JP5746121B2 - 光学センサ付きの表面検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、座標測定マシン（ＣＭＭ）、スキャニングマシン、マシンツール、または測定ロボットなどのような位置測定装置に用いる表面検出装置に関するものである。

そのようなマシンは、ワークピースを測定するために用いられ、一般に、ワークピースが保持されるテーブルに対して３方向Ｘ，Ｙ，およびＺに移動可能なアームまたは他の部材を含む。基準位置に対する移動可能な部材の位置が測定できるように、それぞれのＸ，Ｙ，Ｚ方向における前記移動可能なアームまたは他の部材の動きは、マシンの変換器によって測定される。

本発明が特に関係する表面検出装置は、ワークピースコンタクト用のチップ付きの長いスタイラスを有するアナログまたは測定プローブである。特許文献１に開示されているように、それは、使用中において、高速走査作業に用いる連節ヘッド（articulating head）に設置してもよい。そのヘッドは、マシンの移動可能な部材に設置されて、２つの直交する回転軸の周りにプローブスタイラスの軸を合わせることが可能なモータつまりアクチュエータを有する。これらの回転可能な軸に組み合わせられる各変換器は、位置合わせの方向を測定する。

米国特許第５，０４０，３０６号明細書 米国特許第６，６３３，０５１号明細書 米国特許第５，３２７，６５７号明細書 欧州特許第５６６，７１９号明細書

走査作業中に、マシンおよび／またはヘッドは、マシンコントローラからの指示にしたがって、スタイラスチップをワークピースの表面上を移動させて、ワークピースの表面の輪郭に関するデータを集める。マシンおよびヘッドの各変換器によってもたらされる信号、およびプローブスタイラスの寸法の情報から、走査される表面上の点の位置を評価することができる。しかしながら、これは、スタイラスが充分に堅くつくられていても必要とされる精度を有するだけであり、実際的ではない。

我々の特許文献２（国際特許番号ＷＯ ００／６０３１０に対応する）は、そのようなプローブを示す。それは、比較的柔軟性がある中空のスタイラスを含み、それは、スタイラスチップとワークピースの表面との接触の力、および加速中の慣性力を受けて曲がる。そのような曲がりによって生じるスタイラスチップの横変位（lateral displacement）を測定する光学システムが備えられる。そして、これは、マシンおよびヘッドの各変換器からの測定値と組み合わされる。

光学システムは、中空のスタイラスに沿って通過するライトビームを含む。そして、そのビームは、チップあるいはその近くにおいて光学部品により反射されて、スタイラスに沿って戻る。スタイラスチップの横変位は、戻りビームの横つまり傾斜変位（tilting displacement）を引き起こし、それが位置高感度検出器によって測定される。

特許文献２に示されるプローブは、スタイラスチップの横変位のみの測定が可能である。

本発明は、
位置測定装置に用いる表面検出装置であって、
プローブ本体と、
前記プローブ本体に設置された縦方向に移動可能なキャリッジと、
ワークピース検出用のスタイラスチップを有する長いスタイラスであって、前記スタイラスは、縦変位のために前記縦方向に移動可能なキャリッジに設置されて、前記キャリッジに対して交換可能に取り付けおよび取外しでき、前記スタイラスチップには横変位が与えられる、スタイラスと、
前記縦変位を測定するための前記プローブ本体内の手段と、
前記交換可能なスタイラス内に少なくとも部分的に設置されて、前記チップの前記横変位を測定する変換システムと、
を備える表面検出装置を提供する。

いくつかの好適な実施形態において、スタイラスの縦変位を測定するための手段は、光学的である。

表面検出装置付き連節ヘッドの説明図である。 表面検出装置の第１の実施形態の断面図である。 表面検出装置の第１の実施形態の断面図である。 表面検出装置の第２の実施形態の断面図である。 表面検出装置用のスタイラスアセンブリの説明図である。 表面検出装置用の他のスタイラスアセンブリの説明図である。 表面検出装置用のさらに他のスタイラスアセンブリの説明図である。 表面検出装置用のさらに他のスタイラスアセンブリの説明図である。

