JP3810609B2 - ３次元座標測定用タッチプローブ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一対の投光用光ファイバーと受光用光ファイバーとからなる光ファイバーの受光率の変動に基づく出力電圧を計測する光ファイバー変位計を利用した３次元座標測定用タッチプローブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、機械の精密加工等のための３次元座標測定に用いられるタッチトリガープローブ（接触式検出器）あるいはタッチプローブとしては、小型化、高分解能化等の性能向上が要求されるようになってきている。
従来、典型的なタッチトリガープローブとして図１２（Ａ）に示すような３次元座標測定用タッチトリガープローブが、タッチプローブとして図１３に示すような３次元座標測定用タッチプローブが一般的である。
これを説明すると、図１２に示した３次元座標測定機用タッチトリガープローブは、先端に球状部品であるボール１０５が形成されたシャンク（柄）１０４からなるスタイラス部（触針）１０３と、測定物とボール１０５との接触で生じた変位や加速度が伝達される検出器であるセンサ部１０２とから構成され、取付用プローブヘッド１０１によって基台等に固定され、空間内を移動する。
ボール１０５が測定対象物に接触すると、その変位または加速度は、スタライス１０３を介してセンサ部１０２に伝達される。センサ部１０２はある設定値以上の変位や加速度が検出された場合に、ボール１０５が測定物に接触したものと判断される。
ボール１０５は様々な角度、方向から測定物に接触する可能性があるため、一般にセンサ部１０２は、図１２（Ｂ）に示すような方向からの変位、加速度の検出が可能である。一般的にタッチトリガープローブは接触のタイミングを得る装置で方向を検知するには不向きである。
【０００３】
タッチプローブとしては、図１３に示すような３次元座標測定用タッチプローブが一般的で、先端に球状部品であるボール１０５が形成されたシャンク（柄）１０４からなるスタイラス部（触針）１０３と、測定物とボール１０５との接触で生じた変位や加速度が伝達される検出器であるセンサ部１０２とから構成され、取付用プローブヘッド１０１によって基台等に固定され、空間内を移動する。センサ部１０２は、ＸＹＺ微動機構を構成して変位センサが３つ組み込まれている。
このような構成のタッチプローブにおいて、ボール１０５が測定対象物に接触すると、その変位または加速度は、スタライス１０３を介してセンサ部１０２に伝達される。センサ部１０２は測定対象物への接触に対応してＸＹＺ方向に変形し、ＸＹＺ方向それぞれの変位が測定される。ボール１０５が測定対象物から離れるとセンサ部の変形は元にもどる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のタッチトリガープローブあるいはタッチプローブにおいては、測定物とボールとの接触で生じた変位や加速度はシャンク１０４を通じてセンサ部１０２に伝達されるため、特に長いスライタス１０３を装着した場合等では、可動部となるボールとシャンク１０４の質量増加により、固有振動数が低くなって外部からの振動にも弱いものとなり、検出分解能の向上が困難となっていた。
また、タッチプローブの場合では、空間内のＸＹＺ方向の変位の検出のためのセンサ部は機械的にも複雑な構造を呈して、将来の小型化が期待できないものであった。
【０００５】
そこで本発明では、前記従来の３次元座標測定用タッチプローブの諸課題を解決して、可動部の質量を軽減してセンサの感度を上げ、高精度にて測定物の測定を可能にした簡素な構造の３次元座標測定用タッチプローブを提供することを目的とする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このため、本発明が採用した技術解決手段は、
一対の投光用光ファイバーと受光用光ファイバーとからなる光ファイバー変位計を複数個束ね、その先端に球面形状の反射部材を移動自在に配設したことを特徴とする３次元座標測定用タッチプローブである。
また、前記複数の光ファイバー変位計の先端と反射部材との間を光透過性の弾性部材により接合したことを特徴とする３次元座標測定用タッチプローブである。
