JP2005043177A

JP2005043177A - 倣いプローブ

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Publication number: JP2005043177A
Application number: JP2003202274A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Yamamoto; 武山本; Takenori Akaike; 武則赤池; Katsuhiko Saegusa; 克彦三枝
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2003-07-28
Filing date: 2003-07-28
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2023-07-28
Also published as: US20050022409A1; JP4330388B2; EP1503174A1; US7076883B2; EP1503174B1

Abstract

【課題】追従性を確保して高応答化を図ることができ、かつ測定精度を十分に向上させることができる倣いプローブを提供すること。
【解決手段】プローブ本体部４に弾性部材５Ｄ，５Ｅ，５Ｆを介して移動自在に支持された測定子６と、プローブ本体部４および測定子６を被測定物に対して微小範囲で移動させる微動手段３，７と、測定子６と被測定物の表面との接触力を検出する接触力検出手段５Ｇと、加速度により測定子６に作用する慣性力を接触力から除外して接触力を補正する接触力補正手段８とを備えて構成される。従って、微動手段３，７をフィードバック制御することで、測定力を調節できるので、追従性を確保して、測定の高応答化、高精度化を図ることができる。また、測定子６の慣性力を除外することで、測定誤差を補正して真の測定力を得ることができ、高精度な測定を実行することができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、倣いプローブに関する。詳しくは、被測定物の表面に沿って駆動される接触式の倣いプローブに関する。
【０００２】
【背景技術】
被測定物（ワーク）表面の粗さやうねりを測定する表面性状測定機等に用いられる倣いプローブにおいて、測定子（スタイラス、接触針）の先端と被測定物表面との接触力（測定力）をできるだけ小さく、かつ一定にさせることが、測定精度を高める点で重要である。このため、測定力を小さくかつ一定に調整することができる倣いプローブが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載された倣いプローブ（座標測定装置のプローブヘッド）は、直交三方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ方向）の各々に関して、設定可能な測定力を発生させる電磁式の測定力発生器を備えて構成されている。そして、測定子の変位（速度）に応じて、その変位と逆向きの信号を制御回路から測定力発生器に加えることで、測定力を小さくし、かつ適宜調節することができるようになっている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−４３０６６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１の倣いプローブでは、測定力発生器を制御して測定力を小さくすると、測定子に対する駆動力も小さくなってしまい、被測定物表面に対する測定子の追従性が低下してしまう。このため、倣いプローブを駆動する駆動速度を遅くして追従性を確保する必要が生じるので、測定速度が高められず、測定時間が遅延化してしまうという問題がある。
