JP5894596B2 - 第２の部分に対する第１の部分の空間位置を決定するセンサ組立体および方法 - Google Patents

Description

本発明は、第２の部分に対する第１の部分の空間位置を決定するためのセンサ組立体に関し、本センサ組立体は、前記第１の部分上へ配置され、かつ前記第２の部分まで広がる磁場を発生する少なくとも１つの磁石を備え、かつ前記第２の部分上にお互いに空間距離を隔てて配置され、かつ各々が磁場に依存する出力信号を生成する第１及び第２の磁場センサを備え、前記少なくとも１つの磁石は、前記第１及び第２の磁場センサ間の前記空間距離により定義される間隔で位置決めされ、前記第１及び第２の磁場センサの前記出力信号は、定義された測定軸に沿った前記第２の部分に対する前記第１の部分の空間位置に依存する共通センサ信号を形成するために結合される。

本発明はさらに、第２の部分に対する第１の部分の空間位置を決定するための方法に関し、本方法は、前記第１の部分上へ、少なくとも１つの磁石を、当該磁石が第２の部分まで広がる磁場を発生するように配置するステップと、前記第２の部分上へ第１及び第２の磁場センサをそれらの間に空間距離を隔てて配置するステップであって、前記少なくとも１つの磁石は、前記第１及び第２の磁場センサ間の前記空間距離により定義される間隔で位置決めされ、前記第１の磁場センサから第１の出力信号を受信し、かつ前記第２の磁場センサから第２の出力信号を受信するステップであって、前記第１及び第２の出力信号は前記磁場における個々の前記磁場センサのセンサ位置に依存し、前記第１及び第２の磁場センサの前記出力信号を結合して共通センサ信号を形成することにより、定義された測定軸に沿った前記第２の部分に対する前記第１の部分の空間位置に依存する共通センサ信号を決定するステップと、を含む。

このようなセンサ組立体およびこのような方法は、特許文献１によって開示されている。

この既知のセンサ組立体は、第１及び第２の磁場センサとして２つのホール素子を用いる。２つのホール素子は、磁石のＮ極とＳ極とが各々ホール素子の方向へ向くように磁石の反対側に配置される。各ホール素子は、ホール素子とそれとは反対側にある磁石との間の距離を表す出力信号を生成する。磁石が一方のホール素子へ近づいて移動すると、他方のホール素子との距離は広がる。この方法では、２つのホール素子間の接続線に相当する測定軸に沿った、第２の部分に対する第１の部分の位置変化が２回検出される。磁石の２つのホール素子間の実際の位置を表す共通センサ信号は、これらの２つの出力信号の差を発生することによって生成される。特許文献１は、幾つかの例示的な実施形態において、第２の部分に対する第１の部分の実際の空間位置を複数の測定軸に沿って決定できるように複数の磁石および複数のホール素子ペアを提案している。このために、磁石はホール素子ペア毎に必要である。

この既知のセンサ組立体のホール素子は、磁場強度の大きさの変化に略応答する。お互いに対向する２つのホール素子の各々の出力信号に差をつけることにより、２つのホール素子間の磁石の位置に略比例する共通センサ信号が生成される。この既知のセンサ組立体は、優れた感受性、選択性、および分解能を有するとされている。しかしながら、この既知のセンサ組立体の不利な点は、複数の測定軸における位置を決定するために複数の磁石を必要とし、センサペア間の良好なデカップリングを達成するためにはこれらの磁石をお互いに可能な限り離隔して配置しなければならないことにある。各センサペアは「専用の」磁石を必要とし、必要とされる距離は、複数の測定軸のためのこの既知のセンサ組立体をコンパクトに実装することを困難にする。さらに、座標測定機のプローブヘッド等のデバイスにおけるこの既知のセンサ組立体の組立ておよび設置は、多くの個別的な組立てステップを必要とする。

座標測定機では、上述のタイプのセンサ組立体が特に必要である。座標測定機は、通常、所謂プローブヘッドを備え、これがフレームへ取り付けられる。プローブヘッドは、フレームによって、測定対象と相対的に移動されることが可能である。プローブヘッドは、典型的にはスタイラスの形式である可動センシング素子を備える。プローブヘッドは、測定対象へ向かって、スタイラスの自由端が目標測定点へ接触するまで移動される。スタイラスは、接触の結果として、プローブヘッドから偏位される。よって、検出される測定点を表す空間座標は、測定対象に対するプローブヘッドの位置から、およびプローブヘッドに対するスタイラスの位置から決定される。測定対象の幾何次元および／または形状の決定は、複数の測定点をセンシングし、かつ対応する空間座標を決定することによって行なうことができる。

特許文献２は、座標測定機用プローブヘッドを開示している。この場合も同様に、プローブヘッドのベースに対するスタイラスの位置はホール素子ペアを用いて決定される。特許文献１に記載されている装置の場合と同様に、測定軸毎にホール素子ペアが必要とされる。この場合も同様に、個々のホール素子ペアとそれに関連する磁石とは、プローブヘッドの異なる場所に可能な限り離隔して配置される。

特許文献３は、ホール素子および磁石を有する、座標測定機用の別のプローブヘッドを開示している。ホール素子は、測定軸毎に１つが、お互いに対向する２つの磁石の間に配置されて設けられる。センサ組立体の２つの測定軸は、支持プレート上で結合される。第３の空間方向は、プローブヘッドに必ず分離して取り付けられるホール素子とそれに関連する磁石ペアとによって検出されなければならない。

ホール素子に代わるものとして、所謂磁気抵抗センサを用いて、ある部分の磁場に対する位置を決定することが可能である。

特許文献４は、スタイラスのプローブヘッドに近い方の端に単一の磁石が配置されるような座標測定機用プローブヘッドを開示している。磁石の反対側に配置される検出器表面には、複数の磁気抵抗センサが分布される。この既知のセンサ組立体は、極めてコンパクトである。しかしながら、具体的には地球磁場が未知の外乱を引き起こす可能性があることから、測定精度は制限される。

