JP3205060B2 - 切換型プローブヘッド - Google Patents

切換型プローブヘッド

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JP3205060B2
JP3205060B2 JP18337192A JP18337192A JP3205060B2 JP 3205060 B2 JP3205060 B2 JP 3205060B2 JP 18337192 A JP18337192 A JP 18337192A JP 18337192 A JP18337192 A JP 18337192A JP 3205060 B2 JP3205060 B2 JP 3205060B2
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/002Constructional details of contacts for gauges actuating one or more contacts
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B3/00Measuring instruments characterised by the use of mechanical techniques
    • G01B3/002Details
    • G01B3/008Arrangements for controlling the measuring force

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は例えば座標測定器で使用
され、あるいは加工機械でワークを測定するのに使用さ
れる切換型プローブヘッドに関する。
【0002】切換型プローブヘッドは走査ピン支持体の
ゼロ位置を極めて正確に決定する支承機構を備えてお
り、走査ピン支持体、要するにプローブヘッドの可動部
分は走査過程前にこのゼロ位置に位置する。走査過程終
了後、そのつどこの可動部分は再びこのゼロ位置に復帰
する。この支承機構は一般に静的に規定された3点支持
機構として形成されており、例えば1平面内に位置する
3つの球対内に半径方向で突出した円筒体が係合するよ
うになっているか、あるいは3つのV字形の切欠き内に
3つの球が係合するようになっているか、あるいはこれ
らと技術的に同等に形成されている。しかし、これらす
べての支承機構の欠点とするところは、可動部分が普通
に弾発されているため、側方向への走査時に偏倚力が極
めて非対称的となってしまうことにある。それというの
は、走査ピン支持体は走査方向に応じて、あるときは1
つの支持点を介して、またあるときは2つの支持点の結
合線を介して走査ピン軸線の近くで傾倒する可能性があ
るからである。このように走査力が不均一となると、走
査されたワーク表面の位置を特徴づける走査パルスの発
生前に、それぞれ異なる走査力がそれぞれ異なる大きさ
のたわみを検出エレメントに与える結果になるため、測
定が不正確となる。
【0003】この問題点はすでによく知られており、静
的に余裕のない寸法の支承機構をプローブヘッドの可動
部分のために使用することでこの問題を解決する試みが
なされており、その場合、走査ピン支持体は著しく多く
の点又は環状の支持部分上に載着される。
【0004】例えば、ドイツ連邦共和国特許出願公開代
1937154号明細書にはコピーセンサが記載されて
おり、その可動部分は支承機構の領域内で皿状に形成さ
れており、かつその外周部でコピーセンサの定置部分の
環状の支持部上に支持されている。可動部分は環状平面
内でセンタリングされて、2層のダイヤフラムにより軸
方向で環状の支持部へ弾発されている。そのため、両ダ
イヤフラムは休止位置で若干互いに拡張されている。し
かし、これによりセンタリングの安定度が比較的悪くな
る。さらに、両ダイヤフラムはその縁により互いに結合
されており、これにより、ダイヤフラムを過剰に伸長さ
せないと偏倚運動量が比較的わずかとなる。
【0005】米国特許第3566479号明細書では測
定型プローブヘッドが記載されており、その可動部分は
ダイヤフラムによってセンタリングされている。可動部
分に固定された1層のダイヤフラムは休止位置で定置部
分の環状フランジ上に支持されているか若しくはこの環
状フランジへ弾発されている。この場合の支承形式でも
わずかな偏倚量しか許容されず、休止位置での可動部分
の角度位置は、環状フランジの直径が小さいことと、可
動部分と環状フランジとの間の半径方向の間隔が小さい
こととにより、極めて低い精度でしか決定されない。
【0006】EP−A2−0303831号明細書に記
載された切換型プローブヘッドでは、その走査ピン支持
体が互いに上下に位置する5つの板によりセンタリング