また、前記弾性部材が紫外線硬化樹脂であることを特徴とする３次元座標測定用タッチプローブである。
また、前記複数の光ファイバー変位計の中心部にダミーブローブを配設したことを特徴とする３次元座標測定用タッチプローブである。
また、前記複数個の光ファイバー変位計の間にダミーブローブを配設したことを特徴とする３次元座標測定用タッチプローブである。
また、前記ダミーブローブに前記反射部材に接合される弾性部材を装着したことを特徴とする３次元座標測定用タッチプローブである。
【０００７】
以下、本発明の３次元座標測定用タッチプローブの実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１および図２は本発明の３次元座標測定用タッチプローブの第１実施の形態を示し、図１は本発明の３次元座標測定用のタッチトリガープローブの原理図、図２は球面形状の反射部材であるボールの変位と受光率変化の説明図である。
図１に示すように、本発明の３次元座標測定用タッチプローブは、一対の投光用光ファイバーの束７と受光用光ファイバーの束８とからなる光ファイバー変位計の先端に球面形状の反射部材（ボール）５を移動自在に配設したことを特徴とする。
前記一対の投光用光ファイバーの束７と受光用光ファイバーの束８とからなる光ファイバー変位計はシャンク（柄）１０内に結束されており、光源６から出た光は投光用光ファイバーの束７を通じて照射され、所定位置（中立位置）にあるボール５にて反射された後、反射光の一部は受光用（戻り光用）ファイバーの束８を通じて受光素子９に導かれる。
【０００８】
前記一対の投光用光ファイバーの束７と受光用光ファイバーの束８とからなる光ファイバー変位計の先端とボール５との間は移動自在に構成されている。
ボール５等の反射部材を光ファイバー変位計に対して移動自在に構成するために、図３にて後述するように両者を紫外線硬化樹脂等のような光透過性の弾性部材にて接合するようにしてもよいし、適宜の弾性枠体にて取り囲むように支持させたり、あるいは後述するように鋼製の弾性部材を介在させてもよい。
なお、前記一対の投光用光ファイバーの束７と受光用光ファイバーの束８とから構成される光ファイバー変位計としては、極端には２本一対の光ファイバーから構成されてもよいが、通常は、後述する図５および図９に示すように、多数の投光用ファイバー（白丸）と多数の受光用ファイバー（黒丸）とをランダムに束ねたもの、半分ずつに分けたもの、あるいは中心部に投光用ファイバーの束を配置してその周囲を受光用ファイバー群にて取り囲んだもの等適宜採用され得る。
【０００９】
図５は、このような構成のタッチトリガープローブの試作例であり、多数の投光用ファイバー（白丸）と多数の受光用ファイバー（黒丸）とをランダムに束ねたもの、半分ずつに分けたもの、あるいは中心部に投光用ファイバーの束を配置してその周囲を受光用ファイバー群にて取り囲んだもの等からなる市販のものと同様な光ファイバー変位計のプローブの先端に、ステンレス鋼球を紫外線硬化樹脂等の光透過性の弾性部材を介して接合したもので、該変位計の諸元は、感度：０．０１μｍ／ｍＶ、分解能：０．００３μｍ、ステンレス鋼球（ＳＵＳ球）の直径：１．２とした。
一般に、光ファイバー型変位計の出力電圧とギャップ量の関係は、図６のごとくであり、電圧の線形領域には近域と遠域とがあって、分解能が高い近域が用いられる。
【００１０】
本発明では、可能な限り、ボール５の少ない変位を検出するので、電圧曲線の最も急峻な近域を用いるが、実際には、市販の光ファイバー変位計の出力電圧とギャップ量の関係図は測定対象物が平面の場合の測定結果に基づくものであるので、本発明で使用する測定対象物となる球面状のボール表面における出力電圧特性とは異なる。そこで、本発明では、ボールとプローブとの間に紫外線硬化樹脂を流し込んでおき、ボールとプローブとの間の相対変位を調整して、電圧の変動が最も急峻となったとき、紫外線を照射して樹脂を固化して製作する。
このようにして製作されたギャップ量は０．０２〜０．０３程度になる。
以上のように製作した３Ｄタッチトリガープローブのボール先端に外力を加えたとき、出力電圧が変動することでボール先端の測定対象物の接触が検知できることが確認できた。
