(57)【要約】  表面の位置を感知するためのタッチプローブであって、ハウジングと、ハウジング内に支持された可動アセンブリと、スタイラスを備えている。可動アセンブリは、可撓性反射要素、スペーサー要素、および半透過要素を含んでいる。可撓性反射要素の反射面と、この反射面に対向する半透過要素の対向面は、スペーサー要素により離間している。スタイラスは可撓性反射要素に連結されている。可動アセンブリとスタイラスは、スタイラスに付与された力に応答してスタイラスが動くことにより可撓性反射要素が撓み、可撓性反射要素の反射面上の点と半透過要素の対向面上の点との間の距離が変化するように、構成されている。コヒーレント光源は、半透過要素に入射し、半透過要素を通って可撓性反射要素の反射面に向けられるコヒーレント光を提供し、これにより、可撓性反射要素の反射面と半透過要素の対向面との間の離間距離に依拠した干渉縞が作成されるようになっている。検出器は、可撓性反射要素の撓みに応じた干渉縞パターンの変化を感知する。
2021505867.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面の位置を検知するためのタッチプローブにおいて、
ハウジングと、
前記ハウジング内に支持され、可撓性反射要素、スペーサー要素、および半透過要素を含む可動アセンブリと、
前記可撓性反射要素に連結されたスタイラスと、
コヒーレント光源と、
検出器と、
を備え、
前記可動アセンブリにおいて、前記可撓性反射要素の反射面と前記反射面に対向する前記半透過要素の対向面は、前記スペーサー要素によって離間し、前記可撓性反射要素が第１の相対的非撓み位置にある時に、前記反射面の第１領域にわたって第１の配置状態にあり、
前記可動アセンブリと前記スタイラスは、前記スタイラスへの力に応答する前記スタイラスの動きにより、前記可撓性反射要素が撓み、前記第1の相対的非撓み位置に比べて、前記可撓性反射要素の前記反射面上の点と、前記半透過要素の前記対向面上の点との間の距離が、前記反射面の前記第１領域にわたって変化するように構成され、
前記コヒーレント光源は、前記半透過要素に入射し前記半透過要素を通って前記可撓性反射要素の前記反射面に向けられるコヒーレント光を提供するように構成され、これにより、コヒーレント光は、部分的に前記半透過要素の前記対向面で内部反射され、部分的に前記半透過要素を通過して前記可撓性反射要素の前記反射面に至り、これにより、前記反射面で反射した光が前記半透過要素の内部反射光と強め合いまたは打ち消し合うように干渉し、前記第1領域にわたり、前記可撓性反射要素の反射面と前記半透過要素の前記対向面との間の離間距離に依拠した干渉縞を作成できるようになっており、
前記検出器は、前記可撓性反射要素の撓みおよび前記可撓性反射要素の前記反射面上の点と前記半透過要素の前記対向面上の点との間の距離の変化に応じた、前記第1領域にわたる干渉縞パターンの変化を、感知するように構成されることを特徴とするタッチプローブ。
【請求項２】
前記可撓性反射要素が前記第１の相対的非撓み位置にある時、前記可撓性反射要素の前記反射面と前記半透過要素の前記対向面は、前記第１の領域にわたって、平行であり、均一な距離だけ離間している、請求項１に記載のタッチプローブ。
【請求項３】
さらに、前記ハウジング内において前記可動アセンブリに繰り返し可能な着座位置を提供するキネマティックジョイントを含み、このキネマティックジョイントは、前記スタイラスに付与される変位力に応答して前記可動アセンブリが前記着座位置から移動するのを可能にし、前記変位力が解除された時に前記可動アセンブリが前記着座位置に復帰するのを可能にする、請求項１に記載のタッチプローブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はタッチプローブに関し、特に、ワークピースの位置を決定するために、座標測定機または工作機械で使用するための干渉式タッチプローブに関する。 
【背景技術】
【０００２】
機械加工部品の正確な測定は、従来から、タッチプローブを備えた座標測定機（ＣＭＭ）を使用して行われている。ＣＭＭは、測定が行われる空間にわたってプローブが移動する時にタッチプローブの位置がわかるように調節されている。ＣＭＭは、プローブが測定対象の部品と接触したことを検出し，その位置が、測定された部品上の点として記録される。部品を繰り返し接触させることで、部品のさまざまなフィーチャを測定できる。
【０００３】
従来、プローブと測定部品との接触は、バネの機械的配置と電気的接触を使用して検出されている（DEA TF6、RenishawTP2およびTP20プローブ等）。バネは、接触を記録するのに十分なだけプローブを動かすための最小限の力を必要とする。あるいは、歪みゲージの変形に基づくシステムも知られている（例えばRenishawTP200プローブ等）。このシステムは、バネシステムよりも小さい力で測定できるが、その力でさえも、非常に柔らかいまたはフレキシブルな部品を測定する場合には、許容されるより大きくなる。トリガーが生成される前に撓みが誘発され、その結果として不確実性を伴うからである。