されており、板はそぞれ対を成してその端部で互いに結
合されておりかつ座標方向に対して平行に位置する規定
された軸を介して結合ピン支持体の傾倒を可能ならしめ
ている。しかし、走査ピン支持体は走査ピンの軸線方向
で3又は4つの支持点上に載着されている。この公知プ
ローブヘッドも、平面内での走査ピン支持体の復帰精度
に関して、要するにセンタリング精度並びに走査力の均
一性に関して不十分である。その上、このプローブヘッ
ドの構造は傾倒軸線が直角に配置されているため比較的
大きい。
【0007】
【発明の課題】本発明の課題は切換型プローブヘッドの
構造を可能なかぎり簡単にすると共に、走査力が走査方
向に依存せず、走査ピン支持体のゼロ位置が可能な限り
正確かつ安定して再現されるようにすることにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決した本発
明の要旨は、切換型プローブヘッドであって、走査ピン
を支持する可動部分が休止位置でダイヤフラム部分若し
くは板ばね部分によりセンタリングされており、かつ軸
方向でプローブヘッドの定置部分へ弾発されていてダイ
ヤフラム部分若しくは板ばね部分を介して定置部分に当
接しており、このダイヤフラム部分若しくは板ばね部分
が互いに上下に位置する複数のダイヤフラムリング若し
くは板ばねリングから成っており、これらのダイヤフラ
ムリング若しくは板ばねリングは部分的に互いに結合さ
れており、かつその平面により軸方向で互いに支持され
ていると共に定置部分と可動部分とに支持されているこ
とにある。
【0009】本発明による支承機構は静的に余裕のない
形式の支承機構に属する。その根本思想はすべての自由
度をただ1つの構成部材によって賄うことにある。この
構成部材は互いに上下に接触して位置する複数のダイヤ
フラム若しくはばねリングから形成される。走査ピン支
持体のゼロ位置内ではこのばねリングが平坦に互いに上
下に接触して位置するため、この構成部材は平面内で著
しく大きな剛性を有し、従って走査ピン支持体のために
大きな戻し力精度が得られる。それにもかかわらず、ダ
イヤフラムの誤った変形の危険を生じることなく、走査
ピンの偏倚量が増大する。
【0010】プローブヘッドの可動部分、要するに走査
ピン支持体は一般的に、ばね又は磁力により定置部分へ
弾発される。ばね力はダイヤフラム若しくは板ばね部分
の固有弾性により生じてもよい。そのことの利点とする
ところは、付加的な他のばねを省けること、、これによ
り、プローブヘッドが短く形成できることである。それ
というのは、付加的な圧縮コイルばねを省くことができ
れば、圧縮コイルばねの長さ分の寸法及びその保持部の
全長分の寸法を節約することができる。
【0011】ダイヤフラムの固有の弾性のばね力によ
り、かつ付加的には磁力により、可動部分が定置部分へ
弾発されていると、特に有利である。それというのは、
ばね力と磁力との重畳により、ほぼコンスタントな、場
合により降下するばね特性曲線を実現することができ、
要するに、走査力がコンスタントとなるか、若しくは偏
倚量の増大に伴い減少するからである。従来圧縮ばねに
よる弾発時に生じる問題、例えば検出部材による敏感な
表面の損傷、細い走査ピンの破損などが回避される。
【0012】磁力を得るために、別の付加的な部材を必
要としない。それというのは、可動部分である走査ピン
支持体若しくはばねリング自体を磁化するだけで足りる
からである。ばねリングが平らな形状を有していること
により磁化が簡単に実現される。しかし、軸方向に移動
調節可能な永久磁石を使用することもできる。なぜなら
ば、このようにすれば磁力を調節してばね力に適合する
ことができるからである。
【0013】互いに上下位置するダイヤフラム若しくは
板ばねリングの数は少なくとも2つであり、申し分のな
い偏倚と十分なセンタリング強度とを得るためには3つ
のばねリングを設けるのか特に効果的である。これらの
ばねリングは効果的には各ばねリングの結合箇所が走査
ピン縦軸線回りにそれぞれ角120度互いにずれるよう
に互いに結合される。この構成によれば、走査力の極め
て均一な分布が生じる。
【0014】
【実施例】図1に示すプローブヘッドは円筒状の定置の
ケーシング部分1を備えており、このケーシング部分の
上端は取り外し可能なカバーにより閉鎖されている。こ
のカバーには例えば座標測定器にプローブヘッドを取り
付けるためのピン14が一体に形成されている。
【0015】ケーシング部分1は下側に環状フランジ1
1を備えており、環状フランジの内側に可動の走査ピン
支持体が支持されている。この走査ピン支持体は板状部
材2と、環状フランジ11の中央孔を貫通した円筒部4
から成っており、この円筒部4内には走査ピン5がねじ
嵌められており、この走査ピンはその下端に接触球6を
支持している。走査ピン支持体の円筒部4と板状部材2
