JP4873613B2 - 空間参照システム - Google Patents

Description

本発明は、一般的には、高精度な測定システムに関するものであり、特に、一、二、又は三次元同時に、動的かつ高速な測定を行うための空間参照システムに関するものである。

(優先権主張)
本出願は、2002年10月7日に出願された「空間参照システム」という名称の米国仮特許出願第60/416,741号に基づく優先権を主張するものである。

物理サイズ、又は他の空間量を定めるのに使用される測定技術及び方策は、よく知られている。計測することと関連付けられる最も一般的な道具又は装置のいくつかは、定規、測定用テープ、印のついた管球、はかり、時計、及びストップウォッチを含む。比較測定基準の精度にするためには、これらの装置に依存する。より優れた測定精度が要求されるとき、例えば、マイクロメーター、ノギス、及び、電子はかり及び天秤のような、より正確な測定装置を用いなければならない。これらの測定装置は、既知の安定基準からのより細かい又はより小さい程度の誤差への較正により、基本的に、より優れた精度、又はより高度の正確さを持つ。しかしながら、どの高精度な測定装置の正確さもまた、安定かつ不変のその最初の較正の遵守を維持することができる能力に関係がある。

生産及び製造産業において、高精度な測定は、きわめて重要である。また寸法度量衡としても知られる、長さ、体積、及び重さに関係する定量測定は、物体及び物理装置の製造、及び、多種多様な処理の制御に必須である。生産機械(すなわち、フライス盤、中ぐり盤、高速組立装置など)、生産で用いられる測定関連計器(すなわち、配列ツール、マイクロメーター、カリパーなど)、及び、可動生産装置(すなわち、ロボット運搬装置及び溶接機、レーザー及び水切断装置、自動組立器など)は、全て、それらの設計機能を実行するのに必要な望まれるレベルの正確さを提供するために、正確な較正を必要とする。例えば、一定量の、高度な正確さを持つ同一部品を生産するために、反復性の高精度なフライス処理を動作させることが望まれる場合には、フライス盤の様々な部品の配列、加えて、切断要素の配列が、その処理に不可欠であり、かつ、その動作の間維持されなければならない。

同様に、物体を生産する、或いは、設計図又は原物から物体を繰り返し再生産することが望まれる場合には、その生産される物体は、原物から許容誤差の精度の範囲内で所定の寸法に合わせなければならない。これは、生産された物体自体を、個々に、又は代表するサンプルによる、のいずれかで測定して、プロセス全体にわたって生産の精度が維持されることを確実にしなければならないことを意味する。製造プロセスにおける正確さ及び精度に必要なものは、従来利用可能な測定装置の多数の欠点及び不利な点を強調する。

実際には、生産物の物理サイズ、又は、生産機械の配列及び較正を、計器、光学デバイス、及び製造品の使用を含む多様な方法を通して測定することができる。また、試験体又は供試体と呼ばれる製造品を使用するとき、正確な測定のための多数の異なる手法を用いることができる。特に、複製を生産するためにその製造品の寸法に正確に従う、所望の物体の正確かつ高精度なモデル、又はコピーとして、製造品を使用することができ、また製造品は、他の測定装置が再びそれに較正される既知の正確な寸法の物理的基準とすることもできる、或いは、製造品自体を、他の装置がそれに調整又は較正される既知の寸法基準として使用することもできる。殆どの場合、この製造品の後者の形式は、棒ゲージ、又はブロックゲージの形をとる。

棒ゲージ及び長いブロックゲージは、寸法度量衡において反復可能な精度を維持するために最も一般的に用いられる測定基準の中に含まれる。それらは、マイクロメーターから座標測定機器(CMM)に至る多種多様な計器、及び他の標準を、較正するために用いられる。使用する前に、全ての棒ゲージ、及び長いブロックゲージを、政治上の基準又は工学社会の基準のような様々な仕様基準により、それ自体、較正しなければならない。また、棒ゲージ、及び長いブロックゲージは、それらの正確さを維持するのを確実にするために、定期的に再点検及び較正しなければならない。もっと重要なことは、それらをまた所定の温度範囲内で使用しなければならない、或いは、それらの較正は熱膨張のため不確実になる、ということである。全ての材料が、固有物理特性のような、固有の熱膨張係数を持つ。線形手法では、この係数は、材料の膨張(又は収縮)を、1度の温度変化に対する物体の各ユニット長あたりの物体の長さの変化として表している。従って、棒ゲージ又はブロックゲージが異なる温度環境で使用されるとき、製造品の材料の熱膨張係数は、測定の不確実性を生じさせる。幾つかの状況において、測定製造品の熱膨張による変化は、常に、特定の生産機械の動作又は制御ソフトウェアのソフトウェアにより、計算され、かつ、説明されることができる。しかしながら、これは、追加センサー、監視装置、及び、しばしば実用的でない、又は殆どの生産装置の性能又は能力を超えた補償方法を要求する。従って、較正された棒ゲージ又はブロックゲージは、典型的な測定装置のままである。

較正された棒ゲージ又はブロックゲージを使用することの固有の欠点は、必要な較正が、精度における高い基準が維持されるべき場合に定期的に実施されなければならない時間のかかる処理である、ということである。さらに、較正された棒ゲージ又はブロックゲージは、それが置かれている環境の温度の制御に忠実なだけであるので、これらの形式の測定製造品を、制御された温度で保たなければならない。さまなければ、周囲環境の温度、又は製造品の温度が変化する場合には、その物理サイズが変化し、その製造品の正確さ及び精度が損なわれるであろう。これは、製造プロセスを取り巻く環境の制御について、しばしば厳しい要求を出す。特定の製造状況では、周囲環境は、温度制御が困難又は実行不可能なものである。これらの状況では、製造品の幾つかのセットを用い、それらの各製造品は、それを使用する時まで制御された温度で維持される。従って、この技術分野においては、熱影響に関連した誤差なくその精度を所定の基準に維持し、繰り返し再較正の必要を避ける測定装置を提供する、継続した必要がある。

