JP4417114B2 - 座標測定器用プローブヘッド - Google Patents

Description

本発明は空間的に変位可能な測定フィーラーを有し、空間内でのプローブヘッドの様々な向きに対して測定フィーラーの所定の安置位置を設定するバランス手段を有するマルチ座標測定器用のプローブヘッドに関する。

上に述べたタイプのプローブヘッドは、下記特許文献１に開示されている。
ここで問題とするタイプのプローブヘッドは、３次元的な曲面である対象物表面を連続的にスキャンするための、マルチ座標測定器で使用される。測定のための力を能動的に導入するプローブヘッドと、受動的なプローブヘッドの、２つの異なる設計が存在する。
測定のための力を能動的に導入するプローブヘッドの場合、プローブヘッドの動力学系と呼ばれるものを介して力発生器により、すなわちデカルト座標系の３つの軸に沿って移動するために使用される直線運動ユニットにより、測定のための力が能動的に加えられる。ここで測定のための力とは、測定フィーラーの自由端に設けられた探触球を測定すべき対象物に押しつける力のことである。この場合、その力は例えば適切な測定のための力用のコイルを介して電磁的に印加される。

測定を行う間、マルチ座標測定器における追跡は、プローブヘッドの動力学系がほぼゼロ位置に置かれるような仕方で行われる。
かかる能動的プローブヘッドでは、非常に小さな測定のための力を印加すればよい。マルチ座標測定器の加速中は、プローブヘッドの動力学系の質量は力発生器によって能動的に保持することができる。更にこのような能動的プローブヘッドは、対象物表面に接触する前に変位させることができる。これによってマルチ座標測定器の応答経路をより大きくすることができ、より高速で接触することが可能となる。

能動プローブヘッドはまた非常に多くの場合、能動的バランス機能も有しており、それによってプローブヘッドの回動または回転によりプローブヘッドの動力学系をゼロ位置に戻すことができ、従ってまた安定した平衡状態となる。かかるバランス動作のために、回動の間に測定経路が失われることはない。
これに対して受動プローブヘッドの場合は、測定のための力の大きさはバネの剛性とプローブヘッドの動力学系の撓みとによって設定される。小さな測定のための力を加えることができるためには、プローブヘッドの動力学系が柔らかいか、または変位経路が小さくなければならない。しかし変位経路を小さくすると、マルチ座標測定器の制御に大きな負担がかかり、また高速での接触が不可能になる。従って変位経路を大きくすることが有利であるが、その場合測定のための力およびその変動が過大とならないためには、柔らかいバネを使った動力学系を必要とする。

測定範囲の減少を可能な限り小さくするためには、動力学系の移動する質量を小さくし、剛性を高くしなければならない。しかしこれは前に述べた要請と相反するものである。
本発明の範囲で検討するのは、主に受動的プローブヘッドである。
既知のプローブヘッドのほとんどは、バランス機能を有していない。そのため、かかるプローブヘッドが特定の位置に回動または回転させられると、それらの動力学系もまた安定したゼロ位置から変位してしまう。その結果、変位の量だけ有効な測定経路が減少してしまう。

例えば下記特許文献２には、対象物の３次元測定を行うための受動プローブヘッドが開示されている。この既知のプローブヘッドの場合、フィーラー探触子は背後領域において球状に構成され、この球状領域は補完的な球状構造のリングベアリング内に保持されている。このようにして、フィーラー探触子をデカルト座標系の２つの互いに直交する座標に沿って動かすことができるが、それらに垂直な第三の軸に関してはそうではない。この第三の軸に沿っても動けるようにするには、第三の軸に沿って延びるバネを介してハウジングに接続されたアームに、リングベアリングを接続する。

アームと、ボールベアリングで支持されたフィーラー探触子の後端との間には２個のセンサーが備えられており、３つの軸の内の２つに沿ったフィーラー探触子の傾斜運動をこれらのセンサーによって検出できる。アームの運動を検出するため、従って第三の軸に沿ったフィーラー探触子の運動を検出するために、アームとハウジングとの間には第三のセンサーが備えられている。

開示された構成では、既知のプローブヘッドが適しているのは、ハウジングが固定しており、ボールベアリング内でのフィーラー探触子の回動運動とアームの鉛直運動とだけが可能であるような設置位置とした場合だけである。それに対して、全プローブヘッドの回同運動を行うと、カウンターバランスが施されていないために、この構成はその運動の間にバランス状態から外れるであろう。そのため、バネは鉛直に取り付けられた場合とは負荷状態が異なるため、アームに対する鉛直案内面が傾いた時点で既に測定誤差が生じてしまうことになる。

ボールベアリング内に取り付けられたフィーラー探触子は、ボールベアリングの中心に関して非対称な設計となっているので、鉛直位置から変位する間にフィーラー探触子もまた復元力を受ける。
下記特許文献３には、３次元座標用の位置ピックアップが開示されている。このピックアップは、フィーラー探触子を含む。このフィーラー探触子は、膜状のバネの中央に固定されており、測定ピンのある側で後者から突出し、他の側にはセンサーを有する。膜状のバネは、その周辺で円筒形のハウジング内に保持されている。膜状のバネは、３つの座標の方向全て、すなわち軸方向を含む測定ピンの運動を可能にする。センサーシステムは、デカルト座標系の３つの軸に沿って配列されてそれぞれコイルシステムによって取り囲まれた３個のフェライトコアを備えている。そのため、測定ピンの自由端にある探触球が変位すると、フェライトコアはそれぞれのコイルシステム内で異なる仕方で移動し、３つの座標軸の方向での探触球の運動に対応して３つの測定信号を発生する。

