JP6212148B2

JP6212148B2 - 測定プローブ

Info

Publication number: JP6212148B2
Application number: JP2016036473A
Authority: JP
Inventors: 古賀　聡; 聡古賀; 齋藤　章憲; 章憲齋藤; 宏之金森; 栗山　豊; 豊栗山; 修弘石川
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2016-02-26
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2017-10-11
Anticipated expiration: 2036-02-26
Also published as: US10415949B2; CN107131853A; US20170248402A1; EP3211361A1; CN107131853B; EP3211361B1; JP2017151069A

Description

本発明は、測定プローブに係り、特に、高い感度を保ちながら、簡易的な構成で感度の測定方向依存性を低減可能な測定プローブに関する。

従来、特許文献１に示すような測定プローブが提案されている。この測定プローブは、被測定物と接触する接触部を有するスタイラスと、接触部が被測定物に接触したことを検出する検出素子と、を備えている。スタイラスは２つの支持部材で支持されており、そのうちの接触部に近い支持部材は、３つの独立した支持部で構成されており、この支持部それぞれに検出素子が取り付けてある。即ち、この測定プローブでは、スタイラスが２つの支持部材で支持されているので、タッチ信号を高い感度で出力することが可能である。

特表平９−５０７９１８公報

しかしながら、特許文献１の測定プローブでは、検出素子が３つであることから、一定の歪み量に対する検出素子から出力される検出信号には方向依存性がでてしまう。つまり、タッチ信号の感度補正を行うとしても、そのための補正テーブルが必要となり複雑となる。また、補正をしなければ、感度の方向依存性を解消できないおそれがあった。

本発明は、前記の問題点を解決するべくなされたもので、高い感度を保ちながら、簡易的な構成で感度の測定方向依存性を低減可能な測定プローブを提供することを課題とする。

本願の請求項１に係る発明は、被測定物と接触する接触部を有するスタイラスと、前記スタイラスを軸心上に支持可能なプローブハウジングと、該接触部の移動を検出可能な検出素子と、該検出素子の出力を処理する信号処理回路と、を備える測定プローブであって、回転対称形状であって、前記スタイラスの姿勢変化を許容する支持部材を、該プローブハウジングの軸方向に複数備え、該複数の支持部材のうちで、変形可能な腕部を備える少なくとも１つの支持部材に、４つの前記検出素子が４回対称の位置に配置され、前記信号処理回路は、該検出素子の出力を処理して前記接触部の互いに直交する３方向それぞれへの変位成分を示す３つの変位信号を出力する第１処理部と、前記３つの変位信号を合成した合成信号を出力する第２処理部と、該合成信号の信号レベルと所定の基準値とを比較する比較部と、を備え、該合成信号の信号レベルが該所定の基準値以上のときには、タッチ信号が出力され、前記第１処理部は、前記４つの検出素子から出力された４つの出力の全てを加算する第１の加算部と、前記軸心周りに互いに９０度位相が異なる２つの前記検出素子の出力に対してそれぞれ、１８０度位相が異なる該検出素子の出力を減算する減算部と、を備え、前記第２処理部は、前記３つの変位信号をそれぞれ二乗する二乗部と、前記二乗部から出力された二乗信号をすべて加算する第２の加算部と、を備えたことにより、前記課題を解決したものである。

本願の請求項２に係る発明は、前記第２処理部に、更に、前記第２の加算部の出力の平方根を演算して前記合成信号を出力する平方根演算部を備えるようにしたものである。

本願の請求項３に係る発明は、前記第２処理部に、更に、前記３つの変位信号の信号レベルにそれぞれの所定の係数を乗算する乗算部を備えるようにしたものである。

本願の請求項４に係る発明は、前記それぞれの所定の係数を、前記３方向における第１基準値から該第１基準値よりも大きな第２基準値に達した際の前記接触部の変位量の違いを較正するように設定したものである。

本願の請求項５に係る発明は、前記スタイラスを複数用意し、前記所定の係数を、前記スタイラス毎に変更するようにしたものである。

本願の請求項６に係る発明は、前記信号処理回路が、前記比較部の前段に、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、もしくはバンドパスフィルタを備えるようにしたものである。

本願の請求項７に係る発明は、前記信号処理回路が、測定力をかけていない状態の接触部の基準位置から、該接触部に任意の方向で一定の変位且つ一定の測定力がかけられた際に、前記タッチ信号を出力するようにしたものである。

本願の請求項８に係る発明は、前記信号処理回路が、更に、前記接触部が前記軸方向に直交する方向へ測定力を与えた際に、前記スタイラスの撓み量に従い、前記軸方向に直交する変位量を補正するようにしたものである。

本発明によれば、高い感度を保ちながら、簡易的な構成で感度の測定方向依存性を低減可能な測定プローブを実現できる。

本発明の第１実施形態に係る測定プローブを用いた測定システムの一例を示す模式図図１の測定プローブの断面を示す模式図図２の測定プローブの構成を示すブロック図図３の信号処理回路の構成を示すブロック図図４の乗算部の係数の関係を示す模式図本発明の第２実施形態に係る測定プローブの構成を示すブロック図