さらに、測定子とともに動作する可動部質量が大きいため、測定力を小さくしたことにより、倣いプローブを駆動する際の測定子に作用する加速度が測定精度に影響を及ぼすことになる。すなわち、測定子が加速度を伴って移動すると、この加速度を測定子の質量に乗じた慣性力が移動方向と逆向きに作用することになり、この慣性力が含まれた値として測定力が検出されてしまう。このため、測定力が大きい場合にはさほど問題にはならない慣性力が測定誤差として測定結果に影響を与え、測定精度を十分に高めることができないという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、追従性を確保して高応答化を図ることができ、かつ測定精度を十分に向上させることができる倣いプローブを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の倣いプローブは、被測定物の表面に沿って駆動される倣いプローブであって、プローブ本体部と、このプローブ本体部に弾性部材を介して移動自在に支持されるとともに、前記被測定物の表面に接触し、当該表面に倣って移動する測定子と、前記プローブ本体部および測定子を前記被測定物に対して微小範囲で移動させる微動手段と、前記測定子とプローブ本体部との相対移動量に基づいて、当該測定子と前記被測定物の表面との接触力を検出する接触力検出手段と、加速度を伴う移動によって前記測定子に作用する慣性力を、前記接触力から除外して当該接触力を補正する接触力補正手段とを備え、前記微動手段は、前記補正された接触力が設定範囲内の値となるようにフィードバック制御されて、前記プローブ本体部および測定子を駆動することを特徴とする。
【０００７】
このような構成によれば、接触力が設定範囲内の値となるように微動手段をフィードバック制御し、この制御された微動手段でプローブ本体部および測定子を駆動することで、測定力を調節することができる。従って、測定力ができるだけ小さく、また一定になるように制御することもできるので、追従性を確保して、測定の高応答化を図ることができるとともに、高精度化を促進させることができる。
また、加速度を伴って移動する測定子に作用する慣性力を接触力補正手段によって接触力から除外することで、慣性力による測定誤差を補正することができ、真の測定力を得ることができる。これにより、加速度が測定精度に及ぼす影響を排除して、測定力が小さくても測定誤差のない高精度な測定を実行することができる。従って、例えば、表面性状測定機の駆動アーム等で当該倣いプローブを、低速から高速に急激に速度上昇する（大きな加速度が作用する）ように駆動して、高速な倣い測定を実行しても、高い測定精度を維持させることができる。
【０００８】
請求項２に記載の倣いプローブは、請求項１に記載の倣いプローブにおいて、前記微動手段は、互いに直交する三方向に沿って前記プローブ本体部および測定子を案内する三軸スライダと、この三軸スライダを前記三方向の各方向に移動させる少なくとも３つのアクチュエータとを備えて構成されることを特徴とする。
【０００９】
このような構成によれば、微動手段を三軸スライダおよびアクチュエータで構成したことで、フィードバック制御によりアクチュエータを制御して、三軸スライダの各方向に沿ってプローブ本体部および測定子を駆動させることができる。従って、本発明の倣いプローブが特に三次元測定機に用いられる場合に、三次元方向について測定力を調節することができ、測定の高精度化をさらに促進させることができる。
【００１０】
請求項３に記載の倣いプローブは、請求項１または請求項２に記載の倣いプローブにおいて、前記接触力補正手段は、前記測定子と略同一の質量を有する錘と、この錘と前記測定子とを連結するパンタグラフ機構と、このパンタグラフ機構の中間位置を前記プローブ本体部に対して、当該パンタグラフ機構の延出方向に関して不動に、かつ当該パンタグラフ機構の延出方向に直交する二軸に関して回転自在に支持させるジンバル機構とを備えて構成され、前記測定子に作用する慣性力と、前記錘に作用する慣性力とが、前記パンタグラフ機構を介して釣り合うことで、当該測定子に作用する慣性力が前記接触力から除外されることを特徴とする。
【００１１】
このような構成によれば、錘、パンタグラフ機構、ジンバル機構を備えて接触力補正手段を構成し、錘に作用する慣性力と測定子に作用する慣性力とが釣り合うことで、測定子に作用する慣性力が接触力（測定力）から除外されるので、接触力検出手段で真の接触力を検出することができる。従って、加速度による慣性力の影響を排除して、高精度な測定を実行することができる。
【００１２】
請求項４に記載の倣いプローブは、請求項１または請求項２に記載の倣いプローブにおいて、前記接触力補正手段は、前記測定子に作用する加速度を検出する加速度センサを備え、前記加速度センサで検出した測定子の加速度に基づいて、当該測定子に作用する慣性力を算出するとともに、算出した慣性力を前記接触力検出手段で検出された接触力から除外することで、当該接触力を補正することを特徴とする。
【００１３】
