JP5736095B1 - タッチプローブ - Google Patents

Abstract

【課題】細穴の奥や突起部を有するような被測定物でも高精度、かつ高速に測定を行う。【解決手段】スタイラスと、前記スタイラスの先端部に形成された、被測定物と接触する測定子と、前記スタイラス内に形成され、前記スタイラスの軸方向に垂直でかつ互いに直交する２方向に変位可能に構成された変位機構と、前記２方向の各変位を検出する前記変位機構に設けられた変位検出部と、を備え、前記スタイラスは、前記変位機構を含めて一体形成されていることを特徴とするタッチプローブを提供する。【選択図】図２

Description

本発明は、タッチプローブに係り、特に、３次元座標測定機や工作機械等に取り付けられ、被測定物の形状等を測定する場合に用いられるタッチプローブに関するものである。

従来、被測定物の形状や寸法等の測定を行う測定機として３次元座標測定機等の測定機が知られている。このような測定機には、座標検出や位置検出を行うために、被測定物との接触を検出するタッチプローブが備えられている。

また、従来タッチプローブによってワークの測定を行う場合は、プローブの被測定物への接触を電気的導通により検知する方法や、被測定物に対するプローブの接触によって接点が離れる構造として検知するトリガー方式、あるいは接触によるプローブの変位量をトランスデューサを用いて測定するアナログ式のもの等が用いられており、別に設けられたスケールによりプローブ信号と組み合わせて測定が行われていた。

例えば、特許文献１には、検査されるべき被測定物と接触する探子を運ぶアームとを含む可動構造体の少なくとも一部分が長手軸線に沿って実質的に配置された中心位置をとりやすく構成され、探子が被測定物に接触したときの可動構造体の位置に依存する信号を検出する検出手段を備えた被測定物の直線寸法を検査するプローブが開示されている。

また、特許文献２には、スピンドルの上に取り付けられたプローブが工作物接触先端部を持つ変位可能なスタイラスを有し、このスタイラスの変位を計測するためのトランスデューサがプローブ内に備えられた３次元座標測定機が記載されている。

またさらに、特許文献３には、互いに直交する３方向の案内を形成する各平行四辺形案内機構に３つの測定機構が取り付けられ、この測定機構を用いてプローブヘッドの案内された部分の変位量を３つの座標方向で連続的に求めるようにした座標測定装置のプローブヘッドが開示されている。

特表平４−５０５２１７号公報 特表２００８−５０９３８６号公報 特開平８−４３０６６号公報

しかしながら、従来のトリガー方式のプローブにおいては、プローブが被測定物であるワークに接触したときの信号により、スケールの値を読み込んで測定値としており、システムの応答性にもよるが、高精度な測定を行うためには、移動速度を落とさなければならないが、移動速度を落とすと測定効率が悪化するという問題がある。

なお、トランスデューサを用いたタッチプローブの場合、被測定物への接触に関しては、高速で接触させても、プローブの移動停止タイミングでのスケール値、プローブ変位を読み取れば、高精度測定は可能であるが、トランスデューサを組み込んだタッチプローブは、本体が大きくなり、細穴の奥、あるいは突起のあるようなワークを測定する場合は、プローブ（スタイラス）を長くして、タッチプローブ本体との干渉を逃げた状態でワークの接触検知を行わなければならない。

従って、トランスデューサ部の誤差量もスタイラスの長さに比例して大きくなり、高精度の測定が困難になるという問題がある。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、上記問題を解決し、細穴の奥や突起部を有するような被測定物でも高精度、かつ高速に測定を行うことができるタッチプローブを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために提供される、本発明のタッチプローブは、スタイラスと、前記スタイラスの先端部に形成された、被測定物と接触する測定子と、前記スタイラス内に形成され、前記スタイラスの軸方向に垂直でかつ互いに直交する２方向に変位可能に構成された変位機構と、前記２方向の各変位を検出する前記変位機構に設けられた変位検出部と、を備え、前記スタイラスは、前記変位機構を含めて一体形成されていることを特徴とする。