以下、図面を参照して、本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。

本発明の測定システムに係る第１実施形態について図１〜図５を参照して説明する。

最初に、測定システム１００の全体構成を説明する。

測定システム１００は、図１に示す如く、測定プローブ３００を移動させる三次元測定機２００と、手動操作するジョイスティック１１１を有する操作部１１０と、三次元測定機２００の動作を制御するモーションコントローラ５００と、を備える。また、測定システム１００は、モーションコントローラ５００を介して三次元測定機２００を動作させるとともに三次元測定機２００によって取得した測定データを処理して被測定物Ｗの寸法や形状などを求めるホストコンピュータ６００と、測定条件等を入力する入力手段１２０と、測定結果を出力する出力手段１３０と、を備える。

ここで、三次元測定機２００は、図１に示す如く、測定プローブ３００と、定盤２１０と、定盤２１０に立設されて測定プローブ３００を三次元的に移動させる駆動機構２２０と、駆動機構２２０の駆動量を検出する駆動センサと、を備えている。

次に、測定プローブ３００の概略構成を説明する。

測定プローブ３００は、図２に示す如く、被測定物Ｗと接触する接触部３６２を有するスタイラス３３６と、スタイラス３３６を軸心Ｏ上に支持可能なプローブハウジング３０６と、接触部３６２の軸心Ｏ上からの移動及び軸心Ｏ上での移動を検出可能な検出素子３２５と、検出素子３２５の出力を処理してタッチ信号Ｓｏｕｔを出力する信号処理回路３２０と、を備えている（つまり、測定プローブ３００は、タッチ信号プローブとされている）。なお、スタイラス３３６は、スタイラスモジュール３０４に含まれ、プローブハウジング３０６と検出素子３２５とはプローブ本体３０２に含まれている。プローブ本体３０２は、駆動機構２２０のスピンドル２２４に支持されている、そして、スタイラスモジュール３０４はキネマティックジョイント（後述）で、高い位置再現性で脱着可能にプローブ本体３０２に連結されている。

以下、測定プローブ３００について詳細に説明する。なお、以下の説明のために、図２の紙面上下方向にＺ方向をとり、紙面左右方向にＸ方向をとり、紙面垂直方向にＹ方向をとる。このため、測定プローブ３００の軸心Ｏの方向（軸方向Ｏ）は、Ｚ方向と同一となる。

前記プローブ本体３０２は、図２に示す如く、プローブハウジング３０６と、信号処理回路３２０と、支持部材３２２、３２４と、検出素子３２５と、連結シャフト３２６と、フランジ部材３２８と、永久磁石３３０と、球３３２と、を備える。

プローブハウジング３０６は、図２に示す如く、取り付け部３０８と、回路配置部３１０と、固定部材３１４と、下部部材（壁部材）３１６と、本体カバー３１８と、を備える。

取り付け部３０８は、図２に示す如く、測定プローブ３００の上端部においてスピンドル２２４に取り付けられる部位であり、例えばスピンドル２２４に設けられた嵌合部に挿入される頭部が設けられている。また、取り付け部３０８は、モーションコントローラ５００と電気的接続が可能な一方の接続端子ともされている。そして、取り付け部３０８の軸心Ｏ上には、もう一方の接続端子３０９が設けられている。取り付け部３０８と接続端子３０９とは、絶縁部材Ｍｉ１〜Ｍｉ３により互いに短絡することなく、回路配置部３１０に配置される信号処理回路３２０に接続されている。回路配置部３１０は、取り付け部３０８の下端に配置されている。回路配置部３１０は、円盤形状の上端部３１０Ａと下端に設けられた円盤形状の下フランジ３１２を除いて、軸心Ｏに直交する断面が略三角形形状とされている。その略三角形形状とされた外周に、信号処理回路３２０が配置されている。回路配置部３１０は、支持部材３２２、３２４の上側に配置されている。いわば、回路配置部３１０は、支持部材３２２、３２４に対して反スタイラスモジュール側に配置されている。このため、回路配置部３１０の内部に空隙を設ける必要はなく、回路配置部３１０を高い剛性で成形することができる。回路配置部３１０は、信号処理回路３２０で生じる熱による伸縮を低減するように低膨張材で成形することができる。

下フランジ３１２の下端周辺部３１２Ｂには、図２に示す如く、支持部材３２２を挟んで、固定部材３１４が固定されている。固定部材３１４は、軸心Ｏ上に開口部３１４Ａが設けられた円筒形状とされている。なお、下フランジ３１２の下端周辺部３１２Ｂの径方向内側と、固定部材３１４の内周上端側には、それぞれ対峙部３１２Ｃ、３１４Ｂが設けられている。対峙部３１２Ｃ、３１４Ｂは、支持部材３２２の両面にそれぞれ非接触で対峙している。対峙部３１２Ｃ、３１４Ｂと支持部材３２２との距離は、支持部材３２２の変位を規制して、支持部材３２２が弾性変形の範囲内となるように定められている。