このような構成によれば、加速度センサを備えて接触力補正手段を構成し、加速度センサで検出した測定子の加速度に基づいて、測定子に作用する慣性力を算出するとともに、算出した慣性力を接触力検出手段で検出された接触力（測定力）から除外することで、真の測定力を得ることができる。従って、加速度による慣性力の影響を排除して、高精度な測定を実行することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る倣いプローブの好適な実施形態を挙げ、図面に基づいて詳しく説明する。なお、以下の説明にあたって、同一構成要件については、同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
図１ないし図５には、本発明の第１実施形態が示され、図６、図７には、第２実施形態が示されている。
【００１５】
〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態に係る倣いプローブ１を示す斜視図である。図２は、倣いプローブ１の一部を断面して示す斜視図である。図３および図４は、倣いプローブ１に設けられた接触力補正手段の動作を説明する側面図である。図５は、倣いプローブ１を用いた測定の手順を説明する説明図である。
図１において、倣いプローブ１は、図示しない三次元測定機の駆動アームに取り付けられる取付軸２を備え、駆動アームの移動により互いに直交する三方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ方向）に駆動されるようになっている。すなわち、倣いプローブ１は図１中、下方に配置される図示しない被測定物（ワーク）の表面に沿って、水平二方向（Ｘ，Ｙ方向）および垂直方向（Ｚ方向）に駆動される接触式の三次元倣いプローブである。
【００１６】
倣いプローブ１は、取付軸２の下端に固定された三軸スライダ３と、三軸スライダ３の下方に設けられたプローブ本体部４と、プローブ本体部４に連結された平行リンク機構５と、平行リンク機構５に支持された測定子としてのスタイラス６とを備えて構成されている。このスタイラス６は、接触針６Ａとスタイラス取付部６Ｂとを備えており、接触針６Ａの先端の球状部分がワークの表面に接触するとともに、ワークの表面に倣って移動するようになっている。
【００１７】
三軸スライダ３は、第１〜第３のスライド部材３Ａ，３Ｂ，３Ｃを備えている。第１スライド部材３Ａは、取付軸２の下端に固定され、Ｘ−Ｙ平面（Ｘ軸およびＹ軸に平行な平面、水平面）に平行な板材から形成されている。第１スライド部材３Ａの下面（取付軸２と反対側の面）には、Ｙ軸に平行なガイド（不図示）が設けられている。第２スライド部材３Ｂは、Ｘ−Ｙ平面に平行な板材から形成され、第１スライド部材３Ａ下面のガイドに案内されて、第１スライド部材３Ａに対してＹ方向にスライド自在に支持されている。第２スライド部材３Ｂの下面には、Ｘ軸に平行なガイド（不図示）が設けられている。第３スライド部材３Ｃは、Ｘ−Ｙ平面に平行な板材と、Ｘ−Ｚ平面（垂直面）に平行な板材とから、全体略Ｌ字形に形成されている。そして、第３スライド部材３Ｃは、第２スライド部材３Ｂ下面のガイドに案内されて、第２スライド部材３Ｂに対してＸ方向にスライド自在に支持されている。第３スライド部材３Ｃの垂直面には、Ｚ軸に平行なガイド（不図示）が設けられ、このガイドに案内されて、プローブ本体部４が第３スライド部材３Ｃに対してＺ方向にスライド自在に支持されている。
【００１８】
第１〜第３のスライド部材３Ａ，３Ｂ，３Ｃには、各々１つずつのアクチュエータ７（７Ａ，７Ｂ，７Ｃ）が設けられている。第１スライド部材３Ａの上面に設けられるアクチュエータ７は、第２スライド部材３Ｂを第１スライド部材３Ａに対してＹ方向に移動させるＹ軸アクチュエータ７Ａである。第３スライド部材３Ｃの水平面に設けられるアクチュエータ７は、第３スライド部材３Ｃを第２スライド部材３Ｂに対してＸ方向に移動させるＸ軸アクチュエータ７Ｂである。第３スライド部材３Ｃの垂直面に設けられるアクチュエータ７は、プローブ本体部４を第３スライド部材３Ｃに対してＺ方向に移動させるＺ軸アクチュエータ７Ｃである。
【００１９】
各アクチュエータ７Ａ，７Ｂ，７Ｃは、永久磁石および可動コイルからなるリニアモータや、回転式モータ、圧電素子等の駆動機構を内蔵した本体部７Ｄと、本体部７Ｄから突出したアーム部７Ｅとを備え、図示しないケーブル等で三次元測定機１００（図５）の制御装置１０１（図５）に接続されている。Ｙ軸アクチュエータ７Ａは、本体部７Ｄが第１スライド部材３Ａの上面に固定されるとともに、アーム部７ＥがＹ方向に突出して第２スライド部材３Ｂの側面に連結されている。Ｘ軸アクチュエータ７Ｂは、本体部７Ｄが第３スライド部材３Ｃの水平面下面に固定されるとともに、アーム部７ＥがＸ方向に突出して第２スライド部材３Ｂの側面に連結されている。Ｚ軸アクチュエータ７Ｃは、本体部７Ｄが第３スライド部材３Ｃの垂直面に固定されるとともに、アーム部７ＥがＺ方向に突出してプローブ本体部４の上端に連結されている。
