JP6216400B2

JP6216400B2 - 測定プローブ

Info

Publication number: JP6216400B2
Application number: JP2016036472A
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: 2017-10-18
Anticipated expiration: 2036-02-26
Also published as: EP3211362B1; US10393495B2; JP2017151068A; US20170248400A1; EP3211362A1; CN107131861B; CN107131861A

Description

本発明は、測定プローブに係り、特に、簡易的な構造でありながら高い測定感度を確保可能な測定プローブに関する。

被測定物の表面に接触して、被測定物の表面の形状を測定する測定装置は、例えば、三次元測定機などが知られている。三次元測定機では、被測定物に接触してその表面形状を検出するための測定プローブが使用されている（特許文献１）。特許文献１で示す測定プローブは、被測定物（の表面）と接触する接触部を有するスタイラスと、接触部の移動を検出可能な検出素子と、を備える。特許文献１においては、スタイラスに成形された検出素子支持部に検出素子が固定され、検出素子支持部の変形で生じる検出素子の歪みで生じる出力に基づいて、タッチ信号（接触感知信号）を出力するようにしている。即ち、特許文献１においては、測定プローブを簡易的な構造で実現している。

特開平１０―２８８５０２号公報

しかしながら、特許文献１では、検出素子支持部の剛性が高いために、測定力が低いと検出素子支持部の変形量が少なく検出素子から十分な出力を得ることが困難となるおそれがあった。

本発明は、前記の問題点を解決するべくなされたもので、簡易的な構造でありながら高い測定感度を確保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、該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、を備える測定プローブであって、前記プローブハウジングの軸方向に配置され前記スタイラスの姿勢変化を許容する複数の支持部材と、該複数の支持部材を連結する連結シャフトと、を備え、該複数の支持部材のうちで、前記接触部に前記軸方向と直交する方向から測定力を加えた際に前記スタイラスに生じる回転の回転中心位置から最も離れた支持部材に前記検出素子が配置され、該支持部材の歪み量が該検出素子で検出され、前記回転中心位置から最も離れた支持部材の剛性が、残りの支持部材の剛性よりも低くされたことにより、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、前記スタイラスを、前記プローブハウジングに対して、前記連結シャフトと一体的に変位可能としたものである。

本願の請求項３に係る発明は、前記スタイラスを、前記連結シャフトに対して、前記プローブハウジングと一体的に変位可能としたものである。

本願の請求項４に係る発明は、前記軸方向の剛性と該軸方向に直交する方向の剛性とを同一としたものである。

本願の請求項５に係る発明は、前記軸方向に直交する方向において、前記複数の支持部材で支持されると共に先端に前記接触部が一体とされた部材の剛性を、前記回転中心位置から最も離れた支持部材の剛性よりも高くしたものである。

本願の請求項６に係る発明は、前記複数の支持部材のうちで、前記回転中心位置から最も離れた支持部材を、前記接触部に最も近く配置したものである。

本願の請求項７に係る発明は、前記複数の支持部材がそれぞれ、３以上の変形可能な腕部を備える回転対称形状であり、該３以上の腕部を同一平面上に成形したものである。

本願の請求項８に係る発明は、前記複数の支持部材のうちで少なくとも前記検出素子を支持する支持部材が、前記腕部を４の倍数で備えるようにしたものである。

本願の請求項９に係る発明は、前記支持部材が、前記腕部に加え、前記連結シャフトに接続される中心部と、該中心部と前記腕部で連結され前記プローブハウジングに接続される周辺部と、を備え、前記検出素子を、前記腕部の中央に対して周辺部側に配置したものである。

本願の請求項１０に係る発明は、更に、前記腕部が、周辺部側に中心部側よりも幅の狭い狭小部を備えるようにしたものである。

本願の請求項１１に係る発明は、前記検出素子の端子部を、該検出素子の検出部よりも前記腕部の中心部側に配置したものである。

本願の請求項１２に係る発明は、前記検出素子の出力を処理する信号処理回路を、前記複数の支持部材全てに対して、反スタイラス側に配置したものである。

本願の請求項１３に係る発明は、前記軸方向における前記複数の支持部材と前記スタイラスとの間に、所定の測定力よりも大きな力が加わった場合に該スタイラスの位置を変化させ、該大きな力が消失した際には自動的に該スタイラスの位置を復元するオーバートラベル機構を備えたものである。

