(57)【要約】  ペンタポッド式運動学を用いて動作し、５つの軸の周りにおいて測定点の先端における絶対位置を決定するための座標測定機である。この機械は、第１の、２つに分岐したリンケージと、第２の、３つに分岐したリンケージと、さらに複数の長細い支柱とを備える。複数の支柱のうち、第１および第２の支柱は、第１のリンケージを共有し、複数の支柱のうち、第３、第４および第５の支柱は、第２のリンケージを共有し、第１および第２のリンケージは、ハンドルによって連結されている。第１および第２の支柱は、第１のリンケージに対して回転可能に係止されていることが好ましく、第３、第４および第５の支柱は、第２のリンケージに対して回転可能に係止されていてもよい。第１から第５のノードを設け、それぞれが第１から第５の支柱のうちの対応する１つに対してスライド可能に係止してもよい。これらのノードは、ノードに対する対応の支柱の変位を測定するための手段を備えてもよい。
2009512836.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペンタポッド式運動学を用いて、測定点の先端の絶対位置を決定するように動作可能な座標測定機。
【請求項２】
５つの軸の周りにおいて対象物の座標を測定するための請求項１に記載の座標測定機であって、
第１の、２つに分岐したリンケージと、
第２の、３つに分岐したリンケージと、
複数の長細い支柱とを備え、
複数の支柱のうち、第１および第２の支柱は、第１のリンケージを共有し、
複数の支柱のうち、第３、第４および第５の支柱は、第２のリンケージを共有し、
第１および第２のリンケージは、ハンドルによって連結されている、座標測定機。
【請求項３】
第１および第２の支柱は、第１のリンケージに対して回転可能に係止されており、
第３、第４および第５の支柱は、第２のリンケージに対して回転可能に係止されている、
請求項２に記載の座標測定機。
【請求項４】
第１から第５のノードであって、それぞれが第１から第５の支柱のうちの対応する１つに対してスライド可能に係止されているノードを備える、請求項２または３に記載の座標測定機。
【請求項５】
それぞれのノードは、ノードに対する対応する支柱の変位を測定するための手段を備える、請求項４に記載の座標測定機。
【請求項６】
ノードは、８面体の上に設置された３面体の形で形成されたトラス骨組みによって支えられている、請求項４または５に記載の座標測定機。
【請求項７】
第１および第２の支柱は、共通軸の周りにおいて第１のリンケージに対して回動可能に係止されているため、互いに相対的な回転が可能であり、
第１のリンケージは、第１および第２の支柱に対して回転可能に係止された玉継ぎ手を備えるため、ボールの周りを３自由度において第１および第２の支柱と共に回動可能である、請求項２〜６のうちいずれか１項に記載の座標測定機。
【請求項８】
第３および第４の支柱は、共通軸の周りにおいて第２のリンケージに対して回動可能に係止されているため、互いに相対的な回転が可能であり、
第２のリンケージは、第３および第４の支柱に対して回転可能に係止された玉継ぎ手を備えるため、ボールの周りを３自由度において第３および第４の支柱と共に回動可能であり、
第５の支柱は、少なくとも１つの軸におけるボールの焦点における回転軸に対して回動可能に係止されている、請求項２〜７のうちいずれか１項に記載の座標測定機。
【請求項９】
ハンドルは、長細い部材であって、第１および第２のリンケージを介してハンドルの主軸の周りを回動する部材を備える、請求項２〜８のうちいずれか１項に記載の座標測定機。
【請求項１０】
ハンドルに連結されたスタイラスを備える、請求項２〜９のうちいずれか１項に記載の座標測定機。
【請求項１１】
スタイラスは、測定点先端を備える、請求項１０に記載の座標測定機。
【請求項１２】
ハンドルは、第１および第２のリンケージのうちいずれか一方を超えて延伸し、交換可能なスタイラスであって、既知である直径を有する球体先端を備え、対象物を調べるのに適したスタイラスを備える、請求項２〜９のうちいずれか１項に記載の座標測定機。
【請求項１３】
ハンドルは、ハンドルの主軸の周りをあらゆる方向に傾斜して主軸に沿って変位することが可能であり、
ハンドルは、測定点先端に対して固定的に連結されており、
測定点先端は、球体であり、
ハンドルの変位が位置計測処理を始動させる、
請求項２〜１０のうちいずれか１項に記載の座標測定機。
【請求項１４】
ハンドルは、ハンドルに対してプリロードされた傾斜力を付与するための付勢手段を備える、請求項１３に記載の座標測定機。
【請求項１５】
付勢手段は、バネ部材を備え、
プリロードされた傾斜力は、バネ部材に対して連結された１つ以上の位置決めネジを用いて外部より変更されるようにする、請求項１４に記載の座標測定機。
【請求項１６】
ハンドル変位を比例的に測定し、既知であるプリロード値が与えられた場合に先端接触圧を決定するための手段を備える、請求項１４または１５に記載の座標測定機。
【請求項１７】
比例的に測定する手段は、デジタル処理センサを用いて比例的測定を実施する、請求項１６に記載の座標測定機。
【請求項１８】
ハンドルは、開口した玉継ぎ手の周りを傾斜し、軸方向に位置を変えることが可能であり、
このような変位は、レバー要素によって実施されて全ての変位ベクトルを内部部材の軸方向変位へと還元し、スイッチを作動させ、測定することが可能である、
請求項９に記載の座標測定機。
【請求項１９】
