JP3294269B2

JP3294269B2 - 接触プローブ

Info

Publication number: JP3294269B2
Application number: JP50210593A
Authority: JP
Inventors: マクマートリィ，デイヴィッド，ロバーツ; ハジュキヴィツ，ピーター
Original assignee: レニショウメタロジィリミテッド
Priority date: 1991-07-11
Filing date: 1992-07-09
Publication date: 2002-06-24
Anticipated expiration: 2017-06-24
Also published as: EP0548328B1; DE69216063T2; WO1993001466A1; EP0548328A1; GB9114945D0; DE69216063D1; JPH06501776A

Description

【発明の詳細な説明】発明の背景発明の技術分野本発明は、例えば、工作機械や座標測定機の如き座標
位置決め装置に使用される接触プローブに関する。

なお、本明細書の記述は本件出願の優先権の基礎たる
英国特許出願9114945.0号の明細書の記載に基づくもの
であって、当該英国特許出願の番号を参照することによ
って当該英国特許出願の明細書の記載内容が本明細書の
一部分を構成するものとする。

このようなプローブは、作業対象物に接触する測定チ
ップを有するスタイラスが保持されたものについて、米
国特許第4,153,998号にて知られており、装置の可動腕
に結合できるプローブを有する固定構造物からなる。作
業対象物の表面の位置は、この位置が測定される表面に
接触状態となるスタイラスの測定チップを動かす装置を
操作し、前記測定チップと前記表面との接触をプローブ
にて検出することにより測定される。測定チップが前記
表面に接触した後に可動腕が動き続けた際に、スタイラ
スの損傷を防止する目的で、スタイラスは固定構造物に
支持されたスタイラス支持部材に取り付けられ、スタイ
ラスに振れ力が与えられた時にこのスタイラスが静止位
置外へ変位し、前記振れ力が解除された時に前記静止位
置に戻る。このスタイラス支持部材の振れは『越動（オ
ーバートラベル）』として知られている。固定構造物に
対するスタイラス支持部材の良好な位置再現性は前記測
定表面の位置が正確に測定されるために必要となる。

折りに触れて、プローブに取り付けられたスタイラス
を交換することが望ましいことがある。例えば、測定対
象物の異なる形状の測定は異なった形状や長さのスタイ
ラスの使用を必要とする。

関連技術の説明スタイラスの交換システムは米国特許第4,649,623号
で知られており、スタイラス支持部材上の保持部材を有
し、異なった種類のスタイラスを含むラックから選択さ
れたスタイラスは磁気的に保持される。一つのスタイラ
スは保持部材とこの保持部材に支持されたスタイラスと
の間の磁力を無効にする電磁石を使用することによって
ラックの別のスタイラスと交換できる。相互に係合可能
な保持部材の結合要素と各スタイラスとは保持部材に所
定のスタイラスの運動学的（カイネマティック:Kinemat
ic）位置をもたらし、従って一つから次のスタイラスの
交換操作において保持部材に対する各スタイラスの測定
チップの位置を良好に再現できる。

しかしながら、このようなシステムの根本的な問題
は、機械的なヒステリシスが固定構造物に対して測定チ
ップの位置決めの機能を果たす接続部分や支持機構の数
に伴って増大することである。従って、例えば、米国特
許第4,649,623号のプローブにおいては、スタイラス支
持部材が、測定操作合の間中スタイラスの越動を許容す
る運動学的静止位置に、固定構造物の中で保持され、所
定のスタイラスはスタイラス支持部材の静止位置に支持
される。スタイラス支持部材は検査サイクル中にスタイ
ラスが取り外されて交換される際に、破損されて補修さ
れる。

発明の概要本発明の第一の目的は一つかそれ以上のスタイラスが
プローブの固定構造物に支持された保持部材に磁気的に
保持されたプローブのスタイラス交換のためのシステム
を提供し、与えられたスタイラスと保持部材との間のこ
のような単一の機械的な位置決めが、スタイラス交換作
業の間中、保持部材にスタイラスを位置決めすることを
達成し、測定作業の間中、スタイラスの越動を補償す
る。

