(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針（１０８）を有し、交換可能で小型化された探触子システムを有する座標測定機械のためのプローブヘッドであって、
前記探針（１０８）と、膜状センサーシステム（１００）とを含む構造的ユニット（１１６）を備え、
前記探針（１０８）は、剛性があり、
前記膜状センサーシステムは、シリコンをベースとする構成であり、
前記構造的ユニット（１１６）は、座標測定機械のプローブ受け部（１４）に結合されるように構成されたプローブホルダー（７０）に結合されており、
前記膜状センサーシステム（１００）は、
前記探針（１０８）が固定された第一の部分（１０４，１０４’）と、
前記プローブホルダー（７０）に結合された第二の部分（１０２）と、
前記第一の部分（１０４，１０４’）と前記第二の部分（１０２）との間に設けられ、前記探針（１０８）に力（Ｆ）が作用したときに撓むことができる膜状領域（１０６，１０６’）と、
前記膜状領域（１０６，１０６’）に取り付けられた複数の電気的センサー要素（１１４）であって、各電気的センサー要素（１１４）が、前記膜状領域（１０６，１０６’）の撓みに基づく電気信号を生ずる複数の電気的センサー要素（１１４）とを備えており、
当該プローブヘッドは、
スプリングピンホルダー（４０）内に保持され、前記複数のセンサー要素（１１４）と接触するための複数個のスプリングピン（１２０）であって、当該複数個のスプリングピンの相対的な位置が前記スプリングピンホルダー（４０）によって一定に保たれた複数個のスプリングピン（１２０）と、
前記スプリングピンホルダー（４０）と前記プローブホルダー（７０）とを、前記プローブホルダー（７０）の軸（１１）周りに関して相対的な所定の回転位置に固定するための手段（４６，８４，８６）とをさらに備え、
各スプリングピン（１２０）は、後方部分（１２６）と、この後方部分（１２６）より前記電気的センサー要素（１１４）に近い側に配置され、この後方部分（１２６）に、当該スプリングピン（１２０）の軸方向に弾性を持った仕方で取り付けられた前方部分（１２２）とを備え、
前記スプリングピンホルダー（４０）、および前記プローブホルダー（７０）は、前記所定の回転位置にあるとき、各スプリングピンが対応する前記センサー要素（１１４）と接触するように構成されているプローブヘッド。
【請求項２】
前記プローブホルダー（７０）がスリーブ形状を有する、請求項１記載のプローブヘッド。
【請求項３】
前記プローブホルダー（７０）の後方部分（７２）が座標測定機械の前記プローブ受け部（１４）に結合されるように構成されている、請求項１または２記載のプローブヘッド。
【請求項４】
前記後方部分（７２）が、円錐形状の嵌め合い（２４，７４）を介して前記プローブ受け部（１４）に結合されるように構成されている、請求項３記載のプローブヘッド。
【請求項５】
前記センサーシステム（１００）が、前記プローブホルダー（７０）の前方部分（８０）に取り付けられている、請求項１〜４のいずれかに記載のプローブヘッド。
【請求項６】
前記プローブホルダー（７０）が、前記プローブ受け部（１４）の軸（１１）を基準として規定される回転位置において当該プローブ受け部（１４）に結合されるように構成されている、請求項１〜５のいずれかに記載のプローブヘッド。
【請求項７】
前記回転位置を規定するためのボール（８６）が、規定された前記回転位置において前記プローブ受け部（１４）の軸方向の溝（８８）内または前記プローブホルダー（７０）上の穴（８４）内に嵌入するようになっている、請求項６記載のプローブヘッド。
【請求項８】
前記プローブ受け部（１４）が軸（１１）に沿って延びており、前記プローブホルダー（７０）が前記プローブ受け部（１４）の前方端部（２６）に結合されるように構成されている、請求項１〜７のいずれかに記載のプローブヘッド。
【請求項９】
前記センサーシステム（１００）が前記プローブホルダー（７０）の半径方向の後ろ側（９０）に取り付けられている、請求項１〜８のいずれかに記載のプローブヘッド。
【請求項１０】
前記センサーシステム（１００）が前記プローブホルダー（７０）に接着されている、請求項１〜９のいずれかに記載のプローブヘッド。
【請求項１１】
前記センサーシステム（１００）が前記後ろ側（９０）に接着されている、請求項９または１０記載のプローブヘッド。
【請求項１２】
接着剤を保持するための接着ポケット（９２）が前記後ろ側（９０）に備えられている、請求項１１記載のプローブヘッド。
【請求項１３】
前記探針（１０８）が前記後ろ側（９０）の中央の開口部を通って突出している、請求項９〜１２のいずれかに記載のプローブヘッド。
【請求項１４】
前記複数の電気的センサー要素（１１４）が、前記センサーシステム（１００）において、前記探針（１０８）と反対側に設けられている、請求項１〜１３のいずれかに記載のプローブヘッド。