以下、添付図面を参照しつつ、例として本発明の好適な実施形態を説明する。

図１には、連節プローブヘッドが示されている。そのヘッドは、位置決め装置（不図示）に対するアタッチメントに適する第１のハウジング部１０を備え、それは、シャフト１４に第１の軸Ｚ周りの回転を与えるモータつまりアクチュエータ１２を含む。シャフト１４に取り付けられる第２のハウジング部１６は、第２のシャフト２０に第２の直交軸Ｘ周りの回転を与えるモータつまりアクチュエータを含む。第２のシャフト２０に取り付けられて、それと共に回転するハウジング２４は、プローブ２２とスタイラスアセンブリを備える表面検出装置用のサポートを含む。各角変換器は、軸ＸおよびＺと関連して、回転運動を測定してコントローラにフィードバックする。

図２Ａおよび２Ｂは、プローブ２２とスタイラスアセンブリ２６を示す。プローブ２２は、簡単に取り外しおよび交換可能されるように、既知のキネマチックマウント（kinematic mount）２８を介してヘッドのハウジングつまりサポート２４に交換可能に取り付けられる。同様に、スタイラスアセンブリ２６は、キネマチックマウント３０を介してプローブ２２に交換可能に取り付けられ、その中に、各磁石によって同様に取り付けられる。よく知られているように、各キネマチックマウントは、プローブとスタイラスが正確に繰り返し可能な方法で位置決めされることを確保して、適確で繰り返し可能な測定を可能とする。プローブとスタイラスは、特許文献３および特許文献４に開示されているような自動プローブ／スタイラス交換装置によって、他のプローブやスタイラスと交換可能である。

プローブ２２は、垂直（各図面に見られる方位（orientation）、すなわち、スタイラスの縦方向に移動可能なキャリッジ３２を含む。スタイラス２６は、キネマチックマウント３０を介してキャリッジ３２に取り付けられる。キャリッジ３２は、水平に延在する２つの平板スプリングつまり各ダイアフラム３４を介して、プローブ２２の相対的に固定される固定構造３３に設置され、各ダイアフラム３４は、垂直移動を許容し、ＸおよびＹ方向の横移動は拘束する。

スタイラスアセンブリ２６は、カーボンファイバーによって造られた長い中空管状のスタイラス３６を含む。これは、横のＸ，Ｙ方向にわずかな柔軟性（弾性的）があり、その剛性と重量は、高速走査状態において良好な動的パフォーマンスを与えるように設計される。それは、そのような走査中にワークピースに接するスタイラスチップ３８を有する。各スタイラス３６は、中空ではなくて、必要に応じて、適当なガラスなどのような中実の透明材料によって造ることができる。

走査移動中に、スタイラスチップ３８は、平板スプリング３４によって許容される垂直移動を受けるであろう。それは、スタイラス３６の曲がりによって許容される横のＸ，Ｙ移動をも受ける。プローブ２２は、これらの移動を測定するための各変換器を収容し、いま、それらについて説明する。

プローブ２２は、半導体レーザー（laser diode）または他の光源４０を含む。これは、視準つまりレンズ４２によって焦点が合わせられるライトビームを発生する。半導体レーザーは、レンズ４２と関連してライトビームが中空スタイラス３６に沿って軸方向に通過するように、位置合わせのために調整可能なクランプの上に設置される。半導体レーザー４０とレンズ４２の両方は、プローブ２２の固定構造３３上に備えられる。