【００１１】
このような構成のもと、ボール５に測定対象物が接触していない場合は、光ファイバー変位計である光ファイバー束７、８の端部とボール５との間の相対位置関係は変動（中立位置）せず、受光素子９に入射する光量は一定であり、受光素子９は受光量に応じた一定の電圧を出力する。
次に、図２に示すように、ボール５に測定対象物等が接触すると、光ファイバー束７、８の端部とボール５との間の相対位置関係が変動し、例えば、図２（Ａ）に示すように、ボール５の下部に接触すればボール５は上向きに移動するために、投光用光ファイバーの束７から照射されてボール５により反射した光は受光用光ファイバーの束８から戻る光量が変動し、受光素子９は受光量変動に応じた電圧変化を出力する。この出力値が所定範囲を超えた場合に、ボール５が測定対象物に接触したと判断される。
また、図２（Ｂ）に示すように、ボール５の横に測定対象物等が接触した場合は、ボール５は水平方向に移動し、この場合も、投光用光ファイバーの束７から照射されてボール５により反射した光は受光用光ファイバーの束８から戻る光量が変動し、受光素子９は受光量変動に応じた電圧変化を出力する。この出力値が所定範囲を超えた場合に、ボール５が測定対象物に接触したと判断される。
【００１２】
以上のように、本発明の測定用タッチプローブにおける可動部材はボール等の球面形状の反射部材のみであるため、質量がきわめて小さく、センサーとしての感度を格段に向上させることができ、しかも、敏感になったセンサーの微動の変動分を光変動により精密に検出することができるので、高精度にて測定物の測定を可能にした。
【００１３】
図３および図４は本発明の３次元座標測定用タッチプローブの第２実施の形態を示し、図３（Ａ）は本発明の３次元座標測定用のタッチプローブの原理図、図３（Ｂ）は光ファイバー変位計の断面で図３（Ａ）のＡ−Ａ断面図、図４（Ａ）は要部拡大斜視図、図４（Ｂ）は球面形状の反射部材であるボールの変位と受光率変化の説明図である。
本実施の形態のものは、図３（Ａ）に示すように、一対の投光用光ファイバーと受光用光ファイバーとからなる光ファイバー変位計を複数個（図示の例では６−１、６−２、６−３の３個）を束ねたことを特徴とする。
前記光ファイバー変位計６−１、６−２、６−３の先端と反射部材であるボール５との間を光透過性の弾性部材７、例えば紫外線硬化樹脂により接合したものである。
図３（Ｂ）の断面図に示すように、前記３個の光ファイバー変位計６−１、６−２、６−３は、中心距離ｄにて互いに外接配置され、１２０°の円周角度にて束ねられている。
【００１４】
図７は、本第２実施の形態の３Ｄ変位検出型のタッチプローブの試作変形例であり、図９のような多数の投光用ファイバー（白丸）と多数の受光用ファイバー（黒丸）とをランダムに束ねたもの、半分ずつに分けたもの、あるいは中心部に投光用ファイバーの束を配置してその周囲を受光用ファイバー群にて取り囲んだもの等からなる市販のものと同様な光ファイバー変位計のプローブを３本束ねたもので、ダミープローブとして中心部のものを含めて空のパイプ４本とともに太い外径φ３のパイプ内に収納して構成したものである。これによって、３本の光ファイバー変位計は正確に１２０°の円周角度の間隔に設定できる。
【００１５】
本実施の形態では、図４（Ａ）に示すように、束ねられた複数（図示の例では３本）の光ファイバー変位計６−１、６−２、６−３の先端部に光透過性のある弾性部材を介して配設されたボール５について、中立位置における各光ファイバー変位計６−１、６−２、６−３とボール５との間の間隔ａ、ｂ、ｃをそれぞれ測定しておき、図４（Ｂ）に示すように、ボール５の左側に測定対象物が接触して、相対的にボール５が水平右方向に変位すると、各光ファイバー変位計６−１、６−２、６−３とボール５との間隔ａ、ｂ、ｃがそれぞれ変動する。
例えば、間隔ａが増加し、かつ間隔ｂが減少すればボール５は右方向へ移動したことが検知される。
また、間隔ａ、ｂ、ｃが同じ量減少すれば、ボール５は上方へ移動したことになる。このように、ボール５の曲率半径および光ファイバー変位計の中心間距離ｄ等が判っていれば、間隔ａ、ｂ、ｃの３つの量を光ファイバー変位計で得ることにより、ボール５の中心位置のＸＹＺ方向の変位は幾何学的あるいは実験的に求めることが可能となる。