熱膨張係数に関する、測定製造品の使用での付加的な考慮は、如何なる製造品の膨張もその全長の関数であるという事実である。言い換えると、熱膨張係数は問題の資材のユニット長に比例するので、製造品の精度の不確実性は、長い測定製造品において制御するのがより困難であるということである。従って、製造品が長ければ長いほど、特定の温度変化に対するその膨張は大きく、これは、より長い配列又は較正距離を正確に測定することを困難にする。これは、かなり短い範囲のみならず、より長い測定距離にわたっても、膨張係数が存在しない又は打ち消されるような手法で構成される製造品の必要性を、さらに強調する。

従来の測定製造品でのもう1つの不利な点は、典型的な棒ゲージ及びブロックゲージが、一次元平面のみ(すなわち、長さ及び幅ではなく、長さ)に沿った測定基準に適するものであるということである。しかしながら、多くの製造状況は、1つの軸に沿ってだけでなく、第二及び/又は第三の軸にも沿った正確な位置決め又は測定を、製造品が提供することを要求する。言い換えると、一度に、二次元及び三次元空間(2D及び3D)における正確な位置決めを提供できる測定製造品又は製造品の組み合わせを、参照システム内に持つことが望ましい。それゆえ、上述の不完全な点を克服する測定製造品のみならず、安定かつ高精度な空間参照システムを提供するために複数組み合わせて使用することのできる測定製造品を持つ必要性が存在し、これは、2D及び3D空間指向でも同様に機能する。

独国特許DE11860883号、DE19708830号、及びDE19915012号で明示されるように、空間(3D)測定装置の開発路線に沿って、測定システムを改良しようとする幾つかの試みがなされた。しかしながら、これらの設計における測定製造品の本体又は主要部は、湿気に影響されやすい幾つかの形式のカーボンファイバベースの材料か、又は、壊れやすく、傷みやすいガラスベースの材料のいずれかで構成される。さらに、これらの形式の材料のいずれかで構成された製造品が、それらの長手方向に沿って偶然に行き詰まり又はぶつけられた場合には、目に見えない内部圧力の亀裂及び破損が、それらの熱膨張特性を変える、及び増大させるという結果をもたらす。

これらの特許はまた、例えばインバーのような従来の金属よりもずっと低い熱膨張係数を持つことが知られている、他のかなり新しい合金材料の使用も開示している。しかしながら、これらの合金材料はまだ多少の膨張を呈し、そのため、改善の余地が残されている。さらに、これらの設計で使用される端部プローブは、明細を明らかにされなければならない別個の熱膨張係数を持つ多数の構成部品を利用する。これらの設計が、特に、より良い空間(2D及び3D)測定能力、及び熱影響に関して改善された寸法安定性を提供することにより、棒ゲージ及びブロックゲージに勝る幾つかのものを提供する一方で、それらはまだ、最終的に、測定精度の不確実性という、現在利用可能な全ての従来の測定基準と同じ短所に苦しむ。それゆえ、公開最小熱膨張での材料のシンプルな使用以上に、まだ、その製造品の長さに全く変化がないように、構成部品の全ての膨張を完全に補償する物理構造を持つ製造品の必要性が残っている。

(本発明の要約及び利点)
本発明は、少なくとも1つの製造組立体を含む空間参照システムを提供することにより、関連技術の不利な点を克服する。この製造組立体は、近位端及び遠位端を持つ内部部材と、近位端及び遠位端を持つ外部部材と、近位端及び遠位端を持つ補償部材とを含む測定バー組立品を有し、前記補償部材は、前記内部部材と前記外部部材との間に作動的に配置される。外部部材の遠位端は、補償部材の遠位端に固定して取り付けられる。補償部材の近位端は、内部部材の近位端に固定して取り付けられる。内部部材及び外部部材の各々は、所定の長さ及び所定の熱膨張係数を持ち、補償部材も、所定の長さ及び所定の熱膨張係数を持ち、その補償部材の膨張によって内部部材及び外部部材の熱膨張を実質的に解消するようになる。

従って、本発明はまた、熱膨張補償され、かつ、一、二、及び三次元での高精度な方向付け、位置決め、及び配置のための空間参照システムを提供するために同様な製造品と組み合わせることができる測定バー製造品を提供することにより、関連技術の不利な点を克服する。

添付図面と絡めて考察されるとき、以下の詳細な説明を参照することにより、本発明のその他の利点がよりよく理解されるようになるにつれて、それも即座に評価されるであろう。

(好ましい実施形態の詳細な説明)
本発明は、多数の同一の要素又は製造品で構成される空間参照システムに向けられたものである。例えば、図1は、一般的に12で示される本発明の単一製造品を示しており、ここで、図面全体にわたって、同じ番号は同じ構造を説明するのに用いられる。製造品12は、主測定バー14、端部プローブ16、第一の端部アダプタ組立品18、及び第二の端部アダプタ組立品20を含む。一連の製造品12は、測定バー14の隣接端が端部プローブ16を共有して、それらの端部アダプタ組立品18、20により、付随して1つに接続することができる。この手法で、製造組立体12を、三角形ベースの様々な幾何学形状のいずれをも形成するように配列することができる。例えば、正確な点及び/又は複数の点を提供する、一次元、二次元、及び三次元の空間配置、参照、又は較正のための空間参照システムを形成するのに参考となる図2Aから図2Eまでを参照しなさい。図2Dに示す四面体が、最も安定した幾何学構造であり、かつ、三次元において同時に高精度な空間参照を提供することができる。

好ましい実施形態では、端部プローブ16は、セラミックベースの材料、及び金属合金を含む様々な材料のうちのいずれかで構成される球体である。端部プローブ16は、様々な直径をとることができるが、一般的には、主測定バー14の断面の大きさに等しい、或いはそれ以上である。アダプタ組立品18及び20の伸張端19及び21は、端部プローブ16の球面カーブを受け入れるように、くぼんだ形状を持つ(図3A)。接着剤、又は磁気吸引力によるような様々な手法のうちのいずれかで、端部プローブ16を、端部アダプタ組立品18及び20で保持することができる。また、端部プローブ16を様々な他の幾何学形状のいずれかに形成することもでき、端部アダプタ組立品の伸張端19及び21がそれらを受け入れるような同じ協調形状を持っている。端部プローブの形状の選択、それらの材料構成、及び、プローブ対端部アダプタ組立品の相互作用は、用途特有のものであり、その製造品の熱膨張への影響に対するそれらの影響以上にその説明と密接な関係があるものではない。