磁気抵抗センサの構造および動作原理は様々な文献から、例えば特許文献５から、または機関誌や会議における多くの発表から知られている。センサは、所謂異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ効果）または巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）を基礎とする場合が多い。ＡＭＲ効果は、電流密度ベクトルと磁場ベクトルとの間の角度に依存して、電流が流れている強磁性体の電気抵抗を変更する。ＧＭＲ効果は、量子力学効果であって、同様に強磁性構造体の電気抵抗を変えさせる。ＡＭＲおよびＧＭＲセンサは、これまでに使用されてきた所謂フィールドプレートに取って代わっている。フィールドプレートは磁気可変抵抗であり、抵抗の変化は、ローレンツ力の結果としての磁場における電子の経路長さの変化に基づいている。

特許文献６は、反対磁極を有する内側の円環と同心である外側の円環上へ配置される、３つのフィールドプレートを有するプローブヘッドを開示している。このセンサ組立体は、かなりコンパクトであるように思われる。しかしながら、測定精度は、使用されるセンサに起因して、また地球磁場の影響によって極めて制限される場合もある。

米国特許第４８６６８５４号明細書 独国特許出願公開第１０３４８８８７号明細書 独国特許出願公開第１０２００４０１１７２８号明細書 独国特許出願公開第３７０８１０５号明細書 独国特許出願公開第１９５２１６１７号明細書 独国特許出願公開第３７１５６９８号明細書

こうした背景と対照して、本発明の１つの目的は、上述のタイプのセンサ組立体を、地球磁場の変動等の外乱が存在する場合でも極めて正確な位置決定を可能にし、かつかなりコンパクトに、具体的には３Ｄセンサ組立体として、すなわち直交する３つの測定軸に沿って空間位置を決定できる形式で実装可能なものとして提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、この目的は、定義される測定軸が空間距離を横断して延び、かつ第１及び第２の磁場センサの出力信号が個々の磁場センサのロケーションにおける磁場方向を実質的に表現する、上述のタイプのセンサ組立体によって達成される。

別の態様によれば、この目的は、定義される測定軸が空間距離を横断するように選択され、かつ第１及び第２の磁場センサの出力信号が個々の磁場センサのロケーションにおける磁場方向を実質的に表現する、上述のタイプの方法によって達成される。

好ましくは、これらのセンサ組立体および方法は、座標測定機用プローブヘッドにおいて、プローブヘッドのベースに対するセンシング素子（スタイラス）の偏位を決定するために使用される。

この新規なセンサ組立体は少なくとも２つの磁場センサを使用して、定義される磁場を発生するための磁石がこれらの間に配置される。しかしながら、上述の特許文献１に記載されているセンサ組立体とは対照的に、測定軸は２つの磁場センサ間の接続線に沿って延びず、これを横断して延びる。好適な実施形態では、測定軸は２つの磁場センサ間の距離ベクトルに直交して延びる。したがって、磁石は、２つの磁場センサ間の接続線を横断して、好ましくはこれに直交して移動する。２つの磁場センサは各々、実際の磁場方向、すなわちセンサのロケーションにおける磁力線のベクトル方向を検出する。これらの好適な実施形態では、磁場センサの出力信号は磁場強度の大きさとは略独立し、すなわち、磁場センサは、実際にはセンサに対する磁場の方向を評価するだけである。磁場強度がこれらのセンサで出力信号を生成するのに十分な高さである限り、磁場強度の大きさ、すなわちセンサのロケーションにおける磁場の強度は重要ではない。

好適な実施形態例では、磁場センサは、ＡＭＲ効果に基づいた磁気抵抗センサである。他の実施形態例では、磁場センサがＧＭＲセンサである可能性もある。さらに原則的には、磁場センサは、出力信号が主として磁場方向に依存し、磁場強度には依存しない、または磁場強度に依存するとしても僅かでしかない他のセンサである可能性もある。

本新規なセンサ組立体は、少なくとも磁場方向を検出するセンサを共通磁場において使用し、デュアル組立体の２つのセンサは、磁石の反対側に存在する。これにより、２つの部分の相対移動による共通磁場の方向性変化は、反対に行動する結果となる。したがって、地球磁場の結果等の外乱は、容易に排除されることが可能である。さらに、センサの出力信号は温度変化にほとんど感応しないが、これは、磁場方向の周囲温度への依存性が例えば磁石の磁場強度に対する依存性に比べて遙かに低いことに起因する。加えて、磁力線の進路は、どちらかと言えば少なくとも１つの磁石の幾何次元および幾何学的配置によって正確に決定され、かつ最適化される。磁力線がセンサに近い部位で比較的強い湾曲を有していれば、センサは磁場の変位に極めて高感度で応答することから効果的である。その結果、本新規なセンサ組立体を高い測定精度へと極めて単純に最適化することができ、よってこの高い測定精度を、幾何次元の再現による大量生産で確実に保証することができる。したがって、本新規なセンサ組立体は、極めて安価で実装されることが可能である。

好適な実施形態例を参照して後に詳しく説明するように、本新規なセンサ組立体は、３Ｄセンサ組立体として効果的に実装されることが可能であり、このとき、単一の集積型センサ組立体がお互いに相対移動する２つの部分の全自由度を決定することができる、したがって、上述の目的は完全に達成される。

本発明の好適な一改良において、センサ組立体は、共通センサ信号を提供するために第１および第２の磁場センサの出力信号を加算する加算器を備える。好ましくは、加算器はさらに、第１および第２の磁場センサの２つの出力信号の平均値を求めることができる。