つまり、本発明は座標位置決め装置に使用される接触
プローブを提供し、前記座標位置決め装置の可動腕に保持されるべきプロ
ーブに対する固定構造物と、前記固定構造物に保持された保持部材と、支持体，この支持体から突き出るステム，このステム
の自由端に与えられた検出チップを有するスタイラス
と、このようなスタイラスを前記座標位置決め装置によっ
て行われるスタイラス交換作業中に他のものへと交換を
可能にするため、前記保持部材の再現性のある静止位置
に前記支持体を付勢するための磁気的付勢手段を有し、
前記静止位置に前記支持体を取り外し可能に位置決めす
るための手段とで構成され、前記支持体を取り外し可能に位置決めす
るための手段は、前記スタイラスへの付勢力に応じた前
記静止位置外への前記支持体および前記スタイラスの傾
斜変位と、前記付勢力がなくなった場合に前記磁気付勢
手段による前記静止位置への前記支持体の戻りとを可能
にしたことを特徴とするものである。

本発明の第二の独立した目的はスタイラスがラックに
磁気的に保持される一つかそれ以上の出入口を有するラ
ックを提供するう。このようなラックは極めて迅速かつ
簡単に操作の切り換えが行われることを可能とする。

図面の簡単な説明以下、本発明の実施例が図面を参照して例示的に説明
され、この図面における第１図は本発明の第一の実施例によるプローブに沿っ
た断面図を示し、第２図は第１図のII−IIに沿った断面図を示し、第３図は第１図に示したプローブの操作状態を示し、第４図はラックに接続した第１図の詳細を示し、第５図は本発明の第二の実施例を示し、第６図は第５図の詳細をラックの部分と共に示し、第７図は第４図と第６図におけるVII−VIIに沿った平
面図を示し、第８図は第４図と第６図のラックの斜視図を示す。

実施例の説明第１図および第２図に示すように、プローブ10は円筒
状をなすハウジング12によって与えられた固定構造物を
有する。ハウジング12の内側には円筒状の枠体14の形態
の歪み感応型のロードセルが保持されている。保持部材
16は、円筒状をなす枠体14の内側に、第１図に示したＺ
方向に沿った直線運動に対して保持部材16の動きを制限
する二枚の円形の板ばねのダイヤフラム18を介して支持
されている。保持部材16とダイヤフラム18とは、ハウジ
ング12から内側に突設された受けフランジ22に保持部材
16の上の止め具20を接触させるべくダイヤフラム18が付
勢するよう接続されている。前記止め具20が前記受けフ
ランジ22との接触点にある時、保持部材16の位置は固定
構造物12に対してある空間に正確に位置決めされ、ダイ
ヤフラム18は前記保持部材16の回転運動を制限し、そし
てＺ方向における保持部材16の位置は前記止め具20によ
って固定される。前記保持部材16はハウジング20の基部
の開口24を貫通して突出し、そしてスタイラス28が取り
外し可能に装着され得る円錐台状のフランジ26の自由端
で終わっている。

第３図および第４図に示すように、スタイラス28は円
錐台状の支持体29に取り付けられ、この支持体29はその
自由端に球形の検出チップ30を有する。この支持体29は
円形の面32を有し、永久磁石36が取り付けられた円錐台
状のボス34がこの円形の面32から上向きに突出してい
る。三つのローラ40が前記円形の面32に保持されてお
り、これらローラ40は前記ボス34から等間隔で放射状に
突出している。前記磁石36は磁石42と対をなし、保持部
材16のフランジ26の機械的位置にスタイラス28を付勢す
るためにフランジ26の円形の面25のくぼみに保持され
る。前記保持部材16に対する前記スタイラス28の前記機
械的位置は、フランジ26に支持された二個一組で三組の
ボール44によってそれぞれ点接触位置が与えられる集束
表面の各々と各ローラ40との係合によって与えられてい
る。このスタイラス28は、このように保持部材16のフラ
ンジ26に対して運動学的に支持されている。運動学的支
持は保持部材16に対するスタイラス28の前記機械的位置
の良好な反復再現性を与える。換言すれば、前記スタイ
ラスはこれが変位された後に保持部材16に対して同じ機
械的位置に戻る。良好な反復再現性を与える支持の他の
形態も使用することができる。