図3A、3B、及び3Cに示すように、製造組立体12は、内部部材22、外部部材24、及び、その内部部材と外部部材の間に作動的に配置された補償部材26を持つ主測定バー組立品14を含む。好ましい実施形態では、内部部材22及び外部部材24は、特定の所定の熱膨張係数を持つ同じ材料で構成される。補償部材26は、異なる所定の熱膨張係数を持つ材料で構成され、その補償部材26の膨張により、内部部材22及び外部部材24の如何なる拡張をも打ち消す(すなわち、補償する)ようになる。図3A、3B、及び3Cに示すような好ましい実施形態では、端部プローブ16、及び端部アダプタ組立品18、20の熱膨張もまた考慮される。端部プローブ16、及び端部アダプタ組立品18、20の影響について後で説明するが、説明の目的のため、以下の説明は、まず初めに、主測定バー14の中心コンポーネントの膨張に関わるものである。

主測定バー組立品14の補償された膨張を遂行するために、内部部材22、外部部材24、及び補償部材26は、以下のように、協調して構成される。外部部材24は、隣接又は近位端28、及び遠位端30を含む。好ましい実施形態では、端部アダプタ組立品18、20は、実質的にほぼ同じであるが、それぞれの部材に別々に取り付けられる。外部部材24の隣接端28は、その端部アダプタの突起表面32において、端部アダプタ組立品18に固定される。例えば、親和性接着材料のような様々な既知の方法のいずれかにより、端部アダプタ18が外部部材24に取り付けられることを理解すべきである。端部アダプタ18の外部部材24への取り付けは、空洞36を含む空洞チューブを形成し、これは、内部部材22及び補償部材26が、以下に説明するように作動的に外部部材24内に収容されるように、それらを滑るように受け入れるのに充分な開放幅である。

内部部材22は、隣接又は近位端40、及び遠位端42を含む。端部アダプタ組立品20は、直径の狭められた部分44を持ち、これは、内部部材22の遠位端42の中に配置され、かつ固定して取り付けられる。例えば、親和性接着材料のような様々な既知の方法のいずれかにより、端部アダプタ組立品20が内部部材22に取り付けられることを理解すべきである。

補償部材26もまた、隣接又は近位端50、及び遠位端52を含む。補償部材26は、内部部材22と外部部材24との間に、滑るように配置される。補償部材26の遠位端52は、外部部材24の遠位端30に固定される。補償部材26の近位端50は、内部部材22の近位端40に固定される。図3A、及び図3Bでより詳しく示すような好ましい実施形態では、補償部材26が、補償部材26内の複数の口径62、及び、それに対応する外部部材24内の複数の口径64に配置された複数のピン60により、外部部材24に固定される。補償部材26は、補償部材26内の複数の口径68、及び、それに対応する内部部材22内の複数の口径70に配置された複数のピン66により、内部部材22に固定される。

図3Cに示す代替の実施形態では、付属突起58を形成するように、補償部材26の遠位端52を外に向かってフランジ付けする。付属突起58は、外部部材24の遠位端30にはまり、それを留めている。内部部材22の近位端40もまた、付属突起48を形成するように、外に向かってフランジ付けする。内部部材22の付属突起48は、補償部材26の近位端50にはまり、それを結合する。例えば、溶接又は接着剤のような様々な既知の手法のいずれかで、付属突起48及び58をその他の部材の端に取り付けるが、これは、それらを物理的に接続し、さらに、それらの熱膨張特性に影響を及ぼすであろう如何なる材料の導入も避ける。

図3Cの部材の付属突起48及び58は、上で言及するような、部材の特定の端上の配置に限定されず、同様に他方の端上に配置させることもできることを、当業者は理解すべきである。内部部材22、外部部材24、及び補償部材26の形状は、円筒形、四角形、又は、その他の如何なる軸断面形状も有することができ、これは、部材が互いの内部に滑るように収まるようにすることを可能にすることを、当業者はさらに理解すべきである。示すように、部材は、それらが互いの縦方向のサポートを提供することを可能にするのに充分近く、しかも、それらの個々の線形膨張に備えるように、互いに対して滑るように動くほど充分ゆるく収まることを、当業者はさらに理解すべきである。

主測定バー14の構造は、補償された熱膨張を提供する、或いはもっと正確には、その全長が変化しないように、それ自身の熱膨張を補償する。補償された熱膨張を段階的に解析するために、図3A及び3Bを参照し、主バー組立品14の第一の端部プローブ16、及び第一の端部アダプタ組立品18が参照の固定点にセットされることを考慮する。構成を楽にするため、好ましい実施形態では、主測定バー組立品14の内部部材12及び外部部材14は、同じ実効長である。より具体的には、外部部材24の近位端28が第一の端部アダプタ18に固定して取り付けられた点から、外部部材24の遠位端30が補償部材26の遠位端52に固定して取り付けられた点までの距離は、補償部材26の近位端50が内部部材22の近位端40に固定して取り付けられた点から、内部部材22の遠位端42が第二の端部アダプタ20に固定して取り付けられた点までの距離と同じである。

第一に、温度の所定の増加に応じた外部部材24の膨張のみについて考えると、外部部材24は、図3A及び図3Bに示すように、所定の距離「ΔL」だけ上向きに線形に伸張するであろう。これは、温度変化による線形長の変化についての既知の公式、すなわち
L₀*α*Δt ＝ ΔL (1)
で、数学的に表現される。ここで、L₀は物体の当初の長さ(すなわち、実効長)であり、αは物体の材料の熱膨張係数であり、Δtは温度の変化であり、及び、ΔLは長さの変化である。それらの相互接続により、外部部材24の遠位端30は、補償部材26の遠位端52を上向きに同じ量だけ動かす。さらに、内部部材22の近位端40への外部部材26の近位端50の接続はまた、第二の端部アダプタ20、及び第二の端部プローブ16を、同じ距離「ΔL」だけ、その元の位置から上向きに動かす。ここで使用する「上向き」という語は、正の熱膨張係数についての相対語である。しかしながら、図面において距離「ΔL」が「下向き」であるような、負の熱膨張係数を持つ材料の使用を用いることもできるということを、当業者は理解すべきである。