したがって、本発明のこの好適な実施形態では、共通センサ信号は、反対の磁場方向を考慮して２つの出力信号の平均値を表現する。好適な実施形態例によっては、センサは、各々、第２の部分に対する第１の部分の位置が変われば正弦波的または余弦波的に変化する少なくとも１つの出力信号を提供する。共通磁場の磁力線は、遠隔の２つのセンサにおいて反対であることから、加算器は、２つのセンサにおける歪のない理想的な対称性磁場に対してゼロであるセンサ信号を形成する。ゼロからの偏差は、第２の部分に対する第１の部分の偏位の結果であるか、２つのセンサ間の磁場の対称性の外乱による結果である。第１の部分の配置位置が、恐らくは較正による測定より前に決定される場合、外乱は、加算信号を用いて極めて容易に検出され、かつ位置決定の間に排除されることが可能である。

いくつかの例示的な実施形態によっては、加算器は、出力信号の直列並列接続によってハードウェア形式で実装される。他の例示的な実施形態では、センサ組立体は、出力信号の加算および好ましい平均値の形成を実行する、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、ＡＳＩＣ、またはＦＰＧＡ等のプログラマブル回路を備える。

本発明の好適な一改良において、センサ組立体は、共通センサ信号を提供するために、第１および第２の磁場センサの出力信号間の差を求める減算器を備える。センサ組立体は、磁場センサの２つの出力信号から和信号および差信号を提供するために、加算器および減算器の双方を備えていれば特に好ましい。

磁場の２つ磁場センサに対する回転、ひいては第２の部分に対する第１の部分の回転は、２つの出力信号間の差から決定することができる。したがって、この実施形態は、さらなる自由度を表現する共通センサ信号の提供を可能にする。好適な実施形態例では、相対移動の２つの異なる自由度を表現する加算器および減算器の２つの出力信号が並行して送出され、これにより、２つの共通センサ信号の超高速決定が可能にされる。

ある好適な改良例では、センサ組立体は、各々が２つの磁場センサを有する３つのセンサペアを備え、各センサペアは、異なる測定軸に対する和信号および差信号を提供する。このようなセンサ組立体によって、全６つの自由度、ひいては所謂第２の部分に対する第１の部分の姿勢を単純かつ迅速に決定することができる。

さらなる改良では、磁場センサは各々、磁場方向に依存して変化する電気抵抗を有する。

前記改良では、磁場センサは、磁気抵抗センサであり、具体的にはＡＭＲセンサである。さらに、センサが、評価に関連する磁力線が存在する共通の測定平面をスパンするものであれば好ましい。

前記改良は、本新規なセンサ組立体の極めて平坦な、よってコンパクトな実装を可能にする。

あるさらなる改良では、第１および第２の磁場センサは、各々２つの異なるアナログ出力信号を発生し、これらのアナログ出力信号は各々、個々の磁場センサのロケーションにおける磁場方向に正弦波状または余弦波状に依存する瞬時値を有する。

前記実施形態の適切な磁場センサは、具体的には磁気抵抗センサであって、その各々は内部に、お互いに対して４５゜で回転される２つの抵抗測定ブリッジを備える。前記抵抗測定ブリッジのうちの第１の抵抗測定ブリッジは、センサのロケーションにおける磁場の方向に正弦波的に依存する第１のアナログ信号を提供する。前記抵抗測定ブリッジの第２の抵抗測定ブリッジは、４５゜の回転に起因してセンサのロケーションにおける磁場の方向に余弦波的に依存する第２のアナログ信号を提供する。これらの２つのアナログ信号は、共同して、センサのロケーションにおける磁場方向の極めて正確な決定を可能にする。このような磁場センサの使用は、１８０゜回転された第１のセンサの正弦波状（または余弦波状）アナログ信号を第２のセンサの正弦波状（または余弦波状）アナログ信号と電気接続し、つまりこれらのアナログ信号を並列回路で結合することによって超高速信号処理を可能にする。磁場方向を表現する２つの共通の出力信号は、２つのセンサの正弦信号または余弦信号の電気接続によって極めて単純かつ高速で取得される。これにより、信号処理による磁場の外乱は、極めて効果的に補償される。

さらなる改良では、センサ組立体は、各々が第１および第２の磁場センサを有する第１のペアおよび第２のペアを形成する少なくとも４つの磁場センサを備え、各ペアは、少なくとも２つの相互に直交する測定軸のうちの一方に対する共通センサ信号を生成する。好ましくは、センサ組立体は、少なくとも３つのペアを形成する少なくとも６つの磁場センサを備え、各ペアは、３つの直交する測定軸のうちの１つに関して共通センサ信号を提供する。

この改良を用いれば、複数の空間方向の位置情報を提供するコンパクトな２Ｄまたは３Ｄセンサ組立体すらも提供される。したがってこれは、プローブヘッドのベースに対するスタイラスの偏位を決定することに特に適する。

さらなる改良では、第２の部分は、ペアの磁場センサが共に配置されるコンポーネントサポートを備える。好適な実施形態例では、コンポーネントサポートは、略円板形である。具体的には、コンポーネントサポートは、磁場センサが例えばはんだ付けによって永久的に付着される回路基板である。効果的には、回路基板上には、他の回路素子、具体的には加算器および／または減算器、または回路基板の動作温度を表す温度信号を提供する温度センサが配置される。さらに、コンポーネントサポートは熱的に安定した材料、例えばセラミック材料より成り、および／または既知の熱膨張係数を有していれば好ましい。

前記改良では、センサ組立体は、複数の測定軸についてセンサペアを有する集積型センサ組立体である。この実施形態は、プローブヘッドにおける極めてコンパクトな実装および安価な嵌め込みを可能にする。コンポーネントサポート上への複数のセンサペアの集積化は、さらに、同じ構造である複数のセンサ組立体に対して一様に高い測定精度を保証する。コンポーネントサポート上への温度センサの集積化は、さらに、効果的な温度補償および結果としてのさらに高い測定精度を可能にする。

さらなる改良では、コンポーネントサポートは中央に、少なくとも１つの磁石が配置される収納部を有する。

前記改良において、センサ組立体は、集積化される磁場センサペアに共通する磁場を用いる。これは、１つの磁場が少なくとも２つの直交する測定軸に関する位置情報を提供することを意味する。好適な実施形態例では、センサ組立体は、全ての測定軸に関して、ひいては全てのセンサペアに関して１つの共通磁場を用いる。

