(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
懸架モジュールおよびトランスデューサモジュールを備える測定プローブであって、
該懸架モジュールおよび該トランスデューサモジュールの両者は、互いに係合可能な配置要素を有し、かつ、互いに着脱自在に連結可能であり、
該懸架モジュールは、ハウジング、スタイラスが連結された又は連結され得るスタイラスホルダ、および、該スタイラスホルダの懸架システムであって、これによって該スタイラスホルダが該ハウジングに対して可動である懸架システムを含み、
該トランスデューサモジュールは、該懸架モジュールのハウジングに対するスタイラスホルダの移動を測定する少なくとも一つのトランスデューサを包含していることを特徴とする測定プローブ。
【請求項２】
前記スタイラスと共に移動可能な補償手段であって、軸を横切るスタイラス先端の所与の変位により、スタイラスの長さの相違の結果としてもたらされる、スタイラスの傾き角の相違によるトランスデューサ出力の相違を補償するために、前記少なくとも一つのトランスデューサと協力する補償手段をさらに備えることを特徴とする請求項１の測定プローブ。
【請求項３】
トランスデューサモジュール内の少なくとも一つのトランスデューサは、光学的トランスデューサであることを特徴とする請求項２の測定プローブ。
【請求項４】
補償手段は、スタイラスと共に動き得る光学要素であり、該トランスデューサは、スタイラスと共に動き得る光学要素に光ビームを向けるべく位置された光源と、該光学要素から戻る光を受取るべく位置され、スタイラスの変位を示す信号を派生させる位置感知ディテクタとを備えることを特徴とする請求項３の測定プローブ。
【請求項５】
該光学要素は、反射要素又は屈折要素であり、スタイラス先端の所与の同じ変位に対して、異なるスタイラスの長さが前記トランスデューサにおいて実質的に同じ出力をもたらすように前記光ビームを反射又は屈折させることを特徴とする請求項４の測定プローブ。
【請求項６】
該トランスデューサモジュールは、懸架モジュールのハウジングに対するスタイラスホルダの移動を測定する複数のトランスデューサを包含していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかの測定プローブ。
【請求項７】
懸架システムは、前記スタイラスホルダに連結された所与の長さのスタイラスに対し、スタイラス先端を前記測定プローブのｘｙ面内において及び前記測定プローブのｚ軸に沿って同じ量だけ変位させるのに等しい力が必要とされるように、設計されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかの測定プローブ。
【請求項８】
懸架モジュールをトランスデューサモジュールに対し着脱可能に磁気的に保持する要素を備えることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかの測定プローブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物の形状、形態または寸法を測定するために、座標測定機械や工作機械等の座標位置決め機械に用いられ得る、アナログすなわち比例プローブとして知られている測定プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
測定プローブは、典型的には、通常ハウジングの形態の相対的な固定構造体および相対的な可動構造体を含んでいる。可動構造体の機能はワークピースに接触するスタイラスを保持することであり、それ故に、しばしばスタイラスホルダとして知られている。スタイラスホルダは、一方の他方に対する相対運動を与える機構によって、ハウジング内に懸架されている。スタイラスホルダおよびハウジングの相対変位（従って、相対運動中の相対変位の変化）は、通常プローブのハウジングに取付けられるか、さもなくば、ハウジング内に設けられている一つ以上のトランスデューサによって検出可能である。
【０００３】
使用の際、プローブおよび検査中のワークピースは、機械の相対的に可動な部分に取付られ（プローブはハウジングによって機械に取付けられ、かくてスタイラスの自由な動きを可能とする）、そして、機械がスタイラスを形態、寸法又は輪郭情報が求められている対象物の表面に接触させるべく作動される。スタイラスが表面に接触している間、プローブからのトランスデューサ出力は、プローブが取付けられている機械と検査中の表面との間の関係を直接的に指示している。かくて、機械の固定基準点に対する表面上の点の位置は、機械の二つの相対可動部分の相対位置を示す信号およびプローブのトランスデューサ出力から決定される。
【０００４】