【００２０】
以上のような各アクチュエータ７Ａ，７Ｂ，７Ｃに制御装置から制御信号を加えることで、本体部７Ｄの駆動機構が作動し、アーム部７Ｅを出没駆動して、第２、第３のスライド部材３Ｂ，３Ｃおよびプローブ本体部４が、三次元（Ｘ，Ｙ，Ｚ方向）に駆動されることになる。そして、各アクチュエータ７Ａ，７Ｂ，７Ｃの駆動制御により、第２、第３のスライド部材３Ｂ，３Ｃおよびプローブ本体部４を微小範囲で移動させることができるようになっている。従って、第１〜第３のスライド部材３Ａ，３Ｂ，３Ｃからなる三軸スライダ３、およびＹ軸、Ｘ軸、Ｚ軸の３つのアクチュエータ７Ａ，７Ｂ，７Ｃからなるアクチュエータ７によって、微動手段が構成されている。
また、三軸スライダ３には、図示を省略するが、各スライド部材３Ａ，３Ｂ，３Ｃ、およびプローブ本体部４のＸ，Ｙ，Ｚ方向位置を検出するスケール１０２（図５）が設けられており、このスケール１０２で検出された位置情報が制御装置１０１に送られるようになっている。
【００２１】
プローブ本体部４は、Ｘ−Ｚ平面（垂直面）に平行な板材から形成されており、このプローブ本体部４の下部には、平行リンク機構５が固定されている。
平行リンク機構５は、プローブ本体部４の下部両側からＹ軸に平行に延出する２本の第１リンク部材５Ａと、この第１リンク部材５Ａの間に支持される角形リング状の第２リンク部材５Ｂと、この第２リンク部材５Ｂの上方に支持される角形リング状の第３リンク部材５Ｃとを備えて構成されている。この第３リンク部材５Ｃの下方にスタイラス６が支持されている。これらの各リンク部材５Ａ，５Ｂ，５Ｃおよびスタイラス６は、互いに弾性部材である板ばね５Ｄを介して連結されており、スタイラス６が第１リンク部材５Ａ、つまりプローブ本体部４に対して三次元方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ方向）に移動自在に支持されることとなる。
【００２２】
第１リンク部材５Ａは、基端部がプローブ本体部４に固定されている。第１リンク部材５Ａの先端部には、一対の板ばね５Ｄが上下に対向して互いにＸ−Ｙ平面に平行に取り付けられている。そして、一対の板ばね５Ｄの先端を連結する連結材５Ｈに第２リンク部材５Ｂが固定されている。すなわち、第２リンク部材５Ｂは、４つの板ばね５Ｄを介して第１リンク部材５Ａに支持されていることになる。また、板ばね５Ｄは、その板厚方向であるＺ方向に変形可能になっており、かつ上下の板ばね５Ｄ同士が平行を維持した状態で変形することにより、第２リンク部材５Ｂは、Ｘ−Ｙ平面に平行な状態で第１リンク部材５Ａに対してＺ方向に移動できるようになっている。
【００２３】
第２リンク部材５Ｂの角形リング状の四辺のうち、Ｙ軸に沿った二辺の内側には、一対ずつの板ばね５ＥがＹ−Ｚ平面に平行に上方に延びて取り付けられている。そして、これら４つの板ばね５Ｅの上端に第３リンク部材５ＣのＹ軸に沿った二辺の外側が固定されている。すなわち、第３リンク部材５Ｃは、４つの板ばね５Ｅを介して第２リンク部材５Ｂに支持されていることになる。また、板ばね５Ｅは、その板厚方向であるＸ方向に変形可能になっており、かつ４つの板ばね５Ｅ同士が平行を維持した状態で変形することにより、第３リンク部材５Ｃは、Ｘ−Ｙ平面に平行な状態で第２リンク部材５Ｂに対してＸ方向に移動できるようになっている。
【００２４】
第３リンク部材５Ｃの角形リング状の四辺のうち、Ｘ軸に沿った二辺の外側には、一対ずつの板ばね５ＦがＸ−Ｚ平面に平行に下方に延びて取り付けられている。そして、これら４つの板ばね５Ｆの下端にスタイラス６のスタイラス取付部６ＢのＸ軸に沿った側端縁が固定されている。すなわち、スタイラス６は、４つの板ばね５Ｆを介して第３リンク部材５Ｃに支持されていることになる。また、板ばね５Ｆは、その板厚方向であるＹ方向に変形可能になっており、かつ４つの板ばね５Ｆ同士が平行を維持した状態で変形することにより、スタイラス６は、Ｘ−Ｙ平面に平行な状態で第３リンク部材５Ｃに対してＹ方向に移動できるようになっている。
【００２５】
