JP2005024326A - 接触式プローブ及びそれを用いた測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明の目的は、被測定物との接触方向にかかわらず、精度の高い測定結果が得られる接触式プローブを提供することにある。
【解決手段】被測定物１１４に対し所定の測定力で任意の方向より接触する略球状先端部１１２をもつスタイラス１１０と、前記スタイラス１１０を保持するプローブ本体１２４と、を備えた接触式プローブ１３０において、前記スタイラス１１０の略球状先端部１１２における剛性が、その全方向において同一であることを特徴とする接触式プローブ１３０。
【選択図】 図１
【解決手段】被測定物１１４に対し所定の測定力で任意の方向より接触する略球状先端部１１２をもつスタイラス１１０と、前記スタイラス１１０を保持するプローブ本体１２４と、を備えた接触式プローブ１３０において、前記スタイラス１１０の略球状先端部１１２における剛性が、その全方向において同一であることを特徴とする接触式プローブ１３０。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は接触式プローブ及びそれを用いた測定装置、特にスタイラスの保持機構の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、被測定物の各部の寸法や形状を測定するため、三次元測定機等の測定装置が用いられている。
測定装置は、互いに直交する案内と、案内の移動量を求めるスケール及びプローブをもち、それぞれの移動量からプローブの座標値を求めることができる。そして、測定によって得られた被測定物上の座標値から必要とする穴径や穴位置・段差などの寸法や、各部の形状がデータ処理によって求められる。
【０００３】
ところで、前述のような測定装置では、被測定物との相対移動を行う接触式プローブが用いられる（例えば特許文献１〜４参照）。
接触式プローブとしては、タッチプローブ（例えば特許文献３参照）、倣いプローブ（例えば特許文献４参照）等がある。
例えばタッチプローブを用いた場合は、タッチプローブと被測定物との相対移動を行い、スタイラス先端部が被測定物に接触した瞬間の座標値情報を収集する。 また倣いプローブを用いた場合は、スタイラス先端部が被測定物に接触した状態で、倣いプローブと被測定物との相対移動を行いながら、座標値情報を収集する。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−２２３５５７号公報
【特許文献２】
特開２００２−３１０６３６号公報
【特許文献３】
特開平５−２４８８４７号公報
【特許文献４】
特開平５−２５６６４０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記測定装置であっても、被測定物に対するプローブの接触方向の違いによる感度のばらつきは、改善の余地が残されていた。
すなわち、測定装置の高精度化に伴って、プローブにも高精度が要求されている。
本発明者らによれば、接触式プローブにおいても、被測定物との接触がどの方向からでも同一の精度で測定するために、全方向での感度を同一にすることが重要であることがわかった。
【０００６】
しかしながら、プローブ全体を高精度化しても、スタイラスないしエクステンションロッド自体が、加わる力の方向によって変形量が異なるため、プローブの高精度化にも限界があった。
すなわち、図７に示すようにスタイラス１０の球状先端部１２を被測定物１４に当て、測定力１６を加えると、同図に示されるような微小変位が発生、つまりスタイラス軸１８の撓み（撓み量δ）が発生する。
このため測定力１６を加えた位置２０と、真に接触した位置２２とにずれが生じる。これにより接触式プローブでは、真のボール半径ｒでなく、見かけのボール半径ｒ´で測定を行うことになる。
この見かけのボール半径ｒ´の２倍を補正ボール径と呼び、通常、三次元測定機では、測定前に基準球を測定し、補正ボール径を求めている。求められた補正ボール径で測定結果を補正している。
【０００７】
ここで、プローブと被測定物との接触方向は、任意の方向が考えられるので、高精度の測定を行うためには、この補正ボール径はどの方向より測定しても等しいことが必要である。
しかしながら、スタイラスが軸方向に測定力を加えた場合と、半径方向に加えた場合とでは、スタイラス１０の軸線の変形量が異なり、この差は測定誤差となってしまう。
特に図８に示されるような被測定物１４の深部の測定を行うため、スタイラス１０と三次元用プローブ（プローブ本体）２４間にエクステンションロッド２６を設け、スタイラス１０の球状先端部１２の三次元用プローブ２４よりの突出長さを伸ばすと、より大きな測定誤差となる。
【０００８】
そこで、従来は、高精度の測定結果を得るため、被測定物との接触方向に応じたボール補正量で、測定結果を補正する必要があるが、手間がかかり、また精度の面でも満足のゆくものでなかった。
すなわち、測定結果を修正するのに用いられる補正ボール径としては、実際の被測定物との接触方向と厳密に一致する方向のものを選択する必要があるが、実際の被測定物との接触方向の高精度な特定は難しいので、実際の被測定物との接触方向とは厳密に一致しない方向の補正ボール径を選択してしまうことがある。
【０００９】
従来、補正ボール径は、方向によって異なる可能性があるので、測定結果を、最適な補正ボール径で修正することができないことがあった。
したがって、従来より、プローブと被測定物との接触方向にかかわらず、精度の高い測定結果が得られる技術の開発が望まれていたものの、従来はこれを解決することのできる適切な技術が存在しなかった。
本発明は前記従来技術の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、被測定物との接触方向にかかわらず、精度の高い測定結果が得られる接触式プローブ及びそれを用いた測定装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らが、接触式プローブの感度の方向性改善について鋭意検討を行った結果、被測定物との接触方向にかかわらず、精度の高い測定結果を得るためには、スタイラス先端部の全方向において、同じボール補正量とすることが重要であることがわかった。
そして、本発明者らは、以下に示すような平行リンク機構を用いて、スタイラスないしエクステンションロッドに対し、軸方向への適切な量の変位を行わせ、その軸方向と半径方向とで実質的な変形量（剛性）を同じにすることにより、一定のボール補正量が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、前記目的を達成するために本発明にかかる接触式プローブは、スタイラスと、プローブ本体と、を備えた接触式プローブにおいて、前記スタイラスの略球状先端部における剛性が、その全方向において同一であることを特徴とする。
【００１１】
ここで、前記スタイラスは、被測定物に対し所定の測定力で任意の方向より接触する略球状先端部をもつ。
またプローブ本体は、前記スタイラスを保持する。
ここにいうスタイラスの略球状先端部における剛性とは、測定力によるスタイラス軸の圧縮量ないし撓み量、測定力によるスタイラス略球状先端部の半径方向の変形量を含めていう。
ここにいう剛性が、その全方向において同一であるとは、測定力の大きさが同じであれば、その測定力の方向にかかわらず、前記変形量が同じであることをいう。
ここにいう略球状とは、完全な球体の場合と、球体の一部のみを構成する場合、例えば半球体等を含めていう。
【００１２】
本発明のスタイラスとしては、エクステンションロッドが設けられているもの、エクステンションロッドが設けられていないものを含めていう。
本発明の接触式プローブとしては、三次元測定機用タッチプローブ、倣いプローブ等が一例として挙げられる。
なお、本発明においては、前記スタイラスの略球状先端部における剛性が、該スタイラスの軸方向及び該軸方向と略直交する半径方向において同一であることが好適である。
【００１３】
また本発明においては、エクステンションロッドを備え、前記エクステンションロッドが設けられた状態で、前記スタイラスの略球状先端部における剛性が、その全方向において同一であることが好適である。
ここで、前記エクステンションロッドは、前記スタイラスの軸線上に位置する軸をもち、前記プローブ本体と該スタイラス間に設けられる。
本発明のエクステンションロッドとしては、例えばプローブ本体とスタイラス略球状先端部間の軸方向の長さを延長するために用いられるものが一例として挙げられる。
【００１４】
また本発明においては、平行リンク機構を備えることが好適である。
ここで、前記平行リンク機構は、前記スタイラスの略球状先端部における剛性が、前記軸方向及び半径方向において同一となるように、該スタイラスをその軸方向に変位自在となるように保持する。
また本発明において、前記平行リンク機構は、前記スタイラス略球状先端部の軸方向への変形量δ３が、下記数２の関係を満足するように、該スタイラスをその軸方向に変位自在に保持することが好適である。
【００１５】
【数２】
δ２＝δ１＋δ３
ただし、前記δ１は、前記スタイラス略球状先端部の軸方向に所定の大きさの測定力を加えた場合の、前記平行リンク機構による変形量を除いた該スタイラス略球状先端部での軸方向への変形量。