固定構造には、レンズ４２によって放射されるライトビームを受けるために、ビームスプリッタ４４も備えられている。それは、スタイラス３６へ光の５０％を通す。スタイラスチップ３８の近くにて、レンズ４６と鏡面５０（ガラスシリンダー４８に備わる）は逆反射体（retroreflector）として作用し、ライトビームを返してスタイラス３６の長さに沿って戻す。戻るビームの５０％は、ビームスプリッタ４４によって、２次元位置高感度検出器５２（プローブの固定構造３３に設置される）に向かって、９０°反射される。この配置は、特許文献２に開示されているものと同様である。特許文献２に開示されている他の配置のいくつかは代わりに用いることができ、その明細書は、参照することによってここに組み込まれる。

スタイラスチップ３８がＸまたはＹ方向に横に反らされたときに、逆反射体４６，５０は、対応する方向のＸ，Ｙに対応する量だけ横変位される戻りビームを引き起こす。それは、位置高感度検出器５２によって検出される。代わりに、特許文献２に示される配置のいくつかをもって、スタイラスチップ３８の横変位が戻りビームの傾斜変位（tilting displacement）を引き起こすことができ、それもまた、位置高感度検出器５２によってＸおよびＹ方向において検出される。

ミラー／レンズの組み合わせの間隔および焦点は、調整可能でもよい。これは、スタイラスの長さ、およびスタイラスチップ３８が横に変位可能であることによってもたらされる量に応じて、プローブの”ゲイン”の調整、すなわち検出器５２における戻りビームの変位量の整合を可能とする。

半導体レーザー４０およびレンズ４２によって放射されるビームの他の５０％は、第２の位置高感度検出器５４に向かって横に反射される。これも、プローブの固定構造３３に設置される。しかしながら、ビームスプリッタ４４と位置高感度検出器５４との間に、垂直方向に移動可能なキャリッジ３２に設置されたレンズ５６を通してビームが通過する。したがって、キャリッジの垂直の位置に応じて、検出器５４上のビームの垂直の位置が反らされる。スタイラスアセンブリ２６が長さ方向において剛体であるため、検出器５４の出力は、スタイラスチップ３８の縦の位置（Ｚ）の直接的な測定量である。垂直の動きに対する検出器５４の応答は、レンズ５６の適切な選択によって増幅される。

位置高感度検出器５４は、単に、一次元検出器でもよい。しかしながら、検出器５２と同様の二次元検出器を用いることがより便利であり、他の次元の出力は単に無視する。

したがって、検出器５２，５４の出力は、連節ヘッドのハウジング２４に対するスタイラスチップ３８の三次元位置の直接的な表示を与える。これは、走査作業中におけるチップ位置を測定するために、既知の方法によって、ヘッド内の変換器および機械の出力と組み合わせることができる。

例えば、ＣＣＤや他のカメラチップ（camera chip）、またはクワッドセル（quad cell）などの他の検出器を位置高感度検出器として用いることができる。

図３は、他の実施形態の断面を示す。プローブ６０は連節ヘッド６２上に設置され、交換可能で運動学的に設置されるスタイラスアセンブリ６４を有する。半導体レーザーつまり他の光源６６、レンズ６８、およびビームスプリッタ７０は、プローブの相対的に固定される固定構造の上に設置されて、図２Ａと同様にライトビームを発生する。図２Ａと同様に、スタイラスアセンブリ６４は、２つの平板スプリングつまり各ダイアフラム３６を介して、垂直移動可能なキャリッジ７２上に設置される。

ライトビームの１つは、スタイラスアセンブリ６４の中空管状のスタイラス７４を通過し、逆反射されてスタイラスに戻されて、ビームスプリッタ７０により、Ｘ，Ｙ位置高感度検出器７６に向かって方向付けられる。さらにまた、鏡背面（mirrored back surface）付きのＧＲＩＮレンズ７８によって逆反射体（retroreflector）が形成されることを除いて、これは図２Ａおよび２Ｂと同様である。この配置は、前述したように、スタイラスチップ８２のＸ，Ｙの反りを測定する。本実施形態においては、先の実施形態は逆に、キャリッジ７２の垂直（Ｚ）の動き（そして、スタイラスチップ８２の動き）は、垂直移動可能なキャリッジ７２上に設置された位置高感度検出器８４によって測定される。