固定部材３１４の下端内面には、４つの凹部３１４Ｃが４回対称で設けられている。そして、固定部材３１４の下端周辺部には、支持部材３２４を挟んで、下部部材３１６が固定されている。下部部材３１６は、円環形状とされている。本体カバー３１８は、円筒形状であり、回路配置部３１０、下フランジ３１２、固定部材３１４、下部部材３１６の外周に、信号処理回路３２０を全て覆うように配置されている。本体カバー３１８は、ボルトで、固定部材３１４に固定されている。

信号処理回路３２０は、図３に示す如く、検出素子３２５の出力を処理して接触部３６２に被測定物Ｗが接触したことを通知するタッチ信号（接触感知信号）Ｓｏｕｔを出力する回路である。簡単に説明すると、信号処理回路３２０は、４つの検出素子３２５の出力からＸＹＺの３方向への撓み量を求め、その３方向への撓み量を合成して、接触部３６２が一定の変位以上となった際に、タッチ信号Ｓｏｕｔを出力する構成となっている（具体的な構成は後述する）。なお、信号処理回路３２０には、温度センサが設けられ、温度センサの出力に応じて、熱で生じる測定プローブ３００の測定誤差を補正するようにしてもよい。

支持部材３２２、３２４は、図２に示す如く、プローブハウジング３０６の軸方向Ｏに配置されスタイラス３３６の姿勢変化を許容する弾性変形可能な部材であり、材質としてはＳＵＳ系など（他の材料でもよい）である。具体的に、支持部材３２２、３２４はそれぞれ、図３に示す如く、周方向（軸心Ｏの周りで）で互いに角度が９０度ずれた位置に全部で４つの変形可能な腕部を備える回転対称形状であり、この４つの腕部は同一平面上に成形されている。支持部材３２２、３２４は、同一の厚みの同様の構造で、互いに腕部の幅が異なるだけである（これに限らず、互いに異なる腕の厚み、長さ、形状とされていてもよいし、支持部材３２２、３２４全体が互いに異なる形状とされていてもよい）。このため、以下では検出素子３２５の配置される支持部材３２４の説明を行い、支持部材３２２についての重複する説明は省略する。なお、支持部材の構造は、本実施形態で示す形状に限定されるものではない。

支持部材３２４は、図３に示す如く、略円板形状の部材であり、矩形状の腕部３２４Ｂに加え、連結シャフト３２６に接続される中心部３２４Ａと、中心部３２４Ａと腕部３２４Ｂで連結されプローブハウジング３０６に接続される周辺部３２４Ｃと、を備える。周辺部３２４Ｃは、支持部材３２４の最外周にあり、腕部３２４Ｂは径方向に直線的に延在して、周辺部３２４Ｃの内側に配置されている。中心部３２４Ａは、腕部３２４Ｂのさらに内側に配置されている。支持部材３２４は、プローブハウジング３０６に対する連結シャフト３２６の変位により、中心部３２４Ａが上下左右に移動し、腕部３２４Ｂが弾性変形する構造となっている。

検出素子３２５は、例えば貼付けタイプの歪みゲージであり、図３に示す如く、検出素子３２５の配置される支持部材３２４の歪み量を検出する。検出素子３２５は、支持部材３２４の腕部３２４Ｂそれぞれに配置されて、例えば接着剤で固定されている。

連結シャフト３２６は、図２、図３に示す如く、略円柱形状とされ、２つの支持部材３２２、３２４を連結している。連結シャフト３２６は、下フランジ３１２、固定部材３１４、及び下部部材３１６とは、２つの支持部材３２２、３２４により、軸心Ｏ上に非接触に保持されている。連結シャフト３２６はフランジ部材３２８を一体的に支持している。

フランジ部材３２８は、図２に示す如く、略円盤形状であり、下部部材３１６と軸方向Ｏで非接触に対峙し、且つ本体カバー３１８と径方向で非接触に対峙している。そして、フランジ部材３２８は、スタイラスモジュール３０４を支持している。ここで、下部部材３１６とフランジ部材３２８との間の少なくとも一部の隙間にグリースオイルなどの粘性材料ＶＭが充填されている。これにより、少なくとも粘性材料ＶＭが下部部材３１６に対するフランジ部材３２８の変位をダンピングし、測定プローブ３００の移動に伴って生じるＸＹ方向及びＺ方向への不要な振動の発生を低減でき、測定プローブ３００の高感度化に伴うノイズの増大を防止することが可能となる。なお、粘性材料ＶＭの代わりに、シリコーンなどのゴム（弾性材料）が使われていてもよい。フランジ部材３２８の下面の軸心Ｏ上には永久磁石３３０が固定され、それを取り囲むようにフランジ部材３２８の下端外周には、周方向で１２０度毎に３つの球３３２が回転対称に配置されている。