【請求項１５】
前記複数個のスプリングピン（１２０）が、前記センサーシステム（１００）に対して、前記探針（１０８）と反対側に設けられている、請求項１ないし１４のいずれかに記載のプローブヘッド。
【請求項１６】
前記スプリングピンホルダー（４０）が前記プローブ受け部（１４）の前方端部（２６）内に取り付けられている、請求項１ないし１５のいずれかに記載のプローブヘッド。
【請求項１７】
前記プローブホルダー（７０）が、前記前方端部（２６）に押し付けられ、前記スプリングピンホルダー（４０）が前記前方端部（２６）内に挿入される、請求項１６記載のプローブヘッド。
【請求項１８】
前記プローブホルダー（７０）が前記端部（２６）と螺合されるように構成されている、請求項１７記載のプローブヘッド。
【請求項１９】
前記プローブホルダー（７０）がユニオンナット（７９）によって前記端部（２６）と螺合されるように構成されている、請求項１８記載のプローブヘッド。
【請求項２０】
前記第二の部分（１０２）が、厚くされた縁（１０２）を有し、前記第一の部分（１０４，１０４’）が前記センサーシステム（１００）の中央部（１０４）に位置している、請求項１〜１９のいずれかに記載のプローブヘッド。
【請求項２１】
前記膜状領域（１０６）が、平面視において、多角形、特に長方形の形状を有する、請求項２０記載のプローブヘッド。
【請求項２２】
前記膜状領域（１０６）が、平面視において、正方形の形状を有する、請求項２１記載のプローブヘッド。
【請求項２３】
前記膜状領域（１０６’）が、平面視において、環状である、請求項２０記載のプローブヘッド。
【請求項２４】
前記中央部（１０４）が厚くされた構成である、請求項２０〜２３のいずれかに記載のプローブヘッド。
【請求項２５】
前記厚くされた中央部（１０４）が台形のピラミッド形状に構成されている、請求項２４記載のプローブヘッド。
【請求項２６】
前記厚くされた中央部（１０４’）が円錐台形状に構成されている、請求項２４記載のプローブヘッド。
【請求項２７】
探針（１０８）を有し、交換可能で小型化された探触子システムを有する座標測定機械のためのプローブヘッドであって、
前記探針（１０８）と、膜状センサーシステム（１００）とを含む構造的ユニット（１１６）を備え、
前記探針（１０８）は、剛性があり、
前記センサーシステム（１００）が更に、
前記探針（１０８）が固定された第一の部分（１０４，１０４’）と、
座標測定機械のプローブ受け部（１４）に結合されるように構成されたプローブホルダー（７０）に結合された第二の部分（１０２）と、
前記第一の部分（１０４，１０４’）と前記第二の部分（１０２）との間に設けられ、前記探針（１０８）に力（Ｆ）が作用したときに撓むことができる膜状領域（１０６，１０６’）と、
前記膜状領域（１０６，１０６’）に取り付けられた複数の電気的センサー要素（１１４）であって、各電気的センサー要素（１１４）が、前記膜状領域（１０６，１０６’）の撓みに基づく電気信号を生ずる複数の電気的センサー要素（１１４）とを有し、
前記膜状センサーシステムは、シリコンをベースとする構成であり、
前記構造的ユニット（１１６）を前記プローブヘッド（１０）上に機械的に固定するための手段と、前記センサー要素（１１４）を電気的に接続するための手段であって、前記固定するための手段とは別の手段とが備えられており、
当該プローブヘッドが、
スプリングピンホルダー（４０）内に保持され、前記複数のセンサー要素（１１４）と接触するための複数個のスプリングピン（１２０）であって、当該複数個のスプリングピンの相対的な位置が前記スプリングピンホルダー（４０）によって一定に保たれた複数個のスプリングピン（１２０）と、
前記スプリングピンホルダー（４０）と前記プローブホルダー（７０）とを、前記プローブホルダー（７０）の軸（１１）周りに関して相対的な所定の回転位置に固定するための手段（４６，８４，８６）とをさらに備え、
各スプリングピン（１２０）は、後方部分（１２６）と、この後方部分（１２６）より前記電気的センサー要素（１１４）に近い側に配置され、この後方部分（１２６）に、当該スプリングピン（１２０）の軸方向に弾性を持った仕方で取り付けられた前方部分（１２２）とを備え、
前記スプリングピンホルダー（４０）、および前記プローブホルダー（７０）は、前記所定の回転位置にあるとき、各スプリングピンが対応する前記センサー要素（１１４）と接触するように構成されているプローブヘッド。
【請求項２８】
前記複数の電気的センサー要素（１１４）が、前記センサーシステム（１００）において、前記探針（１０８）と反対側に設けられており、前記複数個のスプリングピン（１２０）が、前記センサーシステム（１００）に対して、前記探針（１０８）と反対側に設けられている、請求項２７記載のプローブヘッド。