【００１６】
図８は、本発明の３次元座標測定用タッチプローブの第３実施の形態を示すもので、前記第２実施の形態のものの中心部のダミーブローブ（第１実施の形態のものにおける光ファイバー変位計の中心部にダミーブローブを配設したものでもよい）に、前記反射部材であるボールに接合される弾性部材を装着したことを特徴とする。弾性部材として、球座（材質は鋼等でよい）をボールに接合し、球座の上部柄部分を前記ブローブ内のダミーブローブ内に挿入して装着するものである。本実施の形態では、比較的大きなボールを採用する際には、紫外線硬化樹脂等の弾性部材を使用する場合よりも耐久性の面で有利となる。
【００１７】
図９は、プローブの種類と選択の基準についての説明図であり、前述したように、光ファイバー配列方式としては、多数の投光用ファイバー（白丸）と多数の受光用ファイバー（黒丸）とをランダムに束ねたランダム形（Ｒ）、半分ずつに分けたハーフ形（Ｈ）、あるいは中心部に投光用ファイバーの束を配置してその周囲を受光用ファイバー群にて取り囲んだ投光中心形（ＣＴ１）があり、ランダム形（Ｒ）はフロントスロープの勾配が最も高く、最も高感度にて測定することができる反面、測定レンジは最も狭い。したがって、短いレンジで高感度な測定を行うのに適していることが判る。
投光中心形（ＣＴ１）、ハーフ形（Ｈ）となるにつれて、フロントスロープの感度は低くなり、反面、測定レンジは大きくなる（但し、エッジの検出については、ハーフ形を使用した方がより高感度の測定ができる）。
以上の特性を踏まえて最適のモデルが選定される。
【００１８】
図１０は、プローブにおける一組の投光用ファイバー束と複数の受光用ファイバー束を用いた例の原理図で、この例では、一つの光源６による一組の投光用光ファイバー（束）７と複数の受光用光ファイバー（束）８−１、８−２および８−３を用いて受光素子９−１、９−２および９−３に光が戻る光ファイバー変位計を構成したもので、このようなプローブを用いても前述の図３および図４に示すような３次元の変位を検出することが可能である。
【００１９】
図１１は、前記図１０に示したプローブにおける光ファイバー束の配列例を示す図で、図１１（Ａ）はパイプに収納された４本の光ファイバー束７、８の中の１本の束７を投光用とするもの、図１１（Ｂ）は投光用ファイバー７と受光用ファイバー８をランダムに配したファイバー束を三組用いたもの、図１１（Ｃ）は１本のパイプ内にファイバー束を収納し、その中央部のみの束を投光用７としたもの、図１１（Ｄ）は１本のパイプ内にファイバー束を収納し、投光用と受光用ファイバー７と８をランダムに配列したものである。
【００２０】
以上、本発明の３次元座標測定用タッチプローブの実施の形態を説明してきたが、本発明の趣旨の範囲内で、光ファイバー変位計である投光用光ファイバーおよび受光用光ファイバーの形状、形式、複数個の光ファイバー変位計の束ね形態、反射部材の形状、材質、光ファイバー変位計と反射部材との関連構成、弾性部材の形状、材質、光ファイバー変位計におけるダミープローブの配設形態、ダミープローブへの弾性部材の装着形態、光ファイバー変位計における受光に基づく電圧の測定形態等については適宜選定できるものである。
【００２１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、一対の投光用光ファイバーと受光用光ファイバーとからなる光ファイバー変位計の先端に球面形状の反射部材を移動自在に配設したことにより、測定用タッチプローブにおける可動部材はボール等の球面形状の反射部材のみであるため、質量がきわめて小さく、センサーとしての感度を格段に向上させることができ、しかも、敏感になったセンサーの微動の変動分を光変動により精密に検出することができるので、高精度にて測定物の測定が可能となる。
また、前記光ファイバー変位計を複数個束ねた場合は、ボール等の球面形状の反射部材の曲率半径および光ファイバー変位計の中心間距離等を予め把握しておくことにより、測定物のＸＹＺ方向の３次元的な変位を、複数の光ファイバー変位計と反射部材との間の各間隔の変動を測定することにより求めることが可能となる。