以上の板ばね５Ｄ，５Ｅ，５Ｆには、これらの板ばね５Ｄ，５Ｅ，５Ｆの変形（歪み）を検出する歪みゲージ５Ｇが取り付けられている。これらの歪みゲージ５Ｇは、図示しないケーブル等で三次元測定機１００（図５）の制御装置１０１（図５）に接続されており、検出した板ばね５Ｄ，５Ｅ，５Ｆの変形（歪み）の値がデータとして制御装置１０１に送られ、このデータからスタイラス６の接触針６Ａとワークとの接触力（測定力）が検出されるようになっている。すなわち、歪みゲージ５Ｇによって、接触力検出手段が構成されている。
なお、接触力検出手段は、歪みゲージ５Ｇに限らず、スタイラス６に作用する接触力が検出できるものであればよい。
【００２６】
また、スタイラス取付部６Ｂは、第２リンク部材５Ｂの角形リング状内部、つまりＺ方向の略同一位置に設けられており、かつ、第２リンク部材５Ｂの内部側面に対して所定のクリアランスを有している。このクリアランスにより、スタイラス６が第３リンク部材５Ｃに対してＹ方向に移動し、また第３リンク部材５Ｃが第２リンク部材５Ｂに対してＸ方向に移動しても、スタイラス６が第２リンク部材５Ｂの内部側面にぶつからないようになっている。
【００２７】
図２において、スタイラス取付部６Ｂの上側には、本実施形態の接触力補正手段８が設けられている。すなわち、スタイラス取付部６Ｂの上面（接触針６Ａの反対側の面）には、平面視で円形の凹部６Ｃが形成されており、この凹部６Ｃに第１のジンバル機構８Ａが設けられている。また、プローブ本体部４の内側面には、平面視で略コ字形の支持部材４ＡがＹ方向に突出して固定されており、この支持部材４Ａの略コ字形の開口部分に第２のジンバル機構８Ｂが設けられている。そして、２つのジンバル機構８Ａ，８Ｂには、上下（Ｚ方向）に伸縮自在に構成されたパンタグラフ機構８Ｃが支持されており、このパンタグラフ機構８Ｃの上端に錘としてのカウンターバランス８Ｄが取り付けられている。従って、これらのジンバル機構８Ａ，８Ｂ、パンタグラフ機構８Ｃ、およびカウンターバランス８Ｄによって、本実施形態の接触力補正手段８が構成されている。
【００２８】
ジンバル機構８Ａ，８Ｂは、図３、４にも示すように、スタイラス取付部６Ｂの凹部６Ｃおよび支持部材４Ａの内側面にＸ軸を中心として回転自在に支持されたリングと、このリングにＹ軸に平行に取り付けられた回転軸８Ｅ，８Ｆとを備えている。そして、これら２つの回転軸８Ｅ，８Ｆにパンタグラフ機構８Ｃの下端および中間位置が軸支されている。すなわち、パンタグラフ機構８Ｃは、ジンバル機構８Ａ，８Ｂを介して、スタイラス取付部６Ｂおよび支持部材４Ａに対して、Ｘ軸およびＹ軸の二軸回りに回転自在に、Ｚ軸回りに回転不能に、かつＸ，Ｙ，Ｚの三方向に関して移動不能に、支持されることになる。
【００２９】
パンタグラフ機構８Ｃは、各々Ｘ−Ｚ平面に平行に設けられ、かつＹ軸回りに回転自在に連結された６つのリンクから、Ｚ方向に伸縮自在に構成されている。すなわち、回転軸８Ｅに２つの下部リンクの各一端が連結され、これら各下部リンクの他端に他の２つの中央リンクの各一端が連結され、これら各中央リンクの中間位置が回転軸８Ｆで連結されるとともに、各中央リンクの他端に他の２つの上部リンクの各一端が連結され、これら各上部リンクの他端同士が連結軸８Ｇで連結されている。この連結軸８Ｇは、回転軸８Ｅ，８ＦとＺ軸に沿った一直線上で、かつ回転軸８Ｆを挟んで回転軸８Ｅと対称位置に設けられている。そして、連結軸８Ｇには、スタイラス６の質量、すなわち接触針６Ａおよびスタイラス取付部６Ｂを合わせた質量と略同一の質量を有したカウンターバランス８Ｄが取り付けられている。
【００３０】
次に、図３〜５に基づいて、本実施形態の倣いプローブ１を用いたワーク表面性状の測定手順を説明する。
図３において、倣いプローブ１は、図中Ｘ方向右側に向かって加速度Ａを伴って移動している。加速度Ａを伴う移動としては、例えば、倣いプローブ１が右方向に増速するように駆動される、あるいは左方向の移動中に減速するように駆動される移動などである。そして、倣いプローブ１に右向きの加速度Ａが作用すると、スタイラス６には、その質量に加速度Ａを乗じた慣性力Ｆ１が左向きに作用し、カウンターバランス８Ｄにも同様に、慣性力Ｆ２が左向きに作用する。ここで、スタイラス６およびカウンターバランス８Ｄの質量が略同一に設定されているので、慣性力Ｆ１，Ｆ２の大きさは、略同一になる。従って、パンタグラフ機構８Ｃで連結されたスタイラス６およびカウンターバランス８Ｄ間で、回転軸８Ｆの位置を中心として、慣性力Ｆ１，Ｆ２が釣り合って、これらの慣性力Ｆ１，Ｆ２がジンバル機構８Ｂおよび支持部材４Ａを介してプローブ本体部４に反力として伝達されることになる。これにより、スタイラス６に作用する慣性力Ｆ１は、平行リンク機構５の歪みゲージ５Ｇにて検出されることがなく、歪みゲージ５Ｇにおいて、スタイラス６の接触針６Ａとワークとの接触による真の測定力が検出されるようになっている。