前記δ２は、前記スタイラス略球状先端部の半径方向に前記測定力と同じ大きさの測定力を加えた場合の、該スタイラス略球状先端部での半径方向への変形量。
前記δ３は、前記スタイラス略球状先端部の軸方向に前記測定力と同じ大きさの測定力を加えた場合の、前記平行リンク機構による該スタイラス略球状先端部の軸方向への変形量。
本発明の変形（変位）とは、前記スタイラス略球状先端部での定位置からの変形（変位）をいう。
【００１６】
また本発明において、前記平行リンク機構は、前記数２の関係を満足するように選定された板ばねを備えることが好適である。
本発明の板ばねは、前記数２の関係を満足するような寸法ないし材質であることが好適である。またその種類は、例えば重ね板ばね、薄板ばね等が一例として用いられる。
【００１７】
また本発明において、前記エクステンションロッドは、前記平行リンク機構を内蔵できるように中空状に構成される。前記平行リンク機構は、互いに平行に配置され、かつ同じ長さをもつ前記板ばねと共に、平行四辺形を構成するように、互いに平行に配置され、かつ同じ長さをもつ固定部材及び可動部材を備える。前記固定部材は、前記エクステンションロッド内に固定される。前記可動部材は、前記エクステンションロッド内で、前記板ばねを介して前記固定部材に対し、前記スタイラスの軸方向に変位する。前記スタイラスは、前記可動部材に設けられ、該可動部材と共に該固定部材に対し、その軸方向に変位することが好適である。
【００１８】
また前記目的を達成するために本発明にかかる測定装置は、前記接触式プローブと、座標値情報取得手段と、仮試料情報取得手段と、補正情報記憶手段と、真試料情報取得手段と、を備え、前記接触式プローブと被測定物との接触方向にかかわらず、同一の補正情報を用いて、前記仮試料情報取得手段により得られた被測定物の仮の寸法情報ないし形状情報を補正することを特徴とする。
ここで、前記座標値情報取得手段は、前記被測定物と接触式プローブとの相対移動量情報に基づいて、前記接触式プローブの座標値情報を得る。
【００１９】
また前記仮試料情報取得手段は、前記座標情報取得手段により得られた座標値情報に基づいて、前記被測定物の仮の寸法情報ないし形状情報を得る。
前記補正情報記憶手段は、前記接触式プローブにより予め得ておいた補正ボール径に基づいて定められた一の補正情報を記憶している。
前記真試料情報取得手段は、前記仮試料情報取得手段により得られた被測定物の仮の寸法情報ないし形状情報を、前記補正情報記憶手段に記憶しておいた一の補正情報で補正し、前記被測定物の真の値とみなし得る寸法情報ないし形状情報を得る。
【００２０】
【発明の実施の形態】
まず本発明において第一に特徴的なことは、スタイラスの略球状先端部の位置で、その略球状先端部の半径方向とその軸方向との剛性を同一にしたことである。
以下、図面に基づき本発明の好適な一実施形態について説明する。
【００２１】
図１には本発明の一実施形態にかかる接触式プローブの概略構成が示されている。図２には同様の接触式プローブのエクステンションロッド及びスタイラスの外観斜視図が示されている。なお、前記従来技術と対応する部分には符号１００を加えて示し説明を省略する。
【００２２】
同図に示す接触式プローブ１３０は、スタイラス１１０と、プローブ本体１２４を備える。
ここで、前記スタイラス１１０は、被測定物１１４に対し適切な測定力で任意の方向より接触することのできる略球状先端部１１２をもつ。
また前記プローブ本体１２４は、スタイラス１１０を保持し、スタイラス１１０の略球状先端部１１２が被測定物１１４に接触した瞬間にタッチ信号を出力する。
【００２３】
本発明において特徴的なことは、スタイラス１１０の略球状先端部１１２における剛性をその全方向、特に半径方向と軸方向において同一としたことである。このために本実施形態においては、エクステンションロッド１２６を設けた状態で、スタイラス１１０の略球状先端部１１２における剛性を、その全方向（任意の接触方向）、特に軸方向（図中矢印Ｚ方向）と、半径方向（図中矢印Ｚ方向以外の方向）において同一としている。
すなわち、本実施形態においては、スタイラス１１０の略球状先端部１１２のプローブ本体１２４よりの突出長さ（軸方向）を延長するためにエクステンションロッド１２６を備える。
エクステンションロッド１２６は、スタイラス１１０の軸線上に位置する軸をもち、プローブ本体１２４とスタイラス１１０間に設けられている。
本実施形態にかかる接触式プローブ１３０は概略以上のように構成され、以下にその作用について説明する。
【００２４】
本実施形態においては、接触式プローブ１３０と被測定物１１４との接触方向による補正ボール径の誤差を排除するために、スタイラス１１０の略球状先端部１１２の位置で、全方向（特に半径方向と軸方向）に均一な剛性をもつエクステンションロッド１２６を使用している。
この結果、本実施形態においては、補正ボール径を、どの方向より測定しても等しくできるので、より高精度な測定が行える。
すなわち、接触式プローブでは、測定力が弱すぎると繰返し精度が悪くなり、逆に強すぎると測定誤差が大きくなるため、使用する前に測定力を適切に設定する必要がある。
しかしながら、接触式プローブでは、測定力のためにスタイラス軸の変形が発生してしまい、真のボール半径でなく、見かけのボール半径で測定を行うことになる。
【００２５】
従来、補正ボール径は、プローブと被測定物との接触方向によって異なるので、各方向について補正ボール径を得ていたが、このような方向性をもつ補正ボール径で測定結果を補正していたのでは、満足のゆく精度の結果が得られなかった。
そこで、本実施形態においては、エクステンションロッドを設けた状態で、スタイラスの略球状先端部の位置で、半径方向と軸方向の剛性を同一にしている。この結果、本実施形態においても、スタイラスを被測定物にあてて、測定力を加えたときにスタイラスの変形が発生するので、真のボール半径でなく、見かけのボール半径で測定を行うことになる。しかしながら、本実施形態においては、プローブと被測定物との接触方向にかかわらず、同じボール半径で測定を行うことになる。
すなわち、従来方式では、同じ大きさの測定力であっても、プローブと被測定物との接触方向によってスタイラスの変形量が異なる。
【００２６】
これに対し、本実施形態においては、同じ大きさの測定力であれば、プローブと被測定物との接触方向にかかわらず、同じスタイラスの変形量となる。特にスタイラスが半径方向に測定力を加えた場合の変形量と、軸方向に測定力を加えた場合の変形量が同じとなる。
したがって、本実施形態においては、プローブと被測定物との接触方向にかかわらず、同じボール半径で測定を行うことになる。
【００２７】
このため、本実施形態においては、エクステンションロッドを用いても、プローブと被測定物との接触方向にかかわらず、同一の精度で測定できるので、全方向での測定感度が同一になる。
したがって、本実施形態においては、スタイラス及びエクステンションロッドの高精度化が図られるので、接触式プローブの高精度化を図ることができる。これにより、測定装置の高精度化も図ることができる。
【００２８】
特に従来はエクステンションロッドを用いると、スタイラスの略球状先端部の突出長さも長くなるので、スタイラスの変形量も大きくなり、プローブと被測定物との接触方向によってボール半径の差も大きい。
これに対し、本実施形態においては、ボール半径をどの方向から測定しても等しくできる。これにより本実施形態においては、従来方式、つまりスタイラスの略球状先端部での半径方向及び軸方向の剛性の対策がなされていないものに比較し、より高精度な測定が行える。
【００２９】
平行リンク機構
また本発明において第二に特徴的なことは、補正ボール径を全方向においてより確実に同一とするため、エクステンションロッドに対して、軸方向にスタイラスを作動させる平行リンク機構を設けたことである。
以下に、平行リンク機構について説明する。
【００３０】
図３には本実施形態にかかるエクステンションロッド１２６の内部構造が示されている。なお、同図（Ａ）はエクステンションロッド１２６の断面図及び平行リンク機構の側面図である。同図（Ｂ）はエクステンションロッド１２６に内蔵された平行リンク機構の外観斜視図である。同図（Ｃ）は同様の平行リンク機構をスタイラスの略球状先端部側より見た正面図である。
【００３１】
同図に示すエクステンションロッド１２６は、平行リンク機構を内蔵できるように中空状に構成されたエクステンションロッド本体１３２を備える。エクステンションロッド本体１３２に平行リンク機構１３４が内蔵固定されている。
またこの平行リンク機構１３４は、スタイラス１１０をその軸方向に、測定力の大きさに基づいて定められた所定の距離だけ変位自在に保持する。
なお、本実施形態においては、エクステンションロッド本体１３２のスタイラス側の端部とは反対側の端部に、固定ねじ１３６が設けられている。この固定ねじ１３６を介してエクステンションロッド１２６をプローブ本体に固定している。
【００３２】
次に、前記平行リンク機構の具体的な構成について説明する。
図４に示すように平行リンク機構１３４は、固定部材１３８及び可動部材１４０と、板ばね１４２，１４４を供える。
板ばね１４２，１４４は、互いに平行に配置され、かつ同じ長さをもつ。
