JP4398255B2 - アナログプローブ - Google Patents

Description

本発明は、ワークピースと接触するスタイラスをもつアナログプローブに関するものである。

アナログプローブはよく知られており、プローブの例が特許文献１に記載されている。この特許はプローブ懸架機構を記載しており、これは３直交方向に配置された平行ばねの対を具え、ばね対はプローブハウジングの固定ポイントと、ワークピース接触スタイラスが接続される可動部材との間で直列に接続されている。アナログプローブは座標ポジショニング機械、例えば座標測定機械、工作機械あるいはマニュアルで位置決め可能な測定アームなどに取り付け可能なものである。

かかるプローブを用いたワークピース上での測定操作を通じ、プローブが取り付けられる機械がワークピースに向けて駆動され、スタイラスがワークピースと接触する。スタイラスの先端がワークピースと接触するとスタイラスが撓み、機械が移動を継続すると、プローブ内の測定トランスジューサが３直交軸に沿ったプローブスタイラスの撓みを表す信号を出力する。そのスタイラスの撓みを表す出力はプローブの位置を表す機械の出力と組み合わされて、スタイラス先端位置の真の指示値、従ってワークピースの表面に関する情報が与えられる。「アナログプローブ」と言う語は、出力がスタイラスの撓みを表すと言う事実について参照されるものであり、実際には、その出力はアナログ形態というよりもディジタル形態であり得る。

理想的には、プローブが機械に取り付けられたとき、プローブの軸が機械の座標軸に整列するよう配置されて、測定されたプローブの撓みが機械の軸に沿って生じるようになるものである。しかしながら、かかる配置を常に実現できるわけではない。

加えて、プローブ軸間のミスアライメントによって、それらが直交しない状態となることもある。さらに、真のプローブ軸の倍率が概してその公称値からずれていることもある。

従って、プローブおよび機械系の較正を行ってかかるミスアライメントおよび倍率エラーの影響を判定し、これらの影響に対してワークピース上で行われた測定を補正するようにするのが通常である。

プローブの較正を行うには、プローブが基準位置を持つようにすることが望ましい。これはスタイラスの移動における基準位置であり、プローブのすべての出力についてそれが参照される。

特許文献２には、固定された機械的な幾何学的ゼロポイントを備えるアナログプローブについて記載されている。Ｘ、ＹおよびＺ方向のそれぞれにおいてプローブを固定された機械的な幾何学的ゼロポイントに保持するよう、プローブ内のモータが用いられる。よってプローブの各軸には、それぞれ個別のモータおよび移動止めシステムが独立に保持されている。

また、プローブは機械的な幾何学的ゼロポイントに一致する電気的なゼロポイントを有している。よってプローブがその機械的な幾何学的ゼロポイントに駆動されるときに、トランスジューサからの電気的出力がゼロとして読まれる。

英国特許第１，５５１，２１８号明細書 米国特許第３，８６９，７９９号明細書 米国特許第６，４３０，８３３号明細書 欧州特許第０５６８１２０号明細書 欧州特許第０３４４２８９号明細書 国際公開８６／０３８２９号公報 国際公開００／６０３１０号公報

機械的な幾何学的ゼロポイントにプローブを駆動するためにモータを使用することは、プローブの寸法、重量、コストおよび制御の複雑さがすべて増大するという不都合がある。

本発明の第１の形態では、
ハウジングと、
スタイラスを取り付け可能で、前記ハウジングに対して移動可能な部材であって、その移動が前記スタイラスの移動によって生じるようにされた部材と、
該部材の前記ハウジングに対する移動を測定するための第１トランスジューサと、
プローブの特性または前記プローブとこれに隣接する表面との関係を測定する第２トランスジューサと、を具え、
前記部材が前記ハウジングに対する規定のレスト位置に位置づけ可能であるとともに、
該規定のレスト位置に前記部材が位置づけられたときに、前記第１トランスジューサがロックされるとともに、前記第２トランスジューサはロックされないようにした測定装置用デュアルトランスジューサプローブが提供される。

第２トランスジューサによって測定されるプローブの特性、または前記プローブとこれに隣接する表面との関係を、例えば、プローブのスタイラスの撓み、またはプローブとこれに隣接する表面との距離とすることができる。撓みと言う語は、プローブのスタイラスの変位および曲げの双方を含むものである。