なお、Ｘ方向左側に向かって、あるいはＹ方向に加速度が作用した場合についても、上述と同様に、スタイラス６の接触針６Ａとワークとの接触による真の測定力が検出されるようになっている。
【００３１】
図４において、倣いプローブ１は、図中Ｚ方向上方に向かって加速度Ａを伴って移動している。そして、倣いプローブ１に上向きの加速度Ａが作用すると、スタイラス６およびカウンターバランス８Ｄには、略同一の大きさの慣性力Ｆ１，Ｆ２が下向きに作用する。これらの慣性力Ｆ１は、パンタグラフ機構８Ｃを上下に引き延ばそうとする力であり、慣性力Ｆ２は、パンタグラフ機構８Ｃを上下に押し縮めようとする力であるため、互いに釣り合うことになる。これにより、スタイラス６に作用する慣性力Ｆ１は、平行リンク機構５の歪みゲージ５Ｇにて検出されることがなく、歪みゲージ５Ｇにおいて、スタイラス６の接触針６Ａとワークとの接触による真の測定力が検出されるようになっている。
【００３２】
また、三次元測定機１００は、図５に示すように、制御装置１０１に測定力を指令するように構成されている。制御装置１０１は、三次元測定機１００からの指令値（大きさと方向を含む測定力指令）、三軸スライダ３に設けられたスケール１０２からのＸ，Ｙ，Ｚ方向の位置情報、および歪みゲージ（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸測定力検出器）５Ｇで上述のように検出された真の測定力を受け取り、これらの情報に基づいて、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の各アクチュエータ７Ｂ，７Ａ，７Ｃを制御する。すなわち、歪みゲージ５Ｇで検出された真の測定力と、三次元測定機１００から指令された測定力との誤差が小さくなるように、アクチュエータ７が制御装置１０１でフィードバック制御されている。このようにして得られた測定力および位置情報に基づいて、三次元測定機１００によるワーク表面性状の測定が実行される。
【００３３】
以上のような本実施形態によれば、次のような効果が得られる。
（１）三次元測定機１００からの指令値に基づいて、アクチュエータ７をフィードバック制御し、この制御されたアクチュエータ７でプローブ本体部４およびスタイラス６を微小範囲で移動させることで、測定力が設定範囲内の値となるように調節することができる。従って、測定力ができるだけ小さく、また一定になるように制御することもできるので、スタイラス６のワークに対する追従性を確保して、測定の高応答化を図ることができるとともに、高精度化を促進させることができる。
【００３４】
（２）また、倣いプローブ１が加速度Ａを伴って移動する際に、スタイラス６に作用する慣性力Ｆ１と、接触力補正手段８のカウンターバランス８Ｄに作用する慣性力Ｆ２とが釣り合って、スタイラス６に作用する慣性力Ｆ１が接触力から除外されることで、慣性力Ｆ１による測定誤差を補正することができ、真の測定力を得ることができる。これにより、加速度Ａが測定精度に及ぼす影響を排除して、測定力が小さくても測定誤差のない高精度な測定を実行することができる。従って、例えば、倣いプローブ１を低速から高速に急激に速度上昇する（大きな加速度が作用する）ように駆動して、高速な倣い測定を実行しても、高い測定精度を維持させることができる。
【００３５】
（３）三軸スライダ３およびアクチュエータ７で微動手段を構成したことで、フィードバック制御によりアクチュエータ７を制御して、三軸スライダ３の各駆動方向に沿ってプローブ本体部４およびスタイラス６を駆動させることができる。従って、倣いプローブ１で検出される測定力を三次元方向について調節することができ、測定の高精度化をさらに促進させることができる。
【００３６】
（４）スタイラス６を支持する平行リンク機構５を板ばね５Ｄを介して連結された第１〜第３のリンク部材５Ａ，５Ｂ，５Ｃから構成し、第１リンク部材５Ａ、第２リンク部材５Ｂ、およびスタイラス６のスタイラス取付部６ＢがＺ軸方向の略同一位置に設けたので、特にＺ方向に関して倣いプローブ１をコンパクトに構成することができる。
【００３７】
〔第２実施形態〕