この改良は、特にコンパクトな構造に寄与する。さらに、この改良は、全ての測定軸に共通する基準が評価されることに起因して、全ての測定軸に対する一様に高い測定精度を可能にする。

さらなる改良では、センサ組立体は、収納部内に配置されて共通磁場を発生する複数の磁石を備える。好ましくは、共通磁場は、少なくとも２つの測定軸に対して回転対称性であり、すなわち、共通磁場は、少なくとも２つの直交する測定軸で同一に出現する。ある特に好適な実施形態例では、センサ組立体は、十字形に配置される４つの磁石を備える。

前記実施形態は、全ての測定軸に関して高い測定精度を提供する、共通磁場を有する極めてコンパクトな設計を可能にする。磁場の回転対称性は、２つの直交する測定軸において略同一の測定精度を提供することから、座標測定機のプローブヘッドにおける使用に特に効果的である。前記２つの軸は、効果的には地球の重力を横断して配置され、すなわちこれらは、ポータルまたはブリッジ型構造の座標測定機において、通常ｘ−ｙ測定平面と称される測定平面を形成する。

さらなる改良では、コンポーネントサポートは、その各々に第１および第２の磁場センサが配置される上側面と下側面とを有する。好ましくは、上側面と下側面とはお互いに略平行である。好適な実施形態例では、コンポーネントサポートは両側にコンポーネントが嵌められる回路基板である。

前記改良は、直交する３つの空間方向でお互いに分離される磁場センサを備える、コンパクトなセンサ組立体を可能にする。ある実施形態例では、コンポーネントサポートの上側面および下側面には、磁場センサが、一方はコンポーネントサポートの上側面に配置され、かつもう一方は下側面に配置される少なくとも２つのセンサペアが形成されるように、お互いに対して鏡像を形成して嵌め込まれる。必然的に、センサペアは２つの異なる測定平面に存在し、効果的には、これは、好適な実施形態例において、測定平面に平行な軸に対するコンポーネントサポートの傾斜を検出するために使用される。他の例示的な実施形態では、上側面上の磁場センサと下側面上の磁場センサとがセンサペアを形成することができる。この実施形態はさらに、選択された磁場センサが２つ以上のセンサペアに使用されることを可能にする。具体的には、センサ信号が少数の磁場センサによって複数の測定方向に使用可能であるように、ある磁場センサの出力信号は、一度、同じ側面上にある別の磁場センサの出力信号と結合され、二度目には、反対側面上の磁場センサの出力信号と結合されることが可能である。いくつかの効果的な実施形態例によっては、センサ組立体は、センサのデジタルまたはデジタル化された出力信号を定義された様々な組み合わせで纏めて関連づけるように設計されるプログラマブル回路を備える。したがって、ある好適な事例では、プログラマブル回路は、選択されたセンサペアおよび／またはそれらの適正な動作の測定不確定性を交差比較によって監視することを可能にする監視および診断機能を実装する。また、磁場センサの出力信号が複数の異なるセンサペアとして結合される場合も極めて効果的であるが、これは、極めて効率的な蓋然性比較をこの方法で実行できることに起因する。

さらなる改良では、センサ組立体は、出力信号を用いて第２の部分に対する第１の部分の熱誘導式位置変化を決定するように設計される温度補正ステージを含む。

前記改良において、温度補償は、効果的には磁場センサの出力信号のみを用いて実行される。ある例示的な実施形態では、基準温度における磁場センサの出力信号がセンサ組立体のメモリ、または座標測定機のメモリに格納されている。測定に先立って、磁場センサの出力信号はまず、第１および第２の部分間の偏位／位置変化なしに決定される。基準温度における出力信号に対する出力信号の偏差は、特別な温度センサなしの、またはこれに追加した好ましい温度補償を可能にする。

上述の特徴および後述する特徴は、記述された個々の組み合わせで使用可能であるだけでなく、本発明の範囲を逸脱することなく他の組み合わせで、またはそれ自体でも使用可能であることは理解されるべきである。

本発明の実施形態例は図面に例示されている。以下、これらの図面について詳しく説明する。
図１は、センサ組立体の例示的な実施形態が使用される、プローブヘッドを有する座標測定機を示す。 図２は、図１のプローブヘッドの機械的構造を示す部分断面図である。 図３は、新規なセンサ組立体の例示的な実施形態を示す略図である。 図４は、新規なセンサ組立体の別の例示的な実施形態を示す略図である。 図５は、センサ組立体の別の例示的な実施形態を示す。 図６は、直交する２つの測定軸用に２つのセンサペアを有するセンサ組立体の別の例示的な実施形態を示す。 図７は、ある好適な実施形態例におけるセンサ組立体の機械的構造を示す。 図８は、図７のセンサ組立体の共通磁場を示す略図である。 図９は、ある代替実施形態例による、図７のセンサ組立体の共通磁場を示す。

図１では、本新規なセンサ組立体が使用される座標測定機全体が参照数字１０で参照されている。座標測定技術における本新規なセンサ組立体の使用は今日的な視点から好ましいが、本発明はこれに限定されない。センサ組立体は、どちらかと言えば、第２の部分に対する第１の部分の位置が高精度で決定される他の事例でも効果的に使用されることが可能である。