【請求項２９】
前記構造的ユニットが前記プローブヘッド（１０）と共に螺合されるように構成されている、請求項２７または２８に記載のプローブヘッド。
【請求項３０】
前記構造的ユニット（１１６）が、前記プローブホルダー（７０）と結合されている、請求項２７〜２９のいずれかに記載のプローブヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、探針を有し交換可能で小型化された探触子システムを有する座標測定機械のためのプローブヘッドに関し、前記探針は剛性があり、かつ探針に力が作用したときに所定の仕方でたわむことのできる膜状センサーシステムと共に構造的ユニットを形成するものである。
本発明はまた、探針を有し交換可能で小型化された探触子システムを有する座標測定機械のためのプローブヘッドに関し、前記探針は剛性があり、かつ探針に力が作用したときに所定の仕方でたわむことのできる膜状センサーシステムと共に構造的ユニットを形成するものであり、前記センサーシステムは更に前記たわみを検出するための電気的センサー素子を有することを特徴とする。
【背景技術】
【０００２】
上記の種類のプローブヘッドは、下記特許文献１に開示されている。
座標測定機械では、異なるタイプの測定作業を相次いで実行できるように、探針を交換することが実際には必要となることが多い。その中には例えば深さの異なる穴の測定、内径の異なる穴の測定などが含まれる。これらの場合、長さの異なる複数の探針と、それらの自由端に配設された直径の異なる探針ボールとを用意する必要がある。
【０００３】
そのため、膜状センサーシステムの一部として、典型的な長さが５ｍｍ〜１５ｍｍの探針を有する小型化された装置が使用される。探針が力を受けて軸方向またはそれに直角の方向にたわむと、これは制御されたたわみ、すなわち膜状構成の曲げをもたらす。この制御されたたわみはセンサー素子で検出され、その出力信号は探針またはそれに取り付けられた探針ボールの実際のたわみ量に変換できる。
【０００４】
このような構成の場合、最初に引用した下記特許文献１で述べられているように、第一の変形例では、ガラス板を使用し、探針を該ガラス板上に取り付ける。探針がたわむとガラス板が変位し、この変位が光学的センサーで検出される。別の実施形態の場合は、平面形状が正方形である膜状構成で周縁部の厚みが大きくなっているものを使用する。この構成の中央部には別の厚みを増した部分があり、これが探針ボールを有する探針を支持する。周縁と中央部との間には膜状領域があり、この部分にピエゾ抵抗素子またはひずみゲージが探針から離れる側に備えられている。この場合、探針がたわむと膜状領域が歪められ、従ってピエゾ抵抗素子またはひずみゲージを介して信号が送られる。これに関して、信号の取りこみおよびこの膜状センサーシステムの取り付けについては、詳しくは何も述べられていない。
【０００５】
他方、複数の異なる探針を使用する上記の測定作業を可能であれば自動化し、可能な限り短い段取り時間で実行できるようにするという要求がある。
【特許文献１】独国特許出願公開第１０１０８７７４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで本発明の目的は、最初に述べたタイプのプローブヘッドを提供し、小型化された探針と膜状センサーシステムとを備えた構造的ユニットの交換が単純化され、操作の高い信頼性を維持して実行できるようにすることである。これは、探針システムの交換の自動化を可能にすることになり、特にＣＮＣ制御の座標測定機械においてそれを可能にする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、探針を有し、交換可能で小型化された探触子システムを有する座標測定機械のためのプローブヘッドであって、探針と、膜状センサーシステムとを含む構造的ユニットを備え、探針は、剛性があり、膜状センサーシステムは、シリコンをベースとする構成であり、構造的ユニットは、座標測定機械のプローブ受け部に結合されるように構成されたプローブホルダーに結合されており、膜状センサーシステムは、探針が固定された第一の部分と、プローブホルダーに結合された第二の部分と、第一の部分と第二の部分との間に設けられ、探針に力が作用したときに撓むことができる膜状領域と、膜状領域に取り付けられた複数の電気的センサー要素であって、各電気的センサー要素が、膜状領域の撓みに基づく電気信号を生ずる複数の電気的センサー要素とを備えており、当該プローブヘッドは、スプリングピンホルダー内に保持され、複数のセンサー要素と接触するための複数個のスプリングピンであって、当該複数個のスプリングピンの相対的な位置がスプリングピンホルダーによって一定に保たれた複数個のスプリングピンと、スプリングピンホルダーとプローブホルダーとを、プローブホルダーの軸周りに関して相対的な所定の回転位置に固定するための手段とをさらに備え、各スプリングピンは、後方部分と、この後方部分より電気的センサー要素に近い側に配置され、この後方部分に、当該スプリングピンの軸方向に弾性を持った仕方で取り付けられた前方部分とを備え、スプリングピンホルダー、およびプローブホルダーは、所定の回転位置にあるとき、各スプリングピンが対応するセンサー要素と接触するように構成されているプローブヘッドにより、この目的が達成される。