本願の請求項１４に係る発明は、前記複数の支持部材のうちの少なくとも１つの支持部材の両面にそれぞれ対峙する対峙部を前記プローブハウジングに一体的に設けたものである。

本願の請求項１５に係る発明は、前記複数の支持部材全てに対してスタイラス側であって前記プローブハウジングと一体とされ、且つ前記接触部を支持する部材に対峙して配置される壁部材と、該接触部を支持する部材との間の少なくとも一部の隙間に粘性材料あるいは弾性材料を充填したものである。

本願の請求項１６に係る発明は、前記検出素子を、２以上の前記支持部材にそれぞれ配置したものである。

本願の請求項１７に係る発明は、前記検出素子を、歪みゲージとしたものである。

本発明によれば、簡易的な構造でありながら高い測定感度を確保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の測定プローブの断面の一部を示す模式図図２の測定プローブの構成を示すブロック図図２の測定プローブに用いられる支持部材及び検出素子の一例を示す模式図図２の測定プローブの２つの支持部材の関係を示す模式図（測定力のない状態の図（Ａ）、軸方向に直交する方向の測定力のある状態の図（Ｂ））本発明に係る測定プローブの概略断面図（第１実施形態の図（Ａ）、第２実施形態の図（Ｂ））本発明に係る測定プローブに係る模式図（検出素子の位置が異なる第３実施形態の図（Ａ）、支持部材の形状が異なる第４実施形態の図）

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６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、を備えている。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（即ち、信号処理回路３２０は、支持部材３２２、３２４全てに対して、反スタイラス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、図３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（つまり、支持部材３２２の両面にそれぞれ対峙する対峙部３１２Ｃ、３１４Ｂがプローブハウジング３０６に一体的に設けられている構成である）。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。つまり、下部部材３１６は、図２に示す如く、２つの支持部材３２２、３２４全てに対してスタイラス側であってプローブハウジング３０６と一体とされ、且つ接触部３６２を支持するフランジ部材３２８に対峙して配置されている構成である。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４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（つまり、測定プローブ３００は、タッチ信号プローブとして機能する）。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。信号処理回路３２０は、例えば、フレキシブルなプリント配線基板で互いに電気的に接続された３つの回路基板で構成できる。

支持部材３２２、３２４は、図２、図３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４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５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。なお、中心部３２４Ａの斜線塗り潰し部分が連結シャフト３２６に接する部分である。また、周辺部３２４Ｃの斜線塗り潰し部分がプローブハウジング３０６の固定部材３１４に接する部分である。

検出素子３２５は、図５に示す如く、例えば貼付けタイプの歪みゲージであり、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部３２５Ａと、検出部３２５Ａの信号を外部に取り出すための端子部３２５Ｂと、を備える。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。支持部材３２４は、接触部３６２がＸＹ方向に変位した際には腕部３２４Ｂは径方向で一様に歪むが、接触部３６２がＺ方向に変位した際には腕部３２４Ｂは中心部３２４Ａ近辺と周辺部３２４Ｃ近辺とで、歪みが大きくなる。ここで、固定部材３１４には、上述した凹部３１４Ｃが各腕部３２４Ｂの周辺部３２４Ｃ近辺に対応して設けられている。これにより、検出素子３２５はそれぞれ、固定部材３１４に接触することなく、腕部３２４Ｂの中央に対して周辺部側に配置されている。そして、検出部３２５Ａが腕部３２４Ｂの中央に対して周辺部側に配置され、端子部３２５Ｂが検出部３２５Ａよりも腕部３２４Ｂの中心部側に配置されている。このため、端子部３２５Ｂは、図５の破線で示す円環形状のフレキシブル基板ＦＳに電気的に容易に接続可能となっている。なお、このフレキシブル基板ＦＳは、例えば固定部材３１４と連結シャフト３２６との間の径方向空隙に浮いた状態（腕部に非接触とされた状態）で配置されている。

