(57)【要約】  工作機械のような座標位置決め機械上の物体の寸法を測定するプローブは、ワークピース接触用針２０を有する。これは、針がワークピースに接触すると、出力を提供する歪ゲージ３４を含むセンサー機構３０を介して吊り下げられている。プロセッサー１６は、歪ゲージの出力を処理し、トリガー信号を発生させる。プロセッサーは、３次元Ｘ、Ｙ、Ｚでのワークピースへの接近の全ての可能性のある方向において等しい感度を保証するアルゴリズムまたは計算式あるいはルックアップテーブルにしたがってそのように行う。
2008541081.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの異なる接近方向での物体の接触によって物体の寸法測定をする測定用プローブであって、
物体接触領域を有し、ほぼ軸に沿って延在するステムを有する針、
各々が針の物体接触領域により物体の接触を検出する出力を有する複数のセンサー素子を有する針接触決定装置、及び
センサー素子の出力を処理するプロセッサーであって、少なくとも２つのセンサー素子からの出力を処理し、どの変位も前記接近方向それぞれにおいてほぼ同じである、針の物体接触領域の所定の変位により引き起こされる物体接触トリガー信号を提供するプロセッサー、
を備えていることを特徴とする測定用プローブ。
【請求項２】
センサー素子の出力は、プロセッサーで組み合わされることを特徴とする請求項１に記載の測定用プローブ。
【請求項３】
プロセッサーは、アルゴリズムまたは計算式にしたがって、センサー素子からの出力を組み合わせることを特徴とする請求項２に記載の測定用プローブ。
【請求項４】
アルゴリズムまたは計算式は、
Ｇ＝１／α｛ΔＲ１２＋ΔＲ２２＋ΔＲ３２＋β（ΔＲ１ΔＲ２＋ΔＲ２ΔＲ３＋ΔＲ３ΔＲ１）｝
であり、ここで、ΔＲ１、ΔＲ２及びΔＲ３は、センサー素子の出力を意味することを特徴とする請求項３に記載の測定用プローブ。
【請求項５】
プロセッサーは、センサーからの出力をルックアップテーブルの所定のデータと比較することを特徴とする請求項２に記載の測定用プローブ。
【請求項６】
センサー素子は、歪ゲージであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の測定用プローブ。
【請求項７】
プローブ本体を含み、
プロセッサーは、該プローブ本体内に配置されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の測定用プローブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、座標測定機械、工作機械、ロボット装置等のような座標位置決めを有する機械とともに使用されるタイプの、物体の寸法を測定するプローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、寸法測定用プローブの１つのタイプは、接触用針（a contact stylus）が物体に接触すると、トリガー信号を発生させ、該トリガー信号は、プローブが取り付けられている座標位置決め機械の座標を記録させる。プローブのセンサーは、プローブが針と物体との間の接触を検出するために物体に接近すると、針の微少な負荷を検出する。実用的な理由から、接触用針は、通常、端部が物体の特徴部に到達し、寸法的に測定され得るように、拡大した端部を有する細長いステム（an elongate stem）である。
【０００３】
針のステムは、できるだけ物体の多くの特徴部に到達するように、ステムが比較的細長いので、完全に硬くない。したがって、針のステムは、ステムの軸に対して直交または傾斜した物体接触に起因する横荷重（side loading）を受けるとわずかに曲がるだろう。しかし、ほぼステムの軸に沿う方向での接触により引き起こされる荷重を受けるときは、針は、ほとんど曲がらないだろう。針の支持構造の曲げも起こる。さらに、その曲げは、針の軸に沿って荷重をかけることに起因するその曲げに比較すると、針が側面から荷重がかけられるときにより大きい。
【０００４】