本発明によれば、探針を有し、交換可能で小型化された探触子システムを有する座標測定機械のためのプローブヘッドであって、探針と、膜状センサーシステムとを含む構造的ユニットを備え、探針は、剛性があり、センサーシステムが更に、探針が固定された第一の部分と、座標測定機械のプローブ受け部に結合されるように構成されたプローブホルダーに結合された第二の部分と、第一の部分と第二の部分との間に設けられ、探針に力が作用したときに撓むことができる膜状領域と、膜状領域に取り付けられた複数の電気的センサー要素であって、各電気的センサー要素が、膜状領域の撓みに基づく電気信号を生ずる複数の電気的センサー要素とを有し、膜状センサーシステムは、シリコンをベースとする構成であり、構造的ユニットをプローブヘッド上に機械的に固定するための手段と、センサー要素を電気的に接続するための手段であって、固定するための手段とは別の手段とが備えられており、当該プローブヘッドが、スプリングピンホルダー内に保持され、複数のセンサー要素と接触するための複数個のスプリングピンであって、当該複数個のスプリングピンの相対的な位置がスプリングピンホルダーによって一定に保たれた複数個のスプリングピンと、スプリングピンホルダーとプローブホルダーとを、プローブホルダーの軸周りに関して相対的な所定の回転位置に固定するための手段とをさらに備え、各スプリングピンは、後方部分と、この後方部分より電気的センサー要素に近い側に配置され、この後方部分に、当該スプリングピンの軸方向に弾性を持った仕方で取り付けられた前方部分とを備え、スプリングピンホルダー、およびプローブホルダーは、所定の回転位置にあるとき、各スプリングピンが対応するセンサー要素と接触するように構成されているプローブヘッドにより、この目的が達成される。
【０００８】
本発明の目的は以上により完全に達成される。
上記の最初の方法によれば、より大きくかつ取り扱いがより簡単な素子、すなわち構造的ユニットに結合されたプローブホルダーが形成される。プローブホルダーは多少不注意に扱った場合でも、探針を破損するおそれがなく、より簡単に取り扱うことができる。
上記の第二の方法によれば、機械的な固定と電気的な接続と分離することにより、これら２つの機能を、時間的に順々にすることを含めて別の仕方で最適化できるので、上記の目的が達成される。従って例えば、最初に構造的ユニットを機械的に固定し、次にそれを電気的に接続する、または機械的な固定が完了したときに電気的な接続を自動的に行うことが可能となる。
【０００９】
本発明によるプローブヘッドの好適な改良においては、プローブホルダーはスリーブ形状を有する。
この手段には、プローブホルダーを単純な仕方で把持することができ、例えば対応する部材に押し付け、またはその中に押し込むことにより、単純な仕方で固定できるという利点がある。
【００１０】
プローブホルダーの後方部分を座標測定機械のプローブ受け部に結合されるように構成することが、更に好適である。
この手段には、プローブホルダーとプローブ受け部とを備えたインターフェースを、それぞれの用途に応じて個別に最適化できるという利点がある。
このことは、この変形の改良により前記後方部分が円錐形嵌め合い部を介してプローブ受け部に結合されるように構成されている場合に、特に当てはまる。
【００１１】
この手段には、プローブホルダーおよびプローブ受け部に関して完全な同軸性を実現できるという利点がある。
本発明の更に別の好適な実施形態では、センサーシステムはプローブホルダーの前部に取り付けられている。
この手段には、センサーシステムが最適に露出されるという利点がある。
【００１２】
本発明において、プローブ受け部の軸を基準として規定された回転位置においてプローブ受け部に結合されるように、プローブホルダーが構成されるような実施形態が好ましい。
この手段も、測定結果の高い再現性を達成するという利点を有する。更に、プローブホルダーの位置と、従ってまた、膜状センサーシステムと小型化された探針とを備えた構造的ユニットの位置が回転方向において規定され、センサーシステムが完全に規定された位置に取り付けられ、センサーシステムとの電気的な接触が再現可能な仕方で行えるようにすることが有利である。
【００１３】