図６は、第２実施形態に係る倣いプローブ１０の一部を断面して示す斜視図である。図７は、倣いプローブ１０を用いた測定の手順を説明する説明図である。第２実施形態の倣いプローブ１０では、接触力補正手段の構成が、前述の第１実施形態と相違する。それ以外の構成は、第１実施形態と略同様である。
【００３８】
図６において、スタイラス６のスタイラス取付部６Ｂ上面には、加速度センサ（加速度計）１１が設けられている。加速度センサ１１は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸に沿った三方向の加速度を検出できる三軸加速度センサであって、スタイラス６に作用するＸ，Ｙ，Ｚ方向の加速度が検出できるようになっている。そして、加速度センサ１１は、図示しないケーブル等で三次元測定機１００（図７）の制御装置１０１（図７）に接続されており、検出された加速度は、データとして制御装置１０１に送られる。
【００３９】
図７において、加速度センサ１１からの加速度に基づいて、制御装置１０１で演算処理される。すなわち、検出された加速度とスタイラス６の質量とを乗じてスタイラス６に作用する慣性力を算出するとともに、算出した慣性力を歪みゲージ（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸測定力検出器）５Ｇで検出された測定力から減算する。この演算により、スタイラス６の接触針６Ａとワークとの接触による真の測定力が検出されるようになっている。このため、本実施形態において、接触力補正手段は、加速度センサ１１、および加速度センサ１１で検出された加速度に基づく演算処理によって構成されることになる。
【００４０】
そして、制御装置１０１は、三次元測定機１００からの指令値、三軸スライダ３に設けられたスケール１０２からのＸ，Ｙ，Ｚ方向の位置情報、および算出された真の測定力に基づいて、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の各アクチュエータ７Ｂ，７Ａ，７Ｃを制御する。すなわち、算出された真の測定力と、三次元測定機１００から指令された測定力との誤差が小さくなるように、アクチュエータ７が制御装置１０１でフィードバック制御されている。このようにして得られた測定力および位置情報に基づいて、三次元測定機１００によるワーク表面性状の測定が実行される。
【００４１】
以上のような本実施形態によれば、前述の（１）、（３）、（４）の効果と略同様の効果に加えて、次のような効果が得られる。
（５）加速度センサ１１を備えて接触力補正手段を構成し、加速度センサ１１で検出したスタイラス６の加速度に基づいて、スタイラス６に作用する慣性力を算出するとともに、算出した慣性力を歪みゲージ５Ｇで検出された接触力（測定力）から除外することで、真の測定力を得ることができる。従って、加速度による慣性力の影響を排除して、高精度な測定を実行することができる。
【００４２】
（６）また、接触力補正手段の構成が簡単にできるので、倣いプローブ１０の構造を簡単にして、小型化、軽量化を図ることができる。
【００４３】
なお、本発明の倣いプローブは、上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えることができる。
【００４４】
例えば、前記実施形態では、倣いプローブ１，１０として三次元測定機に用いられる三次元倣いプローブについて説明したが、これに限らず、スタイラスが一次元あるいは二次元に移動可能に構成された倣いプローブであってもよい。この際、接触力検出手段、接触力補正手段、および微動手段等もスタイラスの移動方向に応じて、当該方向の測定力を検出でき、その測定力を当該方向についての慣性力を除外して補正し、当該方向にスタイラスを微駆動できるものであればよい。
【００４５】
また、微動手段を三軸スライダ３およびアクチュエータ７から構成したが、これに限らず、微動手段を異なる駆動機構で構成してもよい。例えば、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向のいずれかの方向について駆動しないように構成、つまり一軸、あるいは二軸の自由度を有する微動手段を構成してもよい。すなわち、スタイラスによる測定力の検出は三次元方向で実行されるとしても、測定精度および測定速度等の実用上の理由から、フィードバック制御により微小範囲で駆動する必要性が少ない方向について、微動手段の駆動を省略してもよい。
【００４６】