前記スタイラスモジュール３０４は、図２に示す如く、オーバートラベル機構３３４と、オーバートラベル機構３３４に支持されるスタイラス３３６と、を備える。

オーバートラベル機構３３４は、図２に示す如く、タッチ信号Ｓｏｕｔを出力する際の測定力Ｆよりも大きな力が加わった場合にスタイラス３３６の位置を変化させ、大きな力が消失した際には自動的にスタイラス３３６の位置を復元する機構である。つまり、オーバートラベル機構３３４は、スタイラス３３６に大きな力が加わった際には、スタイラスモジュール３０４がプローブ本体３０２から外れる前にスタイラス３３６の位置を変化させるように機能する。具体的に、オーバートラベル機構３３４は、フランジ部３３８と、延在部３４４と、スタイラスホルダ３４６と、コイルばね３５０と、備える。

フランジ部３３８は、図２に示す如く、フランジ部材３２８に対応する部材である。即ち、球３３２に接するように、Ｖ溝３４０がフランジ部３３８の周方向で１２０度毎に３つ配置されている。そして、フランジ部３３８には、永久磁石３３０に対向して、永久磁石３３０と引き合う磁性部材（永久磁石でもよい）３４２が配置されている。

ここで、Ｖ溝３４０は、図２に示す如く、対応する球３３２の表面それぞれに接触する。このため、永久磁石３３０と磁性部材３４２とが所定の磁力で引き合った状態では、フランジ部材３２８にフランジ部３３８が６点着座（接触）された状態となる。つまり、高い位置決め精度を実現しながら、フランジ部材３２８とフランジ部３３８とを連結することができる。即ち、フランジ部３３８とフランジ部材３２８とは、脱着可能な連結機構であるキネマティックジョイント（キネマティックカップリングとも称する。以降同じ）を構成している状態である。このキネマティックジョイントにより、プローブ本体３０２とスタイラスモジュール３０４とが脱着を繰り返しても、高い位置決め再現性を実現することが可能である。なお、キネマティックジョイントは、Ｖ溝と球との組み合わせだけでなく、一対のローラと球との組み合わせであってもよい。また、Ｖ溝と球との組み合わせでその順序が逆であってもよい。つまり、６点着座できる構造であれば、Ｖ溝と球との組み合わせに限定されない（以下に示すキネマティックジョイントも同様）。なお、スタイラス３３６に横方向（軸方向Ｏと直交する方向）から大きな力が加わったときには、フランジ部材３２８からスタイラスモジュール３０４が脱落（すべてのＶ溝３４０に球３３２が接触しない状態となった場合だけでなく、一部でのみＶ溝３４０に球３３２が接触しない状態となった場合も含む。以降同じ）をして、プローブ本体３０２の破損を防止することが可能である（このため、永久磁石３３０と磁性部材３４２との引き合う所定の磁力は、上述した大きな力に対応した力とされる。以降同じ）。

延在部３４４は、図２に示す如く、フランジ部３３８の外周に一体とされ、その内側に軸方向Ｏに伸縮可能なコイルばね３５０を収納している。スタイラスホルダ３４６は、延在部３４４の軸方向Ｏ端部に設けられ、ボルトで延在部３４４と接続されている。そして、スタイラスホルダ３４６は、コイルばね３５０で押圧されるスタイラス３３６のフランジ部３５６を、そのコイルばね側上面で、移動可能に支持している。スタイラスホルダ３４６のコイルばね側上面には、球３４８が周方向で１２０度毎に３つ配置されている。そして、フランジ部３５６の下面には、球３４８に対応して、周方向で１２０度毎にＶ溝３５８が３つ設けられている。なお、Ｖ溝３５８の軸方向は、軸心Ｏに向かうほぼ径方向と同一とされている。即ち、スタイラスホルダ３４６とフランジ部３５６とは、上述したキネマティックジョイントを構成している状態と言える。

このため、コイルばね３５０によりフランジ部３５６が所定のばね力で押圧された状態では、スタイラスホルダ３４６にフランジ部３５６が６点着座（接触）された状態となり、一定の位置に位置決めされる。つまり、オーバートラベル機構３３４によって、コイルばね３５０の押圧力を超えない測定力Ｆの範囲では、フランジ部３３８に対するスタイラス３３６の再現性の高い位置決めを実現することができる。そして、スタイラス３３６にコイルばね３５０で与えられる所定のばね力よりも大きな力が加わったときには、スタイラスホルダ３４６からフランジ部３５６が脱落して、プローブ本体３０２からのスタイラスモジュール３０４の脱落を防止することが可能である。本実施形態では、対峙部３１２Ｃ、３１４Ｂがあるので、必ず支持部材３２２は弾性変形の範囲内となるが、コイルばね３５０で与えられる所定のばね力は、支持部材３２２、３２４の弾性変形の範囲を超えるような測定力Ｆよりも小さくされていることが望ましい。

スタイラス３３６は、図２に示す如く、前述したようにスタイラスホルダ３４６に支持されるフランジ部３５６と、フランジ部３５６から軸方向Ｏに延在するロッド部３６０と、ロッド部３６０の先端に設けられた接触部３６２と、を有する。