この既知のプローブヘッドにもカウンターバランスは施されておらず、そのためプローブヘッドの設置位置または動作位置が変化すると、測定誤差および／または変位が生じる。
座標測定器用のプローブヘッドは最初に言及した下記特許文献１に教示されている。位置に全く依存しない仕方でこのプローブヘッドを使用できるようにするためには、その弾性力がモーターによって設定される２つのバネを備えたバランス装置を、３つの空間軸の各々に対して作動状態に切り替えることができるようにする。位置測定システムの一部であり好適にはオプトエレクトロニクス（光電子）的な設計であるゼロ位置インジケータを介して、モーターが制御される。

従ってこの既知のプローブヘッドは、空間座標の各々に対する二重バネ構成に加えて、それぞれについてモーター駆動による個別の調整と付随する制御手段とが必要となるので、比較的複雑である。
下記特許文献４には、モーター駆動のバランス手段によるバランス機能が同様に備えられた場合の座標測定器用の別のプローブヘッドが開示されている。この既知のプローブヘッドは、プローブヘッドのバランスを取る、すなわち探触球の中央位置への位置決め装置として機能するギア付きモーターを有している。３つの自由度の各々について、適切な位置決め装置が１台備えられている。

前記位置決め装置はかなりの重量があるので、この構成もまた比較的複雑であり、特に重いものとなる。
最後に下記特許文献５には、座標測定器の測定プローブヘッドのプローブによる測定を実行する方法が開示されている。この既知の方法も、空間内で任意の望みの仕方でプローブを回動させることができるように、３つの座標軸に沿ってバランスを取る機能を提供する。この方法によれば、プローブのゼロ位置の変位は、様々なプローブ重量とプローブヘッドの様々な空間的位置とに基づいて決定され、プローブヘッドを使って求められた測定値は最後に電子的な信号処理によって修正される。

そのため、前に述べた電気モーターによるバランス機能を有する２つの既知のプローブヘッドと異なり、この既知の方法は信号の修正という形で電子的バランス機能を利用する。
従ってこの既知の方法は、それに対応して複雑なデータ処理と協働する正確なセンサーシステムをゼロ位置からの偏差に対して備えなければならないので、上と同様に比較的複雑である。
独国特許出願公開第 ３７ ２５ ２０７ 号明細書 国際公開第 ００／０８４１４号パンフレット 独国特許出願公告第 ２４ ４０ ６９２ 号明細書 独国特許出願公開第 １９５ ００ ４５１ 号明細書 独国特許発明第 １９６ ４７ ５１４ 号明細書

この様な状況に鑑みて、本発明の目的は上記の問題点を解消できるように、最初に述べたタイプのプローブヘッドを開発することである。特に、いかなる設置状況および作動位置でもプローブヘッドが高い精度で使用できるように、あらゆる面でバランスの取れたプローブヘッドを提供することを目的とする。

本発明によれば、バランス手段が質量として設計され、測定フィーラーをバランスさせるために必要な力および／またはモーメントがその質量にかかる重力によって生じるようになされ、測定フィーラーの位置は、鉛直方向に直交するｘ軸およびｙ軸の少なくとも一方に沿ってバランスさせることができ、複数の質量が、測定フィーラーをバランスさせるために空間的に分布しており、バランス手段が、バネによって支持された質量と反対に強制的に向けられるような仕方で移動するカウンタウェイトを有し、質量の所定の空間分布によってバランスが実現され、測定フィーラーがその重心においてカルダン懸架によって取り付けられていることによって、この目的が達成される。
また、本発明によれば、バランス手段が質量として設計され、また測定フィーラーのバランスを取るために必要な力またはモーメントが質量にかかる重力によって生じ、測定フィーラーの位置は、鉛直方向に直交するｘ軸およびｙ軸の少なくとも一方に沿ってバランスさせることができ、複数の質量が、測定フィーラーをバランスさせるために空間的に分布しており、バランス手段が、バネによって支持された質量と反対に強制的に向けられるような仕方で移動するカウンタウェイトを有し、測定フィーラーがハウジングを有し、先端部まで延びる測定探触子がハウジング内に設けられており、測定探触子がバネを介してハウジングに関して支持されており、かつハウジングがカルダン懸架によって取り付けられている。
また、本発明によれば、バランス手段が質量として設計され、また測定フィーラーのバランスを取るために必要な力またはモーメントが質量にかかる重力によって生じ、測定フィーラーの位置は、鉛直方向に直交するｘ軸およびｙ軸の少なくとも一方に沿ってバランスさせることができ、複数の質量が、測定フィーラーをバランスさせるために空間的に分布しており、バランス手段が、バネによって支持された質量と反対に強制的に向けられるような仕方で移動するカウンタウェイトを有し、質量の所定の３次元運動によってバランスが実現され、個々の質量が、プローブヘッドの空間内での回動に対する個々の質量の反対方向の運動を起こす構成によって互いに結合されており、測定フィーラーが、３軸のうち２軸のみに沿った変位をするようにカルダン懸架によって取り付けられており、また更に第三の軸に沿って変位するためのバネが備えられており、かつカウンタウェイトは、第三の軸の方向に移動する。
これにより本発明の目的は完全に達成される。
本発明によれば、質量の力、すなわちシステムに固有の質量または特に備えられたバランス質量によって生じる力を、バランスを取る目的にもっぱら利用している。そのためいかなるタイプの電気モーターによる位置決め装置も、いかなるタイプのセンサーシステムも、またいかなるタイプのデータ処理も必要としない、完全に自動化された自己バランスを達成する巧妙な設計により、目的が達成される。従って本発明は、低コストで実際に使用できる、非常に単純であるが、同時に非常に効果的な手段を利用可能とするものである。