したがって、さらに検出器７６，８４の出力は、ヘッド６２に対するスタイラスチップのＸ，Ｙ，およびＺ方向の動きの直接的な測定量をもたらす。

スタイラスチップの動きを測定するために、他の配置が予想できる。例えば、Ｚ方向の動きは、キャリッジ３２（図２Ａ）または７２（図３）の垂直の動きを許容する平板スプリング上に設置されたストレインゲージによって、測定することができる。あるいは、キャリッジと固定構造との間の垂直の動きを測定するために、他の変換器を備えることができる。あるいは、スタイラスを通るライトビームに沿う距離は、干渉的、つまりライトビームのフライトの時間によって計測することができる
ビームスプリッタ４２または７０、および検出器５２，５４または７６，８４の他の配置が予想できる。例えば、図３において、ビームスプリッタ７０および検出器７６は、Ｘ，Ｙの動きを測定するために、移動可能なキャリッジ７２に共に設置することができる。そして検出器８４は、プローブの相対的に固定される固定構造に設置され、これにより、ブームスプリッタ７０の垂直の動きがライトビームを検出器８４上にて垂直に動かして、スタイラスチップ８２の垂直の動きを測定する。

他の実施形態において、逆反射体を備える代わりに、図７に示すように、レンズ１２付きのスタイラス３６の底端部に半導体レーザーつまり他の光源４０を設置してもよい。あるいは、それは実際にスタイラスチップ３８内でもよい。そして、それはライトビームをスタイラスからビームスプリッタに向ける。半導体レーザーに対する電気的な接続は、スタイラスの側壁内に一体的に備えてもよい。

図７に代わって、図２Ａのようにプローブ本体内に位置する光源からの光を受けるために、検出器５２は、任意的にレンズ１２０なしに、スタイラスの底端部またはスタイラスチップ内に配置してもよい。それは、その配置がスタイラスチップの横の動きのみを検出して、スタイラスの傾斜（tilting）に反応しない利点を有する。

上記の実施形態は、走査作業中にワークピースに接するスタイラスチップを含んでいる。しかしながら、本発明は非接触チップにも有効であり、それは、例えば、容量的、誘導的、または光学的な非接触変換器を用いてワークピース表面を検知する。そして、検出器５２，５４または７６，８４は、例えば、走査移動の加速中または重力下における垂下中の内力によって生じるスタイラスの撓みを測定する。

上記の実施形態において、図２Ｂおよび３は、スタイラスチップ３８，８２をスタイラス３６，７４の端部に設置するスタイラス延長部８６を示す。それは、特別な測定タスクのためにより長いスタイラス要求される図示のものよりも長くてもよい。そのスタイラス延長部は、ほとんどの撓みがスタイラス３６，７４に生じるように、スタイラス３６，７４よりも堅くつくってもよい。あるいは、それは同様の堅さをもってもよい。いずれにしても、スタイラス３６，７４で測定される曲がりは、スタイラスと延長部の総合アセンブリ（total assembly）の曲がりに比例する。

図４は、スタイラスアセンブリの他の実施形態を示し、それは、図２Ｂおよび３におけるスタイラスアセンブリ２６，６４と置き換えてもよい。中空の比較的柔軟性のスタイラス８８は、前述したようなスタイラスチップ９０を有する。スタイラス８８内には、比較的堅いロッド９２がある。一端９４において、これは、そこに、つまりスタイラスチップ９０の近くに取り付けられる。他端９６は自由である。

ロッドの自由端９６には、何か適したデザインの逆反射体９８が設置される。これは、先の実施形態のように、ビームスプリッタ４４，７０からのライトビームをそこに反射する。ロッド９２は比較的堅いため、その自由端９６の動きは、スタイラス８８が曲がったときにチップ９０の動きを許容する。