第１および第２の支柱は、それぞれが、玉継ぎ手のボールと互いとを係止するための環状ソケットリングを備え、
環状ソケットリングは、互いを付勢させてから、共に磁気的にプリロードさせるための磁石手段を備える、
請求項７に記載の座標測定機。
【請求項２０】
第３および第４の支柱は、それぞれが、玉継ぎ手のボールと互いとを係止するための環状ソケットリングを備え、
環状ソケットリングは、互いを付勢するための磁石手段を備える、
請求項８に記載の座標測定機。
【請求項２１】
ノードは、ノードを通過する対応する支柱の動作を軸方向動作のみに制限するための手段をそれぞれ備える、請求項４に記載の座標測定機。
【請求項２２】
支柱は、三角形の断面形状を有する長細い部分を備え、
平面のうち１つは、直線型エンコーダトラックを保持する、
請求項２〜２１のうちいずれか１項に記載の座標測定機。
【請求項２３】
支柱をローラベッドに対して拘束するための手段を備える、請求項２２に記載の座標測定機。
【請求項２４】
第１から第５のノードのうち１つ以上が、
１つ以上の磁石と少なくとも３つの低摩擦ベアリングポイントを有する環状リングと、
対応する支柱にスライド可能に係止された、略球体の強磁性部材とを備え、
１つ以上の磁石は、略球体の強磁性部材が少なくとも３つの低摩擦ベアリングポイントに接して一義的な定着位置を確立させるように配置されている、
請求項４〜６のうちいずれか１項に記載の座標測定機。
【請求項２５】
ベアリングポイントは、循環式ボール移動ユニットを備える、請求項２４に記載の座標測定機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ある一点だけではなく、対象物に沿ったパスのデジタル化を含む表面プロービング方法によって対象物の幾何学的寸法を決定するための装置に関する。おおよそ自由度６（６ＤＯＦ）における連接によって、ユーザはプローブに対して対象物を移動させたり、新しいスタイラスを調整したりする必要性がないまま、対象物の表面をよりよくアクセスすることが可能となる。本装置は、新しい形の並列運動学的構造を用いて、通常の必要および複雑さを伴わずに空間データを計測することを可能とする。さらに本装置は、新しいリンケージを用いて、通常このような低予算で可能であるよりも高い精度および再現性を確保する。
【背景技術】
【０００２】
以前にも増して三次元ＣＡＤツールを用いる製品の設計者は、例えば定規あるいはデジタルはさみ尺などの単軸装置を用いて測定するのが極めて困難である曲線を含むパーツを製作している。
【０００３】
座標測定機（ＣＭＭ）は、三次元対象物の測定技術において一般的なツールである。ＣＭＭは、３ＤＯＦにおいてデカルト的に連接し、タッチトリガープローブの助けを借りて単一点のデータを収集するガントリー機構または６ＤＯＦアームのように連接し、固定プローブ点あるいはレーザスキャナのデータを収集する極機構のいずれかを使用する傾向がある。
【０００４】
前者のデカルト式機械は、長年に亘って洗練されて価値工学化されたが、部品技術（高感度プローブ、大理石ベッド、空気ベアリング、精密リニアエンコーダ、極めて剛性の高い骨組み等）が高価であるため、その製造はずっと高価である。極式機械は、各自由度がシリーズチェーンとして付与されるため誤差が累積され、また全体剛性および精度が６つ全てのリンケージおよびエンコーダにおける誤差の合計であるため、精密に設計することが困難である。また、長いレバーの終端においてミクロン精度を保つラジアルエンコーダは、極めて高価である。
【０００５】
固有の構造および精度要因は、エントリーレベルの費用が１０ｋポンドを越え、多くの場合には、複雑な専門のソフトウェアであって、その資本コストが高いだけではなく、正しく使用するためにかなりの訓練を有するようなものによって制御される機械をもたらすことになる。
【０００６】
多軸計測に対する要求は、急激に伸びることが予想されているが、今まではその価格が手頃でありながら小規模あるいは任意のユーザが容易に使用できるようなツールが存在しなかった。本発明の目的は、機械を安価で製作することが可能であり、機械が工業条件下における使用時に頑強であり、新しいソフトウェアパラダイムによって機械の使用が迅速且つ簡単であるようにすることによって、この隙間市場を埋めることにある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、並列運動学的構造を有効に使用し、安価である計測機を得ることにある。
【０００８】
本発明の別の目的は、極めて再現可能であり、ヒステリシスのない、製作費が安価な多軸リンケージを得ることにある。
【０００９】
本発明の別の目的は、剛性を有し、三角形の断面を有するカーボンファイバ製の支柱に対して取り付けられた長さエンコーダを用いることによって、耐熱性を有し、正確な変位測定を可能にすることにある。
【００１０】
本発明の別の目的は、対象物とスタイラスの先端との間において安定的且つ予想可能な接触圧を促進するハンドルを用いることによって、測定精度を向上することにある。
【００１１】
本発明の別の目的は、機械的ソリューションを頑強且つコンパクトな形でパッケージすることにより、ユーザにとって便利であるように機械的ソリューションのデスクトップ上での操作を可能にし、特別なクリーンルームや空調条件を必要としないようにすることにある。
【００１２】