固定部材１３８及び可動部材１４０は、板ばね１４２，１４４と共に、平行四辺形を構成するように、互いに平行に配置され、かつ同じ長さをもつ。
【００３３】
本実施形態において特徴的なことは、平行リンク機構１３４が、スタイラス１１０の軸方向に、測定力の大きさに基づいて定められた所定の距離だけ変位自在に、スタイラス１１０の保持部を保持したことである。
すなわち、固定部材１３８にはねじ穴１４６ａ，１４６ｂが設けられ、エクステンションロッド本体１３２にも同位置にねじ穴１４８ａ，１４８ｂが設けられている。
この固定部材１３８のねじ穴１４６ａ，１４６ｂ及びエクステンションロッド本体１３２のねじ穴１４８ａ，１４８ｂに、それぞれ固定ねじ１５０ａ，１５０ｂが設けられている。
【００３４】
この結果、固定部材１３８の外周壁が、エクステンションロッド１３２の内周壁に対し、しっかり固定されている。
可動部材１４０の下部には板ばね１４４を介して、スタイラス取付部材１５２が設けられている。
このスタイラス取付部材１５２の下部の略中央部にはスタイラス１１０が設けられている。
この結果、可動部材１４０、取付部材１５２は、エクステンションロッド本体１３２内で、板ばね１４２，１４４を介して固定部材１３８に対し、軸方向に変位する。
【００３５】
すなわち、スタイラス略球状先端部１１２が被測定物に対し、その軸方向（図中、下方）に測定力を加えると、その測定力と同じ大きさで方向が反対の力（図中、上方の荷重）がスタイラス略球状先端部１１２に作用する。このため平行リンク機構１３４の板ばね１４２，１４４は、上側固定点Ａ、下側固定点Ｂを支点として、上側可動点Ｃ、下側可動点Ｄが軸方向（図中、上方）に変位する。
このため、スタイラス１１０は、可動部材１４０、取付部材１５２と共に、固定部材１３８に対し図中、上方に変位する。
【００３６】
なお、本実施形態においては、可動部材１４０の上部には板ばね１４２を介して、略Ｔ字状の上側ストッパ１５４が設けられており、固定部材１３８の上部には板ばね１４２を介して上側当接部１５６が設けられている。また固定部材１３８の下部には板ばね１４４を介して下側当接部１５８が設けられている。
このため、スタイラス１１０が図中矢印Ｚ方向に所定の距離を超える変位をしないようにしている。すなわち、スタイラス１１０が上方に移動すると、下側当接部１５８と取付部材１５２とが当接し、スタイラス１１０がそれ以上、上方に移動しないようにしている。またスタイラスが下方に移動すると、上側当接部１５６と上側ストッパ１５４とが当接し、スタイラス１１０がそれ以上、下方に移動しないようにしている。
【００３７】
以下に、本実施形態において特徴的な平行リンク機構１３４の作用について、図５を参照しつつ、より詳細に説明する。
すなわち、本発明者らは、まずスタイラスないしエクステンションは、円筒状の形状を持ち、荷重（測定力と大きさが同じで方向が反対の力）が軸方向に加わる場合と半径方向に加わる場合とでは変形量が異なる点に着目した。
その一例を同図（Ａ）を参照しつつ説明する。
すなわち、直径Ｄ、長さＬのスタイラス１１０の軸方向と半径方向に、同一荷重１１６（大きさＰ）をそれぞれ加えたときの変形量δ１，δ２は、それぞれ下記式３、４で表わせる。
【００３８】
【数３】
δ１＝ＰＬ／ＥＡ＝４ＰＬ／πＥＤ２
【数４】
δ２＝ＰＬ３／３ＥＩ＝６４ＰＬ３／３πＥＤ４
ただし、Ｅ：ヤング率
Ａ：断面積
Ｉ：断面２次モーメント
前記数３，数４に基づいて、スタライス１１０の軸方向の変形量δ１と、半径方向の変形量δ２の比は、下記数５で表わせる。
【００３９】
【数５】
δ２／δ１＝６４Ｌ２／１２Ｄ２
前記数５より明らかなように、通常は、直径Ｄよりも全長Ｌのほうが寸法上大きくなるので、同じ大きさＰの荷重１１６であっても、半径方向の変形量δ２が軸方向の変形量δ１よりもはるかに大きくなり、この変形量の差は、測定の方向による測定誤差を生じることになる。
そこで、本発明者らが、このような問題を解決するため、さらに鋭意検討を進めた結果、スタイラス１１０の軸方向の剛性を平行リンク機構１３４を用いて弱めることにより、スタイラス１１０の軸方向の実質的な変形量と、半径方向の変形量とを同一とし、実質的な剛性を同一にすることができることを見出し、本発明を完成するに至った。
このために本実施形態においては、平行リンク機構１３４によるスタイラス１１０の軸方向への変形量δ３が、下記数６、数７を満足するように、平行リンク機構１３４がスタイラス１１０を軸方向に変位自在に保持している。
【００４０】
【数６】
δ２＝δ１＋δ３
【数７】
Ｐ＝ｋδ３
ただし、前記δ１は、スタイラス略球状先端部１１２の軸方向に大きさＰをもつ荷重１１６が加わった場合の、平行リンク機構１３４による変形量を除いたスタイラス略球状先端部１１２における軸方向への変形量。
前記δ２は、スタイラス略球状先端部１１２の半径方向に大きさＰをもつ荷重１１６が加わった場合の、スタイラス略球状先端部１１２における半径方向への変形量。
前記δ３は、スタイラス略球状先端部１１２の軸方向に大きさＰをもつ荷重１１６が加わった場合の、平行リンク機構１３４によるスタイラス略球状先端部１１２の軸方向への変形量。
前記ｋは、板ばね１４２，１４４に基づいて求められた平行リンク機構１３４の全体的なばね定数。
【００４１】
このため、本実施形態においては、同図（Ｂ）に示されるように、スタイラス略球状先端部１１２に軸方向に、大きさＰをもつ荷重１１６が加わると、スタイラス１１６には荷重１１６による圧縮である軸方向の変形（変形量δ１）が生じると共に、スタイラス１１０が平行リンク機構１３４により軸方向（図中、Ｚ方向）に変位する。
ここで、スタイラス略球状先端部１１２に対し軸方向に荷重１１６が加わった場合の平行リンク機構１３４によるスタイラス１１０の軸方向への変形量δ３、及び荷重１１６によるスタイラス１１０の圧縮量（変形量δ１）とを加えた全体の量が、前記半径方向に荷重１１６が加わった場合の変形量δ２と同じとなるように、平行リンク機構１３４はスタイラス１１０を軸方向（図中、Ｚ方向）に変位させる（δ３＝δ２−δ１）。
【００４２】
このように本実施形態においては、スタイラス１１０の略球状先端部１１２の位置で、測定力１６を半径方向に加えた場合のスタイラス１１０の半径方向の変形量δ２と、測定力１６を軸方向に加えた場合のスタイラス１１０の軸方向の変形量δ１及び平行リンク機構１３４によるスタイラス１１０の軸方向への変形量δ３を加えた量とを同じにすることで、実質的にスタイラス１１０の半径方向と軸方向の剛性を、より同じものとすることができる。したがって、本実施形態においては、補正ボール径を、どの方向より測定しても、より等しくできるので、より高精度な測定が行える。
なお、本実施形態において、前記板ばね１４２，１４４は、前記数３の関係をより確実に満足するように寸法ないし材質が選定されていることが好ましい。
【００４３】
測定装置
図６には本実施形態にかかる接触式プローブ１３０を用いた測定装置の概略構成が示されている。なお、本実施形態においては、測定装置として三次元測定機を想定し、三次元測定機に接触式プローブ１３０としてタッチプローブを用いた例について説明する。
同図に示す三次元測定機（測定装置）１６０は、本実施形態にかかる接触式プローブ１３０が、三次元測定機本体１６２のＺ軸スピンドル１６４に着脱自在に設けられている。
同図に示す三次元測定機１６０において特徴的なことは、接触式プローブ１３０と被測定物１１４との接触方向にかかわらず、同一の補正情報を用いて、被測定物１１４の寸法情報ないし形状情報を補正したことである。
【００４４】
すなわち、同図に示す三次元測定機１６０は、コントロールボックス１６６と、コンピュータ１６８を備える。三次元測定機本体１６２はコントロールボックス１６６を介してコンピュータ１６８に接続されている。
コントロールボックス１６６は、座標値情報取得手段である、例えばプローブインターフェース１７０と、データ記憶回路１７２と、リニヤスケール１７４と、カウンタ１７６等を備える。
【００４５】
このような座標値情報取得手段は、リニヤスケール１７４、カウンタ１７６等よりの被測定物１１４と接触式プローブ１３０との相対移動量情報に基づいて、接触式プローブ１３０の座標値情報を得る。
プローブインターフェース１７０は、信号線１７８を介して接触式プローブ１３０と接続され、接触式プローブ１３０よりのタッチ信号が入力される。
データ記憶回路１７２は、プローブインターフェース１７０に信号線１８０を介して直接接続され、さらに信号線１８２，１８４によりカウンタ１７６を介して接続されている。
【００４６】
カウンタ１７６は信号線１８６を介してリニヤスケール１７４に接続されており、リニヤスケール１７４よりのスケール信号が入力される。
またコントロールボックス１６６は、制御回路１８８を備える。
この制御回路１８８は、三次元測定機本体１６２のベース１８９に設けられた送り機構（ボールねじ等）１９０を駆動するためのモータ１９２に、信号線１９４を介して接続されている。またこの制御回路１８８は、モータ１９２の後段に設けられたエンコーダ１９６に、信号線１９８を介して接続されている。
【００４７】
データ記憶回路１７２は、信号線２００を介してコンピュータ１６８に接続されている。
このコンピュータ１６８は、ＣＰＵ２０２と、メモリ２０４を備える。