本発明のこの変形の改良によれば、回転位置を規定するためのボールが備えられ、前記ボールはプローブ受け部の溝の中、またはプローブホルダーの穴の中に規定された回転位置で嵌入する。
この手段には、前記ボールが穴に嵌入したときに規定された回転位置を信頼性高く実現しかつ保持することができると同時に、取り付けが単純であるという利点がある。
【００１４】
本発明の別の好適な実施形態では、プローブ受け部が軸に沿って延び、またプローブホルダーがプローブ受け部の前方端部に結合されるように構成されている。
この手段は、特に、門型の設計またはフリーアーム型設計の座標測定機械のクィル軸と組み合わせて使用できるような、厳密に軸方向の設計を可能にするという利点がある。
本発明の別の好適な実施形態の場合、センサーシステムはプローブホルダーの半径方向の後ろ側に取り付けられている。
【００１５】
この手段には、センサーシステムの取り付けが保護された仕方で行われるという利点がある。従って更に、センサーシステムは軸方向に突き合わされ、例えば電気的な接触を行うためにその後ろ側からセンサーシステムに接近できるという利点がある。
本発明の別の実施形態によれば、センサーシステムはプローブホルダーに接着させられている。
【００１６】
この手段は、プローブホルダーを備えて形成されたユニットを単純な仕方で事前に製造することができ、センサーシステムとプローブホルダーとの間の恒久的な結合が接着によって行えるという利点がある。
上で述べた２つの実施形態の変形によれば、センサーシステムはプローブホルダーの後ろ側に接着させることができ、その目的のために後ろ側の領域内に接着剤を保持するための接着ポケットを備えることが好適である。
【００１７】
これらの手段には、安定した構造につながる単純な機械的な事前製造を可能にするという利点がある。
上で述べた各実施形態の場合、後ろ側の中央の開口部を通して探針が突出することが更に好適である。
この手段は、センサーシステムの機械的な閉じ込めが可能な限り行われ、機械的な理由で露出しなければならない部分だけが露出するという利点がある。
【００１８】
実施形態の別のグループでは、探針のたわみを検出する目的で、複数の電気的センサー要素が、センサーシステムにおいて、探針と反対側に設けられている。
それ自体公知であるこの手段には、測定データがすべてプローブヘッドの閉じ込められた領域で収集でき、従って探針における実際の測定が阻害されないという利点がある。
これも知られているように、センサーシステムがたわみを検出する目的のための電気的センサー素子を有している場合、その目的のために、複数個のスプリングピンが、センサーシステムに対して、探針と反対側に設けられていることが特に好適である。
【００１９】
本発明によれば、センサー素子との接触を行うためにスプリングピンが備えられることによって、これが達成される。
この手段には、センサーシステムをその上に取り付けたプローブホルダーがプローブヘッドに取り付けられたとき、センサー素子との接触が自動的に行われるという重要な利点がある。この場合、スプリングピンを適切に設計することにより、接触力は所望の仕方で設定できる。スプリングピンの弾力性のある保持力により、スプリングピンの軸方向の位置合わせに生じる嵌め合い誤差を補正することができるという利点を更に有する。
【００２０】
本発明のこの変形の場合、複数のスプリングピンがスプリングピンホルダー内に保持されていることが更に好適である。
この手段には、単一の共通の要素、すなわちスプリングピンホルダーとの複数の電気的接触が同時に行えるという利点がある。
この目的のために、スプリングピンホルダーは好適にはプローブ受け部の前方端部内に取り付けられる。これは好適には、プローブホルダーを前方端部に押し付け、そしてスプリングピンホルダーを前方端部内に挿入することで行われる。
【００２１】
別の改良において、プローブホルダーが端部と共に、好適にはユニオンナットを使用してねじ込まれるように構成されている場合、本発明のプローブヘッドを本発明の趣旨において関係する全ての要素と共に取り付けることが、わずかな操作によって可能となる。
このグループの実施形態の場合、スプリングピンホルダーがプローブホルダーの軸との所定の相対的な回転位置に固定されるように構成されていることが、更に好適である。
【００２２】
この手段は上で既に述べた利点を有し、それによれば複数のセンサー要素との接触を行うことが必要な場合でも、各要素の位置が完全に規定されているために正確な接触を行うことが可能である。
ほとんどの変更されたタイプのセンサーシステムを本発明の範囲内で利用することができるが、それにもかかわらず、膜状センサシステムの第二の部分が、厚みを大きくした縁を有する既知のセンサーシステムを使用することが好適であり、その場合、膜状センサシステムの第一の部分や探針はセンサーシステムの中央部に配設され、周縁と中央部の間には膜状領域が位置する。
