JP2004520589A

JP2004520589A - 静電容量型変位センサ

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Publication number: JP2004520589A
Application number: JP2002561899A
Authority: JP
Inventors: ケネストーマスデイビッド; ローチアンドリュー; リチャードファーガソングラハム
Original assignee: Renishaw PLC
Current assignee: Renishaw PLC
Priority date: 2001-01-30
Filing date: 2002-01-30
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2022-01-30
Also published as: CN1307406C; EP1967826B1; WO2002061378A1; US20030048592A1; US6683780B2; GB0102324D0; DE60228167D1; EP1261845B1; JP4578771B2; EP1261845A1; EP1967826A3; CN1457422A; EP1967826A2; RU2293945C2; ATE404849T1

Abstract

変位応答装置、例えば測定プローブ（１１０）が開示される。スタイラス（１３０）の変位は平面ばね（１１２および１１４）によって支持されるキャリッジの弾性的な変位を生じさせる。この変位は、２つのシリンダ（１６４および１６６）から形成される静電容量型センサ（１６０）によって検知される。シリンダな少なくとも３自由度をもって変位し、この変位を通じた静電容量の変化は回路（例えば図５）によって決定され、ｘ、ｙおよびz方向の変位が検出される。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、変位に応答する静電容量型の検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
変位を測定するために、構造の部分において生じる変位など、構造の静電容量の変化を用いる多くの装置が知られている。かかる公知の装置の一つが、特許文献１に開示されている。この特許では、間隔を置いた平坦な静電容量プレート（flat capacitance plates）をもつジョイスティックと、それらプレートの相対変位が生じたときにそれらプレートの静電容量の変化を測定するための回路とが開示されている。プレートの配置は、両者間に挟まれた単一の円形状の中間ディスクを含み、すべては空隙によって分離されている。ジョイスティックが動くことによって、中間ディスクもまた動くことになる。しかしながら、中間ディスクの動きは空隙の幅に制限される。中間ディスクがその軸の方向に動いたときには静電容量に比較的大きい変化が生じるのに対して、中間ディスクがその軸に関して端から端まで傾く場合には、検出される静電容量の変化は僅かである。そのように方向の異なる２つの変位に対して応答が顕著に異なるのは問題である。ジョイスティックが異なる方向に押されたときに、異なる静電容量変化を示すことになるからである。
【０００３】
例えば特許文献２、特許文献３および特許文献４には、円筒形の静電容量型測定装置が開示されている。これら従来技術はそれぞれ、各円筒形部分が軸方向に移動するように装置が作動されて、それら部分間の誘電体のサイズには変化が生じないようにしていることを開示している。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５，００６，９５２号明細書
【特許文献２】欧州特許０８３１３００号明細書
【特許文献３】米国特許第４，９６１，０５号明細書
【特許文献４】米国特許第３，９２８，７９６号明細書
【特許文献５】国際公開第００／６０３０７号パンフレット
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の形態として提供される変位応答装置は、第１部材と、該第１部材に関し少なくとも３自由度をもって変位可能な第２部材とを具えるとともに、離間した関係にある少なくとも２つの静電容量要素を有する静電容量型変位センサを具え、前記要素の一つが前記第１部材に接続され、前記要素の他方が前記第２部材に接続されることで、当該２つの要素は互いに関して前記少なくとも３自由度の変位が可能となってそれらの静電容量が変化する変位応答装置であって、本発明では、前記要素は、少なくとも２つのほぼ同軸のチューブの形態であり、その一方が他方内に配置されてなることを特徴とする。