このＣＰＵ２０２は、仮試料情報取得手段２０６と、真試料情報取得手段２０８を備える。
メモリ２０４は、仮試料情報記憶手段２１０と、補正情報記憶手段２１２と、真試料情報記憶手段２１４を備える。
仮試料情報記憶手段２１０は、データ記憶回路１７２よりの座標値情報に基づいて得られた補正前の試料情報を記憶する。
【００４８】
補正情報記憶手段２１２は、本実施形態にかかる接触式プローブ１３０により予め基準球を測定して得ておいた補正ボール径に基づいて定められた一の補正情報を記憶している。
ここで、通常は各方向において補正ボール径を用意する必要があるが、本実施形態においては、補正ボール径をどの方向（全方向）から測定しても等しくできる接触式プローブ１３０を用いているので、各方向において同一の補正ボール径を用いることができる。
【００４９】
真試料情報記憶手段２１４は、仮試料情報記憶手段２１０に記憶されている被測定物１１４の仮の寸法情報ないし形状情報を、補正情報記憶手段２１２に記憶しておいた一の補正情報で補正した、被測定物の真の値とみなし得る寸法情報ないし形状情報を記憶する。
仮試料情報取得手段２０６は、データ記憶回路１７２よりの座標値情報に基づいて、被測定物１１４の仮の寸法情報ないし形状情報を得る。これを仮試料情報記憶手段２１０に記憶する。
【００５０】
真試料情報取得手段２０８は、仮試料情報取得手段２０６により得られた被測定物１１４の仮の寸法情報ないし形状情報を、補正情報記憶手段２１２に記憶しておいた一の補正情報で補正し、被測定物１１４の真の値とみなし得る寸法情報ないし形状情報を得る。これを真試料情報記憶手段２１４に記憶する。
なお、本実施形態においては、Ｚ軸スピンドル１６４をＺ軸方向に移動自在に保持する門２１６を備え、門２１６は、送り機構１９０により、ベース１８９に対しＸ，Ｙ軸方向に移動する。
【００５１】
［補正ボール径］
次に、同図に示す三次元測定機１６０を用いた補正ボール径の求め方について説明する。
すなわち、同図に示す三次元測定機１６０を用いて、形状精度（半径Ｒ）が高い精密球上を均一に２５点を測定する。
そして、コンピュータ１６８は、２５点全ての測定結果を用いて、最小二乗法による基準球の中心座標を求める。
【００５２】
補正ボール径ｄ´は、２５点それぞれについて半径ｒ１、ｒ２…ｒ２５を計算し、次式による。
ｄ´＝｛（ｒ１−Ｒ）＋（ｒ２−Ｒ）＋…＋（ｒ２５−Ｒ）｝／２５
ここで、本実施形態においては、測定力が一定に調整されているときのスタイラス１１０の略球状先端部１１２での変形量δは、どの方向でもほぼ一定とすることができる。
【００５３】
したがって、測定データを処理するのに、実際のボール径ｄの代わりに、δを加味したボール径ｄ´を用いれば、かたよりのない正確な測定値が得られる。このｄ´を補正ボール径と呼べば、次式となる。
ｄ´＝ｄ−２δ
コンピュータ１６８は、このようにして得られた補正ボール径に基づいて補正情報を得る。これを補正情報記憶手段２１２に記憶しておき、方向性のない補正情報で、次のようにして得られた測定結果を補正している。
【００５４】
［通常の測定］
次に、同図に示す三次元測定機１６０を用いた通常の測定例について説明する。
プローブ１３０と被測定物１１４との相対移動を行い、スタイラス１１０の略球状先端部１１２が被測定物１１４に接触した瞬間の座標値情報を収集する。
すなわち、三次元測定機本体１６２の各軸の移動量はカウンタ１７６にて計数され、このデータ出力信号が、コントロールボックス１６６のデータ記憶回路１７２に入力される。
そして、プローブ１３０が被測定物１１４に接触した瞬間にＸ，Ｙ，Ｚ軸の座標値情報を収集し、コンピュータ１６８に入力する。コンピュータ１６８では、座標値情報に基づいて、被測定物１１４の寸法、表面形状を求める。
【００５５】
ここで、本実施形態においては、仮試料情報取得手段２０６によりデータ記憶回路１７２よりの座標値情報に基づいて、被測定物１１４の仮の寸法情報ないし形状情報を得た後に、さらに真試料情報取得手段２０８により、この被測定物１１４の仮の寸法情報ないし形状情報を、補正情報記憶手段２１２に記憶しておいた補正情報で補正し、被測定物１１４の真の値とみなし得る寸法情報ないし形状情報を得る。
【００５６】
ここで、同図に示す三次元測定機１６０においては、本実施形態にかかる接触式プローブ１３０を用いているので、つまりスタイラス１１０の略球状先端部１１２の位置で、半径方向と軸方向の剛性を同一とすることとしたので、補正ボール径を、どの方向に測定しても等しくできる。
したがって、同図に示す三次元測定機１６０においても、プローブ１３０が被測定物１１４に接触した瞬間に得られた座標値情報に基づいて得られた各方向の測定結果を、同一の補正ボール径で補正することができるので、精度の良い測定結果が得られる。
【００５７】
なお、前記構成のエクステンションロッドは、任意の接触プローブに使用することができるが、一般的なプローブに比較し、高精度化が要求される三次元測定機用タッチプローブ、倣いプローブ等に使用することが特に好ましい。何れの接触式プローブに用いても、被測定物との接触方向にかかわらず、一定のボール補正量で補正することができる。
【００５８】
また前記構成では、プローブ本体に対しエクステンションロッドを介してスタイラスを設け、エクステンションロッドに平行リンク機構を設けた例について説明したが、スタイラスが、エクステンションロッド程度の長さをもつものであれば、エクステンションロッドを設けることなく、プローブ本体に対し直接平行リンクを設け、該平行リンクにスタイラスを設けることも好ましい。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明にかかる接触式プローブによれば、スタイラスの略球状先端部における剛性が、その全方向において同一であることとしたので、被測定物との接触方向にかかわらず、精度の高い測定結果が得られる。
また本発明においては、前記スタイラスの略球状先端部における剛性が、半径方向と軸方向において同一であることにより、前記精度の高い測定結果が、より確実に得られる。
また本発明においては、エクステンションロッドがスタイラスをその軸方向に変位自在に保持する平行リンク機構を備えることにより、エクステンションロッドを用いても、前記精度の高い測定結果が、より確実に得られる。
また本発明においては、平行リンク機構が板ばねを備えることにより、前記精度の高い測定結果が、より確実に得られる。
また本発明にかかる測定装置によれば、前記接触式プローブを用いることとしたので、被測定物との接触方向にかかわらず、同一の補正情報で、測定結果を補正することができるので、精度の良い試料情報が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる接触式プローブの概略構成の説明図である。
【図２】本実施形態にかかる接触式プローブに用いられるエクステンションロッド及びスタイラスの外観斜視図である。
【図３】本実施形態にかかる接触式プローブに用いられるエクステンションロッドの内部構造の説明図である。
【図４】本実施形態にかかるエクステンションロッドに用いられる平行リンク機構の概略構成の説明図である。
【図５】図４に示した平行リンク機構の作用の説明図である。
【図６】本実施形態にかかる接触式プローブを用いた測定装置の概略構成の説明図である。
【図７】接触式プローブと被測定物との接触状態の説明図である。
【図８】一般的なエクステンションロッドを用いた接触式プローブの説明図である。
【符号の説明】
１１０ スタイラス
１１２ 略球状先端部
１２４ プローブ本体
１２６ エクステンションロッド
１３０ 接触式プローブ
１３４ 平行リンク機構
１４２，１４４ 板ばね
１６０ 三次元測定機（測定装置）
【発明の属する技術分野】
本発明は接触式プローブ及びそれを用いた測定装置、特にスタイラスの保持機構の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、被測定物の各部の寸法や形状を測定するため、三次元測定機等の測定装置が用いられている。
測定装置は、互いに直交する案内と、案内の移動量を求めるスケール及びプローブをもち、それぞれの移動量からプローブの座標値を求めることができる。そして、測定によって得られた被測定物上の座標値から必要とする穴径や穴位置・段差などの寸法や、各部の形状がデータ処理によって求められる。
【０００３】
ところで、前述のような測定装置では、被測定物との相対移動を行う接触式プローブが用いられる（例えば特許文献１〜４参照）。
接触式プローブとしては、タッチプローブ（例えば特許文献３参照）、倣いプローブ（例えば特許文献４参照）等がある。
例えばタッチプローブを用いた場合は、タッチプローブと被測定物との相対移動を行い、スタイラス先端部が被測定物に接触した瞬間の座標値情報を収集する。 また倣いプローブを用いた場合は、スタイラス先端部が被測定物に接触した状態で、倣いプローブと被測定物との相対移動を行いながら、座標値情報を収集する。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−２２３５５７号公報
【特許文献２】
特開２００２−３１０６３６号公報
【特許文献３】
特開平５−２４８８４７号公報
【特許文献４】