ロッド部３６０は、図２に示す如く、その基端がフランジ部３５６に取り付けられている。ロッド部３６０の先端には、被測定物Ｗに接触する球形の接触部３６２が設けられている（即ち、スタイラス３３６は被測定物Ｗと接触する接触部３６２を有する）。なお、スタイラス３３６にＸＹ方向への変位がない状態においてスタイラス３３６の中心軸の方向がＺ方向（軸方向Ｏ）となる。

次に、信号処理回路３２０について、図３、図４を用いて説明する。

信号処理回路３２０は、図３に示す如く、第１処理部３６４と、第２処理部３６６と、基準値設定部３７６と、比較部３７８と、を備える。

第１処理部３６４は、図３に示す如く、検出素子３２５の出力を処理して接触部３６２の互いに直交するＸＹＺの３方向それぞれへの変位成分を示す３つの変位信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚを出力する。具体的に、第１処理部３６４は、図４に示す如く、減算部３６４Ｘ、３６４Ｙと、加算部（第１の加算部）３６４Ｚと、を備える。減算部３６４Ｘ、３６４Ｙはそれぞれ、軸心Ｏ周りに互いに角度が９０度異なる位置の２つの検出素子３２５の出力に対してそれぞれ、角度が１８０度異なる位置の（Ｘ方向、Ｙ方向の）検出素子３２５の出力を減算（差分を算出）する。そして、減算部３６４Ｘ、３６４Ｙはそれぞれ、変位信号Ｖｘ、Ｖｙを出力する。加算部３６４Ｚは、４つの検出素子３２５から出力された４つの出力の全てを加算する。そして、加算部３６４Ｚは、変位信号Ｖｚを出力する。

第２処理部３６６は、図３に示す如く、３つの変位信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚを合成した合成信号Ｖｏｕｔを出力する。具体的に、第２処理部３６６は、図４に示す如く、３つの乗算部３６８Ｘ、３６８Ｙ、３６８Ｚと、３つの二乗部３７０Ｘ、３７０Ｙ、３７０Ｚと、加算部（第２の加算部）３７２と、平方根演算部３７４と、を備える。３つの乗算部３６８Ｘ、３６８Ｙ、３６８Ｚは、変位信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚの信号レベルにそれぞれの所定の係数Ｋｘ、Ｋｙ、Ｋｚを乗算し、互いの変位信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚの信号レベルを相対的に変化させる。ここで、それぞれの所定の係数Ｋｘ、Ｋｙ、Ｋｚは、所定の基準値Ｖｓとして第１基準値Ｖｓ１と第２基準値Ｖｓ２に設定した際に、ＸＹＺの３方向における第１基準値Ｖｓ１から第２基準値Ｖｓ２に達した際の接触部３６２の変位量の違いを較正するように設定されている。つまり、この較正で、第１基準値Ｖｓ１から第２基準値Ｖｓ２までの接触部３６２の変化量をＸＹＺの３方向いずれでも同一としている。なお、所定の係数Ｋｘ、Ｋｙ、Ｋｚは、すべて同一となる場合もあるし、２つが同一となる場合もあるし、全てが異なる場合もある。

具体的に、接触部３６２のＸ方向とＺ方向とについて、図５を用いて説明する（Ｙ方向についはＸ方向と同様となるので説明を省略する）。図５では、縦軸が所定の基準値Ｖｓで横軸が接触部３６２の変位Ｄｐを示している。ここでは、実線ＺａｘがＺ方向へ接触部３６２を変位させた際、破線ＸａｘがＸ方向へ接触部３６２を変位させた際、それぞれを示すグラフである。例えば、第１基準値Ｖｓ１から第２基準値Ｖｓ２に達した際の接触部３６２のＺ方向変位量ΔＺとＸ方向変位量ΔＸと、所定の係数Ｋｚ、Ｋｘとは式（１）のような関係を満たしている。

Ｋｚ／Ｋｘ＝Δｚ／Δｘ（１）

なお、スタイラスモジュール３０４に対して脱着可能なスタイラス３３６は複数用意され、所定の係数Ｋｘ、Ｋｙ、Ｋｚは、スタイラス３３６毎に変更される。所定の係数Ｋｘ、Ｋｙ、Ｋｚは、例えば、定盤２１０上に設けられた基準球（基準球ではなく、被測定物Ｗ自身であってもよい）を測定プローブ３００で測定した際に求めて、記憶部（記憶部は信号処理回路３２０、モーションコントローラ５００、あるいはホストコンピュータ６００に備えられていてもよい）に記憶される。勿論、所定の係数Ｋｘ、Ｋｙ、Ｋｚはこの基準球を測定する前にその記憶部に記憶されていてもよい。

３つの二乗部３７０Ｘ、３７０Ｙ、３７０Ｚは、図４に示す如く、３つの乗算部３６８Ｘ、３６８Ｙ、３６８Ｚの出力（変位出力信号Ｖａｘ、Ｖａｙ、Ｖａｚに相当）をそれぞれ二乗する。加算部３７２は、二乗部３７０Ｘ、３７０Ｙ、３７０Ｚから出力された二乗信号Ｖｓｘ、Ｖｓｙ、Ｖｓｚをすべて加算する。そして、平方根演算部３７４は、加算部３７２から出力された平方根を演算して合成信号Ｖｏｕｔを出力する。