との間に環状の圧電素子3が挿入されて例えば接着され
ている。この圧電素子は走査パルスの発生のための信号
発生器として役立ち、このことのために、プローブヘッ
ド内に挿入された中間板10上に配置された図示しない
増幅電気器械にケーブルを介して接続されている。
【0016】走査ピン支持体の板2はばね7により定置
のケーシング部分に設けた環状フランジ11へ向かって
弾発されている。ばね力の調節のために、プローブヘッ
ドの中間板10に設けた調節ねじ9が役立っており、こ
の調節ねじ9はその先端で、ばねの上端に固定された圧
力板8に、若しくはこの圧力板8に形成した円錐形の切
欠き内に押圧されている。
【0017】走査ピン支持体の板2はじかに互いに上下
に配置された3つのばねリング13a,13b,13c
を介して環状フランジ11上に接触支持されている。こ
れらのばねリングは、符号zで示された走査ピン縦軸線
に対して垂直な1平面内で走査ピン支持体をセンタリン
グしていると共に、この走査ピン縦軸線方向Zで支持部
を形成している。
【0018】3つのばねリング13a,13b,13c
は図2(端面図)及び図3(側面図)から判るように、
互いに上下にそれぞれ1箇所で固定的に互いに結合され
ている。すなわち、環状フランジ11はハッチングを施
した範囲14d内でばねリング13cに結合されてお
り、ばねリング13cはハッチングを施した範囲14c
内で次のばねリング13bに結合されており、このばね
リング13bはハッチングを施した範囲14b内で第3
のばねリング13aに結合されている。このばねリング
13aは、ハッチングを施した範囲14a内で可動の走
査ピン支持体の板2に結合されている(図2の端面図で
はハッチングを施した範囲14aと14dとが重なって
見える)。範囲14a〜14dにおける結合は面状に例
えば接着又は溶接によりおこなわれている。
【0019】上述の結合箇所はそれぞれ走査ピン縦軸線
を中心として角120度づつ離れて位置している。
【0020】休止位置では、3つの薄いばねリング13
a〜13cがじかに互いに接触して位置しており、これ
により、走査ピン支持体を高い精度でケーシング1に対
してセンタリングすることができる。環状フランジ1
1、板2及び3つのばねリング13a〜13cは高い精
度で平面的に製作できるから、これらのものは同時に、
軸線zの方向で接触球6の位置を規定する支持部をも形
成する。
【0021】軸線zに対して垂直な偏倚運動時に板2は
外周部の近傍のある1点を中心として傾倒し、その結
果、極めて均一な走査力が走査方向に依存せずに生じ
る。この場合、3つのばねリングから成るダイヤフラム
は任意に変形しかつあらゆる方向に撓むことができる。
【0022】図4に示すプローブヘッドは図1から図3
までに示す実施例に比して、付加的にZ方向での偏倚運
動をも許容する。換言すれば、走査ピン25は、例えば
水平に位置する孔の走査時に偏倚運動が必要となった場
合には、定置のケーシング部分21から下向きにも偏倚
可能である。このことのために 下方に開いた円筒状の
定置のケーシング部分21の下方に中間リング31が環
状のダイヤフラム34により支承される。この環状のダ
イヤフラム34は互いに上下に位置する2つのばねリン
グから成り、このばねリングは図2及び図3ですでに説
明したように形成されている。ダイヤフラム34のこの
2つのばねリングは中間リング31をセンタリングする
と共に、Z方向での中間リング31の位置を決定する支
持部を形成する。
【0023】中間リング31上には同様に走査ピン支持
体が第2のダイヤフラム33を介して支承されている。
このダイヤフラムは図1で説明したのと同様に形成され
た3つのばねリング33a,33b,33cから成って
いる。この走査ピン支持体は同様に板22と、円筒状部
分24とから成り、これら両方の部材22,24間には
圧電材料から成るリング状の板23が挿入されている。
ダイヤフラム34は、その直径がダイヤフラム33の直
径に比して大きく、従って取り消しできない変形を生じ
ることなくダイヤフラム33の許容する同じ行程を実現
するためには2つのばねリングで十分であるので、2つ
のばねリングしか備えていない。
【0024】プローブヘッド21の可動部分はプローブ
ヘッドの上部に配置した3つのばね27a,27b,2
7cにより緊定されている。これらのばね27a,27
b,27cは3本のロープ29a,29b,29cと、
中間リング31に配置した3つの偏向ローラ28a,2
8b,28cと、定置部分21に配置した別の偏向ロー
ラ38a,38b,38cとを介して、滑車装置のよう
に走査ピン支持体の板22をダイヤフラム33へ向けて
引っ張っていると共に、中間リング31をダイヤフラム
34に向けて引っ張っている。
【0025】プローブヘッド全体は図1に示されたプロ
ーブヘッドと同様にベローズ32により、汚れ、ダスト