前記部材および前記ハウジングまたはこれが接続される本体はそれぞれ、相補的な位置づけエレメントを備えていてもよく、これによって前記ハウジングに対する規定のレスト位置に前記部材を保持する位置に、前記部材または本体をバイアスまたは駆動することができる。前記規定のレスト位置は、前記位置づけエレメントによって規定される。

好ましくは、前記部材または前記本体は、少なくとも２軸における規定のレスト位置に前記部材を保持する位置に、一軸に沿ってバイアスまたは駆動される。その規定のレスト位置に前記部材が位置づけられたとき、その移動が３次元において制約されるようにすることができる。前記規定のレスト位置は運動学的に（kinematically）規定されるレスト位置であってもよい。

前記第２のトランスジューサはタッチトリガ信号を発生するものとすることができる。あるいは、前記第２のトランスジューサは前記ハウジングに対する前記部材の移動の範囲を測定するものであってもよい。前記第２のトランスジューサを非接触型のトランスジューサとすることもできる。

本発明の第２の形態では、
ハウジングと、
スタイラスを取り付け可能で、前記ハウジングに対して移動可能な部材であって、その移動が前記スタイラスの移動によって生じるようにされた部材と、を具え、
前記部材および前記ハウジングまたはこれが接続される本体にはそれぞれ相補的な位置づけエレメントが設けられ、
前記部材および前記本体の一方が、少なくとも２軸についての前記ハウジングに対する規定のレスト位置に前記部材を保持する位置に、一軸に沿ってバイアスまたは駆動可能となるようにし、前記規定のレスト位置が前記位置づけエレメントによって規定されるものである測定装置用アナログプローブが提供される。

精密に規定されたレスト位置はプローブの基準位置として作用し、プローブの全出力が参照するホーム／基準位置である。

好ましくは、前記規定のレスト位置に前記部材を保持する位置に前記部材または前記本体をバイアスまたは駆動するために、バイアス手段または駆動手段が用いられ、これにより、前記部材または前記本体が移動する間、前記バイアスまたは駆動手段が前記軸に垂直な方向において前記ハウジングに対する前記部材の移動を許容する。

一実施形態においては、前記規定のレスト位置に前記部材をバイアスするべく、バイアス手段が設けられている。ここで、前記部材は、これにスタイラスが取り付けられていないときに前記規定のレスト位置にバイアスされる。前記部材にスタイラスが取り付けられたとき、スタイラスの重量によって前記部材が前記規定のレスト位置から引き離される。

他の実施形態においては、前記規定のレスト位置に前記部材を保持する位置に前記部材または本体を駆動するべく、駆動手段が設けられる。

前記部材の前記ハウジングに対する移動を測定する第１トランスジューサと、プローブの特性または前記プローブとこれに隣接する表面との関係を測定する第２トランスジューサとをプローブが備え、これにより、前記規定のレスト位置に前記部材が位置づけられたときに、前記第１トランスジューサがロックされるとともに、前記第２トランスジューサはロックされないようにすることができる。

本発明の第３の形態では、ハウジングと、スタイラスを取り付け可能で、前記ハウジングに対して移動可能な部材であって、その移動が前記スタイラスの移動によって生じるようにされた部材と、該部材の前記ハウジングに対する位置を測定するためのトランスジューサと、を具え、前記部材および前記ハウジングまたはこれが接続される本体にはそれぞれ相補的な位置づけエレメントが設けられている測定装置用アナログプローブの基準づけdatuming）方法であって、
前記ハウジングに対する規定のレスト位置に前記部材を保持する位置に、前記部材および前記本体の一方をバイアスまたは駆動する工程と、
前記トランスジューサの読みをディジタル化回路に出力して、該ディジタル化回路のディジタルカウンタをゼロにセットする工程と、
を具える方法が提供される。