本発明によるプローブヘッドの典型的な実施形態の最初のグループでは、質量の所定の空間分布によってバランスが取られる。
これは特に、測定プローブがその重心においてカルダン式で取り付けられている場合は常に適用される。
この方策には、測定フィーラーの個々の質量によってそれらにかかる重力を介して加えられるモーメントは互いに厳密に相殺するので、測定フィーラーは一旦安置位置に来るとプローブヘッドが空間内で保持される向きに関係なく、安置位置にとどまるという利点がある。

この典型的な実施形態の好適な発展においては、測定フィーラーは３つの軸の内の２つだけに沿った変位のためにカルダン式で（カルダン懸架によって）取り付けられており、また更に第三の軸に沿った変位のためにバネが備えられている。
本発明の好適な実施形態ではこれは、測定フィーラーがハウジングを有し、先端部まで延びる測定探触子がハウジング内に設けられており、測定探触子がバネを介してハウジングに対して相対的に支持されており、またハウジングはカルダン式で取り付けられているという事実によって、実用のために実施される。

この方策は、カルダン懸架が「外側から」プローブヘッドのハウジングに対して作用し、一方、第三の軸に沿った変位のためのバネシステムは、ハウジング内でそこに設けられた測定探触子に対して、すなわちかなり小さな質量に対してのみ作用するという利点を有している。
本発明の実施形態では、バネは既知の膜状バネとして設計される。

この場合、特に巧妙な設計は、ハウジングとハウジングの軸に沿って安置位置において延びる測定探触子との間で、測定フィーラーのハウジングの好適にはポット状の部分内に膜状バネが配設されているという事実によって、達成される。
この方策では、弾性のある膜において中央に保持された比較的小さな質量の測定探触子を移動するだけでよいという利点が、この場合にも得られる。

この場合、２つの膜状バネが互いに軸方向に間隔を開けて設けられるという事実により、特に良好な結果が達成される。
この方策には、測定探触子が両膜状バネの軸方向に離れた２つの点で保持されているので、測定探触子の傾斜を防止するという利点がある。
本発明の特に好適な実施形態では、バネは先端部とカルダン懸架との間に設けられている。

この方策には、移動すべき質量が特に小さく、また実用において測定探触子およびバネ群の質量に制限できるという利点がある。
本発明の典型的な実施形態の第二の好適なグループでは、質量の所定の３次元的な移動によってバランスが取られる。
このことは特に、個々の質量が、プローブヘッドの空間内での回動の間に、個々の質量の反対方向の運動を起こす構成によって互いに結合されている場合に、常に該当する。

これらの方策は、個々の質量の反対方向に向けられた望ましい運動によって、測定フィーラーの重心の位置が空間内で固定され、完全なバランスが取られると言う利点を有する。
この場合、典型的な実施形態の前記の両グループ、すなわち一方では質量の特定の分布が、他方では質量の特定の３次元的な運動が、個々の座標軸、方向、平面その他に対してのみ利用されるか、またはそれぞれの場合において互いに組み合わせることが可能であることは言うまでもない。

本発明の更に別の実施形態において、バランス手段は各質量を互いに反対の方向に移動するためのレバー機構を備えている。
この方策には、バランス手段が機械的に単純な構成であってよく、またバランス手段はプローブヘッドの設置位置または動作位置に関係なく機能することができるという利点がある。

これは特に、レバー機構が二本アーム付きのレバーを有するときは常に該当する。
この典型的な実施形態を更に改良したものとして、前記レバーの少なくとも１つが弾性領域を有していれば、各レバーは最適な屈曲線を取ることができる。本発明を更に改良したものにおいて、これは、両端に屈曲性の弾性固定手段を有し、中間部で支持された剛性を有する構造のレバーとしての利用を可能にする。

特に好適な典型的実施形態では、前記レバー機構は外側のカウンタウェイトと測定フィーラーの中心軸に沿って安置位置内で延びる測定探触子との間に設けられている。
この方策には、特にコンパクトな設計をもたらすという利点がある。カウンタウェイトをこの周辺に設けることにより、比較的小さな断面積に対して大きな重量を利用できるようになるという利点がある。

