(57)【要約】【課題】座標測定機のスタイラスを提供する。【解決手段】伸張アーム（３８）と、伸張アーム（３８）に取り付けられたプローブ球（２９）と、表面粗さを測定するための粗さセンサ（３６）と、を有し、粗さセンサ（３６）の少なくとも一部分は、伸張アーム（３８）の内部に配置されている、座標測定機（１０）のスタイラス（３０）。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
座標測定機（１０）のスタイラス（３０）であって、伸張アーム（３８）と、前記伸張アーム（３８）に取り付けられたプローブ球（２９）と、表面粗さを測定するための粗さセンサ（３６）と、を有し、前記粗さセンサ（３６）の少なくとも一部分は、前記伸張アーム（３８）の内部に配置されている、スタイラス（３０）。
【請求項２】
前記プローブ球（２９）と前記粗さセンサ（３６）との間の距離は、前記伸張アーム（３８）の全長の５分の１未満である、請求項１に記載のスタイラス。
【請求項３】
前記伸張アーム（３８）は前記伸張アーム（３８）の内部に、前記粗さセンサ（３６）が配置される中空空間を含み、前記伸張アーム（３８）は前記プローブ球（２９）よりも小さな直径を有する、請求項１又は２に記載のスタイラス。
【請求項４】
前記伸張アーム（３８）は、前記伸張アーム（３８）の長手方向軸線に沿って第１部分（５０）及び第２部分（５２）を含み、前記第１部分（５０）は前記第２部分（５２）よりも大きな直径を有し、前記粗さセンサ（３６）は前記第１部分（５０）に配置されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のスタイラス。
【請求項５】
前記第１部分（５０）は前記第２部分（５２）よりも、前記プローブ球（２９）に近接して配置されている、請求項４に記載のスタイラス。
【請求項６】
前記粗さセンサ（３６）は光センサを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載のスタイラス。
【請求項７】
前記粗さセンサ（３６）は、可動的に取り付けられた粗さ針（４０）を有する触覚センサを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載のスタイラス。
【請求項８】
前記粗さ針（４０）はレバーアーム（４２）に接続されており、前記レバーアーム（４２）は、前記伸張アーム（３８）の前記内部に配置されており、ジョイント又はばね（４４）によって前記伸張アーム（３８）に旋回自在に結合されている、請求項７に記載のスタイラス。
【請求項９】
前記粗さセンサ（３６）は、前記レバーアーム（４２）のたわみを測定するためのたわみセンサ（４６）を含む、請求項８に記載のスタイラス。
【請求項１０】
前記たわみセンサ（４６）は光バリアを含む、請求項９に記載のスタイラス。
【請求項１１】
前記粗さ針（４０）と前記たわみセンサ（４６）との間の距離は、前記粗さ針（４０）と前記ジョイント又は前記ばね（４４）との間の距離の５分の１未満である、請求項９又は１０に記載のスタイラス。
【請求項１２】
前記粗さセンサ（３６）は、前記粗さセンサ（３６）を制御するための、及び前記粗さセンサ（３６）の信号を評価するための制御ユニットを含み、前記制御ユニットは、当該スタイラス（３０）内に、好ましくは前記伸張アーム（３８）の前記内部に配置されている、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のスタイラス。
【請求項１３】
前記レバーアーム（４２）は実質的に長手方向に沿って延びており、前記粗さセンサ（３６）は移動アクチュエータ（４８）を含み、前記移動アクチュエータ（４８）の補助によって、前記レバーアーム（４２）は、前記長手方向に対して横断方向に能動的に移動することができる、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のスタイラス。
【請求項１４】
測定物（２８）の空間座標を決定するための座標測定機（１０）であって、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のスタイラス（３０）を有するプローブヘッド（２６）を有する、座標測定機（１０）。
【請求項１５】
測定物（２８）を測定するための測定方法であって、
−  請求項１〜１３のいずれか一項に記載のスタイラス（３０）を用意するステップと、
−  前記測定物（２８）を前記スタイラス（３０）でプロービングするステップと、
−  前記プロービングに基づき前記測定物（２８）の形状、位置、及び表面粗さを評価するステップと、
