検出チップへの軸線方向の力の作用時に、固定構造体に対する負荷部材の軸線方向の変位を許すことを特徴とする請求項２記載の接触プローブ。
【請求項４】
前記第１接続要素は前記軸線に対して傾斜されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の接触プローブ。
【請求項５】
３つの第１接続要素を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の接触プローブ。
【請求項６】
前記少なくとも１つの第２接続要素がダイアフラムであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の接触プローブ。
【請求項７】
前記センサは固定構造体と負荷部材との間に配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の接触プローブ。
【請求項８】
前記センサは前記第１および／または前記第２接続要素に設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の接触プローブ。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
1.発明の分野
この発明は、接触プローブ、例えば、機械が表面の位置を計測するのを可能とするために工作機械または座標測定装置のような座標位置決め機械の可動アームに取付けられ得る接触プローブに関するものである。１つの周知の型の接触プローブには“接触トリガープローブ”があり、このような接触プローブは、プローブが可動アームに支持されているハウジングのような固定構造体と、自由端部に検出チップを有する細長いスタイラスを支持するスタイラスホルダとを有している。スタイラスホルダは固定構造体に対して停止位置に配置されており、力がスタイラスに作用された時にスタイラスホルダが停止位置から動くことができ、力が除かれた後にスタイラスホルダは停止位置に戻る。使用中、位置が測定されるべき目的物にスタイラスの検出チップが接触するまで、機械の可動アームは駆動される。検出チップと目的物の間の接触によって、工作機械の制御部にプローブを接続するインターフェース処理回路からのトリガー信号の発信を生じる。トリガー信号は、可動アームの位置を記録し、かつ、可動アームの動きを抑制するよう用いられる。
2.関連技術の説明
目的物が引張または圧縮される時に、出力信号を発信するプローブ内の１つ以上のセンサーを用いることによってスタイラスの検出チップと検査中の表面との間の接触を検出することが知られている。これらセンサは、例えば米国特許第4,177,568号、米国特許第4,364,180号、米国特許第4,455,755号、米国特許第5,435,072号、WO86/03829に示されるような圧電部材としたり、あるいは米国特許第4,462,162号、米国特許第4,813,151号または米国特許第5,339,535号に示されるような歪ゲージとすることができる。
発明の要約
この発明は代替的な接触プローブを提供するものである。この発明によれば、座標位置決め機械に用いられる接触プローブは、
軸線を有する固定構造体と、
少なくとも１つの第１接続要素による第１位置および少なくとも１つの第２接続要素による、第１位置から軸線方向に隔たる第２位置にて前記固定構造体に接続された負荷部材と、
前記負荷部材に接続された少なくとも１つの第１係合要素と、
検出チップをその自由端に有する細長いスタイラスを支持するスタイラスホルダであって、該スタイラスホルダは少なくとも１つの第２係合要素を有し、前記第１および第２係合要素は、相互に係合可能であるスタイラスホルダと、
前記スタイラスホルダに軸線方向に押圧力を作用させて前記第１および第２係合要素を前記相互係合するよう押圧する押圧手段であって、前記スタイラスホルダは力が検出チップに作用される時に、押圧手段の作用に対向して変位可能であり、前記第１および第２係合要素の離脱を生ぜしめ、前記第１および第２係合要素は、前記作用された力が除かれた時に押圧手段の作用の下で再係合可能である押圧手段と、
前記接続要素の１つ以上の変形に基づく前記固定構造体と前記負荷部材との相対的動きの変化に応答した信号を発信する複数個のセンサと、を備え、
前記第１および第２接続要素の剛性および前記センサの感度は、力が前記検出チップに作用されたときに、前記センサの少なくとも１つが前記第１および第２係合要素の離脱の前に前記接続要素の少なくとも１つ内の歪を示す信号を発信するようになされている。
このようなプローブは２次元プローブまたは３次元プローブのいずれかとして機能するよう適合できる。
【図面の簡単な説明】
この発明の実施例が例示としてかつ添付図面を参照して以下に説明されよう。
図１はこの発明に従ったプローブの一実施例における断面図で、
図２は図１に示されるプローブの一部の斜視図である。
好ましい実施例の説明
図１をいま参照すると、接触プローブは歪み感知検出モジュール10と、検出モジュール10に離脱自在に連続可能はスタイラスモジュール12を有している。スタイラスモジュール12は検出モジュール10に磁力で保持されていて、検出モジュール10とスタイラスモジュール12にそれぞれ設けられた永久磁石24A,24Bによって（別のスタイラスモジュール12と交換することができ）、検知モジュール10の３つの球26とスタイラスモジュール12の３つのＶ溝28の形態のカイネマチック（kinematic）支持によって繰返して配列される。スタイラスモジュール12はケーシング100と、ばね104によってケーシング100に関して停止位置に押圧されたスタイラスホルダ102とを有する。ケーシング100に設けられた３つの球106とスタイラスホルダ102に形成された３のＶ溝108との形式の協同する係合要素はスタイラスホルダ102を前述の停止位置に配置する。全ての適切な数と形状の係合要素を用いることができる。