この曲げの結果は、物体表面と針ステムの軸との相対的位置に依存するトリガー信号を生じさせる。言い換えれば、物体は、物体の表面に対する針ステムの傾斜に依存して、主に針の曲げにより、またそれほどではないにせよ針支持構造の曲げにより生じる異なる寸法が存在するように見え得る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この問題を克服する１つの方法は、例えば、プローブが横荷重により起動すると、補正因子が座標の値に適用され、プローブが軸上の接触により起動すると、異なる補正因子が適用されるように、プローブを較正することにある。そのような較正は、時間及び較正用加工品を必要とする。特に、どの方向に接触力が針に加えられているかが知られていない場合、補正因子を適用することは常に可能とは限らない。
【０００６】
針の曲げを克服する別の方法は、針の変位を検出するセンサーを非常に敏感にさせることにある。したがって、トリガーが送出される前に、針の曲げはほとんど起こらない。このことは、プローブが機械の振動またはプローブの急激な加速または減速に起因する間違ったトリガー信号を発生させ得るという不利益を有する。間違ったトリガーを克服するためには、このことが針による物体への最初の接触と送出されるトリガー信号との間にわずかな遅れを発生させるけれども、それほど敏感でないセンサーが使用されなければならない。最初にトリガー信号を発生させるのに不十分な針への力が存在するので、このことが起きる。さらに、針（及びプローブ）と物体との間の相対的移動が必要とされる。このさらなる相対的移動は、“予備移動（pretravel）”と称され、上述した針ステムの曲げ及びプローブ機構に関連する。
【０００７】
針は、横荷重による針の曲げが針ステムの軸に沿う変位と同じであるように配列され得る。例えば、ステムに沿って配置され、針ステムの横ぶれ（the side deflection）を模倣する弾性部材などである。このような機械的解決法は、例えば、針の振動や比較的複雑な製造などの問題を引き起こす。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明者等により新しい取り組みが提供されてきた。それは、少なくとも２つの接近方向における物体への接触により、物体の寸法測定のための測定用プローブであって、該プローブは、物体接触領域を有し、ほぼ軸に沿い延在するステムを有する針を備えている。測定用プローブは、また、各々が針の物体接触領域による物体への接触を検出する出力を有する複数のセンサー素子を有する針接触決定装置を備えている。該プローブは、さらに、センサー素子の出力を処理するプロセッサーを備え、該プロセッサーは、少なくとも２つのセンサー素子の出力を処理し、上記接近方向のそれぞれにおいて、どの変位も実質的に同じである、針の物体接触領域の所定の変位により引き起こされる物体接触トリガー信号を提供する。
【０００９】
したがって、本発明の実施態様において、接触トリガー信号は、図２または３に示される接触に類似した物体接触の結果として送出される。また、いずれにしても、その変位（ｄ）のいくつかが針ステムの曲げにより引き起こされるにもかかわらず、針接触領域が等しい量（図２のｚ、または、図３のｘ）だけその作動方向に変位するときのみトリガー信号が生じるだろう。それで、トリガー信号が送出されるときの針の位置は、接触がなされている方向に依存しない。しかし、その代わりに、針先端部または物体接触領域が変位の全ての方向で同じである所定量だけ変位したとき信号を送出するだろう。
【００１０】
出力は、プロセッサーで組み合わされることが好ましい。
【００１１】
センサー素子からの出力は、アルゴリズムまたは計算式に従って、プロセッサーで組み合わされることが好ましい。該アルゴリズムまたは計算式は、以下のとおりであることが好ましい。
Ｇ＝１／α｛ΔＲ１２＋ΔＲ２２＋ΔＲ３２＋β（ΔＲ１ΔＲ２＋ΔＲ２ΔＲ３＋ΔＲ３ΔＲ１）｝
ここで、用語ΔＲ１、ΔＲ２及びΔＲ３は、センサー素子の出力を意味する。
【００１２】
あるいは、センサーからの出力は、所定のデータと比較されるために、プロセッサーで処理される。