第二に、同じ所定の温度の増加に応じて、内部部材22もまた、所定の距離「ΔL」だけ線形に膨張するであろう。内部部材22は、外部部材24と同じ実効長であり、かつ外部部材24と同じ材料で構成されるので、内部部材の「ΔL」の膨張は、外部部材24の「ΔL」の膨張と同じであろう。さらに、内部部材22は、補償部材26によって外部部材24に接続されるので、図面に示すように、内部部材22の膨張もまた上向きであろう。従って、内部部材22及び外部部材24の膨張のみについて考えると、第二の端部プローブ16、及び第二の端部アダプタ組立品20は、所定の温度の変化に対し、それらの元の位置から上向きに(ΔL+ΔL)、すなわち2ΔLのところに置かれるであろう。

第三に、同じ所定の温度増加に応じた補償部材26の膨張についてもまた考えなければならない。特に、上で説明するように、補償部材26もまた膨張し、かつ内部部材22と外部部材24との間で相互接続されるので、図面に示すように、その膨張は、実質上、その近位端50と内部部材22の近位端との間の接続点を下向き、すなわち、内部部材22及び外部部材24の複合膨張と反対方向に動かす。

従って、単純に述べると、補償部材26は、内部部材22及び外部部材24とほぼ同じ実効長であるので、内部部材22及び外部部材24の2ΔLが、補償部材26の反対方向への同量の膨張によって相殺されるように、内部部材22及び外部部材24に選択された材料の熱膨張係数の約2倍の熱膨張係数を持つ補償部材26の材料を選択することが、単に必要なだけにすぎない。

より厳密には、上の線形膨張公式を適用し、補償部材26の正確な長さを使用することによって、補償部材26の長さの変化を、内部部材22及び外部部材24の複合2ΔLと等しくするように、正確な膨張係数を定めることができる。このように、補償部材26の膨張は、内部部材22及び外部部材24の膨張を、まさに相殺し、補償するものである。しかしながら、本発明は、長さの等しい内部部材22及び外部部材24を持つことに限定されるものではないことを、理解すべきである。実際、部材の実効長の選択、及び、用いられる特定の材料の選択は、非常に多様となり得る。部材の比較長を変化させることは、それらの膨張係数に基づく材料の選択を変える。同様に、測定バー14の部材について様々な材料を選択することはまた、その測定バーを多くの様々な全長に形成することを可能にするであろう。

これらの様々な選択は、単一物体の温度変化による線形長の変化についての上述の公式を、一以上の物体について解くように適応させることにより、数学的に示すことができる。望ましい結果は、補償部材26の長さの変化が、外部部材24の長さの変化と合わせた内部部材22の長さの変化に等しいことであるので、この表現について、以下の式を書くことができる、すなわち
ΔL₃=ΔL₁+ΔL₂ (2)
である。ここで、ΔL₃は補償部材26の長さの変化、ΔL₁は内部部材22の長さの変化、及びΔL₂は外部部材24の長さの変化である。内部部材22及び外部部材24について同じ材料を使用することが望まれる場合には、式「2」を上述の式「1」と組み合わせて、単純化させ、元の部材の長さを熱膨張係数の観点で表現する以下の式を得ることができる、すなわち、
α×(L_o1+L_o2)/L_o3＝α₃ (3)
内部部材22及び外部部材24の両方が同じ材料から成り、それにより、同じ熱膨張係数を持つ場合、この式は有効であり、これは、共通項αがその共通の値を表すことを可能にする。上で使用された式(3)について、L_o1は内部部材22の元の長さであり、L_o2は外部部材24の元の長さであり、α₃は補償部材26の熱膨張係数であり、かつ、L_o3は補償部材26の元の長さである。内部部材22及び外部部材24が同じ長さである場合には、(L_o1+L_o2)を(2L)で置き換えることができる。

望ましい長さが既知のとき、又は特定の材料が望ましいときのいずれかのとき、この式は、代数計算されて、解を与えることができることを、理解すべきである。さらに、この式を解くのに必要な特定の熱膨張係数を持つ使用可能材料の利用可能性により、材料の選択、又は、測定バー14の部材の長さに物理的制限を課すことができることもまた、理解すべきである。

さらに、もう1つの代替の実施形態では、内部部材22及び外部部材24について異なる材料を持つことが望ましいとき、熱膨張係数を表す項が別々に示されるように、この式を以下のように変えることができる。
(α₁L_o1+α₂L_o2)/L_o3＝α₃ (4)
ここで、α₁は内部部材22の熱膨張係数を表し、α₂は外部部材24の熱膨張係数を表す。この手法で、どちらの式を操作し、それらの項の値を代入しても、特定の熱膨張係数が望ましいときの部材の必須の長さ、又は、部材の特定の長さが望ましいときに必要な膨張係数のいずれかに達することができる。

好ましい実施形態では、端部プローブ16、及び、端部アダプタ組立品18及び20は、最小熱膨張係数を持つ材料で構成される。しかしながら、上記の数式の解析から、端部プローブ16及び端部アダプタ組立品の膨張はまた、内部部材22、外部部材24、及び補償部材26の材料の選択において補償されることができることがわかる。従って、端部プローブ16、及び、端部アダプタ組立品18及び20の、熱膨張、及び最終的には線形膨張の係数が既知であると仮定すると、これらの項は、補償された熱膨張の方程式の一部となり得る。より具体的には、図3A及び3Bに示すように、端部アダプタ組立品18及び20の伸張する端部部分19及び21の長さのみを、内部部材22及び外部部材24の長さに関する計算に加えることとなる。従って、端部アダプタ組立品18及び20の材料が、内部部材22及び外部部材24の材料と同じである場合には、以下のように、L_o1及びL_o2の項は、付加長をただ単に含むにすぎない、すなわち、
α×(L_o1+ L_o2+ L_o4+ L_o5)/ L_o3＝α₃ (5)
ここで、項L_o4及びL_o5は、端部アダプタ組立品18及び20の伸張部分19及び21の長さである。内部部材22、外部部材24、及び端部アダプタ組立品18、20は全て、同じ熱膨張係数を持ち、共通項αがその値を表している。

