JP5611297B2 - 測定プローブ - Google Patents

Description

本発明は工作機械、座標測定機械、および座標位置決めを用いる他の機械のような、位置決定装置に関与しての、加工対象物のような物品の寸法の決定における使用のための測定プローブに関する。

プローブは、加工対象物と接触されたとき、静止状態から付勢されるスタイラスのような、加工対象物との接触要素を含むことができる。この付勢は感知されることができ、そして前記加工対象物との接触を示す信号が、使用される座標位置決めシステムに応じて加工対象物の位置の表れを提供するように、生じさせられ得る。

上記したような多くの異なったタイプのプローブが知られている。理想的にはこのようなプローブは、プローブのスタイラスあるいは他の接触要素に作用する力に対して非常に敏感であって、そしてなおかつ、例えばプローブが落とされたり、あるいは不用意に荒々しく加工対象物に向かって突っ込ませたりしたときのプローブに対する損傷を妨げるために、適度に頑丈であるべきである。

一般的に、接触測定プローブは２つの種類、加工対象物との接触がなされているとき、非常に速くトリガー信号を生じさせるもの（いわゆる「接触トリガープローブ」）と、そして、プローブ本体に対するスタイラスのふれの量を示す、可変的な信号を有するもの（いわゆる「アナログプローブ」、「あるいは走査プローブ」）とに分類される。

アナログプローブは、スタイラスが加工対象物を横断し、プローブが加工対象物の輪郭に対応する多くのデータポイントをもたらすような形で、概して用いられる。アナログプローブは、必然的に敏感であり、したがって荒れた用途に概して適していない。

接触トリガープローブがより扱い易く、そして打撃や振動のような意に沿わない状況に遭遇される、機械工具における使用のような適用により適している。接触トリガープローブは、加工対象物の接触に際して開かれる（あるいは閉じられる）電気スイッチタイプの装置を従来から有する。

接触トリガープローブは、本質的に概ね機械式であって、そして摩耗することになるかあるいは傷つけられることになり得る可動部を有する。

上の欠点を克服するために、ひずみゲージを使用するプローブが開発されている。１つのそのようなプローブは特許文献１に示されている。 その文献の図９は、図９の下方の部分に示されたスタイラスによって、使用中に、引っ張られるひずみゲージセル３３４を示す。セル３３４はスタイラスに向かって延びる３本の脚部を有する。 このプローブが敏感であるとはいえ、それは、特にスタイラスが衝突される場合は、とりわけ頑丈でない。同様のプローブが特許文献２に示されている。

別のひずみゲージプローブが特許文献３に示されていて、その図３は３本の脚部を有するひずみゲージ支持構造体３４を示す。より高い頑丈さを提供するために、付加的なスタイラス支持体４２が与えられる。この付加的な支持体は、ひずみゲージ支持構造体３４に、剛性に関して低減されることを許容し、しかして、より感度を良くする。全体的にみて、プローブ構造体は、コンパクトでない。本発明の発明者は、ここで記述された実施形態において、付加的なスタイラス支持体に対する要望を否定して、頑丈であり、感度のよい接触トリガープローブを提示する。

本発明は測定プローブを提供し、該プローブは、プローブ本体、加工対象物に接触するスタイラス、そして本体とスタイラスとを接続するひずみ感受性構造体とを備え、スタイラスは概ね軸に沿って延び、構造体は１つの平面において実質的に延びる本体に対してスタイラスを接続する複数の部材を有し、少なくとも１つの部材はそれらと関係するひずみ検出要素を有し、該少なくとも１つの部材は、該平面に直交方向に横断面を有し、それは非対称である。

しかして、本発明の実施形態は、ひずみ検出部材と関係のある少なくとも１つのひずみ検出要素を有するひずみ検出プローブを提供する。該部材は、中立曲げ軸（すなわち圧縮されることも引っ張られることもない軸）を有することができ、それは部材の非対称によって、該部材の一方の側に、反対側よりもより近接する。

この配置の結果は、ひずみ検出要素が、部材の一方の側において、部材の反対側よりも、中立軸からさらに離れて置かれることができるということであり、それで、同じ部材の剛性のために、より大きなひずみ感受性が達成され得る。

以下に記述されるように、複合部材が作り出され得ることは可能であり、それは横断面において非対称である限り、部材の他の側よりも部材の一方の側により近い中立軸を有することができる。このような部材は増加した感度と頑丈さのためにまた用いられることができ、そして上記段落の目的のために非対称であると考えられる。