特開平５−２５６６４０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記測定装置であっても、被測定物に対するプローブの接触方向の違いによる感度のばらつきは、改善の余地が残されていた。
すなわち、測定装置の高精度化に伴って、プローブにも高精度が要求されている。
本発明者らによれば、接触式プローブにおいても、被測定物との接触がどの方向からでも同一の精度で測定するために、全方向での感度を同一にすることが重要であることがわかった。
【０００６】
しかしながら、プローブ全体を高精度化しても、スタイラスないしエクステンションロッド自体が、加わる力の方向によって変形量が異なるため、プローブの高精度化にも限界があった。
すなわち、図７に示すようにスタイラス１０の球状先端部１２を被測定物１４に当て、測定力１６を加えると、同図に示されるような微小変位が発生、つまりスタイラス軸１８の撓み（撓み量δ）が発生する。
このため測定力１６を加えた位置２０と、真に接触した位置２２とにずれが生じる。これにより接触式プローブでは、真のボール半径ｒでなく、見かけのボール半径ｒ´で測定を行うことになる。
この見かけのボール半径ｒ´の２倍を補正ボール径と呼び、通常、三次元測定機では、測定前に基準球を測定し、補正ボール径を求めている。求められた補正ボール径で測定結果を補正している。
【０００７】
ここで、プローブと被測定物との接触方向は、任意の方向が考えられるので、高精度の測定を行うためには、この補正ボール径はどの方向より測定しても等しいことが必要である。
しかしながら、スタイラスが軸方向に測定力を加えた場合と、半径方向に加えた場合とでは、スタイラス１０の軸線の変形量が異なり、この差は測定誤差となってしまう。
特に図８に示されるような被測定物１４の深部の測定を行うため、スタイラス１０と三次元用プローブ（プローブ本体）２４間にエクステンションロッド２６を設け、スタイラス１０の球状先端部１２の三次元用プローブ２４よりの突出長さを伸ばすと、より大きな測定誤差となる。
【０００８】
そこで、従来は、高精度の測定結果を得るため、被測定物との接触方向に応じたボール補正量で、測定結果を補正する必要があるが、手間がかかり、また精度の面でも満足のゆくものでなかった。
すなわち、測定結果を修正するのに用いられる補正ボール径としては、実際の被測定物との接触方向と厳密に一致する方向のものを選択する必要があるが、実際の被測定物との接触方向の高精度な特定は難しいので、実際の被測定物との接触方向とは厳密に一致しない方向の補正ボール径を選択してしまうことがある。
【０００９】
従来、補正ボール径は、方向によって異なる可能性があるので、測定結果を、最適な補正ボール径で修正することができないことがあった。
したがって、従来より、プローブと被測定物との接触方向にかかわらず、精度の高い測定結果が得られる技術の開発が望まれていたものの、従来はこれを解決することのできる適切な技術が存在しなかった。
本発明は前記従来技術の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、被測定物との接触方向にかかわらず、精度の高い測定結果が得られる接触式プローブ及びそれを用いた測定装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らが、接触式プローブの感度の方向性改善について鋭意検討を行った結果、被測定物との接触方向にかかわらず、精度の高い測定結果を得るためには、スタイラス先端部の全方向において、同じボール補正量とすることが重要であることがわかった。
そして、本発明者らは、以下に示すような平行リンク機構を用いて、スタイラスないしエクステンションロッドに対し、軸方向への適切な量の変位を行わせ、その軸方向と半径方向とで実質的な変形量（剛性）を同じにすることにより、一定のボール補正量が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、前記目的を達成するために本発明にかかる接触式プローブは、スタイラスと、プローブ本体と、を備えた接触式プローブにおいて、前記スタイラスの略球状先端部における剛性が、その全方向において同一であることを特徴とする。
【００１１】
ここで、前記スタイラスは、被測定物に対し所定の測定力で任意の方向より接触する略球状先端部をもつ。
またプローブ本体は、前記スタイラスを保持する。
ここにいうスタイラスの略球状先端部における剛性とは、測定力によるスタイラス軸の圧縮量ないし撓み量、測定力によるスタイラス略球状先端部の半径方向の変形量を含めていう。
ここにいう剛性が、その全方向において同一であるとは、測定力の大きさが同じであれば、その測定力の方向にかかわらず、前記変形量が同じであることをいう。
ここにいう略球状とは、完全な球体の場合と、球体の一部のみを構成する場合、例えば半球体等を含めていう。
【００１２】
本発明のスタイラスとしては、エクステンションロッドが設けられているもの、エクステンションロッドが設けられていないものを含めていう。
本発明の接触式プローブとしては、三次元測定機用タッチプローブ、倣いプローブ等が一例として挙げられる。
なお、本発明においては、前記スタイラスの略球状先端部における剛性が、該スタイラスの軸方向及び該軸方向と略直交する半径方向において同一であることが好適である。
【００１３】
また本発明においては、エクステンションロッドを備え、前記エクステンションロッドが設けられた状態で、前記スタイラスの略球状先端部における剛性が、その全方向において同一であることが好適である。
ここで、前記エクステンションロッドは、前記スタイラスの軸線上に位置する軸をもち、前記プローブ本体と該スタイラス間に設けられる。
本発明のエクステンションロッドとしては、例えばプローブ本体とスタイラス略球状先端部間の軸方向の長さを延長するために用いられるものが一例として挙げられる。
【００１４】
また本発明においては、平行リンク機構を備えることが好適である。
ここで、前記平行リンク機構は、前記スタイラスの略球状先端部における剛性が、前記軸方向及び半径方向において同一となるように、該スタイラスをその軸方向に変位自在となるように保持する。
また本発明において、前記平行リンク機構は、前記スタイラス略球状先端部の軸方向への変形量δ３が、下記数２の関係を満足するように、該スタイラスをその軸方向に変位自在に保持することが好適である。
【００１５】
【数２】
δ２＝δ１＋δ３
ただし、前記δ１は、前記スタイラス略球状先端部の軸方向に所定の大きさの測定力を加えた場合の、前記平行リンク機構による変形量を除いた該スタイラス略球状先端部での軸方向への変形量。
前記δ２は、前記スタイラス略球状先端部の半径方向に前記測定力と同じ大きさの測定力を加えた場合の、該スタイラス略球状先端部での半径方向への変形量。
前記δ３は、前記スタイラス略球状先端部の軸方向に前記測定力と同じ大きさの測定力を加えた場合の、前記平行リンク機構による該スタイラス略球状先端部の軸方向への変形量。
本発明の変形（変位）とは、前記スタイラス略球状先端部での定位置からの変形（変位）をいう。
【００１６】
また本発明において、前記平行リンク機構は、前記数２の関係を満足するように選定された板ばねを備えることが好適である。
本発明の板ばねは、前記数２の関係を満足するような寸法ないし材質であることが好適である。またその種類は、例えば重ね板ばね、薄板ばね等が一例として用いられる。
【００１７】
また本発明において、前記エクステンションロッドは、前記平行リンク機構を内蔵できるように中空状に構成される。前記平行リンク機構は、互いに平行に配置され、かつ同じ長さをもつ前記板ばねと共に、平行四辺形を構成するように、互いに平行に配置され、かつ同じ長さをもつ固定部材及び可動部材を備える。前記固定部材は、前記エクステンションロッド内に固定される。前記可動部材は、前記エクステンションロッド内で、前記板ばねを介して前記固定部材に対し、前記スタイラスの軸方向に変位する。前記スタイラスは、前記可動部材に設けられ、該可動部材と共に該固定部材に対し、その軸方向に変位することが好適である。
【００１８】
また前記目的を達成するために本発明にかかる測定装置は、前記接触式プローブと、座標値情報取得手段と、仮試料情報取得手段と、補正情報記憶手段と、真試料情報取得手段と、を備え、前記接触式プローブと被測定物との接触方向にかかわらず、同一の補正情報を用いて、前記仮試料情報取得手段により得られた被測定物の仮の寸法情報ないし形状情報を補正することを特徴とする。
ここで、前記座標値情報取得手段は、前記被測定物と接触式プローブとの相対移動量情報に基づいて、前記接触式プローブの座標値情報を得る。
【００１９】
また前記仮試料情報取得手段は、前記座標情報取得手段により得られた座標値情報に基づいて、前記被測定物の仮の寸法情報ないし形状情報を得る。
前記補正情報記憶手段は、前記接触式プローブにより予め得ておいた補正ボール径に基づいて定められた一の補正情報を記憶している。
前記真試料情報取得手段は、前記仮試料情報取得手段により得られた被測定物の仮の寸法情報ないし形状情報を、前記補正情報記憶手段に記憶しておいた一の補正情報で補正し、前記被測定物の真の値とみなし得る寸法情報ないし形状情報を得る。
【００２０】
【発明の実施の形態】