端部アダプタ組立品18及び20が、内部部材22及び外部部材24とは異なる材料構成から成る場合には、それら独自の熱膨張係数を用いて、計算において、付加項L_o4及びL_o5を考慮しなければならない。この場合、その方程式は以下のように表現される、すなわち、

ここで、α₁は、内部部材22及び外部部材24の熱膨張係数を表し、α₂は、端部アダプタ組立品18及び20の熱膨張係数を表す。このように、補償部材の長さL_o3、又は補償部材26の熱膨張係数α₃を数学的に調整して、さらに、端部アダプタ組立品18及び20の伸張端部部分19、21の付加を補償することができる。

図3A及び3Bで示すように、端部アダプタ組立品18及び20の伸張する端部部分19及び21は、主測定バー14の全長に対して非常に小さく、望まれる精度、又は選択された材料の形式によっては、無視できるものと判明し得ることを、理解すべきである。端部アダプタ組立品18及び20を、完全に内部部材22及び外部部材24の端の中に置くことが可能であり、それにより、熱膨張方程式でそれらを分けて含む必要性を取り除くことを、さらに理解すべきである。

同様に、それらがまた補償された熱膨張の方程式の一部となるように、熱膨張、及び、最終的に装置全体に対する付加膨張の係数を考慮して、端部プローブ16の材料も選択する。従って、端部プローブ16の材料が、内部部材22、及び外部部材24、及び端部アダプタ組立品18及び20の材料と同じである場合には、その式は、ただ単に、それら両方の付加長(L_o6)を含むにすぎないであろう。空間参照システムの一部として安定した幾何学形状を提供するために、単一製造品が同様の製造品でたいてい用いられるので、端部プローブ16を含むことにより考慮される付加長を参照するときの(L_o6)の測定値は、各端部プローブ16の球の半径を表すことを理解すべきである。この場合、その方程式は以下のように表現される、すなわち、

ここで、項2L_o6は、両方の端部プローブ16の複合長(L_o6+ L_o6)である。この式で、内部部材22、及び外部部材24、及び端部アダプタ組立品18、20、及び端部プローブ16は全て、同じ熱膨張係数を持ち、共通項αがその値を表している。

しかしながら、おそらく、端部プローブ16は、内部部材22及び外部部材24とは異なる材料構成で構成されるので、それら独自の熱膨張係数を用いて、付加項2L_o6を計算に加えなければならない。この場合、その方程式は以下のように表現される、すなわち、

ここで、α₁は、内部部材22及び外部部材24の熱膨張係数を表し、α₂は、端部アダプタ組立品18及び20の熱膨張係数を表し、かつα₄は、端部プローブ16の熱膨張係数を表す。このように、補償部材の長さL_o3、又は補償部材26の熱膨張係数α₃を数学的に調整して、さらに、端部プローブ16の付加を補償することができる。

図4A及び4Bに示すもう1つの非制限的実施形態では、製造組立体112は、主測定バー組立品114、及び2つの端部プローブ116を含む。主測定バー組立品114は、2つの内部部材180、182、1つの外部補償部材184、及び2つの端部組立品186及び188を含む。2つの端部組立品186、188は、それぞれ伸張端119及び121を含み、それらは、端部プローブ116を受け入れるようにくぼんだ形状を持つ。2つの内部部材180、182は、特定の熱膨張係数を持つ同じ材料で構成される。内部部材180、182の如何なる膨張も、外部補償部材184の膨張によって相殺する(すなわち、補償する)ように、外部補償部材184は、異なる熱膨張係数を持つ材料で構成される。

上で説明した好ましい実施形態におけるように、及び、図3A及び3Bに示すように、この実施形態の外部補償部材184の熱膨張係数は、端部アダプタ組立品186、188、及び端部プローブ116による如何なる膨張も考慮するように選択される。主測定バー組立品114の補償された膨張を遂行するために、2つの内部部材180、182、及び外部補償部材184が、以下のように協調して構成される。図4Aに示すように、外部補償部材184は、近位端190及び遠位端192を持つ中空チューブ又はスリーブのように構成され、かつ、一方は近位端190のそばに置かれ、もう一方は遠位端192のそばにおかれる2つの内部固定点193を含む。内部部材180及び182は、実質的に同一であり、各々はそれぞれ、近位端194、196、及び遠位端198、200を持つ。内部部材180、182の各々はまたステップ202を持ち、これは、断面積の減少、及び、ステップ202で始まり内部部材の長さを持つくぼんだ面204を作り出す。内部部材180、182は、それらの窪んだ面204が互いに反対にされて、外部補償部材184内に重ねて配置される。内部部材180は、その遠位端198にピン開口部206を含み、内部部材182は、その近位端196にピン開口部206を含み、それに対応して外部補償部材184内の固定点193に取り付けられた留めピン208を受け止め、留める。

図4Bに示すように、内部部材180、182は、正方形の断面形状に形成される。しかしながら、内部部材180、182、及び外部部材184の形状は、円筒形、正方形、或いは他の如何なる軸断面形状とすることができ、これは、部材が互いに対しての滑り並置に適合することを可能にすることを、さらに理解すべきである。示すように、部材は、互いに縦方向のサポートを提供することを可能にするのに充分近く、またさらに、それらの個々の線形膨張に備えるように、それらが互いに対して滑って動くのに充分ゆるく取り付けられることを、さらに理解すべきである。