【００２３】
上で述べたタイプのセンサーシステムの場合、膜状領域は多角形、好適には長方形の形状であって良く、更に好適には平面形状において正方形の枠である。
しかし膜状領域は平面形状で環状に構成されることが特に好適である。
この手段は、膜状領域の最も応力の高い点でノッチ効果が生じないという利点を有する。その結果、膜状領域の破断点に達するまで、同じ力の下でより大きなたわみが可能となる。更に、膜状領域の平面、すなわち通常は座標測定機械のｘ−ｙ平面内で、対称形の信号プロフィールが生じることが有利である。最後に、最大の変形が生じる膜状領域の内側の縁にセンサー要素が直接接して配設されるときに、センサーシステムのより高い感度が得られる。
【００２４】
既知の仕方で、中央部の厚みを大きくした構造が更に好ましい。厚みを大きくした中央部はこの場合、台状のピラミッド形状とすることができる。
しかし厚みを大きくした中央部は、円錐台の形状とすることが特に好適である。
この手段は、上で述べた利点をより完全に実現する上で、膜状領域の環状構造に対する特に有効な補足となる。
【００２５】
環状の膜状領域と円錐台の形状に厚みが大きくされた中央部とを有する実施形態は、ここに説明した本発明の他の特徴から独立して使用することもできる。
上で説明したタイプのプローブヘッドの各実施形態の場合、探針を交換するときに構造的ユニットを数値制御されたロボットによって取り扱えることが好適である。
この手段は、２つの測定作業の間で探針を極めて短時間で、最高の再現性を維持して、かつ探針を損傷する危険を最小にしながら切り替えることができるという利点がある。
【００２６】
以下の説明と添付の図面から、更に別の利点が明らかとなる。
上記の特徴および以下で説明する特徴がそれぞれ明示した組み合わせだけでなく、本発明の範囲から逸脱することなくその他の組み合わせで、または単独で使用できることは、言うまでも無い。
本発明の実施形態を添付図面に図示し、以下で更に詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図１は、全体が参照符号１０で示される本発明によるプローブヘッドの実施形態を示す。プローブヘッド１０は例えば、門型の設計またはフリーアーム型の設計を有する座標測定機械のクィル軸の下端に配設できる。図１では、これを参照符号１２で示す。プローブヘッド１０は、図１では水平方向に示され、そして実際にはほとんど鉛直軸、いわゆるＺ軸である軸１１に概略沿って延びている。
【００２８】
プローブヘッド１０は、図１において、その左側の端にあるプローブ受け部１４を有する。プローブ受け部１４は、図１において、その左側の端に多角形のヘッド１６を有する。それに続いて右側には中間部１８があり、これは外側に切ったネジ部２０で終わる。その後に円錐形状に細くなるテーパー部分２２があり、その円錐形の外側表面は２４で示されている。最後に、図１０においてプローブ受け部１４の右側の端に、内側の環状の肩部２８の形態で半径方向に細くなる前方端部２６が備えられている。
【００２９】
プローブ受け部１４には、軸１１に沿って内側に段差をつけた貫通穴３０が備えられている。貫通穴３０は、図１におけるプローブ受け部１４の右側の端部に、第一の内側円筒面３２によって形成されている。中間部１８内には、直径が多少大きな第二の内側円筒面３４があり、これは図１において左側の内側に切ったネジ部３６で終わっている。
図２から詳しく分かるように、貫通穴３０には概略円筒形のスプリングピンホルダー４０が挿入されており、スプリングピンホルダー４０の外側円筒面４２は第一の内側円筒面３２に適合され、プローブ受け部１３の前方端部、すなわち図１において右側の端部において、スプリングピンホルダー４０が半径方向に保持され、かつその前側４４を介して軸方向に内側の環状肩部２８で保持されている。図５において特に明確に示される突起４６が、内側の環状肩部２８上の対応する切り欠き内に係合し、図１および図２に示される動作位置にあるときに、スプリングピンホルダー４０もまたその回転位置に固定されるようになされる。その目的のため、その代わりに、図５に図示されるようにスプリングピンホルダー４０の周辺に凹部４８が形成されていてもよい。
【００３０】
図１および図２に示される位置にスプリングピンホルダー４０を固定するために、図１および図２において、軸方向に関してスプリングピンホルダー４０の後ろ側５１に当たる止めスリーブ５０が利用される。止めスリーブ５０は、この目的のために、テーパー形状の前方端５２と共に備えられている。
止めスリーブ５０は、その外側の円筒面５３が貫通穴３０の第二の内側円筒面３４内に入った状態で移動する。止めスリーブ５０の後ろ端５４には図１に示すように、外周溝５６が備えられている。
【００３１】