アナログプローブの公知の一形態は、特許文献１に開示され、スタイラスホルダがスタイラスホルダを中間部材に連結している第一の柔軟なダイアフラムを含む機構によって懸架されているハウジングを有し、それから中間部材がさらなる二つの互いに平行で柔軟なダイアフラムを介してハウジングに連結されている。同様のデザインのプローブは特許文献２に開示されている。両先行技術のプローブ形態は、磁石および反復的なカイネマチック配置を形成する互いに係合可能な要素によるスタイラスのスタイラスホルダへの着脱自在な取付けを提供している。これは、プローブでもって行われる個別の検査課題に応じて、使用者がスタイラスの形態を変更することを可能にしている。
【０００５】
【特許文献１】欧州特許第５４４８５４号公報
【特許文献２】欧州特許第４２６４９２号公報
【特許文献３】米国特許第４、０８４、３２３号明細書
【特許文献４】米国特許第５、０８８、２０８号明細書
【特許文献５】米国特許第４，５２３、３８３号明細書
【特許文献６】米国特許第５，３４５，６８９号明細書
【特許文献７】米国特許第４、１５８、９１９号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一形態は、プローブのモジュール形態を提供し、そこでは、スタイラスホルダをハウジングに連結する懸架機構が、一つ以上のプローブトランスデューサのセンサを包含しているトランスデューサモジュールに着脱可能且つ反復的に連結され得る、懸架モジュール内に設けられている。本発明のこの形態によれば、スタイラスの一形態が、懸架モジュールを交換することにより他に変えられる。また、懸架モジュールをトランスデューサモジュールに配置する互いに係合可能な要素が、先行技術におけるようにスタイラスホルダ上ではなく、それぞれ、トランスデューサモジュールおよび懸架モジュールのハウジング上に位置されるべく配列することにより、懸架機構に支持される慣性質量が軽減される。このようにして、プローブの感度が増大される。
【０００７】
懸架モジュール内には、例えば、特許文献３に開示されたような一連の平行なリーフスプリング、特許文献４に開示されたような一連のリニアベアリング、特許文献５に示された、個々がスタイラスホルダおよびハウジングに連結されているリンケージのアセンブリ、または、例えば、特許文献６または特許文献７に開示されているような一つ以上のダイアフラムの如き全ての適切な懸架機構が設けられてもよい。
【０００８】
本発明の他の独立の形態によれば、測定プローブは、軸を有するハウジング、軸に沿って延在しスタイラスが連結され得るスタイラスホルダ、および、該スタイラスホルダのための懸架システムを備える測定プローブであって、該懸架システムは、スタイラスホルダとハウジングとの間に連結され、プローブの軸に直角で軸に沿って離間された第一および第二の平行な面に存する少なくとも一対のほぼ平坦なダイアフラムを備え、前記ダイアフラムの両者はスタイラスホルダの制限された軸方向移動を許容し、且つ、前記ダイアフラムの少なくとも一つは前記少なくとも一つのダイアフラムの面内においてスタイラスホルダの制限された横方向移動を許容すべくその面内において充分に柔軟であることを特徴とする。
【０００９】
前記柔軟なダイアフラムに要求される柔軟性を得るために、それぞれのダイアフラムを貫通して一つ以上のチャンネルが設けられている。
【００１０】
一実施の形態では、ダイアフラムは同一で、チャンネルはほぼ螺旋形態であり、各ダイアフラムは周方向に１２０°オフセットされたかかるチャンネルを有している。かかる配列のおかげで、比較的簡単で摩擦のない懸架機構が、比較的コンパクトな構造を備えてもたらされる。
【００１１】
かかる懸架機構によれば、スタイラスに力が加えられたとき、スタイラスホルダは、プローブの軸方向に直線状にまたはプローブの軸にほぼ直覚な面で傾くように、ハウジングに対して変位される。スタイラスホルダの直線状の軸方向変位および傾斜変位の検出が、スタイラスの所与の長さについて、スタイラスの感知先端の位置の指標をもたらす。懸架機構は傾き動作をもたらすので、長さの異なるスタイラスは、スタイラスの先端における軸を横切る所与の直線変位に対して、スタイラスホルダのプローブハウジングに対する異なる傾き角をもたらす。典型的には、これは、プローブが用いられる機械のキャリブレーションによって考慮されている。
【００１２】
代わりに、用いられるトランスデューサシステムが、スタイラスの先端における軸を横切る所与の変位に対して異なる傾き角をもたらす長さの異なるスタイラスについて補償すべく設計されてもよい。
【００１３】
用いられるトランスデューサシステムは、好ましくは、光学的システムであり、スタイラスホルダに取り付けられた光学的特徴部に入射する光ビームを放射する光源を含んでいる。それから、その光ビームは、光感知ディテクタ上に通過され、該光感知ディテクタはその光感知表面上の光ビームの入射位置に応じた出力を発生する。
【００１４】