主測定バー114の構造は、熱膨張の補償に備えるものである。熱膨張を段階的に分析するために、図4Aを参照し、主測定バー組立品114の下端組立品186は、参照の固定点にセットされると考える。この熱膨張の数値演算は、上の図3A及び図3Bの好ましい実施形態の場合と同じであり、一般的に参照されるだけであろう。温度の所定の増加に応じて、内部部材180の遠位端198は、上の式(1)で数学的に表される所定の距離「ΔL」だけ、線形上向きに膨張するであろう。再び、ここで使用される「上向き」という語は、図面及び正の熱膨張係数に関する相対的な語である。しかしながら、距離「ΔL」の動きが図において下向きとなるように、負の熱膨張係数を持つ材料の使用を用いることもできることを、理解すべきである。上の固定点193における相互接続のため、内部部材180の遠位端198は、外部補償部材184、及び、もう一方の内部部材182の両方を、上向きに同じ量だけ動かす。従って、上端組立品188もまた、上向きに「ΔL」だけ動かされ、元の位置から離れる。

同時に、内部部材182は内部部材180と同じ材料で構成され、その近位端196が外部補償部材184の近位端190に接合するので、内部部材182もまた、同じ量「ΔL」だけ、上方向に膨張する。従って、更に如何なる行為もなく、2つの内部部材180及び182の膨張のみを考えると、端部組立品188は、その元の位置から(ΔL+ΔL)、すなわち2ΔLの所になるであろう。しかしながら、外部補償部材184もまた膨張し、上で説明するように、それは2つの内部部材180及び182を相互接続するので、その膨張は、2つの内部部材180及び182の膨張とは逆の方向の下向きに、内部部材182を動かす。

図3A及び3Bの好ましい実施形態の説明にあるように、外部補償部材184の長さの変化が、2つの内部部材180及び182、及び端部プローブ116の長さの変化と同量となるように、端部プローブの膨張もまた膨張公式の中に含まれる。従って、それにより実質的に、外部補償部材184の膨張は、その他の製造品コンポーネントの如何なる熱膨張も解消する。さらに、内部部材180及び182は、コンポーネントの長さ及び材料選択についての上の数学的表現が当てはまるように、必ずしも同じ長さである必要はない。

本発明の空間参照システムのもう1つの非制限的実施形態では、製造品は、一般的には図5の218で示される一対の端部アダプタ組立品を含む。この実施形態では、第一の端及び第二の端を持つ測定バーを有する少なくとも1つの製造組立体を、測定バーの第一及び第二の端に作動的に取り付けられた第一の端部アダプタ組立品及び第二の端部アダプタ組立品と組み合わせて、使用する。第一及び第二端部アダプタ組立品218のどれも、同一である。従って、そのたった1つが図5に示されている。測定バーは、上で説明した形式、及び、図3A、3B、及び3C、又は図4Aに示す形式であるとすることができる。代わりに、測定バーは、非常に低い熱膨張係数を持つ様々な材料のいずれか1つで作成された非補償形式とすることもできる。これらの手法のいずれにおいても、第一の端部プローブ216は、第一の端部アダプタ組立品218に取り付けられ、第二の端部プローブ216は、第二の端部アダプタ組立品218に取り付けられる。第一及び第二の端部アダプタ組立品218は、測定バー、及び第一及び第二端部プローブ216の線形膨張に等しく、かつ逆向きの長さの所定の変化を協調して提供する所定の熱膨張を、各々持ち、それにより、製造品の如何なる熱膨張も実質的に解消する。

端部アダプタ組立品218は外部部材220を含み、これは、開いている遠位端222及び閉じている近位端224を持つ一般的に円筒形の形状を有し、それにより開いた中心空洞226を形成する。端部アダプタ218は、保持リッジ228まで、測定バーの開放端の1つの中に滑るように挿入される。隆起サポートリッジ230及び232が、測定バーにおいて、端部アダプタ組立品218をサポートし、その端部アダプタ組立品が曲がる又はゆがむのを妨げる。端部アダプタ組立品218はまた、近位端236及び遠位端238を持つ内部部材234も含む。その内部部材234の近位端236が、外部部材220内に収まり、空洞226内で外部部材220の近位端224に固定的に取り付けられるように、外部部材220の空洞226は、内部部材234の近位端236を収容するようにされる。より正確には、内部部材234が、空洞226内に滑るように配置され、ねじファスナー240が、外部部材220の近位端230において口径242を通り抜けて、内部部材234の近位端236においてねじ口径244と接合する。従って、ファスナー240は、内部部材234の近位端236を、外部部材220の近位端224に固定し、さらに、示すように、熱の増加に応じて、内部部材234が上向きに膨張することを可能にする。コンポーネントの膨張の妨げにならない、或いは、コンポーネントの膨張に影響を及ぼさない限りは、内部部材を外部部材に取り付ける様々な既知の方法のどれも使用することができることを、理解すべきである。

内部部材234はさらに、遠位端238を横断して、横向きに形成される貫通口径246を含む。貫通口径246は、外部部材220の側面に対して外向きに膨張及び加圧し、それにより、端部アダプタ組立品218を摩擦により測定バーの端に保持させるように選択的に作動可能な円筒形部材248を、受け入れかつ収容するようにされる。好ましい実施形態では、外部部材220は、一対の二分スロット250が開いた遠位端222を通して形成され、かつ外部部材220の所定の長さに及んでいる。円筒形部材248は、内部部材236内に保持され、第一の端252及び第二の端254を持つ。第一の端252は、止めねじ258が縫うように配置されたねじ口径256を持つ。止めねじ258は、ツール開口部262がアレンレンチ又は同様なツール(示されていない)を収容するように適切な手法で形成された外端260を含む。

外部部材220はさらに、その遠位端222において、内部部材234で保持されるような止めねじ258のツール開口部262への有効な接続を提供する接続開口部264を含む。接続開口部264は、止めねじ258自身よりも小さい直径を持つ。この手法において、止めねじ258を外側にまわすことにより、止めねじ258の第一の端252、及び円筒形部材248の第二の端254を、外部部材220の側面に対して外向きに押し付ける。止めねじ258及び円筒形部材248のこの選択的な膨張は、その二分された遠位端222において、外部部材220を広げ、それにより、支持リッジ228を、測定バーの内径の中に押し込ませ、端部アダプタ218を摩擦により測定バー内に保持させる。