を有する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、座標測定機のスタイラスに関する。より厳密には、本発明は、粗さセンサと組み合わせられたスタイラスに関する。本発明は、また、このようなスタイラスを使用した座標測定機に関する。更に、本発明は、本発明によるスタイラスを使用した測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スタイラスは、工作物表面を触覚走査するための寸法測定技術において、工作物表面の形状を決定するために使用されている。このようなスタイラスは伸張アームを有する。伸張アームの端部にプローブ球が配置されており、プローブ球は、通常、ルビー製である。同様に、互いに対し横断方向に配置されたいくつかの伸張アームに配置されているいくつかのプローブ球を有するスタイラスの様々な例がある。
【０００３】
対照的に、粗さセンサは工作物表面の粗さを測定するように機能する。機械操作式の粗さセンサ以外に、工作物表面の粗さを光学的に即ち非接触で記録する光学粗さセンサもある。機械的粗さセンサは、通常、ばねが取り付けられた粗さ針を有し、粗さ針のたわみは、粗さ針が工作物の表面上を移動する間に測定される。この種の粗さセンサは、例えば、（特許文献１）から周知である。
【０００４】
粗さは、形状及び位置とともに工作物において測定しなければならないことが多い特徴であることから、工作物の形状及び位置を測定するためのスタイラスと工作物表面の粗さを測定するための粗さセンサとの両方を用いた座標測定機が現在のところ広く使用されるようになっている。スタイラスと同様に、これら座標測定機の粗さセンサは、例えば座標測定機の測定ヘッドにある交換インターフェースの補助によって、通常、独立デバイスとして交換される。
【０００５】
したがって、例えば、工作物の測定中、被測定工作物の形状を決定するために、まずスタイラスを測定ヘッドの交換インターフェースに取り付ける。その後、スタイラスを交換し、その代わりに、工作物の個々の表面の表面粗さを測定するために、粗さセンサを座標測定機の測定ヘッドに取り付ける。したがって、工作物を例えば品質保証の一部として検査することができる、又は工作物の幾何学的形状を「リバースエンジニアリング」として知られるものの一環として完全に確認することができる。
【０００６】
しかしながら、形状測定と粗さ測定との間で必要な交換作業は上述の手順の欠点である。これには時間がかかり、結果的にこうした機械のユーザの製造コストが増加することになる。特に、デジタル化が増し、工作物に関する一層多くのデータを記録する傾向がこれまでになく増している時代において、これはまず許容できない。工作物は、多くの場合、既存の基準に関してもはや迅速には評価されず、構成要素が破損した場合に必要であれば回収されるのみで、その後、完全に測定され、分析される。この場合、工作物の特定の特徴に関する疑問は、欠陥が発生した結果として、欠陥が発生しなかった工作物との差としてのみ生じることがある。実際には、今日、従来の形状及び粗さ測定デバイスによって標準的方法に従い表面の形状及び粗さの測定及び評価を実施することは既に可能である。しかしながら、これは非常に非効率且つ困難であり、特に、あまり柔軟でない。
【０００７】
この背景に対し、本発明の目的は、上述の欠点を克服するデバイスを提供することである。同時に、特に、本発明の目的は、工作物の形状及び粗さ測定における柔軟性を高め、結果的に、工作物をこのような手法で測定する際の時間の節約を可能にするデバイスを提供することである。工作物の形状測定と粗さ測定は、最低限の更なる労力で互いに組み合わせることができるべきである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０  ２０１５  ２０９  １９３Ａ１号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様によれば、上述の目的は請求項１に記載のスタイラスによって達成される。スタイラスは、伸張アームと、伸張アームに取り付けられたプローブ球と、を含む。更に、スタイラスは、表面粗さを測定するための粗さセンサを含み、粗さセンサの少なくとも一部分は、スタイラスの伸張アームの内部に配置されている。
【００１０】
本発明の更なる態様によれば、上述の目的は、上述の種類のスタイラスが結合されたプローブヘッドを含む座標測定機によって達成される。
【００１１】
換言すると、本発明は、その伸張アーム内に粗さセンサが直接組み込まれたスタイラスを基にする。したがって、このスタイラスによって、工作物の形状を（慣例的なデバイスと同様に）走査することができるとともに、粗さを記録することができるため、その用途が広く、座標測定機の測定ヘッドにおいてスタイラスと粗さセンサとの間で交換を必要としない。