座標測定機１０は、ポータル(portal)１４がその上に配置されるベース(base)１２を備える。ポータル１４は、ベース１２に対して第１の空間方向へ移動されることが可能である。典型的には、前記空間方向は、ｙ軸として明示される。ポータル１４の上側の横桁には、キャリッジ(carriage)１６が配置され、これは、ポータル１４に対して第２の空間方向へ移動されることが可能である。キャリッジ１６の運動軸は、通常、ｘ軸と称される。キャリッジ１６上にはクイル(quill)１８が配置され、これは、キャリッジに対して第３の空間方向へ移動されることが可能である。前記第３の空間方向は、通常、ｚ軸と称される。スタイラス(stylus)２２を有するプローブヘッド(probe head)２０は、クイル１８の下側の自由端に配置される。スタイラスは、測定対象２６がベース１２上へ配置される間に測定対象２６上の測定点２４に接触するために使用される。よって、検出される測定点２４の空間位置は、座標軸ｘ、ｙ、ｚに対するプローブヘッド２０の位置から決定されることが可能である。測定対象２６上の複数の測定点２４における空間座標が決定されれば、測定対象２６の幾何次元および／または形状を決定することができる。

本図において、座標測定機１０は、可動ポータルを有する門形の構造物として示されている。座標測定機としては、例えば水平アーム測定機またはベース１２が測定対象２６と共に移動される測定機といった他の設計が存在する。本新規なセンサ組立体がこのような座標測定機によっても効果的に使用可能であることは理解されるべきである。

座標測定機の運動軸の位置トランスデューサは参照数字２８、３０、３２を用いて参照され、かつ例えば、インクリメンタルエンコーダまたは均等目盛を備えることができる。評価および制御ユニット３４は、これらの位置トランスデューサ２８、３０、３２を用いて、測定容積内のプローブヘッド２０の実際の個々の空間位置を決定する。さらに、この場合、評価および制御ユニット３４は、ポータル１４、キャリッジ１６、およびクイル１８の動作も制御する。したがって、評価および制御ユニット３４は、ライン３６、３８を介して位置トランスデューサ２８、３０、３２および座標測定機１０の駆動装置（不図示）へ接続される。

座標測定機１０のオペレータがプローブヘッド２０の位置を変えるために使用できる制御部は、参照数字４０を用いて参照される。この好適な実施形態例では、評価および制御ユニット３４は、キーボード４２およびディスプレイ４４、並びにプロセッサ４６およびメモリ４８も備える。メモリ４８ａは、例えば測定値の揮発性記憶装置のワーキングメモリであってもよいのに対して、メモリ４８ｂは測定対象２６に関する制御および測定プログラムを含む。

図２は、ある好適な実施形態例によるプローブヘッド２０の機械的構造を示す。プローブヘッド２０は、円筒形のプローブヘッドベース５２を備え、プローブヘッドベース５２は、スタイラス２２が相対移動することができる固定部を形成する。プローブヘッドベース５２自体は、座標測定機１０の駆動装置を用いて測定容積内で移動可能であることは理解されるべきである。

プローブヘッド２０は、プローブヘッドベース５２内部へ略同心的に配置される２つの円筒シェル５４、５６を備える。円筒シェル５４、５６は、それらの個々の円筒シェルの内側でお互いに対面する。円筒シェル５６は、円筒シェル５４を外側から囲むエクステンションアーム（extension arm）５７を備える。

第１の円筒シェル５４は、２つのリーフスプリング５８によってプローブヘッドベース５２の内側へ固定される。これらのリーフスプリング５８に起因して、プローブヘッドベース５２および円筒シェル５４は、ばね平行四辺形を形成し、これが、プローブヘッドベース５２に対する円筒シェル５４の図２において矢印６１が示す方向への動作を可能にする。いくつかの例示的な実施形態によっては、前記動作方向６１は、座標測定機１０のｚ軸に対して平行である。しかしながら、プローブヘッド２０が図１に示されている方向性から旋回されることが可能な事例も存在し、この場合、動作方向６１は、座標測定機１０のｚ軸に対して平行ではない。

第２の円筒シェル５６は、さらなる２つのリーフスプリング６０によって第１の円筒シェル５４へ固定され、円筒シェル５４と共に第２のばね平行四辺形を形成する。２つの円筒シェル５４、５６は、リーフスプリング５８、６０と共に二重のばね平行四辺形を形成し、これが矢印６１方向への線形動作を可能にする。

この好適な実施形態例において、リーフスプリング５８、６０は、各々両円筒シェルおよびプローブヘッドベースへの３点接続を備える。これは、これらのリーフスプリングが略単一の接続ポイント６２によって１つの円筒シェルへ接続され、かつどちらかと言えば線形の接続部６４または複数の接続ポイントを含む接続部６４によってもう一方の円筒シェルへ接続されることを意味する。この３点支持は、内部応力を減らす。

２つの円筒シェル５４、５６は、プローブヘッドベース５２内に略同心的に配置される膜ばね６６を保持する。ロッド６８は、膜ばね６６に付着され、かつリーフスプリング５８、６０内の収納部７０を介して延びる。ロッド６８は、スタイラス２２の延長部および／またはマウント部である。円筒シェル５４、５６、リーフスプリング５８、６０および膜ばね６６は、全体で、直交する３つの空間方向ｘ、ｙ、ｚに自由度を有するスタイラス２２のためのサポート７２を形成する。この場合の本新規なセンサ組立体の目的は、プローブヘッドベース５２に対するスタイラス２２の個々の位置を検出することにある。

図３は、新規なセンサ組立体の例示的な実施形態を示す単純化された略図である。図３において、参照数字７４は、磁場７５を発生する磁石を指す。磁石７４は、第１の部分７６上へ配置され、第１の部分７６は、支持プレートの形式であって、ここでは、具体的には略円形である。第２の部分は、参照数字７８によって参照される。第２の部分７８は、フレームであって、第１の部分７６を中心として略同心的に配置される。参照数字８０、８２は、２つの磁場センサを指し、ある好適な実施形態例では、これらは磁気抵抗ＡＭＲセンサである。センサ８０、８２は、お互いに距離８４を隔てて配置される。磁石７４は、センサ８０、８２間の距離により定義される間隔内に配置される。各センサ８０、８２は、個々のセンサのロケーションにおける個々の磁力線方向に依存する出力信号８６または８８を提供する。ある例示的な実施形態においてセンサ８０、８２は、角度センサであり、個々のセンサのロケーションにおける磁石７４の磁場方向を表す出力信号、具体的にはデジタル出力信号を提供する。出力信号８６、８８は、この場合は加算器９２を備える回路９０へ供給される。加算器９２は２つの出力信号８６、８８の和信号を、個々の符号を考慮して形成する。ある事例では、和信号は絶対値の和であってもよい。この場合、和信号は、効果的には、２つの出力信号８６、８８の平均値を表す共通センサ信号９４を取得するために２で割られる。他の事例では、和信号は正しい算術符号を用いて形成されてもよく、この結果として実際には、センサ信号の逆変動に起因して差が形成される。