本発明の別の目的は、ソフトウェアが分かりやすく、すぐに使用できるインターフェイスを提供し、さらにソフトウェアが輪郭トポグラフィおよび表面粗さのような部分からより多くの利用可能なデータを抽出することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明において、請求項１に記載の座標計測機が提供されている。好ましい実施例は、従属請求項において記載されている。
【００１４】
本発明は、以下の構成要素上の局面に分類することが可能である。すなわち、運動学、リンケージ、支柱、エンコーダノード、ハンドル、パッケージングおよび制御システムの局面である。これらの構成要素上の局面について、以下にそれぞれ詳述する。
【００１５】
運動学：
並列リンク機構は、協働する複数のリンケージの移動に依存して機能することによって位置を決定するのに対して、シリアルリンク機構においては各リンケージが個別に作動する。
【００１６】
典型的な多軸パラレル構造は、ヘキサポッドとして知られる多関節式の８面体であって、６つの支柱の長さが機械のエンドエフェクタの位置をおよそ６ＤＯＦに一義的に定義づける。目標とする終位が与えられると、必要な支柱の長さが容易に演算され得る（逆運動学変換）のに対し、６つの支柱の長さが与えられた場合、終位の演算（順運動学変換）は、より煩雑であって、一般的には集約的な反復法を処理することによってのみ解くことが可能である。ヘキサポッドも全ての６ＤＯＦを完全に拘束するが、計測機では、スタイラスの軸周りの回転を演算する必要がない。計算機においては、５つの軸のみが必要であるため、６つ目の軸は、実質的に無駄である。
【００１７】
本発明では、５つのノードと２つのリンケージとの間において機能する、５つの支柱を有する「ペンタポッド」構造を用いる。支柱のうち３本は、リンケージのうち１つ目では３つに分岐したジョイント（例えば三脚など）において交わり、残りの２つの支柱は、２つ目のリンケージにおいて２つに分岐したジョイント（例えば”Ｖ”など）において交わるように構成されている。第１および第２のリンケージは、スタイラスが取り付けられているハンドルによって間隔をおいて設けられている。したがって、ハンドルは、２つのリンケージ（各端部に１つ）によって支持されており、一方のリンケージが３つの支柱からなる三脚の頂点をなし、他方のリンケージが別の三脚の頂点をなしつつ、最初の頂点を自身の三脚の基礎のうち１つとして使用する。５つの支柱の長さは、スタイラスの空間位置を一義的に定義し、ハンドル軸の周りの不要な回転は、リンケージによって抑制される。
【００１８】
このような運動学は、はるかに容易に解くことが可能であり、特にプローブ付のポイントにおける位置を演算するのに必要な順変換は、リアルタイムで容易に演算され得るようになる。
【００１９】
リンケージ：
ペンタポッド式運動学上の難しい局面は、支柱の関節運動における統一焦点をハンドルの一方の端部において維持することが好ましいという点にある。
【００２０】
このようなリンケージのうちいずれか一方は、２つの支柱とハンドル軸とが共有される焦点の周りにおいて自由に関節動作を実施することを容認する必要がある。このような場合、この一対の支柱は、ハンドルに対して３ＤＯＦを必要とするが、互いに対しては１ＤＯＦのみを必要とする（ハサミ動作）。このような構造は、「３ジョイント」と称される。
【００２１】
他方のリンケージは、第１の支柱の全ての自由度だけではなく、第３の支柱をも支持するが、第３の支柱は共通の焦点の周りにおいてハンドルとの間で１ＤＯＦのピボット連結を有する。この第３の支柱は、ハンドルが自身の軸の周りにおける自由な回転をしないようにハンドルを有効に抑制する。このような構造は、「４ジョイント」と称される。
【００２２】
これらリンケージは、演算変換において必要であるように、正確なパラメータ較正のために極めて安定的な焦点を有する必要がある。リンケージにおいて反発が生じてはならない。さらにリンケージの設計は、寄生摩擦トルクも最小限に抑えるものでなくてはならないのは、寄生摩擦トルクが機構に対して応力を導入し、機構の精度あるいは機構のスムーズ且つ不偏である関節動作を脅かす可能性があるからである。
【００２３】
本発明の実施例によると、小磁石のアレイが設けられ、（共通のピボット軸を共有してハサミのように作動する）２つの支柱アームをノードボールの一方側において引き合わせる。この構造によって必要なプレロードが実施されながらも余計な摩擦を招かない。プレロードは、ソケットがわずかに磨耗してからでも維持される。
【００２４】
支柱の他端は、機械の骨組みによって拘束されるリンケージによって個別に支持される。これら５つのリンケージは、概念的に玉継ぎ手と類似しており、ボールは十分大きいので、支柱の延伸を計測し、焦点を通る軸方向動作を支持するエンコーダモジュールを維持することが可能である。また、これらのリンケージの寄生トルクが低いことも重要であり、このようにトルクが低い場合、リンケージがより大きな直径を有するのでより困難となるため、全ての回転の接線速度が速くなり、より大きな力を抑制する。
【００２５】
単にスライディング式接合部分を有するだけではなく、好ましい実施例において、ノードが３つの小型の循環式ボール移動ユニットによって支持されていてもよい。ここでもプリロードのために磁石を採用して、エンコーダを３つのボール移動ユニットに対して収容する強磁性ノードの球体シェルを保持することも可能である。
【００２６】