プローブ用の基準値は簡単な電子制御によってセットされるものでもよい。

以下、添付の図面を参照し、本発明の好適な実施形態を例として説明する。

図１は測定機械（不図示）のクイル２に取り付けられたアナログプローブを示す。測定されるワークピース６は、測定機械のテーブルすなわちベッド４には位置されている。アナログプローブ８はワークピースと接触する先端１４を有している。プローブ８は当該スタイラスのワークピース接触端１４がワークピース６と接触するまで移動する。そしてスタイラスは（プローブのハウジングに対し）破線で示す位置１１に変位し、そのスタイラスの変位はアナログプローブ内のトランスジューサによって測定される。トランスジューサの出力はプローブ８の位置を表す座標測定機械の出力と組み合わされて、ワークピース接触端１４の位置すなわちワークピースの位置を示すものとなる。

図２はプローブハウジング１０およびスタイラス１２を具える本発明のアナログプローブ８を単純化して示すものである。スタイラスは、一端にワークピースと接触するためのワークピース接触ボール１４を有し、プローブハウジング１０に対して変位可能である。スタイラス１２はプローブ１２のレスト位置から取り外し可能であり、除去することで他のスタイラスと交換可能である。例えば、異なる長さのスタイラスと効果可能である。スタイラスにはフランジ１６が設けられ、これはプローブのスタイラス取り付けプレート１８に接続する可能である。スタイラスのフランジ１６およびスタイラス取り付けプレート１８は磁気的に相互保持が可能であり、動的（kinetic）エレメントを設けてスタイラス取り付けプレート１８に対するスタイラスの位置を規定することで、スタイラスの位置決めの反復性を確保することができる。

スタイラス取り付けプレートはプローブハウジング内側の中央ロッド２０に取り付けられる。スタイラス１２およびロッド２０を剛に固定することで、スタイラス１２およびロッド２０がともに移動するようにする。

プローブは特許文献１に開示されたようなタイプのものでであってもよい。ここでは、３対の平行ばねがロッド２０およびスタイラス１２の回動を制限し、並進運動のみを許容するようにしている。

あるいは、プローブを他のタイプのものとすることもでき、例えば特許文献３に記載されたもののように、ピボット１２についての並進運動のみを許容するプローブであってもよい。

プローブ内にはトランスジューサが設けられ、ハウジング１０に対するロッドの変位を測定する。例えば、ロッド２０には、プローブハウジング内に設けた光学的読み取りヘッド５２に対応してスケール５０を設け、ハウジング１０に対するロッド１０およびスタイラス１２の変位を測定することができる。これはさらに、特許文献４に記載されている。例えばＬＶＤＴ絶対トランスジューサなどの、他のトランスジューサが用いられてもよい。

ボール２２を具えた位置づけエレメントがロッド２０に設けられ、窪み２４を具えた対応位置づけエレメントがプローブハウジング１０内の固定位置に配置される。窪みは例えば、３面体状、円錐状、あるいは３つのボールのクラスタとすることができる。ロッド２０を押し上げることで、ボール２２を窪み２４に係合させることができる。ボール２２および窪み２４が係合すると、ロッド２０の位置が規定される。ボールおよび窪みは、リニアな３自由度のロッド２０の位置を規定する。ロッド２０が角運動を制約されるアナログプローブのタイプでは、さらなる拘束は不要である。しかしロッドの角変位が制約されないプローブではさらに、例えば、自由度のすべてを規制する支持を提供する３対のエレメントなどのエレメント対に接続することを要する。これにより、ロッドは運動学的に拘束される。

本実施形態ではボールおよび窪みによる位置づけエレメントについて開示するが、他の位置づけエレメントを用いることもできる。本実施形態において、ボールおよび窪みをロッド２０または固定表面のいずれかに設けることもできる。

図２に示すように、スタイラス１２がロッド２０に接続されると、スタイラス１２の重みによってロッド２０が基準位置から引き離される。しかし、図３に示すように、スタイラスがプローブから取り外されると、ロッド２０は基準位置にバイアスされる。

ロッド２０を基準位置にバイアスするためにばね２６が設けられている。図２および図３においては圧縮ばね２６が示されており、ばねの一端がスタイラス取り付けプレート１８に接続される表面２５に接続されるとともに、他端がプローブ内の表面２７に接続されている。あるいは、ばねを引張ばねとして、例えばスタイラス取り付けプレート１８とプローブ内の固定表面との間を接続するようにしてもよい。スタイラス１２をロッド２０に取り付けると、スタイラスの重量がばね２６に対する釣合錘となり、よってロッド２０は基準位置に引き戻されない。スタイラス１２がプローブから取り外されると、ロッド２０はばね２６によって基準位置に引き戻される。