【０００４】
バネを不要にする多くの代替設計が提案されている。米国特許第5,118,956号において、Dunning等は、導波管をプローブに組み込んだタッチプローブと、プローブがいつ接触したかを検出するための干渉計光学システムを開示している。プローブおよび光学システム（例えば、分離された検出アームと参照アームを形成するためのビームスプリッターと参照ミラーを含む、マイケルソン干渉計を用いた光学システム）は、複雑であり、高価である。ある既知の設計では、プローブが測定対象の部品といつ接触したかを決定するために次元干渉法（dimensional interferometry ）を用いており、バネや歪みゲージの設計より大幅に減少した力で測定を行うことができる。米国特許第9,062,958号で、日高と石川はより単純なプローブを使用した設計について開示しているが、プローブが接触したことを検出するために必要な干渉光学システムは、Dunning等が開示したシステムより、複雑で高価である。日本の特許公開公報JP2008096295において、Kazuhiko等は、異なる複雑な光学システムを用いた別の干渉法の設計を開示している。
【０００５】
最小の力を必要としながら、タッチプローブが測定対象物といつ接触したかを決定するための単純な干渉システムを用いたタッチプローブを提供することが望ましい。
【発明の概要】
【０００６】
第１の態様は、表面の位置を検知するためのタッチプローブに向けられる。このタッチプローブおいて、ハウジングと、前記ハウジング内に支持され、可撓性反射要素、スペーサー要素、および半透過要素を含む可動アセンブリと、前記可撓性反射要素に連結されたスタイラスと、コヒーレント光源と、検出器と、を備え、
前記可動アセンブリにおいて、前記可撓性反射要素の反射面と前記反射面に対向する前記半透過要素の対向面は、前記スペーサー要素によって離間し、前記可撓性反射要素が第１の相対的非撓み位置にある時に、前記反射面の第１領域にわたって第１の配置状態にあり、前記可動アセンブリと前記スタイラスは、前記スタイラスへの力に応答する前記スタイラスの動きにより、前記可撓性反射要素が撓み、前記第1の相対的非撓み位置に比べて、前記可撓性反射要素の前記反射面上の点と、前記半透過要素の前記対向面上の点との間の距離が、前記反射面の前記第１領域にわたって変化するように構成され、前記コヒーレント光源は、前記半透過要素に入射し前記半透過要素を通って前記可撓性反射要素の前記反射面に向けられるコヒーレント光を提供するように構成され、これにより、コヒーレント光は、部分的に前記半透過要素の前記対向面で内部反射され、部分的に前記半透過要素を通過して前記可撓性反射要素の前記反射面に至り、これにより、前記反射面で反射した光が前記半透過要素の内部反射光と強め合いまたは打ち消し合うように干渉し、前記第1領域にわたり、前記可撓性反射要素の反射面と前記半透過要素の前記対向面との間の離間距離に依拠した干渉縞を作成できるようになっており、前記検出器は、前記可撓性反射要素の撓みおよび前記可撓性反射要素の前記反射面上の点と前記半透過要素の前記対向面上の点との間の距離の変化に応じた、前記第1領域にわたる干渉縞パターンの変化を、感知するように構成される。
【０００７】
さらなる態様は、前記可撓性反射要素が前記第１の相対的非撓み位置にある時、前記可撓性反射要素の前記反射面と前記半透過要素の前記対向面は、前記第１の領域にわたって、平行であり、均一な距離だけ離間している、タッチプローブに向けられる。
【０００８】
さらなる態様は、さらに、前記ハウジング内において前記可動アセンブリに繰り返し可能な着座位置を提供するキネマティックジョイントを含み、このキネマティックジョイントは、前記スタイラスに付与される変位力に応答して前記可動アセンブリが前記着座位置から移動するのを可能にし、前記変位力が解除された時に前記可動アセンブリが前記着座位置に復帰するのを可能にする、タッチプローブに向けられる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本開示の実施形態によるタッチプローブの断面図である。
【００１０】
【図２】図１のタッチプローブの断面斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