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、図３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（つまり、フランジ部材３２８は、接触部３６２を支持する部材であり、スタイラス３３６がプローブハウジング３０６に対して、連結シャフト３２６と一体的に変位可能とされている構成である）。ここで、下部部材３１６の対峙面３１６Ｂとフランジ部材３２８の対峙面３２８Ｂ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。ここでの「充填」は、ＸＹ方向の少なくとも一か所で下部部材３１６とフランジ部材３２８との間に粘性材料ＶＭが隙間なく配置されることで満たされるとする（必ずしも軸対称で、充填される必要はない）。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。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（つまり、オーバートラベル機構３３４は、軸方向Ｏにおける２つの支持部材３２２、３２４とスタイラス３３６との間に備えられている）。なお、本実施形態では、軸方向Ｏに直交する方向において、２つの支持部材３２２、３２４で支持されると共に先端に接触部３６２が一体とされた部材（連結シャフト３２６、フランジ部材３２８、オーバートラベル機構３３４、及びスタイラス３３６）の剛性は、支持部材３２４の剛性よりも高くされている。

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（所定の測定力）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、回転中心位置ＲＣについて、図６（Ａ）、（Ｂ）を用いて説明する。なお、図６（Ａ）、（Ｂ）は、支持部材３２２、３２４とスタイラス３３６との関係に着目した測定プローブ３００の模式図である。なお、符号Ｄｃは圧縮歪み、符号Ｄｅは引っ張り歪みを示している。

回転中心位置ＲＣは、支持部材３２２と支持部材３２４との剛性比で、ほぼ定まる構成となっている。ここで、図４に示す如く、支持部材３２２の腕部の幅は、支持部材３２４の腕部３２４Ｂの幅よりも広くされている。このため、支持部材３２４の剛性は、支持部材３２２の剛性よりも低くされている。即ち、接触部３６２に測定力Ｆのかかっていない状態（図６（Ａ））において、接触部３６２に軸方向Ｏと直交する方向から測定力Ｆを加えた際にスタイラス３３６に生じる回転の回転中心位置ＲＣは、軸方向Ｏで支持部材３２４よりも支持部材３２２に近くなる（つまり、２つの支持部材３２２、３２４のうちで、回転中心位置ＲＣから最も離れているのが支持部材３２４であり、その支持部材３２４に検出素子３２５が配置されている構成である。そして、２つの支持部材３２２、３２４のうちで、支持部材３２４が、接触部３６２に最も近く配置されている構成である）。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。また、回転中心位置ＲＣは、支持部材３２２と支持部材３２４との剛性比で一義的に求めてもよいが、スタイラス３３６の曲がりを加味して、回転中心位置ＲＣを求めてもよい。

このように、本実施形態では、支持部材３２４の剛性を支持部材３２２の剛性よりも低くすることで、２つの支持部材３２２、３２４のうちで、支持部材３２４を回転中心位置ＲＣから最も離して、その支持部材３２４に検出素子３２５を配置している。このため、検出素子３２５の歪みが大きくなるので、高感度の検出が可能である。なお、これに限らず、２つの支持部材の剛性の違いで、回転中心位置ＲＣを定めなくてもよい。あるいは、支持部材は２つではなく、３つ以上であってもよい。

また、本実施形態では、スタイラス３３６がプローブハウジング３０６に対して、連結シャフト３２６と一体的に変位可能とされている。このため、スタイラス３３６と一体とされる部材の体積が少ないので、共振周波数を高くでき、高速測定が可能である。

また、本実施形態では、軸方向Ｏの剛性と軸方向Ｏに直交する方向の剛性とを同一とすることが可能である。例えば、支持部材３２２のＺ方向の剛性と支持部材３２４のＸＹ方向の剛性とを互いに調整することで実現することができる。この場合には、ＸＹＺの３方向のどの方向においても、同一の力で、同一の撓み量を容易に実現できるので、全ての方向に対して同一の測定力Ｆを及ぼし同一の撓み量を得ることができる。つまり、タッチ信号Ｓｏｕｔの出力時の変位を方向に関わらず同一とすることができ、測定結果に方向依存性が出ることを容易に防止できる。同時に、タッチ信号Ｓｏｕｔの出力しきい値を調整することで、剛性の違う材質の被測定物の測定結果の直接比較も可能となる。例えば、樹脂製のモックアップと金属製の量産金型品などの比較が可能となる。なお、これに限らず、２つの支持部材の剛性がそれぞれ軸方向Ｏの剛性と軸方向Ｏに直交する方向の剛性とで異なっていてもよい。