磁石３０，３１が設けられ、ロッド２０が基準位置の近くになると（そして磁石が互いに近接すると）、ロッド２０を基準位置に吸着する。磁石はまた、この基準位置にロッド２０を保持する。図２および図３では、スタイラス取り付けプレート１８およびプローブハウジング内の表面３２に配置した磁石３１，３０を示している。磁石は他の位置に配置されていてもよく、例えば位置づけエレメントに隣接していてもよい。

ダンパ３４を設けることで、ロッド２０のその基準位置に対する変位が円滑に行われ、かつプローブに対する制御不能な衝撃が排除されるようにしている。

本プローブには、スタイラスが取り外されるときにはいつでも、マニュアル操作を要することなくその基準位置に復帰するという利点がある。プローブがこの基準位置にバイアスされているので、制御ラインは不要であり（すなわちプロセスを監視する場合には必要となり得る）、よってプローブのコントローラはプローブからの読み取り出力をのみ要するものとなる。

プローブが座標測定機械に取り付けられ、較正されたとき、プローブは自動的にその基準位置に置かれる。基準位置はプローブ出力が参照する基準ポイントとして作用する。トランスジューサが非絶対測定デバイスである場合には、これが有利となる。

トランスジューサからの出力はディジタル化回路に入力される。プローブがその基準位置に置かれると、ディジタル化回路のカウンタがゼロにセットされることで、機械的基準ポイントでの電気的基準ポイントが設定される。

本実施形態の不利な点は、スタイラスモジュールがより軽量のもの（例えば長さがより短いもの）に交換された場合、そのスタイラスモジュールにはプローブをその基準位置から引き出すのに十分な重量がないこともあり得る、と言うことである。この問題は以下に述べる本発明の他の実施形態によって解決される。ここでは、プローブをその基準位置に駆動するための手段が設けられている。プローブをその基準位置に駆動する以下のすべての方法では、ＸおよびＹ方向におけるいくらかの移動が許容され、プローブがＺ方向に上昇するときに、ＸおよびＹ方向における遊びによってプローブが自ら基準位置への調整を行えるようにしている。

図４はプローブを基準位置に駆動するためのソレノイド４０が設けられたプローブが示されている。ソレノイドはハウジング１０に対して固定された位置に取り付けられたコイル４２を具えている。ハウジング１０はスタイラス取り付けプレート１８に直接または間接的に接続された中心ロッド４４を有する。コイル４２に電流が流れると、プローブが基準位置に到達するまでロッド４４が引き上げられる。ソレノイドのクリアランスを十分なものとすることで、ロッド４４のＸおよびＹ方向における移動が可能となる。

図５はベローズ５０の配設を示しており、これはプローブをその基準位置に駆動するために使用可能なものである。ベローズ５０の一端５２はプローブハウジング１０に対して固定された位置に取り付けられている。ベローズ５０の他端５４はスタイラス取り付けプレート１８に直接または間接的に接続される。ベローズ５０の排気を行うと、プローブは基準位置に引かれる。あるいは、この配置を逆にして、ベローズが加圧されたときに部材が基準位置に押されるようにしてもよい。先の例のように、Ｚ方向への移動を通じ、ベローズはＸおよびＹ方向においていくらかの遊びを許容する。

図６はモータおよびプーリからなる構成６０を示しており、プローブを基準位置に巻き上げることが可能なものである。モータ６２はプローブハウジングに対し固定位置に取り付けられている。モータの回転可能なプーリ６４がケーブル６６を昇降させるのに用いられる。ケーブル６６はマウント６８に接続され、これはさらにスタイラス取り付けプレート１８に直接または間接的に接続されている。先の例のように、この種の構成でも、Ｚ方向への移動を通じてＸおよびＹ方向におけるいくらかの遊びが許容される。