センサ信号９４は、磁石７４の位置を表現し、かつ必然的に、測定軸９６に沿った第２の部分に対する第１の部分の位置を表現する。図３に示されているように、測定軸９６は、２つのセンサ８０、８２間の距離ベクトル８４を横断して延び、磁石７４は、測定軸９６に沿って配置される。磁場７５の磁力線から分かるように、磁石７４が測定軸９６に沿って変位した場合、センサ８０、８２は異なる磁場方向を検出し、これにより、センサ信号９４が相応に変更される。

図４は、新規なセンサ組立体の好適な一実施形態例を示す。この事例において、各磁場センサ８０、８２は、抵抗測定ブリッジ８３ａ、８３ｂまたは８５ａ、８５ｂを備える。各抵抗測定ブリッジ８３ａ、８３ｂ、８５ａ、８５ｂは、磁場方向に依存する出力信号８６ａ、８６ｂ、８８ａ、８８ｂを発生する別々の磁場センサを形成する。出力信号８６ａ、８８ａは、抵抗測定ブリッジ８３ａ、８５ａのロケーションにおける磁場方向に正弦波的に依存するアナログ出力信号であり、各々が瞬時値８９ａを有する。出力信号８６ｂ、８８ｂは、抵抗測定ブリッジ８３ｂ、８５ｂのロケーションにおける磁場方向に余弦波的に依存するアナログ出力信号であり、各々が瞬時値８９ｂを有する。２つの正弦波状出力信号８６ａ、８８ａは、電気的に並列接続される。２つの余弦波状出力信号８８ａ、８８ｂも同様に、電気的に並列接続される。

図５は、回路９０が加算器９２に加えて減算器９８を備えるさらなる実施形態例を示す。減算器９８は、２つの出力信号８６、８８の差を形成し、かつ差の形成に起因して第２の部分に対する第１の部分の回転角１０２を介する回転を表すさらなる共通センサ信号１００を提供する。図５から分かるように、回転角１０２は、距離ベクトル８４と測定軸９６によってスパンされる平面に存在する。言い替えれば、センサ信号１００は、センサ８０、８２によってスパンされる測定平面に対して垂直である回転軸１０４を中心とする第２の部分に対する第１の部分の回転を表す。磁場７５の磁力線も、まさにこの測定平面に存在する。したがって、この好適な実施形態例において、センサ信号９４、１００は、２つの自由度、すなわち測定軸９６に沿った平行移動の自由度および回転軸１０４を中心とする回転の自由度に関連する第２の部分に対する第１の部分の個々の実際の位置を表す。

図６は、２つのセンサペア８０ａ、８２ａおよび８０ｂ、８２ｂを備える、図５からのセンサ組立体の展開を示す。センサペア８０ａ、８２ａは、図３から図５までのセンサペア８０、８２に相当する。もう一方のセンサペア８０ｂ、８２ｂは、センサ８０ａ、８２ａの測定平面内に配置され、かつセンサペア８０ａ、８２ａに対して９０゜回転されている。したがって、もう一方のセンサペア８０ｂ、８２ｂは、この場合は第１の測定軸９６ａに直交するさらなる測定軸９６ｂに沿って共通センサ信号を提供する。

図７は、この場合はその全体が参照数字１１０によって参照されるセンサ組立体の好適な一実施形態例を示す。センサ組立体１１０は、さらなるサポート１１４上へ配置される略円板形のコンポーネントサポート１１２を備える。コンポーネントサポート１１２は、上側面１１６と、下側面１１８とを有する。４つの磁場センサ８０ａ、８２ａ、８０ｂ、８２ｂは、上側面１１６上へ配置され、かつ上側面１１６上の共通の測定平面をスパンする。磁場センサ８０ａ、８２ａおよび８０ｂ、８２ｂは、各々、コンポーネントサポート１１２の外縁にお互いに距離８４（図５参照）を隔てて存在し、かつ磁場センサペアを形成する。

この場合、センサ組立体１１０は、さらに第３のセンサペアを備えるが、図７にはそのうちの一方の磁場センサ８０ｃしか見えていない。さらなるセンサ８２ｃは、図７において、センサ組立体１１０の遠い裏側に配置される。磁場センサ８０ｃを見て分かるように、センサ８０ｃ、８２ｃは、ホルダ１２０上でセンサ８０ａ、８２ａ、８０ｂ、８２ｂの測定平面に対して垂直に配置され、ホルダ１２０は、コンポーネントサポート１１２に固定されている。センサ８０ｃ、８２ｃの磁気活性表面は、上側面１１６に対して略垂直である。したがって、センサ８０ｃ、８２ｃは、コンポーネントサポート１１２のもう一方のサポート１１４に対する上側面１１６に対して垂直方向への移動を検出するように最適に配向される。センサ組立体１１０が図２に示されているタイプのプローブヘッドに使用されるこの好適な実施形態例では、センサ８０ｃ、８２ｃは、ｚ方向でのスタイラス２２の偏位を表す共通センサ信号を形成するのに対して、２つのセンサペア８０ａ、８２ａおよび８０ｂ、８２ｂは、各々、ｘまたはｙ方向の偏位を表すセンサ信号を提供する。