【００１２】
更なる利点は、スタイラスに組み込まれた粗さセンサは、従来技術の慣例的な非常に嵩張る粗さセンサとは対照的に、大半が非常に空間節約構成である触覚スタイラスの場合に通常当てはまるように、座標測定機の測定ヘッドとともに非常に容易に移動できることである。このようにして、例えば、工作物の非常に狭い穴の表面の粗さも容易に決定することができる。
【００１３】
しかしながら、主な利点は、本発明によるスタイラスを、測定タスクに応じて、従来の触覚スタイラス又は粗さ測定デバイスのいずれかとして使用可能であることは疑いない。本発明によるスタイラスは、したがって、座標測定機の既存の測定センサシステム、機構、及び配線を変更する必要のない、市販の座標測定機において使用できる組み合わせ式測定デバイスである。この組み合わせ式測定デバイスにおいて、一次、二次、三次、及び四次の形偏差（ｓｈａｐｅ  ｄｅｖｉａｔｉｏｎ）を測定することができる。一次の形状偏差（ｆｏｒｍ  ｄｅｖｉａｔｉｏｎ）、即ち形偏差はプローブ球によって測定することができる。うねり、即ち、二次の形偏差の場合は、プローブ球と粗さセンサとの間の距離を考慮に入れて、プローブ球及び粗さセンサによって測定することができる。表面粗さ、即ち、三次及び四次の偏差は、粗さセンサの補助によって測定することができる。
【００１４】
本発明の好ましい改良形態によれば、プローブ球と粗さセンサとの間の距離は、伸張アームの全長の５分の１未満である。好ましくは、この距離は更には、伸張アームの全長の６分の１未満、７分の１未満、８分の１未満、９分の１未満、又は更には、１０分の１未満である。特に好ましくは、粗さセンサはプローブ球に直接横付けにして配置されている。
【００１５】
粗さセンサは、スタイラスのプローブ球に非常に近接して配置されていることが好ましい。このことは実質的に、プローブ球にかかる力の変化が、事実上、粗さ測定の測定結果に影響しないという利点につながる。これにより、優れた測定精度を達成することが可能になる。
【００１６】
更なる改良形態によれば、伸張アームはその内部に、粗さセンサが配置される中空空間を含む。
【００１７】
粗さセンサは、したがって、外側からはほとんど見えない。伸張アームの中空構成によって、粗さセンサを非常に空間節約的に収容することが可能になる。したがって、スタイラスの全体寸法は、（組み込み式粗さセンサのない）市販のスタイラスの全体寸法と必ずしも異なる必要はない。本発明によるスタイラスは、したがって、非常に柔軟に使用することができる。
【００１８】
更なる改良形態によれば、伸張アームは、その長手方向軸線に沿って第１部分及び第２部分を含み、第１部分は第２部分よりも大きな直径を有し、粗さセンサは第１部分に配置されている。第１部分は、第２部分よりも、プローブ球により近接して配置されていることが好ましい。
【００１９】
この改良形態によれば、好ましくは中空構成の伸張アームは、したがって、この時点で、伸張アームの内部に粗さセンサを収容できるようにプローブヘッドに近接した部分だけが幾分厚く作られている。しかし、伸張アームの直径もまた、第１部分はプローブ球の直径よりも小さく作られている。プローブ球は、伸張アームの面側端部に取り付けられていることが好ましい。深い穴を測定するときに伸張アームと工作物との無用の接触事例が発生しないように、プローブ球から離れると、伸張アームの直径はかなり小さくなることが好ましい。したがって、本発明によるスタイラスは、伸張アームの第２部分が厚くなっているにも関わらず、プローブ球のプロービング中の工作物との衝突を恐れる必要なく市販のスタイラスのように使用することができる。
【００２０】
本発明によるスタイラスに組み込まれた粗さセンサは、光センサ又は触覚センサのいずれかとして設計されていてもよい。光センサの場合、光センサは、例えば、共焦点型白色光センサを含んでもよく、このセンサの補助によって、工作物の表面粗さを非接触で測定することができる。触覚センサの場合、触覚センサは可動的に取り付けられた粗さ針を含むことが好ましい。工作物の表面を触覚的な手法で走査するこの粗さ針には、通常、ダイヤモンドチップが設けられている。
【００２１】
好ましい改良形態によれば、粗さセンサは触覚センサとして設計されており、その粗さ針はレバーアームに接続されており、レバーアームは伸張アームの内部に配置されており、ジョイント又はばねによって伸張アームに旋回自在に結合されている。粗さセンサのレバーアームは、例えば、板ばねによってスタイラスの伸張アームに結合されていてもよく、この種のサスペンションは、伸張アームに対するレバーアームの旋回又は回転運動のみを可能にすることが好ましい。工作物表面を走査する際、レバーアームの長さによって粗さ針の事実上垂直な動きがもたらされるように、レバーアームは、長尺状の構成のものであることが好ましい。