タッチプローブが測定対象部品と接触したことを検出するための、干渉法による高感度のプローブ設計が開示されている。このプローブ設計では、接触が行われたことを検出するための非常にシンプルでありながら高感度の光学システムが使用される。バネに抗した変位量に依存するプローブでは、プローブが測定対象物と接触する方位角に敏感であるが、このようなプローブと異なり、開示された設計はトリガーの前に移動する部品がなく、非常に高い等方性を有する方法で実現される。システムはプローブの姿勢が変わった時に自動的にリセットする。過渡的な振動だけは静める必要があるが、しきい値の調整は必要ない。歪みゲージシステムのように実際に変位量を測定するシステムでは、過渡的な振動を終了させ、変位を測定する要素からの信号が安定した後、その信号をサンプリングして保持し、新しいしきい値を確立する必要がある。結果として、2つの測定の間の時間が長くなる。本開示の設計では、過渡的状況が最小であるため、生産性を失わずに精度を高めることができる。
【００１２】
本開示のタッチプローブシステムの実施形態を、添付の図面を参照しながら説明する。操業に際しては、タッチプローブ１０は、座標位置決め機械（例えば、座標測定機）または工作機械（いずれも図示せず）のヘッドに取り付けられる。座標測定機には、通常のＸ、Ｙ、Ｚ駆動モーターと、制御および較正のユニットが含まれる。座標測定機のさまざまな構成要素と構造は、当業者に知られている周知の構造的および電気的要素を使用しているため、詳細な説明は必要ない。
【００１３】
図１に示すように、容器ハウジングまたは本体１１はキネマティックジョイント（運動学的継手；kinematic joint）１２を支持している。可動アセンブリ２０はキネマティックジョイント１２に着座している。可動アッセンブリ２０は、本体１１に連結された適切なシステムの手段によって、キネマティックジョイント１２へのバネ荷重を受ける。このような適切なシステムは、例えば、本体１１の内壁に隣接してコイル状に巻かれたバネ（図を簡略化するために、図示しない）の形態とすることができる。キネマティックジョイントに着座している可動アセンブリ２０は、タッチプローブシステムの計測基準を構成する。ハウジングまたは本体１１は、図示のように円筒形であってもよいし、必要に応じて他の形状であってもよい。円筒形の場合、円筒の軸はプローブの軸となる。キネマティックジョイント１２は、例えば図示のように、本体１１からの突起１５に接合する可動アセンブリからの突起２５を含むことができ、あるいは他の従来のキネマティックジョイントの構成を含むことができる。
【００１４】
可動アセンブリ２０は、３つの要素を備えている。すなわち、半透過要素２１（半透明要素；semitransparent element；好ましくは１〜３ｍｍの厚さの光学ガラスの透過平板（transmission flat）等）と、可撓性反射体要素２２と、半透過要素２１の厚さに比べて非常に薄く高度に平行なスペーサー要素２３と、を備えている。スペーサー２３の役割は、可撓性反射体２２と半透過要素２１との間に非常に薄い平行な空気層を作り出すことである。スペーサー２３は、半透過要素２１および可撓性反射体要素２２から完全に独立した（分離した）要素（例えば、図示のような薄い環状のリングの形態）であってもよく、またはいずれかの要素２１，２２の周縁近傍の面から突出する１以上の突起の形態であってもよい。半透過要素２１と可撓性反射要素２２との間の間隔は、半透過要素の厚さに近い寸法で描かれているが、スペーサー２３は、好ましくは比較的薄く、例えば、０．００５〜０．０１ｍｍの厚さである。これにより、非常に薄いギャップを提供する。最良の結果を得るために、３つの要素のすべての機能上の面（functional surfaces）を、光学的精度(optical precision)でラッピングすることが好ましい。
【００１５】
本体１１はまた、単色光のコヒーレント光源（図１にレーザー光源３０として示される）により構成された照明アセンブリを支持する。コヒーレント光源は、コヒーレント光のフィールド（図１では、可動アセンブリ２０の半透過要素２１の上面に向かうレーザーコヒーレント光のフィールド３１として示される）を投射する。レーザー光源３０は、例えば、タッチプローブアセンブリ１０に組み込まれたレーザーダイオードであってもよく、その場合、電気リード線だけをアセンブリ１０に接続すればよい。あるいは、レーザー光源３０は、適切なファイバーによる光学接続および従来の光学系を含んでもよい。 要素２１／要素２３／要素２２からなる可動アセンブリの「サンドイッチ」は、提供される高度にコヒーレントな光によって照明されるので、例えば、図２に示すようなニュートンリング６０の形態の干渉縞のパターンが、半透過要素２１の上面に現れる。この干渉縞は、コヒーレント光が半透過要素を通って可撓性反射要素の反射面に向かい、これにより、コヒーレント光が、部分的に半透過要素の対向面で内部反射され、部分的に半透過要素を透過して可撓性反射要素の反射面に至ることに起因する。したがって、反射面からの反射光は、反射要素の反射面と半透過要素の対向面との間の離間距離に応じて、半透過要素の内部反射光と強め合ったり打ち消し合ったりして干渉し、半透過要素２１の上面に見られる干渉縞を作り出す。干渉縞またはニュートンリングのサイズと位置は、半透過要素２１の下面と可撓性反射体要素２２の上面との間の平行度に依存する。