測定フィーラーが、その上部に放射状のフランジを備えた管状のハウジングを有し、このフランジ上の中間部でレバー機構の二本アームレバーが互いに支持しあうことが更に好ましい。
この方策もまた、特にコンパクトな設計をもたらし、また補償すべき質量を最適に分布させることができるという利点を有する。

本発明の更に別の実施形態では、レバー機構によって回動させられる質量には付加的な重りが備えられ、前記質量による重量、この質量を支えるレバーアームの重量、および／またはレバーアームを支えるベアリングポイントの重量によって生じる撓みが補償されるように、前記付加的な重りの寸法が決められる。
この方策は特定の形態の残留誤差もまた補償されるという利点を有するが、もっと正確に言うと、質量に望みの運動を行わせるために使用されるレバーアームが、これらの質量にかかる重量のために曲がり、かつ／またはその際に支持要素として働くベアリングポイントが何らかの撓みを生じるときに、質量の位置が実際には変化するという事実によって生じる、いわゆる「バランスオフセット」である。これらの撓みによって生じる位置の誤差は、能動的レバーアームを通して必要な位置の修正を行うある種の付加的な重りを有する移動質量を備えることにより、驚くほど単純な仕方で補償できる。

最後に、本発明の特に優先される典型的な実施形態は、測定フィーラーが３軸のうち２軸のみに沿った変位をするようにカルダン式で取り付けられ、また更に第三の軸に沿って変位するための前記バネが備えられ、カウンタウェイトは、第三の軸の方向に移動するようになされたものである。

この方策は、既に上で述べたように、１つの軸のバランスを取るために空間内での質量の所望の運動が利用され、他の２軸のバランスは基本的に空間内での質量の適切な分布により実現されると言う利点を有する。
以下の説明と添付の図面により、更に別の利点が明らかになるであろう。
上で述べた特徴および以下で説明する特徴は、それぞれ具体的に示した組み合わせだけではなく、本発明の範囲から逸脱することなく他の組み合わせで、またはそれら単独に利用することもできることは言うまでもない。

以下、本発明の典型的な実施形態を添付の図面を参照してより詳細に説明する。
マルチ座標測定器用プローブヘッド全体を図１において１０で示す。プローブヘッド１０は、内部に測定フィーラー１４が配設されたハウジング１２を有する。測定フィーラー１４の自由端には先端部１６がある。先端部１６がデカルト座標系１７の３軸ｘ、ｙおよびｚに沿って移動できるような仕方で、測定フィーラー１４は吊り下げられている。

この目的のために、測定フィーラー１４はベアリング１８内の一端に吊り下げられている。ベアリング１８はカルダン式ベアリングであるが、ここでは「カルダン式」という言葉を、先端部１６がｘ−ｙ平面内で運動を行うことができ、一方ｚ方向での運動は不可能であるという意味に使用されている。
測定フィーラー１４は、その重量２１が質量ｍ₁で象徴的に表されるベアリング１８の下方に位置する下部２０、およびその重量２３が質量ｍ₂で表されるベアリング１８の上方に位置する上部２２に分けられる。

この場合、質量ｍ₁およびｍ₂の重心がベアリング１８の正確に中心に位置するように、この構成は作られている。
他方、測定フィーラー１４はベアリング１８と共に、ｚ方向に向いたガイド２５内を案内される。この方向には、ベアリング１８を支持するバネ２４も、測定フィーラー１４全体と共に、質量、例えばハウジング１２に逆らって作用する。その結果、測定フィーラー１４もバネ２４を介してｚ方向に移動できる。

測定フィーラー１４と協働し、またｘ、ｙおよびｚ方向におけるその運動が当業者には周知の仕方で検出されるセンサーシステムを２６で示す。センサーシステム２６の出力信号は電子的測定ユニット２８に供給されるが、これはセンサーシステム２６からのこの信号を使用して、測定値を更に処理するための適切な信号を形成する。
最後に、図１にはバランス装置３０も示されている。バランス装置３０はｚ方向内で作用する。これは図１ではレバー機構で表されているが、ここではレバーアーム３３がベアリング１８上のジョイント３２において作用し、ハウジング上に固定されたベアリング３４を介して、図１において質量がｍ₃で表されるカウンタウェイト３６につながっている。

図１のプローブヘッド１０は下記のように動作する。
測定すべき対象物の３次元曲面である表面に沿って先端部１６が案内されるとき、カルダン式ベアリング１８がその運動を許容するので、先端部はｘ−ｙ平面内で変位することができる。ｚ方向内での変位はバネ２４の支持を介して許容される。
測定フィーラー１４はベアリング１８の中心にその重心があるので、ｘ−ｙ平面内での変位には、重力によって生じる測定フィーラー１４の復元力は伴わない。従って測定フィーラー１４は各回動の位置において平衡状態に置かれる。

ｚ方向内での変位についても、対応して同様のことが言える。それは、合計質量ｍ₁＋ｍ₂の鉛直運動が、例えば和ｍ₁＋ｍ₂と等しい質量ｍ₃の反対方向の運動によって、ロッカー（揺動子）として動作する機構３２、３３、３４により補償されるからである。
このことは、プローブヘッド１０が全体として回動させられるか、または回転させられる場合でも同様であるが、それは両方の安定化システムがプローブヘッド１０の傾いた作動位置でも機能するからである。