保持部材16とスタイラス28との間の磁気的結合は、ス
タイラス28がフランジ26に対してその運動学的静止位置
から変位され（例えば、第３図に図示されているよう
に）得、そして磁石36,42の間の付勢磁力がスタイラス2
8をフランジ26の上の運動学的な支持状態に戻るように
付勢し得る。このように、プローブのこの形態において
は、スタイラス28の測定チップ30は、ハウジング12に対
して三次元方向に変位可能であり、保持部材16に対して
Ｘ−Ｙ平面でのスタイラス28の傾きによる越動に適合
し、また、＋Ｚ方向におけるハウジング12に対する保持
部材16の動作が、ダイヤフラム18の弾性力によって可能
とされている。

この磁気的結合は、スタイラスラックと協働して装置
の操作によるスタイラスの交換をも可能としており、フ
ランジ26との接続から所定のスタイラス28を完全に取り
外し、これに続いて他のスタイラス28を装着することを
可能としている。このデザインはこのようにスタイラス
交換を可能とするが、その結果として、前記ハウジング
に対して測定チップを位置決めさせる機械的な支持機構
の数を増加させない。

変形例として、フランジ26および支持体29の二つの円
形の面の外周部は、これら外周部にてフランジ26と支持
体29との間の磁束の通り道を与える強磁性材料で形成さ
れている。これは、プローブが越動した時のスタイラス
28と保持部材16との間での磁気吸引力を増大し、このよ
うな補助はスタイラス28が完全に外れてしまうようにな
るのを妨げる。むしろ、前記外周部のそれぞれが永久磁
性材料で造られるのが好ましい。

測定作業の間、例えば、測定対象物Ｗの表面Ｓの位置
を測定する目的の場合、プローブ10が接続された装置
（図示しない）によってこのプローブ10が例えばＸ方向
に操作される。この時、スタイラス28の測定チップ30は
表面Ｓと接触状態となり、スタイラス28と保持部材16に
歪みが引き起こされるこの歪みは、ダイヤフラム18を介
して枠体14に伝達される。柱状部50の形態の弱い領域は
枠体14の基部に設けられ、前記歪みを検出してこれと対
応した信号を出力する複数の歪みゲージ（図示しない）
を保持している。歪みゲージからの出力が予め設定され
た閾値に達した時、測定チップ30と表面Ｓとの間での接
触を示す信号が装置に送られ、これにより装置が表面Ｓ
の位置を測定する。この信号は、装置の制動操作に対し
ても使用される（注：前記枠体および前記検出機構は、
本件特許出願人の米国特許第4,813,152号により詳細に
記述されている）。他の歪み検出機構として、例えば圧
電素子を利用できる。前記信号が装置に送られた後の測
定対象物Ｗに対するプローブの越動は、上述したよう
に、保持部材16に対するスタイラス28の傾斜状態の傾動
によって許容される。保持部材16とスタイラス28との間
の磁力は、スタイラス28がその上に部分的に支持された
まま残るよう作用している（第３図に描かれたよう
に）。装置が完全に停止状態になった時点で、前記プロ
ーブは引き続き表面Ｓから離れるよう逆方向に駆動さ
れ、フランジ26とスタイラス28との間の磁力が、スタイ
ラス28を保持部材16に対して元の位置に戻るように回動
させる。

本発明によるプローブの第二の実施例が第５図に描か
れている。プローブ110は円筒状に形成された枠体114内
に歪みに対して敏感なロードセルが支持された円筒状を
なすハウジング112によって与えられた固定構造物を有
する。保持部材116は保持部材116に取り付けられ、等間
隔で前記保持部材116の軸心Ａから放射状に広がった３
個のローラ118によって枠体114に保持されている。各ロ
ーラ118は枠体114の内側に突出する環状のフランジ122
上に保持され、かつそれぞれ近接して置かれた一対のボ
ール120によって定まる集束表面に着座しており、ばね1
24は保持部材116を枠体114に対して前記ローラ118とボ
ール120とで規定された運動学的位置に付勢している。
前記保持部材116はハウジング112の基部の開口125を貫
通して突出し、下向きに突出するスカート部127によっ
て規定された穴の中に置かれている円錐台状のフランジ
126で終結する。スタイラス128は、支持体129に支持さ
れ、また保持部材126に取り外し可能に装着できる球形
の測定チップ130を有する。磁気的結合は、この目的の
ために設けられ、第３図および第４図を用いて一例を図
示しつつ説明したのと全く同じものである。