【００２２】
更なる改良形態によれば、粗さセンサは、レバーアームのたわみを測定するためのたわみセンサを含む。このたわみセンサは、フォーク型光バリアを含むことが好ましい。
【００２３】
通常、たわみセンサが粗さ針からかなり遠い距離に置かれている市販の粗さセンサとは対照的に、このようなフォーク型光バリアは、粗さ針に非常に近接して配置されていてもよい。本発明によれば、粗さ針とたわみセンサ（例えばフォーク型光バリア）との間の距離は、粗さ針と、レバーアームが周りで旋回可能なジョイント又はばねとの間の距離の５分の１未満である。プローブ球にかかる力の変化又はスタイラスの伸張アームのたわみは、したがって、粗さ測定の測定結果に事実上影響しない。好ましくは、粗さ針とたわみセンサ（例えばフォーク型光バリア）との間の距離は、更には、粗さ針とジョイント又はばねとの間の距離の、６分の１未満、７分の１未満、８分の１未満、９分の１未満、又は更には１０分の１未満である。
【００２４】
市販の粗さセンサの場合、通常、粗さ針からかなり遠い距離に置かれている差動変圧器が測定デバイスとして使用されている。したがって、このようなデバイスの場合、粗さ針とたわみセンサ（差動変圧器）との間に生じる曲げは、無視できない検出不能な測定誤差をもたらす。このような測定誤差は、本明細書で提案される粗さ針に近接したたわみセンサの構造の場合には起こり得ない。
【００２５】
更に、通常使用されている差動変圧器の場合、評価用電子機器は、正弦波電圧から得られる使用信号のフィルタリング後にのみ処理を実施することができるため、フォーク型光バリアの補助による測定は大幅に容易であり、より高い周波数で行うことができる。その一方で、フォーク型光バリアを使用する場合、光束は、レバーアーム又は粗さ針のたわみに正比例して挙動する。したがって、フォーク型光バリアの信号の評価、及び評価に基づくスタイラスに対する粗さ針の位置の決定は比較的容易になるにもかかわらず非常に正確に実施することができる。更に、フォーク型光バリアは、非常にコンパクトな構成のものとすることができるため、たわみセンサの全体をスタイラスの伸張アームの内部に配置することができる。
【００２６】
更なる改良形態によれば、粗さセンサは、粗さセンサを制御するための、及び粗さセンサの信号を測定するための制御ユニットを含み、制御ユニットは、スタイラス内に、好ましくはスタイラスの伸張アームの内部に配置されている。
【００２７】
スタイラスの内部における粗さセンサの制御ユニットの配置によって、粗さデータを座標測定機の測定データ及び位置データに割り当てることが可能になるが、これは制御ユニットが粗さ針の近傍に配置されているため、スタイラスとともに移動する又は向きを変えるからである。したがって、うねりを決定することは比較的容易に可能である。これは、この値が、工作物表面の性質に応じ、粗さ針の結果と併せたプローブ球による形状測定の値のみから算出され得るからである。座標測定機の評価及び制御ユニットへの制御部の接続は、座標測定機のスタイラスと測定ヘッドとの間のワイヤ接続によって実施してもよい。
【００２８】
更なる改良形態によれば、粗さセンサのレバーアームは実質的に長手方向に沿って延びており、粗さセンサは移動アクチュエータを含み、移動アクチュエータの補助によって、レバーアームは長手方向に対して横断方向に能動的に移動することができる。
【００２９】
この移動アクチュエータは、粗さ針をスタイラスから伸張させるために、又は粗さ針をスタイラス内に再び後退させるために使用してもよい。粗さセンサが必要ない場合、粗さ針はスタイラスの中空構成の伸張アーム内に好ましくは完全に後退させることができる。したがって、プローブ球の補助による形状偏差の測定は粗さ針によって影響されず、したがって粗さ針自体は破損しない。移動アクチュエータの補助によって、粗さ針は必要なとき、即ち、粗さ測定のためにのみ伸張する。
【００３０】
その一方で、移動アクチュエータは、測定中、粗さ針を工作物表面に押し付ける力を能動的に制御できるように、粗さ針を能動的に作動するために使用することができる。
【００３１】
本発明の改良形態によれば、移動アクチュエータは、粗さセンサのレバーアームに配置されたコイル及び強磁性要素を含む。
【００３２】
移動アクチュエータは、例えば、リード接点の手法で構成されていてもよい。例えば、１つの強磁性要素は、コイルに取り付けられていてもよく、他の強磁性要素はレバーアームに取り付けられていてもよい。その後電流がコイルに供給された場合、２つの強磁性要素が互いに引き付け合うため、粗さ針はスタイラスの伸張アームから伸張する。電流が再びオフに切り替えられた場合、粗さ針はスタイラス内の保護位置へと再び後退する。更に空間を節約するために、移動アクチュエータは、スタイラスの伸張アームの内部に配置されていることが好ましい。