これにより、細穴の奥や突起部を有するような被測定物でも高精度、かつ高速に測定を行うことが可能となる。

また、一つの実施態様として、前記変位機構は、前記互いに直交する２方向に揺動可能な支点を有する構造を有していることが好ましい。

また、一つの実施態様として、前記変位検出部は、差動トランス式のトランスデューサによって構成されていることが好ましい。

また、一つの実施態様として、前記プローブ本体は、前記変位機構及び前記測定子を含めて一体形成されていることが好ましい。

このように、プローブ本体から測定子までを一体成形したことにより、温度特性が良く、測定精度も向上する。

また、一つの実施態様として、前記変位検出部の検出範囲を超える変位量を与える衝撃が前記スタイラスに生じた場合に、該衝撃を吸収するとともに再度スタイラスを元の位置に復帰させることができる逃げ機構を前記スタイラスの上部にさらに備えたことが好ましい。

また、一つの実施態様として、前記逃げ機構は、接点構造を有し、該逃げ機構動作時には、異常として前記変位検出部が変位の読み込みを行わないことが好ましい。

このように逃げ機構を備えたことにより、測定子が被測定対象と間違いで衝突したような場合には、プローブ本体に加わる衝撃を吸収することにより、変位検出部やプローブ本体を保護することが可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、細穴の奥や突起部を有するような被測定物でも高精度、かつ高速に測定を行うことが可能となる。

本発明に係るタッチプローブの一実施形態の概略を一部その内部がわかるように示した斜視図である。 タッチプローブの軸方向に沿った断面図である。 図２中のIII−III線に沿った断面図である。 図２中のIV−IV線に沿った断面図である。 タッチプローブの、軸に沿った、図２とは軸の回りに９０°方向の異なる断面図である。 図５中の円VIで示す部分を拡大して示す拡大図である。 被測定対象として突起物のついたワークを測定する場合を、本発明と従来とで比較した説明図であり、（Ａ）は本発明、（Ｂ）及び（Ｃ）は従来の場合を示す。

以下、添付図面を参照して、本発明に係るタッチプローブについて詳細に説明する。

図１は、本発明に係るタッチプローブの一実施形態の概略を一部その内部がわかるように示した斜視図である。

図１に示すように、本実施形態のタッチプローブ１は、円筒形のプローブ本体カバー（以下、単にカバーという）１０と、カバー１０内部に配置されたプローブ本体（スタイラス）１２と、プローブ本体１２の先端に設けられた球状の測定子１４と、プローブ本体１２の上部に設けられた逃げ機構１６とを備えて構成されている。

なお、図１では、カバー１０は、図の右側の方のみ表示して、その前面から左側の方はカバー１０を削除して、カバー１０の内部のプローブ本体１２の構造が見えるようにした形で表現している。

カバー１０の上端部には逃げ機構１６が形成されているが、逃げ機構１６については後述する。一方、カバー１０の下端は開口となっており、カバー１０下端の開口から測定子１４が露出して、測定子１４が測定対象に接触するようになっている。

プローブ本体１２下端の測定子１４が設けられた部分のすぐ上の部分には、切れ込み１８ａによってその一面が板状となり、その板状部分の中央付近で細い連結部でのみこの本体と繋がっている部分が形成されている。この細い連結部を支点２０ａということとする。すなわち、切れ込み１８ａによって形成された板状の部分は、この支点２０ａを中心としてその回り（上下）に矢印Ａのように変形（曲げ変形）可能となっている。

また、プローブ本体１２の、切れ込み１８ａによって支点２０ａが形成された部分の上部には、切れ込み１８ａが形成された部分と９０°異なる側面の部分に切れ込み１８ｂが形成され、この切れ込み１８ｂによってその部分に板状の部分が形成され、その板状の部分の中央部にはこの本体と連結するよう細く形成された支点２０ｂが形成されている。そして、切れ込み１８ｂによって形成された板状の部分はこの支点２０ｂを中心としてその回り（上下）に矢印Ｂのように変形（曲げ変形）可能となっている。