これらの実施形態はすべて、反復性のある機械的基準を具える点で第１の実施形態と同様である。図９に示すように、部材を上方にバイアスまたは駆動して機械的基準位置に至るようにする代わりに、位置づけエレメント２４が配設された本体９０を、予め規定した位置、例えば係止部９４に規定される位置まで、部材２０に向かってバイアスまたは駆動するようにすることもできる。本体９０が破線９２で示すような予め規定した位置に至ると、本体上の位置づけエレメント２４と部材上の位置づけエレメント２２とが接触し、これによって部材が予め規定した位置に保持される。

プローブをその基準位置にバイアスまたは駆動する上例のすべては、プローブを一軸に沿ってバイアスまたは駆動する一方、この軸に直交する移動を許容している。これにより、単一のモータまたはバイアス手段を用いてプローブを基準位置に置くことが可能となる。基準位置はすべての軸についてその位置を規定する。このようにしない場合、各軸に沿ってプローブを駆動またはバイアスする必要が生じ、プローブの重量、寸法および複雑さが増すことになる。

上例で説明したシステムにおいて、トランスジューサ出力について予め規定する電気的ゼロポイントは不要である。プローブをその基準位置にバイアスまたは駆動しさえすれば、トランスジューサからの出力はゼロにセットされる。よって、機械的基準を生成するのにプローブのトランスジューサ出力は不要であるが、実際上、機械的基準はトランスジューサに対する電気的基準を生成するのに用いられる。

本発明の第２の使用形態を説明する。アナログ走査プローブ（上述のようなもの）と、タッチトリガプローブ（特許文献５に開示されたようなもの）とを組み合わせたプローブが知られている。図７は先の例で説明したようなアナログプローブを示しており、これはまたタッチトリガ測定を行うこともできるものである。アナログプローブの内部機構はよく知られており、ここでは詳述しない。

ワークピースに対するスタイラス１２の初期接触に応じてトリガ信号を提供するために、スタイラス１２の２つの部分７２，７４間に圧電性結晶７０が挟持されている。圧電性結晶７０の各サイドに電気的接続（不図示）が施され、ワークピースに対するスタイラス１２の衝突に応じてスタイラス内で生じる衝撃波から電気信号が生成される。信号処理回路により、この信号が処理されてトリガ信号が提供される。

上述した配置において圧電性結晶を備えるのではなく、本出願人による特許文献６に開示されたもののような完全トリガプローブ（entire trigger probe）を代用し、スタイラスの代わりにスタイラスホルダに嵌め込むこともできる。

特許文献５にさらに詳細に開示されているように、プローブは、圧電性結晶からのタッチトリガデータと、アナログトランスジューサからのアナログデータとを組み合わせることもできる。また、トリガセンサをオフとし、単純なアナログプローブとしてプローブを使用することも可能である。しかしながら、単純なタッチトリガプローブとしてプローブを使用することが望ましいこともある。

本発明では、プローブのアナログ部分をロックすることができ、組み合わせプローブを単にタッチトリガプローブとして用いることが可能とする。これは、例えば上述の方法の一つによって、プローブを基準位置に駆動し、プローブの本体内のアナログトランスジューサをロックすることで実現できる。プローブのアナログ部分のロックに応じ、プローブを単にタッチトリガプローブとして使用することが可能となる。すなわち、組み合わせモードと、アナログのみのモードと、タッチトリガのみのモードとでプローブを使用することができる。

タッチトリガモードでプローブを使用することには、高速移動を行う際にプローブが加速に起因した動的エラー（dynamic error）を受けないという利点がある。また、未知の表面をプロービングする際に、かかる組み合わせプローブをタッチトリガのみのモードで使用することは有利である。そのような未知の表面上でアナログプローブを使用するには、プローブが取り付けられる機械に対し時間のかかるサーボ制御を施す必要が生じる。これに対してタッチトリガプローブを使用すれば、そのような不利な点がなく、はるかに簡単なものとなる。

トランスジューサの１セットをロックするこのシステムは、いかなるタイプのデュアルプローブに対して用いられてもよい。例えば、アナログと非接触表面検出とを組み合わせたプローブなどである。