【００３３】
既に最初に述べたように、本発明は、また、本発明によるスタイラスを使用する方法に関し、明確には、以下のステップによる測定方法である（ｉ）本発明によるスタイラスを用意するステップと、（ｉｉ）測定物をスタイラスでプロービングするステップと、（ｉｉｉ）プロービングに基づき測定物の形状、位置、及び表面粗さを評価するステップ。好ましくは、この方法は、わずか１つのプロービングによる形状、位置、うねり、及び表面粗さの同時評価を可能にする。
【００３４】
上述の改良物及び特許請求の範囲に定義される特徴は、スタイラス自体に関するだけでなく、請求されるこのようなスタイラスを有する座標測定機、及び測定方法にも関することは言うまでもない。また、上述の特徴及び以下に説明される特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく、各事例で記載されている組み合わせだけでなく、他の組み合わせで又は単独でも使用することができることは言うまでもない。
【００３５】
本発明の例示的実施形態を図面に示し、以下の説明でより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の例示的実施形態による座標測定機を示す。
【図２】本発明によるスタイラスの第１の例示的実施形態を上から見た図で示す。
【図３】図２に示される本発明によるスタイラスの例示的実施形態を下から見た図で示す。
【図４】第１の位置にある、図２及び図３に示される本発明によるスタイラスの例示的実施形態の細部の部分断面図を示す。
【図５】第２の位置にある、図２〜図４に示される本発明によるスタイラスの例示的実施形態の細部の部分断面図を示す。
【図６】第１の位置にある、本発明によるスタイラスの第２の例示的実施形態の細部の部分断面図を示す。
【図７】第２の位置にある、本発明によるスタイラスの第２の例示的実施形態の細部の部分断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
図１は、本発明によるスタイラスが使用され得る座標測定機の例示的実施形態を示す。この図では、座標測定機は全体的に参照番号１０で示されている。
【００３８】
座標測定機１０は、図１に示される例示的な実施形態では、基部１２を含み、基部１２の上に、門１４が長手方向に移動可能に配置されている。基部１２は、例えば、花崗岩で作られた安定な板であることが好ましい。門１４は、測定ヘッド２６のための可動支持構造体として機能する。門１４は、２つの柱と、柱上に、２つの柱に対して横断方向に配置されたクロスビームと、を含む。
【００３９】
基部１２に対する門１４の移動方向は、通常、Ｙ方向と呼ばれる。門１４の上部クロスビームに配置されているのは、横断方向に移動可能なキャリッジ１６である。この横断方向は、通常、Ｘ方向と呼ばれる。キャリッジ１６はクイル１８を担持している。クイル１８は、Ｚ方向に、即ち基部１２に対して垂直に移動するように作製され得る。
【００４０】
測定デバイスであって、これに基づき門１４、キャリッジ１６、及びクイル１８の位置が決定され得る測定デバイスは、参照番号２０、２２及び２４により示されている。測定デバイス２０、２２及び２４は、典型的には、測定器としての役割を果たすガラス定規である。これら測定器は、対応する読取りヘッド（ここでは図示せず）とともに形成され、それぞれ、基部１２に対する門１４の現在位置、門１４の上部クロスビームに対するキャリッジ１６の位置、及びキャリッジ１６に対するクイル１８の位置を決定する。
【００４１】
プローブヘッドとも呼ばれることの多い測定ヘッド２６は、クイル１８の下部自由端に配置されている。センサ又は測定ツール３０は、測定ヘッド２６に着脱可能に結合され得る。本発明によれば、センサ３０は、スタイラスとして設計されている。このスタイラス３０の補助によって、工作物２８はその形態及び表面粗さを決定するために走査され得る。
【００４２】
その補助により測定ヘッド２６に対するスタイラス３０の空間的方向を変えることができる回転旋回機構（ここでは図示せず）が、スタイラス３０と測定ヘッド２６との間に配置されていてもよい。このような回転旋回機構は、例えば、１つ以上のジョイントを含み、ジョイントの補助によって、スタイラス３０を１つの、２つの、又はこれより多い軸の周りで回転及び／又は旋回させることができる。
【００４３】