米国特許第５,３２７,６５７号明細書 欧州特許第６８８９９号明細書 国際公開第０１ / ９６８０９号パンフレット 米国特許第５,２２８,３５２号明細書

発明を使用する測定プローブを示す。 図１に示されたひずみ検出部材の詳細を示す。 図２に示されたひずみ検出部材のさらなる詳細を示す。 図３に示された平面４-４における部材を通る横断面図を示す。 図４に示された横断面図に対する、代替の横断面図を示す。 図４に示された横断面図に対する、代替の横断面図を示す。 図４に示された横断面図に対する、代替の横断面図を示す。 図４に示された横断面図に対する、代替の横断面図を示す。 代わりの測定プローブを示す。 図６に示されたプローブの構成要素の細部を示す。 さらなる代わりのひずみ検出部材を示す。 なおさらなる代わりのひずみ検出部材の横断面図である。 なおさらなる代わりのひずみ検出部材の横断面図である。

本発明の実施形態が、これから、添付図面を参照して記述されるだろう。

寸法測定プローブ１０は図１に示され、それはボス１２を介して機械５に取り付けられる。その機械は、プローブの座標、例えばｘｙおよびｚ平面を決定することができる典型的なものである。

プローブは、測定されるべき加工対象物あるいは他の製品５０と接触するための先端部１６を含むスタイラス１４を有する。プローブは製品５０に対して機械によって動かされ、製品５０とのスタイラスの先端部の接触がプローブ１０内の機構によって検知される。 プローブは、プローブの座標を決定するために、機械に送られる信号を発する。このようにして、製品の表面の座標は得られることができる。

プローブ１０は、主本体１８、回路基盤２０、ばねケージ２２、圧縮ばね２４、スタイラス１４の上部部材２６、そしてひずみ検出要素３０を含む。明確さのために、プローブの図は、図２における１-１として示される部分的な平面の一部の断面図である。この平面は、完全に平らでなく、互いに対して１２０°での２つの平面を含む。

作動中、力は、ｘ、ｙあるいはｚ方向、またはこれらの方向の組み合わせにおいて、スタイラスの先端部に及ぼされる。この力は、検出要素が中央部分３７に固定された本体１８に対しての、センサー要素３０の径方向に延びたアームの曲がりを引き起こす。ｘあるいはｙ方向におけるスタイラスに対する過度の力、または、プローブ本体から離れるｚ方向にスタイラスを引っ張ることは、結果として、センサー要素３０と本体１８との間のギャップ２８を閉じることになるだろう。しかして、センサー要素３０における過度のひずみが生じることはできない。スタイラスに対するさらなる力は、ばね２４の圧縮を引き起こし、圧縮ばね２４の力に対抗して、スタイラス上部部材あるいはスタイラスホルダー２６とセンサー要素３０との間の分離をもたらす。さらなる過度の力の除去は、スタイラスに、センサー要素３０に対して再び座ることを可能にする。この上部部材２６とセンサー要素３０との間の接触は、全部で６つの接触点を有する、キネマティック位置（kinematic location）の形式にある。この場合、キネマティック位置は、そのセンサー上の３つのボール３１から形成され、各々のものは部材２６上の１組のローラー２７間にはまり込む。しかして、有利に、過度の力がスタイラスに及ぼされる場合、再現可能な静止位置へ、正しい位置に戻ることが可能である。

図２はより詳細にセンサー要素３０を示す。要素３０は、ワンピースとして、例えば機械加工された金属として、生産される。要素３０の表面に付けられた３つのボール３１の各々は、使用中に、それらに及ぼされる力を有する。スタイラスの先端部１６が加工対象物に接するとき、ボールに及ぼされる力は変えられる。これは、順番に、ひずみを、径方向のアーム３２に誘発させることを引き起こす。半導体ひずみゲージ３３がアーム３２の各々に固定される。各ひずみゲージは、アームでのひずみが変えられる場合、出力において、変化を提供する。しかして、製品５０とのスタイラスの接触は検出され得る。回路基盤２０がこのような検知を可能にする。この発明における使用に適した回路の例が、特許文献４に記述されている。

他の数のアームが用いられ得るけれども、示された３つの径方向に延在するアーム３２がある。図３は、より詳細にアーム３２を示す。図３で示されている領域は、図２におけるカットライン３の内側の領域である。図３に示されるように、アームの好ましい断面形状は、逆さまの「Ｔ」である。しかしながら、他の断面は、例えば、図５ａ、ｂ、ｃおよびｄに示されるように、想定される。ひずみゲージ３３が、二液形接着剤によって「Ｔ」の細長い部分を形成する突縁の、最も高い所の表面に取り付けられる。アームの「Ｔ」形状は、ひずみ検出部材３０の感応性を向上させる。