また、前記光ファイバー変位計を、一組または複数組の投光用および受光用光ファイバーまたはその束を適宜組み合わせて構成した場合は、投光用および受光用ファイバー束の組合せを種々の形態から選択できて設計の自由度が向上する。
【００２２】
さらに、前記光ファイバー変位計の先端と反射部材との間を光透過性の弾性部材により接合した場合は、光ファイバー変位計の先端と反射部材との間の接合部材が、反射部材の位置の保持と復元機能を同時に兼ね備えるので、製作および構造が単純化されるとともに、部品点数が削減されて低コストとなる。
さらにまた、前記弾性部材が紫外線硬化樹脂である場合は、未固化状態の硬化樹脂に紫外線を照射して光ファイバー変位計と反射部材との間の電圧変動を最適のものに容易に設定することができる。
また、前記光ファイバー変位計の中心部あるいは複数個の光ファイバー変位計間にダミープローブを配設した場合は、光ファイバー変位計と反射部材との間に配設される弾性部材として適宜の材質のものを採用することができ、あるいは光ファイバー変位計間の間隔を適正に保持することが可能となる。
かくして、本発明によれば、可動部の質量を軽減してセンサの感度を上げ、高精度にて測定物の測定を可能にした簡素な構造の３次元座標測定用タッチプローブが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の３次元座標測定用タッチプローブの第１実施の形態を示し、タッチトリガープローブの原理図である。
【図２】同、球面形状の反射部材であるボールの変位と受光率変化の説明図である。
【図３】本発明の３次元座標測定用タッチプローブの第２実施の形態を示し、図３（Ａ）は本発明の３次元座標測定用のタッチプローブの原理図、図３（Ｂ）は光ファイバー変位計の断面で図３（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図４】同、図４（Ａ）は要部拡大斜視図、図４（Ｂ）は球面形状の反射部材であるボールの変位と受光率変化の説明図である。
【図５】タッチトリガープローブの試作例を示す図である。
【図６】光ファイバー型変位計の出力電圧とギャップ量の関係図である。
【図７】本第２実施の形態の３Ｄ変位検出型のタッチプローブの試作変形例図である。
【図８】本発明の３次元座標測定用タッチプローブの第３実施の形態を示す要部拡大図である。
【図９】プローブの種類と選択の基準についての説明図である。
【図１０】プローブにおける一組の投光用ファイバー束と複数の受光用ファイバー束を用いた例の原理図 である。
【図１１】プローブにおける光ファイバー束の配列例を示す図である。
【図１２】従来の３次元座標測定機用タッチプローブの説明図である。
【図１３】従来の３次元座標測定機用変位検出型タッチプローブの説明図である。
【符号の説明】
５ ボール（反射部材）
６ 光源
６−１ 光ファイバー変位計
６−２ 光ファイバー変位計
６−３ 光ファイバー変位計
７ 投光用ファイバー束
８ 受光用ファイバー束
９ 受光素子
１０ シャンク

Claims (6)

1. 一対の投光用光ファイバーと受光用光ファイバーとからなる光ファイバー変位計を複数個束ね、その先端に球面形状の反射部材を移動自在に配設したことを特徴とする３次元座標測定用タッチプローブ。
2. 前記複数の光ファイバー変位計の先端と反射部材との間を光透過性の弾性部材により接合したことを特徴とする請求項１に記載の３次元座標測定用タッチプローブ。
3. 前記弾性部材が紫外線硬化樹脂であることを特徴とする請求項２に記載の３次元座標測定用タッチプローブ。
4. 前記複数の光ファイバー変位計の中心部にダミーブローブを配設したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の３次元座標測定用タッチプローブ。
5. 前記複数個の光ファイバー変位計の間にダミーブローブを配設したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の３次元座標測定用タッチプローブ。
6. 前記ダミーブローブに前記反射部材に接合される弾性部材を装着したことを特徴とする請求項４または５に記載の３次元座標測定用タッチプローブ。

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