以下で更に一層より詳細に記載されるスタイラス３０の２つの例示的実施形態を図２〜図７に示す。スタイラス３０は、触覚スタイラスとして設計されており、その自由端にはプローブ球２９が配置されている。このプローブ球２９は、測定物又は工作物２８の測定点をプロービングするという目的を果たす。プローブ球２９は、好ましくは、ルビー球で作られている。しかしながら、プローブ球２９は、必ずしも完全球として設計されている必要はなく、特定用途の場合では、単に部分球としても設計されてよい。用語「プローブ球」は、したがって、必ずしも完全球を示唆することを意図するものではない。
【００４４】
測定デバイス２０、２２、２４の補助によって、測定点をプロービングする際の測定体積内の測定ヘッド２６の位置を決定することができる。測定ヘッド２６に配置された適切なセンサシステムによって、スタイラス３０の現在の回転及び旋回位置、したがって、測定ヘッド２６に対するプローブ球２９の位置を決定することができる。測定ヘッド２６は、例えば、本出願人により販売されている膨大な製品レンジによる測定ヘッドであってもよい。言及した位置情報の項目は制御ユニット３２でコンパイルされ、その後、被測定工作物２８の各測定点の現在の空間座標が決定される。
【００４５】
評価及び制御ユニット３２は、一方では、測定デバイス２０，２２，２４及び測定ヘッド２６から測定値を読み取り、これら値に基づいて測定点の空間座標を決定する役割を果たす。その一方で、評価及び制御ユニット３２は、測定ヘッド２６と、測定ヘッド２６に配置されている可能性のある回転旋回機構とを、スタイラス３０とともに、３つの座標軸Ｘ、Ｙ及びＺに沿って移動させるための電動ドライブを作動する目的を果たす。同様に、本発明による評価及び制御ユニット３２は、また、測定物２８の表面粗さに関し本発明によるスタイラス３０によって記録された情報の項目を評価する目的で設計されている。
【００４６】
参照番号３４は、測定ヘッド２６を測定ヘッド２６に配置されたスタイラス３０とともに手動で移動させるために任意選択的に設けてもよい操作コンソールを示す。図１に門型設計の座標測定機１０を説明しているのは単なる例としてであることに留意されたい。原則的に、本発明は、しかしながら、カンチレバーアーム、ブリッジ又はスタンド型設計の座標測定機にも使用することができる。座標測定機１０の構造の種類に応じて、１つ、２つ、又は３つ全ての空間的方向に沿った基部１２とスタイラス３０の相対運動は、また、基部又は工作物ホルダ１２が移動できることによって実現され得る。
【００４７】
図２及び図３は、本発明によるスタイラス３０の第１の例示的実施形態を上から見た図及び下から見た図で示す。特に、図３及び図４に示される断面又は片側断面図から分かるように、本発明によるスタイラス３０は、触覚スタイラスでは慣例的なプローブ球２９だけでなく、スタイラス３０に組み込まれた粗さセンサ３６も含む。より正確には、粗さセンサ３６は伸張アーム３８内に配置されており、伸張アーム３８の自由端にプローブ球２９が取り付けられている。伸張アーム３８は、好ましくは、少なくとも部分的に中空設計のものであり、図３に示すように、下方向に開放していてもよい。
【００４８】
本例示的実施形態では、粗さセンサ３６は、触覚粗さセンサとして設計されている。粗さセンサ３６は、好ましくはダイヤモンドチップを有する粗さ針４０を含む。この粗さ針４０は、粗さ測定中、被測定工作物又は測定物２８に接触し、その表面上を摺動する。測定物２８の粗さを記録できるように、粗さセンサの粗さ針は、通常、旋回可能な又は弾力のある状態で取り付けられている。したがって、本事例で示す粗さセンサ３６の例示的実施形態で示す粗さ針４０はまた、レバーアーム４２によって旋回自在に取り付けられている。レバーアーム４２は、ジョイント又はばね４４によってスタイラス３０の伸張アーム３８に好ましくは接続されている。レバーアーム４２は比較的長くなるように選択されており、粗さ針４０の起こり得るたわみは非常に小さいため、粗さ針４０は、粗さ測定中に被測定工作物２８の工作物表面に対してほぼ垂直に移動すると想定することができる。
【００４９】
粗さ針４０のたわみは、たわみセンサ４６によって測定される。より厳密には、本事例で示す例示的実施形態において、このたわみセンサ４６は、粗さセンサ３６のレバーアーム４２のたわみを測定する目的を果たす。
【００５０】
更に、粗さセンサ３６は、また、移動アクチュエータ４８を含み、移動アクチュエータ４８の補助によって、レバーアーム４２は、その長手方向に対して横断方向に能動的に移動することができる。結果的に、移動アクチュエータ４８は、したがって、粗さ針４０の能動的な移動のために使用することができる。移動アクチュエータ４８は、被測定工作物２８の表面に対して実質的に垂直の、粗さ針４０の移動を可能にする。一方では、移動アクチュエータ４８は、粗さ針４０が粗さ測定に使用される場合は粗さ針４０をスタイラス３０の伸張アーム３８の内部から伸張させるために、又はこれとは逆に、粗さ測定が行われない場合は粗さ針４０を伸張アーム３８内に再び後退させるために使用することができる。後退した状態は図４に示されている。この場合、粗さ針４０は伸張アーム３８の内部で破損から保護される。その一方で、粗さ針４０の伸張した状態は図５に示されている。