光学的特徴部は、好ましくは、反射または屈折要素によりもたらされ、これらは特徴部の一つ以上の光学的パラメータにより決定される角度によって該特徴部と相互作用する際にビームを反射または屈折させるべく入射ビームと相互作用する。かくて、反射または屈折の相互作用を決定する光学的パラメータを変えることにより、スタイラスホルダの異なる傾き角が感知ディテクタ上で反射または屈折されたビームの同じ入射位置と帰し、これにより、軸を横切る一定の先端変位に対して、スタイラス長さに無関係な一定の出力を発生させる。
【００１５】
一つの実施形態では、光学的特徴部はミラーによってもたらされており、その曲率はスタイラスの長さに依存している。すなわち、より小さな傾き変位が、湾曲されたミラーにおける入射光ビームの反射の故に、同じ変位角を生じさせることを保証するために、スタイラス長さがより長い程、ミラーの曲率はより大きい。他の実施の形態では、光学的特徴部は、例えば、フレネルレンズによってもたらされている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の実施の形態が、添付の図面を参照して、例示として説明される。
【００１７】
さて、図１を参照するに、測定プローブはトランスデューサモジュール１０を含み、これに対し懸架モジュール１２が着脱可能および反復可能に取付け可能である。トランスデューサおよび懸架モジュール１０、１２の各々は、それぞれハウジング１４ａおよび１４ｂによりもたらされている相対的に固定された構造を有している。トランスデューサモジュール１０への懸架モジュール１２の着脱可能な取付けは、懸架モジュールハウジング１４ｂのＶ溝１８内に係合可能でトランスデューサモジュールハウジング１４ａにボール１６の形態で設けられた互いに係合可能な配置要素により、該配置要素１６，１８を係合状態に付勢するハウジング１４ａおよび１４ｂの磁石２０と共に行われる。懸架モジュール１２がトランスデューサモジュール１０に位置されたとき、ハウジング１４ａおよび１４ｂは単一の相対的に固定されたハウジング構造体として効果的に動作する。懸架モジュール１２は細長く且つ比較的剛性のスタイラスホルダ４０を担持しており、スタイラスホルダ４０は実質的に平坦で軸方向に離間されている一対のダイアフラム４２，４４によってハウジング１４ｂに対し懸架されている。二つのモジュール間の連結はハウジング部分であるので、懸架モジュールはスタイラスホルダとスタイラスのみを担持している。この手段によって、懸架システムにおける質量が感度を増大させるべく低減されている。
【００１８】
スタイラスホルダ４０は、ダイアフラムに対しそれらのほぼ中心で連結され、そして、ハウジング１４ｂがダイアフラムに対しそれらの周辺で連結されている。スタイラスホルダ４０の旋回運動は、二つのダイアフラムの相対的堅さに依存して、いずれかのダイアフラム面内または両者間の軸線上の位置に位置される点の回りに生ずる。
【００１９】
追加的に図４を参照するに、ダイアフラム４２，４４の各々は、周方向に１２０°オフセットされた三つの螺旋状チャンネル５０によって切り抜かれている。チャンネルは、ダイアフラム４２，４４の堅さを軽減し、スタイラスホルダ４０の面内における制限された横方向移動を充分に許容する作用を有する。かくて、スタイラスホルダ４０は、ハウジング１４ｂに対してｘまたはｙ軸のいずれかの回りに旋回し、且つ、ハウジング１４ｂに対してｚ軸に沿って並進することが可能である。
【００２０】
この実施の形態における旋回運動は、二つのダイアフラムの面間の中間の軸上の点の回りに生ずる。
【００２１】
一対の横方向に柔軟なダイアフラムを使用することで、高感度な簡単で廉価なスタイラス取付けをもたらしている。この形式の取付けは、低走査力の故に小さいばね定数を有すべくデザインされ得る。
【００２２】
両ダイアフラムが比較的柔軟であるこの実施の形態においては、二つのダイアフラム１４２，１４４の間の軸方向に離間された中間に第三のダイアフラムを追加することが有利であろう。それは、スタイラスホルダの面における横方向の移動を防止する一方、スタイラスホルダのダイアフラム中心回りの旋回を許容すべくそれ自体の面では堅い。
【００２３】
第三のダイアフラムを追加することの有利な点は、スプリングの組合せの構造的堅さに加わり、組合せの振動の高い固有周波数を維持することである。第三のダイアフラムの適切なデザインによって、総ばね定数が走査力を著しく増大させないように、なお比較的小さく保たれ得る。
【００２４】
他の実施の形態では、ダイアフラムの一つ、好ましくは下側のダイアフラム４４が、その面でのスタイラスホルダの横方向の移動を防止するのに充分に堅くデザインされ、そして、他のダイアフラム４２は、その面でのスタイラスホルダの横方向の移動を許容すべくその面で柔軟であるようにデザインされている。この結果、スタイラス先端にｘ、ｙ面において横方向の力が加えられたとき、スタイラスホルダはダイアフラム４４の中心回りに旋回することになる。