【０００６】
好ましくは、前記チューブは概ね同心のシリンダである。あるいは、中央のチューブと、その内側および外側にある他の２つのチューブとの、３つのチューブを備える。
【０００７】
本発明はまた、例えば測定プローブなどの変位応答装置のための懸架システムをなすばねの構成に関する。
【０００８】
プローブにおけるそのような構成は、例えば特許文献５によって知られている。ここでは、軸方向に分離された一対の平面ばね（planar spring）を回動および軸方向に移動させるために取り付けられたスタイラスホルダを有する測定プローブが記載されており、ばねはスタイラスホルダとプローブのハウジングとの間に延在している。スタイラスホルダはプローブ軸上の一点のまわりに回動可能であり、２つのばねの相対的なこわさ（stiffness）に従って、２つのばねの平面間のいずこかに位置づけられる。加えて、この公報では、第３のばねを付加できることが示唆されている。この第３のばねも、スタイラスホルダの回動点を通る平面内で、タイラスホルダおよびハウジング間に延在して設けられている。
【０００９】
よって本発明の第２の形態では、変位応答装置のための懸架システムが提供され、ここではスタイラスホルダが他の構成のばねを用いてハウジング内に懸架される。
【００１０】
本発明の好適な実施形態においては、そのばねは平面ばねである。
【００１１】
また、本発明の好適な実施形態では、懸架システムは３つのばねを具備する。
【００１２】
好ましくは、プローブはさらに、プローブ動作時におけるスタイラスの大きな運動を通じたばねの過応力（overstressing）からばね懸架システムを保護すべく、オーバートラベル装置（overtravel device）を含んでおり、これは公知の動的な（kinematic）オーバートラベル装置であってもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図面を参照して本発明を説明する。
【００１４】
図１は本発明を実施する変位応答装置を示す。この装置は測定プローブ１０であり、例えば座標測定機や工作機械などの機械２０に取り付けられる。スタイラス３０はチップ（tip）４０を有し、これは使用時に例えばワークピース５０の表面に係合する。スタイラスチップに作用する表面の係合力はスタイラス２０の移動をもたらす。後述する本実施形態のばね構成によって、スタイラス２０は、２つの回転方向（ｘ、ｙ）と１つの並進方向（ｚ）との、３つの自由度をもつことになる。スタイラスは静電容量型センサ６０に接続され、これはスタイラスの変位の有無および／またはその変位量を決定するのに用いることができる。よって、単純なトリガ信号が発生すること、またはアナログ型の信号が発生することで、プロフィールの走査を言わば補助することが可能となる。
【００１５】
ばね構成は、間隔をもって並置され、ｚ方向におけるスタイラスの並進を許容する２つのダイアフラム１２と、これらより僅かにかたく、球面内でのスタイラスチップの変位を許容する薄板ばね（flat spring）１４とを具えている。ここで、球面は薄板ばね１４のほぼ平面内にある交差部（cross）１１に中心点を有している。よって図示のばね構成が３自由度を許容することになる。
【００１６】
図１、図２および図３を参照するに、静電容量型センサは３つの同心セラミックシリンダ６２、６４および６６から形成されている。シリンダ６２、６４および６６はそれぞれ、銅を蒸着し（metallised）、金で被覆した（overcoated）セラミック材料から形成され、金属全体のコート厚は約２ミクロンとなっている。このコート部分にスルーエッチングを施すことで（through-etched）、コートにディスクリートな静電容量エリアが形成され、そのいくつかが組み込み型の電気接続部６８をもつ。スタイラスの変位によって中間の静電容量シリンダ６４の弾性変位が生じる。相対して固定された内側および外側の静電容量シリンダ６２および６６は、誘電性（dielectric）のある空隙をもって中間シリンダ６４の内表面および外表面から離隔している。中間シリンダ６４が動けば、静電容量の変化が生じることになる。ｚ方向または中心１１まわりのシリンダ６４の変位が生じるとき、結果としてシリンダ間の空隙が大きく変わらないことに気付くであろう。しかしシリンダ上の導電層は２つのセグメントに分けられ、セグメントのオーバーラップがセンサ内の静電容量を決定し、セグメントのオーバーラップ量によってシリンダの変位が測定可能となっている。このようにすることで、従来技術で平坦プレートが用いられていたときよりも、シリンダ間の移動（travel）の範囲をより大きくすることが可能となる。
【００１７】