止めスリーブ５０を図１および図２に示される位置に固定する目的は、止めナット６０によって果たされるが、これは外側の円筒面６１が貫通穴３０の第二の内側円筒面３４内に入った状態で移動する。止めナット６０はその前側に、その周囲に位置して止めスリーブ５０の外周溝５６内に係合する環状突起６２を備えている。
止めナット６０は、その後ろ端に、プローブ受け部１４の内側ネジ部３６内を移動する外側ネジ部６４を有する。従って止めナット６０は、止めスリーブ５０をスプリングピンホルダー４０に押し当てられるようになるまで、適切な外周溝など（図示せず）によって貫通穴３０内にねじ込むことができるが、スプリングピンホルダー４０はその前側４４を軸方向に内側環状肩部２８に突き当てた状態で恒久的に維持する。
【００３２】
スリーブ形状のプローブホルダー７０の形態を有する交換可能で小型化された探触子システムを、プローブ受け部１４の前方端部２６に押し付けることができる。プローブホルダー７０は後方部分、すなわち図１および図２における左側の部分を有する。この部分は、プローブ受け部１４の円錐形に細くなる部分２２の円錐形の外部表面２４と相補的な関係に形成された円錐形の内部表面７４を有する。これによりプローブホルダー７０はプローブ受け部１４のこの部分２２の上に中心が合わせられる。
【００３３】
プローブホルダー７０の中間部７６は、内部の円筒形表面７８がプローブ受け部１４の前方端部２６上に位置した状態で移動する。
プローブホルダー７０が上で述べたようにプローブ受け部１４の前方端部２６に押し付けられると、プローブ受け部１４の外側ネジ部２０にねじ込むことができるユニオンナット７９によって、プローブホルダー７０をこの位置に固定することができる。
【００３４】
プローブホルダー７０の前方部分８０は、概略半径方向に下方に延び、軸１１の領域において中央の開口部８２を露出する。このことと更に詳しい構成とが図３の斜視図から特に明瞭に理解される。
プローブホルダー７０の中間部７６はある外周位置において半径方向の穴８４が備えられ、その中にボール８６が挿入され、このボール８６は好適にはバネ（図示せず）によって半径方向に内側に向かって予め付勢されている。穴８４はプローブ受け部１４の前方端部２６において軸方向の溝８８に合流するが、これも同様にプローブ受け部１４の外周位置にのみ備えられる。その結果、図１および図２に示された仕方でプローブホルダー７０を、プローブ受け部１４の前方端部に押し付け、次に軸１１の回りに回転させると、ボール８６が穴８４から軸方向の溝８８に部分的に入ったときに、規定された回転位置が付加的に達成される。
【００３５】
図３の斜視図から特によく、また図２からもわかるように、プローブホルダー７０の前方部分８０は、軸１１に関して概略半径方向の平面内に延びる後ろ側９０を有する。例えば正方形の切り欠き９１が後ろ側９０内に位置している。切り欠き９１の各隅部に接着ポケット９２が形成されている。
この構成は、センサーシステム１００を例えば接着により取り付ける役割を果たす。取り付けるときは、センサーシステム１００が切り欠き９１内に挿入され、次に接着ポケット９２内に接着剤を充填し、その後接着剤を硬化させることにより、センサーシステム１００が後ろ側９０上に固定される。
【００３６】
このように固定されるセンサーシステム１００は、機械的に極めて敏感であり、そのためセンサーシステム１００が作動していないときにその損傷を防ぐために、プローブホルダー７０の中間部７６に保護キャップ１０１を滑らせてかぶせてもよい。
最初に引用した上記特許文献１から知られるセンサーシステム１００は、図３から現れる正方形の平面形状か、または円形の形状を有する。
【００３７】
図４Ａおよび図４Ｂに詳細に示されるように、センサーシステム１００は厚みを増した縁１０２と、ボスと呼ばれる盛り上がった中央部１０４とを有し、縁１０２と中央部１０４との間には膜状領域１０６がある。図４Ａでは縁１０２の厚みをＤで表し、膜状領域１０６の厚みをｄで表してある。センサーシステム１００は好適にはシリコンをベースとする構成であり、例えば縁の長さを約６ｍｍとすることができる。この実施形態では、厚みＤは例えば０．５ｍｍであり、厚みｄは約３０μｍである。
【００３８】
中央部１０４から軸１１の方向に探針１０８が延設され、その自由端にはボール１１０が配設されている。本実施形態において、探針１０８は、長さ８ｍｍで直径０．２ｍｍであってもよく、探針ボール１１０の直径は０．３ｍｍであってもよい。
センサー要素１１４が、センサーシステム１００の後ろ側１１２に備えられている。センサー要素１１４は電気的に動作する。これらは例えば、歪みゲージまたは圧電素子として構成できる。センサーシステム１００は、探針１０８およびセンサー要素１１４と共に構造的ユニット１１６全体を構成しているが、このユニットはプローブホルダー７０の前方部分８０の後ろ側９０に、上で述べた仕方で接着、すなわち予備取り付けされる。