【００２５】
ｘｙ面におけるダイアフラム４２，４４の堅さとの関係でそれらの軸方向の間隔を適切に選定することにより、スタイラスホルダ４０に連結された所与の長さのスタイラスに対し、スタイラス先端をｘｙ面内においておよびｚ軸に沿って同じ量だけ変位させるのに等しい力が必要とされるように、懸架モジュールを設計することがまた可能である。
【００２６】
製造誤差の故に、応力を受けていない状態で正確に平坦なダイアフラムを得ることは困難である。このことはダイアフラムが双安定な休止位置を取ることに繋がる。これを避けるためには、ダイアフラムがそれらの休止位置において予め応力を受けることを確実にすることが望ましい。
【００２７】
ハウジング１４ａおよび１４ｂによってもたらされている組合された固定構造体に対するスタイラスホルダ４０の動きは、トランスデューサモジュール１０内のトランスデューサによって検出される。トランスデューサの幾つかの配列が可能である。
【００２８】
さて、追加的に図２を参照するに、一つのトランスデューサ配列において、シャッタ部材６０がスタイラスホルダ４０に堅く取付けられている。これは、懸架モジュール１２がトランスデューサモジュール１０に取付けられたとき、シャッタ部材６０とスタイラスホルダ４０とが一体で動くという意味である。シャッタ部材６０はほぼ三角形状を有し、その頂点の各々に光源６２（それらの一つのみが図２には示されている）を担持している。光源６２からの光は、スクリーン６６に設けられているキャビティ６４（これの目的は、個々のトランスデューサ間のクロストークを防止することである）を通過し、それから、比較的狭く軸方向に延在しているスリット６８を通過する。スリット６８の画像は、それを通過する光によって形成され、位置感知フォトディテクタ７０に入射される。その出力の大きさは、入射されたスリット６８の画像のｙ方向における変位に依存する。かくて、位置感知フォトディテクタ７０からの出力の大きさは、スタイラスホルダ４０のｙ方向における変位の指標となる。二つの他のトランスデューサも設けられており、その一つはスタイラスホルダ４０のｘ方向における変位の指標となるべく、軸方向に延在するさらなるスリット７２を有している。そして、他方は、スタイラスホルダ４０の軸方向すなわちｚ方向における変位の指標をもたらすために、実質的にｘｙ面内に延在するスリット７４を有している。
【００２９】
スタイラスホルダ４０は、モジュールの交換を可能とするために、シャッタ部材６０から取外すことができる。
【００３０】
スタイラスホルダ４０とシャッタ部材との間の連結は、シャッタ部材の基部に設けられているＶ溝８２内に個々に係合可能なスタイラスホルダ４０上の三つのボール８０によってもたらされている。磁石８４，８６がボール８０をＶ溝内に係合状態に付勢しており、これにより、所与の懸架モジュール１２から他へ交換されるときのスタイラスホルダ４０へのシャッタ部材の反復可能な配置をもたらしている。変形例においては、シャッタ部材６０が懸架モジュールと一体的に交換されるように、シャッタ部材がスタイラスホルダ４０に固く取付けられてもよい。この変形例では、トランスデューサの光源がトランスデューサモジュールのハウジング１４ａに取付けられ、かくて、シャッタ部材６０は問題のトランスデューサの作動に必要な（スリットの形態の）光学的特徴をもたらすためのみに役立つであろう。
【００３１】
測定プローブのさらなる実施の形態が図５に図解されており、これはトランスデューサモジュール１１０を含んでいる。トランスデューサモジュール１１０には懸架モジュール１１２が、磁石１２０により懸架モジュールハウジング１１４ｂのＶ溝に係合状態に付勢される、トランスデューサモジュールハウジング１１４ａのボール１１６によって、反復および着脱可能に取付けられ得る。
【００３２】
スタイラスホルダ１４０は、前実施の形態の図４に示されたのとほぼ同じ形態を有し軸方向に離間された一対のダイアフラム１４２，１４４によって、懸架モジュールハウジング１１４ｂに対し懸架されている。ダイアフラムは、スタイラス１５０のスタイラスホルダへの連結（この連結は典型的には螺合によりなされる）の際の過剰応力が、一対の保護アーム１４６によって防止されている。保護アーム１４６は、プローブ軸Ａに関してほぼ半径方向に延在し、スタイラスホルダ１４０に固く連結されている。アーム１４６の末端部は、懸架モジュールのハウジング１１４ｂに設けられたスロット１４８内に小さなクリアランスを伴って延び込んでいる。プローブの通常の作動の際には、アーム１４６はスロット１４８の両側には接触せず、そして、ハウジング１１４ｂに関するスタイラスホルダ１４０の懸架はダイアフラム１４２，１４４によって排他的に行われる。スタイラス１５０の螺合連結の際に、スタイラスホルダ１４０に軸Ａ回りのトルクが与えられると、ダイアフラム１４２，１４４は、最初に、スロット１４８内のアーム１４６の末端部とのクリアランスが無くなるまで軸Ａに関して小さく周方向に変位し、その時、スタイラスホルダ１４０に与えられているトルクはアームを介してハウジング１１４ｂに伝達される。かくて、ダイアフラム１４２，１４４は過剰なトルクによる損傷を受けることから護られる。