バランス装置３０が図１では極めて模式的に図示されていることは言うまでもない。本発明の範囲において、移動する質量のバランスを最も一般的な形で実現するために、１つ以上の座標軸に沿って作用するもの、または極座標を使用するものの場合は回動の角度の方向に作用する、全てのタイプのバランス装置がここで対象となる。実際には、以下説明するように、一方で質量ｍ₁、ｍ₂、他方で質量ｍ₃の反対向きの運動を許す、図１に示したものとは異なる別のメカニズムを使用することも可能である。

本発明によるプローブヘッド４０の別の典型的な実施形態を図２Ａ〜図２Ｃに模式的に示し、実際の実施形態を図３Ａおよび図３Ｂに示し、図３Ａの詳細を図４に拡大して示す。従って図２〜図４において同一の要素には同一の参照符号を付し、異なる動作位置にはプライム（ダッシュ）符号またはダブルプライム符号を付して示す。
４０は、ハウジング４２を有するプローブヘッドを、全体として示す。ハウジング４２内には測定フィーラー４４が設けられている。測定フィーラー４４は大概的に管状である。下端部４６が球状に構成された測定探触子４５が、測定フィーラー４４の中心軸５１に沿って延びている。先端部４６はデカルト座標系１７の３軸ｘ、ｙおよびｚに沿って移動することもできる。

測定フィーラー４４は、管状のハウジング５０を備えている、このハウジング５０は中間部５２、ハウジング下部５４、および中間部５２の最上部に取り付けられた放射状のフランジ５６とを含む。
管状の中間部５２のほぼ中間位置で、測定フィーラー４４がプローブヘッド４０のハウジング４２に関してカルダン式ベアリング５８内に支持されている。カルダン式ベアリング５８は、プローブヘッド４０の中間部の半径方向の面を概略構成する平面６０内に配置されている。

測定探触子４５は、その周辺でハウジング下部５４上に固定され、軸方向に間隔を開けて配置された２つの膜状バネ６４および６６の中央で、ハウジング下部５４の領域内に保持されている。この構成により、測定探触子４５はｚ軸に沿ってのみ移動可能となる。
放射状のフランジ５６上で、軸方向の支持部材６８が上方に向かって延びているが、これはリングまたはリングの一部として設計することもできる。これらの支持部材６８はその最上部で、二本アーム付きレバーが弾性的に結合されたジョイント７０を支えている。

ジョイント７０からは、カウンタウェイト７４に（好適にはフレキシブルな領域７８を介して）つながっている剛性のある第一のレバーアーム７２が半径方向に外に向かって延びている。カウンタウェイト７４は好適には、特に図３Ａから明確に現れるように、リングとして構成される。
ジョイント７０から半径方向に内側に向かって、測定探触子４５の上端に（好適にはフレキシブルな領域７３を介して）つながっている剛性のある第二のレバーアーム７６が延びている。剛性のあるレバーアーム７２および７６は、好適には共通の剛性のあるプレートとして構成される（図４Ａ〜図４Ｃ参照）。

最後に、８０はｚ方向における測定探触子４５の変位を検出する第一のセンサーを示しており、第二のセンサー８２はｘおよびｙ方向における管状のハウジング５０の変位を測定する。
プローブヘッド４０は下記のように作動する。
図２Ｂは測定探触子４５’の自由端にある先端部４６’の球体が矢印８６で示されるように横に傾いた状態を示している。その結果、ｘおよびｙ方向での変位が起きる。回動の角度はこの場合αで表されている。

ベアリング５８内でのカルダン懸架の結果として、回動された測定探触子４５’の安定した位置が実現するが、それは、この構成では、測定探触子４５’の質量が平面６０の両側に均等に分布しており、そのため測定フィーラー４４’の重心がカルダン式ベアリング５８の中心に位置するようになされているからである。
それに対して、図２Ｃは他の動作位置を示しているが、ここでは測定探触子４５”は矢印８８で示されるようにｚ方向内でのみ変位している。この変位は図２ＣではΔｚによって示されている。

カルダン式ベアリング５８はｚ方向内での管状のハウジング５０の移動を許さないので、ｚ方向での測定探触子４５”の運動は膜状バネ６４”、６６”の変形によって可能となる。これは図２Ｃにおいて明確に示されている。
それに加えて、測定探触子４５”の上端に備えられたバランス装置は、図２Ｃに示すとおり動作状態で作動可能となる。この点に関して、ここで図に示したバランス装置は単なる一例であり、また模式的に示したものであることが理解されるべきであり、本発明は座標軸の方向または回転角に沿って有効である全てのタイプのバランス装置に関するものである。

具体的には、上方に移動する測定探触子４５”は、第二のレバーアーム７６”の内側端部を上に向かって押し、その結果第一のレバーアーム７２”の外側端部は下に向かって回動し、カウンタウェイト７４”も同様となる。カウンタウェイト７４は、測定探触子４５の質量がｚ方向に移動するのに対応して、反対方向に移動する。ハウジング５０の質量はｚ方向に変位しないので、この場合何の役割も果たさない。