シリンダ６２、６４および６６上における導電領域エリアの特有パターンの一例が図２に示されている。図２は、図１に示された静電容量型センサ６０の分解図である。
【００１８】
また、図２においては、ディスクリートな静電容量エリアを明示するために、シリンダの表面が展開して示されている。
【００１９】
図３は図２におけるIII方向矢視図であり、センサを通る断面の詳細を示している。
【００２０】
蒸着エリアＡ、ＢおよびＣは、実際より厚く示されている。
【００２１】
静止した外側シリンダ６６は４つのクオドラントＡ１Ｂ１、Ａ２Ｂ２、Ａ３Ｂ３およびＡ４Ｂ４に分割された環状部を有し、これらの各々は後述される信号調整回路（signal conditioning circuit）に接続されている。その回路が発生する電圧によって、電荷が蓄積され、これは領域Ａ、ＢおよびＣ間のオーバーラップの度合いに従って変化する。可動の中間シリンダ６４に対しては電気接続がなされていないが、その外側表面はスルーホール７０を介して内側表面に電気的に接続される。中間シリンダの８つの分離領域Ｃは一対のクオドラントＡおよびＢにオーバーラップしており、オーバーラップ量の変化によって静電容量が変化するようになっている。後述のように、オーバーラップの変化はｚ、ｘおよびｙ変位を通じて生じる。中間シリンダないしはスタイラスが動かされた方向を信号回路が決定できるように、クオドラントが用いられる。
【００２２】
図４は図１〜図３における静電容量型センサのための回路を示している。作動時においてセンサは、ロジック７４により駆動されるスイッチ回路７２を介し、ステップ状電圧（stepped voltage）で充電される。従って電荷蓄積エリア（capacitive areas）（この図では１セットのみが示されている）は交互に充電され、その充電量は充電増幅器ｃ．ａｍｐにより増幅されて、充電の位相が位相感応デバイスｐ．ｓ．ｄにより決定される。
【００２３】
使用可能な回路の構成は特許文献１に開示されており、この文献を参照することでその内容をここに含むものとする。
【００２４】
本実施形態では、２つの付加的なキャパシタンスＣｆおよびＣｐが示されている。Ｃｐは充電増幅器についてのフィードバックキャパシタンスであり、Ｃｐはピックオフキャパシタンスである。それらは内側シリンダ６２上に形成されている。従って、可動シリンダ６４には電気的接続部が形成されていない。キャパシタンスＣｆおよびＣｐはセンサの他方のキャパシタンスとして同じ誘電体（すなわち空気）をもち、空気の誘電率のいかなる変化もすべてのキャパシタンスに影響せず、従って正味効率（net effect）は僅かであろう。
【００２５】
この例においては、センサのクオドラントについてそれぞれ１つずつ、４つのチャネルがあってもよい。この方法では、スタイラスの変位のｘまたはｙ方向は各クオドラントの静電容量の変化から判定される。４つのチャネルをもつこの実施形態に適した回路は、特許文献１においても開示されている。
【００２６】
この発明の他の例が図５に示されている。この例では２つのシリンダが用いられる。キャパシタンスＣｆおよびＣｐがセンサ上にないことを除いては、作動原理は上述した通りである。センサ外で信号調整回路内に代わりのキャパシタンスＣｆが取り付けられており、キャパシタンスＣｐは不要である。シリンダが２つのみであり、センサが構成上簡単なものとなるが、可動シリンダ（例えば内側シリンダ）に対してフレキシブルな電気接続部７３を要する点では、構成上有利ではない。
【００２７】
図５に示した回路は、図４の回路または特許文献１に開示された回路と本質的には異ならない。
【００２８】
図６は変位応答装置、この例では測定プローブを通る断面を示している。このプローブは図１に示したプローブと同様であり、同様の部分には同様の参照番号を付してある。
プローブはハウジング１０を有し、そこからワークピース接触スタイラス３０が延在している。ねじ接続部１８はスタイラス３０をスタイラスホルダ１６に接続する。スタイラスホルダ１６は動的支持部（kinematic support）によって支持されており、この動的支持部はプレート２６の周囲に１２０度のインターバルで配置されたＶ溝２２を備えている。それぞれの溝は、取り付け部２４にボール２８を固定するためのシート部をなし、取り付け部はさらにスタイラスホルダ１６に接続されている。圧縮状態で作用するコイルばね３２が取り付け部２４とスタイラスホルダ１６との間に設けられ、溝２２内にボール２８を付勢してスタイラスホルダ１６がプレート２６に速やかに保持されるようにするための力を発生している。
【００２９】