本実施例の主要な利点は、回転摩擦しかないため、球体ノードが３ＤＯＦにおいて自由に回転可能であるという点にある。この構造は、３脚式のスツールのように運動学的に純粋であり、優れた再現性を有して位置的な曖昧性がない。磁石は、通常はノードを基準位置へプリロードするために採用される、別のベアリングポイントアレイの代わりとなり、その際にこれら磁石は、さらなる摩擦を生じさせるたり磨耗の要因となったりすることがない。
【００２７】
支柱：
支柱は、ベースとなるノードの焦点を通ることが好ましく、この焦点において支柱の範囲の定められた長さが測定される。この方法が他の方法に比して好ましいのは、伸縮式ソリューションとは異なり、（ベースとなるノードとハンドルとの間における）最大および最小有効長さの間に大きな比率が存在する可能性があるからである。このような場合であっても、支柱は依然として簡単で剛性を有する。
【００２８】
ノードにおけるエンコーダは、支柱に取り付けられたトラックを読み取り、その際に（ラジアル式ソリューションにおいて固有であるベアリングの逃げおよび真直度の問題のような）機械的誤差に対して過度にさらされない。測定される長さが焦点から焦点であることもあって、支柱におけるわずかな屈折度が、測定される長さを著しく変えて精度を劣化させることはない。本実施例において、トラックは、繰り返しパターンが設けられた柔軟なプリント基板であって、非コンプライアント接着剤（エポキシなど）を用いて支柱に接着されていることが好ましい。トラックは、ハードトップ表面を有し、このハードトップ表面によってエッチングされた銅によって生じたトポグラフィを埋め、ハードトップ表面が歪曲することなく、ノードローラの圧力に耐えることが可能である。
【００２９】
支柱は、プルトルード式カーボンファイバからなり、中空の三角形の断面を有することによって外部平面を有し、エンコーダトラックと２つのローラトラックとを支持することが可能である。カーボンの著しい利点は、ほぼニュートラルな熱膨張係数と低質量における優れた剛性とにある。
【００３０】
エンコーダノード：
本アプリケーションにおいて採用可能であるリニアエンコーダの種類は多様であるが、低価格と頑強性を鑑みた場合、好ましい実施例においてはデジタルはさみ尺において採用されるものと同様の容量式ソリューションが使用され、このソリューションが最もふさわしいと判断されたのは、非接触型であり、汚れの心配がなく、頑強であって安価であるためである。著しくアップグレードされた従来の容量式エンコーダを使用して、２ミクロンの解像度と２００Ｈｚの抽出率とを提供することが可能である。
【００３１】
しかしながら、容量式エンコーダは、読み取り回路とエンコーダトラックとの間におけるオフセットにおける変動によってかなり影響を受けやすい。したがって、機械的設計は、このパラメータを制御する際に最適化する必要がある。その結果、支柱が読み取り機に対して固定されるローラに対してプリロードされているため、エンコーダの読み取り回路をトラックに対して固定的な変位に維持することが好ましい。
【００３２】
また別の目的として、ノードに対する全てのその他の支柱の移動を支柱自身の軸に抑制することがある。このような抑制は、隣接する側面に設けられた、ローラを備えるランナーを設け、三角形の支柱の２つの上面に沿って回転させることによって得られる。このランナーは、支柱と読み取りヘッドのオフセットを定義するローラとの接触を保つためのプリロードを付与することが好ましい。さらにこのランナーは、支持されることによって軸に対して垂直な動作や軸の周りのスキューを防止すべきである。あらゆるその他の点において、好ましくはランナーが一義的に定着することができて、ランナーのローラが支柱に対して完全に接触させる必要がある。好ましい実施例において、１枚の板バネが全ての必要な自由と抑制とを提供する。
【００３３】
ハンドル：
従来のＣＭＭにおいて、交換式のスタイラスは、小さなプリロード力によって極めて再現可能な定着位置に保持される。スタイラスの先端が構えられた場合、スタイラスは傾斜あるいは内側に移動することによって自身が取り付けられている台から変位し、この動作によってスイッチを作動させる。このスイッチは、スイッチが変位されるや否や信号を生成するように設計されており、変位時の機械の位置が記録される。スタイラスのオーバートラベルに準拠することが可能であるが、一旦変位されるとスタイラスの先端位置は不確実なものとなるため、この種のプローブは、ポイントデータのみを出力することが可能である。
【００３４】
特に極式６ＤＯＦ種などのその他のＣＭＭにおいては、スタイラスにスイッチが取り付けられていない。ユーザは、単に先端を測定する表面に対して保持してボタンを（指あるいは足で）押圧する。スタイラスの先端は、ユーザが付与する接触力の制御を実施することは不可能であるため、極めて剛性の高いものでなくてはならない。
【００３５】
この場合において、スタイラスの先端は、従来のプローブのように傾斜するものではなく、「極式」プローブのように固定されている―しかしながら、ユーザが保持してスタイラスを動かすためのハンドルケーシングは、計測すべき対象物に対して構えた場合、ハンドル軸に対してプリロードされたバネに対しておよそ３ＤＯＦ（２軸の傾斜および内側変位）において傾斜することが可能である。ハンドルケーシングは、スイッチとして機能し、スイッチがスタイラスの先端を変位させた場合、位置の読み取りが実施される。ハンドルが傾斜した場合であっても正確なスタイラスの位置は既知であり続けるため、変位が開始する正確な瞬間が重要ではない。したがって、このソリューションは、ずっとシンプルでより頑強なソリューションである。