基準値設定部３７６は、図３に示す如く、所定の基準値Ｖｓを設定する部分である。所定の基準値Ｖｓは、例えば、入力手段１２０から設定されてもよいし、ホストコンピュータ６００の記憶部に記憶された値から設定されてもよい。

比較部３７８は、図３に示す如く、合成信号Ｖｏｕｔの信号レベルと所定の基準値Ｖｓとを比較し、２値化して出力する。つまり、比較部３７８は、合成信号Ｖｏｕｔの信号レベルが所定の基準値Ｖｓ以上のときには、‘ｈｉｇｈ’信号であるタッチ信号Ｓｏｕｔを出力する。なお、合成信号Ｖｏｕｔまでの信号処理は、アナログ信号処理とデジタル信号処理のいずれの信号処理で回路を構成してもよい。

このように、本実施形態では、検出素子３２５が４回対称で配置されていることで、腕部３２４Ｂに配置された検出素子３２５の出力をＸＹＺの３方向の変位成分で演算することが容易である。同時に、軸心Ｏ周りで測定感度を等方的にすることが容易である。なお、これに限らず、腕部が４つに区別されない一体の円板形状とされていてもよいし、４の倍数、例えば４つだけでなく、８つの腕部を有する回転対称形状の支持部材であってもよい。また、支持部材は、２つではなく、３つ以上であってもよい。なお、検出素子を支持していない支持部材は必ずしも４の倍数の腕部を備える必要はない。また、検出素子を支持する支持部材は２つ以上であってもよい。

また、本実施形態では、具体的に、第１処理部３６４が減算部３６４Ｘ、３６４Ｙと加算部３６４Ｚとを備え、第２処理部３６６が二乗部３７０Ｘ、３７０Ｙ、３７０Ｚと加算部３７２とを備える。このため、簡易的な構成で、信号処理回路３２０がタッチ信号Ｓｏｕｔを出力することができる。なお、これに限らず、第１処理部と第２処理部とが別の構成をとっていてもよい。

また、本実施形態では、第２処理部３６６が、更に、平方根演算部３７４を備える。このため、比較部３７８における所定の基準値Ｖｓを接触部３６２の変位量と同一の次元として想定できるので、所定の基準値Ｖｓの設定が容易である。なお、これに限らず、平方根演算部がなくてもよい。

また、本実施形態では、第２処理部３６６は、更に、乗算部３６８Ｘ、３６８Ｙ、３８６８Ｚを備える。このため、接触部３６２のタッチ信号Ｓｏｕｔが出力されるまでの変位量の方向依存性を低減可能で、ＸＹＺの３方向に等方的な感度を実現することができる。なお、これに限らず、乗算部が一部だけとされてもよいし、全部がなくてもよい。また、必ずしも、乗算部でＸＹＺの３方向に等方的な感度を実現しなくてよい。

しかも、本実施形態では、所定の係数Ｋｘ、Ｋｙ、Ｋｚはそれぞれ、所定の基準値Ｖｓとして第１基準値Ｖｓ１と第２基準値Ｖｓ２を設定した際に、ＸＹＺの３方向における第１基準値Ｖｓ１から第２基準値Ｖｓ２に達した際の接触部３６２の変位量の違いを較正するように設定されている。このため、このような所定の係数Ｋｘ、Ｋｙ、Ｋｚとすることで、ＸＹＺの３方向すべてにおいて一定の変位量で、タッチ信号Ｓｏｕｔを出力することができる。なお、これに限らず、所定の係数Ｋｘ、Ｋｙ、Ｋｚの決め方は他の手法で行ってもよい。

そして、本実施形態では、スタイラス３３６は複数用意され、所定の係数Ｋｘ、Ｋｙ、Ｋｚがスタイラス３３６毎に変更される。このため、長さを含めてスタイラス３３６が異なっても、その特性を補正でき、高感度測定が可能である。なお、これに限らず、スタイラスが複数用意されても、所定の係数Ｋｘ、Ｋｙ、Ｋｚを必ずしも変更しなくてもよい。

また、本実施形態では、検出素子３２５は、貼付けタイプの歪みゲージである。即ち、検出素子３２５を高感度且つ低コストにすることができる。また、検出素子３２５の貼付け位置を容易に調整することができる。そして、検出素子３２５は、過渡的な衝撃力だけを検出するのではなく、撓み量に対応した出力を一定時間安定して出力することができる。このため、仮に検出素子３２５のＸＹＺの３方向の撓み量の出力タイミングがずれても時間的な調整を行う回路を不要とすることができる。なお、これに限らず、検出素子は、腕部に直接蒸着などで成形する歪みゲージやＰＺＴなどであってもよい。