【００１３】
プローブは、プローブ本体を含んでいることが好ましく、プロセッサーは、プローブ本体内に配置されることが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
さて、本発明の実施態様が、添付の図面を参照して以下に詳細に説明されるだろう。
【００１５】
図１ａに、測定用プローブ１０が示されている。該測定用プローブ１０は、工作機械１４のスピンドル（the spindle）に取り付けられている本体１２を有する。プローブは、物体、この場合、ワークピース５０（図２及び３）、に接触する針先端部２４、及び軸４０に沿って延在する細長いステム２２を有する針２０を有している。ステム２２は、歪検出センサー３０を用いて本体１２に接続されている。センサー３０は、図１ｂに平面図で示されている。３本のかなり硬いスポーク（spokes）３２各々は、例えば、ワークピース５０と針先端部２４との間で接触がなされているとき、各スポークにおける歪を検出する、スポークに取り付けられている歪ゲージ３４を有する。プロセッサー１６は、各歪ゲージの出力を受け取るように接続されている。
【００１６】
使用中、プローブ１０は、ワークピース５０に対して、Ｘ、Ｙ及びＺ方向に移動する。ワークピース５０の寸法を決定するために、針先端部２４とワークピース５０との間でいろいろな接触がなされる。接触がなされると、歪がセンサー３４に作用する。歪ゲージ３４の出力は、抵抗変化の形をとっており、以下に述べ、図６に示されるような方法で、プロセッサー１６により処理され、トリガー出力信号を発生させる。プロセッサー１６から送出されるトリガー信号は、ワークピース５０の寸法を決定するために、工作機械の位置を記録するのに使用され得る。
【００１７】
図２は、図１ａ及び１ｂのプローブ及びワークピース５０を示す。図２において、針２０は、トリガー信号がプロセッサー１６により送出される前に、量ｚだけ軸方向に変位している。歪ゲージ３４に歪を伝え、したがってトリガー信号を生じさせる力が必要とされる。
【００１８】
図３も、図１ａ及び１ｂのプローブ及びワークピース５０を示す。図３において、針２０は、トリガー信号を発生させるために、距離ｘだけ横方向に撓んでいる。
【００１９】
（図３のように）先端部の側部で接触があるとき、トリガー信号を発生させるために必要とされる力は、針を曲げさせるだろう。従来は、針が横方向より軸方向に硬いので、ｚ＜ｘである。ｚ＜ｘである場合、この時、ワークピース５０の見かけの測定寸法は、Ｚ方向の見かけの測定寸法に比べてＸ（及びＹ）方向において異なるだろう。
【００２０】
しかしながら、この実施態様において、トリガー信号は、ｚがｘにほぼ等しいとき発生する。このことは、３つの歪ゲージからの出力をプロセッサー１６で組み合わせ、以下のようにゲージ出力Ｇを形成することにより達成される。
Ｇ＝１／α｛ΔＲ１２＋ΔＲ２２＋ΔＲ３２＋β（ΔＲ１ΔＲ２＋ΔＲ２ΔＲ３＋ΔＲ３ΔＲ１）｝
ここで、αは、規格化／倍率因子（a normalization/ scaling factor）であり、用語ΔＲ１、ΔＲ２及びΔＲ３は、３つの歪ゲージ３４の抵抗の変化を示す。また、βは、センサー３０の構造の歪特性及び針２０の歪特性に依存する追加の因子（a further factor）である。
【００２１】
上記計算式の背後にある原則は、ゲージ各々の出力が軸４０に沿って作用する接触力の成分から単に生じる成分、及び軸に垂直に作用する接触力の成分から単に生じる成分に分解され得ることである。ゲージ出力のこれらの成分は、次に、組み合わされ、操作され、Ｚ方向の感度と比較してＸ及びＹ方向に異なる感度を与え得る。この操作の結果は、（図２に示されるように）Ｚ方向の接触により生じる物体の検出は、接触が図３に示されるタイプからなるときトリガー信号を発生させるのに必要とされる力より大きい接触力がトリガー信号を発生させるのに必要とされるように、感度が低下し得る。したがって、距離ｚ及びｘは、撓みｘが針ステム２２の曲げに起因する成分（ｄ）を有するにもかかわらず、等しいか、またはほぼ等しいか、あるいは大体等しくなり得る。同じではあるが相対的な結果が、また、ｘとｚとの間のすべての中間の方向に生じる。このことは、接触に方向に依存しない接触トリガー信号出力を作る。したがって、針に対するいかなる方向の針先端部の所定の移動も、トリガー信号出力を発生させる。