センサ組立体１１０のセンサペア８０ａ、８２ａ、８０ｂ、８２ｂ、８０ｃ、８２ｃに共通する磁場は、各々が長方形である４つの磁石７４ａ、７４ｂ、７４ｃ、７４ｄを用いて発生される。２つの磁石７４ａ、７４ｃまたは７４ｂ、７４ｄは、各々、その狭い方の側面で対面される。磁石７４ａ、７４ｂ、７４ｃ、７４ｄは、平面図において、上側面１１６上に十字を形成する。好適な実施形態例では、各磁石７４のＮ−Ｓ軸１２２は、コンポーネントサポート１１２の上側面１１６上のセンサ８０ａ、８２ａ、８０ｂ、８２ｂによってスパンされる測定平面に平行して存在する。何れの場合も、結果的に生じる共通磁場は、面１１６に沿った回転の間に等しい磁極同士が対面されるか、異なる磁極同士が対面されるかに依存して異なる。

図８は、上側面１１６上の平面図における、磁石７４のＮ極とＳ極とが周方向に交互する場合の、すなわち何れにしても表面１１６に沿ってＮ極とＳ極とがお互いに対面する場合のセンサ組立体１１０の共通磁場１２４を示す。これに対して図９は、上側面１１６に沿って等しい磁極同士がお互いに対面する場合のセンサ組立体１１０の共通磁場１２６を示す。双方の場合で、共通磁場は、上側面１１６に対して垂直な仮想回転軸を中心として回転対称性であるという結果となる。したがって、共通磁場１２４、１２６は、各々、どちらも効果的には地球の重力に対して垂直である（したがって、典型的にはスタイラスの移動のｘ軸およびｙ軸を表す）直交する２つの空間方向におけるスタイラスの偏位を決定することに最適である。双方の磁場変動は、磁場センサ８０ａ、８０ｂ、８２ａ、８２ｂのエリア内に極端に曲がったラインコースを有し、これにより、高精度の位置決定が可能にされる。

図７から分かるように、コンポーネントサポート１１２は、中心に略十字形の収納部１２８を備え、この中に、十字形に配置される磁石７４ａ、７４ｂ、７４ｃ、７４ｄが配置される。磁石は、もう一方のサポート１１４上へ固定され、かつサポート１１４と共に全体としてコンポーネントサポート１１２に対して移動されることが可能である。例示的な実施形態では、さらなるサポート１１４が、磁石７４によってロッド６８上へ固定されることが可能であるのに対して（図２参照）、コンポーネントサポート１１６は、プローブヘッドベース５２へ結合される。プローブヘッドのベースに対してスタイラス２２が偏位すると、センサペアに対する共通磁場１２４または１２６の位置が変化する。磁場の個々の実際の位置、よってスタイラス２２の実際の位置は、センサペアによって３つの空間方向において決定されることが可能である。

図７に示されている例示的な実施形態の位置変形例では、コンポーネントサポート１１２は、上側面１１６および下側面１１８の双方に、センサペア８０ａ、８２ａおよび８０ｂ、８２ｂが嵌め込まれる（本明細書には図示されていない）。この変形例において、コンポーネントサポート１１２の厚さｄは、上側面１１６上のセンサペアおよび下側面１１８上のセンサペアが２つの相互に平行するがお互いに距離ｄで分離された測定平面を形成する類の大きさであるように選択され、距離ｄは、ｘ軸およびｙ軸を中心とするコンポーネントサポート１１２の傾斜をこれらの平行する測定平面からのセンサ信号を用いて決定できるのに十分な大きさである。この場合、ｘ軸およびｙ軸は、２つの測定平面に平行して延びる。ｚ軸を中心とするコンポーネントサポート１１２の回転は、効果的には、図５による減算器９８によって決定される。

全ての好適な実施形態例において、コンポーネントサポート１１２は、熱的に安定した材料、すなわち熱膨張係数が低い材料より成る。例示的な実施形態によっては、コンポーネントサポート１１２上へ温度センサ１３０が配置される。温度センサ１３０を使用すれば、座標測定機１０の評価および制御ユニット３４またはセンサ組立体１１０における信号処理ユニットは、既知の温度係数を使用して磁場１２４、１２６に対するコンポーネントサポート１１２の熱誘導の位置変化を補正することにより、温度補償を実行することができる。

他の例示的な実施形態では、センサペアの共通センサ信号９４が、基準温度で決定され、かつ評価ユニットのメモリに基準値として提供されることから、センサ組立体１１０は、温度センサ１２６なしに実装されることが可能である。実際の測定を実行する前に、評価ユニットは、コンポーネントサポート１１２がその静止位置にある間に、まずセンサペアの共通センサ信号を決定する。温度補償用の補正値は、実際に決定されるセンサ信号と、基準温度におけるセンサ信号との差から決定される。例示的な実施形態によっては、前記温度補償は、座標測定機１０の評価および制御ユニット３４において行われる。評価ユニット３４は、必然的に温度補正ステージを備える。他の例示的な実施形態では、温度補正ステージをコンポーネントサポート１１２上へ集積化することができる。

Claims (13)