また、本実施形態では、軸方向Ｏに直交する方向において、２つの支持部材３２２、３２４で支持されると共に先端に接触部３６２が一体とされた部材（連結シャフト３２６、フランジ部材３２８、オーバートラベル機構３３４、及びスタイラス３３６）の剛性が、回転中心位置ＲＣから最も離れた支持部材３２４の剛性よりも高くされている。このため、スタイラス３３６の撓みよりも支持部材３２４の撓みが大きいので、スタイラス３３６の変位に対して、検出素子３２５での検出量が大きくなる。即ち、より高感度に測定が可能である。なお、これに限らず、軸方向Ｏに直交する方向において、２つの支持部材で支持され接触部まで一体とされた部材の剛性が、回転中心位置ＲＣから最も離れた支持部材の剛性よりも低くされていてもよい。

また、本実施形態では、２つの支持部材３２２、３２４のうちで、回転中心位置ＲＣから最も離れた支持部材３２４が、接触部３６２に最も近く配置されている。即ち、回転中心位置ＲＣよりもスタイラス側に検出素子３２５が配置されているので、検出誤差の低減が可能で、低ノイズ・高感度化が可能である。

また、本実施形態では、２つの支持部材３２２、３２４はそれぞれ、４つの変形可能な腕部を備える回転対称形状であり、４つの腕部は同一平面上に成形されている。このため、腕部が３つである場合に比べ検出素子３２５からの出力信号の信号処理でＸＹＺの３軸成分に容易に分離でき、且つスタイラス３３６の軸周りの感度を等方的にすることができる。同時に、腕部が同一平面上なので、スタイラス３３６を支持する腕部同士が突っ張り合うことになり、測定プローブ３００が横方向にされても、接触部３６２の垂れを低減することができる。なお、これに限らず、支持部材は、３以上の変形可能な腕部を備える回転対称形状であってもよい。回転対称形状であることで、相応に検出素子の出力の演算が容易である。しかし、支持部材が、３以上の変形可能な腕部を備えていなくてもよいし、腕部が同一平面上に成形されなくてもよい。勿論、２つの支持部材の腕部の数が異なっていてもよい。また、少なくとも検出素子を支持する支持部材だけが、腕部を４の倍数で備えてもよい。この場合、ＸＹＺの３方向への歪みを容易に分離演算することができる。

また、本実施形態では、検出素子３２５が腕部３２４Ｂの中央に対して周辺部側に配置されている。腕部３２４Ｂの歪みは全体的に均一ではなく、特に軸方向Ｏに接触部３６２が移動した際には、周辺部３２４Ｃに接続される端部と中心部３２４Ａに接続される端部で大きな歪みが生じる。周辺部３２４Ｃと中心部３２４Ａとはともにしっかりと支持される必要があるが、周辺部３２４Ｃは、中心部３２４Ａと異なり支持される面積が広い。このため、凹部３１４Ｃを設けたことにより周辺部３２４Ｃを支持するプローブハウジング３０６（の固定部材３１４）の部分が少なくなっても、支持部材３２４を固定する力に影響が出にくい。即ち、本実施形態における検出素子３２５の配置であっても、支持部材３２４によるスタイラス３３６の支持を安定して確保でき、且つ歪みを効果的に検出することができる。なお、これに限らず、検出素子の配置は、腕部全体を覆ってもよいし、中心部側であってもよい。