【００３６】
利点は、スタイラスの先端が常に既知である位置に保持されるため、データを個々のサンプルポイントを取得するだけではなく、連続的にパスに沿って「流す」ことが可能であることにある。より多くのデータを取得すればするほど、正確な成形品の形状寸法を演算することが可能となる。
【００３７】
好ましい実施例において、ハンドルの変位は、比例センサによって測定され、スタイラスのプリロードの度合いを各データポイントと関連付けることが可能となる。プリロード値と先端接触ベクトル（計測された形状を推論するための第１のパスの後に処理されたもの）とが既知である場合、スタイラスにおける推定される曲げによって導入された位置誤差を補うことが可能となる。
【００３８】
本実施例において、ハンドルの傾斜プリロードを生じさせるバネは、ユーザによってバネ自体が極めて柔らかいバネから完全に剛体であるバネへと調整され得る。調整値は、別の比例センサによって読み取られ、スタイラスの先端の長さが既知である場合には。グラム重量荷重と同等と見なすことが可能である。（前述のように）曲げ誤差補償を演算する場合、この値がバネ定数として用いられる。
【００３９】
ハンドルは、自身の軸の周りを自由に回転可能とされており（スタイラスの先端を除く）、これによって異なるアクセス条件下において人間工学を高めることが可能である。またハンドルは、４つの位置を持つ、指によって操作されるボタンであり得る。前に押されると、システムはハンドルが傾斜するのを待機し、ハンドルが傾斜されるとシステムはストリーム位置データを出力する。ハンドルが後ろに押されると、システムはハンドルが傾斜されるたびに単一ポイントデータのみを出力する。ハンドルが下方に押されると、システムは「マウス」のボタンを押す時と同様の「クリック」を登録し、アプリケーションソフトウェアを制御する。この構造によって、ハンドルがマウスであるかのようにして装置はソフトウェアを直接制御することが可能となるが、さらにあらゆるモデルグラフィックスをも同時におおよそ自由度５において位置づけることが可能となる。この構造は、ハンドルを離してマウスを掴む必要があるよりも便利且つ迅速に使用することができる。
【００４０】
パッケージング：
ノードは、互いに対して固定的且つ安定的な位置に保持されなければならない。ノードは、トラス骨組みであって、カーボンファイバからなり、ノード支持成形体あるいは骨組みのベースを構成するように結合されたものによって連結されていることが好ましい。この構造は、主に力を張力あるいは圧縮力へと分散させ、ノードの位置を崩す可能性がある曲げ動作を避ける。
【００４１】
ノード自体は、エラストマー製のカバーを用いて球体ベアリング機構を汚れの進入から隔離する。この構造が重要なのは、装置が自身のリンケージにおいて磁石を使用しているため、ある種の作業場環境において金属粒子を引きつける可能性があるからである。ハンドルの両端における３ジョイントおよび４ジョイントも同様に保護されている。
【００４２】
より手軽に誤差補償を構築してスタイラスを移動させた後の位置要因を修正するために、公知である配置基準ポイントをベースの前部に取り付け、スタイラスの先端が届くようにすることが好ましい。この基準ポイントは、円錐形の容器状であって、その内部にスタイラスの端部におけるボールを配置することが可能である。このボールの直径が既知である場合、容器内におけるこのボールの焦点も既知となる。この焦点は、５つの支柱長さから推論される演算された焦点と比較される。いかなる不一致がある場合、新しいスタイラスの先端と関連付けられる角度あるいは長さにおけるオフセットを示しているため、その後補償することが可能となる。
【００４３】
ベースもシステム制御電子回路のためのスペースを有することが好ましく、差し込まれた輪郭カット薄板をウェイトとして使用することが可能である。この場合、ベース成形体の両側面においてハッチカバーが（ミシンが内蔵されたツールボックスを備えるように）備品を収容するのに使用可能である格納スペースを隠すことができる。
【００４４】
その他の付属品を設けてもよい。測定時に曲線のある対象物を安定した位置に保持するための便利な補助として、プレートであって、隆起した特性を持つアレイを有し、その中に曲線形が位置されるものがある。この概念の最も簡単な実施例としては、ピラミッド型特性を有するｘ，ｙアレイを備えるワッフルプレートのようなものがある。
【００４５】
ペンタポッド構造自体は、多くの別途費用を必要とすることなく、寸法を拡大する役割を果たす。従来の機械において、負荷時の梁において同一の最大偏差を保つためにそ、梁の剛性は、梁の長さの三乗において増加する必要がある。増加させることは、高価である。ペンタポッドにおいて、データの精度が最適なのは、機械の骨組みと支柱とが等辺三角形に近い輪郭を描く場合である。機械を拡大し、精度を落とさずにより大きな稼動範囲を可能にするためには、骨組みのノード間の距離を支柱の長さにおける増加に比例するように増加させることによって三角形の縦横比を保つべきである。この構造は、安価であり、その他の構造はそのまま保つことが可能である。
【００４６】
制御システム：