【００３９】
図４Ｃは、本発明によるセンサーシステム１００の第一の実施形態を示す。このセンサーシステムでは、膜状領域１０６が平面図形では長方形、好適には正方形に構成され、また盛り上がった中央部１０４は上記特許文献１から知られるように、同様に正方形の基礎表面を有する膜状領域１０６の中央部にある四辺を有する台形のピラミッド形状として構成されている。膜状領域１０６は例えば外側の縁の長さが３ｍｍである台形のピラミッド形状における底部の縁の長さが１．６ｍｍとされる。
【００４０】
図４Ｄによる第二の実施形態では、センサーシステム１００’の膜状領域１０６も同様に正方形に形成され、盛り上がった中央部１０４’は円錐台形状に構成されている。円錐台形の下部の直径は例えば１．６ｍｍである。
第三の実施形態では、センサーシステム１００’’の膜状領域１０６’の平面形状は円形に形成され、盛り上がった中央部１０４’は円錐形状の台形として構成されている。環状のリングは例えば外径３ｍｍである。
【００４１】
第二および第三の実施形態の場合、内側の縁で最大の変形が起きる場所は膜状領域１０６または１０６’の内側に位置する。従ってこれらの場合、センサー要素１１４をここに取り付けることが好ましい。
第二および第三の実施形態もまた、ここで述べる本発明の他の特徴と独立に使用できる。
【００４２】
センサー要素１１４との電気的な接触は、複数のスプリングピン１２０の補助により実現される。図５に示した実施形態は、軸１１の回りに９０°間隔で配置された各々４個のスプリングピンの４つのグループを提供する。スプリングピン１２０は各々、前方の先端１２４の補助により、センサー要素１１４の対応する接触板（図示せず）に適用できる前方部１２２を有する。スプリングピン１２０の前方部１２２は、スプリングピン１２０の後方部分１２６内に軸方向に弾性を持った仕方で取り付けられる。
【００４３】
上で述べたプローブヘッド１０の場合、２つの測定動作の間での探針１０８の切り替えは下記の手順で行われる。
先ず、ユニオンナット７９を回して外ネジ部２０から外す。次に保護キャップ１０１がかぶせられているか、またはかぶせられていない状態で、プローブホルダー７０をプローブ受け部１４の前方端から軸１１の方向に取り外す。このプロセスで、センサーシステム１００はスプリングピン１２０から自動的に取り外され、この取り外し動作の間に各ピンはセンサー要素１１４の対応する接触板から引き上げられる。
【００４４】
次のステップは、所望の他の探針１０８を有する新しいプローブホルダー７０をプローブ受け部１４の前方端に軸方向に押し付けることを必要とし、これはボール８６が図２に示された所定の回転位置が達成される位置に移動するような周囲方向での回転によって保証される。このときプローブホルダー７０は、ユニオンナット７９を外ネジ部２０にねじ込むことにより、軸方向に固定されるだけでよい。この場合、円錐形状の嵌め合い２４，７４により、プローブホルダー７０は軸１１に関して自動的に中心に位置合わせされる。
【００４５】
上記の取り付け動作は容易に自動化されるが、ＮＣ制御されたロボットの補助により、また特に座標測定機械自体の補助によるときにそれが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明によるプローブヘッドの実施形態の、部分的に破断した側面図である。
【図２】更に詳細を説明するために、図１の詳細を拡大して示す。
【図３】図１および図２のプローブヘッドのプローブホルダーの斜視図である。
【図４Ａ】図１および図２によるプローブヘッドのセンサーシステムの動作位置での状態を、拡大した断面で示す側面図である。
【図４Ｂ】図１および図２によるプローブヘッドのセンサーシステムの図４Aに示す動作位置とは異なる動作位置での状態を、拡大した断面で示す側面図である。
【図４Ｃ】図４Ａによるセンサーシステムの第一実施形態を、図４Ａの矢印ＩＶ−ＩＶの方向に示す平面図である。
【図４Ｄ】図４Ａによるセンサーシステムの第二実施形態を、図４Ａの矢印ＩＶ−ＩＶの方向に示す平面図である。
【図４Ｅ】図４Ａによるセンサーシステムの第三実施形態を、図４Ａの矢印ＩＶ−ＩＶの方向に示す平面図である。
【図５】図１および図２によるプローブヘッドのスプリングピンホルダーの大幅に拡大した斜視図である。
【図１】
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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４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図５】
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