このように、プローブ本体１２の９０°異なる側面にそれぞれ形成された支点２０ａ及び支点２０ｂによってプローブ本体１２は、それぞれ９０°異なる方向（ＸＹ方向）に曲げ変形可能に構成されている。

そして測定子１４はプローブ本体１２と一体的に形成されているため、測定時に測定子１４が被測定対象に接触すると、プローブ本体１２がそれぞれ支点２０ａ、２０ｂを中心として矢印Ａ、Ｂで示したように変形するようになっている。

なお、ここでは測定子とプローブ本体とは一体的に形成されているが、一体的に形成されるものに限定はされず、交換式の測定子を使用した構造とすることもできる。

また、ここでは図示を省略したが、後述するように、この支点２０ａ、２０ｂの部分には変位検出手段としてのトランスデューサが設置されていて、プローブ本体１２のＸＹ方向の曲げ変形を検出するようになっている。このとき、矢印Ａ、Ｂで示すプローブ本体１２の変形方向は、円筒形のカバー１０の軸方向の回りに９０°異なる方向となっているため、カバー１０の軸方向に垂直な平面上の３６０°の任意の方向へのプローブ本体１２の変形がトランスデューサで検出されるようになっている。そして、トランスデューサによりプローブ変位量は電気信号に変換される。

図２に、タッチプローブ１の軸方向に沿った断面図を示す。

図２に示すように、円筒形のカバー１０の内部にプローブ本体１２が配置され、プローブ本体１２の下端部に設けられた測定子１４が、カバー１０下端の開口から露出している。

プローブ本体１２には、測定子１４が被測定対象に接触してプローブ本体１２が変形したことを検出する変位検出部２５ａ、２５ｂが、軸方向に垂直な平面上で互いに９０°の角をなす方向の曲げを検出するように、ＸＹ方向に直交させて上下に並べて配置されている。

例えば下側に形成された変位検出部２５ａは、プローブ本体１２に切れ込み１８ａを形成して細い部分のみで連結するように形成された支点２０ａと、この支点２０ａの回りでのプローブ本体１２の変位を検出するためのコア２２ａと、コア２２ａの回りを捲くコイル２４ａとから成る差動トランス式のトランスデューサによって構成される。

図２では、プローブ本体１２の下側に配置されたトランスデューサの構造を示すような断面で表している。従って、この上側に配置された変位検出部２５ｂのトランスデューサのコア２２ｂは、これとは軸の回りに９０°の角をなすように配置されている。従って、この下側の変位検出部２５ａのトランスデューサと上側の変位検出部２５ｂのトランスデューサは、互いに９０°の角をなす方向のプローブ本体１２の変位を検出し、これらを合わせて軸に垂直な平面上で３６０°方向の変位を検出することができるようになっている。

また、プローブ本体１２の上部に配置される逃げ機構１６は、逃げ機構１６を覆い保護する外枠１１のフランジ部１１ａに固定された球状のガイド２６と、カバー１０の上端に外側に向かって形成された丸棒２８とから構成されている。また、カバー１０の上部は、バネ３０によって下に付勢されている。これにより、通常は丸棒２８が一対のガイド２６の間に挟まれて位置決めされるようになっている。

この逃げ機構１６をさらに詳しく説明するために、図２中のIII−III線に沿った断面図を図３に示す。

図３に示すように、カバー１０の上端から、３本の丸棒２８が互いに１２０°の角をなす方向に配置され、各丸棒２８は、それぞれ２つずつ対をなして配置された球状のガイド２６、２６の間にバネ３０（図２参照）によって上から付勢されて位置決めされ、固定されている。

逃げ機構１６は、測定子１４が被測定対象と接触したときの衝撃により、プローブ本体１２中に設けた変位検出部２５ａ、２５ｂやプローブ本体１２自体が破損されるのを防止するために、その衝撃を逃がすための機構である。