前述のとおり、ペンタポッド運動学の優れた特性によって、終位がデカルト座標システムへと極めて迅速に順変換されるが、迅速な順変換は、機械のノードとスタイラスとのオフセットに関する正確な知識に依存する。オフセットを得るには、例えば複製技術などを用いてノードを固定的な基準位置に固着する正確な製造やノード位置のポストアセンブリ測定、あるいは既知である対象物を参照しつつ正確なノード位置を推論するなどの手段が可能である。
【００４７】
最も簡単な既知である対象物は、スタイラスの誤差補償との関連において前述した、円錐状の容器を用いる実施例における固定点である。先端が固定位置に保持された状態でハンドルが操作されると、全ての較正値が正しい場合、ソフトウェアはハンドル角度に関わらず、一定の固定点を報告する。較正値において誤差がある場合には、演算された先端位置が軌跡上を移動する様子に現れる。この軌跡の形状と寸法は、その軌跡を生じさせる誤差を指し示し、この軌跡の形状と寸法とを分析することによって個々の較正誤差値を決定し、よってこれら誤差の補償を行うことが可能となる。この技術によって、基準点となる容器が機械の可能範囲の限度に沿って移動されて、複数の実験が実施される場合、改善された解決法がもたらされる。
【００４８】
支柱は、プリント基板エンコーダトラックのパターンアレイにおいてピッチ誤差を含む可能性がある。このようなピッチ誤差は、安定的であるため、特定された場合、支柱と適切な絶対変位変換器とを比較し、決定されたピッチ誤差値を各支柱に関連付けられる参照テーブルに当てはめることによって補償することが可能である。この方法によって、個々の軸の絶対精度が最適のエンコーダの絶対精度に近づくことが可能となり、絶対精度に近づけるために費用が増大する可能性も厳しい操作状況の必要性もない。
【００４９】
全ての局面において本発明が明確に理解されるために、以下に添付図面を参照しつつ例示的な実施例について詳述する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５０】
図１ａおよび図１ｂはそれぞれ、本発明の好ましい実施例における装置の側面および前面からの立面図を示す。
【００５１】
ノードを支持する支柱の骨組みは、４面体のように構成されており、１つのノード１０１が４面体の頂点に、その他のノード対が前底部における頂点に設けられる。後部の頂点および前下部における頂点が、６つの支柱１０９によってベース成形体１１０に対して８面体のように連結される。
【００５２】
そして５つの支柱１０２がノード１０１を通って三脚形状に連結され、この三脚の頂点は、４ジョイント１０５に設けられ、この点を新しいベースポイントとして利用して別の三脚形状を形成し、この三脚の頂点は、３ジョイント１０６に設けられ、ハンドル１０３によって分離されている。ハンドル１０３は、下方に延伸し、交換可能なスタイラス先端１０４を備え、ハンドルの端部には硬いボールを備えることが好ましい。
【００５３】
エラストマー製のカバー１０８がノードの骨組みをノードの両側において支柱の回り継ぎ手に対して連結しており、混入物の侵入を防止している。付属物を収容するための仕切り１０８をベース１１０内に設けてもよい。
【００５４】
ベース１１０の前部には、延長部１１１が設けられ、下向き円錐状の容器を固定且つ既知である位置に支持し、その位置においてスタイラスの端部が円錐状の容器に届いてスタイラスが交換された後、スタイラスの較正を実施して誤差を補償する。
【００５５】
図２は、別の実施例における同様の骨組み構造の等角図を示すが、この構造においては支柱が延伸されてずっと大きな―この場合は２×２×２または８倍の―可動範囲を可能としつつ、同じ三角形の縦横比とこれによって位置精度を保持する。その他の支柱長さを用いることも可能であるが、位置精度を保持するためには同じ三角形の縦横比を保持することが好ましい。
【００５６】
図３は、４ジョイントの実施例を示す。３ジョイントは、頂点のピボットアーム３０２が不要となるという点を除いて同様である。ハンドルシャフト３１１にはボール３０１が取り付けられている。ボールは、切り取られており、支柱アーム３０２がボールの焦点を通る直交軸３０６の周りを回動することを可能とする。さらに２本の支柱アーム３０３，３０４は、円形端部を有し、ボールの直径に一致する、ボール状の環状ソケットを囲む。これら支柱アームが小さな相対的内包角を形成することが可能であるように、これらアームは、ハサミの中心同様、いずれも切り取り３０５されている。
【００５７】
薄い強磁性鋼リング３０７が各支柱アーム３０３，３０４に挿入されている。アーム３０４のうち１つには、小さな薄い磁石３０８のアレイ（好ましくはネオジム鉄ボロンタイプのもの）がリング３０７に取り付けられている。２つの支柱アーム３０３，３０４がボール３０１の周りで接合された場合、これらアームが一周する際に環状ソケットが接触するのを防止し、一方のリングにおける磁石が他方のアームにおける磁石に接触することができない。しかしながら、磁石はお互いを引きつけ合い、こうすることによって環状ソケットとボール３０１との間におけるプリロードされた接触を保持しながら摩擦の不利益を生じさせることがない。別の実施例において、磁石３０８を支持する鋼リング３０７が省略され、相応のより大きな磁石（磁気回路のメリットなくして作動するもの）が直接支柱アーム成形体に埋め込まれる。
【００５８】
各アーム３０３，３０４は、環状溝３０９を有し、エラストマー製のカバーの一端を保持することができる。カバーの他端は、支柱アーム３０３，３０４に取り付けられたリング３１０の上に、あるいは同様にハンドル軸３１１に取り付けられる。カバーを旋回可能なリング３１０に取り付ける利点は、こうすることによって部品が連接する際に、カバーがよりよくカバーの変位応力を逃すことができる点にある。