また、本実施形態では、前記検出素子３２５の端子部３２５Ｂは、該検出素子３２５の検出部３２５Ａよりも前記腕部３２４Ｂの中心部側に配置されている。このため、端子部３２５Ｂに接続され、信号処理回路３２０に至る配線基板も径方向で、固定部材３１４と連結シャフト３２６と間の空隙に配置することができる。このため、検出素子３２５からの出力を得るための配線を気にすることなく、プローブハウジング３０６の大きさ及び連結シャフト３２６の大きさを最適にすることができる。なお、これに限らず、検出素子の端子部が、検出素子の検出部よりも周辺部側に配置されていてもよい。

また、本実施形態では、信号処理回路３２０が２つの支持部材３２２、３２４全てに対して、反スタイラス側に配置されている。このため、支持部材３２２、３２４の間隔を短くできるので、軽量でありながら、信号処理回路３２０を支持する部材（回路配置部３１０、下フランジ３１２）の剛性を高くすることができる。同時に、信号処理回路３２０で発生する熱を、支持部材３２２、３２４のみならずスタイラス３３６へ伝わりにくくすることが容易である。つまり、支持部材の間に信号処理回路を配置させる場合に比べて、タッチ信号Ｓｏｕｔの出力を高精度・高安定化できる。なお、これに限らず、信号処理回路が２つの支持部材全てに対して、反スタイラス側に配置されていなくてもよい。

また、本実施形態では、軸方向Ｏにおける２つの支持部材３２２、３２４とスタイラス３３６との間に、オーバートラベル機構３３４を備える。このため、２つの支持部材３２２、３２４への過大な力が直接的にかかることを防止しながら、迅速な測定を実現することができる。特に、オーバートラベル機構３３４が、スタイラスモジュール３０４の中に設けられているので、オーバートラベル機構３３４が働く前に、スタイラスモジュール３０４がプローブ本体３０２から離脱してしまうような誤動作を低減することが可能である。なお、これに限らず、オーバートラベル機構３３４は、２つの支持部材とスタイラスとの間に備えなくてもよい。そしてその分、測定プローブ３００を軽量化することも可能である。

また、本実施形態では、２つの支持部材３２２、３２４のうちの支持部材３２２の両面にそれぞれ対峙する対峙部３１２Ｃ、３１４Ｂがプローブハウジング３０６に一体的に設けられている。このため、支持部材３２２の変位を確実に弾性変形の範囲内に抑えることで、同時に支持部材３２４の破損・変形も防止することができる。なお、これに限らず、このような対峙部は全ての支持部材に対して設けられていてもよいし、全くなくてもよい。

また、本実施形態では、２つの支持部材３２２、３２４全てに対してスタイラス側であってプローブハウジング３０６と一体とされ、且つ接触部３６２を支持するフランジ部材３２８に対峙して配置される下部部材３１６と、フランジ部材３２８との間の少なくとも一部の隙間に粘性材料ＶＭが充填されている。このため、スタイラス３３６の変位をダンピングできるようになり、スタイラス３３６の移動時の出力の誤作動を低減できる。また、粘性材料ＶＭが充填される位置が２つの支持部材３２２、３２４の外側にある。このため、支持部材３２２、３２４の取り外しなどを行わなくても、粘性材料ＶＭが充填でき、その充填量を変更・調整できる。即ち、粘性材料ＶＭの充填工程があっても、測定プローブ３００の製造工程が複雑化することを防止でき、且つ測定プローブ３００を製造後であっても容易に再充填できるのでダンピング特性を容易に調整可能である。同時に、粘性材料ＶＭは下部部材３１６とフランジ部材３２８との間に充填され、回路配置部３１０からは離れているので、粘性材料ＶＭが仮に飛散しても、粘性材料ＶＭが信号処理回路３２０に付着して回路汚染をしてしまうおそれはない。なお、これに限らず、粘性材料ＶＭが充填される位置が、２つの支持部材全てに対してスタイラス側でなくてもよいし、粘性材料ＶＭが全く充填されていなくてもよい。また、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。この場合には、粘性材料ＶＭのように飛散する心配がなく、ダンピングを行うことが可能である。

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、簡易的な構造でありながら高い測定感度を確保可能である。