内部部材234の遠位端238は、外部部材220の遠位端222を越えて伸張し、さらに、端部プローブ216の1つを支持し、保持し、及び中心に置くための丸みのある環状表面266を持つことにより定められる。環状表面266は、端部アダプタ組立品218及び測定バーの中心線「A」に沿って端部プローブ216の中心を正しく置くように、形成される。好ましい実施形態では、端部プローブ216は球形であり、かつ、磁気的に影響され得る鉄金属材料で形成される。環状表面266は、窪んだ空洞268を、磁石270を受け入れ及び保持するようにされることにより、さらに定められる。磁石270はまた、全体的にへこんだ表面272を持ち、かつ、磁石270のへこんだ表面を球形端部プローブ216の隣接する弓形表面に対して間隔を空けて配置する手法で、窪んだ空洞268内に配置される。従って、磁石270は、端部プローブ216のすぐ下であるが、それと接触はしない。このように、磁石270は、端部プローブ216を引き付け、保持するが、端部アダプタ組立品218の熱膨張に影響を及ぼすことはない。

作動中、外部部材220の遠位端222を測定バーの端に固定すると、外部部材220の近位端224が、温度の変化に応じて、滑るように(すなわち、縦方向に)測定バーの内側に膨張するであろう。同様に、内部部材234の近位端236を、外部部材220の近位端230に固定すると、内部部材234が、外部部材220の空洞226内で、縦方向に膨張するであろう。上で説明するように、製造品内の様々なコンポーネントの膨張の方程式を考慮して、2つの端部アダプタ組立品の外部部材220及び内部部材234の実効長、及び熱膨張係数は、個々に選択される。より具体的には、外部部材220の膨張が、内部部材234の膨張、端部プローブ216の膨張、及び測定バーの膨張を一般的に補償し、実質的に解消するように、内部部材234及び外部部材220の材料及び長さが選択される。

従って、本発明は、その物理的なサイズが変化しないように熱膨張を補償する高精度の測定バー製造品を提供することにより、関連技術の不利な点を克服するものである。さらに、本発明は、熱膨張補償され、同様な製造品と組合されて、一、二、及び三次元における正確な方向付け、配置、位置付けのための空間参照システムを提供することができる測定バー製造品を提供することにより、関連技術の不利な点を克服する。

例示的な手法で、本発明を説明した。使用された専門語は、限定ではなく、説明の語の性質をおびていることを意図したものであることを理解すべきである。上述の教示に照らして、本発明の多くの変更及び変形が可能である。それゆえ、本特許請求の範囲内で、明細に説明したのとは別の方法で、本発明を実践することもできる。

本発明の空間参照システムの単一測定製造品の側面図である。 線形参照に用いられる、本発明の空間参照システムの一連の測定製造品の側面図である。 二次元の三角形参照を形成するように結合された、本発明の空間参照システムの3つの測定製造品の側面図である。 二次元の平行四辺形参照を形成するように三角形の連続で結合された、本発明の空間参照システムの一連の測定製造品の側面図である。 三次元の四面体参照を形成するように三角形の連続で結合された、本発明の空間参照システムの一連の測定製造品の透視図である。 複雑な三次元参照を形成するように四面体の連続で結合された、本発明の空間参照システムの一連の測定製造品の透視図である。 本発明の測定製造品の断面である。 図3Aに示す本発明の測定製造品の断面の端部部分の詳細図である。 本発明の測定製造品のもう1つの実施形態の断面図である。 本発明による測定製造品のもう1つの実施形態の断面図である。 本発明による測定製造品の一実施形態の端部の図である。 本発明の端部アダプタ組立品の更なる実施形態の断面図である。

Claims (14)