図８はアナログと光学とを組み合わせたプローブを示している。この例では、プローブの本体は先の実施形態で説明したものであるが、スタイラスモジュールは光学検出モジュール８０に置換されている。光学検出モジュールはどのようなタイプのものであってもよく、一般的には表面に光を照射する光源８２と、表面からの反射光を検出する検出器８４とを具えている。同様にして、他のタイプの非接触モジュールをプローブ本体に取り付けることもできる。例えば、キャパシタンスまたはインダクタンス検出技術を用いるモジュールを部品表面に位置づけるものでもよい。

組み合わせプローブは２セットのアナログトランスジューサを有したものとすることもできる。スタイラスモジュールは、例えば特許文献７に記載されたもののように、スタイラスアセンブリ内に光学トランスジューサシステムを設けたプローブを具えるものでもよい。光源が光ビームをスタイラス先端の逆反射体に向け、これが検出器に向けて反射されるようにすることで、スタイラス先端の横方向変位を測定することも可能である。

アナログプローブをそのスタイラスがワークピースに接触している状態で示す図である。 バイアス手段をもつプローブの内部を単純化して示す図である。 スタイラスを除去して図２に示したプローブを示す図である。 ソレノイド駆動手段をもつプローブの内部を単純化して示す図である。 ベローズ駆動手段をもつプローブの内部を単純化して示す図である。 モータ駆動手段をもつプローブの内部を単純化して示す図である。 アナログおよびタッチトリガプローブを組み合わせたものの内部を単純化して示す図である。 アナログおよび光学プローブを組み合わせたものの内部を単純化して示す図である。 図３に示したアナログプローブの変形例の内部を単純化して示す図である。

Claims (9)

1. 測定装置に用いられる測定プローブであって、
   ハウジングと、
   スタイラスを取り付け可能で、前記ハウジングに対して移動可能な部材であって、その移動が前記スタイラスの移動によって生じるようにされた部材と、
   該部材の前記ハウジングに対する変位を測定するための第１トランスジューサシステムと、
   前記測定プローブの特性または前記測定プローブとこれに隣接する表面との空間的な関係を測定する第２トランスジューサシステムと、を具え、
   前記部材が前記ハウジングに対する基準位置に位置づけられて拘束可能であるとともに、
   該基準位置に前記部材が位置づけられて拘束されたときに、前記第１トランスジューサシステムが前記変位の測定には用いられず、前記第２トランスジューサシステムのみが前記特性または前記空間的な関係の測定に用いられ得るようにした測定プローブ。
2. 前記部材は第１の位置づけエレメントを具え、前記ハウジングは第２の位置づけエレメントを具え、前記第１の位置づけエレメントは前記第２の位置づけエレメントに対して係合可能であり、前記第１の位置づけエレメントの前記第２の位置づけエレメントに対する当該係合よって、前記ハウジングに対する前記部材の前記基準位置が提供される請求項１に係る測定プローブ。
3. 前記部材は、一軸に沿って、前記ハウジングに対し前記部材が前記基準位置に保持される位置にバイアスまたは駆動可能である請求項２に係る測定プローブ。
4. 前記第２トランスジューサシステムがタッチトリガ信号を生成する請求項１ないし請求項３のいずれかに係る測定プローブ。
5. 前記第２トランスジューサシステムが前記部材に対する前記スタイラスの先端の横方向の変位を測定する請求項１ないし請求項３のいずれかに係る測定プローブ。
6. 前記第２のトランスジューサシステムが非接触型のトランスジューサシステムである請求項１ないし請求項３のいずれかに係る測定プローブ。
7. 前記部材が前記基準位置に位置づけられたとき、その移動が３次元において制約される請求項１ないし請求項６のいずれかに係る測定プローブ。
8. 前記基準位置が、前記ハウジングに対する前記部材の移動のすべての自由度が拘束される、運動学的に規定される位置である請求項１ないし請求項７のいずれかに係る測定プローブ。
9. 前記部材は第１の位置づけエレメントを具え、前記ハウジングは第２の位置づけエレメントを具えた本体を含み、前記第１の位置づけエレメントは前記第２の位置づけエレメントに対して係合可能であり、前記本体は前記部材に向けてバイアスまたは駆動されることが可能であり、これによって前記第１の位置づけエレメントの前記第２の位置づけエレメントに対する係合が生じ、前記ハウジングに対する前記部材の前記基準位置が提供される請求項１に係る測定プローブ。

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