まず本発明において第一に特徴的なことは、スタイラスの略球状先端部の位置で、その略球状先端部の半径方向とその軸方向との剛性を同一にしたことである。
以下、図面に基づき本発明の好適な一実施形態について説明する。
【００２１】
図１には本発明の一実施形態にかかる接触式プローブの概略構成が示されている。図２には同様の接触式プローブのエクステンションロッド及びスタイラスの外観斜視図が示されている。なお、前記従来技術と対応する部分には符号１００を加えて示し説明を省略する。
【００２２】
同図に示す接触式プローブ１３０は、スタイラス１１０と、プローブ本体１２４を備える。
ここで、前記スタイラス１１０は、被測定物１１４に対し適切な測定力で任意の方向より接触することのできる略球状先端部１１２をもつ。
また前記プローブ本体１２４は、スタイラス１１０を保持し、スタイラス１１０の略球状先端部１１２が被測定物１１４に接触した瞬間にタッチ信号を出力する。
【００２３】
本発明において特徴的なことは、スタイラス１１０の略球状先端部１１２における剛性をその全方向、特に半径方向と軸方向において同一としたことである。このために本実施形態においては、エクステンションロッド１２６を設けた状態で、スタイラス１１０の略球状先端部１１２における剛性を、その全方向（任意の接触方向）、特に軸方向（図中矢印Ｚ方向）と、半径方向（図中矢印Ｚ方向以外の方向）において同一としている。
すなわち、本実施形態においては、スタイラス１１０の略球状先端部１１２のプローブ本体１２４よりの突出長さ（軸方向）を延長するためにエクステンションロッド１２６を備える。
エクステンションロッド１２６は、スタイラス１１０の軸線上に位置する軸をもち、プローブ本体１２４とスタイラス１１０間に設けられている。
本実施形態にかかる接触式プローブ１３０は概略以上のように構成され、以下にその作用について説明する。
【００２４】
本実施形態においては、接触式プローブ１３０と被測定物１１４との接触方向による補正ボール径の誤差を排除するために、スタイラス１１０の略球状先端部１１２の位置で、全方向（特に半径方向と軸方向）に均一な剛性をもつエクステンションロッド１２６を使用している。
この結果、本実施形態においては、補正ボール径を、どの方向より測定しても等しくできるので、より高精度な測定が行える。
すなわち、接触式プローブでは、測定力が弱すぎると繰返し精度が悪くなり、逆に強すぎると測定誤差が大きくなるため、使用する前に測定力を適切に設定する必要がある。
しかしながら、接触式プローブでは、測定力のためにスタイラス軸の変形が発生してしまい、真のボール半径でなく、見かけのボール半径で測定を行うことになる。
【００２５】
従来、補正ボール径は、プローブと被測定物との接触方向によって異なるので、各方向について補正ボール径を得ていたが、このような方向性をもつ補正ボール径で測定結果を補正していたのでは、満足のゆく精度の結果が得られなかった。
そこで、本実施形態においては、エクステンションロッドを設けた状態で、スタイラスの略球状先端部の位置で、半径方向と軸方向の剛性を同一にしている。この結果、本実施形態においても、スタイラスを被測定物にあてて、測定力を加えたときにスタイラスの変形が発生するので、真のボール半径でなく、見かけのボール半径で測定を行うことになる。しかしながら、本実施形態においては、プローブと被測定物との接触方向にかかわらず、同じボール半径で測定を行うことになる。
すなわち、従来方式では、同じ大きさの測定力であっても、プローブと被測定物との接触方向によってスタイラスの変形量が異なる。
【００２６】
これに対し、本実施形態においては、同じ大きさの測定力であれば、プローブと被測定物との接触方向にかかわらず、同じスタイラスの変形量となる。特にスタイラスが半径方向に測定力を加えた場合の変形量と、軸方向に測定力を加えた場合の変形量が同じとなる。
したがって、本実施形態においては、プローブと被測定物との接触方向にかかわらず、同じボール半径で測定を行うことになる。
【００２７】
このため、本実施形態においては、エクステンションロッドを用いても、プローブと被測定物との接触方向にかかわらず、同一の精度で測定できるので、全方向での測定感度が同一になる。
したがって、本実施形態においては、スタイラス及びエクステンションロッドの高精度化が図られるので、接触式プローブの高精度化を図ることができる。これにより、測定装置の高精度化も図ることができる。
【００２８】
特に従来はエクステンションロッドを用いると、スタイラスの略球状先端部の突出長さも長くなるので、スタイラスの変形量も大きくなり、プローブと被測定物との接触方向によってボール半径の差も大きい。
これに対し、本実施形態においては、ボール半径をどの方向から測定しても等しくできる。これにより本実施形態においては、従来方式、つまりスタイラスの略球状先端部での半径方向及び軸方向の剛性の対策がなされていないものに比較し、より高精度な測定が行える。
【００２９】
平行リンク機構
また本発明において第二に特徴的なことは、補正ボール径を全方向においてより確実に同一とするため、エクステンションロッドに対して、軸方向にスタイラスを作動させる平行リンク機構を設けたことである。
以下に、平行リンク機構について説明する。
【００３０】
図３には本実施形態にかかるエクステンションロッド１２６の内部構造が示されている。なお、同図（Ａ）はエクステンションロッド１２６の断面図及び平行リンク機構の側面図である。同図（Ｂ）はエクステンションロッド１２６に内蔵された平行リンク機構の外観斜視図である。同図（Ｃ）は同様の平行リンク機構をスタイラスの略球状先端部側より見た正面図である。
【００３１】
同図に示すエクステンションロッド１２６は、平行リンク機構を内蔵できるように中空状に構成されたエクステンションロッド本体１３２を備える。エクステンションロッド本体１３２に平行リンク機構１３４が内蔵固定されている。
またこの平行リンク機構１３４は、スタイラス１１０をその軸方向に、測定力の大きさに基づいて定められた所定の距離だけ変位自在に保持する。
なお、本実施形態においては、エクステンションロッド本体１３２のスタイラス側の端部とは反対側の端部に、固定ねじ１３６が設けられている。この固定ねじ１３６を介してエクステンションロッド１２６をプローブ本体に固定している。
【００３２】
次に、前記平行リンク機構の具体的な構成について説明する。
図４に示すように平行リンク機構１３４は、固定部材１３８及び可動部材１４０と、板ばね１４２，１４４を供える。
板ばね１４２，１４４は、互いに平行に配置され、かつ同じ長さをもつ。
固定部材１３８及び可動部材１４０は、板ばね１４２，１４４と共に、平行四辺形を構成するように、互いに平行に配置され、かつ同じ長さをもつ。
【００３３】
本実施形態において特徴的なことは、平行リンク機構１３４が、スタイラス１１０の軸方向に、測定力の大きさに基づいて定められた所定の距離だけ変位自在に、スタイラス１１０の保持部を保持したことである。
すなわち、固定部材１３８にはねじ穴１４６ａ，１４６ｂが設けられ、エクステンションロッド本体１３２にも同位置にねじ穴１４８ａ，１４８ｂが設けられている。
この固定部材１３８のねじ穴１４６ａ，１４６ｂ及びエクステンションロッド本体１３２のねじ穴１４８ａ，１４８ｂに、それぞれ固定ねじ１５０ａ，１５０ｂが設けられている。
【００３４】
この結果、固定部材１３８の外周壁が、エクステンションロッド１３２の内周壁に対し、しっかり固定されている。
可動部材１４０の下部には板ばね１４４を介して、スタイラス取付部材１５２が設けられている。
このスタイラス取付部材１５２の下部の略中央部にはスタイラス１１０が設けられている。
この結果、可動部材１４０、取付部材１５２は、エクステンションロッド本体１３２内で、板ばね１４２，１４４を介して固定部材１３８に対し、軸方向に変位する。
【００３５】
すなわち、スタイラス略球状先端部１１２が被測定物に対し、その軸方向（図中、下方）に測定力を加えると、その測定力と同じ大きさで方向が反対の力（図中、上方の荷重）がスタイラス略球状先端部１１２に作用する。このため平行リンク機構１３４の板ばね１４２，１４４は、上側固定点Ａ、下側固定点Ｂを支点として、上側可動点Ｃ、下側可動点Ｄが軸方向（図中、上方）に変位する。
このため、スタイラス１１０は、可動部材１４０、取付部材１５２と共に、固定部材１３８に対し図中、上方に変位する。
【００３６】
なお、本実施形態においては、可動部材１４０の上部には板ばね１４２を介して、略Ｔ字状の上側ストッパ１５４が設けられており、固定部材１３８の上部には板ばね１４２を介して上側当接部１５６が設けられている。また固定部材１３８の下部には板ばね１４４を介して下側当接部１５８が設けられている。
このため、スタイラス１１０が図中矢印Ｚ方向に所定の距離を超える変位をしないようにしている。すなわち、スタイラス１１０が上方に移動すると、下側当接部１５８と取付部材１５２とが当接し、スタイラス１１０がそれ以上、上方に移動しないようにしている。またスタイラスが下方に移動すると、上側当接部１５６と上側ストッパ１５４とが当接し、スタイラス１１０がそれ以上、下方に移動しないようにしている。
【００３７】
以下に、本実施形態において特徴的な平行リンク機構１３４の作用について、図５を参照しつつ、より詳細に説明する。