即ち、本実施形態では、高い感度を保ちながら、簡易的な構成で感度の測定方向依存性が低減可能である。

本発明について第１実施形態を挙げて説明したが、本発明は第１実施形態に限定されるものではない。即ち本発明の要旨を逸脱しない範囲においての改良並びに設計の変更が可能なことは言うまでもない。

例えば、第１実施形態では、第２処理部３６６の出力が直接に比較部３７８で、所定の基準値Ｖｓと比較されていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図６に示す第２実施形態の如くであってもよい。第２実施形態では、第１実施形態とは異なり、信号処理回路において、第２処理部と比較部との間にフィルター部を備えているだけなので、フィルター部に係る構成以外は、基本的に符号上位２桁を変更しただけとして説明は省略する。

第２実施形態では、図６に示す如く、信号処理回路４２０がフィルター部４７５を備えている。フィルター部４７５では、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、もしくはバンドパスフィルタを設定できる。ローパスフィルタなら外乱振動によるノイズ、電気的なノイズ、及び自身の移動によるプローブ振動の影響を効果的に除去することができる。また、ハイパスフィルタなら温度等の影響により検出素子４２５の出力が緩やかに変動するような影響及び測定プローブ３００の姿勢（例えば横姿勢）で生じるＤＣ成分に近いノイズの影響を除去することができる。バンドパスフィルタなら上述した領域の影響を除去することができる。なお、フィルター部は、比較部の前段に備えられていれば、これに限定されるものではない。

また、第１実施形態では、タッチ信号Ｓｏｕｔを出力する際に方向依存性をなくすような補正を行うことが可能とされていたが、タッチ信号Ｓｏｕｔを出力する際の測定力Ｆに対して方向依存性については特に意図していない。そこで、例えば、信号処理回路が、測定力Ｆをかけていない状態の接触部の基準位置から、接触部に任意の方向で一定の変位且つ一定の測定力Ｆがかけられた際に、タッチ信号Ｓｏｕｔを出力するようにされていてもよい。その場合には、接触部の力感度を全方向で等しくすることができ、測定の高精度化が可能である。このための補正係数は、例えば定盤上に設けられた基準球を測定プローブで測定した際に求めて、記憶部（記憶部は信号処理回路、モーションコントローラ、あるいはホストコンピュータに備えられていてもよい）に記憶することができる。勿論、この補正係数は基準球を測定する前にその記憶部に記憶されていてもよい。

また、第１実施形態では、タッチ信号Ｓｏｕｔを出力する際であっても、スタイラス３３６の軸と連結シャフト３２６の軸とが一直線上に重ならない状態を想定していない。いわば、スタイラス３３６の曲がりを考慮していないが、本発明はこれに限定されない。例えば、信号処理回路が、接触部が軸方向Ｏに直交する方向へ測定力Ｆを与えた際に、スタイラスの撓み量に従い、軸方向Ｏに直交する変位量を補正するように構成されていてもよい。この場合には、測定プローブにおいて、測定力Ｆをかけた際の撓み量も補正できるので、より方向依存性なくタッチ信号Ｓｏｕｔを出力することができる。このための補正係数も、同様に例えば定盤上に設けられた基準球を測定プローブで測定した際に求めて、記憶部（記憶部は信号処理回路、モーションコントローラ、あるいはホストコンピュータに備えられていてもよい）に記憶することができる。勿論、この補正係数もこの基準球（被測定物Ｗ自身でもよい）を測定する前にその記憶部に記憶されていてもよい。

また、上記実施形態では、信号処理回路が第１処理部と第２処理部とを備えていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、信号処理回路が第２処理部を備えず、第１処理部の出力である変位信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚがそのまま、信号処理回路から出力されてもよい。つまり、測定プローブが上記実施形態で示されたタッチ信号プローブではなく、倣いプローブであってもよい。なお、測定プローブが倣いプローブであっても、第２処理部の乗算部だけを備えて、変位出力信号Ｖａｘ、Ｖａｙ、Ｖａｚを信号処理回路から出力してもよい。あるいは、測定プローブがタッチ信号プローブであっても、上記実施形態を示す図４のように、タッチ信号Ｓｏｕｔと破線で示す変位出力信号Ｖａｘ、Ｖａｙ、Ｖａｚを信号処理回路から出力してもよい。

本発明は、被測定物の三次元形状を測定するため使用される測定プローブに広く適用することができる。その際には、三次元測定機用の測定プローブだけでなく、本発明は、工作機械に使用される測定プローブにも適用可能である。