すなわち、測定子１４が被測定対象であるワーク等と間違いで衝突したような場合には、プローブ本体１２が上方向に移動してバネ３０を押し上げて衝撃を吸収することにより、変位検出部２５ａ、２５ｂやプローブ本体１２を保護している。プローブ本体１２が上に移動してバネ３０を押し上げると、カバー１０とともに丸棒２８も上に持ち上がり、ガイド２６から離れる。

そして、衝突が解消されたときには、バネ３０の付勢力によって丸棒２８は下に移動し、２つずつ対になったガイド２６の間に丸棒２８が落ち込むことによってまた元の位置に位置決めされるようになっている。このように、逃げ機構１６は、衝突時の衝撃を吸収してプローブ本体１２を安全に逃がすとともに、その後元の位置に復元させる逃げ再現機構を構成している。

なお、衝突時には、丸棒２８とガイド２６との接点がはずれて電気的に衝突を検知できるようになっている。また、このように逃げ機構１６は、接点構造を有しており、逃げ機構動作時には、異常として変位検出部２５ａ、２５ｂは変位の読み込みを行わないようにしている。

また、図２中のIV−IV線に沿った断面図を図４に示す。

カバー１０の内部に配置されたプローブ本体１２には、その中間部に切れ込み１８ａ（１８ｂ）によって支点２０ａ（２０ｂ）が形成され変位検出部２５ａ（２５ｂ）が形成されている。また、図４は断面図であるが、断面から下方を見た場合に、プローブ本体１２の下側には測定子１４が配置されている様子を示している。

図５に、タッチプローブ１の、軸に沿った、図２とは軸の回りに９０°方向の異なる断面図を示す。

図５の断面図は、図２とは軸の回りに９０°方向が異なる面による断面を表している。従って図５には、プローブ本体１２に２つ設けられた変位検出部２５ａ、２５ｂのうち上側に配置された変位検出部２５ｂの構造がわかるように示されている。

すなわち、この上側に設けられた変位検出部２５ｂは、プローブ本体１２に切れ込み１８ｂによって形成された支点２０ｂに対して、コア２２ｂとコア２２ｂを捲くコイル２４ｂとを有する差動トランス式のトランスデューサによって構成されている。

図５中の円VIで示す部分を図６に拡大して示す。

図６に示すように、プローブ本体１２に切れ込み１８ｂによって形成された板状の部分が変位しやすいように細く形成された支点２０ｂの上下にそれぞれコア２２ｂとそれを捲くコイル２４ｂとで構成された差動トランスが配置されている。

測定子１４（ここでは図示省略）が被測定対象に接触するとプローブ本体１２がこの支点２０ｂを中心としてその上下で変形（曲げ変形）する。この変形により２つのコア２２ｂが支点２０ｂで傾けられ、その値をブリッジの差動方式で読み取り、変位を検出するように構成されている。

このような変位検出部２５ａ及び２５ｂをプローブ本体１２の中に９０°方向を変えて上下に並べて配置したことにより、軸の回りの３６０°方向の変位を確認することができるようになっている。

また、プローブ本体１２全体の移動量をスケール等で読み込ませ、接触したときの変位量と移動量の合算で測定値が算出されるようになっている。

図７に、被測定対象として突起物のついたワークＷを測定しようとした場合、本発明によるワーク測定時と、従来のワーク測定時を比較した図を示す。図７（Ａ）が本発明、（Ｂ）及び（Ｃ）が従来である。

まず、図７（Ａ）に示すように、本発明の場合には、タッチプローブ１は、２つの変位検出部（トランスデューサ）２５ａ、２５ｂから測定子１４までの距離は非常に短く、高精度かつ高速に測定を行うことができる。

一方、従来のタッチプローブ１０１では、測定子１１４と変位検出部１２５との間が短く、図７（Ｂ）に符号Ｇで示すようにタッチプローブ１０１とワークＷとが干渉してしまう。

そこで、図７（Ｃ）に示すように、測定子１１４と変位検出部１２５との間を離すためにプローブ１１２を伸ばさなければならない。しかし、プローブ１１２を伸ばすと、その撓み等も大きくなり、測定誤差を生んでしまうという問題がある。