説明のために図２Ｄに別の例を示すが、ここでは図２Ａ〜図２Ｃで使用したものと同じ参照符を使用し、それぞれの場合にａを付記している。図２Ｄはバネ６４ａ、６６ａが取りうる他の位置を説明しているが、ここでは特に、バネ６４ａ、６６ａは、カルダン式ベアリング５８ａとハウジングの壁との間にある。一方、図２Ａ〜図２Ｃによる典型的な実施形態の場合はバネ６４、６６は測定探触子４５の自由端とカルダン式ベアリング５８との間に位置している。

最後に述べた位置は、ｚ方向に移動すべき質量が最小となるという利点、具体的にはカルダン式ベアリング５８の下方にある測定探触子４５の質量のみからなるという利点を有する。
それに対して図２Ｄによる別の可能な構成では、カルダン式ベアリング５８ａ自体も動かさなければならない。そこで具体的な構造的理由が示す場合にのみ推奨される図２Ｄによる解決策は、図２Ａ〜図２Ｃにおける位置６４、６６から図２Ｄにおける位置６４ａ、６６ａにバネの位置を変えることである。

図２Ｅは更に詳細な問題、具体的にはいわゆる「バランスオフセット」を示している。図２Ｅで同一の要素には図２Ａ〜図２Ｃで使用したものと同じ参照符を使用し、ただしそれぞれの場合にａを付記している。
図２Ｅは、支持部材６８およびジョイント７０の領域内の中央に取り付けられた剛性のある曲げビーム（梁）を原理として構成されたレバーアーム７２、７６の領域内における関係を示している。図２Ｅにおいて大幅に誇張して図示したように、カウンタウェイト７４ａが曲げビーム７２ａ、７６ａを曲げている。これにより、測定探触子４５が距離ＴＡだけ（ｚ方向に）低すぎる位置にあるというバランスオフセットＴＡが生じる。

そのためこれを防止するために、本発明により、図２Ｅの構成をジョイント７０の回りに反時計回りに回転させる小さな付加的重り７５とともにカウンタウェイト７４ａが備えられ、正確にバランスオフセットＴＡだけ測定探触子４５ａが再度持ち上げられるようになっている。
このバランス装置の好適な実施形態が図３および図４から明らかになるであろう。

それによれば、互いに１２０°ずれており、板バネによって両端で固定されたプレート７２、７６として構成された３本の放射状のアームが測定探触子４５の上端から延びている。プレートの外側端は、板バネによってカウンタウェイト７４に固定されている。プレートの長さの約半分の位置にジョイント７０が位置しており、これは同様に薄い板バネとして構成されており、支持６８につながっている。後者はリングの部分として構成されている。

レバー７２、７６を固定する板バネの使用により弾性領域７３および７８が巧妙に実現できるが、それは図２Ｃに示すような変位の際、板バネが全体としてＳ字型に曲がることができ、それはすなわちそれらの両端で異なる鉛直位置において水平に走ることになるからである。
レバー７２、７６の領域における状態（図２Ｅに示した自然の撓みを考慮しない）を、図４Ｂおよび図４Ｃに極めて模式的に示す。

剛性のあるレバー７２および７６の形状は、これらの剛性のあるレバーがベアリング７０の回りに回動するときに、弾性領域７３および７８との関係において変化しないことがわかる。それに対して弾性領域７３、７８は全体としてＳ字型の形状を取る。
これらの手段は、弾性領域７３、７８の撓みにおける内部摩擦を別とすれば、いかなる摩擦も、特に滑り摩擦は発生せず、従ってそれに伴う有害なヒステリシスが発生しないという利点を有する。

図４に示した実施形態において、バランスビームとして作用する二本アーム付きレバー７２、７６が両側で同じレバー長を有するような寸法とすることが好ましい。それにより、カウンタウェイト７４のバランス質量を、プローブヘッド動力学系、すなわちｚ方向に移動するプローブヘッド４０の部分の質量と正確に同じ大きさに選択することができる。
このバランス装置の特性は、プローブヘッド４０を空間内で回動させる場合でも維持でき、従って鉛直の動作位置にある場合だけでなく動作可能である。

従って全体として本発明は、その取付位置において回動が可能でありそれによってスキャン要素が安定した位置からずれることのないプローブヘッドを提供する。従来のプローブヘッドで生じていたようなプローブヘッドの回動による位置的な誤差の結果生じる測定範囲の減少は、本発明では概説した受動的バランス機能によって回避されるか、または少なくとも最小限に止められる。この受動的バランス機能は制御から独立しており、マルチ座標測定器内に追加の信号線を必要としない。バランス質量として作用するカウンタウェイト７４はカルダン平面ｘ−ｙ内でのバランスにも利用できるので、選択された動力学的設計により、更に死荷重の小さな構成が可能である（図１におけるｍ₂／ｍ₁を比較されたい）。