1. 第２の部分（７８；１１２）に対する第１の部分（７６；１１４）の空間位置を決定するためのセンサ組立体であって、
   前記第１の部分（７６；１１４）上へ配置され、かつ前記第２の部分（７８；１１２）まで広がる共通磁場（７５；１２４；１２６）を発生する少なくとも１つの磁石（７４）を備え、
   かつ前記第２の部分（７８；１１２）上にお互いに空間距離（８４）を隔てて配置され、かつ各々が前記共通磁場（７５；１２４；１２６）に依存する出力信号（８６，８８）を生成する第１の磁場センサ及び第２の磁場センサ（８０，８２）を備え、
   前記少なくとも１つの磁石（７４）は、前記第１及び第２の磁場センサ（８０，８２）間の前記空間距離（８４）により定義される間隔で位置決めされ、
   前記第１及び第２の磁場センサ（８０，８２）の前記出力信号（８６，８８）は、定義された測定軸（９６）に沿った前記第２の部分（７８；１１２）に対する前記第１の部分（７６；１１４）の前記空間位置に依存する共通センサ信号（９４，１００）を形成するために結合され、
   前記少なくとも１つの磁石（７４）のＮ−Ｓ軸が、前記第１及び第２の磁場センサ（８０，８２）間において前記測定軸（９６）の方向に沿うように配置され、
   前記定義される測定軸（９６）は、前記Ｎ−Ｓ軸と前記空間距離（８４）の方向軸とを含む平面における二次元位置を前記空間位置として決定するために、前記空間距離（８４）を横断して延び、かつ前記第１及び第２の磁場センサ（８０，８２）の前記出力信号（８６，８８）は、前記個々の磁場センサ（８０，８２）のロケーションにおける磁場方向を実質的に表現することを特徴とするセンサ組立体。
2. 前記共通センサ信号（９４）を提供するために、前記第１および第２の磁場センサ（８０，８２）の前記出力信号（８６，８８）を加算する加算器（９２）を特徴とする、請求項１に記載のセンサ組立体。
3. 前記共通センサ信号（１００）を提供するために、前記第１および第２の磁場センサ（８０，８２）の前記出力信号（８６，８８）間の差を形成する減算器（９８）を特徴とする、請求項１または２に記載のセンサ組立体。
4. 前記磁場センサ（８０，８２）は、各々、前記磁場方向に依存して変化する電気抵抗を含むことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセンサ組立体。
5. 前記第１および第２の磁場センサ（８０，８２）は、各々、各々が前記個々の磁場センサ（８０，８２）のロケーションにおける前記磁場方向に正弦波的または余弦波的に依存する瞬時値を有する、２つの異なるアナログ出力信号（８６ａ，８６ｂ，８８ａ，８８ｂ）を生成することを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセンサ組立体。
6. 第１のペアと第２のペアとを形成する少なくとも４つの磁場センサ（８０ａ，８０ｂ，８２ａ，８２ｂ）を特徴とし、各ペアは、第１および第２の磁場センサを有し、各ペアは、少なくとも２つの相互に直交する測定軸（９６ａ，９６ｂ）のうちの一方に関連する共通センサ信号（９４，１００）を生成することを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のセンサ組立体。
7. 前記第２の部分は、前記ペアの前記磁場センサ（８０，８２）がその上に共通して配置されるコンポーネントサポート（１１２）を備えることを特徴とする、請求項６に記載のセンサ組立体。
8. 前記コンポーネントサポート（１１２）は、中央に、前記少なくとも１つの磁石（７４）が配置される収納部（１２８）を備えることを特徴とする、請求項７に記載のセンサ組立体。
9. 前記収納部（１２８）内に配置され、かつ共通磁場（１２４；１２６）を発生する複数の磁石（７４ａ，７４ｂ，７４ｃ，７４ｄ）を特徴とする、請求項８に記載のセンサ組立体。
10. 前記コンポーネントサポート（１１２）は、上側面（１１６）と下側面（１１８）とを備え、これらの各々の上に第１および第２の磁場センサ（８０，８２）が配置されることを特徴とする、請求項７乃至９のいずれか１項に記載のセンサ組立体。
11. 前記出力信号（８６，８８）から前記第２の部分（７８；１１２）に対する前記第１の部分（７６；１１４）の熱誘導位置変化を決定するように設計される温度補正ステージ（３４）を特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のセンサ組立体。
12. プローブヘッドベース（５２）と前記プローブヘッドベース（５２）へ可動式に取り付けられるセンシング素子（２２）とを備える座標測定機のためのプローブヘッドであって、前記プローブヘッドベース（５２）に対する前記センシング素子（２２）の実際の位置を決定するための請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のセンサ組立体（１１０）を備えるプローブヘッド。
13. 第２の部分（７８；１１２）に対する第１の部分（７６；１１４）の空間位置を決定するための方法であって、
    − 前記第１の部分（７６；１１４）上へ、少なくとも１つの磁石（７４）を、前記磁石（７４）が前記第２の部分（７８；１１２）まで広がる共通磁場（７５；１２４；１２６）を発生するように、配置するステップと、
    − 前記第２の部分（７８；１１２）上へ、第１及び第２の磁場センサ（８０，８２）をお互いに空間距離（８４）を隔てて配置するステップであって、前記少なくとも１つの磁石（７４）は、前記第１及び第２の磁場センサ（８０，８２）間の前記空間距離（８４）により定義される間隔で位置決めされるステップと、
    − 前記第１の磁場センサ（８０）から第１の出力信号（８６）を受信し、かつ前記第２の磁場センサ（８２）から第２の出力信号（８８）を受信するステップであって、前記第１及び第２の出力信号（８６，８８）は、前記共通磁場（７５；１２４；１２６）における前記個々の磁場センサ（８０，８２）のセンサ位置に依存するステップと、
    − 前記第１及び第２の磁場センサ（８０，８２）の前記出力信号（８６，８８）を結合して共通センサ信号（９４）を形成することにより、定義された測定軸（９６）に沿った前記第２の部分（７８；１１２）に対する前記第１の部分（７６；１１４）の前記空間位置に依存する共通センサ信号（９４）を決定するステップと、を含み、
    前記少なくとも１つの磁石（７４）のＮ−Ｓ軸が、前記第１及び第２の磁場センサ（８０，８２）間において前記測定軸（９６）の方向に沿うように配置され、前記定義される測定軸（９６）は、前記Ｎ−Ｓ軸と前記空間距離（８４）の方向軸とを含む平面における二次元位置を前記空間位置として決定するために、前記空間距離（８４）を横断するように選択され、かつ前記第１および第２の磁場センサ（８０，８２）の前記出力信号（８６，８８）は、前記個々の磁場センサ（８０，８２）のロケーションにおける磁場方向を実質的に表現することを特徴とする方法。

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