検出モジュール10は、ねじの切られた同軸の電気コネクタ14と円筒状のハウジング16と、細長いほぼ三角形状の回路支持構造体18とによって構成された固定構造体を有しており、これらいずれの部材も互いにしっかりと連結されている。負荷部材30は、回路支持構造体18の中心を通って延びており、比較的弾性のダイアフラム40によってターミナル14に隣接した回路支持構造体18の端部と、３つの等間隔に設けられた比較的弾性の連結支柱50によって回路支持構造体18の軸方向に隔った末端部とに連結されている。図示実施例において、ダイアフラム40は“マン島”形をなしているが、他のダイアフラムを用いることもできる。連結支柱50は、軸線Ａに対してほぼ45゜の角度をなしており、各連結支柱50の軸線は大体軸線Ａ上のほぼ共通の一点で交差している。各連結支柱50は歪ゲージ（図示しない）を有しており、これら歪ゲージは回路支持構造体18が回りを取り囲んでいるASIC信号プロセッサ60にそれぞれ接続されている。
負荷部材30は円形保持板22をしっかりと支持しており、この保持板22の上に永久磁石24Aと球26が設けられている。スタイラスモジュール12が検出モジュール10に連結された時に、スタイラスモジュール12のケーシング100は、従って、検出モジュール10とスタイラスモジュール12の磁気連結の剛さの制限内で負荷部材30と効果的に固着される。
スタイラスホルダ102は、自由端部に球状検出チップ112を有する細長いスタイラス110を支持している。測定作業の間、接触プローブが取り付けられた工作機械のアームは、検出チップ112を動かして、位置が測定される表面と接触するよう駆動される。検出チップ112の接触で、接触により生じた初期歪みがスタイラスモジュール12を介して負荷部材30に、両部材の比較的剛的な連結に基づいて伝達される。固定構造体に対する、特に検出モジュール10の回路支持構造体18に対する結果としての負荷部材30の微小な動きは、少なくとも弾性連結支柱50の小さな撓みと共に、ダイアフラム40の変形に帰する。ダイアフラム40の変形特性は、表面との接触によって検出チップ112に作用される力の方向に依存している。例えば、軸線Ａと直角な方向の作用力は、ダイアフラム40の領域内のある一点のまわりの負荷部材30の回動と、従ってダイアフラム40の小さたゆがみ（buckling）とに帰する。軸線方向の力は負荷部材30を直線的に動かすようになす。
連結支柱50の撓みまたは他の変形は、連結支柱50に支持された歪ゲージを横切る抵抗の対応する変化を生じさせる。この抵抗の変化は、ASICプロセッサ60によって検出されこれは結果としてトリガー出力を発生する。連結支柱50の剛性と歪ゲージの感度は、検出チップ112が表面と接触した後の比較的短時間に、かつ、どんな場合でも、スタイラスモジュール12内の係合要素106,108がまた係合している間にトリガー信号が発生されるようにする。工作機械のアームのさらなる動きは、工作機械制御によるトリガー信号の受信がその動きを阻止する前に起り、この一層の動き（“オーバトラベル”）は係合要素106,108の離脱によって許容される。
アームが停止した時に、アームはそこで表面から離れるよう逆送され、そのとき、押圧ばね104は要素106,108の再係合を生じさせてスタイラス−表面の接触に起因する歪が除かれる。従って、連結支柱50の結果としての変形が消滅し、歪ゲージの抵抗が歪ゲージの以前の値に実質的に戻ってASICプロセッサ60の出力に対応する変化を生じさせる。好適に、ASICプロセッサ60は米国特許第4,817,362号明細書に記載されるように歪ゲージの抵抗の長期ドリフトを考慮した自動ゼロ回路を有していて、これによってこのようなドリフトに基づく誤トリガーの発生を阻止する。
歪ゲージの感度と連結支柱50の対応する相対的もろさは、検出モジュール10が、例えば、モジュールの落下により生ずる損傷に過剰に影響を受け易いことを意味している。従って、１つの実施例では、連結支柱50の領域と負荷部材30と支持構造体18は、小さな間隔（10ミクロンの大きさ）で互いに離間されている相互に対向した截頭円錐面62,64を有している。油の被膜が、毛管作用によって結果としての空間内に保持されている。本発明者等は、プランジャ30および回路支持構造体18上の対向する截頭円錐面62,64間の隙間を満たす油によってもたらされる“スクイーズ・フィルム・ダンバ（squeeze−filmdamper）”が検出モジュール10が落とされた時に衝撃の大部分を緩和するように作用し、これによって接触プローブの損傷に対する感受性を減少させることを見い出した。
説明した実施例は、離脱自在に連結可能なモジュール10,12を有するプローブ構造を参照してこの発明を例示している。代案として、スタイラスホルダが負荷部材30の保持板22に係合すべく直接押圧されている通常の構造が適用されてもよい。
歪ゲージの代りとして、圧電素子や電歪素子のような引張と圧縮に感応する他のセンサが使用できる。どの場合にも、センサは連結支柱50に設ける必要はなく、ダイアフラム40を含むどのような適した位置にこれらセンサを配置してもよい。
【図２】
0003546057.tif 000002
【図１】
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