前述した実施例と同様に、装置が、検出チップ130を
表面と接触するよう操作されたとき、スタイラス128と
保持部材116の歪みは枠体114に伝達される。これは、前
記表面の位置を決定するのに用いられる信号を出力する
ことを歪みゲージ（図示しない）に引き起こす。越動は
保持部材116の変位によって最初のうちは許容され、一
つあるいはそれ以上のローラ118が前記ボールの対によ
って与えられる集束表面の位置から持ち上げられる。し
かしながら、支持部材116の動作は、プローブの過大な
越動（また、これによるばね124からの過大な付勢力）
による損傷から、歪みゲージを保護するために、Ｘ−Ｙ
平面内において、スカート部127により制限れている。
Ｘ−Ｙ平面でのこのスカート部127によって制限される
保持部材116の制限位置を越えたこのプローブの越動
は、保持部材116のフランジ126と、スタイラス128の支
持対129との間の（最初の実施例と同様）磁気的結合の
部分的な解放によって許容される。

第５図からわかるように、スタイラス128は、＋Ｚ方
向の面に対してチップ130を移動することによる測定を
可能とするように形成されたステム（柱部）を有し、こ
のため前記チップはプローブのハウジング12に対して−
Ｚ方向に移動できる。このような動きは磁気的な結合に
よって、典型的には保持部材116に対する支持体129の傾
きによって許容される。このように、保持部材116はそ
の配置を外れて作動可能に変位し得る機械的な配置を経
て枠体114に保持されているが、±X,Y,Z方向ににおける
測定するため、およびスタイラスの交換作業が可能なプ
ローブを作るために必要とされる、機械的配置の数を三
つから二つに減少されている。同じ作動的結果を達成す
る第５図の変形例においては、保持部材116は固定状態
でハウジング112（枠体114を介して）に連結されてお
り、支持体129は保持部材116に磁気的に位置決めされ、
そしてスタイラスは再現可能な静止位置において支持体
129に支持されており、この位置を外れて移動できる。

取り外し可能な磁気的結合の別な一実施例が第６図に
描かれており、スタイラス128の上端に設けた支持体229
を構成している。この支持体229は等間隔でスタイラス2
28の軸心Ａから放射状に延びた３つのローラ240の保持
する円形の面232を有している。保持部材216はカップ状
をなし、３組のボール244を保持している。ボール224対
は隣接するボール244によって形成された集束表面に前
記ローラ240のそれぞれが着座できるよう位置されてい
る。前記スタイラス228は保持部材216に保持された他の
磁石248を引き付ける支持部材229の対に取り付けた磁石
246によって保持部材216に対して取外し可能に結合され
ている。この磁石248は弾力のあるダイヤフラム252によ
って順に保持されたブロック250に支持されている。ダ
イヤフラム252は、軸Ａと実質的に平行な方向の磁石248
の直線移動を許容し、従って磁石248は磁石246に接触す
るようになることが可能となる。この配置により、保持
部材216に関して運動学的位置に戻ることを前記スタイ
ラス228にもたらす付勢力が前記ダイヤフラム252によっ
て与えられ、同時に保持部材216とスタイラス228との間
の保持力がこれら磁石246,248によって与えられる。第
４図および第６図に示したこれら結合機構のいずれかを
第１図および第５図に示したプローブのいずれかに使う
ことができる。

保持部材116;26とスタイラス128;28との間の磁気的結
合は、一つのスタイラス128;28の交換をプローブ操作
（例えば、作業対象物の異なる幾何学的形状に対して接
触状態となるようにする測定チップ130;30を可能にする
こと）の間に行うことができる。保持部材26;116のスタ
イラスの交換を可能とするシステムが以下に説明され
る。第７図そしてまた第４図に示すように、支持体29の
その円形の面の周辺部に環状の磁石60を支持している。
磁石60はスタイラス64（第８図にも示した）の出入口62
でスタイラス28を保持している。この出入口62は半径が
支持体29の前記面の半径よりも小さい半円形の開口66か
らなり、従って開口66の下側の縁68で支持体29を磁気的
に保持することを可能とする。前記保持部材16の前記フ
ランジ26はそれにもかかわらずフランジ26の半径が半円
形の開口66の半径よりも小さいという事実によって支持
体29と結合する。交換作業は、前記ローラ40のそれぞれ
が近接した対のボール44によって規定した集束表面に位
置するように、支持体29と結合するように保持部材26を
動かすという装置の運転によって行われ、次いで、ラッ
ク64の出入口62に磁石60が保持板28Aを保持しなくなる
まで下向きの動きを継続する。

