JP4388896B2 - 座標測定装置及び物体の位置を測定するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、測定されるべき物体に接触するためのプローブを持つ座標測定装置であって、前記プローブは、（ａ）前記物体に接触するためのセンス部材と、（ｂ）支持ユニットと、（ｃ）前記センス部材を前記支持ユニットに接続する支持素子と、（ｄ）検出部材と、（ｅ）前記検出部材の位置を検出するための検出手段と、を有する、装置に関する。

一般に、物体に接触するためのセンス部材は、球状の形状をしており、バーの形状をした支持素子の端に取付けられる。センス部材及び支持素子は、しばしばスタイラスとして示され、ここで前記センス部材はスタイラスチップである。支持素子は支持ユニットに接続され、該ユニットは、前記支持ユニットと前記支持素子との間に弾性接続を提供するためのばね又は他の手段を含んでよい。

この種類の座標測定装置は、英国特許公開公報第２２０５６５０号に開示されている。この文献において、支持素子は板ばねによって支持ユニットに接続され、支持素子は板ばねを越えて延在し、検出部材は支持素子の端に取り付けられている。支持ユニットに関連した検出部材の位置は、支持ユニットに取り付けられた検出手段で測定される。検出部材の位置及び支持ユニットの位置が知られたら、センス部材の位置は計算されることができる。

検出部材の位置の検出は、検出部材の位置（３つの座標）が測定されることと、更に、検出部材の方向性（３つの角度）が測定されることとを意味する。従って、検出部材の位置は、６つの自由度によって規定される。

物体の表面の特定のスポットの位置（即ち３つの座標）は、支持ユニットの位置が知られていることを条件として、センス部材が前記スポットに接触しているときに、検出部材の支持ユニットに対する位置を検出することによって測定されることができる。しかし、センス部材が物体の表面に押しつけられるので、支持素子の端に力が加えられ、従って、支持素子は曲がり、湾曲した形状に変形する。測定の間の支持素子のこのような曲がりは、測定の不確実性を結果として生じる。

本発明の目的は、支持素子（スタイラス）の変形が測定の結果に影響しない座標測定装置を提供することである。

この目的を達成するために、前記検出部材は接続素子によって保持され、前記接続素子は前記センス部材に取り付けられる。支持素子を通じてではなく別個の接続素子を通じて検出部材をセンス部材に接続することにより、センス部材に加えられる力にかかわらず、センス部材の位置と検出部材の位置との間には常に所定の関係がある。このような力は、支持素子の形状を変形させうるが、このような力は、接続素子の形状には影響を与えないので、センス部材の位置と検出部材の位置との間の関係に影響を与えない。

好適には、前記支持素子及び前記接続素子は互いにほぼ平行に配置される。その結果、センス部材は、支持素子及び接続素子の両素子がセンス部材に取付けられる側部を除いて、測定されるべき物体に自由に接触する。

１つの好適な実施例において、前記接続素子の長さは前記支持素子の長さよりも大きい。従って、接続素子の端における検出部材は、センス部材の側から見て支持素子が支持ユニットに接続された位置を越えて位置することができる。これは、該装置の一例が説明されるときに更に説明される。

１つの好適な実施例では、前記支持素子は前記接続素子を実質的に包囲する。その結果、支持素子の断面はＵ字形であってもよいが、好適には、支持素子は、該支持素子が接続素子を完全に囲むように筒状の形状である。

１つの好適な実施例では、前記支持素子及び接続素子は、曲がり（bend）を含み、このためセンス部材が横に延在する。このような横向きのセンス部材は、孔の内側表面を測定するのに用いられることができる。

本発明は、更に、物体の位置を測定する方法において、前記物体はプローブのセンス部材によって接触され、前記プローブは、前記センス部材と、前記センス部材を保持すると共に前記支持ユニットに取り付けられる支持素子とを有し、前記センス部材の位置は、前記支持素子とは分離した、接続素子を通じて前記センス部材に接続される検出部材の位置を検出することによって測定される、方法にも関する。

本発明は、図面が参照される、座標測定装置のプローブの幾つかの実施例の説明によって以下でより詳細に説明される。

図は実施例の概略図に過ぎず、重要性の低い部分は示されない。

図１は、例えばグラナイトでできたベース１を有する座標測定装置を示す。ベース１の上には、矢印３で示されるように該ベース１に対して一方向（Ｙ方向）に移動することができる第１のステージ２がある。測定スケール４は、ベース１に対する第１のステージ２の線形位置を示す。

第２のステージ５は、矢印６で示されるように第１のステージ２に対して一方向（Ｘ方向）に移動することができる。測定スケール７は、第１のステージ２に対する第２のステージ５の線形位置を示す。そして、第３のステージ８は、矢印９で示されるように第２のステージ５に対して一方向（Ｚ方向）に移動することができる。測定スケール１０は、第２のステージ５に対する第３のステージ８の線形位置を示す。