本発明によるプローブヘッドの原理を説明するための極めて模式化した図である。 本発明によるプローブヘッドの第一の典型的な実施形態の、安置位置における模式図である。 図２Ａと同様の、ただしプローブヘッドが第一の横方向に変位した作動位置にある状態を示す図である。 図２Ａおよび図２Ｂと同様の、ただしプローブヘッドが別の鉛直方向に変位した作動位置にある状態を示す図である。 測定フィーラーの代替的なカルダン懸架を示す、図２Ａと同様の非常に模式的な図である。 いわゆるバランスオフセットに関して図２Ｃにおける関係を更に説明するための図である。 図２Ａによる測定フィーラーの実際の実施形態を示す、部分的に破断した斜視図である。 図２Ａによる測定フィーラーの実際の実施形態を示す、部分的に破断した斜視図である。 図３Ａおよび３Ｂによる測定フィーラーと共に使用されるバランスシステムの平面図である。 図４ＡのＩＶ−ＩＶ線に沿う極めて模式的な断面図であり、そこに示されたジョイントの動作モードを説明するための図である。 図４ＡのＩＶ−ＩＶ線に沿う極めて模式的な断面図であり、そこに示されたジョイントの動作モードを説明するための図である。

Claims (21)

1. マルチ座標測定器用プローブヘッドにおいて、空間的に変位可能な測定フィーラー（１４；４４）を有し、かつ前記プローブヘッド（１０；４０）の空間内における異なる向きに対して前記測定フィーラー（１４；４４）の所定の安置位置を設定するためのバランス手段を有し、前記バランス手段が質量（２１、２３、３６；７４）として設計され、また前記測定フィーラー（１４；４４）のバランスを取るために必要な力またはモーメントが前記質量（２１、２３、３６；７４）にかかる重力によって生じ、前記測定フィーラー（１４；４４）の位置は、鉛直方向に直交するｘ軸およびｙ軸の少なくとも一方に沿ってバランスさせることができ、複数の前記質量（２１、２３、３６；７４）が、前記測定フィーラー（１４；４４）をバランスさせるために空間的に分布しており、前記バランス手段が、バネ（２４；６４、６６）によって支持された、前記質量（２１、２３、３６；７４）のうちの質量（２１、２３）と反対に強制的に向けられるような仕方で移動するカウンタウェイト（３６；７４）を有し、
   前記質量（２１、２３、３６）の所定の空間分布によってバランスが実現され、
   前記測定フィーラー（１４；４４）がその重心においてカルダン懸架（１８；５８）によって取り付けられていることを特徴とするプローブヘッド。
2. マルチ座標測定器用プローブヘッドにおいて、空間的に変位可能な測定フィーラー（１４；４４）を有し、かつ前記プローブヘッド（１０；４０）の空間内における異なる向きに対して前記測定フィーラー（１４；４４）の所定の安置位置を設定するためのバランス手段を有し、前記バランス手段が質量（２１、２３、３６；７４）として設計され、また前記測定フィーラー（１４；４４）のバランスを取るために必要な力またはモーメントが前記質量（２１、２３、３６；７４）にかかる重力によって生じ、前記測定フィーラー（１４；４４）の位置は、鉛直方向に直交するｘ軸およびｙ軸の少なくとも一方に沿ってバランスさせることができ、複数の前記質量（２１、２３、３６；７４）が、前記測定フィーラー（１４；４４）をバランスさせるために空間的に分布しており、前記バランス手段が、バネ（２４；６４、６６）によって支持された、前記質量（２１、２３、３６；７４）のうちの質量（２１、２３）と反対に強制的に向けられるような仕方で移動するカウンタウェイト（３６；７４）を有し、
   前記測定フィーラー（４４）がハウジング（５０）を有し、先端部（４６）まで延びる測定探触子（４５）が前記ハウジング（５０）内に設けられており、前記測定探触子（４５）が前記バネ（６４、６６）を介して前記ハウジング（５０）に関して支持されており、かつ前記ハウジング（５０）がカルダン懸架（５８）によって取り付けられていることを特徴とするプローブヘッド。
3. マルチ座標測定器用プローブヘッドにおいて、空間的に変位可能な測定フィーラー（１４；４４）を有し、かつ前記プローブヘッド（１０；４０）の空間内における異なる向きに対して前記測定フィーラー（１４；４４）の所定の安置位置を設定するためのバランス手段を有し、前記バランス手段が質量（２１、２３、３６；７４）として設計され、また前記測定フィーラー（１４；４４）のバランスを取るために必要な力またはモーメントが前記質量（２１、２３、３６；７４）にかかる重力によって生じ、前記測定フィーラー（１４；４４）の位置は、鉛直方向に直交するｘ軸およびｙ軸の少なくとも一方に沿ってバランスさせることができ、複数の前記質量（２１、２３、３６；７４）が、前記測定フィーラー（１４；４４）をバランスさせるために空間的に分布しており、前記バランス手段が、バネ（２４；６４、６６）によって支持された、前記質量（２１、２３、３６；７４）のうちの質量（２１、２３）と反対に強制的に向けられるような仕方で移動するカウンタウェイト（３６；７４）を有し、
   前記質量（２１、２３、３６；７４）の所定の３次元運動によって前記バランスが実現され、
   個々の質量が、前記プローブヘッド（１０；４０）の空間内での回動に対する前記個々の質量の反対方向の運動を起こす構成によって互いに結合されており、