【００１６】
プローブスタイラス４０が可撓性反射体２２に連結されている。可動アセンブリ２０およびスタイラス４０は、スタイラスに付与される力に応じたスタイラスの動きにより、可撓性反射要素２２が、静止して撓んでいない最初の位置に対して撓むように構成される。この構成は、可撓性反射体２２に連結されたプローブスタイラス４０と測定される部品の表面との間の接触によって生じる、プローブスタイラス４０の変位（deflection）の早期検出を可能にする。プローブスタイラス４０がいずれかの方向に変位（displace）すると、半透過ガラス要素２１が変形されないまま、可撓性反射体２２の変形が生じる。可撓性反射体２２の局所的変形の結果として、可撓性反射体２２の反射表面上の点と半透過ガラス要素２１の対向面上の点との間の距離が変化する。半透過ガラス要素２１の上面で観察される干渉縞またはニュートンリング６０の形状（形態；configuration）は、可撓性反射体２２の変形に比例して急速に変化する。干渉縞またはニュートンリング６０は、可撓性反射体２２の変形のサイズと方向に依存して、半透過ガラス要素２１の表面において外側または内側に移動する。
【００１７】
さらに、１つまたは複数のフォトダイオードセンサー等の検出器５０が、本体１１内に配置されている。この検出器５０は、半透過ガラス要素２１上で観察される干渉縞パターンの変化を感知するように構成されている。検出器５０は、例えば、１つ以上のフォトダイオードまたは通常のＣＣＤセンサーを含むことができる。干渉縞またはニュートンリング６０が移動すると、一連の明るい縞と暗い縞が、検出器５０のフォトダイオードセンサーの前をすばやく通過する。上記干渉縞またはニュートンリング６０の移動は、可撓性要素の撓みと、反射面の撓み領域にわたるフレキシブル反射要素の反射面上の点と半透過要素の対向面上の点との間の距離の変化に応答して生じる。半透過要素２１の対向面と可撓性反射要素２２のとの間のギャップの距離は縞に沿って一定であり、２つの隣接する明るい縞間または暗い縞間の光路長差は、光の波長と等しい。そのため、面間のギャップの差は波長の半分である。したがって、この技術は、反射体２１のごくわずかな撓みに対しても非常に感度が良い 
【００１８】
検出器５０のフォトダイオードセンサーには、さらに電子インターフェース５５が電気的に接続されている。この電子インターフェイスは、例えば、プロセッサおよびプログラミングを含み、照明の２つの極限間の時間または距離、あるいは照明の派生を分析することによって、事象を検出する。電子インターフェース５５は、接触を検出するとトリガーパルスを生成し、これにより、タッチプローブが取り付けられているＣＭＭに、測定点としての位置を記録させる。
【００１９】
可撓性反射体２２は、好ましくは、スタイラスを介して伝達される最小のタッチ力に応答して十分に撓むことができる可撓性を有し、これにより、可動アセンブリ１２がキネマティックジョイント１２から外れることなく干渉縞の検出可能な変化を生成する。可撓性反射体２２は、十分な可撓性を提供するために、その少なくとも一部にわたって、例えば０．１ｍｍから１ｍｍの厚さの例えば可撓性金属（例えば、アルミニウムまたは銀または他の反射性金属）の層（layer）を含むことができる。可撓性反射体２２の残りの部分（例えば、可撓性反射体がキネマティックジョイント１２上で支持される周縁近傍、およびスタイラス４０が接続される可撓性反射体の中心部）は、強度を高めるために、上記一部に比べて著しく厚くすることができる。しかしながら、プローブスタイラス４０と測定される部品との間の接触によって発生する圧力が増加すると、タッチプローブの構成要素への損傷を回避するためにキネマティックジョイント１２が開くレベルに達する可能性がある。したがって、キネマティックジョイント１２は、主に構成要素への損傷を防止するためだけに役立ち、プローブスタイラス４０が過剰な力を受けるたびに可動アセンブリ２０を同じ計測基準位置に戻すことができる。
【００２０】
プローブスタイラス４０は、ＣＣＭ技術で従来使用されているように、スタイラスの自由端でスタイラスに連結されたセンシングチップ４１をさらに含むことができる。
【００２１】
上記の記述は特定の実施形態を詳細に参照しているが、これらの実施形態の変形、他の特徴、機能、代替は、他の多くの異なるシステムまたはアプリケーションに組み込むことができることが理解されよう。このように、当業者は、現時点で予期しない様々な代替、修正、変更、または改良を後で行うことができ、これらも特許請求の範囲に含まれることが意図されている。
【図１】
2021505867.tif 000003
【図２】
2021505867.tif 000004
【国際調査報告】
2021505867.tif 000005