【００２２】
プロセッサー１６は、アナログ回路の組み合わせを備えていることが好ましい。これは、上記計算式に従ってすぐにＧを計算するモジュール１６Ａとともに、周知の方法で構成される。プロセッサー１６は、また、Ｇの値が所定の閾値を超えると、トリガー出力を発生させるように構成されているモジュール１６Ｂを備えている。プロセッサー１６のこの回路は、応用特有の集積回路（ＡＳＩＣ）として実装され得る。
【００２３】
しかしながら、プロセッサー１６は、また、適切にプログラムされたディジタル式演算装置とともに、ディジタル方式で実装され得る。歪ゲージの出力は、アナログ−ディジタル変換器を使って、ディジタル信号に変換され得る。プロセッサー１６は、モジュール１６Ａ、１６Ｂに対応するプログラム・モジュールを含み得る。上で提出された計算式は、歪ゲージ出力を絶えず監視し、処理し得る、プロセッサー１６の不揮発性メモリに保持され得る。
【００２４】
あるいは、プロセッサー１６は、ゲージ出力をデータ・テーブルとすぐに比較し得る。歪ゲージの出力が作動状態を指示していることを比較が指示する場合、トリガー信号出力が発生するだろう。実際には、このことは、歪ゲージ各々に対して、例えば、アナログ・ディジタル変換器を使うことにより達成され得る。歪ゲージの出力は、データ・テーブル・メモリに接続されるアドレス・バス（an address bus）を形成する。メモリからの出力には、“０”（非トリガー）または“１”（トリガー）が使用され得る。
【００２５】
α及びβの値は、通常、所定の測定の間、一定に保たれている。しかしながら、小さな変動が、例えば、低い変動感度を示すようにこれらに適用され、あるいは、プローブする方向（Ｚ対Ｘ、Ｙ）を検出するために使用され得る。針の長さの変化は、βの値を変更することにより、あるいは、データ・テーブルが使用される場合、異なる複数の針に対する異なるテーブルを有することにより、調整され得る。テーブル用データは、予めプログラムされていてもよいし、針を働かせ、プローブにある特定の撓みで作動することを教えることにより学習してもよい。次に、メッシュ・アルゴリズム（a mesh algorithm）を使って、データの隙間が埋められ得る。プロセッサー１６は、プローブから離れて、例えば、プローブとそれが取り付けられている機械との間の接続装置に配置されてもよい。
【００２６】
上で提示された計算式は、ゲージ３４が軸Ｚの周りに対称であることを前提としているが、変更を加えて、同様の計算式が２またはそれ以上の検出素子を有するセンサー３０のその他の構成に対して使用され得る。
【００２７】
センサー３０は、軸Ｚから放射状に延在する歪ゲージを有するように示されている。しかしながら、センサーは、歪ゲージを使用する必要はないし、検出素子は、放射状に延在する必要もない。例えば、検出素子は、ＬＶＤＴのような変位素子、リニア・エンコーダ（linear encoders）または静電容量センサーであってもよい。それらの配置は、軸方向または針の接触からなる検出を許容するどのような位置にあってもよい。
【００２８】
実際のプローブの機械的配置は、一例として、図４及び５に示されている。その他の配置が可能であることが理解されるだろう。明確にするために、図４のプローブの図は、図５の４−４で示される断面での部分断面図である。この面は、完全に平坦ではないが、互いに１２０゜の２つの面を含んでいる。
【００２９】
寸法測定用プローブ１１０は、ボス（a boss）１１２を介して機械１１５に取り付け可能であることを示している。機械は、典型的には、例えば、ｘｙ及びｚ平面でのプローブの座標を決定することができる機械である。
【００３０】