１００…測定システム
１１０…操作部
１１１…ジョイスティック
１２０…入力手段
１３０…出力手段
２００…三次元測定機
２１０…定盤
２２０…駆動機構
２２１…ビーム支持体
２２２…ビーム
２２３…コラム
２２４…スピンドル
３００…測定プローブ
３０２…プローブ本体
３０４…スタイラスモジュール
３０６…プローブハウジング
３０８…取り付け部
３０９…接続端子
３１０…回路配置部
３１０Ａ…上端部
３１２…下フランジ
３１２Ｂ…下端周辺部
３１２Ｃ、３１４Ｂ…対峙部
３１４…固定部材
３１４Ａ…開口部
３１４Ｃ…凹部
３１６…下部部材
３１８…本体カバー
３２０、４２０…信号処理回路
３２２、３２４、４２２、４２４…支持部材
３２４Ａ…中心部
３２４Ｂ…腕部
３２４Ｃ…周辺部
３２５、４２５…検出素子
３２５Ａ…検出部
３２５Ｂ…端子部
３２６、４２６…連結シャフト
３２８…フランジ部材
３３０…永久磁石
３３２、３４８…球
３３４…オーバートラベル機構
３３６、４３６…スタイラス
３３８、３５６…フランジ部
３４０、３５８…Ｖ溝
３４２…磁性部材
３４４…延在部
３４６…スタイラスホルダ
３５０…コイルばね
３６０…ロッド部
３６２、４６２…接触部
３６４、４６４…第１処理部
３６４Ｘ、３６４Ｙ…減算部
３６４Ｚ、３７２…加算部
３６６、４６６…第２処理部
３６８Ｘ、３６８Ｙ、３６８Ｚ…乗算部
３７０Ｘ、３７０Ｙ、３７０Ｚ…二乗部
３７４…平方根演算部
３７６、４７６…基準値設定部
３７８、４７８…比較部
４７５…フィルター部
５００…モーションコントローラ
６００…ホストコンピュータ
Ｄｐ…変位
Ｆ…測定力
Ｋｘ、Ｋｙ、Ｋｚ…所定の係数
Ｍｉ１、Ｍｉ２、Ｍｉ３…絶縁部材
Ｏ…軸方向、軸心
Ｓｏｕｔ…タッチ信号
Ｖａｘ、Ｖａｙ、Ｖａｚ…変位出力信号
ＶＭ…粘性材料
Ｖｓ…所定の基準値
Ｖｓｘ、Ｖｓｙ、Ｖｓｘ…二乗信号
Ｖｓ１…第１基準値
Ｖｓ２…第２基準値
Ｖｏｕｔ…合成信号
Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ…変位信号
Ｗ…被測定物

Claims

被測定物と接触する接触部を有するスタイラスと、前記スタイラスを軸心上に支持可能なプローブハウジングと、該接触部の移動を検出可能な検出素子と、該検出素子の出力を処理する信号処理回路と、を備える測定プローブであって、
回転対称形状であって、前記スタイラスの姿勢変化を許容する支持部材を、該プローブハウジングの軸方向に複数備え、
該複数の支持部材のうちで、変形可能な腕部を備える少なくとも１つの支持部材に、４つの前記検出素子が４回対称の位置に配置され、
前記信号処理回路は、該検出素子の出力を処理して前記接触部の互いに直交する３方向それぞれへの変位成分を示す３つの変位信号を出力する第１処理部と、前記３つの変位信号を合成した合成信号を出力する第２処理部と、該合成信号の信号レベルと所定の基準値とを比較する比較部と、を備え、
該合成信号の信号レベルが該所定の基準値以上のときには、タッチ信号が出力され、
前記第１処理部は、前記４つの検出素子から出力された４つの出力の全てを加算する第１の加算部と、前記軸心周りに互いに９０度位相が異なる２つの前記検出素子の出力に対してそれぞれ、１８０度位相が異なる該検出素子の出力を減算する減算部と、を備え、
前記第２処理部は、前記３つの変位信号をそれぞれ二乗する二乗部と、前記二乗部から出力された二乗信号をすべて加算する第２の加算部と、を備えることを特徴とする測定プローブ。
請求項１において、
前記第２処理部は、更に、前記第２の加算部の出力の平方根を演算して前記合成信号を出力する平方根演算部を備えることを特徴とする測定プローブ。
請求項１又は２において、
前記第２処理部は、更に、前記３つの変位信号の信号レベルにそれぞれの所定の係数を乗算する乗算部を備えることを特徴とする測定プローブ。
請求項３において、
前記それぞれの所定の係数は、前記３方向における第１基準値から該第１基準値よりも大きな第２基準値に達した際の前記接触部の変位量の違いを較正するように設定されることを特徴とする測定プローブ。
請求項４において、
前記スタイラスは複数用意され、
前記所定の係数は、前記スタイラス毎に変更されることを特徴とする測定プローブ。
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記信号処理回路は、前記比較部の前段に、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、もしくはバンドパスフィルタを備えることを特徴とする測定プローブ。
請求項１乃至６のいずれかにおいて、
前記信号処理回路は、測定力をかけていない状態の接触部の基準位置から、該接触部に任意の方向で一定の変位且つ一定の測定力がかけられた際に、前記タッチ信号を出力することを特徴とする測定プローブ。
請求項１乃至７のいずれかにおいて、
前記信号処理回路は、更に、前記接触部が前記軸方向に直交する方向へ測定力を与えた際に、前記スタイラスの撓み量に従い、前記軸方向に直交する変位量を補正することを特徴とする測定プローブ。