本発明のタッチプローブ１は、このように従来の問題を解決し、従来にはない優れた効果を有している。なお、本発明に係るタッチプローブは、寸法計測のみならず、工作機械のワーク検知、工具検知等についても高速、かつ高精度に行うことができる。

また、本発明のタッチプローブ１を製造するにあたり、ワイヤ放電加工を用いることが好ましい。

放電加工は、電極と被加工物との間に短い周期で繰り返されるアーク放電によって被加工物表面の一部を除去する機械加工法であり、極めて硬い金属を加工することができ、特にワイヤ放電加工では、複雑で細かい形状を切り出すことができる。

ワイヤ放電加工を用いることにより、母材に対して図１に示すような切れ込み１８ａ、１８ｂ及び支点２０ａ、２０ｂを有するプローブ本体１２を加工することができる。

また、プローブ本体１２の先端に設けられる測定子１４は、プローブ本体１２の先端部に対してワイヤ放電加工を行うことにより溶融した後、表面張力によって溶融部分の形状が球形に成形されて固化して形成される。

なお、プローブ本体１２を形成する母材の材料としては、ワイヤ放電加工に適するものであれば特に限定されるものではなく、例えば超硬材であり、炭化タングステンあるいはタングステンカーバイト等であり、コバルトを含有する複合材料を用いることができる。

このように、プローブ本体１２と測定子１４とは一体成形されるので、測定子１４の脱落を防止することができる。また、測定子１４は、表面張力を用いて形成されているため、その形状は表面積が少ない球面となるとともに、その表面は極めて平滑となり、仕上げ加工を必要とせず、一定の品質を保つことができる。

このように、ワイヤ放電加工を用いてプローブ本体に対して切れ込み及び支点という複雑で細かい加工を行うことができる。これにより、プローブ本体の中に差動トランスを極小形状で作成可能なため、円筒形のプローブ本体カバーの外周径は、例えば約１５ｍｍ程度に抑えることができる。

このように細径に形成されたタッチプローブを用いることにより、細穴の奥等の測定も可能となる。また、タッチプローブの慣性も少ないため、高速移動が可能であり高速の測定を行うことができる。

以上、本発明のタッチプローブについて詳細に説明したが、本発明は、以上の例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはもちろんである。

１…タッチプローブ、１０…プローブ本体カバー（カバー）、１２…プローブ本体、１４…測定子、１６…逃げ機構、１８ａ、１８ｂ…切れ込み、２０ａ、２０ｂ…支点、２２ａ、２２ｂ…コア、２４ａ、２４ｂ…コイル、２５ａ、２５ｂ…変位検出部、２６…ガイド、２８…丸棒、３０…バネ

Claims (5)

1. スタイラスと、
   前記スタイラスの先端部に形成された、被測定物と接触する測定子と、
   前記スタイラス内に形成され、前記スタイラスの軸方向に垂直でかつ互いに直交する２方向に変位可能に構成された変位機構と、
   前記２方向の各変位を検出する前記変位機構に設けられた変位検出部と、
   を備え、
   前記スタイラスは、前記変位機構を含めて一体形成されていることを特徴とするタッチプローブ。
2. 前記変位機構は、前記互いに直交する２方向に揺動可能な支点を有する構造を有していることを特徴とする請求項１に記載のタッチプローブ。
3. 前記変位検出部は、差動トランス式のトランスデューサによって構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のタッチプローブ。
4. 前記変位検出部の検出範囲を超える変位量を与える衝撃が前記スタイラスに生じた場合に、該衝撃を吸収するとともに再度スタイラスを元の位置に復帰させることができる逃げ機構を前記スタイラスの上部にさらに備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のタッチプローブ。
5. 前記逃げ機構は、接点構造を有し、該逃げ機構動作時には、異常として前記変位検出部が変位の読み込みを行わないことを特徴とする請求項４に記載のタッチプローブ。

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