動的支持部は脱抜（break-out）可能なオーバートラベル機構をなし、スタイラスホルダの移動（トラベル）が許容できない量となったときに１または複数のボールが各シート部から浮上できるようにしている。これによって、スタイラスホルダ懸架機構の残部が保護される。スタイラスに作用する力によってばね３２が圧縮されることで、１または複数のボールが各シート部から浮上し、シリンダ６４が隣接するシリンダ６２および６６に強制的に接触させられることなはい。
【００３０】
プレート２６は、スタイラス３０とともに移動し（通常動作時）、変位センサ６０に直接接続されている。この例においては、静電容量型センサ６０が示されたが（そしてこれは上述のように構成されたものであるが）、他の変位センサを用いることも可能である。
【００３１】
プレートは、平坦な平面ばね１４を介して、バレル３４上に弾性的に懸架されている。このばねによって、スタイラスホルダ中央の点に関するスタイラスホルダのｘおよびｙ方向の回動が許容される。
【００３２】
バレル３４はスロット３６を有し、このスロットによってプレート２６および取り付け部２４の脚部を障害なく通すことが可能となる。バレルは、端部においてさらに２つの平面ばね１２によって懸架され、バレルおよびそれが支持する要素がｚ方向にのみ移動できるようにされている。
【００３３】
変位センサは、ハウジング１０に固定される要素（シリンダ６２および６６）と、ばね１４によるｘ，ｙ方向、および平行なばね１２によるｚ方向の変位のために懸架されるさらなる要素（シリンダ６４）とを有している。
【００３４】
このプローブの構成により、構造が簡単なものとなる。
【００３５】
ばね１２の構成は図７に示すようになっている。内周部および外周部は、それぞれ、バレル３４およびハウジング１０に溶接（weld）されている。ばね１２のそれぞれは、概して周方向および半径方向外方に延在する３本の脚部３５をもつ「マン島（Isle of Man）」レースのマークの構成を有している。脚部３５は、ばね素材にスルーエッチング（through-etching）した３つのトラック３７によって形成される。
【００３６】
図８は図９に示された構成を単純化して示す模式図である。図１０、図１１および図１２は図８および図９に示された実施形態の部分拡大図である。
【００３７】
図８は他の測定プローブを示している。これはばね内蔵のキャリッジ１３４に取り付けられたスタイラス１３０を有している。このキャリッジが取り付けられる機械に対する当該キャリッジの変位は、静電容量型センサ１６０を用いて決定される。センサ１６０は、以下に詳述するように、この例では２つの同心シリンダの形態である２つのチューブ１６４および１６４を具える。
【００３８】
本実施形態は図１および図６に示した実施形態とは異なったばね構成を有している。この例では平行な一対の平面ばね１１２が用いられ、xまたはy方向の移動に対しては比較的高い剛性（stiffness）を提供する一方、z方向には柔軟性（compliance）を与えている。このばね対１１２をより厚みのある単一のばねに置き換えることもできるが、スルーエッチングは薄い素材に最もよく働くので、プレス工程を言っても、図示のような２つの薄いばねを作製する方がむしろ、厚みのある単一のばねとするよりも廉価である。
【００３９】
さらに設けられた平面ばね１１４がキャリッジ１３４の下端を支持する。この、さらに設けられたばねは、ｘ、ｙおよびz方向におけるキャリッジ／スタイラスの変位に抵抗する。このばねの構成によって、z方向におけるスタイラスの変位と同様、概念的な（notional）点に関するスタイラスの回動が可能となる。プレート１６４および１６６の差動変位（differential movement）によって、それらの間の静電容量の変化が生じ、これは例えば図５に示した回路を用いることによって検出することができる。
【００４０】
ばね内蔵型の動的取り付け部の形態であるオーバートラベル機構１３５がこの実施形態においても備えられている。ばね１３２は、その一端がキャリッジ１３４に作用し、他端が３つのボール１２８を支持するプレート１２４をキャリッジ１３４上に支持された相補のＶ溝１２２に対して付勢する。互いに付勢されたボール／Ｖ溝構造は上述のように作動する。
【００４１】
図９は図８に示す模式図のように構成されたプローブを通る断面図、図１０は図９に示すプローブの部分の拡大図である。このプローブは図１〜図７に示したプローブと同様に作動し、上述と同じく３自由度を有している。プレート１２４はキャリッジ１３４の間隙部間から外方に延在している。下側のばね１１４に対する支持部１２７は上側のばね１１２内の間隙部１２９から下方に延在している。
【００４２】
静電容量型センサ１６０は、図９には示されているが、図１０では明確化のために省略されている。内側のシリンダ１６４はキャリッジ１３４に貼着された取り付け部１２５に支持されている。外側のシリンダ１６６はプローブの本体に接続される。センサ１６０の作動は既に詳述した通りである。図５は適切な２シリンダ回路を示している。