すなわち、本発明者らは、まずスタイラスないしエクステンションは、円筒状の形状を持ち、荷重（測定力と大きさが同じで方向が反対の力）が軸方向に加わる場合と半径方向に加わる場合とでは変形量が異なる点に着目した。
その一例を同図（Ａ）を参照しつつ説明する。
すなわち、直径Ｄ、長さＬのスタイラス１１０の軸方向と半径方向に、同一荷重１１６（大きさＰ）をそれぞれ加えたときの変形量δ１，δ２は、それぞれ下記式３、４で表わせる。
【００３８】
【数３】
δ１＝ＰＬ／ＥＡ＝４ＰＬ／πＥＤ２
【数４】
δ２＝ＰＬ３／３ＥＩ＝６４ＰＬ３／３πＥＤ４
ただし、Ｅ：ヤング率
Ａ：断面積
Ｉ：断面２次モーメント
前記数３，数４に基づいて、スタライス１１０の軸方向の変形量δ１と、半径方向の変形量δ２の比は、下記数５で表わせる。
【００３９】
【数５】
δ２／δ１＝６４Ｌ２／１２Ｄ２
前記数５より明らかなように、通常は、直径Ｄよりも全長Ｌのほうが寸法上大きくなるので、同じ大きさＰの荷重１１６であっても、半径方向の変形量δ２が軸方向の変形量δ１よりもはるかに大きくなり、この変形量の差は、測定の方向による測定誤差を生じることになる。
そこで、本発明者らが、このような問題を解決するため、さらに鋭意検討を進めた結果、スタイラス１１０の軸方向の剛性を平行リンク機構１３４を用いて弱めることにより、スタイラス１１０の軸方向の実質的な変形量と、半径方向の変形量とを同一とし、実質的な剛性を同一にすることができることを見出し、本発明を完成するに至った。
このために本実施形態においては、平行リンク機構１３４によるスタイラス１１０の軸方向への変形量δ３が、下記数６、数７を満足するように、平行リンク機構１３４がスタイラス１１０を軸方向に変位自在に保持している。
【００４０】
【数６】
δ２＝δ１＋δ３
【数７】
Ｐ＝ｋδ３
ただし、前記δ１は、スタイラス略球状先端部１１２の軸方向に大きさＰをもつ荷重１１６が加わった場合の、平行リンク機構１３４による変形量を除いたスタイラス略球状先端部１１２における軸方向への変形量。
前記δ２は、スタイラス略球状先端部１１２の半径方向に大きさＰをもつ荷重１１６が加わった場合の、スタイラス略球状先端部１１２における半径方向への変形量。
前記δ３は、スタイラス略球状先端部１１２の軸方向に大きさＰをもつ荷重１１６が加わった場合の、平行リンク機構１３４によるスタイラス略球状先端部１１２の軸方向への変形量。
前記ｋは、板ばね１４２，１４４に基づいて求められた平行リンク機構１３４の全体的なばね定数。
【００４１】
このため、本実施形態においては、同図（Ｂ）に示されるように、スタイラス略球状先端部１１２に軸方向に、大きさＰをもつ荷重１１６が加わると、スタイラス１１６には荷重１１６による圧縮である軸方向の変形（変形量δ１）が生じると共に、スタイラス１１０が平行リンク機構１３４により軸方向（図中、Ｚ方向）に変位する。
ここで、スタイラス略球状先端部１１２に対し軸方向に荷重１１６が加わった場合の平行リンク機構１３４によるスタイラス１１０の軸方向への変形量δ３、及び荷重１１６によるスタイラス１１０の圧縮量（変形量δ１）とを加えた全体の量が、前記半径方向に荷重１１６が加わった場合の変形量δ２と同じとなるように、平行リンク機構１３４はスタイラス１１０を軸方向（図中、Ｚ方向）に変位させる（δ３＝δ２−δ１）。
【００４２】
このように本実施形態においては、スタイラス１１０の略球状先端部１１２の位置で、測定力１６を半径方向に加えた場合のスタイラス１１０の半径方向の変形量δ２と、測定力１６を軸方向に加えた場合のスタイラス１１０の軸方向の変形量δ１及び平行リンク機構１３４によるスタイラス１１０の軸方向への変形量δ３を加えた量とを同じにすることで、実質的にスタイラス１１０の半径方向と軸方向の剛性を、より同じものとすることができる。したがって、本実施形態においては、補正ボール径を、どの方向より測定しても、より等しくできるので、より高精度な測定が行える。
なお、本実施形態において、前記板ばね１４２，１４４は、前記数３の関係をより確実に満足するように寸法ないし材質が選定されていることが好ましい。
【００４３】
測定装置
図６には本実施形態にかかる接触式プローブ１３０を用いた測定装置の概略構成が示されている。なお、本実施形態においては、測定装置として三次元測定機を想定し、三次元測定機に接触式プローブ１３０としてタッチプローブを用いた例について説明する。
同図に示す三次元測定機（測定装置）１６０は、本実施形態にかかる接触式プローブ１３０が、三次元測定機本体１６２のＺ軸スピンドル１６４に着脱自在に設けられている。
同図に示す三次元測定機１６０において特徴的なことは、接触式プローブ１３０と被測定物１１４との接触方向にかかわらず、同一の補正情報を用いて、被測定物１１４の寸法情報ないし形状情報を補正したことである。
【００４４】
すなわち、同図に示す三次元測定機１６０は、コントロールボックス１６６と、コンピュータ１６８を備える。三次元測定機本体１６２はコントロールボックス１６６を介してコンピュータ１６８に接続されている。
コントロールボックス１６６は、座標値情報取得手段である、例えばプローブインターフェース１７０と、データ記憶回路１７２と、リニヤスケール１７４と、カウンタ１７６等を備える。
【００４５】
このような座標値情報取得手段は、リニヤスケール１７４、カウンタ１７６等よりの被測定物１１４と接触式プローブ１３０との相対移動量情報に基づいて、接触式プローブ１３０の座標値情報を得る。
プローブインターフェース１７０は、信号線１７８を介して接触式プローブ１３０と接続され、接触式プローブ１３０よりのタッチ信号が入力される。
データ記憶回路１７２は、プローブインターフェース１７０に信号線１８０を介して直接接続され、さらに信号線１８２，１８４によりカウンタ１７６を介して接続されている。
【００４６】
カウンタ１７６は信号線１８６を介してリニヤスケール１７４に接続されており、リニヤスケール１７４よりのスケール信号が入力される。
またコントロールボックス１６６は、制御回路１８８を備える。
この制御回路１８８は、三次元測定機本体１６２のベース１８９に設けられた送り機構（ボールねじ等）１９０を駆動するためのモータ１９２に、信号線１９４を介して接続されている。またこの制御回路１８８は、モータ１９２の後段に設けられたエンコーダ１９６に、信号線１９８を介して接続されている。
【００４７】
データ記憶回路１７２は、信号線２００を介してコンピュータ１６８に接続されている。
このコンピュータ１６８は、ＣＰＵ２０２と、メモリ２０４を備える。
このＣＰＵ２０２は、仮試料情報取得手段２０６と、真試料情報取得手段２０８を備える。
メモリ２０４は、仮試料情報記憶手段２１０と、補正情報記憶手段２１２と、真試料情報記憶手段２１４を備える。
仮試料情報記憶手段２１０は、データ記憶回路１７２よりの座標値情報に基づいて得られた補正前の試料情報を記憶する。
【００４８】
補正情報記憶手段２１２は、本実施形態にかかる接触式プローブ１３０により予め基準球を測定して得ておいた補正ボール径に基づいて定められた一の補正情報を記憶している。
ここで、通常は各方向において補正ボール径を用意する必要があるが、本実施形態においては、補正ボール径をどの方向（全方向）から測定しても等しくできる接触式プローブ１３０を用いているので、各方向において同一の補正ボール径を用いることができる。
【００４９】
真試料情報記憶手段２１４は、仮試料情報記憶手段２１０に記憶されている被測定物１１４の仮の寸法情報ないし形状情報を、補正情報記憶手段２１２に記憶しておいた一の補正情報で補正した、被測定物の真の値とみなし得る寸法情報ないし形状情報を記憶する。
仮試料情報取得手段２０６は、データ記憶回路１７２よりの座標値情報に基づいて、被測定物１１４の仮の寸法情報ないし形状情報を得る。これを仮試料情報記憶手段２１０に記憶する。
【００５０】
真試料情報取得手段２０８は、仮試料情報取得手段２０６により得られた被測定物１１４の仮の寸法情報ないし形状情報を、補正情報記憶手段２１２に記憶しておいた一の補正情報で補正し、被測定物１１４の真の値とみなし得る寸法情報ないし形状情報を得る。これを真試料情報記憶手段２１４に記憶する。
なお、本実施形態においては、Ｚ軸スピンドル１６４をＺ軸方向に移動自在に保持する門２１６を備え、門２１６は、送り機構１９０により、ベース１８９に対しＸ，Ｙ軸方向に移動する。
【００５１】
［補正ボール径］
次に、同図に示す三次元測定機１６０を用いた補正ボール径の求め方について説明する。
すなわち、同図に示す三次元測定機１６０を用いて、形状精度（半径Ｒ）が高い精密球上を均一に２５点を測定する。
そして、コンピュータ１６８は、２５点全ての測定結果を用いて、最小二乗法による基準球の中心座標を求める。
【００５２】
補正ボール径ｄ´は、２５点それぞれについて半径ｒ１、ｒ２…ｒ２５を計算し、次式による。
ｄ´＝｛（ｒ１−Ｒ）＋（ｒ２−Ｒ）＋…＋（ｒ２５−Ｒ）｝／２５
ここで、本実施形態においては、測定力が一定に調整されているときのスタイラス１１０の略球状先端部１１２での変形量δは、どの方向でもほぼ一定とすることができる。
【００５３】
したがって、測定データを処理するのに、実際のボール径ｄの代わりに、δを加味したボール径ｄ´を用いれば、かたよりのない正確な測定値が得られる。このｄ´を補正ボール径と呼べば、次式となる。