【００５９】
図４ａ、４ｂおよび４ｃは、強磁性ボール４０１であって、リング４０２に対して保持されるエンコーダおよび支柱支持機構を収容し、リング自体は、骨組みノードサポート４０９に対して穴のアレイ４０５を通る固定具によって固定されている。
【００６０】
このリング４０２と骨組みサポート４０９との間に挟まれて３つの磁石４０３と３つの循環するボール移動ユニット４０４が設けられている。これら磁石４０３は、ボール移動ユニット４０４によって固定されるまでボール４０１を内側に引っ張り、（３脚のスツールのように）運動学的に一義的な位置になるようにする。ボール移動ユニット４０４は、循環可能な小さなボールベッドの上に位置づけられるとあらゆる方向に自由に回動可能なボールからなる。回転摩擦のみであるため、３つのユニット４０４によってノードボール４０１は、極めて小さな抵抗下においておよそ３ＤＯＦにおいて回動することが可能となる。
【００６１】
本実施例において、磁石の背後において作動し、骨組みサポートにおける孔４０８を通って機能する固定具によってその位置が調整可能であるくさびを使用し、磁石４０３とボール４０１との間の分離が最適なオフセットとなるように調整することが可能である。
【００６２】
ボール４０１からの成形された延長部分４０６は、２つの役割を果たす。これら延長部分は、エラストマー製のノードカバーの一端を保持し、支柱４１０に対して作用する粉塵シールをも収容する。本実施例において、粉塵シールは、プラスティック製サポートを有する３つのフェルトパッドであって、プラスチックサポートは、例えばプラスチッククリップ４０７によって保持され、プラスチッククリップは、支柱４１０の周りから取り外して再び取り付けること可能であって、その際に支柱４１０をノードから取り外す必要がない。
【００６３】
ノード骨組みリング４０２は、切り取られていることによって、支柱４１０ができるだけ大きな角度において連接することが可能となる。支柱４１０は三角形であるため、最適な口形状は円形ではなく、三葉形である。リング４０２が磁石４０３とボール移動ユニット４０４とを保持する必要がある場合、リングは、もう少し長く延伸してボールをより有利な角度に保持する。この角度は、ボール延長支柱上の平面４１１と半径方向において一致する。
【００６４】
ボール４１０は、前進リング４０２に対してのみ支持されているため、支柱が（図４ｃにおいて図示されているように）反対側において連接するためにさらに隙間を得る必要がない。好ましい実施例において、エンコーダの電子機器をノードハウジング出口点４１３からベースにおけるマスター基盤へと連結する螺旋状の供給ライン４１４のための空間を設け、その際に好ましくは装置のチューブ状のトラス骨組みを導管として用いることによってこのような構造が実施されている。
【００６５】
図５ａおよび図５ｂは、好ましい実施例によるエンコーダノードを示す側面立面図および等角断面図である。
【００６６】
シェル５０１は、ボール表面の周りを十分に包むことによって、ボール移動ユニットが連接の限界においても常にシェルに対して接し、決してノードハウジング５０２へと回動しないようにする。ノードハウジング５０２は、好ましくはプラスティック製である。本実施例において、ハウジングは、シェルへにはめ込まれてもよい。
【００６７】
別の部分であるローラキャリア５０３が４つのローラを支持するシャフトを保持する。２つのローラ５０７ａ，５０７ｂが一方側において示されており、別の２つのローラが垂直対称な鏡像を形成しているため、これらローラは、支柱５１０の隣接する上面に積載される。ノードハウジングにおける支柱のための下部拘束部を形成するシャフトおよびローラ５０８ａ，５０８ｂとともに、これら支柱は、軸方向における動作以外の全ての動作が完全に拘束される。下部のローラは、支柱の面の全幅に亘って対となって作動し、支柱が自身の軸の周りを防止する効果をより高める。
【００６８】
回路基板／容量アレイセンサ５０９は、ノードハウジングに対して調整可能に保持され、支柱が設置された場合に、支柱の下面においてエンコーダトラックのフレキシブル回路基板に対する最適な分離距離が設定可能とされる。
【００６９】
ローラキャリア５０３は、その動作を拘束することによって、支柱の動作が拘束されるようにすべきである。しかしながら、ローラキャリアは、支柱をプリロード下において保持することによって、支柱における真直度不足などの微細な製造誤差を許容することができるようにすべきである。このような構造は、板バネ５０６を用いて実施され得るが、この板バネは、ノードハウジングの背部において折り返され、最初にハウジングにおける孔に設けられる２つのボールによって形成される支点によって変位され、その後バネ５０６の孔５０５に収容される。ハウジングにおける孔は、位置決めネジによって支持され得、これによって支点の高さを調整することが可能である。さらに２つの孔がバネ５０３の端部５０４付近に設けられて、さらに２つのボールが収容され、それらボールの中にローラキャリア５０２が収容される。バネ５０６は、折り返し部に向かう部分の終端近くにおいて分離されており、バネがより容易に左右へと個々に折り曲げられるようにし、よって支柱がノードを通って回動する際の支柱における製造誤差を教養する。この構造は、バネ５０６をノードハウジングに対して一義的に保持し、ローラキャリア５０３をバネ５０６に対して一義的に保持する。