他の同等な構成の代わりが第６図に示されており、ラ
ック164に磁石160を設けている。先の構成のように、ラ
ック164は半円形のリム166によって与えられたそれぞれ
複数の出入口162からなる。磁石160は前記リム166の下
側の縁168に保持されており、前記保持板はこの磁石160
によって支持体129の前記面の周辺部に強磁性体の環135
を引き付け力で出入口162に保持されている。この交換
作業は前述した如くである。緩める機構はラックに対し
て支持体29;129を正確に位置決めすることによって与え
られる。

注記：これらラックおよび交換作業は、スカート部12
7のために第５図の場合には使用できない。

変更例として、衝突保護機構はPCT/GB91/00293に記載
されたような保持部材16の支持構造物を保護することに
よって与えられるものがある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ハジュキヴィツ，ピーター英国ジーエル12 ７エイアールグロスターシャ州ワットン−アンダー−エッジブラッドリーストリート 49 (56)参考文献実開昭61−108904（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 7/00 G01B 5/20 G01B 5/00 G01B 21/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】座標位置決め装置に使用される接触プロー
ブであって、前記座標位置決め装置の可動腕に保持されるべきプロー
ブに対する固定構造物と、前記固定構造物に保持された保持部材と、支持体，この支持体から突き出るステム，このステムの
自由端に与えられた検出チップを有するスタイラスと、このようなスタイラスを前記座標位置決め装置によって
行われるスタイラス交換作業中に他のものへと交換を可
能にするため、前記保持部材の再現性のある静止位置に
前記支持体を付勢するための磁気的付勢手段を有し、前
記静止位置に前記支持体を取り外し可能に位置決めする
ための手段とで構成され、前記支持体を取り外し可能に位置決めする
ための手段は、前記スタイラスへの付勢力に応じた前記
静止位置外への前記支持体および前記スタイラスの傾斜
変位と、前記付勢力がなくなった場合に前記磁気付勢手
段による前記静止位置への前記支持体の戻りとを可能に
したことを特徴とする接触プローブ。
【請求項２】前記保持部材および前記支持体は、前記支
持体が前記静止位置にある場合、相互に対向してそれぞ
れ少なくとも部分的に強磁性体で形成した外周部を有す
る実質的に円形面であって、前記保持部材と前記支持体
との前記対向面の間の、前記外周部に磁束の流れを与え
る前記磁気的付勢手段を共に有することを特徴とする請
求の範囲第１項に記載の接触プローブ。
【請求項３】前記強磁性体は、前記対向面のそれぞれの
外周部全域に延在していることを特徴とする請求の範囲
第２項に記載の接触プローブ。
【請求項４】前記保持部材は、前記支持体の前記変位に
先立って前記検出チップと表面との間の接触に応じた前
記スタイラスの歪みを検出するため、歪み感応型のロー
ドセルを有する前記固定構造物に支持されていることを
特徴とする請求の範囲第１項に記載の接触プローブ。
【請求項５】前記保持部材は、前記軸線に沿って一定の
間隔をあけ、それぞれ前記軸線に対して実質的に直角な
平面上に延在し、弾性のある一対の平板状をなすダイヤ
フラム上の前記ロードセルに対し、前記軸線に沿って直
線運動するように支持されていることを特徴とする請求
の範囲第４項の接触プローブ。
【請求項６】前記保持部材は補助保持部材に連結され、
この補助保持部材は、前記固定構造物の再現性のある静
止位置に付勢され、前記付勢力に対して変位可能な位置
から前記付勢力によって戻ることができることを特徴と
する請求の範囲第４項に記載の接触プローブ。