1. 少なくとも1つ製造組立体(12)を備え、
   前記製造組立体(12)が、近位端(40)及び遠位端(42)を持つ内部部材(22)と、近位端(28)及び遠位端(30)を持つ外部部材(24)と、近位端(50)及び遠位端(52)を持つ補償部材(26)とを含む測定バー組立品(14)を有し、前記補償部材(26)は、前記外部部材(24)の前記遠位端(30)が前記補償部材(26)の前記遠位端(52)に固定して取り付けられ、前記補償部材(26)の前記近位端(50)が前記内部部材(22)の前記近位端(40)に固定して取り付けられるように、前記内部部材(22)と前記外部部材(24)との間に作動的に配置され、
   前記製造組立体(12)が、第一の端部アダプタ(18)と第一の端部プローブ(16)、及び、第二の端部アダプタ(20)と第二の端部プローブ(16)をさらに含み、前記第一の端部アダプタ(18)が、前記第一の端部プローブ(16)を受け入れるように前記外部部材(24)の前記近位端(28)に作動的に取り付けられ、前記第二の端部アダプタ(20)が、前記第二の端部プローブ(16)を受け入れるように前記内部部材(22)の前記遠位端(42)に作動的に取り付けられ、それにより、前記第一の端部プローブ(16)及び前記第二の端部プローブ(16)が、前記測定バー(14)の端点により測定基準を構成するようにされ、
   前記外部部材(24)の前記近位端(28)が前記第一の端部アダプタ(18)に固定して取り付けられた点から、前記外部部材(24)の前記遠位端(30)が前記補償部材(26)の前記遠位端(52)に固定して取り付けられた点までの距離が、前記補償部材(26)が前記近位端(50)が前記内部部材(22)の前記近位端(40)に固定して取り付けられた点から、前記内部部材(22)の前記遠位端(42)が前記第二の端部アダプタ(20)に固定して取り付けられた点までの距離と同じであり、前記内部部材(22)及び前記外部部材(24)が同じ実効長を持つようになっており、
   前記内部部材(22)と前記外部部材(24)の各々が所定の長さ及び所定の熱膨張係数を持ち、前記補償部材(26)が所定の長さ及び所定の熱膨張係数を持ち、前記内部部材(22)及び前記外部部材(24)の熱膨張を前記補償部材(26)の膨張により実質的に解消するようになった、
   ことを特徴とする空間参照システム。
2. 前記補償部材(26)がさらに、所定の長さ及び所定の熱膨張係数を持つと定められ、前記内部部材(22)及び前記外部部材(24)の膨張とともに、前記第一の端部アダプタ(18)及び前記第二の端部アダプタ(20)、及び、前記第一の端部プローブ(16)及び前記第二の端部プローブ(16)の膨張も、前記補償部材(26)の膨張によって、相殺されかつ補償されるようなった
   ことを特徴とする請求項1記載の空間参照システム。
3. 前記第一の端部プローブ(16)、及び前記第二の端部プローブ(16)が球形である
   ことを特徴とする請求項1記載の空間参照システム。
4. 少なくとも1つの製造組立体(12)を備え、
   前記少なくとも1つの製造組立体(12)が、第一の端及び第二の端を持つ測定バー(14)と、前記測定バーの前記第一の端及び前記第二の端に作動的に取り付けられた第一の端部アダプタ組立品(218)及び第二の端部アダプタ組立品(218)を有し、第一の端部プローブ(216)が、前記第一の端部アダプタ組立品(218)に取り付けられ、第二の端部プローブ(216)が、前記第二の端部アダプタ組立品(218)に取り付けられ、
   前記第一及び第二の端部アダプタ組立品(218)が、外部部材(220)と、近位端(236)及び遠位端(238)を持つ内部部材(234)とを含み、
   前記外部部材(220)は、開いた遠位端(222)及び閉じた近位端(224)を持つ一般的な円筒形状で形成され、それにより中央空洞(226)を形成し、前記遠位端(222)が前記測定バー(14)の前記両端の一方に固定して取り付けられるように、前記測定バー(14)の開いた端の中に収まるようにされ、
   前記外部部材(220)の前記空洞(226)が、前記内部部材(234)の前記遠位端(238)が前記外部部材(220)の前記遠位端(222)を越えて伸張して前記端部プローブ(216)の1つを支持及び保持している状態で、前記内部部材(234)の前記近位端(236)が、前記外部部材(220)内に収まり、前記空洞(226)内で前記外部部材(220)の前記近位端(224)に固定して取り付けられるように、前記内部部材(234)の前記近位端(236)を収容するようにされており、
   前記第一の端部アダプタ組立品(218)及び前記第二の端部アダプタ組立品(218)の各々が、協調して、前記測定バー(14)の線形膨張と等しくかつ逆向きの所定の長さの変化を提供するような所定の熱膨張を持ち、それにより、前記第一及び第二の端部プローブ(216)が前記製造品(12)の如何なる熱膨張も実質的に解消する
   ことを特徴とする空間参照システム。
5. 前記内部部材(234)の前記近位端(236)が、前記空洞(226)内で、ねじファスナー(240)によって前記外部部材(220)の前記近位端(224)に固定して取り付けられた
   ことを特徴とする請求項4記載の空間参照システム。
6. 前記内部部材(234)の前記遠位端(238)が、環状表面(266)を前記端部プローブ(216)の1つを保持し、かつ、中心に置くようにすることによって、更に定められた
   ことを特徴とする請求項4記載の空間参照システム。
7. 前記第一及び前記第二の端部プローブ(216)が球形であり、かつ、磁気的に影響を受け得る鉄金属材料で形成された
   ことを特徴とする請求項6記載の空間参照システム。
8. 磁石(270)が前記端部プローブ(216)を引き付けかつ保持するように、前記内部部材(234)の前記遠位端(238)が、くぼんだ空洞(268)を前記環状表面(266)の下に配置された前記磁石(270)を受け入れかつ保持するようにすることにより、さらに定められる
   ことを特徴とする請求項7記載の空間参照システム。
9. 前記内部部材(234)が、前記遠位端(238)をまたがって横向きに形成された貫通口径(246)をさらに含み、前記貫通口径(246)は、円筒形部材(248)を受け入れかつ収容するようにされ、前記円筒形部材(248)は、前記外部部材(220)の側面に対して外向きに膨張及び押し付けるように選択的に作動可能であり、これにより、前記端部アダプタ組立品(218)を前記測定バー(14)の端で摩擦により保持されるようにする
   ことを特徴とする請求項4記載の空間参照システム。
10. 一対の二分スロット(250)が前記開いた遠位端(222)を通して形成され、かつ、前記円筒形部材(248)の前記選択的な膨張が、その前記遠位端(222)において前記外部部材(220)を広げ、摩擦により前記端部アダプタ組立品(218)を前記測定バー部材(14)内で保持するように、前記外部部材(220)の所定の長さを伸張すると、前記外部部材(220)が更に定められた
    ことを特徴とする請求項9記載の空間参照システム。
11. 前記外部部材(220)が、その前記遠位端(222)で開口部(264)をさらに含んで、前記内部部材(234)内で保持されるように、前記円筒形部材(248)の一端に縫うように配置された留めねじ(258)への有効なアクセスを提供し、前記留めねじ(258)を外側に回すことにより、前記留めねじ(258)及び前記円筒形部材(248)を前記外部部材(220)の側面に対して外向きに押し付け、これにより、前記端部アダプタ組立品(218)を摩擦により前記測定バー部材(14)内に保持させるように、前記開口部(264)が前記留めねじ(258)よりも小さい直径である
    ことを特徴とする請求項10記載の空間参照システム。
12. 前記測定バー組立品(14)の3つ、及び、前記端部プローブ(216)の3つが、二次元の三角形参照基準を形成するように作動的に結合された
    ことを特徴とする請求項5記載の空間参照システム。
13. 前記測定バー組立品(14)の5つ、及び、前記端部プローブ(216)の4つが、二次元の平行四辺形参照基準を形成するように作動的に結合された
    ことを特徴とする請求項5記載の空間参照システム。
14. 前記測定バー組立品(14)の6つ、及び、前記端部プローブ(216)の4つが、三次元の四面体参照基準を形成するように作動的に結合された
    ことを特徴とする請求項5記載の空間参照システム。

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