あるいは、図５に示すように、ロッド９２の自由端９６上の第１の素子１００と、プローブの固定構造上の第２の素子１０２と、を含むＸ，Ｙ変換器があってもよい。このＸ，Ｙ変換器は、容量的、誘導的（例えば、渦電流）、または光学的エンコーダであってもよい。

図６は、他のスタイラスアセンブリを示す。それは、平板スプリングつまりダイアフラム１０６上に設置されたスタイラス１０４を有する。したがって、スタイラスアセンブリの有効な曲がりは、スタイラス１０４自体の曲がりに頼る代わりに、平板スプリング１０６（破線によって示される）の曲がりによってもたらされる。他の選択は、管状スタイラス１０４のＺ方向における堅さを維持しつつ、その曲がりを許容するために、その設置点に近い局所的な穿孔によって、管状スタイラス１０４が弱められることになる。

スタイラス１０４の上端部には、例えば、レンズ１０８とミラー１１０を含む適切な逆反射体が備わる。これは、先の実施形態のように、ビームスプリッタ４４，７０からのライトビームをそれに戻す。もしもレンズ１０８が省かれると、横変位の代わりに、傾斜変位されるが、それでもビームを同じ通路内に戻すことができる。

Claims (12)

1. 位置測定装置に用いる表面検出装置であって、
   プローブ本体と、
   前記プローブ本体に設置された縦方向に移動可能なキャリッジと、
   ワークピース検出用のスタイラスチップを有する長いスタイラスであって、前記スタイラスは、縦変位のために前記キャリッジに設置されて、前記キャリッジに対して交換可能に取り付けおよび取外しでき、前記スタイラスチップには横変位が与えられる、スタイラスと、
   前記キャリッジの縦変位を測定するための前記プローブ本体内の手段と、
   前記交換可能なスタイラス内に少なくとも部分的に設置されて、前記チップの前記横変位を測定する変換システムと、
   を備え、
   前記交換可能なスタイラスは、当該スタイラスの長さに応じて前記変換システムのゲインを調整するように構成されることを特徴とする表面検出装置。
2. 前記交換可能なスタイラスは、前記スタイラスチップの前記横変位を許容するように曲げられることを特徴とする請求項１に記載の表面検出装置。
3. 前記スタイラスチップの前記横変位を測定する前記変換システムは、ライトビームを、前記交換可能なスタイラスに沿って前記変換システムの検出器に投光することを特徴とする請求項１または２に記載の表面検出装置。
4. 前記スタイラスチップの前記横変位を測定する前記変換システムは、前記スタイラスチップの前記横変位が与えられるように、前記スタイラスチップ、またはその近くにあり、あるいはそれに結合される光学素子を備え、
   前記ライトビームは、前記光学素子と前記変換システムの前記検出器との間に投光される
   ことを特徴とする請求項３に記載の表面検出装置。
5. 前記スタイラスチップの前記横変位を測定する前記変換システムの前記検出器は、前記プローブ本体内に設置されることを特徴とする請求項３または４に記載の表面検出装置。
6. 前記キャリッジの前記縦変位を測定するための前記プローブ本体内の前記手段は、更なる検出器に投光される更なるライトビームを含むことを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載の表面検出装置。
7. 共通の光源から前記両方のライトビームを取り出すビームスプリッタを含むことを特徴とする請求項６に記載の表面検出装置。
8. 前記キャリッジの前記縦変位を測定するための前記プローブ本体内の前記手段は、検出器に投光されるライトビームを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の表面検出装置。
9. 前記キャリッジは、縦移動のために、対の平行な板ばねつまりダイアフラムに設置されることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の表面検出装置。
10. 前記スタイラスは、自動スタイラス交換装置によって、他のスタイラスと交換可能であることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の表面検出装置。
11. 前記スタイラスは、キネマチックマウントを介して前記キャリッジの交換可能に取り付けられることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の表面検出装置。
12. 前記スタイラスは、前記キネマチックマウントに磁気的に取り付けられることを特徴とする請求項１１に記載の表面検出装置。

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