【００５１】
伸張及び後退機能以外に、移動アクチュエータ４８はまた、測定中、粗さ針４０が工作物２８の表面に押し付けられる力を能動的に制御する目的で使用され得る。したがって、粗さ針４０の位置及び力の両方を能動的に制御することができ、これは、例えば、図５に示すような、プローブ球２９及び粗さ針４０による工作物２８のプロービングの場合に重要である。なぜなら、粗さ針４０が能動的に作動できなければ、特定の針方向及び機械の動きが発生する場合に粗さセンサ３６の破壊又は破損が起こる可能性があるからである。
【００５２】
本発明によるスタイラス３０によって、工作物の形状をほぼ完全に決定することができる。工作物２８の形状偏差は、工作物が、例えば図４に示すように、プローブ球２９のみでプローブされる場合、プローブ球の補助によって決定することができる。工作物のうねりは、工作物２８が、例えば図５に示すように、プローブ球２９と粗さ針４０との両方によってプローブされる場合、例えば、プローブ球２９と粗さセンサ３６を同時に使用することによって決定することができる。この種の測定では、プローブ球２９と粗さ針４０との間の距離のみを考慮に入れる必要がある。本明細書では明示されないスタイラスの考えられる第３の用途では、被測定工作物２８が粗さ針４０でのみ評価される場合、三次及び四次の粗さを決定することができる。
【００５３】
触覚走査と粗さ測定を組み合わせる可能性以外に、本発明によるスタイラス３０のもう１つの特定の利点は、粗さセンサ３６について説明した要素が全て、非常に空間を節約した状態で伸張アーム３８内に配置されているということである。
【００５４】
伸張アーム３８は、２つの部分５０、５２を含むことが好ましい。第１部分５０は、第２部分５２よりも大きな直径を有することが好ましい。しかし、伸張アーム３８の最大直径、即ち、第１の、より大きな部分５０の直径は、プローブ球２９の直径よりも小さくなるように選択されている。たわみセンサ４６、及びまた、粗さ針が配置された粗さセンサ３６のヘッドは、第１部分５０に収容されていることが好ましい。粗さセンサ３６の更なる構成要素は、その一方で、伸張アーム３８の第２部分５２に配置されていてもよい。
【００５５】
本発明によるスタイラス３０については、図４及び図５に示される粗さセンサ３６の構成要素の配置によって粗さ針４０の配置をプローブ球２９に非常に近接させることを可能にすると有利であると考えられる場合もある。これは、工作物２８のプロービング中に起こり得る伸張アーム３８のたわみが、測定精度にほとんど何ら影響を及ぼさないという利点を有する。同様に、図に示される構成では、たわみセンサ４６を粗さ針４０に非常に近接させて配置することが可能である。プローブ球２９にかかる力の変化は粗さ測定の測定結果に影響しないことから、これもまた粗さセンサ３６の測定精度に有利な影響を及ぼす。好ましくは、プローブ球２９と粗さ針との間の距離は、伸張アーム３８の全長よりも複数倍、例えば、５倍、６倍、７倍又は８倍短い。同様に、粗さ針４０とたわみセンサ４６との間の距離は、レバーアーム４２（この端部に粗さ針４０が配置されている）の長さよりも複数倍、即ち、例えば、少なくとも５倍、６倍、７倍又は８倍短いことが好ましい。
【００５６】
本発明によれば、たわみセンサ４６として光バリアが使用されることが好ましい。この光バリアは、レバーアーム４２のたわみを、光束を基に測定する。これは非常に正確且つ低コストの測定であるという利点を有する。特に好ましくは、フォーク型光バリアが使用される。レバーアーム４２のたわみに応じて、レバーアーム４２は、フォーク型光バリアによって放出された光の一部が反対側にあるセンサに到達しないようにする。したがって、粗さ針４０のたわみは、レバーアーム４２によってフォーク型光バリアの光学素子間の光束に直接伝達される。この場合、フォーク型光バリアは、伸張した粗さ針４０による半影がある場合に最高感度帯が得られるように設定されることが好ましい。このような場合では、例えば、非常に小さな寸法を有し、１６ビットＡＤＣと併せてアナログ帯域内で動作する型式ＥＥ−ＳＸ  １１０７のフォーク型光バリアを使用する場合、例えば、１０ｎｍ又は更にはこれより高い範囲の分解能を達成でき、本事例では、１００ｋＨｚ以下の走査速度においては十分過ぎるものである。
【００５７】