などの侵入から保護又は閉鎖されている。
【0026】図5に示す実施例では、プローブヘッドか
図1のプローブヘッドと同様に形成されている。それい
え、同じ部分を図1の数字符号に40を加えた数字符号
で示し、ここでは繰り返し説明しない。図1のプローブ
ヘッドとの相違点は、可動の走査ピン支持体の板42を
弾発するための圧縮ばねを省いたことにある。その代わ
り、ダイヤフラムを成す3つのばねリング53a,53
b,53cの弾性度及び強度は、最大に許容される偏倚
運動時でもばね力が特定の走査力F0より下にとどまる
ように設定される。プローブヘッドの定置部分41に設
けた環状フランジ51は強磁性材料から成り、走査ピン
支持体の板42にはその外周部の比較的近くでダイヤフ
ラムのばねリング53a,53b,53cの上方に調整
ねじ48a,48b,48cとして形成された3つの永
久磁石47(図面では1つしか見えない)が挿入されて
いる。これらの永久磁石は、走査ピン45の休止位置で
プローブヘッドの特定された走査力に相応する基本力F
0を生じる。この基本力は偏倚運動の途上において走査
ピン支持体が永久磁石47により環状フランジ51から
持ち上げられた場合に明確に減少する。寸法を適当に選
択すれば、永久磁石47及び3つのばねリングの力と移
動距離との相関的な特性が図6の破線及び1点鎖線で示
す特性曲線となり、これにより、実線で示すように、偏
倚運動中の走査力がほぼコンスタントになるか若しくは
特定された値F0から若干降下するような特性を得るこ
とができる。圧縮ばね及びその保持部材を省くことがで
きることにより、このプローブヘッドは図1に示すプロ
ーブヘッドに比して短く形成され、その上、走査過程の
途上において、走査力が特定の値を決して上回らず、走
査ピン又はワークの損傷の危険を確実に回避することが
できる。
【0027】ばねリング53a,53b,53c又は板
42若しくは環状フランジ51が磁化可能な材料から成
り、組込み前に適切に磁化されていれば、調節可能な永
久磁石47を全部省くことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例の縦断面図である。
【図2】図1に示すダイヤフラムの端面図である。
【図3】図1に示すダイヤフラムの側面図である。
【図4】本発明の第2実施例の縦断面図である。
【図5】本発明の第3実施例の縦断面図である。
【図6】図5に示すプローブヘッドの走査力と走査ピン
の偏倚量との相関関係を示す線図である。
【符号の説明】
1 定置のケーシング部分、 2 板状の部材、 3
圧電素子、 4 円筒部、 5 走査ピン、 6 接触
球、 7 ばね、 8 圧力板、 9 調節ねじ、 1
0 中間板、 11 環状フランジ、 12 ベロー
ズ、 13a,13b,13c ばねリング、 14
a,14b,14c 範囲、 21 定置のケーシン
グ部分、 22 板、 24 円筒部、 25 走査ピ
ン、 27a,27b,27c ばね、 28a,28
b,28c 偏向ローラ、 29a,29b,29c
ロープ、 31 中間リング、 32 圧電材料から成
る板、33,34 ダイヤフラム、 41 定置部分、
42 板、 47 永久磁石、 48 調節ねじ、
51 環状フランジ、 53a,53b,53c ばね
リング
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 2/00 - 21/32

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 切換型プローブヘッドであって、走査ピ
    ン(5)を支持する可動部分(2)が休止位置でダイヤ
    フラム部分若しくは板ばね部分(13)によりセンタリ
    ングされており、かつ軸方向でプローブヘッドの定置部
    分(1)へ弾発されていてダイヤフラム部分若しくは板
    ばね部分を介して定置部分に当接しており、このダイヤ
    フラム部分若しくは板ばね部分が互いに上下に位置する
    複数のダイヤフラムリング若しくは板ばねリング(13
    a,13b,13c)から成っており、これらのダイヤ
    フラムリング若しくは板ばねリングは部分的に互いに結
    合されており、かつその平面により軸方向で互いに支持
    されていると共に定置部分と可動部分とに支持されてい
    ることを特徴とする切換型プローブヘッド。
  2. 【請求項2】 切換型プローブヘッドであって、走査ピ
    ン(5)を支持する可動部分(2)が休止位置でダイヤ
    フラム部分若しくは板ばね部分(13)によりセンタリ
    ングされており、かつ軸方向でプローブヘッドの定置部
    分(1)へ弾発されていてダイヤフラム部分若しくは板
    ばね部分を介して定置部分に当接しており、このダイヤ