ひずみ検出部材の必要とされる感度を与えるように示された「Ｔ」断面の代わりに、一定の薄い断面、例えば、長方形のを用いることが可能であろう。しかしながら、そのような断面は、剛性に欠け、あるいは、より厚くされる場合には感度が悪くなるだろう。「Ｔ」断面は、頑丈さのために堅いのみならず、スタイラスに作用する力に対して感度がいいということもまた、本発明者によって見出されている。所与の剛性のために、ひずみゲージ３３の位置で、そうでない場合よりも、より大きな曲げが経験される。これは、また、向上された信号対雑音比をもたらす。

また、「Ｔ」形状の細長い部分を形成する上部のフランジに形成されるノッチ３５が、結果として生じるより良いひずみ読取値を生み出す。これは、アーム３２の曲げを加減し、使用するとき、片持ち梁のように、アームにそれることを引き起こす。アームは、ノッチが存在しない場合、負荷のもとで、「Ｓ」形状に強制され、これはひずみゲージの位置において結果として生じるひずみをより小さくするだろう。

図４は、図３に示された平面４-４におけるアーム３２の断面を示す。相対的な大きさの断面が示されている。「ａ」が１と同じである場合の適切な大きさは、「ｂ」が約１〜２の範囲内にあり、「ｃ」が約３〜６の範囲内にあり、そして「ｄ」が約０．５〜１．５の範囲内にあることが分かった。軸ｎ．ａは、中立軸あるいは曲げ軸を示す。ひずみ感受性要素３３と中立曲げ軸との間の距離Ｚ１は、中立軸と要素３３の反対側のアームの表面のフェアラインとの間の距離Ｚ２よりも長いということが理解され得る。

図５ａ、ｂ、ｃおよびｄは、図４に示されたＴ断面に代えて用いることができる、アーム３２用の他の断面形状の例を示す。図５ａは台形断面を示し、ひずみゲージ３３は示されているように頂面に取り付けられる。図５ｂはＵ形状断面を示し、ひずみゲージ３３は示されているようにＵの上縁部の一方に取り付けられる。図５ｃは、下側部分５４よりも剛性の低い上側部分５２を有する複合構造を示す。ひずみゲージは示されているように取り付けられる。その材料は、アルミニウムあるいはグラスファイバー（５２）および鋼鉄（５４）であり得る。もう１つの選択肢として、図５ｃにおける２つの部分は同じ材料からなり得るが、それらが異なる剛性を有するように、異なる密度をめがけて穴が開けられ得る。あるいは、そのような穴あけの密度は、ただ１つの部分の頂部から底部まで徐々に変化し得る。図５ｄは、基部６０、柱５６の形での２つのスペーサ、ひずみゲージ支持体５８、そしてその支持体５８に取り付けられたひずみゲージ３３を示す。

図５ａ、ｂ、ｃおよびｄの各々に、それぞれの中立軸ｎ．ａは示されている。各ひずみゲージ３３は、中立軸と、ひずみゲージの取り付けられた面の反対側のアーム３２の面との間の距離よりも、中立軸ｎ．ａからもっと遠くに取り付けられている。上で述べたように、これは、ひずみがすぐに測定され得るが、比較的曲がらなくされ得、それ故に頑丈である構造体をもたらす。ノッチは、図１〜３におけるノッチ３５と同じようにそして同様の理由のために、提供され得る。

図６は、図１に示されたものと類似の構成の測定プローブ１０´を示す。再び、真の断面は示されないが、図１に関しては示された、１２０°の角度を有する断面は示される。図６において、スタイラス６４の上部部材６６は、ひずみ検出構造体６１の内側部分にのしかかる。正確には、ひずみは径方向のアーム６２に与えられる。ひずみ検出要素７０は、ハウジング７８のその周辺部に固定される。他の詳細、そしてプローブの機能は、図１のプローブに類似する。

図７は、図６に示されたプローブの組立品の詳細を示す。ハウジング７８へのひずみ検出構造体６１の確保は、３つの器具６８によってである。３つの器具の位置は、例えば熱的効果のために、ハウジング７８が拡張しあるいは収縮するとき、アーム６２の圧縮も伸張も生じないような位置である。

図８は、図１〜２におけるセンサー構造体３０の代わりとして用いられ得る、ひずみ感受性構造体７０を示す。３つの径方向のアーム部材３２の代わりに、ひずみゲージ３３は、３つの部材８０に貼られていて、それは概して三角形のリング周りの概ね周囲に延在している。各部材８０の中ごろにあるカップ８２は、スタイラスホルダー２６がもたれる、図１〜２に示されたボール３１のそれぞれ１つを保持する。部材８０は、前のように、「Ｔ」形状の横断面と、ノッチ３５とを有する。完全なリング構造体は、この実施形態に不可欠ではなく、概ね周囲に延びる、３つの分離した部材８０が用いられ得る。あるいは、ボール３１は、中ほどの代わりに、各アームの端部に位置付けられ得る。