たわみ及びプローブ球２９と粗さ針４０との間の距離は、１つの基準において校正することができ、測定の位置は後の評価において正確に再現可能であり、したがって、測定結果の一部を示す。
【００５８】
移動アクチュエータ４８は、例えば、リード接点の原理に基づき構成してもよい。この目的のため、コイル５４と２つの強磁性要素５６及び５８とが使用されている。１つの強磁性要素５６は、レバーアーム４２に固定的に接続されていることが好ましい。他の強磁性要素５８は、コイル５４に固定的に接続されていることが好ましい。電流（比較的小さな電流で十分である）が、その後、コイル５４を通過した場合、２つの強磁性要素５６と５８は互いに引き付け合い、粗さ針４０が伸張する。電流が再度オフに切り替えられた場合、粗さ針４０はスタイラス３０の伸張アーム３８内の保護位置に再度自動的に後退する。
【００５９】
図６は、スタイラス３０の第２の例示的実施形態を示す。図６に示されるスタイラス３０の基本構造は図１〜図４の第１の例示的実施形態のものに一致するため、２つの例示的実施形態の間の違いのみを以下に記載する。
【００６０】
図６に示される例示的実施形態は、特に、工作物表面に対して９０°未満、例えば、４５°の角度における粗さの測定を目的としている。この例示的実施形態では、プローブ球２９は完全球として構成されておらず、単に部分球として構成されている。これにより、プローブ球２９の接点により一層近接した距離に粗さセンサ３６の粗さ針４０を配置することが可能になる。この例では、プローブ球２９が幅広い範囲内の適切な角度で形状を測定することが可能である。粗さセンサ３６が後退した状態にあってもスタイラス３０の特定の調節角度から、粗さ針４０は、粗さ針４０が配置されている側のみにおいて工作物表面２８に接触する。
【００６１】
図７は、粗さセンサ３６の伸張した状態を示す。ばねジョイント４４は（この補助によってレバーアーム４２は接合された状態で取り付けられる）、粗さ針の、工作物表面に対する実質的に垂直な動きのみを可能にすることが好ましい。図６及び図７に示される例示的実施形態の場合は、したがって、粗さセンサ３６は引きずる状態で使用されることが好ましい。したがって、プローブ球２９が工作物２８を他の移動方向においてプロービングする場合、破損しないように粗さ針４０を後退させるべきである。
【００６２】
図１〜図５に示される第１の実施形態、並びに図６及び図７に示される第２の実施形態の場合の両方によれば、移動アクチュエータ４８の作動は、制御デバイス（ここでは図示せず）の補助により行われることが好ましい。制御デバイスは、粗さ針４０の近傍に設けられており、したがって、スタイラス３０とともに移動する。この制御デバイスは、非常に小さな構成のものであってもよく、マイクロコントローラを含んでもよい。マイクロコントローラは制御と同時にその記録を開始及び終了し、記録したデータをタイムスタンプとともに提供する。これらデータは、座標測定機１０の制御及び評価ユニット３２に送られることが好ましい。これにより、粗さデータを座標測定機の測定及び位置データ、またこれに加えて、工作物の形状及びその粗さに割り当て、うねりも決定することを可能にする。
【００６３】
本事例で示される２つの例示的実施形態の各事例では触覚粗さセンサ３６を使用しているが、最終的に、本発明による原理は、本発明の範囲から逸脱することなく、本質的に、スタイラス３０に組み込まれた光学粗さセンサでも満たすことができることに留意されたい。
【符号の説明】
【００６４】
１０  座標測定機
１２  基部
１４  門
１６  キャリッジ
１８  クイル
２０  測定デバイス
２２  測定デバイス
２４  測定デバイス
２６  測定ヘッド
２８  工作物
２９  プローブ球
３０  スタイラス
３２  評価及び制御ユニット
３４  操作コンソール
３６  粗さセンサ
３８  伸張アーム
４０  粗さ針
４２  レバーアーム
４４  ジョイント又はばね
４６  たわみセンサ
４８  移動アクチュエータ
５０  第１部分
５２  第２部分
５４  コイル
５６  強磁性要素
５８  強磁性要素
【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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【図６】
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【図７】
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【外国語明細書】
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