プローブは、測定されるワークピースまたはその他の加工品１５０と接触する先端部１１６を含む針１１４を有する。プローブは、機械により加工品１５０に対して移動し、針先端部の加工品１５０との接触がプローブ１１０内の機構により検出される。プローブは、プローブの座標を決定するために、機械に送られるトリガー信号を発生させる。このようにして、加工品の表面の座標が獲得され得る。
【００３１】
プローブ１１０は、本体１１８、回路基板１２０、ばね室（a spring cage）１２２、圧縮ばね１２４、針１１４の上方部材１２６及び歪検出素子１３０を含んでいる。回路基板１２０は、図１−３及び図６に関連して上述したプロセッサー１６を含んでいる。もちろん、その他の配置が可能である。例えば、柔軟な回路基板がプローブの機械機器を円筒状に取り囲んで巻き付けられていてもよい。
【００３２】
操作中に、ｘ、ｙまたはｚ方向に、あるいはこれらの方向が組み合わさった方向に、針先端部に力が加えられる。力は、センサー素子が中心部分１３７において固定されている本体１１８に対して放射状に延びるセンサー素子１３０のアーム１３２の撓みを引き起こす。ｘまたはｙ方向に針を押す、あるいは、プローブ本体から離れてｚ方向に針を引っ張る過度の力は、センサー素子１３０と本体１１８との間の隙間１２８を閉じるという結果を招くだろう。したがって、センサー素子１３０にかかる過度の歪は起こり得ない。針にかかるさらなる力は、ばね１２４の圧縮を引き起こし、結果として、圧縮ばね１２４の力に抗して、針の上方部材すなわち針保持器１２６とセンサー素子１３０との間の分離（the disconnection）を招く。さらなる過度の力の排除は、針がセンサー素子１３０に再着座することを可能とする。この上方部材１２６とセンサー素子１３０との間の接触は、前部で６つの接触点を有する運動力学的配置の形をとっている。この場合、運動力学的配置は、センサー上の３つのボール１３１から形成されている。ボール各々は、部材１２６の一対のローラ１２７間に入れ子式に入る。したがって、過度の力が針に加えられた場合、繰り返し可能な静止位置内への再着座が可能であることは有利である。しかしながら、非運動力学的配置も可能である。
【００３３】
図５は、センサー素子１３０をより詳細に示している。素子１３０は、例えば、機械加工金属から、一体として製造される。素子１３０の表面に取り付けられている３つのボール１３１各々は、使用中、それらに作用する力を有する。針先端部１１６がワークピースに接触すると、ボールに作用する力は、変質する。言い換えると、このことは、放射状アーム１３２内に誘発される歪を引き起こす。半導体歪ゲージ１３３がアーム１３２それぞれに固定されている。各歪ゲージは、アームの歪が変質すれば、出力に変化を与える。したがって、針の加工品１５０との接触が検出され得る。
【００３４】
別の本数のアームが採用され得るけれども、３本の放射状に延びるアーム１３２が示されている。プローブのさらにあるいは別の詳細が国際特許出願Ｎｏ．ＰＣＴ／ＧＢ２００６／００１０９５に示されている。該出願は、参照により本明細書に組み込まれている。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１ａ】本発明に係る測定用プローブを示す概略図である。
【図１ｂ】図１ａの測定用プローブの線１а−１ｂの概略断面図である。
【図２】使用中の図１の測定用プローブを示す。
【図３】使用中の図１の測定用プローブを示す。
【図４】図１ａに対応する図であるが、測定用プローブの実際の例を示す。
【図５】図１ｂに対応する図であるが、測定用プローブの実際の例を示す。
【図６】プローブのプロセッサーの概略回路図である。
【図１ａ】
2008541081.tif 000003
【図１ｂ】
2008541081.tif 000004
【図２】
2008541081.tif 000005
【図３】
2008541081.tif 000006
【図４】
2008541081.tif 000007
【図５】
2008541081.tif 000008
【図６】
2008541081.tif 000009
【国際調査報告】
2008541081.tif 000010
2008541081.tif 000011
2008541081.tif 000012