    フラム部分若しくは板ばね部分が互いに上下に位置する
    複数のダイヤフラムリング若しくは板ばねリング(13
    a,13b,13c)から成っており、これらのダイヤ
    フラムリング若しくは板ばねリングは部分的に互いに結
    合されており、かつその平面により軸方向で互いに支持
    されていると共に定置部分と可動部分とに支持されてお
    り、可動部分(42)は、ばね力と付加的に磁力とによ
    り、可動部分の上向きの偏倚時に戻し力がほぼ同じにと
    どまるか又は減少するように定置部分(51)へ弾発さ
    れていることを特徴とする切換型プローブヘッド。
  3. 【請求項3】 切換型プローブヘッドであって、走査ピ
    ン(5)を支持する可動部分(2)が休止位置でダイヤ
    フラム部分若しくは板ばね部分(13)によりセンタリ
    ングされており、かつ軸方向でプローブヘッドの定置部
    分(1)へ弾発されていてダイヤフラム部分若しくは板
    ばね部分を介して定置部分に当接しており、このダイヤ
    フラム部分若しくは板ばね部分が互いに上下に位置する
    複数のダイヤフラムリング若しくは板ばねリング(13
    a,13b,13c)から成っており、これらのダイヤ
    フラムリング若しくは板ばねリングは部分的に互いに結
    合されており、かつその平面により軸方向で互いに支持
    されていると共に定置部分と可動部分とに支持されてお
    り、ダイヤフラム部分若しくは板ばね部分が、互いに上
    下に位置する3つのばねリング(13a,13b,13
    c,53a,53b,53c)から成ることを特徴とす
    切換型プローブヘッド。
  4. 【請求項4】 切換型プローブヘッドであって、走査ピ
    ン(5)を支持する可動部分(2)が休止位置でダイヤ
    フラム部分若しくは板ばね部分(13)によりセンタリ
    ングされており、かつ軸方向でプローブヘッドの定置部
    分(1)へ弾発されていてダイヤフラム部分若しくは板
    ばね部分を介して定置部分に当接しており、このダイヤ
    フラム部分若しくは板ばね部分が互いに上下に位置する
    複数のダイヤフラムリング若しくは板ばねリング(13
    a,13b,13c)から成っており、これらのダイヤ
    フラムリング若しくは板ばねリングは部分的に互いに結
    合されており、かつその平面により軸方向で互いに支持
    されていると共に定置部分と可動部分とに支持されてお
    り、ダイヤフラム部分若しくは板ばね部分が、互いに上
    下に位置する3つのばねリング(13a,13b,13
    c,53a,53b,53c)から成っており、板ばね
    リング(13a,13b,13c)の結合箇所(14
    a,14b,14c)がそれぞれ角120度づつ走査ピ
    ン縦軸線回りにずれていることを特徴とする切換型プロ
    ーブヘッド。
  5. 【請求項5】 切換型プローブヘッドであって、走査ピ
    ン(5)を支持する可動部分(2)が休止位置でダイヤ
    フラム部分若しくは板ばね部分(13)によりセンタリ
    ングされており、かつ軸方向でプローブヘッドの定置部
    分(1)へ弾発されていてダイヤフラム部分若しくは板
    ばね部分を介して定置部分に当接しており、このダイヤ
    フラム部分若しくは板ばね部分が互いに上下に位置する
    複数のダイヤフラムリング若しくは板ばねリング(13
    a,13b,13c)から成っており、これらのダイヤ
    フラムリング若しくは板ばねリングは部分的に互いに結
    合されており、かつその平面により軸方向で互いに支持
    されていると共に定置部分と可動部分とに支持されてお
    り、可動部分(22)が間接的に中間リング(31)へ
    弾発されており、この中間リングは逆の弾発方向で少な
    くとも1つのダイヤフラム部分若しくは板ばね部分(3
    4)を介して定置部分(21)にセンタリングされてお
    り、このダイヤフラム部分若しくは板ばね部分(34)
    が、部分的に互いに結合されその平面で軸方向にじかに
    互いに上下に支持された複数のダイヤフラムリング若し
    くは板ばねリングから成っており、このダイヤフラムリ
    ング若しくは板ばねリングが、定置部分と可動部分とに
    支持されていることを特徴とする切換型プローブヘッ
    ド。
JP18337192A 1991-07-12 1992-07-10 切換型プローブヘッド Expired - Fee Related JP3205060B2 (ja)

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