第３のステージ８の下方端はプローブを持っており、このプローブは、第３のステージに取り付けられた支持ユニット１３と、該支持ユニット１３から下方に延在するスタイラス１４とを有する。スタイラス１４は、弾性手段、例えばばね手段によって支持ユニット１３に接続されるので、スタイラス１４は、支持ユニット１３に対してヒンジで動くことができる。

第１の、第２の及び第３のステージ２、５、８を互いに対して、そしてベース１に対して移動させることによって、プローブ１３、１４は、ベース１に対していかなる所定の位置にも配置されることができる。このような位置は、３つの測定スケール４、７、１０上で測定される３つの値によって示されることができる。

測定されるべき物体１５は、座標測定装置のベース１の上に配置され、これは図１に図式的に示される。物体１５の外形は、該物体１５の外面上の特定のスポットの正確な位置を測定することによって決定されることができる。

このような測定を実行するため、プローブ１３、１４は、ステージ２、５、８を、スタイラス１４（センス部材）のチップが物体１５の表面の関連するスポットに対して当接するような態様で動かすことによって、動かされる。このとき、支持ユニット１３に対するセンス部材の位置が決定され、これにより、物体１５の表面上の関連するスポットの位置が計算されることができる。物体１５の表面上の異なったスポットでこのような測定を繰り返すことにより、物体１５の外形が決定されることができる。

図２は、従来技術によるプローブを示す。支持ユニット１３は、支持素子１７と、該支持素子１７の下方端に取り付けられたセンス部材１８とを有するスタイラスを支持する。検出部材１８は、球（好適にはサファイア球）である。

スタイラス１７、１８は、支持ユニット１３からばね手段１９によって懸架されるので、支持素子１７は、支持ユニット１３に対して動くことができる。支持素子１７は、力（矢印２１）がセンス部材１８に加えられたときにのみその元の位置から外れることができる。従って、支持素子１７は変形する（主に曲がり）。このような曲がりは、センス部材１８が図２に示されるように物体１５の表面に当接しているときに起こる。

図２に示される支持素子の変形の程度は、プローブの操作中に実際に起こるよりも大幅に大きいが、支持素子１７の一部が変形するということを明らかにする。スタイラス１７，１８の元の位置２１は、図２の点線で示される。

支持素子１７は支持ユニット１３に対して動くので、支持素子１７の上方端に取り付けられた検出部材２２は、センス部材１８の動きに対応して動く。支持ユニット１３は、支持ユニット１３に対する検出部材２２の位置を検出するための検出手段２３を有する。検出部材２２の位置を測定することによってセンス部材１８の位置が計算されることができる。

しかし、支持素子１７の一部の曲がりのため、検出部材２２の動きはセンス部材１８の動きと比例しない。変形（主に曲がり）の程度は推定されることができ、センス部材１８の位置の計算に含まれることができるものの、支持素子１７の変形は、センス部材１８の位置が決定されるときの測定不確実性の主要な原因の１つである。

図３は、図２のプローブに対応するプローブを示すが、センス部材１８は支持ユニット１３に管状の支持素子２５によって接続されている。この管状の支持素子２５は、支持ユニット１３にばね手段１９によって接続されている。

検出部材２２は支持素子２５に取り付けられるのではなく、接続素子２６によって保持されている。接続素子２６はセンス部材１８に取り付けられ、支持素子２５に触れることなく中空の支持素子２５の内部に延在する。

センス部材１８及び検出部材２２は接続素子２６によって相互接続され、接続素子２６及び検出部材２２は装置のいかなる他の部分とも接触しないので、検出部材２２の位置とセンス部材の位置との間には常に所定の関係がある。

従って、センス部材１８の位置は、支持素子２５のいかなる曲がりにもかかわりなく、検出部材２２の位置が検出手段２３によって検出されるときに計算されることができる。

図４は、センス部材１８が球形部分２８だけでなくバー状部分２９も有するプローブの第２の実施例の断面図である。管状支持素子２５及び接続素子２６は、両方とも、センス部材１８のバー状部分２９に取り付けられる。

図５は、プローブの第３の実施例を示す。ここで、支持素子２５及び接続素子２６は、互いに平行に配置される。支持素子２５は、支持ユニット１３にバネ状素子２７（例えば板ばね）を通じて接続されている。センス部材１８が横向きに位置するように、両方の素子２５、２６は、例えば９０°の曲がりを持つ。このような横向きのセンス部材１８は、横向きに位置する孔の内側表面を測定するのに用いられることができる。

検出部材２２は接続素子２６に取り付けられ、該検出部材の支持ユニット１３に対する位置は検出手段２３により測定されることができる。検出部材２２の位置が測定されたら、センス部材１８の位置は、支持素子２５のいかなる曲がりにもかかわらず計算されることができる。

図６は、プローブの第４の実施例を示す、ここで、センス部材は、バー状部分２９によって相互接続される、より多くの（この例では３つの）球形部分を備える。球形の部分２８のそれぞれは、物体が接近される方向に応じて、測定されるべき物体に接触することができる。