【００４３】
図１１および図１２は２つのシリンダ１６４および１６６を拡大して示す。シリンダ上の導電材Ａ、ＢおよびＣのパターンは上述したシリンダ１６４および１６６上のものと同じである。この例では、シリンダ６２と等しいシリンダはなく、そこでシリンダ１６４上の領域Ｃに対してフレキシブルな接続部（図５の符号７３）が必要となっている。
【００４４】
内側シリンダ１６４は、平坦というより、センサ１６０のｘｙ回転中心１１１をほぼ中心とした半径Ｒ（図８）をもつ樽型の外周部を有していることに気付くであろう。このような樽型とすることで、２つのシリンダ１６４および１６６間の誘電性ギャップをより小さくでき、それによって高い静電容量を実現することができる。ｘ、ｙおよびｚ軸間のクロストークもまた低減される。内側シリンダ１６４上にコートされた導電材内で湾曲した中断部を得るためには、レーザエッチング技術が用いられる。その技術を外側シリンダ１６６に対して用いることもできる。
【００４５】
以上の実施形態に対して多くの変更または変形が可能であることは、当業者であれば明らかであろう。スタイラスチップをもつ変位検出装置について本発明を説明したが、いかなる多軸測定または接触検知装置であっても本発明を用いることができる。以上のプローブは静電容量型センサの弾性変位および支持のためにばねを用いるものであったが、例えばゴムブロック、摺動（slideways）ないしは平行移動機構など、他の構成を用いることもできる。センサシリンダ（６２、６４および６６）について説明し、例示したが、例えば方形チューブ、六角形チューブまたは異形（irregular shaped）チューブなど、いかなる形状のチューブであっても好ましく作動できるものである。図８〜図１２に示したセンサは樽型の外側表面をもつセンサシリンダ１６４を有しているが、両端のそれぞれに向かうテーパ付きのシリンダであっても、良好な結果を与える。各実施形態で示したセンサの導電部分は互いに対向している。それらの導電部分が互いに対向しないように表面に配置されていても、センサは良好に機能するであろう。そのような構成は製造コストを低減する場合に要求され得るものである。第２の実施形態において、可動シリンダ１６４は外側のものとしてもよく、その場合には静止シリンダを樽型とすればよい。
【００４６】
センサ６０および１６０は導電クオドラントを有するものとして示されたが、２またはそれ以上の導電セクタ、例えば、３セクタを図４または図５の回路の適切な代替物とともに用いるものでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施形態を簡略化して示す図である。
【図２】図１に示した静電容量型センサのコンポーネントを示す。
【図３】図１に示した静電容量型センサのコンポーネントを示す。
【図４】本発明とともに用いられる信号調整回路の部分を示す。
【図５】変更した静電容量型センサおよび信号調整回路の部分を示す。
【図６】測定プローブの断面を示し、本発明の第２の形態を示している。
【図７】図６に示す測定プローブのばねコンポーネントを示す。
【図８】本発明のさらなる実施形態を示す。
【図９】本発明のさらなる実施形態を示す。
【図１０】本発明のさらなる実施形態を示す。
【図１１】本発明のさらなる実施形態を示す。
【図１２】本発明のさらなる実施形態を示す。

Claims

第１部材と、該第１部材に関し少なくとも３自由度をもって変位可能な第２部材とを具えるとともに、離間した関係にある少なくとも２つの静電容量要素を有する静電容量型変位センサを具え、前記要素の一つが前記第１部材に接続され、前記要素の他方が前記第２部材に接続されることで、当該２つの要素は互いに関して前記少なくとも３自由度の変位が可能となってそれらの静電容量が変化する変位応答装置であって、前記要素は、少なくとも２つのほぼ同軸のチューブの形態であり、その一方が他方内に配置されてなることを特徴とする変位応答装置。
前記チューブは概ね同心のシリンダである請求項１に記載の変位応答装置。
前記シリンダは、静止した外側シリンダと、当該静止したシリンダに対して前記３自由度をもつ可動の内側シリンダとを具備する請求項２に記載の変位応答装置。
前記内側シリンダは、樽型輪郭の球面部分である外表面を有する請求項３に記載の変位応答装置。
前記チューブの一つまたは可動シリンダは弾性支持部を有する請求項１ないし４のいずれかに記載の変位応答装置。
前記弾性支持部は、前記３自由度を許容すべく構成され、間隔をもって配置された２または３の平面ばねの形態である請求項５に記載の変位応答装置。