   前記測定フィーラー（１４；４４）が、３軸（ｘ、ｙ、ｚ）のうち２軸（ｘ、ｙ）のみに沿った変位をするようにカルダン懸架によって取り付けられており、また更に前記第三の軸（ｚ）に沿って変位するための前記バネ（２４；６４、６６）が備えられており、かつ前記カウンタウェイト（３６；７４）は、前記第三の軸（ｚ）の方向に移動することを特徴とするプローブヘッド。
4. 前記質量（２１、２３、３６）の所定の空間分布によってバランスが実現されることを特徴とする、請求項２または３記載のプローブヘッド。
5. 前記測定フィーラー（１４；４４）がその重心においてカルダン懸架（１８；５８）によって取り付けられていることを特徴とする、請求項４記載のプローブヘッド。
6. 前記測定フィーラー（１４；４４）が３つの軸（ｘ、ｙ、ｚ）のうち２つ（ｘ、ｙ）のみに沿う変位のためにカルダン懸架によって取り付けられており、また上記第三の軸（ｚ）に沿う変位のために前記バネ（２４；６４、６６）が備えられていることを特徴とする、請求項５記載のプローブヘッド。
7. 前記測定フィーラー（４４）がハウジング（５０）を有し、先端部（４６）まで延びる測定探触子（４５）が前記ハウジング（５０）内に設けられており、前記測定探触子（４５）が前記バネ（６４、６６）を介して前記ハウジング（５０）に関して支持されており、かつ前記ハウジング（５０）がカルダン懸架（５８）によって取り付けられていることを特徴とする、請求項１または３記載のプローブヘッド。
8. 前記バネが膜状バネ（６４、６６）として設計されていることを特徴とする、請求項６または７記載のプローブヘッド。
9. 前記膜状バネ（６４、６６）が、ハウジング（５０）とハウジング軸（５１）に沿って安置位置内で延びる測定探触子（４５）との間で前記測定フィーラー（４４）の前記ハウジング（５０）の好適にはポット状の部分（５４）内に設けられていることを特徴とする、請求項８記載のプローブヘッド。
10. ２つの膜状バネ（６４、６６）が互いに軸方向（ｚ）に間隔を開けて備えられていることを特徴とする、請求項８または９記載のプローブヘッド。
11. 前記バネ（６４、６６）が前記先端部（４６）と前記カルダン懸架（１８；５８）との間に設けられていることを特徴とする、請求項７ないし１０のいずれかに記載のプローブヘッド。
12. 前記質量（２１、２３、３６；７４）の所定の３次元運動によって前記バランスが実現されることを特徴とする、請求項１または２記載のプローブヘッド。
13. 個々の質量が、前記プローブヘッド（１０；４０）の空間内での回動に対する前記個々の質量の反対方向の運動を起こす構成によって互いに結合されていることを特徴とする、請求項１２記載のプローブヘッド。
14. 前記質量（２１、２３、３６；７４）を反対の方向に移動するためのレバー機構（３２〜３４；６８〜７３、７６、７８）を備えた構成であることを特徴とする、請求項３または１３記載のプローブヘッド。
15. 前記レバー機構（３２〜３４；６８〜７３、７６、７８）が二本アーム付きレバー（３３；７２、７６）を備えたことを特徴とする、請求項１４記載のプローブヘッド。
16. 前記レバー（７２、７６）の少なくとも１つが弾性領域（７３、７８）を有することを特徴とする、請求項１５記載のプローブヘッド。
17. 前記レバー（７２、７６）が両端に屈曲性の弾性固定手段（７８）を有し、中間部で支持された剛性のある構造として設計されていることを特徴とする、請求項１５または１６記載のプローブヘッド。
18. 前記レバー機構（６８〜７３、７６、７８）が外側カウンタウェイト（７４）と、前記測定フィーラー（４４）の中心軸（５１）に沿って安置位置内で延びる測定探触子（４５）との間に設けられていることを特徴とする、請求項１４ないし１７のいずれかに記載のプローブヘッド。
19. 前記測定フィーラー（４４）が管状のハウジング（５０）を有し、前記ハウジング（５０）がその頂部に放射方向のフランジ（５６）を備えており、前記レバー機構（６８〜７３、７６、７８）の二本アーム付きレバー（７２、７６）が前記フランジ（５６）上の中間部で支持されていることを特徴とする、請求項１８記載のプローブヘッド。
20. 前記レバー機構（３２〜３４；６８〜７３、７６、７８）によって回動させられる質量（７４ａ）が付加的な重り（７５）を備えており、前記質量（７４ａ）による重量、この質量（７４ａ）を支えるレバーアームの重量、および／または前記レバーアームを支えるベアリングポイントの重量によって生じる撓みが補償されるように、前記付加的な重り（７５）の寸法が決められていることを特徴とする、請求項１４ないし１９のいずれかに記載のプローブヘッド。
21. 前記測定フィーラー（１４；４４）が、３軸（ｘ、ｙ、ｚ）のうち２軸（ｘ、ｙ）のみに沿った変位をするようにカルダン懸架によって取り付けられており、また更に前記第三の軸（ｚ）に沿って変位するための前記バネ（２４；６４、６６）が備えられており、かつ前記カウンタウェイト（３６；７４）は、前記第三の軸（ｚ）の方向に移動することを特徴とする、請求項１３に記載のプローブヘッド。

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