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、スタイラス３３６が、プローブハウジング３０６に対して、連結シャフト３２６と一体的に変位可能とされていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図７（Ｂ）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実施形態とはプローブハウジングと連結シャフトとスタイラスとの間の接続関係が異なるだけなので、その部分だけの概略断面図を図７（Ｂ）に示し、その他の構成については説明を省略する。なお、図７（Ａ）の概略断面図が、第１実施形態を示している。

第２実施形態では、図７（Ｂ）に示す如く、スタイラス４３６が、連結シャフト４２６に対して、プローブハウジング４０６と一体的に変位可能とされている。つまり、連結シャフト４２６がスピンドルに固定的に支持され、プローブハウジング４０６と一体とされたスタイラス４３６は連結シャフト４２６に対して、支持部材４２２、４２４により変位可能とされている。このため、スタイラス４３６の共振周波数を低くでき、振動ノイズをカットすることが容易である。

また、第１実施形態では、２つの支持部材３２２、３２４のうちで、回転中心位置ＲＣから最も離れた（検出素子３２５の配置される）支持部材３２４が、接触部３６２に最も近く配置されていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図８（Ａ）に示す第３実施形態の如くであってもよい。第３実施形態では、第１実施形態とは検出素子の配置される支持部材の位置が異なるだけなので、その部分だけの模式図を図８（Ａ）に示し、その他の構成については説明を省略する。

第３実施形態では、図８（Ａ）に示す如く、２つの支持部材７２２、７２４のうち、支持部材７２２の腕部の幅が、支持部材７２４の腕部の幅よりも狭くされている。このため、回転中心位置ＲＣは支持部材７２４に近くなり、支持部材７２２が回転中心位置ＲＣから最も離れている構成となり、ここに検出素子７２５が配置されている。つまり、２つの支持部材７２２、７２４のうちで、回転中心位置ＲＣから最も離れた（検出素子７２５の配置される）支持部材７２２が、接触部７６２に最も遠く配置されている形態である。このため、検出素子７２５に伝わる突発的な歪みは緩和でき、振動ノイズなどの誤検出の可能性を低減することができる。勿論、これに限らず、検出素子が２つの支持部材にそれぞれ配置されていてもよい。その場合には、多数の検出素子の出力を用いることで、測定プローブの高感度化と耐ノイズ性の向上が可能である。

また、第１実施形態では、検出素子の配置される腕部の形状に特徴を備えていなかったが、本発明はこれに限定されない。例えば、図８（Ｂ）に示す第４実施形態の如くであってもよい。第４実施形態では、第１実施形態とは検出素子の配置される腕部の形状が異なるだけなので、その腕部の形状が判別可能な支持部材の模式図を図８（Ｂ）に示し、その他の構成については説明を省略する。

第４実施形態では、図８（Ｂ）に示す如く、検出素子８２５の配置される支持部材８２４の腕部８２４Ｂが、周辺部側に中心部側よりも幅の狭い狭小部８２４ＢＢを備えている。このため、狭小部８２４ＢＢに歪みを集中できるので、そこに配置される検出素子８２５で歪みを高感度且つ高精度に検出することが可能である。

また、上記実施形態では、測定プローブがタッチ信号Ｓｏｕｔを出力する信号処理回路を備えていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、測定プローブは、ＸＹＺの３方向への変位量に応じた変位信号を出力する信号処理回路を備える倣いプローブであってもよい。