また、スタイラス６をプローブ本体部４に支持させる機構は、平行リンク機構５に限らず、同様の作用を有する機構で構成してもよい。また、弾性部材は、板ばね５Ｄ，５Ｅ，５Ｆに限らず、スライダとコイルばねとを組み合わせて構成してもよく、また、その他の構成であってもよい。さらに、歪みゲージ５Ｇ（接触力補正手段）を板ばね５Ｄ，５Ｅ，５Ｆに取り付けたが、スタイラスとワークとの接触力を検出できる位置であれば、接触力補正手段の取付位置は、特に限定されない。
【００４７】
また、前記第１実施形態では、接触力補正手段８をパンタグラフ機構８Ｃやジンバル機構８Ａ，８Ｂから構成したが、これに限らず、同様の作用が得られるリンク機構を採用してもよい。また、例えば、Ｚ方向についての接触力補正が実用上不要である場合などにおいては、Ｚ方向に伸縮する機構が不要になるので、スタイラスとカウンターバランスとが１本の棒材等で連結され、この棒材の延出方向中心位置が二軸（Ｘ，Ｙ軸）回りに回転可能に支持された構成が採用できる。
【００４８】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の倣いプローブによれば、追従性を確保して高応答化を図ることができ、かつ測定精度を十分に向上させることができるという効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る倣いプローブを示す斜視図である。
【図２】前記倣いプローブの一部を断面して示す斜視図である。
【図３】前記倣いプローブに設けられた接触力補正手段の動作を説明する側面図である。
【図４】前記倣いプローブに設けられた接触力補正手段の動作を説明する側面図である。
【図５】前記倣いプローブを用いた測定の手順を説明する説明図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る倣いプローブの一部を断面して示す斜視図である。
【図７】前記倣いプローブを用いた測定の手順を説明する説明図である。
【符号の説明】
１，１０倣いプローブ
３三軸スライダ
４プローブ本体部
５平行リンク機構
５Ｄ，５Ｅ，５Ｆ板ばね（弾性部材）
５Ｇ歪みゲージ（接触力補正手段）
６スタイラス（測定子）
７アクチュエータ
８接触力補正手段
８Ａ，８Ｂジンバル機構
８Ｃパンタグラフ機構
８Ｄカウンターバランス（錘）
８Ｅ，８Ｆ回転軸
１１加速度センサ
Ａ加速度
Ｆ１，Ｆ２慣性力

Claims

被測定物の表面に沿って駆動される倣いプローブであって、
プローブ本体部と、
このプローブ本体部に弾性部材を介して移動自在に支持されるとともに、前記被測定物の表面に接触し、当該表面に倣って移動する測定子と、
前記プローブ本体部および測定子を前記被測定物に対して微小範囲で移動させる微動手段と、
前記測定子とプローブ本体部との相対移動量に基づいて、当該測定子と前記被測定物の表面との接触力を検出する接触力検出手段と、
加速度を伴う移動によって前記測定子に作用する慣性力を、前記接触力から除外して当該接触力を補正する接触力補正手段とを備え、
前記微動手段は、前記補正された接触力が設定範囲内の値となるようにフィードバック制御されて、前記プローブ本体部および測定子を駆動することを特徴とする倣いプローブ。
請求項１に記載の倣いプローブにおいて、
前記微動手段は、互いに直交する三方向に沿って前記プローブ本体部および測定子を案内する三軸スライダと、この三軸スライダを前記三方向の各方向に移動させる少なくとも３つのアクチュエータとを備えて構成されることを特徴とする倣いプローブ。
請求項１または請求項２に記載の倣いプローブにおいて、
前記接触力補正手段は、
前記測定子と略同一の質量を有する錘と、
この錘と前記測定子とを連結するパンタグラフ機構と、
このパンタグラフ機構の中間位置を前記プローブ本体部に対して、当該パンタグラフ機構の延出方向に関して不動に、かつ当該パンタグラフ機構の延出方向に直交する二軸に関して回転自在に支持させるジンバル機構とを備えて構成され、
前記測定子に作用する慣性力と、前記錘に作用する慣性力とが、前記パンタグラフ機構を介して釣り合うことで、当該測定子に作用する慣性力が前記接触力から除外されることを特徴とした倣いプローブ。
請求項１または請求項２に記載の倣いプローブにおいて、
前記接触力補正手段は、前記測定子に作用する加速度を検出する加速度センサを備え、前記加速度センサで検出した測定子の加速度に基づいて、当該測定子に作用する慣性力を算出するとともに、算出した慣性力を前記接触力検出手段で検出された接触力から除外することで、当該接触力を補正することを特徴とした倣いプローブ。