図９は、図１〜４のアーム部材３２の代わりに用いるための、代替のアーム部材９０を示す。それは、図４の場合のように横断面において示されるが、「Ｔ」形状の代わりに薄い長方形の横断面を有する。２つのひずみゲージ３３は、長方形の横断面の両側の短い縁部に取り付けられ、そして、それ故によく相隔たる。２つのひずみゲージの電気出力は差動増幅器９２の正および負の入力に取り込まれ、それはそれらを差に基づいて組み合わせる。薄い長方形の横断面およびディフェレンシャルプロセス（differential processing）のために、曲げに対する良好な感度が、適度に頑丈な構造体において成し遂げられる。

図１０は、図９のアーム部材の変形物を示す。ここで、横方向部材９４は、全横断面が十字形であるように、長方形の横断面９０を増大させる。横方向部材９４は、中立曲げ軸の領域において、部材の剛性を増加させる。結果としての構造体は、連続の、図１〜４の「Ｔ」形状のアーム部材の２つに類似すると考えられ得る。

本発明を用いるいくつかの実施形態が、記述されている。しかしながら、それらの実施形態に対する多くの変形および変更が、熟練した受け手には容易に明らかであろう。そのような変形あるいは変更の例は、以下の段落に記述される。

３つの径方向に延びるアームが、各実施形態において示されているが、より少数のあるいはより多くのアームが用いられ得る。このアームは、径方向の長さを有すると同時に、軸の種類においても延び得る。

要素３０/６０の過度のひずみを妨げるための安全機構として作動する、スタイラス１４/６４のためのキネマティック支持（kinematic support）は、示されている。しかしながら、この特徴は、絶対必要ではなく、または、同じように作動する別の特徴によって取って代わられあるいは補足され得る。

図４および図５に示された断面は、網羅的でない。他の断面は、所望の結果、すなわち比較的堅く、それ故頑丈であるひずみ感受性構造体を作り出すならば、用いられ得る。

ひずみゲージは、スタイラス６４の先端部の反対の各アームの面に取り付けられて示されている。アーム３０/６２を逆さにして、そして要素の下側にゲージを取り付けることは可能である。「上部」、「下部」などのような、この記述で用いられた用語は、図に示されたプローブの向きに関係し、そして使用するとき、示されたそのプローブは、スタイラスを上方へ向けさせることを含む、いずれの向きにおいても用いられ得るということが、理解されるだろう。

Claims (7)

1. 位置決定装置用のプローブであって、
   プローブ本体と、
   加工対象物に接触するスタイラスと、
   前記本体と前記スタイラスとを接続するひずみ感受性構造体であって、軸を有し、そして、前記スタイラスが加工対象物に接触するとき前記軸に対して曲げられる少なくとも１つの部材を含む、ひずみ感受性構造体と、
   前記曲げられる部材の両側に、その曲げに基づくそれぞれの信号を提供するように、取り付けられた一対のひずみ検出要素と、そして、
   該一対のひずみ検出要素から前記信号を受け、そして、該信号間の差に応じた出力信号を生み出すようにそれら信号を処理する回路と
   を備え、
   前記少なくとも１つの曲げられる部材は長方形の横断面を有し、該少なくとも１つの曲げられる部材は前記長方形の横断面の対向する２つの短い縁部に関係する２つの対向する短面部を有し、前記一対のひずみ検出要素は前記２つの短面部のそれぞれに取り付けられ、該２つの短面部は、該少なくとも１つの曲げられる部材への力の作用方向に対して略直角の方向に延在するように配置される、
   ことを特徴とするプローブ。
2. 横方向部材は、全横断面が十字形であるように、前記少なくとも１つの曲げられる部材の前記長方形の横断面の面積を増大させることを特徴とする請求項１に記載のプローブ。
3. 前記回路は、差動増幅器を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のプローブ。
4. 前記プローブ本体に対して径方向に延在する複数の曲げられる部材を備える請求項１から３のいずれかに記載のプローブ。
5. ３つの曲げられる部材を備える請求項４に記載のプローブ。
6. 前記複数の曲げられる部材は１つの面内に実質的に延在することを特徴とする請求項４または５に記載のプローブ。
7. 前記少なくとも１つの曲げられる部材は、薄い長方形の横断面を有する、請求項１から６のいずれかに記載のプローブ。

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