ｄ´＝ｄ−２δ
コンピュータ１６８は、このようにして得られた補正ボール径に基づいて補正情報を得る。これを補正情報記憶手段２１２に記憶しておき、方向性のない補正情報で、次のようにして得られた測定結果を補正している。
【００５４】
［通常の測定］
次に、同図に示す三次元測定機１６０を用いた通常の測定例について説明する。
プローブ１３０と被測定物１１４との相対移動を行い、スタイラス１１０の略球状先端部１１２が被測定物１１４に接触した瞬間の座標値情報を収集する。
すなわち、三次元測定機本体１６２の各軸の移動量はカウンタ１７６にて計数され、このデータ出力信号が、コントロールボックス１６６のデータ記憶回路１７２に入力される。
そして、プローブ１３０が被測定物１１４に接触した瞬間にＸ，Ｙ，Ｚ軸の座標値情報を収集し、コンピュータ１６８に入力する。コンピュータ１６８では、座標値情報に基づいて、被測定物１１４の寸法、表面形状を求める。
【００５５】
ここで、本実施形態においては、仮試料情報取得手段２０６によりデータ記憶回路１７２よりの座標値情報に基づいて、被測定物１１４の仮の寸法情報ないし形状情報を得た後に、さらに真試料情報取得手段２０８により、この被測定物１１４の仮の寸法情報ないし形状情報を、補正情報記憶手段２１２に記憶しておいた補正情報で補正し、被測定物１１４の真の値とみなし得る寸法情報ないし形状情報を得る。
【００５６】
ここで、同図に示す三次元測定機１６０においては、本実施形態にかかる接触式プローブ１３０を用いているので、つまりスタイラス１１０の略球状先端部１１２の位置で、半径方向と軸方向の剛性を同一とすることとしたので、補正ボール径を、どの方向に測定しても等しくできる。
したがって、同図に示す三次元測定機１６０においても、プローブ１３０が被測定物１１４に接触した瞬間に得られた座標値情報に基づいて得られた各方向の測定結果を、同一の補正ボール径で補正することができるので、精度の良い測定結果が得られる。
【００５７】
なお、前記構成のエクステンションロッドは、任意の接触プローブに使用することができるが、一般的なプローブに比較し、高精度化が要求される三次元測定機用タッチプローブ、倣いプローブ等に使用することが特に好ましい。何れの接触式プローブに用いても、被測定物との接触方向にかかわらず、一定のボール補正量で補正することができる。
【００５８】
また前記構成では、プローブ本体に対しエクステンションロッドを介してスタイラスを設け、エクステンションロッドに平行リンク機構を設けた例について説明したが、スタイラスが、エクステンションロッド程度の長さをもつものであれば、エクステンションロッドを設けることなく、プローブ本体に対し直接平行リンクを設け、該平行リンクにスタイラスを設けることも好ましい。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明にかかる接触式プローブによれば、スタイラスの略球状先端部における剛性が、その全方向において同一であることとしたので、被測定物との接触方向にかかわらず、精度の高い測定結果が得られる。
また本発明においては、前記スタイラスの略球状先端部における剛性が、半径方向と軸方向において同一であることにより、前記精度の高い測定結果が、より確実に得られる。
また本発明においては、エクステンションロッドがスタイラスをその軸方向に変位自在に保持する平行リンク機構を備えることにより、エクステンションロッドを用いても、前記精度の高い測定結果が、より確実に得られる。
また本発明においては、平行リンク機構が板ばねを備えることにより、前記精度の高い測定結果が、より確実に得られる。
また本発明にかかる測定装置によれば、前記接触式プローブを用いることとしたので、被測定物との接触方向にかかわらず、同一の補正情報で、測定結果を補正することができるので、精度の良い試料情報が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる接触式プローブの概略構成の説明図である。
【図２】本実施形態にかかる接触式プローブに用いられるエクステンションロッド及びスタイラスの外観斜視図である。
【図３】本実施形態にかかる接触式プローブに用いられるエクステンションロッドの内部構造の説明図である。
【図４】本実施形態にかかるエクステンションロッドに用いられる平行リンク機構の概略構成の説明図である。
【図５】図４に示した平行リンク機構の作用の説明図である。
【図６】本実施形態にかかる接触式プローブを用いた測定装置の概略構成の説明図である。
【図７】接触式プローブと被測定物との接触状態の説明図である。
【図８】一般的なエクステンションロッドを用いた接触式プローブの説明図である。
【符号の説明】
１１０ スタイラス
１１２ 略球状先端部
１２４ プローブ本体
１２６ エクステンションロッド
１３０ 接触式プローブ
１３４ 平行リンク機構
１４２，１４４ 板ばね
１６０ 三次元測定機（測定装置）
Claims (9)
- 被測定物に対し所定の測定力で任意の方向より接触する略球状先端部をもつスタイラスと、
前記スタイラスを保持するプローブ本体と、を備えた接触式プローブにおいて、
前記スタイラスの略球状先端部における剛性が、その全方向において同一であることを特徴とする接触式プローブ。 - 請求項１記載の接触式プローブにおいて、
前記スタイラスの略球状先端部における剛性が、該スタイラスの軸方向及び該軸方向と略直交する半径方向において同一であることを特徴とする接触式プローブ。 - 請求項１又は２記載の接触式プローブにおいて、
前記スタイラスの軸線上に位置する軸をもち、前記プローブ本体と該スタイラス間に設けられたエクステンションロッドを備え、
前記エクステンションロッドが設けられた状態で、前記スタイラスの略球状先端部における剛性が、その全方向において同一であることを特徴とする接触式プローブ。 - 請求項１〜３のいずれかに記載の接触式プローブにおいて、前記スタイラスの略球状先端部における剛性が、前記軸方向及び半径方向において同一となるように、該スタイラスをその軸方向に変位自在となるように保持する平行リンク機構を備えたことを特徴とする接触式プローブ。
- 請求項４記載の接触式プローブにおいて、
前記平行リンク機構は、前記スタイラス略球状先端部の軸方向への変形量δ３が、下記数１の関係を満足するように、該スタイラスをその軸方向に変位自在に保持することを特徴とする接触式プローブ。
【数１】
δ２＝δ１＋δ３
ただし、前記δ１は、前記スタイラス略球状先端部の軸方向に所定の大きさの測定力を加えた場合の、前記平行リンク機構による変形量を除いた該スタイラス略球状先端部での軸方向への変形量
前記δ２は、前記スタイラス略球状先端部の半径方向に前記測定力と同じ大きさの測定力を加えた場合の、該スタイラス略球状先端部での半径方向への変形量前記δ３は、前記スタイラス略球状先端部の軸方向に前記測定力と同じ大きさの測定力を加えた場合の、前記平行リンク機構による該スタイラス略球状先端部の軸方向への変形量 - 請求項５記載の接触式プローブにおいて、
前記平行リンク機構は、前記数１の関係を満足するように選定された板ばねを備えたことを特徴とする接触式プローブ。 - 請求項６記載の接触式プローブにおいて、
前記板ばねは、前記数１の関係を満足するような寸法ないし材質であることを特徴とする接触式プローブ。 - 請求項３〜７のいずれかに記載の接触式プローブにおいて、前記エクステンションロッドは、前記平行リンク機構を内蔵できるように中空状に構成され、
前記平行リンク機構は、互いに平行に配置され、かつ同じ長さをもつ前記板ばねと共に、平行四辺形を構成するように、互いに平行に配置され、かつ同じ長さをもつ固定部材及び可動部材を備え、
前記固定部材は、前記エクステンションロッド内に固定され、
前記可動部材は、前記エクステンションロッド内で、前記板ばねを介して前記固定部材に対し、前記スタイラスの軸方向に変位し、
前記スタイラスは、前記可動部材に設けられ、該可動部材と共に該固定部材に対し、その軸方向に変位することを特徴とする接触式プローブ。 - 請求項１〜８のいずれかに記載の接触式プローブと、
前記被測定物と前記接触式プローブとの相対移動量に基づいて、前記接触式プローブの座標値情報を得る座標値情報取得手段と、
前記座標値情報取得手段により得られた座標値情報に基づいて、前記被測定物の仮の寸法情報ないし形状情報を得る仮試料情報取得手段と、
前記接触式プローブにより予め得ておいた補正ボール径に基づいて定められた一の補正情報を記憶している補正情報記憶手段と、
前記仮試料情報取得手段により得られた被測定物の仮の寸法情報ないし形状情報を、前記補正情報記憶手段に記憶しておいた一の補正情報で補正し、前記被測定物の真の値とみなし得る寸法情報ないし形状情報を得る真試料情報取得手段と、を備え、前記接触式プローブと被測定物との接触方向にかかわらず、同一の補正情報を用いて、前記仮試料情報取得手段により得られた被測定物の寸法情報ないし形状情報を補正することを特徴とする測定装置。
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|---|---|---|---|---|
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