【００７０】
カバーを保持する旋回リング５１１がフェルトパッドシール５１２に挿入されている場合の側面図が示されている。
【００７１】
図６ａは、好ましい実施例によるハンドル６００の一側面を切り欠いた図を示す。図６ｂは、図６ａのハンドル６００の一部を通る概略図を示す。
【００７２】
ハンドルシャフト６０１は、一方の端部においてボールを保持して４ジョイントあるいは３ジョイントにおける回転軸として作用する。ハンドルケースは、３つの部分６０２からなり、保持しやすい三葉形の直交断面を形成することが好ましい。ハンドル６００は、ハンドルの後端部において、部分的なボールソケットによって保持されており、このボールソケットは、後方にプリロードされた場合にハンドルに対する回転軸を形成しながらもプリロードに対してハンドルが前進することも可能にする。ハンドルケース６０２に対して固着されているのはリング６０３であり、リングに押圧するのは円錐形のチルトリング６０４である。チルトリング６０４は、固定力を付与してハンドル６００をハンドルのプリロードバネ力限界まで集中させる。
【００７３】
ハンドル６００が傾斜されると、ハンドル６００は後進することができないため、リング６０４が前方に（図６ｂに示されるように位置６０５へ）円筒形のスライダ６０６に対して傾斜することになり、これによってスライダがプリロードバネ６１２を変位して圧縮させる。発生する傾斜軸に関係なく、スライダ６０６は同様に変位する。ハンドル６００が前方に変位されると、円錐形のチルトリング６０４およびスライダ６０６は、前方に変位される。したがって、前方への軸方向変位あるいは傾斜のすべての組み合わせが容認される。チルトリング６０４は、チルトリングを（計測される対象物に対してスタイラスの端部におけるボールを押圧することによって）傾斜させるために必要な力が、ハンドル６００の軸方向変位と同等の負荷をスタイラスのボール先端に対して生じさせるように設計されている。
【００７４】
好ましい実施例において、スライダ６０６の移動が比例式ホールセンサによって測定されるが、このセンサは、スライダ６０６に取り付けられている一対の小磁石６１１の移動を検知する。
【００７５】
ケースの背面には、ユーザが回転することができるノブ６０９が設けられている。このノブは、チューブに連結されており、このチューブはシャフトの周りを巡り、プリロードアジャスタ６０７へのねじ山へと係止する。ノブ６０４が回転されると、プリロードアジャスタを共に回転させることができないのは、アジャスタがシャフト６０１を通ってスライダ６０６のスロットへと延伸するピン６０８によって拘束されているからである。その他のキー溝を基本とした拘束システムを用いてもよい。結果的にノブが軸方向に移動せざるを得ず、移動する際にノブがプリロードバネ６１２を圧縮するか開放する。このような軸方向変位もまた、比例式ホールセンサを用いて測定することが可能である。
【００７６】
ノブ６０９をねじ山部分と連結するためのチューブは、製造上の利便性を鑑みて分割６１３されていてもよく、このような場合、チューブはシャフトよりも大きな内径を有するものからシャフトに一致する内径を有するものとなり、チューブの接合部分においてネジ状の機械的支持を設けることが可能である。この構造の目的は、ボタンおよびホールセンサからの配線コイルが回動するハンドルケースから非回転式のシャフト６０１まで延伸し、再びシャフトから、配線コイルがシャフト６０１および４ジョイントの背部を通り、ハンドル６００外へと出て支柱の中心まで延伸するための経路をたどることを可能にすることにある。
【００７７】
ハンドルケース６０２は、好ましくはハンドルシャフト６０１の周りを軸方向に自由に回動可能であることによって、ユーザがハンドルケースの人間工学上における半径方向変位を保つことが可能となり、人差し指とケースの前面に取り付けられた４つの位置ボタンとの接触を保持することが可能となる。
【００７８】
発明について上記において特定の実施例に基づいて詳述したものの、これら実施例があらゆる面において例示的であり、添付の特許請求項の精神および範囲から逸脱することなく、変更および変形が可能であることは理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１ａ】本発明の第１の実施例における装置の斜視図を示す。
【図１ｂ】本発明の第１の実施例における装置の斜視図を示す。
【図２】別の実施例の斜視図を示す。
【図３】本発明における、３つに分岐したジョイントの実施例を示す。
【図４ａ】図１ａ、図１ｂおよび図２に図示されるエンコーダノードの好ましい実施例を示す。
【図４ｂ】図１ａ、図１ｂおよび図２に図示されるエンコーダノードの好ましい実施例を示す。
【図４ｃ】図１ａ、図１ｂおよび図２に図示されるエンコーダノードの好ましい実施例を示す。
【図５ａ】図４ａ、図４ｂおよび図４ｃと同様のエンコーダノードの実施例を横断面として示す。
【図５ｂ】図４ａ、図４ｂおよび図４ｃと同様のエンコーダノードの実施例を等角断面図として示す。
【図６ａ】本発明におけるハンドルの実施例を示す。
【図６ｂ】本発明におけるハンドルの実施例を示す。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【国際調査報告】
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