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、４０６…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
３１６Ｂ、３２８Ｂ…対峙面
３１８…本体カバー
３２０…信号処理回路
３２２、３２４、４２２、４２４、７２２、７２４、８２４…支持部材
３２４Ａ、８２４Ａ…中心部
３２４Ｂ、８２４Ｂ…腕部
３２４Ｃ、８２４Ｃ…周辺部
３２５、４２５、７２５、８２５…検出素子
３２５Ａ…検出部
３２５Ｂ…端子部
３２６、４２６、７２６…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、７３６…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、７６２…接触部
５００…モーションコントローラ
６００…ホストコンピュータ
８２４ＢＢ…狭小部
Ｄｃ…圧縮歪み
Ｄｅ…引っ張り歪み
Ｆ…測定力
ＦＳ…フレキシブル基板
Ｍｉ１〜Ｍｉ３…絶縁部材
Ｏ…軸方向、軸心
ＲＣ…回転中心位置
Ｓｏｕｔ…タッチ信号
ＶＭ…粘性材料
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、該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、を備える測定プローブであって、
前記プローブハウジングの軸方向に配置され前記スタイラスの姿勢変化を許容する複数の支持部材と、該複数の支持部材を連結する連結シャフトと、を備え、
該複数の支持部材のうちで、前記接触部に前記軸方向と直交する方向から測定力を加えた際に前記スタイラスに生じる回転の回転中心位置から最も離れた支持部材に前記検出素子が配置され、該支持部材の歪み量が該検出素子で検出され、
前記回転中心位置から最も離れた支持部材の剛性は、残りの支持部材の剛性よりも低くされていることを特徴とする測定プローブ。
請求項１において、
前記スタイラスは、前記プローブハウジングに対して、前記連結シャフトと一体的に変位可能とされていることを特徴とする測定プローブ。
請求項１において、
前記スタイラスは、前記連結シャフトに対して、前記プローブハウジングと一体的に変位可能とされていることを特徴とする測定プローブ。
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記軸方向の剛性と該軸方向に直交する方向の剛性とが同一とされていることを特徴とする測定プローブ。
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記軸方向に直交する方向において、前記複数の支持部材で支持されると共に先端に前記接触部が一体とされた部材の剛性は、前記回転中心位置から最も離れた支持部材の剛性よりも高くされてい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、
前記複数の支持部材のうちで、前記回転中心位置から最も離れた支持部材が、前記接触部に最も近く配置されてい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、
前記複数の支持部材はそれぞれ、３以上の変形可能な腕部を備える回転対称形状であり、該３以上の腕部は同一平面上に成形されていることを特徴とする測定プローブ。
請求項７において、
前記複数の支持部材のうちで少なくとも前記検出素子を支持する支持部材は、前記腕部を４の倍数で備えることを特徴とする測定プローブ。
請求項７または８において、
前記支持部材は、前記腕部に加え、前記連結シャフトに接続される中心部と、該中心部と前記腕部で連結され前記プローブハウジングに接続される周辺部と、を備え、
前記検出素子は、前記腕部の中央に対して周辺部側に配置されていることを特徴とする測定プローブ。
請求項９において、更に、
前記腕部は、周辺部側に中心部側よりも幅の狭い狭小部を備えることを特徴とする測定プローブ。
請求項９または１０において、
前記検出素子の端子部は、該検出素子の検出部よりも前記腕部の中心部側に配置されていることを特徴とする測定プローブ。
請求項１乃至１１のいずれかにおいて、
前記検出素子の出力を処理する信号処理回路は、前記複数の支持部材全てに対して、反スタイラス側に配置されていることを特徴とする測定プローブ。
請求項１乃至１２のいずれかにおいて、
前記軸方向における前記複数の支持部材と前記スタイラスとの間に、所定の測定力よりも大きな力が加わった場合に該スタイラスの位置を変化させ、該大きな力が消失した際には自動的に該スタイラスの位置を復元するオーバートラベル機構を備えることを特徴とする測定プローブ。
請求項１乃至１３のいずれかにおいて、
前記複数の支持部材のうちの少なくとも１つの支持部材の両面にそれぞれ対峙する対峙部が前記プローブハウジングに一体的に設けられていることを特徴とする測定プローブ。
請求項１乃至１４のいずれかにおいて、
前記複数の支持部材全てに対してスタイラス側であって前記プローブハウジングと一体とされ、且つ前記接触部を支持する部材に対峙して配置される壁部材と、該接触部を支持する部材との間の少なくとも一部の隙間に粘性材料あるいは弾性材料が充填されていることを特徴とする測定プローブ。
請求項１乃至１５のいずれかにおいて、
前記検出素子は、２以上の前記支持部材にそれぞれ配置されていることを特徴とする測定プローブ。
請求項１乃至１６のいずれかにおいて、
前記検出素子は、歪みゲージであることを特徴とする測定プローブ。