【００３３】
光学式トランスデューサが、固く、しかし、着脱自在に連結されているハウジング１１４ａ、１１４ｂによってもたらされている固定構造体に対するスタイラスホルダ１４０の変位を検出するために設けられている。この例では、二つのトランスデューサが用いられており、各々のトランスデューサはレーザダイオード光源２００を含んでいる。レーザダイオード光源２００は、スタイラスホルダ１４０の頂部におけるキャビティ２１４内に配置されているミラーまたはフレネルレンズ２１２のような光学的特徴体に、ビーム２１０を照射する。光学的特徴体２１２から反射された光は位置感知ディテクタ２２０に入射し、その出力は反射光の入射位置の指標であり、それ故に、プローブの固定構造体に対するスタイラスホルダの変位の指標となる。
【００３４】
異なる長さのスタイラス１５０については、スタイラス１５０の先端のｘｙ面における所与の変位が、ハウジング１１４ａ、１１４ｂに対するスタイラスホルダ１４０の異なる角度変位を生じさせるので、トランスデューサ２２０からの出力は、スタイラスの先端のｘｙ面における所与の変位についてスタイラスの長さに応じて異なることになる。これを補償するために、適切な反射力を有し適切に湾曲されたミラーまたはフレネルレンズのような光学的特徴体２１２を設けることが可能であり、その結果、異なる長さのスタイラスが、ｘｙ面におけるスタイラス先端の同一変位に対して、トランスデューサ２２０において実質的に同一の出力を生じさせる。
【００３５】
図５に図解された実施の形態の変形例では、ハウジング１１４ｂ内にさらに延びるように形成されたスタイラス１５０の上面に光学的特徴体が設けられ得る。本発明のさらなる独立形態は、このように、光学的特徴体がスタイラスの先端から離れた端部に設けられ且つスタイラスの長さに応じた光学的特性である、トランスデューサと共に用いられるのに適した光学的特徴体を有する測定プローブのための細長いスタイラスを提供している。
【００３６】
本発明のさらなる実施の形態が、図５に示されたプローブと類似の構造のプローブの部分を図解している図６を参照して説明される。図５の構成部品と同一の構成部品には同一の参照番号が付与されている。
【００３７】
スタイラスホルダ１４０は、（不図示）のプローブのハウジングから一対のダイアフラム１４２，１４４によって支持されており、両ダイアフラムは図４に示された形式のものである。
【００３８】
この実施の形態における光学式トランスデューサは、互いに反対に小さい角度傾けられている二つの並列の焦点ミラー３１２，３１４およびミラーに向けられた光ビームを与える二つの並列の光源３１６（その一つのみが示されている）からなる。ミラーから反射された光は並列の位置感知ディテクタ３１８に向けられる。かくて、スタイラス先端のｘまたはｙ方向変位によるスタイラスホルダの傾きは、ディテクタ上の焦点スポットのｘまたはｙ方向移動を生じさせ、およびスタイラスの軸方向動きは、ディテクタ上の二つの焦点スポットのｘおよび/またはｙ方向の同時の移動を生じさせる。プローブのトランスデューサシステムのキャリブレーションから得られるアルゴリズムは、スタイラスの変位がディテクタの出力から決定されることを可能にする。
【００３９】
説明された実施の形態はダイアフラムの形態の一対の弾性装置に言及しているが、ダイアフラムのいずれかが、異なる形態の平坦な弾性装置、例えば、コイルスプリングのような異なる形式の実質的に平坦な弾性要素列によって置換えられても、同等の作用が得られること明らかである。かかる実施の形態では、少なくとも三つのスプリングがかかる列内に存しよう。三つのスプリングが用いられる場合、それらは１２０°周方向に離間されよう。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明による測定プローブの第一の実施形態の断面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】図１のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】本発明による測定プローブの第一の実施形態の断面図である。
【図６】代替の光学トランスデューサを図解した本発明の他の実施の形態の部分断面図である。
【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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