図７は、プローブの検出手段２３の実施例を示す。接続素子２６は、その下方端にセンス部材１８を、その上方端に検出部材２２を持つ。前述したように、検出部材２２の位置が測定されるとセンス部材１８の位置は計算されることができる。検出部材の位置は、検出部材２２の位置だけでなくその方向性も伴う。

検出部材２２は、鏡である３つの傾斜した三角形の表面３０を持つ角錐の形をしている。上から、３つのファイバー及び３つのレンズ系３３を通じて３つのレーザービーム３１が供給される。３つのレーザービーム３１のそれぞれは、検出部材２２の３つの三角形のミラー３０の内の１つに向けられる。３つのレーザービーム３５は、ミラー３０によって反射され３つのディテクタスクリーン３６によって受けられる。３つのディテクタスクリーン３６のそれぞれは、レーザービームがスクリーンに当たる位置を測定する。

検出手段２３の全ての構成要素、即ち、ファイバー３２、レンズ系３３及びディテクタスクリーン３６は、支持ユニット１３に固定される。従って、検出部材２２の位置は、３つのディテクタスクリーン３６から来るデータに基づいて、即ち、レーザービーム３５がディテクタスクリーン３６に当たる位置に基づいて、計算されることができる。

このようなシステムによって、検出部材２２の位置及び方向性が、接続素子２６のいかなる機械的装着も回避するように、検出部材２２と支持ユニット１３との間にいかなる機械的接触も導入することなく、測定されることができる。

検出部材２２の位置が測定されたら、センス部材１８の位置が計算されることができ、これにより、測定される物体１５の表面上の関連するスポットが決定される。

上述の座標測定装置の実施例は、例に過ぎず、多くの他の実施例が可能である。

座標測定装置の斜視図である。 現状技術によるプローブを示す。 本発明によるプローブの実施例を示す。 本発明によるプローブの第２の実施例を示す。 本発明によるプローブの第３の実施例を示す。 本発明によるプローブの第４の実施例を示す。 検出手段を示す。

Claims (6)

1. 測定されるべき物体に接触するためのプローブを持つ座標測定装置であって、前記プローブは、
   （ａ）前記物体に接触するためのセンス部材と、
   （ｂ）支持ユニットと、
   （ｃ）前記センス部材を前記支持ユニットに接続する支持素子と、
   （ｄ）検出部材と、
   （ｅ）前記検出部材の位置を非接触で検出するための検出手段と、
   を有する、装置において、
   前記検出部材は接続素子によって保持され、前記接続素子は前記センス部材に取り付けられ、前記検出部材と前記接続素子は、装置の他の部分に接触せず、前記支持素子及び前記接続素子は互いに実質的に平行に配置され、前記接続素子の長さは前記支持素子の長さより大きいことを特徴とする装置。
2. 測定されるべき物体に接触するためのプローブを持つ座標測定装置であって、前記プローブは、
   （ａ）前記物体に接触するためのセンス部材と、
   （ｂ）支持ユニットと、
   （ｃ）前記センス部材を前記支持ユニットに接続する支持素子と、
   （ｄ）検出部材と、
   （ｅ）前記検出部材の位置を非接触で検出するための検出手段と、
   を有する、装置において、
   前記検出部材は接続素子によって保持され、前記接続素子は前記センス部材に取り付けられ、前記検出部材と前記接続素子は、装置の他の部分に接触せず、前記支持素子は実質的に前記接続素子を包囲し、前記接続素子の長さは前記支持素子の長さより大きいことを特徴とする装置。
3. 請求項２に記載の座標測定装置において、管状支持素子によって特徴付けられる装置。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の座標測定装置において、前記支持素子及び前記接続素子は曲がりを含むことを特徴とする装置。
5. 物体の位置を測定する方法において、前記物体はプローブのセンス部材によって接触され、前記プローブは、前記センス部材と、前記センス部材を保持すると共に支持ユニットに取り付けられる支持素子とを有し、前記センス部材の位置は、接続素子を通じて前記センス部材に接続される検出部材の位置を非接触で検出することによって測定され、前記検出部材は前記接続素子以外の装置部分に接触せず、前記接続素子は前記センス部材及び前記検出部材以外の装置部分に接触せず、前記支持素子及び前記接続素子は互いに実質的に平行に配置され、前記接続素子の長さは前記支持素子の長さより大きい方法。
6. 物体の位置を測定する方法において、前記物体はプローブのセンス部材によって接触され、前記プローブは、前記センス部材と、前記センス部材を保持すると共に支持ユニットに取り付けられる支持素子とを有し、前記センス部材の位置は、接続素子を通じて前記センス部材に接続される検出部材の位置を非接触で検出することによって測定され、前記検出部材は前記接続素子以外の装置部分に接触せず、前記接続素子は前記センス部材及び前記検出部材以外の装置部分に接触せず、前記支持素子は実質的に前記接続素子を包囲し、前記接続素子の長さは前記支持素子の長さより大きい方法。

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